CN117613052B 一种金属极性与氮极性结合的GaN基CMOS器件及其制备方法 （吉林大学）

US2023090106A1,2023.一种金属极性与氮极性结合的GaN基CMOS器一种金属极性与氮极性结合的GaN基CMOS器件及其制备方法，属于半导体电子器件技术领器件的主体结构通过MOCVD方法制备，制备过程还涉及磁控溅射、光刻等工艺。本发明通过将PMOS与NMOS器件单片集成降低了系统体积和系极性与氮极性器件可以一次外延获得PMOS和2层（12形成PMOS源电极凹槽和PMOS漏电极凹槽；在PMOS源电极凹槽和PMOS漏电极凹槽中极化诱导层（13形成NMOS源电极凹槽和NMOS漏电极凹槽；在NMOS源电极凹槽和NMOS漏电2.如权利要求1所述的一种金属极性与氮极性结合3.如权利要求1所述的一种金属极性与氮极性结合的3NMOS源电极（18）和NMOS漏电极（19在NMOS栅电极5.如权利要求4所述的一种金属极性与氮极性结6.如权利要求4所述的一种金属极性与氮极性结合的Ga7.权利要求1所述的一种金属极性与氮极性结合的G22厚度为10~20nm；对用于制备氮极性NMOS的衬底区域，采用金属有机化合物化学气性AlN缓冲层（5生长温度为1100~1200℃,生长压力为100~400mbar，反应室Ⅴ/Ⅲ比为6000~12000，厚度为100~200nm，生长源为三甲基铝和高纯氨气；在制备氮极性AlN缓冲层4AlN缓冲层（4）和氮极性AlN缓冲层（5）的生长温度为1100~1200℃,生长压力100~400三甲基镓和高纯氨气，Al组分通过调整三种生长源的流量进行控制；金属极性GaN沟道层钝化层（14其厚度为50~100nm；通过反应等离子体刻蚀方法和结合光刻技术将分立的SiNx钝化层（14）沿各自的中间区域刻蚀至金属极性GaN沟道层（10）和氮极性GaN沟道层8.权利要求4所述的一种金属极性与氮极性结合的GaN522度为1100~1200℃,生长压力为100~400mbar，反应室Ⅴ/Ⅲ比为6000~12000，厚度为100~Ⅴ/Ⅲ比为6000~12000，厚度为100~200nm，生长源为三甲基铝和高纯氨气；金属极极性NMOS栅电极凹槽和氮极性PMOS栅电极凹槽；采用CVD方法在分立的刻蚀后的SiNx钝化层（14）、金属极性NMOS栅电极凹槽和氮极性PMOS栅电极凹槽结构上制备分立的绝缘层Al-Au、Ti-Ni-Ni或Ti-Al-Ni-Au中的一种；采用ICP方法和结合光刻技术将分立的绝缘层x67[0001]本发明属于半导体电子器件技术领域，具体涉及一种金属极性与氮极性结合的GaN基CMOS(金属氧化物半导体晶体管，ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor大的损耗。GaN基电子器件的单片集成是减少寄生电感的有效方法，可以有效提高电路效[0004]本发明提出了一种金属极性与氮极性结合的GaN基CMOS器件及其制备方法。本发明一方面是将P沟道场效应晶体管(简称PMOS)与N沟道场效应晶体管(简称NMOS)单片集成是通过预溅射与选区生长的方法实现衬底晶片上金属极性与氮极性GaN基器件的同步原位器件由金属极性PMOS器件与氮极性NMOS器件组成(见附图1和附图说明)，金属极性PMOS器成；将钝化层14和金属极性极化诱导层12沿中间区域进行刻蚀，露出金属极性GaN沟道层别制备PMOS源电极16和PMOS漏电极17，在PMOS栅电极凹槽中制备PMOS栅电极20；氮极性蚀后的钝化层14表面和露出的氮极性GaN沟道层11表面制备绝缘层15；将绝缘层15和钝化8[0006]该CMOS器件也可以由金属极性NMOS器件与氮极性PMOS器件组成(见附图2和附图漏电极凹槽中制备NMOS源电极18和NMOS漏电极19，在NMOS栅电极凹槽中制备NMOS栅电极[0007]本发明通过在同一衬底上制备金属极性和氮极性GaN/AlGaN或AlGaN/GaN异质结(金属极性GaN/AlGaN异质结对应图1中的金属极性GaN沟道层10/金属极性AlGaN势垒层8结构，氮极性GaN/AlGaN异质结对应图1中的氮极性GaN沟道层11/氮极性AlGaN势垒层9结构，金属极性AlGaN/GaN异质结对应图2中的金属极性AlGaN势垒层8/金属极性GaN沟道层10结利用异质结界面的二维空穴气和二维电子气制备PMOS和NMOS结构，进而实现GaN基CMOS器上各层材料的极性可由衬底表面预处理工艺进行调控，如在经过预溅射AlN缓冲层及高温退火(温度为1500℃~1700℃,退火时间在5min～20min之间)的蓝宝石、碳面SiC衬底或Si9渐变InxGa1-xN的In组分x沿外延生长方向从x1渐变至x2，满足0≤x1＜x2≤Inx2Ga1-x2N)，厚度为50～150nm；其中氮极性NMOS的氮极性极化诱导层13的组分渐变形成空穴沟道，氮极性GaN/AlGaN异质结界面会产生高浓度的二维电子气从而形成电子沟渐变InxGa1-xN的In组分x沿外延生长方向从x1渐变至x2，满足1≥x1>x2≥0，厚度为50~150nm。其中氮极性PMOS氮极性极化诱导层13[0013]如上所述的一种金属极性与氮极性结合的GaN基CMOS器件的制备方法，其步骤如(见附图3和附图说明)；其中金属极性AlN准备层2的生长温度为500～600℃,生长压力为为后续制备的PMOS与NMOS器件进行[0018]对用于制备氮极性NMOS的衬底区域，采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)属极性高阻GaN层6和氮极性高阻GaN层7、金属极性AlGaN势垒层8和氮极性AlGaN势垒层9、13；其中金属极性AlN缓冲层4和氮极性AlN缓冲层5的生长温度为1100～1200℃,生长压力纯氨气；金属极性高阻GaN层6和氮极性高阻GaN层7的生长温度为1000～1100℃,生长压力温度为1100～1250℃,生长压力为100～400mbar，厚度为15～30nm，Al组分为1540%,制；金属极性GaN沟道层10和氮极性GaN沟道层11的生长温度为1000～1100℃,生长压力为氮极性极化诱导层13的生长温度为600～800℃,生长压力为100～400mbar，厚度为50~[0019]采用CVD方法在金属极性极化诱导层12和氮极性极化诱导层13上制备分立的SiNx的SiNx钝化层14沿各自的中间区域刻蚀至金属极性GaN沟道层10和氮极性GaN沟道层11表面，得到金属极性PMOS栅电极凹槽和氮极性NMOS栅电极凹槽(见附图6和附图说明)；采用CVD方法在分立的刻蚀后的SiNx钝化层14、金属极性PMOS栅电极凹槽和氮极性NMOS栅电极以是SiO2或Al2O3材料；采用CVD方法和结合光刻技术在PMOS栅电极凹槽内制备PMOS栅电极20(厚度为150～300nm)，PMOS栅电极20的材料可以是Ti-Al、Ti-Au等二元合金复合材料，CVD方法和结合光刻技术在NMOS栅电极凹槽内制备NMOS栅电极21(厚度为150～300nm)，料；采用ICP方法和结合光刻技术将分立的绝缘层15和SiNx钝化层14沿左右两端区域刻蚀(见附图3和附图说明)；其中金属极性AlN准备层2的生长温度为500～600℃,生长压力为温度为1100～1200℃,生长压力为100～400mbar，反应室Ⅴ/Ⅲ比为6000～12000，厚度为在金属极性AlN缓冲层4和氮极性AlN缓冲层5上依次外延金属极性高阻GaN层6和氮极性高和氮极性高阻GaN层7的生长温度为1000～1100℃,生长压力为100～400mbar，厚度为1000极性GaN沟道层10和氮极性GaN沟道层11的生长温度为1000～1100℃,生长压力为100~生长源的流量进行控制；金属极性极化诱导层12和氮极性极化诱导层13的生长温度为600组分线性升高可以通过在生长过程中线性增加三甲基铟流量(或线性降低生长温度)；反之，实现In组分线性降低可以通过在生长过程中线性减少三甲基铟流量(或线性升高生长[0025]采用CVD方法在金属极性极化诱导层12和氮极性极化诱导层13上制备分立的SiNx钝化层14，其厚度为50～100nm；通过I自的中间区域刻蚀至金属极性AlGaN势垒层8和氮极性AlGaN势垒层9表面，得到金属极性电极凹槽内制备PMOS栅电极20(厚度为150～300nm)，PMOS栅电极20的材料可以是Ti-Al、[0027](1)与使用传统分立器件组成CMOS驱动电路的方法相比，本发明通过将PMOS与[0028](2)本发明通过同步生长金属极性与氮极性器件，可以一次外延获得PMOS和NMOS[0029](3)通过预溅射与选区生长的方法实现单片上金属极性、氮极性结构的原位外延[0030]图1：本发明所述金属极性PMOS与氮极性NMOS结合的GaN基CMOS器件的结构示意[0031]图2：本发明所述金属极性NMOS与氮极性PMOS结合的GaN基CMOS器件的结构示意[0032]图3：本发明所述金属极性PMOS与氮极性NMOS结合的GaN基CMOS器件(金属极性NMOS与氮极性PMOS结合的GaN基CMOS器件)的金属极性AlN准备层制备示意[0033]图4：本发明所述金属极性PMOS与氮极性NMOS结合的GaN基CMOS器件(金属极性NMOS与氮极性PMOS结合的GaN基CMOS器件)的隔离层制备示[0034]图5：本发明所述金属极性PMOS与氮极性NMOS结合的GaN基CMOS器件(金属极性[0038]图9：通过Crosslight公司的AdvancedPhysicalModelsofSemiconductorDevices(APSYS)软件仿真得出的实施例1制备的器件中(a)金属极性PMOS器件GaN沟道层/AlGaN势垒层异质结界面附近的价带结构和(b)氮极性NMOS器件GaN沟道层/AlGaN势垒层异沟道层/AlGaN势垒层异质结界面附近的空穴浓度和(b)氮极性NMOS器件GaN沟道层/AlGaN势垒层/GaN沟道层异质结界面附近的价带结构和(b)金属极性NMOS器件AlGaN势垒层/GaN势垒层/GaN沟道层异质结界面附近的空穴浓度和(b)金属极性NMOS器件AlGaN势垒层/GaN[0047]如图1所示，一种金属极性PMOS与氮极性NMOS结合的GaN基C清洗5分钟后，用氮气枪将衬底吹干。将衬底1分成3个区域，一个区域用于制备金属极性磁控溅射方法在光刻图形上溅射制备100nm金属极性AlN准备层2，溅射过程中采用氮气气氛，溅射靶材采用Al靶材，溅射温度为600℃,压力为100mbar。将金属极性AlN准备层2在准备层2上依次外延金属极性AlN缓冲层4(厚度为100nm)、金属极性高阻GaN层6(厚度为生长时间为1800s)；同时会在在剩余的蓝宝石衬底上外延形成氮极性AlN缓冲层5(厚度为厚度为100nm，生长过程中保持氨气流量与三乙基镓流量不变，三甲基铟源流量从0μmol/Cp2Fe代表二茂铁。ICP方法从钝化层14刻蚀至金属极性GaN沟道层10和氮极性GaN沟道层11(使用气体流量比电极凹槽；采用PECVD方法在金属极性PMOS和氮极性NMOS结构上制备SiO2绝缘层15(厚度栅电极凹槽内制备氮极性NMOS栅电极21(电极结构为Ni/Au，各层厚度分别为20nm和50nm，[0056]图9是通过APSYS仿真得出的实施例1制备的器件中(a)PMOS器件GaN沟道层/AlGaN势垒层异质结界面附近的价带结构和(b)NMOS器件GaN沟道层/AlGaN势垒层异质结界面附[0057]图10是通过APSYS仿真得出的实施例1制备的器件中(a)PMOS器件GaN沟道层/AlGaN势垒层异质结界面附近的空穴浓度和(b)NMOS器件GaN沟道层/AlGaN势垒层异质结界[0058]结合图9和图10可以看出，在PMOS(NMOS)器件靠近GaN/AlGaN界面(对应横坐标0.03μm处)的GaN一侧的价带(导带)形成了由两种材料极化强度和禁带宽度差值导致的三[0059]图11是通过APSYS仿真得出的实施例1制备的器件中(a)PMOS和(b)NMOS器件的输件集成在同一衬底形成实施实例1中的CMOS器件后，在电路中能够达到预期的逻辑控制功[0061]如图2所示，一种金属极性NMOS与氮极性PMOS结合的GaN基C清洗5分钟后，用氮气枪将衬底吹干。将衬底1分成3个区域，一个区域用于制备金属极性磁控溅射方法在光刻图形上溅射制备100nm金属极性AlN准备层2，溅射过程中采用氮气气氛，溅射靶材采用Al靶材，溅射温度为600℃,压力为100mbar。将金属极性AlN准备层2在的蓝宝石衬底上外延形成氮极性AlN缓冲层5(厚度为100nm)、氮极性高阻GaN层7(厚度为Cp2Fe代表二茂铁。ICP方法从钝化层14刻蚀至金属极性AlGaN势垒层12和氮极性AlGaN势垒层13(使用气体流量比为1:9的氯化硼和氯气，极板功率为100W)，得到金属极性NMOS栅电极凹槽和氮极性PMOS栅电极凹槽；采用PECVD方法在金属极性NMOS和氮极性PMOS结构上制备SiO2绝缘层1