CN113948569A - 一种半导体晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体晶体管及其制备方法，采用第三代半导体氮化镓及其化合物为外延材料，通过掺杂形成P型和N型区，利用异质结材料表面的2DEG作为导电通道，同时利用金属和二氧化硅来作为栅极，在栅极未施加电压时，源极和漏极之间相当于N‑i‑P‑i‑N结构，无法导通，通过在栅极施加电压，使得源极和漏极下方的N‑AlGaN中的电子被电场吸引到表面层，于源极和漏极两处的AlGaN/GaN所形成的2DEG形成导电通道，N‑i‑P‑i‑N结构可以增大击穿电压，提升产品电压特性，2DEG的导电通道可以提升电子迁移率，相比半导体本身的多子导电通道，提升了开关相应速率和频率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体电子信息技术领域，更具体的说是涉及一种半导体晶体管及其制备方法。
背景技术
随着半导体材料的发展，晶体管的设计和方法也在一直改进，目前第三代宽禁带半导体，以其宽的禁带常数、更高的电子迁移率、抗辐射能力强、击穿电场强度好、耐高温等特点，在半导体领域已经取得广泛应用,其芯片具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高等特性，是非常理想的材料，尤其是基于二维电子气(2DEG)结构，使其制造的器件具有很高的电子迁移率。
目前硅基的MOSFET在制造工艺上已经非常成熟，硅基产品从价格上也具有巨大优势，相比第三代GaN等材料，硅的电子迁移率和耐高压及工作温度特性都有所欠缺，基于第三代半导体材料的GaN已经发展出如HEMT(或异质结场效应晶体管HFET，调制掺杂场效应晶体管MODFET)器件，并且已经取得很好的效果，但是也存在如栅极耐压性低和工艺复杂等问题。
因此，如何综合现有器件结构优势和材料的优势，得到更优化的半导体晶体管及其制备方法，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种新半导体电子晶体管结构和制造方法，采用(Si)硅基或者(SiC)碳化硅等作为基底，采用第三代半导体GaN/AlGaN等作为外延层材料，结合硅基MOSFET和氮化镓材料HEMT等晶体管设计优势和材料优势，构成全新的具有优良特性的电子率晶体管。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种半导体晶体管，包括外延层、S/D电极区、二氧化硅层以及G电极；
其中，所述S/D电极区以及二氧化硅层均位于所述外延层上方，所述G电极位于所述二氧化硅层上方；
所述外延层包括基底以及依次位于基底上方的GaN层、P-GaN层、i-GaN层、i-AlN层以及n-AlGaN层；
所述S/D电极区包括S电极和D电极、所述S电极和D电极分别位于所述n-AlGaN层两端，且底部贯穿所述n-AlGaN层与所述i-AlN层顶面接触；
所述二氧化硅层位于所述n-AlGaN层中间位置，且底部贯穿所述n-AlGaN层与所述i-AlN层顶面接触。
优选的，上述的一种半导体晶体管，还包括：保护层；所述保护层设置于所述S电极、D电极和G电极以外的n-AlGaN层以及二氧化硅层上方，且所述S电极和D电极的两侧被所述保护层包覆。
优选的，所述基底材料为Si或SiC。
优选的，所述GaN层的厚度为10-30nm。
更优选的，所述GaN层包括厚度为5-20nm的第一GaN层和厚度为为5-10nm的第二GaN层。
优选的，所述P-GaN层包括一层镁掺杂浓度为1015-1017cm-3的第一P-GaN层和一层镁掺杂浓度为1017-1020cm-3的第二P-GaN层；所述第一P-GaN层的厚度为5-10nm；所述第二P-GaN层的厚度为200-300nm。
优选的，所述i-GaN层的厚度为2-3nm。
优选的，所述i-AlN层的厚度为1-2nm。
优选的，所述n-AlGaN层的厚度为20-40nm。
更优选的，所述n-AlGaN为掺杂硅烷的n-AlGaN,硅烷的掺杂浓度约在1019-1022cm-3。
本发明的另一个目的在于提供上述的一种半导体晶体管的制备方法，包括以下步骤：
(1)在基底上依次生长GaN层、P-GaN层、i-GaN层、i-AlN层以及n-AlGaN层；
(2)在所述n-AlGaN层两端刻蚀出S电极和D电极的S电极槽以及D电极槽，在所述n-AlGaN层的中间位置刻蚀出G电极槽；
(3)在所述S电极槽和D电极槽内均镀一层Ti/Al/Ni/Au金属合金层得到S电极和D电极；
(4)在G电极槽内镀一层二氧化硅层；
(5)在二氧化硅层上镀一层Ni/Au金属合金层，得到G电极；
(6)在S电极、D电极和G电极以外的n-AlGaN层以及二氧化硅层上方镀一层保护层，且所述S电极和D电极的两侧被所述保护层包覆。
优选的，步骤(3)中所述Ti/Al/Ni/Au金属合金层中各层金属的厚度分别为Ti：10-50nm；Al：150-300nm；Ni：100-200nm；Au：150-300nm；
步骤(4)中所述二氧化硅层的厚度为10-30nm；
步骤(5)中所述Ni/Au金属合金层中各层金属的厚度分别为Ni：
Au：
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
通过背景技术的简要描述可知，无论是硅基材料，还是氮化镓材料，本身都具有一些自身特点，所以硅基材料的晶体管从价格上面和制作流程上，都有很大优势，但是也首先于材料本身特性，使得电子迁移率和耐高压及工作温度特性等收到现在，氮化镓材料的电子迁移率、抗辐射能力强、击穿电场强度好、耐高温等特点都很好，但是目前基于氮化镓的器件的设计方法使得制作流程复杂，也存在耐压性提升受限等问题，本发明采用第三代半导体氮化镓及其化合物为外延材料，通过掺杂形成P型和N型区，利用异质结材料表面的2DEG作为导电通道，同时利用金属和氧化物来作为栅极，在栅极未施加电压时，源极和漏极之间相当于N-i-P-i-N结构，无法导通，通过在栅极施加电压，使得源极和漏极下方的N-AlGaN中的电子被电场吸引到表面层，于源极和漏极两处的AlGaN/GaN所形成的2DEG形成导电通道，N-i-P-i-N结构可以增大击穿电压，提升产品电压特性，2DEG的导电通道可以提升电子迁移率，相比半导体本身的多子导电通道，提升了开关相应速率和频率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的半导体晶体管结构图。
其中，图中：
1、基底；2、GaN层；3、P-GaN层；4、i-GaN层；5、i-AlN层；6、n-AlGaN层；7、S电极；8、D电极；9、二氧化硅层、10、G电极；11、保护层。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种半导体晶体管，包括外延层、S/D电极区、二氧化硅层9以及G电极10；
其中，S/D电极区以及二氧化硅层9均位于外延层上方，G电极10位于二氧化硅层9上方；
外延层包括基底1以及依次位于基底1上方的GaN层2、P-GaN层3、i-GaN层4、i-AlN层5以及n-AlGaN层6；
S/D电极区包括S电极7和D电极8、S电极7和D电极8分别位于n-AlGaN层6两端，且底部贯穿n-AlGaN层6与i-AlN层5顶面接触；
二氧化硅层9位于n-AlGaN层6中间位置，且底部贯穿n-AlGaN层6与i-AlN层5顶面接触；
在本实施例中，还包括：保护层11；保护层11设置于S电极7、D电极8和G电极10以外的n-AlGaN层6以及二氧化硅层9上方，且S电极7和D电极8的两侧被保护层11包覆；
在本实施例中，基底1材料为Si；
在本实施例中，GaN层2包括厚度为20nm的第一GaN层和厚度为10nm的第二GaN层；
在本实施例中，P-GaN层3包括一层镁掺杂浓度为1017cm-3的第一P-GaN层和一层镁掺杂浓度为1020cm-3的第二P-GaN层；第一P-GaN层的厚度为10nm；第二P-GaN层的厚度为300nm；
在本实施例中，i-GaN层4的厚度为3nm；
在本实施例中，i-AlN层5的厚度为2nm；
在本实施例中，n-AlGaN层6的厚度为40nm；n-AlGaN中硅烷的掺杂浓度为1022cm-3；
在本实施例中，二氧化硅层9的厚度为30nm；
在本实施例中，S电极7和D电极8的材料均为Ti/Al/Ni/Au金属合金层，各层金属的厚度分别为Ti：50nm；Al：300nm；Ni：200nm；Au：300nm；
在本实施例中，G电极10的材料为Ni/Au金属合金层，各层金属的厚度分别为Ni：
Au：
实施例2
一种半导体晶体管，包括外延层、S/D电极区、二氧化硅层9以及G电极10；
其中，S/D电极区以及二氧化硅层9均位于外延层上方，G电极10位于二氧化硅层9上方；
外延层包括基底1以及依次位于基底1上方的GaN层2、P-GaN层3、i-GaN层4、i-AlN层5以及n-AlGaN层6；
S/D电极区包括S电极7和D电极8、S电极7和D电极8分别位于n-AlGaN层6两端，且底部贯穿n-AlGaN层6与i-AlN层5顶面接触；
二氧化硅层9位于n-AlGaN层6中间位置，且底部贯穿n-AlGaN层6与i-AlN层5顶面接触；
在本实施例中，还包括：保护层11；保护层11设置于S电极7、D电极8和G电极10以外的n-AlGaN层6以及二氧化硅层9上方，且S电极7和D电极8的两侧被保护层11包覆；
在本实施例中，基底1材料为Si；
在本实施例中，GaN层2包括厚度为5nm的第一GaN层和厚度为5nm的第二GaN层；
在本实施例中，P-GaN层3包括一层镁掺杂浓度为1015cm-3的第一P-GaN层和一层镁掺杂浓度为1017cm-3的第二P-GaN层；第一P-GaN层的厚度为5nm；第二P-GaN层的厚度为200nm；
在本实施例中，i-GaN层4的厚度为2nm；
在本实施例中，i-AlN层5的厚度为1nm；
在本实施例中，n-AlGaN层6的厚度为20nm；n-AlGaN中硅烷的掺杂浓度为1019cm-3；
在本实施例中，二氧化硅层9的厚度为10nm；
在本实施例中，S电极7和D电极8的材料均为Ti/Al/Ni/Au金属合金层，各层金属的厚度分别为Ti：10nm；Al：150nm；Ni：100nm；Au：150nm；
在本实施例中，G电极10的材料为Ni/Au金属合金层，各层金属的厚度分别为Ni：
Au：
实施例3
一种半导体晶体管，包括外延层、S/D电极区、二氧化硅层9以及G电极10；
其中，S/D电极区以及二氧化硅层9均位于外延层上方，G电极10位于二氧化硅层9上方；
外延层包括基底1以及依次位于基底1上方的GaN层2、P-GaN层3、i-GaN层4、i-AlN层5以及n-AlGaN层6；
S/D电极区包括S电极7和D电极8、S电极7和D电极8分别位于n-AlGaN层6两端，且底部贯穿n-AlGaN层6与i-AlN层5顶面接触；
二氧化硅层9位于n-AlGaN层6中间位置，且底部贯穿n-AlGaN层6与i-AlN层5顶面接触；
在本实施例中，还包括：保护层11；保护层11设置于S电极7、D电极8和G电极10以外的n-AlGaN层6以及二氧化硅层9上方，且S电极7和D电极8的两侧被保护层11包覆；
在本实施例中，基底1材料为SiC；
在本实施例中，GaN层2包括厚度为10nm的第一GaN层和厚度为8nm的第二GaN层；
在本实施例中，P-GaN层3包括一层镁掺杂浓度为1016cm-3的第一P-GaN层和一层镁掺杂浓度为1018cm-3的第二P-GaN层；第一P-GaN层的厚度为7nm；第二P-GaN层的厚度为250nm；
在本实施例中，i-GaN层4的厚度为2nm；
在本实施例中，i-AlN层5的厚度为2nm；
在本实施例中，n-AlGaN层6的厚度为30nm；n-AlGaN中硅烷的掺杂浓度为1021cm-3；
在本实施例中，二氧化硅层9的厚度为20nm；
在本实施例中，S电极7和D电极8的材料均为Ti/Al/Ni/Au金属合金层，各层金属的厚度分别为Ti：30nm；Al：200nm；Ni：150nm；Au：200nm；
在本实施例中，G电极10的材料为Ni/Au金属合金层，各层金属的厚度分别为Ni：
Au：
实施例4
实施例1-3中半导体晶体管的制备方法，包括以下步骤：
本发明运用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)外延生长技术，采用三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)硅烷(SiH4)和二茂镁(CpMg)、氮气、氢气分别提供生长所需要的镓源、铝源和氮源,硅源、镁源、以及载气，具体操作如下：
(1)将基底在丙酮和乙醇中分别进行各4分钟的超声清洗，然后后用去离子水清洗干净，并在烤箱烘干；
(2)将处理好的基底，放入MOCVD设备在1200℃烘烤15分钟；降温至500℃，在气压150torr下通入三甲基镓(TMGa)和氨气(NH3)生长一层第一GaN；
(3)然后升温到1020℃，在气压250torr下通入三甲基镓(TMGa)和氨气(NH3)生长第二GaN；
(4)然后在1000℃，气压250torr下通入二茂镁(CpMg)、三甲基镓(TMGa)和氨气(NH3)生长一层掺杂镁的第一P-GaN；
(5)然后温度在980℃，气压230torr下继续通入二茂镁(CpMg)、三甲基镓(TMGa)和氨气(NH3)生长一层掺杂镁的第二P-GaN；
(6)然后升温到1020℃，在气压250torr下通入三甲基镓(TMGa)和氨气(NH3)生长一层不掺杂的本征i-GaN；
(7)然后升温到1050℃，在气压200torr下通入三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)生长生长一层不掺杂的本征i-AlN；
(8)然后升温到1030℃，在气压250torr下通入三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)硅烷(SiH4)，生长一层掺杂硅烷的n-AlGaN；
(9)然后在950℃下通入氮气，退火15分钟；
(10)涂上光刻胶，通过光刻MESA工艺，利用ICP刻蚀出源极S(S电极)、栅极G(G电极)和漏极D(D电极)的电极区域，刻蚀深度到n-AlGaN层和i-AlN层的接触位置；
(11)涂上光刻胶，利用MESA工艺，将带有S电极和D电极的SD光刻板通过光刻工艺,制造出电极图形，将S、D电极图形转移到上表面两端位置；
(12)利用电子束蒸发进行金属淀积，在S、D电极图形处镀一层Ti/Al/Ni/Au金属，形成Ti/Al/Ni/Au金属组合，通过金属剥离工艺形成S电极和D电极；
(13)然后通过去胶液和去离子水清洗后，再接着通过光刻MESA工艺,形成位于n-AlGaN中间的G电极区域，刻蚀深度至n-AlGaN层和i-AlN层的接触位置
(14)然后再G电极区域通过PECVD镀一层二氧化硅(SiO2)氧化物；
(15)接着通过带有G电极图形的光刻板结合光刻MESA工艺,在镀有SiO2氧化物的G电极区域上制作出G电极图形；
(16)接着采用电子束蒸发工艺方法，分别蒸发金属Ni/Au，然后通过金属剥离技术将其他蒸镀区层上金属剥离留下G区金属，形成G电极，G电极位于SiO2氧化物之上；
(17)然后结合MESA工艺，在表面上采用化学气相淀积法PECVD生长一层SiO2钝化层保护层，除三处电极区以外所有区域都被覆盖。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种半导体晶体管，其特征在于，包括外延层、S/D电极区、二氧化硅层以及G电极；
其中，所述S/D电极区以及二氧化硅层均位于所述外延层上方，所述G电极位于所述二氧化硅层上方；
所述外延层包括基底以及依次位于基底上方的GaN层、P-GaN层、i-GaN层、i-AlN层以及n-AlGaN层；
所述S/D电极区包括S电极和D电极、所述S电极和D电极分别位于所述n-AlGaN层两端，且底部贯穿所述n-AlGaN层与所述i-AlN层顶面接触；
所述二氧化硅层位于所述n-AlGaN层中间位置，且底部贯穿所述n-AlGaN层与所述i-AlN层顶面接触。
2.根据权利要求1所述的一种半导体晶体管，其特征在于，还包括：保护层；所述保护层设置于所述S电极、D电极和G电极以外的n-AlGaN层以及二氧化硅层上方，且所述S电极和D电极的两侧被所述保护层包覆。
3.根据权利要求2所述的一种半导体晶体管，其特征在于，所述基底材料为Si或SiC。
4.根据权利要求2所述的一种半导体晶体管，其特征在于，所述GaN层的厚度为10-30nm。
5.根据权利要求2所述的一种半导体晶体管，其特征在于，所述P-GaN层包括一层镁掺杂浓度为1015-1017cm-3的第一P-GaN层和一层镁掺杂浓度为1017-1020cm-3的第二P-GaN层；所述第一P-GaN层的厚度为5-10nm；所述第二P-GaN层的厚度为200-300nm。
6.根据权利要求2所述的一种半导体晶体管，其特征在于，所述i-GaN层的厚度为2-3nm。
7.根据权利要求2所述的一种半导体晶体管，其特征在于，所述i-AlN层的厚度为1-2nm。
8.根据权利要求2所述的一种半导体晶体管，其特征在于，所述n-AlGaN层的厚度为20-40nm。
9.如权利要求2-8任一所述的一种半导体晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在基底上依次生长GaN层、P-GaN层、i-GaN层、i-AlN层以及n-AlGaN层；
(2)在所述n-AlGaN层两端刻蚀出S电极和D电极的S电极槽以及D电极槽，在所述n-AlGaN层的中间位置刻蚀出G电极槽；
(3)在所述S电极槽和D电极槽内均镀一层Ti/Al/Ni/Au金属合金层得到S电极和D电极；
(4)在G电极槽内镀一层二氧化硅层；
(5)在二氧化硅层上镀一层Ni/Au金属合金层，得到G电极；
(6)在S电极、D电极和G电极以外的n-AlGaN层以及二氧化硅层上方镀一层保护层，且所述S电极和D电极的两侧被所述保护层包覆。
10.根据权利要求9所述的一种半导体晶体管的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述Ti/Al/Ni/Au金属合金层中各层金属的厚度分别为Ti：10-50nm；Al：150-300nm；Ni：100-200nm；Au：150-300nm；
步骤(4)中所述二氧化硅层的厚度为10-30nm；
步骤(5)中所述Ni/Au金属合金层中各层金属的厚度分别为Ni：
Au：
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