一種具有復(fù)合鈍化層結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有復(fù)合鈍化層的場效應(yīng)晶體管，從下至上依次主要由襯底，氮化鎵緩沖層，氮化鎵溝道層，鋁鎵氮勢壘層以及在勢壘層上形成有源極、漏極，源極及漏極與勢壘層形成歐姆接觸，在器件表面覆蓋有一層鈍化層。在柵極與漏極之間的鈍化層由具有較高介電常數(shù)的絕緣材料(高-K介質(zhì))和具有較低介電常數(shù)的絕緣材料(低-K介質(zhì))在橫向上復(fù)合而成。由于高-K和低-K介質(zhì)層組成的邊界能改變周圍的電場分布，從而在器件溝道中引入電場峰值，使得溝道電子氣得以充分耗盡，以此提升器件的耐壓能力。
【專利說明】一種具有復(fù)合鈍化層結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體涉及一種具有復(fù)合鈍化層結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體 管。

【背景技術(shù)】
[0002] 氮化鎵（GaN)基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、電子飽 和速度高、導(dǎo)熱性能好、抗輻射和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異特性，同時氮化鎵（GaN)材料可 以與鋁鎵氮（AlGaN)等材料形成具有高濃度和高遷移率的二維電子氣異質(zhì)結(jié)溝道，因此特 別適用于高壓、大功率和高溫應(yīng)用，是電力電子應(yīng)用最具潛力的晶體管之一。
[0003] 在本發(fā)明提出以前，為了使柵極與漏極之間電場分布更加均勻，抑制緩沖層泄漏 電流，提高器件擊穿電壓，通常使用以下方法：
[0004] (1)使用表面場板技術(shù)。如圖1所示，場板結(jié)構(gòu)110可以有效耗盡其下的溝道二維 電子氣，擴(kuò)展柵極與漏極之間的二維電子耗盡區(qū)域，使柵漏之間的電場分布更加均勻，從而 提高擊穿電壓。但場板結(jié)構(gòu)Iio的引入使得器件寄生電容增加，導(dǎo)致器件截止頻率的下降。
[0005] (2)鈍化層采用高-K(高相對介電系數(shù)）介質(zhì)。如圖2所示，高-K介質(zhì)（Numerical AnalysisofBreakdownVoltageEnhancementinAlGaN/GaNHEMTsWithaHigh-K PassivationLayer,IEEETRANSACTIONSONELECTRONDEVICES,VOL. 61，NO. 3, 2014)具有 較高介電常數(shù)的絕緣材料可以使電場變的更加平坦，而具有較低介電常數(shù)的絕緣材料可以 是電場變得更加陡峭。在相同漏壓下，當(dāng)使用較高介電常數(shù)的材料做鈍化層208、209,溝道 電場峰值會降低，電場沿溝道的分布變得均勻，從而使得器件具有較高的擊穿電壓；但是該 結(jié)構(gòu)對器件耐壓能力的提升比較有限，難以滿足高耐壓領(lǐng)域的應(yīng)用。除此以外，某些高-K 介質(zhì)的能帶結(jié)構(gòu)的禁帶寬度很低，導(dǎo)致柵極和漏極之間通過鈍化層的泄漏電流比較大，使 得器件發(fā)生提前擊穿。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有復(fù)合鈍化層的場效應(yīng)晶體管。所述復(fù) 合鈍化層是由高-K介質(zhì)和低-K介質(zhì)在橫向上交替排列而形成的，由于高-K和低-K介質(zhì) 的介電常數(shù)相差較大，故在兩介質(zhì)界面處存在電場強(qiáng)度的突變，該電場強(qiáng)度的突變在其附 近的二維電子氣溝道中引入一個電場峰值，拉低了柵邊緣的電場強(qiáng)度，使溝道電場的分布 變得更加均勻，從而提高了器件的耐壓能力。
[0007] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種具有復(fù)合鈍化層的場效應(yīng)晶體管，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，從下至上依次主要由襯底307、氮化鎵（GaN)緩沖層306、氮化鎵（GaN)溝道層305,鋁 鎵氮（AlGaN)勢壘層304組成，在勢壘層上形成有源極301、漏極302和柵極303,源極301 和漏極302均與勢壘層304成歐姆接觸，柵極303與勢壘層304形成肖特基接觸；在器件表 面，具體而言，在柵極303與漏極302之間的勢壘層304的上表面、以及在柵極303與源極 302之間的勢壘層304的上表面覆蓋有一層鈍化層308、309 ;位于柵極303與漏極302之間 的鈍化層309由具有較高介電常數(shù)的介質(zhì)（高-K介質(zhì)）309和一個以上具有較低介電常數(shù) 的介質(zhì)層（低-K介質(zhì)）310、311、312在橫向上復(fù)合而成，從結(jié)構(gòu)上看，可以看作一個以上的 低-K介質(zhì)層嵌入到高-K鈍化層309中；
[0008] 對于所述的鈍化層309中的一個以上的低-K介質(zhì)層310、311、312,每個低-K介質(zhì) 區(qū)域在水平方向上的寬度小于柵極303與漏極302之間的距離，且所用低-K介質(zhì)區(qū)域在水 平方向上的寬度總和也小于柵漏之間的距離，每個低-K介質(zhì)區(qū)域在垂直方向上的厚度均 小于或等于鈍化層309在垂直方向上的高度。
[0009] 所述的高-K鈍化層308、309應(yīng)選擇具有較高介電系數(shù)的材料，其相對介電系數(shù)范 圍為10至1000,可供選擇的材料具體為Hf02、La2O3等具有較高相對介電系數(shù)的絕緣材料。 所述的低-K介質(zhì)層310、311、312所用材料的相對介電系數(shù)應(yīng)均低于高-K介質(zhì)309所選材 料的相對介電系數(shù)，在滿足以上的條件下，低-K介質(zhì)層310可以從以下材料中進(jìn)行選擇： Si02、Hf02、A1203、Si3N4 及La2O3 等絕緣材料。
[0010] 本發(fā)明的有益效果是：
[0011] 1)本發(fā)明可以大幅度提高器件的耐壓能力而避免使用金屬場板，提高了器件的可 靠性，同時降低了器件的寄生電容以提升器件的工作頻率和開關(guān)速度。
[0012] 2)相對于單純將鈍化層使用高-K介質(zhì)，本發(fā)明可以降低柵極和漏極之間的通過 高-K介質(zhì)的泄漏電流。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是已有技術(shù)中帶場板結(jié)構(gòu)的GaNHEMT結(jié)構(gòu)示意圖。101-源極，102-漏極， 103-柵極，104-鋁鎵氮（AlGaN)勢壘層，105-氮化鎵（GaN)溝道層，106-氮化鎵（GaN)緩 沖層，107-襯底，108、109-鈍化層，110-金屬場板。
[0014] 圖2是已有技術(shù)中具有高-K介質(zhì)鈍化層的GaNHEMT結(jié)構(gòu)示意圖。201-源極， 202-漏極，203-柵極，204-鋁鎵氮（AlGaN)勢壘層，205-氮化鎵（GaN)溝道層，206-氮化鎵 (GaN)緩沖層，207-襯底，208、209-高-K鈍化層。
[0015] 圖3是本發(fā)明提供的GaNHEMT結(jié)構(gòu)示意圖，由高-K介質(zhì)和低-K介質(zhì)共同構(gòu)成鈍 化層。301-源極，302-漏極，303-柵極，304-鋁鎵氮（AlGaN)勢壘層，305-氮化鎵（GaN)溝 道層，306-氮化鎵（GaN)緩沖層，307-襯底，308、309-高-K介質(zhì)層，310、311、312-低-K介 質(zhì)層。
[0016] 圖4是本發(fā)明的一個實施案例，高-K介質(zhì)層中嵌入三個低-K介質(zhì)層。401-源極， 402-漏極，403-柵極，404-鋁鎵氮（AlGaN)勢壘層，405-氮化鎵（GaN)溝道層，406-氮化鎵 (GaN)緩沖層，407-襯底，408、409_高-K介質(zhì)，410-第一個低-K介質(zhì)層區(qū)域，411-第二個 低-K介質(zhì)層區(qū)域，412-第三個低-K介質(zhì)層區(qū)域。
[0017] 圖5是通過二維數(shù)值仿真所得器件耐壓曲線圖。實線是普通的具有高-K鈍化層 的GaNHEMT器件的關(guān)態(tài)漏極電流曲線，柵壓等于-5V;短劃線是由本發(fā)明給出的一個具有復(fù) 合鈍化層的GaNHEMT器件實施案例在截止態(tài)的漏極電流曲線。
[0018] 圖6是通過二維數(shù)值仿真所的器件在擊穿偏置點溝道電場沿水平方向的分布圖。 實線對應(yīng)的是具有高-K鈍化層的GaNHEMT器件；短劃線對應(yīng)的是由本發(fā)明給出的一個具 有復(fù)合鈍化層的GaNHEMT器件實施案例。

【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0020] 實施例
[0021] 圖4是本發(fā)明提供的實例的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括襯底407,氮化鎵（GaN)緩沖層 406,氮化鎵（GaN)溝道層405,鋁鎵氮（AlxGapxN)勢壘層404以及勢壘層404上形成的源 極401、漏極402和柵極403,其中源極401和漏極402均與AlxGapxN勢壘層404成歐姆接 觸，柵極403與AlxGapxN勢壘層404成肖特基接觸。
[0022] 本實施例在器件表面先淀積一層高-K介質(zhì)（HfO2)鈍化層408、409,接著在柵極 403和漏極402之間的高-K鈍化層409上刻蝕出三個大小深度均不一致的矩形區(qū)域，在這 三個區(qū)域內(nèi)淀積低-K介質(zhì)（SiO2)，生成如圖4所示的低-K介質(zhì)區(qū)域410、411、412。
[0023] 圖4所示實施案例的器件結(jié)構(gòu)參數(shù)見下表1。
[0024] 為突出本發(fā)明的優(yōu)點，本實施例在仿真過程中選擇了已有技術(shù)中的高-K鈍化層 結(jié)構(gòu)作為對比，該器件結(jié)構(gòu)除了沒有引入低-K介質(zhì)層外，其它參數(shù)與圖4所示的實施例完 全一致。
[0025] 表1器件仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0026]

【權(quán)利要求】
1. 一種具有復(fù)合純化層的場效應(yīng)晶體管，從下至上依次主要由襯底（307)、氮化嫁 (GaN)緩沖層（306)、氮化嫁（GaN)溝道層（305)、鉛嫁氮（AlGaN)勢壘層（304)組成，在勢 壘層（304)上形成有源極（301)、漏極（302)和柵極（303)，源極（301)和漏極（302)均與 勢壘層（304)成歐姆接觸，柵極（303)與勢壘層（304)形成肖特基接觸，在所述柵極（303) 與漏極（302)之間的勢壘層（304)的上表面、W及在柵極（303)與源極（302)之間的勢壘 層（304)的上表面覆蓋有一層純化層（308、309)，其特征在于，在所述的位于柵極（303)與 漏極（302)之間的純化層（309)區(qū)域中，還設(shè)有一個W上的所用材料相對介電系數(shù)均低于 純化層（309)(稱為高-K介質(zhì)層）所用材料相對介電系數(shù)的低-K介質(zhì)層（310、311、312)， 由于高-K和低-K介質(zhì)層的接觸能改變界面周圍的電場分布，從而在器件溝道（305)中引 入電場峰值，使溝道電子氣得W充分耗盡，W此提升器件的耐壓能力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有復(fù)合純化層的場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述的 純化層（309)中的所有低-K介質(zhì)層（310、311、312)在水平方向上的寬度之和小于柵極 (30如與漏極（30?之間的距離，且每個低-K介質(zhì)層（310、311、3。）在垂直方向上的厚度 均小于或等于純化層（309)在垂直方向上的高度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有復(fù)合純化層的場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述的 純化層（308)和純化層（309)采用相同的絕緣材料構(gòu)成，且所述絕緣材料的相對介電系數(shù) 范圍是10至1000。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有復(fù)合純化層的場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述的 絕緣材料為Hf〇2或La2〇3。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有復(fù)合純化層的場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述的 低-K 介質(zhì)層（310、311、3。）所用材料為 Si02、Hf02、Al203、Si3N4或La203 中的一種。
【文檔編號】H01L29/08GK104347701SQ201410457922
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月10日
【發(fā)明者】杜江鋒, 陳南庭, 潘沛霖, 白智元, 劉 東, 于奇 申請人:電子科技大學(xué)