氮化镓晶体管及其制作方法与流程

本发明涉及半导体技术，尤其涉及一种氮化镓晶体管及其制作方法。

背景技术：

随着高效完备的功率转换电路和系统需求的日益增加，具有低功耗和高速特性的功率器件吸引了很多关注。氮化镓(gan)是第三代宽禁带半导体材料，由于其具有大禁带宽度(3.4ev)、高电子饱和速率(2e7cm/s)、高击穿电场(1e10--3e10v/cm)，较高热导率，耐腐蚀和抗辐射性能，在高压、高频、高温、大功率和抗辐照环境条件下具有较强的优势，被认为是研究短波光电子器件和高压高频率大功率器件的最佳材料。gan基algan/gan高电子迁移率晶体管(highelectronmobilitytransistor，hemt)是功率器件中的研究热点，这是因为algan/gan异质结处形成高浓度、高迁移率的二维电子气(2deg),同时异质结对2deg具有良好的调节作用。

由于algan/gan材料缺陷，hemt器件会存在电流崩塌现象，降低器件的可靠性。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种氮化镓晶体管及其制作方法，以改善氮化镓晶体管的电流崩塌效应。

第一方面，本发明实施例提供了一种一种氮化镓晶体管，包括：

硅衬底层；

氮化镓缓冲层，所述氮化镓缓冲层制作于所述硅衬底层表面；

氮化铝镓势垒层，所述氮化铝镓势垒层制作于所述氮化镓缓冲层表面；

氮化硅钝化层，所述氮化硅钝化层制作于所述氮化铝镓势垒层表面；

所述氮化硅钝化层上分别设置有源极、漏极及栅极，所述源极、所述漏极及所述栅极穿透所述氮化硅钝化层并延伸至所述氮化铝镓势垒层表面；

其中，所述栅极与所述氮化铝镓势垒层之间设置有用于和氧相关陷阱结合的金属薄层。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述金属薄层为铝薄层。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述铝薄层的厚度为28～32纳米。

结合第一方面、第一方面的第一种或第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述硅衬底层的厚度为200微米～600微米，所述氮化镓缓冲层的厚度为2微米～4微米，所述氮化铝镓势垒层的厚度为20纳米～30纳米，所述氮化硅钝化层的厚度为30～40纳米。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述硅衬底层的厚度为200微米或600微米，所述氮化镓缓冲层的厚度为3微米，所述氮化铝镓势垒层的厚度为25纳米，所述氮化硅钝化层的厚度为35纳米。

第二方面，本发明实施例提供了一种氮化镓晶体管的制作方法，包括：

在硅衬底层上依次生长氮化镓缓冲层及氮化铝镓势垒层，其中所述氮化镓缓冲层位于所述硅衬底层及所述氮化铝镓势垒层之间；

在所述氮化铝镓势垒层上淀积氮化硅钝化层；

刻蚀所述氮化硅钝化层至所述氮化铝镓势垒层表面，分别形成源极接触孔及漏极接触孔；

分别在所述源极接触孔及漏极接触孔中电子束蒸发源极金属及漏极金属，形成源极及漏极；

刻蚀所述氮化硅钝化层至所述氮化铝镓势垒层表面，形成栅极接触孔；

穿过所述栅极接触孔在所述氮化铝镓势垒层表面淀积用于和氧相关陷阱结合的金属薄层；

在所述栅极接触孔中电子束蒸发栅极金属，形成栅极。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述金属薄层为铝薄层。

结合第二方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面 的第二种可能的实施方式，其中所述铝薄层的厚度为28～32纳米。

本发明实施例的氮化镓晶体管，在栅极与氮化铝镓势垒层之间插入金属薄层，金属薄膜层能够与氧相关陷阱结合，从而减少氮化铝镓势垒层表面氧相关陷阱密度，随着氮化铝镓势垒层表面氧相关陷阱密度的减少，氮化镓晶体管的电流崩塌效应也会明显改善。

附图说明

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例氮化镓晶体管的制作方法流程图；

图2示出了本发明实施例氮化镓晶体管制作过程中的第一结构示意图；

图3示出了本发明实施例氮化镓晶体管制作过程中的第二结构示意图；

图4示出了本发明实施例氮化镓晶体管制作过程中的第三结构示意图；

图5示出了本发明实施例氮化镓晶体管制作过程中的第四结构示意图；

图6示出了本发明实施例氮化镓晶体管制作过程中的第五结构示意图；

图7示出了本发明实施例氮化镓晶体管制作过程中的第六结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些 以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或器的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或器，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或器。

gan基algan/gan高电子迁移率晶体管中，由于algan/gan材料缺陷，hemt器件会存在电流崩塌现象，其中，电流崩塌现象是指材料中的缺陷陷阱俘获电子，一方面令沟道层电子减少，另一方面令能带抬高引起对沟道层的进一步耗尽，从而形成对沟道电流具有控制作用的虚栅。由于这些表面态的充放电需要时间，在直流或应力条件下会造成瞬态，在rf条件下电流的变化赶不上rf信号的频率，使器件输出功率密度和功率附加效率减小，形成崩塌。

为了改善氮化镓晶体管的电流崩塌效应，本发明实施例提供了一种氮化镓晶体管的制作方法，如图1所示，该方法的主要处理步骤包括：

步骤s11：在硅衬底层上依次生长氮化镓缓冲层及氮化铝镓势垒层，其中氮化镓缓冲层位于硅衬底层及氮化铝镓势垒层之间。

如图2所示，氮化镓(gan)缓冲层位于硅(si)衬底层表面，氮化铝镓(algan)势垒层位于氮化镓缓冲层表面，具体的，形成的硅衬底层的厚度为200微米～600微米，氮化镓缓冲层的厚度为2微米～4微米，氮化铝镓势垒层的厚度为20纳米～30纳米。

优选的，硅衬底层的厚度为200微米或600微米，氮化镓缓冲层的厚度为3微米，氮化铝镓势垒层的厚度为25纳米，氮化硅钝化层的厚度为35纳米。

步骤s12：在氮化铝镓势垒层上淀积氮化硅钝化层。

具体的，在氮化铝镓势垒层上淀积氮化硅钝化层包括：把含有氮化硅(sin)元素的气态反应剂引入反应室，在晶圆表面发生化学反应，从而生成氮化硅固态薄膜并淀积在氮化铝镓势垒层表面。

如图3所示，淀积氮化硅钝化层位于氮化铝镓势垒层表面，氮化硅钝化层的厚度为30纳米～40纳米，例如为30纳米、31纳米、32纳米……39纳米级40纳米，优选的氮化硅钝化层的厚度为35纳米。

步骤s13：刻蚀氮化硅钝化层至氮化铝镓势垒层表面，分别形成漏极接 触孔及源极接触孔。

其中，刻蚀氮化硅钝化层到氮化铝镓势垒层表面，分别形成漏极接触孔及源极接触孔，包括：采用干法刻蚀或湿法刻蚀技术刻蚀氮化硅钝化层到氮化铝镓势垒层表面，分别形成漏极接触孔及源极接触孔。

如图4所示，漏极接触孔2及源极接触孔1间隔设置，且漏极接触孔2及源极接触孔1穿透氮化硅钝化层至氮化铝镓势垒层表面。

步骤s14：分别在源极接触孔及漏极接触孔中电子束蒸发源极金属及漏极金属，形成源极及漏极。

电子束蒸发法是真空蒸发镀膜的一种，本发明实施例中，真空条件下利用电子束直接加热蒸发源极金属及漏极金属，使源极金属及漏极金属气化并分别向源极接触孔及漏极接触孔输运，在源极接触孔及漏极接触孔内凝结形成源极及漏极。

具体的，分别在漏极接触孔及源极接触孔上电子束蒸发源极金属及漏极金属，形成源极及漏极包括：

分别在漏极接触孔及源极接触孔上电子束蒸发源极金属及漏极金属，之后进行源极金属及漏极金属的光刻形成源极及漏极。

如图4及图5所示，源极3及漏极4分别位于源极接触孔1及漏极接触孔2并延伸覆盖氮化硅钝化层的部分面积。

步骤s15：刻蚀氮化硅钝化层到氮化铝镓势垒层表面，形成栅极接触孔。

如图6所示，在源极3及漏极4之间的位置刻蚀氮化硅钝化层至氮化铝镓势垒层表面，以形成栅极接触孔5。

具体的，可以采用干法刻蚀或湿法刻蚀技术刻蚀氮化硅钝化层至氮化铝镓势垒层表面以形成栅极接触孔。

步骤s16：穿过栅极接触孔在氮化铝镓势垒层表面淀积用于和氧相关陷阱进行结合的金属薄层。

在栅极接触孔内氮化铝镓势垒层表面淀积一层金属薄层用于和氧相关陷阱进行结合，从而减小氮化铝镓势垒层表面氧相关陷阱密度。

如图6所示，金属薄层位于栅极接触孔5内氮化铝镓势垒层的表面。

优选的，上述金属薄层为铝薄层。

更为优选的，上述铝薄层的厚度为28纳米～32纳米，如28纳米、29纳 米……32纳米。

步骤s17：在栅极接触孔中电子束蒸发栅极金属，形成栅极。

电子束蒸发法是真空蒸发镀膜的一种，本发明实施例中，真空条件下利用电子束直接加热蒸发栅极金属，使栅极金属气化并分别向栅极接触孔输运，在栅极接触孔内凝结形成栅极。

具体的，在栅极接触孔上电子束蒸发栅极金属，形成栅极包括：

分别在栅极接触孔上电子束蒸发栅极金属，之后进行栅极金属的光刻形成栅极。

如图7所示，栅极7位于栅极接触孔5内并延伸覆盖氮化硅钝化层的部分面积。

基于上述的氮化镓晶体管制作方法，本发明实施例提供了一种氮化镓晶体光，如图2-7所示，该氮化镓晶体管的主要结构包括：

硅衬底层；

氮化镓缓冲层，氮化镓缓冲层制作于硅衬底层表面；

氮化铝镓势垒层，氮化铝镓势垒层制作于氮化镓缓冲层表面；

氮化硅钝化层，氮化硅钝化层制作于氮化铝镓势垒层表面；

氮化硅钝化层上分别设置有源极3、漏极4及栅极7，源极3、漏极4及栅极7穿透氮化硅钝化层并延伸至氮化铝镓势垒层表面；

其中，栅极7与氮化铝镓势垒层之间设置有用于和氧相关陷阱结合的金属薄层。

源极3、漏极4及栅极7分别位于源极接触孔1、漏极接触孔2及栅极接触孔5并延伸覆盖氮化硅钝化层的部分面积。

优选的，上述金属薄层为铝薄层6。

上述铝薄层6的厚度为28～32纳米，更优选的，上述铝薄层6的厚度为30纳米。

硅衬底层的厚度为200微米～600微米，氮化镓缓冲层的厚度为2微米～4微米，氮化铝镓势垒层的厚度为20纳米～30纳米，氮化硅钝化层的厚度为30～40纳米。

硅衬底层的厚度为200微米或600微米，氮化镓缓冲层的厚度为3微米，氮化铝镓势垒层的厚度为25纳米，氮化硅钝化层的厚度为35纳米。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。