CN116190438A - 一种AlGaN/GaN垂直型高电子迁移率晶体管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种AlGaN/GaN垂直型高电子迁移率晶体管及其制作方法；是解决场板技术应用到具有垂直型漂移区的器件中时，会出现垂直型漂移区容易受电荷不平衡的影响，从而影响到导通电流的问题；包括GaN材料的衬底；依次生长在衬底上方的N型漂移区、GaN沟道层和AlGaN势垒层，在AlGaN势垒层上表面形成的源区，源区内设置源极；在N型漂移区左右两侧形成相同数量的P型浮空埋层，在N型漂移区上部形成P型阻挡层；通过对N型漂移区、P型阻挡层、GaN沟道层和AlGaN势垒层中部贯通刻蚀形成多层台阶状介质沟槽，介质沟槽的每侧内壁上设置有多层台阶状的氧化层，在两侧氧化层之间淀积SIPOS场板；在SIPOS场板上方淀积多晶硅，设置在多晶硅上方的栅极和钝化层，两个源极共接。
Description
技术领域
本发明涉及AlGaN/GaN垂直型体场效应晶体管，具体涉及一种AlGaN/GaN垂直型高电子迁移率晶体管及其制作方法。
背景技术
GaN(氮化镓)材料具有大的禁带宽度、高临界击穿电场和高电子饱和漂移速度等特点，因此其在大功率、高温以及高频的电力电子领域有非常广阔的应用前景；目前在GaN基晶体管中，AlGaN(铝镓氮)/GaN垂直型高电子迁移率晶体管是被广泛研究的对象之一；2001年，UmeshK在报告中成功制作并测试了第一个AlGaN/GaN垂直型器件，这是史上第一次成功制作GaN基垂直型器件，揭开了垂直型器件研究的新篇章，具有重要意义。
场板技术是一种常用的终端技术，广泛地应用于高压功率半导体器件中，通过场板技术可以有效改善器件中的电场分布，从而提高器件的击穿电压。
根据工艺的不同，场板可以分为金属场板和电阻场板；电阻场板一般采用半绝缘多晶硅(SIPOS)技术，这是因为电阻场板为非等势场板，即在场板上有均匀电势压降，从而在场板与器件表面之间具有均匀的电势差，因此会在漂移区上产生多数载流子积累，积累的电子可以降低器件的比导通电阻(Ron,sp)，同时场板也会均匀漂移区电场分布，提高器件耐压值；但是当场板技术应用到具有垂直型漂移区的器件中时，会出现垂直型漂移区容易受电荷不平衡的影响，从而影响到导通电流。
为了解决垂直型漂移区容易受电荷不平衡的影响，提出了超结和半超结结构的器件，但是具有超结和半超结结构的器件存在成本过高，导通电流较小的问题。
发明内容
本发明的目的是解决场板技术应用到具有垂直型漂移区的器件中时，会出现垂直型漂移区容易受电荷不平衡的影响，从而影响到导通电流的问题，而提供了一种AlGaN/GaN垂直型高电子迁移率晶体管及其制作方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种AlGaN/GaN垂直型高电子迁移率晶体管,包括：
GaN材料的衬底；
衬底下端经离子注入形成的漏区；
设置在漏区下表面的漏极；
依次生长在衬底上方的N型漂移区、GaN沟道层和AlGaN势垒层；
其特殊之处在于，还包括：
在N型漂移区左右两侧经离子注入和退火，分别形成的N个相同数量的P型浮空埋层，以及在N型漂移区上部经掺杂形成的P型阻挡层，其中N≥1；左右两侧的P型浮空埋层对称设置；
通过对N型漂移区、P型阻挡层、GaN沟道层和AlGaN势垒层中部贯通刻蚀形成直达衬底的多层台阶状介质沟槽，且介质沟槽大径端位于上方，介质沟槽的每侧内壁上设置有多层台阶状的氧化层，在两侧氧化层之间淀积SIPOS场板；在SIPOS场板上方淀积多晶硅，在多晶硅上方依次设置栅极和钝化层；
介质沟槽的台阶位于两侧的N型漂移区之间、和/或两侧的GaN沟道层之间、和/或两侧的AlGaN势垒层之间；
通过离子注入在介质沟槽两侧的AlGaN势垒层上表面形成源区；
在每个源区内设置有源极，介质沟槽两侧的两个源极共接。
进一步地，N型漂移区的厚度为4μm～10μm；
P型浮空埋层的厚度为0.5μm～2μm；
P型阻挡层的厚度为0.5μm～1μm；
GaN沟道层的厚度为0.04μm～0.08μm；
AlGaN势垒层的厚度为0.01μm～0.05μm；
氧化层的厚度为0.05μm～0.5μm。
进一步地，SIPOS场板上端的中部设置有凹槽，在凹槽内自下而上淀积所述多晶硅。
进一步地，氧化层的台阶数与介质沟槽的台阶数相同，为2～5个。
进一步地，氧化层的台阶数与介质沟槽的台阶数相同，为2个。
进一步地，衬底的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1018cm-3；
N型漂移区的掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3；
P型浮空埋层的掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3；
P型阻挡层的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1018cm-3。
进一步地，AlGaN势垒层中，Al组分比例为15％～30％。
进一步地，SIPOS场板的掺氧比例为15％～35％；
SIPOS场板的电阻率为106Ω·cm～1012Ω·cm。
进一步地，漏区的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3。
本发明还提出上述一种AlGaN/GaN垂直型高电子迁移率晶体管的制作方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)在氮化镓材料N+衬底上生长氮化镓外延层作为N型漂移区；
2)分别在N型漂移区左、右两侧通过P型离子注入和退火，形成相互对称的至少一个P型浮空埋层；
3)在N型漂移区的上部通过P型离子注入和退火形成P型阻挡层；
4)在P型阻挡层上方自下而上依次生长GaN沟道层与AlGaN势垒层；
5)对N型漂移区、P型阻挡层、GaN沟道层以及AlGaN势垒层进行刻蚀，形成上下贯通，直达衬底的多层台阶状介质沟槽；
6)通过离子注入在介质沟槽两侧的AlGaN势垒层上表面形成源区；
7)在AlGaN势垒层上表面刻蚀接触孔，在接触孔内淀积金属并刻蚀形成源极，并将介质沟槽两侧的源极共接；
8)在介质沟槽两侧形成多层台阶状的氧化层；
9)在两侧氧化层之间淀积SIPOS场板；
10)在SIPOS场板上方淀积多晶硅，在多晶硅上表面淀积形成栅极；
11)在栅极上表面淀积钝化层；
12)衬底下表面通过离子注入形成漏区，漏区下方设置漏极。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用P型离子注入和退火在N型漂移区内形成P型浮空埋层，通过刻蚀在N型漂移区、P型阻挡层、GaN沟道层和AlGaN势垒层之间形成多层台阶状介质沟槽，并在多层台阶状介质沟槽内淀积多层台阶状的氧化层和SIPOS场板，在晶体管关断时，氧化层和SIPOS场板在纵向电场变化不大的情况下，极大地提高了N型漂移区的横向电场，进一步优化N型漂移区中间的电场分布，因而大幅度提高了器件的击穿电压(BV)，并且由于P型浮空埋层的存在，可以大幅度提高器件N型漂移区的掺杂浓度，使得器件导通时具有较低的导通损耗，从而提高了导通电流。
总的来说，基于P型浮空埋层和多层台阶状的SIPOS场板晶体管相比现有的垂直型GaN器件，在相同漂移区长度的情况下，具有更高的耐压和更低的导通损耗，其具有更好的性能。
2、本发明通过在左右两侧形成相同数量的P型浮空埋层，并且左右两侧的P型浮空埋层对称设置，保证介质沟槽左右两侧的N型漂移区上的导通损耗的一致性，从而保证了介质沟槽左右两侧的N型漂移区上导通电流的一致性。
3、本发明中，介质沟槽的台阶位于两侧的N型漂移区之间、和/或两侧的GaN沟道层之间、和/或两侧的AlGaN势垒层之间，从而可以在器件关闭时，均匀漂移区之间的横向电场分布。
4、本发明通过在SIPOS场板上端的中部设置凹槽，并在凹槽内部设置自下而上淀积多晶硅，可以通过多晶硅的侧壁感应电流，进一步降低导通损耗，提高导通电流。
5、本发明中，氧化层的台阶数与介质沟槽的台阶数相同，数量为2～5个，可进一步降低漂移区的电场峰值，同时2～5个台阶，也利于工艺的实现，降低制作复杂度。
附图说明
图1是本发明实施例的结构原理示意图；
图2是本发明与现有结构的导通电阻对比图；
图中，1、源极；2、氧化层；3、栅极；4、钝化层；5、AlGaN势垒层；6、GaN沟道层；7、P型阻挡层；8、N型漂移区；9、P型浮空埋层；10、多晶硅；11、SIPOS场板；12、衬底；13、漏极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明提出的一种AlGaN/GaN垂直型高电子迁移率晶体管，括：氮化镓材料的衬底12，衬底12掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1018cm-3；在衬底12下部经掺杂形成漏区，漏区掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3，漏区下表面设置有漏极13。
在氮化镓材料N+衬底12上外延生长形成氮化镓材料的N型漂移区8，N型漂移区8厚度根据器件击穿电压要求确定，厚度范围为4μm～10μm，掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3；
通过离子注入和退火在N型漂移区8两侧分别形成两个P型浮空埋层9，并且左右两侧的P型浮空埋层9对称设置，P型浮空埋层9的厚度为0.5μm～2μm；掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3；
在N型漂移区8的上部通过P型离子注入和退火形成P型阻挡层7，P型阻挡层7的厚度为0.5μm～1μm,掺杂浓度根据器件击穿电压要求确定，范围为1×1017cm-3～1×1018cm-3；
在N型漂移区8的上方依次生长GaN沟道层6和AlGaN势垒层5，GaN沟道层6的厚度为0.04μm～0.08μm；AlGaN势垒层5的厚度为0.01μm～0.05μm，AlGaN势垒层5中，Al组分比例为15％～30％。
在N型漂移区8、P型阻挡层7、GaN沟道层6和Al GaN势垒层5的中间区域进行深度递增的多次刻蚀，形成直达衬底12的阶梯型介质沟槽，阶梯型介质沟槽的径向尺寸依次减小，介质沟槽的阶梯数为2个，且均位于介质沟槽两侧的N型漂移区8之间，在两侧的介质沟槽表面生长阶梯数与介质沟槽阶梯数相同的氧化层2，氧化层2的厚度根据器件击穿电压要求确定，范围为0.05μm～0.5μm；
在两侧的氧化层2之间区域自下而上淀积SIPOS场板11，SIPOS场板11的两侧为阶梯型，SIPOS场板11的上端中部设置有凹槽；SIPOS场板11的掺氧比例和电阻率根据器件击穿电压确定，掺氧比例为15％～35％，电阻率为106Ω·cm～1012Ω·cm；
在凹槽内自下而上淀积多晶硅10，在多晶硅10上方自下而上依次淀积栅极3和钝化层4。
在介质沟槽两侧的AlGaN势垒层5上表面刻蚀接触孔，在接触孔内淀积金属并刻蚀形成源极1，并将介质沟槽两侧的源极1共接。
本发明提出的一种AlGaN/GaN垂直型高电子迁移率晶体管，具有槽栅结构，主要在N型漂移区8中间引入阶梯型氧化层2和SIPOS场板11，阶梯型SIPOS场板11上方与器件的栅电极连接，下方穿过整个漂移区与器件的衬底12连接；在N型漂移区8两侧进行P型掺杂，形成多个P型浮空埋层9。
器件在导通时，在氧化层2与N型漂移区8表面形成导电沟道，器件的正向比导通电阻(Ron,sp)大幅降低,单位面积的电流导通能力更强；
在器件关断时，利用阶梯型SIPOS场板11的电场调制作用，可优化内部电场，使电场分布更均匀，在浮空P型埋层周围的N型漂移区8内形成比较均衡的PN结结构，借助PN结的耐压原理，因此两者结合可大幅度提高器件的击穿电压(BV)。
结合以上优势，本发明具有更高的耐压和更低的导通损耗。
本发明还提出上述晶体管的制作方法，包括以下步骤：
1)在掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1018cm-3的氮化镓材料N+衬底12上生长掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3、厚度为4μm～10μm氮化镓外延层作为N型漂移区8；
2)分别在N型漂移区8左、右两侧通过P型离子注入和退火，形成厚度为0.5μm～2μm、掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3且相互对称的四个P型浮空埋层9；
3)在N型漂移区8的上部通过P型离子注入和退火形成掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1018cm-3、厚度为0.5μm～1μmP型阻挡层7；
4)在P型阻挡层7上方自下而上依次生长厚度为0.04μm～0.08μm的GaN沟道层6与厚度为0.01μm～0.05μm的AlGaN势垒层5；
5对N型漂移区8、P型阻挡层7、GaN沟道层6以及AlGaN势垒层5进行刻蚀，形成上下贯通，直达衬底12的两层台阶状介质沟槽；
6)通过离子注入在介质沟槽两侧的AlGaN势垒层5上表面形成源区；
7)在AlGaN势垒层5上表面刻蚀接触孔，在接触孔内淀积金属并刻蚀形成源极1，并将介质沟槽两侧的源极1共接；
8)在介质沟槽两侧形成多层台阶状的氧化层2；
9)在两侧氧化层2之间淀积掺氧比例为15％～35％、电阻率为106Ω·cm～1012Ω·cm的SIPOS场板11；
10)在SIPOS场板11的凹槽内淀积多晶硅10，在多晶硅10上表面淀积形成栅极3；
11)在栅极3上表面淀积钝化层4；
12)衬底12下表面通过离子注入形成掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3的漏区，漏区下方设置漏极13。
如图2所示，经ISE-TCAD仿真，本发明提出的新型器件的性能较之于传统AlGaN/GaN垂直型器件明显提升，两种器件具有相等的N型漂移区8长度7μm时，新型器件的阶梯个数为2个，漏区掺杂浓度为1×1018cm-3，P型浮空埋层9为2个，衬底12的掺杂浓度为1×1017cm-3，P型浮空埋层9的厚度为1μm，掺杂浓度为1×1016cm-3；N型漂移区8掺杂浓度为1.5×1016cm-3，厚度为7μm，P型阻挡层7的厚度为0.5μm，P型阻挡层7的掺杂浓度为3×1017cm-3；GaN沟道层6的厚度为0.04μm，AlGaN势垒层5的厚度为0.02μm，Al组分比例为15％；氧化层2厚度为0.05μm，SIPOS场板11电阻率为1010Ω·cm；如图所示，传统器件击穿电压仅为1253V左右，而新型器件的击穿电压在1928V，提高了约53.8％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换的方案也落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种AlGaN/GaN垂直型高电子迁移率晶体管,包括：
GaN材料的衬底(12)；
衬底(12)下端经离子注入形成的漏区；
设置在漏区下表面的漏极(13)；
依次生长在衬底(12)上方的N型漂移区(8)、GaN沟道层(6)和AlGaN势垒层(5)；
其特征在于，还包括：
在N型漂移区(8)左右两侧经离子注入和退火，分别形成的N个相同数量的P型浮空埋层(9)，以及在N型漂移区(8)上部经掺杂形成的P型阻挡层(7)，其中N≥1；左右两侧的P型浮空埋层(9)对称设置；
通过对N型漂移区(8)、P型阻挡层(7)、GaN沟道层(6)和AlGaN势垒层(5)中部贯通刻蚀形成直达衬底(12)的多层台阶状介质沟槽，且介质沟槽大径端位于上方，介质沟槽的每侧内壁上设置有多层台阶状的氧化层(2)，在两侧氧化层(2)之间淀积SIPOS场板(11)；在SIPOS场板(11)上方淀积多晶硅(10)，在多晶硅(10)上方依次设置栅极(3)和钝化层(4)；
介质沟槽的台阶位于两侧的N型漂移区(8)之间、和/或两侧的GaN沟道层(6)之间、和/或两侧的AlGaN势垒层(5)之间；
通过离子注入在介质沟槽两侧的AlGaN势垒层(5)上表面形成源区；在每个源区内设置有源极(1)，介质沟槽两侧的两个源极(1)共接。
2.根据权利要求1所述的一种AlGaN/GaN垂直型高电子迁移率晶体管,其特征在于：
N型漂移区(8)的厚度为4μm～10μm；
P型浮空埋层(9)的厚度为0.5μm～2μm；
P型阻挡层(7)的厚度为0.5μm～1μm；
GaN沟道层(6)的厚度为0.04μm～0.08μm；
AlGaN势垒层(5)的厚度为0.01μm～0.05μm；
氧化层(2)的厚度为0.05μm～0.5μm。
3.根据权利要求2所述的一种AlGaN/GaN垂直型高电子迁移率晶体管,其特征在于：
SIPOS场板(11)上端的中部设置有凹槽，在凹槽内自下而上淀积所述多晶硅(10)。
4.根据权利要求3所述的一种AlGaN/GaN垂直型高电子迁移率晶体管,其特征在于：
氧化层(2)的台阶数与介质沟槽的台阶数相同，为2～5个。
5.根据权利要求4所述的一种AlGaN/GaN垂直型高电子迁移率晶体管,其特征在于：
氧化层(2)的台阶数与介质沟槽的台阶数相同，为2个。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种AlGaN/GaN垂直型高电子迁移率晶体管,其特征在于：
衬底(12)的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1018cm-3；
N型漂移区(8)的掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3；
P型浮空埋层(9)的掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3；
P型阻挡层(7)的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1018cm-3。
7.根据权利要求6所述的一种AlGaN/GaN垂直型高电子迁移率晶体管,其特征在于：
AlGaN势垒层(5)中，Al组分比例为15％～30％。
8.根据权利要求7所述的一种AlGaN/GaN垂直型高电子迁移率晶体管,其特征在于：
SIPOS场板(11)的掺氧比例为15％～35％；
SIPOS场板(11)的电阻率为106Ω·cm～1012Ω·cm。
9.根据权利要求8所述的一种AlGaN/GaN垂直型高电子迁移率晶体管,其特征在于：
漏区的掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3。
10.一种权利要求1-9任一所述的AlGaN/GaN垂直型高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在氮化镓材料N+衬底(12)上生长氮化镓外延层作为N型漂移区(8)；
2)分别在N型漂移区(8)左、右两侧通过P型离子注入和退火，形成相互对称的至少一个P型浮空埋层(9)；
3)在N型漂移区(8)的上部通过P型离子注入和退火形成P型阻挡层(7)；
4)在P型阻挡层(7)上方自下而上依次生长GaN沟道层(6)与AlGaN势垒层(5)；
5)对N型漂移区(8)、P型阻挡层(7)、GaN沟道层(6)以及AlGaN势垒层(5)进行刻蚀，形成上下贯通，直达衬底(12)的多层台阶状介质沟槽；
6)通过离子注入在介质沟槽两侧的AlGaN势垒层(5)上表面形成源区；
7)在AlGaN势垒层(5)上表面刻蚀接触孔，在接触孔内淀积金属并刻蚀形成源极(1)，并将介质沟槽两侧的源极(1)共接；
8)在介质沟槽两侧形成多层台阶状的氧化层(2)；
9)在两侧氧化层(2)之间淀积SIPOS场板(11)；
10)在SIPOS场板(11)上方淀积多晶硅(10)，在多晶硅(10)上表面淀积形成栅极(3)；
11)在栅极(3)上表面淀积钝化层(4)；
12)衬底(12)下表面通过离子注入形成漏区，漏区下方设置漏极(13)。
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| CN202211100004.8A CN116190438A (zh) | 2022-09-07 | 2022-09-07 | 一种AlGaN/GaN垂直型高电子迁移率晶体管及其制作方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN117650175A (zh) * | 2024-01-30 | 2024-03-05 | 深圳市冠禹半导体有限公司 | 一种垂直型GaN HEMT半导体器件及其制造方法 |
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2022
- 2022-09-07 CN CN202211100004.8A patent/CN116190438A/zh active Pending
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| CN117650175A (zh) * | 2024-01-30 | 2024-03-05 | 深圳市冠禹半导体有限公司 | 一种垂直型GaN HEMT半导体器件及其制造方法 |
| CN117650175B (zh) * | 2024-01-30 | 2024-04-09 | 深圳市冠禹半导体有限公司 | 一种垂直型GaN HEMT半导体器件及其制造方法 |
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