[发明专利]氮化镓衬底上生长栅介质的方法及电学性能测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种氮化镓衬底上生长栅介质的方法及电学性能测试方法。

背景技术

半导体材料是制作集成电路、晶体管、电力电子器件及半导体光电器件等电子元件的关键基础材料，支撑着通信、计算机、网络技术等电子信息产业的发展，被誉为电子信息的食粮。在半导体的发展历程中，一般将硅和锗称为第一代半导体材料；将砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铝及其合金成为第二代半导体材料；而将禁带宽度大于2.3ev的宽禁带半导体材料，例如氮化镓（GaN）、碳化硅及金刚石等半导体材料成为第三代半导体材料；这三代半导体材料的代表分别为硅、砷化镓及氮化镓。

氮化镓材料具有良好的电学特性，例如宽的禁带宽度（3.4ev），高击穿电池，高导热率、耐腐蚀及抗辐射等；它也是坚硬的高熔点材料，其熔点约为1700℃.因此它是制作高频、高压、高温、大功率电子器件和短波长、大功率光电子器件的理想材料。同第一和第二代半导体材料硅和砷化镓相比，宽禁带半导体（尤其是氮化镓材料）具有优越的材料特性，例如禁带宽度大、击穿场强高、电子的饱和速度高、介电常数小等特点，从而使得宽禁带半导体材料非常适合于高频大功率应用。因此，基于氮化镓的微波功率器件已经成为世界各国研究的热点。尤其是在无线基站、雷达等对器件的频率和功率要求较高的场所，氮化镓具有极其重要的应用前景。

氮化镓的一个主要的应用是在AlGaN/GaN MIS-HEMT（AlGaN/GaN 金属绝缘层半导体-高电子迁移率晶体管）器件当中，AlGaN/GaN MIS-HEMT器件无论从大功率还是高频率来讲都具有相当明显的优势。虽然在MIS-HEMT器件的制造中没有像硅CMOS器件那样对栅介质厚度有迫切的需求，但是在氮化镓上采用高K栅介质的优点也是显而易见，由于现在GaN –HEMT器件主要还是以耗尽型器件为主，所以阈值电压为负，而如果再加上介质层，阈值电压负漂就会更加严重，通常漂到-8~10V左右，这显然不利于器件的应用。另外一个重要的因素是，MIS型HEMT器件的一个缺陷在于介质层的插入对栅电容的影响非常大，通常会大大地降低器件的栅电容。因此，人们开始像硅基器件一样寻找合适的高K介质来制作MIS-HEMT器件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种氮化镓衬底上生长栅介质的方法及电学性能测试方法，其能够在氮化镓衬底上品质良好的栅介质，并且能够简单方便地对栅介质的电学性能进行测量。

为了解决上述问题，本发明提供了一种氮化镓衬底上生长栅介质的方法，包括如下步骤：提供一氮化镓衬底；对氮化镓衬底进行原位氨气等离子体预处理，以补充氮化镓表面的氮元素的空缺；在所述氮化镓衬底表面生长氧化铝过渡层；在所述氧化铝过渡层表面生长栅介质薄膜。

进一步，所述生长氧化铝过渡层及生长栅介质薄膜的方法为原子层沉积法。

在对氮化镓衬底进行原位氨气等离子体预处理前，进一步包括一对氮化镓衬底进行清洗的步骤。

一种氮化镓衬底上栅介质的电学性能的测试方法，包括如下步骤：提供一氮化镓衬底，所述氮化镓衬底包括一支撑衬底及位于支撑衬底上的外延氮化镓层；在所述外延氮化镓层表面制作一第一金属电极及生长氧化铝过渡层；在所述氧化铝过渡层表面生长栅介质薄膜；在所述栅介质薄膜表面制作一第二金属电极及第三金属电极，所述第一金属电极的面积及第二金属电极的面积大于所述第三金属电极的面积；在所述第一金属电极与所述第三金属电极上施加电压，进行电流-电压测试，以得到所述栅介质的漏电流；在所述第二金属电极与第三金属电极上施加电压，进行电容-电压测试，以得到所述栅介质的电容。

进一步，所述制作第一金属电极的步骤包括：对氮化镓衬底的外延氮化镓层进行光刻处理，确定第一金属电极的位置及形状；沉积金属薄膜；采用剥离工艺，去除光刻胶及多余金属薄膜，在顶层硅层上形成一第一金属电极。

进一步，所述生长氧化铝过渡层的步骤包括：将带有第一金属电极的氮化镓衬底进行清洗干燥；对氮化镓衬底进行原位氨气等离子体预处理，以补充氮化镓表面的氮元素的空缺；将预处理后的带有第一金属电极的氮化镓衬底置于原子层沉积反应腔中，利用原子层沉积的方式生长氧化铝过渡层。

进一步，所述生长栅介质薄膜的步骤包括：在原子层沉积反应腔中，利用利用原子层沉积的方式生长栅介质薄膜；原位对生长的栅介质薄膜进行氧等离子体处理。