CN103441144B - Hemt器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了HEMT器件以及用于制造HEMT器件的方法。根据本发明的一个方面，提供了一种HEMT器件，包括：在衬底上的半导体层；在上述半导体层上的隔离层；与上述半导体层接触的源极和漏极；在上述隔离层上的上述源极和漏极之间的整个区域上的第一介质层；以及在上述第一介质层上的栅极；其中，上述栅极为双层结构，其中上层为导电层，下层为第二介质层，上述第二介质层只存在于上述导电层之下，上述第一介质层包括可降低器件电流崩塌效应的介质材料。
Description
本申请是于2008年6月5日提交的申请号为200810098656.6、名称为“HEMT器件及其制造方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及宽禁带半导体氮化镓HEMT(高电子迁移率晶体管)器件，具体来说，涉及利用复合介质材料结构降低氮化镓HEMT栅极漏电流的同时缓解电流崩塌效应的器件结构设计。
背景技术
第三代半导体氮化镓(GaN)的介质击穿电压远远高于第一代半导体硅(Si)或第二代半导体砷化镓(GaAs)，高达3MV/cm，使其电子器件能承受很高的电压。氮化镓异质结结构的沟道具有很高的电子浓度和电子迁移率，这意味着氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)的能在高频率导通高电流，并具有很低的导通电阻。另外，氮化镓是宽禁带半导体，能工作在较高的温度。这些特性使氮化镓HEMT特别适用于制造高频的高功率射频器件和高耐压的开关器件。
在AlGaN/GaN异质结HEMT中存在很高的极化效应，导致器件表面出现高密度的电子陷阱。电子陷阱的反应速度慢，从而引起电流崩塌效应。为应对电流崩塌效应，如今氮化镓HEMT一般采用SiN介质102等材料覆盖器件表面的钝化工艺(图1)。表面钝化减小电流崩塌效应的机制现在还不完全确定。SiN表面钝化技术带来的一个问题是由于SiN介质内有较高的漏电流，由此增加了栅极的漏电流，从而降低了器件的击穿电压和输入阻抗，并且会恶化器件的线性度。
试验发现，SiO2介质内的漏电流很小。在栅极下放置一层SiO2介质，相比金属肖特基接触可以大大减小栅极的泄露电流。这种器件被称为金属绝缘物场效应晶体管(MISFET)。可是SiO2层和AlGaN层之间会形成很高密度的电子陷阱，加大电流崩塌效应。在这种MISFET上即使采用SiN表面钝化处理，电流崩塌效应依然存在。我们相信MISFET上的电流崩塌效应主要来自于栅极下SiO2和AlGaN的界面电子陷阱。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了HEMT器件，以及用于制造HEMT器件的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种HEMT器件，包括：在衬底上的半导体层；在上述半导体层上的隔离层；与上述半导体层接触的源极和漏极；在上述隔离层上的上述源极和漏极之间的整个区域上的第一介质层；以及在上述第一介质层上的栅极；其中，上述栅极为双层结构，其中上层为导电层，下层为第二介质层，上述第二介质层只存在于上述导电层之下，上述第一介质层包括可降低器件电流崩塌效应的介质材料。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于制造HEMT器件的方法，包括以下步骤：在衬底上沉积半导体层；在上述半导体层上沉积隔离层；形成与上述半导体层接触的源极和漏极；在上述隔离层上的上述源极和漏极之间的区域上沉积第一介质层；在上述第一介质层上沉积第二介质层；在上述第二介质层上形成栅极导体；以及将上述栅极导体作为掩模，蚀刻上述第二介质层，以形成由上述栅极导体和上述第二介质层构成的叠层栅极。
附图说明
相信通过以下结合附图对本发明具体实施方式的说明，能够使人们更好地了解本发明上述的特点、优点和目的，其中：
图1示出了以前的设计：氮化镓HEMT的表面钝化处理。
图2示出了以前的设计：氮化镓金属绝缘物场效应晶体管(MISFET)。
图3示出了本发明的低栅极漏电流、低电流崩塌效应氮化镓HEMT结构。
图4A-4D示出了制造本发明的氮化镓HEMT器件的工艺流程。
图5A-5E示出了本发明的一种变形：带场板的栅极结构，以及其制造工艺流程。
图6示出了本发明的一种变形：在AlGaN隔离层上刻槽的、带场板的栅极结构。
具体实施方式
下面就结合附图对本发明的各个优选实施例进行详细的说明。
图3为本发明氮化镓增强型场效应管结构。生长氮化镓材料的基片12一般是Sapphire，SiC或硅。成核层13生长在基片12上；基片12上是GaN缓冲层14；在缓冲层上是AlGaN隔离层15。两个欧姆接触分别形成场效应管的源极22和漏极23。源极22和漏极23之间的区域，器件表面被SiN介质32完全覆盖。在SiN介质中靠近AlGaN表面的位置，包裹着双层栅极结构。上层是导电的金属栅极24；下层是SiO2介质33，而且SiO2介质只存在于栅极金属之下。我们称这种栅极结构为埋栅结构。
实际从整体上看，在金属栅极24下是两层复合介质。SiO2层在上，紧贴栅极金属，起到降低栅极漏电流的作用。这层SiO2介质可由任何可降低栅极漏电电流的介质替代。SiN层在下，和AlGaN层直接接触，起到表面钝化的作用，减小甚至消除电流崩塌效应。这层SiN介质可由任何可降低器件电流崩塌效应的介质替代。这种低栅极漏电流和低电流崩塌的氮化镓HEMT具有工作电压高和开关速度高的特性，特别适于制造微波功率放大放大器和电能转换开关器件。
为了增加器件的跨导，栅极24离沟道(在氮化镓HEMT中就是二维电子气2DEG位置)的距离应越小越好。这就要求本发明器件的金属栅极下的双层介质的总厚度越小越好。一般来说，金属栅极下的SiN层应在10nm左右，而SiO2层在5～10nm左右。
图4给出了本发明器件的一种制造流程。在形成欧姆接触之后，首先是沉积一层厚度10nm左右的SiN，然后立即沉积一层厚度5～10nm左右的SiO2(图4A)。下一步是沉积栅极金属(图4B)。接着以栅极金属为自对准工艺的掩膜，用干法刻蚀的方法刻蚀掉SiO2层，仅仅保留栅极金属下的SiO2(图4C)。由于SiO2的刻蚀速度高于SiN的刻蚀速度，这种选择性的刻蚀比较容易控制。少许的SiN过刻蚀也可在下一步得到弥补。制造流程的最后一步是整个器件的SiN表面钝化。最后一次沉积的SiN和第一次沉积的SiN融合，将SiO2层和栅极金属包裹起来(图4D)。
本发明的一种变形是带场板结构的栅极，如图5E所示。在平面形式场效应晶体管中，电场会聚集在普通结构的栅极(图3)靠漏极方向的边沿。而场板结构可以降低在这个位置的电场集中，提高器件的使用电压，并缓解电流崩塌效应。这种变形的制造流程是：在形成欧姆接触之后，首先沉积一层厚度150nm左右的SiN，然后在栅极的位置用干法刻蚀成槽，形成场板结构的基准(图5A)。下一步是沉积一层厚度10nm左右的SiN，然后立即沉积一层厚度5～10nm左右的SiO2(图5B)。接着沉积栅极金属，形成场板结构栅极金属24(图5C)。下一步以栅极金属为自对准工艺的掩膜，用干法刻蚀的方法刻蚀掉SiO2层，仅仅保留栅极金属下的SiO2(图5D)。制造流程的最后一步是整个器件的SiN表面钝化。三次沉积的SiN融合在一起，将SiO2层和栅极金属包裹起来(图5E)。
本发明的另一种变形是也带场板结构的栅极，但是场板结构的刻槽深入到AlGaN隔离层15中，如图6所示。由于栅极金属24离沟道(2DEG)的距离比上一种变形的器件结构更接近，有助于提高器件的跨导。这种变形的制造流程与上一种变形基本一致，只是在场板结构干法刻槽时，在SiN层刻蚀完成后，用氯基等离子继续刻蚀AlGaN隔离层15至一定的深度。后续流程与上一种变形完全相同。
以上虽然通过一些示例性的实施例对本发明的HEMT器件以及用于制造HEMT器件的方法进行了详细的描述，但是以上这些实施例并不是穷举的，本领域技术人员可以在本发明的精神和范围内实现各种变化和修改。因此，本发明并不限于这些实施例，本发明的范围仅以所附权利要求书为准。
Claims (9)
1.一种HEMT器件，包括：
在衬底上的半导体层；
在上述半导体层上的隔离层；
与上述半导体层接触的源极和漏极；
在上述隔离层上的上述源极和漏极之间的整个区域上的第一介质层；以及
在上述第一介质层上的栅极；
其中，上述栅极为双层结构，其中上层为导电层，下层为第二介质层，上述第二介质层只存在于上述导电层之下，上述第一介质层包括可降低器件电流崩塌效应的介质材料，上述第一介质层完全包裹上述栅极。
2.根据权利要求1所述的HEMT器件，其中上述栅极为其中间部分向上述半导体层凸出的场板结构。
3.根据权利要求2所述的HEMT器件，其中在上述隔离层中具有与上述凸出的场板结构相对应的凹槽。
4.根据权利要求1-3中任何一项所述的HEMT器件，其中上述半导体层包括GaN。
5.根据权利要求1-3中任何一项所述的HEMT器件，其中上述第一介质层的厚度为10nm。
6.根据权利要求5所述的HEMT器件，其中上述第一介质层包括SiN。
7.根据权利要求1-3中任何一项所述的HEMT器件，其中上述第二介质层包括SiO2。
8.根据权利要求1-3中任何一项所述的HEMT器件，其中上述隔离层包括AlGaN。
9.一种用于制造HEMT器件的方法，包括以下步骤：
在衬底上沉积半导体层；
在上述半导体层上沉积隔离层；
形成与上述半导体层接触的源极和漏极；
在上述隔离层上的上述源极和漏极之间的整个区域上沉积可降低器件电流崩塌效应的第一介质层；
在上述第一介质层上沉积第二介质层；
在上述第二介质层上形成栅极导体；
将上述栅极导体作为掩模，蚀刻上述第二介质层，仅保留上述栅极导体下的上述第二介质层，以形成由上述栅极导体和上述第二介质层构成的叠层栅极；以及
沉积与第一介质层相同的材料以与上述第一介质层完全包裹上述栅极。
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