阅读说明：本技术 基于表面处理及氧化工艺的GaN器件及其制备方法 (GaN device based on surface treatment and oxidation process and preparation method thereof ) 是由 马飞 冯光建 蔡永清 于 2020-06-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于表面处理及氧化工艺的GaN器件及其制备方法,制备包括：提供半导体衬底,形成外延结构,形成器件隔离结构,形成源极欧姆电极及漏极欧姆电极以及形成自然氧化层及原位沉积形成栅氧接触层。本发明在外延结构表面形成自然氧化层,可以作为钝化层,同时对外延结构表面进行清洁,可以有效去除残留的光刻胶层以及工艺过程中不必要的碳和有机物等。采用原位沉积形成栅氧介质层,可以避免器件表面暴露于空气中造成的表面污染风险,对栅氧介质层成膜质量有益。自然氧化层及栅氧介质层均可以基于同一工艺腔室,均基于臭氧形成,使用O3作为栅氧介质层的氧源气体的ALD化学方法可以减少羟基杂质和残留氢,减少氧化层体内和界面陷阱。(The invention provides a GaN device based on surface treatment and oxidation process and a preparation method thereof, wherein the preparation method comprises the steps of providing a semiconductor substrate, forming an epitaxial structure, forming a device isolation structure, forming a source electrode ohmic electrode and a drain electrode ohmic electrode, and forming a natural oxide layer and forming a gate oxide contact layer by in-situ deposition.)

基于表面处理及氧化工艺的GaN器件及其制备方法

技术领域

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表面处理及氧化工艺的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，High Electron Mobility Transistor）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。但器件（如，AlGaN/GaN异质结场效应晶体管，HFET）功率性能受到肖特基栅极结构的限制，肖特基栅极结构遭受高栅极结构泄漏，漏极电极电流崩溃和长期稳定性差的困扰。用金属氧化物半导体（MOS）结构代替肖特基栅极结构可以抑制栅极结构泄漏。使用各种电介质的表面钝化技术通过降低表面态的密度而改善了电流崩塌。但仍然需要解决几个挑战。特别是优化介电材料，如减少漏电流，消除电流崩塌，减小电容-电压（CV）滞后等。

因此，如何提供一种基于表面处理及氧化工艺的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。

发明内容

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表面处理及氧化工艺的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表面处理的GaN器件的制备方法，所述制备方法包括：

提供半导体衬底；

在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；

在所述外延结构中形成若干个间隔排布的器件隔离结构，所述器件隔离结构的底部低于GaN沟道层内形成的二维电子气，相邻所述器件隔离结构之间定义出器件区；

于所述器件区的所述外延结构上形成源极欧姆电极及漏极欧姆电极；

于所述器件区的源极欧姆电极及漏极欧姆电极周围的外延结构上形成自然氧化层；

于所述自然氧化层上进行原位沉积形成栅氧介质层。

可选地，形成所述栅氧介质层之后还包括步骤：于所述源极欧姆电极与所述漏极欧姆电极之间的所述栅氧介质层上形成栅极金属电极。

可选地，所述外延结构还包括过渡层、缓冲层及势垒层，其中，所述过渡层、所述缓冲层、所述GaN沟道层以及所述势垒层自下而上依次设置。

可选地，形成所述器件隔离结构的方法包括：在所述外延结构中形成若干个间隔排布的隔离沟槽，所述隔离沟槽构成所述器件隔离结构，或者，通过离子注入在所述外延结构中形成若干个间隔排布的离子注入区，所述离子注入区构成所述器件隔离结构，或者，先进行离子注入形成离子注入区再对所述离子注入区进行刻蚀，形成刻蚀沟槽及剩余注入区，所述刻蚀沟槽及所述剩余注入区构成所述器件隔离结构。

可选地，当形成所述隔离沟槽时，采用氯基气氛刻蚀所述外延结构形成所述隔离沟槽；当形成所述离子注入区时，采用N离子或He离子进行所述离子注入。

可选地，形成所述自然氧化层的方法包括：将上一步得到的结构置于工艺腔室中，并向所述工艺腔室中通入臭氧，基于所述臭氧的表面处理形成所述自然氧化层。

可选地，将上一步得到的结构置于工艺腔室中之前还包括步骤：先采用第一清洗剂对所述外延结构的上表面进行超声波清洗，再采用第二清洗剂对经过所述超声波清洗的结构进行表面处理，所述第一清洗剂包括丙酮、甲醇、异丙醇，所述第二清洗剂包括盐酸、氢氟酸。

可选地，在原子层沉积腔室中基于原子层沉积工艺形成所述栅氧介质层，且基于所述原子层沉积腔室形成所述自然氧化层。

可选地，形成所述栅氧介质层的氧源包括臭氧。

本发明还提供一种基于基于表面处理及氧化工艺的GaN器件，所述基于表面处理及氧化工艺的GaN器件优选采用本发明的基于表面处理及氧化工艺的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，形成于所述半导体衬底上，所述外延结构包括GaN沟道层；

若干个间隔排布的器件隔离结构，形成于所述外延结构中，所述器件隔离结构的底部低于GaN沟道层内形成的二维电子气，相邻所述器件隔离结构之间定义出器件区；

源极欧姆电极及漏极欧姆电极，形成于所述器件区的所述外延结构上；

自然氧化层，形成于所述器件区的所述源极欧姆电极及所述漏极欧姆电极周围的所述外延结构上；

栅氧介质层，通过原位沉积形成于所述自然氧化层上。

可选地，所述GaN器件还包括栅极金属电极，所述栅极金属电极形成于所述源极欧姆电极与所述漏极欧姆电极之间的所述栅氧介质层上。

可选地，所述外延结构还包括过渡层、缓冲层及势垒层，其中，所述过渡层、所述缓冲层、所述GaN沟道层以及所述势垒层自下而上依次设置。

可选地，所述自然氧化层及所述栅氧介质层基于同一原子层沉积腔室形成。

可选地，形成所述栅氧介质层的氧源包括臭氧；所述自然氧化层基于臭氧处理形成。

如上所述，本发明的基于表面处理及氧化工艺的GaN器件及其制备方法，在外延结构表面形成自然氧化层，可以作为钝化层，同时对外延结构表面进行清洁，可以有效去除残留的光刻胶层以及工艺过程中不必要的碳和有机物等。采用原位沉积形成栅氧介质层，可以避免器件表面暴露于空气中造成的表面污染风险，对栅氧介质层成膜质量有益。自然氧化层及栅氧介质层均可以基于同一工艺腔室，均基于臭氧形成，且使用O3作为栅氧介质层的氧源气体的ALD化学方法可以减少羟基杂质（OH-）和残留氢（H），减少氧化层体内和界面陷阱。

附图说明

图1显示为本发明基于表面处理及氧化工艺的GaN器件的制备工艺流程图。

图2显示为本发明实施例中GaN器件制备中提供半导体衬底的结构示意图。

图3显示为本发明实施例中GaN器件制备中形成外延结构的结构示意图。

图4显示为本发明实施例中GaN器件制备中形成一种器件隔离结构的结构示意图。

图5显示为本发明实施例中GaN器件制备中形成另一种器件隔离结构过程中形成离子注入区的示意图。

图6显示为形成离子注入区后进行刻蚀形成刻蚀沟槽的示意图。

图7显示为本发明实施例中GaN器件制备中形成源极欧姆电极及漏极欧姆电极的图示。

图8显示为本发明实施例中GaN器件制备中形成自然氧化层的结构示意图。

图9显示为本发明实施例中GaN器件制备中形成栅氧介质层的结构示意图。

图10显示为本发明实施例中GaN器件制备中形成栅极金属电极的结构示意图。

元件标号说明

100半导体结构;101外延结构;101a器件隔离结构;101b离子注入区;101c刻蚀沟槽;101d剩余注入区;102过渡层;103缓冲层;104GaN沟道层;104a二维电子气;105势垒层;106源极欧姆电极;107漏极欧姆电极;108自然氧化层;109栅氧介质层;110栅极金属电极;S1~S6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表面处理的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：在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；

S3：在所述外延结构中形成若干个间隔排布的器件隔离结构，所述器件隔离结构的底部低于GaN沟道层内形成的二维电子气，相邻所述器件隔离结构之间定义出器件区；

S4：于所述器件区的所述外延结构上形成源极欧姆电极及漏极欧姆电极；

S5：于所述器件区的源极欧姆电极及漏极欧姆电极周围的外延结构上形成自然氧化层；

S6：于所述自然氧化层上进行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104。在一示例中，所述外延结构101还包括过渡层102、缓冲层103以及势垒层105，其中，所述过渡层102形成于所述半导体衬底100上，所述过渡层102包括但不限于AlGaN层；所述缓冲层103形成于所述过渡层102上，所述缓冲层103包括但不限于GaN层，可以是高阻GaN层；所述GaN沟道层104形成于所述缓冲层103上；所述势垒层105形成于所述GaN沟道层104上。本示例中，所述外延结构101自下而上对应上述各层依次包括AlGaN/GaN/GaN/AlGaN材料层。本发明对外延片无要求，还可以是直接购置的GaN器件外延片，都可以进行本发明提供的表面处理及氧化工艺。

如图1中的S3及图4所示，进行步骤S3，在所述外延结构101中形成若干个间隔排布的器件隔离结构101a，所述器件隔离结构101a的底部低于所述GaN沟道层104内形成的二维电子气（2DEG）104a，从而实现电学隔离，相邻所述器件隔离结构101a之间定义出器件区。在一示例中，所述器件隔离结构101a的深度介于200-500nm之间，如，可以是250nm、300nm。其中，当GaN器件各材料层形成后，本领域技术人员可以得知所述二维电子气在所述GaN沟道层中的具体位置，一般近似认为二维电子气形成于GaN沟道表面（近表面）。在一示例中，所述二维电子气的位置参见图4所示。

作为示例，使用离子注入或者氯基ICP或RIE刻蚀进行器件电学隔离，其中，形成所述器件隔离结构的方法可以是在所述外延结构中形成若干个间隔排布的隔离沟槽，所述隔离沟槽构成所述器件隔离结构101a，如图4所示，可选地，选用ICP刻蚀，利用氯基气氛刻蚀部分所述外延结构101形成隔离沟槽，氯基气氛可以是SiCl4/Cl2，如利用氯基气氛刻蚀势垒层（AlGaN）/GaN沟道层，形成器件台面隔离。另外，形成所述器件隔离结构的方法还可以是通过离子注入在所述外延结构101中形成若干个间隔排布的离子注入区（图中未示出），所述离子注入区构成所述器件隔离结构，离子注入可通过注入N或He离子，阻断器件与器件互通，所述离子注入区的尺寸可以依据实际选择。在另一示例中，形成所述器件隔离结构的方法还可以是先进行离子注入形成离子注入区101b，再对所述离子注入区101b进行刻蚀，形成刻蚀沟槽101c及剩余注入区101d，所述刻蚀沟槽101c及所述剩余注入区101d构成所述器件隔离结构101a，如图5所示。通过上述双重隔离的方式，隔离效果很好，而且形成刻蚀沟槽101c外露边缘已经通过了离子注入隔离，使得边缘漏电得以抑制。

其中，所述器件隔离结构101a的底部低于所述GaN沟道层104中形成的所述二维电子气104a，以形成电器隔离。在一示例中，所述器件隔离结构101a的穿过所述势垒层105和所述GaN沟道层104停止在所述GaN沟道层104的下表面，或者是所述器件隔离结构101a继续向下延伸，例如，可以向下延伸至所述缓冲层103中。相邻所述器件隔离结构101a之间的区域构成器件区，在该部分外延结构上可以制备器件的功能部件，所述器件隔离结构101a可以隔断二维电子气，起到器件隔离的效果，即在一个晶圆上做多个器件时，利用台面隔离进行电学隔离。

如图1中的S4及图7所示，进行步骤S4，于所述器件区的所述外延结构101上形成源极欧姆电极106及漏极欧姆电极107。在一示例中，可以利用光刻工艺定义所述源极欧姆电极106及漏极欧姆电极107，可以是在所述外延结构101上形成光刻胶层，再通过光刻工艺形成电极开口，暴露需要形成电极的区域，然后在整个表面沉积金属堆叠层，金属堆叠层可以是Ti/Al/Ni/Au叠层，各材料层对应的厚度可以是20 nm /100 nm /20 nm /100nm，并通过剥离（lift-off）工艺去除光刻胶及覆盖在光刻胶层上的金属堆叠层，只留下在电极开口中的金属堆叠层，从而形成所述源极欧姆电极106及所述漏极欧姆电极107。

在一示例中，形成所述源极欧姆电极106及所述漏极欧姆电极107之后还包括进行高温退火的步骤，例如退火温度可以是800℃-900℃，退火时间可以是25s-35s，以形成良好的欧姆接触，本示例中，在850℃退火30 s以形成良好的欧姆接触。

如图1中的S5及图8所示，进行步骤S5，于所述器件区的源极欧姆电极106及漏极欧姆电极107周围的外延结构101上形成自然氧化层108。在一示例中，所述自然氧化层108的厚度介于1-5nm之间，如可以是1.5nm、2nm、3nm。在一示例中，利用臭氧（O3）对所述外延结构101的表面进行表面处理形成所述自然氧化层108，如可以是将结构送入ALD设备，ALD设备内通入O3气源，即在ALD的工艺腔室中通入O3气源以形成所述自然氧化层108，采用臭氧对所述外延结构的上表面进行处理，对外延结构的表面进行清洁钝化，可以有效去除AlGaN表面中残留的光刻胶，以及工艺过程中不可避免引入的碳（C）和有机污染物，以提供用于其他工艺步骤的清洁表面。同时在所述外延结构表面上形成薄的所述自然氧化物层，该氧化层可作为钝化层，提供优质表面。

作为示例，将上一步得到的结构置于工艺腔室中形成所述自然氧化层108之前还包括步骤：先采用第一清洗剂对所述外延结构101的上表面进行超声波清洗，再采用第二清洗剂对经过所述超声波清洗的结构进行表面处理，可选地，所述第一清洗剂包括丙酮、甲醇、异丙醇，所述第二清洗剂包括盐酸、氢氟酸。即，在进行栅氧介质层沉积之前，先用丙酮，甲醇和异丙醇对AlGaN/GaN衬底（如所述外延结构的表面，如AlGaN势垒层）进行超声波清洗，然后再用湿HCl和HF清洗，去除表面杂质及氧化层，最后送入ALD设备，ALD设备内通入O3气源，利用O3对外延表面进行进一步清洁钝化处理，双重处理。该处理可以有效去除AlGaN表面中残留的光刻胶以及工艺过程中不可避免引入的碳（C）和有机污染物，以提供用于其他工艺步骤的清洁表面。同时，在上述过程中，在所述外延结构的上表面上形成薄氧化物，即所述自然氧化层层108，该氧化层可作为钝化层，提供优质表面。

如图1中的S6及图9所示，进行步骤S6，于所述自然氧化层108上进行原位沉积形成栅氧介质层109。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。在一示例中，在原子层沉积腔室中基于原子层沉积工艺形成所述栅氧介质层，且基于所述原子层沉积腔室形成所述自然氧化层，也就是说，基于同一ALD设备的处理腔室形成所述自然氧化层108及所述栅氧介质层109，其中，基于同一处理腔室，如同一ALD腔，进行原位栅氧介质层生长。此原位介质生长方法避免了器件表面暴露于空气中造成的表面污染风险，对栅氧介质层成膜质量有益。可选地，所述栅氧介质层109的材料包括但不限于HfO2或Al2O3，可以是在使用ALD系统在150-250℃下沉积15-25 nm厚的所述栅氧介质层，本示例中，使用ALD系统在200℃下沉积20 nm厚的HfO2或Al2O3栅氧介质层。

作为示例，形成所述栅氧介质层109的氧源包括臭氧。氧气源选择为O3，替代传统工艺中的H2O作为氧气源，使用O3作为氧源气体的ALD化学方法减少了羟基杂质（OH-）和残留氢（H），从而减少了氧化层体内和界面陷阱。所形成的GaN 器件由于较低的界面陷阱密度而在沟道区表现出较低的散射，从而导致较高的跨导（gm）。另外，在一示例中，形成HfO2作为所述栅氧介质层时使用的Hf气源可以是TDMAH（四（二甲胺基）铪），形成Al2O3作为所述栅氧介质层时使用的Al气源可以是TMA（三甲基铝）。

另外，如图10所示，形成所述栅氧介质层109之后还包括于所述源极欧姆电极106与所述漏极欧姆电极107之间的所述栅氧介质层109上形成栅极金属电极110的步骤。本示例中，在形成所述源极欧姆电极106以及所述漏极欧姆电极107之后形成所述自然氧化层108以及所述栅氧介质层109，再形成所述栅极金属电极110，从而有利于所述源极欧姆电极106以及所述漏极欧姆电极107有效欧姆接触的形成，在一示例中，欧姆接触有高温退火要求，所以栅氧介质层109在完成欧姆接触后制备，因为高k栅氧，如Al2O3或HfO2不能承受高温，否则会使得栅氧结晶化，从而形成漏电通道，造成栅极漏电。在一示例中，可以是先采用光刻工艺定义栅极，并沉积金属电极，如Ni/Au，从而形成所述栅极金属电极110，以完成器件的制备。

另外，如图9、10所示，并结合图1-8，本发明还提供一种基于基于表面处理的GaN器件，所述基于表面处理的GaN器件优选采用本发明的基于表面处理的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，其中，所述GaN器件包括：

半导体衬100；

外延结构101，形成于所述半导体衬底100上，所述外延结构101包括GaN沟道层104；

若干个间隔排布的器件隔离结构101a，形成于所述外延结构101中，所述器件隔离结构101a的底部低于所述GaN沟道层104中形成的二维电子气104a，相邻所述器件隔离结构之间定义出器件区；

源极欧姆电极106及漏极欧姆电极107，形成于所述器件区的所述外延结构101上；

自然氧化层108，形成于所述器件区的所述源极欧姆电极106及所述漏极欧姆电极107周围的所述外延结构101上；

栅氧介质层109，通过原位沉积形成于所述自然氧化层108上。

作为示例，所述GaN器件还包括栅极金属电极110，所述栅极金属电极110形成于所述源极欧姆电极106与所述漏极欧姆电极107之间的所述栅氧介质层109上。

作为示例，所述外延结构101还包括过渡层102、缓冲层103及势垒层105，其中，所述过渡层102、所述缓冲层103、所述GaN沟道层104以及所述势垒层105自下而上依次设置。

作为示例，所述自然氧化层108及所述栅氧介质层109基于同一原子层沉积腔室形成。

作为示例，形成所述栅氧介质层109的氧源包括臭氧。

作为示例，所述自然氧化层108基于臭氧处理形成。

综上所述，本发明的基于表面处理及氧化工艺的GaN器件及其制备方法，在外延结构表面形成自然氧化层，可以作为钝化层，同时对外延结构表面进行清洁，可以有效去除残留的光刻胶层以及工艺过程中不必要的碳和有机物等。采用原位沉积形成栅氧介质层，可以避免器件表面暴露于空气中造成的表面污染风险，对栅氧介质层成膜质量有益。此外，自然氧化层及栅氧介质层均可以基于同一工艺腔室，均基于臭氧形成，且使用O3作为栅氧介质层的氧源气体的ALD化学方法可以减少羟基杂质（OH-）和残留氢（H），减少氧化层体内和界面陷阱。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。