基于La基栅的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于La基栅的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及制作方法，主要解决传统材料介电常数较小，导致栅电容对器件沟道电荷的控制力较弱，对器件跨导的负面影响较强，栅极击穿电压低的问题。其技术方案是改进传统MOS-HEMT中栅介质材料层(5)的结构，该栅介质材料层(5)自下而上包含La基高介电常数薄膜(501)和Al2O3保护层(502)。通过确定淀积Al2O3的循环次数m与淀积La2O3的循环次数n控制La/Al组分比，实现对器件栅结构平带电压的调整。本发明专利技术具有栅介质材料介电常数高，热稳定性好，栅电容控制能力强，栅极击穿电压高的优点，可用于制造高性能MOS-HEMT器件。

【技术实现步骤摘要】
基于“基栅的八16^/(3』高电子迁移率晶体管及制作方法
本专利技术属于半导体材料与器件
，特别涉及一种基于匕基栅介质材料的八异质结高电子迁移率晶体管册II，可用于无线通信和雷达设备的高频大功率电路的核心部分。
技术介绍
^16^/6^高电子迁移率晶体管册II在无线通信和雷达领域有着广阔的应用前景。为了抑制传统肖特基栅极的漏电问题，当前八高电子迁移率晶体管的栅极已引入金属-绝缘体-半导体113结构形成113-11211器件。由于半导体器件的绝缘介质中的一大类是氧化物介质，因此绝缘栅多为金属-氧化物-半导体皿)3结构，即皿)3-册1丁。 现今103-册11的栅介质材料除了采用介电常数为3.9的3102和介电常数为7的81^以外，应用最普遍的是介电常数为9的八1203。但是，随着无线通信和雷达领域的发展，对于功率器件的性能要求也越来越高，上述传统的栅介质由于其介电常数较低，栅电容对器件沟道电荷的控制力较弱，对器件跨导的负面影响较强，亦不利于器件的等比例缩小与性能提升。 另一方面，随着103-11211'器件应用领域的扩大，对于器件的关键参数，如平带电压，饱和漏电流等将有更多样的需求。当前，对于服)3-11211栅介质结构平带电压的调制主要是通过改变八1203介质层厚度来实现的，但这种方法的可调制范围较小，因为增大栅介质层厚度将导致栅电容对器件沟道电荷的控制力减弱，而减小栅介质层厚度则会导致栅极击穿电流的降低。 综上，108-^11器件当前所采用的栅介质材料的缺点为:介电常数较小，导致栅电容对器件沟道电荷的控制力较弱，为保证栅电容控制力而减薄栅介质厚度将导致器件的栅极击穿电压降低，对器件跨导的负面影响较强，而且很难从工艺制造上控制10卜册1丁器件栅介质结构关键参数的变化，因而导致器件的性能和可靠性难以满足需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于匕基栅的八高电子迁移率晶体管及其制作方法，以从工艺制造上控制103-^11器件栅介质结构关键参数的变化，增大栅介质的介电常数，增强栅电容对器件沟道电荷的控制力，提高器件的栅极击穿电压，降低栅介质对器件跨导的负面影响，从而改善顯3-11211'器件的性能和可靠性。 本专利技术的技术方案是这样实现: 一.基于匕基栅的八高电子迁移率晶体管，自下而上包括:蓝宝石衬底，八故成核层，缓冲层和八叱抓势垒层，该八叱抓势垒层上制作有源极，漏极和栅电极；八势垒层与栅电极之间设有栅介质材料层，这三者构成八高电子迁移率晶体管的栅电容，其特征在于: 栅介质材料层包括:匕基高介电常数薄膜和八1203保护层； 所述的匕基高介电常数薄膜，其厚度为9-1211%介电常数为10-28，匕/八1组分比的变化范围是0.2-5，通过工艺改变匕/八1的组分实现对晶体管的栅介质结构平带电压的调整； 所述的八1203保护层，位于匕基高介电常数薄膜的上面，其厚度为1-3=%用以降低在淀积匕基高介电常数薄膜过程中所形成的匕203与空气中水汽的反应速度。 二.制作基于匕基栅的八高电子迁移率晶体管的方法，包括如下步骤: 1)选用直径为2英寸的蓝宝石衬底； 2)使用金属有机化合物化学气相沉淀10(^0设备，在蓝宝石衬底上依次淀积180-22011111厚的八IX成核层、1000-130011111厚的缓冲层和20-2511111厚的势垒层，形成八异质结衬底； 3)采用原子层淀积方法在八异质结衬底上淀积厚度9-1211%介电常数为10-28的匕基高介电常数薄膜: 3幻将清洗后的八异质结衬底放入原子层淀积设备反应腔，再将腔体压强抽真空至9-201^3，温度加热到290-3101 ； 3幻根据所需匕基高介电常数薄膜的介电常数，确定淀积八1203的循环次数!II与淀积匕203的循环次数！1，其中!II与!1为1-5的任意自然数，八高电子迁移率晶体管的栅介质结构平带电压由其匕/八1组分比所决定，而匕/八1组分比则由II与III的比值所决定，取值范围是0.2-5 ； 30)在异质结衬底上淀积时间为0.1-38的一个三甲基铝脉冲，并对未能成功在八异质结衬底上淀积的三甲基铝和淀积饱和后未能参与淀积的三甲基铝及淀积过程中所生成反应副产物进行吹洗； 3(1)在淀积三甲基铝后的八异质结衬底上，再淀积时间为0.5-28的一个臭氧脉冲，并对未成功与三甲基铝反应和反应达到饱和后未能参与反应的臭氧以及反应副产物进行吹洗； 36)重复步骤30)-步骤3(1)共111次； 30 在完成步骤 3(1)的八1~28 的一个三‘异丙基环戊二烯’化镧脉冲，并对未能成功在八异质结衬底上淀积的三‘异丙基环戊二烯’化镧和淀积饱和后未能参与淀积的三‘异丙基环戊二烯’化镧及淀积过程中所生成反应副产物进行吹洗； 30在淀积三‘异丙基环戊二烯’化镧后的八异质结衬底上，再淀积时间为0.3-3秒的一个臭氧脉冲，并对未成功与三‘异丙基环戊二烯’化镧反应和反应达到饱和后未能参与反应的臭氧以及反应副产物进行吹洗； 310重复步骤30 -步骤3》共II次； 31)重复步骤3(1)和30，使匕基高介电常数薄膜达到所设定的厚度； 4)采用原子层淀积方法在匕基高介电常数薄膜上淀积1-3=0八1203保护层: 如)在匕基高介电常数薄膜上淀积时间为0.1-38的一个三甲基铝脉冲，并对未能成功在匕基高介电常数薄膜上淀积的三甲基铝和淀积饱和后未能参与淀积的三甲基铝及淀积过程中所生成反应副产物进行吹洗； 仙)在淀积三甲基铝后的匕基高介电常数薄膜上，再淀积时间为0.5-28的一个臭氧脉冲，并对未成功与三甲基铝反应和反应达到饱和后未能参与反应的臭氧以及反应副产物进行吹洗； 40)重复步骤4幻-步骤仙)，使八1203保护层达到所设定厚度； 5)将完成八1203保护层淀积的八异质结衬底置于温度为750-8501的氮气环境中，退火50-708 ； 6)在八1203保护层上，采用金属热蒸发法淀积栅电极； 7)将完成栅电极淀积八异质结衬底置于温度为550-650！^的氮气环境中，退火25-358 ； 8)通过光刻与刻蚀工艺，在完成快速退火的八异质结衬底上，制作出八高电子迁移率晶体管的源区和漏区； 9)采用金属热蒸发法在八高电子迁移率晶体管的源区和漏区上制作出漏极和源极，完成器件制作。 本专利技术具有如下优点: 1.本专利技术采用匕基高介电常数薄膜作为栅介质的主体部分，由于匕基高介电常数薄膜具有禁带宽度大、电击穿强度高、介电常数高和热稳定性好等优点，因而对于103册II器件而言，可以提高其栅介质材料的介电常数和结晶温度，增强栅电容对器件沟道电荷的控制力，提高器件的栅极击穿电压，减小栅介质对器件跨导的负面影响。 2.本专利技术采用八1203作为栅介质材料的保护层，由于八1203具有弱的吸湿性，因此可以减小制备匕基高介电常数薄膜过程中所生成的匕203与空气中水汽的反应速率，防止反应生成介电常数较低的匕系化合物，因而可以稳定栅介质的介电常数，提高器件的可靠性。 3.本专利技术通过优化工艺步骤，当匕基高介电常数薄膜中的八1组分逐渐增加时，108-^11器件的栅介质结构平带电压将向负向漂移，实现了通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于La基栅的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，自下而上包括：蓝宝石衬底(1)，AlN成核层(2)，GaN缓冲层(3)和AlGaN势垒层(4)，该AlGaN势垒层(4)上制作有源极(8)，漏极(7)和栅电极(6)；AlGaN势垒层(4)与栅电极(6)之间设有栅介质材料层(5)，这三者构成AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的栅电容，其特征在于：栅介质材料层(5)，包括：La基高介电常数薄膜(501)和Al2O3保护层(502)；所述的La基高介电常数薄膜(501)，其厚度为9‑12nm，介电常数为10‑28，La/Al组分比的变化范围是0.2‑5，通过工艺改变La/Al的组分实现对晶体管的栅介质结构平带电压的调整；所述的Al2O3保护层(502)，位于La基高介电常数薄膜(501)的上面，其厚度为1‑3nm，用以降低在淀积La基高介电常数薄膜过程中所形成的La2O3与空气中水汽的反应速度。

【技术特征摘要】
1.一种基于匕基栅的八高电子迁移率晶体管，自下而上包括:蓝宝石衬底(1),八故成核层(2),缓冲层(3)和八叱抓势垒层(4),该八叱抓势垒层(4)上制作有源极(8),漏极(7)和栅电极(6)汸势垒层(4)与栅电极(6)之间设有栅介质材料层(5)，这三者构成八高电子迁移率晶体管的栅电容，其特征在于: 栅介质材料层(5),包括丄3基高介电常数薄膜(501)和八1203保护层(502)； 所述的匕基高介电常数薄膜(501)，其厚度为9-1211%介电常数为10-28，1^1组分比的变化范围是0.2-5，通过工艺改变匕/八1的组分实现对晶体管的栅介质结构平带电压的调整； 所述的八1203保护层(502),位于匕基高介电常数薄膜(501)的上面，其厚度为1-311%用以降低在淀积匕基高介电常数薄膜过程中所形成的匕203与空气中水汽的反应速度。2.根据权利要求1所述基于匕基栅的八高电子迁移率晶体管的八故成核层(2),其特征在于所述八IX成核层(2)的厚度为180-2201113.根据权利要求1所述基于匕基栅的八高电子迁移率晶体管的缓冲层(3),其特征在于所述&^缓冲层(3)的厚度为1000-13001114.根据权利要求1所述基于匕基栅的八高电子迁移率晶体管的八势垒层(4),其特征在于所述八势垒层(4)的厚度为20-25=15.一种基于匕基栅的八高电子迁移率晶体管的制作方法，包括如下步骤: 1)选用直径为2英寸的蓝宝石衬底； 2)使用金属有机化合物化学气相沉淀10(^0设备，在蓝宝石衬底上依次淀积180-22011111厚的八IX成核层、1000-130011111厚的缓冲层和20-2511111厚的势垒层，形成八异质结衬底； 3)采用原子层淀积方法在八异质结衬底上淀积厚度9-1211111，介电常数为10-28的匕基高介电常数薄膜: 3幻将清洗后的八异质结衬底放入原子层淀积设备反应腔，再将腔体压强抽真空至9-201^3，温度加热到290-3101 ； 3幻根据所需匕基高介电常数薄膜的介电常数，确定淀积八1203的循环次数！！！与淀积1^203的循环次数I！，其中III与I！为1-5的任意自然数，八高电子迁移率晶体管的栅介质结构平带电压由其匕/八1组分比所决定，而匕/八1组分比则由II与III的比值所决定，取值范围是0.2-5 ； 30)在八异质结衬底上淀积时间为0.1-38的一个三甲基铝脉冲，并对未能成功在八异质结衬...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈煜海，刘红侠，许韩晨玺，范晓娇，王树龙，冯兴尧，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61