CN105870190A - 一种具有双高栅的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于场效应晶体管技术领域,特别公开了一种具有双高栅的4H‑SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法;目的在于提供一种能够提高场效应晶体管的输出电流和击穿电压,改善频率特性的具有双高栅的4H‑SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法。采用的技术方案为:对4H‑SiC半绝缘衬底进行清洗;外延生长SiC层并原位掺杂乙硼烷形成P缓冲层;P缓冲层上外延生长SiC层并原位掺杂形成N型沟道层;N型沟道层外延生长SiC层并原位掺杂形成N+帽层;N+帽层上制作隔离区和有源区;制作源电极和漏电极;对源电极和漏电极之间的N+型帽层和沟道进行光刻、刻蚀,形成的双高栅区域;制作栅电极;制作电极压焊点,完成器件的制作。
Description
技术领域
本发明属于场效应晶体管技术领域,特别是一种具有双高栅的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法。
背景技术
SiC由于其突出的材料和电学特性,如,大的禁带宽度、高的饱和电子迁移速度、高击穿电场、高热导率等,使其在高频高功率器件应用中,尤其是高温、高压、航天、卫星等严苛环境下的高频高功率器件应用中具有很大的潜力。SiC在微波功率器件,尤其是金属半导体场效应晶体管(MESFET)的应用中占有主要地位。
目前,大多数文献致力于双凹陷4H-SiC MESFET结构的研究及在此结构的基础上进行改进。该结构从下至上由4H-SiC半绝缘衬底、P型缓冲层、N型沟道层和N+帽层堆叠而成,以该堆叠层为基础,刻蚀N+帽层后形成凹陷的N型沟道层,栅的源侧一半长度向N型沟道层内凹陷形成凹栅结构,凹陷的N型沟道层可通过反应离子刻蚀RIE技术完成。
虽然上述双凹陷结构4H-SiC MESFET的击穿电压因栅的源侧一半长度向N型沟道层内凹陷而增加,但饱和漏电流却没有得到实质性提升。饱和漏电流和击穿电压都是衡量4H-SiC MESFET器件性能的重要指标。这两个参数需要兼顾,然而,在已有的对4H-SiCMESFET几何形状的改进对器件饱和漏电流和击穿电压的提升是有限的。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足,提出一种使输出电流和击穿电压都提高的具有双高栅的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法。
为实现上述目的,本发明公开了如下技术方案:
一种具有双高栅的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法,包括如下步骤:
步骤1)对4H-SiC半绝缘衬底(1)进行清洗,以去除衬底表面污物;
步骤2)在4H-SiC半绝缘衬底上外延生长0.5μm厚的SiC层,同时经乙硼烷B2H6原位掺杂,形成浓度为1.4×1015cm-3的P缓冲层(2);
步骤3)在P缓冲层(2)上外延生长0.35μm厚的SiC层,同时经N2原位掺杂,形成浓度为3×1017cm-3的N型沟道层(3);
步骤4)在N型沟道层(3)上外延生长0.2μm厚的SiC层,同时经N2原位掺杂,形成浓度为1.0×1020cm-3的N+型帽层;
步骤5)在N+型帽层上依次进行光刻和隔离注入,形成隔离区和有源区;
步骤6)对有源区依次进行源漏光刻、磁控溅射、金属剥离和高温合金,形成0.5μm长的源电极(6)和漏电极(7);
步骤7)对源电极(6)和漏电极(7)之间的N+型帽层进行光刻、刻蚀,刻蚀深度为0.2μm;
步骤8)在沟道上方对沟道光刻、刻蚀出以源极帽层(4)和漏极帽层(5)内侧为起点长度分别为0.5μm和1μm,深度为0.1μm的左沟道凹陷区(8)和右沟道凹陷区(9),距源极帽层内侧0.675μm处刻蚀出长度为0.35μm,深度为0.1μm的中间沟道凹陷区(11);
步骤9)在沟道上方且靠近源极帽层(4)一侧的沟道进行光刻、磁控溅射和金属剥离,形成0.7μm长的栅电极(10);
步骤10)对所形成的4H-SiC金属半导体场效应晶体管表面进行钝化、反刻,形成电极压焊点,完成器件的制作。
进一步的,所述步骤1)中的具体清洗过程为:
(1)用蘸有甲醇的棉球将衬底仔细清洗两、三次,以除去表面各种尺寸的SiC颗粒;
(2)将4H-SiC半绝缘衬底(1)在H2SO4:HNO3=1:1中超声5分钟;
(3)将4H-SiC半绝缘衬底(1)在1#清洗液中煮沸5分钟,1#清洗液为NaOH:H2O2:H2O=1:2:5,然后去离子水冲洗5分钟后再放入2#清洗液中煮沸5分钟,2#清洗液为HCl:H2O2:H2O=1:2:7,最后用去离子水冲洗干净并用N2吹干备用。
进一步的,所述步骤2)中P缓冲层(2)的具体制备过程为:将4H-SiC半绝缘衬底(1)放入生长室中,然后向生长室中通入流量为20ml/min的硅烷、10ml/min的丙烷和80l/min的高纯氢气,同时通入2ml/min的B2H6,B2H6在H2中稀释到5%,生长温度为1550℃,压强为105Pa,持续6min,完成掺杂浓度和厚度分别为1.4×1015cm-3和0.5μm的P缓冲层(2)制作。
进一步的,所述步骤3)中N型沟道层(3)的具体制备过程为:将4H-SiC外延片放入生长室,向生长室中通入流量为20ml/min的硅烷、10ml/min的丙烷和80l/min的高纯氢气,同时通入2ml/min的N2,生长温度为1550℃,压强为105Pa,持续5min,完成掺杂浓度和厚度分别为3×1017cm-3和0.35μm的N型沟道层(3)制作。
进一步的,所述步骤4)中N+帽层的具体制备过程为:将4H-SiC外延片放入生长室,向生长室中通入流量为20ml/min的硅烷、10ml/min的丙烷和80l/min的高纯氢气,同时通入20ml/min的N2,生长温度为1550℃,压强为105Pa,持续2min,制作掺杂浓度和厚度分别为1.0×1020cm-3和0.2μm的N+帽层。
进一步的,所述步骤5)中有源区和隔离区的具体制备过程为:
(1)采用正性光刻胶,涂胶速度:3000R/min,胶厚>2μm保证在后续隔离注入时能够起到良好的阻挡作用;
(2)涂胶完成后在90℃烘箱中前烘90秒,采用隔离注入光刻板进行35秒紫外曝光后在专用显影液(四甲基氢氧化氨:水=1:3)中显影60秒,露出4H-SiC,然后在100℃烘箱中后烘3分钟;
(3)进行两次硼离子注入,注入条件为130keV/6×1012cm-2,50keV/2×1012cm-2。注入完成后用丙酮+超声去胶,再用等离子去胶3分钟,完成有源区以外的隔离注入;
(4)将上述4H-SiC外延片置于1600℃感应加热炉退火10分钟激活杂质,Ar气流量为20ml/min。
进一步的,所述步骤6)中源电极(6)和漏电极(7)的具体制备过程为:
(1)光刻掩蔽胶采用PMMA+AZ1400双层胶,要求胶厚>1.2μm,片子处理干净后先涂PMMA胶,速度为4000R/min,胶厚0.5μm,然后在200℃烘箱中前烘120秒,取出后再涂AZ1400胶0.8μm;
(2)在90℃烘箱中前烘90秒,采用源漏光刻板进行15秒紫外曝光后用专用显影液显影50秒去掉AZ1400胶,显影液为四甲基氢氧化氨:水=1:4,然后对PMMA胶进行泛曝光,再用甲苯显影3分钟,然后在100℃烘箱中后烘3分钟,完成源漏区金属化窗口;
(3)采用多靶磁控溅射台,室温溅射150nm的Ni、150nm的Ti和300nm的Au多层金属作为源漏欧姆接触金属,其中工作真空2.5×10-3Pa,Ar流量40sccm;
(4)溅射完成后将片子放入150℃Buty专用剥离液中,待金属脱落后再移入130℃Buty剥离液中,等温度降到80℃以下时,再将片子移入丙酮中,取出片子并用氮气吹干,最后等离子去胶2分钟;
(5)将片子放入快速合金炉内,在氮氢气氛保护下,N2:H2=9:1,快速升温,970℃/1min,到合金温度合金10分钟,形成源电极(6)和漏电极(7)。
进一步的,所述步骤7)中对源电极(6)和漏电极(7)之间的N+帽层光刻、刻蚀,具体过程为:
(1)采用正性光刻胶,涂胶速度:3000R/min,胶厚>2nm保证在后续刻蚀时胶的刻蚀掩蔽作用;
(2)涂胶完成后在90℃烘箱中前烘90秒,采用凹陷沟道光刻板进行35秒紫外曝光后在专用显影液中显影60秒,然后在100℃烘箱中后烘3分钟,专用显影液的配方比为四甲基氢氧化氨:水=1:3;
(3)采用ICP感应耦合等离子体刻蚀系统进行N+刻蚀,刻蚀条件为刻蚀功率375W、偏置功率60W、工作压力9Pa,刻蚀气体选择流量为32sccm CF4和流量为8sccm Ar,刻蚀厚度为0.2μm,刻蚀后用丙酮+超声去除刻蚀掩蔽胶。
进一步的,所述步骤8)中左沟道凹陷区(8)、右沟道凹陷区(9)和中间沟道凹陷区(11)的具体制作过程为:
(1)采用正性光刻胶,涂胶速度:3000R/min,胶厚>2nm保证在后续刻蚀时胶的刻蚀掩蔽作用;
(2)涂胶完成后在90℃烘箱中前烘90秒,采用凹陷沟道光刻板进行35秒紫外曝光后在专用显影液中显影60秒,然后在100℃烘箱中后烘3分钟,专用显影液的配方比为四甲基氢氧化氨:水=1:3;
(3)采用ICP感应耦合等离子体刻蚀系统进行N+刻蚀,刻蚀条件为刻蚀功率375W、偏置功率60W、工作压力9Pa,刻蚀气体选择流量为32sccm CF4和流量为8sccm Ar,刻蚀后形成长度为0.175μm、高度为0.1μm的左高栅区域(13)、右高栅区域(12),刻蚀后用丙酮+超声去除刻蚀掩蔽胶。
进一步的,所述步骤9)中栅电极(10)具体制作过程为:
(1)光刻掩蔽胶采用PMMA+AZ1400双层胶,要求胶厚>1.2nm,片子处理干净后先涂PMMA胶,速度为4000R/min,胶厚0.5nm,然后在200℃烘箱中前烘120秒,取出后再涂AZ1400胶厚0.8nm;
(2)在90℃烘箱中前烘90秒,采用栅光刻板进行15秒紫外曝光后用专用显影液显影50秒去掉AZ1400胶,显影液为四甲基氢氧化氨:水=1:4,然后对PMMA胶进行泛曝光,再用甲苯显影3分钟,然后在100℃烘箱中后烘3分钟;
(3)采用多靶磁控溅射台,依次室温溅射厚度为150nm的Ni、150nm的Ti和300nm的Au多层金属作为源漏欧姆接触金属,其中工作真空2.5×10-3Pa,Ar流量40sccm,溅射过程中将片子加热到150℃;
(4)溅射完成后将片子放入150℃Buty专用剥离液中,待金属脱落后再移入130℃Buty剥离液中,等温度降到80℃以下时,再将片子移入丙酮中,最后取出片子并用小流量氮气慢慢吹干,最后用等离子去胶3分钟,完成栅电极(10)的制作。
进一步的,所述步骤10)中电极压焊点、完成器件制作的具体过程为:
(1)在300℃下,向反应室中同时通入流量为300sccm的SiH4、323sccm的NH3和330sccm的N2,通过等离子体增强化学气相淀积工艺,在表面淀积0.5μm厚的Si3N4层作为钝化介质层;
(2)钝化光刻采用正性光刻胶,涂胶速度3000R/mins,要求胶厚>2μm,涂胶完成后在90℃烘箱中前烘90秒,然后采用反刻光刻板进行35秒紫外曝光,用专用显影液显影60秒,显影液为四甲基氢氧化氨:水=1:3,最后在100℃烘箱中后烘3分钟;
(3)Si3N4刻蚀采用RIE工艺,刻蚀气体选择流量为50sccm CHF3和流量为5sccm Ar,完成后再进行3分钟等离子体去胶,露出金属,形成源、漏和栅电极压焊点,完成整个器件的制作。
本发明公开的一种具有双高栅的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法,具有以下有益效果:
本发明脱离传统的大规模制备工艺流程,仅采用光刻,同时结合传统的蒸镀、溅控溅射的方法,得到器件,整个工艺过程简单。另外本发明通过增加左高栅区域和右高栅区域,使漏极电流提高、击穿电压增大,频率特性加以改善。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
如图所示:1为4H-SiC半绝缘衬底,2为P缓冲层,3为N型沟道层,4为源极帽层,5为漏极帽层,6为源电极,7为漏电极,8为左沟道凹陷区,9为右沟道凹陷区,11为中间沟道凹陷区,10为栅电极,13为左高栅区域,12为右高栅区域。
具体实施方式
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。
请参见图1。图1为本发明的结构示意图。一种具有双高栅的4H-SiC金属半导体场效应晶体管,自下而上设置有:4H‐SiC半绝缘衬底1,P缓冲层2,N型沟道层3,N型沟道层3的两侧分别为源极帽层4和漏极帽层5,源极帽层4和漏极帽层5表面分别是源电极6和漏电极7,N型沟道层3上方且靠近源极帽层的一侧设置栅电极10,栅电极10在N型沟道3左侧、右侧、中间分别形成左沟道凹陷区8、右沟道凹陷区9、中间沟道凹陷区11。所述左侧沟道凹陷区8、右侧沟道凹陷区9、中间沟道凹陷区11的深度为0.1μm,左侧沟道凹陷区的宽度为0.5μm,右侧沟道凹陷区的宽度为1μm,中间沟道凹陷区的宽度为0.35μm。所述沟道表面和栅电极10之间形成左高栅区域13和右高栅区域12。
一种具有双高栅的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法,包括如下步骤:
步骤1)对4H-SiC半绝缘衬底1进行清洗,以去除衬底表面污物;
步骤2)在4H-SiC半绝缘衬底上外延生长0.5μm厚的SiC层,同时经乙硼烷B2H6原位掺杂,形成浓度为1.4×1015cm-3的P缓冲层2;
步骤3)在P缓冲层2上外延生长0.35μm厚的SiC层,同时经N2原位掺杂,形成浓度为3×1017cm-3的N型沟道层3;
步骤4)在N型沟道层3上外延生长0.2μm厚的SiC层,同时经N2原位掺杂,形成浓度为1.0×1020cm-3的N+型帽层;
步骤5)在N+型帽层上依次进行光刻和隔离注入,形成隔离区和有源区;
步骤6)对有源区依次进行源漏光刻、磁控溅射、金属剥离和高温合金,形成0.5μm长的源电极6和漏电极7;
步骤7)对源电极6和漏电极7之间的N+型帽层进行光刻、刻蚀,刻蚀深度为0.2μm;
步骤8)在沟道上方对沟道光刻、刻蚀出以源极帽层4和漏极帽层5内侧为起点长度分别为0.5μm和1μm,深度为0.1μm的左沟道凹陷区8和右沟道凹陷区9,距源极帽层内侧0.675μm处刻蚀出长度为0.35μm,深度为0.1μm的中间沟道凹陷区11;
步骤9)在沟道上方且靠近源极帽层4一侧的沟道进行光刻、磁控溅射和金属剥离,形成0.7μm长的栅电极10;
步骤10)对所形成的4H-SiC金属半导体场效应晶体管表面进行钝化、反刻,形成电极压焊点,完成器件的制作。
进一步的,所述步骤1)中的具体清洗过程为:
(1)用蘸有甲醇的棉球将衬底仔细清洗两、三次,以除去表面各种尺寸的SiC颗粒;
(2)将4H-SiC半绝缘衬底1在H2SO4:HNO3=1:1中超声5分钟;
(3)将4H-SiC半绝缘衬底1在1#清洗液中煮沸5分钟,1#清洗液为NaOH:H2O2:H2O=1:2:5,然后去离子水冲洗5分钟后再放入2#清洗液中煮沸5分钟,2#清洗液为HCl:H2O2:H2O=1:2:7,最后用去离子水冲洗干净并用N2吹干备用。
进一步的,所述步骤2)中P缓冲层2的具体制备过程为:将4H-SiC半绝缘衬底1放入生长室中,然后向生长室中通入流量为20ml/min的硅烷、10ml/min的丙烷和80l/min的高纯氢气,同时通入2ml/min的B2H6,B2H6在H2中稀释到5%,生长温度为1550℃,压强为105Pa,持续6min,完成掺杂浓度和厚度分别为1.4×1015cm-3和0.5μm的P缓冲层2制作。
进一步的,所述步骤3)中N型沟道层3的具体制备过程为:将4H-SiC外延片放入生长室,向生长室中通入流量为20ml/min的硅烷、10ml/min的丙烷和80l/min的高纯氢气,同时通入2ml/min的N2,生长温度为1550℃,压强为105Pa,持续5min,完成掺杂浓度和厚度分别为3×1017cm-3和0.35μm的N型沟道层3制作。
进一步的,所述步骤4)中N+帽层的具体制备过程为:将4H-SiC外延片放入生长室,向生长室中通入流量为20ml/min的硅烷、10ml/min的丙烷和80l/min的高纯氢气,同时通入20ml/min的N2,生长温度为1550℃,压强为105Pa,持续2min,制作掺杂浓度和厚度分别为1.0×1020cm-3和0.2μm的N+帽层。
进一步的,所述步骤5)中有源区和隔离区的具体制备过程为:
(1)采用正性光刻胶,涂胶速度:3000R/min,胶厚>2μm保证在后续隔离注入时能够起到良好的阻挡作用;
(2)涂胶完成后在90℃烘箱中前烘90秒,采用隔离注入光刻板进行35秒紫外曝光后在专用显影液(四甲基氢氧化氨:水=1:3)中显影60秒,露出4H-SiC,然后在100℃烘箱中后烘3分钟;
(3)进行两次硼离子注入,注入条件为130keV/6×1012cm-2,50keV/2×1012cm-2。注入完成后用丙酮+超声去胶,再用等离子去胶3分钟,完成有源区以外的隔离注入;
(4)将上述4H-SiC外延片置于1600℃感应加热炉退火10分钟激活杂质,Ar气流量为20ml/min。
进一步的,所述步骤6)中源电极6和漏电极7的具体制备过程为:
(1)光刻掩蔽胶采用PMMA+AZ1400双层胶,要求胶厚>1.2μm,片子处理干净后先涂PMMA胶,速度为4000R/min,胶厚0.5μm,然后在200℃烘箱中前烘120秒,取出后再涂AZ1400胶0.8μm;
(2)在90℃烘箱中前烘90秒,采用源漏光刻板进行15秒紫外曝光后用专用显影液显影50秒去掉AZ1400胶,显影液为四甲基氢氧化氨:水=1:4,然后对PMMA胶进行泛曝光,再用甲苯显影3分钟,然后在100℃烘箱中后烘3分钟,完成源漏区金属化窗口;
(3)采用多靶磁控溅射台,室温溅射150nm的Ni、150nm的Ti和300nm的Au多层金属作为源漏欧姆接触金属,其中工作真空2.5×10-3Pa,Ar流量40sccm;
(4)溅射完成后将片子放入150℃Buty专用剥离液中,待金属脱落后再移入130℃Buty剥离液中,等温度降到80℃以下时,再将片子移入丙酮中,取出片子并用氮气吹干,最后等离子去胶2分钟;
(5)将片子放入快速合金炉内,在氮氢气氛保护下,N2:H2=9:1,快速升温,970℃/1min,到合金温度合金10分钟,形成源电极6和漏电极7。
进一步的,所述步骤7)中对源电极6和漏电极7之间的N+帽层光刻、刻蚀,具体过程为:
(1)采用正性光刻胶,涂胶速度:3000R/min,胶厚>2nm保证在后续刻蚀时胶的刻蚀掩蔽作用;
(2)涂胶完成后在90℃烘箱中前烘90秒,采用凹陷沟道光刻板进行35秒紫外曝光后在专用显影液中显影60秒,然后在100℃烘箱中后烘3分钟,专用显影液的配方比为四甲基氢氧化氨:水=1:3;
(3)采用ICP感应耦合等离子体刻蚀系统进行N+刻蚀,刻蚀条件为刻蚀功率375W、偏置功率60W、工作压力9Pa,刻蚀气体选择流量为32sccm CF4和流量为8sccm Ar,刻蚀厚度为0.2μm,刻蚀后用丙酮+超声去除刻蚀掩蔽胶。
进一步的,所述步骤8)中左沟道凹陷区8、右沟道凹陷区9和中间沟道凹陷区11的具体制作过程为:
(1)采用正性光刻胶,涂胶速度:3000R/min,胶厚>2nm保证在后续刻蚀时胶的刻蚀掩蔽作用;
(2)涂胶完成后在90℃烘箱中前烘90秒,采用凹陷沟道光刻板进行35秒紫外曝光后在专用显影液中显影60秒,然后在100℃烘箱中后烘3分钟,专用显影液的配方比为四甲基氢氧化氨:水=1:3;
(3)采用ICP感应耦合等离子体刻蚀系统进行N+刻蚀,刻蚀条件为刻蚀功率375W、偏置功率60W、工作压力9Pa,刻蚀气体选择流量为32sccm CF4和流量为8sccm Ar,刻蚀后形成长度为0.175μm、高度为0.1μm的左高栅区域13、右高栅区域12,刻蚀后用丙酮+超声去除刻蚀掩蔽胶。
进一步的,所述步骤9)中栅电极10具体制作过程为:
(1)光刻掩蔽胶采用PMMA+AZ1400双层胶,要求胶厚>1.2nm,片子处理干净后先涂PMMA胶,速度为4000R/min,胶厚0.5nm,然后在200℃烘箱中前烘120秒,取出后再涂AZ1400胶厚0.8nm;
(2)在90℃烘箱中前烘90秒,采用栅光刻板进行15秒紫外曝光后用专用显影液显影50秒去掉AZ1400胶,显影液为四甲基氢氧化氨:水=1:4,然后对PMMA胶进行泛曝光,再用甲苯显影3分钟,然后在100℃烘箱中后烘3分钟;
(3)采用多靶磁控溅射台,依次室温溅射厚度为150nm的Ni、150nm的Ti和300nm的Au多层金属作为源漏欧姆接触金属,其中工作真空2.5×10-3Pa,Ar流量40sccm,溅射过程中将片子加热到150℃;
(4)溅射完成后将片子放入150℃Buty专用剥离液中,待金属脱落后再移入130℃Buty剥离液中,等温度降到80℃以下时,再将片子移入丙酮中,最后取出片子并用小流量氮气慢慢吹干,最后用等离子去胶3分钟,完成栅电极10的制作。
进一步的,所述步骤10)中电极压焊点、完成器件制作的具体过程为:
(1)在300℃下,向反应室中同时通入流量为300sccm的SiH4、323sccm的NH3和330sccm的N2,通过等离子体增强化学气相淀积工艺,在表面淀积0.5μm厚的Si3N4层作为钝化介质层;
(2)钝化光刻采用正性光刻胶,涂胶速度3000R/mins,要求胶厚>2μm,涂胶完成后在90℃烘箱中前烘90秒,然后采用反刻光刻板进行35秒紫外曝光,用专用显影液显影60秒,显影液为四甲基氢氧化氨:水=1:3,最后在100℃烘箱中后烘3分钟;
(3)Si3N4刻蚀采用RIE工艺,刻蚀气体选择流量为50sccm CHF3和流量为5sccm Ar,完成后再进行3分钟等离子体去胶,露出金属,形成源、漏和栅电极压焊点,完成整个器件的制作。
本发明4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法,给出如下三种实施例。
实施例1:
制作沟道厚度为0.35μm并具有长度为0.175μm、高度为0.1μm的双高栅区域的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法为:
步骤1)对4H-SiC半绝缘衬底1进行清洗,以去除衬底表面污物;
(1)用蘸有甲醇的棉球将衬底仔细清洗两、三次,以除去表面各种尺寸的SiC颗粒;
(2)将4H-SiC半绝缘衬底1在H2SO4:HNO3=1:1中超声5分钟;
(3)将4H-SiC半绝缘衬底1在1#清洗液(NaOH:H2O2:H2O=1:2:5)中煮沸5分钟,然后去离子水冲洗5分钟后再放入2#清洗液(HCl:H2O2:H2O=1:2:7)中煮沸5分钟,2#清洗液为HCl:H2O2:H2O=1:2:7,最后用去离子水冲洗干净并用N2吹干备用。
步骤2)在4H-SiC半绝缘衬底1上外延生长0.5μm厚的SiC层,同时经乙硼烷B2H6原位掺杂,形成浓度为1.4×1015cm-3的P缓冲层2;
将4H-SiC半绝缘衬底1放入生长室中,然后向生长室中通入流量为20ml/min的硅烷、10ml/min的丙烷和80l/min的高纯氢气,同时通入2ml/min的B2H6(H2中稀释到5%),生长温度为1550℃,压强为105Pa,持续6min,完成掺杂浓度和厚度分别为1.4×1015cm-3和0.5μm的P缓冲层2制作。
步骤3)在P缓冲层2上外延生长0.35μm厚的SiC层,经N2原位掺杂,形成浓度为3×1017cm-3的N型沟道层3;
将4H-SiC外延片放入生长室,向生长室中通入流量为20ml/min的硅烷、10ml/min的丙烷和80l/min的高纯氢气,同时通入2ml/min的N2,生长温度为1550℃,压强为105Pa,持续5min,完成掺杂浓度和厚度分别为3×1017cm-3和0.35μm的N型沟道层3制作。
步骤4)在N型沟道层3上外延生长SiC层,同时经N2原位掺杂形成N+帽层。
将4H-SiC外延片放入生长室,向生长室中通入流量为20ml/min的硅烷、10ml/min的丙烷和80l/min的高纯氢气,同时通入20ml/min的N2,生长温度为1550℃,压强为105Pa,持续2min,制作掺杂浓度和厚度分别为1.0×1020cm-3和0.2μm的N+帽层。
步骤5)在N+帽层上依次进行光刻和隔离注入,形成隔离区和有源区。
(1)采用正性光刻胶,涂胶速度:3000R/min,胶厚>2μm保证在后续隔离注入时能够起到良好的阻挡作用;
(2)涂胶完成后在90℃烘箱中前烘90秒,采用隔离注入光刻板进行约35秒紫外曝光后在专用显影液(四甲基氢氧化氨:水=1:3)中显影60秒,露出4H-SiC,然后在100℃烘箱中后烘3分钟;
(3)进行两次硼离子注入,注入条件为130keV/6×1012cm-2,50keV/2×1012cm-2。注入完成后用丙酮+超声去胶,再用等离子去胶3分钟,完成有源区以外的隔离注入;
(4)将上述4H-SiC外延片置于1600℃感应加热炉退火10分钟激活杂质,Ar气流量为20ml/min。
步骤6)在N+型帽层上形成源电极6和漏电极7。
(1)光刻掩蔽胶采用PMMA+AZ1400双层胶,要求胶厚>1.2μm。片子处理干净后先涂PMMA胶,速度为4000R/min,胶厚约0.5μm,然后在200℃烘箱中前烘120秒,取出后再涂AZ1400胶约0.8μm;
(2)在90℃烘箱中前烘90秒,采用源漏光刻板进行15秒紫外曝光后用专用显影液(四甲基氢氧化氨:水=1:4)显影50秒去掉AZ1400胶,然后对PMMA胶进行泛曝光,再用甲苯显影3分钟,然后在100℃烘箱中后烘3分钟,完成源漏区金属化窗口;
(3)采用多靶磁控溅射台,室温溅射150nm的Ni、150nm的Ti和300nm的Au多层金属作为源漏欧姆接触金属,其中工作真空2.5×10-3Pa,Ar流量40sccm;
(4)溅射完成后将片子放入150℃Buty专用剥离液中,待金属脱落后再移入130℃Buty剥离液中,等温度降到80℃以下时,再将片子移入丙酮中,取出片子并用氮气吹干,最后等离子去胶2分钟;
(5)将片子放入快速合金炉内,在氮氢气氛(N2:H2=9:1)保护下快速升温(970/1min)到合金温度合金10分钟,形成源电极6和漏电极7。
步骤7)对源电极6和漏电极7之间的N+型帽层进行光刻、刻蚀,刻蚀厚度为0.2μm。
(1)采用正性光刻胶,涂胶速度:3000R/min,胶厚>2nm保证在后续刻蚀时胶的刻蚀掩蔽作用;
(2)涂胶完成后在90℃烘箱中前烘90秒,采用凹陷沟道光刻板进行约35秒紫外曝光后在专用显影液中显影60秒,然后在100℃烘箱中后烘3分钟,专用显影液的配方比为四甲基氢氧化氨:水=1:3;
(3)采用ICP感应耦合等离子体刻蚀系统进行N+刻蚀,刻蚀条件为刻蚀功率375W、偏置功率60W、工作压力9Pa,刻蚀气体选择流量为32sccm CF4和流量为8sccm Ar,刻蚀厚度为0.2μm,刻蚀后用丙酮+超声去除刻蚀掩蔽胶。
步骤8)对沟道进行光刻,刻蚀,以源极帽层4和漏极帽层5内侧为起点,刻蚀长度分别为0.5μm和1μm的凹陷区,并且在距源极帽层4内侧0.675μm处刻蚀出长度为0.35μm、高度为0.1μm的凹陷区,形成长度为0.175μm、高度为0.1μm的双高栅区域12、13;
(1)采用正性光刻胶,涂胶速度:3000R/min,胶厚>2nm保证在后续刻蚀时胶的刻蚀掩蔽作用;
(2)涂胶完成后在90℃烘箱中前烘90秒,采用凹陷沟道光刻板进行约35秒紫外曝光后在专用显影液中显影60秒,然后在100℃烘箱中后烘3分钟,专用显影液的配方比为四甲基氢氧化氨:水=1:3;
(3)采用ICP感应耦合等离子体刻蚀系统进行N+刻蚀,刻蚀条件为刻蚀功率375W、偏置功率60W、工作压力9Pa,刻蚀气体选择流量为32sccm CF4和流量为8sccm Ar,刻蚀后形成长度为0.175μm、高度为0.1μm的双高栅区域12、13,刻蚀后用丙酮+超声去除刻蚀掩蔽胶。
步骤9)在沟道上方且靠近源极帽层4一侧的沟道进行光刻、磁控溅射和金属剥离,形成0.7μm长的栅电极10;
(1)光刻掩蔽胶采用PMMA+AZ1400双层胶,要求胶厚>1.2nm。片子处理干净后先涂PMMA胶,速度为4000R/min,胶厚约0.5nm,然后在200℃烘箱中前烘120秒,取出后再涂AZ1400胶厚约0.8nm;
(2)在90℃烘箱中前烘90秒,采用栅光刻板进行15秒紫外曝光后用专用显影液(四甲基氢氧化氨:水=1:4)显影50秒去掉AZ1400胶,然后对PMMA胶进行泛曝光,再用甲苯显影3分钟,然后在100℃烘箱中后烘3分钟;
(3)采用多靶磁控溅射台,依次室温溅射厚度为150nm的Ni、150nm的Ti和300nm的Au多层金属作为源漏欧姆接触金属,其中工作真空2.5×10-3Pa,Ar流量40sccm,溅射过程中将片子加热到150℃;
(4)溅射完成后将片子放入150℃Buty专用剥离液中,待金属脱落后再移入130℃Buty剥离液中,等温度降到80℃以下时,再将片子移入丙酮中,最后取出片子并用小流量氮气慢慢吹干,最后用等离子去胶3分钟,完成栅电极10的制作。
步骤10)对上述形成的4H-SiC金属半导体场效应晶体管表面进行钝化、反刻,形成电极压焊点。
(1)在300℃下,向反应室中同时通入流量为300sccm的SiH4、323sccm的NH3和330sccm的N2,通过等离子体增强化学气相淀积工艺,在表面淀积0.5μm厚的Si3N4层作为钝化介质层;
(2)钝化光刻采用正性光刻胶,涂胶速度3000R/mins,要求胶厚>2μm,涂胶完成后在90℃烘箱中前烘90秒,然后采用反刻光刻板进行35秒紫外曝光,用专用显影液(四甲基氢氧化氨:水=1:3)显影60秒,最后在100℃烘箱中后烘3分钟;
(3)Si3N4刻蚀采用RIE工艺,刻蚀气体选择流量为50sccm CHF3和流量为5sccm Ar,完成后再进行3分钟等离子体去胶,露出金属,形成源、漏和栅电极压焊点,完成整个器件的制作。
实施例2:
制作沟道厚度为0.4μm并具有长度为0.175μm、高度为0.15μm的双高栅区域的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法为:
步骤3)在P缓冲层2上外延生长0.4μm厚的SiC层,经N2原位掺杂,形成浓度为3×1017cm-3的N型沟道层3;
将4H-SiC外延片放入生长室,向生长室中通入流量为20ml/min的硅烷、10ml/min的丙烷和80l/min的高纯氢气,同时通入2ml/min的N2,生长温度为1550℃,压强为105Pa,持续5min,完成掺杂浓度和厚度分别为3×1017cm-3和0.4μm的N型沟道层3制作。
步骤8)对沟道进行光刻,刻蚀,刻蚀长度以源极帽层4和漏极帽层5内侧为起点分别为0.5μm和1μm的凹陷区,并且在距源极帽层4内侧0.675μm处刻蚀出长度为0.35μm、高度为0.15μm的凹陷区,形成长度为0.175μm、高度为0.15μm的双高栅区域12、13;
(1)采用正性光刻胶,涂胶速度:3000R/min,胶厚>2nm保证在后续刻蚀时胶的刻蚀掩蔽作用;
(2)涂胶完成后在90℃烘箱中前烘90秒,采用凹陷沟道光刻板进行约35秒紫外曝光后在专用显影液中显影60秒,然后在100℃烘箱中后烘3分钟,专用显影液的配方比为四甲基氢氧化氨:水=1:3;
(3)采用ICP感应耦合等离子体刻蚀系统进行N+刻蚀,刻蚀条件为刻蚀功率375W、偏置功率60W、工作压力9Pa,刻蚀气体选择流量为32sccm CF4和流量为8sccm Ar,刻蚀后形成长度为0.175μm、高度为0.15μm的双高栅区域12、13,刻蚀后用丙酮+超声去除刻蚀掩蔽胶。
其余步骤与实施例1相同。
实施例3:
制作沟道厚度为0.45μm并具有长度为0.175μm、高度为0.2μm的双高栅区域的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法为:
步骤3)在P缓冲层2上外延生长0.45μm厚的SiC层,经N2原位掺杂,形成浓度为3×1017cm-3的N型沟道层3;
将4H-SiC外延片放入生长室,向生长室中通入流量为20ml/min的硅烷、10ml/min的丙烷和80l/min的高纯氢气,同时通入2ml/min的N2,生长温度为1550℃,压强为105Pa,持续5min,完成掺杂浓度和厚度分别为3×1017cm-3和0.45μm的N型沟道层3制作。
步骤8)对沟道进行光刻,刻蚀,刻蚀长度以源极帽层4和漏极帽层5内侧为起点分别为0.5μm和1μm的凹陷区,并且在距源极帽层4内侧0.675μm处刻蚀出长度为0.35μm、高度为0.2μm的凹陷区,形成长度为0.175μm、高度为0.2μm的双高栅区域12、13;
(1)采用正性光刻胶,涂胶速度:3000R/min,胶厚>2nm保证在后续刻蚀时胶的刻蚀掩蔽作用;
(2)涂胶完成后在90℃烘箱中前烘90秒,采用凹陷沟道光刻板进行约35秒紫外曝光后在专用显影液中显影60秒,然后在100℃烘箱中后烘3分钟,专用显影液的配方比为四甲基氢氧化氨:水=1:3;
(3)采用ICP感应耦合等离子体刻蚀系统进行N+刻蚀,刻蚀条件为刻蚀功率375W、偏置功率60W、工作压力9Pa,刻蚀气体选择流量为32sccm CF4和流量为8sccm Ar,刻蚀后形成长度为0.175μm、高度为0.2μm的双高栅区域12、13,刻蚀后用丙酮+超声去除刻蚀掩蔽胶。
其余步骤与实施例1相同。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,而非对其限制;应当指出,尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改,或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改和替换,并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (11)
1.一种具有双高栅的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1)对4H-SiC半绝缘衬底(1)进行清洗,以去除衬底表面污物;
步骤2)在4H-SiC半绝缘衬底上外延生长0.5μm厚的SiC层,同时经乙硼烷B2H6原位掺杂,形成浓度为1.4×1015cm-3的P缓冲层(2);
步骤3)在P缓冲层(2)上外延生长0.35μm厚的SiC层,同时经N2原位掺杂,形成浓度为3×1017cm-3的N型沟道层(3);
步骤4)在N型沟道层(3)上外延生长0.2μm厚的SiC层,同时经N2原位掺杂,形成浓度为1.0×1020cm-3的N+型帽层;
步骤5)在N+型帽层上依次进行光刻和隔离注入,形成隔离区和有源区;
步骤6)对有源区依次进行源漏光刻、磁控溅射、金属剥离和高温合金,形成0.5μm长的源电极(6)和漏电极(7);
步骤7)对源电极(6)和漏电极(7)之间的N+型帽层进行光刻、刻蚀,刻蚀深度为0.2μm;
步骤8)在沟道上方对沟道光刻、刻蚀出以源极帽层(4)和漏极帽层(5)内侧为起点长度分别为0.5μm和1μm,深度为0.1μm的左沟道凹陷区(8)和右沟道凹陷区(9),距源极帽层内侧0.675μm处刻蚀出长度为0.35μm,深度为0.1μm的中间沟道凹陷区(11);
步骤9)在沟道上方且靠近源极帽层(4)一侧的沟道进行光刻、磁控溅射和金属剥离,形成0.7μm长的栅电极(10);
步骤10)对所形成的4H-SiC金属半导体场效应晶体管表面进行钝化、反刻,形成电极压焊点,完成器件的制作。
2.根据权利要求1所述的一种具有双高栅的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法,其特征在于,所述步骤1)中的具体清洗过程为:
(1)用蘸有甲醇的棉球将衬底仔细清洗两、三次,以除去表面各种尺寸的SiC颗粒;
(2)将4H-SiC半绝缘衬底(1)在H2SO4:HNO3=1:1中超声5分钟;
(3)将4H-SiC半绝缘衬底(1)在1#清洗液中煮沸5分钟,1#清洗液为NaOH:H2O2:H2O=1:2:5,然后去离子水冲洗5分钟后再放入2#清洗液中煮沸5分钟,2#清洗液为HCl:H2O2:H2O=1:2:7,最后用去离子水冲洗干净并用N2吹干备用。
3.根据权利要求1所述的一种具有双高栅的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法,其特征在于,所述步骤2)中P缓冲层(2)的具体制备过程为:将4H-SiC半绝缘衬底(1)放入生长室中,然后向生长室中通入流量为20ml/min的硅烷、10ml/min的丙烷和80l/min的高纯氢气,同时通入2ml/min的B2H6,B2H6在H2中稀释到5%,生长温度为1550℃,压强为105Pa,持续6min,完成掺杂浓度和厚度分别为1.4×1015cm-3和0.5μm的P缓冲层(2)制作。
4.根据权利要求1所述的一种具有双高栅的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法,其特征在于,所述步骤3)中N型沟道层(3)的具体制备过程为:将4H-SiC外延片放入生长室,向生长室中通入流量为20ml/min的硅烷、10ml/min的丙烷和80l/min的高纯氢气,同时通入2ml/min的N2,生长温度为1550℃,压强为105Pa,持续5min,完成掺杂浓度和厚度分别为3×1017cm-3和0.35μm的N型沟道层(3)制作。
5.根据权利要求1所述的一种具有双高栅的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法,其特征在于:所述步骤4)中N+帽层的具体制备过程为:将4H-SiC外延片放入生长室,向生长室中通入流量为20ml/min的硅烷、10ml/min的丙烷和80l/min的高纯氢气,同时通入20ml/min的N2,生长温度为1550℃,压强为105Pa,持续2min,制作掺杂浓度和厚度分别为1.0×1020cm-3和0.2μm的N+帽层。
6.根据权利要求1所述的一种具有双高栅的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法,其特征在于:所述步骤5)中有源区和隔离区的具体制备过程为:
(1)采用正性光刻胶,涂胶速度:3000R/min,胶厚>2μm保证在后续隔离注入时能够起到良好的阻挡作用;
(2)涂胶完成后在90℃烘箱中前烘90秒,采用隔离注入光刻板进行35秒紫外曝光后在专用显影液(四甲基氢氧化氨:水=1:3)中显影60秒,露出4H-SiC,然后在100℃烘箱中后烘3分钟;
(3)进行两次硼离子注入,注入条件为130keV/6×1012cm-2,50keV/2×1012cm-2;注入完成后用丙酮+超声去胶,再用等离子去胶3分钟,完成有源区以外的隔离注入;
(4)将上述4H-SiC外延片置于1600℃感应加热炉退火10分钟激活杂质,Ar气流量为20ml/min。
7.根据权利要求1所述的一种具有双高栅的4H-SiC金属半导体场效应管的制备方法,其特征在于:所述步骤6)中源电极(6)和漏电极(7)的具体制备过程为:
(1)光刻掩蔽胶采用PMMA+AZ1400双层胶,要求胶厚>1.2μm,片子处理干净后先涂PMMA胶,速度为4000R/min,胶厚0.5μm,然后在200℃烘箱中前烘120秒,取出后再涂AZ1400胶0.8μm;
(2)在90℃烘箱中前烘90秒,采用源漏光刻板进行15秒紫外曝光后用专用显影液显影50秒去掉AZ1400胶,显影液为四甲基氢氧化氨:水=1:4,然后对PMMA胶进行泛曝光,再用甲苯显影3分钟,然后在100℃烘箱中后烘3分钟,完成源漏区金属化窗口;
(3)采用多靶磁控溅射台,室温溅射150nm的Ni、150nm的Ti和300nm的Au多层金属作为源漏欧姆接触金属,其中工作真空2.5×10-3Pa,Ar流量40sccm;
(4)溅射完成后将片子放入150℃Buty专用剥离液中,待金属脱落后再移入130℃Buty剥离液中,等温度降到80℃以下时,再将片子移入丙酮中,取出片子并用氮气吹干,最后等离子去胶2分钟;
(5)将片子放入快速合金炉内,在氮氢气氛保护下,N2:H2=9:1,快速升温,970℃/1min,到合金温度合金10分钟,形成源电极(6)和漏电极(7)。
8.根据权利要求1所述的一种具有双高栅的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法,其特征在于:所述步骤7)中对源电极(6)和漏电极(7)之间的N+帽层光刻、刻蚀,具体过程为:
(1)采用正性光刻胶,涂胶速度:3000R/min,胶厚>2nm保证在后续刻蚀时胶的刻蚀掩蔽作用;
(2)涂胶完成后在90℃烘箱中前烘90秒,采用凹陷沟道光刻板进行35秒紫外曝光后在专用显影液中显影60秒,然后在100℃烘箱中后烘3分钟,专用显影液的配方比为四甲基氢氧化氨:水=1:3;
(3)采用ICP感应耦合等离子体刻蚀系统进行N+刻蚀,刻蚀条件为刻蚀功率375W、偏置功率60W、工作压力9Pa,刻蚀气体选择流量为32sccm CF4和流量为8sccm Ar,刻蚀厚度为0.2μm,刻蚀后用丙酮+超声去除刻蚀掩蔽胶。
9.根据权利要求1所述的一种具有双高栅的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法,其特征在于:所述步骤8)中左沟道凹陷区(8)、右沟道凹陷区(9)和中间沟道凹陷区(11)的具体制作过程为:
(1)采用正性光刻胶,涂胶速度:3000R/min,胶厚>2nm保证在后续刻蚀时胶的刻蚀掩蔽作用;
(2)涂胶完成后在90℃烘箱中前烘90秒,采用凹陷沟道光刻板进行35秒紫外曝光后在专用显影液中显影60秒,然后在100℃烘箱中后烘3分钟,专用显影液的配方比为四甲基氢氧化氨:水=1:3;
(3)采用ICP感应耦合等离子体刻蚀系统进行N+刻蚀,刻蚀条件为刻蚀功率375W、偏置功率60W、工作压力9Pa,刻蚀气体选择流量为32sccm CF4和流量为8sccm Ar,刻蚀后形成长度为0.175μm、高度为0.1μm的左高栅区域(13)、右高栅区域(12),刻蚀后用丙酮+超声去除刻蚀掩蔽胶。
10.根据权利要求1所述的一种具有双高栅的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法,其特征在于:所述步骤9)中栅电极(10)具体制作过程为:
(1)光刻掩蔽胶采用PMMA+AZ1400双层胶,要求胶厚>1.2nm,片子处理干净后先涂PMMA胶,速度为4000R/min,胶厚0.5nm,然后在200℃烘箱中前烘120秒,取出后再涂AZ1400胶厚0.8nm;
(2)在90℃烘箱中前烘90秒,采用栅光刻板进行15秒紫外曝光后用专用显影液显影50秒去掉AZ1400胶,显影液为四甲基氢氧化氨:水=1:4,然后对PMMA胶进行泛曝光,再用甲苯显影3分钟,然后在100℃烘箱中后烘3分钟;
(3)采用多靶磁控溅射台,依次室温溅射厚度为150nm的Ni、150nm的Ti和300nm的Au多层金属作为源漏欧姆接触金属,其中工作真空2.5×10-3Pa,Ar流量40sccm,溅射过程中将片子加热到150℃;
(4)溅射完成后将片子放入150℃Buty专用剥离液中,待金属脱落后再移入130℃Buty剥离液中,等温度降到80℃以下时,再将片子移入丙酮中,最后取出片子并用小流量氮气慢慢吹干,最后用等离子去胶3分钟,完成栅电极(10)的制作。
11.根据权利要求1所述的一种具有双高栅的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法,其特征在于:所述步骤10)中电极压焊点、完成器件制作的具体过程为:
(1)在300℃下,向反应室中同时通入流量为300sccm的SiH4、323sccm的NH3和330sccm的N2,通过等离子体增强化学气相淀积工艺,在表面淀积0.5μm厚的Si3N4层作为钝化介质层;
(2)钝化光刻采用正性光刻胶,涂胶速度3000R/mins,要求胶厚>2μm,涂胶完成后在90℃烘箱中前烘90秒,然后采用反刻光刻板进行35秒紫外曝光,用专用显影液显影60秒,显影液为四甲基氢氧化氨:水=1:3,最后在100℃烘箱中后烘3分钟;
(3)Si3N4刻蚀采用RIE工艺,刻蚀气体选择流量为50sccm CHF3和流量为5sccm Ar,完成后再进行3分钟等离子体去胶,露出金属,形成源、漏和栅电极压焊点,完成整个器件的制作。
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Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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