CN115116849A - 一种增强型GaN功率器件制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种增强型GaN功率器件制备方法，涉及半导体器件制造技术领域，包括：在晶圆的表面沉积一层钝化层；对沉积有钝化层的晶圆进行刻蚀，分别刻蚀掉源极电极区域、栅源区域、漏极电极区域以及栅漏区域的钝化层和p型氮化镓层；在刻蚀后的晶圆的表面依次生长第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层；去除生长后的晶圆中p型氮化镓层上的钝化层、第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层，得到待激活晶圆；对待激活晶圆进行激活；在激活后的晶圆上设置源极电极、栅极电极和漏极电极，得到增强型GaN功率器件。本发明能增大增强型GaN功率器件的工作电流，提升增强型GaN功率器件的动态特性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制造技术领域，特别是涉及一种增强型GaN功率器件制备方法。
背景技术
相对于Si材料，GaN材料具有禁带宽度大、击穿场强高、极化系数高、电子迁移率和电子饱和漂移速率高等一系列性能优势，GaN基功率器件（GaN功率器件）受到了越来越多的关注。由于GaN材料的特点，GaN基功率器件是天然的耗尽型器件，这种耗尽型器件对器件在电路中的应用造成了障碍，人们必须用一颗Si MOS器件与耗尽型GaN器件级联，才能实现在电路上的应用。
而对于增强型GaN器件（增强型GaN功率器件），不需要级联Si MOS器件，单个器件就能实现在电路中的开关作用。增强型器件开发的难度较高，人们研究了各种各样的技术手段，来实现增强型器件。目前主流的增强型GaN器件是采用p型栅帽层技术，即在AlGaN表面生长一层P型GaN层，通过P-GaN对栅极下方的二维电子气耗尽，实现增强型。在器件制作过程中，需要对p-GaN层进行刻蚀，暴露栅极的p-GaN结构，而把栅漏极和栅源极之间的p-GaN刻蚀掉，暴露出下方的AlGaN层。在刻蚀过程中，难免地会对AlGaN表面造成损伤，导致AlGaN表面产生很多缺陷，这些缺陷类似于电子陷阱，器件在开关工作过程中，二维电子气沟道中的电子会被陷阱俘获，造成器件的电阻升高，即动态特性变差。同时，p-GaN对电子的耗尽作用有限，p-GaN下方的AlGaN层不能太厚，太厚会导致二维电子气浓度过高，p-GaN不能对其完全耗尽，因此这种器件的工作电流都比较小。
综上，如何增大增强型GaN功率器件的工作电流，提升增强型GaN功率器件的动态特性成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种增强型GaN功率器件制备方法，从而增大增强型GaN功率器件的工作电流，提升增强型GaN功率器件的动态特性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种增强型GaN功率器件制备方法，所述方法包括：
在硅衬底上依次生长氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层、第一层氮化镓铝层和p型氮化镓层，得到晶圆；
在所述晶圆的表面沉积一层钝化层，得到沉积有钝化层的晶圆；
对所述沉积有钝化层的晶圆进行刻蚀，分别刻蚀掉源极电极区域、栅源区域、漏极电极区域以及栅漏区域的钝化层和p型氮化镓层，得到刻蚀后的晶圆；所述栅源区域为栅极电极和源极电极之间的区域；所述栅漏区域为栅极电极和漏极电极之间的区域；
在所述刻蚀后的晶圆的表面依次生长第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层，得到生长后的晶圆；
去除所述生长后的晶圆中p型氮化镓层上的钝化层、第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层，得到待激活晶圆；
对所述待激活晶圆进行激活，得到激活后的晶圆；
在所述激活后的晶圆上设置源极电极、栅极电极和漏极电极，得到增强型GaN功率器件。
可选地，所述在硅衬底上依次生长氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层、第一层氮化镓铝层和p型氮化镓层，得到晶圆，具体包括：
将硅衬底放入MOCVD设备中，在所述硅衬底上依次外延生长氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层、第一层氮化镓铝层和p型氮化镓层，得到晶圆。
可选地，所述钝化层为二氧化硅或氮化硅。
可选地，所述对所述沉积有钝化层的晶圆进行刻蚀，分别刻蚀掉源极电极区域、栅源区域、漏极电极区域以及栅漏区域的钝化层和p型氮化镓层，得到刻蚀后的晶圆，具体包括：
利用光刻和刻蚀工艺，对所述沉积有钝化层的晶圆进行刻蚀，分别刻蚀掉源极电极区域、栅源区域、漏极电极区域以及栅漏区域的钝化层和p型氮化镓层，只保留栅极电极区域的钝化层和p型氮化镓层，得到刻蚀后的晶圆。
可选地，所述在所述刻蚀后的晶圆的表面依次生长第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层，得到生长后的晶圆，具体包括：
将所述刻蚀后的晶圆放入MOCVD设备中，在所述刻蚀后的晶圆的表面依次生长第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层，得到生长后的晶圆。
可选地，所述去除所述生长后的晶圆中p型氮化镓层上的钝化层、第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层，得到待激活晶圆，具体包括：
利用湿法腐蚀的方式去除所述生长后的晶圆中p型氮化镓层上的钝化层、第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层，得到待激活晶圆。
可选地，所述对所述待激活晶圆进行激活，得到激活后的晶圆，具体包括：
对所述待激活晶圆进行高温退火处理，得到激活后的晶圆。
可选地，所述高温退火处理的温度大于500℃；
所述高温退火处理利用氮气、氧气或混合气体退火；所述混合气体包括氮气和氧气。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开的增强型GaN功率器件制备方法，对沉积有钝化层的晶圆进行刻蚀，分别刻蚀掉源极电极区域、栅源区域、漏极电极区域以及栅漏区域的钝化层和p型氮化镓层后，在刻蚀后的晶圆的表面依次生长第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层，不但修复了第一层氮化镓铝层的刻蚀损伤，还增加了栅源区域及栅漏区域的氮化镓铝的厚度，增大了增强型GaN功率器件的工作电流；同时，氮化镓本征层和原位生长氮化硅层也大大减小了氮化镓铝的表面态密度，增强型GaN功率器件的动态特性有明显提升。
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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明增强型GaN功率器件制备方法实施例的流程图；
图2为本发明晶圆结构示意图；
图3为本发明刻蚀后的晶圆结构示意图；
图4为本发明生长后的晶圆结构示意图；
图5为本发明待激活晶圆结构示意图；
图6为本发明增强型GaN功率器件结构示意图。
符号说明：
1-硅衬底、2-氮化镓缓冲层、3-氮化镓沟道层、4-第一层氮化镓铝层、5-p型氮化镓层、6-钝化层、7-第二层氮化镓铝层、8-氮化镓本征层、9-原位生长氮化硅层、10-源极电极、11-栅极电极、12-漏极电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
本发明的目的是提供一种增强型GaN功率器件制备方法，从而增大增强型GaN功率器件的工作电流，提升增强型GaN功率器件的动态特性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明增强型GaN功率器件制备方法实施例的流程图。参见图1，该增强型GaN功率器件制备方法包括：
步骤101：在硅衬底上依次生长氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层、第一层氮化镓铝层和p型氮化镓层，得到晶圆。
该步骤101具体包括：
将硅衬底放入MOCVD设备中，在硅衬底上依次外延生长氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层、第一层氮化镓铝层和p型氮化镓层，得到晶圆。
步骤102：在晶圆的表面沉积一层钝化层，得到沉积有钝化层的晶圆。
该步骤102中，钝化层为二氧化硅或氮化硅。
步骤103：对沉积有钝化层的晶圆进行刻蚀，分别刻蚀掉源极电极区域、栅源区域、漏极电极区域以及栅漏区域的钝化层和p型氮化镓层，得到刻蚀后的晶圆；栅源区域为栅极电极和源极电极之间的区域；栅漏区域为栅极电极和漏极电极之间的区域。
该步骤103具体包括：
利用光刻和刻蚀工艺，对沉积有钝化层的晶圆进行刻蚀，分别刻蚀掉源极电极区域、栅源区域、漏极电极区域以及栅漏区域的钝化层和p型氮化镓层，只保留栅极电极区域的钝化层和p型氮化镓层，得到刻蚀后的晶圆。
步骤104：在刻蚀后的晶圆的表面依次生长第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层，得到生长后的晶圆。
该步骤104具体包括：
将刻蚀后的晶圆放入MOCVD设备中，在刻蚀后的晶圆的表面依次生长第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层，得到生长后的晶圆。
步骤105：去除生长后的晶圆中p型氮化镓层上的钝化层、第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层，得到待激活晶圆。
该步骤105具体包括：
利用湿法腐蚀的方式去除生长后的晶圆中p型氮化镓层上的钝化层、第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层，得到待激活晶圆。
步骤106：对待激活晶圆进行激活，得到激活后的晶圆。
该步骤106具体包括：
对待激活晶圆进行高温退火处理，得到激活后的晶圆。
其中，高温退火处理的温度大于500℃。高温退火处理利用氮气、氧气或混合气体退火；混合气体包括氮气和氧气。
步骤107：在激活后的晶圆上设置源极电极、栅极电极和漏极电极，得到增强型GaN功率器件。
下面以一个具体实施例说明本发明的技术方案：
本发明增强型GaN功率器件制备方法，是一种制备高性能GaN器件的方法，包括以下工艺步骤：
工艺步骤1：将硅衬底（Si substrate）放入MOCVD设备中，依次外延生长氮化镓缓冲层（GaN buffer层）、氮化镓沟道层（GaN channel层）、第一层氮化镓铝层（AlGaN-1层）和p型氮化镓层（p-GaN层），得到如图2所示的晶圆（片子）。
工艺步骤2：在晶圆表面沉积一层钝化层，可以是二氧化硅（SiO2），也可以是氮化硅（SiN）。然后通过光刻、刻蚀工艺，分别刻蚀掉栅源和栅漏区域之间的钝化层和p型氮化镓层，即分别刻蚀掉源极电极区域（源极电极所在区域）、栅源区域（栅极电极和源极电极之间的区域）、漏极电极区域（漏极电极所在区域）以及栅漏区域（栅极电极和漏极电极之间的区域），只保留栅极区域（栅极电极所在区域）的钝化层和p型氮化镓层，得到如图3所示的刻蚀后的晶圆。栅源和栅漏区域因为没有p型氮化镓层，所以会有二维电子气存在，即栅极电极和源极电极之间的区域、栅极电极和漏极电极之间的区域、源极电极区域以及漏极电极区域均没有p型氮化镓层，所以会有二维电子气存在。栅极区域因为有p型氮化镓层存在，因此下方的二维电子气被耗尽。
工艺步骤3：将晶圆，即刻蚀后的晶圆重新放入MOCVD设备中，依次生长第二层氮化镓铝层（AlGaN-2层）、氮化镓本征层（i-GaN层）和原位生长氮化硅层（In situ SiN层），得到如图4所示的生长后的晶圆。p型氮化镓层被刻蚀掉后，栅源和栅漏区域的氮化镓铝会暴露出来，即栅极电极和源极电极之间的区域、栅极电极和漏极电极之间的区域、源极电极区域以及漏极电极区域的氮化镓铝均会暴露出来，这个刻蚀过程会造成两个不利影响：（1）氮化镓铝表面被破坏，形成较多的缺陷，这些缺陷会导致器件工作时，二维电子气中的电子被陷阱俘获，造成器件动态特性变差；（2）氮化镓铝会被刻蚀掉一部分，也就是说氮化镓铝厚度会变薄，这会导致二维电子气密度减小，器件的工作电流随之减小。重新生长第二层氮化镓铝层，一方面因为其与第一层氮化镓铝层是同质结构，所以修复了第一层氮化镓铝层的表面缺陷，同时总的氮化镓铝厚度加厚了，器件的工作电流变的更大。在第二层氮化镓铝层表面接着再生长氮化镓本征层（本征氮化镓层），是为了钝化第二层氮化镓铝层的表面，减少第二层氮化镓铝层表面的表面态，这些表面态也会导致器件动态特性（GaN功率器件具有高压冲击后，电阻变大的特征，即为动态特性，动态特性指的是高压冲击后的动态电阻与冲击前动态电阻的比值）变差。然后接着生长原位生长氮化硅层，其目的是钝化氮化镓本征层表面的悬挂键，减少氮化镓本征层与钝化层（即原位生长氮化硅层）之间的界面态，减少界面态的作用也是增强动态特性。相对于其他方式制备的氮化硅，这种原位生长氮化硅层具有更好的钝化表面悬挂键的作用，这是因为原位生长氮化硅层是用MOCVD设备生长的，膜层质量更好，同时原位生长氮化硅层是在第二层氮化镓铝层和氮化镓本征层生长完后，接着生长的，与氮化镓铝匹配度更高，能更好地钝化悬挂键。同时原位生长氮化硅层作为高致密性的钝化层，能起到保护器件整个表面的作用。
工艺步骤4：将p型氮化镓层上方的钝化层，用湿法腐蚀的方式去除掉，其（即p型氮化镓层上方的钝化层）上方的第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层也会随之被去掉，裸露出p型氮化镓层，得到如图5所示的待激活晶圆。由于重新进行了外延生长，p型氮化镓层需要被重新激活，因此在这个步骤，对晶圆，即待激活晶圆进行高温退火处理（温度大于500°C，退火过程中可以用N2、O2或混合气体），激活后，p型氮化镓层就具有高的空穴浓度，对二维电子气起到耗尽作用。
工艺步骤5：继续制作源极电极，漏极电极和栅极电极（这些步骤是功率器件的常规工艺），然后就得到完整的GaN功率器件，即如图6所示的增强型GaN功率器件。图6示出了源极电极、栅极电极和漏极电极的位置，即源极电极所在区域、栅极电极所在区域和漏极电极所在区域。图6也示出了栅极电极和源极电极之间的区域以及栅极电极和漏极电极之间的区域。
基于本发明增强型GaN功率器件制备方法，能够增大增强型GaN功率器件的工作电流，提升增强型GaN功率器件的动态特性，得到高性能的增强型GaN功率器件，该高性能的增强型GaN功率器件，在p-GaN，即p型氮化镓层刻蚀完成后，重新外延生长氮化镓铝（AlGaN）、i-GaN和SiN层，即重新外延生长第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层，不但修复了刻蚀损伤，减少了表面态和界面态，还增加了栅源及栅漏区域的AlGaN厚度，提升了器件的动态特性，增大了器件的工作电流。然后将栅极的p-GaN暴露出来，并进行重新退火，最后制作器件的栅极电极、源极电极和漏极电极。
本发明制作的高性能增强型GaN功率器件，在P-GaN刻蚀完成后，需要重新放入MOCVD设备继续生长第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层。
本发明制作的高性能增强型GaN功率器件，将栅极区域的p-GaN暴露出来后，需要进行高温退火，激活p-GaN。
本发明制作的高性能增强型GaN功率器件，第二层氮化镓铝层的厚度为1-100nm、氮化镓本征层厚度为1-50nm，原位生长氮化硅层的厚度为0.1-1000nm。
本发明提出的一种高性能的增强型GaN功率器件，在p-GaN刻蚀完成后，重新进行外延生长AlGaN、i-GaN、SiN层，不但修复了刻蚀损伤，还增加了栅源及栅漏区域的AlGaN厚度，增大了器件的工作电流；同时，i-GaN和SiN层也大大减小了AlGaN的表面态密度，器件的动态特性有明显提升。
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。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种增强型GaN功率器件制备方法，其特征在于，所述方法包括：
在硅衬底上依次生长氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层、第一层氮化镓铝层和p型氮化镓层，得到晶圆；
在所述晶圆的表面沉积一层钝化层，得到沉积有钝化层的晶圆；
对所述沉积有钝化层的晶圆进行刻蚀，分别刻蚀掉源极电极区域、栅源区域、漏极电极区域以及栅漏区域的钝化层和p型氮化镓层，得到刻蚀后的晶圆；所述栅源区域为栅极电极和源极电极之间的区域；所述栅漏区域为栅极电极和漏极电极之间的区域；
在所述刻蚀后的晶圆的表面依次生长第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层，得到生长后的晶圆；
去除所述生长后的晶圆中p型氮化镓层上的钝化层、第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层，得到待激活晶圆；
对所述待激活晶圆进行激活，得到激活后的晶圆；
在所述激活后的晶圆上设置源极电极、栅极电极和漏极电极，得到增强型GaN功率器件。
2.根据权利要求1所述的增强型GaN功率器件制备方法，其特征在于，所述在硅衬底上依次生长氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层、第一层氮化镓铝层和p型氮化镓层，得到晶圆，具体包括：
将硅衬底放入MOCVD设备中，在所述硅衬底上依次外延生长氮化镓缓冲层、氮化镓沟道层、第一层氮化镓铝层和p型氮化镓层，得到晶圆。
3.根据权利要求1所述的增强型GaN功率器件制备方法，其特征在于，所述钝化层为二氧化硅或氮化硅。
4.根据权利要求1所述的增强型GaN功率器件制备方法，其特征在于，所述对所述沉积有钝化层的晶圆进行刻蚀，分别刻蚀掉源极电极区域、栅源区域、漏极电极区域以及栅漏区域的钝化层和p型氮化镓层，得到刻蚀后的晶圆，具体包括：
利用光刻和刻蚀工艺，对所述沉积有钝化层的晶圆进行刻蚀，分别刻蚀掉源极电极区域、栅源区域、漏极电极区域以及栅漏区域的钝化层和p型氮化镓层，只保留栅极电极区域的钝化层和p型氮化镓层，得到刻蚀后的晶圆。
5.根据权利要求1所述的增强型GaN功率器件制备方法，其特征在于，所述在所述刻蚀后的晶圆的表面依次生长第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层，得到生长后的晶圆，具体包括：
将所述刻蚀后的晶圆放入MOCVD设备中，在所述刻蚀后的晶圆的表面依次生长第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层，得到生长后的晶圆。
6.根据权利要求1所述的增强型GaN功率器件制备方法，其特征在于，所述去除所述生长后的晶圆中p型氮化镓层上的钝化层、第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层，得到待激活晶圆，具体包括：
利用湿法腐蚀的方式去除所述生长后的晶圆中p型氮化镓层上的钝化层、第二层氮化镓铝层、氮化镓本征层和原位生长氮化硅层，得到待激活晶圆。
7.根据权利要求1所述的增强型GaN功率器件制备方法，其特征在于，所述对所述待激活晶圆进行激活，得到激活后的晶圆，具体包括：
对所述待激活晶圆进行高温退火处理，得到激活后的晶圆。
8.根据权利要求7所述的增强型GaN功率器件制备方法，其特征在于，所述高温退火处理的温度大于500℃；
所述高温退火处理利用氮气、氧气或混合气体退火；所述混合气体包括氮气和氧气。
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|---|---|---|---|---|
| CN115376919A (zh) * | 2022-10-24 | 2022-11-22 | 江苏能华微电子科技发展有限公司 | 一种增强型GaN功率器件及其制备方法 |
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