[發明專利]半導體結構、形成方法以及場效應晶體管

在審

• 申請號: 201610017898.2
• 申請日: 2016-01-12
• 公開（公告）號: CN105513963A
• 公開（公告）日: 2016-04-20
• 發明（設計）人: 武嫻;郭磊;王敬
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01L21/335
• 分類號: H01L21/335;H01L29/772
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 李志東

技術領域

本發明涉及半導體技術以及半導體制造領域，具體而言，本發明涉及半導體結構、形 成半導體結構的方法以及場效應晶體管。

背景技術

金屬-半導體接觸勢壘場效應晶體管(MESFET)是目前應用較廣泛的一種場效應晶體 管。然而，作為一種利用肖特基勢壘柵極的晶體管，其柵漏電較大。為了解決這一技術問 題，通常在柵中加入絕緣層形成金屬-絕緣體-半導體場效應晶體管(MISFET)，以改善場 效應晶體管的漏電。

以氮化鎵(GaN)為代表的氮化物半導體系列材料(GaN、InGaN、AlGaN、InN以及 AlN等)具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導率、化學穩定性好(幾乎不被任何酸 腐蝕)等性質和強的抗輻照能力，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應用方面有 著廣闊的前景，被廣泛地應用于制備各類電子開關以及各類信號放大器。

通常，氮化物半導體材料具有密排六方晶體結構，根據晶片表面與晶體c軸之間的相 對位置關系，由于自發極化效應，其表面可以分為極性面(垂直于c軸)、非極性面(平行 于c軸)以及半極性面(不平行也不垂直于c軸)。例如，以氮化鎵為例，{0001}晶面(又 稱為c面)為極性面，{1010}晶面和{1120}(分別稱為m面和a面)為非極性面，{1102} 晶面(又稱為r面)為半極性面。

在氮化鎵系列材料表面利用磁控濺射、原子層沉積等方法，可以制備具有不同界面特 性的半導體結構。然而，應用于MISFET的半導體結構以及MISFET的結構、組成仍有待 改進。

發明內容

本申請是基于發明人對以下事實和問題的發現和認識做出的：

目前基于氮化物半導體系列材料的MISFET，常常存在界面性能差、閾值電壓不穩定、 漏電較大等缺點。發明人發現，這是由于MISFET對于絕緣層以及半導體層之間的界面態 要求較高，而目前基于氮化物半導體系列材料的MISFET，即使在極性面表面增加絕緣氮 化物的鈍化層，上述問題仍不能得到有效解決。發明人經過深入研究以及大量實驗發現， 這是由于具有極性表面(c面)的氮化物半導體材料表面具有很強的極性，因此，一方面， 界面極易吸附氧原子，使材料表面的金屬原子與氧原子形成不穩定化學鍵，如Ga-O鍵， 該鍵易帶電荷，成為載流子的產生和復合中心，造成界面態密度高；另一方面，界面極易 吸附可移動電荷，從而造成該半導體結構的界面缺陷多，界面性能變差。尤其針對場效應 晶體管，界面性能差，界面態密度高，將導致晶體管的嚴重漏電。

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的一個 目的在于提出一種半導體結構，該半導體結構在半導體層材料的非極性面或者半極性面上 形成絕緣層，利用非極性面或者半極性面對于氧原子和可移動電荷的吸附作用較弱的性質， 提高該半導體結構的界面性能。

在本發明的一個方面，本發明提出了一種半導體結構。根據本發明的實施例，該半導 體結構包括：半導體層，所述半導體層上表面的至少一部分是由氮化物半導體晶體形成的 非極性面或者半極性面；絕緣層，所述絕緣層形成在所述非極性面或半極性面上，并且所 述絕緣層是由選自氮化物以及氮氧化物的至少之一形成的；以及金屬層，所述金屬層形成 在所述絕緣層遠離所述半導體層的表面上。由此，可以在非極性面或半極性面的半導體層 表面形成絕緣層，在絕緣層對半導體層進行鈍化，從而可以有效防止半導體層表面形成不 穩定的化學鍵，并改善界面質量，進而可以有效提高該半導體結構的界面性能。

另外，根據本發明實施例的半導體結構還可以具有如下附加技術特征的至少之一：

根據本發明的實施例，在該半導體結構中，所述半導體層包括至少一個晶體亞層，所 述晶體亞層是由包括選自GaN晶體、InGaN晶體、AlGaN晶體以及AlN晶體中的至少之 一形成的。由此，可以通過具有上述晶體亞層的半導體層，為該半導體結構提供具有較高 電子遷移率以及較高的擊穿場強的半導體層材料，進而可以進一步提高該半導體結構的性 能。具體地，所述晶體亞層可以生長在硅基體、碳化硅基體、或者藍寶石基體上，也可以 生長在氮化鎵自支撐晶片或者氮化鋁自支撐晶片上。