[发明专利]基于氟离子注入的增强型器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种基于氟离子注入的增强型器件及其制造方法。

背景技术

基于氮化镓材料的高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor；HEMT）是射频/微波功率放大器、高温数字集成电路领域的有力竞争者。它基于宽禁带半导体材料氮化镓制作，发挥了氮化镓材料电子饱和漂移速度高、击穿场强高、导热性能好等特点，与硅和砷化镓器件相比，在高温、高频、高电压和大功率的应用方面有明显的优势。

基于氮化镓材料的HEMT的核心结构通常采用AlGaN/GaN异质结，而该异质结构中存在较强的二维电子气，从而器件在零偏压下为导通状态，使得器件为耗尽型。而耗尽型器件的应用具有一定的局限性，比如在微波功率放大器的应用中，耗尽型器件在关断状态下必须采用负电压偏置栅极，增加了系统电路的复杂度和成本，而且在异常断电的情况下，器件仍处于导通状态，从而降低了系统的安全性。使用增强型器件可以降低系统复杂度，提高系统稳定性和安全性。增强型氮化镓器件的研究具有十分重要的意义。

实现增强型氮化镓器件，目标是找到合适的方法来降低乃至耗尽零栅压时栅极下方的二维电子气浓度。目前比较常见的一种方案是对栅极下方铝镓氮层进行局部减薄。图1为相应结构的HEMT，缓冲层1、氮化镓沟道层2、铝镓氮势垒层3分别位于衬底10上，栅极4、源极5以及漏极6分别位于铝镓氮层3上，其中在栅极4下方铝镓氮层被局部刻蚀，从而减薄了栅极区的铝镓氮层厚度。由于铝镓氮层中的极化电场很强，即使厚度很薄，沟道内也会产生电子，因此器件的阈值电压较低，在零偏置时还会有少量沟道泄漏电流。此外栅极区的铝镓氮层厚度一般必须减小到3nm到5nm以下，这样的刻蚀精度非常具有挑战性。另一种方案是对栅极下方的外延层进行氟离子注入，因为氟离子带有负电荷，注入后会提拉导带耗尽栅极下方的二维电子气，形成增强型器件结构。现有技术的氟离子注入的深度只到达铝镓氮势垒层。图2为相应的器件结构，其中栅极4下方的铝镓氮层7为氟离子注入区。但是，浅层氟离子注入会使得大量的氟离子停留在氮化镓HEMT外延层的表面，而表面的氟离子并不稳定，在高温（>400℃）或者高电场条件下会引起氟离子的迁移，造成器件阈值电压的漂移。此外，普通注入条件下的氟离子注入会引起氮化镓器件较大的晶格损伤，且晶格损伤会随着注入深度的提高而增大。如果在普通注入条件下提高氟离子注入深度，会使得晶格损伤达到无法恢复的程度。严重的晶格缺陷散射会减小沟道载流子的迁移率，降低饱和工作电流，大大制约器件的工作性能。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于氟离子注入的增强型器件及其制造方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种采用隧道注入的方法实现基于氟离子注入的增强型器件及其制造方法。

隧道注入是指在使用离子注入时，使离子注入的角度和晶体的晶格同轴，避免晶格对离子的散射，从而能够提高离子注入的深度和效率，避免上述第二种方法中氟离子在氮化镓表面的聚集，从而可以抑制氟离子在高温或者高电场条件下的迁移，提高器件阈值电压的稳定性和可靠性。离子注入后的高温退火可以恢复离子注入带来的晶格损伤，但高温又会在氮化物外延层表面引入缺陷。本发明利用氮化物材料表面的介质层来保护高温退火下的氮化物材料，同时将此介质层制作为晶态，保证了注入方式为隧道注入。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种基于氟离子注入的增强型器件，所述器件包括衬底、在衬底上形成的外延多层结构，以及在外延多层结构上形成的栅极、源极和漏极；

所述外延多层结构从衬底方向向上依次包括异质结结构层和介质层；所述异质结结构层包括氮化物沟道层和氮化物势垒层；所述介质层为晶态介质层；

在所述栅极下方的异质结结构层中采用隧道注入的方法注入有氟离子，用于耗尽异质结结构层中的二维电子气。

作为本发明的进一步改进，所述外延多层结构还包括位于衬底上的成核层和缓冲层。

作为本发明的进一步改进，所述晶态介质层为晶态Al₂O₃、晶态SiN、晶态AlN中的一种或多种的组合。

作为本发明的进一步改进，所述介质层在栅极下方的区域被刻蚀，栅极位于氮化物势垒层上，栅极直接与氮化物势垒层形成肖特基接触。

作为本发明的进一步改进，所述氟离子注入深度延伸至所述氮化物沟道层内。

作为本发明的进一步改进，所述氟离子注入深度延伸至所述缓冲层内。