半导体结构、形成方法以及场效应晶体管的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体技术以及半导体制造领域，具体而言，本发明涉及半导体结构、形成半导体结构的方法以及场效应晶体管。
【背景技术】
[0002]以氮化镓(6&1^)为代表的氮化物半导体系列材料(6&111^&1416&11_以及八1~等)具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景，被广泛地应用于制备各类电子开关以及各类信号放大器。
[0003]通常，氮化物半导体材料具有密排六方晶体结构，根据晶片表面与晶体c轴之间的相对位置关系，由于自发极化效应，其表面可以分为极性面(垂直于c轴)、非极性面(平行于c轴)以及半极性面(不平行也不垂直于c轴)。例如，以氮化镓为例，{0001}晶面(又称为c面)为极性面，{11}晶面和{1120}(分别称为m面和a面)为非极性面，{110 2}晶面(又称为r面)为半极性面。目前，研究和应用最广泛的是具有极性的c面GaN晶片，对非极性和半极性面的研究和应用很少。
[0004]在氮化镓系列材料表面利用磁控溅射、原子层沉积等方法，可以制备具有不同界面特性的半导体结构，并根据半导体结构的性能，将其应用到各种半导体器件中。
[0005]然而，目前基于氮化镓材料系列的半导体结构的结构设计以及制备方法仍有待改进。
【发明内容】
[0006]本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的:
[0007]基于氮化物半导体材料极性面形成的半导体结构，如场效应晶体管，通常具有界面性能差、阈值电压不稳定、漏电较大等缺点。即使在极性面表面增加绝缘氮化物的钝化层，上述问题仍不能得到有效解决。发明人经过深入研究以及大量实验发现，这是由于具有极性表面(c面)的氮化物半导体材料表面具有很强的极性，因此，一方面，界面极易吸附氧原子，使材料表面的金属原子与氧原子形成不稳定化学键，如Ga-O键，该键易带电荷，成为载流子的产生和复合中心，造成界面态密度高；另一方面，界面极易吸附可移动电荷，从而造成该半导体结构的界面缺陷多，界面性能变差。尤其针对场效应晶体管，界面性能差，界面态密度高，将导致晶体管的严重漏电。
[0008]本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种半导体结构，该半导体结构在衬底材料的非极性面或者半极性面上形成界面层以及介质层，利用非极性面或者半极性面对于氧原子和可移动电荷的吸附作用较弱的性质，提高该半导体结构的界面性能。
[0009]在本发明的一个方面，本发明提出了一种半导体结构。根据本发明的实施例，该半导体结构包括:衬底，所述衬底上表面的至少一部分是由氮化物半导体晶体形成的非极性面或者半极性面;界面层，所述界面层形成在所述非极性面或半极性面上，并且所述界面层是由选自氮化物以及氮氧化物的至少之一形成的；介质层，所述介质层形成在所述界面层远离所述衬底的表面上；以及金属层，所述金属层形成在介质层远离所述界面层的表面上。由此，可以在非极性面或半极性面的衬底表面形成界面层，在界面层对衬底进行钝化的基础上，在界面层上再形成介质层，进而可以有效防止衬底表面形成不稳定的化学键，并改善界面质量，进而可以有效提高该半导体结构的界面性能。
[0010]另外，根据本发明实施例的半导体结构还可以具有如下附加技术特征的至少之
[0011]根据本发明的实施例，在该半导体结构中，所述衬底包括至少一个晶体亚层，所述晶体亚层是由包括选自GaN晶体、InGaN晶体、AlGaN晶体以及AlN晶体中的至少之一形成的。由此，可以通过具有上述晶体亚层的衬底，为该半导体结构提供具有较高电子迀移率以及较高的击穿场强的衬底材料，进而可以进一步提高该半导体结构的性能。具体地，所述晶体亚层可以生长在硅基体、碳化硅基体、或者蓝宝石基体上，也可以生长在氮化镓自支撑晶片或者氮化铝自支撑晶片上。
[0012]根据本发明的实施例，在该半导体结构中，所述衬底为氮化镓晶片或者氮化铝晶片。具体地，所述衬底可以为氮化镓自支撑晶片、硅基氮化镓晶片、碳化硅基氮化镓晶片、蓝宝石基氣化嫁晶片、氣化招自支撑晶片、娃基氣化招晶片、碳化娃基氣化招晶片或者监宝石基氮化铝晶片。上述晶片材料来源广泛，容易获得，进而可以扩展该半导体结构的应用范围。
[0013]根据本发明的实施例，在该半导体结构中，所述界面层为非晶态。由此，一方面可以利用制备介质层的技术和设备来制备界面层，简化界面层的制备工艺和设备要求;另一方面，由非晶态材料构成界面层，可以改善界面缺陷，进一步提高该半导体结构的界面性會K。
[0014]根据本发明的实施例，在该半导体结构中，所述界面层是由氮化铝或氮氧化铝形成的。由此可以进一步提高该半导体结构的界面性能。
[0015]根据本发明的实施例，在该半导体结构中，所述介质层是由高k介质形成的。由此，可以利用高k介质为该半导体结构提供具有较高介电常数的介质层，在相同的栅电容的情况下介质层厚度可以增厚，从而可以减小栅极漏电，进而可以进一步提高该半导体结构的性能。
[0016]根据本发明的实施例，在该半导体结构中，所述高k介质包括选自Al2O3、HfO2以及T12的至少之一。由此，可以提高该高k介质构成的介质层与界面层的匹配程度，进而可以进一步提高该半导体结构的性能。
[0017]根据本发明的实施例，在该半导体结构中，所述界面层的厚度为I?3nm。由此，可以通过控制界面层的厚度在上述范围内，既利用适当厚度的界面层改善界面质量，又防止过厚的界面层降低栅介质的电容，进而防止因栅控能力的减弱而造成该半导体结构的漏电增加。
[0018]根据本发明的实施例，在该半导体结构中，所述界面层和介质层是通过原子层沉积技术形成的。原子层沉积是制备栅介质薄膜的最常用方法，工艺成本较低，通过这种技术先后沉积界面层和介质层，一方面可以严格控制界面层以及介质层的厚度以及组成，进而可以保障该半导体结构的性能;又一方面，在沉积界面层后立即原位沉积介质层，可改善界面层和介质层的界面质量，可以进一步提高该半导体结构的性能;再一方面，因工艺简化，原子层沉积的设备成本低，可以降低成本。
[0019]在本发明的另一方面，本发明提出了一种场效应晶体管。根据本发明的实施例，该场效应晶体管包含前面所述的半导体结构。该场效应晶体管以非极性的氮化物半导体材料为沟道，具有金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)结构。由此，可以利用前面描述的半导体结构为该场效应晶体管提供具有优良的界面性能的半导体结构，进而可以提高该场效应晶体管的性能，获得高性能的基于非极性的氮化物半导体材料为沟道的MOSFET器件。
[0020]在本发明的又一方面，本发明提出了一种形成半导体结构的方法。根据本发明的实施例，该方法包括:(I)提供衬底，所述衬底上表面的至少一部分是由氮化物半导体晶体形成的非极性面或者半极性面；(2)在所述衬底的非极性面或者半极性面设置界面层；(3)在所述界面层远离所述衬底的表面设置介质层；以及(4)在所述介质层远离所述界面层的表面设置金属层。由此，可以在衬底的非极性面或半极性面上形成半导体结构，进而可以有效防止由于衬底表面的强极性而导致衬底表面形成不稳定的化学键，并改善界面对可移动电荷的吸附作用，进而可以提高形成的半导体结构的界面性能。
[0021]另外，根据本发明实施例的形成半导体结构的方法还可以具有如下附加技术特征的至少之一:
[0022]根据本发明的实施例，在步骤(2)之前，预先对所述衬底进行表面处理，所述表面处理包括:利用干法刻蚀或湿法腐蚀，以便除去所述衬底表面的自然氧化物。由此，可以获得表面洁净的衬底，进而可以提高后续处理的效率以及效果，并防止上述自然氧化物对利用该方法制备的半导体结构的性能造成影响。
[0023]根据本发明的实施例，所述干法刻蚀为以犯为气源的等离子体刻蚀。由此，可以利用等离子体简便地通过刻蚀的方式除去衬底表面的氧化物，进而可以提高该方法的效率以及效果。
[0024]根据本发明的实施例，所述湿法腐蚀为王水腐蚀。由此，可以利用王水通过化学腐蚀的方式除去衬底表面的氧化物，进而可以提高该方法的效率以及效果。
[0025]根据本发明的实施例，在步骤(2)以及步骤(3)中，利用原子层沉积技术形成所述界面层和所述介质层。由此，可以简便地利用同一方法和设备形成界面层以及介质层，进而可以提高利用该方法制备半导体结构的效率以及效果，同时降低成本。
[0026]根据本发明的实施例，利用所述原子层沉积技术形