刘艳的GaNMOSFET器件研究

4) Oxford Plasma lab System 100 ICP 180
干法刻蚀可以从抗蚀剂图 案上得到高准确度的图案转 移。 终点控制用激光干涉度量法。
2.2 源漏区欧姆接触 目前n-GaN上最常采用的金属为Ti/Al/Ni/Au。金属的功函数等于或低于GaN的4.2eV。 Ti/Al双层结构其功函数较低，Ni/Au作为Ti/Al的覆盖层可以阻止AU向GaN表面的扩 散，防止与GaN接触的Ti/Al的氧化。蒸镀和溅射是两种常用的欧姆接触制备方法
1) 利用CHF3 和O3的等离子体进行清洁
通过利用对气体离化成等离子状态,来处理样品表 面，实现清洁、改性、光刻胶灰化等的目的。
PJ等离子清洗器 2)电子束蒸发淀积金属
美国 Temescal 公司，型号：FC20359； Ultimate vacuum ≤ 1 x 10-7 Torr； Operational Vacuum ≤ 1 x 10-6 Torr in 40 mins；
名称 PMMA
极型 灵敏度 /μ Cc m-2 (电子 能量 20kV) 对比度 分辨率 μ m 通常的厚 度 μ m
+ 40-80
2-3 0.1 1
光刻工艺过程示意图
2) 德国Raith电子束光刻系统 型号有：Raith 50,Raith 150,Raith 200 技术参数： 1.扫描速度有：2.5MHz,4MHz，6MHz和 10MHz多种选择 2.工件台移动：45mmX45mm， 150mmX150mm，200mmX200mm 3.激光工件台的激光定位精度为2nm 3) Vll Sta 810XEr 中束流注入机 典型离子注入参数:
B.临界层厚度
在异质外延生长时，应变能是随着外延层厚度增加而增加，通常把外延层即将释放 应变能形成失配位错时的厚度称为临界层厚度。 计算临界层厚度的模型有：PB模型，Fisher模型和Matthews模型
2) AIቤተ መጻሕፍቲ ባይዱTRON HVPE生长GaN
5 Zone resistance Heater Gas Mixing System
图13 GaN n-MOSFET结构示意图
2.主要工艺介绍
2.1在蓝宝石衬底上使用氢化物气相外延 (HVPE)生长GaN外延
1)蓝宝石衬底 GaN 外延最常用的衬底是蓝宝石（α-Al2O3），其结构为六方结构和斜方结构， 如图18所示。蓝宝石具有高温下（1000℃）化学稳定，容易获得大尺寸，以及 价格便宜等优点。缺点是它与GaN 之间存在着较大的晶格失配和热膨胀失配， 大的晶格失配导致在GaN 外延层中产生很高的位错密度，高的位错密度降低了 载流子迁移率和少数载流子寿命，降低了热导率；热失配会在外延层冷却过程 中产生应力，导致裂纹的产生，最终降低产品性能。
Load Lock AIXTRON VPE 100
Electronic Control Rack
AIX HVPE Reactor- Cross Section
生长条件:
衬底条件:
HVPE反应方程:
Mg源: Cp2Mg 需要控制流速，生长温度等。
2.2 采用低压化学气相淀积(LPCVD)在GaN上淀积栅介质层SiO2 1）二氧化硅的理化性质及用途 密度:SiO2致密程度的标志。密度大表示致密程度高，约2-2.2g/cm3； 熔点:石英晶体1732℃,而非晶态的SiO2无熔点，软化点1500℃ 电阻率:与制备方法及所含杂质有关,高温干氧可达1016Ω·cm,一般在107-1015 Ω·cm； 介电性:介电常数3.9；介电强度:100-1000V/μm； 折射率 :在1.33-1.37之间； 腐蚀性:只和HF酸反应，与强碱反应缓慢。
GaN基 MOSFET器件的研究
报告人：刘艳 2012年12月
内容
1.GaN材料
2.MOSFET器件
3. GaN MOSFET器件制作工艺介绍
4. MOSFET器件参数 5. GaN MOSFET器件研究现状及存在的问题
GaN材料
1.GaN材料的基本特性 表Ⅰ 几种常见半导体材料的主要参数:
材料
锗
离子注入 在半导体领域，引入杂质的方法主要有：扩散、外延生长和离子注入。由于 GaN稳定的化学性质使扩散需要较高的温度和较长的时间，所以扩散法掺杂不 具有实用价值。外延生长掺杂，受材料的溶解性以及外延生长过程的选择性 影响较大，且含量不易控制，灵活性较差。 离子注入的基本过程 将某种元素的原子或携带该元素的分子 经离化变成带电的离子 在强电场中加速，获得较高的动能后， 射入材料表层（靶） 以改变这种材料表层的物理或化学性质
图1 纤锌矿GaN 各个不同方向的透视图
图2 Ga面和N面GaN晶格结构图
3.GaN材料的晶格常数
AlGaN, InGaN, InAlN, GaNP
三元化合物如AlxGa1-xAs的晶格常数一般可以 表示为：a（x）=xa（AlAs）+（1-x）a （GaAs）
图3 闪锌矿结构
一. MOSFET结构
电子迁移率 μ (cm2/Vs) 饱和漂移速度 vsat (107 cm/s) (峰值) 最大工作温度 T (℃)
0.3
1500 1 300
0.4
8500 1 300
3
700 2 600
4
1000~2000 3 700
纤锌矿结构（六方相，a 相），闪锌矿结构（立 方相，b相）和岩盐结构
2. 纤锌矿GaN
1.P-N结
N型半导体 P型半导体
(a)
漂移，扩散
图6 p-n结
(b)
2.肖特基接触
图7 能带图
3.欧姆接触
3.1 隧道效应
3.2 小结
图8 能带图
图9 金属跟n型半导体接触
4 .MIS结构
1.GaN材料
图10 能带图
5. 掺杂 掺杂（doping）：将一定数量和一定种类的杂质掺入材料中，并获得精确的杂质分布 形状（doping profile）。
a) 源（Source）：气体源，如 BF3，BCl3，PH3，AsH3 Ar，GeH4，O2，N2等。 如用固体或液体做源材料，一般先加热，得到它们的蒸汽，再导入放电区。 b) 离子源（Ion Source）：灯丝（filament）发出的自由电子在电磁场作用下， 获得足够的能量后撞击源分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极吸出， 由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器. B ， As，Ga，Ge，Sb，P
MOSFET器件
1) 结构
S
2)符号
G
D
SiO2
D G S
tox
B
3)基本参数 沟道长度 L(跟工艺水平有关) 沟道宽度 W 栅氧化层厚度 tox
B
图4 MOSFET结构
2. MOSFET分类
场效应管的分类：
N沟道 增强型 MOSFET (IGFET) FET 场效应管 JFET 结型 N沟道 （耗尽型） P沟道 绝缘栅型 耗尽型 P沟道 P沟道 N沟道
耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在 增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道
二. MOSFET器件涉及的物理机制 主要包括衬底层的生长；源漏区的掺杂；栅介质层的选取；器件隔离；欧姆接 触和栅极肖特基接触等。
PN结 欧姆接触 肖特基接触 MIS结构 掺杂
图5 GaN n-MOSFET结构示意图
离子：P，As，Sb，B，In，O 剂量：1011~1018 cm-2 能量：1– 400 keV 可重复性和均匀性: ±1% 温度：室温 流量：1012-1014 cm-2s-1
能量：20-80KeV
400-500W/h
GaN: 注入能量，注入角度，注入源，退火 Si是n型GaN注入中最适用的掺杂物。
掺入的杂质是电活性的，能提供所需的载流子，使许多微结构和器件得以实现。 掺杂的最高极限约1021 atoms/cm3，最低1013 atoms/cm3 晶片 器件 作用 隐埋区 隔离区 双极型晶体管及其IC 硅 基区 发射区 电阻 开关管及高速IC MOS晶体管及其IC 砷化镓 MIS IC，结型场效应 晶体管及其IC pnp管 提高开关速度 源、漏、沟道、阱 半绝缘区 源、漏 集电区、发射区 杂质 Sb, As B, Al B, P P, As, P-As, B B:P Au, Pt B:P, As H, O, Cr Zn, Be:S, Si, Sn In-Ga, Al
NMOS
BJT
B E
C
p p+
n+
n+
nn+ p
p+
图11
掺杂应用：MOSFET中阱、栅、源/漏、沟道等；BJT中基极、发射极、集电极等
目的：改变晶片电学性质，实现器件和电路纵向结构。 方式：扩散（diffusion）、离子注入（ion implantation）、合金、中子嬗变。
图12
基本概念：结深 xj （Junction Depth）；薄层电阻 Rs （Sheet Resistance ）； 杂质固溶度（Solubility)
Si
1.12 11.8 1.5
GaAs
1.42 12.8 0.5
SiC
3.25 9.7 4.9
GaN
3.4 9 2.3
三种晶体结构：立方闪 锌矿3C型结构（β相）、 六角纤维锌矿2H型结构 （α相）和面心立方结构 （NaCl结构）
禁带宽度 Eg (eV) 相对介电常数 εr 热导率 (W/cmK)
击穿电场 (MV/cm)
（a） （b） 图14 蓝宝石晶胞透视图 (a) 六方晶胞中沿[0001]晶向;（b）斜方晶胞中沿[0001]晶向
A. 晶格匹配
1.晶格失配度(以下简称失配度),即晶格错配度,是描述衬底和外延膜晶格匹 配的参量。晶格失配和热膨胀系数失配不同程度地影响晶体的外延生长,在外 延层中产生大量缺陷,甚至无法生长单晶,影响器件的性能和寿命。 2.晶格失配度的定义 半导体外延膜与衬底间的失配度有三种:设无应力时衬底的晶格常数为 as,外 延薄膜的晶格常数为 ae,晶格失配度为: 定义 1 =(as-ae) /ae 定义 2 =(as-ae) /as 定义 3 =2|as-ae| /( as+ae) 定义 1 的分母是外延膜的晶格常数,这是许多文献采用的定义。也有不少文 献采用定义 2,用衬底的晶格常数做分母。定义 3 的分母既不是衬底,也不是外 延膜 ,而是两者的平均晶格常数,这是求半导体异质结的失配度定义, 有些文献 也将它用于一般的外延膜和衬底间。 一般认为,| |<5%为完全共格,| |=5%~25%为半共格界面,| |>25%完全失 去匹配能力。
4.配电箱：用于提供机台所需的动力电源。
工艺参数：温度、压力、气体流量、工艺时间
生长条件： 二氯硅烷与氧化亚氮在低压下反应形成二氧化硅。反应：
C SiCl 2H2 2N2O 900 SiO 2 2N 2 2HCl
TEOS源LPCVD法生长SiO：
3 离子注入 3.1光刻 涂胶，前烘，曝光，显影，坚膜，腐蚀和去胶等七个步骤。 1) 电子束抗蚀剂:COP,PBS,CMS,OEBR1000
作为掩蔽膜 0.8 nm栅氧化层 High K
隔离工艺 互连层 间绝缘 介质
1)方法选择
2) Tempress扩散系统
1.装载系统：用于将上料台上的石英舟及未扩 散硅片送入炉内，以及将扩散完成的硅片送到 上料台。 2.炉体部分：机台的核心部分，由四个炉体和 温度控制系统以及炉门控制系统组成。 3.气源柜：用于提供扩散工艺过程所需的各种 工艺气体，以及将扩散过程中产生的尾气通过 酸排风系统排出。
GaN MOSFET器件制作工艺介绍
1.主要工艺流程
GaN MOSFET器件的结构如图13所示。器件设计在厚度为2μm的p型GaN材料上，以 Mg作为受主杂质（杂质非完全电离，Mg的电离能为170meV），浓度量级范围内， 栅极氧化层厚度（选用SiO2作为栅介质）为10-100nm，栅长取值范围为0.8μm-5μm之 间，n+漏源区的掺杂浓度，电极间距离Lgd=Lgs为0.5-3μm。在模拟过程中，GaN的电 子迁移率μn设置。 GaN主要工艺流程： (1)在蓝宝石衬底上使用氢化物气相外延 (HVPE)生长GaN外延； (2)采用低压化学气相淀积(LPCVD)在GaN 上淀积栅介质层SiO2，淀积温度为900℃； (3)淀积0.5μm SiO2做保护层，进行离子注 入Si形成源漏重掺杂； (4)离子注入完成后，对器件进行快速热 退火，消除晶格损伤并激活杂质； (5)淀积形成源漏区接触和栅极接触。