鳍式场效应晶体管的制作方法

1.本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种鳍式场效应晶体管。


背景技术：

2.宽禁带半导体材料iii族氮化物作为第三代半导体材料的典型代表，具有禁带宽带大、耐高压、耐高温、电子饱和速度和漂移速度高、容易形成高质量异质结构的优异特性，非常适合制造高温、高频、大功率电子器件。
3.为了进一步推动异质结器件在更大电流、更高频率等领域的应用，对于多沟道多异质结材料和器件的研究就显得很有必要。与单沟道异质结相比，双沟道异质结可以有更高的2deg总浓度，这使得器件饱和电流大幅度增加。但是双沟道异质结材料总势垒层厚度增加，使得器件栅与下面的沟道距离增大，这样降低了栅控能力，器件跨导峰值有所下降，线性工作特性有待进一步提升。
4.在通讯等领域中，半导体器件的线性度是一个重要参数。然而，普通hemt器件由于电子饱和速度下降与器件串联电阻增大等因素，会出现随着栅源偏压的增大，器件跨导先上升，达到一定峰值后再下降的现象。跨导下降现象会影响器件的线性。


技术实现要素：

5.本发明的发明目的是提供一种鳍式场效应晶体管，提高hemt器件的线性工作特性。
6.为实现上述目的，本发明提供一种鳍式场效应晶体管，包括：
7.衬底；
8.位于所述衬底上的绝缘层；
9.凸出于所述绝缘层的鳍部，所述鳍部包括源区、漏区以及位于所述源区与所述漏区之间的沟道区；所述鳍部包括：在朝向背离所述衬底的方向上依次堆叠设置的第一异质结结构、第二异质结结构，
……
，以及第n异质结结构，n≥2；所述第一异质结结构包括第一沟道层与第一势垒层，所述第二异质结结构包括第二沟道层与第二势垒层，
……
，所述第n异质结结构包括第n沟道层与第n势垒层，所述第一势垒层、所述第二势垒层，
……
，与所述第n势垒层中的至少两个的组分不同；
10.覆盖于所述源区的源极、覆盖于所述漏区的漏极以及覆盖于所述沟道区的栅极结构。
11.可选地，所述第一势垒层、所述第二势垒层，
……
，以及所述第n势垒层的材料都为algan。
12.可选地，自下而上，所述第一势垒层，所述第二势垒层，
……
，以及所述第n势垒层的al的组分逐层逐渐降低。
13.可选地，自下而上，所述第一势垒层，所述第二势垒层，
……
，以及所述第n势垒层的al的组分逐层先增加后降低。
14.可选地，所述al组分最高的势垒层上方的势垒层层数大于等于所述al组分最高的势垒层下方的势垒层层数。
15.可选地，所述第一势垒层，所述第二势垒层，
……
，以及所述第n势垒层中至少存在一层势垒层的al组分保持不变、逐渐降低或逐渐升高。
16.可选地，所述鳍部具有多个，所述源极覆盖于多个所述源区、所述漏极覆盖于多个所述漏区，所述栅极结构覆盖于多个所述沟道区。
17.可选地，所述多个鳍部中的至少两个的高度或者宽度不同。
18.可选地，自下而上，所述第一势垒层，所述第二势垒层，
……
，以及所述第n势垒层的厚度逐层逐渐减小。
19.可选地，所述第一异质结结构的宽度大于所述第二异质结结构，
……
，与所述第n异质结结构中的任意一个的宽度，或所述第n异质结结构的宽度小于所述第一异质结结构，所述第二异质结结构，
……
，与所述第n-1异质结结构中的任意一个的宽度。
20.可选地，所述第一异质结结构、所述第二异质结结构，
……
，所述第n异质结结构的宽度尺寸逐渐缩小。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
22.1、鳍式场效应晶体管相对于平面型hemt器件，利用栅极对沟道在三个表面的控制，可提高栅极对沟道的控制能力。此外，鳍部设置为包括n个在厚度方向堆叠的异质结结构，通过各个异质结结构的势垒层的组分、和/或厚度、和/或宽度尺寸大小不同，改变各个异质结结构对应的跨导峰值，改变各个异质结结构的阈值电压，通过多个异质结结构的叠加，提高器件的线性工作特性。
23.2、本发明提供的鳍式场效应晶体管通过多层堆叠的异质结结构有效的减少了外延结构的方阻和接触电阻，提升了器件的频率特性。至少两层势垒层的组分不同来实现跨导的相互补偿，实现在较大栅源偏压范围内跨导的相对稳定，电子饱和速率上升，可使得器件具有很好的线性度。本发明的器件制备与工艺调节，引入的附加效应小，具有更高的可行性和重复性。保持高线性度的同时实现高击穿电压、高输出电流等特性。
24.3、由于越底层的异质结结构，栅极对其的控制能力越弱，器件跨导峰值有所下降，线性工作特性降低。本发明通过自下而上多层势垒层中的al组分逐层降低，下层势垒层的高al组分可以具有更高的2deg密度，器件的饱和电流大幅度增加，对于功率应用的器件，饱和电流的提高至关重要。通过调整不同层势垒层的al组分，进而调整每层异质结结构的饱和电流，进而调整每层异质结结构的跨导峰值趋向均匀。本发明半导体结构可视为若干跨导分布各不相同的器件的并联，通过这一并联结构，实现器件各不同跨导的相互补偿，从而实现在较大的栅源偏压范围内跨导值的相对稳定，使得器件具有很好的线性度。
25.4、势垒层中的al组分可以调节跨导的峰值和跨导的分布。本发明通过自下而上多层势垒层中的al组分逐层先增加后降低的方式来保证顶层栅对底层沟道的控制，同时调整器件的线性度。
26.5、多个鳍部连接在源漏之间，提升击穿电压，改善动态特性。多个鳍部增加了栅控面积，提升栅极控制能力，提升载流子密度的同时还能保持半导体迁移率的稳定，降低面电阻，大大改善了器件的频率特性。
27.6、多个鳍部中的至少两个的高度或者宽度不同，本发明鳍式场效应晶体管可视为
若干跨导分布各不相同的器件的并联，通过这一并联结构中的多个鳍部中的至少两个的高度或者宽度不同，实现器件各不同跨导的相互补偿。多个鳍部，鳍部越宽，跨导平坦且小，鳍部越窄，跨导狭窄且高，从而实现在较大的栅源偏压范围内跨导值的相对稳定。
附图说明
28.图1是本发明第一实施例的鳍式场效应晶体管的截面结构示意图；
29.图2是图1中的鳍式场效应晶体管的俯视图；
30.图3是图2中的鳍式场效应晶体管去除源极、漏极以及栅极后的俯视图；
31.图4是本发明第二实施例的鳍式场效应晶体管的截面结构示意图；
32.图5是本发明第三实施例的鳍式场效应晶体管的截面结构示意图；
33.图6是本发明第四实施例的鳍式场效应晶体管的截面结构示意图；
34.图7是本发明第五实施例的鳍式场效应晶体管的截面结构示意图。
35.为方便理解本发明，以下列出本发明中出现的所有附图标记：
36.衬底10
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绝缘层11
37.鳍部12
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源区12a
38.漏区12b
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沟道区12c
39.第一异质结结构121
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第一沟道层121a
40.第一势垒层121b
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第二异质结结构122
41.第二沟道层122a
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第二势垒层122b
42.第三异质结结构123
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第三沟道层123a
43.第三势垒层123b
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源极13
44.漏极14
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栅极结构15
45.栅极15a
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栅极绝缘层15b
46.鳍式场效应晶体管1、2、3、4、5
具体实施方式
47.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
48.图1是本发明第一实施例的鳍式场效应晶体管的截面结构示意图；图2是图1中的鳍式场效应晶体管的俯视图；图3是图2中的鳍式场效应晶体管去除源极、漏极以及栅极后的俯视图。
49.参照图1至图3所示，鳍式场效应晶体管1包括：
50.衬底10；
51.位于衬底10上的绝缘层11；
52.凸出于绝缘层11的鳍部12，鳍部12包括源区12a、漏区12b以及位于源区12a与漏区12b之间的沟道区12c；鳍部12包括：在朝向背离衬底10的方向上依次堆叠设置的第一异质结结构121、第二异质结结构122以及第三异质结结构123；第一异质结结构121包括第一沟道层121a与第一势垒层121b，第二异质结结构122包括第二沟道层122a与第二势垒层122b，第三异质结结构123包括第三沟道层123a与第三势垒层123b，第一势垒层121b、第二势垒层
122b与第三势垒层123b的组分大小不同；
53.覆盖于源区12a的源极13、覆盖于漏区12b的漏极14以及覆盖于沟道区12c的栅极结构15。
54.衬底10的材料可以为蓝宝石、碳化硅、硅或金刚石等材料。
55.绝缘层11的材料可以为二氧化硅。
56.鳍部12连接于衬底10。本实施例中，鳍式场效应晶体管1包括一个鳍部12。
57.参照图1所示，以第一异质结结构121为例，第一异质结结构121包括靠近衬底10的第一沟道层121a与远离衬底10的第一势垒层121b。第一沟道层121a与第一势垒层121b之间的界面可形成二维电子气。
58.第一沟道层121a与第一势垒层121b的材料都可以为gan基材料，第一势垒层121b的禁带宽度大于第一沟道层121a的禁带宽度。第一势垒层121b的材料可以为algan，第一沟道层121a的材料可以为gan。
59.本实施例中，栅极结构15仅包括栅极15a。栅极15a、源极13以及漏极14的材料可以为金属，例如ti/al/ni/au、ni/au等。栅极15a与鳍部12之间可以形成肖特基接触，源极13与源区12a、漏极14与漏区12b之间都可以形成欧姆接触。
60.a)本实施例中，在朝向背离衬底10的方向上，第一沟道层121a、第二沟道层122a与第三沟道层123a的组分固定，第一势垒层121b、第二势垒层122b与第三势垒层123b中的al的组分逐渐降低。第三势垒层123b中的al的组分小于第二势垒层122b中的al的组分，第三异质结结构123的二维电子气浓度小于第二异质结结构122的二维电子气浓度。第二势垒层122b中的al的组分小于第一势垒层121b中的al的组分，第二异质结结构122的二维电子气浓度小于第一异质结结构121的二维电子气浓度。异质结结构的二维电子气浓度越大，栅极15a对的异质结结构的控制能力越差，跨导峰值越往负向偏移，反之跨导峰值越往正向偏移。
61.b)此外，异质结结构的二维电子气浓度大可使器件的饱和电流大幅度增加，对于功率应用的器件，饱和电流的提高至关重要。第一异质结结构121对应的器件的饱和电流大于第二异质结结构122对应的器件的饱和电流，第二异质结结构122对应的器件的饱和电流大于第三异质结结构123对应的器件的饱和电流。异质结结构对应的器件的饱和电流越大，跨导峰值越大，反之跨导峰值越小。
62.c)第三，第三异质结结构123靠近栅极15a，第一异质结结构121远离栅极15a。异质结结构越靠近栅极15a，栅极15a对的异质结结构的控制能力越强，跨导峰值越往正向偏移，跨导峰值越大，反之跨导峰值越往负向偏移，跨导峰值越小。
63.本实施例的鳍式场效应晶体管1可视为若干跨导分布各不相同的器件的并联。上述a)、b)与c)三种因素综合起来，各个势垒层的al组分不同来实现跨导的相互补偿。通过这一并联结构，实现器件各不同跨导的相互补偿，从而实现在较大的栅源偏压范围内跨导值的相对稳定，使得鳍式场效应晶体管1具有很好的线性度。
64.此外，本实施例的鳍式场效应晶体管1可以有效的减少外延结构的方阻和接触电阻，提升了器件的频率特性。第三，鳍式场效应晶体管1的制备与工艺调节，引入的附加效应小，具有更高的可行性和重复性。保持高线性度的同时可实现高击穿电压、高输出电流等特性。
65.本实施例中，第一势垒层121b、第二势垒层122b与第三势垒层123b除了al的组分不同，其它各参数相同。第一沟道层121a、第二沟道层122a与第三沟道层123a的各参数相同。
66.其它实施例中，鳍式场效应晶体管1中，第一势垒层121b中的al的组分可以大于第二势垒层122b与第三势垒层123b中的任意一个的al的组分；或第三势垒层123b中的al的组分小于第一势垒层121b与第二势垒层122b中的任意一个的al的组分。
67.其它实施例中，鳍部12可以包括：在朝向背离衬底10的方向上依次堆叠设置的第一异质结结构121、第二异质结结构122，
……
，以及第n异质结结构，n≥2；第一异质结结构121包括第一沟道层121a与第一势垒层121b，第二异质结结构122包括第二沟道层122a与第二势垒层122b，
……
，第n异质结结构包括第n沟道层与第n势垒层，第一沟道层121a、第二沟道层122a
……
，与第n沟道层的组分固定，第一势垒层121b中的al的组分大于第二势垒层122b，
……
，与第n势垒层中的任意一个的al的组分，或第n势垒层中的al的组分小于第一势垒层121b，第二势垒层122b，
……
，与第n-1势垒层中的任意一个的al的组分，n为2，或4及其以上数目。具体地，第一势垒层121b、第二势垒层122b，
……
，第n势垒层中的al的组分可以逐渐减小，或先增加后降低，或至少存在一层势垒层的al组分保持不变、逐渐降低或逐渐升高。
68.对于第一势垒层121b、第二势垒层122b，
……
，第n势垒层中的al的组分先增加后降低的方案，al组分最高的势垒层上方的势垒层层数可以大于等于al组分最高的势垒层下方的势垒层层数。
69.图4是本发明第二实施例的鳍式场效应晶体管的截面结构示意图。
70.参照图4所示，本实施例二的鳍式场效应晶体管与实施例一的鳍式场效应晶体管大致相同，区别仅在于：鳍式场效应晶体管2中，第一势垒层121b、第二势垒层122b与第三势垒层123b的厚度逐渐减小。
71.d)本实施例中，第一沟道层121a、第二沟道层122a与第三沟道层123a的厚度固定，第一势垒层121b、第二势垒层122b与第三势垒层123b的厚度逐渐减小。势垒层的厚度越大，异质结中的饱和电流越大，跨导的峰值也会越大，对于功率应用的器件，饱和电流的提高至关重要。通过调整不同层势垒层的厚度，进而调整每层异质结结构的饱和电流，进而调整每层异质结结构的跨导峰值趋向均匀。
72.上述c)与d)两种因素综合起来，本实施例通过控制不同层的势垒层的厚度尺寸不同的设计，实现器件各不同跨导的相互补偿，从而实现在较大的栅源偏压范围内跨导值的相对稳定，使得鳍式场效应晶体管2具有很好的线性度。
73.本实施例中，第一势垒层121b、第二势垒层122b与第三势垒层123b除了厚度不同，其它各参数相同。第一沟道层121a、第二沟道层122a与第三沟道层123a的各参数相同。
74.其它实施例中，鳍式场效应晶体管1中，可以第一势垒层121b的厚度大于第二势垒层122b与第三势垒层123b中的任意一个的厚度；或第三势垒层123b的厚度小于第一势垒层121b与第二势垒层122b中的任意一个的厚度。
75.其它实施例中，鳍部12可以包括：在朝向背离衬底10的方向上依次堆叠设置的第一异质结结构121、第二异质结结构122，
……
，以及第n异质结结构，n≥2；第一异质结结构121包括第一沟道层121a与第一势垒层121b，第二异质结结构122包括第二沟道层122a与第
二势垒层122b，
……
，第n异质结结构包括第n沟道层与第n势垒层，第一沟道层121a、第二沟道层122a，
……
，与第n沟道层的厚度固定，第一势垒层121b的厚度大于第二势垒层122b，
……
，与第n势垒层中的任意一个的厚度，或第n势垒层的厚度小于第一势垒层121b，第二势垒层122b，
……
，与第n-1势垒层中的任意一个的厚度，n为2，或4及其以上数目。具体地，第一势垒层121b、第二势垒层122b，
……
，第n势垒层的厚度可以逐渐减小。
76.图5是本发明第三实施例的鳍式场效应晶体管的截面结构示意图。
77.参照图5所示，本实施例三的鳍式场效应晶体管与实施例一的鳍式场效应晶体管大致相同，区别仅在于：鳍式场效应晶体管3中，第一异质结结构121、第二异质结结构122，
……
，第n异质结结构的宽度尺寸逐渐缩小。
78.e)本实施例中，第一沟道层121a、第二沟道层122a与第三沟道层123a的宽度尺寸逐渐减小，第一势垒层121b、第二势垒层122b与第三势垒层123b的宽度尺寸逐渐减小。异质结结构中势垒层的宽度尺寸越大，栅极15a对的异质结结构的控制能力越差，跨导峰值越往负向偏移，反之跨导峰值越往正向偏移。另一方面，异质结结构中势垒层的宽度尺寸越大，异质结结构中的饱和电流越大，相应的跨导的峰值也会增大，对于功率应用的器件，饱和电流的提高至关重要。通过调整不同层势垒层的宽度，进而调整每层异质结结构的饱和电流，进而调整每层异质结结构的跨导峰值趋向均匀。
79.上述c)与e)两种因素综合起来，本实施例通过控制不同异质结结构层的势垒层的宽度尺寸不同的设计，实现器件各不同跨导的相互补偿，从而实现在较大的栅源偏压范围内跨导值的相对稳定，使得鳍式场效应晶体管3具有很好的线性度。
80.本实施例中，第一异质结结构121、第二异质结结构122、第三异质结结构123除了宽度尺寸不同，其它各参数相同。
81.其它实施例中，第一异质结结构121的宽度可以大于第二异质结结构122，
……
，与第n异质结结构中的任意一个的宽度，或第n异质结结构的宽度小于第一异质结结构121，第二异质结结构122，
……
，与第n-1异质结结构层中的任意一个的宽度。
82.其它实施例中，鳍部12可以包括：在朝向背离衬底10的方向上依次堆叠设置的第一异质结结构121、第二异质结结构122，
……
，以及第n异质结结构，n≥2；第一异质结结构121包括第一沟道层121a与第一势垒层121b，第二异质结结构122包括第二沟道层122a与第二势垒层122b，
……
，第n异质结结构包括第n沟道层与第n势垒层，第一异质结结构121的宽度大于第二异质结结构122，
……
，与第n异质结结构中的任意一个的宽度，或第n异质结结构的宽度小于第一异质结结构121，第二异质结结构122，
……
，与第n-1异质结结构中的任意一个的宽度，n为2，或4及其以上数目。具体地，第一异质结结构121、第二异质结结构122
……
，与第n异质结结构的宽度尺寸可以逐渐减小。
83.其它实施例中，第一异质结结构121、第二异质结结构122与第三异质结结构123的宽度尺寸也可以呈台阶状式逐渐减小。
84.其它实施例中，上述实施例一至三的方案可以全部或任两个结合在一起使用。
85.图6是本发明第四实施例的鳍式场效应晶体管的截面结构示意图。
86.参照图6所示，本实施例四的鳍式场效应晶体管与实施例一至三的鳍式场效应晶体管大致相同，区别仅在于：鳍式场效应晶体管4中，栅极结构15包括栅极绝缘层15b与栅极15a。
87.换言之，鳍式场效应晶体管4为mis hemt晶体管。
88.栅极绝缘层15b的材料可以为二氧化硅、二氧化铪等。
89.图7是本发明第五实施例的鳍式场效应晶体管的截面结构示意图。
90.参照图7所示，本实施例五的鳍式场效应晶体管与实施例一至四的鳍式场效应晶体管大致相同，区别仅在于：鳍式场效应晶体管5中，鳍部12具有多个，源极13覆盖于多个源区12a、漏极14覆盖于多个漏区12b，栅极结构15覆盖于多个沟道区12c。
91.相对于一个沟道区12c，多个沟道区12c可在源极13与漏极14之间形成并联的多个沟道，降低鳍式场效应晶体管5的导通电阻。
92.多个鳍部12连接在源极13与漏极14之间，提升击穿电压，改善动态特性。多个鳍部12还可以增加栅控面积，提升栅极控制能力，提升载流子密度的同时还能保持半导体迁移率的稳定，降低面电阻，大大改善了鳍式场效应晶体管5的频率特性。
93.多个鳍部12中，可以至少两个鳍部12的高度或者宽度不同。
94.本实施例的鳍式场效应晶体管5可视为若干跨导分布各不相同的器件的并联，通过这一并联结构中的多个鳍部12中的至少两个的高度或者宽度不同，实现器件各不同跨导的相互补偿。多个鳍部12中，鳍部12越宽，跨导平坦且小，鳍部12越窄，跨导狭窄且高，从而实现在较大的栅源偏压范围内跨导值的相对稳定。
95.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。