氧化镓垂直场效应晶体管制备方法及场效应晶体管与流程

1.本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法及场效应晶体管。


背景技术：

2.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。β-ga2o3材料巴利加优值是gan(氮化镓)材料的4倍，是sic(碳化硅)材料的10倍，是si材料的3444倍。β-ga2o3功率器件与gan和sic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。
3.现有技术中，ga2o3场效应晶体管(fet)多为横向器件，而商用市场更偏向于采用纵向mosfet功率器件。然而，由于ga2o3难以实现有效的p型掺杂，ga2o3纵向mosfet制备十分困难。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供了一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法及场效应晶体管，以解决现有技术中纵向ga2o3场效应晶体管器件制备困难的问题。
5.本发明实施例的第一方面提供了一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法，包括：
6.在氧化镓衬底的上表面生长氧化镓沟道层；
7.对氧化镓沟道层进行离子注入掺杂，形成源区；其中，离子注入的深度小于氧化镓沟道层的厚度；
8.在氧化镓沟道层上生长掩膜层；
9.对氧化镓沟道层上未被掩膜层覆盖的区域进行刻蚀，形成多个沟槽；其中，氧化镓沟道层的刻蚀深度小于氧化镓沟道层的厚度，且大于离子注入的深度；
10.在多个沟槽及多个沟槽之间的凸台上生长p型介质层；
11.在p型介质层上生长栅电极层；
12.去除掩膜层；
13.在凸台上制备源电极；其中，源电极连通各个凸台；
14.在氧化镓衬底的下表面制备漏电极。
15.可选的，在凸台上制备源电极，包括：
16.在栅电极层及各个凸台上生长腐蚀牺牲层；
17.对腐蚀牺牲层的上部进行刻蚀，形成源极窗口；其中，源极窗口与各个凸台连通；
18.在源极窗口中生长源电极。
19.可选的，腐蚀牺牲层的形成材料为sio2或sin。
20.可选的，在在多个沟槽及多个沟槽之间的凸台上生长p型介质层之后，方法还包括：
21.在p型介质层上生长栅介质层；
22.在p型介质层上生长栅电极层，包括：
23.在栅介质层上生长栅电极层。
24.可选的，栅介质层的形成材料为al2o3、hfo2及sio2中的任意一种，或为al2o3和hfo2的复合材料。
25.可选的，去除掩膜层，包括：
26.在多个沟槽内形成光刻胶层；
27.采用湿法腐蚀去除掩膜层；
28.去除光刻胶层。
29.可选的，氧化镓衬底的掺杂浓度大于1.0
×
10
18
cm-3
，氧化镓沟道层的掺杂浓度小于1.0
×
10
18
cm-3
。
30.可选的，沟槽为矩形或梯形。
31.可选的，p型介质层的形成材料为nio
x
、sno2、cuo
x
、mno
x
、feo
x
、cumo2及znm2o4中的任意一种。
32.本发明实施例的第二方面提供了一种场效应晶体管，包括：
33.氧化镓衬底；
34.氧化镓沟道层，形成于氧化镓衬底的上表面，氧化镓沟道层远离氧化镓衬底的一侧设有多个沟槽；
35.p型介质层，形成于氧化镓沟道层上，且位于多个沟槽中；
36.栅电极层，形成于p型介质层上；
37.源电极层，形成于多个沟槽之间的凸台上，并与各个凸台连接；
38.漏电极层，形成于氧化镓衬底的下表面。
39.本发明实施例提供了一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法及场效应晶体管，上述方法包括：在氧化镓衬底的上表面生长氧化镓沟道层；对氧化镓沟道层进行离子注入掺杂，形成源区；其中，离子注入的深度小于氧化镓沟道层的厚度；在氧化镓沟道层上生长掩膜层；对氧化镓沟道层上未被掩膜层覆盖的区域进行刻蚀，形成多个沟槽；在多个沟槽及多个沟槽之间的凸台上生长p型介质层及栅电极层；去除掩膜层；在凸台上制备源电极；其中，源电极连通各个凸台；在氧化镓衬底的下表面制备漏电极。本发明实施例采用自对准技术，通过p型介质层形成pn结，制备过程简单，降低了垂直场效应晶体管的制备难度。
附图说明
40.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。
41.图1是本发明实施例提供的一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法的实现流程示意图；
42.图2是本发明实施例提供的一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法的工序截面图；
43.图3是本发明实施例提供的一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法的工序截面
图；
44.图4是本发明实施例提供的一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法的工序截面图；
45.图5是本发明实施例提供的一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法的工序截面图；
46.图6是本发明实施例提供的一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法的工序截面图；
47.图7是本发明实施例提供的一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法的工序截面图；
48.图8是本发明实施例提供的一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法的工序截面图；
49.图9是本发明实施例提供的一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法的工序截面图；
50.图10是本发明实施例提供的一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法的工序截面图；
51.图11是本发明实施例提供的一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法的工序截面图；
52.图12是本发明实施例提供的又一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法的工序截面图；
53.图13是本发明实施例提供的又一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法的工序截面图；
54.图14是本发明实施例提供的又一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法的工序截面图；
55.图15是本发明实施例提供的又一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法的工序截面图；
56.图16是本发明实施例提供的又一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法的工序截面图；
57.图17是本发明实施例提供的又一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法的工序截面图；
58.图18是本发明实施例提供的又一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法的工序截面图。
具体实施方式
59.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
60.为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
61.参考图1，本发明实施例的提供了一种氧化镓垂直场效应晶体管制备方法，包括：
62.s101：在氧化镓衬底201的上表面生长氧化镓沟道层202；
63.s102：对氧化镓沟道层202进行离子注入掺杂，形成源区2021；其中，离子注入的深度小于氧化镓沟道层202的厚度；
64.s103：在氧化镓沟道层202上生长掩膜层203；
65.s104：对氧化镓沟道层202上未被掩膜层203覆盖的区域进行刻蚀，形成多个沟槽300；其中，氧化镓沟道层202的刻蚀深度小于氧化镓沟道层202的厚度，且大于离子注入的深度；
66.s105：在多个沟槽300及多个沟槽300之间的凸台上生长p型介质层204；
67.s106：在p型介质层204上生长栅电极层205；
68.s107：去除掩膜层203；
69.s108：在凸台上制备源电极207；其中，源电极207连通各个凸台；
70.s109：在氧化镓衬底201的下表面制备漏电极208。
71.氧化镓(β-ga2o3)是一种新型直接带隙宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大(4.9ev)，击穿场强高(8mv/cm)，在功率电子器件领域具有巨大的应用前景。本发明实施例中采用自对准剥离技术，无需进行p型掺杂，有效降低了垂直场效应晶体管的制备难度。同时，本发明实施例中，p型介质层204与氧化镓形成异质pn结，对沟道载流子起到耗尽作用，从而调节器件阈值电压，并降低器件峰值场强，有效提高了器件的耐压值，提供了一种高耐压氧化镓垂直场效应晶体管的制备方法。其中，各个垂直场效应晶体管共用源极。
72.一些实施例中，s108可以包括：
73.s1081：在栅电极层205及各个凸台上生长腐蚀牺牲层206；
74.s1082：对腐蚀牺牲层206的上部进行刻蚀，形成源极窗口400；其中，源极窗口400与各个凸台连通；
75.s1083：在源极窗口400中生长源电极207。
76.本发明实施例中，在器件的上部沉积腐蚀牺牲层206，同时在腐蚀牺牲层206上开窗以使得各个凸台暴露，进而在窗口中生长源电极207，使得源电极207与各个凸台欧姆接触。
77.具体的，氧化镓垂直场效应晶体管制备方法如下：
78.1、参考图2，在氧化镓衬底201的上表面生长氧化镓沟道层202。
79.一些实施例中，氧化镓衬底201和氧化镓沟道层202掺杂si或sn。
80.本发明实施例中，氧化镓衬底201为高掺杂的n型β-ga2o3层，氧化镓沟道层202为低掺杂的n型β-ga2o3层，氧化镓衬底201的掺杂浓度大于氧化镓沟道层202的掺杂浓度。氧化镓衬底201和氧化镓沟道层202作为导电层，提供载流子。
81.一些实施例中，氧化镓衬底201的掺杂浓度可以大于1.0
×
10
18
cm-3
；氧化镓沟道层202的掺杂浓度可以小于1.0
×
10
18
cm-3
。
82.一些实施例中，氧化镓衬底201和氧化镓沟道层202的掺杂浓度的取值范围可以为1.0
×
10
15
cm-3
～1.0
×
10
20
cm-3
。进一步的，二者的掺杂也可以为梯度变化。
83.一些实施例中，氧化镓衬底201和氧化镓沟道层202的厚度可以为10nm～1000μm。
84.2、参考图3，在对氧化镓沟道层202进行离子注入掺杂，并激活，形成源区2021。其中，离子注入的深度小于氧化镓沟道层202的厚度，保留氧化镓沟道层202的部分，同时部分
离子注入，作为源区2021。
85.3、参考图4，在氧化镓沟道层202上生长掩膜层203。
86.其中，掩膜层203的形成材料可以为ni，可采用电子束蒸发法制备，用于进行刻蚀。掩膜层203的图形可根据实际应用需求设定。
87.4、参考图5，氧化镓沟道层202上未被掩膜层203覆盖的区域进行刻蚀，形成沟槽300。其中，刻蚀深度大于离子注入的深度，小于氧化镓沟道层202的深度，使得离子注入的部分暴露出来，且保留部分氧化镓沟道层202，从而可以在沟槽300中布置栅电极。
88.其中，采用干法刻蚀形成沟槽300。
89.一些实施例中，沟槽300可以为矩形或梯形。
90.5、参考图6，在沟槽300及掩膜层203上生长p型介质层204和栅电极层205。刻蚀完成后不去除掩膜层203，直接在沟槽300及掩膜层203上制备p型介质层204和栅电极层205。
91.一些实施例中，p型介质层204的形成材料可以为nio
x
、sno2、cuo
x
、mno
x
、feo
x
、cumo2及znm2o4中的任意一种，厚度可以为10nm～1000nm。可采用溅射、pld、ald、ni自氧化中的任意一种方法制备p型介质层204。
92.一些实施例中，栅电极层205的厚度可以为50nm～10μm。栅电极层205的形成材料可以为pt或au。
93.6、参考图7，去除掩膜层203。
94.采用湿法腐蚀，选取合适的溶液与掩膜层203反应，而不损坏其他层。采用自对准技术，掩膜层203上的p型介质层204和栅电极层205随着掩膜层203一起剥离，仅保留沟槽300中的p型介质层204和栅电极层205，形成栅电极。
95.7、参考图8及图9，在栅电极层205及各个凸台上生长腐蚀牺牲层206，并对腐蚀牺牲层206的上部进行刻蚀，以露出凸台。
96.其中，腐蚀牺牲层206覆盖整个器件，充满各个沟槽300，可采用pecvd法沉积腐蚀牺牲层206，腐蚀牺牲层206的厚度可以为10nm-1000nm。刻蚀完成后，暴露出各个凸台，各个沟槽300内的填充的腐蚀牺牲层206可以用于支撑源电极207。
97.一些实施例中，腐蚀牺牲层206的形成材料可以为sio2或sin。
98.8、参考图10，在源极窗口400中生长源电极207。
99.可采用电子束蒸发法沉积源电极207。其中，源电极207可以由多层金属形成，例如可以为ti和au，或ti、al、ni和au，用于与氧化镓形成欧姆接触。
100.9、参考图11，在在氧化镓衬底201的下表面制备漏电极208。
101.同上，可以采用电子束蒸发法沉积漏电极208。
102.其中，漏电极208也可以由多层金属形成，例如可以为ti和au，或ti、al、ni和au，用于与氧化镓衬底201形成欧姆接触。
103.一些实施例中，在s105之后，上述方法还可以包括：
104.s1010：在p型介质层204上生长栅介质层209；
105.s106可以包括：在栅介质层209上生长栅电极层205。
106.一些实施例中，s107可以包括：
107.s1071：在多个沟槽300内形成光刻胶层2010；
108.s1072：采用湿法腐蚀去除掩膜层203；
109.s1073：去除光刻胶层2010。
110.本发明实施例中的场效应晶体管还可以包括栅介质层209，图6所示的工序中还包括：
111.1、参考图12，在p型介质层204上生长栅介质层209，在栅介质层209上生长栅电极层205。
112.一些实施例中，栅介质层209的形成材料可以为al2o3、hfo2及sio2中的任意一种，或为al2o3和hfo2的复合材料。
113.其中，p型介质层204的形成材料及厚度均同上。
114.一些实施例中，可采用ald或pecvd法在p型介质层204上生长栅介质层209。
115.其中，栅电极层205的厚度及形成材料等均同上。
116.2、参考图13、图14及图15，由于栅介质层209的存在，为去除掩膜层203而不破坏其他介质，在在沟槽300内形成光刻胶层2010，进而采用湿法腐蚀去除掩膜层203，再去除光刻胶层2010，暴露出栅电极。其中，光刻胶层2010的上表面应当与各个凸台齐平，保证溶液可以去除掩膜层203侧面的栅介质层209，而不会破坏沟槽300内的栅介质层209。
117.3、参考图16-图18，在栅电极层205及各个凸台上生长腐蚀牺牲层206，并对腐蚀牺牲层206的上部进行刻蚀露出凸台，并制备源电极207及漏电极208，具体步骤同上，在此不再赘述。
118.对应于上述实施例，本发明实施例提供了一种场效应晶体管，采用如上述发明实施例提供的方法制备而成。
119.本发明实施例还提供了一种场效应晶体管，包括：
120.氧化镓衬底201；
121.氧化镓沟道层202，形成于氧化镓衬底201的上表面，氧化镓沟道层202远离氧化镓衬底201的一侧设有多个沟槽300；
122.p型介质层204，形成于氧化镓沟道层202上，且位于多个沟槽300中；
123.栅电极层205，形成于p型介质层204上；
124.源电极207层，形成于多个沟槽300之间的凸台上，并与各个凸台连接；
125.漏电极208层，形成于氧化镓衬底201的下表面。
126.一些实施例中，上述场效应晶体管还可以包括：
127.栅介质层209，形成于p型介质层204上；
128.其中，栅电极层205形成于栅介质层209。
129.以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，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技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。