CN112397586A - 一种常开型硅衬底高电子迁移率晶体管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，特别是涉及一种常开型硅衬底AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制造方法。晶体管包括硅衬底、外延结构、漏极电极、漏极欧姆接触金属层、源极电极和栅极电极，其特征在于：源极电极和漏极电极分别位于器件的上下两侧，可改善平面结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管面临的问题，同时有利于与硅器件的集成，采用选区硅衬底外延生长，使硅衬底上的AlGaN/GaN外延层分隔成相互独立小图形，大大降低了硅衬底与AlGaN/GaN外延层之间的应力累积，解决了外延薄膜的开裂、弯曲等问题，同时可以提升器件的制造良率和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是涉及一种常开型硅衬底AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制造方法。
背景技术
相比于第一、二代半导体材料，第三代半导体材料GaN材料具有禁带宽度大、击穿场强高、电子迁移率大、抗辐射能力强等优点，GaN基高电子迁移率晶体管在无线通信基站、雷达、汽车电子等高频大功率领域具有极大的发展潜力。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(AlGaN/GaN HEMT)结构的出现是基于1975年T.Mimura等人以及1994年M.A.Khan等人所描述的现象：在AlGaN和GaN异质结构界面区域显示出异常高的电子迁移率。目前常规的硅衬底AlGaN/GaN HEMT器件为平面结构，器件的源极、漏级和栅极均在器件的顶面，容易引起可靠性下降，例如在大栅极偏压或者高频条件下会出现电流崩塌效应，当工作在高温、大功率环境时会产生“自热效应”等。由于硅衬底与GaN材料体系之间巨大的热失配，使得在硅衬底上整面生长AlGaN/GaN HEMT结构存在薄膜易开裂、弯曲严重等问题，因此常规技术多采用复杂的缓冲层设计来进行应力控制和弯曲控制，工艺复杂，且在后续器件制造过程中容易带来良率低和可靠性差的问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种常开型硅衬底AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管及其制造方法。
本发明中，源极电极和漏极电极分别位于晶体管的上下两侧，解决了平面结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管面临的问题，同时有利于与硅器件的集成，采用选区硅衬底外延生长，使硅衬底上的AlGaN/GaN外延层分隔成相互独立小图形，大大降低了硅衬底与AlGaN/GaN外延层之间的应力累积，解决了外延薄膜的开裂、弯曲等问题，同时可以提升器件的制造良率和可靠性。
本发明的目的是这样实现的：
一种常开型硅衬底AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，包括硅衬底、外延结构、漏极电极、漏极欧姆接触金属层、源极电极和栅极电极，其特征在于：所述硅衬底正面由凸面、凹面和位于凸面两侧的两个Si(111)面组成，其中凸面位于硅衬底正面的最上部，与硅衬底背面平行，凹面位于硅衬底底部两侧且与凸面平行，两个Si(111)面两端分别与凸面和凹面相交，所述外延结构位于所述凸面和Si(111)面上，从硅衬底开始依次包括缓冲层、高阻层、GaN沟道层、AlGaN势垒层，所述漏极电极设置在所述硅衬底背面，所述漏极欧姆接触金属层位于凹面和外延结构一侧，在所述凹面和AlGaN势垒层之间形成电连接，并通过硅衬底与所述漏极电极导通，所述源极电极位于凸面上的AlGaN势垒层上，栅极电极设置在AlGaN势垒层上，且位于漏极欧姆接触金属层与源极电极之间。
更进一步，所述硅衬底电阻率小于等于10Ω·cm，所述硅衬底凸面为Si(110)面、Si(112)面、Si(113)面、Si(114)面、Si(115)面、Si(116)面、Si(117)面、Si(221)面、Si(331)面、Si(551)面、Si(661)面中的一种。
更进一步，所述高阻层为掺C元素的GaN、掺Fe元素的GaN、掺C元素的AlGaN或掺Fe元素的AlGaN中的一种或者组合，所述高阻层的厚度为1～10μm，所述GaN沟道层为非故意掺杂的GaN层，厚度为100nm～500nm，所述AlGaN势垒层为AlxGa1-xN层，厚度为10nm～30nm，其中0.1≤x≤0.5。
一种常开型硅衬底AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管制造方法，包括以下步骤：
(1)提供电阻率小于等于10Ω·cm的硅衬底，硅衬底晶面是Si(110)面、Si(112)面、Si(113)面、Si(114)面、Si(115)面、Si(116)面、Si(117)面、Si(221)面、Si(331)面、Si(551)面、Si(661)面中的一种，在所述硅衬底正面中间局部利用光刻腐蚀技术形成SiO2腐蚀掩膜；
(2)对所述形成了SiO2腐蚀掩膜的硅衬底正面进行选择性腐蚀，之后去除SiO2腐蚀掩膜，使硅衬底正面形成由凸面、凹面和位于凸面两侧的两个Si(111)面组成的形貌，其中凸面位于硅衬底正面的最上部，是在选择性腐蚀过程中被SiO2腐蚀掩膜保护的区域，凹面和两个Si(111)面是选择性腐蚀形成的新面，凹面位于硅衬底底部且与凸面平行，两个Si(111)面两端分别与凸面和凹面相交；
(3)在所述硅衬底正面的凸面、凹面和Si(111)面上生长SiO2层，并通过光刻腐蚀技术去除凸面和Si(111)面上的SiO2层，保留凹面上的SiO2层，形成SiO2生长掩膜；
(4)在所述硅衬底正面的凸面和Si(111)面上选择性生长外延结构，所述外延结构从硅衬底开始依次包括缓冲层、高阻层、GaN沟道层、AlGaN势垒层，同时会在所述硅衬底正面的SiO2生长掩膜上方形成多晶外延薄膜，所述高阻层为掺C元素的GaN、掺Fe元素的GaN、掺C元素的AlGaN或掺Fe元素的AlGaN中的一种或者组合，所述高阻层的厚度为1～10μm，所述GaN沟道层为非故意掺杂的GaN层，厚度为100nm～500nm，所述AlGaN势垒层为AlxGa1-xN层，厚度为10nm～30nm，其中0.1≤x≤0.5；
(5)腐蚀去除所述硅衬底正面的SiO2生长掩膜上方形成的多晶外延薄膜，之后去除SiO2生长掩膜；
(6)利用剥离技术制作源极电极和漏极欧姆接触金属层，使漏极欧姆接触金属层在所述凹面和AlGaN势垒层之间形成电连接，源极电极位于凸面上的AlGaN势垒层上；
(7)利用剥离技术在所述AlGaN势垒层上制作栅极电极，使栅极电极位于漏极欧姆接触金属层与源极电极之间；
(8)在所述硅衬底背面制作漏极电极。
相比于现有技术，本发明有如下有益效果：
与现有常规硅衬底平面结构AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管相比，本发明提供的结构将源极和漏极设在器件的上下两侧，有利于解决平面结构所面临的在大栅极偏压或者高频条件下会出现电流崩塌效应，工作在高温、大功率环境时会产生“自热效应”等问题。
本发明采用选区硅衬底外延生长，使硅衬底上的AlGaN/GaN外延层分隔成相互独立小图形，大大降低了硅衬底与AlGaN/GaN外延层之间的应力累积，解决了外延薄膜的开裂、弯曲等问题，同时可以提升器件的制造良率和可靠性。
附图说明
图1为本发明一种常开型硅衬底AlGaN GaN高电子迁移率晶体管截面示意图。
图2为本发明实施例1中一种常开型硅衬底AlGaN GaN高电子迁移率晶体管制造方法步骤1示意图。
图3为本发明实施例1中一种常开型硅衬底AlGaN GaN高电子迁移率晶体管制造方法步骤2示意图。
图4为本发明实施例1中一种常开型硅衬底AlGaN GaN高电子迁移率晶体管制造方法步骤3示意图。
图5为本发明实施例1中一种常开型硅衬底AlGaN GaN高电子迁移率晶体管制造方法步骤4示意图。
图6为本发明实施例1中一种常开型硅衬底AlGaN GaN高电子迁移率晶体管制造方法步骤5示意图。
图7为本发明实施例1中一种常开型硅衬底AlGaN GaN高电子迁移率晶体管制造方法步骤6示意图。
图8为本发明实施例1中一种常开型硅衬底AlGaN GaN高电子迁移率晶体管制造方法步骤7示意图。
图9为本发明实施例1中一种常开型硅衬底AlGaN GaN高电子迁移率晶体管制造方法步骤8示意图。
图示说明：100-硅衬底，101-硅衬底正面的凸面，102-硅衬底正面的凹面，103-硅衬底正面的(111)面，104-SiO2腐蚀掩膜，105-SiO2生长掩膜，200-外延结构，201-缓冲层，202-高阻层，203-GaN沟道层，204-AlGaN势垒层，205-多晶外延薄膜，300-漏极欧姆接触金属层，400-源极电极，500-栅极电极，600-漏极电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1：
如图1所示为本发明一种常开型硅衬底AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，包括硅衬底100、外延结构200、漏极电极600、漏极欧姆接触金属层300、源极电极400和栅极电极500，其特征在于：所述硅衬底100正面由凸面101、凹面102和位于凸面101两侧的两个Si(111)面103组成，其中凸面101位于硅衬底100正面的最上部，与硅衬底100背面平行，凹面102位于硅衬底100底部且与凸面101平行，两个Si(111)面103两端分别与凸面101和凹面102相交，所述外延结构200位于所述凸面101和Si(111)面103上，从硅衬底100开始依次包括缓冲层201、高阻层202、GaN沟道层203、AlGaN势垒层204，所述漏极电极600设置在所述硅衬底100背面，所述漏极欧姆接触金属层300在所述凹面102和AlGaN势垒层204之间形成电连接，并通过硅衬底100与所述漏极电极600导通，所述源极电极400位于凸面101上的AlGaN势垒层204上，栅极电极500设置在AlGaN势垒层204上，且位于漏极欧姆接触金属层300与源极电极400之间。
所述硅衬底100电阻率小于等于10Ω·cm，所述硅衬底凸面101为Si(110)面、Si(112)面、Si(113)面、Si(114)面、Si(115)面、Si(116)面、Si(117)面、Si(221)面、Si(331)面、Si(551)面、Si(661)面中的一种。
所述高阻层202可以是掺C元素的GaN、掺Fe元素的GaN、掺C元素的AlGaN或掺Fe元素的AlGaN中的一种或者组合，所述高阻层202的厚度为1～10μm，所述GaN沟道层203为非故意掺杂的GaN层，厚度为100nm～500nm，所述AlGaN势垒层204为AlxGa1-xN层，厚度为10nm～30nm，其中0.1≤x≤0.5。
本发明一种常开型硅衬底AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管制造方法，包括以下步骤：
(1)如图2所示，提供电阻率小于等于10Ω·cm的硅衬底100，硅衬底100晶面是Si(110)面、Si(112)面、Si(113)面、Si(114)面、Si(115)面、Si(116)面、Si(117)面、Si(221)面、Si(331)面、Si(551)面、Si(661)面中的一种，在所述硅衬底100正面中间局部利用光刻腐蚀技术形成SiO2腐蚀掩膜104；
(2)如图3所示，对所述形成了SiO2腐蚀掩膜104的硅衬底100正面进行选择性腐蚀，之后去除SiO2腐蚀掩膜104，使硅衬底100正面形成由凸面101、凹面102和位于凸面两侧的两个Si(111)面103组成的形貌，其中凸面101位于硅衬底100正面的最上部，是在选择性腐蚀过程中被SiO2腐蚀掩膜104保护的区域，凹面102和两个Si(111)面103是选择性腐蚀形成的新面，凹面102位于硅衬底100底部且与凸面101平行，两个Si(111)面103两端分别与凸面101和凹面102相交；
(3)如图4所示，在所述硅衬底100正面的凸面101、凹面和Si(111)面103上生长SiO2层，并通过光刻腐蚀技术去除凸面101和Si(111)面103上的SiO2层，保留凹面102上的SiO2，形成SiO2生长掩膜105；
(4)在所述硅衬底100正面的凸面101和Si(111)面103上选择性生长外延结构200，所述外延结构200从硅衬底100开始依次包括缓冲层201、高阻层202、GaN沟道层203、AlGaN势垒层204，同时会在所述硅衬底100正面的SiO2生长掩膜105上方形成多晶外延薄膜205，所述高阻层202为掺C元素的GaN、掺Fe元素的GaN、掺C元素的AlGaN或掺Fe元素的AlGaN中的一种或者组合，所述高阻层202的厚度为1～10μm，所述GaN沟道层203为非故意掺杂的GaN层，厚度为100nm～500nm，所述AlGaN势垒层204为AlxGa1-xN层，厚度为10nm～30nm，其中0.1≤x≤0.5；
(5)腐蚀去除所述硅衬底100正面的SiO2生长掩膜105上方形成的多晶外延薄膜205，之后去除SiO2生长掩膜105；
(6)利用剥离技术制作源极电极400和漏极欧姆接触金属层300，使漏极欧姆接触金属层300在所述凹面102和AlGaN势垒层204之间形成电连接，源极电极400位于凸面101上的AlGaN势垒层204上；
(7)利用剥离技术在所述AlGaN势垒层204上制作栅极电极500，使栅极电极500且位于漏极欧姆接触金属层300与源极电极400之间；
(8)在所述硅衬底100背面制作漏极电极600。
如图1所示本发明一种常开型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，其工作原理是：当栅极电压为零或者栅极电压低于阈值电压时，栅极电极500下方存在二维电子气，电子从源极电极400沿着GaN沟道层203与AlGaN势垒层204界面处的二维电子气层传输，再经由漏极欧姆接触金属300和硅衬底100到达漏极电极600，此时AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管处于开态，表现为典型的常开型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管特性，且电流在AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的上侧和下侧之间流动；当栅极电压大于阈值电压时，栅极电极500下方的二维电子气被耗尽，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管处于关态，电子无法在源极和漏极之间传输。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种常开型硅衬底高电子迁移率晶体管，包括硅衬底、外延结构、漏极电极、漏极欧姆接触金属层、源极电极和栅极电极，其特征在于：所述硅衬底正面由凸面、凹面和位于凸面两侧的两个Si(111)面组成，其中凸面位于硅衬底正面的最上部，与硅衬底背面平行，凹面位于硅衬底底部两侧且与凸面平行，两个Si(111)面两端分别与凸面和凹面相交，所述外延结构位于所述凸面和Si(111)面上，从硅衬底开始依次包括缓冲层、高阻层、GaN沟道层、AlGaN势垒层，所述漏极电极设置在所述硅衬底背面，所述漏极欧姆接触金属层位于凹面和外延结构一侧，在所述凹面和AlGaN势垒层之间形成电连接，并通过硅衬底与所述漏极电极导通，所述源极电极位于凸面上的AlGaN势垒层上，栅极电极设置在AlGaN势垒层上，且位于漏极欧姆接触金属层与源极电极之间。
2.根据权利要求1所述的一种常开型硅衬底高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述硅衬底电阻率小于等于10Ω·cm，所述硅衬底凸面为Si(110)面、Si(112)面、Si(113)面、Si(114)面、Si(115)面、Si(116)面、Si(117)面、Si(221)面、Si(331)面、Si(551)面、Si(661)面中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种常开型硅衬底高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述高阻层为掺C元素的GaN、掺Fe元素的GaN、掺C元素的AlGaN或掺Fe元素的AlGaN中的一种或者组合，所述高阻层的厚度为1～10μm，所述GaN沟道层为非故意掺杂的GaN层，厚度为100nm～500nm，所述AlGaN势垒层为AlxGa1-xN层，厚度为10nm～30nm，其中0.1≤x≤0.5。
4.根据权利要求1中所述的一种常开型硅衬底高电子迁移率晶体管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供电阻率小于等于10Ω·cm的硅衬底，硅衬底晶面是Si(110)面、Si(112)面、Si(113)面、Si(114)面、Si(115)面、Si(116)面、Si(117)面、Si(221)面、Si(331)面、Si(551)面、Si(661)面中的一种，在所述硅衬底正面中间局部利用光刻腐蚀技术形成SiO2腐蚀掩膜；
(2)对所述形成了SiO2腐蚀掩膜的硅衬底正面进行选择性腐蚀，之后去除SiO2腐蚀掩膜，使硅衬底正面形成由凸面、凹面和位于凸面两侧的两个Si(111)面组成的形貌，其中凸面位于硅衬底正面的最上部，是在选择性腐蚀过程中被SiO2腐蚀掩膜保护的区域，凹面和两个Si(111)面是选择性腐蚀形成的新面，凹面位于硅衬底底部且与凸面平行，两个Si(111)面两端分别与凸面和凹面相交；
(3)在所述硅衬底正面的凸面、凹面和Si(111)面上生长SiO2层，并通过光刻腐蚀技术去除凸面和Si(111)面上的SiO2层，保留凹面上的SiO2层，形成SiO2生长掩膜；
(4)在所述硅衬底正面的凸面和Si(111)面上选择性生长外延结构，所述外延结构从硅衬底开始依次包括缓冲层、高阻层、GaN沟道层、AlGaN势垒层，同时会在所述硅衬底正面的SiO2生长掩膜上方形成多晶外延薄膜，所述高阻层为掺C元素的GaN、掺Fe元素的GaN、掺C元素的AlGaN或掺Fe元素的AlGaN中的一种或者组合，所述高阻层的厚度为1～10μm，所述GaN沟道层为非故意掺杂的GaN层，厚度为100nm～500nm，所述AlGaN势垒层为AlxGa1-xN层，厚度为10nm～30nm，其中0.1≤x≤0.5；
(5)腐蚀去除所述硅衬底正面的SiO2生长掩膜上方形成的多晶外延薄膜，之后去除SiO2生长掩膜；
(6)利用剥离技术制作源极电极和漏极欧姆接触金属层，使漏极欧姆接触金属层在所述凹面和AlGaN势垒层之间形成电连接，源极电极位于凸面上的AlGaN势垒层上；
(7)利用剥离技术在所述AlGaN势垒层上制作栅极电极，使栅极电极位于漏极欧姆接触金属层与源极电极之间；
(8)在所述硅衬底背面制作漏极电极。
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