CN105762078B - GaN基纳米沟道高电子迁移率晶体管及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基纳米沟道高电子迁移率晶体管，主要解决现有技术短沟道效应严重，栅控能力差，漏电流和跨导较低的问题。其自下而上包括衬底(1)、GaN缓冲层(2)、GaN沟道(3)、AlGaN势垒层(4)、栅介质层(5)、钝化层(6)和源、栅、漏电极。其中GaN纳米沟道的两侧增设有AlGaN势垒层，使GaN纳米沟道被包裹在AlGaN势垒层内，在GaN纳米沟道的上方和两侧形成AlGaN/GaN异质结；栅电极位于AlGaN/GaN异质结的两侧和上方。本发明具有栅控能力好，饱和电流大及源漏电阻小的优点，可作为小尺寸的高速高频器件。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，具体地说是一种GaN基纳米沟道高电子迁移率晶体管HEMT，可用于高频高速集成电路。
背景技术
GaN材料作为第三代半导体材料，由于禁带宽度大、二维电子气2DEG浓度高和电子饱和速度高等优点，被认为是制作微波功率器件及高速器件的优良材料。特别是AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管HEMT，在军事与商用方面有广泛的应用价值。
随着晶体管尺寸的缩小，栅长越来越短，传统高电子迁移率晶体管HEMT的短沟道效应越来越明显，表现为栅控能力变差，器件关断状态下泄漏电流变大，开关速度变慢。为了抑制短沟道效应，目前器件沟道三面环栅Fin结构的高电子迁移率晶体管HEMT备受关注，因为这种结构可以对沟道起到很好的栅控制能力。2013年Ki-Sik Im等人制备出了GaN纳米沟道FinFETs，最大漏电流达到670mA/mm，最大跨导为168mS/mm，泄漏电流约为10-11mA，开关电流比达到108，参见Im K S,Jo Y W,Lee J H,et al.Heterojunction-Free GaNNanochannel FinFETs With High Performance[J].Electron Device Letters IEEE,2013,34(3):381-383。这种器件结构只是对GaN进行了重掺杂，没有形成异质结。但是由于AlGaN/GaN异质结具有高浓度的二维电子气2DEG，并且有很高的电子迁移率，所以这种没有异质结的器件的漏电流并不是很大，跨导也不是很高，开关速度也不够快。
发明内容
本发明的目的在于针对上述高电子迁移率器件的不足，提出一种GaN基纳米沟道的高电子迁移率器件及制作方法，以提高漏电流和开关速度，增大跨导。
为实现上述目的，本发明的技术思路如下：在衬底上生长GaN缓冲层，然后生长GaN沟道层，刻蚀形成鳍Fin型GaN纳米沟道，生长AlGaN势垒层包裹在GaN纳米沟道的两侧和上方，形成AlGaN/GaN异质结。这种结构使GaN沟道内电子密度增加，增大了器件的饱和漏电流。栅电极位于AlGaN/GaN异质结的两侧和上方，形成鳍型Fin三维栅结构，具有更好的栅控能力，能很好的抑制短沟道效应，提高开关电流比和跨导。
依据上述技术思路，本发明的GaN基纳米沟道高电子迁移率晶体管，自下而上包括衬底、GaN缓冲层、鳍型GaN纳米沟道、AlGaN势垒层、栅介质层、SiN钝化层、源漏电极和栅电极，其特征在于：
鳍型GaN纳米沟道的两侧增设AlGaN势垒层，使GaN纳米沟道被包裹在AlGaN势垒层内，形成AlGaN/GaN异质结；
栅电极位于AlGaN/GaN异质结的两侧和上方，使AlGaN/GaN异质结被包裹在栅电极内。
依据上述技术思路，本发明制作GaN基纳米沟道高电子迁移率晶体管的方法，包括如下步骤：
1)在Si面SiC或c面蓝宝石或GaN单晶衬底上，利用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD生长0.5～2μm的GaN缓冲层；
2)在GaN层上生长50～150nm厚的GaN沟道层；
3)通过刻蚀GaN沟道层，形成鳍型GaN纳米沟道；
4)在GaN纳米沟道周围生长一层10～20nm厚的AlGaN势垒层，Al组分为20％～35％；
5)在GaN纳米沟道两端制作源漏电极；
6)利用原子层淀积ALD或等离子体增强化学气相淀积PECVD技术在AlGaN表面生长SiN作为栅介质层；
7)在栅介质上光刻栅形状，并用电子束蒸发制备栅电极；
8)在SiN和电极表面利用等离子体增强化学气相淀积PECVD淀积钝化层，刻蚀掉电极键合点上多余的钝化层，然后进行金属互连蒸发，完成器件的制备。
本发明具有如下优点：
1.本发明器件由于采用鳍型Fin结构，三面环栅，能很好的抑制短沟道效应，从而可以做更小栅长的器件，同时由于采用鳍型Fin结构栅控能力好，开关电流比高。
2.本发明器件由于采用GaN纳米沟道结构，沟道三面均与AlGaN势垒层形成AlGaN/GaN异质结，所以GaN沟道内电子密度较高，使器件有较大的饱和电流。
3.本发明器件由于源漏电极直接与GaN纳米沟道接触，故源漏电阻很小。
附图说明
图1是本发明器件的结构示意图；
图2是图1中水平a方向的剖视图；
图3是图1中垂直b方向的剖视图；
图4是本发明器件的制作工艺流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述。
参照图1、图2和图3，本发明器件包括衬底1、GaN缓冲层2、GaN纳米沟道3、AlGaN势垒层4、栅介质层5、SiN钝化层6和栅、源、漏电极。其中最下层是SiC或GaN或蓝宝石衬底1；衬底1上面是厚度为0.5～2μm的GaN缓冲层2；缓冲层2上面是厚度为50～150nm，宽度为50nm～100nm的GaN纳米沟道3；沟道3周围是一层厚度为10～20nm、Al组分为20％～35％的AlGaN势垒层4；AlGaN周围是栅介质层5，该栅介质层5采用SiN或Al2O3，其厚度是5～10nm；栅电极位于AlGaN/GaN异质结的两侧和上方；源、漏电极分别位于在GaN纳米沟道两端；钝化层6覆盖在源、漏电极和栅介质层表面，该钝化层6采用厚度为50～100nm的SiN。
参照图4，本发明给出制备GaN基纳米沟道高电子迁移率晶体管的如下三种实施例。
实施例1：制作衬底为SiC，GaN缓冲层厚度是1μm，GaN沟道层厚度是50nm，AlGaN势垒层厚度为15nm，Al组分为30％，栅介质层厚度是5nm，钝化层厚度是50nm的高电子迁移率器件。
步骤1：在SiC衬底上利用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD生长一层1μm厚的GaN缓冲层，其工艺条件如下：
反应气体为三甲基镓和氨气，生长温度为800℃，压强为1.5×104Pa。
步骤2：在GaN缓冲层上利用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD生长一层50nm厚的GaN沟道层，其工艺条件如下：
反应气体为三甲基镓和氨气，生长温度为850℃，压强为1.5×104Pa。
上述步骤1和步骤2的生长结果如图4(a)。
步骤3：刻蚀GaN纳米沟道。
在GaN沟道层上涂光刻胶，利用电子束光刻机进行曝光，得到鳍型Fin沟道图案，再利用Cl2进行刻蚀，形成宽度为50nm的鳍型GaN纳米沟道，结果如图4(b)。
步骤4：在GaN纳米沟道上方和侧壁利用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD生长一层15nm厚，Al组分为30％的AlGaN势垒层，结果如图4(c)，其生长的工艺条件如下：
反应物为三甲基镓、三甲基铝和氨气，生长温度为950℃，压强为1.5×104Pa。
步骤5：制作源、漏电极。
在鳍型AlGaN/GaN异质结上涂光刻胶得到光刻胶掩模，利用电子束光刻机曝光形成源、漏区域，利用Cl2依次刻蚀掉AlGaN势垒层和GaN沟道层，得到源、漏凹槽，在凹槽位置光刻源、漏图形，然后进行金属蒸发，选用Ti/Au做源、漏电极，其中Ti为10nm，Au为30nm，蒸发完成后进行金属剥离；再利用快速热退火炉在N2氛围中进行退火处理，得到源、漏电极，结果如图4(d)。
步骤6：制作栅介质层。
利用等离子体增强化学气相淀积PECVD在AlGaN势垒层上生长一层30nm厚的SiN，然后涂胶，光刻得到栅图形；
用SF6刻蚀掉栅区域25nm的SiN形成栅槽，剩余5nm厚的SiN作为栅介质层，结果如图4(e)。
步骤7：制作栅电极。
在栅槽位置采用电子束光刻机光刻栅形状，然后进行金属蒸发，选用Ti/Au做栅电极，其中Ti为5nm，然后进行金属剥离，最终形成栅金属电极；
步骤8：制作钝化层。
利用等离子体增强化学气相淀积PECVD淀积厚度为50nm的SiN钝化层，将栅介质层和源、漏电极表面完全覆盖；
在电极键合点光刻露出互连窗口，使用Cl2刻蚀掉互连窗口处多余的SiN钝化层，进行金属互连蒸发，完成器件制作。
上述步骤7和步骤8的制作结果如图4(f)。
实施例2：制作衬底为蓝宝石，GaN缓冲层厚度是1.2μm，GaN沟道层厚度是70nm，AlGaN势垒层厚度为20nm，Al组分为27％，栅介质层厚度是7nm，钝化层厚度是75nm的高电子迁移率器件。
步骤一：在蓝宝石衬底上利用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD生长一层1.2μm厚的GaN缓冲层，其工艺条件是：反应气体为三甲基镓和氨气，生长温度为800℃，压强为1.5×104Pa。
步骤二：在GaN缓冲层上利用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD生长一层70nm厚的GaN沟道层，其生长条件是：反应气体为三甲基镓和氨气，生长温度为850℃，压强为1.5×104Pa。
上述步骤一和步骤二的生长结果如图4(a)。
步骤三：在GaN沟道层上涂光刻胶，利用电子束光刻机进行曝光，得到鳍型Fin沟道图案，再利用Cl2进行刻蚀，形成宽度为70nm的鳍型GaN纳米沟道，结果如图4(b)。
步骤四：在GaN纳米沟道上方和侧壁利用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD生长一层20nm厚，Al组分为27％的AlGaN势垒层，结果如图4(c)。其工艺条件是：反应物为三甲基镓、三甲基铝和氨气，生长温度为950℃，压强为1.5×104Pa。
步骤五：制作源、漏电极。
本步骤的实现与实施例1的步骤5相同，制作结果如图4(d)。
步骤六：制作栅介质层。
利用等离子体增强化学气相淀积PECVD在AlGaN势垒层上生长一层30nm厚的SiN，然后涂胶，光刻得到栅图形；用SF6刻蚀掉栅区域23nm的SiN形成栅槽，剩余7nm厚的SiN作为栅介质层，制作结果如图4(e)。
步骤七：制作栅电极。
本步骤的实现与实施例1的步骤7相同。
步骤八：制作钝化层。
利用等离子体增强化学气相淀积PECVD淀积厚度为75nm的SiN钝化层，将栅介质层和源、漏电极表面完全覆盖；在电极键合点光刻露出互连窗口，使用Cl2刻蚀掉互连窗口处多余的SiN钝化层，进行金属互连蒸发，完成器件制备。
上述步骤七和步骤八的制作结果如图4(f)。
实施例3：制作衬底为GaN，GaN缓冲层厚度是2μm，GaN沟道层厚度是60nm，AlGaN势垒层厚度为20nm，Al组分为22％，栅介质层厚度是10nm，钝化层厚度是100nm的高电子迁移率器件。
步骤a：在GaN衬底上制作GaN缓冲层。
利用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD在GaN衬底上生长一层GaN缓冲层，其生长的工艺条件为：反应气体为三甲基镓和氨气，生长温度为800℃，压强为1.5×104Pa，生长的GaN缓冲层厚度为2μm。
步骤b：在GaN缓冲层上生长GaN沟道层。
利用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD在GaN缓冲层上生长GaN沟道层，其生长的工艺条件是：反应气体为三甲基镓和氨气，生长温度为850℃，压强为1.5×104Pa，生长的GaN沟道层厚度为60nm。
步骤c：在GaN沟道层上刻蚀GaN纳米沟道。
在GaN沟道层上涂光刻胶，利用电子束光刻机进行曝光，得到鳍型Fin沟道图案；利用Cl2进行刻蚀，形成宽度为100nm的鳍型GaN纳米沟道。
步骤d：在GaN沟道层上方和侧壁生长AlGaN势垒层。
利用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD在GaN纳米沟道上方和侧壁上生长AlGaN势垒层，生长的工艺条件是：反应物为三甲基镓、三甲基铝和氨气，生长温度为950℃，压强为1.5×104Pa；
AlGaN势垒层的厚度是20nm，Al组分为22％。
步骤e：制作源、漏电极。
本步骤的实现与实施例1的步骤5相同。
步骤f：在AlGaN势垒层上制作栅介质层。
利用等离子体增强化学气相淀积PECVD在AlGaN势垒层上生长一层30nm厚的SiN，然后涂胶，光刻得到栅图形；用SF6刻蚀掉栅区域20nm的SiN形成栅槽，剩余10nm厚的SiN作为栅介质层。
步骤g：制作栅电极。
本步骤的实现与实施例1的步骤7相同。
步骤h：在栅介质层和源、漏电极表面制作钝化层。
利用等离子体增强化学气相淀积PECVD淀积厚度为100nm的SiN钝化层，将栅介质层和源、漏电极表面完全覆盖；在电极键合点光刻露出互连窗口，使用Cl2刻蚀掉互连窗口处多余的SiN钝化层，进行金属互连蒸发，完成器件制备。
Claims (7)
1.一种GaN基纳米沟道高电子迁移率晶体管，自下而上包括衬底(1)、GaN缓冲层(2)、鳍型GaN纳米沟道(3)、AlGaN势垒层(4)、栅介质层(5)、钝化层(6)和源、栅、漏电极，其特征在于：
鳍型GaN纳米沟道的两侧增设有AlGaN势垒层，使GaN纳米沟道被包裹在AlGaN势垒层内，形成AlGaN/GaN异质结；
栅电极位于AlGaN/GaN异质结的两侧和上方，使AlGaN/GaN异质结被包裹在栅电极内；
源、漏电极位于GaN纳米沟道两端，直接与AlGaN/GaN异质结生成二维电子气连接。
2.根据权利要求1所述的GaN基纳米沟道高电子迁移率晶体管，其中衬底(1)采用蓝宝石或SiC或GaN。
3.根据权利要求1所述的GaN基纳米沟道高电子迁移率晶体管，其中缓冲层(2)采用GaN，厚度为0.5～2μm。
4.根据权利要求1所述的GaN基纳米沟道高电子迁移率晶体管，其中纳米沟道(3)采用GaN，厚度为50～150nm，宽度为50～100nm。
5.根据权利要求1所述的GaN基纳米沟道高电子迁移率晶体管，其中势垒层(4)采用AlGaN，其Al组分为20％～35％，厚度为10～20nm。
6.根据权利要求1所述的GaN基纳米沟道高电子迁移率晶体管，其中栅介质层(5)采用SiN或Al2O3，厚度为5～10nm。
7.根据权利要求1所述的GaN基纳米沟道高电子迁移率晶体管，其中钝化层(6)采用SiN，厚度为50～100nm。
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