专利名称：一种场效应晶体管多层场板器件及其制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体材料中微波功率器件技术领域，尤其涉及一种铝镓氮/氮化镓高电子迁移率场效应晶体管(AlGaN/GaN HEMT)多层场板器 件及其制作方法。
背景技术：
氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体材料，以其禁带宽度大 (3.4eV)、击穿电压高(3.3MV/cm)、 二维电子气浓度高(大于1013cm2)、 饱和电子速度大(2.8xl07cm/s)等特性在国际上受到广泛关注。目前，AlGaN/GaN HEMT器件的高频、高压、高温以及大功率特性 使之在微波功率器件方面有着巨大的前景。对于常规的AlGaN/GaN HEMT器件，通常的工艺步骤如图1所示， 图1为目前制作常规AlGaN/GaN HEMT器件的方法流程图，该方法具体包括以下步骤-步骤101:光学光刻，形成对准标记，蒸发标记金属； 步骤102:光学光刻源漏图形，并蒸发源漏金属； 步骤103:退火，使源漏金属与衬底材料形成良好的欧姆接触； 步骤104:有源区隔离；步骤105:光学光刻制作栅线条； 步骤106:蒸发栅金属； 步骤107:金属布线； 步骤108:制作空气桥； 步骤109:测试分析。但是，AlGaN/GaN HEMT功率器件中仍有很多问题没有解决，关键 的两个问题是电流崩塌效应和过大的栅反向漏电。研究发现，这两个现象 都和AlGaN的表面态有直接的关系。为了降低表面陷阱效应以达到抑制电流崩塌的作用，氮化硅(SiN) 被采用做为介质膜对器件进行钝化工艺处理。钝化工艺的采用有效地抑制 了电流崩塌效应，增大了器件微波功率输出的能力。但是，也同时减小了 器件的击穿电压。如何折衷处理电流崩塌与击穿电压的关系，是使得AlGaN/GaN器件 应用在高频高压大功率领域的重要问题。为此，引入了栅连接场板的工艺。 栅连接场板的引入起到了调制栅-漏间的表面态陷阱的作用，以起到抑制电 流崩塌的作用；同时，场板的引入，使得栅一漏间的电场得到重新分布。未做场板前，栅-漏间电场强度最大点位于栅金属边缘，而栅-漏间的 场板使得电场强度最大值区域向漏端扩张，峰值降低，大大提高了器件的 击穿电压。但是，栅连接场板的加入增加了栅漏间的电容，同时也增加了耗尽区 的长度，导致了增益的下降。为了解决这个问题，提出了源连接场板的概 念。在这种结构中，场板和沟道间的电容是漏一源电容，可以被输出匹配网络吸收，而栅场板场板结构带来的Miller反馈电容也不存在了。因此， 有效地同时提高了器件的输出功率和增益。发明内容(一) 要解决的技术问题有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种AlGaN/GaN HEMT多层 场板器件，以提高AlGaN/GaN HEMT器件的击穿特性，并抑制AlGaN/GaN HEMTs器件的电流崩塌现象。本发明的另一个目的在于提供一种制作AlGaN/GaN HEMT多层场板 器件的方法，以提高AlGaN/GaN HEMTs器件的击穿特性，并抑制 AlGaN/GaN HEMTs器件的电流崩塌现象。(二) 技术方案为达到上述一个目的，本发明提供了一种AlGaN/GaN HEMT多层场 板器件，该器件包括栅极，位于栅极两侧的源极和漏极；其中，栅极、源极和漏极位于衬底材料顶层AlGaN外延层上，源极与AlGaN 外延层以及漏极与AlGaN外延层之间通过退火合金形成欧姆接触；形成了栅极、源极和漏极的器件表面淀积氮化硅(SiN)介质膜，在 该层介质膜上蒸发栅连接场板的图形；随后在已经形成的器件表面再次淀 积SiN介质膜，在该层介质膜上蒸发源连接场板的图形。所述衬底材料由下至上依次包括蓝宝石衬底、氮化镓GaN和AlGaN 外延层三层结构；其中，蓝宝石衬底，用于作为生长GaN外延层的衬底材料；AlGaN/GaN外延层结构，AlGaN外延层和GaN外延层间形成异质 结，产生高浓度的二维电子气，提供大的电流密度和功率输出能力。为达到上述另一个目的，本发明提供了一种制作AlGaN/GaN HEMT 多层场板器件的方法，该方法基于常规的AlGaN/GaN HEMT器件制作工 艺，在形成栅金属接触后，先制作栅连接场板，再制作源连接场板，形成 AlGaN/GaN HEMT多层场板器件。该方法具体包括A、 在衬底材料上进行光学光刻，形成对准标记，蒸发标记金属；B、 在蒸发过标记金属后，在AlGaN外延层上光学光刻源漏图形，并 蒸发源漏金属，然后高温快速热退火，在源漏金属与衬底材料之间形成欧 姆接触，形成源极和漏极；C、 进行离子注入，对有源区进行隔离；D、 在衬底材料上源极和漏极之间的位置光学光刻制作栅线条，蒸发 栅金属，形成栅极；E、 在制作有源极、漏极和栅极的衬底材料表面淀积SiN介质膜；F、 光学光刻栅场板图形，蒸发金属；G、 二次淀积SiN介质膜；H、 光学光刻源场板图形，蒸发金属；I、 光学光刻金属布线图形，蒸发金属。 所述衬底材料从上到下依次为AlGaN、 GaN和蓝宝石。 所述衬底材料在AlGaN与GaN之间进一步包括一层A1N。步骤B中所述蒸发的源漏金属为Ti/Al/Ti/Au，所述高温快速热退火的条件为在750。C至800。C的氮气氛围中退火30秒。步骤C中所述进行离子注入时注入的离子为高能He+离子；步骤D中所述蒸发的栅金属为Ni/Au，步骤F中所述蒸发的金属为Ni/Au,步骤H中所述蒸发的金属为Ni/Au，步骤I中所述蒸发的金属为Ti/Au。步骤E中所述淀积采用PECVD方法，淀积介质膜种类为Si3N4，淀积 的介质膜的厚度为1000 A;步骤G中所述淀积采用PECVD方法，淀积介质膜种类为Si3N4，淀 积的介质膜的厚度为3000A。该方法进一步包括J、制作空气桥和测试分析。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果1、 本发明提供的这种AlGaN/GaN HEMT多层场板器件及其制作方 法，由于基于常规的AlGaN/GaN HEMT器件制作工艺，在形成栅金属接 触后，先制作栅连接场板，再制作源连接场板，形成AlGaN/GaN HEMT 多层场板器件，所以大大提高了 AlGaN/GaN HEMT器件的击穿特性，并 有效地抑制了 AlGaN/GaN HEMT器件的电流崩塌现象。2、 利用本发明制作的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件，从击穿电压 测试可以看出，该结构的击穿电压远比只采用栅连接场板或源连接场板结 构的击穿电压大，这是因为，两层场板的采用，使得栅一漏间的电场由一 层场板的两个尖峰变成了三个尖峰的E型结构，峰值变小，也就是最大电场值变小，所以击穿电压得到提高。3、利用本发明制作的AlGaN/GaNHEMT多层场板器件，在功率输出 方面，基本完全消除了电流崩塌现象。而且，不同于常规结构的是，常规 结构HEMT器件在二十几伏的漏压下功率就达到饱和，即使漏压可以加上 去，输出功率基本不增加，而采用两层场板结构的HEMT器件，在大电压 情况时，当漏压大于40伏，随着漏压的增加，输出功率仍然增加，证明 这种结构的HEMT结构充分发挥了 AlGaN/GaN材料体系在功率输出上的 潜力。
图1为目前制作常规AlGaN/GaNHEMT器件的方法流程图； 图2为本发明提供的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的结构示意图； 图3为本发明提供的制作AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的方法流 程图；图4为本发明提供的制作AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的工艺流 程图；图5为本发明提供的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的击穿特性示 意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。如图2所示，图2为本发明提供的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件 的结构示意图。该AlGaN/GaNHEMT多层场板器件包括 栅极，位于栅极两侧的源极和漏极；其中，栅极、源极和漏极位于衬底材料顶层铝镓氮(AlGaN)外延层上，源 极与AlGaN外延层以及漏极与AlGaN外延层之间通过退火合金形成欧姆 接触；形成了栅极、源极和漏极的器件表面淀积SiN介质膜，在该层介质膜 上蒸发栅连接场板的图形；随后在己经形成的器件表面再次淀积SiN介质 膜，在该层介质膜上蒸发源连接场板的图形。所述衬底材料由下至上依次包括蓝宝石衬底、氮化镓(GaN)和AlGaN 外延层三层结构；其中，蓝宝石衬底，用于作为生长GaN外延层的衬底 材料；AlGaN/GaN外延层结构，AlGaN外延层和GaN外延层间形成异质 结，产生高浓度的二维电子气，提供大的电流密度和功率输出能力。基于图2所示的AlGaN/GaN HEMT多层场板器件，图3示出了本发 明提供的制作AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的方法流程图。该方法基 于常规的GaN HEMT器件制作工艺，在形成栅金属接触后，先制作栅连 接场板，再制作源连接场板，形成AlGaN/GaN HEMT多层场板结构。该 方法具体包括以下步骤步骤301:在衬底材料上进行光学光刻，形成对准标记，蒸发标记金属；在本步骤中，所述衬底材料从上到下依次为AlGaN、 GaN和蓝宝石，或者也可以在AlGaN与GaN之间进一步包括一层A1N。步骤302:在蒸发过标记金属后，在AlGaN外延层上光学光刻源漏图形，并蒸发源漏金属(Ti/Al/Ti/Au)，然后高温快速热退火，在源漏金属与衬底材料之间形成欧姆接触，形成源极和漏极；在本步骤中，所述高温快速热退火的条件为在750'C至800'C的氮气氛围中退火30秒；与本步骤对应的工艺流程图如图4 (a)所示。 步骤303:进行离子注入，对有源区进行隔离；在本步骤中，使用高能He+离子对隔离区进行离子注入，与本步骤对 应的工艺流程图如图4 (b)所示。步骤304:在衬底材料上源极和漏极之间的位置光学光刻制作栅线条， 蒸发栅金属Ni/Au，形成栅极；与本步骤对应的工艺流程图如图4 (c)所示。步骤305:在制作有源极、漏极和栅极的衬底材料表面淀积SiN介质膜；在本步骤中，所述淀积采用PECVD方法，淀积介质膜种类为Si3N4， 淀积的介质膜的厚度为1000 A;与本步骤对应的工艺流程图如图4 (d) 所示。步骤306:光学光刻栅场板图形，蒸发金属Ni/Au;步骤307: 二次淀积SiN介质膜；在本步骤中，所述淀积采用PECVD方法，淀积介质膜种类为Si3N4， 淀积的介质膜的厚度为3000 A;与本步骤对应的工艺流程图如图4 (f)所示。步骤308:光学光刻源场板图形，蒸发金属Ni/Au;与本步骤对应的 工艺流程图如图4 (g)所示。步骤309:光学光刻金属布线图形，蒸发金属Ti/Au。 步骤310:制作空气桥；步骤311:测试分析。在本步骤中，对本发明提供的AlGaN/GaNHEMT 多层场板器件的击穿特性示意图如图5所示。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1. 一种铝镓氮/氮化镓高电子迁移率场效应晶体管多层场板器件，其特征在于，该器件包括栅极，位于栅极两侧的源极和漏极；其中，栅极、源极和漏极位于衬底材料顶层铝镓氮AlGaN外延层上，源极与AlGaN外延层以及漏极与AlGaN外延层之间通过退火合金形成欧姆接触；形成了栅极、源极和漏极的器件表面淀积氮化硅SiN介质膜，在该层介质膜上蒸发栅连接场板的图形；随后在已经形成的器件表面再次淀积SiN介质膜，在该层介质膜上蒸发源连接场板的图形。
2、 根据权利要求1所述的铝镓氮/氮化镓高电子迁移率场效应晶体管 多层场板器件，其特征在于，所述衬底材料由下至上依次包括蓝宝石衬底、 氮化镓GaN和AlGaN外延层三层结构；其中，蓝宝石衬底，用于作为生长GaN外延层的衬底材料;AlGaN/GaN 外延层结构，AlGaN外延层和GaN外延层间形成异质结，产生高浓度的二维电子气，提供大的电流密度和功率输出能力。
3、 一种制作AlGaN/GaNHEMT多层场板器件的方法，其特征在于， 该方法基于常规的AlGaN/GaN HEMT器件制作工艺，在形成栅金属接触 后，先制作栅连接场板，再制作源连接场板，形成AlGaN/GaN HEMT多 层场板器件。
4、 根据权利要求3所述的制作AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的方 法，其特征在于，该方法具体包括A、 在衬底材料上进行光学光刻，形成对准标记，蒸发标记金属；B、 在蒸发过标记金属后，在AlGaN外延层上光刻源漏图形，并蒸发 源漏金属，然后高温快速热退火，在源漏金属与衬底材料之间形成欧姆接 触，形成源极和漏极；C、 进行离子注入，对有源区进行隔离；D、 在衬底材料上源极和漏极之间的位置光学光刻制作栅线条，蒸发 栅金属，形成栅极；E、 在制作有源极、漏极和栅极的衬底材料表面淀积SiN介质膜；F、 光学光刻栅场板图形，蒸发金属；G、 二次淀积SiN介质膜；H、 光学光刻源场板图形，蒸发金属；I、 光学光刻金属布线图形，蒸发金属。
5、 根据权利要求4所述的制作AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的方 法，其特征在于，所述衬底材料从上到下依次为AlGaN、 GaN和蓝宝石。
6、 根据权利要求5所述的制作AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的方 法，其特征在于，所述衬底材料在AlGaN与GaN之间进一步包括一层A1N。
7、 根据权利要求4所述的制作AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的方 法，其特征在于，步骤B中所述蒸发的源漏金属为Ti/Al/Ti/Au，所述高温 快速热退火的条件为在75(TC至800。C的氮气氛围中退火30秒。
8、 根据权利要求4所述的制作AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的方 法，其特征在于，步骤C中所述进行离子注入时注入的离子为高能He+离子；步骤D中所述蒸发的栅金属为Ni/Au，步骤F中所述蒸发的金属为 Ni/Au，步骤H中所述蒸发的金属为Ni/Au，步骤I中所述蒸发的金属为 Ti/Au。
9、 根据权利要求4所述的制作AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的方 法，其特征在于，步骤E中所述淀积采用PECVD方法，淀积介质膜种类为Si3N4，淀积 的介质膜的厚度为1000 A;步骤G中所述淀积采用PECVD方法，淀积介质膜种类为Si3N4，淀 积的介质膜的厚度为3000A。
10、 根据权利要求4所述的制作AlGaN/GaN HEMT多层场板器件的 方法，其特征在于，该方法进一步包括J、制作空气桥和测试分析。
全文摘要
本发明涉及半导体材料中微波功率器件技术领域，公开了一种制作铝镓氮/氮化镓高电子迁移率场效应晶体管(AlGaN/GaN HEMT)多层场板器件的方法，该方法基于常规的AlGaN/GaN HEMT器件制作工艺，在形成栅金属接触后，先制作栅连接场板，再制作源连接场板，形成AlGaN/GaNHEMT多层场板器件。本发明同时公开了一种AlGaN/GaN HEMT多层场板器件。利用本发明，大大提高了AlGaN/GaN HEMT器件的击穿特性，并有效地抑制了AlGaN/GaN HEMT器件的电流崩塌现象。
文档编号H01L29/778GK101232045SQ20071006298
公开日2008年7月30日 申请日期2007年1月24日 优先权日2007年1月24日
发明者刘新宇, 刘果果, 郑英奎, 珂 魏 申请人:中国科学院微电子研究所