本發(fā)明涉及一種氮化鎵基異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，更具體地說是涉及一種氮化鎵基異質(zhì)結(jié)的高電子遷移率晶體管(hemt)器件結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

氮化鎵(gan)是寬禁帶半導(dǎo)體材料，比硅有更大的擊穿電場特性，也有高的電子飽和漂移速度和高的熱導(dǎo)率，總的來說，gan是可以用來制造高頻，高工作溫度和高壓大功率半導(dǎo)體器件的優(yōu)良材料。

氮化鎵(gan)基異質(zhì)結(jié)材料是延續(xù)了gan材料的高擊穿電場、高電子飽和漂移速度等優(yōu)點(diǎn)。algan/gan是gan基異質(zhì)結(jié)材料中的主要結(jié)構(gòu)代表，其中algan為寬禁帶材料，gan為窄帶材料，兩者形成i型異質(zhì)結(jié)，二維電子氣(2deg)位于異質(zhì)結(jié)界面的gan一側(cè)，是目前半導(dǎo)體材料和器件研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)。

由于氮化鎵(gan)單晶襯底過于昂貴和不成熟，一般(gan)基器件是不使用垂直結(jié)構(gòu)，而是使用橫向結(jié)構(gòu)的。用氮化鎵(gan)制造的高壓橫向器件的結(jié)構(gòu)一般如圖1所示，由于氮化鎵的摻雜工藝未成熟，尤其是p型摻雜，不容易控制，一直至今，圖1的結(jié)構(gòu)仍未有商業(yè)化的產(chǎn)品，相比之下，用algan/gan半導(dǎo)體材料形式成異質(zhì)結(jié)，從而形成高電子遷移率晶體管(hemt)器件，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，與其它半導(dǎo)體材料，如algaas/gaas相比，algan/gan材料制造出的hemt器件有更好的電學(xué)性能，因?yàn)橛渺吨圃炱骷睦w鋅礦結(jié)構(gòu)gan為iii族氮化物的六方晶體結(jié)構(gòu)，是一種帶隙寬并具有強(qiáng)壓電、鐵電性的半導(dǎo)體材料，這晶體結(jié)構(gòu)缺少反演對稱性，呈現(xiàn)很強(qiáng)的極化效應(yīng)，包括自發(fā)極化和壓電極化，壓 電系數(shù)比其它iii-v族、ii-vi族半導(dǎo)體材料大1個(gè)數(shù)量級以上，自發(fā)極化強(qiáng)度也很大，由于iii族氮化物材料能隙相差懸殊，異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面導(dǎo)帶存在巨大能帶偏移，形成深量子阱?；趶?qiáng)極化誘導(dǎo)作用和巨大能帶偏移，iii族氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面可形成一強(qiáng)量子局域化的高濃度二維電子氣系統(tǒng)。如典型的algan/gan異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其algan勢壘層中壓電極化強(qiáng)度為傳統(tǒng)algaas/gaas異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的5倍之多，高性能二維電子氣具有極其重要的技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。algan/gan體系作為一典型的gan基異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在微波功率，高溫電子器件和軍事領(lǐng)域等具有極為重要的應(yīng)用價(jià)值。

功率器件一般可以承受高的反偏置電壓和大的正向?qū)娏?，不同的功率器件有不同的?guī)格，其所能承受的反偏置電壓和正向電流是不同的?？v向功率器件在區(qū)域結(jié)構(gòu)上可分為有源區(qū)和終端區(qū)，終端區(qū)一般是在外圍緊接著有源區(qū)的邊緣。橫向功率器件沒有終端區(qū)，只有有源區(qū)，有源區(qū)為電流從高電壓電極流至低電壓電極的流動區(qū)域，所以，當(dāng)橫向器件處于反偏置時(shí)，有源區(qū)(即從高電壓電極至低電壓電極之間的區(qū)域)需要用來承受從高電壓電極至低電壓電極之間的反偏置電壓，有顧及此，橫向器件在設(shè)計(jì)上除了減少導(dǎo)通電阻，減少寄生電容等等，還要兼顧擊穿電壓的要求，在反偏置時(shí)，從高電壓電極至低電壓電極之間需要形成耗盡區(qū)來承受反偏置的電壓，要承受相當(dāng)?shù)姆雌秒妷罕阋喈?dāng)寬度的耗盡區(qū)，在耗盡區(qū)域中，半導(dǎo)體材料間的電荷要平衡，在耗盡時(shí)要求幾乎沒有凈電荷殘留，否則耗盡區(qū)便無法擴(kuò)展開來承受施加其上的反偏置的電壓。

對氮化鎵(gan)基異質(zhì)結(jié)來說，在勢壘層algan之上沒有g(shù)an帽層的情況下，勢壘層algan與在其下的gan層之間的正電荷是由層間介質(zhì)與algan之間的介 面態(tài)來抵消平衡掉，這種方法比較不容易達(dá)到理想的電荷平衡狀態(tài)，即比較困難使電場均勻地分布在有源區(qū)域之間，比較困難使有源區(qū)域沒有局部電場集中而導(dǎo)至提早擊穿或可靠性差等問題，相比之下，在勢壘層algan之上有g(shù)an帽層的情況下，如圖3所示，這結(jié)構(gòu)的勢壘層algan與在其下的gan層之間有正電荷層，而勢壘層algan與在其上的gan帽層之間有負(fù)電荷層，在反偏置時(shí)，勢壘層algan與在其下的gan層之間的正電荷被在勢壘層algan與在其上的gan帽層之間的負(fù)電荷加上少許的層間介質(zhì)與algan之間的介面態(tài)相抵消，這種結(jié)構(gòu)比較容易達(dá)至理想的電荷平衡狀態(tài)，使電場較均勻平地分布於高電壓電極至低電壓電極之間的有源區(qū)域。

在設(shè)計(jì)橫向功率器件於處理反偏電壓部分的結(jié)構(gòu)上，一般是采用resurf結(jié)構(gòu)，這結(jié)構(gòu)是j.appels在1979年提出來的，這結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖4中的區(qū)域23代表有源區(qū)p型摻雜區(qū)，區(qū)域23與區(qū)域24的交界處是有源區(qū)的邊界，區(qū)域24至芯片的邊緣是終端區(qū)，appels指出，若區(qū)域24是一等濃度摻雜區(qū)，若果這區(qū)的摻雜濃度過高或過低，在終端區(qū)表面的擊穿電壓都會偏低。如圖5所示的表面電場強(qiáng)度隨位置的變化，圖5中所示若濃度過高則在位置b處的電場比別處的高出許多，位置b會先擊穿，若摻雜過低，則會在位置a先擊穿，對硅材料來說，若果摻雜濃度為1e12cm-2，則在反向偏置時(shí)，位a與位b的電場強(qiáng)度會大致同時(shí)到達(dá)場強(qiáng)的極限而擊穿，如圖6所示，這時(shí)的擊穿電壓是這結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化最大的擊穿電壓，終端區(qū)的擊穿與每一位置的累積摻雜劑量是有關(guān)的，與摻雜的深淺分布無關(guān)。后來研究犮現(xiàn)，若果區(qū)域24的摻雜是線性橫向變的會比恒定摻雜的更優(yōu)化，(instituteofphysics，semicond.sci.technol.17(2002)721-728)。把resuf的原理應(yīng)用到hemt結(jié)構(gòu)上，2deg的濃度相當(dāng)于 圖4中摻雜區(qū)域24，而2deg的濃度可由調(diào)校勢壘層algan中的al成份或勢壘層algan中的摻雜濃度來控制，若resuf區(qū)域是單一濃度，為了確保反向偏置時(shí)，有源區(qū)能承受起反向高壓，一般采用較低程度的單一2deg濃度，這樣會使得導(dǎo)通電阻較高，未如理想，這里提出新型的hemt結(jié)構(gòu)使得有源區(qū)的2deg濃度從低電壓電極至高電壓電極之間的區(qū)域不是單一的，而是平均地單向地增加，使得高電壓電極處的2deg濃度高于低電壓電極處的2deg濃度，增加的速率不一定是線性的，會因工藝與生產(chǎn)車間條件不同，而對2deg的濃度上升速度要求不同。如之前所說，用resurf原理來設(shè)計(jì)橫向器件時(shí)，單一濃度是不優(yōu)化的，從低電壓電極至高電壓電極之間的2deg濃度最好是增加的，這樣可使得器件達(dá)到同樣的擊穿規(guī)格時(shí)，有更好的導(dǎo)通電阻，本發(fā)明提供不同的方案使得2deg濃度從低電壓電極至高電壓電極之間是上升的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所揭示的algan/ganhemt結(jié)構(gòu)可以避免以上的缺點(diǎn)，能使2deg濃度從低電壓電極至高電壓電極之間是上升的，從而使得器件達(dá)到同樣的擊穿規(guī)格時(shí)，有更好的導(dǎo)通電阻。

本發(fā)明所用的基本器件物理原理是resurf，進(jìn)一步優(yōu)化為橫向摻雜濃度漸變地增加的resurf。本發(fā)明的核心思想是在設(shè)計(jì)器件和工藝時(shí)便安排好使用如漸變開孔方法來實(shí)現(xiàn)。實(shí)施本發(fā)明有多種方案，以下是實(shí)施各方案的主要步驟。

方案一：對于在勢壘層algan之上沒有g(shù)an帽層的情況下，如圖2的結(jié)構(gòu)，在器件制作過程中，把勢壘層algan中的一部份腐蝕掉，圖7是腐蝕掉后橫切面示意圖，圖8是俯視圖，這兩個(gè)圖主要是用來表達(dá)本發(fā)明的原理，這兩幅圖都表達(dá)出腐蝕掉一部分后的勢壘層algan的最終留下來的從低電壓電極至高電 壓電極之間的勢壘層algan平均面積是上升的，如果gan層上沒有algan，則gan表面就沒有2deg存在，這使得從低電壓電極至高電壓電極之間的2deg平均濃度是上升的，增加的速度可由控制腐蝕后留下的面積的多少與密度來決定。

方案二：對于在勢壘層algan之上沒有g(shù)an帽層的情況下，結(jié)構(gòu)與方案一類似，只是在腐蝕掉的區(qū)域下的gan表面處注入摻雜使之成為n型導(dǎo)電材料，激活后的摻雜濃度為1e12cm-2至1e13cm-2之間，圖9是橫切面示意圖。

方案三：是對于在勢壘層algan之上沒有g(shù)an帽層的情況下，本方案是用漸變開孔注入離子來實(shí)現(xiàn)，使得勢壘層algan的n型摻雜的平均濃度從源至漏是增加的，注入n型摻雜區(qū)的掩膜版如圖8所示，可以用不同的幾何圖形結(jié)構(gòu)和不同大小的圖形來實(shí)現(xiàn)，最終是algan層的n型濃度從低電壓電極至高電壓電極之間是增加的，從而2deg的濃度是增加的，上升的變化速度由注入的漸變開孔面積，注入的濟(jì)量和激活的溫度等決定。

方案四：是對在勢壘層algan之上有g(shù)an帽層的情況下，手法如方案一類似，在器件制作過程中，把gan/algan中的一部份腐蝕掉，圖10是橫切面示意圖。

方案五：是對在勢壘層algan之上有g(shù)an帽層的情況下，結(jié)構(gòu)與方案四類似，只是在腐蝕掉的區(qū)域下的gan表面處注入摻雜使之成為n型導(dǎo)電材料，激活后的摻雜濃度為1e12cm-2至1e13cm-2之間，圖11是橫切面示意圖。

方案六：是對于在勢壘層algan之上有g(shù)an帽層的情況下，本方案是用漸變開孔注入離子來實(shí)現(xiàn)，使得勢壘層algan的n型摻雜的平均濃度從源至漏是增加的，注入n型摻雜區(qū)的掩膜版如圖8所示，可以用不同的幾何圖形結(jié)構(gòu)和不同大小的圖形來實(shí)現(xiàn)，最終是algan層的n型濃度從低電壓電極至高電壓電極 之間是增加的，從而2deg的濃度是增加的，上升的變化速度由注入的漸變開孔面積，注入的濟(jì)量和激活的溫度等決定，這方案需要完成勢壘層algan摻雜后才生長帽層。

以上各方案所用的漸變開孔的大小寬度為0.2um至5.0um，孔與孔之間的距離為0.2um至10um，開孔形狀可為各種幾何圖案如正方形、圓形和長方形等，而且要求每一器件單元中從勢壘層algan的任一邊至另一邊是連續(xù)的，不被開孔阻隔斷，即用漸變開孔掩膜版處理過的器件，其最終在漂移區(qū)的二維電子氣是把電流通道連續(xù)地連接起來的。

附圖說明

附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制：

圖1是氮化鎵橫向器件結(jié)構(gòu)的橫切面示意圖；

圖2是沒有g(shù)an帽層的algan/ganhemt器件結(jié)構(gòu)的橫切面示意圖；

圖3是有g(shù)an帽層的algan/ganhemt器件結(jié)構(gòu)的橫切面示意圖；

圖4是終端為resurf結(jié)構(gòu)的功率分立器件的橫切面示意圖；

圖5是終端為resurf結(jié)構(gòu)的n型摻雜區(qū)濃度不優(yōu)化時(shí)表面電場分布示意圖；

圖6是終端為resurf結(jié)構(gòu)的n型摻雜區(qū)濃度優(yōu)化時(shí)表面電場分布示意圖；

圖7是本發(fā)明方案一的(gan)基異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)的橫切面示意圖；

圖8是本發(fā)明方案一的(gan)基異質(zhì)結(jié)器件中的algan層開孔后的俯視圖；

圖9是本發(fā)明方案二的(gan)基異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)的橫切面示意圖；

圖10是本發(fā)明方案四的(gan)基異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)的橫切面示意圖；

圖11是本發(fā)明方案五的(gan)基異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)的橫切面示意圖；

圖12是本發(fā)明實(shí)施例在完成所有外延層的橫切面示意圖；

圖13是本發(fā)明實(shí)施例在勢壘層algan上完成漸變開孔刻蝕的橫切面示意圖；

圖14是本發(fā)明實(shí)施例在表面完成沉積一層介質(zhì)層的橫切面示意圖；

圖15是本發(fā)明實(shí)施例在源漏接觸孔中完成金屬歐姆接觸的橫切面示意圖；

圖16是本發(fā)明實(shí)施例在完成沉積柵極金屬的橫切面示意圖。

參考符號表：

1氮化鎵(gan)襯底

2氮化鎵(gan)外延層

3氮化鎵(gan)外延層中有源區(qū)中的resurfn的型區(qū)

4有源區(qū)中的n+型區(qū)

5源極

6漏極

7柵極

8二氧化硅層

11藍(lán)寶石襯底

12緩沖層(ain)

13非故意摻雜氮化鎵(gan)外延層

14二維電子氣(2deg)

15非故意摻雜鋁氮化鎵(algan)外延層

16介質(zhì)層(氮化硅)

17氮化鎵(gan)帽層

18表面鈍化層

19非故意摻雜gan層表面沒有algan處的n型區(qū)域

20開孔

21硅襯底

22硅襯底上的p型外延層

23有源區(qū)中的p型區(qū)

24有源區(qū)中的resurfn的型區(qū)

具體實(shí)施方式

本發(fā)明可用于各種各樣的iii氮異質(zhì)結(jié)的hemt結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)舉一有關(guān)橫向功率器件實(shí)施例來介紹本發(fā)明的其中一種應(yīng)用。實(shí)施例中主要是介紹如何使用本發(fā)明的其中一種方案(方案四)的工藝方法，至於表面鈍化層，金屬引缐和晶圓片的磨薄等步驟從略。

實(shí)施例：

如圖12所示，用mocvd方法在藍(lán)寶石襯底(0001)方向上外延生長得到從襯底往上依次包括200nmain緩沖層、3um非故意摻雜的gan層、30nm無摻雜的勢壘層al(0.3)ga(0.7)n和10nm非故意摻雜的gan帽層。

如圖13所示，在gan表面積淀光刻涂層，利用漸變開孔掩模版暴露出部分gan的表面，漸變開孔掩模版的開孔大小寬度為0.2um至5.0um，孔與孔之間的距離為0.2um至10um，開孔形狀可為各種幾何圖案如正方形、圓形和長方形等，然后對gan/algan采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(icp)技術(shù)的干法刻蝕，刻蝕氣體為c12/bcl3，直至暴露出algan底下的gan層，然后去掉光刻涂層。

如圖14所示，在表面用原子層沉積法(atomiclayerdepositionald)沉積一層介質(zhì)層，介質(zhì)層可以是氮化硅，二氧化硅等，介質(zhì)層厚度為150a至2000a之間。

如圖15所示，在介質(zhì)層表面積淀光刻涂層，利用接觸孔掩模版暴露出部分介質(zhì)層的表面，然后對介質(zhì)層采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(icp)技術(shù)的干法刻蝕，刻蝕氣體為c12/bcl3，直至暴露出介質(zhì)層底下的gan層，然后通過電子束蒸發(fā)方法，將四層金屬：ti(200a)/al(800a)/ni(200a)/au(1000a)組成的歐姆接觸金屬蒸發(fā)至材料結(jié)構(gòu)表面，然后藉著剝離工藝把不需要的金屬去掉，只在接觸孔留下金屬，接著經(jīng)850℃、30秒的快速熱退火處理，從而使接觸孔中的金屬形成良好的歐姆接觸電極。

如圖16所示，在介質(zhì)層表面積淀光刻涂層，利用柵極開孔掩模版暴露出部分介質(zhì)層的表面，然后通過電子束蒸發(fā)將兩層金屬ni(500a)/au(1800a)組成的肖特基接觸金屬蒸發(fā)至材料結(jié)構(gòu)表面，然后藉著剝離工藝把不需要的金屬去掉，只在柵極開孔中留下金屬作為柵極金屬，接著在氮?dú)猸h(huán)境中經(jīng)500℃、5分鐘的退火處理。

最后應(yīng)說明的是：以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，本發(fā)明可用于涉及制造各種iii氮異質(zhì)結(jié)的hemt器件(例如，異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(hemtfet)或肖特基二極管)，本發(fā)明可用于制備100v至15000v的半導(dǎo)體功率分立器件，本發(fā)明的實(shí)施例是以n型溝道器件作出說明，本發(fā)明亦可用于p型溝道器件，盡管參照實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換，但是凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。