一種氮化銦（InN）基場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，特別涉及一種氮化銦基場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在III族氮化物半導(dǎo)體材料中，氮化銦(InN)擁有最小的禁帶寬度和電子質(zhì)量，同時(shí)，氮化銦具有最高的電子迀移率和電子飽和速率，其優(yōu)異的電子傳輸特性使得氮化銦在高速電子器件應(yīng)用有著巨大的潛力。
[0003]長(zhǎng)久以來，氮化銦晶體質(zhì)量嚴(yán)重影響材料的電子傳輸特性，基于氮化銦材料的半導(dǎo)體器件鮮有報(bào)道。由于自然界不存在氮化銦塊材料，人們普遍采用異質(zhì)外延生長(zhǎng)的方法來制備氮化銦晶體。由于氮化銦本身較低的分解溫度和缺乏合適的外延襯底，其晶體制備和半導(dǎo)體器件技術(shù)進(jìn)展緩慢。
[0004]近年來，采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(M0CVD)和分子束外延(MBE)的方法在藍(lán)寶石(A1203)、氮化鎵(GaN)和氮化鋁(A1N)等襯底上制備出氮化銦外延薄膜。這使得人們制備基于氮化銦異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體器件成為可能。但是上述方法中襯底材料仍存在缺點(diǎn)，襯底材料晶格常數(shù)與氮化銦晶格常數(shù)存在較大差異。襯底與外延的晶格失配越大，制備的氮化銦薄膜中的穿透位錯(cuò)密度將會(huì)急劇上升，導(dǎo)致氮化銦薄膜電子迀移率下降，晶體質(zhì)量變差，最終將嚴(yán)重影響半導(dǎo)體器件的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于氮化銦材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管及制備方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，采用了下述的技術(shù)方案:一種氮化銦(InN)基場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括襯底，所述的襯底為將氧化鋯摻雜釔后形成的螢石結(jié)構(gòu)，氧化鋯襯底包括取向?yàn)?br>(111)或(110)或(112)或(113)穩(wěn)定的表面，在氧化鋯襯底上層疊有氮化銦層，氮化銦層表面中部層疊有絕緣介質(zhì)層，兩端層疊有源極和漏極，絕緣介質(zhì)層上層疊有柵極，所述氮化銦層是銦極性氮化銦或氮極性氮化銦或半極性氮化銦，所述絕緣介質(zhì)層是氧化鉿或氮化硅或氧化鋁，電極采用Ti或Ni或A1或Cu或Au或上述金屬的組合。
[0007]—種氮化銦(InN)基場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法，包括以下步驟:
A:氮化銦/氧化鋯異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的制備，在氧化鋯基板上制備氮化銦外延層；
B:氮化銦外延層圖形化加工:
圖形化工藝為:采用干刻蝕的方式，采用ICP工藝將主動(dòng)區(qū)以外的氮化銦外延層刻蝕干凈，包括光刻和刻蝕，通過勻膠，烘膠，曝光和顯影，對(duì)氮化銦表面進(jìn)行光刻，光刻完成之后，用光刻膠作為掩模，采用刻蝕的方式，將未覆蓋光刻膠的薄膜進(jìn)行刻蝕，最后用丙酮去除光刻膠，完成圖形化加工；
C:在氮化銦外延層上電極和絕緣質(zhì)層的制備: Cl:對(duì)氮化銦外延層表面進(jìn)行處理，將基板放入鹽酸溶液中浸泡，去除表面生長(zhǎng)時(shí)殘留的金屬銦，得到清潔的氮化銦表面；
C2:然后，制備金屬和氮化銦層之間的歐姆接觸，采用電子束蒸鍍和剝離工藝在氮化銦表面兩個(gè)區(qū)域分別制作多層金屬形成歐姆接觸；
C3:金屬和氮化銦層之間的歐姆接觸制作完成后在800 °C -900 °C進(jìn)行45秒快速退火處理；
C4:在氮化銦層表面源極和漏極之間制備絕緣質(zhì)層；
D:絕緣質(zhì)層上制備場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極，在絕緣質(zhì)量層表面制作器件的柵極。進(jìn)一步的，步驟A氮化銦/氧化鋯異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的制備時(shí)采用等離子輔助脈沖激光沉積系統(tǒng)(PLD)制備InN外延層，制作工藝如下:首先，將釔摻雜原子均勻的氧化鋯襯底進(jìn)行清潔處理，在1200-1300°C空氣氣氛下進(jìn)行退火處理4.5-6小時(shí)；將退火處理后氧化鋯基板放入超高真空的脈沖激光沉積系統(tǒng)腔體之中，腔內(nèi)壓強(qiáng)小于5X 10 sPa，腔內(nèi)安裝有超高純度In金屬靶材；打開加熱器對(duì)氧化鋯基板加熱，加熱至400-600°C，對(duì)氧化鋯基板進(jìn)行遮擋保護(hù)，同時(shí)在腔體內(nèi)通入高純氮?dú)?，使氣壓升高并維持在lX10-3Pa，同時(shí)打開高頻等離子體發(fā)生器，通過等離子體激發(fā)氮原子，使其具有較高的能量，同時(shí)打開激光器，使用30Hz的KrF脈沖激光，激光的波長(zhǎng)248nm，功率采用3焦耳/平方厘米，對(duì)In金屬靶材進(jìn)行溶解，待各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定后，去掉氧化鋯基板的遮擋保護(hù)，脈沖激光激發(fā)的銦原子與等離子激發(fā)的氮原子在氧化鋯基板表面結(jié)合成為氮化銦薄膜，待達(dá)到要求薄膜厚度后，調(diào)節(jié)遮擋板，結(jié)束薄膜生長(zhǎng)，關(guān)閉激光器，關(guān)閉等離子體發(fā)生器，關(guān)閉加熱器，逐級(jí)關(guān)閉各類真空栗，等待氣壓恢復(fù)到大氣壓后，打開腔體，取出氧化鋯基板，進(jìn)一步的，步驟A氮化銦/氧化鋯異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的制備時(shí)采用射頻等離子體輔助分子束外延(RF-MBE)系統(tǒng)制備InN外延層，制作工藝如下:首先，將摻雜原子均勻的氧化鋯襯底進(jìn)行清潔處理，在1200°C -1300°C空氣氣氛下進(jìn)行退火處理4.5-6小時(shí)；再將退火處理后氧化鋯基板放入超高真空的MBE腔體之中，腔內(nèi)壓強(qiáng)小于5X10 sPa，打開加熱器對(duì)氧化鋯基板加熱，加熱至400-600°C，對(duì)氧化鋯基板進(jìn)行遮擋保護(hù)，同時(shí)打開高頻等離子體發(fā)生器，功率設(shè)定在300W，調(diào)整In束流并使腔內(nèi)氣壓穩(wěn)定維持在1X10 4Pa，通過調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁縼韺?shí)現(xiàn)In和N的比例；去掉氧化鋯基板的遮擋保護(hù)，進(jìn)行薄膜外延生長(zhǎng)；待達(dá)到要求薄膜厚度后，調(diào)節(jié)遮擋板，結(jié)束薄膜生長(zhǎng)；關(guān)閉In束源，關(guān)閉等離子體發(fā)生器，關(guān)閉氮?dú)?，關(guān)閉加熱器，逐級(jí)關(guān)閉各類真空栗，等待氣壓恢復(fù)到大氣壓后，打開腔體，取出氧化鋯基板，進(jìn)一步的，步驟D采用真空膜方法制備柵極，將帶有絕緣質(zhì)層/氮化銦/氧化鋯襯底固定在工件上，將蒸鍍的金屬靶材放置在蒸發(fā)舟內(nèi)，將擋板設(shè)置好；蒸發(fā)室鐘罩放置下，同時(shí)打開真空栗預(yù)熱，然后打開閥門抽真空，直至鐘罩內(nèi)壓強(qiáng)小于1X10 3 Pa時(shí)調(diào)節(jié)電流開始蒸鍍；首先將金屬靶材表面的雜質(zhì)蒸發(fā)除去，然后移開擋板，然后增加電流將金屬依次蒸發(fā)到襯底表面；最后關(guān)閉電流，關(guān)閉閥門，關(guān)閉真空栗、水閥，在絕緣質(zhì)層表面形成器件的柵極，進(jìn)一步的，步驟D使用直流磁控濺射工藝方法制備柵極，在氬氣氣氛下通過直流濺射的方式使金屬靶材沉積；用自動(dòng)控溫儀控制碘鎢燈進(jìn)行輻射加熱襯底，用熱電偶探測(cè)襯底溫度，反應(yīng)氣體用流量計(jì)控制，濺射過程中靶材用水來冷卻，將帶有絕緣質(zhì)層/氮化銦/氧化鋯襯底固定在工件上，襯底平行于濺射靶；使用機(jī)械栗和分子栗兩級(jí)系統(tǒng)，使真空腔氣壓達(dá)到1 X 10 3Pa ;首先將金屬靶材表面的雜質(zhì)蒸發(fā)除去，接著對(duì)襯底進(jìn)行預(yù)熱20分鐘，接下來進(jìn)行預(yù)濺射5分鐘，然后移開擋板，然后調(diào)節(jié)功率將金屬依次濺射到襯底表面；最后關(guān)閉閥門，關(guān)閉真空栗，水閥、電源，在絕緣質(zhì)層表面金屬形成器件的柵極。
[0008]本發(fā)明的積極有益技術(shù)效果在于:氮化銦基場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用釔穩(wěn)定立方氧化鋯為襯底材料，實(shí)現(xiàn)了襯底與外延層的晶格匹配，制備出高質(zhì)量的氮化銦薄膜，基于此能有望制備出高性能的氮化銦基高速電子器件，乾穩(wěn)定立方氧化錯(cuò)(YSZ)襯底材料自身具有絕緣性，可以直接在襯底表面制備金屬電極，無需額外增加絕緣層，因此十分適合制備FET器件，在氮化銦場(chǎng)效應(yīng)晶體管制作中，表面平整度對(duì)半導(dǎo)體器件的性能起決定作用，本申請(qǐng)能夠在YSZ表面制備出具有較高表面平整度的InN外延層。這使得InN/YSZ制備FET器件較其它材料具有優(yōu)勢(shì)，InN材料本身具有極高的電子迀移率