基于超临界CO2处理的Ga2O3金属氧化物半导体场效应管及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超临界CO2处理的Ga2O3MOSFET器件及制作方法，主要解决现有器件漏电流和亚阈值摆幅大的问题。其技术特征是：将现有Ga2O3MOSFET器件结构中的绝缘栅介质层，采用SiO2、Al2O3、HfO2和ZrO2中的一种或多种，并对制备完成后的器件进行超临界二氧化碳处理，即将器件置于超临界设备腔室，向室内放入去离子水或异丙醇，密封后再充入CO2，并将设备升温至118

【技术实现步骤摘要】
基于超临界CO2处理的Ga2O3金属氧化物半导体场效应管及制备方法


[0001]本专利技术属于微电子
，特别涉及一种基于超临界CO2处理的Ga2O3金属氧化物半导体场效应管，可用于制备大功率开关器件。

技术介绍

[0002]当今时代，大功率开关器件在电力电子领域分应用越来越广泛，以硅材料为代表的第一代半导体材料制备的器件性能已经难以满足目前的大功率器件需求。具有超宽禁带宽度的第三代宽禁带半导体已然成为大功率器件领域的“超新星”，受到了越来越多的关注。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，且β
‑
Ga2O3相较于另外两种性能优良的宽禁带半导体碳化硅和氮化镓材料更好，其禁带宽度约为4.8eV
‑
4.9eV，理论击穿电场可以达到8MV/cm，是碳化硅和氮化镓材料二倍，巴利加优值为3444，约为碳化硅的八倍、氮化镓的四倍。这说明采用氧化镓材料制作的功率器件的性能高于采用碳化硅和氮化镓材料制作的功率器件。因此β
‑
Ga2O3是一种性能更为优越的大功率开关器件制备材料。
[0003]目前制备的Ga2O3金属氧化物半导体场效应管上仍存在一些问题，不能达到所期望的性能要求。如β
‑
Ga2O3中p型掺杂的缺乏而导致增强型Ga2O3MOSFET难以实现的问题以及β
‑
Ga2O3自身材料特性而导致的导热率低等问题。其中在Ga2O3MOSFET中影响很大而又能够进行改善的当属β/>‑
Ga2O3与栅绝缘介质的接触界面问题。β
‑
Ga2O3和栅绝缘介质层界面处两种材料之间的晶格不匹配使得界面处存在大量悬挂键，β
‑
Ga2O3外延材料中的氧空穴位缺陷也在界面处引入大量的深能级缺陷，对器件性能产生不利影响。其中主要原因有两点：一是由于界面问题的存在会导致栅极漏电和亚阈值摆幅的增大，载流子迁移率和器件开关比的减小；二是由于栅极遂穿的发生而导致器件提前击穿，使得击穿电压减小，这两方面原因造成的结果最终影响器件的性能及其稳定性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于超临界CO2处理的Ga2O3金属氧化物半导体场效应管及制备方法，以提高器件的击穿电压、电流开关比和载流子迁移率，减小漏电流和亚阈值摆幅，最终改善器件性能和提升稳定性。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的基于超临界CO2处理的Ga2O3金属氧化物半导体场效应管，其自下而上包括衬底、缓冲层、外延层以及绝缘栅介质层，外延层上方的绝缘栅介质层的左右两侧分别是源电极和漏电极，绝缘栅介质上方是栅电极，其特征在于：所述绝缘介质层，采用SiO2、Al2O3、HfO2和ZrO2中的一种或多种。
[0006]作为优选，所述衬底，采用Fe或Mg掺杂的半绝缘β
‑
Ga2O3，厚度大于300μm。
[0007]作为优选，所述缓冲层，采用n
‑
型的UIDβ
‑
Ga2O3，厚度为200nm
‑
500nm。
[0008]作为优选，所述外延层，采用电子浓度为10
15
cm
‑3‑
10
21
cm
‑3的n型β
‑
Ga2O3，厚度为
50nm
‑
1μm。
[0009]为实现上述目的，本专利技术基于超临界CO2处理的Ga2O3金属氧化物半导体场效应管制备方法，其特征在于，包括如下:
[0010]1)对生长了UIDβ
‑
Ga2O3层的Fe/Mg掺杂β
‑
Ga2O3半绝缘衬底进行标准清洗，即先用50ml丙酮在80W功率下超声清洗5min，再依次使用50ml乙醇和去离子水在80W下超声1min，最后用高纯氮气吹干；
[0011]2)将完成标准清洗的样品放入MBE设备中，用分子束外延的方法生长50nm
‑
1μm厚的β
‑
Ga2O3外延层；
[0012]3)将生长了n型β
‑
Ga2O3外延层的样品依次进行清洗、光刻、RIE刻蚀和光刻胶去除，完成器件隔离；
[0013]4)在完成器件隔离的样品上光刻出源漏区，然后放入离子注入机中进行离子注入，注入区域为光刻出的源漏区，形成电子浓度为10
18
‑
10
20
cm
‑3、注入深度为50
‑
200nm的高掺杂n型源漏区域，再进行清洗、退火；
[0014]5)在完成4)之后的样品上制作源、漏、栅电极，完成器件的基本结构制作；
[0015]6)对完成基本结构制作的器件进行超临界二氧化碳处理：
[0016]6a)将完成基本结构制作的器件垂直放置到超临界设备腔室内，并在超临界设备腔室内放入0.1
‑
10ml的去离子水或异丙醇，再对腔室进行密封；
[0017]6b)打开气体控制阀，向超临界设备腔室中充入CO2，同时通过高压注射泵控制腔室压强为19
‑
21MPa，将设备腔室温度升温至118
‑
122℃，使CO2进入超临界状态，保持该状态，使去离子水或异丙醇对器件进行反应1
‑
2h；
[0018]7)反应结束后，将超临界设备腔室温度降至室温，关闭高压注射泵，在腔室压强降压至大气压后取出样品，完成最终器件的制备。
[0019]进一步，所述5)的具体实现如下：
[0020]5a)在完成4)之后的样品上先光刻出源漏金属沉积区，将其放入电子束蒸发台中，再在样品表面依次蒸发金属厚度为20
‑
50nm的Ti和厚度为100
‑
200nm的Au，形成源电极和漏电极；
[0021]5b)将完成金属沉积的样品使用丙酮剥离进行金属剥离，再在400
‑
500℃、氮气氛围下退火1min；在该样品上进行绝缘栅介质淀积，得到厚度为20
‑
50nm的绝缘栅介质；
[0022]5c)对完成绝缘栅介质沉积的样品依次进行光刻、金属蒸发和金属剥离，蒸发的金属依次为厚度为20
‑
80nm的Ni和厚度为100
‑
200nm的Au，形成栅电极。
[0023]5d)将完成栅金属剥离的样品依次再进行光刻、绝缘栅介质刻蚀和标准清洗去除光刻胶，形成源漏电极窗口，完成器件的基本结构制作；
[0024]本明与现有技术相比具有如下优点：
[0025]1、本专利技术由于采用SiO2、Al2O3、HfO2和ZrO2中的一种或多种材料作为绝缘栅介质层，有利于减少栅极漏电，改善器件性能。
[0026]2、本专利技术由于将完成基本结构制作的器件在带有去离子水/异丙醇的超临界CO2中进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超临界CO2处理的Ga2O3金属氧化物半导体场效应管，其自下而上包括衬底(1)、缓冲层(2)、外延层(3)以及绝缘栅介质层(4)，外延层(3)上方的绝缘栅介质层(4)的左右两侧分别是源电极(5)和漏电极(6)，绝缘栅介质层(4)上方是栅电极(7)，其特征在于：所述绝缘栅介质层(4)，采用SiO2、Al2O3、HfO2和ZrO2中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述衬底(1)，采用Fe或Mg掺杂的半绝缘β
‑
Ga2O3，厚度大于300μm。3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述缓冲层(2)，采用n
‑
型的UIDβ
‑
Ga2O3，厚度为200nm
‑
500nm。4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述外延层(3)，采用电子浓度为10
15
cm
‑3‑
10
21
cm
‑3的n型β
‑
Ga2O3，厚度为50nm
‑
1μm。5.一种基于超临界CO2处理的Ga2O3金属氧化物半导体场效应管制备方法，其特征在于，包括如下:1)对生长了UIDβ
‑
Ga2O3层的Fe/Mg掺杂β
‑
Ga2O3半绝缘衬底进行标准清洗，即先用50ml丙酮在80W功率下超声清洗5min，再依次使用50ml乙醇和去离子水在80W下超声1min，最后用高纯氮气吹干；2)将完成标准清洗的样品放入MBE设备中，用分子束外延的方法生长50nm
‑
1μm厚的β
‑
Ga2O3外延层；3)将生长了n型β
‑
Ga2O3外延层的样品依次进行清洗、光刻、RIE刻蚀和光刻胶去除，完成器件隔离；4)在完成器件隔离的样品上光刻出源漏区，然后放入离子注入机中进行离子注入，注入区域为光刻出的源漏区，形成电子浓度为10
18
‑
10
20
cm
‑3、注入深度为50
‑
200nm的高掺杂n型源漏区域，再进行清洗、退火；5)在完成4)之后的样品上制作源、...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯倩，蔡云匆，王正兴，田旭升，张春福，周弘，张进成，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：