专利名称：Hemt器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及宽禁带半导体氮化镓HEMT(高电子迁移率晶体管)器件， 具体来说，涉及利用复合介质材料结构降低氮化镓HEMT栅极漏电流的同 时緩解电流崩塌效应的器件结构设计。
背景技术：
第三代半导体氮化镓(GaN)的介质击穿电压远远高于第一代半导体 硅(Si)或第二代半导体砷化镓(GaAs)，高达3MV/cm，使其电子器件 能承受很高的电压。氮化镓异质结结构的沟道具有很高的电子浓度和电子 迁移率，这意味着氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)的能在高频率导 通高电流，并具有很低的导通电阻。另外，氣化镓是宽禁带半导体，能工 作在较高的温度。这些特性使氮化镓HEMT特别适用于制造高频的高功率 射频器件和高耐压的开关器件。
在AlGaN/GaN异质结HEMT中存在很高的极化效应，导致器件表面 出现高密度的电子陷阱。电子陷阱的反应速度慢，从而引起电流崩塌效应。 为应对电流崩塌效应，如今氩化镓HEMT —般采用SiN介质102等材料 覆盖器件表面的钝化工艺(图1)。表面钝化减小电流崩塌效应的机制现 在还不完全确定。SiN表面钝化技术带来的一个问题是由于SiN介质内有 较高的漏电流，由此增加了栅极的漏电流，从而降低了器件的击穿电压和 输入阻抗，并且会恶化器件的线性度。
试验发现，SiOz介质内的漏电流很小。在栅极下放置一层Si02介质， 相比金属肖特基接触可以大大减小栅极的泄露电流。这种器件被称为金属 绝缘物场效应晶体管(MISFET)。可是SiCh层和AlGaN层之间会形成 很高密度的电子陷阱，加大电流崩塌效应。在这种MISFET上即使采用SiN表面钝化处理，电流崩塌效应依然存在。我们相信MISFET上的电流 崩塌效应主要来自于栅极下Si02和AlGaN的界面电子陷阱。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了 HEMT器件，以 及用于制造HEMT器件的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种HEMT器件，包括在衬底上的 半导体层；在上述半导体层上的隔离层；与上述半导体层接触的源极和漏 极；在上述隔离层上的上述源极和漏极之间的区域上的第一介质层；以及 在上述第一介质层上的栅极；其中，上述栅极为双层结构，其中上层为导 电层，下层为第二介质层。
根据本发明的另 一个方面，提供了 一种用于制造HEMT器件的方法， 包括以下步骤在衬底上沉积半导体层；在上述半导体层上沉积隔离层； 形成与上述半导体层接触的源极和漏极；在上述隔离层上的上述源极和漏 极之间的区域上沉积第一介质层；在上述第一介质层上沉积第二介质层； 在上述第二介质层上形成栅极导体；以及将上述栅极导体作为掩模，蚀刻 上述笫二介质层，以形成由上述栅极导体和上述第二介质层构成的叠层栅 极。
相信通过以下结合附图对本发明具体实施方式
的说明，能够使人们更
好地了解本发明上述的特点、优点和目的，其中
图1示出了以前的设计氮化镓HEMT的表面钝化处理。
图2示出了以前的设计氮化镓金属绝缘物场效应晶体管(MISFET)。
图3示出了本发明的低栅极漏电流、低电流崩塌效应氮化镓HEMT结构。
图4A-4D示出了制造本发明的氮化镓HEMT器件的工艺流程。
图5A-5E示出了本发明的一种变形带场板的栅极结构，以及其制造工艺流程。
图6示出了本发明的一种变形在AlGaN隔离层上刻槽的、带场板的 才册极结构。
具体实施例方式
下面就结合附图对本发明的各个优选实施例进行详细的说明。
图3为本发明氮化镓增强型场效应管结构。生长氮化镓材料的基片12 一般是Sapphire, SiC或硅。成核层13生长在基片12上；基片12上是 GaN緩冲层14;在緩冲层上是AlGaN隔离层15。两个欧姆接触分别形成 场效应管的源才及22和漏极23。源极22和漏才及23之间的区域，器件表面 -故SiN介质32完全覆盖。在SiN介质中靠近AlGaN表面的位置，包裹着 双层栅极结构。上层是导电的金属栅极24;下层是Si02介质33，而且Si02 介质只存在于栅极金属之下。我们称这种栅极结构为埋栅结构。
实际从整体上看，在金属栅极24下是两层复合介质。SK)2层在上， 紧贴栅极金属，起到降低栅极漏电流的作用。这层Si()2介质可由任何可降 低栅极漏电电流的介质替代。SiN层在下，和AlGaN层直接接触，起到表 面钝化的作用，减小甚至消除电流崩塌效应。这层SiN介质可由任何可降 低器件电流崩塌效应的介质替代。这种低栅极漏电流和低电流崩塌的氮化 镓HEMT具有工作电压高和开关速度高的特性，特别适于制造微波功率放 大放大器和电能转换开关器件。
为了增加器件的跨导，栅极24离沟道(在氮化镓HEMT中就是二维 电子气2DEG位置)的距离应越小越好。这就要求本发明器件的金属栅极 下的双层介质的总厚度越小越好。 一般来说，金属栅极下的SiN层应在lO nm左右，而SiO2层在5 ~ 10 nm左右。
图4给出了本发明器件的一种制造流程。在形成欧姆接触之后，首先 是沉积一层厚度10 nm左右的SiN， 然后立即沉积一层厚度5 10 nm 左 右的Si02 (图4A)。下一步是沉积栅极金属(图4B)。接着以栅极金属 为自对准工艺的掩膜，用干法刻蚀的方法刻蚀掉Si02层，仅仅保留栅极金属下的Si02 (图4C)。由于Si02的刻蚀速度高于SiN的刻蚀速度，这种 选择性的刻蚀比较容易控制。少许的SiN过刻蚀也可在下一步得到弥补。 制造流程的最后一步是整个器件的SiN表面钝化。第一次沉积的SiN和第 一次沉积的SiN融合，将Si02层和栅极金属包裹起来(图4D )。
本发明的一种变形是带场板结构的栅极，如图5E所示。在平面形式 场效应晶体管中，电场会聚集在普通结构的栅极(图3)靠漏极方向的边 沿。而场板结构可以降低在这个位置的电场集中，提高器件的使用电压， 并緩解电流崩塌效应。这种变形的制造流程是在形成欧姆接触之后，首 先沉积一层厚度150 nm左右的SiN，然后在栅极的位置用干法刻蚀成槽， 形成场板结构的基准(图5A)。下一步是沉积一层厚度10 nm左右的SiN, 然后立即沉积一层厚度5 ~ 10 nm左右的Si02 (图5B )。接着沉积栅极金 属，形成场板结构栅极金属24 (图5C)。下一步以栅极金属为自对准工 艺的掩膜，用干法刻蚀的方法刻蚀掉SK)2层，仅仅保留栅极金属下的Si02 (图5D)。制造流程的最后一步是整个器件的SiN表面钝化。三次沉积的 SiN融合在一起，将SK)2层和栅极金属包裹起来(图5E)。
本发明的另一种变形是也带场板结构的栅极，但是场板结构的刻槽深 入到AlGaN隔离层15中，如图6所示。由于栅极金属24离沟道(2DEG ) 的距离比上一种变形的器件结构更接近，有助于提高器件的跨导。这种变 形的制造流程与上一种变形基本一致，只是在场板结构干法刻槽时，在SiN 层刻蚀完成后，用氯基等离子继续刻蚀AlGaN隔离层15至一定的深度。 后续流程与上一种变形完全相同。
以上虽然通过一些示例性的实施例对本发明的HEMT器件以及用于 制造HEMT器件的方法进行了详细的描述，但是以上这些实施例并不是穷
因此，本发明并不限于这些实施例，本发明的范围仅以所附权利要求书为 准。
权利要求
1.一种HEMT器件，包括在衬底上的半导体层；在上述半导体层上的隔离层；与上述半导体层接触的源极和漏极；在上述隔离层上的上述源极和漏极之间的区域上的第一介质层；以及在上述第一介质层上的栅极；其中，上述栅极为双层结构，其中上层为导电层，下层为第二介质层。
2. 根据权利要求1所述的HEMT器件，其中，上述第一介质层完 全包裹上述4册极。
3. 根据权利要求1所述的HEMT器件，其中上述栅极为其中间部 分向上述半导体层凸出的场板结构。
4. 根据权利要求3所述的HEMT器件，其中在上述隔离层中具有 与上述凸出的场板结构相对应的凹槽。
5. 根据权利要求1-4中任何一项所述的HEMT器件，其中上述半导 体层包括GaN。
6. 根据权利要求1-4中任何一项所述的HEMT器件，其中上述第一 介质层包括可降低器件电流崩塌效应的介质材料。
7. 根据权利要求6所述的HEMT器件，其中上述笫一介质层包括SiN。
8. 根据权利要求1-4中任何一项所述的HEMT器件，其中上述第二 介质层包括可降低栅极漏电流的介质材料。
9. 根据权利要求8所述的HEMT器件，其中上述第二介质层包括 Si02。
10. 根据权利要求1-4中任何一项所述的HEMT器件，还包括在上述 半导体层中形成的二维电子气。
11. 根据权利要求1-4中任何一项所述的HEMT器件，其中上述隔离层包括AlGaN。
12. —种用于制造HEMT器件的方法，包括以下步骤 在衬底上沉积半导体层； 在上述半导体层上沉积隔离层； 形成与上述半导体层接触的源极和漏极；在上述隔离层上的上述源极和漏极之间的区域上沉积第一介质层； 在上述第一介质层上沉积第二介质层； 在上述第二介质层上形成栅极导体；以及将上述栅极导体作为掩模，蚀刻上述笫二介质层，以形成由上述栅极 导体和上述第二介质层构成的叠层栅极。
13. 根据权利要求12所述的方法，还包括在上述蚀刻上述第二介质 层的步骤之后，在上述第二介质层被蚀刻掉的区域的上述第一介质层上沉 积第一介质的步骤，其中，该步骤用沉积的第一介质包裹上述叠层栅极。
14. 根据权利要求12所述的方法，还包括在上述沉积第一介质层的 步骤之后，在形成栅极的位置蚀刻上述第一介质层的步骤，其中，该步骤 在上述第一介质层中形成凹槽。
15. 根据权利要求14所述的方法，还包括在上述蚀刻上述第一介质 层的步骤之后，在上述凹槽的位置蚀刻上述隔离层的步骤，其中，该步骤 在上述隔离层中形成凹槽。
16. 根据权利要求12-15中任何一项所述的方法，其中上述半导体层 包括GaN。
17. 根据权利要求12-15中任何一项所述的方法，其中上述第一介质 层包括可降低器件电流崩塌效应的介质材料。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中上述第一介质层包括SiN。
19. 根据权利要求12-15中任何一项所述的方法，其中上述第二介质 层包括可降低栅极漏电流的介质材料。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中上述第二介质层包括Si02。
全文摘要
本发明提供了HEMT器件以及用于制造HEMT器件的方法。根据本发明的一个方面，提供了一种HEMT器件，包括在衬底上的半导体层；在上述半导体层上的隔离层；与上述半导体层接触的源极和漏极；在上述隔离层上的上述源极和漏极之间的区域上的第一介质层；以及在上述第一介质层上的栅极；其中，上述栅极为双层结构，其中上层为导电层，下层为第二介质层。
文档编号H01L29/423GK101320750SQ20081009865
公开日2008年12月10日 申请日期2008年6月5日 优先权日2007年6月6日
发明者张乃千 申请人:西安能讯微电子有限公司