CN105118785A - 一种氮化镓异质结场效应晶体管及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于电子元器件领域，提供了一种氮化镓异质结场效应晶体管的形成方法，包括：形成衬底；在所述衬底之上形成介质层；在所述介质层上形成栅极；以及在所述栅极的外侧包裹着应力衬垫薄膜。本发明还提供了一种氮化镓异质结场效应晶体管。本发明能有效提高氮化镓异质结场效应晶体管的电学性能，即有效控制阈值电压或把阈值电压向正方向移动从而实现增强型氮化镓器件，同时降低器件的寄生电阻。

Description

一种氮化镓异质结场效应晶体管及其形成方法
技术领域
本发明涉及电子元器件领域，尤其涉及一种氮化镓异质结场效应晶体管及其形成方法。
背景技术
第三代宽禁带半导体氮化镓(GaN)材料的优点突出，如禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子迁移率高、介电常数小、本征电子低、耐高温以及抗辐射能力强，因而可广泛应用于汽车电子、航空航天、通讯、电力等领域。通常氮化镓器件是基于铝镓氮/氮化镓异质结形成的异质结场效应晶体管，被作为关键的电力电子元器件，应用在电力电子转化系统中。
但是，目前异质结场效应晶体管普遍存在阈值电压不稳定且无法得到有效控制的问题，同时该晶体管器件的寄生电阻偏高导致易消耗功率。
因此，亟需开发一种新型的异质结场效应晶体管以有效控制阈值电压并降低器件的寄生电阻。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种氮化镓异质结场效应晶体管及其形成方法，旨在解决现有技术中无法有效控制阈值电压的问题以及寄生电阻偏高的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种氮化镓异质结场效应晶体管的形成方法，包括：
形成衬底；
在所述衬底之上形成介质层；
在所述介质层上形成栅极；以及
在所述栅极的外侧包裹着应力衬垫薄膜。
优选的，所述介质层的材料包括氮化镓，所述应力衬垫薄膜的材料包括氮化硅、氧化物、类金刚石材料中的一种或者多种。
优选的，所述在所述介质层上形成栅极的步骤之后，所述形成方法还包括：
在栅极沟道引入压缩力；
在栅极与源极或者漏极之间的区域引入拉力。
优选的，所述压缩力的大小为400-600MPa，所述拉力的大小为200-300MPa。
优选的，所述在所述栅极的外侧包裹着应力衬垫薄膜的步骤具体包括：
利用原子层气相沉积法、磁控溅射法、等离子体增强化学气相沉积法或者过滤阴极真空电弧法，在所述栅极的外侧表面沉积一层应力衬垫薄膜。
另一方面，本发明还提供一种氮化镓异质结场效应晶体管，包括：
衬底；
介质层，设置在所述衬底之上；
栅极，设置在所述介质层上；以及
应力衬垫薄膜层，包裹在所述栅极的外侧。
优选的，所述介质层的材料包括氮化镓，所述应力衬垫薄膜的材料包括氮化硅、氧化物、类金刚石材料中的一种或者多种。
优选的，所述氮化镓异质结场效应晶体管还包括：
源极和漏极；
其中，在所述栅极的沟道引入压缩力，在所述栅极与所述源极或者所述漏极之间的区域引入拉力。
优选的，所述压缩力的大小为400-600MPa，所述拉力的大小为200-300MPa。
优选的，所述应力衬垫薄膜层包裹在所述栅极的外侧并共同形成凸字形，且所述介质层重叠设置在所述衬底之上。
本发明通过在氮化镓异质结场效应晶体管的结构中引入应力衬垫结构，在栅极沟道引入压缩力，在栅极与源/漏之间的区域引入拉力，通过氮化镓材料本身的压电效应，有效控制阈值电压或把阈值电压向正方向移动从而实现增强型氮化镓器件，同时降低器件的寄生电阻。
附图说明
图1为本发明一实施方式中氮化镓异质结场效应晶体管的形成方法流程图；
图2为本发明一实施方式中氮化镓异质结场效应晶体管结构示意图；
图3为本发明一实施方式中用类金刚石材料制作应力衬垫薄膜以形成氮化镓异质结场效应晶体管的示例图；
图4(a)为本发明一实施方式中有和没有应力衬垫的氮化镓异质结场效应晶体管的转移特性曲线图；
图4(b)为本发明一实施方式中有和没有应力衬垫的氮化镓异质结场效应晶体管的输出特性曲线图；
图4(c)为本发明一实施方式中有和没有应力衬垫的氮化镓异质结场效应晶体管的寄生电阻曲线图；以及
图4(d)为本发明一实施方式中有和没有应力衬垫的氮化镓异质结场效应晶体管的跨导峰值曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明具体实施方式提供了一种氮化镓异质结场效应晶体管的形成方法，主要包括如下步骤：
S11、形成衬底；
S12、在所述衬底之上形成介质层；
S13、在所述介质层上形成栅极；
S14、在所述栅极的外侧包裹着应力衬垫薄膜。
本发明所提供的一种氮化镓异质结场效应晶体管的形成方法，通过在氮化镓异质结场效应晶体管的结构中引入应力衬垫结构，在栅极沟道引入压缩力，在栅极与源/漏之间的区域引入拉力，通过氮化镓材料本身的压电效应，有效控制阈值电压或把阈值电压向正方向移动从而实现增强型氮化镓器件，同时降低器件的寄生电阻。
以下将对本发明所提供的一种氮化镓异质结场效应晶体管的形成方法进行详细说明。
请参阅图1，为本发明一实施方式中氮化镓异质结场效应晶体管的形成方法流程图。
在步骤S11中，形成衬底。
在本实施方式中，该衬底主要是由半导体材料来形成。
在步骤S12中，在所述衬底之上形成介质层。
在本实施方式中，所述介质层重叠设置在所述衬底之上，也即介质层与衬底完全重合。在本实施方式中，所述介质层的材料包括氮化镓。
在步骤S13中，在所述介质层上形成栅极。
在本实施方式中，所述在所述介质层上形成栅极的步骤S13之后，所述形成方法还包括：
在栅极沟道引入压缩力；
在栅极与源极或者漏极之间的区域引入拉力。
在本实施方式中，所述压缩力的大小为400-600MPa，所述拉力的大小为200-300MPa。
在本实施方式中，栅极沟道引入压缩力的可以有效降低栅极沟道的载流子浓度，实现阈值电压向正方向移动，栅极与源极(或者漏极)之间的区域引入拉力可以提高载流子浓度，进而降低器件的寄生电阻。
在步骤S14中，在所述栅极的外侧包裹着应力衬垫薄膜。
在本实施方式中，所述应力衬垫薄膜层包裹在所述栅极的外侧并共同形成凸字形，所述应力衬垫薄膜的材料包括氮化硅、氧化物、类金刚石材料中的一种或者多种。
在本实施方式中，所述在所述栅极的外侧包裹着应力衬垫薄膜的步骤S14具体包括：
利用原子层气相沉积法、磁控溅射法、等离子体增强化学气相沉积法或者过滤阴极真空电弧法，在所述栅极的外侧表面沉积一层应力衬垫薄膜。
本发明所提供的一种氮化镓异质结场效应晶体管的形成方法，通过在氮化镓异质结场效应晶体管的结构中引入应力衬垫结构，在栅极沟道引入压缩力，在栅极与源/漏之间的区域引入拉力，通过氮化镓材料本身的压电效应，有效控制阈值电压或把阈值电压向正方向移动从而实现增强型氮化镓器件，同时降低器件的寄生电阻。
本发明具体实施方式还提供一种氮化镓异质结场效应晶体管，主要包括：
衬底；
介质层，设置在所述衬底之上；
栅极，设置在所述介质层上；以及
应力衬垫薄膜层，包裹在所述栅极的外侧。
本发明所提供的一种氮化镓异质结场效应晶体管，通过在氮化镓异质结场效应晶体管的结构中引入应力衬垫结构，在栅极沟道引入压缩力，在栅极与源/漏之间的区域引入拉力，通过氮化镓材料本身的压电效应，有效控制阈值电压或把阈值电压向正方向移动从而实现增强型氮化镓器件，同时降低器件的寄生电阻。
请参阅图2，所示为本发明一实施方式中氮化镓异质结场效应晶体管的结构示意图。
在本实施方式中，氮化镓异质结场效应晶体管包括衬底、介质层、栅极、应力衬垫薄膜层、源极和漏极。
在本实施方式中，介质层设置在所述衬底之上，优选的，所述介质层是重叠设置在所述衬底之上，也即介质层与衬底完全重合。在本实施方式中，所述介质层的材料包括氮化镓及其化合物，如图2所示包括两层，即一层为氮化镓，另一层为氮化镓的化合物。
栅极，设置在所述介质层上。
在本实施方式中，在所述栅极的沟道引入压缩力，在所述栅极与所述源极或者所述漏极之间的区域引入拉力。在本实施方式中，所述压缩力的大小为400-600MPa，所述拉力的大小为200-300MPa。
在本实施方式中，栅极沟道引入压缩力的可以有效降低栅极沟道的载流子浓度，实现阈值电压向正方向移动，栅极与源极(或者漏极)之间的区域引入拉力可以提高载流子浓度，进而降低器件的寄生电阻。
应力衬垫薄膜层，包裹在所述栅极的外侧。
在本实施方式中，所述应力衬垫薄膜的材料包括氮化硅、氧化物、类金刚石材料中的一种或者多种。
在本实施方式中，所述应力衬垫薄膜层包裹在所述栅极的外侧并共同形成凸字形，且所述介质层重叠设置在所述衬底之上。
在本实施方式中，在所述栅极的外侧包裹着应力衬垫薄膜具体包括：
利用原子层气相沉积法、磁控溅射法、等离子体增强化学气相沉积法或者过滤阴极真空电弧法，在所述栅极的外侧表面沉积一层应力衬垫薄膜。
以下以类金刚石材料作为制作应力衬垫薄膜的原料为例子进行说明，如图3所示。
请参阅图3，所示为本发明一实施方式中用类金刚石材料制作应力衬垫薄膜以形成氮化镓异质结场效应晶体管的示例图。
如图3所示，用类金刚石材料制作应力衬垫薄膜以形成氮化镓异质结场效应晶体管。类金刚石应力衬垫的本身压缩力在1-2GPa的范围，通过镀膜技术(例如过滤阴极真空电弧)在器件的表面沉积一层厚度在30-50nm的均匀类金刚石薄膜，并且和类金刚石薄膜下面的材料有很好的粘合性。由于，具有本身压缩力在1-2GPa的类金刚石薄膜，可以通过晶格传力，将压缩力传到栅极下面的沟道，这样就大大降低了在此处的载流子浓度，实现阈值电压向正方向移动从而实现增强型氮化镓器件。由于力的相互性，类金刚石薄膜在栅极和源漏之间会引入拉力，提高载流子浓度，可以有效降低器件的寄生电阻。如图3所示，类金刚石薄膜可以在栅极沟道引入400-600MPa的压缩力，在栅极以外引入200-300MPa的拉力，由于类金刚石应力衬垫的效果，引入器件压缩力/拉力的模拟结果，栅极大小为100nm。
请参阅图4(a)，所示为本发明一实施方式中有和没有应力衬垫的氮化镓异质结场效应晶体管的转移特性曲线图。
如图4(a)所示，和没有应力衬垫的氮化镓异质结场效应晶体管相比，具有应力衬垫的氮化镓异质结场效应晶体管可以实现阈值电压的正向移动1伏，在5伏漏极的跨导峰值从86mS/mm提高到120mS/mm。
请参阅图4(b)，所示为本发明一实施方式中有和没有应力衬垫的氮化镓异质结场效应晶体管的输出特性曲线图。
如图4(b)所示，和没有应力衬垫的氮化镓异质结场效应晶体管相比，具有应力衬垫的氮化镓异质结场效应晶体管输出电流在同样的偏压条件下提高22％。
请参阅图4(c)，所示为本发明一实施方式中有和没有应力衬垫的氮化镓异质结场效应晶体管的寄生电阻曲线图。
如图4(c)所示，和没有应力衬垫的氮化镓异质结场效应晶体管相比，具有应力衬垫的氮化镓异质结场效应晶体管可以实现寄生电阻降低14％，随着栅极尺寸的进一步降低，器件的电学性能会更加优越。
请参阅图4(d)，所示为本发明一实施方式中有和没有应力衬垫的氮化镓异质结场效应晶体管的跨导峰值曲线图。
如图4(d)所示，和没有应力衬垫的氮化镓异质结场效应晶体管相比，具有应力衬垫的氮化镓异质结场效应晶体管在栅极尺寸500nm以下其跨导峰值可以提高22％。
本发明所提供的一种氮化镓异质结场效应晶体管，通过在氮化镓异质结场效应晶体管的结构中引入应力衬垫结构，在栅极沟道引入压缩力，在栅极与源/漏之间的区域引入拉力，通过氮化镓材料本身的压电效应，有效控制阈值电压或把阈值电压向正方向移动从而实现增强型氮化镓器件，同时降低器件的寄生电阻。
在本发明实施例中，本发明提供的技术方案，通过在氮化镓异质结场效应晶体管的结构中引入应力衬垫结构，在栅极沟道引入压缩力，在栅极与源/漏之间的区域引入拉力，通过氮化镓材料本身的压电效应，有效控制阈值电压或把阈值电压向正方向移动从而实现增强型氮化镓器件，同时降低器件的寄生电阻。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氮化镓异质结场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述形成方法包括：
形成衬底；
在所述衬底之上形成介质层；
在所述介质层上形成栅极；以及
在所述栅极的外侧包裹着应力衬垫薄膜。
2.如权利要求1所述的氮化镓异质结场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述介质层的材料包括氮化镓，所述应力衬垫薄膜的材料包括氮化硅、氧化物、类金刚石材料中的一种或者多种。
3.如权利要求2所述的氮化镓异质结场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述在所述介质层上形成栅极的步骤之后，所述形成方法还包括：
在栅极沟道引入压缩力；
在栅极与源极或者漏极之间的区域引入拉力。
4.如权利要求3所述的氮化镓异质结场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述压缩力的大小为400-600MPa，所述拉力的大小为200-300MPa。
5.如权利要求1所述的氮化镓异质结场效应晶体管的形成方法，其特征在于，所述在所述栅极的外侧包裹着应力衬垫薄膜的步骤具体包括：
利用原子层气相沉积法、磁控溅射法、等离子体增强化学气相沉积法或者过滤阴极真空电弧法，在所述栅极的外侧表面沉积一层应力衬垫薄膜。
6.一种氮化镓异质结场效应晶体管，其特征在于，所述氮化镓异质结场效应晶体管包括：
衬底；
介质层，设置在所述衬底之上；
栅极，设置在所述介质层上；以及
应力衬垫薄膜层，包裹在所述栅极的外侧。
7.如权利要求6所述的氮化镓异质结场效应晶体管，其特征在于，所述介质层的材料包括氮化镓，所述应力衬垫薄膜的材料包括氮化硅、氧化物、类金刚石材料中的一种或者多种。
8.如权利要求7所述的氮化镓异质结场效应晶体管，其特征在于，所述氮化镓异质结场效应晶体管还包括：
源极和漏极；
其中，在所述栅极的沟道引入压缩力，在所述栅极与所述源极或者所述漏极之间的区域引入拉力。
9.如权利要求8所述的氮化镓异质结场效应晶体管，其特征在于，所述压缩力的大小为400-600MPa，所述拉力的大小为200-300MPa。
10.如权利要求6所述的氮化镓异质结场效应晶体管，其特征在于，所述应力衬垫薄膜层包裹在所述栅极的外侧并共同形成凸字形，且所述介质层重叠设置在所述衬底之上。
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