平面功率半导体器件的制作方法

1.本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别是涉及一种平面功率半导体器件。


背景技术：

2.现有功率器件比导通电阻(ron,sp)与击穿电压(breakdown voltage)存在联系，击穿电压越高往往也会造成比较高的比导通电阻。对于传统的功率半导体器件，存在ron,sp vs.bv的物理极限，又称作一维物理极限(1-d limit)。电荷功率器件的发明可以打破这个极限。最典型的电荷平衡器件结构就是超级结器件。传统的超级结器件在漂移区使用不同的掺杂(n型掺杂和p型掺杂)形成电荷平衡结构。这种超级结工艺在硅器件中较为成熟，但是对于宽禁带半导体却不能套用。尤其在氮化镓中，因为特殊的工艺条件限制，所以需要对电荷平衡的设计理念做出特异性的修正从而在氮化镓器件中得到合理的运用。
3.氮化镓作为典型的宽禁带半导体材料，在各种研究中经常作为功率半导体器件的制造。尤其在高温高压领域的运用中，由于其大的禁带宽度(3.4ev)，高击穿电场强度(3mv/cm)，高电子迁移率和高热导率，氮化镓材料有着更加明显的优势。目前为止氮化镓主流器件还是集中在平面高电子迁移率晶体管(hemts)的研究，市场上的主流产品也都是这种器件结构。hemts主要是利用gan和algan的异质结形成的二维电子气作为导电沟道。
4.另外，由于gan/sio2良好的界面条件，在氮化镓材料上制造绝缘栅场效应晶体管也可以制造出高性能的器件。在氮化镓材料上制造绝缘栅场效应晶体管通常为ganmosfets，导电沟道时通过栅极结构对gan的表面进行反型形成的反型层组成。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种平面功率半导体器件，能实现漂移区的电荷平衡结构，从而能减小比导通电阻并大幅度减小器件在开通时的能量损耗，特别适用于氮化镓功率器件，能充分发挥氮化镓材料的优势，减小氮化镓器件制造的成本并且简化工艺流程。
6.为解决上述技术问题，本发明提供的平面功率半导体器件的器件单元包括：
7.形成于衬底上的第一外延层。
8.栅极结构形成于所述第一外延层表面。所述栅极结构包括形成于所述第一外延层表面的栅介质层和形成于所述栅介质层表面的栅极导电材料层。
9.第一导电类型重掺杂的源区和所述栅极结构的第一侧面自对准。
10.第一导电类型重掺杂的漏区和所述栅极结构的第二侧面具有间隔。
11.第一导电类型掺杂的漂移区位于所述栅极结构的第二侧面和所述漏区之间。
12.导电沟道由被所述栅极结构所覆盖的所述第一外延层表面反型时形成反型层组成。
13.所述漂移区的掺杂浓度分布形成电荷平衡结构，在反偏时，所述电荷平衡结构使得所述漂移区被全部耗尽且表面电场分布均匀。
14.进一步的改进是，平面功率半导体器件为氮化镓平面场效应晶体管；
15.所述衬底为绝缘衬底；
16.所述第一外延层为氮化镓外延层；
17.所述第一外延层为第二导电类型掺杂或者为非掺杂。
18.进一步的改进是，所述漂移区由经过退火后的形成于所述第一外延层中的离子注入区组成。
19.进一步的改进是，所述漂移区的结深小于等于所述漏区的结深。
20.进一步的改进是，所述漂移区均匀掺杂，控制所述漂移区的总掺杂剂量使所述漂移区形成电荷平衡结构。
21.进一步的改进是，在保持所述漂移区的总掺杂剂量不变的条件下，所述漂移区在横向上分成多段漂移子区，各所述漂移子区的掺杂浓度不同且通过各所述漂移子区的掺杂浓度的设置对所述漂移区的表面电场进行调控并调控到使所述漂移区的表面电场分布均匀。
22.各所述漂移子区的宽度相等或不相等。
23.进一步的改进是，所述平面功率半导体器件为氮化镓平面场效应晶体管时，所述漂移区的总掺杂剂量为2e13cm-2
。
24.进一步的改进是，各所述漂移子区的深度相同，各所述漂移子区的掺杂浓度通过各所述漂移子区对应的离子注入剂量调节。
25.进一步的改进是，在从所述栅极结构的第二侧面到所述漏区的方向上，各所述漂移子区的掺杂浓度的掺杂浓度依次增加或者依次降低或者先依次增加并在增加到最大值后再依次降低或者先依次降低并在降低到最小值后再依次增加。
26.进一步的改进是，各所述漂移子区的深度不相同，各所述漂移子区对应的离子注入剂量相等，各所述漂移子区的掺杂浓度通过各所述漂移子区对应的离子注入能量调节，所述离子注入能量越大，所述漂移子区的深度越深、掺杂浓度越小。
27.进一步的改进是，在从所述栅极结构的第二侧面到所述漏区的方向上，各所述漂移子区的掺杂浓度的掺杂浓度依次增加或者依次降低或者先依次增加并在增加到最大值后再依次降低或者先依次降低并在降低到最小值后再依次增加。
28.进一步的改进是，所述漂移区由形成于所述第一外延层表面上的经过局部刻蚀后的第二外延层组成。
29.进一步的改进是，所述漂移区的结深小于等于所述漏区的结深。
30.在纵向上，所述漏区从所述第二外延层的顶部表面延伸到所述第一外延层中。
31.进一步的改进是，所述漂移区均匀掺杂，控制所述漂移区的总掺杂剂量使所述漂移区形成电荷平衡结构。
32.进一步的改进是，在保持所述漂移区的总掺杂剂量不变的条件下，所述漂移区的所述第二外延层在纵向上分成多个第二外延子层。
33.各所述第二外延子层的第二侧面平齐且都和所述漏区的第一侧面对准。
34.在从底部往顶部的纵向上，各所述第二外延子层的第一侧面和所述栅极结构的第一侧面的距离增加。
35.进一步的改进是，所述平面功率半导体器件为氮化镓平面场效应晶体管时，所述
漂移区的总掺杂剂量为2e13cm-2
。
36.进一步的改进是，各所述第二外延子层的掺杂浓度相等或者不相等。
37.进一步的改进是，各所述第二外延子层的掺杂浓度不相等时，在从底部往顶部的纵向上，各所述第二外延子层的掺杂浓度依次增加或者依次降低或者先依次增加并在增加到最大值后再依次降低或者先依次降低并在降低到最小值后再依次增加。
38.进一步的改进是，各所述第二外延子层的厚度相等或者不相等。
39.进一步的改进是，各所述第二外延子层的厚度不相等时，在从底部往顶部的纵向上，各所述第二外延子层的厚度依次增加或者依次降低或者先依次增加并在增加到最大值后再依次降低或者先依次降低并在降低到最小值后再依次增加。
40.进一步的改进是，所述栅介质层的材料包括氧化硅或氧化铝。
41.本发明能实现漂移区的电荷平衡结构，从而能减小比导通电阻并大幅度减小器件在开通时的能量损耗。
42.本发明特别适用于氮化镓功率器件，在氮化镓平面场效应晶体管中，能通过对漂移区的掺杂分布进行调节实现电荷平衡结构，例如在使漂移区的总掺杂剂量得到控制的条件下，能使漂移区为均匀掺杂或者分段掺杂，最后能很好的调节漂移区的表面电场强度，达到漂移区的电荷平衡效果；这样和现有氮化镓平面场效应晶体管相比，本发明氮化镓平面场效应晶体管能在相同击穿电压下，其比导通电阻现有的功率器件有几个数量级的改善，能大幅度减小功率半导体器件的功率损耗，节能减排；同时充分发挥氮化镓器件的优势，简化工艺流程，降低制造成本。
附图说明
43.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
44.图1是本发明第一实施例平面功率半导体器件的结构示意图；
45.图2是本发明第二实施例平面功率半导体器件的结构示意图；
46.图2a是图2对应的漂移子区的段数为2时的结构示意图；
47.图2b是图2对应的漂移子区的段数为3时的结构示意图；
48.图3是本发明第三实施例平面功率半导体器件的结构示意图；
49.图3a是图3对应的漂移子区的段数为2时的结构示意图；
50.图3b是图3对应的漂移子区的段数为3时的结构示意图；
51.图4是本发明第四实施例平面功率半导体器件的结构示意图；
52.图4a是图4对应的漂移子区的段数为3时的结构示意图；
53.图5是本发明第五实施例平面功率半导体器件的结构示意图；
54.图6是本发明第六实施例平面功率半导体器件的结构示意图；
55.图7是本发明第七实施例平面功率半导体器件的结构示意图；
56.图8是本发明第八实施例平面功率半导体器件的结构示意图；
57.图8a是图8对应的第二外延子层的层数为2时的结构示意图；
58.图8b是图8对应的第二外延子层的层数为3时的结构示意图。
具体实施方式
59.本发明第一实施例平面功率半导体器件：
60.如图1所示，是本发明第一实施例平面功率半导体器件的结构示意图；本发明实施例平面功率半导体器件的器件单元包括：
61.形成于衬底1上的第一外延层2。
62.栅极结构形成于所述第一外延层2表面。所述栅极结构包括形成于所述第一外延层2表面的栅介质层5和形成于所述栅介质层5表面的栅极导电材料层6。
63.第一导电类型重掺杂的源区3和所述栅极结构的第一侧面自对准。
64.第一导电类型重掺杂的漏区4和所述栅极结构的第二侧面具有间隔。
65.第一导电类型掺杂的漂移区101位于所述栅极结构的第二侧面和所述漏区4之间。
66.导电沟道由被所述栅极结构所覆盖的所述第一外延层2表面反型时形成反型层组成。
67.所述漂移区101的掺杂浓度分布形成电荷平衡结构，在反偏时，所述电荷平衡结构使得所述漂移区101被全部耗尽且表面电场分布均匀。
68.本发明第一实施例中，平面功率半导体器件为氮化镓平面场效应晶体管。
69.所述衬底1为绝缘衬底1。
70.所述第一外延层2为氮化镓外延层。
71.所述第一外延层2为第二导电类型掺杂或者为非掺杂。
72.所述漂移区101由经过退火后的形成于所述第一外延层2中的离子注入区组成。
73.所述漂移区101均匀掺杂，控制所述漂移区101的总掺杂剂量使所述漂移区101形成电荷平衡结构。为了优化电荷平衡器件的效果，所述漂移区101的掺杂剂量需要精确控制，合适的掺杂剂量由氮化镓外延层的击穿电场和介电常数所决定。较佳为，所述漂移区101的总掺杂剂量为2e13cm-2
。本发明也能拓展为采用其他宽禁带材料的平面场效应晶体管，这时，对应的漂移区的总掺杂剂量需要根据宽禁带材料的击穿电场和介电常数进行设置。
74.另外，所述漂移区101的长度决定器件的击穿电压，根据需要进行设计。
75.所述漂移区101的结深小于等于所述漏区4的结深，也即：所述漂移区101的结深选择比所述漏区4的结深浅更为合适。
76.本发明第一实施例中，所述栅极结构的所述栅介质层5的材料包括氧化硅或氧化铝。氧化硅和氧化铝都能和氮化镓形成良好的界面，从而有利于形成导电沟道。所述栅介质层5的厚度决定器件的阈值电压，所述栅介质层5的厚度需要根据阈值电压的要求进行设置。
77.所述栅极导电材料层6的材料多晶硅或者其他金属材料。
78.所述源区3顶部和由金属层组成的源极连接；所漏区4顶部和由金属层组成的漏极连接。所述栅极导电材料层6的的顶部也和由金属层组成的栅极连接。
79.所述源极、所述栅极和所述漏极之间通过层间膜隔离。
80.本发明第一实施例平面功率半导体器件为n型器件，第一导电类型为n型，第二导电类型为p型。在其他实施例也能为：平面功率半导体器件为p型器件，第一导电类型为p型，第二导电类型为n型。
81.本发明第一实施例通过漂移区101的总掺杂剂量进行精确控制，能实现漂移区101的电荷平衡结构，从而能减小比导通电阻并大幅度减小器件在开通时的能量损耗；和现有氮化镓平面场效应晶体管相比，本发明第一实施例氮化镓平面场效应晶体管能在相同击穿电压下，其比导通电阻现有的功率器件有几个数量级的改善，能大幅度减小功率半导体器件的功率损耗，节能减排；同时充分发挥氮化镓器件的优势，简化工艺流程，降低制造成本。
82.本发明第二实施例平面功率半导体器件：
83.如图2所示，是本发明第二实施例平面功率半导体器件的结构示意图；和本发明第一实施例相比，本发明第二实施例平面功率半导体器件具有如下特征：
84.在保持所述漂移区101的总掺杂剂量不变的条件下，所述漂移区101在横向上分成多段漂移子区101a，各所述漂移子区101a的掺杂浓度不同且通过各所述漂移子区101a的掺杂浓度的设置对所述漂移区101的表面电场进行调控并调控到使所述漂移区101的表面电场分布均匀。图2中，各所述漂移子区都单独采用标记101a标出。
85.各所述漂移子区101a的宽度相等或不相等。
86.所述漂移区101的总掺杂剂量为2e13cm-2
。
87.本发明第二实施例中，各所述漂移子区101a的深度相同，各所述漂移子区101a的掺杂浓度通过各所述漂移子区101a对应的离子注入剂量调节。也即本发明第二实施例中，各所述漂移子区101a的掺杂浓度不相等，能通过多次离子注入来实现，各所述漂移子区101a的掺杂浓度差异能通过调节注入剂量来实现，掺杂浓度的选择决定表面电场的分布。
88.在从所述栅极结构的第二侧面到所述漏区4的方向上，各所述漂移子区101a的掺杂浓度的掺杂浓度依次增加或者依次降低或者先依次增加并在增加到最大值后再依次降低或者先依次降低并在降低到最小值后再依次增加。
89.如图2a所示，是图2对应的漂移子区的段数为2时的结构示意图；可以看出，图2a中具有两个所述漂移子区101a，能通过两次离子注入实现，调节各离子注入中的注入剂量实现对相应的所述漂移子区101a的掺杂浓度的调节。两次离子注入的总总掺杂剂量精确控制为2e13cm-2
。
90.如图2b所示，是图2对应的漂移子区的段数为3时的结构示意图；可以看出，图2b中具有3个所述漂移子区101a，能通过3次离子注入实现。3次离子注入的总总掺杂剂量精确控制为2e13cm-2
。
91.本发明第二实施例中，在使漂移区201的总掺杂剂量得到控制的条件下，能使漂移区201为分段掺杂，最后能很好的调节漂移区201的表面电场强度，达到漂移区201的电荷平衡效果；这样和现有氮化镓平面场效应晶体管相比，本发明第二实施例氮化镓平面场效应晶体管能在相同击穿电压下，其比导通电阻现有的功率器件有几个数量级的改善，能大幅度减小功率半导体器件的功率损耗，节能减排；同时充分发挥氮化镓器件的优势，简化工艺流程，降低制造成本。
92.本发明第三实施例平面功率半导体器件：
93.如图3所示，是本发明第三实施例平面功率半导体器件的结构示意图；和本发明第一实施例相比，本发明第三实施例平面功率半导体器件具有如下特征：
94.在保持所述漂移区101的总掺杂剂量不变的条件下，所述漂移区101在横向上分成多段漂移子区101b，各所述漂移子区101b的掺杂浓度不同且通过各所述漂移子区101b的掺
杂浓度的设置对所述漂移区101的表面电场进行调控并调控到使所述漂移区101的表面电场分布均匀。图3中，各所述漂移子区都单独采用标记101b标出。
95.各所述漂移子区101b的宽度相等或不相等。
96.所述漂移区101的总掺杂剂量为2e13cm-2
。
97.各所述漂移子区101b的深度不相同，各所述漂移子区101b对应的离子注入剂量相等，各所述漂移子区101b的掺杂浓度通过各所述漂移子区101b对应的离子注入能量调节，所述离子注入能量越大，所述漂移子区101b的深度越深、掺杂浓度越小。
98.本发明第三实施例中，在从所述栅极结构的第二侧面到所述漏区4的方向上，各所述漂移子区101b的掺杂浓度的掺杂浓度依次降低，对应于各所述漂移子区101b的深度依次增加。由于各所述漂移子区101b对应的离子注入剂量相等，所述漂移子区101b的深度越深时，对应的掺杂浓度会越低，反之亦然。
99.如图3a所示，是图3对应的漂移子区的段数为2时的结构示意图；进行了两次离子注入，注入剂量相等且总和控制为等于2e13cm-2
；注入能量依次增加，使得掺杂浓度依次降低，最后通过掺杂浓度调节所述漂移区101的表面电场。
100.如图3b所示，是图3对应的漂移子区的段数为3时的结构示意图；进行了3次离子注入，注入剂量相等且总和控制为等于2e13cm-2
；注入能量依次增加，使得掺杂浓度依次降低，最后通过掺杂浓度调节所述漂移区101的表面电场。
101.本发明第四实施例平面功率半导体器件：
102.如图4所示，是本发明第四实施例平面功率半导体器件的结构示意图；和本发明第三实施例相比，本发明第四实施例平面功率半导体器件具有如下特征：
103.在从所述栅极结构的第二侧面到所述漏区4的方向上，各所述漂移子区101b的掺杂浓度的掺杂浓度依次增加，对应于各所述漂移子区101b的深度依次降低。
104.如图4a所示，是图4对应的漂移子区的段数为3时的结构示意图；进行了3次离子注入，注入剂量相等且总和控制为等于2e13cm-2
；注入能量依次降低，使得掺杂浓度依次增加，最后通过掺杂浓度调节所述漂移区101的表面电场。
105.本发明第五实施例平面功率半导体器件：
106.如图5所示，是本发明第五实施例平面功率半导体器件的结构示意图；和本发明第三实施例相比，本发明第五实施例平面功率半导体器件具有如下特征：
107.在从所述栅极结构的第二侧面到所述漏区4的方向上，各所述漂移子区101b的掺杂浓度的掺杂浓度先依次增加并在增加到最大值后再依次降低；对应于各所述漂移子区101b的深度先依次降低并在降低到最小值后再依次增加。
108.本发明第六实施例平面功率半导体器件：
109.如图6所示，是本发明第六实施例平面功率半导体器件的结构示意图；和本发明第三实施例相比，本发明第六实施例平面功率半导体器件具有如下特征：
110.在从所述栅极结构的第二侧面到所述漏区4的方向上，各所述漂移子区101b的掺杂浓度的掺杂浓度先依次降低并在降低到最小值后再依次增加；对应于各所述漂移子区101b的深度先依次增加并在增加到最大值后再依次降低。
111.本发明第七实施例平面功率半导体器件：
112.如图7所示，是本发明第七实施例平面功率半导体器件的结构示意图；和本发明第
一实施例相比，本发明第七实施例平面功率半导体器件具有如下特征：
113.所述漂移区201由形成于所述第一外延层2表面上的经过局部刻蚀后的第二外延层组成。图7中，将漂移区单独用标记201标出。
114.所述漂移区201的结深小于等于所述漏区4的结深。
115.在纵向上，所述漏区4从所述第二外延层的顶部表面延伸到所述第一外延层2中。
116.所述漂移区201均匀掺杂，控制所述漂移区201的总掺杂剂量使所述漂移区201形成电荷平衡结构。所述漂移区201的总掺杂剂量精确控制为2e13cm-2
。
117.本发明第八实施例平面功率半导体器件：
118.如图8所示，是本发明第八实施例平面功率半导体器件的结构示意图；和本发明第七实施例相比，本发明第八实施例平面功率半导体器件具有如下特征：
119.在保持所述漂移区201的总掺杂剂量不变的条件下，所述漂移区201的所述第二外延层在纵向上分成多个第二外延子层201a。所述漂移区201的总掺杂剂量为2e13cm-2
。
120.各所述第二外延子层201a的第二侧面平齐且都和所述漏区4的第一侧面对准。
121.在从底部往顶部的纵向上，各所述第二外延子层201a的第一侧面和所述栅极结构的第一侧面的距离增加。
122.各所述第二外延子层201a的掺杂浓度相等或者不相等。
123.各所述第二外延子层201a的掺杂浓度不相等时，在从底部往顶部的纵向上，各所述第二外延子层201a的掺杂浓度依次增加或者依次降低或者先依次增加并在增加到最大值后再依次降低或者先依次降低并在降低到最小值后再依次增加。
124.各所述第二外延子层201a的厚度相等或者不相等。
125.各所述第二外延子层201a的厚度不相等时，在从底部往顶部的纵向上，各所述第二外延子层201a的厚度依次增加或者依次降低或者先依次增加并在增加到最大值后再依次降低或者先依次降低并在降低到最小值后再依次增加。
126.如图8a所示，是图8对应的所述第二外延子层201a的层数为2时的结构示意图；进行了两次外延生长，两次外延生长的注入剂量总和控制为等于2e13cm-2
。
127.如图8b所示，是图8对应的所述第二外延子层201a的层数为3时的结构示意图；进行了3次外延生长，3次外延生长的注入剂量总和控制为等于2e13cm-2
。
128.本发明实施例所提出的器件结构在以氮化镓为基础材料的功率半导体器件中具有重要的价值。但器件结构不限于氮化镓材料，任何使用于制造功率半导体器件的材料都可适用。
129.本发明实施例主要核心在于利用电荷平衡概念对平面器件的漂移区进行设计，通过此种结构可以优化电场分布，使其更加均匀，其效果在于提升器件击穿电压的基础上降低器件的比导通电阻，从而达到削减成本和提升器件可靠性的目的。
130.本发明实施例主要有如下几点显著特征：
131.本发明实施例器件结构是利用电荷平衡概念对漂移区进行特异性的优化，主。本发明实施例器件结构主要包含两大类，主要是实现方式的不同，其一是通过离子注入及激活来实现，如本发明第一实施例至第六实施例器件；其二为通过外延生长和局部刻蚀来实现，如本发明第七实施例至第八实施例器件；这两种实现方式虽然都是常见半导体工艺，但对于此器件结构具有不同的意义。
132.本发明实施例在电荷平衡的基础上进一步将漂移区分割为不同的区域，能根据器件要求进行特异性的设计，能实现对漂移区各分割的区域的长度、宽度、掺杂浓度和剂量进行设置。
133.本发明实施例的漂移区的分割即能为有限元分割，也能拓展到无限元，也就是说可以将漂移区分割成无限小的个体，使之深度或者掺杂浓度成为渐变的结构。
134.以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。