本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件，主要涉及新型氧化鎵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與制備方法，具體是一種p-nio/n-ga2o3空穴超注入低電阻垂直型場效應(yīng)晶體管及制備方法，可用于制備高耐壓、低導(dǎo)通電阻的增強(qiáng)型氧化鎵器件。

背景技術(shù)：

1、氧化鎵共分為α、β、γ、δ和ε五種晶型，其中單斜的β-ga2o3具有最好的熱穩(wěn)定性且易于生產(chǎn)，因此受到廣泛研究。β-ga2o3的禁帶寬度為4.6ev-4.9ev，臨界擊穿場強(qiáng)約為8mv/cm，是si的20倍以上，是sic和gan的兩倍多，電子遷移率在300k時為250-300cm2/vs，飽和電子速率為2×107cm/s。由于上述優(yōu)越的性質(zhì)，β-ga2o3的巴利加優(yōu)值達(dá)到了3000以上，比第三代半導(dǎo)體4h-sic的8倍、gan的4倍還多；且高頻情況下其巴利加優(yōu)值約為si的150倍，約為4h-sic的3倍、gan的1.5倍。ga2o3材料的導(dǎo)通電阻理論值很低，則在相同條件下的單極器件，其導(dǎo)通損耗比sic、gan器件低至少一個數(shù)量級，這有利于提高器件的效率。綜上分析，β-ga2o3是一種具有很大前景的功率半導(dǎo)體材料，基于β-ga2o3的功率半導(dǎo)體器件在高頻、高壓、大功率應(yīng)用中具有很大潛能。

2、目前制備的垂直型氧化鎵場效應(yīng)晶體管是基于有效n型摻雜的，通常以sn元素作為n型摻雜，且可以對n型氧化鎵晶體的載流子在一個較大范圍內(nèi)的調(diào)控。而在β-ga2o3中，由于ga和o空位的自補(bǔ)償作用、各種雜質(zhì)摻雜形成的深受主能級、摻雜劑溶解度低等因素，p型摻雜較難實(shí)現(xiàn)，目前暫時的解決方法是使用nio與cu2o作為p型β-ga2o3的替代。nio的禁帶寬度在3.8-4.2ev，遠(yuǎn)大于cu2o的禁帶寬度2-2.4ev，這表明了nio的臨界擊穿電場值遠(yuǎn)大于cu2o。雖然nio在室溫下的空穴遷移率低于cu2o，但是導(dǎo)致器件擊穿的主要因素是臨界擊穿電場的大小，因此為了提高β-ga2o3的擊穿電壓，nio更適合作為p型β-ga2o3的替代。此外，現(xiàn)有的氧化鎵基器件存在的發(fā)展瓶頸有：β-ga2o3的超寬禁帶寬度與其優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性決定了其在大功率領(lǐng)域前景廣闊，但功率的增大必然導(dǎo)致溫度的升高，而β-ga2o3的熱導(dǎo)率僅有0.2w/cm·k，比gan低8倍，比sic低30倍，因而低熱導(dǎo)率是ga2o3材料的一個嚴(yán)重潛在弱點(diǎn)；目前在售的氧化鎵的晶圓尺寸偏小，最大晶圓尺寸僅為100mm。對于產(chǎn)品商業(yè)化而言，晶圓尺寸應(yīng)至少為150毫米，并期望下一步為200mm。因?yàn)楦蟮木A尺寸不僅可以降低產(chǎn)品成本，還可以讓設(shè)備在更先進(jìn)的生產(chǎn)線中進(jìn)行加工，從而實(shí)現(xiàn)更好的工藝控制、更低的缺陷密度等，因而氧化鎵基器件距離商業(yè)化落地仍有一定距離。

3、目前現(xiàn)有技術(shù)下p型β-ga2o3的工藝難度較高，且空穴濃度過低，難以生成同質(zhì)氧化鎵p-n結(jié)，用其他材料作為p型替代的異質(zhì)結(jié)由于器件結(jié)構(gòu)的不同，所制成的ga2o3功率器件正向?qū)娮栎^高，耐壓仍未達(dá)到ga2o3的理論極限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題與不足，另辟蹊徑，提出一種高耐壓、低導(dǎo)通電阻的p-nio/n-ga2o3空穴超注入低電阻垂直型場效應(yīng)晶體管及制備方法。

2、本發(fā)明是一種p-nio/n-ga2o3空穴超注入低電阻垂直型場效應(yīng)晶體管，自下而上設(shè)有：漏電極、襯底、圓形凸臺結(jié)構(gòu)的外延層、覆蓋在外延層臺階上表面以及凸臺側(cè)壁的al2o3隔離層、覆蓋在al2o3隔離層外側(cè)并在一側(cè)沉積柵極焊盤g的柵極金屬層、覆蓋在柵極金屬層外側(cè)的sio2隔離層、覆蓋器件上表面并在柵極焊盤g部分做出開窗的源電極，凸臺結(jié)構(gòu)凸出部分圓心位于器件正中心，其特征在于：所述外延層為n-ga2o3氧化鎵材料外延，外延層凸臺頂部的上表面與源電極之間設(shè)有p型nio薄膜層，p型nio薄膜層與n-ga2o3外延層形成異質(zhì)p-n結(jié)，整體構(gòu)成高耐壓、低導(dǎo)通電阻、低功耗的p-nio/n-ga2o3空穴超注入低電阻垂直型場效應(yīng)晶體管。

3、本發(fā)明還是一種p-nio/n-ga2o3空穴超注入低電阻垂直型場效應(yīng)晶體管制備方法，實(shí)現(xiàn)對權(quán)利要求1-4所述的任一p-nio/n-ga2o3空穴超注入低電阻垂直型場效應(yīng)晶體管的制備，其特征在于，所述n-ga2o3外延層頂部凸臺的上表面與源電極之間通過低溫沉積厚度為300nm-500nm的p型nio薄膜，p型nio薄膜層與n-ga2o3外延層形成異質(zhì)p-n結(jié)，包括有如下步驟：

4、1)選擇并預(yù)處理襯底：選擇摻雜濃度為1e18cm-3-3e18?cm-3的n型β-ga2o3單晶襯底，襯底的厚度范圍為300nm-500nm，并依次在丙酮溶液、無水乙醇、去離子水中各超聲清洗5min，再用氮?dú)獯蹈?，得到預(yù)處理后的襯底；

5、2)制作漏極：通過電子束蒸發(fā)e-beam系統(tǒng)在襯底背部區(qū)域淀積厚度為60nm/120nm的ti/au，形成漏電極金屬層；

6、3)清洗外延片：選擇厚度為5μm-10μm的同質(zhì)外延的氧化鎵外延片并將其清洗，即將氧化鎵外延片依次放入丙酮溶液、無水乙醇溶液中各超聲清洗5min-10min，再用大量去離子水沖洗，之后用氮?dú)獯蹈傻玫角逑春蟮耐庋悠?/p>

7、4)光刻形成待刻蝕區(qū)域：在清洗后的外延片上進(jìn)行光刻，即首先將光刻膠涂覆在n-ga2o3外延片上表面，再通過前烘、對準(zhǔn)和曝光、后烘、顯影、堅膜及圖形檢測，得到位于外延片上表面正中心的寬度為0.3-1μm的被光刻膠保護(hù)的區(qū)域；

8、5)刻蝕未被光刻膠保護(hù)的區(qū)域：將光刻后的外延片放入反應(yīng)離子刻蝕rie系統(tǒng)中，刻蝕掉未被光刻膠保護(hù)的區(qū)域，后將樣件放置在退火爐內(nèi)，在n2環(huán)境中，設(shè)置爐內(nèi)退火溫度為800℃-1100℃，退火時間為20-40分鐘，以形成良好的歐姆接觸。得到凸臺結(jié)構(gòu)的外延層，凸出部分的寬度為0.3-1μm，高度為1-3μm；

9、6)淀積al2o3隔離層與柵極金屬層：通過原子層淀積ald工藝，以三甲基鋁tma和水h2o作為前驅(qū)體，在表面淀積厚度為50-100nm的al2o3作為電介質(zhì)層，緊接著通過電子束蒸發(fā)e-beam系統(tǒng)在al2o3層表面淀積厚度為50nm的cr，形成柵極金屬層，并在器件一側(cè)沉積厚度為300nm-400nm的柵極焊盤，方便電測量；

10、7)制作并形成p-nio/n-ga2o3異質(zhì)結(jié)：在沉積柵極金屬層的表面通過反應(yīng)離子刻蝕rie定點(diǎn)刻蝕掉外延層凸臺凸出部分頂部的柵極金屬層與al2o3隔離層；再應(yīng)用電感耦合等離子體化學(xué)氣相沉積icp-cvd在外延層凸臺凸出部分頂部淀積厚度為300nm-500nm的p型nio薄膜；

11、8)淀積sio2隔離層：通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積pecvd設(shè)備先在整個樣片表面淀積厚度為200nm-300nm的sio2隔離層，再通過反應(yīng)離子刻蝕rie定點(diǎn)刻蝕掉覆蓋在p型nio薄膜區(qū)域上端的sio2隔離層；

12、9)制作源電極：通過電子束蒸發(fā)e-beam系統(tǒng)在器件頂部淀積厚度為60nm/120nm的ti/au，形成源極金屬層，并在外延層凸臺凸出部分頂部與p型nio薄膜形成歐姆接觸，完成p-nio/n-ga2o3空穴超注入低電阻垂直型場效應(yīng)晶體管制備。

13、本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中由于p型ga2o3空穴濃度過低且摻雜難以實(shí)現(xiàn)的問題，本發(fā)明另辟蹊徑，使用p型nio材料作為p型氧化鎵材料的替代，利用p-nio與n-ga2o3形成的異質(zhì)結(jié)中產(chǎn)生的空穴超注入效應(yīng)，顯著提高反向擊穿電壓，降低正向?qū)娮琛?/p>

14、本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

15、有效降低正向?qū)娮?，提高器件的擊穿電壓：本發(fā)明采用了垂直結(jié)構(gòu)的n型氧化鎵mosfet器件，并引入p型nio薄膜，使得p型nio薄膜與n-ga2o3外延層構(gòu)成異質(zhì)p-n結(jié)，由于nio有著較大的禁帶寬度(約為3.8-4.2ev)以及較大的臨界電場強(qiáng)度(約5mv/cm)，并且也為氧化物半導(dǎo)體，可以避免界面氧化效應(yīng)。p型nio和n型β-ga2o3接觸構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)中存在電導(dǎo)率調(diào)制效應(yīng)，隨著正向電壓的增加微分電阻持續(xù)降低，產(chǎn)生空穴超注入效應(yīng)，大幅降低正向?qū)娮?，提高器件的擊穿電壓，在氧化鎵大功率器件方面具有很大的發(fā)展空間。

16、降低靜態(tài)損耗，提高了器件的可靠性：本發(fā)明由于在mosfet中引入p-n結(jié)柵控結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了增強(qiáng)型氧化鎵器件，使得在柵壓零偏置狀態(tài)時，器件處于關(guān)斷狀態(tài)，降低了器件的靜態(tài)損耗，提高了器件的可靠性。

17、制備的氧化鎳薄膜均勻性更好，致密性更高：本發(fā)明在淀積nio薄膜時，應(yīng)用電感耦合等離子體化學(xué)氣相沉積icp-cvd工藝，可在低溫度、低氣壓下的條件下形成大面積、高均勻度和高電子密度的等離子體，從而能快速沉積得到均勻性好、致密性高的優(yōu)質(zhì)氧化鎳薄膜。