基于硅衬底的HEMT器件及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种基于硅衬底的HEMT器件及其制造方法，在硅衬底上依次形成GaN外延层、第一AlxGa(1-x)N层、第二AlzGa(1-z)N层，采用AlGaN/AlGaN异质结的外延结构，利用AlGaN合金层相较于GaN更好的抗击穿特性，提高了基于硅衬底的HEMT器件整体的耐压能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体制造
，特别涉及一种基于硅衬底的HEMT器件及其制造方法。
技术介绍
相比于第一、二代半导体材料而言，第三代半导体材料氮化镓(GaN)因为具有更大的禁带宽度(3.4eV)、更强的临界击穿场强以及更高的电子迀移速率，得到了国内外研究者们的广泛关注。尤其是在电力电子高压器件以及高频功率器件方面具有巨大的优势和潜力。具体而言，作为第三代半导体材料，氮化镓(GaN)材料具有禁带宽度宽、击穿电场高、输出功率大的优点，而且GaN材料在高压下工作时的导通电阻小，使得GaN基功率器件也表现出更高的增益。同时，GaN基功率器件具有很高的电子迀移率和电子饱和速率，确保了该器件在Ka、Q甚至W波段的高增益。因此，GaN基的高电子迀移率晶体管(High ElectronMobility Transistor，简称HEMT)技术已成为当前毫米波大功率器件领域研究的热点。由于GaN晶体生长受到了客观条件的制约，绝大多数研究者们都是选择在异质衬底材料上外延生长GaN薄膜。常用的衬底包括硅(Si)、蓝宝石(Al2O3)以及碳化硅(SiC)等。其中Si材料由于其低廉的成本、大尺寸以及完善的Si集成工艺等方面的优势受到了各大研究机构的青睐。在电力电子高压器件应用方面，抗击穿特性是最重要的参数之一，但实践发现，传统的HEMT器件的抗击穿能力不够理想。此外，常规技术制作的基于硅衬底的HEMT器件均是采用AlGaN/GaN异质结，由于内在的极化电场的调制作用，AlGaN/GaN异质结中在靠近AlGaN的一侧会聚集大量的导电电子，形成二维电子气(2DEG)。基于外延结构的限制。该电子气被限制在狭窄的区域内，减低了它们受到散射的概率，从而提高其迀移能力，典型的迀移率为1500cm2/V.S0 2DEG的浓度也可以高达lX1013/cm2。由于存在2DEG，常规技术制作的HEMT器件在零偏的时候都是导通的，也就是耗尽型(常开型)的器件。但耗尽型器件在电路应用中增加了功耗和设计复杂程度。同时在功率电子的应用中，增强型器件能够提高电路工作的安全性，在栅失效的情况下器件可以实现关断状态，实现失效保护的功能，所以实现增强型HEMT器件是一个重要的研究方向。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于硅衬底的HEMT器件及其制造方法，以解决现有的HEMT器件耐压能力差的问题。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于硅衬底的HEMT器件，包括:硅衬底；形成于所述娃衬底上的GaN外延层、第一 AlxGau x)N层以及第二 AlzGau Z)N层，其中，0〈χ〈0.1,0.15 彡 ζ 彡 0.4 ;形成于所述第二 AlzGau ζ)Ν层上的栅极、源极和漏极。可选的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，还包括形成于所述第一 AlxGau χ)Ν层与第二 AlzGau Ζ)Ν层之间的第三AlyGau y)N层，其中，y〈x。可选的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，0.07彡x<0.1,0.05彡y〈0.1，0.2 ^ z ^ 0.3o可选的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，所述栅极嵌入所述第二 AlzGau Z)N层中。可选的，在所述的基于娃衬底的HEMT器件中，所述GaN外延层的厚度是10nm?500nm，所述第一 AlxGau x)N层的厚度是I μπι?5 μπι，所述第二 AlzGau ζ)Ν层的厚度是15nm ?40nm，所述第三 AlyGa(1 y)N 层的厚度是 100nm-400nm。可选的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，还包括形成于所述硅衬底和GaN外延层之间的成核层。所述成核层为AlN层，所述成核层的厚度为80nm?120nm。可选的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，还包括形成于所述硅衬底和GaN外延层之间的第一缓冲层。可选的，在所述的基于娃衬底的HEMT器件中，所述第一缓冲层为多层AlkGau k)N层，所述多层AlkGau k)N层的Al组分k逐层下降。所述第一缓冲层包括三层AlkGau k)N层，所述三层AlkGau k)N层中Al组分k依次为0.7?(λ 9、0.45?0.7和0.2?0.45。可选的，在所述的基于娃衬底的HEMT器件中，所述第一缓冲层为多层AlkGau k)N层，所述多层AlkGau k)N层的生长厚度逐层增加。所述第一缓冲层包括三层AlkGau k)N层，所述三层AlkGa(1 k)N层的厚度依次为150nm?200nm、200nm?250nm和250nm?300nm。可选的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，还包括形成于所述GaN外延层与第一AlxGaa X)N层之间的超晶格层。所述超晶格层为5?15个周期的AlniGau n)N/GaN层，其中，0.05 < m〈l，所述超晶格层的厚度为80nm?240nmo可选的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，还包括第二缓冲层，所述第二缓冲层形成于所述第一 AlxGau x)N层与第三AlyGau y)N层之间。可选的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，还包括第二缓冲层，所述第一AlxGaa x)N层分两次形成，所述第二缓冲层插入到所述第一 AlxGau x)N层中。可选的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，所述第二缓冲层为AlN层，所述第二缓冲层的厚度为2nm?1nm0可选的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，还包括:暴露出部分所述第一 AlxGau x)N层的台面；覆盖所述第二 AlzGau Z)N层以及所述台面暴露出的第一 AlxGau X)N层的第一钝化层；贯穿所述第一钝化层和第二 AlzGau z)N层的栅极开口 ；贯穿所述第一钝化层的源极开口和漏极开口。可选的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，还包括:形成于所述第一钝化层上以及所述栅极开口底部的栅极介质层；形成于所述栅极开口的底部和侧壁的势皇阻挡层。可选的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，所述栅极、源极和漏极为Ti/Al/Ti/TiN合金、Ti/Al/Ni/Au合金或Ti/Al/Ni/Cu合金，所述栅介质层为TiN、AlN或Si3N4。可选的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件中，还包括:覆盖所述栅极、源极、漏极以及栅极介质层的第二钝化层；贯穿所述第二钝化层以暴露所述栅极、源极和漏极的通孔；与所述栅极电连接的栅极焊垫、与所述源极电连接的源极焊垫以及与所述漏极电连接的漏极焊垫。本专利技术还提供一种基于硅衬底的HEMT器件的制作方法，包括:提供一娃衬底；在所述娃衬底上形成GaN外延层、第一 AlxGau x)N层、第二 AlzGau z)N层，其中，0〈χ〈0.1，0.15 彡 ζ 彡 0.4 ;在所述第二 AlzGau ζ)Ν层上形成源极、漏极和栅极。可选的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件制作方法中，还包括在所述第一AlxGaa Χ)Ν层与第二 AlzGau Ζ)Ν层之间形成第三AlyGau y)N层，其中，y〈x。所述第三AlyGau y)N层的生长速度慢于所述第一 AlxGau X)N层的生长速度。可选的，在所述的基于硅衬底的HEMT器件制作方法中，0.07彡x<0.1，0.05 彡 y<0.1,0.2 ^ z 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于硅衬底的HEMT器件，其特征在于，包括：硅衬底；形成于所述硅衬底上的GaN外延层、第一AlxGa(1‑x)N层以及第二AlzGa(1‑z)N层，其中，0<x<0.1，0.15≤z≤0.4；形成于所述第二AlzGa(1‑z)N层上的栅极、源极和漏极。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张昊翔，陈兴，江忠永，陈向东，
申请(专利权)人：杭州士兰微电子股份有限公司，杭州士兰明芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33