一種制造電子氣背勢(shì)壘氮化鎵異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的制造方法，尤其是一種制造電子氣背勢(shì)皇氮化鎵異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的方法。具體地說是用能帶剪裁方法制造高電子氣密度的氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為柵電極外的外溝道，再用挖槽方法減薄柵電極下勢(shì)皇層制成高跨導(dǎo)的內(nèi)溝道異質(zhì)結(jié)，使得在器件射頻工作中出現(xiàn)的高負(fù)柵壓下外溝道仍保留足夠的電子氣構(gòu)成背勢(shì)皇，強(qiáng)化外溝道的量子限制，抑制大信號(hào)射頻工作中的外溝道能帶畸變，消除外溝道堵塞，弱化電流崩塌，用以制造高效、大功率氮化鎵異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法。屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化物異質(zhì)結(jié)界面上的大能帶帶階和強(qiáng)極化電荷產(chǎn)生高密度的二維電子氣，氮化物的寬禁帶又顯著提高了異質(zhì)結(jié)的擊穿電壓，使制成的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管能在高壓大電流狀態(tài)下工作，顯著提高了場(chǎng)效應(yīng)管的射頻工作效率和輸出功率。但是，這種極性異質(zhì)結(jié)也給器件研制帶來一些負(fù)面影響。場(chǎng)效應(yīng)管中的源、柵和漏電極都是高電導(dǎo)的金屬，構(gòu)成各自的等勢(shì)體，橫向電場(chǎng)為零。而勢(shì)皇層是半導(dǎo)體，其電導(dǎo)率比金屬低得多。電場(chǎng)連續(xù)條件要求勢(shì)皇層與電極邊界處的橫向電場(chǎng)也為零，就在勢(shì)皇層表面形成臺(tái)階狀的電勢(shì)分布。對(duì)此電勢(shì)微商后求出的電場(chǎng)強(qiáng)度都集中在電勢(shì)上升臺(tái)階處，形成溝道中的強(qiáng)場(chǎng)峰。在電場(chǎng)上升區(qū)和電場(chǎng)下降區(qū)出現(xiàn)很強(qiáng)的正、負(fù)電場(chǎng)梯度。這種沿溝道方向的強(qiáng)電場(chǎng)梯度通過二維泊松方程改變了沿異質(zhì)結(jié)方向的電勢(shì)分布和電子氣的波函數(shù)。當(dāng)射頻負(fù)半周強(qiáng)負(fù)柵壓到來時(shí)產(chǎn)生巨大的異質(zhì)結(jié)能帶畸變，使電場(chǎng)上升區(qū)中的一部分電子不能進(jìn)入電場(chǎng)下降區(qū)，形成外溝道堵塞。降低了器件的射頻電流，產(chǎn)生電流崩塌。加速了器件射頻工作中的性能退化，降低了其使用壽命O
[0003]能帶剪裁是克服外溝道堵塞的一種有效方法。申請(qǐng)者在求解二維泊松方程和薛定諤方程時(shí)發(fā)現(xiàn)，正、負(fù)電場(chǎng)梯度對(duì)異質(zhì)結(jié)能帶的作用分別相當(dāng)于正、負(fù)空間電荷，它們分別引起能帶下彎和上凸。如果在溝道層背面生長(zhǎng)一層AlGaN背勢(shì)皇，那么就可以利用背勢(shì)皇界面上的負(fù)極化電荷來抵償正電場(chǎng)梯度，弱化能帶畸變。但是，AlGaN背勢(shì)皇同緩沖層間產(chǎn)生的正極化電荷又會(huì)產(chǎn)生第二個(gè)溝道阱而破壞場(chǎng)效應(yīng)管的射頻工作。因此，必須把全部緩沖層都改成AlGaN層。這樣不僅增大了材料生長(zhǎng)的難度和溝道層的應(yīng)變，而且AlGaN層的熱導(dǎo)率很低，顯著降低了器件的輸出功率。使得目前器件研制中使用的都是低Al組份比背勢(shì)皇，背勢(shì)皇作用很弱。此外，理論模擬發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)梯度分布在整個(gè)異質(zhì)結(jié)內(nèi)，僅僅依靠背勢(shì)皇異質(zhì)界面上的一層極化電荷也不能完全抵償電場(chǎng)梯度的作用。特別當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管的柵長(zhǎng)很短、漏壓很高、夾斷電壓很負(fù)時(shí)，仍然難以用目前的背勢(shì)皇來抑制外溝道堵塞。這一難題成為制約目前GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的射頻性能、可靠性和推廣應(yīng)用主要因素。
[0004]氮化物異質(zhì)結(jié)溝道阱是依靠阱內(nèi)二維電子氣的負(fù)電荷來產(chǎn)生背勢(shì)皇的。當(dāng)溝道夾斷時(shí)，阱內(nèi)電子氣消失，就失去了背勢(shì)皇。因此，申請(qǐng)者想到為內(nèi)溝道和外溝道設(shè)計(jì)不同的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使內(nèi)溝道夾斷時(shí)外溝道還沒有夾斷，外溝道中仍存在電子氣，可以依靠電子負(fù)電荷來構(gòu)成外溝道背勢(shì)皇，弱化外溝道能帶畸變，解決外溝道的堵塞。理論模擬發(fā)現(xiàn)外溝道中的二維電子氣能在電場(chǎng)梯度作用下移動(dòng)來屏蔽電場(chǎng)梯度的作用。產(chǎn)生比現(xiàn)有AlGaN背勢(shì)皇中單層極化電荷更好的補(bǔ)償作用，更有效地消除外溝道堵塞。由此發(fā)明了新的電子氣外溝道背勢(shì)皇。這種新設(shè)計(jì)的電子氣背勢(shì)皇能在更強(qiáng)的負(fù)柵壓下抑制異質(zhì)結(jié)能帶的畸變。從而解決了目前AlGaN背勢(shì)皇大熱阻和難以完全抑制能帶畸變的難點(diǎn)，為GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的研宄開辟了新途徑。
[0005]從電子氣背勢(shì)皇設(shè)計(jì)理念出發(fā)，申請(qǐng)者用自編的自洽求解二維泊松方程和薛定諤方程的軟件來分別優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)、外溝道的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。目前GaNHFET中的異質(zhì)結(jié)勢(shì)皇層都使用Al組份比低于0.3的AlGaN層。雖然提高Al組份比異質(zhì)結(jié)能夠增大電子氣密度和溝道電流，但是高Al組份比異質(zhì)結(jié)的夾斷電壓低，在強(qiáng)負(fù)柵壓下外溝道電場(chǎng)梯度增大，會(huì)引發(fā)更強(qiáng)的外溝道堵塞。而低Al組份比勢(shì)皇層又增大了外溝道的串聯(lián)電阻，降低了電子氣密度、溝道電流、器件的PAE和輸出功率。此外，Al組份比較低時(shí)，為了產(chǎn)生足夠的電子氣密度和溝道電流，必須保留足夠的內(nèi)溝道的勢(shì)皇層厚度。降低了內(nèi)、外溝道異質(zhì)結(jié)構(gòu)的差別，難以設(shè)計(jì)出有效的外溝道電子氣背勢(shì)皇。從獨(dú)立設(shè)計(jì)內(nèi)、外溝道的理念出發(fā)，申請(qǐng)者選用了較高Al組份比的勢(shì)皇層，利用挖槽工藝來減薄內(nèi)溝道勢(shì)皇層，降低內(nèi)溝道電子氣密度，提高柵電極對(duì)內(nèi)溝道電導(dǎo)的控制力度，增大器件跨導(dǎo)。這樣在內(nèi)溝道射頻工作的大柵壓變動(dòng)范圍內(nèi)，外溝道始終保留足夠的電子氣來構(gòu)成背勢(shì)皇，消除外溝道堵塞。而且，高Al組份比勢(shì)皇又降低了外溝道的串聯(lián)電阻。然后自洽求解二維泊松方程和薛定諤方程來研宄各種柵、漏電壓下的能帶畸變和溝道堵塞，完成內(nèi)、外溝道的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的旨在設(shè)計(jì)高電子氣密度的外溝道異質(zhì)結(jié)來增強(qiáng)外溝道內(nèi)的電子負(fù)電荷，強(qiáng)化外溝道的電子氣背勢(shì)皇，使射頻負(fù)半周內(nèi)外溝道中仍保留有適當(dāng)?shù)拿芏入娮託?，依靠電子?fù)電荷來產(chǎn)生背勢(shì)皇，抑制外溝道的能帶畸變和電流堵塞。并且利用高電子氣密度的外溝道來降低外溝道串聯(lián)電阻，提高器件射頻工作效率和輸出功率。然后使用挖槽工藝來減薄內(nèi)溝道勢(shì)皇層，降低內(nèi)溝道電子氣密度，使內(nèi)溝道能在設(shè)定的柵壓下夾斷，增強(qiáng)柵電極對(duì)內(nèi)溝道電導(dǎo)的控制力度，提高器件的夾斷電壓和跨導(dǎo)。然后自洽求解二維泊松方程和薛定諤方程，研宄各種柵壓和漏壓環(huán)境下的外溝道能帶畸變和溝道堵塞，優(yōu)化設(shè)計(jì)出內(nèi)、外溝道兩種異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:一種制造電子氣背勢(shì)皇氮化鎵異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的方法，在襯底上依次生長(zhǎng)GaN緩沖層、A1N、AlGaN, AlInN等勢(shì)皇層構(gòu)成異質(zhì)結(jié)來形成柵電極外的外溝道，然后適當(dāng)減薄勢(shì)皇層構(gòu)筑內(nèi)溝道異質(zhì)結(jié)，再在內(nèi)溝道異質(zhì)結(jié)上淀積柵金屬層制成柵電極。使大射頻柵壓變動(dòng)范圍內(nèi)外溝道中始終保持足夠的電子氣，依靠電子氣的負(fù)電荷來構(gòu)筑背勢(shì)皇，還包括如下工藝步驟:
(1)針對(duì)器件工作要求的射頻電壓和電流來設(shè)計(jì)柵電極外的外溝道異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使射頻柵壓變動(dòng)范圍內(nèi)外溝道中始終保持足夠的電子氣密度，運(yùn)用電子氣的負(fù)電荷來抑制器件射頻工作中電場(chǎng)梯度引起的異質(zhì)結(jié)能帶畸變，構(gòu)成電子氣背勢(shì)皇；
(2)減薄勢(shì)皇層厚度，淀積柵電極金屬層，制作柵電極?？刂苾?nèi)溝道的勢(shì)皇層厚度來提高器件跨導(dǎo)，使選定的射頻柵壓變化足以控制內(nèi)溝道的通斷，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)管的高效射頻工作； (3)自洽求解二維泊松方程和薛定諤方程，研宄大射頻柵壓擺動(dòng)下的外溝道能帶畸變和溝道堵塞；調(diào)節(jié)內(nèi)、外溝道的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，降低能抑制能帶畸變和溝道堵塞的最低負(fù)柵壓；擴(kuò)大器件射頻工作的柵壓和漏壓變動(dòng)范圍，提高器件的抗電流崩塌能力；同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)外溝道的電勢(shì)分布，降低強(qiáng)場(chǎng)峰，確保外溝道達(dá)到所需的擊穿電壓。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):用高Al組份比勢(shì)皇層的異質(zhì)結(jié)構(gòu)來提高挖槽剪裁異質(zhì)結(jié)能帶的能力，為內(nèi)、外溝道構(gòu)筑不同的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。薄的高Al組份比勢(shì)皇內(nèi)溝道增強(qiáng)了柵電壓對(duì)溝道電導(dǎo)的控制力度，達(dá)到較高的跨導(dǎo)和器件工作所要求的電流密度。用高密度電子氣外溝道中的電子氣負(fù)電荷來建立外溝道的背勢(shì)皇，厚外溝道勢(shì)皇減少了外溝道電子氣密度隨柵壓改變的變化，始終保持適量的背勢(shì)皇來抑制大柵壓、漏壓變動(dòng)下外溝道的能帶畸變和溝道堵塞。并且用高密度電子氣外溝道來降低外溝道串聯(lián)電阻，提高器件射頻工作效率和輸出功率。通過內(nèi)、外溝道異質(zhì)結(jié)構(gòu)的獨(dú)立設(shè)計(jì)，來優(yōu)化內(nèi)、外溝道的相互作用，弱化外溝道中的強(qiáng)場(chǎng)峰，提高擊穿電壓，抑制外溝道堵塞，降低電流崩塌和器件射頻工作中的性能退化，改善器件的可靠性，擴(kuò)大器件的應(yīng)用范圍。電子氣背勢(shì)皇既避免了 AlGaN緩沖層引起的應(yīng)變，有利于改善異質(zhì)結(jié)材料質(zhì)量、電子氣輸運(yùn)性能和器件可靠性，又消除了 AlGaN緩沖層大熱阻帶來的弊病，可望將背勢(shì)皇真正應(yīng)用于GaNHFET的批量生產(chǎn)中，使高效大功率GaNHFET的研宄開發(fā)跨上新的臺(tái)階。
【具體實(shí)施方式】