一种增强型高电子迁移率晶体管及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种增强型高电子迁移率晶体管及其制作方法，该晶体管包括：衬底；沟道层，位于衬底之上；势垒层，位于沟道层之上，势垒层与沟道层的交界面处形成有二维电子气；沟槽，位于势垒层之内；二次生长的半导体外延层，位于沟槽之上；原位介质层，位于二次生长的半导体外延层之上；栅极，位于原位介质层之上；源极，位于势垒层之上；漏极，位于势垒层之上。本发明专利技术所述的增强型高电子迁移率晶体管能够降低刻蚀引起的材料损伤及缺陷，降低沟槽和二次生长的半导体外延层的界面态密度以及原位介质层和二次生长的半导体外延层的界面态密度，降低栅极漏电，提高晶体管的击穿电压、功率性能，降低动态导通电阻退化效应。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体
，尤其涉及一种增强型高电子迁移率晶体管及其制作方法。
技术介绍
以GaN(氮化镓)为代表的第三代宽禁带半导体材料具有禁带宽、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率高、异质界面二维电子气浓度高等优异的材料性能特点，相比于Si(硅)材料，GaN更适合制作大功率、高电压、高开关速度的电力电子器件。与传统Si器件相比，GaN器件能承载更高的功率密度，具有更高的能量转换效率，可以减小整个系统的体积和重量，从而降低系统成本。目前很大一部分研究还都只是针对于耗尽型的GaNHEMT(高电子迁移率晶体管，HighElectronMobilityTransistor)器件，这是因为AlGaN/GaN(铝镓氮/氮化镓)异质结界面处存在大量的自发极化与压电极化产生的电荷，产生高浓度的二维电子气(2DEG)，使得GaNHEMT器件阈值电压为负值，在AlGaN/GaNHEMT中，由自发极化和压电极化产生的高浓度的2DEG使其阈值电压在-4V左右。只有当GaNHEMT栅极上接足够大的负偏压时，AlGaN/GaN异质结界面处的沟道2DEG处于耗尽状态，器件才能被关断。传统的耗尽型GaNHEMT因为要使用负的开启电压，在射频微波和高压应用中，使电路结构复杂化。特别是高压开关应用中，失效安全要求在不加栅压的情况下，开关器件处于关断状态。因此有必要设计和制备增强型GaNHEMTs器件，即让器件的阈值电压变为正值，实际应用中只需要加一个正的偏压即可以使其工作或夹断。消除负偏压的电路设计，使电路简单化，减少电路设计的复杂性和制备的成本。最初实现增强型GaNHEMT的方法是借鉴GaAs(砷化镓)的工艺而来，通过在栅极下刻槽，减薄势垒层的厚度来调控阈值电压的变化。目前，国内外的研究者及厂家多采用干法刻蚀的方法在栅极下形成沟槽，但是这种方法形成的GaNHEMT阈值电压低，在0-1V左右，且栅极漏电大，栅压动态范围小。GaNMISFET(金属绝缘半导体场效应管，MetalInsulatorSemiconductorFieldTransistors)结构具有栅极电压动态范围大，栅极漏电小的特点。但是GaNHEMT一直受限于没有合适的栅极介质层,导致其介质层与势垒层界面态密度高。该界面态的充放电会引起阈值电压的漂移，并降低器件的高频特性。例如，传统方法生长的介质层通常是在完成沟槽刻蚀后进行，在此过程中势垒层表面暴露在空气中，形成氧化层和悬挂键，在生长介质层后，势垒层与介质层界面处存在高密度的界面态缺陷，引起器件的磁滞效应和直流交流分散效应。在GaNHEMT中引入原位SiN技术，可以达到降低绝缘层界面态密度的目的，降低磁滞效应。但由于GaN极化电荷的存在，很难形成增强型GaNHEMT。一种做法是采用干法刻蚀形成沟槽再沉积介质层，形成增强型的GaNHEMT。但是采用干法刻蚀对AlGaN势垒层及材料表面会产生很多的损伤和缺陷，这些材料损伤和缺陷会引入高密度的界面态，增加栅极漏电，造成电流崩塌并引起动态参数退化，严重影响器件的性能。因此，需要提出一种实现低界面态密度增强型GaNHEMT的器件结构与制作方法。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有技术中的上述不足而完成的，本专利技术的目的在于提出一种增强型高电子迁移率晶体管及其制作方法，该晶体管能够解决现有技术中介质层界面态密度高的问题，并同时实现增强型。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术公开了一种增强型高电子迁移率晶体管，包括：衬底；沟道层，所述沟道层位于所述衬底之上；势垒层，所述势垒层位于所述沟道层之上，所述势垒层和所述沟道层形成异质结结构，所述势垒层与所述沟道层的交界面处形成有二维电子气；沟槽，所述沟槽位于所述势垒层之内，且所述沟槽下方的势垒层与沟道层的交界面处的二维电子气部分或完全耗尽；二次生长的半导体外延层，所述二次生长的半导体外延层位于所述沟槽之上；原位介质层，所述原位介质层位于所述二次生长的半导体外延层之上；栅极，所述栅极位于所述原位介质层之上；源极，所述源极位于所述势垒层之上，所述源极与所述势垒层形成欧姆接触；漏极，所述漏极位于所述势垒层之上，所述漏极与所述势垒层形成欧姆接触。进一步地，所述原位介质层的制备过程是在完成所述二次生长的半导体外延层之后在同一腔体中进行的，并且所述原位介质层的生长过程不接触外界气氛。进一步地，所述沟槽的深度小于、等于或大于所述势垒层的厚度，所述沟槽的形状为矩形、U型、V型或梯形。进一步地，所述沟槽的形成方法为采用氢气、氯气或氨气在金属有机化学气相沉积系统中刻蚀所述势垒层、干法刻蚀所述势垒层或湿法刻蚀所述势垒层。进一步地，还包括原位掩膜层，所述原位掩膜层位于所述势垒层之上，所述原位介质层位于所述二次生长的半导体外延层和所述原位掩膜层之上。进一步地，所述原位掩膜层的制备过程是在完成所述势垒层之后在同一腔体中进行的，并且所述原位掩膜层的生长过程不接触外界气氛，所述原位掩膜层的材料为氮化硅或其它氮化物。进一步地，所述二次生长的半导体外延层和所述原位介质层向所述漏极一侧延伸。进一步地，所述势垒层自沟道层向二次生长的半导体外延层方向分为第一势垒层和第二势垒层。进一步地，所述第一势垒层与所述第二势垒层的成分不同，所述沟槽刻蚀过程停止于所述第一势垒层与所述第二势垒层的交界面处。进一步地，所述衬底材料为硅、氮化镓、碳化硅或蓝宝石，所述沟道层材料为氮化镓或其它III-V族化合物，所述势垒层材料为铝镓氮或其它III-V族化合物，所述二次生长的半导体外延层材料为铝镓氮、n型氮化镓、p型氮化镓或其它III-V族化合物，所述原位介质层材料为氮化硅或其它氮化物。第二方面，本专利技术公开了一种增强型高电子迁移率晶体管的制作方法，包括：在衬底之上依次形成成核层、缓冲层、沟道层和势垒层；将晶圆置于生长腔室外，采用干法刻蚀或湿法刻蚀的方法在所述势垒层之内形成沟槽；将晶圆置于生长腔室内，在所述沟槽之上依次形成二次生长的半导体外延层、原位介质层；形成栅极、源极和漏极。进一步地，所述在衬底之上依次形成成核层、缓冲层、沟道层和势垒层之后还包括：将晶圆置于生长腔室外，在所述势垒层之上形成原位掩膜层，在所述势垒层之内形成沟槽，包括：将晶圆置于生长腔室外，对所述原位掩膜层进行刻蚀，形成窗口；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于，包括：衬底；沟道层，所述沟道层位于所述衬底之上；势垒层，所述势垒层位于所述沟道层之上，所述势垒层和所述沟道层形成异质结结构，所述势垒层与所述沟道层的交界面处形成有二维电子气；沟槽，所述沟槽位于所述势垒层之内，且所述沟槽下方的势垒层与沟道层的交界面处的二维电子气部分或完全耗尽；二次生长的半导体外延层，所述二次生长的半导体外延层位于所述沟槽之上；原位介质层，所述原位介质层位于所述二次生长的半导体外延层之上；栅极，所述栅极位于所述原位介质层之上；源极，所述源极位于所述势垒层之上，所述源极与所述势垒层形成欧姆接触；漏极，所述漏极位于所述势垒层之上，所述漏极与所述势垒层形成欧姆接触。

【技术特征摘要】
1.一种增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于，包括：
衬底；
沟道层，所述沟道层位于所述衬底之上；
势垒层，所述势垒层位于所述沟道层之上，所述势垒层和所述沟道层形成
异质结结构，所述势垒层与所述沟道层的交界面处形成有二维电子气；
沟槽，所述沟槽位于所述势垒层之内，且所述沟槽下方的势垒层与沟道层
的交界面处的二维电子气部分或完全耗尽；
二次生长的半导体外延层，所述二次生长的半导体外延层位于所述沟槽之
上；
原位介质层，所述原位介质层位于所述二次生长的半导体外延层之上；
栅极，所述栅极位于所述原位介质层之上；
源极，所述源极位于所述势垒层之上，所述源极与所述势垒层形成欧姆接
触；
漏极，所述漏极位于所述势垒层之上，所述漏极与所述势垒层形成欧姆接
触。
2.根据权利要求1所述的增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述
原位介质层的制备过程是在完成所述二次生长的半导体外延层之后在同一腔体
中进行的，并且所述原位介质层的生长过程不接触外界气氛。
3.根据权利要求1所述的增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述
沟槽的深度小于、等于或大于所述势垒层的厚度，所述沟槽的形状为矩形、U
型、V型或梯形。
4.根据权利要求1所述的增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述
沟槽的形成方法为采用氢气、氯气或氨气在金属有机化学气相沉积系统中刻蚀

\t所述势垒层、干法刻蚀所述势垒层或湿法刻蚀所述势垒层。
5.根据权利要求1所述的增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于，还包
括原位掩膜层，所述原位掩膜层位于所述势垒层之上，所述原位介质层位于所
述二次生长的半导体外延层和所述原位掩膜层之上。
6.根据权利要求5所述的增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述
原位掩膜层的制备过程是在完成所述势垒层之后在同一腔体中进行的，并且所
述原位掩膜层的生长过程不接触外界气氛，所述原位掩膜层的材料为氮化硅或
其它氮化物。
7.根据权利要求6所述的增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述
二次生长...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴轶，
申请(专利权)人：苏州捷芯威半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32