多沟道侧栅结构的绝缘栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件结构与制作，具体的说是一种多沟道侧栅结构的绝缘栅AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管，可用于制作大规模集成电路。
【背景技术】
[0002]近年来以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体以其大禁带宽度、高击穿电场、高热导率、高饱和电子速度和异质结界面二维电子气2DEG浓度高等特性，使其受到广泛关注。在理论上，利用这些材料制作的高电子迀移率晶体管HEMT、发光二极管LED、激光二极管LD等器件比现有器件具有明显的优越特性，因此近些年来国内外研究者对其进行了广泛而深入的研究，并取得了令人瞩目的研究成果。
[0003]AlGaN/GaN异质结高电子迀移率晶体管HEMT在高温器件及大功率微波器件方面已显示出了得天独厚的优势，追求器件高频率、高压、高功率吸引了众多的研究。由于器件栅长不断减小，栅控能力逐渐减弱，平面栅结构器件短沟道效应越来越明显，AlGaN/GaNHEMT器件关态泄漏电流逐渐增大，这不仅会降低器件的可靠性和亚阈值特性，而且会影响器件的低频噪声特性。平面栅器件中，栅压较高时使得载流子散射效应增强，器件饱和电流和跨导都受到较大影响，器件放大工作的线性度明显降低。
[0004]蔡勇等人对纳米沟道阵列AlGaN/GaN HEMT进行了分析研究。参见ShenghouLiu,Yong Cai, Guodong Gu, et al.Enhancement-Mode Operat1n of NanochannelArray (NCA) AlGaN/GaN HEMTs, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, 2012，VOL.33，N0.3。纳米沟道阵列器件的导电沟道除了来自表面栅的纵向电场的影响外，还来自两侧壁栅横向电场的影响，从而形成三维的二维电子气调制，加强了栅的调制能力。通过实验研究，证实了在100nm尺度内阈值电压与沟道宽度呈现明显的相关性。即随着沟道宽度逐渐减小，阈值电压正向增大，栅控能力增强。栅宽的减小使得阈值电压增大，证明了三维栅结构中的两个侧栅的横向电场对二维电子气有较强的调制作用。但是由于FinFET结构器件具有纳米量级的栅宽，栅宽的缩小使得源漏电流明显下降，器件的电流驱动能力下降，不利于器件在大功率方面的应用。
[0005]Dong Seup Lee等人报道了具有高线性度gni和fT的纳米沟道InAlN/GaN HEMTs器件。参见Dong Seup Lee, Han Wang, Allen Hsu, et al.Nanowire Channel InAlN/GaN HEMTsWith High Linearity of gmand fT, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, 2013，VOL.34，N0.8。文章介绍了在传统AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管中，随着栅偏置电压和漏极电流的增加，跨导在达到峰值后迅速下降。栅压的增大使得载流子之间存在库仑力散射及异质结界面散射，降低了载流子迀移率，导致载流子饱和速度降低，大大降低了器件的跨导性能。若仅采用侧栅结构的AlGaN/GaN HEMT器件，消除顶栅对载流子迀移率的影响，势必能将器件的传输特性明显提高。
[0006]为了进一步推动GaN异质结器件在更大电流、更高功率、更低功耗、更高频率、开关模式、多值逻辑门等领域的应用，对于多沟道多异质结材料和器件的研究就显得很有必要。
[0007]2005 年，Rongming Chu 报道了 AlGaN/GaN/AlGaN/GaN 材料结构，同时制作完成了双沟道的 HEMT 器件。参见 Rongming Chu, et al, AlGaN/GaN Double-Channel HEMTs, IEEETranscat1ns on electron devices, 2005.52 (4): 438。由于该结构有两个GaN层作为沟道层，故被称为双沟道AlGaN/GaN异质结。通过实验证明，双沟道中最邻近栅的沟道可以在高温、高压、高频等方面有屏蔽底层沟道少受影响的作用。与单沟道AlGaN/GaN异质结相比，双沟道AlGaN/GaN异质结可以有更高的2DEG总密度，使得器件饱和电流大幅度增加，对于功率应用的器件，饱和电流的提高至关重要。双沟道AlGaN/GaN异质结材料总势皇层厚度增加，顶栅结构器件中，栅对最下方的沟道控制能力减弱，引起跨导下降。
[0008]岳远征等人研究报道了原子层淀积超薄高κ介质A1203和Η??2作为栅介质的高性能AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迀移率晶体管M0S-HEMT。参见YuanzhengYue, Yue Hao, et al.AlGaN/GaN M0S-HEMT With Hf02Dielectric and Al203lnterfacialPassivat1n Layer Grown by Atomic Layer Deposit1n,IEEE ELECTRON DEVICELETTERS, 2008，VOL.29，N0.8。该晶体管采用高κ介质Α1203和HfO 2做介质栅，虽然能明显降低栅泄漏电流以及提高器件的击穿电压，但是由于该晶体管采用AlGaN/GaN单异质结结构，使得二维电子气密度较低，导致器件的饱和电流小；同时由于该晶体管采用一维栅结构，使得栅极对沟道的控制能力较弱，在沟道长度很短时，易出现短沟道效应，导致器件关态泄漏电流较大。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种多沟道侧栅结构的绝缘栅AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管，以提高栅控能力及器件的饱和电流和击穿电压，改善短沟道效应，降低关态泄漏电流和栅泄漏电流，提高载流子的迀移率和饱和速度，满足GaN基电子器件在高压开关、数字电路领域的应用要求。
[0010]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0011]1.一种多沟道侧栅结构的绝缘栅AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管，自下而上依次包括衬底、第一层AlGaN/GaN异质结、SiN钝化层、绝缘栅介质层和源漏栅电极，源电极和漏电极分别位于SiN钝化层两侧的顶层AlGaN势皇层上，其特征在于:
[0012]第一层AlGaN/GaN异质结与SiN钝化层之间设有GaN层和AlGaN势皇层，形成第二层AlGaN/GaN异质结；
[0013]绝缘栅介质层覆盖在SiN钝化层的顶部并包裹SiN钝化层、第一层异质结、第二层异质结的两个侧壁；
[0014]栅电极覆盖在整个绝缘栅介质层上。
[0015]作为优选，上述多沟道侧栅结构的绝缘栅AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管，其特征在于:第一层AlGaN/GaN异质结中AlGaN势皇层厚度与第二层AlGaN/GaN异质结中AlGaN势皇层厚度均为20?30nm，其A1组份为30?40%。
[0016]作为优选，上述多沟道侧栅结构的绝缘栅AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管，其特征在于:SiN钝化层的厚度为75?125nm。
[0017]作为优选，上述多沟道侧栅结构的绝缘栅AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管，其特征在于:绝缘栅介质层的厚度为2?4nm。
[0018]作为优选，上述多沟道侧栅结构的绝缘栅AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管，其特征在于:栅鳍宽度为30?50nm。
[0019]2.一种多沟道侧栅结构的绝缘栅AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管的制作方法，包括如下步骤:
[0020]第一步，在蓝宝石或SiC基片上，利用M0CVD工艺，依次生长GaN层和AlGaN势皇层形成第一层AlGaN/GaN异质结，其中GaN厚度为1.5?2.5 μ m，AlGaN势皇层厚度为20?30nm，其A1组份为30?40% ；
[0021]第二步，在第一层AlGaN/GaN异质结上重复生长一次或两次相同结构的GaN和AlGaN，获得双异质结或三异质结，形成多沟道结构，其中GaN厚度均为25?35nm，AlGaN势皇层厚度为20?30nm，其A1组份为30?40% ;
[0022]第三步，在所有异质结上进行有源区干法刻蚀和台面隔离，形成宽度为30?50nm的棚■鱼耆;
[0023]第四步，在最上表面的AlGaN势皇层两侧制作源、漏欧姆接触电极；
[0024]第五步，采用PECVD工艺，在源漏电极之间进行75?125nm厚的SiN层淀积覆盖其表面形成钝化层；
[0025]第六步，采用原子层淀积技术，在反应腔体中投入TMA和H20作为反应源，淀积2?4nm的绝缘栅介质，使其覆盖在SiN钝化层的顶部并包裹SiN钝化层、第一层异质结、第二层异质结的两个侧壁或SiN钝化层的顶部并包裹SiN钝化层、第一层异质结、第二层异质结及第三层异质结的两个侧壁；
[0026]第七步，在栅介质上方淀积金属形成栅电极；
[0027]第八步，制作互连引线。
[0028]本发明器件与现有同类器件相比具有如下优点:
[0029]1)电流驱动能力大
[0030]本发明采用多沟道AlGaN/GaN异质结结构，能使源漏之间形成多个并联的二维电子气通路，提高了二维电子气总密度，使得器件的饱和电流大幅度增加，大大降低了源漏之间的电阻，减小了器件的开态电阻。
[0031]2)提高了载流子的迀移率和饱和速度
[0032]本发明采用侧栅结构，使得顶栅和最上表面AlGaN势皇层之间存在厚的SiN层，降低了顶栅栅压