CN111081772A - 氮化镓晶体管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种氮化镓晶体管及其制造方法，包括：在势垒层上方的第一区域形成栅叠层，栅叠层包括栅极结构层以及位于栅极结构层和势垒层之间的第一插入层；以及在势垒层上方的第二区域形成第一空穴注入层，第一区域和第二区域彼此隔开，其中，形成栅叠层的步骤包括采用第一抗蚀剂掩膜对硬掩膜层进行图案化、采用第一抗蚀剂掩膜对掺杂层图案化以形成栅极结构层、以及采用硬掩膜层对插入层图案化以形成第一插入层。该制造方法将硬掩膜层用于后续的图案化工艺，可以避免多次光刻的错位，以简化氮化镓晶体管的制造工艺以及提高产品良率。该氮化镓晶体管采用第一空穴注入层向沟道层中注入电荷以释放陷阱能级捕获的电子，因而可以获得稳定的导通电阻。

Description

氮化镓晶体管及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，更具体地，涉及一种氮化镓晶体管及其制造方法。

背景技术

与硅、砷化镓等半导体材料相比，宽禁带半导体材料氮化镓(GaN)具有更大的禁带宽度(3.4eV)、更强的临界击穿场强以及更高的电子迁移速率，得到了国内外研究者们的广泛关注，在电力电子功率器件以及高频功率器件方面具有巨大的优势和潜力。作为第三代宽禁带半导体的典型代表，氮化镓材料不但具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和漂移速度大、耐高温、抗辐射以及化学稳定性好等特点，同时由于氮化镓材料的极化效应，可以与铝镓氮等材料形成具有高浓度(大于10¹³cm^-2)和高迁移率(大于2000cm²/V·s)的二维电子气(2DEG)，非常适合制备功率开关器件，成为当前功率器件领域的研究热点。

目前氮化镓单晶衬底较难得到，绝大多数氮化镓薄膜是通过在其他衬底上进行异质外延实现。常用的衬底包括硅、蓝宝石以及碳化硅等。由于氮化镓与衬底之间存在较大的晶格错配以及热应变，氮化镓外延材料的缺陷密度可能比硅材料高3至4个数量级。此外为了实现高击穿电压，在高阻氮化物层进行碳、铁或者镁掺杂。氮化镓沟道层中的缺陷以及杂质能形成陷阱能级。在反向高压下，该陷阱能级会捕获电子。结果，当氮化镓晶体管重新导通时，导通电阻增大，器件稳定性与可靠性变差。

作为进一步改进的器件结构，在氮化镓晶体管的栅极区域和漏极区域分别形成复合叠层。在反向截止状态，采用漏极区域空穴注入层向沟道层中注入空穴，从而可以释放陷阱能级捕获的电子。因此，在氮化镓晶体管重新导通时可以获得大致恒定的导通电阻。

然而，该氮化镓晶体管的制造方法工艺复杂，包括在插入层的图案化步骤之后的二次光刻和附加的外延生长，从而存在着二次光刻错位的问题。结果，在栅极区域的复合叠层中，栅极结构层与插入层之间彼此错位导致氮化镓晶体管不能正常工作。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种氮化镓晶体管及其制造方法，其中，在形成所述栅极结构层时图案化硬掩膜层，以及将硬掩膜层用于后续图案化工艺，从而可以简化氮化镓晶体管的制造工艺以及提高产品良率。

根据本发明的一方面，提供一种氮化镓晶体管的制造方法，包括：在衬底上形成势垒层；在所述势垒层上方的第一区域形成栅叠层，所述栅叠层包括栅极结构层以及位于所述栅极结构层和所述势垒层之间的第一插入层；以及在所述势垒层上方的第二区域形成第一空穴注入层，所述第一区域和所述第二区域彼此隔开，其中，所述形成栅叠层的步骤包括采用第一抗蚀剂掩膜对硬掩膜层进行图案化、采用所述第一抗蚀剂掩膜对掺杂层图案化以形成所述栅极结构层、以及采用所述硬掩膜层对插入层图案化以形成所述第一插入层。

优选地，在采用所述硬掩膜层对插入层图案化以形成所述第一插入层的同时，采用第二抗蚀剂掩膜对所述插入层图案化以形成所述第一空穴注入层。

优选地，通过一次光刻刻蚀形成所述栅叠层。

优选地，在对插入层进行图案化之后，去除所述硬掩膜层。

优选地，采用外延生长方法形成所述掺杂层。

优选地，所述栅极结构层、所述第一插入层和所述第一空穴注入层分别由掺杂氮化物组成。

优选地，所述栅极结构层、所述第一插入层和所述第一空穴注入层中的掺杂剂分布为组分固定、组分渐变和组分突变中的任一种。

优选地，所述栅极结构层包括p型掺杂剂。

优选地，在所述栅极结构层掺入的掺杂剂包括选自镁、钙、铍化锌或者组合中的任一种。

优选地，所述在衬底上形成势垒层的步骤之前，还包括：在衬底上形成成核层；在所述成核层上形成缓冲层；在所述缓冲层上形成氮化镓沟道层，所述势垒层位于所述氮化镓沟道层上。

优选地，选择所述栅极结构层的掺杂浓度，使得位于所述栅叠层下方的所述氮化镓沟道层和所述势垒层之间的二维电子气在零偏压下处于截止状态。

优选地，所述第一插入层和所述第一空穴注入层包括p型掺杂剂。

优选地，所述第一空穴注入层中掺入的掺杂剂包括选自镁、钙、铍化锌或者组合中的任一种。

优选地，选择所述第一空穴注入层的掺杂浓度，使得位于所述第一空穴注入层下方的所述氮化镓沟道层和所述势垒层之间的二维电子气在零偏压下处于导通状态，在反向截止状态所述第一空穴注入层向势垒层注入空穴。

优选地，刻蚀减薄所述第一空穴注入层的厚度，使得位于所述第一空穴注入层下方的氮化镓沟道层中的沟道在零偏压下处于导通状态，在反向截止状态所述第一空穴注入层向所述氮化镓沟道层中的沟道注入空穴。

优选地，在形成所述栅叠层和所述第一空穴注入层的步骤之后，还包括：在所述势垒层上方分别形成源极电极、漏极电极、以及位于所述源极电极和所述漏极电极之间的栅极电极，其中，所述栅极电极与所述栅极结构层彼此接触，所述源极电极与所述势垒层彼此接触，所述漏极电极的第一部分与所述第一空穴注入层彼此接触，第二部分与所述势垒层彼此接触。

优选地，所述栅极电极与所述栅极结构层形成肖特基接触。

优选地，所述源极电极和所述漏极电极与所述势垒层形成欧姆接触。

优选地，所述沟道层与势垒层之间形成二维电子气。

优选地，还包括在所述第一插入层和所述栅极结构层之间形成第二插入层，在采用所述第一抗蚀剂掩膜对掺杂层图案化的步骤中，所述第二插入层作为停止层。

优选地，所述栅极结构层为p型掺杂的氮化镓层，所述第一插入层为p型掺杂的氮化镓层，所述第二插入层为p型掺杂的铝镓氮层。

优选地，所述第二插入层的厚度为所述栅极结构层的厚度的五分之一到二十分之一。

优选地，在所述漏极电极和所述第一空穴注入层之间还包括第二空穴注入层，在采用所述第一抗蚀剂掩模对掺杂层图案化的步骤中，所述第二空穴注入层作为停止层。

优选地，所述第一空穴注入层为p型掺杂的氮化镓层，所述第二空穴注入层为p型掺杂的铝镓氮层。

根据本发明的另一方面，提供一种氮化镓晶体管，包括：位于衬底上的势垒层；位于所述势垒层上方第一区域的栅叠层，所述栅叠层包括栅极结构层以及位于所述栅极结构层和所述势垒层之间的第一插入层；以及位于所述势垒层上方第二区域的第一空穴注入层，所述第一区域和所述第二区域彼此隔开，其中，所述氮化镓晶体管的漏极电极与所述第一空穴注入层和所述势垒层二者接触。

优选地，所述栅极结构层、所述第一插入层和所述第一空穴注入层分别由掺杂氮化物组成。

优选地，所述栅极结构层、所述第一插入层和所述第一空穴注入层中的掺杂剂分布为组分固定、组分渐变和组分突变中的任一种。

优选地，所述栅极结构层包括p型掺杂剂。

优选地，在所述栅极结构层掺入的掺杂剂包括选自镁、钙、铍化锌或者组合中的任一种。

优选地，在所述衬底与所述势垒层之间，还包括：位于衬底上的成核层；位于所述成核层上的缓冲层；位于所述缓冲层上的氮化镓沟道层；所述势垒层位于所述氮化镓沟道层上。

优选地，选择所述栅极结构层的掺杂浓度，使得位于所述栅叠层下方的所述氮化镓沟道层和所述势垒层之间的二维电子气在零偏压下处于截止状态。

优选地，所述第一插入层和所述第一空穴注入层包括p型掺杂剂。

优选地，所述第一空穴注入层中掺入的掺杂剂包括选自镁、钙、铍化锌或者组合中的任一种。

优选地，选择所述第一空穴注入层的掺杂浓度，使得位于所述第一空穴注入层下方的所述氮化镓沟道层和所述势垒层之间的二维电子气在零偏压下处于导通状态，在反向截止状态所述第一空穴注入层向所述势垒层注入空穴。

优选地，所述氮化镓晶体管的栅极电极与所述栅极结构层彼此接触，所述氮化镓晶体管的源极电极和漏极电极与所述势垒层彼此接触。

优选地，所述栅极电极与所述栅极结构层形成肖特基接触。

优选地，所述源极电极和所述漏极电极与所述势垒层形成欧姆接触。

优选地，所述氮化镓沟道层与势垒层之间形成二维电子气。

优选地，在所述第一插入层和所述栅极结构层之间还包括第二插入层。

优选地，所述栅极结构层为p型掺杂的氮化镓层，所述第一插入层为p型掺杂的氮化镓层，所述第二插入层为p型掺杂的铝镓氮层。

优选地，所述第二插入层的厚度为所述栅极结构层的厚度的五分之一到二十分之一。

优选地，在所述漏极电极和所述第一空穴注入层之间还包括第二空穴注入层。

优选地，所述第一空穴注入层为p型掺杂的氮化镓层，所述第二空穴注入层为p型掺杂的铝镓氮层。

根据本发明施例的氮化镓晶体管的制造方法，在形成所述栅极结构层时图案化硬掩膜层，以及将硬掩膜层用于后续形成插入层的图案化工艺。该制造方法采用一次光刻形成栅叠层的图案，利用硬掩膜层保留掩膜图案，可以在不同的蚀刻步骤中分别形成栅叠层中的栅极结构层和第一插入层。该制造方法通过将硬掩膜层用于后续形成第一插入层的图案化工艺，避免二次光刻图形出现对位偏差，可以减少栅极设计尺寸，避免二次光刻的错位问题，同时避免采用二次外延工艺，以简化氮化镓晶体管的制造工艺以及提高产品良率。

在优选实施例中，该制造方法包括在形成第一插入层和第一空穴注入层的步骤之前，在势垒层上依次形成插入层、掺杂层和硬掩膜层，其中，掺杂层是外延生长的氮化物层。由于在图案化的步骤之前进行外延生长，因此可以进一步简化氮化镓晶体管的制造工艺以及提高产品良率。

采用该制造方法形成的氮化镓晶体管，在栅极电极和势垒层之间夹有栅叠层，栅叠层包括堆叠的栅极结构层和第一插入层。第一插入层例如由P型掺杂的氮化物组成，即可作为栅极结构层蚀刻停止层又可以有效减小栅极漏电流。

该氮化镓晶体管还包括位于势垒层上的第一空穴注入层。第一空穴注入层例如由P型掺杂的氮化物组成。漏极电极与第一空穴注入层彼此接触。通过调制第一空穴注入层的掺杂浓度或者刻蚀减薄的方法，该第一空穴注入层在零偏压下使得沟道层处于导通状态，以及在反向截止状态向沟道层中注入空穴，以释放被捕获的电子，抑制氮化镓晶体管动态导通电阻增大，增加动态电阻的稳定性，提高氮化镓晶体管的稳定性与可靠性。

在优选地的实施例中，所述第一插入层和栅极结构层之间还包括第二插入层，可以兼用做刻蚀截止层，使刻蚀过程可以精确的停在该第二插入层上，可以避免对栅极结构层的欠蚀刻或者对第一插入层的过蚀刻，增加工艺过程的稳定性。

在优选实施例中，所述第一空穴注入层还包括第二空穴注入层，可以兼用做刻蚀截止层，使刻蚀过程可以精确的停在该第二空穴注入层上，保证空穴注入层厚度的一致性，增加工艺过程的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面的描述中的附图仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1示出根据本发明第一实施例的氮化镓晶体管的结构示意图。

图2示出根据本发明第一实施例的氮化镓晶体管制造方法的流程图。

图3a至图3e分别示出根据本发明第一实施例的氮化镓晶体管制造方法不同阶段的截面图。

图4示出根据本发明第二实施例的氮化镓晶体管的结构示意图。

图5a至图5e分别示出根据本发明第二实施例的氮化镓晶体管制造方法不同阶段的截面图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制造中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

<第一实施例>

图1示出根据本发明第一实施例的氮化镓晶体管的结构示意图。

如图1所示，根据本发明第一实施例的氮化镓晶体管100包括：衬底101、成核层102、缓冲层103、沟道层104、势垒层105、栅叠层210、第一空穴注入层221、栅极电极301、源极电极302以及漏极电极303。其中，栅叠层210包括：堆叠的第一插入层211和栅极结构层212。

在衬底101上依次形成成核层102、缓冲层103、沟道层104、以及势垒层105。衬底101例如由硅、蓝宝石以及碳化硅中的任意一种组成。成核层102例如由氮化镓或氮化铝组成。缓冲层103例如由不同铝组分的铝镓氮或碳自掺杂的半绝缘高阻氮化镓中的任意一种组成。沟道层104例如是外延生长的氮化镓层，势垒层105例如的材料可以包括铝组份在5％至30％的铝镓氮、铟铝镓氮、氮化铝等氮化物。沟道层104和势垒层105形成异质结，在沟道层104和势垒层105之间形成二维电子气。

栅叠层210位于势垒层105上。在该实施例中，第一插入层211位于栅极结构层212和势垒层105之间，栅极结构层212和第一插入层211均为p型掺杂氮化物，例如由氮化铝、铝镓氮或氮化镓中的任意一种组成，进一步地，掺杂剂分布为组分固定、组分渐变和组分突变中的任一种，包括选自镁、钙、铍化锌或者组合中的任一种p型掺杂剂。

第一空穴注入层221位于势垒层105上，与栅叠层210在横向方向上彼此隔开。在该实施例中，第一空穴注入层221为p型掺杂氮化物，进一步地，第一空穴注入层221中的掺杂剂分布为组分固定、组分渐变和组分突变中的任一种。第一空穴注入层221包括选自镁、钙、铍化锌或者组合中的任一种p型掺杂剂。选择第一空穴注入层221的掺杂类型和掺杂浓度，使得位于第一空穴注入层221下方的沟道层104和势垒层105中间的二维电子气在零偏压下处于导通状态，在反向截止状态第一空穴注入层221向沟道层104和势垒层105中间的二维电子气中注入空穴。

栅极电极301位于源极电极302和漏极电极303之间。栅极电极301位于栅叠层210上。栅极电极301与栅叠层210中的栅极结构层212彼此接触，从而形成肖特基接触。源极电极302位于势垒层105上。漏极电极303的第一部分位于第一空穴注入层221上，第二部分位于势垒层105上。源极电极302和漏极电极303通过快速热退火(rapid thermal annealing,RTA)与势垒层105形成欧姆接触，漏极电极303的第一部分与第一空穴注入层221彼此接触，从而形成肖特基接触。

栅极电极301、源极电极302和漏极电极303中的任一个例如由钛、铝、镍、金、银、铂、钨、铜、钽、钼、钨化钛、氮化钛或其合金组合的任意一种组成。

在该实施例中，通过掺杂调整第一空穴注入层221的掺杂浓度，例如镁、钙、铍化锌或者组合进行p型掺杂，使得第一空穴注入层221下方沟道层104和势垒层105之间形成的二维电子气在零偏压下处于导通状态并且在反向截止状态，第一空穴注入层221可以向沟道层104中注入空穴，使得捕获的电子释放。在氮化镓晶体管重新导通时，维持晶体管的导通电阻大致不变，从而增加器件动态导通电阻的稳定性。栅叠层210由栅极结构层212和第一插入层211组成，通过调整栅极结构层212的掺杂浓度，在零偏压下栅叠层210下方沟道层104和势垒层105之间形成的二维电子气处于截止状态。

在替代的实施例中，为了实现二维电子气在零偏压下处于导通状态并且在反向截止状态，可以刻蚀减薄第一空穴注入层221的厚度。

图2示出根据本发明第一实施例的氮化镓晶体管制造方法的流程图。以下结合图3a至3e所示的截面图详细地说明该制造方法的各个步骤。

在步骤S01，在衬底101上依次形成成核层102、缓冲层103、沟道层104、势垒层105、插入层201和掺杂层202，如图3a和图3b所示。

在该步骤中，例如采用金属有机化学气相沉积法(Metal Organic ChemicalVapor Deposition，MOCVD)、分子束外延法(Molecular Beam Epitaxy，MBE)或其他方法形成成核层102、缓冲层103、沟道层104、势垒层105、插入层201、以及掺杂层202。用于形成各个材料层的工艺是本领域已知的，在此不再详述。

在将衬底101清洗干净，在衬底101上生长成核层102。衬底101的材料可以包括硅、碳化硅或蓝宝石等，成核层102的材料可以包括氮化镓或氮化铝等。

进一步地，在成核层102上生长缓冲层103，其中，缓冲层103的材料可以包括碳自掺杂的半绝缘高阻氮化镓、铝镓氮。

进一步地，在缓冲层103上生长沟道层104，其中，沟道层104的材料可以是非故意掺杂的氮化镓、铝镓氮等。

进一步地，在沟道层104上生长势垒层105，其中，在沟道层104和势垒层105的界面处形成二维电子气，势垒层105的材料可以包括铝组份在5％至30％的铝镓氮、铟铝镓氮、氮化铝等氮化物。

进一步地，在势垒层105上生长插入层201。插入层201例如由p-型掺杂的氮化铝、铝镓氮或氮化镓中的任意一种或多种组成。

进一步地，在插入层201上外延生长掺杂的氮化物层，从而形成p型掺杂层202。掺杂层202例如由氮化物组成，例如包含In、Ga、Al等的二元或者多元氮化物，例如为氮化铝、铝镓氮或氮化镓中的任意一种或多种，其中，掺杂剂例如包括选自镁、钙、铍化锌或者组合中的任一种p型掺杂剂。掺杂层202中的掺杂剂分布为组分固定、组分渐变和组分突变中的任一种。

然后，在步骤S02中，在掺杂层202上形成硬掩膜层203，如图3b所示。

在该步骤中，例如采用溅射、PECVD等方法形成硬掩膜层203。用于形成各个材料层的工艺是本领域已知的，在此不再详述。

硬掩膜层203例如由氧化硅、氮化硅或者其他材料中的任意一种组成。

然后，在步骤S03中，采用抗蚀剂掩膜PR1，对硬掩膜层203和掺杂层202进行图案化，以形成栅叠层210中的栅极结构层212，如图3c所示。

在该步骤中，例如在硬掩膜层203上形成抗蚀剂层，采用光刻方法在抗蚀剂层中形成开口图案以获得抗蚀剂掩膜PR1。抗蚀剂掩膜PR1遮挡氮化镓晶体管的栅极区域。然后采用干法或湿法蚀刻方法，经由抗蚀剂掩膜PR1中的开口去除硬掩膜层203和掺杂层202的暴露部分。通过控制蚀刻的时间，或者采用选择性的蚀刻剂，使得蚀刻在插入层201的表面停止。在蚀刻步骤之后，采用灰化或溶剂溶解的方法去除抗蚀剂掩膜PR1。

然后，在步骤S04中，采用抗蚀剂掩膜PR2和掩膜层203，对插入层201进行图案化，以形成栅叠层210的第一插入层211，以及第一空穴注入层221，如图3d所示。

在该步骤中，例如在插入层201上形成抗蚀剂层，采用光刻方法在抗蚀剂层中形成开口图案以获得抗蚀剂掩膜PR2。掩膜层203和抗蚀剂掩膜PR2分别遮挡氮化镓晶体管的栅极区域和漏极区域。然后采用干法或湿法蚀刻方法，经由硬掩膜层203和抗蚀剂掩膜PR2共同限定的开口去除插入层201的暴露部分。通过控制蚀刻的时间，或者采用选择性的蚀刻剂，使得蚀刻在势垒层105的表面停止。在蚀刻步骤之后，采用灰化溶剂溶解的方法去除抗蚀剂掩膜PR2。

在该步骤获得的半导体结构中，在势垒层105上方的栅极区域，已经形成栅叠层210，栅叠层210包括第一插入层211和栅极结构层212。在该实施例中，第一插入层211例如为p型掺杂的氮化镓层，栅极结构层212例如为p型掺杂的氮化镓层

然后，在步骤S05中，去除硬掩膜层203。例如，采用选择性蚀刻或者腐蚀液的方法去除硬掩膜层203。

然后，在步骤S06中，形成栅极电极301、源极电极302和漏极电极303，如图3e所示。

在栅叠层210上形成栅极电极。在栅叠层210上沉积栅极金属，通过涂胶、光刻打开栅极金属接触区域，采用电子束蒸发或者溅射在栅极结构层212上形成栅极电极301。栅极电极301与栅极结构层212彼此接触。其中，栅极金属的材料包括钛、铝、镍、金、银、铂、钨、铜、钽、钼、钨化钛、氮化钛或其合金组合，栅极电极301与栅极结构层212之间经过高温退火形成肖特基接触。

进一步地，在势垒层105上沉积源、漏极金属采用电子束蒸发、溅射等工艺在势垒层105上形成源极电极302和漏电极303。其中，源极金属的材料包括钛、铝、镍、金、银、铂、钨、铜、钽、钼、钨化钛、氮化钛或其合金组合，并通过退火使源极电极302与势垒层105之间形成欧姆接触。

<第二实施例>

图4示出根据本发明第二实施例的氮化镓晶体管的结构示意图。

如图4所示，根据本发明第一实施例的氮化镓晶体管200包括：衬底101、成核层102、缓冲层103、沟道层104、势垒层105、栅叠层310、漏叠层320、栅极电极301、源极电极302以及漏极电极303。栅叠层310包括：堆叠的第一插入层211、第二插入层231和栅极结构层212。漏叠层320包括：堆叠的第一空穴注入层221和第二空穴注入层232。

栅叠层310和漏叠层320位于势垒层105上，并且彼此横向隔开。在该实施例中，栅叠层310中的第一插入层211、第二插入层231和栅极结构层212均为p型掺杂氮化物，例如由氮化铝、铝镓氮或氮化镓中的任意一种组成，进一步地，掺杂剂分布为组分固定、组分渐变和组分突变中的任一种，包括选自镁、钙、铍化锌或者组合中的任一种p型掺杂剂。例如，第一插入层211例如为p型掺杂的氮化镓层，第二插入层231为p型掺杂的铝镓氮层，栅极结构层212例如为p型掺杂的氮化镓层。例如，第二插入层231的厚度为栅极结构层212的厚度的五分之一到二十分之一。

漏叠层320中的第一空穴注入层221和第二空穴注入层232均为p型掺杂氮化物，例如由氮化铝、铝镓氮或氮化镓中的任意一种组成，进一步地，掺杂剂分布为组分固定、组分渐变和组分突变中的任一种，包括选自镁、钙、铍化锌或者组合中的任一种p型掺杂剂。例如，第一空穴注入层221例如为p型掺杂的氮化镓层，第二空穴注入层232为p型掺杂的铝镓氮层。

根据第二实施例的氮化镓晶体管200的其他方面与第一实施例相同，在此不再详述。以下结合图5a至图5e简要地说明第二实施例的氮化镓晶体管制造方法的各个步骤。

在衬底101上依次形成成核层102、缓冲层103、沟道层104、势垒层105、插入层2011和2012、掺杂层202以及硬掩膜层203，如图5a所示。

在该步骤中，例如采用金属有机化学气相沉积法(Metal Organic ChemicalVapor Deposition，MOCVD)或分子束外延法(Molecular Beam Epitaxy，MBE)或其他方法形成成核层102、缓冲层103、沟道层104、势垒层105、插入层2011和2012、掺杂层202、以及硬掩膜层203。用于形成各个材料层的工艺是本领域已知的，在此不再详述。

其中，插入层2011和插入层2012例如由p型掺杂的氮化铝、铝镓氮或氮化镓中的任意一种组成，具体的，例如，插入层2011例如为p型掺杂的氮化镓层，插入层2012为p型掺杂的铝镓氮层。

在该实施例中，成核层102、缓冲层103、沟道层104、势垒层105、掺杂层202、以及硬掩膜层203的各步骤与实施例一相同，在此不再详述。

进一步地，采用抗蚀剂掩膜PR1，对硬掩膜层203和掺杂层202进行图案化，以形成栅叠层310中的栅极结构层212，如图5b所示。

进一步地，采用抗蚀剂掩膜PR2和硬掩膜层203，对插入层2011和2012进行图案化，以形成栅叠层310中的第一插入层211和第二插入层231和漏叠层320，如图5c所示。

在该实施例中，栅叠层310包括：堆叠的第一插入层211、第二插入层231和栅极结构层212。漏叠层320包括：堆叠的第一空穴注入层221和第二空穴注入层232。具体的，在该步骤中形成栅叠层310的第一插入层211、第二插入层231和漏叠层320的第一空穴注入层221和第二空穴注入层232。

进一步地，去除硬掩膜层203和抗蚀剂掩膜PR2，如图5d所示。

进一步地，形成栅极电极301、源极电极302和漏极电极303，如图5e所示。

在该实施例中，栅极结构层212和第二插入层231分别由不同的材料组成。例如，栅极结构层212和第二插入层231分别为氮化镓层和铝镓氮层，采用选择性的气体蚀刻剂，例如，刻蚀气体为CL2/BCl3/O2或者SF6，可以添加AR、N2、HE等辅助气体，使得刻蚀氮化镓和铝镓氮的速率比约为30：1甚至更高。因而，在图5b所示栅极结构层212的图案化步骤中，插入层2012作为蚀刻停止层，可以避免对栅极结构层212的欠蚀刻或者对插入层2011的过蚀刻，解决常规工艺中由于存在外延均匀性、刻蚀均匀性的影响，导致空穴注入区的一致性不好的问题，从而保证制造工艺的重复性和稳定性。

根据本发明实施例的氮化镓晶体管，在栅极电极和势垒层之间夹有栅叠层，栅叠层包括栅极结构层和第一插入层。第一插入层例如由P型掺杂的氮化物组成，即可作为栅极结构层蚀刻停止层又可以有效减小栅极漏电流。

该氮化镓晶体管还包括位于势垒层上的第一空穴注入层。第一空穴注入层例如由P型掺杂的氮化物组成。漏极电极与第一空穴注入层彼此接触。通过调制第一空穴注入层的掺杂浓度或者刻蚀减薄的方法，该第一空穴注入层在零偏压下使得沟道层和势垒层之间的二维电子气处于导通状态，以及在反向截止状态向沟道层和势垒层之间的二维电子气中注入空穴，以释放被捕获的电子，抑制氮化镓晶体管动态导通电阻增大，增加动态电阻的稳定性，提高氮化镓晶体管的稳定性与可靠性。

在进一步的实施例中，所述第一插入层和栅极结构层之间还包括第二插入层，可以兼用做刻蚀截止层，使刻蚀过程可以精确的停在该第二插入层上，可以避免对栅极结构层的欠蚀刻或者对第一插入层的过蚀刻，增加工艺过程的稳定性。

在进一步的实施例中，所述第一空穴注入层和漏极电极之间还包括第二空穴注入层，可以兼用做刻蚀截止层，使刻蚀过程可以精确的停在该第二空穴注入层上，保证第一空穴注入层厚度的一致性，增加工艺过程的稳定性。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该公开仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (43)

1.一种氮化镓晶体管的制造方法，包括：

在衬底上形成势垒层；

在所述势垒层上方的第一区域形成栅叠层，所述栅叠层包括栅极结构层以及位于所述栅极结构层和所述势垒层之间的第一插入层；以及

在所述势垒层上方的第二区域形成第一空穴注入层，所述第一区域和所述第二区域彼此隔开，

其中，所述形成栅叠层的步骤包括采用第一抗蚀剂掩膜对硬掩膜层进行图案化、采用所述第一抗蚀剂掩膜对掺杂层图案化以形成所述栅极结构层、以及采用所述硬掩膜层对插入层图案化以形成所述第一插入层。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，在采用所述硬掩膜层对插入层图案化以形成所述第一插入层的同时，采用第二抗蚀剂掩膜对所述插入层图案化以形成所述第一空穴注入层。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其中，通过一次光刻刻蚀形成所述栅叠层。

4.根据权利要求2或3所述的制造方法，其中，在对插入层进行图案化之后，去除所述硬掩膜层。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其中，采用外延生长方法形成所述掺杂层。

6.根据权利要求2所述的制造方法，其中，所述栅极结构层、所述第一插入层和所述第一空穴注入层分别由掺杂氮化物组成。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其中，所述栅极结构层、所述第一插入层和所述第一空穴注入层中的掺杂剂分布为组分固定、组分渐变和组分突变中的任一种。

8.根据权利要求6所述的制造方法，其中，所述栅极结构层包括p型掺杂剂。

9.根据权利要求8所述的制造方法，其中，在所述栅极结构层掺入的掺杂剂包括选自镁、钙、铍化锌或者组合中的任一种。

10.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述在衬底上形成势垒层的步骤之前，还包括：

在衬底上形成成核层；

在所述成核层上形成缓冲层；

在所述缓冲层上形成氮化镓沟道层，所述势垒层位于所述氮化镓沟道层上。

11.根据权利要求10所述的制造方法，其中，选择所述栅极结构层的掺杂浓度，使得位于所述栅叠层下方的所述氮化镓沟道层和所述势垒层之间的二维电子气在零偏压下处于截止状态。

12.根据权利要求6所述的制造方法，其中，所述第一插入层和所述第一空穴注入层包括p型掺杂剂。

13.根据权利要求12所述的制造方法，其中，所述第一空穴注入层中掺入的掺杂剂包括选自镁、钙、铍化锌或者组合中的任一种。

14.根据权利要求12所述的制造方法，其中，选择所述第一空穴注入层的掺杂浓度，使得位于所述第一空穴注入层下方的所述氮化镓沟道层和所述势垒层之间的二维电子气在零偏压下处于导通状态，在反向截止状态所述第一空穴注入层向势垒层注入空穴。

15.根据权利要求12所述的制造方法，其中，刻蚀减薄所述第一空穴注入层的厚度，使得位于所述第一空穴注入层下方的氮化镓沟道层中的沟道在零偏压下处于导通状态，在反向截止状态所述第一空穴注入层向所述氮化镓沟道层中的沟道注入空穴。

16.根据权利要求1所述的制造方法，在形成所述栅叠层和所述第一空穴注入层的步骤之后，还包括：

在所述势垒层上方分别形成源极电极、漏极电极、以及位于所述源极电极和所述漏极电极之间的栅极电极，

其中，所述栅极电极与所述栅极结构层彼此接触，所述源极电极与所述势垒层彼此接触，所述漏极电极的第一部分与所述第一空穴注入层彼此接触，第二部分与所述势垒层彼此接触。

17.根据权利要求16所述的制造方法，其中，所述栅极电极与所述栅极结构层形成肖特基接触。

18.根据权利要求16所述的制造方法，其中，所述源极电极和所述漏极电极与所述势垒层形成欧姆接触。

19.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述沟道层与势垒层之间形成二维电子气。

20.根据权利要求1所述的制造方法，还包括在所述第一插入层和所述栅极结构层之间形成第二插入层，在采用所述第一抗蚀剂掩膜对掺杂层图案化的步骤中，所述第二插入层作为停止层。

21.根据权利要求20所述的制造方法，其中，所述栅极结构层为p型掺杂的氮化镓层，所述第一插入层为p型掺杂的氮化镓层，所述第二插入层为p型掺杂的铝镓氮层。

22.根据权利要求21所述的制造方法，其中，所述第二插入层的厚度为所述栅极结构层的厚度的五分之一到二十分之一。

23.根据权利要求21所述的制造方法，其中，在所述漏极电极和所述第一空穴注入层之间还包括第二空穴注入层，在采用所述第一抗蚀剂掩模对掺杂层图案化的步骤中，所述第二空穴注入层作为停止层。

24.根据权利要求23所述的制造方法，其中，所述第一空穴注入层为p型掺杂的氮化镓层，所述第二空穴注入层为p型掺杂的铝镓氮层。

25.一种氮化镓晶体管，包括：

位于衬底上的势垒层；

位于所述势垒层上方第一区域的栅叠层，所述栅叠层包括栅极结构层以及位于所述栅极结构层和所述势垒层之间的第一插入层；以及

位于所述势垒层上方第二区域的第一空穴注入层，所述第一区域和所述第二区域彼此隔开，

其中，所述氮化镓晶体管的漏极电极与所述第一空穴注入层和所述势垒层二者接触。

26.根据权利要求25所述的氮化镓晶体管，其中，所述栅极结构层、所述第一插入层和所述第一空穴注入层分别由掺杂氮化物组成。

27.根据权利要求26所述的氮化镓晶体管，其中，所述栅极结构层、所述第一插入层和所述第一空穴注入层中的掺杂剂分布为组分固定、组分渐变和组分突变中的任一种。

28.根据权利要求26所述的氮化镓晶体管，其中，所述栅极结构层包括p型掺杂剂。

29.根据权利要求28所述的氮化镓晶体管，其中，在所述栅极结构层掺入的掺杂剂包括选自镁、钙、铍化锌或者组合中的任一种。

30.根据权利要求25所述的氮化镓晶体管，其中，在所述衬底与所述势垒层之间，还包括：

位于衬底上的成核层；

位于所述成核层上的缓冲层；

位于所述缓冲层上的氮化镓沟道层；所述势垒层位于所述氮化镓沟道层上。

31.根据权利要求28所述的氮化镓晶体管，其中，选择所述栅极结构层的掺杂浓度，使得位于所述栅叠层下方的所述氮化镓沟道层和所述势垒层之间的二维电子气在零偏压下处于截止状态。

32.根据权利要求26所述的氮化镓晶体管，其中，所述第一插入层和所述第一空穴注入层包括p型掺杂剂。

33.根据权利要求32所述的氮化镓晶体管，其中，所述第一空穴注入层中掺入的掺杂剂包括选自镁、钙、铍化锌或者组合中的任一种。

34.根据权利要求32所述的氮化镓晶体管，其中，选择所述第一空穴注入层的掺杂浓度，使得位于所述第一空穴注入层下方的所述氮化镓沟道层和所述势垒层之间的二维电子气在零偏压下处于导通状态，在反向截止状态所述第一空穴注入层向所述势垒层注入空穴。

35.根据权利要求25所述的氮化镓晶体管，其中，所述氮化镓晶体管的栅极电极与所述栅极结构层彼此接触，所述氮化镓晶体管的源极电极和漏极电极与所述势垒层彼此接触。

36.根据权利要求35所述的氮化镓晶体管，其中，所述栅极电极与所述栅极结构层形成肖特基接触。

37.根据权利要求35所述的氮化镓晶体管，其中，所述源极电极和所述漏极电极与所述势垒层形成欧姆接触。

38.根据权利要求25所述的氮化镓晶体管，其中，所述氮化镓沟道层与势垒层之间形成二维电子气。

39.根据权利要求25所述的氮化镓晶体管，其中，在所述第一插入层和所述栅极结构层之间还包括第二插入层。

40.根据权利要求39所述的氮化镓晶体管，其中，所述栅极结构层为p型掺杂的氮化镓层，所述第一插入层为p型掺杂的氮化镓层，所述第二插入层为p型掺杂的铝镓氮层。

41.根据权利要求39所述的氮化镓晶体管，其中，所述第二插入层的厚度为所述栅极结构层的厚度的五分之一到二十分之一。

42.根据权利要求40所述的氮化镓晶体管，其中，在所述漏极电极和所述第一空穴注入层之间还包括第二空穴注入层。

43.根据权利要求42所述的氮化镓晶体管，其中，所述第一空穴注入层为p型掺杂的氮化镓层，所述第二空穴注入层为p型掺杂的铝镓氮层。

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