《炬丰科技-半导体工艺》 自对准栅氧化镓金属氧化物半导体晶体管
书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章： 自对准栅氧化镓金属氧化物半导体晶体管
编号：JFKJ-21-1176
作者：华林科纳
首次演示了自对准栅(SAG)β多型氧化镓(β-Ga2O3)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)。使用了硅(Si)离子植入设计来消除源接入电阻，给出了迄今为止报道的β-Ga2O3MOSFETs的最高跨导值。认为，这种SAG过程“对于未来β-Ga2O3器件工程实现高性能、超低功耗损耗器件至关重要。β-Ga2O3基于其超宽性能，已被广泛认为是一种用于高效电力应用的半导体材料能带隙（~4.8eV）。相关的高估计临界场（~8MV/cm）大约比氮化镓或碳化硅等宽带隙材料要高出2-3倍。
据报道的β-Ga2o3器件的性能受到了寄生电阻效应的限制。SAG过程中的硅离子注入是降低硅和碳化硅（碳化硅）晶体管接入电阻的关键技术。使用了一个半绝缘的掺铁β-Ga2O3衬底，其中通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)添加了一个22nm的硅掺杂β-Ga2O3n型通道层。栅极堆的形成包括30nm氧化铝（氧化铝）介电原子层沉积(ALD)、钨(W)溅射以及通过反应离子蚀刻形成的铬(Cr)硬掩模（图1）。因为这些金属会被后来的热退火过程损坏。
图1 (a)锯β-Ga2O3MOSFET示意图，(b)自上而下扫描电子显微镜图像代表2x50µm锯MOSFET虚线表示横断面区域，©透射电子显微镜(TEM)图像门控区域，(d)W门电极，门氧化物和β-Ga2O3衬底，和(e)门氧化物和植入β-Ga2O3通道。从源侧制备硅离子植入物，标称栅源距离(LGS)为0µm，而由于阴影效应，栅漏距离(LGD)为0.25µm。氧化铝栅介电层也作为植入帽。植入物区域的目标掺杂量为1x1020/cm3。
在900°C下快速热退火120秒激活了硅掺杂。对最终MOSFET的高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)研究表明，高温退火对W栅电极和栅介电层之间的界面没有明显的损伤。也没有形成多晶结构域的迹象。
该装置通过反应离子蚀刻从源漏区去除氧化铝，并应用由钛/铝/镍/金（钛/铝/Ni/Ni/Au)组成的欧姆源漏电极，在氮气中退火1分钟。然后使用等离子体和反应离子蚀刻法对这些装置进行电隔离。用于测试目的的互连包括钛/金的金属化反应。使用VanderPauw结构提取了4.96x1012/cm2的载流子片密度和48.4cm2/V-s的迁移率。通道区片阻为2.6x104Ω/平方，植入区片阻为2.0x103Ω/平方。接触电阻为1.5Ω-mm。
一个2.5µm栅极长度器件的电气表征的峰值跨导率为35mS/mm，具有10V漏极偏置。最大漏极电流达到140mA/mm。开关电流比为108，表明良好的切断。阈下摆动为121mV/十年。小漏极偏置时的开启电阻为30Ω-mm，栅极为4V。利用基于该结果的模型，预测0.5µm栅器件可以实现0.6mS/mm跨导、350mA/mm漏极电流和17Ω-mm电阻。这种性能将需要适当的热管理或脉冲操作，以避免自加热。
图2 峰值跨导(GG)的基准（红色）、历史（黑色）和投影应用sub-µm门标放（灰色）。
将他们的工作与其他团队的工作进行了比较（图2）：除了垂直比例的三角洲掺杂deltaβ-Ga2o3MESFETs外，GM[峰跨导]结果是最先进的，并通过较大的门栅长度实现。
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