一种氧化镓场效应晶体管器件及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种氧化镓场效应晶体管器件及其制备方法。


背景技术：

2.电力电子器件主要用于电力设备的电能变化和电路控制，是进行电能(功率)处理的核心器件。当前全球范围内环境资源问题面临严峻考验，各国相继颁布节能减排政策，作为工业设施、家用电器等设备电能控制与转换的核心器件，功率半导体产业将面临新的技术挑战与发展机遇。
3.硅基半导体器件是目前电力系统最普遍使用的功率器件，其性能已相当完善并接近由其材料特性决定的理论极限，使得其功率密度的增长呈饱和趋势。
4.以氧化镓为代表的超宽禁带电力电子器件近年来逐渐成为功率半导体器件的重要发展领域，并有望在某些特定领域取代传统硅基功率器件。
5.超宽禁带氧化镓作为一种新的半导体材料，在击穿场强、巴利加(baliga)优值和成本等方面优势突出。国际上通常采用巴利加(baliga)优值来表征材料适合功率器件的程度。例如，β-ga2o3材料巴利加优值是氮化镓材料的4倍，是碳化硅材料的10倍，是硅材料的3444倍。β-ga2o3功率器件与氮化镓和碳化硅器件相同耐压情况下，导通电阻更低，功耗更小，能够极大地降低器件工作时的电能损耗。
6.自从2013年日本信息通信研究机构(nict)开发出首款氧化镓金属氧化物半导体场效应晶体管(ga2o
3 mosfet)器件以来，科研人员通过提高ga2o3晶体材料质量、优化器件制作工艺，包括优化沟道层掺杂、欧姆接触和肖特基接触工艺以及栅场板结构等方法，不断提升ga2o3mosfet器件性能。2016年，nict采用al2o3作为栅下介质，并结合栅场板结构，制备的ga2o
3 mosfet器件击穿电压达到750v。2019年，etri采用源场板结构，同时测试过程中通过氟化液隔绝器件空气击穿，器件击穿电压达到2320v。2020年，buffalo采用su-8钝化，器件击穿达到8000v。
7.然而，目前已报道的ga2o3场效应晶体管(fet)器件的击穿电压和导通特性还远低于材料预期值。


技术实现要素：

8.本发明实施例提供了一种氧化镓场效应晶体管器件及其制备方法，以进一步提高现有氧化镓场效应晶体管的击穿电压。
9.第一方面，本发明实施例提供了一种氧化镓场效应晶体管器件，包括：衬底，设于所述衬底上的n型氧化镓沟道层，设于所述n型氧化镓沟道层上的漏电极和源电极，设于所述漏电极和所述源电极之间的栅介质层，设于所述栅介质层上的栅电极；所述n型氧化镓沟道层对应于漏电极和源电极之间的部分包括第一沟道和至少一个鳍式沟道；所述第一沟道偏向源电极一侧；所述鳍式沟道设于所述漏电极与所述第一沟道之间；所述鳍式沟道的横
截面呈指向源电极方向的对称阶梯状，阶梯个数大于等于2；所述栅电极在n型氧化镓沟道层上的垂直投影覆盖鳍式沟道与第一沟道的连接区域。
10.在一种可能的实现方式中，所述n型氧化镓沟道层的掺杂浓度由下层向上层逐渐减小。
11.在一种可能的实现方式中，所述n型氧化镓沟道层的掺杂浓度范围为1.0
×
10
15
cm-3
至1.0
×
10
20
cm-3
。
12.在一种可能的实现方式中，所述n型氧化镓沟道层的厚度范围为10纳米至1000纳米。
13.在一种可能的实现方式中，所述鳍式沟道偏向源电极一侧的第一个阶梯的长度大于等于200纳米。
14.在一种可能的实现方式中，所述衬底与所述n型氧化镓沟道层之间还包括未掺杂的氧化镓层。
15.第二方面，本发明实施例提供了一种氧化镓场效应晶体管器件的制备方法，包括：
16.在衬底上生长n型氧化镓沟道层。
17.在n型氧化镓沟道层上制备漏电极和源电极。
18.在所述n型氧化镓沟道层对应于漏电极和源电极之间的部分表面上制备掩膜；所述掩膜包括第一沟道掩膜和至少一个鳍式沟道掩膜；所述第一沟道掩膜偏向源电极一侧；所述鳍式沟道掩膜设于所述漏电极与所述第一沟道掩膜之间；所述鳍式沟道掩膜的横截面呈指向源电极方向的对称阶梯状，阶梯个数大于等于2。
19.刻蚀所述n型氧化镓沟道层、去除所述掩膜，获得鳍式沟道和第一沟道。
20.在鳍式沟道和第一沟道表面上制备栅介质层。
21.在栅介质层上制备栅电极；所述栅电极在n型氧化镓沟道层上的垂直投影覆盖鳍式沟道与第一沟道的连接区域。
22.在一种可能的实现方式中，所述n型氧化镓沟道层的掺杂浓度由下层向上层逐渐减小。
23.在一种可能的实现方式中，所述n型氧化镓沟道层的掺杂浓度范围为1.0
×
10
15
cm-3
至1.0
×
10
20
cm-3
。
24.在一种可能的实现方式中，所述n型氧化镓沟道层的厚度范围为10纳米至1000纳米。
25.在一种可能的实现方式中，所述鳍式沟道偏向源电极一侧的第一个阶梯的长度大于等于200纳米。
26.在一种可能的实现方式中，在所述在衬底上生长n型氧化镓沟道层之前，还包括：在衬底上生长未掺杂的氧化镓层。
27.本发明实施例提供一种氧化镓场效应晶体管器件及其制备方法，该器件包括：衬底，设于所述衬底上的n型氧化镓沟道层，设于所述n型氧化镓沟道层上的漏电极和源电极，设于所述漏电极和所述源电极之间的栅介质层，设于所述栅介质层上的栅电极；所述n型氧化镓沟道层对应于漏电极和源电极之间的部分包括第一沟道和至少一个鳍式沟道；所述第一沟道偏向源电极一侧；所述鳍式沟道设于所述漏电极与所述第一沟道之间；所述鳍式沟道的横截面呈指向源电极方向的对称阶梯状，阶梯个数大于等于2；所述栅电极在n型氧化
镓沟道层上的垂直投影覆盖鳍式沟道与第一沟道的连接区域。通过对称阶梯状鳍式沟道结构，使栅电极具有更高的表面积，提升栅控能力、增加了阈值电压，提升了击穿电压；三维栅结构的场板作用，使器件的电场分布更加均匀，从而降低器件峰值场强，提升了器件击穿电压；栅电极靠近漏极的端点下方鳍式沟道的尺寸减小，减小了尖峰电场，避免了因尖峰电场造成的击穿，提升了器件击穿电压。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是本发明实施例提供的一种氧化镓场效应晶体管器件的结构示意图；
30.图2是本发明实施例提供的一种氧化镓场效应晶体管器件的顶视图；
31.图3是本发明实施例提供的一种氧化镓场效应晶体管器件沟道层的横截面图；
32.图4是本发明实施例提供的另一种氧化镓场效应晶体管器件沟道层的横截面图；
33.图5是本发明实施例提供的一种氧化镓场效应晶体管器件的制备方法流程图。
具体实施方式
34.为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本方案保护的范围。
35.本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
36.以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述：
37.图1为本发明实施例提供的一种氧化镓场效应晶体管器件的结构示意图，对应图2的b-b截面；图2为本发明实施例提供的一种氧化镓场效应晶体管器件的顶视图；图3是本发明实施例提供的一种氧化镓场效应晶体管器件沟道层的横截面图，对应图1的a-a截面。参照图1、图2和图3，该氧化镓场效应晶体管器件包括：
38.衬底1，设于衬底1上的n型氧化镓沟道层2，设于n型氧化镓沟道层2上的漏电极3和源电极4，设于漏电极3和源电极4之间的栅介质层5，设于栅介质层5上的栅电极6；n型氧化镓沟道层2对应于漏电极3和源电极4之间的部分包括第一沟道21和至少一个鳍式沟道22；第一沟道21偏向源电极4一侧；鳍式沟道22设于漏电极3与第一沟道21之间；鳍式沟道22的横截面呈指向源电极4方向的对称阶梯状，阶梯个数大于等于2；栅电极6在n型氧化镓沟道层2上的垂直投影覆盖鳍式沟道22与第一沟道21的连接区域。
39.示例性的，漏电极3和源电极4分别设在n型氧化镓沟道层2的两端的上表面。
40.栅介质层5设于n型氧化镓沟道层2之上，漏电极3和源电极4之间；栅介质层5的覆盖面积大于栅电极6，确保栅电极6不直接接触n型氧化镓沟道层2、漏电极3和源电极4，避免
器件漏电。
41.第一沟道21为n型氧化镓沟道层2偏向源电极4一侧的部分。示例性的第一沟道21的厚度与n型氧化镓沟道层2的厚度一致。
42.图4是本发明实施例提供的另一种氧化镓场效应晶体管器件沟道层的横截面图；参照图4：
43.在一个可选的实施例中，n型氧化镓沟道层2对应于漏电极3和源电极4之间的部分包括第一沟道21和多个鳍式沟道22；多个鳍式沟道22沿垂直于漏电极3和源电极4连线方向、等距离分布。示例性的，鳍式沟道22的个数为3个。
44.对称阶梯状为对称宝塔型阶梯，可理解为由多个长度不同的矩形构成，每个矩形为阶梯的一层，各矩形按长度从大到小依次排列，各矩形中心对齐；
45.对称阶梯指向源电极4方向即阶梯各层沿上下方向的长度自左向右依次减小；以漏电极3所在的一侧为左侧，以源电极4所在的一侧为右侧，上下方向垂直于左右方向且平行于衬底1。
46.阶梯个数即阶梯的层数；阶梯个数等于1，即阶梯的层数为1，漏电极3与第一沟道21之间通过一个横截面为矩形的鳍式沟道22连接。示例性的，阶梯的个数为4。
47.示例性的，鳍式沟道22的厚度均匀。厚度均匀的鳍式沟道22在制造工艺上比厚度不均匀的容易实现。示例性的，鳍式沟道22的厚度小于等于n型氧化镓沟道层2的厚度；示例性的，鳍式沟道22的厚度大于n型氧化镓沟道层2的厚度。
48.示例性的，鳍式沟道22的厚度由漏电极3向源电极4依次减小；示例性的，厚度呈梯度变化；示例性的，厚度呈连续渐变。鳍式沟道22的厚度由漏电极3向源电极4依次减小，栅电极靠近漏极的端点下方鳍式沟道的尺寸减小，减小了尖峰电场，避免了因尖峰电场造成的击穿，提升了器件击穿电压。
49.栅电极6在n型氧化镓沟道层2上的垂直投影覆盖鳍式沟道22与第一沟道21的连接区域，即，栅电极6在n型氧化镓沟道层2上的垂直投影覆盖鳍式沟道22偏向源电极4一侧的部分和第一沟道21偏向漏电极3一侧的部分。其中，栅电极6在n型氧化镓沟道层2上的垂直投影覆盖鳍式沟道22偏向源电极4一侧的部分，同时不可覆盖鳍式沟道22偏向漏电极3一侧的部分；如果栅电极6在n型氧化镓沟道层2上的垂直投影覆盖鳍式沟道22偏向漏电极3一侧的部分，栅电极6靠近漏电极3一侧沟道的尖峰电场未受到抑制，将无法实现降低尖峰电场、提升击穿电压的作用。
50.示例性的，栅电极6在n型氧化镓沟道层2上的垂直投影覆盖鳍式沟道22偏向源电极4一侧的50％部分和第一沟道21偏向漏电极3一侧50％的部分。
51.相应的，栅电极6覆盖栅介质层5与鳍式沟道22偏向源电极4一侧对应的部分，以及栅介质层5与第一沟道21偏向漏电极3一侧对应的部分。
52.通过对称阶梯状鳍式沟道22结构，使栅电极6具有更高的表面积，提升栅控能力、增加了阈值电压，提升了击穿电压；三维栅结构的场板作用，使器件的电场分布更加均匀，从而降低器件峰值场强，提升了器件击穿电压；栅电极6靠近漏极的端点下方鳍式沟道22的尺寸减小，减小了尖峰电场，避免了因尖峰电场造成的击穿，提升了器件击穿电压。
53.在一个可选的实施例中，鳍式沟道22偏向源电极4一侧的第一个阶梯的长度大于等于200纳米。阶梯的长度为阶梯各层沿垂直于漏电极3与源电极4方向的尺寸。
54.在一个可选的实施例中，衬底1为高阻氧化镓衬底、半绝缘碳化硅衬底、氧化镁衬底或蓝宝石衬底。
55.在一个可选的实施例中，n型氧化镓沟道层2的厚度范围为10纳米至1000纳米。
56.在一个可选的实施例中，n型氧化镓沟道层2的掺杂浓度范围为1.0
×
10
15
cm-3
至1.0
×
10
20
cm-3
。通过在外延生长氧化镓的过程中，掺杂硅或锡，实现n型氧化镓沟道层2。
57.在一个可选的实施例中，n型氧化镓沟道层2的掺杂浓度由下层向上层逐渐减小。栅电极6偏向漏电极3的一端沟道处存在很强的尖峰电场，导致器件击穿；尖峰电场与沟道电子浓度直接相关，浓度降低可以有效减低电场强度，但会导致器件导通特性变差；掺杂浓度从沟道层的下层向上层逐渐减小，电子浓度从下层到上层逐渐减小，既可以不影响器导通特性，又可以降低尖峰电场，提高击穿电压。示例性的，n型氧化镓沟道层2的掺杂浓度由下层向上层呈梯度逐渐减小。
58.在一个可选的实施例中，衬底1与n型氧化镓沟道层2之间还包括未掺杂的氧化镓层。
59.在一个可选的实施例中，漏电极3和源电极4的金属材料为钛金或钛铝镍金。
60.在一个可选的实施例中，栅电极6的金属材料为镍金或铂金。
61.在一个可选的实施例中，在漏电极3、源电极4在n型氧化镓沟道层2上的垂直投影区域，漏电极3、源电极4与n型氧化镓沟道层2之间还包括n 接触层。
62.在一个可选的实施例中，栅介质层5的材料为三氧化二铝、二氧化铪或二氧化硅；示例性的，栅介质层5的材料为三氧化二铝与二氧化铪的复合介质。
63.图5为本发明实施例提供的一种氧化镓场效应晶体管器件的制备方法，参照图5，制备方法包括：
64.步骤s1、在衬底1上生长n型氧化镓沟道层2；
65.在一个可选的实施例中，衬底1为高阻氧化镓衬底、半绝缘碳化硅衬底、氧化镁衬底或蓝宝石衬底。
66.在一个可选的实施例中，n型氧化镓沟道层2的厚度范围为10纳米至1000纳米。
67.在一个可选的实施例中，n型氧化镓沟道层2的掺杂浓度范围为1.0
×
10
15
cm-3
至1.0
×
10
20
cm-3
。通过在外延生长氧化镓的过程中，掺杂硅或锡，实现n型氧化镓沟道层2。
68.在一个可选的实施例中，衬底1与n型氧化镓沟道层2之间还包括未掺杂的氧化镓层。
69.步骤s2、在n型氧化镓沟道层2上制备漏电极3和源电极4；
70.示例性的，通过电子束蒸发沉积电极金属层；通过光刻腐蚀工艺或光刻剥离工艺制备漏电极3和源电极4。
71.在一个可选的实施例中，漏电极3和源电极4的金属材料为钛金或钛铝镍金。
72.在一个可选的实施例中，栅电极6的金属材料为镍金或铂金。
73.在一个可选的实施例中，在漏电极3、源电极4在n型氧化镓沟道层2上的垂直投影区域，漏电极3、源电极4与n型氧化镓沟道层2之间还包括n 接触层；示例性的，通过离子注入工艺制备n 接触层。
74.步骤s3、在n型氧化镓沟道层2对应于漏电极3和源电极4之间的部分表面上制备掩膜；掩膜包括第一沟道掩膜和至少一个鳍式沟道掩膜；第一沟道掩膜偏向源电极4一侧；鳍
式沟道掩膜设于漏电极3与第一沟道掩膜之间；鳍式沟道掩膜的横截面呈指向源电极4方向的对称阶梯状，阶梯个数大于等于2；
75.在一个可选的实施例中，通过接触式光刻工艺或电子束光刻工艺制备掩膜。示例性的，掩膜的材料为光刻胶。
76.在一个可选的实施例中，掩膜的材料为金属。掩膜的制备方法包括：
77.通过涂胶工艺、光刻工艺，在n型氧化镓沟道层2对应于漏电极3和源电极4之间的部分表面上，制备与第一沟道21、鳍式沟道22的图形反相的光刻胶图形。
78.沉积掩膜金属层。
79.剥离，获得与第一沟道21、鳍式沟道22的图形一致的金属掩膜。
80.步骤s4、刻蚀n型氧化镓沟道层2、去除掩膜，获得鳍式沟道22和第一沟道21；
81.掩膜覆盖的区域不会被刻蚀；示例性的，刻蚀方法为干法刻蚀工艺。
82.示例性的，刻蚀深度一致。示例性的，刻蚀深度小于等于n型氧化镓沟道层2的厚度；即，鳍式沟道22的厚度小于等于n型氧化镓沟道层2的厚度。示例性的，刻蚀深度大于n型氧化镓沟道层2的厚度；即，鳍式沟道22的厚度大于n型氧化镓沟道层2的厚度。
83.在一个可选的实施例中，在步骤s3中将鳍式沟道22由漏电极3向源电极4方向，分为多个部分；对应鳍式沟道22分成的多个部分设计对应掩膜；每次只刻蚀鳍式沟道22的其中一部分，每次刻蚀深度由漏电极3向源电极4方向依次增加；重复步骤s3和步骤s4，完成所有部分的刻蚀。
84.步骤s5、在鳍式沟道22和第一沟道21表面上制备栅介质层5。
85.在一个可选的实施例中，通过原子层沉积工艺在鳍式沟道22和第一沟道21表面上制备栅介质层5。
86.在一个可选的实施例中，栅介质层5的材料为三氧化二铝、二氧化铪或二氧化硅；示例性的，栅介质层5的材料为三氧化二铝与二氧化铪的复合介质。
87.步骤s6、在栅介质层5上制备栅电极6；栅电极6在n型氧化镓沟道层2上的垂直投影覆盖鳍式沟道22与第一沟道21的连接区域。
88.栅电极6在n型氧化镓沟道层2上的垂直投影覆盖鳍式沟道22偏向源电极4一侧的部分和第一沟道21偏向漏电极3一侧的部分。相应的，栅电极6覆盖栅介质层5与鳍式沟道22偏向源电极4一侧对应的部分，以及栅介质层5与第一沟道21偏向漏电极3一侧对应的部分。
89.通过对称阶梯状鳍式沟道22结构，使栅电极6具有更高的表面积，提升栅控能力、增加了阈值电压，提升了击穿电压；三维栅结构的场板作用，使器件的电场分布更加均匀，从而降低器件峰值场强，提升了器件击穿电压；栅电极6靠近漏极的端点下方鳍式沟道22的尺寸减小，减小了尖峰电场，避免了因尖峰电场造成的击穿，提升了器件击穿电压。
90.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。