一种氮化镓P-MOSFET晶体管结构及其制造方法技术

技术编号:35871350 阅读:45 留言:0更新日期:2022-12-07 11:06
本发明专利技术设计涉及半导体器件技术领域,具体涉及一种氮化镓P

【技术实现步骤摘要】
一种氮化镓P

MOSFET晶体管结构及其制造方法


[0001]本专利技术涉及半导体器件
,具体涉及一种氮化镓P

MOSFET晶体管结构及其制造方法。

技术介绍

[0002]氮化镓(GaN)作为具有代表性的第三代半导体材料,凭借其宽禁带、高饱和漂移速度、高热导率等突出特性,具有高耐压容量、高工作频率和大电流密度等优点,大大降低了导通损耗,使GaN功率器件具有大功率运行能力和高温条件下工作能力。近年来,横向结构GaN HEMT技术高速发展趋于成熟,基于P型栅的增强型GaN HEMT已实现商用化,且在快充、激光雷达(LiDAR)等领域已获得不同程度的应用。
[0003]全GaN单片集成技术作为该领域重要发展趋势与研究热点之一,旨在将逻辑信号产生、驱动控制、功率变换、监测与保护等模块进行集成,减小芯片互联带来的寄生效应(信号串扰、互联损耗、ESD等)。相比GaN分立功率器件,GaN单片集成技术能够最大限度地发挥GaN高频、高效的核心性能优势。然而,目前全GaN单片集成技术的发展还处于初级阶段,其主要原因之一在于P沟道晶体管的研制仍然不成熟。由于缺乏高性能、高可靠性的P沟道晶体管,在设计全GaN单片集成电路时,不得不依赖于二维电子气(2DEG)导电的N沟道晶体管(N

HEMT)进行代替,导致电路设计难度增大、静态功耗高、功能不完善等问题,严重限制了GaN IC的发展与应用。基于CMOS的互补逻辑电路则具有更合适的电压转换阈值、较高的噪声容限和更灵活的电路拓扑结构。因此,实现高性能且可与当前主流GaN N

HEMT单片集成的P沟道器件不仅能够简化GaN IC设计,还能提高GaN IC性能,能够促使GaN功率半导体最大限度发挥其高速、高效工作的优越性能,提升GaN在功率半导体应用领域的竞争优势。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对P沟道氮化镓晶体管目前存在的问题,提出了一种具有背栅的P沟道氮化镓晶体管,其具备亚阈值斜率低和导通电流密度高的优良特点。
[0005]为实现上述目的,本专利技术采用如下技术方案:
[0006]一种氮化镓P

MOSFET晶体管结构及其制造方法,如图1所示,包含应力调制结构异质外延衬底基片1(硅基衬底)、设置在衬底基片1上表面的氮化镓缓冲层2、设置在氮化镓缓冲层2上表面的非故意掺杂氮化镓沟道层3、设置在非故意掺杂氮化镓沟道层3上的第一铝氮插入层51、设置在第一铝氮插入层51上的铝镓氮势垒层4、设置在铝镓氮势垒层4上的第二铝氮插入层52、设置在第二铝氮插入层52上的P型氮化镓沟道层6、设置P型氮化镓沟道层6上的介质钝化层7、以及金属电极,所述第二铝氮插入层52与P型氮化镓沟道层6的连接界面处生成二维空穴气;所述金属电极包括栅极9、源极10、漏极11,其中源极10和漏极11分别位于晶体管顶部的两端,栅极9位于晶体管顶部的中部,且源极10和漏极11沿器件垂直方向贯穿介质钝化层7后与P型氮化镓沟道层6的上表面接触;其特征在于,所述栅极9沿器件垂直方向贯穿介质钝化层7后,沿器件纵向方向,栅极9的两端沿器件垂直方向完全贯穿P型氮
化镓沟道层6,而栅极9的中部沿器件垂直方向部分贯穿P型氮化镓沟道层6,并且在栅极9的两端沿器件横向方向的中部,还具有凸起结构,凸起结构沿器件垂直方向依次完全贯穿第二铝氮插入层52、铝镓氮势垒层4、第一铝氮插入层51后与非故意掺杂氮化镓沟道层3上表面接触;所述器件垂直方向、器件横向方向和器件纵向方向构成三维直角坐标系,并且器件横向方向是由源极10指向漏极11的方向,器件垂直方向是由器件顶部指向底部的方向;所述栅极9与第二铝氮插入层52的上表面之间、栅极9与P型氮化镓沟道层6之间、栅极9与源极10之间的介质钝化层7上表面、栅极9与漏极11之间的介质钝化层7上表面具有栅介质层8。
[0007]进一步的,所述栅极9位于P型氮化镓沟道层6中的部分是通过对P型氮化镓沟道层6进行部分刻蚀形成的,栅极9位于P型氮化镓沟道层6中的部分用于调控器件阈值电压,并恢复非故意掺杂氮化镓沟道层3与第一铝氮插入层51界面的二维电子气。
[0008]进一步的,所述栅极9位于P型氮化镓沟道层6中的部分通过栅极9、栅介质层8、P型氮化镓沟道层6形成MIS栅结构;栅极9除位于P型氮化镓沟道层6中以外的部分,通过与二维电子气形成N型欧姆接触,使栅极9与二维电子气等电位,将该部分二维电子气定义为背栅。
[0009]进一步的,所述第一铝氮插入层51和第二铝氮插入层52用于抑制从源极10到栅极9的漏电通路。
[0010]进一步的,所述栅介质层8为氮化硅、二氧化硅、三氧化二铝、氧化镁和二氧化铪中的一种或多种组合,厚度为1

100nm。
[0011]进一步的,所述包含两种结构类型的栅极9的特殊凹槽结构可由干法刻蚀与湿法刻蚀中的一种或两种组合形成,其中N型欧姆接触对应刻槽深度需完全刻蚀P型氮化镓沟道层6,刻蚀中止面可在铝氮插入层51或铝镓氮势垒层4或铝氮插入层52中,通过高温退火时的金属下渗与二维电子气沟道形成N型欧姆接触。
[0012]用于本专利技术的一种具有背栅的P沟道氮化镓晶体管的制造方法,包括以下步骤:
[0013]第一步:在衬底基片1上层依次外延生长氮化镓缓冲层2、非故意掺杂氮化镓沟道层3、第一铝氮插入层51、氮化铝镓势垒层4、第二铝氮插入层52、P型氮化镓沟道层6;
[0014]第二步:淀积介质钝化层7,钝化P型氮化镓材料表面;
[0015]第三步:采用干法或湿法刻蚀技术对栅极9位置进行第一轮刻蚀,完全刻蚀该区域的介质钝化层7,接着采用干法刻蚀技术对栅极9沿器件纵向方向中部位置进行刻蚀,部分刻蚀该区域的P型氮化镓导电层6,耗尽栅下二维空穴气沟道,恢复栅下二维电子气沟道;
[0016]第四步:采用干法刻蚀技术对栅极位置进行第二轮刻蚀,完全刻蚀栅极9沿器件纵向方向两端部分区域的P型氮化镓导电层6;
[0017]第五步:淀积栅介质层8;
[0018]第六步:采用干法或湿法刻蚀技术对第四步中P型氮化镓导电层6被完全刻蚀的部分区域进行开孔,开孔位置为沿器件横向方向的中部,刻蚀该区域的栅介质层8,并使刻蚀中止面在第一铝氮插入层51或铝镓氮势垒层4或第二铝氮插入层52中。
[0019]第七步:采用蒸镀或溅射等方式生长栅极9金属,并在氮气氛围下进行高温快速退火,使栅极9的部分区域与下方恢复的二维电子气沟道形成N型欧姆接触;
[0020]第八步:采用湿法刻蚀技术对源极10与漏极11位置进行刻蚀,完全刻蚀该区域的介质钝化层7,接着采用蒸镀或溅射等方式生长源极10与漏极11金属,并在氧气氛围或者氮、氧混合氛围下进行高温快速退火,使源极10与漏极11与下方二维空穴气沟道形成P型欧
姆接触。
[0021]本专利技术基于双异质结外延结构,阐述了一种具有背栅的P沟道氮化镓晶体管结构及其制造方法,利用背栅效应提升器本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮化镓P

MOSFET晶体管结构及其制造方法,包括外延衬底基片(1)、设置在衬底基片(1)上表面的氮化镓缓冲层(2)、设置在氮化镓缓冲层(2)上表面的非故意掺杂氮化镓沟道层(3)、设置在非故意掺杂氮化镓沟道层(3)上的第一铝氮插入层(51)、设置在第一铝氮插入层(51)上的铝镓氮势垒层(4)、设置在铝镓氮势垒层(4)上的第二铝氮插入层(52)、设置在第二铝氮插入层(52)上的P型氮化镓沟道层(6)、设置P型氮化镓沟道层(6)上的介质钝化层(7)、以及金属电极,所述第二铝氮插入层(52)与P型氮化镓沟道层(6)的连接界面处生成二维空穴气;所述金属电极包括栅极(9)、源极(10)、漏极(11),其中源极(10)和漏极(11)分别位于晶体管顶部的两端,栅极(9)位于晶体管顶部的中部,且源极(10)和漏极(11)沿器件垂直方向贯穿介质钝化层(7)后与P型氮化镓沟道层(6)的上表面接触;其特征在于,所述栅极(9)沿器件垂直方向贯穿介质钝化层(7)后,沿器件纵向方向,栅极(9)的两端沿器件垂直方向完全贯穿P型氮化镓沟道层(6),而栅极(9)的中部沿器件垂直方向部分贯穿P型氮化镓沟道层(6),并且在栅极(9)的两端沿器件横向方向的中部,还具有凸起结构,凸起结构沿器件垂直方向依次完全贯穿第二铝氮插入层(52)、铝镓氮势垒层(4)、第一铝氮插入层(51)后与非故意掺杂氮化镓沟道层(3)上表面接触;所述器件垂直方向、器件横向方向和器件纵向方向构成三维直角坐标系,并且器件横向方向是由源极(10)指向漏极(11)的方向,器件垂直方向是由器件顶部指向底部的方向;所述栅极(9)与第二铝氮插入层(52)的上表面之间、栅极(9)与P型氮化镓沟道层(6)之间、栅极(9)与源极(10)之间的介质钝化层(7)上表面、栅极(9)与漏极(11)之间的介质钝化层(7)上表面具有栅介质层(8)。2.根据权利要求1所述的一种氮化镓P

MOSFET晶体管结构及其制造方法,其特征在于,所述栅极(9)位于P型氮化镓沟道层(6)中的部分是通过对P型氮化镓沟道层(6)进行部分刻蚀形成的,栅极(9)位于P型氮化镓沟道层(6)中的部分用于调控器件阈值电压,并恢复非故意掺杂氮化镓沟道层(3)与第一铝氮插入层(51)界面的二维电子气。3.根据权利要求1所述的一种氮化镓P

MOSFET晶体管结构及其制造方法,其特征在于,所述栅极(9)位于P型氮化镓沟道层(6)中的部分通过栅极(9...

【专利技术属性】
技术研发人员:周琦陈匡黎柏鹏翔朱厉阳张波
申请(专利权)人:电子科技大学
类型:发明
国别省市:

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