CN113594226B - 一种基于平面纳米线沟道的高线性hemt器件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件及制备方法，该高线性HEMT器件包括：衬底层；缓冲层，位于衬底层上；源电极，位于缓冲层的一端；漏电极，位于缓冲层的另一端；势垒层，位于缓冲层上，且位于源电极和漏电极之间，其中，势垒层上设置有沿栅宽方向间隔排列的由离子注入形成的若干纳米线结构，若干纳米线结构与未注入区域具有不同的栅控能力以形成不同的阈值电压；栅电极，位于势垒层上且位于若干纳米线结构上。本实施例通过离子注入形成沿栅宽方向间隔排列的纳米线结构，可以形成不同的阈值电压，因此按照特定的结构参数将器件并联，能够实现器件多阈值耦合，使器件沿栅宽方向逐步开启，进而改善器件的线性度。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术，具体涉及一种基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件及制备方法。
背景技术
近年来，GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)性能不断提高，然而GaN晶体管的线性度最终限制了其在无线基站、卫星通讯、雷达等应用中的功率密度和效率的提升。在毫米波范围内，一般通过减小栅长来增加工作频率，对于常规的平面GaN基HEMT器件而言，受短沟道效应、栅极漏电以及源极驱动电阻Rs增加等因素的显著影响，表现在转移特性上即器件的跨导(Gm)曲线会过早的下降，从而导致器件线性度恶化。为了适应现代通讯系统对于器件线性度的要求，需要对器件线性度进行有效的优化和改善。
与电路级线性化技术相比，器件级的线性化手段可以避免更加复杂的电路系统，更大的体积以及更高的能量损耗。因此，从HEMT器件非线性特性的内在物理机理出发，从器件级层面改善功放的线性度，成为一种新的研究热点。目前已从理论上提出多种物理机制来解释GaN HEMTs器件的非线性行为，包括源极驱动电阻的增加、极化光学声子的散射、界面散射以及高漏压下的自热效应。因此，许多研究者相继提出了不同的器件级线性化技术来改善晶体管的非线性特性。
2017年，Sameer Joglekar等人基于跨导补偿法显著提高了器件的线性度。该器件的Fin结构是通过在栅宽方向集成不同Wfin，形成复合器件。因为阈值电压随着Fin的宽度变化，所以复合器件相当于将一组阈值电压略微偏移的场效应晶体管并联，复合器件的二阶跨导(Gm”)减小了2倍，谐波和互调失真功率降低了15dB，器件线性度得到了明显提升：IMD和谐波功率提高了20dB，OIP3提升了6dB，从而器件的线性度明显提高。
目前，现有技术中改善器件线性度的方法主要有三种：1、利用MIS HEMT结构改善器件线性度；2、利用双沟道结构改善器件线性度；3、利用Fin-like结构改善器件线性度。
对于利用MIS结构改善器件线性度，该种方法是在常规HEMT结构的栅下生长一层高K介质层，从而极大的解决了栅极漏电问题。与常规HEMT器件相比，该种结构可以将栅极漏电降低约4-6个数量级，因此可以实现较大的栅压摆幅(GVS)，从而改善器件线性度。但由于栅下绝缘层引入了较大的栅寄生电容，使得器件频率特性恶化，不适于制作高频器件。
对于利用双沟道结构改善器件线性度，由于双沟道结构在栅压逐渐增加的过程中两个沟道逐步开启，使得跨导曲线较为平缓，并且由于两个沟道的二维电子气密度和迁移率均与单沟道相当，理论上材料电导将随沟道数目线性增加，大幅提高器件的电流驱动能力，在肖特基栅之外的区域，材料面电阻的减小，也有利于减小器件导通电阻，在较大的漏极电流下仍保持较高的跨导和截止频率，器件的线性度得到明显改善。但是由于该结构会导致栅对下沟道的控制能力减弱，产生短沟道效应，因此不适合毫米波应用。
对于利用Fin-like结构改善器件线性度，该结构基于跨导补偿法将具有不同阈值电压的两个或者多个器件并联，利用不同阈值电压器件对应跨导曲线略微偏移的跨导峰值的叠加补偿减少高阶跨导，从而提高器件线性度。但该技术的侧壁栅结构会带来刻蚀损伤和寄生电容，因此降低了器件的截止频率，影响了器件的射频性能。
综上，现有器件级线性化技术无法满足高频、高线性的应用需求，如何实现高线性度的HEMT器件仍是目前亟待解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种一种基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件及制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件，包括：
衬底层；
缓冲层，位于所述衬底层上；
源电极，位于所述缓冲层的一端；
漏电极，位于所述缓冲层的另一端；
势垒层，位于所述缓冲层上，且位于所述源电极和所述漏电极之间，其中，所述势垒层上设置有沿栅宽方向间隔排列的由离子注入形成的若干纳米线结构，若干所述纳米线结构与未注入区域具有不同的栅控能力以形成不同的阈值电压；
栅电极，位于所述势垒层上且位于若干所述纳米线结构上。
在本发明的一个实施例中，所述纳米线结构的深度小于所述缓冲层与所述势垒层形成的沟道的深度。
在本发明的一个实施例中，所述纳米线结构的深度大于所述缓冲层与所述势垒层形成的沟道的深度。
在本发明的一个实施例中，沿所述栅宽方向上，所述纳米线结构与未注入区域的比例相同，或者所述纳米线结构与未注入区域的比例呈周期性变化。
在本发明的一个实施例中，沿所述栅宽方向上，若干所述纳米线结构的宽度相同，相同宽度的所述纳米线结构呈周期性排列，或者若干所述纳米线结构的宽度不同，不同宽度的若干所述纳米线结构周期性排列。
在本发明的一个实施例中，还包括：绝缘层，位于所述势垒层的表面，所述栅电极位于所述绝缘层上且位于所述若干所述纳米线结构的上方。
在本发明的一个实施例中，还包括钝化层和金属互连层，其中，
所述钝化层覆盖在所述源电极、所述漏电极和所述势垒层上，其中，所述钝化层中贯穿有栅槽，且若干所述纳米线结构位于所述栅槽下方，所述栅电极位于所述栅槽中和所述钝化层的表面；
所述金属互连层贯穿所述钝化层且位于所述源电极、所述漏电极和所述栅电极的上方。
本发明的另一个实施例提供了一种基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件的制备方法，包括步骤：
S1、获取外延基片，外延基片包括依次层叠的衬底层、缓冲层和势垒层；
S2、在所述缓冲层上的一端制备源电极，在所述缓冲层上的另一端制备漏电极；
S3、在器件表面沉积掩膜层；
S4、在所述掩膜层表面制备纳米线结构图形，并刻蚀所述纳米线结构图形区域的所述掩膜层，形成离子注入掩模版，其中，所述离子注入掩膜版上形成由若干间隔排列的凹槽；
S5、利用所述离子注入掩模版，通过所述凹槽所述在所述势垒层上进行离子注入，形成沿栅宽方向间隔排列的若干纳米线结构，其中，若干所述纳米线结构与无离子注入区域具有不同的栅控能力以形成不同的阈值电压；
S6、在所述纳米线结构上制备栅电极。
在本发明的一个实施例中，所述离子注入的注入离子包括氟离子、氩离子中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，步骤S6和步骤S8之间还包括步骤：
在所述势垒层的表面制备绝缘层。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过离子注入形成沿栅宽方向间隔排列的纳米线结构，由于离子注入对于其下沟道中的二维电子气具有耗尽作用，降低了载流子浓度，从而增强了栅控能力，提高了器件该区域的阈值电压，从而注入区域(即纳米线结构)与未注入区域对沟道的控制能力不同，从而形成不同的阈值电压，因此按照特定的结构参数将器件并联，能够实现器件多阈值耦合，使器件沿栅宽方向逐步开启，进而改善器件的线性度。
2、本发明的平面纳米线沟道器件采用离子注入的方式实现纳米线结构，进而实现高线性HEMT器件，因为不需要对栅下势垒层进行刻蚀，所以可以避免刻蚀损伤和较大的侧壁寄生电容，有利于器件在较高频率下的应用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件的横截面俯视图；
图3a-图3b为本发明实施例提供的一种基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件的横截面侧视图；
图4为本发明实施例提供的另一种基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件的制备方法的流程示意图；
图6a-图6i为本发明实施例提供的一种基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件的制备方法是过程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
本实施例的目的在于针对现有器件级线性化技术的不足，提出一种通过平面纳米线沟道实现基于多阈值调制技术和fin结构技术的高线性HEMT器件，以提高GaN HEMT器件线性度，满足其高频、高线性的应用需求。
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件的结构示意图，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件的横截面俯视图。
该基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件包括：衬底层1、缓冲层2、源电极3、漏电极4、势垒层5和栅电极6。
衬底层1包括蓝宝石、SiC或Si中的一种或多种。
缓冲层2位于插入层2上，其材料可以为GaN。
源电极3位于缓冲层2的一端，漏电极4位于缓冲层2的另一端；源电极3和漏电极4的材料采用欧姆金属，由下向上依次为Ti/Al/Ni/Au。
势垒层5位于缓冲层2上，且势垒层5位于源电极3和漏电极4之间；势垒层5的材料可以为AlGaN或InAlN、AlN等。势垒层5中设置有沿栅宽方向间隔排列的由离子注入形成的若干纳米线结构51，如图2所示，若干纳米线结构51与无离子注入区域具有不同的栅控能力以形成不同的阈值电压。
栅电极6位于势垒层5上且位于若干纳米线结构51上。
本实施例中，由于离子注入对于其下沟道中的二维电子气具有耗尽作用，降低了载流子浓度，从而增强了栅控能力，提高了器件该区域的阈值电压，从而注入区域即纳米线结构与未注入区域对沟道的控制能力不同，从而形成不同的阈值电压，因此按照特定的结构参数将器件并联，能够实现器件多阈值耦合，使器件沿栅宽方向逐步开启，进而改善器件的线性度。
进一步的，根据多阈值耦合技术，将多个不同阈值电压的器件沿栅宽方向并联，在栅压偏置逐渐增大的过程中，不同阈值的器件逐步开启，抑制了复合器件跨导在较大漏极电流下的下降，可以明显的增大器件的栅压摆幅GVS，器件的跨导平坦度得到很大改善，线性度进而得到改善。
请参见图3a-图3b，图3a-图3b为本发明实施例提供的一种基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件的横截面侧视图。
在一个具体实施例中，纳米线结构51的深度可以小于缓冲层2与势垒层5形成的沟道的深度，如图3a所示；纳米线结构51的深度也可以大于缓冲层2与势垒层5形成的沟道的深度，如图3b所示。
具体的，通过改变栅宽方向上注入区域的深度即纳米线结构的深度，产生两类基于不同机制的平面纳米线沟道结构的器件：
第一类：当注入深度在沟道之上时，即纳米线结构51的深度小于缓冲层2与势垒层5形成的沟道的深度，器件基于多阈值调制技术，提供不同栅控能力和阈值电压的耦合，实现器件的高线性。
第二类：当注入深度在沟道之下时，即纳米线结构51的深度也可以大于缓冲层2与势垒层5形成的沟道的深度，器件利用另一种机制即，fin结构改善线性度，在栅下源漏间的Access区域对势垒层刻蚀形成三维的fin结构，以此增大Access区域的源极驱动能力，由公式：可知，减小Rs，本征跨导增大，通过将不同宽度fin的器件并联，可以改善器件的线性度。
在一个具体实施例中，沿栅宽方向上，纳米线结构51与未注入区域的比例相同；即沿栅宽方向上，一个注入区域对应一个未注入区域，从而形成注入区域与未注入区域比例为1：1的结构。纳米线结构51与未注入区域的比例也可以呈周期性变化；即沿栅宽方向上，势垒层5被划分为若干个周期，各个周期的长度可以相同，也可以呈递增或递减趋势，也可以呈周期性变化；具体的，每个周期的长度可以为0.2um～50um，但是本发明实施例并不限于此，每个周期的长度越小，器件的线性度越好；进一步的，各个周期中，纳米线结构51与未注入区域的比例可以相同，也可以呈规律性变化。
在一个具体实施例中，沿栅宽方向上，若干纳米线结构51的宽度相同，相同宽度的纳米线结构51呈周期性排列，或者若干纳米线结构61的宽度不同，不同宽度的若干纳米线结构51周期性排列。可以理解的是，沿栅宽方向上，势垒层5被划分为若干个周期，每个周期中多个纳米线结构51的宽度可以相同，也可以不同，例如呈规律性变化；多个周期中的纳米线结构51的宽度可以相同，也可以不同，例如第一个周期中多个纳米线结构的宽度均为0.1μm、第二个周期中多个纳米线结构的宽度均为0.2μm。
本实施例中，通过改变栅宽方向上注入区与未注入区域的比例以及不同注入宽度周期性排列，提供不同栅控能力和阈值电压的耦合，从而实现对HEMT器件跨导曲线形状及峰值的调制。
综上，本实施例可以通过优化栅宽方向上注入区与未注入区域的比例、周期以及注入区域的深度，提供不同程度的高线性HEMT器件；一定程度上，可以根据上述关键参数实现对于栅压摆幅GVS和跨导峰值Gm的调制，改善器件线性特性，以用于特定的需求。
请参见图4，图4为本发明实施例提供的另一种基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件的结构示意图。
该基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件包括：衬底层1、缓冲层2、源电极3、漏电极4、势垒层5、栅电极6、绝缘层7、钝化层8和金属互连层9。
衬底层1、缓冲层2、源电极3、漏电极4、势垒层5、栅电极6的具体结构请参见上述实施例，此处不再赘述。
绝缘层7位于势垒层5的表面，栅电极6位于绝缘层7上且位于若干纳米线结构51的上方。具体地，绝缘层7的厚度可以为2～10nm，例如6nm；绝缘层的材料选用高K或低K的介质，包括但不限于Al2O3、HfO2、HfZrO、AlN。
本实施例在平面纳米线沟道结构的基础上加上绝缘层7，形成MIS栅结构，可以有效减少栅极泄漏电流，增大栅压摆幅和漏极电流摆幅，进一步提高器件线性性能。
钝化层8覆盖在源电极4、漏电极5和势垒层6上，其中，钝化层8中贯穿有栅槽，且若干纳米线结构61位于栅槽下方，栅电极6位于栅槽中和钝化层8的表面；具体的，栅电极6的栅脚位于栅槽中，且栅电极6的栅帽位于绝缘层8上；钝化层8的材料采用SiN，其厚度为20～120nm例如：20nm、60nm或120nm。
金属互连层9贯穿钝化层8且位于源电极3、漏电极4和栅电极6的上方。
本实施例提出的平面纳米线沟道的高线性HEMT器件基于两类机制实现高线性，其使得器件在栅宽方向逐步开启，可以减缓在较大漏极电流时跨导曲线的下降，从而提高器件跨导平坦度，进一步改善器件的线性度；与传统的Fin及Fin-like HEMTs等结构相比,平面纳米线沟道采用离子注入的方式并通过控制离子注入工艺参数实现基于多阈值调制或基于三维Fin结构的高线性HEMT器件，因为不需要对栅下势垒层进行刻蚀，所以可以避免刻蚀损伤和较大的侧壁寄生电容，有利于器件在较高频率下的应用。另外，离子注入工艺具有完全平面化的特点，有利于提高器件的成品率和均匀性。并且，本本实施例平面纳米线沟道的高线性HEMT器件既可以结合多种栅工艺，实现高频高线性的应用需求，又可以通过与双沟道结构、渐变势垒层、MIS结构相结合来实现高压高线性的需求。
实施例二
在实施例一的基础上，请参见图5和6a-图6i，图5为本发明实施例提供的一种基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件的制备方法的流程示意图，图6a-图6i为本发明实施例提供的一种基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件的制备方法是过程示意图，该制备方法包括步骤：
S1、获取外延基片，外延基片包括依次层叠的衬底层1、缓冲层2和势垒层5，请参见图6a。
本实施例中，采用由下而上依次包括衬底层1、GaN缓冲层2、AlGaN势垒层5的外延基片作为初始材料。具体地，可以在衬底层1上依次生长GaN缓冲层2和AlGaN势垒层5，形成外延基片，也可以采用购买的外延基片。
S2、在缓冲层2上的一端制备源电极3，在缓冲层2上的另一端制备漏电极4，请参见图6b。
S21、在AlGaN势垒层5上光刻源电极区域和漏电极区域。
首先，将外延基片放在200℃的热板上烘烤5min，去除外延基片上的水分。
然后，在AlGaN势垒层6上进行剥离胶的涂胶，其甩胶转速为2000转/min，甩胶时间为40sec，甩胶厚度为0.35μm，并将样品放在200℃的热板上烘烤5min。
接着，在剥离胶上进行光刻胶的涂胶和甩胶，其甩胶转速为5000转/min，甩胶时间为20sec，甩胶厚度为0.77μm，并将样品放在90℃的热板上烘烤1min。
最后，将完成涂胶和甩胶的样品放入光刻机中进行曝光，并将完成曝光的样品放入显影液中移除光刻胶和剥离胶，再对其进行超纯水冲洗和氮气吹后形成源电极区域和漏电极区域。
S22、在源电极区域和漏电极区域内的AlGaN势垒层5上以及源电极区域和漏电极区域外的光刻胶上蒸发源电极3和漏电极4。
首先，将有源电极3和漏电极4光刻图形的样品放入等离子去胶机中进行底膜处理，其处理的时间为5min。
然后，将样品放入电子束蒸发台中，待电子束蒸发台的反应腔室真空度达到2×10-6Torr之后，在源电极区域和漏电极区域内的AlGaN势垒层5上以及源电极区域和漏电极区域外的光刻胶上蒸发欧姆金属，形成源电极3和漏电极4，该欧姆金属是由下向上依次为Ti/Al/Ni/Au。
最后，对完成欧姆金属蒸发的样品进行剥离，以移除源电极3和漏电极4外的欧姆金属、光刻胶和剥离胶，再用超纯水冲洗样品并用氮气吹干。
S23、将完成欧姆金属蒸发和剥离的样品放入快速热退火炉中进行退火处理，以使源电极3和漏电极4内AlGaN势垒层5上的欧姆金属下沉至GaN缓冲层2，从而形成欧姆金属与异质结沟道之间的欧姆接触，其退火的工艺条件为：退火气氛为N2，退火温度为840℃，退火时间为60s。
S3、在AlGaN势垒层5上光刻有源区的电隔离区域，利用离子注入工艺制作器件有源区的电学隔离。
S31、在AlGaN势垒层上光刻电隔离区域。
首先，将样品放在200℃的热板上烘烤5min。
然后，进行光刻胶的涂胶和甩胶，其甩胶转速为1500转/mim，甩胶时间为50sec，并将样品放在100℃的热板上烘烤2min。
最后，将样品放入光刻机中对电隔离区域内的光刻胶进行曝光，再将完成曝光后的样品放入显影液中以移除电隔离区域内的光刻胶，并对其进行超纯水冲洗和氮气吹干；
S32、在AlGaN势垒层5上的电隔离区域进行外协离子注入。
具体地，外协离子注入的区域位于源电极3的外侧以及漏电极4的外侧，通过外协离子注入，将AlGaN势垒层5与GaN缓冲层2形成的沟道隔离。
S33、进行外协离子注入隔离后去胶。
首先，采用等离子体去胶壳，等离子体去胶机的功率为200W，等离子体气体流量为50sccm，去胶时间为10min，之后破真空旋转片子180°，继续去胶10min。
然后，将样品依次放入60℃的丙酮中加热至少15min、常温丙酮中在超声强度为2.3下超声15min，直至胶丝全部掉落；接着，将样品依次放入水浴加热约60℃的剥离液处理15min、常温丙酮中在超声强度为2下超声处理、异丙醇中在超声强度为2下超声2min，并用超纯水冲洗2min；之后，更换超纯水，在超声强度为2下超声2min，再次更换超纯水，在超声强度为2下超声2min，并用超纯水冲洗2min，然后用N2吹干。
最后，等离子体去残胶，等离子体去胶机的功率为200W，等离子体气体流量为50sccm，去胶时间为5min，之后破真空旋转片子180°，继续去胶5min。
S4、在器件表面沉积掩膜层52，请参见图6c。
S41、对完成有源区电隔离的样品进行表面清洗。
首先，将样品放入丙酮溶液中超声清洗3mim，其超声强度为3.0。
然后，将样品放入温度为60℃的剥离液中水浴加热5min。
接着，将样品依次放入丙酮溶液和异丙醇溶液中超声清洗3min，其超声强度为3.0。
最后，用超纯水冲洗样品并用氮气吹干。
S42、在源电极3、漏电极4和有源区的AlGaN势垒层5上，利用PECVD工艺生长厚度为100nm的SiO2掩膜层，其生长的工艺条件为：采用N2O和SiH4作为反应气体，衬底温度为250℃，反应腔室压力为600mTorr，RF功率为22W。
S5、在掩膜层52表面制备纳米线结构图形53，并刻蚀纳米线结构图形53区域的掩膜层52，形成离子注入掩模版，其中，离子注入掩膜版上形成由若干间隔排列的凹槽54。
S51、在SiO2掩膜层52上光刻离子注入区域，形成纳米线结构图形53，请参见图6d。
首先，将样品放在200℃的热板上烘烤5min。
然后，进行光刻胶的涂胶和甩胶，其甩胶转速为4000转/mim，并将样品放在150℃的热板上烘烤1min。
接着，将样品放入电子束EBL光刻机中进行曝光；
最后，将完成曝光后的样品放入显影液中60sec并对其进行超纯水冲洗和氮气吹干。
S52、利用ICP刻蚀工艺移除离子注入区域内的SiO2掩膜层，形成由若干间隔排列的凹槽54，请参见图6e，其刻蚀的条件为：反应气体为CF4和O2，反应腔室压力为10mTorr，上电极和下电极的射频功率分别为100W和10W，刻蚀的深度为100nm直至至AlGaN势垒层5。
S6、利用离子注入掩模版，通过凹槽54在势垒层5上进行离子注入，形成沿栅宽方向间隔排列的若干纳米线结构51，其中，若干纳米线结构51与无离子注入区域具有不同的栅控能力以形成不同的阈值电压。
S61、采用等离子体注入工艺制备纳米线结构51，请参见图6f。
具体的，离子注入的注入离子包括氟离子、氩离子中的一种或多种。
当注入离子为氟离子时，其注入工艺为：采用等离子体刻蚀机，并通入CF4气体，射频功率为150W，注入时间为150s，通过凹槽54在势垒层5上进行氟离子注入，形成沿栅宽方向间隔排列的若干纳米线结构51。
进一步的，当注入氟离子的能量为20～25keV时，注入氟离子的区域深度小于沟道深度，纳米线结构51属于基于多阈值调制机制的平面纳米沟道结构；当注入氟离子的能量为>25keV时，注入氟离子的区域深度大于沟道深度，纳米线结构51属于基于三维fin结构的平面纳米沟道结构。
当注入离子为氩离子时，其注入工艺为：采用等离子体刻蚀机，并通入氩气，射频功率为150W，注入时间为150s，通过凹槽54在势垒层5上进行氟离子注入，形成沿栅宽方向间隔排列的若干纳米线结构51。
当注入氩离子的能量为20～25keV时，注入氩离子的区域深度小于沟道深度，纳米线结构51属于基于多阈值调制机制的平面纳米沟道结构；当注入氩离子的能量为>25keV时，注入氩离子的区域深度大于沟道深度，纳米线结构51属于基于三维fin结构的平面纳米沟道结构。
S62、去除SiO2掩膜层52，请参见图6g。
首先，用HF酸溶液清洗SiO2掩膜层52，NH4F：H2O＝20ml：30ml，清洗时间为30sec；然后用超纯水冲洗2min，最后用N2吹干，将器件表面的SiO2掩膜层52去除。
S63、快速热退火。
为使得注入的不稳定的氟离子扩散并被固化同时器件具有稳定的阈值电压，因此进行快速热退火。其退火的工艺条件为：退火气氛为N2，退火温度为400℃，退火时间为120s。
S7、在纳米线结构51上制备栅电极6，请参见图6h。
S71、在AlGaN势垒层5上光刻栅电极区域。
首先，将样品放在200℃的热板上烘烤5min。
然后，在AlGaN势垒层5上进行剥离胶的涂胶和甩胶，其甩胶转速为2000转/min，甩胶时间为40sec，甩胶厚度为0.35μm，并将样品放在200℃的热板上烘烤5min。
接着，在剥离胶上进行光刻胶的涂胶和甩胶，其甩胶转速为5000转/min，甩胶时间为30sec，甩胶厚度为0.77μm，并将样品放在90℃的热板上烘烤1min。
之后，将完成涂胶和甩胶的样品放入光刻机中对栅电极区域内的光刻胶进行曝光。
最后，将完成曝光的样品放入显影液中移除栅电极区域内的光刻胶和剥离胶，并对其进行超纯水冲洗和氮气吹干。
S72、利用电子束蒸发工艺在栅电极区域内的AlGaN势垒层5上和栅电极区域外的光刻胶上蒸发栅电极6。
首先，将有栅电极光刻图形的样品放入等离子去胶机中进行底膜处理，其处理的时间为5min。
然后，将样品放入电子束蒸发台中，待电子束蒸发台的反应腔室真空度达到2×10-6Torr之后，在栅电极区域内的AlGaN势垒层5和栅电极区域外的光刻胶上蒸发栅金属，该栅金属是由下向上依次由Ni、Au和Ni三层金属组成的金属堆栈结构。
最后，对完成栅金属蒸发的样品进行剥离，以移除栅电极区域外的栅金属、光刻胶和剥离胶，用超纯水冲洗样品并用氮气吹干后形成栅电极6。
S8、在金属互联区制备源电极4和漏电极5的互联金属，形成金属互联层9，请参见图6i。
S81、在源电极3、漏电极4和栅电极6上光刻金属互联区。
首先，将完成平面栅电极制作的样品放在200℃的热板上烘烤5min。
然后，在源电极3、漏电极4和栅电极6上进行剥离胶的涂胶和甩胶，，其甩胶厚度为0.35μm，并将样品放在200℃的热板上烘烤5min。
接着，在剥离胶上进行光刻胶的涂胶和甩胶，其甩胶厚度为0.77μm，并将样品放在90℃的热板上烘烤1min。
最后，将完成涂胶和甩胶的样品放入光刻机中对金属互连区域内的光刻胶进行曝光，再将完成曝光的样品放入显影液中移除金属互联区域内的光刻胶和剥离胶，并对其进行超纯水冲洗和氮气吹干，形成金属互联区。
S82、在金属互联区域内的源电极3、漏电极4和栅电极6以及金属互联区域外的光刻胶上蒸发金属互联层。
首先，将有金属互连区域的样品放入等离子去胶机中进行底膜处理，其处理的时间为5min。
然后，将样品放入电子束蒸发台中，待电子束蒸发台的反应腔室真空度达到2×10-6Torr之后，再在金属互连区域内的电极以及金属互连区域外的光刻胶上蒸发互联金属，形成金属互联层9，该金属互联层9采用由下向上依次由Ti和Au两层组成的金属堆栈结构，以引出电极。
最后，对完成互联金属蒸发的样品进行剥离，以移除金属互联区层以外的金属、光刻胶和剥离胶，并用超纯水冲洗样品并用氮气吹干，形成金属互联层9，完成器件制作。
实施例三
在实施例二的基础上，本实施例在实施例一制备得到纳米线结构51之后，先生长一层薄的绝缘层形成MIS栅结构。该制备方法包括步骤：
S1、获取外延基片，外延基片包括依次层叠的衬底层1、缓冲层3和势垒层5。
S2、在缓冲层2上的一端制备源电极3，在缓冲层2上的另一端制备漏电极4。
S3、在AlGaN势垒层5上光刻有源区的电隔离区域，利用离子注入工艺制作器件有源区的电学隔离。
S4、在器件表面沉积掩膜层52。
S5、在掩膜层52表面制备纳米线结构图形53，并刻蚀纳米线结构图形53区域的掩膜层52，形成离子注入掩模版。
S6、利用离子注入掩模版，通过凹槽54在势垒层5上进行离子注入，形成沿栅宽方向间隔排列的若干纳米线结构51。
S7、在势垒层5的表面制备绝缘层7。
具体的，利用ALD工艺制备绝缘层7，其具体制备方法为：
首先，将移除SiO2掩膜层52的样品放入原子层沉积ALD设备中，对源漏区的AlGaN势垒层5表面进行原位预处理，其处理的工艺条件为：反应气体为NH3和N2混合气体，衬底温度为250℃，RF功率设置为200W，处理时间为5min。然后，利用ALD设备制备Al2O3薄层，采用TMA和H2O作为预沉积体，形成绝缘层7。
接着，将完成绝缘层7生长的样品放入快速热退火炉中进行退火处理，其退火的工艺条件为：退火气体为N2，退火温度为500℃，退火时间为5min。
S8、在纳米线结构51上制备栅电极6。
S9、在金属互联区制备源电极4和漏电极5的互联金属，形成金属互联层9。
具体地，步骤S1～S6、S8～S9的具体操作步骤请参见实施例二，本实施例不再赘述。
本实施例在平面纳米线沟道结构的基础上加上绝缘层，形成MIS栅结构，可以有效减少栅极泄漏电流，增大栅压摆幅和漏极电流摆幅，进一步提高器件线性性能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件，其特征在于，包括：
衬底层(1)；
缓冲层(2)，位于所述衬底层(1)上；
源电极(3)，位于所述缓冲层(2)的一端；
漏电极(4)，位于所述缓冲层(2)的另一端；
势垒层(5)，位于所述缓冲层(2)上，且位于所述源电极(3)和所述漏电极(4)之间，其中，所述缓冲层(2)与所述势垒层(5)之间形成沟道，所述势垒层(5)上设置有沿栅宽方向间隔排列的由离子注入氟离子、氩离子中的一种或多种形成的若干纳米线结构(51)，若干所述纳米线结构(51)与未注入区域具有不同的栅控能力以形成不同的阈值电压；沿所述栅宽方向上，若干所述纳米线结构(51)的宽度相同，相同宽度的所述纳米线结构(51)呈周期性排列，或者若干所述纳米线结构(51)的宽度不同，不同宽度的若干所述纳米线结构(51)周期性排列；通过改变栅宽方向上所述纳米线结构(51)的深度，产生两类基于不同机制的平面纳米线沟道结构的器件；当注入深度在所述沟道之上时，器件基于多阈值调制技术，提供不同栅控能力和阈值电压的耦合，实现器件的高线性；当注入深度在沟道之下时，器件利用在栅下源漏间的Access区域对所述势垒层(5)刻蚀形成三维的fin结构，改善线性度；
栅电极(6)，位于所述势垒层(5)上且位于若干所述纳米线结构(51)上。
2.根据权利要求1所述的基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件，其特征在于，沿所述栅宽方向上，所述纳米线结构(51)与未注入区域的比例相同，或者所述纳米线结构(51)与未注入区域的比例呈周期性变化。
3.根据权利要求1所述的基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件，其特征在于，还包括：绝缘层(7)，位于所述势垒层(5)的表面，所述栅电极(6)位于所述绝缘层(7)上且位于所述若干所述纳米线结构(51)的上方。
4.根据权利要求1所述的基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件，其特征在于，还包括钝化层(8)和金属互连层(9)，其中，
所述钝化层(8)覆盖在所述源电极(3)、所述漏电极(4)和所述势垒层(5)上，其中，所述钝化层(8)中贯穿有栅槽，且若干所述纳米线结构(51)位于所述栅槽下方，所述栅电极(6)位于所述栅槽中和所述钝化层(8)的表面；
所述金属互连层(9)贯穿所述钝化层(8)且位于所述源电极(3)、所述漏电极(4)和所述栅电极(6)的上方。
5.一种基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件的制备方法，其特征在于，包括步骤：
S1、获取外延基片，外延基片包括依次层叠的衬底层(1)、缓冲层(2)和势垒层(5)；
S2、在所述缓冲层(2)上的一端制备源电极(3)，在所述缓冲层(2)上的另一端制备漏电极(4)；所述缓冲层(2)与所述势垒层(5)之间形成沟道；
S3、在器件表面沉积掩膜层(52)；
S4、在所述掩膜层(52)表面制备纳米线结构图形(53)，并刻蚀所述纳米线结构图形(53)区域的所述掩膜层(52)，形成离子注入掩模版，其中，所述离子注入掩膜版上形成由若干间隔排列的凹槽(54)；
S5、利用所述离子注入掩模版，通过所述凹槽(54)在所述势垒层(5)上进行离子注入，形成沿栅宽方向间隔排列的若干纳米线结构(51)，其中，所述离子注入的注入离子包括氟离子、氩离子中的一种或多种，若干所述纳米线结构(51)与无离子注入区域具有不同的栅控能力以形成不同的阈值电压；沿所述栅宽方向上，若干所述纳米线结构(51)的宽度相同，相同宽度的所述纳米线结构(51)呈周期性排列，或者若干所述纳米线结构(51)的宽度不同，不同宽度的若干所述纳米线结构(51)周期性排列；通过改变栅宽方向上所述纳米线结构(51)的深度，产生两类基于不同机制的平面纳米线沟道结构的器件；当注入深度在所述沟道之上时，器件基于多阈值调制技术，提供不同栅控能力和阈值电压的耦合，实现器件的高线性；当注入深度在沟道之下时，器件利用在栅下源漏间的Access区域对所述势垒层(5)刻蚀形成三维的fin结构，改善线性度；
S6、在所述纳米线结构(51)上制备栅电极(6)。
6.根据权利要求5所述的基于平面纳米线沟道的高线性HEMT器件的制备方法，其特征在于，步骤S5和步骤S6之间还包括步骤：
在所述势垒层(5)的表面制备绝缘层(7)。
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2021
- 2021-07-07 CN CN202110769587.2A patent/CN113594226B/zh active Active
Patent Citations (3)
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| "GaN HEMT With Convergent Channel for Low Intrinsic Knee Voltage";zheyang Zheng et al;《IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS》;第41卷(第9期);第1304-1307页 * |
| zheyang Zheng et al ."GaN HEMT With Convergent Channel for Low Intrinsic Knee Voltage".《IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS》.2020,第41卷(第9期),第1304-1307页. * |
Also Published As
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