专利名称：GaN基的MS栅增强型高电子迁移率晶体管及制作方法
技术领域：
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体材料、器件及其制作エ艺。具体的说是ー种GaN基的MS栅增强型高电子迁移率晶体管及制作方法，可用于高温大功率应用场合以及数字电路基本単元中。
背景技术：
随着现代武器装备和航空航天、核能、通信技木、汽车电子、开关电源的发展，对半导体器件的性能提出了更高的要求。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、临界击穿场强高、热导率高、稳定性好、耐腐蚀、抗辐射等特点，可用于制作高温、高频及大功率电子器件。另外，GaN还具有优良的电子特性，可以和AlGaN形成调制掺杂的AlGaN/GaN异质结构,该结构在室温下可以获得高于1500cm2/Vs的电子迁移率，以及高达3X107cm/s的峰值电子速度和2X107cm/s的饱和电子速度，并获得比第二代化合物半导体异质结构更高的ニ维电子气密度，被誉为是研制微波功率器件的理想材料。因此，基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管HEMT在微波大功率器件方面具有非常好的应用前景。AlGaN/GaN异质结材料的生长和AlGaN/GaN HEMT器件的研制始终占据着GaN电子器件研究的主要地位。然而十几年来针对GaN基电子器件研究的大部分工作集中在耗尽型AlGaN/GaN HEMT器件上，这是因为AlGaN/GaN异质结构中较强极化电荷的存在，使得制造基于GaN的增强型器件变得十分困难，因此高性能AlGaN/GaN增强型HEMT的研究具有非常重要的意义。首先，GaN基材料被誉为是研制微波功率器件的理想材料，而增强型器件在微波功率放大器和低噪声放大器等电路中由于减少了负电压源，从而大大降低了电路的复杂性以及成本，且AlGaN/GaN增强型HEMT器件在微波大功率器件和电路具有很好的电路兼容性；同时，增强型器件的研制使单片集成耗尽型/增强型器件的数字电路成为可能；而且，在功率开光应用方面，AlGaN/GaN增强型HEMT也有很大的应用前景；因而高性能AlGaN/GaN增强型HEMT器件的研究得到了极大的重视。目前，不论是国内还是国际上，都有不少关于AlGaN/GaN增强型HEMT的报道。目前报道的主要有以下几种技术I. F离子注入技术，即基于氟化物CF4的等离子体注入技术，香港科技大学的YongCai等人成功研制了基于F离子注入技术的增强型HEMT器件，该器件通过在AlGaN/GaNHEMT栅下的AlGaN势垒层中注入F离子，由于F离子的强负电性，势垒层中的F离子可以提供稳定的负电荷，因而可以有效的耗尽沟道区的强ニ维电子气，当AlGaN势垒层中的F离子数达到一定数量时，栅下沟道处的ニ维电子气完全耗尽，从而实现增强型HEMT器件。但是F注入技术不可避免的会引入材料的损伤，且器件阈值电压的可控性不高。该器件在室温下薄层载流子浓度高达I. 3X 1013cm_2，迁移率为lOOOcmVVs，阈值电压达到O. 9V，最大漏极电流达 310mA/mm。參见文献 Yong Cai, Yugang Zhou, Kevin J. Chen and Kei May Lau,“High-performance enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs using fluoride-based plasmatreatment”，IEEE Electron Device Lett, Vol. 26, No. 7, JULY 2005。2.非极性或半极性GaN材料实现增强型器件，Masayuki Kuroda等人成功用r面(1102)蓝宝石上的a面(1120)n-AlGaN/GaNHEMT实现了器件的增强，由于非极性或半极性材料由于缺少极化效应，因此其ニ维电子气浓度很小甚至没有，所以基于非极性或半极性材料的AlGaN/GaN HEMT器件具有增强特性。其报道的阈值电压为-O. 5V，通过降低參杂浓度可进ー步增大器件阈值电压，但其器件特性并不好，其电子迁移率只有5. 14cm2/Vs，室温下方块电阻很大。且其栅漏电大小在Vgs =-IOV时达到了 I. lX10_5A/mm。参见又献 Masayuki Kuroaa, hidetoshi Ishida, Tetsuzo Jeaa, and Tsuyoshi Tanaka,“Nonpolar (11-20)plane AlGaN/GaN heterojunction field effect transistors on (1-102)plane sapphire”,Journal of Aplied Phisics, Vol. 102, No. 9,November2007。3.薄势鱼层技术，1996年,M. Asif Khan等人首先用IOnm的AlGaN薄势鱼层技术实现了 AlGaN/GaN增强型HEMT器件，薄势垒层AlGaN/GaN增强型HEMT器件由于势垒层厚度减薄，其极化效应减弱，由极化效应引起的沟道处ニ维电子气浓度减小，从而实现器件阈值电压的右移。但是他们获得的结果并不理想，其峰值跨导只有23mS/mm。參见文献M. AsifKhan,Q. Chen,C. J. bun,j. ff. Yang,and M. Blasingame, “Ennancement and depletion modeGaN/AlGaN heterostructure field effect transistors^Appl. Phys. Lett,Vol. 68,No. 4,January 1996。4.槽栅技术，W. B. Lanford等人通过MOCVD利用槽栅技术制得了阈值电压达0. 47V的增强型器件，该器件结构自下而上包括=SiC衬底，成核层，2um厚的GaN，3nm厚的AlGaN，IOnm厚的η-AlGaN，IOnm厚的AlGaN。该技术通过将栅下的势垒层刻蚀一定深度，使得栅下势垒层变薄，从而使栅下2DEG浓度降低，而源漏区的载流子浓度保持较大值不变，这样既可实现器件的增强特性，又可保证一定的电流密度。利用槽栅技术实现的增强型器件其外延生长容易控制，但其调控性较差，且刻蚀过程会形成损伤。參见文献W. B. Lanford,
i.Tanaka, Y.Otoki and I. Adesida,“Recessed-gate enhancement-mode baN HEMT withhigh threshold voltage，，，Electronics Letrers, Vol. 41, No. 7 March 2005。综上所述，目前国际上AlGaN/GaN HEMT增强型器件主要采用基于槽栅技术和基于氟离子注入技术形成，其均存在如下不足(I)阈值电压的増大往往是以减小电流密度为代价的，很难实现高阈值电压和高电流密度共存的增强型器件；(2)无论槽栅技术还是氟离子注入技术都会对材料造成损伤，虽然经过退火可以消除一定损伤，但是残留的损伤仍然会对器件性能和可靠性造成影响，同时目前这种エ艺的重复性还不高；(3)制作短栅长的短沟道器件的エ艺难度较大，导致器件可靠性低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的缺陷，提出ー种GaN基的MS栅增强型高电子迁移率晶体管及制作方法，以增大器件的电流密度，降低エ艺难度，提高器件的可靠性，满足实际应用。为实现上述目的，本发明提供的高电子迁移率晶体管的结构自下而上包括自下而上包括衬底、过渡层和GaN主缓冲层，其特征在于GaN主缓冲层的中间刻蚀有凹槽，该凹槽的底面为0001极性面，凹槽侧面为非0001面，凹槽两侧的GaN主缓冲层上方为AlGaN主势垒层，GaN主缓冲层和AlGaN主势垒层界面上形成主ニ维电子气2DEG层；凹槽的底面和侧面方向上以及凹槽两侧的AlGaN主势垒层表面，依次设有GaN次缓冲层和AlGaN次势垒层；凹槽底面上方的GaN次缓冲层与AlGaN次势垒层的界面上形成次ニ维电子气2DEG层；凹槽侧面方向上方的GaN次缓冲层与AlGaN次势垒层为非0001面的AlGaN/GaN异质结，该异质结界面处形成增强型的ニ维电子气2DEG层；凹槽两侧的GaN次缓冲层与AlGaN次势垒层的界面上形成辅ニ维电子气2DEG层；所述AlGaN次势垒层的上为源级、漏级、栅极和介质层，该·源级和漏级分别位于AlGaN次势垒层上方的两侧，栅极位于AlGaN次势垒层上方的中间，介质层分布在源级、漏级、栅级之外的区域；所述的辅ニ维电子气2DEG层、增强型的ニ维电子气层以及次ニ维电子气2DEG层，通过电子流经形成第一导电沟道；所述的主ニ维电子气2DEG层、增强型的ニ维电子气2DEG层以及次ニ维电子气2DEG层，通过电子流经形成第二导电沟道，使凹槽两侧的区域均为双沟道结构。所述次ニ维电子气2DEG层的水平位置低于主ニ维电子气2DEG层的水平位置。所述AlGaN主势垒层和AlGaN次势垒层为掺杂浓度为10 X IO19CnT3的N型AlGaN。为实现上述目的，本发明的GaN基的MS栅增强型高电子迁移率晶体管及制作方法，包括如下步骤I)在反应室中对衬底表面进行预处理；2)在衬底上外延厚度为I. 2um-3. 2um的GaN主缓冲层；3)在GaN外延层上外延N型掺杂的AlxGa^xN主势垒层，在衬底上形成AlGaN/GaN异质结外延层，该AlxGa1J^主势鱼层厚度为15nm-38nm,且O. 18 < x < O. 4 ;4)光刻AlGaN/GaN异质结外延层，并采用反应离子刻蚀RIE方法，在AlGaN/GaN外延层上刻蚀形成长为O. 5um，深度为40nm-160nm的凹槽；5)将刻蚀后的外延层通过金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室二次外延厚度为24nm-120nm的GaN次缓冲层；6)采用MOCVD技术在二次外延的GaN层上外延厚度为15nm_38nm的AlxGa1J次势垒层，且O. 18 ^ X ^ 0.4 ；7)在二次外延的AlxGahN次势垒层上，采用等离子增强化学气相淀积PECVD方法淀积厚度为lnm-20nm的介质层；8)在介质层上，光刻出源、漏、栅区域，并刻蚀去窗口下的介质层，获得源、漏、栅窗Π ；9)光刻出源、漏区域，采用电子束蒸发技术淀积欧姆接触的金属，并进行金属剥离；10)对欧姆接触金属进行退火，形成源、漏接触电极；11)光刻出栅区域，并采用电子束蒸发技术淀积栅极金属，经剥离后形成肖特基栅电极；
12)光刻已形成源、漏、栅极的外延片，获得加厚电极图形，并采用电子束蒸发技术加厚电极，完成器件制作。所述步骤2)中外延GaN主缓冲层的エ艺条件为温度为1050°C，压カ为20Torr，氢气流量为1500sccm,氨气流量为6000sccm,镓源流量为220sccm。所述步骤5)中二次外延GaN次缓冲层的エ艺条件为温度为1050°C，压カ为20Torr,氢气流量为1500sccm,氨气流量为3000sccm,镓源流量为150sccm。所述步骤7)中用等离子增强化学气相淀积PECVD方法淀积介质层的エ艺条件为氨气流量为2. 5sccm，氮气流量为900sccm，硅烷流量为200sccm，温度为300°C，压カ为900mT，功率为 25W。 本发明具有如下优点I.本发明由于在GaN主缓冲层中间刻蚀有凹槽，且凹槽的底面为0001极性面，凹槽侧面为非0001面，因此沿凹槽侧面方向上外延的非0001面GaN次缓冲层与AlGaN次势垒层形成的AlGaN/GaN异质结结构，该结构降低甚至消除了极化效应，使该异质结界面处形成的ニ维电子气浓度很低，甚至没有ニ维电子气，使凹槽侧壁异质结界面处形成了增强型的ニ维电子气2DEG层；同时由于在凹槽两侧的GaN主缓冲层和AlGaN主势垒层界面上形成主ニ维电子气2DEG层，在凹槽两侧的GaN次缓冲层与AlGaN次势垒层界面上形成辅ニ维电子气2DEG层，在凹槽底面上的GaN次缓冲层与AlGaN次势垒层界面上形成次ニ维电子气2DEG层，因而当电子流经辅ニ维电子气2DEG层、增强型的ニ维电子气2DEG层以及次ニ维电子气2DEG层时形成第一导电沟道；当电子流经主ニ维电子气2DEG层、增强型的ニ维电子气2DEG层以及次ニ维电子气2DEG层形成第二导电沟道，使得本发明具有双沟道导电机制。2.本发明对于第一导电沟道，只有当栅极施加一定程度的正电压时，凹槽侧面的次缓冲层和次势垒层界面的增强型的ニ维电子气2DEG层才能形成ニ维电子气沟道，从而实现第一导电通道的导通，即实现了器件的增强特性。对于第二导电通道，由于凹槽侧面二次生长的次GaN缓冲层相当于ー层隔离层，只有当栅极施加一定正电压，在该GaN隔离层中形成较强水平漂移电场，在此漂移电场作用下沟道电子可以实现导通，从而形成电流。现有的AlGaN/GaN HEMT器件由于高浓度ニ维电子气2DEG的存在，在栅压为零甚至更低的负值时器件都是导通状态的，因而很难实现器件的增强；而本发明高电子迁移率晶体管无论是第一导电沟道的导通还是第二导电沟道的导通都需要一定的栅极正电压，因此本发明可以实现良好的增强特性。3.本发明由于器件的凹槽两侧的区域均为双沟道结构，且第二导电沟道上方的AlGaN势垒层采用N型甚至N+型掺杂，不仅可大大减小器件的欧姆接触电阻，而且大大降低了器件源极和漏极的串联电阻；同时由于引入第二导电沟道的导电机制，可以使电子流经凹槽侧壁的增强型的ニ维电子气2DEG层的距离大大缩短，避免了凹槽侧壁的增强型的ニ维电子气2DEG层导电性较低对电流的限制，显著提高了器件的电流密度，使本发明具有高电流密度特性；此外由于从栅电极发源的电カ线可以终止于第一导电沟道、N型AlGaN主势垒层、N型AlGaN次势垒层以及第ニ导电通道，将栅极与沟道间的电カ线分散，电场强度减弱，从而提高了器件的击穿电压，使本发明具有高击穿电压。4.本发明器件制作方法中的エ艺步骤均是目前国内外相对比较成熟的，而且エ艺流程也相对简单，成本低，能完全与成熟的耗尽型AlGaN/GaN HEMT器件制备エ艺兼容。另夕卜，本发明采用了反应离子刻蚀方法进行刻蚀，并且在后续的高温二次生长中，可在一定程度上对刻蚀形成的表面损伤进行修复，以减少刻蚀损伤对器件性能和可靠性的影响。与目前国内外常用的槽栅刻蚀方法相比，本发明能更有效的避免了刻蚀引起的材料损伤，器件
可靠性更高。
图I是本发明GaN基的MS栅增强型高电子迁移率晶体管结构图；图2是本发明制备GaN基的MS栅增强型高电子迁移率晶体管エ艺流程图。
具体实施例方式參照图1，本发明的GaN基的MS栅增强型高电子迁移率晶体管，包括衬底I、过渡层2、GaN主缓冲层3、凹槽4、AlGaN主势垒层5、GaN次缓冲层6、AlGaN次势垒层7、源级
8、漏级9、介质层10、栅极11 ;衬底I上方为过渡层2 ;过渡层2上方为GaN主缓冲层3，该GaN主缓冲层3厚度为I. 2um-3. 2um ;凹槽4刻蚀在GaN主缓冲层3的中间，该凹槽4长为O. 5um,深度为40nm-160nm,且凹槽4的底面为0001极性面，凹槽4侧面为非0001面；凹槽4两侧的GaN主缓冲层3上方为N型掺杂的AlGaN主势垒层5，该AlGaN主势垒层5的厚度为15nm-38nm,掺杂浓度为10 X IO19Cm-3,且O. 18彡x彡O. 4 ；GaN主缓冲层3和AlGaN主势垒层5界面上形成主ニ维电子气2DEG层12 ;凹槽4的底面和侧面方向上以及凹槽两侧的AlGaN主势垒层5表面上方为GaN次缓冲层6，该GaN次缓冲层6的厚度为24nm_120nm ；GaN次缓冲层6上方为N型掺杂的AlGaN次势垒层7，该AlGaN次势垒层7的厚度为15nm_38nm，掺杂浓度为IOX 1019cnT3，且O. 18彡X彡O. 4 ;凹槽4底面上方的GaN次缓冲层6与AlGaN次势垒层7的界面上形成次ニ维电子气2DEG层13，且该次ニ维电子气2DEG层13的水平位置低于主ニ维电子气2DEG层(12)的水平位置；凹槽4两侧的GaN次缓冲层6与AlGaN次势垒层7的界面上形成辅ニ维电子气2DEG层14 ;凹槽侧面方向上的GaN次缓冲层6与AlGaN次势鱼层7为非0001面的AlGaN/GaN异质结,该异质结界面处形成增强型的ニ维电子气2DEG层15 ;AlGaN次势垒层7的上为源级8、漏级9、栅极11和介质层10，该源级8和漏级9分别位于AlGaN次势垒层7上方的两侧，栅极11位于AlGaN次势垒层7上方的中间，介质层10分布在源级、漏级、栅级之外的区域，且其厚度为lnm-20nm ;电子流经凹槽左侧的辅ニ维电子气2DEG层14、凹槽左侧壁的增强型的ニ维电子气层15、凹槽底面的次ニ维电子气2DEG层13以及凹槽右侧壁的增强型的ニ维电子气层15、凹槽右侧的辅ニ维电子气2DEG层14形成第一导电沟道16 ;电子流经凹槽左侧的主ニ维电子气2DEG层12、凹槽左侧壁的增强型的ニ维电子气2DEG层15、凹槽底面的次ニ维电子气2DEG层13以及凹槽右侧壁增强型的ニ维电子气层15、凹槽右侧的主ニ维电子气2DEG层12形成第二导电沟道17，使凹槽4两侧的区域均为双沟道结构。參照图2，本发明GaN基的MS栅增强型高电子迁移率晶体管的制作方法，给出以下三种实施例。实施例I制作成GaN主缓冲层厚度为I. 2um, Ala4Gaa6N主势垒层厚度为15nm，凹槽刻蚀深度为40nm，GaN次缓冲层厚度为24nm，Ala4Gaa6N次势垒层厚度为15nm，栅介质层厚度为Inm的GaN基的MS栅增强型高电子迁移率晶体管，其步骤是步骤一，衬底的热处理及表面氮化将蓝宝石衬底置于金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室中，将反应室的真空度抽至I X KT2Torr之下，在流量为1500sCCm的氢气与流量为2000sCCm的氨气的混合气体保护下，对蓝宝石衬底进行热处理和表面氮化，加热温度为1050°C，压カ为20Torr。步骤ニ，外延AlN过渡层采用MOCVD技术，在温度为1050°C，压カ为20Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量为2000sCCm，铝源流量为30SCCm的エ艺条件下，在经热处理和表面氮化后蓝宝石衬底上 外延厚度为150nm的AlN过渡层，如图2(a)。步骤三，外延GaN主缓冲层采用MOCVD技术，在温度为1050°C，压カ为20Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量为6000SCCm，镓源流量为220SCCm的エ艺条件下，在AlN过渡层上外延厚度为I. 2um的GaN主缓冲层，如图2(b)。步骤四，外延N型掺杂的Ala4Gaa6N主势垒层采用MOCVD技术，在温度为920°C，压カ为40Torr，氢气流量为6000sccm，氨气流量为5000SCCm，铝源流量为lOsccm，镓源流量为40sCCm的エ艺条件下，在主缓冲层上外延厚度为15nm的N型掺杂Ala4Gaa6N主势垒层，通过在生长过程中通入硅烷SiH4实现掺杂浓度为10X1019cm_3的N型掺杂，这样在AlN过渡层上形成了 AlGaN/GaN异质结，在质结界面处形成了ニ维电子气2DEG，形成的外延片结构如图2(c)。步骤五,淀积SiO2层掩膜层对外延片进行清洗后，采用电子束蒸发设备在外延片上淀积厚度为150nm的SiO2层，如图2(d)，该SiO2层可以与光刻胶在外延片表面形成共同起保护作用的双层掩膜图形，更有利于对未刻蚀区域表面的保护。步骤六，光刻并刻蚀形成凹槽结构在淀积了 SiO2层的外延片表面上，通过甩正胶、软烘、曝光以及显影形成刻蚀所需的凹槽窗ロ，并采用反应离子刻蚀RIE方法，在氯气Cl2流量为15SCCm，功率为200W，压强为IOmT的エ艺条件下刻蚀外延片，刻蚀深度为40nm，形成凹槽结构，如图2(e)。步骤七，去胶并去除SiO2掩膜层用丙酮溶液去除刻蚀后外延片上残余的正胶，然后在HF溶液中腐蚀步骤五中淀积的SiO2掩膜,最后用超纯水清洗并用氮气吹干。步骤八，外延片的热处理及表面氮化将反应室的真空度抽至I X KT2Torr之下，在流量为1500sCCm的氢气与流量为2000sccm的氨气的混合气体保护下对清洗后的外延片进行热处理，加热温度为1000°C，压カ为 20Torr。步骤九，二次外延GaN次缓冲层利用MOCVD技术，在温度为1050°C，压カ为20Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量为3000SCCm，镓源流量为150SCCm的エ艺条件下，在外延片上外延厚度为24nm的GaN次缓冲层，如图2(f)。
步骤十，二次外延Ala4Gaa6N次势垒层利用MOCVD技术，采用温度为920°C，压カ为40Torr，氢气流量为6000sccm，氨气流量为5000sccm，铝源流量为lOsccm，镓源流量为40sccm的エ艺条件，并且在生长过程中通入硅烷SiH4实现掺杂浓度为IOX IO19CnT3的N型掺杂，在GaN次缓冲层上外延形成厚度为15nm的N型掺杂Ala4Gaa6N次势垒层，这样在凹槽底面上和凹槽两侧的Ala4Gaa6N次势垒层和GaN次缓冲层形成了 AlGaN/GaN异质结，该异质结界面处形成有ニ维电子气2DEG，夕卜延后形成的外延片结构如图2(g)。步骤^--,淀积SiN介质层利用等离子增强化学气相淀积PECVD方法，在氨气流量为2. 5sCCm，氮气流量为900sccm,硅烷流量为200sccm，温度为300°C，压カ为900mT，功率为25W的エ艺条件下，淀积厚度为Inm的SiN介质层，该介质层覆盖整个凹槽，如图2(h)。步骤十二，光刻出源、漏窗ロ 12a)通过甩正胶、软烘、曝光以及显影，形成源、漏、栅的光刻窗ロ，并采用湿法刻蚀方法去除源、漏、栅区域下的SiN介质薄膜。12a)对去除了源、漏、栅区域下的SiN介质薄膜的外延片进行甩正胶、软烘、曝光以及显影获得源、漏区域窗ロ，并利用等离子去胶机去除窗ロ区域未显影干净的光刻胶薄层，以提高金属剥离的成品率。步骤十三，蒸发欧姆接触金属采用电子束蒸发仪器，在真空度小于2. OX 10_6Pa，功率范围为600W，蒸发速率不大于3埃/秒的エ艺条件下蒸发Ti、Al、Ni、Au四层欧姆接触金属，Ti、Al、Ni、Au的厚度分别为 30nm、180nm、40nm、60nm。步骤十四，金属剥离并进行欧姆接触退火首先将蒸发完欧姆接触金属的外延片在丙酮溶液中浸泡20min，然后进行超声清洗，接着超纯水冲洗和氮气吹干，以实现金属的剥离，最后在氮气气氛中、850°C的温度下进行30s的欧姆接触退火，成源、漏接触电极，如图2 (i)。
步骤十五，光刻出栅窗ロ 在退火后的外延片上进行甩正胶、软烘、曝光以及显影获得栅窗ロ。步骤十六，蒸发栅金属采用电子束蒸发仪器,淀积Ni、Au两层金属，Ni、Au的厚度分别为30nm、200nm,随后将器件浸泡在剥离液中进行金属剥离，接着用超纯水冲洗2min，最后氮气吹干，最终获得栅电极，如图2 (j)。步骤十七，完成器件制作光刻已形成源、漏、栅极的外延片，获得加厚电极图形，并采用电子束蒸发技术加厚电极，完成如图I所示的器件制作。实施例2制作成GaN主缓冲层厚度为2. 5um, Al0.3Ga0.7N主势垒层厚度为28nm，凹槽刻蚀深度为lOOnm，GaN次缓冲层厚度为70nm，Ala 3Gaa 7N次势垒层厚度为28nm，栅介质层厚度为IOnm的GaN基的MS栅增强型高电子迁移率晶体管，其步骤是步骤I，与实施例I的步骤ー相同。
步骤2，与实施例I的步骤二相同。步骤3，采用MOCVD技术在AlN过渡层上外延厚度为2. 5um的GaN主缓冲层，如图2(b)，外延采用的エ艺条件为温度为1050°C，压カ为20Torr，氢气流量为1500sCCm，氨气流量为6000sccm,镓源流量为220sccm。步骤4，采用MOCVD技术在主缓冲层上外延厚度为28nm的N型掺杂Ala3Gaa7N主势垒层，这样在AlN过渡层上形成了 AlGaN/GaN异质结，在质结界面处形成了ニ维电子气2DEG，形成的外延片结构如图2 (C)，外延采用的エ艺条件为温度为920°C，压カ为40Torr，氢气流量为6000sccm,氨气流量为5000sccm,招源流量为IOsccm,镓源流量为40sccm,且通过在生长过程中通入硅烷SiH4实现掺杂浓度为IOX IO19CnT3的N型掺杂。步骤5，与实施例I的步骤五相同。步骤6，在淀积了 SiO2层的外延片表面上，通过甩正胶、软烘、曝光以及显影形成 刻蚀所需的凹槽窗ロ，并采用反应离子刻蚀RIE方法刻蚀外延片,刻蚀深度为lOOnm，形成凹槽结构如图2(e)，刻蚀采用的エ艺条件为氯气Cl2流量为15SCCm，功率为200W，压强为IOmT的エ艺条件下。步骤7，与实施例I的步骤七相同。步骤8，与实施例I的步骤八相同。步骤9，利用MOCVD技术，在外延片上外延厚度70nm的GaN次缓冲层，如图2 (f)，外延采用的エ艺条件为 .温度为1050°C，压カ为20Torr，氢气流量为1500sCCm，氨气流量为3000sccm,嫁源流量为 150sccm。步骤10，利用MOCVD技术，在GaN次缓冲层上外延形成厚度为28nm的N型掺杂Ala3Gaa7N次势垒层，这样在凹槽底面上和凹槽两侧的Ala3Gaa7N次势垒层和GaN次缓冲层形成了 AlGaN/GaN异质结，该异质结界面处形成有ニ维电子气2DEG,外延后形成的外延片结构如图2(g)，外延采用的エ艺条件为温度为920°C，压カ为40Torr，氢气流量为6000sccm，氨气流量为5000sccm，铝源流量为lOsccm，镓源流量为40sccm，并且在生长过程中通入硅烷SiH4实现掺杂浓度为IOX IO19CnT3的N型掺杂。步骤11，利用等离子增强化学气相淀积PECVD方法，淀积厚度为IOnm的SiN介质层，该介质层覆盖整个凹槽，如图2(h)，淀积采用的エ艺条件为氨气流量为2. 5SCCm，氮气流量为900sccm，硅烷流量为200sccm，温度为300°C，压カ为900mT，功率为25W。步骤12，与实施例I的步骤十二相同。步骤13，与实施例I的步骤十三相同。步骤14，与实施例I的步骤十四相同。步骤15，与实施例I的步骤十五相同。步骤16，与实施例I的步骤十六相同。步骤17，与实施例I的步骤十七相同。实施例3制作成GaN主缓冲层厚度为3. 2um，Alai8Gaa82N主势垒层厚度为38nm，凹槽刻蚀深度为160nm，GaN次缓冲层厚度为120nm，Al。. 18GaQ.82N次势垒层厚度为38nm，栅介质层厚度为20nm的GaN基的MS栅增强型高电子迁移率晶体管，其步骤是步骤A，与实施例I的步骤ー相同。
步骤B，与实施例I的步骤二相同。步骤C，采用温度为1050°C，压カ为20Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量为6000sccm,镓源流量为220SCCm的エ艺条件，通过MOCVD技术，在AlN过渡层上外延厚度为
3.2um的GaN主缓冲层，如图2 (b)。步骤D，采用温度为920°C，压カ为40Torr，氢气流量为6000sccm，氨气流量为5000sccm,铝源流量为lOsccm，镓源流量为40sccm的エ艺条件，通过MOCVD技术，在主缓冲层上外延厚度为38nm的N型掺杂Alai8Gaa82N主势垒层，通过在生长过程中通入硅烷SiH4实现掺杂浓度为10X1019cm_3的N型掺杂，这样在AlN过渡层上形成了 AlGaN/GaN异质结，在质结界面处形成了ニ维电子气2DEG，形成的外延片结构如图2(c)。步骤E,与实施例I的步骤五相同。步骤6，在淀积了 5102层的外延片表面上，通过甩正胶、软烘、曝光以及显影形成刻蚀所需的凹槽窗ロ，并采用反应离子刻蚀RIE方法，在氯气Cl2流量为15SCCm，功率为200W，压强为IOmT的エ艺条件下刻蚀外延片，刻蚀深度为160nm，形成凹槽结构，如图2(e)。步骤F,与实施例I的步骤七相同。步骤G，与实施例I的步骤八相同。步骤H，在温度为1050°C，压カ为20Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量为 3000sccm,镓源流量为150sccm的エ艺条件下，通过MOCVD技术，在外延片上外延厚度120nm的GaN次缓冲层，如图2(f)。步骤I，采用温度为920°C，压カ为40Torr，氢气流量为6000sccm，氨气流量为5000sccm，铝源流量为lOsccm，镓源流量为40sccm的エ艺条件，并且在生长过程中通入硅烷SiH4实现掺杂浓度为IOX IO19CnT3的N型掺杂，利用MOCVD技术，在GaN次缓冲层上外延形成厚度为38nm的N型掺杂Alai8Gaa82N次势垒层，这样在凹槽底面上和凹槽两侧的Alai8Gaa82N次势垒层和GaN次缓冲层形成了 AlGaN/GaN异质结，该异质结界面处形成有ニ维电子气2DEG，外延后形成的外延片结构如图2(g)。步骤J，在氨气流量为2. 5sccm,氮气流量为900sccm，硅烷流量为200sccm，温度为3000C，压カ为900mT，功率为25W的エ艺条件下，利用等离子增强化学气相淀积PECVD方法，淀积厚度为20nm的SiN介质层，该介质层覆盖整个凹槽，如图2(h)。步骤K，与实施例I的步骤十二相同。步骤L,与实施例I的步骤十三相同。步骤M，与实施例I的步骤十四相同。步骤N，与实施例I的步骤十五相同。步骤O，与实施例I的步骤十六相同。步骤P，与实施例I的步骤十七相同。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.ー种GaN基的MS栅增强型高电子迁移率晶体管，自下而上包括衬底(I)、过渡层(2)和GaN主缓冲层(3)，其特征在于 GaN主缓冲层(3)的中间刻蚀有凹槽(4)，该凹槽⑷的底面为OOOl极性面，凹槽(4)侧面为非0001面，凹槽(4)两侧的GaN主缓冲层(3)上方为AlGaN主势垒层(5)，GaN主缓冲层(3)和AlGaN主势垒层(5)界面上形成主ニ维电子气2DEG层(12)； 凹槽(4)的底面和侧面方向上以及凹槽两侧的AlGaN主势垒层(5)表面，依次设有GaN次缓冲层(6)和AlGaN次势垒层(7);凹槽底面上方的GaN次缓冲层(6)与AlGaN次势垒层(7)的界面上形成次ニ维电子气2DEG层(13);凹槽侧面方向上的GaN次缓冲层(6)与AlGaN次势鱼层(7)为非0001面的AlGaN/GaN异质结,该异质结界面处形成增强型的ニ维电子气2DEG层(15);凹槽两侧的GaN次缓冲层(6)与AlGaN次势垒层(7)的界面上形成辅ニ维电子气2DEG层(14)； 所述AlGaN次势垒层(7)上为源级(8)、漏级(9)、栅极(11)和介质层(10)，该源级(8)和漏级(9)分别位于AlGaN次势垒层(7)上方的两侧，栅极(11)位于AlGaN次势垒层(7)上方的中间，介质层(10)分布在源级、漏级、栅级之外的区域； 所述的辅ニ维电子气2DEG层(14)、增强型的ニ维电子气层(15)以及次ニ维电子气2DEG层(13)，通过电子流经形成第一导电沟道(16);所述的主ニ维电子气2DEG层(12)、增强型的ニ维电子气2DEG层(15)以及次ニ维电子气2DEG层(13)，通过电子流经形成第二导电沟道(17)，使凹槽(4)两侧的区域均为双沟道结构。
2.根据权利要求I所述的增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于，次ニ维电子气2DEG层(13)的水平位置低于主ニ维电子气2DEG层(12)的水平位置。
3.根据权利要求I所述的增强型高电子迁移率晶体管，其特征在干，AlGaN主势垒层(5)和AlGaN次势垒层(7)为掺杂浓度为IOXIOiW3的N型AlGaN。
4.ー种GaN基的MS栅增强型高电子迁移率晶体管的制作方法，包括以下步骤 1)在反应室中对衬底表面进行预处理； 2)在衬底上外延厚度为I.2um-3. 2um的GaN主缓冲层； 3)在GaN外延层上外延N型掺杂的AlxGai_xN主势垒层，在衬底上形成AlGaN/GaN异质结外延层，该AlxGai_xN主势垒层厚度为15nm-38nm,且O. 18彡x彡O. 4 ; 4)光刻AlGaN/GaN异质结外延层，并采用反应离子刻蚀RIE方法，在AlGaN/GaN外延层上刻蚀形成长为O. 5um,深度为40nm-160nm的凹槽； 5)将刻蚀后的外延层通过金属有机物化学气相淀积MOCVD反应室二次外延厚度为24nm-120nm的GaN次缓冲层； 6)采用MOCVD技术在二次外延的GaN层上外延厚度为15nm_38nm的AlxGai_xN次势垒层，且 O. 18 ^ X ^ O. 4 ； 7)在二次外延的AlxGai_xN次势垒层上，采用等离子增强化学气相淀积PECVD方法淀积厚度为lnm-20nm的介质层； 8)在介质层上，光刻出源、漏、栅区域，并刻蚀去窗口下的介质层，获得源、漏、栅窗ロ； 9)光刻出源、漏区域，采用电子束蒸发技术淀积欧姆接触的金属，并进行金属剥离； 10)对欧姆接触金属进行退火，形成源、漏接触电极； 11)光刻出栅区域，并采用电子束蒸发技术淀积栅极金属，经剥离后形成肖特基栅电极； 12)光刻已形成源、漏、栅极的外延片，获得加厚电极图形，并采用电子束蒸发技术加厚电极，完成器件制作。
5.根据权利要求5所述的增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于，步骤2)中外延GaN主缓冲层的エ艺条件为温度为1050°C，压カ为20Torr，氢气流量为1500sCCm，氨气流量为6000sccm,镓源流量为220sccm。
6.根据权利要求5所述的增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于，步骤5)中二次外延GaN次缓冲层的エ艺条件为温度为1050°C，压カ为20Torr，氢气流量为1500sCCm，氨气流量为3000sccm,镓源流量为150sccm。
7.根据权利要求5所述的增强型高电子迁移率晶体管，其特征在于，步骤7)中用等离子增强化学气相淀积PECVD方法淀积介质层的エ艺条件为氨气流量为2. 5SCCm，氮气流量为900sccm，硅烷流量为200sccm，温度为300°C，压カ为900mT，功率为25W。
全文摘要
本发明公开了一种GaN基的MS栅增强型高电子迁移率晶体管及制作方法，主要解决GaN基增强型器件电流密度低以及可靠性低的问题。该器件结构为衬底(1)上依次设有过渡层(2)和GaN主缓冲层(3)，GaN主缓冲层中间刻蚀有凹槽(4)，凹槽两侧的GaN主缓冲层(3)上方为AlGaN主势垒层(5)，凹槽内壁以及凹槽两侧的AlGaN主势垒层(5)表面依次设有GaN次缓冲层(6)和AlGaN次势垒层(7)；AlGaN次势垒层(7)上为源级(8)、漏级(9)、栅极(11)和介质层(10)，源级(8)、漏级(9)分别位于AlGaN次势垒层(7)上方的两侧，栅极(11)位于AlGaN次势垒层(7)上方的中间，介质层(10)分布在源级、漏级、栅级之外的区域。本发明具有增强型特性好，电流密度高、击穿电压高，制作工艺简单成熟，可靠性高的优势，可用于高温开关器件和数字电路中。
文档编号H01L29/04GK102683406SQ20121013214
公开日2012年9月19日 申请日期2012年4月29日 优先权日2012年4月29日
发明者周昊, 张宇桐, 张琳霞, 张进成, 李小刚, 王冲, 艾姗, 郝跃, 霍晶, 马晓华 申请人:西安电子科技大学