基于槽栅技术的III族氮化物增强型HEMT及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于槽栅技术的III族氮化物增强型HEMT及其制备方法。该HEMT包含第一、二半导体层组成的异质结以及与该异质结连接的源、栅、漏电极，该第二半导体层中分布有至少可供置入栅电极下部的槽状结构。该第一、二半导体层之间或该第二半导体层内分布有刻蚀终止层，并且相对于选定刻蚀物质，该刻蚀终止层的组成材料较之该第二半导体层的组成材料，特别是其中相对远离第一半导体层的区域的组成材料具有更高耐刻蚀性能。藉由本发明专利技术可以大幅降低槽栅技术的实施难度，从而精确控制势垒层的刻蚀深度，同时可以实现凹槽型低温欧姆接触的可控制备，确保器件电学特性和芯片制作工艺的可靠性、重复性、均匀性、稳定性，适于大规模生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种HEMT器件的制备工艺，特别是一种基于槽栅技术的III族氮化物增强型HEMT及其制备方法。
技术介绍
相比于传统硅基MOSFET，基于AGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HighElectronMobilityTransistor，HEMT)具有低导通电阻、高击穿电压、高开关频率等独特优势，从而能够在各类电力转换系统中作为核心器件使用，在节能减耗方面有重要的应用前景，因此受到学术界、工业界的极大重视。然而，由于III族氮化物材料体系的极化效应，一般而言，基于AlGaN/GaN异质结的HEMT均是耗尽型(常开)，该类型的器件应用于电路级系统中时，需要设计负极性栅极驱动电路，以实现对器件的开关控制，这极大增加了电路的复杂性与成本。此外，耗尽型器件在失效安全能力方面存在缺陷，因此无法真正实现商业化应用。为此，研究人员尝试了多种方案，例如其中一种比较简单的方案是基于槽栅技术制备增强型HEMT，即在传统HEMT外延结构基础上，在器件工艺中将栅极下方区域AlGaN势垒层刻蚀掉一部分，当势垒层减薄至一定程度时，栅极区域二维电子气被耗尽；而栅源、栅漏之间区域的二维电子气浓度则维持原有水平，如图1所示。在进行槽栅刻蚀过程中，由于刻蚀深度小，实现刻蚀深度的准确控制比较难，工艺重复性差。而增强型HEMT中的关键参数—阈值电压与未刻蚀势垒层厚度密切相关，因此导致的直接后果是阈值电压可控性较差。此外，刻蚀过程中还往往会对槽栅区域势垒层表面造成不可避免的损伤，并产生大量表面态，引起栅极漏电增大，从而导致栅极调控能力的下降。因此，槽栅技术制备增强型HEMT要求对势垒层的刻蚀深度精确可控，这极大地增加了槽栅技术的难度，使得该技术的重复性(片与片之间)、均匀性(片内不同区域之间)、稳定性(不同轮工艺之间)难以保证。针对这些问题，研究人员提出了的一种方案是数字氧化/湿法腐蚀技术，即通过氧化势垒层、酸溶液腐氧化层并以此循环，实现势垒层的高精度刻蚀，但由于每个循环的刻蚀深度几乎为单原子层，需要很多次循化才能完成整个刻蚀工艺，因此效率非常低。另一种简单的方案是通过慢速刻蚀，如降低RFPower、降低SourcePower等，结合刻蚀时间控制以控制槽栅刻蚀深度，但以刻蚀时间长为代价。此外，为了消弱槽栅刻蚀深度可控性差的影响，通常在器件的结构上做进行一些特殊改进。其中一类重要的槽栅增强型器件结构为MIS沟道HEMT，其基本特征是将槽栅刻蚀至GaN沟道层，以金属—介质—半导体结构形成增强型MIS场效应晶体管特性，同时栅金属在介质层上延伸至槽栅外的势垒层/沟道层异质结上方，形成与增强型MIS场效应晶体管集成在一起的耗尽型HEMT，用以增大器件输出电流。然而该技术也不可避免地存在精确刻蚀势垒层的难点，而刻蚀诱导的沟道层表面损伤则会恶化沟道电子迁移率，从而影响器件的开态电阻特性。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种基于槽栅技术的III族氮化物增强型HEMT及其制备方法，以克服现有技术的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：在一些实施例之中提供了一种基于槽栅技术的III族氮化物增强型HEMT，包含主要由作为沟道层的第一半导体层和作为势垒层的第二半导体层组成的异质结以及与所述异质结连接的源电极、栅电极和漏电极，其中所述势垒层中分布有与栅电极配合的槽状结构，并且至少所述栅电极下部设置于所述槽状结构中，其中：所述第二半导体层与第一半导体层之间还分布有刻蚀终止层，并且，相对于选定刻蚀物质，所述刻蚀终止层的组成材料较之所述第二半导体层的组成材料具有更高耐刻蚀性能；或者，所述第二半导体层内于设定深度处设有刻蚀终止层，并且，相对于选定刻蚀物质，所述刻蚀终止层的组成材料较之与第二半导体层内其余部分的组成材料具有更高耐刻蚀性能。在一些实施例中，所述第二半导体层直接叠设在刻蚀终止层上。在一些实施例中，所述刻蚀终止层分布在第二半导体层中相对接近第一半导体层的区域内，特别是，所述刻蚀终止层分布在第二半导体层中最为接近第一半导体层的区域内。在一些实施例中，所述栅电极与刻蚀终止层之间还分布有由所述刻蚀终止层表层的局部区域与选定刻蚀物质反应而原位形成的自然钝化层。在一些实施例之中提供了基于槽栅技术的III族氮化物增强型HEMT的制备方法，其包括：在衬底上依次生长形成作为沟道层的第一半导层体以及作为势垒层的第二半导体层，并且于所述第二半导体层内设定深度处设置刻蚀终止层，其中，相对于选定刻蚀物质，所述刻蚀终止层的组成材料较之与第二半导体层内其余部分的组成材料具有更高耐刻蚀性能，或者，在衬底上依次生长形成作为沟道层的第一半导层体、刻蚀终止层和作为势垒层的第二半导体层，其中，相对于选定刻蚀物质，所述刻蚀终止层的组成材料较之所述第二半导体层的组成材料具有更高耐刻蚀性能；在所述第二半导体层上设置图形化掩膜，并对第二半导体层进行刻蚀，从而形成与栅电极配合的槽状结构，且使刻蚀终止层露出；以及，在由前述步骤形成的器件上设置栅电极。与现有技术相比，本专利技术的优点至少在于：通过在HEMT器件的制备过程中外延生长刻蚀终止层，即通过外延生长较高刻蚀选择比的材料，并结合刻蚀技术，以精确控制势垒层的刻蚀深度，减少界面刻蚀损伤，保证栅极区域的工艺稳定性，最大程度确保器件电学特性包括阈值电压、输出电流等不受刻蚀工艺的影响，极大降低槽栅技术的在工艺实施过程中的难度，亦有利于精确制备凹槽型欧姆接触，以实现低温工艺，从而最大程度避免了高温过程对器件表面造成的影响及相关的器件可靠性问题；尤其优选的，在刻蚀工艺作用下，半导体尤其是刻蚀终止层表面能够自然形成钝化层，从而避免了后续因栅介质层沉积工艺而造成的介质层/半导体层界面问题以及由此界面问题而引起的阈值电压漂移等一系列器件可靠性问题。附图说明图1是现有技术中基于槽栅技术制备增强型HEMT的原理图；图2a是本专利技术实施例1中一种HEMT的外延结构示意图；图2b是图2a所示外延结构中势垒层中Al组分的变化示意图；图3是于图1所示外延结构上形成凹槽型源、漏电极的示意图；图4是对图3所示器件进行氧化层腐蚀的示意图；图5是在图4所示器件上形成源、漏欧姆接触的示意图；图6是对图5所示器件进行有源区隔离的示意图；图7是在图6所示器件上形成钝化层的示意图；图8是在图7所示器件上形成栅极开窗的示意图；图9是在图8所示器件上刻蚀槽栅的示意图；图10是在图9所示器件上形成栅介质层的示意图；图11是在图10所示器件上形成栅电极金属层的示意图；图12是在图11所示器件上进行源、漏欧姆接触开窗的示意图；图13是在图12所示器件上形成引线电极的示意图；图14a是本专利技术实施例2中一种HEMT的外延结构示意图；图14b是图14a所示外延结构中势垒层中Al组分的变化示意图；图15是本专利技术实施例2中HEMT器件的结构示意图；图16a是本专利技术实施例3中一种HEMT的外延结构示意图；图16b是图16a所示外延结构中势垒层中Al组分的变化示意图；图17是本专利技术实施例3中HEMT器件的结构示意图；图18a是本专利技术实施例4中一种HEMT的外延结构示意图；图18b是图18a所示外延结构中势垒层中Al组分的变化示意图；图19是本专利技术实施例4中HEMT器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于槽栅技术的III族氮化物增强型HEMT，包含主要由作为沟道层的第一半导体层和作为势垒层的第二半导体层组成的异质结以及与所述异质结连接的源电极、栅电极和漏电极，其中所述势垒层中分布有与栅电极配合的槽状结构，并且至少所述栅电极下部设置于所述槽状结构中，其特征在于：所述第二半导体层与第一半导体层之间还分布有刻蚀终止层，并且，相对于选定刻蚀物质，所述刻蚀终止层的组成材料较之所述第二半导体层的组成材料具有更高耐刻蚀性能；或者，所述第二半导体层内于设定深度处设有刻蚀终止层，并且，相对于选定刻蚀物质，所述刻蚀终止层的组成材料较之与第二半导体层内其余部分的组成材料具有更高耐刻蚀性能。

【技术特征摘要】
1.一种基于槽栅技术的III族氮化物增强型HEMT，包含主要由作为沟道层的第一半导体层和作为势垒层的第二半导体层组成的异质结以及与所述异质结连接的源电极、栅电极和漏电极，其中所述势垒层中分布有与栅电极配合的槽状结构，并且至少所述栅电极下部设置于所述槽状结构中，其特征在于：所述第二半导体层与第一半导体层之间还分布有刻蚀终止层，并且，相对于选定刻蚀物质，所述刻蚀终止层的组成材料较之所述第二半导体层的组成材料具有更高耐刻蚀性能；或者，所述第二半导体层内于设定深度处设有刻蚀终止层，并且，相对于选定刻蚀物质，所述刻蚀终止层的组成材料较之与第二半导体层内其余部分的组成材料具有更高耐刻蚀性能。2.根据权利要求1所述的基于槽栅技术的III族氮化物增强型HEMT，其特征在于所述第二半导体层直接叠设在刻蚀终止层上；或者，所述刻蚀终止层分布在第二半导体层中相对接近第一半导体层的区域内。3.根据权利要求1所述的基于槽栅技术的III族氮化物增强型HEMT，其特征在于：所述势垒层中分布有与源电极和/或漏电极配合的槽状结构；优选的，所述栅电极和/或源电极和/或漏电极与刻蚀终止层之间还分布有由所述刻蚀终止层表层的局部区域与选定刻蚀物质反应而原位形成的自然钝化层。4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于槽栅技术的III族氮化物增强型HEMT，其特征在于：所述选定刻蚀物质至少选自含有氧的刻蚀气体；和/或，所述势垒层的组成材料至少选自AlxInyGazN(0<x≤1，0≤y≤1，(x+y+z)＝1)；和/或，所述沟道层的组成材料包括GaN、InGaN、AlGaN、AlInN、AlInGaN中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述刻蚀终止层的组成材料包括AlN、SiNx(0<x≤3)、AlxGa1-xN(0<x<1)中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述势垒层的组成材料选自AlxInyGazN(0<x≤1，0≤y≤1，(x+y+z)＝1)，其中沿着逐渐远离第一半导体层的方向，x总体呈减小的趋势。5.根据权利要求1所述的基于槽栅技术的III族氮化物增强型HEMT，其特征在于：所述异质结还包括分布于第一半导体层和第二半导体层之间的插入层；优选的，所述插入层的组成材料包括AlN、AlInN、AlInGaN中的任意一种或两种以上的组合。6.根据权利要求1所述的基于槽栅技术的III族氮化物增强型HEMT，其特征在于所述源电极、漏电极与所述异质结之间形成欧姆接触，而所述栅电极与异质结之间还分布有栅介质层和/或钝化层。7.一种基于槽栅技术的III族氮化物增强型HEMT的制备方法，其特征在于包括：在衬底上依次生长形成作为沟道层的第一半导层体以及作为势垒层的第二半导体层，并且于所述第二半导体层内设定深度处设置刻蚀终止层，其中，相对于选定刻蚀物质，所述刻蚀终止层的组成材料较之与第二半导体层内其余部分...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宇，孙钱，李水明，陈小雪，戴淑君，高宏伟，冯美鑫，杨辉，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32