CN119815865A - 一种增强型槽栅mis-hemt器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强型槽栅MIS‑HEMT器件及其制备方法，该器件包括自下而上依次设置的衬底层、成核层、缓冲层、GaN沟道层、插入层和第一AlGaN势垒层，其中，第一AlGaN势垒层的上表面的两侧分别包括第一隔离区和第二隔离区；第一AlGaN势垒层的中部开设有栅极区凹槽，栅极区凹槽从第一AlGaN势垒层的上表面向下延伸至GaN沟道层的上表面；第一隔离区和第二隔离区的内侧分别设置有源电极和漏电极；栅极区凹槽内部以及第一AlGaN势垒层的上表面自下而上依次设置有第二AlGaN势垒层和高阻C:GaN层，高阻C:GaN层的上表面覆盖有钝化层，钝化层上设置有栅极窗口，栅极窗口处设置有栅电极。本发明改善了生长界面寄生沟道的问题，有效提高了阈值电压的稳定性以及栅极正向漏电特性。

Description

一种增强型槽栅MIS-HEMT器件及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种增强型槽栅MIS-HEMT器件及其制备方法。

背景技术

氮化镓(GaN)作为一种宽禁带半导体，具有高击穿电场、高热稳定性和良好导热性等非凡特性。GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)显示出良好的功率开关应用以及成本竞争力，在现代功率电子和射频器件领域中得到了广泛的应用。

增强型GaN功率器件具有优异的电学性能，且能够提供高效率和高功率密度的功率转换，提高增强型GaN功率器件的性能可以推动GaN IC的发展。制备增强型GaN器件的方法一般有采用凹槽式MIS栅结构，p-GaN栅极结构和氟离子处理。

传统的槽栅结构增强型MIS-HEMT可以在耗尽型模式的外延片上实现增强型器件，器件制备方法简单，栅极耐压较高。但是，由于GaN和栅极介质存在大量的界面态缺陷，器件的阈值电压漂移问题极其严重。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种增强型槽栅MIS-HEMT器件及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明的一个方面提供了一种增强型槽栅MIS-HEMT器件，包括自下而上依次设置的衬底层、成核层、缓冲层、GaN沟道层、插入层和第一AlGaN势垒层，其中，

所述第一AlGaN势垒层的上表面的两侧分别包括第一隔离区和第二隔离区，所述第一隔离区和所述第二隔离区均从所述第一AlGaN势垒层的上表面向下延伸至所述缓冲层的上表面；

所述第一AlGaN势垒层的中部开设有栅极区凹槽，所述栅极区凹槽从所述第一AlGaN势垒层的上表面向下延伸至所述GaN沟道层的上表面；所述第一隔离区和所述第二隔离区的内侧分别设置有源电极和漏电极，所述源电极和所述漏电极的下表面均与所述GaN沟道层接触；

所述栅极区凹槽内部以及所述第一AlGaN势垒层的上表面自下而上依次设置有第二AlGaN势垒层和高阻C:GaN层，所述高阻C:GaN层的上表面覆盖有钝化层，位于所述栅极区凹槽处的所述钝化层上设置有栅极窗口，所述栅极窗口向下延伸至高阻C:GaN层的上表面，所述栅极窗口处设置有栅电极。

在本发明的一个实施例中，所述缓冲层的材料为掺C元素的GaN，其中，C的掺杂浓度为10¹⁷～10²⁰cm^-3，所述缓冲层的厚度为1200nm～1500nm。

在本发明的一个实施例中，所述第一AlGaN势垒层的厚度为10nm～30nm，其中，AlGaN中的Al组分为0.1～0.3。

在本发明的一个实施例中，所述第一隔离区和所述第二隔离区的注入离子为N离子，注入浓度为10¹⁸～10²⁰cm^-3。

在本发明的一个实施例中，所述第二AlGaN势垒层的厚度为2nm～10nm，其中，AlGaN中的Al组分为0.1～0.3。

在本发明的一个实施例中，所述高阻C:GaN层的厚度为70nm～90nm，其中C元素的掺杂浓度为10¹⁸～10²⁰cm^-3。

在本发明的一个实施例中，所述源电极的外边缘与所述第一隔离区的内边缘相接触，所述漏电极的外边缘与所述第二隔离区的内边缘相接触。

在本发明的一个实施例中，所述栅电极的材料为Ti/Al或者TiN/Ti/Al/TiN；所述源电极和所述漏电极的材料为Ti、Al或者含Ti/Al的金属复合层或合金。

本发明的另一方面提供了一种增强型槽栅MIS-HEMT器件的制备方法，包括：

步骤1：在衬底层上依次外延生长成核层、缓冲层、GaN沟道层、插入层和第一AlGaN势垒层；

步骤2：在所述第一AlGaN势垒层的左右两侧进行离子注入，形成第一隔离区和第二隔离区；

步骤3：刻蚀所述第一AlGaN势垒层的中部，形成向下延伸至所述GaN沟道层的上表面的栅极区凹槽；

步骤4：在所述第一AlGaN势垒层的上表面以及所述栅极区凹槽的内部生长第二AlGaN势垒层；

步骤5：在所述第二AlGaN势垒层的上表面依次生长高阻C:GaN层和钝化层；

步骤6：在栅极区域刻蚀所述钝化层形成栅极窗口，沉积栅极金属形成栅电极；

步骤7：刻蚀源电极窗口和漏电极窗口，在所述电极窗口和所述漏电极窗口中分别沉积金属形成源电极和漏电极。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1、传统的槽栅技术制备的槽栅MIS-HEMT可以获得增强型器件，但是由于界面态存在大量缺陷，导致器件的阈值电压不稳定，阈值电压漂移的情况极其严重。本发明提供的增强型槽栅MIS-HEMT器件，采用槽栅结构实现了器件阈值电压的提升，使用高阻C:GaN层作为栅介质层，有效降低了栅极泄漏电流，提高了栅极正向耐压，抑制了界面态陷阱密度，降低了器件表面电流崩塌。

2、本发明的增强型槽栅MIS-HEMT器件在栅极区凹槽中再生长一层第二AlGaN势垒层，该第二AlGaN势垒层可以有效抑制再生长界面(即第二AlGaN势垒层7和高阻C:GaN层8的界面)O杂质离化所造成的寄生沟道，能够有效减少阈值电压漂移的问题，提高二维电子气的密度，获得高电流密度的器件。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种增强型槽栅MIS-HEMT器件的结构示意图；

图2本发明实施例提供的一种增强型槽栅MIS-HEMT器件的制备方法流程图；

图3a至图3g是本发明实施例提供的新型增强型槽栅MIS-HEMT器件的制备过程示意图。

附图标记说明：

1、衬底层；2、成核层；3、缓冲层；4、GaN沟道层；5、插入层；6、第一AlGaN势垒层；7、第二AlGaN势垒层；8、高阻C:GaN层；9、钝化层；10、栅电极；11、源电极；12、漏电极；13a、第一隔离区；13b、第二隔离区。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种增强型槽栅MIS-HEMT器件及其制备方法进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种增强型槽栅MIS-HEMT器件的结构示意图。该增强型槽栅MIS-HEMT器件包括自下而上依次设置的衬底层1、成核层2、缓冲层3、GaN沟道层4、插入层5和第一AlGaN势垒层6，其中，第一AlGaN势垒层6的上表面的两侧分别包括第一隔离区13a和第二隔离区13b，第一隔离区13a和第二隔离区13b均从第一AlGaN势垒层6的上表面向下延伸至缓冲层3的上表面；第一AlGaN势垒层6的中部开设有栅极区凹槽，栅极区凹槽从第一AlGaN势垒层6的上表面向下延伸至GaN沟道层4的上表面；第一隔离区13a和第二隔离区13b的内侧分别设置有源电极11和漏电极12，源电极11和漏电极12的下表面均与GaN沟道层4接触，源电极12和漏电极13分别与GaN沟道层4形成欧姆接触；栅极区凹槽内部以及第一AlGaN势垒层6的上表面自下而上依次设置有第二AlGaN势垒层7和高阻C:GaN层8，高阻C:GaN层8的上表面覆盖有钝化层9，位于栅极区凹槽处的钝化层上设置有栅极窗口，栅极窗口向下延伸至高阻C:GaN层8的上表面，栅极窗口处设置有栅电极10。

在本实施例中，衬底层1可以为蓝宝石，Si或SiC材料中的一种，厚度为1mm左右。成核层2的材料为AlN，厚度为50～500nm；缓冲层3的材料为掺C元素的GaN，其中，C的掺杂浓度为10¹⁷～10²⁰cm^-3，厚度为1200nm～1500nm，GaN沟道层4的厚度为200nm～300nm，插入层5的材料优选的为AlN，厚度为0.5nm～2nm，第一AlGaN势垒层6的厚度为10nm～30nm，AlGaN中的Al组分为0.1～0.3。

进一步地，第一隔离区13a和第二隔离区13b的注入离子为N离子，注入浓度为10¹⁸～10²⁰cm^-3，第一隔离区13a和第二隔离区13b用于实现器件隔离。第二AlGaN势垒层7的厚度为2nm～10nm，其中AlGaN中的Al组分为0.1～0.3；高阻C:GaN层8作为器件的栅介质层，厚度为70nm～90nm，且C元素的掺杂浓度为10¹⁸～10²⁰cm^-3，第二AlGaN势垒层7可以有效抑制再生长界面(即第二AlGaN势垒层7和高阻C:GaN层8的界面)O(氧)杂质离化所造成的寄生沟道，高阻C:GaN层8可以有效减少栅极漏电并提高栅极击穿电压。

进一步地，本实施例的源电极11的外边缘与第一隔离区13a的内边缘相接触，漏电极12的外边缘与第二隔离区13b的内边缘相接触。源电极11的内边缘自下而上分别与插入层5、第一AlGaN势垒层6、第二AlGaN势垒层7、高阻C:GaN层8和钝化层9接触，漏电极12的内边缘自下而上分别与插入层5、第一AlGaN势垒层6、第二AlGaN势垒层7、高阻C:GaN层8和钝化层9接触。

优选地，钝化层10的材料包括SiO₂、SiN、AlON或Al₂O₃中的一种或多种。栅电极11的材料为Ti/Al或者TiN/Ti/Al/TiN，即栅电极11的材料可以为Ti/Al叠层金属，或者TiN/Ti/Al/TiN叠层金属。源电极12和漏电极13的材料为Ti、Al或者含Ti/Al的金属复合层或合金。本实施例的栅电极11的一部分从栅极窗口的内部延伸至高阻C:GaN层8的上表面，并且栅电极11的外边缘与钝化层10接触。

本发明的增强型槽栅MIS-HEMT器件采用槽栅结构实现了器件阈值电压的提升，使用高阻C:GaN层作为栅介质层，有效降低了栅极泄漏电流，提高了栅极正向耐压，抑制了界面态陷阱密度，降低了器件表面电流崩塌。

本发明的增强型槽栅MIS-HEMT器件在栅极区凹槽中再生长一层第二AlGaN势垒层，该第二AlGaN势垒层可以有效抑制再生长界面(即第二AlGaN势垒层7和高阻C:GaN层8的界面)O杂质离化所造成的寄生沟道，能够有效减少阈值电压漂移的问题，提高二维电子气的密度，获得高电流密度的器件。

实施例二

在实施例一的基础上，本实施例提供了一种增强型槽栅MIS-HEMT器件的制备方法，请一并参见图2和图3a至图3g，该制备方法包括：

步骤1：在衬底层1上依次外延生长成核层2、缓冲层3、GaN沟道层4、插入层5和第一AlGaN势垒层6。

请参见图3a，衬底层1的材料可以包括Si、SiC或蓝宝石中的一种，厚度为1mm左右，成核层2的材料为AlN，厚度为50～500nm，缓冲层3的材料为掺C元素的GaN，其中，C的掺杂浓度为10¹⁷～10²⁰cm^-3，厚度为1200nm～1500nm，GaN沟道层4的厚度为200nm～300nm，插入层5的材料优选的为AlN，厚度为0.5nm～2nm，第一AlGaN势垒层6的厚度为10nm～30nm，AlGaN中的Al组分为0.1～0.3。

步骤2：在第一AlGaN势垒层6的左右两侧进行离子注入，形成第一隔离区13a和第二隔离区13b。

具体地，请参见图3b，在第一AlGaN势垒层6的两侧进行N离子注入，形成第一隔离区13a和第二隔离区13b，注入浓度为10¹⁸～10²⁰cm^-3。第一隔离区13a和第二隔离区13b均从第一AlGaN势垒层6的上表面向下延伸至缓冲层3的上表面以实现器件隔离。

步骤3：刻蚀第一AlGaN势垒层6的中部，形成向下延伸至GaN沟道层4的上表面的栅极区凹槽。

请参见图3c，使用光刻显影技术在第一AlGaN势垒层6的中部(即栅极区域)上表面进行感应耦合等离子体(Inductively coupled plasma，ICP)刻蚀，将栅极区域的第一AlGaN势垒层6完全刻蚀掉，形成延伸至GaN沟道层4的上表面的栅极区凹槽，由于该栅极区凹槽下方的第一AlGaN势垒层被刻蚀，实现器件的增强型。

步骤4：在第一AlGaN势垒层6的上表面以及栅极区凹槽的内部生长第二AlGaN势垒层7。

具体地，请参见图3d，在第一AlGaN势垒层6的上表面以及栅极区凹槽的内部使用MOCVD工艺外延生长一层第二AlGaN势垒层7，第二AlGaN势垒层的厚度为2nm～10nm，其中AlGaN中的Al组分为0.1～0.3。

步骤5：在第二AlGaN势垒层7上依次生长高阻C:GaN层8和钝化层9。

具体地，继续参见图3d，首先利用MOCVD工艺在第二AlGaN势垒层7上生长高阻C:GaN层8作为器件的栅介质层，该高阻C:GaN层8的厚度为70nm～90nm，高阻C:GaN中的C元素的掺杂浓度为10¹⁸～10²⁰cm^-3，第二AlGaN势垒层7可以有效抑制再生长界面(即第二AlGaN势垒层7和高阻C:GaN层8的界面)O杂质离化所造成的寄生沟道。高阻C:GaN层8可以有效减少栅极漏电并提高栅极击穿电压。

接着，在高阻C:GaN层8上沉积介质材料形成钝化层9。具体地，请参见图3e，使用等离子体增强原子层沉积(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition，PEALD)工艺、原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD)工艺、等离子体增强化学的气相沉积(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)工艺或低压力化学气相沉积(LowPressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)工艺在高阻C:GaN层8上方沉积一层或多层介质材料，该介质材料包括SiO₂、SiN、AlON或Al₂O₃中的一种或多种。

步骤6：在栅极区域刻蚀钝化层9形成栅极窗口，沉积栅极金属形成栅电极10。

请参见图3f，刻蚀掉栅极窗口内部的所有钝化层9，使得此时栅极窗口延伸至高阻C:GaN层8的上表面，在栅极窗口处通过物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)沉积栅极金属形成栅电极10，栅极金属为Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al。本实施例的栅电极11的一部分从栅极窗口的内部延伸至高阻C:GaN层8的上表面，并且栅电极11的外边缘与钝化层10接触。栅电极11的下表面与高阻C:GaN层8的上表面接触。栅电极11的材料为Ti/Al或者TiN/Ti/Al/TiN，即栅电极11的材料可以为Ti/Al叠层金属，或者TiN/Ti/Al/TiN叠层金属。

步骤7：刻蚀源电极窗口和漏电极窗口，沉积金属形成源电极11和漏电极12。

具体地，请参见图3g，利用光刻显影工艺在器件两侧刻蚀钝化层，向下至沟道层的上表面，形成源漏电极窗口和漏电极窗口，在漏电极窗口、和漏电极窗口中分别沉积金属形成源电极11和漏电极12。

在本实施例中，本实施例的源电极11的外边缘与第一隔离区13a的内边缘相接触，漏电极12的外边缘与第二隔离区13b的内边缘相接触。源电极11的内边缘自下而上分别与插入层5、第一AlGaN势垒层6、第二AlGaN势垒层7、高阻C:GaN层8和钝化层9接触，漏电极12的内边缘自下而上分别与插入层5、第一AlGaN势垒层6、第二AlGaN势垒层7、高阻C:GaN层8和钝化层9接触。

本发明的制备方法，通过设置栅极区凹槽，刻蚀栅极区凹槽的第一AlGaN势垒层而得到增强型器件，使用MOCVD外延生长第二AlGaN势垒层，有效抑制再生长界面O杂质离化所造成的寄生沟道，得到阈值电压稳定的器件。此外，本发明设置高阻C:GaN层结构作为栅介质层，工艺步骤简单，增强了栅极正向特性，得到栅极漏电小、栅极击穿电压高的增强型槽栅MIS-HEMT。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，本发明所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能模块的形式实现。

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换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种增强型槽栅MIS-HEMT器件，其特征在于，包括自下而上依次设置的衬底层(1)、成核层(2)、缓冲层(3)、GaN沟道层(4)、插入层(5)和第一AlGaN势垒层(6)，其中，

所述第一AlGaN势垒层(6)的上表面的两侧分别包括第一隔离区(13a)和第二隔离区(13b)，所述第一隔离区(13a)和所述第二隔离区(13b)均从所述第一AlGaN势垒层(6)的上表面向下延伸至所述缓冲层(3)的上表面；

所述第一AlGaN势垒层(6)的中部开设有栅极区凹槽，所述栅极区凹槽从所述第一AlGaN势垒层(6)的上表面向下延伸至所述GaN沟道层(4)的上表面；所述第一隔离区(13a)和所述第二隔离区(13b)的内侧分别设置有源电极(11)和漏电极(12)，所述源电极(11)和所述漏电极(12)的下表面均与所述GaN沟道层(4)接触；

所述栅极区凹槽内部以及所述第一AlGaN势垒层(6)的上表面自下而上依次设置有第二AlGaN势垒层(7)和高阻C:GaN层(8)，所述高阻C:GaN层(8)的上表面覆盖有钝化层(9)，位于所述栅极区凹槽处的所述钝化层上设置有栅极窗口，所述栅极窗口向下延伸至高阻C:GaN层(8)的上表面，所述栅极窗口处设置有栅电极(10)。

2.根据权利要求1所述的增强型槽栅MIS-HEMT器件，其特征在于，所述缓冲层(3)的材料为掺C元素的GaN，其中，C的掺杂浓度为10¹⁷～10²⁰cm^-3，所述缓冲层(3)的厚度为1200nm～1500nm。

3.根据权利要求1所述的增强型槽栅MIS-HEMT器件，其特征在于，所述第一AlGaN势垒层(6)的厚度为10nm～30nm，其中，AlGaN中的Al组分为0.1～0.3。

4.根据权利要求1所述的增强型槽栅MIS-HEMT器件，其特征在于，所述第一隔离区(13a)和所述第二隔离区(13b)的注入离子为N离子，注入浓度为10¹⁸～10²⁰cm^-3。

5.根据权利要求1所述的增强型槽栅MIS-HEMT器件，其特征在于，所述第二AlGaN势垒层(7)的厚度为2nm～10nm，其中，AlGaN中的Al组分为0.1～0.3。

6.根据权利要求1所述的增强型槽栅MIS-HEMT器件，其特征在于，，所述高阻C:GaN层(8)的厚度为70nm～90nm，其中C元素的掺杂浓度为10¹⁸～10²⁰cm^-3。

7.根据权利要求1所述的增强型槽栅MIS-HEMT器件，其特征在于，所述源电极(11)的外边缘与所述第一隔离区(13a)的内边缘相接触，所述漏电极(12)的外边缘与所述第二隔离区(13b)的内边缘相接触。

8.根据权利要求1所述的增强型槽栅MIS-HEMT器件，其特征在于，所述栅电极(10)的材料为Ti/Al或者TiN/Ti/Al/TiN；所述源电极(11)和所述漏电极(12)的材料为Ti、Al或者含Ti/Al的金属复合层或合金。

9.一种增强型槽栅MIS-HEMT器件的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1：在衬底层上依次外延生长成核层、缓冲层、GaN沟道层、插入层和第一AlGaN势垒层；

步骤2：在所述第一AlGaN势垒层的左右两侧进行离子注入，形成第一隔离区和第二隔离区；

步骤3：刻蚀所述第一AlGaN势垒层的中部，形成向下延伸至所述GaN沟道层的上表面的栅极区凹槽；

步骤4：在所述第一AlGaN势垒层的上表面以及所述栅极区凹槽的内部生长第二AlGaN势垒层；

步骤5：在所述第二AlGaN势垒层的上表面依次生长高阻C:GaN层和钝化层；

步骤6：在栅极区域刻蚀所述钝化层形成栅极窗口，沉积栅极金属形成栅电极；

步骤7：刻蚀源电极窗口和漏电极窗口，在所述电极窗口和所述漏电极窗口中分别沉积金属形成源电极和漏电极。