專利名稱：Hemt器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(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)，涉及利用復(fù)合介質(zhì)材料結(jié)構(gòu)降低氮化鎵HEMT柵極漏電流的同 時(shí)緩解電流崩塌效應(yīng)的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
第三代半導(dǎo)體氮化鎵(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)結(jié)結(jié)構(gòu)的溝道具有很高的電子濃度和電子 遷移率，這意味著氮化鎵高電子遷移率晶體管(HEMT)的能在高頻率導(dǎo) 通高電流，并具有很低的導(dǎo)通電阻。另外，氣化鎵是寬禁帶半導(dǎo)體，能工 作在較高的溫度。這些特性使氮化鎵HEMT特別適用于制造高頻的高功率 射頻器件和高耐壓的開關(guān)器件。
在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)HEMT中存在很高的極化效應(yīng)，導(dǎo)致器件表面 出現(xiàn)高密度的電子陷阱。電子陷阱的反應(yīng)速度慢，從而引起電流崩塌效應(yīng)。 為應(yīng)對(duì)電流崩塌效應(yīng)，如今氬化鎵HEMT —般采用SiN介質(zhì)102等材料 覆蓋器件表面的鈍化工藝(圖1)。表面鈍化減小電流崩塌效應(yīng)的機(jī)制現(xiàn) 在還不完全確定。SiN表面鈍化技術(shù)帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是由于SiN介質(zhì)內(nèi)有 較高的漏電流，由此增加了柵極的漏電流，從而降低了器件的擊穿電壓和 輸入阻抗，并且會(huì)惡化器件的線性度。
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SiOz介質(zhì)內(nèi)的漏電流很小。在柵極下放置一層Si02介質(zhì)， 相比金屬肖特基接觸可以大大減小柵極的泄露電流。這種器件被稱為金屬 絕緣物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MISFET)?？墒荢iCh層和AlGaN層之間會(huì)形成 很高密度的電子陷阱，加大電流崩塌效應(yīng)。在這種MISFET上即使采用SiN表面鈍化處理，電流崩塌效應(yīng)依然存在。我們相信MISFET上的電流 崩塌效應(yīng)主要來(lái)自于柵極下Si02和AlGaN的界面電子陷阱。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了 HEMT器件，以 及用于制造HEMT器件的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種HEMT器件，包括在襯底上的 半導(dǎo)體層；在上述半導(dǎo)體層上的隔離層；與上述半導(dǎo)體層接觸的源極和漏 極；在上述隔離層上的上述源極和漏極之間的區(qū)域上的第一介質(zhì)層；以及 在上述第一介質(zhì)層上的柵極；其中，上述柵極為雙層結(jié)構(gòu)，其中上層為導(dǎo) 電層，下層為第二介質(zhì)層。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)方面，提供了 一種用于制造HEMT器件的方法， 包括以下步驟在襯底上沉積半導(dǎo)體層；在上述半導(dǎo)體層上沉積隔離層； 形成與上述半導(dǎo)體層接觸的源極和漏極；在上述隔離層上的上述源極和漏 極之間的區(qū)域上沉積第一介質(zhì)層；在上述第一介質(zhì)層上沉積第二介質(zhì)層； 在上述第二介質(zhì)層上形成柵極導(dǎo)體；以及將上述柵極導(dǎo)體作為掩模，蝕刻 上述笫二介質(zhì)層，以形成由上述柵極導(dǎo)體和上述第二介質(zhì)層構(gòu)成的疊層?xùn)?極。


相信通過(guò)以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施方式
的說(shuō)明，能夠使人們更
好地了解本發(fā)明上述的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)和目的，其中
圖1示出了以前的設(shè)計(jì)氮化鎵HEMT的表面鈍化處理。
圖2示出了以前的設(shè)計(jì)氮化鎵金屬絕緣物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MISFET)。
圖3示出了本發(fā)明的低柵極漏電流、低電流崩塌效應(yīng)氮化鎵HEMT結(jié)構(gòu)。
圖4A-4D示出了制造本發(fā)明的氮化鎵HEMT器件的工藝流程。
圖5A-5E示出了本發(fā)明的一種變形帶場(chǎng)板的柵極結(jié)構(gòu)，以及其制造工藝流程。
圖6示出了本發(fā)明的一種變形在AlGaN隔離層上刻槽的、帶場(chǎng)板的 才冊(cè)極結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
下面就結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的各個(gè)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
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 一般是Sapphire, SiC或硅。成核層13生長(zhǎng)在基片12上；基片12上是 GaN緩沖層14;在緩沖層上是AlGaN隔離層15。兩個(gè)歐姆接觸分別形成 場(chǎng)效應(yīng)管的源才及22和漏極23。源極22和漏才及23之間的區(qū)域，器件表面 -故SiN介質(zhì)32完全覆蓋。在SiN介質(zhì)中靠近AlGaN表面的位置，包裹著 雙層?xùn)艠O結(jié)構(gòu)。上層是導(dǎo)電的金屬柵極24;下層是Si02介質(zhì)33，而且Si02 介質(zhì)只存在于柵極金屬之下。我們稱這種柵極結(jié)構(gòu)為埋柵結(jié)構(gòu)。
實(shí)際從整體上看，在金屬柵極24下是兩層復(fù)合介質(zhì)。SK)2層在上， 緊貼柵極金屬，起到降低柵極漏電流的作用。這層Si()2介質(zhì)可由任何可降 低柵極漏電電流的介質(zhì)替代。SiN層在下，和AlGaN層直接接觸，起到表 面鈍化的作用，減小甚至消除電流崩塌效應(yīng)。這層SiN介質(zhì)可由任何可降 低器件電流崩塌效應(yīng)的介質(zhì)替代。這種低柵極漏電流和低電流崩塌的氮化 鎵HEMT具有工作電壓高和開關(guān)速度高的特性，特別適于制造微波功率放 大放大器和電能轉(zhuǎn)換開關(guān)器件。
為了增加器件的跨導(dǎo)，柵極24離溝道(在氮化鎵HEMT中就是二維 電子氣2DEG位置)的距離應(yīng)越小越好。這就要求本發(fā)明器件的金屬柵極 下的雙層介質(zhì)的總厚度越小越好。 一般來(lái)說(shuō)，金屬柵極下的SiN層應(yīng)在lO nm左右，而SiO2層在5 ~ 10 nm左右。
圖4給出了本發(fā)明器件的一種制造流程。在形成歐姆接觸之后，首先 是沉積一層厚度10 nm左右的SiN， 然后立即沉積一層厚度5 10 nm 左 右的Si02 (圖4A)。下一步是沉積柵極金屬(圖4B)。接著以柵極金屬 為自對(duì)準(zhǔn)工藝的掩膜，用干法刻蝕的方法刻蝕掉Si02層，僅僅保留柵極金屬下的Si02 (圖4C)。由于Si02的刻蝕速度高于SiN的刻蝕速度，這種 選擇性的刻蝕比較容易控制。少許的SiN過(guò)刻蝕也可在下一步得到彌補(bǔ)。 制造流程的最后一步是整個(gè)器件的SiN表面鈍化。第一次沉積的SiN和第 一次沉積的SiN融合，將Si02層和柵極金屬包裹起來(lái)(圖4D )。
本發(fā)明的一種變形是帶場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的柵極，如圖5E所示。在平面形式 場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，電場(chǎng)會(huì)聚集在普通結(jié)構(gòu)的柵極(圖3)靠漏極方向的邊 沿。而場(chǎng)板結(jié)構(gòu)可以降低在這個(gè)位置的電場(chǎng)集中，提高器件的使用電壓， 并緩解電流崩塌效應(yīng)。這種變形的制造流程是在形成歐姆接觸之后，首 先沉積一層厚度150 nm左右的SiN，然后在柵極的位置用干法刻蝕成槽， 形成場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)(圖5A)。下一步是沉積一層厚度10 nm左右的SiN, 然后立即沉積一層厚度5 ~ 10 nm左右的Si02 (圖5B )。接著沉積柵極金 屬，形成場(chǎng)板結(jié)構(gòu)柵極金屬24 (圖5C)。下一步以柵極金屬為自對(duì)準(zhǔn)工 藝的掩膜，用干法刻蝕的方法刻蝕掉SK)2層，僅僅保留柵極金屬下的Si02 (圖5D)。制造流程的最后一步是整個(gè)器件的SiN表面鈍化。三次沉積的 SiN融合在一起，將SK)2層和柵極金屬包裹起來(lái)(圖5E)。
本發(fā)明的另一種變形是也帶場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的柵極，但是場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的刻槽深 入到AlGaN隔離層15中，如圖6所示。由于柵極金屬24離溝道(2DEG ) 的距離比上一種變形的器件結(jié)構(gòu)更接近，有助于提高器件的跨導(dǎo)。這種變 形的制造流程與上一種變形基本一致，只是在場(chǎng)板結(jié)構(gòu)干法刻槽時(shí)，在SiN 層刻蝕完成后，用氯基等離子繼續(xù)刻蝕AlGaN隔離層15至一定的深度。 后續(xù)流程與上一種變形完全相同。
以上雖然通過(guò)一些示例性的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的HEMT器件以及用于 制造HEMT器件的方法進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但是以上這些實(shí)施例并不是窮
因此，本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例，本發(fā)明的范圍僅以所附權(quán)利要求書為 準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種HEMT器件，包括在襯底上的半導(dǎo)體層；在上述半導(dǎo)體層上的隔離層；與上述半導(dǎo)體層接觸的源極和漏極；在上述隔離層上的上述源極和漏極之間的區(qū)域上的第一介質(zhì)層；以及在上述第一介質(zhì)層上的柵極；其中，上述柵極為雙層結(jié)構(gòu)，其中上層為導(dǎo)電層，下層為第二介質(zhì)層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的HEMT器件，其中，上述第一介質(zhì)層完 全包裹上述4冊(cè)極。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的HEMT器件，其中上述柵極為其中間部 分向上述半導(dǎo)體層凸出的場(chǎng)板結(jié)構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的HEMT器件，其中在上述隔離層中具有 與上述凸出的場(chǎng)板結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的凹槽。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任何一項(xiàng)所述的HEMT器件，其中上述半導(dǎo) 體層包括GaN。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任何一項(xiàng)所述的HEMT器件，其中上述第一 介質(zhì)層包括可降低器件電流崩塌效應(yīng)的介質(zhì)材料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的HEMT器件，其中上述笫一介質(zhì)層包括SiN。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任何一項(xiàng)所述的HEMT器件，其中上述第二 介質(zhì)層包括可降低柵極漏電流的介質(zhì)材料。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的HEMT器件，其中上述第二介質(zhì)層包括 Si02。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任何一項(xiàng)所述的HEMT器件，還包括在上述 半導(dǎo)體層中形成的二維電子氣。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任何一項(xiàng)所述的HEMT器件，其中上述隔離層包括AlGaN。
12. —種用于制造HEMT器件的方法，包括以下步驟 在襯底上沉積半導(dǎo)體層； 在上述半導(dǎo)體層上沉積隔離層； 形成與上述半導(dǎo)體層接觸的源極和漏極；在上述隔離層上的上述源極和漏極之間的區(qū)域上沉積第一介質(zhì)層； 在上述第一介質(zhì)層上沉積第二介質(zhì)層； 在上述第二介質(zhì)層上形成柵極導(dǎo)體；以及將上述柵極導(dǎo)體作為掩模，蝕刻上述笫二介質(zhì)層，以形成由上述柵極 導(dǎo)體和上述第二介質(zhì)層構(gòu)成的疊層?xùn)艠O。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括在上述蝕刻上述第二介質(zhì) 層的步驟之后，在上述第二介質(zhì)層被蝕刻掉的區(qū)域的上述第一介質(zhì)層上沉 積第一介質(zhì)的步驟，其中，該步驟用沉積的第一介質(zhì)包裹上述疊層?xùn)艠O。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括在上述沉積第一介質(zhì)層的 步驟之后，在形成柵極的位置蝕刻上述第一介質(zhì)層的步驟，其中，該步驟 在上述第一介質(zhì)層中形成凹槽。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括在上述蝕刻上述第一介質(zhì) 層的步驟之后，在上述凹槽的位置蝕刻上述隔離層的步驟，其中，該步驟 在上述隔離層中形成凹槽。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12-15中任何一項(xiàng)所述的方法，其中上述半導(dǎo)體層 包括GaN。
17. 根據(jù)權(quán)利要求12-15中任何一項(xiàng)所述的方法，其中上述第一介質(zhì) 層包括可降低器件電流崩塌效應(yīng)的介質(zhì)材料。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中上述第一介質(zhì)層包括SiN。
19. 根據(jù)權(quán)利要求12-15中任何一項(xiàng)所述的方法，其中上述第二介質(zhì) 層包括可降低柵極漏電流的介質(zhì)材料。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中上述第二介質(zhì)層包括Si02。
全文摘要
本發(fā)明提供了HEMT器件以及用于制造HEMT器件的方法。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種HEMT器件，包括在襯底上的半導(dǎo)體層；在上述半導(dǎo)體層上的隔離層；與上述半導(dǎo)體層接觸的源極和漏極；在上述隔離層上的上述源極和漏極之間的區(qū)域上的第一介質(zhì)層；以及在上述第一介質(zhì)層上的柵極；其中，上述柵極為雙層結(jié)構(gòu)，其中上層為導(dǎo)電層，下層為第二介質(zhì)層。
文檔編號(hào)H01L29/423GK101320750SQ20081009865
公開日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2008年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月6日
發(fā)明者張乃千 申請(qǐng)人:西安能訊微電子有限公司