CN116247073A - 一种氮化物半导体器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化物半导体器件及其制作方法，包括设于氮化物异质结外延层上的源极、漏极、栅极、介质材料层和阶梯源场板，栅极位于源极和漏极之间，阶梯源场板位于栅极和漏极之间；阶梯源场板设于介质材料层中，包括与氮化物外延层间隔有不同介质材料层厚度的第一阶部分和第二阶部分，阶梯源场板和漏极之间的介质材料层具有凹槽。通过阶梯源场板结合凹槽的设置，有效降低了寄生电容Cgd和Cds，提升了器件射频增益，拓宽器件应用的带宽。
Description
技术领域
本发明属于半导体的技术领域，具体涉及一种高增益宽带氮化物半导体器件及其制作方法。
背景技术
单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)是一种应用于微波(甚至毫米波)频段的功能电路，它具有电路损耗小、频带宽、动态范围大、噪声低等一系列优点，这对军用电子装备和民用电子产品的开发都十分重要。与硅或砷化镓相比，GaN具有更加优良的性能，如更高的击穿电压、更高的饱和电子漂移速度以及更高的导热性，高增益、大宽带GaN MMIC在特种应用市场有非常强大的需求。
GaN器件的性能是决定MMIC特性最核心的因素。由GaN制成的宽带隙RF PA与它们的窄带隙对应物相比，提供了带宽、输出功率和效率方面的改善，但由于寄生电容等问题的存在，其射频增益和应用带宽仍然受到限制。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种高增益宽带氮化物半导体器件及其制作方法。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种氮化物半导体器件，包括氮化物外延层、源极、漏极、栅极、介质材料层和阶梯源场板；氮化物外延层包括由沟道层与势垒层构成的异质结，源极、漏极和栅极位于氮化物外延层上，其中栅极位于源极和漏极之间，介质材料层覆盖氮化物外延层和栅极；阶梯源场板设于栅极和漏极之间的介质材料层中，包括与氮化物外延层间隔有介质材料层厚度为h1的第一阶部分和与氮化物外延层间隔有介质材料层厚度为h2的第二阶部分，其中h1＜h2；阶梯源场板和漏极之间的介质材料层具有一凹槽。
可选的，所述第一阶部分靠近所述栅极，所述第二阶部分由所述第一阶部分向所述漏极方向延伸。
可选的，还包括由所述第一阶部分向所述栅极方向延伸的第三阶部分，所述第三阶部分延伸至所述栅极上方并与所述栅极之间通过部分所述介质材料层间隔。
可选的，所述介质材料层为氮化硅(SiNx)，氧化硅(SiOx)，氮氧化硅(SixONy)，氧化铝(AlOx)，氮化铝(AlN)，氮氧化铝(AlxONy)，氧化铪(HfOx)中的一种或多种的组合。
可选的，所述介质材料层包括第一介质层和第二介质层，第一介质层设于所述氮化物外延层表面并具有让位于所述栅极的第一开口，第二介质层覆盖所述栅极及第一介质层，第二介质层具有第二开口，所述第一阶部分设于所述第二开口中，所述第二阶部分设于所述第二介质层表面。
可选的，栅极为T型栅结构，第一介质层的第一开口用于限定T型栅的栅根。
在一实施例中，h1为第一介质层的厚度，h2为第一介质层的厚度与第二介质层的厚度之和。
在另一实施例中，第二介质层为多层介质的叠层结构，第二开口开至叠层结构中的某一层，h1大于第一介质层的厚度，h2为第一介质层的厚度与第二介质层的厚度之和。
可选的，所述介质材料层还包括第三介质层，所述第三介质层覆盖所述第二介质层及所述阶梯源场板；所述凹槽底部与所述氮化物外延层之间保留有所述第一介质层。
可选的，还包括低介电常数表层，所述低介电常数表层填充所述凹槽；所述低介电常数表层的介电常数小于3。
可选的，所述第一阶部分与所述栅极的间距大于0.1微米，所述凹槽两侧壁与所述阶梯源场板和漏极的间距分别为大于0.1微米。
可选的，所述势垒层为AlGaN、AlN、InAlGaN、InAlN中的任一种。
一种半导体器件的制作方法，包括：
步骤1)于氮化物外延层上形成源极、漏极和第一介质层，蚀刻第一介质层于源极和漏极之间形成第一开口，于第一开口上制作栅极；
步骤2)沉积第二介质层覆盖栅极和第一介质层；
步骤3)蚀刻第二介质层于栅极和漏极之间形成第二开口；
步骤4)通过光刻工艺限定阶梯源场板沉积区域，沉积金属形成阶梯源场板，所述阶梯源场板包括形成于第二开口中的第一阶部分以及形成于第二介质层表面的第二阶部分；
步骤5)沉积第三介质层覆盖第二介质层和阶梯源场板；
步骤6)通过光刻工艺限定位于阶梯源场板和漏极之间的凹槽区域，蚀刻去除凹槽区域内的第三介质层和第二介质层形成凹槽。
可选的，还包括步骤7)沉积介电常数小于3的低介电常数表层，低介电常数表层填充所述凹槽。
本发明的有益效果为：
通过阶梯源场板结合凹槽的设置，阶梯源场板的第一阶结构距离沟道近，可以有效调制电场，抑制栅-漏电容Cgd；第二阶结构与沟道的距离拉长，可降低场板与漏极之间的源-漏电容Cds，同时调节沟道内电场分布，降低电场峰值强度；凹槽位于阶梯源场板和漏端之间并具有较低的介电常数，进一步降低源漏电容Cds；两者结合有效降低了寄生电容Cgd和Cds，提升了器件射频增益，拓宽器件应用的带宽。
附图说明
图1为实施例1的氮化物半导体器件的横截面示意图；
图2为实施例1的氮化物半导体器件的制作工艺流程图；
图3为实施例2的氮化物半导体器件的横截面示意图；
图4为实施例3的氮化物半导体器件的横截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
实施例1
参考图1，实施例的氮化物半导体器件，包括衬底10、GaN层20、AlGaN层30、源极40、漏极50、栅极60、介质材料层170和阶梯源场板180。如常规设置，GaN层20和AlGaN层按序设于衬底10上方并形成异质结，源极40和漏极50设于AlGaN层30的部分深度中，栅极60位于源极40和漏极50之间的AlGaN层30上方，介质材料层170覆盖于上述结构表面，源极40和漏极50分别连接有贯穿介质材料层170的互联金属M以用于引出。阶梯源场板180位于栅极60和漏极50之间，阶梯源场板180设于介质材料层170中，其与AlGaN层30、栅极60和漏极50均通过介质材料层170隔离，并在器件有源区之外与源极40连接。阶梯源场板180和漏极50之间的介质材料层170具有通过去除部分厚度所形成的凹槽A，凹槽A形成了源漏空腔。
当然，在本发明实施例中，构成异质结结构的沟道层和势垒层还可以分别为氮化镓材料和铟镓氮材料等，此处对于沟道层和势垒层的具体材料不做限制，只要能够构成异质结结构即可。所述势垒层可以为AlGaN、氮化铝、铝铟氮化物、铝镓氮化物、铟镓氮化物或铝铟镓氮化物等。
本实施例中，介质材料层170由下至上包括第一介质层171、第二介质层172和第三介质层173；第一介质层171设于AlGaN层表面并具有让位于栅极60的第一开口a，栅极60形成于第一开口a内并延伸至第一开口a两侧的第一介质层171表面以形成T型结构；第二介质层172覆盖栅极60及第一介质层171，第二介质层172具有位于栅极60和漏极50之间并靠近栅极60的第二开口b，第二开口b底部裸露第一介质层表面。阶梯源场板180包括相连的第一阶部分181、第二阶部分182和第三阶部分183；第一阶部分181形成于第二开口b中；第二阶部分182形成于第二介质层172表面，由第一阶部分181向漏极50方向延伸；第三阶部分形成于第二介质层172表面，由第一阶部分181向栅极60方向延伸至栅极60上方，即与栅极60之间通过第二介质层172间隔。从而第一阶部分181与AlGaN层的间距为第一介质层171的厚度h1，第二阶部分182与AlGaN层的间距为第一介质层171和第二介质层172的厚度之和h2，第一阶部分181和第二阶部分182的厚度之差为第二介质层的厚度。第一阶部分181距离沟道近，可以有效调制电场，抑制栅-漏电容Cgd；第二阶部分182与沟道的距离拉长，可降低场板与漏极之间的源-漏电容Cds，同时调节沟道内电场分布，降低电场峰值强度。
第三介质层173覆盖第二介质层172及阶梯源场板180。凹槽A通过去除阶梯源场板180和漏极50之间的部分第三介质层173和第二介质层172形成，并保留了第一介质层171，在保证器件表面钝化的同时，降低阶梯源场板180和漏端之间的介电常数(空气为1)，进一步降低了源漏电容Cds。
本实施例中，第一介质层、第二介质层和第三介质层分别采用SiNx，SiOx，SixONy，AlOx，AlN，AlxONy，HfOx等材料，其中第一介质层的厚度为20nm～200nm，第二介质层的厚度为50nm～500nm，第三介质层的厚度为50nm～1um。第一阶部分181与栅极60的间距大于0.1um，第二阶部分182与漏极50的间距约为2～3微米，凹槽A的侧壁与第二阶部分182和漏极50的最近距离分别不小于0.1um以确保阶梯源场板180和漏极50及其互联金属M处于介质材料层的保护中。根据结构设计及制程设计的需求，第一介质层、第二介质层和第三介质层可以选用相同或不同的材料。
通过阶梯源场板结合凹槽的设置，有效降低了寄生电容Cgd和Cds，提升了器件射频增益，拓宽器件应用的带宽。
参考图2，上述氮化物半导体器件的制作方法，其步骤包括：
步骤1)于AlGaN/GaN异质结外延片上形成源极40、漏极50，然后沉积第一介质层171，蚀刻第一介质层171于源极40和漏极50之间形成第一开口a，于第一开口上形成T型栅极60，参考图2a；
步骤2)采用PECVD、LPCVD、ALD、PVD等方式沉积第二介质层172覆盖栅极60和第一介质层171，参考图2b；
步骤3)通过干法蚀刻或事发蚀刻的方式蚀刻第二介质层172，于栅极和漏极之间形成第二开口b，第二开口b底部裸露第一介质层171，参考图2c；
步骤4)通过光刻工艺限定包括第二开口b的阶梯源场板沉积区域，沉积金属，剥离，形成阶梯源场板180，参考图2d；
步骤5)采用PECVD、LPCVD、ALD、PVD等方式沉积第三介质层173覆盖第二介质层172和阶梯源场板180，参考图2e；
步骤6)通过光刻工艺限定互联金属M的沉积区域，蚀刻贯穿上述介质层的通孔裸露源极40和漏极50表面，进行通孔金属化形成互联金属M，参考图2f；
步骤7)通过光刻工艺限定位于阶梯源场板180和漏极50之间的凹槽区域，蚀刻去除凹槽区域内的第三介质层173和第二介质层172形成凹槽，保留第一介质层171维持GaN器件的钝化效果，参考图2g。
实施例2
参考图3，实施例2的氮化物半导体器件与实施例1的区别在于，为应用于塑料封装形式，在实施例1的器件结构表面还沉积有一层低介电常数表层190，低介电常数表层190填充凹槽A，其所用材料可以为PBO(介电常数2.8)、Polyimide等介电常数小于3的低介电常数材料，以避免后续塑封时，常规的介电常数较高的塑封材料(通常介电常数大于4)对凹槽A的作用的影响。其余参考实施例1。
实施例3
参考图4，实施例3的氮化物半导体器件与实施例2的区别在于，
第二介质层272为复合介质层，包括二层或多层，例如包括下层2721和上层2722，在进行第二开口b’蚀刻时，蚀刻至裸露下层2721表面，则阶梯源场板280的两阶厚度之差为上层2722的厚度。其余参考实施例2。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种氮化物半导体器件及其制作方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种氮化物半导体器件，其特征在于：包括氮化物外延层、源极、漏极、栅极、介质材料层和阶梯源场板；氮化物外延层包括由沟道层与势垒层构成的异质结，源极、漏极和栅极位于氮化物外延层上，其中栅极位于源极和漏极之间，介质材料层覆盖氮化物外延层和栅极；阶梯源场板设于栅极和漏极之间的介质材料层中，包括与氮化物外延层间隔有介质材料层厚度为h1的第一阶部分和与氮化物外延层间隔有介质材料层厚度为h2的第二阶部分，其中h1＜h2；阶梯源场板和漏极之间的介质材料层具有一凹槽。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体器件，其特征在于：所述第一阶部分靠近所述栅极，所述第二阶部分由所述第一阶部分向所述漏极方向延伸。
3.根据权利要求2所述的氮化物半导体器件，其特征在于：还包括由所述第一阶部分向所述栅极方向延伸的第三阶部分，所述第三阶部分延伸至所述栅极上方并与所述栅极之间通过部分所述介质材料层间隔。
4.根据权利要求1所述的氮化物半导体器件，其特征在于：所述介质材料层为氮化硅、氧化硅、氧化铝、氮氧化硅、氮化铝、氧化铪、氮氧化铝中的一种或多种的组合。
5.根据权利要求1所述的氮化物半导体器件，其特征在于：所述介质材料层包括第一介质层和第二介质层，第一介质层设于所述氮化物外延层表面并具有让位于所述栅极的第一开口，第二介质层覆盖所述栅极及第一介质层，第二介质层具有第二开口，所述第一阶部分设于所述第二开口中，所述第二阶部分设于所述第二介质层表面。
6.根据权利要求5所述的氮化物半导体器件，其特征在于：所述介质材料层还包括第三介质层，所述第三介质层覆盖所述第二介质层及所述阶梯源场板；所述凹槽底部与所述氮化物外延层之间保留有所述第一介质层。
7.根据权利要求1所述的氮化物半导体器件，其特征在于：还包括低介电常数表层，所述低介电常数表层填充所述凹槽；所述低介电常数表层的介电常数小于3。
8.根据权利要求2所述的氮化物半导体器件，其特征在于：所述第一阶部分与所述栅极的间距大于0.1微米，所述凹槽两侧壁与所述阶梯源场板和漏极的间距分别为大于0.1微米。
9.一种氮化物半导体器件的制作方法，其特征在于，包括：
步骤1)于氮化物外延层上形成源极、漏极和第一介质层，蚀刻第一介质层于源极和漏极之间形成第一开口，于第一开口上制作栅极；
步骤2)沉积第二介质层覆盖栅极和第一介质层；
步骤3)蚀刻第二介质层于栅极和漏极之间形成第二开口；
步骤4)通过光刻工艺限定阶梯源场板沉积区域，沉积金属形成阶梯源场板，所述阶梯源场板包括形成于第二开口中的第一阶部分以及形成于第二介质层表面的第二阶部分；
步骤5)沉积第三介质层覆盖第二介质层和阶梯源场板；
步骤6)通过光刻工艺限定位于阶梯源场板和漏极之间的凹槽区域，蚀刻去除凹槽区域内的第三介质层和第二介质层形成凹槽。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于：还包括步骤7)沉积介电常数小于3的低介电常数表层，低介电常数表层填充所述凹槽。
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|---|---|---|---|
| CN202211647531.0A CN116247073A (zh) | 2022-12-21 | 2022-12-21 | 一种氮化物半导体器件及其制作方法 |
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2022
- 2022-12-21 CN CN202211647531.0A patent/CN116247073A/zh active Pending
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