一種縱向超結(jié)增強(qiáng)型mis hemt器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種縱向超結(jié)增強(qiáng)型MIS HEMT器件。本發(fā)明采用超結(jié)緩沖層，N型半導(dǎo)體緩沖層和P型半導(dǎo)體緩沖層互相補(bǔ)償耗盡，達(dá)到電荷平衡而提高摻雜濃度。正向?qū)〞r(shí)，由于超結(jié)緩沖層摻雜濃度高，器件的導(dǎo)通電阻明顯降低；反向阻斷狀態(tài)下，緩沖層內(nèi)縱向電場(chǎng)均勻分布，實(shí)現(xiàn)高的關(guān)態(tài)擊穿電壓。同時(shí)，本發(fā)明采用與槽柵側(cè)壁接觸的P型摻雜阻擋層夾斷2DEG與緩沖層的縱向?qū)щ姕系溃山^緣柵電極上施加的電壓對(duì)導(dǎo)電溝道進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型。本發(fā)明所公布的器件制備工藝與傳統(tǒng)工藝兼容。
【專利說(shuō)明】
一種縱向超結(jié)増強(qiáng)型MIS HEMT器件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種縱向超結(jié)增強(qiáng)型MIS HEMT(HighElectron Mobility Transistor，高電子遷移率晶體管)器件。
【背景技術(shù)】
[0002]基于GaN材料的高電子迀移率晶體管(HEMT)，由于高電子飽和速度、高密度二維電子氣(2DEG)以及較高臨界擊穿電場(chǎng)，使得其在大電流、低功耗、高頻和高壓開關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。
[0003]橫向GaNHEMT因高密度二維電子氣(2DEG)使其在高頻和低功耗應(yīng)用領(lǐng)域倍受青睞，其器件基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。但是橫向GaN HEMT存在以下缺點(diǎn):1、截止?fàn)顟B(tài)下易在柵極靠近漏端一側(cè)形成電場(chǎng)峰值，導(dǎo)致器件提前擊穿，限制耐壓的提高;2、截止?fàn)顟B(tài)下存在緩沖層泄露電流，過大的緩沖層泄漏電流會(huì)導(dǎo)致器件提前擊穿，限制了GaN HEMT在高壓方面的應(yīng)用；3、橫向GaN HEMT器件主要通過柵極與漏極之間的有源區(qū)來(lái)承受耐壓，因此高壓GaNHEMT需要較大的柵漏間距，造成器件占用過大的芯片面積，不利于小型化的發(fā)展趨勢(shì)。
[0004]為了克服橫向GaN HEMT器件以上缺點(diǎn)，業(yè)內(nèi)研究者展開了對(duì)縱向GaN HEMT結(jié)構(gòu)的研究。文獻(xiàn)(Masakazu KANECHIKA, et.al.A Vertical Insulated Gate AlGaN/GaNHeterojunct1n Field-Effect Transistor,Japanese Journal of Applied Physics,VOL.46,N0.21,pp.L503-L505,May 2007)提出縱向GaN HEMT結(jié)構(gòu)，如圖2所示，它有效地改善了上述橫向GaN HEMT所存在的問題。與橫向GaN HEMT相比，縱向GaN HEMT存在以下優(yōu)勢(shì):
1、器件主要通過柵極與漏極之間的縱向間距來(lái)承受耐壓，故可減小表面尺寸，節(jié)省芯片面積；2、P型阻擋層與N型半導(dǎo)體緩沖層之間形成的PN結(jié)可以有效阻擋從源極注入的電子，從而抑制器件緩沖層泄漏電流;3、由于器件表面的柵極和源極均為低電壓，器件柵極附近不會(huì)形成高場(chǎng)區(qū)域，因此可以從根本上避免橫向GaN HEMT由于柵極電場(chǎng)集中效應(yīng)而導(dǎo)致的提前擊穿。
[0005]對(duì)于常規(guī)縱向GaN HEMT而言，縱向器件無(wú)法完全利用2DEG來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，導(dǎo)通電流需要流經(jīng)緩沖層，這使得導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)高于橫向器件;且隨著擊穿電壓的提高，需降低緩沖層摻雜濃度并增加其厚度，這使得導(dǎo)通電阻急劇增加，并制約了器件的正向電流能力，因此常規(guī)縱向GaN HEMT器件存在擊穿電壓與導(dǎo)通電阻這一矛盾關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的，就是針對(duì)上述問題，提出縱向超結(jié)增強(qiáng)型MISHEMT器件，在達(dá)到提高器件擊穿電壓的同時(shí)降低器件的導(dǎo)通電阻，緩解或解決耐壓與導(dǎo)通電阻的矛盾關(guān)系O
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:如圖3所示，
[0008]—種縱向超結(jié)增強(qiáng)型MIS HEMT器件，包括從下至上依次層疊設(shè)置的漏電極1、襯底
2、緩沖層3、阻擋層4、溝道層5和勢(shì)皇層6，所述勢(shì)皇層6上表面兩端設(shè)置有源電極7;所述勢(shì)皇層6中部設(shè)置有絕緣柵極結(jié)構(gòu);所述源電極7與絕緣柵極結(jié)構(gòu)之間的勢(shì)皇層6上表面具有介質(zhì)鈍化層10;其特征在于，所述襯底2、溝道層5為N型摻雜，且所述阻擋層4為P型摻雜;所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)沿垂直方向向下延伸，依次貫穿勢(shì)皇層6、溝道層5和阻擋層4并延伸入緩沖層3中；所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)由絕緣柵介質(zhì)8和被絕緣柵介質(zhì)8包圍柵電極9構(gòu)成;所述緩沖層3為由多個(gè)P型半導(dǎo)體緩沖層31及N型半導(dǎo)體緩沖層32沿橫向方向交替排列形成的超結(jié)緩沖層，且存在一個(gè)或多個(gè)N型半導(dǎo)體緩沖層32與絕緣柵介質(zhì)8接觸;所述源電極I和漏電極7為歐姆接觸。
[0009]進(jìn)一步的，所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)的橫向?qū)挾葟南轮辽现饾u增加。
[0010]進(jìn)一步的，絕緣柵介質(zhì)8垂直向下延伸部分的厚度從上至下逐漸增加。
[0011]進(jìn)一步的，所述絕緣柵介質(zhì)8由不同介電常數(shù)的第一絕緣柵介質(zhì)81和第二絕緣柵介質(zhì)82構(gòu)成，第一絕緣柵介質(zhì)81位于第二絕緣柵介質(zhì)82上方，所述柵電極9由第一柵電極91和第二柵電極92構(gòu)成，且分別第一柵電極91被第一絕緣柵介質(zhì)81，第二柵電極92被第二絕緣柵介質(zhì)82包圍，形成分裂柵。
[0012]進(jìn)一步的，所述緩沖層3與襯底2之間存在N型輔助層11。
[0013]進(jìn)一步的，所述絕緣柵介質(zhì)8采用的材料為A1203、Hf02、Si02中的一種或幾種的組入口 ο
[0014]進(jìn)一步的，所述襯底2、緩沖層3、阻擋層4、溝道層5和勢(shì)皇層6材料為GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一種或幾種的組合，且溝道層5和勢(shì)皇層6形成異質(zhì)結(jié)。
[0015]本發(fā)明的有益效果為:
[0016]1、為充分利用GaN材料的高臨界擊穿電場(chǎng)特性，本發(fā)明中采用超結(jié)緩沖層，阻斷狀態(tài)時(shí)，N型緩沖層和P型緩沖層互相補(bǔ)償耗盡，達(dá)到電荷平衡，緩沖層內(nèi)縱向電場(chǎng)均勻分布，器件可以實(shí)現(xiàn)高的關(guān)態(tài)擊穿電壓；
[0017]2、由于緩沖層內(nèi)P區(qū)和N區(qū)相互耗盡，緩沖層可以采用高摻雜的N區(qū)，從而使器件的導(dǎo)通電阻明顯降低；
[0018]3、通常由于極化產(chǎn)生的2DEG使得AlGaN/GaN材料體系是常開型溝道，本發(fā)明中采用P型摻雜的阻擋層夾斷2DEG與緩沖層的縱向?qū)щ姕系?，由絕緣柵電極上施加的電壓對(duì)導(dǎo)電溝道進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是常規(guī)橫向HEMT器件結(jié)構(gòu)。
[0020]圖2是常規(guī)縱向HEMT器件結(jié)構(gòu)。
[0021]圖3是本發(fā)明提出的縱向超結(jié)增強(qiáng)型MISHEMT器件結(jié)構(gòu)。
[0022]圖4是本發(fā)明提出的絕緣柵極結(jié)構(gòu)橫向?qū)挾葟南轮辽现饾u增加的縱向超結(jié)增強(qiáng)型MISHEMT器件結(jié)構(gòu)。
[0023]圖5是本發(fā)明提出的絕緣柵介質(zhì)厚度從上至下逐漸增加的縱向超結(jié)增強(qiáng)型MISHEMT器件結(jié)構(gòu)。
[0024]圖6是本發(fā)明提出的具有分裂絕緣柵極結(jié)構(gòu)的縱向超結(jié)增強(qiáng)型MISHEMT器件結(jié)構(gòu)。
[0025]圖7是本發(fā)明提出的具有輔助層的縱向超結(jié)增強(qiáng)型MISHEMT器件結(jié)構(gòu)。
[0026]圖8是本發(fā)明提出的縱向超結(jié)增強(qiáng)型MISHEMT器件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)縱向HEMT結(jié)構(gòu)的反向耐壓電場(chǎng)分布比較圖。
[0027]圖9是本發(fā)明提出的縱向超結(jié)增強(qiáng)型MISHEMT器件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)縱向HEMT結(jié)構(gòu)的輸出曲線比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0029]實(shí)施例1
[0030]圖3示出了一種縱向超結(jié)增強(qiáng)型MISHEMT器件的全元胞結(jié)構(gòu)示意圖。本例器件包括從下至上依次層疊設(shè)置的漏電極1、襯底2、緩沖層3、阻擋層4、溝道層5和勢(shì)皇層6，所述勢(shì)皇層6上表面兩端設(shè)置有源電極7;所述勢(shì)皇層6中部設(shè)置有絕緣柵極結(jié)構(gòu);所述源電極7與絕緣柵極結(jié)構(gòu)之間的勢(shì)皇層6上表面具有介質(zhì)鈍化層10;其特征在于，所述襯底2、溝道層5為N型摻雜，且所述阻擋層4為P型摻雜;所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)沿垂直方向向下延伸，依次貫穿勢(shì)皇層6、溝道層5和阻擋層4并延伸入緩沖層3中；所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)由絕緣柵介質(zhì)8和被絕緣柵介質(zhì)8包圍柵電極9構(gòu)成;所述緩沖層3為由多個(gè)P型半導(dǎo)體緩沖層31及N型半導(dǎo)體緩沖層32沿橫向方向交替排列形成的超結(jié)緩沖層，且存在一個(gè)或多個(gè)N型半導(dǎo)體緩沖層32與絕緣柵介質(zhì)8接觸;所述源電極I和漏電極7為歐姆接觸。
[0031]本例提供的縱向超結(jié)增強(qiáng)型MISHEMT器件緩解了傳統(tǒng)縱向GaN HEMT器件耐壓與導(dǎo)通電阻的矛盾關(guān)系。反向阻斷狀態(tài)下，N型緩沖層和P型緩沖層互相補(bǔ)償耗盡，達(dá)到電荷平衡并提高緩沖層濃度，緩沖層內(nèi)縱向電場(chǎng)均勻分布，器件可以實(shí)現(xiàn)高的關(guān)態(tài)擊穿電壓；同時(shí)，由于緩沖層內(nèi)P區(qū)和N區(qū)相互耗盡，緩沖層可以采用高摻雜的N區(qū)，器件的導(dǎo)通電阻明顯降低，從而保證了器件具有很好的正向電流驅(qū)動(dòng)能力。
[0032]實(shí)施例2
[0033]與實(shí)施例1相比，本例器件的絕緣柵極結(jié)構(gòu)的橫向?qū)挾葟南轮辽现饾u增加，其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，如圖4所示。絕緣柵極結(jié)構(gòu)的橫向?qū)挾葟南轮辽现饾u增加，可以有效緩解曲率效應(yīng)，避免電場(chǎng)集中導(dǎo)致器件提前擊穿，提升器件擊穿電壓。
[0034]實(shí)施例3
[0035]與實(shí)施例1相比，本例器件的絕緣柵介質(zhì)8垂直向下延伸部分的厚度從上至下逐漸增加，其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，如圖5所示。絕緣柵介質(zhì)厚度從上至下逐漸增加可以有效地減小柵電容，提高器件的動(dòng)態(tài)性能，但柵的積累效果會(huì)受到削弱。
[0036]實(shí)施例4
[0037]與實(shí)施例1相比，本例器件的絕緣柵極結(jié)構(gòu)為分裂絕緣柵極結(jié)構(gòu)，且第一柵電極91和第二柵電極92被不同介電常數(shù)的絕緣柵介質(zhì)包圍，其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，如圖6所示。采用分裂絕緣柵電極結(jié)構(gòu)，可以有效地降低柵電容，從而提高器件的動(dòng)態(tài)性能;絕緣柵介質(zhì)82可以采用高K介質(zhì)材料，提升分裂絕緣柵極結(jié)構(gòu)底部的電子積累層濃度，從而降低器件的導(dǎo)通電阻。
[0038]實(shí)施例5
[0039]與實(shí)施例1相比，本例器件的緩沖層3與襯底2存在輔助層11，形成半超結(jié)，其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，如圖7所示。輔助層的引入意味著P型半導(dǎo)體緩沖層31的深度大大減小，從而降低了工藝制造難度和成本，并且可以通過調(diào)節(jié)底部輔助層的厚度和摻雜濃度來(lái)優(yōu)化半超結(jié)MIS HEMT的性能，器件的反向恢復(fù)特性也可以得到改善。
[0040]本發(fā)明的上述幾種實(shí)施例所描述的縱向超結(jié)增強(qiáng)型MIS HEMT器件，可以采用GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一種或幾種的組合作為襯底2、緩沖層3、阻擋層4、溝道層5和勢(shì)皇層6的材料;對(duì)于鈍化層10，業(yè)界常用的材料為SiNx，也可采用Al 203，AlN等介質(zhì)材料，絕緣柵介質(zhì)8可采用與鈍化層相同的材料;源電極7、漏電極I 一般采用金屬合金，常用的有Ti/Al/Ni/Au或Mo/Al/Mo/Au等;柵電極9 一般采用功函數(shù)較大的金屬合金，例如Ni/Au或Ti/Au等。
[0041 ]圖8、圖9分別是本發(fā)明提出的縱向超結(jié)增強(qiáng)型MIS HEMT器件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)縱向MISHEMT結(jié)構(gòu)的反向耐壓時(shí)電場(chǎng)分布比較圖和輸出曲線比較圖。采用Sentaurus TCAD軟件進(jìn)行仿真，兩種結(jié)構(gòu)在器件縱向尺寸均為16μπι，橫向尺寸均為6μπι，緩沖層厚度均為15μπι的條件下，本發(fā)明所提出的結(jié)構(gòu)的擊穿電壓從傳統(tǒng)縱向MIS HEMT的623V提高到2796V，擊穿電壓提高349%;本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通電阻從傳統(tǒng)縱向MIS HEMT的2.27πιΩ.cm2降低至1.12mΩ.cm2，導(dǎo)通電阻降低103% ο
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種縱向超結(jié)增強(qiáng)型MIS HEMT器件，包括從下至上依次層疊設(shè)置的漏電極(I)、襯底(2)、緩沖層(3)、阻擋層(4)、溝道層(5)和勢(shì)皇層(6)，所述勢(shì)皇層(6)上表面兩端設(shè)置有源電極(7);所述勢(shì)皇層(6)中部設(shè)置有絕緣柵極結(jié)構(gòu);所述源電極(7)與絕緣柵極結(jié)構(gòu)之間的勢(shì)皇層(6)上表面具有介質(zhì)鈍化層(10);其特征在于，所述襯底(2)、溝道層(5)為N型摻雜，且所述阻擋層(4)為P型摻雜；所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)沿垂直方向向下延伸，依次貫穿勢(shì)皇層(6)、溝道層(5)和阻擋層(4)并延伸入緩沖層(3)中；所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)由絕緣柵介質(zhì)(8)和被絕緣柵介質(zhì)(8)包圍柵電極(9)構(gòu)成;所述緩沖層(3)為由多個(gè)P型半導(dǎo)體緩沖層(31)及N型半導(dǎo)體緩沖層(32)沿橫向方向交替排列形成的超結(jié)緩沖層，且存在一個(gè)或多個(gè)N型半導(dǎo)體緩沖層(32)與絕緣柵介質(zhì)(8)接觸;所述源電極(I)和漏電極(7)為歐姆接觸。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種縱向超結(jié)增強(qiáng)型MISHEMT器件，其特征在于，所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)的橫向?qū)挾葟南轮辽现饾u增加。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種縱向超結(jié)增強(qiáng)型MISHEMT器件，其特征在于，所述絕緣柵介質(zhì)(8)垂直向下延伸部分的厚度從上至下逐漸增加。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種縱向超結(jié)增強(qiáng)型MISHEMT器件，其特征在于，所述絕緣柵介質(zhì)(8)由具有不同介電常數(shù)的第一絕緣柵介質(zhì)(81)和第二絕緣柵介質(zhì)(82)構(gòu)成，第一絕緣柵介質(zhì)(81)位于第二絕緣柵介質(zhì)(82)上方，所述柵電極(9)由第一柵電極(91)和第二柵電極(92)構(gòu)成，且分別第一柵電極(91)被第一絕緣柵介質(zhì)(81)，第二柵電極(92)被第二絕緣柵介質(zhì)(82)包圍，形成分裂柵。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的一種縱向超結(jié)增強(qiáng)型MISHEMT器件，其特征在于，所述緩沖層(3)與襯底(2)之間具有N型輔助層(11)。6.根據(jù)權(quán)利要求5任意一項(xiàng)所述的一種縱向超結(jié)增強(qiáng)型MISHEMT器件，所述絕緣柵介質(zhì)(8)采用的材料為A1203、Hf02、Si02中的一種或幾種的組合。7.根據(jù)權(quán)利要求6任意一項(xiàng)所述的一種縱向超結(jié)增強(qiáng)型MISHEMT器件，其特征在于，所述襯底(2)、緩沖層(3)、阻擋層(4)、溝道層(5)和勢(shì)皇層(6)采用的材料為GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一種或幾種的組合，且溝道層(5)和勢(shì)皇層(6)形成異質(zhì)結(jié)。
【文檔編號(hào)】H01L29/20GK106057868SQ201610644519
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年8月9日 公開號(hào)201610644519.2, CN 106057868 A, CN 106057868A, CN 201610644519, CN-A-106057868, CN106057868 A, CN106057868A, CN201610644519, CN201610644519.2
【發(fā)明人】羅小蓉, 彭富, 楊超, 吳俊峰, 魏杰, 鄧思宇, 張波, 李肇基
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)