一种增强型半导体晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种增强型半导体晶体管及其制备方法。该器件包括衬底、生长在衬底上的半导体外延层、栅极、源极和漏极。外延层包括氮化物成核层、氮化物应力缓冲层、氮化物沟道层、一次外延氮化物势垒层和p型氮化物层，以及二次外延氮化物势垒层。通过选区刻蚀，保留栅极区域p型氮化物，使栅极关断；通过掩膜后的选区二次外延，二次外延氮化物势垒层生长于一次外延氮化物势垒层之上，使接入区导通性提升。通过调控一次外延氮化物势垒层和二次外延氮化物势垒层的厚度和组分，进而实现更优的栅极关断及接入区高导能力。此方法对刻蚀工艺要求降低，可有效修复刻蚀损伤。最终本发明专利技术可实现高阈值电压、高导通能力、高稳定性的增强型半导体器件。

An Enhanced Semiconductor Transistor and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种增强型半导体晶体管及其制备方法
本专利技术涉及半导体器件
，更具体地，涉及一种增强型半导体晶体管及其制备方法。
技术介绍
以GaN材料为代表的第三代半导体材料由于禁带宽度宽、热导率高、击穿电场高等优点，在高温、高频、抗辐射、大功率应用领域具有很大的发展空间。GaN基电子器件通常利用AlGaN/GaN异质结构界面处高浓度、高迁移率的二维电子气工作，使器件具有导通电阻小、输出电流大、开关速度快的优点。然而，也正是由于这一AlGaN/GaN异质结构（高的二维电子气，2DEG），使得器件在外加栅偏压为零的情况下，也天然处于开启状态，即为耗尽型操作。高性能常增强型器件的实现是GaN基电子器件面临的一个重要挑战，是目前学术界与产业界公认的一个科技难点。高性能常关型器件要求具备正的阈值电压和高的阈值电压值，以简化器件外围电路、保证系统失效安全，从而确保器件能可靠的工作。器件实现常关型特性的一般思路是保留接入区高导通的2DEG，即不影响器件的导通电阻，同时耗尽栅极下方沟道2DEG，以实现器件栅极在不施加电压情况下也处于关断状态。目前，业界普遍采用3种方法实现常关型GaN功率电子器件：（1）绝缘槽栅结构（MOSFET），（2）共源共栅级联结构（Cascode）（3）p型栅结构（p-GaNgate，如图1所示）。上述结构中，由于p型栅器件结构简单、阈值电压均匀性等优点备受学术界和产业界关注。目前，p型栅器件已经实现了产业化发展，推行该结构器件的主要公司有日本的Panasonic公司、美国的EPC公司及加拿大的GaNSystems公司。目前，关于p型栅常关型AlGaN/GaNHEMT器件的实现，业界主要采用刻蚀技术方案，该技术由于容易实现成为业界普遍采用的方法，然而该方法存在许多不足，如在刻蚀去除接入区p-GaN材料时，由于刻蚀均匀性差以及存在过刻蚀的问题，且刻蚀会对AlGaN势垒层表面带来晶格损伤并引入额外缺陷能级，会使接入区2DEG的电学特性发生退化，从而影响器件的性能均一性和稳定性。另一种技术方案选择区域生长p-GaN技术也被采用，即在AlGaN/GaN异质结构上进行p-GaN层的选择区域生长，从而实现栅极区域保留p-GaN层，而接入区无p-GaN层的结构（如图2所示，01层为SiO2掩膜层）。然而，受制于外延生长动力学的影响，当器件的栅长较小时，也就是说生长窗口很窄时，使用该方法会存在p-GaN材料的生长难以控制且掺杂不均匀等缺点，目前在这方面没有突破性进展。此外，p-GaN层空穴浓度普遍不高，目前主流报道值基本不高于1×1018cm-3，因此p-GaN层下方AlGaN/GaN异质结构中的AlGaN势垒层的Al组分和厚度一般较小，普遍为低于20%组分和低于18nm厚度，这有利于实现增强型操作，但是同时会导致接入区的电阻增大，而相对薄的AlGaN势垒层也会使得p-GaN层中的掺杂元素（如镁）更容易扩散至沟道，进而影响到器件的可靠性。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种增强型半导体晶体管及其制备方法，制备的器件能实现更高的阈值电压、更低的导通电阻，以及更稳定的工作状态。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种增强型半导体晶体管，包括衬底、生长在衬底上的半导体外延层、栅极、源极以及漏极；其中，所述外延层，自下至上包括氮化物成核层、氮化物应力缓冲层、氮化物沟道层、一次外延氮化物势垒层，以及p型氮化物层和二次外延氮化物势垒层；所述的p型氮化物层仅保留在栅极区域一次外延氮化物势垒层之上，实现栅极下方二维电子气沟道的夹断；通过掩膜工艺后，所述二次外延氮化物势垒层选区生长于栅极区域以外的一次外延氮化物势垒层之上。在本专利技术中，通过选区刻蚀栅极区域以外的p型氮化物，留下栅极区域的p型氮化物，实现栅极沟道的夹断。二次外延氮化物势垒层选区生长于一次外延氮化物势垒层之上，实现高导通接入区。同时通过调控一次外延氮化物势垒层和二次外延氮化物势垒层的厚度和组分，实现更优的栅极关断能力以及高导通的栅源接入区和栅漏接入区。并且此方法可以有效的修复刻蚀带来的接入区损伤，对刻蚀工艺的要求也降低。最终实现高阈值电压、高导通能力、高稳定性的增强型半导体器件。进一步的，所述的衬底为Si衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN自支撑衬底或AlN中的任一种。进一步的，所述的氮化物应力缓冲层为含AlN、AlGaN、GaN、SiN的任一种或组合。进一步的，所述的氮化物成核层为含Al氮化物层。进一步的，所述的氮化物沟道层为GaN或AlGaN层。进一步的，所述的一次外延氮化物势垒层为AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合，Al组分可以为1%-30%，厚度为1nm-30nm。进一步的，所述的p型氮化物层为GaN、AlGaN、AlInN或AlInGaN，厚度不低于5nm。进一步的，所述的二次外延氮化物势垒层为AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合，Al组分可以为1%-40%，厚度为1nm-40nm。进一步的，所述的一次外延氮化物势垒层和氮化物沟道层之间还插入有一层AlN空间隔离层，AlN空间隔离层厚度为0.3nm-3nm。进一步的，所述的p型氮化物层与一次外延氮化物势垒层之间还插入有一层AlN阻挡层，AlN阻挡层厚度为0.3nm-5nm。进一步的，所述的二次外延氮化物势垒层铝组分一般高于一次外延氮化物势垒层。进一步的，所述的栅极区域的p型氮化物层被保留，而栅极区域的p型氮化物层下方之外区域的一次外延氮化物势垒层被部分去除，剩余一次外延氮化物势垒层厚度为1-30nm。进一步的，所述的二次外延氮化物势垒层之上还在位生长盖帽层或钝化层；所述的盖帽层为GaN，厚度为0.5-8nm；所述的钝化层为SiN，厚度为1-100nm。进一步的，所述的源极和漏极为欧姆接触，栅极为欧姆接触或肖特基接触。本专利技术还提供一种一种增强型半导体晶体管制备方法，包括以下步骤：S1.在衬底上生长氮化物成核层；S2.在氮化物成核层上生长氮化物应力缓冲层；S3.在氮化物应力缓冲层生长氮化物沟道层；S4.在氮化物沟道层上生长一次外延氮化物势垒层；S5.在一次外延氮化物势垒层上生长p型氮化物层；S6.在p型氮化物层上沉积一层掩膜层；S7.通过光刻图形化以及刻蚀的方法，保留形成栅极区域的掩膜层和p型氮化物层；S8.选择区域生长二次外延氮化物势垒层；S9.去除栅极区域之上的掩膜层；S10.高温退火激活p型氮化物层中的受主掺杂元素；S11.干法刻蚀完成器件隔离，同时刻蚀出源极和漏极欧姆接触区域；S12.在源极和漏极区域上形成源极和漏极欧姆接触金属；S13.在栅极区域p型氮化物层上形成栅极金属。在
技术介绍
中提到传统的刻蚀方案制备p型栅增强型器件，对设备和工艺要求非常苛刻，存在过刻蚀以及刻蚀损伤带来的问题，这会严重劣化器件特性。本专利技术专利提出采用刻蚀方案结合选区二次生长技术：首先通过干法刻蚀去除栅极区域以外的p型氮化物层以及部分一次外延氮化物势垒层，保留栅极区域的p型氮化物层以及一次外延氮化物势垒层，从而实现栅极沟道的夹断。然后，进行选区二次外延，MOCVD在线高温修复一次外延势垒层的刻蚀损本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增强型半导体晶体管，包括衬底（1）、生长在衬底（1）上的半导体外延层、栅极（10）、源极（8）以及漏极（9）；其特征在于，所述外延层，自下至上包括氮化物成核层（2）、氮化物应力缓冲层（3）、氮化物沟道层（4）、一次外延氮化物势垒层（5），以及p型氮化物层（6）和二次外延氮化物势垒层（7）；所述的p型氮化物层（6）仅保留在栅极（10）区域一次外延氮化物势垒层（5）之上，实现栅极（10）下方二维电子气沟道的夹断；通过掩膜工艺后的二次外延生长，所述二次外延氮化物势垒层（7）选区生长于栅极（10）区域以外的一次外延氮化物势垒层（5）之上。

【技术特征摘要】
1.一种增强型半导体晶体管，包括衬底（1）、生长在衬底（1）上的半导体外延层、栅极（10）、源极（8）以及漏极（9）；其特征在于，所述外延层，自下至上包括氮化物成核层（2）、氮化物应力缓冲层（3）、氮化物沟道层（4）、一次外延氮化物势垒层（5），以及p型氮化物层（6）和二次外延氮化物势垒层（7）；所述的p型氮化物层（6）仅保留在栅极（10）区域一次外延氮化物势垒层（5）之上，实现栅极（10）下方二维电子气沟道的夹断；通过掩膜工艺后的二次外延生长，所述二次外延氮化物势垒层（7）选区生长于栅极（10）区域以外的一次外延氮化物势垒层（5）之上。2.根据权利要求1所述的一种增强型半导体晶体管，其特征在于，所述的衬底（1）为Si衬底（1）、蓝宝石衬底（1）、碳化硅衬底（1）、GaN自支撑衬底（1）或AlN中的任一种；所述的氮化物应力缓冲层（3）为含AlN、AlGaN、GaN、SiN的任一种或组合；所述的氮化物成核层（2）为含Al氮化物层；所述的氮化物沟道层（4）为GaN或AlGaN层。3.根据权利要求1所述的一种增强型半导体晶体管，其特征在于，所述的一次外延氮化物势垒层（5）为AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合，Al组分可以为1%-30%，厚度为1nm-30nm；所述的p型氮化物层（6）为GaN、AlGaN、AlInN或AlInGaN，厚度不低于5nm；所述的二次外延氮化物势垒层（7）为AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合，Al组分可以为1%-40%，厚度为1nm-40nm。4.根据权利要求3所述的一种增强型半导体晶体管，其特征在于，所述的一次外延氮化物势垒层（5）和氮化物沟道层（4）之间还插入有一层AlN空间隔离层（11），AlN空间隔离层（11）厚度为0.3nm-3nm。5.根据权利要求3所述的一种增强型半导体晶体管，其特征在于，所述的p型氮化物层（6）与一次外延氮化物势垒层（5）之间还插入有一层A...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘扬，何亮，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44