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CN104916685A - 一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件及其制作方法 - Google Patents

一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件及其制作方法 Download PDF

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CN104916685A CN201510354763.0A CN201510354763A CN104916685A CN 104916685 A CN104916685 A CN 104916685A CN 201510354763 A CN201510354763 A CN 201510354763A CN 104916685 A CN104916685 A CN 104916685A
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黄伟
李海鸥
于宗光
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Abstract

本发明公开了一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件，包括第一区域和第二区域，所述第一区域与第二区域镜像对称；所述第一区域包括硅衬底、GaN外延层、AlGaN外延层、欧姆接触区、带负电性F-的栅极区、栅极金属、带负电性F-的埋层区 、带负电性F-的终端区、SiN介质层、源极金属和漏极金属。本发明还公开了一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件的制作方法，本发明采用成熟的硅集成电路制造工艺研制硅基GaN纵向新器件，替代了常规的高成本P-GaN外延制造方法，故可显著降低成本；本发明中将硅F-离子工艺应用于GaN功率新器件，不但能实现增强型工作机理，更获得了类似VDMOS器件的GaN HEMT纵向器件结构，从而满足大功率功率变换的驱动应用需求。

Description

一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别是一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件及其制作方法。
背景技术
全球经济正在经历从“高碳”向“低碳”的革命性演进，其实质是在社会创建高效的清洁能源结构，同时提高能源利用效率。目前75%以上的电能应用均需由功率半导体技术进行功率变换后才能供电子设备使用。功率半导体的作用是电能变换和电能控制，将“粗电”变为“精电”，使电能更有效、更节能、更环保地使用。因此，功率半导体技术是新能源利用和节能减排的基础和核心技术之一。以GaN为代表的宽禁带半导体材料因具有宽带隙、高饱和漂移速度、高热导率、高临界击穿电场等突出优点，是继以Si和GaAs为代表的第一代、第二代半导体材料之后迅速崛起的新型半导体材料，特别适合制作大功率、高压、高温、抗辐照功率半导体器件，它被誉为可带动“新能源革命”的“绿色能源”器件。但因其缺乏同质衬底，GaN异质外延局限于热导率低的蓝宝石和成本昂贵的SiC等两种衬底，故在低成本的硅基衬底材料上开发GaN材料外延，甚至在芯片制程异质集成等整套技术成为半导体科技界和工业界追求的共同热点，以体现在GaN功率半导体器件具有比硅基功率半导体最新指标高出10倍的性能指数(FOM)优势前提下，它又能为功率电子系统提供低成本、高性能的功率管理解决方案。由此可见，硅基GaN功率半导体技术已成为国际半导体领域研究热点和战略制高点之一。
宽禁带半导体GaN以其具有宽金带宽度(3.4eV)、高击穿电场强度(3MV/cm)、高电子饱和速度(2.5×107cm/s)，AlGaN/GaN异质结中的二维电子气高迁移率(1800cm2/(V·s))和高浓度(2×1013cm-2)，故其归一化器件优值(BFOM)为537远优于Si、GaAs和4H-SiC(三种半导体BFOM分别为1，17和134)，因此它成为制作高压、高温、高频、大功率功率器件的理想材料。西方各国早在21世纪初依托DARPA、欧洲第7框架计划架构相继启动了高功率电子器件应用宽禁带技术(HPE，High Power Electronics)、微尺度功率变换(Microscale Power Conversion, MPC)等重大研究专题以支持研究机构、产业界共同开发宽禁带功率半导体技术。
目前包括UCSB、RPI、HRL在内等知名科研机构和以日立(Panasonic)、国际整流(International Rectifier)和富士(Fujitsu)为代表的国际知名半导体公司已经对GaN 基开关器件的研究给予极大的关注，并从GaN材料外延与衬底复用、新器件与建模、功率集成技术以及GaN模组新机理等领域展开研究，已取得了令人瞩目的阶段性成果。伦斯勒理工学院T.P. Chow研究组于2009年报道了基于Resurf n/p外延层结构开发击穿电压、比导通电阻分别约为730V、34mΩ·cm2的常关MESFET高压器件[18]。日本Panasonic公司于2013年详细报道了集成电子/空穴两种载流子导电机理的Gate Injection Transistor(GIT)新功率器件及其驱动应用等成果，整套GaN技术有着较硅IGBT低约54%功耗的显著优势。
在产业整合并购方面，过去五年投资者对先进材料和电力电子器件方面的投入超过2亿美元，约有15家全球知名功率半导体公司直接或间接从事GaN功率半导体产品开发。Transphorm，EpiGaN，GaN Systems以及Azzurro公司已经完成了几轮的资金募集。另一方面，企业投资与并购持续不断，如美国Fairchild收购TranSiC，德国英飞凌收购SiCed，日本Rohm收购SiCrystal和以及韩国SKC收购Crysband。以欧洲微电子研究中心IMEC为代表的研发机构自2011年5月在200mm规格硅衬底上制造出高质量GaN/AlGaN异质结结构层以来，就一直致力于8英寸硅基GaN电力电子器件研制，希望能尽快将GaN基功率器件整套技术导入200mm规格芯片厂。IR和EPC等公司基于6英寸 GaN平台率先推出了30V和100V/200V的GaN场效应电力电子器件系列GaN功率晶体管产品及其全集成半桥式模组，600-900V GaN器件在近期也将推向市场。美国GaN初创公司Transphorm已成为首家获得氮化镓上硅设备固态技术协会资格JEDEC的公司。韩国LG公司也于2014年报道了6英寸无金工艺600V、18A的GaN功率器件样品成果。
近些年，随着GaN材料在光电器件领域，尤其是白光LED半导体照明的普及，同时推动了GaN材料的低成本，特别是大直径硅衬底GaN外延生长技术的进步以及逐步商业化，硅基GaN晶圆尺寸已经从早年的2英寸、4英寸逐渐发展到如今的8英寸。这无疑为发展硅基GaN高压器件及其功率集成提供了广阔的发展空间。
常规GaN HEMT器件工作机理是因AlGaN/GaN之间的极化效应造成能带弯曲，也在近表面的异质结处形成高浓度的二维电子气，这不但决定了器件耗尽型的工作模式，也将器件结构限定为不利于功率集成的横向结构，这也是造成小尺寸GaN晶圆成本难以降低的主要原因之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件及其制作方法，本发明中将硅F-离子工艺应用于GaN功率新器件，不但能实现增强型工作机理，更获得了类似VDMOS器件的GaN HEMT纵向器件结构，从而满足大功率功率变换的驱动应用需求。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件，包括第一区域和第二区域，所述第一区域与第二区域镜像对称；所述第一区域包括硅衬底、GaN外延层、AlGaN外延层、欧姆接触区、带负电性F-的栅极区、栅极金属、带负电性F-的埋层区、带负电性F-的终端区、SiN介质层、源极金属和漏极金属；其中，
所述硅衬底、GaN外延层、AlGaN外延层依次自下而上纵向排列，欧姆接触区与带负电性F-的栅极区并排且有间隔的设置在AlGaN外延层内，欧姆接触区的下表面、带负电性F-的栅极区的下表面均与GaN外延层接触，栅极金属设置在带负电性F-的栅极区的正上方，带负电性F-的埋层区位于GaN外延层中且紧贴GaN外延层的上表面，带负电性F-的终端区设置在GaN外延层与AlGaN外延层中且位于带负电性F-的埋层区的上表面，SiN介质层设置于AlGaN外延层、栅极金属、带负电性F-的终端区的上表面，源极金属设置在除了带负电性F-的终端区上方的SiN介质层之外的SiN介质层的上表面、欧姆接触区的上表面，漏极金属置于硅衬底的下表面。
作为本发明所述的一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件进一步优化方案，所述带负电性F-的埋层区位于GaN外延层中且紧贴GaN外延层的上表面，构成AlGaN/GaN异质结的背栅结构。
根据本发明提出的一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件的制作方法，包括以下步骤：
步骤一、提供自下而上纵向排列的硅衬底、GaN外延层、AlGaN外延层；
步骤二、在AlGaN外延层上电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au，带胶剥离后采用快速热退火的方法，在AlGaN外延层内形成欧姆接触区；
步骤三、在AlGaN外延层上采用RIE CF4离子处理技术，在AlGaN外延层中形成与欧姆接触区并排且有间隔的带负电性F-的栅极区；电子束蒸发Ni/Au，带胶剥离后在带负电性F-的栅极区正上方形成栅极金属；
步骤四、在AlGaN外延层上采用RIE CF4离子处理技术，去胶后在GaN外延层中形成带负电性F-的埋层区，该带负电性F-的埋层区位于GaN外延层中且紧贴GaN外延层的上表面；
步骤五、在AlGaN外延层上采用RIE CF4离子处理技术，去胶后在GaN外延层与AlGaN外延层中且位于带负电性F-的埋层区的上表面处形成带负电性F-的终端区；
步骤六、对步骤三、四、五中形成的栅极金属、带负电性F-的埋层区、带负电性F-的终端区同时进行RTA退化；
步骤七、在带负电性F-的终端区、AlGaN外延层、栅极金属的上表面淀积SiN介质层，光刻出欧姆接触区，采用湿法腐蚀去除欧姆接触区上方的SiN介质层；
步骤八、在除了带负电性F-的终端区上方的SiN介质层之外的SiN介质层的上表面、欧姆接触区的上表面淀积金属Al，光刻和湿法腐蚀后，形成源极金属；
步骤九、在硅衬底的下方淀积金属Al，形成漏极金属。
作为本发明所述的一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件的制作方法进一步优化方案，所述GaN外延层的厚度为3~5um。
作为本发明所述的一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件的制作方法进一步优化方案，所述AlGaN外延层的厚度为18~20nm。
作为本发明所述的一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件的制作方法进一步优化方案，所述漏极金属的厚度为1~1.5 um。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）本发明采用成熟的硅集成电路制造工艺研制硅基GaN纵向新器件，替代了常规的高成本P-GaN外延制造方法，故可显著降低成本，兼容主流硅基集成电路制造工艺并扩展了技术路线，还开辟硅基GaN集成电路新方向；
（2）本发明是硅基GaN功率新器件的有效方法之一，通过在外延层引入负电位的P型埋层，对器件能带裁剪，重构了原本的表面输运路径和表面耐压机理，获得了体内输运和体内耐压的新机理，能显著改善器件正反向电学特性，并有利于改善器件可靠性和提高晶圆利用率，从而达到一举多得的效果。
附图说明
图1是本发明器件结构示意图。
图2a是本发明器件仿真特性。
图2b是图1中器件沿虚线方向的能级导带随V ds电压的变化规律。
图中的附图标记解释为：1-硅衬底，2-GaN外延层，3-AlGaN外延层，4-欧姆接触区，5-带负电性F-的栅极区，6-栅极金属，7-带负电性F-的埋层区，8-带负电性F-的终端区，9-SiN介质层，10-源极金属，11-漏极金属。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件，如图中所示的虚线为硅基GaN HEMTs纵向功率器件的中轴线，该中轴线将硅基GaN HEMTs纵向功率器件分为第一区域和第二区域，本发明由相对于中轴线左右镜像对称的第一区域和第二区域组成；其中，所述第一区域包括硅衬底1、GaN外延层2、AlGaN外延层3、欧姆接触区4、带负电性F-的栅极区5、栅极金属6、带负电性F-的埋层区7、带负电性F-的终端区8、SiN介质层9、源极金属10和漏极金属11；其中，
所述硅衬底、GaN外延层、AlGaN外延层依次自下而上纵向排列，欧姆接触区与带负电性F-的栅极区并排且有间隔的设置在AlGaN外延层内，欧姆接触区的下表面、带负电性F-的栅极区的下表面均与GaN外延层接触，栅极金属设置在带负电性F-的栅极区的正上方，带负电性F-的埋层区位于GaN外延层中且紧贴GaN外延层的上表面，带负电性F-的终端区设置在GaN外延层与AlGaN外延层中且位于带负电性F-的埋层区的上表面，SiN介质层设置于AlGaN外延层、栅极金属、带负电性F-的终端区的上表面，源极金属设置在除了带负电性F-的终端区上方的SiN介质层之外的SiN介质层的上表面、欧姆接触区的上表面，漏极金属置于硅衬底的下表面。
所述带负电性F-的埋层区位于GaN外延层中且紧贴GaN外延层的上表面，构成AlGaN/GaN异质结的背栅结构。
根据本发明提出的一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件的制作方法，包括以下步骤：
步骤一、提供自下而上纵向排列的硅衬底、GaN外延层、AlGaN外延层；
步骤二、在AlGaN外延层上电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au，带胶剥离后采用快速热退火的方法，在AlGaN外延层内形成欧姆接触区；
步骤三、在AlGaN外延层上采用RIE CF4离子处理技术，在AlGaN外延层中形成与欧姆接触区并排且有间隔的带负电性F-的栅极区；电子束蒸发Ni/Au，带胶剥离后在带负电性F-的栅极区正上方形成栅极金属；
步骤四、在AlGaN外延层上采用RIE CF4离子处理技术，去胶后在GaN外延层中形成带负电性F-的埋层区，该带负电性F-的埋层区位于GaN外延层中且紧贴GaN外延层的上表面；
步骤五、在AlGaN外延层上采用RIE CF4离子处理技术，去胶后在GaN外延层与AlGaN外延层中且位于带负电性F-的埋层区的上表面处形成带负电性F-的终端区；
步骤六、对步骤三、四、五中形成的栅极金属、带负电性F-的埋层区、带负电性F-的终端区同时进行RTA退化；
步骤七、在带负电性F-的终端区、AlGaN外延层、栅极金属的上表面淀积SiN介质层，光刻出欧姆接触区，采用湿法腐蚀去除欧姆接触区上方的SiN介质层；
步骤八、在除了带负电性F-的终端区上方的SiN介质层之外的SiN介质层的上表面、欧姆接触区的上表面淀积金属Al，光刻和湿法腐蚀后，形成源极金属；
步骤九、在硅衬底的下方淀积金属Al，形成漏极金属。
所述GaN外延层的厚度为3~5um。所述AlGaN外延层的厚度为18~20nm。所述漏极金属的厚度为1~1.5 um。
本发明提出将硅F-离子工艺应用于GaN功率新器件开发了，不但能实现了增强型工作机理，还获得了类似VDMOS器件的GaN HEMT纵向器件结构，可满足大功率功率变换的驱动应用。
1)        采用硅F-离子工艺，在栅极金属6正下方带负电性F-的栅极区5中形成带负电性F-分布，用它耗尽栅极金属6下方的AlGaN外延层3与GaN外延层2之间的二维电子气，本征区可获得增强型器件机理。
2)        采用不同于1)注入能量的硅F-离子工艺，在GaN外延层2中非本征区域获得带负电性P埋层结构，此结构获得了AlGaN/GaN量子阱的背栅结构和在GaN外延层2中形成了耐压新结构，重构了传统AlGaN/GaN器件结构。一方面，当器件正向工作时，非本征区域的背栅结构加强对量子阱中的二维电子气调控，提高了正向导通时电子输运的速度和增加了正向电流。另一方面，当器件反向偏置时，一对在GaN外延层2中的带负电性F-的埋层区7承担着反向耐压，并较好地屏蔽了高电场对栅极金属6的影响，降低了表面电场并获得体内击穿，从而缩短漂移区长度和降低导通电阻。
3)        漏极金属11位于硅衬底1的背面，形成了纵向结构GaN新功率器件，显著降低了比导通电阻，并提高了晶圆的利用率。
图2a是本发明器件仿真特性，图2b是图1器件沿虚线方向的能级导带随V ds电压的变化规律。借助Silvaco软件对上述新器件进行了仿真验证，阈值电压Vth约为0.2V。该新器件具有非本征沟道区量子阱电流输运。由F-基埋层构成的AlGaN/GaN/F-双异质结结构，正向电流在此区域呈现以自由电子输运，可显著提高器件的功率转换效率。其次，该新器件具有类IGBT的HEMTs纵向器件新特性。由于AlGaN/GaN颈部区域异质结形成的量子阱结构，器件偏置于一定的Vds电压后才正向导通，此时其开启电压为Knee Voltage，这类似于IGBT器件机理。模拟结果表明，当该器件源漏电压V ds从零电位逐渐增加，器件开启电压Knee Voltage约为0.5V开始导通，其值远低于IGBT开启电压约3V，与此同时导带E c也逐渐下降，且在源漏电压V ds为0.5V时导带E c下降为水平状态，这意味着较低的Knee Voltage电压不足对高压GaN基功率器件性能产生较大的影响，且随着V ds进一步增大电子可被器件背面漏电极加速抽取。
因此，硅基增强型AlGaN/GaN VDNMOS-HEMTs新器件具备较强的可处理大电流功率应用能力。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1. 一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件，其特征在于，包括第一区域和第二区域，所述第一区域与第二区域镜像对称；所述第一区域包括硅衬底、GaN外延层、AlGaN外延层、欧姆接触区、带负电性F-的栅极区、栅极金属、带负电性F-的埋层区 、带负电性F-的终端区、SiN介质层、源极金属和漏极金属；其中，
所述硅衬底、GaN外延层、AlGaN外延层依次自下而上纵向排列，欧姆接触区与带负电性F-的栅极区并排且有间隔的设置在AlGaN外延层内，欧姆接触区的下表面、带负电性F-的栅极区的下表面均与GaN外延层接触，栅极金属设置在带负电性F-的栅极区的正上方，带负电性F-的埋层区位于GaN外延层中且紧贴GaN外延层的上表面，带负电性F-的终端区设置在GaN外延层与AlGaN外延层中且位于带负电性F-的埋层区的上表面，SiN介质层设置于AlGaN外延层、栅极金属、带负电性F-的终端区的上表面，源极金属设置在除了带负电性F-的终端区上方的SiN介质层之外的SiN介质层的上表面、欧姆接触区的上表面，漏极金属置于硅衬底的下表面。
2.根据权利要求1所述的一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件，其特征在于，所述带负电性F-的埋层区位于GaN外延层中且紧贴GaN外延层的上表面，构成AlGaN/GaN异质结的背栅结构。
3.一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、提供自下而上纵向排列的硅衬底、GaN外延层、AlGaN外延层；
步骤二、在AlGaN外延层上电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au，带胶剥离后采用快速热退火的方法，在AlGaN外延层内形成欧姆接触区；
步骤三、在AlGaN外延层上采用RIE CF4离子处理技术，在AlGaN外延层中形成与欧姆接触区并排且有间隔的带负电性F-的栅极区；电子束蒸发Ni/Au，带胶剥离后在带负电性F-的栅极区正上方形成栅极金属；
步骤四、在AlGaN外延层上采用RIE CF4离子处理技术，去胶后在GaN外延层中形成带负电性F-的埋层区，该带负电性F-的埋层区位于GaN外延层中且紧贴GaN外延层的上表面；
步骤五、在AlGaN外延层上采用RIE CF4离子处理技术，去胶后在GaN外延层与AlGaN外延层中且位于带负电性F-的埋层区的上表面处形成带负电性F-的终端区；
步骤六、对步骤三、四、五中形成的栅极金属、带负电性F-的埋层区、带负电性F-的终端区同时进行RTA退化；
步骤七、在带负电性F-的终端区、AlGaN外延层、栅极金属的上表面淀积SiN介质层，光刻出欧姆接触区，采用湿法腐蚀去除欧姆接触区上方的SiN介质层；
步骤八、在除了带负电性F-的终端区上方的SiN介质层之外的SiN介质层的上表面、欧姆接触区的上表面淀积金属Al，光刻和湿法腐蚀后，形成源极金属；
步骤九、在硅衬底的下方淀积金属Al，形成漏极金属。
4.根据权利要求3所述的一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件的制作方法，其特征在于，所述GaN外延层的厚度为3~5um。
5.根据权利要求3所述的一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件的制作方法，其特征在于，所述AlGaN外延层的厚度为18~20nm。
6.根据权利要求3所述的一种硅基GaN HEMTs纵向功率器件的制作方法，其特征在于，所述漏极金属的厚度为1~1.5 um。
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