专利名称：绝缘栅场效应晶体管及其制造方法
技术领域：
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种绝缘栅场效应晶体管，以及制造该绝缘栅场效应晶体管的方法。
背景技术：
III族氮化物半导体具有宽的禁带宽度、高的介电击穿电场和高的电子饱和漂移速度等特性，适用于制作高温、高速转换和大功率的电子器件。在GaN基场效应晶体管中，通过压电极化和自发极化在沟道层中产生大量电荷。由于二维电子气的来源是氮化物表面的施主型表面态电离而来，因此氮化物晶体管的电流密度对表面态极其敏感，容易引起电流崩塌效应。另外，GaN基电子器件的外延生长时，由于存在晶格失配，GaN缓冲层在AlGaN中引入的张应力，使得材料表面出现许多缺陷，这些表面缺陷也会影响器件的性能，如引起 电流崩塌效应和器件的可靠性问题等。在GaN基场效应晶体管中，按栅极结构通常可分为两大类，肖特基栅场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管。肖特基接触的栅极制作简单，表面容易控制，对射频器件来说非常理想，但是由于其没有介质层隔离，栅极的漏电流相对较高，另外，由于受到肖特基接触的正向导通的限制，栅极的偏压原则上不能超过2V，否则栅极就失去了对沟道的控制能力。绝缘栅通常是在栅金属下加入介质层，如二氧化硅、氧化铝、氧化铪、氮化硅和氮氧化硅等，栅极的漏电流相对较低，很适合于功率器件。现有技术制成的氮化物晶体管通常具有三种结构，如图la、lb、lc所示。图Ia所示的氮化镓晶体管在制备的过程中，通过刻蚀栅区的介质层6，暴露出氮化物表面，生成具有肖特基接触的栅极11。这种方法的缺点是，氮化物的表面容易在干法刻蚀的过程中受到损伤，增加表面态，从而降低器件性能。此外，肖特基接触也带来很大的反向漏电流，引起器件的可靠性问题。为了降低栅极的漏电流，可以在刻蚀掉栅区的氮化硅钝化层后重新沉积栅极处的绝缘层，如利用ALD等设备沉积绝缘介质层，如图Ib所示。但是在刻蚀和介质层6沉积的过程中，氮化物晶体管I的表面会受到损伤。而且在沉积ALD介质层之前，氮化物晶体管I的表面也会受到一定程度的沾污，这些因素都会引起表面态的增加，降低器件性能。ALD介质层和氮化物之间的界面态也是一个悬而未决的大问题，可以引起严重的电流崩塌效应。另外一种结构也可以实现绝缘栅型氮化物场效应管，如图Ic所示。在刻蚀栅极处的介质层时，可以通过控制刻蚀的速度和时间，在栅下局部保留一部分介质层6。但是，由于刻蚀过程的重复性问题，保留的介质层的厚度无法得到精确控制，从而造成阈值电压的漂移。
发明内容
本发明的目的在于提供一种绝缘栅场效应晶体管结构及其制造方法，其通过在氮化物晶体管结构上生长多层复合介质层，并在该复合介质中间层引入金属，含有金属的这层介质的刻蚀速度远低于不含金属的介质。在栅极区域刻蚀栅槽时，由于刻蚀速度的巨大差异，复合介质的上层被刻蚀掉后，可以很容易地控制刻蚀过程停止在中间的含金属的介质层。这样能精确地控制栅槽刻蚀的深度由于氮化物晶体管的表面始终都被剩下的复合介质层下层覆盖保护，避免了离子刻蚀过程中给氮化物表面带来的损伤。同时，余下的介质层也隔绝了其他污染对晶体管表面的影响。避免了应力的释放和氮化物表面的沾污，极大的降低器件的电流崩塌效应。采用本发明的结构和方法，既在工艺过程中保护了器件的表面，也精确地控制了栅槽刻蚀的深度，稳定了器件的阈值电压。为实现上述发明目的，本发明公开了一种绝缘栅场效应晶体管，包括衬底；设于所述衬底上的氮化物晶体管结构；所述氮化物晶体管结构上的介质层，所述介质层包括所述氮化物晶体管结构上的第一介质层、所述第一介质层上的第二介质层以及所述第二介质层上的第三介质层，其中，所述第二介质层的材质中含有金属，所述介质层上定义有栅极区域及分别位于所述栅极区域两侧的两处欧姆接触区域，该两处欧姆接触区域分别贯穿所述介质层；形成于所述栅极区域且至少部分贯穿所述介质层的凹槽；形成于所述凹槽内的金属栅极；位于所述两处欧姆接触区域的源电极和漏电极。优选的，在上述绝缘栅场效应晶体管中，所述氮化物晶体管结构包括位于所述衬底上的氮化物成核层；位于所述氮化物成核层上的氮化物缓冲层；位于所述氮化物缓冲层上的氮化物沟道层；位于所述氮化物沟道层上的氮化物势垒层。优选的，在上述绝缘栅场效应晶体管中，所述氮化物成核层为AlInGaN,所述氮化物缓冲层为AlGaN，所述氮化物沟道层为GaN，所述氮化物势垒层为AlInGaN。优选的，在上述绝缘栅场效应晶体管中，所述第一介质层选自氮化硅、氮化铝、硅氧氮、硅铝氮、铝氧氮、氧化铪、氧化铝铪、氧化钛、氧化镍中的一种或多种的组合。优选的，在上述绝缘栅场效应晶体管中，所述第二介质层中的金属选自铝、镍、钛或镁中的一种或多种的组合。优选的，在上述绝缘栅场效应晶体管中，所述第二介质层选自氮化铝、硅铝氮、氧化铝、氧氮化铝氮化镁、硅镁氮、氧化镁、氧氮化镁、镁铝氮、硅镁铝氮或氧化镁铝。优选的，在上述绝缘栅场效应晶体管中，所述第三介质层选自氮化硅、二氧化硅、硅铝氮或硅氧氮。优选的，在上述绝缘栅场效应晶体管中，所述的金属栅极还具有场板结构。优选的，在上述绝缘栅场效应晶体管中，所述凹槽的内壁上还沉积有附加介质层，所述金属栅极形成于所述附加介质层上，所述附加介质层的材质选自A1203、A10N、SiN、SiON、SiO2, HfAlO、TiO2' NiO、HfO2,、AIN、SiAlN 中的一种或多种的组合。优选的，在上述绝缘栅场效应晶体管中，所述第一介质层的厚度为0. 25飞Onm，所述第二介质层的厚度为0. 25 50nm,所述第三介质层的厚度为l 300nm。本发明还公开了一种绝缘栅场效应晶体管的制造方法，包括以下步骤提供一衬底，在所述衬底上形成氮化物晶体管结构；在形成的氮化物晶体管结构上分别生长第一介质层、第二介质层和第三介质层，、其中，所述第二介质层的材质中含有金属，所述第三介质层上定义有栅极区域；在所述栅极区域上形成一向氮化物晶体管结构延伸的凹槽，所述凹槽至少贯穿所述第三介质层；在所述凹槽内形成金属栅极；在所述栅极区域的两侧分别刻蚀所述介质层，以形成两处欧姆接触区域；在所述两处欧姆接触区域分别形成源电极和漏电极。优选的，在上述绝缘栅场效应晶体管的制造方法中，所述凹槽的形成包括采用氟基等离子体刻蚀所述第三介质层。优选的，在上述绝缘栅场效应晶体管的制造方法中，所述凹槽的形成还包括采用KOH的湿法腐蚀或者是基于氯离子的干法刻蚀刻蚀所述第二介质层。 优选的，在上述绝缘栅场效应晶体管的制造方法中，在所述凹槽内在形成金属栅极之前，还包括对所述凹槽底部对应的第二介质层进行氧化处理。优选的，在上述绝缘栅场效应晶体管的制造方法中，所述氧化后的第二介质层和第一介质层构成复合介质层，形成绝缘栅结构。与现有技术相比，本发明通过在氮化物晶体管结构上形成介质层，并在该介质层中引入金属，在栅极区域通过控制刻蚀的速度和深度形成凹槽结构，然后在凹槽处设置金属栅极，这样就避免了氮化物表面的空气沾污，或者是在工艺流程过程中的损害。介质层采用SiN等材质，具有极闻的热稳定性，可以稳定氣化物晶体管的表面，同时减少缺陷和表面态的密度，从而使本发明绝缘栅场效应晶体管的电学性质、表面质量和氮化物晶体管的结构质量得到较大的改善，如抑制电流崩塌效应等。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图Ia至图Ic是现有技术中氮化物晶体管的结构示意图；图2a至图2e是本发明第一实施方式的绝缘栅场效应晶体管及其制造方法的一系列制程剖面图；图3a至图3f是本发明第二实施方式的绝缘栅场效应晶体管及其制造方法的一系列制程剖面图；图4a至图4f是本发明第三实施方式的绝缘栅场效应晶体管及其制造方法的一系列制程剖面图；图5a至图5f是本发明第四实施方式的绝缘栅场效应晶体管及其制造方法的一系列制程剖面图；图6a至图6f是本发明第五实施方式的绝缘栅场效应晶体管及其制造方法的一系列制程剖面图；图7a至图7g是本发明第六实施方式的绝缘栅场效应晶体管及其制造方法的一系列制程剖面图。
具体实施例方式以下将结合附图所示的具体实施方式
对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。此外，在不同的实施例中可能使用重复的标号或标示。这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关联性。参图2e所示，本发明第一实施方式中，绝缘栅场效应晶体管包括衬底I以及依次在衬底I上形成的氮化物成核层2、氮化物缓冲层3、氮化物沟道层4、氮化物势垒层5、氮化硅层6 (第一介质层)、硅铝氮层7 (第二介质层)和氮化硅层8 (第三介质层)。氮化硅层8的栅极区域设有凹槽Hl (参图2d)，凹槽Hl的高度等于氮化硅层8的厚度；凹槽Hl内形成有金属栅极11，金属栅极11下方的绝缘栅介质由氮化硅层6和硅铝氮层7组成，金属栅极11具有场板结构111 ;栅极区域的两侧分别设有源电极9和漏电极10，源电极9和漏电极 10在竖直方向上分别贯穿氮化硅层8、硅铝氮层7和氮化硅层6，且与氮化物势垒层5相接触。参图2a至图2e，为本发明第一实施方式绝缘栅场效应晶体管及其制造方法的一系列制程剖面图。参图2a，首先，提供一衬底I。衬底I可选自半导体材料、陶瓷材料或高分子材料等。在本实施方式中，衬底I优选自蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、绝缘衬底硅(SOI)、氮化镓或氮化铝等。随后，在衬底I上制造氮化物晶体管结构，优选为AlInGaN。具体地，依次在衬底I上生长氮化物成核层2、氮化物缓冲层3、氮化物沟道层4、和氮化物势垒层5。这里所说的氮化物成核层2、氮化物缓冲层3、氮化物沟道层4和氮化物势垒层5的材质可以是任意一种三族氮化物或任意三族氮化物的组合。在本实施方式中，氮化物成核层2可采用AlInGaN，氮化物缓冲层3可例如采用AlGaN，氮化物沟道层4可例如采用GaN，氮化物势垒层5可例如采用AlInGaN，氮化物势垒层5采用富铝结构的AlInGaN，二维电子气的浓度可以很高，极大地降低薄膜电阻。在其他实施方式中，也可不设置氮化物势垒层5。接着，在完成的氮化物晶体管结构上生长介质层，该介质层上定义有栅极区域。具体地，依次在完成的氮化物晶体管结构上生长氮化硅层6、硅铝氮层7和氮化硅层8。本实施例的复合介质层是在氮化硅层中引入金属铝，即生成氮化硅层-硅铝氮层-氮化硅层，硅铝氮层7可以用来控制刻蚀的速度和深度，实现对栅极电压的精确控制。氮化硅层6具有结构致密的特点，质量好，可以大大降低栅极的漏电流。通过采用厚的钝化氮化硅层8结构，可以降低电流崩塌效应。参图2b，刻蚀介质层上栅极区域两侧的部分，以暴露出氮化物晶体管结构。在本实施方式中，可例如通过干法刻蚀露出氮化物势垒层5，甚至刻穿该氮化物势垒层5，生成两处欧姆接触区域。参图2c，最后，在其中一处欧姆接触区域上形成源电极9，并在另一处欧姆接触区域上形成漏电极10。参图2d，刻蚀介质层上的栅极区域，形成至少部分贯穿上述介质层的凹槽H1，该处的部分贯穿，是指凹槽的底面位于该介质层内。刻蚀过程可例如采用氟基离子刻蚀。由于氟基离子刻蚀硅铝氮层7的刻蚀速度远低于氮化硅层8。在栅极区域刻蚀凹槽Hl时，由于刻蚀速度的巨大差异，氮化硅层8被刻蚀掉后，铝硅氮层7可以很容易地控制刻蚀过程，这样能精确地控制凹槽Hl的深度。凹槽Hl还可以通过其他选择性的干法刻蚀形成。参图2e，在凹槽Hl内沉积具有场板结构111的金属栅极11。金属栅极11为金属导电电极，其材质可选自镍Ni、Au、Pt、Ti、Al等金属中的一种或多种的组合。参图3f所示，本发明第二实施方式中，绝缘栅场效应晶体管包括衬底I以及依次在衬底I上形成的氮化物成核层2、氮化物缓冲层3、氮化物沟道层4、氮化物势垒层5、氮化硅层6 (第一介质层)、硅铝氮层7 (第二介质层)和氮化硅层8 (第三介质层)。氮化硅层8的栅极区域设有凹槽H2 (参图2d)，凹槽H2的高度等于硅铝氮层7和氮化硅层8的厚度之和；凹槽H2内形成有金属栅极11，金属栅极11下方的绝缘栅介质为氮化硅层6，金属栅极11具有场板结构111 ;栅极区域的两侧分别设有源电极9和漏电极10，源电极9和漏电极10在竖直方向上分别贯穿氮化硅层8、硅铝氮层7和氮化硅层6，且与氮化物势垒层5相接 触。参图3a至图3f，为本发明第二实施方式绝缘栅场效应晶体管及其制造方法的一系列制程剖面图。参图3a，首先，提供一衬底I。衬底I可选自半导体材料、陶瓷材料或高分子材料等。在本实施方式中，衬底I优选自蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、绝缘衬底硅(SOI)、氮化镓或氮化铝等。随后，在衬底I上制造氮化物晶体管结构，优选为AlInGaN。具体地，依次在衬底I上生长氮化物成核层2、氮化物缓冲层3、氮化物沟道层4、和氮化物势垒层5。这里所说的氮化物成核层2、氮化物缓冲层3、氮化物沟道层4和氮化物势垒层5的材质可以是任意一种三族氮化物或任意三族氮化物的组合。在本实施方式中，氮化物成核层2可采用AlInGaN，氮化物缓冲层3可例如采用AlGaN，氮化物沟道层4可例如采用GaN，氮化物势垒层5可例如采用AlInGaN，氮化物势垒层5采用富铝结构的AlInGaN，二维电子气的浓度可以很高，极大地降低薄膜电阻。在其他实施方式中，也可不设置氮化物势垒层5。接着，在完成的氮化物晶体管结构上生长介质层，该介质层上定义有栅极区域。具体地，依次在完成的氮化物晶体管结构上生长氮化硅层6、硅铝氮层7和氮化硅层8。本实施例的复合介质层是在氮化硅层中引入铝元素，即氮化硅层-硅铝氮层-氮化硅层，硅铝氮层7可以控制氟基的离子刻蚀的速度和深度，实现对栅极电压的精确控制。氮化硅层6具有结构致密的特点，质量好，可以大大降低栅极的漏电流。通过采用厚的氮化硅钝化层8结构，可以降低电流崩塌效应参图3b，刻蚀介质层上栅极区域两侧的部分，以暴露出氮化物晶体管结构。在本实施方式中，可通过干法刻蚀露出氮化物势垒层5，甚至刻穿该氮化物势垒层5，生成两处欧姆接触区域。参图3c，最后，在其中一处欧姆接触区域上形成源电极9，并在另一处欧姆接触区域上形成漏电极10。参图3d，刻蚀介质层上的栅极区域，形成至少部分贯穿上述介质层的凹槽H2，该处的部分贯穿，是指凹槽的底面位于该介质层内。刻蚀过程可例如采用氟基离子刻蚀。凹槽H2还可以通过其他选择性的干法刻蚀形成。参图3e，在基于氟基离子的干法刻蚀后，可用基于KOH的湿法腐蚀，或者是基于氯离子的干法刻蚀继续去掉硅铝氮层7。参图3f，在凹槽H2内沉积具有场板结构111的金属栅极11。金属栅极11为金属导电电极，其材质可选自Ni、Au、Pt、Ti、Al等金属中的一种或多种的组合。参图4f所示，本发明第三实施方式中，绝缘栅场效应晶体管包括衬底I以及依次在衬底I上形成的氮化物成核层2、氮化物缓冲层3、氮化物沟道层4、氮化物势垒层5、氮化硅层6 (第一介质层)、硅铝氮层7 (第二介质层)和氮化硅层8 (第三介质层)。氮化硅层8的栅极区域设有凹槽H3 (参图3d)，凹槽H3的高度等于氮化硅层8的厚度；凹槽H3内形成有金属栅极11，金属栅极11与氮化硅层6之间还形成有氧化铝层12，金属栅极11下方的绝缘栅介质由氮化硅层6和氧化铝层12组成，金属栅极11具有场板结构111 ;栅极区域的两侧分别设有源电极9和漏电极10，源电极9和漏电极10在竖直方向上分别贯穿氮化硅层 8、硅铝氮层7和氮化硅层6，且与氮化物势垒层5相接触。参图4a至图4f，为本发明第三实施方式绝缘栅场效应晶体管及其制造方法的一系列制程剖面图。参图4a，首先，提供一衬底I。衬底I可选自半导体材料、陶瓷材料或高分子材料等。在本实施方式中，衬底I优选自蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、绝缘衬底硅(SOI)、氮化镓或氮化铝等。随后，在衬底I上制造氮化物晶体管结构，优选为AlInGaN。具体地，依次在衬底I上生长氮化物成核层2、氮化物缓冲层3、氮化物沟道层4、和氮化物势垒层5。这里所说的氮化物成核层2、氮化物缓冲层3、氮化物沟道层4和氮化物势垒层5的材质可以是任意一种三族氮化物或任意三族氮化物的组合。在本实施方式中，氮化物成核层2可采用AlInGaN，氮化物缓冲层3可例如采用AlGaN，氮化物沟道层4可例如采用GaN，氮化物势垒层5可例如采用AlInGaN，氮化物势垒层5采用富铝结构的AlInGaN，二维电子气的浓度可以很高，极大地降低薄膜电阻。在其他实施方式中，也可不设置氮化物势垒层5。接着，在完成的氮化物晶体管结构上生长介质层，该介质层上定义有栅极区域。具体地，依次在完成的氮化物晶体管结构上生长氮化硅层6、硅铝氮层7和氮化硅层8。本实施例的复合介质层是在氮化硅层中引入金属铝，生成氮化硅层-硅铝氮层-氮化硅层，硅铝氮层7可以控制氟基的离子刻蚀的刻蚀速度和深度，实现对栅极电压的精确控制。氮化硅层6具有结构致密的特点，质量好，可以大大降低栅极的漏电流。通过采用厚的氮化硅钝化层8结构，可以降低电流崩塌效应。参图4b，刻蚀介质层上栅极区域两侧的部分，以暴露出氮化物晶体管结构。在本实施方式中，可例如通过干法刻蚀露出氮化物势垒层5，甚至刻穿该氮化物势垒层5，生成两处欧姆接触区域。参图4c，最后，在其中一处欧姆接触区域上形成源电极9，并在另一处欧姆接触区域上形成漏电极10。参图4d，刻蚀介质层上的栅极区域，形成至少部分贯穿上述介质层的凹槽H3，该处的部分贯穿，是指凹槽的底面位于该介质层内。刻蚀过程可例如采用氟基等离子刻蚀。凹槽H3还可以通过其他选择性的干法刻蚀形成。
参图4e，在刻蚀完成后，可例如通过热氧化、湿法氧化、氧离子、或者臭氧等方法把凹槽H3处对应的硅铝氮层7氧化，形成氧化铝、氧化硅铝、氮氧硅铝、氮氧化铝12或其混合物。氧化后，可进一步降低栅极的漏电流。氧化后的硅铝氮层7和氮化硅层6构成复合介质层，形成绝缘栅结构。参图4f，在凹槽H3内沉积具有场板结构111的金属栅极11。金属栅极11为金属导电电极，其材质可选自Ni、Au、Pt、Ti、Al等金属中的一种或多种的组合。在本发明第三实施例中，硅铝氮层7被氧化后，还可以在刻蚀形成的凹槽H3内及氮化硅层8的上表面沉积附加介质层。该附加介质层的材质可例如包括Al2O3或者A10N，附加介质层的生长方式可以是通过原子层沉积、或化学气相沉积、或分子束外延生长、或等离子体增强化学气相沉积法、或低压化学蒸发沉积，或其组合方式制得。应该理解，这里描述形成附加介质层的方法只是进行举例，本发明可以通过本领域的技术人员公知的任何方 法形成附加介质层。附加介质层的材质还可选自SiN、Si0N、Si02、Hf02、AlN、SiAlN、HfA10、Ti02、Ni0中的一种或多种的组合。参图5f所示，本发明第四实施方式中，绝缘栅场效应晶体管包括衬底I以及依次在衬底I上形成的氮化物成核层2、氮化物缓冲层3、氮化物沟道层4、氮化物势垒层5、氮化硅层6 (第一介质层)、硅铝氮层7 (第二介质层)和氮化硅层8 (第三介质层)。氮化硅层8的栅极区域设有凹槽H4 (参图4d)，凹槽H4的高度等于氮化硅层8的厚度；凹槽H4的内壁及氮化硅层8的表面形成有附加介质层13 ;金属栅极11设于凹槽H4内且位于附加介质层13上，金属栅极11具有场板结构111 ;栅极区域的两侧分别设有源电极9和漏电极10，源电极9和漏电极10在竖直方向上分别贯穿氮化硅层8、硅铝氮层7和氮化硅层6，且与氮化物势垒层5相接触。参图5a至图5f，为本发明第四实施方式绝缘栅场效应晶体管及其制造方法的一系列制程剖面图。参图5a，首先，提供一衬底I。衬底I可选自半导体材料、陶瓷材料或高分子材料等。在本实施方式中，衬底I优选自蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、绝缘衬底硅(SOI)、氮化镓或氮化铝等。随后，在衬底I上制造氮化物晶体管结构，优选为AlInGaN。具体地，依次在衬底I上生长氮化物成核层2、氮化物缓冲层3、氮化物沟道层4、和氮化物势垒层5。这里所说的氮化物成核层2、氮化物缓冲层3、氮化物沟道层4和氮化物势垒层5的材质可以是任意一种三族氮化物或任意三族氮化物的组合。在本实施方式中，氮化物成核层2可采用AlInGaN，氮化物缓冲层3可例如采用AlGaN，氮化物沟道层4可例如采用GaN，氮化物势垒层5可例如采用AlInGaN，氮化物势垒层5采用富铝结构的AlInGaN，二维电子气的浓度可以很高，极大地降低薄膜电阻。在其他实施方式中，也可不设置氮化物势垒层5。接着，在完成的氮化物晶体管结构上生长介质层，该介质层上定义有栅极区域。具体地，依次在完成的氮化物晶体管结构上生长氮化硅层6、硅铝氮层7和氮化硅层8。本实施例的复合介质层是在氮化硅层中引入金属铝，即形成氮化硅层-硅铝氮层-氮化硅层复合介质层，硅铝氮层7可以在氟基的离子刻蚀中控制刻蚀的速度和深度，实现对栅极电压的精确控制。氮化硅层6具有结构致密的特点，质量好，可以大大降低栅极的漏电流。通过采用厚的氮化硅钝化层8结构，可以降低电流崩塌效应。
参图5b，刻蚀介质层上栅极区域两侧的部分，以暴露出氮化物晶体管结构。在本实施方式中，可例如通过干法刻蚀露出氮化物势垒层5，甚至刻穿该氮化物势垒层5，生成两处欧姆接触区域。参图5c，最后，在其中一处欧姆接触区域上形成源电极9，并在另一处欧姆接触区域上形成漏电极10。 参图5d，刻蚀介质层上的栅极区域，形成至少部分贯穿上述介质层的凹槽H4，该处的部分贯穿，是指凹槽的底面位于该介质层内。刻蚀过程可例如采用氟基等离子刻蚀。凹槽H4还可以通过其他选择性的干法刻蚀形成。参图5e，在刻蚀形成的凹槽H4内及氮化硅层8的上表面沉积附加介质层13。该附加介质层13的材质可例如包括Al2O3或者A10N，附加介质层13的生长方式可以是通过原子层沉积、或化学气相沉积、或分子束外延生长、或等离子体增强化学气相沉积法、或低压化学蒸发沉积，或其组合方式制得。应该理解，这里描述形成附加介质层的方法只是进行举例，本发明可以通过本领域的技术人员公知的任何方法形成附加介质层。附加介质层的材质还可选自SiN、SiON、SiO2, HfO2, AIN、SiAIN、HfAlO、TiO2, NiO中的一种或多种的组
口 o参图5f，在凹槽H4内附加介质层13上沉积具有场板结构111的金属栅极11。金属栅极11为金属导电电极，其材质可选自Ni、Au、Pt、Ti、Al等金属中的一种或多种的组
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口 o参图6f所示，本发明第五实施方式中，绝缘栅场效应晶体管包括衬底I以及依次在衬底I上形成的氮化物成核层2、氮化物缓冲层3、氮化物沟道层4、氮化物势垒层5、硅铝氮层6 (第一介质层)、硅铝氮层7 (第二介质层)和氮化硅层8 (第三介质层)。氮化硅层8的栅极区域设有凹槽H5 (参图5d)，凹槽H5的高度等于氮化硅层8的厚度；凹槽H5内形成有金属栅极11，金属栅极11与硅铝氮层7之间还形成有氧化处理后的硅铝氮层12，金属栅极11具有场板结构111 ;栅极区域的两侧分别设有源电极9和漏电极10，源电极9和漏电极10在竖直方向上分别贯穿氮化硅层8、硅铝氮层7和硅铝氮层6，且与氮化物势垒层5相接触。参图6a至图6f，为本发明第五实施方式绝缘栅场效应晶体管及其制造方法的一系列制程剖面图。参图6a，首先，提供一衬底I。衬底I可选自半导体材料、陶瓷材料或高分子材料等。在本实施方式中，衬底I优选自蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、绝缘衬底硅(SOI)、氮化镓或氮化铝等。随后，在衬底I上制造氮化物晶体管结构，优选为AlInGaN。具体地，依次在衬底I上生长氮化物成核层2、氮化物缓冲层3、氮化物沟道层4、和氮化物势垒层5。这里所说的氮化物成核层2、氮化物缓冲层3、氮化物沟道层4和氮化物势垒层5的材质可以是任意一种三族氮化物或任意三族氮化物的组合。在本实施方式中，氮化物成核层2可采用AlInGaN，氮化物缓冲层3可例如采用AlGaN，氮化物沟道层4可例如采用GaN，氮化物势垒层5可例如采用AlInGaN，氮化物势垒层5采用富铝结构的AlInGaN，二维电子气的浓度可以很高，极大地降低薄膜电阻。在其他实施方式中，也可不设置氮化物势垒层5。接着，在完成的氮化物晶体管结构上生长复合介质层，该复合介质层上定义有栅极区域。具体地，依次在完成的氮化物晶体管结构上生长介质层6和介质层7时引入金属铝，该复合介质层的具体结构为硅铝氮层6、硅铝氮层7和氮化硅层8。引入的金属铝可以控制离子刻蚀的速度和深度，实现对栅极电压的精确控制。通过采用厚的氮化硅钝化层8结构，可以降低电流崩塌效应参图6b，刻蚀介质层上栅极区域两侧的部分，以暴露出氮化物晶体管结构。在本实施方式中，可例如通过干法刻蚀露出氮化物势垒层5，甚至刻穿该氮化物势垒层5，生成两处欧姆接触区域。参图6c，最后，在其中一处欧姆接触区域上形成源电极9，并在另一处欧姆接触区域上形成漏电极10。 参图6d，刻蚀介质层上的栅极区域，形成至少部分贯穿上述介质层的凹槽H5，该处的部分贯穿，是指凹槽的底面位于该介质层内。刻蚀过程可例如采用氟基等离子刻蚀。凹槽H5还可以通过其他选择性的干法刻蚀形成。参图6e，在刻蚀完成后，可例如通过热氧化、湿法氧化、氧离子、或者臭氧等方法把凹槽H5处对应的硅铝氮层7进行局部氧化，例如仅氧化硅铝氮层7表面的几个纳米，形成氧化铝、氧化硅铝、氮氧硅铝、氮氧化铝或其混合物12。氧化后，可进一步降低栅极的漏电流。参图6f,在凹槽H5内沉积具有场板结构111的金属栅极11。金属栅极11为金属导电电极，其材质可选自Ni、Au、Pt、Ti、Al等金属中的一种或多种的组合。参图7g所示，本发明第六实施方式中，绝缘栅场效应晶体管包括衬底I以及依次在衬底I上形成的氮化物成核层2、氮化物缓冲层3、氮化物沟道层4、氮化物势垒层5、氮化硅层6 (第一介质层)、硅铝氮层7 (第二介质层)和氮化硅层8 (第三介质层)。氮化硅层8的栅极区域设有凹槽H6 (参图6d)，凹槽H6的高度等于硅铝氮层7和氮化硅层8的厚度之和；凹槽H6的内壁及氮化娃层8的表面形成有附加介质层13 ;金属栅极11设于凹槽H6内且位于附加介质层13上，金属栅极11具有场板结构111 ;栅极区域的两侧分别设有源电极9和漏电极10，源电极9和漏电极10在竖直方向上分别贯穿氮化硅层8、硅铝氮层7和氮化硅层6，且与氮化物势垒层5相接触。参图7a至图7g，为本发明第六实施方式绝缘栅场效应晶体管及其制造方法的一系列制程剖面图。参图7a，首先，提供一衬底I。衬底I可选自半导体材料、陶瓷材料或高分子材料等。在本实施方式中，衬底I优选自蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、绝缘衬底硅(SOI)、氮化镓或氮化铝等。随后，在衬底I上制造氮化物晶体管结构，优选为AlInGaN。具体地，依次在衬底I上生长氮化物成核层2、氮化物缓冲层3、氮化物沟道层4、和氮化物势垒层5。这里所说的氮化物成核层2、氮化物缓冲层3、氮化物沟道层4和氮化物势垒层5的材质可以是任意一种三族氮化物或任意三族氮化物的组合。在本实施方式中，氮化物成核层2可采用AlInGaN，氮化物缓冲层3可例如采用AlGaN，氮化物沟道层4可例如采用GaN，氮化物势垒层5可例如采用AlInGaN，氮化物势垒层5采用富铝结构的AlInGaN，二维电子气的浓度可以很高，极大地降低薄膜电阻。在其他实施方式中，也可不设置氮化物势垒层5。接着，在完成的氮化物晶体管结构上生长介质层，该介质层上定义有栅极区域。具体地，在完成的氮化物晶体管结构上生长上述介质层时引入金属铝形成复合介质层结构，具体为氮化硅层6、硅铝氮层7和氮化硅层8。金属铝可以控制离子刻蚀时的速度和深度，实现对栅极电压的精确控制。氮化硅层6具有结构致密的特点，质量好，可以大大降低栅极的漏电流。通过采用厚的氮化硅钝化层8结构，可以降低电流崩塌效应参图7b，刻蚀介质层上栅极区域两侧的部分，以暴露出氮化物晶体管结构。在本实施方式中，可例如通过干法刻蚀露出氮化物势垒层5，甚至刻穿该氮化物势垒层5，生成两处欧姆接触区域。参图7c，最后，在其中一处欧姆接触区域上形成源电极9，并在另一处欧姆接触区域上形成漏电极10。参图7d，刻蚀介质层上的栅极区域，形成至少部分贯穿上述介质层的凹槽H6，该处的部分贯穿，是指凹槽的底面位于该介质层内。刻蚀过程可例如采用氟基等离子刻蚀。凹 槽H6还可以通过其他选择性的干法刻蚀形成。之后，可采用基于KOH的湿法腐蚀，或者是基于氯离子的干法刻蚀，去除硅铝氮层7。参图7f，在刻蚀形成的凹槽H6内及氮化硅层8的上表面沉积附加介质层13。该附加介质层13的材质可例如包括Al2O3或者A10N，附加介质层13的生长方式可以是通过原子层沉积、或化学气相沉积、或分子束外延生长、或等离子体增强化学气相沉积法、或低压化学蒸发沉积，或其组合方式制得。应该理解，这里描述形成附加介质层的方法只是进行举例，本发明可以通过本领域的技术人员公知的任何方法形成附加介质层。附加介质层的材质还可选自 SiN、SiON、SiO2, HfO2, AIN、SiAIN、HfAlO、TiO2, NiO 中的一种或多种的组合。参图7g，在凹槽H6内的附加介质层13上沉积具有场板结构111的金属栅极11。金属栅极11为金属导电电极，其材质可选自Ni、Au、Pt、Ti、Al等金属中的一种或多种的组
八
口 o本发明的绝缘栅场效应晶体管中，第一介质层为氮化物介质层，第二介质层的材质中含有金属，该金属还可以为镁。第一介质层的厚度优选为0. 25 50nm,第二介质层的厚度优选为0. 25飞Onm，第三介质层的厚度优选为l 300nm。通过上述的实施方式，本发明绝缘栅场效应晶体管制作方法制得的绝缘栅场效应晶体管具有以下有益效果本发明通过在氮化物晶体管结构上生长介质层时引入金属，达到控制离子刻蚀时的速度和深度的作用。并在该介质层的栅极区域形成凹槽结构，然后在凹槽处设置金属栅极，这样就极大减少了氮化物表面的空气沾污，或者是在工艺流程过程中的损害。介质层采用SiN等材质，具有极闻的热稳定性，可以稳定氣化物晶体管的表面，同时减少缺陷和表面态的密度，从而使本发明绝缘栅场效应晶体管的电学性质、表面质量和氮化物晶体管的结构质量得到较大的改善，如抑制电流崩塌效应等。应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保 护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种绝缘栅场效应晶体管，其特征在于，包括 衬底； 设于所述衬底上的氮化物晶体管结构； 所述氮化物晶体管结构上的介质层，所述介质层包括所述氮化物晶体管结构上的第一介质层、所述第一介质层上的第二介质层以及所述第二介质层上的第三介质层， 其中，所述第二介质层的材质中含有金属， 所述介质层上定义有栅极区域及分别位于所述栅极区域两侧的两处欧姆接触区域，该两处欧姆接触区域分别贯穿所述介质层； 形成于所述栅极区域且至少部分贯穿所述介质层的凹槽； 形成于所述凹槽内的金属栅极； 位于所述两处欧姆接触区域的源电极和漏电极。
2.根据权利要求I所述的绝缘栅场效应晶体管，其特征在于，所述氮化物晶体管结构包括 位于所述衬底上的氮化物成核层； 位于所述氮化物成核层上的氮化物缓冲层； 位于所述氮化物缓冲层上的氮化物沟道层； 位于所述氮化物沟道层上的氮化物势垒层。
3.根据权利要求2所述的绝缘栅场效应晶体管，其特征在于，所述氮化物成核层为AlInGaN,所述氮化物缓冲层为AlGaN，所述氮化物沟道层为GaN，所述氮化物势垒层为AlInGaN。
4.根据权利要求I所述的绝缘栅场效应晶体管，其特征在于，所述第一介质层选自氮化娃、氮化招、娃氧氮、娃招氮、招氧氮、氧化铪、氧化招铪、氧化钛、氧化镍中的一种或多种的组合。
5.根据权利要求I所述的绝缘栅场效应晶体管，其特征在于，所述第二介质层中的金属选自铝、镍、钛或镁中的一种或多种的组合。
6.根据权利要求5所述的绝缘栅场效应晶体管，其特征在于，所述第二介质层选自氮化铝、硅铝氮、氧化铝、氧氮化铝、氮化镁、硅镁氮、氧化镁、氧氮化镁、镁铝氮、硅镁铝氮或氧化镁铝。
7.根据权利要求I所述的绝缘栅场效应晶体管，其特征在于，所述第三介质层选自氮化硅、二氧化硅、硅铝氮或硅氧氮。
8.根据权利要求I所述的绝缘栅场效应晶体管，其特征在于，所述的金属栅极还具有场板结构。
9.根据权利要求I所述的绝缘栅场效应晶体管，其特征在于，所述凹槽的内壁上还沉积有附加介质层，所述金属栅极形成于所述附加介质层上，所述附加介质层的材质选自Al2O3' A10N、SiN, SiON, Si02、HfAlO, TiO2' NiO, HfO2,、AIN、SiAlN 中的一种或多种的组合。
10.根据权利要求I所述的绝缘栅场效应晶体管，其特征在于，所述第一介质层的厚度为0. 25 50nm,所述第二介质层的厚度为0. 25 50nm,所述第三介质层的厚度为l 300nm。
11.一种权利要求I所述绝缘栅场效应晶体管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤提供一衬底，在所述衬底上形成氮化物晶体管结构； 在形成的氮化物晶体管结构上分别生长第一介质层、第二介质层和第三介质层，其中，所述第二介质层的材质中含有金属，所述第三介质层上定义有栅极区域； 在所述栅极区域上形成一向氮化物晶体管结构延伸的凹槽，所述凹槽至少贯穿所述第三介质层；在所述凹槽内形成金属栅极； 在所述栅极区域的两侧分别刻蚀所述介质层，以形成两处欧姆接触区域； 在所述两处欧姆接触区域分别形成源电极和漏电极。
12.根据权利要求11所述的绝缘栅场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述凹槽的形成包括采用氟基等离子体刻蚀所述第三介质层。
13.根据权利要求12所述的绝缘栅场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述凹槽 的形成还包括采用KOH的湿法腐蚀或者是基于氯离子的干法刻蚀刻蚀所述第二介质层。
14.根据权利要求11所述的绝缘栅场效应晶体管的制造方法，其特征在于，在所述凹槽内在形成金属栅极之前，还包括对所述凹槽底部对应的第二介质层进行氧化处理。
15.根据权利要求14所述的绝缘栅场效应晶体管的制造方法，其特征在于，所述氧化后的第二介质层和第一介质层构成复合介质层，形成绝缘栅结构。
全文摘要
本发明公开了一种绝缘栅场效应晶体管及其制造方法。通过在氮化物晶体管结构上生长介质层时引入金属的方法，改变介质层的化学特性，起到控制刻蚀速度和深度的作用。在栅极区域局部减薄形成凹槽结构，并且在栅极处保留部分介质层。在栅极凹槽区域的介质层上，设置金属栅极，形成金属/介质层/半导体接触，同时利用凹槽形成场板结构。由于整个工艺流程中，半导体表面被介质层保护，极大减小了工艺过程中氮化物表面的损伤、应力的释放和氮化物表面的沾污，极大的降低器件的电流崩塌效应。而且由高质量的介质层构成的MISFET或者MOSFET结构，可以大大降低栅极漏电流。
文档编号H01L29/423GK102723358SQ20121017338
公开日2012年10月10日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者程凯 申请人:程凯