CN101312207B - 增强型hemt器件及其制造方法 - Google Patents

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本发明介绍了利用多层氮化镓材料的极化特性产生增强型沟道场效应晶体管的器件结构设计。该器件结构采用AlGaN作为器件的缓冲层，其上是GaN沟道层。沟道层上是双层AlGaN隔离层，其中下层AlGaN的铝组分与AlGaN缓冲层的铝组分接近，而上层AlGaN的铝组分更高。两个欧姆接触分别形成器件的源极和漏极。在源极和漏极之间用干法刻蚀将最上一层高铝组分AlGaN层刻蚀出槽，金属沉积在刻槽中形成栅极。刻槽下的AlGaN层因为极化电场不强，无法在沟道中诱导出二维电子气。沟道在此处被夹断，形成增强型场效应晶体管，或称为常关器件。

Description

增强型HEMT器件及其制造方法
技术领域：这项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，这项发明涉及到利用多层氮化镓材料的极化特性产生增强型沟道场效应晶体管的器件结构设计。 
背景技术：
1.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。氮化镓异质节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。 
2.因为由压电极化效应和白发极化效应产生的AlGaN/GaN异质节沟道具有极高的二维电子气(2DEG)电子浓度，通常氮化镓HEMT器件是耗尽型场效应管，或称为常开器件。与常开器件相对应的是常关器件，或称为增强型器件。耗尽型器件的应用有局限性。在功率射频领域，耗尽型器件必需采用负电压偏置栅极，要求系统提供一个完全独立的电源系统。在电能转换领域，耗尽型开关器件不仅需要上述独立的负偏压系统，总体系统安全性还要求这个负偏压系统的运行先于电源通电。所以有必要实现增强型的氮化镓HEMT来避免系统启动和模式转换时的导通损毁。 
3.现今比较常见的实现增强型氮化镓HEMT的方法有沉栅结构和栅极金属接触区氟等离子轰击处理等。(图1)为沉栅结构氮化镓HEMT。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；GaN外延层101生长在成核层13上；AlGaN层102生长在GaN外延层101上。这时，二维电子气(2DEG)107会出现在AlGaN和GaN之间的界面处，形成沟道。两个欧姆接触分别形成 场效应管的源极22和漏极23。在源极22和漏极23之间的区域，AlGaN被刻蚀成槽，然后金属栅极104形成在刻蚀槽内。当AlGaN层足够薄时，2DEG会耗尽，所以栅极下沟道内108没有电子。这种结构的沟道是关断的，称之为增强型场效应管。由于AlGaN层中极强的极化电场，即使AlGaN的厚度很薄，沟道内也会产生电子，所以在沉栅结构的增强型器件中，栅极金属下的AlGaN层的厚度一般必需用干法刻蚀减小到3nm到5nm以下。将刻蚀控制在这么高的精度非常困难，器件的夹断电压会有很大的波动。另外，因为夹断电压低，这种结构的夹断效果有限，在零偏置时还会有少量沟道泄漏电流。在高电压运行时，这些沟道泄漏电流容易引起器件烧毁。所以，这种器件结构并不实际。 
4.(图2)为用氟等离子轰击处理栅极金属接触区后形成的增强型氮化镓HEMT。形成源极22和漏极23之前的工艺和制造沉栅结构氮化镓HEMT的工艺一样。形成源极和漏极之后，在沉积金属栅极114之前用氟等离子轰击形成栅极之下的区域。受到氟等离子轰击的AlGaN层115的晶体结构被破坏，导致其下沟道内的电子耗尽118，形成增强型场效应管。因为晶体结构被破坏，这种器件的可靠性还没有得到验证。另外，氟原子很小。当器件长期运行在高温高电压条件下，氟原子可能从AlGaN中释放出来。增强型管可能会反转成耗尽型管，导致使用该器件的系统失效损毁。 
发明内容
1.(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；与以往氮化镓器件结构不同的是，本发明使用AlGaN作为器件的缓冲层14，而不是用GaN。在缓冲层上是GaN沟道层15。沟道层上是双层AlGaN隔离层，分为第二层AlGaN16和第三层AlGaN17。第三层AlGaN17的铝组分含量高于第二层AlGaN16铝组分含量。两个欧姆接触分别形成场效应管的源极22和漏极23。在源极22和漏极23之间的区域，第三层AlGaN被刻蚀出槽，然后金属栅极24形成在刻蚀槽内。最后，可在器件上沉积一层SiN等介质对器件进行钝 化保护。 
2.(图3)显示的栅极24是一种场板结构。栅极金属可以在AlGaN层刻槽后沉积，也可以在刻槽时用自对准的方法沉积实现。如果不采用场板结构，也可以采用类似于(图1)中的沉栅结构，则栅极金属用白对准的方法沉积。 
3.在栅极刻槽时，可以优化干法刻蚀的条件使AlGaN层上的刻槽带有斜坡，从而优化沟道内的电子分布，以提高器件的击穿电压。 
4.(图4)为制造本发明氮化镓增强型场效应管使用的材料结构。成核层13一般是AlGaN或AlN，然后过渡到缓冲层AlGaN14的铝组分。缓冲层AlGaN14的铝组分应约为5％至15％，其厚度在1um至3um左右。GaN沟道层15的厚度在30nm左右。因为GaN的晶格常数大于AlGaN，在缓冲层AlGaN14上生长的GaN具有压缩应力。GaN沟道层15的厚度不能太厚，不应使该层GaN晶体松弛，一般在10nm至30nm左右。第二层AlGaN16的铝组分和缓冲层AlGaN14的铝组分接近，其厚度在20nm左右。第三层AlGaN17的铝组分高于第二层AlGaN16，铝组分约为25％至45％，其厚度在30nm左右。 
5.(图5)显示在栅极刻槽区域沟道内32的二维电子气(2DEG)被完全耗尽，而在没有刻槽的沟道接入区33还存在2DEG。(图6)和(图7)分别解释了这两种不同情况的形成机理。 
6.(图6)为(图5)器件结构中在栅极刻槽区域按A-A’横截面的半导体能带结构。如上所述，GaN沟道层15的厚度比较薄，该层GaN晶体没有松弛，还维持了其下缓冲层AlGaN14的晶格常数。第二层AlGaN16继续维持了该晶格常数。因为第二层AlGaN16的铝组分和缓冲层AlGaN14的铝组分接近，其中基本不存在压电极化电场，而只有自极化电场。所以第二层AlGaN16中的总极化电场远低于通常的氮化镓HEMT结构中AlGaN层。如果第二层AlGaN16中没有故意N型搀杂，则需要很大的厚度才能在沟道内诱导出2DEG。相对于(图1)中以前的设计，栅极金属下的第二层AlGaN16可以保留在20nm左 右，刻蚀控制比较容易。通过选择合适的第二层AlGaN16厚度，可以实现较高的夹断电压，并且夹断电压的波动较小。较高的夹断电压意味着低沟道泄漏电流。 
7.(图7)为(图5)器件结构中在沟道接入区域按B-B’横截面的半导体能带结构。因为第三层AlGaN17的铝组分高于第二层AlGaN16的铝组分，其中既存在自极化电场，也有压电极化电场。该强电场使第三层AlGaN17的导带随着其厚度增加而迅速抬高。当材料表面的中间能带高于费米能带时，沟道内开始出现诱导电子2DEG。 
8.本发明的一种变形是将第三层AlGaN17的铝组分设计成渐变结构，从下往上铝组分逐渐提高。这样做的好处是第三层AlGaN17的厚度可以更厚，适合于形成(图3)所示的场板栅极结构。 
9.本发明的另一种变形是在第二层AlGaN16和第三层AlGaN17之间加入一层刻蚀停止层18(etch stoplayer)，如(图8)所示。刻蚀停止层一般采用AlN或高铝组分AlGaN，厚度在1~3nm左右。在使用RIE干法刻蚀栅极刻槽时，由于AlN的刻蚀速度比较低铝组分的第三层AlGaN的刻蚀速度慢，刻蚀停止位置可比较准确的定位于这层AlN的深度。准确的刻蚀控制能减小器件夹断电压的波动，提高产品的成品率。 
10.本发明的另一种变形是采用MISFET(Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect-Transistor，金属绝缘体场效应晶体管)结构，如(图9)所示。在第三层AlGaN17上栅极刻槽之后，栅极金属沉积之前，先沉积一层SiN等介质绝缘体19，厚度在5~15nm左右。这一层介质既作为器件的钝化层，又是栅极绝缘层，可有效降低栅极的漏电电流。 
11.本发明的另一种变形是双重场板结构，如(图10)所示。在这种结构中绝缘体20的厚度在50~200nm左右，材料为SiN等介质。绝缘体20上的刻槽在第三层AlGaN17刻槽之上，并且比第三层AlGaN17刻槽稍宽。栅极金属沉积覆盖住这两个刻槽，在这两个刻槽的边沿形成双重场板结构。双重场板结构可 以进一步提高器件的击穿电压。
附图说明
图1：以前的设计：沉栅结构增强型氮化镓HEMT 
图2：以前的设计：栅极金属接触区氟等离子轰击处理产生的增强型氮化镓HEMT 
图3：本发明氮化镓增强型场效应管结构 
图4：制造本发明氮化镓增强型场效应管使用的材料结构 
图5：沟道耗尽区和沟道接入区2DEG示意图 
图6：栅极刻槽区域按A-A’横截面的半导体能带结构 
图7：沟道接入区域按B-B’横截面的半导体能带结构 
图8：本发明的一种变形：使用刻蚀停止层准确控制刻蚀深度 
图9：本发明的一种变形：MISFET结构 
图10：本发明的一种变形：双重场板结构

Claims (36)

1.一种增强型HEMT器件，包括：
在衬底上的AlGaN缓冲层；
在上述AlGaN缓冲层上的GaN沟道层；
在上述GaN沟道层上的隔离层，该隔离层包括第一AlGaN层和在上述第一AlGaN层上的第二AlGaN层，其中上述第二AlGaN层的Al组分大于上述第一AlGaN层的Al组分；
与上述GaN沟道层接触的源极和漏极；以及
在上述源极和漏极之间的上述第二AlGaN层中形成的栅极。
2.根据权利要求1所述的增强型HEMT器件，其中，在上述栅极下方的上述GaN沟道层中的沟道被夹断。
3.根据权利要求1所述的增强型HEMT器件，其中，上述第一AlGaN层的Al组分接近于上述AlGaN缓冲层的Al组分。
4.根据权利要求3所述的增强型HEMT器件，其中，上述第二AlGaN层的Al组分在远离上述第一AlGaN层的方向上逐渐升高。
5.根据权利要求3所述的增强型HEMT器件，其中，上述AlGaN缓冲层的Al组分在5％至15％之间。
6.根据权利要求3所述的增强型HEMT器件，其中，上述第二AlGaN层的Al组分在25％至45％之间。
7.根据权利要求1所述的增强型HEMT器件，其中，上述GaN沟道层具有不会使其发生晶格松弛的厚度。
8.根据权利要求7所述的增强型HEMT器件，其中，上述GaN沟道层的厚度在10nm至30nm之间。
9.根据权利要求2所述的增强型HEMT器件，其中，上述沟道包括在上述GaN沟道层中形成的二维电子气，以及在上述沟道被夹断的区域没有形成二维电子气。
10.根据权利要求1-9中任何一项所述的增强型HEMT器件，其中，上述栅极具有在上述第二AlGaN层中的凹槽中形成的场板结构。
11.根据权利要求10所述的增强型HEMT器件，其中，上述凹槽具有斜坡。
12.根据权利要求10所述的增强型HEMT器件，还包括在上述栅极下的介质层。
13.根据权利要求12所述的增强型HEMT器件，其中，上述介质层包括SiN。
14.根据权利要求1-9中任何一项所述的增强型HEMT器件，还包括在上述第一AlGaN层和第二AlGaN层之间的蚀刻停止层。
15.根据权利要求14所述的增强型HEMT器件，其中，上述蚀刻停止层包括AlN。
16.根据权利要求1-9中任何一项所述的增强型HEMT器件，还包括在上述第二AlGaN层上的介质层，其中，上述栅极具有在上述第二AlGaN层和上述介质层中的凹槽中形成的双重场板结构。
17.根据权利要求16所述的增强型HEMT器件，其中，上述凹槽具有斜坡，以及在上述介质层中的凹槽比在上述第二AlGaN层中的凹槽宽。
18.根据权利要求16所述的增强型HEMT器件，其中，上述介质层包括SiN。
19.一种用于制造增强型HEMT器件的方法，包括以下步骤：
在衬底上沉积AlGaN缓冲层；
在上述AlGaN缓冲层上沉积GaN沟道层；
在上述GaN沟道层上沉积第一AlGaN隔离层；
在上述第一AlGaN隔离层上沉积第二AlGaN隔离层，其中上述第二AlGaN隔离层的Al组分大于上述第一AlGaN隔离层的Al组分；
形成与上述GaN沟道层接触的源极和漏极；以及
在上述源极和漏极之间的上述第二AlGaN隔离层中形成栅极。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，在上述栅极下方的上述GaN沟道层中的沟道被夹断。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，上述第一AlGaN隔离层的Al组分接近于上述AlGaN缓冲层的Al组分。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，上述第二AlGaN隔离层的Al组分在远离上述第一AlGaN隔离层的方向上逐渐升高。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，上述AlGaN缓冲层的Al组分在5％至15％之间。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，上述第二AlGaN隔离层的Al组分在25％至45％之间。
25.根据权利要求19所述的方法，其中，上述GaN沟道层具有不会使其发生晶格松弛的厚度。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，上述GaN沟道层的厚度在10nm至30nm之间。
27.根据权利要求19所述的方法，其中，上述沟道包括在上述GaN沟道层中形成的二维电子气，以及在上述沟道被夹断的区域没有形成二维电子气。
28.根据权利要求19-27中任何一项所述的方法，其中，上述在上述源极和漏极之间的上述第二AlGaN隔离层中形成栅极的步骤包括以下步骤：
蚀刻上述第二AlGaN隔离层，以在形成栅极的位置形成凹槽；以及
在上述凹槽中形成场板结构的栅极。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，上述凹槽具有斜坡。
30.根据权利要求28所述的方法，还包括：在上述凹槽中形成场板结构的栅极的步骤之前，在具有上述凹槽的第二AlGaN隔离层上保形形成介质层的步骤。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，上述介质层包括SiN。
32.根据权利要求19-27中任何一项所述的方法，还包括：在上述第一AlGaN隔离层上沉积第二AlGaN隔离层的步骤之前，在上述第一AlGaN隔离层上沉积蚀刻停止层的步骤。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，上述蚀刻停止层包括AlN。
34.根据权利要求19-27中任何一项所述的方法，还包括：在上述第一AlGaN隔离层上沉积第二AlGaN隔离层的步骤之后，在上述第二AlGaN隔离层上沉积介质层的步骤；
其中上述在上述源极和漏极之间的上述第二AlGaN隔离层中形成栅极的步骤包括以下步骤：
蚀刻上述介质层，以在形成栅极的位置形成第一凹槽；
穿过上述第一凹槽蚀刻上述第二AlGaN隔离层，以形成第二凹槽；以及
在上述第一和第二凹槽中形成双重场板结构的栅极。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，上述第一和第二凹槽具有斜坡，以及上述第一凹槽比上述第二凹槽宽。
36.根据权利要求34所述的方法，其中，上述介质层包括SiN。
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