异质结场效应管及其制作方法
【专利摘要】本发明提供一种异质结场效应管及其制作方法，所述异质结场效应管至少包括：第一半导体层、第二半导体层、源极、漏极、栅极、外延层和高功函数金属层；其中，第二半导体层、源极和漏极形成于第一半导体层上；栅极形成在源极和漏极之间的第二半导体层的表面；栅极和第二半导体层的表面还形成有钝化层，沟槽位于所述栅极和漏极之间的钝化层中，暴露出第二半导体层表面，且沟槽中形成有外延层；源极、外延层上，以及源极和栅极之间的钝化层上形成有高功函数金属层，外延层和高功函数金属层构成肖特基接触。这样形成的新的HEMT中集成了SBD器件，器件面积小于将独立的HEMT及独立的SBD器件连接的方案，而在耐高温、耐高压、高功率、密度方面优势相当。
【专利说明】异质结场效应管及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体技术，特别是涉及一种异质结场效应管及其制作方法。
【背景技术】
[0002]—般的，传统技术中的异质结场效应晶体管(HEMT)如图1所示，包括形成在硅衬底100上的第一半导体层200、第二半导体层400、源极320、漏极310和栅极330。所述第一半导体层200和所述第二半导体层400构成异质结，所述异质结界面处存在二维电子气。所述源极310、漏极320和栅极330为金属，所述源极310、漏极320位于所述第二半导体层400两端，并与所述第一半导体层200构成欧姆接触，所述栅极330位于所述第二半导体层400上，与所述第二半导体层400构成肖特基接触。异质结场效应晶体管工作时，通过控制栅极330下的肖特基势垒来控制所述二维电子气的浓度，从而实现对电流的控制。所述第一半导体层200 —般为GaN，所述第二半导体层400 —般为AlGaN，两者构成AlGaN/GaN异质结。所述栅极和第二半导体层400的表面还形成有钝化层500，所述源极310和靠近所述源极310的钝化层500 —侧上形成有高功函数金属层600以构成金属场板。
[0003]而由于所述第一半导体层200或者第二半导体层在纵向上掺杂类型是一致的，故在 HEMT 不能具有如 S1-LDMOS (S1-Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor,基于Si基底的横向扩散金属氧化物娃半导体)等器件所具有的Body Diode (体二极管),这使得在HEMT关断时会因源极电荷累积而产生局部高压进而烧坏器件。尤其在在电子开关电路的一些应用中，如在DC/AC变频器中，由于工作电压很大，需要在晶体管源漏极之间具有一个反向二极管，以在晶体管关断时防止因源极电荷累积而产生局部高压进而烧坏器件。所以在设计基于HEMT器件的电子开关电路时，需要并联一只独立的反向高压二极管以保护HEMT器件。增大了电路复杂性和成本。
[0004]为了解决这个问题,Panasonic(松下)公司在2012年发布了一种新型的GaN HEMT,如图2所示。在此器件中，松下将漏极320延伸到与硅衬底100相接触，另在所述硅衬底100的背面淀积背面金属层700形成肖特基电极，以此将硅肖特基二极管集成于GaN HEMT中。而由于所述硅肖特基二极管是基于硅衬底100所形成，并不具有基于GaN衬底形成的半导体器件特有的高耐压，高功率密度，低电阻及高耐温的特性。集成此硅二极管会影响整体氮化镓器件在恶劣环境下的工作能力。另一方面，此器件结构需要在漏极处做很深的刻蚀以暴露出硅衬底100，工艺难度很大，并且会增大器件的漏电。
【发明内容】
[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种异质结场效应管及其制作方法，用于解决现有技术中难以在异质结场效应管中集成二极管的问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种异质结场效应管，所述异质结场效应管至少包括:第一半导体层、第二半导体层、源极、漏极、栅极、外延层和高功函数金属层；[0007]其中，所述第二半导体层、所述源极和漏极形成于所述第一半导体层上；
[0008]所述栅极形成在所述源极和所述漏极之间的第二半导体层的表面；
[0009]所述栅极和第二半导体层的表面还形成有钝化层，所述沟槽位于所述栅极和漏极之间的钝化层中，暴露出所述第二半导体层表面，且所述沟槽中形成有外延层；
[0010]所述源极、所述外延层上，以及源极和栅极之间的钝化层上形成有高功函数金属层，所述外延层和所述高功函数金属层构成肖特基接触。
[0011]优选的，所述第一半导体层为三五族化合物半导体，所述第二半导体层为与所述第一层半导体层形成异质结的三五族化合物半导体。
[0012]优选的，所述第一半导体层形成于硅衬底上。
[0013]优选的，所述高功函数金属层为Ni或Pt。
[0014]优选的，所述源极与所述源极和栅极之间的钝化层上所述高功函数金属层为金属场板。
[0015]优选的，所述外延层的厚度为IOnm?I ii m。
[0016]优选的，所述沟槽和栅极之间的距离小于和所述沟槽和漏极的距离。
[0017]优选的，所述沟槽的宽度为2iim?4iim。
[0018]优选的，所述外延层中的Al浓度大于等于或大于所述第二半导体层中的Al浓度。
[0019]相应的，本发明还提供了一种异质结场效应管的制作方法，包括:
[0020]提供硅衬底；
[0021]在所述硅衬底上从下至上依次形成所述第一半导体层、第二半导体层和牺牲层；
[0022]在所述牺牲层中形成所述沟槽，所述沟槽暴露出所述第二半导体层的表面；
[0023]利用外延工艺在所述沟槽中形成所述外延层；
[0024]利用刻蚀工艺去除所述牺牲层；
[0025]形成所述源极、漏极和栅极；
[0026]在所述栅极和第二半导体层的表面形成钝化层，所述钝化层暴露出所述源极、漏极和所述外延层；
[0027]在所述源极、钝化层和所述外延层上形成高功函数金属层，以形成覆盖所述源极、栅极、栅极与漏极之间的钝化层上的金属场板和所述外延层的肖特基接触。
[0028]如上所述，本发明的异质结场效应管及其制作方法，具有以下有益效果:
[0029]本发明的技术方案中，在传统技术中的HEMT的栅极G与漏极D之间沟道的上方利用外延工艺形成的外延层与高功函数金属层形成了一个肖特基接触，且此肖特基接触通过源极上的金属场板(高功函数金属层)与源极相连接，从而成功将肖特基二极管(SBD)集成于传统的HEMT器件中，形成了耐高温、耐高压、高功率，并且器件面积小于将独立HEMT及SBD器件连接的新的HEMT。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1显示为传统技术中的异质结场效应晶体管的结构示意图。
[0031]图2显示为松下公司发布的异质结场效应晶体管的结构示意图。
[0032]图3至图5显示为实施例中提供的新的异质结场效应管的示意图。
[0033]图6显示为实施例中提供的新的异质结场效应管版图示意图。[0034]图7显示为传统技术中将异质结场效应管和二极管并联的版图示意图。
[0035]图8至图15显示为实施例中提供的新的异质结场效应管的器件性能的示意图。
[0036]元件标号说明
[0037]
100硅衬底
200第一半导体层
201二维电子气
310 漏极
320源极
330栅极
400第二半导体层
410外延层
500钝化层
600高功函数金 属层
700背面金属层
【具体实施方式】
[0038]为了便于说明，先对本说明书涉及到的词汇进行诠释。本说明书中，相关词汇的含义以此处诠释为准。
[0039]三五族化合物半导体:为三族元素和五族元素组合成的化合物的半导体。如Ga、In、Al等属于三族元素;As、N等属于五族元素。比如GaN、AIN、InN、GaAs> AlAs等都属于三五族化合物半导体。
[0040]相较于传统HEMT器件，本发明的技术方案中利用选择性外延工艺，在HEMT的栅极与漏极间沟道的上方，形成外延层，然后再形成高功函数金属以与所述外延层形成了肖特基接触和金属场板，且所述肖特基接触通过覆盖源极的金属场板与源极相连接。实现将肖特基二极管(SBD)集成于HEMT器件中，并利用HEMT栅漏之间的沟道做为导电通道。这样形成的新的HEMT中集成了耐高温、耐高压、高功率、且密度优势相当的SBD器件，并且器件面积小于将独立HEMT及SBD器件连接的方案。本实施例中，将所述形成的新的HEMT器件命名为SDIHEMT。
[0041]以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0042]请参阅图3至图6。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0043]如图3所示，本发明提供一种新的异质结场效应管(SDIHEMT)，其包括:
[0044]包括形成在硅衬底100上的第一半导体层200、第二半导体层400、源极320、漏极310和栅极330。所述第一半导体层200和所述第二半导体层400构成异质结，所述异质结界面处存在二维电子气(2DEG) 201。
[0045]所述第二半导体层400、所述源极310和漏极320形成于所述第一半导体层200上；所述源极310、漏极320和栅极330为金属，所述源极310、漏极320位于所述第二半导体层400两端，并与所述第一半导体层200构成欧姆接触。所述栅极330形成在所述源极310和所述漏极320之间的第二半导体层400的表面；所述栅极330位于所述第二半导体层400上，与所述第二半导体层400构成肖特基接触。
[0046]所述栅极和第二半导体层400的表面还形成有钝化层500，所述沟槽位于所述栅极330和漏极320之间的钝化层500中，暴露出所述第二半导体层400表面，且所述沟槽中形成有外延层410 ；
[0047]所述源极310和所述外延层410上，以及源极310和栅极330之间的钝化层500上形成有高功函数金属层600，所述外延层410和所述高功函数金属层600构成肖特基接触。
[0048]本实施例中，所述第一半导体层200形成于娃衬底100上。在其它实施方式中,所述第一半导体层200也可以基于别的材质的衬底形成，如碳化硅，蓝宝石等。
[0049]本实施例中，所述第一半导体层200为GaN，所述第二半导体层400为AlGaN，两者构成AlGaN/GaN异质结。
[0050]本领域技术人员能够了解的是,AlGaN/GaN异质结是目前制作HEMT的最重要和最基本的材料体系。其中，由于三五族化合物半导体具有较大的压电系数(AlN和GaN的压电系数为8.9和8.5)，同时，AlN和GaN之间的晶格失配为2.5%，大的压电系数和晶格失配使得在GaN和AlGaN层之间有一个很强的压电激化效应。另一方面，三五族化合物半导体具有低对称的晶体结构，这使得在AlGaN层中还存在着很强的自发激化效应。自发激化效应和压电激化效应是互相增强的，这使得AlGaN层中的激化强度可达到MV/cm数量级。另外，由于AlGaN/GaN异质结构界面处大的导带不连续性，提供一个很深的量子阱和很高浓度的2DEG，它比传统的AlGaAs/GaAs体系高出一个数量级。
[0051]在其它实施例中，所述第一层半导体层200也可以为其它三五族化合物半导体，如GaAs ;所述第二层半导体层400也可以为可与所述第一层半导体层200形成异质结的其他三五族化合物半导体，如AlGaAs、InAlN等。
[0052]所述钝化层500的材质为氧化硅、氮化硅或BPSG等。
[0053]所述外延层410的厚度为IOnm?I ii m。
[0054]本实施例中，所述外延层410的材质为AlGaN。所述外延层410中的Al浓度等于或大于所述第二半导体层中的Al浓度。
[0055]如前所述，AlGaN和GaN之间的激化效应由材料本身的自发激化和AlGaN与GaN之间内建应力产生的压电激化有关。越厚的AlGaN层，或Al组分更高的AlGaN层，均可以引入更强的与GaN之间的应力，增大压电激化。
[0056]本实施例中，通过MOCVD生长等方法再次生长外延层410于第二半导体层400上，一方面在局部增加了 AlGaN层的厚度，另一方面也可以通过在再生AlGaN层中引入更多的Al的组分以增大AlGaN与GaN之间的压电激化，以吸引更多的自由电子在AlGaN与GaN之间的界面处积聚，增多2DEG沟道中的载流子数量。
[0057]异质结场效应晶体管工作时，通过控制栅极330下的肖特基势垒来控制所述二维电子气(2DEG) 201的浓度，从而实现对异质结场效应晶体管中电流的控制。 [0058]另外，本实施例中，所述源极310与所述源极310和栅极330之间的钝化层500上所述高功函数金属层600为金属场板。所述高功函数金属层为Ni或Pt。与硅器件中的金属场板原理类似，金属场板可以将源极偏压引入到钝化层上方，以平整钝化层下方的导电沟道里的电场分布，从而提高器件的耐压能力。
[0059]在现有工艺中，一般HEMT中也具有金属场板，其也可以起到平整栅漏间电场分布的作用。而在本实施例中，在金属场板的基础上进一步引入了一个跟第二半导体层400更近的肖特基接触，故其对AlGaN与GaN之间的2DEG沟道的影响会更直接，起到进一步平整栅漏电场的作用。
[0060]图4至图5所示，分别为本实施例提供的HEMT在漏源极间偏压正偏和漏源极间偏压反偏状态下的工作情况。本实施例，外延层410和高功函数金属层600引入的肖特基二极管是在源极310和漏极320之间形成一个漏源正向截止，作为反向导通的泄流回路。
[0061]如图4中所示，当器件漏极320的电压高于源极310的电压时，器件如传统HEMT正常工作，肖特基二极管因反偏处于截至状态；
[0062]如图5中所示，当器件关断瞬间，源极310的电荷积累时，源极310电压高于漏极，故肖特基二极管正偏，积累电荷通过肖特基二极管流向漏极320获得释放，保护了器件。
[0063]图6为本实施例提供的SDIHEMT的版图示意图，图7所示为传统技术中将HEMT和二极管(SBD)并联的版图不意图。
[0064]一般来讲，典型的HEMT的源极S和栅极G之间距离Les为I至2 ii m，漏极D和栅极G之间距离的LeD为15至20 ii m,源极S或漏极D的宽度Ls/D为20 y m。集成肖特基二极管栅极G (外延层的宽度)的宽度!^㈣为〗~4pm。引入集成肖特基二极管后，只在漏极D和栅极G之间增大2~4 ii m。
[0065]而一般的HEMT的的宽度为59 u m，独立的SBD的宽度为55 u m。亦即新的漏极和栅极之间距离为17至24微米。但此增加的长度比完全新增一个独立的具有相同耐压能力的二极管(器件长度为40微米或更多)要小很多。图6和图7比较中可见，SDIHEMT所占的面积比独立的HEMT和独立的SBD并联所占的面积要小得多。
[0066]另外，发明人为了验证本实施例提供的SDIHEMT的器件性能，使用SynopsysSentaurus TCAD软件对传统HEMT和SDIHEMT进行了对比模拟，具体情况如下:
[0067]1.模型结构
[0068]各层组成:娃衬底100的厚度为I U m ;第一半导体层200为GaN，厚度为4 y m ;第二半导体层400为Ala25Gaa75N,厚度为20nm ;钝化层500为SiN，厚度为200nm。另外，第一半导体层200和硅衬底100之间还形成有缓冲层(buffer层，未图示)，材质为GaN，厚度为3nm。
[0069]电极分配:源极(S) /栅极(G) /肖特基结(SCH) /漏极(D)，其中源极(S)和肖特基结(SCH)通过场板连接。[0070]器件尺寸:
[0071]SDIHEMT:LS/LD=1 u m, LG/LSCH=2 u m, LGS/LG,SCH=2 u m, Lsch7d=15 u m。HEMT:LS/LD=1 u m,Lg=2 u m, Lgs=2 u m, Lgd= 15 y m。
[0072]表面电荷:Etrap- Ei=L 2eV, Dtrap=2.8 x IO13CnT2。
[0073]其中，各符号的含义与上文一致。
[0074]2.模拟结果
[0075]在此模拟中，所述外延层410为50nm厚的Ala25Gaa75N15其能带结构和载流子浓度分布如图8和图9所示。
[0076]其中，图8中的横轴为异质结纵向位置(Depth，单位为nm)，纵轴为导带能级高度(Conduction band,单位为eV)。图中，实线表示了 SDIHEMT在肖特基接触处的纵向导带能级分布，虚线表示了 HEMT在栅极与漏极间的纵向导带能级分布。
[0077]图9中的横轴为异质结纵向位置(Depth，单位为nm)，纵轴为载流子浓度(Electron density，数量级为102°，单位为cm_3)。图中，实线表示了 SDIHEMT在肖特基接触处的沟道载流子浓度分布，虚线表示了 HEMT在栅极与漏极间的沟道载流子浓度分布。
[0078]可以看出，相较于HEMT中正常SiN钝化后的AlGaN/GaN沟道，拥有AlGaN外延层410的SDIHEMT的沟道因为更强的激化效应，即使在有肖特基金属覆盖的情况下，仍具有更深的2DEG沟道能级深度和更高的载流子浓度，以此可以避免肖特基结对器件载流能力的限制。
[0079]图10所示，为SDIHEMT与传统HEMT的器件开关特性比较(Transfer IV)。图中，横轴为栅源偏压(Vffi，单位为V)，纵轴为导通电流(ID，单位为A/mm)。实线表示了 SDIHEMT的器件开关特性，虚线表示了 HEMT的器件开关特性。可以看出SDIHEMT与HEMT在类似尺寸下具有相当甚至略好的器件开关特性。
[0080]如图11所示，为SDIHEMT器件的输出特性(Output IV)的示意图，图中，横轴为漏源偏压(Vds，单位为V)，纵轴为输出电流(ID，单位为A/mm)。实线表示了 SDIHEMT的输出特性，虚线表示了 HEMT的输出特性。可以看到SDIHEMT因为额外的肖特基结接触区域及栅与肖特基结之间的区域，在源漏偏压较小时，相对于HEMT其最小导通电阻会增大13%左右。但当源漏间偏压大于10伏特时，得益于AlGaN再生外延层所引入的高浓度沟道载流子，SDIHEMT显示出了更强的载流能力。
[0081]图12所示，为SDIHEMT与传统HEMT的关断漏电特性(off-state IV)。图中，横轴为漏源偏压(Vds，单位为V)，纵轴为关断漏电(ID，单位为A/mm)。实线表示了 SDIHEMT的关断漏电特性，虚线表示了 HEMT的关断漏电特性。可以看到在类似尺寸下，SDIHEMT具有比HEMT更高的耐压能力，其击穿电压增大20%左右。在低源漏偏压情况下，SDIHEMT因为较HEMT多了一个肖特基接触，故其器件漏电会大于HEMT，但仍拥有小于I y A/mm的低漏电性能。
[0082]如图13所示，为SDIHEMT与传统HEMT的C-V比较示意图，图中，横轴为栅源偏压(Vffi，单位为V)，纵轴为寄生电容(C，单位为f/mm)。实线表示了 SDIHEMT的寄生电容特性，虚线表示了 HEMT的寄生电容特性。可以看到在类似尺寸下，SDIHEMT相对于HEMT其最大寄生电容并不具有明显增加。
[0083]如图14所示，为SDIHEMT与传统HEMT在AlGaN/GaN异质结中的动态I_V比较示意图。图中，横轴为信号时间(Time，单位为s)，纵轴为相应电流(ID，单位为A/mm)。实线表示了 SDIHEMT的动态开启特性，虚线表示了 HEMT的动态开启特性。
[0084]因为异质结表面具有大量的带正电的表面缺陷，在器件动态开关的过程中器件沟道上方的异质结表面会处于持续的表面缺陷充放电状态，引起氮化镓功率器件特有的电流崩塌效应。此电流崩塌的时间常数和强度决定于表面缺陷的能级高度和浓度。
[0085]图14中可以看到，在相同的表面缺陷设定下，可以看到，SDIHEMT的电流崩塌恢复时间仅为传统HEMT的10%左右。这是由于SDIHEMT中的肖特基接触隔离了栅与漏之间的表面缺陷沟道，使得在器件栅开关的时候仅有栅与肖特基接触间的一小段区域处于表面缺陷充放电的状态，故其电流崩塌效应大大弱于传统HEMT器件。
[0086]如图15所示，为SDIHEMT的反向导电IV。图中，横轴为肖特基极与漏极间偏压(VSCH_D,单位为V),纵轴为肖特基电流(Isra,单位为A/mm)。可以看到在源漏反偏时,在肖特基结与漏极间可以形成肖特基结正向开启电流，且其导流能力与SDIHEMT器件正向载流能力相当，不致出现泄流不及的情况。表一对比了 SDIHEMT及HEMT在类似设计下的性能特征:
[0087]表一:在类似设计下的SDIHEMT和HEMT性能特征对比
【权利要求】
1.一种异质结场效应管，其特征在于，所述异质结场效应管至少包括:第一半导体层、第二半导体层、源极、漏极、栅极、外延层和高功函数金属层； 其中，所述第二半导体层、所述源极和漏极形成于所述第一半导体层上； 所述栅极形成在所述源极和所述漏极之间的第二半导体层的表面； 所述栅极和第二半导体层的表面还形成有钝化层，所述沟槽位于所述栅极和漏极之间的钝化层中，暴露出所述第二半导体层表面，且所述沟槽中形成有外延层； 所述源极、所述外延层上，以及源极和栅极之间的钝化层上形成有高功函数金属层，所述外延层和所述高功函数金属层构成肖特基接触。
2.根据权利要求1所述的异质结场效应管，其特征在于:所述第一半导体层为三五族化合物半导体，所述第二半导体层为与所述第一层半导体层形成异质结的三五族化合物半导体。
3.根据权利要求1所述的异质结场效应管，其特征在于:所述第一半导体层形成于硅衬底上。
4.根据权利要求1所述的异质结场效应管，其特征在于:所述高功函数金属层为Ni或Pt。
5.根据权利要求1所述的异质结场效应管，其特征在于:所述源极与所述源极和栅极之间的钝化层上所述高功函数金属层为金属场板。
6.根据权利要求1所述的异质结场效应管，其特征在于:所述外延层的厚度为IOnm?I U m0
7.根据权利要求1所述的异质结场效应管，其特征在于:所述沟槽和栅极之间的距离小于所述沟槽和漏极的距离。
8.根据权利要求1所述的异质结场效应管，其特征在于:所述沟槽的宽度为2y m?4 u m0
9.根据权利要求1所述的异质结场效应管，其特征在于:所述外延层中的Al浓度等于或大于所述第二半导体层中的Al浓度。
10.一种异质结场效应管的制作方法，其特征在于，包括: 提供娃衬底； 在所述硅衬底上从下至上依次形成所述第一半导体层、第二半导体层和牺牲层； 在所述牺牲层中形成所述沟槽，所述沟槽暴露出所述第二半导体层的表面； 利用外延工艺在所述沟槽中形成所述外延层； 利用刻蚀工艺去除所述牺牲层； 形成所述源极、漏极和栅极； 在所述栅极和第二半导体层的表面形成钝化层，所述钝化层暴露出所述源极、漏极和所述外延层； 在所述源极、钝化层和所述外延层上形成高功函数金属层，以形成覆盖所述源极、栅极、栅极与漏极之间的钝化层上的金属场板和所述外延层的肖特基接触。
【文档编号】H01L21/335GK103579332SQ201310532829
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年10月31日
【发明者】袁理 申请人:中航（重庆）微电子有限公司