專利名稱：一種制造介質(zhì)/氮化物復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型場效應(yīng)管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的制造方法，尤其是一種制造介質(zhì)/氮化物復(fù)合結(jié)構(gòu) 增強(qiáng)型場效應(yīng)管的方法。具體地說是用能帶剪裁方法分別制造出具有高密度高遷移率二維 電子氣的外溝道阱和在零柵壓下夾斷、在正柵壓下打開的能防止大正柵壓下溝道能帶畸變 的內(nèi)溝道阱，用以制造高效、大功率增強(qiáng)型氮化鎵場效應(yīng)晶體管的方法。屬于半導(dǎo)體器件技 術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
增強(qiáng)型場效應(yīng)管是一種在正柵壓下工作的場效應(yīng)管。它要求柵電極外的外溝道打 開，串聯(lián)電阻很低，而柵電極下的內(nèi)溝道在零柵壓下夾斷，在正柵壓下打開，具有良好的開 關(guān)性能。這就要求內(nèi)、外溝道具有完全不同的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。因此，在異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)中首 先要設(shè)計(jì)外溝道的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使溝道中產(chǎn)生高密度、高遷移率的二維電子氣。然后，使用半 導(dǎo)體工藝來剪裁柵電極下內(nèi)溝道的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，完全耗盡溝道阱中的二維電子氣，并能在大 正柵壓下打開內(nèi)溝道，重建高密度、高遷移率的二維電子氣。因此它不僅要設(shè)計(jì)高性能溝道 阱，還要尋求高效的能帶剪裁方案，在亞微米尺度的柵區(qū)內(nèi)實(shí)施有效的能帶剪裁。AWaN/GaN異質(zhì)結(jié)溝道阱中的電子氣密度取決于異質(zhì)界面上的極化電荷。要使能 帶剪裁后的內(nèi)溝道能在零柵壓下夾斷，不能使用極化電荷太高的勢壘層。這就限制了外溝 道中的電子氣密度。目前國外慣用的方法是在外溝道勢壘層上覆蓋一層帽層，用帽層/勢 壘層間的極化電荷來提高溝道阱電子氣密度。大家都使用AlN作帽層。但是AlN和GaN間 晶格失配很大，只能生長很薄的AlN帽層，異質(zhì)界面離溝道阱較遠(yuǎn)，溝道電子氣密度提高不 多。此外，AIN/AWaN界面上的大能帶帶階和強(qiáng)極化電荷又會(huì)形成一個(gè)很強(qiáng)的界面阱，使溝 道阱中的電子轉(zhuǎn)移到勢壘層中，降低了電子的遷移率。內(nèi)溝道的能帶剪裁又是一個(gè)棘手的難題。目前慣用的方法是通過挖槽來減薄勢壘 層厚度，降低內(nèi)溝道的電子氣密度。但是，要使內(nèi)溝道在零柵壓下夾斷，勢壘層必須減薄到 5nm以下。這樣，正柵壓下就不再能產(chǎn)生有效的量子限制，使電子波函數(shù)滲透到勢壘層表面， 形成表面阱，產(chǎn)生能帶畸變，降低了溝道阱中的電子氣密度，導(dǎo)致內(nèi)溝道在正柵壓下不能完 全打開。而且表面阱中的電子又增大了柵流，許多作者在勢壘層上覆蓋介質(zhì)層，制成MISFET 來抑制柵流。雖然這種器件能增大正柵壓，但是嚴(yán)重的能帶畸變使器件性能退化。另一種 方法是用氟等離子體處理引入表面負(fù)電荷，耗盡內(nèi)溝道的電子氣。但是，必須用很強(qiáng)的負(fù)電 荷來夾斷溝道，從而降低了開溝道中的電流。況且強(qiáng)表面負(fù)電荷同樣也會(huì)引起能帶畸變。本專利申請者在設(shè)計(jì)增強(qiáng)模場效應(yīng)管的外溝道時(shí)發(fā)現(xiàn)用和GaN晶格匹配的AlInN 帽層來替代現(xiàn)用的AlN帽層，不僅可以解決晶格匹配而生長厚AlInN帽層，使界面極化電荷 更靠近溝道阱，提高溝道阱的電子氣密度。而且還降低了異質(zhì)界面上的能帶帶階和極化電 荷，提高界面阱的阱位，防止電子波函數(shù)滲透到勢壘層。在研究內(nèi)溝道的能帶剪裁時(shí)，發(fā)現(xiàn) 在減薄的勢壘層上覆蓋Si3N4介質(zhì)層，可以利用Si3N4AKiaN異質(zhì)結(jié)來改造內(nèi)溝道阱，再用氟 等離子體工藝處理Si3N4表面，引入適當(dāng)?shù)呢?fù)電荷，實(shí)現(xiàn)零柵壓下夾斷而在大正柵壓下能完全打開的內(nèi)溝道阱，抑制正柵壓下內(nèi)溝道阱的能帶畸變。從而解決了增強(qiáng)模場效應(yīng)管設(shè)計(jì) 中的兩大難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在用晶格匹配的AlInN帽層來覆蓋薄AlGaN勢壘層構(gòu)成外溝道的 異質(zhì)結(jié)構(gòu)。利用AUnN/AKiaN異質(zhì)界面上的極化電荷來提高GaN溝道阱中的二維電子氣密 度。以厚AlInN帽層的高勢壘來強(qiáng)化GaN溝道阱中電子氣的二維特性，改善電子輸運(yùn)性能。 降低外溝道的串聯(lián)電阻和歐姆接觸電阻，增大HFET的溝道電流。用干法腐蝕工藝腐蝕完 AlInN帽層和減薄AWaN勢壘層后以ALD工藝淀積設(shè)定厚度的Si3N4介質(zhì)層，用氟等離子體 處理工藝在Si3N4表面引入高濃度負(fù)空間電荷，構(gòu)筑完善的內(nèi)溝道異質(zhì)結(jié)構(gòu)。使閾值電壓正 移到OV以上。并且用Si3N4AWaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)來強(qiáng)化大正柵壓下內(nèi)溝道阱的量子限制，防止 異質(zhì)結(jié)能帶畸變。實(shí)現(xiàn)高性能的增強(qiáng)模工作。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種制造介質(zhì)/氮化物復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型場效應(yīng)管的方 法，其特征是該方法包括如下工藝步驟一、在襯底上依次生長AlGaN緩沖層，GaN溝道層、AlN插入層、AlGaN勢壘層和 AlInN帽層；二、在AWaN緩沖層上生長GaN溝道層，構(gòu)成背勢壘來改善溝道夾斷特性，使場效 應(yīng)管閾值電壓正移；三、在薄AlGaN勢壘層上生長和GaN晶格匹配的AlInN層，利用AlInN/AlGaN異質(zhì) 界面上的極化電荷來增加下面GaN溝道層中的電子氣密度。利用該異質(zhì)界面上的能帶帶階 來建立高勢壘，防止溝道層中的電子波函數(shù)滲透到勢壘層，強(qiáng)化電子二維特性，提高電子遷 移率；構(gòu)筑成外溝道阱，提高溝道阱中的電子氣密度和遷移率，降低外溝道串聯(lián)電阻和歐姆 接觸電阻；四、用干法工藝腐蝕完AlInN帽層6和減薄AWaN勢壘層后用原子層淀積(ALD) 工藝直接在減薄的AlGaN勢壘層上淀積Si3N4介質(zhì)層用Si3N4/AWaN異質(zhì)結(jié)來形成高勢壘， 構(gòu)筑內(nèi)溝道的溝道阱；五、用氟等離子體工藝在Si3N4層中引入高密度負(fù)電荷，用強(qiáng)負(fù)電荷來耗盡內(nèi)溝道 阱中的二維電子氣，使內(nèi)溝道在零柵壓下夾斷，在正柵壓下打開，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)模工作，優(yōu)化設(shè) 計(jì)氟等離子體工藝處理的Si3N4AWaN組合勢壘，防止大正柵壓下的溝道能帶畸變，增大溝 道電流。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)用晶格匹配的AlInN帽層覆蓋薄AKiaN勢壘層使帽層極化電荷 接近GaN溝道阱，可以更有效地利用帽層異質(zhì)結(jié)極化電荷來提高溝道阱中的電子氣密度。 AUnN/AKiaN異質(zhì)結(jié)的能帶帶階和極化電荷可以抬高帽層界面阱的阱位，防止溝道電子滲 透到界面阱和勢壘層，提高電子二維特性和輸運(yùn)性能，降低外溝道串聯(lián)電阻。AlInN勢壘高 度低，AUnN/AWaN復(fù)合勢壘溝道阱電子氣密度高，在AlInN勢壘層上制作歐姆接觸，可以 降低接觸電阻。在減薄的AKiaN勢壘層上淀積設(shè)定厚度的Si3N4層為內(nèi)溝道阱提供完善的 高勢壘異質(zhì)結(jié)構(gòu)，防止大正柵壓下溝道電子波函數(shù)滲透到勢壘層表面引起能帶畸變，提高 了電子遷移率和溝道電流。在Si3N4介質(zhì)層表面用氟等離子體處理引入空間負(fù)電荷，提高了 勢壘高度，耗盡溝道電子氣，實(shí)現(xiàn)正柵壓的增強(qiáng)模工作。


附圖1是本發(fā)明的介質(zhì)/氮化物復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型場效應(yīng)管的材料結(jié)構(gòu)圖。附圖2是本發(fā)明的介質(zhì)/氮化物復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型場效應(yīng)管內(nèi)溝道的結(jié)構(gòu)圖。圖中1是襯底，2是AlGaN緩沖層，3是GaN溝道層，4是AlN插入層，5是AlGaN勢 壘層，6是AHnN晶格匹配帽層，7是Si3N4介質(zhì)層，8是減薄的AlGaN勢壘層。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖進(jìn)一步描述介質(zhì)/氮化物復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型場效應(yīng)管制作方法，其步驟 分一、在襯底1上依次生長AlGaN緩沖層2、GaN溝道層3、AlN插入層4、AlGaN勢壘層5 和AlInN帽層6 ；二、自洽求解薛定諤方程和泊松方程，計(jì)算異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶、電子波函數(shù)和溝道中 的二維電子氣密度；三、調(diào)節(jié)GaN/AlGaN背勢壘和AUnN/AlGaN/AlN/GaN前勢壘的高度和寬度，使溝道 阱中產(chǎn)生足夠高的二維電子氣密度，并且優(yōu)化選擇AUnN、AlGaN和AlN的組份比和厚度， 提高AUnN/AKiaN界面阱的阱位，使界面阱中不存在電子，確保溝道電子波函數(shù)不滲透到 AlInN/AWaN界面阱和勢壘層中，完成外溝道異質(zhì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。四、按照圖2所示，用干法腐蝕工藝腐蝕完AlInN帽層6和減薄AWaN勢壘層8后 用ALD工藝在減薄的AWaN勢壘層8上淀積Si3N4介質(zhì)層7，得到介質(zhì)/氮化物復(fù)合結(jié)構(gòu)增 強(qiáng)型場效應(yīng)管內(nèi)溝道。五、用氟等離子體處理工藝在Si3N4層表面引入負(fù)空間電荷；六、把經(jīng)氟等離子體處理的Si3N4層和減薄的AWaN層看作新的異質(zhì)結(jié)，自洽求解這種新異質(zhì)結(jié)的薛定諤方程和泊松方程，計(jì)算內(nèi)溝道能帶、電子波函數(shù) 和電子氣密度；七、設(shè)計(jì)GaN/AlGaN背勢壘和Si3N4/AlGaN/AlN/GaN前勢壘的結(jié)構(gòu)，使內(nèi)溝道阱在 零柵壓下夾斷，在大正柵壓下電子仍良好地量子限制在溝道阱內(nèi)，不發(fā)生能帶畸變，在設(shè)定 的柵壓變動(dòng)范圍內(nèi)，柵電容保持不變，完成內(nèi)溝道異質(zhì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)、外溝道異質(zhì)結(jié)構(gòu)的介質(zhì)/氮化物復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型場效應(yīng)管，在制作 過程中，1)用光刻、金屬淀積和退火工藝在源、漏歐姆接觸區(qū)制作歐姆接觸，利用AUnN的 低勢壘和外溝道中的高密度、高遷移率二維電子氣來降低歐姆接觸電阻；幻在柵電極區(qū)域 用干法工藝挖槽，腐蝕完AlInN帽層和減薄AWaN勢壘層后，用ALD工藝淀積設(shè)定厚度的 Si3N4介質(zhì)層；幻在Si3N4介質(zhì)層表面用氟等離子體處理工藝引入負(fù)空間電荷，制成設(shè)定的 內(nèi)溝道異質(zhì)結(jié)構(gòu)；4)再在內(nèi)溝道異質(zhì)結(jié)上淀積金屬制作肖特基勢壘，從而制成具有優(yōu)化設(shè) 計(jì)內(nèi)、外溝道異質(zhì)結(jié)構(gòu)的介質(zhì)/氮化物復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型場效應(yīng)管。實(shí)施例1 在襯底1上生長Alatl4Giia96N緩沖層2和IOnm不摻雜GaN溝道層3，構(gòu)成背勢壘。 再在溝道層3上生長Inm不摻雜的AlN插入層4，5nm不摻雜Ala25GEia75N勢壘層和14nm不 摻雜Ala83^iai7N帽層6，構(gòu)成前勢壘。計(jì)算出各種異質(zhì)界面上的能帶帶階和極化電荷，依據(jù) 各層材料的有效質(zhì)量和介電常數(shù)自洽求解薛定諤方程和泊松方程，算得外溝道的電子氣密度為1. 775*1013cm_2。電子波函數(shù)全部量子限制在GaN溝道阱中，電子具有強(qiáng)二維特性和高 輸運(yùn)性能。降低了外溝道串聯(lián)電阻和歐姆接觸電阻。然后用干法挖槽工藝腐蝕完AlhN帽 層6和減薄AlGaN勢壘層，留下2nmAlGaN勢壘層，用ALD工藝淀積7nm Si3N4層7，用氟等 離子體工藝在Si3N4層表面5nm中引入2*1019cm_3濃度的負(fù)空間電荷。自洽求解薛定諤方 程和泊松方程，求得零柵壓下溝道電子氣密度為零，溝道夾斷。在3. 7V柵壓下電子氣密度 為1.377*1013CnT2。在整個(gè)柵壓變動(dòng)范圍內(nèi)，電子氣密度隨柵壓升高線性增大，柵電容保持 不變。達(dá)到理想的增強(qiáng)模工作狀態(tài)。實(shí)施例2 在襯底1上生長Alatl7GEia93N緩沖層2和IOnm不摻雜GaN溝道層3，構(gòu)成背勢壘。 再在溝道層3上生長Inm不摻雜的AlN插入層4，5nm不摻雜Ala 3Ga0.7N勢壘層和20nm不摻 雜Ala 831% 17N帽層6，構(gòu)成前勢壘。自洽求解薛定諤方程和泊松方程，算得外溝道的電子氣 密度為1. 789*1013cm_2。電子波函數(shù)全部量子限制在GaN溝道阱中，電子具有強(qiáng)二維特性和 高輸運(yùn)性能。降低了外溝道串聯(lián)電阻和歐姆接觸電阻。然后用干法挖槽工藝腐蝕完AlhN 帽層6和減薄AlGaN勢壘層，留下2nmAlGaN勢壘層，用ALD工藝淀積5nm Si3N4層7，用氟 等離子體工藝在Si3N4層表面5nm中引入2*1019cm_3濃度的負(fù)空間電荷。自洽求解薛定諤方 程和泊松方程，求得零柵壓下溝道電子氣密度為零，溝道夾斷。在3. 5V柵壓下電子氣密度 為1.496*1013cm_2。在整個(gè)柵壓變動(dòng)范圍內(nèi)，電子氣密度隨柵壓升高線性增大，柵電容保持 不變。達(dá)到理想的增強(qiáng)模工作狀態(tài)。實(shí)施例3 在襯底1上生長Ala A^ia9N緩沖層2和IOnm不摻雜GaN溝道層3，構(gòu)成背勢壘。再 在溝道層3上生長Inm不摻雜的AlN插入層4，5nm不摻雜Ala35GEia65N勢壘層和25nm不摻 雜Ala 831% 17N帽層6，構(gòu)成前勢壘。自洽求解薛定諤方程和泊松方程，算得外溝道的電子氣 密度為1. 738*1013cm_2。電子波函數(shù)全部量子限制在GaN溝道阱中，電子具有強(qiáng)二維特性和 高輸運(yùn)性能。降低了外溝道串聯(lián)電阻和歐姆接觸電阻。然后用干法挖槽工藝腐蝕完AlhN 帽層6和減薄AlGaN勢壘層，留下2nmAlGaN勢壘層，用ALD工藝淀積5nm Si3N4層7，用氟 等離子體工藝在Si3N4層表面5nm中引入2*1019cm_3濃度的負(fù)空間電荷。自洽求解薛定諤方 程和泊松方程，求得零柵壓下溝道電子氣密度為零，溝道夾斷。在3. 6V柵壓下電子氣密度 為1.619*1013cm_2。在整個(gè)柵壓變動(dòng)范圍內(nèi)，電子氣密度隨柵壓升高線性增大，柵電容保持 不變。達(dá)到理想的增強(qiáng)模工作狀態(tài)。
權(quán)利要求
1. 一種制造介質(zhì)/氮化物復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型場效應(yīng)管的方法，其特征是該方法包括如下 工藝步驟一、在襯底上依次生長AlGaN緩沖層，GaN溝道層、AlN插入層、AlGaN勢壘層和AlInN 帽層；二、在MGaN緩沖層上生長GaN溝道層，構(gòu)成背勢壘來改善溝道夾斷特性，使場效應(yīng)管 閾值電壓正移；三、在薄AlGaN勢壘層上生長和GaN晶格匹配的AlhN層，利用AlhN/AlGaN異質(zhì)界 面上的極化電荷來增加下面GaN溝道層中的電子氣密度。利用該異質(zhì)界面上的能帶帶階來 建立高勢壘，防止溝道層中的電子波函數(shù)滲透到勢壘層，強(qiáng)化電子二維特性，提高電子遷移 率；構(gòu)筑成外溝道阱，提高溝道阱中的電子氣密度和遷移率，降低外溝道串聯(lián)電阻和歐姆接 觸電阻；四、用干法工藝腐蝕完AlInN帽層6和減薄AKiaN勢壘層后用原子層淀積(ALD)工藝 直接在減薄的AWaN勢壘層上淀積Si3N4介質(zhì)層用Si3N4AWaN異質(zhì)結(jié)來形成高勢壘，構(gòu)筑 內(nèi)溝道的溝道阱；五、用氟等離子體工藝在Si3N4層中引入高密度負(fù)電荷，用強(qiáng)負(fù)電荷來耗盡內(nèi)溝道阱中 的二維電子氣，使內(nèi)溝道在零柵壓下夾斷，在正柵壓下打開，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)模工作，優(yōu)化設(shè)計(jì)氟 等離子體工藝處理的Si3N4AK^aN組合勢壘，防止大正柵壓下的溝道能帶畸變，增大溝道電 流。
全文摘要
本發(fā)明是一種制造介質(zhì)/氮化物復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型場效應(yīng)管的方法，其工藝為，在襯底上依次生長AlGaN緩沖層、GaN溝道層、AlN插入層、AlGaN勢壘層和AlInN帽層；由AlInN/AlGaN/AlN復(fù)合前勢壘和GaN/AlGaN背勢壘構(gòu)成強(qiáng)量子限制的高電子氣密度外溝道阱。晶格匹配的厚AlInN帽層顯著提高了外溝道電子氣密度，AlInN帽層提供的高而寬的勢壘強(qiáng)化了溝道阱的量子限制。既降低了外溝道的串聯(lián)電阻，又減小了歐姆接觸電阻。用干法挖槽工藝腐蝕完AlInN層和減薄AlGaN勢壘層后用原子層淀積(ALD)工藝淀積設(shè)定厚度Si3N4介質(zhì)層，強(qiáng)化內(nèi)溝道阱的量子限制，確保大柵壓變動(dòng)下，電子波函數(shù)不滲透到勢壘層引起異質(zhì)結(jié)的能帶畸變，提高了器件的開態(tài)電流。再用氟等離子體工藝在Si3N4介質(zhì)層表面引入負(fù)空間電荷，提高勢壘高度，耗盡內(nèi)溝道阱中的電子氣，使零柵壓下內(nèi)溝道夾斷。實(shí)現(xiàn)理想的增強(qiáng)模工作。
文檔編號(hào)H01L21/335GK102064108SQ20101054135
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月12日
發(fā)明者石志宏, 薛舫時(shí), 趙正平 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所