[发明专利]高电子迁移率晶体管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，更具体地涉及一种高电子迁移率晶体管的制造方法。

背景技术

传统的硅工艺，已经逐渐达到物理极限。由于衬底漏电流较大，因此在高功率和高频率电路中，宽禁带半导体材料更优于传统硅工艺制造的半导体。氮化镓作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电压高、电子饱和迁移率高、介电常数小、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等特点，在光显示、存储、探测以及高温高频电路中应用广泛。而氮化镓（GaN）和氮化铝镓（AlGaN）界面异质结中产生的二维电子气（2DEG）对于高电子迁移率晶体管（HEMT）的制作有着先天的优势。但氮化镓单晶生长条件苛刻，制备极其困难。至今，AlGaN/GaN外延材料的生长仍是GaN器件领域研究的核心，其中，衬底材料主要为碳化硅（SiC）、蓝宝石（sapphire/Al₂O₃）和硅（Si）。

目前，大部分的对于具有AlGaN/GaN异质结的HEMT的研究致力于耗尽型器件。在AlGaN/GaN异质结沟道处自然形成的2DEG，在不做任何处理的情况下，需要加负的栅极电压才能将2DEG耗尽从而夹断导电沟道，此为耗尽型高电子迁移率晶体管（HEMT）器件的典型特征。但是，在数字电路、高压开关等领域，经常需要使用增强型器件，即，零栅压时关断的高电子迁移率晶体管（HEMT）器件。同时，采用增强型器件的电路，其安全性较采用耗尽型器件的更高，因此，增强型高电子迁移率晶体管（HEMT）器件的研制越来越受到重视。

国际上，在实现增强型高电子迁移率晶体管（HEMT）上做出了很多努力并取得了一定成效。例如，利用槽栅技术成功研制增强型高电子迁移率晶体管（HEMT）器件；利用氟基等离子体轰击栅下区域，实现阈值电压的提升；引入MIS/MOS结构、氧等离子体轰击、添加帽层、无极化效应的异质结设计等，在实现增强型器件成果方面，取得了一定效果。

虽然实现增强型器件的方法呈多样化趋势，归纳起来，主要为槽栅结构和等离子体注入两种。在器件性能上，主要还存在如下缺点：1、正向阈值电压普遍不高，目前只有金属-绝缘体-半导体（MIS，metal-insulator-semiconductor）结构的运用可将正向阈值电压提升至2V以上；2、材料损失不可避免，在栅下刻槽或等离子注入技术处理之后，即使是经过退火处理，器件性能依然会受到影响；3、器件尺寸较大，短沟道器件实现难度大；4、器件稳定性不高，在温度较高的环境下使用还没有得到有效的验证。

因此，需要一种能够提高高电子迁移率晶体管（HEMT）正向阈值电压的方法。

发明内容

为了解决常规高电子迁移率晶体管（HEMT）器件在不加电压下自然导通的问题，提供了一种高电子迁移率晶体管的制造方法，包括：在衬底上形成半导体层；在半导体层中形成凹槽；在凹槽底部形成介质层；在凹槽两侧的半导体层的表面上分别形成源极和漏极；以及在介质层上形成栅极。

根据本发明的另一方面，提供了一种高电子迁移率晶体管，包括：衬底；在所述衬底上形成的半导体层，其中，所述半导体层中具有凹槽；位于在所述凹槽底部的介质层；位于所述介质层上方的栅极；以及在所述半导体层上位于所述栅极两侧的源极和漏极。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.根据本发明提出的方法，通过使用与AlGaN极化效应相反的材料，例如InGaN、InAlN或InN等，以抵消在AlGaN/GaN异质结处产生的二维电子气的浓度，提高正向阈值电压。

2.本发明中使用的槽栅工艺以降低AlGaN层的厚度，缩短栅极金属与二维电子气的距离，从而利于栅极电压对沟道进行控制。同时，AlGaN层厚度的降低还可降低沟道中二维电子气（2DEG）的浓度。

3.本发明使用类似于金属-绝缘体-半导体（MIS，metal-insulator-semiconductor）的结构来控制栅压，可实现正向阈值电压的大幅度提高，增强器件对噪声的抗干扰能力。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1是根据本发明的高电子迁移率晶体管的制造方法的流程图；以及

图2-图8是使用图1所示的方法制造的根据本发明的高电子迁移率晶体管在各个阶段形成的中间结构的剖面图。

具体实施方式