[发明专利]Ⅲ族氮化物半导体器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种Ⅲ族氮化物半导体器件及其制造方法。

背景技术

第Ⅲ族氮化物半导体具有宽的禁带宽度、高的介电击穿场强和高的电子饱和漂移速率等特性，适用于制造高温、高速转换和大功率电子器件。在氮化物场效应晶体管中，通过压电极化和自发极化在沟道层中产生大量电荷。由于二维电子气的来源是氮化物表面的施主型表面态电离而来，因此氮化物晶体管的电流密度对表面态极其敏感，表面态的存在很容易引起电流崩塌效应。

氮化镓基场效应晶体管按栅极结构通常可分为两大类，即肖特基栅场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管。肖特基栅场效应晶体管中，肖特基接触的栅极制作简单，表面容易控制，对射频器件来说非常理想，但是由于肖特基栅金属与氮化物半导体层之间没有介质层隔离，因而栅极的漏电流相对较高,并且随着反向偏压的增加而迅速增大；另外，由于受到肖特基接触的正向导通的限制，栅极的偏压原则上不能超过2V，否则栅极就失去了对沟道的控制能力。因此，肖特基栅场效应管由于缺少绝缘介质栅极，具有栅极漏电流过高和栅极耐压值过低等问题。绝缘栅场效应晶体管中，通常是在栅金属下加入介质层如二氧化硅、氧化铝、氧化铪、氮化硅和氮氧化硅等，使栅极的漏电流相对较低，很适合于功率器件。因此，绝缘栅场效应管由于具有绝缘介质，具有较低的栅极漏电流和较高的栅极耐压值。但是这种方法制造的绝缘栅场效应晶体管中，介质层和氮化物半导体之间存在有较高密度的界面态，可以引起严重的电流崩塌效应，是一个悬而未决的大问题，如图1所示。并且，绝缘介质层和氮化物半导体层（如Al₂O₃和AlGaN）之间存在较高的界面态时，在正向偏压下，AlGaN导带边缘处的界面态的充电和放电会导致器件的C-V曲线的滞后效应，即表现为正向曲线和反向曲线会出现较大程度的不重合，如图2所示。所以，非常难以找到一种场效应晶体管的结构及其方法，使得绝缘栅场效应晶体管具有较低的界面态，从而最大程度上避免电流崩塌效应。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种Ⅲ族氮化物半导体器件及其制造方法。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述现有技术中的问题，本发明提出了Ⅲ族氮化物半导体器件尤其是氮化物绝缘栅场效应晶体管中在栅极金属层与氮化物半导体层之间的绝缘介质层采用氮化物、氮氧化物和氧化物的复合介质层，而不引起界面态的增加。因此与传统单层绝缘层的氮化物绝缘栅场效应晶体管相比，采用上述复合介质层作为绝缘栅介质层，可以达到同时降低栅极漏电和降低电流崩塌效应的目的。

在基于硅材料的互补金属氧化物半导体（CMOS）器件中，硅和硅的本征氧化物二氧化硅之间具有极低的界面态密度(1E10/cm²)。在本发明当中，我们采用类似的概念，在氮化物表面引入氮化铝介质层及其本征氧化物氮氧化铝，用于降低介质层和半导体层之间的界面态密度，大大降低电流崩塌效应。在氮化物半导体表面依次引入了氮化物层、氮氧化物层和氧化物层形成复合介质层，作为氮化物绝缘栅场效应晶体管的栅极介质层。例如，在氮化镓绝缘栅场效应晶体管中，在氮化镓势垒层与栅极金属层之间依次引入氮化铝层、氮氧化铝层和氧化铝层。

一方面，与栅极金属层相接触的是位于复合介质层最上面的氧化铝层，这是由于使用氧化铝介质层作为绝缘介质层，可以使上述氮化镓绝缘栅场效应晶体管具有传统绝缘栅场效应晶体管的栅极漏电流小、栅极耐压值高因而具有较高的输入功率等优点；

另一方面，与传统的氮化物绝缘栅场效应晶体管不同之处在于，复合介质层中与氮化镓层相接触的是氮化铝介质层，位于复合介质层最下层。上述氮化铝介质层的厚度可以小于2纳米，也可以小于4纳米。这是因为如果氮化铝层厚度过大，氮化镓极强的自建电场会导致二维电子气的显著增加，引起阈值电压的漂移。

由于氮化物层和氮化铝层的界面处具有较低的界面态，因此，与传统采用氮化镓层和氧化铝介质层相接触的结构相比，采用复合介质层作为栅介质层可以从很大程度上降低电流崩塌效应。同时，位于复合介质层最上层的氧化铝介质层和最下层的氮化铝介质层之间还可以存在有氮氧化铝介质层，这可以通过对氮化铝介质层进行氧化形成。通过引入氮氧化铝介质层作为上述氮化铝介质层和氧化铝介质层的过渡介质层，也可以降低上述两种介质层由于直接接触而产生的界面态，也在一定程度上降低对电流崩塌效应的影响。