专利名称：凹槽绝缘栅型复合栅场板高电子迁移率器件的制作方法
技术领域：
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件，特别是基于in-v族化合物半导体材 料异质结结构的凹槽绝缘栅型复合栅场板高电子迁移率器件，可用作微波、毫米波通讯 系统以及雷达系统的基本器件。
背景技术：
业内周知，由m族元素和v族元素所组成的半导体材料，即m-v族化合物半导体材
料，如氮化镓(GaN)基、砷化镓(GaAs)基、磷化铟(InP)基等半导体材料，它们的禁带宽度
往往差异较大，因此人们通常利用这些m-v族化合物半导体材料形成各种异质结结构。 由于在异质结中异质结界面两侧的m-v族化合物半导体材料的禁带宽度存在较大的差 异，使得这些异质结结构具有一个共同特点，即在异质结界面附近产生一个量子势井。
对于山ni-v族化合物半导体材料所组成的异质结，人们通过对材料进行掺杂，或者利用 材料的极化效应等特性，可以在量子势井中产生高浓度的二维电子气，这种二维电子气 由大量的电荷载流子构成。另外由于这种二维电子气被束缚在量子势井中，实现了载流 子与电离杂质在空间上的分离，减少了电离杂质对载流子的库仑力作用，消除了电离散 射中心的影响，从而大大提高了载流子的迁移率。这种高浓度二维电子气和高载流子迁 移率，使得ni-v族化合物半导体材料异质结具有良好的电特性。
基于in-v族化合物半导体材料异质结制作而成的高电子迁移率器件，继承了ni-v族 化合物半导体材料异质结的优点，如高载流子浓度、高载流子迁移率、高工作频率、大 功率及耐高温等，可以广泛应用于微波、毫米波通讯系统和雷达系统等领域，因此高电
子迁移率器件自从诞生之日起便成为众多研究者研究的热点。1980年，Takashi Mimum 等人报道成功研制出了第一只AlGaAs/GaAs异质结场效应晶体管，也是一种高电子迁移 率器<牛，参见A new field-effect transistor with selectively doped GaAs/n-AlxGai.xAs heterostructures, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 19, No. 5, pp, L225-L227, May 1980。 1993年，Khan等人报道成功研制出了第一只AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶 体管，也是一种高电子迁移率器件，参见High electron mobility transistor based on a GaN-AlxGa卜xN heteroj腿tion, Applied Physics Letters, Vol. 63, No. 9, pp. 1214-1215, August 1993。随着对器件研究的深入，人们对基于III-V族化合物半导体材料异质结的高 电子迁移率器件的研究不断取得新的突破。然而，高电子迁移率器件工作时势垒层耗尽 区中的电场线的分布并不均匀，栅极靠近漏极一侧的边缘往往收集大部分的电场线，因此该处的电场相当高。此处的高电场会使得栅极泄漏电流增大，容易导致器件发生雪崩 击穿，使其实际击穿电压偏小，从而导致该类器件的高击穿电压和大功率等优势不能充 分发挥。另外，器件的栅极泄露电流增大会导致其可靠性变差。
为了提高高电子迁移率器件的击穿电压，充分发挥其输出功率高的优势，同时增强 器件的可靠性，有研究者采用场板结构对其进行了改进，其结构如图l所示。该结构的基 本原理是利用场板增加了耗尽区的面积，提高了耗尽区可以承担的漏源电压，从而增 大了器件的击穿电压；同时，利用场板对势垒层耗尽区中电场线的分布进行调制，减小 了栅极泄露电流。在高电子迁移率器件中采用场板结构，会在场板下方形成新的耗尽区， 即高阻区，增加了栅极与漏极之间势垒层中耗尽区的面积，使得耗尽区可以承担更大的 漏源电压，从而增大了器件的击穿电压。在高电子迁移率器件中采用场板结构，可以将 部分原本收集在栅极靠近漏极一侧的边缘的电场线收集到场板上，尤其是场板靠近漏极 一侧的边缘，结果在栅极靠近漏极一侧的边缘和场板靠近漏极一侧的边缘分别出现一个 电场峰值，从而减少了栅极靠近漏极一侧的边缘所收集的电场线，降低了该处的电场，
减小了栅极泄露电流。1998年，K. Asano等人报道了采用栅场板结构的异质结场效应晶 体管，也是一种栅场板高电子迁移率器件，获得了较高的器件击穿电压和较好的功率性 能，参见Novel high power AlGaAs-GaAs HFET with a field-modulating plate operated at 35V drain voltage, International Electron Devices Meeting Technical Digest, pp. 59-62, December 1998。此外，为了进一步减小栅场板高电子迁移率器件的栅极泄漏电流，提高器件栅极 的偏置，增加器件的饱和输出电流，同时提高器件的线性度，改善器件的大信号和小信 号微波功率性能，获得稳定的高输出功率， 一些研究者提出采用凹槽绝缘栅型栅场板高 电子迁移率器件，如T. Nakayama等人于2006年报道的凹槽绝缘栅型栅场板场效应晶体 管，参见CW 140 W recessed-gate AlGaN GaN MISFET with field-modulating plate, Electronics Letters, Vol. 42, No. 8, pp. 489-490, April 2006。然而，由于单层栅场板结构提高 高电子迁移率器件的击穿电压的能力是有限度的，所以采用单层栅场板的高电子迁移率 器件的输出功率也是有限的。2001年，Karmalkar等人报道对栅场板高电子迁移率晶体管 进行仿真，提出了存在一个最优化的场板尺寸结构，使得器件的击穿电压达到最大值， 参见Enhancement of breakdown voltage in AlGaN/GaN high electron mobility transistors using a field plate, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, No.8， pp. 1515-1521, August 2001。因此为了获得更高的击穿电压， 一些研究者采用了各种复杂的场板结构， 而堆层场板结构是目前提高高电子迁移率器件击穿电压最为有效的一种结构，这种结构 通过增加堆层场板的个数可以持续地增加器件的击穿电压，如Xing等人于2004年报道的采用双层栅场板的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，获得了相当高的击穿电压，参见 High breakdown voltage AlGaN-GaN HEMTs achieved by multiple field plates, IEEE Electron Device Letters, Vol. 25, No. 4, pp. 161-163, April 2004。但是采用堆层场板结构的高电子迁 移率器件的制作工艺比较复杂，每增加一层场板都需要多加光刻、淀积金属、淀积绝缘 介质材料、剥离、清洗等工艺步骤，而且要使各层场板下面所淀积的绝缘介质材料具有 合适的厚度，必须进行繁琐的工艺调试，因此大大增加了器件制造的难度，降低了器件 的成品率。而且还存在一个值得人们关注的问题，即所有采用栅场板结构的高电子迁移 率器件都会在栅场板与二维电子气沟道之间产生附加电容，该附加电容会叠加进器件的 栅极与漏极之间的反馈电容中，使得器件的反馈电容增加，导致器件的功率特性和频率 特性均有一定的衰减。另外，器件的反馈电容增加，会减弱器件输入与输出之间的隔离， 造成其不稳定性大大增加。
发明内容
本发明的目的在于克服上述己有技术的不足，提供一种制造工艺简单、可靠性好、 稳定性强和击穿电压高的凹槽绝缘栅型复合栅场板高电子迁移率器件，以改善器件的频 率特性，实现高输出功率和高成品率。
为实现上述目的，本发明提供的器件结构采用任何III-V族化合物半导体材料组合而
成的异质结结构，该结构自下而上包括衬底、过渡层、势垒层、源极、漏极、绝缘介 质层、绝缘槽栅、钝化层、栅场板和保护层，势垒层上开有凹槽，绝缘槽栅位于凹槽上 部的绝缘介质层上，栅场板位于钝化层的上面，绝缘槽栅与栅场板电气连接，其中，钝
化层上淀积有n个浮空场板，ri21，与栅场板构成复合栅场板结构。
所述的每个浮空场板大小相同，相互独立，且与栅场板同位于钝化层的上面。 所述的栅场板与其最邻近的浮空场板之间的距离为0.07~3.6pm，相邻两浮空场板之
间的间距按照浮空场板排列自栅场板到漏极方向的个数依次递增。
为实现上述目的，本发明提供的制作凹槽绝缘栅型复合栅场板高电子迁移率器件的
方法，包括如下过程
在衬底上外延m-v族化合物半导体材料的过渡层作为器件的工作区； 在过渡层上淀积m-v族化合物半导体材料的势垒层；
在势垒层上第一次制作掩膜，并在势垒层上的两端淀积金属，再在N2气氛中进行快 速热退火，分别制作源极和漏极；
在势垒层上第二次制作掩膜，利用该掩膜在源极和漏极之间的势垒层刻蚀出凹槽；在源极和漏极的上部，以及源极和漏极之间的势垒层上淀积绝缘介质层；
在绝缘介质层上制作掩膜，利用该掩膜在凹槽上部的绝缘介质层上淀积金属，制作 绝缘槽栅；
分别在绝缘槽栅的上部、绝缘槽栅与源极之间的绝缘介质层上部，和绝缘槽栅与漏 极之间的绝缘介质层上部淀积钝化层；
在钝化层上制作掩膜，利用该掩膜在源极与漏极之间的钝化层上淀积两层或三层金 属层的组合，同时制作厚度为0.15 7.5pm的栅场板和n个浮空场板，nd，并将栅场板 与绝缘槽栅电气连接； .
在栅场板及各浮空场板的外围区域淀积保护层。
本发明器件与采用传统栅场板的凹槽绝缘栅型高电子迁移率器件比较具有以下优
点
1. 进一歩提高了器件的击穿电压。
本发明由于采用浮空场板结构，使器件在处于工作状态尤其是处于关态的工作状态 时，在栅场板与其最邻近的浮空场板之间，以及在各个浮空场板彼此之间都存在电容耦 合作用，于是电势从栅场板到最靠近漏极一侧的浮空场板逐渐升高，从而大大增加了绝 缘槽栅与漏极之间势垒层中的耗尽区，即高阻区的面积，使得此耗尽区能够承担更大的 漏源龟压，从而大大提高了器件的击穿电压。
2. 进一步减小了栅极泄漏电流，增强了器件的可靠性。
本发明由于采用浮空场板结构，使器件势垒层耗尽区中电场线的分布得到了更强的 调制，器件中绝缘槽栅靠近漏极一侧的边缘、栅场板与其最邻近的浮空场板之间、各个 浮空场板彼此之间以及最靠近漏极的浮空场板的靠近漏极一侧的边缘都会产生一个电场 峰值，而且通过调整栅场板与其最邻近的浮空场板之间的距离以及各个浮空场板彼此之
间的距离，可以使得上述各个电场峰值相等且小于m-v族化合物半导体材料的击穿电 场，从而最大限度地减少了绝缘槽栅靠近漏极一侧的边缘所收集的电场线，有效地降低 了该处的电场，大大减小了栅极泄露电流，使得器件的可靠性得到了显著增强。
3. 改善了器件的频率特性，增强了器件的稳定性。
本发明由于采用浮空场板结构， 一方面使栅场板与其最邻近的浮空场板之间以及各 浮空场板彼此之间均产生了一个耦合介质电容，另一方面使栅场板和每个浮空场板与绝 缘介质层上表面之间分别产生一个介质电容，这些耦合介质电容与介质电容组成了一个电容网络，其等效电容远小于传统栅场板所产生的电容，所以与采用传统栅场板的凹槽 绝缘栅型高电子迁移率器件相比，本发明器件的反馈电容大大减小，频率特性得到了显 著改善，同时本发明器件输入与输出之间的隔离得到了显著加强，器件的稳定性得到了 进一步增强。
4.工艺简单，易于实现，成品率高。
本发明器件结构中由于栅场板和各浮空场板位于同一层钝化层上，且只有一层，因 此只需要一步工艺便可以同时实现栅场板与各浮空场板的制作，避免了传统的堆层场板 结构所带来的工艺复杂化问题，大大提高了器件的成品率。
仿真结果表明，本发明器件的击穿电压远远大于采用传统栅场板的凹槽绝缘栅型高 电子迁移率器件的击穿电压。
以下结合附图和实施例进一步说明本发明的技术内容和效果。
图1是采用传统栅场板的高电子迁移率器件的结构图； 图2是本发明凹槽绝缘栅型复合栅场板高电子迁移率器件的结构图； 图3是本发明凹槽绝缘栅型复合栅场板高电子迁移率器件的制作流程图； 图4是采用传统栅场板的凹槽绝缘栅型高电子迁移率器件的部分等效电容图； 图5是本发明凹槽绝缘栅型复合栅场板高电子迁移率器件的部分等效电容图； 图6是对传统器件及本发明器件仿真所得的势垒层中电场曲线图； 图7是对传统器件及本发明器件仿真所得的击穿曲线图。
具体实施例方式
参照图2，本发明凹槽绝缘栅型复合栅场板高电子迁移率器件是基于m-v族化合物
半导体异质结结构，其结构自下而上为衬底l、过渡层2、势垒层3、绝缘介质层7、 钝化层9与保护层12。其中，势垒层3上的两端分别为源极4和漏极5，源极4和漏极5 之间刻蚀有凹槽6，该凹槽的深度D小于势垒层的厚度。绝缘介质层7位于源极4和漏 极5的上部，以及源极4和漏极5之间的势垒层3上。绝缘槽栅8位于凹槽6上部的绝 缘介质层7上，并与凹槽6两端的间距分别为Rl与R2，Rl与R2长度相等且均为0 2.5pm。 钝化层9位于绝缘槽栅的上部、绝缘槽栅与源极之间的绝缘介质层上部，和绝缘槽栅与 漏极之间的绝缘介质层上部。在钝化层9上制作有栅场板10及n个浮空场板11， n2l， 构成复合栅场板结构。这些浮空场板与栅场板位于同一层钝化层上，第一个浮空场板与栅场板之间的距离S1为0.07pm 3.6pm，相邻两浮空场板之间的间距不同，即按照浮空 场板个数自栅场板到漏极方向逐渐增大，且相邻两浮空场板之间的间距均大于S1。各浮 空场板11的大小相同，沿着平行于栅场板宽度的方向放置，不与任何电极或者金属接触， 处于相互独立的浮空状态。栅场板的有效长度LO为0.2pm 8nm，每个浮空场板的长度 Ll均为0.2阿 8阿，且每个浮空场板的长度与栅场板的有效长度相同。保护层12位于 栅场板10和n个浮空场板11的外围区域。栅场板10与绝缘槽栅8电气连接。
上述器件的衬底1可以为蓝宝石、碳化硅、硅或其它外延衬底材料；过渡层2由若 干层相同或不同的ni-V族化合物半导体材料组成，其厚度为l~5^im;势垒层3由若干层 相同或不同的m-V族化合物半导体材料组成，其厚度为10 50nm;绝缘介质层7可以为 Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 Ti02或其它绝缘介质材料，其厚度为1 100nm;钝化 层9可以为Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 Ti02或其它绝缘介质材料，其厚度为 0.05~0.6拜;保护层12可以是Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 Ti02或其它绝缘介质 材料，其厚度为0.2~7.8pm;栅场板lO及n个浮空场板11采用两层或三层金属层的组合， 论l,其厚度为0.15 7.5nm。
参照图3，本发明制作凹槽绝缘栅型复合栅场板高电子迁移率器件的过程如下
步骤l，在衬底1上外延过渡层2作为器件的工作区，如图3a。
选择一衬底l，该衬底材料可以为蓝宝石、碳化硅、硅或其它外延衬底材料，并在其 上外延厚度为1 5pm的III-V族化合物半导体材料过渡层2作为器件的工作区，该过渡层 材料由若干层相同或不同的III-V族化合物半导体材料组成，如仅由GaN材料组成，或 自下而上由A1N和GaN两层材料组成，或仅由GaAs材料组成。外延过渡层的方法采用 金属有机物化学气相淀积技术或分子束外延技术或氢化物气相外延技术或其它可以用于 外延过渡层的技术。
步骤2，在过渡层2上淀积势垒层3，如图3b。
在过渡层2上淀积厚度为10~50nm的势垒层3，该势垒层材料由若干层相同或不同 的m-V族化合物半导体材料组成，如仅由AlxGa卜xN材料组成，或自下而上由AlxGai.xN 和GaN两层材料组成，或仅由AlxGa,.xAs材料组成，0<X<1， X表示Al组分的含量。 淀积势垒层的方法采用金属有机物化学气相淀积技术或分子束外延技术或氢化物气相外 延技术或其它可以用于淀积势垒层的技术。
步骤3，在势垒层3上分别制作源极4和漏极5，如图3c。
在势垒层3上第一次制作掩膜，并分别在势垒层上的两端淀积金属，再在N2气氛中进行快速热退火，制作源极4和漏极5，其中所淀积的金属采用Ti/Al/Mo/Au组合，或采 用其它金属组合，金属厚度为0.01 0.04nm/0.03 0.16nm/0.02~0.12|am /0.06 0.15nm。淀
积金属的方法采用电子束蒸发技术或溅射技术或其它可以用于淀积金属的技术。 步骤4，在势垒层3上刻蚀出凹槽6，如图3d。
在势垒层3上第二次制作掩膜，在源极4和漏极5之间的势垒层上刻蚀出凹槽6，该 凹槽深度D小于势垒层的厚度。刻蚀凹槽的方法采用反应离子刻蚀技术或感应耦合等离 子体技术或反应离子刻蚀-感应耦合等离子体技术或其它可以用于刻蚀凹槽的技术。
步骤5，淀积绝缘介质层7，如图3e。'
在源极4和漏极5的上部，以及源极4和漏极5之间的势垒层3上淀积绝缘介质层7， 该绝缘介质层材料可以采用Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 Ti02或其它绝缘介质材料， 其厚度为1 100nm。淀积绝缘介质层的方法采用化学气相淀积技术或蒸发技术或原子层 淀积技术或溅射技术或分子束外延技术或其它可以用于淀积绝缘介质层的技术。
步骤6，在绝缘介质层7上制作绝缘槽栅8，如图3f。
在绝缘介质层7上制作掩膜，利用该掩膜在凹槽6上部的绝缘介质层上淀积金属， 制作绝缘槽栅8，其中所淀积的金属采用Ni/Au金属组合，或采用其它金属组合，金属厚 度为0.01 0.04nm/0.08~0.4pm，该绝缘槽栅8与凹槽6两端的间距分别为Rl与R2， Rl 与R2长度相等且均为0~2.5pm。淀积金属的方法采用电子束蒸发技术或溅射技术或其它 可以用于淀积金属的技术。
步骤7，淀积钝化层9，如图3g。
在绝缘槽栅的上部、绝缘槽栅与源极之间的绝缘介质层上，和绝缘槽栅与漏极之间 的绝缘介质层上淀积钝化层9，该钝化层材料可以采用SK)2、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 Ti02或其它绝缘介质材料，其厚度为0.05~0.6pm。淀积钝化层的方法采用化学气相淀积 技术或蒸发技术或原子层淀积技术或溅射技术或分子束外延技术或其它可以用于淀积钝 化层的技术。
步骤8，制作栅场板10及各浮空场板11，如图3h。
在钝化层9上制作掩膜，该掩膜是按照栅场板10与其最邻近的浮空场板之间的距离 为0.07|iim 3.6nm，且相邻两浮空场板之间的间距按照浮空场板排列自栅场板到漏极方向 的个数依次递增的位置关系设置。利用该掩膜在钝化层上淀积金属厚度均为0.15~7.5|Lmi 的栅场板10及n个浮空场板11， ri21。该栅场板及各浮空场板的淀积均采用两层或三层的金属层组合，且下层金属厚度要小于上层金属厚度。对于两层金属组合采用Ti/Au，或 Ni/Au或Pt/Au，厚度均为0.03-1.5nm/0.12 6nm;对于三层金属组合采用Ti/Mo/Au或 Ti/Ni/Au或Ti/Pt/Au，厚度均为0.02~0.5|mi/0.04~l|am/0.09~6|Lim。栅场板的有效长度L0 为0.2 8^m，每个浮空场板的长度Ll均为0.2 8nm，且每个浮空场板的长度与栅场板的 有效长度相同。淀积金属的方法采用电子束蒸发技术或溅射技术或其它可以用于淀积金 属的技术。
完成栅场板10及n个浮空场板11的制作后，将栅场板10与绝缘槽栅8电气连接。 步骤9，淀积保护层12，如图3i。
在栅场板10和n个浮空场板11的外围区域淀积保护层12，其中保护层材料可以采 用Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 1102.或其它绝缘介质材料，其厚度为0.2~7.8|am。
淀积保护层的方法采用化学气相淀积技术或蒸发技术或原子层淀积技术或溅射技术或分 子束外延技术或其它可以用于淀积保护层的技术。
根据以上所述的器件结构和制作方法，本发明给出以下六种实施例，但并不限于这 些实施例。
实施例一
制作衬底为蓝宝石，绝缘介质层为Si02，钝化层为SiN，保护层为SiN，栅场板和各 浮空场板为Ti/Au金属组合的高电子迁移率器件，其过程是
1. 使用金属有机物化学气相淀积技术在蓝宝石衬底1上外延厚度为lnm的未掺杂过 渡层2，该过渡层自下而上由厚度为24nm的A1N材料和厚度为0.976pm的GaN材料构 成。外延下层A1N材料采用的工艺条件为温度为570°C，压力为80Torr，氢气流量为 4300sccm，氨气流量为4300sccm，铝源流量为25pmol/min;外延上层GaN材料采用的 工艺条件为温度为980°C，压力为80Torr，氢气流量为4300sccm，氨气流量为4300sccm， 镓源流量为120|_imol/min。
2. 使用金属有机物化学气相淀积技术在GaN过渡层2上淀积厚度为50nm的未掺杂 势垒层3，该势垒层自下而上由厚度为48nm、铝组分为0.15的Alo.15Gaa85N材料和厚度 为2nm的GaN材料构成。淀积下层Alo.15Gao.85N材料采用的工艺条件为温度为1010°C， 压力为80Torr，氢气流量为4300sccm，氨气流量为4300sccm，镓源流量为16nmol/min， 铝源流量为3pmol/min;淀积上层GaN材料采用的工艺条件为温度为1010°C，压力为 80Torr，氢气流量为4300sccm，氨气流量为4300sccm，镓源流量为2nmol/min。
3. 在势垒层3上制作掩膜，并使用电子束蒸发技术在其两端淀积金属，再在N2气氛中进行快速热退火，制作源极4和漏极5，其中所淀积的金属为Ti/Al/Mo/An金属组合， 金属层厚度为0.01|im/0.03nm/0.02^im/0.06^m。淀积金属采用的工艺条件为真空度小于 1.8x10—3Pa，功率范围为200~1800W，蒸发速率小于3A/s;快速热退火采用的工艺条件为 温度为880。C，时间为45s。
4. 在势垒层3上制作掩膜，使用反应离子刻蚀技术在源极4和漏极5之间的势垒层上 刻蚀出凹槽6，该凹槽深度D为30nm。刻蚀凹槽采用的工艺条件为反应气体(312的流 量为5sccm，压力为10mT，功率为100 W。
5. 使用电子束蒸发技术在源极4和漏极5的上部，以及源极4和漏极5之间的势垒层 3上淀积Si02作为绝缘介质层7，该绝缘介质层厚度为lnm。淀积绝缘介质层采用的工 艺条件为真空度小于1.2xl0,a，功率小于50W，蒸发速率小于2A/s。
6. 在Si02绝缘介质层7上制作掩膜，并使用电子束蒸发技术在凹槽6上部的绝缘介 质层上淀积金属，制作绝缘槽栅8，其中所淀积的金属釆用Ni/Au金属组合，金属厚度为 0.01pm/0.08(am，该绝缘槽栅8与凹槽6两端的间距分别为Rl与R2， Rl与R2长度均为 Opm。淀积金属采用的工艺条件为真空度小于1.2xlO—3Pa，功率范围为200~700W，蒸 发速率小于2A/s。
7. 使用等离子体增强化学气相淀积技术分别在绝缘槽栅的上部、绝缘槽栅与源极之间 的绝缘介质层上，和绝缘槽栅与漏极之间的绝缘介质层上淀积SiN作为钝化层9，该钝 化层厚度为0.05pm。淀积钝化层采用的工艺条件为气体为NH3、 N2及SiH4，气体流量 分别为2.5sccm、900sccm和200sccm，温度、RF功率和压力分别为300。C、25W和900mT。
8. 在SiN钝化层9上制作掩膜，使用电子束蒸发技术在源极与漏极之间的钝化层上 淀积厚度为0.03^n/0.12pm的Ti/Au金属组合，以制作栅场板10及一个浮空场板11，该 栅场板的有效长度LO和浮空场板的长度Ll均为0.2pm，栅场板与浮空场板之间的距离 Sl为0.07|im。淀积金属采用的工艺条件为真空度小于1.8xl(T3Pa，功率范围为 200~700W，蒸发速率小于3A/s。将栅场板10与绝缘槽栅8电气连接。
9. 使用等离子体增强化学气相淀积技术分别在栅场板IO和浮空场板11的外围区域淀 积厚度为0.2pm的SiN，以制作保护层12。淀积保护层采用的工艺条件为气体为NH3、 N2&SiH4，气体流量分别为2.5sccm、 900sccm和200sccm，温度、RF功率和压力分别 为300。C、 25W禾口 900mT。
实施例二
制作衬底为碳化硅，绝缘介质层为SiN，钝化层为Si02，保护层为Si02，栅场板和各浮空场板为Ni/Au金属组合的高电子迁移率器件，其过程是-
1. 使用金属有机物化学气相淀积技术在碳化硅衬底1上外延厚度为2pm的未掺杂过 渡层2，该过渡层自下而上由厚度为60nm的A1N材料和厚度为1.94pm的GaN材料构成。 外延下层A1N材料采用的工艺条件为温度为1030°C，压力为85Torr，氢气流量为 4卯0sccm，氨气流量为4900sccm，铝源流量为14nmol/min;外延上层GaN材料采用的 工艺条件为温度为1030。C，压力为85Torr，氢气流量为4900sccm,氨气流量为4900sccm， 镓源流量为170nmol/min。
2. 使用金属有机物化学气相淀积技术在GaN过渡层2上淀积厚度为25nm，且铝组 分为0.3的未掺杂Ala3Gaa7N势垒层3。采用的工艺条件为温度为1000。C，压力为85Torr， 氢气流量为4900sccm，氨气流量为4900sccm，镓源流量为18(amol/min，铝源流量为 8|amol/min。
3. 在AlQ.3Gaa7N势垒层3上制作掩膜，使用电子束蒸发技术在其两端淀积金属，再 在N2气氛中进行快速热退火，制作源极4和漏极5，其中所淀积的金属为Ti/Al/Mo/Au 金属组合，金属层厚度为0.02(am/0.12nm/0.07nm/0.07pm。淀积金属采用的工艺条件为 真空度小于1.8xl(T3Pa，功率范围为200 1800W，蒸发速率小于3A/s;快速热退火采用 的工艺条件为温度为880。C，时间为45s。
4. 在AlQ.3Gao.7N势垒层3上制作掩膜，使用反应离子刻蚀技术在源极4和漏极5之 间的势垒层上刻蚀出凹槽6，该凹槽深度D为10nm。刻蚀凹槽采用的工艺条件为反应 气体Cl2的流量为5sccm，压力为10mT，功率为100 W。
5. 使用等离子体增强化学气相淀积技术在源极4和漏极5的上部，以及源极4和漏极 5之间的势垒层3上淀积SiN作为绝缘介质层7，该绝缘介质层厚度为25nm。淀积绝缘 介质层采用的工艺条件为气体为NH3、 N2及SiH4，气体流量分别为2.5sccm、 900sccm 和200sccm，温度、RF功率和压力分别为300°C、 25W和900mT。
6. 在SiN绝缘介质层7上制作掩膜，并使用电子束蒸发技术在凹槽6上部的绝缘介 质层上淀积金属，制作绝缘槽栅8，其中所淀积的金属采用Ni/Au金属组合，金属厚度为 0.02nm/0.3nm，该绝缘槽栅8与凹槽6两端的间距分别为Rl与R2， Rl与R2长度均为 0.54m。淀积金属采用的工艺条件为真空度小于1.2xlO—3Pa，功率范围为200~700W， 蒸发速率小于2A/s。
7. 使用电子束蒸发技术分别在绝缘槽栅的上部、绝缘槽栅与源极之间的绝缘介质层 上，和绝缘槽栅与漏极之间的绝缘介质层上淀积Si02作为钝化层9，该钝化层厚度为0.3prn。淀积钝化层采用的工艺条件为真空度小于1.2x10—3Pa，功率小于50W，蒸发速 率小于2A/s。
8. 在Si02钝化层9上制作掩膜，使用电子束蒸发技术在源极与漏极之间的钝化层上 淀积厚度为0.5^im/1.5iam的Ni/Au金属组合，以制作栅场板10及两个浮空场板11，该栅 场板的有效长度L0和各浮空场板的长度Ll均为1.6pm，栅场板与第一个浮空场板之间 的距离Sl为0.9pm，栅场板与第二个浮空场板之间的距离S2为4.3pm。淀积金属采用 的工艺条件为真空度小于1.8xl0,a，功率范围为200~700W，蒸发速率小于3A/s。将 栅场板10与绝缘槽栅8电气连接。
9. 使用等离子体增强化学气相淀积技术分别在栅场板IO和两个浮空场板11的外围区 域淀积厚度为2.2pm的Si02，以制作保护层12。淀积保护层采用的工艺条件为气体为 N20及SiH4，气体流量分别为800sccm和150sccm，温度、RF功率和压力分别为250°C、 25W和lOOOmT。
实施例三
制作衬底为硅，绝缘介质层为A1203，钝化层为SiN，保护层为SiN，栅场板和各浮 空场板为Pt/Au金属组合的高电子迁移率器件，其过程是
1. 使用金属有机物化学气相淀积技术在硅衬底1上外延厚度为5pm的未掺杂过渡层 2，该过渡层自下而上由厚度为130nm的A1N材料和厚度为4.87pm的GaN材料构成。 外延下层A1N材料采用的工艺条件为温度为870°C，压力为90Torr，氢气流量为 5000sccm，氨气流量为5000sccm，铝源流量为40nmol/min;外延上层GaN材料采用的 工艺条件为温度为106(TC，压力为90Torr，氢气流量为5000sccm，氨气流量为5000sccm， 镓源流量为170)amol/min。
2. 使用金属有机物化学气相淀积技术在GaN过渡层2上淀积厚度为10mn，且铝组 分为0.5的未掺杂Alo.5Gao.5N势垒层3。采用的工艺条件为温度为1000。C，压力为90Torr， 氢气流量为5000sccm，氨气流量为5000sccm,镓源流量为12pmol/min，铝源流量为 12[imol/min。
3. 在Ala5Gaa5N势垒层3上制作掩膜，使用电子束蒸发技术在其两端淀积金属，再 在N2气氛中进行快速热退火，制作源极4和漏极5，其中所淀积的金属为Ti/Al/Mo/Au 金属组合，金属层厚度为0.04(am/0.16nm/0:12nm/0.15nm。淀积金属采用的工艺条件为 真空度小于1.8xl(T3Pa，功率范围为200~1800W，蒸发速率小于3A/s;快速热退火采用 的工艺条件为温度为880。C，时间为45s。4. 在AlQ.5GaQ.5N势垒层3上制作掩膜，使用反应离子刻蚀技术在源极4和漏极5之 间的势垒层上刻蚀出凹槽6，该凹槽深度D为2nm。刻蚀凹槽采用的工艺条件为反应 气体Cl2的流量为5sccm，压力为10mT，功率为100 W。
5. 使用原子层淀积技术在源极4和漏极5的上部，以及源极4和漏极5之间的势垒层 3上淀积Al203作为绝缘介质层7，该绝缘介质层厚度为100nm。淀积绝缘介质层采用的 工艺条件为以TMA和H20为反应源，载气为N2，载气流量为200sccm，衬底温度为 3(KTC，气压为700Pa。
6. 在A1203绝缘介质层7上制作掩膜，并使用电子束蒸发技术在凹槽6上部的绝缘介 质层上淀积金属，制作绝缘槽栅8，其中所淀积的金属采用Ni/Au金属组合，金属厚度为 0.04pm/0.4^im，该绝缘槽栅8与凹槽6两端的间距分别为Rl与R2， Rl与R2长度均为 2.5|am。淀积金属采用的工艺条件为真空度小于1.2xlO—3Pa，功率范围为200 700W， 蒸发速率小于2A/s。
7. 使用等离子体增强化学气相淀积技术分别在绝缘槽栅的上部、绝缘槽栅与源极之间 的绝缘介质层上，和绝缘槽栅与漏极之间的绝缘介质层上淀积SiN作为钝化层9，该钝 化层厚度为0.6pm。淀积钝化层采用的工艺条件为气体为NEb、 N2及SiH4，气体流量 分别为2.5sccm、900sccm和200sccm，温度、RF功率和压力分别为30(TC、25W和卯OmT。
8. 在 SiN钝化层9上制作掩膜，使用电子束蒸发技术在源极与漏极之间的钝化层上 淀积厚度为1.5pm/6^im的Pt/Au金属组合，以制作栅场板10及三个浮空场板11，该栅 场板的有效长度LO与各浮空场板的长度Ll均为8pm，栅场板与第一个浮空场板之间的 距离Sl为3.6pm，栅场板与第二个浮空场板之间的距离S2为19pm，栅场板与第三个浮 空场板之间的距离S3为42nm。淀积金属采用的工艺条件为真空度小于1.8x10—3Pa， 功率范围为200~1000W，蒸发速率小于3A/s。将栅场板10与绝缘槽栅8电气连接。
9. 使用等离子体增强化学气相淀积技术分别在栅场板IO和三个浮空场板11的外围区 域淀积厚度为7.8pm的SiN，以制作保护层12。淀积保护层采用的工艺条件为气体为 NH3、 N2及SiH4，气体流量分别为2.5sccm、 900sccm和200sccm，温度、RF功率和压 力分别为300。C 、 25W和900mT。
实施例四
制作衬底为蓝宝石，绝缘介质层为Si02，钝化层为SiN，保护层为八1203，栅场板和 各浮空场板为Ti/Mo/An金属组合的高电子迁移率器件，其过程是
l.与实施例一的过程1相同；2. 与实施例一的过程2相同；
3. 与实施例一的过程3相同；
4. 与实施例一的过程4相同；
5. 与实施例一的过程5相同；
6. 与实施例一的过程6相同；
7. 与实施例一的过程7相同；
8. 在SiN钝化层9上制作掩膜，使用电子束蒸发技术在源极与漏极之间的钝化层上 淀积厚度为0.02nm/0.04^im/0.09pm的Ti/Mo/Au金属组合，以制作栅场板10及四个浮空 场板11，该栅场板的有效长度L0和各浮空场板的长度Ll均为0.2pm,栅场板与第一个 浮空场板之间的距离Sl为0.07pm，栅场板与第二个浮空场板之间的距离S2为0.4pm， 栅场板与第三个浮空场板之间的距离S3为0.88pm，栅场板与第四个浮空场板之间的距 离S4为1.65pm。淀积金属采用的工艺条件为真空度小于1.8xl(r3Pa，功率范围为 200-1800W,蒸发速率小于3A/s。将栅场板10与绝缘槽栅8电气连接。
9. 使用原子层淀积技术分别在栅场板10和四个浮空场板11的外围区域淀积厚度为 0.2^un的A1203，以制作保护层12。淀积保护层采用的工艺条件为以TMA和H20为反 应源，载气为N2，载气流量为200sccm，衬底温度为300。C，气压为700Pa。
实施例五
制作衬底为碳化硅，绝缘介质层为SiN，钝化层为Si02，保护层为SiN，栅场板和各 浮空场板为Ti/Ni/Au金属组合的高电子迁移率器件，其过程是
1. 与实施例二的过程1相同；
2. 与实施例二的过程2相同；
3. 与实施例二的过程3相同；
4. 与实施例二的过程4相同；
5. 与实施例二的过程5相同；
6. 与实施例二的过程6相同；
7. 与实施例二的过程7相同；
8. 在Si02钝化层9上制作掩膜，使用电子束蒸发技术在源极与漏极之间的钝化层上 淀积厚度为0.2^im/0.8^mi/2nm的Ti/Ni/Au金属组合，以制作栅场板10及两个浮空场板 11，该栅场板的有效长度L0与各浮空场板的长度L1均为lpm，栅场板与第一浮空场板之间的距离Sl为1.4pm，栅场板与第二浮空场板之间的距离S2为5.2|mi。淀积金属采 用的工艺条件为真空度小于1.8xl(T3Pa，功率范围为200 700W，蒸发速率小于3A/s。 将栅场板10与绝缘槽栅8电气连接。
9.使用等离子体增强化学气相淀积技术分别在栅场板IO和两个浮空场板11的外围区 域淀积厚度为3.6pm的SiN，以制作保护层12。淀积保护层采用的工艺条件为气体为 NH3、 N2&SiH4，气体流量分别为2.5sccm、 900sccm和200sccm，温度、RF功率和压 力分别为300°C、 25W和900mT。
实施例六
制作衬底为硅，绝缘介质层为Ab03，钝化层为SiN，保护层为Si02，栅场板和各浮 空场板为Ti/Pt/Au金属组合的高电子迁移率器件，其过程是
1. 与实施例三的过程l相同；
2. 与实施例三的过程2相同；
3. 与实施例三的过程3相同；
4. 与实施例三的过程4相同；
5. 与实施例三的过程5相同；
6. 与实施例三的过程6相同；
7. 与实施例三的过程7相同；
8. 在SiN钝化层9上制作掩膜，使用电子束蒸发技术在源极与漏极之间的钝化层上 淀积厚度为0.5|Lim/lpm/6pm的Ti/Pt/Au金属组合，以制作栅场板10及三个浮空场板11， 该栅场板的有效长度L0与各浮空场板的长度Ll均为8pm，栅场板与第一个浮空场板之 间的距离Sl为3.6pm，栅场板与第二个浮空场板之间的距离S2为19^m，栅场板与第三 个浮空场板之间的距离S3为42pm。淀积金属采用的工艺条件为真空度小于1.8xl(T3Pa， 功率范围为200~1000W，蒸发速率小于3A/s。将栅场板10与绝缘槽栅8电气连接。
9. 使用等离子体增强化学气相淀积技术分别在栅场板IO和三个浮空场板11的外围区 域淀积厚度为7.8pm的Si02，以制作保护层12。淀积保护层采用的工艺条件为气体为 N20及SiH4，气体流量分别为800sccm和150sccm，温度、RF功率和压力分别为250°C、 25W和1000mT。
本发明的效果可通过图4、图5、图6和图7进一步说明。
在图4中，栅场板与绝缘介质层上表面之间产生了一个介质电容Cf，势垒层中所产生的势垒电容为Cb，绝缘介质层中所产生的介质电容为Ci，因此图4所示的采用传统栅 场板的凹槽绝缘栅型高电子迁移率器件的栅场板与二维电子气沟道之间所产生的附加电 容为Cf串联Ci串联Cb所得的等效电容。在器件实际工作时，场板与二维电子气沟道 之间所产生的附加电容会叠加进器件的栅极与漏极之间的反馈电容中，使得器件的反馈 电容增加，因此该附加电容越大则器件的功率特性和频率特性衰减越大。
在图5中，栅场板与绝缘介质层上表面之间产生了一个介质电容CfO, n个浮空场板
与绝缘介质层上表面之间所产生的介质电容分别为Cfl、 CG.....Cfn;在栅场板到漏极
的方向上，栅场板与其最邻近的浮空场板之间所产生的耦合介质电容以及相邻两浮空场 板之间所产生的耦合介质电容依次为Ccl、 Cc2、 ...、 Ccn，这些电容构成了n个兀形电 容网络，这些兀形电容网络的总等效电容为Cf (图中未画出)。势垒层中所产生的势垒 电容为Cb，绝缘介质层中所产生的介质电容为Ci，因此本发明器件的栅场板及各浮空场 板与二维电子气沟道之间所产生的附加电容为Cf串联Ci串联Cb所得的等效电容。
比较图4与图5，在本发明器件中从绝缘槽栅到最后一个浮空场板之间的距离，即 L0+Sn+Ll与传统栅场板的有效长度LO相同的情况下，本发明器件中的附加电容远小于 传统栅场板器件中的附加电容，表明本发明器件的频率特性优于采用传统栅场板的凹槽 绝缘栅型高电子迁移率器件，同时表明本发明器件加强了输入与输出之间的隔离，增强 了稳定性。
图6给出了采用Ala33Ga().67N/GaN异质结结构时，采用传统栅场板的凹槽绝缘栅型 高电子迁移率器件与本发明采用两个浮空场板的器件在Ala33Ga().67N势垒层中的电场仿 真图，由该图可以看出，采用传统栅场板的凹槽绝缘栅型高电子迁移率器件在势垒层中 的电场曲线只形成了 2个近似相等的电场峰值，其在势垒层中的电场曲线所覆盖的面积 很小，而本发明器件在势垒层中的电场曲线形成了 4个近似相等的电场峰值，使得本发 明器件在势垒层中的电场曲线所覆盖的面积大大增加，由于在势垒层中的电场曲线所覆 盖的面积近似等于器件的击穿电压，说明本发明器件的击穿电压远远大于采用传统栅场 板的凹槽绝缘栅型高电子迁移率器件的击穿电压。
图7给出了采用AlQ.33Ga().67N/GaN异质结结构时，采用传统栅场板的凹槽绝缘栅型 高电子迁移率器件与本发明采用两个浮空场板的器件的击穿仿真图，由该图可以看出， 采用传统栅场板的凹槽绝缘栅型高电子迁移率器件的击穿曲线中发生击穿，即漏极电流 迅速增加时的漏源电压大约在750V，而本发明器件的击穿曲线中发生击穿时的漏源电压 大约在1600V，证明本发明器件的击穿电压远远大于采用传统栅场板的凹槽绝缘栅型高电子迁移率器件的击穿电压，该图7的结论与附图6的结论相一致。
对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，能够在不背离本发明 的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是 这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
权利要求
1. 一种凹槽绝缘栅型复合栅场板高电子迁移率器件，包括衬底(1)、过渡层(2)、势垒层(3)、源极(4)、漏极(5)、绝缘介质层(7)、绝缘槽栅(8)、钝化层(9)、栅场板(10)和保护层(12)，势垒层(3)上开有凹槽(6)，绝缘槽栅(8)位于凹槽(6)上部的绝缘介质层(7)上，栅场板(10)位于钝化层(9)的上面，绝缘槽栅(8)与栅场板(10)电气连接，其特征在于，钝化层(9)上淀积有n个浮空场板(11)，n≥1，与栅场板构成复合栅场板结构。
2. 根据权利要求1所述的高电子迁移率器件，其特征在于每个浮空场板大小相同，相 互独立，且与栅场板(10)同位于钝化层(9)的上面。
3. 根据权利要求1或2所述的高电子迁移率器件，其特征在于栅场板与其最邻近的浮 空场板之间的距离为0.07~3.6^m,相邻两浮空场板之间的间距按照浮空场板排列自栅场 板到漏极方向的个数依次递增。
4. 根据权利要求1或2所述的高电子迁移率器件，其特征在于每个浮空场板的总厚度 与栅场板的厚度相同，该厚度为0.15~7.5nm，每个浮空场板的长度与栅场板的有效长度 相同，该长度为0.2~8|am。
5. 根据权利要求1所述的高电子迁移率器件，其特征在于凹槽(6)的深度D小于势 垒层的厚度，绝缘槽栅(8)与凹槽(6)两端的间距分别为Rl与R2， Rl与R2长度相 等且均为0~2.5|im。
6. —种制作凹槽绝缘栅型复合栅场板高电子迁移率器件的方法，包括如下过程在衬底(i)上外延ni-v族化合物半导体材料的过渡层(2)作为器件的工作区；在过渡层(2)上淀积III-V族化合物半导体材料的势垒层(3);在势垒层(3)上第一次制作掩膜，并在势垒层(3)上的两端淀积金属，再在N2气 氛中进行快速热退火，分别制作源极(4)和漏极(5);在势垒层(3)上第二次制作掩膜，利用该掩膜在源极(4)和漏极(5)之间的势垒 层刻蚀出凹槽(6);在源极(4)和漏极(5)的上部，以及源极(4)和漏极(5)之间的势垒层(3)上 淀积绝缘介质层(7);在绝缘介质层(7)上制作掩膜，利用该掩膜在凹槽(6)上部的绝缘介质层上淀积 金属，制作绝缘槽栅(8);分别在绝缘槽栅的上部、绝缘槽栅与源极之间的绝缘介质层上部，和绝缘槽栅与漏 极之间的绝缘介质层上部淀积钝化层(9);在钝化层(9)上制作掩膜，利用该掩膜在源极与漏极之间的钝化层上淀积两层或三 层金属层的组合，同时制作厚度为0.15 7.5pm的栅场板(10)和n个浮空场板(11)， n21，并将栅场板(10)与绝缘槽栅(8)电气连接；在栅场板(10)及各浮空场板(11)的外围区域淀积保护层(12)。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于在绝缘介质层(7)上制作掩膜，是按照 绝缘槽栅(8)与凹槽(6) —端的间距R1等于另一端的间距R2的分布关系设置。
8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于在钝化层(9)上制作掩膜，是按照栅场 板(10)与其最邻近的浮空场板之间的距离为0.07 3.6pm，且相邻两浮空场板之间的间 距按照浮空场板排列自栅场板到漏极方向的个数依次递增的位置关系设置。
9. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于三层金属组合采用Ti/Mo/Au或Ti/Ni/Au 或Ti/Pt/Au，其厚度均为0.02~0.5pm/0.04~lpm/0.09~6|im。
10. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于两层金属组合采用Ti/Au或Ni/Au或 Pt/Au，其厚度均为0,03 1.5nm/0.12 6nm。
全文摘要
本发明公开了一种凹槽绝缘栅型复合栅场板高电子迁移率器件，该器件自下而上包括衬底、过渡层、势垒层、源极、漏极、绝缘介质层、绝缘槽栅、钝化层、栅场板和保护层，势垒层上开有凹槽，绝缘槽栅位于凹槽上部的绝缘介质层上，栅场板位于钝化层的上面，绝缘槽栅与栅场板电气连接，其中，钝化层上淀积有n个浮空场板。每个浮空场板大小相同，相互独立，相邻两浮空场板之间的间距按照浮空场板排列自栅场板到漏极方向的个数依次递增。n个浮空场板处于浮空状态，并与栅场板在钝化层上通过一次工艺完成。本发明具有工艺简单、可靠性好、频率特性好、稳定性强和击穿电压高的优点，可制作基于III-V族化合物半导体异质结结构的微波功率器件。
文档编号H01L29/778GK101414633SQ200810232518
公开日2009年4月22日 申请日期2008年12月1日 优先权日2008年12月1日
发明者张进成, 翠 杨, 维 毛, 过润秋, 跃 郝, 马晓华 申请人:西安电子科技大学