一种制造介质/氮化物复合结构增强型场效应管的方法
阅读：860发布：2020-05-13
专利汇可以提供一种制造介质/氮化物复合结构增强型场效应管的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 是一种制造介质/氮化物复合结构增强型场效应管的方法，其工艺为，在衬底上依次生长AlGaN 缓冲层 、GaN 沟道 层、AlN插入层、AlGaN势垒层和AlInN帽层；由AlInN/AlGaN/AlN复合前势垒和GaN/AlGaN背势垒构成强量子限制的高 电子 气 密度 外沟道阱。 晶格匹配 的厚AlInN帽层显著提高了外沟道电子气密度，AlInN帽层提供的高而宽的势垒强化了沟道阱的量子限制。既降低了外沟道的 串联 电阻 ，又减小了欧姆 接触 电阻。用干法挖槽工艺 腐蚀 完AlInN层和减薄AlGaN势垒层后用 原子 层淀积(ALD)工艺淀积设定厚度Si3N4介质层，强化内沟道阱的量子限制，确保大栅压变动下，电子波函数不渗透到势垒层引起 异质结 的能带畸变，提高了器件的开态 电流 。再用氟 等离子体 工艺在Si3N4介质层表面引入负空间电荷，提高势垒高度，耗尽内沟道阱中的电子气，使零栅压下内沟道夹断。实现理想的增强模工作。，下面是一种制造介质/氮化物复合结构增强型场效应管的方法专利的具体信息内容。
1.一种制造介质/氮化物复合结构增强型场效应管的方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：
一、在衬底上依次生长AlGaN缓冲层，GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层和AlInN帽层；
二、在AlGaN缓冲层上生长GaN沟道层，构成背势垒来改善沟道夹断特性，使场效应管阈值电压正移；
三、在薄AlGaN势垒层上生长和GaN晶格匹配的AlInN层，利用AlInN/AlGaN异质界面上的极化电荷来增加下面GaN沟道层中的电子气密度。利用该异质界面上的能带带阶来建立高势垒，防止沟道层中的电子波函数渗透到势垒层，强化电子二维特性，提高电子迁移率；构筑成外沟道阱，提高沟道阱中的电子气密度和迁移率，降低外沟道串联电阻和欧姆接触电阻；
四、用干法工艺腐蚀完AlInN帽层6和减薄AlGaN势垒层后用原子层淀积(ALD)工艺直接在减薄的AlGaN势垒层上淀积Si3N4介质层用Si3N4/AlGaN异质结来形成高势垒，构筑内沟道的沟道阱；
五、用氟等离子体工艺在Si3N4层中引入高密度负电荷，用强负电荷来耗尽内沟道阱中的二维电子气，使内沟道在零栅压下夹断，在正栅压下打开，实现增强模工作，优化设计氟等离子体工艺处理的Si3N4/AlGaN组合势垒，防止大正栅压下的沟道能带畸变，增大沟道电流。
一种制造介质/氮化物复合结构增强型场效应管的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种半导体器件的制造方法，尤其是一种制造介质/氮化物复合结构增强型场效应管的方法。具体地说是用能带剪裁方法分别制造出具有高密度高迁移率二维电子气的外沟道阱和在零栅压下夹断、在正栅压下打开的能防止大正栅压下沟道能带畸变的内沟道阱，用以制造高效、大功率增强型氮化镓场效应晶体管的方法。属于半导体器件技术领域。
背景技术
[0002] 增强型场效应管是一种在正栅压下工作的场效应管。它要求栅电极外的外沟道打开，串联电阻很低，而栅电极下的内沟道在零栅压下夹断，在正栅压下打开，具有良好的开关性能。这就要求内、外沟道具有完全不同的异质结构。因此，在异质结构材料设计中首先要设计外沟道的异质结构，使沟道中产生高密度、高迁移率的二维电子气。然后，使用半导体工艺来剪裁栅电极下内沟道的异质结构，完全耗尽沟道阱中的二维电子气，并能在大正栅压下打开内沟道，重建高密度、高迁移率的二维电子气。因此它不仅要设计高性能沟道阱，还要寻求高效的能带剪裁方案，在亚微米尺度的栅区内实施有效的能带剪裁。
[0003] AlGaN/GaN异质结沟道阱中的电子气密度取决于异质界面上的极化电荷。要使能带剪裁后的内沟道能在零栅压下夹断，不能使用极化电荷太高的势垒层。这就限制了外沟道中的电子气密度。目前国外惯用的方法是在外沟道势垒层上覆盖一层帽层，用帽层/势垒层间的极化电荷来提高沟道阱电子气密度。大家都使用AlN作帽层。但是AlN和GaN间晶格失配很大，只能生长很薄的AlN帽层，异质界面离沟道阱较远，沟道电子气密度提高不多。此外，AlN/AlGaN界面上的大能带带阶和强极化电荷又会形成一个很强的界面阱，使沟道阱中的电子转移到势垒层中，降低了电子的迁移率。
[0004] 内沟道的能带剪裁又是一个棘手的难题。目前惯用的方法是通过挖槽来减薄势垒层厚度，降低内沟道的电子气密度。但是，要使内沟道在零栅压下夹断，势垒层必须减薄到5nm以下。这样，正栅压下就不再能产生有效的量子限制，使电子波函数渗透到势垒层表面，形成表面阱，产生能带畸变，降低了沟道阱中的电子气密度，导致内沟道在正栅压下不能完全打开。而且表面阱中的电子又增大了栅流，许多作者在势垒层上覆盖介质层，制成MISFET来抑制栅流。虽然这种器件能增大正栅压，但是严重的能带畸变使器件性能退化。另一种方法是用氟等离子体处理引入表面负电荷，耗尽内沟道的电子气。但是，必须用很强的负电荷来夹断沟道，从而降低了开沟道中的电流。况且强表面负电荷同样也会引起能带畸变。
[0005] 本专利申请者在设计增强模场效应管的外沟道时发现用和GaN晶格匹配的AlInN帽层来替代现用的AlN帽层，不仅可以解决晶格匹配而生长厚AlInN帽层，使界面极化电荷更靠近沟道阱，提高沟道阱的电子气密度。而且还降低了异质界面上的能带带阶和极化电荷，提高界面阱的阱位，防止电子波函数渗透到势垒层。在研究内沟道的能带剪裁时，发现在减薄的势垒层上覆盖Si3N4介质层，可以利用Si3N4/AlGaN异质结来改造内沟道阱，再用氟等离子体工艺处理Si3N4表面，引入适当的负电荷，实现零栅压下夹断而在大正栅压下能完全打开的内沟道阱，抑制正栅压下内沟道阱的能带畸变。从而解决了增强模场效应管设计中的两大难题。
发明内容
[0006] 本发明的目的旨在用晶格匹配的AlInN帽层来覆盖薄AlGaN势垒层构成外沟道的异质结构。利用AlInN/AlGaN异质界面上的极化电荷来提高GaN沟道阱中的二维电子气密度。以厚AlInN帽层的高势垒来强化GaN沟道阱中电子气的二维特性，改善电子输运性能。降低外沟道的串联电阻和欧姆接触电阻，增大HFET的沟道电流。用干法腐蚀工艺腐蚀完AlInN帽层和减薄AlGaN势垒层后以ALD工艺淀积设定厚度的Si3N4介质层，用氟等离子体处理工艺在Si3N4表面引入高浓度负空间电荷，构筑完善的内沟道异质结构。使阈值电压正移到0V以上。并且用Si3N4/AlGaN异质结构来强化大正栅压下内沟道阱的量子限制，防止异质结能带畸变。实现高性能的增强模工作。
[0007] 本发明的技术解决方案：一种制造介质/氮化物复合结构增强型场效应管的方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：
[0008] 一、在衬底上依次生长AlGaN缓冲层，GaN沟道层、AlN插入层、AlGaN势垒层和AlInN帽层；
[0009] 二、在AlGaN缓冲层上生长GaN沟道层，构成背势垒来改善沟道夹断特性，使场效应管阈值电压正移；
[0010] 三、在薄AlGaN势垒层上生长和GaN晶格匹配的AlInN层，利用AlInN/AlGaN异质界面上的极化电荷来增加下面GaN沟道层中的电子气密度。利用该异质界面上的能带带阶来建立高势垒，防止沟道层中的电子波函数渗透到势垒层，强化电子二维特性，提高电子迁移率；构筑成外沟道阱，提高沟道阱中的电子气密度和迁移率，降低外沟道串联电阻和欧姆接触电阻；
[0011] 四、用干法工艺腐蚀完AlInN帽层6和减薄AlGaN势垒层后用原子层淀积(ALD)工艺直接在减薄的AlGaN势垒层上淀积Si3N4介质层用Si3N4/AlGaN异质结来形成高势垒，构筑内沟道的沟道阱；
[0012] 五、用氟等离子体工艺在Si3N4层中引入高密度负电荷，用强负电荷来耗尽内沟道阱中的二维电子气，使内沟道在零栅压下夹断，在正栅压下打开，实现增强模工作，优化设计氟等离子体工艺处理的Si3N4/AlGaN组合势垒，防止大正栅压下的沟道能带畸变，增大沟道电流。
[0013] 本发明的优点：用晶格匹配的AlInN帽层覆盖薄AlGaN势垒层使帽层极化电荷接近GaN沟道阱，可以更有效地利用帽层异质结极化电荷来提高沟道阱中的电子气密度。AlInN/AlGaN异质结的能带带阶和极化电荷可以抬高帽层界面阱的阱位，防止沟道电子渗透到界面阱和势垒层，提高电子二维特性和输运性能，降低外沟道串联电阻。AlInN势垒高度低，AlInN/AlGaN复合势垒沟道阱电子气密度高，在AlInN势垒层上制作欧姆接触，可以降低接触电阻。在减薄的AlGaN势垒层上淀积设定厚度的Si3N4层为内沟道阱提供完善的高势垒异质结构，防止大正栅压下沟道电子波函数渗透到势垒层表面引起能带畸变，提高了电子迁移率和沟道电流。在Si3N4介质层表面用氟等离子体处理引入空间负电荷，提高了势垒高度，耗尽沟道电子气，实现正栅压的增强模工作。
附图说明
附图说明
[0014] 附图1是本发明的介质/氮化物复合结构增强型场效应管的材料结构图。
[0015] 附图2是本发明的介质/氮化物复合结构增强型场效应管内沟道的结构图。
[0016] 图中1是衬底，2是AlGaN缓冲层，3是GaN沟道层，4是AlN插入层，5是AlGaN势垒层，6是AlInN晶格匹配帽层，7是Si3N4介质层，8是减薄的AlGaN势垒层。
具体实施方式
[0017] 结合附图进一步描述介质/氮化物复合结构增强型场效应管制作方法，其步骤分：一、在衬底1上依次生长AlGaN缓冲层2、GaN沟道层3、AlN插入层4、AlGaN势垒层5和AlInN帽层6；
[0018] 二、自洽求解薛定谔方程和泊松方程，计算异质结构的能带、电子波函数和沟道中的二维电子气密度；
[0019] 三、调节GaN/AlGaN背势垒和AlInN/AlGaN/AlN/GaN前势垒的高度和宽度，使沟道阱中产生足够高的二维电子气密度，并且优化选择AlInN、AlGaN和AlN的组份比和厚度，提高AlInN/AlGaN界面阱的阱位，使界面阱中不存在电子，确保沟道电子波函数不渗透到AlInN/AlGaN界面阱和势垒层中，完成外沟道异质结构的优化设计。
[0020] 四、按照图2所示，用干法腐蚀工艺腐蚀完AlInN帽层6和减薄AlGaN势垒层8后用ALD工艺在减薄的AlGaN势垒层8上淀积Si3N4介质层7，得到介质/氮化物复合结构增强型场效应管内沟道。
[0021] 五、用氟等离子体处理工艺在Si3N4层表面引入负空间电荷；
[0022] 六、把经氟等离子体处理的Si3N4层和减薄的AlGaN层看作新的异质结，[0023] 自洽求解这种新异质结的薛定谔方程和泊松方程，计算内沟道能带、电子波函数和电子气密度；
[0024] 七、设计GaN/AlGaN背势垒和Si3N4/AlGaN/AlN/GaN前势垒的结构，使内沟道阱在零栅压下夹断，在大正栅压下电子仍良好地量子限制在沟道阱内，不发生能带畸变，在设定的栅压变动范围内，栅电容保持不变，完成内沟道异质结构的优化设计。
[0025] 优化设计内、外沟道异质结构的介质/氮化物复合结构增强型场效应管，在制作过程中，1)用光刻、金属淀积和退火工艺在源、漏欧姆接触区制作欧姆接触，利用AlInN的低势垒和外沟道中的高密度、高迁移率二维电子气来降低欧姆接触电阻；2)在栅电极区域用干法工艺挖槽，腐蚀完AlInN帽层和减薄AlGaN势垒层后，用ALD工艺淀积设定厚度的Si3N4介质层；3)在Si3N4介质层表面用氟等离子体处理工艺引入负空间电荷，制成设定的内沟道异质结构；4)再在内沟道异质结上淀积金属制作肖特基势垒，从而制成具有优化设计内、外沟道异质结构的介质/氮化物复合结构增强型场效应管。
[0026] 实施例1：
[0027] 在衬底1上生长Al0.04Ga0.96N缓冲层2和10nm不掺杂GaN沟道层3，构成背势垒。再在沟道层3上生长1nm不掺杂的AlN插入层4，5nm不掺杂Al0.25Ga0.75N势垒层和14nm不掺杂Al0.83In0.17N帽层6，构成前势垒。计算出各种异质界面上的能带带阶和极化电荷，依据各层材料的有效质量和介电常数自洽求解薛定谔方程和泊松方程，算得外沟道的电子气密
13 -2
度为1.775*10 cm 。电子波函数全部量子限制在GaN沟道阱中，电子具有强二维特性和高输运性能。降低了外沟道串联电阻和欧姆接触电阻。然后用干法挖槽工艺腐蚀完AlInN帽层6和减薄AlGaN势垒层，留下2nmAlGaN势垒层，用ALD工艺淀积7nm Si3N4层7，用氟等
19 -3
离子体工艺在Si3N4层表面5nm中引入2*10 cm 浓度的负空间电荷。自洽求解薛定谔方程和泊松方程，求得零栅压下沟道电子气密度为零，沟道夹断。在3.7V栅压下电子气密度
13 -2
为1.377*10 cm 。在整个栅压变动范围内，电子气密度随栅压升高线性增大，栅电容保持不变。达到理想的增强模工作状态。
13 -2
度为1.775*10 cm 。电子波函数全部量子限制在GaN沟道阱中，电子具有强二维特性和高输运性能。降低了外沟道串联电阻和欧姆接触电阻。然后用干法挖槽工艺腐蚀完AlInN帽层6和减薄AlGaN势垒层，留下2nmAlGaN势垒层，用ALD工艺淀积7nm Si3N4层7，用氟等
19 -3
离子体工艺在Si3N4层表面5nm中引入2*10 cm 浓度的负空间电荷。自洽求解薛定谔方程和泊松方程，求得零栅压下沟道电子气密度为零，沟道夹断。在3.7V栅压下电子气密度
13 -2
为1.377*10 cm 。在整个栅压变动范围内，电子气密度随栅压升高线性增大，栅电容保持不变。达到理想的增强模工作状态。
[0028] 实施例2：
[0029] 在衬底1上生长Al0.07Ga0.93N缓冲层2和10nm不掺杂GaN沟道层3，构成背势垒。再在沟道层3上生长1nm不掺杂的AlN插入层4，5nm不掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层和20nm不掺杂Al0.83In0.17N帽层6，构成前势垒。自洽求解薛定谔方程和泊松方程，算得外沟道的电子气
13 -2
密度为1.789*10 cm 。电子波函数全部量子限制在GaN沟道阱中，电子具有强二维特性和高输运性能。降低了外沟道串联电阻和欧姆接触电阻。然后用干法挖槽工艺腐蚀完AlInN帽层6和减薄AlGaN势垒层，留下2nmAlGaN势垒层，用ALD工艺淀积5nm Si3N4层7，用氟
19 -3
等离子体工艺在Si3N4层表面5nm中引入2*10 cm 浓度的负空间电荷。自洽求解薛定谔方程和泊松方程，求得零栅压下沟道电子气密度为零，沟道夹断。在3.5V栅压下电子气密度
13 -2
为1.496*10 cm 。在整个栅压变动范围内，电子气密度随栅压升高线性增大，栅电容保持不变。达到理想的增强模工作状态。
13 -2
密度为1.789*10 cm 。电子波函数全部量子限制在GaN沟道阱中，电子具有强二维特性和高输运性能。降低了外沟道串联电阻和欧姆接触电阻。然后用干法挖槽工艺腐蚀完AlInN帽层6和减薄AlGaN势垒层，留下2nmAlGaN势垒层，用ALD工艺淀积5nm Si3N4层7，用氟
19 -3
等离子体工艺在Si3N4层表面5nm中引入2*10 cm 浓度的负空间电荷。自洽求解薛定谔方程和泊松方程，求得零栅压下沟道电子气密度为零，沟道夹断。在3.5V栅压下电子气密度
13 -2
为1.496*10 cm 。在整个栅压变动范围内，电子气密度随栅压升高线性增大，栅电容保持不变。达到理想的增强模工作状态。
[0030] 实施例3：
[0031] 在衬底1上生长Al0.1Ga0.9N缓冲层2和10nm不掺杂GaN沟道层3，构成背势垒。再在沟道层3上生长1nm不掺杂的AlN插入层4，5nm不掺杂Al0.35Ga0.65N势垒层和25nm不掺杂Al0.83In0.17N帽层6，构成前势垒。自洽求解薛定谔方程和泊松方程，算得外沟道的电子气13 -2
密度为1.738*10 cm 。电子波函数全部量子限制在GaN沟道阱中，电子具有强二维特性和高输运性能。降低了外沟道串联电阻和欧姆接触电阻。然后用干法挖槽工艺腐蚀完AlInN帽层6和减薄AlGaN势垒层，留下2nmAlGaN势垒层，用ALD工艺淀积5nm Si3N4层7，用氟
19 -3
等离子体工艺在Si3N4层表面5nm中引入2*10 cm 浓度的负空间电荷。自洽求解薛定谔方程和泊松方程，求得零栅压下沟道电子气密度为零，沟道夹断。在3.6V栅压下电子气密度
13 -2
为1.619*10 cm 。在整个栅压变动范围内，电子气密度随栅压升高线性增大，栅电容保持不变。达到理想的增强模工作状态。
密度为1.738*10 cm 。电子波函数全部量子限制在GaN沟道阱中，电子具有强二维特性和高输运性能。降低了外沟道串联电阻和欧姆接触电阻。然后用干法挖槽工艺腐蚀完AlInN帽层6和减薄AlGaN势垒层，留下2nmAlGaN势垒层，用ALD工艺淀积5nm Si3N4层7，用氟
19 -3
等离子体工艺在Si3N4层表面5nm中引入2*10 cm 浓度的负空间电荷。自洽求解薛定谔方程和泊松方程，求得零栅压下沟道电子气密度为零，沟道夹断。在3.6V栅压下电子气密度
13 -2
为1.619*10 cm 。在整个栅压变动范围内，电子气密度随栅压升高线性增大，栅电容保持不变。达到理想的增强模工作状态。
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