一种基于GaN异质结材料的Fin-HEMT器件的制作方法
【专利说明】-种基于GaN异质结材料的Fin-HEMT器件 【技术领域】
[0001] 本发明设及一种半导体器件，特别设及一种基于GaN异质结材料的Fin-HEMT器 件。 【【背景技术】】
[0002] GaN基材料作为第S代半导体材料，由于其突出的材料特性，已成为现代国际上研 究的热点。GaN材料特有的异质结极化效应W及GaN材料的高电子饱和速度，使得GaN基 HEMT器件成为良好的微波功率器件。而随着无线通信市场的快速发展W及传统军事应用的 持续发展，微波器件在人类生活及工作的许多方面扮演着重要的角色。
[0003] GaN基HEMT器件的常规结构如图1所示，包括衬底1'、衬底r上自下而上依次为 GaN缓冲层3'和势垒层5'，在所述势垒层5'上为源漏电极7'和栅电极9'，源漏电极为两 个分别在栅电极的两侧，所述势垒层为AlGaN或其他化合物材料，在源漏电极和栅电极之 间的势垒层上还有纯化层。所述GaN缓冲层和势垒层形成异质结结构，在该异质结结构上， 由于压电极化和自发极化效应，会在势垒层和缓冲层的交接处，较靠近缓冲层的位置，形成 一层带负电的二维电子气，由于能带的关系，二维电子气具有一定限域性。因此，当源漏电 极存在电压差时，电子就会在该二维平面上根据电势方向移动，形成电流。同时，通过栅电 极施加一定负电压，能够耗尽电子，获得器件的开关控制。
[0004] 应用于微波功率放大器的GaN基肥MT器件，栅电极结构通常为T型，如图2所示， 与势垒层接触的栅长较小，W保证具有较高的微波截止频率片（或称电流截止频率），同时 栅沿电流传导方向的截面积较大，W保证具有较小的栅极分布寄生电阻，从而提高最大振 荡频率(或称增益截止频率）。而相较于f T更具有实际应用价值，更能够决定器件 的实际最高工作频率。因此T型栅结构能获得均衡的片和f MM值，获得更好的器件的整体 工作性能。
[0007] 其中，氏为本征沟道电阻，R g为源极寄生电阻，Rg为栅极分布寄生电阻，Rds为漏极 输出电阻，Cgd为栅极-漏极本征电容，g m为跨导，C g为栅极本征电容。
[0008] 为了进一步改善HEMT器件的性能，有人提出了一种新的HEMT结构，如图3所示。 通过引入娃基CMOS中的Fin-FET概念，构建GaN基的Fin-HEMT器件。由于加入了 Fin结 构，并且在Fin的两侧有栅电极覆盖，能够得到更好的栅控效果。经过测试，采用Fin结构 的HEMT器件，饱和输出电流提高了=倍，跨导提高了四倍，亚阔值特性得到显著改善，获得 了更大的电流开关比，可W说各项参数均有大幅提高。因此，Fin-HEMT器件具有非常广阔 的应用前景。
[0009] 由于Fin-HEMT器件已证明了其饱和电流、跨导等关键特性大幅提高，因此如果将 其应用于微波领域，必然会使器件的微波和功率性能有大幅的提升，体现在几个主要指标 就是两个频率指标片Jmax和输出功率，输出功率如下式（4):
W11] 其中，Idss即为漏极饱和电流，Fin结构会减低膝点电压V k。。。，同时不影响VeK,因此 输出功率化Ut增加了。同时，Fin肥MT结构也能提高跨导gm，根据（1)(2)式，必然会提高 片、fwAXo
[0012] 但是，运种Fin-HEMT器件，器件栅宽只是等于Fin上表面的宽度XFin个数，因 此器件栅宽方向的实际栅金属长度远大于器件栅宽，设Fin深度为t，Fin间隙为W，Fin上 表面宽度为Wg,个数为n，则对于同样器件栅宽、同样栅金属截面积的常规HEMT器件来说， Fin-HEMT器件的实际栅金属长度对于的器件栅宽的比例r为：
[0014] 相当于将Fin-HEMT器件的栅极分布寄生电阻增大了 r倍，降低了器件的微波特 性，见式（1)。因此，目前的Fin-HEMT器件，如果应用于微波功率放大器中，最主要的问题就 是栅极分布寄生电阻Rg过大带来的器件性能下降。
[0015] 鉴于W上技术问题，实有必要提供一种新的HEMT器件结构，应用于微波功率放大 器中，不增加栅极分布寄生电阻Rg的情况下，提高HEMT器件的性能。 【
【发明内容】
】
[0016] 本发明提供了一种基于GaN异质结材料的Fin-肥MT器件，采用T-gate结构同时 结合Fin结构，W提高器件栅控能力，降低器件的栅极分布寄生电阻，提高HEMT器件的最大 振荡频率fm。、，进而提高器件的整体微波功率特性。 阳017] 本发明采用W下技术方案：
[0018] 一种基于GaN异质结材料的Fin-HEMT器件，在HEMT器件的异质结平面材料上通 过光刻形成有平行且间隔设置的多个Fin,在该Fin上设置有T型结构的栅。
[0019] 上述栅包括栅头和栅脚，所述栅脚的上表面为平面，下表面为梳齿形状，梳齿中的 每个齿刚好填充在相邻Fin之间的空隙。
[0020] 上述栅包括栅头和栅脚，所述栅脚的最大高度大于Fin结构的高度。
[0021] 上述栅包括栅头和栅脚，所述栅脚的上表面高于Fin结构的上表面。
[0022] 所述栅头为平板状结构，栅头的下表面接触栅脚的上表面。
[0023] 所述栅设置在Fin结构的中屯、位置或者偏置放置。
[0024] 与现有技术相比，本发明至少具有W下有益效果：在Fin-HEMT器件中加入本发明 提出的T型栅结构，能够有效提高沿电流传导方向的栅截面积，同时栅脚的梳齿结构有效 降低了Fin-HEMT器件的实际栅金属长度，缩短了电流在T型栅金属的传导距离，有效减小 栅极分布寄生电阻，提高器件的微波性能。 【【附图说明】】 阳02引图1是GaN肥MT器件的常规结构示意图。
[00%] 图2为应用于微波功率放大器的GaN基HEMT器件，其中，栅电极结构为T型。
[0027] 图3是一种引入娃基CMOS中的Fin-FET概念的HEMT结构。
[0028] 图4是本发明提出的基于GaN-HEMT器件结构图。
[0029] 图5是本发明提出的基于GaN-HEMT器件俯视图。
[0030] 图6是图5中C方向的示意图。
[0031] 图7是图5中D方向的示意图。
[0032] 图8是本发明器件的加工工艺流程图（从俯视图的角度）。
[0033] 图9是本发明器件的加工工艺流程图（图6中A方向的剖视图）。
[0034] 图10是本发明器件的加工工艺流程图（图6中B方向的剖视图）。 【【具体实施方式】】
[0035] 请参阅图4至图6所示，本发明的一种基于GaN异质结材料的Fin-HEMT器件，采用 T型栅结构结合Fin器件结构，具体包括衬底1、异质结结构3、形成在异质结结构上的Fin 结构5、栅头73和栅脚71，其中，Fin结构5包括多个平行且间隔设置的Fin,栅脚71为梳 齿结构，该结构上表面为平面，与栅头的下表面接触，栅脚下表面为梳齿形状，梳齿中的每 个齿刚好填充在相邻Fin之间的空隙，所述栅脚71的高度大于Fin结构的高度，因此，栅脚 的上表面高于Fin结构5的上表面；所述栅头为平板状结构，且栅头的下表面接触栅脚的上 表面。栅头和栅脚共同构成T型结构的栅，栅设置在Fin结构的中屯、位置或者偏置放置。
[0036] 设定Fin结构延伸的方向为X方向，栅头的延伸方向为Y方向（该方向为栅极电 流传导方向），与X方向和Y方向均垂直的方向为Z方向，则X方向为宽度方向，Y方向为长 度方向，Z方向为高度方向。栅头7的宽度大于栅脚5的宽度。从X方向的截面看，栅头和 栅脚形成T型结构的栅电极。
[0037] 本发明的工艺步骤如下：
[0038] 步骤（1):在GaN异质结平面材料上，采用电子束光刻工艺形成Fin结构；
[0039] 步骤（2):在步骤（1)得到的器件表面涂覆第一光刻胶，具体地说，在GaN异质结 平面材料上涂覆第一光刻胶，使第一光刻胶填满相邻Fin之间的间隙直至第一光刻胶完全 覆盖Fin结构的上表面；
[0040] 步骤（3):在第一光刻胶的上表面涂覆第二光刻胶，保证第二光刻胶完全覆盖第 一光刻胶；
[0041] 步骤（4):在第二光刻胶的表面进行二次曝光，其中，第一次曝光的曝光剂量保证 第一光刻胶和第二光刻胶同时发生反应，第二次曝光的曝光剂量保证仅上层的第二光刻胶 发生反应而第一光刻胶不发生反应，且第一次曝光的曝光窗口区域包含于第一次曝光的曝 光窗口区域之内； W42] 步骤巧）：在步骤（4)形成的器件表面沉积金属，在步骤（4)形成的窗口区域内沉 积形成T型结构的栅金属；沉积金属采用电子束蒸发工艺；
[0043] 步骤化）：采用剥离工艺将第一光刻胶、第二光刻胶，W及第二光刻胶表面多余的 金属剥离掉，获得T型结构的栅金属。
[0044] 本发明结构，首先在Fin-HEMT器件中加入了 T型栅结构，能够有效提高沿栅电流 传导方向的栅金属截面积，同时由于栅极电流主要在T型栅金属的上层传导，栅脚的梳齿 结构有效的降低了 Fin-HEMT器件的实际栅金属长度，缩短了电流在T型栅金属内的传导距 离，有效减小栅极分布寄生电阻，提高器件的微波性能。
【主权项】
1. 一种基于GaN异质结材料的Fin-HEMT器件，其特征在于：在HEMT器件的异质结平 面材料上通过光刻并刻蚀形成有平行且间隔设置的多个Fin，在该Fin上设置有T型结构并 为梳齿状的栅。2. 根据权利要求1所述的一种基于GaN异质结材料的Fin-HEMT器件，其特征在于：上 述栅包括栅头和栅脚，所述栅脚的上表面为平面，下表面为梳齿形状，梳齿中的每个齿刚好 填充在相邻Fin之间的空隙。3. 根据权利要求1或2所述的一种基于GaN异质结材料的Fin-HEMT器件，其特征在 于：上述栅包括栅头和栅脚，所述栅脚的最大高度大于Fin结构的高度。4. 根据权利要求1或2所述的一种基于GaN异质结材料的Fin-HEMT器件，其特征在 于：上述栅包括栅头和栅脚，所述栅脚的上表面高于Fin结构的上表面。5. 根据权利要求1所述的一种基于GaN异质结材料的Fin-HEMT器件，其特征在于：所 述栅头为平板状结构，栅头的下表面接触栅脚的上表面。6. 根据权利要求1至5中任意一项所述的一种基于GaN异质结材料的Fin-HEMT器件， 其特征在于：所述栅设置在Fin结构的中心位置或者偏置放置。
【专利摘要】本发明提供了一种基于GaN异质结材料的Fin-HEMT器件，器件包括衬底、异质结材料、Fin结构，以及栅金属，所述异质结材料设置在衬底上表面，Fin结构包括多个平行且间隔设置的Fin，栅金属设置在Fin结构上表面且采用T型结构。本发明在Fin-HEMT器件中加入了T型栅结构，能够有效提高沿栅电流传导方向的栅金属截面积，同时由于电流主要在T型栅金属的上层传导，有效的降低了Fin-HEMT器件的实际栅金属长度，有效减小栅极分布寄生电阻，提高器件的微波性能。
【IPC分类】H01L29/423, H01L29/205, H01L21/335, H01L29/778, H01L21/28
【公开号】CN105390540
【申请号】CN201510688708
【发明人】张鹏, 宓珉翰, 何云龙, 张濛, 马晓华, 郝跃
【申请人】西安电子科技大学
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年10月21日