[发明专利]一种以GaN为界面层的GaAs沟道MOS界面结构

说明书

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造技术领域，具体涉及一种以GaN为界面层 的GaAs沟道MOS界面结构，应用于高性能III-V族半导体CMOS技术。

背景技术

Ⅲ-Ⅴ化合物半导体材料相对硅材料而言，具有高载流子迁移率、大的禁带 宽度等优点，而且在热学、光学和电磁学等方面都有很好的特性。在过去四十 年中，高质量热稳定栅介质材料一直是III-V族半导体在大规模CMOS集成电路 中的应用的主要障碍。最新研究报道表明：在III-V族半导体表面，直接采用原 子层沉积(ALD)以及分子束外延(MBE)技术沉积高k栅介质材料已经实现 了器件质量的的MOS界面。然而，该界面的性质仍无法与SiO2/Si相比拟，直 接在高迁移率沟道表面直接生长高k栅介质材料界面态密度高会导致沟道载流 子迁移率的下降。因此，需要一种新的途径在III-V族半导体材料上同时实现高 载流子迁移率与低界面态密度，以满足高性能III-V族半导体CMOS技术的要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的是提供一种以GaN为界面层的GaAs沟道MOS界面结 构，以同时实现高载流子迁移率与低界面态密度，满足高性能III-V族半导体 CMOS技术的要求。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种以GaN为界面层的GaAs沟道MOS 界面结构，其特征在于，该结构自下而上依次包括：

一半绝缘单晶砷化镓衬底(101)；

一在该砷化镓单晶衬底层(101)上形成的砷化镓沟道层(102)；

一在该砷化镓沟道层(102)上形成的GaN界面控制层(103)；

一在该GaN界面控制层(103)上形成的AlN界面过渡层(104)；

一在该AlN界面过渡层(104)上形成的Al₂O₃高K介质层(105)；

以及一在该Al₂O₃高K栅介质(105)上形成的钨金属栅层(106)。

上述方案中，所述单晶衬底101是砷化镓(GaAs)衬底，其衬底晶向为(100)、 (110)或者(111)。

上述方案中，所述砷化镓沟道层(102)是采用MBE或者MOCVD的生长 方式在砷化镓单晶衬底上生长的，厚度在20纳米到200纳米。

上述方案中，所述GaN界面控制层(103)是采用MBE或者MOCVD的生 长方式在砷化镓沟道层上生长的，其生长方式为在生长完砷化镓的镓原子后， 采用含N气体进行吹扫，在砷化镓沟道层上形成厚度为2-4个原子层的GaN界 面控制层。

上述方案中，所述AlN界面过渡层(104)是采用MBE或者MOCVD的生长 方式在GaN界面控制层(103)上生长的，其生长方式为在生长完GaN的N原子 后，采用含Al元素的生长气体进行吹扫，在GaN界面控制层(103)上形成厚度 为2-4个原子层的AlN界面控制层。

上述方案中，所述Al2O3高K栅介质(105)的生长方式为原子层沉积，是在 生长完AlN后，立即放入原子层沉积系统生长的，厚度为3-5纳米。

上述方案中，所述钨金属栅层(106)其沉积方式为溅射，是在Al2O3介质生 长后，立即放入溅射系统进行的，钨金属层的厚度为50-200纳米。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的一种以GaN为界面层的GaAs沟道MOS界面结构，利用GaN 界面控制层技术钝化界面处的悬挂键，实现低界面态密度，并降低沟道中载流 子的散射，同时GaP界面层又是势垒层，提高了沟道层中的二维电子气浓度， 实现高迁移率和高电子浓度双重作用；由于砷化镓材料的电子迁移率和空穴迁 移率相对比较均衡，所以发明这种GaAs沟道MOS结构，以满足高性能III-V 族半导体CMOS技术的要求。

附图说明

图1是本发明提供的GaAs沟道MOS界面结构的示意图；

图2是本发明提高的GaAs沟道MOS界面结构实施例图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例， 并参照附图，对本发明进一步详细说明。