[发明专利]一种半导体结构及其形成方法

说明书

本发明适用于半导体器件技术领域，提供了一种半导体结构及其形成方法，结构包括：衬底；缓冲层；沟道层，材料为GaN晶体或InGaN晶体；阻挡层，材料为AlN晶体；厚势垒层，材料为In_mAl_nGa_(1‑m‑n)N晶体，Al组分摩尔含量0.80≥n≥0.15，In组分摩尔含量0.45≥m≥0，厚度不低于10nm，在厚势垒层形成有栅电极窗口，其底部为沟道层或厚度不大于3nm的厚势垒层；薄势垒层，材料为低Al组分的In_xAl_yGa_(1‑x‑y)N晶体，厚度约为0.5～5nm，Al组分摩尔含量0.15≥y≥0.01，In组分摩尔含量0.3≥x≥0，位于栅电极窗口内；P型栅极层，材料为P型导电GaN晶体或AlGaN晶体；栅电极，位于栅电极窗口内，底部与P型栅极层接触。低Al组分薄势垒层外延生长时可以修复槽型栅侧壁和底部的刻蚀损伤层，减小栅介质界面态，增强栅极可靠性，改善工艺窗口及器件成品率。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，提供了一种半导体结构及其形成方法。

背景技术

随着现代武器装备和航空航天、核能、通信技术、汽车电子、开关电源的发展，对半导体器件的性能提出了更高的要求。作为宽禁带半导体材料的典型代表，GaN基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、临界击穿场强高、热导率高、稳定性好、耐腐蚀、抗辐射等特点，可用于制作高温、高频及大功率电子器件。另外，GaN还具有优良的电子特性，可以和AlGaN形成调制掺杂的AlGaN/GaN异质结构，该结构在室温下可以获得高于1500cm²/Vs的电子迁移率，以及高达3×10⁷cm/s的峰值电子速度和2×10⁷cm/s的饱和电子速度，并获得比第二代化合物半导体异质结构更高的二维电子气密度，被誉为是研制微波功率器件的理想材料。因此，基于AlGaN/GaN异质结的微波功率器件在高频率、高功率的无线通信、雷达等领域具有非常好的应用前景。

典型AlGaN/GaN HEMT器件结构的主要工作部分是位于AlGaN/GaN异质结界面处的二维电子气(2DEG)，因为它几乎不受电离杂质散射的作用，因而具有较高的面浓度和电子迁移率。它的工作原理是通过改变栅电压的大小来调控异质结界面处的2DEG密度，从而改变源漏电流。Y.Okamoto等人报道了带有调制场板的凹栅型AlGaN/GaN HFET，凹栅极技术使得器件的阈值电压从-4.2V增加到-1.7V，W.Saito等人提出了凹栅极结构的增强型AlGaN/GaN HFET，通过刻蚀AlGaN势垒层，实现了+1V的阈值电压，并且可以获得较低的比导通电阻4mΩ·cm²，耐压值为435V。但是，在AlGaN势垒层上刻蚀凹槽，一方面对AlGaN势垒层存在损伤，且经刻蚀后的势垒层表面缺陷较多，影响器件可靠性，另一方面对刻蚀后凹槽内剩余的AlGaN势垒层的厚度均匀性和一致性要求很高，要求剩余约3～5nm的厚度，对外延和刻蚀工艺的一致性和重复性提出了严苛的要求。这两方面的因素导致凹槽栅型GaN HEMT器件存在增强型阈值偏低、阈值不稳定、可靠性较差等问题，且刻蚀工艺难以控制，工艺窗口窄，成品率不高，不利于规模化生产。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决凹槽栅技术在对AlGaN势垒层刻蚀凹槽时引起的AlGaN势垒层的刻蚀损伤和表面缺陷，以及刻蚀工艺窗口窄，难以规模化生产等相关问题。