具有縱向柵極結構的常關型hemt器件及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體器件領域，尤其涉及一種具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件及其制備方法。
【背景技術】
[0002]功率開關器件是電力電子技術的核心元件，目前已經被廣泛應用在工業生產和社會生活的許多領域。隨著全球環境和能源問題的日益突出，研究下一代高性能低損耗的功率開關器件是提高電能利用率、緩解全球能源危機的有效途徑之一。下一代功率開關器件要求器件具有高的性能指標穩定性、低的柵極導通電阻、高的開關速率，并且從安全節能和簡化電路設計方面考慮要求具備常關型(增強型)操作特點。下一代技術成熟的常關型功率開關器件將被廣泛應用在電動汽車電機驅動、太陽能和風力發電的逆變器系統、軌道交通的功率變換等民用領域以及雷達發射接收裝置和軍艦上的大功率電力輸運和變換裝置等軍用領域。
[0003]在功率開關領域，傳統的硅(Si)基功率器件性能已經接近材料的理論極限。以氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)為代表的下一代寬禁帶半導體材料具有大的帶隙、高的臨界擊穿電場、高的飽和電子漂移速率和好的化學穩定性等特點，特別適合制作高性能的新型功率開關器件。其中，GaN材料具有突出的特點，它的異質結構(典型如AlGaN/GaN)界面存在大密度的界面極化電荷，可以誘導出高密度的二維電子氣(2DEG) (> 113Cnf2) ο由于溝道材料無故意摻雜，電子在溝道內能夠保持很高的迀移率(> 100cnAr1s-1)。因此，GaN材料適合制作高電子迀移率晶體管(HEMT)，它的導通電阻只有SiC器件的1/2?1/3，比Si器件低三個數量級以上，因此具有更低的開關損耗和更優的頻率特性。GaN為代表的II1-V族材料異質結構(典型如AlGaN/GaN)界面由于存在高密度帶正電的極化電荷，通過極化電場可以誘導材料中的電子并使之束縛在異質結構界面處，形成在二維平面運動的2DEG導電溝道。為了實現GaN材料HEMT器件的常關型操作，目前常規的方法都是基于削弱或者抵消異質結構界面處極化電荷所形成強電場的原理，主要有柵極勢皇層刻蝕形成凹槽柵、氟離子注入勢皇層形成氟化柵以及柵極生長P型蓋帽層三種方案。
[0004]圖1a為直接凹柵結構常關型GaN基HEMT器件截面示意圖，圖中包括襯底1、緩沖層
2、1-GaN層3、勢皇層4、源電極5、漏電極6、柵介質層7、柵電極8。在此例中，AlGaN作為勢皇層，AlGaN/GaN界面由于大量的帶正電極化電荷而誘導高密度2DEG出現在該界面。2DEG溝道由于上面勢皇層被直接刻蝕而切斷，不平整的GaN刻蝕表面將作為器件開啟的導電溝道。凹槽柵方案通過切斷2DEG溝道而達到常關型操作，方法直接簡單，但是對于大面積器件柵極刻蝕深度均勻性難以保證，另外具有刻蝕損傷表面的區域尺寸較大(2?3μπι)，器件的導通電阻一般較大。圖1b為氟離子注入勢皇層形成氟化柵結構常關型GaN基HEMT器件截面示意圖，圖中包括襯底1、緩沖層2、i_GaN層3、勢皇層4、源電極5、漏電極6、柵介質層7、柵電極8。柵極區域AlGaN勢皇層通過氟離子注入而帶負電從而排斥AlGaN/GaN界面處的2DEG，因此該方案可以使器件實現常關型操作。引入氟離子雜質的AlGaN/GaN界面溝道將作為器件開啟的導電溝道。氟離子注入勢皇層方案不破壞2DEG溝道界面，但是由于氟離子的熱穩定性問題，器件在使用過程的可靠性是潛在隱患，另外對于大面積器件，其閾值電壓均勻性不好。圖1c為柵極勢皇層上方生長P型GaN(或者InGaN)蓋帽層常關型器件截面示意圖，圖中包括襯底1、緩沖層2、1-GaN層3、勢皇層4、源電極5、漏電極6、柵介質層7、柵電極8和ρ-GaN層12。柵極P型蓋帽層方案利用內建電場來耗盡2DEG溝道電子，器件溝道導電性能較好，但高濃度P型摻雜較難控制，外延片各個位置的濃度均勻性不完全一致，因此器件閾值電壓較小且均勻性同樣不好。另外由于柵電極距離2DEG溝道過遠，器件的開關速率受到影響。以上三種設計方案的柵極結構通過常規光學光刻來實現，柵極長度較大，一般在2?3μπι范圍，其典型特征是柵極橫向電流溝道開關控制。
【發明內容】
[0005]本發明主要解決現有常關型HEMT器件不能同時兼具均勻而穩定的大閾值電壓、低的器件導通電阻和高開關速率的技術問題，針對GaN基II1-V族材料功率器件中的常關型類另IJ，提出一種具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件及其制備方法，以實現HEMT器件穩定大閾值電壓常關型操作的同時有效降低器件的開啟導通電阻。
[0006]本發明提供了一種具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件，包括:
[0007]層疊設置的襯底(1)、緩沖層(2)、i_GaN層(3)、柵介質層(7)和鈍化層(9)，其中，所述1-GaN層(3)—端、且背離緩沖層(2)的一側為階梯形；
[0008]包覆在階梯形下層和柵介質層(7)之間的源電極(5);
[0009]包覆在階梯形上層和柵介質層(7)之間的勢皇層(4)和漏電極(6)，所述漏電極(6)與勢皇層(4)接觸，其中，所述漏電極(6)遠離階梯形；
[0010]包覆在柵介質層(7)和鈍化層(9)之間的柵電極(8)，所述柵電極(8)的截面呈“Z”字形，所述柵電極(8)的上平面位于階梯形上層的上方，下平面位于階梯形下層的上方；
[0011]依次穿過鈍化層(9)和柵介質層(7)、且與源電極(5)接觸的源電極焊盤(10);依次穿過鈍化層(9)和柵介質層(7)、且與漏電極(6)接觸的漏電極焊盤(11)。
[0012]進一步的，所述階梯形的高度為300-600nm。
[0013]進一步的，所述階梯形上層與源電極(5)頂面的距離為200-500nm。
[00Μ]進一步的，所述柵介質層(7)的厚度為10-50nm。
[0015]進一步的，所述柵電極(8)上平面的寬度為0.5-1.5μπι。
[0016]對應地，本發明還提供了一種具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件的制備方法，包括:
[0017]步驟1，依次在襯底(I)上生長緩沖層(2)、i_GaN層(3)和勢皇層(4);
[0018]步驟2，刻蝕勢皇層(4)和1-GaN層(3)的一端，以在1-GaN層(3)的一端、且背離緩沖層(2)的一側形成階梯形；
[0019]步驟3，在階梯形下層上形成源電極(5)，并在1-GaN層(3)上遠離源電極(5)的一端形成漏電極(6);
[0020]步驟4，生長覆蓋在漏電極(6)、勢皇層(4)和源電極(5)上方的柵介質層(7);
[0021]步驟5，在柵介質層(7)上并靠近源電極(5)—端形成柵電極(8)，以使柵電極(8)的截面呈“Z”字形，使柵電極(8)的上平面位于階梯形上層的上方，下平面位于階梯形下層的上方；
[0022]步驟6，生長覆蓋在柵介質層(7)和柵電極(8)上方的鈍化層(9)，并形成與源電極
(5)接觸的源電極焊盤(10)和與漏電極(6)接觸的漏電極焊盤(11)。
[0023]進一步的，在步驟3中，在階梯形下層上形成源電極(5)，并在1-GaN層(3)上遠離源電極(5)的一端形成漏電極(6)，包括:
[0024]分別在階梯形下層和1-GaN層(3)上遠離階梯形的一端光刻顯影;利用電
[0025]子束蒸發方法形成復合金屬電極結構；
[0026]利用氮氣進行退火處理。
[0027]進一步的，在步驟4中，采用ALD或者LPCVD方法生長覆蓋在漏電極(6)、勢皇層(4)和源電極(5)上方的柵介質層(7)。
[0028]進一步的，在步驟5中，采用電子束蒸發方法在柵介質層(7)上并靠近源電極(5)—端形成柵電極(8)。
[0029]進一步的，在步驟6中，生長覆蓋在柵介質層(7)和柵電極(8)上方的鈍化層(9)，并形成與源電極(5)接觸的源電極焊盤(10)和與漏電極(6)接觸的漏電極焊盤(11)，包括:
[0030]采用PECVD方法沉積鈍化層(9);
[0031]分別腐蝕源電極(5)和漏電極(6)上方的鈍化層(9)，形成窗口；
[0032]分別在窗口中，制作源電極焊盤(10)和漏電極焊盤(11)。
[0033]本發明提供的一種具有縱向柵極結構的常關型HEMT器件及其制備方法，使柵電極的截面呈“Z”字形，采用縱向柵極結構，將傳統的HEMT器件中長的橫向溝道開啟模式轉變成短的縱向溝道開始模式，柵極由長的橫向電流控制溝道轉變為短的縱向電流控制溝道，器件利用短的柵極側壁溝道來實