本發(fā)明涉及一種氮化鎵半導(dǎo)體器件，尤其涉及一種縱向型的氮化鎵基的垂直器件。

背景技術(shù)：

第三代半導(dǎo)體材料，包括：硫化鎘（cds）、氧化鋅（zno）、碳化硅（sic）、氮化鎵(gan)、金剛石等。這些半導(dǎo)體材料的禁帶寬度都大于2.2ev，在電子器件方面，對sic和gan研究得相對比較成熟，是目前世界半導(dǎo)體材料和器件研究領(lǐng)域中的熱點。

gan禁帶寬度是3.4ev，寬禁帶使gan材料能夠承受更高的工作溫度，也使gan材料有更大的擊穿電場，更大的擊穿電場意味著器件能夠承受更高的工作電壓，可以提高器件的功率特性，gan還有高的電子飽和漂移速度和高的熱導(dǎo)率，總的來說，gan是可以用來制造高頻、高壓大功率半導(dǎo)體器件的優(yōu)良材料。

gan基異質(zhì)結(jié)材料是gan材料中的重要代表，其延續(xù)了gan材料高擊穿電場、高電子飽和漂移速度等優(yōu)點。鋁鎵氮/氮化鎵（algan／gan）是gan基異質(zhì)結(jié)材料中的主要結(jié)構(gòu)代表，algan／gan異質(zhì)結(jié)中，a1gan為寬禁帶材料，gan為窄帶材料，兩者形成i型異質(zhì)結(jié)，二維電子氣（2deg）位于異質(zhì)結(jié)界面的gan一側(cè)。

a1gan／gan已經(jīng)被大量地應(yīng)用在光電和電子器件方面，這也是推動gan材料向高水平和低成本發(fā)展的動力之一，光電子器件主要包括a1gan／gan多量子阱結(jié)構(gòu)的激光器和發(fā)光管；電子器件主要聚焦在以algan／gan高電子遷移率晶體管(hemt)結(jié)構(gòu)作為gan基器件的基礎(chǔ)代表，這種結(jié)構(gòu)具有良好的高頻、高功率、耐高溫以及抗輻射性能,用這種結(jié)構(gòu)研制出的器件包括有algan／gan異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(algan／ganhfets)和algan／gan異質(zhì)結(jié)肖特基二極管等。

上述的gan基異質(zhì)結(jié)器件為橫向器件。所謂橫向器件，就是器件的所有電極都放置在器件的表面之上，而且，器件的表面結(jié)構(gòu)里的有源區(qū)也用來承受施加于器件之上的反偏置電壓，如果反偏置電壓愈高，需要使用的表面有源區(qū)便愈寬，這就導(dǎo)致芯片面積使用率不如垂直高壓器件有效，相比之下，橫向高壓器件的表面平均每單位面積的輸出功率遠(yuǎn)小于垂直高壓器件，這是橫向器件的一大缺點。

美國專利號8,569,799提出了一種包含了掩埋接觸的氮化鎵器件，該器件使得橫向器件的電極分布變成類似垂直器件一樣，即陽極(高電壓)在器件的一面，陰極(低電壓)在另一面，該專利中描述的結(jié)構(gòu)僅是“準(zhǔn)”垂直結(jié)構(gòu)，仍依靠芯片表面的有源區(qū)的寬度來承受反偏置的電壓，在表面面積的使用率上比一般橫向器件沒有多大的改進(jìn)。

與橫向器件相比，垂直的gan器件的電流可以從芯片的一面垂地流至另一面，而且，芯片內(nèi)的外延層可以用來承受施加與芯片上的反偏置電壓，垂直gan器件的擊穿電壓可通過增加漂移區(qū)的厚度來增加，而無需犧牲器件尺寸，這樣就能有效地利用芯片面積去處理器件規(guī)格所要求的電流和電壓，所以垂直器件芯片的每單位面積能提供更高和更有效的功率，使產(chǎn)品有更好的性價比，采用垂直結(jié)構(gòu)有助于減少芯片尺寸和制造成本。

不論是氮化鎵基異質(zhì)結(jié)橫向器件還是氮化鎵基垂直結(jié)構(gòu)器件，都是制造在外延材料上的，襯底可以是氮化鎵單晶，碳化硅單晶或硅單晶。

生長在氮化鎵單晶襯底的外延層質(zhì)量最好，制造出的電子器件性能也最好。圖1為現(xiàn)有氮化鎵（gan）基功率晶體管芯片橫截面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，日本豐田合成株式會社（toyodagosei）于2016年7月宣稱已研發(fā)出該結(jié)構(gòu)的垂直型世界首個氮化鎵（gan）基1200v，公司此前曾制造出基于gan襯底的1200v低損耗mosfet，并進(jìn)行了測試驗證，現(xiàn)在進(jìn)一步研發(fā)出可實現(xiàn)器件并行工作的連線技術(shù),可使1.5平方毫米大小的垂直gan晶體管承載20a的電流,閾值電壓達(dá)到可與常規(guī)橫向gan器件相比擬的3.5v，阻斷電壓超過1200v，采用垂直結(jié)構(gòu)還有助于減少芯片尺寸和制造成本。根據(jù)公司自己的調(diào)研結(jié)果，他們的研究成果是首個達(dá)到1200v、20a能力的gan功率半導(dǎo)體器件，這器件是制作在生長在氮化鎵單晶上的氮化鎵外延層上。豐田合成將通過進(jìn)一步減小器件體積，使導(dǎo)通電阻小于1毫歐每平方厘米（電壓仍在1200v）；將與半導(dǎo)體和電子器件制造商一起，繼續(xù)改進(jìn)電流容量和測試穩(wěn)定性，爭取在2018年～2020年實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。

要研制垂直型的misfet氮化鎵器件有幾個關(guān)鍵的技術(shù)的要克服,其中最重要的算是氮化鎵高質(zhì)量的單晶襯底，高質(zhì)量可靠的柵極介質(zhì)層和p型摻雜區(qū)。60年代有理論認(rèn)為氮化鎵是無法形成p型摻雜區(qū)的，經(jīng)大量研究工作，nakamura研究小組終于1992年成功用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(mocvd)加上熱退火制備出p型外延層，從而于1992年成功研發(fā)出基于p-algan/gan/n-algandh第一只紫外光發(fā)光二極管uvled。

雖然p型區(qū)可以用外延方法形成，用傳統(tǒng)離子注入方法仍是困難重重，偶有研究小組發(fā)表文章宣稱能用離子注入mg+p加上快速退火可形成空穴濃度約為1e17/cm³，這結(jié)果不被多數(shù)實驗室重復(fù)，所以豐田的垂直器件中的p型區(qū)是用外延方法形成的，外延方法的缺點是只能形成一整層的p型延型層，不能形成局部p型區(qū)，所以豐田的制造工藝只能制作出溝槽結(jié)構(gòu)的器件。

研究人員使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（mocvd）在獨立的n+_gan襯底上分別順序生長了13微米n_gan、0.7微米p_gan和0.2微米n+_gan。然后用刻蝕挖溝槽從外延層表面穿過p型外延層至n型擴(kuò)展層，然后在溝槽壁形成柵極介質(zhì)層並沉積上金屬從而形成柵極結(jié)構(gòu)，如圖1所示的umos結(jié)構(gòu)。當(dāng)器件處于關(guān)斷狀態(tài)時，umos凹槽槽底柵介質(zhì)層中的電場強(qiáng)度會視所用的介質(zhì)而定，對于常用的sio2，它的介質(zhì)常數(shù)是11，而gan是9，槽底的柵介質(zhì)層中的電場強(qiáng)度比pn結(jié)峰值電場強(qiáng)度為強(qiáng)，而凹槽彎角處因為二維效應(yīng)更是電場集中之地，其電場強(qiáng)度會更高，而彎角處亦是質(zhì)量較差的地方，由于氮化鎵材料的臨界擊穿電場強(qiáng)度較高,氮化鎵umos凹槽柵介質(zhì)層中的電場強(qiáng)度很容易在承受反向電壓的pn結(jié)雪崩擊穿之前就超過了介質(zhì)層所能承受的強(qiáng)度,因而這種器件很容易發(fā)生因為柵介質(zhì)層被擊穿而引起的破壞性失效。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種縱向型氮化鎵基半導(dǎo)體器件及制造方法，在溝槽底部柵介質(zhì)層下使用離子注入方法放置一個獨立的p型區(qū)，在反向偏置時，由于p型區(qū)的屏蔽，作用于柵介質(zhì)層的電場大為減少。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的縱向型氮化鎵基半導(dǎo)體器件，包括，氮化鎵襯底、氮化鎵外延層，其中，溝槽底介質(zhì)層下形成有n型區(qū)，當(dāng)器件正向?qū)〞r，電子從源極流經(jīng)反形層、積累層、溝槽底所述n型區(qū)，然后垂直地經(jīng)n型外延擴(kuò)展層至底部漏區(qū)金屬電極。

進(jìn)一步地，在所述溝槽底介質(zhì)層下有p型區(qū)。

更進(jìn)一步地，所述p型區(qū)與源極電位相連接。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的縱向型氮化鎵基半導(dǎo)體器件制造方法，包括以下步驟：

1）在氮化鎵襯底上依次生長gan外延層、p—gan外延層、n+_gan外延層；

2）對所述p—gan外延層進(jìn)行刻蝕，形成溝槽；

3）注入n型摻雜劑，使p型區(qū)轉(zhuǎn)為n型區(qū)；

4）形成柵介質(zhì)層，并在柵極開空中形成柵極金屬；

5）形成層間介質(zhì)，并在層間介質(zhì)中形成接觸孔掩模開孔；

6）形成發(fā)射區(qū)金屬墊層和終端區(qū)場板。

進(jìn)一步地，所述步驟1)中，所述gan外延層，其電子濃度為5e15/cm³-5e16/cm³，厚度為6-15um；p_gan外延層，其厚度為0.7-1.2um，空穴濃度為1e16/cm³-2e17/cm³；所述n+_gan層，其電子濃度大于5e17/cm³，厚度為0.2-0.4um。

進(jìn)一步地，所述步驟2)進(jìn)一步包括以下步驟：在p_gan外延層表面積淀光刻涂層，利用開孔掩模版暴露出部分p_gan外延層外延層的表面；然后對采用干法刻蝕，刻蝕氣體為c12／bcl3，直至刻蝕掉p_gan外延層深度的一半，形成溝槽。

進(jìn)一步地，所述開孔掩模版，其開孔寬度為0.2-5.0um，孔與孔之間的距離為0.2-10um；所述干法刻蝕的刻蝕氣體為c12／bcl3。

進(jìn)一步地，所述步驟3)進(jìn)一步包括以下步驟：對溝槽p_gan外延層表面注入n型摻雜劑；去掉光刻涂層,然后用退火步驟使n型摻雜劑注入的p型區(qū)轉(zhuǎn)為n型區(qū)。

進(jìn)一步地，所述硅離子n型摻雜劑，其劑量為1e15-5e15/cm²，能量為20-500kev。

進(jìn)一步地，所述步驟4)進(jìn)一步包括以下步驟：用原子層沉積法在器件表面沉積柵介質(zhì)層；在所述柵介質(zhì)層表面積淀光刻涂層，利用柵極開孔掩模版暴露出部分所述柵介質(zhì)層；通過電子束蒸發(fā)將二層金屬蒸發(fā)至在柵極開孔表面形成二層金屬層；對金屬層進(jìn)行剝離，在柵極開孔中形成柵極金屬。

進(jìn)一步地，所述柵介質(zhì)層的厚度為0.01-0.2um，材料為sin、al2o3和hfo2中的一種或多種。

進(jìn)一步地，所述二層金屬層分別為ni，厚度為5nm-100nm和al，厚度為0.2um-2.0um。

進(jìn)一步地，所述步驟5)進(jìn)一步包括以下步驟：外延層表面上沉積一層氮化硅；沉積硼磷玻璃形成層間介質(zhì)；在所述層間介質(zhì)表面積淀光刻涂層，利用接觸孔掩模暴露出部分層間介質(zhì)；對暴露出的部分層間介質(zhì)進(jìn)行干蝕，直至暴露出氮化鎵外延層的上表面，在層間介質(zhì)中形成接觸孔掩模開孔。

進(jìn)一步地，所述氮化硅的厚度為0.1-0.5um；所述硼磷玻璃的厚度為0.1-0.8um。

進(jìn)一步地，所述步驟6)進(jìn)一步包括以下步驟：采用干法刻蝕，刻蝕掉表面的n+_gan層，至n+_gan層之下深度0.1-0.3um；在接觸孔底部、層間介質(zhì)上表面沉積一層鈦，然后沉積一層鋁合金；通過金屬掩模進(jìn)行金屬浸蝕，形成發(fā)射區(qū)金屬墊層和終端區(qū)場板。

更進(jìn)一步地，所述鈦，其厚度為5nm-100nm；所述鋁合金厚度為0.2um-10um。

采用的縱向型氮化鎵基半導(dǎo)體器件制造方法制造的器件包括有場控柵極晶體管和肖特基二極管等。

本發(fā)明的縱向型氮化鎵基半導(dǎo)體器件，減少了器件尺寸和制造成本，其結(jié)構(gòu)具有良好的高頻、高功率、耐高溫以及抗輻射性能，具有更好的性價比。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。

附圖說明

附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實施例一起，用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1為現(xiàn)有氮化鎵（gan）基功率晶體管芯片橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明的縱向型氮化鎵基半導(dǎo)體器件實施例1結(jié)構(gòu)截面剖視圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明的縱向型氮化鎵基半導(dǎo)體器件實施例2結(jié)構(gòu)截面剖視圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明的縱向型氮化鎵基半導(dǎo)體器件制造方法流程圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明的垂直器件的各外延層的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為根據(jù)本發(fā)明的溝槽底剩下部分p型區(qū)域的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為根據(jù)本發(fā)明的對溝槽注入n型摻雜劑的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為根據(jù)本發(fā)明的對溝槽底的p型區(qū)轉(zhuǎn)為n型區(qū)域的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為根據(jù)本發(fā)明的在表面形成柵介質(zhì)層橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為根據(jù)本發(fā)明的在柵介質(zhì)層表面形成柵極金屬的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11為根據(jù)本發(fā)明的在層間介質(zhì)中開出接觸孔后的示意圖；

圖12為根據(jù)本發(fā)明的刻蝕掉接觸孔表面之下的n+_gan層的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖13為根據(jù)本發(fā)明的完成表面鈦/鋁合金層電極示意圖。

具體實施方法

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實施例1

圖2為根據(jù)本發(fā)明的縱向型氮化鎵基半導(dǎo)體器件實施例1結(jié)構(gòu)截面剖視圖，如圖2所示，本發(fā)明實施例1的縱向型氮化鎵基半導(dǎo)體器件，用離子注入法注入氮化鎵的n型雜質(zhì)，使溝槽底介質(zhì)層下，離溝槽轉(zhuǎn)彎位置至少是0.1um距離，原來的p型區(qū)變成n型區(qū)，當(dāng)器件正向?qū)〞r，電子從源極流經(jīng)反形層、積累層、溝槽底新的n型區(qū)，然后垂直地經(jīng)n型外延擴(kuò)展層至底部漏區(qū)金屬電極。

實施例2

圖3為根據(jù)本發(fā)明的縱向型氮化鎵基半導(dǎo)體器件實施例2結(jié)構(gòu)截面剖視圖，如圖3所示，本發(fā)明實施例2的縱向型氮化鎵基半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)與實施例1類似，區(qū)別在于，只是其中在溝槽底至少有一部分p型區(qū)沒有被注入n型摻雜離子而仍保留為p型區(qū)域，這p型區(qū)域可以在反向偏置時保護(hù)溝槽底的柵極介質(zhì)層，在溝槽底的p型區(qū)的電位是浮動的，沒有被連接至源極電位。

實施例3

本發(fā)明實施例3的縱向型氮化鎵基半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)與實施例2類似，只是其中在溝槽底的p型區(qū)被連接至源極電位。

實施例4

縱向型氮化鎵場控柵極晶體管的制造方法

圖4為根據(jù)本發(fā)明的縱向型氮化鎵基半導(dǎo)體器件制造方法流程圖，下面將參考圖4，以縱向型氮化鎵場控柵極晶體管的制造方法為優(yōu)選實施例，對本發(fā)明的縱向型氮化鎵基半導(dǎo)體器件制造方法進(jìn)行詳細(xì)描述。

首先，在步驟401，在氮化鎵襯底上依次生長一層n型擴(kuò)展層的gan外延層、p型層、n+—gan外延層。圖5為根據(jù)本發(fā)明的垂直器件的各外延層的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖5所示，在氮化鎵襯底上生長一層n型擴(kuò)展層的氮化鎵外延層（gan外延層），電子濃度約5e15/cm³-5e16/cm³，厚度約6至15微米，厚度視器件所需的反向偏置要求，一般是1微米能承受100伏反偏電壓；然后在n型擴(kuò)展層上生長一層p型gan外延層（p—gan），空穴濃度約1e16/cm³-2e17/cm³，厚度約0.7-1.2微米；接著再生長一層n+的氮化鎵外延層（n+—gan），濃度大于5e17/cm³，厚度約0.2至0.4微米之間。

在步驟402，對p型gan外延層進(jìn)行刻蝕，在p型gan外延層開孔，形成溝槽。圖6為根據(jù)本發(fā)明的溝槽底剩下部分p型區(qū)域的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖6所示，在p型gan外延層表面積淀光刻涂層，利用開孔掩模版暴露出部分p型gan外延層的表面，開孔掩模版的開孔大小寬度為0.2um至5.0um，孔與孔之間的距離為0.2um至10um，開孔形狀可為各種幾何圖案如正方形、圓形和長方形等，然后對gan采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(icp)技術(shù)的干法刻蝕，刻蝕氣體為c12／bcl3，直至刻蝕掉約p型gan外延層深度的一半，形成溝槽。

在步驟403，在p型gan外延層表面注入硅離子n型摻雜劑。圖7為根據(jù)本發(fā)明的對溝槽注入n型摻雜劑的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖7所示，清除掉表面的光刻涂層，然后對表面再積淀光刻涂層，利用另一掩模版暴露出部分之前刻蝕過的p型gan外延層的表面，然后對p型gan外延層表面注入n型(硅離子)摻雜劑,劑量為1e15/cm²至5e15/cm²,能量為20kev至500kev。

在步驟404，將p型區(qū)轉(zhuǎn)為n型區(qū)域。圖8為根據(jù)本發(fā)明的對溝槽底的p型區(qū)轉(zhuǎn)為n型區(qū)域的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖8所示，去掉光刻涂層，然后用退火步驟使之前有硅離子注入的p型區(qū)轉(zhuǎn)為n型區(qū)域。

在步驟405，形成柵介質(zhì)層。圖9為根據(jù)本發(fā)明的在表面形成柵介質(zhì)層橫截面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖9所示，把表面清洗好，接著用原子層沉積法沉積一層?xùn)沤橘|(zhì)層，厚度約0.01um至0.2um，材料可以是氮化硅(sin)、氧化鋁(al2o3)或hfo2等等。

在步驟406，在柵極開孔中形成柵極金屬。圖10為根據(jù)本發(fā)明的在柵介質(zhì)層表面形成柵極金屬的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖10所示，在柵介質(zhì)層表面積淀光刻涂層，利用柵極開孔掩模版暴露出部分介質(zhì)層的表面，然后通過電子束蒸發(fā)將兩層金屬ni(5nm-100nm)/al(0.2um-2.0um)組成的金屬層蒸發(fā)至柵極開孔表面，然后藉著剝離工藝把不需要的金屬去掉，只在柵極開孔中留下金屬作為柵極金屬，接著在氮氣環(huán)境中經(jīng)500℃、3分鐘的退火處理。

在步驟407，在層間介質(zhì)中形成接觸孔掩模開孔。圖11為根據(jù)本發(fā)明的在層間介質(zhì)中開出接觸孔后的示意圖，如圖11所示，在外延層最表面上先沉積一層氮化硅(厚度為0.1um至0.5um)，然后沉積硼磷玻璃(厚度為0.1um至0.8um)，形成層間介質(zhì)（ild層），在層間介質(zhì)表面積淀光刻涂層，利用接觸孔掩模暴露出部分層間介質(zhì)，然后對暴露出的部分層間介質(zhì)進(jìn)行干蝕，直至暴露出氮化鎵外延層的上表面，在層間介質(zhì)中形成接觸孔掩模開孔。

在步驟408，刻蝕掉表面的n+_gan層。圖12為根據(jù)本發(fā)明的刻蝕掉接觸孔表面之下的n+_gan層的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖12所示，對氮化鎵表面采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(icp)技術(shù)的干法刻蝕，刻蝕氣體為c12／bcl3，直至刻蝕掉表面的n+_gan層，至n+_gan層之下約0.1至0.3微米深，接著去掉光刻涂層。

在步驟409，形成發(fā)射區(qū)金屬墊層和終端區(qū)場板。圖13為根據(jù)本發(fā)明的完成表面鈦/鋁合金層電極示意圖，如圖13所示，在接觸孔底部以及層間介質(zhì)上表面沉積一層鈦(ti，厚度為5nm至100nm),接著在該器件的上面沉積一層鋁合金(厚度為0.2um至10um),然后通過金屬掩模進(jìn)行金屬浸蝕，接著經(jīng)650℃、60秒的快速熱退火處理，從而使接觸孔中的金屬形成良好的歐姆接觸電極,成為發(fā)射區(qū)金屬墊層和終端區(qū)場板。

以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，本發(fā)明可用于涉及制造各種gan基垂直結(jié)構(gòu)器件如場效應(yīng)晶體管和肖特基二極管等,本發(fā)明可用于制備30v至15000v的半導(dǎo)體功率分立器件,本發(fā)明的實施例是以n型溝道器件作出說明，本發(fā)明亦可用于p型溝道器件，盡管參照實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換，但是凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。