基于原位钝化及氧化工艺的GaN器件及其制备方法与流程

本发明属于半导体功率电子器件领域，特别是涉及一种基于原位钝化及氧化工艺的gan器件及其制备方法。

背景技术：

如今，人类的生产生活离不开电力，而随着人们节能意识的提高，高转换效率的功率半导体器件已经成为国内外研究的热点。功率半导体器件应用广泛，如家用电器、电源变换器和工业控制等，不同的额定电压和电流下采用不同的功率半导体器件。高电子迁移率晶体管（hemt，highelectronmobilitytransistor）是国内外发展热点，且已经在诸多领域取得突破，尤其在高温、高功率以及高频等方面具有广阔应用前景。

gan晶体管因其出色的材料性能，例如：带隙宽，临界电场大，电子迁移率高，饱和速度高和自发和压电极化效应引起的高密度二维电子气（2deg），在功率开关和射频领域有很好应用。但gan器件遭受高栅极泄漏电流，电流崩塌效应和长期稳定性差的困扰。用金属氧化物半导体（mos）结构代替异质结（hfet）肖特基栅极结构可以抑制栅极泄漏电流。使用各种电介质的表面钝化技术通过降低表面态的密度可以改善电流崩塌效应。但仍然需要解决几个挑战。特别是优化介电材料及其界面，从而减少泄漏电流，消除电流崩塌效应等。

因此，如何提供一种基于原位钝化及氧化工艺的gan器件及其制备方法以解决现有技术中的上述问题实属必要。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于原位钝化及氧化工艺的gan器件及其制备方法，用于解决现有技术中栅介质材料性能有待优化及存在漏电流等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于原位钝化及氧化工艺的gan器件的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

提供半导体衬底；

于所述半导体衬底上形成外延结构，所述外延结构包括gan沟道层，其中，所述外延结构具有位于最上层的顶部功能层；

在沉积腔室中于所述外延结构的所述顶部功能层表面沉积外延补充层，且所述外延补充层的材料与所述顶部功能层的材料相同；以及；

基于同一所述沉积腔室于所述外延补充层上原位沉积形成栅氧介质层。

可选地，所述顶部功能层包括所述gan沟道层或形成于所述gan沟道层上的势垒层。

可选地，当所述顶部功能层为所述势垒层时，所述势垒层与所述外延补充层的厚度之和小于30nm，所述势垒层包括algan层或inaln层，所述外延补充层对应包括algan层或inaln层；当所述顶部功能层为所述gan沟道层时，所述外延补充层的厚度小于10nm。

可选地，形成所述外延补充层之前对所述顶部功能层表面进行预处理工艺，所述预处理工艺包括采用臭氧氧化及酸试剂清洗的工艺对所述顶部功能层的表面进行处理。

可选地，当所述顶部功能层为所述势垒层时，基于所述预处理工艺刻蚀掉所述势垒层的第一预设厚度，基于所述第一预设厚度控制所述势垒层与所述外延补充层的厚度之和小于30nm；当所述顶部功能层为所述gan沟道层时，基于所述预处理工艺刻蚀掉所述gan沟道层的第二预设厚度，所述第二预设厚度介于1-5nm之间。

可选地，所述外延补充层的沉积温度介于900℃-1000℃之间。

可选地，所述栅氧介质层的沉积温度介于600℃-800℃之间。

可选地，所述栅氧介质层的沉积压强介于80torr-100torr之间。

可选地，所述栅氧介质层的厚度介于20nm-50nm之间。

可选地，形成所述栅氧介质层后还包括步骤：于所述栅介质层上形成源极开口及漏极开口，所述源极开口及所述漏极开口均显露所述外延补充层，并于所述栅氧介质层上形成栅极结构，于所述源极开口对应的所述外延补充层上形成源极电极，于所述漏极开口对应的所述外延补充层上形成源极漏极电极。

可选地，所述沉积腔室包括金属有机化合物化学气相沉积腔室，所述外延补充层及所述栅氧介质层采用金属有机化合物化学气相沉积原位沉积形成。

可选地，所述栅氧介质层的氧源包括氧气或臭氧。

本发明还提供一种基于原位钝化及氧化工艺的gan器件，所述基于原位钝化及氧化工艺的gan器件优选采用本发明的基于原位钝化及氧化工艺的gan器件的制备方法制备得到，当然，也可以采用其他制备方法制备，其中，所述gan器件包括：

半导体衬底；

外延结构，所述外延结构包括gan沟道层，其中，所述外延结构具有位于最上层的顶部功能层；

外延补充层，形成于所述顶部功能层表面，且所述外延补充层的材料与所述顶部功能层的材料相同；以及；

栅氧介质层，形成于所述外延补充层上，且所述栅氧介质层与所述外延补充层为基于同一沉积腔室进行原位沉积的材料层。

可选地，所述顶部功能层包括所述gan沟道层或形成于所述gan沟道层上的势垒层。

可选地，所述基于原位钝化及氧化工艺的gan器件还包括形成于所述栅氧介质层上的栅极结构以及形成于所述外延补充层上的源极电极和漏极电极。

可选地，所述栅氧介质层的氧源包括氧气或臭氧。

可选地，所述栅氧介质层的厚度介于20nm-50nm之间。

可选地，当所述顶部功能层为所述势垒层时，所述势垒层与所述外延补充层的厚度之和小于30nm，所述势垒层包括algan层或inaln层，所述外延补充层对应包括algan层或inaln层；当所述顶部功能层为所述gan沟道层时，所述外延补充层的厚度小于10nm。

如上所述，本发明的基于原位钝化及氧化工艺的gan器件及其制备方法，本发明通过外延补充层的沉积，利用栅氧介质层原位沉积，实现了外延补充层/栅氧介质层原位优质界面，改善了栅氧介质层的膜层质量，减少了界面缺陷，优化了器件性能。可以实现更少的正固定电荷，更低的泄漏电流以及更高的击穿电压。

附图说明

图1显示为本发明一示例中基于原位钝化及氧化工艺的gan器件的制备流程图。

图2显示为本发明一示例gan器件制备中提供半导体衬底的结构示意图。

图3显示为本发明一示例gan器件制备中形成外延结构的结构示意图。

图4显示为本发明另一示例gan器件制备中形成外延结构的结构示意图。

图5显示为本发明一示例gan器件制备中形成外延补充层的结构示意图。

图6显示为本发明一示例gan器件制备中形成栅氧介质层的结构示意图。

图7显示为本发明一示例gan器件制备中形成源极结构、漏极电极以及源极电极的结构示意图。

元件标号说明

100-半导体衬底;101-外延结构;102-成核层;103-gan沟道层;104-势垒层;105-顶部功能层;106-外延补充层;107-栅氧介质层;108-栅极结构;109-源极电极;110-漏极电极;s1~s4-步骤。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局形态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供一种基于原位钝化及氧化工艺的gan器件的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

s1：提供半导体衬底；

s2：于所述半导体衬底上形成外延结构，所述外延结构包括gan沟道层，其中，所述外延结构具有位于最上层的顶部功能层；

s3：在沉积腔室中于所述外延结构的所述顶部功能层表面沉积外延补充层，且所述外延补充层的材料与所述顶部功能层的材料相同；

s4：基于同一所述沉积腔室于所述外延补充层上原位沉积形成栅氧介质层。

下面将结合附图详细说明本发明的半导体器件结构的制备方法，其中，需要说明的是，上述顺序并不严格代表本发明半导体器件结构的制备顺序，本领域技术人员可以依据实际工艺步骤进行改变，图1仅示出了一种示例中的半导体器件结构的制备步骤。

如图1中的s1及图2所示，首先进行步骤s1，提供半导体衬底100。所述半导体衬底100可以包括蓝宝石衬底、sic衬底、si衬底、gan衬底等作为衬底，在其它实施例中，所述半导体衬底100还可以为包括其他元素半导体或化合物半导体的衬底，另外，所述半导体衬底100还可以为叠层结构，本实施例中，所述半导体衬底100为si衬底，利用硅作为衬底，可在大尺寸晶圆上实现gan材料的异质外延，节省了单位尺寸外延成本。

如图1中的s2及图3所示，接着进行步骤s2，于所述半导体衬底100上形成外延结构101，所述外延结构101包括gan沟道层103，其中，所述外延结构101具有位于最上层的顶部功能层105。作为示例，所述顶部功能层105可以为所述gan沟道层103，即所述gan沟道层103作为了所述外延结构101的最上层材料层，从而可以在上述基础上，通过栅氧形成mosfet器件结构。在另一示例中，所述顶部功能层105可以为所述gan沟道层103上的势垒层104，即所述势垒层104形成在所述gan沟道层103上，作为了所述外延结构101的最上层材料层，从而在上述结构的基础上，gan沟道层103和势垒层104结构进一步形成mos-hemt器件结构。其中，mosfet结构中，gan作为沟道，在最上层，没有额外势垒层在gan沟道内极化出二维电子气，因此，器件通过栅极控制开启；mos-hemt结构中，gan作为沟道，在gan上覆盖algan或inaln势垒层，而势垒层在gan沟道内极化出二维电子气沟道，为常开耗尽型器件。

在一示例中，所述外延结构101还包括成核层102以及缓冲层102a，其中，所述成核层102形成于所述半导体衬底100上，所述缓冲层102a形成于所述成核层102上，所述gan沟道层103形成于所述缓冲层102a上，其中，所述成核层102包括但不限于aln层。所述缓冲层102a包括但不限于algan层。所述势垒层104包括algan层或inaln层。本发明对外延片无要求，不局限于上述示例，都可以进行本发明提供的原位钝化及氧化工艺。

如图1中的s3及图5所示，接着进行步骤s3，在沉积腔室中于所述顶部功能层105上形成外延补充层106。作为示例，所述外延补充层106的材料与所述顶部功能层105的材料相同。其中，所述外延补充层106可以作为一层钝化层，还可以作为所述外延结构的一部分，此时，所述外延结构101可以理解为初始的外延片，这里本领域技术人员可以理解的，另外，所述外延补充层106还作为后续材料层的过渡层，为后续工艺的实施提供结构基础，在一示例中，所述沉积腔室包括金属有机化合物化学气相沉积（mocvd）腔室，所述外延补充层106采用金属有机化合物化学气相沉积。

其中，设计所述外延补充层106的材料与所述顶部功能层105的材料相同，例如，二者的材料均选择为gan（与所述gan沟道层103的材料相同），或者均选择为algan层或inaln层（与所述势垒层104的材料相同），从而可以在所述顶部功能层105上实现同质外延，可以提高沉积的材料层的质量。同时，可以将所述外延补充层106制备的更薄，有利于其作用的发挥，也不会因为沉积太厚而对最后器件性能造成影响，进一步，相对于异质外延，工艺难度较低，且工艺易保证纯度、质量，同时同质外延可以缓解晶格常数不同，热失配的问题造成缺陷，缓解这些缺陷对后续形成的栅氧介质层成膜质量的影响。当所述顶部功能层105为所述势垒层104时，所述势垒层104与所述外延补充层106的厚度之和小于30nm，例如，二者之和可以是12nm、15nm、20nm；当所述顶部功能层105为所述gan沟道层103时，所述外延补充层106的厚度小于10nm，例如，可以是6nm、8nm。

作为示例，形成所述外延补充层106之前对所述顶部功能层105的表面进行预处理工艺，所述预处理工艺包括采用臭氧氧化及酸试剂清洗的工艺对所述顶部功能层105表面进行处理。例如，利用臭氧进行表面清洁，首先利用氧化炉通入臭氧对外延片表面进行氧化，再利用hf试剂去除表面氧化物，起到表面清洁纯化的作用。该处理可以有效去除所述顶部功能层105（如gan层或algan层或inaln层）表面的碳（c）和有机污染物，以提供用于其他工艺步骤的清洁表面。

作为示例，基于所述预处理工艺刻蚀掉所述顶部功能层105的第一预设厚度，基于所述第一预设厚度控制所述顶部功能层105与所述外延补充层106的厚度之和小于30nm，也就是说，在一示例中，如果所述顶部功能层105的厚度已经接近或者大于等于30，则可以通过所述预处理工艺刻蚀掉所述第一预设厚度的所述顶部功能层105，如，可以通过o2等离子体氧化，再进行hcl刻蚀到剩余15nm的所述顶部功能层105（如algan层或inaln层），再利用mocvd外延形成3nm的所述外延补充层106（如algan层或inaln层）。

在另一示例中，当所述顶部功能层105为所述gan沟道层103时，基于所述预处理工艺刻蚀掉所述gan沟道层103的第二预设厚度，所述第二预设厚度介于1-5nm之间，例如，可以是2nm、3nm，有利于保证预处理工艺对表面的改性，并降低工艺难度。

如图1中的s3及图6所示，最后进行步骤s4，基于同一所述沉积腔室于所述外延补充层106上形成栅氧介质层107。其中，所述栅氧介质层107可以为高k栅氧，其材料包括但不限于al2o3。基于上述工艺，可以实现所述栅氧介质层107的原位沉积，所谓原位沉积就是指两种不同材料在同一腔内前后生长，而不用在完成一种材料生长后，拿出腔外，暴露空气，再送入其他腔进行另一种材料生长。在许多gan晶体管中，栅氧介质层与顶部功能层（例如，氮化物外延层）通常是在不同的环境中沉积的，这是因为器件制造工艺流程的需要，也是因为存在广泛的非原位电介质沉积工具。另外，常规器件研发或生产都是外购外延片，在栅氧介质层沉积之前对顶部功能层（例如，氮化物外延层）表面进行蚀刻，清洁和/或预处理，后两种是防止界面（栅氧介质层/氮化物界面）严重杂质俘获并形成可能对栅极性能产生负面影响的缺陷的典型操作。而本发明通过原位沉积栅氧介质层的方式可以解决上述问题。本发明原位沉积高k栅氧，可以利用如gan外延补充层再原位沉积高k栅氧（传统的栅氧沉积都是异位沉积，界面特性不理想）形成金属-氧化物-半导体器件结构。

所述外延补充层106（如gan）保证了生长完所述外延补充层106后在不暴露于空气条件下生长栅氧介质层107。在一示例中，所述外延补充层106的材料与所述顶部功能层105的材料相同，例如选择为gan，gan上生长gan质量比gan上生长介质材料的界面及所生长的材料质量要好，即在既有材料表面生长同一种材料的同质外延质量要比生长不同材料的异质外延，成膜质量要好，而外延补充层106/栅氧介质层107因为中间不出腔，表面不暴露空气，因此原位沉积成膜质量也较好。所述外延补充层106实现了所述栅氧介质层107/所述外延补充层106界面的原位形成，极大降低了异位生长造成的界面缺陷，原位优质界面，从而优化器件性能。栅氧介质层107成膜质量以及形成的界面质量得到了提高，可实现器件具有更少的正固定电荷，更低的泄漏电流以及更高的击穿电压。

在一示例中，所述沉积腔室包括金属有机化合物化学气相沉积（mocvd）腔室，所述外延补充层106及所述栅氧介质层107采用金属有机化合物化学气相沉积原位沉积形成。传统是非原位沉积是对既有材料表面进行表面清洁处理，再利用通常是ald方法进行栅氧沉积。但是界面不是100%清洁的。但是原位沉积，即通过mocvd方法生长完所述外延补充层106（如gan）后，样品不拿出mocvd腔，界面就是生长完gan后的界面，不受任何污染，因此继续利用mocvd沉积栅氧的话，界面质量要好的多。

作为示例，所述外延补充层106的沉积温度介于900℃-1000℃之间，例如，可以选择为920℃、950℃、980℃。

作为示例，所述栅氧介质层107的沉积温度介于600℃-800℃之间，例如，可以选择为650℃、700℃、750℃。

作为示例，所述栅氧介质层107的沉积压强介于80torr-100torr之间，例如，可以选择为90torr、95torr、100torr。

作为示例，所述栅氧介质层107的厚度介于20nm-50nm之间，例如，可以选择为30nm、35nm、40nm。

作为示例，所述栅氧介质层107的氧源包括氧气、或臭氧（o3），例如，当形成al2o3作为栅氧介质层时，采用三甲基铝（tma）和氧气（o2）作为气源进行制备，采用氧气作为氧源，例如，相对于水作为氧源，例如，相较与传统用ald沉积（tma、h2o作为气源）形成al2o3，用o2取代h2o而避免了h-对成膜质量的影响，改善了固定电荷缺陷。

如图7所示，作为示例，形成所述栅氧介质层107后还包括步骤：于所述栅介质层107上形成源极开口及漏极开口，所述源极开口及所述漏极开口均显露所述外延补充层106，并于所述栅氧介质层107上形成栅极结构，于所述源极开口对应的所述外延补充层106上形成源极电极109，于所述漏极开口对应的所述外延补充层106上形成源极漏极电极110。以进一步完成器件制备。其中，源极、漏极欧姆接触是在外延补充层106上的，即需要刻蚀掉源、漏区域的栅氧介质，再沉积金属电极，与外延补充层106形成欧姆接触。可选的，欧姆接触电极可以为ta/al/ta，然后再低温退火，如退火温度介于530℃-580℃，退火时间介于55s-65s之间形成欧姆接触，该示例中，退火温度选择为550℃，退火时间选择为60s，从而防止传统ti/al/ni/au电极850℃高温退火对栅氧造成的破坏。可选的，在完成传统源、漏金属电极沉积后，利用激光退火，实现良好的欧姆接触，避免了传统高温退火对栅氧造成的破坏。另外，在一示例中，对于形成有势垒层（如algan层）的结构，形成所述外延补充层106及所述栅氧介质层107之后，以及在形成所述源极开口及所述漏极开口之后，刻蚀所述势垒层（algan层）至沟道层（如gan层）表面，再沉积金属电极，有利于更好的欧姆接触。另外，栅金属电极沉积在栅氧介质层107上，形成金属-氧化物-半导体结构。

另外，如图6所示，并结合图1-4及图7所示，本发明还提供一种基于原位钝化及氧化工艺的gan器件，所述gan器件优选采用本发明的基于原位钝化及氧化工艺的gan器件的制备方法制备得到，当然，也可以采用其他制备方法制备，相关结构特征及产生的有益效果可以参见上述制备方法中的说明，在此不再赘述，所述gan器件包括：

半导体衬底100；

外延结构101，所述外延结构101包括gan沟道层103，其中，所述外延结构101具有位于最上层的顶部功能层105；

外延补充层106，形成于所述顶部功能层105表面，所述外延补充层106的材料与所述顶部功能层105的材料相同；

栅氧介质层107，形成于所述外延补充层106上，且所述栅氧介质层107与所述外延补充层106为基于同一沉积腔室进行原位沉积的材料层。

作为示例，所述顶部功能层105包括所述gan沟道层103或形成于所述gan沟道层103上的势垒层104。

作为示例，所述基于原位钝化及氧化工艺的gan器件还包括形成于所述栅氧介质层107上的栅极结构108以及形成于所述外延补充层106上的源极电极109和漏极电极110。

作为示例，所述栅氧介质层107的氧源包括氧气或臭氧。

作为示例，所述栅氧介质层107的厚度介于20nm-50nm之间。

作为示例，所述顶部功能层105包括gan层，所述外延补充层106包括gan层。

作为示例，当所述顶部功能层105为所述势垒层104时，所述势垒层104与所述外延补充层106的厚度之和小于30nm。

作为示例，所述势垒层104包括algan层或inaln层，所述外延补充层106对应包括algan层或inaln层。

作为示例，当所述顶部功能层105为所述gan沟道层时，所述外延补充层106的厚度小于10nm。

综上所述，本发明的基于原位钝化及氧化工艺的gan器件及其制备方法，本发明通过外延补充层的沉积，利用栅氧介质层原位沉积，实现了外延补充层/栅氧介质层原位优质界面，改善了栅氧介质层的膜层质量，减少了界面缺陷，优化了器件性能。可以实现更少的正固定电荷，更低的泄漏电流以及更高的击穿电压。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。