CN109560131A - 增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管，主要解决现有增强型器件的阈值电压小，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)、GaN沟道层(3)、AlGaN势垒层(4)、栅介质层(5)、钝化层(6)和源、漏、栅电极。其中GaN沟道层与AlGaN势垒层组成AlGaN/GaN异质结；栅电极采用凹槽栅结构，且包裹在AlGaN/GaN异质结的两侧和上方，形成三维栅结构；栅电极与AlGaN/GaN异质结之间设有一层高介电常数的栅介质；源、漏电极设在AlGaN/GaN异质结的两端。本发明器件具有阈值电压高，栅控能力强，源、漏电阻小的优点，可作为小尺寸的增强型器件。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，具体地说是一种增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管MIS-HEMT，可用于增强/耗尽模式的纳米级数字集成电路。
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，在集成电路中有广泛的应用。
通常AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件制备完成时已经形成了高密度的二维电子气2DEG，这样的器件属于常开的耗尽型器件D-HEMT。为了实现常关的增强型器件E-HEMT，需要一些特殊结构和工艺，如薄势垒层、凹槽栅、栅下氟离子注入等。但是随着器件尺寸的减小，传统结构的增强型器件短沟道效应越来越严重，影响了器件的工作性能。2013年，ShinoharaK等人制备的增强型器件，采用AlN作为薄势垒层，这种结构有更短的栅长，更好的频率特性，参见ScalingofGaNHEMTsandSchottkyDiodesforSubmillimeter-WaveMMICApplications[J].IEEETransactionsonElectronDevices,2013,60(10):2982-2996。但是该器件在栅长较小时，短沟道效应严重，亚阈值摆幅较大，不利于实现增强/耗尽模式的纳米级数字集成电路。
发明内容
本发明的目的在于针对以上增强型高电子迁移率晶体管的不足，提出一种增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管及制作方法，以抑制短沟道效应，提高阈值电压和跨导，实现更小栅长的增强型器件。
为实现上述目的，本发明的技术思路是：采用GaN沟道层和AlGaN势垒层形成AlGaN/GaN异质结，通过AlGaN/GaN异质结生成二维电子气，通过刻蚀AlGaN和GaN，形成鳍型AlGaN/GaN异质结，通过在栅区域刻蚀AlGaN，形成栅凹槽，通过在凹槽处淀积高介电常数的栅介质，形成鳍式凹槽绝缘栅结构。
依据上述技术思路，本发明的增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管，自下而上包括衬底1、GaN缓冲层2、GaN沟道层3、AlGaN势垒层4、栅介质层5、钝化层6和栅、源、漏电极，GaN沟道层和AlGaN势垒层形成AlGaN/GaN异质结，AlGaN/GaN异质结生成二维电子气，其特征在于：
栅电极采用凹槽栅结构，且包裹在AlGaN/GaN异质结的两侧和上方，形成三维栅结构；
栅电极与AlGaN/GaN异质结之间设有一层高介电常数的栅介质；
源、漏电极设在AlGaN/GaN异质结的两端，以实现与二维电子气的直接接触。
依据上述技术思路，本发明制作增强型鳍式绝缘栅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Si衬底上，利用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD生长1～3μm的GaN缓冲层；
2)在GaN缓冲层上生长5nm厚的GaN沟道层；
3)在GaN沟道层上生长10～20nm的AlGaN势垒层；
4)通过刻蚀AlGaN势垒层、GaN沟道层和GaN缓冲层的边缘部分，形成鳍型AlGaN/GaN异质结；
5)在GaN沟道层和AlGaN势垒层两端制作源、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、GaN和源、漏电极表面生长钝化层；
7)先刻蚀掉AlGaN势垒层上面的钝化层，再在AlGaN势垒层上表面进行刻蚀，形成凹槽；
8)在凹槽处利用原子层淀积ALD设备淀积栅介质层；
9)在栅介质层上光刻栅形状，并用电子束蒸发制备栅电极；
10)利用等离子体增强化学气相淀积PECVD设备在电极表面淀积SiN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凹槽绝缘栅结构，所以栅泄漏电流较低，阈值电压较高，击穿电压也较高，能够获得大的饱和电流。
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.本发明器件由于源、漏电极与二维电子气沟道直接接触，源、漏电阻很小，可以做低功耗器件。
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、GaN沟道层3、AlGaN势垒层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Si或蓝宝石；
GaN缓冲层2位于衬底1的上面，其厚度是1～3μm；
GaN沟道层3在缓冲层2之上，其厚度是5nm；
AlGaN势垒层4位于沟道层3之上，其厚度是10～20nm、Al组分为10％～30％；
GaN沟道层3和AlGaN势垒层4组成AlGaN/GaN异质结；
栅介质层5位于沟道层3的两侧和势垒层4的周围，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，该栅电极采用凹槽栅结构，其凹槽的度是3～8nm；
源电极位于GaN沟道层3和AlGaN势垒层4的左端，漏电极位于GaN沟道层3和AlGaN势垒层4的右端；
钝化层6覆盖在源、漏、栅电极和AlGaN/GaN异质结的表面，该钝化层6采用SiN，其厚度为30～100nm。
参照图4，本发明给出制备增强型鳍式绝缘栅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AlGaN/GaN异质结宽度为200nm，凹槽栅深度为8nm增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体。
步骤一：生长缓冲层。
在温度为700℃，压强为1.5×104Pa的工艺条件下，利用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD设备在图4(a)所示的SiC衬底上生长一层厚度为1μm的GaN缓冲层，其反应气体为三甲基镓和氨气。
步骤二：生长沟道层。
在温度为850℃，压强为1.5×104Pa的工艺条件下，利用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD设备在GaN缓冲层上生长一层5nm厚的GaN沟道层，其反应气体为三甲基镓和氨气。
步骤三：生长势垒层。
在温度为950℃，压强为1.5×104Pa的工艺条件下，利用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD设备在GaN沟道层上生长一层厚度为20nm，Al组分为25％的AlGaN势垒层，其反应气体为三甲基镓、三甲基铝和氨气；GaN沟道层和AlGaN势垒层形成AlGaN/GaN异质结，AlGaN/GaN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AlGaN/GaN异质结。
在AlGaN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200nm的鳍型AlGaN/GaN异质结，结果如图4(c)。
步骤五：制作源、漏电极。
在鳍型AlGaN/GaN异质结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；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，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：生长SiN层。
在AlGaN、GaN和源、漏电极表面利用等离子体增强化学气相淀积PECVD设备生长一层30nm厚的SiN，其中N源是NH3，Si源是SiH4。
步骤七：刻蚀栅凹槽。
在SiN层上涂胶，用电子束光刻机光刻栅图形，用SF6刻蚀掉栅图形区域的SiN，再利用Cl2继续在栅图形区域刻蚀掉厚度为14nm的AlGaN势垒层，形成栅凹槽。
上述步骤六和步骤七的生长结果如图4(e)。
步骤八：生长栅介质层。
在凹槽处用原子层淀积ALD设备生长一层厚度为6nm的Al2O3，剥离掉多余的Al2O3，形成栅介质层，结果如图4(f)。
步骤九：制作栅电极。
在栅介质层上采用电子束光刻机光刻栅形状，进行金属蒸发，选用Ti/Au做栅电极，其中Ti为10nm，然后进行金属剥离，形成栅金属电极。
步骤十：淀积钝化层。
在SiN表面和源、漏电极表面利用等离子体增强化学气相淀积PECVD设备生长厚度为50nm的SiN钝化层，然后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，并进行金属互连蒸发，完成器件的制备。
上述步骤九和步骤十的生长结果如图4(g)。
实施例2：制作鳍型AlGaN/GaN异质结宽度为300nm，凹槽栅深度为5nm增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体。
步骤A：在衬底上生长缓冲层。
利用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD设备在SiC衬底上生长一层厚度为1.5μm的GaN缓冲层，其生长的工艺条件是：温度为700℃，压强为1.5×104Pa，其反应气体为三甲基镓和氨气。
步骤B：在缓冲层上生长沟道层。
本步骤的实现与实施例1的步骤二相同。
步骤C：在沟道层上生长势垒层。
利用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD设备在GaN沟道层上生长一层厚度为15nm，Al组分为30％的AlGaN势垒层，GaN沟道层与AlGaN势垒层形成AlGaN/GaN异质结，AlGaN/GaN异质结界面处形成二维电子气，其生长的工艺条件是：温度为950℃，压强为1.5×104Pa，其反应气体为三甲基镓、三甲基铝和氨气。
步骤D：刻蚀鳍型AlGaN/GaN异质结。
在AlGaN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300nm的鳍型AlGaN/GaN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：生长SiN层。
本步骤的实现与实施例1的步骤六相同。
步骤G：制作栅凹槽。
在SiN钝化层上涂胶，用电子束光刻机光刻栅图形，用SF6刻蚀掉栅图形区域的SiN，再利用Cl2继续在栅图形区域刻蚀掉厚度为10nm的AlGaN势垒层，形成栅凹槽。
步骤H：制作栅介质层。
利用原子层淀积ALD在栅凹槽处生长一层厚度为5nm的Al2O3作为栅介质层，剥离掉多余的Al2O3，形成栅介质。
步骤I：制作栅电极。
本步骤的实现与实施例1的步骤九相同。
步骤J：淀积钝化层
本步骤的实现与实施例1的步骤十相同。
实施例3：制作鳍型AlGaN/GaN异质结宽度为250nm，凹槽栅深度为7nm增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体。
步骤1：生长缓冲层。
在SiC衬底上利用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD设备生长一层厚度为1.5μm的GaN缓冲层，其生长的工艺条件是：温度为700℃，压强为1.5×104Pa，其反应气体为三甲基镓和氨气。
步骤2：生长沟道层。
本步骤的实现与实施例1的步骤二相同。
步骤3：生长势垒层。
在GaN沟道层上利用金属有机化合物化学气相沉积MOCVD设备生长一层厚度为17nm，Al组分为27％的AlGaN势垒层，GaN沟道层与AlGaN势垒层形成AlGaN/GaN异质结，AlGaN/GaN异质结界面处形成二维电子气,其生长的工艺条件是：温度为950℃，压强为1.5×104Pa，其反应气体为三甲基镓、三甲基铝和氨气。
步骤4：刻蚀鳍型AlGaN/GaN异质结。
在AlGaN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250nm的鳍型AlGaN/GaN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：生长SiN层。
本步骤的实现与实施例1的步骤六相同。
步骤7：制作栅凹槽。
在SiN钝化层上涂胶，用电子束光刻机光刻栅图形，用SF6刻蚀掉栅图形区域的SiN，再利用Cl2继续在栅图形区域刻蚀掉厚度为13nm的AlGaN势垒层，形成栅凹槽。
步骤8：制作栅介质层。
在凹槽处利用原子层淀积ALD生长一层厚度为6nm的Al2O3作为栅介质层，剥离掉多余的Al2O3，形成栅介质层。
步骤9：制作栅电极。
本步骤的实现与实施例1的步骤九相同。
步骤10：淀积钝化层
本步骤的实现与实施例1的步骤十相同。
Claims (10)
1.一种增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管，自下而上包括衬底(1)、GaN缓冲层(2)、GaN沟道层(3)、AlGaN势垒层(4)、栅介质层(5)、钝化层(6)和栅、源、漏电极，GaN沟道层和AlGaN势垒层形成AlGaN/GaN异质结，AlGaN/GaN异质结生成二维电子气，其特征在于：
栅电极采用凹槽栅结构，且包裹在AlGaN/GaN异质结的两侧和上方，形成三维栅结构；
栅电极与AlGaN/GaN异质结之间设有一层高介电常数的栅介质；
源、漏电极设在AlGaN/GaN异质结的两端，以实现与二维电子气的直接接触。
2.根据权利要求1所述的增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管，其中的衬底(1)采用蓝宝石或SiC或Si。
3.根据权利要求1所述的增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管，其中缓冲层(2)采用GaN，厚度为1.5～3μm。
4.根据权利要求1所述的增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管，其中沟道层(3)为GaN，厚度为5nm。
5.根据权利要求1所述的增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管，其中势垒层(4)采用AlGaN，厚度是10～20nm，Al组分为10％～30％。
6.根据权利要求1所述的增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管，其中栅介质层(5)采用SiN或Al2O3，厚度是5～10nm。
7.根据权利要求1所述的增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管，其中凹槽栅的凹槽深度是3～8nm。
8.一种增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管的制作方法，包括如下步骤：
1)在Si面SiC或c面蓝宝石或Si衬底上，利用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD生长1～3μm的GaN缓冲层；
2)在GaN缓冲层上生长5nm厚的GaN沟道层；
3)在GaN沟道层上生长10～20nm的AlGaN势垒层；
4)通过刻蚀AlGaN势垒层、GaN沟道层和GaN缓冲层的边缘部分，形成鳍型AlGaN/GaN异质结；
5)在GaN沟道层和AlGaN势垒层两端制作源、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、GaN和源、漏电极表面生长钝化层；
7)先刻蚀掉AlGaN势垒层上面的钝化层，再在AlGaN势垒层上表面进行刻蚀，形成凹槽；
8)在凹槽处利用原子层淀积ALD设备淀积栅介质层；
9)在栅介质层上光刻栅形状，并用电子束蒸发制备栅电极；
10)利用等离子体增强化学气相淀积PECVD设备在电极表面淀积SiN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。
9.根据权利要求8所述增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管的制备方法，其中步骤2)中生长的工艺条件是：反应气体为三甲基镓和氨气，生长温度为850℃，压强为1.5×104Pa。
10.根据权利要求8所述增强型鳍式绝缘栅高电子迁移率晶体管的制备方法，其中步骤4)中鳍型AlGaN/GaN异质结，其宽度为200～500nm。
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| CN112825330B (zh) * | 2019-11-21 | 2022-07-22 | 西安电子科技大学 | 一种高线性度复合栅结构的GaN晶体管器件及其制备方法 |
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