劉艷的GaNMOSFET器件研究

1、GaN基 MOSFET器件的研究 報(bào)告人：劉艷 2012年12月內(nèi)容1.GaN材料2.MOSFET器件3. GaN MOSFET器件制作工藝介紹4. MOSFET器件參數(shù)5. GaN MOSFET器件研究現(xiàn)狀及存在的問題材料SiGaAsSiCGaN禁帶寬度 Eg (eV)1.121.423.253.4相對(duì)介電常數(shù) r11.812.89.79熱導(dǎo)率 (W/cmK)1.50.54.92.3擊穿電場(chǎng) (MV/cm)0.30.434電子遷移率 (cm2/Vs)1500850070010002000飽和漂移速度 vsat (107 cm/s) (峰值)1123最大工作溫度 T ()30030060070

2、0GaN材料 1.GaN材料的基本特性 表 幾種常見半導(dǎo)體材料的主要參數(shù):三種晶體結(jié)構(gòu)：立方閃鋅礦3C型結(jié)構(gòu)（相）、六角纖維鋅礦2H型結(jié)構(gòu)（相）和面心立方結(jié)構(gòu)（NaCl結(jié)構(gòu)）纖鋅礦結(jié)構(gòu)（六方相，a 相），閃鋅礦結(jié)構(gòu)（立方相，b相）和巖鹽結(jié)構(gòu)圖1 纖鋅礦GaN 各個(gè)不同方向的透視圖2. 纖鋅礦GaN 圖2 Ga面和N面GaN晶格結(jié)構(gòu)圖圖3 閃鋅礦結(jié)構(gòu) 3.GaN材料的晶格常數(shù)AlGaN, InGaN, InAlN, GaNP三元化合物如AlxGa1-xAs的晶格常數(shù)一般可以表示為：a（x）=xa（AlAs）+（1-x）a（GaAs）一. MOSFET結(jié)構(gòu)GSiO2BSDtox圖4 MOSFET結(jié)

3、構(gòu)1) 結(jié)構(gòu)SGDB2)符號(hào)3)基本參數(shù)溝道長(zhǎng)度 L(跟工藝水平有關(guān))溝道寬度 W柵氧化層厚度 tox MOSFET器件2. MOSFET分類耗盡型耗盡型P溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型N溝道溝道N溝道溝道（耗盡型）（耗盡型）FET場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管JFET結(jié)型結(jié)型MOSFET絕緣柵型絕緣柵型(IGFET)耗盡型耗盡型：場(chǎng)效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在：場(chǎng)效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在增強(qiáng)型增強(qiáng)型：場(chǎng)效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道：場(chǎng)效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道場(chǎng)效應(yīng)管的分類：場(chǎng)效應(yīng)管的分類：P溝道溝道二. MOSFET器件涉及的物理機(jī)制圖5 GaN

4、n-MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖PN結(jié)歐姆接觸肖特基接觸MIS結(jié)構(gòu)摻雜主要包括襯底層的生長(zhǎng)；源漏區(qū)的摻雜；柵介質(zhì)層的選??；器件隔離；歐姆接觸和柵極肖特基接觸等。(a)(b) N型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體 1.P-N結(jié)結(jié) 圖6 p-n結(jié)漂移，擴(kuò)散2.肖肖特特基接觸基接觸圖7 能帶圖3.歐姆歐姆接觸接觸3.1 隧道效應(yīng) 3.2 小結(jié) 圖8 能帶圖圖9 金屬跟n型半導(dǎo)體接觸4 .MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖10 能帶圖1.GaN材料5. 摻雜摻雜摻雜（摻雜（dopingdoping）：將一定數(shù)量和一定種類的雜質(zhì)摻入材料中，并獲得精確的雜質(zhì)分布形狀（doping profile）。摻雜應(yīng)用：MOSFET中阱、柵、源/漏、溝道

5、等；BJT中基極、發(fā)射極、集電極等B E Cppn+n-p+p+n+n+BJTNMOS圖11基本概念：基本概念：結(jié)深 xj （Junction Depth）；薄層電阻 Rs （Sheet Resistance ）；雜質(zhì)固溶度（Solubility)目的：目的：改變晶片電學(xué)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)器件和電路縱向結(jié)構(gòu)。方式：方式：擴(kuò)散（diffusion）、離子注入（ion implantation）、合金、中子嬗變。圖12晶片器件作用雜質(zhì)硅雙極型晶體管及其IC隱埋區(qū)Sb, As隔離區(qū)B, Al基區(qū)B, P發(fā)射區(qū)P, As, P-As, B電阻B:P開關(guān)管及高速IC 提高開關(guān)速度Au, PtMOS晶體管及其IC

6、源、漏、溝道、阱B:P, As砷化鎵MIS IC，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其IC半絕緣區(qū)H, O, Cr源、漏Zn, Be:S, Si, Sn鍺pnp管集電區(qū)、發(fā)射區(qū)In-Ga, Al摻入的雜質(zhì)是電活性的，能提供所需的載流子，使許多微結(jié)構(gòu)和器件得以實(shí)現(xiàn)。摻雜的最高極限約1021 atoms/cm3，最低1013 atoms/cm3離子注入 在半導(dǎo)體領(lǐng)域，引入雜質(zhì)的方法主要有：擴(kuò)散、外延生長(zhǎng)和離子注入。由于GaN穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)使擴(kuò)散需要較高的溫度和較長(zhǎng)的時(shí)間，所以擴(kuò)散法摻雜不具有實(shí)用價(jià)值。外延生長(zhǎng)摻雜，受材料的溶解性以及外延生長(zhǎng)過程的選擇性影響較大，且含量不易控制，靈活性較差。 離子注入的基本過程v

7、將某種元素的原子或攜帶該元素的分子經(jīng)離化變成帶電的離子v 在強(qiáng)電場(chǎng)中加速，獲得較高的動(dòng)能后，射入材料表層（靶）v 以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)a)a) 源源（SourceSource）：氣體源，如 BF3，BCl3，PH3，AsH3 Ar，GeH4，O2，N2等。如用固體或液體做源材料，一般先加熱，得到它們的蒸汽，再導(dǎo)入放電區(qū)。b)b) 離子源離子源（Ion SourceIon Source）：）：燈絲（filament）發(fā)出的自由電子在電磁場(chǎng)作用下，獲得足夠的能量后撞擊源分子或原子，使它們電離成離子，再經(jīng)吸極吸出，由初聚焦系統(tǒng)聚成離子束，射向磁分析器. B ， As，Ga，Ge，Sb，

8、PGaN MOSFET器件制作工藝介紹1.主要工藝流程 GaN MOSFET器件的結(jié)構(gòu)如圖13所示。器件設(shè)計(jì)在厚度為2m的p型GaN材料上，以Mg作為受主雜質(zhì)（雜質(zhì)非完全電離，Mg的電離能為170meV），濃度量級(jí)范圍內(nèi)，柵極氧化層厚度（選用SiO2作為柵介質(zhì)）為10-100nm，柵長(zhǎng)取值范圍為0.8m-5m之間，n+漏源區(qū)的摻雜濃度，電極間距離Lgd=Lgs為0.5-3m。在模擬過程中，GaN的電子遷移率n設(shè)置。圖13 GaN n-MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖GaN主要工藝流程： (1)在藍(lán)寶石襯底上使用氫化物氣相外延 (HVPE)生長(zhǎng)GaN外延； (2)采用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)在GaN

9、上淀積柵介質(zhì)層SiO2，淀積溫度為900； (3)淀積0.5m SiO2做保護(hù)層，進(jìn)行離子注入Si形成源漏重?fù)诫s； (4)離子注入完成后，對(duì)器件進(jìn)行快速熱退火，消除晶格損傷并激活雜質(zhì)； (5)淀積形成源漏區(qū)接觸和柵極接觸。2.主要工藝介紹2.1在藍(lán)寶石襯底上使用氫化物氣相外延 (HVPE)生長(zhǎng)GaN外延1)藍(lán)寶石襯底 GaN 外延最常用的襯底是藍(lán)寶石（-Al2O3），其結(jié)構(gòu)為六方結(jié)構(gòu)和斜方結(jié)構(gòu)，如圖18所示。藍(lán)寶石具有高溫下（1000）化學(xué)穩(wěn)定，容易獲得大尺寸，以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是它與GaN 之間存在著較大的晶格失配和熱膨脹失配，大的晶格失配導(dǎo)致在GaN 外延層中產(chǎn)生很高的位錯(cuò)密度，高的

10、位錯(cuò)密度降低了載流子遷移率和少數(shù)載流子壽命，降低了熱導(dǎo)率；熱失配會(huì)在外延層冷卻過程中產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，最終降低產(chǎn)品性能。 （a） （b） 圖14 藍(lán)寶石晶胞透視圖(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B.臨界層厚度 在異質(zhì)外延生長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)變能是隨著外延層厚度增加而增加，通常把外延層即將釋放應(yīng)變能形成失配位錯(cuò)時(shí)的厚度稱為臨界層厚度。計(jì)算臨界層厚度的模型有：PB模型，F(xiàn)isher模型和Matthews模型 2) AIXTRON HVPE生長(zhǎng)GaNAIXTRON VPE 1005 Zone resistance HeaterLoad LockGas Mi

11、xing SystemElectronic Control RackAIX HVPE Reactor- Cross SectionHVPE反應(yīng)方程:襯底條件:生長(zhǎng)條件:Mg源: Cp2Mg 需要控制流速，生長(zhǎng)溫度等。2.2 采用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)在GaN上淀積柵介質(zhì)層SiO21）二氧化硅的理化性質(zhì)及用途密度:SiO2致密程度的標(biāo)志。密度大表示致密程度高，約2-2.2g/cm3；熔點(diǎn):石英晶體1732,而非晶態(tài)的SiO2無熔點(diǎn)，軟化點(diǎn)1500電阻率:與制備方法及所含雜質(zhì)有關(guān),高溫干氧可達(dá)1016cm,一般在107-1015 cm；介電性:介電常數(shù)3.9；介電強(qiáng)度:100-1000V/

12、m；折射率 :在1.33-1.37之間；腐蝕性:只和HF酸反應(yīng)，與強(qiáng)堿反應(yīng)緩慢。0.8 nm柵氧化層?xùn)叛趸瘜痈綦x工藝隔離工藝互連層互連層間絕緣間絕緣介質(zhì)介質(zhì)High K作為掩蔽膜作為掩蔽膜1)方法選擇2) Tempress擴(kuò)散系統(tǒng)1.裝載系統(tǒng)：用于將上料臺(tái)上的石英舟及未擴(kuò)散硅片送入爐內(nèi)，以及將擴(kuò)散完成的硅片送到上料臺(tái)。2.爐體部分：機(jī)臺(tái)的核心部分，由四個(gè)爐體和溫度控制系統(tǒng)以及爐門控制系統(tǒng)組成。3.氣源柜：用于提供擴(kuò)散工藝過程所需的各種工藝氣體，以及將擴(kuò)散過程中產(chǎn)生的尾氣通過酸排風(fēng)系統(tǒng)排出。4.配電箱：用于提供機(jī)臺(tái)所需的動(dòng)力電源。工藝參數(shù)：溫度、壓力、氣體流量、工藝時(shí)間生長(zhǎng)條件：二氯硅烷與氧化亞

13、氮在低壓下反應(yīng)形成二氧化硅。反應(yīng)： HClNSiO22O2N HSiCl22222C900TEOS源LPCVD法生長(zhǎng)SiO：3 離子注入3.1光刻涂膠，前烘，曝光，顯影，堅(jiān)膜，腐蝕和去膠等七個(gè)步驟。光刻工藝過程示意圖1) 電子束抗蝕劑:COP,PBS,CMS,OEBR1000技術(shù)參數(shù)：1.掃描速度有：2.5MHz,4MHz，6MHz和10MHz多種選擇2.工件臺(tái)移動(dòng)：45mmX45mm，150mmX150mm，200mmX200mm3.激光工件臺(tái)的激光定位精度為2nm2) 德國Raith電子束光刻系統(tǒng)型號(hào)有：Raith 50,Raith 150,Raith 2003)Vll Sta 810XE

14、r 中束流注入機(jī)能量：20-80KeV400-500W/h典型離子注入典型離子注入?yún)?shù)參數(shù): :離子：P，As，Sb，B，In，O劑量：10111018 cm-2能量：1 400 keV 可重復(fù)性和均勻性: 1%溫度：室溫流量：1012-1014 cm-2s-1GaN:注入能量，注入角度，注入源，退火Si是n型GaN注入中最適用的摻雜物。4) Oxford Plasma lab System 100 ICP 180 干法刻蝕可以從抗蝕劑圖案上得到高準(zhǔn)確度的圖案轉(zhuǎn)移。終點(diǎn)控制用激光干涉度量法。2.2 源漏區(qū)歐姆接觸 目前n-GaN上最常采用的金屬為Ti/Al/Ni/Au。金屬的功函數(shù)等于或低于G

15、aN的4.2eV。Ti/Al雙層結(jié)構(gòu)其功函數(shù)較低，Ni/Au作為Ti/Al的覆蓋層可以阻止AU向GaN表面的擴(kuò)散，防止與GaN接觸的Ti/Al的氧化。蒸鍍和濺射是兩種常用的歐姆接觸制備方法1) 利用CHF3 和O3的等離子體進(jìn)行清潔2)電子束蒸發(fā)淀積金屬PJ等離子清洗器通過利用對(duì)氣體離化成等離子狀態(tài),來處理樣品表面，實(shí)現(xiàn)清潔、改性、光刻膠灰化等的目的。 美國 Temescal 公司，型號(hào)：FC20359；Ultimate vacuum 1 x 10-7 Torr；Operational Vacuum 1 x 10-6 Torr in 40 mins；3)鈍化處理鈍化是化學(xué)清洗的重要步驟之一。酸

16、洗后因金屬表面活化,暴露在大氣中易受腐蝕。鈍化處理是在酸洗之后用鈍化液使金厲表面形成穩(wěn)定的保護(hù)膜。2.3 退火工藝 快速熱退火(RTA):在瞬時(shí)內(nèi)使某個(gè)區(qū)域加熱到所需的溫度，并在較短的時(shí)間內(nèi)（1010秒）完成退火?？焖贌嵬嘶穑≧TA）的特點(diǎn)是升溫速率（50/sec）和在該退火溫度下的停駐退火時(shí)間短(0, 柵氧化層中的場(chǎng)強(qiáng)越來越大，它們排斥P型襯底靠近 SiO2 一側(cè)的空穴，形成由負(fù)離子組成的耗盡層。增大 VGS 耗盡層變寬。VGS繼續(xù)增大: 弱反型強(qiáng)反型 當(dāng)VGS繼續(xù)升高時(shí), 溝道加厚，溝道電阻減少，在相同VDS的作用下， ID將進(jìn)一步增加。 閾值電壓：使半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)所需加的柵源電壓

17、。用VT表示。2 . VDS對(duì)對(duì)導(dǎo)電溝道的影響導(dǎo)電溝道的影響(VGS VT)VGD=VGSVDSVDSVGSBPGN+N+SDVGSEL c.VDS=VGSVT，即即VGD=VT：靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。VDS=VDSatb.0VDSVT:導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形?？拷┒说膶?dǎo)電溝道減薄。a. VDS 0，但值較小時(shí)但值較小時(shí)：VDS對(duì)溝道影響可忽略，溝道厚度均勻.d.VDSVGSVT，即即VGDVT：夾斷區(qū)發(fā)生擴(kuò)展，夾斷點(diǎn)向源端移動(dòng).1）輸出特性曲線）輸出特性曲線(假設(shè)假設(shè)VGS =5V)(d)(d)VDS:VGDVTBPN+N+VDSVGSGSDLVTBPN+N+VDSVGS

18、GSDVGSVGD(c)V(c)VDS:VGD=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT( (a) )VDS很小很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGDVGS VGS=3V飽和區(qū)飽和區(qū)非非飽飽和和區(qū)區(qū)擊擊穿穿區(qū)區(qū)BVDS ID/mAVDS /VOVGS=5VVGS=4V預(yù)夾斷軌跡預(yù)夾斷軌跡VDSat 過過渡渡區(qū)區(qū)線線性性區(qū)區(qū)ID=IDSat2）轉(zhuǎn)移特性曲線）轉(zhuǎn)移特性曲線(假設(shè)假設(shè)VDS =5V) a. VGS VT 器件內(nèi)存在導(dǎo)電溝道，器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，有輸出電流。且VGS越大，溝道導(dǎo)電能力越強(qiáng)，輸出電流越大.VGS /VID /mAOVT 3.氧化層氧化層厚度對(duì)厚度對(duì)GaN MOSFET器件特性的影響器件特性的影響器件的柵氧化層越薄，閾值電壓越小，轉(zhuǎn)移特性就越好，柵極電壓對(duì)溝道的控制能力就越強(qiáng)，器件的靈敏度就越高。