基于iii族氮化物材料的準(zhǔn)線性摻雜的器件結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于III族氮化物材料的準(zhǔn)線性摻雜的器件結(jié)構(gòu)，屬于半導(dǎo)體高頻功率器件和高壓器件，特別涉及III族氮化物器件的高壓領(lǐng)域。本發(fā)明中自下而上包括襯底、緩沖層、溝道層和上表面上設(shè)有電極的勢(shì)壘層，勢(shì)壘層上的上表面呈部分階梯式遞增或全部階梯式遞增；遞增方向?yàn)槠骷幱诜聪蚪刂翣顟B(tài)時(shí)自低電位電極到高電位電極方向。和常規(guī)III族氮化物器件結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明主要?jiǎng)?chuàng)新是通過(guò)挖槽工藝實(shí)現(xiàn)了勢(shì)壘層溝道的準(zhǔn)線性摻雜，巧妙的避開(kāi)了III族氮化物二次注入工藝，降低了制作難度，同時(shí)也降低了器件的制作成本；且本發(fā)明的準(zhǔn)線性摻雜有效降低了原有的峰值電場(chǎng)，有效的提高了器件的擊穿電壓，降低了電流崩塌。
【專利說(shuō)明】基于M I族氮化物材料的準(zhǔn)線性摻雜的器件結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]文獻(xiàn) I ((Dependence of Breakdown Voltage on Drift Length and LinearDoping Gradients in SOI RESURF LDMOS Devices》(Shaoming Yang, Wenchin Tsengand Gene Sheu., The Ninth International Conference on Electronic Measurement &Instruments 2009，pp，594-597)報(bào)道了線性摻雜器件有效的提高了器件擊穿耐壓，均勻摻雜與線性摻雜對(duì)擊穿電壓的影響對(duì)比如圖1所示。
[0003]文獻(xiàn)《Highbreakdown voltage AlGaN/GaN HEMT by employing selectivefluoride plasma treatment》(Young-Shil Kim, Jiyong Lim, O-Gyun Seok and Min-kooHan.Proceedings of the 23rd International Symposium on Power SemiconductorDevices & 1C’s May 23-26，2011 San Diego, CA, pp.251-255)采用 F 處理形成2-Dimensional Electron Gas (2DEG)濃度差,有效地提高了器件的擊穿電壓,從常規(guī)結(jié)構(gòu)的900V提高到了 1400V，結(jié)果如圖2所示。
[0004]線性摻雜可以有效的提高器件擊穿特性，但是III族氮化物材料很難通過(guò)注入實(shí)現(xiàn)線性摻雜，尤其是摻雜效率低的P型。利用極化工程，采用F處理可以實(shí)現(xiàn)2DEG的階梯變化，但是F處理器件的穩(wěn)定性差也是個(gè)棘手的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決III族氮化物材料離子注入實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)線性摻雜難度大和F處理穩(wěn)定性差的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于III族氮化物材料的準(zhǔn)線性摻雜的器件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)利用極化工程，采用多次挖槽技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了 III族氮化物材料準(zhǔn)線性摻雜。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種基于III族氮化物材料的準(zhǔn)線性摻雜的器件結(jié)構(gòu)，自下而上包括襯底、緩沖層、溝道層和上表面上設(shè)有電極的勢(shì)壘層，所述勢(shì)壘層上表面呈部分階梯式遞增或全部階梯式遞增；遞增方向?yàn)槠骷幱诜聪蚪刂翣顟B(tài)時(shí)自低電位電極到高電位電極方向。
[0007]所述階梯式遞增為至少含有兩個(gè)梯度變化。
[0008]所述階梯式遞增部分的最高臺(tái)階的高度不高于勢(shì)壘層的等平面高度W。
[0009]所述勢(shì)壘層上表面上階梯式遞增部分中各階梯間的高度差h的取值范圍為lnm_30nmo
[0010]各階梯間的高度差h為5-10nm。
[0011]所述勢(shì)壘層上表面上階梯式遞增部分中各階梯的寬度d的取值范圍為lnm-30μ m。
[0012]各階梯的寬度d為100nm-10ym。
[0013]本發(fā)明將線性摻雜定義為勢(shì)壘層的摻雜濃度沿變化方向線性遞增，濃度變化趨勢(shì)呈直線；所謂的準(zhǔn)線性摻雜定義為勢(shì)壘層的摻雜濃度沿變化方向階梯式遞增，濃度變化趨勢(shì)為階梯式曲線，階梯越多，摻雜濃度的變化曲線越接近于直線，因此將此中濃度階梯式變化稱為準(zhǔn)線性摻雜。
[0014]采用上述技術(shù)方案取得的技術(shù)進(jìn)步為:
1、傳統(tǒng)思想是通過(guò)注入工藝實(shí)現(xiàn)勢(shì)壘層的準(zhǔn)線性摻雜，但是III族氮化物材料的P型注入效率很低，本發(fā)明利用階梯式勢(shì)壘層新結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)的挖槽工藝和III族氮化物極化工程巧妙的避開(kāi)了 III族氮化物材料的P型注入效率很低的難題，實(shí)現(xiàn)了溝道2DEG/2DHG面密度的準(zhǔn)線性摻雜，大大降低了準(zhǔn)線性摻雜的難度，同時(shí)也降低了器件的實(shí)現(xiàn)成本；
2、本發(fā)明勢(shì)壘層的階梯式遞增部分中各臺(tái)階間的高度差導(dǎo)致了相應(yīng)部分2DEG/2DHG面密度濃度差，新的濃度差處引入了新的電場(chǎng)峰值，有效的降低了勢(shì)壘層原有的高峰值電場(chǎng)，從而提高了器件的擊穿電壓，并降低了基于III族氮化物材料器件的電流崩塌量。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為SOI RESURF LDMOS Devices線性摻雜和非線性摻雜的擊穿電壓對(duì)比示意圖；
圖2為常規(guī)AlGaN/GaN HEMT與F-處理高壓AlGaN/GaN HEMT的實(shí)測(cè)擊穿電壓示意圖；圖3為常規(guī)基于III族氮化物材料的SBD的結(jié)構(gòu)示意圖及其2DEG/2DHG面密度的分布示意圖；
圖4為與圖3相對(duì)應(yīng)的本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖及其該實(shí)施例的2DEG/2DHG面密度分布示意圖；
圖5為實(shí)現(xiàn)實(shí)施例1階梯式遞增部分的工藝流程圖；
圖6為實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖及其該實(shí)施例的2DEG/2DHG面密度分布示意圖；
圖7為常規(guī)HMET結(jié)構(gòu)示意圖及其2DEG/2DHG面密度分布示意圖；
圖8為與圖7相對(duì)應(yīng)的實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖及其該實(shí)施例的2DEG/2DHG面密度分布示意圖；
圖9為圖7與圖8所示器件的溝道電場(chǎng)比較圖；
其中，1、襯底；2、緩沖層；3、溝道層；4、勢(shì)壘層；5、源電極；6、柵電極；7、漏電極、8、陽(yáng)極電極；9、陰極電極。
【具體實(shí)施方式】
[0016]實(shí)施例1
由圖4所示可知，基于III族氮化物材料的準(zhǔn)線性摻雜的SBD器件結(jié)構(gòu)，自下而上依次包括襯底1、緩沖層2、溝道層3和勢(shì)壘層4，所述勢(shì)壘層4上表面兩端設(shè)有陽(yáng)極電極8和陰極電極9 ;所述勢(shì)壘層4的上表面呈階梯式遞增，遞增方向?yàn)閺年?yáng)極電極8到陰極電極9。因?yàn)檫f增部分的變化方向應(yīng)該是在器件反向截止?fàn)顟B(tài)下，從低電位電極向高電位電極逐漸遞增；本實(shí)施例在反向截止?fàn)顟B(tài)下，陽(yáng)極電極8上加的是低電位電壓，陰極電極9上加的是高電位電壓，因此從圖4上可以觀察到階梯式遞增是從左向右方向的。
[0017]本實(shí)施例中，遞增部分從勢(shì)壘層4的左端的陽(yáng)極電極8開(kāi)始，一直遞增至勢(shì)壘層4的右端的陰極電極9，即遞增部分的總寬度等于勢(shì)壘層4的總寬度；階梯式變化部分最高臺(tái)階的高度等于勢(shì)壘層4的等平面高度W ;各階梯間的高度差h相等，各階梯間的高度差h的取值范圍為lnm-30nm ;各階梯的寬度d也相等，寬度d的取值范圍為lnm-30 μ m。所述階梯式遞增為至少含有兩個(gè)梯度變化，本實(shí)施例中共有三個(gè)梯度變化。
[0018]各階梯的高度差h的更加優(yōu)選的范圍為5-10nm，各階梯的寬度d的更加優(yōu)選的范圍為 IOOnm-1O μ m。
[0019]本實(shí)施例中襯底I為Si，或者藍(lán)寶石；緩沖層2為AlN或者GaN ;溝道層3為GaN或者 AlxGa1-JiN (0〈χ〈1);勢(shì)魚(yú)層 4 為 InxAlyGa1IyN (O ^ x ^ I, O ^ y ^ I, x+y Si)。
[0020]勢(shì)壘層4上表面呈階梯式遞增，因此勢(shì)壘層4的厚度隨之不同，厚度越大，相應(yīng)部分的2DEG/2DHG的面密度越大，摻雜濃度越大，這點(diǎn)從2DEG/2DHG面密度隨著勢(shì)壘層4的寬度的變化折線圖中可以清楚看到。2DEG/2DHG面密度的變化也呈階梯式遞增，也就是準(zhǔn)線性遞增。所含的臺(tái)階越多，越接近于線性摻雜。
[0021]此類結(jié)構(gòu)的勢(shì)壘層4的實(shí)現(xiàn)工藝步驟如下:
首先，生長(zhǎng)等平面勢(shì)壘層4 ;接著，在等平面勢(shì)壘層4上干法刻蝕第一個(gè)槽；然后再第一個(gè)槽上干法刻蝕第二個(gè)槽；再刻蝕第三個(gè)槽。如此即可得到各臺(tái)階，形成階梯式遞增。本發(fā)明的具體制備過(guò)程如圖5所示。在制備過(guò)程中根據(jù)需要控制階梯間的高度差h和階梯的寬度d即可。
[0022]由上述步驟可知，階梯式遞增部分其實(shí)是通過(guò)對(duì)等平面勢(shì)壘層4的多次挖槽實(shí)現(xiàn)的，因此，即使是最高臺(tái)階的高度也不會(huì)高于勢(shì)壘層4的等平面高度W。
[0023]現(xiàn)有傳統(tǒng)思想中準(zhǔn)線性摻雜是通過(guò)注入工藝實(shí)現(xiàn)的，但是本發(fā)明的準(zhǔn)線性摻雜結(jié)構(gòu)則是通過(guò)對(duì)勢(shì)壘層4進(jìn)行多次挖槽實(shí)現(xiàn)的，III族氮化物材料的P型注入效率低，本發(fā)明就巧妙的避開(kāi)了此難題，降低了準(zhǔn)線性摻雜的實(shí)現(xiàn)難度。
[0024]圖3所示為與本實(shí)施例相對(duì)應(yīng)的常規(guī)結(jié)構(gòu)的SBD器件結(jié)構(gòu)，圖3中還有該SBD的2DEG/2DHG面密度濃度示意圖。圖3和圖4相對(duì)比可知，勢(shì)壘層4上各臺(tái)階間的高度差h的存在會(huì)導(dǎo)致2DEG/2DHG面密度濃度差，新的濃度差處引入了新的電場(chǎng)峰值，可有效降低原有的高峰值電場(chǎng)，從而降低基于III族氮化物材料器件的電流崩塌量，提高器件的擊穿電壓。
[0025]實(shí)施例2
如圖6所示可知，與實(shí)施例1不同的是，勢(shì)壘層4的部分上表面呈部分階梯式遞增。由圖6可以看出，階梯式遞增方向?yàn)樽杂蚁蜃筮f增，遞增方向與實(shí)施例1正好相反，原因是本實(shí)施例中陽(yáng)極電極8和陰極電極9的左右位置關(guān)系與實(shí)施例1正好相反，根據(jù)遞增方向的規(guī)則:在器件反向截止?fàn)顟B(tài)下，從低電位電極向高電位電極逐漸遞增，本實(shí)施例中階梯式遞增的方向應(yīng)該是自右向左。
[0026]本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是還有:I)階梯式遞增部分占勢(shì)壘層4的部分上表面；2)各階梯間的高度差h各不相同；3)各階梯的寬度d也各不相同；4)最高臺(tái)階的高度低于勢(shì)壘層4的等平面高度W。
[0027]本實(shí)施例中襯底I為金剛石；緩沖層2為AlN和InxAlhN (0<χ<1);所述溝道層3 為 GaN 或者 AlxGa1^N (0〈χ〈1);所述勢(shì)壘層 4 為 InxAlyGanyN (O x 1，O y 1，x+y Si)。
[0028]實(shí)施例3如圖8所示，基于III族氮化物材料準(zhǔn)線性摻雜的HEMT結(jié)構(gòu)，自上而下包括襯底1、緩沖層2、溝道層3和勢(shì)壘層4 ;與實(shí)施例1不同的是，所述勢(shì)壘層4的上表面設(shè)有源電極5、柵電極6和漏電極7。所述勢(shì)壘層4的部分上表面的高度呈階梯式遞增，此部分位于勢(shì)壘層4上柵電極6和漏電極7之間，與實(shí)施例2的位置類似。遞增方向?yàn)閺臇烹姌O6到漏電極7方向遞增，此處也是遵循遞增方向的規(guī)則的:在器件反向截止?fàn)顟B(tài)下，從低電位電極向高電位電極逐漸遞增，在截止?fàn)顟B(tài)下，柵電極6加低電位電壓，漏電極7加高電位電壓，因此遞增方向?yàn)閺臇烹姌O6到漏電極7。
[0029]本實(shí)施例中遞增部分包括兩個(gè)梯度變化，最后一個(gè)臺(tái)階的高度與勢(shì)壘層4右邊部分的等平面高度W相等。在勢(shì)壘層4的左邊部分設(shè)有源電極5、柵電極6。柵電極6的右邊緣位于C處的左側(cè)，在遞增部分最后一個(gè)臺(tái)階上設(shè)有漏電極7。漏電極7的左邊緣位于E處的右側(cè)。在本實(shí)施例中，各階梯間的高度差h不盡相同，各階梯的寬度d也不相等。
[0030]本實(shí)施例中襯底I為SiC或者GaN ;緩沖層2為AlN和Α1χ6&1_χΝ(0〈χ〈1);溝道層3為 GaN或者AlxGa1_xN(0〈x〈l);勢(shì)壘層 4 為 InxAlyGanyN(O ≤ χ ≤ 1，0 ≤ y ≤1，x+y ≤1)。
[0031]圖7所示為與本實(shí)施例相對(duì)應(yīng)的常規(guī)HEMT結(jié)構(gòu)，圖9所示為實(shí)施例3與常規(guī)HEMT結(jié)構(gòu)的溝道電場(chǎng)對(duì)比示意圖。
[0032]勢(shì)壘層4上不同部分間的高度差產(chǎn)生2DEG/2DHG面密度濃度差，而新的濃度差處則引入了新的電場(chǎng)峰值，如圖9所示，若是沒(méi)有階梯式遞增部分，那么原勢(shì)壘層4的電場(chǎng)峰值僅包括A、B、H、F四處，且H處的電場(chǎng)峰值很高；有了此階梯式遞增部分后，就新引入了 C、D和E處的電場(chǎng)峰值，新引入的峰值大大降低了 H處的電場(chǎng)峰值。由此可見(jiàn)，階梯式遞增部分有效的降低了勢(shì)壘層4原有的H處的高峰值電場(chǎng)，提高了器件的擊穿電壓，并降低了器件的電流崩塌量。
[0033]本發(fā)明僅介紹了幾種具有代表意義的結(jié)構(gòu)形式，但是本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式，本發(fā)明保護(hù)的是沿溝道層表面厚度階梯遞增的勢(shì)壘層結(jié)構(gòu)。根據(jù)上述實(shí)施例的描述，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員還可做出一些顯而易見(jiàn)的改變，例如選用本發(fā)明描述以外器件類型(如PolFET)等，但這些改變均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于III族氮化物材料的準(zhǔn)線性摻雜的器件結(jié)構(gòu)，其特征在于自下而上包括襯底(I)、緩沖層(2)、溝道層(3)和上表面上設(shè)有電極的勢(shì)壘層(4)，所述勢(shì)壘層(4)上表面呈部分階梯式遞增或全部階梯式遞增；遞增方向?yàn)槠骷幱诜聪蚪刂翣顟B(tài)時(shí)自低電位電極到高電位電極方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于III族氮化物材料的準(zhǔn)線性摻雜的器件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述階梯式遞增為至少含有兩個(gè)梯度變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于III族氮化物材料的準(zhǔn)線性摻雜的器件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述階梯式遞增部分的最高臺(tái)階的高度不高于勢(shì)壘層(4)的等平面高度W。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于III族氮化物材料的準(zhǔn)線性摻雜的器件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述勢(shì)壘層(4)上表面上階梯式遞增部分中各階梯間的高度差h的取值范圍為lnm_30nmo
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于III族氮化物材料的準(zhǔn)線性摻雜的器件結(jié)構(gòu)，其特征在于各階梯間的高度差h為5-10nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于III族氮化物材料的準(zhǔn)線性摻雜的器件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述勢(shì)壘層(4)上表面上階梯式遞增部分中各階梯的寬度d的取值范圍為lnm-30μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于III族氮化物材料的準(zhǔn)線性摻雜的器件結(jié)構(gòu)，其特征在于各階梯的寬度d為IOOnm-1O μ m。
【文檔編號(hào)】H01L29/06GK103489897SQ201310366202
【公開(kāi)日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月21日
【發(fā)明者】王元?jiǎng)? 馮志紅, 敦少博, 呂元杰, 張雄文, 房玉龍 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所