基于源场板的单片异质集成Cascode结构场效应晶体管及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于源场板的单片异质集成Cascode结构场效应晶体管，主要解决现有Cascode结构场效应晶体管击穿特性较差的问题。其包括：衬底(1)、GaN缓冲层(2)、AlGaN势垒层(3)和SiN隔离层(4)，SiN隔离层中间刻有隔离槽(17)；隔离槽的一侧印制有Si有源层(5)，以制备Si金属氧化物半导体场效应晶体管；隔离槽的另一侧横向依次设有第二源电极(6)、第二栅电极(7)和第二漏电极(8)，该源漏电极之间区域上设有钝化层(16)，该钝化层和第二源电极上淀积有源场板(9)，形成GaN高电子迁移率晶体管。本发明专利技术具有显著的击穿特性，可用作汽车、航空航天和发电站的电源转换器或反相器。

【技术实现步骤摘要】
基于源场板的单片异质集成Cascode结构场效应晶体管及制作方法
本专利技术属于半导体器件
，特别涉及一种单片异质集成Cascode结构场效应晶体管及制作方法，可用作汽车、航空航天和发电站的电源转换器或反相器。技术背景GaN材料与第一代和第二代半导体材料相比，具有更优秀的电学性能。GaN作为宽禁带半导体材料，具有更高的击穿电场强度、载流子迁移率和饱和速度，同时具有更好的热稳定性，所以GaN更适合在高频、高压、高温和大功率领域应用。基于GaN材料的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管与Si材料功率器件相比，更容易实现异质结构，产生高浓度的二维电子气，具有更高的电子迁移率和击穿电场，因此，GaN高电子迁移率晶体管器件经常被用于电力电子领域与微波领域。由于耗尽型器件会造成电路的不稳定，因此人们对增强型器件进行了大量研究。目前实现增强型GaN高电子迁移率晶体管器件最常用的方法就是将低压增强型的Si金属氧化物半导体场效应晶体管和高压耗尽型的GaN高电子迁移率晶体管器件进行级联，形成Cascode结构，如图1所示。对于Cascode结构，低压增强型的Si金属氧化物半导体场效应晶体管控制着器件的导通与关断，当栅压为正向电压时，Cascode结构晶体管导通，从而实现增强型GaN高电子迁移率晶体管。近年来，人们成功地将Si器件与GaN器件制备在单片衬底上，实现了Cascode结构场效应晶体管的单片异质集成，但仍存在许多问题急需解决，其中关键问题是器件的击穿电压较低。当单片异质集成的Cascode结构场效应晶体管在高压大功率条件下工作时，高压耗尽型的GaN高电子迁移率晶体管承受很大的漏源偏压，其势垒层中的电场线分布不均匀，大部分电场线集中指向栅极的边缘，使得GaN高电子迁移率晶体管在较低的漏极电压下就会产生雪崩击穿，进而造成Cascode结构场效应晶体管击穿特性变差，限制了其在功率器件领域的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于源场板的单片异质集成Cascode结构场效应晶体管及制作方法，以改善当前Cascode结构中GaN高电子迁移率晶体管栅电极附近势垒层中电场分布不均匀的问题，提升单片异质集成的Cascode结构场效应晶体管的击穿特性，扩大器件的应用范围。为实现上述目的，本专利技术的基于源场板的单片异质集成Cascode结构场效应晶体管，其自下而上包括：衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层和SiN隔离层，SiN隔离层的中间刻有深至GaN缓冲层的隔离槽；该隔离槽一侧的SiN隔离层上设有Si有源层，Si有源层上的两边设第一源电极和第一漏电极，该源、漏电极之间设有栅介质层，栅介质层上设有第一栅电极，形成Si金属氧化物半导体场效应晶体管；所述隔离槽另一侧的AlGaN势垒层上横向依次设有第二源电极、第二栅电极和第二漏电极，该源漏电极之间的区域上方设有钝化层,形成GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：第二源电极和钝化层上方淀积有源场板，该源场板与第二源电极构成接触式场板结构，以改善第二栅电极边缘电场分布，提升Cascode结构场效应晶体管的击穿特性。进一步，所述第一漏电极与所述第二源电极通过第一金属互联条进行电气连接；所述第一源电极与所述第二栅电极通过第二金属互联条进行电气连接。进一步，所述源场板、第一金属互连条和第二金属互连条均采用相同的金属材料；所述第一源电极与第一漏电极之间的栅介质层和所述第二源电极与第二漏电极之间的区域上的钝化层均采用相同的氧化物材料。进一步，所述源场板、第一金属互联条和第二金属互联条的厚度均为200-300nm；所述第一源电极与第一漏电极之间的栅介质层和所述第二源电极与第二漏电极之间区域上方钝化层的厚度均为20-30nm。进一步，所述第二源电极和第二漏电极的厚度均为262nm；所述第二栅电极的厚度为150-270nm；所述源场板的有效长度为2.5-3.5μm。进一步，所述Si有源层的厚度为100-200nm；所述第一栅电极的厚度为100-200nm；所述第一源电极和第一漏电极的厚度均为30-100nm；进一步，所述衬底的材料为蓝宝石或碳化硅或硅，厚度为400-500μm；所述GaN缓冲层的厚度为1-2μm；所述AlGaN势垒层的厚度为20-30nm；所述SiN隔离层的厚度为150-200nm；为实现上述目的，本专利技术制作基于源场板的单片异质集成Cascode结构场效应晶体管的方法，其特征在于，包括如下：1)制备SiN/AlGaN/GaN/衬底基片：采用金属有机物化学气相淀积和原子层沉积工艺，在衬底上依次外延GaN缓冲层和AlGaN势垒层；再在AlGaN势垒层上淀积SiN隔离层，得到SiN/AlGaN/GaN/衬底基片；2)采用光刻与反应离子刻蚀工艺，在SOI晶片上形成单晶硅薄膜孤岛；3)采用湿法刻蚀工艺，将2)得到的样品放入49％HF溶液中，刻蚀掉未被单晶硅薄膜孤岛覆盖的埋氧化层；4)采用光刻工艺，在单晶硅薄膜边缘制作锚点，以防止后续完全刻蚀埋氧化层后单晶硅薄膜的位移和脱落；5)采用湿法刻蚀工艺，将制有锚点的样品放入49％HF溶液中，完全刻蚀埋氧化层，使单晶硅薄膜掉落在SOI晶片的基底上；6)采用转移印刷技术，将5)得到的单晶硅薄膜转印到SiN/AlGaN/GaN/衬底基片上；7)采用光刻与反应离子刻蚀工艺，在6)得到的样品上刻蚀300-350nm深的隔离槽，在隔离槽的两侧分别形成Si/SiN/AlGaN/GaN孤岛和SiN/AlGaN/GaN孤岛；8)采用离子注入工艺，在Si/SiN/AlGaN/GaN孤岛的单晶硅薄膜上注入剂量为5×1015cm-2，能量为30keV的磷离子，并在1000℃的氮气氛围下退火60s，以激活杂质，形成N型重掺杂的源漏区；9)采用反应离子刻蚀和电子束蒸发工艺，将SiN/AlGaN/GaN孤岛上源区和漏区的SiN刻蚀掉，再在此源区和漏区上依次沉积22nm厚的钛金属、140nm厚的铝金属、55nm厚的镍金属、45nm厚的金金属，形成GaN高电子迁移率晶体管的源电极和漏电极，并在温度为875℃的氮气氛围下退火30s，使得源电极和漏电极与AlGaN势垒层形成欧姆接触；10)采用反应离子刻蚀与电子束蒸发工艺，将SiN/AlGaN/GaN孤岛上栅区的SiN刻蚀掉，再在此栅区上依次淀积50-70nm厚的镍金属和100-200nm厚的金金属，形成GaN高电子迁移率晶体管的栅电极；11)采用原子层沉积工艺，在300℃温度条件与氮气氛围下，在整个样品上沉积20-30nm厚的氧化物薄膜，形成Si金属氧化物半导体场效应晶体管的栅介质层和GaN高电子迁移率晶体管的钝化层；12)采用磁控溅射工艺，在未掺杂的单晶硅薄膜上方的氧化物薄膜上溅射100-200nm厚的氮化钽，形成Si金属氧化物半导体场效应晶体管的栅电极；13)采用湿法刻蚀与电子束蒸发工艺，将单晶硅薄膜源漏区上的氧化物薄膜刻蚀掉，并淀积30本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于源场板的单片异质集成Cascode结构场效应晶体管，其自下而上包括：衬底(1)、GaN缓冲层(2)、AlGaN势垒层(3)和SiN隔离层(4)，SiN隔离层(4)的中间刻有深至GaN缓冲层(2)的隔离槽(17)；该隔离槽(17)一侧的SiN隔离层(4)上设有Si有源层(5)，Si有源层(5)上的两边设第一源电极(10)和第一漏电极(13)，该源、漏电极之间设有栅介质层(11)，栅介质层(11)上设有第一栅电极(12)，形成Si金属氧化物半导体场效应晶体管；所述隔离槽(17)另一侧的AlGaN势垒层(3)上横向依次设有第二源电极(6)、第二栅电极(7)和第二漏电极(8)，该源漏电极之间的区域上方设有钝化层(16),形成GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：第二源电极(6)和钝化层(16)上方沉积有源场板(9)，该源场板(9)与第二源电极(6)构成接触式场板结构，以改善第二栅电极(7)边缘电场分布，提升Cascode结构场效应晶体管的击穿特性。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于源场板的单片异质集成Cascode结构场效应晶体管，其自下而上包括：衬底(1)、GaN缓冲层(2)、AlGaN势垒层(3)和SiN隔离层(4)，SiN隔离层(4)的中间刻有深至GaN缓冲层(2)的隔离槽(17)；该隔离槽(17)一侧的SiN隔离层(4)上设有Si有源层(5)，Si有源层(5)上的两边设第一源电极(10)和第一漏电极(13)，该源、漏电极之间设有栅介质层(11)，栅介质层(11)上设有第一栅电极(12)，形成Si金属氧化物半导体场效应晶体管；所述隔离槽(17)另一侧的AlGaN势垒层(3)上横向依次设有第二源电极(6)、第二栅电极(7)和第二漏电极(8)，该源漏电极之间的区域上方设有钝化层(16),形成GaN高电子迁移率晶体管，其特征在于：第二源电极(6)和钝化层(16)上方沉积有源场板(9)，该源场板(9)与第二源电极(6)构成接触式场板结构，以改善第二栅电极(7)边缘电场分布，提升Cascode结构场效应晶体管的击穿特性。


2.根据权利要1所述的晶体管，其特征在于：
第一漏电极(13)与第二源电极(6)通过第一金属互联条(14)进行电气连接；
第一源电极(10)与第二栅电极(7)通过第二金属互联条(15)进行电气连接。


3.根据权利要1所述的晶体管，其特征在于：
源场板(9)、第一金属互连条(14)和第二金属互连条(15)均采用相同的金属材料；a
第一源电极(10)与第一漏电极(13)之间的栅介质层(11)和第二源电极(6)与第二漏电极(8)之间的区域上的钝化层(16)均采用相同的氧化物材料。


4.根据权利要1所述的晶体管，其特征在于：
源场板(9)、第一金属互联条(14)和第二金属互联条(15)的厚度均为200-300nm；
第一源电极(10)与第一漏电极(13)之间的栅介质层(11)和第二源电极(6)与第二漏电极(8)之间区域上钝化层(16)的厚度均为20-30nm。


5.根据权利要求书1所述的晶体管，其特征在于：
第二源电极(6)和第二漏电极(8)的厚度均为262nm；
第二栅电极(7)的厚度为150-270nm；
源场板(9)的有效长度为2.5-3.5μm。


6.根据权利要求书1所述的晶体管，其特征在于：
Si有源层(5)的厚度为100-200nm；
第一栅电极(12)的厚度为100-200nm；
第一源电极(10)和第一漏电极(13)的厚度均为30-100nm。


7.根据权利要求书1所述的晶体管，其特征在于：
衬底(1)的材料为蓝宝石或碳化硅或硅，厚度为400-500μm；
GaN缓冲层(2)的厚度为1-2μm；
AlGaN势垒层(3)的厚度为20-30nm；
SiN隔离层(4)的厚度为150-200nm。


8.一种基于源场板的单片异质集成的Cascode结构场效应晶体管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)制备SiN/AlGaN/GaN/衬底基片：
采用金属有机物化学气相淀积和原子层沉积工艺，在衬底上依次外延GaN缓冲层和AlGaN势垒层；
再在AlGaN势垒层上淀积SiN隔离层，得到SiN/AlGaN/GaN/衬底基片；
2)采用光刻与反应离子刻蚀工艺，在SOI晶片上形成单晶硅薄膜孤岛；
3)采用湿法刻蚀工艺，将2)得到的样品放入49％HF溶液中，刻蚀掉未被单晶硅薄膜孤岛覆盖的埋氧化层；
4)采用光刻工艺，在单晶硅薄膜边缘制作锚点，以防止后续完全刻蚀埋氧化层后单晶硅薄膜的位移和脱落；
5)采用湿法...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春福，张苇杭，武毅畅，张家祺，杨国放，陈大正，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：陕西;61