本發(fā)明涉及一種增強(qiáng)型遂穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制備工藝，特別涉及一種通過自對(duì)準(zhǔn)工藝實(shí)現(xiàn)GaN增強(qiáng)型遂穿HEMT的方法，屬于微電子工藝領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

HEMT器件是充分利用半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)(Heterostructure)形成的二維電子氣而制成的，與Ⅲ-Ⅵ族(如AlGaAs/GaAs HEMT)相比，Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體由于壓電極化和自發(fā)極化效應(yīng)，在異質(zhì)結(jié)構(gòu)(如AlGaN/GaN)上，能夠形成高濃度的二維電子氣。所以在使用Ⅲ族氮化物制成的HEMT器件中，勢(shì)壘層一般不需要進(jìn)行摻雜。同時(shí)，Ⅲ族氮化物具有大的禁帶寬度、較高的飽和電子漂移速度、高的臨界擊穿電場(chǎng)和極強(qiáng)的抗輻射能力等特點(diǎn)，能夠滿下一代電力電子系統(tǒng)對(duì)功率器件更大功率、更高頻率、更小體積和更高溫度的工作的要求。

現(xiàn)有的Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體HEMT器件作為高頻器件或者高壓大功率開關(guān)器件使用時(shí)，特別是作為功率開關(guān)器件時(shí)，增強(qiáng)型HEMT器件與耗盡型HEMT器件相比有助于提高系統(tǒng)的安全性、降低器件的損耗和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)電路。目前實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型HEMT主要的方法有薄的勢(shì)壘層、凹柵結(jié)構(gòu)、P型蓋帽層和F處理等技術(shù)，但這些技術(shù)都存在自身的不足。例如，薄的勢(shì)壘層技術(shù)不使用刻蝕工藝，所以帶來的損傷小，但是由于較薄的勢(shì)壘層，器件的飽和電流較小，F(xiàn)等離子處理也能實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型HEMT器件，并且不需要刻蝕，但是F的等離子體在注入的過程中也會(huì)刻蝕勢(shì)壘層。造成器件性能的降低。P型蓋帽層技術(shù)不產(chǎn)生離子刻蝕對(duì)溝道電子的影響，所以具有較高的飽和電流，但是，一般采用的P型半導(dǎo)體(如P-AlGaN、P-GaN、P-InGaN)等，在使用干法刻蝕的過程中(如Cl₂等離子刻蝕)，勢(shì)壘層AlGaN與P型半導(dǎo)體具有很小的刻蝕選擇比，所以很難控制將P型半導(dǎo)體完全刻蝕，同時(shí)刻蝕停止在勢(shì)壘層AlGaN表面，利用遂穿效應(yīng)可以有效的實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型HEMT器件，但是在遂穿器件中，源電極和柵電極要距離很近(幾個(gè)到幾十個(gè)納米)，通過傳統(tǒng)的微電子工藝制作距離在納米量級(jí)的源電極和柵電極是 非常困難的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的主要目的在于提供一種GaN增強(qiáng)型遂穿HEMT及通過自對(duì)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)GaN增強(qiáng)型遂穿HEMT的方法。

為實(shí)現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括：

在一些實(shí)施例中提供了一種GaN增強(qiáng)型遂穿HEMT，其包括主要由第一半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及源、漏、柵電極，所述第二半導(dǎo)體形成于第一半導(dǎo)體表面，并具有寬于第一半導(dǎo)體的帶隙，所述源、漏電極經(jīng)形成于所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的二維電子氣電連接，所述柵電極設(shè)置于源電極和漏電極之間，所述源電極與第二半導(dǎo)體之間形成肖特基接觸，所述漏電極與二維電子氣形成歐姆接觸。

在一些實(shí)施例中，所述柵電極與第二半導(dǎo)體之間還分布有柵介質(zhì)層，且所述柵電極與柵介質(zhì)層之間形成肖特基接觸。

在一些實(shí)施例中，當(dāng)柵電極電壓小于或等于0，而漏電極電壓大于設(shè)定電壓時(shí)，漏電極與源電極形成反向的肖特基結(jié)構(gòu)，所述HEMT處于關(guān)斷狀態(tài)，而當(dāng)柵電極電壓大于閾值電壓時(shí)，因量子遂穿效應(yīng)形成導(dǎo)電通道使所述HEMT處于開啟狀態(tài)。

在一些實(shí)施例中還提供了一種通過自對(duì)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)GaN增強(qiáng)型遂穿HEMT的方法，其包括：

在襯底上生長(zhǎng)形成主要由第一半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述第二半導(dǎo)體形成于第一半導(dǎo)體表面，并具有寬于第一半導(dǎo)體的帶隙；

在第二半導(dǎo)體上生長(zhǎng)形成柵介質(zhì)層，

刻蝕除去與漏電極對(duì)應(yīng)區(qū)域的柵介質(zhì)層，并制作漏電極，且使漏電極與形成于異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二維電子氣形成歐姆接觸；

采用自對(duì)準(zhǔn)工藝進(jìn)行柵、源電極的制作，使源電極和柵電極分別與第二半導(dǎo)體和柵介質(zhì)層形成肖特基接觸。

在一些實(shí)施例中，所述的方法還包括：

在完成漏電極的制作后，于柵介質(zhì)層上沉積柵電極材料，且使柵電極材料與柵介質(zhì)層形成肖特基接觸，

在柵電極材料上方設(shè)置掩膜，并利用所述掩膜至少對(duì)與源電極對(duì)應(yīng)區(qū)域的柵介質(zhì)層或柵 介質(zhì)層及柵電極材料進(jìn)行刻蝕，直至到達(dá)第二半導(dǎo)體層表面或第二半導(dǎo)體層的設(shè)定深度處，之后再利用所述掩膜沉積源電極材料而制作形成源電極，實(shí)現(xiàn)源電極和柵電極的自對(duì)準(zhǔn)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括：充分利用電子遂穿的效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了GaN基HEMT器件以常關(guān)型的工作模式運(yùn)行，提高了器件在系統(tǒng)應(yīng)用過程中的安全性，并且降低系統(tǒng)的功耗，特別是在器件制作過程中充分利用自對(duì)準(zhǔn)工藝，降低了工藝難度和器件的成品率，重復(fù)性好，利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1是普通耗盡型GaN HEMT器件的局部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一典型增強(qiáng)型GaN HEMT器件的局部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明一典型實(shí)施方案中的器件制作流程圖；

圖4是本發(fā)明一典型增強(qiáng)型GaN HEMT器件的能帶原理圖；

附圖標(biāo)記說明：襯底1、氮化鎵2、氮化鋁3、勢(shì)壘層4、柵電極5、剝離金屬6、二維電子氣7、源電極8、漏電極9、柵介質(zhì)10、掩膜11。

具體實(shí)施方式

下文將對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作更為詳盡的解釋說明。但是，應(yīng)當(dāng)理解，在本發(fā)明范圍內(nèi)，本發(fā)明的上述各技術(shù)特征和在下文(如實(shí)施例)中具體描述的各技術(shù)特征之間都可以互相組合，從而構(gòu)成新的或優(yōu)選的技術(shù)方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

本發(fā)明的一個(gè)方面涉及了一種GaN增強(qiáng)型遂穿HEMT。在一些實(shí)施例中，所述HEMT包括主要由第一半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及源、漏、柵電極，所述第二半導(dǎo)體形成于第一半導(dǎo)體表面，并具有寬于第一半導(dǎo)體的帶隙，所述源、漏電極經(jīng)形成于所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的二維電子氣電連接，所述柵電極設(shè)置于源電極和漏電極之間，所述源電極與第二半導(dǎo)體之間形成肖特基接觸，所述漏電極與二維電子氣形成歐姆接觸。

在一些實(shí)施例中，所述柵電極與第二半導(dǎo)體之間還分布有柵介質(zhì)層，且所述柵電極與柵介質(zhì)層之間形成肖特基接觸。

其中，所述柵介質(zhì)層的材料可包括SiO₂、Al₂O₃和氮化硅中的任一種或兩種以上的組合，但不限于此。

進(jìn)一步的，在一些較為具體的實(shí)施例中，所述柵介質(zhì)層的厚度為20nm-100nm。

在一些實(shí)施例中，當(dāng)柵電極電壓小于或等于0，而漏電極電壓大于設(shè)定電壓時(shí)，漏電極與源電極形成反向的肖特基結(jié)構(gòu)，所述HEMT處于關(guān)斷狀態(tài)，而當(dāng)柵電極電壓大于閾值電壓時(shí)，因量子遂穿效應(yīng)形成導(dǎo)電通道使所述HEMT處于開啟狀態(tài)。

具體而言，當(dāng)柵電極電壓大于閾值電壓時(shí)，源電極一端的電子可以通過量子遂穿的效應(yīng)，越過勢(shì)壘層，使HEMT器件導(dǎo)通。

進(jìn)一步的，在柵電極電壓(柵壓)大于閾值電壓時(shí)，由于柵電極下端的導(dǎo)帶向下彎曲，電子由于量子遂穿效應(yīng)，可以遂穿過勢(shì)壘層，使HEMT器件導(dǎo)通。

在一些較為優(yōu)選的實(shí)施例中，所述柵電極與源電極在水平方向上的距離大于或等于0，在垂直方向上的高度差大于0。換言之，所述柵電極和源電極在水平方向上的距離可以為零，而只在垂直方向上存在高度差。

在一些實(shí)施例中，所述第一半導(dǎo)體的材料可選自GaN，但不限于此。

在一些實(shí)施例中，所述第二半導(dǎo)體的材料可選自Al_xGa_(1-x)N(0＜x≤1)，但不限于此。

在一些實(shí)施例中，所述源電極下端直接與第二半導(dǎo)體表面接觸或穿入第二半導(dǎo)體。

在一些實(shí)施例中，當(dāng)所述HEMT器件工作時(shí)，其源電極和漏電極分別與電源的低電位和高電位連接。

在一較為具體的實(shí)施案例中，所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以主要由GaN和Al_xGa_(1-x)N(0＜x≤1)半導(dǎo)體組成，源、漏電極位于Al_xGa_(1-x)N表面并且通過歐姆接觸與二維電子氣相連接，其中，源電極與Al_xGa_(1-x)N形成肖特基接觸。柵電極設(shè)于源、漏電極之間，并且柵電極與源電極通過自對(duì)準(zhǔn)工藝進(jìn)行制作，當(dāng)柵電極沒有施加電壓或者施加電壓小于零電壓，漏電極施加高壓時(shí)，漏電極與源電極形成反向的肖特基結(jié)構(gòu)，器件處于關(guān)斷狀態(tài)，但當(dāng)柵電極的電壓大于閾值電壓時(shí)，由于量子遂穿，電子可以穿越勢(shì)壘層，形成導(dǎo)電通道，器件開啟，所以器件為常關(guān)型器件。

本發(fā)明的一個(gè)方面涉及了一種通過自對(duì)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)GaN增強(qiáng)型遂穿HEMT的方法。在一些實(shí)施例中，所述的方法包括：

在襯底上生長(zhǎng)形成主要由第一半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述第二半導(dǎo)體形成于第一半導(dǎo)體表面，并具有寬于第一半導(dǎo)體的帶隙；

在第二半導(dǎo)體上生長(zhǎng)形成柵介質(zhì)層，

刻蝕除去與漏電極對(duì)應(yīng)區(qū)域的柵介質(zhì)層，并制作漏電極，且使漏電極與形成于異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的二維電子氣形成歐姆接觸；

采用自對(duì)準(zhǔn)工藝進(jìn)行柵、源電極的制作，使源電極和柵電極分別與第二半導(dǎo)體和柵介質(zhì)層形成肖特基接觸。

在一些較為具體的實(shí)施例中，所述的方法可以包括：

在完成漏電極的制作后，于柵介質(zhì)層上沉積柵電極材料(例如柵金屬)，且使柵電極材料與柵介質(zhì)層形成肖特基接觸，

在柵電極材料上方設(shè)置掩膜，并利用所述掩膜至少對(duì)與源電極對(duì)應(yīng)區(qū)域的柵介質(zhì)層或柵介質(zhì)層及柵電極材料進(jìn)行刻蝕，直至到達(dá)第二半導(dǎo)體層表面或第二半導(dǎo)體層的設(shè)定深度處，之后再利用所述掩膜沉積源電極材料而制作形成源電極，實(shí)現(xiàn)源電極和柵電極的自對(duì)準(zhǔn)。

在一些更為具體的實(shí)施例中，所述的方法可以包括：

在完成漏電極的制作后，于所形成的器件上設(shè)置圖形化掩膜，并利用所述圖形化掩膜沉積柵電極材料，且使柵電極材料與柵介質(zhì)層形成肖特基接觸。

在一些較為具體的實(shí)施例中，在制作柵電極時(shí)，可以通過刻蝕柵電極材料形成柵圖形，在刻蝕過程中，掩膜可以選擇使用但不限于光刻膠，并且刻蝕掩膜可以作為下一步沉積源電極的掩膜，從而實(shí)現(xiàn)源電極和柵電極的自對(duì)準(zhǔn)工藝。

在一些實(shí)施例中，在沉積源電極材料(例如源電極金屬)前，可以將源電極下端的部分第二半導(dǎo)體層(勢(shì)壘層)刻蝕。

在本發(fā)明的前述實(shí)施例中，柵電極和源電極的制作工藝主要是通過自對(duì)準(zhǔn)工藝而不是采用兩次光刻，如此提高了器件的成品率和工藝難度，較之傳統(tǒng)工藝，工藝的重復(fù)性和實(shí)用性顯著提高。

以下結(jié)合附圖等對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的解釋說明。

參閱圖1，對(duì)于普通HEMT器件(以AlGaN/GaN器件為例，如下均簡(jiǎn)稱“器件”)，一般而言，當(dāng)在柵電極5施加零偏壓或者沒有加偏壓時(shí)，漏電極9和源電極8都與二維電子氣7相連接，所以器件的漏電極9和源電極8是導(dǎo)通的，器件處于開啟狀態(tài)，一般稱這種器件為耗盡型HEMT器件，也可以稱作常開型HEMT器件。在器件關(guān)斷過程中，柵電極必須施加一定的負(fù)偏壓，并且所加偏壓V<Vth，將柵下二維電子耗盡，在實(shí)際的應(yīng)用過程中，存在功耗高和安全性方面的問題。

參閱圖2是本發(fā)明一典型增強(qiáng)型GaN HEMT器件的局部結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)柵電極5是零偏壓，漏電極9施加高壓時(shí)，所述HEMT器件的源電極8和漏電極9為反偏的肖特基二極管，器件處于關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)柵電極電壓大于閾值電壓時(shí)，由于柵電極下端的導(dǎo)帶向下彎曲，電子由于量子遂穿效應(yīng)，可以遂穿過勢(shì)壘層，器件導(dǎo)通。

參閱圖3是本發(fā)明一典型實(shí)施方案中的器件制作流程圖?？梢允紫仍跇?biāo)準(zhǔn)的HEMT外延結(jié)構(gòu)的勢(shì)壘層4上生長(zhǎng)柵介質(zhì)層10，柵介質(zhì)的厚度在20nm-100nm之間，可以選擇但不限于SiO₂、Al₂O₃和SiN(氮化硅)等半導(dǎo)體材料，將漏電極9下端的柵介質(zhì)刻蝕完全，然后沉積金屬，沉積的金屬與二維電子氣形成歐姆接觸。然后對(duì)樣品進(jìn)行圖形化，沉積柵金屬5，并且金屬與半導(dǎo)體形成肖特基接觸，為實(shí)現(xiàn)器件的源電極和柵電極的自對(duì)準(zhǔn)，需要在柵電極的5的上方制作掩膜11，使用掩膜11將源電極8下端的部分柵電極金屬5和柵介質(zhì)刻蝕完全，刻蝕停止在勢(shì)壘層4表面，或者將部分勢(shì)壘層去除，然后沉積金屬，形成源電極8，源電極8與勢(shì)壘層形成肖特基接觸，實(shí)現(xiàn)器件的源電極和柵電極的自對(duì)準(zhǔn)，最后將掩膜11上端的金屬6去除，形成最后增強(qiáng)型遂穿HEMT器件。

參閱圖4是本發(fā)明一典型增強(qiáng)型GaN HEMT器件的能帶原理圖。其中示意的表示出不同柵電極電壓，在柵電極電壓小于零電壓或者等于零電壓時(shí)，由于源電極中的電子如果到達(dá)漏電極，必須越過一定的勢(shì)壘高度，所以電子需要一定的能量才能完成，當(dāng)柵電極電壓大于閾值電壓時(shí)，由于柵電極電壓為正電壓，柵電極下端的能帶向下彎曲，當(dāng)能帶彎曲到一定閾值時(shí)，即勢(shì)壘寬度足夠小，達(dá)到電子遂穿的極限，由于量子遂穿效應(yīng)，電子會(huì)遂穿過勢(shì)壘層，到達(dá)源電極10，器件導(dǎo)通。

實(shí)施例 參閱圖3是本發(fā)明一典型實(shí)施方案中的器件制作流程圖。首先在標(biāo)準(zhǔn)的HEMT外延結(jié)構(gòu)的勢(shì)壘層4上生長(zhǎng)柵介質(zhì)層10，柵介質(zhì)的厚度在20nm-100nm之間，可以選擇但不限于SiO₂、Al₂O₃和SiN等半導(dǎo)體材料，將漏電極9下端的柵介質(zhì)刻蝕完全，刻蝕可以采用干法可以也可以采用濕法刻蝕，例如如果使用SiN作為柵介質(zhì)，可以選擇氟基等離子體進(jìn)行干法刻蝕和氫氟酸進(jìn)行濕法刻蝕。然后在沉積金屬，一般選擇沉積鈦/鋁/鎳/金(Ti/Al/Ni/Au 20nm/130nm/50nm/150nm)等多層金屬，金屬沉積后將源、漏電極外的金屬剝離干凈，然后進(jìn)行快速退火(890℃、30s)，通過退火工藝，使得沉積的金屬與二維電子氣形成歐姆接觸。然后對(duì)樣品進(jìn)行圖形化，圖形化的方式可以選擇但不限于選擇使用光刻、激光直寫等，圖形化后沉積柵金屬5，并且金屬與半導(dǎo)體形成肖特基接觸，金屬可以選擇但不限于沉積鎳/金 (Ni/Au 50nm/150nm)，為實(shí)現(xiàn)器件的源電極和柵電極的自對(duì)準(zhǔn)，需要在柵電極的5的上方制作掩膜11，掩膜11可以使用光刻膠，掩膜11作為刻蝕掩膜的同時(shí)也作為沉積源電極金屬8的掩膜，使用掩膜11將源電極8下端的部分柵電極金屬5和柵介質(zhì)刻蝕完全，刻蝕停止在勢(shì)壘層4表面，或者將部分勢(shì)壘層去除，然后沉積金屬，形成源電極8，源電極8與勢(shì)壘層形成肖特基接觸，金屬可以選擇但不限于沉積鎳/金(Ni/Au 50nm/150nm)，實(shí)現(xiàn)器件的源電極和柵電極的自對(duì)準(zhǔn)，最后將掩膜11上端的金屬6去除，形成最后增強(qiáng)型遂穿HEMT器件。

上述實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。