过渡金属氮化物势垒高电子迁移率晶体管及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种过渡金属氮化物势垒高电子迁移率晶体管，主要解决现有薄势垒层氮化物晶体管击穿电压和功率密度低、阈值电压难调控的问题。其自下而上包括衬底、成核层、沟道层、插入层、势垒层、铁电调控层、保护层；势垒层为钪钇铝氮与氮化铝的复合交替的叠层结构；铁电调控层为连续外延的单晶钪钇铝氮材料；保护层为连续外延的单晶氮化铝材料；保护层两侧设置钝化层，其上部为栅电极；沟道层上部至势垒层两侧均为欧姆接触区，欧姆接触区上分别为源、漏电极；源漏电极与栅电极之间填充钝化层。本发明专利技术势垒层极化强度大、击穿场强高，载流子浓度高，且铁电调控层能对器件阈值电压实现自由调控，可用于微波毫米波射频集成电路和数字开关集成电路。开关集成电路。开关集成电路。

【技术实现步骤摘要】
过渡金属氮化物势垒高电子迁移率晶体管及其制作方法


[0001]本专利技术属于半导体器件
，特别涉及一种过渡金属氮化物势垒高电子迁移率晶体管，可用于微波毫米波射频集成电路和数字开关集成电路中。

技术介绍

[0002]氮化镓基高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)作为第三代宽禁带半导体电子器件的典型代表，凭借其优异的微波功率特性，在宽带通信、信息感知、消费电子、数据中心和节能电机等领域得到了广泛应用，成为国家重点支持的半导体产业。氮化镓电子器件的发展推动了信息化和低碳环保社会建设，是半导体微电子领域的研究热点和战略竞争点。但是，GaN HEMT器件在工作性能、线性度、可靠性和异质集成方面仍存在一系列亟需解决的问题。
[0003]为进一步提高GaN HEMT器件的工作频率、输出功率、击穿电压和阈值电压，近年来人们使用具有更强极化特性的超薄AlN势垒层代替常规的AlGaN势垒层。该器件结构与常规的AlGaN/GaN HEMT器件类似，如图1所示，其自下而上包括衬底、成核层、GaN沟道层、AlN插入层、势垒层和势垒保护层，势垒保护层上设有栅电极，源漏区欧姆接触上设有源、漏电极。该器件存在以下缺点：
[0004]一是AlN势垒层和GaN沟道层存在大的晶格失配和张应变，器件处于高压工作时会在AlN势垒层中产生逆压电效应，形成晶格缺陷并导致器件可靠性退化；
[0005]二是在GaN沟道层上直接生长AlN势垒层的临界弛豫厚度一般在4nm之内，这种薄势垒层表面态会引起异质结沟道中二维电子浓度的远低于理论值，无法完全发挥AlN/GaN异质结强极化和高载流子浓度的优势，限制了HEMT器件的高频高功率特性；
[0006]三是薄AlN势垒层HEMT的栅极漏电较大，器件击穿电压不高，需要引入绝缘栅介质来降低栅极漏电，这进一步增加了器件工艺复杂性及绝缘栅介质与势垒层间的界面态；
[0007]四是薄AlN势垒层HEMT器件多为耗尽型，需要在栅极施加负压才能耗尽栅极下方沟道中的二维电子气，通过调控阈值电压来实现增强型AlN势垒层HEMT器件难度大，这无疑会增加电路设计复杂度，限制了其在数字开关电路中的应用；
[0008]五是AlN势垒HEMT器件的阈值电压调控常采用PZT或铪锆氧等铁电介质，该介质为多晶材料，在单晶AlN势垒层上无法实现连续外延级生长，限制了氮化镓HEMT器件与铁电存储器等功能器件的单片集成。

技术实现思路

[0009]本专利技术目的在于针对上述已有技术的缺点，提出一种过渡金属氮化物势垒高电子迁移率晶体管及其制作方法，以过渡金属氮化物与氮化铝的复合交替的叠层作为势垒层，同时采用连续外延生长的单晶过渡金属氮化物作为栅极铁电介质调控层，采用连续外延生长的单晶AlN材料作为保护层，增加异质结材料极化特性和载流子面密度，提高器件击穿电压和输出功率及工作可靠性，降低器件阈值电压调控和单片集成难度，简化器件工艺复杂度。
[0010]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0011]1.一种过渡金属氮化物势垒高电子迁移率晶体管，自下而上，包括衬底、成核层、沟道层、插入层、势垒层、保护层，其特征在于：
[0012]所述势垒层与保护层之间增设有铁电调控层；
[0013]该势垒层，采用由过渡金属氮化物Sc
x
Y
y
Al
z
N与AlN的复合交替的叠层结构，其中AlN层的厚度为0.5nm
‑
3.5nm，过渡金属氮化物Sc
x
Y
y
Al
z
N层的厚度为0.5nm
‑
5nm，组分0≤x≤0.35，0≤y≤0.3，且x+y+z＝1；
[0014]该铁电调控层，采用连续外延的单晶Sc
x
Y
y
Al
z
N材料，组分0≤x≤0.35，0≤y≤0.3，且x+y+z＝1，厚度为5nm
‑
30nm；
[0015]该保护层，采用连续外延的单晶AlN材料，厚度为1nm
‑
3nm，其两侧设有钝化层。
[0016]进一步，所述沟道层，其厚度为50nm
‑
4000nm，材料为In
m
Al
n
Ga
w
N，组分0≤m≤1，0≤n≤1，0≤w≤1，且m+n+w＝1；
[0017]进一步，所述成核层，厚度为5nm
‑
500nm，材料为Al
s
Ga
t
N，组分0≤s≤1，0≤t≤1，且s+t＝1；
[0018]进一步，所述插入层，采用AlN材料，厚度为1nm
‑
2nm。
[0019]进一步，所述衬底，采用蓝宝石材料、硅材料、碳化硅材料、金刚石材料、氮化镓材料、氮化铝材料，氮化硼材料中的任意一种材料；
[0020]进一步，所述钝化层，采用SiN材料、Al2O3材料、HfO2材料中的任意一种材料。
[0021]进一步，所述保护层的上部设置有栅电极；
[0022]进一步，所述沟道层上部至势垒层的两侧均为欧姆接触区，欧姆接触区上分别设置源、漏电极；源漏电极与栅电极之间填充钝化层。
[0023]2.一种过渡金属氮化物势垒高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0024]1)使用金属有机物化学气相淀积技术或分子束外延方法，在衬底基片上生长5nm
‑
500nm的Al
s
Ga
t
N成核层；
[0025]2)使用金属有机物化学气相淀积方法或分子束外延方法，在Al
s
Ga
t
N成核层上生长50nm
‑
4000nm的In
m
Al
n
Ga
w
N沟道层；
[0026]3)使用金属有机物化学气相淀积方法或分子束外延方法，在In
m
Al
n
Ga
w
N沟道层上生长厚度为1nm
‑
2nm的AlN插入层；
[0027]4)使用金属有机物化学气相淀积方法或分子束外延方法，在AlN插入层上生长过渡金属氮化物势垒层；
[0028]5)使用金属有机物化学气相淀积方法或分子束外延方法，在过渡金属氮化物势垒层上生长铁电调控层；
[0029]6)使用金属有机物化学气相淀积方法或分子束外延方法，在铁电调控层(6)上生长AlN保护；
[0030]7)在AlN保护层上以光刻胶为掩膜，采用干法刻蚀方法，刻蚀AlN保护层至沟道层的两端，形成凹槽；
[0031]8)使用金属有机物化学气相淀积方法或分子束外延方法在凹槽区域生长Si掺杂n型GaN层，Si的剂量为(0.5
‑
5)
×
10
20
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种过渡金属氮化物势垒高电子迁移率晶体管，自下而上，包括衬底(1)、成核层(2)、沟道层(3)、插入层(4)、势垒层(5)、保护层(7)，其特征在于：所述势垒层(5)与保护层(7)之间增设有铁电调控层(6)；该势垒层(5)，采用由过渡金属氮化物Sc
x
Y
y
Al
z
N与AlN的复合交替的叠层结构，其中AlN层的厚度为0.5nm
‑
3.5nm，过渡金属氮化物Sc
x
Y
y
Al
z
N层的厚度为0.5nm
‑
5nm，组分0≤x≤0.35，0≤y≤0.3，且x+y+z＝1；该铁电调控层(6)，采用连续外延的单晶Sc
x
Y
y
Al
z
N材料，组分0≤x≤0.35，0≤y≤0.3，且x+y+z＝1，厚度为5nm
‑
30nm；该保护层(7)，采用连续外延的单晶AlN材料，厚度为1nm
‑
3nm，其两侧设有钝化层(8)。2.如权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述沟道层(3)，其厚度为50nm
‑
4000nm，材料为In
m
Al
n
Ga
w
N，组分0≤m≤1，0≤n≤1，0≤w≤1，且m+n+w＝1；所述成核层(2)，厚度为5nm
‑
500nm，材料为Al
s
Ga
t
N，组分0≤s≤1，0≤t≤1，且s+t＝1；所述插入层(4)，采用AlN材料，厚度为1nm
‑
2nm。3.如权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述衬底(1)，采用蓝宝石材料、硅材料、碳化硅材料、金刚石材料、氮化镓材料、氮化铝材料，氮化硼材料中的任意一种材料；所述钝化层(8)，采用SiN材料、Al2O3材料、HfO2材料中的任意一种材料。4.如权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述保护层(7)的上部设置有栅电极；所述沟道层(3)上部至势垒层(5)的两侧均为欧姆接触区，欧姆接触区上分别设置源、漏电极；源、漏电极与栅电极之间填充钝化层(8)。5.一种过渡金属氮化物势垒高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：1)使用金属有机物化学气相淀积技术或分子束外延方法，在衬底(1)基片上生长5nm
‑
500nm的Al
s
Ga
t
N成核层(2)；2)使用金属有机物化学气相淀积方法或分子束外延方法，在Al
s
Ga
t
N成核层(2)上生长50nm
‑
4000nm的In
m
Al
n
Ga
w
N沟道层(3)；3)使用金属有机物化学气相淀积方法或分子束外延方法，在In
m
Al
n
Ga
w
N沟道层(3)上生长厚度为1nm
‑
2nm的AlN插入层(4)；4)使用金属有机物化学气相淀积方法或分子束外延方法，在AlN插入层(4)上生长过渡金属氮化物势垒层(5)；5)使用金属有机物化学气相淀积方法或分子束外延方法，在过渡金属氮化物势垒层(5)上生长铁电调控层(6)；6)使用金属有机物化学气相淀积方法或分子束外延方法，在铁电调控层(6)上生长AlN保护层(7)；7)在AlN保护层(7)上以光刻胶为掩膜，采用干法刻蚀方法，刻蚀AlN保护层至沟道层的两端，形成凹槽；8)使用金属有机物化学气相淀积方法或分子束外延方法在凹槽区域生长Si掺杂n型
GaN层，Si的剂量为(0.5
‑
5)
×
10
20
cm
‑3，形成欧姆接触区；9)以光刻胶为掩膜，采用电子束蒸发工艺，在欧姆接触区先淀积欧...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛军帅，吴冠霖，姚佳佳，郭壮，李泽辉，赵澄，刘仁杰，袁金渊，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：