CN111933709A - 一种具有高可靠性的氮化物器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高可靠性的氮化物器件及其制备方法。包括衬底、生长在衬底上的半导体外延层、栅极、源极以及漏极；外延层自下至上依次包括氮化物成核层、氮化物应力缓冲层、氮化物沟道层、一次外延氮化物势垒层、p型氮化物层、二次外延氮化物势垒层和二次外延绝缘介质层；p型氮化物层仅保留在栅极区域一次外延氮化物势垒层之上；二次外延氮化物势垒层生长过程无掩膜；二次外延氮化物势垒层和二次外延绝缘介质层位于一次外延氮化物势垒层和栅极区域的p型氮化物层之上；栅极形成含二次外延绝缘介质层、二次外延氮化物势垒层、p型氮化物层和一次外延氮化物势垒层的堆叠结构。有效实现高阈值电压、高导通、高稳定性、低漏电的半导体器件。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，更具体地，涉及一种具有高可靠性的氮化物器件及其制备方法。
背景技术
氮化镓(GaN)材料第三代半导体材料具有宽禁带、高热导率、高击穿电场等优点，因此在大功率、高频等领域有着巨大应用前景。由于AlGaN/GaN异质结构界面处高浓度、高迁移率的二维电子气(2DEG)，器件因而具有导通电阻小、输出电流大、开关速度快的优势，但是其天然是耗尽型状态。高性能常增强型器件的实现是GaN基电子器件面临的一个重要挑战，其要求具备更正的阈值电压，以简化器件外围电路、保证系统失效安全，从而确保器件能可靠的工作。实现常关型器件的一般思路是保留接入区高导通的2DEG，即不影响器件的导通电阻，同时耗尽栅极下方沟道2DEG，以实现器件栅极在不施加电压情况下也处于关断状态。目前，业界普遍采用3种方法实现常关型GaN基器件：(1)绝缘槽栅结构(MOSFET)，(2)共源共栅级联结构(Cascode)(3)p型栅结构(p-GaN栅HEMT)。
目前，关于p型栅常关型AlGaN/GaN HEMT器件的实现，业界主要采用刻蚀技术方案，该技术由于容易实现成为业界普遍采用的方法，然而该方法存在许多不足，如在刻蚀去除接入区p-GaN材料时，由于刻蚀均匀性差以及存在过刻蚀的问题，且刻蚀会对AlGaN势垒层表面带来晶格损伤并引入额外缺陷能级，会使接入区2DEG的电学特性发生退化，从而影响器件的性能均一性和稳定性。另一种技术方案选择区域生长p-GaN技术也被采用，即在AlGaN/GaN异质结构上进行p-GaN层的选择区域生长，从而实现栅极区域形成p-GaN层，而接入区无p-GaN层的结构。然而，受制于外延生长动力学的影响，当器件的栅长较小时，即生长窗口很窄时，p-GaN材料选区生长难以控制且掺杂不均匀等缺点，目前在这些方面没有突破性进展。而且选区生长需要额外在晶圆表面形成图形化的掩膜层，最普遍采用的是SiO2掩膜层，高温下SiO2易分解产生Si和O元素，它们扩散至外延层中易于形成施主型掺杂，从而导致漏电并严重影响外延晶体质量，还有掩膜层对外延生长动力学的影响也是不可忽视的。此外，p-GaN层空穴浓度普遍不高，目前主流报道值基本不高于1×1018cm-3，因此p-GaN层下方AlGaN势垒层的Al组分普遍要求低于20％和厚度低于18nm，这有利于实现增强型操作，但是同时会导致接入区的电阻增大，而相对薄的AlGaN势垒层也会使得p型GaN层中的掺杂元素(如镁)更容易扩散至沟道，进而影响到器件的可靠性。再而，这种p-GaN栅HEMT结构由于栅极形成的是金属-半导体接触结构，往往栅极漏电大，器件可靠性低，而且无法与当前Si基器件的栅极驱动进行兼容，大大地限制了GaN器件的优势和应用拓展。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种具有高可靠性的氮化物器件及其制备方法，能实现高阈值电压、高导通、高稳定性、高可靠性、低漏电的增强型半导体器件，提升器件的实用性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有高可靠性的氮化物器件，包括衬底、生长在衬底上的半导体外延层、栅极、源极以及漏极；其中，所述外延层自下至上依次包括氮化物成核层、氮化物应力缓冲层、氮化物沟道层、一次外延氮化物势垒层、p型氮化物层，以及二次外延氮化物势垒层和二次外延绝缘介质层；所述的p型氮化物层仅保留在栅极区域一次外延氮化物势垒层之上，实现栅极下方二维电子气沟道的夹断；所述二次外延氮化物势垒层生长过程无掩膜；所述二次外延氮化物势垒层和二次外延绝缘介质层位于一次外延氮化物势垒层和栅极区域的p型氮化物层之上，实现高导通接入区，并进行有效钝化；同时通过调控一次外延氮化物势垒层和二次外延氮化物势垒层的厚度和组分，实现更优的栅极关断能力以及高导通的栅源接入区和栅漏接入区；栅极形成含二次外延绝缘介质层、二次外延氮化物势垒层、p型氮化物层和一次外延氮化物势垒层的堆叠结构。栅极区域形成金属-绝缘介质-半导体接触堆叠结构，提高栅极可靠性和阈值电压。最终实现高阈值电压、高导通、高稳定性、高可靠性、低漏电的增强型半导体器件。
在其中一个实施例中，所述的衬底为Si衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底、GaN自支撑衬底或AlN中的任一种。
在其中一个实施例中，所述的氮化物应力缓冲层为含AlN、AlGaN、GaN、SiN的任一种或组合。
在其中一个实施例中，所述的氮化物成核层为含Al氮化物层；所述的氮化物沟道层为GaN或AlGaN层。
在其中一个实施例中，所述的一次外延氮化物势垒层为AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合，Al组分为1％-30％，厚度为1nm-30nm。
在其中一个实施例中，所述的二次外延氮化物势垒层为AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合，Al组分为1％-40％，厚度为1nm-40nm。
在其中一个实施例中，所述的p型氮化物层为GaN、AlGaN、AlInN或AlInGaN，厚度不低于5nm。
在其中一个实施例中，所述的一次外延氮化物势垒层和氮化物沟道层之间还插入有一层AlN空间隔离层，AlN空间隔离层厚度为0.3nm-3nm。
在其中一个实施例中，所述的p型氮化物层与一次外延氮化物势垒层之间还插入有一层AlN阻挡层，AlN阻挡层厚度为0.3nm-5nm。
在其中一个实施例中，所述的二次外延氮化物势垒层的铝组分含量高于一次外延氮化物势垒层的铝组分含量。
在其中一个实施例中，所述的二次外延绝缘介质层为SiNx，SiO2，SiOxNy，Al2O3，AlOxNy，GaOx，GaOxNy的一种或任意几种的组合，厚度为1-100nm。
在其中一个实施例中，栅极区域的p型氮化物层被保留，而栅极区域的p型氮化物层下方之外区域的一次外延氮化物势垒层被部分去除，一次外延氮化物势垒层厚度为1nm-30nm。
在其中一个实施例中，所述的源极和漏极为欧姆接触，栅极为金属-绝缘介质-半导体接触；所述的栅极金属直接与二次外延绝缘介质层接触。
本发明还提供一种以上所述的具有高可靠性的氮化物器件的制备方法，包括以下步骤：
S1.在衬底上生长氮化物成核层；
S2.在氮化物成核层上生长氮化物应力缓冲层；
S3.在氮化物应力缓冲层生长氮化物沟道层；
S4.在氮化物沟道层上生长一次外延氮化物势垒层；
S5.在一次外延氮化物势垒层上生长p型氮化物层；
S6.通过光刻图形化以及刻蚀的方法，形成p型栅极结构；
S7.生长二次外延氮化物势垒层和二次外延绝缘介质层；
S8.高温退火激活p型氮化物层中的受主掺杂元素；
S9.干法刻蚀完成器件隔离，同时刻蚀出源极和漏极欧姆接触区；
S10.在源极和漏极区域上形成源极和漏极欧姆接触金属；
S11.在栅极区域的二次外延绝缘介质层上形成栅极金属。
在背景技术中提到传统的刻蚀方案制备p型栅增强型器件，对设备和工艺要求非常苛刻，存在过刻蚀以及刻蚀损伤带来的问题，这会严重劣化器件特性。本发明专利提出采用刻蚀方案结合二次生长技术：首先通过干法刻蚀去除栅极区域以外的p型氮化物层以及部分一次外延氮化物势垒层，保留栅极区域的p型氮化物层以及一次外延氮化物势垒层，从而实现栅极沟道的夹断。然后进行二次外延，MOCVD在线高温修复一次外延势垒层的刻蚀损伤，可以在氮气、氨气或其混合气体环境下，再生长二次外延氮化物势垒层，从而实现栅区之外的高导通能力接入区沟道，该二次外延过程没有掩膜，二次外延势垒层为整面生长于晶圆表面，可以消除掩膜对二次生长的影响。栅极区域的p型氮化物层的侧面(非极性面或半极性面，几乎不会产生2DEG)和上面也会生长二次外延势垒层，由于p型氮化物层中空穴的耗尽作用，在这两个面也可完全保证关断。再而，可以通过对器件一次外延势垒层和二次外延势垒层进行再设计，包括势垒层中铝元素的组分以及势垒层的厚度设计，从而达到开关特性的显著提升。此外，二次外延势垒层上的二次外延绝缘介质层，可有效钝化接入区表面，并在栅极形成金属-绝缘介质层-半导体的堆叠机构，并且接入区和栅极区域的绝缘介质层-半导体界面均为MOCVD在线生长形成，因而可显著提高接入区钝化效果和栅极区域界面特性，使得器件的动态电阻和阈值电压稳定性、栅极可靠性等性能大大提升。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种具有高可靠性的氮化物器件及其制备方法，采用二次外延技术，消除刻蚀方案弊端，通过设计一次外延氮化物势垒层和二次外延氮化物势垒层结构可同时实现了栅极下方异质结沟道的关断特性和栅极区域之外接入区异质结沟道的导电能力，并且同时能通过在线二次外延绝缘介质层，实现有效的接入区钝化及栅极可靠性提升，这些优势是采用目前已有的刻蚀方案或选区外延p-GaN方案所不具备的。本发明提的技术方案最终能有效实现高阈值电压、高导通、高稳定性、高可靠性、低漏电的增强型半导体器件。
附图说明
图1-11为本发明实施例1的器件制作方法工艺流程示意图。
图12是本发明实施例2中的器件结构示意图。
图13是本发明实施例3中的器件结构示意图。
图14是本发明实施例4中的器件结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
如图11所示，本实施例提供一种具有高可靠性的氮化物器件，包括衬底1、生长在衬底1上的半导体外延层、栅极10、源极8以及漏极9；其中，所述外延层自下至上依次包括氮化物成核层2、氮化物应力缓冲层3、氮化物沟道层4、一次外延氮化物势垒层5、p型氮化物层6，以及二次外延氮化物势垒层71和二次外延绝缘介质层72；所述的p型氮化物层6仅保留在栅极10区域一次外延氮化物势垒层5之上，实现栅极10下方二维电子气沟道的夹断；所述二次外延氮化物势垒层71生长过程无掩膜；所述二次外延氮化物势垒层71和二次外延绝缘介质层72位于一次外延氮化物势垒层5和栅极10区域的p型氮化物层6之上，实现高导通接入区，并进行有效钝化；同时通过调控一次外延氮化物势垒层5和二次外延氮化物势垒层71的厚度和组分，实现更优的栅极10关断能力以及高导通的栅源接入区和栅漏接入区；栅极10形成含二次外延绝缘介质层72、二次外延氮化物势垒层71、p型氮化物层6和一次外延氮化物势垒层5的堆叠结构。栅极10区域形成金属-绝缘介质-半导体接触堆叠结构，提高栅极10可靠性和阈值电压。最终实现高阈值电压、高导通、高稳定性、高可靠性、低漏电的增强型半导体器件。
上述氮化物半导体器件的制作方法如图1-图11所示，包括以下步骤：
S1.在衬底1上生长氮化物成核层2，如图1所示；
S2.在氮化物成核层2上生长氮化物应力缓冲层3，如图2所示；
S3.在氮化物应力缓冲层3生长氮化物沟道层4，如图3所示；
S4.在氮化物沟道层4上生长一次外延氮化物势垒层5，如图4所示；
S5.在一次外延氮化物势垒层5上生长p型氮化物层6，如图5所示；
S6.通过光刻图形化以及刻蚀的方法，将栅极10区域之外的p型氮化物层6全部去除，并去除栅极10区域之外的部分一次外延氮化物势垒层5，如图6所示；
S8.高温在线退火修复刻蚀造成的晶格损伤，进行二次外延氮化物势垒层71的生长，如图7所示；
S9.二次外延氮化物势垒层71上，在线生长二次外延绝缘介质层72，如图8所示；
S9.高温退火激活p型氮化物层6中的受主掺杂元素；
S11.干法刻蚀完成器件隔离，如图9所示；
S12.在源极8和漏极9区域上形成源极8和漏极9欧姆接触金属，如图10所示；
S13.在栅极10区域二次外延绝缘介质层72上形成栅极10金属，如图11所示。
至此，即完成了整个器件的制备过程。图11即为实施例1的器件结构示意图。
实施例2
如图12所示，为本实施例的器件结构示意图，其与实施例1结构区别仅在于：实施例1为中，去除了栅极10区域之外的部分一次外延氮化物势垒层5，而实施例2中栅极10区域之外的部分一次外延氮化物势垒层5完整保留。相比于实施例1，实施例2要求更加苛刻的刻蚀方案，如更先进的设备，或含氧或含氟的自终止刻蚀条件。
实施例3
如图13所示，为本实施例的器件结构示意图，其与实施例1结构区别仅在于：实施例1为中，去除了栅极10区域之外的部分一次外延氮化物势垒层5，而实施例3中栅极10区域之外的一次外延氮化物势垒层5全部去除。实施例3中，在生长二次外延氮化物势垒层71之前，也可先生长薄层AlN空间隔离层，其厚度为0.3-3nm。
实施例4
如图14所示，为本实施例的器件结构示意图，其与实施例1结构区别仅在于：实施例1中，p型氮化物层6的形状为矩形；实施例4中，p型氮化物层6的形状为梯形。此外，显然p型氮化物形状也可以为弧形、阶梯型等结构。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有高可靠性的氮化物器件，包括衬底(1)、生长在衬底(1)上的半导体外延层、栅极(10)、源极(8)以及漏极(9)；其特征在于，所述外延层自下至上依次包括氮化物成核层(2)、氮化物应力缓冲层(3)、氮化物沟道层(4)、一次外延氮化物势垒层(5)、p型氮化物层(6)，以及二次外延氮化物势垒层(71)和二次外延绝缘介质层(72)；所述的p型氮化物层(6)仅保留在栅极(10)区域一次外延氮化物势垒层(5)之上，实现栅极(10)下方二维电子气沟道的夹断；所述二次外延氮化物势垒层(71)生长过程无掩膜；所述二次外延氮化物势垒层(71)和二次外延绝缘介质层(72)位于一次外延氮化物势垒层(5)和栅极(10)区域的p型氮化物层(6)之上；栅极(10)形成含二次外延绝缘介质层(72)、二次外延氮化物势垒层(71)、p型氮化物层(6)和一次外延氮化物势垒层(5)的堆叠结构。
2.根据权利要求1所述的具有高可靠性的氮化物器件，其特征在于，所述的衬底(1)为Si衬底(1)、蓝宝石衬底(1)、碳化硅衬底(1)、GaN自支撑衬底(1)或AlN中的任一种；所述的氮化物应力缓冲层(3)为含AlN、AlGaN、GaN、SiN的任一种或组合；所述的氮化物成核层(2)为含Al氮化物层；所述的氮化物沟道层(4)为GaN或AlGaN层。
3.根据权利要求1所述的具有高可靠性的氮化物器件，其特征在于，所述的一次外延氮化物势垒层(5)为AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合，Al组分为1％-30％，厚度为1nm-30nm；所述的二次外延氮化物势垒层(71)为AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN、AlN中的一种或任意几种的组合，Al组分为1％-40％，厚度为1nm-40nm；所述的p型氮化物层(6)为GaN、AlGaN、AlInN或AlInGaN，厚度不低于5nm。
4.根据权利要求1所述的具有高可靠性的氮化物器件，其特征在于，所述的一次外延氮化物势垒层(5)和氮化物沟道层(4)之间还插入有一层AlN空间隔离层，AlN空间隔离层厚度为0.3nm-3nm。
5.根据权利要求1所述的具有高可靠性的氮化物器件，其特征在于，所述的p型氮化物层(6)与一次外延氮化物势垒层(5)之间还插入有一层AlN阻挡层，AlN阻挡层厚度为0.3nm-5nm。
6.根据权利要求3所述的具有高可靠性的氮化物器件，其特征在于，所述的二次外延氮化物势垒层(71)的铝组分含量高于一次外延氮化物势垒层(5)的铝组分含量。
7.根据权利要求1所述的具有高可靠性的氮化物器件，其特征在于，所述的二次外延绝缘介质层(72)为SiNx、SiO2、SiOxNy、Al2O3、AlOxNy、GaOx、GaOxNy的一种或任意几种的组合，厚度为1-100nm。
8.根据权利要求1至7任一项所述的具有高可靠性的氮化物器件，其特征在于，栅极(10)区域的p型氮化物层(6)被保留，而栅极(10)区域的p型氮化物层(6)下方之外区域的一次外延氮化物势垒层(5)被部分去除，一次外延氮化物势垒层(5)厚度为1nm-30nm。
9.根据权利要求1至7任一项所述的具有高可靠性的氮化物器件，其特征在于，所述的源极(8)和漏极(9)为欧姆接触，栅极(10)为金属-绝缘介质-半导体接触；所述的栅极(10)金属直接与二次外延绝缘介质层(72)接触。
10.一种权利要求1至9任一项所述的具有高可靠性的氮化物器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在衬底(1)上生长氮化物成核层(2)；
S2.在氮化物成核层(2)上生长氮化物应力缓冲层(3)；
S3.在氮化物应力缓冲层(3)生长氮化物沟道层(4)；
S4.在氮化物沟道层(4)上生长一次外延氮化物势垒层(5)；
S5.在一次外延氮化物势垒层(5)上生长p型氮化物层(6)；
S6.通过光刻图形化以及刻蚀的方法，形成p型栅极(10)结构；
S7.生长二次外延氮化物势垒层(71)和二次外延绝缘介质层(72)；
S8.高温退火激活p型氮化物层(6)中的受主掺杂元素；
S9.干法刻蚀完成器件隔离，同时刻蚀出源极(8)和漏极(9)欧姆接触区；
S10.在源极(8)和漏极(9)区域上形成源极(8)和漏极(9)欧姆接触金属；
S11.在栅极(10)区域的二次外延绝缘介质层(72)上形成栅极(10)金属。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023077461A1 (zh) * | 2021-11-05 | 2023-05-11 | 苏州晶湛半导体有限公司 | Hemt器件及其制作方法 |
| US11942320B2 (en) | 2021-02-26 | 2024-03-26 | Changxin Memory Technologies, Inc. | Method of manufacturing semiconductor structure |
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2020
- 2020-09-14 CN CN202010958493.5A patent/CN111933709A/zh active Pending
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