本发明专利技术涉及半导体器件领域，提供一种具有三明治栅极介质结构的HEMT器件及其制备方法，所述HEMT器件包括：衬底；位于衬底上的缓冲层；位于缓冲层上的GaN层；位于GaN层上的势垒层、源电极和漏电极，势垒层背离GaN层的一侧具有凹槽；位于源电极、漏电极和除凹槽以外的势垒层上的钝化层；包覆凹槽表面和钝化层表面的第一介质层；位于第一介质层上的第二介质层，第二介质层内含氟离子；位于第二介质层和除第二介质层以外的第一介质层上的第三介质层；与第三介质层接触的栅电极；与源电极接触的源极焊盘以及与漏电极接触的漏极焊盘。本发明专利技术能够实现HEMT器件大阈值电压常关型操作的同时有效提升器件的击穿电压。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体器件领域，尤其涉及一种具有三明治栅极介质结构的HEMT器件及其制备方法。
技术介绍
功率开关器件按照器件导通时是否需要在栅极施加开启偏压分为常开型(耗尽型)和常关型(增强型)两种类型。常关型功率开关器件在栅电极不施加偏压情况下，器件即处于关断状态，相对于常开型类型，常关型器件在实际应用中具有更安全、节能同时简化电路设计等方面优势，因此具有重要的研宄价值和广阔的应用市场。另一方面，耐击穿电压大小也是衡量现代功率器件综合性能的重要指标之一，基于宽禁带材料的功率器件其各种结构设计已经被实验证明能有效提高器件击穿电压。未来新型常关型高压功率器件在能源汽车、风能和太阳能等可再生能源发电以及国防军用设施电力系统控制等众多领域将具有广泛的应用前景。传统的窄带隙功率器件性能已经接近材料的理论极限。氮化镓(GaN)是继以硅(Si)和砷化镓(GaAs)为代表的第一代和二代半导体材料之后，近年来快速发展起来的第三代宽禁带半导体材料的典型代表。GaN材料具有大的带隙(3.4eV)、高的电子饱和漂移速度、高的临界击穿场强和好的化学稳定性等优点。它的异质结构(以AlGaN/GaN异质结构为代表)界面存在大密度的界面正极化电荷，可以诱导出高密度的二维电子气(2DEG)( >113Cm-2)作为导电沟道，并且由于GaN沟道材料无故意掺杂，电子在沟道内能够保持很高的迀移率(> lOOOc!!^—1。1)。因此，GaN基材料功率器件将具有更低的开关电能损耗和更优的频率特性，特别适合制作高电子迀移率晶体管(HEMT)。GaN基材料HEMT器件由于具有2DEG导电沟道，因此它天然属于常开型器件类型。为了获得HEMT器件的常关型操作，在实际器件制作过程中需要对栅极AlGaN势皇层进行特别技术加工，从而在栅极零偏压下即可切断栅极下2DEG导电沟道。目前主流的两种方案是采用刻蚀掉栅极势皇层的凹槽栅结构和对势皇层进行氟离子注入的氟化栅结构。图1a为现有技术一给出的HEMT器件的结构示意图。如图1a所示，AlGaN作为势皇层，AlGaN/GaN界面由于大量的带正电极化电荷而诱导高密度2DEG出现在该界面。2DEG沟道由于上面势皇层被直接刻蚀而切断，不平整的GaN刻蚀表面将作为器件开启的导电沟道。图1a示出的为栅极AlGaN势皇层刻蚀形成凹槽栅方案的器件，在器件制备过程中，直接刻蚀掉栅极AlGaN势皇层可以去除原界面处正极化电荷所形成的电场，因此可以切断2DEG沟道而达到常关型操作，但是，这种方法以不平整的栅极GaN刻蚀表面作为器件开启的导电沟道，器件的导通电阻一般比较大。图1b为现有技术二给出的HEMT器件的结构示意图。如图1b所示，栅极区域AlGaN势皇层通过氟离子注入而带负电从而排斥AlGaN/GaN界面处的2DEG，因此该方案可以使器件实现常关型操作。引入氟离子杂质的AlGaN/GaN界面沟道将作为器件开启的导电沟道。图1b示出的为氟离子注入势皇层形成氟化栅结构常关型GaN基HEMT器件，利用氟离子带负电荷形成的电场抵消原极化电荷形成电场，可以抑制2DEG在栅极区域的形成而达到常关型操作的目的。然而，注入到栅极区域的氟离子将有相当部分进入GaN材料中，由于散射明显，异质界面处的电子迀移率将明显降低，因此器件的导通电阻同样增大。上述势皇层刻蚀和氟离子注入方案分别造成栅极下面2DEG沟道界面的破坏和电子散射的增加，从而导致器件开启导通电阻变大，导通电流降低。现有技术中为了获得目标的大阈值电压常关型操作类型，势皇层刻蚀深度和氟离子注入剂量都要加强，从而导致器件大阈值电压和大导通电流两项主要指标必须要有所取舍，实际器件制作中只能选择一种折中的方案。另一方面，从器件工作在高温、高压等极端条件考虑，上述两种技术方案同样还存在若干工作可靠性和稳定性问题，这两种技术方案可能影响到器件栅极结构耐压能力和器件阈值电压稳定性。例如，完全刻蚀栅极势皇层方案制作的HEMT器件，其击穿电压相对较小；而势皇层氟离子注入方案制作的HEMT器件，其栅极漏电流增加，在高温高压工作条件下，栅极2DEG沟道附近的氟离子可能发生迀移，因此影响到器件性能的稳定性，如发生较大的阈值电压值波动等问题。
技术实现思路
本专利技术主要解决常关型HEMT器件中，现有AlGaN势皇层刻蚀或者氟离子注入形成的栅极结构技术方案，分别造成栅极下面用于电流输运的2DEG沟道界面的破坏和沟道内电子散射的增加，从而导致器件导通电阻和栅极漏电流增大，器件在高温或高压工作条件下可靠性降低的技术问题，提出一种先部分刻蚀栅极势皇层再沉积具有包裹氟离子储存层的三明治栅极介质结构HEMT器件及其制备方法，在保证HEMT器件具有较小的开启导通电阻条件下，实现HEMT器件大阈值电压常关型操作的同时有效降低器件的栅极漏电流、提高器件的击穿电压并增强器件工作可靠性。本专利技术提供了一种具有三明治栅极介质结构的HEMT器件，包括:衬底；位于所述衬底上的缓冲层； 位于所述缓冲层上的GaN层；位于所述GaN层上的势皇层、源电极和漏电极，所述势皇层背离GaN层的一侧具有凹槽，所述势皇层在源电极和漏电极之间；位于源电极、漏电极和除凹槽以外的势皇层上的钝化层；包覆凹槽表面和钝化层表面的第一介质层；位于所述第一介质层上的第二介质层，所述第二介质层在凹槽中的第一介质层之上，且第二介质层的两端与凹槽侧壁上的第一介质层不接触，所述第二介质层内含氟离子；位于所述第二介质层和除第二介质层以外的第一介质层上的第三介质层；与所述第三介质层接触的栅电极；与所述源电极接触的源极焊盘以及与所述漏电极接触的漏极焊盘，且所述源极焊盘和漏极焊盘的侧面从下到上依次与钝化层、第一介质层和第三介质层接触。进一步的，所述第一介质层的厚度为5?15nm，所述第二介质层的厚度为10?30nm，所述第三介质层的厚度为5?1nm0进一步的，所述势皇层的厚度为10?30nm，凹槽中势皇层的厚度为3?10nm，凹槽的长度为2?3 μπι。进一步的，所述GaN层的厚度为I?10 μ m，钝化层的厚度100?300nm。进一步的，第二介质层的两端与凹槽侧壁上的第一介质层的距离为100?500nm。对应地，本专利技术还提供了一种具有三明治栅极介质结构的HEMT器件的制备方法，包括:形成依次由衬底、缓冲层、GaN层和势皇层组成的叠层结构；在所述叠层结构上形成源电极和漏电极；在源电极、漏电极以及势皇层上形成钝化层；刻蚀钝化层和势皇层形成凹槽，使凹槽的底面低于势皇层的顶面，凹槽中剩余势皇层的厚度为3?1nm ；形成包覆凹槽表面和钝化层表面的第一介质层，并在第一介质层的表面形成预第二介质层；在预第二介质层中注入氟离子；去除部分预第二介质层，剩余的预第二介质层形成第二介质层，使第二介质层在凹槽中的第一介质层之上，且第二介质层的两端与凹槽侧壁上的第一介质层不接触；在第一介质层和第二介质层表面形成第三介质层；形成与第三介质层接触的栅电极；形成与源电极接触的源电极焊盘和与漏电极接触的漏电极焊盘。进一步的，所述形成依次由衬底、缓冲层、GaN层和势皇层组成的叠层结构，包括:提供衬底；在衬底上形成缓冲层；在缓冲层上形成的GaN层；在GaN层上形成势皇层。进一步的，在所述叠层结构本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有三明治栅极介质结构的HEMT器件，其特征在于，包括：衬底；位于所述衬底上的缓冲层；位于所述缓冲层上的GaN层；位于所述GaN层上的势垒层、源电极和漏电极，所述势垒层背离GaN层的一侧具有凹槽，所述势垒层在源电极和漏电极之间；位于源电极、漏电极和除凹槽以外的势垒层上的钝化层；包覆凹槽表面和钝化层表面的第一介质层；位于所述第一介质层上的第二介质层，所述第二介质层在凹槽中的第一介质层之上，且第二介质层的两端与凹槽侧壁上的第一介质层不接触，所述第二介质层内含氟离子；位于所述第二介质层和除第二介质层以外的第一介质层上的第三介质层；与所述第三介质层接触的栅电极；与所述源电极接触的源极焊盘以及与所述漏电极接触的漏极焊盘，且所述源极焊盘和漏极焊盘的侧面从下到上依次与钝化层、第一介质层和第三介质层接触。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：黄火林，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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