一种单片集成GaN/Ga2O3的Cascode增强型抗单粒子烧毁器件及其制备方法与流程

一种单片集成gan/ga2o3的cascode增强型抗单粒子烧毁器件及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体器件技术领域，尤其是涉及一种单片集成gan/ga2o3的cascode增强型抗单粒子烧毁器件及其制备方法。


背景技术：

2.高功率密度和高能量转换的半导体器件应用于航空航天中电力电子系统的电能功率转换、高压大电流下的电路控制等设备。随着能源消耗日益增长，以液压能、气能和机械能为能源的宇航电源系统有着所占体积大、燃油消耗大以及能量转换效率低等问题，因此研发出满足开关电源高频、高效率、高功率密度以及高可靠性的功率器件，是有效提升宇航以电力为主要环保能源的新型电源系统应用发展。随着功率半导体器件技术的不断更新发展，电力电子系统的材料从第一代的硅基材料更新到第二代的砷化镓材料，都使得器件和材料的基础性能发生了根本性质的变化。二十世纪九十年代初开始，为了满足高频率、宽禁带、高效率和大功率器件，功率半导体的研究重心开始转向宽禁带半导体器件。其中氧化镓ga2o3作为新型代表的宽禁带半导体材料，因其禁带宽度更宽、本征载流子浓度低、临界电场强度更高以及电子饱和速度更快的特点而具有诸多优势。一是具有更高的反向阻断电压以及更快的开关频率，二是具有更好的抗辐照特性以及更广泛的温度工作范围，三是具有较低的输入电容以及较低的导通电阻。航空航天系统工作的自然辐射环境中存在高能粒子，这些粒子会穿透系统并引起严重的单粒子事件，其中最主要失效的模式便是功率器件发生的单粒子烧毁现象。功率器件的单粒子烧毁阈值电压参数可以衡量器件抗辐照单粒子的特性，是指器件处于关闭的反向高压工作模式下而不烧毁所维持的最大反向电压值。
3.单粒子烧毁成为了制约航天航空抗辐照领域发展的关键技术，成熟的硅基器件需要非常复杂的抗辐射加固技术，这会严重增加系统的复杂度和重量，无法满足系统的小型化和集成化的发展需求。主流ga2o3的晶体管器件实现增强型是依靠非原位生长p型nio
x
氧化物、凹槽mis结构等方法实现的，这些方案采用mis结构、刻蚀工艺等会引入总剂量问题以及界面缺陷所带来的可靠性问题。尽管第三代宽禁带器件的单粒子烧毁有了一定的研究现状，但是目前所有材料器件的单粒子烧毁阈值电压很低，且远低于器件本身的击穿电压，存在严重的可靠性问题，亟需开发增强型的抗单粒子烧毁特性的新型晶体管结构。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种单片集成gan/ga2o3的cascode增强型抗单粒子烧毁器件及其制备方法，实现了新型ga2o3的增强型器件，降低了宇航系统的重量和复杂度，增加了器件的可靠性，提高了器件在宇航辐照环境应用下的单粒子烧毁阈值电压。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种单片集成gan/ga2o3的cascode增强型抗单粒子烧毁器件，包括ga2o
3 fet结构和设置在所述ga2o
3 fet结构右侧的gan hemt结构，所述ga2o
3 fet结构和所述gan hemt结构均设置在衬底上，所述gan hemt结构和所述ga2o
3 fet
结构之间设置有第一钝化层；
6.所述ga2o
3 fet结构自下而上依次包括ga2o3缓冲层和ga2o3沟道层，所述ga2o3沟道层的上方从左至右依次设置有第一源极、第一栅极和第一漏极；
7.所述gan hemt结构自下而上依次包括aln成核层、gan缓冲层和algan势垒层，所述algan势垒层的上方从左至右依次设置有第二源极、p-gan层和第二漏极，所述p-gan层的上方设置有第二栅极；
8.所述第二漏极和所述第一源极相连通，所述第二源极和所述第一栅极相连通。
9.优选的，所述第一源极和所述第二漏极之间通过内层互联金属层连接，所述第一栅极和所述第二源极之间通过外层互联金属层连接，所述外层互联金属层与所述内层互联金属层之间设置有第二钝化层。
10.优选的，所述第二栅极作为cascode结构增强型功率器件的栅极，所述第二源极作为cascode结构增强型功率器件的源极，所述第一漏极作为cascode结构增强型功率器件的漏极。
11.优选的，所述衬底采用蓝宝石或si或sic或gan或ga2o3体材料。
12.优选的，所述第二源极和所述第二漏极采用ti/al或ti/al/ni/au或ti/al/mo/au的金属层组合，所述第二栅极采用ni/au/ni或ni/au或w/au或mo/au的金属层组合。
13.优选的，所述第一钝化层和所述第二钝化层采用si3n4或al2o3或sio2或hfo2。
14.一种单片集成gan/ga2o3的cascode增强型抗单粒子烧毁器件的制备方法，包括以下步骤：
15.(1)对衬底表面进行清洗和预处理以消除表面悬挂键，并在h2氛围反应室的900℃-1200℃温度下热处理去除表面污染物；
16.(2)热处理后的衬底采用mocvd工艺淀积厚度为100nm-1000nm的ga2o3，作为ga2o
3 fet结构的缓冲层；
17.(3)在ga2o3缓冲层上采用mocvd工艺淀积厚度为100nm-1000nm的ga2o3，作为器件的沟道层，并掺杂浓度为1
×
10
15
cm-3-1
×
10
20
cm-3
的si；
18.(4)在ga2o3沟道层上生长掩膜层，在掩膜层上进行光刻、刻蚀，在衬底上暴露出gan hemt结构的区域窗口；
19.(5)在gan hemt结构的区域窗口上采用mocvd工艺淀积厚度为50nm-100nm的aln成核层；
20.(6)在aln成核层上采用mocvd工艺淀积厚度为0.1μm-10μm的gan缓冲层；
21.(7)在gan缓冲层上采用mocvd工艺淀积厚度为10nm-50nm的algan势垒层；
22.(8)在algan势垒层上采用mocvd工艺淀积厚度为50nm-500nm的p-gan层，并掺杂浓度为1
×
10
16
cm-3-1
×
10
20
cm-3
的mg；
23.(9)在p-gan层上制作光刻掩膜，并刻蚀掉栅极区域以外的p-gan层；
24.(10)在ga2o3沟道层上生长掩膜层，光刻和刻蚀暴露出源极和漏极窗口，在源极和漏极窗口中采用离子注入工艺，高温下将si离子注入到源极和漏极区域；
25.(11)在algan势垒层上进行光刻，并采用金属蒸发或磁控溅射淀积第二源极和第二漏极金属，并高温退火；
26.(12)在ga2o3沟道层上进行光刻，并采用金属蒸发或磁控溅射在第一源极和第一漏
极窗口淀积源极和漏极金属，并高温退火；
27.(13)在ga2o3沟道层和p-gan层上进行光刻，采用金属蒸发或磁控溅射的方法，分别淀积栅极金属；
28.(14)将进行完上述步骤的外延片放入pecvd反应室内，进行钝化层沉积；
29.(15)在钝化层上进行光刻和刻蚀，形成栅、源和漏极接触孔，完成gan hemt的第二源极和ga2o
3 fet第一栅极的金属互连；
30.(16)将进行完上述步骤的外延片放入pecvd反应室内，进行钝化层沉积；
31.(17)在钝化层上进行光刻和刻蚀，形成栅、源和漏极接触孔，将gan hemt的第二漏极和ga2o
3 fet第一源极的金属互连，完成器件的制作。
32.因此，本发明采用上述结构的一种单片集成gan/ga2o3的cascode增强型抗单粒子烧毁器件及其制备方法，具备以下有益效果：
33.一是将低压增强型gan hemt和高压耗尽型ga2o
3 fet进行单片异质集成，从而形成新型cascode结构增强型功率器件，是实现ga2o3材料器件的新型增强型；
34.二是利用p-gan增强型gan hemt来作为前端器件，由于gan hemt器件没有介质对应的mis结构层，不会引入额外的总剂量问题；
35.三是ga2o3材料的高击穿电压特性，同时gan也属于宽禁带材料，整体上增加了器件的可靠性，提高了器件在宇航辐照环境应用下的单粒子烧毁阈值电压。
36.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
37.图1是本发明的cascode结构增强型功率器件的结构图；
38.图2是本发明制作cascode结构增强型功率器件的流程图。
具体实施方式
39.图1是本发明的cascode结构增强型功率器件的结构图，如图1所示，本发明提供了一种单片集成gan/ga2o3的cascode增强型抗单粒子烧毁器件，包括ga2o
3 fet结构和设置在ga2o
3 fet结构右侧的gan hemt结构，ga2o
3 fet结构和gan hemt结构均设置在衬底上，衬底采用蓝宝石或si或sic或gan或ga2o3体材料，gan hemt结构和ga2o
3 fet结构之间设置有第一钝化层；ga2o3fet结构自下而上依次包括ga2o3缓冲层和ga2o3沟道层，ga2o3沟道层的上方从左至右依次设置有第一源极(source1)、第一栅极(gate1)和第一漏极(drain1)；gan hemt结构自下而上依次包括aln成核层、gan缓冲层和algan势垒层，algan势垒层的上方从左至右依次设置有第二源极(source2)、p-gan层和第二漏极(drain2)，p-gan层的上方设置有第二栅极(gate2)；第二漏极和第一源极相连通，第二源极和第一栅极相连通。第一源极和所述第二漏极之间通过内层互联金属层连接，所述第一栅极和所述第二源极之间通过外层互联金属层连接，所述外层互联金属层与所述内层互联金属层之间设置有第二钝化层。
40.所述第二栅极作为cascode结构增强型功率器件的栅极，所述第二源极作为cascode结构增强型功率器件的源极，所述第一漏极作为cascode结构增强型功率器件的漏极。所述第二源极和所述第二漏极采用ti/al或ti/al/ni/au或ti/al/mo/au的金属层组合，所述第二栅极采用ni/au/ni或ni/au或w/au或mo/au的金属层组合。所述第一钝化层和所述
第二钝化层采用si3n4或al2o3或sio2或hfo2。
41.图2是本发明制作cascode结构增强型功率器件的流程图，如图所示，一种单片集成gan/ga2o3的cascode增强型抗单粒子烧毁器件的制备方法，包括以下步骤：
42.(1)对衬底表面进行清洗和预处理以消除表面悬挂键，并在h2氛围反应室的900℃-1200℃温度下热处理去除表面污染物；
43.(2)热处理后的衬底采用mocvd工艺淀积厚度为100nm-1000nm的ga2o3，作为ga2o
3 fet结构的缓冲层；
44.(3)在ga2o3缓冲层上采用mocvd工艺淀积厚度为100nm-1000nm的ga2o3，作为器件的沟道层，并掺杂浓度为1
×
10
15
cm-3-1
×
10
20
cm-3
的si；
45.(4)在ga2o3沟道层上生长掩膜层，在掩膜层上进行光刻、刻蚀，在衬底上暴露出gan hemt结构的区域窗口；
46.(5)在gan hemt结构的区域窗口上采用mocvd工艺淀积厚度为50nm-100nm的aln成核层；
47.(6)在aln成核层上采用mocvd工艺淀积厚度为0.1μm-10μm的gan缓冲层；
48.(7)在gan缓冲层上采用mocvd工艺淀积厚度为10nm-50nm的algan势垒层；
49.(8)在algan势垒层上采用mocvd工艺淀积厚度为50nm-500nm的p-gan层，并掺杂浓度为1
×
10
16
cm-3-1
×
10
20
cm-3
的mg；
50.(9)在p-gan层上制作光刻掩膜，并刻蚀掉栅极区域以外的p-gan层；
51.(10)在ga2o3沟道层上生长掩膜层，光刻和刻蚀暴露出源极和漏极窗口，在源极和漏极窗口中采用离子注入工艺，高温下将si离子注入到源极和漏极区域；
52.(11)在algan势垒层上进行光刻，并采用金属蒸发或磁控溅射淀积第二源极和第二漏极金属，并高温退火；
53.(12)在ga2o3沟道层上进行光刻，并采用金属蒸发或磁控溅射在第一源极和第一漏极窗口淀积源极和漏极金属，并高温退火；
54.(13)在ga2o3沟道层和p-gan层上进行光刻，采用金属蒸发或磁控溅射的方法，分别淀积栅极金属；
55.(14)将进行完上述步骤的外延片放入pecvd反应室内，进行钝化层沉积；
56.(15)在钝化层上进行光刻和刻蚀，形成栅、源和漏极接触孔，完成gan hemt的第二源极和ga2o
3 fet第一栅极的金属互连；
57.(16)将进行完上述步骤的外延片放入pecvd反应室内，进行钝化层沉积；
58.(17)在钝化层上进行光刻和刻蚀，形成栅、源和漏极接触孔，将gan hemt的第二漏极和ga2o
3 fet第一源极的金属互连，完成器件的制作。
59.以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
60.实施例1
61.制作以氧化镓ga2o3为衬底，且ga2o
3 fet沟道层厚度为500nm的单片集成gan/ga2o3的cascode增强型抗单粒子烧毁器件。
62.步骤1，对氧化镓ga2o3衬底表面进行消除悬挂键的预处理。
63.1.1)将氧化镓ga2o3衬底放入hf酸溶液中浸泡1min，再依次放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水中各超声清洗10min，将清洗后的氧化镓ga2o3衬底用氮气吹干；
64.1.2)在h2氛围反应室的1000℃温度下对清洗吹干后的衬底进行热处理，去除表面污染物。
65.步骤2，制作ga2o3缓冲层。
66.将预处理后的ga2o3衬底放入金属有机物化学气相淀积mocvd系统中，设置反应室的压力为30torr、温度为900℃；，同时向反应室内通入流量为40μmol/min的ga源和流量为3000sccm的氧气，在ga2o3衬底层上生长1μm厚的ga2o3缓冲层。
67.步骤3，制作ga2o3沟道层。
68.同时向反应室内通入流量为20μmol/min的ga源和流量为3000sccm的氧气，在ga2o3缓冲层上生长500nm厚的ga2o3沟道层。
69.步骤4，制作掩膜及gan有源区。
70.同时向反应室内通入流量为2000sccm的硅烷、和流量为3000sccm的氧气，在ga2o3缓冲层上生长1μm的sio2掩膜层，并放在rie刻蚀反应室中暴露出gan hemt器件的有源区。
71.步骤5，制作aln成核层。
72.将完成上述工艺的外延片放入到原先相同条件的mocvd系统中，向腔室同时通入流量为40μmol/min的al源、流量为1200sccm的氢气和流量为3000sccm的氨气，在氧化镓ga2o3生长50nm厚的aln成核层。
73.步骤6，制作gan缓冲层。
74.同时向反应室内通入流量为40μmol/min的ga源、流量为1200sccm的氢气和流量为3000sccm的氨气，在aln成核层上生长1μm厚的gan缓冲层。
75.步骤7，制作algan势垒层。
76.同时向反应室内通入流量为40μmol/min的al源、流量为40μmol/min的ga源、流量为1200sccm的氢气和流量为3000sccm的氨气，在gan缓冲层上生长10nm厚的algan势垒层。
77.步骤8，制作p-gan层。
78.同时向反应室内通入流量为40μmol/min的ga源、流量为1200sccm的氢气和流量为3000sccm的氨气，在algan势垒层上生长80nm厚的gan缓冲层，且掺杂浓度为1
×
10
19
cm-3
。并制作掩膜，刻蚀掉栅极区域以外的p-gan层。
79.步骤9，离子注入ga2o3沟道源漏区域。
80.将完成上述工艺的外延片放入rie中去掉掩膜，生长新的掩膜并选择ga2o3沟道的源漏区域进行注入si离子工艺，能量为100kev，总剂量为1
×
10
15
cm-2
。离子注入后去除掉掩膜，并在900℃下高温退火。
81.步骤10，制作gan hemt源极和漏极。
82.在algan势垒层上制作掩膜形成源极和漏极窗口，再将其放置在金属蒸发反应室中，保持反应室压强为8.8
×
10-2
pa，利用纯度均为99.999％的铝和钛靶材，在源极窗口沉积ti/al金属作为源极，再在860℃的高温条件下退火30s。
83.步骤11，制作ga2o
3 fet源极和漏极。
84.在ga2o3沟道层上制作掩膜形成源极和漏极窗口，再将其放置在金属蒸发反应室中，保持反应室压强为8.8
×
10-2
pa，利用纯度均为99.999％的钛和金靶材，在源极窗口沉积ti/au金属作为源极，再在480℃的高温条件下退火。
85.步骤12，制作ga2o
3 fet和gan hemt栅极。
86.在ga2o3沟道层上和p-gan层上制作掩膜形成源极和漏极窗口，再将其放置在金属蒸发反应室中，控制反应室压强为8.8
×
10-2
pa，利用纯度均为99.999％的镍和金靶材，在漏极窗口和栅极窗口分别沉积厚度为45nm/200nm/200nm的金属ni/au/ni作为栅极。
87.步骤13，制作钝化层。
88.将进行完上述步骤的样品放入等离子体化学气相淀积pecvd反应室内，在400℃高温下，淀积50nm厚的si3n4钝化层。
89.步骤14，制作接触孔和金属。
90.对源极和栅极进行光刻、刻蚀，形成栅、源的接触孔，完成金属互联。
91.步骤15，制作钝化层。
92.将进行完上述步骤的样品放入等离子体化学气相淀积pecvd反应室内，淀积100nm厚的al2o3钝化层。
93.步骤16，制作接触孔和金属。
94.对源极和漏极进行光刻、刻蚀，形成漏、源的接触孔，完成器件制作。
95.实施例2
96.制作以蓝宝石为衬底，且ga2o
3 fet沟道层厚度为300nm的单片集成gan/ga2o3的cascode增强型抗单粒子烧毁器件。
97.步骤一，对蓝宝石衬底表面进行消除悬挂键的预处理。
98.1.1)将蓝宝石衬底放入hf酸溶液中浸泡1min，再依次放入丙酮溶液、无水乙醇溶液和去离子水中各超声清洗10min，将清洗后的蓝宝石衬底用氮气吹干；
99.1.2)在h2氛围反应室的1000℃温度下对清洗吹干后的衬底进行热处理，去除表面污染物。
100.步骤二，制作ga2o3缓冲层。
101.将预处理后的蓝宝石衬底放入金属有机物化学气相淀积mocvd系统中，设置反应室的压力为30torr、温度为900℃；，同时向反应室内通入流量为50μmol/min的ga源和流量为3000sccm的氧气，在蓝宝石衬底层上生长2μm厚的缓冲层。
102.步骤三，制作ga2o3沟道层。
103.同时向反应室内通入流量为20μmol/min的ga源和流量为2000sccm的氧气，在ga2o3缓冲层上生长300nm厚的ga2o3沟道层。
104.步骤四，制作掩膜及gan有源区。
105.同时向反应室内通入流量为3000sccm的硅烷、和流量为3000sccm的氧气，在ga2o3缓冲层上生长2μm的sio2掩膜层，并放在rie刻蚀反应室中暴露出gan hemt器件的有源区。
106.步骤五，制作aln成核层。
107.将完成上述工艺的外延片放入到原先相同条件的mocvd系统中，向腔室同时通入流量为50μmol/min的al源、流量为1200sccm的氢气和流量为3000sccm的氨气，在氧化镓ga2o3生长60nm厚的aln成核层。
108.步骤六，制作gan缓冲层。
109.同时向反应室内通入流量为40μmol/min的ga源、流量为2000sccm的氢气和流量为3000sccm的氨气，在aln成核层上生长2μm厚的gan缓冲层。
110.步骤七，制作algan势垒层。
111.同时向反应室内通入流量为50μmol/min的al源、流量为50μmol/min的ga源、流量为2000sccm的氢气和流量为3000sccm的氨气，在gan缓冲层上生长20nm厚的algan势垒层。
112.步骤八，制作p-gan层。
113.同时向反应室内通入流量为40μmol/min的ga源、流量为1200sccm的氢气和流量为3000sccm的氨气，在algan势垒层上生长100nm厚的p-gan，且掺杂浓度为5
×
10
19
cm-3
。并制作掩膜，刻蚀掉栅极区域以外的p-gan层。
114.步骤九，离子注入ga2o3沟道源漏区域。
115.将完成上述工艺的外延片放入rie中去掉掩膜，生长新的掩膜并选择ga2o3沟道的源漏区域进行注入si离子工艺，能量为120kev，总剂量为1
×
10
15
cm-2
。离子注入后去除掉掩膜，并在920℃下高温退火。
116.步骤十，制作gan hemt源极和漏极。
117.在algan势垒层上制作掩膜形成源极和漏极窗口，再将其放置在金属蒸发反应室中，保持反应室压强为8.8
×
10-2
pa，利用纯度均为99.999％的铝和钛靶材，在源极窗口沉积ti/al金属作为源极，再在875℃的高温条件下退火30s。
118.步骤十一，制作ga2o
3 fet源极和漏极。
119.在ga2o3沟道层上制作掩膜形成源极和漏极窗口，再将其放置在金属蒸发反应室中，保持反应室压强为8.8
×
10-2
pa，利用纯度均为99.999％的钛和金靶材，在源极窗口沉积ti/au金属作为源极，再在460℃的高温条件下退火。
120.步骤十二，制作ga2o
3 fet和gan hemt栅极。
121.在ga2o3沟道层上和p-gan层上制作掩膜形成源极和漏极窗口，再将其放置在金属蒸发反应室中，控制反应室压强为8.8
×
10-2
pa，利用纯度均为99.999％的镍和金靶材，在漏极窗口和栅极窗口分别沉积厚度为45nm/200nm/200nm的金属ni/au作为栅极。
122.步骤十三，制作钝化层。
123.将进行完上述步骤的样品放入等离子体化学气相淀积pecvd反应室内，在400℃高温下，淀积60nm厚的si3n4钝化层。
124.步骤十四，制作接触孔和金属。
125.对源极和栅极进行光刻、刻蚀，形成栅、源的接触孔，完成金属互联。
126.步骤十五，制作钝化层。
127.将进行完上述步骤的样品放入等离子体化学气相淀积pecvd反应室内，淀积100nm厚的al2o3钝化层。
128.步骤十六，制作接触孔和金属。
129.对源极和漏极进行光刻、刻蚀，形成漏、源的接触孔，完成器件制作。
130.以上描述仅为本发明的两个具体实施例，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
131.因此，本发明采用上述结构的一种单片集成gan/ga2o3的cascode增强型抗单粒子烧毁器件及其制备方法，实现了新型ga2o3的增强型器件，降低了宇航系统的重量和复杂度，增加了器件的可靠性，提高了器件在宇航辐照环境应用下的单粒子烧毁阈值电压。
132.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，
尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。