氮化镓基异质结场效应晶体管及其制造方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种氮化镓基异质结场效应晶体管及其制造方法。


背景技术：

2.algan/gan异质结外延结构存在天然的二维电子气沟道，造成传统的algan/gan器件具有耗尽型的开关特性，而实现与传统电力电子器件栅极驱动系统相兼容，并且具有一定的正阈值电压的增强型氮化镓基异质结场效应晶体管，就是取代传统电力电子行业的先天条件。
3.目前，在行业增强型氮化镓基异质结场效应晶体管中，会在形成栅电极之前，在铝镓氮势垒层上生长并刻蚀p型铝镓氮，栅电极与p型铝镓氮形成肖特基接触。但是，p型氮化镓的掺杂激活率低，成本高；并且，p型氮化镓的厚度很薄，且p型氮化镓与铝镓氮势垒层的刻蚀选择比很小，以目前刻蚀机台的刻蚀能力在刻蚀p型氮化镓时会过刻蚀，导致铝镓氮势垒层被部分刻蚀，进而导致晶圆面内均匀性差，且导致器件的开启电压和导通电阻猛增，从而导致晶圆的良率降低。
4.因此，如何对氮化镓基异质结场效应晶体管及其制造方法进行改进，以提高晶圆良率是目前亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种氮化镓基异质结场效应晶体管及其制造方法，能够降低成本以及提高晶圆良率。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种氮化镓基异质结场效应晶体管，包括：由下至上的衬底、氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层和铝镓氮势垒层；第一绝缘介质层、氮化硅层和第二绝缘介质层，由下至上形成于所述铝镓氮势垒层上；源电极和漏电极，分别形成于所述第一绝缘介质层两侧的铝镓氮势垒层上；栅电极，形成于所述第二绝缘介质层上。
7.可选地，所述第一绝缘介质层与所述铝镓氮势垒层的刻蚀选择比大于50且小于120。
8.可选地，所述第一绝缘介质层的厚度为500
å
~5000
å
，所述氮化硅层的厚度为500
å
~3000
å
，所述第二绝缘介质层的厚度为200
å
~5000
å
。
9.可选地，所述第一绝缘介质层和所述第二绝缘介质层的材质包括氧化硅和/或氮氧化硅。
10.本发明还提供一种氮化镓基异质结场效应晶体管的制造方法，包括：提供一晶圆，所述晶圆包括由下至上的衬底、氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层和铝镓氮势垒层；
依次形成第一绝缘介质层、氮化硅层和第二绝缘介质层于所述铝镓氮势垒层上；分别形成源电极和漏电极于所述第一绝缘介质层两侧的铝镓氮势垒层上；形成栅电极于所述第二绝缘介质层上。
11.可选地，依次形成所述第一绝缘介质层、所述氮化硅层和所述第二绝缘介质层于所述铝镓氮势垒层上的步骤包括：依次沉积第一绝缘材料层、氮化硅材料层和第二绝缘材料层于所述铝镓氮势垒层上；依次刻蚀所述第二绝缘材料层、所述氮化硅材料层和所述第一绝缘材料层，以分别形成第二绝缘介质层、氮化硅层和第一绝缘介质层。
12.可选地，采用干法刻蚀工艺依次刻蚀所述第二绝缘材料层、所述氮化硅材料层和所述第一绝缘材料层。
13.可选地，所述第一绝缘介质层与所述铝镓氮势垒层的刻蚀选择比大于50且小于120。
14.可选地，所述第一绝缘介质层的厚度为500
å
~5000
å
，所述氮化硅层的厚度为500
å
~3000
å
，所述第二绝缘介质层的厚度为200
å
~5000
å
。
15.可选地，所述第一绝缘介质层和所述第二绝缘介质层的材质包括氧化硅和/或氮氧化硅。
16.与现有技术相比，本发明的氮化镓基异质结场效应晶体管及其制造方法，通过将栅电极与铝镓氮势垒层之间的结构从现有的p型铝镓氮替换为本发明的第一绝缘介质层、氮化硅层和第二绝缘介质层，使得所述氮化镓基异质结场效应晶体管达到常关效果的同时，还能使得生产成本明显降低；并且，由于p型氮化镓与铝镓氮势垒层的刻蚀选择比很小，而所述第一绝缘介质层与所述铝镓氮势垒层的刻蚀选择比很大，相比采用目前的刻蚀机台刻蚀p型氮化镓时会产生过刻蚀，本发明在采用目前的刻蚀机台刻蚀形成所述第一绝缘介质层时，能够避免对所述铝镓氮势垒层产生刻蚀，进而使得在确保所述铝镓氮势垒层的表面均匀性以及平整度的同时，还能避免影响氮化镓基异质结场效应晶体管的开启电压和导通电阻，从而使得晶圆的良率得到提高。
附图说明
17.图1是本发明一实施例的氮化镓基异质结场效应晶体管的制造方法的流程图；图2是本发明一实施例的晶圆的结构示意图；图3是本发明一实施例的铝镓氮势垒层上依次沉积第一绝缘材料层、氮化硅材料层和第二绝缘材料层的结构示意图；图4是本发明一实施例的铝镓氮势垒层上形成第一绝缘介质层、氮化硅层和第二绝缘介质层的结构示意图；图5是本发明一实施例的铝镓氮势垒层上形成源电极和漏电极的结构示意图；图6是本发明一实施例的第二绝缘介质层上形成栅电极的结构示意图；图7是本发明一实施例的栅电极加正压时二维电子气中的电荷运动到氮化硅层中的示意图。
18.其中，附图1~图7的附图标记说明如下：
10-衬底；11-氮化镓缓冲层；12-氮化镓沟道层；13-铝镓氮势垒层；14-第一绝缘介质层；141-第一绝缘材料层；15-氮化硅层；151-氮化硅材料层；16-第二绝缘介质层；161-第二绝缘材料层；17-源电极；18-漏电极；19-栅电极；20-二维电子气。
具体实施方式
19.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下对本发明提出的氮化镓基异质结场效应晶体管及其制造方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
20.本发明一实施例提供一种氮化镓基异质结场效应晶体管的制造方法，参阅图1，图1是本发明一实施例的氮化镓基异质结场效应晶体管的制造方法的流程图，所述氮化镓基异质结场效应晶体管的制造方法包括：步骤s1，提供一晶圆，所述晶圆包括由下至上的衬底、氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层和铝镓氮势垒层；步骤s2，依次形成第一绝缘介质层、氮化硅层和第二绝缘介质层于所述铝镓氮势垒层上；步骤s3，分别形成源电极和漏电极于所述第一绝缘介质层两侧的铝镓氮势垒层上；步骤s4，形成栅电极于所述第二绝缘介质层上。
21.下面参阅图2~图7更为详细的介绍本实施例提供的氮化镓基异质结场效应晶体管的制造方法，图2~图7也是氮化镓基异质结场效应晶体管的纵向剖面示意图。
22.参阅图2，按照步骤s1，提供一晶圆，所述晶圆包括由下至上的衬底10、氮化镓缓冲层11、氮化镓沟道层12和铝镓氮势垒层13。所述氮化镓缓冲层11、所述氮化镓沟道层12和所述铝镓氮势垒层13通过依次在所述衬底10上外延生长形成。
23.所述衬底10的材质可以为本领域技术人员所熟知的任意合适的材料，例如单晶硅、锗化硅、碳化硅等。
24.所述氮化镓沟道层12和所述铝镓氮势垒层13形成的异质结结构中可形成具有高电子浓度和高电子迁移率的二维电子气（如图7中位于所述氮化镓沟道层12中的二维电子气20）。
25.参阅图3~图4，按照步骤s2，依次形成第一绝缘介质层14、氮化硅层15和第二绝缘介质层16于所述铝镓氮势垒层13上。
26.依次形成所述第一绝缘介质层14、所述氮化硅层15和所述第二绝缘介质层16于所述铝镓氮势垒层13上的步骤包括：首先，如图3所示，依次沉积第一绝缘材料层141、氮化硅材料层151和第二绝缘材料层161覆盖于所述铝镓氮势垒层13上，其中，可以采用化学气相沉积工艺；然后，如图4所示，依次刻蚀所述第二绝缘材料层161、所述氮化硅材料层151和所述第一绝缘材料层141，以分别对应形成第二绝缘介质层16、氮化硅层15和第一绝缘介质层14。
27.其中，优选采用干法刻蚀工艺依次刻蚀所述第二绝缘材料层161、所述氮化硅材料层151和所述第一绝缘材料层141，以使得对所述第二绝缘材料层161、所述氮化硅材料层151和所述第一绝缘材料层141刻蚀的更加精准，刻蚀后的结构形貌更好。并且，为了避免干
法刻蚀过程中等离子体轰击产生的电子进入所述铝镓氮势垒层13和所述氮化镓沟道层12中而产生漏电问题，优选干法刻蚀工艺采用的功率控制在小于30瓦。
28.需要说明的是，在其他实施例中，也可以采用湿法刻蚀工艺依次刻蚀所述第二绝缘材料层161、所述氮化硅材料层151和所述第一绝缘材料层141。
29.优选的，所述第一绝缘介质层14和所述第一绝缘材料层141与所述铝镓氮势垒层13的刻蚀选择比大于50且小于120，以使得在刻蚀所述第一绝缘材料层141形成所述第一绝缘介质层14时，避免对所述第一绝缘材料层141下方的所述铝镓氮势垒层13产生刻蚀，进而在确保所述铝镓氮势垒层13的表面均匀的同时，还能避免影响氮化镓基异质结场效应晶体管的开启电压和导通电阻。
30.并且，所述氮化硅层15和所述第二绝缘介质层16分别与所述铝镓氮势垒层13的刻蚀选择比也可以为大于50且小于120。
31.所述第一绝缘介质层14和所述第二绝缘介质层16的材质可以包括氧化硅或氮氧化硅，或者同时包括氧化硅和氮氧化硅。
32.所述第一绝缘介质层14的厚度可以为500
å
~5000
å
，所述氮化硅层15的厚度可以为500
å
~3000
å
，所述第二绝缘介质层16的厚度可以为200
å
~5000
å
。需要说明的是，所述第一绝缘介质层14、所述氮化硅层15和所述第二绝缘介质层16的厚度不仅限于上述的范围。
33.参阅图5，按照步骤s3，分别形成源电极17和漏电极18于所述第一绝缘介质层14两侧的铝镓氮势垒层13上，所述源电极17和所述漏电极18均与所述铝镓氮势垒层13形成欧姆接触。
34.参阅图6，按照步骤s4，形成栅电极19于所述第二绝缘介质层16上，所述栅电极19、所述第一绝缘介质层14、所述氮化硅层15、所述第二绝缘介质层16与所述铝镓氮势垒层13形成mis（金属-绝缘层-半导体）结构。
35.参阅图7，在向所述栅电极19加正压之后，所述氮化镓沟道层12中的二维电子气20中的电荷穿过所述铝镓氮势垒层13和所述第一绝缘介质层14运动到所述氮化硅层15中（箭头所指方向为电荷的运动方向），利用所述第一绝缘介质层14和所述第二绝缘介质层16的绝缘性，使得电荷被锁在所述氮化硅层15中，避免电荷从所述氮化硅层15中向下运动到所述铝镓氮势垒层13中以及向上运动到所述栅电极19中，进而使得所述氮化镓基异质结场效应晶体管处于常关状态。并且，若需要将所述栅电极19恢复，则向所述衬底10的背面加正压，所述氮化硅层15中的电荷会经所述第一绝缘介质层14和所述铝镓氮势垒层13回到二维电子气20中，此时，所述氮化镓基异质结场效应晶体管处于常开状态。
36.从上述步骤s1至步骤s4可知，将所述栅电极19与所述铝镓氮势垒层13之间的结构从现有的p型铝镓氮替换为本发明的所述第一绝缘介质层14、所述氮化硅层15和所述第二绝缘介质层16，使得所述氮化镓基异质结场效应晶体管达到常关效果的同时，还能使得生产成本明显降低；并且，由于p型氮化镓与铝镓氮势垒层的刻蚀选择比很小（接近1），而所述第一绝缘介质层14与所述铝镓氮势垒层13的刻蚀选择比很大（优选为大于50且小于120），相比采用目前的刻蚀机台刻蚀p型氮化镓时会产生过刻蚀，本发明在采用目前的刻蚀机台刻蚀形成所述第一绝缘介质层14时，能够避免对所述铝镓氮势垒层13产生刻蚀，进而使得在确保所述铝镓氮势垒层13的表面均匀性以及平整度的同时，还能避免影响氮化镓基异质结场效应晶体管的开启电压和导通电阻，从而使得晶圆的良率得到提高。
37.本发明一实施例提供一种氮化镓基异质结场效应晶体管，包括：由下至上的衬底、氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层和铝镓氮势垒层；第一绝缘介质层、氮化硅层和第二绝缘介质层，由下至上形成于所述铝镓氮势垒层上；源电极和漏电极，分别形成于所述第一绝缘介质层两侧的铝镓氮势垒层上；栅电极，形成于所述第二绝缘介质层上。
38.下面参阅图7更为详细的介绍本实施例的氮化镓基异质结场效应晶体管。
39.所述氮化镓基异质结场效应晶体管包括由下至上的衬底10、氮化镓缓冲层11、氮化镓沟道层12和铝镓氮势垒层13。
40.所述衬底10的材质可以为本领域技术人员所熟知的任意合适的材料，例如单晶硅、锗化硅、碳化硅等。
41.所述氮化镓沟道层12和所述铝镓氮势垒层13形成的异质结结构中可形成具有高电子浓度和高电子迁移率的二维电子气20，所述二维电子气20位于所述氮化镓沟道层12中。
42.所述第一绝缘介质层14、所述氮化硅层15和所述第二绝缘介质层16由下至上依次形成于所述铝镓氮势垒层13上。
43.优选的，所述第一绝缘介质层14与所述铝镓氮势垒层13的刻蚀选择比大于50且小于120，以使得在刻蚀形成所述第一绝缘介质层14时，避免对所述铝镓氮势垒层13产生刻蚀，进而在确保所述铝镓氮势垒层13的表面均匀的同时，还能避免影响氮化镓基异质结场效应晶体管的开启电压和导通电阻。
44.并且，所述氮化硅层15和所述第二绝缘介质层16分别与所述铝镓氮势垒层13的刻蚀选择比也可以为大于50且小于120。
45.所述第一绝缘介质层14和所述第二绝缘介质层16的材质可以包括氧化硅或氮氧化硅，或者同时包括氧化硅和氮氧化硅。
46.所述第一绝缘介质层14的厚度可以为500
å
~5000
å
，所述氮化硅层15的厚度可以为500
å
~3000
å
，所述第二绝缘介质层16的厚度可以为200
å
~5000
å
。需要说明的是，所述第一绝缘介质层14、所述氮化硅层15和所述第二绝缘介质层16的厚度不仅限于上述的范围。
47.所述源电极17和所述漏电极18分别形成于所述第一绝缘介质层14两侧的铝镓氮势垒层13上，所述源电极17和所述漏电极18均与所述铝镓氮势垒层13形成欧姆接触。
48.所述栅电极19形成于所述第二绝缘介质层16上，所述栅电极19、所述第一绝缘介质层14、所述氮化硅层15、所述第二绝缘介质层16与所述铝镓氮势垒层13形成mis（金属-绝缘层-半导体）结构。
49.在向所述栅电极19加正压之后，所述氮化镓沟道层12中的二维电子气20中的电荷穿过所述铝镓氮势垒层13和所述第一绝缘介质层14运动到所述氮化硅层15中（箭头所指方向为电荷的运动方向），利用所述第一绝缘介质层14和所述第二绝缘介质层16的绝缘性，使得电荷被锁在所述氮化硅层15中，避免电荷从所述氮化硅层15中向下运动到所述铝镓氮势垒层13中以及向上运动到所述栅电极19中，进而使得所述氮化镓基异质结场效应晶体管处于常关状态。并且，若需要将所述栅电极19恢复，则向所述衬底10的背面加正压，所述氮化硅层15中的电荷会经所述第一绝缘介质层14和所述铝镓氮势垒层13回到二维电子气20中，此时，所述氮化镓基异质结场效应晶体管处于常开状态。
50.从上述内容可知，通过将所述栅电极19与所述铝镓氮势垒层13之间的结构从现有
的p型铝镓氮替换为本发明的所述第一绝缘介质层14、所述氮化硅层15和所述第二绝缘介质层16，使得所述氮化镓基异质结场效应晶体管达到常关效果的同时，还能使得生产成本明显降低；并且，由于p型氮化镓与铝镓氮势垒层的刻蚀选择比很小（接近1），而所述第一绝缘介质层14与所述铝镓氮势垒层13的刻蚀选择比很大（优选为大于50且小于120），相比采用目前的刻蚀机台刻蚀p型氮化镓时会产生过刻蚀，本发明在采用目前的刻蚀机台刻蚀形成所述第一绝缘介质层14时，能够避免对所述铝镓氮势垒层13产生刻蚀，进而使得在确保所述铝镓氮势垒层13的表面均匀性以及平整度的同时，还能避免影响氮化镓基异质结场效应晶体管的开启电压和导通电阻，从而使得器件的良率得到提高。
51.上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。