一种垂直电流孔径晶体管制备方法转让专利
申请号 : CN202111084970.0
文献号 : CN113539822B
文献日 : 2022-01-28
发明人 : 王蓉 , 刘小平 , 皮孝东 , 开翠红 , 杨德仁
申请人 : 浙江大学杭州国际科创中心
摘要 :
权利要求 :
1.一种垂直电流孔径晶体管的制备方法,其特征在于,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。
2.根据权利要求1所述的一种垂直电流孔径晶体管的制备方法,其特征在于,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。
3.根据权利要求2所述的一种垂直电流孔径晶体管的制备方法,其特征在于,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。
4.根据权利要求2所述的一种垂直电流孔径晶体管的制备方法,其特征在于,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。
5.根据权利要求1所述的一种垂直电流孔径晶体管的制备方法,其特征在于,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。
6.根据权利要求1所述的一种垂直电流孔径晶体管的制备方法,其特征在于,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。
7.根据权利要求1所述的一种垂直电流孔径晶体管的制备方法,其特征在于,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。
8.根据权利要求7所述的一种垂直电流孔径晶体管的制备方法,其特征在于,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。
9.根据权利要求1所述的一种垂直电流孔径晶体管的制备方法,其特征在于,所述衬底的材料为GaN或SiC或Si或Sapphire或AlN。
说明书 :
一种垂直电流孔径晶体管制备方法
技术领域
背景技术
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‑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‑GaN异质结材料应用于半导体器件,研制出的AlGaN‑GaN异质结场效应晶体管、
AlGaN‑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。
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。
Aperture的制备一般采用如下两种方法:
的区域作为电流导通通孔Aperture。
作为电流导通通孔Aperture。
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。
发明内容
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
附图说明
程结构示意图;
流程结构示意图;
具体实施方式
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。
~
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。
(PECVD)在GaN缓冲层表面形成SiO2层。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
~
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
阻挡层403;
位于异质结界面的GaN一侧;
体管两侧的源极电极108。
于本发明装置结构以及所述实施方案的专利范围。