[发明专利]一种具有高介电常数栅介质叠层的槽栅增强型MISHEMT器件及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有高介电常数栅介质叠层的槽栅增强型MISHEMT器件及其制备方法，包括外延叠层和位于外延叠层上的高介电常数栅介质层、源极和漏极，外延叠层包括依次层叠的缓冲层、GaN通道层、AlN空间层、AlGaN势垒层和GaN帽层，栅极凹槽沿GaN帽层的表面延伸至AlGaN势垒层中一定深度；栅介质层包括依次层叠的AlON介质层、HfAlON介质层和HfTaO介质层，HfTaO介质层中，Ta组分为40％～45％。该器件结构实现了更高水平的界面层，减小了栅极漏电和亚阈值摆幅，增大了栅压摆幅，保证高k材料的非晶相，减少高k材料结晶所引起的器件电学特性的恶化。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种具有高介电常数栅介质叠层的槽栅增强型MISHEMT器件及其制备方法。

背景技术

通过刻蚀栅槽实现增强型器件会带来栅漏电较大等问题，为了解决槽栅HEMT栅漏电较大的问题，可以在栅极和AlGaN势垒层之间增加一层绝缘层形成槽栅MISHEMT。MISHEMT不仅保留了传统肖特基栅的优点，例如异质结界面处的高二维电子气浓度、高截止频率和良好的热稳定性，还具有低栅极泄露电流，高击穿电压，宽栅压摆幅，低亚阈值摆幅等优点。常见的栅极电介质主要有SiO₂，Si₃N₄等，这些栅极电介质的介电常数较小，它们作为绝缘层增加了栅极到沟道的距离，会降低器件的跨导率，跨导率的下降意味着栅控能力的减弱，所以要引入高k(介电常数)的电介质。

高k电介质如HfO₂，ZrO₂、La₂O₃等可以用来改善器件的稳定性和传输性能。较大的介电常数可以转化为更有效的栅极调制，同时由于等效厚度小可以降低跨导的损耗，在各种高k电介质之中，如图2示，HfO₂由于其高k值(19)和大带隙(5.8eV)，是目前最广泛使用的高k栅绝缘体。然而，采用这样的介电层会增加新界面的复杂性，同时，HfO₂受到严重的氧渗透的影响，这将在GaN器件中引入不利的Ga-O键，从而降低HfO₂/GaN界面的质量。最为重要的是，HfO₂的结晶温度低，在经历快速热退火时很容易结晶，位于晶体系统中的晶粒通常会成为掺杂剂扩散和击穿的途径，而且泄露电流也往往会随着结晶薄膜的晶界而增加，HfO₂材料可能会在退火条件下形成多晶相导致不可复制的电学特性。因此，提高高k栅极电介质的结晶温度是目前需要受到关注的问题。另外，改善界面质量也是一个重要的挑战。同时导带和价带偏移也要足够大，防止载流子穿过绝缘层导致栅泄露电流的增大。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的首要目的是提供一种具有高介电常数栅介质叠层的槽栅增强型MISHEMT器件及其制备方法，该器件结构在得到更好的界面质量的同时，降低了栅泄露电流和亚阈值摆幅，提升了栅压摆幅，同时保持了高k(介电常数)材料的非晶态。

本发明一方面提供一种具有高介电常数栅介质叠层的槽栅增强型MISHEMT器件，包括，衬底，位于衬底上的外延叠层，位于外延叠层上的高介电常数栅介质层、源极和漏极，位于栅介质层上的凹槽栅极，所述外延叠层包括依次层叠的缓冲层、GaN通道层、AlN空间层、AlGaN势垒层和GaN帽层，所述外延叠层包括一栅极凹槽，所述栅极凹槽沿所述GaN帽层的表面延伸至所述AlGaN势垒层中一定深度，所述高介电常数栅介质层沿所述GaN帽层的表面延伸至所述凹槽中；

所述高介电常数栅介质层包括依次层叠的AlON栅介质层、HfAlON栅介质层和HfTaO栅介质层，所述AlON栅介质层设置于所述GaN帽层以及所述AlGaN势垒层的表面，其中所述HfTaO栅介质层中，Ta的组分为40％～45％。

进一步地，所述高介电常数栅介质层的厚度为9～26nm。

进一步地，所述凹槽的深度为12～28nm，其宽度为1～3μm。