一種具有雙凹陷緩沖層的4H-SiC金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及場(chǎng)效應(yīng)晶體管技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種具有雙凹陷緩沖層的4H-SiC金 屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
【背景技術(shù)】
[0002] SiC材料具有寬帶隙、高擊穿電場(chǎng)、高的飽和電子迀移速度、高熱導(dǎo)率等突出的材 料和電學(xué)特性，使其在高頻高功率器件應(yīng)用中，尤其是高溫、高壓、航天、衛(wèi)星等嚴(yán)苛環(huán)境下 的高頻高功率器件應(yīng)用中具有很大的潛力。在SiC同質(zhì)異形體中，六角密堆積的纖鋅礦結(jié) 構(gòu)的4H-SiC的電子迀移率是6H-SiC的近三倍，因此4H-SiC材料在高頻高功率器件，尤其 是金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET)應(yīng)用中占有主要地位。
[0003] 目前，大多數(shù)文獻(xiàn)致力于雙凹陷4H-SiC MESFET結(jié)構(gòu)的研宄及在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上 進(jìn)行改進(jìn)。該結(jié)構(gòu)從下至上由4H-SiC半絕緣襯底、P型緩沖層、N型溝道層和N+帽層堆疊 而成，以該堆疊層為基礎(chǔ)，刻蝕N+帽層后形成凹陷的N型溝道層，柵的源側(cè)一半長(zhǎng)度向N型 溝道層內(nèi)凹陷形成凹柵結(jié)構(gòu)，凹陷的N型溝道層可通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕RIE技術(shù)完成。
[0004] 雖然上述雙凹陷結(jié)構(gòu)4H-SiC MESFET的擊穿電壓因柵的源側(cè)一半長(zhǎng)度向N型溝道 層內(nèi)凹陷而增加，但飽和漏電流卻沒(méi)有得到實(shí)質(zhì)性提升。并且在實(shí)際情況下，反應(yīng)離子刻蝕 RIE的過(guò)程會(huì)在器件漂移區(qū)表面形成晶格損傷，導(dǎo)致N型溝道層中載流子有效迀移率下降， 進(jìn)而降低漏極電流，在電流輸出特性上表現(xiàn)為飽和電流的退化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是要提供一種輸出電流得到提高的具有雙凹陷緩沖層的4H-SiC金 屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，從而提高器件輸出功率密度。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是按照以下技術(shù)方案實(shí)施的：
[0007] -種具有雙凹陷緩沖層的4H_SiC金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，自下而上包括4H -SiC半絕緣襯底、P型緩沖層、N型溝道層，N型溝道層的兩側(cè)分別為源極帽層和漏極帽層， 源極帽層和漏極帽層表面分別是源電極和漏電極，對(duì)源電極和漏電極之間的N +型帽層進(jìn)行 刻蝕的深度增加，N型溝道層上方且靠近源極帽層的一側(cè)形成柵電極，所述P型緩沖層的上 端面在柵源和柵漏下方設(shè)有凹槽。
[0008] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述的雙凹陷緩沖層厚度為0. 25 μπι，以源極帽層 和漏極帽層里側(cè)為起點(diǎn)、長(zhǎng)度分別為〇. 85 μπι和0. 8 μπι，具體制備過(guò)程包括以下步驟：
[0009] 1)對(duì)4H_SiC半絕緣襯底進(jìn)行清洗，以去除表面污物；
[0010] 2)在4H-SiC半絕緣襯底上外延生長(zhǎng)0.5矣m厚的SiC層，同時(shí)經(jīng)乙硼烷B2H 6原位 摻雜，形成濃度為I. 4X IO15CnT3的P型緩沖層；
[0011] 3)在P型緩沖層上外延生長(zhǎng)0. 25矣m厚的SiC層，同時(shí)經(jīng)隊(duì)原位摻雜，形成濃度 為3X IO17CnT3的N型溝道層；
[0012] 4)在N型溝道層上外延生長(zhǎng)0. 2 Yra厚的SiC層，同時(shí)經(jīng)隊(duì)原位摻雜，形成濃度為 I. 0X102°cm_3的 N+型帽層；
[0013] 5)在N+型帽層上依次進(jìn)行光刻和隔離注入，形成隔離區(qū)和有源區(qū)；
[0014] 6)對(duì)有源區(qū)依次進(jìn)行源漏光亥I」、磁控濺射、金屬剝離和高溫合金，形成0. 5~m長(zhǎng) 的源電極和漏電極；
[0015] 7)對(duì)源電極和漏電極之間的N+型帽層進(jìn)行光刻、刻蝕，形成刻蝕深度和長(zhǎng)度分別 為0. 25關(guān)m和2. 2關(guān)m的凹溝道；
[0016] 8)對(duì)P型緩沖層進(jìn)行一次光刻和離子注入，形成具有厚度為0. 25 μ m，以源極帽層 和漏極帽層里側(cè)為起點(diǎn)、長(zhǎng)度分別為〇. 85 μπι和0. 8 μπι的雙凹陷緩沖層；
[0017] 9)在溝道上方且靠近源極帽層一側(cè)的凹溝道進(jìn)行光刻、磁控濺射和金屬剝離，形 成0. 7矣ra長(zhǎng)的柵電極；
[0018] 10)對(duì)所形成的4H-SiC金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管表面進(jìn)行鈍化、反刻，形成電極 壓焊點(diǎn)，完成器件的制作。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：
[0020] 1.漏極電流提高。4H-SiC MESFE器件最大輸出功率密度正比于漏極飽和電流、擊 穿電壓以及膝點(diǎn)電壓。通過(guò)改變P型緩沖層厚度，使源側(cè)和漏側(cè)的溝道厚度更大，流過(guò)源漏 區(qū)的溝道總電荷會(huì)增加，并且柵下靠近源極的溝道厚度對(duì)漏極電流有著重要的影響，所以 該器件的飽和漏電流得到大幅度提高。
[0021] 2.擊穿電壓穩(wěn)定。想要提升器件輸出功率密度，就要求器件能在保持大的飽和電 流密度的情況下具有高的擊穿電壓，大的飽和電流密度要求溝道更厚，摻雜濃度更大，溝道 厚度的提升會(huì)減低器件的擊穿電壓。MESFET器件的擊穿發(fā)生在柵的漏側(cè)邊緣，而雙凹陷緩 沖層在柵下漏邊緣的溝道厚度小，調(diào)整了電場(chǎng)分布，這就避免了因溝道厚度過(guò)大帶來(lái)的擊 穿電壓急劇下降的影響。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1是本發(fā)明具有雙凹陷緩沖層的4H_SiC金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0023] 圖2是本發(fā)明具有雙凹陷緩沖層的4H_SiC金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作流程 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，在此發(fā)明的示意性實(shí)施例 以及說(shuō)明用來(lái)解釋本發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0025] 本發(fā)明的4H_SiC金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示，包括：摻釩 雜質(zhì)的4H-SiC半絕緣襯底l，4H-SiC半絕緣襯底1上為摻雜濃度為I. 4X 1015cm_3,厚度為 0, 5矣m并具有厚度為0. 25 μπι，以源極帽層和漏極帽層里側(cè)為起點(diǎn)、長(zhǎng)度分別為0. 85 μπι和 0. 8 μ m的雙凹陷緩沖層9, P型緩沖層2上為摻雜濃度為3 X 1017cm_3,厚度〇. 25矣m的N型溝 道層3, N型溝道層3的兩側(cè)分別為〇. 5矣m長(zhǎng)的N+型源極帽層4和漏極帽層5,兩者摻雜濃 度和厚度均為1.0 X IO2tlCnT3和〇. 2~m，源極帽層4和漏極帽層5表面分別是源電極6和漏 電極7,源電極和漏電極之間的N+型帽層進(jìn)行刻蝕時(shí)深度增加0. 05矣m形成凹陷的溝道表 面8, N型溝道層3的上方且距離源極帽層4的〇. 5~m處為0. 7矣m長(zhǎng)的柵電極10。
[0026] 4H_SiC金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備過(guò)程如圖2所示。本發(fā)明給出三種實(shí)施 例。
[0027] 實(shí)施例1 :
[0028] 制作厚度為0.5矣m并具有厚度為0.25 μm，以源極帽層和漏極帽層里側(cè)為起點(diǎn)、 長(zhǎng)度分別為〇. 85 μ m和0. 8 μ m的雙凹陷緩沖層的4H-SiC金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
[0029] 本實(shí)施例的制作步驟如下：
[0030] 步驟1 :清洗4H_SiC半絕緣襯底1，以去除表面污染物。
[0031] (1)用蘸有甲醇的棉球?qū)⒁r底仔細(xì)清洗兩次，以除去表面各種尺寸的SiC顆粒；
[0032] (2)將4H-SiC半絕緣襯底1在H2SO4 = HNO3= 1:1中超聲5分鐘；
[0033] (3)將4H-SiC半絕緣襯底1在1#清洗液（NaOH:H2O2:H 2O = 1:2:5)中煮沸5分 鐘，去離子水沖洗5分鐘后再放入2#清洗液（HC1:H2O2:H 2O = 1:2:7)中煮沸5分鐘。最后 用去離子水沖洗干凈并用N2吹干備用。
[0034] 步驟2 :在4H-SiC半絕緣襯底1表面上外延生長(zhǎng)SiC層，同時(shí)經(jīng)乙硼烷B2H6原位 摻雜形成P型緩沖層2。
[0035] 將4H-SiC半絕緣襯底1放入生長(zhǎng)室，向生長(zhǎng)室中通入流量為20ml/min的硅烷、 1〇1111/1^11的丙烷和801/1^11的高純氫氣，同時(shí)通入21111/1^11的氏!1 6〇12中稀釋到5%)，生 長(zhǎng)溫度為1550°C，壓強(qiáng)為IO5Pa,持續(xù)6min，完成摻雜濃度和厚度分別為1.4X IO15CnT3和 0. 5與m的P型緩沖層2制作。
[0036] 步驟3 :在P型緩沖層2上外延生長(zhǎng)SiC層，同時(shí)經(jīng)N2原位摻雜形成N型溝道層3。
[0037] 將4H-SiC外延片放入生長(zhǎng)室，向生長(zhǎng)室中通入流量為20ml/min的硅烷、lOml/min 的丙烷和801/min的高純氫氣，同時(shí)通入2ml/min的N2，生長(zhǎng)溫度為1550°C，壓強(qiáng)為105Pa， 持續(xù)3min，完成摻雜濃度和厚度分別為3 X IO17CnT3和〇. 25矣m的N型溝道層3制作。
[0038] 步驟4 :在N型溝道層3上外延生長(zhǎng)SiC層，同時(shí)經(jīng)N2原位摻雜形成N+帽層。
[0039] 將4H-SiC外延片放入生長(zhǎng)室，向生長(zhǎng)室中通入流量為20ml/min的硅烷、lOml/min 的丙烷和801/min的高純氫氣，同時(shí)通入20ml/min的N2，生長(zhǎng)溫度為1550°C，壓強(qiáng)為105Pa， 持續(xù)2min，制作摻雜濃度和厚度分別為1.0 X IO2tlCnT3和〇. 2矣m的N+帽層。
[0040] 步驟5 :利用臺(tái)面光刻保護(hù)N+帽層的有源區(qū)，對(duì)有源區(qū)以外的區(qū)域進(jìn)行隔離注入。
[0041] (1)采用正性光刻膠，涂膠速度：3000R/min，膠厚>2矣m保證在后續(xù)隔離注入時(shí) 能夠起到良好的阻擋作用；
[0042] (2)涂膠完成后在90°C烘箱中前烘90秒，采用隔離注入光刻板進(jìn)行約35秒紫 外曝光后在專用顯影液（四甲基氫氧化氨：水=1:3)中顯影60秒，露出4H-SiC，然后在 100 °C烘箱中后烘3分鐘；
[0043] (3)進(jìn)行兩次硼離子注入，注入條件為130keV/6X 1012CnT2,50keV/2X IO12cnT2。注 入完成后用丙酮+超聲去膠，再用等離子去膠3分鐘，完成有源區(qū)以外的隔離注入；
[0044] (4)將上述4H-SiC外延片置于1600°C感應(yīng)加熱爐退火10分鐘激活雜質(zhì)，Ar氣流 量為 20ml/min。
[0045] 步驟6 :在N+型帽層上形成源電極4和漏電極5。
[0046] (1)光刻掩蔽膠采用PMMA+AZ1400雙層膠，要求膠厚>1. 2矣m。片子處理干凈后 先涂PMMA膠，速度為4000R/min，膠厚約〇. 5矣m，然后在200°C烘箱中前烘120秒，取出后再 涂AZ1400膠約0.8關(guān)m ;
[0047] (2)在90°C烘箱中前烘90秒，采用源漏光刻板進(jìn)行15秒紫外曝光后用專用顯影 液（四甲基氫氧化氨：水=1:4)顯影50秒去掉AZ1400膠，然后對(duì)PMMA膠進(jìn)行泛曝光，再 用甲苯顯影3分鐘，然后在KKTC烘箱中后烘3分鐘，完成源漏區(qū)金屬化窗口；
[0048] (3)采用多靶磁控濺射臺(tái)，室溫濺射Ni (150nm)/Ti (150nm)/Au(300nm)多層金屬 作為源漏歐姆接觸金屬，其中工作真空2. 5X 10_3Pa，Ar流量4〇SCCm ;
[0049] (4)濺射完成后將片子放入150°C Buty專用剝離液中，待