CN117373925A - 一种氧化镓场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种氧化镓场效应晶体管及其制备方法。该制备方法，包括：在n型氧化镓沟道层、源电极和金属掩膜的表面制备光刻胶，随后对光刻胶进行烘烤和回流处理，形成光刻胶斜面；在光刻胶斜面上垂直注入元素，形成在n型氧化镓沟道层内纵向梯形分布的离子注入区；在源电极和漏电极之间的n型氧化镓沟道层上制备栅介质；在离子注入区所对应的栅介质上制备栅电极，即得氧化镓场效应晶体管。本发明具有工艺简单，可控性好，可制备的光刻胶斜面夹角范围更大，注入的离子深度更深，能够实现更低的导通电阻。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，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
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Si基功率器件。超宽禁带氧化镓(GaN)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(～Eb3)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GaN材料的4倍，是SiC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。
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(Ga2O3 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Ga2O3 MOSFET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Ga2O3 MOSFET器件击穿电压达到750V。
然而，现有技术中的Ga2O3场效应晶体管(FET)器件的击穿电压和导通特性仍有待改善。此外，现有技术中Ga2O3场效应晶体管制备工艺繁琐，可控性差，对离子注入机的要求很高，且离子注入深度较浅，导通电阻较高，电能损耗大。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供一种氧化镓场效应晶体管及其制备方法。这种方法能够有效提升氧化镓晶体管的平均击穿场强。本发明的制备方法具有工艺简单，可控性好，可制备的光刻胶斜面夹角范围更大，注入的离子深度更深，能够实现更低的导通电阻，功耗更小，能够极大地降低器件工作时的电能损耗。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种氧化镓场效应晶体管的制备方法，包括：
在衬底上生长n型氧化镓沟道层；
在所述n型氧化镓沟道层上制备源电极和漏电极；
在所述n型氧化镓沟道层和漏电极的表面制备金属掩膜；
在所述n型氧化镓沟道层、源电极和金属掩膜的表面制备光刻胶，随后对所述光刻胶进行烘烤和回流处理，形成光刻胶斜面；
在光刻胶斜面上垂直注入元素，形成在n型氧化镓沟道层内纵向梯形分布的离子注入区；
在所述源电极和漏电极之间的n型氧化镓沟道层上制备栅介质；
在所述离子注入区所对应的栅介质上制备栅电极，即得氧化镓场效应晶体管。
结合第一方面，在一些可能的实现方式中，对所述光刻胶进行烘烤和回流处理包括：将所述n型氧化镓沟道层、源电极和金属掩膜表面的光刻胶在80-90℃下进行第一次烘烤，蒸发，曝光、显影，去除金属掩膜上的光刻胶；再以10-15℃/min的速率升至130-150℃后，对剩余光刻胶进行第二次烘烤，使得剩余光刻胶边缘回流变形成光刻胶斜面。
结合第一方面，在一些可能的实现方式中，所述第一次烘烤的时间为1-10min；所述第二次烘烤的时间为1-15min。
本发明只有选择上述烘烤和回流的工艺参数，才能制备光刻胶斜面。
结合第一方面，在一些可能的实现方式中，所述光刻胶斜边与水平面的夹角为10-80度。
本发明制备的光刻胶斜面夹角范围更大，注入的离子深度更深，能够实现更低的导通电阻。
结合第一方面，在一些可能的实现方式中，所述离子注入区的注入元素为B、Mg、N、He和H的任意一种或几种，上述注入元素在氧化镓中作为受主，从而耗尽n型氧化镓沟道内的载流子。所述注入元素的剂量为1E12-1E20；注入能量在1-200keV，上述注入剂量和能量，可使得元素在n型氧化镓沟道层内分布的深度更深，能够充分的耗尽载流子会，使该区域的导通电阻更低，从而提升器件的耐击穿特性。
第二方面，本发明还提供上述制备方法得到的氧化镓场效应晶体管，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源电极和漏电极，设于所述源电极和漏电极之间的栅介质，设于所述栅介质上的栅电极，在所述n型氧化镓沟道层中、栅电极的下方设有离子注入区；所述离子注入区的深度由靠近所述源电极的一端向靠近所述漏电极的一端逐渐变深；其中，所述离子注入区在n型氧化镓沟道层内纵向梯形分布。
结合第二方面，在一些可能的实现方式中，所述离子注入区的纵切面为直角三角形，其中，直角三角形的斜边与水平面的夹角为10-80度，表明注入的离子深度更深，能够实现更低的导通电阻，能够极大地降低器件工作时的电能损耗；消除尖峰电场，提升耐击穿性能。
结合第二方面，在一些可能的实现方式中，所述直角三角形的直角边垂直于n型氧化镓沟道层的表面。
结合第二方面，在一些可能的实现方式中，所述离子注入区的最大深度小于所述n型氧化镓沟道层，所述n型氧化镓沟道层的厚度为10nm-1000nm。
结合第二方面，在一些可能的实现方式中，所述栅电极的长度≥50nm、小于≤10μm。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
本发明的制备方法具有工艺简单，可控性好，可制备的光刻胶斜面夹角范围更大，注入的离子深度更深，离子注入区的深度由靠近源电极的一端向靠近漏电极的一端逐渐变深，能够实现更低的导通电阻，功耗更小，能够极大地降低器件工作时的电能损耗。
该制备方法通过精准的控制光刻胶的烘烤和回流处理工艺，形成光刻胶斜面作为光刻图形；金属掩膜保护住的区域不会注入元素，光刻胶斜面作为元素注入过程中的掩膜，光刻胶斜面会逐渐被去除，注入元素会继续进入光刻胶斜面掩膜下的n型氧化镓沟道层，在n型氧化镓沟道层中形成与光刻胶斜面相对称且纵向梯形分布的离子注入区；离子注入区的深度由靠近源电极的一端向靠近漏电极的一端逐渐变深，以充分地降低导通电阻，能够极大地降低器件工作时的电能损耗；消除尖峰电场，提升耐击穿性能。该方法制备得到的氧化镓场效应晶体管的电能损耗少，耐击穿性好，适合高压场景。
现有技术中的晶体管，在栅电极偏向漏电极(栅偏漏区域)的位置存在较高的峰值场强，从而导致器件击穿特性降低。本发明的氧化镓场效应晶体管通过纵向梯形分布的离子注入技术，降低栅电极下n型氧化镓沟道层内的载流子浓度，从而降低栅偏漏区域的峰值场强，提升击穿特性。纵向梯形分布的离子区能够保证注入元素在栅电极偏向漏电极端更深，相比于非阶梯分布的离子注入，能够实现更低的高通电阻，降低能耗损失。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。
附图说明
图1为本发明的氧化镓场效应晶体管制备流程图。
图2为本发明在衬底上制备n型氧化镓沟道层的示意图。
图3为本发明在n型氧化镓沟道层上制备源电极和漏电极的示意图。
图4为本发明制备金属掩膜的流程示意图。
图5为本发明制备光刻胶斜面的流程示意图。
图6为本发明位于n型氧化镓沟道层内的离子注入区的结构示意图。
图7为本发明的制备栅介质的结构示意图。
图8为本发明的氧化镓场效应晶体管的剖面结构示意图。
以上附图中，1为衬底，2为n型氧化镓沟道层，3为源电极，4为漏电极，5为离子注入区，6为栅介质，7为栅电极。
具体实施方式
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。
应当理解，当在本发明说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在本发明说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本发明的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
图1为本发明制备氧化镓场效应晶体管的流程图。
具体的制备方法为：
步骤101，在衬底1上外延生长n型氧化镓沟道层2。
示例性的，图2为本发明在衬底上制备n型氧化镓沟道层的示意图。
在一些实施例中，衬底1可以为高阻氧化镓衬底、半绝缘SiC衬底、氧化镁、蓝宝石衬底等。
示例性的，n型氧化镓沟道层2中的掺杂元素通过掺杂Si或Sn等元素实现，掺杂浓度为1.0×1015cm-3-1.0×1020cm-3，n型氧化镓沟道层厚度为10nm至1000nm。
在一些可能的实施例中，在衬底1上外延生长n型的氧化镓沟道层2之前，也可在衬底上生长未掺杂的氧化镓层作为缓冲层，以阻止半绝缘衬底中的杂质离子进入沟道层，再在未掺杂的氧化镓层上在外延生长n型氧化镓沟道层2。
步骤102，通过电子束蒸发法在上述n型氧化镓沟道层上制备源电极3和漏电极4。
示例性的，图3为本发明在n型氧化镓沟道层上制备源电极和漏电极的示意图。
在一些实施例中，在沉积源电极3和漏电极4之前，为了使源电极3和漏电极4实现良好的欧姆接触，可以在n型氧化镓沟道层2中源电极3和漏电极4下部的沟道层内的预设位置，先进行n型离子注入，在源电极3和漏电极4的预设区域分别形成n+区域，然后在沟道层两端的n+区域(即重掺杂区域，就是掺杂的元素的数量相比外延的n型氧化镓沟道层多，掺杂越多电阻越低，越容易形成欧姆接触)分别沉积源电极3和漏电极4，从而实现欧姆接触。
示例性的，源电极3和漏电极4的沉积通过电子束蒸发来实现，沉积金属为Ti/Au或者Ti/Al/Ni/Au。
步骤103，在n型氧化镓沟道层和漏电极的表面制备金属掩膜。
示例性的，图4为本发明制备金属掩膜的流程示意图。
从图4可知，首先在n型氧化镓沟道层2、源电极3和漏电极4表面涂一层光刻胶，进行光刻、显影制备所需的光刻图形；再采用电子束蒸法在漏电极4和部分n型氧化镓沟道层2表面沉积一层Ti/Ni(厚度应大于10nm，小于5000nm)作为金属掩膜，再剥离去除光刻胶及其表面的金属掩膜。
步骤104，在n型氧化镓沟道层2、源电极3和金属掩膜的表面涂一层光刻胶，进行光刻、显影制备所需的光刻图形；然后对光刻胶进行烘烤回流，使光刻胶在金属掩膜一侧形成一个斜面。
示例性的，图5为本发明制备直角三角形光刻胶的流程示意图；
如图5所示，具体的：将n型氧化镓沟道层2、源电极3和金属掩膜表面的光刻胶在80-100℃下进行第一次烘烤，烘烤的时间为1-10min，蒸发，曝光、显影，去除金属掩膜上的光刻胶；再以10-15℃/min的速率升至不超过150℃后，对剩余光刻胶进行第二次烘烤，烤的时间为1-15min，使得剩余光刻胶边缘回流形成斜面，金属掩膜不会变形。光刻胶斜面与水平面的夹角为10-80度。
步骤105，在光刻胶的斜面上垂直注入元素，得到在n型氧化镓沟道层2内纵向梯形分布的离子注入区5。
在一些实施例中，注入元素可以为B、Mg、N、He、H等，注入元素在氧化镓中作为受主，从而耗尽沟道内的载流子。注入元素的剂量为1E12-1E20；注入能量在1-200keV。金属掩膜保护住的区域不会被注入元素，形成斜面的光刻胶作为离子注入过程中的掩膜，由于注入元素有较强的物理粒子轰击效果，光刻胶分子在元素注入过程中会不断地因轰击而发生化学反应或受物理轰击而被移除，使得光刻胶的斜面部分逐渐被去除，离子继续进入光刻胶掩膜下的沟道层中，从而在n型氧化镓沟道层中形成直角三角形离子注入区5。
示例性的，图6为本发明位于n型氧化镓沟道层内的离子注入区的结构示意图。
从图6可知，离子注入区的深度由靠近源电极的一端向靠近漏电极的一端逐渐变深。离子注入区的纵切面为直角三角形(与其表面原有的光刻胶形状基本对称)，其中，直角三角形的斜边与水平面的夹角为10-80度，直角三角形的直角边垂直于n型氧化镓沟道层的表面。离子注入区的最大深度小于n型氧化镓沟道层。
步骤106，采用原子层沉积的方法在源电极3和漏电极4之间的n型氧化镓沟道层2表面生长一层栅介质6，厚度为10-100nm。
在一些实施例中，原子层沉积的温度为300-500℃；栅介质为氧化铝或氧化铪介质，栅介质的厚度为10-100nm。
图7为本发明的制备栅介质的结构示意图。
步骤107，采用电子束蒸发法在离子注入区5所对应的栅介质6上制备栅电极7，即得氧化镓场效应晶体管。
在一些实施例中，栅长度≥50nm、≤10μm，沉积金属为Ni/Au或Pt/Au。
示例性的，图8为本发明的氧化镓场效应晶体管的剖面结构示意图。
从图8可知，氧化镓场效应晶体管，包括衬底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上的源电极3和漏电极4，设于源电极和漏电极之间的栅介质6，设于所述栅介质6上的栅电极7，在所述n型氧化镓沟道层中、栅电极的下方设有离子注入区5；其中，离子注入区5的深度由靠近源电极3的一端向靠近漏电极4的一端逐渐变深；离子注入区5在n型氧化镓沟道层内纵向梯形分布。
本发明的制备方法具有工艺简单，可控性好，对离子注入机的要求较低，可制备的直角三角形的斜面夹角范围更大，注入的离子深度更深，能够实现更低的导通电阻，功耗更小，能够极大地降低器件工作时的电能损耗。该制备方法通过精准的控制光刻胶的烘烤和回流处理工艺，形成光刻胶斜面作为光刻图形；金属掩膜保护住的区域不会注入元素，光刻胶斜面作为元素注入过程中的掩膜，光刻胶斜面会逐渐被去除，注入元素会继续进入光刻胶斜面掩膜下的n型氧化镓沟道层，在n型氧化镓沟道层中形成与光刻胶斜面相对称且纵向梯形分布的离子注入区；离子注入区的深度由靠近源电极的一端向靠近漏电极的一端逐渐变深，以充分地降低导通电阻，能够极大地降低器件工作时的电能损耗；消除尖峰电场，提升耐击穿性能。该方法制备得到的氧化镓场效应晶体管的电能损耗少，耐击穿性好，适合高压场景。
对应于上述实施例的氧化镓场效应晶体管的制备方法，本发明还提供一种氧化镓场效应晶体管，采用上述任一实施例的氧化镓场效应晶体管制备方法制备得到，且具有上述任一实施例的氧化镓场效应晶体管制备方法进行操作时具有的有益效果。
在一些实施例中，本发明实施例提供的氧化镓场效应晶体管通过纵向梯形分布的离子注入技术，降低栅电极下n型氧化镓沟道层内的载流子浓度，从而降低栅偏漏区域的峰值场强，提升击穿特性。纵向梯形分布的离子区能够保证注入元素在栅电极偏向漏电极端更深，相比于非阶梯分布的离子注入，能够实现更低的高通电阻，降低能耗损失。
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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种氧化镓场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上生长n型氧化镓沟道层；
在所述n型氧化镓沟道层上制备源电极和漏电极；
在所述n型氧化镓沟道层和漏电极的表面制备金属掩膜；
在所述n型氧化镓沟道层、源电极和金属掩膜的表面制备光刻胶，随后对所述光刻胶进行烘烤和回流处理，形成光刻胶斜面；
在所述光刻胶斜面上垂直注入元素，形成在n型氧化镓沟道层内纵向梯形分布的离子注入区；
在所述源电极和漏电极之间的n型氧化镓沟道层上制备栅介质；
在所述离子注入区所对应的栅介质上制备栅电极，即得氧化镓场效应晶体管。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，对所述光刻胶进行烘烤和回流处理包括：将所述n型氧化镓沟道层、源电极和金属掩膜表面的光刻胶在80-100℃下进行第一次烘烤，蒸发，曝光、显影，去除金属掩膜上的光刻胶；再以10-15℃/min的速率升至不超过150℃后，对剩余光刻胶进行第二次烘烤，使得剩余光刻胶边缘回流形成光刻胶斜面。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一次烘烤的时间为1-10min；和/或
所述第二次烘烤的时间为1-15min。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述光刻胶斜面与水平面的夹角为10-80度。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述离子注入区的注入元素为B、Mg、N、He和H的任意一种或几种，所述注入元素的剂量为1E12-1E20；注入能量在1-200keV。
6.权利要求1-5任一项所述制备方法得到的氧化镓场效应晶体管，其特征在于，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源电极和漏电极，设于所述源电极和漏电极之间的栅介质，设于所述栅介质上的栅电极，在所述n型氧化镓沟道层中、栅电极的下方设有离子注入区；其特征在于：
所述离子注入区的深度由靠近所述源电极的一端向靠近所述漏电极的一端逐渐变深；其中，所述离子注入区在n型氧化镓沟道层内纵向梯形分布。
7.根据权利要求6所述的氧化镓场效应晶体管，其特征在于，所述离子注入区的纵切面为直角三角形，其中，直角三角形的斜边与水平面的夹角为10-80度，所述直角三角形的直角边垂直于n型氧化镓沟道层的表面。
8.根据权利要求6-7任一项所述的氧化镓场效应晶体管，其特征在于，所述离子注入区的最大深度小于所述n型氧化镓沟道层，所述n型氧化镓沟道层的厚度为10nm-1000nm。
9.根据权利要求6所述的氧化镓场效应晶体管，其特征在于，所述栅电极的长度≥50nm、小于≤10μm。
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