一种集成双续流沟道的垂直型MOSFET器件及其制备方法

本发明涉及一种集成双续流沟道的垂直型mosfet器件及其制备方法，属于半导体器件。

背景技术：

1、功率晶体管作为电力电子系统的核心器件，承担着功率放大、电能转换、开关控制和信号调节等重要功能，广泛应用于工业自动化控制、交通运输、航空航天和通信系统等多个领域。相较于硅(si)，氮化镓(gan)由于其更宽的禁带宽度、更高的电子迁移率和更大的临界击穿电场得到广泛关注。因此gan基功率晶体管可以满足下一代功率电子系统的需要。得益于位于algan/gan界面高迁移率的二维电子气(2deg)，gan基横向高电子迁移率晶体管(hemt)已经实现中等功率(650v)等级下的商用化。然而对于实现高电压等级下的应用，需要较大的源-漏间距，这会增加芯片的尺寸以及所需额定电流的成本。同时hemt的寄生元件和引脚与栅极到漏极的间距成正比，通过增加源-漏间距实现高耐压的器件会增加寄生效应，限制器件的开关速度。

2、与gan基水平型功率晶体管相比，gan垂直型功率晶体管可以通过增加漂移区的厚度来实现更高的击穿电压，而不会增加芯片的封装尺寸。目前gan垂直结构有很多，如鳍式功率场效应晶体管(finfets)、电流孔垂直电子晶体管(cavets)、结型fets(jfets)和沟槽型mosfets(t-mosfets)。在这些垂直gan功率晶体管中，因为t-mosfet阈值电压为3-5伏避免输入信号的噪声导致的器件误开启，并且有相对简单的制造工艺而被广泛研究。而gan功率晶体管应用在电路系统中，通常需要续流二极管提供反向续流通路，常见的续流通路包括：mosfet内嵌的体二极管与外接反并联的续流二极管，但是在实际应用中，会带来额外的功率损耗、封装体积以及寄生效应。

3、在应用垂直型功率晶体管的几种常见拓扑结构中(如升压拓扑、反激式拓扑、谐振拓扑)在晶体管关闭阶段，电感、电容等负载会产生电压或电流冲击，可能导致器件反向击穿，因此需要续流二极管提供一条低阻抗的路径，防止反向电压或电流损坏晶体管。在传统的mosfet中，体p-i-n二极管作为续流二极管会带来开启电压大导致的导通损耗、反向恢复性能差导致的开关损耗以及持续的双极型电流导致的器件退化等问题。与mosfet反并联一个外接的sbd会增加系统的封装体积，引入额外的寄生电感，造成系统的不稳定性以及电路振铃等问题。单片集成sbd的mosfet存在关态下漏电流较大的问题。

4、传统mosfet存在的另一个问题是栅极氧化层拐角处的电场聚集导致器件的提前击穿。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种集成mos和fin双沟道续流二极管的垂直型氮化镓mosfet器件及其制备方法，在mosfet内部单片集成mos与fin双沟道续流二极管，可以有效减小封装体积，同时与集成sbd相比，可以有效降低关态漏电流，且fin沟道的引入进一步降低反向沟道的开启电压，减小导通损耗。本发明在栅极沟槽底部通过离子注入或二次外延形成p-gan，p型区域与n型漂移区形成pn结，pn结耗尽区的形成能有效调节沟槽拐角附近的电场分布，避免因电场聚集导致栅氧化层处的电场击穿。同时，源极采用与栅极类似的沟槽结构，进一步均匀了电场。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种集成双续流沟道的垂直型mosfet器件，从下至上依次包括漏极、衬底、n--gan漂移层、p-gan层和n+-gan层，其中，从左向右依次设置有栅极槽一、源极槽一、源极槽二和栅极槽二，栅极槽一、源极槽一、源极槽二和栅极槽二均从顶部延伸至n--gan漂移层；

4、所述栅极槽一和栅极槽二底部槽侧壁沉积有介质层，介质层上蒸镀有栅极；所述源极槽一和源极槽二内壁沉积有介质层，介质层上蒸镀有源极；

5、所述栅极槽一和源极槽一之间以及源级槽二和栅极槽二之间的p-gan上表面设置有体电极。

6、优选的，所述栅极槽一和栅极槽二底部均设有p-gan屏蔽层，p-gan屏蔽层顶部和槽侧壁沉积有介质层；

7、优选的，衬底材料为同质衬底n+-gan，也可选择异质衬底，如蓝宝石、si、sic、金刚石；优选的，所述介质层为sio2或al2o3。

8、一种上述的集成双续流沟道的垂直型mosfet器件的制备方法，包括如下步骤：

9、(1)生长npn外延结构，在衬底上依次沉积n--gan漂移层、p-gan层和n+-gan层；

10、(2)在外延结构上利用sio2做硬质掩膜进行沟槽刻蚀，刻蚀到n--gan漂移层上表面；

11、(3)利用mocvd技术选区外延生长n--gan填充沟槽；

12、(4)利用sio2做硬质掩膜进行二次沟槽刻蚀，从左向右依次为栅极槽一、源极槽一、源极槽二和栅极槽二，其中，栅极槽一与栅极槽二、源极槽一与源级槽二刻蚀深度分别相同，均延伸至n--gan漂移层内；

13、(5)利用离子注入机在栅极槽一和栅极槽二底部实现p-gan屏蔽层，进行后退火处理(pia)以提高p-gan内部的空穴激活率；

14、(6)利用pecvd技术淀积一层介质层，介质层材料优选为sio2、al2o3，然后利用光刻胶平整及时控刻蚀技术去除顶部的介质层；

15、(7)在顶部gan上选区刻蚀开孔，开孔至p-gan层上表面，利用电子束蒸镀金属pd作为体电极，与p-gan层形成欧姆接触；

16、(8)最后利用电子束蒸镀金属，分别在源极槽一和源极槽二形成源极，在栅极槽一和栅极槽二上形成栅极，在衬底底部形成漏极。

17、优选的，步骤(1)中，n--gan漂移层厚度优选为5-14μm，p-gan层厚度优选为0.5-0.8μm，n+-gan层厚度优选为0.2-0.3μm。

18、优选的，步骤(2)中，采用干法刻蚀，所用的刻蚀气体为cl2/bcl3/ar，刻蚀深度优选为0.7-1.1μm，宽度优选为1.4μm。

19、优选的，步骤(4)中，二次刻蚀栅极沟槽与源极沟槽的刻蚀深度为1～2μm，优选为2μm。

20、优选的，步骤(4)中，栅极槽一、源极槽一、源极槽二和栅极槽二的宽度分别为1-2μm、0.5-1μm、0.5-1μm、1-2μm。

21、优选的，步骤(4)中，位于中间的源极槽一、源极槽二的刻蚀部分包括步骤(3)的沟槽两边缘，源极槽一和源极槽二之间的沟道形成fin沟道，fin沟道的宽度为100-300nm。

22、优选的，步骤(5)中，p-gan屏蔽层的厚度为300nm。

23、优选的，步骤(5)中，后退火处理在n2氛围中，850℃退火20～30min。

24、优选的，步骤(6)中，介质层的厚度为50nm。

25、一种上述的集成双续流沟道的垂直型mosfet器件的制备方法，包括如下步骤：

26、a、生长外延结构，在衬底上依次沉积n--gan漂移层、p-gan屏蔽层，其厚度分别优选为11.4um、0.3um，其中，衬底材料优选为同质衬底n+-gan，也可选择异质衬底，如蓝宝石、si、sic等材料；

27、b、对顶部p-gan屏蔽层进行选区刻蚀至n--gan漂移层，保留栅极槽一、栅极槽二位置处的p-gan；

28、c、二次外延生长外延结构，由底部到顶部依次为n--gan漂移层、p+-gan body层和n+-gan层，新生长的n--gan漂移层厚度优选为1μm，p+-gan body层厚度优选为0.7μm，n+-gan源极层厚度优选为0.2μm；

29、d、在外延结构上利用sio2做硬质掩膜进行沟槽刻蚀，刻蚀到n--gan漂移层上表面，利用mocvd技术选区外延生长n--gan填充沟槽；

30、e、利用sio2做硬质掩膜进行二次沟槽刻蚀，从左向右依次为栅极槽一、源极槽一、源极槽二和栅极槽二，其中，栅极槽一与栅极槽二、源极槽一与源级槽二刻蚀深度分别相同，均延伸至n--gan漂移层内；

31、f、利用pecvd技术淀积一层介质层，介质层材料为sio2，厚度为50nm，然后去除顶部的介质层；

32、g、在顶部gan上选区刻蚀开孔至p-gan层上表面，利用电子束蒸镀金属pd作为体电极，与p-gan层形成欧姆接触；

33、h、最后利用电子束蒸镀金属，分别在源极槽一和源极槽二形成源极，在栅极槽一和栅极槽二上形成栅极，在衬底底部形成漏极。

34、相较于体p-i-n二极管(3v左右)与sbd(1v左右)，fin沟道在0.6v左右开启，能够有效地降低器件的导通损耗。相比于体p-i-n二极管的双极型电流，mos与fin双沟道二极管只依靠电子导电，有效改善了反向恢复特性，使器件具有更好的稳定性，不会造成器件性能的退化。栅氧底部的p型屏蔽层可以与n型漂移区形成的pn结，相互耗尽形成的空间电荷区，能够有效地保护栅极氧化层免受高电场影响，同时源极沟槽承担了一部分电场，提高了器件的耐压能力。

35、双沟道二极管可通过icp刻蚀形成沟槽后二次外延生长n型gan(浓度与漂移区一致)，预留出fin沟道的宽度，在二次外延生长的n型gan再次刻蚀后进行氧化层沉积，填充金属形成沟槽型源极，分别与两侧壁形成mos沟道和fin沟道。最后，通过不断调控fin沟道的结构参数(深度与宽度)以实现mosfet集成双沟道的最优反向导通和击穿特性，主要技术手段和每个改进点的优点如下：

36、1.在mosfet内部集成mos和fin沟道

37、优点：低的开启电压，实现快速反向导通，降低导通损耗；减小了封装体积，避免金属互联，减少寄生效应带来的系统不稳定性。

38、2、在栅极沟槽底部离子注入或二次外延形成p型gan

39、优点：底部的p型gan可以有效地保护栅极氧化层免受高电场的影响，保证器件的击穿性能；同时底部的p型gan有效屏蔽栅漏电容，提高正向开关速度，改善器件动态性能。

40、3、引入沟槽型源极

41、优点：分担栅氧化层的电场，使得电场分布更均匀，提高器件击穿特性；mos沟道和fin沟道依附于源极沟槽的存在，双沟道增强了反向续流能力。

42、值得注意的是，本发明晶体管的材质并不限于gan，还可以为sic、gao、aln、algan等宽禁带半导体材料。

43、本发明未详尽之处，均可参见现有技术。

44、本发明的有益效果为：

45、本发明在传统氮化镓垂直型沟槽场效应晶体管中集成mos和fin双沟道续流二极管，有效地解决了mosfet体二极管续流带来的导通损耗、外接反并联二极管带来的寄生效应以及集成sbd的反向关态漏电流大的问题。同时栅极沟槽底部的p型屏蔽层能够有效地保护栅极氧化层免受高电场的影响，从而在维持晶体管较好的第一象限导通和击穿特性下，有效地改善晶体管的第三象限导通特性。该器件性能揭示了具备双沟道续流二极管的氮化镓垂直型功率器件将非常有希望在未来将氮化镓垂直mosfet应用于高速、高压和大功率的电力电子系统中，展示了氮化镓功率器件成为新一代突破传统功率器件物理极限的理想替代产品的巨大潜力。