技术领域
[0001] 本
发明属于微
电子技术领域，特别涉及一种Ga2O3金属氧化物半导体晶体管，可用于功率器件和高压
开关器件。
背景技术
[0002] Ga2O3作为一种
宽禁带半导体材料，它有五种同分异构体，其中单斜晶体β型Ga2O3
稳定性最好，禁带宽度约为4.8eV-4.9eV，理论击穿
电场可以达到8MV/cm，均超过了其他两种性能优良的宽禁带半导体
碳化
硅和氮化镓材料二倍，巴利加优值为3444，为碳化硅的八倍、氮化镓的四倍。因此Ga2O3是一种性能优异的适于功率器件和高压开关器件制备的宽禁带半导体材料。
[0003] 增强型是保证功率开关器件稳定、可靠、安全工作的必备条件，即器件在失去栅极控制的状态下器件本身及其周围
电路不会损毁，这就要求功率开关器件必须是增强型。目前Ga2O3金属氧化物半导体场效应晶体管实现增强型主要有以下两种技术：
[0004] 一是采用绕栅鳍式结构，即通过等离子蚀刻形成平行的鳍状通道阵列，但该方法制作过程较为复杂，成本较高；
[0005] 二是采用电感耦合
等离子体刻蚀栅凹槽，即利用BCl3刻蚀气体，通过减薄栅区域的Ga2O3
沟道层厚度，降低栅极下方的载流子浓度，从而实现增强型Ga2O3金属氧化物半导体场效应晶体管，该方法刻蚀会引起凹栅表面刻蚀损伤，影响器件性能。
发明内容
[0006] 本发明的目的是针对
现有技术的不足，提出一种增强型的Ga2O3金属氧化物半导体场效应晶体管及制作方法，以避免刻蚀损伤，降低制作成本，改善器件性能。
[0007] 为实现上述目的，本发明的增强型的Ga2O3金属氧化物半导体场效应晶体管，
自下而上包括衬底，
外延层，外延层上设有源漏
电极，绝缘栅介质层，绝缘栅介质层上设有栅电极，其特征在于：
[0008] 外延层为电子浓度为2.0×1016～1.0×1018cm-3，厚度为150～300nm的n型Ga2O3；
[0009] 绝缘栅介质层厚度为10～30nm。
[0010] 进一步，所述绝缘栅介质包括Si3N4、Al2O3、HfO2和HfSiO中的一种或多种。
[0011] 进一步，所述衬底材料为蓝
宝石或Mg掺杂型Ga2O3。
[0012] 为实现上述目的，本发明制作增强型的Ga2O3金属氧化物半导体场效应晶体管的方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0013] (1)对衬底进行清洗，即先用丙
酮溶液清洗，再用
乙醇溶液清洗，最后用流动的去离子
水清洗并用高纯氮气吹干；
[0014] (2)将清洗后的衬底放入PLD设备中，在衬底上生长厚度为100～300nm、电子浓度16 18 -3
为2.0×10 ～1.0×10 cm 的Ga2O3膜；
[0015] (3)将生长了Ga2O3膜的样品进行
光刻，再放入
离子注入机中进行Si离子注入，注入
能量为8KeV，注入剂量为1×1015cm-2，注入
角度为6°，注入区域为源漏区域；再在
温度为950℃的氮气环境下
退火1min，得到电子浓度为2×1019～1×1020cm-3、掺杂深度为50～150nm的高掺杂n型Ga2O3区域；
[0016] (4)将完成离子注入的样品进行清洗，然后放入等离子体反应室中去除
光刻胶掩膜；
[0017] (5)将去除光刻胶的样品，再次进行光刻掩膜；
[0018] (6)将光刻掩膜后的样品放入
电子束蒸发台中依次蒸发金属Ti和Au，其中金属Ti厚度为20～50nm，金属Au厚度为100～200nm，然后进行剥离和退火，形成源、漏电极；
[0019] (7)去除光刻胶掩膜并进行清洗，将清洗后的样品放入
原子层沉积ALD反应腔中，在温度为200～500℃下对样品表面通入5～15min的O3流进行
表面处理；
[0020] (8)将表面处理后的样品通过ALD沉积厚度为10～30nm的绝缘栅介质；
[0021] (9)将淀积了绝缘栅介质后的样品依次进行光刻和金属蒸发，蒸发的金属依次为Ni和Au，其中金属Ni厚度为20-50nm，金属Au厚度为100～200nm，最后进行剥离，形成栅电极，完成器件的制备。
[0022] 本发明具有如下优点：
[0023] 1.本器件由于在原子层沉积ALD反应腔中通入O3流进行表面处理，使得外延层中的氧空位得以填充，减少了沟道层中的点
缺陷，降低了载流子浓度，从而增大
阈值电压，使得该器件在零栅压时处于关断状态，降低了器件的静态功耗。
[0024] 2.本器件由于在原子层沉积ALD反应腔中通入O3流进行表面处理，使得沟道层中非故意掺杂的Si原子被氧化，进一步降低了载流子浓度，从而增大阈值电压，使得该器件在零栅压时处于关断状态，降低了器件的静态功耗。
[0025] 3.本器件由于在原子层沉积ALD反应腔中通入O3流进行表面处理，有效降低了界面态
密度，提高了器件的可靠性。4.本器件由于在原子层沉积ALD反应腔中通入O3流进行表面处理，在提高器件性能的同时，操作更加简单且减少了器件的制造成本。
附图说明
[0026] 图1是本发明器件的剖面结构示意图；
[0027] 图2是本发明器件制作的工艺流程示意图。
具体实施方式
[0028] 以下结合附图对本发明的
实施例进行详细的说明。
[0029] 参照图1，本发明器件自下而上包括衬底和n型Ga2O3外延层，该外延层上设有源漏电极，绝缘栅介质层，绝缘栅介质层上设有栅电极，其中衬底材料为蓝宝石或Mg掺杂型Ga2O3，绝缘栅介质的厚度为10～30nm，材料采用Si3N4、Al2O3、HfO2和HfSiO中的一种或多种；n型Ga2O3外延层的电子浓度为2.0×1016～1.0×1018cm-3，厚度为150～300nm。
[0030] 参照图2，本发明制作增强型Ga2O3金属氧化物半导体场效应晶体管的方法给出如下实施例：
[0031] 实施例1，制作n型Ga2O3外延层厚度为150nm、电子浓度为2.0×1016cm-3，绝缘栅介质厚度为10nm的场效应晶体管。
[0032] 步骤1，对衬底进行清洗，如图2(a)。
[0033] 选用蓝宝石衬底，先用丙酮溶液清洗，再用乙醇溶液清洗，最后用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干。
[0034] 步骤2，在衬底上生长n型Ga2O3外延层，如图2(b)。
[0035] 2a)将清洗后的蓝宝石衬底放入PLD设备反应室中，设反应室内氧气分压为0.01mbar，温度为500℃，反应室中靶材料为(AlGa)2O3，待生长样品和靶材料之间的距离设为4cm，设激光的
能量密度为2J/cm2，脉冲
频率为5Hz，总脉冲次数为9000次；
[0036] 2b)用
脉冲激光沉积的方法在衬底上生长了厚度为150nm、电子浓度为2.0×1016cm-3的n型Ga2O3膜，得到n型Ga2O3外延层。
[0037] 步骤3，对源漏区域进行离子注入，如图2(c)。
[0038] 3a)在n型Ga2O3外延层上涂光刻胶，光刻得到源漏区域的窗口；
[0039] 3b)将光刻后的样品放入离子注入机中进行离子注入，注入的离子类型为Si，注入能量为8KeV，注入剂量为1×1015cm-2，注入角度为6°，注入区域为源漏区域；
[0040] 3c)在温度为950℃的氮气环境下退火1min，得到电子浓度为2×1019cm-3、掺杂深度为50nm的高掺杂n型Ga2O3区域。
[0041] 步骤4，去除外延层表面的光刻胶，如图2(d)。
[0042] 将完成离子注入的样品放入等离子体反应室中，设反应室压
力为30Pa，射频功率为300W，通入的氧气流量为100sccm，刻蚀时间为10分钟，刻蚀掉光刻胶，得到去除了外延层表面光刻胶的样品。
[0043] 步骤5，对外延层表面进行光刻掩膜，如图2(e)。
[0044] 在n型Ga2O3外延层上涂光刻胶，光刻掩膜得到源漏电极的窗口。
[0045] 步骤6，在外延层上淀积金属，形成源漏电极，如图2(f)。
[0046] 将光刻掩膜后的样品放入
电子束蒸发台中，设置电子枪
真空度为6.7×10-3Pa，预热
电流为0.6A，预热时间5min，电场为8KV，在Si离子注入区域上蒸发淀积金属Ti/Au，其中金属Ti厚度为30nm，金属Au厚度为150nm。
[0047] 步骤7，用O3处理外延层表面，如图2(g)。
[0048] 7a)去除样品表面的光刻胶并用去离子水进行清洗；
[0049] 7b)将清洗后的样品放入原子层沉积ALD反应腔中，在温度为200℃下对样品表面通入15min的O3流进行表面处理。
[0050] 步骤8，在外延层上淀积绝缘栅介质，如图2(h)。
[0051] 即将O3处理后的样品放入ALD
牛津FlexAL系统下的反应器中，设置温度为300℃，时间为30s，前驱体为三甲基
铝和H2O，得到淀积了10nm厚的绝缘栅介质Al2O3的样品。
[0052] 步骤9，在绝缘栅介质表面淀积金属，形成栅电极，如图2(i)。
[0053] 9a)将完成绝缘栅介质淀积的样品依次进行光刻和金属蒸发，蒸发的金属依次为Ni和Au；
[0054] 9b)将蒸发金属后的样品进行剥离，得到金属Ni厚度为30nm，金属Au厚度为150nm的栅电极，完成器件的制备。
[0055] 实施例2，制作n型Ga2O3外延层厚度为230nm、电子浓度为2.0×1017cm-3，绝缘栅介质厚度为20nm的场效应晶体管。
[0056] 步骤一，对衬底进行清洗，如图2(a)。
[0057] 本步骤的具体实施方法与实施例1中的步骤1相同。
[0058] 步骤二，在衬底上生长n型Ga2O3外延层，如图2(b)。
[0059] 2.1)将清洗后的蓝宝石衬底放入PLD设备反应室中，设反应室内氧气分压为0.02mbar，温度为600℃，反应室中靶材料为(AlGa)2O3，待生长样品和靶材料之间的距离设为4cm，设激光的能量密度为3J/cm2，脉冲频率为4Hz，总脉冲次数为7000次；
[0060] 2.2)用脉冲激光沉积的方法在衬底上生长了厚度为230nm、电子浓度为2.0×17 -3
10 cm 的n型Ga2O3膜，得到n型Ga2O3外延层。
[0061] 步骤三，对源漏区域进行离子注入，如图2(c)。
[0062] 3.1)在n型Ga2O3外延层上涂光刻胶，光刻得到源漏区域的窗口；
[0063] 3.2)将光刻后的样品放入离子注入机中进行离子注入，注入的离子类型为Si，注16 -2
入能量为9KeV，注入剂量为1×10 cm ，注入角度为6°，注入区域为源漏区域；
[0064] 3.3)在温度为950℃的氮气环境下退火1min，得到电子浓度为1×1019cm-3、掺杂深度为100nm的高掺杂n型Ga2O3区域。
[0065] 步骤四，去除外延层表面的光刻胶，如图2(d)。
[0066] 本步骤的具体实施方法与实施例1中的步骤4相同。
[0067] 步骤五，对外延层表面进行光刻掩膜，如图2(e)。
[0068] 本步骤的具体实施方法与实施例1中的步骤5相同。
[0069] 步骤六，在外延层上淀积金属，形成源漏电极，如图2(f)。
[0070] 本步骤的具体实施方法与实施例1中的步骤6相同。
[0071] 步骤七，用O3处理外延层表面，如图2(g)。
[0072] 7.1)去除样品表面的光刻胶并用去离子水进行清洗；
[0073] 7.2)将清洗后的样品放入原子层沉积ALD反应腔中，在温度为300℃下对样品表面通入10min的O3流进行表面处理。
[0074] 步骤八，在外延层上淀积绝缘栅介质，如图2(h)。
[0075] 将O3处理后的样品放入ALD牛津FlexAL系统下的反应器中，设置温度为200℃，时间为40s，前驱体为四双(乙基甲基
氨)铪(IV)和H2O，得到淀积了20nm厚的绝缘栅介质HfO2的样品。
[0076] 步骤九，在绝缘栅介质表面淀积金属，形成栅电极，如图2(i)。
[0077] 本步骤的具体实施方法与实施例1中的步骤9相同。
[0078] 实施例3，制作n型Ga2O3外延层厚度为300nm、电子浓度为1.0×1018cm-3，绝缘栅介质厚度为30nm的场效应晶体管。
[0079] 步骤A，对衬底进行清洗，如图2(a)。
[0080] 选用Mg掺杂型Ga2O3衬底，先用丙酮溶液清洗，再用乙醇溶液清洗，最后用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干。
[0081] 步骤B，在衬底上生长n型Ga2O3外延层，如图2(b)。
[0082] 将清洗后的蓝宝石衬底先放入PLD设备反应室中，用激光沉积的方法在衬底上生长了厚度为300nm、电子浓度为1.0×1018cm-3的n型Ga2O3膜，得到n型Ga2O3外延层。
[0083] 生长的工艺条件为：反应室内氧气分压为0.03mbar，温度为800℃，反应室中靶材料为(AlGa)2O3，待生长样品和靶材料之间的距离设为5cm，设激光的能量密度为4J/cm2，脉冲频率为3Hz，总脉冲次数为6000次。
[0084] 步骤C，对源漏区域进行离子注入，如图2(c)。
[0085] 在n型Ga2O3外延层上涂光刻胶，光刻得到源漏区域的窗口；将光刻后的样品放入离子注入机中进行离子注入，注入的离子类型为Si，注入能量为10KeV，注入剂量为2×1017cm-2，注入角度为6°，注入区域为源漏区域；再在温度为950℃的氮气环境下退火1min，得到电子浓度为1×1020cm-3、掺杂深度为150nm的高掺杂n型Ga2O3区域。
[0086] 步骤D，去除外延层表面的光刻胶，如图2(d)。
[0087] 本步骤的具体实施方法与实施例1中的步骤4相同。
[0088] 步骤E，对外延层表面进行光刻掩膜，如图2(e)。
[0089] 本步骤的具体实施方法与实施例1中的步骤5相同。
[0090] 步骤F，在外延层上淀积金属，形成源漏电极，如图2(f)。
[0091] 本步骤的具体实施方法与实施例1中的步骤6相同。
[0092] 步骤G，用O3处理外延层表面，如图2(g)。
[0093] 去除样品表面的光刻胶并用去离子水进行清洗，再将清洗后的样品放入原子层沉积ALD反应腔中，在温度为500℃下对样品表面通入5min的O3流进行表面处理。
[0094] 步骤H，在外延层上淀积绝缘栅介质，将O3处理后的样品放入ALD TFS-200系统下的反应器中，设置温度为200℃，时间为50s，前驱体为四双(乙基甲基氨)铪(IV)、三乙基氨基硅烷和O2等离子体，得到淀积了30nm厚的绝缘栅介质HfSiO的样品，如图2(h)。
[0095] 步骤I，在绝缘栅介质表面淀积金属，形成栅电极，如图2(i)。
[0096] 本步骤的具体实施方法与实施例1中的步骤9相同。
[0097] 以上描述仅是本发明的三个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人士来说，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种
修改和改变，但是这些基于本发明思想修正和改变仍在本发明的
权利要求保护范围之内。
