一种GAAFET氮化镓场效应晶体管的制备方法与流程

一种gaafet氮化镓场效应晶体管的制备方法
技术领域
1.本发明实施例涉及晶体管技术领域，尤其是一种gaafet氮化 镓场效应晶体管的制备方法。


背景技术：

2.近年来宽禁带氮化镓(gan)以其优越的材料性能，已成为功率 和射频器件应用领域的著名半导体。具有三维结构的finfet垂直纳 米线互补式金属半导体场效应晶体管(fin field-effect transistor,简称 finfet)，具有优异的栅极可控性，引起了人们高度重视并应用广泛。
3.现有的finfet有突出的特点：(1)实现了栅极两侧控制电路的 接通与关断。(2)在finfet架构中铁，闸门设计成类似鱼鳍的叉状 3d架构，可以大幅改善并减小漏电流，也可以大幅缩短晶体管的闸 长。(3)具有功耗低，面积小的优势。但现有的finfet同样存在明 显的缺陷：由于沟道宽度窄，导致电流密度极高，效率低，产生了很 高的热量，而gan沟道不能有效进行散热，造成沟道内部温度升高， 导致器件性能变差。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明创造的实施例提供一种gaafet 氮化镓场效应晶体管的制备方法，包括：
5.在单晶衬底的表面刻蚀形成中间垂直凸出的纳米线，在纳米线两 侧的刻蚀表面生长氧化层使氧化层低于纳米线的高度，并在纳米线表 面蒸镀金属膜，经剥离、退火形成栅极；
6.在栅极表面生长氧化层，在氧化层表面外延生长si外延层，并 刻蚀si外延层至栅极氧化层的高度，在垂直于纳米线的方向上生长 长条形氮化镓，形成第一纳米线，在第一纳米线上生长氧化层，并在 氧化层表面蒸镀金属膜，经剥离、退火；
7.在第一漏极表面生长氧化层，在氧化层表面外延生长si外延层， 在垂直于纳米线的方向上生长长条形氮化镓，形成第二纳米线，并在 第二纳米线上生长氧化层，在氧化层表面蒸镀金属膜，经剥离、退火；
8.选择性刻蚀在第一漏极表面的氧化层上外延生长si外延层，以 使器件固定第一纳米线和第二纳米线，并在第一纳米线和第二纳米线 的两端蒸镀金属，经剥离、退火形成欧姆电极。
9.进一步地，使用光刻工艺制作阻挡层，在单晶衬底的表面进行 cl2/sicl4干法刻蚀和tmah溶液湿法刻蚀，形成中间垂直凸出纳米 线，其中，纳米线的宽度为10nm-100nm。
10.进一步地，si外延层的厚度为10-20nm。
11.进一步地，制备栅极或漏极时，蒸镀金属膜为cr，厚度为 150～300nm。
12.进一步地，制备欧姆电极时，蒸镀金属膜为ti、al、ni或au 中的至少一种，厚度为20-80nm。
13.进一步地，单晶衬底为n 型氮化镓单晶或碳化硅单晶，厚度为 200-500μm，其中，n 型氮化镓衬底使用硅作为掺杂剂，掺杂浓度为 5
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。
14.进一步地，氧化层为氧化铝或氧化硅。
15.进一步地，在制备第一纳米线和第二纳米线时生长长条形氮化镓 的厚度为0.2-0.4μm。
16.进一步地，氮化镓使用镁作为掺杂剂，掺杂浓度为 2
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17.进一步地，包括：在制备电极时，在氮气环境、650℃的条件下 退火。
18.本发明实施例的有益效果是：本发明提出了一种gaafet垂直 氮化镓场效应晶体管，在现有的finfet的结构上增加纳米线，其优 势是：(1)由于现有的垂直gaafet器件导通时，集成两个mos 管垂直在一块衬底上，与传统反相器相比，静态功耗更低，延时更低， 减小器件体积，提高集成度。(2)由于纳米线的上表面、下表面和 侧面均形成沟道，从而能够形成多层沟道结构，进一步提升上述多层 纳米线叠层环栅的沟道结构的整体载流子迁移率和多层纳米线的综 合性能。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例 描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的 附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例提供的gaafet垂直氮化镓场效应晶体管 制备方法的一个流程示意图；
21.图2为本发明实施例提供的gaafet垂直氮化镓场效应晶体管 的立体结构示意图。
具体实施方式
22.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本 发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整 地描述。
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技 术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属 于本发明保护的范围。
24.请参照图1，图1为本发明实施例提供gaafet垂直氮化镓场 效应晶体管制备方法，如图1所示，该方法具体包括如下步骤：
25.步骤一、在单晶衬底的表面刻蚀形成中间垂直凸出的纳米线，在 纳米线两侧的刻蚀表面生长氧化层使氧化层低于纳米线的高度，并在 纳米线表面蒸镀金属膜，经剥离、退火形成栅极；
26.单晶衬底为n 型氮化镓单晶或碳化硅单晶，厚度为200-500μm， 优选的，厚度为300μm，其中，n 型氮化镓衬底使用硅作为掺杂剂， 掺杂浓度为5
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。在刻蚀时，使用光刻工艺制作阻挡层，在原 有结构上进行cl2/sicl4干法刻蚀和tmah溶液湿法刻蚀，形成中间垂 直凸出纳米线，宽度为10nm-100nm，优选为50nm。
27.利用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)或原子层沉积(ald)方 法在器件表面生长氧化层，例如，al2o3。在上述纳米线上使用热蒸发、 磁控溅射或电子束蒸发等方法蒸镀金属膜，如cr，厚度为100-300nm， 优选为200nm，形成栅极。
28.步骤二、在栅极表面生长氧化层，在氧化层表面外延生长si外 延层，并刻蚀si外延层至栅极氧化层的高度，在垂直于纳米线的方 向上生长长条形氮化镓，形成第一纳米线，在第一纳米线上生长氧化 层，并在氧化层表面蒸镀金属膜，经剥离、退火；
29.利用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)或原子层沉积(ald) 方法在器件表面生长氧化铝(al2o3)，之后在衬底上外延生长si(15nm) 外延层，si层生长保持在500℃以下，生长后通过刻蚀si层至氧化 铝层高度，利用氢化物气相外延(hvpe)或分子束外延(mbe)或 金属有机化合物化学气相沉淀(mocvd)方法生长一层长条形氮化 镓(gan)，再利用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)或原子层沉 积(ald)方法在器件表面生长氧化铝，将刚生层的纳米线包住，使用 热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发等方法蒸镀金属膜(如cr(200nm))， 使用剥离工艺形成电极后在650℃、n2环境下退火，形成第一漏极。
30.步骤三、在第一漏极表面生长氧化层，在氧化层表面外延生长 si外延层，在垂直于纳米线的方向上生长长条形氮化镓，形成第二纳 米线，并在第二纳米线上生长氧化层，在氧化层表面蒸镀金属膜，经 剥离、退火；
31.步骤三的具体方法请参照步骤二。第一纳米线和第二纳米线厚度 为0.2-0.4μm。氮化镓使用镁作为掺杂剂，掺杂浓度为 2
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32.步骤四、选择性刻蚀在第一漏极表面的氧化层上外延生长si外 延层，以使器件固定第一纳米线和第二纳米线，并在第一纳米线和第 二纳米线的两端蒸镀金属，经剥离、退火形成欧姆电极。
33.需要说明的是，使用四甲基氢氧化铵(tmah)水溶液选择性地 蚀刻掉硅层，选择性刻蚀后在纳米线上进行成形气体退火(fga)以 去除错位。为了在gan/si之间实现良好的选择性蚀刻，溶液温度选 择60℃左右，借助于超大超声搅拌。
34.光刻工艺后，在纳米线两端使用热蒸发、磁控溅射或电子束蒸发 等方法蒸镀金属膜，例如ti(25nm)、al(75nm)、ni(25nm)或 au(75nm)，使用剥离工艺形成电极后在650℃、n2环境下退火。
35.可选地，以上实施例中，氧化层为氧化铝或氧化硅。如图2为发 明实施例提供的gaafet垂直氮化镓场效应晶体管立体结构示意图， 其中，如图2所示，1为单晶衬底，2为氧化层，3为垂直凸出的纳 米线，4为第二纳米线，5为第一纳米线，6为欧姆电极。
36.以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出 若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。