CN105914232B - T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迁移率晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迁移率晶体管。主要解决现有微波功率器件的最高振荡频率小，欧姆接触电阻大，短沟道效应严重的问题。其自下而上包括：衬底(1)、GaN缓冲层(2)、AlGaN势垒层(3)、GaN沟道层(4)、栅介质层(5)、钝化层(6)和源、漏、栅电极。其中缓冲层和沟道层采用N面GaN材料；GaN沟道层和AlGaN势垒层组成GaN/AlGaN异质结；栅电极采用T型栅，且包裹在GaN/AlGaN异质结的两侧和上方，形成三维立体栅结构。本发明器件具有栅控能力好，欧姆接触电阻小及最高振荡频率高的优点，可用作小尺寸的微波功率器件。
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T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迁移率晶体管Fin-HEMT，可用于微波功率集成电路。
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，在微波功率电路中有广泛的应用。
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。普通的I型栅，其寄生电容和寄生电阻较大，影响高电子迁移率晶体管的交流小信号特性和功率特性。用鳍式场效应晶体管FinFET结构制作的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件，采用三维立体结构，使栅极将沟道从三个方向包裹起来，提高了栅控能力，改善了短沟道效应。2014年，南洋理工大学的S.Arulkumaran等人首次在硅衬底上制备出了InAlN/GaN Fin-HEMT，这种结构有更低的漏致势垒降低，更高的开关电流比，参见In0.17Al0.83N/AlN/GaN Triple T-shape Fin-HEMTs with gm＝646mS/mm,ION＝1.03A/mm,IOFF＝1.13μA/mm,SS＝82mV/dec and DIBL＝28mV/V at VD＝0.5V，IEEE，InternationalElectron Device Meeting(IEDM),2014:25.6.1-25.6.4。该器件采用的是Ga面GaN基结构，相比于N面GaN基器件，Ga面GaN基器件有较高的欧姆接触电阻，较差的二维电子气限域性，对短沟道效应的抑制能力也较弱。
发明内容
本发明的目的在于针对上述高电子迁移率晶体管HEMT器件的不足，提出一种T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迁移率晶体管及制作方法，以抑制短沟道效应，减小欧姆接触电阻，提高最大振荡频率。
为实现上述目的，本发明的T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迁移率晶体管，自下而上包括衬底1、GaN缓冲层2、AlGaN势垒层3、GaN沟道层4、栅介质层5、钝化层6和源、漏、栅电极，其特征在于：
GaN缓冲层和沟道层均采用N面GaN；
栅电极采用T型栅并且包裹在GaN/AlGaN异质结的两侧和上方，形成三维立体栅结构。
依据上述技术思路，本发明制作T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迁移率晶体管的方法，包括如下步骤：
1)在C面SiC、a面蓝宝石或N面GaN单晶衬底上，利用分子束外延MBE或金属有机化合物化学气相淀积MOCVD生长1.5～3μm的N面GaN缓冲层；
2)在GaN缓冲层上先生长20nm厚的AlGaN，其Al组分从5％渐变到30％；再生长厚度为5～10nm的AlGaN，其Al组分为30％；
3)在AlGaN势垒层上生长厚度为20～30nm的N面GaN沟道层；
4)通过刻蚀GaN沟道层、AlGaN势垒层和GaN缓冲层的边缘部分，形成鳍型GaN/AlGaN异质结；
5)在GaN沟道层上表面的两端制作源、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势垒层和GaN沟道层表面生长栅介质层；
7)在栅介质层上光刻T型栅的栅形状，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，并进行金属互连蒸发，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N面GaN材料，所以欧姆接触电阻较小，有很好的二维电子气限域性，而且因为势垒层在沟道层下方，所以可以灵活缩小栅与沟道的距离。
2.本发明器件由于采用鳍型Fin栅结构，可以很好的抑制短沟道效应，加强栅控能力。
3.本发明器件由于采用T型栅电极，可以提高器件的最高振荡频率，提高器件的微波性能。
附图说明
图1是本发明器件结构示意图；
图2是图1中水平方向a的剖视图；
图3是图1中垂直方向b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、AlGaN势垒层3、GaN沟道层4、栅介质层5、SiN钝化层6和栅、源、漏电极。其中衬底1采用SiC或GaN或蓝宝石；N面GaN缓冲层2位于衬底1之上，其厚度是1.5～3μm；AlGaN势垒层3位于N面GaN缓冲层2之上，该势垒层3由两层AlGaN组成，其中第一层AlGaN的厚度是20nm，Al组分从5％渐变到30％，第二层AlGaN的厚度是5～10nm，Al组分为30％；N面GaN沟道层4位于AlGaN势垒层3的上面，其厚度是20～30nm；AlGaN势垒层3和GaN沟道层4的宽度均为2～5μm；GaN沟道层4和AlGaN势垒层3组成GaN/AlGaN异质结；栅介质层5位于沟道层4的周围和势垒层3的两侧，该栅介质层5采用SiN或Al2O3，其厚度是5～10nm；栅电极位于栅介质层5的两侧和上方，该栅电极采用T型结构，其由栅颈和栅帽组成，栅颈的高度为40～90nm，栅颈的长度为200～500nm，栅帽的高度为100～300nm，栅帽的长度为300～600nm；源电极位于沟道层4上表面的左端，漏电极位于沟道层4上表面的右端；钝化层6覆盖在源、漏、栅电极和栅介质层5的表面，该钝化层6采用SiN，其厚度为50～100nm。
参照图4，本发明给出制备T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迁移率晶体管的如下三种实施例。
实施例1：制作鳍型GaN/AlGaN异质结宽度为2μm，T型栅的栅颈高度为50nm，栅帽高度为100nm的T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迁移率晶体管。
步骤一：生长缓冲层。
在温度为680℃，压强为5×10-3Pa的工艺条件下，利用分子束外延MBE设备在图4(a)所示的蓝宝石衬底上生长一层厚度为1.5μm的N面GaN缓冲层。
步骤二：生长势垒层。
在温度为680℃，压强为5×10-3Pa的工艺条件下，利用分子束外延MBE设备在GaN层上先生长一层厚度为20nm的AlGaN，Al组分从下到上由5％渐变到30％；再生长一层厚度为10nm，Al组分为30％的AlGaN层。
步骤三：生长沟道层。
在温度为680℃，压强为5×10-3Pa的工艺条件下，利用分子束外延MBE设备在AlGaN层上生长一层厚度为20nm的N面GaN沟道层，GaN沟道层与AlGaN势垒层形成GaN/AlGaN异质结，GaN/AlGaN异质结界面处形成二维电子气。
上述步骤一、步骤二和步骤三的生长结果如图4(b)。
步骤四：刻蚀鳍型GaN/AlGaN异质结。
在GaN层上涂光刻胶，利用电子束光刻机进行曝光，得到鳍型Fin图案，再利用Cl2进行刻蚀，形成宽度为2μm的鳍型GaN/AlGaN异质结，结果如图4(c)。
步骤五：制作源、漏电极。
在GaN沟道层上涂胶得到光刻胶掩模，利用电子束光刻机曝光形成源、漏区域，并进行金属蒸发，选用Ti/Au做源、漏电极，其中Ti为5nm，Au为20nm，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)。
步骤六：制作栅介质层。
利用等离子体增强化学气相淀积PECVD在GaN沟道层上生长一层55nm厚的SiN，然后涂胶，光刻得到栅图形；用SF6刻蚀掉栅区域50nm厚的SiN形成栅槽，剩余5nm厚的SiN作为栅介质层，制作结果如图4(e)。
步骤七：制作栅极。
在栅槽位置采用电子束光刻机光刻T型栅形状，然后进行金属蒸发，选用Ti/Au做栅电极，其中Ti为50nm，Au为100nm，然后进行金属剥离，最终形成T型栅金属电极，T型栅的栅颈高度为50nm，栅颈长度为200nm，栅帽的高度为100nm，栅帽的长度为300nm。
步骤八：制作钝化层。
利用等离子体增强化学气相淀积PECVD在SiN和电极表面淀积厚度为50nm的SiN钝化层；然后在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，并进行金属互连蒸发，完成器件的制备。
上述步骤七和步骤八的制作结果如图4(f)。
实施例2：制作鳍型GaN/AlGaN异质结宽度为3μm，T型栅的栅颈高度为70nm，栅帽高度为200nm的T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迁移率晶体管。
步骤1：生长缓冲层。
在SiC衬底上利用分子束外延MBE生长一层厚度为2μm的N面GaN缓冲层，其生长的工艺条件是：
生长温度为680℃，压强为5×10-3Pa。
步骤2：生长势垒层。
在GaN层上利用分子束外延MBE先生长一层厚度为20nm的AlGaN，Al组分从下到上由5％渐变到30％；再生长一层厚度为8nm，Al组分为30％的AlGaN层，其生长的工艺条件是：
生长温度为680℃，压强为5×10-3Pa。
步骤3：生长沟道层。
在AlGaN层上利用分子束外延MBE生长一层厚度为25nm的N面GaN沟道层，形成GaN/AlGaN异质结，GaN沟道层与AlGaN势垒层的界面处形成二维电子气，其生长的工艺条件是：
生长温度为680℃，压强为5×10-3Pa。
步骤4：刻蚀鳍型GaN/AlGaN异质结。
在GaN层上涂光刻胶，利用电子束光刻机进行曝光，得到鳍型Fin图案，再利用Cl2进行刻蚀，形成宽度为3μm的鳍型GaN/AlGaN异质结。
步骤5：制作源、漏电极。
本步骤的实现与实施例1的步骤五相同。
步骤6：制作栅介质层。
本步骤的实现与实施例1的步骤六相同。
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70nm，Au为200nm，然后进行金属剥离，最终形成T型栅金属电极，T型栅的栅颈高度为70nm，栅颈长度为300nm，栅帽的高度为200nm，栅帽的长度为400nm。
步骤8：制作钝化层。
本步骤的实现与实施例1的步骤八相同。
实施例3：制作鳍型GaN/AlGaN异质结宽度为2.5μm，T型栅的栅颈高度为90nm，栅帽高度为250nm的T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迁移率晶体管。
步骤A：在衬底上生长缓冲层。
利用分子束外延MBE设备在温度为680℃，压强为5×10-3Pa的工艺条件下，在SiC衬底上生长一层厚度为2.5μm的N面GaN缓冲层。
步骤B：在缓冲层上生长势垒层。
利用分子束外延MBE设备在温度为680℃，压强为5×10-3Pa的工艺条件下，在GaN缓冲层上先生长一层厚度为20nm的AlGaN，Al组分从下到上由5％渐变到30％，再生长一层厚度为5nm，Al组分为30％的AlGaN层。
步骤C：在势垒层上生长沟道层。
利用分子束外延MBE设备在温度为680℃，压强为5×10-3Pa的工艺条件下，在AlGaN层上生长一层厚度为22nm的N面GaN沟道层，形成GaN/AlGaN异质结，GaN沟道层与AlGaN势垒层的界面处形成二维电子气。
步骤D：刻蚀鳍型GaN/AlGaN异质结。
在GaN层上涂光刻胶，利用电子束光刻机进行曝光，得到鳍型Fin图案，再利用Cl2进行刻蚀，形成宽度为2.5μm的鳍型GaN/AlGaN异质结。
步骤E：制作源、漏电极。
本步骤的实现与实施例1的步骤五相同。
步骤F：制作栅介质层。
本步骤的实现与实施例1的步骤六相同。
步骤G：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90nm，Au为250nm，然后进行金属剥离，最终形成T型栅金属电极，T型栅的栅颈高度为90nm，栅颈长度为400nm，栅帽的高度为250nm，栅帽的长度为500nm。
步骤H：制作钝化层。
本步骤的实现与实施例1的步骤八相同。
Claims (2)
1.一种T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迁移率晶体管的制作方法，包括如下步骤：
1)在C面SiC、a面蓝宝石或N面GaN单晶衬底上，利用分子束外延MBE或金属有机化合物化学气相淀积MOCVD生长1.5～3μm的N面GaN缓冲层；
2)在N面GaN缓冲层上先生长20nm厚的AlGaN，其Al组分从5％渐变到30％；再生长厚度为5～10nm的AlGaN，其Al组分为30％；
3)在AlGaN势垒层上生长厚度为20～30nm的N面GaN沟道层；
4)通过刻蚀N面GaN沟道层、AlGaN势垒层和N面GaN缓冲层的边缘部分，形成鳍型GaN/AlGaN异质结；
5)在N面GaN沟道层上表面的两端制作源、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势垒层和N面GaN沟道层表面生长栅介质层；
7)在栅介质层上光刻T型栅形状，并用电子束蒸发制备栅电极；
8)在半导体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，并进行金属互连蒸发，完成器件的制备。
2.根据权利要求1所述的T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迁移率晶体管的制作方法，其中鳍型GaN/AlGaN异质结的宽度是2～5μm。
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