专利名称：Hemt器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，更具体地说，涉及一种HEMT器件及其制造方法。
背景技术：
毫米波段功率放大器在军用、商用和消费领域均具有巨大的应用前景。高频宽带无线通信技术、精确制导武器、远程雷达及空间通讯技术，工作频段从C、X波段逐渐向Ku、Ka等更高频段发展。做为第三代半导体材料，GaN材料具有禁带宽度宽、击穿电场高、输出功率大的优点，而且GaN材料在高压下工作时的导通电阻小，使得GaN基功率器件也表现出更高的增益。同时，GaN基功率器件具有很高的电子迁移率和电子饱和速率，确保了该器件在Ka、Q甚至W波段的高增益。因此,GaN基的HEMT (High Electron Mobility Transistor,高电子迁移率晶体管)技术已成为当前毫米波大功率器件领域研究的热点。当前，GaN基的HEMT器件通常采用Γ型栅或T型栅结构，如图1所示，为现有技术中的GaN基的HEMT器件的结构图，该HEMT器件包括:半导体衬底11，衬底11 一般为SiC材料；位于衬底11表面上的缓冲层12，缓冲层12材料为GaN ；位于缓冲层12表面上的外延层13，外延层13材料一般为AlGaN，缓冲层12和外延层13形成异质结，二者 之间的界面上分布有二维电子气，形成导电沟道，外延层13即为
势垒层；位于所述外延层13表面上的帽层14,帽层14材料一般为GaN ；为了抑制电流崩塌效应，通常采用钝化工艺，在源极16和漏极17之间的帽层表面上生长绝缘介质，即位于所述帽层14表面上的钝化层15，钝化层15材料一般为氮化硅；位于源极16和漏极17之间的栅极18，为了提高器件的栅控能力以及功率线性度，栅极18多采用Γ型栅或T型栅结构，其形成方式为，对钝化层15、GaN帽层14以及部分AlGaN外延层13进行刻蚀，形成栅器件的栅脚部分，同时采用光刻工艺形成宽栅帽，栅脚和栅帽共同形成Γ型栅或T型栅结构。在实际使用中发现，上述结构的GaN基的HEMT器件(即GaN基的微波功率管芯)在Ku波段及Ku波段以下取得了良好的功率输出特性，但是当其应用在Ka波段及其以上频段时，器件的频率性能则下降了，使上述器件很难在Ka波段及其以上频段工作。
发明内容
本发明实施例提供了一种HEMT器件及其制造方法，解决了现有技术中的问题，相对于现有技术中的HEMT器件，该器件的截止频率和最高振荡频率均得到了提高，使器件可工作于Ka波段及其以上频段。为实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案:
一种HEMT器件制造方法，可用于Ka波段或更高频段，包括:提供基底，所述基底包括衬底、位于所述衬底表面上的缓冲层，位于所述缓冲层表面上的外延层、位于所述外延层表面上的帽层以及位于所述帽层表面上的源极、漏极和钝化层；在所述基底表面内形成栅槽，所述栅槽穿过所述钝化层、帽层并深入到所述外延层表面内；在所述栅槽底面上形成T型栅，所述T型栅的栅脚边缘与所述栅槽侧壁具有一定间距，所述T型栅的栅帽下表面高于所述钝化层上表面且与所述钝化层上表面具有一定间距。优选的，所述在所述基底表面内形成栅槽的过程具体为:在所述钝化层表面上形成电子束胶层，采用电子束直写工艺，在所述电子束胶层表面内形成栅槽图形；以具有栅槽图形的电子束胶层为掩膜，去除未被电子束胶层覆盖的钝化层材料、帽层材料和部分外延层材料，在所述基底表面内形成栅槽。优选的，所述以具有栅槽图形的电子束胶层为掩膜，在所述基底表面内形成栅槽具体为:以具有栅槽图形的电子束胶层为掩膜，采用非谐振型电感耦合等离子刻蚀ICP工艺，去除未被电子束胶层覆盖的基底材料，在所述基底表面内形成栅槽。优选的，所述栅槽的宽度在0.2μ m-Ο.3μπι以内。优选的，所述在所述栅槽底面上形成T型栅的过程具体为:在具有栅槽的基底表面上形成双层电子束胶层，其中，表层电子束胶层和底层电子束胶层之间具有隔离层；采用两次电子束光刻工艺，在所述双层电子束胶层表面内形成T型栅图形，其中，第一次电子束光刻工艺在所述表层电子束胶层表面内形成T型栅的栅帽图形，以具有栅帽图形的表层电子束胶层为掩膜，去除未被表层电子束胶层覆盖的隔离层材料，在所述隔离层表面内形成栅帽图形，第二次电子束光刻工艺在所述底层电子束胶层表面内形成T型栅的栅脚图形；以具有T型栅图形的双层电子束胶层为掩膜，在T型栅图形的缺口内填充栅极材料，形成T型栅。优选的，所述隔离层的厚度为10nm。优选的，所述隔离层为Al层。优选的，所述T型栅的栅脚宽度在0.1 μ m-0.15 μ m以内，所述T型栅的栅帽宽度在 0.6 μ m-0.8 μ m 以内。优选的，所述在T型栅图形的缺口内填充栅极材料，形成T型栅的过程具体为:在所述T型栅图形的缺口内形成金属Ni层，所述Ni层覆盖所述T型栅图形的缺口的底部和侧壁，所述Ni层的厚度为350人-450 A;在所述Ni层表面上填充Au，以填满所述T型栅图形的缺口 ；去除多余的Ni层和Au层材料，使T型栅的栅帽上表面与所述表层电子束胶层表面齐平，所述Au层厚度为4000 A-5000 A;去除双层电子束胶层和隔离层，得到T型栅。
优选的，所述T型栅的中轴线与所述栅槽的中轴线为同一条直线。优选的，在所述基底表面内形成栅槽之后，在所述栅槽底面上形成T型栅之前，还包括:对具有栅槽并去除电子束胶层的基底进行快速热退火。优选的，所述快速热退火过程的退火温度为340°C _360°C，退火时间为50s-70s。本发明实施例还公开了一种HEMT器件，可用于Ka波段或更高频段，包括:基底，所述基底包括衬底、位于所述衬底表面上的缓冲层，位于所述缓冲层表面上的外延层、位于所述外延层表面上的帽层以及位于所述帽层表面上的源极、漏极和钝化层，所述钝化层位于所述源极和漏极之间的帽层表面上；贯穿所述钝化层、帽层并深入到所述外延层表面内的栅槽；位于所述栅槽底面上的T型栅，所述T型栅的栅脚边缘与所述栅槽侧壁具有一定间距，所述T型栅的栅帽下表面高于所述钝化层上表面且与所述钝化层上表面具有一定间距。优选的，所述钝化层材料为Si3N4，且所述钝化层厚度为1000 A-1400 A。优选的，所述T型栅的栅脚宽度在0.1 μ m-0.15 μ m以内，所述T型栅的栅帽宽度在0.6 μ m-0.8 μ m以内，且所述栅槽的宽度在0.2 μ m-0.3 μ m以内。优选的，所述T型栅的中 轴线与所述栅槽的中轴线为同一条直线。与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点:本发明实施例提供的HEMT器件及其制造方法，由于T型栅的栅脚和栅帽均未与钝化层的介质直接接触，而是保留了一定间隔，从而在根本上降低甚至消除了栅与介质之间产生的寄生电容，在很大程度上减小了器件的栅源电容和栅漏电容，进而增大了器件的截止频率和最高振荡频率，使器件可工作于Ka波段及其以上频段，也就提高了器件的功率特性。同时，相对于现有技术中的HEMT器件，在钝化层介质的介电常数、饱和电子漂移速率以及沟道宽度相同的情况下，由于势垒层的厚度降低了，从而提高了器件的跨导，降低了器件的栅电阻，提高了器件的栅控能力。
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。图1为现有技术中的HEMT器件的结构图；图2-图7为本发明实施例公开的HEMT器件制造方法各步骤的剖面图；图8为为对本发明实施例中的HEMT器件与常规的Γ型栅的HEMT器件的栅源电容和栅漏电容进行仿真后的对比示意图；图9为对本发明实施例中的HEMT器件与常规的Γ型栅的HEMT器件的截止频率和最高振荡频率进行仿真后的对比示意图；图10为本发明实施例公开的HEMT器件转移特性示意图；图11为对本发明实施例中的HEMT器件进行实测后得到的器件截止频率示意图12为对本发明实施例中的HEMT器件进行实测后得到的器件最高振荡频率示意图；图13为对本发明实施例中的HEMT器件进行实测后得到的器件在30GHz下功率特性示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。正如背景技术所述，现有技术中的HEMT器件由于频率性能受到影响，很难应用于Ka频段及其更高频段，发明人研究发现，出现这种问题的原因是，传统Γ型栅或T型栅直接与钝化层的介质相接触，从而在栅与介质之间产生的寄生电容较大，进而导致栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd的增大，根据器件的截止频率fT和最高振荡频率fmax的计算公式可知，Cgs和Cgd的增大会导致器件的截止频率fT和最高振荡频率fmax降低。HEMT器件截止频率fT的计算公式为:
权利要求
1.一种HEMT器件制造方法，可用于Ka波段或更高频段，其特征在于，包括: 提供基底，所述基底包括衬底、位于所述衬底表面上的缓冲层，位于所述缓冲层表面上的外延层、位于所述外延层表面上的帽层以及位于所述帽层表面上的源极、漏极和钝化层； 在所述基底表面内形成栅槽，所述栅槽穿过所述钝化层、帽层并深入到所述外延层表面内； 在所述栅槽底面上形成T型栅，所述T型栅的栅脚边缘与所述栅槽侧壁具有一定间距，所述T型栅的栅帽下表面高于所述钝化层上表面且与所述钝化层上表面具有一定间距。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述基底表面内形成栅槽的过程具体为: 在所述钝化层表面上形成电子束胶层，采用电子束直写工艺，在所述电子束胶层表面内形成栅槽图形； 以具有栅槽图形的电子束胶层为掩膜，去除未被电子束胶层覆盖的钝化层材料、帽层材料和部分外延层材料，在所述基底表面内形成栅槽。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述以具有栅槽图形的电子束胶层为掩膜，在所述基底表面内形成栅槽具体为:以具有栅槽图形的电子束胶层为掩膜，采用非谐振型电感耦合等离子刻蚀ICP工艺，去除未被电子束胶层覆盖的基底材料，在所述基底表面内形成栅槽。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述栅槽的宽度在0.2 μ m-0.3 μ m以内。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述栅槽底面上形成T型栅的过程具体为: 在具有栅槽的基底表面上形成双层电子束胶层，其中，表层电子束胶层和底层电子束胶层之间具有隔离层； 采用两次电子束光刻工艺，在所述双层电子束胶层表面内形成T型栅图形，其中，第一次电子束光刻工艺在所述表层电子束胶层表面内形成T型栅的栅帽图形，以具有栅帽图形的表层电子束胶层为掩膜，去除未被表层电子束胶层覆盖的隔离层材料，在所述隔离层表面内形成栅帽图形，第二次电子束光刻工艺在所述底层电子束胶层表面内形成T型栅的栅脚图形； 以具有T型栅图形的双层电子束胶层为掩膜，在T型栅图形的缺口内填充栅极材料，形成T型栅。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述隔离层的厚度为10nm。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述隔离层为Al层。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述T型栅的栅脚宽度在0.1 μ m-0.15 μ m以内，所述T型栅的栅帽宽度在0.6 μ m_0.8 μ m以内。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在T型栅图形的缺口内填充栅极材料，形成T型栅的过程具体为: 在所述T型栅图形的缺口内形成金属Ni层，所述Ni层覆盖所述T型栅图形的缺口的底部和侧壁，所述Ni层的厚度为350 A-450 A; 在所述Ni层表面上填充Au，以填满所述T型栅图形的缺口 ；去除多余的Ni层和Au层材料，使T型栅的栅帽上表面与所述表层电子束胶层表面齐平，所述Au层厚度为4000 A-5000 A; 去除双层电子束胶层和隔离层，得到τ型栅。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，所述T型栅的中轴线与所述栅槽的中轴线为同一条直线。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述基底表面内形成栅槽之后，在所述栅槽底面上形成T型栅之前，还包括: 对具有栅槽并去除电子束胶层的基底进行快速热退火。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述快速热退火过程的退火温度为3400C _360°C，退火时间为 50s-70s。
13.—种HEMT器件，可用于Ka波段或更高频段，其特征在于，包括: 基底，所述基底包括衬底、位于所述衬底表面上的缓冲层，位于所述缓冲层表面上的外延层、位于所述外延层表面上的帽层以及位于所述帽层表面上的源极、漏极和钝化层，所述钝化层位于所述源极和漏极之间的帽层表面上； 贯穿所述钝化层、帽层并深入到所述外延层表面内的栅槽； 位于所述栅槽底面上的T型栅，所述T型栅的栅脚边缘与所述栅槽侧壁具有一定间距，所述T型栅的栅帽下表面高于所述钝化层上表面且与所述钝化层上表面具有一定间距。
14.根据权利要求13所述的HEMT器件，其特征在于，所述钝化层材料为Si3N4,且所述钝化层厚度为1000 A-1400 A。
15.根据权利要求13所述的HEMT器件，其特征在于，所述T型栅的栅脚宽度在0.1 μ m-0.15 μ m以内，所述T型栅的栅帽宽度在0.6 μ m-0.8 μ m以内，且所述栅槽的宽度在0.2 μ m-0.3 μ m 以内。
16.根据权利要求13、14或15所述的HEMT器件，其特征在于，所述T型栅的中轴线与所述栅槽的中轴线为同一条直线。
全文摘要
本发明实施例公开了一种可用于Ka波段或更高频段的HEMT器件及其制造方法，该方法包括提供包括衬底、缓冲层、外延层、帽层、源极、漏极和钝化层的基底；在基底表面内形成穿过钝化层、帽层并深入到外延层表面内的栅槽；在栅槽底面上形成T型栅，T型栅的栅脚边缘与栅槽侧壁具有一定间距，栅帽下表面高于钝化层上表面且与钝化层上表面具有一定间距。本发明实施例中由于T型栅的栅脚和栅帽均未与钝化层的介质直接接触，而是保留了一定间隔，从而在根本上降低甚至消除了栅与介质之间产生的寄生电容，减小了器件的栅源电容和栅漏电容，增大了器件的截止频率和最高振荡频率，使器件可工作于Ka波段及其以上频段，提高了器件的功率特性。
文档编号H01L29/778GK103117221SQ201110364028
公开日2013年5月22日 申请日期2011年11月16日 优先权日2011年11月16日
发明者刘果果, 魏珂, 黄 俊, 刘新宇 申请人:中国科学院微电子研究所