CN110299407A - 功率器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种功率器件及其制备方法，涉及半导体集成电路领域，功率器件包括：一衬底，置于最下层；一缓冲层，置于衬底之一侧上；一势垒层，置于缓冲层之相对于衬底的另一侧上；势垒层和缓冲层形成异质结结构，以及一复合栅结构包括：一栅电极，置于势垒层之相对于缓冲层的一侧；以及一栅极层，置于所述栅电极与所述势垒层之间；其中，栅极层包括两个掺杂浓度不同的区域，制备方法包括：获取一晶体管外延结构，其中晶体管外延结构包括衬底、缓冲层、势垒层及栅极层；定义并制备不同栅极层；制备欧姆接触以定义源漏电极；定义栅区域并在栅极层制备功率器件的栅电极。解决现有技术中低功率器件栅漏电，高器件饱和电流不能同时应用的问题。

Description

功率器件及其制备方法

技术领域

本申请涉及半导体集成电路领域，尤其涉及一种功率器件的结构及其制备方法。

背景技术

基于宽禁带半导体氮化镓基材料(GaN、AlGaN、InGaN等)的自发极化与压电极化效应，在AlGaN/GaN异质结沟道内产生高密度与高迁移率的二维电子气(Two-DimensionalElectron Gas：2DEG)，使得GaN基高电子迁移率晶体管(High Electron MobilityTransistor，HEMT)器件可提供更大的击穿电压和功率密度。栅极在零偏压下，其沟道内存在的二维电子气(Two-Dimensional Electron Gas：2DEG)使得器件导通，器件阈值电压为负(耗尽型器件)。在GaN功率器件中出于安全性和简化栅极驱动电路的目的，需使得在零偏压下，沟道断开，阈值电压为正(增强型器件)。

目前GaN HEMT器件实现增强型常用方法有两大类：一类是利用低压增强型Si金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)与高压耗尽型GaN器件混合级联，实现增强型；一类是直接实现常关型GaN HEMT的方法，包含制作:P型氮化物栅、凹槽栅结构或栅下F离子注入。P型氮化物栅功率器件的栅电极制备存在两种方式：欧姆栅和肖特基栅。P型氮化物欧姆栅的特性为：饱和输出电流大及栅极漏电电流大；P型氮化物肖特基栅的特性为：栅极漏电电流小，栅极工作电压大，及饱和输出电流小。

发明内容

为解决上述现有技术中的技术问题，本申请提供一种功率器件，于一实施例中，功率器件包括：一衬底，置于最下层；一缓冲层，置于衬底之一侧上；一势垒层，置于缓冲层之相对于衬底的另一侧上；势垒层和缓冲层形成异质结结构；以及一复合栅结构，包括：一栅电极，置于势垒层之相对于缓冲层的另一侧；以及一栅极层，置于所述栅电极与所述势垒层之间；其中，栅极层包括两个掺杂浓度不同的区域，与栅电极共同形成肖特基特性栅电极和欧姆特性栅电极。

在上述实现过程中，复合栅结构降低功率器件Gate漏电，增大器件饱和电流，优化器件性能。

在上述实现过程中，势垒层的厚度和带隙宽度，可以改变异质结界面处二维电子气浓度。

于一实施例中，栅极层包括P型氮化物栅极层。

在上述实现过程中，由于P型半导体中正电荷量与负电荷量相等，故P型半导体呈电中性。在上述的P型氮化物层生长过程中，P型由掺渣Mg等二族元素实现，掺入的杂质越多、激活的比例越高，空穴的浓度就越高，导电性能就越强。

于一实施例中，栅极层为P型氮化镓栅极层或P型铝镓氮栅极层。

在上述实现过程中，氮化镓结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化镓的带隙很宽，为3.4电子伏特，适用于高功率、高速的功率、射频器件中。

于一实施例中，栅极层包括：所述两个掺杂浓度不同的区域，呈包覆、相邻或者交叉分布。

在上述实现过程中，欧姆接触在金属处理中应用广泛，实现的主要措施是在半导体表面层进行高掺杂或者引入大量复合中心。肖特基接触是指金属和半导体材料相接触的时候，在界面处半导体的能带弯曲，形成肖特基势垒。

本申请还提供一种功率器件的制备方法，于一实施例中，方法包括：

获取一晶体管外延结构，其中晶体管外延结构包括衬底、缓冲层、势垒层及栅极层；

定义不同氮化物区域并形成不同的氮化物；

制备欧姆接触以定义源漏电极；

定义栅区域；

在所述栅极层上制备所述功率器件的栅电极，与上述的不同氮化物区域共同形成复合栅结构。

在上述实现过程中，复合栅结构降低功率器件栅区域漏电，增大器件饱和电流，优化器件性能。

于一实施例中，所述定义不同的氮化物区域并形成不同性质氮化物包括：

利用沉积介质方式生成介质保护层；

利用介质图形化定义一个不同氮化物栅区域；

利用二次外延生长技术使不同氮化物栅区域获得外延层；利用干法或湿法刻蚀去除介质保护层；其中，

在所述不同栅区域层包含P型氮化镓或N型氮化镓。

在上述实现过程中，具有复合结构P型氮化物栅增强型功率器件，获得饱和输出电流大、栅极漏电小的增强型功率器件。

于一实施例中，在外延层掺杂P型氮化镓浓度范围在10-¹⁷-10²⁰cm^-3，或在外延层掺杂N型氮化镓浓度范围在10¹⁰-10¹⁸cm^-3。

在上述实现过程中，复合栅结构降低功率器件栅区域漏电，增大器件饱和电流，优化器件性能。

于一实施例中，定义处理或扩散区域并形成不同性质氮化物包括：

利用沉积介质方式生成介质保护层；

利用介质图形化定义不同氮化物栅区域；

钝化上述不同氮化物栅区域；

利用干法或湿法刻蚀去除介质保护层；

其中，在所述不同氮化物栅区域层包含P型氮化镓或N型氮化镓。

于一实施例中，钝化的上述不同氮化物栅区域的方式为藉由热扩散或者等离子处理以钝化所述氮化物栅区域。

在上述实现过程中，热扩散或处理方式，通过对P型氮化物内起p型作用的Mg等二族元素的激活浓度的调控，来实现不同浓度的P型/N型氮化物。

附图说明

图1是本申请实施例提供的功率器件的制备方法的流程示意图；

图2是本申请实施例提供的一种功率器件的示意图；

图3是本申请实施例提供的栅极层410的一种结构示意图；

图4是本申请实施例提供的栅极层410的另一种结构示意图；

图5是本申请实施例提供的栅极层410的又一种结构示意图；

图6是图1所示步骤S200的具体流程示意图；

图7是栅极层410藉由步骤S210-S250获得的外延层430的功率器件的示意图；

图8是图1所示步骤S200的另一种流程示意图；

图9是本申请实施例提供的藉由步骤S201-S205生成的栅极层的功率器件结构示意图。

其中，功率器件10；

衬底100；

缓冲层200；

势垒层300；

复合栅结构400、栅极层410、栅电极420、第一氮化物栅区域411、第二氮化物栅区域412、外延层430、扩散区域440。

具体实施方式

图1是本申请实施例提供的功率器件的制备方法的流程示意图，方法包括：

步骤S100：获取一晶体管外延结构；

步骤S200：定义不同氮化物区域并形成不同的氮化物；

步骤S300：制备欧姆接触以定义源漏电极；

步骤S400：定义栅区域；

步骤S500：在栅极层上制备所述功率器件的栅电极，与上述的不同氮化物区域共同形成复合栅结构。

图2是本申请实施例提供的一种功率器件10的示意图，藉由步骤S100和S200制备的功率器件10，并形成衬底100、缓冲层200、势垒层300、复合栅结构400。其中，衬底100置于底层作为基底；缓冲层200置于衬底100之一侧；势垒层300置于缓冲层200之相对于衬底100的一侧，同缓冲层200形成异质结结构；复合栅结构400置于势垒层300之相对于缓冲层200的一侧，其中复合栅结构400包括一栅极层410以及一栅电极420，栅极层410置于势垒层300相对缓冲层200之另一侧面，栅电极420置于栅极层410相对势垒层300之另一侧面。

于一实施例中，适应性地选取P型氮化物高电子迁移率晶体管(High ElectronMobility Transistor，HEMT)外延结构，在所述的外延结构上设置复合P型氮化物栅结构，以获得饱和输出电流大、栅极漏电小的功率器件10。

复合栅结构400用以降低功率器件10的栅极漏电，增大器件饱和电流，优化器件性能。

于一实施例中，栅极层410可以为P型氮化物栅极层，其中P型氮化物栅极层可以为P型氮化镓栅极层或P型铝镓氮栅极层所形成。

参阅图3、图4、图5，图3、图4、图5是本申请实施例提供的栅极层410的结构示意图，栅极层410以氮化物为例，经由步骤S200之后，制成的栅极层410包括：第一氮化物栅区域411和第二氮化物栅区域412。

如图3所示，栅极层410两个掺杂浓度不同的区域，呈交叉分布；如图4所示，栅极层410两个掺杂浓度不同的区域，呈包覆分布，即第一氮化物栅区域411被第二氮化物栅区域412包裹；如图5所示，栅极层410两个掺杂浓度不同的区域，呈相邻分布，即第一氮化物栅区域411和第二氮化物栅区域412呈相邻分布。

第一氮化物栅区域411和第二氮化物栅区域412可以根据需要，与栅电极420共同形成肖特基特性栅电极和欧姆特性栅电极。即可以是第一氮化物栅区域411与栅电极420形成肖特基特性栅电极，第二氮化物栅区域412与栅电极420形成欧姆特性栅电极，也可以是第一氮化物栅区域411与栅电极420形成欧姆特性栅电极，第二氮化物栅区域412与栅电极420形成肖特基特性栅电极。

于一实施例中，栅电极420可采用的金属体系包括：Ni、Pd、Au、Ti、Al、W等及其包含上述金属体系在内的合金及化合物。

于一实施例中，制备功率器件的栅电极420，可采用方式有蒸镀、溅射等。

蒸镀将栅电极420上待成膜的物质置于真空中进行蒸发或升华，使之在工件或基片表面析出。

图6是图1所示步骤S200的具体流程示意图，步骤S200包括：

步骤S210：利用沉积介质方式生成介质保护层；

步骤S220：利用介质图形化定义一个不同氮化物栅区域；

步骤S230：利用二次外延生长技术使不同氮化物栅区域获得外延层；

步骤S240：利用干法或湿法刻蚀去除介质保护层；

于一实施例中，在不同栅区域层包含P型氮化镓或N型氮化镓。

于一实施例中，通过金属有机化学气相沉积MOCVD、氢化物气相外延HVPE、分子束外延MBE等手段二次外延低掺P-GaN，掺杂浓度在10¹⁷-10²⁰cm^-3，或无掺杂GaN，或低掺n型氮化镓，掺杂浓度在10¹⁰-10¹⁸cm^-3。

于一实施例中，通过干法、湿法刻蚀定义二次外延区域，包括ICP、RIE方式等。

参阅图7，图7是栅极层410藉由步骤S210-S240获得的外延层430的示意图。

图8是图1所示步骤S200的另一种流程示意图，方法包括：

步骤S201：利用沉积介质方式生成介质保护层；

步骤S202：利用介质图形化定义不同氮化物栅区域；

步骤S203：钝化上述不同氮化物栅区域；

步骤S204：利用干法或湿法刻蚀去除介质保护层；

于一实施例中，介质保护层的整面性生长介质保护，可采用的手段为等离子体增强化学的气相沉积法PECVD、低压力化学气相沉积法LPCVD、原子层沉积ALD、金属有机化学气相沉积MOCVD、溅镀Sputter等，沉积介质包括SiN、SiO₂、AlN、Al₂O₃等。

参阅图9，图9是栅极层藉由步骤S201-S204生成的栅极层的结构示意图，扩散或处理区域440位于栅极层410之外表面靠近栅电极420一侧。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种功率器件，其特征在于，包括：

一衬底；

一缓冲层，置于所述衬底之一侧；

一势垒层，置于所述缓冲层之相对于所述衬底的另一侧；势垒层和缓冲层形成异质结结构，以及

一复合栅结构，包括：

一栅电极，置于所述势垒层之相对于所述缓冲层的另一侧；以及

一栅极层，置于所述栅电极与所述势垒层之间；其中，所述栅极层包括两个掺杂浓度不同的区域，与栅电极共同形成肖特基特性栅电极和欧姆特性栅电极。

2.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述栅极层为P型氮化物栅极层。

3.根据权利要求2所述的功率器件，其特征在于，所述栅极层为P型氮化镓栅极层或P型铝镓氮栅极层。

4.根据权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述栅极层包括：所述两个掺杂浓度不同的区域，呈包覆、相邻或者交叉分布。

5.一种功率器件的制备方法，其特征在于，包括上述权利要求1-4所述的功率器件，所述方法包括：

获取一晶体管外延结构，其中所述晶体管外延结构包括衬底、缓冲层、势垒层及栅极层；

定义不同氮化物区域并形成不同的氮化物；

制备欧姆接触以定义源漏电极；

定义栅区域；

在所述栅极层上制备所述功率器件的栅电极，与上述的不同氮化物区域共同形成复合栅结构。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述定义不同的氮化物区域并形成不同性质氮化物包括：

利用沉积介质方式生成介质保护层；

利用介质图形化定义不同氮化物栅区域；利用二次外延生长技术使所述不同氮化物栅区域获得外延层；

利用干法或湿法刻蚀去除介质保护层；其中，

所述不同氮化物栅区域包含P型氮化镓或N型氮化镓。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在所述外延层掺杂P型氮化镓浓度范围在10¹⁷-10²⁰cm^-3，或在所述外延层掺杂N型氮化镓浓度范围在10¹⁰-10¹⁸cm^-3。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述定义处理或扩散区域并形成不同性质氮化物包括：

利用沉积介质方式生成介质保护层；

利用介质图形化定义不同氮化物栅区域；

钝化上述不同氮化物栅区域；

利用干法或湿法刻蚀去除介质保护层；

其中，所述不同氮化物栅区域包含P型氮化镓或N型氮化镓。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述钝化的上述不同氮化物栅区域的方式为藉由热扩散或者等离子处理以钝化所述氮化物栅区域。