本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件，具體涉及一種全垂直型氮化鎵積累型功率器件及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、在如今電力電子不斷發(fā)展的現(xiàn)在，第一代半導(dǎo)體硅鍺等器件開始無法適應(yīng)現(xiàn)在高頻高壓的應(yīng)用環(huán)境，積極探尋更加合適，性質(zhì)更加優(yōu)良的寬禁帶半導(dǎo)體材料是大勢所趨，而作為第三代半導(dǎo)體的氮化鎵(gan)因具有大禁帶寬度(～3.4ev)、高電子飽和速度和良好的耐高溫特性，因而被廣泛應(yīng)用于高頻場景中。

2、現(xiàn)階段，涉及氮化鎵為基礎(chǔ)的功率器件較多，如公開號為cn117219672a的專利文獻就公開了一種準(zhǔn)垂直型氮化鎵積累型功率器件，其包括從下至上依次設(shè)置的硅襯底、緩沖層、第二重?fù)诫s氮化鎵導(dǎo)電層、輕摻雜氮化鎵導(dǎo)電層、第一重?fù)诫s氮化鎵導(dǎo)電層和源極電極，輕摻雜氮化鎵導(dǎo)電層的上端設(shè)有橫向溝槽，橫向溝槽內(nèi)設(shè)有包裹有氧化層的柵極電極，第一重?fù)诫s氮化鎵導(dǎo)電層間隔設(shè)置在柵極電極之間；輕摻雜氮化鎵導(dǎo)電層的兩端開設(shè)有豎向溝槽，豎向溝槽內(nèi)固定有漏極電極，漏極電極的下端與第二重?fù)诫s氮化鎵導(dǎo)電層形成歐姆接觸，上端與源極電極位于同一水平面；源極電極的兩端與漏極電極的上端之間分別設(shè)有半絕緣多晶硅層，半絕緣多晶硅層的上方和下方分別設(shè)有絕緣介質(zhì)層。但經(jīng)仔細分析發(fā)現(xiàn)，其仍然存在如下技術(shù)問題：

3、1、該功率器件在使用時，其位于耐壓終端附近的柵極溝槽的邊角處容易出現(xiàn)邊緣電場峰值，但該功率器件并不能緩解及優(yōu)化該邊緣電場峰值，影響了功率器件的擊穿特性，導(dǎo)致其耐壓性較低。

4、2、相較于同尺寸的全垂直結(jié)構(gòu)功率器件來說，該功率器件由于漏極電極和源極電極均集中設(shè)置在功率器件的上表面，因此在功率器件導(dǎo)通時，電流通過第二重?fù)诫s氮化鎵導(dǎo)電層時除了在縱向會有電流路徑外，在到達第二重?fù)诫s氮化鎵導(dǎo)電層和緩沖層的接觸面時，還會在橫向上擁有一條額外的電流路徑，即電流需要先縱向流動、再橫向流動才能到達漏極電極。一方面，這不僅導(dǎo)致功率器件的電流路徑更長，還導(dǎo)致其比導(dǎo)通電阻較大；另一方面，如圖18所示，當(dāng)施加的電壓較大并使通過的電流較大時，在漏極電極邊緣還容易出現(xiàn)電流集邊效應(yīng)，進而導(dǎo)致電流密接區(qū)域熱度較高，使得功率器件容易被熱擊穿。

5、3、該功率器件在芯片中使用時，由于漏極電極設(shè)置在柵極電極的兩側(cè)，因此每個元胞結(jié)構(gòu)之間都必須設(shè)置相應(yīng)長度的終端結(jié)構(gòu)(保護層)，這使得元胞的密度大大降低，不僅減小了整個芯片的面積利用率，還導(dǎo)致總電流密度依舊存在較小的問題。

6、另外需要說明的是，從上述功率器件的說明書可知，雖然其具有提高擊穿電壓和降低比導(dǎo)通電阻的功能，但其在提高擊穿電壓的同時，比導(dǎo)通電阻也會同步提升，因而其綜合性能仍然有待提升。為此，有必要提供一種新的全垂直型氮化鎵積累型功率器件以解決上述技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明第一方面提供了一種全垂直型氮化鎵積累型功率器件，該全垂直型氮化鎵積累型功率器件的關(guān)鍵創(chuàng)新點在于在柵極電極的兩側(cè)單獨構(gòu)建了邊緣電場優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以及將漏極電極設(shè)置在與源極電極相對應(yīng)的襯底層下表面。基于關(guān)鍵創(chuàng)新點的相互配合，一方面，本發(fā)明不僅能有效緩解位于兩端的柵極溝槽邊角所形成的邊緣尖峰電場，還大幅縮短了電流通過路徑，達到了在提高擊穿電壓的同時降低比導(dǎo)通電阻的目的。另一方面，本發(fā)明能夠避免在漏極電極邊緣出現(xiàn)電流集邊效應(yīng)，使得功率器件不容易被熱擊穿。再一方面，本發(fā)明還能夠增加元胞在芯片中的密度，進而增大了整個芯片的面積利用率，相應(yīng)地達到了提高總電流密度的目的。

2、本發(fā)明第二方面提供了一種全垂直型氮化鎵積累型功率器件的制備方法，該制備方法的工藝過程較為簡單，容易實現(xiàn)，且制備的產(chǎn)品能夠達到上述目的。

3、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

4、本發(fā)明第一方面提供了一種全垂直型氮化鎵積累型功率器件，包括從下至上依次設(shè)置的漏極電極、襯底層、緩沖層、重?fù)诫sgan下傳輸層和輕摻雜gan漂移層，其特征在于：

5、所述輕摻雜gan漂移層的上表面分別設(shè)有重?fù)诫sgan上傳輸層、終止環(huán)和保護層，重?fù)诫sgan上傳輸層位于輕摻雜gan漂移層的中部，終止環(huán)對稱設(shè)置在輕摻雜gan漂移層的兩端，保護層對稱設(shè)置在終止環(huán)與重?fù)诫sgan上傳輸層之間；且自重?fù)诫sgan上傳輸層的上表面向下均勻開設(shè)有多個延伸至輕摻雜gan漂移層的溝槽，所有溝槽的寬度及深度均相同，相鄰溝槽之間的間距相同；所述溝槽包括柵極溝槽、源極溝槽和電場優(yōu)化溝槽，柵極溝槽均位于源極溝槽之間，源極溝槽均位于電場優(yōu)化溝槽之間；柵極溝槽內(nèi)通過氧化層包裹有柵極電極，源極溝槽內(nèi)設(shè)有覆蓋槽底和槽壁的氧化層，電場優(yōu)化溝槽內(nèi)完全填充有電場優(yōu)化層；

6、所述重?fù)诫sgan上傳輸層的上方設(shè)有源極電極，源極電極包括源極板和伸入源極溝槽內(nèi)的源極電極頭，源極板與重?fù)诫sgan上傳輸層形成歐姆接觸，并通過保護層與終止環(huán)連接，源極板的下部同時覆蓋重?fù)诫sgan上傳輸層、電場優(yōu)化層及氧化層，源極板的上部分別向兩側(cè)延伸并形成部分覆蓋保護層的場板結(jié)構(gòu)；

7、所述漏極電極包括漏極板和設(shè)置在漏極板上的漏極電極頭，漏極板固定在襯底層上，電極漏極頭向上穿過襯底層和緩沖層后與重?fù)诫sgan下傳輸層的下表面形成歐姆接觸。

8、所述溝槽的橫截面呈直角的u形結(jié)構(gòu)或呈倒圓角的u形結(jié)構(gòu)。

9、所述電場優(yōu)化溝槽的數(shù)量為偶數(shù)個，且電場優(yōu)化溝槽對稱設(shè)置在源極溝槽的兩側(cè)，所述源極溝槽的數(shù)量為2個，所述柵極溝槽的數(shù)量為4-20個。

10、所述溝槽的寬度均為0.5-2um，深度均為0.5-2um，相鄰溝槽之間的間距均為0.5-1.5um。

11、所述漏極板為覆蓋在襯底層下表面的平板，漏極電極頭一體成型在漏極板的上表面。

12、所述漏極電極頭數(shù)量為一個或多個，且漏極電極頭可為圓形、方形或多邊形。

13、所述襯底層上和緩沖層上均設(shè)有與漏極電極頭相適配的孔洞，漏極電極頭通過孔洞與重?fù)诫sgan下傳輸層形成歐姆接觸。

14、所述襯底層為si襯底、sic襯底或藍寶石襯底，當(dāng)襯底層為si襯底時，襯底層的厚度為600-1000um；當(dāng)襯底層為sic襯底時，襯底層的厚度為350-600um；當(dāng)襯底層為藍寶石襯底時，襯底層的厚度為550-1000um。

15、所述重?fù)诫sgan上傳輸層和重?fù)诫sgan下傳輸層的導(dǎo)電類型均為n型，且重?fù)诫sgan上傳輸層和重?fù)诫sgan下傳輸層的摻雜濃度均為6～12×1018cm-3，輕摻雜gan漂移層的摻雜濃度為1～10×1015cm-3。

16、本發(fā)明第二方面提供了一種全垂直型氮化鎵積累型功率器件的制備方法，其包括以下步驟：

17、s1：在襯底層上依次制備緩沖層、重?fù)诫sgan下傳輸層、輕摻雜gan漂移層和重?fù)诫sgan上傳輸層，得到器件框架；

18、s2：在s1的器件框架的上表面涂膠，通過光刻去除重?fù)诫sgan上傳輸層上表面的兩側(cè)區(qū)域，保留位于中部的重?fù)诫sgan上傳輸層，以及保留位于兩端的重?fù)诫sgan上傳輸層作為終止環(huán)；

19、s3：在s2的器件框架的上表面依次生長下絕緣介質(zhì)層和半絕緣多晶硅層；之后再在半絕緣多晶硅層上涂膠，并通過光刻去除重?fù)诫sgan上傳輸層以及終止環(huán)正上方的下絕緣介質(zhì)層和半絕緣多晶硅層；

20、s4：在s3的器件框架的上表面淀積掩膜層，在掩膜層上涂膠并通過光刻在重?fù)诫sgan上傳輸層的正上方均勻形成多個溝槽刻蝕窗口，利用溝槽刻蝕窗口依次刻蝕掉掩膜層、重?fù)诫sgan上傳輸層和部分輕摻雜gan漂移層，刻蝕完后得到自重?fù)诫sgan上傳輸層的上表面向下延伸至輕摻雜gan漂移層的溝槽；所有溝槽的寬度及深度均相同，且相鄰溝槽之間的間距相同；所述溝槽包括柵極溝槽、源極溝槽和電場優(yōu)化溝槽，柵極溝槽均位于源極溝槽之間，源極溝槽均位于電場優(yōu)化溝槽之間；

21、s5：在s4的器件框架的上表面淀積氧化層，該氧化層同時覆蓋器件框架的裸露區(qū)，再在氧化層上生長填充介質(zhì)層，填充介質(zhì)層完全填充柵極溝槽、源極溝槽和電場優(yōu)化溝槽，然后在填充介質(zhì)層上涂膠，并通過光刻刻蝕去除柵極溝槽內(nèi)和源極溝槽內(nèi)的填充介質(zhì)層，光刻后半絕緣多晶硅層上的氧化層和填充介質(zhì)層共同形成上絕緣介質(zhì)層，電場優(yōu)化溝槽內(nèi)的氧化層和填充介質(zhì)層共同形成電場優(yōu)化層；

22、s6：在柵極溝槽內(nèi)淀積金屬制備柵極電極，在源極溝槽內(nèi)淀積金屬制備源極電極頭，通過涂膠、光刻將位于溝槽外的金屬全部刻蝕掉，并淀積氧化層包裹柵極電極和源極電極頭；再在氧化層的上方涂膠，并通過光刻刻蝕掉除柵極電極上方以外的氧化層及電場優(yōu)化溝槽以外電場優(yōu)化層；之后在器件框架的上表面中部淀積與源極電極頭相連的源極板以構(gòu)成源極電極，退火并使源極電極與重?fù)诫sgan上傳輸層形成歐姆接觸；

23、s7：在s6的器件框架的襯底層上和緩沖層上通過光刻刻蝕出孔洞，在孔洞內(nèi)淀積與重?fù)诫sgan下傳輸層形成歐姆接觸的漏極電極頭和在襯底層的下表面淀積漏極板以構(gòu)成漏極電極，完成后即得到全垂直型氮化鎵積累型功率器件。

24、所述s7中，在刻蝕孔洞前需要先對襯底層的進行打薄處理，打薄前襯底層的厚度為1000um，打薄后襯底層的厚度為550-650um。

25、采用本發(fā)明的優(yōu)點在于：

26、1、本發(fā)明提供的全垂直型氮化鎵積累型功率器件主要有兩個關(guān)鍵創(chuàng)新點，其中，

27、第一創(chuàng)新點在于在柵極電極的左右兩側(cè)單獨構(gòu)建了邊緣電場優(yōu)化結(jié)構(gòu)，該邊緣電場優(yōu)化結(jié)構(gòu)包括與柵極溝槽的寬度、深度及相鄰間距均相同的源極溝槽和電場優(yōu)化溝槽，以及設(shè)置在源極溝槽內(nèi)的源極電極頭和完全填充在電場優(yōu)化溝槽內(nèi)的電場優(yōu)化層。根據(jù)該特定的邊緣電場優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在使用時能夠有效緩解位于左右兩側(cè)的柵極溝槽邊角所形成的尖峰電場，可以有效減少漂移區(qū)耗盡產(chǎn)生的正電荷，從而減小延伸而出的電場線，進而減小整體電場，不僅避免了電場集中，還有效的優(yōu)化了邊緣電場峰值，提高了耐壓。

28、需要說明的是，在器件源漏之間施加反向大電壓時，電壓尖峰大多集中在左右兩端最邊緣的柵極溝槽的邊角處(如最左端柵極溝槽的左側(cè)邊角和最右端柵極溝槽的右側(cè)邊角)，而這樣的電流尖峰會使得電場集中在某一個區(qū)域?qū)е缕骷舸矣捎跂艠O溝槽周圍為輕摻雜gan漂移層，在漂移層耗盡之后會產(chǎn)生正電荷，從而擁有更多的電流線，使得集中的電場變得更高。而本發(fā)明通過在柵極溝槽兩側(cè)分別各自單獨設(shè)置的源極溝槽及對應(yīng)的源極電極頭和電場優(yōu)化溝槽及對應(yīng)的電場優(yōu)化層的相互配合，就能夠減少正電荷的產(chǎn)生，并有效分擔(dān)邊緣柵極溝槽的電場，使得電場集中處的電壓被稀釋，并有效地緩解電場集中，達到提高擊穿電壓的作用。

29、另外需要說明的是，若溝槽的寬度、深度及相鄰間距不相同，將導(dǎo)致不能有效緩解邊角柵極溝槽邊角處的尖峰電場，進而影響器件的耐壓性。

30、第二創(chuàng)新點在于將漏極電極設(shè)置在與源極電極相對應(yīng)的襯底層下表面，該結(jié)構(gòu)使得漏極電極和源極電極分別位于功率器件相對應(yīng)的兩面，同時漏極主要由漏極板和漏極電極頭相組合的結(jié)構(gòu)。一方面，其使得功率器件只有縱向電流路徑而沒有了橫向電流路徑，因而能夠有效減短電流路徑，增大電流密度，相應(yīng)地能使功率器件具有更小的導(dǎo)通電阻，且不會出現(xiàn)翹曲、裂片問題，更有利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。另一方面，即使施加的電壓較大并使通過的電流較大時，在漏極電極的邊緣也不容易出現(xiàn)電流集邊效應(yīng)，相應(yīng)地使得功率器件不容易被熱擊穿。再一方面，該功率器件在芯片中使用時，還使得每個元胞結(jié)構(gòu)之間不需要設(shè)置相應(yīng)長度的終端結(jié)構(gòu)(保護層)，這也相應(yīng)提高了元胞的密度，不僅提高了整個芯片的面積利用率，還提高了芯片的總電流密度。

31、綜合來說，本發(fā)明采用上述兩個關(guān)鍵創(chuàng)新點相組合后，不僅使得功率器件具有在提高擊穿電壓的同時降低比導(dǎo)通電阻的優(yōu)異效果，還能夠降低熱度并避免功率器件出現(xiàn)熱擊穿，同時還具有優(yōu)秀的阻斷特性。

32、2、本發(fā)明的制備方法的工藝過程較為簡單，容易實現(xiàn)，且制備的產(chǎn)品能夠達到上述全垂直型氮化鎵積累型功率器件的優(yōu)點，不再贅述。

33、3、本發(fā)明中溝槽的橫截面可以是呈直角的u形結(jié)構(gòu)或呈倒圓角的u形結(jié)構(gòu)，具有適用范圍廣的優(yōu)點。

34、4、本發(fā)明對電場優(yōu)化溝槽的數(shù)量、源極溝槽和柵極溝槽的數(shù)量進行了限定，其通過配置不同的溝槽及對應(yīng)的電場優(yōu)化層和源極電極頭結(jié)構(gòu)，使得本發(fā)明能夠針對不同電流規(guī)格的功率器件都能達到最佳的電場優(yōu)化效果。

35、5、本發(fā)明通過溝槽對電場優(yōu)化層和源極電極頭進行了限定，其不僅有利于進一步提高電場優(yōu)化效果，還有利于提高器件的柵控能力。

36、6、本發(fā)明采用了漏極板與漏極電極頭組合形成的漏極結(jié)構(gòu)，一方面具有易于實現(xiàn)，降低制備難度的優(yōu)點，另一方面則有利于防止功率器件出現(xiàn)翹曲、裂片的問題，從而保證功率器件的質(zhì)量及性能更佳。

37、7、本發(fā)明的漏極電極可采用一個或多個不同形狀的漏極電極頭，有利于在具體應(yīng)用場景下保證更好的導(dǎo)電效果。

38、8、本發(fā)明通過孔洞實現(xiàn)漏極電極頭與重?fù)诫sgan下傳輸層的歐姆接觸，不僅可以利用漏極電極頭填充孔洞，還有利于提高器件的可靠性，同時還能夠防止器件翹曲、裂片。

39、9、本發(fā)明可根據(jù)工況需要選擇不同厚度的si襯底、sic襯底或藍寶石襯底，既有利于降低器件成本，又有利于提升器件性能。

40、10、本發(fā)明采用了均為n型的重?fù)诫sgan上傳輸層和重?fù)诫sgan下傳輸層，其有利于進一步降低工藝難度。另外，將重?fù)诫sgan上傳輸層和重?fù)诫sgan下傳輸層的摻雜濃度均設(shè)為6～12×1018cm-3，其能夠保證電流密度的大小足夠形成電流通路；將輕摻雜gan漂移層的摻雜濃度設(shè)為1～10×1015cm-3，其有利于使器件在導(dǎo)通電阻與擊穿電壓之間達到平衡。