CN118099208B - 一种增强型GaN HEMT器件结构和制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增强型GaN HEMT器件结构和制造方法，属于半导体技术领域。该增强型GaN HEMT包含衬底、过渡层、沟道层、势垒层、栅结构和源漏欧姆接触金属电极。器件栅极部分自下而上分别包括势垒层上的P‑型GaN栅极材料、n型3C‑SiC层和金属电极堆叠构成，且位于源漏接触之间。栅极金属既与n型3C‑SiC接触，也与3C‑SiC中间刻蚀掉后露出的P型GaN栅极材料相接触，从而使得栅极接触由一对平行的3C‑SiC和P型GaN层分别接触构成，可有效降低栅电极和二维电子气(2DEG)之间栅漏电流。

Description

一种增强型GaN HEMT器件结构和制造方法

技术领域

本发明具体涉及一种降低栅金属和2DEG之间漏电流的增强型GaN HEMT器件结构及制备方法，属于半导体技术领域。

背景技术

由于开关特性中的高频高压特性，GaN基器件越来越受欢迎。其制备通常也定位于高压和高频开关应用，器件采用GaN材料制成的高电子迁移率晶体管(HEMT)。

GaN HEMT器件，至少由两个氮化物层的半导体组成，通过这两个半导体层具有不同材料和不同的带隙。此外，不同的氮化物层彼此接触会产生极化，可以在两层的交界处附近形成导电的二维电子气(2DEG)区域，该区域一般是在具有较窄带隙的层中。

引起极化的氮化物层通常包括与GaN层相邻的AlGaN势垒层。2DEG存在于相邻的层之间，从而产生了电子沟道。为了实现器件常关，必须移除或耗尽栅下区域的2DEG。理想的情况是实现常关特性的增强型器件，因为它们容易控制并且在空闲关断时不需要额外的电力，因此驱动电路更安全，运行成本更低。

图1是传统增强型GaN HEMT的结构示意图。如图所示，从具有多种半导体类型的衬底101开始，例如硅(Si)、蓝宝石(Al2O3)和碳化硅(SiC)。衬底上的氮化铝(AlN)为过渡层102。缓冲层103是可选的，且在很大程度上取决于所需的垂直电压承受能力，通常以AlN和GaN多层交错形式形成。生长在缓冲层103上方的沟道层104，其通常是可掺杂或不掺杂的GaN层。势垒层105生长在沟道层104上，形成2DEG区域106。与栅极结构直接接触的栅极金属111通常由位于源极金属110和漏极金属109之间的p型GaN和栅极材料构成，该栅极金属111耗尽其下方的2DEG以实现增强模式HEMT。栅极金属111加正电压偏置来开启该器件。

如图2，传统增强型GaN HEMT的p型GaN栅极材料107和栅极金属111，给栅极金属111施加正偏压后，存在两部分栅漏电流路径，侧栅漏电流路径114和中间栅漏电流路径115。侧栅漏电流路径114沿p型GaN栅极材料107的侧壁在上表面并向下流动，中间栅漏电流路径115流过p型GaN栅极材料107的内部。

现有技术均为常规氮化镓HEMT器件结构降低栅极漏电的方案，本发明方案针对当前商业化P-GaN冒层的增强型器件结构的栅极漏电问题，提供一种增强型GaN HEMT器件结构。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种增强型GaN HEMT器件结构和制造方法，该增强型GaN HEMT具有从栅极金属流向2DEG的栅漏电流，该增强型GaN HEMT能够减小栅极金属和2DEG区域之间的栅漏电流。该增强型GaN HEMT包括衬底、过渡层、GaN层和势垒层，增强型GaN HEMT还包括双堆叠层栅极结构和栅极金属，双堆叠层栅极结构包括势垒层上方的p型GaN栅极材料和源极金属与漏极金属之间的n型3C-SiC层。栅极金属分别与n型3C-SiC层和暴露的p型GaN栅极材料接触，因而包括一对指向源和漏极的n型3C-SiC部分，采用n型3C-SiC层来降低器件栅极漏电。

本发明的技术方案如下：

一种增强型GaN HEMT器件结构，从下到上包括衬底、过渡层、沟道层、势垒层、隔离电介质层，介质层上方两侧设有源极沟槽、漏极沟槽，源极沟槽和漏极沟槽穿透介质层、势垒层至沟道层上部，源极沟槽内设有源极金属，漏极沟槽内设有漏极金属，源极金属与漏极金属之间设有栅极结构，栅极结构由下至上包括p型GaN栅极材料、n型3C-SiC层、栅极金属，p型GaN栅极材料位于势垒层上方，n型3C-SiC层位于p型GaN栅极材料上方两端，介质层位于p型GaN栅极材料侧面、n型3C-SiC层表面、n型3C-SiC层外侧面，栅极金属位于p型GaN栅极材料上方两个n型3C-SiC层相向内的空间中，栅极金属与p型GaN栅极材料和n型3C-SiC层接触。

优选的，n型3C-SiC层厚度范围是20-2000nm。进一步优选的，n型3C-SiC层厚度为300nm。

优选的，n型3C-SiC层的n型掺杂浓度不小于1×10¹⁸cm^-3。

优选的，p型GaN栅极材料的掺杂采用原位或非原位的镁掺杂，掺杂浓度不低于1×10¹⁹cm^-3，厚度为50nm~200nm。

优选的，两个n型3C-SiC层相向一面对称倾斜，两个n型3C-SiC层之间的空间为倒梯形。

进一步优选的，两个n型3C-SiC层倾斜面与竖直方向的倾斜角为0-60度。进一步优选的，倾斜角为15度。

优选的，两个n型3C-SiC层之间的距离为1~2µm，每个n型3C-SiC层的横向长度为0.5~1µm。

优选的，所述增强型GaN HEMT器件结构包括以下方案任意一项：

（1）衬底材料为半导体类型的衬底，材料包括硅(Si)、蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC)、陶瓷基板材料任意一种；

（2）过渡层材料为氮化铝（AlN）；

（3）势垒层材料为AlGaN，不掺杂或掺杂均可。

一种增强型GaN HEMT器件制造方法，包括以下步骤：

1）在衬底上形成过渡层、GaN沟道层、势垒层，在AlGaN势垒层的表面上形成p型GaN栅极材料；在p型GaN栅极材料的表面上采用低压化学气相沉积（LPCVD）在1000~1350C的温度下沉积n型3C-SiC层；低压为低于一个大气压的数值范围，即低于101kPa；

2）对步骤1）的结构进行光刻，保留部分p型GaN栅极材料及其上方的n型3C-SiC层，其他地方刻蚀至势垒层，形成双堆叠层栅结构；

3）在步骤2）的结构上生成一层介质层，在p型GaN栅极材料两侧刻蚀形成源极沟槽、漏极沟槽，源极沟槽和漏极沟槽穿透介质层、势垒层至沟道层上部，去除光刻胶，在源极沟槽内制备源极金属，在漏极沟槽内形成漏极金属，然后进行快速热退火，刻蚀掉源极金属、漏极金属以外的金属层；

4）在隔离电介质层的表面旋涂光刻胶，用光刻胶做掩模，在p型GaN栅极材料上方刻蚀出栅极开口，去除光刻胶，使p型GaN栅极材料上方形成两个轴对称的n型3C-SiC层，将p型GaN栅极材料暴露在两个n型3C-SiC层之间；

5）在栅极开口沉积栅极金属，并进行光刻显影以形成与p型GaN栅极材料接触的栅极金属。

选择性刻蚀去除n型3C-SiC层和p型GaN栅极材料以形成多个栅极结构、形成源极金属和漏极金属然后快速热退火，形成p型GaN栅极材料的开口，刻蚀掉n型3C-SiC层，形成栅金属接触。

本发明的有益效果在于：

本发明采用由势垒层上方的p型GaN栅极材料和源极金属与漏极金属之间的n型3C-SiC层构成的双堆叠层栅极结构，可以有效抑制沿栅极侧壁的电流，从而降低栅极漏电，提高栅极调控能力，降低开关损耗，增大栅极电压范围，提高器件可靠性，该方案采用沉积3C-SiC与栅极金属堆叠，具有简单有效的作用。

附图说明

为了更清楚地解释本发明的实施例中的技术发明，将对实施例的描述中所需的附图进行简要介绍。以下描述中的附图仅是本发明的一些实施例。对于本领域的普通技术人员来说，基于这些附图可以获得其他附图，而不需要任何创造性的努力。

图1为传统增强型GaN HEMT的结构示意图；

图2为传统增强型GaN HEMT的栅极结构的两条栅漏电流路径示意图；

图3为本发明增强型GaN HEMT结构示意图；

图4为本发明增强型GaN HEMT栅极结构的栅漏电流路径示意图；

图5是传统增强型GaN HEMT栅极结构仿真得到的栅漏电流路径矢量示意图；

图6是根据本发明示例性实施例的增强型GaN HEMT栅极结构仿真得到的栅漏电流路径矢量示意图；

图7是本发明实施例增强型GaN HEMT器件制造方法步骤1）制备的结构示意图；

图8是本发明实施例增强型GaN HEMT器件制造方法步骤2）制备的结构示意图；

图9是本发明实施例增强型GaN HEMT器件制造方法步骤3）制备的结构示意图；

图10是本发明实施例增强型GaN HEMT器件制造方法步骤4）制备的结构示意图；

图11是本发明实施例增强型GaN HEMT器件制造方法步骤5）制备的结构示意图；

其中，101、衬底，102、过渡层，103、缓冲层，104、沟道层，105、势垒层，106、2DEG区域，107、p型GaN栅极材料，108、介质层，109、漏极金属，110、源极金属，111、栅极金属，112、栅极开口，113、n型3C-SiC层，114、侧栅漏电流路径，115、中间栅漏电流路径。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

为了使本申请中要解决的技术问题、技术解决方案和效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本申请进行进一步的详细说明。应当理解，这里描述的特定实施例仅用于解释本申请，并不打算对其进行限制。

应当理解，仅为了便于描述本申请和简化描述，术语“长”、“宽”、“上”、“下”、“中”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“下”、“沿”、“内”以及其他定向或位置关系指示是基于附图中所示的定向或位置关系的，而不是指器件必须具有特定的取向、以特定的取向构造和操作，它不能被理解为本申请的限制。

实施例1：

一种增强型GaN HEMT器件结构，如图3所示，从下到上包括衬底101、过渡层102、沟道层104、势垒层105、介质层108，介质层上方两侧设有源极沟槽、漏极沟槽，源极沟槽和漏极沟槽穿透介质层、势垒层至沟道层上部，源极沟槽内设有源极金属110，漏极沟槽内设有漏极金属109，源极金属与漏极金属之间设有栅极结构，栅极结构由下至上包括p型GaN栅极材料107、n型3C-SiC层113、栅极金属111，p型GaN栅极材料位于势垒层上方，n型3C-SiC层位于p型GaN栅极材料上方两端，介质层位于p型GaN栅极材料侧面、n型3C-SiC层表面、n型3C-SiC层外侧面，栅极金属位于p型GaN栅极材料上方两个n型3C-SiC层相向内的空间中。

n型3C-SiC层厚度为500nm；n型3C-SiC层的n型掺杂浓度不小于1×10¹⁸cm^-3；两个n型3C-SiC层相向一面对称倾斜，两个n型3C-SiC层之间的空间为倒梯形；两个n型3C-SiC层倾斜面与竖直方向的倾斜角为15度。两个n型3C-SiC层之间的距离为1µm，每个n型3C-SiC层的横向长度为0.5µm。p型GaN栅极材料的掺杂采用原位或非原位的镁掺杂，掺杂浓度不低于1×10¹⁹cm^-3，厚度为100nm。

栅极金属111与p型GaN栅极材料107和其之上的一对n型3C-SiC层113相接触，该p型GaN栅极材料107耗尽其下方的2DEG区域106。在p型GaN栅极材料107的顶部，通过蚀刻之前的双堆叠层栅极结构的凹槽开口来形成一对n型3C-SiC层113。

如图4所示，刻蚀n型3C-SiC层113使得p型GaN栅极材料107与栅极金属111直接接触，从而有效地在p型GaN栅极材料107的顶部的两侧形成一对水平突出n型3C-SiC层113。防止在施加到栅极金属111的正电压偏置时，栅漏电流在p型GaN栅极材料107的顶侧表面上流动沿着侧壁向下流动。

图5和图6分别是传统增强型GaN HEMT栅极结构仿真得到的栅漏电流路径矢量示意图和根据本发明示例性实施例的增强型GaN HEMT栅极结构仿真得到的栅漏电流路径矢量示意图。如技术计算机辅助设计(TCAD)2D仿真所示，与本发明的示例性实施例相比，在传统增强型GaN HEMT中，在p型GaN栅极材料107的顶侧表面上的电流密度和电流矢量沿着侧壁向下流动，明显更高。

实施例2：

一种增强型GaN HEMT器件结构，其结构如实施例1所述，所不同的是，n型3C-SiC层厚度为20nm；两个n型3C-SiC层倾斜面与竖直方向的倾斜角为1度。两个n型3C-SiC层之间的距离为1µm，两个n型3C-SiC层的横向长度为0.5µm。p型GaN栅极材料的厚度为50nm。

实施例3：

一种增强型GaN HEMT器件结构，其结构如实施例1所述，所不同的是，n型3C-SiC层厚度为2000nm；两个n型3C-SiC层倾斜面与竖直方向的倾斜角为60度。两个n型3C-SiC层之间的距离为2µm，两个n型3C-SiC层的横向长度为1µm。p型GaN栅极材料的厚度为200nm。

实施例4：

一种增强型GaN HEMT器件结构的制造方法，图7至图11示出了制造实施例1所述的增强型GaN HEMT器件的制备工艺，包括以下步骤：

1）采用传统的增强型GaN HEMT外延结构，包括在衬底上形成过渡层、GaN沟道层、势垒层，在AlGaN势垒层的表面上形成p型GaN栅极材料，在p型GaN栅极材料的表面上采用低压化学气相沉积（LPCVD）在1000~1350C的温度下沉积n型3C-SiC层，LPCVD低压为低于一个大气压的数值范围，即低于101kPa；如图7所示。

2）对步骤1）的结构进行光刻，保留部分p型GaN栅极材料及其上方的n型3C-SiC层，其他地方刻蚀至势垒层，形成双堆叠层栅结构；如图8所示。

3）在步骤2）的结构上生成一层介质层，通过光刻显影形成隔离介质掩膜层掩模，去除源漏接触区域的隔离介质层，在p型GaN栅极材料两侧刻蚀形成源极沟槽、漏极沟槽，去除光刻胶，在源极沟槽内沉积制备源极金属，在漏极沟槽内形成漏极金属，然后快速热退火，刻蚀掉源漏以外的金属层；如图9所示。

4）在隔离电介质层的表面旋涂光刻胶，用光刻胶做掩模，在p型GaN栅极材料上方刻蚀出栅极开口，去除光刻胶，使p型GaN栅极材料上方形成两个轴对称n型3C-SiC层，将p型GaN栅极材料107暴露在两个n型3C-SiC层113之间，形成栅极开口112；如图10所示。

5）在栅极开口沉积栅极金属，并进行光刻显影以形成与p型GaN栅极材料107接触的栅极金属111，如图11所示。

需要说明的是，有源注入/蚀刻凹槽隔离工艺和其他级别的金属互连是必须的，在此未示出和描述，以避免不必要地遮盖本发明的各方面。

需要说明的是，诸如源极接触金属、漏极接触金属和栅极金属的金属可以具有不同的形状、宽度和延伸，例如用作场板的形成的一部分。

需要说明的是，术语接触金属可以包括多种沉积金属，例如钛(Ti)、铝-铜(AlCu)、铝和氮化钛(TiN)。本发明未尽之处，以本领域常规手段即可。

Claims (10)

1.一种增强型GaN HEMT器件结构，其特征在于，从下到上包括衬底、过渡层、沟道层、势垒层、介质层，介质层上方两侧设有源极沟槽、漏极沟槽，源极沟槽和漏极沟槽穿透介质层、势垒层至沟道层上部，源极沟槽内设有源极金属，漏极沟槽内设有漏极金属，源极金属与漏极金属之间设有栅极结构，栅极结构由下至上包括p型GaN栅极材料、n型3C-SiC层、栅极金属，p型GaN栅极材料位于势垒层上方，n型3C-SiC层位于p型GaN栅极材料上方两端，介质层位于p型GaN栅极材料侧面、n型3C-SiC层表面、n型3C-SiC层外侧面，栅极金属位于p型GaN栅极材料上方两个n型3C-SiC层相向内的空间中，栅极金属与p型GaN栅极材料和n型3C-SiC层接触。

2.根据权利要求1所述的增强型GaN HEMT器件结构，其特征在于，n型3C-SiC层厚度范围是20-2000nm。

3.根据权利要求1所述的增强型GaN HEMT器件结构，其特征在于，n型3C-SiC层的n型掺杂浓度不小于1×10¹⁸cm^-3。

4.根据权利要求1所述的增强型GaN HEMT器件结构，其特征在于，p型GaN栅极材料的掺杂采用原位或非原位的镁掺杂，掺杂浓度不低于1×10¹⁹cm^-3，厚度为50nm~200nm。

5.根据权利要求1所述的增强型GaN HEMT器件结构，其特征在于，两个n型3C-SiC层相向一面对称倾斜，两个n型3C-SiC层之间的空间为倒梯形。

6.根据权利要求1所述的增强型GaN HEMT器件结构，其特征在于，两个n型3C-SiC层倾斜面与竖直方向的倾斜角为0-60度。

7.根据权利要求6所述的增强型GaN HEMT器件结构，其特征在于，倾斜角为15度。

8.根据权利要求1所述的增强型GaN HEMT器件结构，其特征在于，两个n型3C-SiC层之间的距离为1~2µm，每个n型3C-SiC层的横向长度为0.5~1µm。

9.根据权利要求1所述的增强型GaN HEMT器件结构，其特征在于，所述增强型GaN HEMT器件结构包括以下方案任意一项：

（1）衬底材料为半导体类型的衬底，材料包括硅、蓝宝石、碳化硅、陶瓷基板材料任意一种；

（2）过渡层材料为氮化铝；

（3）势垒层材料为AlGaN，不掺杂或掺杂。

10.一种增强型GaN HEMT器件结构的制造方法，使用在根据权利要求1-9任意一项权利要求所述的结构，其特征在于，包括以下步骤：

1）在衬底上形成过渡层、GaN沟道层、势垒层，在AlGaN势垒层的表面上形成p型GaN栅极材料；在p型GaN栅极材料的表面上采用低压化学气相沉积在1000~1350℃的温度下沉积n型3C-SiC层；低压为低于一个大气压的数值范围，即低于101kPa；

2）对步骤1）的结构进行光刻，保留部分p型GaN栅极材料及其上方的n型3C-SiC层，其他地方刻蚀至势垒层，形成双堆叠层栅结构；

3）在步骤2）的结构上生成一层介质层，在p型GaN栅极材料两侧刻蚀形成源极沟槽、漏极沟槽，源极沟槽和漏极沟槽穿透介质层、势垒层至沟道层上部，去除光刻胶，在源极沟槽内制备源极金属，在漏极沟槽内形成漏极金属，然后进行热退火，刻蚀掉源极金属、漏极金属以外的金属层；

4）在介质层的表面旋涂光刻胶，用光刻胶做掩模，在p型GaN栅极材料上方刻蚀出栅极开口，去除光刻胶，使p型GaN栅极材料上方形成两个轴对称的n型3C-SiC层；

5）在栅极开口沉积栅极金属，并进行光刻显影以形成与p型GaN栅极材料接触的栅极金属。