CN116613189A - 高电子迁移率晶体管及其制造方法 - Google Patents

高电子迁移率晶体管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种高电子迁移率晶体管及其制造方法，所述晶体管包括：衬底；沟道层，位于所述衬底上方；势垒层，位于所述沟道层上；漏极电极和源极电极，至少与所述势垒层接触；栅极导体，位于所述势垒层上方，以及限流结构，被配置为至少与所述源极电极靠近所述栅极导体一侧的侧表面接触，且位于所述势垒层上，用于减小饱和电流。

Description

高电子迁移率晶体管及其制造方法
技术领域
本发明一般地涉及半导体技术领域。更具体地，本发明的实施例涉及一种高电子迁移率晶体管以及一种高电子迁移率晶体管的制造方法。
背景技术
III族氮化物(III-N)化合物半导体材料(如，GaN等)具有宽能带间隙、高击穿电场和高热导率。此外，典型的宽带隙的异质结构系统(如，包含AlGaN/GaN异质结构的系统)，通过自发(spontaneous)和压电极化效应增强，可产生具有高电荷浓度和高电子迁移率的二维电子气(2DEG)沟道。
高电子迁移率晶体管可以允许非常高的电流在其漏极和源极之间流动，这样的高电流可能导致晶体管在数百纳秒内自毁。因此，需要一种保护装置以限制沟道的饱和电流。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的高电子迁移率晶体管及其制造方法，以限制沟道的饱和电流。
根据本发明的第一方面，提供一种高电子迁移率晶体管，包括：衬底；沟道层，位于所述衬底上方；势垒层，位于所述沟道层上；漏极电极和源极电极，至少与所述势垒层接触；栅极导体，位于所述势垒层上方，以及限流结构，被配置为至少与所述源极电极靠近所述栅极导体一侧的侧表面接触，且位于所述势垒层上，用于减小饱和电流。
可选地，所述限流结构从所述势垒层开始，沿所述源极电极的一侧的侧表面延伸至所述源极电极的上表面，并至少覆盖部分所述源极电极的上表面。
可选地，所述限流结构延伸至所述势垒层内部。
可选地，所述限流结构位于所述势垒层的上表面。
可选地，所述限流结构完全覆盖所述源极电极的上表面。
可选地，所述限流结构沿第一方向平行间隔设置，其中，所述第一方向垂直于所述晶体管的堆叠方向和所述晶体管的沟道延伸方向。
可选地，所述限流结构和所述栅极导体的材料相同。
可选地，还包括位于所述势垒层上的帽层。
可选地，还包括位于所述势垒层和所述栅极导体之间的介电层。
可选地，还包括位于所述衬底和所述沟道层之间的缓冲层。
可选地，所述限流结构的下方的夹断电压小于所述栅极导体下方的沟道夹断电压。
根据本发明的第二方面，提供一种形成高电子迁移率晶体管的方法，包括：在势垒层上形成源极电极和漏极电极；以及同时在所述势垒层上形成栅极导体和限流结构；其中，所述限流结构被配置为至少与所述源极电极靠近所述栅极导体一侧的侧表面接触，用于减小饱和电流。
可选地，所述限流结构从所述势垒层开始，沿所述源极电极的一侧的侧表面延伸至所述源极电极的上表面，并至少覆盖部分所述源极电极的上表面。
可选地，所述限流结构延伸至所述势垒层内部。
可选地，所述限流结构位于所述势垒层的上表面。
可选地，所述限流结构完全覆盖所述源极电极的上表面。
可选地，所述限流结构沿第一方向平行间隔设置，其中，所述第一方向垂直于所述晶体管的堆叠方向和所述晶体管的沟道延伸方向。
可选地，所述限流结构和所述栅极导体的材料相同。
可选地，还包括：在衬底上形成缓冲层；在所述缓冲层上形成沟道层；以及在所述沟道层上形成所述势垒层。
可选地，还包括在所述势垒层和所述栅极导体之间形成介电层。
可选地，还包括在所述势垒层上形成帽层。
本发明提供的高电子迁移率晶体管在栅源电极之间设置了限流结构，所述限流结构紧邻所述源极电极，且所述限流结构的下方的沟道夹断电压小于所述栅极导体下方的沟道夹断电压，能够限制器件的饱和电流的同时最大程度的减小其对器件导通电阻的增加。
本发明提供的高电子迁移率晶体管的制造方法，在栅源电极之间，紧邻所述源极电极的位置形成限流结构，所述限流结构和所述栅极导体同时形成，在不需要增加任何额外工艺步骤的前提下可以形成包括此限流结构的器件。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出根据本发明实施例一的高电子迁移率晶体管的截面图；
图2示出根据本发明实施例一的高电子迁移率晶体管的俯视图；
图3示出根据本发明实施例二的高电子迁移率晶体管的俯视图；
图4a-4d示出根据本发明实施例的形成高电子迁移率晶体管的某些阶段的截面图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。
应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“A直接在B上面”或“A在B上面并与之邻接”的表述方式。在本申请中，“A直接位于B中”表示A位于B中，并且A与B直接邻接，而非A位于B中形成的掺杂区中。
在本申请中，术语“半导体结构”指在制造半导体器件的各个步骤中形成的整个半导体结构的统称，包括已经形成的所有层或区域。在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
本发明提供了一种高电子迁移率晶体管，其特征在于，包括：衬底；沟道层，位于所述衬底上方；势垒层，位于所述沟道层上；漏极电极和源极电极，至少与所述势垒层接触；栅极导体，位于所述势垒层上方，以及限流结构，被配置为至少与所述源极电极靠近所述栅极导体一侧的侧表面接触，且位于所述势垒层上，用于减小饱和电流。
如图1所示，为本发明实施例一的高电子迁移率晶体管的截面图，其中，截面的平面与衬底101的衬底平面横切。在要描述的晶体管的半导体结构内的横向方向以及电流流动的主方向在图1中是水平的。为了清楚起见，细节的个别尺寸(诸如半导体层和金属层的厚度以及其横向尺寸)没有以实际比例示出。此外，省略对于本说明书不是必需的结构细节以及附加层和材料。
如已经提到的，图1中示出的高电子迁移率晶体管结构是基于衬底101，诸如硅衬底。在所述衬底101上提供(相对)小的带隙层102(例如GaN半导体层)和在其上的另一(相对)大的带隙层103(例如AlGaN层，AlN等)，其构成半导体异质结构。在这两层之间的界面处形成二维电子气，其构成所述晶体管的沟道的高电子迁移率层。在本实施例中，所述相对小的带隙层为所述晶体管的沟道层102，相对大的带隙层是势垒层103，二维电子气位于与势垒层相邻的沟道层102内，即在沟道层102的顶端。在可选的实施例中，在所述衬底101上，还可包括用于改进晶体管结构与衬底的晶格匹配的常规缓冲层，所述缓冲层位于所述衬底101和所述沟道层102之间，其中，所述缓冲层还可以包括成核层AlN，所述缓冲层可选择GaN,AlGaN等III-V族化合物材料。在所述势垒层103上，还可包括常规帽层，所述帽层可以包括GaN,AlGaN等III-V族化合物材料。
位于所述势垒层103上的图案化的介电层104，所述图案化的介电层104具有电极接触窗口。所述晶体管还包括漏极电极112，源极电极111，栅极导体110，所述源极电极111和漏极电极110位于所述电极接触窗口处，所述栅极导体110位于所述源极电极111和所述漏极电极112之间的介电层104上，或直接位于势垒层103上。在本实施例中，所述源极电极111和漏极电极110穿过所述介电层104和所述势垒层103延伸至所述沟道层102。在可选的实施例中，所述源极电极111和漏极电极110还可只延伸至所述势垒层040的内部。在另一可选的实施例中，所述源极电极111和漏极电极110还可位于所述势垒层的上表面。所述源极电极和漏极电极的材料都为金属材料。
位于所述势垒层上的限流结构113，被配置为至少与所述源极电极111靠近所述栅极导体110一侧的侧表面接触，且穿过所述介电层104位于所述势垒层103上，用于减小饱和电流。其中，所述限流结构113从所述势垒层103的上表面开始，沿所述源极电极111的一侧的侧表面延伸至所述源极电极的上表面，并至少覆盖部分所述源极电极的上表面。设置所述限流结构113下方的沟道夹断电压小于所述栅极导体110下方的沟道夹断电压，以限制器件的饱和电流。在本实施例中，所述限流结构113位于所述势垒层103的上表面。在其他实施例中，所述限流结构113也可延伸至所述势垒层103内部，可以更好的限制饱和电流。所述限流结构和所述栅极导体的材料相同，为金属材料，例如Ti金属，Ni金属，TiN金属等。当然，所述限流结构和所述栅极导体的材料也可以不相同。
由于所述限流结构113下方的沟道夹断电压小于所述栅极导体110下方的沟道夹断电压，在高漏端电流下，引入的限流结构113能够比栅极导体110可以更早地夹断下方的载流子，以限制器件的饱和电流，即减小器件的饱和电流，从而缓解热载流子引起的器件损伤。当限流结构113越深入所述势垒层103的内部，所述限流结构113下方的沟道夹断电压会越小，会更好的限制饱和电流，但是限流结构113越深入所述势垒层103的内部，器件的导通电阻也会随之增加，因此，可以根据器件的要求，设置所述限流结构113在势垒层103中的位置。另外，由于所述限流结构113与所述源极电极111紧邻，并未增大器件栅源之间的距离，对器件的导通电阻的影响很小。
如图2所示，为本发明实施例一的高电子迁移率晶体管的俯视图，所述限流结构113完全覆盖所述源极电极的上表面。如图3所示，为本发明实施例二的高电子迁移率晶体管的俯视图，所述限流结构113在所述源极电极111上沿第一方向平行间隔设置，其中，所述第一方向垂直于所述晶体管的堆叠方向和所述晶体管的沟道延伸方向。所述限流结构如此设置可以更一步减小限流结构对器件的导通电阻的影响。
本发明提供的高电子迁移率晶体管在栅源之间设置了限流结构，所述限流结构紧邻所述源极电极，且所述限流结构的下方的沟道夹断电压小于所述栅极导体下方的沟道夹断电压，能够限制器件的饱和电流的同时，最大程度的减小其对器件导通电阻的增加。
本发明还提供了一种高电子迁移率晶体管的制造方法，在势垒层上形成源极电极和漏极电极；以及同时在所述势垒层上形成栅极导体和限流结构；其中，所述限流结构被配置为至少与所述源极电极靠近所述栅极导体一侧的侧表面接触，用于减小饱和电流。
具体地，如图4a所示，提供衬底001，所述衬底001可选Si衬底；在衬底001上形成缓冲层020，用于改进晶体管结构与衬底的晶格匹配，其中，缓冲层020还可以包括成核层AlN，所述缓冲层2可选择GaN，AlGaN等III-V族半导体材料；在所述缓冲层020上形成沟道层030(即GaN半导体层)，以及在所述沟道层030上形成势垒层040(即AlGaN层)。
在可选的实施例中，还包括在所述势垒层040上形成帽层，以防止所述势垒层040氧化，所述帽层可以包括GaN,AlGaN等III-V族化合物材料。
如图4b所示，在所述势垒层040上形成图案化的介电层050，所述图案化的介电层050包括电极接触窗口060。形成所述图案化介电层的步骤包括在所述势垒层040上形成一层介电层，在所述介电层上形成光刻胶，采用曝光，显影的工艺，光刻所述光刻胶暴露部分势垒层040以形成图案化的光刻胶，以所述图案化的光刻胶为掩膜，刻蚀所述介电层形成所述图案化的介电层050。
如图4c所示，在所述电极接触窗口060处形成源极电极S和漏极电极D，所述源极电极S和漏极电极D位于所述势垒层040的上表面上，且分别位于所述图案化的介电层的两侧。在可选的实施例中，所述源极电极S和漏极电极D还可延伸至所述势垒层040的内部。在另一可选的实施例中，所述源极电极S和漏极电极D还可穿过所述势垒层040延伸至所述沟道层030。所述源极电极和漏极电极的材料都为金属材料。
如图4d所示，同时在所述势垒层040上形成限流结构G2和在所述介电层050上形成栅极导体G。具体地，在所述电极接触窗口060紧邻所述源极电极S的位置形成限流结构G2，所述限流结构G2被配置为至少与所述源极电极S靠近所述栅极导体G一侧的侧表面接触，用于减小饱和电流。所述限流结构G2从所述势垒层040开始，沿所述源极电极S的一侧的侧表面延伸至所述源极电极S的上表面，并至少覆盖部分所述源极电极S的上表面。其中，在一个实施例中，所述限流结构G2完全覆盖所述源极电极的上表面。在另一实施例中，所述限流结构G2在所述源极电极上沿第一方向平行间隔设置，其中，所述第一方向垂直于所述晶体管的堆叠方向和所述晶体管的沟道延伸方向。
在本实施例中，设置所述限流结构位于所述势垒层的上表面，在可选的实施例中，还可设置所述限流结构G2延伸至所述势垒层内部。
其中，所述限流结构G2和所述栅极导体G的材料选择为金属材料，例如Ti金属，Ni金属，TiN金属等，所述限流结构G2和所述栅极导体G的材料可以相同，也可以不同，在此不做限制。
更进一步地，在形成所述限流结构和栅极导体之前，形成所述漏源电极之后，所述方法还包括在所述器件的两侧，即边缘位置形成隔离结构，以与其他器件结构隔离。所述隔离结构可以为台面隔离或注入隔离，或两者同时采用。
本发明提供的高电子迁移率晶体管的制造方法，在栅源之间，紧邻所述源极电极的位置形成限流结构，所述限流结构和所述栅极导体同时形成，在不需要增加任何额外工艺步骤的前提下可以形成包括此限流结构的器件。
在以上的描述中，对于各层的构图、蚀刻等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (21)

1.一种高电子迁移率晶体管，其特征在于，包括：
衬底；
沟道层，位于所述衬底上方；
势垒层，位于所述沟道层上；
漏极电极和源极电极，至少与所述势垒层接触；
栅极导体，位于所述势垒层上方，以及
限流结构，被配置为至少与所述源极电极靠近所述栅极导体一侧的侧表面接触，且位于所述势垒层上，用于减小饱和电流。
2.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述限流结构从所述势垒层开始，沿所述源极电极的一侧的侧表面延伸至所述源极电极的上表面，并至少覆盖部分所述源极电极的上表面。
3.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述限流结构延伸至所述势垒层内部。
4.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述限流结构位于所述势垒层的上表面。
5.根据权利要求2所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述限流结构完全覆盖所述源极电极的上表面。
6.根据权利要求2所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述限流结构沿第一方向平行间隔设置，其中，所述第一方向垂直于所述晶体管的堆叠方向和所述晶体管的沟道延伸方向。
7.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述限流结构和所述栅极导体的材料相同。
8.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，还包括位于所述势垒层上的帽层。
9.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，还包括位于所述势垒层和所述栅极导体之间的介电层。
10.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，还包括位于所述衬底和所述沟道层之间的缓冲层。
11.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述限流结构的下方的夹断电压小于所述栅极导体下方的沟道夹断电压。
12.一种形成高电子迁移率晶体管的方法，其特征在于，包括：
在势垒层上形成源极电极和漏极电极；以及
同时在所述势垒层上形成栅极导体和限流结构；
其中，所述限流结构被配置为至少与所述源极电极靠近所述栅极导体一侧的侧表面接触，用于减小饱和电流。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述限流结构从所述势垒层开始，沿所述源极电极的一侧的侧表面延伸至所述源极电极的上表面，并至少覆盖部分所述源极电极的上表面。
14.根据权利要求12所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述限流结构延伸至所述势垒层内部。
15.根据权利要求12所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述限流结构位于所述势垒层的上表面。
16.根据权利要求13所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述限流结构完全覆盖所述源极电极的上表面。
17.根据权利要求13所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述限流结构沿第一方向平行间隔设置，其中，所述第一方向垂直于所述晶体管的堆叠方向和所述晶体管的沟道延伸方向。
18.根据权利要求12所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述限流结构和所述栅极导体的材料相同。
19.根据权利要求12所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，还包括：
在衬底上形成缓冲层；
在所述缓冲层上形成沟道层；以及
在所述沟道层上形成所述势垒层。
20.根据权利要求12所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，还包括在所述势垒层和所述栅极导体之间形成介电层。
21.根据权利要求12所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，还包括在所述势垒层上形成帽层。
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