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  半导体技术中,介质/半导体界面处理一般可以分为两种情况。一种情况基于Si材料技术,由于Si表面很容易形成稳定的SiO2自然氧化层,SiO2介质也可以有效阻挡空气中氧和水汽向界面扩散,SiO2/Si体系的界而态密度能够低于10 11 cm -2 eV -1 ;第二种情况如Ge和GaAs基绝缘栅器件,半导体表面不能形成稳定的自然氧化层,或者在Si基高k工艺中,则需要通过表面化学清洗、等离子体处理、界面插入层等技术来实现良好的绝缘层/半导体界面特性。GaN基MIS-HEMT件界面就属于第二种情况。为了获得最优的界面特性,本研究在GaN基MIS-HEMT器件制作的不同阶段分别进行了界面改善处理:栅绝缘层沉积前,通过化学溶液清洗和低损伤原位等离子体预处理工艺,移除氮化物材料生长和器件工艺过程中引入的表面杂质;栅绝缘层沉积过程,采用材料体系兼容的AIN绝缘层代替传统氧化层,有效避免栅绝缘层沉积工艺中引入额外的界面氧和体电荷;栅绝缘材料沉积后,通过热处理技术减少界面和绝缘层中的结构性缺陷。其中,AIN栅绝缘层技术是本文研究的核心,利用PEALD技术实现了高质量AlN栅绝缘层材料生长,并结合绝缘层沉积前、后的界面处理工艺成功研制了高界面质量的GaN基绝缘栅HEMT器件。
 
1 . 表面预处理工艺
  半导体表面处理主要有化学溶液清洗和等离子体表面处理两种方法。酸性或碱性溶液可以有效移除氮化物表面氧化层等无机物杂质,但是需要优化溶液选取、溶液浓度、腐蚀步骤等工艺条件,而且可能存在表面溶液离子残留等问题。等离子体轰击是一种非常有效的表面处理方法,但是GaN基HEMT器件沟道载流子对表面性质特别敏感,等离子体轰击容易产生表面物理损伤,从而对沟道产生电学损伤,使器件性能退化。
 
  本研究开发了一种低损伤的GaN基HEMT器件表面等离子体处理工艺,在非原位的化学清洗去除表面有机和无机杂质之后,将样品放入栅绝缘层沉积设备PEALD系统进行原位等离子体表面预处理,进一步移除氮化物材料表面杂质。远程PEALD系统采用电感耦合方式产生等离子体,等离子体在气流作用下输运至反应腔室,高活性的等离子体通过化学反应方式进行表面处理,而对样品表面几乎没有物理轰击作用,是一种低损伤的表面等离子体处理技术。通过化学清洗和原位低损伤等离子体表面预处理,能够有效移除材料生长和器件工艺过程中引入的有机和无机杂质。
 
2. 等离子增强原子层沉积 AlN 栅绝缘层
  GaN基MIS-HEMT器件研制的核心技术就是栅绝缘层材料选取及其生长工艺。本文采用Ⅲ族氮化物AIN作栅绝缘层材料,AIN材料具有宽的禁带宽度和10MV/cm以上的高临界击穿场强,是较好的绝缘层材料,已经在Si基和GaAs基器件应用中表现出了良好的绝缘性能和优秀的界面特性。AlN材料与(Al)GaN势垒层属于同一材料体系,理论上能够避免绝缘层沉积过程中界面杂质的引入,可以形成理想的界面。AlN绝缘层材料高热导率及其与势垒层之间热失配小等优势可以使器件具有较好的热稳定性,并能保证高压、大功率应用时良好的热扩散。
 
  然而,高质量AlN栅绝缘层材料生长是研究的难点。常用的薄膜材料生长技术包括溅射(磁控溅射、射频溅射等)、真空蒸发、物理气相沉积(PVD)等物理方法,但是用这些技术合成的薄膜材料在界面平整度、膜厚精确控制、薄膜均匀性、缺陷控制等方面较差,道常无法满足栅绝缘层材料低缺陷密度、高质量界面、溥膜均匀性的要求。MOCVD原位生长AlN盖帽层或SiN介质层是一种实现良好界面接触的有效方法,但是CVD方法合成AlN薄膜工艺中化学反应能极高,氮源NH3或N2/H2混合气激活温度至少需要500℃甚至上千度,栅介质高温制备和原位生长工艺在器件工艺流程中兼容性较差,例如无法实现凹槽绝缘栅结构器件研制;另外,铝源TMA在300℃以上发生热分解,导致铝原子在衬底表面迁移能力较低而影响薄膜均匀性,而高温稳定的AlCl 3 则含有有毒的卤族元素。
 
  本文采用PEALD技术生长AlN绝缘层材料,与其他薄膜生长技术相比原子层沉积技术具有溥膜致密性和均匀性好、缺陷密度低、保型性和界面吸附性好,可以在原子尺度精确控制膜厚,按化学计量比生长,能够在敏感衬底上低温沉积等优点,是生长栅绝缘层材料的理想选择。采用等离子增强提高前驱体源的活性,可以实现300℃以下低温沉积AlN薄膜,解决了氮源低温无法激活和铝源高温分解的矛盾。
 
3. 退火处理工艺
  退火处理是半导体器件制作工艺中常用的减少缺陷和修复损伤的方法。PEALD生长AlN薄膜后,退火处理可以进一步减少缺陷密度,提高界面和薄膜质量。MIS-HEMT器件制备工艺流程中,本研究不是按照传统工艺流程在栅绝缘层材料沉积之后即进行退火处理,而是在棚金属化后进行快速热退火处理。与传统工艺流程相比,栅金属化后退火工艺不仅能修复绝缘层/半导体界面以及绝缘层体内缺陷,还能改善栅金属与绝缘层材料的接触性能,获得更优的器件特性。

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