一种垂直电流孔径晶体管制备方法及对应器件与流程

1.本发明涉及垂直电流孔径晶体管的领域，特别涉及一种垂直电流孔径晶体管制备方法及对应器件。


背景技术：

2.iii族氮化合物半导体在光电器件、电力电子、微波射频器件等领域具有广阔的应用前景，其主要包括aln、gan、inn及这些材料的多元合金如algan、ingan、alinn、alscn、alingan等。gan基异质结材料是iii族氮化物半导体材料体系中的重要代表，其延续了gan材料高击穿电场、高电子饱和漂移速度等优点。以gan基异质结材料中的algan
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gan异质结材料为例，algan与gan两者形成i型异质结，二维电子气2deg位于异质结界面的gan一侧。将algan
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gan异质结材料应用于半导体器件，研制出的algan
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gan异质结场效应晶体管、algan
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gan异质结肖特基二极管等器件具有良好的高频、高功率、耐高温以及抗辐射性能，在功率半导体器件领域有巨大前景。
3.现有技术中存在两种不同的结构的异质结场效应晶体管，请参考图1为横向结构的高电子迁移率晶体管，又称hemts，图2为另一种是垂直结构的异质结场效应晶体管，又称vfets，包括垂直型金属氧化物半导体场效应晶体管mosfets和垂直电流孔径晶体管cavets。目前本领域对横向结构的hemts器件进行了广泛研究，且取得了相对成熟的技术进步，横向结构的hemts器件能有效利用2deg形成的沟道，从而降低导通电阻，但在降低导通电阻的同时要使hemts器件获得较高的击穿电压就必须增加hemts器件栅极和漏极之间距离，使制得的hemts器件存在面积过大等问题。对于电流流向为纵向的垂直结构vfets器件，可通过增加漂移区的厚度来增加器件的击穿电压，而无需牺牲器件尺寸，这样就能有效地利用芯片面积去处理器件规格所要求的电流和电压，所以采用垂直结构vfets器件能有助于减少芯片尺寸和制造成本。
4.但在垂直结构vfets器件的发展过程中，电流阻挡层cbl和电流导通通孔aperture的制备一直是制备垂直结构vfets器件的难点。目前对于电流阻挡层cbl和电流导通通孔aperture的制备一般采用如下两种方法：（1）通过mg离子注入将本征gan转化为轻p型掺杂gan层，同时在电流导通通孔预设位置上方掩膜避免mg离子的注入，轻p型掺杂gan层作为电流阻挡层cbl，同时未被离子注入的区域作为电流导通通孔aperture。
5.（2）通过al离子注入本征gan层中，使gan晶格损伤形成类似绝缘层作为电流阻挡层cbl，利用掩膜没有进行al离子注入的区域电阻率较低，电流会优先选择这里通过，从而作为电流导通通孔aperture。
6.上述现有的垂直结构vfets器件制造工艺中，通过mg离子注入引入晶格损伤会导致电流阻挡层cbl产生很大的漏电，而通过al离子注入引入的晶格损伤除了使电流阻挡层cbl产生漏电外还会导致特别严重的电流崩塌效应，且al注入带来的晶格损伤必须在1350℃以上的高温下才能修复，对于工业用比较复杂而且相对昂贵，此外大面积的离子注入带
来的晶格损伤对二次外延的晶体质量有所影响。这些问题一直是制约着垂直结构vfets器件发展的瓶颈，从而影响器件良率，间接得提高了垂直结构vfets器件的制造成本。


技术实现要素：

7.本发明为了克服现有技术的不足，提供一种垂直电流孔径晶体管制备方法及对应器件。
8.为实现上述目的，本发明实施例提供了一种垂直电流孔径晶体管的制备方法，包括：提供外延片，所述外延片包括衬底、位于所述衬底表面的第二掺杂类型的gan缓冲层；在所述外延片第一表面形成激光辐照掩蔽层，通过脉冲激光辐照对未被激光辐照掩蔽层所覆盖的外延片第一表面进行选区掺杂，形成第一掺杂类型的电流阻挡层；去除掩蔽层后进行二次外延生长，从而形成位于所述外延片第一表面的本征gan层以及位于所述本征gan层表面的异质材料层；电流阻挡层之间的本征gan层或gan缓冲层作为电流导通通孔；形成垂直电流孔径晶体管的源极电极、栅极、栅源极间介质层和漏极电极。
9.可选的，所述外延片还包括位于所述gan缓冲层表面的电流阻挡材料层；对所述电流阻挡材料层在待形成的电流导通通孔对应的位置进行刻蚀，露出gan缓冲层表面形成通孔，在所述通孔内形成第一掩蔽层，所述第一掩蔽层作为激光辐照掩蔽层。
10.可选的，所述在电流阻挡材料层内部形成尺寸与电流导通通孔一致的第一掩蔽层包括：先在所述电流阻挡材料层表面形成所述第二掩蔽层；通过第二掩蔽层的窗口对电流阻挡材料层进行刻蚀；在电流阻挡材料层被刻蚀区域形成所述第一掩蔽层。
11.可选的，所述电流阻挡材料层为通过原位生长掺杂形成的第一类型的轻掺杂gan层。
12.可选的，先在gan缓冲层表面形成待形成的电流导通通孔相对应的第三掩蔽层，再通过脉冲激光辐照对未被第三掩蔽层所覆盖的gan缓冲层进行选定区域掺杂。
13.可选的，通过脉冲激光对未被激光辐照掩蔽层所覆盖的选定区域进行掺杂包括：将外延片置于含有第一类型杂质源的气体氛围中，使所述气体吸附于外延片表面；对未被激光辐照掩蔽层所覆盖的选定区域进行脉冲激光辐照，使第一类型杂质扩散进入选定区域gan缓冲层晶格中；脉冲激光辐照结束后，在外延片表面的gan缓冲层选定区域的上表面形成高阻gan区域。
14.可选的，通过脉冲激光对未被激光辐照掩蔽层所覆盖的选定区域进行掺杂包括：外延片第一表面形成有掺杂金属层和激光辐照掩蔽层；对未被激光辐照掩蔽层所覆盖的选定区域的掺杂金属层进行脉冲激光辐照，使选定区域内的掺杂金属层的金属原子从gan缓冲层表面向内部扩散；脉冲激光辐照结束后，在外延片表面的gan缓冲层选定区域的上表面形成高阻gan区域。
15.可选的，所述掺杂金属层为金属al层，在所述外延片第一表面形成掺杂金属层，在所述掺杂金属层表面选定区域以外的区域形成激光辐照掩蔽层。
16.可选的，所述衬底的材料为gan或sic或si或sapphire或aln。
17.本发明实施例还提供了一种垂直电流孔径晶体管，通过上述的一种垂直电流孔径晶体管的制备方法制得。
18.综上所述，本发明的有益效果在于：
本发明实施例提供了一种垂直电流孔径晶体管制备方法及对应器件，通过高精度激光进行选区掺杂形成电流阻挡层，激光参数精确可控，相比现有掺杂，对掺杂区域晶格损伤更小，无需高温退火，且利用激光辐照掺杂工艺，在辐照结束后掺杂离子会回到电流阻挡层表面，使得电流阻挡层表面形成高阻gan区域，绝缘性能相比现有工艺会好很多，且简化了现有垂直电流孔径晶体管制备工艺，使制得的垂直电流孔径晶体管具有绝缘性能更好的电流阻挡区，最终提升了垂直电流孔径晶体管良率，降低了相应的制造成本。
19.此外，本发明实施例通过对未被第一掩蔽层所覆盖的轻p型掺杂gan电流阻挡材料层进行激光辐照掺杂，从而形成了的重p型掺杂区域，最终完成了重p型掺杂的电流阻挡层的制备，相比现有的垂直电流孔径晶体管，通过本发明实施例的制备方法制得的垂直电流孔径晶体管在电流阻挡层处具有更小的电流崩塌效应以及漏电效应，且因为在进行激光辐照掺杂的同时对掺杂区域晶格损伤更小，不会对后续二次外延生长的gan晶体以及algan晶体的质量造成影响，也无需高温退火这一步骤以及与高温退火相关的昂贵设备。
20.为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
21.图1所示为横向结构的高电子迁移率晶体管的结构示意图；图2所示为垂直结构的异质结场效应晶体管的结构示意图；图3~图8所示为本发明第一实施例提供的一种垂直电流孔径晶体管制备方法的流程结构示意图；图9~图14所示为本发明第二实施例提供的一种垂直电流孔径晶体管制备方法的流程结构示意图；图15所示为本发明第三实施例制得的垂直电流孔径晶体管的结构示意图。
具体实施方式
22.为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
23.本发明提出了一种新的垂直电流孔径晶体管的制备方法，用于制备垂直结构的异质结场效应晶体管器件。
24.第一实施例本发明第一实施例提供了一种垂直电流孔径晶体管的制备方法，通过在电流阻挡材料层内部形成尺寸与电流导通通孔一致的第一掩蔽层，以及通过脉冲激光对未被第一掩蔽层所覆盖的选定区域进行掺杂来完成电流阻挡层的制备，其具体步骤一至步骤五分别对应图3~图7。
25.请参考图3，第一实施例的步骤一：提供外延片，所述外延片包括：gan衬底101、位于gan衬底101表面的gan缓冲层102、位于gan缓冲层102表面的电流阻挡材料层103；清洗外延片后，先在通过原位生长掺杂形成的轻p型掺杂gan电流阻挡材料层103表面形成sio2层；再将sio2层进行相应光刻工序以生成第二掩蔽层110，所述第二掩蔽层110具有与所述电流导通通孔尺寸一致的窗口并以窗
口为中心对称分布。在本实施例中，所述gan缓冲层102为n型掺杂，为第二掺杂类型。其他实施例中，所述第二掺杂类型也可以为p型掺杂。
26.除sio2外，还可以采用例如si3n4等其他材料来制备外延片的掩蔽层，故在此不再赘述，可采用高温热学氧化法（thermal oxidation）或等离子体增强型化学气相沉积法（pecvd）在gan缓冲层表面形成sio2层。
27.请参考图4，第一实施例步骤二：通过窗口对电流阻挡材料层103进行刻蚀，在电流阻挡材料层103形成尺寸与电流导通通孔一致的被刻蚀区域，直到暴露出gan缓冲层102；刻蚀结束后，可采用机械物理剥离或化学试剂剥离的方法去除第二掩蔽层110，在剥离第二掩蔽层110之后，还需要将外延片进行清洗，去除外延片表面因为可能被污染而混入相应杂质，相关的清洗步骤可采用本领域中现有的清洗工艺，在此不再赘述。
28.请参考图5，第一实施例步骤三：在被刻蚀区域表面沉积sio2层，来形成所述第一掩蔽层111；将外延片置于含有p型杂质源的气体氛围中，使所述气体吸附于外延片表面；将通过脉冲激光对未被第一掩蔽层111所覆盖的选定区域进行脉冲激光辐照，使p型杂质原子扩散进入选定区域电流阻挡材料层的晶格中。在本实施例中，所述第一类型杂质为p型杂质，例如mg掺杂或al掺杂，在其他实施例中，也可以为n型杂质。
29.请参考图6，第一实施例步骤四：脉冲激光辐照结束后，部分p型杂质原子返回电流阻挡材料层上表面并在未被第一掩蔽层111所覆盖的选定区域电流阻挡材料层的上表面形成重p型掺杂区域，相比现有掺杂，通过脉冲激光辐照生成的重p型掺杂区域晶格损伤更小，从而完成了重p型掺杂的第一电流阻挡层203的制备，剥离第一掩蔽层111，重新露出被刻蚀区域，为后续进行二次外延生长做准备。
30.请参考图7，第一实施例步骤五：对外延片进行二次外延生长，在被刻蚀区域上方以及在重p型掺杂的第一电流阻挡层203上方形成本征gan层104，被刻蚀区域位置的本征gan层作为第一电流导通通孔204，再在本征gan层104表面形成异质材料层105，在本实施例中，异质材料层105为algan层。在其他实施例中，异质材料层105还可以为allnn层、alscn层、algainn层其中的一种。
31.在第一实施例后续步骤中，进行一系列的相关工艺，用以形成栅源极间介质层106、栅极107、源极电极108、漏极电极109，最终完成垂直电流孔径晶体管的制备，制得的垂直电流孔径晶体管请参考图8，后续用来形成栅源极间介质层106、栅极107、源极电极108、漏极电极109的一系列工艺可采用本领域在制备垂直电流孔径晶体管时常规的技术方案，故在此不再赘述。
32.请参考图8，为在同质衬底外延片上，采用实施例一提供的方法制得的垂直电流孔径晶体管。其中，漏极电极109位于外延片的第二表面，漏极电极109上方生长有gan衬底101，gan衬底101上表面生长有gan缓冲层102，gan缓冲层102上方设有第一电流阻挡层203以及第一电流导通通孔204，本征gan层104位于电流阻挡层203以及电流导通通孔上方，异质材料层105位于本征gan层104上方，栅极107位于异质材料层105上方，源极电极108位于垂直电流孔径晶体管两侧。
33.在本发明第一实施例中，通过激光辐照辅助掺杂技术进行电流阻挡层的制备，从而实现相应的电流阻挡的作用，通过对未被第一掩蔽层所覆盖的轻p型掺杂gan电流阻挡材
料层进行激光辐照掺杂，从而形成了修复晶格的重p型掺杂区域，最终完成了重p型掺杂的第一电流阻挡层的制备，通过本发明第一实施例提供的一种垂直电流孔径晶体管的制备方法制得的垂直电流孔径晶体管相比现有的垂直电流孔径晶体管在第一电流阻挡层处具有更小的电流崩塌效应以及漏电效应，不会对后续二次外延生长的gan晶体以及algan晶体的质量造成影响，也无需高温退火这一步骤以及与高温退火相关的昂贵设备。
34.第二实施例本发明第二实施例提供的一种垂直电流孔径晶体管的制备方法先在gan缓冲层表面形成尺寸与电流导通通孔一致的第三掩蔽层，再通过脉冲激光辐照对未被第三掩蔽层所覆盖的gan缓冲层选定区域进行掺杂来完成电流阻挡层的制备，其具体步骤一至步骤五分别对应图9~图14。
35.请参考图9，第二实施例步骤一：提供外延片，所述外延片包括：gan衬底101、位于gan衬底101表面的gan缓冲层102；先在轻n型掺杂的gan缓冲层102表面形成sio2层；再将sio2层进行相应光刻工序以生成第三掩蔽层112，所述第三掩蔽层112位置、尺寸与电流导通通孔一致。在本实施例中，所述gan缓冲层102为n型掺杂，为第二掺杂类型。其他实施例中，所述第二掺杂类型也可以为p型掺杂。
36.第二实施例步骤二：可采用将外延片置于p型杂质源气体或在未被第三掩蔽层112所覆盖的选定区域表面形成金属al层，这两种方法实现通过脉冲激光对未被第三掩蔽层112所覆盖的选定区域进行掺杂。在本实施例中，所述第一类型杂质为p型杂质，例如mg掺杂或al掺杂，在其他实施例中，也可以为n型杂质。
37.请参考图10，为第二实施例步骤二的第一种方法，其中将外延片置于含有p型杂质源的气体氛围中，气体吸附于外延片表面，对未被第三掩蔽层112所覆盖的选定区域进行脉冲激光辐照，使p型杂质原子扩散进入轻n型掺杂gan缓冲层102的晶格中。
38.请参考图11，为第二实施例步骤二的第二种方法，首先在未被第三掩蔽层112所覆盖的选定区域表面形成金属al层114，然后采用脉冲激光辐照以使未被第三掩蔽层112所覆盖的选定区域内的al原子从轻n型掺杂gan缓冲层102的表面向内部扩散，从而使轻n型掺杂gan材料转化形成高阻gan材料，该高阻gan材料具有类似绝缘材料的特性，作为第二电流阻挡层403，实现电流阻挡作用。
39.请参考图12，第二实施例步骤三：在辐照结束后，通过p型杂质原子形成的p型掺杂gan层或通过金属al形成的高阻gan材料层作为第二电流阻挡层403，实现电流阻挡作用。
40.请参考图13，第二实施例步骤四：对外延片进行二次外延生长，在电流阻挡层以及轻n型掺杂gan缓冲层102上方形成本征gan层104，除未被第三掩蔽层112所覆盖的选定区域外未被激光辐照的轻n型掺杂gan缓冲层作为第二电流导通通孔404，再在本征gan层104表面形成异质材料层105，在在本实施例中，异质材料层105为algan层。在其他实施例中，异质材料层105还可以为allnn层、alscn层、algainn层其中的一种。
41.请参考图14，在第二实施例后续一系列的相关工艺步骤中，用以形成栅源极间介质层106、栅极107、源极电极108、漏极电极109，最终制得的垂直电流孔径晶体管，后续用来
形成栅源极间介质层106、栅极107、源极电极108、漏极电极109这一系列工艺可以采用本领域在制备垂直电流孔径晶体管时的常规技术方案，故在此不再赘述。
42.本发明第二实施例相比第一实施例，在外延片表面无需形成有作为电流阻挡材料层的轻p型掺杂gan层，而是先通过在gan缓冲层表面形成尺寸与电流导通通孔一致的第三掩蔽层，再通过脉冲激光辐照对未被第三掩蔽层112所覆盖的选定区域进行掺杂来完成电流阻挡层的制备，简化了垂直电流孔径晶体管的相关制备工艺。
43.第三实施例本发明第三实施例提供了一种在异质衬底外延片上进行垂直电流孔径晶体管的制备的垂直电流孔径晶体管的制备方法，所述异质衬底可以包括sic、si、sapphire、aln等，第三实施例中电流阻挡层的制备方法可以适用实施例一、实施例二，在此不再赘述。
44.请参考图15，为在异质衬底外延片上的垂直电流孔径晶体管。其中，异质衬底1013位于外延片的第二表面，所述异质衬底且包括sic、si、sapphire、aln等，异质衬底1013上表面生长有传输层1012，传输层1012上表面生长有gan层1011，gan层1011上表面分别生长有gan缓冲层102和漏极电极109，gan缓冲层102上方设有电流阻挡层以及电流导通通孔，异质材料层105位于本征gan层104上方，栅极107位于异质材料层105上方，源极电极108位于垂直电流孔径晶体管两侧。
45.综上所述，本发明实施例提供的一种垂直电流孔径晶体管的制备方法，通过可聚焦至1微米甚至更小的高精度激光进行选区掺杂，相比现有掺杂技术，对掺杂区域的晶格损伤更小，且具有激光参数精确可控，无需高温退火等优点，利用激光辐照掺杂工艺，在辐照结束后掺杂离子会回到电流阻挡层表面，使得电流阻挡层表面形成高阻gan区域，绝缘性能相比现有工艺会好很多，简化了现有垂直电流孔径晶体管制备工艺，使制得的垂直电流孔径晶体管具有绝缘性能更好的电流阻挡区。
46.本发明实施例还提供了通过上述的一种垂直电流孔径晶体管制备方法制得的垂直电流孔径晶体管。
47.请参考图8、图14、图15，所述垂直电流孔径晶体管包括：包括衬底，所述衬底可以采用重n型掺杂的gan衬底101，也可以采用sic、si、sapphire、aln等异质衬底材料1013；gan衬底101表面形成有gan缓冲层102，所述gan缓冲层102为轻n型掺杂gan层；异质衬底1013上表面生长有传输层1012，传输层1012上表面生长有gan层1011，gan层1011上表面分别生长有gan缓冲层102和漏极电极109；gan缓冲层102表面形成有电流阻挡层以及电流导通通孔，所述电流阻挡层可以为重p型掺杂第一电流阻挡层203，还可以为通过p型掺杂或通过金属al掺杂形成的第二电流阻挡层403；在电流阻挡层以及电流导通通孔上方形成有本征gan层104，在本征gan层104表面形成异质材料层105，异质材料层105与本征gan层104两者形成i型异质结，二维电子气2deg位于异质结界面的gan一侧；位于gan衬底101第二表面的漏极电极109或位于gan层1011上表面的漏极电极109；以及位于异质材料层105上方的栅源极间介质层106和栅极107，位于垂直电流孔径晶体管两侧的源极电极108。
48.最后说明，任何依靠本发明装置结构以及所述实施例的技术方案，进行的部分或
者全部技术特征的修改或者等同替换，所得到的本质不脱离本发明的相应技术方案，都属于本发明装置结构以及所述实施方案的专利范围。