本发明专利技术是一种制造介质／氮化物复合结构增强型场效应管的方法，其工艺为，在衬底上依次生长ＡｌＧａＮ缓冲层、ＧａＮ沟道层、ＡｌＮ插入层、ＡｌＧａＮ势垒层和ＡｌＩｎＮ帽层；由ＡｌＩｎＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ复合前势垒和ＧａＮ／ＡｌＧａＮ背势垒构成强量子限制的高电子气密度外沟道阱。晶格匹配的厚ＡｌＩｎＮ帽层显著提高了外沟道电子气密度，ＡｌＩｎＮ帽层提供的高而宽的势垒强化了沟道阱的量子限制。既降低了外沟道的串联电阻，又减小了欧姆接触电阻。用干法挖槽工艺腐蚀完ＡｌＩｎＮ层和减薄ＡｌＧａＮ势垒层后用原子层淀积（ＡＬＤ）工艺淀积设定厚度Ｓｉ３Ｎ４介质层，强化内沟道阱的量子限制，确保大栅压变动下，电子波函数不渗透到势垒层引起异质结的能带畸变，提高了器件的开态电流。再用氟等离子体工艺在Ｓｉ３Ｎ４介质层表面引入负空间电荷，提高势垒高度，耗尽内沟道阱中的电子气，使零栅压下内沟道夹断。实现理想的增强模工作。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种半导体器件的制造方法，尤其是一种制造介质/氮化物复合结构 增强型场效应管的方法。具体地说是用能带剪裁方法分别制造出具有高密度高迁移率二维 电子气的外沟道阱和在零栅压下夹断、在正栅压下打开的能防止大正栅压下沟道能带畸变 的内沟道阱，用以制造高效、大功率增强型氮化镓场效应晶体管的方法。属于半导体器件技 术领域。
技术介绍
增强型场效应管是一种在正栅压下工作的场效应管。它要求栅电极外的外沟道打 开，串联电阻很低，而栅电极下的内沟道在零栅压下夹断，在正栅压下打开，具有良好的开 关性能。这就要求内、外沟道具有完全不同的异质结构。因此，在异质结构材料设计中首 先要设计外沟道的异质结构，使沟道中产生高密度、高迁移率的二维电子气。然后，使用半 导体工艺来剪裁栅电极下内沟道的异质结构，完全耗尽沟道阱中的二维电子气，并能在大 正栅压下打开内沟道，重建高密度、高迁移率的二维电子气。因此它不仅要设计高性能沟道 阱，还要寻求高效的能带剪裁方案，在亚微米尺度的栅区内实施有效的能带剪裁。AWaN/GaN异质结沟道阱中的电子气密度取决于异质界面上的极化电荷。要使能 带剪裁后的内沟道能在零栅压下夹断，不能使用极化电荷太高的势垒层。这就限制了外沟 道中的电子气密度。目前国外惯用的方法是在外沟道势垒层上覆盖一层帽层，用帽层/势 垒层间的极化电荷来提高沟道阱电子气密度。大家都使用AlN作帽层。但是AlN和GaN间 晶格失配很大，只能生长很薄的AlN帽层，异质界面离沟道阱较远，沟道电子气密度提高不 多。此外，AIN/AWaN界面上的大能带带阶和强极化电荷又会形成一个很强的界面阱，使沟 道阱中的电子转移到势垒层中，降低了电子的迁移率。内沟道的能带剪裁又是一个棘手的难题。目前惯用的方法是通过挖槽来减薄势垒 层厚度，降低内沟道的电子气密度。但是，要使内沟道在零栅压下夹断，势垒层必须减薄到 5nm以下。这样，正栅压下就不再能产生有效的量子限制，使电子波函数渗透到势垒层表面， 形成表面阱，产生能带畸变，降低了沟道阱中的电子气密度，导致内沟道在正栅压下不能完 全打开。而且表面阱中的电子又增大了栅流，许多作者在势垒层上覆盖介质层，制成MISFET 来抑制栅流。虽然这种器件能增大正栅压，但是严重的能带畸变使器件性能退化。另一种 方法是用氟等离子体处理引入表面负电荷，耗尽内沟道的电子气。但是，必须用很强的负电 荷来夹断沟道，从而降低了开沟道中的电流。况且强表面负电荷同样也会引起能带畸变。本专利申请者在设计增强模场效应管的外沟道时发现用和GaN晶格匹配的AlInN 帽层来替代现用的AlN帽层，不仅可以解决晶格匹配而生长厚AlInN帽层，使界面极化电荷 更靠近沟道阱，提高沟道阱的电子气密度。而且还降低了异质界面上的能带带阶和极化电 荷，提高界面阱的阱位，防止电子波函数渗透到势垒层。在研究内沟道的能带剪裁时，发现 在减薄的势垒层上覆盖Si3N4介质层，可以利用Si3N4AKiaN异质结来改造内沟道阱，再用氟 等离子体工艺处理Si3N4表面，引入适当的负电荷，实现零栅压下夹断而在大正栅压下能完全打开的内沟道阱，抑制正栅压下内沟道阱的能带畸变。从而解决了增强模场效应管设计 中的两大难题。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在用晶格匹配的AlInN帽层来覆盖薄AlGaN势垒层构成外沟道的 异质结构。利用AUnN/AKiaN异质界面上的极化电荷来提高GaN沟道阱中的二维电子气密 度。以厚AlInN帽层的高势垒来强化GaN沟道阱中电子气的二维特性，改善电子输运性能。 降低外沟道的串联电阻和欧姆接触电阻，增大HFET的沟道电流。用干法腐蚀工艺腐蚀完 AlInN帽层和减薄AWaN势垒层后以ALD工艺淀积设定厚度的Si3N4介质层，用氟等离子体 处理工艺在Si3N4表面引入高浓度负空间电荷，构筑完善的内沟道异质结构。使阈值电压正 移到OV以上。并且用Si3N4AWaN异质结构来强化大正栅压下内沟道阱的量子限制，防止 异质结能带畸变。实现高性能的增强模工作。本专利技术的技术解决方案一种制造介质/氮化物复合结构增强型场效应管的方 法，其特征是该方法包括如下工艺步骤一、在衬底上依次生长AlGaN缓冲层，GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层和 AlInN帽层；二、在AWaN缓冲层上生长GaN沟道层，构成背势垒来改善沟道夹断特性，使场效 应管阈值电压正移；三、在薄AlGaN势垒层上生长和GaN晶格匹配的AlInN层，利用AlInN/AlGaN异质 界面上的极化电荷来增加下面GaN沟道层中的电子气密度。利用该异质界面上的能带带阶 来建立高势垒，防止沟道层中的电子波函数渗透到势垒层，强化电子二维特性，提高电子迁 移率；构筑成外沟道阱，提高沟道阱中的电子气密度和迁移率，降低外沟道串联电阻和欧姆 接触电阻；四、用干法工艺腐蚀完AlInN帽层6和减薄AWaN势垒层后用原子层淀积(ALD) 工艺直接在减薄的AlGaN势垒层上淀积Si3N4介质层用Si3N4/AWaN异质结来形成高势垒， 构筑内沟道的沟道阱；五、用氟等离子体工艺在Si3N4层中引入高密度负电荷，用强负电荷来耗尽内沟道 阱中的二维电子气，使内沟道在零栅压下夹断，在正栅压下打开，实现增强模工作，优化设 计氟等离子体工艺处理的Si3N4AWaN组合势垒，防止大正栅压下的沟道能带畸变，增大沟 道电流。本专利技术的优点用晶格匹配的AlInN帽层覆盖薄AKiaN势垒层使帽层极化电荷 接近GaN沟道阱，可以更有效地利用帽层异质结极化电荷来提高沟道阱中的电子气密度。 AUnN/AKiaN异质结的能带带阶和极化电荷可以抬高帽层界面阱的阱位，防止沟道电子渗 透到界面阱和势垒层，提高电子二维特性和输运性能，降低外沟道串联电阻。AlInN势垒高 度低，AUnN/AWaN复合势垒沟道阱电子气密度高，在AlInN势垒层上制作欧姆接触，可以 降低接触电阻。在减薄的AKiaN势垒层上淀积设定厚度的Si3N4层为内沟道阱提供完善的 高势垒异质结构，防止大正栅压下沟道电子波函数渗透到势垒层表面引起能带畸变，提高 了电子迁移率和沟道电流。在Si3N4介质层表面用氟等离子体处理引入空间负电荷，提高了 势垒高度，耗尽沟道电子气，实现正栅压的增强模工作。附图说明附图1是本专利技术的介质/氮化物复合结构增强型场效应管的材料结构图。附图2是本专利技术的介质/氮化物复合结构增强型场效应管内沟道的结构图。图中1是衬底，2是AlGaN缓冲层，3是GaN沟道层，4是AlN插入层，5是AlGaN势 垒层，6是AHnN晶格匹配帽层，7是Si3N4介质层，8是减薄的AlGaN势垒层。具体实施例方式结合附图进一步描述介质/氮化物复合结构增强型场效应管制作方法，其步骤 分一、在衬底1上依次生长AlGaN缓冲层2、GaN沟道层3、AlN插入层4、AlGaN势垒层5 和AlInN帽层6 ；二、自洽求解薛定谔方程和泊松方程，计算异质结构的能带、电子波函数和沟道中 的二维电子气密度；三、调节GaN/AlGaN背势垒和AUnN/AlGaN/AlN/GaN前势垒的高度和宽度，使沟道 阱中产生足够高的二维电子气密度，并且优化选择AUnN、AlGaN和AlN的组份比和厚度， 提高AUnN/AKiaN界面阱的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种制造介质／氮化物复合结构增强型场效应管的方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：一、在衬底上依次生长ＡｌＧａＮ缓冲层，ＧａＮ沟道层、ＡｌＮ插入层、ＡｌＧａＮ势垒层和ＡｌＩｎＮ帽层；二、在ＡｌＧａＮ缓冲层上生长ＧａＮ沟道层，构成背势垒来改善沟道夹断特性，使场效应管阈值电压正移；三、在薄ＡｌＧａＮ势垒层上生长和ＧａＮ晶格匹配的ＡｌＩｎＮ层，利用ＡｌＩｎＮ／ＡｌＧａＮ异质界面上的极化电荷来增加下面ＧａＮ沟道层中的电子气密度。利用该异质界面上的能带带阶来建立高势垒，防止沟道层中的电子波函数渗透到势垒层，强化电子二维特性，提高电子迁移率；构筑成外沟道阱，提高沟道阱中的电子气密度和迁移率，降低外沟道串联电阻和欧姆接触电阻；四、用干法工艺腐蚀完ＡｌＩｎＮ帽层６和减薄ＡｌＧａＮ势垒层后用原子层淀积（ＡＬＤ）工艺直接在减薄的ＡｌＧａＮ势垒层上淀积Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］介质层用Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］／ＡｌＧａＮ异质结来形成高势垒，构筑内沟道的沟道阱；五、用氟等离子体工艺在Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］层中引入高密度负电荷，用强负电荷来耗尽内沟道阱中的二维电子气，使内沟道在零栅压下夹断，在正栅压下打开，实现增强模工作，优化设计氟等离子体工艺处理的Ｓｉ↓［３］Ｎ↓［４］／ＡｌＧａＮ组合势垒，防止大正栅压下的沟道能带畸变，增大沟道电流。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵正平，薛舫时，石志宏，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十五研究所，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。