具有三明治柵極介質(zhì)結(jié)構(gòu)的hemt器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，尤其涉及一種具有三明治柵極介質(zhì)結(jié)構(gòu)的HEMT器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]功率開關(guān)器件按照器件導(dǎo)通時是否需要在柵極施加開啟偏壓分為常開型(耗盡型)和常關(guān)型(增強型)兩種類型。常關(guān)型功率開關(guān)器件在柵電極不施加偏壓情況下，器件即處于關(guān)斷狀態(tài)，相對于常開型類型，常關(guān)型器件在實際應(yīng)用中具有更安全、節(jié)能同時簡化電路設(shè)計等方面優(yōu)勢，因此具有重要的研宄價值和廣闊的應(yīng)用市場。另一方面，耐擊穿電壓大小也是衡量現(xiàn)代功率器件綜合性能的重要指標之一，基于寬禁帶材料的功率器件其各種結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)被實驗證明能有效提高器件擊穿電壓。未來新型常關(guān)型高壓功率器件在能源汽車、風(fēng)能和太陽能等可再生能源發(fā)電以及國防軍用設(shè)施電力系統(tǒng)控制等眾多領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V泛的應(yīng)用前景。
[0003]傳統(tǒng)的窄帶隙功率器件性能已經(jīng)接近材料的理論極限。氮化鎵(GaN)是繼以硅
(Si)和砷化鎵(GaAs)為代表的第一代和二代半導(dǎo)體材料之后，近年來快速發(fā)展起來的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的典型代表。GaN材料具有大的帶隙(3.4eV)、高的電子飽和漂移速度、高的臨界擊穿場強和好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點。它的異質(zhì)結(jié)構(gòu)(以AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)為代表)界面存在大密度的界面正極化電荷，可以誘導(dǎo)出高密度的二維電子氣(2DEG)( >113Cm-2)作為導(dǎo)電溝道，并且由于GaN溝道材料無故意摻雜，電子在溝道內(nèi)能夠保持很高的迀移率(> lOOOc!!^—1。1)。因此，GaN基材料功率器件將具有更低的開關(guān)電能損耗和更優(yōu)的頻率特性，特別適合制作高電子迀移率晶體管(HEMT)。
[0004]GaN基材料HEMT器件由于具有2DEG導(dǎo)電溝道，因此它天然屬于常開型器件類型。為了獲得HEMT器件的常關(guān)型操作，在實際器件制作過程中需要對柵極AlGaN勢皇層進行特別技術(shù)加工，從而在柵極零偏壓下即可切斷柵極下2DEG導(dǎo)電溝道。目前主流的兩種方案是采用刻蝕掉柵極勢皇層的凹槽柵結(jié)構(gòu)和對勢皇層進行氟離子注入的氟化柵結(jié)構(gòu)。
[0005]圖1a為現(xiàn)有技術(shù)一給出的HEMT器件的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1a所示，AlGaN作為勢皇層，AlGaN/GaN界面由于大量的帶正電極化電荷而誘導(dǎo)高密度2DEG出現(xiàn)在該界面。2DEG溝道由于上面勢皇層被直接刻蝕而切斷，不平整的GaN刻蝕表面將作為器件開啟的導(dǎo)電溝道。圖1a示出的為柵極AlGaN勢皇層刻蝕形成凹槽柵方案的器件，在器件制備過程中，直接刻蝕掉柵極AlGaN勢皇層可以去除原界面處正極化電荷所形成的電場，因此可以切斷2DEG溝道而達到常關(guān)型操作，但是，這種方法以不平整的柵極GaN刻蝕表面作為器件開啟的導(dǎo)電溝道，器件的導(dǎo)通電阻一般比較大。圖1b為現(xiàn)有技術(shù)二給出的HEMT器件的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1b所示，柵極區(qū)域AlGaN勢皇層通過氟離子注入而帶負電從而排斥AlGaN/GaN界面處的2DEG，因此該方案可以使器件實現(xiàn)常關(guān)型操作。引入氟離子雜質(zhì)的AlGaN/GaN界面溝道將作為器件開啟的導(dǎo)電溝道。圖1b示出的為氟離子注入勢皇層形成氟化柵結(jié)構(gòu)常關(guān)型GaN基HEMT器件，利用氟離子帶負電荷形成的電場抵消原極化電荷形成電場，可以抑制2DEG在柵極區(qū)域的形成而達到常關(guān)型操作的目的。然而，注入到柵極區(qū)域的氟離子將有相當部分進入GaN材料中，由于散射明顯，異質(zhì)界面處的電子迀移率將明顯降低，因此器件的導(dǎo)通電阻同樣增大。上述勢皇層刻蝕和氟離子注入方案分別造成柵極下面2DEG溝道界面的破壞和電子散射的增加，從而導(dǎo)致器件開啟導(dǎo)通電阻變大，導(dǎo)通電流降低。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中為了獲得目標的大閾值電壓常關(guān)型操作類型，勢皇層刻蝕深度和氟離子注入劑量都要加強，從而導(dǎo)致器件大閾值電壓和大導(dǎo)通電流兩項主要指標必須要有所取舍，實際器件制作中只能選擇一種折中的方案。另一方面，從器件工作在高溫、高壓等極端條件考慮，上述兩種技術(shù)方案同樣還存在若干工作可靠性和穩(wěn)定性問題，這兩種技術(shù)方案可能影響到器件柵極結(jié)構(gòu)耐壓能力和器件閾值電壓穩(wěn)定性。例如，完全刻蝕柵極勢皇層方案制作的HEMT器件，其擊穿電壓相對較??；而勢皇層氟離子注入方案制作的HEMT器件，其柵極漏電流增加，在高溫高壓工作條件下，柵極2DEG溝道附近的氟離子可能發(fā)生迀移，因此影響到器件性能的穩(wěn)定性，如發(fā)生較大的閾值電壓值波動等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明主要解決常關(guān)型HEMT器件中，現(xiàn)有AlGaN勢皇層刻蝕或者氟離子注入形成的柵極結(jié)構(gòu)技術(shù)方案，分別造成柵極下面用于電流輸運的2DEG溝道界面的破壞和溝道內(nèi)電子散射的增加，從而導(dǎo)致器件導(dǎo)通電阻和柵極漏電流增大，器件在高溫或高壓工作條件下可靠性降低的技術(shù)問題，提出一種先部分刻蝕柵極勢皇層再沉積具有包裹氟離子儲存層的三明治柵極介質(zhì)結(jié)構(gòu)HEMT器件及其制備方法，在保證HEMT器件具有較小的開啟導(dǎo)通電阻條件下，實現(xiàn)HEMT器件大閾值電壓常關(guān)型操作的同時有效降低器件的柵極漏電流、提高器件的擊穿電壓并增強器件工作可靠性。
[0008]本發(fā)明提供了一種具有三明治柵極介質(zhì)結(jié)構(gòu)的HEMT器件，包括:
[0009]襯底；
[0010]位于所述襯底上的緩沖層；
[0011 ] 位于所述緩沖層上的GaN層；
[0012]位于所述GaN層上的勢皇層、源電極和漏電極，所述勢皇層背離GaN層的一側(cè)具有凹槽，所述勢皇層在源電極和漏電極之間；
[0013]位于源電極、漏電極和除凹槽以外的勢皇層上的鈍化層；
[0014]包覆凹槽表面和鈍化層表面的第一介質(zhì)層；
[0015]位于所述第一介質(zhì)層上的第二介質(zhì)層，所述第二介質(zhì)層在凹槽中的第一介質(zhì)層之上，且第二介質(zhì)層的兩端與凹槽側(cè)壁上的第一介質(zhì)層不接觸，所述第二介質(zhì)層內(nèi)含氟離子；
[0016]位于所述第二介質(zhì)層和除第二介質(zhì)層以外的第一介質(zhì)層上的第三介質(zhì)層；
[0017]與所述第三介質(zhì)層接觸的柵電極；
[0018]與所述源電極接觸的源極焊盤以及與所述漏電極接觸的漏極焊盤，且所述源極焊盤和漏極焊盤的側(cè)面從下到上依次與鈍化層、第一介質(zhì)層和第三介質(zhì)層接觸。
[0019]進一步的，所述第一介質(zhì)層的厚度為5?15nm，所述第二介質(zhì)層的厚度為10?30nm，所述第三介質(zhì)層的厚度為5?1nm0
[0020]進一步的，所述勢皇層的厚度為10?30nm，凹槽中勢皇層的厚度為3?10nm，凹槽的長度為2?3 μπι。
[0021]進一步的，所述GaN層的厚度為I?10 μ m，鈍化層的厚度100?300nm。
[0022]進一步的，第二介質(zhì)層的兩端與凹槽側(cè)壁上的第一介質(zhì)層的距離為100?500nm。
[0023]對應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種具有三明治柵極介質(zhì)結(jié)構(gòu)的HEMT器件的制備方法，包括:
[0024]形成依次由襯底、緩沖層、GaN層和勢皇層組成的疊層結(jié)構(gòu)；
[0025]在所述疊層結(jié)構(gòu)上形成源電極和漏電極；
[0026]在源電極、漏電極以及勢皇層上形成鈍化層；
[0027]刻蝕鈍化層和勢皇層形成凹槽，使凹槽的底面低于勢皇層的頂面，凹槽中剩余勢皇層的厚度為3?1nm ；
[0028]形成包覆凹槽表面和鈍化層表面的第一介質(zhì)層，并在第一介質(zhì)層的表面形成預(yù)第二介質(zhì)層；
[0029]在預(yù)第二介質(zhì)層中注入氟離子；
[0030]去除部分預(yù)第二介質(zhì)層，剩余的預(yù)第二介質(zhì)層形成第二介質(zhì)層，使第二介質(zhì)層在凹槽中的第一介質(zhì)層之上，且第二介質(zhì)層的兩端與凹槽側(cè)壁上的第一介質(zhì)層不接觸；
[0031]在第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層表面形成第三介質(zhì)層；
[0032]形成與第三介質(zhì)層接觸的柵電極；
[0033]形成與源電極接觸的源電極焊盤和與漏電極接觸的漏電極焊盤。
[0034]進一步的，所述形成依次由襯底、緩沖層、GaN層和勢皇層組成的疊層結(jié)構(gòu)，包括:
[0035]提供襯底；
[0036]在襯底上形成緩沖層；
[0037]在緩沖層上形成的GaN層；
[0038]在GaN層上形成勢皇層。
[0039]進一步的，在所述疊層結(jié)構(gòu)上形成源電極和漏電極，包括:
[0040]在疊層結(jié)構(gòu)上刻蝕形成臺面后，再分別刻蝕出源電極窗口和漏電極窗口 ；
[0041]分別在源電極窗口和漏電極窗口對應(yīng)的勢皇層中刻蝕出源電極凹槽和漏電極凹槽；
[0042]分別在源電極凹槽和漏電極凹槽中沉積歐姆接觸的源電極和漏電極。
[0043]進一步的，刻蝕鈍化層和勢皇層形成凹槽，使凹槽的底面低于勢皇層的頂面，凹槽中剩余勢皇層的厚度為3?10nm，包括:
[0044]采用光刻技術(shù)刻蝕出長度為2?3 μ m的