本發(fā)明屬于半導體技術(shù)領(lǐng)域，涉及gan基功率電子器件結(jié)構(gòu)與制作工藝

背景技術(shù)：

gan作為第三代半導體的代表，具有禁帶寬度大，高飽和漂移速度，高臨界擊穿場強，高熱導率等優(yōu)點，特別是gan異質(zhì)結(jié)構(gòu)不摻雜時通過強自發(fā)極化效應(yīng)可以產(chǎn)生高濃度的二維電子氣，優(yōu)越的性能使其在電力電子、射頻微波等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

以電流坍塌為代表的可靠性問題是gan基功率開關(guān)器件最終走向?qū)嵱没淖顕谰栴}之一。電流坍塌導致器件動態(tài)電阻減小，增加了功率開關(guān)器件的動態(tài)響應(yīng)時間，使得器件可靠性大大降低。表面及勢壘層陷阱，高阻的gan緩沖層都被認為是產(chǎn)生電流坍塌現(xiàn)象的重要因素，其中高阻的gan緩沖層在漏端應(yīng)力作用下所造成的電流坍塌是人們研究的重點之一。si基gan功率開關(guān)器件的緩沖層往往摻c，導致溝道和緩沖層之間形成pn結(jié)，器件關(guān)閉時，在高的漏極電壓下pn結(jié)是耗盡的。器件打開后，由于緩沖層內(nèi)的空穴恢復需要一定的時間，溝道電子也不能立刻恢復，從而導致電流坍塌現(xiàn)象的發(fā)生。

gan功率器件中的電流坍塌極大的降低了器件的工作特性，為了解決這一問題，許多研究工作者一直在探索減小電流坍塌的方法，目前，減小電流坍塌的主要方法有：1.表面鈍化技術(shù)，在器件表面淀積si3n4等鈍化層，減小表面缺陷對溝道電子的影響；2.場板技術(shù)，主要是采用與柵極或者源極相連的場板設(shè)計，調(diào)控溝道中的二位電子氣，從而減小電流坍塌；3.能帶工程，通過插入不同的材料，改變異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)，進而提高溝道電子濃度，減小電流坍塌。

目前，減小gan功率器件電流坍塌的方法主要通過削弱表面或勢壘層陷阱對溝道電子的影響來實現(xiàn)，而廣泛使用的gan功率器件中，gan緩沖層往往摻雜一定濃度的c、fe等元素提高器件的耐壓水平，但這往往會在gan緩沖層中引入相當數(shù)量的缺陷，這些缺陷也會在一定程度上造成電流坍塌，而gan緩沖層造成的電流坍塌并沒有很好的解決措施。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要是為了更好地解決gan功率開關(guān)器件中的電流坍塌問題，提出了一種改進的器件結(jié)構(gòu)，增加了高摻雜的p型區(qū)，作為空穴源，它可以為c摻雜的gan緩沖層提供空穴的注入，縮短緩沖層在關(guān)態(tài)應(yīng)力消失后從空穴耗盡恢復到平衡狀態(tài)所需要的時間，進而加快溝道電子的恢復，減小電流坍塌的影響。

本發(fā)明的技術(shù)思路是：提出一種改進的器件結(jié)構(gòu)，在gan基功率開關(guān)器件的源端，通過注入mg離子形成較高摻雜的p型區(qū)，該p型區(qū)與gan緩沖層相連。器件從關(guān)閉到導通的過程中，該p型區(qū)可以為緩沖層提供足夠的空穴，使得器件緩沖層中空穴的恢復時間變短，相應(yīng)的溝道電子的恢復時間也變短，從而抑制了器件的電流坍塌。

根據(jù)上述設(shè)計思路，一種減小gan功率開關(guān)器件電流坍塌的器件結(jié)構(gòu)包括襯底，gan緩沖層，gan溝道層、本征algan勢壘層、掩膜介質(zhì)層、絕緣柵介質(zhì)層、源、漏、柵金屬層以及源極下方的mg注入層；mg注入層將源極和緩沖層連接，源極面積大于mg注入層面積，使得部分algan勢壘層仍與源極相連；在襯底上外延生長algan/gan異質(zhì)結(jié)材料，并在該結(jié)構(gòu)上形成源極和漏極；在晶元表面定義mg注入?yún)^(qū)域以及柵極區(qū)域，柵極區(qū)域下方掩膜介質(zhì)層和algan層被刻蝕掉。

所述的gan功率開關(guān)器件為si基ganhemt、ganmosfet或者mis-hemt。

該結(jié)構(gòu)各組成成分及材料種類如下所示：

所述的gan溝道層厚度在0和20nm之間。

所述的掩膜介質(zhì)層材料可以為：si3n4、sio2、sion。

所述的絕緣柵介質(zhì)層的材料為以下材料中的任意一種：si3n4、al2o3、aln、hfo2、sio2、hftio、sc2o3、ga2o3、mgo、sino。

所述源極和漏極為：鈦、鋁、鎳、金、鉑、銥、鉬、鉭、鈮、鈷、鋯、鎢等中的一種或多種的合金。

所述柵極金屬為以下導電材料的一種或多種的組合：鉑、銥、鎳、金、鉬、鈀、硒、鈹、tin、多晶硅、ito。

所述的mg離子注入濃度為：10¹⁸～10²⁰cm^-3。

區(qū)別于現(xiàn)有的器件結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的有益效果是：提出了一種減小gan功率開關(guān)器件電流坍塌的結(jié)構(gòu)，這是一種新的設(shè)計思路。在源端注入mg離子形成p型區(qū)，并與gan緩沖層相連，使得緩沖層在器件從關(guān)閉到開啟的過程中有足夠的空穴注入，縮短了耗盡層的恢復時間，從而縮短了溝道電流的恢復時間，減小了電流坍塌。該結(jié)構(gòu)與已知的減小電流坍塌結(jié)構(gòu)工藝兼容，可以與其它方法相結(jié)合，進一步削弱電流坍塌的影響。

附圖說明

通過參照附圖能更加詳盡地描述本發(fā)明器件的結(jié)構(gòu)以及本發(fā)明的示例性實施例，在附圖中：

圖1是本發(fā)明器件整體剖面結(jié)構(gòu)圖。

圖2～圖11是本發(fā)明的一種實施例在每一步制造工藝后的剖面示意圖，反映了本發(fā)明的工藝制造流程。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清晰、完整的描述。所描述的實施例僅是本發(fā)明中的一種實現(xiàn)形式，即本發(fā)明不應(yīng)該解釋為局限于在此闡述的實施例?；谠搶嵤├?，將本發(fā)明的范圍充分地傳達給本領(lǐng)域技術(shù)人員。

參照圖1，該器件結(jié)構(gòu)從下向上的順序依次包括硅襯底、gan緩沖層、gan溝道本征algan勢壘層、si3n4掩膜層、絕緣柵介質(zhì)層、源、漏和柵金屬層，mg注入層位于源極下方，與gan緩沖層相連。其制備方法包括以下步驟：

(1)如圖2所示，首先用mocvd在si襯底上生長一層gan緩沖層，然后再生長一層本征gan層，最后生長24nm的algan。本征gan與algan邊界處會形成二維電子氣。

(2)在圖2結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，首先進行臺面隔離，得到有源區(qū)，然后淀積一層sio2，之后光刻出mg離子注入窗口，利用sio2作為掩膜層，通過離子注入注入mg離子，形成p型摻雜區(qū)，通過控制離子注入條件使得mg離子的注入深度達到gan緩沖層的位置，濃度達到10¹⁸～10²⁰cm-3，其剖面圖如圖3和圖4所示。

(3)在以上結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過光刻形成源漏電極圖形，然后電子束蒸發(fā)ti/al/ni/au四種金屬，采用剝離工藝制備出源區(qū)和漏區(qū)的金屬電極，并在900℃氮氣氛圍中進行快速退火30秒，形成歐姆接觸，其剖面圖如圖5所示。

(4)在圖5所示剖面結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，用pecvd或icpcvd的方法淀積si3n4的鈍化層，形成的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖6所示。

(5)用f基氣體刻蝕si3n4，得到柵極區(qū)域，如圖7所示。

(6)此實施例中采用氧化和濕法刻蝕的方法來實現(xiàn)增強型器件。首先用將已經(jīng)刻蝕出柵區(qū)的晶元放入等離子體系統(tǒng)中氧化3min，如圖8所示，接下來用比例為1∶10的hcl浸泡為1min，從而刻蝕掉本征algan勢壘層，形成增強型器件如圖9所示。

(7)不斷重復(6)中步驟，直到測試出所制備器件的漏電流為零，這時說明本征algan層被刻蝕完全，已經(jīng)成功地實現(xiàn)了常閉的增強型器件。

(8)在(7)的基礎(chǔ)上，在晶元表面生長絕緣柵介質(zhì)層，形成柵控結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

(9)光刻出源、漏電極之后，用電子束蒸發(fā)在凹槽區(qū)域淀積ni/au合金，隨后用剝離工藝形成柵金屬電極，電極為t型柵結(jié)構(gòu)，如圖11所示。最后在氮氣環(huán)境下對整個晶元 進行退火處理，退貨條件為400℃下退火10min。

(10)通過以上步驟，即得到能夠減小電流坍塌的gan功率開關(guān)器件結(jié)構(gòu)，有效抑制了器件的電流坍塌。