一种纵向导通的GaN常关型MISFET器件及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件的技术领域，更具体地，涉及一种纵向导通的GaN常关型MISFET器件及其制作方法。
【背景技术】
[0002]GaN半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子漂移速度大和热导率高等优越的性能，以及在异质结界面存在高浓度和高电子迀移率的二维电子气(2DEG)，与Si材料相比，其更加适合制备高功率大容量、高开关速度的电力电子器件，成为下一代功率开关器件的理想替代品。
[0003]GaN功率开关器件从器件结构上来看分为横向导通器件和纵向导通器件。横向导通器件直接利用AlGaN/GaN异质结2DEG沟道作为器件导通沟道，其有源区集中在器件外延层表面，器件源极、栅极和漏极都设计在器件的同一平面上。这种设计结构是目前GaN基HFET器件常用的器件结构，在低压下器件能实现低导通电阻及高开关频率。但是，在高压工作环境下，横向导通GaN器件存在很大问题，如①在栅极边缘易形成电场集边效应，器件易击穿此外，由于异质结构势皇层表面缺陷态电离以及GaN外延层内受主陷阱电离等效应，会造成器件的电流崩塌，使器件性能劣化。纵向导通器件相对横向器件具有明显优势:①其源极位于异质结势皇层上，漏极位于导电衬底之下，利用栅极控制纵向的导电通道，提高了单位面积芯片功率，增大了芯片利用效率；②电流纵向分布于器件内，电场分布更加均匀，有效提高器件击穿电压；③其高场区域在材料内部，远离表面，从而可以弱化表面态的影响而减缓电流崩塌效应；因此，纵向导通GaN开关器件更加适合应用在大功率、高电压的工作环境中。
[0004]目前，基于AlGaN/GaN的异质结和绝缘栅极结构的纵向导通结构MISFET可以实现低导通电阻，高电压，大导通电流等特性，但是这种器件多为常开型器件。本研宄小组的自主专利技术(中国发明专利申请号:201110094519.7)提出了采用选择区域生长法(SAG)制备纵向导通常关型GaN场效应晶体管，该器件将AlGaN/GaN异质结构和凹槽栅MOS结构相结合，通过二次外延生长的方式形成U型槽栅结构，可以有效地克服传统干法刻蚀对栅沟道的晶格损伤。这种器件制备方法和结构设计中的关键之一在于，如何在轻掺的η型GaN二次生长界面上实现高质量P型GaN (电子阻挡层)的二次外延生长及在此P型GaN的基础上继续生长高质量的AlGaN/GaN异质结构，这是确保实现低通态电阻和良好电流路径限制能力以及具备良好关断特性的基础。
[0005]在二次生长中，往往存在杂质元素背景掺杂。如美国乔治亚理工学院的W.Lee等人曾报道在GaN 二次生长界面存在高浓度的Si杂质，其对异质结构沟道2DEG浓度和迀移率有很大影响(参见文献:W.Lee, J.-H.Ryou, D.Yoo, et al.0ptimizat1n of Fedoping at the regrowth interface of GaN for applicat1ns to Ill-nitride—basedheterostructure field-effeet transistors.APPLIED PHYSICS LETTERS 90，093509(2007) )o尤其在选择区域生长技术制备纵向导通GaN常关型场效应晶体管中，二次生长的电子阻挡层直接与二次生长界面相接触，其极易被二次生长界面背景掺杂元素污染，导致电子阻挡层质量劣化，器件性能不能得到保证。此外，电子阻挡层中的P型掺杂元素在高温生长环境下会扩散进入异质结构有源区，一方面弱化了电子阻挡层电学特性，另外异质结构沟道2DEG浓度及迀移率也会被劣化。
【发明内容】
[0006]本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，发明目的主要在于改善现有技术方案中电子阻挡层的性能，提高电子阻挡层激活空穴量，增强其对栅极控制能力；同时优化异质结构沟道，提高2DEG浓度，提升其迀移率，提供一种能够实现低导通电阻、高阈值电压、开关控制能力高、性能稳定可靠的纵向导通GaN常关型MISFET器件及其制作方法。
[0007]本发明采用选择区域生长法制备纵向导通常关型GaN场效应晶体管。选择区域生长一般需要图形化的掩膜层(常用的如S12)来选择需要生长的区域，但是这种掩膜工艺过程中会遇到以下问题:采用腐蚀工艺去除掩膜层时很难将其腐蚀干净，在二次生长界面会有大量杂质残留(如Si)，在二次外延生长中，该残留的杂质元素在高温生长环境下极易向上扩散至电子阻挡层中，从而与该电子阻挡层的P型掺杂元素(常用的如Mg)发生补偿作用，严重地劣化了该电子阻挡层的质量，造成器件性能大幅度下降。此外，电子阻挡层中的P型掺杂元素在高温生长环境下会扩散进入异质结构有源区，一方面电子阻挡层中P型掺杂元素的减少降低了该层电学特性，另外扩散进入异质结构的P型杂质会耗尽沟道2DEG及降低其迀移率。
[0008]本发明的制作方法，通过二次外延生长两层杂质过滤层，以实现二次外延生长出高质量的电子阻挡层和异质结构沟道，从而提高器件的开关控制能力，降低导通电阻，改善器件性能。
[0009]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种纵向导通的GaN常关型MISFET器件，包括栅极、源极、漏极、绝缘层、导电GaN衬底和其上的外延层，所述外延层包括一次外延生长的η型轻掺杂GaN层和其上的选择区域生长的二次外延层，所述二次外延层自下至上为第一杂质过滤层、电子阻挡层、第二杂质过滤层、非掺杂外延GaN层和异质结构势皇层，二次外延生长后形成凹槽沟道，凹槽沟道和异质结构势皇层的表面覆盖绝缘层，栅极覆盖于绝缘层上的凹槽沟道处，刻蚀绝缘层两端形成源极区域，源极区域处蒸镀欧姆金属形成与异质结势皇层接触的源极，漏极欧姆接触金属置于导电GaN衬底背面。
[0010]所述的凹槽呈U型或梯型结构。
[0011]所述导电GaN衬底为重掺杂GaN衬底，所述导电GaN衬底也可以由低阻娃衬底或低阻碳化硅和导电缓冲层组成；所述重掺杂GaN衬底，其掺杂浓度在118以上，在这个数值之下为轻掺杂；所述η型轻掺杂GaN层的厚度为1_50 μπι。
[0012]所述η型轻掺杂GaN层和二次外延层之间还含有η型重掺杂GaN层，其厚度为10-100 nm。
[0013]所述第一杂质过滤层和第二杂质过滤层材料为含铝氮化物，包括但不限于AlGaN、AlInN, AlInGaN, AlN中的一种或任意几种的组合，厚度为1-500 nm，且铝组分浓度可变化。
[0014]所述电子阻挡层材料为P型掺杂的GaN层或者掺杂高阻GaN层，亦可为p型掺杂的AlGaN层或者掺杂高阻AlGaN层，所述掺杂高阻层GaN层和AlGaN层的掺杂元素包括但不限于碳或铁，所述电子阻挡层厚度为10-500 nm;所述非掺杂GaN层的厚度为10 - 500nm ；
所述非掺杂GaN层与所述异质结构势皇层之间还生长一 AlN层，所述AlN层厚度为1-10 nm0
[0015]所述异质结构势皇层材料包括但不限于AlGaN、AlInN, InGaN, AlInGaN, AlN中的一种或任意几种的组合，所述异质结构势皇层厚度为5-50 nm。
[0016]所述绝缘层材料包括但不限于Si02、SiNx、Al203、AlN、HfO2、Mg0、Sc203、Ga203、AlHfOx或HfS1N中的一种或任意几种的堆叠组合，所述绝缘层厚度为1-100 nm ;所述源极和漏极材料包括但不限于Ti/Al/Ni/Au合金、Ti/Al/Ti/Au合金或Ti/Al/Mo/Au合金，其他能够实现欧姆接触的各种金属或合金均可作为源极和漏极材料；所述栅极材料包括但不限于Ni/Au合金、Pt/Al合金或Pd/Au合金，其他能够实现高阈值电压的各种金属或合金均可作为栅极材料。
[0017]一种所述纵向导通的GaN常关型MISFET器件的制作方法，包括以下步骤:
51、在导电GaN衬底上一次外延生长η型轻掺杂GaN层；
52、在η型轻掺杂GaN层上生长一层S1jl，作为掩膜层；
53、通过光刻的方法，保留形成栅极区域之上的掩膜层；
54、选择区域二次外延生长第一杂质过滤层、电子阻挡层、第二杂质过滤层、非掺杂GaN层和异质结构势皇层，形成凹槽栅极；
55、去除栅极区域之上的掩膜层；
56、在异质结势皇层和凹槽部位沉积栅极的绝缘层；
57、干法刻蚀完成器件隔离，同时在绝缘层刻蚀出源极欧姆接触区域；
58、在源极区域蒸镀上源极欧姆接触金属，在导电GaN衬底背面蒸镀上漏极欧姆接触金属；
59、在凹槽处绝缘层上栅极区域蒸镀栅极金属。
[0018]所述步骤SI中的η型轻掺杂GaN层和步骤S4中的第一杂质过滤层、电子阻挡层、第二杂质过滤层、非掺杂GaN层及异质结构势皇层的生长方法为金属有机化学气相沉积法或分子束外延法；
所述步骤S2中掩膜层以及步骤S5中绝缘层的生长方法为等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法或磁控溅射法。
[0019]与现有技术相比，有益效果是:本发明提出了一种纵向导通的GaN常关型MISFET器件及其制作方法，该器件采用二次外延生长技术，在η型轻掺GaN层上，二次外延生长杂质过滤层1、电子阻挡层、杂质过滤层2、非掺杂GaN层以及异质结势皇层，利用杂质过滤层对杂质的阻挡功能，有效阻挡二次生长界面处杂质在高温生长环境下向二次外延层扩散，并有效阻挡电子阻挡层中的P型元素向异质结构中扩散，从而降低电子阻挡层中的P型元素的损耗，提高了电子阻挡层激活空穴量，增强其对栅极控制能力，同时提高了 2DEG浓度，提升其迀移率，使器件获得了低导通电阻、高的阈值电压和良好关断特性。
【附图说明】
[0020]图1-9为本发明实施例1的器件制作方法工艺示意图； 图10为本发明实施例2的器件结构示意图；
图11为本发明实施例3的器件结构示意图；
图12为本发明实施例4的器件结构示意图；
图13为薄层AlGaN杂质过滤层对GaN外延结构中Si杂质控制的实验数据图。
【具体实施方式】
[0021]附图仅用于示例性说明，不