一种氮化鎵基异质结半导体器件结构的制作方法

本发明涉及一种氮化鎵基异质结半导体器件结构，更具体地说是涉及一种氮化鎵基异质结的高电子迁移率晶体管(hemt)器件结构。

背景技术：

氮化镓(gan)是宽禁带半导体材料，比硅有更大的击穿电场特性，也有高的电子饱和漂移速度和高的热导率，总的来说，gan是可以用來制造高频，高工作温度和高压大功率半导体器件的优良材料。

氮化镓(gan)基异质结材料是延续了gan材料的高击穿电场、高电子饱和漂移速度等优点。algan/gan是gan基异质结材料中的主要结构代表，其中algan为宽禁带材料，gan为窄带材料，两者形成i型异质结，二维电子气(2deg)位于异质结界面的gan一侧，是目前半导体材料和器件研究领域中的热点。

由于氮化镓(gan)单晶衬底过于昂贵和不成熟，一般(gan)基器件是不使用垂直结构，而是使用横向结构的。用氮化鎵(gan)制造的高压横向器件的结构一般如图1所示，由于氮化镓的掺杂工艺未成熟，尤其是p型掺杂，不容易控制，一直至今，图1的结构仍未有商业化的产品，相比之下，用algan/gan半导体材料形式成异质结，从而形成高电子迁移率晶体管(hemt)器件，其基本结构如图2所示，与其它半导体材料，如algaas/gaas相比，algan/gan材料制造出的hemt器件有更好的电学性能，因为用於制造器件的纤锌矿结构gan为iii族氮化物的六方晶体结构，是一种带隙宽并具有强压电、铁电性的半导体材料，这晶体结构缺少反演对称性，呈现很强的极化效应，包括自发极化和压电极化，压 电系数比其它iii-v族、ii-vi族半导体材料大1个数量级以上，自发极化强度也很大，由于iii族氮化物材料能隙相差悬殊，异质结构界面导带存在巨大能带偏移，形成深量子阱。基于强极化诱导作用和巨大能带偏移，iii族氮化物异质结构界面可形成一强量子局域化的高浓度二维电子气系统。如典型的algan/gan异质结构，其algan势垒层中压电极化强度为传统algaas/gaas异质结构中的5倍之多，高性能二维电子气具有极其重要的技术应用价值。algan/gan体系作为一典型的gan基异质结构，在微波功率，高温电子器件和军事领域等具有极为重要的应用价值。

功率器件一般可以承受高的反偏置电压和大的正向导通电流，不同的功率器件有不同的规格，其所能承受的反偏置电压和正向电流是不同的。纵向功率器件在区域结构上可分为有源区和终端区，终端区一般是在外围紧接着有源区的边缘。横向功率器件没有终端区，只有有源区，有源区为电流从高电压电极流至低电压电极的流动区域，所以，当横向器件处于反偏置时，有源区(即从高电压电极至低电压电极之间的区域)需要用来承受从高电压电极至低电压电极之间的反偏置电压，有顾及此，横向器件在设计上除了减少导通电阻，减少寄生电容等等，还要兼顾击穿电压的要求，在反偏置时，从高电压电极至低电压电极之间需要形成耗尽区来承受反偏置的电压，要承受相当的反偏置电压便要相当宽度的耗尽区，在耗尽区域中，半导体材料间的电荷要平衡，在耗尽时要求几乎没有净电荷残留，否则耗尽区便无法扩展开來承受施加其上的反偏置的电压。

对氮化镓(gan)基异质结来说，在势垒层algan之上没有gan帽层的情况下，势垒层algan与在其下的gan层之间的正电荷是由层间介质与algan之间的介 面态來抵消平衡掉，这种方法比较不容易达到理想的电荷平衡状态，即比较困难使电场均匀地分布在有源区域之间，比较困难使有源区域没有局部电场集中而导至提早击穿或可靠性差等问题，相比之下，在势垒层algan之上有gan帽层的情况下，如图3所示，这结构的势垒层algan与在其下的gan层之间有正电荷层，而势垒层algan与在其上的gan帽层之间有负电荷层，在反偏置时，势垒层algan与在其下的gan层之间的正电荷被在势垒层algan与在其上的gan帽层之间的负电荷加上少许的层间介质与algan之间的介面态相抵消，这种结构比较容易达至理想的电荷平衡状态，使电场较均匀平地分布於高电压电极至低电压电极之间的有源区域。

在设计横向功率器件於处理反偏电压部分的结构上，一般是采用resurf结构，这结构是j.appels在1979年提出来的，这结构如图4所示，图4中的区域23代表有源区p型掺杂区，区域23与区域24的交界处是有源区的边界，区域24至芯片的边缘是终端区，appels指出，若区域24是一等浓度掺杂区，若果这区的掺杂浓度过高或过低，在终端区表面的击穿电压都会偏低。如图5所示的表面电场强度随位置的变化，图5中所示若浓度过高则在位置b处的电场比别处的高出许多，位置b会先击穿，若掺杂过低，则会在位置a先击穿，对硅材料来说，若果掺杂浓度为1e12cm-2，则在反向偏置时，位a与位b的电场強度会大致同时到达场强的极限而击穿，如图6所示，这时的击穿电压是这结构的最优化最大的击穿电压，终端区的击穿与每一位置的累积掺杂剂量是有关的，与掺杂的深浅分布无关。后来研究犮现，若果区域24的掺杂是线性横向变的会比恒定掺杂的更优化，(instituteofphysics，semicond.sci.technol.17(2002)721-728)。把resuf的原理应用到hemt结构上，2deg的浓度相当于 图4中掺杂区域24，而2deg的浓度可由调校势垒层algan中的al成份或势垒层algan中的掺杂浓度來控制，若resuf区域是单一浓度，为了确保反向偏置时，有源区能承受起反向高压，一般采用较低程度的单一2deg浓度，这样会使得导通电阻较高，未如理想，这里提出新型的hemt结构使得有源区的2deg浓度从低电压电极至高电压电极之间的区域不是单一的，而是平均地单向地增加，使得高电压电极处的2deg浓度高于低电压电极处的2deg浓度，增加的速率不一定是線性的，会因工艺与生产车间条件不同，而对2deg的浓度上升速度要求不同。如之前所说，用resurf原理來设计横向器件时，单一浓度是不优化的，从低电压电极至高电压电极之间的2deg浓度最好是增加的，这样可使得器件达到同样的击穿规格时，有更好的导通电阻，本发明提供不同的方案使得2deg浓度从低电压电极至高电压电极之间是上升的。

技术实现要素：

本发明所揭示的algan/ganhemt结构可以避免以上的缺点，能使2deg浓度从低电压电极至高电压电极之间是上升的，从而使得器件达到同样的击穿规格时，有更好的导通电阻。

本发明所用的基本器件物理原理是resurf，进一步优化为横向掺杂浓度渐变地增加的resurf。本发明的核心思想是在设计器件和工艺时便安排好使用如渐变开孔方法来实现。实施本发明有多种方案，以下是实施各方案的主要步骤。

方案一：对于在势垒层algan之上没有gan帽层的情况下，如图2的结构，在器件制作过程中，把势垒层algan中的一部份腐蚀掉，图7是腐蚀掉后横切面示意图，图8是俯视图，这两个图主要是用來表达本发明的原理，这两幅图都表达出腐蚀掉一部分后的势垒层algan的最终留下来的从低电压电极至高电 压电极之间的势垒层algan平均面积是上升的，如果gan层上没有algan，则gan表面就没有2deg存在，这使得从低电压电极至高电压电极之间的2deg平均浓度是上升的，增加的速度可由控制腐蚀后留下的面积的多少与密度来决定。

方案二：对于在势垒层algan之上没有gan帽层的情况下，结构与方案一类似，只是在腐蚀掉的区域下的gan表面处注入掺杂使之成为n型导电材料，激活后的掺杂浓度为1e12cm-2至1e13cm-2之间，图9是横切面示意图。

方案三：是对于在势垒层algan之上没有gan帽层的情况下，本方案是用渐变开孔注入离子来实现，使得势垒层algan的n型掺杂的平均浓度从源至漏是增加的，注入n型掺杂区的掩膜版如图8所示，可以用不同的几何图形结构和不同大小的图形来实现，最终是algan层的n型浓度从低电压电极至高电压电极之间是增加的，从而2deg的浓度是增加的，上升的变化速度由注入的渐变开孔面积，注入的济量和激活的温度等决定。

方案四：是对在势垒层algan之上有gan帽层的情况下，手法如方案一类似，在器件制作过程中，把gan/algan中的一部份腐蚀掉，图10是横切面示意图。

方案五：是对在势垒层algan之上有gan帽层的情况下，结构与方案四类似，只是在腐蚀掉的区域下的gan表面处注入掺杂使之成为n型导电材料，激活后的掺杂浓度为1e12cm-2至1e13cm-2之间，图11是横切面示意图。

方案六：是对于在势垒层algan之上有gan帽层的情况下，本方案是用渐变开孔注入离子来实现，使得势垒层algan的n型掺杂的平均浓度从源至漏是增加的，注入n型掺杂区的掩膜版如图8所示，可以用不同的几何图形结构和不同大小的图形来实现，最终是algan层的n型浓度从低电压电极至高电压电极 之间是增加的，从而2deg的浓度是增加的，上升的变化速度由注入的渐变开孔面积，注入的济量和激活的温度等决定，这方案需要完成势垒层algan掺杂后才生长帽层。

以上各方案所用的渐变开孔的大小宽度为0.2um至5.0um，孔与孔之间的距离为0.2um至10um，开孔形状可为各种几何图案如正方形、圆形和长方形等，而且要求每一器件单元中从势垒层algan的任一边至另一边是连续的，不被开孔阻隔断，即用渐变开孔掩膜版处理过的器件，其最终在漂移区的二维电子气是把电流通道连续地连接起来的。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制：

图1是氮化镓横向器件结构的横切面示意图；

图2是没有gan帽层的algan/ganhemt器件结构的横切面示意图；

图3是有gan帽层的algan/ganhemt器件结构的横切面示意图；

图4是终端为resurf结构的功率分立器件的横切面示意图；

图5是终端为resurf结构的n型掺杂区浓度不优化时表面电场分布示意图；

图6是终端为resurf结构的n型掺杂区浓度优化时表面电场分布示意图；

图7是本发明方案一的(gan)基异质结器件结构的横切面示意图；

图8是本发明方案一的(gan)基异质结器件中的algan层开孔后的俯视图；

图9是本发明方案二的(gan)基异质结器件结构的横切面示意图；

图10是本发明方案四的(gan)基异质结器件结构的横切面示意图；

图11是本发明方案五的(gan)基异质结器件结构的横切面示意图；

图12是本发明实施例在完成所有外延层的横切面示意图；

图13是本发明实施例在势垒层algan上完成渐变开孔刻蚀的横切面示意图；

图14是本发明实施例在表面完成沉积一层介质层的横切面示意图；

图15是本发明实施例在源漏接触孔中完成金属欧姆接触的横切面示意图；

图16是本发明实施例在完成沉积栅极金属的横切面示意图。

参考符号表：

1氮化鎵(gan)衬底

2氮化鎵(gan)外延层

3氮化鎵(gan)外延层中有源区中的resurfn的型区

4有源区中的n+型区

5源极

6漏极

7栅极

8二氧化硅层

11蓝宝石衬底

12缓冲层(ain)

13非故意掺杂氮化鎵(gan)外延层

14二维电子气(2deg)

15非故意掺杂铝氮化鎵(algan)外延层

16介质层(氮化硅)

17氮化鎵(gan)帽层

18表面钝化层

19非故意掺杂gan层表面没有algan处的n型区域

20开孔

21硅衬底

22硅衬底上的p型外延层

23有源区中的p型区

24有源区中的resurfn的型区

具体实施方式

本发明可用于各种各样的iii氮异质结的hemt结构中，现举一有关横向功率器件实施例来介绍本发明的其中一种应用。实施例中主要是介绍如何使用本发明的其中一种方案(方案四)的工艺方法，至於表面钝化层，金属引缐和晶圆片的磨薄等步骤从略。

实施例：

如图12所示，用mocvd方法在蓝宝石衬底(0001)方向上外延生长得到从衬底往上依次包括200nmain缓冲层、3um非故意掺杂的gan层、30nm无掺杂的势垒层al(0.3)ga(0.7)n和10nm非故意掺杂的gan帽层。

如图13所示，在gan表面积淀光刻涂层，利用渐变开孔掩模版暴露出部分gan的表面，渐变开孔掩模版的开孔大小宽度为0.2um至5.0um，孔与孔之间的距离为0.2um至10um，开孔形状可为各种几何图案如正方形、圆形和长方形等，然后对gan/algan采用感应耦合等离子体刻蚀(icp)技术的干法刻蚀，刻蚀气体为c12/bcl3，直至暴露出algan底下的gan层，然后去掉光刻涂层。

如图14所示，在表面用原子层沉积法(atomiclayerdepositionald)沉积一层介质层，介质层可以是氮化硅，二氧化硅等，介质层厚度为150a至2000a之间。

如图15所示，在介质层表面积淀光刻涂层，利用接触孔掩模版暴露出部分介质层的表面，然后对介质层采用感应耦合等离子体刻蚀(icp)技术的干法刻蚀，刻蚀气体为c12/bcl3，直至暴露出介质层底下的gan层，然后通过电子束蒸发方法，将四层金属：ti(200a)/al(800a)/ni(200a)/au(1000a)组成的欧姆接触金属蒸发至材料结构表面，然后藉著剥离工艺把不需要的金属去掉，只在接触孔留下金属，接着经850℃、30秒的快速热退火处理，从而使接触孔中的金属形成良好的欧姆接触电极。

如图16所示，在介质层表面积淀光刻涂层，利用栅极开孔掩模版暴露出部分介质层的表面，然后通过电子束蒸发将两层金属ni(500a)/au(1800a)组成的肖特基接触金属蒸发至材料结构表面，然后藉著剥离工艺把不需要的金属去掉，只在栅极开孔中留下金属作为栅极金属，接着在氮气环境中经500℃、5分钟的退火处理。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，本发明可用于涉及制造各种iii氮异质结的hemt器件(例如，异质结场效应晶体管(hemtfet)或肖特基二极管)，本发明可用于制备100v至15000v的半导体功率分立器件，本发明的实施例是以n型沟道器件作出说明，本发明亦可用于p型沟道器件，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。