CN100481349C - 一种制造变异势垒氮化镓场效应管的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种制造变异势垒氮化镓场效应管的方法，其工艺为，在衬底上生长成核层，AlGaN缓冲层和GaN沟道层，再生长AlN隔离层和AlGaN势垒层；在AlGaN势垒层上覆盖厚GaN帽层来提高势垒高度：用氯基电感耦合等离子体干式腐蚀工艺减薄除栅下以外的GaN帽层提高下面沟道中的电子气密度，弱化强场峰；再光刻开窗腐蚀，在腐蚀出的AlGaN势垒层上制作源电极和漏电极，利用薄势垒和高电子气密度降低欧姆接触电阻；从而制成变异势垒场效应管。优点：本器件的栅电极直接制作在GaN帽层上，不挖槽，能显著降低栅流，改善可靠性。不制作场板电极，简化了工艺，又降低了寄生电容，提高了增益，有利于研制毫米波高频器件。

Description

一种制造变异势垒氮化镓场效应管的方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件的制造方法，尤其是一种变异势垒氮化镓场效应管的制造方法，具体地说是一种制造低栅流高可靠氮化镓场效应晶体管的方法。属于半导体器件技术领域。

背景技术

AlGaN/GaN异质界面上的强极化电荷和大能带带阶产生高密度的二维电子气，使GaN场效应管的输出功率比GaAs场效应管提高了一个数量级。但是，大量实验研究发现，这种大功率场效应管的稳定性很差。在大功率射频工作中出现大的正向栅压，产生大正向栅流，引起肖特基势垒退化。此外，沟道中在栅靠漏一侧的边缘处出现强电场峰，它产生的高能热电子跃出沟道外，引起电流崩塌。高能电子撞击势垒层，产生晶格缺陷，进而俘获沟道中的电子导致器件性能退化。功率越大，正向栅流越大，沟道电场和热电子能量越高，器件的性能退化就越显著。

器件工作时的栅流和沟道中的强场峰都取决于异质结构。设计制作高而宽的势垒能抑制隧穿电流和热离子发射电流。但是源电极和漏电极上的欧姆接触又要求减薄势垒增大隧穿电流来降低接触电阻。许多作者使用挖槽工艺来减薄栅电极下的势垒层厚度，使夹断电压正移，弱化沟道中的强场峰。但是，挖槽减薄了势垒层厚度，又使栅流增大而导致可靠性变差。许多作者制作MOS或MIS结构来降低栅流。但是这些介质层增大了栅电极与沟道间的距离，降低了跨导和夹断电压，增强了沟道夹断时的电场，所产生的高能热电子跃出沟道，导致电流崩塌和器件性能退化。这些相互矛盾的要求大大增加了优化设计器件异质结构的难度。

发明内容

本发明的目的旨在解决上述矛盾，给出一种既能抑制栅流又能减弱沟道中的强场峰的制造变异势垒氮化镓场效应管的方法。栅电流分成两部分。一部分是金属电子隧穿势垒达到沟道层或者由热离子发射跨越势垒达到沟道层引起的。增加势垒宽度可以抑制隧穿电流，提高势垒高度可以减弱热离子发射。势垒高度和宽度可以利用氮化物中特有的极化电荷来剪裁。在AlGaN势垒层上生长适当厚度的GaN帽层，GaN/AlGaN异质界面上的负极化电荷抬高了表面能带，既提高了势垒高度，又增大了势垒宽度。自洽求解薛定谔方程和泊松方程发现，能带剪裁的力度依赖于GaN帽层的厚度。帽层越厚，势垒越高，宽度越大，沟道中的电子气密度越低。从而可以通过理论计算来进行优化设计。然而器件的源和漏电极又要求形成低阻欧姆接触，希望减薄势垒来增大隧穿电流。因此，必须针对两种接触设计出不同的势垒结构。另一部分栅流是由金属电子横向隧穿到势垒层表面，由跳跃式电导产生的。适当腐蚀势垒层表面，截断这一通路，就能减弱这一部分栅流。

当沟道被夹断时，栅下的沟道被耗尽，而栅外的沟道还未耗尽。这两部分沟道间形成间巨大的电导率落差。为了保持沟道电流的连续，必然在其交界处形成一个强电场峰。沟道电场的分布取决于栅电压、漏电压和电子气密度。在同样的漏电压下，电子气密度越高，沟道就必须在更负的栅压下夹断，既增强了沟道耗尽时的电场强度，又加大了耗尽沟道与未耗尽沟道间的电导率落差，增强了强场峰。使用挖槽等方法来减薄势垒增大跨导，设置背势垒改善沟道的夹断特性，使夹断电压正移，减弱了沟道夹断时的电场强度，就能弱化沟道中的强场峰。挖槽还降低了栅电极下沟道中的电子气密度，减少耗尽沟道与未耗尽沟道间的电导率差，弱化强场峰。能带和电场的二维设计及大量实验证明，改变从栅电极到漏电极的异质结构，使沟道电子气密度从栅到漏逐渐升高可以减弱强场峰和降低串联电阻，改善器件射频工作性能和提高稳定性。

本发明的技术解决方案：一种制造低栅流高可靠氮化镓场效应管的方法，其特征是该方法的工艺步骤分为，

(1)在衬底上生长成核层，AlGaN缓冲层和GaN沟道层，再生长AlN隔离层和AlGaN势垒层，使沟道中产生高电子气密度；

(2)在AlGaN势垒层上覆盖厚GaN帽层来提高势垒高度，增加势垒宽度，抑制栅流和降低沟道电子气密度，构成异质结材料结构：

(3)用氯基电感耦合等离子体干式腐蚀工艺减薄除栅电极下GaN帽层以外的GaN帽层，截断栅电极上电子横向隧穿到GaN帽层的通路，降低栅流。栅下以外的GaN帽层，截断栅电极上电子横向隧穿到GaN帽层的通路，降低栅流；

(4)利用减薄的GaN帽层来提高下面沟道中的电子气密度，减小沟道夹断时栅下沟道同减薄的GaN帽层下沟道间的电导率差，弱化强场峰；

(5)再光刻开窗腐蚀完除栅下GaN帽层和减薄的GaN帽层以外的GaN帽层，提高电子气密度，在腐蚀出的AlGaN势垒层上制作源电极和漏电极，利用薄势垒和高电子气密度降低欧姆接触电阻；

(6)减薄的GaN帽层提高了沟道电子气密度，降低了沟道的串联电阻；

从而制成了从栅到漏异质结构逐渐改变的变异势垒场效应管。至于如何在腐蚀出的AlGaN势垒层上制作源电极和漏电极，乃是本领域的技术人员所熟知的。

本发明的优点：在AlGaN缓冲层上生长GaN沟道层就在GaN/AlGaN异质界面上产生一层负极化电荷，抬高了沟道背面的势垒。

当沟道夹断时，电子电荷消失，这一极化电荷产生的背势垒使沟道阱仍保持良好的量子限制特性，改善了沟道的夹断特性，降低了强场峰，弱化了电流崩塌，减弱了器件长期工作中的性能衰退；AlGaN势垒层上的厚GaN帽层提高了势垒高度，增大了势垒宽度，抑制了肖特基势垒上的热离子发射电流和隧穿电流。降低了栅流，使器件能在更高的正栅压工作，提高了输出功率，改善了可靠性；减薄栅外的GaN帽层，截断了栅电极上电子横向隧穿到GaN帽层通过跳跃式传导的电流通路，降低了栅流；腐蚀完GaN帽层后势垒减薄，沟道电子气密度增大。直接在AlGaN势垒层上制作欧姆接触就能通过大隧穿电流来降低欧姆接触电阻；在AlGaN势垒层与GaN沟道层间生长较厚的AlN隔离层有效地降低了AlGaN合金层的无序合金散射，提高了沟道电子的迁移率；从栅到漏逐渐减薄的GaN帽层增大了沟道中的电子气密度，减少了耗尽沟道与未耗尽沟道间的电导率差，弱化了沟道中的强场峰，降低了电流崩塌和器件长期工作中的性能衰退。并且减小了沟道的串联电阻，改善了器件性能；这种器件的栅电极直接制作在GaN帽层上，不挖槽，能显著降低栅流，改善可靠性。不制作场板电极，简化了工艺，又降低了寄生电容，提高了增益，有利于研制毫米波高频器件。

附图说明

附图1是本发明的变异势垒GaN场效应管电极和势垒结构图。

附图2是本发明的变异势垒GaN场效应管的材料结构图。

附图3是本发明的变异势垒GaN场效应管结构图。

附图中1是源，2是栅，3是漏，4是源势垒，5是源—栅电极间的势垒，6是栅势垒，7是栅—漏电极间的势垒，8是漏势垒，9是衬底，10是成核层，11是AlGaN缓冲层，12是GaN沟道层，13是AlN隔离层，14是AlGaN势垒层，15是GaN帽层，16是栅电极，17是减薄的GaN帽层，18是源电极，19是漏电极。

具体实施方式

对照附图1，源1，栅2，漏3分别表示场效应管的源、栅和漏电极，电极下的源势垒4、栅势垒6、和漏势垒8表示源、栅和漏的异质结构。源—栅电极间的势垒5和栅—漏电极间的势垒7表示电极间的异质结构。变异势垒场效应管要求栅势垒6具有高而宽的势垒来抑制热离子发射和隧穿电流，而且其沟道中的电子气密度较低，容易夹断，降低沟道电场。源势垒4和漏势垒8具有薄势垒，而且沟道电子气密度较高，易于制作低阻欧姆接触。而源—栅电极间的势垒5和栅—漏电极间的势垒7是电子气密度渐变的异质结构，能够弱化强场峰和降低沟道串联电阻。显然无法通过优化设计来生长出满足这些要求的异质结构。只能优化设计出一种可塑性异质结构，然后再在器件制造中寻求新的剪裁各部分异质结构的工艺，来满足变异势垒要求。前述的AlGaN势垒层上覆盖GaN帽层的异质结构正好能用来制作这种可塑性异质结。通过优化设计，生长厚GaN帽层来提高势垒高度和增加势垒宽度，降低栅流。同时减少沟道中的电子气密度来提高夹断电压，压低沟道中的强场峰。然后用氯基电感耦合等离子体干式腐蚀工艺来减薄GaN帽层的厚度，增大电子气密度，制成3图所示的器件异质结构。它满足源势垒4、源—栅电极间的势垒5、栅势垒6、栅—漏电极间的势垒7和漏势垒8各部分沟道的要求，制成低栅流高可靠的变异势垒场效应管。

对照附图2、3，描述变异势垒GaN场效应管的的制作方法的步骤：在衬底9上生长成核层10，AlGaN缓冲层11和GaN沟道层12；然后生长AlN隔离层13和AlGaN势垒层14，使沟道中产生高电子气密度；然后覆盖厚GaN帽层15来提高势垒高度，增加势垒宽度，抑制栅流和降低沟道电子气密度，构成图2所示的异质结材料结构：

完成台面隔离后首先光刻开窗，用氯基电感耦合等离子体干式腐蚀工艺减薄图3中除栅电极下GaN帽层15以外的GaN帽层，截断栅电极16上电子横向隧穿到GaN帽层15的通路，降低栅流。

利用减薄的GaN帽层17及无GaN帽层的势垒层来提高下面沟道中的电子气密度，减小沟道夹断时栅下沟道同减薄的GaN帽层17下沟道间的电导率差，弱化强场峰。再光刻开窗腐蚀完除栅下GaN帽层15和减薄的GaN帽层17以外的GaN帽层。然后在腐蚀出的AlGaN势垒层14上制作源电极18，漏电极19。在欧姆电极附近腐蚀完GaN帽层15后势垒层变薄，电子气密度升高，产生大隧穿电流，降低了欧姆接触电阻。减薄的GaN帽层17增强了沟道电子气密度，降低了沟道的串联电阻。从而制成了从栅到漏异质结构逐渐改变的变异势垒场效应管，既降低了栅流和源漏欧姆接触电阻又弱化了沟道中的强场峰，抑制了电流崩塌，提高了可靠性。

实施例1：

选取低Al组份比合金Al_0.04Ga_0.96N为缓冲层11，生长10nm不掺杂GaN作沟道层12，再在其上生长2nm不掺杂AlN隔离层13和10nm不掺杂Al_0.35Ga_0.65N势垒层14，最后覆盖8nm不掺杂GaN帽层15。自洽求解薛定谔方程和泊松方程算得沟道电子气密度为9.76*10¹²cm^-2，夹断电压为4.2V。当减薄的GaN帽层17为3nm时，算得的电子气密度为1.32*10¹³cm^-2。在GaN帽层完全腐蚀出的AlGaN势垒层14上制作源电极18，漏电极19。除去GaN帽层15后，电子气密度升高到1.74*10¹³cm^-2。构成从栅到漏电子气密度由9.76*10¹²cm^-2升高到1.74*10¹³cm^-2的变异势垒场效应管。

实施例2：选取低Al组份比合金Al_0.04Ga_0.96N为缓冲层11，生长10nm不掺杂GaN作沟道层12，再在其上生长2nm不掺杂AlN隔离层13和8nm不掺杂Al_0.4Ga_0.6N势垒层14，最后覆盖8nm不掺杂GaN帽层15。自洽求解薛定谔方程和泊松方程算得沟道电子气密度为10.5*10¹²cm^-2，夹断电压为4.1V。当GaN帽层减薄为3nm时，算得的电子气密度为1.465*10¹³cm^-2。当GaN帽层完全腐蚀完后，电子气密度升高到2.06*10¹³cm^-2。构成从栅到漏电子气密度由10.5*10¹²cm^-2升高到2.06*10¹³cm^-2的变异势垒场效应管。同制造例1相比，提高势垒层14的Al组份比以后，同样帽层变化下电子气密度的变化跨度更大。

实施例3：选取低Al组份比合金Al_0.04Ga_0.96N为缓冲层11，生长10nm不掺杂GaN作沟道层12，再在其上生长2nm不掺杂AlN隔离层13和8nm掺杂浓度为5*10¹⁸cm^-3的Al_0.35Ga_0.65N势垒层14，最后覆盖8nm不掺杂GaN帽层15。自洽求解薛定谔方程和泊松方程算得沟道电子气密度为1.17*10¹³cm^-2，夹断电压为4.5V。当GaN帽层减薄为3nm时，算得的电子气密度为1.49*10¹³cm^-2。当GaN帽层完全腐蚀完后，电子气密度升高到1.91*10¹³cm^-2。构成从栅到漏电子气由1.17*10¹³cm^-2升高到1.91*10¹³cm^-2的变异势垒场效应管。调制掺杂结构提高了沟道电子气密度，而且在掺杂层上制作欧姆接触有望降低接触电阻。

Claims (5)

1、一种制造变异势垒氮化镓场效应管的方法，其特征是该方法的工艺步骤分为：

(1)在衬底上生长成核层，AlGaN缓冲层和GaN沟道层，再生长AlN隔离层和AlGaN势垒层，使沟道中产生高电子气密度；

(2)在AlGaN势垒层上覆盖GaN帽层来提高势垒高度，增加势垒宽度，抑制栅流和降低沟道电子气密度，构成一种容易剪裁能带的新异质结构；

(3)用氯基电感耦合等离子体干式腐蚀工艺减薄除栅下以外的GaN帽层，截断栅电极上电子横向隧穿到GaN帽层的通路，降低栅流；利用减薄的GaN帽层来提高下面沟道中的电子气密度，减小沟道夹断时栅下沟道同减薄的GaN帽层下沟道间的电导率差，弱化强场峰；

(4)再光刻开窗腐蚀完部分减薄的GaN帽层，暴露出AlGaN势垒层，提高电子气密度，降低沟道的串联电阻；在腐蚀出的AlGaN势垒层上制作源、漏欧姆接触源电极和漏电极，利用薄势垒和高电子气密度降低接触电阻。

2、根据权利要求1所述的一种制造变异势垒氮化镓场效应管的方法，其特征是选取低Al组份比合金Al_0.04Ga_0.96N为缓冲层，生长10nm不掺杂GaN作沟道层和2nm不掺杂AlN隔离层，再在其上生长AlGaN势垒层和GaN帽层。

3、根据权利要求2所述的一种制造变异势垒氮化镓场效应管的方法，其特征是选取10nm不掺杂Al_0.35Ga_0.65N势垒层和8nm不掺杂GaN帽层，沟道电子气密度为9.76×10¹²cm^-2，夹断电压为4.2V，当减薄的GaN帽层为3nm时，电子气密度为1.32×10¹³cm^-2，除去GaN帽层后，电子气密度升高到1.74×10¹³cm^-2，构成从栅到漏电子气密度由9.76×10¹²cm^-2升高到1.74×10¹³cm^-2的变异势垒场效应管。

4、根据权利要求2所述的一种制造变异势垒氮化镓场效应管的方法，其特征是选取10nm不掺杂Al_0.4Ga_0.6N势垒层和8nm不掺杂GaN帽层，沟道电子气密度为10.5×10¹²cm^-2，夹断电压为4.1V，当GaN帽层减薄为3nm时，电子气密度为1.465×10¹³cm^-2，当GaN帽层完全腐蚀完后，电子气密度升高到2.06×10¹³cm^-2，构成从栅到漏电子气密度由10.5×10¹²cm^-2升高到2.06×10¹³cm^-2的变异势垒场效应管。

5、根据权利要求2所述的一种制造变异势垒氮化镓场效应管的方法，其特征是选取8nm掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的Al_0.35Ga_0.65N势垒层和8nm不掺杂GaN帽层，沟道电子气密度为1.17×10¹³cm^-2，夹断电压为4.5V，当GaN帽层减薄为3nm时，电子气密度为1.49×10¹³cm^-2，当GaN帽层完全腐蚀完后，电子气密度升高到1.91×10¹³cm^-2，构成从栅到漏电子气由1.17×10¹³cm^-2升高到1.91×10¹³cm^-2的变异势垒场效应管。

Images