專利名稱：一種增強(qiáng)型器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及ー種增強(qiáng)型器件，以及該器件的制造方法，尤其是是通過選擇性生長P型氮化物的方法來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體材料氮化鎵由于具有禁帶寬度大、電子飽和漂移速度高、擊穿場強(qiáng)高、導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn)，已經(jīng)成為目前的研究熱點(diǎn)。在電子器件方面，氮化鎵材料比硅和神化鎵更適合于制造高溫、高頻、高壓和大功率器件，因此氮化鎵基電子器件具有很好的 應(yīng)用前景。由于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在較強(qiáng)的ニ維電子氣，通常采用AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)形成的高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor ;HEMT)為耗盡型器件，對于增強(qiáng)型器件則不易實(shí)現(xiàn)。而在許多地方耗盡型器件的應(yīng)用又具有一定的局限性，比如在功率開關(guān)器件的應(yīng)用中，需要增強(qiáng)型(常關(guān)型)開關(guān)器件。增強(qiáng)型氮化鎵開關(guān)器件主要用于高頻器件、功率開關(guān)器件和數(shù)字電路等，它的研究具有十分重要的意義。實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型氮化鎵開關(guān)器件，需要找到合適的方法來降低零柵壓時(shí)柵極下方的溝道載流子濃度。ー種方法是在柵極處采用刻蝕結(jié)構(gòu)，局部減薄柵極下面的鋁鎵氮層的厚度，達(dá)到控制或降低柵極下ニ維電子氣濃度的目的，如圖I所示，緩沖層I、氮化鎵層2、鋁鎵氮層3分別位于襯底10上，柵極4、源極5以及漏極6分別位于鋁鎵氮層3上，其中在柵極4下方鋁鎵氮層被局部刻蝕，從而減薄了柵極區(qū)的鋁鎵氮層厚度。第二種方法是在柵極下面選擇性保留P型氮化物，通過P型氮化物(Al)GaN來提拉鋁鎵氮/氮化鎵異質(zhì)結(jié)處得費(fèi)米能級，形成耗盡區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件，如圖2所示，在柵極4’下方通過選擇性保留了局部P型氮化物7。但是，這兩種方法都有一定的不足之處。在第一種方法中，閾值電壓一般在0V-1V左右，未達(dá)到應(yīng)用的閾值電壓3V-5V，為了達(dá)到較高的閾值電壓，還需要增加額外的介質(zhì)層，如原子層沉積的三氧化ニ鋁，但是，這個(gè)介質(zhì)層與鋁鎵氮表面的界面態(tài)如何控制，是ー個(gè)懸而未決的大問題。在第二種方法中，需要選擇性刻蝕掉除了柵極下面以外的所有區(qū)域，如何實(shí)現(xiàn)刻蝕厚度的精確控制，也是非常具有挑戰(zhàn)性的，另外，由于刻蝕中帶來的缺陷，以及P型鋁鎵氮中殘余的鎂原子，會引起嚴(yán)重的電流崩塌效應(yīng)。還有就是由于空穴密度的不足(一般而言，P型氮化鎵中空穴的濃度不會超過lE18/cm3)，鋁鎵氮/氮化鎵異質(zhì)結(jié)中的ニ維電子氣的密度會受到很大的限制。如果ニ維電子氣中電子的密度過高，就無法實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型的器件了，所以增強(qiáng)型器件的鋁鎵氮/氮化鎵異質(zhì)結(jié)中，鋁的含量通常低于20%，如15%左右。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種采用氮化鎵半導(dǎo)體材料形成異質(zhì)結(jié)的增強(qiáng)型器件及其制造方法，該增強(qiáng)型器件可以避免在上述第二種方法中，，因刻蝕P型氮化物エ藝帶來的缺陷問題會引起電流崩塌效應(yīng)。同時(shí)，此發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對增強(qiáng)型器件的閾值電壓的精確控制。根據(jù)本發(fā)明的ー個(gè)目的提出的一種增強(qiáng)型器件，該增強(qiáng)型器件包括襯底；在襯底上形成的外延多層結(jié)構(gòu)，所述外延多層結(jié)構(gòu)從襯底方向依次包括成核層、緩沖層、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)層、第二氮化鎵層、氮化物過渡層和介質(zhì)層，其中所述異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)層包括氮化鎵溝道層和具有三明治結(jié)構(gòu)的勢壘層，所述三明治結(jié)構(gòu)的中間層為第一氮化鎵層；所述柵極包括柵極金屬層和位于該柵極金屬層下方的P型氮化物層，其中所述P型氮化物層嵌置于所述外延多層結(jié)構(gòu)中，該P(yáng)型氮化物的底部觸及所述三明治結(jié)構(gòu)的第一氮化鎵層，頂部不超過所述氮化物過渡層。 以及在外延多層結(jié)構(gòu)上形成的柵極區(qū)。 優(yōu)選的，在所述勢壘層和氮化鎵溝道層之間，還設(shè)有氮化鋁層。優(yōu)選的，所述三明治結(jié)構(gòu)靠近氮化鎵溝道層的第一外夾層為鋁鎵氮層或鋁銦鎵氮層中的ー種，遠(yuǎn)離氮化鎵溝道層的第二外夾層為鋁鎵氮層或鋁銦鎵氮層中的ー種。優(yōu)選的，所述第一外夾層中的鋁含量小于30%，厚度小于10nm。優(yōu)選的，所述第一外夾層層中的鋁含量小于20%，厚度小于15nm。優(yōu)選的，所述第二氮化鎵層的厚度大于10nm。優(yōu)選的、所述第二氮化鎵層可以是非摻雜、η型摻雜或η型局部摻雜。優(yōu)選的，所述柵極金屬層為T型。優(yōu)選的,所述P型氮化物為鋁銦鎵氮、銦鎵氮或氮化鎵。優(yōu)選的，所述襯底為藍(lán)寶石、碳化硅、硅、鈮酸鋰、絕緣襯底硅、氮化鎵或氮化鋁中的ー種。優(yōu)選的，所述介質(zhì)層為SiN、Si02、Si0N、Al203、Hf02、HfAlOx中的ー種，或者是其任
意組合。根據(jù)本發(fā)明的另一目的提出的上述增強(qiáng)型器件的制造方法，包括步驟I)在襯底材料上先后形成成核層、緩沖層、氮化鎵溝道層、第一外夾層層、第一氮化鎵層、第二外夾層、第二氮化鎵層、氮化物過渡層以及介質(zhì)層，形成外延多層結(jié)構(gòu)；2)以上所述第一氮化鎵層為刻蝕停止層，對所述外延多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部刻蝕，露出該第一氮化鎵層，形成柵極區(qū)；3)在所述柵極區(qū)中，以上所述介質(zhì)層為掩模層，通過選擇性生長，形成ー層P型氮化物層，所述P型氮化物層的底部觸及所述第一氮化鎵層，頂部不超過所述氮化物過渡層；4)在所述柵極區(qū)上沉積柵極金屬層，形成柵極。優(yōu)選的，在所述勢壘層和氮化鎵溝道層之間，還設(shè)有氮化鋁層。優(yōu)選的，所述三明治結(jié)構(gòu)靠近氮化鎵溝道層的第一外夾層為鋁鎵氮層或鋁銦鎵氮層中的ー種，遠(yuǎn)離氮化鎵溝道層的第二外夾層為鋁鎵氮層或鋁銦鎵氮層中的ー種。在本發(fā)明中，通過在柵極區(qū)的選擇性刻蝕和選擇性生長，實(shí)現(xiàn)了對閾值電壓的嚴(yán)格控制。另外，由于使用選擇性生長的方法，而沒有采用等離子處理的方法，所以大大減少了刻蝕和注入對材料造成的損傷，エ藝重復(fù)性好，器件的穩(wěn)定性和可靠性更高。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)中在柵極處局部減薄鋁鎵氮層厚度的增強(qiáng)型器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為現(xiàn)有技術(shù)中在柵極下面選擇性保留P型氮化物的增強(qiáng)型器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的第一實(shí)施方式的增強(qiáng)型器件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明的第二實(shí)施方式的增強(qiáng)型器件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5A-5D為本發(fā)明的第一實(shí)施方式的增強(qiáng)型器件的制造方法步驟狀態(tài)圖。圖6A-6D為本發(fā)明的第二實(shí)施方式的增強(qiáng)型器件的制造方法步驟狀態(tài)圖。
圖7為隨鋁鎵氮層厚度變換的能帶圖。圖8為鋁含量達(dá)30%的鋁鎵氮層的厚度對能帶圖的影響情況。圖9對表面氮化鎵層厚度的影響進(jìn)行計(jì)算時(shí)假設(shè)的外延層結(jié)構(gòu)圖。圖10為有氮化鋁插入層的表面氮化鎵層厚度的影響計(jì)算結(jié)果。
具體實(shí)施例方式正如背景技術(shù)中所言，氮化鎵材料在運(yùn)用到增強(qiáng)型器件中的時(shí)候，需要控制零柵壓時(shí)溝道中的載流子濃度。然而現(xiàn)有的エ藝中，減薄柵極下方的鋁鎵氮層的厚度，會引起閾值電壓的降低，而在柵極下方保留ー層P型氮化物，會因?yàn)榭涛g源漏區(qū)域的P型氮化物引入缺陷問題，引起電流崩塌。因此，本發(fā)明為了解決上述兩個(gè)問題導(dǎo)致的在增強(qiáng)型器件中閾值電壓難以控制的問題，提出了一種通過在柵極下方選擇性生長ー層P型氮化物，取代原先的局部刻蝕エ藝，從而避免在局部刻蝕エ藝中容易引入的缺陷問題，達(dá)到精確控制閾值電壓的目的。 下面，將通過具體實(shí)施方式
，對本發(fā)明的技術(shù)方案做詳細(xì)介紹。請參見圖3，圖3是本發(fā)明第一實(shí)施方式下增強(qiáng)型器件的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，本發(fā)明的增強(qiáng)型器件該增強(qiáng)型器件包括襯底10、在襯底上形成的外延多層結(jié)構(gòu)20，以及在外延多層結(jié)構(gòu)上形成的柵極區(qū)。所述襯底10可以為為藍(lán)寶石、碳化硅、硅、鈮酸鋰、絕緣襯底硅、氮化鎵或氮化鋁中的ー種。所述外延多層結(jié)構(gòu)20從襯底10方向依次包括成核層21 :該成核層21影響上方異質(zhì)結(jié)材料的晶體質(zhì)量、表面形貌以及電學(xué)性質(zhì)等參數(shù)。該成核層21隨著不同的襯底材料20而變化，主要起到匹配襯底材料和異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體材料層的作用。緩沖層22 :即起到粘合接下來需要生長的半導(dǎo)體材料層的作用，又可以保護(hù)襯底材料20不被ー些金屬離子侵入。在本發(fā)明中，該緩沖層22為鋁含量可控的氮化鎵層(Al)GaN。氮化鎵溝道層23 :該氮化鎵溝道層23和位于上方的具有三明治結(jié)構(gòu)的勢壘層一起形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，該氮化鎵溝道層23提供ニ維電子氣運(yùn)動(dòng)的溝道，該三明治結(jié)構(gòu)則起到勢壘的作用。在該三明治結(jié)構(gòu)中，夾在第一外夾層24和第二外夾層26之間的中間層為第ー氮化鎵層25,所述第一氮化鎵層25是本發(fā)明的一個(gè)創(chuàng)新之處，該第一氮化鎵層25可以在后續(xù)的局部刻蝕エ藝中，起到停止層的作用，從而保護(hù)位于氮化鎵溝道層23上方的第一外夾層24不被刻蝕エ藝損壞。所述第一外夾層24靠近氮化鎵溝道層23，該第一外夾層24可以為鋁鎵氮層或鋁銦鎵氮層(鋁、銦、鎵的含量可從O到I范圍內(nèi)變化)。所述第二外夾層26相對遠(yuǎn)離氮化鎵溝道層23，該第二外夾層26可以為鋁鎵氮層或鋁銦鎵氮層(鋁、銦、鎵的含量可從O到I范圍內(nèi)變化)。第二氮化鎵層27 :通常該層氮化鎵層的厚度應(yīng)大于10nm，大于30nm，甚至超過120nm。該第二氮化鎵層27可以是非摻雜、η型摻雜或η型局部摻雜。該第二氮化鎵層27既可以使外延膜異質(zhì)結(jié)穩(wěn)定，也可免除介質(zhì)層29中的硅原子向P型氮化鎵的擴(kuò)散。通過生長厚度的控制，最后我們還可以實(shí)現(xiàn)T型的柵極結(jié)構(gòu)。氮化物過渡層28 :該氮化物過渡層可以是氮化鎵或鋁鎵氮或鋁銦氮或鋁銦鎵氮層。該氮化物過渡層28起到匹配后續(xù)表面材料層的作用。介質(zhì)層29 :該介質(zhì)層29起鈍化層的作用，同時(shí)該介質(zhì)層29在后續(xù)生長ρ型氮化物的過程中，還起到掩模的作用，使得P型氮化物的選擇性生長得以實(shí)現(xiàn)。該介質(zhì)層29可 以為SiN、Si02、Si0N、Al203、Hf02、HfAlOx中的ー種，或者是其組合。該層介質(zhì)層29可以在MOCVD腔內(nèi)進(jìn)行原位生長，也可以通過LPCVD、ALD或者PECVD生長。所述柵極區(qū)包括柵極金屬層31和位于該柵極金屬層31下方的ρ型氮化物層30，其中所述柵極金屬層31為T型，所述ρ型氮化物層30嵌置于所述外延多層結(jié)構(gòu)中，該ρ型氮化物的底部觸及所述三明治結(jié)構(gòu)的第一氮化鎵層，頂部不超過所述氮化物過渡層。所述P型氮化物層30為鋁銦鎵氮、銦鎵氮或氮化鎵中的ー種。請參見圖4，圖4是本發(fā)明的增強(qiáng)型器件第二實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，在該實(shí)施方式中，在所述勢壘層和氮化鎵溝道層之間，増加了ー層氮化鋁層45，該氮化鋁層45的作用在于通過調(diào)節(jié)導(dǎo)帶能帶，來進(jìn)ー步控制溝道中多數(shù)載流子的濃度，從而實(shí)現(xiàn)零柵壓下的耗盡層。其余同實(shí)施方式一相同，在此不再贅述。下面，再通過具體實(shí)施方式
對本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述增強(qiáng)型器件的制造方法做詳細(xì)說明。請參見圖5A至5D，圖5A至為本發(fā)明第一實(shí)施方式下的增強(qiáng)型器件制造方法所對應(yīng)的狀態(tài)示意圖。如圖所示，該制造方法包括如下步驟Sll :首先，如圖5A所示，在襯底材料10上先后形成成核層21、緩沖層22、氮化鎵溝道層23、第一鋁鎵氮層24、第一氮化鎵層25、第二鋁鎵氮層26、第二氮化鎵層27、氮化物過渡層28以及介質(zhì)層29，從而形成外延多層結(jié)構(gòu)。在該步驟中，襯底材料10可以為藍(lán)寶石、碳化硅、硅、鈮酸鋰、絕緣襯底硅、氮化鎵或氣化招中的一種。成核層21影響上方由氮化鎵/鋁鎵氮構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)的晶體質(zhì)量、表面形貌以及電學(xué)性質(zhì)等參數(shù)。該成核層21隨著不同的襯底材料10而變化，主要起到匹配襯底材料和氮化鎵層的作用。緩沖層22即起到粘合氮化鎵溝道層23的作用，又可以保護(hù)襯底材料20不被ー些金屬離子侵入。在本發(fā)明中，該緩沖層22為鋁含量可控的氮化鎵層(Al)GaN。氮化鎵溝道層23和具有三明治結(jié)構(gòu)的勢壘層一起形成異質(zhì)結(jié)，該三明治結(jié)構(gòu)的第一外夾層、中間層、第二外夾層分別為第一鋁鎵氮層24、第一氮化鎵層25和第二鋁鎵氮層26，其中該氮化鎵溝道層23提供ニ維電子氣運(yùn)動(dòng)的溝道，該三明治結(jié)構(gòu)則起到勢壘的作用。
在該三明治結(jié)構(gòu)中，夾在兩層鋁鎵氮層之間的第一氮化鎵層25是本發(fā)明的ー個(gè)創(chuàng)新之處，該第一氮化鎵層25可以在后續(xù)的局部刻蝕エ藝中，起到停止層的作用，從而保護(hù)位于氮化鎵溝道層23上方的第一鋁鎵氮層24不被刻蝕エ藝損壞。第二氮化鎵層27為厚氮化鎵層，通常該層氮化鎵層的厚度應(yīng)大于10nm，大于30nm,甚至超過120nm。該第二氮化鎵層27既可以使外延膜異質(zhì)結(jié)穩(wěn)定,也可免除娃原子對P型氮化鎵的擴(kuò)散。通過生長厚度的控制，最后我們還可以實(shí)現(xiàn)T型的柵極結(jié)構(gòu)。氮化物過渡層28 :該氮化物過渡層可以是氮化鎵或鋁鎵氮或鋁銦氮或鋁銦鎵氮層。該氮化物過渡層28起到匹配后續(xù)表面材料層的作用。介質(zhì)層29起鈍化層的作用，同時(shí)該層介質(zhì)層29在后續(xù)生長P型氮化物的過程中，還起到掩模的作用，使得P型氮化物的選擇性生長得以實(shí)現(xiàn)。該層介質(zhì)層29可以在MOCVD腔內(nèi)進(jìn)行原位生長，也可以通過LPCVD、ALD或者PECVD生長。該介質(zhì)層可以是氮化硅層。S12 :如圖5B所示，以所述第一氮化鎵層為停止層，對所述外延多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部 刻蝕，露出該第一氮化鎵層，形成柵極區(qū)。在該步驟中，刻蝕エ藝可采用濕法刻蝕或者干法刻蝕，刻蝕深度以刻穿第二鋁鎵氮層26，并刻蝕至第一氮化鎵層25為止。由于氮化鎵對ニ維電子氣沒有貢獻(xiàn)，所以對于第ー氮化鎵層25的刻蝕程度對閾值電壓沒有影響，或影響很小。如此ー來，可以大大降低產(chǎn)品品質(zhì)對刻蝕エ藝的精確度要求，比如該第一氮化鎵層25具有IOnm的厚度，則對刻蝕速率來說，就可以有IOnm的自由度控制，只要不刻穿該層第一氮化鎵層25即可。同時(shí)，如上文所說，第一氮化鎵層25也起到在選擇性生長ρ型氮化鎵時(shí)保護(hù)下面第一鋁鎵氮層24的作用，避免第一鋁鎵氮層24在高溫下應(yīng)カ的釋放，減少缺陷的產(chǎn)生。S13 :如圖5C所示，在所述柵極區(qū)中，以所述介質(zhì)層29為掩模層，通過選擇性生長，形成ー層P型氮化物層30，所述P型氮化物層30的頂部不超過該氮化物過渡層28的頂部。在該步驟中，介質(zhì)層29的掩膜作用，可以使得P型氮化物只在沒有介質(zhì)層29覆蓋的地方進(jìn)行生長，從而實(shí)現(xiàn)可選擇性生長。另ー方面，由于選擇性生長的過程中會引入不同的雜質(zhì)，使得摻雜濃度的控制變得極為困難。比如說，介質(zhì)層中的硅原子就會通過擴(kuò)散作用，摻入GaN:Mg中。而硅原子是氮化鎵中的淺施主，使得外延層變成η型半導(dǎo)體。為了避免這種擴(kuò)散作用，我們故意生長超過10nm、或者超過30nm、或者甚至超過120nm的第二氮化鎵層27，既可以使外延膜異質(zhì)結(jié)穩(wěn)定，也可免除硅原子對P型氮化鎵的擴(kuò)散。通過生長厚度的控制，最后我們還可以實(shí)現(xiàn)T型的柵極結(jié)構(gòu)。ρ型氮化物30在本實(shí)施方式中選擇鋁銦鎵氮或氮化鎵，P型化合物采用化學(xué)氣相沉積的方法進(jìn)行第一氮化鎵25能夠保護(hù)下面的第一鋁鎵氮層24不被高溫產(chǎn)生的應(yīng)カ釋放破壞。S14 :如圖所示，最后在所述柵極區(qū)上沉積柵極金屬層，形成柵極31。該柵極金屬層在介質(zhì)層29和第二氮化鎵層27的厚度控制下，可以實(shí)現(xiàn)T型柵極。值得注意的是，在本實(shí)施方式中，第一鋁鎵氮層24和第二鋁鎵氮層26形成了三明治結(jié)構(gòu)勢壘層中的第一外夾層和第二外夾層，但是在其它實(shí)施方式中，該第一外夾層的材質(zhì)也可以為鋁銦鎵氮層，該第二外夾層的材質(zhì)也可以為鋁銦鎵氮層，可以視具體的應(yīng)用場合進(jìn)行組合。請參見圖6A-6D，圖6A-6D是本發(fā)明第二實(shí)施方式下，增強(qiáng)型器件各個(gè)制造エ藝的狀態(tài)示意圖。在該實(shí)施方式中，在氮化鎵溝道層23和第一鋁鎵氮層24之間進(jìn)一歩插入氮化鋁層45，其它與第一實(shí)施方式相同，在此就不在贅述。在設(shè)計(jì)增強(qiáng)型器件結(jié)構(gòu)的時(shí)候，有幾個(gè)主要參數(shù)需要精心考慮，包括P型氮化物的厚度、空穴的濃度、組分，第一鋁鎵氮層和第二鋁鎵氮層的厚度和組分。下面我們通過分析來具體確定各個(gè)參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件，需要保證柵極下方的ニ維電子氣被耗盡。為了實(shí)現(xiàn)這一要求，第一鋁鎵氮層的組分和厚度都受到限制。比如，以第一實(shí)施方式為例，我們先假定第一鋁鎵氮層24中，鋁的組分為20%，改變其厚度，從5納米到20個(gè)納米。假定選擇性生長的P型氮化物為氮化鎵。經(jīng)計(jì)算得出的能帶分布如圖7所示，在鋁鎵氮層的厚度超過20納米后，即使假定上層P型氮化鎵中空穴的濃度超過lE18/cm3，ニ維電子氣也無法被耗盡。另外，同樣以實(shí)施方式ー為例(如圖8所示)，如果鋁鎵氮層中鋁的含量達(dá)到30%，則它的厚度不能超過10納米，否則就無法實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件，即使其中空穴的濃度被假設(shè)為lE18/cm3。因此，鋁鎵氮層的厚度需要控制在15納米甚至10納米以內(nèi)。
在柵區(qū)選擇性生長的ρ型氮化物也需要超過一定厚度，比如說超過10nm、超過30nm、超過60nm、甚至超過120nm，以保證柵區(qū)下的ニ維電子氣會被耗盡。假設(shè)外延多層結(jié)構(gòu)如圖9所示(該外延多層結(jié)構(gòu)省去了諸如過渡層和鈍化層等對此計(jì)算影響不大的材質(zhì)層)，在20 %的鋁鎵氮/氮化鎵上生長50納米的ρ型氮化鎵，設(shè)其空穴濃度為5E17/cm3，在氮化鎵溝道層與10納米的Ala2Gaa8N勢壘層之間，插入了 O. 5納米的氮化鋁，計(jì)算結(jié)果顯示P型氮化鎵下的ニ維電子氣將被完全耗盡，計(jì)算結(jié)果參見圖10。通過上面的計(jì)算可以看到，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件最關(guān)鍵的參數(shù)是鋁鎵氮層的厚度和鋁元素的含量。為了保證ニ維電子氣被耗盡，需要保證鋁鎵氮層盡量薄和鋁的含量盡量低。例如在鋁鎵氮層中鋁含量20%時(shí)，鋁鎵氮層的厚度不能超過15納米；而當(dāng)鋁的含量升至30%時(shí)，鋁鎵氮層的厚度就不能超過10納米。而上面ρ型氮化鎵中空穴濃度則影響不大。綜上所述，本發(fā)明提出了一種增強(qiáng)型器件及其制造方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的優(yōu)勢在于I、通過將原先的鋁鎵氮/氮化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中的鋁鎵氮?jiǎng)輭緦釉O(shè)計(jì)成三明治結(jié)構(gòu)，在兩層鋁鎵氮層之間設(shè)計(jì)ー層氮化鎵層，讓該氮化鎵層作為選擇性刻蝕的停止層，從而保護(hù)了下層鋁鎵氮層在刻蝕エ藝中不被破壞，另外該氮化鎵層又在后續(xù)的選擇性生長エ藝中，起到保護(hù)層的作用，讓P型氮化物生長在該氮化鎵層上，既可以避免生長過程中高溫對下層鋁鎵氮層的應(yīng)カ釋放破壞，又可以阻擋生長過程中產(chǎn)生缺陷對下層鋁鎵氮層的影響。2、通過在異質(zhì)結(jié)上方増加ー層厚的氮化鎵層，既可以使外延膜異質(zhì)結(jié)穩(wěn)定，也可免除硅原子向P型氮化鎵的擴(kuò)散。通過生長厚度的控制，還可以實(shí)現(xiàn)T型的柵極結(jié)構(gòu)。對所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
權(quán)利要求
1.一種增強(qiáng)型器件，該增強(qiáng)型器件包括襯底、在襯底上形成的外延多層結(jié)構(gòu)，以及在外延多層結(jié)構(gòu)上形成的柵極區(qū)，其特征在于 所述外延多層結(jié)構(gòu)從襯底方向依次包括成核層、緩沖層、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)層、第二氮化鎵層、氮化物過渡層和介質(zhì)層，其中所述異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)層包括氮化鎵溝道層和具有三明治結(jié)構(gòu)的勢壘層，所述三明治結(jié)構(gòu)的中間層為第一氮化鎵層； 所述柵極區(qū)包括柵極金屬層和位于該柵極金屬層下方的P型氮化物層，其中所述P型氮化物層嵌置于所述外延多層結(jié)構(gòu)中，該P(yáng)型氮化物的底部觸及所述三明治結(jié)構(gòu)的第一氮化鎵層，頂部不超過所述氮化物過渡層。
2.如權(quán)利要求I所述的增強(qiáng)型器件，其特征在于在所述勢壘層和氮化鎵溝道層之間，設(shè)有氮化鋁層。
3.如權(quán)利要求I或2所述的增強(qiáng)型器件，其特征在于所述三明治結(jié)構(gòu)靠近氮化鎵溝道層的第一外夾層為鋁鎵氮層或鋁銦鎵氮層中的ー種，遠(yuǎn)離氮化鎵溝道層的第二外夾層為鋁鎵氮層或鋁銦鎵氮層中的ー種。
4.如權(quán)利要求3所述的增強(qiáng)型器件，其特征在干所述第一外夾層中的鋁含量小于30%，厚度小于10nm。
5.如權(quán)利要求3所述的增強(qiáng)型器件，其特征在干所述第一外夾層中的鋁含量小于20%，厚度小于15nm。
6.如權(quán)利要求I或2所述的增強(qiáng)型器件，其特征在于所述第二氮化鎵層的厚度大于IOnm0
7.如權(quán)利要求I或2所述的增強(qiáng)型器件，其特征在于所述柵極金屬層為T型。
8.如權(quán)利要求I或2所述的增強(qiáng)型器件，其特征在于所述P型氮化物為鋁銦鎵氮、銦鎵氮或氮化鎵。
9.如權(quán)利要求I或2所述的增強(qiáng)型器件，其特征在于所述襯底為藍(lán)寶石、碳化硅、硅、鈮酸鋰、絕緣襯底硅、氮化鎵或氮化鋁中的ー種。
10.如權(quán)利要求I或2所述的增強(qiáng)型器件，其特征在于所述介質(zhì)層為SiN、Si02、Si0N、A1203、HfO2、HfAlOx中的ー種，或者是其組合。
11.如權(quán)利要求I或2所述的增強(qiáng)型器件，其特征在于第二氮化鎵層可以是非摻雜、η型摻雜或η型局部摻雜。
12.一種增強(qiáng)型器件的制造方法，該增強(qiáng)型器件具有如權(quán)利要求I所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述制造方法包括步驟 1)在襯底材料上先后形成成核層、緩沖層、氮化鎵溝道層、第一外夾層、第一氮化鎵層、第二外夾層、第二氮化鎵層、氮化物過渡層以及介質(zhì)層，形成外延多層結(jié)構(gòu)； 2)以上所述第一氮化鎵層為刻蝕停止層，對所述外延多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部刻蝕，露出該第一氮化鎵層，形成柵極區(qū)； 3)在所述柵極區(qū)中，以上所述介質(zhì)層為掩模層，通過選擇性生長，形成ー層P型氮化物層，所述P型氮化物層的底部觸及所述第一氮化鎵層，頂部不超過所述氮化物過渡層； 4)在所述柵極區(qū)上沉積柵極金屬層，形成柵極。
13.如權(quán)利要求12所述的增強(qiáng)型器件的制造方法，其特征在于在所述第一外夾層和氮化鎵溝道層之間，設(shè)有氮化鋁層。
14.如權(quán)利要求12或13所述的增強(qiáng)型器件的制造方法，其特征在于所述第一外夾層為鋁鎵氮層或鋁銦鎵氮層中的ー種，所述第二外夾層為鋁鎵氮層或鋁銦鎵氮層中的ー種。
15.如權(quán)利要求12和13所述的增強(qiáng)型器件的制造方法，其特征在于所述第一外夾層中的招含量小于30%,厚度小于10nm。
16.如權(quán)利要求12和13所述的增強(qiáng)型器件的制造方法，其特征在于所述第一外夾層層中的鋁含量小于20%，厚度小于15nm。
17.如權(quán)利要求12或13所述的增強(qiáng)型器件的制造方法，其特征在于所述第二氮化鎵層的厚度大于10nm。
18.如權(quán)利要求12或13所述的增強(qiáng)型器件的制造方法，其特征在于所述柵極金屬層為T型。
19.如權(quán)利要求12或13所述的增強(qiáng)型器件的制造方法，其特征在于所述P型氮化物為鋁銦鎵氮、銦鎵氮或氮化鎵。
20.如權(quán)利要求12或13所述的增強(qiáng)型器件的制造方法，其特征在于所述襯底為藍(lán)寶石、碳化硅、硅、鈮酸鋰、絕緣襯底硅、氮化鎵或氮化鋁中的ー種。
21.如權(quán)利要求12或13所述的增強(qiáng)型器件的制造方法，其特征在于所述介質(zhì)層為SiN, SiO2, SiON, A1203、HfO2, HfAlOx 中的ー種，或者是其組合。
22.如權(quán)利要求12或13所述的增強(qiáng)型器件的制造方法，其特征在于第二氮化鎵層可以是非摻雜、η型摻雜或η型局部摻雜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種增強(qiáng)型器件及其制造方法。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的增強(qiáng)型器件，通過將勢壘層設(shè)計(jì)成三明治結(jié)構(gòu)，三明治結(jié)構(gòu)的中間層作為柵極區(qū)選擇性刻蝕的停止層，并通過在柵極區(qū)域選擇性生長p型氮化物，耗盡柵極下異質(zhì)結(jié)處的二維電子氣，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型的氮化鎵器件。同時(shí)本發(fā)明還提出了上述增強(qiáng)型器件的制造方法。
文檔編號H01L29/778GK102683394SQ201210112988
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月17日
發(fā)明者程凱 申請人:程凱