CN115881774A

CN115881774A - 一种具有阵列侧栅结构的hemt器件及其制备方法

Info

Publication number: CN115881774A
Application number: CN202211371590.XA
Authority: CN
Inventors: 黄火林; 孙楠; 代建勋; 李大卫; 刘艳红; 李书兴; 黄辉
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2022-11-03
Filing date: 2022-11-03
Publication date: 2023-03-31

Abstract

一种具有阵列侧栅结构的HEMT器件及其制备方法，属于半导体器件技术领域。技术方案：在衬底上依次生长缓冲层、沟道层、势垒层，源极和漏极设置在势垒层上方，栅极设置在势垒层上方、并延伸至沟道层；位于栅极区的沟道层、势垒层、栅金属形成阵列侧栅结构，阵列侧栅包括若干由沟道层和势垒层构成的纵向截面为等腰梯形的结构，侧栅结构在沟道层一侧的外角为钝角弧形。有益效果：本发明利用对沟道分区域进行浅刻蚀和深刻蚀与栅金属/半导体功函数差相结合的方式来调节沟道电子浓度，有效提升器件阈值电压和输出电流。同时可以通过优化侧栅倾角α以减小峰值电场，从而有效降低栅极漏电。

Description

一种具有阵列侧栅结构的HEMT器件及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，尤其涉及一种具有阵列侧栅结构的HEMT器件及其制备方法。

背景技术

随着全球变暖和环境污染的加剧，为了缓解节能减排的压力，燃油车终将退出历史舞台，而电动汽车将迎来巨大的市场，使汽车动力电气化是汽车史上的重大变革。而电动汽车对高效率、高功率密度的要求非常严苛，使用氮化镓(GaN)元器件能够在减小器件体积的同时，提高功率密度和续航能力。作为第三代半导体材料，与碳化硅(SiC)相比，GaN的电子迁移速率更高，可以使器件开关频率更高，在开态和关态间的切换时间更短，几乎可以忽略，这样器件的开关损耗更小。同时GaN的热导率、击穿电场和电子密度更高，使用GaN器件能够起到提高功率转换效率、降低电池成本的作用。使用GaN的车载充电器与传统的车载充电器相比，充电速度会提升60％以上；当充电器体积相同时，GaN的车载充电器充电速度可以提升近3倍，且重量显著降低。

同时，GaN作为第三代半导体材料，近年在消费类电源市场中也得到了广泛应用。尤其是随着各大手机品牌纷纷入局GaN快充，使得GaN功率器件的性能得到进一步验证，同时也加速了GaN技术在快充市场中的普及。但从手机快充到电动汽车快充的过渡是新一轮的挑战，在5kV或者2kV的功率下为电动汽车进行快速充电是一个目标。GaN为电动汽车带来的好处绝非仅仅是让充电更快。当电力从电池传输到车轮的过程中，在使用以Si半导体为主的当下，会有30％甚至更多的能量损失。如果在转换器中使用GaN的功率器件，虽然仍然不能避免那30％甚至更多的能量损耗，让损耗为零，但可以利用GaN的高效率节省下来。从燃油车到电动汽车的转变还有续航的问题，这也可以通过使用GaN技术，提高电动汽车内部的能量转换效率、充电速度等方式来解决。

目前市场上已经有了成熟的GaN基常开型器件，但常关型器件更能满足实际应用。GaN的功率器件按开启电压，即栅端电压为0V时输出电流是否为0而分为常开型和常关型器件。由于常关型器件不需要额外施加电压即可实现电路的关断，所以在应用中可以保证电路更加安全，同时具有更低的损耗。

由于GaN材料本身的特点，在它的异质结构(例如AlGaN/GaN)界面处由于自发极化和压电极化效应会产生高浓度(～10¹³cm^-2)、高迁移率(～2000cm²/V·s)的二维电子气(2DEG)，这使得正常制备的GaN功率器件属于常开型。目前，实现常关型器件的方法主要有三种，分别是刻蚀栅区势垒层形成凹栅结构、栅区势垒层注入氟离子形成氟化栅和栅下插入p型GaN层。凹栅结构通过将栅下势垒层全刻蚀或部分刻蚀来耗尽栅下区域沟道中的2DEG，从而实现常关型操作，此方案在刻蚀的过程中引入的界面态会对器件的性能造成很大的影响，同时对刻蚀的精度要求非常高。此外在使用6/8寸晶圆进行批量生产时，刻蚀的均匀性也非常难以控制。氟化栅结构是通过离子注入技术实现的，利用氟离子强的电负性排斥栅下沟道中的2DEG，从而实现常关型操作。p型GaN层技术通过在栅下插入p型材料，利用内建电场来耗尽栅下沟道中的2DEG，是目前较稳定的方案，也是现在产业化在推进的方案。

凹栅结构通过将栅下势垒层刻蚀掉来耗尽栅下沟道中的2DEG来实现常关型操作，此方法刻蚀势垒层时的刻蚀深度与器件阈值电压的大小密切相关，当刻蚀后AlGaN剩余的越少，该器件的阈值电压越大。然而当AlGaN剩余的越少，器件的导通电阻会越大，这与使用GaN材料的低损耗相背。所以如何获得大阈值电压器件的同时，得到低的导通电阻是该方案待解决的问题之一。此外在大面积晶圆上进行批量生产时，如何在保证刻蚀的准确性与均匀性的同时实现常关型操作也是该方案需要解决的问题。氟化栅结构利用氟离子较强的电负性耗尽沟道中的2DEG，该方案不会破坏势垒层，但注入的氟离子的分布较难控制，同时器件的热稳定性与可靠性较差，这是该方案目前面临的问题。p型GaN层技术通过内建电场耗尽沟道2DEG，该方案目前存在的主要问题是阈值电压太小，在实际的电路应用中，容易导致电路的误开通，这主要是由于栅下p型GaN层无法实现高浓度的p型掺杂所导致。同时该方案的栅极耐压较低，容易导致器件在使用过程中损坏。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有阵列侧栅结构的HEMT器件及其制备方法，侧栅的设计可以提高器件的开启电压，同时阵列状的栅极可以有效提升器件的导通电流密度，实现GaN HEMT器件稳定的、大的阈值电压和高导通电流密度的常关型操作。

技术方案如下：

一种具有阵列侧栅结构的HEMT器件，包括：衬底、缓冲层、沟道层、势垒层、源极、漏极、栅极，在所述衬底上依次生长缓冲层、沟道层、势垒层，所述源极和漏极设置在所述势垒层上方，所述栅极设置在所述势垒层上方、并延伸至所述沟道层；位于栅极区的沟道层、势垒层、栅金属形成阵列侧栅结构，所述阵列侧栅结构包括若干由沟道层和势垒层构成的纵向截面为等腰梯形的侧栅结构，所述侧栅结构在所述沟道层一侧的外角为α，α为钝角弧形。

进一步的，所述衬底为硅、蓝宝石、碳化硅或GaN的任意一种。

进一步的，所述缓冲层为GaN，所述缓冲层的高度为2～10μm。

进一步的，所述沟道层为GaN，所述沟道层的高度为100nm。

进一步的，所述势垒层为AlGaN或可以与GaN的界面产生2DEG的材料，所述势垒层的高度为20～50nm。

进一步的，还包括1nm的AlN插入层，所述插入层位于所述沟道层和势垒层之间。

本发明还包括一种具有阵列侧栅结构的HEMT器件制备方法，步骤如下：

S1、外延生长：在衬底上通过金属有机化合物化学气相沉积法生长外延层；

S2、台面刻蚀：通过光刻法和半导体刻蚀法或离子注入法将器件隔离；

S3、源、漏欧姆接触电极制备：使用半导体光刻法定义源、漏电极区域后通过金属沉积方法沉积器件源、漏金属，将非电极区域金属剥离后通过高温快速热退火使金属合金化，形成欧姆接触；

S4、沟道区刻蚀：使用半导体光刻法与半导体刻蚀工艺制作出所需的栅区浅刻蚀和沟道层深刻蚀区域，所述阵列侧栅包括若干由沟道层和势垒层构成的纵向截面为等腰梯形的结构，阵列侧栅结构在所述沟道层一侧的外角为α，α为钝角弧形；

S5、栅介质层沉积：通过薄膜生长法沉积所需薄膜作为栅介质层；

S6、栅电极制备：使用半导体光刻法定义栅电极区域后通过金属沉积方法沉积器件栅金属，将非电极区域金属剥离后形成栅电极；

S7、器件钝化层沉积与电极开口：使用薄膜生长法沉积所需薄膜作为钝化层，然后通过光刻法定义源、漏和栅金属区域，通过半导体刻蚀技术，将暴露出的金属上方的钝化层刻蚀掉，形成电极开口方便随后封装引线。

进一步的，步骤S2中，采用电感耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀设备，利用Cl基气体对样品进行800～1000nm的深刻蚀，实现器件隔离。

进一步的，步骤S3中，样品通过光刻显影后，暴露出源、漏电极区域，采用电子束蒸发沉积Ti/Al/Ni/Au复合金属结构，剥离非电极区域的金属后，在750℃氮气中退火35s，形成欧姆接触。

进一步的，步骤S6中，样品通过光刻显影后，暴露出栅电极区域，采用电子束蒸发沉积Ni/Au复合金属结构，栅电极覆盖A、B两个区域，并且栅金属覆盖到A、B两区域的侧壁。

本发明的有益效果是：

本发明所述的具有阵列侧栅结构的常关型器件，通过利用对沟道分区域进行浅刻蚀和深刻蚀与栅金属/半导体功函数差相结合的方式来调节沟道电子浓度，有效提升器件阈值电压和输出电流。同时可以通过优化侧栅倾角α以减小峰值电场，从而有效降低栅极漏电。对比传统凹栅结构，该方案提出器件的阈值电压大小不仅由栅区浅刻蚀深度决定，侧栅金属/半导体功函数差也可以调节沟道中的电子浓度，所以对栅区浅刻蚀精度的要求相对较低。此外，由于栅区浅刻蚀区域仅需刻蚀势垒层总厚度的30～50％，对沟道的损耗并不大。其次，深刻蚀区域的线宽很小，一般为浅刻蚀区域线宽的1/3～1/5左右，这使得器件的实际导通线宽仍然很大。两者相结合作用，使器件在具有较大阈值电压的同时还可以保持较大的输出电流。该方案器件的制备工艺简单且稳定，更易于实现大阈值电压、低导通电阻的常关型器件，可以避免在实际应用中器件的误开启和开关损耗。同时侧栅倾角的优化还可以减小器件的栅区漏电，增加栅击穿电压，延长器件使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明1具有阵列侧栅结构的三维立体图；

图2为本发明1器件沟道区刻蚀后的俯视图；

图3为本发明2具有阵列侧栅结构的三维立体图；

图4为本发明2器件沟道区刻蚀后的俯视图；

图5为本发明1和2器件栅极区域纵向截面图；

图6为常规凹栅HEMT与阵列侧栅HEMT器件转移曲线图；

图7为阵列侧栅HEMT器件具有不同栅金属功函数时的转移曲线图；

图8为阵列侧栅HEMT器件具有不同栅宽时的转移曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合附图1～8对具有阵列侧栅结构的HEMT器件及其制备方法做进一步说明。

实施例1

为了解决上述技术问题，实现GaN HEMT器件稳定的、大的阈值电压和高导通电流密度的常关型操作，本专利申请提出了一种具有阵列侧栅结构的常关型器件的新方案。器件的结构示意图如图1～5所示，其中图1为具有阵列侧栅器件的三维结构图，图2为器件沟道区刻蚀后的俯视图，图3和4为其他具有阵列侧栅结构器件的三维结构图和沟道区刻蚀后的俯视图，图5为器件栅极区域纵向截面图。

本发明中的侧栅设计将首先对栅区势垒层进行浅刻蚀(如图2和4中的A区)，刻蚀深度为势垒层总厚度的30～50％，从而确保沟道电子仍然具有较高的迁移率。在此基础上进一步进行势垒层的深刻蚀(如图2和4中的B区)形成阵列侧栅结构，经过优化倾角α(如图5中所示)和刻蚀工艺后，侧栅角落将形成钝角弧形，峰值电场明显减小，从而有效降低栅区漏电。其次，深刻蚀区域的线宽很小，一般为浅刻蚀区域线宽的1/3～1/5左右，这使得器件可以保持较大的输出电流。另外，该方案沟道深刻蚀区域彻底切断了2DEG沟道，阈值电压受沟道浅刻蚀区域的影响减弱，同时器件利用侧栅金属/半导体功函数差来调节沟道电子浓度，有效提升常关型器件的阈值电压。

本专利申请目标器件的实现过程说明如下：

1)外延生长：在Si片上通过金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)生长GaN外延层。

2)台面刻蚀：通过光刻技术和半导体刻蚀技术或离子注入技术将器件隔离。

3)源、漏欧姆接触电极制备：使用半导体光刻技术定义源、漏电极区域后通过金属沉积方法沉积器件源、漏金属，将非电极区域金属剥离后通过高温快速热退火使金属合金化，形成欧姆接触。

4)沟道区刻蚀：使用半导体光刻技术分别定义沟道浅刻蚀和深刻蚀区域后通过半导体刻蚀技术制作出所需图形。

5)栅介质层沉积：通过薄膜生长技术沉积所需薄膜作为栅介质层。

6)栅电极制备：使用半导体光刻技术定义栅电极区域后通过金属沉积方法沉积栅金属，将非电极区域金属剥离后形成栅电极。

7)器件钝化层沉积与电极开口：使用薄膜生长技术沉积所需薄膜作为钝化层，然后通过光刻技术定义源、漏和栅金属区域，通过半导体刻蚀技术，将暴露出的金属上方的钝化层刻蚀掉，形成电极开口方便随后封装引线。

本发明技术的关键点在于沟道区域的设计，侧栅结构不仅可以调节沟道电子浓度，提高器件的阈值电压，同时侧栅倾角α的优化还可以减小栅极漏电，提高栅击穿电压，延长器件使用寿命。同时本方案中实现大阈值电压的手段并不单一的依靠沟道区域势垒层的浅刻蚀(如图2和4中的A区)，所以对浅刻蚀工艺的要求并不是非常大。该方案中器件的制作工艺稳定可控，适合在大面积晶圆上批量生产。由于沟道浅刻蚀区域的刻蚀深度较小，同时深刻蚀区域(如图2和4中的B区)的线宽较小，所以对器件导通电流的影响也很小，从而减小器件的开关损耗。以上所述仅为本发明的具体实施方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明技术方案对现有的常关型功率器件制作是个重要的技术补充。本发明所述的实施例并非对本发明内容进行限定，其他具有2DEG的异质结HEMT器件都适用于本发明提案涉及范围。任何其他欧姆接触电极制作工艺(包括不同的金属选择、沉积方法、退火条件)、台面刻蚀或栅区刻蚀工艺，在基于实现本发明所述保持良好电流导通能力并减小栅极漏电能力和提高阈值电压功能的目的，都适用于本发明提案设计范围。同样的，材料结构参数和电极尺寸的改变或等同替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

实施例2

本实施例对目标器件的具体实施例制作流程说明如下：

1)外延生长：在硅、蓝宝石、碳化硅或GaN自支撑衬底上生长外延层，包括2～10μm的GaN高阻缓冲层、100nm的GaN沟道层、1nm的AlN插入层和20～50nm的AlGaN势垒层(其中Al组分为0.2～0.3)。

2)器件隔离：样品通过光刻显影后，暴露出非器件制备区域，采用电感耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀设备，利用Cl基气体对样品进行800～1000nm的刻蚀，实现器件隔离。

3)源、漏电极制备：样品通过光刻显影后，暴露出源、漏电极区域，采用电子束蒸发沉积Ti/Al/Ni/Au(35/100/55/60nm)复合金属结构，剥离非电极区域的金属后，在750℃氮气中退火35s，形成欧姆接触。

4)沟道区域浅刻蚀：样品通过光刻显影后，定义出沟道A区(如图2和4所示)，采用步骤2)中提到的刻蚀工艺将暴露出来的势垒层刻掉，刻蚀深度为势垒层总厚度的30～50％。

5)沟道区域深刻蚀：样品通过光刻显影后，定义出沟道B区(如图2和4所示)，采用步骤2)中提到的刻蚀工艺将暴露出来的势垒层刻掉，过刻蚀到GaN下50～100nm处。

6)栅介质层沉积：采用(等离子体增强)原理层沉积或等离子体增强化学气相沉积的方法生长氧化铝或氮化硅等介质层，介质层厚度为5～30nm。

7)栅电极制备：样品通过光刻显影后，暴露出栅电极区域，采用电子束蒸发沉积Ni/Au(100/60nm)复合金属结构，栅电极覆盖栅极的A、B两个区域，同时保证栅金属覆盖到A、B两区域的侧壁。

8)器件钝化与电极开口：使用步骤6)中的薄膜沉积工艺生长氧化硅或氮化硅等作为钝化层，钝化层厚度为0.5～1μm。样品通过光刻显影后，暴露出电极区域，然后采用步骤2)中提到的刻蚀工艺将暴露出来的钝化层完全刻掉，露出电极金属，方便后续引线。

本发明实施例中器件结构尺寸如下：栅、源电极之间的距离L_GS＝3μm，栅、漏电极之间的距离L_GD＝6μm，栅极长度L_G＝1μm，AlGaN势垒层的厚度为25nm，Al组分为0.27，沟道区浅刻蚀的深度为10nm，宽度为W_GA，深刻蚀深度为100nm，宽度W_GB＝0.1μm，栅金属功函数为W_f。图6为常规凹栅HEMT与阵列侧栅HEMT器件转移曲线的对比；图7为阵列侧栅HEMT器件具有不同栅金属功函数时的转移曲线；图8为阵列侧栅HEMT器件具有不同栅宽时的转移曲线。

通过对比图6中数据，可以看出阵列侧栅HEMT确实可以提高器件的阈值电压，且关态时器件漏电更低；通过对比图7和8，可以得出阵列侧栅结构是通过栅金属附着在栅阵列侧壁利用功函数来进一步耗尽沟道中的2DEG来提高器件阈值电压的，这与本发明所提出的设想符合。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有阵列侧栅结构的HEMT器件，其特征在于，包括：衬底、缓冲层、沟道层、势垒层、源极、漏极、栅极，在所述衬底上依次生长缓冲层、沟道层、势垒层，所述源极和漏极设置在所述势垒层上方，所述栅极设置在所述势垒层上方、并延伸至所述沟道层；位于栅极区的沟道层、势垒层、栅金属形成阵列侧栅结构，所述阵列侧栅结构包括若干由沟道层和势垒层构成的纵向截面为等腰梯形的侧栅结构，所述侧栅结构在所述沟道层一侧的外角为α，α为钝角弧形。

2.如权利要求1所述的具有阵列侧栅结构的HEMT器件，其特征在于，所述衬底为硅、蓝宝石、碳化硅或GaN的任意一种。

3.如权利要求1所述的具有阵列侧栅结构的HEMT器件，其特征在于，所述缓冲层为GaN，所述缓冲层的高度为2～10μm。

4.如权利要求1所述的具有阵列侧栅结构的HEMT器件，其特征在于，所述沟道层为GaN，所述沟道层的高度为100nm。

5.如权利要求1所述的具有阵列侧栅结构的HEMT器件，其特征在于，所述势垒层为AlGaN或可以与GaN的界面产生2DEG的材料，所述势垒层的高度为20～50nm。

6.如权利要求1所述的具有阵列侧栅结构的HEMT器件，其特征在于，还包括1nm的AlN插入层，所述插入层位于所述沟道层和势垒层之间。

7.一种具有阵列侧栅结构HEMT器件的制备方法，其特征在于，步骤如下：

8.如权利要求7所述的具有阵列侧栅结构的HEMT器件制备方法，其特征在于，步骤S2中，采用电感耦合等离子体刻蚀或反应离子刻蚀设备，利用Cl基气体对样品进行800～1000nm的深刻蚀，实现器件隔离。

9.如权利要求7所述的具有阵列侧栅结构的HEMT器件制备方法，其特征在于，步骤S3中，样品通过光刻显影后，暴露出源、漏电极区域，采用电子束蒸发沉积Ti/Al/Ni/Au复合金属结构，剥离非电极区域的金属后，在750℃氮气中退火35s，形成欧姆接触。

10.如权利要求7所述的具有阵列侧栅结构的HEMT器件制备方法，其特征在于，步骤S6中，样品通过光刻显影后，暴露出栅电极区域，采用电子束蒸发沉积Ni/Au复合金属结构，栅电极覆盖A、B两个区域，并且栅金属覆盖到A、B两区域的侧壁。