一种具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件

摘要

本发明属于半导体技术领域，涉及一种具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件。本发明在源电极下方引入高K介质材料，且高K介质材料延伸至缓冲层；在沟道层之下引入与缓冲层导电类型相反的阻挡层，且阻挡层与栅极两侧接触。阻挡层及高K介质对缓冲层进行二维耗尽作用而提高其掺杂浓度，显著降低器件的导通电阻；反向阻断状态下，高K介质调制纵向电场提升器件耐压。同时，本发明采用与槽栅侧壁接触的P型掺杂阻挡层夹断2DEG与缓冲层的纵向导电沟道，由绝缘栅电极上施加的电压对导电沟道进行控制，从而实现增强型。本发明所公布的器件制备工艺与传统工艺兼容。

权利要求

1.一种具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件，包括从下至上依次层叠设置的漏电极(1)、衬底(2)、缓冲层(3)、阻挡层(5)、沟道层(7)和势垒层(8)；所述势垒层(8)的两端具有源电极(6)，所述源电极(6)的下表面穿过势垒层(8)和沟道层(7)与阻挡层(5)上表面接触；两个源电极(6)的中间具有绝缘栅极结构；所述源电极(6)与绝缘栅极结构之间的势垒层(8)上表面具有介质钝化层(9)；所述源电极(1)和漏电极(6)均为欧姆接触；其特征在于，在所述源电极(6)下方具有填充有高K介质材料(4)的高K介质槽，所述高K介质材料(4)垂直向下延伸至缓冲层(3)中且高K介质材料(4)顶部与源电极(6)接触；所述高K介质材料(4)的相对介电常数大于缓冲层(3)的相对介电常数；所述衬底(2)和沟道层(7)为N型掺杂，所述阻挡层(5)为P型掺杂，且阻挡层(5)与栅极两侧接触；所述绝缘栅极结构沿垂直方向向下延伸，依次贯穿势垒层(8)、沟道层(7)和阻挡层(5)并延伸入缓冲层(3)中；所述绝缘栅极结构由绝缘栅介质(10)和被绝缘栅介质(10)包围栅电极(11)构成。

2.根据权利要求1所述的一种具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件，其特征在于，所述绝缘栅极结构的横向宽度从下至上逐渐增加。

3.根据权利要求1所述的一种具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件，其特征在于，所述绝缘栅介质(10)垂直向下延伸部分的厚度从上至下逐渐增加。

4.根据权利要求1所述的一种具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件，其特征在于，所述高K介质材料(4)从上到下由多种不同介电常数的高K介质构成，且从上至下介电常数依次增加。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件，其特征在于，所述高K介质材料(4)底部与衬底(2)接触。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件，所述绝缘栅介质(10)采用的材料为Al2O3、HfO2、SiO2一种或几种的组合。

7.根据权利要求6任意一项所述的一种具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件，其特征在于，所述沟道层(7)和势垒层(8)形成异质结。

说明书

一种具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件

技术领域

[0001] 本发明属于半导体技术领域，涉及一种具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)器件。

背景技术

[0002] 基于GaN材料的高电子迁移率晶体管(HEMT)，由于高电子饱和速度、高密度二维电子气(2DEG)以及较高临界击穿电场，使得其在大电流、低功耗、高频和高压开关应用领域具有巨大的应用前景。

[0003] 横向GaN HEMT因高密度二维电子气(2DEG)使其在高频和低功耗应用领域倍受青睐，其器件基本结构如图1所示。但是横向GaN HEMT存在以下缺点：1、截止状态下易在栅极靠近漏端一侧形成电场峰值，导致器件提前击穿，限制耐压的提高；2、截止状态下存在缓冲层泄漏电流，过大的缓冲层泄漏电流会导致器件提前击穿，限制了GaN HEMT在高压方面的应用；3、横向GaN HEMT器件主要通过栅极与漏极之间的有源区来承受耐压，因此高压GaN HEMT需要较大的栅漏间距，造成器件占用过大的芯片面积，不利于小型化的发展趋势。

[0004] 为了克服横向GaN HEMT器件以上缺点，业内研究者展开了对纵向GaN HEMT结构的研究。文献(Masakazu KANECHIKA,et.al.A Vertical Insulated Gate AlGaN/GaN Heterojunction Field-Effect Transistor,Japanese Journal of Applied Physics,VOL.46,NO.21,pp.L503-L505,May 2007)提出纵向GaN HEMT结构，如图2所示，它有效地改善了上述横向GaN HEMT所存在的问题。与横向GaN HEMT相比，纵向GaN HEMT存在以下优势：1、器件主要通过栅极与漏极之间的纵向间距来承受耐压，故可减小表面尺寸，节省芯片面积；2、P型阻挡层与N型半导体缓冲层之间形成的PN结可以有效阻挡从源极注入的电子，从而抑制器件缓冲层泄漏电流；3、由于器件表面的栅极和源极均为低电压，器件栅极附近不会形成高场区域，因此可以从根本上避免横向GaN HEMT由于栅极电场集中效应而导致的提前击穿。

[0005] 对于常规纵向GaN HEMT而言，纵向器件无法完全利用2DEG来实现导通，导通电流需要流经缓冲层，这使得导通电阻远高于横向器件；且随着击穿电压的提高，需降低缓冲层掺杂浓度并增加其厚度，这使得导通电阻急剧增加，并制约了器件的正向电流能力，因此常规纵向GaN HEMT器件存在击穿电压与导通电阻这一矛盾关系。

发明内容

[0006] 本发明的目的，就是针对上述问题，提出具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件，在达到提高器件击穿电压的同时降低器件的导通电阻，缓解或解决耐压与导通电阻的矛盾关系。

[0007] 本发明的技术方案是：如图3所示,一种具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件，包括从下至上依次层叠设置的漏电极1、衬底2、缓冲层3、阻挡层5、沟道层7和势垒层8；所述势垒层8的两端具有源电极6，所述源电极6的下表面穿过势垒层8和沟道层7与阻挡层5上表面接触；两个源电极6的中间具有绝缘栅极结构；所述源电极6与绝缘栅极结构之间的势垒层8上表面具有介质钝化层9；所述源电极1和漏电极6均为欧姆接触；其特征在于，在所述源电极6下方具有填充有高K介质材料4的高K介质槽，所述高K介质材料4垂直向下延伸至缓冲层3中且高K介质材料4顶部与源电极6接触；所述高K介质材料4的相对介电常数大于缓冲层3的相对介电常数；所述衬底2和沟道层7为N型掺杂，所述阻挡层5为P型掺杂，且阻挡层
5与栅极两侧接触；所述绝缘栅极结构沿垂直方向向下延伸，依次贯穿势垒层8、沟道层7和阻挡层5并延伸入缓冲层3中；所述绝缘栅极结构由绝缘栅介质10和被绝缘栅介质10包围栅电极11构成。

[0008] 进一步的，所述绝缘栅极结构的横向宽度从下至上逐渐增加。

[0009] 进一步的，所述绝缘栅介质10垂直向下延伸部分的厚度从上至下逐渐增加。

[0010] 进一步的，所述高K介质材料4从上到下由多种不同介电常数的高K介质构成，且从上至下介电常数依次增加。

[0011] 进一步的，其特征在于，所述高K介质材料4底部与衬底2接触。

[0012] 进一步的，所述绝缘栅介质10采用的材料为Al2O3、HfO2、SiO2一种或几种的组合。

[0013] 进一步的，所述沟道层7和势垒层8形成异质结。

[0014] 本发明的有益效果为：

[0015] 1、为充分利用GaN材料的高临界击穿电场特性，本发明在源电极下方引入高K介质材料，阻断状态下，高K介质对缓冲层辅助耗尽并调制纵向电场，器件可以实现高的关态击穿电压。

[0016] 2、由于阻挡层及高K介质对缓冲层进行二维耗尽，缓冲层可以采用高掺杂的N区，从而使器件的导通电阻明显降低。

[0017] 3、通常由于极化产生的2DEG使得AlGaN/GaN材料体系是常开型沟道，本发明中采用P型掺杂的阻挡层与栅极接触，阻挡层夹断2DEG与缓冲层的纵向导电沟道，从而实现增强型，由绝缘栅电极上施加的电压对导电沟道进行控制。

附图说明

[0018] 图1是常规横向HEMT器件结构。

[0019] 图2是常规纵向HEMT器件结构。

[0020] 图3是本发明提出的具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件结构。

[0021] 图4是本发明提出的绝缘栅极结构横向宽度从下至上逐渐增加的具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件结构。

[0022] 图5是本发明提出的绝缘栅介质厚度从上至下逐渐增加的具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件结构。

[0023] 图6是本发明提出的由多种不同介电常数高K介质材料构成的高K介质槽纵向增强型MIS HEMT器件结构。

[0024] 图7是本发明提出的高K介质材料底部与衬底接触的高K介质槽纵向增强型MIS HEMT器件结构。

[0025] 图8是本发明提出的具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件结构与传统纵向HEMT结构的反向耐压电场分布比较图。

[0026] 图9是本发明提出的具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件结构与传统纵向HEMT结构的输出曲线比较图。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：

[0028] 实施例1

[0029] 图3示出了一种具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件的全元胞结构示意图。本例器件包括：

[0030] 一种具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件，包括从下至上依次层叠设置的漏电极1、衬底2、缓冲层3、阻挡层5、沟道层7和势垒层8，源电极6穿过势垒层8和沟道层7直达阻挡层5上表面；两个源电极6中间设置绝缘栅极结构；所述源电极6与绝缘栅极结构之间的势垒层8上表面具有介质钝化层9；所述源电极1和漏电极6为欧姆接触。其特征在于，在所述源电极6下方是一个高K介质槽，高K介质材料4延伸至缓冲层3中且顶部与源电极6接触；所述高K介质材料4的相对介电常数大于半导体缓冲层3的相对介电常数；所述衬底2和沟道层7为N型掺杂，所述阻挡层5为P型掺杂，且阻挡层5与栅极两侧接触；所述绝缘栅极结构沿垂直方向向下延伸，依次贯穿势垒层8、沟道层7和阻挡层5并延伸入缓冲层3中；所述绝缘栅极结构由绝缘栅介质10和被绝缘栅介质10包围栅电极11构成。

[0031] 本发明提供的具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件缓解了传统纵向GaN HEMT器件耐压与导通电阻的矛盾关系。反向阻断状态下，高K介质对缓冲层辅助耗尽并调制纵向电场，提升器件关态击穿电压；同时，由于高K介质槽的引入，缓冲层被阻挡层及高K介质槽二维耗尽而提高其掺杂浓度，显著降低器件的导通电阻，从而保证了器件具有很好的正向电流驱动能力。

[0032] 实施例2

[0033] 与实施例1相比，本例器件的绝缘栅极结构的横向宽度从下至上逐渐增加，其他结构与实施例1相同，如图4所示。绝缘栅极结构的横向宽度从下至上逐渐增加，可以有效缓解曲率效应，避免电场集中导致器件提前击穿，提升器件击穿电压。

[0034] 实施例3

[0035] 与实施例1相比，本例器件的绝缘栅介质10垂直向下延伸部分的厚度从上至下逐渐增加，其他结构与实施例1相同，如图5所示。绝缘栅介质厚度从上至下逐渐增加可以有效地减小栅电容，提高器件的动态性能，但栅的积累效果会受到削弱。

[0036] 实施例4

[0037] 与实施例1相比，本例器件的高K介质材料4从上到下由两种及以上不同介电常数的高K介质构成，且从上至下介电常数增加，其他结构与实施例1相同，如图6所示。采用多种高K介质材料且介电常数从上至下增加，可以更加有效的对缓冲层进行辅助耗尽调制纵向电场，从而进一步的提升器件击穿电压。

[0038] 实施例5

[0039] 与实施例1相比，本例器件的高K介质材料4底部与衬底2接触，其他结构与实施例1相同，如图7所示。高K介质贯穿整个缓冲层，可以更加有效的对整个缓冲层进行辅助耗尽，调制体内纵向电场提升器件关态击穿电压。

[0040] 本发明的上述几种实施例所描述的具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件，可以采用GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一种或几种的组合作为衬底2、缓冲层3、阻挡层5、沟道层7和势垒层8的材料；对于钝化层9，业界常用的材料为SiNx，也可采用Al2O3，AlN等介质材料，绝缘栅介质10可采用与钝化层相同的材料；源电极6、漏电极1一般采用金属合金，常用的有Ti/Al/Ni/Au或Mo/Al/Mo/Au等；栅电极11一般采用功函数较大的金属合金，例如Ni/Au或Ti/Au等。

[0041] 图8、图9分别是本发明提出的具有高K介质槽的纵向增强型MIS HEMT器件结构与传统纵向MIS HEMT结构的反向耐压时电场分布比较图和输出曲线比较图。采用Sentaurus TCAD软件进行仿真，两种结构在器件纵向尺寸均为11.2μm，横向尺寸均为4μm，缓冲层厚度均为10μm，高K介质材料相对介电常数为60的条件下，本发明所提出的结构的击穿电压从传统纵向MIS HEMT的1283V提高到1993V，击穿电压提高55％；本发明提出的结构的导通电阻2 2
从传统纵向MIS HEMT的1.22mΩ·cm降低至0.61mΩ·cm，导通电阻降低50％。