GaNP沟道器件及其制作方法

gan p沟道器件及其制作方法
技术领域
1.本发明特别涉及一种gan p沟道器件及其制作方法，属于半导体技术领域。


背景技术：

2.随着科技的发展，人们对si材料特性的发掘已经基本达到了极致，si基电力电子器件的特性已经接近了si材料所能达到的理论极限。所以，以gan为代表的第三代半导体成为下一代半导体功率器件材料的选择；gan有着大禁带宽度3.39ev，意味着其可以耐高温，耐高压；高的电子迁移率2000(2deg)μ(cm2/v
·
s)，说明其器件的应用有着较高的工作频率；良好的热导率说明器件工作时便于散热；较小的介电常数εr＝9，说明有较小的寄生电容；同时，第三代半导体材料比第一代和第二代材料还具有更稳定的化学性质和抗辐射等特性，可以在更加恶劣的环境中工作。
3.在这种基于gan的半导体分立器件的制造中，由于gan的优良性能，具有低ron和快速开关速度能力的algan/gan高电子迁移率晶体管(hemt)是有竞争力的候选者。并且在cmos驱动电路开关中起到重要的成分，而现如今gan cmos中的n沟道器件已经较为成熟，然而p沟道器件由于空穴的迁移率低，gan中的缺陷容易补偿缺陷，p型欧姆接触特性较差等问题使得gan cmos集成电路难以产业化。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种gan p沟道器件及其制作方法，通过以化学溶液水浴加热对缺陷的腐蚀，退火方式的调整，退火金属的选择以及厚度调整，刻蚀隔离的调整等方面，在p沟道器件的基础上形成良好的欧姆接触之后，做成增强型的p沟道器件，从而克服现有技术中的不足。
5.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
6.本发明实施例提供了一种gan基p沟道器件的制作方法，包括：
7.提供外延结构，所述外延结构包括依次叠层设置的第一半导体层、第二半导体层和p型半导体层，所述第一半导体层与第二半导体层配合形成第一异质结构，所述第一异质结构中形成有二维电子气，所述第二半导体层与p型半导体层配合形成第二异质结构，所述第二异质结构中形成有二维空穴气；
8.对所述p型半导体层表面的第一区域进行刻蚀，直至使所述第一半导体层中与背电极对应的区域暴露；
9.以磷酸溶液至少对所述外延结构进行腐蚀处理以提取ga空位；
10.制作背电极、源极及漏极，所述背电极设置在所述第一半导体层中与第一区域对应的区域，之后在含氧气氛中快速退火；
11.在所述p型半导体层的栅极区域刻蚀形成凹槽，至少以四甲基氢氧化铵溶液对凹槽进行修复处理，或者，依次以o等离子体和koh溶液对凹槽进行修复处理，之后制作与所述凹槽配合的栅极。
12.本发明实施例还提供了由所述的制作方法获得的gan p沟道器件。
13.与现有技术相比，本发明的优点包括：
14.1)本发明实施例提供的一种基于良好的p型欧姆接触的gan p沟道器件的制作方法，经磷酸腐蚀后能够产生诸多的ga空位，进而提升了欧姆区域(即欧姆接触区域)的空穴电流强度；
15.2)本发明实施例提供的一种基于良好的p型欧姆接触的gan p沟道器件的制作方法，通过四甲基氢氧化铵溶液(tmah)可以修复栅下凹槽的刻蚀隔离的损伤，减少了n型缺陷的补偿；
16.3)本发明实施例提供的一种基于良好的p型欧姆接触的gan p沟道器件的制作方法，形成源极、漏极的欧姆金属中的金属au的厚度是20nm，有助于ni在退火过程中向外扩散形成p型nio，同时将其中金属au的厚度控制在20nm还有助于电学测试；
17.4)本发明实施例提供的一种基于良好的p型欧姆接触的gan p沟道器件的制作方法，采用快速升温降温的方式，可以在瞬间的高温下克服实现p型欧姆接触的肖特基势垒，并且不会对gan器件表面产生太大损伤；
18.5)本发明实施例提供的一种基于良好的p型欧姆接触的gan p沟道器件的制作方法，通过背电极可以调节二维电子气对二维空穴气的补偿。
附图说明
19.图1是本发明一典型实施案例中提供的一种基于良好的p型欧姆接触的gan p沟道器件的制作流程示意图；
20.图2是实施例1和对比例1中获得的gan p沟道器件的i-v曲线；
21.图3是实施例2中获得的gan p沟道器件的i-v曲线；
22.图4是对比例2中获得的gan p沟道器件的i-v曲线；
23.图5a、图5b分别为未对栅下凹槽进行修复处理、进行修复处理前后的电镜图。
具体实施方式
24.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
25.本发明实施例提供了一种gan基p沟道器件的制作方法，包括：
26.提供外延结构，所述外延结构包括依次叠层设置的第一半导体层、第二半导体层和p型半导体层，所述第一半导体层与第二半导体层配合形成第一异质结构，所述第一异质结构中形成有二维电子气，所述第二半导体层与p型半导体层配合形成第二异质结构，所述第二异质结构中形成有二维空穴气；
27.对所述p型半导体层表面的第一区域进行刻蚀，直至使所述第一半导体层中与背电极对应的区域暴露；
28.以磷酸溶液至少对所述外延结构进行腐蚀处理以提取ga空位；
29.制作背电极、源极及漏极，所述背电极设置在所述第一半导体层中与第一区域对应的区域，之后在含氧气氛中快速退火；
30.在所述p型半导体层的栅极区域刻蚀形成凹槽，至少以四甲基氢氧化铵溶液对凹
槽进行修复处理，或者，依次以o等离子体和koh溶液对凹槽进行修复处理，之后制作与所述凹槽配合的栅极。
31.在一些具体的实施方案中，所述的制作方法还包括：对与第一区域对应的所述第一半导体层进行刻蚀，以在所述第一半导体层内形成台阶结构，之后在所述台阶结构上制作所述背电极。
32.在一些具体的实施方案中，所述台阶结构包括沿远离第二半导体层的方向依次设置的第一台阶面和第二台阶面，所述背电极设置在所述第二台阶面上。
33.在一些具体的实施方案中，所述第二台阶面的深度为5-10nm。
34.在一些具体的实施方案中，所述、的深度等于所述p型半导体层的厚度。
35.在一些具体的实施方案中，所述的修复处理包括：至少使所述凹槽的表面与80℃-90℃的四甲基氢氧化铵溶液接触5-15min，或者，先以o等离子体对所述凹槽的表面进行氧化处理，再使凹槽表面与80-90℃的koh溶液接触5-15min，o等离子体可以将凹槽的刻蚀缺陷氧化，此时koh溶液将氧化的缺陷一并去除；从而实现对栅下的凹槽进行缺陷修复；需要说明的是，若超过15min会使得凹槽侧壁下弯，进而导致器件性能变差，而低于5min则无明显改善效果。
36.在一些具体的实施方案中，所述四甲基氢氧化铵溶液的浓度为90-99％，所述koh溶液的浓度为90-99％。
37.在一些具体的实施方案中，所述的腐蚀处理包括：至少使所述外延结构表面与80℃-90℃的磷酸溶液接触0.5h-3h。
38.在一些具体的实施方案中，所述的腐蚀处理包括：先以紫外光对所述外延结构表面照射半小时，以在所述外延结构表面形成氧化缺陷，再以所述磷酸腐蚀所述氧化缺陷。
39.在一些具体的实施方案中，所述磷酸溶液的浓度为40-60％。
40.在一些具体的实施方案中，所述的制作方法包括：在所述p型半导体层表面的源极区、漏极区依次形成叠层设置的第一金属和第二金属，之后于包含氮气和氧气的混合气氛、1000℃条件下对所述第一金属和第二金属进行退火处理，以将所述第一金属转化形成p型金属氧化物，从而形成源极或漏极。
41.在一些具体的实施方案中，所述退火处理的时间为1s，需要说明的是，脉冲式退火时间不能超过1s，若超过1s，gan在1000℃下会发生分解，而当退火温度低于1000℃时，例如900℃，则其退火效果难以满足要求，而当退火温度超过100℃，例如1100℃，则高温对gan损伤会更大。
42.在一些具体的实施方案中，所述氮气和氧气的流量比为(8∶2)-(2∶8)(总流量可以是10sccm)。
43.在一些具体的实施方案中，所述第一金属和第二金属的厚度为1∶1。
44.在一些具体的实施方案中，所述第一金属的厚度为5-25nm，优选为20nm。
45.在一些具体的实施方案中，所述第一金属包括镍，所述第二金属包括金。
46.在一些具体的实施方案中，所述的制作方法包括：退火处理后，以5-20℃/s的速率将所述源极或漏极的温度降至室温。
47.在一些具体的实施方案中，所述凹槽的深度小于所述p型半导体层的厚度；
48.在一些具体的实施方案中，所述凹槽底部余留的p型半导体层的厚度为2-3nm，若
完全刻蚀完会使得介质触碰至下面的n型gan，从而影响器件性能。
49.在一些具体的实施方案中，所述栅极为t型栅。
50.在一些具体的实施方案中，所述栅极包括叠层设置的ni层和au层，所述ni层的厚度为50nm，所述au层的厚度为150nm。
51.在一些具体的实施方案中，所述第一半导体层、第二半导体层和p型半导体层的材质均选自iii-v族化合物。
52.在一些具体的实施方案中，所述第一半导体层包括algan层，所述第二半导体层包括非故意掺杂的gan层，所述p型半导体层包括p-gan层，所述p-gan层的掺杂浓度为3
×
10
19
cm-3
，退火激活后的空穴浓度为(1-3)
×
10
17
cm-3
。
53.在一些具体的实施方案中，所述的制作方法还包括：将背电极与源极电连接。
54.本发明实施例还提供了由所述的制作方法获得的gan p沟道器件。
55.如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例所采用的半导体外延制作工艺、金属沉积、刻蚀、退火、测试等所需的设备和工艺等均可以是本领域技术人员已知的。
56.实施例1
57.请参阅图1，一种gan p沟道器件的制作方法，可以包括如下步骤：
58.1)制作外延结构，并对外延结构进行光刻标记以便之后的实验对准：所述外延结构从下往上依次是2μm的gan缓冲层、25-40nm的al
0.25
ga
0.75
n势垒层(如下简称为algan层或algan势垒层)、11-30nm的非故意掺杂的gan沟道层、70nm的p-型gan盖帽层，所述al
0.25
ga
0.75
n势垒层与非故意掺杂的gan沟道层形成第一异质结构，所述第一异质结构内形成有二维电子气(2deg)，所述非故意掺杂的gan沟道层与p-型gan盖帽层形成第二异质结构，所述第二异质结构内形成有二维空穴气(2dhg)，其中，所述p-型gan盖帽层的掺杂浓度大约在3
×
10
19
cm-3
，退火激活后的空穴浓度大约是(1-3)
×
10
17
cm-3
；
59.2)光刻后对外延结构进行选区刻蚀，目的是起到刻蚀隔离的作用，以将器件与器件之间断绝联系，刻蚀的条件为：icp刻蚀功率为20w，rf射频功率100w，刻蚀时间6min，这样正好刻蚀隔离到70nm p-gan结束的地方，不能刻蚀过头，不然金属蒸发生长在侧壁时会导致二维电子气或者gan中的n型杂质对空穴的补偿；
60.3)在外延结构表面的一个器件区设置掩膜并对未被掩膜覆盖的第一区域进行选区刻蚀，一直刻蚀到40nm的algan势垒层内5-10nm处，以为制作背电极做准备，背电极的作用是作为调节algan/gan形成的二维电子气(2deg)，避免二维电子气对二维空穴气(2dhg)的补偿；
61.4)以浓度为40-60％的标准成分的磷酸溶液，在50-90℃温度条件下对外延结构进行水浴加热，水浴加热的时间为0.5h-3h，目的是主要对外延结构表层的p-gan进行一定的腐蚀，以提取ga空位，腐蚀之后会提升gan本身中的p型缺陷，有助于空穴导电；
62.5)光刻反转后在欧姆区域(即暴露的algan势垒层内)、源极区、漏极区进行背电极、源极、漏极金属的生长，从而形成背电极、源极、漏极，生长的背电极金属为ti/al/ni/au＝20/130/50/50nm，源极、漏极金属为ni/au(即叠层的ni层和au层)＝20/20nm，将电极区域之外的金属剥离之后，将外延结构转移至快速退火炉中，在快速退火炉中通入氮气和氧气，利用快速退火炉的特点，将外延结构的温度以10-30℃/s的速度快速升到1000℃，退火1s后
立刻以5-20℃/s的速率降温，完成退火，从而将其中的金属ni转化形成p型nio，其中，n2∶o2的流量比为(8∶2)-(2∶8)；对p型gan的欧姆接触区域进行快速升温降温的方式，类似于脉冲式的退火，可以在瞬间的高温下克服实现p型欧姆接触的肖特基势垒，并且不会对gan器件表面产生太大损伤，因为gan在不加保护的情况下800℃以上就会分解；
63.6)对栅极区进行刻蚀形成凹槽，直至使余留的p-gan的厚度为2-3nm，这样可以对沟道中的二维空穴气多加控制，形成增强型器件；
64.7)刻蚀后用浓度为95-99％的四甲基氢氧化铵溶液(tmah)，在50-90℃水浴加热条件下对凹槽进行修复处理，修复处理的时间为9-15min，以修复凹槽表面刻蚀后造成的损伤；因为刻蚀后会对p-gan盖帽层的刻蚀区域有一定的损伤，而这些损伤大部分是n型缺陷，会在导电过程中补偿空穴；
65.8)在栅极区的沟槽内进行栅极金属的蒸发生长，所述栅极金属为ni/au＝50/150nm，即栅极金属为叠层设置的ni层、au层；
66.8)将源极与背电极用金属连接起来达到共地的效果。
67.对比例1
68.对比例1中一种gan p沟道器件的制作方法与实施例1中的制作方法基本一致，不同之处在于：
69.对比例1的步骤4)中略去了以磷酸溶液在85℃温度条件下对外延结构进行水浴加热的步骤。
70.对实施例1、对比例1中制备获得的gan p沟道器件进行测试，测试结果如图2所示，由图2可以看出，经过磷酸腐蚀处理后的器件的空穴电流获得了极大的提升。
71.实施例2
72.一种基于良好的p型欧姆接触的gan p沟道器件的制作方法，可以包括如下步骤：
73.1)制作外延结构，并对外延结构进行光刻标记以便之后的实验对准：所述外延结构从下往上依次是2μm的gan缓冲层、25-40nm的al
0.25
ga
0.75
n势垒层(如下简称为algan层或algan势垒层)、11-30nm的非故意掺杂的gan沟道层、70nm的p-型gan盖帽层，所述al
0.25
ga
0.75
n势垒层与非故意掺杂的gan沟道层形成第一异质结构，所述第一异质结构内形成有二维电子气(2deg)，所述非故意掺杂的gan沟道层与p-型gan盖帽层形成第二异质结构，所述第二异质结构内形成有二维空穴气(2dhg)，其中，所述p-型gan盖帽层的掺杂浓度大约在3
×
10
19
cm-3
，退火激活后的空穴浓度大约是(1-3)
×
10
17
cm-3
；
74.2)光刻后对外延结构进行选区刻蚀，目的是起到刻蚀隔离的作用，刻蚀的条件为：icp刻蚀功率为20w，rf射频功率100w，刻蚀时间6min，这样正好刻蚀隔离到70nm p-gan结束的地方，不能刻蚀过头，不然金属蒸发生长在侧壁时会导致二维电子气或者gan中的n型杂质对空穴的补偿；
75.3)在外延结构表面的设置掩膜并进行选区刻蚀，一直刻蚀到40nm的algan势垒层内5-10nm处，以为制作背电极做准备，背电极的作用是作为调节algan/gan形成的二维电子气(2deg)，避免二维电子气对二维空穴气(2dhg)的补偿；
76.4)以标准成分的磷酸溶液在85℃温度条件下对外延结构进行水浴加热，目的主要是对外延结构表层的p-gan进行一定的腐蚀，腐蚀之后会提升gan本身中的p型缺陷，有助于空穴导电；
77.5)光刻反转后在欧姆区域(即暴露的algan势垒层内)进行背电极、源极、漏极金属的生长，从而形成背电极、源极、漏极，生长的背电极金属为ti/a1/ni/au＝20/130/50/50nm，源极、漏极金属为ni/au(即叠层的ni层和au层)＝20/20nm，将电极区域之外的金属剥离之后，将外延结构转移至快速退火炉中，在快速退火炉中通入氮气和氧气，利用快速退火炉的特点，以5℃/s的速度快速升到550℃，退火10min后以5-10℃/s降至室温，完成退火，从而将其中的金属ni转化形成p型nio，其中，n2∶o2的比例为(8∶2)-(2∶8)；对p型gan的欧姆接触区域进行快速升温降温的方式，类似于脉冲式的退火，可以在瞬间的高温下克服实现p型欧姆接触的肖特基势垒，并且不会对gan器件表面产生太大损伤，因为gan在不加保护的情况下800℃以上就会分解；
78.6)对栅极区进行刻蚀形成凹槽，直至使余留的p-gan的厚度为2-3nm，这样可以对沟道中的二维空穴气多加控制，形成增强型器件；
79.7)采用四甲基氢氧化铵溶液(tmah)在85℃水浴加热的条件下对凹槽的表面进行修复处理，修复处理的时间为5-15min，以修复凹槽表面刻蚀后造成的损伤；因为刻蚀后会对p-gan盖帽层的刻蚀区域有一定的损伤，而这些损伤大部分是n型缺陷，会在导电过程中补偿空穴；之后；
80.8)在栅极区的沟槽内进行栅极金属的蒸发生长，所述栅极金属为ni/au＝50/150nm，即栅极金属为叠层设置的ni层、au层；
81.9)将源极与背电极用金属连接起来达到共地的效果。
82.对比例2
83.对比例2中一种gan p沟道器件的制作方法与实施例2中的制作方法基本一致，不同之处在于：
84.步骤5)中形成的背电极金属为ti/al/ni/au＝20/130/50/50nm，源极、漏极金属为ni/au(即叠层的ni层和au层)，且其中的ni层厚度为20nm和au层的厚度为100nm。
85.对实施例1、对比例1中制备获得的gan p沟道器件进行测试，实施例2获得的gan p沟道器件i-v曲线如图3所示，对比例2获得的gan p沟道器件i-v曲线如图4所示，由图3和图4可以看出，当欧姆金属的ni层太厚时不利于形成p型nio，从而导致欧姆接触的空穴电流降低，图3和图4中示出了当源极与漏极之间的沟道长度分别为2，4，8，12，16，24μm时，沟道导电长度越长电流越小，电阻越大；由图5a和图5b可以看出，未经修复处理的凹槽存在诸多毛刺，而经修复处理后的凹槽表面很光滑。
86.本发明实施例提供的一种基于良好的p型欧姆接触的gan p沟道器件的制作方法，经磷酸腐蚀后能够产生诸多的ga空位，进而提升了欧姆区域(即欧姆接触区域)的空穴电流强度；以及，通过四甲基氢氧化铵溶液(tmah)可以修复外延结构刻蚀隔离的损伤，减少了n型缺陷的补偿。
87.本发明实施例提供的一种基于良好的p型欧姆接触的gan p沟道器件的制作方法，形成源极、漏极的欧姆金属中的金属au的厚度是5-25nm，有助于ni在退火过程中向外扩散形成p型nio，同时将其中金属au的厚度控制在5-25nm还有助于电学测试；同时，通过背电极可以调节二维电子气对二维空穴气的补偿。
88.本发明实施例提供的一种基于良好的p型欧姆接触的gan p沟道器件的制作方法，采用快速升温降温的方式，类似于脉冲式的退火，可以在瞬间的高温下克服实现p型欧姆接
触的肖特基势垒，并且不会对gan器件表面产生太大损伤，因为gan在不加保护的情况下800℃以上就会分解。
89.应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。