技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
电子元件技术领域，尤其涉及一种场效应晶体管，可应用于作为大功率半导体器件。
背景技术
[0002] SiC材料具有带隙宽、临界击穿
电场大、电子饱和速率高、热导率高等优异的电学和材料特性，决定了它是半导体
微波功率器件，尤其是金属半导体场效应晶体管(MESFET)制作中的一个必然趋势。在SiC的多种同质多型体中，六
角密堆积的纤锌矿结构4H‐SiC电子迁移率约是相同结构6H‐SiC的两倍，因此多数功率器件采用4H‐SiC作为制作材料。随着军事及商业方面对大功率器件需求的增长，越来越需要提高4H‐SiC MESFET的击穿
电压和输出功率。
[0003] 目前，大多数文献致
力于双凹陷4H‐SiC MESFET结构的研究及在此结构的
基础上进行改进，例如凹陷源/漏漂移区4H‐SiC MESFET。该结构从下至上由4H‐SiC半绝缘衬+ +底、P型
缓冲层、N型
沟道层和N 帽层堆叠而成，以该堆叠层为基础，
刻蚀N 帽层后形成凹沟道层，栅的源侧一半长度向凹沟道内凹陷形成凹栅结构，并且栅源漂移区的一部分向凹沟道内凹陷，而栅漏漂移区全部向凹沟道内凹陷，这两个凹陷的漂移区均可通过反应离子刻蚀RIE技术完成。
[0004] 相比于双凹陷结构，虽然上述凹陷源/漏漂移区4H‐SiC MESFET的
击穿电压因栅漏之间漂移区厚度的减小而增加，但提高幅度有限。并且在实际情况下，反应离子刻蚀RIE的过程会在器件漂移区表面形成晶格损伤，导致N型沟道层中载流子有效迁移率下降，进而降低漏极
电流，在电流输出特性上表现为饱和电流的退化。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种输出电流稳定、击穿电压大的4H‐SiC金属半导体场效应晶体管，提高器件性能。
[0006] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0007] 本发明技术关键是：以凹陷源/漏漂移区4H‐SiC MESFET结构为基础，在凹陷栅漏漂移区表面经
外延、通过
离子注入工艺形成一个横向
PN结，且P区靠近栅
电极而N区靠近漏电极。
[0008] 一.4H‐SiC金属半导体场效应晶体管结构
[0009] 本发明的4H‐SiC金属半导体场效应晶体管，
自下而上包括4H‐SiC半绝缘衬底、P型缓冲层、N型沟道层，N型沟道层的两侧分别为源极帽层和漏极帽层，源极帽层和漏极帽层表面分别是源电极和漏电极，N型沟道层上方且靠近源极帽层的一侧形成栅电极，栅电极与源极帽层之间形成凹陷栅源漂移区，栅电极与漏极帽层之间形成凹陷栅漏漂移区，其特征在于，凹陷栅漏漂移区的表面设有横向PN结，用于提高击穿电压和稳定输出电流。
[0010] 二.4H‐SiC金属半导体场效应晶体管的制作方法
[0011] 本发明制作4H‐SiC金属半导体场效应晶体管的方法，包括如下步骤：
[0012] 1)对4H‐SiC半绝缘衬底进行清洗，以清洁表面；
[0013] 2)在半绝缘衬底上
外延生长0.5μm厚的SiC层，并经原位掺杂
硼形成浓度为15 ‐3
1.4×10 cm 的P型缓冲层；
[0014] 3)在P型缓冲层上外延生长0.25μm厚的SiC层，并经原位掺杂氮形成浓度为17 ‐3
3.0×10 cm 的N型沟道层；
[0015] 4)在N型沟道层上外延生长0.2μm厚的SiC层，并经原位掺杂氮形成浓度为20 ‐3 +
1.0×10 cm 的N 型帽层；
[0016] 5)在N+型帽层上依次进行
光刻和隔离注入，形成隔离区和有源区；
[0017] 6)对有源区依次进行源漏光刻、
磁控溅射、金属剥离和高温
合金，形成0.5μm长的源电极和漏电极；
[0018] 7)对源电极和漏电极之间的N+型帽层再进行光刻、刻蚀，形成刻蚀深度和长度分别为0.2μm和2.2μm的凹沟道；
[0019] 8)对凹沟道进行光刻、刻蚀，形成深度和长度分别为0.05μm和1μm的凹陷栅漏漂移区；
[0020] 9)在凹陷栅漏漂移区表面外延0.04‐0.05μm厚的N‐SiC层，并经原位掺杂氮形15 ‐3
成的浓度为1.4×10 cm ；
[0021] 10)光刻N‐SiC层，并经
铝离子注入形成0.45‐0.5μm长的P区，其浓度为15 ‐3
1.4×10 cm ，形成横向PN结；
[0022] 11)对横向PN结和源电极之间的凹沟道进行光刻、刻蚀，形成0.15μm长的凹陷栅源漂移区及0.35μm长的凹栅，刻蚀深度为0.05μm；
[0023] 12)对横向PN结和凹陷栅源漂移区之间的凹沟道依次进行光刻、磁控溅射和金属剥离，形成0.7μm长的栅电极；
[0024] 13)对所形成的4H‐SiC金属半导体场效应晶体管表面进行
钝化、反刻，形成电极压焊点，完成器件的制作。
[0026] 本发明由于在凹陷栅漏漂移区表面引入横向PN结，与现有技术相比具有如下优点：
[0027] 1.漏极电流稳定
[0028] 当给漏极施加一定电压时，一方面，横向PN结的P区与N型沟道层形成的突变PN++结处于反偏模式，而反偏PN 结的耗尽区几乎全部向P区扩展，因此不会对N型沟道层中流过的漏极电流产生显著影响；另一方面，横向PN结可减小由反应离子刻蚀引起的凹陷栅漏漂移区表面晶格损伤及其对N型沟道层中载流子迁移率的影响，从而抑制漏极电流的退化现象，起到稳定漏极电流的作用。
[0029] 2.击穿电压提高
[0030] 器件正常工作状态下，一部分漏极电压降落在
反向偏置的横向PN结上，而反偏PN结可承受较高的反向电压，因此对N型沟道层产生了分压作用，使得N型沟道层内
水平电场强度减小，即当N型沟道层内水平电场强度达到临界击穿电场时需施加更高的漏极电压。从器件内部电场分布来说，除常见的存在于N型沟道层中且靠近栅边缘的电场峰外，横向PN结在栅漏间的N型沟道层中引入新的电场峰，它改变了N型沟道层的电场强度并且调制了表面电场分布，使器件击穿电压增加。并且随着漏极电压的增加，横向PN结产生的新电场峰值增大， 当它与栅边缘的电场峰值几乎相等时击穿电压达到最大值。
[0031] 下面结合
附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
附图说明
[0032] 图1为本发明4H‐SiC金属半导体场效应晶体管的结构示意图；
[0033] 图2为本发明4H‐SiC金属半导体场效应晶体管的制作
流程图。
具体实施方式
[0034] 参照图1，本发明的4H‐SiC金属半导体场效应晶体管，包括：掺
钒杂质的4H‐SiC15 ‐3
半绝缘衬底1，4H‐SiC半绝缘衬底1上为掺杂浓度和厚度分别为1.4×10 cm 和0.5μm
17 ‐3
的P型缓冲层2，P型缓冲层2上为掺杂浓度和厚度分别为3.0×10 cm 和0.25μm的N+
型沟道层3，N型沟道层3的两侧分别为0.5μm长的N 型源极帽层5和漏极帽层6，两者掺
20 ‐3
杂浓度和厚度均为1.0×10 cm 和0.2μm，源极帽层5和漏极帽层6表面分别是源电极10和漏电极11，N型沟道层3的上方且距离源极帽层5的0.5μm处为0.7μm长的栅电极4，在栅电极4靠近源极帽层5的
位置处形成0.15μm长、0.05μm深的凹陷栅源漂移区9，在栅电极4与漏极帽层6之间形成1μm长、0.05μm深的凹陷栅漏漂移区7，该凹陷栅漏漂移区
7的表面设有0.04μm‐0.05μm厚的横向PN结8，该PN结8的长度为1μm，其中P区长为
15 ‐3
0.45μm‐0.5μm，则N区长为0.55μm‐0.5μm，P区与N区掺杂浓度均为1.4×10 cm 。
+
该横向PN结一方面可使其P区与N型沟道层3形成突变PN 结，以在反偏模式下其耗尽区几乎全部向P区扩展，避免对N型沟道层3中的漏极电流产生显著影响，同时减小由反应离子刻蚀带来的器件表面晶格损伤，从而抑制了N型沟道层3中载流子的退化；另一方面，在器件正常工作状态下，可使一部分漏极电压降落在反向偏置的横向PN结8上，起到对N型沟道层3的分压作用，且可在N型沟道层3中产生新的电场峰，以改变N型沟道层3的电场强度并调制表面电场分布，从而使栅边缘电场峰值减小。
[0035] 参照图2，本制作4H‐SiC金属半导体场效应晶体管的方法，给出如下三种
实施例。
[0036] 实施例1：制作含有厚度为0.04μm，P区长度为0.45μm的PN结的4H‐SiC 金属半导体场效应晶体管。
[0037] 本实施例的制作步骤如下：
[0038] 步骤1：清洗4H‐SiC半绝缘衬底，以清洁表面。
[0039] (1.1)用蘸有甲醇的
棉球将衬底仔细清洗两次；
[0040] (1.2)将衬底先后在80℃的二
甲苯、煮沸的丙
酮和80℃的甲醇中分别清洗4分钟后，用干燥的高纯氮气吹干；
[0041] (1.3)将衬底在H2SO4与H2O2比例为1:1的
混合液中浸泡10分钟后，用去离子水冲洗两次，最后用氮气将衬底吹干。
[0042] 步骤2：在4H‐SiC半绝缘衬底表面上外延生长SiC层，经硼原位掺杂形成P型缓冲层。
[0043] 将4H‐SiC半绝缘衬底放入生长室，向生长室中通入流量为20ml/min的
硅烷、10ml/min的丙烷、80l/min的高纯氢气和2ml/min的乙硼烷，生长
温度为1550℃，压强为
5
10Pa，持续6min，完成4H‐SiC外延层的生长。
[0044] 步骤3：在P型缓冲层上外延生长SiC层，经氮原位掺杂形成N型沟道层。
[0045] 将含有P型缓冲层的4H‐SiC外延片放入生长室，向生长室中通入流量为20ml/min的硅烷、10ml/min的丙烷、80l/min的高纯氢气和10ml/min的高纯氮气，生长温度为5
1550℃，压强为10Pa，持续3min，完成N型沟道层的生长。
[0046] 步骤4：在N型沟道层上外延生长SiC层，经氮原位掺杂形成N+帽层。
[0047] 将4H‐SiC外延片放入生长室，向生长室中通入流量为20ml/min的硅烷、10ml/min5
的丙烷、80l/min的高纯氢气和20ml/min的高纯氮气，生长温度为1550℃，压强为10Pa，持+
续2min，完成N 帽层的生长。
[0048] 步骤5：在N+型帽层上形成隔离区和有源区。
[0049] (5.1)利用隔离区掩膜板，按照紫外曝光工艺在N+型帽层上形成隔离区窗口；
[0050] (5.2)进行两次硼离子注入，注入条件为130keV/6×1012cm‐2，50keV/2×1012cm‐2，完成有源区的隔离。
[0051] 步骤6：在N+型帽层上形成源/漏电极。
[0052] (6.1)利用源/漏区掩膜板，按照紫外曝光工艺在N+型帽层上形成0.5μm长的源/漏窗口；
[0053] (6.2)利 用磁 控 溅 射工 艺，在N+ 型帽 层 上 淀积 各 层 厚度 分 别 为‐3150nm/150nm/300nm的Ni/Ti/Au金属层，工作
真空2.5×10 Pa，Ar气流量为40sccm；
[0054] (6.3)溅射完成后将晶片放入150℃的Buty专用剥离液中，待金属脱落后再移入130℃Buty剥离液中，等温度降到80℃以下时，再移入丙酮中，最后取出晶片并用氮气吹干；
[0055] (6.4)将晶片放入快速合金炉内，在氮气与氢气比例为9:1的气氛下快速升温到970℃，持续10分钟，形成源/漏欧姆
接触电极。
[0056] 步骤7：在源/漏电极之间的N+型帽层上形成凹沟道。
[0057] (7.1)利用凹沟道掩膜板，按照紫外曝光工艺在N+型帽层上形成长度为2.2μm的凹沟道窗口；
[0058] (7.2)经反应离子刻蚀形成0.05μm深的凹沟道。
[0059] 步骤8：在源/漏电极之间的凹沟道上形成凹陷栅漏漂移区。
[0060] (8.1)利用凹陷栅漏漂移区掩膜板，利用
电子束曝光，形成长度为1μm的凹陷栅漏漂移区窗口；
[0061] (8.2)反应离子刻蚀形成深度为0.05μm的凹陷栅漏漂移区。
[0062] 步骤9：在凹陷栅漏漂移区表面外延N‐SiC层。
[0063] 在生长室中同时通入流量为20ml/min的硅烷、10ml/min的丙烷、80l/min的高5
纯氢气和2ml/min的高纯氮气，生长温度为1550℃，压强为10Pa的条件下持续29s，生长‐
0.04μm厚的N SiC层。
[0064] 步骤10：对凹陷栅漏漂移区表面的N‐SiC层进行铝离子注入，形成横向PN结。
[0065] (10.1)利用P区掩膜板，利用电子束曝光，在凹陷栅漏漂移区靠近栅侧形成长度为0.45μm的P区窗口；
[0066] (10.2)铝离子注入形成掺杂浓度为1.4×1015cm‐3的P型区，注入条件：温度13 ‐2
400℃，
能量130KeV，剂量2.5×10 cm 。
[0067] 步骤11：在源电极和P区之间的凹沟道上同时形成凹栅和凹陷栅源漂移区。
[0068] (11.1)利用凹栅和凹陷栅源漂移区掩膜板，利用电子束曝光，形成长度为0.5μm的凹陷栅源漂移区窗口；
[0069] (11.2)反应离子刻蚀形成深度为0.05μm的凹陷栅源漂移区。
[0070] 步骤12：在凹陷的栅源漂移区与P区之间的凹沟道上形成栅电极。
[0071] (12.1)利用栅掩膜板，利用电子束曝光，形成长度为0.7μm的栅窗口；
[0072] (12.2)磁控溅射厚度分别为150nm/150nm/300nm的Ni/Ti/Au金属层，形成长度为‐30.7μm的栅电极，工作真空2.5×10 Pa，Ar气流量为40sccm。
[0073] 步骤13：表面钝化、反刻。
[0074] (13.1)利用
等离子体增强化学气相淀积工艺，在器件表面淀积0.5μm厚的Si3N4
钝化层，工艺条件：温度300℃，SiH4流量为300sccm，NH3流量为323sccm；
[0075] (13.2)利用反刻掩膜板，通过紫外曝光形成源、漏和栅电极压焊点。
[0076] 实施例2：制作含有厚度为0.05μm，P区长度为0.5μm的PN结的4H‐SiC金属半导体场效应晶体管。
[0077] 本实施例的制作步骤如下：
[0078] 步骤一：与实施例1的步骤1相同。
[0079] 步骤二：与实施例1的步骤2相同。
[0080] 步骤三：与实施例1的步骤3相同。
[0081] 步骤四：与实施例1的步骤4相同。
[0082] 步骤五：与实施例1的步骤5相同。
[0083] 步骤六：与实施例1的步骤6相同。
[0084] 步骤七：与实施例1的步骤7相同。
[0085] 步骤八：与实施例1的步骤8相同。
[0086] 步骤九：在凹陷栅漏漂移区表面外延N‐SiC层。
[0087] 在生长室中同时通入流量为20ml/min的硅烷、10ml/min的丙烷、80l/min 的高5
纯氢气和2ml/min的高纯氮气，生长温度为1550℃，压强为10Pa的条件下持续36s，生长‐
0.05μm厚的N SiC层。
[0088] 步骤十：对凹陷栅漏漂移区表面的N‐SiC层进行离子注入，形成横向PN结。
[0089] 10a)利用P区掩膜板，利用电子束曝光，在凹陷栅漏漂移区靠近栅侧形成长度为0.5μm的P区窗口；
[0090] 10b)铝离子注入形成掺杂浓度为1.4×1015cm‐3的P型区，注入条件：温度400℃，13 ‐2
能量130KeV，剂量2.5×10 cm 。
[0091] 步骤十一：与实施例1的步骤11相同。
[0092] 步骤十二：与实施例1的步骤12相同。
[0093] 步骤十三：与实施例1的步骤13相同。
[0094] 实施例3：制作含有厚度为0.045μm，P区长度为0.48μm的PN结的4H‐SiC金属半导体场效应晶体管。
[0095] 本实施例的制作步骤如下：
[0096] 步骤A：与实施例1的步骤1相同。
[0097] 步骤B：与实施例1的步骤2相同。
[0098] 步骤C：与实施例1的步骤3相同。
[0099] 步骤D：与实施例1的步骤4相同。
[0100] 步骤E：与实施例1的步骤5相同。
[0101] 步骤F：与实施例1的步骤6相同。
[0102] 步骤G：与实施例1的步骤7相同。
[0103] 步骤H：与实施例1的步骤8相同。
[0104] 步骤I：在凹陷栅漏漂移区表面外延N‐SiC层。
[0105] 在生长室中同时通入流量为20ml/min的硅烷、10ml/min的丙烷、80l/min的高5
纯氢气和2ml/min的高纯氮气，生长温度为1550℃，压强为10Pa的条件下持续33s，生长‐
0.045μm厚的N SiC层。
[0106] 步骤J：对凹陷栅漏漂移区表面的N‐SiC层进行离子注入，形成横向PN结。
[0107] J1)利用P区掩膜板，利用电子束曝光，在凹陷栅漏漂移区靠近栅侧形成长度为0.48μm的P区窗口；
[0108] J2)铝离子注入形成掺杂浓度为1.4×1015cm‐3的P型区，注入条件：温度400℃，13 ‐2
能量130KeV，剂量2.5×10 cm 。
[0109] 步骤K：与实施例1的步骤11相同。
[0110] 步骤L：与实施例1的步骤12相同。
[0111] 步骤M：与实施例1的步骤13相同。
