量子阱器件及其形成方法與流程

2023-09-13 04:40:40

本發明涉及半導體製造領域，尤其涉及一種量子阱器件及其形成方法。

背景技術：

高電子遷移率電晶體(HEMT)的基本結構由一個調製摻雜異質結及其源漏結構組成。存在於調製摻雜異質結中的二維電子氣(2-DEG)，由於不受電離雜質離子散射的影響，其遷移率非常高。HEMT是電壓控制器件，柵極電壓Vg可控制異質結勢阱的深度，從而控制勢阱中2-DEG的面密度，進而控制器件的工作電流。對於GaAs體系的HEMT，通常其中的n-AlxGa1-xAs控制層應該是耗盡的。若n-AlxGa1-xAs層厚度較大、摻雜濃度又高，則在Vg＝0時就存在有2-DEG，為耗盡型器件，反之則為增強型器件(Vg＝0時，肖特基耗盡層即延伸到本徵GaAs層內部)；對於HEMT，主要是要控制好寬禁帶半導體層(控制層)的摻雜濃度和厚度，特別是厚度。在考慮HEMT中的2-DEG面密度Ns時，通常只需要考慮異質結勢阱中的兩個二維子能帶(i＝0和1)即可。2-DEG面電荷密度Ns將受到柵極電壓Vg的控制。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種量子阱器件及其形成方法，能夠獲得具有高遷移率的量子阱器件。

為了實現上述目的，本發明提出了一種量子阱器件的形成方法，包括步驟：

提供襯底，在所述襯底的表面形成具有鰭狀結構的緩衝層；

在所述緩衝層及鰭狀結構表面上依次沉積量子阱溝道層、阻擋層及介質層；

在所述鰭狀結構兩側的介質層表面形成金屬柵極，所述金屬柵極高度低於所述鰭狀結構的高度；

在鰭狀結構兩側暴露出的介質層表面及金屬柵極的兩側形成側牆；

依次刻蝕位於鰭狀結構及緩衝層表面暴露出的介質層及阻擋層，暴露出源漏區域的所述量子阱溝道層；

在暴露出的源漏區域的量子阱溝道層內進行摻雜，形成源極和漏極；

在所述源極和漏極上形成源漏電極。

進一步的，在所述的量子阱器件的形成方法中，所述具有鰭狀結構的緩衝層的形成步驟包括：

在所述襯底上形成所述緩衝層；

在所述緩衝層表面形成圖案化的光阻；

以所述圖案化的光阻作為掩膜，幹法刻蝕所述緩衝層，形成鰭狀結構。

進一步的，在所述的量子阱器件的形成方法中，所述緩衝層的材質為AlN，厚度範圍是100nm～5000nm。

進一步的，在所述的量子阱器件的形成方法中，所述緩衝層採用MOCVD、ALD或者MBE工藝形成。

進一步的，在所述的量子阱器件的形成方法中，所述量子阱溝道層的材質為N-型GaN，厚度範圍是1nm～100nm。

進一步的，在所述的量子阱器件的形成方法中，所述阻擋層的材質為AlN。

進一步的，在所述的量子阱器件的形成方法中，所述量子阱溝道層及阻擋層均採用外延生長工藝形成。

進一步的，在所述的量子阱器件的形成方法中，所述介質層的材質為二氧化矽、氧化鋁、氧化鋯或氧化鉿，厚度範圍是1nm～5nm。

進一步的，在所述的量子阱器件的形成方法中，所述介質層採用CVD、MOCVD、ALD或MBE工藝形成。

進一步的，在所述的量子阱器件的形成方法中，所述金屬柵極的材質為NiAu 或CrAu。

進一步的，在所述的量子阱器件的形成方法中，所述金屬層採用CVD、PVD、MOCVD、ALD或MBE工藝形成。

進一步的，在所述的量子阱器件的形成方法中，所述側牆的材質為氮化矽。

進一步的，在所述的量子阱器件的形成方法中，採用選擇性刻蝕工藝依次刻蝕位於鰭狀結構及緩衝層表面暴露出的介質層及阻擋層，暴露出源漏區域的所述量子阱溝道層。

進一步的，在所述的量子阱器件的形成方法中，採用離子注入或離子擴散工藝對所述量子阱溝道層進行N+離子注入，形成源極和漏極。

在本發明中，還提出了一種量子阱器件，採用如上文所述的量子阱器件的形成方法形成，其特徵在於，包括：襯底、設有鰭狀結構的緩衝層、量子阱溝道層、阻擋層、金屬柵極、介質層、側牆及源漏極，其中，所述設有鰭狀結構的緩衝層形成在所述襯底上，所述量子阱溝道層、阻擋層、介質層及金屬柵極依次形成在所述鰭狀結構的兩側，所述側牆形成在鰭狀結構兩側暴露出的介質層表面及金屬柵極的兩側，所述源極形成在金屬柵極兩側的量子阱溝道層內，所述漏極形成在所述及鰭狀結構頂部暴露出的量子阱溝道層內。

進一步的，在所述的量子阱器件中，還包括源漏極電極，所述源漏極電極形成在所述源極和漏極上。

與現有技術相比，本發明的有益效果主要體現在：提出了一種量子阱器件的形成方法，能夠形成具有高遷移率的量子阱器件，並且形成的量子阱器件具有較高的擊穿電壓，從而獲得具有較好的性能及可靠性的量子阱器件。

附圖說明

圖1為本發明一實施例中量子阱器件的形成方法的流程圖；

圖2至圖9為本發明一實施例中形成量子阱器件過程中的剖面示意圖。

具體實施方式

下面將結合示意圖對本發明的量子阱器件及其形成方法進行更詳細的描述，其中表示了本發明的優選實施例，應該理解本領域技術人員可以修改在此描述的本發明，而仍然實現本發明的有利效果。因此，下列描述應當被理解為對於本領域技術人員的廣泛知道，而並不作為對本發明的限制。

為了清楚，不描述實際實施例的全部特徵。在下列描述中，不詳細描述公知的功能和結構，因為它們會使本發明由於不必要的細節而混亂。應當認為在任何實際實施例的開發中，必須做出大量實施細節以實現開發者的特定目標，例如按照有關系統或有關商業的限制，由一個實施例改變為另一個實施例。另外，應當認為這種開發工作可能是複雜和耗費時間的，但是對於本領域技術人員來說僅僅是常規工作。

在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發明。根據下面說明和權利要求書，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。

請參考圖1，在本發明中，提出了一種量子阱器件的形成方法，包括步驟：

S100：提供襯底，在所述襯底的表面形成具有鰭狀結構的緩衝層；

S200：在所述緩衝層及鰭狀結構表面上依次沉積量子阱溝道層、阻擋層及介質層；

S300：在所述鰭狀結構兩側的介質層表面形成金屬柵極，所述金屬柵極高度低於所述鰭狀結構的高度；

S400：在鰭狀結構兩側暴露出的介質層表面及金屬柵極的兩側形成側牆；

S500：依次刻蝕位於鰭狀結構及緩衝層表面暴露出的介質層及阻擋層，暴露出源漏區域的所述量子阱溝道層；

S600：在暴露出的源漏區域的量子阱溝道層內進行摻雜，形成源極和漏極；

S700：在所述源極和漏極上形成源漏電極。

具體的，請參考圖2，在步驟S100中，所述襯底100可以為矽襯底、藍寶石襯底或者SiC襯底等，其還可以是設有Σ型凹槽等圖形的襯底。

在所述襯底100表面形成緩衝層200；所述緩衝層200材質為AlN，其厚度範圍是100nm～5000nm，例如是3000nm。所述緩衝層200可以採用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金屬有機化合物化學氣相沉澱)、ALD(Atomic layer deposition，原子層沉積)或者MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)工藝形成。

接著，在所述緩衝層200上形成鰭形結構210，其形成步驟包括：

在所述襯底上形成所述緩衝層；

在所述緩衝層表面形成圖案化的光阻；

以所述圖案化的光阻作為掩膜，幹法刻蝕所述緩衝層，形成鰭狀結構(Fin)。

接著，請參考圖3和圖4，在所述緩衝層200及鰭狀結構210表面上依次沉積量子阱溝道層310、阻擋層320及介質層330；其中，所述量子阱溝道層310材質為N-型GaN，在本實施例中，其厚度範圍是1nm～100nm，例如是50nm。所述阻擋層320材質為AlN。所述介質層330的材質為二氧化矽、氧化鋁、氧化鋯或氧化鉿，其厚度範圍是1nm～5nm，例如是3nm。其中，所述量子阱溝道層310、阻擋層320及介質層330均可以採用CVD、MOCVD、ALD或MBE等工藝形成。

接著，請參考圖5，在所述鰭狀結構兩側的介質層330表面形成金屬柵極400，所述金屬柵極400高度低於所述鰭狀結構210的高度；其中，所述金屬柵極400的材質為NiAu或CrAu等，其可以採用PVD(Physical Vapor Deposition，物理氣相沉積)、MOCVD、ALD或MBE工藝形成。

請參考圖6，在鰭狀結構兩側暴露出的介質層330表面及金屬柵極400的兩側形成側牆500；所述側牆500的材質為氮化矽。

接著，請參考圖7，刻蝕位於鰭狀結構210及緩衝層200表面暴露出的介質層330及阻擋層320，暴露出源漏區域的所述量子阱溝道層310；其中，採用選 擇性刻蝕工藝進行刻蝕，去除所述部分介質層330及阻擋層320，暴露出位於鰭狀結構210頂部的量子阱溝道層310，後續作為漏極，以及位於金屬柵極400兩側緩衝層200上的量子阱溝道層310，後續作為源極。

接著，請參考圖8，採用離子注入或離子擴散工藝對所述量子阱溝道層310進行N+離子注入，形成源極311和漏極312。形成的量子阱層310、阻擋層320及源極311和漏極312結構，調製摻雜異質結中的量子阱層310可以形成二維電子氣(2-DEG，如圖中虛線所示)，由於不受電離雜質離子散射的影響，其遷移率非常高，從而可以使形成的量子阱器件具有較高的遷移率。

接著，請參考圖9，在所述源極311和漏極312上形成源漏電極600。

在本實施例的另一方面還提出了一種量子阱器件，採用如上文所述的量子阱器件的形成方法形成，包括：襯底100、設有鰭狀結構210的緩衝層200、量子阱溝道層310、阻擋層320、金屬柵極400、介質層330、側牆500及源極311和漏極312，其中，所述設有鰭狀結構的緩衝層200形成在所述襯底100上，所述量子阱溝道層310、阻擋層320、介質層330及金屬柵極400依次形成在所述鰭狀結構210的兩側，所述側牆500形成在鰭狀結構210兩側暴露出的介質層330表面及金屬柵極400的兩側，所述源極311形成在金屬柵極400兩側的量子阱溝道層310內，所述漏極312形成在所述及鰭狀結構210頂部暴露出的量子阱溝道層310內。

其中，量子阱器件還包括源漏極電極600，所述源漏極電極600形成在所述源極311和漏極312上。

綜上，在本發明實施例提供的量子阱器件及其形成方法中，提出了一種量子阱器件的形成方法，能夠形成具有高遷移率的量子阱器件，並且形成的量子阱器件具有較高的擊穿電壓，從而獲得具有較好的性能及可靠性的量子阱器件。

上述僅為本發明的優選實施例而已，並不對本發明起到任何限制作用。任何所屬技術領域的技術人員，在不脫離本發明的技術方案的範圍內，對本發明揭露的技術方案和技術內容做任何形式的等同替換或修改等變動，均屬未脫離 本發明的技術方案的內容，仍屬於本發明的保護範圍之內。