一种半导体器件及其制作方法与流程

1.本技术涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种半导体器件及其制作方法。


背景技术：

2.基于algan/gan异质结的高电子迁移率晶体管(hemt)因其具有高电子饱和迁移速率、高击穿电场、高载流子密度在高频高功率电子器件中起着重要作用。其中，mis
‑
hemt结构通过在栅极引入绝缘介质层能够有效降低栅极漏电，增加栅极摆幅，可以在gan数字ic中获得更高的电流驱动。
3.然而，由于介质与gan势垒层之间的界面存在界面态，mis
‑
hemt存在着阈值电压不稳定、电流崩塌等可靠性问题。
4.综上，现有技术中存在hemt器件阈值电压不稳定、电流可能崩塌的问题。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种半导体器件及其制作方法，以解决现有技术中存在的hemt器件阈值电压不稳定、电流可能崩塌的问题。
6.为了实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案如下：
7.第一方面，本技术实施例提供了一种半导体器件，所述半导体器件包括：
8.衬底；
9.外延层，与所述衬底的生长面连接，且所述外延层包括势垒层；
10.第一绝缘介质层，位于所述外延层远离所述衬底的一侧，所述第一绝缘介质层由缺氧或缺氮化合物材料制作而成，其中，所述缺氧或缺氮化合物材料的氧元素或氮元素低于理论化学计量比；
11.第二绝缘介质层，位于所述第一绝缘介质层远离所述衬底的一侧，所述第二绝缘介质层由富氧或富氮化合物材料制作而成，其中，所述富氧或富氮化合物材料的氧元素或氮元素等于或高于理论化学计量比；
12.栅极，与所述第二绝缘介质层连接；
13.源极与漏极，分别位于所述势垒层的两侧，且与所述势垒层、所述第一绝缘介质层以及所述第二绝缘介质层连接。
14.可选地，制作所述第一绝缘介质层与所述第二绝缘介质层的材料分别为al2o3‑
x
/al2‑
y
o3，其中，x大于0且小于3，y大于0且小于2；或
15.制作所述第一绝缘介质层与第二绝缘介质层的材料分别为hfo2‑
a
/hf1‑
b
o2，其中，a大于0且小于2，b大于0且小于1。
16.可选地，制作所述第一绝缘介质层与所述第二绝缘介质层的材料分别为si3n4‑
m
/si3‑
n
n4，其中，m大于0且小于4，n大于0且小于3。
17.可选地，制作所述第一绝缘介质层与所述第二绝缘介质层的材料分别为al2o3‑
x
/si3‑
n
n4，其中，x大于0且小于3，n大于0且小于3；或
18.制作所述第一绝缘介质层与第二绝缘介质层的材料分别为hfo2‑
a
/si3‑
n
n4，其中，a大于0且小于2，n大于0且小于3。
19.可选地，制作所述第一绝缘介质层与所述第二绝缘介质层的材料分别为si3n4‑
m
/al2‑
y
o3，其中，m大于0且小于4，y大于0且小于2；或
20.制作所述第一绝缘介质层与所述第二绝缘介质层的材料分别为si3n4‑
m
/hf1‑
b
o2，其中，m大于0且小于4，b大于0且小于1。
21.可选地，所述第一绝缘介质层的厚度为5～10nm；
22.所述第二绝缘介质层的厚度为15～30nm。
23.可选地，所述外延层还包括缓冲层与沟道层，所述缓冲层、所述沟道层以及所述势垒层逐层连接。
24.另一方面，本技术实施例还提供了一种半导体器件制作方法，所述方法用于制作上述的半导体器件，所述方法包括：
25.提供一衬底；
26.沿所述衬底的一侧生长外延层，其中，所述外延层包括势垒层；
27.沿所述外延层远离所述衬底的一侧生长第一绝缘介质层，其中，所述第一绝缘介质层由缺氧或缺氮化合物材料制作而成，且所述缺氧或缺氮化合物材料的氧元素或氮元素低于理论化学计量比；
28.沿所述第一绝缘介质层远离所述衬底的一侧生长第二绝缘介质层，其中，所述第二绝缘介质层由富氧或富氮化合物材料制作而成，且所述富氧或富氮化合物材料的氧元素或氮元素等于或高于理论化学计量比；
29.在所述第二绝缘介质层上制作栅极，并在势垒层的两侧制作源极与漏极。
30.可选地，所述沿所述外延层远离所述衬底的一侧生长第一绝缘介质层的步骤包括：
31.通过pecvd或lpcvd镀膜工艺沿所述外延层远离所述衬底的一侧生长第一绝缘介质层，并同时调控镀膜工艺中反应气体的比例，以使所述第一绝缘介质层由缺氧或缺氮化合物材料制作而成。
32.可选地，所述沿所述第一绝缘介质层远离所述衬底的一侧生长第二绝缘介质层的步骤包括：
33.通过pecvd、lpcvd、ald、或sputtering镀膜工艺沿所述第一绝缘介质层远离所述衬底的一侧生长第二绝缘介质层，并同时调控镀膜工艺中反应气体的比例，以使所述第二绝缘介质层由富氧或富氮化合物材料制作而成。
34.相对于现有技术，本技术具有以下有益效果：
35.本技术提供了一种半导体器件及其制作方法，半导体器件包括衬底；外延层，与衬底的生长面连接，且外延层包括势垒层；第一绝缘介质层，位于外延层远离衬底的一侧，第一绝缘介质层由缺氧或缺氮化合物材料制作而成，其中，缺氧或缺氮化合物材料的氧元素或氮元素低于理论化学计量比；第二绝缘介质层，位于第一绝缘介质层远离衬底的一侧，第二绝缘介质层由富氧或富氮化合物材料制作而成，其中，富氧或富氮化合物材料的氧元素或氮元素等于或高于理论化学计量比；栅极，与第二绝缘介质层连接；源极与漏极，分别位于势垒层的两侧，且与势垒层、第一绝缘介质层以及第二绝缘介质层连接。由于本技术提供
的半导体掐器件包括第一绝缘介质层与第二绝缘介质层，且第一绝缘介质层采用缺氧或缺氮化合物材料制作，第二绝缘介质层采用富氧或富氮化合物材料制作，因此可以使得第一绝缘介质层作为界面过渡层，降低界面态密度，第二绝缘介质层作为高绝缘层，可有效降低栅极漏电流，进而可以使器件的阈值电压更加稳定，且电流不易崩塌。
36.为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
37.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
38.图1为本技术实施例提供的半导体器件的剖面示意图。
39.图2为本技术实施例提供的半导体器件制作方法的流程示意图。
40.图中：100
‑
半导体器件；110
‑
衬底；120
‑
外延层；121
‑
缓冲层；122
‑
沟道层；123
‑
势垒层；130
‑
第一绝缘介质层；140
‑
第二绝缘介质层；150
‑
栅极；160
‑
源极；170
‑
漏极；180
‑
钝化层。
具体实施方式
41.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
42.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
43.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
44.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
45.下面结合附图，对本技术的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
46.正如背景技术中所述，由于介质与gan势垒层之间的界面存在界面态，mis
‑
hemt存在着阈值电压不稳定、电流崩塌等可靠性问题。
47.有鉴于此，本技术提供了一种半导体器件，通过将栅极介质层设置为第一绝缘介质层与第二绝缘介质层的方式，提升半导体器件的稳定性。
48.下面对本技术提供的半导体器件进行示例性说明：
49.作为一种实现方式，请参阅图1，该半导体器件100包括衬底110、外延层120、第一绝缘介质层130、第二绝缘介质层140、栅极150、漏极170以及源极160，其中，衬底110、外延层120、第一绝缘介质层130、第二绝缘介质层140逐层连接，且栅极150与第二绝缘介质层140连接，源极160与漏极170分别位于势垒层123的两侧，且与势垒层123、第一绝缘介质层130以及第二绝缘介质层140连接。
50.可选地，本技术并不对衬底110的材料进行限定，例如，衬底110的材料可以为si、gan以及金刚石等材料。然后再沿着衬底110的生长面外延生长外延层120。
51.可选地，当半导体器件为hemt器件时，外延层120一般包括的缓冲层121、沟道层122以及势垒层123，缓冲层121的材料可以选用aln。其中，hemt器件可以采用异质结结构实现，可选地，沟道层122的材料可以采用gan，势垒层123的材料可以采用algan，使得形成的二维电子气在势垒层123与沟道层122界面处，且位于沟道层122一侧。当然地，在其它的一些实施例中，半导体器件也可采用其它材料制作而成，在此不做限定。
52.同时，在衬底110上生长外延层120后，可以根据再生长双层绝缘介质层的结构，进而在保证栅极150较低的漏电流的同时，有效改善器件的阈值不稳定性，并降低工艺复杂度，具备工业化量产可行性。
53.第一绝缘介质层130可以通过pecvd(plasma enhanced chemical vapor deposition，等离子体增强化学气相沉积法)，lpcvd(low pressure chemical vapor deposition，低压力化学气相沉积法)等镀膜工艺制备而成。且第一绝缘介质层130为缺氧的氧化物材料或缺氮的氮化物材料制作而成，进而使得第一绝缘介质层130可以作为界面层，能够有效减少界面态密度。
54.需要说明的是，缺氧或缺氮是指相应的氧化物或氮化物材料的氧元素或氮元素低于理论化学计量比。例如，以si3n4为例进行说明，从理论上而言，si3n4是该化合物的常规呈现形式，且该化合物中的，硅元素与氮元素的理论化学计量比为3:4。实质上，通过控制镀膜工艺过程中的反应气体比例可以对化合物中的各元素化学计量比进行自由调控，例如，反应气体分别为nh3与sih2cl2，则可通过控制反应气体nh3与sih2cl2的流量比调控氮化硅的化学计量比。同时可以通过二次离子质谱(sims)、光电子能谱(xps)等技术对元素的化学计量比进行检测。因此，当需要利用缺氧或缺氮化合物制作第一绝缘介质层130时，则可对应调控化合物中各元素的化学计量比。调控后的化合物的表示式为si3n4‑
m
，与si3n4相比，其化学计量比为3:4调控为3:4
‑
m，氮元素的化学计量比例降低，因此第一绝缘介质层130由缺氮材料制作而成。
55.作为一种实现方式，第二绝缘介质层140可以通过pecvd，lpcvd，ald(atomic layer deposition，原子层沉积)，sputtering(溅射工艺)等镀膜工艺制备而成，且第二绝缘介质层140由富氧或富氮化合物材料制作而成。第二绝缘介质层140可以为高绝缘层，其能够有效降低栅极150漏电流。
56.需要说明的是，富氧或富氮是指相应的氧化物或氮化物材料的氧元素或氮元素等于或高于理论化学计量比，例如，以si3n4为例进行说明，从理论上而言，si3n4是该化合物的常规呈现形式，而si3‑
n
n4中硅元素的化学计量比降，因此其为富氮化合物材料。
57.同时，栅极150、源极160以及漏极170均通过金属材料制作而成。
58.通过本技术提供的半导体器件，可以将第一绝缘介质层130作为界面过渡层，降低界面态密度，同时将第二绝缘介质层140作为高绝缘层，有效降低栅极150漏电流。进而在保证栅极150较低的漏电流的同时，有效改善器件的阈值不稳定性，并降低工艺复杂度，具备工业化量产可行性。
59.可选的，第一绝缘介质层130与第二绝缘介质层140可以为同种材料，也可以为不同种材料，在此基础上，第一绝缘介质层130与第二绝缘介质层140可以有以下搭配方式：
60.第一种，制作第一绝缘介质层130为缺氧化合物材料，制作第二绝缘介质层140的材料为富氧化合物材料，例如，制作第一绝缘介质层130与第二绝缘介质层140的材料分别为al2o3‑
x
/al2‑
y
o3，其中，x大于0且小于3，y大于0且小于2。或者，制作第一绝缘介质层130与第二绝缘介质层140的材料分别为hfo2‑
a
/hf1‑
b
o2，其中，a大于0且小于2，b大于0且小于1。
61.第二种，制作第一绝缘介质层130为缺氮化合物材料，制作第二绝缘介质层140的材料为富氮化合物材料，例如，制作第一绝缘介质层130与第二绝缘介质层140的材料分别为si3n4‑
m
/si3‑
n
n4，其中，m大于0且小于4，n大于0且小于3。
62.第三种，制作第一绝缘介质层130为缺氧化合物材料，制作第二绝缘介质层140的材料为富氮化合物材料，例如，制作第一绝缘介质层130与第二绝缘介质层140的材料分别为al2o3‑
x
/si3‑
n
n4，其中，x大于0且小于3，n大于0且小于3。或者，制作第一绝缘介质层130与第二绝缘介质层140的材料分别为hfo2‑
a
/si3‑
n
n4，其中，a大于0且小于2，n大于0且小于3。
63.第四种，制作第一绝缘介质层130为缺氮化合物材料，制作第二绝缘介质层140的材料为富氧化合物材料，例如，制作第一绝缘介质层130与第二绝缘介质层140的材料分别为si3n4‑
m
/al2‑
y
o3，其中，m大于0且小于4，y大于0且小于2。或者，制作第一绝缘介质层130与第二绝缘介质层140的材料分别为si3n4‑
m
/hf1‑
b
o2，其中，m大于0且小于4，b大于0且小于1。
64.在上述示例中，富氧或富氮化合物材料的氧元素或氮元素均高于理论化学计量比，当然地，在一种可选的实现方式中，富氧或富氮化合物材料的氧元素或氮元素也可以等于或者接近理论化学计量比，例如，氮化硅中，硅元素与氮元素的理论化学计量比为0.75，第一绝缘介质层130中硅元素与氮元素的化学计量比为0.9～1.2，第二绝缘介质层140中硅元素与氮元素的化学计量比为0.7～0.8。
65.或者，制作第一绝缘介质层130与第二绝缘介质层140的材料还可以为al2o3‑
x
/al2o3、hfo2‑
a
/hfo2、ta2o5‑
x
/ta2o5。
66.此外，可选地，第一绝缘介质层130与第二绝缘介质层140的总厚度为20～40nm，在此基础上，第一绝缘介质层130的厚度为5～10nm，第二绝缘介质层140的厚度为15～30nm。
67.需要说明的是，为了提升半导体器件的稳定性，该器件还包括钝化层180，钝化层180位于第二绝缘介质层140远离第一绝缘介质层130的一侧。
68.基于上述实现方式，本技术实施例还提供了一种半导体器件制作方法，该方法用于制作上述的半导体器件，请参阅图2，该方法包括：
69.s102，提供一衬底。
70.s104，沿衬底的一侧生长外延层，其中，外延层包括势垒层。
71.s106，沿外延层远离衬底的一侧生长第一绝缘介质层，其中，第一绝缘介质层由缺氧或缺氮化合物材料制作而成，且缺氧或缺氮化合物材料的氧元素或氮元素低于理论化学计量比。
72.s108，沿第一绝缘介质层远离衬底的一侧生长第二绝缘介质层，其中，第二绝缘介质层由富氧或富氮化合物材料制作而成，且富氧或富氮化合物材料的氧元素或氮元素等于或高于理论化学计量比。
73.s110，在第二绝缘介质层上制作栅极，并在势垒层的两侧制作源极与漏极。
74.作为一种可选的实现方式，s106的步骤包括：
75.通过pecvd或lpcvd镀膜工艺沿外延层远离衬底的一侧生长第一绝缘介质层，并同时调控镀膜工艺中反应气体的比例，以使第一绝缘介质层由缺氧或缺氮化合物材料制作而成。
76.作为一种可选的实现方式，s108的步骤包括：
77.通过pecvd、lpcvd、ald或sputtering镀膜工艺沿第一绝缘介质层远离衬底的一侧生长第二绝缘介质层，并同时调控镀膜工艺中反应气体的比例，以使第二绝缘介质层由富氧或富氮化合物材料制作而成。
78.当然的，该半导体器件制作方法也可包括更多的步骤，例如，当半导体器件为hemt器件时，外延层还包括缓冲层与沟道层，s102的步骤包括：
79.沿衬底的一侧依次外延生长缓冲层、沟道层以及势垒层。
80.同时，在s110的步骤之前，该方法还包括：
81.在器件表面刻蚀出电极区。
82.综上所述，本技术提供了一种半导体器件及其制作方法，半导体器件包括衬底；外延层，与衬底的生长面连接，且外延层包括势垒层；第一绝缘介质层，位于外延层远离衬底的一侧，第一绝缘介质层由缺氧或缺氮化合物材料制作而成，其中，缺氧或缺氮化合物材料的氧元素或氮元素低于理论化学计量比；第二绝缘介质层，位于第一绝缘介质层远离衬底的一侧，第二绝缘介质层由富氧或富氮化合物材料制作而成，其中，富氧或富氮化合物材料的氧元素或氮元素等于或高于理论化学计量比；栅极，与第二绝缘介质层连接；源极与漏极，分别位于势垒层的两侧，且与势垒层、第一绝缘介质层以及第二绝缘介质层连接。由于本技术提供的半导体掐器件包括第一绝缘介质层与第二绝缘介质层，且第一绝缘介质层采用缺氧或缺氮化合物材料制作，第二绝缘介质层采用富氧或富氮化合物材料制作，因此可以使得第一绝缘介质层作为界面过渡层，降低界面态密度，第二绝缘介质层作为高绝缘层，可有效降低栅极漏电流，进而可以使器件的阈值电压更加稳定，且电流不易崩塌。
83.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。
84.对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本技术的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本技术。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有
变化囊括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。