CN113314590A - 一种氮化物高电子迁移率晶体管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化物高电子迁移率晶体管及其制作方法，主要解决现有氮化物电子器件在高压高功率工作时热积累效应和散热问题。其自下而上包括高热导率衬底(1)、沟道层(4)、插入层(5)、势垒层(6)，其中，该衬底(1)与沟道层(4)之间设有键合层(2)和背势垒层(3)，该势垒层(6)的上部依次设有势垒保护层(7)和绝缘栅介质层(8)，该绝缘栅介质层(8)上设置栅电极；该插入层(5)至绝缘栅介质层(8)的两侧均为欧姆接触区，其上分别设置源电极和漏电极。本发明器件输出功率高，极大地改善器件自热效应，提高器件散热能力和工作可靠性，且制作工艺简单，一致性高，可用于高频微波功率放大器和微波毫米波集成电路。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种氮化物高电子迁移率晶体管，可用于制作高频微波功率放大器和微波毫米波单片集成电路。
背景技术
氮化镓半导体材料具有禁带宽度大、击穿场强高、电子饱和漂移速度高等优越性能，基于氮化镓异质结高电子迁移率晶体管的微波功率器件和单片微波集成电路性能和可靠性不断提高，在新一代5G通信和国防武器装备领域具有极高的应用价值，引起了国际上相关研究机构的广泛关注。随着器件设计和工艺水平的提高和改进，氮化镓微波功率器件输出功率增加且尺寸变小。在尺寸小型化和功率增大化的条件下，高偏置电压工作状态下氮化镓微波功率器件有源区热积累效应迅速增加，导致器件结温迅速上升，其可靠性和稳定性等性能指标迅速恶化。传统的低热导率衬底和散热途径的散热能力有限，阻碍热量向周围环境扩散，引起以载流子迁移率下降和输出特性衰减为主要特性的电流崩塌效应。因此，散热问题成为制约氮化镓微波功率器件进一步发展和应用的主要技术瓶颈之一。为进一步提高器件可靠性，解决器件有源区热积累问题，提升有源区附近传热能力，需要将氮化镓微波功率器件剥离转移到更高热导率衬底上，改善器件自热效应，进而实现高频高功率应用。
常规氮化镓高电子迁移率晶体管结构如图1所示，其自下而上，包括衬底、成核层、缓冲层、沟道层、插入层和势垒层，其中衬底多为硅、蓝宝石和碳化硅等低热导率衬底，势垒层设有栅电极、源电极和漏电极。该器件存在以下缺点：
一是衬底热导率低，氮化镓器件随着尺寸减小和功率密度增加，器件有源区热积累效应显著增加，导致器件可靠性和稳定性等性能指标迅速恶化，难以充分发挥氮化物材料在高频高功率应用方面的优势；
二是金刚石和铜金属等高热导率衬底与氮化物材料之间存在大的晶格失配和热失配等问题，在其上异质外延生长氮化物器件材料难以实现高的结晶质量；
三是在将氮化镓器件转移至金刚石和铜金属等高热导率衬底上时，传统方法所采用的牺牲层多为SiO2等材料，由于该牺牲层与氮化物外延材料之间依然存在大的晶格失配和热失配，使在SiO2等牺牲层上外延的氮化物材料存在高密度位错缺陷，造成器件在高压长时间工作下会形成漏电通道进而降低器件击穿电压，同时俘获电子引起器件电流崩塌；
四是器件转移时剥离工艺复杂，刻蚀工艺难以精确控制，剥离界面粗糙不平整，器件剥离完整度和成功率低，导致剥离转移后器件性能退化。
发明内容
本发明目的在于针对上述已有技术的缺点，提出一种氮化物高电子迁移率晶体管及其制作方法，以降低器件剥离工艺难度，有效提高器件散热能力，改善器件自热效应，提高器件可靠性和工作稳定性。
本发明的技术方案是这样实现的：
1、一种氮化物高电子迁移率晶体管，自下而上，包括衬底、沟道层、插入层、势垒层，其特征在于：
所述衬底与沟道层之间设有键合层和背势垒层，用于晶圆键合和提高载流子限域性；
所述势垒层的上部依次设有势垒保护层和绝缘栅介质层，该绝缘栅介质层上设置栅电极；
所述插入层至绝缘栅介质层两侧均为欧姆接触区，其上分别设置源电极和漏电极。
进一步，其特征在于：
所述键合层，采用SiN、Si、Ti、Au的任意一种，其厚度为20nm-100nm；
所述背势垒层，采用Al组分y为10％-20％之间，其厚度为10nm-30nm的AlyGa1-yN；
所述势垒保护层，采用GaN或AlN，其厚度为1nm-3nm；
所述绝缘栅介质层，采用Al2O3或HfO2介质层，其厚度为3nm-20nm。
进一步，其特征在于：
所述衬底，采用具有高热导率的金刚石和铜金属材料中的任意一种材料；
所述的沟道层，采用GaN、InGaN、InN等氮化物，其厚度为10nm-500nm；
所述的插入层，采用AlN，其厚度为1nm-2nm；
所述的势垒层，采用AlGaN、InAlN、ScAlN、YAlN、BAlN等氮化物，厚度为3nm-30nm。
2、一种氮化物高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在外延片上，利用金属有机物化学气相淀积技术依次生长成核层、缓冲层、AlPN牺牲层；
2)使用金属有机物化学气相淀积技术在AlPN牺牲层上生长背势垒层；
3)使用金属有机物化学气相淀积技术在背势垒层上生长沟道层；
4)使用金属有机物化学气相淀积技术在沟道层上生长插入层；
5)使用金属有机物化学气相淀积技术在插入层上生长势垒层；
6)使用金属有机物化学气相淀积技术在势垒层上生长势垒保护层；
7)采用原子层淀积技术在势垒保护层上生长绝缘栅介质层；
8)对绝缘栅介质层两端进行干法刻蚀处理至AlN插入层上方，形成凹槽；再用分子束外延工艺在凹槽区域生长厚度为7nm-53nm的Si掺杂n型GaN层，Si的掺杂浓度为(0.5-1)×1020cm-3；并进行剂量为(0.5-1)×1020cm-3的n型Si离子注入，形成欧姆接触区域；
9)采用电子束蒸发技术在两个欧姆接触区域先淀积欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au，再在830℃氮气气氛下退火，形成源电极和漏电极；
10)采用电子束蒸发技术在绝缘栅介质层上淀积Ni/Au金属组合，形成栅电极；
11)在绝缘栅介质层和栅源漏电极上方及器件表面覆盖光刻胶保护层；
12)在光刻胶保护层上制作掩膜，使用RIE干法刻蚀技术刻蚀处理至AlPN牺牲层，形成刻蚀通道，并在该通道内利用氧化性气体刻蚀AlPN牺牲层；
13)在光刻胶保护层上制作粘附层，将临时载体晶片固定在该粘附层上，将缓冲层与背势垒层分离；
14)将分离后的背势垒层表面加工到纳米级粗糙度，并在其表面淀积键合层，再采用晶圆键合技术将具有高热导率的衬底键合到键合层下表面，通过湿法腐蚀工艺去除保护层，完成器件制作。
进一步，其特征在于：
所述1)中的外延片采用硅、蓝宝石和碳化硅等材料中的任意一种，其具有低热导率；
所述1)中的成核层，采用AlN或AlN、AlGaN、AlN/AlGaN超晶格的复合层；
所述1)中的缓冲层，采用GaN，其厚度为500nm-2000nm。
进一步，其特征在于：
所述1)中的牺牲层，采用P组分x为5％-15％之间，厚度为10nm-100nm的AlPxN1-x；
所述11)中的保护层，采用光刻胶，厚度为100nm-500nm；
所述13)中的粘附层，采用聚酰亚胺双面胶带。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明中由于采用了键合层，故可使用高热导率的金刚石或铜金属作为衬底，以提升器件有源区附近散热能力，改善器件热积累效应和可靠性，提高器件的电流和功率特性，利于器件的体积小型化和功率最大化。
2、本发明中由于采用了背势垒层，可以增强器件载流子限域性，提高器件的开关电流比和击穿特性，利于器件的功率效率最大化。
3、本发明中由于采用了势垒保护层，避免了在势垒层表面引入表面态，有助于提高沟道层载流子浓度，改善器件电流和功率输出特性。
4、本发明中由于采用了绝缘栅介质层，可减小栅电极下的漏电，增大器件的击穿电压。
5、本发明由于在高电子迁移率晶体管的制作过程中采用器件剥离转移的方式实现高热导率衬底上氮化物器件，可避免直接在高热导率衬底上异质外延氮化物材料存在的晶格失配和热失配问题，同时该器件采用的剥离转移工艺简单，可降低刻蚀工艺控制难度，增加工艺重复性和一致性，提高器件剥离的完整度和成功率，避免了剥离转移后器件性能衰减。
6、本发明由于在高电子迁移率晶体管的制作过程中采用AlPN牺牲层来实现器件剥离转移方式，一是可使氮化物沟道层和AlPN牺牲层之间能实现面内晶格常数匹配生长，降低氮化物器件有源区位错缺陷密度，提高材料结晶质量，同时消除器件高压工作时的逆压电效应，提高器件长时间高压工作的可靠性；二是该牺牲层极易氧化，能简化氮化物器件剥离工艺，同时获得光滑平整的剥离界面，避免常规SiO2牺牲层采用湿法腐蚀引起的界面粗糙问题。
附图说明
图1是传统氮化物高电子迁移率晶体管的结构图；
图2是本发明氮化物高电子迁移率晶体管的结构图；
图3是本发明氮化物高电子迁移率晶体管制作的流程示意图。
具体实施方式
参照图2，本发明氮化物高电子迁移率晶体管，自下而上，包括衬底1、键合层2、背势垒层3、沟道层4、插入层5、势垒层6、势垒保护层7、绝缘栅介质层8和栅电极，其中：
所述插入层5至绝缘栅介质层8两侧均为欧姆接触区，其上分别设置源电极和漏电极；
所述键合层2，采用SiN、Si、Ti、Au的任意一种，其厚度为20nm-100nm；
所述背势垒层3，采用Al组分y为10％-20％之间，厚度为10nm-30nm的AlyGa1-yN；
所述势垒保护层7，采用GaN或AlN，其厚度为1nm-3nm；
所述绝缘栅介质层8，采用Al2O3或HfO2介质层，其厚度为3nm-20nm；
所述衬底1，采用高热导率的金刚石和铜金属材料中的任意一种材料；
所述沟道层4，采用GaN、InGaN、InN等氮化物，其厚度为10nm-500nm；
所述插入层5，采用AlN，其厚度为1nm-2nm；
所述势垒层6，采用AlGaN、InAlN、ScAlN、YAlN、BAlN等氮化物，厚度为3nm-30nm。
参照图3，本发明氮化物高电子迁移率晶体管制作及剥离转移方法给出如下三种实施例。
实施例一，制作采用SiN键合层、GaN沟道层和AlGaN势垒层的金刚石基氮化物高电子迁移率晶体管。
步骤一，选用蓝宝石外延片，作为辅助外延衬底，如图3(a)。
步骤二，在蓝宝石外延片自下而上依次生长AlN成核层、GaN缓冲层、AlPN牺牲层、AlGaN背势垒层、GaN沟道层、AlGaN势垒层、GaN势垒保护层和Al2O3绝缘栅介质层，如图3(b)。
2.1)使用金属有机物化学气相淀积技术在蓝宝石外延片上淀积厚度为100nm的AlN成核层，淀积AlN成核层采用的工艺条件为：温度为1100℃，压强为40Torr，氨气流量为2000sccm，铝源流量为20sccm，氢气流量为3000sccm；
2.2)使用金属有机物化学气相淀积技术在AlN成核层上淀积厚度为1000nm的GaN缓冲层，淀积GaN缓冲层采用的工艺条件是：温度为1100℃，压强为40Torr，氨气流量为2000sccm，镓源流量为100sccm，氢气流量为3000sccm；
2.3)使用金属有机物化学气相淀积技术在GaN缓冲层上淀积厚度为10nm的AlP0.05N0.95牺牲层，淀积AlPN牺牲层采用的工艺条件为：温度为1100℃，压强为40Torr，氨气流量为2000sccm，铝源流量为20sccm，磷源流量为10μmol/min、氢气流量为3000sccm，其中磷源采用叔膦R-3P；
2.4)使用金属有机物化学气相淀积技术在AlP0.05N0.95牺牲层上淀积厚度为30nm的Al0.1Ga0.9N背势垒层，淀积Al0.1Ga0.9N背势垒层采用的工艺条件是：温度为1100℃，压强为40Torr，氨气流量为2000sccm，铝源流量为10sccm，镓源流量为100sccm，氢气流量为3000sccm；
2.5)使用金属有机物化学气相淀积技术在Al0.1Ga0.9N背势垒层上淀积厚度为500nm的GaN沟道层，淀积GaN沟道层采用的工艺条件是：温度为1100℃，压强为40Torr，氨气流量为2000sccm，镓源流量为100sccm，氢气流量为3000sccm；
2.6)使用金属有机物化学气相淀积技术在GaN沟道层上淀积厚度为1nm的AlN插入层，淀积AlN插入层采用的工艺条件是：温度为1100℃，压强为40Torr，铝源流量为6sccm，氨气流量为2000sccm，氢气流量为3000sccm；
2.7)使用金属有机物化学气相淀积技术在AlN插入层上淀积厚度为30nm的Al0.25Ga0.75N势垒层，淀积Al0.25Ga0.75N势垒层采用的工艺条件是：温度为1100℃，压强为40Torr，氨气流量为2000sccm，铝源流量为20sccm，镓源流量为100sccm，氢气流量为3000sccm；
2.8)使用金属有机物化学气相淀积技术在Al0.25Ga0.75N势垒层上淀积厚度为3nm的GaN势垒保护层，淀积GaN势垒保护层采用的工艺条件是：温度为1100℃，压强为40Torr，氨气流量为2000sccm，镓源流量为100sccm，氢气流量为3000sccm；
2.9)使用原子层淀积工艺在GaN势垒保护层上淀积厚度为20nm的Al2O3绝缘栅介质层。
步骤三，干法刻蚀形成左右凹槽，生成欧姆接触区域，制作源电极和漏电极，如图3(c)。
3.1)在Al2O3绝缘栅介质层上制作掩膜，使用RIE干法刻蚀技术分别去除距栅电极左侧1.5μm和距栅电极右侧3.5μm的Al2O3绝缘栅介质层、GaN势垒保护层和Al0.25Ga0.75N势垒层，形成左凹槽和右凹槽，刻蚀采用的工艺条件是：Cl2流量为15sccm，反应室压强为11mTorr，电极功率为180W；
3.2)使用分子束外延技术在左、右凹槽区域淀积厚度为53nm的硅掺杂n型GaN层，Si掺杂浓度为0.5×1020cm-3，外延采用的工艺条件是：温度为600℃，氮气流量为2.3sccm，镓束流平衡蒸气压为5×10-7Torr，硅束流平衡蒸气压为2.8×10-8Torr，氮气射频源功率为375W；再在硅掺杂n型GaN层注入Si离子，Si离子的剂量为0.5×1020cm-3，形成左右欧姆接触区域；
3.3)在绝缘栅介质层上制作掩膜，用电子束蒸发技术在真空度小于1.4×10-3Pa，功率为400W，蒸发速率为
的工艺条件下，分别在左、右欧姆接触区上淀积厚度为0.02μm/0.05μm/0.04μm/0.04μm的Ti/Al/Ni/Au金属组合；再在温度为830℃的氮气气氛中快速热退火30s，形成源电极和漏电极。
步骤四，制作栅电极，如图3(d)。
在Al2O3绝缘栅介质层上制作掩膜，使用电子束蒸发技术在Al2O3绝缘栅介质层上淀积金属，制作栅极，其中所淀积的金属为Ni/Au金属组合，金属厚度为0.02μm/0.3μm。淀积金属采用的工艺条件为：真空度小于1.4×10-3Pa，功率为400W，蒸发速率为
步骤五，覆盖光刻胶保护层，如图3(e)。
在绝缘栅介质层和电极上方及器件表面覆盖厚度为100nm的光刻胶保护层。
步骤六，干法刻蚀，形成刻蚀通道，如图3(f)。
在光刻胶保护层上制作掩膜，使用RIE干法刻蚀技术分别去除距栅电极左侧3μm和距栅电极右侧5μm的Al2O3绝缘栅介质层、GaN势垒保护层、Al0.25Ga0.75N势垒层、AlN插入层、GaN沟道层和Al0.1Ga0.9N背势垒层，形成左刻蚀通道和和右刻蚀通道；刻蚀采用的工艺条件是：Cl2流量为15sccm，反应室压强为11mTorr，电极功率为180W。
步骤七，干法刻蚀，刻蚀牺牲层，如图3(g)。
在刻蚀通道上方通入氧气，刻蚀掉AlP0.05N0.95牺牲层。
步骤八，制作粘附层，固定临时载体晶片，如图3(h)。
在光刻胶保护层和临时载体晶片上粘贴聚酰亚胺双面胶带粘附层，将临时载体晶片与光刻胶保护层粘附固定，缓冲层与背势垒层分离。
步骤九，淀积SiN键合层，如图3(i)。
使用等离子体增强型化学气相淀积技术在Al0.1Ga0.9N背势垒层上淀积厚度为20nm的SiN键合层。
步骤十，晶圆键合，如图3(j)。
使用晶圆键合技术，将高热导率衬底金刚石键合到SiN键合层下表面。
步骤十一，湿法腐蚀，去除临时载体晶片、粘附层和光刻胶保护层，如图3(k)。
通过湿法腐蚀技术，去除临时载体晶片、粘附层和光刻胶保护层，完成器件制作。
实施例二，制作采用Ti/Au键合层、InGaN沟道层和InAlN势垒层的金属铜基氮化物高电子迁移率晶体管。
步骤1，选用碳化硅外延片，作为辅助外延衬底，如图3(a)。
步骤2，在碳化硅外延片自下而上依次生长AlN成核层、GaN缓冲层、AlPN牺牲层、AlGaN背势垒层、InGaN沟道层、InAlN势垒层、AlN势垒保护层和HfO2绝缘栅介质层，如图3(b)。
2a)使用金属有机物化学气相淀积技术，在温度为1200℃，压强为40Torr，氨气流量为2000sccm，铝源流量为20sccm，氢气流量为3000sccm的工艺条件下，在外延片碳化硅上淀积厚度为140nm的AlN成核层；
2b)使用金属有机物化学气相淀积技术，在温度为1200℃，压强为40Torr，氨气流量为2000sccm，镓源流量为120sccm，氢气流量为3000sccm的工艺条件下，在AlN成核层上淀积厚度为500nm的GaN缓冲层；
2c)使用金属有机物化学气相淀积技术，在温度为1200℃，压强为40Torr，氨气流量为2000sccm，铝源流量为20sccm，磷源流量为20μmol/min、氢气流量为3000sccm，其中磷源采用叔膦R-3P的工艺条件下，在GaN缓冲层上淀积厚度为50nm的AlP0.11N0.89牺牲层；
2d)使用金属有机物化学气相淀积技术，在温度为1200℃，压强为40Torr，氨气流量为2000sccm，铝源流量为20sccm，镓源流量为100sccm，氢气流量为3000sccm的工艺条件下，在AlPN牺牲层上淀积厚度为10nm的Al0.2Ga0.8N背势垒层；
2e)使用金属有机物化学气相淀积技术，在温度为700℃，压强为300Torr，氨气流量为2000sccm，镓源流量为100sccm，铟源流量为50sccm，氮气流量为3000sccm的工艺条件下，在Al0.2Ga0.8N背势垒层上淀积厚度为50nm的In0.05Ga0.95N沟道层；
2f)使用金属有机物化学气相淀积技术，在温度为700℃，压强为300Torr，铝源流量为10sccm，氨气流量为2000sccm，氮气流量为3000sccm的工艺条件下，在In0.05Ga0.95N沟道层上淀积厚度为1.5nm的AlN插入层；
2g)使用金属有机物化学气相淀积技术，在温度为700℃，压强为300Torr，铝源流量为10sccm，铟源流量为50sccm，氨气流量为2000sccm，氮气流量为3000sccm的工艺条件下，在AlN插入层上淀积15nm的In0.17Al0.83N势垒层；
2h)使用金属有机物化学气相淀积技术，在温度为700℃，压强为300Torr，铝源流量为10sccm，氨气流量为2000sccm，氮气流量为3000sccm的工艺条件下，在In0.17Al0.83N势垒层上淀积厚度为1nm的AlN势垒保护层；
2i)使用原子层淀积工艺，在AlN势垒保护层上淀积厚度为10nm的HfO2绝缘栅介质层。
步骤3，干法刻蚀形成左右凹槽，生成欧姆接触区域，制作源电极和漏电极，如图3(c)。
3a)使用RIE干法刻蚀技术在HfO2绝缘栅介质层上制作掩膜，在Cl2流量为20sccm，反应室压强为15mTorr，电极功率为220W的工艺条件下，分别去除距栅电极左侧1.5μm和距栅电极右侧3.5μm的HfO2绝缘栅介质层、AlN势垒保护层和In0.17Al0.83N势垒层，形成左右凹槽区域；
3b)使用分子束外延技术，在温度为650℃，氮气流量为2.3sccm，镓束流平衡蒸气压为8×10-7Torr，硅束流平衡蒸气压为3.0×10-8Torr，氮气射频源功率为375W的工艺条件下，在左右凹槽区域淀积硅掺杂n型GaN层，淀积厚度为26nm，Si掺杂浓度为0.6×1020cm-3；再在硅掺杂n型GaN层注入Si离子，Si离子的剂量为0.6x1020 cm-3，形成左、右欧姆接触区域；
3c)设置真空度小于1.4×10-3Pa，功率为600W，蒸发速率为
的工艺条件，用电子束蒸发工艺分别在左、右欧姆接触区域上淀积厚度为0.05μm/0.12μm/0.08μm/0.08μm的Ti/Al/Ni/Au金属组合；再在温度为830℃的氮气气氛进行快速热退火30s，形成源电极和漏电极。
步骤3，使用电子束蒸发技术制作栅电极，如图3(d)。
在HfO2绝缘栅介质层上制作掩膜，使用电子束蒸发技术，在真空度小于1.4×10- 3Pa，功率为600W，蒸发速率为
的工艺条件下，在HfO2绝缘栅介质层上淀积金属，制作栅极，其中所淀积的金属为Ni/Au金属组合，金属厚度为0.04μm/0.5μm。
步骤5，在绝缘栅介质层和电极上方及器件表面覆盖厚度为300nm的光刻胶保护层，如图3(e)。
步骤6，干法刻蚀，形成刻蚀通道，如图3(f)。
在光刻胶保护层上制作掩膜，使用RIE干法刻蚀技术，在Cl2流量为15sccm，反应室压强为11mTorr，电极功率为180W的工艺条件下，分别去除距栅电极左侧3μm和距栅电极右侧5μm的HfO2绝缘栅介质层、AlN势垒保护层、In0.17Al0.83N势垒层、AlN插入层、In0.05Ga0.95N沟道层和Al0.2Ga0.8N背势垒层，形成左刻蚀通道和和右刻蚀通道。
步骤7，在刻蚀通道上方通入氧气，刻蚀掉AlP0.11N0.89牺牲层，如图3(g)。
步骤8，在光刻胶保护层和临时载体晶片上粘贴聚酰亚胺双面胶带粘附层，将临时载体晶片与光刻胶保护层粘附固定，缓冲层与背势垒层分离，如图3(h)。
步骤9，使用电子束蒸发技术在Al0.2Ga0.8N背势垒层上淀积厚度为15nm/50nm的Ti/Au键合层，如图3(i)。
步骤10，使用晶圆键合技术，将高热导率衬底金属铜键合到Ti/Au键合层下表面，如图3(j)。
步骤11，通过湿法腐蚀技术，去除临时载体晶片、粘附层和光刻胶保护层，完成器件制作，如图3(k)。
实施例三，制作采用Si键合层、InN沟道层和ScAlN势垒层的金刚石基氮化物高电子迁移率晶体管。
步骤A，选用硅外延片，作为辅助外延衬底，如图3(a)。
步骤B，在硅外延片自下而上依次生长基于AlN、AlGaN、AlN/AlGaN超晶格的复合成核层、GaN缓冲层、AlPN牺牲层、AlGaN背势垒层、GaN沟道层、ScAlN势垒层、AlN势垒保护层和Al2O3绝缘栅介质层，如图3(b)。
B1)使用金属有机物化学气相淀积技术，设置温度为1150℃，压强为40Torr，氨气流量为2000sccm，铝源流量为20sccm，镓源流量为90sccm，氢气流量为3000sccm的工艺条件，在硅外延片上淀积厚度为200nm的基于AlN、AlGaN、AlN/AlGaN超晶格的复合成核层；
B2)使用金属有机物化学气相淀积技术，设置温度为1150℃，压强为40Torr，氨气流量为2000sccm，镓源流量为90sccm，氢气流量为3000sccm的工艺条件，在复合成核层上淀积厚度为2000nm的GaN缓冲层；
B3)使用金属有机物化学气相淀积技术，设置温度为1150℃，压强为40Torr，氨气流量为2000sccm，铝源流量为20sccm，磷源流量为30μmol/min、氢气流量为3000sccm，其中磷源采用叔膦R-3P的工艺条件，在GaN缓冲层上，淀积厚度为100nm的AlP0.15N0.85牺牲层；
B4)使用金属有机物化学气相淀积技术，设置温度为1150℃，压强为40Torr，氨气流量为2000sccm，铝源流量为15sccm，镓源流量为90sccm，氢气流量为3000sccm的工艺条件，在AlP0.15N0.85牺牲层上淀积厚度为20nm的Al0.15Ga0.85N背势垒层；
B5)使用金属有机物化学气相淀积技术，设置温度为550℃，压强为400Torr，氨气流量为2000sccm，铟源流量为120sccm，氮气流量为3000sccm的工艺条件，在Al0.15Ga0.85N背势垒层上淀积厚度为10nm的InN沟道层；
B6)使用金属有机物化学气相淀积技术，设置温度为550℃，压强为400Torr，铝源流量为10sccm，氨气流量为2000sccm，氮气流量为3000sccm的工艺条件，在GaN沟道层上淀积厚度为2nm的AlN插入层；
B7)使用金属有机物化学气相淀积技术，设置温度为900℃，压强为100Torr，氨气流量为2000sccm，铝源流量为10sccm，钪源流量为20sccm，氢气流量为3000sccm的工艺条件，在AlN插入层上淀积厚度为3nm的Sc0.17Al0.83N势垒层；
B8)使用金属有机物化学气相淀积技术，设置温度为900℃，压强为100Torr，氨气流量为2000sccm，铝源流量为10sccm，氢气流量为3000sccm的工艺条件，在Sc0.17Al0.83N势垒层上淀积厚度为2nm的AlN势垒保护层；
B9)使用原子层淀积工艺在AlN势垒保护层上淀积厚度为3nm的Al2O3绝缘栅介质层。
步骤C，干法刻蚀形成左右凹槽，生成欧姆接触区域，制作源电极和漏电极，如图3(c)。
C1)在Al2O3绝缘栅介质层上制作掩膜，使用RIE干法刻蚀技术，设置Cl2流量为18sccm，反应室压强为12mTorr，电极功率为160W的工艺条件，去除距栅电极左侧1.5μm和距栅电极右侧3.5μm的Al2O3绝缘栅介质层、AlN势垒保护层和Sc0.17Al0.83N势垒层，形成左、右凹槽区域；
C2)使用分子束外延技术，设置温度为700℃，氮气流量为2.3sccm，镓束流平衡蒸气压为9.5×10-7Torr，硅束流平衡蒸气压为3.5×10-8Torr，氮气射频源功率为375W的工艺条件，在左、右凹槽区域分别淀积厚度为8nm，硅掺杂浓度为1.0×1020cm-3的n型GaN层；再在n型GaN层注入剂量为1.0x1020 cm-3的Si离子，形成左、右欧姆接触区域；
C3)用电子束蒸发技术，设置真空度小于1.4×10-3Pa，功率为600W，蒸发速率为
的工艺条件，分别在左、右欧姆接触区上淀积厚度为0.02μm/0.2μm/0.05μm/0.05μm的Ti/Al/Ni/Au金属组合；对淀积金属在温度为830℃的氮气气氛中快速热退火30s，形成源电极和漏电极。
步骤D，制作栅电极，如图3(d)。
在Al2O3绝缘栅介质层上制作掩膜，使用电子束蒸发技术，设置真空度小于1.4×10-3Pa，功率为600W，蒸发速率为
的工艺条件，在Al2O3栅介质层上淀积厚度为0.03μm/0.4μm的Ni/Au金属组合，形成栅电极。
步骤E，覆盖光刻胶保护层，如图3(e)。
在绝缘栅介质层和电极上方及器件表面覆盖厚度为500nm的光刻胶保护层。
步骤F，干法刻蚀，形成刻蚀通道，如图3(f)。
在光刻胶保护层上制作掩膜，使用RIE干法刻蚀技术，设置Cl2流量为15sccm，反应室压强为11mTorr，电极功率为180W的工艺条件，分别去除距栅电极左侧3μm和距栅电极右侧5μm的Al2O3绝缘栅介质层、AlN势垒保护层、Sc0.17Al0.83N势垒层、AlN插入层、InN沟道层和Al0.15Ga0.85N背势垒层，形成左刻蚀通道和和右刻蚀通道。
步骤G，干法刻蚀，刻蚀牺牲层，如图3(g)。
在刻蚀通道上方通入氧气，刻蚀掉AlP0.15N0.85牺牲层。
步骤H，制作粘附层，固定临时载体晶片，如图3(h)。
在光刻胶保护层和临时载体晶片上粘贴聚酰亚胺双面胶带粘附层，将临时载体晶片与光刻胶保护层粘附固定，缓冲层与背势垒层分离。
步骤I，淀积Si键合层，如图3(i)。
使用电子束蒸发技术在Al0.15Ga0.85N背势垒层上淀积厚度为100nm的Si键合层。
步骤J，晶圆键合，如图3(j)。
使用晶圆键合技术，将高热导率衬底金刚石键合到Si键合层下表面。
步骤K，湿法腐蚀，去除临时载体晶片、粘附层和光刻胶保护层，如图3(k)。
通过湿法腐蚀技术，去除临时载体晶片、粘附层和光刻胶保护层，完成器件制作。
以上描述仅是本发明的三个具体事例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，例如键合层除本实例中的SiN、Ti/Au和Si以外还可使用Mo/Au，沟道层除本实例中的GaN、InGaN和InN以外，还可使用AlGaN，势垒层除本实例中的AlGaN、InAlN和ScAlN以外，还可使用InAlGaN、YAlN、BAlN和AlN，但是这些形式和细节的各种修改和改变，仍在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种氮化物高电子迁移率晶体管，自下而上，包括衬底(1)、沟道层(4)、插入层(5)、势垒层(6)，其特征在于：
所述衬底(1)与沟道层(4)之间设有键合层(2)和背势垒层(3)，用于晶圆键合和提高载流子限域性；
所述势垒层(6)的上部依次设有势垒保护层(7)和绝缘栅介质层(8)，该绝缘栅介质层(8)上设置栅电极；
所述插入层(5)至绝缘栅介质层(8)两侧均为欧姆接触区，其上分别设置源电极和漏电极。
2.如权利要求1所述的晶体管，其特征在于：
所述键合层(2)，采用SiN、Si、Ti、Au的任意一种，其厚度为20nm-100nm；
所述背势垒层(3)，采用Al组分y为10％-20％之间，其厚度为10nm-30nm的AlyGa1-yN；
所述势垒保护层(7)，采用GaN或AlN，其厚度为1nm-3nm；
所述绝缘栅介质层(8)，采用Al2O3或HfO2介质层，其厚度为3nm-20nm。
3.如权利要求1所述的晶体管，其特征在于：
所述衬底(1)，采用具有高热导率的金刚石和铜金属材料中的任意一种材料；
所述的沟道层(4)，采用GaN、InGaN、InN等氮化物，其厚度为10nm-500nm；
所述的插入层(5)，采用AlN，其厚度为1nm-2nm；
所述的势垒层(6)，采用AlGaN、InAlN、ScAlN、YAlN、BAlN等氮化物，厚度为3nm-30nm。
4.一种氮化物高电子迁移率晶体管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在外延片上，利用金属有机物化学气相淀积技术依次生长成核层、缓冲层、AlPN牺牲层；
2)使用金属有机物化学气相淀积技术在AlPN牺牲层上生长背势垒层(3)；
3)使用金属有机物化学气相淀积技术在背势垒层上生长沟道层(4)；
4)使用金属有机物化学气相淀积技术在沟道层上生长插入层(5)；
5)使用金属有机物化学气相淀积技术在插入层上生长势垒层(6)；
6)使用金属有机物化学气相淀积技术在势垒层上生长势垒保护层(7)；
7)采用原子层淀积技术在势垒保护层上生长绝缘栅介质层(8)；
8)对绝缘栅介质层两端进行干法刻蚀处理至AlN插入层上方，形成凹槽；再用分子束外延工艺在凹槽区域生长厚度为7nm-53nm的Si掺杂n型GaN层，Si的掺杂浓度为(0.5-1)×1020cm-3；并进行剂量为(0.5-1)×1020cm-3的n型Si离子注入，形成欧姆接触区域；
9)采用电子束蒸发技术在两个欧姆接触区域先淀积欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au，再在830℃氮气气氛下退火，形成源电极和漏电极；
10)采用电子束蒸发技术在绝缘栅介质层(8)上淀积Ni/Au金属组合，形成栅电极；
11)在绝缘栅介质层(8)和栅源漏电极上方及器件表面覆盖光刻胶保护层；
12)在光刻胶保护层上制作掩膜，使用RIE干法刻蚀技术刻蚀处理至AlPN牺牲层，形成刻蚀通道，并在该通道内利用氧化性气体刻蚀AlPN牺牲层；
13)在光刻胶保护层上制作粘附层，将临时载体晶片固定在该粘附层上，将缓冲层与背势垒层分离；
14)将分离后的背势垒层(3)表面加工到纳米级粗糙度，并在其表面淀积键合层(2)，再采用晶圆键合技术将具有高热导率的衬底(1)键合到键合层(2)下表面，通过湿法腐蚀工艺去除保护层，完成器件制作。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述1)中的外延片采用硅、蓝宝石和碳化硅等材料中的任意一种，其具有低热导率；
所述1)中的成核层，采用AlN或AlN、AlGaN、AlN/AlGaN超晶格的复合层；
所述1)中的缓冲层，采用GaN，其厚度为500nm-2000nm。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述1)中的牺牲层，采用P组分x为5％-15％之间，厚度为10nm-100nm的AlPxN1-x。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述11)中的保护层，采用光刻胶，厚度为100nm-500nm；
所述13)中的粘附层，采用聚酰亚胺双面胶带。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述1)中的金属有机物化学气相淀积，其工艺条件是：温度为1100℃-1200℃，压强为40Torr，氨气流量为2000sccm，铝源流量为20sccm，镓源流量为90sccm-120sccm，磷源流量为10μmol/min-30μmol/min，氢气流量为3000sccm；
所述2)中的金属有机物化学气相淀积，其工艺条件是：温度为1100℃-1200℃，压强为40Torr，氨气流量为2000sccm，铝源流量为10sccm-30sccm，镓源流量为90sccm-100sccm，氢气流量为3000sccm。
9.如权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述3)中的金属有机物化学气相淀积，其工艺条件是：温度为550℃-1100℃，压强为40Torr-400Torr，氨气流量为2000sccm，铟源流量为50sccm-120sccm，镓源流量为100sccm，氢气流量为3000sccm，氮气流量为3000sccm；
所述4)中的金属有机物化学气相淀积，其工艺条件是：温度为550℃-1100℃，压强为40Torr-400Torr，氨气流量为2000sccm，铝源流量为6sccm-10sccm，氢气流量为3000sccm，氮气流量为3000sccm；
所述5)中的金属有机物化学气相淀积，其工艺条件是：温度为700℃-1100℃，压强为40Torr-300Torr，氨气流量为2000sccm，铝源流量为10sccm-20sccm，镓源流量为100sccm，铟源流量为50sccm，钪源流量为20sccm，氢气流量为3000sccm，氮气流量为3000sccm；
所述6)中的金属有机物化学气相淀积，其工艺条件是：温度为700℃-1100℃，压强为40Torr-300Torr，氨气流量为2000sccm，铝源流量为10sccm，镓源流量为100sccm，氢气流量为3000sccm，氮气流量为3000sccm。
10.如权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述8)中的分子束外延，其工艺条件是：温度为600℃-700℃，氮气流量为2.3sccm，镓束流平衡蒸气压为(5-9.5)×10-7torr，硅束流平衡蒸气压为(2.8-3.5)×10-8torr；
所述9)和10)中的电子束蒸发，其工艺条件是：真空度小于1.4×10-3Pa，功率范围为400～600W，蒸发速率为
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