本發(fā)明涉及一種垂直型氮化鎵finfet器件及其制備方法，屬于半導(dǎo)體器件。

背景技術(shù)：

1、功率半導(dǎo)體晶體管是電力電子系統(tǒng)的核心，在消費(fèi)電子、軌道交通、光伏發(fā)電和工業(yè)控制等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。其承擔(dān)著變頻、整流、變壓、功率放大和功率管理等眾多功能。相較于第一代半導(dǎo)體硅(si)，第三代半導(dǎo)體氮化鎵(gan)因其具有更大的禁帶寬度、更高的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)以及更快的飽和漂移速度等優(yōu)勢(shì)而備受矚目。因此，gan基功率晶體管可以突破傳統(tǒng)si基功率晶體管的發(fā)展瓶頸，進(jìn)一步滿足下一代功率電子系統(tǒng)的需求。

2、得益于位于algan/gan界面高遷移率的二維電子氣(2deg)，基于algan/gan異質(zhì)結(jié)構(gòu)的水平型功率器件獲得了優(yōu)異的性能，工作電壓達(dá)650v的si襯底gan基橫向高電子遷移率晶體管(hemt)已經(jīng)成功商用化。然而對(duì)于高電壓、大電流場(chǎng)景下的應(yīng)用，垂直構(gòu)型仍是最優(yōu)選。對(duì)于水平型功率晶體管，如要實(shí)現(xiàn)更高的電壓等級(jí)，則需要更大的源漏間距，這會(huì)增加芯片的尺寸并導(dǎo)致更高的產(chǎn)品成本。同時(shí)水平型功率晶體管的寄生元件和引腳與柵極到漏極的間距成正比，通過增加源漏間距的方式實(shí)現(xiàn)高耐壓的器件會(huì)增加寄生效應(yīng)，劣化器件的開關(guān)速度。

3、與gan基水平型功率晶體管相比，gan垂直型功率晶體管可以通過增加漂移區(qū)的厚度來實(shí)現(xiàn)更高的擊穿電壓，而不會(huì)增加芯片的封裝尺寸。此外，gan垂直型功率晶體管的源極和漏極分別位于晶圓的兩側(cè)，有助于實(shí)現(xiàn)電流的均勻分布和更高的電流水平。目前垂直型gan功率晶體管主要有溝槽型mosfets(t-mosfets)、電流孔垂直電子晶體管(cavets)、結(jié)型fets(jfets)和鰭式功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(finfets)。與其他主要的垂直型gan功率晶體管相比，finfets并不需要p型層，從而避免了mg離子激活困難和mg離子注入劣化電子遷移率的問題，使得finfets具有更加優(yōu)異的電學(xué)特性。而gan功率晶體管應(yīng)用在電路系統(tǒng)中，通常需要續(xù)流二極管提供反向續(xù)流通路，但傳統(tǒng)的finfets并沒有內(nèi)嵌的體二極管，要想實(shí)現(xiàn)三象限續(xù)流能力，則要外接反并聯(lián)的續(xù)流二極管，但是在實(shí)際應(yīng)用中，這會(huì)帶來額外的功率損耗、封裝體積以及寄生效應(yīng)，引入額外的寄生電感，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定性以及電路振鈴等問題。

4、同時(shí)，傳統(tǒng)finfet存在的另一個(gè)問題是電流在漂移區(qū)的延展性不佳。傳統(tǒng)finfet的電流通過一個(gè)亞微米的鰭狀垂直通道控制，該通道被柵極金屬包夾，當(dāng)柵極電壓為零時(shí)，由于柵極金屬和gan之間的功函數(shù)差異，溝道中的電子被耗盡；隨著柵極電壓的增大，耗盡寬度減小，形成電流通道；當(dāng)柵極電壓繼續(xù)增大時(shí)，鰭區(qū)側(cè)壁就會(huì)感應(yīng)出大量電子，此時(shí)對(duì)漏極施以偏壓，鰭區(qū)便會(huì)有很高的電流密度。但由于鰭區(qū)較窄，當(dāng)電流越過鰭區(qū)進(jìn)一步涌向漏極時(shí)，電流在橫向的延展會(huì)受到一定限制，這就導(dǎo)致了電流在漂移區(qū)分布不均并最終導(dǎo)致了較大的導(dǎo)通電阻。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種垂直型氮化鎵finfet器件及其制備方法。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種垂直型氮化鎵finfet器件，由下自上依次包括漏極、n+-gan襯底和n--gan漂移層；所述n--gan漂移層呈凸字形，包括凸起部和水平部；所述n--gan漂移層凸起部上方設(shè)置有n+-gan源極層，n--gan漂移層水平部?jī)啥嗽O(shè)置有肖特基二極管陽極；

4、所述n--gan漂移層凸起部由內(nèi)向外依次設(shè)置有algan層、柵極介質(zhì)層、柵極電極、第二sio2介質(zhì)層和源極；所述n--gan漂移層水平部和肖特基二極管陽極上方依次設(shè)置有algan層、第一sio2介質(zhì)層、柵極介質(zhì)層、柵極電極、第二sio2介質(zhì)層和源極；所述n+-gan源極層上方和側(cè)面設(shè)置有源極；

5、所述n--gan漂移層和肖特基二極管陽極之間形成肖特基接觸，構(gòu)成肖特基二極管；所述n--gan漂移層水平部和algan層之間形成二維電子氣(2deg)。

6、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述algan層、柵極介質(zhì)層、柵極電極和第二sio2介質(zhì)層對(duì)稱設(shè)置在n--gan漂移層凸起部外側(cè)和n--gan漂移層水平部上方；所述源極為一體結(jié)構(gòu)，包覆住n--gan漂移層和n+-gan源極層。

7、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述n--gan漂移層的厚度為5～10μm，n+-gan源極層的厚度為0.1～0.5μm。

8、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述n--gan漂移層凸起部的高度為1～2μm，寬度為0.1～0.3μm。

9、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述肖特基二極管陽極的寬度為0.5～1.5μm，厚度為0.02～0.06μm。

10、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述algan層為δ摻雜的al0.3ga0.7n層，所述al0.3ga0.7n層的厚度為3～10nm，δ摻雜的的濃度為1×1016～1×1018cm-3。

11、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述al0.3ga0.7n層的厚度為2～4nm，δ摻雜的的濃度為為7×1017～8×1017cm-3。

12、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述第一sio2介質(zhì)層和第二sio2介質(zhì)層的厚度均為80～120nm；所述柵極介質(zhì)層的材質(zhì)為al2o3，厚度為10～20nm。

13、上述垂直型氮化鎵finfet器件的制備方法，包括步驟如下：

14、(a)生長(zhǎng)外延結(jié)構(gòu)，在n+-gan襯底上依次生長(zhǎng)n--gan漂移層和n+-gan源極層，得到外延片；所述n--gan漂移層和n+-gan源極層的厚度分別優(yōu)選為7μm、0.3μm；

15、(b)在步驟(a)所得外延片上利用sio2做硬質(zhì)掩膜進(jìn)行icp(cl2/bcl3/ar)溝槽刻蝕，形成呈凸字形的n--gan漂移層，所述n--gan漂移層包括凸起部和水平部，得到刻蝕后晶圓；所述凸起部的高度優(yōu)選為1.3μm，寬度優(yōu)選為0.2μm；

16、(c)在步驟(b)所得晶圓表面旋涂正性光刻膠，將設(shè)計(jì)的肖特基二極管陽極位置曝光顯影，然后利用電子束蒸鍍肖特基二極管陽極金屬，去除光刻膠；所述肖特基二極管的寬度優(yōu)選為1μm，厚度優(yōu)選為0.05μm；所述肖特基二極管陽極金屬為ni，n--gan漂移層和肖特基二極管陽極之間形成肖特基接觸，構(gòu)成肖特基二極管；

17、(d)利用mocvd技術(shù)在n+-gan源極層上生長(zhǎng)一層δ摻雜的al0.3ga0.7n層，所述al0.3ga0.7n層的厚度優(yōu)選為3nm，δ摻雜的濃度優(yōu)選為7.5×1017cm-3；

18、(e)利用光刻膠平整與時(shí)控刻蝕技術(shù)去除n--gan漂移層凸起部頂部的al0.3ga0.7層；

19、(f)利用pecvd在n--gan漂移層和n+-gan源極層上淀積一層第一sio2介質(zhì)層，再利用光刻膠平整與時(shí)控刻蝕技術(shù)去除n+-gan源極層頂部和n--gan漂移層凸起部側(cè)壁的第一sio2介質(zhì)層；所述第一sio2介質(zhì)層的厚度優(yōu)選為100nm；

20、(g)利用pecvd在n+-gan源極層、al0.3ga0.7n層和第一sio2介質(zhì)層上淀積一層?xùn)艠O介質(zhì)層，再利用光刻膠平整與時(shí)控刻蝕技術(shù)去除n+-gan源極層頂部和部分n--gan漂移層凸起部側(cè)壁的柵極介質(zhì)層；所述柵極介質(zhì)層的材質(zhì)為al2o3，厚度優(yōu)選為15nm；所述部分n--gan漂移層凸起部側(cè)壁的柵極介質(zhì)層的長(zhǎng)度優(yōu)選為0.8μm；

21、(h)利用電子束蒸鍍柵極電極，再利用光刻膠平整及時(shí)控刻蝕技術(shù)去除包裹柵極介質(zhì)層之外的部分；所述柵極電極的材質(zhì)為金屬mo；

22、(i)利用pecvd在n+-gan源極層和柵極電極上淀積第二sio2介質(zhì)層，再利用光刻膠平整及時(shí)控刻蝕技術(shù)去除n+-gan源極層頂部的第二sio2介質(zhì)層；所述第二sio2介質(zhì)層的厚度優(yōu)選為100nm；

23、(j)最后利用電子束蒸鍍金屬，分別形成歐姆接觸的源極和漏極。

24、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(e)～步驟(i)中，所述光刻膠平整與時(shí)控刻蝕技術(shù)具體為：利用pecvd淀積相應(yīng)結(jié)構(gòu)后，在晶圓上涂布光刻膠，將光刻膠利用氧等離子體轟擊至所需刻蝕停止水平，后采用cf4rie或boe刻蝕將未被光刻膠包裹的部分去除，最后將殘膠去除。該技術(shù)用以準(zhǔn)確控制覆蓋側(cè)壁的電解質(zhì)/金屬層的刻蝕深度，金屬/電解質(zhì)的刻蝕停止水平由溝槽中剩余光刻膠的厚度定義。

25、本發(fā)明中未詳盡之處均可參照現(xiàn)有技術(shù)。

26、本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)如下：

27、本發(fā)明在刻蝕形成n--gan漂移層凸起部(鰭區(qū))后，再生長(zhǎng)一層納米級(jí)、δ摻雜的algan層，δ摻雜的algan層與n--gan漂移層之間極化形成的2deg擁有很大的電子濃度以及較高的電子遷移率，當(dāng)電流越過n--gan漂移層凸起部(鰭區(qū))進(jìn)一步涌向漏極時(shí)，便可以充分利用algan層與n--gan漂移層之間的極化產(chǎn)生的2deg實(shí)現(xiàn)橫向電流擴(kuò)展，降低器件的導(dǎo)通電阻。

28、同時(shí)本發(fā)明在刻蝕形成n--gan漂移層凸起部(鰭區(qū))后，在n--gan漂移層水平部?jī)啥苏翦兘饘賜i，使得finfet器件中n--gan漂移層和肖特基二極管陽極(金屬ni)之間形成肖特基接觸，構(gòu)成肖特基二極管(sbd)。肖特基二極管被單片集成在finfet內(nèi)部，功能上作為續(xù)流二極管，可以在實(shí)現(xiàn)第三象限續(xù)流的前提下有效地減小封裝體積、消除金屬互聯(lián)，從而可以有效地降低系統(tǒng)的寄生效應(yīng)。并且使得本發(fā)明的垂直型氮化鎵finfet器件的制備工藝與傳統(tǒng)finfet器件的制備工藝兼容，將制備工藝的難度與復(fù)雜度控制在相對(duì)可控的范圍內(nèi)。

29、本發(fā)明提供的垂直型氮化鎵finfet器件解決了續(xù)流問題、促進(jìn)了電流橫向擴(kuò)展，以及保留了finfet器件的常關(guān)特性。

30、本發(fā)明的有益效果如下：

31、1、本發(fā)明通過在垂直型氮化鎵finfet器件n--gan漂移層水平部?jī)啥苏翦兘饘賜i，finfet器件中n--gan漂移層和肖特基二極管陽極(金屬ni)之間形成肖特基接觸，構(gòu)成肖特基二極管(sbd)，使得sbd的開啟電壓僅為-0.74v，能夠有效遏制垂直型氮化鎵finfet器件的導(dǎo)通損耗。并且本發(fā)明提供的垂直型氮化鎵finfet器件僅有電子參與導(dǎo)電，在單極型電流工作模式下，具有更好的反向恢復(fù)特性，有效解決了傳統(tǒng)finfet器件缺乏三象限續(xù)流能力的問題。同時(shí)消除了反并聯(lián)一個(gè)外接sbd的需要，從而減小了封裝體積，減少了外部金屬互聯(lián)，避免了寄生效應(yīng)帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定性。

32、2、本發(fā)明通過在垂直型氮化鎵finfet器件刻蝕和沉積肖特基金屬后，又生長(zhǎng)了一層納米級(jí)、δ摻雜的algan層，algan層與n--gan漂移層在c面的極化效應(yīng)產(chǎn)生的2deg會(huì)極大程度的促進(jìn)電流在水平面的延展，降低器件的導(dǎo)通電阻，可以有效地促進(jìn)電流在水平方向上的延展，避免電流在鰭角處聚集，有效利用漂移區(qū)，降低導(dǎo)通損耗，解決了n--gan漂移層凸起部(鰭區(qū))底部電流擁擠的問題。并且還可以通過不斷調(diào)整algan層的結(jié)構(gòu)參數(shù)以實(shí)現(xiàn)finfet器件的最優(yōu)一、三象限特性。

33、3、本發(fā)明在algan層與n--gan漂移層引入了δ摻雜在界面處引入額外的載流子，使得本發(fā)明提供的垂直型氮化鎵finfet器件在解決續(xù)流問題、促進(jìn)了電流橫向擴(kuò)展的同時(shí)，還保留了finfet器件的常關(guān)特性。并且本發(fā)明通過大量仿真計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)本發(fā)明提供的垂直型氮化鎵finfet器件在實(shí)現(xiàn)更好的第一象限導(dǎo)通特性下，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)出色的三象限續(xù)流能力(較低的開啟電壓、單極型電流以及較小的導(dǎo)通電阻)。同時(shí)由于沒有空穴參與導(dǎo)電，該垂直型氮化鎵finfet器件的反向恢復(fù)電荷和反向恢復(fù)峰值電流被有效抑制。因此，本發(fā)明提供的垂直型氮化鎵finfet器件將在現(xiàn)代電力系統(tǒng)的高頻、高功率密度和低功耗應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮巨大潛力。

34、4、本發(fā)明垂直型氮化鎵finfet器件的制備工藝步驟簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)finfet器件的制備工藝兼容，將制備工藝的難度與復(fù)雜度控制在相對(duì)可控的范圍內(nèi)。