CN118693159B - 一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件及其制备方法，涉及半导体技术领域，包括漏极金属，所述漏极金属上方的中部设置有栅极介质，所述栅极介质的外侧设置有n+衬底，所述n+衬底的上方设置有电流阻挡层，所述电流阻挡层的上方设置有Si‑低阻层，所述Si‑低阻层的上方设置有n+源区，所述n+源区的上方设置有源极金属，所述栅极介质的介质槽内设置有栅极金属。通过采用纵向自下而上的结构设计，结合了沟槽栅技术，有效增强了栅极的控制能力，同时通过在n+源区下方引入Si‑低阻层，显著降低了导通电阻；电流阻挡层的宽禁带氧化镓材料使得器件能够承受更高的电压，同时减小了漏电流，不仅提高了器件的性能，也降低了制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体为一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件及其制备方法。
背景技术
在电力电子领域，对开关器件的性能需求不断提高，尤其是在高电压和高频率应用中。传统的硅基半导体器件由于其物理性能的限制，在高电压和高温环境下的性能表现并不理想，这限制了其在先进电力转换和管理系统中的应用。随着技术发展，氧化镓（Ga2O3）半导体材料凭借其宽能隙、高电子迁移率和优异的热稳定性，被认为是超越传统硅器件的理想替代材料。然而，现有的氧化镓开关器件在制造工艺和结构设计上仍存在一些不足。例如，传统的氧化镓器件往往面临耐压能力有限、导通电阻较高以及栅极控制能力不足的问题，这些因素均限制了其在高性能电力电子系统中的应用潜力。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件，包括漏极金属，所述漏极金属位于该器件的最底端，所述漏极金属上方的中部设置有栅极介质，所述栅极介质的外侧设置有位于漏极金属上方的n+衬底，所述n+衬底的上方设置有位于栅极介质外侧的电流阻挡层，所述电流阻挡层的上方设置有Si-低阻层，所述Si-低阻层的上方设置有位于栅极介质外侧的n+源区，所述n+源区的上方设置有源极金属；
所述栅极介质的介质槽内设置有栅极金属，所述栅极金属与n+源区、栅极介质的高度齐平。
进一步优化本技术方案，所述器件为纵向器件，所述器件采用沟槽栅结构。
进一步优化本技术方案，所述栅极介质为高K介质氧化铝，所述栅极金属为Al-Au合金。
进一步优化本技术方案，所述电流阻挡层为未掺杂氧化镓，对应的耐压等级为1600V~3300V。
进一步优化本技术方案，所述漏极金属的厚度为800nm，所述n+衬底的厚度为1200nm，所述电流阻挡层的厚度为10-20μm，所述Si-低阻层的厚度为600nm，所述n+源区的厚度为200nm。
进一步优化本技术方案，所述栅极介质的介质槽底部厚度比n+衬底的厚度高30nm，所述栅极介质的介质槽侧壁宽度为20nm。
进一步优化本技术方案，所述n+衬底的掺杂浓度为2×1018cm-3，所述Si-低阻层的掺杂浓度为1×1017cm-3，所述n+源区的掺杂浓度为2×1018cm-3。
一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件的制备方法，基于上述的增强型沟槽栅氧化镓开关器件进行制备，包括以下具体步骤：
S1、在n+衬底的β型氧化镓材料上方淀积一层保护层，刻蚀出栅极介质的通孔，沿通孔进行氧化镓的刻蚀，形成栅极介质，刻蚀深度为1.2μm，再沿通孔进行对栅极介质进行氧化铝的淀积，在1200℃条件下将铝的金属有机物气化后利用载气和氧气一起通入方氧化镓材料反应室，发生化学反应，反应的生成物沉积形成氧化铝薄膜；
S2、在n+衬底β的型氧化镓材料上方采用氢化物气相磊晶法生长一层电流阻挡层；
S3、在电流阻挡层的上方淀积一层阻挡层，再次刻蚀出栅极介质的通孔，沿通孔进行氧化镓的刻蚀，形成栅极介质的介质槽；
S4、再沿步骤S3中的通孔进行对介质槽进行氧化铝的淀积，在800℃条件下将铝的金属有机物气化后利用载气和氧气一起通入方氧化镓材料反应室，发生化学反应，反应的生成物沉积形成氧化铝薄膜；
S5、刻蚀出栅极金属的通孔，沿通孔采用磁控溅射的方式，在氩气氛围内，高压对氩气产生辉光放电，撞击金属靶材，使其飞溅淀积在介质槽的内部；
S6、去除步骤S3中形成的阻挡层，在栅极金属上重新淀积一层新的阻挡层，刻蚀出Si-低阻层区域，对Si-低阻层采用Si离子注入，注入能量为70-270kev；
S7、沿着Si-低阻层区域，对Si-低阻层上方采用Sn离子注入，注入能量为10-70kev，形成n+源区；
S8、去除步骤S3中形成的阻挡层，在n+源区上重新淀积一层新的阻挡层，刻蚀出源极金属区域，淀积源极金属。
进一步优化本技术方案，所述步骤S1和S4中，刻蚀采用干法刻蚀，射频功率为600W，腔室气压为1.5Pa，刻蚀气体为六氟化硫和氩气，六氟化硫和氩气的流量比为2:1。
进一步优化本技术方案，所述步骤S2中，生长条件为900℃，GaCl的摩尔分数为0.5；O2的进气速度为0.03m/s；O2的摩尔分数为0.5；分隔气N2的进气速度为2.8m/s；n+衬底到喷口之间的距离为15cm。
与现有技术相比，本发明提供了一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件及其制备方法，具备以下有益效果：
该增强型沟槽栅氧化镓开关器件及其制备方法，通过采用纵向自下而上的结构设计，结合了沟槽栅技术，有效增强了栅极的控制能力，同时通过在n+源区下方引入Si-低阻层，显著降低了导通电阻；电流阻挡层的宽禁带氧化镓材料使得器件能够承受更高的电压，同时减小了漏电流，不仅提高了器件的性能，也降低了制造成本。
附图说明
图1为本发明提出的一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件的器件剖面示意图；
图2为本发明提出的一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件的制备方法中步骤S1的器件剖面示意图；
图3为本发明提出的一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件的制备方法中步骤S2的器件剖面示意图；
图4为本发明提出的一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件的制备方法中步骤S3的器件剖面示意图；
图5为本发明提出的一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件的制备方法中步骤S4的器件剖面示意图；
图6为本发明提出的一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件的制备方法中步骤S5的器件剖面示意图；
图7为本发明提出的一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件的制备方法中步骤S6的器件剖面示意图；
图8为本发明提出的一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件的制备方法中步骤S7的器件剖面示意图；
图9为本发明提出的一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件的制备方法中步骤S8的器件剖面示意图。
图中：1、漏极金属；2、栅极介质；3、n+衬底；4、电流阻挡层；5、Si-低阻层；6、n+源区；7、源极金属；8、栅极金属。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1，一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件，所述器件为纵向器件，具备高耐压的特点，所述器件采用沟槽栅结构，栅极对器件控制能力强。
该器件包括漏极金属1，所述漏极金属1位于该器件的最底端，所述漏极金属1上方的中部设置有栅极介质2，所述栅极介质2的外侧设置有位于漏极金属1上方的n+衬底3，所述n+衬底3的上方设置有位于栅极介质2外侧的电流阻挡层4，所述电流阻挡层4的上方设置有Si-低阻层5，所述Si-低阻层5的上方设置有位于栅极介质2外侧的n+源区6，所述n+源区6的上方设置有源极金属7。所述栅极介质2的介质槽内设置有栅极金属8，所述栅极金属8与n+源区6、栅极介质2的高度齐平。
其中，所述栅极介质2为高K介质氧化铝，所述栅极金属8为Al-Au合金。栅极介质2纵向分布在器件所有厚度范围内，分布在n+衬底3内的栅极介质2可以承受来自于衬底的高电压，提高器件栅极对漏极来的电压抗冲击能力，提高器件可靠性。栅极介质2采用高K介质氧化铝，能够有效抑制器件的栅极漏电流，减小器件关态漏电流，提高器件栅极可靠性。
其中，所述电流阻挡层4为未掺杂氧化镓，对应的耐压等级为1600V~3300V。
在本实施例中，所述漏极金属1的厚度为800nm，所述n+衬底3的厚度为1200nm，所述电流阻挡层4的厚度为10-20μm，所述Si-低阻层5的厚度为600nm，所述n+源区6的厚度为200nm。所述栅极介质2的介质槽底部厚度比n+衬底3的厚度高30nm，所述栅极介质2的介质槽侧壁宽度为20nm。
漏极金属1和n+衬底3的厚度设计是为了在工艺制备过程中保证漏极金属1和n+衬底3的支撑性，以满足厚的电流阻挡层4的制备。
栅极介质2的厚度设计是因为在器件关断时，漏极加大的正电压，必须有足够的栅极介质2厚度才能保证漏极的大电压不会击穿器件底部的栅极介质2。
在本实施例中，所述n+衬底3的掺杂浓度为2×1018cm-3，所述Si-低阻层5的掺杂浓度为1×1017cm-3，所述n+源区6的掺杂浓度为2×1018cm-3。
由于现阶段在氧化镓中实现p型掺杂困难，且p型漏电较大的情况，本器件内部没有p型掺杂结构，可以降低器件制造工艺成本，降低器件的漏电流；由于器件的n+掺杂随着深度的增加成本急剧增加，本器件采用了n+源区6和Si-低阻层5结构，以降低器件导通电阻。
同时，器件的耐压能力依靠电流阻挡层4来实现，电流阻挡层4的宽禁带氧化镓相比于p型掺杂构建的pn结结构漏电更小，耐压能力更强，而当栅极加正电压时，深的沟槽栅可以实现栅左右两侧电子从n+源区6至Si-低阻层5到漏极的导电沟道形成，实现器件低阻导通。
n+源区6用来形成与源极金属7的欧姆接触，但是随着深度增加，氧化镓n+掺杂的成本增加迅速，所以在n+源区6下方构建了Si-低阻层5，以较低的成本降低器件导通电阻。
实施例二：
一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件的制备方法，基于实施例一所述的增强型沟槽栅氧化镓开关器件进行制备，包括以下具体步骤：
S1、如图2所示，在n+衬底3的β型氧化镓材料上方淀积一层保护层，刻蚀出栅极介质2的通孔，沿通孔进行氧化镓的刻蚀，形成栅极介质2，刻蚀深度为1.2μm，再沿通孔进行对栅极介质2进行氧化铝的淀积，在1200℃（为了提高氧化铝淀积速度）条件下将铝的金属有机物气化后利用载气（一般为氩气）和氧气（铝的金属有机物和氧气的比例为1:1）一起通入方氧化镓材料反应室，发生化学反应，反应的生成物沉积形成氧化铝薄膜；
S2、如图3所示，在n+衬底3β的型氧化镓材料上方采用氢化物气相磊晶法生长一层电流阻挡层4；
生长条件为900℃，GaCl的摩尔分数为0.5；O2的进气速度为0.03m/s；O2的摩尔分数为0.5；分隔气N2的进气速度为2.8m/s；n+衬底3到喷口之间的距离为15cm；
S3、如图4所示，在电流阻挡层4的上方淀积一层阻挡层，再次刻蚀出栅极介质2的通孔，沿通孔进行氧化镓的刻蚀，形成栅极介质2的介质槽；
S4、如图5所示，再沿步骤S3中的通孔进行对介质槽进行氧化铝的淀积，在800℃条件下将铝的金属有机物气化后利用载气和氧气一起通入方氧化镓材料反应室，发生化学反应，反应的生成物沉积形成氧化铝薄膜；
S5、如图6所示，刻蚀出栅极金属8的通孔，沿通孔采用磁控溅射的方式，在氩气氛围内，高压对氩气产生辉光放电，撞击金属靶材，使其飞溅淀积在介质槽的内部；
S6、如图7所示，去除步骤S3中形成的阻挡层，在栅极金属8上重新淀积一层新的阻挡层，刻蚀出Si-低阻层5区域，对Si-低阻层5采用Si离子注入，注入能量为70-270kev；
S7、如图8所示，沿着Si-低阻层5区域，对Si-低阻层5上方采用Sn离子注入，注入能量为10-70kev，形成n+源区6；
S8、如图9所示，去除步骤S3中形成的阻挡层，在n+源区6上重新淀积一层新的阻挡层，刻蚀出源极金属7区域，淀积源极金属7。
在本实施例中，刻蚀采用干法刻蚀，射频功率为600W，腔室气压为1.5Pa，刻蚀气体为六氟化硫和氩气，六氟化硫和氩气的流量比为2:1。
本发明的有益效果是：
该增强型沟槽栅氧化镓开关器件及其制备方法，通过采用纵向自下而上的结构设计，结合了沟槽栅技术，有效增强了栅极的控制能力，同时通过在n+源区下方引入Si-低阻层，显著降低了导通电阻；电流阻挡层的宽禁带氧化镓材料使得器件能够承受更高的电压，同时减小了漏电流，不仅提高了器件的性能，也降低了制造成本。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件，其特征在于，包括漏极金属，所述漏极金属位于该器件的最底端，所述漏极金属上方的中部设置有栅极介质，所述栅极介质的外侧设置有位于漏极金属上方的n+衬底，所述n+衬底的上方设置有位于栅极介质外侧的电流阻挡层，所述电流阻挡层的上方设置有Si-低阻层，所述Si-低阻层的上方设置有位于栅极介质外侧的n+源区，所述n+源区的上方设置有源极金属；
所述栅极介质的介质槽内设置有栅极金属，所述栅极金属与n+源区、栅极介质的高度齐平；
该器件的制备方法，包括以下具体步骤：
S1、在n+衬底的β型氧化镓材料上方淀积一层保护层，刻蚀出栅极介质的通孔，沿通孔进行氧化镓的刻蚀，形成栅极介质，刻蚀深度为1.2μm，再沿通孔进行对栅极介质进行氧化铝的淀积，在1200℃条件下将铝的金属有机物气化后利用载气和氧气一起通入方氧化镓材料反应室，发生化学反应，反应的生成物沉积形成氧化铝薄膜；
S2、在n+衬底β的型氧化镓材料上方采用氢化物气相磊晶法生长一层电流阻挡层；
S3、在电流阻挡层的上方淀积一层阻挡层，再次刻蚀出栅极介质的通孔，沿通孔进行氧化镓的刻蚀，形成栅极介质的介质槽；
S4、再沿步骤S3中的通孔进行对介质槽进行氧化铝的淀积，在800℃条件下将铝的金属有机物气化后利用载气和氧气一起通入方氧化镓材料反应室，发生化学反应，反应的生成物沉积形成氧化铝薄膜；
S5、刻蚀出栅极金属的通孔，沿通孔采用磁控溅射的方式，在氩气氛围内，高压对氩气产生辉光放电，撞击金属靶材，使其飞溅淀积在介质槽的内部；
S6、去除步骤S3中形成的阻挡层，在栅极金属上重新淀积一层新的阻挡层，刻蚀出Si-低阻层区域，对Si-低阻层采用Si离子注入，注入能量为70-270kev；
S7、沿着Si-低阻层区域，对Si-低阻层上方采用Sn离子注入，注入能量为10-70kev，形成n+源区；
S8、去除步骤S3中形成的阻挡层，在n+源区上重新淀积一层新的阻挡层，刻蚀出源极金属区域，淀积源极金属。
2.根据权利要求1所述的一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件，其特征在于，所述器件为纵向器件，所述器件采用沟槽栅结构。
3.根据权利要求1所述的一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件，其特征在于，所述栅极介质为高K介质氧化铝，所述栅极金属为Al-Au合金。
4.根据权利要求1所述的一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件，其特征在于，所述电流阻挡层为未掺杂氧化镓，对应的耐压等级为1600V~3300V。
5.根据权利要求1所述的一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件，其特征在于，所述漏极金属的厚度为800nm，所述n+衬底的厚度为1200nm，所述电流阻挡层的厚度为10-20μm，所述Si-低阻层的厚度为600nm，所述n+源区的厚度为200nm。
6.根据权利要求1所述的一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件，其特征在于，所述栅极介质的介质槽底部厚度比n+衬底的厚度高30nm，所述栅极介质的介质槽侧壁宽度为20nm。
7.根据权利要求1所述的一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件，其特征在于，所述n+衬底的掺杂浓度为2×1018cm-3，所述Si-低阻层的掺杂浓度为1×1017cm-3，所述n+源区的掺杂浓度为2×1018cm-3。
8.根据权利要求1所述的一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件，其特征在于，所述步骤S1和S4中，刻蚀采用干法刻蚀，射频功率为600W，腔室气压为1.5Pa，刻蚀气体为六氟化硫和氩气，六氟化硫和氩气的流量比为2:1。
9.根据权利要求1所述的一种增强型沟槽栅氧化镓开关器件，其特征在于，所述步骤S2中，生长条件为900℃，GaCl的摩尔分数为0.5；O2的进气速度为0.03m/s；O2的摩尔分数为0.5；分隔气N2的进气速度为2.8m/s；n+衬底到喷口之间的距离为15cm。
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