专利名称：凹槽绝缘栅型复合源场板的异质结场效应晶体管的制作方法
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 料异质结的凹槽绝缘栅型复合源场板的异质结场效应晶体管，可作为微波、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in-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在异质结界面附近产生一个量子势井。对
于由m-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m-v族化合物半导体材料异质结具有良好的电特性。
基于m-v族化合物半导体材料异质结制作而成的异质结场效应晶体管，继承了m-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、 大功率及耐高温等特性，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
此该类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 Mimura等 人报道成功研制出了第一只AlGaAs/GaAs异质结场效应晶体管，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，也是一种异质结场效应晶体管， 参见High electron mobility transistor based on a GaN-AlxGai—xN heterojunction, 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异质结场效应晶体管的研究不断取得新的突 破。然而，异质结场效应晶体管工作时势垒层耗尽区中的电场线的分布并不均匀，靠近 漏极一侧的栅极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。
为了提高异质结场效应晶体管的击穿电压，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。在异质结场效应晶体管中采用场板结构，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。在异质结场效应晶体管中采用场板结构， 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的异质结场效应 晶体管，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。然而， 在采用栅场板的异质结场效应晶体管中，栅场板与二维电子气沟道之间产生的附加电容 会叠加进器件的栅漏反馈电容中，使得栅漏反馈电容增大，导致器件的功率特性和频率 特性衰减，同时造成器件的不稳定性大大增加，器件采用场板结构的优势并没有得到充 分体现，因此一些研究者提出采用源场板结构来改善器件的性能。2004年，Y. -F. Wu等 人报道了采用源场板的高电子迁移率晶体管，也是一种采用源场板的异质结场效应晶体 管，通过输出调谐网络消除了场板所引入的附加电容，在较高的频率下获得了很高的功 率增益、输出功率和功率附加效率，参见High-gain microwave GaN HEMTs w池 source-terminated field-plates, IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest, pp. 1078-1079, December 2004。由于单层场板结构提高异质结场效应晶体管的击穿电压的 能力非常有限，因此为了进一步提高器件的击穿电压和输出功率，同时兼顾器件的频率 特性， 一些研究者在异质结场效应晶体管中采用了各种复杂的场板结构，而堆层场板结 构的是目前最常用和最有效的一种结构，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。2005年，YujiAndo等人报道了采用栅场板和源场板双层场板的场 效应晶体管，有效地减小了器件的栅漏反馈电容，获得了非常高的击穿电压、输出功率及线性增益，参见Novd AlGaN/GaN dual-field-plate FET with high gain, increased linearity and stability, IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest, pp. 576-579, December2005。但是采用堆层场板结构的异质结场效应晶体管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， 而且要使各层场板卜'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。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，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源场板的异质结场效应晶体管，以实现高输 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m-v族化合物半导体材料构成的
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、源场板和保护层，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，源场板位于钝化层的上面，源极与源场板电气连接，其中，源场板与漏极
之间的钝化层上淀积有n个浮空场板，n21，这些浮空场板与源场板构成复合源场板结构， 提高击穿电压。
所述的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 板排列自源场板到漏极方向的个数依次递增。
所述的源场板与其最邻近的浮空场板之间的距离为0.06 2.8iam。
所述的凹槽的深度D小于势垒层的厚度，绝缘槽栅与凹槽两端的间距分别为Rl与 R2， Rl长度为0~1.5(im， R2长度为0~3^m，并且R15R2。
为实现上述目的，本发明提供的制作凹槽绝缘栅型复合源场板的异质结场效应晶体
管的方法，包括如下过程
在衬底上外延III-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III-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，及源极与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，该绝缘槽栅与凹槽两端的间距分别为Rl与R2， Rl长度为0~1.5pm， R2长 度为0 3jam，并且R15R2;
淀积钝化层，即用绝缘介质材料覆盖绝缘槽栅外围的区域；
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金属，同时制 作厚度均为0.2 9pm的源场板和n个浮空场板，ti21，并将源场板与源极电气连接；
淀积保护层，即用绝缘介质材料覆盖源场板和各浮空场板的外围区域。
本发明器件与采用传统源场板的异质结场效应晶体管比较具有以下优点
1. 进一步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，在源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，于是电势从源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 漏源电压，于是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、源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，而且通过调整源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III-V族化合物半导体材料的击穿电 场，从而极大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，显著增强了器件的可靠性。
3. 进一步增加了器件的饱和输出电流，可以获得稳定的高输出功率。
本发明由于采用了凹槽绝缘栅结构，进一步提高了器件栅极的偏置，增加了器件的 饱和输出电流，同时提高了器件的线性度，改善了器件的大信号和小信号微波功率性能， 使器件可以获得稳定的高输出功率。
4. 工艺简单，易于实现，成品率高。
本发明器件结构中由于源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源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源场板的异质结场效应晶 体管的击穿电压。
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异质结场效应晶体管的结构图； 图2是本发明凹槽绝缘栅型复合源场板的异质结场效应晶体管的结构图； 图3是本发明凹槽绝缘栅型复合源场板的异质结场效应晶体管制作流程图； 图4是对传统器件及本发明器件仿真所得的势垒层屮电场曲线图； 图5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源场板的异质结场效应晶体管是基于m-v族化
合物半导休异质结结构，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F1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，及源极与漏极之间的势垒层3上。绝缘槽栅8位于凹槽6上部的绝缘 介质层7的上面，并与凹槽6两端的间距分别为Rl与R2， Rl长度为0~1.5pm， R2长 度为0~3pm,并且R1SR2。钝化层9位于绝缘槽栅8的外围区域。在钝化层9上制作有 源场板10及n个浮空场板11， n21，构成复合源场板结构。这些浮空场板与源场板位于 同一层钝化层上，第一个浮空场板与源场板之间的距离Sl为0.06|_im~2.8nm，相邻两浮 空场板之间的间距不同，即按照浮空场板个数自源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Sl。各浮空场板11的大小相同，沿着平行于源场板宽度的 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。源场板的有效长度 L0为0.25pm 6pm，每个浮空场板的长度L1均为0.25(im 6^mi，且每个浮空场板的长度 与源场板的有效长度相同。保护层12位于源场板IO和n个浮空场板11的外围区域。源 场板10与源极4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III-V族化合物半导体材料组成，其厚度为1 5nm;势垒层3由若干层 相同或不冋的n工-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，其厚度为卜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0.04~0.7|_mi;保护层12可以为Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 1102或其它绝缘介质 材料，其厚度为0.25~9.2|am;源场板10及n个浮空场板11 ，论l，采用两层或三层的金 属层的组合，其厚度为0.2~9pm。 '
参照图3，本发明制作凹槽绝缘栅型复合源场板的异质结场效应晶体管的过程如下
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l~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m-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III-V族化合物半导体材料组成，如仅由AlxGaLxN材料组成，或自下而上由AlxGai.xN 和GaN两层材料组成，或仅由AlxGai.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，分别在其两端淀积金属，再在N2气氛中进行快速热 退火，制作源极4和漏极5，其中所淀积的金属采用Ti/Al/Ni/Au组合，或采用其它金属 组合，金属厚度为0.01 0.04pm/0.03~0.16|Lim/0.02~0.12|Lmi/0.06~0.15|Lmi。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，在源极和漏极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，及源极与漏极之间的势垒层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，并在凹槽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 0.01~0.04|am/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长度 为0 1.5pm， R2长度为0 3(im，并且R1^R2。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8的外围区域淀积钝化层9，该钝化层材料可以采用Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 Ti02或其它绝缘介质材料，其厚度为0.04~0.7nm。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，制作源场板lO及各浮空场板.ll，如图3h。
在钝化层9上制作掩膜，该掩膜是按照源场板10与其最邻近的浮空场板之间的距离 为0.06)am 2.^m，且相邻两浮空场板之间的间距按照浮空场板排列自源场板到漏极方向 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0.2 9pm的 源场板10及n个浮空场板11, n2l。该源场板及各浮空场板的淀积均采用两层或三层金 属层的组合，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，厚度为0.05 1.6nm/0.15 7.4(im;对于三层金属组合采用Ti/Mo/Au或Ti/Ni/Au 或Ti/Pt/Au,厚度为0.04~0.5pm/0.07~1.5nm/0.09~7pm。源场板的有效长度LO为 0.25 6pm，每个浮空场板的长度Ll均为0.25~6|mi，且每个浮空场板的长度与源场板的 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。
完成源场板及n个浮空场板的制作后，将源场板10与源极4电气连接。 步骤9，淀积保护层12，如图3i。
在源场板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、 Ti02或其它绝缘介质材料，其厚度为0.25~9.2|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，源场板和各 浮空场板为Ti/Au金属组合的复合源场板的异质结场效应晶体管，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lpm的未掺杂过 渡层2，该过渡层自下而上由厚度为26nm的A1N材料和厚度为0.974pm的GaN材料构 成。外延下层A1N材料采用的工艺条件为温度为575。C，压力为82Torr，氢气流量为 4400sccm，氨气流量为4400sccm，铝源流量为26pmol/min;外延上层GaN材料釆用的 工艺条件为温度为1000°<:，压力为82Torr，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm, 镓源流量为13(^mol/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47nm、铝组分为0.15的Al().15Gao.85N材料和厚度 为3nm的GaN材料构成。淀积下层AltnsGao.ssN材料采用的工艺条件为温度为1030°C， 压力为82Torr，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm，镓源流量为11nmol/min， 铝源流量为2pmol/min;淀积上层GaN材料采用的工艺条件为温度为1030°C，压力为 82Torr，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm，镓源流量为7|imol/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/Ni/Au金属组合， 金属层厚度为0.01nm/0.03|im/0.02nm/0.06pm。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;快速热退火采用的工艺条件为 温度为840。C,时间为50s。
4. 在势垒层3上制作掩膜，使用反应离子刻蚀技术在源极和漏极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Cl2的流量为 5sccm,压力为10mT，功率为100 W。
5. 使用电了束蒸发技术分别在源极4和漏极5的上部，及源极与漏极之间的势垒层3 上淀积Si02作为绝缘介质层7，该绝缘介质层厚度为lrun。淀积绝缘介质层采用的工艺 条件为真空度小于1.2xlO—3Pa，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，其中所淀积的金属采用Ni/Au金属组合，金属厚度为0.01pm/0.08nm,该绝缘槽栅8与凹槽6两端的间距分别为Rl与R2, Rl与R2的长度均 为0.0(im。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在绝缘槽栅8外围的区域淀积SiN作为钝化 层9，该钝化层厚度为0.04pm。淀积钝化层采用的工艺条件为气体为NHs、 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0.05pm/0.15pm的Ti/Au金属组合，以制作源场板10及一个浮空场板11，该 源场板的有效长度LO和浮空场板的长度Ll均为0.25pm,源场板与浮空场板之间的距离 Sl为0.06pm。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。将源场板10与源极4电气连接。
9. 使用等离子体增强化学气相淀积技术分别在源场板IO和浮空场板11的外围区域淀 积厚度为0.22pm的SiN作为保护层12。淀积保护层采用的工艺条件为气体为NH3、 N2SSiH4，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，源场板和 各浮空场板为Ni/Au金属组合的复合源场板的异质结场效应晶体管，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2.6nm的未掺杂 过渡层2，该过渡层自下而上由厚度为70nm的A1N材料和厚度为2.53(am的GaN材料构 成。外延下层A1N材料采用的工艺条件为温度为1040°C，压力为85Torr，氢气流量为 5000sccm，氨气流量为5000sccm，铝源流量为16pmol/min;外延上层GaN材料采用的 工艺条件为温度为1040。C，压力为85Torr，氢气流量为5000sccm，氨气流量为5000sccm， 镓源流量为180|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28nm，且铝组 分为0.3的未掺杂Alo3Gao.7N势垒层3。采用的工艺条件为温度为1020。C，压力为85Torr, 氢气流量为5000sccm，氨气流量为5000sccm，镓源流量为11pmol/min，铝源流量为 5|imol/min。
3. 在Ala3GaQ.7N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/Ni/Au 金属组合，金属层厚度为0.02|^m/0.12|nm/0.07nm/0.07nm。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20(K1000W，蒸发速率小于3A/s;快速热退火采用 的工艺条件为温度为850。C，时间为40s。
4. 在Ala3Gaa7N势垒层3上制作掩膜，使用反应离子刻蚀技术在源极和漏极之间的 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分别在源极4和漏极5的上部，及源极与漏极 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10nm。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 0.02|_mi/0.3pm，该绝缘槽栅(8)与凹槽(6)两端的间距分别为Rl与R2， Rl长度为0.5|^m， R2长度为1.5pm。淀积金属采用的工艺条件为真空度小于1.2xl(^Pa，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在绝缘槽栅外围的区域淀积Si02作为钝化层9，该钝化层厚 度为0.3pm。淀积钝化层采用的工艺条件为真空度小于1.2xlO—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0.5pm/l^im的Ni/Au金属组合，以制作源场板10及两个浮空场板11，该源 场板的有效长度L0和各浮空场板的长度L1均为lpm，源场板与第一个浮空场板之间的 距离Sl为0.46pm，源场板与第二个浮空场板之间的距离S2为2.4pm。淀积金属采用的 工艺条件为真空度小于1.8x1 (T3Pa，功率范围为200~700W，蒸发速率小于3A/s。将源 场板10与源极4电气连接。
9. 使用等离子体增强化学气相淀积技术分别在源场板IO和两个浮空场板11的外围区 域淀积厚度为1.7pm的Si02作为保护层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。
实施例三制作衬底为硅，绝缘介质层为八1203，钝化层为SiN，保护层为SiN，源场板和各浮 空场板为Pt/Au金属组合的复合源场板的异质结场效应晶体管，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135nm的A1N材料和厚度为4.865pm的GaN材料构成。 外延下层A1N材料采用的工艺条件为温度为880°C，压力为90Torr，氢气流量为 5100sccm，氨气流量为5100sccm，铝源流量为41^mol/min;外延上层GaN材料采用的 工艺条件为温度为1070。C，压力为90Torr，氢气流量为5100sccm，氨气流量为5100sccm， 镓源流量为賜,ol/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10nm，且铝组 分为0.5的未掺杂AlQ.5GaG.5N势垒层3。采用的工艺条件为温度为1020°C，压力为90Torr， 氢气流量为5100sccm，氨气流量为5100sccm,镓源流量为10pmol/min，铝源流量为 10(jmol/min。
3. 在AlG.5Gaa5N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/Ni/Au 金属組合，金属层厚度为0.04nm/0.16|am/0.12|am/0.15|^m。淀积金属采用的工艺条件为 真空度小于1.8xlO—3Pa，功率范围为20(MO00W，蒸发速率小于3A/s;快速热退火采用 的工艺条件为温度为870。C，时间为30s。
4在Alo.5Gao.sN势垒层3上制作掩膜，使用反应离子刻蚀技术在源极和漏极之间的 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分别在源极4和漏极5的上部，及源极与漏极之间的势垒层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300°C， 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 0.04nm/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长度为1.5|am, R2长度为3.0)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在绝缘槽栅外围的区域淀积SiN作为钝化层9，该钝化层厚度为0.7pm。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1.6nm/7.4|im的Pt/Au金属组合，以制作源场板IO及三个浮空场板11，该源 场板的有效长度LO与各浮空场板的长度Ll均为6pm,源场板与第一个浮空场板之间的 距离Sl为2.8pm，源场板与第二个浮空场板之间的距离S2为14.5^m，源场板与第三个 浮空场板之间的距离S3为32pm。淀积金属采用的工艺条件为真空度小于1.8xlO—3Pa， 功率范围为200 1000W，蒸发速率小于3A/s。将源场板10与源极4电气连接。
9. 使用等离子体增强化学气相淀积技术分别在源场板IO和三个浮空场板11的外围区 域淀积厚度为9.2nm的SiN作为保护层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，源场板和 各浮空场板为Ti/Mo/Au金属组合的复合源场板的异质结场效应晶体管，其过程是
1. 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0.04pm/0.07|_im/0.09nm的Ti/Mo/Au金属组合，以制作源场板10及四个浮空 场板11，该源场板的有效长度L0和各浮空场板的长度Ll均为0.25nm，源场板与第一 个浮空场板之间的距离Sl为0.06|im，源场板与第二个浮空场板之间的距离S2为0.45pm， 源场板与第三个浮空场板之间的距离S3为0.96(am，源场板与第四个浮空场板之间的距 离S4为1.7)nm。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。将源场板10与源极4电气连接。
9.使用原子层淀积技术分别在源场板10和四个浮空场板11的外围区域淀积厚度为 0.22pm的A1203作为保护层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，源场板和各 浮空场板为Ti/Ni/Au金属组合的复合源场板的异质结场效应晶体管，其过程是
1. 与实施例二的过程l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SiCb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0.3pm/0.9|im/2.8|am的Ti/Ni/Au金属组合，以制作源场板10及两个浮空场板 11，该源场板的有效长度L0与各浮空场板的长度Ll均为0.8pm，源场板与第一浮空场 板之间的距离Sl为1.2|am，源场板与第二浮空场板之间的距离S2为4.5pm。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。 将源场板10与源极4电气连接。 .
9. 使用等离子体增强化学气相淀积技术分别在源场板IO和两个浮空场板11的外围区 域淀积厚度为4.5pm的SiN作为保护层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A1203，钝化层为SiN，保护层为Si02，源场板和各浮 空场板为Ti/Pt/Au金属组合的复合源场板的异质结场效应晶体管，其过程是
1. 与实施例三的过程1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0.5nm/1.5nm/7nm的Ti/Pt/Au金属组合，以制作源场板10及三个浮空场板 11，该源场板的有效长度L0与各浮空场板的长度Ll均为6pm，源场板与第一个浮空场 板之间的距离Sl为2.8nm，源场板与第二个浮空场板之间的距离S2为15^m，源场板与 第三个浮空场板之间的距离S3为32pm。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。将源场板10与源极4电气连 接。
9. 使用等离子体增强化学气相淀积技术分别在源场板IO和三个浮空场板U的外围区 域淀积厚度为9.2nm的Si02作为保护层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和图5进一步说明。
图4给出了采用Alo.32Gao.68N/GaN异质结结构时，采用传统源场板的异质结场效应 晶体管与本发明采用两个浮空场板的器件在AlG.32Gaa68N势垒层中的电场仿真图，由该图 可以看出，采用传统源场板的异质结场效应晶体管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源场板的异质结场效应晶体管的击穿电压。
图5给出了采用Alo.32GaQ.68N/GaN异质结结构时，釆用传统源场板的异质结场效应 晶体管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，采用传统源
场板的异质结场效应晶体管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610V，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1550V，证明本 发明器件的击穿电压远远大于采用传统源场板的异质结场效应晶体管的击穿电压，该图5 的结论与图4中的结论相一致。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源场板的异质结场效应晶体管，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)、源场板(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，源场板(10)位于钝化层(9)的上面，源极(4)与源场板(10)电气连接，其特征在于，源场板(10)与漏极之间的钝化层上淀积有n个浮空场板(11)，n≥1，这些浮空场板与源场板构成复合源场板结构，提高击穿电压。
2. 根据权利要求1所述的复合源场板的异质结场效应晶体管，其特征在于每个浮空场 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源场板到漏极 方向的个数依次递增。
3. 根据权利要求1或2所述的复合源场板的异质结场效应晶体管，其特征在于源场板 与其最邻近的浮空场板之间的距离为0.06~2.8pm。
4. 根据权利要求1或2所述的复合源场板的异质结场效应晶体管，其特征在于每个浮 空场板的厚度与源场板的厚度相同，该厚度为0.2~9nm，每个浮空场板的长度与源场板 的有效长度相同，该长度为0.25 6|am。
5. 根据权利要求1所述的复合源场板的异质结场效应晶体管，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R1与R2， Rl长度为0~1.5nm， R2长度为0 3nm，并且R1^R2。
6. —种制作凹槽绝缘栅型复合源场板的异质结场效应晶体管的方法，包括如下过程在衬底(i)上外延m-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，利用该掩膜在源极和漏极之间的势垒层刻蚀出凹槽(6);在源极(4)和漏极(5)的上部，及源极与漏极之间的势垒层(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)，该绝缘槽栅与凹槽(6)两端的间距分别为R1与R2， Rl长 度为0~1.5pm， R2长度为0~3nm，并且R1^R2;淀积钝化层(9)，即用绝缘介质材料覆盖绝缘槽栅外围的区域；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金属，同 时制作厚度均为0.2~9pm的源场板(10)和n个浮空场板(11)，论l,并将源场板(10) 与源极(4)电气连接；淀积保护层(12)，即用绝缘介质材料覆盖源场板(10)和各浮空场板(11)的外 围区域。
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R2大于等于另一端间距R1的分布关系设置。
8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于在源极与漏极之间的钝化层上淀积金属制 作厚度均为0.2 9pm的源场板及各浮空场板，采用两层或三层金属层的组合，且下层金 属厚度要小于上层金属厚度。
9. 根据权利要求8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0.04 0.5pm/0.07~1.5(jm/0.09~7nm。
10. 根据权利要求8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0.05~1.6|^m/0.15 7.4pm。
全文摘要
本发明公开了一种凹槽绝缘栅型复合源场板的异质结场效应晶体管，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、源场板和保护层，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，源场板位于钝化层的上面，源极与源场板电气连接，其中，源场板与漏极之间的钝化层上淀积有n个浮空场板。这些浮空场板大小相同，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源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，并与源场板在钝化层上一次工艺完成。本发明具有工艺简单、可靠性好、稳定性强、频率特性好和输出功率高的优点，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H01L21/336GK101414634SQ20081023252
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
发明者翠 杨, 维 毛, 过润秋, 跃 郝 申请人:西安电子科技大学