專(zhuān)利名稱(chēng)：一種增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管及其制作方法。
背景技術(shù)：
作為第三代半導(dǎo)體材料，GaN基材料具有禁帶寬度大、電子飽和漂移速度大、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗輻射、耐高溫、易形成異質(zhì)結(jié)等優(yōu)勢(shì)，成為制造高溫、高頻、大功率、抗輻射高電子遷移率晶體管(HEMT)結(jié)構(gòu)的首選材料。GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有很高的載流子濃度和電子遷移率，其導(dǎo)通電阻小，并且寬禁帶的優(yōu)勢(shì)使得其能夠承受很高的工作電壓。因此，GaN基HEMT非常適用于高溫高頻大功率器件、低損耗功率開(kāi)關(guān)器件等應(yīng)用領(lǐng)域。GaN基材料具有強(qiáng)的自發(fā)極化效應(yīng)和壓電極化效應(yīng)，容易產(chǎn)生極高濃度的二維電 子氣，通常GaN基HEMT器件溝道處于常開(kāi)狀態(tài)，為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。其存在應(yīng)用上的局限性，必須要提供額外的電源系統(tǒng)來(lái)維持器件溝道的關(guān)閉，給系統(tǒng)應(yīng)用造成了體積大、成本高等弊端，嚴(yán)重降低了器件的安全性和可靠性。具有正閾值電壓的增強(qiáng)型(常關(guān)型)功率器件能夠確保功率電子系統(tǒng)的安全性、降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性等，是功率系統(tǒng)中的首選器件。因此，高性能增強(qiáng)型GaN基HEMT器件具有非常廣闊的應(yīng)用前景。迄今為止，國(guó)內(nèi)外實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GaN基HEMT的常用方法有(I)凹柵槽技術(shù)、⑵F基等離子體注入技術(shù)、(3)勢(shì)壘層P型摻雜技術(shù)等。第(I)種方法很難精確控制刻蝕深度，器件閾值電壓波動(dòng)很大，并且在零偏壓下溝道不能完全夾斷狀態(tài)，處在少量的泄露電流；第
(2)種方法采用的高能量F離子注入深度分布不均勻，重復(fù)性差，并引入嚴(yán)重的晶格損傷，惡化器件性能，F(xiàn)原子在材料中的熱穩(wěn)定性差，該方法的可靠性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證；第(3)種方法尚不成熟，P型AlGaN勢(shì)壘層的激活困難，需要很高的退火溫度，其很少被采用。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管及其制作方法。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種制作增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管的方法，包括提供一個(gè)襯底；在該襯底上生長(zhǎng)成核層；在該成核層上生長(zhǎng)氮化鎵高阻緩沖層；在該氮化鎵高阻緩沖層上生長(zhǎng)高遷移率氮化鎵溝道層；在該氮化鎵溝道層上生長(zhǎng)薄層氮化鋁勢(shì)壘層；在該氮化鋁勢(shì)壘層上生長(zhǎng)SiNx表面施主層；
在該SiNx表面施主層上形成源電極和漏電極；刻蝕掉該源電極與漏電極之間的SiNx表面施主層，形成柵槽區(qū)；以及在該柵槽區(qū)形成柵電極。上述方案中，所述襯底為碳化硅、藍(lán)寶石或者硅襯底。上述方案中，所述成核層為氮化鎵或者氮化鋁。上述方案中，所述薄層氮化鋁勢(shì)壘層的厚度為I 3nm。上述方案中，所述SiNx表面施主電荷層的厚度為I 3nm。上述方案中，所述在氮化鋁勢(shì)壘層上生長(zhǎng)SiNx表面施主層采用原位外延方法、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)或者催化化學(xué)氣相沉積(Cat-CVD)。上述方案中，所述刻蝕掉該源電極與漏電極之間的SiNx表面施主層形成柵槽區(qū)的 步驟中，采用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)或者反應(yīng)離子刻蝕(RIE)方式來(lái)刻蝕源電極與漏電極之間的SiNx表面施主層，刻蝕反應(yīng)氣體是SF6、CF4或者CHF3, AlN作為刻蝕阻擋層精確控制了柵槽區(qū)的刻蝕深度，柵槽區(qū)下溝道內(nèi)的電子被完全耗盡，形成增強(qiáng)型HEMT器件。上述方案中，所述在襯底上生長(zhǎng)成核層、在成核層上生長(zhǎng)氮化鎵高阻緩沖層、在氮化鎵高阻緩沖層上生長(zhǎng)高遷移率氮化鎵溝道層，以及在氮化鎵溝道層上生長(zhǎng)薄層氮化鋁勢(shì)壘層，采用材料外延方法，該材料外延方法至少包括金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法或者分子束外延方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管，該晶體管自下而上依次為襯底、成核層、GaN高阻緩沖層、高遷移率GaN溝道層、薄層AlN勢(shì)壘層和SiNx表面施主層，且該晶體管的源電極、漏電極制作在該SiNx表面施主層上，柵電極制作在刻蝕掉源電極與漏電極之間SiNx表面施主層而形成的柵槽區(qū)。上述方案中，所述源電極、漏電極為歐姆接觸，所述柵電極采用肖特基接觸。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果I、本發(fā)明提供的增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管的制作方法，成本低廉，工藝簡(jiǎn)單，重復(fù)性好，可靠性高，能夠精確控制器件閾值，非常適用于增強(qiáng)型器件的制作。2、本發(fā)明提供的增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管的制作方法，首次采用超薄層AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)極化電場(chǎng)提高了 AlN勢(shì)壘層的導(dǎo)帶勢(shì)壘高度，使柵槽下的異質(zhì)界面處無(wú)法形成2DEG。3、本發(fā)明提供的增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管的制作方法，采用SiNx表面施主層，有利于在SiNx/AlN界面處產(chǎn)生大量的正電荷施主，降低AlN表面處的勢(shì)壘高度，從而在A(yíng)lN/GaN界面形成2DEG導(dǎo)電溝道。4、本發(fā)明提供的增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管的制作方法，經(jīng)SiNx表面鈍化后的AlN/GaN HEMT具有極強(qiáng)的壓電極化和自發(fā)極化效應(yīng)，所形成的2DEG濃度非常高，大大降低了 HEMT器件的通態(tài)電阻，用于實(shí)現(xiàn)溝道的導(dǎo)通區(qū)。5、本發(fā)明提供的增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管的制作方法，本發(fā)明提出的制作方法利用SiNx和AlN材料的優(yōu)良刻蝕選擇性，刻蝕柵槽區(qū)自動(dòng)終止于A(yíng)lN勢(shì)壘層，因此能夠精確地控制柵槽區(qū)的刻蝕深度，增強(qiáng)型AlN/GaN HEMT的器件閾值與AlN勢(shì)壘層的厚度密切相關(guān)。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I為依照本發(fā)明實(shí)施例的制作增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管的方法流程圖；圖2為依照本發(fā)明實(shí)施例的增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為依照本發(fā)明實(shí)施例的增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管的2DEG溝道示意圖；圖4為依照本發(fā)明實(shí)施例的增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管中溝道耗盡截面的電子能帶結(jié)構(gòu)；
圖5為依照本發(fā)明實(shí)施例的增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管中溝道導(dǎo)電截面的電子能帶結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。當(dāng)然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。本發(fā)明運(yùn)用外延結(jié)構(gòu)和材料能帶控制，制作超薄勢(shì)魚(yú)AlN/GaN異質(zhì)結(jié)，使異質(zhì)界面處無(wú)法形成二維電子氣(2DEG)，用于實(shí)現(xiàn)溝道的夾斷區(qū)；另一方面，在超薄勢(shì)壘AlN/GaN異質(zhì)結(jié)上淀積SiNx表面施主層，有利于在SiNx/AlN界面處產(chǎn)生大量的正電荷施主，降低AlN表面處的勢(shì)壘高度，從而在A(yíng)lN/GaN界面形成2DEG溝道，并且AlN/GaN HEMT具有極強(qiáng)的壓電極化和自發(fā)極化效應(yīng)，所形成的2DEG濃度非常高，大大降低了 HEMT器件的通態(tài)電阻，用于實(shí)現(xiàn)溝道的導(dǎo)通區(qū)。通過(guò)選擇性刻蝕SiNx表面施主層，使得柵槽區(qū)下的溝道不會(huì)導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型AlN/GaN HEMT器件。圖I示出了依照本發(fā)明實(shí)施例的制作增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管的方法流程圖，其包括以下步驟步驟101 :首先提供一個(gè)襯底，可以是碳化硅、藍(lán)寶石或者硅襯底。步驟102 :在所述襯底上采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法或者分子束外延方法生長(zhǎng)一層成核層，成核層可以是氮化鎵或者氮化鋁。步驟103 :在所述成核層上生長(zhǎng)一層氮化鎵高阻緩沖層，該層本底濃度低，其厚度在I 3 ii m之間。步驟104 :在所述高阻緩沖層上生長(zhǎng)一層高遷移率氮化鎵溝道層。優(yōu)選地，高遷移率氮化鎵溝道層的厚度為50 lOOnm。步驟105 :在所述氮化鎵溝道層上生長(zhǎng)一薄層氮化鋁勢(shì)壘層，該薄層氮化鋁勢(shì)壘層的厚度為I 3nm。步驟106 :隨后，氮化硅表面施主層生長(zhǎng)在薄層的氮化鋁勢(shì)壘層上，所述氮化硅表面施主電荷層的生長(zhǎng)方式采用原位外延方法、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)或者催化化學(xué)氣相沉積(Cat-CVD)，其厚度為I 3nm。步驟107 :在所述氮化硅表面施主層上形成源電極和漏電極，源電極和漏電極采用歐姆接觸金屬制作而成。步驟108 :在所述源電極和漏電極之間刻蝕出柵槽區(qū)，該柵槽區(qū)采用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)或者反應(yīng)離子刻蝕(RIE)方式來(lái)刻蝕SiNx介質(zhì)，刻蝕反應(yīng)氣體是SF6、CF4或者CHF3等，這些F基氣體對(duì)AlN勢(shì)壘層的刻蝕非常弱，AlN作為刻蝕阻擋層精確控制了柵槽區(qū)的刻蝕深度，柵槽區(qū)下溝道內(nèi)的電子被完全耗盡，形成增強(qiáng)型HEMT器件。步驟109 :在所述柵槽區(qū)形成柵電極，柵電極采用肖特基金屬制作而成。圖2給出了依照本發(fā)明實(shí)施例的增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖，通過(guò)上述圖I所示的方法得到的該晶體管結(jié)構(gòu)自下而上依次為襯底、成核層、GaN高阻緩沖層、高遷移率GaN溝道層、薄層AlN勢(shì)壘層和SiNx表面施主層，并且該晶體管的源電極、漏電極制作在上述材料層表面上，其柵電極制作在刻蝕柵槽區(qū)。其中，源電極、漏電極為歐姆接觸，柵電極采用肖特基接觸。圖3為依照本發(fā)明實(shí)施例的增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管的2DEG溝道示 意圖。在柵槽區(qū)，超薄層AlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)的極化電場(chǎng)，提高了 AlN勢(shì)壘層的導(dǎo)帶勢(shì)壘高度，使柵槽下的異質(zhì)界面處無(wú)法形成2DEG ;在柵槽區(qū)外，SiNx表面施主層有利于在SiNx/AlN界面處產(chǎn)生大量的正電荷施主，降低AlN表面處的勢(shì)壘高度，從而在A(yíng)lN/GaN界面形成高濃度的2DEG，形成導(dǎo)電溝道。圖4為依照本發(fā)明實(shí)施例的增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管中溝道耗盡截面的電子能帶結(jié)構(gòu)，它給出了該晶體管中溝道耗盡截面處的電子能帶隨層厚的分布情況，其中EF、EC和EV分別為電子的費(fèi)米能級(jí)、導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂能量。如圖4所示，薄層AlN勢(shì)壘層和GaN溝道層的界面處無(wú)法形成三角勢(shì)阱，電子的導(dǎo)帶底能級(jí)始終處于電子費(fèi)米能級(jí)之上，因此，沒(méi)有2DEG導(dǎo)電溝道。圖5為依照本發(fā)明實(shí)施例的增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管中溝道導(dǎo)電截面的電子能帶結(jié)構(gòu)，它給出了該晶體管中溝道導(dǎo)電截面處的電子能帶隨層厚的分布情況，其中EF、EC和EV分別為電子的費(fèi)米能級(jí)、導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂能量。如圖5所示，SiNx表面施主層降低了薄層AlN表面處的勢(shì)壘高度，從而在A(yíng)lN/GaN界面存在2DEG三角勢(shì)阱，形成了導(dǎo)電溝道。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制作增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管的方法，其特征在于，包括 提供一個(gè)襯底； 在該襯底上生長(zhǎng)成核層； 在該成核層上生長(zhǎng)氮化鎵高阻緩沖層； 在該氮化鎵高阻緩沖層上生長(zhǎng)高遷移率氮化鎵溝道層； 在該氮化鎵溝道層上生長(zhǎng)薄層氮化鋁勢(shì)壘層； 在該氮化鋁勢(shì)壘層上生長(zhǎng)SiNx表面施主層； 在該SiNx表面施主層上形成源電極和漏電極； 刻蝕掉該源電極與漏電極之間的SiNx表面施主層，形成柵槽區(qū)；以及在該柵槽區(qū)形成柵電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管的方法，其特征在于，所述襯底為碳化硅、藍(lán)寶石或者硅襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管的方法，其特征在于，所述成核層為氮化鎵或者氮化招。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管的方法，其特征在于，所述薄層氮化鋁勢(shì)壘層的厚度為I 3nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管的方法，其特征在于，所述SiNx表面施主電荷層的厚度為I 3nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管的方法，其特征在于，所述在氮化鋁勢(shì)壘層上生長(zhǎng)SiNx表面施主層采用原位外延方法、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD或者催化化學(xué)氣相沉積Cat-CVD。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管的方法，其特征在于，所述刻蝕掉該源電極與漏電極之間的SiNx表面施主層形成柵槽區(qū)的步驟中，采用感應(yīng)耦合等離子體ICP或者反應(yīng)離子刻蝕RIE方式來(lái)刻蝕源電極與漏電極之間的SiNx表面施主層，刻蝕反應(yīng)氣體是SF6、CF4或者CHF3, AlN作為刻蝕阻擋層精確控制了柵槽區(qū)的刻蝕深度，柵槽區(qū)下溝道內(nèi)的電子被完全耗盡，形成增強(qiáng)型HEMT器件。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管的方法，其特征在于，所述在襯底上生長(zhǎng)成核層、在成核層上生長(zhǎng)氮化鎵高阻緩沖層、在氮化鎵高阻緩沖層上生長(zhǎng)高遷移率氮化鎵溝道層，以及在氮化鎵溝道層上生長(zhǎng)薄層氮化鋁勢(shì)壘層，采用材料外延方法，該材料外延方法至少包括金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法或者分子束外延方法。
9.一種增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管，其特征在于，該晶體管自下而上依次為襯底、成核層、GaN高阻緩沖層、高遷移率GaN溝道層、薄層AlN勢(shì)壘層和SiNx表面施主層，且該晶體管的源電極、漏電極制作在該SiNx表面施主層上，柵電極制作在刻蝕掉源電極與漏電極之間SiNx表面施主層而形成的柵槽區(qū)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述源電極、漏電極為歐姆接觸，所述柵電極采用肖特基接觸。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種增強(qiáng)型AlN/GaN高電子遷移率晶體管及其制作方法，包括提供一個(gè)襯底；在該襯底上生長(zhǎng)成核層；在該成核層上生長(zhǎng)氮化鎵高阻緩沖層；在該氮化鎵高阻緩沖層上生長(zhǎng)高遷移率氮化鎵溝道層；在該氮化鎵溝道層上生長(zhǎng)薄層氮化鋁勢(shì)壘層；在該氮化鋁勢(shì)壘層上生長(zhǎng)SiNx表面施主層；在該SiNx表面施主層上形成源電極和漏電極；刻蝕掉該源電極與漏電極之間的SiNx表面施主層，形成柵槽區(qū)；以及在該柵槽區(qū)形成柵電極。由于柵極下超薄的AlN勢(shì)壘層無(wú)法在溝道中形成二維電子氣，從而使整個(gè)溝道處于斷開(kāi)，形成了增強(qiáng)型HEMT器件。本發(fā)明可應(yīng)用于大功率電力開(kāi)關(guān)、微波開(kāi)關(guān)以及數(shù)字電路等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01L21/335GK102789982SQ201110126340
公開(kāi)日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2011年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月16日
發(fā)明者劉新宇, 彭銘曾, 鄭英奎, 魏珂 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所