氮化镓MIS栅控混合沟道功率场效应晶体管及其制造方法技术

本发明专利技术设计涉及半导体器件技术领域，具体为一种氮化镓MIS栅控混合沟道功率场效应晶体管以及其制造方法。本发明专利技术采用了利用平面二位电子平面道以及准垂直U形氮化镓体材料沟道结合成的混合沟道技术，分别利用二维电子气的快速开关特性以及氮化镓体材料的大电流特性提升器件的导通特性；同时在异质外延氮化镓衬底上，通过引入P型氮化镓调制区实现对器件关断状态下的耗尽耐压与电场调制，提升器件击穿电压。本发明专利技术充分利用了氮化镓材料的体材料特性与由III‑V族半导体材料极化效应所产生二维电子气的优越性提升了氮化镓器件的导通性能，为实现大电流、耐高压以及快速开关特性的氮化镓功率场效应管器件提供了出色的解决方案。

Gan MIS gate controlled hybrid channel power field effect transistor and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
氮化镓MIS栅控混合沟道功率场效应晶体管及其制造方法
本专利技术涉及半导体器件
，具体涉及氮化镓金属氧化物半导体混合沟道功率场效应晶体管及其制造方法。
技术介绍
作为第三代宽禁带半导体的典型代表，氮化镓(GaN)具有很多优良的特性：高临界击穿电场(～3.5×106V/cm)、高电子迁移率(～2000cm2/v·s)、高的二维电子气(2DEG)浓度(～1013cm-2)和良好的高温工作能力等。基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)(或异质结场效应晶体管HFET，调制掺杂场效应晶体管MODFET，以下统称为HEMT器件)在半导体领域已经得到应用，尤其是在无线通信、卫星通信等射频/微波领域。另外，基于宽禁带GaN材料的功率器件具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高、效率高等特性，可以满足电力电子系统对半导体器件更大功率、更高频率、更小体积、更低功耗和更恶劣工作环境的要求。以HFET为代表的GaN功率场效应晶体管产品今已面世，然而其击穿电压仍未能达到所期望高度。由于击穿电压随器件面积上升，故而提升器件击穿电压是以牺牲器件的电流密度为前提的。且随HFET漂移区长度上升，器件漂移区寄生参数与缺陷将导致器件导通电阻的上升加速，严重影响器件性能。对此，学术界及产业界提出了以垂直GaN器件为解决方法的技术方案。然而，GaN垂直器件也存在实现高级穿电压大电流密度GaN基功率器件的限制。由于制备垂直GaN功率器件所需材料成本极高，且外延厚度有限，这限制了GaN垂直器件的商品化。同时，GaN体材料的迁移率仅有约800cm2/v·s，相较平面GaNHFET器件，沟道电阻增大的同时，其开关频率也有所下降，这也是有待改进的。故而，设计一款具有较高开关频率、较薄漂移区的体材料GaN功率器件对于GaN半导体器件在功率领域的应用具有重要现实意义的。
技术实现思路
本专利技术针对上述传统氮化镓体材料垂直功率场效应管以及平面氮化镓HFET目前存在的问题，提出了一种具有良好体内电场分布、高击穿电压、低沟道电阻、大电流容限以及快关速度快与关断特性好的新型氮化镓MIS栅控混合沟道功率场效应晶体管。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种氮化镓MIS栅控混合沟道功率场效应晶体管，如图1所示，包括含应力调制结构的异质衬底基片1、设置在异质衬底基片1上表面的横向氮化镓外延层2和设置在横向氮化镓外延层2上表面的垂直沟道层3以及P型氮化镓电场调制区4，位于垂直沟道层3以及P型氮化镓电场调制区4之上的氮化镓缓冲层5和位于氮化镓缓冲层5之上的氮化铝镓势垒层6，其中氮化镓缓冲层5和氮化铝镓势垒层6构成异质结势垒层，在氮化铝镓势垒层6上表面覆盖有钝化层11；P型氮化镓电场调制区4位于垂直沟道层3中，即P型氮化镓电场调制区4的两侧为垂直沟道层3，所述异质结势垒层可产生二维电子气；金属电极包括源极9、漏极10、垂直沟道栅极81和平面沟道栅极82，所述漏极10位于晶体管上层一侧，垂直沟道栅极81位于晶体管上层另一侧，源极9和平面沟道栅极82位于漏极10和垂直沟道栅极81之间，其中平面沟道栅极82位于靠近漏极10的一端，源极9位于平面沟道栅极82和垂直沟道栅极81之间；漏极10的上部向靠近平面沟道栅极82的方向延伸并覆盖部分钝化层11，漏极10的中部沿钝化层11、氮化铝镓势垒层6和氮化镓缓冲层5的侧面垂直向下延伸，漏极10的底部向远离平面沟道栅极82的方向延伸并覆盖部分垂直沟道层3的上表面；平面沟道栅极82和源极9均为沟槽结构，其中源极9的底部延伸至与P型氮化镓电场调制区4的上表面接触，平面沟道栅极82的底部延伸至氮化镓缓冲层5上层，平面沟道栅极82与钝化层11、氮化镓缓冲层5和氮化铝镓势垒层6之间通过栅介质层隔离，平面沟道栅极82和源极9上部均沿钝化层11表面向两侧延伸；垂直沟道栅极81的上部沿沿钝化层11表面向靠近源极9一侧延伸，垂直沟道栅极81的中部沿钝化层11、氮化铝镓势垒层6的侧面垂直向下延伸至氮化镓缓冲层5上部，并向远离源极9的一侧延伸，垂直沟道栅极81与钝化层11、氮化镓缓冲层5和氮化铝镓势垒层6之间通过栅介质层隔离；栅极81以及82的栅介质层7向钝化层11材料延伸，所述栅极81以及82的电极金属向钝化层11延伸的距离较栅介质层7短。进一步的，所述垂直沟道层3为氮化镓材料，所述氮化铝镓势垒层6的铝组分可选取0～1。进一步的，所述氮化铝镓势垒层6中的镓元素可替换为镓、铟或镓铟化合物中的一种。进一步的，所述栅介质层7为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化镁和二氧化铪中的一种或多种组合，其厚度可以为1-100nm。进一步的，所述栅极81以及82采用的的金属材料包括镍、金、铱、铂、钯、钼、铯、铍、钨、氮化钛、钽、氮化钽中的任一种或任意几种组合。进一步的，所述垂直沟道层3所形成的垂直电流沟道与氮化镓缓冲层5以及氮化铝镓势垒层6所形成的平面电流沟道同时为器件的电流通道并随栅电压控制开启或关断。进一步的，P型氮化镓电场调制层对平面沟道与垂直沟道电场均起到耗尽与开启状态下的调制作用。此新型氮化镓MIS栅控混合沟道功率场效应晶体管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：在衬底基片1上依次外延生长横向氮化镓外延层2和垂直沟道层3；第二步：采用二次外延技术，在垂直沟道层3中所刻蚀槽中二次外延P型氮化镓材料，形成P型氮化镓电场调制区4，并二次平坦化：采用化学机械磨平技术与数字刻蚀结合的方案，此处利用化学机械磨平的平面化速度快，成本低的特点，并利用了数字刻蚀对半导体材料的低损伤特点；第三步：采用二次外延技术，再生长氮化镓缓冲层5以及氮化铝镓势垒层6，并淀积钝化层11；第四步：采用凹槽刻蚀技术，刻蚀垂直沟道栅极81与平面沟道栅极82所需凹槽，此步骤仅需一次光刻：需要将氮化铝镓势垒层6完全刻蚀，保证横向二维电子气沟道可以完全耗尽；第五步：采用光刻技术与化学气相沉积技术，淀积所需栅介质7。淀积栅介质后进行高温快速热退火，退火温度400～500摄氏度，退火时间为10～15min；第六步：采用凹槽刻蚀技术，刻蚀源极9与漏极10所需的凹槽，需将氮化镓缓冲层5、氮化铝镓势垒层6以及钝化层11完全刻蚀；第七步：在源极以及漏极凹槽中，在垂直沟道层3以及P型氮化铝镓4上表面，在氮化镓缓冲层5、氮化铝镓势垒层6以及钝化层11凹槽侧壁(含氮化镓缓冲层5、氮化铝镓势垒层6所形成二维电子气沟道)淀积源极9与漏极10所需欧姆金属，并在纯氮气氛围下进行高温快速热退火，分别完成源极9与漏极10制备；第八步：采用光刻技术之后，在垂直沟道栅极凹槽以及水平沟道栅极凹槽中淀积肖特基金属，完成电极垂直沟道栅极81以及水平沟道82中的制备，使垂直沟道栅极81以及水平沟道栅极82形成肖特基金属/绝缘介质/半导体的MIS栅控结构。本专利技术通过结合水平二维电子气沟道以及垂直体材料沟道，并利用金属-绝缘介质-半导体栅结构的对阈值电压的调控作用，利用引入P型氮化镓电场调制层4对垂直沟道以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.氮化镓MIS栅控混合沟道功率场效应晶体管，包括含应力调制结构的异质衬底基片(1)、设置在异质衬底基片(1)上表面的横向氮化镓外延层(2)和设置在横向氮化镓外延层(2)上表面的垂直沟道层(3)以及P型氮化镓电场调制区(4)，位于垂直沟道层(3)以及P型氮化镓电场调制区(4)之上的氮化镓缓冲层(5)和位于氮化镓缓冲层(5)之上的氮化铝镓势垒层(6)，其中氮化镓缓冲层(5)和氮化铝镓势垒层(6)构成异质结势垒层，在氮化铝镓势垒层(6)上表面覆盖有钝化层(11)；P型氮化镓电场调制区(4)位于垂直沟道层(3)中，即P型氮化镓电场调制区(4)的两侧为垂直沟道层(3)；其特征在于，还包括源极(9)、漏极(10)、垂直沟道栅极(81)和平面沟道栅极(82)，所述漏极(10)位于晶体管上层一侧，垂直沟道栅极(81)位于晶体管上层另一侧，源极(9)和平面沟道栅极(82)位于漏极(10)和垂直沟道栅极(81)之间，其中平面沟道栅极(82)位于靠近漏极(10)的一端，源极(9)位于平面沟道栅极(82)和垂直沟道栅极(81)之间；漏极(10)的上部向靠近平面沟道栅极(82)的方向延伸并覆盖部分钝化层(11)，漏极(10)的中部沿钝化层(11)、氮化铝镓势垒层(6)和氮化镓缓冲层(5)的侧面垂直向下延伸，漏极(10)的底部向远离平面沟道栅极(82)的方向延伸并覆盖部分垂直沟道层(3)的上表面；平面沟道栅极(82)和源极(9)均为沟槽结构，其中源极(9)的底部延伸至与P型氮化镓电场调制区(4)的上表面接触，平面沟道栅极(82)的底部延伸至氮化镓缓冲层(5)上层，平面沟道栅极(82)与钝化层(11)、氮化镓缓冲层(5)和氮化铝镓势垒层(6)之间通过栅介质层隔离，平面沟道栅极(82)和源极(9)上部均沿钝化层(11)表面向两侧延伸；垂直沟道栅极(81)的上部沿沿钝化层(11)表面向靠近源极(9)一侧延伸，垂直沟道栅极(81)的中部沿钝化层(11)、氮化铝镓势垒层(6)的侧面垂直向下延伸至氮化镓缓冲层(5)上部，并向远离源极(9)的一侧延伸，垂直沟道栅极(81)与钝化层(11)、氮化镓缓冲层(5)和氮化铝镓势垒层(6)之间通过栅介质层隔离。/n...

【技术特征摘要】
1.氮化镓MIS栅控混合沟道功率场效应晶体管，包括含应力调制结构的异质衬底基片(1)、设置在异质衬底基片(1)上表面的横向氮化镓外延层(2)和设置在横向氮化镓外延层(2)上表面的垂直沟道层(3)以及P型氮化镓电场调制区(4)，位于垂直沟道层(3)以及P型氮化镓电场调制区(4)之上的氮化镓缓冲层(5)和位于氮化镓缓冲层(5)之上的氮化铝镓势垒层(6)，其中氮化镓缓冲层(5)和氮化铝镓势垒层(6)构成异质结势垒层，在氮化铝镓势垒层(6)上表面覆盖有钝化层(11)；P型氮化镓电场调制区(4)位于垂直沟道层(3)中，即P型氮化镓电场调制区(4)的两侧为垂直沟道层(3)；其特征在于，还包括源极(9)、漏极(10)、垂直沟道栅极(81)和平面沟道栅极(82)，所述漏极(10)位于晶体管上层一侧，垂直沟道栅极(81)位于晶体管上层另一侧，源极(9)和平面沟道栅极(82)位于漏极(10)和垂直沟道栅极(81)之间，其中平面沟道栅极(82)位于靠近漏极(10)的一端，源极(9)位于平面沟道栅极(82)和垂直沟道栅极(81)之间；漏极(10)的上部向靠近平面沟道栅极(82)的方向延伸并覆盖部分钝化层(11)，漏极(10)的中部沿钝化层(11)、氮化铝镓势垒层(6)和氮化镓缓冲层(5)的侧面垂直向下延伸，漏极(10)的底部向远离平面沟道栅极(82)的方向延伸并覆盖部分垂直沟道层(3)的上表面；平面沟道栅极(82)和源极(9)均为沟槽结构，其中源极(9)的底部延伸至与P型氮化镓电场调制区(4)的上表面接触，平面沟道栅极(82)的底部延伸至氮化镓缓冲层(5)上层，平面沟道栅极(82)与钝化层(11)、氮化镓缓冲层(5)和氮化铝镓势垒层(6)之间通过栅介质层隔离，平面沟道栅极(82)和源极(9)上部均沿钝化层(11)表面向两侧延伸；垂直沟道栅极(81)的上部沿沿钝化层(11)表面向靠近源极(9)一侧延伸，垂直沟道栅极(81)的中部沿钝化层(11)、氮化铝镓势垒层(6)的侧面垂直向下延伸至氮化镓缓冲层(5)上部，并向远离源极(9)的一侧延伸，垂直沟道栅极(81)与钝化层(11)、氮化镓缓冲层(5)和氮化铝镓势垒层(6)之间通过栅介质层隔离。


2.根据权利要求1所述的氮化镓MIS栅控混合沟道功率场效应晶体管，其特征在于，所述栅介质层(7)采用的材料为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化镁和二氧化铪中的一种或多种组合，其厚度为1-100nm。
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【专利技术属性】
技术研发人员：周琦，杨秀，黄芃，魏鹏程，陈匡黎，李翔宇，王景海，韩晓琦，陈万军，张波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51