隧穿增强型垂直结构的HEMT器件的制作方法

隧穿增强型垂直结构的hemt器件
技术领域
1.本发明涉及半导体器件设计技术领域，具体的，本发明涉及隧穿增强型垂直结构的hemt器件。


背景技术：

2.相比于传统的横向结构氮化镓(gan)高电子迁移率晶体管(hemt)器件，垂直结构的gan hemt器件的耐压不再受到横向尺寸的限制，且器件主要通过栅极与漏极之间的纵向间距来承受耐压，所以器件的横向尺寸可以设计得非常小，有效地节省芯片面积。同时，由于将高电压的漏极制作在器件下方，还可使器件整个表面都处于低电场状态，有效地避免电场在栅极边缘的集中。


技术实现要素：

3.本发明是基于发明人的下列发现而完成的：
4.本发明的发明人在研究过程中发现，将hemt器件应用到大功率开关电路中时，为了电路的设计简单和安全方面考虑，可以通过隧穿机制实现增强型垂直结构的hemt器件。但是，采用电流隧穿方式实现增强型器件，器件的正向导通性能与反向阻断性能之间存在矛盾。所以，发明人设计一种提高反向阻断性能的隧穿增强型垂直结构的hemt器件，将源极制作成“l”型或“t”型，使得源极金属与势垒层在水平方向上相接触，形成金属-algan结，由于algan的禁带宽度较大，可使新增的金属-algan结在反向阻断时看做一个电容器，从而提高器件的反向阻断性。
5.在本发明的第一方面，本发明提出了一种隧穿增强型垂直结构的hemt器件。
6.根据本发明的实施例，所述hemt器件包括：衬底；缓冲层，所述缓冲层设置在所述衬底的一个表面上；电流阻挡层，所述电流阻挡层设置在缓冲层远离所述衬底的表面；防扩散层，所述防扩散层设置在所述电流阻挡层与所述势垒层之间；沟道层，所述沟道层覆盖所述防扩散层、所述电流阻挡层和部分的所述缓冲层；势垒层，所述势垒层设置在所述沟道层远离所述衬底的表面；源极，所述源极设置在所述沟道层远离所述电流阻挡层的表面，且所述源极具有第一延伸部，且所述第一延伸部覆盖部分的所述势垒层的表面并与所述势垒层形成肖特基接触；绝缘介质层，所述绝缘介质层覆盖部分的所述势垒层和另一部分的所述缓冲层；多个栅极，所述多个栅极设置在所述绝缘介质层远离所述缓冲层的表面，且设置在所述源极的两侧；漏极，所述漏极设置在所述衬底远离所述缓冲层的表面。
7.本发明实施例的垂直结构的hemt器件，其栅极设计在靠近源极的两侧，电流阻挡层设计在源极的下方，且漏极设计在衬底的背面，利用隧穿机制实现增强型器件，并且，还将源极与势垒层在水平方向上的接触面积延长，且延长部分金属与势垒层形成肖特基接触，从而提高器件的反向阻断性，进而使器件兼顾正向导通性能与反向阻断性能。
8.另外，根据本发明上述实施例的垂直结构hemt器件，还可具有如下附加的技术特征：
9.根据本发明的实施例，所述栅极具有第二延伸部，所述第二延伸部在所述衬底上的正投影与所述第一延伸部在所述衬底上的正投影部分重合。
10.根据本发明的实施例，形成所述衬底的材料包括n型或本征的氮化镓、铝镓氮、铟镓氮、铝铟镓氮、磷化铟、砷化镓、碳化硅、金刚石、蓝宝石、锗和硅中的至少一种。
11.根据本发明的实施例，形成所述缓冲层的材料包括n型或非故意掺杂的氮化镓和铟镓氮中的至少一种。
12.根据本发明的实施例，形成所述电流阻挡层的材料包括p型氮化镓、p型铟镓氮和二氧化硅中的至少一种，且所述电流阻挡层的厚度为50～1000nm。
13.根据本发明的实施例，形成所述防扩散层的材料包括氮化铝，且所述防扩散层的厚度不大于5nm。
14.根据本发明的实施例，形成所述沟道层的材料包括非故意掺杂的氮化镓和铟镓氮中的至少一种。
15.根据本发明的实施例，形成所述势垒层的材料包括inmalnga(
1-m-n
)n，其中，0.15≤n≤0.80，0≤m≤0.45，且所述势垒层的厚度不低于20nm。
16.根据本发明的实施例，形成所述绝缘介质层的材料包括氧化铝、氧化铪、二氧化钛和氧化镓中的至少一种。
17.根据本发明的实施例，所述漏极为欧姆接触，且形成所述漏极的材料包括钛、铝、镍、金和钽中的至少一种；所述源极为肖特基接触，且形成所述源极的材料包括钛、铝、镍和钽中的至少一种；形成所述栅极的材料包括镍、金、钯和铂中的至少一种。
18.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
19.本发明的上述的方面结合下面附图对实施例的描述进行解释，其中：
20.图1是经典的垂直结构的hemt器件截面结构示意图；
21.图2是本发明一个实施例的隧穿增强型垂直结构的hemt器件截面结构示意图；
22.图3是本发明另一个实施例的隧穿增强型垂直结构的hemt器件截面结构示意图；
23.图4是本发明另一个实施例的隧穿增强型垂直结构的hemt器件截面结构示意图。
24.附图标记
25.100
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衬底
26.200
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缓冲层
27.300
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电流阻挡层
28.310
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防扩散层
29.400
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沟道层
30.500
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源极
31.510
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第一延伸部
32.600
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势垒层
33.700
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绝缘介质层
34.800
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栅极
35.801
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第一栅极
36.802
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第二栅极
37.8021 第二延伸部
38.810
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栅绝缘层
39.900
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漏极
具体实施方式
40.下面详细描述本发明的实施例，本技术领域人员会理解，下面实施例旨在用于解释本发明，而不应视为对本发明的限制。除非特别说明，在下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。
41.在本发明的一个方面，本发明提出了一种隧穿增强型垂直结构的hemt器件。
42.本发明的发明人在研究过程中发现，由masakazu kanechika于2007年报道的经典垂直hemt器件的结构，参考图1，源极500位于器件表面的左右两侧，栅极800位于中间，而漏极900位于衬底100的下方。当器件工作时，电子从源极500进入沟道层400，在左右两个p型gan的电流阻挡层(cbl)300的作用下，电子流a(图1中的实线箭头所示)从中间的孔径通过，再经缓冲层200进入漏极900。由于将高电压的漏极900制作在器件的下方，可使器件整个表面都处于低电场状态，从而有效避免了电场在栅极800边缘的集中。但是，该结构仍是一种耗尽型gan hemt器件，所以存在着较难关断的技术难点。
43.根据本发明的实施例，发明人设计一种隧穿增强型垂直结构的hemt器件，参考图2，其包括：衬底100、缓冲层200、电流阻挡层(cbl)300、防扩散层310、沟道层400、源极500、势垒层600、绝缘介质层700、栅极800和漏极900；其中，缓冲层200设置在衬底100的一个表面上；电流阻挡层300设置在缓冲层200远离衬底100的表面；沟道层400覆盖电流阻挡层300和部分的缓冲层200；势垒层600设置在沟道层400远离衬底100的表面；防扩散层310设置在电流阻挡层300与势垒层600之间；源极500设置在沟道层400远离电流阻挡层300的表面，源极500具有第一延伸部510，且第一延伸部510覆盖部分的势垒层600的表面，第一延伸部510与势垒层600形成肖特基接触；绝缘介质层700覆盖势垒层600和另一部分的缓冲层200；栅极800设置在绝缘介质层700远离缓冲层200的表面，且栅极800设置在源极500的两侧；而漏极900设置在衬底100远离缓冲层200的表面。
44.将栅极800设计在靠近源极500的两侧，电流阻挡层300设计在源极500的下方，且漏极900设计在衬底100的背面。势垒层600与沟道层400接触面产生二维电子气(2deg)，当源极500与2deg相接触时，形成肖特基接触，2deg中的电子将进入源极500，在金属-2deg结的2deg一侧将形成空间电荷区，此时器件处于常关状态。当对靠近金属-2deg结一侧的栅极加正偏压时，相当于对金属-2deg结的2deg一侧进行调制加重掺杂，这样结的耗尽区宽度将减薄，当耗尽区宽度降低到一定程度时，更多的电子将参与隧穿，形成隧穿电流。如此，在隧穿机制的作用下形成的隧穿电流b(图2中的实线箭头所示)，会从电流阻挡层300的两侧流入缓冲层200，并经过缓冲层200和衬底100而直达漏极900。
45.虽然，采用电流隧穿方式可以实现器件的增强特性，但是，器件的正向导通性能与反向阻断性能之间还是会存在矛盾。具体的，器件的正向导通是通过栅电压调制的隧穿输
运机制完成的，为了提高隧穿机率，会优先选择金属功函数较低的源极金属形成肖特基接触，以降低开启电压。但这种手段又会明显的降低器件的反向阻断能力，从而导致关态泄露电流较大的问题。所以，发明人还将源极500制作成躺下的“l”型或“t”型，使得源极500与势垒层600在水平方向上相接触，形成金属-algan结，由于algan的禁带宽度较大，使得新增的金属-algan结在反向阻断时可以看做一个电容器，从而提高器件的反向阻断性。
46.根据本发明的实施例，形成衬底100的材料可以包括n型或本征的氮化镓、铝镓氮、铟镓氮、铝铟镓氮、磷化铟、砷化镓、碳化硅、金刚石、蓝宝石、锗和硅中的至少一种，如此，可使在衬底100上制作出的hemt器件的性能更好。在本发明的一些实施例中，衬底100的材料可以选择n型氮化镓，如此，可使衬底100具有较好的自支撑功能。
47.根据本发明的实施例，形成缓冲层200的材料可以包括n型或非故意掺杂的氮化镓(gan)和铟镓氮(ingan)中的至少一种，如此，可以直接在衬底100上生长出上述材料的缓冲层200，从而更好地为hemt器件的载流子导通提供流通路径。
48.根据本发明的实施例，形成电流阻挡层300的材料可以包括p型氮化镓(p-gan)、p型铟镓氮(p-ingan)和二氧化硅中的一种，且电流阻挡层的厚度可以为50～1000nm，如此，可以继续在缓冲层200上利用原位掺杂mg、zn技术生长一层电流阻挡层300，具体的生长方法可以采用mocvd、mbe、ald等，从而可使hemt器件的隧穿电流从电流阻挡层300的两侧流入缓冲层200。
49.根据本发明的实施例，形成沟道层400的材料可以包括非故意掺杂的氮化镓(gan)和铟镓氮(ingan)中的至少一种，如此，可以利用二次外延技术在电流阻挡层300上生长沟道层400。
50.根据本发明的实施例，形成势垒层600的材料可以包括inmalnga
(1-m-n)
n，其中，0.15≤n≤0.80，0≤m≤0.45，且势垒层600的厚度可以不低于20nm，如此，在沟道层400上生长出势垒层600，可以与gan或ingan材料的沟道层400形成异质结，且势垒层600的禁带宽度大于沟道层的禁带宽度。
51.根据本发明的实施例，形成绝缘介质层700的材料可以包括氧化铝(al2o3)、氧化铪(hfo2)、二氧化钛(tio2)和氧化镓(ga2o3)中的至少一种，如此，采用上述绝缘材料的绝缘介质层700可以更好地将源极500与栅极800阻隔。
52.根据本发明的实施例，源极500为肖特基接触，且形成源极500的材料包括钛、铝、镍和钽中的至少一种。如此通过金属-algan结电容的保护，确保势垒较低的金属-2deg结能够不被反向击穿。具体的，可以先利用二氧化硅或氮化硅做硬掩模，在源极窗口内对绝缘介质层700和势垒层600进行干法刻蚀(icp、rie、ecr、ibe等)，且分两步进行刻蚀，绝缘介质层700的刻蚀宽度不小于势垒层600的刻蚀宽度，刻蚀绝缘介质层700的深度不小于绝缘介质层700的厚度，以刚好完全刻蚀绝缘介质层700为宜，而刻蚀势垒层600的深度不小于势垒层600的厚度，以刚好完全刻蚀势垒层600为宜；继续采用电子束蒸发技术、磁控溅射技术或相互结合的方式沉积金属、再经退火形成肖特基接触而得到源极500。
53.根据本发明的实施例，形成栅极800的材料可以包括镍、金、钯和铂中的至少一种。如此，选择功函数较高的金属材料制作栅极，从而更好地形成肖特基接触。在本发明的一些实施例中，栅极800可以具有第二延伸部8021，并且，第二延伸部8021在衬底100上的正投影与第一延伸部510在衬底100上的正投影部分重合，而且，绝缘介质层700延伸至第二延伸部
8021与第一延伸部510之间。如此，第二栅极802与源极500部分重叠的区域形成一个类似场板的结构，当漏极900具有高压时该结构可以有效钳位。具体的，可以采用电子束蒸发技术或者磁控溅射技术在栅电极窗口内形成栅极800。在一些具体事例中，也可以参考图3，多个栅极可以包括第一栅极801和第二栅极802，且第二栅极802具有第二延伸部8021，并且，第二延伸部8021在衬底100上的正投影与第一延伸部510在衬底100上的正投影部分重合，而且，绝缘介质层700延伸至第二延伸部8021与第一延伸部510之间。在另一些具体事例中，参考图4，不仅第二栅极802具有第二延伸部8021，且第一栅极801也可以具有第二延伸部8021。
54.根据本发明的实施例，漏极900可以为欧姆接触，且形成漏极900的材料可包括钛、铝、镍、金和钽中的至少一种。如此，可以采用电子束蒸发技术、磁控溅射技术或相互结合的方式沉积金属、再经退火形成欧姆接触而得到漏极900。
55.此外，上述隧穿结构的好处在于：1、相比于传统的垂直结构，仅需要在制备衬底和缓冲层的基础上，原位生长一层p-gan再利用刻蚀技术获得源极下方的cbl，既可避免离子注入形成cbl所造成的晶格损伤和记忆效应，又可避免导电孔径在二次外延生长过程中，侧壁存在空隙，形成漏电通道；2、相比于其他常用的实现增强型的技术手段，利用隧穿机制实现器件的常关特性还可避免掺杂激活工艺，可以完全阻断2deg的沟道层，有利于阈值电压的提升；此外，对刻蚀精度要求不高，降低了工艺难度；还没有离子注入工艺，避免了离子注入对势垒层带来的损伤；3、特殊的源极结构和/或栅极结构可以在确保正向导通性能的前提下，提高器件的反向阻断特性，从而确保金属-2deg结能不被反向击穿。
56.综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种垂直结构的hemt器件，其栅极设计在靠近源极的两侧，电流阻挡层设计在源极的下方，且漏极设计在衬底的背面，从而通过隧穿机制实现器件的常关特性，并且，还将源极与势垒层在水平方向上的接触面积延长，且延长部分金属与势垒层形成肖特基接触，从而提高器件的反向阻断性，进而使器件兼顾正向导通性能与反向阻断性能。
57.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
58.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
59.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。