CN115440798A - 一种氮化镓p-mosfet晶体管结构及其制造方法 - Google Patents
一种氮化镓p-mosfet晶体管结构及其制造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115440798A CN115440798A CN202211170638.0A CN202211170638A CN115440798A CN 115440798 A CN115440798 A CN 115440798A CN 202211170638 A CN202211170638 A CN 202211170638A CN 115440798 A CN115440798 A CN 115440798A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- gallium nitride
- grid
- aluminum
- gate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 124
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 114
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 31
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 claims abstract description 22
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 18
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 43
- 238000003780 insertion Methods 0.000 claims description 38
- 230000037431 insertion Effects 0.000 claims description 38
- IWBUYGUPYWKAMK-UHFFFAOYSA-N [AlH3].[N] Chemical compound [AlH3].[N] IWBUYGUPYWKAMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 37
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 19
- 238000002161 passivation Methods 0.000 claims description 19
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 claims description 13
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 13
- 239000004047 hole gas Substances 0.000 claims description 10
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 claims description 10
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 claims description 10
- RNQKDQAVIXDKAG-UHFFFAOYSA-N aluminum gallium Chemical compound [Al].[Ga] RNQKDQAVIXDKAG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 6
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 claims description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 4
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 claims description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 3
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910000449 hafnium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N hafnium(4+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[Hf+4] WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 claims description 2
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 108091006146 Channels Proteins 0.000 abstract description 51
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 17
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 108010075750 P-Type Calcium Channels Proteins 0.000 abstract description 4
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 5
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- INQLNSVYIFCUML-QZTLEVGFSA-N [[(2r,3s,4r,5r)-5-(6-aminopurin-9-yl)-3,4-dihydroxyoxolan-2-yl]methoxy-hydroxyphosphoryl] [(2r,3s,4r,5r)-5-(4-carbamoyl-1,3-thiazol-2-yl)-3,4-dihydroxyoxolan-2-yl]methyl hydrogen phosphate Chemical compound NC(=O)C1=CSC([C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](COP(O)(=O)OP(O)(=O)OC[C@@H]3[C@H]([C@@H](O)[C@@H](O3)N3C4=NC=NC(N)=C4N=C3)O)O2)O)=N1 INQLNSVYIFCUML-QZTLEVGFSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 1
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- DOTMOQHOJINYBL-UHFFFAOYSA-N molecular nitrogen;molecular oxygen Chemical compound N#N.O=O DOTMOQHOJINYBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
- H01L29/7786—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with direct single heterostructure, i.e. with wide bandgap layer formed on top of active layer, e.g. direct single heterostructure MIS-like HEMT
- H01L29/7787—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with direct single heterostructure, i.e. with wide bandgap layer formed on top of active layer, e.g. direct single heterostructure MIS-like HEMT with wide bandgap charge-carrier supplying layer, e.g. direct single heterostructure MODFET
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
- H01L29/0684—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape, relative sizes or dispositions of the semiconductor regions or junctions between the regions
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
- H01L29/10—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode not carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
- H01L29/1025—Channel region of field-effect devices
- H01L29/1029—Channel region of field-effect devices of field-effect transistors
- H01L29/1033—Channel region of field-effect devices of field-effect transistors with insulated gate, e.g. characterised by the length, the width, the geometric contour or the doping structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/401—Multistep manufacturing processes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/41—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
- H01L29/423—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions not carrying the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/42312—Gate electrodes for field effect devices
- H01L29/42316—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors
- H01L29/4232—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate
- H01L29/42356—Disposition, e.g. buried gate electrode
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
- H01L29/66075—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
- H01L29/66227—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
- H01L29/66409—Unipolar field-effect transistors
- H01L29/66446—Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET]
- H01L29/66462—Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET] with a heterojunction interface channel or gate, e.g. HFET, HIGFET, SISFET, HJFET, HEMT
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Abstract
本发明设计涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种氮化镓P‑MOSFET晶体管结构及其制造方法。本发明采用了双异质结外延结构进行器件制备，利用凹槽栅技术实现增强型氮化镓P‑MOSFET晶体管，同时恢复栅极区域的二维电子气(2DEG)沟道；在此基础上，实现2DEG沟道与器件栅极的电学连接，为器件引入背栅；此外，通过在AlGaN势垒层的上侧或下侧插入的AlN层抑制从源极到栅极的漏电流，保证了背栅对P型导电沟道的调控作用。本发明充分利用了双异质结沟道的特点，在不使用背面工艺的情况下实现了背栅结构，为实现具有低亚阈值斜率和高导通电流密度的P型沟道氮化镓晶体管器件提供了有效的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种氮化镓P-MOSFET晶体管结构及其制造方法。
背景技术
氮化镓(GaN)作为具有代表性的第三代半导体材料，凭借其宽禁带、高饱和漂移速度、高热导率等突出特性，具有高耐压容量、高工作频率和大电流密度等优点，大大降低了导通损耗，使GaN功率器件具有大功率运行能力和高温条件下工作能力。近年来，横向结构GaN HEMT技术高速发展趋于成熟，基于P型栅的增强型GaN HEMT已实现商用化，且在快充、激光雷达(LiDAR)等领域已获得不同程度的应用。
全GaN单片集成技术作为该领域重要发展趋势与研究热点之一，旨在将逻辑信号产生、驱动控制、功率变换、监测与保护等模块进行集成，减小芯片互联带来的寄生效应(信号串扰、互联损耗、ESD等)。相比GaN分立功率器件，GaN单片集成技术能够最大限度地发挥GaN高频、高效的核心性能优势。然而，目前全GaN单片集成技术的发展还处于初级阶段，其主要原因之一在于P沟道晶体管的研制仍然不成熟。由于缺乏高性能、高可靠性的P沟道晶体管，在设计全GaN单片集成电路时，不得不依赖于二维电子气(2DEG)导电的N沟道晶体管(N-HEMT)进行代替，导致电路设计难度增大、静态功耗高、功能不完善等问题，严重限制了GaN IC的发展与应用。基于CMOS的互补逻辑电路则具有更合适的电压转换阈值、较高的噪声容限和更灵活的电路拓扑结构。因此，实现高性能且可与当前主流GaN N-HEMT单片集成的P沟道器件不仅能够简化GaN IC设计，还能提高GaN IC性能，能够促使GaN功率半导体最大限度发挥其高速、高效工作的优越性能，提升GaN在功率半导体应用领域的竞争优势。
发明内容
本发明针对P沟道氮化镓晶体管目前存在的问题，提出了一种具有背栅的P沟道氮化镓晶体管，其具备亚阈值斜率低和导通电流密度高的优良特点。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种氮化镓P-MOSFET晶体管结构及其制造方法，如图1所示，包含应力调制结构异质外延衬底基片1(硅基衬底)、设置在衬底基片1上表面的氮化镓缓冲层2、设置在氮化镓缓冲层2上表面的非故意掺杂氮化镓沟道层3、设置在非故意掺杂氮化镓沟道层3上的第一铝氮插入层51、设置在第一铝氮插入层51上的铝镓氮势垒层4、设置在铝镓氮势垒层4上的第二铝氮插入层52、设置在第二铝氮插入层52上的P型氮化镓沟道层6、设置P型氮化镓沟道层6上的介质钝化层7、以及金属电极，所述第二铝氮插入层52与P型氮化镓沟道层6的连接界面处生成二维空穴气；所述金属电极包括栅极9、源极10、漏极11，其中源极10和漏极11分别位于晶体管顶部的两端，栅极9位于晶体管顶部的中部，且源极10和漏极11沿器件垂直方向贯穿介质钝化层7后与P型氮化镓沟道层6的上表面接触；其特征在于，所述栅极9沿器件垂直方向贯穿介质钝化层7后，沿器件纵向方向，栅极9的两端沿器件垂直方向完全贯穿P型氮化镓沟道层6，而栅极9的中部沿器件垂直方向部分贯穿P型氮化镓沟道层6，并且在栅极9的两端沿器件横向方向的中部，还具有凸起结构，凸起结构沿器件垂直方向依次完全贯穿第二铝氮插入层52、铝镓氮势垒层4、第一铝氮插入层51后与非故意掺杂氮化镓沟道层3上表面接触；所述器件垂直方向、器件横向方向和器件纵向方向构成三维直角坐标系，并且器件横向方向是由源极10指向漏极11的方向，器件垂直方向是由器件顶部指向底部的方向；所述栅极9与第二铝氮插入层52的上表面之间、栅极9与P型氮化镓沟道层6之间、栅极9与源极10之间的介质钝化层7上表面、栅极9与漏极11之间的介质钝化层7上表面具有栅介质层8。
进一步的，所述栅极9位于P型氮化镓沟道层6中的部分是通过对P型氮化镓沟道层6进行部分刻蚀形成的，栅极9位于P型氮化镓沟道层6中的部分用于调控器件阈值电压，并恢复非故意掺杂氮化镓沟道层3与第一铝氮插入层51界面的二维电子气。
进一步的，所述栅极9位于P型氮化镓沟道层6中的部分通过栅极9、栅介质层8、P型氮化镓沟道层6形成MIS栅结构；栅极9除位于P型氮化镓沟道层6中以外的部分，通过与二维电子气形成N型欧姆接触，使栅极9与二维电子气等电位，将该部分二维电子气定义为背栅。
进一步的，所述第一铝氮插入层51和第二铝氮插入层52用于抑制从源极10到栅极9的漏电通路。
进一步的，所述栅介质层8为氮化硅、二氧化硅、三氧化二铝、氧化镁和二氧化铪中的一种或多种组合，厚度为1-100nm。
进一步的，所述包含两种结构类型的栅极9的特殊凹槽结构可由干法刻蚀与湿法刻蚀中的一种或两种组合形成，其中N型欧姆接触对应刻槽深度需完全刻蚀P型氮化镓沟道层6，刻蚀中止面可在铝氮插入层51或铝镓氮势垒层4或铝氮插入层52中，通过高温退火时的金属下渗与二维电子气沟道形成N型欧姆接触。
用于本发明的一种具有背栅的P沟道氮化镓晶体管的制造方法，包括以下步骤：
第一步：在衬底基片1上层依次外延生长氮化镓缓冲层2、非故意掺杂氮化镓沟道层3、第一铝氮插入层51、氮化铝镓势垒层4、第二铝氮插入层52、P型氮化镓沟道层6；
第二步：淀积介质钝化层7，钝化P型氮化镓材料表面；
第三步：采用干法或湿法刻蚀技术对栅极9位置进行第一轮刻蚀，完全刻蚀该区域的介质钝化层7，接着采用干法刻蚀技术对栅极9沿器件纵向方向中部位置进行刻蚀，部分刻蚀该区域的P型氮化镓导电层6，耗尽栅下二维空穴气沟道，恢复栅下二维电子气沟道；
第四步：采用干法刻蚀技术对栅极位置进行第二轮刻蚀，完全刻蚀栅极9沿器件纵向方向两端部分区域的P型氮化镓导电层6；
第五步：淀积栅介质层8；
第六步：采用干法或湿法刻蚀技术对第四步中P型氮化镓导电层6被完全刻蚀的部分区域进行开孔，开孔位置为沿器件横向方向的中部，刻蚀该区域的栅介质层8，并使刻蚀中止面在第一铝氮插入层51或铝镓氮势垒层4或第二铝氮插入层52中。
第七步：采用蒸镀或溅射等方式生长栅极9金属，并在氮气氛围下进行高温快速退火，使栅极9的部分区域与下方恢复的二维电子气沟道形成N型欧姆接触；
第八步：采用湿法刻蚀技术对源极10与漏极11位置进行刻蚀，完全刻蚀该区域的介质钝化层7，接着采用蒸镀或溅射等方式生长源极10与漏极11金属，并在氧气氛围或者氮、氧混合氛围下进行高温快速退火，使源极10与漏极11与下方二维空穴气沟道形成P型欧姆接触。
本发明基于双异质结外延结构，阐述了一种具有背栅的P沟道氮化镓晶体管结构及其制造方法，利用背栅效应提升器件的栅控能力，达到降低亚阈值斜率与提高导通电流密度的主要目的。所述发明通过常规栅槽刻蚀方法刻蚀部分P型氮化镓沟道层6，并利用金属-绝缘介质-半导体结构调控阈值电压，耗尽栅下区域的二维空穴气，同时恢复栅下区域的二维电子气；所述发明通过在常规栅槽的基础上进一步刻蚀开孔，使栅极9的部分区域可与下方恢复的二维电子气沟道形成N型欧姆接触，从而引入背栅，增强栅极的调控作用；所述发明通过设置铝氮插入层51及52的方式，提高势垒高度，从而抑制从源极10到栅极9的漏电；所述发明在器件开启时，二维电子气沟道进一步恢复，由电荷平衡原理，二维空穴气浓度提升，从而增大器件的导通电流密度。
本发明的有益效果为：作为P沟道氮化镓晶体管，具备增强型阈值电压、低亚阈值斜率和高导通电流密度的优良特点，并且其所选用的衬底及制造工艺与当前主流GaN N-HEMT器件兼容，解决了目前P沟道氮化镓晶体管电流小、开启慢、集成难等典型问题，可以作为实现GaN单片集成的优选方案。
附图说明
图1为本发明的具有背栅的P型沟道氮化镓晶体管的三维结构示意图；
图2为本发明的具有背栅的P型沟道氮化镓晶体管的剖面图(沿着图1中截面1)；
图3为本发明的具有背栅的P型沟道氮化镓晶体管的剖面图(沿着图1中截面2)；
图4为本发明的具有背栅的P型沟道氮化镓晶体管的剖面图(沿着图1中截面3)；
图5为本发明的具有背栅的P型沟道氮化镓晶体管的工艺流程中在衬底基片1上层依次进行外延生长后的结构示意图；
图6为本发明的具有背栅的P型沟道氮化镓晶体管的工艺流程中淀积介质钝化层后的结构示意图；
图7为本发明的具有背栅的P型沟道氮化镓晶体管的工艺流程中完成第一轮刻蚀栅槽后的结构示意图；
图8为本发明的具有背栅的P型沟道氮化镓晶体管的工艺流程中完成第二轮刻蚀栅槽后的结构示意图；
图9为本发明的具有背栅的P型沟道氮化镓晶体管的工艺流程中淀积栅介质后的结构示意图；
图10为本发明的具有背栅的P型沟道氮化镓晶体管的工艺流程中完成N型欧姆接触开孔后的结构示意图；
图11为本发明的具有背栅的P型沟道氮化镓晶体管的工艺流程中生长栅极金属后的结构示意图；
图12为本发明的具有背栅的P型沟道氮化镓晶体管的工艺流程中生长源极和漏极金属后的结构示意图；
图13为本发明的具有背栅的P型沟道氮化镓晶体管的多元胞排列版图示意图；
图14为本发明的具有背栅的P型沟道氮化镓晶体管的仿真转移特性(线性坐标)；
图15为本发明的具有背栅的P型沟道氮化镓晶体管的仿真转移特性(半对数坐标)。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
本发明提出了一种具有背栅的P沟道氮化镓晶体管结构及其制造方法，它在目前主流的基于双异质结的凹槽栅P沟道氮化镓晶体管结构基础上，利用栅下二维电子气沟道恢复引入背栅效应，从而提升器件的栅控能力，达到降低亚阈值斜率与提高导通电流密度的主要目的。
如图1所示，本发明提出的一种具有背栅的P沟道氮化镓晶体管，如图1所示，包含应力调制结构异质外延衬底基片1(硅基衬底)、设置在衬底基片1上表面的氮化镓缓冲层2、设置在氮化镓缓冲层2上表面的非故意掺杂氮化镓沟道层3、设置在非故意掺杂氮化镓沟道层3上的铝氮插入层51、设置在铝氮插入层51上的铝镓氮势垒层4、设置在铝镓氮势垒层4上的铝氮插入层52、设置在铝氮插入层52上的P型氮化镓沟道层6、设置P型氮化镓沟道层6上的介质钝化层7，之上所述的异质结构可在铝氮插入层52与P型氮化镓沟道层6界面处生成二维空穴气；所述金属电极包含栅极9、源极10、漏极11，其中栅极9沿水平面、垂直导通电流方向同时包含两种结构类型，一种为部分刻蚀P型氮化镓沟道层6后形成的自上而下分别是栅极9、栅介质层8、P型氮化镓沟道层6的金属-介质-半导体MIS结构(如图3所示)，另一种为完全刻蚀P型氮化镓沟道层6后形成的栅极9与二维电子气的N型欧姆接触(如图2所示)，所述栅极9的两种接触类型为多步工艺定义图形后分别形成，所述的源极10与漏极11为P型欧姆金属且在同一工艺步骤下实现。如图1所示器件结构为单个元胞结构，实际器件可由该元胞在沿水平面、垂直导通电流方向进行扩展构成多个元胞组成的阵列式结构，作为总栅宽更大的大尺寸器件(如图13)。
工作原理：
通过常规栅槽刻蚀方法刻蚀部分P型氮化镓沟道层6，并利用金属-绝缘介质-半导体结构调控阈值电压，耗尽栅下区域的二维空穴气，同时恢复栅下区域的二维电子气；通过在常规栅槽的基础上进一步刻蚀开孔，使栅极9的部分区域可与下方恢复的二维电子气沟道形成N型欧姆接触，从而引入背栅，增强栅极的调控作用；通过设置铝氮插入层51及52的方式，提高势垒高度，从而抑制从源极10到栅极9的漏电；随栅极上负电压偏置增大，二维电子气沟道进一步恢复，由电荷平衡原理，二维空穴气浓度提升，从而增大器件的导通电流密度。基于以上原因，如图4所示，器件同时具备了顶部的金属-绝缘介质-半导体栅控结构和背部的二维电子气-势垒层-二维空穴气(P型沟道)栅控结构，两者通过栅极9的部分区域的N型欧姆接触形成电学连接并形成同电位，共同控制栅下二维空穴气沟道的关断与开启；此外，铝氮插入层51及52的引入，阻断了源极10到栅极9的漏电通路，抑制了背栅结构导致的静态漏电，在提高保整体导通电流密度的同时保证了器件的栅控能力。
实施示例：
图5-图12为本发明一种具有背栅的P沟道氮化镓晶体管的制造工艺步骤示意图，其工艺流程如下：
第一步：在衬底基片1上层依次外延生长氮化镓缓冲层2、非故意掺杂氮化镓沟道层3、铝氮插入层51、氮化铝镓势垒层4、铝氮插入层52、P型氮化镓沟道层6，铝氮插入层51与52可只生长其中之一；
第二步：淀积介质钝化层7，钝化P型氮化镓材料表面；
第三步：采用光刻技术定义图形，采用干法或湿法刻蚀技术对栅极9位置进行刻蚀，完全刻蚀该区域的介质钝化层7，接着采用干法刻蚀技术对栅极位置进行第一轮刻蚀，部分刻蚀该区域的P型氮化镓导电层6，耗尽栅下二维空穴气沟道，恢复栅下二维电子气沟道；
第四步：采用光刻技术(优选电子束曝光)定义图形，采用干法刻蚀技术对栅极位置进行第二轮刻蚀，完全刻蚀部分该区域的P型氮化镓导电层6，刻蚀区域在第一轮(第三步)刻蚀得到的栅槽区域之内；
第五步：淀积栅介质层8，优选氮化硅、二氧化硅等高温耐受性良好的介质作为栅介质材料；
第六步：采用光刻技术(优选电子束曝光)定义图形，采用干法或湿法刻蚀技术对第四步中P型氮化镓导电层6被完全刻蚀的部分区域进行开孔(刻蚀开孔区域的栅介质层8)，开孔区域在第二轮(第四步)刻蚀的区域之内，且作为可选方案，可进一步刻蚀，使刻蚀中止面在铝氮插入层51或铝镓氮势垒层4或铝氮插入层52中；
第七步：采用光刻技术定义图形，采用蒸镀或溅射等方式生长N型欧姆金属，后在有机溶液中剥离形成栅极9，并在氮气氛围下进行高温快速退火，使栅极9的部分区域金属向下渗透，并与下方恢复的二维电子气沟道形成N型欧姆接触；
第八步：采用光刻技术定义图形，采用湿法刻蚀技术对源极10与漏极11位置进行刻蚀，完全刻蚀该区域的介质钝化层7，暴露出P型氮化镓沟道层6的表面，接着采用蒸镀或溅射等方式生长P型欧姆金属，后再有机溶液中剥离形成源极10与漏极11，并在氧气氛围或者氮、氧混合氛围下进行高温快速退火，使源极10与漏极11与下方二维空穴气沟道形成P型欧姆接触。
效果示例：
图13与图14为利用TCAD仿真软件获得的器件转移特性，在相同外延结构与固定器件宽长的条件下，相比目前主流的凹槽栅P沟道氮化镓晶体管，本发明一种具有背栅的P沟道氮化镓晶体管在亚阈值斜率和导通电流密度的表现上均有显著提升。
Claims (6)
1.一种氮化镓P-MOSFET晶体管结构及其制造方法，包括外延衬底基片(1)、设置在衬底基片(1)上表面的氮化镓缓冲层(2)、设置在氮化镓缓冲层(2)上表面的非故意掺杂氮化镓沟道层(3)、设置在非故意掺杂氮化镓沟道层(3)上的第一铝氮插入层(51)、设置在第一铝氮插入层(51)上的铝镓氮势垒层(4)、设置在铝镓氮势垒层(4)上的第二铝氮插入层(52)、设置在第二铝氮插入层(52)上的P型氮化镓沟道层(6)、设置P型氮化镓沟道层(6)上的介质钝化层(7)、以及金属电极，所述第二铝氮插入层(52)与P型氮化镓沟道层(6)的连接界面处生成二维空穴气；所述金属电极包括栅极(9)、源极(10)、漏极(11)，其中源极(10)和漏极(11)分别位于晶体管顶部的两端，栅极(9)位于晶体管顶部的中部，且源极(10)和漏极(11)沿器件垂直方向贯穿介质钝化层(7)后与P型氮化镓沟道层(6)的上表面接触；其特征在于，所述栅极(9)沿器件垂直方向贯穿介质钝化层(7)后，沿器件纵向方向，栅极(9)的两端沿器件垂直方向完全贯穿P型氮化镓沟道层(6)，而栅极(9)的中部沿器件垂直方向部分贯穿P型氮化镓沟道层(6)，并且在栅极(9)的两端沿器件横向方向的中部，还具有凸起结构，凸起结构沿器件垂直方向依次完全贯穿第二铝氮插入层(52)、铝镓氮势垒层(4)、第一铝氮插入层(51)后与非故意掺杂氮化镓沟道层(3)上表面接触；所述器件垂直方向、器件横向方向和器件纵向方向构成三维直角坐标系，并且器件横向方向是由源极(10)指向漏极(11)的方向，器件垂直方向是由器件顶部指向底部的方向；所述栅极(9)与第二铝氮插入层(52)的上表面之间、栅极(9)与P型氮化镓沟道层(6)之间、栅极(9)与源极(10)之间的介质钝化层(7)上表面、栅极(9)与漏极(11)之间的介质钝化层(7)上表面具有栅介质层(8)。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓P-MOSFET晶体管结构及其制造方法，其特征在于，所述栅极(9)位于P型氮化镓沟道层(6)中的部分是通过对P型氮化镓沟道层(6)进行部分刻蚀形成的，栅极(9)位于P型氮化镓沟道层(6)中的部分用于调控器件阈值电压，并恢复非故意掺杂氮化镓沟道层(3)与第一铝氮插入层(51)界面的二维电子气。
3.根据权利要求1所述的一种氮化镓P-MOSFET晶体管结构及其制造方法，其特征在于，所述栅极(9)位于P型氮化镓沟道层(6)中的部分通过栅极(9)、栅介质层(8)、P型氮化镓沟道层(6)形成MIS栅结构；栅极(9)除位于P型氮化镓沟道层(6)中以外的部分，通过与二维电子气形成N型欧姆接触，使栅极(9)与二维电子气等电位，将该部分二维电子气定义为背栅。
4.根据权利要求1所述的一种氮化镓P-MOSFET晶体管结构及其制造方法，其特征在于，所述第一铝氮插入层(51)和第二铝氮插入层(52)用于抑制从源极(10)到栅极(9)的漏电通路。
5.根据权利要求1所述的一种氮化镓P-MOSFET晶体管结构及其制造方法，其特征在于，所述栅介质层(8)为氮化硅、二氧化硅、三氧化二铝、氧化镁和二氧化铪中的一种或多种组合，厚度为1-100nm。
6.用于如权利要求1～7任意一项所述的一种氮化镓P-MOSFET晶体管结构及其制造方法的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：在衬底基片(1)上层依次外延生长氮化镓缓冲层(2)、非故意掺杂氮化镓沟道层(3)、第一铝氮插入层(51)、氮化铝镓势垒层(4)、第二铝氮插入层(52)、P型氮化镓沟道层(6)；
第二步：淀积介质钝化层(7)，钝化P型氮化镓材料表面；
第三步：采用干法或湿法刻蚀技术对栅极(9)位置进行第一轮刻蚀，完全刻蚀该区域的介质钝化层(7)，接着采用干法刻蚀技术对栅极(9)沿器件纵向方向中部位置进行刻蚀，部分刻蚀该区域的P型氮化镓导电层(6)，耗尽栅下二维空穴气沟道，恢复栅下二维电子气沟道；
第四步：采用干法刻蚀技术对栅极位置进行第二轮刻蚀，完全刻蚀栅极(9)沿器件纵向方向两端部分区域的P型氮化镓导电层(6)；
第五步：淀积栅介质层(8)；
第六步：采用干法或湿法刻蚀技术对第四步中P型氮化镓导电层(6)被完全刻蚀的部分区域进行开孔，开孔位置为沿器件横向方向的中部，刻蚀该区域的栅介质层(8)，并使刻蚀中止面在第一铝氮插入层(51)或铝镓氮势垒层(4)或第二铝氮插入层(52)中。
第七步：采用蒸镀或溅射等方式生长栅极(9)金属，并在氮气氛围下进行高温快速退火，使栅极(9)的部分区域与下方恢复的二维电子气沟道形成N型欧姆接触；
第八步：采用湿法刻蚀技术对源极(10)与漏极(11)位置进行刻蚀，完全刻蚀该区域的介质钝化层(7)，接着采用蒸镀或溅射等方式生长源极(10)与漏极(11)金属，并在氧气氛围或者氮、氧混合氛围下进行高温快速退火，使源极(10)与漏极(11)与下方二维空穴气沟道形成P型欧姆接触。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211170638.0A CN115440798A (zh) | 2022-09-23 | 2022-09-23 | 一种氮化镓p-mosfet晶体管结构及其制造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211170638.0A CN115440798A (zh) | 2022-09-23 | 2022-09-23 | 一种氮化镓p-mosfet晶体管结构及其制造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115440798A true CN115440798A (zh) | 2022-12-06 |
Family
ID=84249130
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211170638.0A Pending CN115440798A (zh) | 2022-09-23 | 2022-09-23 | 一种氮化镓p-mosfet晶体管结构及其制造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115440798A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118263310A (zh) * | 2024-05-30 | 2024-06-28 | 英诺赛科(苏州)半导体有限公司 | 一种双沟道氮化镓场效应晶体管、电路及性能调节方法 |
| CN118676199A (zh) * | 2024-08-21 | 2024-09-20 | 深圳平湖实验室 | 半导体器件及其制备方法、芯片、电子设备 |
-
2022
- 2022-09-23 CN CN202211170638.0A patent/CN115440798A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118263310A (zh) * | 2024-05-30 | 2024-06-28 | 英诺赛科(苏州)半导体有限公司 | 一种双沟道氮化镓场效应晶体管、电路及性能调节方法 |
| CN118263310B (zh) * | 2024-05-30 | 2024-09-20 | 英诺赛科(苏州)半导体有限公司 | 一种双沟道氮化镓场效应晶体管、电路及性能调节方法 |
| CN118676199A (zh) * | 2024-08-21 | 2024-09-20 | 深圳平湖实验室 | 半导体器件及其制备方法、芯片、电子设备 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110047910B (zh) | 一种高耐压能力的异质结半导体器件 | |
| CN108962977B (zh) | 一种集成SBD的碳化硅沟槽型MOSFETs及其制备方法 | |
| CN115440798A (zh) | 一种氮化镓p-mosfet晶体管结构及其制造方法 | |
| CN102364688B (zh) | 一种垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管 | |
| CN110148629A (zh) | 一种沟槽型碳化硅mosfet器件及其制备方法 | |
| CN110544723B (zh) | 具有部分碳化硅材料/硅材料异质结的u-mosfet及其制作方法 | |
| CN110190129B (zh) | 一种场效应管及其制备方法 | |
| WO2023236523A1 (zh) | 一种增强型N沟道和P沟道GaN器件集成结构 | |
| CN114899227A (zh) | 一种增强型氮化镓基晶体管及其制备方法 | |
| CN114725091A (zh) | 一种实现氮化镓cmos逻辑电路的结构 | |
| CN111081763B (zh) | 一种场板下方具有蜂窝凹槽势垒层结构的常关型hemt器件及其制备方法 | |
| CN113745331A (zh) | Iii族氮化物凹槽栅常关型p沟道hemt器件及其制作方法 | |
| WO2021072812A1 (zh) | 横向GaN基增强型结型场效应管器件及其制备方法 | |
| CN112820648B (zh) | 一种氮化镓金属氧化物半导体晶体管及其制备方法 | |
| CN210897283U (zh) | 一种半导体器件 | |
| CN219419037U (zh) | 一种沟槽型碳化硅mosfet器件 | |
| CN107527952B (zh) | 一种Nano-Fin栅结构的混合阳极二极管 | |
| CN108258040B (zh) | 具有宽带隙半导体衬底材料的绝缘栅双极晶体管及其制作方法 | |
| CN108598159B (zh) | 具有宽带隙半导体材料/硅半导体材料异质结的绝缘栅双极晶体管及其制作方法 | |
| CN116314302A (zh) | 一种沟槽型碳化硅mosfet器件的制造方法 | |
| CN110504313A (zh) | 一种横向沟槽型绝缘栅双极晶体管及其制备方法 | |
| CN115881774A (zh) | 一种具有阵列侧栅结构的hemt器件及其制备方法 | |
| CN104966732A (zh) | GaAs基pHEMT器件及其制备方法 | |
| CN115172451A (zh) | 一种基于PP异质结的结型栅增强型GaN器件 | |
| CN113725215A (zh) | 一种具有隔离结构的氮化镓集成电路 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |