专利名称：高电子迁移率晶体管的制作方法
技术领域：
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件。具体地说是一种高电子迁移率晶 体管HEMT，可用作高温高频高可靠大功率器件。
背景技术：
作为宽禁带半导体材料的典型代表，GaN基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速 度高、击穿场强高和导热性能好等特点，可用于制作高温、高频及大功率电子器件。更重要 的是，GaN基材料可以形成调制掺杂的MGaN/GaN异质结构，该结构在室温下可以获得很高 的电子迁移率，极高的峰值电子速度和饱和电子速度，并获得比第二代化合物半导体异质 结构更高的二维电子气2DEG密度。因此，基于AKiaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管 HEMT在大功率微波器件方面具有非常好的应用前景。同时，在雷达、通信、高温和抗辐射等 应用系统和领域具有巨大的需求前景和应用潜力。自1993年第一只AlGaN/GaN HEMT器件问世以来，AlGaN/GaN HEMT器件就得到了 极大的重视和广泛的研究，并且成果丰富。但随着对高电子迁移率晶体管研究的深入，发 现了其中的电流崩塌现象，这种现象被定义为在一定条件下漏电流ID比预想值下降的现象。自从电流崩塌现象被发现以来，人们就对它进行了深入的分析，并提出了一些合 理的模型来解释电流崩塌现象，其中虚栅模型是目前普遍被接受的，也是最成熟、最有说 服力的一种模型。1999年，Kohn等人在分析GaN基MODFET的高频频散现象时，就提出 了栅、漏极之间形成虚栅，限制了沟道电流，从而减小了微波输出功率的虚栅模型，参考 Kohn E， Daumiller I， Schmid P， et al， Large signal frequency dispersion ofAlGaN/ GaN heterostructure field effect transistors，Electron Letters，1999，35 (12)， P1022。但那时他们没有对该模型展开深入详细的讨论。直到2001年，Vetury等人用浮 栅法研究AlGaN/GaN HEMT的表面态效应时，发现了器件表面存在大量的负电荷和表面势 负偏的现象，并由此提出表面态俘获电子形成虚栅，最终导致高场应力下电流崩塌的虚栅 模型。Vetury等人认为，由于AKiaN/GaN异质结结构存在比较强的极化作用，在异质结界 面GaN—侧将得到浓度> 1013/Cm2的二维电子气，根据电中性要求，器件表面必然会感应 出大量的正电荷态，这些正电荷在器件工作过程中俘获电子。这就好比在栅漏电极之间存 在另一个栅极，即所谓的虚栅。由于这些表面态能级的充放电时间通常很大，赶不上RF信 号的频率，所以在RF信号下，虚栅会调制沟道电子的浓度，使器件输出电流减小，膝点电 压增加，输出功率密度和功率附加效率减小，形成崩塌。参考文献Ramakrishna Vetury, Naiqain Q. Zhang,Stacia Keller,et al,The Impact of Surface States on the DC and RF Characteristics of AlGaN/GaN HFETs, IEEE Transactions on electron devices, 2001. 3,48(3)，p560。当前，能够有效地减小电流崩塌的方法主要有两种器件表面钝化法和加帽层的 方法。其中
器件表面钝化的方法，是一种比较常用的方法。2000年，UCSB大学的Green等人 在已完成电极的器件表面，用PECVD方法淀积一层厚为350nm的Si3N4薄膜作为钝化层。实 验结果发现，经过Si3N4钝化的AlGaN/GaN HEMT的输出功率密度提高了一倍。之后，多个研 究小组也先后证实了 Si3N4钝化的方法可以有效地抑制电流崩塌。但这种方法工艺复杂，并 且只是一定程度上减小电流崩塌，不能完全阻止表面态对主沟道中二维电子气的影响，高 电场时二维电子气仍然会被表面态俘获，从而影响器件性能的稳定和可靠性。加帽层的方法，是在AlGaN/GaN材料表面再外延一层较厚的GaN帽层，目的是用这 个GaN帽层来隔离沟道和表面，减小表面对沟道中二维电子气的影响，进而起到减小电流 崩塌的作用。但该方法的缺陷是在高场应力下这个帽层本身含有的一些陷阱会对沟道中 二维电子气有一定影响；而且这个帽层的引入会使得沟道中二维电子气密度减小，从而降 低器件性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的缺陷，从器件纵向结构的优化角度提出一 种高电子迁移率晶体管，以避免电流崩塌，提高器件性能。为实现上述目的，本发明采用的器件结构自下而上包括衬底、成核层、主沟道层、 势垒层、介质层；势垒层顶端两侧分别为源极和漏极，中间为栅极，其特征在于势垒层上 依次增加有辅沟道层、缓变势垒层、高势垒层、隔离沟道层和隔离势垒层；栅极位于势垒层 与隔离势垒层之间的凹槽中，栅极的两侧及底部设有介质层。所述的隔离势垒层与隔离沟道层界面上，缓变势垒层与辅沟道层界面上，势垒层 与主沟道层界面上分别形成有二维电子气2DEG。所述的隔离势垒层和势垒层为AlJnyGa(1_x_y)N，且0 < χ < 1，0彡y彡0. 18， x+y ^ 1，隔离沟道层、辅沟道层和主沟道层为InzGi^zN,且0 < ζ彡0. 05。所述的高势垒层为AluGi^N。所述的缓变势垒层为AlmGai_m且从缓变势垒层与高势垒层界面到 缓变势垒层与辅沟道层界面，缓变势垒层的Al组分m由0. 5缓变为0。所述的成核层为AlmGi^mN,且0彡m彡1。所述的凹槽中栅极两侧介质厚度为5 30nm，栅极底部介质层厚度为0 5nm，隔 离势垒层上方介质层的厚度范围为30 500nm。为实现上述目的，本发明提供的制作高电子迁移率晶体管的方法包括如下过程第一步，在衬底上，采用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD技术外延厚度是 30 IOOnm的成核层，其中成核层的成分为AlmGai_mN，且0彡m彡1，外延采用的温度是 98O °C，压力是 2OiTorr ；第二步，在成核层上，采用MOCVD技术外延厚度是1 5 μ m的主沟道层，其中主 沟道的成分为hzGai_zN，且0彡ζ彡0. 05，外延采用的温度是500 920°C，压力是40 200Torr ；第三步，在主沟道层上，采用MOCVD技术外延厚度是20nm的势垒层，其中势垒层 的成分为AlJnpadiyN，且0 < χ < 1，0彡y彡0. 18，x+y彡1，外延采用的温度是600 IOOO0C，压力是 40 200Torr ；
第四步，在势垒层上，采用MOCVD技术外延厚度是IOnm的辅沟道层，其中辅沟 道层的成分为hzGai_zN，且0彡ζ彡0. 05，外延采用的温度是500 920°C，压力是40 200Torr ；第五步，在辅沟道层上，采用MOCVD技术外延厚度是IOnm的缓变势垒层，其中缓变 势垒层的成分为AlmGai_m5，铝组分从衬底方向向上由0%缓变为50%，外延 采用的温度是920°C，压力是40Torr ；第六步，在缓变势垒层上，采用MOCVD技术外延厚度是5nm的高势垒层，其中高势 垒层的成分是Altl. 5Ga0.5N,外延采用的温度是920 °C，压力是40Torr ；第七步，在高势垒层上，采用MOCVD技术外延厚度是IOnm的隔离沟道层，其中隔离 沟道层的成分是hzGai_zN，且0彡ζ彡0. 05，外延采用的温度是500 920°C，压力是40 200Torr ；第八步，在隔离沟道层上，采用MOCVD技术外延厚度是20nm的隔离势垒层，其中隔 离势垒层的成分是AlxInyfeia_x_y)N，且0 < χ < 1，0彡y彡0. 18，x+y彡1，外延采用的温度 是 600 IOOO0C，压力是 40 200Torr ；第九步，光刻并采用反应离子刻蚀RIE技术刻蚀出凹槽，刻蚀至势垒层，反应气体 CF4的流量为20sccm，O2的流量为2sccm压力为5mT，功率为50W ；第十步，采用等离子体增强化学气相沉积PECVD设备淀积厚度为30 500nm的介 质层，该介质层覆盖隔离势垒层表面和凹槽内壁；第十一步，光刻并刻蚀出源极、栅极和漏极区域，其中源极和漏极区域从介质层 表面开始刻蚀至势垒层，栅极区域在凹槽内，刻蚀凹槽中介质层至凹槽底部介质层厚度为 0 5nm，且凹槽内栅极区域两侧分别保留有介质层；第十二步，蒸发金属，形成源极、栅极和漏极，源极和漏极金属采用Ti/Al/Ni/Au 组合，其中Ti的厚度为10 40nm，Al的厚度为30 160nm，Ni的厚度为20 120nm，Au 的厚度为60 150nm ；而栅极金属采用Ni/Au组合，其中Ni的厚度为10 40nm，Au的厚 度为80 400nm。所述的凹槽两侧保留的介质层厚度为5 30nm。本发明具有如下优点1.更有效地避免电流崩塌现象。本发明由于对器件纵向结构进行改进，采用隔离沟道层来响应表面态的各种影 响，避免了主沟道中的2DEG被表面陷阱俘获，有效地避免了高场下因主沟道中二维电子气 2DEG减少而导致的电流崩塌现象。2.源漏欧姆接触电阻更小。本发明中由于在隔离沟道层、辅沟道层、主沟道层中都形成有二维电子气2DEG，这 些2DEG的迁移率远大于三维状态的体电子，从而大大降低源漏极欧姆接触电阻，提高器件 性能。
图1是本发明高电子迁移率晶体管剖面结构示意图；图2是本发明高电子迁移率晶体管的制作流程图。
具体实施例方式参照图1，本发明高电子迁移率晶体管是基于宽禁带化合物半导体材料的异质结 结构，该结构具体为衬底1上面是成核层2，成核层2为AlmGai_mN，且0 < m < 1 ；成核层 2上方是主沟道层3，主沟道层3为hz(iai_zN，且0彡ζ彡0. 05 ；主沟道3上方是势垒层4， 势垒层4为AlxIny(iaa_x_y)N，且0彡χ彡1，0彡y彡1，x+y彡1 ；势垒层4顶端两侧分别为 源极10和漏极12，中间为栅极11 ；势垒层4上方是辅沟道层5，辅沟道层5为hzGai_zN，且 0 ^ ζ ^ 0. 05 ；辅沟道层5上方是缓变势垒层6，缓变势垒层6为AlmGai_m
且自下而上缓变势垒层6的Al组分m由0缓变为0. 5 ；缓变势垒层6上方是高势垒层7， 高势垒层7为Ala5Giia5N ；高势垒层7上方是隔离沟道层8，隔离沟道层8为Ιηζ(^_ζΝ， 且0彡ζ彡0.05 ；隔离沟道层8上方是隔离势垒层9，隔离势垒层9为AlJnyGa(1_x_y)N，且 0彡χ彡1，0彡y彡1，x+y彡1 ；栅极11处在隔离势垒层9和顶势垒层4之间的凹槽14 中，栅极两侧及底部和隔离势垒层9上方都有介质层13，其中，凹槽中栅极两侧介质层的厚 度为5 30nm，栅极底部介质层的厚度为0 5nm，隔离势垒层9上方介质层的厚度为30 500nm;隔离势垒层(9)与隔离沟道层(8)界面上，缓变势垒层(6)与辅沟道层( 界面上， 势垒层(4)和主沟道层( 界面上分别形成有二维电子气2DEG。实施例1成核层采用GaN，主沟道层、辅沟道层和隔离沟道层采用GaN，势垒层采用 Α1。.25(^.75Ν，隔离势垒层采用AImG^^N。参照图2，制作过程如下步骤1，在衬底(1)上外延成核层O)，如图2(a)。衬底采用蓝宝石，并在其上采用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD技术外延 一层厚度为IOOnm的GaN成核层。外延GaN成核层的工艺条件为温度为980°C，压力为 2(ΧΓογγ，氢气流量为500sccm，氨气流量为5000sccm，镓源流量为20ymol/min。步骤2，在成核层(2)上外延主沟道层(3)，如图2(b)。在成核层(2)上，采用MOCVD技术外延厚度是5 μ m的GaN主沟道层(3)。外延 GaN主沟道层的工艺条件为温度为920°C，压力为40Torr，氢气流量为500sCCm，氨气流量 为 5000sccm，镓源流量为 105ymol/min。步骤3，在主沟道层(3)上外延势垒层，如图2(c)。在主沟道层(3)上，采用MOCVD技术外延厚度是20nm的Ala25Giia75N势垒层。外 延Ala25GEia75N势垒层的工艺条件为温度为1000°C，压力为40Torr，氢气流量为500sCCm， 氨气流量为5000sccm，铝源流量为ΙΟμπιοΙ/min，镓源流量为36ymol/min。步骤4，在势垒层(4)上外延辅沟道层(5)，如图2(d)。在势垒层(4)上，采用MOCVD技术外延厚度是IOnm的GaN辅沟道层(5)。外延 GaN辅沟道层的工艺条件为温度为920°C，压力为40Torr，氢气流量为500sCCm，氨气流量 为 5000sccm，镓源流量为 100ymol/min。步骤5，在辅沟道层( 上外延缓变势垒层(6)，如图2(e)。在辅沟道层(5)上，采用MOCVD技术外延厚度是IOnm的缓变势垒层(6)，其中缓 变势垒层的成分为AlmGai_mN，O^m^O. 5，铝组分m从衬底方向向上由0缓变为0. 5。外延 缓变势垒层的工艺条件为温度为920°C，压力为40ΤΟΠ·，氢气流量为500sCCm，氨气流量为5000sccm，招源、流量由 Oymol/min 至Ij 13 μ mol/min，嫁源、流量为 20ymol/min。步骤6，在缓变势垒层(6)上外延高势垒层(7)，如图2(f)。在缓变势垒层(6)上，采用MOCVD技术外延厚度是5nm的Ala5Giia5N高势垒层 (7)。外延Ala5Giia5N高势垒层的工艺条件为温度为920°C，压力为40ΤΟΠ·，氢气流量为 500sccm，氨气流量为5000sccm，铝源流量为13 μ mol/min，镓源流量为20ymol/min。步骤7，在高势垒层(7)上外延隔离沟道层(8)，如图2(g)。在高势垒层(7)上，采用MOCVD技术外延厚度是IOnm的GaN隔离沟道层(8)。外 延GaN辅沟道层的工艺条件为温度为920°C，压力为40Torr，氢气流量为500sCCm，氨气流 量为5000sccm，镓源流量为100 μ mol/min。步骤8，在隔离沟道层⑶上外延隔离势垒层(9)，如图2(h)。在隔离沟道层⑶上，采用MOCVD技术外延厚度是20nm的Ala2Giia8N隔离势垒层 (9)。外延Ala2Giia8N高势垒层的工艺条件为温度为1000°C，压力为40Torr，氢气流量为 500sccm,氨气流量为5000sccm，铝源流量为4 μ mol/min,镓源流量为20 μ mol/min。步骤9，光刻并采用干法刻蚀出凹槽(14)区域，如图2(i)。光刻并采用反应离子刻蚀RIE技术刻蚀出凹槽区域，刻蚀深度为55nm。刻蚀凹槽 区域采用的工艺条件是反应气体CF4的流量为20sCCm，A的流量为kccm，压力为5mT，功 率为50W。步骤10，淀积一层介质层(13)，如图2(」)。采用等离子体增强化学气相沉积PECVD设备淀积厚度为30nm的SiN介质层(13)， 该介质层覆盖隔离势垒层(9)表面和凹槽(14)内壁。淀积SiN介质层的工艺条件为=NH3W 流量为2. 5sccm, N2的流量为900sccm，SiH4的流量为200sccm，温度为300°C，压力为900mT， 功率为WW。步骤11，光刻并刻蚀出源极、栅极和漏极区域，如图2(k)。光刻并刻蚀出源极、栅极和漏极区域，其中源极和漏极位于势垒层(4)顶端两侧， 源极和漏极区域自介质层表面开始刻蚀至势垒层(4)，刻蚀深度为85nm ；栅极区域在凹槽 内，刻蚀凹槽中介质层至凹槽底部介质层厚度为Onm为止，且凹槽内栅极区域两侧分别留 有介质层厚度为5nm。刻蚀采用的工艺条件是反应气体CF4的流量为20sCCm』2的流量为 2sccm，压力为5mT，功率为50W。步骤12，蒸发金属，形成源极、栅极和漏极，如图2(1)。采用电子束蒸发技术在已刻蚀的源极和漏极区域蒸发金属，再在队气氛中进行快 速热退火，制作源极10和漏极12，其中源极和漏极金属采用Ti/Al/Ni/Au组合，且Ti的厚 度为10nm，Al的厚度为30nm，Ni的厚度为20nm，Au的厚度为60nm ；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850°C，时间是60s。采用电子束蒸发技术在已刻蚀的栅极区域蒸发金属，栅极金属采用Ni/Au组合， 其中M的厚度为10nm，Au的厚度为400nm。淀积栅极金属采用的工艺条件为真空度小于 1. 8 X 10 ,功率范围为200 700W，蒸发速率小于3A/s。实施例2成核层采用A1N，主沟道层、辅沟道层和隔离沟道层采用InaCl5Giia95N,势垒层和隔离势垒层采用Ala82Ina 18N。制作过程如下步骤1，衬底采用蓝宝石，并在其上采用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD技术 外延一层厚度为30nm的AlN成核层。外延AlN成核层的工艺条件为温度为980°C，压力 为2(ΧΓογγ，氢气流量为500sccm，氨气流量为1500sccm，铝源流量为18ymol/min。步骤2，在成核层(2)上，采用MOCVD技术外延厚度是1 μ m的Laci5Giia95N主沟道 层(3)。外延Matl5Giia95N主沟道层的工艺条件为温度为500°C，压力为200Torr，氢气流量 为500sccm，氨气流量为5000sccm，镓源流量为10 μ mol/min,铟源流量为2. 8 μ mol/min。步骤3，在主沟道层(3)上，采用MOCVD技术外延厚度是20nm的Ala82Inai8N势垒 层G)。外延Ala82^iai8N势垒层的工艺条件为温度为600°C，压力为200Torr，氢气流量为 500sccm，氨气流量为5000sccm，铝源流量为18 μ mol/min，铟源流量为1 μ mol/min。步骤4，在势垒层(4)上，采用MOCVD技术外延厚度是IOnm的Laci5Giia95N辅沟道 层(5)。外延Matl5Giia95N辅沟道层的工艺条件为温度为500°C，压力为200Torr，氢气流量 为500sccm，氨气流量为5000sccm，镓源流量为10 μ mol/min,铟源流量为2. 8 μ mol/min。
步骤5，与实施例1的步骤5相同。步骤6，与实施例1的步骤6相同。步骤7，在高势垒层(7)上，采用MOCVD技术外延厚度是IOnm的Inatl5Giia95N隔离 沟道层(8)。外延Matl5Giia95N隔离沟道层的工艺条件为温度为500°C，压力为200Torr，氢 气流量为500sccm，氨气流量为5000sccm，镓源流量为10 μ mol/min,铟源流量为2. 8 μ mol/
mirio步骤8，在隔离沟道层⑶上，采用MOCVD技术外延厚度是20nm的Ala8Jnai8N隔 离势垒层(9)。外延Ala82^iai8N隔离势垒层的工艺条件为温度为600°C，压力为200Torr， 氢气流量为500sccm，氨气流量为5000sccm，铝源流量为18 μ mol/min,铟源流量为1 μ mol/
mirio步骤9，与实施例1的步骤9相同。步骤10，采用等离子体增强化学气相沉积PECVD设备淀积厚度为500nm的SiN介 质层(13)，该介质层覆盖隔离势垒层(9)表面和凹槽(14)内壁。淀积SiN介质层的工艺条 件为=NH3的流量为2. 5sccm, N2的流量为900sccm, SiH4的流量为200sccm，温度为300°C, 压力为900mT，功率为25W。步骤11，光刻并刻蚀出源极、栅极和漏极区域，其中源极和漏极位于势垒层(4)顶 端两侧，源极和漏极区域自介质层表面开始刻蚀至势垒层G)，刻蚀深度为555nm;栅极区 域在凹槽内，刻蚀凹槽中介质层至凹槽底部介质层厚度为5nm为止，且凹槽内栅极区域两 侧分别留有介质层厚度为30nm。刻蚀采用的工艺条件是反应气体CF4的流量为20sCCm， O2的流量为kccm，压力为5mT，功率为80W。步骤12，采用电子束蒸发技术在已刻蚀的源极和漏极区域蒸发金属，再在队气氛 中进行快速热退火，制作源极10和漏极12，其中源极和漏极金属采用Ti/Al/Ni/Au组合，且 Ti的厚度为40nm，Al的厚度为60nm，Ni的厚度为120nm，Au的厚度为150nm ；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850°C，时间是60s。采用电子束蒸发技术在已刻蚀的栅极区域蒸发金属，栅极金属采用Ni/Au组合，其中M的厚度为40nm，Au的厚度为80nm。淀积栅极金属采用的工艺条件为真空度小于 1. 8 X 10 ,功率范围为200 700W，蒸发速率小于3A/s。实施例3成核层采用Ala35Giia65N,主沟道层、辅沟道层和隔离沟道层采用Inatl3Giia97N,势垒 层和隔离势垒层采用Ala27Inaci3Giia7Ntj制作过程如下步骤1，衬底采用蓝宝石，并在其上采用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD技术 外延一层厚度为60nm的Ala35Giia65N成核层。外延Ala35Giia65N成核层的工艺条件为温度 为980°C，压力为20Torr，氢气流量为500sccm，氨气流量为1500sccm，铝源流量为18 μ mol/ min,镓源流量为45 μ mol/min。步骤2，在成核层(2)上，采用MOCVD技术外延厚度是1. 5μπι的Laci3Giia97N主沟 道层(3)。外延Matl3GEia97N主沟道层的工艺条件为温度为600°C，压力为150Torr，氢气流 量为500sccm，氨气流量为5000sccm，镓源流量为10 μ mol/min,铟源流量为2. 2 μ mol/min。步骤3，在主沟道层(3)上，采用MOCVD技术外延厚度是20nm的Ala Mlnatl3GEici.小势 垒层G)。外延Altl.MnaC3Giia7N势垒层的工艺条件为温度为700°C，压力为lOOTorr，氢气 流量为500sccm，氨气流量为5000sccm，铝源流量为3. 5 μ mol/min,铟源流量为2. 4 μ mol/ min,镓源流量为10 μ mol/min。步骤4，在势垒层(4)上，采用MOCVD技术外延厚度是IOnm的Inaci3Giia97N辅沟道 层(5)。外延Matl3Giia97N辅沟道层的工艺条件为温度为600°C，压力为150Torr，氢气流量 为500sccm，氨气流量为5000sccm，镓源流量为10 μ mol/min,铟源流量为2. 2 μ mol/min。步骤5，与实施例1的步骤5相同。步骤6，与实施例1的步骤6相同。步骤7，在高势垒层(7)上，采用MOCVD技术外延厚度是IOnm的Inatl3Giia97N隔离 沟道层(8)。外延Latl3GEia97N隔离沟道层的工艺条件为温度为600°C，压力为150Torr，氢 气流量为500sccm，氨气流量为5000sccm，镓源流量为10 μ mol/min,铟源流量为2. 2 μ mol/ min。步骤8，在隔离沟道层⑶上，采用MOCVD技术外延厚度是ZOnmmAla27Inaci3GEia7N 隔离势垒层(9)。外延Ala27Inaci3Giia7N隔离势垒层的工艺条件为温度为700°C，压力为 lOOTorr，氢气流量为500sccm，氨气流量为5000sccm，铝源流量为3. 5 μ mol/min，铟源流量 为 2. 4 μ mol/min,镓源流量为 10 μ mol/min。步骤9，与实施例1的步骤9相同。步骤10，采用等离子体增强化学气相沉积PECVD设备淀积厚度为200nm的SiN介 质层(13)，该介质层覆盖隔离势垒层(9)表面和凹槽(14)内壁。淀积SiN介质层的工艺条 件为=NH3的流量为2. 5sccm, N2的流量为900sccm, SiH4的流量为200sccm，温度为300°C, 压力为900mT，功率为25W。步骤11，光刻并刻蚀出源极、栅极和漏极区域，其中源极和漏极位于势垒层(4)顶 端两侧，源极和漏极区域自介质层表面开始刻蚀至势垒层G)，刻蚀深度为255nm;栅极区 域在凹槽内，刻蚀凹槽中介质层至凹槽底部介质层厚度为3nm为止，且凹槽内栅极区域两 侧分别留有介质层厚度为15nm。刻蚀采用的工艺条件是反应气体CF4的流量为20sCCm， O2的流量为kccm，压力为5mT，功率为60W。
步骤12，采用电子束蒸发技术在已刻蚀的源极和漏极区域蒸发金属，再在队气氛 中进行快速热退火，制作源极(10)和漏极(12)，其中源极和漏极金属采用Ti/Al/Ni/Au组 合，且Ti的厚度为20nm，Al的厚度为160nm，Ni的厚度为60nm，Au的厚度为80nm ；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850°C，时间是60s。采用电子束蒸发技术在已刻蚀的栅极区域蒸发金属，栅极金属采用Ni/Au组合， 其中M的厚度为30nm，Au的厚度为200nm。淀积栅极金属采用的工艺条件为真空度小于 1. 8 X 10 ,功率范围为200 700W，蒸发速率小于3A/s。上述实施例仅本发明的几个优选实例不构成对本发明的任何限制，显然对于本领 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
1.一种高电子迁移率晶体管，自下而上包括衬底(1)、成核层( 、主沟道层C3)、势垒 层(4)、介质层(13)；势垒层(4)顶端两侧分别为源极(10)和漏极(12)，中间为栅极(11)， 其特征在于势垒层(4)上依次增加有辅沟道层(5)、缓变势垒层(6)、高势垒层(7)、隔离 沟道层(8)和隔离势垒层(9)；栅极(11)位于势垒层(4)与隔离势垒层(9)之间的凹槽 (14)中，栅极的两侧及底部设有介质层(13)。
2.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，隔离势垒层(9)与隔离沟 道层(8)界面上，缓变势垒层(6)与辅沟道层( 界面上，势垒层(4)和主沟道层C3)界面 上分别形成有二维电子气2DEG。
3.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，隔离势垒层(9)和势垒 层(4)为AlxInyGa(1_x_y)N，且0 < χ < 1，0彡y彡0. 18，x+y彡1，隔离沟道层(8)、辅沟道层 (5)和主沟道层(3)为InzGivzN,且0彡ζ彡0. 05。
4.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，高势垒层(7)为 Al。· 5Νο
5.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，缓变势垒层(6)为 AlmGai_mN，0<m<0.5，且从缓变势垒层(6)与高势垒层(7)界面到缓变势垒层(6)与辅沟 道层(5)界面，缓变势垒层(6)的Al组分m由0. 5缓变为0。
6.根据权利要求1所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，成核层(2)为AlmGi^mN, 且 彡m彡1。
7.根据权利要求9所述的高电子迁移率晶体管，其特征在于，凹槽(14)中栅极两侧介 质厚度为5 30nm，栅极底部介质层厚度为0 5nm，隔离势垒层(9)上方介质层(13)的 厚度范围为30 500nm。
8.一种制作高电子迁移率晶体管的方法，包括如下过程第一步，在衬底(1)上，采用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD技术外延厚度是 30 IOOnm的成核层O)，其中成核层的成分为AlmGai_mN，且0彡m彡1，外延采用的温度是 98O °C，压力是 2OiTorr ；第二步，在成核层(2)上，采用MOCVD技术外延厚度是1 5μπι的主沟道层(3)，其中 主沟道的成分为hzGai_zN，且0彡ζ彡0. 05，外延采用的温度是500 920°C，压力是40 200Torr ；第三步，在主沟道层(3)上，采用MOCVD技术外延厚度是20nm的势垒层0)，其中势垒 层⑷的成分为AlxInyfeia_x_y)N，且0 < χ < 1，0彡y彡0. 18，x+y彡1，外延采用的温度是 600 IOOO0C，压力是 40 200Torr ；第四步，在势垒层(4)上，采用MOCVD技术外延厚度是IOnm的辅沟道层(5)，其中辅沟 道层的成分为hzGai_zN，且0彡ζ彡0. 05，外延采用的温度是500 920°C，压力是40 200Torr ；第五步，在辅沟道层(5)上，采用MOCVD技术外延厚度是IOnm的缓变势垒层(6)，其中 缓变势垒层的成分为AlmGai_mN，00. 5，铝组分从衬底方向向上由0%缓变为50%，外延采用的温度是920°C，压力是40Torr ；第六步，在缓变势垒层(6)上，采用MOCVD技术外延厚度是5nm的高势垒层(7)，其中高 势垒层的成分是Ala 5Ga0.5N,外延采用的温度是920°C，压力是40Torr ；第七步，在高势垒层(7)上，采用MOCVD技术外延厚度是IOnm的隔离沟道层(8)，其中 隔离沟道层的成分是hfahN，且0彡ζ彡0. 05，外延采用的温度是500 920°C，压力是 40 200Torr ；第八步，在隔离沟道层(8)上，采用MOCVD技术外延厚度是20nm的隔离势垒层(9)，其 中隔离势垒层的成分是AlxInyfeia_x_y)N，且0 < χ < 1，0彡y彡0. 18，x+y彡1，外延采用的 温度是6OO 1000°C，压力是40 2OOTorr ；第九步，光刻并采用反应离子刻蚀RIE技术刻蚀出凹槽(14)，刻蚀至势垒层，反应 气体CF4的流量为20sccm，O2的流量为2sccm压力为5mT，功率为50W ；第十步，采用等离子体增强化学气相沉积PECVD设备淀积厚度为30 500nm的介质层 (13)，该介质层覆盖隔离势垒层(9)表面和凹槽(14)内壁；第十一步，光刻并刻蚀出源极、栅极和漏极区域，其中源极和漏极区域从介质层表面开 始刻蚀至势垒层G)，栅极区域在凹槽(14)内，刻蚀凹槽中介质层至凹槽底部介质层厚度 为0 5nm，且凹槽内栅极区域两侧分别保留有介质层；第十二步，蒸发金属，形成源极、栅极和漏极，源极和漏极金属采用Ti/Al/Ni/Au组合， 其中Ti的厚度为10 40nm，Al的厚度为30 160nm，Ni的厚度为20 120nm，Au的厚 度为60 150nm ；而栅极金属采用Ni/Au组合，其中Ni的厚度为10 40nm，Au的厚度为 80 400nm。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，凹槽两侧保留的介质层厚度为5 30nm。
全文摘要
本发明公开了一种高电子迁移率晶体管，主要解决现有技术的电流崩塌严重和源漏极欧姆接触电阻大的问题。该器件自下而上包括衬底(1)、成核层(2)、主沟道层(3)、势垒层(4)、介质层(13)；势垒层(4)顶端两侧分别为源极(10)和漏极(12)，中间为栅极(11)，势垒层(4)上依次增加有辅沟道层(5)、缓变势垒层(6)、高势垒层(7)、隔离沟道层(8)和隔离势垒层(9)；栅极(11)位于势垒层与隔离势垒层之间的凹槽(14)中，栅极的两侧及底部设有介质层(13)。隔离势垒层与隔离沟道层界面上，缓变势垒层与辅沟道层界面上，势垒层和主沟道层界面上分别形成有二维电子气2DEG。本发明可避免高场应力下的电流崩塌，降低源漏极欧姆接触电阻，可用作高温高频高可靠大功率器件。
文档编号H01L29/205GK102130159SQ20111000151
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月6日 优先权日2011年1月6日
发明者付小凡, 刘子扬, 张凯, 张进成, 林志宇, 王冲, 郝跃, 陈珂, 马俊彩, 马晓华 申请人:西安电子科技大学