具有碳化硅沟道的氧化镓场效应晶体管及其制备方法

本发明属于微电子，具体涉及一种具有碳化硅沟道的氧化镓场效应晶体管及其制备方法。

背景技术：

1、ga2o3（氧化镓）因其超宽禁带（约4.8 ev）、高临界击穿电场（约8 mv/cm）以及较高的电子迁移率（约200 cm2·v-1·s-1），在功率电子和射频器件领域展现出显著的理论优势，其bfom（baliga figure of merit，巴利加品质因数）远高于硅、碳化硅和氮化镓等传统半导体材料。然而，ga2o3的本征热导率极低，仅为0.1–0.3 w·cm-1·k-1，导致器件在高电压大电流工作下产生严重的自热效应，极大地限制了其效率与可靠性。

2、为改善散热，将ga2o3薄膜异质集成到高导热衬底（如sic、金刚石、蓝宝石等）上成为主流技术方向。其中，sic衬底的热导率高达490 w·cm-1·k-1，约为ga2o3的十倍，且成本相对较低、晶圆尺寸成熟，是最具吸引力的异质衬底之一。

3、但是，由于ga2o3自身缺乏有效的p型掺杂手段，导致传统降低表面电场结构难以在ga2o3器件中直接实现；同时，由于缺少p型沟道，大多数ga2o3横向场效应晶体管为耗尽型，即阈值电压为负，零栅压下沟道处于导通状态，不仅增加静态功耗，也不利于失效安全的电路设计；另一方面，ga2o3横向器件普遍面临击穿电压与导通电阻之间的相互制约，使其bfom（baliga's figure of merit，巴利加优值）难以进一步提升。

4、综合来看，现有的ga2o3器件难以同时解决散热、增强型工作以及高bfom的关键技术问题，导致其综合电学性能与热可靠性均较差。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决相关技术中存在的ga2o3器件难以同时解决散热、增强型工作以及高bfom的关键技术问题，导致其综合电学性能与热可靠性均较差的技术问题。为此，本发明的目的在于提出一种具有碳化硅沟道的氧化镓场效应晶体管及其制备方法。

2、第一方面，本发明提出的一种具有碳化硅沟道的氧化镓场效应晶体管，包括：sic衬底层；p-sic外延层，设置于所述sic衬底层之上；n-ga2o3外延层，设置于所述p-sic外延层之上；栅沟槽和源沟槽，分别从不同位置自所述n-ga2o3外延层的上表面向下延伸并穿过所述n-ga2o3外延层，且分别伸入所述p-sic外延层的内部；al2o3栅介质层，覆盖于所述栅沟槽的内壁表面；栅电极，设置于所述al2o3栅介质层之上并填充所述栅沟槽；源区和漏区，分别设置于所述栅沟槽横向两侧的所述n-ga2o3外延层内，所述源区内形成有源极欧姆接触电极，所述漏区内形成有漏极欧姆接触电极；p+-sic区，设置于所述源沟槽底部的所述p-sic外延层内。

3、根据本发明实施例的具有碳化硅沟道的氧化镓场效应晶体管，包括：sic衬底层、p-sic外延层、n-ga2o3外延层、栅沟槽、源沟槽、al2o3栅介质层、栅电极、源区和漏区、p+-sic区；以此，通过将栅沟槽刻蚀深入p-sic内部，使沟道形成于p-sic中，并利用p-sic与n-ga2o3形成的pn结在零栅压时使沟道完全耗尽，实现了正阈值电压的增强型工作模式，从而消除了静态功耗并满足失效安全要求；通过采用高热导率的sic衬底，有效解决了ga2o3本征热导率低导致的散热问题，抑制了自热效应；通过设置p+-sic区于栅沟槽底部，在器件关断时屏蔽栅介质层底部的高电场，保护栅介质免受击穿，提升了器件的可靠性；通过沟槽栅结构增强了栅极对沟道的调控能力，抑制了短沟道效应；通过上述各技术特征的相互协同，共同实现了在增强型工作模式下兼具高击穿电压、低导通电阻、高功率优值及优良散热性能的ga2o3功率器件，全面解决了现有技术中静态功耗高、存在安全隐患、击穿电压与导通电阻相互制约以及散热与电学特性未能深度融合等综合技术问题，满足了下一代高效、高功率密度及高可靠性电力电子系统的应用需求。

4、另外，根据本发明实施例的具有碳化硅沟道的氧化镓场效应晶体管，还可以具有如下附加的技术特征：

5、进一步地，所述栅电极施加正电压时，在所述栅沟槽底部的所述p-sic外延层内且紧邻所述al2o3栅介质层的下方区域形成n型反型层，所述n型反型层构成横向导电沟道。

6、进一步地，所述p-sic外延层（2）的受主掺杂浓度为1×1016cm-3，所述n-ga2o3外延层（3）的施主掺杂浓度为1×1017cm-3。

7、进一步地，所述源区包括第一n+-ga2o3区和所述p+-sic区，所述漏区包括第二n+-ga2o3区，所述第一n+-ga2o3区、所述p+-sic区和所述第二n+-ga2o3区分别嵌设于所述n-ga2o3外延层上部的横向两侧，且所述第一n+-ga2o3区和所述第二n+-ga2o3区的下表面均高于所述栅沟槽的底面。

8、进一步地，所述源区包括所述源沟槽，所述源极欧姆接触电极设置于所述源沟槽内并与所述第一n+-ga2o3区及所述p+-sic区形成欧姆接触。

9、进一步地，所述源沟槽底部的所述n-ga2o3外延层与下方的所述p-sic外延层形成异质pn结，所述异质pn结在所述具有碳化硅沟道的氧化镓场效应晶体管关断时处于反偏状态以承受反向击穿电压。

10、进一步地，所述p+-sic区的掺杂浓度高于所述p-sic外延层的掺杂浓度。

11、进一步地，还包括si3n4钝化层，所述si3n4钝化层包括第一si3n4钝化层和第二si3n4钝化层；其中，所述第一si3n4钝化层覆盖于所述n-ga2o3外延层的上表面除所述栅沟槽和所述源区及漏区之外的其他区域上方；所述第二si3n4钝化层覆盖于所述al2o3栅介质层和所述栅电极的上方。

12、第二方面，基于同一发明构思，本发明还提出一种具有碳化硅沟道的氧化镓场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：在sic衬底层上生长p-sic外延层，在所述p-sic外延层上进行受主离子注入，形成p+-sic区，并在所述p-sic外延层上外延生长n-ga2o3外延层；对所述n-ga2o3外延层的源区进行第一沟槽刻蚀；在源区和漏区分别进行施主离子注入，形成第一n+-ga2o3区和第二n+-ga2o3区，并在所述源区形成源极欧姆接触电极；在所述n-ga2o3外延层的上表面沉积第一si3n4钝化层；对所述n-ga2o3外延层的栅电极区域进行第二沟槽刻蚀，刻蚀深度穿过所述n-ga2o3外延层并进入所述p-sic外延层内部，形成栅沟槽；在所述栅沟槽的内壁表面沉积al2o3栅介质层；在所述al2o3栅介质层之上沉积栅电极，并使所述栅电极填充所述栅沟槽；对所述栅电极上方的栅场版进行刻蚀，以定义栅场版图形；在所述al2o3栅介质层和所述栅电极的上方沉积第二si3n4钝化层；对所述源区、所述n-ga2o3外延层的漏区和所述栅电极区域进行接触孔刻蚀，在所述漏区形成漏极欧姆接触电极，并形成金属接触。

13、根据本发明实施例的具有碳化硅沟道的氧化镓场效应晶体管的制备方法，包括：在sic衬底层上生长p-sic外延层，并在p-sic外延层上外延生长n-ga2o3外延层；对n-ga2o3外延层的源区进行第一沟槽刻蚀；在源区进行施主离子注入，形成第一n+-ga2o3区和第二n+-ga2o3区，并在源区形成源极欧姆接触电极；在n-ga2o3外延层的上表面沉积第一si3n4钝化层；对n-ga2o3外延层的栅电极区域进行第二沟槽刻蚀，刻蚀深度穿过n-ga2o3外延层并进入p-sic外延层内部，形成栅沟槽；在栅沟槽的内壁表面沉积al2o3栅介质层；在al2o3栅介质层之上沉积栅电极，并使栅电极填充栅沟槽；对栅电极上方的栅场版进行刻蚀，以定义栅场版图形；在al2o3栅介质层和栅电极的上方沉积第二si3n4钝化层；对源区、n-ga2o3外延层的漏区和栅电极区域进行接触孔刻蚀，在漏区形成漏极欧姆接触电极，并形成金属接触；从而通过将栅沟槽刻蚀步骤安排在源沟槽刻蚀和源区电极形成之后、栅介质沉积之前进行，避免了源区工艺包括icp刻蚀、高能离子注入、金属淀积及光刻胶剥离等对栅沟槽侧壁和底部形貌的损伤以及对栅介质质量的负面影响，确保了al2o3栅介质层的完整性和高介电强度；通过先进行源沟槽刻蚀再进行栅沟槽刻蚀的工艺顺序，使得源区工艺的容差窗口不直接影响栅沟槽的形貌尺寸和位置精度，提高了器件制备的整体工艺窗口和制造良率；通过在栅介质沉积之前完成所有高温工艺步骤包括离子注入后的退火激活，避免了高温热处理对超薄al2o3栅介质层的热稳定性及界面特性的退化作用，保证了栅介质/半导体界面的低缺陷密度和高绝缘强度；通过先沉积第一si3n4钝化层再进行栅沟槽刻蚀，使得第一si3n4层在后续光刻和刻蚀工艺中可作为有效的硬掩膜和刻蚀停止层，有利于栅沟槽深度的精确控制，同时保证了下方的p-sic沟道区域免受等离子体刻蚀的过蚀刻损伤；通过在栅电极形成之后沉积第二si3n4钝化层作为最终保护层，有效防止了栅电极在后续接触孔刻蚀和金属互连工艺中的氧化和腐蚀，保证了栅极欧姆接触的长期稳定性和低接触电阻；从而通过上述各工艺步骤的时序安排相互协同，在确保器件结构的高质量制备的同时，最大程度地减少了各工艺步骤之间的相互干扰和损伤，从而使得所制备的具有碳化硅沟道的氧化镓场效应晶体管兼具增强型工作模式、高击穿电压、低导通电阻及优良散热性能的综合优势，全面解决了现有技术中因工艺兼容性差而难以同时实现增强型沟道、高耐压结构和高质量栅介质的制备技术难题，为下一代高效、高功率密度及高可靠性电力电子系统提供了切实可行的器件制备方案，且该方法与现有半导体工艺平台高度兼容，具有良好的产业化应用前景。

14、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。