《一种增强型氮化物半导体器件及其制造方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种增强型氮化物半导体器件及其制造方法.pdf（12页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、10申请公布号CN104051522A43申请公布日20140917CN104051522A21申请号201410312838422申请日20140702H01L29/778200601H01L29/423200601H01L21/33520060171申请人苏州晶湛半导体有限公司地址215124江苏省苏州市工业园区金鸡湖大道99号苏州纳米城西北区20幢517A72发明人程凯74专利代理机构北京集佳知识产权代理有限公司11227代理人唐灵常亮54发明名称一种增强型氮化物半导体器件及其制造方法57摘要本发明公开一种增强型氮化物半导体器件及其制造方法，该器件包括衬底；依次设于衬底上的氮化物成核层、。
2、氮化物缓冲层、氮化物沟道层和氮化物势垒层；与氮化物势垒层相接触的漏极和源极；设于氮化物势垒层上除源极和漏极以外区域的钝化介质层，刻蚀掉栅极区域处的钝化介质层后形成的三层复合结构的栅极；栅极可以具有凹槽结构。栅极的第一层为绝缘体氧化镍，第二层为P型半导体氧化镍，第三层为金属层，使得零栅压时耗尽栅极下方的二维电子气，实现增强型的金属绝缘体半导体场效应晶体管结构，同时具有较低的漏电和较高的击穿电压。51INTCL权利要求书2页说明书6页附图3页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书6页附图3页10申请公布号CN104051522ACN104051522A1/2页21一种。
3、增强型氮化物半导体器件的制造方法，其特征在于，包括下述步骤1提供一衬底；2在所述衬底上依次形成氮化物成核层、氮化物缓冲层、氮化物沟道层和氮化物势垒层；3形成与所述氮化物势垒层相接触的漏极和源极；4在所述氮化物势垒层上除源极和漏极以外的区域沉积钝化介质层，刻蚀掉栅极区域处的钝化介质层，在栅极区域处形成复合结构的栅极；其中，所述的栅极位于所述源极和漏极之间，该复合结构的栅极至少包括依次排布的三层，分别为第一层为绝缘体氧化镍、第二层为P型半导体氧化镍，第三层为金属层。2根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于在刻蚀掉栅极区域处的钝化介质层后，继续刻蚀所述氮化物势垒层形成凹槽，再于凹槽内形成栅极，所述。
4、凹槽的底部不低于所述氮化物沟道层和氮化物势垒层界面处二维电子气形成的导电沟道。3根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于在形成氮化物沟道层后，先形成氮化物插入层，再形成氮化物势垒层。4根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于在所述氮化物势垒层上先形成氮化物冒层，再形成与所述氮化物冒层相接触的漏极和源极。5根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于在所述氮化物冒层上除源极和漏极以外的区域沉积钝化介质层，刻蚀掉栅极区域处的钝化介质层，继续刻蚀所述氮化物冒层形成凹槽，再于凹槽内形成栅极，所述凹槽的底部不贯穿所述氮化物冒层。6根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于所述钝化介质层为二氧化硅、氮化。
5、硅、硅铝氮中一种或几种。7如权利要求1所述的制造方法，其特征在于在所述氮化物势垒层上方、复合结构栅极下方还可以先沉积绝缘介质层。8一种由权利要求1所述的制造方法制造的增强型氮化物半导体器件，其特征在于，包括衬底；依次设于所述衬底上的氮化物成核层、氮化物缓冲层、氮化物沟道层和氮化物势垒层；与所述氮化物势垒层相接触的漏极和源极；设于所述氮化物势垒层上除源极和漏极以外区域的钝化介质层，刻蚀掉栅极区域处的钝化介质层后形成的三层复合结构的栅极；其中，所述的栅极位于所述源极和漏极之间，该复合结构的栅极至少包括依次排布的三层，分别为第一层为绝缘体氧化镍，第二层为P型半导体氧化镍，第三层为金属层。9根据权利要。
6、求8所述的半导体器件，其特征在于在栅极区域下方的氮化物势垒层上设有凹槽，所述凹槽内形成复合结构的栅极，所述凹槽的底部不低于所述氮化物沟道层和氮化物势垒层界面处二维电子气形成的导电沟道。10根据权利要求8或9所述的半导体器件，其特征在于在所述氮化物沟道层和氮化物势垒层之间设有氮化物插入层。11根据权利要求8或9所述的半导体器件，其特征在于在所述氮化物势垒层上设有权利要求书CN104051522A2/2页3氮化物冒层，所述漏极和源极与氮化物冒层相接触。12根据权利要求11所述的半导体器件，其特征在于在栅极区域下方的氮化物冒层上设有凹槽，所述凹槽内形成三层复合结构的栅极，所述凹槽的底部不贯穿所述氮化。
7、物冒层。13根据权利要求8所述的半导体器件，其特征在于所述钝化介质层为二氧化硅、氮化硅、硅铝氮中一种或几种。14根据权利要求8所述的半导体器件，其特征在于在所述氮化物势垒层上方、复合结构栅极下方设有绝缘介质层。权利要求书CN104051522A1/6页4一种增强型氮化物半导体器件及其制造方法技术领域0001本发明属于微电子技术领域，涉及一种半导体器件的制造方法以及通过该方法制得的半导体器件，具体涉及一种族氮化物半导体器件的制造方法以及制得的增强型金属绝缘体半导体场效应晶体管MISFET。背景技术0002氮化镓半导体材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速率高、击穿场强高、耐高温等显著优点，与第一代半。
8、导体硅和第二代半导体砷化镓相比，更适合于制作高温、高压、高频和大功率的电子器件，具有广阔的应用前景，因此成为目前半导体行业研究的热点。0003氮化镓高电子迁移率晶体管HEMT是利用ALGAN/GAN异质结处的二维电子气形成的一种氮化镓器件，可以应用于高频、高压和大功率的领域。作为场效应晶体管的一种，氮化镓HEMT主要有耗尽型器件和增强型器件两种类型。由于二维电子气具有较高的迁移率和饱和漂移速率，通常利用二维电子气沟道常开的特性来制作耗尽型的氮化镓HEMT器件，适用于无线通信等高频应用领域。在其他特定的应用领域如功率开关和数字电路等领域，通常需要使用增强型的氮化镓HEMT器件。0004然而，相对。
9、于耗尽型氮化镓HEMT器件，增强型氮化镓HEMT器件却不容易实现。实现增强型的氮化镓HEMT器件，需要找到办法使得零栅压时栅电极下方ALGAN/GAN异质结处二维电子气的浓度降低到足够低。一种办法是对栅极区进行刻蚀，减薄栅极下方铝镓氮势垒层的厚度，以降低栅极下方二维电子气的浓度。第二种方法是在栅极下方选择性保留P型氮化物，通过P型氮化物提拉ALGAN/GAN异质结处的费米能级，形成耗尽区，实现增强型器件。0005这两种方法都有不足之处。在第一种方法中，阈值电压一般不超过1V，达不到实际应用所需的35V。因此，为了提高阈值电压，还需要另外增加介质层如三氧化二铝。但是，三氧化二铝介质层与铝镓氮势垒。
10、层界面处存在较高密度的界面态，会增大器件的电流崩塌，对器件的效率造成较大影响。在第二种方法中，在保留P型氮化物的同时，需要刻蚀掉栅极下方以外的其他所有区域。对刻蚀厚度的精确控制，是一个比较难以解决的问题。而且，刻蚀导致的缺陷，以及P型氮化镓中产生的镁原子，都会导致电流崩塌效应。另外，P型氮化镓电离产生的空穴浓度一般不超过1E18CM3。如此低的空穴浓度将不足以使栅极下方的二维电子气全部耗尽，无法使二维电子气导电沟道完全关断。这样就难以实现真正的增强型器件。0006因此，针对上述技术问题，有必要提供一种具有改良结构的增强型的氮化物半导体器件，以克服上述缺陷。发明内容0007有鉴于此，本发明的目的。
11、在于提供一种由氧化镍组成的复合型栅极结构的增强型氮化物半导体器件及其制造方法。说明书CN104051522A2/6页50008氧化镍是一种特殊的氧化物，可以通过调节镍和氧的比例来改变其电学特性。在镍和氧的不同比例条件下，氧化镍可以是绝缘体，可以是金属，也可以是P型半导体。通过P型氧化镍、绝缘体氧化镍、金属层以及其他介质层形成合理的复合型结构作为栅极，可以形成金属绝缘体半导体场效应晶体管MISFET，并实现增强型MISFET结构。0009为实现上述目的，本发明提供了一种增强型氮化物半导体器件的制造方法，包括下述步骤00101、提供一衬底；00112、在上述衬底上依次形成氮化物成核层、氮化物缓冲层。
12、、氮化物沟道层和氮化物势垒层；00123、形成与上述氮化物势垒层相接触的漏极和源极；00134、在上述氮化物势垒层上除源极和漏极以外的区域沉积钝化介质层，刻蚀掉栅极区域处的钝化介质层，在栅极区域处形成复合结构的栅极；0014其中，所述的栅极位于所述源极和漏极之间，该复合结构的栅极至少包括依次排布的三层，分别为第一层为绝缘体氧化镍，第二层为P型半导体氧化镍，第三层为金属层。0015在该复合结构栅极中的各个氧化镍层可以通过热氧化、ALD、CVD、MOCVD、PVD等方法制作，且不同类型的氧化镍层可以通过不同的方法制作。0016优选的，在刻蚀掉栅极区域处的钝化介质层后，继续刻蚀所述氮化物势垒层形成凹。
13、槽，再于凹槽内形成栅极，所述凹槽的底部不低于所述氮化物沟道层和氮化物势垒层界面处二维电子气形成的导电沟道。0017优选的，在所述氮化物势垒层上方、复合结构栅极下方还可以先沉积绝缘介质层，如SIN、SIO2、SION、SIALN、AL2O3、HFO2等。0018优选的，在形成氮化物沟道层后，先形成氮化物插入层，再形成氮化物势垒层。0019优选的，在所述氮化物势垒层上先形成氮化物冒层，再形成与上述氮化物冒层相接触的漏极和源极；0020进一步的，在上述氮化物冒层上除源极和漏极以外的区域沉积钝化介质层，刻蚀掉栅极区域处的钝化介质层，继续刻蚀所述氮化物冒层形成凹槽，再于凹槽内形成栅极，所述凹槽的底部不贯。
14、穿所述氮化物冒层。0021优选的，所述钝化介质层为二氧化硅、氮化硅、硅铝氮中一种或几种。0022本发明也提供一种由上述方法制备得到的增强型氮化物半导体器件，包括0023衬底；0024依次设于所述衬底上的氮化物成核层、氮化物缓冲层、氮化物沟道层和氮化物势垒层；0025与所述氮化物势垒层相接触的漏极和源极；0026设于所述氮化物势垒层上除源极和漏极以外区域的钝化介质层，刻蚀掉栅极区域处的钝化介质层后形成的复合结构的栅极；0027其中，所述的栅极位于所述源极和漏极之间，该复合结构的栅极至少包括依次排布的三层，分别为第一层为绝缘体氧化镍，第二层为P型半导体氧化镍，第三层为金属层。0028优选的，在栅极。
15、区域下方的氮化物势垒层上设有凹槽，所述凹槽内形成复合结构的栅极，所述凹槽的底部不低于所述氮化物沟道层和氮化物势垒层界面处二维电子气形成说明书CN104051522A3/6页6的导电沟道。0029优选的，在氧化镍下方可先沉积介质层，如SIN、SIO2、SION、SIALN、AL2O3、HFO2等。0030优选的，在所述氮化物沟道层和氮化物势垒层之间设有氮化物插入层。0031优选的，在所述氮化物势垒层上设有氮化物冒层，所述漏极和源极与氮化物冒层相接触；0032进一步的，在栅极区域下方的氮化物冒层上设有凹槽，所述凹槽内形成三层复合结构的栅极，所述凹槽的底部不贯穿所述氮化物冒层。0033优选的，所述钝。
16、化介质层为二氧化硅、氮化硅、硅铝氮中一种或几种。0034从上述技术方案可以看出，本发明的P型半导体氧化镍可以提拉栅极下方二维电子气沟道中的费米能级，耗尽栅极下方的二维电子气或大大降低二维电子气的浓度，实现零栅压下的常关器件；绝缘体氧化镍可以降低栅极漏电，提高栅极的击穿场强，提高器件的击穿电压；通过形成栅极凹槽结构，可以减薄氮化物势垒层，降低氮化物势垒层和氮化物沟道层界面处形成的二维电子气的浓度，提高器件的阈值电压使其向正向转移，从而实现具有较高阈值电压便于实际应用的增强型器件。附图说明0035为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地。
17、，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，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他的附图。0036图1是本发明实施例1的增强型氮化物半导体器件的剖面结构示意图；0037图2是本发明实施例2的增强型氮化物半导体器件的剖面结构示意图；0038图3是本发明实施例3的增强型氮化物半导体器件的剖面结构示意图；0039图4是本发明实施例4的增强型氮化物半导体器件的剖面结构示意图；0040图5是本发明实施例5的增强型氮化物半导体器件的剖面结构示意图；0041图6是本发明实施例6的增强型氮化物半导体器件的剖面结构示意图。具体实施方式0042下面将结合本发。
18、明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。0043实施例10044本实施方式中，所述的器件为具有从衬底方向依次形成绝缘体氧化镍、P型半导体氧化镍和金属氧化镍的复合结构栅极的增强型MIS器件。结合附图1，该半导体器件包括衬底1；衬底1上的氮化物成核层21；氮化物成核层21上的氮化物缓冲层22；氮化物缓冲层22上的氮化物沟道层23；氮化物沟道层23上的氮化物势垒层24；氮化物势垒层24上栅极区域形成的。
19、栅极；与上述氮化物势垒层24相接触的源极31和漏极32。其中，上述栅极位于上述源极31和上述漏极32之间。说明书CN104051522A4/6页70045上述栅极由具有复合结构的氧化镍层构成，从衬底方向依次包括绝缘体氧化镍51、P型半导体氧化镍52和金属氧化镍53，53也可以是其他金属层；上述复合结构的氧化镍可以通过调节氧和镍的比例来实现。氮化物势垒层24上可以包括钝化介质层4，其中包括氮化硅、二氧化硅、硅铝氮中一种或几种的组合。0046上述半导体器件的制造方法，包括以下步骤0047提供衬底1；在衬底1上形成氮化物成核层21；在氮化物成核层21上形成氮化物缓冲层22；在氮化物缓冲层22上形成氮。
20、化物沟道层23；在氮化物沟道层23上形成氮化物势垒层24；在氮化物势垒层24上形成相接触的源极31和漏极32；在上述氮化物势垒层24上除源极31和漏极32以外的区域沉积钝化介质层4；刻蚀掉栅极区域处的钝化介质层4；在栅极区域处沉积复合结构的氧化镍层形成栅极。其中，上述栅极位于上述源极31和上述漏极32之间。0048上述栅极由具有复合结构的氧化镍层构成，从衬底方向依次包括绝缘体氧化镍51、P型半导体氧化镍52和金属氧化镍53，53也可以是其他金属层；上述复合结构的氧化镍可以通过调节氧和镍的比例来实现。0049本实施方式中，通过形成复合结构的氧化镍来实现增强型MIS器件。其中，P型半导体氧化镍52。
21、可以提拉栅极下方二维电子气沟道中的费米能级，耗尽栅极下方的二维电子气或大大降低二维电子气的浓度，实现零栅压下的常关器件。绝缘体氧化镍51可以降低栅极漏电，提高栅极的击穿场强，提高器件的击穿电压。0050实施例20051本实施方式中，所述的器件为具有从衬底方向依次形成绝缘体氧化镍、P型半导体氧化镍和金属的复合结构栅极并具有栅槽结构的增强型MIS器件。结合附图2，与实施例1相比，本实施方式中不同之处在于，栅极具有凹槽结构。本实施方式中，所述凹槽结构的制造方法是通过刻蚀钝化介质层4时刻蚀掉部分氮化物势垒层24，从而减薄栅极下方的氮化物势垒层24，形成栅极凹槽结构；然后在栅极凹槽结构中沉积氧化镍，依次。
22、形成绝缘体氧化镍51、P型半导体氧化镍52和金属氧化镍53。通过形成栅极凹槽结构，可以减薄氮化物势垒层24，降低氮化物势垒层24和氮化物沟道层23界面处形成的二维电子气的浓度，提高器件的阈值电压使其向正向转移，从而实现具有较高阈值电压便于实际应用的增强型器件。其他结构和制造方法同实施例1，在此不再赘述。0052实施例30053本实施方式中，所述的器件为具有从衬底方向依次形成绝缘体氧化镍、P型半导体氧化镍和金属的复合结构栅极的增强型MIS器件。结合附图3，该半导体器件包括衬底1；衬底1上的氮化物成核层21；氮化物成核层21上的氮化物缓冲层22；氮化物缓冲层22上的氮化物沟道层23；氮化物沟道层2。
23、3上的氮化物插入层25；氮化物插入层25上的氮化物势垒层24；氮化物势垒层24上栅极区域形成的栅极；与上述氮化物势垒层24相接触的源极31和漏极32。其中，上述栅极位于上述源极31和上述漏极32之间。与实施例1相比，本实施方式的不同之处在于，氮化物沟道层23和氮化物势垒层24之间增加了氮化物插入层25，可以提高沟道中二维电子气的浓度，提高器件的载流子迁移率，进而改善器件的频率特性。其他结构和制造方法同实施例1，在此不再赘述。0054实施例4说明书CN104051522A5/6页80055本实施方式中，所述的器件为具有从衬底方向依次形成绝缘体氧化镍、P型半导体氧化镍和金属的复合结构栅极的增强型M。
24、IS器件。结合附图4，该半导体器件包括衬底1；衬底1上的氮化物成核层21；氮化物成核层21上的氮化物缓冲层22；氮化物缓冲层22上的氮化物沟道层23；氮化物沟道层23上的氮化物势垒层24；氮化物势垒层24上的氮化物冒层26；氮化物冒层26上栅极区域形成的栅极；与上述氮化物冒层26相接触的源极31和漏极32。其中，上述栅极位于上述源极31和上述漏极32之间。与实施例1相比，本实施方式的不同之处在于，氮化物势垒层24之上增加了氮化物冒层26，可以降低氮化物半导体表面态，对表面起到钝化和保护的作用，降低器件的电流崩塌效应。其他结构和制造方法同实施例1，在此不再赘述。0056实施例50057本实施方式。
25、中，所述的器件为具有从衬底方向依次形成绝缘体氧化镍、P型半导体氧化镍和金属的复合结构栅极的增强型MIS器件。结合附图5，该半导体器件包括衬底1；衬底1上的氮化物成核层21；氮化物成核层21上的氮化物缓冲层22；氮化物缓冲层22上的氮化物沟道层23；氮化物沟道层23上的氮化物势垒层24；氮化物势垒层24上的氮化物冒层26；氮化物冒层26上栅极区域形成的栅极；与上述氮化物冒层26相接触的源极31和漏极32。其中，上述栅极位于上述源极31和上述漏极32之间。与实施例1相比，本实施方式的不同之处在于，氮化物势垒层24之上增加了氮化物冒层26，同时绝缘体氧化镍、P型半导体氧化镍和金属氧化镍构成的复合结构。
26、栅极具有凹槽结构。氮化物冒层26可以降低氮化物半导体表面态，对表面起到钝化和保护的作用，降低器件的电流崩塌效应。同时，P型半导体氧化镍与氮化物势冒层26接触，可以进一步降低栅极下方的二维电子气的浓度，提高器件的阈值电压，有助于实现增强型器件。其他结构和制造方式同实施例1，在此不再赘述。0058实施例60059本实施方式中，所述的器件为具有从衬底方向依次形成绝缘体氧化镍、P型半导体氧化镍和金属的复合结构栅极的增强型MIS器件，绝缘体氧化镍是可选的。结合附图6，该半导体器件包括衬底1；衬底1上的氮化物成核层21；氮化物成核层21上的氮化物缓冲层22；氮化物缓冲层22上的氮化物沟道层23；氮化物沟道。
27、层23上的氮化物势垒层24；氮化物势垒层24上栅极区域形成的绝缘介质层6；绝缘介质层6上形成的栅极；与上述氮化物势垒层24相接触的源极31和漏极32。其中，上述栅极位于上述源极31和上述漏极32之间。0060与实施例1相比，本实施方式的不同之处在于，在氮化物势垒层24上方、复合结构栅极下方可以先沉积绝缘介质层，所述绝缘介质层可以包括SIN、SIO2、SION、SIALN、AL2O3、HFO2等。该绝缘介质层也可视为复合结构栅极中的一个组成部分，甚至该绝缘介质层可以取代上方的绝缘体氧化镍。同时绝缘体氧化镍、P型半导体氧化镍和金属氧化镍构成的复合结构栅极具有凹槽结构。其他结构和制造方式同实施例1，。
28、在此不再赘述。0061通过上述的实施方式，本发明氮化物绝缘栅场效应晶体管制造方法制得的氮化物绝缘栅场效应晶体管具有以下有益效果0062首先，P型半导体氧化镍可以提拉栅极下方二维电子气沟道中的费米能级，耗尽栅极下方的二维电子气或大大降低二维电子气的浓度，实现零栅压下的常关器件；说明书CN104051522A6/6页90063其次，绝缘体氧化镍可以降低栅极漏电，提高栅极的击穿场强，提高器件的击穿电压；0064再次，绝缘体氧化镍和P型氧化镍可以通过调节沉积、氧化过程中的工艺条件改变O和NI的比例制备，可以通过单步工艺实现以避免表面的沾污，降低器件的电流崩塌和漏电流密度。0065最后，通过形成栅极凹槽。
29、结构，可以减薄氮化物势垒层，降低氮化物势垒层和氮化物沟道层界面处形成的二维电子气的浓度，提高器件的阈值电压使其向正向转移，从而实现具有较高阈值电压便于实际应用的增强型器件。0066对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。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，本发明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发明内。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。0067此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。说明书CN104051522A1/3页10图1图2说明书附图CN104051522A102/3页11图3图4说明书附图CN104051522A113/3页12图5图6说明书附图CN104051522A12。