兼具栅极电介质和刻蚀阻挡层功能结构的常关型功率器件及其制备方法技术

兼具栅极电介质和刻蚀阻挡层功能结构的常关型功率器件及其制备方法，属于半导体器件技术领域。本发明专利技术通过在具有栅极p型盖帽层的常规高电子迁移率晶体管外延结构势垒层上方插入介质层和过渡层复合结构，从而增大栅区耐压和常关型操作阈值电压；栅极单晶材料过渡层设计可有效提高其上方p型盖帽层单晶外延质量，而厚的插入介质层设计可以防止栅区外侧p型盖帽层过刻蚀，保证二维电子气沟道具有不受损伤的沟道界面，从而保证器件优良的导通电流密度(或者导通电阻)特性。此外，本发明专利技术复合插入层结构设计能给器件制作过程带来较大的刻蚀工艺偏差容忍度，因此提高产品性能均匀性和成品率。

Constant-Switch Power Device with Gate Dielectrics and Etching Barrier Layer Functional Structure and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
兼具栅极电介质和刻蚀阻挡层功能结构的常关型功率器件及其制备方法
本专利技术属于半导体器件
，尤其涉及一种兼具栅极电介质和刻蚀阻挡层功能结构的常关型功率器件及其制备方法。
技术介绍
电力电子器件又称为功率电子器件，主要实现电能转换功能，在当今社会具有很广泛的应用。传统的功率电子器件主要以第一代半导体材料(Ge、Si等)和第二代化合物半导体材料(GaAs、InP等)为主，目前比较有可能部分取代这些传统材料功率器件的候选材料主要有碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)，它们都是第三代宽禁带半导体材料的重要代表。目前SiC材料及其器件发展更为成熟，但是从频率特性和导通电阻角度出发，GaN基(以GaN为主，包含GaN、AlN、InN以及它们的成分组合等)半导体材料具有更加明显的优势。GaN基材料除了具有大的禁带宽度、高的电子饱和速度以及耐高温高压、抗辐照等优良特性，其异质结(以AlGaN/GaN为代表)界面的自发极化和压电极化电荷将诱导产生高密度的二维电子气(2DEG)(～1013cm-2)，由于受输运维数限制以及材料无需故意掺杂，该2DEG沟道具有明显增大的电子迁移率(～2000cm2V-1s-1)。这一特性使得GaN基异质结构在研制高性能高电子迁移率晶体管(HEMT)方面具有明显的优势，特别是在高频和中低压芯片市场方面。GaN基功率器件研究目前已经进入一个新阶段，各种衬底上的材料外延技术已经日趋成熟，芯片制作所需设备和器件工艺水平也取得了长足的进步。目前市场上已经有部分厂商能提供低压射频和电源转换领域的GaN基功率器件产品，制约该类产品大量获得应用的障碍主要包括以下几个方面。一方面是器件后端封装和匹配电路技术还未跟上，例如满足高频应用的特殊封装工艺和拓扑电路需要重新设计；另一方面，现有新推出的GaN基功率器件产品应用可靠性还未得到验证，是否经受得起市场考验还需要进一步深入研究；再者，GaN基器件产品还未有真正意义上能用的常关型功率器件，常关型Si基MOSFET和常开型GaN基HEMT器件混合的共源共栅结构(cascode)产品只是现阶段无奈的暂时选择，其无法应用在实际高温和高频领域。常关型功率器件在栅极不施加偏压情况下，器件自然处于关断状态，相对于常开型类型，常关型器件在实际应用中更安全和节能，并且能够简化电路设计，因此具有重要的研究价值和广阔的应用市场。本专利申请针对常关型GaN基材料功率器件进行结构创新和技术制作。目前实现该类器件常关型操作的主流技术除了上述cascode结构以外，还包括栅区势垒层刻蚀凹槽栅、栅区势垒层或介质氟离子注入形成氟化栅，以及栅区p型盖帽层技术三种方案。凹槽栅方案要求精确刻蚀栅区很薄的势垒层(10～30nm)，对于大面积器件，栅极刻蚀深度均匀性较难控制；氟化栅方案带来杂质散射，可能造成2DEG沟道电子迁移率下降，同时带来潜在的热稳定性和可靠性问题。目前来看，栅区p型盖帽层技术是个相对较好的产业化推广方案，该方案保留良好的2DEG沟道，利用其附加内建电场将2DEG沟道界面的导带提升到费米能级上方，从而获得常关型操作，该技术方案能获得较高的导通电流密度，稳定性和重复性较好。其目前存在的主要问题是栅耐压过小，容易造成栅、源电极间正向导通，并且获得的器件阈值电压较小(＜2V)；另一方面，栅区以外的势垒层上方p型盖帽层刻蚀也是一个技术难题，需要刻蚀干净该区域p型盖帽层同时不损伤下方势垒层结构，因此需要设计一个更加有效的刻蚀阻挡层。如何设计兼具刻蚀阻挡层和栅极电介质功能的新型器件结构，从而有效提高p型盖帽层方案中器件的栅耐压和阈值电压，是业内急需解决的技术难题。
技术实现思路
为了上述现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种兼具栅极电介质和刻蚀阻挡层功能结构的常关型功率器件及其制备方法，该功率器件通过在栅电极p型盖帽层下方插入介质层和过渡层复合结构，从而增大栅极耐压和阈值电压；同时，过渡层设计可提高其上方p型盖帽层单晶外延质量，而厚的插入介质层设计可以防止p型盖帽层过刻蚀，从而保证器件优良的导通电流密度(或者导通电阻)特性。技术方案如下：一种兼具栅极电介质和刻蚀阻挡层功能结构的常关型功率器件，包括：衬底、成核层、外延层、势垒层、介质层、过渡层、盖帽层、钝化层、焊盘、源极、漏极和栅极，在所述衬底上依次生长成核层和外延层，所述外延层上方为势垒层，所述势垒层和外延层形成异质结结构，二者接触界面由极化电荷诱导产生二维电子气，所述势垒层上方设有源极和漏极，所述势垒层上方依次插入介质层、过渡层、栅极盖帽层、栅极，所述外延层、介质层、源极、漏极、栅极上方都设有所述钝化层，所述钝化层与所述过渡层、盖帽层接触连接，所述源极、漏极、栅极上方分别设有所述焊盘，每个所述焊盘穿过所述钝化层与对应电极接触连接。进一步的，所述衬底是硅、蓝宝石、碳化硅、金刚石、GaN自支撑衬底中的任意一种；所述成核层是AlN或者AlGaN超晶格；所述外延层是GaN或者GaAs；所述势垒层是AlGaN、InAlN、AlN、AlGaAs中的任意一种；所述钝化层是SiO2、Si3N4或者二者的复合结构；所述栅极盖帽层是p-GaN或者p-InGaN或者p-AlGaN。进一步的，所述介质层为5～50nm厚度的单晶氮化硅或者poly-SiN，或等离子处理形成的介质层。进一步的，所述过渡层是MOCVD或分子束外延法原位生长的AlN单晶薄膜。本专利技术还包括一种兼具栅极电介质和刻蚀阻挡层功能结构的常关型功率器件制备方法，步骤如下：S1、晶片生长；S2、台面刻蚀；S3、源、漏电极制作；S4、栅外p型盖帽层刻蚀；S5、栅电极制作；S6、器件钝化和焊盘制作；进一步的，步骤S1具体步骤为：采用金属有机物化学气相沉积法或分子束外延法在衬底上依次生长超晶格成核层、外延层、势垒层、单晶氮化硅或poly-SiN介质层、AlN单晶薄膜过渡层、p-GaN或者p-InGaN或者p-AlGaN盖帽层；或者将样品清洗后送入MOCVD反应室，以氢气作为载体、氨气作为氮源、三甲基镓和三甲基铝分别作为镓源和铝源，在衬底上依次生长成核层、外延层、势垒层、介质层、AlN单晶薄膜过渡层、p-GaN盖帽层。进一步的，步骤S2具体步骤为：利用半导体光刻法和刻蚀法制作器件台面，通过基于Cl基气体的感应耦合等离子体法或者反应离子刻蚀法进行表面刻蚀，实现台面隔离；或者将样品均匀旋涂光刻胶；将样品放置在热板上加热进行软烘；把样品放置在曝光机中持续曝光；在显影液中显影；热板上加热坚膜。通过Cl基等离子体ICP刻蚀法刻蚀外延层，形成台面隔离，然后样品通过丙酮溶液清洗去胶。进一步的，步骤S3具体步骤为：通过半导体光刻法定义出源、漏极所需区域，通过金属沉积法沉积器件的源、漏极金属，并且通过高温退火，使复合金属结构变为合金，形成欧姆接触；或者通过半导体光刻法定义出源、漏极所需区域，通过电子束蒸发法沉积器件的源漏极金属结构，然后样品在丙酮溶液中剥离、清洗去胶；通过在氮气高温环境中退火，使复合金属结构变为合金，形成欧姆接触。进一步的，步骤S4具体步骤为：通过半导体光刻法定义出源-栅和栅-漏区域，利用低功率Cl基等离子体ICP或RIE刻蚀工艺，刻蚀掉栅极区域外面的p型盖帽层；步骤S5具体步骤为：通过半导体光刻法定义出栅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种兼具栅极电介质和刻蚀阻挡层功能结构的常关型功率器件，其特征在于，包括：衬底、成核层、外延层、势垒层、介质层、过渡层、盖帽层、钝化层、焊盘、源极、漏极和栅极，在所述衬底上依次生长成核层和外延层，所述外延层上方为势垒层，所述势垒层和外延层形成异质结结构，二者接触界面由极化电荷诱导产生二维电子气，所述势垒层上方设有源极和漏极，所述势垒层上方依次插入介质层、过渡层、栅极盖帽层、栅极，所述外延层、介质层、源极、漏极、栅极上方都设有所述钝化层，所述钝化层与所述过渡层、盖帽层接触连接，所述源极、漏极、栅极上方分别设有所述焊盘，每个所述焊盘穿过所述钝化层与对应电极接触连接。

【技术特征摘要】
1.一种兼具栅极电介质和刻蚀阻挡层功能结构的常关型功率器件，其特征在于，包括：衬底、成核层、外延层、势垒层、介质层、过渡层、盖帽层、钝化层、焊盘、源极、漏极和栅极，在所述衬底上依次生长成核层和外延层，所述外延层上方为势垒层，所述势垒层和外延层形成异质结结构，二者接触界面由极化电荷诱导产生二维电子气，所述势垒层上方设有源极和漏极，所述势垒层上方依次插入介质层、过渡层、栅极盖帽层、栅极，所述外延层、介质层、源极、漏极、栅极上方都设有所述钝化层，所述钝化层与所述过渡层、盖帽层接触连接，所述源极、漏极、栅极上方分别设有所述焊盘，每个所述焊盘穿过所述钝化层与对应电极接触连接。2.如权利要求1所述的兼具栅极电介质和刻蚀阻挡层功能结构的常关型功率器件，其特征在于，所述衬底是硅、蓝宝石、碳化硅、金刚石、GaN自支撑衬底中的任意一种；所述成核层是AlN或者AlGaN超晶格；所述外延层是GaN或者GaAs；所述势垒层是AlGaN、InAlN、AlN、AlGaAs中的任意一种；所述钝化层是SiO2、Si3N4或者二者的复合结构；所述栅极盖帽层是p-GaN或者p-InGaN或者p-AlGaN。3.如权利要求1所述的兼具栅极电介质和刻蚀阻挡层功能结构的常关型功率器件，其特征在于，所述介质层为5～50nm厚度的单晶氮化硅或者poly-SiN，或等离子处理形成的介质层。4.如权利要求1所述的兼具栅极电介质和刻蚀阻挡层功能结构的常关型功率器件，其特征在于，所述过渡层是MOCVD或分子束外延法原位生长的AlN单晶薄膜。5.一种兼具栅极电介质和刻蚀阻挡层功能结构的常关型功率器件制备方法，其特征在于，步骤如下：S1、晶片生长；S2、台面刻蚀；S3、源、漏电极制作；S4、栅外p型盖帽层刻蚀；S5、栅电极制作；S6、器件钝化和焊盘制作。6.如权利要求5所述的兼具栅极电介质和刻蚀阻挡层功能结构的常关型功率器件制备方法，其特征在于，步骤S1具体步骤为：采用金属有机物化学气相沉积法或分子束外延法在衬底上依次生长超晶格成核层、外延层、势垒层、单晶氮化硅或poly-SiN介质层、AlN单晶薄膜过渡层、p-GaN或者p-InGaN或者p-AlGaN盖帽层；或者将样品清洗后送入MOCVD反应室，以氢气作为载体、氨气作为氮源、三甲基镓和三甲基铝分别作为镓源和铝源，在衬底上依次生长成核层、外延层、势垒层、介质层、AlN单晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄火林，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21