[發明專利]基于氟離子注入的增強型器件及其制造方法

有效

• 申請號: 201310738017.2
• 申請日: 2013-12-27
• 公開（公告）號: CN103715256B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發明（設計）人: 程凱;陳洪維
• 申請（專利權）人: 蘇州晶湛半導體有限公司
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/06;H01L21/336
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司11227
• 代理人: 常亮

技術領域

本發明涉及微電子技術領域，特別是涉及一種基于氟離子注入的增強型器件及其制造方法。

背景技術

基于氮化鎵材料的高電子遷移率晶體管（High?Electron?Mobility?Transistor；HEMT）是射頻/微波功率放大器、高溫數字集成電路領域的有力競爭者。它基于寬禁帶半導體材料氮化鎵制作，發揮了氮化鎵材料電子飽和漂移速度高、擊穿場強高、導熱性能好等特點，與硅和砷化鎵器件相比，在高溫、高頻、高電壓和大功率的應用方面有明顯的優勢。

基于氮化鎵材料的HEMT的核心結構通常采用AlGaN/GaN異質結，而該異質結構中存在較強的二維電子氣，從而器件在零偏壓下為導通狀態，使得器件為耗盡型。而耗盡型器件的應用具有一定的局限性，比如在微波功率放大器的應用中，耗盡型器件在關斷狀態下必須采用負電壓偏置柵極，增加了系統電路的復雜度和成本，而且在異常斷電的情況下，器件仍處于導通狀態，從而降低了系統的安全性。使用增強型器件可以降低系統復雜度，提高系統穩定性和安全性。增強型氮化鎵器件的研究具有十分重要的意義。

實現增強型氮化鎵器件，目標是找到合適的方法來降低乃至耗盡零柵壓時柵極下方的二維電子氣濃度。目前比較常見的一種方案是對柵極下方鋁鎵氮層進行局部減薄。圖1為相應結構的HEMT，緩沖層1、氮化鎵溝道層2、鋁鎵氮勢壘層3分別位于襯底10上，柵極4、源極5以及漏極6分別位于鋁鎵氮層3上，其中在柵極4下方鋁鎵氮層被局部刻蝕，從而減薄了柵極區的鋁鎵氮層厚度。由于鋁鎵氮層中的極化電場很強，即使厚度很薄，溝道內也會產生電子，因此器件的閾值電壓較低，在零偏置時還會有少量溝道泄漏電流。此外柵極區的鋁鎵氮層厚度一般必須減小到3nm到5nm以下，這樣的刻蝕精度非常具有挑戰性。另一種方案是對柵極下方的外延層進行氟離子注入，因為氟離子帶有負電荷，注入后會提拉導帶耗盡柵極下方的二維電子氣，形成增強型器件結構。現有技術的氟離子注入的深度只到達鋁鎵氮勢壘層。圖2為相應的器件結構，其中柵極4下方的鋁鎵氮層7為氟離子注入區。但是，淺層氟離子注入會使得大量的氟離子停留在氮化鎵HEMT外延層的表面，而表面的氟離子并不穩定，在高溫（>400℃）或者高電場條件下會引起氟離子的遷移，造成器件閾值電壓的漂移。此外，普通注入條件下的氟離子注入會引起氮化鎵器件較大的晶格損傷，且晶格損傷會隨著注入深度的提高而增大。如果在普通注入條件下提高氟離子注入深度，會使得晶格損傷達到無法恢復的程度。嚴重的晶格缺陷散射會減小溝道載流子的遷移率，降低飽和工作電流，大大制約器件的工作性能。

因此，針對上述技術問題，有必要提供一種基于氟離子注入的增強型器件及其制造方法。

發明內容

為解決上述問題，本發明的目的在于提供一種采用隧道注入的方法實現基于氟離子注入的增強型器件及其制造方法。

隧道注入是指在使用離子注入時，使離子注入的角度和晶體的晶格同軸，避免晶格對離子的散射，從而能夠提高離子注入的深度和效率，避免上述第二種方法中氟離子在氮化鎵表面的聚集，從而可以抑制氟離子在高溫或者高電場條件下的遷移，提高器件閾值電壓的穩定性和可靠性。離子注入后的高溫退火可以恢復離子注入帶來的晶格損傷，但高溫又會在氮化物外延層表面引入缺陷。本發明利用氮化物材料表面的介質層來保護高溫退火下的氮化物材料，同時將此介質層制作為晶態，保證了注入方式為隧道注入。

為了實現上述目的，本發明實施例提供的技術方案如下：

一種基于氟離子注入的增強型器件，所述器件包括襯底、在襯底上形成的外延多層結構，以及在外延多層結構上形成的柵極、源極和漏極；

所述外延多層結構從襯底方向向上依次包括異質結結構層和介質層；所述異質結結構層包括氮化物溝道層和氮化物勢壘層；所述介質層為晶態介質層；

在所述柵極下方的異質結結構層中采用隧道注入的方法注入有氟離子，用于耗盡異質結結構層中的二維電子氣。

作為本發明的進一步改進，所述外延多層結構還包括位于襯底上的成核層和緩沖層。

作為本發明的進一步改進，所述晶態介質層為晶態Al₂O₃、晶態SiN、晶態AlN中的一種或多種的組合。

作為本發明的進一步改進，所述介質層在柵極下方的區域被刻蝕，柵極位于氮化物勢壘層上，柵極直接與氮化物勢壘層形成肖特基接觸。

作為本發明的進一步改進，所述氟離子注入深度延伸至所述氮化物溝道層內。

作為本發明的進一步改進，所述氟離子注入深度延伸至所述緩沖層內。