一种氧化镓场效应晶体管器件及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种氧化镓场效应晶体管器件及其制备方法。该器件包括：衬底，设于衬底上的n型氧化镓沟道层，设于n型氧化镓沟道层上的漏电极和源电极，设于漏电极和源电极之间的栅介质层，设于栅介质层上的栅电极；n型氧化镓沟道层对应于漏电极和源电极之间的部分包括第一沟道和至少一个鳍式沟道；鳍式沟道设于漏电极与第一沟道之间；鳍式沟道的横截面为指向源电极方向的梯形；栅电极在n型氧化镓沟道层上的垂直投影覆盖鳍式沟道与第一沟道的连接区域；在n型氧化镓沟道层与栅介质层之间、鳍式沟道的两侧填充有P型氧化物介质层。本发明专利技术能够通过鳍式沟道的尺寸减小，P型介质耗尽沟道的载流子，减小了尖峰电场，提升了器件击穿电压。提升了器件击穿电压。提升了器件击穿电压。

A gallium oxide field effect transistor device and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种氧化镓场效应晶体管器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体制造
，尤其涉及一种氧化镓场效应晶体管器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]电力电子器件主要用于电力设备的电能变化和电路控制，是进行电能(功率)处理的核心器件。当前全球范围内环境资源问题面临严峻考验，各国相继颁布节能减排政策，作为工业设施、家用电器等设备电能控制与转换的核心器件，功率半导体产业将面临新的技术挑战与发展机遇。
[0003]硅基半导体器件是目前电力系统最普遍使用的功率器件，其性能已相当完善并接近由其材料特性决定的理论极限，使得其功率密度的增长呈饱和趋势。
[0004]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硅基功率器件。
[0005]超宽禁带氧化镓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材料巴利加优值是氮化镓材料的4倍，是碳化硅材料的10倍，是硅材料的3444倍。β
‑
Ga2O3功率器件与氮化镓和碳化硅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。
[0006]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(Ga2O
3 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Ga2O
3 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Ga2O
3 MOSFET器件击穿电压达到750V。2019年，ETRI采用源场板结构，同时测试过程中通过氟化液隔绝器件空气击穿，器件击穿电压达到2320V。2020年，Buffalo采用SU
‑
8钝化，器件击穿达到8000V。
[0007]然而，目前已报道的Ga2O3场效应晶体管(FET)器件的击穿电压和导通特性还远低于材料预期值。

技术实现思路

[0008]本专利技术实施例提供了一种氧化镓场效应晶体管器件及其制备方法，以进一步提高现有氧化镓场效应晶体管的击穿电压。
[0009]第一方面，本专利技术实施例提供了一种氧化镓场效应晶体管器件，包括：
[0010]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漏电极和源电极，设于所述漏电极和所述源电极之间的栅介质层，设于所述栅介质层上的栅电极；所述n型氧化镓沟道层对应于漏电极和源电极之间的部分包括第一沟道和至少一个鳍式沟道；所述第一沟道偏向源电极一侧；所述鳍式沟道设于所述漏电极与所述第一沟道之
间；所述鳍式沟道的横截面为指向源电极方向的梯形；所述栅电极在n型氧化镓沟道层上的垂直投影覆盖鳍式沟道与第一沟道的连接区域；在n型氧化镓沟道层与栅介质层之间、鳍式沟道的两侧填充有P型氧化物介质层。
[0011]在一种可能的实现方式中，所述P型氧化物介质层的材料包括NiO
x
、SnO2、CuO
x
、MnO
x
、FeO
x
、CuMO2或ZnM2O4。
[0012]在一种可能的实现方式中，所述P型氧化物介质层的厚度范围为10纳米至1000纳米。
[0013]在一种可能的实现方式中，所述P型氧化物介质层的厚度以填平鳍式沟道两侧形成平面为准。
[0014]在一种可能的实现方式中，所述n型氧化镓沟道层的掺杂浓度由下层向上层逐渐减小。
[0015]第二方面，本专利技术实施例提供了一种氧化镓场效应晶体管器件的制备方法，包括：
[0016]在衬底上生长n型氧化镓沟道层。
[0017]在n型氧化镓沟道层上制备漏电极和源电极。
[0018]在所述n型氧化镓沟道层对应于漏电极和源电极之间的部分表面上制备掩膜；所述掩膜包括第一沟道掩膜和至少一个鳍式沟道掩膜；所述第一沟道掩膜偏向源电极一侧；所述鳍式沟道掩膜设于所述漏电极与所述第一沟道掩膜之间；所述鳍式沟道掩膜的横截面呈指向源电极方向的梯形。
[0019]刻蚀所述n型氧化镓沟道层，获得鳍式沟道和第一沟道。
[0020]制备填充所述鳍式沟道两侧的P型氧化物介质层。
[0021]在鳍式沟道和第一沟道表面上制备栅介质层。
[0022]在栅介质层上制备栅电极；所述栅电极在n型氧化镓沟道层上的垂直投影覆盖鳍式沟道与第一沟道的连接区域。
[0023]在一种可能的实现方式中，所述掩膜为光刻胶；在所述刻蚀所述n型氧化镓沟道层，获得鳍式沟道和第一沟道之后，保留掩膜。
[0024]相应的，所述制备填充所述鳍式沟道两侧的P型氧化物介质层，包括：
[0025]在器件表面生长P型氧化物介质层。
[0026]通过剥离工艺去除掩膜表面的P型氧化物介质层，获得填充所述鳍式沟道两侧的P型氧化物介质层。
[0027]在一种可能的实现方式中，所述P型氧化物介质层的材料包括NiO
x
、SnO2、CuO
x
、MnO
x
、FeO
x
、CuMO2或ZnM2O4。
[0028]在一种可能的实现方式中，所述P型氧化物介质层的厚度范围为10纳米至1000纳米。
[0029]在一种可能的实现方式中，所述P型氧化物介质层的厚度以填平鳍式沟道两侧形成平面为准。
[0030]在一种可能的实现方式中，所述n型氧化镓沟道层的掺杂浓度由下层向上层逐渐减小。
[0031]本专利技术实施例提供一种氧化镓场效应晶体管器件，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漏电极和源电极，设于所述漏电极和所述
源电极之间的栅介质层，设于所述栅介质层上的栅电极；所述n型氧化镓沟道层对应于漏电极和源电极之间的部分包括第一沟道和至少一个鳍式沟道；所述第一沟道偏向源电极一侧；所述鳍式沟道设于所述漏电极与所述第一沟道之间；所述鳍式沟道的横截面为指向源电极方向的梯形；所述栅电极在n型氧化镓沟道层上的垂直投影覆盖鳍式沟道与第一沟道的连接区域；在n型氧化镓沟道层与栅介质层之间、鳍式沟道的两侧填充有P型氧化物介质层。通过梯形鳍式沟道结构，使栅电极具有更高的表面积，提升栅控能力、增加了阈值电压，提升了击穿电压；三维栅结构的场板作用，使器件的电场分布更加均匀，从而降低器件峰值场强，提升了器件击穿电压；栅电极靠近漏极的端点下方鳍式沟道的尺寸减小，减小了尖峰电场，避免了因尖峰电场造成的击穿，提升了器件击穿电压；P型氧化物介质能够耗尽沟道的载流子，从而降低器件峰值场强，增加阈值电压，提升了击穿电压。
附图说明
[0032]为了更清楚地说明本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化镓场效应晶体管器件，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漏电极和源电极，设于所述漏电极和所述源电极之间的栅介质层，设于所述栅介质层上的栅电极；所述n型氧化镓沟道层对应于漏电极和源电极之间的部分包括第一沟道和至少一个鳍式沟道；所述第一沟道偏向源电极一侧；所述鳍式沟道设于所述漏电极与所述第一沟道之间；所述鳍式沟道的横截面为指向源电极方向的梯形；所述栅电极在n型氧化镓沟道层上的垂直投影覆盖鳍式沟道与第一沟道的连接区域；在n型氧化镓沟道层与栅介质层之间、鳍式沟道的两侧填充有P型氧化物介质层。2.如权利要求1所述的一种氧化镓场效应晶体管器件，其特征在于，所述P型氧化物介质层的材料包括NiO
x
、SnO2、CuO
x
、MnO
x
、FeO
x
、CuMO2或ZnM2O4。3.如权利要求2所述的一种氧化镓场效应晶体管器件，其特征在于，所述P型氧化物介质层的厚度范围为10纳米至1000纳米。4.如权利要求3所述的一种氧化镓场效应晶体管器件，其特征在于，所述P型氧化物介质层的厚度以填平鳍式沟道两侧形成平面为准。5.如权利要求4所述的一种氧化镓场效应晶体管器件，其特征在于，所述n型氧化镓沟道层的掺杂浓度由下层向上层逐渐减小。6.一种氧化镓场效应晶体管器件的制备方法，其特征在于，包括：在衬底上生长n型氧化镓沟道层；在n型氧化镓沟道层上制备漏电极和源电极；在所述n型氧化镓沟道层对应于漏电极和源电极之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏宇，吕元杰，王元刚，卜爱民，马春雷，冯志红，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十三研究所，
类型：发明
国别省市：