CN116913963A - 氮化镓器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了氮化镓器件。该氮化镓器件包括：第一介质层设置在基板的一侧；第一钝化层设置在第一介质层远离基板的一侧，第一钝化层具有第一通孔；栅极填充在第一通孔中，多层第二钝化层均具有第二通孔，相邻两个第二通孔连通且在基板上的正投影有部分交叠区域，第二通孔与第一通孔连通，且在基板上的正投影与第一通孔在基板上的正投影有部分交叠区域；多层场板分别填充在第二通孔，以及设置在与第一钝化层距离最远的第二钝化层远离基板的表面上，与第一钝化层接触设置的第二钝化层中的第二通孔中填充的场板与栅极接触设置。通过设置多层场板，可以降低氮化镓器件漏极附近的电场峰值，提高氮化镓器件的击穿电压。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体的，涉及氮化镓器件。
背景技术
氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）具备高迁移率、高击穿场强，宽带隙的特点，可以很好适用于电力电子、和工业动力等行业。目前市面上的GaN器件的耐压能力与理论极限还有较大的差距以及技术存在一些不足，现在GaN HEMT器件大多采用硅衬底晶圆生长AlGaN/GaN异质结形成。为实现器件更高耐压，硅衬底晶圆需要生长更厚的AlGaN的缓冲层，但是AlGaN的缓冲层生长过后晶圆容易出现翘曲从而导致裂片。因此，硅衬底晶圆的材料特性限制使其难以应用于高耐压氮化镓功率器件。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种氮化镓器件，该氮化镓器件具有相对较高的耐压。
在本发明的一方面，本发明提供了一种氮化镓器件。根据本发明的实施例，该氮化镓器件包括：基板；第一介质层，所述第一介质层设置在所述基板的一侧；第一钝化层，所述第一钝化层设置在所述第一介质层远离所述基板的一侧，所述第一钝化层具有贯穿所述第一钝化层的第一通孔；栅极，所述栅极填充在所述第一通孔中；多层层叠设置的第二钝化层，多层所述第二钝化层设置在所述第一钝化层远离所述基板的表面上，多层所述第二钝化层均具有贯穿所述第二钝化层的第二通孔，相邻两个所述第二通孔连通且在所述基板上的正投影有部分交叠区域，与所述第一钝化层接触设置的所述第二钝化层中的所述第二通孔与所述第一通孔连通，且在所述基板上的正投影与所述第一通孔在所述基板上的正投影有部分交叠区域；多层场板，多层所述场板分别填充在所述第二通孔，以及设置在与所述第一钝化层距离最远的所述第二钝化层远离所述基板的表面上，与所述第一钝化层接触设置的所述第二钝化层中的所述第二通孔中填充的所述场板与所述栅极接触设置。由此，通过设置多层场板，可以降低氮化镓器件漏极附近的电场峰值，提高氮化镓器件的击穿电压，避免氮化镓器件在高功率和高频条件下的失效。
根据本发明的实施例，在预定方向上，多层所述场板与所述栅极之间的间距逐渐增大。
根据本发明的实施例，间隔设置的所述场板在所述基板上的正投影没有交叠区域。
根据本发明的实施例，位于所述第二通孔中的所述场板包括相互连接的第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分构成的所述场板呈“L”型。
根据本发明的实施例，所述第一部分的厚度小于所述第二钝化层的厚度，所述第二部分的厚度等于所述第二钝化层的厚度。
根据本发明的实施例，对于位于相邻两个所述第二通孔中的两个所述场板，其中一个所述场板的所述第一部分与另一个所述场板的第二部分接触设置。
根据本发明的实施例，设置在与所述第一钝化层距离最远的所述第二钝化层远离所述基板的表面上的所述场板为厚度均等的层结构。
根据本发明的实施例，该氮化镓器件包括三个层叠设置的所述第二钝化层，包括四层所述场板。
根据本发明的实施例，在靠近所述栅极的方向上，所述基板包括依次设置的衬底、缓冲层、沟道和势垒层，其中，所述第一介质层具有贯穿所述第一介质层并延伸至所述势垒层的第三通孔和第四通孔，该氮化镓器件还包括：源极和漏极，所述源极设置在所述第一介质层远离所述基板的表面上并填充所述第三通孔，所述漏极设置在所述第一介质层远离所述基板的表面上并填充所述第四通孔；第一电连接结构，所述第一电连接结构设置在所述第二钝化层远离所述基板的表面并通过第一过孔与所述源极电连接；第二电连接结构，所述第二电连接结构设置在所述第二钝化层远离所述基板的表面并通过第二过孔与所述漏极电连接。
根据本发明的实施例，该氮化镓器件还包括：第二介质层，所述第二介质层设置在所述第二钝化层远离所述基板的表面上，且所述第二介质层具有第五通孔、第六通孔和第七通孔，所述第五通孔暴露出所述第一电连接结构的部分表面，所述第六通孔暴露出所述第二电连接结构的部分表面，所述第七通孔暴露出所述场板的部分表面；金属层，所述金属层包括间隔设置在所述第二介质层远离所述基板一侧的第一金属层、第二金属层和第三金属层，所述第一金属层通过所述第五通孔与所述第一电连接结构电连接，所述第二金属层通过所述第六通孔与所述第二电连接结构电连接，所述第三金属层通过所述第七通孔与所述场板电连接。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例中氮化镓器件的结构示意图；
图2是本发明另一个实施例中氮化镓器件的结构示意图；
图3是本发明又一个实施例中氮化镓器件的关态电压曲线图；
图4是本发明另一个实施例中氮化镓器件的结构示意图；
图5是本发明另一个实施例中氮化镓器件的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。本领域技术人员将会理解，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
在本发明的一方面，本发明提供了一种氮化镓器件。根据本发明的实施例，参照图1和图2，该氮化镓器件包括：基板10；第一介质层21，第一介质层21设置在基板的一侧；第一钝化层31，第一钝化层31设置在第一介质层21远离基板10的一侧，第一钝化层31具有贯穿第一钝化层31的第一通孔311；栅极40，栅极40填充在第一通孔311中；多层层叠设置的第二钝化层32，多层第二钝化层32设置在第一钝化层31远离基板10的表面上，多层第二钝化层32均具有贯穿第二钝化层的第二通孔322，相邻两个第二通孔322连通且在基板上的正投影有部分交叠区域，与第一钝化层31接触设置的第二钝化层32中的第二通孔322与第一通孔311连通，且在基板10上的正投影与第一通孔在基板上的正投影有部分交叠区域；多层场板50，多层场板50分别填充在第二通孔322，以及设置在与第一钝化层31距离最远的第二钝化层32远离基板10的表面上，与第一钝化层31接触设置的第二钝化层32中的第二通孔322中填充的场板50与栅极40接触设置。由此，相邻两个第二通孔322连通且在基板上的正投影有部分交叠区域，即第二通孔交错设置，多层场板分别一一对应地设置在第二通孔内以及与第一钝化层31距离最远的第二钝化层32远离基板10的表面上，所以多层场板也是交错设置，形成一种台阶式结构，即相邻两层场板在基板上的正投影部分交叠。通过设置的多层场板，可以降低氮化镓器件漏极附近的电场峰值，提高氮化镓器件的击穿电压，避免氮化镓器件在高功率和高频条件下的失效；另外，上述结构的场板，在制作工艺中工艺流程简单，可以节省光刻次数，且重复性较好。
根据本发明的实施例，如图1和2所示，在预定方向X上，多层场板50与栅极40之间的间距逐渐增大。由此可见，在方向X上，多层场板依次地交错设置，逐渐地拉大与栅极40的距离。上述场板的设置方式，在相同条件下，可以更好地降低氮化镓器件漏极附近的电场峰值，提高氮化镓器件的击穿电压，避免氮化镓器件在高功率和高频条件下的失效。其中，预定方向X的选择没有特殊要求，本领域技术人员可以根据氮化镓器件的具体设计结构等实际情况进行灵活选择。
根据本发明的实施例，如图1和2所示，间隔设置的场板50在基板10上的正投影没有交叠区域。上述设置的多层场板在预定方向上延伸的宽度较大，可以很更好地降低氮化镓器件漏极附近的电场峰值，进一步提高氮化镓器件的击穿电压，避免氮化镓器件在高功率和高频条件下的失效。
根据本发明的实施例，参照图1所示，位于第二通孔322中的场板50包括相互连接的第一部分51和第二部分52，第一部分51和第二部分52构成的场板50呈“L”型。由此，上述结构的多层场板，既保证了多层场板的连接关系，又可以更进一步地提高氮化镓器件的击穿电压，实现高且稳定的阈值电压、栅工作电压和较强的耐压特性，在一些实施例中，上述结构的多层场板的氮化镓器件，可以使得其常态耐压（VDS）大于等于900V，瞬间可承受的关态耐压高达1900V，如图3所示。
根据本发明的实施例，参照图1所示，第一部分51的厚度小于第二钝化层32的厚度，第二部分52的厚度等于第二钝化层32的厚度。上述要求的场板50呈“L”型，既保证了多层场板的连接关系，又可以更进一步地提高氮化镓器件的击穿电压，实现高且稳定的阈值电压、栅工作电压和较强的耐压特性。其中，第一部分的厚度占第二钝化层32厚度的比例大小没有特殊要求，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择，只要可以有效地提高氮化镓器件的耐压特性即可。比如，在一些实施例中，第一部分的厚度可以为第二钝化层32厚度的1/4~1/2。
根据本发明的实施例，参照图1，对于位于相邻两个第二通孔322中的两个场板，其中一个场板50的第一部分51与另一个场板50的第二部分52接触设置。进一步的，第一部分靠近基板设置。如此，可以有效得到台阶式的多层场板结构，可以很好地提高氮化镓器件的击穿电压，实现高且稳定的阈值电压、栅工作电压和较强的耐压特性。
根据本发明的实施例，参照图1和图2，设置在与第一钝化层31距离最远的第二钝化层32远离基板10的表面上的场板50为厚度均等的层结构。由此，既便于该场板的制备，又不会影响后续结构（比如后面提到的第二介质层）的制备和性能，保证后续结构的稳定性。
根据本发明的实施例，参照图1和图2，该氮化镓器件包括三个层叠设置的第二钝化层32，包括四层场板50。上述层数的场板，既可以很有效地提高氮化镓器件的耐压特性，同时又不会对氮化镓器件的高频特性造成明显的影响。
根据本发明的实施例，多层场板和栅极的制备工艺中，工艺步骤为先在第一介质层远离基板的表面上依次沉积第一钝化层和多层的第二钝化层，然后通过在距离基板最远的第二钝化层的表面，利用多次等离子刻蚀，分别在多层的第二钝化层中形成第二通孔，在第一钝化层中形成第一通孔，然后通过依次沉积向第一通孔和第二通孔中形成栅极和多层场板。
根据本发明的实施例，参照图4，在靠近栅极40的方向上，基板10包括依次设置的衬底11、缓冲层12、沟道13和势垒层14，其中，第一介质层21具有贯穿第一介质层21并延伸至势垒层14的第三通孔213和第四通孔214，该氮化镓器件还包括：源极61和漏极62，源极61设置在第一介质层21远离基板10的表面上并填充第三通孔213，漏极62设置在第一介质层21远离基板10的表面上并填充第四通孔214；第一电连接结构71，第一电连接结构设置在第二钝化层32（即距离基板最远的第二钝化层32）远离基板的表面并通过第一过孔与源极61电连接；第二电连接结构72，第二电连接结构72设置在第二钝化层远离基板的表面并通过第二过孔与漏极62电连接。
其中，衬底可以为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底等类型的衬底，本领域技术人员可以根据氮化镓器件的具体类型选择适宜的衬底类型。缓冲层为氮化镓缓冲层，其厚度可以为1~2微米，即本发明的氮化镓器件不仅可以具有较强的耐压特性，同时又不必增大缓冲层的厚度，即本发明改善氮化镓器件的耐压特性是通过上述多层的场板结构实现的，并非是通过增大缓冲层厚度实现的，进而可以避免晶圆出现翘曲而导致裂片的不良现象。沟道为氮化镓沟道，其厚度可以为180~220纳米。势垒层为铝掺杂氮化镓势垒层，其厚度可以为22~28纳米。
根据本发明的实施例，参照图5，该氮化镓器件还包括：第二介质层22，第二介质层22设置在第二钝化层32（距离基板最远的第二钝化层）远离基板10的表面上，且第二介质层22具有第五通孔225、第六通孔226和第七通孔227，第五通孔225暴露出第一电连接结构71的部分表面，第六通孔226暴露出第二电连接结构72的部分表面，第七通孔227暴露出场板50的部分表面；金属层，金属层包括间隔设置在第二介质层22远离基板一侧的第一金属层81、第二金属层82和第三金属层83，第一金属层81通过第五通孔225与第一电连接结构71电连接，第二金属层82通过第六通孔226与第二电连接结构72电连接，第三金属层83通过第七通孔227与场板50电连接。
其中，第一介质层、第二介质层、第一钝化层和第二钝化层的材料分别包括但不限于氮化硅、氧化硅或氮氧化硅。
文中术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种氮化镓器件，其特征在于，包括：
基板；
第一介质层，所述第一介质层设置在所述基板的一侧；
第一钝化层，所述第一钝化层设置在所述第一介质层远离所述基板的一侧，所述第一钝化层具有贯穿所述第一钝化层的第一通孔；
栅极，所述栅极填充在所述第一通孔中；
多层层叠设置的第二钝化层，多层所述第二钝化层设置在所述第一钝化层远离所述基板的表面上，多层所述第二钝化层均具有贯穿所述第二钝化层的第二通孔，相邻两个所述第二通孔连通且在所述基板上的正投影有部分交叠区域，与所述第一钝化层接触设置的所述第二钝化层中的所述第二通孔与所述第一通孔连通，且在所述基板上的正投影与所述第一通孔在所述基板上的正投影有部分交叠区域；
多层场板，多层所述场板分别填充在所述第二通孔，以及设置在与所述第一钝化层距离最远的所述第二钝化层远离所述基板的表面上，与所述第一钝化层接触设置的所述第二钝化层中的所述第二通孔中填充的所述场板与所述栅极接触设置。
2.根据权利要求1所述的氮化镓器件，其特征在于，在预定方向上，多层所述场板与所述栅极之间的间距逐渐增大。
3.根据权利要求1所述的氮化镓器件，其特征在于，间隔设置的所述场板在所述基板上的正投影没有交叠区域。
4.根据权利要求1中所述的氮化镓器件，其特征在于，位于所述第二通孔中的所述场板包括相互连接的第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分构成的所述场板呈“L”型。
5.根据权利要求4所述的氮化镓器件，其特征在于，所述第一部分的厚度小于所述第二钝化层的厚度，所述第二部分的厚度等于所述第二钝化层的厚度。
6.根据权利要求4所述的氮化镓器件，其特征在于，对于位于相邻两个所述第二通孔中的两个所述场板，其中一个所述场板的所述第一部分与另一个所述场板的第二部分接触设置。
7.根据权利要求1所述的氮化镓器件，其特征在于，设置在与所述第一钝化层距离最远的所述第二钝化层远离所述基板的表面上的所述场板为厚度均等的层结构。
8.根据权利要求1~7中任一项所述的氮化镓器件，其特征在于，包括三个层叠设置的所述第二钝化层，包括四层所述场板。
9.根据权利要求1~7中任一项所述的氮化镓器件，其特征在于，在靠近所述栅极的方向上，所述基板包括依次设置的衬底、缓冲层、沟道和势垒层，其中，所述第一介质层具有贯穿所述第一介质层并延伸至所述势垒层的第三通孔和第四通孔，
还包括：
源极和漏极，所述源极设置在所述第一介质层远离所述基板的表面上并填充所述第三通孔，所述漏极设置在所述第一介质层远离所述基板的表面上并填充所述第四通孔；
第一电连接结构，所述第一电连接结构设置在所述第二钝化层远离所述基板的表面并通过第一过孔与所述源极电连接；
第二电连接结构，所述第二电连接结构设置在所述第二钝化层远离所述基板的表面并通过第二过孔与所述漏极电连接。
10.根据权利要求9所述的氮化镓器件，其特征在于，还包括：
第二介质层，所述第二介质层设置在所述第二钝化层远离所述基板的表面上，且所述第二介质层具有第五通孔、第六通孔和第七通孔，所述第五通孔暴露出所述第一电连接结构的部分表面，所述第六通孔暴露出所述第二电连接结构的部分表面，所述第七通孔暴露出所述场板的部分表面；
金属层，所述金属层包括间隔设置在所述第二介质层远离所述基板一侧的第一金属层、第二金属层和第三金属层，所述第一金属层通过所述第五通孔与所述第一电连接结构电连接，所述第二金属层通过所述第六通孔与所述第二电连接结构电连接，所述第三金属层通过所述第七通孔与所述场板电连接。
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