專利名稱：一種增強(qiáng)型氮化鎵hemt器件結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
這項(xiàng)發(fā)明涉及寬禁帶半導(dǎo)體氮化鎵HEMT(高電子遷移率晶體管)器件。具體來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)發(fā)明涉及
到利用多層氮化鎵材料的極化特性產(chǎn)生增強(qiáng)型溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
1. 第三代半導(dǎo)體諷化鎵(GaN)的介質(zhì)擊穿電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于第一代半導(dǎo)體硅(Si)或第二代半導(dǎo)體砷化鎵 (GaAs),高達(dá)3MV/cm,使其電子器件能承受很高的電壓。氮化鎵異質(zhì)節(jié)結(jié)構(gòu)的溝道具有很髙的電子濃 度和電子遷移率，這意味著氮化鎵高電子遷移率晶體管(HEMT)的能在髙頻率導(dǎo)通高電流，并具有很低 的導(dǎo)通電阻。另外，氮化鎵是寬禁帶半導(dǎo)體，能工作在較高的溫度。這些特性使效化細(xì)EMT特別適用 于制造高頻的高功率射頻器件和高耐壓的開(kāi)關(guān)器件。
2. 因?yàn)橛蓧弘姌O化效應(yīng)和自發(fā)極化效應(yīng)產(chǎn)生的AlGaN/GaN異質(zhì)節(jié)溝道具有極高的二維電子氣(2DEG)電 子濃度，通常氮化鎵HEMT器件是耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管，或稱為常開(kāi)器件。與常開(kāi)器件相對(duì)應(yīng)的是常關(guān)器件， 或稱為增強(qiáng)型器件。耗盡型器件的應(yīng)用有局限性。在功率射頻領(lǐng)域，耗盡型器件必需采用負(fù)電壓偏置 柵極，要求系統(tǒng)提供一個(gè)完全獨(dú)立的電源系統(tǒng)。在電能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，耗盡型開(kāi)關(guān)器件不僅需要上述獨(dú)立 的負(fù)偏壓系統(tǒng)，總體系統(tǒng)安全性還要求這個(gè)負(fù)偏壓系統(tǒng)的運(yùn)行先于電源通電。所以有必要實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型 的氮化鎵HEMT來(lái)避免系統(tǒng)啟動(dòng)和模式轉(zhuǎn)換時(shí)的導(dǎo)通損毀。
3. 現(xiàn)今比較常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型氮化鎵HEMT的方法有沉柵結(jié)構(gòu)和柵極金屬接觸區(qū)氟等離子轟擊處理等。 (圖1)為沉柵結(jié)構(gòu)氮化鎵HEMT。生長(zhǎng)氮化鎵材料的基片12 —般是S即phire， SiC或硅。成核層13生 長(zhǎng)在基片12上；GaN外延層101生長(zhǎng)在成核層13上；AlGaN層102生長(zhǎng)在GaN外延層101上。這 時(shí)，二維電子氣(2DEG) 107會(huì)出現(xiàn)在AlGaN和GaN之間的界面處，形成溝道。兩個(gè)歐姆接觸分別形成場(chǎng)效應(yīng)管的源極22和漏極23。在源極22和漏極23之間的區(qū)域，AlGaN被刻蝕成槽，然后金屬柵 極104形成在刻蝕槽內(nèi)。當(dāng)AlGaN層足夠薄時(shí)，2DEG會(huì)耗盡，所以柵極下溝道內(nèi)108沒(méi)有電子。這 種結(jié)構(gòu)的溝道是關(guān)斷的，稱之為增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。由于AlGaN層中極強(qiáng)的極化電場(chǎng)，即使AlGaN的厚度 很薄，溝道內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生電子，所以在沉柵結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)型器件中，柵極金屬下的AlGaN層的厚度一般必 需用干法刻蝕減小到3nm到5nm以下。將刻蝕控制在這么高的精度非常困難，器件的夾斷電壓會(huì)有很大 的波動(dòng)。另外，閃為夾斷屯壓低，這種結(jié)構(gòu)的夾斷效果有限，在零偏置時(shí)還會(huì)有少暈溝道泄漏電流。 在高電壓運(yùn)行時(shí)，這些溝道泄漏電流容易引起器件燒毀。所以，這種器件結(jié)構(gòu)并不實(shí)際。
4.(圖2)為用氟等離子轟擊處理柵極金屬接觸區(qū)后形成的增強(qiáng)型氮化細(xì)EMT。形成源極22和漏極23之 前的工藝和制造沉柵結(jié)構(gòu)氮化鎵HEMT的工藝一樣。形成源極和漏極之后，在沉積金屬柵極114之前 用氟等離子轟擊形成柵極之下的區(qū)域。受到氟等離子轟擊的AlGaN層115的晶體結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致其 下溝道內(nèi)的電子耗盡118，形成增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。因?yàn)榫w結(jié)構(gòu)被破壞，這種器件的可靠性還沒(méi)有得 到驗(yàn)證。另外，氟原子很小。當(dāng)器件長(zhǎng)期運(yùn)行在高溫高電壓條件下，氟原子可能從AlGaN中釋放出來(lái)。 增強(qiáng)型管可能會(huì)反轉(zhuǎn)成耗盡型管，導(dǎo)致使用該器件的系統(tǒng)失效損毀。

發(fā)明內(nèi)容
1.(圖3)為本發(fā)明氮化鎵增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)。生長(zhǎng)氮化鎵材料的基片12 —般是Sapphire, SiC或硅。 成核層13生長(zhǎng)在基片12上；與以往氮化鎵器件結(jié)構(gòu)不同的是，本發(fā)明使用AlGaN作為器件的緩沖 層14，而不是用GaN。在緩沖層上是GaN溝道層15。溝道層上是雙層AlGaN隔離層，分為第二層AlGaN 16和第三層AlGaN 17。第三層AlGaN 17的鋁組分含量高于第二層AlGaN 16鋁組分含量。兩個(gè)歐姆 接觸分別形成場(chǎng)效應(yīng)管的源極22和漏極23。在源極22和漏極23之間的區(qū)域，第三層AlGaN被 刻蝕出槽，然后金屬柵極24形成在刻蝕槽內(nèi)。最后，可在器件上沉積一層SiN等介質(zhì)對(duì)器件進(jìn)行鈍化保護(hù)。
2. (圖3)顯示的柵極24是一種場(chǎng)板結(jié)構(gòu)。柵極金屬可以在AGaN層刻槽后沉積，也可以在刻槽時(shí)用自 對(duì)準(zhǔn)的方法沉積實(shí)現(xiàn)。如果不采用場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，也可以采用類似于(圖l)中的沉柵結(jié)構(gòu)，則柵極金屬用 自對(duì)準(zhǔn)的方法沉積。
3. 在柵極刻槽時(shí)，可以優(yōu)化干法刻蝕的條件使AlGaN層上的刻槽帶有斜坡，從而優(yōu)化溝道內(nèi)的電子分布, 以提高器件的擊穿電壓。
4. (圖4)為制造本發(fā)明氮化鎵增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管使用的材料結(jié)構(gòu)。成核層13 —般是AlGaN或A1N,然后 過(guò)渡到緩沖層AlGaN 14的鋁組分。緩沖層AlGaN' 14的鋁組分應(yīng)約為5%至15%，其厚度在lum至3um 左右。GaN溝道層15的厚度在30nm左右。因?yàn)镚aN的晶格常數(shù)大于AlGaN，在緩沖層AlGaN 14上 生長(zhǎng)的GaN具有壓縮應(yīng)力。GaN溝道層15的厚度不能太厚，不應(yīng)使該層GaN晶體松弛， 一般在IO咖 至30nm左右。第二層AlGaN 16的鋁組分和緩沖層AlGaN 14的鋁組分接近，其厚度在20nm左右。第 三層AlGaN 17的鋁組分高于第二層AlGaN 16，鋁組分約為25%至45%,其厚度在30咖左右。
5. (圖5)顯示在柵極刻槽區(qū)域溝道內(nèi)32的二維電子氣(2DEG)被完全耗盡，而在沒(méi)有刻槽的溝道接入?yún)^(qū) 33還存在2DEG。(圖6)和(圖7)分別解釋了這兩種不同情況的形成機(jī)理。
6. (圖6)為(圖5)器件結(jié)構(gòu)中在柵極刻槽區(qū)域按A-A'橫截面的半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)。如上所述，GaN溝道層 15的厚度比較薄，該層GaN晶體沒(méi)有松弛，還維持了其下緩沖層AlGaN 14的晶格常數(shù)。第二層AlGaN 16繼續(xù)維持了該晶格常數(shù)。因?yàn)榈诙覣lGaN 16的鋁組分和緩沖層AlGaN 14的鋁組分接近，其中 基本不存在壓電極化電場(chǎng)，而只有自極化電場(chǎng)。所以第二層AlGaN 16中的總極化電場(chǎng)遠(yuǎn)低于通常的 氮化鎵HEMT結(jié)構(gòu)中AlGaN層。如果第二層AlGaN 16中沒(méi)有故意N型攙雜，則需要很大的厚度才能在 溝道內(nèi)誘導(dǎo)出2DEG。相對(duì)于(圖l)中以前的設(shè)計(jì)，柵極金屬下的第二層AlGaN 16可以保留在20nm左右，刻蝕控制比較容易。通過(guò)選擇合適的第二層AlGaN 16厚度，可以實(shí)現(xiàn)較高的夾斷電壓，并且?jiàn)A 斷電壓的波動(dòng)較小。較高的夾斷電壓意味著低溝道泄漏電流。
7. (圖7)為(圖5)器件結(jié)構(gòu)中在溝道接入?yún)^(qū)域按B-B'橫截面的半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)。因?yàn)榈谌龑覣lGaN17的 鋁組分高于第二層AGaN 16的鋁組分，其中既存在自極化電場(chǎng)，也有壓電極化電場(chǎng)。該強(qiáng)電場(chǎng)使第 三層AlGaN 17的導(dǎo)帶隨著其厚度增加而迅速抬高。當(dāng)材料表面的中間能帶高于費(fèi)米能帶時(shí)，溝道內(nèi) 開(kāi)始出現(xiàn)誘導(dǎo)電子2DEG。
8. 本發(fā)明的一種變形是將第三層AlGaN 17的鋁組分設(shè)計(jì)成漸變結(jié)構(gòu)，從下往上鋁組分逐漸提高。這樣 做的好處是第三層AlGaN 17的厚度可以更厚，適合于形成(圖3)所示的場(chǎng)板柵極結(jié)構(gòu)。
9. 本發(fā)明的另一種變形是在第二層AlGaN 16和第三層A]GaN 17之間加入一層刻蝕停止層18(etch st叩 layer),如(圖8)所示?？涛g停止層一般采用A1N或高鋁組分AlGaN,厚度在廣3nm左右。在使用RIE 干法刻蝕柵極刻槽時(shí)，由于AlN的刻蝕速度比較低鋁組分的第三層AlGaN的刻蝕速度慢，刻蝕停lh位 置可比較準(zhǔn)確的定位于這層A1N的深度。準(zhǔn)確的刻蝕控制能減小器件夾斷電壓的波動(dòng)，提高產(chǎn)品的成 品率。
10. 本發(fā)明的另一種變形是采用MISFET(Metal-Insulato廣Semiconductor Field-Effect-Transistor，金 屬絕緣體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)結(jié)構(gòu)，如(圖9)所示。在第三層AlGaN 17上柵極刻槽之后，柵極金屬沉積之 前，先沉積一層SiN等介質(zhì)絕緣體19，厚度在5 15咖左右。這一層介質(zhì)既作為器件的鈍化層，又是 柵極絕緣層，可有效降低柵極的漏電電流。
11. 本發(fā)明的另一種變形是雙重場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，如(圖IO)所示。在這種結(jié)構(gòu)中絕緣體20的厚度在5(T200nm左 右，材料為SiN等介質(zhì)。絕緣體20上的刻槽在第二層AlGaN17刻槽之上，并且比第三層AlGaN 17刻 槽稍寬。柵極金屬沉積覆蓋住這兩個(gè)刻槽，在這兩個(gè)刻槽的邊沿形成雙重場(chǎng)板結(jié)構(gòu)。雙重場(chǎng)板結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高器件的擊穿電壓。


圖l:以前的設(shè)計(jì)沉柵結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型敘化鎵HEMT
圖2:以前的設(shè)計(jì)柵極金屬接觸區(qū)氟等離于轟擊處理產(chǎn)生的增強(qiáng)型fe化鎵HEMT
圖3:本發(fā)明氮化鎵增M場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)
圖4:制造本發(fā)明氮化鎵增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管使用的材料結(jié)構(gòu)
圖5:溝道耗盡區(qū)和溝道接入?yún)^(qū)2DEG示意圖
圖6:柵極刻槽區(qū)域按A-A'橫截面的半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)
圖7:溝道接入?yún)^(qū)域按B-B'橫截面的半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)
閣8:本發(fā)明的一種變形使用刻蝕停止層準(zhǔn)確控制刻蝕深度
圖9:本發(fā)明的一種變形MISFET結(jié)構(gòu)
圖10:本發(fā)明的一種變形雙重場(chǎng)板結(jié)構(gòu)
權(quán)利要求
1. 本發(fā)明適用于增強(qiáng)型氣化鎵HEMT器件的設(shè)計(jì)。
2. 采用AlGaN作為器件的緩沖層，而不是用GaN。這層AIGaN的鋁組分約為5%至15%。
3. 在AIGaN緩沖層上采用GaN作為溝道層。這層GaN的厚度應(yīng)保證其本身不會(huì)因壓縮應(yīng)力而晶格松弛， —般在10nra至30nm左右。
4. GaN溝道層上的隔離層為雙層AlGaN結(jié)構(gòu)。"F面與GaN溝道層接觸的AlGaN層鋁組分與AlGaN緩沖層 的鋁組分接近，其厚度在20nm左右。上面的AlGaN層鋁紹分要大于下面的AlGaN層鋁組分，約為25% 至45*，其厚度在30nm左右。
5. 在源極和漏極之間，用干法刻蝕將最上一足高鋁組分AlGaN層刻蝕出槽，柵極金屬沉積在刻槽中?？?槽下的溝道內(nèi)的電子被耗盡，形成增強(qiáng)型HEMT結(jié)構(gòu)。
6. 基于權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)，最上面的AlGaN層釆用鉛組分從卜往上逐漸提髙的漸變結(jié)構(gòu)。
7. 基于權(quán)利要求5的結(jié)構(gòu)，柵極刻槽帶有斜坡，從而優(yōu)化溝道內(nèi)的電子分布，以提髙器件的擊穿電壓。
8. 基于權(quán)利要求4的結(jié)構(gòu)，在雙層AlGaN中插入一層AlN刻蝕停止層，在柵極刻槽時(shí)用于準(zhǔn)確控制刻蝕 深度。
全文摘要
本發(fā)明介紹了利用多層氮化鎵材料的極化特性產(chǎn)生增強(qiáng)型溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該器件結(jié)構(gòu)采用AlGaN作為器件的緩沖層，其上是GaN溝道層。溝道層上是雙層AlGaN隔離層，其中下層AlGaN的鋁組分與AlGaN緩沖層的鋁組分接近，而上層AlGaN的鋁組分更高。兩個(gè)歐姆接觸分別形成器件的源極和漏極。在源極和漏極之間用干法刻蝕將最上一層高鋁組分AlGaN層刻蝕出槽，金屬沉積在刻槽中形成柵極?？滩巯碌腁lGaN層因?yàn)闃O化電場(chǎng)不強(qiáng)，無(wú)法在溝道中誘導(dǎo)出二維電子氣。溝道在此處被夾斷，形成增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，或稱為常關(guān)器件。
文檔編號(hào)H01L29/778GK101312207SQ20071001789
公開(kāi)日2008年11月26日 申請(qǐng)日期2007年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月21日
發(fā)明者張乃千 申請(qǐng)人:張乃千