一種氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管的制作方法
【專利摘要】本申請公開了一種氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管，該氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管從下至上依次包括：集電極金屬層、P+氮化鎵襯底、N-型氮化鎵漂移層、P+氮化鎵注入?yún)^(qū)、N+氮化鎵注入?yún)^(qū)、SiO2介質(zhì)層、柵極金屬層、SiO2介質(zhì)層和發(fā)射極金屬層。該晶體管的制造工藝過程簡單、重復(fù)性好、可靠性高。經(jīng)過合理的外延層結(jié)構(gòu)設(shè)計與合適的注入摻雜，實現(xiàn)了氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管所需的基本材料結(jié)構(gòu)。此外，該晶體管保證了器件具有很高的擊穿電壓與通態(tài)電流。
【專利說明】
一種氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體材料生長和器件制備領(lǐng)域，具體涉及一種氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化鎵功率半導(dǎo)體，因具有高的帶隙寬度(3.42eV)、高的臨界擊穿電場(3.0 MV/cm)和高電子飽和漂移速度(2.5 X 17 cm/s)，在制備高溫、高壓、高速低損耗電力開關(guān)方面，相比硅和碳化硅，具有明顯的優(yōu)勢，是世界范圍內(nèi)競相研究的熱點。目前，由于體材料大面積的氮化鎵難以獲得和高效P型摻雜氮化鎵材料難以實現(xiàn)，制備基于氮化鎵體材料的絕緣柵雙極晶體管還未見有報道。
[0003]多年來，氮化鎵功率半導(dǎo)體的研究主要集中在水平型的鋁鎵氮/氮化鎵異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管方面。在電力開關(guān)器件方面，垂直型氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管器件更適宜電力系統(tǒng)對器件高壓大電流工作的要求，而且有利于系統(tǒng)的小型化。絕緣柵雙極晶體管作為新型電力半導(dǎo)體場控自關(guān)斷器件，集功率金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的高速性能與雙極性器件的低電阻于一體，具有輸入阻抗高，電壓控制功耗低，控制電路簡單，耐高壓，承受電流大等特性，在各種電力變換中有著很大的應(yīng)用前景。
[0004]當前，上述領(lǐng)域還是以硅器件為主要原件。因此研制出高可靠性的氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管具有十分重大的意義。隨著氮化物材料研究的逐漸趨于成熟，與基于氮化鎵體材料的絕緣柵雙極晶體管相關(guān)的研究工作正在全面展開。
[0005]最早的基于體材料的氮化鎵開關(guān)器件是1999年，美國加州理工學(xué)院報道的肖特基二極管，通過氫化物氣相外延在藍寶石襯底上生長8至ΙΟμπι的氮化鎵(1016 cm_3的N型摻雜)，使用金作為陽極金屬，使用鈦/鋁/鎳/金作為陰極金屬，并結(jié)合陽極場板技術(shù)，獲得了反向擊穿電壓為450 V的器件。但是，使用這種方法制備的器件，由于異質(zhì)外延材料中缺陷較多，且N型氮化鎵摻雜濃度較低，器件的開啟電壓高(4.2 V)，器件擊穿電壓低和導(dǎo)通電阻較大。
[0006]在這種思路的啟迪之下，2001年，美國佛羅里達州立大學(xué)從器件結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，使用P型環(huán)的終端保護技術(shù)以減弱電場集中效應(yīng)，同時結(jié)合離子注入硅原子到陰極接觸區(qū)域形成重摻雜的N型氮化鎵以改善歐姆接觸，在藍寶石襯底上制備出了擊穿電壓9.7千伏的鋁鎵氮溝道肖特基二極管。2006年，美國佐治亞理工學(xué)院通過摻鎂形成P型，在氮化鎵襯底上實現(xiàn)了擊穿電壓為540 V、正向開啟電壓為4.4 V、比導(dǎo)通電阻為3PIN功率整流器。2008年，加州大學(xué)圣色色拉分校的S.Chowdhury等人報道了垂直結(jié)構(gòu)的在藍寶石襯底常關(guān)型GaN三端晶體管。器件結(jié)合鋁鎵氮/氮化鎵異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管導(dǎo)電溝道，使用鎂離子注入形成P型氮化鎵電流阻擋層，有助于電子在氮化鎵漂移層中的收集，飽和電流密度達0.22 A/mm，閾值電壓為0.6 V，基本無電流崩塌現(xiàn)象。2012年，S.Chowdhury等人又報道了擊穿電壓250 ν，2.2πιΩ.cm2的氮化鎵襯底上的垂直型三端器件，該結(jié)構(gòu)有望進一步提高電壓電流容量，并實現(xiàn)大功率輸出。
[0007]總體來看，國際上對于基于氮化鎵體材料的開關(guān)器件的研究工作目前主要沿著兩個思路進行:其一是氮化鎵體材料的肖特基二極管，結(jié)合終端保護技術(shù)，如場板技術(shù)、P型保護環(huán)技術(shù)以及溝道的組分、厚度和摻雜調(diào)控，來實現(xiàn)高擊穿電壓和低通態(tài)電阻器件;其二是基于氮化鎵體材料的三端器件，通過合適摻雜位置和濃度，發(fā)展主要在制備氮化鎵襯底上的單極性電子導(dǎo)電器件，而基于氮化鎵體材料的絕緣柵雙極晶體管還未見有報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管制備方法，該方法工藝過程簡單、重復(fù)性好、可靠性高;經(jīng)過合理的外延層結(jié)構(gòu)設(shè)計與合適的注入摻雜，可以實現(xiàn)氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管所需的基本材料結(jié)構(gòu)，并進一步實現(xiàn)該器件的工作模式。本發(fā)明的另一目的在于提供一種氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管，由于N-氮化鎵漂移區(qū)厚度和注入摻雜區(qū)域可調(diào)，可以保證器件具有很高的擊穿電壓與通態(tài)電流。
[0009]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0010]一種氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管制備方法，所述制備方法包括如下步驟:
[0011]I)將氮化鎵襯底清洗后放入金屬有機物化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，在P+氮化鎵襯底上外延生長N-型摻雜的氮化鎵漂移層；
[0012]2)在所述N-型摻雜的氮化鎵漂移層上，利用離子注入形成P+摻雜區(qū)；
[0013]3)在所述P+型摻雜區(qū)上，利用離子注入形成N+摻雜區(qū)；
[0014]4)高溫退火，激活摻雜原子；
[0015]5)—次沉積S12柵氧化層；
[ΟΟ??] 6)—次刻孔Si02，露出發(fā)射極、柵極窗口 ；
[0017]7)制備發(fā)射極、集電極接觸；
[0018]8)制備柵極金屬接觸；
[0019]9) 二次沉積S12介質(zhì)層；
[0020]10) 二次刻孔S12,露出發(fā)射極窗口；
[0021]11)發(fā)射極互聯(lián)、集電極和柵極電極金屬加厚。
[0022]進一步，所述步驟I)中生長所述N-型摻雜的氮化鎵漂移層的生長室溫度為900?1000°C、壓力400?600托;N-型摻雜的氮化鎵漂移層的厚度為I至ΙΟΟμπι，硅原子有效摻雜濃度為115至117 cm-3。
[0023]進一步，所述步驟2)具體為:涂膠、光刻，使用Si02/Ti/Ni作為掩膜，利用離子注入形成P+摻雜區(qū)，鎂注入能量與劑量為80 keV和IXlO15 Cm—所述步驟3)具體為:涂膠、光亥丨J，使用S12作為掩膜，在離子注入P+型摻雜區(qū)上，利用離子注入形成N+摻雜區(qū)，所述N+摻雜區(qū)中鎂注入能量與劑量為160 1?^和3\1015 cm—2。
[0024]進一步，所述步驟4)具體為:在700°C至1000°C、氮氣的保護氣氛下退火5至20分鐘;所述步驟5)具體為:使用等離子增強化學(xué)氣相沉積法生長10至100 nm的S12;所述步驟6 )具體為:通過涂膠、光刻打開發(fā)射極、柵極窗口。
[0025]進一步，所述步驟7)具體為:磁控濺射發(fā)射極、集電極金屬，剝離;所述步驟8)具體為:涂膠，光刻打開柵接觸區(qū)，磁控濺射柵金屬，剝離。
[0026]進一步，所述步驟9)具體為:通過等離子增強化學(xué)氣相沉積法生長100至500 nm的S12;所述步驟10)具體為:涂膠、光刻打開發(fā)射區(qū)接觸區(qū)，露出發(fā)射極窗口。
[0027]進一步，所述步驟11)具體為:磁控濺射發(fā)射極互聯(lián)金屬、集電極和柵極金屬，剝離。
[0028]—種應(yīng)用上述制備方法制備的氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管，所述氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管從下至上依次包括:集電極金屬層、P+氮化鎵襯底、N-型氮化鎵漂移層、P+氮化鎵注入?yún)^(qū)、N+氮化鎵注入?yún)^(qū)、Si02介質(zhì)層、柵極金屬層、Si02介質(zhì)層和發(fā)射極金屬層。
[0029]進一步，所述N-型氮化鎵漂移層的厚度為I至100μπι，Ν-型氮化鎵漂移層中參雜有硅原子，所述硅原子的有效摻雜濃度為115至117 Cm-3O
[0030]進一步，所述P+氮化鎵注入?yún)^(qū)中參雜有鎂原子，所述鎂原子的注入能量與劑量為80 1?^和1\1015 cm—所述N+氮化鎵注入?yún)^(qū)中參雜有鎂原子，所述鎂原子的注入能量與劑量為160 1?^3X1015 cm—2。
[0031]本發(fā)明具有以下積極的技術(shù)效果:
[0032]本發(fā)明工藝過程簡單、重復(fù)性好、可靠性高。經(jīng)過合理的外延層結(jié)構(gòu)設(shè)計與合適的注入摻雜，可以實現(xiàn)氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管所需的基本材料結(jié)構(gòu)，并進一步實現(xiàn)該器件的工作模式。由于N-氮化鎵漂移區(qū)厚度和注入摻雜區(qū)域可調(diào)，可以保證器件具有很高的擊穿電壓與通態(tài)電流。本發(fā)明可用于制備滿足各種需要的基于氮化鎵體材料的增強型開關(guān)器件，包括高壓電力開關(guān)器件和中低壓高速開關(guān)器件。
【附圖說明】
[0033]圖1是本發(fā)明制備氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管的方法流程圖；
[0034]圖2是本發(fā)明制備的氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管截面圖。
【具體實施方式】
[0035]下面，參考附圖，對本發(fā)明進行更全面的說明，附圖中標示出了本發(fā)明的示例性實施例。然而，本發(fā)明可以體現(xiàn)為多種不同形式，并不應(yīng)理解為局限于這里敘述的示例性實施例。而是，提供這些實施例，從而使本發(fā)明全面和完整，并將本發(fā)明的范圍完全地傳達給本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員。
[0036]為了易于說明，在這里可以使用諸如“上”、“下”“左” “右”等空間相對術(shù)語，用于說明圖中示出的一個元件或特征相對于另一個元件或特征的關(guān)系。應(yīng)該理解的是，除了圖中示出的方位之外，空間術(shù)語意在于包括裝置在使用或操作中的不同方位。例如，如果圖中的裝置被倒置，被敘述為位于其他元件或特征“下”的元件將定位在其他元件或特征“上” O因此，示例性術(shù)語“下”可以包含上和下方位兩者。裝置可以以其他方式定位(旋轉(zhuǎn)90度或位于其他方位)，這里所用的空間相對說明可相應(yīng)地解釋。
[0037]如圖1-2所示，本申請?zhí)峁┝艘环N氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管制備方法:在氮化鎵襯底上，用金屬有機物化學(xué)氣相沉積生長P+型摻雜的氮化鎵層，之后生長N-型摻雜的氮化鎵漂移層。之后使用離子注入方法，分別選擇區(qū)域形成P+型摻雜區(qū)和N+型摻雜區(qū)，并分別制作形成集電極、發(fā)射極和柵極。利用柵極正偏壓下在P+摻雜區(qū)形成的反型電子溝道的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管與PNP雙極晶體管結(jié)合，實現(xiàn)氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管的正常工作。
[0038]本發(fā)明制備氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管的方法包括以下步驟:
[0039]步驟101:在P+氮化鎵襯底上外延生長N-型摻雜的氮化鎵漂移層；
[0040]步驟102:在N-型摻雜的氮化鎵漂移層上，利用離子注入形成P+摻雜區(qū)；
[0041]步驟103:在離子注入P+型摻雜區(qū)上，利用離子注入形成N+摻雜區(qū)；
[0042]步驟104:高溫退火，激活摻雜原子；
[0043]步驟105: —次沉積S12柵氧化層；
[0044]步驟106: —次刻孔S12,露出發(fā)射極、柵極窗口；
[0045]步驟107:制備發(fā)射極、集電極接觸；
[0046]步驟108:制備柵極金屬接觸；
[0047]步驟109:二次沉積S12介質(zhì)層；
[0048]步驟110:二次刻孔S12,露出發(fā)射極窗口；
[0049]步驟111:發(fā)射極互聯(lián)、集電極和柵極電極金屬加厚。
[0050]以下結(jié)合具體的實例詳細說明本發(fā)明，該實施例包括以下步驟:
[0051 ] I)將氮化鎵襯底清洗后放入金屬有機物化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，生長N-型摻雜的氮化鎵漂移層，生長室溫度900?10000C，壓力400?600托，厚度為I至10ym，硅原子有效摻雜濃度為115至117 cm—3。2)涂膠、光刻，使用Si02/Ti/Ni作為掩膜，利用離子注入形成P+摻雜區(qū)，鎂注入能量與劑量為80 1?^P1X1015 cm—2;3)涂膠、光刻，使用S12作為掩膜，在離子注入P+型摻雜區(qū)上，利用離子注入形成N+摻雜區(qū)鎂注入能量與劑量為160 1?^和3\1015 cm一2; 4)高溫退火:在700至1000°C下，氮氣的保護氣氛下退火5至20分鐘;5)—次沉積S12柵氧化層:等離子增強化學(xué)氣相沉積生長10至100 nm的S12A)—次刻孔S12,露出發(fā)射極、柵極窗口:涂膠，光刻打開發(fā)射極、柵極窗口。7)制備發(fā)射極、集電極接觸:磁控濺射發(fā)射極、集電極金屬，剝離。8)隔離:涂膠，打開非有源區(qū)窗口，注入氦離子，去膠。9)沉積柵極金屬接觸:涂膠，光刻打開柵接觸區(qū)，磁控濺射柵金屬，剝離。10)二次沉積S12介質(zhì)層:等離子增強化學(xué)氣相沉積生長100至500 nm的S12。11)二次刻孔S12，露出發(fā)射極窗口:涂膠，光刻打開發(fā)射區(qū)接觸區(qū)。12)發(fā)射極互聯(lián)、集電極和柵極電極金屬加厚:磁控濺射發(fā)射極互聯(lián)金屬、集電極和柵極金屬，剝離。
[0052]上方所述只是為了說明本發(fā)明，應(yīng)該理解為本發(fā)明并不局限于以上實施例，符合本發(fā)明思想的各種變通形式均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管，其特征在于，所述氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管從下至上依次包括:集電極金屬層、P+氮化鎵襯底、N-型氮化鎵漂移層、P+氮化鎵注入?yún)^(qū)、N+氮化鎵注入?yún)^(qū)、Si02介質(zhì)層、柵極金屬層、Si02介質(zhì)層和發(fā)射極金屬層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵基絕緣柵雙極晶體管，其特征在于，所述N-型氮化鎵漂移層的厚度為I至100μπι，Ν-型氮化鎵漂移層中參雜有硅原子，所述硅原子的有效摻雜濃度為115至117 cm—3。
【文檔編號】H01L29/66GK205428936SQ201521006351
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2015年12月8日
【發(fā)明人】王曉亮, 閆俊達, 李百泉, 王權(quán), 肖紅領(lǐng), 馮春, 殷海波, 姜麗娟, 邱愛芹, 介芳
【申請人】北京華進創(chuàng)威電子有限公司, 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所