一种全垂直型氮化镓积累型功率器件及其制备方法与流程

本发明属于半导体器件，具体涉及一种全垂直型氮化镓积累型功率器件及其制备方法。

背景技术：

1、在如今电力电子不断发展的现在，第一代半导体硅锗等器件开始无法适应现在高频高压的应用环境，积极探寻更加合适，性质更加优良的宽禁带半导体材料是大势所趋，而作为第三代半导体的氮化镓(gan)因具有大禁带宽度(～3.4ev)、高电子饱和速度和良好的耐高温特性，因而被广泛应用于高频场景中。

2、现阶段，涉及氮化镓为基础的功率器件较多，如公开号为cn117219672a的专利文献就公开了一种准垂直型氮化镓积累型功率器件，其包括从下至上依次设置的硅衬底、缓冲层、第二重掺杂氮化镓导电层、轻掺杂氮化镓导电层、第一重掺杂氮化镓导电层和源极电极，轻掺杂氮化镓导电层的上端设有横向沟槽，横向沟槽内设有包裹有氧化层的栅极电极，第一重掺杂氮化镓导电层间隔设置在栅极电极之间；轻掺杂氮化镓导电层的两端开设有竖向沟槽，竖向沟槽内固定有漏极电极，漏极电极的下端与第二重掺杂氮化镓导电层形成欧姆接触，上端与源极电极位于同一水平面；源极电极的两端与漏极电极的上端之间分别设有半绝缘多晶硅层，半绝缘多晶硅层的上方和下方分别设有绝缘介质层。但经仔细分析发现，其仍然存在如下技术问题：

3、1、该功率器件在使用时，其位于耐压终端附近的栅极沟槽的边角处容易出现边缘电场峰值，但该功率器件并不能缓解及优化该边缘电场峰值，影响了功率器件的击穿特性，导致其耐压性较低。

4、2、相较于同尺寸的全垂直结构功率器件来说，该功率器件由于漏极电极和源极电极均集中设置在功率器件的上表面，因此在功率器件导通时，电流通过第二重掺杂氮化镓导电层时除了在纵向会有电流路径外，在到达第二重掺杂氮化镓导电层和缓冲层的接触面时，还会在横向上拥有一条额外的电流路径，即电流需要先纵向流动、再横向流动才能到达漏极电极。一方面，这不仅导致功率器件的电流路径更长，还导致其比导通电阻较大；另一方面，如图18所示，当施加的电压较大并使通过的电流较大时，在漏极电极边缘还容易出现电流集边效应，进而导致电流密接区域热度较高，使得功率器件容易被热击穿。

5、3、该功率器件在芯片中使用时，由于漏极电极设置在栅极电极的两侧，因此每个元胞结构之间都必须设置相应长度的终端结构(保护层)，这使得元胞的密度大大降低，不仅减小了整个芯片的面积利用率，还导致总电流密度依旧存在较小的问题。

6、另外需要说明的是，从上述功率器件的说明书可知，虽然其具有提高击穿电压和降低比导通电阻的功能，但其在提高击穿电压的同时，比导通电阻也会同步提升，因而其综合性能仍然有待提升。为此，有必要提供一种新的全垂直型氮化镓积累型功率器件以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明第一方面提供了一种全垂直型氮化镓积累型功率器件，该全垂直型氮化镓积累型功率器件的关键创新点在于在栅极电极的两侧单独构建了边缘电场优化结构，以及将漏极电极设置在与源极电极相对应的衬底层下表面。基于关键创新点的相互配合，一方面，本发明不仅能有效缓解位于两端的栅极沟槽边角所形成的边缘尖峰电场，还大幅缩短了电流通过路径，达到了在提高击穿电压的同时降低比导通电阻的目的。另一方面，本发明能够避免在漏极电极边缘出现电流集边效应，使得功率器件不容易被热击穿。再一方面，本发明还能够增加元胞在芯片中的密度，进而增大了整个芯片的面积利用率，相应地达到了提高总电流密度的目的。

2、本发明第二方面提供了一种全垂直型氮化镓积累型功率器件的制备方法，该制备方法的工艺过程较为简单，容易实现，且制备的产品能够达到上述目的。

3、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

4、本发明第一方面提供了一种全垂直型氮化镓积累型功率器件，包括从下至上依次设置的漏极电极、衬底层、缓冲层、重掺杂gan下传输层和轻掺杂gan漂移层，其特征在于：

5、所述轻掺杂gan漂移层的上表面分别设有重掺杂gan上传输层、终止环和保护层，重掺杂gan上传输层位于轻掺杂gan漂移层的中部，终止环对称设置在轻掺杂gan漂移层的两端，保护层对称设置在终止环与重掺杂gan上传输层之间；且自重掺杂gan上传输层的上表面向下均匀开设有多个延伸至轻掺杂gan漂移层的沟槽，所有沟槽的宽度及深度均相同，相邻沟槽之间的间距相同；所述沟槽包括栅极沟槽、源极沟槽和电场优化沟槽，栅极沟槽均位于源极沟槽之间，源极沟槽均位于电场优化沟槽之间；栅极沟槽内通过氧化层包裹有栅极电极，源极沟槽内设有覆盖槽底和槽壁的氧化层，电场优化沟槽内完全填充有电场优化层；

6、所述重掺杂gan上传输层的上方设有源极电极，源极电极包括源极板和伸入源极沟槽内的源极电极头，源极板与重掺杂gan上传输层形成欧姆接触，并通过保护层与终止环连接，源极板的下部同时覆盖重掺杂gan上传输层、电场优化层及氧化层，源极板的上部分别向两侧延伸并形成部分覆盖保护层的场板结构；

7、所述漏极电极包括漏极板和设置在漏极板上的漏极电极头，漏极板固定在衬底层上，电极漏极头向上穿过衬底层和缓冲层后与重掺杂gan下传输层的下表面形成欧姆接触。

8、所述沟槽的横截面呈直角的u形结构或呈倒圆角的u形结构。

9、所述电场优化沟槽的数量为偶数个，且电场优化沟槽对称设置在源极沟槽的两侧，所述源极沟槽的数量为2个，所述栅极沟槽的数量为4-20个。

10、所述沟槽的宽度均为0.5-2um，深度均为0.5-2um，相邻沟槽之间的间距均为0.5-1.5um。

11、所述漏极板为覆盖在衬底层下表面的平板，漏极电极头一体成型在漏极板的上表面。

12、所述漏极电极头数量为一个或多个，且漏极电极头可为圆形、方形或多边形。

13、所述衬底层上和缓冲层上均设有与漏极电极头相适配的孔洞，漏极电极头通过孔洞与重掺杂gan下传输层形成欧姆接触。

14、所述衬底层为si衬底、sic衬底或蓝宝石衬底，当衬底层为si衬底时，衬底层的厚度为600-1000um；当衬底层为sic衬底时，衬底层的厚度为350-600um；当衬底层为蓝宝石衬底时，衬底层的厚度为550-1000um。

15、所述重掺杂gan上传输层和重掺杂gan下传输层的导电类型均为n型，且重掺杂gan上传输层和重掺杂gan下传输层的掺杂浓度均为6～12×1018cm-3，轻掺杂gan漂移层的掺杂浓度为1～10×1015cm-3。

16、本发明第二方面提供了一种全垂直型氮化镓积累型功率器件的制备方法，其包括以下步骤：

17、s1：在衬底层上依次制备缓冲层、重掺杂gan下传输层、轻掺杂gan漂移层和重掺杂gan上传输层，得到器件框架；

18、s2：在s1的器件框架的上表面涂胶，通过光刻去除重掺杂gan上传输层上表面的两侧区域，保留位于中部的重掺杂gan上传输层，以及保留位于两端的重掺杂gan上传输层作为终止环；

19、s3：在s2的器件框架的上表面依次生长下绝缘介质层和半绝缘多晶硅层；之后再在半绝缘多晶硅层上涂胶，并通过光刻去除重掺杂gan上传输层以及终止环正上方的下绝缘介质层和半绝缘多晶硅层；

20、s4：在s3的器件框架的上表面淀积掩膜层，在掩膜层上涂胶并通过光刻在重掺杂gan上传输层的正上方均匀形成多个沟槽刻蚀窗口，利用沟槽刻蚀窗口依次刻蚀掉掩膜层、重掺杂gan上传输层和部分轻掺杂gan漂移层，刻蚀完后得到自重掺杂gan上传输层的上表面向下延伸至轻掺杂gan漂移层的沟槽；所有沟槽的宽度及深度均相同，且相邻沟槽之间的间距相同；所述沟槽包括栅极沟槽、源极沟槽和电场优化沟槽，栅极沟槽均位于源极沟槽之间，源极沟槽均位于电场优化沟槽之间；

21、s5：在s4的器件框架的上表面淀积氧化层，该氧化层同时覆盖器件框架的裸露区，再在氧化层上生长填充介质层，填充介质层完全填充栅极沟槽、源极沟槽和电场优化沟槽，然后在填充介质层上涂胶，并通过光刻刻蚀去除栅极沟槽内和源极沟槽内的填充介质层，光刻后半绝缘多晶硅层上的氧化层和填充介质层共同形成上绝缘介质层，电场优化沟槽内的氧化层和填充介质层共同形成电场优化层；

22、s6：在栅极沟槽内淀积金属制备栅极电极，在源极沟槽内淀积金属制备源极电极头，通过涂胶、光刻将位于沟槽外的金属全部刻蚀掉，并淀积氧化层包裹栅极电极和源极电极头；再在氧化层的上方涂胶，并通过光刻刻蚀掉除栅极电极上方以外的氧化层及电场优化沟槽以外电场优化层；之后在器件框架的上表面中部淀积与源极电极头相连的源极板以构成源极电极，退火并使源极电极与重掺杂gan上传输层形成欧姆接触；

23、s7：在s6的器件框架的衬底层上和缓冲层上通过光刻刻蚀出孔洞，在孔洞内淀积与重掺杂gan下传输层形成欧姆接触的漏极电极头和在衬底层的下表面淀积漏极板以构成漏极电极，完成后即得到全垂直型氮化镓积累型功率器件。

24、所述s7中，在刻蚀孔洞前需要先对衬底层的进行打薄处理，打薄前衬底层的厚度为1000um，打薄后衬底层的厚度为550-650um。

25、采用本发明的优点在于：

26、1、本发明提供的全垂直型氮化镓积累型功率器件主要有两个关键创新点，其中，

27、第一创新点在于在栅极电极的左右两侧单独构建了边缘电场优化结构，该边缘电场优化结构包括与栅极沟槽的宽度、深度及相邻间距均相同的源极沟槽和电场优化沟槽，以及设置在源极沟槽内的源极电极头和完全填充在电场优化沟槽内的电场优化层。根据该特定的边缘电场优化结构，在使用时能够有效缓解位于左右两侧的栅极沟槽边角所形成的尖峰电场，可以有效减少漂移区耗尽产生的正电荷，从而减小延伸而出的电场线，进而减小整体电场，不仅避免了电场集中，还有效的优化了边缘电场峰值，提高了耐压。

28、需要说明的是，在器件源漏之间施加反向大电压时，电压尖峰大多集中在左右两端最边缘的栅极沟槽的边角处(如最左端栅极沟槽的左侧边角和最右端栅极沟槽的右侧边角)，而这样的电流尖峰会使得电场集中在某一个区域导致器件击穿，且由于栅极沟槽周围为轻掺杂gan漂移层，在漂移层耗尽之后会产生正电荷，从而拥有更多的电流线，使得集中的电场变得更高。而本发明通过在栅极沟槽两侧分别各自单独设置的源极沟槽及对应的源极电极头和电场优化沟槽及对应的电场优化层的相互配合，就能够减少正电荷的产生，并有效分担边缘栅极沟槽的电场，使得电场集中处的电压被稀释，并有效地缓解电场集中，达到提高击穿电压的作用。

29、另外需要说明的是，若沟槽的宽度、深度及相邻间距不相同，将导致不能有效缓解边角栅极沟槽边角处的尖峰电场，进而影响器件的耐压性。

30、第二创新点在于将漏极电极设置在与源极电极相对应的衬底层下表面，该结构使得漏极电极和源极电极分别位于功率器件相对应的两面，同时漏极主要由漏极板和漏极电极头相组合的结构。一方面，其使得功率器件只有纵向电流路径而没有了横向电流路径，因而能够有效减短电流路径，增大电流密度，相应地能使功率器件具有更小的导通电阻，且不会出现翘曲、裂片问题，更有利于提高产品的质量和性能。另一方面，即使施加的电压较大并使通过的电流较大时，在漏极电极的边缘也不容易出现电流集边效应，相应地使得功率器件不容易被热击穿。再一方面，该功率器件在芯片中使用时，还使得每个元胞结构之间不需要设置相应长度的终端结构(保护层)，这也相应提高了元胞的密度，不仅提高了整个芯片的面积利用率，还提高了芯片的总电流密度。

31、综合来说，本发明采用上述两个关键创新点相组合后，不仅使得功率器件具有在提高击穿电压的同时降低比导通电阻的优异效果，还能够降低热度并避免功率器件出现热击穿，同时还具有优秀的阻断特性。

32、2、本发明的制备方法的工艺过程较为简单，容易实现，且制备的产品能够达到上述全垂直型氮化镓积累型功率器件的优点，不再赘述。

33、3、本发明中沟槽的横截面可以是呈直角的u形结构或呈倒圆角的u形结构，具有适用范围广的优点。

34、4、本发明对电场优化沟槽的数量、源极沟槽和栅极沟槽的数量进行了限定，其通过配置不同的沟槽及对应的电场优化层和源极电极头结构，使得本发明能够针对不同电流规格的功率器件都能达到最佳的电场优化效果。

35、5、本发明通过沟槽对电场优化层和源极电极头进行了限定，其不仅有利于进一步提高电场优化效果，还有利于提高器件的栅控能力。

36、6、本发明采用了漏极板与漏极电极头组合形成的漏极结构，一方面具有易于实现，降低制备难度的优点，另一方面则有利于防止功率器件出现翘曲、裂片的问题，从而保证功率器件的质量及性能更佳。

37、7、本发明的漏极电极可采用一个或多个不同形状的漏极电极头，有利于在具体应用场景下保证更好的导电效果。

38、8、本发明通过孔洞实现漏极电极头与重掺杂gan下传输层的欧姆接触，不仅可以利用漏极电极头填充孔洞，还有利于提高器件的可靠性，同时还能够防止器件翘曲、裂片。

39、9、本发明可根据工况需要选择不同厚度的si衬底、sic衬底或蓝宝石衬底，既有利于降低器件成本，又有利于提升器件性能。

40、10、本发明采用了均为n型的重掺杂gan上传输层和重掺杂gan下传输层，其有利于进一步降低工艺难度。另外，将重掺杂gan上传输层和重掺杂gan下传输层的掺杂浓度均设为6～12×1018cm-3，其能够保证电流密度的大小足够形成电流通路；将轻掺杂gan漂移层的掺杂浓度设为1～10×1015cm-3，其有利于使器件在导通电阻与击穿电压之间达到平衡。