凹槽絕緣柵型復合源場板的異質結場效應晶體管的制作方法

專利名稱：凹槽絕緣柵型復合源場板的異質結場效應晶體管的制作方法
技術領域：
本發明屬于微電子技術領域，涉及半導體器件，特別是基于in-v族化合物半導體材 料異質結的凹槽絕緣柵型復合源場板的異質結場效應晶體管，可作為微波、毫米波通訊 系統以及雷達系統的基本器件。
背景技術：
業內周知，由m族元素和v族元素所組成的半導體材料，即m-v族化合物半導體材
料，如氮化鎵(GaN)基、砷化鎵(GaAs)基、磷化銦(InP)基等半導體材料，它們的禁帶寬度
往往差異較大，因此人們通常利用這些in-v族化合物半導體材料形成各種異質結結構。 由于在異質結中異質結界面兩側的m-v族化合物半導體材料的禁帶寬度存在較大的差
異，使得這些異質結結構具有一個共同特點在異質結界面附近產生一個量子勢井。對
于由m-v族化合物半導體材料所組成的異質結，人們通過對材料進行摻雜，或者利用材 料的極化效應等特性，可以在量子勢井中產生高濃度的二維電子氣，這種二維電子氣由 大量的電荷載流子構成。另外由于這種二維電子氣被束縛在量子勢井中，實現了載流子 與電離雜質在空間上的分離，減少了電離雜質對載流子的庫侖力作用，消除了電離散射 中心的影響，從而大大提高了載流子的遷移率。這種高濃度二維電子氣和高載流子遷移 率，使得m-v族化合物半導體材料異質結具有良好的電特性。
基于m-v族化合物半導體材料異質結制作而成的異質結場效應晶體管，繼承了m-v 族化合物半導體材料異質結的優點，如高載流子濃度、高載流子遷移率、高工作頻率、 大功率及耐高溫等特性，可以廣泛應用于微波、毫米波通訊系統和雷達系統等領域，因
此該類器件自從誕生之日起便成為眾多研究者研究的熱點。1980年，Takashi Mimura等 人報道成功研制出了第一只AlGaAs/GaAs異質結場效應晶體管，參見A new field-effect transistor with selectively doped GaAs/n-AlxGai-xAs heterostructures, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 19， No. 5, pp. L225-L227, May 1980。 1993年，Khan等人報道成功研 制出了第一只AlGaN/GaN異質結高電子遷移率晶體管，也是一種異質結場效應晶體管， 參見High electron mobility transistor based on a GaN-AlxGai—xN heterojunction, Applied Physics Letters, Vol. 63, No. 9, pp. 1214-1215, August 1993。隨著對器件研究的深入，人們 對基于III-V族化合物半導體材料異質結的異質結場效應晶體管的研究不斷取得新的突 破。然而，異質結場效應晶體管工作時勢壘層耗盡區中的電場線的分布并不均勻，靠近 漏極一側的柵極邊緣往往收集大部分的電場線，因此該處的電場相當高。此處的高電場會使得柵極泄漏電流增大，容易導致器件發生雪崩擊穿，使其實際擊穿電壓偏小，從而 導致該類器件的高擊穿電壓和大功率等優勢不能充分發揮。另外，器件的柵極泄露電流 增大會導致其可靠性變差。
為了提高異質結場效應晶體管的擊穿電壓，充分發揮其輸出功率高的優勢，同時增 強器件的可靠性，有研究者采用場板結構對其進行了改進，其結構如圖l所示。該結構的 基本原理是利用場板增加了耗盡區的面積，提高了耗盡區可以承擔的漏源電壓，從而 增大了器件的擊穿電壓；同時，利用場板對勢壘層耗盡區中電場線的分布進行調制，減 小了柵極泄露電流。在異質結場效應晶體管中采用場板結構，會在場板下方形成新的耗 盡區，即高阻區，增加了柵極與漏極之間勢壘層中耗盡區的面積，使得耗盡區可以承擔 更大的漏源電壓，從而增大了器件的擊穿電壓。在異質結場效應晶體管中采用場板結構， 可以將部分原本收集在柵極靠近漏極一側的邊緣的電場線收集到場板上，尤其是場板靠 近漏極一側的邊緣，結果在柵極靠近漏極一側的邊緣和場板靠近漏極一側的邊緣分別出 現一個電場峰值，從而減少了柵極靠近漏極一側的邊緣所收集的電場線，降低了該處的 電場，減小了柵極泄露電流。1998年，K. Asano等人報道了采用柵場板的異質結場效應 晶體管，獲得了較高的器件擊穿電壓和較好的功率性能，參見Novel high power AlGaAs-GaAs HFET with a field-modulating plate operated at 35V drain voltage, International Electron Devices Meeting Technical Digest, pp. 59-62, December 1998。然而， 在采用柵場板的異質結場效應晶體管中，柵場板與二維電子氣溝道之間產生的附加電容 會疊加進器件的柵漏反饋電容中，使得柵漏反饋電容增大，導致器件的功率特性和頻率 特性衰減，同時造成器件的不穩定性大大增加，器件采用場板結構的優勢并沒有得到充 分體現，因此一些研究者提出采用源場板結構來改善器件的性能。2004年，Y. -F. Wu等 人報道了采用源場板的高電子遷移率晶體管，也是一種采用源場板的異質結場效應晶體 管，通過輸出調諧網絡消除了場板所引入的附加電容，在較高的頻率下獲得了很高的功 率增益、輸出功率和功率附加效率，參見High-gain microwave GaN HEMTs w池 source-terminated field-plates, IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest, pp. 1078-1079, December 2004。由于單層場板結構提高異質結場效應晶體管的擊穿電壓的 能力非常有限，因此為了進一步提高器件的擊穿電壓和輸出功率，同時兼顧器件的頻率 特性， 一些研究者在異質結場效應晶體管中采用了各種復雜的場板結構，而堆層場板結 構的是目前最常用和最有效的一種結構，這種結構通過增加堆層場板的個數可以持續地 增加器件的擊穿電壓。2005年，YujiAndo等人報道了采用柵場板和源場板雙層場板的場 效應晶體管，有效地減小了器件的柵漏反饋電容，獲得了非常高的擊穿電壓、輸出功率及線性增益，參見Novd AlGaN/GaN dual-field-plate FET with high gain, increased linearity and stability, IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest, pp. 576-579, December2005。但是采用堆層場板結構的異質結場效應晶體管的制作工藝比較復雜，每 增加一層場板都需要多加光刻、淀積金屬、淀積絕緣介質材料、剝離、清洗等工藝步驟， 而且要使各層場板卜'面所淀積的絕緣介質材料具有合適的厚度，必須進行繁瑣的工藝調 試，因此大大增加了器件制造的難度，降低了器件的成品率。

發明內容
本發明的目的在于克服上述已有技術的不足，提供一種制造工藝簡單、可靠性好、 穩定性強和擊穿電壓高的凹槽絕緣柵型復合源場板的異質結場效應晶體管，以實現高輸 出功率和高成品率。
為實現上述目的，本發明提供的器件結構采用任何m-v族化合物半導體材料構成的
異質結結構，該結構自下而上包括襯底、過渡層、勢壘層、源極、漏極、絕緣介質層、
絕緣槽柵、鈍化層、源場板和保護層，勢壘層上開有凹槽，絕緣槽柵位于凹槽上部的絕 緣介質層上，源場板位于鈍化層的上面，源極與源場板電氣連接，其中，源場板與漏極
之間的鈍化層上淀積有n個浮空場板，n21，這些浮空場板與源場板構成復合源場板結構， 提高擊穿電壓。
所述的每個浮空場板大小相同，相互獨立，相鄰兩浮空場板之間的間距按照浮空場 板排列自源場板到漏極方向的個數依次遞增。
所述的源場板與其最鄰近的浮空場板之間的距離為0.06 2.8iam。
所述的凹槽的深度D小于勢壘層的厚度，絕緣槽柵與凹槽兩端的間距分別為Rl與 R2， Rl長度為0~1.5(im， R2長度為0~3^m，并且R15R2。
為實現上述目的，本發明提供的制作凹槽絕緣柵型復合源場板的異質結場效應晶體
管的方法，包括如下過程
在襯底上外延III-V族化合物半導體材料的過渡層作為器件的工作區； 在過渡層上淀積III-V族化合物半導體材料的勢壘層；
在勢壘層上第一次制作掩膜，并在勢壘層上的兩端淀積金屬，再在N2氣氛中進行快 速熱退火，分別制作源極和漏極；
在勢壘層上第二次制作掩膜，利用該掩膜在源極和漏極之間的勢壘層刻蝕出凹槽；
在源極和漏極的上部，及源極與漏極之間的勢壘層上淀積絕緣介質層；
在絕緣介質層上制作掩膜，利用該掩膜在凹槽上部的絕緣介質層上淀積金屬，制作絕緣槽柵，該絕緣槽柵與凹槽兩端的間距分別為Rl與R2， Rl長度為0~1.5pm， R2長 度為0 3jam，并且R15R2;
淀積鈍化層，即用絕緣介質材料覆蓋絕緣槽柵外圍的區域；
在鈍化層上制作掩膜，利用該掩膜在源極與漏極之間的鈍化層上淀積金屬，同時制 作厚度均為0.2 9pm的源場板和n個浮空場板，ti21，并將源場板與源極電氣連接；
淀積保護層，即用絕緣介質材料覆蓋源場板和各浮空場板的外圍區域。
本發明器件與采用傳統源場板的異質結場效應晶體管比較具有以下優點
1. 進一步提高了器件的擊穿電壓。
本發明由于采用浮空場板結構，使器件在處于工作狀態尤其是處于關態的工作狀態 時，在源場板與其最鄰近的浮空場板之間，以及在各個浮空場板彼此之間都存在電容耦 合作用，于是電勢從源場板到最靠近漏極一側的浮空場板逐漸升高，從而大大增加了絕 緣槽柵與漏極之間勢壘層中的耗盡區，即高阻區的面積，使得此耗盡區能夠承擔更大的 漏源電壓，于是大大提高了器件的擊穿電壓。
2. 進一步減小了柵極泄漏電流，增強了器件的可靠性。
本發明由于采用浮空場板結構，使器件勢壘層耗盡區中電場線的分布得到了更強的 調制，器件中絕緣槽柵靠近漏極一側的邊緣、源場板與其最鄰近的浮空場板之間、各個 浮空場板彼此之間以及最靠近漏極的浮空場板的靠近漏極一側的邊緣都會產生一個電場 峰值，而且通過調整源場板與其最鄰近的浮空場板之間的距離以及各個浮空場板彼此之
間的距離，可以使得上述各個電場峰值相等且小于III-V族化合物半導體材料的擊穿電 場，從而極大地減少了絕緣槽柵靠近漏極一側的邊緣所收集的電場線，有效地降低了該 處的電場，大大減小了柵極泄露電流，顯著增強了器件的可靠性。
3. 進一步增加了器件的飽和輸出電流，可以獲得穩定的高輸出功率。
本發明由于采用了凹槽絕緣柵結構，進一步提高了器件柵極的偏置，增加了器件的 飽和輸出電流，同時提高了器件的線性度，改善了器件的大信號和小信號微波功率性能， 使器件可以獲得穩定的高輸出功率。
4. 工藝簡單，易于實現，成品率高。
本發明器件結構中由于源場板和各浮空場板位于同一層鈍化層上，且只有一層，因 此只需要一步工藝便可以同時實現源場板與各浮空場板的制作，避免了傳統的堆層場板 結構所帶來的工藝復雜化問題，大大提高了器件的成品率。仿真結果表明，本發明器件的擊穿電壓遠遠大于采用傳統源場板的異質結場效應晶 體管的擊穿電壓。
以下結合附圖和實施例進一步說明本發明的技術內容和效果。


圖1是采用傳統柵場板的異質結場效應晶體管的結構圖； 圖2是本發明凹槽絕緣柵型復合源場板的異質結場效應晶體管的結構圖； 圖3是本發明凹槽絕緣柵型復合源場板的異質結場效應晶體管制作流程圖； 圖4是對傳統器件及本發明器件仿真所得的勢壘層屮電場曲線圖； 圖5是對傳統器件及本發明器件仿真所得的擊穿曲線圖。
具體實施例方式
參照圖2，本發明凹槽絕緣柵型復合源場板的異質結場效應晶體管是基于m-v族化
合物半導休異質結結構，其結構自下而上為襯底l、過渡層2、勢壘層3、絕緣介質層 7、鈍化層9與保護層12。其中，勢壘層3上的兩端分別為源極4和漏極5，源極4和漏 極5之間刻蝕有凹槽6，該F1槽的深度D小于勢壘層的厚度。絕緣介質層7位于源極4 和漏極5的上部，及源極與漏極之間的勢壘層3上。絕緣槽柵8位于凹槽6上部的絕緣 介質層7的上面，并與凹槽6兩端的間距分別為Rl與R2， Rl長度為0~1.5pm， R2長 度為0~3pm,并且R1SR2。鈍化層9位于絕緣槽柵8的外圍區域。在鈍化層9上制作有 源場板10及n個浮空場板11， n21，構成復合源場板結構。這些浮空場板與源場板位于 同一層鈍化層上，第一個浮空場板與源場板之間的距離Sl為0.06|_im~2.8nm，相鄰兩浮 空場板之間的間距不同，即按照浮空場板個數自源場板到漏極方向逐漸增大，且相鄰兩 浮空場板之間的間距均大于Sl。各浮空場板11的大小相同，沿著平行于源場板寬度的 方向放置，不與任何電極或者金屬接觸，處于相互獨立的浮空狀態。源場板的有效長度 L0為0.25pm 6pm，每個浮空場板的長度L1均為0.25(im 6^mi，且每個浮空場板的長度 與源場板的有效長度相同。保護層12位于源場板IO和n個浮空場板11的外圍區域。源 場板10與源極4電氣連接。
上述器件的襯底1可以為藍寶石、碳化硅、硅或其它外延襯底材料；過渡層2由若 干層相同或不同的III-V族化合物半導體材料組成，其厚度為1 5nm;勢壘層3由若干層 相同或不冋的n工-V族化合物半導體材料組成，其厚度為10 50nm:絕緣介質層7可以為 Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 Ti02或其它絕緣介質材料，其厚度為卜100nm;鈍化 層9可以為Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 Ti02或其它絕緣介質材料，其厚度為0.04~0.7|_mi;保護層12可以為Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 1102或其它絕緣介質 材料，其厚度為0.25~9.2|am;源場板10及n個浮空場板11 ，論l，采用兩層或三層的金 屬層的組合，其厚度為0.2~9pm。 '
參照圖3，本發明制作凹槽絕緣柵型復合源場板的異質結場效應晶體管的過程如下
步驟l，在襯底1上外延過渡層2作為器件的工作區，如圖3a。
選擇一襯底l，該襯底材料可以為藍寶石、碳化硅、硅或其它外延襯底材料，并在其 上外延厚度為l~5pm的III-V族化合物半導體材料過渡層2作為器件的工作區，該過渡層 材料由若干層相同或不同的m-V族化合物半導體材料組成，如僅由GaN材料組成，或 自下而上由A1N和GaN兩層材料組成，或僅由GaAs材料組成。外延過渡層的方法采用 金屬有機物化學氣相淀積技術或分子束外延技術或氫化物氣相外延技術或其它可以用于 外延過渡層的技術。
步驟2，在過渡層2上淀積勢壘層3，如圖3b。
在過渡層2上淀積厚度為10 50nm的勢壘層3，該勢壘層材料由若干層相同或不同 的III-V族化合物半導體材料組成，如僅由AlxGaLxN材料組成，或自下而上由AlxGai.xN 和GaN兩層材料組成，或僅由AlxGai.xAs材料組成，0<X<1， X表示Al組分的含量。 淀積勢壘層的方法采用金屬有機物化學氣相淀積技術或分子束外延技術或氫化物氣相外 延技術或其它可以用于淀積勢壘層的技術。
步驟3，在勢壘層3上分別制作源極4和漏極5，如圖3c。
在勢壘層3上第一次制作掩膜，分別在其兩端淀積金屬，再在N2氣氛中進行快速熱 退火，制作源極4和漏極5，其中所淀積的金屬采用Ti/Al/Ni/Au組合，或采用其它金屬 組合，金屬厚度為0.01 0.04pm/0.03~0.16|Lim/0.02~0.12|Lmi/0.06~0.15|Lmi。淀積金屬的方法 采用電子束蒸發技術或濺射技術或其它可以用于淀積金屬的技術。
步驟4，在勢壘層3上刻蝕出凹槽6，如圖3d。
在勢壘層3上第二次制作掩膜，在源極和漏極之間的勢壘層上刻蝕出凹槽6，該凹槽 深度D小于勢壘層的厚度。刻蝕凹槽的方法采用反應離子刻蝕技術或感應耦合等離子體 技術或反應離子刻蝕-感應耦合等離子體技術或其它可以用于刻蝕凹槽的技術。
步驟5，淀積絕緣介質層7，如圖3e。
在源極4和漏極5的上部，及源極與漏極之間的勢壘層3上淀積絕緣介質層7，該絕 緣介質層材料可以采用Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 Ti02或其它絕緣介質材料，其厚度為1 100nm。淀積絕緣介質層的方法采用化學氣相淀積技術或蒸發技術或原子層淀 積技術或濺射技術或分子束外延技術或其它可以用于淀積絕緣介質層的技術。 步驟6，在絕緣介質層7上制作絕緣槽柵8，如圖3f。
在絕緣介質層7上制作掩膜，并在凹槽6上部的絕緣介質層上淀積金屬，制作絕緣 槽柵8，其中所淀積的金屬采用Ni/Au金屬組合，或采用其它金屬組合，金屬厚度為 0.01~0.04|am/0.08~0.4pm，該絕緣槽柵8與凹槽6兩端的間距分別為Rl與R2， Rl長度 為0 1.5pm， R2長度為0 3(im，并且R1^R2。淀積金屬的方法采用電子束蒸發技術或濺 射技術或其它可以用于淀積金屬的技術。
步驟7，淀積鈍化層9，如圖3g。
在絕緣槽柵8的外圍區域淀積鈍化層9，該鈍化層材料可以采用Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 Ti02或其它絕緣介質材料，其厚度為0.04~0.7nm。淀積鈍化層的方法采用 化學氣相淀積技術或蒸發技術或原子層淀積技術或濺射技術或分子束外延技術或其它可 以用于淀積鈍化層的技術。
步驟8，制作源場板lO及各浮空場板.ll，如圖3h。
在鈍化層9上制作掩膜，該掩膜是按照源場板10與其最鄰近的浮空場板之間的距離 為0.06)am 2.^m，且相鄰兩浮空場板之間的間距按照浮空場板排列自源場板到漏極方向 的個數依次遞增的位置關系設置。利用該掩膜在鈍化層上淀積金屬厚度均為0.2 9pm的 源場板10及n個浮空場板11, n2l。該源場板及各浮空場板的淀積均采用兩層或三層金 屬層的組合，且下層金屬厚度要小于上層金屬厚度。對于兩層金屬組合采用Ti/Au或Ni/Au 或Pt/Au，厚度為0.05 1.6nm/0.15 7.4(im;對于三層金屬組合采用Ti/Mo/Au或Ti/Ni/Au 或Ti/Pt/Au,厚度為0.04~0.5pm/0.07~1.5nm/0.09~7pm。源場板的有效長度LO為 0.25 6pm，每個浮空場板的長度Ll均為0.25~6|mi，且每個浮空場板的長度與源場板的 有效長度相同。淀積金屬的方法采用電子束蒸發技術或濺射技術或其它可以用于淀積金 屬的技術。
完成源場板及n個浮空場板的制作后，將源場板10與源極4電氣連接。 步驟9，淀積保護層12，如圖3i。
在源場板10和n個浮空場板11的外圍區域淀積保護層12，其中保護層材料可以采 用Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 Ti02或其它絕緣介質材料，其厚度為0.25~9.2|am。 淀積保護層的方法采用化學氣相淀積技術或蒸發技術或原子層淀積技術或濺射技術或分 子束外延技術或其它可以用于淀積保護層的技術。根據以上所述的器件結構和制作方法，本發明給出以下六種實施例，但并不限于這 些實施例。
實施例一
制作襯底為藍寶石，絕緣介質層為Si02,鈍化層為SiN，保護層為SiN，源場板和各 浮空場板為Ti/Au金屬組合的復合源場板的異質結場效應晶體管，其過程是
1. 使用金屬有機物化學氣相淀積技術在藍寶石襯底1上外延厚度為lpm的未摻雜過 渡層2，該過渡層自下而上由厚度為26nm的A1N材料和厚度為0.974pm的GaN材料構 成。外延下層A1N材料采用的工藝條件為溫度為575。C，壓力為82Torr，氫氣流量為 4400sccm，氨氣流量為4400sccm，鋁源流量為26pmol/min;外延上層GaN材料釆用的 工藝條件為溫度為1000°<:，壓力為82Torr，氫氣流量為4400sccm，氨氣流量為4400sccm, 鎵源流量為13(^mol/min。
2. 使用金屬有機物化學氣相淀積技術在GaN過渡層2上淀積厚度為50nm的未摻雜 勢壘層3，該勢壘層自下而上由厚度為47nm、鋁組分為0.15的Al().15Gao.85N材料和厚度 為3nm的GaN材料構成。淀積下層AltnsGao.ssN材料采用的工藝條件為溫度為1030°C， 壓力為82Torr，氫氣流量為4400sccm，氨氣流量為4400sccm，鎵源流量為11nmol/min， 鋁源流量為2pmol/min;淀積上層GaN材料采用的工藝條件為溫度為1030°C，壓力為 82Torr，氫氣流量為4400sccm，氨氣流量為4400sccm，鎵源流量為7|imol/min。
3. 在勢壘層3上制作掩膜，并使用電子束蒸發技術在其兩端淀積金屬，再在N2氣氛 中進行快速熱退火，制作源極4和漏極5，其中所淀積的金屬為Ti/Al/Ni/Au金屬組合， 金屬層厚度為0.01nm/0.03|im/0.02nm/0.06pm。淀積金屬采用的工藝條件為真空度小于 1.8x10—3Pa，功率范圍為200 1000W,蒸發速率小于3A/s;快速熱退火采用的工藝條件為 溫度為840。C,時間為50s。
4. 在勢壘層3上制作掩膜，使用反應離子刻蝕技術在源極和漏極之間的勢壘層上刻蝕 出凹槽6，該凹槽深度D為30nm。刻蝕凹槽采用的工藝條件為反應氣體Cl2的流量為 5sccm,壓力為10mT，功率為100 W。
5. 使用電了束蒸發技術分別在源極4和漏極5的上部，及源極與漏極之間的勢壘層3 上淀積Si02作為絕緣介質層7，該絕緣介質層厚度為lrun。淀積絕緣介質層采用的工藝 條件為真空度小于1.2xlO—3Pa，功率小于50W,蒸發速率小于2A/s。
6. 在Si02絕緣介質層7上制作掩膜，并使用電子束蒸發技術在凹槽6上部的絕緣介 質層上淀積金屬，制作絕緣槽柵8，其中所淀積的金屬采用Ni/Au金屬組合，金屬厚度為0.01pm/0.08nm,該絕緣槽柵8與凹槽6兩端的間距分別為Rl與R2, Rl與R2的長度均 為0.0(im。淀積金屬采用的工藝條件為真空度小于1.2xlO—3Pa，功率范圍為200~700W， 蒸發速率小于2A/s。
7. 使用等離子體增強化學氣相淀積技術在絕緣槽柵8外圍的區域淀積SiN作為鈍化 層9，該鈍化層厚度為0.04pm。淀積鈍化層采用的工藝條件為氣體為NHs、 N2及SiH4， 氣體流量分別為2.5sccm、 900sccm和200sccm，溫度、RF功率和壓力分別為300°C、 25W 和900mT。
8. 在SiN鈍化層9上制作掩膜，使用電子束蒸發技術在源極與漏極之間的鈍化層上 淀積厚度為0.05pm/0.15pm的Ti/Au金屬組合，以制作源場板10及一個浮空場板11，該 源場板的有效長度LO和浮空場板的長度Ll均為0.25pm,源場板與浮空場板之間的距離 Sl為0.06pm。淀積金屬采用的工藝條件為真空度小于1.8xl(T3Pa，功率范圍為 200 700W，蒸發速率小于3A/s。將源場板10與源極4電氣連接。
9. 使用等離子體增強化學氣相淀積技術分別在源場板IO和浮空場板11的外圍區域淀 積厚度為0.22pm的SiN作為保護層12。淀積保護層采用的工藝條件為氣體為NH3、 N2SSiH4，氣體流量分別為2.5sccm、 900sccm和200sccm，溫度、RF功率和壓力分別 為300°C、 25W和900mT。
實施例二
制作襯底為碳化硅，絕緣介質層為SiN，鈍化層為Si02，保護層為Si02，源場板和 各浮空場板為Ni/Au金屬組合的復合源場板的異質結場效應晶體管，其過程是
1. 使用金屬有機物化學氣相淀積技術在碳化硅襯底1上外延厚度為2.6nm的未摻雜 過渡層2，該過渡層自下而上由厚度為70nm的A1N材料和厚度為2.53(am的GaN材料構 成。外延下層A1N材料采用的工藝條件為溫度為1040°C，壓力為85Torr，氫氣流量為 5000sccm，氨氣流量為5000sccm，鋁源流量為16pmol/min;外延上層GaN材料采用的 工藝條件為溫度為1040。C，壓力為85Torr，氫氣流量為5000sccm，氨氣流量為5000sccm， 鎵源流量為180|imol/min。
2. 使用金屬有機物化學氣相淀積技術在GaN過渡層2上淀積厚度為28nm，且鋁組 分為0.3的未摻雜Alo3Gao.7N勢壘層3。采用的工藝條件為溫度為1020。C，壓力為85Torr, 氫氣流量為5000sccm，氨氣流量為5000sccm，鎵源流量為11pmol/min，鋁源流量為 5|imol/min。
3. 在Ala3GaQ.7N勢壘層3上制作掩膜，并使用電子束蒸發技術在其兩端淀積金屬，再在N2氣氛中進行快速熱退火，制作源極4和漏極5，其中所淀積的金屬為Ti/Al/Ni/Au 金屬組合，金屬層厚度為0.02|^m/0.12|nm/0.07nm/0.07nm。淀積金屬采用的工藝條件為 真空度小于1.8xl0,a，功率范圍為20(K1000W，蒸發速率小于3A/s;快速熱退火采用 的工藝條件為溫度為850。C，時間為40s。
4. 在Ala3Gaa7N勢壘層3上制作掩膜，使用反應離子刻蝕技術在源極和漏極之間的 勢壘層上刻蝕出凹槽6，該凹槽深度D為10nm。刻蝕凹槽采用的工藝條件為反應氣體 Cl2的流量為5sccm,壓力為10mT，功率為100 W。
5. 使用等離子體增強化學氣相淀積技術分別在源極4和漏極5的上部，及源極與漏極 之間的勢壘層3上淀積SiN作為絕緣介質層7，該絕緣介質層厚度為10nm。淀積絕緣介 質層采用的工藝條件為氣體為NH3、 N2及SiH4，氣體流量分別為2.5sccm、 900sccm和 200sccm，溫度、RF功率和壓力分別為300°C、 25W和900mT。
6. 在SiN絕緣介質層7上制作掩膜，并使用電子束蒸發技術在凹槽6上部的絕緣介 質層上淀積金屬，制作絕緣槽柵8，其中所淀積的金屬采用Ni/Au金屬組合，金屬厚度為 0.02|_mi/0.3pm，該絕緣槽柵(8)與凹槽(6)兩端的間距分別為Rl與R2， Rl長度為0.5|^m， R2長度為1.5pm。淀積金屬采用的工藝條件為真空度小于1.2xl(^Pa，功率范圍為 200~700W，蒸發速率小于2A/s。
7. 使用電子束蒸發技術在絕緣槽柵外圍的區域淀積Si02作為鈍化層9，該鈍化層厚 度為0.3pm。淀積鈍化層采用的工藝條件為真空度小于1.2xlO—3Pa，功率小于50W,蒸 發速率小于2A/s。
8. 在Si02鈍化層9上制作掩膜，使用電子束蒸發技術在源極與漏極之間的鈍化層上 淀積厚度為0.5pm/l^im的Ni/Au金屬組合，以制作源場板10及兩個浮空場板11，該源 場板的有效長度L0和各浮空場板的長度L1均為lpm，源場板與第一個浮空場板之間的 距離Sl為0.46pm，源場板與第二個浮空場板之間的距離S2為2.4pm。淀積金屬采用的 工藝條件為真空度小于1.8x1 (T3Pa，功率范圍為200~700W，蒸發速率小于3A/s。將源 場板10與源極4電氣連接。
9. 使用等離子體增強化學氣相淀積技術分別在源場板IO和兩個浮空場板11的外圍區 域淀積厚度為1.7pm的Si02作為保護層12。淀積保護層采用的工藝條件為氣體為N20 及SiH4，氣體流量分別為800sccm和150sccm，溫度、RF功率和壓力分別為250°C、 25W 和1000mT。
實施例三制作襯底為硅，絕緣介質層為八1203，鈍化層為SiN，保護層為SiN，源場板和各浮 空場板為Pt/Au金屬組合的復合源場板的異質結場效應晶體管，其過程是
1. 使用金屬有機物化學氣相淀積技術在硅襯底1上外延厚度為5pm的未摻雜過渡層 2，該過渡層自下而上由厚度為135nm的A1N材料和厚度為4.865pm的GaN材料構成。 外延下層A1N材料采用的工藝條件為溫度為880°C，壓力為90Torr，氫氣流量為 5100sccm，氨氣流量為5100sccm，鋁源流量為41^mol/min;外延上層GaN材料采用的 工藝條件為溫度為1070。C，壓力為90Torr，氫氣流量為5100sccm，氨氣流量為5100sccm， 鎵源流量為賜,ol/min。
2. 使用金屬有機物化學氣相淀積技術在GaN過渡層2上淀積厚度為10nm，且鋁組 分為0.5的未摻雜AlQ.5GaG.5N勢壘層3。采用的工藝條件為溫度為1020°C，壓力為90Torr， 氫氣流量為5100sccm，氨氣流量為5100sccm,鎵源流量為10pmol/min，鋁源流量為 10(jmol/min。
3. 在AlG.5Gaa5N勢壘層3上制作掩膜，并使用電子束蒸發技術在其兩端淀積金屬， 再在N2氣氛中進行快速熱退火，制作源極4和漏極5，其中所淀積的金屬為Ti/Al/Ni/Au 金屬組合，金屬層厚度為0.04nm/0.16|am/0.12|am/0.15|^m。淀積金屬采用的工藝條件為 真空度小于1.8xlO—3Pa，功率范圍為20(MO00W，蒸發速率小于3A/s;快速熱退火采用 的工藝條件為溫度為870。C，時間為30s。
4在Alo.5Gao.sN勢壘層3上制作掩膜，使用反應離子刻蝕技術在源極和漏極之間的 勢壘層上刻蝕出凹槽6，該凹槽深度D為2nm。刻蝕凹槽采用的工藝條件為反應氣體 Cl2的流量為5sccm,壓力為10mT，功率為100 W。
5. 使用原子層淀積技術分別在源極4和漏極5的上部，及源極與漏極之間的勢壘層3 上淀積Al203作為絕緣介質層7，該絕緣介質層厚度為100nm。淀積絕緣介質層采用的工 藝條件為以TMA和H20為反應源，載氣為N2，載氣流量為200sccm，襯底溫度為300°C， 氣壓為700Pa。
6. 在A1203絕緣介質層7上制作掩膜，并使用電子束蒸發技術在凹槽6上部的絕緣介 質層上淀積金屬，制作絕緣槽柵8，其中所淀積的金屬采用Ni/Au金屬組合，金屬厚度為 0.04nm/0.4|_im，該絕緣槽柵8與凹槽6兩端的間距分別為Rl與R2， Rl長度為1.5|am, R2長度為3.0)am。淀積金屬采用的工藝條件為真空度小于1.2xlO—3Pa，功率范圍為 200~700W，蒸發速率小于2A/s。
7. 使用等離子體增強化學氣相淀積技術在絕緣槽柵外圍的區域淀積SiN作為鈍化層9，該鈍化層厚度為0.7pm。淀積鈍化層采用的工藝條件為氣體為NH3、 N2及SiH4，氣 體流量分別為2.5sccm、 900sccm和200sccm，溫度、RF功率和壓力分別為300°C 、 25W 和卯OmT。
8. 在SiN鈍化層9上制作掩膜，使用電子束蒸發技術在源極與漏極之間的鈍化層上 淀積厚度為1.6nm/7.4|im的Pt/Au金屬組合，以制作源場板IO及三個浮空場板11，該源 場板的有效長度LO與各浮空場板的長度Ll均為6pm,源場板與第一個浮空場板之間的 距離Sl為2.8pm，源場板與第二個浮空場板之間的距離S2為14.5^m，源場板與第三個 浮空場板之間的距離S3為32pm。淀積金屬采用的工藝條件為真空度小于1.8xlO—3Pa， 功率范圍為200 1000W，蒸發速率小于3A/s。將源場板10與源極4電氣連接。
9. 使用等離子體增強化學氣相淀積技術分別在源場板IO和三個浮空場板11的外圍區 域淀積厚度為9.2nm的SiN作為保護層12。淀積保護層采用的工藝條件為氣體為NH3、 N2及SiH4，氣體流量分別為2.5sccm、 900sccm和200sccm，溫度、RF功率和壓力分別 為300。C、 25W和900mT。
實施例四
制作襯底為藍寶石，絕緣介質層為Si02，鈍化層為SiN，保護層為八1203，源場板和 各浮空場板為Ti/Mo/Au金屬組合的復合源場板的異質結場效應晶體管，其過程是
1. 與實施例一的過程1相同；
2. 與實施例一的過程2相同；
3. 與實施例一的過程3相同；
4. 與實施例一的過程4相同；
5. 與實施例一的過程5相同；
6. 與實施例一的過程6相同；
7. 與實施例一的過程7相同；
8. 在SiN鈍化層9上制作掩膜，使用電子束蒸發技術在源極與漏極之間的鈍化層上 淀積厚度為0.04pm/0.07|_im/0.09nm的Ti/Mo/Au金屬組合，以制作源場板10及四個浮空 場板11，該源場板的有效長度L0和各浮空場板的長度Ll均為0.25nm，源場板與第一 個浮空場板之間的距離Sl為0.06|im，源場板與第二個浮空場板之間的距離S2為0.45pm， 源場板與第三個浮空場板之間的距離S3為0.96(am，源場板與第四個浮空場板之間的距 離S4為1.7)nm。淀積金屬采用的工藝條件為真空度小于1.8xl(T3Pa，功率范圍為200 1800W，蒸發速率小于3A/s。將源場板10與源極4電氣連接。
9.使用原子層淀積技術分別在源場板10和四個浮空場板11的外圍區域淀積厚度為 0.22pm的A1203作為保護層12。淀積保護層采用的工藝條件為以TMA和H20為反應 源，載氣為N2，載氣流量為200sccm，襯底溫度為300'C，氣壓為700Pa。
實施例五
制作襯底為碳化硅，絕緣介質層為SiN，鈍化層為Si02，保護層為SiN，源場板和各 浮空場板為Ti/Ni/Au金屬組合的復合源場板的異質結場效應晶體管，其過程是
1. 與實施例二的過程l相同；
2. 與實施例二的過程2相同；
3. 與實施例二的過程3相同；
4. 與實施例二的過程4相同；
5. 與實施例二的過程5相同；
6. 與實施例二的過程6相同；
7. 與實施例二的過程7相同；
8. 在SiCb鈍化層9上制作掩膜，使用電子束蒸發技術在源極與漏極之間的鈍化層上 淀積厚度為0.3pm/0.9|im/2.8|am的Ti/Ni/Au金屬組合，以制作源場板10及兩個浮空場板 11，該源場板的有效長度L0與各浮空場板的長度Ll均為0.8pm，源場板與第一浮空場 板之間的距離Sl為1.2|am，源場板與第二浮空場板之間的距離S2為4.5pm。淀積金屬 采用的工藝條件為真空度小于1.8xl0,a，功率范圍為200~700W，蒸發速率小于3A/s。 將源場板10與源極4電氣連接。 .
9. 使用等離子體增強化學氣相淀積技術分別在源場板IO和兩個浮空場板11的外圍區 域淀積厚度為4.5pm的SiN作為保護層12。淀積保護層采用的工藝條件為氣體為NH3、 N2&SiH4，氣體流量分別為2.5sccm、 900sccm和200sccm，溫度、RF功率和壓力分別 為300'C、 25W和900mT。
實施例六
制作襯底為硅，絕緣介質層為A1203，鈍化層為SiN，保護層為Si02，源場板和各浮 空場板為Ti/Pt/Au金屬組合的復合源場板的異質結場效應晶體管，其過程是
1. 與實施例三的過程1相同；
2. 與實施例三的過程2相同；3. 與實施例三的過程3相同；
4. 與實施例三的過程4相同；
5. 與實施例三的過程5相同；
6. 與實施例三的過程6相同；
7. 與實施例三的過程7相同；
8. 在SiN鈍化層9上制作掩膜，使用電子束蒸發技術在源極與漏極之間的鈍化層上 淀積厚度為0.5nm/1.5nm/7nm的Ti/Pt/Au金屬組合，以制作源場板10及三個浮空場板 11，該源場板的有效長度L0與各浮空場板的長度Ll均為6pm，源場板與第一個浮空場 板之間的距離Sl為2.8nm，源場板與第二個浮空場板之間的距離S2為15^m，源場板與 第三個浮空場板之間的距離S3為32pm。淀積金屬采用的工藝條件為真空度小于 1.8xl(T3Pa，功率范圍為200 1000W，蒸發速率小于3A/s。將源場板10與源極4電氣連 接。
9. 使用等離子體增強化學氣相淀積技術分別在源場板IO和三個浮空場板U的外圍區 域淀積厚度為9.2nm的Si02作為保護層12。淀積保護層采用的工藝條件為氣體為N20 及SiH4，氣體流量分別為800sccm和150sccm，溫度、RF功率和壓力分別為250°C、 25W 和1000mT。
本發明的效果可通過圖4和圖5進一步說明。
圖4給出了采用Alo.32Gao.68N/GaN異質結結構時，采用傳統源場板的異質結場效應 晶體管與本發明采用兩個浮空場板的器件在AlG.32Gaa68N勢壘層中的電場仿真圖，由該圖 可以看出，采用傳統源場板的異質結場效應晶體管在勢壘層中的電場曲線只形成了 2個 近似相等的電場峰值，其電場曲線所覆蓋的面積很小，而本發明器件在勢壘層中的電場 曲線形成了 4個近似相等的電場峰值，使得本發明器件的電場曲線所覆蓋的面積大大增 加，由于在勢壘層中的電場曲線所覆蓋的面積近似等于器件的擊穿電壓，說明本發明器 件的擊穿電壓遠遠大于采用傳統源場板的異質結場效應晶體管的擊穿電壓。
圖5給出了采用Alo.32GaQ.68N/GaN異質結結構時，釆用傳統源場板的異質結場效應 晶體管與本發明采用兩個浮空場板的器件的擊穿仿真圖，由該圖可以看出，采用傳統源
場板的異質結場效應晶體管的擊穿曲線中發生擊穿，即漏極電流迅速增加時的漏源電壓 大約在610V，而本發明器件的擊穿曲線中發生擊穿時的漏源電壓大約在1550V，證明本 發明器件的擊穿電壓遠遠大于采用傳統源場板的異質結場效應晶體管的擊穿電壓，該圖5 的結論與圖4中的結論相一致。對于本領域的專業人員來說，在了解了本發明內容和原理后，能夠在不背離本發明 的原理和范圍的情況下，根據本發明的方法進行形式和細節上的各種修正和改變，但是 這些基于本發明的修正和改變仍在本發明的權利要求保護范圍之內。
權利要求
1. 一種凹槽絕緣柵型復合源場板的異質結場效應晶體管，包括襯底(1)、過渡層(2)、勢壘層(3)、源極(4)、漏極(5)、絕緣介質層(7)、絕緣槽柵(8)、鈍化層(9)、源場板(10)和保護層(12)，勢壘層(3)上開有凹槽(6)，絕緣槽柵(8)位于凹槽(6)上部的絕緣介質層(7)上，源場板(10)位于鈍化層(9)的上面，源極(4)與源場板(10)電氣連接，其特征在于，源場板(10)與漏極之間的鈍化層上淀積有n個浮空場板(11)，n≥1，這些浮空場板與源場板構成復合源場板結構，提高擊穿電壓。
2. 根據權利要求1所述的復合源場板的異質結場效應晶體管，其特征在于每個浮空場 板大小相同，相互獨立，相鄰兩浮空場板之間的間距按照浮空場板排列自源場板到漏極 方向的個數依次遞增。
3. 根據權利要求1或2所述的復合源場板的異質結場效應晶體管，其特征在于源場板 與其最鄰近的浮空場板之間的距離為0.06~2.8pm。
4. 根據權利要求1或2所述的復合源場板的異質結場效應晶體管，其特征在于每個浮 空場板的厚度與源場板的厚度相同，該厚度為0.2~9nm，每個浮空場板的長度與源場板 的有效長度相同，該長度為0.25 6|am。
5. 根據權利要求1所述的復合源場板的異質結場效應晶體管，其特征在于凹槽(6) 的深度D小于勢壘層的厚度，絕緣槽柵(8)與凹槽(6)兩端的間距分別為R1與R2， Rl長度為0~1.5nm， R2長度為0 3nm，并且R1^R2。
6. —種制作凹槽絕緣柵型復合源場板的異質結場效應晶體管的方法，包括如下過程在襯底(i)上外延m-v族化合物半導體材料的過渡層(2)作為器件的工作區；在過渡層(2)上淀積III-V族化合物半導體材料的勢壘層(3);在勢壘層(3)上第一次制作掩膜，并在勢壘層(3)上的兩端淀積金屬，再在N2氣氛中進行快速熱退火，分別制作源極(4)和漏極(5);在勢壘層(3)上第二次制作掩膜，利用該掩膜在源極和漏極之間的勢壘層刻蝕出凹槽(6);在源極(4)和漏極(5)的上部，及源極與漏極之間的勢壘層(3)上淀積絕緣介質 層(7);在絕緣介質層(7)上制作掩膜，利用該掩膜在凹槽(6)上部的絕緣介質層上淀積 金屬，制作絕緣槽柵(8)，該絕緣槽柵與凹槽(6)兩端的間距分別為R1與R2， Rl長 度為0~1.5pm， R2長度為0~3nm，并且R1^R2;淀積鈍化層(9)，即用絕緣介質材料覆蓋絕緣槽柵外圍的區域；在鈍化層(9)上制作掩膜，利用該掩膜在源極與漏極之間的鈍化層上淀積金屬，同 時制作厚度均為0.2~9pm的源場板(10)和n個浮空場板(11)，論l,并將源場板(10) 與源極(4)電氣連接；淀積保護層(12)，即用絕緣介質材料覆蓋源場板(10)和各浮空場板(11)的外 圍區域。
7. 根據權利要求6所述的方法，其特征在于在絕緣介質層(7)上制作掩膜，是按照 絕緣槽柵(8)與凹槽(6) —端的間距R2大于等于另一端間距R1的分布關系設置。
8. 根據權利要求6所述的方法，其特征在于在源極與漏極之間的鈍化層上淀積金屬制 作厚度均為0.2 9pm的源場板及各浮空場板，采用兩層或三層金屬層的組合，且下層金 屬厚度要小于上層金屬厚度。
9. 根據權利要求8所述的方法，其特征在于三層金屬組合采用Ti/Mo/Au或Ti/Ni/Au 或Ti/Pt/Au，其厚度均為0.04 0.5pm/0.07~1.5(jm/0.09~7nm。
10. 根據權利要求8所述的方法，其特征在于兩層金屬組合采用Ti/Au或Ni/Au或 Pt/Au，其厚度均為0.05~1.6|^m/0.15 7.4pm。
全文摘要
本發明公開了一種凹槽絕緣柵型復合源場板的異質結場效應晶體管，該器件自下而上包括襯底、過渡層、勢壘層、源極、漏極、絕緣介質層、絕緣槽柵、鈍化層、源場板和保護層，勢壘層上開有凹槽，絕緣槽柵位于凹槽上部的絕緣介質層上，源場板位于鈍化層的上面，源極與源場板電氣連接，其中，源場板與漏極之間的鈍化層上淀積有n個浮空場板。這些浮空場板大小相同，相互獨立，相鄰兩浮空場板之間的間距按照浮空場板排列自源場板到漏極方向的個數依次遞增。n個浮空場板處于浮空狀態，并與源場板在鈍化層上一次工藝完成。本發明具有工藝簡單、可靠性好、穩定性強、頻率特性好和輸出功率高的優點，可制作基于III-V族化合物半導體異質結結構的微波功率器件。
文檔編號H01L21/336GK101414634SQ20081023252
公開日2009年4月22日 申請日期2008年12月1日 優先權日2008年12月1日
發明者翠 楊, 維 毛, 過潤秋, 躍 郝 申請人:西安電子科技大學