具有阶梯缓冲层结构的4H-SiC金属半导体场效应晶体管制造技术

本发明专利技术公开了一种具有阶梯缓冲层结构的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，自下而上包括4H‐SiC半绝缘衬底、P型缓冲层、N型沟道层，N型沟道层的两侧分别为源极帽层和漏极帽层，源极帽层和漏极帽层表面分别是源电极和漏电极，N型沟道层上方且靠近源极帽层的一侧形成栅电极，栅电极与源极帽层之间形成凹陷栅源漂移区，栅电极与漏极帽层之间形成凹陷栅漏漂移区，P型缓冲层的上端面靠近源极帽层处设有凹槽，凹槽内靠近漏极帽层一侧设有两个台阶。本发明专利技术具有击穿电压稳定，输出漏极电流高的优点。

【技术实现步骤摘要】
具有阶梯缓冲层结构的4H-SiC金属半导体场效应晶体管
本专利技术涉及场效应晶体管
，特别是一种具有阶梯缓冲层结构的4H-SiC金属半导体场效应晶体管。
技术介绍
SiC材料具有宽带隙、高击穿电场、高的饱和电子迁移速度、高热导率等突出的材料和电学特性，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。在SiC同质异形体中，六角密堆积的纤锌矿结构的4H-SiC的电子迁移率是6H-SiC的近三倍，因此4H-SiC材料在高频高功率器件，尤其是金属半导体场效应晶体管(MESFET)应用中占有主要地位。目前，大多数文献致力于双凹陷4H-SiCMESFET结构的研究及在此结构的基础上进行改进，例如凹陷源/漏漂移区4H-SiCMESFET。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，并且栅源漂移区的一部分向N型沟道层内凹陷，而栅漏漂移区全部向N型沟道层内凹陷，这两个凹陷的漂移区均可在凹栅形成的过程中通过反应离子刻蚀RIE技术完成。相比于双凹陷结构，虽然上述凹陷源/漏漂移区4H-SiCMESFET的击穿电压因栅漏之间漂移区厚度的减小而增加，但饱和漏电流却没有得到提升。并且在实际情况下，反应离子刻蚀RIE的过程会在器件漂移区表面形成晶格损伤，导致N型沟道层中载流子有效迁移率下降，进而降低漏极电流，在电流输出特性上表现为饱和电流的退化。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种输出电流得到提高的具有阶梯缓冲层结构的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，从而提高器件输出功率密度。为达到上述目的，本专利技术是按照以下技术方案实施的：一种具有阶梯缓冲层结构的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，自下而上包括4H‐SiC半绝缘衬底、P型缓冲层、N型沟道层，N型沟道层的两侧分别为源极帽层和漏极帽层，源极帽层和漏极帽层表面分别是源电极和漏电极，N型沟道层上方且靠近源极帽层的一侧形成栅电极，栅电极与源极帽层之间形成凹陷栅源漂移区，栅电极与漏极帽层之间形成凹陷栅漏漂移区，所述P型缓冲层的上端面靠近源极帽层处设有凹槽，凹槽内靠近漏极帽层一侧设有两个台阶。作为本专利技术的进一步优选方案，所述两个台阶中的下层台阶的高度为0.05μm，上层台阶的高度为0.03μm。一种具有阶梯缓冲层结构的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：1)对4H-SiC半绝缘衬底进行清洗，以去除表面污物；2)在在4H-SiC半绝缘衬底上外延生长0.53μm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型缓冲层；3)在P型缓冲层上外延生长0.22μm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；4)在N型沟道层上外延生长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；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；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长的源电极和漏电极；7)对源电极和漏电极之间的N+型帽层进行光刻、刻蚀，形成刻蚀深度和长度分别为0.2μm和2.2μm的凹沟道；8)对P型缓冲层进行两次光刻和离子注入，形成具有0.03μm和0.05μm两个台阶的阶梯型P型缓冲层；9)凹沟道进行光刻、刻蚀，同时形成深度和长度分别为0.05μm和1μm的凹陷栅漏漂移区，以及深度和长度分别为0.05μm和0.5μm的凹陷栅源漂移区；10)在凹陷栅漏漂移区和凹陷栅源漂移区之间的凹沟道进行光刻、磁控溅射和金属剥离，形成0.7μm长的栅电极；11)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。与现有技术相比，本专利技术的有益效果:1.漏极电流提高4H-SiCMESFE器件最大输出功率密度正比于漏极饱和电流、击穿电压以及膝点电压。通过改变P型缓冲层厚度，使靠近源极的沟道厚度更大，靠近漏极的沟道厚度较小，而相对的沟道厚度比传统结构要变大，流过源漏区的沟道总电荷会增加，并且栅下靠近源极的沟道厚度对漏极电流有着重要的影响，所以该器件的饱和漏电流得到大幅度提高。2.击穿电压稳定想要提升器件输出功率密度，就要求器件能在保持大的饱和电流密度的情况下具有高的击穿电压，大的饱和电流密度要求沟道更厚，掺杂浓度更大，沟道厚度的提升会减低器件的击穿电压。阶梯型缓冲层靠近源极的沟道厚度大，靠近漏极的沟道厚度小，而MESFET器件的击穿发生在栅的漏侧边缘，这就避免了因沟道厚度过大带来的击穿电压急剧下降的影响。附图说明图1是本专利技术具有阶梯缓冲层结构的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的结构示意图；图2为本专利技术具有阶梯缓冲层结构的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制作流程图。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步描述，在此专利技术的示意性实施例以及说明用来解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。如图1所示本专利技术的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，包括：掺钒杂质的4H-SiC半绝缘衬底1，4H-SiC半绝缘衬底1上为掺杂浓度为1.4×1015cm-3，厚度为0.53μm并具有0.03和0.05μm两个台阶11的阶梯型P型缓冲层2，P型缓冲层2上为掺杂浓度为3×1017cm-3，厚度0.22μm的N型沟道层3，N型沟道层3的两侧分别为0.5μm长的N+型源极帽层5和漏极帽层6，两者掺杂浓度和厚度均为1.0×1020cm-3和0.2μm，源极帽层5和漏极帽层6表面分别是源电极9和漏电极10，N型沟道层3的上方且距离源极帽层5的0.5μm处为0.7μm长的栅电极4，在栅电极4靠近源极帽层5的位置处形成0.15μm长、0.05μm深的凹陷栅源漂移区8，在栅电极4与漏极帽层6之间形成1μm长、0.05μm深的凹陷栅漏漂移区7。参照图2，本制作4H-SiC金属半导体场效应晶体管的方法，给出如下三种实施例。实施例1：制作厚度为0.53μm并具有0.03μm和0.05μm两个台阶11的阶梯型P型缓冲层的4H-SiC金属半导体场效应晶体管。本实施例的制作步骤如下：步骤1：清洗4H-SiC半绝缘衬底1，以去除表面污染物。(1.1)用蘸有甲醇的棉球将衬底仔细清洗两次，以除去表面各种尺寸的SiC颗粒；(1.2)将4H-SiC半绝缘衬底1在H2SO4:HNO3＝1:1中超声5分钟；(1.3)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，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。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表面上外延生长SiC层，同时经乙硼烷B2H6原位掺杂形成P型缓冲层2。将4H-SiC半绝缘衬底1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B2H6(H2中稀释到5％)，生长温度为1550℃本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有阶梯缓冲层结构的4H‑SiC金属半导体场效应晶体管，自下而上包括4H‐SiC半绝缘衬底(1)、P型缓冲层(2)、N型沟道层(3)，N型沟道层(3)的两侧分别为源极帽层(5)和漏极帽层(6)，源极帽层(5)和漏极帽层(6)表面分别是源电极(9)和漏电极(10)，N型沟道层(3)上方且靠近源极帽层(5)的一侧形成栅电极(4)，栅电极(4)与源极帽层(5)之间形成凹陷栅源漂移区(8)，栅电极(4)与漏极帽层(6)之间形成凹陷栅漏漂移区(7)，其特征在于：所述P型缓冲层(2)的上端面靠近源极帽层(5)处设有凹槽，凹槽内靠近漏极帽层(6)一侧设有两个台阶(11)。

【技术特征摘要】
1.一种具有阶梯缓冲层结构的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，自下而上包括4H‐SiC半绝缘衬底(1)、P型缓冲层(2)、N型沟道层(3)，N型沟道层(3)的两侧分别为源极帽层(5)和漏极帽层(6)，源极帽层(5)和漏极帽层(6)表面分别是源电极(9)和漏电极(10)，N型沟道层(3)上方且靠近源极帽层(5)的一侧形成栅电极(4)，栅电极(4)与源极帽层(5)之间形成凹陷栅源漂移区(8)，栅电极(4)与漏极帽层(6)之间形成凹陷栅漏漂移区(7)，其特征在于：所述P型缓冲层(2)的上端面靠近源极帽层(5)处设有凹槽，凹槽内靠近漏极帽层(6)一侧设有两个台阶(11)。2.根据权利要求1所述的具有阶梯缓冲层结构的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，其特征在于：所述两个台阶(11)中的下层台阶的高度为0.05μm，上层台阶的高度为0.03μm。3.一种如权利要求1所述的具有阶梯缓冲层结构的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对4H-SiC半绝缘衬底(1)进行清洗，以去除表面污物；2)在在4H-SiC半绝缘衬底(1)上外延生长0.53μm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...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾护军，张航，刑鼎，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61