專利名稱：基于源場板和漏場板的復合場板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，特別是基于寬禁帶化合物半導體材 料異質結結構的復合場板異質結場效應晶體管，可作為功率系統的基本器件。
背景技術：
當今世界，功率半導體器件如功率整流器和功率開關廣泛應用于開關電源、汽車電 子、工業控制、無線電通訊、電機控制等眾多功率領域。功率半導體器件必須具備以下 兩個重要的性能，即高擊穿電壓和低導通電阻。Baliga優值特性反映了在功率半導體器 件中存在擊穿電壓與導通電阻之間的折衷關系，為了滿足高擊穿電壓和低導通電阻的需 要，人們在材料研制、器件結構設計等方面不斷進行探索。硅材料是人們用于制作功率 半導體器件最常用的一種材料，然而隨著科技的發展，硅基的功率半導體器件已經接近 其理論上的極限性能。
為了進一歩提高功率半導體器件的性能，人們采用了寬禁帶化合物半導體材料代替 傳統的硅材料，這類材料，如氮化鎵(GaN)等，往往具有較大的禁帶寬度、高臨界擊穿電 場、高熱導率、高載流子飽和速率等，因此在高頻、高溫、大功率等領域顯示出極大的 優越性，而采用這類寬禁帶化合物半導體材料制作功率半導體器件，既可以確保器件的 導通電阻進一歩減小，又可以確保器件的擊穿電壓進一歩得到提高，尤其是采用寬禁帶 化合物半導體材料異質結結構，如AlGaN和GaN形成的異質結結構，制作的異質結場 效應晶體管，更以其優越的器件性能和巨大的發展潛力而倍受全世界眾多研究者的關注。 1980年，Mimura等人報道成功研制出了第一只AlGaAs/GaAs異質結場效應品體管，參 見A new field-effect transistor with selectively doped GaAs/n畫AlxGa卜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-AlxGa!—xN heterojunction， Applied Physics Letters, Vol. 63, No. 9, pp. 1214-1215, August 1993。隨著器件研究的深入， 人們對基于寬禁帶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地取得突 破。然而，功率系統所使用的異質結場效應晶體管在工作時，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會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，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后，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。
2003年，WataruSaito等人報道了采用源場板的高電子遷移率晶體管，也是一種異質結場 效應品體管，通過對器件結構的優化設計獲得了很高的擊穿電壓，參見High breakdown voltage AlGaN-GaN power-HEMT design and high current density switching behavior, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 50, No. 12, pp. 2528-2531, December 2003。 為了進一 步提高異質結場效應晶體管的擊穿電壓， 一些研究者又提出了采用雙場板的復合結構， 如Watam Saito等人于2005年提出的采用源場板和漏場板的高電子遷移率晶體管，也是一 種異質結場效應晶體管，參見Design optimization of high breakdown voltage AlGaN-GaN power HEMT on an insulating substrate, for RonA-Vb tradeoff characteristics, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 52, No. 1, pp. 106-111, January 2005。由于雙場板的 復合結構在提高異質結場效應品體管擊穿電壓方面的能力仍然有限，因此一些研究者在 異質結場效應晶體管中釆用了堆層場板的結構，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，如Watam Saito等人于2007年提出的采用柵場板和源場板的 雙層場板高電子遷移率晶體管，也是一種異質結場效應晶體管，參見Suppression of Dynamic On-Resistance Increase and Gate Charge Measurements in High-Voltage GaN-HEMTs With Optimized Field-Plate Structure, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 54,No. 8, pp. 1825-1830, August 2007。但是采用堆層場板結構的異質結場效應晶體管 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、清洗等工藝歩驟，而且要使各層場板下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和擊穿電壓高 的基于源場板和漏場板的復合場板異質結場效應晶體管，以增強可靠性，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寬禁帶化合物半導體材料組合而 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、柵極、 鈍化層、源場板、漏場板和保護層，該源場板與源極電氣連接，該漏場板與漏極電氣連
接，其中，源場板與漏場板之間的鈍化層上淀積有n個浮空場板，nd，構成源場板、漏 場板和浮空場板的復合場板結構，以實現在工作時增大勢壘層中耗盡區的面積。
所述的n個浮空場板與源場板和漏場板均位于鈍化層上，這些場板厚度均相同。
所述的源場板與其最鄰近的浮空場板之間的距離為0.07~3.5|_im，漏場板與其最鄰近 的浮空場板之間的距離為0.05 2.6pm。
所述的各浮空場板大小相同，相互獨立，且按照相鄰兩浮空場板之間的間距均為 0.08 4.1pm的方式均勻分布于源場板與漏場板之間。
為實現上述目的，本發明提供的制作基于源場板和漏場板的復合場板異質結場效應 晶體管的方法，包括如下過程
在襯底上外延寬禁帶化合物半導體材料的過渡層作為器件的工作區；
在過渡層上淀積寬禁帶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，在源極和漏極之間的勢壘層上淀積金屬，制作柵極； 淀積鈍化層，即用絕緣介質材料分別覆蓋源極、漏極和柵極，以及勢壘層上的其它
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，以制作 厚度均為0.2 10pm的源場板、各浮空場板及漏場板，并分別將源場板與源極電氣連接， 漏場板與漏極電氣連接；
分別在源場板上部、各浮空場板上部和漏場板上部，以及鈍化層上的其它區域淀積 保護層。
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 l.進一歩增大了高阻區的面積，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，在各個浮空場板彼此之間，以及在漏場板與 其最鄰近的浮空場板之間都存在電容耦合作用，于是電勢從源場板到漏場板逐漸升高， 從而極大地增加了柵極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，即大大提高了器件的擊穿電壓。
2. 進一歩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，器件中柵極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 場板彼此之間以及漏場板與其最鄰近的浮空場板之間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距離、各個浮空場板彼此之間的距離，以及漏場 板與其最鄰近的浮空場板之間距離，能夠使得上述各個電場峰值相等且小于寬禁帶化合
物半導體材料的擊穿電場，從而最大限度地減少了柵極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. 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、各浮空場板和漏場板位于同一層鈍化層上，且只有 一層，因此只需要一歩工藝便能夠同時實現源場板、各浮空場板和漏場板的制作，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歩說明本發明的技術內容和效果。
圖1是采用傳統源場板的異質結場效應晶體管的結構圖； 圖2是本發明基于源場板和漏場板的復合場板異質結場效應晶體管的結構圖； 圖3是本發明基于源場板和漏場板的復合場板異質結場效應晶體管的制作流程圖； 圖4是對傳統器件及本發明器件仿真所得的勢壘層中電場曲線圖； 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，本發明基于源場板和漏場板的復合場板異質結場效應晶體管是基于寬禁帶 化合物半導體材料異質結結構，其結構自下而上為襯底l、過渡層2、勢壘層3、鈍化
7層7與保護層11。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 間制作有柵極6。鈍化層7位于源極4上部、漏極5上部和柵極6上部，以及勢壘層3 上的其它區域。在鈍化層7上制作有源場板8、 n個浮空場板9及漏場板10，論l，源場 板與其最鄰近的浮空場板之間的距離Sl為0.07~3.5pm,漏場板與其最鄰近的浮空場板之 間的距離S3為0.05 2.6pm，各浮空場板與源場板和漏場板位于同一層鈍化層上，且各浮 空場板按照相鄰兩浮空場板之間的間距S2均為0.08~4.1|am的方式均勻分布于源場板與 漏場板之間。各浮空場板9的大小相同，沿著平行于源場板寬度和漏場板寬度的方向放 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LO為 0.2 5pm,每個浮空場板的長度Ll均為0.25~6|am，漏場板的有效長度L2為0.35 7pm。 保護層11位于源場板8上部、各浮空場板9上部和漏場板IO上部，以及鈍化層7上的 其它區域。源場板8與源極4電氣連接，漏場板10與漏極5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 干層相同或不同的寬禁帶化合物半導體材料組成，其厚度為1 5)am;勢壘層3由若干層 相同或不同的寬禁帶化合物半導體材料組成，其厚度為10 50rnn;鈍化層7可以為Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 Ti02或其它絕緣介質材料，其厚度為0.05 0.8(_im;保護層 11可以為Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 Ti02或其它絕緣介質材料，其厚度為 0.25~10.3pm;源場板8、 n個浮空場板9及漏場板10采用兩層或三層的金屬層的組合， 其厚度為0.2~10|im。
參照圖3，本發明制作基于源場板和漏場板的復合場板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1 5)im的寬禁帶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寬禁帶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能夠用于外 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 的寬禁帶化合物半導體材料組成，如僅由AlxGai—xN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
延技術或其它能夠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Ti/Al/Ti/Au組合 或 Ti/Al/Mo/Au 組合，或采用其它金屬組合，金屬厚度為 0.01 0.0,m/0.03 0.16fam/0.02 0.12)im /0.06 0.15pm。淀積金屬的方法采用電子束蒸發技 術或濺射技術或其它能夠用于淀積金屬的技術。
步驟4，在勢壘層3上制作柵極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淀積金屬，制作柵極6， 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|im/0.08~0.4^mi。淀積金屬的方法采用電子束蒸發技術或濺射技術或其它能夠用 于淀積金屬的技術。
步驟5，淀積鈍化層7，如圖3e。
在源極4上部、漏極5上部和柵極6上部，以及勢壘層3上的其它區域淀積鈍化層7， 該鈍化層材料能夠采用Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 Ti02或其它絕緣介質材料，其 厚度為0.05~0.8pm。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能夠用于淀積鈍化層的技術。
步驟6，制作源場板8、各浮空場板9及漏場板10,如圖3f。
在鈍化層7上制作掩膜，該掩膜是按照源場板8與其最鄰近的浮空場板之間的距離 為0.07~3.5nm，漏場板10與其最鄰近的浮空場板之間的距離為0.05~2.6nm，且各浮空 場板按照相鄰兩浮空場板之間的間距均相等的規律設置，該間距為0.08 4.1pm。禾U用該 掩膜在鈍化層上淀積金屬厚度均為0.2 10pm的源場板8、 n個浮空場板9及漏場板10， n21。該源場板、各浮空場板及漏場板的淀積均采用兩層或三層的金屬層組合，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 0.04~3.3|im/0.16 6.7nm;對于三層金屬組合采用Ti/Mo/Au或Ti/Ni/Au或Ti/Pt/Au，厚度 為0.0l5~2^m/0.055~3.2|am/0.13~4.8|im。源場板的有效長度LO為0.2 5|am，每個浮空場 板的長度Ll均為0.25~6|_im，漏場板的有效長度L2為0.35~7nm。淀積金屬的方法采用 電子束蒸發技術或濺射技術或其它能夠用于淀積金屬的技術。完成源場板8、 n個浮空場板9及漏場板10的制作后，將源場板8與源極4電氣連 接，將漏場板10與漏極5電氣連接。 步驟7，淀積保護層ll，如圖3g。
分別在源場板8上部、各浮空場板9上部和漏場板10上部，以及鈍化層7上的其它 區域淀積保護層11，其中保護層材料能夠采用Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 Ti02 或其它絕緣介質材料，其厚度為0.25 10.3pm。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鵬射技術或分子束外延技術或其它能夠用于淀積保護層 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、鈍化層為Si02、保護層為Si02和各場板為Ti/Au金屬組合的復
合場板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上外延厚度為的未摻雜過 渡層2，該過渡層自下而上由厚度為29nm的A1N材料和厚度為0.971|im的GaN材料構 成。外延下層A1N材料采用的工藝條件為溫度為585。C，壓力為100Torr，氫氣流量為 4600sccm，氨氣流量為4600sccm，鋁源流量為33(amol/min;外延上層GaN材料采用的 工藝條件為溫度為1040°C，壓力為100Torr，氫氣流量為4600sccm，氨氣流量為 4600sccm，鎵源流量為150nmol/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50mn的未摻雜 勢壘層3，該勢壘層自下而上由厚度為45nm、鋁組分為0.15的Alai5GaQ.85N材料和厚度 為5nm的GaN材料構成。淀積下層Al^sGao^N材料采用的工藝條件為溫度為1070°C， 壓力為100Torr，氫氣流量為4600sccm，氨氣流量為4600sccm，鎵源流量為16pmol/min， 鋁源流量為3pmol/min;淀積上層GaN材料采用的工藝條件為溫度為1070°C，壓力為 100Torr，氫氣流量為4600sccm,氨氣流量為4600sccm，鎵源流量為8|imol/min。
3. 在勢壘層3上制作掩膜，使用電子束蒸發技術在其兩端淀積金屬，再在N/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0.01^im/0.03^im/0.02i_uW0.06|im。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830。C，時間為30s。4. 在勢壘層3上制作掩膜，使用電子束蒸發技術在源極和漏極之間的勢壘層上淀積金 屬，制作柵極6，其中所淀積的金屬為Ni/Au金屬組合，金屬厚度為0.01(im/0.08nm。淀 積金屬采用的工藝條件為真空度小于1.2xl(T3Pa，功率范圍為200 700W，蒸發速率小 于2A/s。
5. 使用等離子體增強化學氣相淀積技術分別覆蓋源極4、漏極5和柵極6，以及勢壘 層3上的其它區域，完成淀積厚度為0.05pm的Si02鈍化層7。淀積鈍化層采用的工藝條 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。
6. 在Si02鈍化層7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 淀積厚度均為0.04pm/0.16pm的Ti/Au金屬組合，分別制作源場板8、兩個浮空場板9及 漏場板10，該源場板的有效長度LO為0.2pm，各浮空場板的長度Ll為0.25^m，漏場板 的有效長度L2為0.35pm，源場板與其最鄰近的浮空場板之間的距離Sl為0.07pm，兩 浮空場板之間的距離S2為0.08pm，漏場板與其最鄰近的浮空場板之間的距離S3為 0.05,。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200~700W， 蒸發速率小于3A/s。將源場板8與源極4電氣連接，將漏場板10與漏極5電氣連接。
7. 使用等離子體增強化學氣相淀積技術分別覆蓋源場板8、各浮空場板9和漏場板10， 以及鈍化層7上的其它區域，完成淀積厚度為0.25pm的SiCl2保護層11。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。
實施例二
制作襯底為碳化硅、鈍化層為SiN、保護層為SiN和各場板為Ni/Au金屬組合的復 合場板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2.6|im的未摻雜 過渡層2，該過渡層自下而上由厚度為85nm的A1N材料和厚度為2.515pm的GaN材料 構成。外延下層A1N材料采用的工藝條件為溫度為1060°C，壓力為115Torr，氫氣流 量為5200sccm，氨氣流量為5200sccm，鋁源流量為20pmol/min;外延上層GaN材料采 用的工藝條件為溫度為1060°C，壓力為.115Torr，氫氣流量為5200sccm，氨氣流量為 5200sccm，鎵源流量為200,ol/mino
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25nm，且鋁組 分為0.3的未摻雜Ala3Gaa7N勢壘層3。采用的工藝條件為溫度為1050°C，壓力為115Torr，氫氣流量為5200sccm，氨氣流量為5200sccm，鎵源流量為21pmol/min，鋁源 流量為9[xmol/min。
3. 在Al。.3GaQ.7N勢壘層3上制作掩膜，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/Ti/Au金 屬組合，金屬層厚度為0.02)^m/0.12nm/0.07nm/0.07^im。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85(fC,時間為35s。
4. 在Ala3Gaa7N勢壘層3上制作掩膜，使用電子束蒸發技術在源極和漏極之間的 Alo.3Gao.7N勢壘層上淀積金屬，制作柵極6，其中所淀積的金屬為Ni/Au金屬組合，金屬 厚度為0.025lam/0.25pm。淀積金屬采用的工藝條件為真空度小于1.2x10—3Pa，功率范 圍為200~700W，蒸發速率小于2A/s。
5. 使用等離子體增強化學氣相淀積技術分別覆蓋源極4、漏極5和柵極6，以及勢壘 層3上的其它區域，完成淀積厚度為0.25pm的SiN鈍化層7。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900mT。
6. 在SiN鈍化層7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 淀積厚度均為0.7nm/1.3|_im的Ni/Au金屬組合，分別制作源場板8、 二十個浮空場板9 及漏場板10，該源場板的有效長度LO為0.8pm，各浮空場板的長度Ll均為1.0|_im，漏 場板的有效長度L2為0.5|im，源場板與其最鄰近的浮空場板之間的距離Sl為0.8|im, 相鄰兩浮空場板之間的距離S2為0.79^m，漏場板與其最鄰近的浮空場板之間的距離S3 為0.5^m。淀積金屬采用的工藝條件為真空度小于1.8xl(^Pa，功率范圍為200 700W， 蒸發速率小于3A/s。將源場板8與源極4電氣連接，將漏場板10與漏極5電氣連接。
7. 使用等離子體增強化學氣相淀積技術分別覆蓋源場板8、各浮空場板9和漏場板10， 以及鈍化層7上的其它區域，完成淀積厚度為2.3pm的SiN保護層11。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。
實施例三
制作襯底為硅、鈍化層為八1203、保護層為Al203和各場板為Pt/Au金屬組合的復合 場板異質結場效應晶體管，其過程是
l.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，該過渡層自下而上山厚度為M5nm的A1N材料和厚度為4.855pm的GaN材料構成。 外延下層A1N材料采用的工藝條件為溫度為卯0。C,壓力為112Torr,氫氣流量為 5300sccm，氨氣流量為5300sccm，鋁源流量為50pmol/min;外延上層GaN材料采用的 工藝條件為溫度為1090°C，壓力為112Torr，氫氣流量為5300sccm,氨氣流量為 5300sccm，鎵源流量為200,1/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lOrnn，且鋁組 分為0.5的未慘雜Al。.5Gaa5N勢壘層3。采用的工藝條件為溫度為1060。C，壓力為 112Ton:，氫氣流量為5300sccm，氨氣流量為5300sccm，鎵源流量為8(imol/min，鋁源流 量為8)imol/min。
3. 在AlQ.5GaQ.5N勢壘層3上制作掩膜，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/Mo/Au 金屬組合，金屬層厚度為0.04^im/0.16pm/0.12pm/0.15nm。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200~1800W，蒸發速率小于3A/s;快速熱退火采用 的工藝條件為溫度為880。C，時間為45s。
4. 在Ala5Gaa5N勢壘層3上制作掩膜，使用電子束蒸發技術在源極和漏極之間的 Alo.5Gao.5N勢壘層上淀積金屬，制作柵極6，其中所淀積的金屬為Ni/Au金屬組合，金屬 厚度為0.04]im/0.4^im。淀積金屬采用的工藝條件為真空度小于1.2><10—3Pa，功率范圍 為200~700W，蒸發速率小于2A/s。
5. 使用原子層淀積技術分別覆蓋源極4、漏極5和柵極6，以及勢壘層3上的其它區 域，完成淀積厚度為0.8Hm的Al203鈍化層7。淀積鈍化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30(TC，氣壓為700Pa。
6. 在A1203鈍化層7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 淀積厚度均為3.3pm/6.7nm的Pt/Au金屬組合，分別制作源場板8、三十個浮空場板9及 漏場板10，該源場板的有效長度LO為5pm，各浮空場板的長度Ll均為6pm，漏場板的 有效長度L2為7pm，源場板與其最鄰近的浮空場板之間的距離Sl為3.5pm，相鄰兩浮 空場板之間的距離S2為4.1pm，漏場板與其最鄰近的浮空場板之間的距離S3為2.6pm。 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。將源場板8與源極4電氣連接，將漏場板10與漏極5電氣連接。
7. 使用原子層淀積技術分別覆蓋源場板8、各浮空場板9和漏場板10，以及鈍化層7 上的其它區域，完成淀積厚度為10.3pm的八1203保護層11。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。
實施例四
制作襯底為藍寶石、鈍化層為Si02、保護層為Al203和各場板為Ti/Mo/Au金屬組合 的復合場板異質結場效應晶體管，其過程是
1. 與實施例一的過程l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. 在Si02鈍化層7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 淀積厚度均為0.015pm/0.055nm/0.13nm的Ti/Mo/Au金屬組合，分別制作源場板8、五個 浮空場板9及漏場板10，該源場板的有效長度L0為0.2(im，各浮空場板的長度L1均為 0.25pm，漏場板的有效長度L2為0.35pm，源場板與其最鄰近的浮空場板之間的距離Sl 為0.07nm，相鄰兩浮空場板之間的距離S2為0.08nm，漏場板與其最鄰近的浮空場板之 間的距離S3為0.05|am。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200~1800W，蒸發速率小于3A/s。將源場板8與源極4電氣連接，將漏場板10與漏 極5電氣連接。
7. 使用原子層淀積技術分別覆蓋源場板8、各浮空場板9和漏場板10，以及鈍化層7 上的其它區域，完成淀積厚度為0.25pm的八1203保護層11。淀積保護層采用的工藝條件 為以TMA和H20為反應源，載氣為N"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、鈍化層為SiN、保護層為Si02和各場板為Ti/Ni/Au金屬組合的 復合場板異質結場效應晶體管，其過程是
1. 與實施例二的過程1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. 在SiN鈍化層7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 淀積厚度均為0.8|am/2.2pm/3pm的Ti/Ni/Au金屬組合，分別制作源場板8、十個浮空場 板9及漏場板10，該源場板的有效長度L0為0.5pm，各浮空場板的長度Ll均為O.,m， 漏場板的有效長度L2為0.6pm，源場板與其最鄰近的浮空場板之間的距離Sl為2nm， 相鄰兩浮空場板之間的距離S2為2.5pm，漏場板與其最鄰近的浮空場板之間的距離S3 為1.6^m。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 700W， 蒸發速率小于3A/s。將源場板8與源極4電氣連接，將漏場板10與漏極5電氣連接。
7. 使用等離子體增強化學氣相淀積技術分別覆蓋源場板8、各浮空場板9和漏場板10， 以及鈍化層7上的其它區域，完成淀積厚度為6.5pm的Si02保護層11。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禾B 150sccm，溫度、RF 功率和壓力分別為250°C、 25W和1000mT。
實施例六
制作襯底為硅、鈍化層為A1203、保護層為SiN和各場板為Ti/Pt/Au金屬組合的復合 場板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. 在A1203鈍化層7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 淀積厚度均為2nm/3.2^im/4.8(_im的Ti/Pt/Au金屬組合，分別制作源場板8、十五個浮空 場板9及漏場板10，該源場板的有效長度LO為5nm，各浮空場板的長度Ll均為6pm， 漏場板的有效長度L2為7pm，源場板與其最鄰近的浮空場板之間的距離Sl為3.5pm， 相鄰兩浮空場板之間的距離S2為4.1pm,漏場板與其最鄰近的浮空場板之間的距離S3 為2.6nm。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。將源場板8與源極4電氣連接，將漏場板10與漏極5電氣連接。
7. 使用等離子體增強化學氣相淀積技術分別覆蓋源場板8、各浮空場板9和漏場板10， 以及鈍化層7上的其它區域，完成淀積厚度為10.3pm的SiN保護層11。淀積保護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。 本發明的效果可通過圖4和圖5進一歩說明。
圖4給出了采用Al。.24Gaa76N/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三個浮空場板的器件在AlQ.24Gaa76N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，其在勢壘層中的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 5個近似相等的電場峰值，使得本發明器件在勢壘層中的電場 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Ala24Ga,N/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三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605V，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1680V，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. 一種基于源場板和漏場板的復合場板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)、柵極(6)、鈍化層(7)、源場板(8)、漏場板(10)和保護層(11)，該源場板(8)與源極(4)電氣連接，該漏場板(10)與漏極(5)電氣連接，其特征在于，源場板(8)與漏場板(10)之間的鈍化層(7)上淀積有n個浮空場板(9)，n≥1，構成源場板、漏場板和浮空場板的復合場板結構，以實現在工作時增大勢壘層中耗盡區的面積。
2. 根據權利要求1所述的異質結場效應晶體管，其特征在于n個浮空場板(9)與源 場板(8)和漏場板(10)均位于鈍化層(7)上，這些場板厚度均相同。
3. 根據權利要求1或2所述的異質結場效應晶體管，其特征在于源場板(8)與其最 鄰近的浮空場板之間的距離為0.07~3.5|im，漏場板(10)與其最鄰近的浮空場板之間的 距離為0.05 2.6pm。
4. 根據權利要求1所述的異質結場效應晶體管，其特征在于各浮空場板大小相同，相 互獨立，且按照相鄰兩浮空場板之間的間距均為0.08 4.1pm的方式均勻分布于源場板與 漏場板之間。
5. 根據權利要求1或2所述的異質結場效應晶體管，其特征在于每個浮空場板(9) 的厚度均為0.2 1(^m，每個浮空場板的長度均為0.25~6|am，源場板的有效長度為 0.2 5pm，漏場板的有效長度為0.35 7jim。
6. —種制作基于源場板和漏場板的復合場板異質結場效應晶體管的方法，包括如下過程在襯底(1)上外延寬禁帶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)上淀積寬禁帶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)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，在源極(4)和漏極(5)之間的勢壘層上淀積金 屬，制作柵極(6);淀積鈍化層(7)，即用絕緣介質材料分別覆蓋源極(4)、漏極(5)和柵極(6)， 以及勢壘層(3)上的其它區域；在鈍化層(7)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，以 制作厚度均為0.2 10(im的源場板(8)、各浮空場板(9)及漏場板(10)，并分別將源 場板(8)與源極(4)電氣連接，漏場板(10)與漏極(5)電氣連接；分別在源場板(8)上部、各浮空場板(9)上部和漏場板(10)上部，以及鈍化層 (7)上的其它區域淀積保護層(11)。
7. 根據權利要求6所述的方法，其特征在于在鈍化層(7)上制作掩膜，是按照源場 板(8)與其最鄰近的浮空場板之間的距離為0.07~3.5pm，漏場板(10)與其最鄰近的浮 空場板之問的距離為0.05 2.6pm，且相鄰兩浮空場板之間的間距均為0.08~4.1[im的數據 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 10)im的源場板、各浮空場板及漏場板，采用三層或兩層的金屬層組合， 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，厚度為0.015 2|im/0.055~3.2|im/0.13~4.8|_im。
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，厚度為0.04-3.3nm/0.16 6.7^m。
全文摘要
本發明公開了一種基于源場板和漏場板的復合場板異質結場效應晶體管，該器件自下而上包括襯底(1)、過渡層(2)、勢壘層(3)、源極(4)、漏極(5)、柵極(6)、鈍化層(7)、源場板(8)、漏場板(10)和保護層(11)，該源場板(8)與源極(4)電氣連接，該漏場板(10)與漏極(5)電氣連接，其中，源場板(8)與漏場板(10)之間的鈍化層(7)上淀積有n個浮空場板(9)。每個浮空場板大小相同，處于浮空狀態，且按照等間距的方式分布于源場板與漏場板之間。n個浮空場板與源場板和漏場板在鈍化層上一次工藝完成。本發明具有成品率高、可靠性好和輸出功率高的優點，可制作基于寬禁帶化合物半導體材料異質結的大功率器件。
文檔編號H01L21/02GK101414622SQ20081023252
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