一種逆阻型氮化鎵器件的制作方法

文檔序號:11252726
一種逆阻型氮化鎵器件的制造方法與工藝

本發明屬于半導體技術領域,具體的說是涉及一種逆阻型氮化鎵器件。



背景技術:

電力電子技術是現代科學、工業和國防的重要支撐技術,其中功率半導體器件既是電力電子技術的基礎,也是電力電子技術發展的強大動力,功率半導體器件的發展對電力電子技術的發展起著決定性作用。其中,以功率MOS場效應管(MOSFET)和絕緣柵晶體管(IGBT)為代表的新型功率半導體器件占據了主導地位,在4C電子產品、工業控制、國防裝備等領域發揮著重要作用。然而,以硅材料為基礎的功率MOSFET器件越來越顯示出其不足和局限性。寬禁帶半導體材料具有更優的材料特性,有望解決當今功率半導體器件發展所面臨的“硅極限”問題。

寬禁帶半導體材料GaN具有寬帶隙、高電子飽和漂移速度、高熱導率、高臨界擊穿電場等突出優點,極大地提高了GaN電力電子器件耐壓容量、工作頻率和電流密度,大大降低了器件導通損耗,使器件可以在大功率和高溫等惡劣條件下工作。特別是硅基氮化鎵技術結合了GaN材料的性能優勢和硅技術的成本優勢,已成為國際功率半導體領域戰略制高點,受到世界各國政府高度重視。與傳統的Si基電力電子器件相比,目前已實用化的寬禁帶半導體電力電子器件可將功耗降低一半,從而減少甚至取消冷卻系統,大幅度降低電力變換器的體積和重量。

寬禁帶半導體電力電子器件具有非常廣泛的軍用和民用價值,如坦克、艦艇、飛機、火炮等軍事設備的功率電子系統領域、以及民用電力電子設備、家用電器、列車牽引設備、高壓直流輸電設備,也正在應用到PC、混合動力車輛、電動汽車,太陽能發電等系統。在這些新型電力電子系統中,GaN電力電子器件是最核心的關鍵技術之一,可大大降低電能的消耗,因此也被譽為帶動“新能源革命”的“綠色能源”器件。

基于AlGaN/GaN異質結的高電子遷移率晶體管(HEMT)(或異質結場效應晶體管HFET,調制摻雜場效應晶體管MODFET)在半導體領域已經取得廣泛應用。但是常規的AlGaN/GaN異質結高電子遷移率晶體管不具備反向阻斷能力,當漏極電壓反向時,會出現較大的反向電流。這種情況在實際工作中可能會導致器件或者系統的損壞。為解決這些問題,近年來人們提出了幾種逆阻型AlGaN/GaN異質結的高電子遷移率晶體管。但是常規的逆阻型AlGaN/GaN異質結高電子遷移率晶體管都存在歐姆接觸,需要金等重金屬以及在高溫條件下制備,使得器件與傳統的硅工藝不兼容。并且在高溫歐姆退火過程中,器件表面將會被氧化,這會導致表面態的產生。這些表面陷阱會俘獲電子,使得器件在動態開關過程中會產生較大動態電阻。



技術實現要素:

本發明的目的,是針對常規的逆阻型AlGaN/GaN異質結高電子遷移率晶體管與傳統硅CMOS工藝不兼容以及器件制備溫度高等問題,提出了一種無歐姆接觸的逆阻型氮化鎵器件。本發明所提出的逆阻型氮化鎵器件具有與傳統硅工藝兼容、可低溫制備等優點。

本發明的技術方案是:一種逆阻型氮化鎵器件,包括從下至上依次層疊設置的襯底1、GaN層2和MGaN層3,所述GaN層2和MGaN層3形成異質結;所述M為除Ga之外的Ⅲ族元素;其特征在于,所述氮化鎵器件具有肖特基源極結構、肖特基漏極結構和絕緣柵極結構;所述肖特基源極結構位于GaN層2上表面一端,肖特基源極結構由底部嵌入GaN層2上表面的源極肖特基接觸電極4形成,源極肖特基接觸電極4的側面與MGaN層3接觸;所述肖特基漏極結構位于GaN層2上表面另一端,肖特基漏極結構由底面與MGaN層3接觸的漏極肖特基接觸電極5形成;所述絕緣柵極結構位于與源極肖特基接觸電極4相鄰的MGaN層3上表面,絕緣柵極結構由絕緣柵介質7和位于絕緣柵介質7上金屬柵電極8構成,且金屬柵電極8的底部嵌入MGaN層3上層,金屬柵電極8與源極肖特基接觸電極4之間通過絕緣柵介質7隔離,所述絕緣柵介質7和金屬柵電極8沿源極肖特基接觸電極4的上表面向遠離肖特基漏極結構的方向延伸,所述絕緣柵介質7還沿MGaN層3上表面延伸至與漏極肖特基接觸電極5接觸,金屬柵電極8沿絕緣柵介質7的上表面向漏極肖特基接觸電極5的方向延伸。

本發明總的技術方案,與傳統結構的主要區別是,源極和漏極都是肖特基接觸結構而非傳統的歐姆接觸結構,同時在肖特基源極結構附近的引入一個柵極結構以控制源極肖特基接觸的能帶結構來器件的實現開啟與關斷。由于本發明中只存在肖特基接觸,不需要利用金等重元素金屬,可以與傳統的CMOS工藝兼容。同時,本發明不需要高溫退火工藝,器件可以在較低的溫度下制備,可以避免器件表面被氧化等問題。

進一步的,所述漏極肖特基接觸電極5的底部嵌入MGaN層3上層,且絕緣柵介質7沿漏極肖特基接觸電極5側面延伸至部分漏極肖特基接觸電極5的底部,使漏極肖特基接觸電極5嵌入MGaN層3上層部分的側面和部分底面與MGaN層3通過絕緣柵介質7隔離。

進一步的,所述漏極肖特基接觸電極5底部不與絕緣柵介質7接觸的部分,向下延伸至嵌入GaN層2上層。

進一步的,所述襯底1采用的材料為硅、藍寶石、碳化硅和氮化鎵中的一種。

進一步的,所述絕緣柵介質7采用的材料為SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO和Sc2O3中的一種。

本發明的有益效果是:針對常規的逆阻型AlGaN/GaN異質結高電子遷移率晶體管存在的與傳統硅CMOS工藝不兼容以及器件制備溫度高等問題,本發明提出了一種無歐姆接觸的逆阻型氮化鎵器件,該器件由于不存在歐姆接觸,能與傳統硅工藝兼容、可低溫制備。

附圖說明

圖1為本發明的器件結構示意圖;

圖2為本發明的器件工作原理示意圖;

圖3為本發明的器件導通特性曲線示意圖;

圖4為本發明的器件雙向阻斷特性曲線示意圖;

圖5為本發明的器件制造工藝流程中外延片示意圖;

圖6為本發明的器件制造工藝流程中在源極接觸和漏極接觸處過刻勢壘層至GaN層的結構示意圖;

圖7為本發明的器件制造工藝流程中生長源極肖特基金屬后結構示意圖;

圖8為本發明的器件制造工藝流程中刻蝕MGaN形成絕緣柵淺凹槽后結構示意圖;

圖9為本發明的器件制造工藝流程中生長絕緣層后結構示意圖;

圖10為本發明的器件制造工藝流程中生長絕緣柵金屬和漏極肖特基金屬后結構示意圖。

圖11為本發明的一種變形器件結構示意圖;

圖12為本發明的另一種變形器件結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖,詳細描述本發明的技術方案:

如圖1所示,為本發明的逆阻型氮化鎵器件,包括從下至上依次層疊設置的襯底1、GaN層2和AlGaN層3,所述GaN層2和MGaN層3形成異質結;所述氮化鎵器件具有肖特基源極結構、肖特基漏極結構和絕緣柵極結構;所述肖特基源極結構位于GaN層2上表面一端,肖特基源極結構由底部嵌入GaN層2上表面的源極肖特基接觸電極4形成,源極肖特基接觸電極4的側面與AlGaN層3接觸;所述肖特基漏極結構位于GaN層2上表面另一端,肖特基漏極結構由底面與MGaN層3接觸的漏極肖特基接觸電極5形成,漏極肖特基接觸電極5的底部嵌入AlGaN層3上層,且絕緣柵介質7沿漏極肖特基接觸電極5側面延伸至部分漏極肖特基接觸電極5的底部,使漏極肖特基接觸電極5嵌入AlGaN層3上層部分的側面和部分底面與AlGaN層3通過絕緣柵介質7隔離,漏極肖特基接觸電極5底部不與絕緣柵介質7接觸的部分,向下延伸至嵌入GaN層2上層;所述絕緣柵極結構位于與源極肖特基接觸電極4相鄰的AlGaN層3上表面,絕緣柵極結構由絕緣柵介質7和位于絕緣柵介質7上金屬柵電極8構成,且金屬柵電極8的底部嵌入AlGaN層3上層,金屬柵電極8與源極肖特基接觸電極4之間通過絕緣柵介質7隔離,所述絕緣柵介質7和金屬柵電極8沿源極肖特基接觸電極4的上表面向遠離肖特基漏極結構的方向延伸,所述絕緣柵介質7還沿AlGaN層3上表面延伸至與漏極肖特基接觸電極5接觸,金屬柵電極8沿絕緣柵介質7的上表面向漏極肖特基接觸電極5的方向延伸。

傳統的逆阻型氮化鎵場效應晶體管存在歐姆接觸,需要金等重金屬并在高溫條件下制備,使得器件與傳統的硅工藝不兼容。并且在高溫歐姆退火過程中,器件表面將會被氧化,這會導致表面態的產生。這些表面陷阱會俘獲電子,使得器件在動態開關過程中會產生較大動態電阻。本發明的源極和漏極都是肖特基接觸結構而非傳統的歐姆接觸結構,同時在肖特基源極結構附近的AlGaN層上層引入一個柵極結構以控制肖特基接觸的能帶結構來實現器件的實現開啟與關斷。由于本發明的逆阻型氮化鎵場效應晶體管不存在歐姆接觸,不需要利用重金屬,可以與CMOS工藝兼容。此外,導通電阻、泄露電流和導通壓降均是可由柵極控制,通過控制柵極結構下方的AlGaN勢壘層的厚度TG、柵極金屬的功函數Wm和凹槽MIS結構的長度可以控制逆阻型氮化鎵場效應晶體管的導通電阻和導通壓降。逆阻型氮化鎵場效應晶體管的阻斷能力是由柵極結構和肖特基結構共同決定,柵極結構下方的AlGaN勢壘層厚度較薄以及源極肖特基接觸勢壘較大時器件可以具有較好的反向阻斷能力,但同時也會導致導通電阻和導通壓降的增加。

在如圖1所示的結構中,在AlGaN層表面生長SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO或Sc2O3作為鈍化層,可以進一步降低漏電,提高性能。源極肖特基接觸電極嵌入GaN層上層的凹槽深度為幾百納米。肖特基源極結構與絕緣柵結構用絕緣介質隔開,介質質量的好壞直接影響器件的性能。

本發明的基本工作原理是:

首先通過肖特基源極接觸附近的絕緣柵結構控制肖特基接觸的能帶結構來改變器件的工作狀態,實現器件的開啟和關斷。當柵極加上正電壓時,肖特基附近的勢壘厚度變薄(圖2),電子的隧穿幾率增加,可以使得器件具有類似歐姆接觸的電流特性;當在柵極負電壓時,勢壘厚度變厚,電子的隧穿幾率降低,電子幾乎無法通過勢壘,器件可以實現阻斷能力。同時本發明利用肖特基漏極實現器件的反向阻斷。本發明同時利用肖特基結和絕緣柵結構來抑制器件的反向漏電。通過減薄絕緣柵下勢壘層的厚度來增加柵壓對柵下載流子的耗盡能力。本發明的逆阻型氮化鎵器件的阻斷機理可以解釋如下,在電壓較低時主要由源極或者漏極的肖特基接觸的勢壘來阻斷電流;當電壓增大時,相應肖特基附近的柵極下方或者漏極場板下方的載流子開始耗盡,當柵下載流子完全耗盡時,載流子無法通過柵溝道,此時由絕緣柵來組斷電流。減薄絕緣柵下勢壘層厚度可以增加器件的阻斷能力。圖3為逆阻型氮化鎵器件的導通特性曲線示意圖;圖4是器件的雙向阻斷特性的曲線圖。

本發明的器件與傳統CMOS工藝兼容,可以利用傳統的CMOS工藝線制備該器件,需要特別說明的是:

1、襯底1可以是硅、藍寶石,碳化硅或者氮化鎵。

2.、肖特基源極4的凹槽必須延伸至GaN層2,而肖特基漏極5的凹槽不必延伸至GaN層2。

3、襯底1和GaN層2之間可以存在其他的材料。

4、肖特基源極4及肖特基漏極5和GaN層2之間形成的肖特基接觸而非傳統的歐姆接觸。

5、絕緣柵介質7采用的材料為SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO或Sc2O3中的一種。

6、金屬柵電極8必須在源極肖特基接觸電極附近。

7、增加絕緣柵凹槽6深度可以增加器件的阻斷能力。

8、延長肖特基漏極5在器件表面的金屬長度形成漏極場板可以提高器件的反向阻斷能力。

9、延長金屬柵電極8在器件表面的金屬長度形成柵極場板可以提高器件的正向阻斷能力。

10、肖特基源極4、肖特基漏極5以及金屬柵電極8可以不包含金等重金屬。

在本發明中,可采用以下兩種方案來制備絕緣介質材料。

(a)采用原子層淀積(ALD)制備Al2O3、HfO2、TiO2等介質材料。ALD所生長的薄膜是自限制的,能精確地控制薄膜的厚度和化學組分,而且淀積的薄膜具有很好的均勻性和保形性。應考慮采用復合疊層的辦法來實現,比如HfO2/Al2O3等。

(b)采用MOCVD設備制備Ga2O3、Al2O3、AlGaO或AlGaO/Al2O3等各種單層、混合層以及各種疊層結構,以制備高性能絕緣柵介質。采用MOCVD方法具有介質材料成膜狀態致密、厚度控制精準、易于形成混合膜和多層膜重復性好等優點,特別是對界面態控制的可控空間較大。

本發明的制造工藝流程如圖5-圖10所示,主要包括:

圖5為具有異質結結構的外延片,圖6在源極接觸和漏極接觸處過刻勢壘層至GaN層,圖7生長肖特基源極金屬,圖8和圖9為刻蝕絕緣柵淺凹槽并生長絕緣柵介質,圖10生長絕緣柵極金屬和肖特基漏極金屬。

采用器件仿真軟件Sentaurus對本發明所提結構進行了初步仿真分析。在本仿真分析中柵極長度為1μm,柵源之間的介質厚度為10nm,GaN層厚度3μm,Al0.26Ga0.74N勢壘層厚度為25nm,柵極金屬功函數為4.5eV。源極和漏極的肖特基勢壘為1.0eV。

通過逆阻型氮化鎵器件的導通特性曲線(圖3)可以看出,在柵壓為10V,器件最大電流為0.9A/mm。圖4是逆阻型氮化鎵器件的雙向阻斷特性曲線,在柵壓為0V,漏極電壓為±500V時,泄漏電流均為1μA/mm;說明該器件具有雙向阻斷能力。通過以上仿真,驗證了本發明在電學特性上的優越性能。

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