增强型半导体器件制造技术

本发明专利技术提出了一种新型的增强型半导体器件。该增强型半导体器件利用了氮化物晶体中的自发极化效应和压电效应在方向最强，而在其他的非极性方向和半极性方向没有或者极弱的特性。在外延多层结构中设置脊形凸起，脊形凸起处存在氮化物的非极性面或半极性面，从而使得沟道里的二维电子气中断。当栅极电压提高时，在沟道中形成导电沟道，从而实现增强型操作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子
，尤其涉及一种增强型半导体器件。
技术介绍
第三代半导体材料氮化镓具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、击穿场强高、导热性能好等特点，在电子器件方面，氮化镓材料比硅和砷化镓更适合于制作高温、高频、高压和大功率的半导体器件。由于AlGaN/GaN异质结构中存在较强的二维电子气，通常采用AlGaN/GaN异质结形成的高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor ;HEMT)都是耗尽型器件，对于增强型器件则不易实现。而在许多地方耗尽型器件的应用又具有一定的局限性，比如在功率开关器件的应用中，需要增强型(常关型)开关器件。增强型氮化镓开关器件主要用于高频器件、功率开关器件和数字电路等，它的研究具有十分重要的意义。实现增强型氮化镓开关器件，需要找到合适的方法来降低零栅压时栅极下方的沟道载流子浓度。一种方法是在栅极处采用刻蚀结构，局部减薄栅极下面的铝镓氮层的厚度，达到控制或降低栅极下二维电子气浓度的目的，如图I所示，缓冲层11、氮化镓层12、铝镓氮层13分别位于衬底10上，栅极14、源极15以及漏极16分别位于铝镓氮层13上，其中在栅极4下方铝镓氮层被局部刻蚀，从而减薄了栅极区的铝镓氮层厚度。另外一种办法是在栅极下面选择性保留P型(Al) GaN，通过p型(Al) GaN来提拉铝镓氮/氮化镓异质结处的导带能级，形成耗尽区，从而实现增强型器件，如图2所示，在栅极14’下方通过选择性保留了局部P型氮化物17。还有一种办法是氟化物等离子处理技术，在势垒层中注入氟离子等带负电的离子，控制注入离子浓度可以耗尽导电沟道中的二维电子气，需要用很强的负离子来夹断沟道，如图3所示，在栅极14”下方的势垒层13中注入负电离子18。但是,这些办法都有一定的不足之处。在第一种方法中，阈值电压一般在0V-1V左右，未达到应用的阈值电压3V-5V，为了达到较高的阈值电压和工作电压，还需要增加额外的介质层，如原子层沉积的三氧化二铝，但是，这个介质层与铝镓氮表面的界面态如何控制，是一个悬而未决的大问题。在第二种方法中，需要选择性刻蚀掉除了栅极下面以外的所有区域，如何实现刻蚀厚度的精确控制，也是非常具有挑战性的，另外，由于刻蚀中带来的缺陷，以及P型铝镓氮中残余的镁原子，会引起严重的电流崩塌效应。还有就是由于空穴密度的不足(一般而言，P型氮化镓中空穴的浓度不会超过lE18/cm3)，AlGaN/GaN异质结中的二维电子气的密度会受到很大的限制。如果二维电子气中电子的密度过高，就无法实现增强型的器件了，所以增强型器件的AlGaN/GaN异质结中，铝的含量通常低于20%，如15%左右。在第三种方法中，氟化物等离子处理会破坏晶格结构，工艺重复控制性也较差，对器件的稳定性和可靠性造成了比较大的影响。
技术实现思路
正如
技术介绍
中所述，氮化镓材料在运用到增强型器件中的时候，需要控制零栅压时沟道中的载流子浓度。然而现有的工艺中，无论是减薄栅极下方的氮化物势垒层的厚度，还是在栅极下方保留一层P型氮化物，或者在势垒层中注入负离子，都会因为工艺问题对器件的稳定性和可靠性产生比较大的影响。因此，本专利技术设计了一种新型的增强型半导体器件结构。该增强型器件实现夹断二维电子气的原理是根据III族氮化物是一种极性半导体的特点，请参见图4和图5，同传统的III-V族半导体不同，III族氮化物中存在很强的内建电场。如果在C(0002)平面形成AlInGaN/GaN异质结，即使在AlInGaN层不进行n型掺杂,在所述异质结当中也会产生浓度很高的二维电子气。其原因就是III族氮化物内的自发极化电场和由于应力引起的压电电场。此二维电子气的浓度可以超过lE13/cm2。但是，III族氮化物中的自发极化电场和压电电场只存在于〈0002〉方向，而非极性方向，即与〈0002〉方向垂直的方向，包括〈1-100〉、〈11-20〉等则不存在自建电场。对于半极性方向来说，例如在〈0002〉与〈1-100〉 或者〈11-20〉之间的方向，该方向上的内建电场强度也远远小于〈0002〉方向。由于自发极化和压电效应，氮化镓是一种具有极强自建电场的半导体材料。因此，在极化方向生长的氮化镓异质结结构中，不需要故意掺杂就可以生成电子浓度很高的二维电子气。但是，对于氮化镓材料的非极性面或者半极性面，由于极化场强几乎没有或者很低，在没有掺杂的情况下就不会生成二维电子气。利用氮化镓材料的此特点，在本专利技术中，我们在外延结构中引入非平面结构，更具体说是脊形凸起结构，并在此脊型凸起结构上制作栅极。利用脊形凸起结构中产生的氮化物非极性面或半极性面，造成栅极区域二维电子气的中断，从而实现了增强型器件。不需要对势垒层做等离子刻蚀，避免了有源区的损伤带来的器件性能下降，比如说低电流密度或者电流崩塌等效应。另外，也不需要用到引入Mg原子实现P型氮化物，避免了对MOCVD或者MBE腔体的污染。根据本专利技术的目的提出的一种增强型半导体器件，该增强型半导体器件为形成在一衬底上的外延多层结构，所述外延多层结构从衬底方向依次包括氮化物沟道层和氮化物势垒层；所述外延多层结构中设有脊形凸起；脊形凸起处存在氮化物的非极性面或半极性面，至少有部分二维电子气是中断的；在该外延多层结构中的脊形凸起处上定义有栅极区域和分别位于上述栅极区域两侧的两处欧姆接触区域；位于上述栅极区域的栅电极；位于上述两处欧姆接触区域的源电极和漏电极。优选的，进一步包括介质层，形成于所述氮化物势垒层上。优选的，所述介质层为SiN、SiCN、Si02、SiAlN、Al203、A10N、Si0N、Hf02 中的一种或多种的组合。优选的，所述外延多层结构还包括形成于氮化物势垒层上的氮化物冒层，所述氮化物冒层为氮化镓或铝镓氮。优选的，氮化物势垒层和氮化物沟道层之间设有氮化铝中间层。优选的，所述脊形凸起的截面形状可以是矩形、三角形、梯形、锯齿形、多边形、半圆形、U形中的一种或几种图形的组合。优选的，所述衬底上进一步包括氮化物成核层和/或氮化物缓冲层。优选的，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、SOI、氮化镓和氮化铝中的一种。由于本专利技术当中，不需要对势垒层做等离子刻蚀，避免了有源区的损伤带来的器件性能下降，比如说低电流密度或者电流崩塌等效应。另外，也不需要用到引入Mg原子实现P型氮化物，避免了对MOCVD或者MBE腔体的污染。附图说明图I为现有技术中，通过减薄栅极下面的铝镓氮层的厚度达到控制或降低栅极下二维电子气浓度的增强型半导体器件结构示意图。图2为现有技术中，通过在栅极下面选择性保留p型(Al)GaN,以提拉铝镓氮/氮化镓异质结处的导带能级，形成耗尽区的增强型半导体器件结构示意图。图3为现有技术中，在栅极下面采用氟离子处理的增强型半导体器件结构示意 图。图4所示为氮化物晶格结构的示意图；图5所示为氮化物中不同方向上的内建电场分布示意图；图6 :本专利技术第一实施方式的增强型半导体器件的结构示意图。图7 :本专利技术第二实施方式的增强型半导体器件的结构示意图。图8 :图7的一种变形，栅极区域脊形凸起的截面形状为三角形。图9 :图7的另一种变形，栅极区域脊形凸起的截面形状为梯形。图10 :图7的另一种变形，栅极区域脊形凸起的截面形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增强型半导体器件，该增强型半导体器件为形成在一衬底上的外延多层结构，其特征在于：所述外延多层结构从衬底方向依次包括氮化物沟道层和氮化物势垒层;所述外延多层结构中设有脊形凸起；脊形凸起处存在氮化物的非极性面或半极性面，至少有部分二维电子气是中断的；在该外延多层结构中的脊形凸起处上定义有栅极区域和分别位于上述栅极区域两侧的两处欧姆接触区域；位于上述栅极区域的栅电极；位于上述两处欧姆接触区域的源电极和漏电极。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：程凯，
申请(专利权)人：程凯，
类型：发明
国别省市：