CN117855288A - 一种氧化镓misfet器件结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氧化镓MISFET器件结构及其制备方法，属于半导体器件技术领域。该器件结构由下至上包括漏极、氧化镓衬底、外延层和源极。在外延层的表层中设置有电流阻挡层，电流阻挡层中部为电流通道。在电流通道处的外延层中设置有至少一个与电流阻挡层相连的调节层。调节层的底部向外延层靠近氧化镓衬底的内部延伸，延伸方向与电流阻挡层之间呈钝角。外延层的上表面沉积有栅介质层；沿源极指向漏极的方向，栅介质层两侧设置有与外延层形成欧姆接触的欧姆接触金属层。栅介质层上表面设置有栅极，栅极与源极之间设置有钝化介质层。该器件结构在不影响器件阈值电压的情况下可以更好地保护栅介质，提高反向耐压值和短路耐受能力。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种氧化镓MISFET器件结构及其制备方法。
背景技术
在宽禁带半导体材料中，氧化镓(Ga2O3)具有4.8eV的禁带宽度、8MV/cm的理想击穿电场强度和高达3400的巴利伽优值(BFOM，Baliga’s figure-of-merit)。Ga2O3的BFOM大约是GaN的4倍，SiC的10倍。因此，在相同的耐压情况下，Ga2O3功率器件比GaN器件或SiC器件的导通电阻更低，功耗更小，能够极大地降低器件工作时的电能损耗。
但是由于很难实现对氧化镓进行p型掺杂，导致氧化镓相较于可进行双极型掺杂的材料而言在双极型功率器件中的应用受到限制。导致很难得到空穴导电的p型氧化镓的原因主要有三个：首先，很难找到激活能小的受主杂质；其次，经理论计算，Ga2O3的价带最大值分散度小，有效质量非常大，导致自由空穴几乎成为低迁移率的局部分布；最后，理论上已经专门针对Ga2O3进行了预测，由于局部晶格畸变，自由空穴在体积中局部自捕获能量很大，这就导致了小极子的形成，无疑禁止了有效空穴的传导。基于前述原因，氧化镓目前只能够做成漏极、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(MetalInsulator Semiconductor Field Effect Transistor，MISFET)或者结型场效应晶体管(Junction Field-Effect Transistor，JFET)器件。
为了实现增强型器件和降低金属-半导体界面的电场，现有技术(DOI:10.1109/IEDM19573.2019.8993526)中通过刻蚀氧化镓外延层，在表面形成凹槽，再往凹槽里面沉积SiO2和Al2O3等绝缘介质，形成MISFET器件的栅介质，制作了增强型MISFET器件。与平面型MISFET器件相比，增强型MISFET由于金属栅或者多晶硅栅可以完全耗尽导电通道，因而具有常关特性，并且栅电极具有一定的深度，可以有效屏蔽部分反向偏置时的电场，使表面电场有一定程度的下降，能够减小泄漏电流。
但是氧化镓材料不能通过热氧化来实现上述现有技术中那种较大深度的栅介质沉积，而需要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。而栅极沟槽由于缺乏有效的PN结保护，沟槽底部电场强度大，易于发生雪崩击穿，导致器件可靠性低。此外，沟槽型氧化镓器件要实现增强型功能，需要两个沟槽间的间距小于0.35μm，目前常使用电子束光刻机来定义这一距离，但电子束光刻机价格昂贵并且光刻效率慢，并不具备大规模量产的能力，因此该结构无法满足工业化生产和商业应用。
发明内容
为了解决上述问题中的至少一个问题，本发明提供一种氧化镓MISFET器件结构。该器件结构在不影响器件阈值电压的情况下，可以更好地保护栅介质，提高反向耐压值和短路耐受能力。
具体地，本发明采用如下技术方案来实现上述目的：
一种氧化镓MISFET器件结构，由下至上依次包括漏极、氧化镓衬底、外延层和源极；在所述外延层中，所述外延层的表层中设置有电流阻挡层，所述电流阻挡层中部为电流通道；在所述电流通道处的所述外延层中设置有至少一个与所述电流阻挡层相连的调节层，所述调节层的底部向所述外延层靠近所述氧化镓衬底的内部延伸，所述调节层延伸的方向与所述电流阻挡层之间呈钝角；所述外延层的上表面沉积有栅介质层；沿所述源极指向所述漏极的方向，所述栅介质层两侧设置有与所述外延层形成欧姆接触的欧姆接触金属层；所述栅介质层上表面设置有栅极，所述栅极与所述源极之间设置有钝化介质层。
在优选的实施方案中，所述氧化镓衬底为n型氧化镓衬底。
在优选的实施方案中，所述外延层中设置有低阻层，所述低阻层的上表面与所述外延层的上表面平齐，所述低阻层的下表面与所述电流阻挡层的上表面接触，所述低阻层的中部为电流通道。
在进一步优选的实施方案中，所述低阻层的厚度大于0且不超过0.4μm。
在进一步优选的实施方案中，所述低阻层的掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3。
在优选的实施方案中，所述外延层为n型氧化镓层。
在优选的实施方案中，所述外延层的厚度为5～15μm。
在优选的实施方案中，所述外延层的掺杂浓度为5×1015～5×1016cm-3。
在优选的实施方案中，所述电流阻挡层的厚度为0.5～1μm。
在优选的实施方案中，所述电流阻挡层顶部与所述外延层上表面的距离为0.2～1μm。
在优选的实施方案中，所述电流阻挡层的掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3。
在优选的实施方案中，所述调节层向所述外延层靠近所述氧化镓衬底的内部延伸的长度为0.5～1μm。
在进一步优选的实施方案中，所述调节层延伸的方向与所述电流阻挡层之间的角度为135°～165°。
在优选的实施方案中，所述调节层的掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3。
在优选的实施方案中，所述栅介质层的厚度为30～100nm。
在优选的实施方案中，所述栅介质层的材质为氧化铝、氧化铪、钛酸钡中任意一种。
在优选的实施方案中，所述栅极的材料为Cr、Pt、Au中任意一种。
在优选的实施方案中，所述钝化介质层的厚度为0.5～2μm。
在优选的实施方案中，所述钝化介质层的材质为二氧化硅、氮化硅、硼磷硅玻璃中任意一种。
在优选的实施方案中，所述欧姆接触金属层的厚度为20～200nm。
在优选的实施方案中，所述欧姆接触金属层的金属为钛。
在优选的实施方案中，所述漏极的金属为钛金合金，其中钛层的厚度为20～200nm，金层的厚度为50～200nm。
在优选的实施方案中，所述源极的金属为Ti、Al、Cu、Au合金层，其中，Ti层的厚度为10～100nm，Al层的厚度为50～100nm，Cu层的厚度为10～50nm，Au层厚度为50～200nm。
本发明还提供所述氧化镓MISFET器件结构的制备方法，包括以下步骤：
在氧化镓衬底上生长外延层；
在所述外延层中远离所述氧化镓衬底的一侧的两端通过离子注入分别形成电流阻挡层，两个所述电流阻挡层中间为电流通道；
通过离子注入的方式采用偏角注入的方法在所述电流通道处的所述外延层中形成至少一个与所述电流阻挡层相连的调节层；
在所述外延层远离所述氧化镓衬底的表面上沉积栅介质层，在所述栅介质层表面制作栅极；
在所述外延层远离所述氧化镓衬底的表面上沉积钝化介质层；在所述氧化镓衬底远离所述外延层的表面上制作漏极；
刻蚀掉所述栅介质层和所述钝化介质层的两侧，并蒸镀欧姆接触金属层，退火；
在得到的器件结构表面沉积金属层作为源极。
在优选的实施方案中，在制作所述调节层之后，通过离子注入的方式在所述外延层中形成低阻层。
在进一步优选的实施方案中，所述低阻层注入的元素为硅或锡。
在进一步优选的实施方案中，形成所述低阻层的离子注入条件为：注入能量为20～100keV，注入剂量为1.5×1013～2.5×1013cm-2。
在优选的实施方案中，形成所述电流阻挡层的离子注入条件为：注入能量为300～400keV，注入剂量为3.0×1013～4.0×1013cm-2。
在优选的实施方案中，所述电流阻挡层的注入元素为氮或镁。
在优选的实施方案中，形成所述调节层的离子注入条件为：注入能量为450～550keV，注入剂量为3.8×1013～4.8×1013cm-2。
在优选的实施方案中，所述调节层的注入元素为氮或镁。
在优选的实施方案中，所述退火的条件为：在惰性气体氛围中，于450～500℃保持60～120s。
在优选的实施方案中，所述偏角注入的角度相对于所述外延层的表面为15°～45°。
本发明具有以下有益效果：(1)本发明中通过控制电流阻挡层的注入深度(电流阻挡层顶面与外延层上表面之间的距离)来实现氧化镓MISFET的制备，当电流阻挡层的注入深度足够小时，栅极金属与外延层之间的功函数差会使这个注入深度内的电子被耗尽，在栅压为0V和漏源正偏时，因缺乏导电通道而实现器件常关。当栅源电压正偏时，在栅极电场吸引下，电子被吸引到栅介质层下方，形成反型层，在正偏的漏源电压下，实现器件导通。(2)本发明的氧化镓MISFET器件结构中在电流通道下方形成高阻层作为器件的调节层，调节层一方面可以将反向电场屏蔽在器件内部，减小界面处的电场强度，增加栅介质层的寿命；另一方面，调节层占据了部分电流通道，因而减小了正向饱和电流，可以提高器件的短路耐受能力，使得器件发生短路时，有足够的时间进行关断。(3)本发明中制备氧化镓MISFET器件的方法通过将较困难的光刻工艺转化为易于控制的离子注入工艺来完成，不再依赖昂贵且效率低的电子束光刻机形成0.3μm以下的线条，而是通过控制离子注入的能量来实现厚度低于1μm的导电层。因此，该方法具有更高的生产稳定性，使得氧化镓增强型器件量产成为可能，并且其他步骤的光刻都可以通过i线和g线光刻机完成。
附图说明
图1为实施例1中提供的氧化镓MISFET器件结构的示意图，同时也是实施例6制备的氧化镓MISFET器件结构的示意图；
图2～9为实施例3、4、5中制备氧化镓MISFET器件结构的过程中各步骤得到的结构的示意图；图9同时也是实施例2中提供的氧化镓MISFET器件结构的示意图；
图10为本发明提供的另一种氧化镓MISFET器件结构的示意图；
图11结合图9为本发明提供的另一种氧化镓MISFET器件结构的调节层在三维空间设置的示意图；
图12为本发明提供的另一种氧化镓MISFET器件结构的示意图。
图中：1、氧化镓衬底；2、外延层；3、电流阻挡层；4、第二光阻层；5、第二窗口；6、调节层；7、低阻层；8、栅介质层；9、栅极；10、钝化介质层；11、漏极；12、欧姆接触金属层；13、源极；14、电流通道。
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，所描述的实施例只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。
本发明中提到的方向术语，例如“由下至上”、“上”、“下”、“顶部”之类的词语，是指附图中的方向。因此，方向性术语仅用于说明而不是用于限制本发明。本发明中使用的序数词，如“第一”、“第二”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。以下实施例中所描述的“厚度”是指元件沿漏极指向源极方向(或沿氧化镓衬底指向外延层的方向)的尺寸。以下实施例中未详细描述的方法均为本领域技术人员所熟知的常规方法。
本发明提供一种氧化镓MISFET器件结构，由下至上依次包括漏极、氧化镓衬底、外延层和源极；在所述外延层中，所述外延层的表层中设置有电流阻挡层，所述电流阻挡层中部为电流通道；在所述电流通道处的所述外延层中设置有至少一个与所述电流阻挡层相连的调节层，所述调节层的底部向所述外延层靠近所述氧化镓衬底的内部延伸，所述调节层延伸的方向与所述电流阻挡层之间呈钝角；所述外延层的上表面沉积有栅介质层；沿所述源极指向所述漏极的方向，所述栅介质层两侧设置有与所述外延层形成欧姆接触的欧姆接触金属层；所述栅介质层上表面设置有栅极，所述栅极与所述源极之间设置有钝化介质层。
在一些实施方式中，所述外延层中设置有低阻层，所述低阻层的上表面与所述外延层的上表面平齐，所述低阻层的下表面与所述电流阻挡层的上表面接触，所述低阻层的中部为电流通道。
本发明中氧化镓MISFET器件结构的制备方法包括以下步骤：
在氧化镓衬底上生长外延层；
在所述外延层中远离所述氧化镓衬底的一侧的两端通过离子注入分别形成电流阻挡层，两个所述电流阻挡层中间为电流通道；
通过离子注入的方式采用偏角注入的方法在所述电流通道处的所述外延层中形成至少一个与所述电流阻挡层相连的调节层；
在所述外延层远离所述氧化镓衬底的表面上沉积栅介质层，在所述栅介质层表面制作栅极；
在所述外延层远离所述氧化镓衬底的表面上沉积钝化介质层；在所述氧化镓衬底远离所述外延层的表面上制作漏极；
刻蚀掉所述栅介质层和所述钝化介质层的两侧，并蒸镀欧姆接触金属层，退火；
在得到的器件结构表面沉积金属层作为源极。
在一些实施方式中，在制作所述调节层之后，通过离子注入的方式在所述外延层中形成低阻层。
进一步地，所述氧化镓衬底的掺杂类型为n型。
进一步地，所述低阻层的厚度大于0且不超过0.4μm；优选0.3μm。
进一步地，所述低阻层的掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；优选5×1019cm-3。
进一步地，所述低阻层的注入元素为硅或锡；优选硅。
在一些实施方式中，所述外延层为n型氧化镓层。
在一些实施方式中，所述外延层的厚度为5～15μm；优选10μm。
在一些实施方式中，所述外延层的掺杂浓度为5×1015～5×1016cm-3；优选2×1016cm-3。
在一些实施方式中，所述电流阻挡层的厚度为0.5～1μm。
在一些实施方式中，所述电流阻挡层顶部与所述外延层上表面的距离为0.2～1μm。
在一些实施方式中，所述电流阻挡层的掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3；优选5×1019cm-3。
在一些实施方式中，所述电流阻挡层的注入元素为氮或镁。
在一些实施方式中，所述调节层向所述外延层中靠近所述氧化镓衬底的内部延伸的长度为0.5～1μm。
在一些实施方式中，所述调节层延伸的方向与所述电流阻挡层之间的角度为135°～165°。
在一些实施方式中，所述调节层的掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3；优选5×1019cm-3。
在一些实施方式中，所述调节层的注入元素为氮或镁。
在一些实施方式中，所述栅介质层的厚度为30～100nm。
在一些实施方式中，所述栅介质层的材质为氧化铝、氧化铪、钛酸钡中任意一种。
在一些实施方式中，所述栅极的材料为Cr、Pt、Au中任意一种。
在一些实施方式中，所述钝化介质层的厚度为0.5～2μm。
在一些实施方式中，所述钝化介质层的材质为二氧化硅、氮化硅、硼磷硅玻璃(BPSG)中任意一种。
在一些实施方式中，所述欧姆接触金属层的厚度为20～200nm。
在一些实施方式中，所述欧姆接触金属层的金属为钛。
在一些实施方式中，形成所述低阻层的离子注入条件为：注入能量为20～100keV，注入剂量为1.5×1013～2.5×1013cm-2。
在一些实施方式中，形成所述电流阻挡层的离子注入条件为：注入能量为300～400keV，注入剂量为3.0×1013～4.0×1013cm-2。
在一些实施方式中，形成所述调节层的离子注入条件为：注入能量为450～550keV，注入剂量为3.8×1013～4.8×1013cm-2。
在一些实施方式中，所述退火的条件为：在惰性气体氛围中，于450～500℃保持60～120s。
在一些实施方式中，所述偏角注入的角度相对于所述外延层的表面为15°～45°。
在一些实施方式中，所述漏极的金属为钛金合金，其中钛层的厚度为20～200nm，金层的厚度为50～200nm。
在一些实施方式中，所述源极的金属为Ti、Al、Cu、Au合金层，其中，Ti层的厚度为10～100nm，Al层的厚度为50～100nm，Cu层的厚度为10～50nm，Au层厚度为50～200nm。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种氧化镓MISFET器件结构，由下至上依次包括漏极11、氧化镓衬底1、外延层2和源极13。在外延层2两端靠近上表面的位置通过离子注入形成有电流阻挡层3。电流阻挡层3中部为电流通道14。电流阻挡层3的顶部与外延层2上表面之间的外延层2为导电层。通过离子注入在电流通道14所在位置的外延层2中形成有调节层6。调节层6与电流阻挡层3相连，调节层6的底部向外延层2靠近氧化镓衬底1的内部延伸，延伸的方向与电流阻挡层3之间的夹角为钝角(例如135°)。外延层2的上表面沉积有栅介质层8。沿源极13指向漏极11的方向，栅介质层8两侧沉积有与外延层2形成欧姆接触的欧姆接触金属层12。栅介质层8的上表面沉积有栅极9。栅极9上表面沉积有钝化介质层10，源极13沉积在器件上表面，钝化介质层10用于隔离栅极9和源极13。氧化镓衬底1的掺杂类型为n型。外延层2是厚度为10μm、掺杂浓度为2×1016cm-3的n型氧化镓层。电流阻挡层3的注入元素为氮，厚度为0.5μm，掺杂浓度为5×1019cm-3，电流阻挡层3的顶部与外延层2的上表面之间的距离为0.2μm。调节层6的注入元素为氮，掺杂浓度为5×1019cm-3，调节层6向外延层2中靠近氧化镓衬底1的内部延伸的长度为0.5μm。栅介质层8是厚度为30nm的氧化铝层。栅极9的材料为Cr金属。钝化介质层10是厚度为1μm的二氧化硅层。漏极11为钛金合金层，其中钛层厚度为20nm，金层厚度为80nm。欧姆接触金属层12是厚度为20nm的钛层。源极13为Ti、Al、Cu、Au合金层，Ti层的厚度为10nm，Al层的厚度为70nm，Cu层的厚度为10nm，Au层厚度为60nm。
实施例2
如图9所示，本实施例提供一种氧化镓MISFET器件结构，由下至上依次包括漏极11、氧化镓衬底1、外延层2和源极13。在外延层2两端靠近上表面的位置通过离子注入形成有电流阻挡层3。电流阻挡层3中部为电流通道14。电流阻挡层3的顶部与外延层2上表面之间的外延层2为导电层。通过离子注入在电流通道14所在位置的外延层2中形成有调节层6。调节层6与电流阻挡层3相连，其底部均向外延层2靠近氧化镓衬底1的内部延伸，延伸的方向与电流阻挡层3之间的夹角为钝角(例如150°)。在电流阻挡层3的上部的外延层2中通过离子注入形成有低阻层7，低阻层7的上表面与外延层2的上表面平齐，下表面与电流阻挡层3的上表面接触，低阻层7的中部的外延层2为电流通道14。外延层2的上表面沉积有栅介质层8。沿源极13指向漏极11的方向，栅介质层8两侧沉积有与外延层2形成欧姆接触的欧姆接触金属层12。栅介质层8的上表面沉积有栅极9。栅极9上表面沉积有钝化介质层10，源极13沉积在器件上表面，钝化介质层10用于隔离栅极9和源极13。其中，低阻层7的注入元素为硅，厚度为0.3μm，掺杂浓度为5×1019cm-3。其他元件的材质、尺寸、掺杂类型和浓度等都与实施例1中相同。
实施例3
参照2～9，本实施例提供一种氧化镓MISFET器件结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、在氧化镓衬底1上采用HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy，氢化物气相外延)法外延生长掺杂浓度为2×1016cm-3、厚度为10μm的n型氧化镓外延层。
S2、在外延层2上表面涂抹第一光阻，光刻形成第一窗口用于注入电流阻挡层；常温下通过离子注入的方式向外延层2中靠近上表面的两端分别注入氮元素形成电流阻挡层3，然后去除第一光阻。两个电流阻挡层3的中间为电流通道14。注入氮元素时的能量为350keV，注入剂量为3.6×1013cm-2。电流阻挡层3的掺杂浓度为5×1019cm-3，沿氧化镓衬底1指向外延层2的方向上的厚度为0.5μm，其顶部与外延层2上表面的距离为0.2μm。
S3、在外延层2上表面涂抹第二光阻形成第二光阻层4，光刻形成第二窗口5用于注入调节层；常温下通过离子注入的方式采用偏角注入法通过第二窗口5往外延层2中注入氮元素形成调节层6，然后去除第二光阻层4。注入氮元素时的能量为500keV，注入剂量为4.0×1013cm-2。调节层6的掺杂浓度为5×1019cm-3，在外延层2内向氧化镓衬底1的方向延伸的长度为0.5μm，其顶部离外延层2上表面的距离为0.2μm，偏角注入角度相对于外延层2上表面为30°，即调节层6延伸的方向与电流阻挡层3之间的角度为150°。
S4、在外延层2上表面涂抹第三光阻，光刻形成第三窗口用于注入低阻层；在沿外延层2指向氧化镓衬底1的方向上，常温下通过离子注入的方式向外延层2的两侧注入硅元素形成低阻层7，位于两部分低阻层7中间的外延层2为电流通道14。低阻层7的上表面与外延层2的上表面平齐，下表面与电流阻挡层3的上表面接触。注入硅元素时的能量为20keV，注入剂量为2.3×1013cm-2。低阻层7的掺杂浓度为5×1019cm-3，厚度为0.3μm。
S5、在外延层2上表面沉积30nm后的氧化铝层作为栅介质层8。在栅介质层8上表面沉积金属Cr，随后采用i线光刻机对Cr金属层进行图形化和刻蚀，得到栅极9。
S6、在步骤S4得到的器件结构上表面沉积1μm厚的二氧化硅作为隔离栅极和源极的钝化介质层10。
S7、在衬底1的下表面蒸镀钛金合金层作为漏极11。其中，钛层的厚度为20nm，金层的厚度为80nm。
S8、刻蚀掉栅介质层8和钝化介质层10的两侧，然后蒸镀20nm厚的钛金属层作为欧姆接触金属层12，得到的器件在氮气氛围中于470℃退火90s，使得欧姆接触金属层12与外延层2形成欧姆接触。
S9、在步骤S7得到的器件结构表面沉积Ti、Al、Cu、Au合金层作为源极13。其中，Ti层的厚度为10nm，Al层的厚度为70nm，Cu层的厚度为10nm，Au层厚度为60nm。
实施例4
参照图2～9，本实施例提供一种氧化镓MISFET器件结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、在氧化镓衬底1上采用HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy，氢化物气相外延)法外延生长掺杂浓度为5×1015cm-3、厚度为5μm的n型氧化镓外延层。
S2、在外延层2上表面涂抹第一光阻，光刻形成第一窗口用于注入电流阻挡层；常温下向外延层中注入Mg元素形成电流阻挡层3，然后去除第一光阻。两个电流阻挡层3的中间为电流通道14。注入镁元素时的能量为300keV，注入剂量为3.0×1013cm-2。电流阻挡层3的掺杂浓度为1×1018cm-3，厚度为0.7μm，其顶部与外延层2上表面的距离为1μm。
S3、在外延层2上表面涂抹第二光阻4，光刻形成第二窗口5用于注入调节层；常温下采用偏角注入法通过第二窗口5往外延层2中注入Mg元素形成调节层6，然后去除第二光阻4。注入镁元素时的能量为450keV，注入剂量为3.8×1013cm-2。调节层6的掺杂浓度为1×1018cm-3，在外延层2内向氧化镓衬底1的方向延伸的长度为0.8μm，其顶部离外延层2上表面的距离为1μm，偏角注入角度相对于外延层2上表面为15°，即调节层6延伸的方向与电流阻挡层3之间的角度为165°。
S4、在外延层2上表面涂抹第三光阻，光刻形成第三窗口用于注入低阻层；在沿外延层2指向氧化镓衬底1的方向上，常温下向外延层2的两侧注入锡元素形成低阻层7，位于两部分低阻层7中间的外延层2为电流通道14。低阻层7的上表面与外延层2的上表面平齐，下表面与电流阻挡层3的上表面接触。注入锡元素时的能量为50keV，注入剂量为1.5×1013cm-2。低阻层7的掺杂浓度为1×1018cm-3，厚度为0.4μm。
S5、在外延层2上表面沉积50nm厚的钛酸钡层作为栅介质层8。在栅介质层8上表面沉积金属Pt，随后采用g线光刻机对Pt金属层进行图形化和刻蚀，得到栅极9。
S6、在步骤S4得到的器件结构上表面沉积0.5μm厚的氮化硅层作为隔离栅极和源极的钝化介质层10。
S7、在衬底1的下表面蒸镀钛金合金层作为漏极11。其中，钛层的厚度为200nm，金层的厚度为50nm。
S8、刻蚀掉栅介质层8和钝化介质层10的两侧，然后蒸镀200nm厚的钛金属层作为欧姆接触金属层12，得到的器件在氮气氛围中于450℃退火120s，使得欧姆接触金属层12与外延层2形成欧姆接触。
S9、在步骤S7得到的器件结构表面沉积Ti、Al、Cu、Au合金层作为源极13。其中，Ti层的厚度为30nm，Al层的厚度为50nm，Cu层的厚度为20nm，Au层厚度为200nm。
实施例5
参照图2～9，本实施例提供一种氧化镓MISFET器件结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、在氧化镓衬底1上采用HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy，氢化物气相外延)法外延生长掺杂浓度为5×1016cm-3、厚度为15μm的n型氧化镓外延层。
S2、在外延层2上表面涂抹第一光阻，光刻形成第一窗口用于注入电流阻挡层；常温下向外延层中注入氮元素形成电流阻挡层3，然后去除第一光阻。两个电流阻挡层3的中间为电流通道14。注入氮元素时的能量为400keV，注入剂量为4.0×1013cm-2。电流阻挡层3的掺杂浓度为1×1020cm-3，厚度为1μm，其顶部与外延层2上表面的距离为0.5μm。
S3、在外延层2上表面涂抹第二光阻4，光刻形成第二窗口5用于注入调节层；常温下采用偏角注入法通过第二窗口5往外延层2中注入Mg元素形成调节层6，然后去除第二光阻4。注入镁元素时的能量为550keV，注入剂量为4.8×1013cm-2。调节层6的掺杂浓度为1×1020cm-3，在外延层2内向氧化镓衬底1的方向延伸的长度为1μm，其顶部离外延层2上表面的距离为0.5μm，偏角注入角度相对于外延层2上表面为45°，即调节层6延伸的方向与电流阻挡层3之间的角度为135°。
S4、在外延层2上表面涂抹第三光阻，光刻形成第三窗口用于注入低阻层；在沿外延层2指向氧化镓衬底1的方向上，常温下向外延层2的两侧注入硅元素形成低阻层7，位于两部分低阻层7中间的外延层2为电流通道14。低阻层7的上表面与外延层2的上表面平齐，下表面与电流阻挡层3的上表面接触。注入硅元素时的能量为100keV，注入剂量为2.5×1013cm-2。低阻层7的掺杂浓度为1×1020cm-3，厚度为0.1μm。
S5、在外延层2上表面沉积100nm厚的氧化铪层作为栅介质层8。在栅介质层8上表面沉积金属Au，随后采用i线光刻机对Au金属层进行图形化和刻蚀，得到栅极9。
S6、在步骤S4得到的器件结构上表面沉积2μm厚的BPSG层作为隔离栅极和源极的钝化介质层10。
S7、在氧化镓衬底1的下表面蒸镀钛金合金层作为漏极11。其中，钛层的厚度为50nm，金层的厚度为200nm。
S8、刻蚀掉栅介质层8和钝化介质层10的两侧，然后蒸镀100nm厚的钛金属层作为欧姆接触金属层12，得到的器件在氮气氛围中于450℃退火120s，使得欧姆接触金属层12与外延层2形成欧姆接触。
S9、在步骤S7得到的器件结构表面沉积Ti、Al、Cu、Au合金层作为源极13。其中，Ti层的厚度为30nm，Al层的厚度为50nm，Cu层的厚度为20nm，Au层厚度为200nm。
实施例6
本实施例中制备氧化镓MISFET器件结构的制备方法与实施例3的不同之处在于，步骤S3中只形成一个调节层6，没有步骤S4，得到的器件结构如图1所示。
需要说明的是，本发明中的氧化镓MISFET器件的元胞结构不做任何限定，一般情况下可以是条形、正方形、圆形或六边形。为了平衡器件的正向导通和反向耐压性能，除实施例中的结构外，步骤S3中通过离子注入的方式形成调节层6时既可以是如图10所示的单边注入，也可以是如图9和图11所示的在三维空间中周期性地布局形成。图9和图11上截面AA’与截面BB’垂直。如图12所示，为了实现更好的电场屏蔽效果和短路耐受能力，调节层6在三维空间中的部分方向上(如截面AA’上)可以是两边注入并且两边的调节层相连，而在其他方向上(如截面BB’上)，调节层可以是单边结构、双边结构或无调节层中任意一种。
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。
Claims (10)
1.一种氧化镓MISFET器件结构，其特征在于，由下至上依次包括漏极、氧化镓衬底、外延层和源极；在所述外延层中，所述外延层的表层中设置有电流阻挡层，所述电流阻挡层中部为电流通道；在所述电流通道处的所述外延层中设置有至少一个与所述电流阻挡层相连的调节层；所述调节层的底部向所述外延层靠近所述氧化镓衬底的内部延伸，延伸的方向与所述电流阻挡层之间呈钝角；所述外延层的上表面沉积有栅介质层；沿所述源极指向所述漏极的方向，所述栅介质层两侧设置有与所述外延层形成欧姆接触的欧姆接触金属层；所述栅介质层上表面设置有栅极，所述栅极与所述源极之间设置有钝化介质层。
2.根据权利要求1所述的氧化镓MISFET器件结构，其特征在于，所述电流阻挡层的厚度为0.5～1μm；或/和所述电流阻挡层顶部与所述外延层上表面的距离为0.2～1μm；或/和所述调节层向所述外延层靠近所述氧化镓衬底的内部延伸的长度为0.5～1μm。
3.根据权利要求1所述的氧化镓MISFET器件结构，其特征在于，所述栅介质层的厚度为30～100nm；或/和所述钝化介质层的厚度为0.5～2μm；或/和所述欧姆接触金属层的厚度为20～200nm。
4.根据权利要求1所述的氧化镓MISFET器件结构，其特征在于，所述外延层的掺杂浓度为5×1015～5×1016cm-3；或/和所述电流阻挡层的掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3；或/和所述调节层的掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3。
5.根据权利要求1所述的氧化镓MISFET器件结构，其特征在于，所述外延层中设置有低阻层，所述低阻层的上表面与所述外延层的上表面平齐，所述低阻层的下表面与所述电流阻挡层的上表面接触，所述低阻层的中部为电流通道。
6.根据权利要求5所述的氧化镓MISFET器件结构，其特征在于，所述低阻层的厚度大于0且不超过0.4μm。
7.根据权利要求5所述的氧化镓MISFET器件结构，其特征在于，所述低阻层的掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3。
8.权利要求1～7任一项所述的氧化镓MISFET器件结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在氧化镓衬底上生长外延层；
在所述外延层中远离所述氧化镓衬底的一侧的两端通过离子注入分别形成电流阻挡层，两个所述电流阻挡层中间为电流通道；
通过离子注入的方式采用偏角注入的方法在所述电流通道处的所述外延层中形成至少一个与所述电流阻挡层相连的调节层；
在所述外延层远离所述氧化镓衬底的表面上沉积栅介质层，在所述栅介质层表面制作栅极；
在所述外延层远离所述氧化镓衬底的表面上沉积钝化介质层；在所述氧化镓衬底远离所述外延层的表面上制作漏极；
刻蚀掉所述栅介质层和所述钝化介质层的两侧，并蒸镀欧姆接触金属层，退火；
在得到的器件结构表面沉积金属层作为源极。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在制作所述调节层之后，通过离子注入的方式在所述外延层中形成低阻层。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述退火的条件为在惰性气体氛围中，于450～500℃保持60～120s；或/和所述偏角注入的角度相对于所述外延层的表面为15°～45°。
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