一种具有三凹陷结构的场效应晶体管及其制备方法
【技术领域】
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[0001]本发明属于场效应晶体管技术领域，特别是涉及一种具有三凹陷结构的场效应晶体管及其制备方法。
【背景技术】
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[0002]SiC材料具有宽带隙、高击穿电场、高的饱和电子迀移速度、高热导率等突出的材料和电学特性，使其在高频高功率器件应用中，尤其是高温、高压、航天、卫星等严苛环境下的高频高功率器件应用中具有很大的潜力。在SiC同质异形体中，六角密堆积的纤锌矿结构的4H-SiC的电子迀移率是6H-SiC的近三倍，因此4H-SiC材料在高频高功率器件，尤其是金属半导体场效应晶体管(MESFET)应用中占有主要地位。
[0003]目前，大多数文献致力于双凹陷4H-SiC MESFET结构的研宄及在此结构的基础上进行改进。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+帽层后形成凹陷的N型沟道层，栅的源侧一半长度向N型沟道层内凹陷形成凹栅结构，凹陷的N型沟道层可通过反应离子刻蚀RIE技术完成。
[0004]虽然上述双凹陷结构4H-SiC MESFET的击穿电压因栅的源侧一半长度向N型沟道层内凹陷而增加，但饱和漏电流却没有得到实质性提升。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迀移率下降，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】
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[0005]本发明克服现有技术存在的不足，解决了现有技术存在的问题，旨在提供一种具有宽沟道深凹陷且能够提高输出电流和击穿电压，改善频率特性的一种具有三凹陷结构的场效应晶体管及其制备方法。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:一种具有三凹陷结构的场效应晶体管，自上而下设置有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设置有源极帽层和漏极帽层，所述源极帽层和漏极帽层的表面分别设置有源电极和漏电极，N型沟道层中部且靠近源极帽层的一侧设置有阶梯状的栅电极，栅电极和N型沟道层两侧形成左侧沟道和右侧沟道。
[0007]进一步地，所述栅电极为三层阶梯由低栅、中栅和高栅组成，所述低栅、中栅和高栅的高度差相等且为0.05 μ m?
[0008]进一步地，所述栅电极的长度为0.7 μπι，所述低栅、中栅和高栅的长度为0.2 μ m-0.3 μ mD
[0009]一种具有三凹陷结构的场效应晶体管的制备方法，按照以下步骤进行:
[0010]步骤I)对4H_SiC半绝缘衬底进行清洗，以去除衬底表面污物；
[0011]步骤2)在4H-SiC半绝缘衬底上外延生长0.5 μπι厚的SiC层，同时经乙硼烷B2H6原位掺杂，形成浓度为1.4X 115cnT3的P型缓冲层；
[0012]步骤3)在P型缓冲层上外延生长0.3 μπι厚的SiC层，同时经队原位掺杂，形成浓度为3 X 117CnT3的N型沟道层；
[0013]步骤4)在N型沟道层上外延生长0.2 μπι厚的SiC层，同时经队原位掺杂，形成浓度为1.0X 120cm-3的N +型帽层；
[0014]步骤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；
[0015]步骤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0.5 μ m长的源电极和漏电极；
[0016]步骤7)对源电极和漏电极之间的N+型帽层进行三次光刻、刻蚀，第一次刻蚀厚度为0.2 μm，形成刻蚀深度和长度分别为0.2 μπι和2.2 μπι的凹沟道；第二次刻蚀厚度为0.05 μ m，刻蚀长度以源极帽层和漏极帽层里侧为起点分别为0.9 μ m-Ι μ m和I μ m，形成具有长度为0.9 μ??-1 μπι，高度为0.05 μm的左侧沟道凹陷区和长度为I μπι，高度为0.05 μπι右侧沟道凹陷区；第三次刻蚀厚度为0.05 μ m，刻蚀长度为0.2 μ m-0.3 μ m，形成具有长度为0.2 μ m-0.3 μπι、高度为0.05 μπι的凹栅区域；
[0017]步骤8)在沟道上方且靠近源极帽层一侧的凹沟道进行光刻、磁控溅射和金属剥离，形成0.7 μ??长的栅电极；
[0018]步骤9)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。
[0019]进一步地，所述步骤7)中栅电极的制备过程为:
[0020]a、采用正性光刻胶，涂胶速度:3000R/min，胶厚> 2 μ m保证在后续刻蚀时胶的刻蚀掩蔽作用；
[0021]b、涂胶完成后在90°C烘箱中前烘90秒，采用凹沟道光刻板进行约35秒紫外曝光后在专用显影液中显影60秒，专用显影液的配方:四甲基氢氧化氨:水=1:3，然后在100 °C烘箱中后烘3分钟；
[0022]c、采用ICP感应耦合等离子体刻蚀系统进行N+刻蚀，刻蚀条件为刻蚀功率375W、偏置功率60W、工作压力9Pa，刻蚀气体选择流量为32sccm的CFjP 8sccm的Ar，刻蚀后形成长度为2.2 μm、高度为0.2 μπι的凹沟道区域，刻蚀后用丙酮和超声去除刻蚀掩蔽胶。
[0023]d、采用凹陷区光刻板、刻蚀功率为100W，重复a、b、c步骤光刻、刻蚀形成具有长度为0.9 μπι，高度为0.05 μπι的左侧沟道8凹陷区和具有长度为I μπι，高度为0.05 μπι的右侧沟道9凹陷区；
[0024]e、采用凹栅光刻板、刻蚀功率为100W重复a、b、c步骤光刻、刻蚀形成具有长度为0.2 μπι、高度为0.05 μ??的凹栅区域。
[0025]本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
[0026]第一，漏极电流提高。4H_SiC MESFE器件最大输出功率密度正比于漏极饱和电流、击穿电压以及膝点电压。通过引入具有低、中、高栅的栅电极，使栅下方沟道厚度增大，耗尽区在沟道减少，流过源漏区的沟道总电荷会增加，并且栅下的沟道厚度对漏极电流有着重要的影响，所以该器件的饱和漏电流得到大幅度提高。
[0027]第二，击穿电压提高。MESFET器件的击穿发生在栅的漏侧边缘，而通过引入具有低、中、高栅的栅电极，使中栅的漏侧边缘电场强度急速增加，成为新的电场强度峰值，其调整了沟道表面的电场分布，使击穿电压提高。
[0028]第三，频率特性改善。通过引入具有低、中、高栅的栅电极，阻止耗尽区向源区/漏区扩展，使栅下的耗尽区变小，从而使栅源、栅漏电容减少。减小的栅源电容改善了 MESFET器件的频率特性。
【附图说明】
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[0029]下面结合附图对本发明做进一步详细的说明
[0030]图1为本发明的结构示意图。
[0031]图中:1为4H-SiC半绝缘衬底，2为P型缓冲层，3为N型沟道层，4为源极帽层，5为漏极帽层，6为源电极，7为漏电极，8为左侧沟道，9为右侧沟道，10为栅电极。
【具体实施方式】
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[0032]如图1所示，一种具有三凹陷结构的场效应晶体管，自上而下设置有4H_SiC半绝缘衬底1、P型缓冲层2、N型沟道层3，N型沟道层3的两侧分别设置有源极帽层4和漏极帽层5，所述源极帽层4和漏极帽层5的表面分别设置有源电极6和漏电极7，N型沟道层3中部且靠近源极帽层4的一侧设置有阶梯状的栅电极10，栅电极10和N型沟道层3两侧形成左侧沟道8和右侧沟道9。
[0033]所述栅电极10为三层阶梯由低栅、中栅和高栅组成，所述低栅、中栅和高栅的高度差相等且为0.05 μ mo
[0034]所述栅电极10的长度为0.7 μ m，所述低栅、中栅和高栅的长度为0.2 μ m-0.3 μ m。
[0035]实施例一
[0036]制备栅电极10的低栅、中栅和高栅的长度分别为0.2 μ m，0.2 μ m，0.3 μ m，阶梯高度为0.05 μ m的三凹陷结构的场效应晶体管。
[0037]按照以下步骤进行:
[0038]步骤I)对4H_SiC半绝缘衬底I进行清洗，以去除衬底表面污物；
[0039]a、用蘸有甲醇的棉球将衬底仔细清洗两、三次，以除去表面各种尺寸的SiC颗粒；
[0040]b、将4H-SiC半绝缘衬底I在H2SO4 = HNO3= 1:1中超声5分钟；
[0041 ] c、将4H-SiC半绝缘衬底I在1#清洗液(NaOH: H2O2: H2O = 1:2:5)中煮沸5分钟，然后去离