具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管，從下至上依次主要由襯底，鋁銦鎵氮緩沖層，埋柵，埋柵介質層，氮化鎵溝道層，鋁銦鎵氮勢壘層，柵介質層，鋁銦鎵氮勢壘層上的源極和漏極，柵介質層上的柵極組成，所述源極和漏極與鋁銦氮鎵勢壘層形成歐姆接觸，所述柵極與柵介質層形成肖特基接觸，所述埋柵介質層和埋柵均位于鋁銦鎵氮緩沖層中，且所述埋柵位于埋柵介質層中。通過埋柵單獨偏置，且根據(jù)埋柵的不同偏置，實現(xiàn)調控器件的閾值電壓；當埋柵處于負偏壓時，埋柵耗盡氮化鎵溝道層的二維電子氣，使器件實現(xiàn)增強型工作；當埋柵處于零偏壓或正偏壓時，氮化鎵溝道層中存在二維電子氣，使器件實現(xiàn)耗盡型工作。
【專利說明】具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體器件領域，具體是指一種具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管。

【背景技術】
[0002]氮化鎵(GaN)基異質結場效應晶體管具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、電子飽和速度高、導熱性能好、抗輻射和良好化學穩(wěn)定性等優(yōu)異特性，同時氮化鎵(GaN)材料可以與鋁鎵氮(ALGaN)等材料形成具有高濃度和高遷移率的二維電子氣異質結溝道，因此特別適用于高壓、大功率和高溫應用，是電子應用最具潛力的晶體管之一。
[0003]圖1為現(xiàn)有技術普通氮化鎵基異質結場效應管簡稱GaN MIS-HFET結構示意圖，主要包括襯底、鋁銦鎵氮(AlxInyGazN)緩沖層、鋁銦鎵氮(AlxInyGazN)勢壘層以及柵介質層，鋁銦鎵氮(AlxInyGazN)勢壘層上形成的源極、漏極，柵介質層上形成柵極，其中源極和漏極與鋁銦鎵氮(AlxInyGazN)勢壘層形成歐姆接觸，柵極與柵介質層形成肖特基接觸。但是對于普通GaN MIS-HFET而言，由于AlxInyGazN /GaN異質結構間天然存在很強的二維電子氣(2DEG)溝道，所以在零偏壓下器件處于導通狀態(tài)，為耗盡型器件。而增強/耗盡型數(shù)字集成電路單元是氮化鎵基集成電路和電力開關的基礎，所以實現(xiàn)氮化鎵基增強型器件，尤其是實現(xiàn)氮化鎵基增強/耗盡型互補邏輯電路有利于氮化鎵集成電路的發(fā)展。
[0004]在本發(fā)明提出之前，為了實現(xiàn)氮化鎵基增強型器件主要采用如下方法:
使用薄層勢壘.層技術/? A.Khan, Q.Chen，C.J.Sun, et al.Enhancement anddeplet1n mode GaN/AlGaNhe teros true ture field effect transistors [J]，AppliedPhysics Letters, 1996, 68，(4), pp.514-516]。通過減小 AlGaN 勢魚層的 Al 成分和AlGaN厚度能減小溝道中2DEG濃度，優(yōu)點是沒有對柵下區(qū)域進行刻蝕引起工藝損傷，因而肖特基性能較好，柵泄露電流較低，但是由于整體削弱AlGaN勢壘層的厚度，整個溝道區(qū)域的2DEG濃度較低，器件的飽和電流較小，同時閾值電壓也不能實現(xiàn)太高。
[0005]使用槽柵結構[W.Sato, Y.Takata，M.Kuraguchi，et al.Recessed-gatestrcuture approach toward normal ly—off high-voltage AI GaN/GaNh em t for powerelectronics applicat1ns [J]，IEEE Trans.Electron Devices， 2006， 53， (2)，W.356-362].將柵下AlGaN勢壘層刻蝕掉一部分，當AlGaN勢壘層薄到一定程度時，柵下2DEG密度將減小到可以忽略的程度，而源、漏區(qū)域的2DEG密度不變。這樣器件的飽和電流、跨導和閾值電壓均優(yōu)于薄勢壘結構，但槽柵工藝對刻蝕深度的準確性控制較差，導致工藝重復性差，同時刻蝕會造成機械性損傷，使柵漏電增加。
[0006]使用柵下氟離子(F—)注入/"ZCai，K Zhouf K.J.Chen，et al.Highperformance enhancemen t~mode AlGaN/GaN HEMTs using fluoride-based plasmatreatment [J], IEEE Electron Device Letters, 2005，26，(7)，pp.435-437] J—萬子具有很強的負電性，注入到柵下區(qū)域可以提高肖特基柵的有效勢壘高度，耗盡柵下2DEG，工藝容易實現(xiàn)且可重復性高，但注入F —離子穩(wěn)定性差，對器件的高壓和高溫可靠性產生嚴重影響。
[0007]使用P 型 GaN 柵結構/"71.0.Hilt,F.Brunner, Ε.CHO, et al.Normally-offhigh-voltage p~GaN gate GaN HFET wi th carbon -doped buffer[C].23rdInternat1nal Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, May 23-26，2011.Piscataway NJ, USA:1EEE，2011.]。在柵下和 AlGaN 勢壘層之間引入 P 型 GaN 材料，柵金屬與P型GaN形成歐姆接觸，一方面P型摻雜能提高能帶，在柵壓為O時耗盡溝道電子實現(xiàn)增強型特性，另一方面P型GaN材料中的空穴能注入溝道，起到電導調制作用，在提高漏極電流的同時保持較小的柵電流。但GaN材料的P型受主Mg激活能很高，高質量的P型GaN材料很難實現(xiàn)，同時P型摻雜也會對材料的可靠性造成影響。


【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的在于:提供一種具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管，其中鋁銦鎵氮緩沖層包括埋柵和埋柵介質層，埋柵位于埋柵介質層中，且埋柵位于柵極正下方，兩者中心不一定重合；埋柵單獨偏置，當埋柵處于一定負偏壓時，埋柵會耗盡氮化鎵溝道層中的二維電子氣，使器件實現(xiàn)增強型工作，從而在同一芯片上實現(xiàn)高匹配度的互補邏輯工作。
[0009]本發(fā)明通過下述技術方案實現(xiàn):一種具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管，從下至上依次主要由襯底，鋁銦鎵氮緩沖層，埋柵，埋柵介質層，氮化鎵溝道層，鋁銦鎵氮勢壘層，柵介質層，鋁銦鎵氮勢壘層上的源極和漏極，柵介質層上的柵極組成，所述源極和漏極與鋁銦氮鎵勢壘層形成歐姆接觸，所述柵極與柵介質層形成肖特基接觸，所述埋柵介質層和埋柵均位于鋁銦鎵氮緩沖層中，且所述埋柵位于埋柵介質層中。
[0010]進一步地,所述埋柵介質層和柵介質層材質為S12或Al2O3或Si3N4,但不限于S12, A1203、Si3N4此三種絕緣介質。
[0011]進一步地,所述柵介質層厚度為Tgde,且O彡Tgde ( 50nm,當Tfflff=O時,無柵介質層。
[0012]進一步地，所述埋柵位于柵極正下方，且埋柵與柵極的中心不一定重合。
[0013]進一步地,所述埋柵長度為Lm,且O < Zi < Lsd, Lsd為源漏距，即源極與漏極之間的間距。
[0014]進一步地，所述埋柵與氮化鎵溝道層的距離為Zg，且1nm < lOOnm，其中氮化鎵溝道層厚度為5nm?lOOnm。
[0015]進一步地，所述埋柵厚度為Tbg,且Inm < Tbg TBUF — LCBG\Tbuf為鋁銦鎵氮緩沖層厚度。
[0016]進一步地，所述埋柵材質為金屬材料或半導體材料。
[0017]進一步地，所述鋁銦鎵氮勢壘層和鋁銦鎵氮緩沖層的分子式均為AlxInyGazN，其中O ^ χ ^ I, O ^ y ^ I, O ^ z ^ 1，并且x+y+z=l,且招銦鎵氮勢魚層厚度為Inm?lOOnm。
[0018]進一步地，所述襯底為藍寶石或碳化硅或硅或金剛石或氮化鎵自支撐襯底，且襯底厚度為O μ m?100 μ m。
[0019]本發(fā)明中所述的埋柵處于單獨偏置，可根據(jù)埋柵的不同偏置，進而實現(xiàn)調控器件的閾值電壓；當埋柵處于負偏壓時，氮化鎵溝道層中的二維電子氣被埋柵耗盡，晶體管器件實現(xiàn)增強型工作；當埋柵處于零偏壓或正偏壓時，氮化鎵溝道層中存在二維電子氣，晶體管器件實現(xiàn)耗盡型工作。
[0020]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點及有益效果:
(I)本發(fā)明通過引入埋柵結構，使埋柵單獨偏置，當埋柵處于不同偏置時，可調控晶體管器件閾值電壓，從而使器件同時實現(xiàn)增強型和耗盡型工作；
(2 )本發(fā)明中晶體管器件制作工藝簡單，所有工藝均在前一步工藝完成下進行，且對氮化鎵溝道層和氯銦鎵氮勢壘層沒有進行額外工藝，不影響晶體管器件的電學特性；
(3)本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，對于增強型工作，相比于薄勢壘層技術中薄勢壘結構本發(fā)明能達到更高的閾值電壓和最大飽和漏電流；相比于P型GaN材料的引入，本發(fā)明無需摻雜，且避免了摻雜對材料可靠性帶來的不利影響；相比氟離子注入、凹柵結構等后工藝實現(xiàn)方法，本發(fā)明避免對完成后晶體管器件的損傷，提高了可靠性，且可重復性高；且現(xiàn)有技術實現(xiàn)的氮化鎵基增強型期間由于工藝與常規(guī)氮化鎵耗盡型器件差異很大，在實現(xiàn)互補邏輯電路時導致匹配性很差，而本發(fā)明提供的具有埋柵結構的氮化鎵基增強型和耗盡型晶體管器件為同一工藝，在實現(xiàn)互補邏輯應用時則能達到高匹配度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是已有技術GaN MIS-HFET結構示意圖；
圖2是本發(fā)明提供的埋柵GaN E/D HFET結構示意圖；
圖3是已有技術GaN MIS-HFET結構的轉移特性圖；
圖4是本發(fā)明提供的埋柵GaN E/D HFET結構在不同埋柵偏壓時的導帶結構圖；
圖5是本發(fā)明提供的埋柵GaN E/D HFET結構的耗盡型工作時的轉移特性；
圖6是本發(fā)明提供的埋柵GaN E/D HFET結構的增強型工作時的轉移特性；
圖7是本發(fā)明提供的埋柵GaN E/D HFET結構的增強型工作時的輸出特性；
具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管簡稱:埋柵GaN E/D HFET ； 其中，圖中附圖標記對應的零部件名稱為:
101 一襯底，102 —鋁銦鎵氮緩沖層，103 —氮化鎵溝道層，104 —鋁銦鎵氮勢壘層，105 一柵介質層，106 —源極，107 —漏極，108 —柵極，201 —埋柵，202 —埋柵介質層。

【具體實施方式】
[0022]下面結合實施例對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0023]實施例:
圖1是已有技術GaNHFET結構，主要包括襯底101、鋁銦鎵氮(AlxInyGazN)緩沖層102、氮化鎵(GaN)溝道層103、鋁銦鎵氮(AlxInyGazN)勢壘層104、柵介質層105、鋁鎵氮(AlxInyGazN)勢魚層104上形成的源極106和漏極107，以及柵欄介質層105上形成的柵極108，其中源極106和漏極107與鋁銦鎵氮(AlxInyGazN)勢壘層104形成歐姆接觸，柵極108與柵介質層105形成肖特基接觸。
[0024]圖2為本發(fā)明提供的具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管結構示意圖，從下至上依次主要由襯底101，鋁銦鎵氮緩沖層102，埋柵201，埋柵介質層202，氮化鎵溝道層103，鋁銦鎵氮勢壘層104，柵介質層105，鋁銦鎵氮勢壘層104上的源極106和漏極107，柵介質層105上的柵極108組成，所述源極106和漏極107與鋁銦氮鎵勢壘層形成歐姆接觸，所述柵極108與柵介質層105形成肖特基接觸，所述埋柵介質層202和埋柵201均位于鋁銦鎵氮緩沖層102中，且所述埋柵201位于埋柵介質層202中。
[0025]本發(fā)明中一種具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管結構制作工藝步驟:在襯底101上用MOCVD生長部分鋁銦鎵氮(AlxInyGazN)緩沖層102，在鋁銦鎵氮(AlxInyGazN)緩沖層102上生長埋柵介質層202，在埋柵介質層202中刻蝕掉部分制作埋柵201，刻蝕掉多余埋柵介質層202后繼續(xù)生長鋁銦鎵氮(AlxInyGazN)緩沖層102，再在鋁銦鎵氮(AlxInyGazN)緩沖層102上生長氮化鎵溝道層103、鋁銦鎵氮(AlxInyGazN)勢壘層104和柵介質層105，在鋁銦鎵氮(AlxInyGazN)勢壘層104上形成歐姆接觸的源極106和漏極107，最后在柵介質層105上生長肖特基接觸的柵極108。
[0026]所述埋柵介質層202和柵介質層105材質為S12或Al2O3或Si3N4，但不限于Si02、A1203、Si3N4此三種絕緣介質。
[0027]所述柵介質層105厚度為TeDE，且O ( Tgde ( 50nm,當Tgde=Q時，無柵介質層。
[0028]所述埋柵201位于柵極108正下方，且埋柵201與柵極108的中心不一定重合。
[0029]所述埋柵201長度為LBe,且O < Zi < Lsd,Lsd為源漏距,源漏距為源極與漏極之間的間距。
[0030]所述埋柵201與氮化鎵溝道層103的距離為Lcbg,且1nm < Lcbg < lOOnm，其中氮化鎵溝道層103厚度為5nm?lOOnm。
[0031 ] 所述埋柵201厚度為Tbg,且Inm < Tbg TBUF』CBG)，TBUF為鋁銦鎵氮緩沖層102厚度。
[0032]所述埋柵201材質為金屬材料或半導體材料。
[0033]所述鋁銦鎵氮勢壘層104和鋁銦鎵氮緩沖層102的分子式均為AlxInyGazN，其中O ^ χ ^ I, O ^ y ^ I, O ^ z ^ I,并且x+y+z=l,且招銦鎵氮勢魚層104厚度為Inm?lOOnm。
[0034]所述襯底101為藍寶石或碳化硅或硅或金剛石或氮化鎵自支撐襯底，且襯底101厚度為O μ m?100 μ m。
[0035]本發(fā)明中埋柵201處于單獨偏置，根據(jù)埋柵201的不同偏置，能調控器件的閾值電壓；當埋柵201處于負偏壓時，氮化鎵溝道層103中的二維電子氣被埋柵201耗盡，晶體管器件實現(xiàn)增強型工作；當埋柵201處于零偏壓或正偏壓時，氮化鎵溝道層103中存在二維電子氣，晶體管器件實現(xiàn)耗盡型工作。
[0036]本發(fā)明中具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管中，最易于說明本發(fā)明意圖的例子是圖2所示的具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管(GaN E/D HFET)結構示意圖，與已有常規(guī)金屬絕緣層半導體異質結場效應晶體管(GaNHFET如圖1)對比；結構參數(shù)如表I所示。
[0037]表I器件結構參數(shù)

【權利要求】
1.具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管，從下至上依次主要由襯底(101)，鋁銦鎵氮緩沖層(102)，埋柵(201)，埋柵介質層(202)，氮化鎵溝道層(103)，鋁銦鎵氮勢壘層(104)，柵介質層(105)，鋁銦鎵氮勢壘層(104)上的源極(106)和漏極(107)，柵介質層(105)上的柵極(108)組成，所述源極(106)和漏極(107)與鋁銦氮鎵勢壘層(104)形成歐姆接觸，所述柵極(108)與柵介質層(105)形成肖特基接觸，其特征在于:所述埋柵介質層(202 )和埋柵(201)均位于鋁銦鎵氮緩沖層(102 )中，且所述埋柵(201)位于埋柵介質層(202)中。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管，其特征在于:所述埋柵介質層(202)和柵介質層(105)材質為S12或Al2O3或Si3N4。
3.根據(jù)權利要求1所述的具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管，其特征在于:所述柵介質層(105)厚度為Tgde,且O彡Tgde ( 50nm。
4.根據(jù)權利要求2所述的具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管，其特征在于:所述埋柵(201)位于柵極(108)正下方。
5.根據(jù)權利要求4所述的具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管，其特征在于:所述埋柵(201)長度為Zf且O <4, <Α^，Aw為源漏距。
6.根據(jù)權利要求1?5任一項所述的具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管，其特征在于:所述埋柵(201)與氮化鎵溝道層(103)的距離為且1nm <ZCB(；<lOOnm，其中氮化鎵溝道層厚度為5nm?lOOnm。
7.根據(jù)權利要求6所述的具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管，其特征在于:所述埋柵(201)厚度為&，且Inm < Tbg < (TB[fF^CBG), 為鋁銦鎵氮緩沖層(102)厚度。
8.根據(jù)權利要求7所述的具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管，其特征在于:所述埋柵(201)材質為金屬材料或半導體材料。
9.根據(jù)權利要求8所述的具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管，其特征在于:所述鋁銦鎵氮勢壘層(104)和鋁銦鎵氮緩沖層(102)的分子式均為AlxInyGazN，其中O彡χ彡1，0彡y彡1，0彡z彡1，x+y+z=l，且鋁銦鎵氮勢壘層(104)厚度為 Inm ?lOOnm。
10.根據(jù)權利要求8所述的具有埋柵結構的氮化鎵基增強耗盡型異質結場效應晶體管，其特征在于:所述襯底(101)為藍寶石或碳化硅或硅或金剛石或氮化鎵自支撐襯底，且襯底(101)厚度為O μ m?100 μ m。
【文檔編號】H01L29/10GK104167445SQ201410433662
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月29日 優(yōu)先權日:2014年8月29日
【發(fā)明者】杜江鋒, 潘沛霖, 陳南庭, 于奇 申請人:電子科技大學