[發明專利]一種制造介質/氮化物復合結構增強型場效應管的方法

有效

• 申請號: 201010541356.8
• 申請日: 2010-11-12
• 公開（公告）號: CN102064108A
• 公開（公告）日: 2011-05-18
• 發明（設計）人: 趙正平;薛舫時;石志宏
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第五十五研究所
• 主分類號: H01L21/335
• 分類號: H01L21/335
• 代理公司: 南京君陶專利商標代理有限公司 32215
• 代理人: 沈根水

技術領域

本發明涉及一種半導體器件的制造方法，尤其是一種制造介質/氮化物復合結構增強型場效應管的方法。具體地說是用能帶剪裁方法分別制造出具有高密度高遷移率二維電子氣的外溝道阱和在零柵壓下夾斷、在正柵壓下打開的能防止大正柵壓下溝道能帶畸變的內溝道阱，用以制造高效、大功率增強型氮化鎵場效應晶體管的方法。屬于半導體器件技術領域。

背景技術

增強型場效應管是一種在正柵壓下工作的場效應管。它要求柵電極外的外溝道打開，串聯電阻很低，而柵電極下的內溝道在零柵壓下夾斷，在正柵壓下打開，具有良好的開關性能。這就要求內、外溝道具有完全不同的異質結構。因此，在異質結構材料設計中首先要設計外溝道的異質結構，使溝道中產生高密度、高遷移率的二維電子氣。然后，使用半導體工藝來剪裁柵電極下內溝道的異質結構，完全耗盡溝道阱中的二維電子氣，并能在大正柵壓下打開內溝道，重建高密度、高遷移率的二維電子氣。因此它不僅要設計高性能溝道阱，還要尋求高效的能帶剪裁方案，在亞微米尺度的柵區內實施有效的能帶剪裁。

AlGaN/GaN異質結溝道阱中的電子氣密度取決于異質界面上的極化電荷。要使能帶剪裁后的內溝道能在零柵壓下夾斷，不能使用極化電荷太高的勢壘層。這就限制了外溝道中的電子氣密度。目前國外慣用的方法是在外溝道勢壘層上覆蓋一層帽層，用帽層/勢壘層間的極化電荷來提高溝道阱電子氣密度。大家都使用AlN作帽層。但是AlN和GaN間晶格失配很大，只能生長很薄的AlN帽層，異質界面離溝道阱較遠，溝道電子氣密度提高不多。此外，AlN/AlGaN界面上的大能帶帶階和強極化電荷又會形成一個很強的界面阱，使溝道阱中的電子轉移到勢壘層中，降低了電子的遷移率。

內溝道的能帶剪裁又是一個棘手的難題。目前慣用的方法是通過挖槽來減薄勢壘層厚度，降低內溝道的電子氣密度。但是，要使內溝道在零柵壓下夾斷，勢壘層必須減薄到5nm以下。這樣，正柵壓下就不再能產生有效的量子限制，使電子波函數滲透到勢壘層表面，形成表面阱，產生能帶畸變，降低了溝道阱中的電子氣密度，導致內溝道在正柵壓下不能完全打開。而且表面阱中的電子又增大了柵流，許多作者在勢壘層上覆蓋介質層，制成MISFET來抑制柵流。雖然這種器件能增大正柵壓，但是嚴重的能帶畸變使器件性能退化。另一種方法是用氟等離子體處理引入表面負電荷，耗盡內溝道的電子氣。但是，必須用很強的負電荷來夾斷溝道，從而降低了開溝道中的電流。況且強表面負電荷同樣也會引起能帶畸變。

本專利申請者在設計增強模場效應管的外溝道時發現用和GaN晶格匹配的AlInN帽層來替代現用的AlN帽層，不僅可以解決晶格匹配而生長厚AlInN帽層，使界面極化電荷更靠近溝道阱，提高溝道阱的電子氣密度。而且還降低了異質界面上的能帶帶階和極化電荷，提高界面阱的阱位，防止電子波函數滲透到勢壘層。在研究內溝道的能帶剪裁時，發現在減薄的勢壘層上覆蓋Si₃N₄介質層，可以利用Si₃N₄/AlGaN異質結來改造內溝道阱，再用氟等離子體工藝處理Si₃N₄表面，引入適當的負電荷，實現零柵壓下夾斷而在大正柵壓下能完全打開的內溝道阱，抑制正柵壓下內溝道阱的能帶畸變。從而解決了增強模場效應管設計中的兩大難題。

發明內容

本發明的目的旨在用晶格匹配的AlInN帽層來覆蓋薄AlGaN勢壘層構成外溝道的異質結構。利用AlInN/AlGaN異質界面上的極化電荷來提高GaN溝道阱中的二維電子氣密度。以厚AlInN帽層的高勢壘來強化GaN溝道阱中電子氣的二維特性，改善電子輸運性能。降低外溝道的串聯電阻和歐姆接觸電阻，增大HFET的溝道電流。用干法腐蝕工藝腐蝕完AlInN帽層和減薄AlGaN勢壘層后以ALD工藝淀積設定厚度的Si₃N₄介質層，用氟等離子體處理工藝在Si₃N₄表面引入高濃度負空間電荷，構筑完善的內溝道異質結構。使閾值電壓正移到0V以上。并且用Si₃N₄/AlGaN異質結構來強化大正柵壓下內溝道阱的量子限制，防止異質結能帶畸變。實現高性能的增強模工作。

本發明的技術解決方案：一種制造介質/氮化物復合結構增強型場效應管的方法，其特征是該方法包括如下工藝步驟：

一、在襯底上依次生長AlGaN緩沖層，GaN溝道層、AlN插入層、AlGaN勢壘層和AlInN帽層；