專利名稱：一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
第三代半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)的介質(zhì)擊穿電場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于第一代半導(dǎo)體硅(Si)或第 二代半導(dǎo)體砷化鎵(GaAs)，高達(dá)3MV/cm，使其電子器件能承受很高的電壓。同時(shí)，氮化鎵可 以與其他鎵類化合物半導(dǎo)體(III族氮化物半導(dǎo)體)形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。由于III族氮化物 半導(dǎo)體具有強(qiáng)烈的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，在異質(zhì)結(jié)的界面附近，可以形成很高電子濃 度的二維電子氣(2DEG)溝道。這種異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)也有效的降低了電離雜質(zhì)散射，因此溝道內(nèi) 的電子遷移率大大提升。在此異質(zhì)結(jié)基礎(chǔ)上制成的氮化鎵高電子遷移率晶體管(HEMT)能 在高頻率導(dǎo)通高電流，并具有很低的導(dǎo)通電阻。這些特性使氮化鎵HEMT特別適用于制造高 頻的大功率射頻器件和高耐壓大電流的開關(guān)器件。由于二維電子氣溝道內(nèi)的電子有很高的遷移率，所以氮化鎵HEMT相對(duì)于硅器件 而言，開關(guān)速率大大提高。同時(shí)高濃度的二維電子氣也使得氮化鎵HEMT具有較高的電流密 度，適用于大電流功率器件的需要。另外，氮化鎵是寬禁帶半導(dǎo)體，能工作在較高的溫度。 硅器件在大功率工作環(huán)境下往往需要額外的降溫器件來確保其正常工作，而氮化鎵無須這 樣，或者對(duì)降溫要求較低。因此氮化鎵功率器件有利于節(jié)省空間和成本。常規(guī)的氮化鎵HEMT的器件結(jié)構(gòu)的截面圖如圖1所示。底層是基片1，基片1上沉 積有成核層2、緩沖層3和隔離層4。二維電子氣溝道在緩沖層和隔離層的界面附近形成。 源極5和漏極6與二維電子氣相通，可以控制溝道內(nèi)電子的流向。柵極7位于源極和漏極 之間，用于控制溝道內(nèi)電子的數(shù)目，進(jìn)而控制電流的大小。在晶體管中，通常在柵極與漏極之間承受較高的電壓，導(dǎo)致柵極與漏極之間靠近 柵極的區(qū)域存在強(qiáng)電場(chǎng)，此處的強(qiáng)電場(chǎng)造成氮化鎵器件的電流崩塌效應(yīng)。電流崩塌效應(yīng)表 現(xiàn)為在高頻下電流密度遠(yuǎn)小于器件穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流密度。出現(xiàn)電流崩塌效應(yīng)使器件性能退 化，降低輸出功率密度，功率增益效率等，嚴(yán)重制約了器件的高頻高壓大功率應(yīng)用。對(duì)于氮 化鎵射頻功率器件而言，因?yàn)槠浣?jīng)常要工作在超高頻和高電壓環(huán)境下，電流崩塌效應(yīng)控制 的要求更加嚴(yán)格。引起電流崩塌的物理機(jī)制有兩種。第一，材料表面缺陷引起的電流崩塌效應(yīng)。在 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)HEMT中，材料表面存在高密度的表面態(tài)或電子陷阱，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，柵 極的電子通過隧穿，漂移電導(dǎo)(hopping conduction)等物理機(jī)制進(jìn)入到材料表面柵極與漏 極之間區(qū)域的電子陷阱中。電子陷阱的反應(yīng)速度慢，從而引起電流崩塌效應(yīng)。請(qǐng)參閱圖2 所示，為應(yīng)對(duì)材料表面電子陷阱引起的電流崩塌效應(yīng)，氮化鎵HEMT —般采用SiN介質(zhì)等材 料(介質(zhì)層8)覆蓋器件表面的鈍化工藝。鈍化介質(zhì)層(如SiN或者GaN)可以通過改善材 料表面態(tài)并阻止電子在表面聚集，來降低或消除電流崩塌效應(yīng)。第二，空氣電離引起的電流崩塌效應(yīng)。在晶體管中，在柵極與漏極之間靠近柵極的 區(qū)域存在強(qiáng)電場(chǎng)。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，該區(qū)域空氣電離，由于材料表面的電勢(shì)為正，空氣電離后的負(fù)離子被表面電勢(shì)吸引，聚集在器件的表面。這些負(fù)離子，類似于一個(gè)虛柵，增強(qiáng)對(duì)虛 柵下溝道內(nèi)二維電子氣的耗盡。在高頻情況下，當(dāng)柵極電壓由夾斷電壓升為正壓時(shí)，柵極下 的溝道迅速開啟，但是源極與漏極間的負(fù)離子來不及撤走，虛柵電勢(shì)的變化速度遠(yuǎn)小于柵 極電勢(shì)變化速度。因此虛柵下的二維電子氣還是處于耗盡態(tài)，溝道無法開啟，高頻下電流密 度遠(yuǎn)小于器件穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流密度，出現(xiàn)電流崩塌效應(yīng)。請(qǐng)參閱圖2所示，為了應(yīng)對(duì)空氣電 離引起的電流崩塌效應(yīng)，氮化鎵HEM—般采用厚的鈍化介質(zhì)層(如SiN)。采用厚的SiN鈍 化介質(zhì)層，對(duì)于器件暴露在空氣中的區(qū)域，其電場(chǎng)大大降低。因此空氣電離的效應(yīng)也大大降 低。但是，傳統(tǒng)的厚SiN鈍化介質(zhì)層的結(jié)構(gòu)，會(huì)降低對(duì)于器件的頻率響應(yīng)(請(qǐng)參閱圖2 所示)，不利于超高頻氮化鎵器件的設(shè)計(jì)。對(duì)于高頻氮化鎵器件而言，器件的柵長很小，因此器件的本征電容很小。寄生電容 對(duì)于器件截止頻率的影響很大。常見的高頻氮化鎵器件采用τ型柵設(shè)計(jì)，采用SiN或者GaN 作為表面鈍化層，柵帽與氮化鎵之間由空氣隔離。但是常用的SiN和GaN表面鈍化層介電常 數(shù)大，引入的寄生電容大。附圖3用有限元的方法對(duì)附圖2所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬，如果表面 鈍化層采用低介電常數(shù)的介質(zhì)層，寄生電容能夠大大降低，這對(duì)于小柵長的器件尤為關(guān)鍵。 但是，Si02，SiON等多種介質(zhì)層都被研究和嘗試過，相對(duì)于SiN和GaN而言，不能有效鈍化 材料表面，不能有效降低由氮化鎵表面態(tài)引起的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其既能改善電流崩塌效應(yīng)，又能減小寄 生電容，提高截止頻率。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其表面設(shè)有第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層，所述第二介質(zhì)層設(shè)置 于所述第一介質(zhì)層上，所述第一介質(zhì)層和所述第二介質(zhì)層的材料的介電常數(shù)不同，所述第 二介質(zhì)層的材料為低介電常數(shù)的材料。所述第二介質(zhì)層的材料為介電常數(shù)ε <4的材料。所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管由下至上依次包括基片、半導(dǎo)體層、隔離層、第一介質(zhì)層和第二 介質(zhì)層，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管還包括源極、漏極和柵極，所述源極和漏極設(shè)置于所述隔離層上且 電性連接所述半導(dǎo)體層，所述柵極設(shè)置于所述隔離層上，所述柵極位于所述源極和漏極之 間。所述柵極為T型柵極。所述T型柵極的柵帽接觸所述第二介質(zhì)層。所述第一介質(zhì)層為鈍化所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管表面態(tài)或表面電子陷阱的鈍化介質(zhì)層； 所述第二介質(zhì)層為用于降低器件與空氣接觸區(qū)域的電場(chǎng)、降低空氣電離引起的電流崩塌效 應(yīng)的介質(zhì)層。所述第一介質(zhì)層的材料為GaN、AlN或SiN，所述第二基質(zhì)層的材料為SiO2或BCB。所述半導(dǎo)體層的材料為氮化物半導(dǎo)體材料，所述隔離層的材料為與所述半導(dǎo)體層 的材料形成異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體材料。所述基片的材料為藍(lán)寶石、SiC、GaN或Si ；所述半導(dǎo)體層和所述隔離層的材料為
4III族氮化物半導(dǎo)體材料，其中III價(jià)原子包括銦、鋁或鎵。所述半導(dǎo)體層和隔離層的材料為InxAlyGazNmz(0彡x，y，ζ彡1)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管通過在第一介 質(zhì)層上設(shè)置低介電常數(shù)的第二介質(zhì)層，第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層可以輔助形成場(chǎng)板結(jié)構(gòu)， 場(chǎng)板結(jié)構(gòu)有利于進(jìn)一步減低電場(chǎng)，減低電流崩塌效應(yīng)，低介電常數(shù)的第二介質(zhì)層也可以大 大降低器件的寄生電容，提高器件的截止頻率。


圖1為常規(guī)氮化鎵HEMT器件結(jié)構(gòu)的截面圖；圖2為常規(guī)高頻氮化鎵HEMT器件結(jié)構(gòu)的截面圖，器件材料表面形成一層鈍化介質(zhì) 層；圖3為圖2所示器件電容的模擬結(jié)構(gòu)對(duì)于IOOnm柵長的器件而言，采用SiN作為 介質(zhì)層，相比于采用低介電常數(shù)(ε =3)的介質(zhì)，其寄生電容要增加約58%，其總電容要增 加約19% ；圖4為本發(fā)明一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的截面圖；圖5為圖4所示晶體管結(jié)構(gòu)的另一種變化，T型柵帽直接位于鈍化介質(zhì)層上。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的說明。請(qǐng)參閱圖4所示，基片1的材質(zhì)可以是藍(lán)寶石(Sapphire)、SiC、GaN, Si或者本 領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的任何其他適合生長氮化鎵材料，基片1的沉積方法包括CVD、VPE、 MOCVD, LPCVD, PECVD、脈沖激光沉積(PLD)、原子層外延、MBE、濺射、蒸發(fā)等?；?上是可選的成核層2，用于在其上生長半導(dǎo)體層，本發(fā)明也可以不形成成核 層2，而直接在基片1上形成半導(dǎo)體層。成核層2上是半導(dǎo)體層3，其可以是基于氮化物的任何半導(dǎo)體材料，例如III族氮 化物半導(dǎo)體材料，其中III價(jià)原子包括銦、鋁、鎵或銦、鋁、鎵以任意比例的組合。具體地，半 導(dǎo)體層3可以包括氮化鎵(GaN)以及其他鎵類化合物半導(dǎo)體材料，例如AlGaN、InGaN等， 也可以是鎵類化合物半導(dǎo)體材料與其他半導(dǎo)體材料的疊層。鎵類半導(dǎo)體材料的極性可以是 Ga-極性，也可以是N-極性、非極性或者半極性。半導(dǎo)體層3上是隔離層4，其是能夠與下面的半導(dǎo)體層3形成異質(zhì)結(jié)的任何半導(dǎo)體 材料，包括鎵類化合物半導(dǎo)體材料或III族氮化物半導(dǎo)體材料，例如InxAlyGazNmz⑴彡x， y，z< 1)。也就是說，本發(fā)明對(duì)于半導(dǎo)體層3和隔離層4沒有任何限制，只要二者之間能夠 形成異質(zhì)結(jié)即可。由于在半導(dǎo)體層3和隔離層4之間形成半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，在異質(zhì)結(jié)界面上 的極化電荷引入了高濃度的二維電子氣(2DEG)。同時(shí)由于電離雜質(zhì)散射被大大降低，電子 具有很高的電子遷移率。隔離層4上即是第一介質(zhì)層8。該第一介質(zhì)層8可以是在生長或工藝過程中沉積 的晶體材料，如GaN或AlN等；也可以是在生長或工藝過程中沉積的非晶體材料，例如SiN 等。該第一介質(zhì)層8目的即是鈍化器件表面，降低或消除氮化鎵HEMT的電流崩塌效應(yīng)，并 且保護(hù)器件表面免受外界影響等。
第一介質(zhì)層8之上是一層或多層第二介質(zhì)層9。該第二介質(zhì)層9可以是在生長或 工藝過程中沉積的晶體材料；也可以是在生長或工藝過程中沉積的非晶體材料。該介質(zhì)層 選用低介電常數(shù)的材料(ε <4)，例如5102或808等，第二介質(zhì)層9是為了降低柵漏之間 靠近柵端，器件與空氣接觸處區(qū)域10的電場(chǎng)，降低或阻止該區(qū)域10的空氣電離，降低空氣 電離效應(yīng)引起的電流崩塌效應(yīng)。同時(shí)第二介質(zhì)層采用低介電常數(shù)的材料，可以降低器件的 寄生電容，提高器件的截止頻率。器件表面被第一介質(zhì)層8和第二介質(zhì)層9覆蓋后，可以防 止受到外界環(huán)境的影響或損傷，如防氧化、防潮、防輻射、絕緣、防損傷等。第一介質(zhì)層8和第二介質(zhì)層9可由多種方式形成，如MOCVD，PECVD, ALD, MBE及熱 生長等，但不局限于此法。應(yīng)該理解，這里描述形成介質(zhì)層的方法只是進(jìn)行舉例，本發(fā)明可 以通過本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的任何方法形成介質(zhì)層。第一介質(zhì)層8和第二介質(zhì)層9可由多種材料構(gòu)成，如GaN，SixNy, SixOy, Al2O3，BCB 等，但不局限于所列舉材料。第一介質(zhì)層8和第二介質(zhì)層9的結(jié)構(gòu)可以是單層或是多層，也可以是多種材料重 復(fù)堆疊形成。第一介質(zhì)層8和第二介質(zhì)層9的厚度本發(fā)明不做限制，根據(jù)不同的目的及應(yīng)用可 以變化。半導(dǎo)體器件的源極5和漏極6與半導(dǎo)體層3中的2DEG形成電連接。在本實(shí)施例 中，源極5和漏極6與半導(dǎo)體層3中的2DEG形成電連接的方式可以采用但不局限于以下方 式形成a.高溫退火；b.離子注入；c.重?fù)诫s。在進(jìn)行高溫退火的情況下，源極5和漏極6 的電極金屬穿過隔離層4與半導(dǎo)體層3接觸，從而與半導(dǎo)體層3中形成的2DEG電連接。在 進(jìn)行離子注入和重?fù)诫s的情況下，源極5和漏極6由與半導(dǎo)體層3中形成的2DEG電連接的 離子注入部分或重?fù)诫s部分和其上的電極構(gòu)成。應(yīng)該理解，這里描述形成源極5和漏極6 的方法只是進(jìn)行舉例，本發(fā)明可以通過本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的任何方法形成源極5和漏 極6。半導(dǎo)體器件的柵極7在位于源極5和漏極6之間的區(qū)域。柵極7可以是單層金屬 柵極，也可以雙層或多層?xùn)艠O結(jié)構(gòu)，例如下層是絕緣介質(zhì)(例如SiO2),上層是柵極金屬，柵 極金屬也可以是多層金屬。應(yīng)該理解，這里描述形成柵極的方法只是進(jìn)行舉例，本發(fā)明可以 通過本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的任何方法形成柵極。本發(fā)明中柵極優(yōu)選為T型柵極。T型柵 極可以降低器件的柵極電阻，提高器件的頻率響應(yīng)。在高壓器件中會(huì)使用場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，第一介質(zhì)層8和第二介質(zhì)層9可以輔助形成場(chǎng)板 結(jié)構(gòu)。請(qǐng)參閱圖5所示，示出了本發(fā)明的一種變形，它在圖4的基礎(chǔ)上，T型柵的柵帽與介 質(zhì)層之間形成場(chǎng)板結(jié)構(gòu)。場(chǎng)板結(jié)構(gòu)使柵極近漏端區(qū)域電場(chǎng)均勻分布，提高器件擊穿電壓。 在圖5結(jié)構(gòu)中，采用低介電常數(shù)第二介質(zhì)層9來取代SiN層，也可以大大降低器件的寄生電 容，提高器件的截止頻率。該氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管亦可采用源場(chǎng)板、浮柵等結(jié)構(gòu)增強(qiáng)其性能。應(yīng)該理解，本發(fā)明是從器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來改善半導(dǎo)體器件的電流崩塌效應(yīng)， 提高器件截止頻率作用的，因此上述描述的耗盡型的氮化鎵HEMT只是一個(gè)例子，本發(fā)明并 不限于此。本發(fā)明既適用于工作在高電壓大電流環(huán)境下的氮化鎵HEMT，也可以適用于其他 形式的晶體管，如金屬氧化層半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，金屬絕緣層半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶 體管(MISFET)，雙異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(DHFET)，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)，金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)，金屬絕緣層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MISHFET)或者其他場(chǎng)效應(yīng) 晶體管。并且，這些器件可以是增強(qiáng)型的，也可以是耗盡型的。 以上雖然通過一些示例性的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件以及用于制造半導(dǎo)體 器件的方法進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但是以上這些實(shí)施例并不是窮舉的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以 在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)各種變化和修改。因此，本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例，本發(fā)明 的范圍僅以所附權(quán)利要求書為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于該晶體管表面設(shè)有第一介質(zhì)層(8)和第二介質(zhì)層(9)，所述第二介質(zhì)層(9)設(shè)置于所述第一介質(zhì)層(8)上，所述第一介質(zhì)層(8)和所述第二介質(zhì)層(9)的材料的介電常數(shù)不同，所述第二介質(zhì)層(9)的材料為低介電常數(shù)的材料。
2.如權(quán)利要求1所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述第二介質(zhì)層(9)的材料為介電 常數(shù)ε < 4的材料。
3.如權(quán)利要求1或2所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管由下至上依 次包括基片(1)、半導(dǎo)體層(3)、隔離層(4)、第一介質(zhì)層(8)和第二介質(zhì)層(9)，該場(chǎng)效應(yīng)晶 體管還包括源極(5)、漏極(6)和柵極(7)，所述源極(5)和漏極(6)設(shè)置于所述隔離層⑷ 上且電性連接所述半導(dǎo)體層(3)，所述柵極(3)設(shè)置于所述隔離層(4)上，所述柵極(7)位 于所述源極(5)和漏極(6)之間。
4.如權(quán)利要求3所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述柵極(7)為T型柵極。
5.如權(quán)利要求4所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述T型柵極的柵帽接觸所述第二 介質(zhì)層O)。
6.如權(quán)利要求3所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述第一介質(zhì)層(8)為鈍化所述場(chǎng) 效應(yīng)晶體管表面態(tài)或表面電子陷阱的鈍化介質(zhì)層；所述第二介質(zhì)層(9)為用于降低器件與 空氣接觸區(qū)域的電場(chǎng)、降低空氣電離引起的電流崩塌效應(yīng)的介質(zhì)層。
7.如權(quán)利要求6所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述第一介質(zhì)層(8)的材料為GaN、 AlN或SiN，所述第二基質(zhì)層(9)的材料為3102或8〇8。
8.如權(quán)利要求3所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管件，其特征在于所述半導(dǎo)體層(3)的材料為氮化 物半導(dǎo)體材料，所述隔離層(4)的材料為與所述半導(dǎo)體層(3)的材料形成異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體 材料。
9.如權(quán)利要求3所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述基片(1)的材料為藍(lán)寶石、SiC、 GaN或Si ；所述半導(dǎo)體層(3)和所述隔離層(4)的材料為III族氮化物半導(dǎo)體材料，其中 III價(jià)原子包括銦、鋁或鎵。
10.如權(quán)利要求8或9所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于所述半導(dǎo)體層(3)和隔離層(4) 的材料為 InxAlyGazNhTz (0 ≤ x，y，z ≤ 1)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該晶體管表面設(shè)有第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層，所述第二介質(zhì)層設(shè)置于所述第一介質(zhì)層上，所述第一介質(zhì)層和所述第二介質(zhì)層的材料的介電常數(shù)不同，所述第二介質(zhì)層的材料為低介電常數(shù)的材料。本發(fā)明一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管在第一介質(zhì)層上設(shè)置低介電常數(shù)的第二介質(zhì)層，第一層介質(zhì)層為了鈍化材料表面態(tài)和缺陷，第二層介質(zhì)層為了降低強(qiáng)場(chǎng)下的空氣電離效應(yīng)，低介電常數(shù)的第二介質(zhì)層可以大大降低器件的寄生電容，提高器件的截止頻率。第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層也可以輔助形成場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，場(chǎng)板結(jié)構(gòu)有利于進(jìn)一步減低電場(chǎng)，減低電流崩塌效應(yīng)。
文檔編號(hào)H01L21/335GK101924129SQ201010231809
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月20日
發(fā)明者范愛民 申請(qǐng)人:范愛民