[發(fā)明專利]Ⅲ族氮化物半導體器件及其制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310482857.7
• 申請日: 2013-10-15
• 公開（公告）號: CN103500763A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 程凱
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州晶湛半導體有限公司
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L21/336
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 常亮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微電子技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種Ⅲ族氮化物半導體器件及其制造方法。

背景技術(shù)

第Ⅲ族氮化物半導體具有寬的禁帶寬度、高的介電擊穿場強和高的電子飽和漂移速率等特性，適用于制造高溫、高速轉(zhuǎn)換和大功率電子器件。在氮化物場效應(yīng)晶體管中，通過壓電極化和自發(fā)極化在溝道層中產(chǎn)生大量電荷。由于二維電子氣的來源是氮化物表面的施主型表面態(tài)電離而來，因此氮化物晶體管的電流密度對表面態(tài)極其敏感，表面態(tài)的存在很容易引起電流崩塌效應(yīng)。

氮化鎵基場效應(yīng)晶體管按柵極結(jié)構(gòu)通常可分為兩大類，即肖特基柵場效應(yīng)晶體管和絕緣柵場效應(yīng)晶體管。肖特基柵場效應(yīng)晶體管中，肖特基接觸的柵極制作簡單，表面容易控制，對射頻器件來說非常理想，但是由于肖特基柵金屬與氮化物半導體層之間沒有介質(zhì)層隔離，因而柵極的漏電流相對較高,并且隨著反向偏壓的增加而迅速增大；另外，由于受到肖特基接觸的正向?qū)ǖ南拗疲瑬艠O的偏壓原則上不能超過2V，否則柵極就失去了對溝道的控制能力。因此，肖特基柵場效應(yīng)管由于缺少絕緣介質(zhì)柵極，具有柵極漏電流過高和柵極耐壓值過低等問題。絕緣柵場效應(yīng)晶體管中，通常是在柵金屬下加入介質(zhì)層如二氧化硅、氧化鋁、氧化鉿、氮化硅和氮氧化硅等，使柵極的漏電流相對較低，很適合于功率器件。因此，絕緣柵場效應(yīng)管由于具有絕緣介質(zhì)，具有較低的柵極漏電流和較高的柵極耐壓值。但是這種方法制造的絕緣柵場效應(yīng)晶體管中，介質(zhì)層和氮化物半導體之間存在有較高密度的界面態(tài)，可以引起嚴重的電流崩塌效應(yīng)，是一個懸而未決的大問題，如圖1所示。并且，絕緣介質(zhì)層和氮化物半導體層（如Al₂O₃和AlGaN）之間存在較高的界面態(tài)時，在正向偏壓下，AlGaN導帶邊緣處的界面態(tài)的充電和放電會導致器件的C-V曲線的滯后效應(yīng)，即表現(xiàn)為正向曲線和反向曲線會出現(xiàn)較大程度的不重合，如圖2所示。所以，非常難以找到一種場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)及其方法，使得絕緣柵場效應(yīng)晶體管具有較低的界面態(tài)，從而最大程度上避免電流崩塌效應(yīng)。

因此，針對上述技術(shù)問題，有必要提供一種Ⅲ族氮化物半導體器件及其制造方法。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出了Ⅲ族氮化物半導體器件尤其是氮化物絕緣柵場效應(yīng)晶體管中在柵極金屬層與氮化物半導體層之間的絕緣介質(zhì)層采用氮化物、氮氧化物和氧化物的復合介質(zhì)層，而不引起界面態(tài)的增加。因此與傳統(tǒng)單層絕緣層的氮化物絕緣柵場效應(yīng)晶體管相比，采用上述復合介質(zhì)層作為絕緣柵介質(zhì)層，可以達到同時降低柵極漏電和降低電流崩塌效應(yīng)的目的。

在基于硅材料的互補金屬氧化物半導體（CMOS）器件中，硅和硅的本征氧化物二氧化硅之間具有極低的界面態(tài)密度(1E10/cm²)。在本發(fā)明當中，我們采用類似的概念，在氮化物表面引入氮化鋁介質(zhì)層及其本征氧化物氮氧化鋁，用于降低介質(zhì)層和半導體層之間的界面態(tài)密度，大大降低電流崩塌效應(yīng)。在氮化物半導體表面依次引入了氮化物層、氮氧化物層和氧化物層形成復合介質(zhì)層，作為氮化物絕緣柵場效應(yīng)晶體管的柵極介質(zhì)層。例如，在氮化鎵絕緣柵場效應(yīng)晶體管中，在氮化鎵勢壘層與柵極金屬層之間依次引入氮化鋁層、氮氧化鋁層和氧化鋁層。

一方面，與柵極金屬層相接觸的是位于復合介質(zhì)層最上面的氧化鋁層，這是由于使用氧化鋁介質(zhì)層作為絕緣介質(zhì)層，可以使上述氮化鎵絕緣柵場效應(yīng)晶體管具有傳統(tǒng)絕緣柵場效應(yīng)晶體管的柵極漏電流小、柵極耐壓值高因而具有較高的輸入功率等優(yōu)點；

另一方面，與傳統(tǒng)的氮化物絕緣柵場效應(yīng)晶體管不同之處在于，復合介質(zhì)層中與氮化鎵層相接觸的是氮化鋁介質(zhì)層，位于復合介質(zhì)層最下層。上述氮化鋁介質(zhì)層的厚度可以小于2納米，也可以小于4納米。這是因為如果氮化鋁層厚度過大，氮化鎵極強的自建電場會導致二維電子氣的顯著增加，引起閾值電壓的漂移。

由于氮化物層和氮化鋁層的界面處具有較低的界面態(tài)，因此，與傳統(tǒng)采用氮化鎵層和氧化鋁介質(zhì)層相接觸的結(jié)構(gòu)相比，采用復合介質(zhì)層作為柵介質(zhì)層可以從很大程度上降低電流崩塌效應(yīng)。同時，位于復合介質(zhì)層最上層的氧化鋁介質(zhì)層和最下層的氮化鋁介質(zhì)層之間還可以存在有氮氧化鋁介質(zhì)層，這可以通過對氮化鋁介質(zhì)層進行氧化形成。通過引入氮氧化鋁介質(zhì)層作為上述氮化鋁介質(zhì)層和氧化鋁介質(zhì)層的過渡介質(zhì)層，也可以降低上述兩種介質(zhì)層由于直接接觸而產(chǎn)生的界面態(tài)，也在一定程度上降低對電流崩塌效應(yīng)的影響。