[發(fā)明專利]氮化鎵MIS柵控混合溝道功率場效應(yīng)晶體管及其制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010169775.7
• 申請日: 2020-03-12
• 公開（公告）號: CN111370470B
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周琦;楊秀;黃芃;魏鵬程;陳匡黎;李翔宇;王景海;韓曉琦;陳萬軍;張波
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: H01L29/10
• 分類號: H01L29/10;H01L29/423;H01L29/06;H01L29/778;H01L21/335;H01L21/28
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51232
• 代理人: 孫一峰

1.氮化鎵MIS柵控混合溝道功率場效應(yīng)晶體管，包括含應(yīng)力調(diào)制結(jié)構(gòu)的異質(zhì)襯底基片(1)、設(shè)置在異質(zhì)襯底基片(1)上表面的橫向氮化鎵外延層(2)和設(shè)置在橫向氮化鎵外延層(2)上表面的垂直溝道層(3)以及P型氮化鎵電場調(diào)制區(qū)(4)，位于垂直溝道層(3)以及P型氮化鎵電場調(diào)制區(qū)(4)之上的氮化鎵緩沖層(5)和位于氮化鎵緩沖層(5)之上的氮化鋁鎵勢壘層(6)，其中氮化鎵緩沖層(5)和氮化鋁鎵勢壘層(6)構(gòu)成異質(zhì)結(jié)勢壘層，在氮化鋁鎵勢壘層(6)上表面覆蓋有鈍化層(11)；P型氮化鎵電場調(diào)制區(qū)(4)位于垂直溝道層(3)中，即P型氮化鎵電場調(diào)制區(qū)(4)的兩側(cè)為垂直溝道層(3)；其特征在于，還包括源極(9)、漏極(10)、垂直溝道柵極(81)和平面溝道柵極(82)，所述漏極(10)位于晶體管上層一側(cè)，垂直溝道柵極(81)位于晶體管上層另一側(cè)，源極(9)和平面溝道柵極(82)位于漏極(10)和垂直溝道柵極(81)之間，其中平面溝道柵極(82)位于靠近漏極(10)的一端，源極(9)位于平面溝道柵極(82)和垂直溝道柵極(81)之間；漏極(10)的上部向靠近平面溝道柵極(82)的方向延伸并覆蓋部分鈍化層(11)，漏極(10)的中部沿鈍化層(11)、氮化鋁鎵勢壘層(6)和氮化鎵緩沖層(5)的側(cè)面垂直向下延伸，漏極(10)的底部向遠(yuǎn)離平面溝道柵極(82)的方向延伸并覆蓋部分垂直溝道層(3)的上表面；平面溝道柵極(82)和源極(9)均為溝槽結(jié)構(gòu)，其中源極(9)的底部延伸至與P型氮化鎵電場調(diào)制區(qū)(4)的上表面接觸，平面溝道柵極(82)的底部延伸至氮化鎵緩沖層(5)上層，平面溝道柵極(82)與鈍化層(11)、氮化鎵緩沖層(5)和氮化鋁鎵勢壘層(6)之間通過柵介質(zhì)層隔離，平面溝道柵極(82)和源極(9)上部均沿鈍化層(11)表面向兩側(cè)延伸；垂直溝道柵極(81)的上部沿沿鈍化層(11)表面向靠近源極(9)一側(cè)延伸，垂直溝道柵極(81)的中部沿鈍化層(11)、氮化鋁鎵勢壘層(6)的側(cè)面垂直向下延伸至氮化鎵緩沖層(5)上部，并向遠(yuǎn)離源極(9)的一側(cè)延伸，垂直溝道柵極(81)與鈍化層(11)、氮化鎵緩沖層(5)和氮化鋁鎵勢壘層(6)之間通過柵介質(zhì)層隔離。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化鎵MIS柵控混合溝道功率場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述柵介質(zhì)層(7)采用的材料為二氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鎂和二氧化鉿中的一種或多種組合，其厚度為1-100nm。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化鎵MIS柵控混合溝道功率場效應(yīng)晶體管，其特征在于，垂直溝道層(3)形成的垂直電流溝道與氮化鎵緩沖層(5)以及氮化鋁鎵勢壘層(6)所形成的平面電流溝道同時作為器件的電流通道并隨柵電壓控制開啟或關(guān)斷。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮化鎵MIS柵控混合溝道功率場效應(yīng)晶體管，其特征在于，P型氮化鎵電場調(diào)制區(qū)(4)對平面溝道與垂直溝道電場均起到耗盡與開啟狀態(tài)下的調(diào)制作用。

5.氮化鎵MIS柵控混合溝道功率場效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于，包括以下步驟：

第一步：在襯底基片(1)上層依次外延生長橫向氮化鎵外延層(2)和垂直溝道層(3)；

第二步：采用二次外延技術(shù)，在垂直溝道層(3)中所刻蝕槽中二次外延P型氮化鎵材料，形成P型氮化鎵電場調(diào)制區(qū)(4)，并二次平坦化：采用化學(xué)機(jī)械磨平技術(shù)與數(shù)字刻蝕結(jié)合的方案，此處利用化學(xué)機(jī)械磨平的平面化速度快、成本低的特點，并利用了數(shù)字刻蝕對半導(dǎo)體材料的低損傷特點；

第三步：采用二次外延技術(shù)，再生長氮化鎵緩沖層(5)以及氮化鋁鎵勢壘層(6)，并淀積鈍化層(11)；

第四步：采用凹槽刻蝕技術(shù)，刻蝕垂直溝道柵極(81)與平面溝道柵極(82)所需凹槽，此步驟僅需一次光刻：需要將氮化鋁鎵勢壘層(6)完全刻蝕，保證橫向二維電子氣溝道可以完全耗盡；

第五步：采用光刻技術(shù)與化學(xué)氣相沉積技術(shù)，淀積所需柵介質(zhì)(7)；淀積柵介質(zhì)后進(jìn)行高溫快速熱退火，退火溫度400～500攝氏度，退火時間為10～15min；

第六步：采用凹槽刻蝕技術(shù)，刻蝕源極(9)與漏極(10)所需的凹槽，需將氮化鎵緩沖層(5)、氮化鋁鎵勢壘層(6)以及鈍化層(11)完全刻蝕；

第七步：在源極以及漏極凹槽中，在垂直溝道層(3)以及P型氮化鋁鎵(4)上表面，在氮化鎵緩沖層(5)、氮化鋁鎵勢壘層(6)以及鈍化層(11)凹槽側(cè)壁淀積源極(9)與漏極(10)所需歐姆金屬，采用光刻技術(shù)，并在純氮氣氛圍下進(jìn)行高溫快速熱退火，分別完成源極(9)與漏極(10)制備；

第八步：采用光刻技術(shù)，在垂直溝道柵極凹槽以及水平溝道柵極凹槽中淀積肖特基金屬，完成電極垂直溝道柵極(81)以及平面溝道柵極(82)中的制備，使垂直溝道柵極(81)以及平面溝道柵極(82)形成肖特基金屬/絕緣介質(zhì)/半導(dǎo)體的MIS柵控結(jié)構(gòu)。