AlGaN材料表面淀积Al₂O₃界面过渡层的抑制方法

专利名称：AlGaN材料表面淀积Al₂O₃界面过渡层的抑制方法
技术领域：
本发明属于微电子技术领域，涉及化合物半导体金属-绝缘层-半导体 场效应管的制作工艺，具体地说是一种化合物半导体金属-绝缘层-半导体 场效应管的绝缘介质与半导体层间过渡层的控制方法。
背景技术：
以氮化镓GaN为代表的第三代宽禁带半导体具有大禁带宽度、高临界 场强、高热导率、高载流子饱和速率、异质结界面二维电子气浓度高等优 良特性，使其倍受人们的关注。尤其利用这种材料制作的金属肖特基场效 应管MESFET、 AlGaN/GaN异质结金属-绝缘层-半导体高电子迁移率晶 体管MISHEMT器件在微波大功率方面有着无法比拟的优异性能。
通过在AlGaN/GaN异质结表面淀积一层致密、绝缘性能优良的纳米 级绝缘介质，如Si02，SiN,Al203，制备得到AlGaN/GaN MISHEMT器件， 与常规AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管HEMT相比较，该器件具 有将栅极泄漏电流减小3—5个数量级；提高了器件的输入阻抗，易于构 成功率放大器时的输入匹配；降低器件静态功耗，提高效率；提高了器件 击穿电压，使该器件更适合高压工作；又可同时实现器件表面的钝化，抑 制电流崩塌效应，提高器件的可靠性等优点。2004年RD.Ye采用原子层 淀积ALD法在AlGaN外延层表面淀积了 3.5nm厚的A1203，在此基础上 制备了 AlGaN/GaN MISHEMT器件，通过测试发现AlGaN/GaN MISHEMT器件的栅极反向泄漏电流比AlGaN/GaN HEMT器件减小了 2 个数量级。
但在研究中发现，AlGaN外延层很容易形成自然氧化层，因此在制 备器件前必须对其表面进行适当的处理，但是仅仅依靠有机溶液的超声清 洗很难得到原子级干净的表面，因此当对AlGaN外延层进行有机溶液超 声清洗后，直接采用ALD法淀积纳米级厚度的Al203绝缘介质时，不可 避免地将在AlGaN外延层与Al203绝缘薄膜的界面处形成过渡层，该过
渡层质量相对比较疏松，引起A1203薄膜绝缘性能的退化和介电常数的减 小，最终造成器件栅极泄漏电流增加、击穿电压的降低、器件性能的退化 以及寿命的大大降低，因此采用何种方法对AlGaN外延层与八1203薄膜 界面处的过渡层进行有效控制是研制高性能AlGaN/GaN MISHEMT器件 的首要问题，但到目前为止尚未有公开报道。2005年Hong Liang Lu在 GaAs衬底上淀积Al203介质时，就发现在淀积前先将GaAs衬底片放入 PECVD反应室中加热至300°C并用NH3等离子体对GaAs材料表面处理 4分钟，然后利用ALD法淀积3.2nm厚的Al203薄膜，通过高分辨率透 射电镜HRTEM观测发现在GaAs与八1203薄膜的界面处几乎不存在过渡 层，即过渡层得到了很好的抑制，与仅在淀积Al203薄膜前进行HF腐蚀 的GaAs材料相比较，高频C-V测试结果也表明采用前者制备的MOS电 容高于后者，表明前者具有更好的界面特性，但该方法仅用于GaAs材料， 不能直接用于对AlGaN材料与A1203界面过渡层的有效抑制。

发明内容
本发明的目的在于提供一种AlGaN材料表面淀积A1203界面过渡 层的抑制方法，以进一步降低AlGaN/GaN MISHEMT器件栅漏反向电流， 提高器件击穿电压，增强器件的工作稳定性和使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供的AlGaN材料表面淀积A1203界面过 渡层的抑制方法，包括如下过程
(1) 对淀积有AlGaN外延层的基片进行有机超声清洗；
(2) 将清洗后的基片用流动的去离子水冲洗并用高纯氮气吹干；
(3) 将吹干后的基片放入HC1:HF:H20=1:1:8的溶液中进行20~40s的腐 蚀；
(4) 将腐蚀后的基片用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干；
(5) 将吹干后的基片立即放入感应耦合等离子体干法刻蚀机的反应室
中采用N2进行等离子体表面处理；
(6) 将表面处理后的基片立即放入原子层淀积设备的反应室中，进行后 续淀积^203介质工艺。
所述的采用N2进行等离子体表面处理的工艺条件为调整刻蚀机的
上电极功率为200 400W，下电极功率为10W 30W;N2流量为5-15sccm;
反应室的压力为1 2Pa;处理时间为3 6min。 本发明的最佳实施过程如下 对淀积有AlGaN外延层的基片进行有机超声清洗； 将清洗后的基片用流动的去离子水冲洗并用高纯氮气吹干； 将吹干后的基片放入HC1:HF:H20-1:1:8的溶液中进行30s的腐蚀；
将腐蚀后的基片用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干； 调整感应耦合等离子体干法刻蚀机的上电极功率为300W，下电极功 率为20W，将吹干后的基片立即放入该刻蚀机的反应室中，并调整反应 室的N2流量为10sccm，压力为1.2Pa，对基片进行5min的N2等离子体 表面处理；
将表面处理后的基片立即放入原子层淀积设备的反应室中，进行后续 淀积^203介质工艺。
发明具有以下优点
1、 本发明通过将湿法腐蚀与低密度低能量的等离子体刻蚀相结合，易于 工艺实现，且抑制效果明显。
2、 由于本发明采用了优化的N2等离子体表面处理工艺条件，避免了 AlGaN外延层表面的损伤，保证了后续淀积的Al203薄膜的表面平整度， 有利于AlGaN/GaN MISHEMT器件制备工艺的顺利进行。
3、 由于本发明工艺简单，易于实施，耗材费用低廉，所用感应耦合等离 子体(ICP)设备是生产或研制GaN基器件必备的刻蚀设备，因此不需要 添加额外的设备，即可实现界面过渡层的有效控制，因此实用于工业化生 产高性能的微波功率AlGaN/GaN MISHEMT器件。
实测表明，用本发明方法对AlGaN外延层表面进行处理后，该表面 与八1203介质薄膜界面处的过渡层厚度从1.7nm减小为0.5nm


图1为本发明抑制方法的流程框图2为未采用抑制方法在AlGaN表面淀积的A1203薄膜透射电镜图； 图3为采用本发明方法抑制后在AlGaN表面淀积的A1203薄膜透射
图4为未采用抑制方法在AlGaN表面淀积的A1203薄膜表面的原子力 显微图5为采用本发明方法抑制后在AlGaN表面淀积的A1203薄膜表面的
原子力显微图。
具体实施例方式
参照图l，本发明给出三种实施例
实施例一，具体步骤如下
步骤l，清洗基片。
la.将外延有AlGaN材料的基片先放入丙酮中，设置超声频率为50Hz， 超声功率为100W，超声清洗3min，再放入乙醇溶液中，设置与丙酮相同 的工艺条件，超声清洗3min;
lb.将清洗后的基片采用流动的去离子水冲洗3min，冲洗后再用高纯
N2吹干。
步骤2，湿法腐蚀、清洗。 2a.将清洗好的材料基片放入HC1 :HF:H20=1:1:8的溶液中腐蚀
20s;
2b.对腐蚀后的基片用流动的去离子水冲洗3min，去除残留的酸性 溶液，之后再用高纯N2吹干； 步骤3，等离子体表面处理。
3&调整感应耦合等离子体干法刻蚀机的上电极功率为200W，下电极 功率为30W;
3b.将吹干后的基片立即放入调整后的刻蚀机反应室中，设置反应室 的N2流量为15sccm，压力为2.0Pa，对基片进行3min的N2等离子体表 面处理；
3c.将表面处理后的基片立即放入原子层淀积设备的反应室中，进行 后续淀积Ab03介质工艺。
实施例二，具体步骤如下 步骤l，清洗基片。
la.将外延有AlGaN材料的基片先放入丙酮中，设置超声频率为50Hz， 超声功率为100W，超声清洗4min，再放入乙醇溶液中，设置与丙酮相同 的工艺条件，超声清洗4min;
lb.将清洗后的基片采用流动的去离子水冲洗4min，冲洗后再用高纯
N2吹干。
步骤2，湿法腐蚀、清洗。
2a.将清洗好的材料基片放入HC1 :HF:H20=1:1:8的溶液中腐蚀
40s;
2b.对腐蚀后的基片用流动的去离子水冲洗4min，去除残留的酸性溶 液，之后再用高纯N2吹干。
步骤3，等离子体表面处理。
3&调整感应耦合等离子体干法刻蚀机的上电极功率为250W，下电极 功率为15W;
3b.将吹干后的基片立即放入调整后的刻蚀机反应室中，设置反应室 的N2流量为13sccm，压力为1.5Pa，对基片进行4min的N2等离子体表 面处理；
3c.将表面处理后的基片立即放入原子层淀积设备的反应室中，进行 后续淀积Ab03介质工艺。
实施例三，具体步骤如下 步骤l，清洗基片。
la.将外延有AlGaN材料的基片先放入丙酮中，设置超声频率为50Hz， 超声功率为100W，超声清洗6min，再放入乙醇溶液中，设置与丙酮相同 的工艺条件，超声清洗6min;
lb.将清洗后的基片采用流动的去离子水冲洗6min，冲洗后再用高纯
N2吹干。
步骤2，湿法腐蚀、清洗。
2a.将清洗好的材料基片放入HC1 :HF:H20=1:1:8的溶液中腐蚀
25s;
2b.对腐蚀后的基片用流动的去离子水冲洗6min，去除残留的酸性
溶液，之后再用高纯N2吹干。 步骤3，等离子体表面处理。
3&调整感应耦合等离子体干法刻蚀机的上电极功率为400W，下电极 功率为10W;
3b.将吹干后的基片立即放入调整后的刻蚀机反应室中，设置反应室 的N2流量为5sccm,压力为l.OPa,对基片进行6min的N2等离子体表面 处理；
3c.将表面处理后的基片立即放入原子层淀积设备的反应室中，进 行后续淀积A1203介质工艺。 实施例四，具体步骤如下 步骤l，清洗基片。
la.将外延有AlGaN材料的基片先放入丙酮中，设置超声频率为50Hz， 超声功率为100W，超声清洗5min，再放入乙醇溶液中，设置与丙酮相同 的工艺条件，超声清洗5min;
lb.将清洗后的基片采用流动的去离子水冲洗5min，冲洗后再用高纯
N2吹干。
步骤2，湿法腐蚀、清洗。 2a.将清洗好的材料基片放入HC1 :HF:H20=1:1:8的溶液中腐蚀
30s;
2b.对腐蚀后的基片用流动的去离子水冲洗5min，去除残留的酸性 溶液，之后再用高纯N2吹干。 步骤3，等离子体表面处理。
3&调整感应耦合等离子体干法刻蚀机的上电极功率为300W，下电极 功率为20W;
3b.将吹干后的基片立即放入调整后的刻蚀机反应室中，设置反应室 的N2流量为10sccm，压力为1.2Pa，对基片进行5min的N2等离子体表 面处理；
3c.将表面处理后的基片立即放入原子层淀积设备的反应室中，进行 后续淀积A1203介质工艺。
本发明的效果可以通过实测结果进一步说明 测试过程
1. 对图2未采用抑制方法在AlGaN表面淀积的A1203薄膜进行透 射电镜测试，位于AlGaN外延层与Al203薄膜界面处的过渡层的厚度为 1.7画。
2. 对图3采用本发明方法抑制后在AlGaN表面淀积的A1203薄膜进行 透射电镜测试，位于AlGaN外延层与Al203薄膜界面处的过渡层的厚度 为0.5nm。
可见用本发明的方法抑制后可明显减少AlGaN外延层与Al203薄膜 过渡层的厚度。
3. 对图4未采用抑制方法在AlGaN表面淀积的A1203薄膜进行表面原 子力显微测试，"203薄膜的表面粗糙度为0.26811111。
4. 对图5采用抑制方法在AlGaN表面淀积的A1203薄膜进行表面原子 力显微测试，Al2O3薄膜的表面粗糙度为0.278nm。
可见用本发明的方法抑制后未引起表面形貌的恶化。
权利要求
1.一种AlGaN材料表面淀积Al2O3界面过渡层的抑制方法，包括如下过程(1)淀积有AlGaN外延层的基片进行有机超声清洗；(2)将清洗后的基片用流动的去离子水冲洗并用高纯氮气吹干；(3)将吹干后的基片放入HCl∶HF∶H2O＝1∶1∶8的溶液中进行20～40s的腐蚀；(4)将腐蚀后的基片用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干；(5)将吹干后的基片立即放入感应耦合等离子体干法刻蚀机的反应室中采用N2进行等离子体表面处理；(6)将表面处理后的基片立即放入原子层淀积设备的反应室中，进行后续淀积Al2O3介质工艺。
2. 根据权利要求1所述的过渡层抑制方法，其中所述的采用N2进行等离 子体表面处理的工艺条件为调整刻蚀机的上电极功率为200 400W，下电 极功率为10W 30W; N2流量为5 15sccm;反应室的压力为1 2Pa;处理 时间为3 6min。
3. —种AlGaN材料表面淀积A1203界面过渡层的抑制方法，包括如下过程对淀积有AlGaN外延层的基片进行有机超声清洗； 将清洗后的基片用流动的去离子水冲洗并用高纯氮气吹干； 将吹干后的基片放入HC1:HF:H20=1:1:8的溶液中进行30s的腐蚀； 将腐蚀后的基片用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干； 调整感应耦合等离子体干法刻蚀机的上电极功率为300W，下电极功率 为20W，将吹干后的基片立即放入该刻蚀机的反应室中，并调整反应室的 N2流量为10sccm，压力为1.2Pa，对基片进行5min的N2等离子体表面处 理；将表面处理后的基片立即放入原子层淀积设备的反应室中，进行后续淀 积Al2Cb介质工艺。
全文摘要
本发明公开了一种AlGaN材料表面淀积Al₂O₃界面过渡层的抑制方法。其过程是对淀积有AlGaN外延层的基片进行有机超声清洗，并用流动的去离子水冲洗吹干；放入HCl∶HF∶H₂O＝1∶1∶8的溶液中进行20～40s的腐蚀，并将腐蚀后的基片用流动的去离子水清洗吹干；调整感应耦合等离子体干法刻蚀机的上电极功率为200～400W，下电极功率为10W～30W；将吹干后的基片立即放入刻蚀机的反应室中，并调整反应室的N₂流量为5～15sccm，压力为1～2Pa进行等离子体表面处理；之后将基片立即放入原子层淀积设备的反应室中，进行后续淀积Al₂O₃介质工艺。本发明具有工艺简单，易于实施的优点，可用于对AlGaN材料表面淀积Al₂O₃界面过渡层的抑制，提高AlGaN/GaN MISHEMT器件击穿电压和使用寿命。
文档编号H01L21/00GK101350295SQ20081015064
公开日2009年1月21日 申请日期2008年8月15日 优先权日2008年8月15日
发明者倩 冯, 跃 郝 申请人:西安电子科技大学