具有縱向柵極結構的常關型hemt器件的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及半導體器件領域，提供一種具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件，所述HEMT器件包括：層疊設置的襯底、緩沖層、i-GaN層、柵介質層和鈍化層，i-GaN層一端、且背離緩沖層的一側為階梯形；包覆在階梯形下層和柵介質層之間的源電極；包覆在階梯形上層和柵介質層之間的勢壘層和漏電極；包覆在柵介質層和鈍化層之間的柵電極，柵電極的截面呈“Z”字形，柵電極的上平面位于階梯形上層的上方，下平面位于階梯形下層的上方；依次穿過鈍化層和柵介質層、且與源電極接觸的源電極焊盤；依次穿過鈍化層和柵介質層、且與漏電極接觸的漏電極焊盤。本實用新型能減小柵極開啟溝道的長度，降低器件的柵極導通電阻,實現常關型操作。
【專利說明】
具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件
技術領域
[0001]本實用新型涉及半導體器件領域，尤其涉及一種具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件。
【背景技術】
[0002]功率開關器件是電力電子技術的核心元件，目前已經被廣泛應用在工業生產和社會生活的許多領域。隨著全球環境和能源問題的日益突出，研究下一代高性能低損耗的功率開關器件是提高電能利用率、緩解全球能源危機的有效途徑之一。下一代功率開關器件要求器件具有高的性能指標穩定性、低的柵極導通電阻、高的開關速率，并且從安全節能和簡化電路設計方面考慮要求具備常關型(增強型)操作特點。下一代技術成熟的常關型功率開關器件將被廣泛應用在電動汽車電機驅動、太陽能和風力發電的逆變器系統、軌道交通的功率變換等民用領域以及雷達發射接收裝置和軍艦上的大功率電力輸運和變換裝置等軍用領域。
[0003]在功率開關領域，傳統的硅(Si)基功率器件性能已經接近材料的理論極限。以氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)為代表的下一代寬禁帶半導體材料具有大的帶隙、高的臨界擊穿電場、高的飽和電子漂移速率和好的化學穩定性等特點，特別適合制作高性能的新型功率開關器件。其中，GaN材料具有突出的特點，它的異質結構(典型如AlGaN/GaN)界面存在大密度的界面極化電荷，可以誘導出高密度的二維電子氣(2DEG) (> 113Cnf2) ο由于溝道材料無故意摻雜，電子在溝道內能夠保持很高的迀移率(> 100cnAr1s-1)。因此，GaN材料適合制作高電子迀移率晶體管(HEMT)，它的導通電阻只有SiC器件的1/2?1/3，比Si器件低三個數量級以上，因此具有更低的開關損耗和更優的頻率特性。GaN為代表的II1-V族材料異質結構(典型如AlGaN/GaN)界面由于存在高密度帶正電的極化電荷，通過極化電場可以誘導材料中的電子并使之束縛在異質結構界面處，形成在二維平面運動的2DEG導電溝道。為了實現GaN材料HEMT器件的常關型操作，目前常規的方法都是基于削弱或者抵消異質結構界面處極化電荷所形成強電場的原理，主要有柵極勢皇層刻蝕形成凹槽柵、氟離子注入勢皇層形成氟化柵以及柵極生長P型蓋帽層三種方案。
[0004]圖1a為直接凹柵結構常關型GaN基HEMT器件截面示意圖，圖中包括襯底1、緩沖層
2、1-GaN層3、勢皇層4、源電極5、漏電極6、柵介質層7、柵電極8。在此例中，AlGaN作為勢皇層，AlGaN/GaN界面由于大量的帶正電極化電荷而誘導高密度2DEG出現在該界面。2DEG溝道由于上面勢皇層被直接刻蝕而切斷，不平整的GaN刻蝕表面將作為器件開啟的導電溝道。凹槽柵方案通過切斷2DEG溝道而達到常關型操作，方法直接簡單，但是對于大面積器件柵極刻蝕深度均勻性難以保證，另外具有刻蝕損傷表面的區域尺寸較大(2?3μπι)，器件的導通電阻一般較大。圖1b為氟離子注入勢皇層形成氟化柵結構常關型GaN基HEMT器件截面示意圖，圖中包括襯底1、緩沖層2、i_GaN層3、勢皇層4、源電極5、漏電極6、柵介質層7、柵電極8。柵極區域AlGaN勢皇層通過氟離子注入而帶負電從而排斥AlGaN/GaN界面處的2DEG，因此該方案可以使器件實現常關型操作。引入氟離子雜質的AlGaN/GaN界面溝道將作為器件開啟的導電溝道。氟離子注入勢皇層方案不破壞2DEG溝道界面，但是由于氟離子的熱穩定性問題，器件在使用過程的可靠性是潛在隱患，另外對于大面積器件，其閾值電壓均勻性不好。圖1c為柵極勢皇層上方生長P型GaN(或者InGaN)蓋帽層常關型器件截面示意圖，圖中包括襯底1、緩沖層2、1-GaN層3、勢皇層4、源電極5、漏電極6、柵介質層7、柵電極8和ρ-GaN層12。柵極P型蓋帽層方案利用內建電場來耗盡2DEG溝道電子，器件溝道導電性能較好，但高濃度P型摻雜較難控制，外延片各個位置的濃度均勻性不完全一致，因此器件閾值電壓較小且均勻性同樣不好。另外由于柵電極距離2DEG溝道過遠，器件的開關速率受到影響。以上三種設計方案的柵極結構通過常規光學光刻來實現，柵極長度較大，一般在2?3μπι范圍，其典型特征是柵極橫向電流溝道開關控制。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型主要解決現有常關型HEMT器件不能同時兼具均勻而穩定的大閾值電壓、低的器件導通電阻和高開關速率的技術問題，針對GaN基111 -V族材料功率器件中的常關型類別，提出一種具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件，以實現HEMT器件穩定大閾值電壓常關型操作的同時有效降低器件的開啟導通電阻。
[0006]本實用新型提供了一種具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件，包括:
[0007]層疊設置的襯底(1)、緩沖層(2)、i_GaN層(3)、柵介質層(7)和鈍化層(9)，其中，所述1-GaN層(3)—端、且背離緩沖層(2)的一側為階梯形；
[0008]包覆在階梯形下層和柵介質層(7)之間的源電極(5);
[0009]包覆在階梯形上層和柵介質層(7)之間的勢皇層(4)和漏電極(6)，所述漏電極(6)與勢皇層(4)接觸，其中，所述漏電極(6)遠離階梯形；
[0010]包覆在柵介質層(7)和鈍化層(9)之間的柵電極(8)，所述柵電極(8)的截面呈“Z”字形，所述柵電極(8)的上平面位于階梯形上層的上方，下平面位于階梯形下層的上方；
[0011]依次穿過鈍化層(9)和柵介質層(7)、且與源電極(5)接觸的源電極焊盤(10);依次穿過鈍化層(9)和柵介質層(7)、且與漏電極(6)接觸的漏電極焊盤(11)。
[0012]進一步的，所述階梯形的高度為300-600nm。
[0013]進一步的，所述階梯形上層與源電極(5)頂面的距離為200-500nm。
[00Μ]進一步的，所述柵介質層(7)的厚度為10-50nm。
[0015]進一步的，所述柵電極(8)上平面的寬度為0.5-1.5μπι。
[0016]本實用新型提供的一種具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件，使柵電極的截面呈“Ζ”字形，采用縱向柵極結構，將傳統的HEMT器件中長的橫向溝道開啟模式轉變成短的縱向溝道開始模式，柵極由長的橫向電流控制溝道轉變為短的縱向電流控制溝道，器件利用短的柵極側壁溝道來實現開關控制，從而有效減小器件的導通電阻。通過直接切斷柵極2DEG溝道，器件能夠實現大閾值電壓常關型操作，并且由于器件閾值電壓不受柵極區域刻蝕深度的影響，相對于常規橫向柵極結構，器件的閾值電壓具有更好的重復性和均勻性。在切斷2DEG溝道從而使器件具備大的常關型操作閾值電壓前提下，本實用新型大大減小柵極開啟溝道的長度，降低器件的柵極導通電阻。同時，由于器件的閾值電壓與柵極勢皇層刻蝕深度沒有直接關系，器件柵極區域也沒有F離子注入等其他有害加工處理，器件的閾值電壓穩定性很好，制作大面積器件或者在大面積襯底上制作器件時，器件產品的性能均勻性很好。本實用新型提供的常關型HEMT器件同時具有穩定的高閾值電壓和低導通電阻特點，另外通過柵極界面工藝優化和器件場板設計，器件還將具有良好的耐壓能力。
[0017]高性能的電力電子器件是我們國家十三五規劃的重點方向之一，新一代的GaN基HEMT具有高速低損耗等優點。作為平面器件，制作工藝相對簡單，原材料又可以依托現在龐大的LED照明產業，從而減低成本，因此更容易實現大規模產業化。本實用新型通過把傳統的長的柵極橫向電流控制溝道轉變為有效縮短的縱向電流控制溝道，有效減小器件的導通電阻，避免了傳統的柵極工藝加工帶來的負面影響，相對于各種常規橫向常關型柵極結構，器件的閾值電壓具有更好的重復性和均勻性。本實用新型提供的高性能、高可靠性的功率開關器件未來有望替代傳統的Si基電子器件，在電子器件市場上占據越來越多的份額。
【附圖說明】
[0018]圖la-c為現有技術的HEMT器件的結構示意圖；
[0019]圖2為本實用新型實施例提供的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件的結構示意圖；
[0020]圖3a_b為本實用新型實施例提供的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件的仿真模擬性能結果圖；
[0021]圖4為本實用新型實施例提供的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件的制備方法的實現流程圖；
[0022]圖5a_e為本實用新型實施例提供的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件的制備方法對應的結構圖。
[0023]圖中附圖標記指代的技術特征為:1、襯底;2、緩沖層;3、1-GaN層;4、勢皇層;5、源電極;6、漏電極;7、柵介質層;8、柵電極;9、鈍化層；10、源電極焊盤；11、漏電極焊盤；12、p-
GaN層。
【具體實施方式】
[0024]為使本實用新型解決的技術問題、采用的技術方案和達到的技術效果更加清楚，下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本實用新型，而非對本實用新型的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本實用新型相關的部分而非全部內容。
[0025]圖2是本實用新型實施例提供的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件的結構示意圖。如圖2所示，本實用新型實施例提供的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件包括:
[0026]層疊設置的襯底1、緩沖層2、i_GaN層3、柵介質層7和鈍化層9，其中，所述1-GaN層3一端、且背離緩沖層2的一側為階梯形；
[0027]包覆在階梯形下層和柵介質層7之間的源電極5;
[0028]包覆在階梯形上層和柵介質層7之間的勢皇層4和漏電極6，所述漏電極6與勢皇層4接觸，其中，所述漏電極6遠離階梯形；
[0029]包覆在柵介質層7和鈍化層9之間的柵電極8，所述柵電極8的截面呈“Z”字形，所述柵電極8的上平面位于階梯形上層的上方，下平面位于階梯形下層的上方；
[0030]依次穿過鈍化層9和柵介質層7、且與源電極5接觸的源電極焊盤10;依次穿過鈍化層9和柵介質層7、且與漏電極6接觸的漏電極焊盤11。
[0031]在上述方案中，所述階梯形的高度為300-600nm。所述階梯形上層與源電極5頂面的距離為200-500nm。所述柵介質層7的厚度為10-50nm，柵介質層7可以是任意單層或者多層柵極介質層材料，包括二氧化娃(Si02)、氮化娃(Si3N4)、氧化招(AI2O3)以及氧化給(Η??2)等。所述柵電極8上平面的寬度為0.5-1.5μπι。所述勢皇層4的材料可以為AlGaN。鈍化層9的厚度為0.5-1.5口111，材料可以為3102。漏電極5和柵電極8之間的距離為2-3(^111，柵電極8的寬度為50-10000μπι，源電極5和漏電極6長度為50-300μπι。
[0032]本實施例提供的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件的工作過程:通過直接刻蝕2DEG溝道切斷器件導通電流，在零柵極偏壓下，器件處于關斷狀態;在柵極施加大于閾值電壓的正偏壓下，縱向柵極側壁GaN表面將積累形成電子溝道，與2DEG溝道連接，從而使源漏極間溝道導通，器件處于開啟狀態。器件通過控制縱向柵極側壁溝道來實現開關。
[0033]本實用新型通過刻蝕器件源電極區域，刻蝕深度為300-600nm，得到階梯形，把源電極5設計埋藏在遠離2DEG溝道的下部，并將柵電極8設計成“Z”字形結構，跨越縱向刻蝕側壁，使柵電極8具有縱向結構特點。柵電極8因此由傳統的長的橫向電流控制溝道(2-3μπι)轉變為有效縮短的縱向電流控制溝道(200-500nm)，器件利用短的縱向柵極溝道來實現開關控制，柵極溝道長度縮短一個數量級，從而有效減小器件的導通電阻。
[0034]圖3a_b為本實用新型實施例提供的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件的仿真模擬性能結果圖。所采用的軟件是商業化器件仿真軟件。仿真中器件結構尺寸如下:漏電極6和柵電極8之間的距離為3μπι，寬度為1000ym，GaN層的厚度為4μπι，勢皇層為AlGaN，厚度為20nm，Al組分為0.25，柵介質為六1203。圖3&-13分別給出了本專利申請設計器件的輸出^?￥(；和Id?Vd曲線結果。從圖3a可以看出，本實用新型實施例中器件能獲得大的閾值電壓，設計器件的閾值電壓大于+3V，器件能實現穩定的大閾值電壓常關型操作。圖3b為器件的電流輸出特性，從圖中可以看出，本實用新型實施例中器件輸出電流密度大，器件的開啟導通電阻很小。綜合圖3仿真結果可以證實本實用新型申請實施例提供的器件能同時獲得常關型操作的大閾值電壓和小的器件導通電阻。
[0035]需要說明的是，本實用新型實施例中AI GaN/GaN異質結材料可以延伸到I nA IN/GaN、AlGaAs/GaAs和AlGaAs/InGaAs等其他能產生2DEG的半導體異質結材料類型中；GaN表面的勢皇層，可以是AlGaN，也可以是Α1Ν、Α1ΙηΝ或者他們的組合;襯底可以是S1、藍寶石、金剛石和碳化硅等。
[0036]圖4為本實用新型實施例提供的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件的制備方法的實現流程圖。本實施例提供的方法可以制作本實用新型任意實施例提供的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件。如圖4所示，本實用新型實施例提供的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件的制備方法包括:
[0037]步驟I，依次在襯底I上生長緩沖層2、i_GaN層3和勢皇層4。
[0038]圖5a是本實用新型實施例提供的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件的制備方法在本步驟中對應的結構圖。參照圖5a，具體過程為:提供襯底I;在襯底I上形成緩沖層2;在緩沖層2上形成的1-GaN層3;在1-GaN層3上形成勢皇層4。其中，襯底可以是S1、藍寶石、金剛石和碳化硅等，勢皇層4的材料可以為AlGaN，也可以為Α1Ν、Α1ΙηΝ或者他們的組合。外延片準備好后，對其進行臺面刻蝕，經光刻顯影后，采用ICP設備，利用Cl基氣體對樣品進行400?800nm深度的臺面刻蝕。
[0039]步驟2，刻蝕勢皇層4和1-GaN層3的一端，以在1-GaN層3的一端、且背離緩沖層2的一側形成階梯形。
[0040]圖5b是本實用新型實施例提供的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件的制備方法在本步驟中對應的結構圖。參照圖5b，本步驟是器件性能優劣的關鍵之一，具體過程為:樣品光刻顯影后，利用Cl基氣體對樣品進行300-600nm深度的器件源極區域刻蝕。在此過程通過優化ICP刻蝕功率和氣體流量來保證刻蝕表面平整光滑，尤其是刻蝕側壁光滑。
[0041]步驟3，在階梯形下層上形成源電極5，并在1-GaN層3上遠離源電極5的一端形成漏電極6。
[0042]圖5c是本實用新型實施例提供的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件的制備方法在本步驟中對應的結構圖。參照圖5c，具體過程為:分別在階梯形下層和1-GaN層3上遠離階梯形的一端光刻顯影;光刻顯影后，利用電子束蒸發系統沉積Ti(20nm)/Al(100nm)/Ni(45nm)/Au(55nm)復合金屬結構，最后經氮氣中850 °C溫度30s時間退火形成良好的歐姆接觸。此步驟中，源極光刻過程中的套刻精度是關鍵，源電極5邊緣可以設計成直接接觸刻蝕側壁或者距離刻蝕側壁100-300nmo
[0043]步驟4，生長覆蓋在漏電極6、勢皇層4和源電極5上方的柵介質層7。
[0044]圖5d是本實用新型實施例提供的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件的制備方法在本步驟中對應的結構圖。參照圖5d，具體過程為:采用ALD(原子層沉積)方法生長高質量Al2O3介質層或LPCVD(低壓化學氣相沉積)高溫780 °C下生長Si3N4介質層，沉積柵介質層7之后，柵介質層7能夠覆蓋漏電極6、勢皇層4、源電極5、階梯形的縱向壁以及階梯形下層上未接觸源電極5的部分。柵介質層7的厚度為10-50nm。其中，柵介質層7可以是任意單層或者多層柵極介質層材料，包括二氧化硅(S12)、氮化硅(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3)以及氧化鉿(HfO2)等，介質層生長方法可以是ALD、LPCVD、PECVD、PLD (脈沖激光沉積),MOCVD (金屬有機物化學氣相沉積)、電子束蒸發以及濺射等。
[0045]步驟5，在柵介質層7上并靠近源電極5—端形成柵電極8，以使柵電極8的截面呈“Z”字形，使柵電極8的上平面位于階梯形上層的上方，下平面位于階梯形下層的上方。
[0046]圖5e是本實用新型實施例提供的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件的制備方法在本步驟中對應的結構圖。參照圖5e，具體過程為:在柵介質層7上并靠近源電極5—端，采用電子束蒸發系統沉積附(100]1111)/^11(5011111)或？1:(10011111)/^11(5011111)兩種方式制作柵電極8，設計柵電極向漏極方向延伸0.5-1.5μπι，即柵電極8上平面的寬度為0.5-1.5μπι。
[0047]步驟6，生長覆蓋在柵介質層7和柵電極8上方的鈍化層9，并形成與源電極5接觸的源電極焊盤10和與漏電極6接觸的漏電極焊盤11。
[0048]圖2是本實用新型實施例提供的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件的制備方法在本步驟中對應的結構圖。參照圖2，具體過程為:采用PECVD(等離子體增強化學氣相沉積)沉積約IMi厚的S12鈍化層，分別腐蝕源電極5和漏電極6上方的鈍化層9，開窗口引線，制作源電極焊盤10和漏電極焊盤11。另外為了提高器件耐壓能力，可先沉積一層300-500nm的S12鈍化層，光刻后采用磁控濺射臺沉積200-500nm厚的Al作為器件的場板。后再進行上述步驟:沉積器件鈍化層，開電極窗口，引線制作焊盤。
[0049]本實用新型提供的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件，柵極由長的橫向電流控制溝道轉變為短的縱向電流控制溝道，器件利用短的柵極側壁溝道來實現開關控制，從而有效減小器件的導通電阻。并且，通過直接切斷柵極2DEG溝道，器件能夠實現大閾值電壓常關型操作，并且由于器件閾值電壓不受柵極區域刻蝕深度的影響，相對于各種常規橫向常關型柵極結構，器件的閾值電壓具有更好的重復性和均勻性。因此，本實用新型的常關型HEMT器件同時具有穩定均勻的高閾值電壓和低導通電阻特點，另外通過柵極界面工藝優化和器件場板設計，器件還將具有良好的耐壓能力。
[0050]最后應說明的是:以上各實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制;盡管參照前述各實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的范圍。
【主權項】
1.一種具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件，其特征在于，包括: 層疊設置的襯底(I)、緩沖層(2)、i_GaN層(3)、柵介質層(7)和鈍化層(9)，其中，所述1-GaN層(3)—端、且背離緩沖層(2)的一側為階梯形； 包覆在階梯形下層和柵介質層(7)之間的源電極(5); 包覆在階梯形上層和柵介質層(7)之間的勢皇層(4)和漏電極(6)，所述漏電極(6)與勢皇層(4)接觸，其中，所述漏電極(6)遠離階梯形； 包覆在柵介質層(7)和鈍化層(9)之間的柵電極(8)，所述柵電極(8)的截面呈“Z”字形，所述柵電極(8)的上平面位于階梯形上層的上方，下平面位于階梯形下層的上方； 依次穿過鈍化層(9)和柵介質層(7)、且與源電極(5)接觸的源電極焊盤(10);依次穿過鈍化層(9)和柵介質層(7)、且與漏電極(6)接觸的漏電極焊盤(11)。2.根據權利要求1所述的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件，其特征在于，所述階梯形的高度為300_600nmo3.根據權利要求1或2所述的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件，其特征在于，所述階梯形上層與源電極(5)頂面的距離為200-500nm。4.根據權利要求1所述的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件，其特征在于，所述柵介質層(7)的厚度為10-50nmo5.根據權利要求1所述的具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件，其特征在于，所述柵電極(8)上平面的寬度為0.5-1.5μπι。
【文檔編號】H01L29/778GK205508826SQ201620147905
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年2月26日
【發明人】黃火林, 孫仲豪, 梁紅偉, 夏曉川, 杜國同, 邊繼明, 胡禮中
【申請人】大連理工大學