GaN基功率器件的栅极结构及其制作方法与流程

本发明特别涉及一种gan基功率器件的栅极结构及其制作方法，属于微电子技术领域。

背景技术：

电力电子是人类工业生产活动中的核心，因此如何发展更高效率、更低损耗的电力电子技术，对于解决全球能源危机，建设绿色生态有着至关重要的意义。在目前的诸多电力电子能源转换/传输的解决方案中，采用具有优异性能的新型功率半导体器件，被认为是实现这一人类终极目标的良好解决方案。以氮化镓为代表的宽禁带化合物半导体材料，其远优于传统硅材料的器件特性，正获得越来越广泛的关注。氮化镓基algan/ganhemts(highmobilityelectrontransistors)功率器件由于其易于实现的异质结构(heterojunction)、高浓度的二维电子气(2deg)、高的沟道电子迁移率、高的击穿电场及相对简单的制造工艺而成为宽禁带化合物半导体器件应用于高速、高频、高效的场合中具有里程碑意义的典型代表。

在高压高性能的氮化镓基功率器件领域，器件的栅极往往会采用mos结构且阈值电压需要能够更精确的控制，而传统的mos结构栅极由介质层和堆叠栅电极层组成无法实现更好的调节阈值电压。引入功函数层的mos栅极结构往往会给氮化镓基功率器件栅极区域的电场和电流分布带来不利影响，降低了栅极击穿电压和引起栅极区域的热失配，这对于追求高压大电流高频率的功率器件的影响是难以接受的。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种gan基功率器件的栅极结构及其制作方法，使得在栅极的制作过程中，不仅能更精确的调节器件的阈值电压，而且可以有效调制gan基功率器件的栅极区域电流和电场密度分布，从而使器件达到热平衡以及提高器件的击穿电压，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种gan基功率器件的栅极结构，包括依次设置的介质层、第一过渡层、第二过渡层和堆叠栅电极层，以及，在所述第一过渡层和第二过渡层之间还设置有一层以上的功函数层，所述功函数层包括基础材料层，在所述基础材料层上设置有一个以上的窗口，所述窗口内填充有复合材料，所述复合材料至少由形成基础材料层的基础材料与功函数调节材料复合形成；所述第一过渡层和第二过渡层的材质与所述基础材料层的材质相同，其中，所述基础材料选自金属化合物，所述功函数调节材料选自金属材料。

本发明实施例还提供了一种gan基功率器件栅极结构的制作方法，其包括：

制作形成介质层的步骤；以及于所述介质层上依次制作形成第一过渡层、一层以上的功函数层、第二过渡层和堆叠栅电极层的步骤；

所述功函数层包括基础材料层以及填充在所述基础材料层内的复合材料，所述复合材料至少由形成基础材料层的基础材料与功函数调节材料复合形成；所述第一过渡层和第二过渡层的材质与所述基础材料层采用相同的材料形成，其中，所述基础材料选自金属化合物，所述功函数调节材料选自金属材料。

本发明实施例还提供了一种gan基功率器件，其包括所述的gan基功率器件的栅极结构，所述栅极结构设置在gan基功率器件的衬底结构上。

与现有技术相比，本发明实施例提供的gan基功率器件的栅极结构及其制作方法，功函数层内的功函数调节材料元素分层分布和/或图形化分布控，能有效调制gan基功率器件的栅极区域电流和电场密度分布，解决引入功函数层带来的不利影响，使器件达到热平衡以及能够提高器件的击穿电压；第一过渡层、第二过渡层采用与功函数层的基础材料层一致的金属化合物材料，并通过逐渐改变材料的元素配比，使第一过渡层、第二过渡层对功函数层起到了阻挡、保护和粘附的作用，将功函数层完好的置于介质层和堆叠栅电极层之间，又不互相干扰，增加了器件的可靠性。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例中一种gan基功率器件的结构示意图；

图2是本发明实施例1中第一过渡层的结构示意图。

图3是本发明实施例1中形成功函数层的基础材料层的器件结构示意图；

图4是本发明实施例1功函数层的调节材料分层分布控制工艺的流程图；

图5是本发明实施例1中功函数层的调节材料图形化分布控制工艺的流程图；

图6是本发明实施例1中第二过渡层的结构示意图；

图7是本发明实施例1中经过分层分布控制工艺处理前后形成的功函数层的热分布对比图；

图8是本发明实施例1中经过图形化分布控制工艺处理前后形成的功函数层的电场密度对比图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例提供了一种gan基功率器件的栅极结构，包括依次设置的介质层、第一过渡层、第二过渡层和堆叠栅电极层，以及，在所述第一过渡层和第二过渡层之间还设置有一层以上的功函数层，所述功函数层包括基础材料层，在所述基础材料层上设置有一个以上的窗口，所述窗口内填充有复合材料，所述复合材料至少由形成基础材料层的基础材料与功函数调节材料复合形成；所述第一过渡层和第二过渡层的材质与所述基础材料层的材质相同，其中，所述基础材料选自金属化合物，所述功函数调节材料选自金属材料。

在一些较为具体的实施方案中，所述窗口具有台阶状结构。

在一些较为具体的实施方案中，所述基础材料层上设置有多个窗口，该多个窗口形成设定图形结构。

进一步的，所述窗口的深度小于基础材料层的厚度。

在一些较为具体的实施方案中，所述的gan基功率器件的栅极结构包括：两层以上的功函数层，两层以上的功函数层依次叠层设置，且相邻两层功函数层的基础材料层上的窗口个数、形状和深度相同或不同。

优选的，相邻两层功函数层的基础材料层上的窗口个数、形状和深度不同。

在一些较为具体的实施方案中，所述第一过渡层和第二过渡层中任一者中的金属元素与非金属元素的含量比沿设定方向呈均匀梯度变化。

进一步的，所述第一过渡层中金属元素与非金属元素的含量比沿远离功函数层的方向逐渐减小，且所述第一过渡层中金属元素与非金属元素的最大含量比与其相邻的基础材料层的金属元素与非金属元素的含量比一致；所述第二过渡层中金属元素与非金属元素的含量比沿远离功函数层的方向逐渐增大；且所述第二过渡层中金属元素与非金属元素的最小含量比与其相邻的基础材料层的金属元素与非金属元素的含量比一致。

在一些较为具体的实施方案中，所述金属化合物包括tin、tan中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

优选的，所述金属材料包括al，但不限于此。

优选的，所述介质层的材质包括sio2、sinx、al2o3、hfo2中的任意一种或两种以上组合，但不限于此。

本发明实施例还提供了一种gan基功率器件栅极结构的制作方法，其包括：

制作形成介质层的步骤；以及于所述介质层上依次制作形成第一过渡层、一层以上的功函数层、第二过渡层和堆叠栅电极层的步骤；

所述功函数层包括基础材料层以及填充在所述基础材料层内的复合材料，所述复合材料至少由形成基础材料层的基础材料与功函数调节材料复合形成；所述第一过渡层和第二过渡层的材质与所述基础材料层采用相同的材料形成，其中，所述基础材料选自金属化合物，所述功函数调节材料选自金属材料。

在一些较为具体的实施方案中，所述功函数层的制作步骤包括：制作形成基础材料层，在所述基础材料层上加工形成一个以上的窗口，并在所述窗口内形成所述复合材料，所述窗口的深度小于基础材料层的厚度。

在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法具体包括：在所述窗口内依次交替设置基础材料和功函数调节材料，之后进行退火处理以形成所述的复合材料；优选的，所述窗口具有台阶结构。

在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法包括：在所述基础材料层上加工形成多个窗口，该多个窗口形成设定图形结构；在所述窗口内设置功函数调节材料，之后进行退火处理以形成所述的复合材料。

在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法包括：于所述第一过渡层上制作形成两层以上的功函数层，且相邻两层功函数层的基础材料层上的窗口个数、形状和深度相同或不同；优选的，相邻两层功函数层的基础材料层上的窗口个数、形状和深度不同。

在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法具体包括：至少采用反应溅射的方式制作形成所述第一过渡层和第二过渡层，并至少通过改变溅射功率或者改变反应气体的流量以调节第一过渡层和第二过渡层中的金属元素和非金属元素的含量比，以使第一过渡层和第二过渡层中任一者中的金属元素与非金属元素的含量比沿设定方向呈均匀梯度变化。

进一步的，所述第一过渡层内的金属元素与非金属元素的含量比沿靠近功函数层的方向均匀梯度增大，第二过渡层内的金属元素与非金属元素的含量比沿远离功函数层的方向均匀梯度增大。

优选的，所述第一过渡层与第二过渡层中任一者的金属元素与非金属元素的最大含量比与其相邻基础材料层的金属元素与非金属元素的含量比一致。

在一些较为具体的实施方案中，所述金属化合物包括tin、tan中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

优选的，所述金属材料包括al，但不限于此。

优选的，所述介质层的材质包括sio2、sinx、al2o3、hfo2中的任意一种或两种以上组合，但不限于此。

本发明实施例还提供了一种gan基功率器件，其包括所述的gan基功率器件的栅极结构，所述栅极结构设置在gan基功率器件的衬底结构上。

如下将结合附图以及具体实施例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

请参阅图1，一种gan基功率器件，包括器件的衬底结构100以及与器件基础结构100配合设置的源极s、漏极d以及栅极结构，其中器件的衬底结构100包括衬底、形成在衬底上的异质结，异质结包括gan层和设置在gan层上的algan层，在异质结中形成为二维电子气，图1所示的衬底结构100的结构只是简略的示意图，其还可以包括aln成核层，gan缓冲层和帽层等多种层结构，也可以是inaln/ingan/(al)gan等gan功率器件衬底结构等；栅极结构包括依次设置在衬底结构100的栅极结构区域上的介质层101、第一过渡层102、功函数层103、第二过渡层104以及堆叠栅电极层105。

进一步的，介质层101的材质可以是常用的普通介电材料如sio2，sinx等，也可以是高k介电材料如al2o3，hfo2等；功函数层103包括叠层设置的第一功函数层和第二功函数层，第一功函数层设置在第二功函数层的下方，第一功函数层和第二功函数层均包括基础材料层，在基础层材料上设置有一个以上的窗口，所述窗口具有台阶结构，在窗口内填充有复合材料，所述复合材料至少由形成基础材料层的基础材料与功函数调节材料复合形成；所述第一过渡层和第二过渡层的材质与所述基础材料层的材质相同。第一功函数层的基础材料层上的窗口具有由两层以上台阶组成的台阶结构；第二功函数层的基础材料层上设置有多个窗口，该多个窗口形成设定的图形结构；需要说明的是，本发明中的栅极结构可以仅包括第一功函数层和第二功函数层中的任一者或两者均存在，两者均存在时第一功函数层和第二功函数层的上下位置不限，第一功函数层和第二功函数层的基础材料层的材质和厚度等参数可以相同，也可以不同；但是第一功函数层和第二功函数层的基础材料层内金属元素与非金属元素的含量比相同；优选的，基础材料层的材质(即基础材料)选自tin、tan、crn、nin等金属化合物，功函数调节材料选自al等金属材料，复合材料包括tialn等复合化合物。

进一步的，第一过渡层102和第二过渡层104的材质与功函数层103的基础材料层的材质相同，且第一过渡层102中金属元素与非金属元素的含量比沿远离功函数层103的方向逐渐减小，且第一过渡层中金属元素与非金属元素的最大含量比与其相邻的基础材料层的金属元素与非金属元素的含量比一致；第二过渡层104中金属元素与非金属元素的含量比沿远离功函数层103的方向逐渐增大；且第二过渡层104中金属元素与非金属元素的最小含量比与其相邻的基础材料层的金属元素与非金属元素的含量比一致。

实施例1

一种gan基功率器件的栅极结构的制作方法可以包括：

1)在提供的gan基功率器件衬底结构100上预留的栅极区域上形成介质层101，形成的方法可以是化学气相淀积或者原子层沉积等，由于介质层的生长不属于本发明的覆盖范围，因此不再赘述；

2)在介质层101上淀积第一过渡层102，形成第一过渡层102的材料需要与相邻的功函数层的基础材料层的材料一致，例如功函数层的基础材料层材料选用的是tin，则形成第一过渡层的材料也为tin，第一过渡层102的结构剖面结构如图2，以tin为例，从下层到上层，钛元素和氮元素的含量比值λ都小于1，并且从小到大呈均匀阶梯渐变，λ＜1表明第一过渡层富含氮元素，可以阻挡上层的功函数层的金属元素向下侵蚀到介质层，λ的取值根据需求而定，图2给出的示例为λ取{0.25，0.5，0.75，1}；第一过渡层102采用反应溅射的方式淀积形成，在淀积第一过渡层时采用的较小的溅射功率，较大的n2流量，得到λ＜1的钛氮比，并且根据钛氮比λ取值的变化调节工艺参数，例如λ为0.25时，采用的溅射功率相对最小，n2流量相对最大，λ取0.5时需要适当增大溅射功率或者减少n2的通入量，以此类推得到λ＝1的钛氮比；

3)在第一过渡层102上制作功函数层103，功函数层103的制作是在淀积好的功函数层106的基础材料层106上进行功函数调节材料元素的掺杂，并对掺杂的分布进行控制，以调制栅极结构整体功函数的分布；如图3所示，基础材料层106淀积在第一过渡层102之上，材料的类型推荐选用粘附性较好的金属所形成的氮化物，例如可以是tin，tan，crn或者nin等，本实施例以tin为例，功函数调节材料一般为某种金属材料，本实施例以铝为例；

如图4所示，先对功函数调节材料元素的分层分布控制工艺进行介绍：例如基础材料层106的厚度为100nm，首先用传统的光刻显影刻蚀技术在基础材料层106上刻蚀一个深度较浅的第一窗口107，第一窗口的厚度为20nm，此时会形成一个20nm高的台阶，称为第一台阶；接下来在第一窗口107的同一位置用离子刻蚀技术形成出一个更大的第二窗口108，由于第一窗口107位于第二窗口108的中心，因此在刻蚀第二窗口108时第一窗口107同时也在往下刻蚀，因此两个窗口之间会形成台阶，称为第二台阶，例如第二窗口108的刻蚀深度20nm，则此时第一窗口107的深度为40nm，形成了20nm高的第二台阶，台阶的宽度由第二窗口大小和第一窗口大小的差值决定，以此类推，可以在第二窗口108的位置处再刻蚀一个更大的第三窗口109，使第二窗口108位于第三窗口109中央位置，并形成第三个台阶，例如同样刻蚀20nm，此时第三窗口109深度为20nm，第二窗口108深度40nm，第一窗口107深度60nm，则第三台阶的高度也为20nm；台阶的数目和台阶的宽度根据工艺需求决定，注意最终形成的第一窗口107的深度要小于淀积的基础材料层106的厚度，需要留下一定厚度的基础材料层用于后续退火工艺的原子扩散，接下来利用磁控溅射的方法在第一窗口107内依次淀积用于调节功函数的金属al和基础材料层材料tin，例如在窗口107内先淀积一层10nm的al，再淀积一层10nm的tin，以此类推，在第二窗口108内依次淀积al和tin，然后在第三窗口109内交替淀积al和tin，直至窗口填满；最后进行退火，让金属al和tin扩散融合形成tialn，即复合材料层(基由本方法形成的复合材料层为具有一层以上台阶的台阶结构)110；通过这样的方式形成对功函数调节材料元素的分层分布控制，得到想要的功函数的分层分布，调节栅极区域电流分布，使器件达到热平衡；如图7所示为分层分布控制工艺处理前后栅极沟道的热分布对比，在外加参数一致的情况下，可以明显看出处理后栅极区域的温度分布更加均匀，且栅极中心区域温度有所降低；

请参阅图5，接下来对功函数调节材料元素的图形化分布控制工艺进行介绍：首先同样采用磁控溅射的方式淀积基础材料层111，基础材料层的材质选自tin，该层可以叠加于分层分布控制工艺处理过后的tialn层上，其厚度根据器件工艺需求而定；在此基础材料层111上淀积一层用于剥离工艺的掩膜阻挡层112，然后利用掩膜对基础材料层(tin层)111进行图形刻蚀形成凹槽图形113，图形形状根据器件的电场仿真结果决定；接着在该掩模阻挡层112上淀积一层功函数调节材料层114，功函数调节材料可以采用铝；采用腐蚀的方法将掩膜阻挡层112剥离，留下凹槽图形内的功函数调节材料，最后进行退火处理，退火后形成图形化分布的复合材料层(即tialn层，基由本方法形成的复合材料层为多个复合材料层组成的图形化结构)115；通过这样的方式可以调制栅极区域的电场分布，减小功函数层的引入对电场密度分布的不利影响，提高器件的击穿电压；图8所示为图形化分布控制工艺处理前后的栅极沟道区域的电场密度分布对比，通过图形化的金属掺杂，形成两个尖峰电场，使得电场密度的最大值减小，从而提高击穿电压；函数层103的制作可以根据工艺需求，可以只对基础材料层实施功函数调节材料元素的分层分布控制工艺或只实施图形化分布控制工艺；

4)第二过渡层104的制作：在功函数层上淀积第二过渡层，过渡层的材料与相邻的功函数层的基础材料层一样，如tin，第二过渡层104从下层到上层，钛元素和氮元素的含量比值λ也是从小到大呈均匀阶梯渐变，并且λ＞1，这表明第二过渡层富含钛元素，可以很好的粘附到堆叠栅电极层，使功函数层顺利过渡到传统的堆叠栅电极层；λ的取值根据用以需求而定，图6为第二过渡层的剖面图，给出的示例为λ取{1，1.25，1.5，1.75，2}，第二过渡层同样采用反应溅射的方式淀积，利用溅射功率的大小和通入n2的流量来控制λ的取值。

5)堆叠栅电极层的制作：传统的堆叠栅由金属栅电极层、钝化层、场板等组成，由于不在本发明的覆盖范围内，制作工艺不再赘述。

因此本发明通过引入功函数层，并控制功函数调节材料元素的分布，在可以对阈值电压进行调节的同时，能有效调制gan基功率器件的栅极区域电流和电场密度分布，从而使器件达到热平衡以及提高器件的击穿电压。位于功函数层下方和上方的第一过渡层和第二过渡层的引入，将功函数层完好的置于介质层和堆叠栅电极层之间，又不互相干扰，增加了器件的可靠性。

本发明实施例提供的gan基功率器件的栅极结构及其制作方法，功函数层内的功函数调节材料元素分层分布和/或图形化分布控，能有效调制gan基功率器件的栅极区域电流和电场密度分布，解决引入功函数层带来的不利影响，使器件达到热平衡以及能够提高器件的击穿电压；第一过渡层、第二过渡层采用与功函数层的基础材料层一致的金属化合物材料，并通过逐渐改变材料的元素配比，使第一过渡层、第二过渡层对功函数层起到了阻挡、保护和粘附的作用，将功函数层完好的置于介质层和堆叠栅电极层之间，又不互相干扰，增加了器件的可靠性。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。