混合栅碳化硅场效应管器件及其制备方法

本公开的至少一种实施例涉及半导体领域，更具体地，涉及一种混合栅碳化硅场效应管器件及其制备方法。

背景技术：

1、碳化硅(sic)基的金属氧化物半导体场效晶体管器件(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，mosfet)是一种功率半导体器件，其具有宽带隙、高热导性、高临界电场、高饱和电子漂移速率等优点，还具有优异的物理化学稳定性和机械强度，可以广泛应用于高压、高频和高温等应用场景中。

2、sic基的金属氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor，mos)结构是制作sic基mos场效应管器件的基础。由于sic内的临界击穿电场达到2-5mv/cm，而这将造成栅介质层中的电场等比例增加(基于高斯定理)。尤其是当器件工作在高栅压或者高漏压状态时，mos结构中的栅介质层电场急剧升高，导致器件漏电升高。在高温栅偏或者高温反偏等可靠性测试方面，sic基mos场效应管器件的失效通常是由于栅介质的退化引起的。现有技术中，为解决上述问题，一方面，通过增大sio2层的厚度、减小mos结构中的jfet的宽度、增加栅介质的厚度等手段以提升sic基mos场效应管器件的高温、高场可靠性，然而这些方法常常牺牲了器件的导通特性或其他电学特性，未能兼顾器件各方面性能的提升。另一方面，也采用高介电常数材料(高k材料)作为栅介质材料，利用其更高的电容以及更大的物理厚度以提升sic基mos场效应管器件的高温、高场可靠性，但高k介质与sic基底的不完美界面效应也会影响到电子的输运，其对电子导通特性的提升并不理想。此外，现有技术中sic基mos器件需要首先热氧化表面以获得栅介质层，且热氧化的温度通常高于1100℃。然而与si氧化不同，sic氧化涉及到si和c两种元素的氧化反应，容易在sio2/sic界面形成c原子相关的界面陷阱。另外，当si原子在氧化不完全时，容易在界面形成si的次氧化物和界面态。这些界面态不仅减少了sic基mos场效应管器件沟道中导电载流子，同时会形成散射中心进一步降低沟道迁移率，严重影响了栅介质与sic的界面质量，使得器件的导通电阻高，工作频率低。

3、由此，亟需寻找一种栅介质结构和相应的低温制备方法，在保证电学性能的前提下，切实提升sic基mos场效应管器件在高温、高场下的稳定性。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的所述以及其他方面的至少一种技术问题，本公开提供一种混合栅碳化硅场效应管器件及其制备方法，综合利用不同栅介质的物理特性，在保证电学性能的情况下，提高了器件在高场下的可靠性。

2、本公开的实施例一方面提供一种混合栅碳化硅场效应管器件，包括：碳化硅外延层，包括第一导电区域、第二导电区域以及第三导电区域，所述第二导电区域与所述第三导电区域位于所述第一导电区域的两侧，其中，所述第二导电区域和所述第三导电区域的导电类型相同，并区别于所述第一导电区域的导电类型；栅介质层，包括第一栅介质、第二栅介质和第三栅介质，其中，第一栅介质覆盖设置于所述第一导电区域，所述第二栅介质覆盖设置于所述第二导电区域，以及所述第三栅介质覆盖设置于所述第三导电区域；其中，所述第一栅介质为硅基材料，所述第二栅介质与所述第三栅介质被构造成紧邻于所述第一栅介质的两端，所述第二栅介质与所述第三栅介质的介电常数均大于所述第一栅介质的介电常数。

3、根据本公开的实施例，所述第二栅介质与所述第三栅介质的物理厚度均大于所述第一栅介质的物理厚度。

4、根据本公开的实施例，所述第一栅介质被构造成分别与所述第二栅介质和所述第三栅介质至少有部分重合，以分别构成第一重叠部和第二重叠部。

5、根据本公开的实施例，所述第一栅介质的宽度大于所述第一导电区域的宽度，所述第一栅介质至少有一部分覆盖于所述第二导电区域和所述第三导电区域。

6、根据本公开的实施例，所述第一重叠部被构造成所述第二栅介质覆盖于所述第一栅介质，所述第二重叠部被构造成所述第三栅介质覆盖于所述第一栅介质。

7、根据本公开的实施例，所述第一栅介质的材质为氧化硅或氮化硅。

8、本公开的实施例的另一方面，还提供了一种制备上述混合栅碳化硅场效应管器件的制备方法，包括：利用离子注入法对碳化硅外延材料进行掺杂处理，以在所述碳化硅外延材料的第一面生成第一导电区域、第二导电区域及第三导电区域；在所述第一导电区域上生成第一栅介质，在所述第二导电区域上生成第二栅介质，在所述第三导电区域上生成第三栅介质，其中，所述第二栅介质和所述第三栅介质紧邻于所述第一栅介质的两端，并与所述第一栅介质部分重叠，其中，所述第一栅介质、所述第二栅介质和所述第三栅介质构成栅介质层；对所述栅介质层进行退火处理；在与所述第一面相对的第二面生成背电极，在栅介质层上生成栅电极，得到混合栅碳化硅场效应管器件。

9、根据本公开的实施例，在所述第一导电区域上生成第一栅介质，在所述第二导电区域上生成第二栅介质，在所述第三导电区域上生成第三栅介质，包括：在所述碳化硅外延材料的表面原位生长硅原子，并氧化或氮化所述硅原子，以生成所述第一栅介质；在所述碳化硅外延材料的表面沉积铝原子，并氧化或氮化所述铝原子，以生成所述第二栅介质；在所述碳化硅外延材料的表面沉积铪原子，并氧化或氮化所述铪原子，以生成所述第三栅介质。

10、根据本公开的实施例，所述氧化或氮化的温度范围均为400-1050℃。

11、根据本公开的实施例，所述栅介质层的退火温度为400℃-1300℃，退火气氛为氮气(n2)、氩气(ar)、一氧化氮(no)、氨气(nh3)或一氧化二氮(n2o)其中一种，退火时间为0.2-3小时。

12、根据本公开提供的混合栅碳化硅场效应管器件及其制备方法，通过设置硅基的第一栅介质和低温制备工艺以减少与碳化硅外延层的界面态密度，保证栅介质层的导通性能。再通过在第一栅介质的两端设置有相对第一栅介质有更高介电常数的第二栅介质及第三栅介质，以承载更高的电场和更多的载流子以保护第一栅介质，从而在保证了混合栅碳化硅场效应管器件的电学性能的情况下，提高其在高场下的可靠性。

技术特征：

1.一种混合栅碳化硅场效应管器件，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的混合栅碳化硅场效应管器件，其特征在于，所述第二栅介质与所述第三栅介质的物理厚度均大于所述第一栅介质的物理厚度。

3.根据权利要求1所述的混合栅碳化硅场效应管器件，其特征在于，所述第一栅介质被构造成分别与所述第二栅介质和所述第三栅介质至少有部分重合，以分别构成第一重叠部和第二重叠部。

4.根据权利要求3所述的混合栅碳化硅场效应管器件，其特征在于，所述第一栅介质的宽度大于所述第一导电区域的宽度，所述第一栅介质至少有一部分覆盖于所述第二导电区域和所述第三导电区域。

5.根据权利要求4所述的混合栅碳化硅场效应管器件，其特征在于，所述第一重叠部被构造成所述第二栅介质覆盖于所述第一栅介质，所述第二重叠部被构造成所述第三栅介质覆盖于所述第一栅介质。

6.根据权利要求1所述的混合栅碳化硅场效应管器件，其特征在于，所述第一栅介质的材质为氧化硅或氮化硅。

7.一种用于制备如权利要求1-6任一项所述的混合栅碳化硅场效应管器件的制备方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述第一导电区域上生成第一栅介质，在所述第二导电区域上生成第二栅介质，在所述第三导电区域上生成第三栅介质，包括：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述氧化或氮化的温度范围均为400-1050℃。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述栅介质层的退火温度为400℃-1300℃，退火气氛为n2、ar、no、nh3或n2o其中一种，退火时间为0.2-3小时。

技术总结
本公开提供一种混合栅碳化硅场效应管器件，包括：碳化硅外延层，包括第一导电区域、第二导电区域以及第三导电区域，第二导电区域与第三导电区域位于第一导电区域的两侧，第二导电区域和第三导电区域的导电类型相同，并区别于第一导电区域的导电类型；栅介质层，包括第一栅介质、第二栅介质和第三栅介质，第一栅介质覆盖设置于第一导电区域，第二栅介质覆盖设置于第二导电区域，第三栅介质覆盖设置于第三导电区域；第一栅介质为硅基材料，第二栅介质与第三栅介质被构造成紧邻于第一栅介质的两端，第二栅介质与第三栅介质的介电常数均大于第一栅介质的介电常数。

技术研发人员：申占伟,岳世忠,林润康,孙佳倩,王智杰
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25