T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迁移率晶体管的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迁移率晶体管。主要解决现有微波功率器件的最高振荡频率小，欧姆接触电阻大，短沟道效应严重的问题。其自下而上包括：衬底(1)、GaN缓冲层(2)、AlGaN势垒层(3)、GaN沟道层(4)、栅介质层(5)、钝化层(6)和源、漏、栅电极。其中缓冲层和沟道层采用N面GaN材料；GaN沟道层和AlGaN势垒层组成GaN/AlGaN异质结；栅电极采用T型栅，且包裹在GaN/AlGaN异质结的两侧和上方，形成三维立体栅结构。本发明器件具有栅控能力好，欧姆接触电阻小及最高振荡频率高的优点，可用作小尺寸的微波功率器件。
【专利说明】
T栅N面GaN/A I GaN鳍式高电子迁移率晶体管
技术领域
[0001]本发明属于微电子器件技术领域，具体地说是一种T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迀移率晶体管Fin-HEMT，可用于微波功率集成电路。
【背景技术】
[0002]GaN材料作为第三代半导体材料，由于禁带宽度大、二维电子气2DEG浓度高和电子饱和速度高等优点，被认为是制作微波功率器件及高速器件的优良材料。特别是AlGaN/GaN异质结高电子迀移率晶体管HEMT，在微波功率电路中有广泛的应用。
[0003]随着晶体管尺寸的缩小，栅长越来越短，传统高电子迀移率晶体管HEMT的短沟道效应越来越明显。普通的I型栅，其寄生电容和寄生电阻较大，影响高电子迀移率晶体管的交流小信号特性和功率特性。用鳍式场效应晶体管FinFET结构制作的AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管HEMT器件，采用三维立体结构，使栅极将沟道从三个方向包裹起来，提高了栅控能力，改善了短沟道效应。2014年，南洋理工大学的S.Arulkumaran等人首次在娃衬底上制备出了 InAlN/GaN Fin-HEMT，这种结构有更低的漏致势皇降低，更高的开关电流比，参见In0.17Al0.83N/AlN/GaN Triple T-shape Fin-HEMTs with gm = 646mS/mm, 1n= 1.03A/mm,1ff=1.13yA/mm,SS = 82mV/dec and DIBL = 28mV/V at Vd = 0.5V, IEEE, Internat1nalElectron Device Meeting(IEDM) ,2014:25.6.1-25.6.4。该器件采用的是Ga面GaN基结构，相比于N面GaN基器件，Ga面GaN基器件有较高的欧姆接触电阻，较差的二维电子气限域性，对短沟道效应的抑制能力也较弱。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对上述高电子迀移率晶体管HEMT器件的不足，提出一种T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迀移率晶体管及制作方法，以抑制短沟道效应，减小欧姆接触电阻，提尚最大振荡频率。
[0005]为实现上述目的，本发明的T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迀移率晶体管，自下而上包括衬底l、GaN缓冲层2、AlGaN势皇层3、GaN沟道层4、栅介质层5、钝化层6和源、漏、栅电极，其特征在于:
[0006]GaN缓冲层和沟道层均采用N面GaN;
[0007]栅电极采用T型栅并且包裹在GaN/AlGaN异质结的两侧和上方，形成三维立体栅结构。
[0008]依据上述技术思路，本发明制作T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迀移率晶体管的方法，包括如下步骤:
[0009]I)在C面SiC、a面蓝宝石或N面GaN单晶衬底上，利用分子束外延MBE或金属有机化合物化学气相淀积MOCVD生长1.5?3μπι的N面GaN缓冲层；
[0010]2)在GaN缓冲层上先生长20nm厚的AlGaN，其Al组分从5%渐变到30% ;再生长厚度为5?1nm的AlGaN，其Al组分为30% ；[0011 ] 3)在AlGaN势皇层上生长厚度为20?30nm的N面GaN沟道层；
[0012]4)通过刻蚀GaN沟道层、AlGaN势皇层和GaN缓冲层的边缘部分，形成鳍型GaN/AlGaN异质结；
[0013]5)在GaN沟道层上表面的两端制作源、漏电极；
[0014]6)利用原子层淀积ALD或等离子体增强化学气相淀积PECVD技术在AlGaN势皇层和GaN沟道层表面生长栅介质层；
[0015]7)在栅介质层上光刻T型栅的栅形状，并用电子束蒸发制备栅电极；
[0016]8)在SiN和电极表面利用等离子体增强化学气相淀积PECVD淀积钝化层，刻蚀掉电极键合点上多余的钝化层，并进行金属互连蒸发，完成器件的制备。
[0017]本发明具有如下优点:
[0018]1.本发明器件由于采用N面GaN材料，所以欧姆接触电阻较小，有很好的二维电子气限域性，而且因为势皇层在沟道层下方，所以可以灵活缩小栅与沟道的距离。
[0019]2.本发明器件由于采用鳍型Fin栅结构，可以很好的抑制短沟道效应，加强栅控能力。
[0020]3.本发明器件由于采用T型栅电极，可以提高器件的最高振荡频率，提高器件的微波性能。
【附图说明】
[0021 ]图1是本发明器件结构示意图；
[0022]图2是图1中水平方向a的剖视图；
[0023]图3是图1中垂直方向b的剖视图；
[0024]图4是本发明器件的制作工艺流程示意图。
【具体实施方式】
[0025]以下结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0026]参照图1、图2和图3，本发明器件包括衬底l、GaN缓冲层2、AlGaN势皇层3、GaN沟道层4、栅介质层5、SiN钝化层6和栅、源、漏电极。其中衬底I采用SiC或GaN或蓝宝石;N面GaN缓冲层2位于衬底I之上，其厚度是1.5?3μπι; AlGaN势皇层3位于N面GaN缓冲层2之上，该势皇层3由两层AlGaN组成，其中第一层AlGaN的厚度是20nm，Al组分从5%渐变到30 %，第二层AlGaN的厚度是5?10nm，Al组分为30% ;N面GaN沟道层4位于AlGaN势皇层3的上面，其厚度是20?30nm; AlGaN势皇层3和GaN沟道层4的宽度均为2?5μπι; GaN沟道层4和AlGaN势皇层3组成GaN/AlGaN异质结;栅介质层5位于沟道层4的周围和势皇层3的两侧，该栅介质层5采用SiN或AI2O3，其厚度是5?1nm;栅电极位于栅介质层5的两侧和上方，该栅电极采用T型结构，其由栅颈和栅帽组成，栅颈的高度为40?90nm，栅颈的长度为200?500nm，栅帽的高度为100?300nm，栅帽的长度为300?600nm;源电极位于沟道层4上表面的左端，漏电极位于沟道层4上表面的右端;钝化层6覆盖在源、漏、栅电极和栅介质层5的表面，该钝化层6采用SiN，其厚度为50?lOOnm。
[0027 ] 参照图4，本发明给出制备T栅N面GaN/ΑΙ GaN鳍式高电子迀移率晶体管的如下三种实施例。
[0028]实施例1:制作鳍型GaN/AlGaN异质结宽度为2μπι，Τ型栅的栅颈高度为50nm，栅帽高度为10nm的T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迀移率晶体管。
[0029]步骤一:生长缓冲层。
[0030]在温度为680°C，压强为5 X 10—3Pa的工艺条件下，利用分子束外延MBE设备在图4
(a)所示的蓝宝石衬底上生长一层厚度为1.5μπι的N面GaN缓冲层。
[0031]步骤二:生长势皇层。
[0032]在温度为680°C，压强为5X 10—3Pa的工艺条件下，利用分子束外延MBE设备在GaN层上先生长一层厚度为20nm的AlGaN，Al组分从下到上由5%渐变到30%;再生长一层厚度为1nm，Al 组分为 30% 的 AlGaN 层。
[0033]步骤三:生长沟道层。
[0034]在温度为680°C，压强为5X 10—3Pa的工艺条件下，利用分子束外延MBE设备在AlGaN层上生长一层厚度为20nm的N面GaN沟道层，GaN沟道层与AlGaN势皇层形成GaN/AlGaN异质结，GaN/AlGaN异质结界面处形成二维电子气。
[0035]上述步骤一、步骤二和步骤三的生长结果如图4(b)。
[0036]步骤四:刻蚀鳍型GaN/AlGaN异质结。
[0037]在GaN层上涂光刻胶，利用电子束光刻机进行曝光，得到鳍型Fin图案，再利用Cl2进行刻蚀，形成宽度为2μπι的鳍型GaN/AlGaN异质结，结果如图4(c)。
[0038]步骤五:制作源、漏电极。
[0039]在GaN沟道层上涂胶得到光刻胶掩模，利用电子束光刻机曝光形成源、漏区域，并进行金属蒸发，选用Ti/Au做源、漏电极，其中Ti为5nm，Au为20nm，蒸发完成后进行金属剥离;再利用快速热退火炉在他氛围中进行退火处理，得到源、漏电极，结果如图4(d)。
[0040]步骤六:制作栅介质层。
[0041 ]利用等离子体增强化学气相淀积PECVD在GaN沟道层上生长一层55nm厚的SiN，然后涂胶，光刻得到栅图形；用SF6刻蚀掉栅区域50nm厚的SiN形成栅槽，剩余5nm厚的SiN作为栅介质层，制作结果如图4(e)。
[0042]步骤七:制作栅极。
[0043]在栅槽位置采用电子束光刻机光刻T型栅形状，然后进行金属蒸发，选用Ti/Au做栅电极，其中Ti为50nm，Au为lOOnm，然后进行金属剥离，最终形成T型栅金属电极，T型栅的栅颈高度为50nm，栅颈长度为200nm，栅帽的高度为10011111，栅帽的长度为300111110
[0044]步骤八:制作钝化层。
[0045]利用等离子体增强化学气相淀积PECVD在SiN和电极表面淀积厚度为50nm的SiN钝化层;然后在键合点光刻露出互连窗口，使用Cl2刻蚀掉互连窗口处多余的SiN钝化层，并进行金属互连蒸发，完成器件的制备。
[0046]上述步骤七和步骤八的制作结果如图4(f)。
[0047]实施例2:制作鳍型GaN/AlGaN异质结宽度为3μπι，Τ型栅的栅颈高度为70nm，栅帽高度为200nm的T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迀移率晶体管。
[0048]步骤1:生长缓冲层。
[0049]在SiC衬底上利用分子束外延MBE生长一层厚度为2μπι的N面GaN缓冲层，其生长的工艺条件是:
[0050]生长温度为680°C，压强为5X10—3Pa。
[0051]步骤2:生长势皇层。
[0052]在GaN层上利用分子束外延MBE先生长一层厚度为20nm的AlGaN，Al组分从下到上由5 %渐变到30 % ;再生长一层厚度为8nm，Al组分为30 %的AlGaN层，其生长的工艺条件是:
[0053]生长温度为680°C，压强为5X10—3Pa。
[0054]步骤3:生长沟道层。
[0055]在AlGaN层上利用分子束外延MBE生长一层厚度为25nm的N面GaN沟道层，形成GaN/AlGaN异质结，GaN沟道层与AlGaN势皇层的界面处形成二维电子气，其生长的工艺条件是:
[0056]生长温度为680°C，压强为5X10—3Pa。
[0057]步骤4:刻蚀鳍型GaN/AlGaN异质结。
[0058]在GaN层上涂光刻胶，利用电子束光刻机进行曝光，得到鳍型Fin图案，再利用Cl2进行刻蚀，形成宽度为3μπι的鳍型GaN/AlGaN异质结。
[0059]步骤5:制作源、漏电极。
[0060]本步骤的实现与实施例1的步骤五相同。
[0061]步骤6:制作栅介质层。
[0062]本步骤的实现与实施例1的步骤六相同。
[0063]步骤7:制作栅电极。
[0064]在栅槽位置采用电子束光刻机光刻栅形状，然后进行金属蒸发，选用Ti/Au做栅电极，其中Ti为70nm，Au为200nm，然后进行金属剥离，最终形成T型栅金属电极，T型栅的栅颈高度为70nm，栅颈长度为300nm，栅帽的高度为200nm，栅帽的长度为400nmo
[0065]步骤8:制作钝化层。
[0066]本步骤的实现与实施例1的步骤八相同。
[0067]实施例3:制作鳍型GaN/AlGaN异质结宽度为2.5μπι，Τ型栅的栅颈高度为90nm，栅帽高度为250nm的T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迀移率晶体管。
[0068]步骤A:在衬底上生长缓冲层。
[0069]利用分子束外延MBE设备在温度为680°C，压强为5 X 10—3Pa的工艺条件下，在SiC衬底上生长一层厚度为2.5μπι的N面GaN缓冲层。
[0070]步骤B:在缓冲层上生长势皇层。
[0071]利用分子束外延MBE设备在温度为680°C，压强为5 X 10—3Pa的工艺条件下，在GaN缓冲层上先生长一层厚度为20nm的AlGaN，Al组分从下到上由5 %渐变到30 %，再生长一层厚度为5nm，Al组分为30 %的AlGaN层。
[0072]步骤C:在势皇层上生长沟道层。
[0073]利用分子束外延MBE设备在温度为680°C，压强为5 X 10—3Pa的工艺条件下，在AlGaN层上生长一层厚度为22nm的N面GaN沟道层，形成GaN/AlGaN异质结，GaN沟道层与AlGaN势皇层的界面处形成二维电子气。
[0074]步骤D:刻蚀鳍型GaN/AlGaN异质结。
[0075]在GaN层上涂光刻胶，利用电子束光刻机进行曝光，得到鳍型Fin图案，再利用Cl2进行刻蚀，形成宽度为2.5μπι的鳍型GaN/AlGaN异质结。
[0076]步骤E:制作源、漏电极。
[0077]本步骤的实现与实施例1的步骤五相同。
[0078]步骤F:制作栅介质层。
[0079]本步骤的实现与实施例1的步骤六相同。
[0080]步骤G:制作栅电极。
[0081]在栅槽位置采用电子束光刻机光刻栅形状，然后进行金属蒸发，选用Ti/Au做栅电极，其中Ti为90nm，Au为250nm，然后进行金属剥离，最终形成T型栅金属电极，T型栅的栅颈高度为90nm，栅颈长度为400nm，栅帽的高度为250nm，栅帽的长度为500nmo
[0082]步骤H:制作钝化层。
[0083]本步骤的实现与实施例1的步骤八相同。
【主权项】
1.一种T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迀移率晶体管，自下而上包括衬底(I)、GaN缓冲层(2)、AlGaN势皇层⑶、GaN沟道层(4)、栅介质层(5)、钝化层(6)和栅、源、漏电极，GaN沟道层和AlGaN势皇层形成GaN/AlGaN异质结，其特征在于: GaN缓冲层和沟道层均采用N面GaN; 栅电极采用T型栅，且包裹在GaN/AlGaN异质结的两侧和上方，形成三维立体栅结构。2.根据权利要求1所述的T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迀移率晶体管，其中衬底(I)采用蓝宝石或SiC或N面GaN。3.根据权利要求1所述的T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迀移率晶体管，其中缓冲层(2)采用N面GaN，厚度为1.5?3μπι。4.根据权利要求1所述的T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迀移率晶体管，其中AlGaN势皇层(3)包括两层AlGaN，从下到上的第一层是厚度为20nm，Al组分从5%渐变到30%的AlGaN，第二层是厚度为5?10nm，Al组分为30%的AlGaN05.根据权利要求1所述的T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迀移率晶体管，其中沟道层(4)采用N面GaN，厚度为20?30nm。6.根据权利要求1所述的N面GaN基鳍式高电子迀移率晶体管，其中栅介质层(5)采用SiN，厚度为5?1nm07.根据权利要求1所述的T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迀移率晶体管，其中T型栅由栅颈和栅帽组成，栅颈的高度为40?90nm，栅颈的长度为200?500nm，栅帽的高度为100?300nm，栅帽的长度为300?600nm。8.一种T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迀移率晶体管的制作方法，包括如下步骤: 1)在C面SiC、a面蓝宝石或N面GaN单晶衬底上，利用分子束外延MBE或金属有机化合物化学气相淀积MOCVD生长1.5?3μπι的N面GaN缓冲层； 2)在GaN缓冲层上先生长20nm厚的AlGaN，其Al组分从5%渐变到30%;再生长厚度为5?1nm的AlGaN，其Al组分为30% ； 3)在AlGaN势皇层上生长厚度为20?30nm的N面GaN沟道层； 4)通过刻蚀GaN沟道层、AlGaN势皇层和GaN缓冲层的边缘部分，形成鳍型GaN/AlGaN异质结； 5)在GaN沟道层上表面的两端制作源、漏电极； 6)利用原子层淀积ALD或等离子体增强化学气相淀积PECVD技术在AlGaN势皇层和GaN沟道层表面生长栅介质层； 7)在栅介质层上光刻T型栅形状，并用电子束蒸发制备栅电极； 8)在半导体和电极表面利用等离子体增强化学气相淀积PECVD淀积钝化层，刻蚀掉电极键合点上多余的钝化层，并进行金属互连蒸发，完成器件的制备。9.根据权利要求8所述的T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迀移率晶体管的制作方法，其中鳍型GaN/AlGaN异质结的宽度是2?5μπι。
【文档编号】H01L21/336GK105914232SQ201610298895
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】张金风, 黄旭, 安阳, 张进成, 郝跃
【申请人】西安电子科技大学