具有SiO2阻挡层的垂直结构Ga2O3晶体管及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有SiO2阻挡层的垂直结构Ga2O3晶体管及制备方法，主要解决现有垂直型氧化镓场效应晶体管没有阻挡源漏间漏电结构，导致器件性能和可靠性差问题。其自下而上包括漏电极、氧化镓衬底层、氧化镓外延层、栅氧化层和栅电极；外延层内部外围设有SiO2电流阻挡层，其中心设有垂直重掺杂导电通道，其上方设有通过ALD生长的n型导电层，该n型导电层的上方设有源电极。本发明专利技术由于设有垂直重掺杂导电通道，相对于现有结构，器件的导通电阻得到了降低；且由于外延层内部外围设置SiO2阻挡层，相对于现有结构，器件源漏间漏电得到了有效的降低，同时提高了器件的击穿电压，可用于大功率集成电路的制备。大功率集成电路的制备。大功率集成电路的制备。

【技术实现步骤摘要】
具有SiO2阻挡层的垂直结构Ga2O3晶体管及制备方法


[0001]本专利技术属于微电子
，特别涉及一种垂直结构Ga2O3场效应晶体管，可用于制作高压电路变压器电路芯片、高速铁路输电系统和民用电动车充电模块等。
技术背景
[0002]随着第四代超宽禁带半导体的发展，氧化镓材料逐渐成为新一代半导体材料的焦点。目前可制备的氧化镓材料有α、β、γ、δ和ε五种晶型，由于其他几种亚稳定相在进行高温工艺处理时会转化成β
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Ga2O3，所以单斜的β
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Ga2O3具有最好的热稳定性，目前大部分研究工作也都是围绕β
‑
Ga2O3展开的。β
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Ga2O3具有为4.85eV的超大的禁带宽度，这一特征使其电离率较低，从而击穿场强较高，理论计算极限约为8MV/cm，超过第一代半导体Si约20倍，第三代半导体SiC和GaN一到二倍。此外，由于β
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Ga2O3具有较高的电子迁移率、介电常数和临界电场强度，其Baliga优质达到4H
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SiC的3倍、GaN的1.5倍。另外，β
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Ga2O3材料的导通电阻理论值很低，因此对于相同击穿电压条件下的单极器件，其导通损耗比SiC、GaN器件低至少一个数量级，有利于提高功率器件的效率。所以氧化镓材料在功率器件的研究和制作方面具有巨大的潜力和发展前景。
[0003]氧化镓场效应晶体管主要有水平结构和垂直结构两类。由于工艺和结构更加成熟，在目前发布的文章中，氧化镓场效应晶体管还是以水平结构为主。对于水平结构场效应晶体管，如果想获得较大的饱和电流和较高的击穿电压，就必须增大沟道的尺寸，进而牺牲芯片面积，且在增大面积的同时又会由于体材料缺陷总数的增加带来新的可靠性问题。
[0004]为了充分发挥氧化镓材料在耐高压和大功率方面的优势，垂直结构的氧化镓场效应晶体管才是更好的选择，对于垂直结构器件，其反偏电场分布在整块体材料上，在增大电场承受区域的同时不仅可避免表面击穿带来的可靠性问题，而且可获得更高的击穿电压，并且由于其结构特点，可以很容易地获得较大的导通电流，并在不多牺牲芯片面积的情况下，通过提高漂移区的厚度来获得更高的击穿电压。
[0005]然而，由于氧化镓材料的价带过于平缓和受主电离能过大的影响，在氧化镓材料和器件的制备过程中很难实现P型掺杂，无法像传统垂直结构一样采用pn结来对源漏之间的漏电进行有效的阻隔。
[0006]目前垂直型氧化镓场效应晶体管有两种结构：
[0007]第一种为早期工作中被采用的非平面的多鳍型结构，如图1所示，该结构自下而上包括漏电极、氧化镓衬底层、氧化镓漂移层、鳍型沟道、氧化铝栅氧化层、二氧化硅隔离层、栅电极和源电极。该结构通过侧壁调制的方法来实现源漏之间的电学隔离，成功实现了垂直型氧化镓场效应晶体管的基本功能。但是鳍型结构的沟槽栅极氧化层的拐角处会受到强烈的场应力使器件的可靠性降低，击穿电压只有1000V，并且由于鳍型结构的工艺实现复杂、精度要求高使器件的生产过程十分困难。
[0008]第二种为具有全离子注入电流阻挡层结构的氧化镓场效应晶体管，如图2所示，该结构自下而上包括漏电极、锡重掺杂氧化镓衬底层、硅掺杂氧化镓漂移层、镁离子注入电流
阻挡层、硅离子掺杂氧化镓沟道、源电极、氧化铝栅氧化层和栅电极，该结构通过引入平面栅结构降低了垂直型氧化镓场效应晶体管的生产难度，并且避免了器件拐角处强烈的场应力问题，但是由于该结构器件的制备过程中需要高温退火使注入离子激活，该高温会导致引入的电子陷阱中心离子发生扩散，使源漏之间产生非理想的漏电通道，从而产生较大的泄漏电流，其击穿电压也还无法超过300V，器件性能十分不稳定。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种具有SiO2阻挡层的垂直结构Ga2O3晶体管及制备方法，以提高器件击穿电压，避免源漏之间由于热扩散产生的泄漏电流，提升晶体管漏极输出电流，并解决高掺杂欧姆区域生长工艺困难的问题。
[0010]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0011]1.一种具有SiO2阻挡层的垂直结构Ga2O3晶体管，包括氧化镓衬底层、氧化镓外延层、栅氧化层，栅氧化层上方设有栅电极，氧化镓衬底层下表面为漏电极，其特征在于：
[0012]所述外延层，其内部外围设有SiO2电流阻挡层，以实现有效的源漏间电学隔离，其中心设有垂直重掺杂导电通道，以降低器件导通电阻；其上方设有n型导电层，以实现氧化镓材料的再生长；
[0013]该n型导电层的上方设有源电极。
[0014]进一步，所述氧化镓衬底层，采用厚度为500um
‑
700um，浓度为1
×
10
18
‑5×
10
18
cm
‑3的N型高掺β
‑
Ga2O3材料。
[0015]进一步，所述氧化镓外延层，其采用厚度为3um
‑
10um，浓度为1.5
×
10
16
‑1×
10
17
cm
‑3的N型低掺β
‑
Ga2O3材料。
[0016]进一步，所述的晶体管，其特征在于：所述SiO2电流阻挡层，其厚度为500nm
‑
1000nm。
[0017]进一步，所述的晶体管，其特征在于：所述n型导电层，其采用厚度为5nm
‑
50nm，浓度为1
×
10
17
‑5×
10
19
cm
‑3的N型高掺杂GaN或SiC或In2O3宽禁带或超宽禁带n型导电材料。
[0018]进一步，所述的晶体管，其特征在于：所述垂直重掺杂导电通道，采用厚度1um
‑
10um，宽度为2um
‑
20um，浓度为1
×
10
17
‑5×
10
19
cm
‑3的N型高掺杂β
‑
Ga2O3材料。
[0019]2.一种制备具有SiO2阻挡层的垂直结构Ga2O3晶体管的方法，其特征在于，包括如下、步骤：
[0020]1)清洗外延片，即将同质外延的氧化镓片子依次放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水中各超声清洗5min
‑
10min，然后用氮气吹干；
[0021]2)在清洗后的外延片上进行光刻，形成待刻蚀区域，再将其放入反应离子刻蚀RIE系统内，刻蚀掉外延片待刻蚀区域上的氧化镓形成沟槽结构；
[0022]3)将刻蚀后的氧化镓外延片放入电感耦合等离子体增强化学气相淀积系统ICP
‑
CVD反应室内，设置反应室温度为80℃
‑
90℃，在外延片表面淀积厚度为500nm
‑
1000nm的SiO2，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有SiO2阻挡层的垂直结构Ga2O3晶体管，包括氧化镓衬底层(1)、氧化镓外延层(2)、栅氧化层(3)，栅氧化层(3)上方设有栅电极(G)，氧化镓衬底层(1)下表面为漏电极(D)，其特征在于：所述外延层(2)，其内部外围设有SiO2电流阻挡层(4)，以实现有效的源漏间电学隔离，其中心设有垂直重掺杂导电通道(5)，以降低器件导通电阻；其上方设有n型导电层(6)，以实现n型导电材料的再生长；该n型导电层(6)的上方设有源电极(S)。2.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述氧化镓衬底层(1)，采用厚度为500um
‑
700um，浓度为1
×
10
18
‑5×
10
18
cm
‑3的N型高掺β
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Ga2O3材料。3.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述氧化镓外延层(2)，其采用厚度为3um
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10um，浓度为1.5
×
10
16
‑1×
10
17
cm
‑3的N型低掺β
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Ga2O3材料。4.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述SiO2电流阻挡层(4)，其厚度为500nm
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1000nm。5.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述n型导电层(6)，其采用厚度为5nm
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50nm，浓度为1
×
10
17
‑5×
10
19
cm
‑3的N型高掺杂GaN或SiC或In2O3宽禁带或超宽禁带n型导电材料。6.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述垂直重掺杂导电通道(5)，采用厚度1um
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10um，宽度为2um
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20um，浓度为1
×
10
17
‑5×
10
19
cm
‑3的N型高掺杂β
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Ga2O3材料。7.一种制备具有SiO2阻挡层的垂直结构Ga2O3晶体管的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)清洗外延片，即将同质外延的氧化镓片子依次放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水中各超声清洗5min
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10min，然后用氮气吹干；2)在清洗后的外延片上进行光刻，形成待刻蚀区域，再将其放入反应离子刻蚀RIE系统内，刻蚀掉外延片待刻蚀区域上的氧化镓形成沟槽结构；3)将刻蚀后的氧化镓外延片放入电感耦合等离子体增强化学气相淀积系统ICP
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CVD反应室内，设置反应室温度为80℃
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90℃，在外延片表面淀积厚度为500nm
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1000nm的SiO2，再将淀积后的片子放入剥离液中，通过剥离形成SiO2阻挡层；4)通过原子层淀积ALD工艺，在氧化镓外延...

【专利技术属性】
技术研发人员：周弘，孙斯瀚，王晨璐，张进成，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：