[發明專利]三維量子阱晶體管及其形成方法

有效

• 申請號: 201310024090.3
• 申請日: 2013-01-22
• 公開（公告）號: CN103943498A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 肖德元
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造（上海）有限公司
• 主分類號: H01L21/335
• 分類號: H01L21/335;H01L29/778;H01L29/06
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 駱蘇華

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種三維量子阱晶體管及其形成方法。

背景技術

在通常的MOS器件中，溝道區域是通過對半導體襯底進行摻雜而形成的，多數載流子與電離雜質共同存在，多數載流子在遷移過程中會受到電離雜質的散射，從而使載流子的遷移率減小，器件性能降低。而且隨著半導體器件尺寸的不斷縮小，短溝道效應嚴重影響晶體管的性能。

高電子遷移率晶體管（HEMT）的溝道區域是由異質結形成的，所述異質結由未被摻雜的量子阱層和位于量子阱層表面的勢壘層組成，存在于量子阱層中在水平面內遷移的二維電子氣作為晶體管的載流子。由于所述量子阱層未被摻雜，所以所述二維電子氣不受電離雜質的散射影響，遷移率較高，可以有效提高器件的性能，抑制短溝道效應，降低閾值電壓。

所述高電子遷移率晶體管，由于其柵極對位于柵極側墻下方的溝道延伸區域控制能力較弱，造成溝道區域的二維電子氣密度不均勻、溝道區域電阻較高而影響器件的性能。

更多關于高電子遷移率晶體管的形成方法，請參考公開號為US2005/0133816A1的美國專利文件。

發明內容

本發明解決的問題是提供一種三維量子阱晶體管及其形成方法，降低溝道區域電阻，提高所述三維量子阱晶體管的性能。

為解決上述問題，本發明的技術方案提供了一種三維量子阱晶體管的形成方法，包括：提供半導體襯底；在所述半導體襯底表面形成絕緣的緩沖層；刻蝕所述緩沖層，形成鰭部；在所述半導體襯底表面形成絕緣層，所述絕緣層表面低于鰭部的頂部；在所述鰭部表面形成量子阱層和位于量子阱層表面的勢壘層；在所述絕緣層表面和勢壘層表面形成橫跨所述鰭部的柵極結構，所述柵極結構包括位于絕緣層表面和勢壘層表面的柵介質層和位于所述柵介質層表面的柵極；在所述柵極結構兩側形成側墻；在所述柵極結構兩側的鰭部內形成凹槽，使所述側墻懸空；在所述凹槽內形成源極和漏極，所述源極和漏極的一側邊緣與柵極結構的邊緣對齊。

可選的，在所述柵極結構兩側的鰭部內形成凹槽，使側墻懸空的方法包括：采用干法刻蝕工藝，以所述柵極結構和側墻作為掩膜，依次向下刻蝕所述勢壘層、量子阱層、鰭部，然后采用濕法刻蝕工藝，去除側墻下方的部分勢壘層、部分量子阱層和部分鰭部，使側墻懸空。

可選的，所述半導體襯底晶面為（111）。

可選的，所述緩沖層的材料為AlN，所述緩沖層的厚度范圍為1微米~2微米。

可選的，所述量子阱層的材料為III-V族化合物或II-VI族化合物。

可選的，所述量子阱層的材料為GaN、AlGaN、InGaN或Ge，所述量子阱層的厚度范圍為10納米~100納米。

可選的，所述勢壘層的材料為III-V族化合物或II-VI族化合物。

可選的，所述勢壘層的材料包括AlN、AlGaN或AlInN，所述勢壘層的厚度范圍為1納米~10納米。

可選的，還包括，在形成所述柵極結構之前，在所述勢壘層表面形成蓋帽層，所述蓋帽層的厚度范圍為1納米~3納米，所述蓋帽層的材料為GaN。

可選的，所述源極和漏極的材料為N型摻雜的GaN。

可選的，還包括在所述源極和漏極表面形成金屬電極，所述金屬電極的材料為NiAu或CrAu。

為解決上述問題，本發明的技術方案還提供了一種三維量子阱晶體管，包括：半導體襯底；位于半導體襯底表面的鰭部和絕緣層，所述絕緣層的表面低于鰭部的頂部；位于鰭部表面的量子阱層；位于量子阱層表面的勢壘層；位于絕緣層表面和勢壘層表面的橫跨所述鰭部的柵極結構，所述柵極結構包括位于絕緣層表面和勢壘層表面的柵介質層和位于柵介質層表面的柵極；位于所述柵極結構兩側的鰭部內的源極和漏極，所述源極和漏極的一側邊緣與柵極結構的邊緣對齊；位于柵極結構兩側且位于源極和漏極表面的側墻。

可選的，所述半導體襯底晶面為（111）。

可選的，所述鰭部的材料為AlN，所述鰭部的高度范圍為1微米~2微米。

可選的，所述量子阱層的材料為III-V族化合物或II-VI族化合物。

可選的，所述量子阱層的材料為GaN、AlGaN、InGaN或Ge，所述量子阱層的厚度范圍為10納米~100納米。

可選的，所述勢壘層的材料包括AlN、AlGaN或AlInN，所述勢壘層的厚度范圍為1納米~10納米。

可選的，所述源極和漏極的材料為N型摻雜的GaN。

可選的，還包括，位于源極和漏極表面的金屬電極，所述金屬電極的材料為NiAu或CrAu。