一种增强型氮化物场效应晶体管及其制备方法与流程

本发明属于半导体领域，尤其涉及一种增强型场效应晶体管及其制备方法。

背景技术：

氮化镓(GaN)材料由于具有大的禁带宽度、高的热导率、高电子饱和漂移速度和大的临界击穿电压等特点而得以在光电子器件和高温大功率电子器件等领域有着广阔的应用前景。由于氮化物具有很强的自发极化和压电极化效应，在没有掺杂的情况下可以在AlGaN/GaN界面产生大量的二维电子气，其浓度可达10¹³cm^-2，电子迁移率2000cm2/V·s以上。由于具有以上特征，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管成为制备高频功率放大器和功率开关器件的理想材料。

目前AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的性能研究大多还是集中在耗尽型器件方面，但是从器件应用方面来看，增强型器件有更大的应用优势。1995年，Khan等人通过减薄势垒层厚度的方法来耗尽二维电子气实现了增强型器件的研制，但这种方法的缺点在于势垒层减薄后二维电子气的浓度整体下降，导致器件的通态电阻升高，功耗严重，影响了器件的性能。2000年，X.Hu等人利用选区二次外延生长p型GaN帽层在栅极下方形成PN结的方法实现了栅下二维电子气的耗尽实现增强型，但是其阈值电压非常小，生长工艺难度较大。2003年，Kumar等人利用反应离子束刻蚀凹栅的方法减薄栅下势垒层厚度实现了增强型器件的研制，但是该工艺难度大，难以精确控制，没有可重复性。2005年，香港科技大学的Cai等人，采用氟离子注入的方法耗尽了栅下的二维电子气实现增强型器件，但是该方法实现的增强型器件的可靠性面临严重的挑战。

综上所述，目前采用的实现增强型器件的主流的方法是采用势垒层减薄，p型帽层，槽栅结构，氟离子注入等方法，但整体来看，采用这些方法来实现增强型器件的工艺比较复杂且工艺难度较大，对器件的工业化生产来说有较大的难度。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种增强型氮化物场效应晶体管的制备方法，以解决增强型器件的工艺比较复杂，工艺难度较大，沟槽的刻蚀深度无法精确控制，器件的工业化生产难度大的问题。

(二)技术方案

本发明提供一种增强型氮化物场效应晶体管，其特征在于，包括：

衬底；

依次形成于衬底之上的成核层、高阻缓冲层及势垒层；

形成于势垒层一端之上的源极；

形成于势垒层另一端之上的漏极；

形成于源极、漏极之间的单条沟槽或多条沟槽，且沟槽内填充有高介电常数、宽带隙的电介质材料；

形成于沟槽上方的栅极；以及

形成于源极、漏极和栅极之间的钝化层。

进一步，所述高介电常数、宽带隙的电介质材料，包括：MnO₂、Pb₃MgNb₂O₉、BaTiO₃、SrTiO₃、SnTe、PbTe、WO₃、SbS、Pb₂CoWO₆、TiO₂或SnSb中的一种或几种；

进一步，所述高介电常数、宽带隙的电介质材料，采用磁控溅射、离子束蒸镀、化学气相沉淀、溶胶凝胶法或水热法制备而成。

进一步，所述沟槽的深度大于势垒层的厚度，所述电介质材料厚度小于或者等于所述沟槽的深度。

进一步，所述衬底为蓝宝石、碳化硅或硅中的一种；

所述成核层为氮化镓GaN或氮化铝AlN；

所述高阻缓冲层为铟镓氮In_xGa_1-xN，其中0≤x＜1；

所述势垒层为铝铟镓氮Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中0＜x≤1，0≤y＜1。

进一步，所述单条沟槽或多条沟槽的宽度之和不超过其上栅极的宽度；

所述单条沟槽或多条沟槽采用ICP干法刻蚀或者湿法腐蚀制备而成。

进一步，所述源极和漏极采用Ti、Al、Ni、Pt、Cr或Au金属中的一种或几种；

所述栅极采用Ti、Ni、Pt、Al、Cu、W、Co或Au金属中的一种或几种；

所述钝化层采用Al₂O₃、SiN_x、SiO₂或Ga₂O₃。

本发明的另一方面提供一种增强型氮化物场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

在衬底上依次生长成核层、高阻缓冲层及势垒层；

在势垒层一端之上制备源极，另一端之上制备漏极；

对源极、漏极之间的势垒层进行刻蚀形成单条沟槽或多条沟槽，在沟槽内填充高介电常数、宽带隙的电介质材料；

在沟槽上方制备栅极；以及

源极、漏极和栅极之间生长钝化层。

进一步，所述在沟槽内填充的高介电常数、宽带隙的电介质材料包括MnO₂、Pb₃MgNb₂O₉、BaTiO₃、SrTiO₃、SnTe、PbTe、WO₃、SbS、Pb₂CoWO₆、TiO₂或SnSb中的一种或几种；

所述高介电常数、宽带隙的电介质材料采用磁控溅射、离子束蒸镀、化学气相沉淀、溶胶凝胶法或水热法制备而成。

进一步，所述沟槽的深度大于势垒层的厚度，所述电介质材料厚度小于或者等于所述沟槽的深度。

进一步，所述单条沟槽或多条沟槽的宽度之和不超过其上栅极的宽度；

所述单条沟槽或多条沟槽采用ICP干法刻蚀或者湿法腐蚀制备而成。

(三)有益效果

本发明提供一种全新的氮化物增强型场效应晶体管的制备方法，提出了在栅极下方刻蚀沟槽，且沟槽的刻蚀深度只需超过AlInGaN势垒层的厚度即可，无需精确控制，避免了传统槽栅结构对刻蚀精度的要求。同时，在沟槽内部填充有高介电常数、宽带隙的电介质材料，利用外场下强的电极化材料与氮化物自发极化强度的差异，在界面处引入二维电子气，从而实现正向导通，其物理机制与其他人所提及的制备方式有根本的区别。

附图说明

图1是本发明提供的增强型氮化物多沟道场效应晶体管结构示意图。

图2是本发明提供的增强型氮化物多沟道场效应晶体管的顶部俯视图。

图3是本发明提供的增强型氮化物单沟道场效应晶体管的结构示意图。

图4是本发明提供的增强型氮化物多沟道场效应晶体管制作流程图。

图5是本发明提供的增强型氮化物多沟道场效应晶体管制作流程中光刻过程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明提供的增强型氮化物多沟道场效应晶体管结构示意图，包括：

-衬底11，该衬底可以是蓝宝石、SiC或者Si衬底中的一种；

-成核层12，该成核层12为氮化镓或者氮化铝，该成核层12制作在衬底11上，成核层的厚度可取10nm～150nm。

-铟镓氮(InGaN)高阻缓冲层13，该铟镓氮(InGaN)高阻缓冲层13制作在成核层12上，其中In_xGa_1-xN(0≤x＜1)，该高阻缓冲层的厚度可取2μm～3μm，其电阻阻值为10⁶Ω-10¹¹Ω；

-铝铟镓氮(AlInGaN)势垒层14，该铝铟镓氮(AlInGaN)势垒层14制作在铟镓氮(InGaN)高阻缓冲层13上，其中Al_xIn_yGa_1-x-yN(0＜x≤1，0≤y＜1)，该AlInGaN势垒层的厚度可取10nm～50nm；

-二维电子气15，二维电子气15处于铝铟镓氮(AlInGaN)势垒层14和铟镓氮(InGaN)高阻缓冲层13之间的界面处，该二维电子气的产生是由于铝铟镓氮(AlInGaN)势垒层14和铟镓氮(InGaN)高阻缓冲层13之间极化效应导致；

-多沟道沟槽16，多沟道沟槽是通过对铝铟镓氮(AlInGaN)势垒层14进行ICP刻蚀方法获得的，刻蚀深度超过铝铟镓氮(AlInGaN)势垒层14即可，沟槽的深度可以为10nm-80nm；多沟道沟槽16内部填充的是高介电常数、宽带隙的电介质材料，例如MnO₂、Pb₃MgNb₂O₉、BaTiO₃、SrTiO₃、SnTe、PbTe、WO₃、SbS、Pb₂CoWO₆、TiO₂、SnSb等其中的一种或几种。在沟槽内部填充有高介电常数、宽带隙的电介质材料。传统的槽栅结构需要精确控制刻蚀深度，即刻蚀后需保留一定厚度的势垒层。由于势垒层的厚度总共只有几十个纳米，因此对刻蚀精度提出了非常严苛的要求。本发明提供的增强型氮化物功率器件制备方法，利用电场下高电介质常数的电介质材料与GaN相作用，因二者的极化矢量的不连续，在界面处形成净的极化电荷，从而吸引电子形成导电通道。由于介电材料只需与GaN材料相作用，只要将AlInGaN势垒层刻蚀掉即可，无需精确控制刻蚀深度。本发明提供的增强型氮化物晶体管制备方法，其物理机制与其他人所提及的制备方法有根本的区别，而且制作简单，便于控制，有利于工业化生产。

-源极17和漏极18，源极17和漏极18制作在铝铟镓氮(AlInGaN)势垒层14的上方，由Ti、Al、Ni、Pt、Cr、Au等金属中的一种或几种组成；

-栅极19，该栅极19位于多沟道沟槽上方，覆盖整个多沟道沟槽的区域，该栅极19由Ti、Ni、Pt、Al、Cu、W、Co、Au等金属中的一种或几种组成。由于该栅极19位于多沟道沟槽上方，即在栅极下方刻蚀沟槽，沟槽内填充的高介电常数材料与GaN材料相互作用，因此只需将沟槽位置的表层势垒层刻蚀掉即可，无需精确控制刻蚀深度，避免了传统槽栅结构对刻蚀精度的要求。

-钝化层20，该钝化层20位于源极17、漏极18和栅极19之间，该钝化层20材料可以是Al₂O₃、SiNx、SiO₂、Ga₂O₃等中的一种。

其中，多沟道的长度要求横穿整个芯片表面，如图2所示，图2是本发明提供的增强型氮化物多沟道场效应晶体管的顶部俯视图，包括：一成核层21，-铟镓氮(InGaN)高阻缓冲层22，-铝铟镓氮(AlInGaN)势垒层23，该图中并未示意衬底层，-源极26和漏极27，-栅极27，图中多沟道沟槽24横穿整个芯片表面，栅极27位于整个多沟道沟槽的上表面，覆盖整个多沟道沟槽区域。

另外，多沟道沟槽还可通过一个宽的单沟道实现，如图3所示。图3是本发明提供的增强型氮化物单沟道场效应晶体管的结构示意图，包括：一衬底31，一成核层32，-铟镓氮(InGaN)高阻缓冲层33，-铝铟镓氮(AlInGaN)势垒层34，-源极37和漏极38，-栅极39，图中单沟道沟槽36与图1中的多沟道沟槽16类似，沟槽内部填充的是高介电常数、宽带隙的电介质材料，例如MnO₂、Pb₃MgNb₂O₉、BaTiO₃、SrTiO₃、SnTe、PbTe、WO₃、SbS、Pb₂CoWO₆、TiO₂、SnSb等其中的一种或几种。

图4是本发明提供的增强型氮化物多沟道场效应晶体管制作流程图。图5是本发明提供的增强型氮化物多沟道场效应晶体管制作流程中光刻过程示意图。结合图4和图5，具体说明本发明提供的增强型氮化物多沟道场效应晶体管的制作流程，具体包括以下步骤：

步骤1：将蓝宝石、碳化硅或者硅衬底41清洗干净，放入金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统中，温度升高到500℃-600℃之间，压力调整到300Torr-600Torr之间，在衬底41表面生长10nm-150nm的低温GaN或者AlN成核层42，其中衬底41和成核层42的结构如图5所示。

步骤2：将温度升高到900℃-1100℃之间，压力降低到40Torr-100Torr之间，在成核层42表面生长半绝缘In_xGa_1-xN高阻缓冲层43，其中In_xGa_1-xN(0≤x＜1)，该高阻缓冲层43的厚度可取2μm～3μm，其电阻阻值为10⁶-10¹¹Ω，其中成核层42和高阻缓冲层43的结构如图5所示。

步骤3：将温度调整到800℃-1100℃之间，压力调整到50Torr-100Torr，在高阻缓冲层43表面生长Al_xIn_yGa_1-x-yN势垒层44，其中Al_xIn_yGa_1-x-yN(0＜x≤1，0≤y＜1)，该AlInGaN势垒层的厚度可取10nm～50nm，其中高阻缓冲层43和势垒层44如图5所示。

步骤4：在势垒层44表面旋涂光刻胶45，固胶、显影、去胶，形成具有多条沟道的光刻胶图形，势垒层44和光刻胶45的结构如图5所示。

步骤5：以光刻胶45为掩膜，通过ICP干法刻蚀势垒层44，形成多沟道沟槽，刻蚀深度超过Al_xIn_yGa_1-x-yN势垒层44的厚度即可，无需精确控制。

步骤6：在光刻胶45表面淀积高介电常数、宽带隙的电介质材料46，即通过磁控溅射或者溶胶凝胶法在整个芯片表面淀积一层电介质材料46，如图5所示，电介质材料46的淀积厚度小于或者等于刻蚀沟槽的深度。电介质材料46可以为MnO₂、Pb₃MgNb₂O₉、BaTiO₃、SrTiO₃、SnTe、PbTe、WO₃、SbS、Pb₂CoWO₆、TiO₂、SnSb等其中的一种或几种。

步骤7：将光刻胶掩膜45通过BOE去除，形成多沟道沟槽内带有电介质材料的结构片。

步骤8：在AlInGaN势垒层44上方通过电子束蒸发淀积Ti、Al、Ni、Pt、Cr、Au等金属中的一种或几种，分别制作源极和漏极；在多沟道沟槽上方通过电子束蒸发淀积Ti、Ni、Pt、Al、Cu、W、Co、Au等金属中的一种或几种，制作栅极。

步骤9：在源极、漏极和栅极之间，通过PECVD方法蒸镀钝化层，该钝化层材料可以是Al₂O₃、SiN_x、SiO₂、Ga₂O₃等中的一种，完成氮化物晶体管制作。制作形成的增强型氮化物多沟道场效应晶体管，其结构如图1所示。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。