專利名稱：Hemt器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及寬禁帶半導體氮化鎵HEMT(高電子遷移率晶體管)器件， 具體來說，涉及利用多個絕緣體浮柵結(jié)構(gòu)增加氮化鎵HEMT擊穿電壓的器 件結(jié)構(gòu)設(shè)計。
背景技術(shù)：
第三代半導體氮化鎵(GaN)的介質(zhì)擊穿電壓遠遠高于第一代半導體 硅(Si)或第二代半導體砷化鎵(GaAs)，高達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)能在高頻率導通 高電流，并具有4艮低的導通電阻。另外，氮化鎵是寬禁帶半導體，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。
氮化鎵HEMT器件屬于一種平面溝道場效應(yīng)晶體管，電場會聚集在柵 極靠漏極方向的邊沿，形成一個電場尖峰。當柵極和漏極之間施加的電壓 逐步增加，導致這個峰值電場高于氮化鎵材料的臨界電場時，器件就會被 擊穿而失效。由于器件的承壓是柵極和漏極間電場的積分，相對于均勻分 布的電場，柵極邊沿的電場峰值越尖銳，器件承受的擊穿電壓就越小。為 了提高器件工作電壓，幾種常用的緩解柵極邊沿的電場尖峰的方法包括 采用場板結(jié)構(gòu)的4冊極；在柵極和漏極之間添加浮柵等。
開關(guān)器件經(jīng)常使用在柵極和漏極之間添加浮柵的方法來提高工作電 壓。圖1顯示了在氮化鎵HEMT上采用這種結(jié)構(gòu)和其對應(yīng)的電場分布的示 意圖。浮柵的使用在柵極和漏極之間增加了幾個電場尖峰。如果不使用浮 柵，電場就只會在柵極邊沿形成一個尖峰，其對應(yīng)的能承受的最高電壓就是如圖所示的灰色三角區(qū)域的面積，也就是電場的積分。添加浮柵后，增 加的幾個電場尖峰擴大了這個電場積分面積，即升高了擊穿電壓。
然而，在HEMT結(jié)構(gòu)中，浮柵和其下的半導體(在圖1中為AlGaN) 形成的是肖特基接觸。肖特基接觸電極的缺點是在負偏壓時漏電流比較高。 由于這種漏電流，自由電荷不能在金屬浮柵上充分聚集，結(jié)果是在浮柵邊 沿的電場峰值降低。在采用浮柵結(jié)構(gòu)的HEMT中，由于浮柵上存在著漏電 流，將導致浮柵產(chǎn)生的電場尖峰的峰值小于理論預計，見圖1中虛線所示 的電場強度分布。較低的電場峰值意味著其積分所得電壓也小于理想情況 下的計算。情況嚴重時，靠近漏極的幾個浮柵甚至起不到幫助提高擊穿電 壓的作用(圖1 )。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，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)明的一個方面，提供了一種HEMT器件，包括在襯底上的 半導體層；在上述半導體層上的隔離層；與上述半導體層接觸的源極和漏 極；以及在上述隔離層上的柵極和至少一個浮柵，該柵極和至少一個浮柵 為雙層結(jié)構(gòu)，其中上層為導電層，下層為第一介質(zhì)層。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個方面，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體層；在上述半導體層上沉積隔離層； 形成與上述半導體層接觸的源極和漏極；在上述隔離層上的上迷源極和漏 極之間的區(qū)域上沉積第一介質(zhì)層；在上述第一介質(zhì)層上形成柵極導體和至 少一個浮柵導體；以及將上述柵極導體和至少一個浮柵導體作為掩模，蝕 刻上述第一介質(zhì)層，以形成由上述柵極導體和上述第一介質(zhì)層構(gòu)成的疊層 柵極，和由上述至少一個浮柵導體和上述第一介質(zhì)層構(gòu)成的至少一個疊層 浮柵
優(yōu)選，上述用于制造HEMT器件的方法還包括在上迷隔離層上覆蓋 第二介質(zhì)層，其中上迷笫二介質(zhì)層可以完全包裹上述疊層柵極和至少一個疊層浮柵，也可以覆蓋在上述疊層柵極和至少一個疊層浮柵之上。
相信通過以下結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實施方式
的說明，能夠使人們更
好地了解本發(fā)明上述的特點、優(yōu)點和目的，其中
圖1示出了以前的設(shè)計，即以前的浮柵結(jié)構(gòu)氮化鎵HEMT。
圖2示出了本發(fā)明的低柵極漏電流、低電流崩塌效應(yīng)的浮柵結(jié)構(gòu)氮化
鎵HEMT結(jié)構(gòu)。
圖3A-3D示出了制造本發(fā)明的氮化鎵HEMT器件的工藝流程圖。 圖4示出了本發(fā)明的一種變形不采用埋柵形式柵極(和浮柵)的結(jié)構(gòu)。
圖5示出了本發(fā)明的一種變形具有場板的柵極(和浮柵)結(jié)構(gòu)。 圖6示出了本發(fā)明的一種變形在AlGaN隔離層上刻槽的、帶場板的 柵極結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式
下面就結(jié)合附圖對本發(fā)明的各個優(yōu)選實施例進行詳細的說明。 圖2為本發(fā)明氮化鎵增強型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)。生長氮化鎵材料的基片12 一般是Sapphire, SiC或硅。成核層l3生長在基片12上；基片12上是 GaN緩沖層14;在緩沖層上是AlGaN隔離層15。兩個歐姆接觸分別形成 場效應(yīng)管的源極22和漏極23。源極22和漏極23之間的區(qū)域，器件表面 被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 雙層柵極結(jié)構(gòu)。柵極的上層是導電的金屬24;下層是Si02介質(zhì)33，而且 SK)2介質(zhì)只存在于柵極金屬24之下。稱這種柵極完全被介質(zhì)包裹的結(jié)構(gòu) 為埋柵結(jié)構(gòu)。在柵極和漏極之間，平行分布著一個或多個浮柵。這些浮柵 的結(jié)構(gòu)和柵極一致，同樣是雙層結(jié)構(gòu)上層是導電的金屬；下層是Si02 介質(zhì)，而且Si02介質(zhì)只存在于柵極金屬之下；另外這些浮柵也完全被SiN 介質(zhì)32包裹。與柵極不同的是，這些浮柵與外界沒有電連接，在電位上是
6浮空的，所以被稱為浮柵。
在某些情況下，最接近柵極的浮柵和源極直接電連通起來。這樣相當 于在柵極靠漏極的方向加入了一個電場屏障，可以大幅度地降低柵極上的 電場尖峰，從而進一步提高器件的耐壓。
實際從整體上看，在金屬柵極(和浮柵)下是兩層復合介質(zhì)。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。Si02 層在上，緊貼柵極(和浮柵)金屬，起到降低柵極(和浮柵)漏電流的作
用。這層SK)2介質(zhì)可由任何可降低柵極漏電電流的介質(zhì)替代。如前所述，
只有大幅度地降低浮柵的漏電流，才能使自由電荷在金屬浮柵上充分聚集， 維持在浮柵邊沿的電場峰值。正是這些浮柵引起的電場尖峰擴大了柵極和 漏極間的電場積分面積，從而提高了器件的擊穿電壓。
為了增加器件的跨導，柵極離溝道(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。 一般來說，金屬柵極下的SiN層應(yīng)在10nm 左右，而SiCh層在5 10nm左右。
但是對浮柵來說，它離溝道越近，器件的導通電阻就越大，因此希望 浮柵不要太靠近溝道。另一方面，浮柵離溝道越近，它對溝道內(nèi)電荷的影 響越大，引起的電場尖》%^值越高，則器件的耐壓值越高。所以浮柵下的 介質(zhì)厚度可以不和柵極的一樣，其具體值需要優(yōu)化獲得。
圖3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10nm左右的SiN,然后立即沉積一層厚度5~10nm左右 的Si02 (圖3A)。下一步是沉積柵極金屬(圖3B)。接著以柵極金屬為 自對準工藝的掩膜，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3C)。由于SK)2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過刻蝕也可在下一步得到彌補。制 造流程的最后一步是整個器件的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(圖3D )。本發(fā)明的一種變形是不采用埋柵形式的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。柵極(和 浮柵)金屬下只有一層Si02介質(zhì)，而且Si02介質(zhì)只存在于柵極(和浮柵) 金屬之下。整個器件的溝道區(qū)被SiN介質(zhì)覆蓋，鈍化AlGaN表面，降低器 件電流崩塌效應(yīng)。在這種結(jié)構(gòu)中，由于柵極(和浮柵)金屬下少了一層介 質(zhì)，金屬離溝道(在氮化鎵HEMT中就是二維電子氣2DEG位置)的距 離較小，器件具有更高的跨導。
本發(fā)明的另一種變形是帶場板結(jié)構(gòu)的斥冊極(和浮斥冊)，如圖5所示。 柵極(和浮柵)金屬下的SiN層不是平面結(jié)構(gòu)，而是在金屬中間的位置， SiN層刻蝕成槽，形成場板柵極結(jié)構(gòu)。在平面形式場效應(yīng)晶體管中，電場 會聚集在普通結(jié)構(gòu)的柵極(圖2)靠漏極方向的邊沿。而場板結(jié)構(gòu)可以降 低在這個位置的電場集中，提高器件的使用電壓，并緩解電流崩塌效應(yīng)。
本發(fā)明的另一種變形是也帶場板結(jié)構(gòu)的柵極，但是場板結(jié)構(gòu)的刻槽深 入到AlGaN隔離層15中，如圖6所示。由于柵極(和浮柵)金屬離溝道 (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，同時又保留了柵極(和浮柵)金屬下的SiN層，降低了器件電流崩塌 效應(yīng)。這種變形的制造流程與上一種變形基本一致，只是在場板結(jié)構(gòu)干法 刻槽時，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。
以上雖然通過一些示例性的實施例對本發(fā)明的HEMT器件以及用于 制造HEMT器件的方法進行了詳細的描述，但是以上這些實施例并不是窮 舉的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)實現(xiàn)各種變化和修改。 因此，本發(fā)明并不限于這些實施例，本發(fā)明的范圍僅以所附權(quán)利要求書為 準。
權(quán)利要求
1.一種HEMT器件，包括在襯底上的半導體層；在上述半導體層上的隔離層；與上述半導體層接觸的源極和漏極；以及在上述隔離層上的柵極和至少一個浮柵，該柵極和至少一個浮柵為雙層結(jié)構(gòu)，其中上層為導電層，下層為第一介質(zhì)層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的HEMT器件，還包括在上述隔離層上的 上述源極和漏極之間的區(qū)域上的第二介質(zhì)層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的HEMT器件，其中，上述第二介質(zhì)層完 全包裹上述柵極和至少一個浮柵。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的HEMT器件，其中，除了在上述隔離層 與上述柵極和至少一個浮柵之間的區(qū)域，上述第二介質(zhì)層包裹上述柵極和 至少一個浮^f。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任何一項所述的HEMT器件，其中上述柵極 和至少一個浮柵為其中間部分向上述半導體層凸出的場板結(jié)構(gòu)。
6， 根據(jù)權(quán)利要求5所述的HEMT器件，其中在上述隔離層中具有 與上述凸出的場板結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的凹槽。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任何一項所述的HEMT器件，其中上述半導 體層包括GaN。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任何一項所述的HEMT器件，其中上述第一 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，其中上述第一介質(zhì)層包括 Si02。
10. 根據(jù)權(quán)利要求2-4中任何一項所述的HEMT器件，其中上述第二介質(zhì)層包括可降低器件電流崩塌效應(yīng)的介質(zhì)材料。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的HEMT器件，其中上述笫二介質(zhì)層包括SiN。
12. 根椐權(quán)利要求1-4中任何一項所述的HEMT器件，還包括在上述 半導體層中形成的二維電子氣。
13. —種用于制造HEMT器件的方法，包括以下步驟 在襯底上沉積半導體層； 在上迷半導體層上沉積隔離層； 形成與上述半導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)層上形成柵極導體和至少一個浮柵導體；以及 將上述柵極導體和至少一個浮柵導體作為掩模，蝕刻上述第一介質(zhì)層， 以形成由上述柵極導體和上述第一介質(zhì)層構(gòu)成的疊層柵極，和由上述至少一個浮柵導體和上述第一介質(zhì)層構(gòu)成的至少一個疊層浮柵。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括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)層的步驟之前，在上述隔離層上的上 述源極和漏極之間的區(qū)域上沉積第二介質(zhì)層的步驟。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13或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，在上述第一介質(zhì)層被蝕刻掉的區(qū)域上沉積笫二介質(zhì)層， 以用上述第二介質(zhì)層包裹上述疊層柵極和至少一個疊層浮柵。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其中上述半導體層包括GaN。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其中上述第一介質(zhì)層包括可 降低柵極漏電流的介質(zhì)材料。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中上迷第一介質(zhì)層包括Si02。
19. 根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其中上述第二介質(zhì)層包括可 降低器件電流崩塌效應(yīng)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SiN。
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)明的一個方面，提供了一種HEMT器件，包括在襯底上的半導體層；在上述半導體層上的隔離層；與上述半導體層接觸的源極和漏極；以及在上述隔離層上的柵極和至少一個浮柵，該柵極和至少一個浮柵為雙層結(jié)構(gòu)，其中上層為導電層，下層為第一介質(zhì)層。
文檔編號H01L29/423GK101320751SQ200810098658
公開日2008年12月10日 申請日期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 申請人:西安能訊微電子有限公司