本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于Ga₂O₃材料的復(fù)合型雙柵高速PMOS器件及其制備方法。

背景技術(shù)：

MOS器件，即金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，自問世起其結(jié)構(gòu)、性能就完全不同于早先的雙極型集成電路，MOS集成電路具有輸入阻抗高、抗干擾能力強、功耗小、集成度大等優(yōu)點，因而成為超大規(guī)模集成電路時代的主流。MOS器件根據(jù)襯底的不同，導(dǎo)電溝道的不同，分為NMOS、PMOS、CMOS，其中采用N型襯底形成P型溝道的MOS器件為PMOS。

PMOS在Vgs小于定值后導(dǎo)通，該器件電流傳輸所依靠的載流子是空穴，故適合源極接高電壓的情況，其特點是柵極低電平導(dǎo)通，高電平斷開，可用來控制與電源間的驅(qū)動，但相比NMOS導(dǎo)通電阻大，發(fā)熱大。

隨著電子技術(shù)的日新月異的發(fā)展，集成電路規(guī)模不斷提高，進入超大規(guī)模集成電路時代后MOSFET尺寸縮小至納米級別時難免受到二級效應(yīng)的影響，如短溝道效應(yīng)、熱載流子效應(yīng)、漏致感應(yīng)勢壘降低效應(yīng)等。因此需要研究新型襯底材料、新型柵介質(zhì)材料以及新型的器件結(jié)構(gòu)，例如對于寬禁帶材料、高介電常數(shù)材料和雙柵結(jié)構(gòu)的研究以克服器件尺寸縮小引發(fā)的各種二級效應(yīng)的影響。

目前第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料Ga₂O₃材料的PMOS器件作為半導(dǎo)體集成電路功率器件及光電器件的新興研究方向，但由于β-Ga₂O₃襯底應(yīng)用于高速器件時存在空穴傳輸速率不足、熱導(dǎo)率相較其他寬禁帶材料不高等缺點，此外金屬柵/高k柵介質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于Ga₂O₃襯底時出現(xiàn)較嚴重的費米釘扎效應(yīng)，極大影響Ga₂O₃PMOS器件的器件性能。

因此，如何制作出高性能的基于Ga₂O₃PMOS器件就變得極其重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種基于Ga₂O₃材料的復(fù)合型雙柵高速PMOS器件及其制備方法。

本發(fā)明的一個實施例提供了一種基于Ga₂O₃材料的復(fù)合型雙柵高速PMOS器件的制備方法，包括：

選取N型半絕緣襯底；

在所述半絕緣襯底上采用分子束外延法生長N型β-Ga₂O₃層，并通過干法刻蝕工藝形成N型β-Ga₂O₃臺面；

在所述N型β-Ga₂O₃臺面表面相對的兩側(cè)位置處采用離子注入工藝形成源區(qū)和漏區(qū)；

采用第一掩膜版，在所述N型β-Ga₂O₃臺面位于所述源區(qū)和所述漏區(qū)的兩個斜面位置處形成源電極和漏電極；

采用第二掩膜版，在所述N型β-Ga₂O₃臺面另外兩個斜面處利用磁控濺射工藝在靠近所述源區(qū)側(cè)形成第一柵介質(zhì)層；

采用第三掩膜版，在所述N型β-Ga₂O₃臺面另外兩個斜面處利用磁控濺射工藝在靠近所述漏區(qū)側(cè)形成第二柵介質(zhì)層以形成復(fù)合型雙柵介質(zhì)層；

采用第四掩膜版，在所述復(fù)合型雙柵介質(zhì)層表面形成柵電極，最終形成所述復(fù)合型雙柵高速PMOS器件。

在本發(fā)明的一個實施例中，選取N型β-Ga₂O₃襯底，包括：

選取摻雜類型為厚度為350μm的所述N型半絕緣襯底SiC或藍寶石；

對所述N型半絕緣襯底進行RCA清洗。

在本發(fā)明的一個實施例中，在所述N型β-Ga₂O₃臺面表面相對的兩側(cè)位置處采用離子注入工藝形成源區(qū)和漏區(qū)，包括：

在所述N型β-Ga₂O₃臺面表面相對的兩側(cè)位置處采用離子注入工藝形成源漏輕摻雜區(qū)；

在所述源漏輕摻雜區(qū)的邊緣處采用離子注入工藝形成源漏重摻雜區(qū)。

在本發(fā)明的一個實施例中，采用第一掩膜版，在所述N型β-Ga₂O₃襯底位于所述源區(qū)和所述漏區(qū)的兩個斜面位置處形成源電極和漏電極，包括：

采用所述第一掩膜版，以第一金屬材料為濺射靶材，在所述N型β-Ga₂O₃襯底靠近所述源區(qū)和所述漏區(qū)的兩個斜面位置處采用磁控濺射工藝形成源電極材料和漏電極材料；

在氮氣或者氬氣的環(huán)境下，采用快速熱退火工藝對所述源電極材料和所述漏電極材料進行退火處理形成所述源電極和所述漏電極。

在本發(fā)明的一個實施例中，采用第二掩膜版，在所述N型β-Ga₂O₃臺面另外兩個斜面處利用磁控濺射工藝在靠近所述源區(qū)側(cè)形成第一柵介質(zhì)層，包括：

采用所述第二掩膜版，選用Al材料作為濺射靶材，以氬氣和氧氣作為濺射氣體通入濺射腔，在所述N型β-Ga₂O₃襯底另外兩個斜面處靠近所述源區(qū)側(cè)形成Al₂O₃柵介質(zhì)層。

在本發(fā)明的一個實施例中，采用第三掩膜版，在所述N型β-Ga₂O₃臺面另外兩個斜面處利用磁控濺射工藝在靠近所述漏區(qū)側(cè)形成第二柵介質(zhì)層以形成復(fù)合型雙柵介質(zhì)層，包括：

采用所述第三掩膜版，選用Y₂O₃陶瓷靶材料作為濺射靶材，以氧氣和氬氣作為濺射氣體通入濺射腔，在所述N型β-Ga₂O₃襯底另外兩個斜面處靠近所述漏區(qū)側(cè)形成Y₂O₃柵介質(zhì)層。

在本發(fā)明的一個實施例中，采用第四掩膜版，在所述形成所述復(fù)合型雙柵介質(zhì)層表面形成柵電極，包括：

采用所述第四掩膜版，選用Au材料作為濺射靶材，以氬氣作為濺射氣體通入濺射腔，在所述形成所述復(fù)合型雙柵介質(zhì)層表面形成所述柵電極。

本發(fā)明的另一個實施例提供了一種基于Ga₂O₃材料的復(fù)合型雙柵高速PMOS器件，其中，所述雙柵高速PMOS器件由上述實施例中任一所述的方法制備形成。

本發(fā)明實施例的雙柵高速PMOS器件，相對于現(xiàn)有技術(shù)至少具有如下優(yōu)點：

本發(fā)明的PMOS器件采用兩種不同介電常數(shù)的材料作為復(fù)合型柵氧化層傳輸空穴阻擋電子，從而有效提高了空穴沿溝道方向的傳輸速率，進一步有效降低短溝道效應(yīng)和熱載流子效應(yīng)，增大擊穿電壓，克服了傳統(tǒng)雙柵結(jié)構(gòu)中空穴傳輸速率不夠高的缺點，通過選擇不同組合的兩種材料作為柵介質(zhì)層可調(diào)節(jié)閾值電壓，進一步發(fā)揮了雙柵結(jié)構(gòu)本有的高跨導(dǎo)、高載流子遷移率、良好的亞閾值斜率特性的優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于Ga₂O₃材料的復(fù)合型雙柵高速PMOS器件的第一截面示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種基于Ga₂O₃材料的復(fù)合型雙柵高速PMOS器件的第二截面示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的一種基于Ga₂O₃材料的復(fù)合型雙柵高速PMOS器件的第三截面示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的一種基于Ga₂O₃材料的復(fù)合型雙柵高速PMOS器件的俯視示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例提供的一種基于Ga₂O₃材料的復(fù)合型雙柵高速PMOS器件的制備方法流程示意圖；

圖6a-圖6j為本發(fā)明實施例提供的一種基于Ga₂O₃材料的復(fù)合型雙柵高速PMOS器件的制備方法示意圖；

圖7a-圖7b為本發(fā)明實施例提供的一種第一掩膜版組的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8a-圖8b為本發(fā)明實施例提供的一種第二掩膜版組的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9a-圖9b為本發(fā)明實施例提供的一種第三掩膜版組的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10a-圖10b為本發(fā)明實施例提供的一種第四掩膜版組的結(jié)構(gòu)示意圖；以及

圖11a-圖11d為本發(fā)明實施例提供的一種第五掩膜版組的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例一

請參見圖1、圖2、圖3及圖4，圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于Ga₂O₃材料的復(fù)合型雙柵高速PMOS器件的第一截面示意圖(沿XY軸形成的平面截取)，圖2為本發(fā)明實施例提供的一種基于Ga₂O₃材料的復(fù)合型雙柵高速PMOS器件的第二截面示意圖(沿ZY軸形成的平面截取，觀看角度為：漏電極à源電極的方向)，圖3為本發(fā)明實施例提供的一種基于Ga₂O₃材料的復(fù)合型雙柵高速PMOS器件的第三截面示意圖(沿ZY軸形成的平面截取，觀看角度為：源電極à漏電極的方向)，圖4為本發(fā)明實施例提供的一種基于Ga₂O₃材料的復(fù)合型雙柵高速PMOS器件的俯視示意圖。該復(fù)合型雙柵高速PMOS器件包括氧化鎵臺面1、由靠近源端區(qū)域柵氧化層2和靠近漏端區(qū)域柵氧化層3組成的復(fù)合型柵介質(zhì)層、雙金屬柵電極9、源漏輕摻雜區(qū)7、8、源漏重摻雜區(qū)11、12和源漏電極5、6和半絕緣襯底10組成。

所述襯底例如為N型的半絕緣襯底SiC或藍寶石，所述外延臺面為無摻雜或摻雜Sn、Si、Al等元素厚度20-35nm、摻雜濃度10¹⁷cm^-3量級的N型β-Ga₂O₃(-201)、N型β-Ga₂O₃(010)或N型β-Ga₂O₃(001)材料；所述柵介質(zhì)層靠近漏端區(qū)域例如為TiO₂或Y₂O₃或HfO₂材料；所述柵介質(zhì)層靠近源端區(qū)域例如為Al₂O₃或SiO₂或Si₃N₄材料；所述雙柵電極例如為Au、Al、Ti、Sn、Ge、In、Ni、Co、Pt、W、Mo、Cr、Cu、Pb等金屬材料、包含這些金屬中2種以上合金或ITO等導(dǎo)電性化合物形成。另外，可以具有由不同的2種以上金屬構(gòu)成的2層結(jié)構(gòu)，例如Al/Ti。所述源漏重摻雜區(qū)摻雜元素可為Cu或者N和Zn的共摻雜；所述源漏電極例如為Au、Al、Ti、Sn、Ge、In、Ni、Co、Pt、W、Mo、Cr、Cu、Pb等金屬材料、包含這些金屬中2種以上合金或ITO等導(dǎo)電性化合物形成。另外，可以具有由不同的2種及以上金屬構(gòu)成的2層結(jié)構(gòu)，例如Al/Ti。

請參見圖5，圖5為本發(fā)明實施例提供的一種基于Ga₂O₃材料的復(fù)合型雙柵高速PMOS器件的制備方法流程示意圖。該方法包括如下步驟：

步驟a、選取N型半絕緣襯底；

步驟b、在所述N型半絕緣襯底上采用分子束外延生長N型β-Ga₂O₃層20-35nm，并通過干法刻蝕工藝形成N型β-Ga₂O₃臺面；

步驟c、在所述N型β-Ga₂O₃襯底表面相對的兩側(cè)位置處采用離子注入工藝形成源區(qū)和漏區(qū)；

步驟d、采用第一掩膜版，在所述N型β-Ga₂O₃襯底位于所述源區(qū)和所述漏區(qū)的兩個斜面位置處形成源電極和漏電極；

步驟e、采用第二掩膜版，在所述N型β-Ga₂O₃臺面另外兩個斜面處利用磁控濺射工藝在靠近所述源區(qū)側(cè)形成第一柵介質(zhì)層；

步驟f、采用第三掩膜版，在所述N型β-Ga₂O₃臺面另外兩個斜面處利用磁控濺射工藝在靠近所述漏區(qū)側(cè)形成第二柵介質(zhì)層以形成所述復(fù)合型雙柵介質(zhì)層；

步驟g、采用第四掩膜版，在所述復(fù)合型雙柵介質(zhì)層表面形成柵電極，最終形成所述復(fù)合型雙柵高速PMOS器件。

對于步驟a，可以包括：

步驟a1、選取摻雜類型為厚度為350μm的所述N型半絕緣襯底SiC或藍寶石；

步驟a2、對所述N型半絕緣襯底進行RCA標(biāo)準清洗。

對于步驟b，可以包括：

在所述N型半絕緣襯底表面通過分子束外延生長N型β-Ga₂O₃層，厚度為20-35nm，可摻雜Sn、Si、Al等元素，摻雜濃度在10¹⁷cm^-3量級。

對于步驟c，可以包括：

步驟c1、在所述N型β-Ga₂O₃臺面表面相對的兩側(cè)位置處采用離子注入工藝形成源漏輕摻雜區(qū)；該輕摻雜區(qū)的濃度例如為1×10¹⁴~1×10¹⁶cm^-3。

步驟c2、在所述源漏輕摻雜區(qū)的邊緣處采用離子注入工藝形成源漏重摻雜區(qū)。該重摻雜區(qū)的濃度例如為1×10¹⁸~1×10²⁰cm^-3。

對于步驟d，可以包括：

步驟d1、采用所述第一掩膜版，以第一金屬材料為濺射靶材，在所述N型β-Ga₂O₃臺面靠近所述源區(qū)和所述漏區(qū)的兩個斜面位置處采用磁控濺射工藝形成源電極材料和漏電極材料；

步驟d2、在氮氣或者氬氣的環(huán)境下，采用快速熱退火工藝對所述源電極材料和所述漏電極材料進行退火處理形成所述源電極和所述漏電極。

對于步驟e，可以包括：

采用所述第二掩膜版，選用Al材料作為濺射靶材，以氬氣和氧氣作為濺射氣體通入濺射腔，在所述N型β-Ga₂O₃臺面另外兩個斜面處靠近所述源區(qū)側(cè)形成Al₂O₃柵介質(zhì)層。

對于步驟f，可以包括：

步驟f1、采用所述第三掩膜版，選用Y₂O₃陶瓷靶材料作為濺射靶材，以氧氣和氬氣作為濺射氣體通入濺射腔，在所述N型β-Ga₂O₃臺面另外兩個斜面處靠近所述漏區(qū)側(cè)形成Y₂O₃柵介質(zhì)層。

對于步驟g，可以包括：

采用所述第四掩膜版，選用Au材料作為濺射靶材，以氬氣作為濺射氣體通入濺射腔，在所述復(fù)合型雙柵表面形成所述柵電極。

本發(fā)明實施例，通過采用兩種不同介電常數(shù)的材料作為復(fù)合型柵氧化層傳輸空穴阻擋電子，從而有效提高了空穴沿溝道方向的傳輸速率。

實施例二

請一并參見圖6a-圖6j，圖7-圖10，圖6a-圖6j為本發(fā)明實施例提供的一種基于Ga₂O₃材料的復(fù)合型雙柵高速PMOS器件的制備方法示意圖；圖7為本發(fā)明實施例提供的一種第一掩膜版組的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明實施例提供的一種第二掩膜版的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本發(fā)明實施例提供的一種第三掩膜版的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為本發(fā)明實施例提供的一種第四掩膜版的結(jié)構(gòu)示意圖；以及圖11a-圖11d為本發(fā)明實施例提供的一種第五掩膜版組的結(jié)構(gòu)示意圖。本實施例在上述實施例的基礎(chǔ)上，對本發(fā)明的基于Ga₂O₃材料的復(fù)合型雙柵高速PMOS器件的制備方法進行詳細說明如下：

步驟1：請參見圖6a，準備半絕緣藍寶石襯底10，厚度為350μm，對襯底進行預(yù)處理如RCA標(biāo)準清洗。

可選地，襯底可選用厚度為350μmSiC襯底用RCA標(biāo)準清洗，制作過程更為復(fù)雜。

步驟2：請參見圖6b及圖6c，在步驟1所準備的半絕緣襯底表面采用分子束外延生長β-Ga₂O₃層1，后通過干法刻蝕形成β-Ga₂O₃臺面1。

步驟3：請參見圖6d、圖6e及圖11a-圖11d，在步驟2所準備的β-Ga₂O₃臺面1兩側(cè)進行離子注入使兩側(cè)區(qū)域形成P型導(dǎo)電區(qū)7、8，之后在P型導(dǎo)電區(qū)7、8兩側(cè)重摻雜形成左右兩側(cè)重摻雜β-Ga₂O₃區(qū)11、12，注入離子可為Cu或N、Zn共摻雜。其中，圖11a為源輕摻雜用的掩膜版，圖11b為漏輕摻雜用的掩膜版，圖11c為源重摻雜用的掩膜版，11d為漏重摻雜用的掩膜版。

步驟4：請參見圖6f及圖7a-圖7b，在步驟2所準備的左右兩側(cè)重摻雜β-Ga₂O₃區(qū)11、12上使用第一掩膜版，通過磁控濺射源漏Au電極5、6，并進行退火形成歐姆接觸。其中，圖7a為漏電極的掩膜版，圖7b為源電極的掩膜版，由于整個襯底表面為臺狀結(jié)構(gòu)，所以防止掩膜版彎曲，在斜面部分采用如圖所示的小尺寸掩膜版，在未被掩膜版覆蓋的區(qū)域使用無塵紙貼敷。

濺射靶材選用質(zhì)量比純度>99.99%的金，以質(zhì)量百分比純度為99.999%的Ar作為濺射氣體通入濺射腔，濺射前，用高純氬氣對磁控濺射設(shè)備腔體進行5分鐘清洗，然后抽真空。在真空度為6×10^-4~1.3×10^-3Pa、氬氣流量為20~30cm³/秒、靶材基距為10cm和工作功率為20W~100W的條件下，制備源漏電極金，電極厚度為40~100nm。濺射完成后進行快速熱退火，在氮氣或氬氣環(huán)境下，700℃退火4min。

源漏電極的金屬可選Au、Al、Ti等不同元素及其組成的2層結(jié)構(gòu)，源漏電極可選用Al\Ti\Ni\Ag\Pt等金屬替代，但替換后需要更改磁控濺射各項工藝參數(shù)。其中Au\Ag\Pt化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；Al\Ti\Ni成本低。

步驟5：請參見圖6g及圖8a-圖8b，在步驟1所準備的β-Ga₂O₃臺面另外兩側(cè)的斜面使用第二掩膜版，通過磁控濺射靠近源端的Al₂O₃柵氧化層2。圖8a為其中一個斜面的掩膜版，圖8b為另一個斜面的掩膜版，臺狀結(jié)構(gòu)的頂部平面上同樣采用無塵紙?zhí)幚怼?/p>

濺射靶材選用質(zhì)量比純度>99.99%的鋁靶材，以質(zhì)量百分比純度為99.999%的氬氣和氧氣作為濺射氣體通入濺射腔，濺射前用高純氬氣對磁控濺射設(shè)備腔體進行5分鐘清洗，然后抽真空。在真空度為6×10^-4~1.3×10^-3Pa、氧氣和氬氣流量為20-30cm³/秒、靶材基距為10cm和工作功率為250W~350W的條件下，制備靠近源端的Al₂O₃柵氧化層2，柵氧化層2厚度為5~15nm。

靠近源端的柵氧化層可選用SiO₂或Si₃N₄材料替代。但替代后提高空穴傳輸速率的效果變差且磁控濺射得更換靶材并修改各項工藝參數(shù)。

步驟6：請參見圖6h及圖9a-圖9b，在步驟1所準備的β-Ga₂O₃臺面另外兩側(cè)的斜面使用第三掩膜版，通過磁控濺射靠近漏端的Y₂O₃柵氧化層3。圖9a為其中一個斜面的掩膜版，圖9b為另一個斜面的掩膜版，臺狀結(jié)構(gòu)的頂部平面上同樣采用無塵紙?zhí)幚怼?/p>

濺射靶材選用質(zhì)量比純度>99.99%的Y₂O₃陶瓷靶材，以質(zhì)量百分比純度為99.999%的O₂和Ar作為濺射氣體通入濺射腔，濺射前用高純氬氣對磁控濺射設(shè)備腔體進行5分鐘清洗，然后抽真空。在真空度為6×10^-4~1.3×10^-3Pa、氬氣和氧氣流量為20~30cm³/秒、靶材基距為10cm和工作功率為40W~70W的條件下，制備靠近漏端的Y₂O₃柵氧化層3，柵氧化層3厚度與步驟3厚度一樣。

靠近源端的柵氧化層3可選用Ti₂O₃或HfO₂材料替代。但替代后提高空穴傳輸速率的效果變差且磁控濺射得更換靶材并修改各項工藝參數(shù)。

在復(fù)合型柵氧化層上采用CMP工藝進行平整化，以確保柵氧化層3厚度與柵氧化層3的厚度一致。

步驟7：請參見圖6i、圖6j及圖10a-圖10b，在柵氧化層2和3上磁控濺射Au材料作為柵電極9。圖10a為其中一個斜面的掩膜版，圖10b為另一個斜面的掩膜版，臺狀結(jié)構(gòu)的頂部平面上同樣采用無塵紙?zhí)幚怼?/p>

采用磁控濺射工藝在步驟4和步驟5所得柵氧化層2和3上使用第四掩膜版，通過磁控濺射生長Au柵電極9，濺射靶材選用質(zhì)量比純度>99.99%的金，以質(zhì)量百分比純度為99.999%的Ar作為濺射氣體通入濺射腔，濺射前，用高純氬氣對磁控濺射設(shè)備腔體進行5分鐘清洗，然后抽真空。在真空度為6×10^-4~1.3×10^-3Pa、氬氣流量為20~30cm³/秒、靶材基距為10cm和工作功率為20~100W的條件下，制備Au柵電極9，電極厚度為40~100nm。

柵電極9的金屬可選Au、Al、Ti等不同元素及其組成的2層結(jié)構(gòu)，柵電極9可選用Al\Ti\Ni\Ag\Pt等金屬替代。其中Au\Ag\Pt化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；Al\Ti\Ni成本低。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。