CN115732544A - 一种场效应管、其制备方法及电子电路 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种场效应管、其制备方法及电子电路，场效应管包括：在衬底上依次层叠的沟道层、控制栅极、钝化层、栅金属层、层间介质层、源漏金属层；其中，栅金属层包括间隔设置的金属栅极和台阶，源漏金属层包括源极、漏极以及与源极电连接的场板，场板从源极向漏极一侧延伸且与漏极断开设置，场板具体包括在衬底上的正投影位于金属栅极与漏极之间的一阶场板和二阶场板，二阶场板为覆盖台阶的部分，一阶场板为除了二阶场板之外的部分。通过在栅金属层中形成金属栅极图案的同时增加形成台阶的图案，使源漏金属层覆盖台阶的部分被垫高形成二阶场板，这样整个场板的加工只需要通过一次构图工艺，减少了场板制备工艺的复杂度和工业成本。
Description
技术领域
本申请涉及到半导体技术领域，尤其涉及到一种场效应管、其制备方法及电子电路。
背景技术
由于氮化镓(GaN)的禁带宽度大、迁移率高等优点，GaN广泛用于功率器件领域的衬底材料。其中，最广泛的应用是高电子迁移率晶体管(High Electron MobilityTransistor，HEMT)。在大功率、高耐压的HEMT器件中，为增加栅极耐压强度，通常将源极端金属引出并绕过栅极，形成场板，改善栅漏之间垂直方向的场强分布从而对栅极形成保护。目前业界针对600V以上器件基本都使用两个场板的结构，两段场板设置在栅漏之间的某一位置，场板连接源极的低电位后与漏极的高电压形成电场梯度分布，从而进一步对栅极进行保护。现有的双场板结构虽然在电性上能起到保护栅极的作用，但为了形成二阶场板，额外增加了多道工艺，工艺流程复杂。
发明内容
本申请提供了一种场效应管、其制备方法及电子电路，用以减少二阶场板的制备工序。
第一方面，本申请提供了一种场效应管，包括：位于衬底上的沟道层，位于沟道层上的控制栅极，位于控制栅极上的钝化层，位于钝化层上的栅金属层，位于栅金属层上的层间介质层，以及位于层间介质层上的源漏金属层；其中，钝化层具有暴露控制栅极的栅极开孔，栅金属层包括间隔设置的金属栅极和台阶，金属栅极通过栅极开孔与控制栅极电连接，贯穿层间介质层和钝化层的源极开孔和漏极开孔分别位于金属栅极两侧，台阶在衬底上的正投影位于漏极开孔与金属栅极之间，源漏金属层包括分别位于金属栅极两侧的源极和漏极、以及与源极电连接的场板，源极通过源极开孔与沟道层电连接，漏极通过漏极开孔与沟道层电连接，场板从源极向漏极一侧延伸且与漏极断开设置，场板在衬底上的正投影与台阶存在交叠区域，场板具体包括在衬底上的正投影位于金属栅极与漏极之间的一阶场板和二阶场板，二阶场板为覆盖台阶的部分，一阶场板为除了二阶场板之外的部分。
本申请实施例提供的场效应管，通过在栅金属层中形成金属栅极图案的同时增加形成台阶的图案，可以使源漏金属层覆盖台阶的部分被垫高形成二阶场板，与未被台阶垫高的部分形成高度差，而未被台阶垫高的部分形成一阶场板，这样整个场板的加工只需要通过一次构图工艺，即包括1次金属积淀+1次光刻+1次刻蚀即可形成，减少了场板制备工艺的复杂度和工业成本。
在本申请一个可能的实现方式中，场效应管还可以包括：位于源漏金属层上的平坦层，以及位于平坦层上的连接金属层；其中，平坦层包括源极连接孔和漏极连接孔，源极连接孔和漏极连接孔内一般填充有诸如钨的导电材料，源极连接孔和漏极连接孔的通孔深度一致，有利于控制平坦层的通孔刻蚀工艺制程。连接金属层包括源极连接垫和漏极连接垫，源极连接垫通过源极连接孔与源极电连接，漏极连接垫通过漏极连接孔与漏极电连接。
在本申请一个可能的实现方式中，控制栅极和金属栅极构成栅结构，控制栅极可以为叠层结构，具体包括位于沟道层上的PGaN层和位于PGaN层上的TiN层，TiN层在衬底上的正投影可以落入PGaN层的范围内。具体地，TiN层和PGaN层可以通过一次构图工艺形成，之后可以根据器件设计需求，选择性地对TiN层的图案进行尺寸收缩，使其尺寸小于PGaN层。
在本申请一个可能的实现方式中，控制栅极也可以为单层结构，具体包括PGaN层，TiN层设置在钝化层与栅金属层之间，控制栅极、TiN层和金属栅极构成栅结构，在钝化层制作完成后，直接在钝化层上生长TiN薄膜和栅金属薄膜，之后通过一次构图工艺形成TiN层和栅金属层的图案，使TiN层在衬底上的正投影与栅金属层重合，此时在台阶和金属栅极的下方均具有TiN层的图案。
在本申请一个可能的实现方式中，可以通过定义版图和调整刻蚀工艺，使台阶面向金属栅极的侧壁可以垂直于钝化层的表面，台阶的截面类似于矩形，即在对栅金属层进行构图时，形成图案的断面垂直于钝化层的表面。
在本申请一个可能的实现方式中，为了优化栅漏之间的电场分布，可以通过定义版图和调整刻蚀工艺，使台阶面向金属栅极的侧壁向漏极的方向倾斜，且台阶面向金属栅极的侧壁与台阶面向钝化层的表面之间的夹角θ小于90度，台阶的截面类似于梯形。
在本申请一个可能的实现方式中，台阶和二阶场板可以为一个，一阶场板在衬底上的正投影可以位于二阶场板与金属栅极之间，有利于在栅结构和漏极之间形成电场梯度分布，从而进一步对栅结构进行保护。
在本申请一个可能的实现方式中，二阶场板与一阶场板之间可以断开设置，即两个场板之间为间断结构，一阶场板直接从源极引出，为了保证二阶场板接入源极的电信号，在平坦层内还可以设置二阶场板连接孔，源极连接垫通过二阶场板连接孔与二阶场板电连接，即二阶场板通过源极连接垫接入源极的电信号。
在本申请一个可能的实现方式中，台阶可以为间隔结构即多段分布，使二阶场板可以为多个，并且多个二阶场板之间可以通过一阶场板相互导通，也可以相互断开，也可以一部分二阶场板之间通过一阶场板相互导通，另一部分二阶场板之间相互断开，在此不做限定。值得注意的是，与一阶场板断开的二阶场板需要通过二阶场板连接孔与源极连接垫电连接。
在本申请一个可能的实现方式中，通过调整栅金属层的版图可以形成在第一方向间断的台阶，使二阶场板可以仅沿着第一方向排列，第一方向为源极指向漏极的方向。或者，通过调整栅金属层的版图也可以形成在第二方向间断的台阶，使二阶场板可以仅沿着第二方向排列，第二方向垂直于第一方向。或者，通过调整栅金属层的版图还可以形成在第一方向和第二方向均间断的台阶，使二阶场板可以同时沿着第一方向和第二方向排列，也可以认为二阶场板为阵列排布。
第二方面，本申请实施例提供了一种场效应管的制备方法，包括：首先，在衬底上依次形成沟道层、控制栅极和钝化层，钝化层具有暴露控制栅极的栅极开孔；然后，在钝化层上形成栅金属层，栅金属层包括间隔设置的金属栅极和台阶，金属栅极通过栅极开孔与控制栅极电连接；接着，在栅金属层上形成层间介质层，对层间介质层和钝化层刻蚀，形成分别位于金属栅极两侧的源极开孔和漏极开孔，台阶在衬底上的正投影位于漏极开孔与金属栅极之间；之后，在层间介质层上形成源漏金属层，源漏金属层包括分别位于金属栅极两侧的源极和漏极、以及与源极电连接的场板，源极通过源极开孔与沟道层电连接，漏极通过漏极开孔与沟道层电连接；其中，场板从源极向漏极一侧延伸且与漏极断开设置，场板在衬底上的正投影与金属栅极和台阶均存在交叠区域，场板包括在衬底上的正投影位于金属栅极与漏极之间的一阶场板和二阶场板，二阶场板为覆盖台阶的部分，一阶场板为除了二阶场板之外的部分。
本申请实施例提供的制备方法，通过在栅金属层中形成金属栅极图案的同时增加形成台阶的图案，可以使源漏金属层覆盖台阶的部分被垫高形成二阶场板，与未被台阶垫高的部分形成高度差，而未被台阶垫高的部分形成一阶场板，这样整个场板的加工只需要通过一次构图工艺，即包括1次金属积淀+1次光刻+1次刻蚀即可形成，减少了场板制备工艺的复杂度和工业成本。
在本申请一个可能的实现方式中，还可以包括：在源漏金属层上形成平坦层，平坦层包括源极连接孔和漏极连接孔，源极连接孔和漏极连接孔的通孔深度一致，有利于控制平坦层的通孔刻蚀工艺制程；最后，在平坦层上形成连接金属层，连接金属层包括源极连接垫和漏极连接垫，源极连接垫通过源极连接孔与源极电连接，漏极连接垫通过漏极连接孔与漏极电连接。
在本申请一个可能的实现方式中，可以通过定义版图和调整刻蚀工艺，使台阶面向金属栅极的侧壁可以垂直于钝化层的表面，台阶的截面类似于矩形，或者，使台阶面向金属栅极的侧壁向漏极的方向倾斜，且台阶面向金属栅极的侧壁与台阶面向钝化层的表面之间的夹角θ小于90度，台阶的截面类似于梯形。台阶与将要形成的漏极之间间距一般保持在0.5um以上。
在本申请一个可能的实现方式中，根据台阶设置的位置和个数，形成的二阶场板可以为一个或多个。当台阶和二阶场板为一个时，一阶场板在衬底上的正投影可以位于二阶场板与金属栅极之间。当台阶和二阶场板为多个时，多个二阶场板可以在第一方向和/或第二方向排列，第一方向为将要形成的源极指向漏极的方向，第二方向垂直于第一方向。
在本申请一个可能的实现方式中，二阶场板与一阶场板之间可以断开设置，即两个场板之间为间断结构，一阶场板直接从源极引出，为了保证二阶场板接入源极的电信号，在平坦层内还可以设置二阶场板连接孔，源极连接垫通过二阶场板连接孔与二阶场板电连接，即二阶场板通过源极连接垫接入源极的电信号。
在本申请一个可能的实现方式中，控制栅极可以包括PGaN层和TiN层，PGaN层位于TiN层和沟道层之间。PGaN层和TiN层的图案可以通过一次构图工艺形成，例如可以在沟道层上生长PGaN薄膜和TiN薄膜，之后对PGaN薄膜和TiN薄膜进行刻蚀，保留的PGaN层和TiN层作为控制栅极。并且，可以根据需要选择性地对TiN层作横向尺寸收缩处理。
在本申请一个可能的实现方式中，当控制栅极仅包括PGaN层时，在沉积栅金属层之前，还可以在钝化层上形成独立于栅金属层的TiN层，之后可以通过一次构图工艺，形成具有相同图案的TiN层和栅金属层的图案。
第三方面，本申请提供了一种电子电路，该电子电路包括电路板以及设置在电路板上的本申请第一方面的各实现方式提供的场效应管。
附图说明
图1a为现有技术中具有双场板的一种场效应管的剖面结构示意图；
图1b为现有技术中具有双场板的另一种场效应管的剖面结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种场效应管的剖面结构示意图；
图3为本申请实施例提供的另一种场效应管的剖面结构示意图；
图4为本申请实施例提供的另一种场效应管的剖面结构示意图；
图5为本申请实施例提供的另一种场效应管的剖面结构示意图；
图6为本申请实施例提供的另一种场效应管的剖面结构示意图；
图7为本申请实施例提供的一种场效应管的俯视结构示意图；
图8为本申请实施例提供的另一种场效应管的俯视结构示意图；
图9为本申请实施例提供的另一种场效应管的俯视结构示意图；
图10为本申请实施例提供的一种场效应管的制备方法的流程示意图；
图11为本申请实施例提供的制备方法中各步骤完成后的结构示意图。
附图标记：
1-衬底；2-沟道层；3-控制栅极；30-栅结构；31-PGaN层；32-TiN层；4-钝化层；41-栅极开孔；5-栅金属层；51-金属栅极；52-台阶；6-层间介质层；61-源极开孔；62-漏极开孔；7-源漏金属层；71-源极；72-漏极；73-场板；731-一阶场板；732-二阶场板；8-平坦层；81-源极连接孔；82-漏极连接孔；83-二阶场板连接孔；9-连接金属层；91-源极连接垫；92-漏极连接垫；X-第一方向；Y-第二方向。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。
基于GaN材料的AlGaN/GaN异质结HEMT结构具有高电子迁移率、高2DEG面密度，高化学稳定性、高频、大功率等优异特性，使得GaN材料器件在射频领域和电力电子领域都具有明显的优势。因此，本申请实施例提供的场效应管可以作为电子电路的元器件被广泛应用在各种场景中，例如被广泛应用于第五代移动通信技术(5th generation of wirelesscommunications technologies，5G)无线通信基站、电力电子器件等信息收发、能量转换、高频开关等领域。
GaN场效应管主要包括沟道层、源极、漏极和栅极。在使用时，通过栅极电压控制源极和漏极的导通。但是，由于GaN材料缺乏自支撑衬底，往往需要通过外延生长的方法在Si衬底上制备。然而，由于GaN和Si之间存在较大的晶格失配和热失配，导致GaN外延材料中存在大量的缺陷，这些缺陷会捕获电子造成器件工作状态下载流子浓度的降低，从而使得器件发生“电流崩塌”效应，即动态导通电阻的增大，从而影响***工作的稳定性。
目前，针对GaN场效应管的“电流崩塌”效应，相关技术中通过引入具有台阶型走势的源场板(也可以称为场板)来降低器件在高压下动态导通电阻的增大。通常，将源极端的金属引出并绕过栅极形成场板，来改善栅漏之间垂直方向的场强分布，从而对栅极形成保护。目前业界针对600V以上器件一般使用两个场板的结构，两段场板设置在栅漏之间的某一位置，场板连接源极的低电位后与漏极的高电压形成电场梯度分布，从而进一步对栅极进行保护。
参照图1a，在现有的一种双场板结构中，在栅结构30由3次掩模(mask)工艺制作完成后，积淀层间介质层6并在层间介质层6打开欧姆接触孔(欧姆接触孔包括源极开孔61和漏极开孔62)，一阶场板731利用源漏金属层7(也可以称为欧姆金属层)积淀时绕过栅结构30的部分形成，即一阶场板731与源极71和漏极72同时形成，二阶场板732则需要额外积淀一层金属后再利用光刻和刻蚀工艺形成。两个场板73都直接电连接源极71，整个场板73的加工需要2次金属积淀+2次光刻+2次刻蚀+1次场板之间的介质积淀。
参照图1b，在现有的另一种双场板结构中，栅结构30和一阶场板731的加工与图1a所示结构完全一致，二阶场板732也需要额外积淀一层金属后再利用光刻和刻蚀工艺形成。不同之处在于，一阶场板731直接电连接源极71，二阶场板732则通过二阶场板连接孔83与源极连接垫91电连接，整个场板73的加工同样需要2次金属积淀+2次光刻+2次刻蚀+1次场板之间的介质积淀。
参照图1a和图1b，现有的双场板结构虽然在电性上能起到保护栅结构30的作用，但为了形成二阶场板732，额外增加了多道工艺，工艺流程复杂。并且，不同位置的平坦层8的厚度不一致，在图1a所示的双场板结构中，平坦层8的源极连接孔81和漏极连接孔82的深度不同，在图1b所示的双场板结构中，二阶场板连接孔83和源极连接孔81的深度不同，使通孔刻蚀制程难以控制。
为此，本申请实施例提供了一种可以减少二阶场板制备工序的场效应管、其制备方法及电子电路，下面结合具体的附图以及实施例对其进行详细描述。
以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本申请的限制。如在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“所述”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。
在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
图2示例性示出了本申请实施例提供的一种场效应管的剖面结构示意图。参照图2，在本申请一个实施例中，场效应管可以包括：位于衬底1上的沟道层2，位于沟道层2上的控制栅极3，位于控制栅极3上的钝化层4，位于钝化层4上的栅金属层5，位于栅金属层5上的层间介质层6，以及位于层间介质层6上的源漏金属层7；其中，钝化层4具有暴露控制栅极3的栅极开孔41，栅金属层5包括间隔设置的金属栅极51和台阶52，金属栅极51通过栅极开孔41与控制栅极3电连接，贯穿层间介质层6和钝化层4的源极开孔61和漏极开孔62分别位于金属栅极51两侧，台阶52在衬底1上的正投影位于漏极开孔62与金属栅极51之间，源漏金属层7包括分别位于金属栅极51两侧的源极71和漏极72、以及与源极71电连接的场板73，源极71通过源极开孔61与沟道层2电连接，漏极72通过漏极开孔62与沟道层2电连接，场板73从源极71向漏极72一侧延伸且与漏极72断开设置，场板73在衬底1上的正投影与台阶52存在交叠区域，场板73具体包括在衬底1上的正投影位于金属栅极51与漏极72之间的一阶场板731和二阶场板732，二阶场板732为覆盖台阶52的部分，一阶场板731为除了二阶场板732之外的部分。
本申请实施例提供的场效应管，通过在栅金属层5中形成金属栅极51图案的同时增加形成台阶52的图案，可以使源漏金属层7覆盖台阶52的部分被垫高形成二阶场板732，与未被台阶52垫高的部分形成高度差，而未被台阶52垫高的部分形成一阶场板731，这样整个场板73的加工只需要通过一次构图工艺，即包括1次金属积淀+1次光刻+1次刻蚀即可形成，减少了场板73制备工艺的复杂度和工业成本。
可继续参照图2，在本申请该实施例中，场效应管还可以包括：位于源漏金属层7上的平坦层8，以及位于平坦层8上的连接金属层9；其中，平坦层8包括源极连接孔81和漏极连接孔82，源极连接孔81和漏极连接孔82内一般填充有诸如钨的导电材料，源极连接孔81和漏极连接孔82的通孔深度一致，有利于控制平坦层8的通孔刻蚀工艺制程。连接金属层9包括源极连接垫91和漏极连接垫92，源极连接垫91通过源极连接孔81与源极71电连接，漏极连接垫92通过漏极连接孔82与漏极72电连接。
可继续参照图2，在本申请该实施例中，控制栅极3和金属栅极51构成栅结构30，控制栅极3可以为叠层结构，具体包括位于沟道层2上的PGaN层31和位于PGaN层31上的TiN层32，TiN层32在衬底1上的正投影可以落入PGaN层31的范围内。具体地，TiN层32和PGaN层31可以通过一次构图工艺形成，之后可以根据器件设计需求，选择性地对TiN层32的图案进行尺寸收缩，使其尺寸小于PGaN层31。
图3示例性示出了本申请实施例提供的另一种场效应管的剖面结构示意图。参照图3，在本申请另一个实施例中，控制栅极3可以为单层结构，具体包括PGaN层31，TiN层32设置在钝化层4与栅金属层5之间，控制栅极3、TiN层32和金属栅极51构成栅结构30，在钝化层4制作完成后，直接在钝化层4上生长TiN薄膜和栅金属薄膜，之后通过一次构图工艺形成TiN层32和栅金属层5的图案，使TiN层32在衬底1上的正投影与栅金属层5重合，此时在台阶52和金属栅极51的下方均具有TiN层32的图案。
可继续参照图2和图3，在本申请一些实施例中，可以通过定义版图和调整刻蚀工艺，使台阶52面向金属栅极51的侧壁可以垂直于钝化层4的表面，台阶52的截面类似于矩形，即在对栅金属层5进行构图时，形成图案的断面垂直于钝化层4的表面。
图4示例性示出了本申请实施例提供的另一种场效应管的剖面结构示意图。参照图4，在本申请另一个实施例中，为了优化栅漏之间的电场分布，可以通过定义版图和调整刻蚀工艺，使台阶52面向金属栅极51的侧壁向漏极72的方向倾斜，且台阶52面向金属栅极51的侧壁与台阶52面向钝化层4的表面之间的夹角θ小于90度，台阶52的截面类似于梯形。
可继续参照图2至图4，在本申请一些实施例中，台阶52和二阶场板732可以为一个，一阶场板731在衬底1上的正投影可以位于二阶场板732与金属栅极51之间，有利于在栅结构30和漏极72之间形成电场梯度分布，从而进一步对栅结构30进行保护。
图5示例性示出了本申请实施例提供的另一种场效应管的剖面结构示意图。参照图5，在本申请另一个实施例中，二阶场板732与一阶场板731之间可以断开设置，即两个场板之间为间断结构，一阶场板731直接从源极71引出，为了保证二阶场板732接入源极71的电信号，在平坦层8内还可以设置二阶场板连接孔83，源极连接垫91通过二阶场板连接孔83与二阶场板732电连接，即二阶场板732通过源极连接垫91接入源极71的电信号。
图6示例性示出了本申请实施例提供的另一种场效应管的剖面结构示意图。参照图6，在本申请另一个实施例中，台阶52可以为间隔结构即多段分布，使二阶场板732可以为多个，并且多个二阶场板732之间可以通过一阶场板731相互导通，也可以相互断开，也可以一部分二阶场板732之间通过一阶场板731相互导通，另一部分二阶场板732之间相互断开，在此不做限定。值得注意的是，与一阶场板731断开的二阶场板732需要参照图5所示的结构，通过二阶场板连接孔83与源极连接垫91电连接。
图7示例性示出了本申请实施例提供的一种场效应管的俯视结构示意图，图8示例性示出了本申请实施例提供的另一种场效应管的俯视结构示意图，图9示例性示出了本申请实施例提供的另一种场效应管的俯视结构示意图。参照图7，在本申请一个实施例中，通过调整栅金属层5的版图可以形成在第一方向X间断的台阶52，使二阶场板732可以仅沿着第一方向X排列，第一方向X为源极71指向漏极72的方向。参照图8，在本申请另一个实施例中，通过调整栅金属层5的版图也可以形成在第二方向Y间断的台阶52，使二阶场板732可以仅沿着第二方向Y排列，第二方向Y垂直于第一方向X。参照图9，在本申请另一个实施例中，通过调整栅金属层5的版图还可以形成在第一方向X和第二方向Y均间断的台阶52，使二阶场板732可以同时沿着第一方向X和第二方向Y排列，也可以认为二阶场板732为阵列排布。
图10示例性示出了本申请实施例提供的一种场效应管的制备方法的流程示意图。参照图10，该制备方法主要包括以下步骤：
S101、在衬底上依次形成沟道层、控制栅极和钝化层，钝化层具有暴露控制栅极的栅极开孔；
S102、在钝化层上形成栅金属层，栅金属层包括间隔设置的金属栅极和台阶，金属栅极通过栅极开孔与控制栅极电连接；
S103、在栅金属层上形成层间介质层，对层间介质层和钝化层刻蚀，形成分别位于金属栅极两侧的源极开孔和漏极开孔，台阶在衬底上的正投影位于漏极开孔与金属栅极之间；
S104、在层间介质层上形成源漏金属层，源漏金属层包括分别位于金属栅极两侧的源极和漏极、以及与源极电连接的场板，源极通过源极开孔与沟道层电连接，漏极通过漏极开孔与沟道层电连接；
其中，场板从源极向漏极一侧延伸且与漏极断开设置，场板在衬底上的正投影与金属栅极和台阶均存在交叠区域，场板包括在衬底上的正投影位于金属栅极与漏极之间的一阶场板和二阶场板，二阶场板为覆盖台阶的部分，一阶场板为除了二阶场板之外的部分。
本申请实施例提供的制备方法，通过在栅金属层中形成金属栅极图案的同时增加形成台阶的图案，可以使源漏金属层覆盖台阶的部分被垫高形成二阶场板，与未被台阶垫高的部分形成高度差，而未被台阶垫高的部分形成一阶场板，这样整个场板的加工只需要通过一次构图工艺，即包括1次金属积淀+1次光刻+1次刻蚀即可形成，减少了场板制备工艺的复杂度和工业成本。
可继续参照图10，在本申请该实施例中，制备方法还可以包括以下步骤：
S105、在源漏金属层上形成平坦层，平坦层包括源极连接孔和漏极连接孔，源极连接孔和漏极连接孔的通孔深度一致，有利于控制平坦层的通孔刻蚀工艺制程；
S106、在平坦层上形成连接金属层，连接金属层包括源极连接垫和漏极连接垫，源极连接垫通过源极连接孔与源极电连接，漏极连接垫通过漏极连接孔与漏极电连接。
为了方便理解本申请实施例提供的制备方法，下面以图4所示的结构为例，详细说明各步骤。图11示例性示出了制备图4所示结构的各步骤完成后的结构示意图。参照图11，在本申请该实施例中，制备方法包括以下步骤：
1、在衬底1上依次形成沟道层2、控制栅极3的图案，参照图11中A。
具体地，衬底1可采用Ⅲ-Ⅴ族化合物、硅、蓝宝石或碳化硅等半导体材料制备而成。沟道层2作为场效应管的功能层，用于形成场效应管的二维电子气。沟道层2可以包括层叠设置的GaN层和AlGaN势垒层，GaN层位于AlGaN势垒层和衬底1之间。在GaN层和AlGaN势垒层的接触面可形成沟道，二维电子气位于GaN层和AlGaN势垒层的接触面。源极71和漏极72可以与GaN层形成欧姆接触，当栅结构30控制沟道导通时，电子位于沟道中，源极71和漏极72可通过沟道中的电子导通；在栅结构30控制沟道断开时，沟道中没有自由电子，源极71和漏极72断开。
作为一个可选的方案，在衬底1上形成沟道层2之前，还可以在衬底1上形成缓冲层。缓冲层具体可通过化学气相沉积、外延生长等工艺形成在衬底1的表面。缓冲层作为一个可选的结构层。在设置时可根据需要设定缓冲层。如当衬底1可直接承载沟道层2时，可不设置缓冲层，沟道层2可直接形成在衬底1上；当沟道层2与衬底1的材质冲突时，沟道层2无法直接形成在衬底1上时，则设置缓冲层将衬底1与沟道层2隔离。缓冲层的材质需要根据衬底1的材质进行选择，在此不作限定。
具体地，控制栅极3可以包括PGaN层31和TiN层32，PGaN层31位于TiN层32和沟道层2之间。PGaN层31和TiN层32的图案可以通过一次构图工艺形成，例如可以在沟道层2上生长PGaN薄膜和TiN薄膜，之后对PGaN薄膜和TiN薄膜进行刻蚀，保留的PGaN层31和TiN层32作为控制栅极3。并且，可以根据需要选择性地对TiN层32作横向尺寸收缩处理。
2、积淀钝化层4，对钝化层4进行一次构图工艺，形成暴露控制栅极3的栅极开孔41，栅极开孔41一般小于控制栅极3的尺寸，参照图11中B。
具体地，钝化层4的材料包括但不限于SiO2、Si3N4、AlO、AlN或是多层介质薄膜的堆叠结构。
3、积淀栅金属层5，对栅金属层5进行一次构图工艺，形成金属栅极51和台阶52，金属栅极51通过栅极开孔41与控制栅极3电连接，台阶52在栅结构30和将要形成的漏极72之间的某一位置，参照图11中C。
具体地，栅金属层5的材料包括但不限于TiN、W、Ta、TaN、Pd、WSi等金属或金属化合物。
具体地，可以通过定义版图和调整刻蚀工艺，参照图2，使台阶52面向金属栅极51的侧壁可以垂直于钝化层4的表面，台阶52的截面类似于矩形，或者，参照图4，使台阶52面向金属栅极51的侧壁向漏极72的方向倾斜，且台阶52面向金属栅极51的侧壁与台阶52面向钝化层4的表面之间的夹角θ小于90度，台阶52的截面类似于梯形。台阶52与将要形成的漏极72之间间距一般保持在0.5um以上。
具体地，根据所需形成的二阶场板732的个数，可以制作一个或多个台阶52。参照图7至图9，多个台阶52可以在第一方向X和/或第二方向Y排列，第一方向X为将要形成的源极71指向漏极72的方向，第二方向Y垂直于第一方向X。
参照图3，当控制栅极3仅包括PGaN层31时，在沉积栅金属层5之前，还可以在钝化层4上形成独立于栅金属层5的TiN层32，之后可以通过一次构图工艺，形成具有相同图案的TiN层32和栅金属层5的图案。
4、积淀层间介质层6，对层间介质层6和钝化层4进行一次构图工艺打开欧姆接触窗，形成分别位于金属栅极51两侧的源极开孔61和漏极开孔62；之后再积淀源漏金属层7(也可以称为欧姆金属)，并对欧姆金属进行一次构图工艺，形成分别位于金属栅极51两侧的源极71和漏极72、以及与源极71电连接的场板73，源极71通过源极开孔61与沟道层2电连接，漏极72通过漏极开孔62与沟道层2电连接，即定义的源极欧姆金属将低电位引出，绕过栅结构30的延伸部分形成一阶场板731，位于台阶52之上的部分则形成二阶场板732，参照图11中的D。
具体地，根据台阶52设置的位置和个数，形成的二阶场板732可以为一个或多个。参照图2至图5，当台阶52和二阶场板732为一个时，一阶场板731在衬底1上的正投影可以位于二阶场板732与金属栅极51之间。参照图6至图9，当台阶52和二阶场板732为多个时，多个二阶场板732可以在第一方向X和/或第二方向Y排列，第一方向X为将要形成的源极71指向漏极72的方向，第二方向Y垂直于第一方向X。
具体地，欧姆金属的材料包括但不限于Al、Ti、W、TiN等金属或金属化合物。层间介质层6的材料包括但不限于SiO2、Si3N4、SiON等材料。
5、积淀平坦层8，对平坦层8进行一次构图工艺，形成源极连接孔81和漏极连接孔82，在源极连接孔81和漏极连接孔82内进行钨塞填充，之后，积淀连接金属层9，对连接金属层9进行一次构图工艺，形成源极连接垫91和漏极连接垫92，参照图11中的E，完成最终器件结构。
参照图5，当二阶场板732与一阶场板731之间断开设置时，即两个场板之间为间断结构，一阶场板731直接从源极71引出，为了保证二阶场板732接入源极71的电信号，在平坦层8内还可以设置二阶场板连接孔83，源极连接垫91通过二阶场板连接孔83与二阶场板732电连接，即二阶场板732通过源极连接垫91接入源极71的电信号。
本申请实施例还提供了一种电子电路，该电子电路可包括电路板和本申请提供的上述实施例任一种场效应管，该场效应管设置在电路板上。由于该电子电路解决问题的原理与前述一种场效应管相似，因此该电子电路的实施可以参见前述场效应管的实施，重复之处不再赘述。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (19)
1.一种场效应管，其特征在于，包括：
沟道层，位于衬底上；
控制栅极，位于所述沟道层上；
钝化层，位于所述控制栅极上，所述钝化层具有暴露所述控制栅极的栅极开孔；
栅金属层，位于所述钝化层上，所述栅金属层包括间隔设置的金属栅极和台阶，所述金属栅极通过所述栅极开孔与所述控制栅极电连接；
层间介质层，位于所述栅金属层上，贯穿所述层间介质层和所述钝化层的源极开孔和漏极开孔分别位于所述金属栅极两侧，所述台阶在所述衬底上的正投影位于所述漏极开孔与所述金属栅极之间；
源漏金属层，位于所述层间介质层上，所述源漏金属层包括分别位于所述金属栅极两侧的源极和漏极、以及与所述源极电连接的场板，所述源极通过所述源极开孔与所述沟道层电连接，所述漏极通过所述漏极开孔与所述沟道层电连接；
其中，所述场板从所述源极向所述漏极一侧延伸且与所述漏极断开设置，所述场板在所述衬底上的正投影与所述台阶存在交叠区域，所述场板包括在所述衬底上的正投影位于所述金属栅极与所述漏极之间的一阶场板和二阶场板，所述二阶场板为覆盖所述台阶的部分，所述一阶场板为除了所述二阶场板之外的部分。
2.如权利要求1所述的场效应管，其特征在于，所述台阶面向所述金属栅极的侧壁垂直于所述钝化层的表面；或，所述台阶面向所述金属栅极的侧壁向所述漏极的方向倾斜，且所述台阶面向所述金属栅极的侧壁与所述台阶面向所述钝化层的表面之间的夹角小于90度。
3.如权利要求1或2所述的场效应管，其特征在于，所述二阶场板为多个。
4.如权利要求3所述的场效应管，其特征在于，多个所述二阶场板沿着第一方向或第二方向排列，或多个所述二阶场板阵列排布，所述第一方向为所述源极指向所述漏极的方向，所述第二方向垂直于所述第一方向。
5.如权利要求1或2所述的场效应管，其特征在于，所述二阶场板为一个，所述一阶场板在所述衬底上的正投影位于所述二阶场板与所述金属栅极之间。
6.如权利要求1-5任一项所述的场效应管，其特征在于，还包括：
平坦层，位于所述源漏金属层上，所述平坦层包括源极连接孔和漏极连接孔；
连接金属层，位于所述平坦层上，所述连接金属层包括源极连接垫和漏极连接垫，所述源极连接垫通过所述源极连接孔与所述源极电连接，所述漏极连接垫通过所述漏极连接孔与所述漏极电连接。
7.如权利要求6所述的场效应管，其特征在于，所述二阶场板与所述一阶场板之间断开设置；
所述平坦层还包括二阶场板连接孔，所述源极连接垫通过所述二阶场板连接孔与所述二阶场板电连接。
8.如权利要求1-7任一项所述的场效应管，其特征在于，所述控制栅极包括：位于所述沟道层上的PGaN层和位于所述PGaN层上的TiN层，所述TiN层在所述衬底上的正投影落入所述PGaN层的范围内。
9.如权利要求1-7任一项所述的场效应管，其特征在于，所述控制栅极包括PGaN层；
所述场效应管还包括：TiN层，位于所述钝化层与所述栅金属层之间，所述TiN层在所述衬底上的正投影与所述栅金属层重合。
10.一种电子电路，其特征在于，包括电路板和设置在所述电路板上的如权利要求1-9任一项所述的场效应管。
11.一种场效应管的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上依次形成沟道层、控制栅极和钝化层，所述钝化层具有暴露所述控制栅极的栅极开孔；
在所述钝化层上形成栅金属层，所述栅金属层包括间隔设置的金属栅极和台阶，所述金属栅极通过所述栅极开孔与所述控制栅极电连接；
在所述栅金属层上形成层间介质层，对所述层间介质层和所述钝化层刻蚀，形成分别位于所述金属栅极两侧的源极开孔和漏极开孔，所述台阶在所述衬底上的正投影位于所述漏极开孔与所述金属栅极之间；
在所述层间介质层上形成源漏金属层，所述源漏金属层包括分别位于所述金属栅极两侧的源极和漏极、以及与所述源极电连接的场板，所述源极通过所述源极开孔与所述沟道层电连接，所述漏极通过所述漏极开孔与所述沟道层电连接；
其中，所述场板从所述源极向所述漏极一侧延伸且与所述漏极断开设置，所述场板在所述衬底上的正投影与所述金属栅极和所述台阶均存在交叠区域，所述场板包括在所述衬底上的正投影位于所述金属栅极与所述漏极之间的一阶场板和二阶场板，所述二阶场板为覆盖所述台阶的部分，所述一阶场板为除了所述二阶场板之外的部分。
12.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述台阶面向所述金属栅极的侧壁垂直于所述钝化层的表面；或，所述台阶面向所述金属栅极的侧壁向所述漏极的方向倾斜，且所述台阶面向所述金属栅极的侧壁与所述台阶面向所述钝化层的表面之间的夹角小于90度。
13.如权利要求11或12所述的制备方法，其特征在于，所述二阶场板为多个。
14.如权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述二阶场板在第一方向和/或第二方向排列，所述第一方向为所述源极指向所述漏极的方向，所述第二方向垂直于所述第一方向。
15.如权利要求11或12所述的制备方法，其特征在于，所述二阶场板为一个，所述一阶场板在所述衬底上的正投影位于所述二阶场板与所述金属栅极之间。
16.如权利要求15所述的制备方法，其特征在于，还包括：
在所述源漏金属层上形成平坦层，所述平坦层包括源极连接孔和漏极连接孔；
在所述平坦层上形成连接金属层，所述连接金属层包括源极连接垫和漏极连接垫，所述源极连接垫通过所述源极连接孔与所述源极电连接，所述漏极连接垫通过所述漏极连接孔与所述漏极电连接。
17.如权利要求16所述的制备方法，其特征在于，所述二阶场板与所述一阶场板之间断开设置；
所述平坦层还包括二阶场板连接孔，所述源极连接垫通过所述二阶场板连接孔与所述二阶场板电连接。
18.如权利要求11-17任一项所述的制备方法，其特征在于，形成所述控制电极包括：在所述沟道层上形成PGaN层，在所述PGaN层上形成TiN层，所述TiN层在所述衬底上的正投影落入所述PGaN层的范围内。
19.如权利要求11-17任一项所述的制备方法，其特征在于，在形成栅金属层之前，还包括：在所述钝化层上形成TiN层，所述TiN层在所述衬底上的正投影与所述栅金属层重合。
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| EP4141954A1 (en) | 2023-03-01 |
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