专利名称：增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及微电子器件，尤其是一增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管 及其制造方法。
背景技术：
金属一半导体场效应晶体管在射频/微波系统中可完成功率产生、功率放 大、相移、混频、调制、解调以及开关等模拟和数字电路的所有功能。作为微
波器件代表之一的MESFET (场效应晶体管) 一直受到人们的重视，在过去，由 于III-V族化合物的高电子迁移率，已经制造出了 n型ffl-V族化合物如砷化 镓(GaAs)的最高频率的MESFET。虽然提供的这些器件提高了工作频率并适当 的提高了功率处理能力，但是这些材料的相对低的击穿电压和较低的热导率就 限制了它们在大功率的应用。
碳化硅(SiC)具有优良的物理特性和电特性，由于SiC材料禁带宽度宽， 室温下大约是硅的3倍，GaAs的两倍多，决定了 SiC器件具有更高的工作温度， 在强辐射环境下依然能够正常工作，使得其在战略核武器方面也可以应用。击 穿电场强度高，热导率大约是Si的3倍，GaAs的IO倍，使得碳化硅器件的工作 电压高、功率密度高、单元功率大。SiC具有很高的德拜温度，达到1200-1430K, 具有很强的的离子共价键，是一种能量稳定的结构，因此决定了 SiC材料对于 各种外界作用的稳定性，工作温度高，在力学、化学方面有优越的技术特性， 防护、散热所需要的体积都大大减小。SiC器件的输入输出阻抗都比较高，使得 SiC器件匹配简单，从某种程度而言，甚至可以不用内匹配，在增加了系统稳 定性的同时更加减小了器件的体积。SiC材料的本征载流子浓度大大低于其它常 用半导体，因此，碳化硅器件静态工作电流明显低于传统半导体器件，这使得 在相同条件下，能量的利用效率大大提高，电池供电时间更加长久。另外，碳化硅场效应器件的应用能够提高电子系统的效率，如用碳化硅功率场效应管代
替现有的硅IGBT和PiN 二极管能够使发动机驱动器减少50%的损耗。采用碳化 硅器件还可以减小电子设备的体积和重量，从而使飞机等交通工具在相同的耗 油量下具有更高的有效运载能力。
但是目前的研究都是针对于耗尽型的SiC MESFET器件。所谓耗尽型的 (D-Mode) SiC MESFET器件是指器件的阈值电压为负值，即栅上接足够大的负 压时，SiC MESFET栅下沟道层处于耗尽状态，器件^皮关断。但是传统的D-Mode SiC MESFET因为要使用负的开启电压，这在射频微波应用中，使电路结构显得 复杂化。因此有必要开展增强型(E-Mode) SiC MESFET器件的研究，即让器件 的阔值电压变为正值，实际应用中只需要加一个正的偏压即可以使其工作。这 样可以消除负偏压的电路设计，使得电路筒单化，减少了电路设计的复杂性、 减少电路的面积和制备的成本，对于大规模微波射频电路应用来说，其意义更 力口重大。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种能够使电路简单化，减少电路设计 的复杂性、减少电路的面积和制备成本的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体 管及其制造方法。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是 一种增强型碳化硅金属半 导体场效应晶体管，其包括衬底、位于衬底上的n型外延层，在n型外延层中 形成的隔离区，在隔离区两侧的n型外延层上形成的欧姆4妄触，分别为源区和 漏区，在隔离区上形成的肖特基接触。
本发明进一步还包括位于n型外延层上与n型外延层材料相同、掺杂浓度 不同的盖帽层，所述盖帽层为分布在隔离区、欧姆接触之外的n型外延层上。
所述衬底为碳化硅衬底或者硅衬底，其中碳化硅衬底是4H、 6H、 3C或15R 碳化硅晶型中的一种。
所述隔离区的宽度为0. Oliam到两欧姆接触之间的距离，深度为从n型外延层开始直至穿通n型外延层或者部分穿通n型外延层。
所述隔离区为导电载流子浓度水平为1 x 10"cirf3—1 x 102°cm-4々p型隔离区
或者本征外延层隔离区。
所述欧姆接触直接位于n型外延层上或者位于在n型外延层上生成的n +区
域上或者形成在盖帽层上。
所述肖特基接触包括直接与隔离区接触的第一栅极层，其材料为钛或者铬。 所述肖特基接触进一步包括第 一栅极层的覆盖层，该覆盖层为铂层和金层。 所述肖特基接触直接位于隔离区上或者位于在隔离区上生成的凹槽上。 本发明进一步改进在于还包括緩冲层，緩沖层位于衬底和n型外延层之间。 所述緩沖层为未掺杂的碳化硅緩沖层、n型导电性的碳化硅緩冲层、p型导
电性的碳化硅緩冲层中的一种。
所述p型导电性的碳化硅緩冲层具有1 x 1015ciir3—l x 1019cm—3的载流子浓
度，其为单层外延层或者两层外延层，两层外延层分别为第一 p型外延层和第
二 p型外延层，其中第一 p型外延层的掺杂浓度高于第二 p型外延层的掺杂浓
度或者第二 p型外延层的掺杂浓度高于第一 p型外延层的掺杂浓度。
一种增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管的制造方法，其步骤如下
1) 在衬底上生长n型外延层，
2) 在n型外延层中生成隔离区，
3) 在隔离区两侧的n型外延层上形成欧姆接触，
4) 在隔离区上形成肖特基^f妄触。
本方法改进在于步骤1)中在生长n型外延层之前先在衬底上生长緩沖层， n型外延层生长在緩沖层上。
进一步改进在于在步骤1)的最后改变掺杂浓度在n型外延层上生长盖帽层。
所述步骤2)中隔离区生成方法为离子注入方法或者二次外延方法。 其离子注入方法包括以下步骤① 在n型外延层中注入杂质离子，形成补偿掺杂，其中离子为铝离子或者 硼离子，
② 进行高温退火。 其二次外延方法包括以下步骤
① 在n型外延层上形成凹槽，
② 在凹槽上生成二次外延层，其厚度为凹槽厚度，
③ 去除凹槽以外的二次外延层，完成隔离区。 所述二次外延层材料为硅、二氧化硅、多晶硅、碳化硅中的一种。 所述步骤3)中欧姆接触直接形成在n型外延层上或者采用以下步骤形成
① 在n型外延层中采用离子注入方法形成n +区域，
② 在n +区域上形成欧姆^l妾触。
所述步骤4)中肖特基接触直接形成在隔离区上或者采用以下步骤形成
① 在隔离区上生成凹槽，
② 在凹槽上形成肖特基欧姆接触。
所述凹槽采用感应耦合等离子方法通过一次刻蚀只生成第三凹槽或者两次 刻蚀生成第三、第四凹槽，第三凹槽进入隔离区的深度为20nm—120nm，第四凹 槽在第三凹槽的彭出上进入隔离区的深度为20nm—120nm。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于采用本发明提供的方法制造的 增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管应用在在数字电路设计中，增强型和耗 尽型器件相结合会大大简化了逻辑电路的设计，使原来由单纯的耗尽型器件设 计的数字电路筒单化。同时在数字电路中，增强型(E-Mode )和耗尽型(D-Mode ) SiC MESFET相结合，可以集成为直接耦合型场效应晶体管逻辑(DCFL)电路， 这些单片集成的增强/耗尽型(E/D Mode) SiC MESFET逻辑单元也可以用在混 和信号电路和直流-直流(DC-DC)转换电路上，在反相器、环形振荡器的设计 中，增强型与耗尽型SiC MESFET的结合使用使电路设计更加简单。
图1是采用本发明方法制作的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管的实
施例l的结构示意图2是采用本发明方法制作的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管的实 施例2的结构示意图3是采用本发明方法制作的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管的实 施例3的结构示意图4是采用本发明方法制作的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管的实 施例4的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述
本发明提供了一种增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管及其制造方法， 其中增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管的结构包括衬底1、在衬底1上生成 的n型外延层、在n型外延层中形成的隔离区、隔离区上的肖特基接触、n型外 延层上隔离区两侧的欧姆接触，两欧姆接触分别为源区接触和漏区接触。
以上为增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管的基本结构，为了使器件性 能更好，更适于产品成品化，在衬底和n型外延层之间还设有緩沖层，在n型 外延层上面还有盖帽层。为了提高器件性能，生成欧姆接触前，在n型外延层 中先形成n +区域，欧姆接触形成在n +区域上，欧姆"l妄触还可以直接形成在盖 帽层上。肖特基接触生长在隔离区上，隔离区宽度为0. Oljum到两欧姆接触之 间的距离，深度为从n型外延层开始直至穿通n型外延层或者部分穿通n型外 延层，肖特基接触可以直接生成在隔离区上，也可以先在隔离区上刻蚀凹槽， 将肖特基接触生成在凹槽上。
本发明制造增强型-友化硅金属半导体场效应晶体管的方法釆用以下步骤
1) 在村底上生长n型外延层，
2) 在n型外延层中生成隔离区，
3) 在隔离区两侧的n型外延层上形成欧姆接触，4)在隔离区上形成肖特基"f妄触。
上述增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管及制造方法只进行概括性的描 述，以下就具体实施例作进一步的详细说明。 实施例1
首先在衬底1上生长p型导电性的碳化硅緩冲层2，接着在緩冲层2上生长 n型外延层3，然后在n型外延层3中形成隔离区4,再在隔离区4两侧的n型 外延层3上形成欧姆接触5、 6，最后在隔离区4上生成肖特基接触7，生成的 器件结构如图1所示。
上述緩沖层2可以没有， 一般情况下，为了提高器件性能，通常均设置緩 冲层。本实施例中緩沖层分两次生成，分别为第一 p型外延层和第二 p型外延 层，具有1 x 1015cm-3—l x 10"cm-3的载流子浓度，其中第一p型外延层的掺杂浓 度高于第二 P型外延层的掺杂浓度或者第二 P型外延层的掺杂浓度高于第一 p 型外延层的掺杂浓度，当然，该緩冲层还可以是单层的，还可以是未掺杂的碳 化硅緩冲层或非常低掺杂的n型导电性的碳化硅緩冲层。
上述在n型外延层3中形成的隔离区4横向长度扩展至约为0. Olum到两欧 姆接触5、 6之间距离的长度，隔离区的深度可以是从n型外延层3开始直至穿 通外n型延层3或者是部分穿通外延层3,肖特基接触7直接形成在隔离区4上。
隔离区4可以是p型隔离区或者本征外延层隔离区，其导电载流子浓度水 平约为1 x 1(Pcn^到约1 x 102°cm—3。可以采用离子注入方法形成，还可以采用二 次外延的方法形成。采用离子注入方法时，选取铝(Al)离子或者硼(B)离子 注入n型外延层中，形成补偿掺杂，随后进行高温退火即可形成p型高阻隔离 区，采用二次外延的方法时，其形成的步骤包括①在n型外延层3上形成凹 槽，凹槽横向长度约为隔离区长度，凹槽的深度可以是从n型外延层3开始直 至穿通外延层3，或者它可以是部分穿通外延层3。②进行二次外延，其二次外 延层厚度约为凹槽厚度，③去除凹槽以外的二次外延层，形成p型隔离区或者 本征外延层隔离区。上述欧姆接触5、 6直接在n型外延层上形成，以提供源区接触和漏区接触。 肖特基接触直接在隔离区4上形成，所述肖特基接触包括直接与隔离区接触的 第一栅极层，其材料为钛或者铬。肖特基接触进一步还包括第一栅极层的覆盖 层，该覆盖层为铂层和金层。
上述衬底为碳化石圭衬底或者硅村底，其中石灰化石圭村底是4H、 6H、 3C或15R 碳化硅晶型中的一种。
上述外延层和以二次外延方法生成的隔离区，可以通过化学汽相淀积(CVD ) 或者分子束外延(MBE)或者f兹控溅射方法形成。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于在生成欧姆接触5、 6之前，先在隔 离区4两侧的n型外延层3中形成n+区域9，即n+阱区，然后在n +阱区上 形成欧姆"l妄触5、 6，生成的器件结构如图2所示。
上述n +区域的生成采用离子注入方法生成，将离子注入n型外延层上要生 成源区接触和漏区接触的区域，随后进行高温退火，即可形成n+区域9，其中 注入的离子可以是磷(P)或氮(N)离子，本实施例优选用磷(P)离子。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于在生成欧姆接触5、 6之前，先在隔 离区4两侧的n型外延层3中形成n十区域，即n +阱区，然后在n +阱区上生 成欧姆接触5、 6,在生成肖特基接触之前，先在隔离区上刻蚀凹槽，再在凹槽 中生成肖特基^^妾触，生成的器件结构如图3所示。
上述11+区域的生成采用离子注入方法生成，将离子注入n型外延层上要生 成源区接触和漏区接触的区域，随后进行高温退火，即可形成n+区域，其中注 入的离子可以是磷(P)或氮(N)离子，本实施例优选用磷(P)离子。上述生 成的肖特基接触为蘑菇状栅极接触。生长在凹槽上，所述凹槽采用感应耦合等 离子方法刻蚀生成。
实施例4本实施例与实施例1的不同之处在于首先在n型外延层上生长盖帽层， 该盖帽层和n型外延层为同一材料，只是掺杂物浓度不同，可以在单一步骤中 生成(生成一定厚度的n型外延层后，改变掺杂物浓度，接着生成盖帽层)，在 生成隔离区之前，首先刻蚀穿通盖帽层8，形成第一凹槽，然后实施第二刻蚀以 便刻蚀穿通或部分穿通第二外延层3，形成第二凹槽，其中第一凹槽的深度可以 是从盖帽层8开始直至穿通盖帽层8或者是部分的穿通盖帽层8,第二凹槽的深 度可以是从第二外延层3开始直至穿通第二外延层3或者是部分的穿通第二外 延层3。最后采用二次外延方法成隔离区4。欧姆接触5、 6直接形成在盖帽层 上，在生成肖特基接触之前，先在隔离区上刻蚀形成第三凹槽，在第三凹槽中 继续刻蚀，形成第四凹槽；其第三凹槽进入隔离区4的的深度从大约20nm到大 约120nm,第四凹槽在第三凹槽的基础上进入隔离区4的深度从大约为20nm到 大约120nm;最后在凹槽中生成肖特基接触，生成的器件结构如图4所示。
上述盖帽层的生成采用常用的外延层生长方式即可；上述生成的肖特基接 触为蘑菇状栅极。生长在凹槽上，所述凹槽采用感应耦合等离子方法刻蚀生成。
上述盖帽层8掺杂为n型掺杂，其掺杂范围是ND =约1 x 1015cm-3到约1 x 1020cm-3,厚度为大约lnm到1000nm。
另外，欧姆接触的源区接触可以形成到緩冲层，以便允许緩冲层接地。可 以先在p型緩沖层中形成p+阱区，在p+阱区上形成欧姆接触(源区接触)。
权利要求
1、一种增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管，其特征在于包括衬底(1)、位于衬底(1)上的n型外延层(3)，在n型外延层(3)中形成的隔离区(4)，在隔离区(4)两侧的n型外延层(3)上形成的欧姆接触(5)、(6)，分别为源区和漏区，在隔离区(4)上形成的肖特基接触(7)。
2、 根据权利要求l所述的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管，其特征 在于还包括位于n型外延层上与n型外延层材料相同、掺杂浓度不同的盖帽层(8),所述盖帽层(8)为分布在隔离区、欧姆接触之外的n型外延层上。
3、 根据权利要求l所述的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管，其特征 在于所述衬底(1)为碳化硅衬底或者硅衬底，其中碳化硅村底是4H、 6H、 3C 或15R碳化硅晶型中的一种。
4、 根据权利要求1或2所述的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管，其 特征在于所述隔离区(4)的宽度为0. Oljam到两欧姆接触之间的距离，深度为 从n型外延层开始直至穿通n型外延层或者部分穿通n型外延层。
5、 根据权利要求4所述的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管，其特征 在于所述隔离区(4)为导电载流子浓度水平为1 x 1015cm-3—1 x 1020cm-3的p 型隔离区或者本征外延层隔离区。
6、 根据权利要求l所述的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管，其特征 在于所述欧姆接触直接位于n型外延层上或者位于在n型外延层上生成的n +区 域(9 )上或者形成在盖帽层(8 )上。
7、 根据权利要求l所述的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管，其特征 在于所述肖特基接触(7)包括直接与隔离区接触的第一栅极层，其材料为钛或 者铬。
8、 根据权利要求7所述的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管，其特征 在于所述肖特基接触进一步包括第一栅极层的覆盖层，该覆盖层为铂层和金层。
9、 根据权利要求l、 7或8所述的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管， 其特征在于所述肖特基接触直接位于隔离区上或者位于在隔离区上生成的凹槽 上。
10、 根据权利要求1所述的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管，其特 征在于还包括緩冲层(2 ),緩冲层位于衬底(1)和n型外延层(3 )之间。
11、 根据权利要求1 0所述的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管，其特 征在于所述緩冲层为未掺杂的碳化硅緩冲层、n型导电性的碳化硅缓冲层、p型 导电性的碳化硅緩沖层中的一种。
12、 根据权利要求11所述的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管，其特 征在于所述p型导电性的碳化硅緩冲层具有1 x 1015cm-3—1 x 1019cm-3的载流 子浓度，其为单层外延层或者两层外延层，两层外延层分别为第一 p型外延层 和第二 p型外延层，其中第一 p型外延层的掺杂浓度高于第二 p型外延层的掺 杂浓度或者第二 P型外延层的掺杂浓度高于第一 P型外延层的掺杂浓度。
13、 一种增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管的制造方法，其步骤如下1) 在村底上生长n型外延层，2) 在n型外延层中生成隔离区，3) 在隔离区两侧的n型外延层上形成欧姆接触，4) 在隔离区上形成肖特基接触。
14、 根据权利要求13所述的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管的制造 方法，其特征在于步骤1)中在生长n型外延层之前先在衬底上生长緩冲层，n 型外延层生长在緩冲层上。
15、 根据权利要求13所述的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管的制造 方法，其特征在于在步骤l)的最后改变掺杂浓度在n型外延层上生长盖帽层。
16、 根据权利要求13所述的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管的制造 方法，其特征在于步骤2)中隔离区生成方法为离子注入方法或者二次外延方法。
17、 根据权利要求16所述的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管的制造方法，其特征在于离子注入方法包括以下步骤① 在n型外延层中注入杂质离子，形成补偿掺杂，其中离子为铝离子或者 硼离子，② 进行高温退火。
18、 根据权利要求16所述的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管的制造 方法，其特征在于二次外延方法包括以下步骤① 在n型外延层上形成凹槽，② 在凹槽上生成二次外延层，其厚度为凹槽厚度，③ 去除凹槽以外的二次外延层，完成隔离区。
19、 根据权利要求18所述的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管的制造 方法，其特征在于所述二次外延层材料为硅、二氧化硅、多晶硅、碳化硅中的 一种。
20、 根据权利要求13所述的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管的制造 方法，其特征在于步骤3)中欧姆接触直接形成在n型外延层上或者采用以下步 骤形成① 在n型外延层中采用离子注入方法形成n +区域，② 在n +区域上形成欧姆接触。
21、 根据权利要求13所述的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管的制造 方法，其特征在于步骤4)中肖特基接触直接形成在隔离区上或者釆用以下步骤 形成① 在隔离区上形成凹槽，② 在凹槽上形成肖特基欧姆接触。
22、 根据权利要求21所述的增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管的制造 方法，其特征在于所述凹槽采用感应耦合等离子方法通过一次刻蚀只生成第三 凹槽或者两次刻蚀生成第三、第四凹槽，第三凹槽进入隔离区的深度为20nm— 120nm,第四凹槽在第三凹槽的基础上进入隔离区的深度为20nm—120nm。
全文摘要
本发明公开了一种增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管及其制造方法，本发明首先在衬底上生长p型导电性的碳化硅缓冲层，接着在缓冲层上生长n型外延层，然后在n型外延层中形成隔离区，再在隔离区两侧的n型外延层上生成欧姆接触，最后在隔离区上生成肖特基接触，本发明应用在数字电路设计中，会大大简化了逻辑电路的设计，同时在数字电路中，增强型(E-Mode)和耗尽型(D-Mode)碳化硅场效应晶体管相结合，可以集成为直接耦合型场效应晶体管逻辑(DCFL)电路，增强型碳化硅金属半导体场效应晶体管的应用可消除负偏压的电路设计，使得电路简单化，减少了电路设计的复杂性、减少电路的面积和制备的成本。
文档编号H01L21/338GK101556969SQ200910074410
公开日2009年10月14日 申请日期2009年5月21日 优先权日2009年5月21日
发明者冯志宏, 佳 李 申请人:中国电子科技集团公司第十三研究所