一种氧化镓场效应晶体管及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种氧化镓场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

在宽禁带半导体材料中，氧化镓（Ga

但由于氧化镓缺乏有效的P型半导体，因而它无法像SiC、GaN一样做成常规结构的金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），只能够做成漏极、源极和漂移区都是N型导电的金属-绝缘体半导体场效应晶体管（MISFET）或者结型场效应晶体管（JFET）器件。氧化镓MISFET和JFET器件因栅极金属、多晶硅和P型半导体与氧化镓外延层之间存在功函数差，从而在导电通道上出现耗尽层，影响器件的工作特性。平面型氧化镓MISFET器件在栅压为0V时，导电通道只能部分耗尽，并不能完全耗尽，在正向偏置时只能作为耗尽型器件。当器件处于反向偏置时，栅电极能够屏蔽部分电场，但由于栅电极在氧化镓外延表面上，耗尽区扩展不够，电场屏蔽的能力有限，金属-半导体界面的电场依旧很强，随着反向电压的增加，会有越来越多的电子从源极到漏极，出现较大的反向漏电流，导致器件可靠性变差。另一方面当器件作为续流二极管工作在第三象限时，需要较小的肖特基势垒高度和低导通压降，减小器件功耗。虽然平面型MISFET具有工作在第三象限的优点，但因反向漏电较大，并不具备实用性。所以需要进一步开发结增强型和反向漏电较小且能够集成肖特基二极管的器件。

为了降低金属-半导体界面的电场，制备增强型半导体器件，现有技术（Li, W. ,et al. "Single and multi-fin normally-off Ga

由于氧化镓材料的特性，如果要实现较大深度的栅介质沉积，不能通过热氧化实现，需要通过在氧化镓材料中形成深沟槽，然后在深沟槽的表面形成栅介质的沉积。但是，由于深沟槽的深度较大，导致深沟槽内的栅介质层的厚度不均匀，影响器件阈值电压的均匀性。虽然EMISFET器件在反向偏置时能有效降低表面电场，但由于沟槽深度有限，峰值电场的位置距离表面较近，仍然会有一部分电场线穿过栅极到达源极，导致金属-半导体界面的电场依旧很强，还是会使器件产生较大的漏电流，影响器件的可靠性。更重要的是，通常为了制备增强型器件而选取的栅介质材料的厚度很薄，当电场峰值从表面转移到体内沟槽时，栅介质只能够承受很小的电压，器件更容易在栅介质处发生击穿，因而EMISFET器件的击穿电压与正向导通特性受到栅介质厚度的影响，并不能完全发挥氧化镓高击穿场强的优势。另一方面，为了制造出增强型器件，需要将两个相邻的沟槽间距设置在0.35μm左右，确保在栅压为0V时，导电沟道能完全耗尽。要实现小线宽和在小线宽上继续做光刻和刻蚀，需要用昂贵电子束光刻机替代普通的i线光刻机来完成曝光工艺，这就导致增加了生产成本，同时降低了产能，不利用大规模生产。同时现有技术中终端结构单一，只能通过场限环、高阻层实现耐压。

因此需要采用新的技术方案进一步降低器件表面处的电场和减小对栅介质材料厚度的依赖性。同时还要降低器件的制造难度，以使采用较为传统的方案就能完成器件的制造。最后，氧化镓器件的终端结构还需要具备高耐压效率和占用面积小的特征，为制作高耐压、高可靠性的氧化镓场效应晶体管器件奠定基础。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供一种氧化镓场效应晶体管。该氧化镓场效应晶体管能降低半导体器件表面的电场，减少对栅介质材料厚度的依赖性；并具有耐压效率高、占用面积小的特点。

具体地，为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种氧化镓场效应晶体管，包括依次设置的漏极、氧化镓衬底、耐压层、p基极层、导电层；所述耐压层、p基极层、导电层构成三明治结构的外延层；所述外延层包括有源区、过渡区和终端区，所述过渡区位于所述有源区和所述终端区之间；所述有源区间隔设置有多个第一凹槽，至少一个所述第一凹槽的内部的底端设置有高阻层；在设置有所述高阻层的第一凹槽内沿壁设置有栅介质层，所述栅介质层内部设置有栅电极，所述栅电极上表面设置有第一层间介质；未设置所述高阻层的第一凹槽内沿壁设置有第一p型材料层；所述过渡区设置有一个第二凹槽，所述第二凹槽内沿壁设置有第二p型材料层；所述终端区间隔设置有多个第三凹槽，每个所述第三凹槽内均沿壁设置有第三p型材料层；在所述有源区的导电层的表面和所述第一层间介质表面设置有源极，所述源极两端分别与所述第一p型材料层和所述第二p型材料层连接。

在优选的实施方案中，在所述第一p型材料层表面设置有第一金属层，所述第二p型材料层表面设置有第二金属层。

在优选的实施方案中，设置有所述第一金属层的第一凹槽内部填充有第二层间介质；所述第二凹槽内部、每个所述第三凹槽内部以及所述终端区的导电层的表面均设有第三层间介质。

在优选的实施方案中，所述第二凹槽的内部的底端设置有高阻层；或/和至少一个所述第三凹槽的内部的底端设置有高阻层。

在优选的实施方案中，所述有源区中，设置有所述栅介质层的第一凹槽的深度小于设置有所述第一p型材料层的第一凹槽的深度，且小于所述第二凹槽的深度。

在优选的实施方案中，所述第三凹槽的深度≥所述导电层的厚度。

在优选的实施方案中，所述终端区包含至少一个N

本发明还提供上述任一项所述的氧化镓场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：

在氧化镓衬底上依次生长耐压层、p基极层和导电层，形成三明治结构的外延层，刻蚀所述外延层的表面，在有源区形成多个第一凹槽，过渡区形成一个第二凹槽，终端区形成多个第三凹槽；

在至少一个所述第一凹槽的内部的底端注入保护元素并回火，形成高阻层；所述保护元素为氮元素或镁元素；

在所述氧化镓衬底远离所述耐压层的一侧沉积漏极金属层，回火，得到漏极；

在设有高阻层的第一凹槽内沉积栅介质层，然后沉积导电材料制作栅电极；在所述栅电极上表面沉积第一层间介质；

在未设置所述高阻层的第一凹槽内、所述第二凹槽内和每个所述第三凹槽内沉积p型材料并图形化，分别得到第一p型材料层、第二p型材料层和第三p型材料层；

在有源区的导电层表面和所述第一层间介质的表面沉积源极金属层，并使所述源极金属层与所述第一p型材料层和所述第二p型材料层分别相连，得到源极。

在优选的实施方式中，所述氧化镓场效应晶体管的制备方法还包括以下步骤：在所述第一p型材料层表面沉积第一金属层，在所述第二p型材料表面沉积第二金属层。

在进一步优选的实施方式中，所述氧化镓场效应晶体管的制备方法还包括以下步骤：在沉积有第一金属层的第一凹槽内部沉积第二层间介质，在所述第二凹槽内部、每个所述第三凹槽内部以及所述终端区的导电层的表面分别沉积第三层间介质；所述源极金属层延伸至所述第二层间介质和第三层间介质的表面。

在优选的实施方案中，所述耐压层的厚度为5~10μm。

在优选的实施方案中，所述耐压层使用的材料为氧化镓、硅、碳化硅、氮化镓或金刚石。

在本发明的一个具体的优选的实施方式中，所述制备方法包括以下步骤：

S1、在氧化镓衬底上依次生长耐压层、p基极层和导电层；所述耐压层、p基极层和导电层构成三明治结构的外延层；所述外延层包括有源区、过渡区和终端区，所述过渡区位于所述有源区和所述终端区之间；

S2、刻蚀所述外延层的表面，在有源区形成若干个第一凹槽，在过渡区形成一个第二凹槽，在终端区形成若干个第三凹槽；

S3、在至少一个所述第一凹槽的内部的底端注入保护元素并回火，形成高阻层；

S4、在所述氧化镓衬底远离所述耐压层的一侧沉积漏极金属层，回火，得到漏极；

S5、在所述高阻层的表面及设置有所述高阻层的第一凹槽的内壁沉积栅介质层并图形化所述栅介质层；

S6、在所述栅介质层的内部沉积导电材料并图形化所述导电材料，得到栅电极；

S7、在未设置栅电极的第一凹槽的内部沿壁沉积p型材料并图形化，得到第一p型材料层；在所述第二凹槽的内部沿壁沉积p型材料并图形化，得到第二p型材料层；在所述第三凹槽的内部沿壁沉积p型材料并图形化，得到第三p型材料层；

S8、在所述第一p型材料层和所述第二p型材料层表面分别沉积第一金属层和第二金属层；

S9、在所述栅电极的上表面沉积第一层间介质；在未设置所述栅电极的第一凹槽的内部沉积第二层间介质；在所述第二凹槽的内部、每个所述第三凹槽内部以及所述终端区的导电层的表面分别沉积第三层间介质，使过渡区和终端区的第三层间介质连成一个整体；分别对第一层间介质、第二层间介质和第三层间介质进行图形化；

S10、在所述有源区的导电层的表面和所述第一层间介质的表面沉积源极金属层并图形化、回火，所述源极金属层延伸至所述第二层间介质和所述第三层间介质的表面，得到源极。在进一步优选的实施方案中，步骤S3还包括在所述第二凹槽的内部的底端注入保护元素并回火，形成高阻层。

在进一步优选的实施方案中，步骤S3还包括在至少一个所述第三凹槽的内部的底端注入保护元素并回火，形成高阻层。

在进一步优选的实施方案中，步骤S3还包括在所述终端区的任意两个不相邻的第三凹槽之间或所述终端区未设置有第三凹槽的尾部形成光刻窗口，然后通过离子注入机注入硅元素并激活，形成N

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明中将在氧化镓衬底上生长的三明治结构的外延层作为器件加工基础，该三明治结构的外延层由耐压层、p基极层（pbase层）和导电层组成。其中，耐压层和导电层都是N型半导体，且导电层的掺杂浓度远高于耐压层的掺杂浓度，p基极层是在外延生长过程中将Mg和N元素作为杂质共同掺入到外延层中形成的，其具有弱p型半导体性质。在有源区和终端区分别刻蚀外延层形成多个第一凹槽和多个第三凹槽，其中有源区的第一凹槽形成沟槽MOSFET，并有保护元素（N或Mg）注入形成的高阻层与第一p型材料层沉积形成的异质结保护第一凹槽的底部不受反向电场的影响，同时减小源极、漏极反向电流。终端区的第三凹槽与p基极层构成了复合终端结构，通过往终端区的第三凹槽中沉积第三p型材料层并图形化，使得当第三凹槽中的第三p型材料层与p基极层相连时，第三p型材料层构成的场限环终端起到耐压作用，其通过与p基极层相连，使得原本场限环边缘较集中的电场通过p基极层得到分散，从而避免了某一处的电场集中，整体上增大了器件耐压的性能；当第三凹槽中的第三p型材料层与p基极层不相连时，p基极层首先承受高压出现耗尽层，当承受的高压将p基极层耗尽时，会出现导电层的耗尽，当导电层也耗尽后，就形成了表面强大的电场，烧毁器件，所以需要在导电层增加p型材料作为电场的截止层（即第三p型材料层），使得电场集中于p型材料上，减小器件表面的电场。在栅压为0V时，器件具有常关性能，因有源区内有高阻层与异质结屏蔽作用，第一凹槽的间距可以变大，使用常规光刻机就能完成第一凹槽图形的光刻，最终可制作出高耐压、面积小的氧化镓场效应晶体管。因此，本发明提供的氧化镓场效应晶体管的结构既可以提高器件的耐压效率，又可以减小芯片面积。

附图说明

图1为实施例1中氧化镓场效应晶体管的结构示意图；

图2为实施例2中氧化镓场效应晶体管的制备方法的第一步制备得到的三明治结构的外延层的示意图；

图3为实施例2中氧化镓场效应晶体管的制备方法的第二步制备得到的结构的示意图；

图4为实施例2中氧化镓场效应晶体管的制备方法的第三步制备得到的结构的示意图；

图5为实施例2中氧化镓场效应晶体管的制备方法的第四步制备得到的结构的示意图；

图6为实施例2中氧化镓场效应晶体管的制备方法的第五步制备得到的结构的示意图；

图7为实施例2中氧化镓场效应晶体管的制备方法的第六步制备得到的结构的示意图；

图8为实施例2中氧化镓场效应晶体管的制备方法的第七步制备得到的结构的示意图；

图9为实施例2中氧化镓场效应晶体管的制备方法的第八步制备得到的结构的示意图；

图10为实施例2中氧化镓场效应晶体管的制备方法的第九步制备得到的结构的示意图；

图11为实施例2中氧化镓场效应晶体管的制备方法的第十步制备得到的氧化镓场效应晶体管的结构示意图；

图12为实施例3中氧化镓场效应晶体管的结构示意图；

图13为实施例4中氧化镓场效应晶体管的结构示意图；

图14为实施例5中氧化镓场效应晶体管的结构示意图；

图15为实施例6中氧化镓场效应晶体管的结构示意图；

图16为实施例7中氧化镓场效应晶体管的结构示意图；

图17为实施例8中氧化镓场效应晶体管的结构示意图；

图18为实施例9中氧化镓场效应晶体管的结构示意图。

图中：1、氧化镓衬底；2、耐压层；3、p基极层；4、导电层；5、高阻层；6、漏极；7、栅介质层；8、栅电极；91、第一p型材料层；92、第二p型材料层；93、第三p型材料层；101、第一金属层；102、第二金属层；111、第一层间介质；112、第二层间介质；113、第三层间介质；12、源极；13、N

具体实施方式

以下内容结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域技术人员能够充分地理解本发明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分优选的实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下，对以下实施方式所作的任何等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

以下实施例中未详细说明的方法均为本领域技术人员所熟知的常规方法。例如，刻蚀外延层采用ICP刻蚀机通入BCl

本发明中术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的以区别类似的对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

实施例1

如图1所示，图1为本实施例的氧化镓场效应晶体管的结构示意图。该氧化镓场效应晶体管包括依次设置的漏极6、氧化镓衬底1、耐压层2、p基极层3、导电层4；所述耐压层2、p基极层3、导电层4构成三明治结构的外延层。所述外延层包括有源区A、过渡区B和终端区C，所述过渡区B位于所述有源区A和所述终端区C之间。所述有源区A间隔设置有多个第一凹槽，至少一个所述第一凹槽的内部的底端设置有高阻层5。未设置所述高阻层5的第一凹槽内沿壁设置有第一p型材料层91；设置有所述高阻层5的第一凹槽内沿壁设置有栅介质层7，所述栅介质层7的内部设置有栅电极8，所述栅电极8的上表面设置有第一层间介质111。所述过渡区B设置有一个第二凹槽，所述第二凹槽内沿壁设置有第二p型材料层92。所述终端区C间隔设置有多个第三凹槽，每个所述第三凹槽内均沿壁设置有第三p型材料层93。在所述有源区A的导电层4的表面和所述第一层间介质111表面设置有源极12，所述源极12的两端分别与所述第一p型材料层91和所述第二p型材料层92连接。

位于有源区A的第一凹槽形成沟槽MOSFET，并有高阻层5与第一p型材料层91沉积形成的异质结保护第一凹槽的底部不受反向电场的影响，同时减小源极、漏极反向电流。终端区C的第三凹槽与p基极层3构成了复合终端结构，通过往终端区C的第三凹槽中沉积第三p型材料层93并图形化，使得当第三凹槽中的第三p型材料层93与p基极层3相连时，第三p型材料层93构成的场限环终端起到耐压作用，其通过与p基极层3相连，使得原本场限环边缘较集中的电场通过p基极层3得到分散，从而避免了某一处的电场集中，整体上增大了器件耐压的性能。该复合终端结构能达到既提高器件耐压效率也减小芯片面积的目的。

图1中氧化镓场效应晶体管的制备方法包括以下步骤：

（1）在氧化镓衬底1上依次生长耐压层2、p基极层3和导电层4，形成三明治结构的外延层。该外延层包括有源区A、过渡区B和终端区C，过渡区B位于有源区A和终端区C之间。刻蚀所述外延层的表面，在有源区形成多个第一凹槽，过渡区形成一个第二凹槽，终端区形成多个第三凹槽。所述耐压层2的材料为氮化镓，厚度为5μm。

（2）在其中一个第一凹槽的内部的底端注入镁元素并回火，形成高阻层5；在高阻层5的表面和该第一凹槽的内壁沉积栅介质（例如Al

（3）在所述氧化镓衬底1远离所述耐压层2的一侧沉积漏极金属层（例如Ti/Au合金层），回火，得到漏极6。

（4）在未设置高阻层5的第一凹槽内部、第二凹槽内部、每个第三凹槽内部均沉积p型材料（例如NiO）并图形化，分别得到第一p型材料层91、第二p型材料层92和第三p型材料层93。

（5）在有源区A的导电层4的表面和所述第一层间介质111的表面沉积源极金属层（例如Ti/Al/Pt合金层），并使所述源极金属层与所述第一p型材料层91和所述第二p型材料层92分别相连，得到源极12。至此，制备成图1中完整的氧化镓场效应晶体管。

实施例2

如图11所示，本实施例提供一种氧化镓场效应晶体管，其包括依次设置的漏极6、氧化镓衬底1、耐压层2、p基极层3、导电层4；所述耐压层2、p基极层3、导电层4构成三明治结构的外延层。所述外延层包括有源区A、过渡区B和终端区C，所述过渡区B位于所述有源区A和所述终端区C之间。所述有源区A设置有若干个第一凹槽，所述过渡区B设置有一个第二凹槽，所述终端区C设置有若干个第三凹槽。至少一个第一凹槽的内部的底端设置有高阻层5，且在该设置有高阻层5的第一凹槽的内部沿壁设置有栅介质层7；在该栅介质层7的内部填充有栅电极8；在栅电极8的上表面沉积有第一层间介质111，且该第一层间介质111延伸至该设有高阻层5的第一凹槽的周围，与导电层4相接触。在未设置栅电极8的第一凹槽内的底部和侧壁均设置有第一p型材料层91，在所述第一p型材料层91的表面设置有第一金属层101，在第一金属层101内部填充有第二层间介质112。所述第二凹槽内的底部和侧壁均设置有第二p型材料层92，在所述第二p型材料层92的表面设置有第二金属层102。每个所述第三凹槽内沿壁设置有第三p型材料层93。在所述第二凹槽内部、每个所述第三凹槽内部、终端区C的导电层的表面沉积有连成一个整体的第三层间介质113。所述有源区A的导电层4的表面和所述第一层间介质111的表面设置有源极12，所述源极12分别向两边延伸至所述第二层间介质112和所述第三层间介质113的表面。

如图2~11所示，所述氧化镓场效应晶体管的制备方法包括以下步骤：

S1、在氧化镓衬底1上依次生长耐压层2、p基极层3和导电层4，耐压层2、p基极层3和导电层4构成三明治结构的外延层（图2）。耐压层2为通过HPVE（卤化物气相外延）方法生长的氧化镓层，其厚度为10μm。

S2、刻蚀外延层的表面，在有源区A形成若干个第一凹槽，在过渡区B形成一个第二凹槽，在终端区C形成若干个第三凹槽（图3）。

S3、向其中一个第一凹槽的内部的底端注入氮元素并回火，形成高阻层5（图4）。高阻层5作为第一凹槽底部的保护层。

S4、在氧化镓衬底1远离耐压层2的一侧沉积漏极金属层（如Ti/Au合金层）并回火，使漏极金属层与氧化镓衬底1形成欧姆接触，得到漏极6（图5）。

S5、在高阻层5的表面和沉积有高阻层5的第一凹槽的内壁上采用原子层沉积方法（ALD）沉积Al

S6、在栅介质层7的内部沉积导电材料（多晶硅）并图形化（图7），作为栅电极8。

S7、采用磁控溅射法在未设置栅电极的第一凹槽的内部、第二凹槽的内部和第三凹槽的内部均沿壁沉积p型材料NiO并图形化，分别形成第一p型材料层91、第二p型材料层92和第三p型材料层93（图8）。第三凹槽的深度从导电层4一直延伸至耐压层2，中间贯穿p基极层，使第一p型材料层91、第二p型材料层92和第三p型材料层93均与耐压层2的氧化镓形成异质结，有源区A内的第一p型材料层91与p基极层3相连，同时终端区C内的第三p型材料层93也与p基极层3相连。

S8、在第一p型材料层91和第二p型材料层92的内部沿壁分别沉积金属Ni，得到第一金属层101和第二金属层102（图9），使第一金属层101与第一p型材料层91形成欧姆接触，第二金属层102与第二p型材料层92形成欧姆接触。

S9、在栅电极8的上表面沉积第一层间介质111；在未设置栅电极8的第一凹槽的内部沉积第二层间介质112；在所述第二凹槽的内部、每个所述第三凹槽内部以及终端区C的导电层4的表面分别沉积第三层间介质113，使过渡区B和终端区C的第三层间介质113连成一个整体（图10）。分别对第一层间介质、第二层间介质和第三层间介质进行图形化。

S10、在有源区A的导电层4的表面和第一层间介质111的表面沉积源极金属层（如Ti/Al/Pt合金层）并图形化，回火，使源极金属层与导电层4形成欧姆接触，且源极金属层分别向两边延伸至第二层间介质112和第三层间介质113的表面，得到源极12。至此，制备成完整的氧化镓场效应晶体管（图11）。

实施例3

如图12所示，本实施例提供一种氧化镓场效应晶体管，其结构与实施例2的区别在于：所述第二凹槽的内部的底端也设置有高阻层5。

本实施例中制备氧化镓场效应晶体管的方法与实施例2相同。

实施例4

如图13所示，本实施例提供一种氧化镓场效应晶体管，其结构与实施例2的区别在于：所述第二凹槽的内部的底端也沉积有高阻层5，至少一个所述第三凹槽的内部的底端也沉积有高阻层5。

本实施例中制备氧化镓场效应晶体管的方法与实施例2相同。

实施例5

如图14所示，本实施例提供一种氧化镓场效应晶体管，其结构与实施例2的区别在于：多个所述第三凹槽的内部的底端沉积有高阻层5。

本实施例中制备氧化镓场效应晶体管的方法与实施例2相同。

实施例6

如图15所示，本实施例提供一种氧化镓场效应晶体管，其结构与实施例2的区别在于：位于有源区A的设置有栅电极8的第一凹槽的深度小于未设置栅电极的第一凹槽（设置有第一p型材料层91）的深度，同时还小于第二凹槽的深度；多个所述第三凹槽的内部的底端沉积有高阻层5。

本实施例中制备氧化镓场效应晶体管的方法与实施例2相同。

实施例7

如图16所示，本实施例提供一种氧化镓场效应晶体管，其结构与实施例2的区别在于：位于终端区C的第三凹槽的深度等于导电层4的厚度，使得第三p型材料层93刚好与p基极层3相连。

本实施例中制备氧化镓场效应晶体管的方法与实施例2相同。

实施例8

如图17所示，本实施例提供一种氧化镓场效应晶体管，其结构与实施例2的区别在于：位于终端区C的第三凹槽的深度小于导电层4的厚度，使得第三p型材料层93不与p基极层3相连。

本实施例中制备氧化镓场效应晶体管的方法与实施例2相同。

实施例9

如图18所示，本实施例提供一种氧化镓场效应晶体管，其结构与实施例2的区别在于：在终端区C还设置有至少一个N

本实施例中制备氧化镓场效应晶体管的方法与实施例2基本相同，不同之处在于，步骤S3还包括以下步骤：

采用光刻工艺在终端区C的任意两个不相邻的第三凹槽之间或终端区C的未设置有第三凹槽的尾部形成光刻窗口，然后通过离子注入机注入硅元素，注入浓度为1×10

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。对于任何熟悉本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。任何依据本发明申请保护范围及说明书内容所作的简单的等效变化和修饰，均应包含在本发明的保护范围之内。