凹槽絕緣交疊柵異質結場效應晶體管的制作方法

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專利名稱：凹槽絕緣交疊柵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m-v族化合物半導體材料異質結結構的凹槽絕緣交疊柵異質結場效應晶體管，可用作微波、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m-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in-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，在異質結界面附近的量子勢井中產生高濃度的二維電子氣，這種二維電子氣是由大量的電子載流子構成的。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in-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，可以廣泛用于微波、毫米波通訊系統以及雷達系統等領域，因此異
質結場效應晶體管自從誕生之日起便成為眾多研究者研究的熱點。1980年，Mimum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扁xAs heterostmctures, Japanese Journal of A卯lied 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JJ丄'High electron mobility transistor based on a GaN-AlxGai—xN heteroj unction, 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in-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，通常異質結場效應晶體管工作時，其勢壘層耗盡區中的電場線的分布并不均勻，柵極靠近漏極一側的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。2000年，Zhang等人報道了采用交疊柵的高電子遷移率晶體管，也是一種采用柵場板的異質結場效應晶體管，獲得了較高的擊穿電壓，參見High breakdown GaN HEMT with overlapping gate structure, IEEE Electron Device Letters, Vol. 21, No. 9, pp. 421-423, September 2000。此外，為了進一步減小釆用交疊柵的異質結場效應晶體管的柵極泄漏電流，提高器件柵極的偏置，增加器件的飽和輸出電流，同時提高器件的線性度，改善器件的大信號和小信號微波功率性能，獲得穩定的高輸出功率，一些研究者提出采用凹槽絕緣交疊柵異質結場效應晶體管。2006年，T.Nakayama等人報道了凹槽絕緣柵型柵場板場效應晶體管，也是一種凹槽絕緣交疊柵異質結場效應晶體管，大大減小了器件的柵極泄漏電流，提高了器件的擊穿電壓、線性增益和功率附加效率，獲得了很高的輸出功率，參見CW 140 W recessed-gate AlGaN GaN MISFET with field-modulating plate， Electronics Letters, Vol. 42, No. 8, pp. 489-490， April 2006。然而采用交疊柵的異質結場效應晶體管擊穿電壓的增加是有限度的。2001年，Karmalkar等人報道通過對采用交疊柵的高電子遷移率晶體管進行仿真，揭示了存在一個最優化的場板尺寸結構，使器件的擊穿電壓達到最大值，參見Enhancement of breakdown voltage in AlGaN/GaN high electron mobility transistors using a field plate, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, No.8， pp. 1515-1521, August 2001。因此為了獲得更高的擊穿電壓，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，而堆層場板結構是目前提高異質結場效應晶體管擊穿電壓最為有效的一種結構，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，如Xing等人于2004年報道的采用雙層柵場板的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管，參見High breakdown voltage AlGaN-GaN HEMTs achieved by multiple field plates, IEEE Electron Device Letters, Vol. 25， No. 4， pp. 161-163, April 2004。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。另一個值得人們關注的問題是，所有采用柵場板結構的異質結場效應晶體管都會在柵場板與二維電子氣溝道之間產生附加電容，該附加電容會疊加進器件的柵極與漏極之間的反饋電容中，使得器件的反饋電容增加，導致器件的功率特性和頻率特性均有一定的衰減。另外，器件的反饋電容增加，會減弱器件輸入與輸出之間的隔離，降低了器件的穩定性。

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交疊柵異質結場效應晶體管，以改善器件的頻率特性，實現高成品率和高輸出功率。
為實現上述目的，本發明提供的器件結構采用任何in-v族化合物半導體材料異質結結構，其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、鈍化層、交疊柵和保護層，該勢壘層上開有第一凹槽，該鈍化層上開有第二凹槽，其中，鈍
化層上交疊柵與漏極之間淀積有n個浮空場板，n2l，構成復合的柵場板結構。
所述的每個浮空場板大小相同、相互獨立，且與交疊柵的厚度相同。
所述的交疊柵與其最鄰近的浮空場板之間的距離為0.08~1.3pm，相鄰兩浮空場板之間的間距按照浮空場板排列自交疊柵到漏極方向的個數依次遞增。
為實現上述目的，本發明提供的制作凹槽絕緣交疊柵異質結場效應晶體管的方法，包括如下過程
在襯底上外延m-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m-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，并在源極和漏極之間的勢壘層上刻蝕出第一凹槽；
淀積絕緣介質層，即利用絕緣介質材料分別覆蓋源極上部和漏極上部，以及勢壘層上的其它區域；
在絕緣介質層上部淀積鈍化層；
在鈍化層上第一次制作掩膜，并在源極和漏極之間的鈍化層上刻蝕出第二凹槽，且刻蝕至絕緣介質層的上表面為止，第二凹槽與第一凹槽兩端的間距分別為R1和R2， Rl 的長度為0 2pm， R2的長度為0~4.6pm,并且R1^R2;
在鈍化層上第二次制作掩膜，利用該掩膜在源極與漏極之間的區域淀積金屬，以制作厚度均為0.27~4.4pm的交疊柵及n個浮空場板，論l;
在交疊柵和各浮空場板的外圍區域淀積保護層。
本發明器件與傳統凹槽絕緣交疊柵異質結場效應晶體管比較具有以下優點
1. 進一步增大了耗盡區的面積，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，在交疊柵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，于是電勢從交疊柵到最靠近漏極一側的浮空場板逐漸升高，從而大大增加了交疊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，從而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，器件中交疊柵在絕緣介質層上靠近漏極一側的邊緣、交疊柵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，而且通過調整交疊柵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，從而最大限度地減少了交疊柵在絕緣介質層上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. 改善了器件的頻率特性，增強了器件的穩定性。
本發明由于采用浮空場板結構，一方面使交疊柵與其最鄰近的浮空場板之間以及各浮空場板彼此之間均產生了一個耦合介質電容，另一方面使位于鈍化層上的交疊柵和每個浮空場板與絕緣介質層上表面之間分別產生一個介質電容，這些耦合介質電容與介質電容組成了一個電容網絡，其等效電容遠小于傳統交疊柵所產生的電容，所以與傳統凹槽絕緣交疊柵異質結場效應晶體管相比，本發明器件的反饋電容大大減小，頻率特性得到了顯著改善，同時本發明器件輸入與輸出之間的隔離得到了顯著加強，器件的穩定性得到了進一步增強。
4.工藝簡單，易于實現，成品率高。
本發明器件結構中由于交疊柵和各浮空場板只有一層，因此只需要一步工藝便可以同時實現交疊柵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傳統凹槽絕緣交疊柵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是本發明凹槽絕緣交疊柵異質結場效應晶體管的結構圖；圖3是本發明凹槽絕緣交疊柵異質結場效應晶體管的制作流程圖；圖4是傳統凹槽絕緣交疊柵異質結場效應晶體管的部分等效電容圖；圖5是本發明凹槽絕緣交疊柵異質結場效應晶體管的部分等效電容圖；圖6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7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，本發明凹槽絕緣交疊柵異質結場效應晶體管是基于III-V族化合物半導體異質結結構，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8 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之間刻蝕有第一凹槽6。絕緣介質層7位于源極4上部和漏極5上部，以及勢壘層3上的其它區域。鈍化層8位于絕緣介質層7上部。在源極和漏極之間的鈍化層開有第二凹槽9，該第二凹槽的深度等于鈍化層的厚度，且第二凹槽9與第一凹槽6兩端的間距分別為Rl和 R2， Rl的長度為0~2nm， R2的長度為0-4.6pm，并且R1^R2。交疊柵10的一部分位于第二凹槽9中，另一部分位于鈍化層8的上部。在鈍化層8上部交疊柵10與漏極5之間制作有n個浮空場板ll，！1^1，與交疊柵10構成復合的柵場板結構。第一個浮空場板與交疊柵之間的距離Sl為0.08 1.3pm，相鄰兩浮空場板之間的間距不同，即按照浮空場板個數自交疊柵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S1。各浮空場板ll的大小相同，沿著平行于交疊柵寬度的方向放置，不與任何電極或者金屬接觸，處于相互獨立的浮空狀態。交疊柵位于鈍化層上的有效長度L0為0.25 4.3pm，每個浮空場板的長度Ll均為0.2~3.9pm。保護層12位于交疊柵10和各浮空場板11的外圍區域。
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利.；過渡層2由若千層相同或不同的III-V族化合物半導體材料組成，其厚度為1 5pm;勢壘層3由若干層相同或不同的m-V族化合物半導體材料組成，其厚度為10 50mn;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1 100nm:鈍化層8可以為Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 Ti02或其它絕緣介質材料，其厚度為 0.06~0.7,;保護層12可以為Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 Ti02或其它絕緣介質材料，其厚度為0.3~5nm;交疊柵10及n個浮空場板11采用兩層或三層金屬層的組合，其厚度均為0.27~4.4nm。
參照圖3，本發明制作凹槽絕緣交疊柵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 5Mm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III-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AlN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AlxGaLxAs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0.01~0.04pm/0.03~0.16nm/0.02~0.12nm/0.06~0.15nm。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上刻蝕出第一凹槽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第一凹槽6，該第一凹槽的深度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上部和漏極5上部，以及勢壘層3上的其它區域淀積絕緣介質層7，該絕緣介質層材料可以采用Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 1102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，淀積鈍化層8，如圖3f。
在絕緣介質層7上淀積鈍化層8，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0.06~0.7nm。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7，在鈍化層8上刻蝕出第二凹槽9，如圖3g。
在鈍化層8上制作掩膜，并在源極和漏極之間的鈍化層上刻蝕出第二凹槽9，且刻蝕至絕緣介質層7的上表面為止，該第二凹槽與第一凹槽6兩端的間距分別為Rl和R2， Rl的長度為0 2pm， R2的長度為0~4.6nm，并且R1^R2。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8，制作交疊柵10及各浮空場板11，如圖3h。
在鈍化層8上制作掩膜，該掩膜是按照交疊柵10與其最鄰近的浮空場板之間的距離為0.08~1.3pm，且相鄰兩浮空場板之間的間距依次增大的規律設置。利用該掩膜在源極與漏極之間的區域淀積金屬厚度均為0.27~4.4pm的交疊柵10及n個浮空場板11， r^l。該交疊柵及各浮空場板的淀積均采用兩層或三層金屬層的組合，且下層金屬厚度小于上層金屬厚度。對于兩層金屬組合采用Mo/Au或Ni/Au或Pt/Au，厚度均為0.03~1.5(im/0.24 2.9nm;對于三層金屬組合采用Mo/Ti/Au或Ni/Ti/Au或Pt/Ti/Au，厚度均為0.02 1.2^n/0.1~1.4nm/0.15~1.8nm。交疊柵位于鈍化層上的有效長度L0為 0.25 4.3prn，每個浮空場板的長度Ll均為0.2 3.9pm。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9，淀積保護層12，如圖3i。
在交疊柵10和各浮空場板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0.3 5nm。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，交疊柵和各浮空場板為Mo/Au金屬組合的凹槽絕緣交疊柵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48nm的A1N材料和厚度為0.952nm的GaN材料構成。外延下層A1N材料采用的工藝條件為溫度為62(TC，壓力為195Torr，氫氣流量為 5200sccm,氨氣流量為5200sccm,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195Torr，氫氣流量為5200sccm，氨氣流量為 5200sccm，鎵源流量為200|xmol/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、且鋁組分為0.15的未摻雜Al(H5Gaa8sN勢壘層3。淀積的工藝條件為溫度為H30。C，壓力為 195Torr，氫氣流量為5200sccm，氨氣流量為5200sccm，鎵源流量為28[imol/min，鋁源流量為5阿ol/min。
3. 在Al(H5Gaa85N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/Ni/Au金屬組合，金屬層厚度為0.01nm/0.03nm/0.02nm/0.06nm。淀積金屬采用的工藝條件為真空度小于1.8xl(r3Pa,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60s。
4. 在AlQ.15Gaa85N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第一凹槽6，該第一凹槽的深度D為29nm。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. 使用電子束蒸發技術在源極4上部和漏極5上部，以及勢壘層3上的其它區域淀積 Si02作為絕緣介質層7，該絕緣介質層厚度為lnm。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. 使用等離子體增強化學氣相淀積技術在Si02絕緣介質層7上淀積SiN作為鈍化層 8，該鈍化層厚度為0.06pm。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0mT。
7. 在SiN鈍化層8上制作掩膜，并使用反應離子刻蝕技術在源極和漏極之間的鈍化層刻蝕出第二凹槽9，且刻蝕至絕緣介質層7的上表面為止，該第二凹槽與第一凹槽6 兩端的間距分別為Rl和R2， Rl的長度為.0pm， R2的長度為Opm。刻蝕凹槽采用的工藝條件為氣體為CF4和02，氣體流量分別為20sccm和2sccm,壓力為20mT，偏置電壓為100 V。
8. 在SiN鈍化層8上制作掩膜，使用電子束蒸發技術在源極與漏極之間的區域淀積厚度均為0.03nm/0.24pm的Mo/Au金屬組合，分別制作交疊柵10及一個浮空場板11，該交疊柵位于鈍化層上的有效長度L0為0.25nm，浮空場板的長度Ll為0.2pm，交疊柵與浮空場板之間的距離Sl為0.08)Lim。淀積金屬采用的工藝條件為真空度小于 1.8xl0-3pa，功率范圍為200~1800W，蒸發速率小于3A/s。
9. 使用等離子體增強化學氣相淀積技術覆蓋交疊柵IO和浮空場板11的外圍區域，完成淀積厚度為0.3^m的SiN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，交疊柵和各浮空場板為Ni/Au金屬組合的凹槽絕緣交疊柵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碳化硅襯底1上外延厚度為1.3pm的未摻雜過渡層2，該過渡層自下而上由厚度為85nrn的A1N材料和厚度為1.215pm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197Torr，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197Torr,氫氣流量為5200sccm，氨氣流量為 5200sccm，鎵源流量為200(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29nm的未摻雜勢壘層3，該勢壘層自下而上由厚度為27nm、鋁組分為0.3的Alo.3Gao.7N材料和厚度為 2nm的GaN材料構成。淀積下層AlQ.3GaQ.7N材料采用的工藝條件為溫度為U00。C，壓力為197Torr，氫氣流量為5200sccm，氨氣流量為5200sccm，鎵源流量為18pmol/min，鋁源流量為8pmol/min;淀積上層GaN材料采用的工藝條件為溫度為1100°C，壓力為 197Torr，氫氣流量為5200sccm，氨氣流量為5200sccm，鎵源流量為6pmol/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|im/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850。C，時間為40s。
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第一凹槽6，該第一凹槽的深度D為13nm。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100W。
5. 使用等離子體增強化學氣相淀積技術在源極4上部和漏極5上部，以及勢壘層3 上的其它區域淀積SiN作為絕緣介質層7，該絕緣介質層厚度為30nm。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和卯0mT。
6. 使用電子束蒸發技術在SiN絕緣介質層7上淀積Si02作為鈍化層8，該鈍化層厚度為0.32pm。淀積鈍化層采用的工藝條件為真空度小于1.2xl(T3Pa，功率小于50W，蒸發速率小于2A/s。
7. 在Si02鈍化層8上制作掩膜，并使用反應離子刻蝕技術在源極和漏極之間的鈍化層刻蝕出第二凹槽9，且刻蝕至絕緣介質層7的上表面為止，該第二凹槽與第一凹槽6 兩端的間距分別為Rl和R2， Rl的長度為0.5pm， R2的長度為2|iim。刻蝕凹槽采用的工藝條件為氣體為SF6和02，氣體流量分別為5sccm和2sccm，壓力為10mTorr，偏置電壓為IOOV。
8. 在Si02鈍化層8上制作掩膜，使用電子束蒸發技術在源極與漏極之間的區域淀積厚度均為0.8)Lim/l.^m的Ni/Au金屬組合，分別制作交疊柵IO及兩個浮空場板11，該交疊柵位于鈍化層上的有效長度L0為2.1pm，兩個浮空場板的長度Ll均為2.2pm，交疊柵與第一個浮空場板之間的距離Sl為0.66nm，交疊柵與第二個浮空場板之間的距離S2 為4.2pm。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 700W，蒸發速率小于3A/s。
9.使用等離子體增強化學氣相淀積技術覆蓋交疊柵IO和各浮空場板11的外圍區域，完成淀積厚度為2.5nm的Si02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，交疊柵和各浮空場板為Pt/Au金屬組合的凹槽絕緣交疊柵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的未慘雜過渡層 2，該過渡層自下而上由厚度為145nm的A1N材料和厚度為4.855nm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200Torr，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200Torr，氫氣流量為5300sccm，氨氣流量為 5300sccm，鎵源流量為200nmol/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的未摻雜勢壘層3，該勢壘層自下而上由厚度為8nm、鋁組分為0.5的Alo.5Gaa5N材料和厚度為 2nm的GaN材料構成。淀積下層Alo.5Gao.5N材料采用的工藝條件為溫度為1140°C，壓力為200Torr，氫氣流量為5300sccm，氨氣流量為5300sccm，鎵源流量為10pmol/min，鋁源流量為10pmol/min;淀積上層GaN材料采用的工藝條件為溫度為U40。C，壓力為200Torr，氫氣流量為5300sccm，氨氣流量為5300sccm，鎵源流量為2pmol/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0.04nm/0.16nm/0.12(im/0.15|am。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 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第一凹槽6，該第一凹槽的深度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在源極4上部和漏極5上部，以及勢壘層3上的其它區域淀積 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. 使用等離子體增強化學氣相淀積技術在A1203絕緣介質層7上淀積SiN作為鈍化層 8，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、 Ns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30CTC 、 25W 和900mT。
7. 在SiN鈍化層8上制作掩膜，并使用反應離子刻蝕技術在源極和漏極之間的鈍化層刻蝕出第二凹槽9，且刻蝕至絕緣介質層7的上表面為止，該第二凹槽與第一凹槽6 兩端的間距分別為Rl和R2， Rl的長度為2^Ti， R2的長度為4.6pm。刻蝕凹槽采用的工藝條件為氣體為CF4和02，氣體流量分別為20sccm和2sccm，壓力為20mT，偏置電壓為100 V。
8. 在SiN鈍化層8上制作掩膜，使用電子束蒸發技術在源極與漏極之間的區域淀積厚度均為1.5pm/2.9pm的Pt/Au金屬組合，分別制作交疊柵10及三個浮空場板11 ，該交疊柵位于鈍化層上的有效長度L0為4.3pm，三個浮空場板的長度Ll均為3.9|am，交疊柵與第一個浮空場板之間的距離Sl為L3pm，交疊柵與第二個浮空場板之間的距離S2 為7.9pm，交疊柵與第三個浮空場板之間的距離S3為17|_mi。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。
9. 使用等離子體增強化學氣相淀積技術覆蓋交疊柵IO和各浮空場板11的外圍區域，完成淀積厚度為5pm的SiN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Al203，交疊柵和各浮空場板為Mo/Ti/Au金屬組合的凹槽絕緣交疊柵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. 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8上制作掩膜，使用電子束蒸發技術在源極與漏極之間的區域淀積厚度均為0.02nm/0.1|im/0.15^un的Mo/Ti/Au金屬組合，分別制作交疊柵10及一個浮空場板11 ，該交疊柵位于鈍化層上的有效長度L0為0.25pm，浮空場板的長度Ll為0.2pm，交疊柵與浮空場板之間的距離Sl為0.08pm。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。
9. 使用原子層淀積技術覆蓋交疊柵10和浮空場板11的外圍區域，完成淀積厚度為 0.3pm的八1203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30(TC,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，交疊柵和各浮空場板為Ni/Ti/Au金屬組合的凹槽絕緣交疊柵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. 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Si02鈍化層8上制作掩膜，使用電子束蒸發技術在源極與漏極之間的區域淀積厚度均為0.5nm/0.8nm/lpm的Ni/Ti/Au金屬組合，分別制作交疊柵10及兩個浮空場板 11，該交疊柵位于鈍化層上的有效長度L0為3pm，兩個浮空場板的長度L1均為2pm，交疊柵與第一個浮空場板之間的距離Sl為0.7pm，交疊柵與第二個浮空場板之間的距離 S2為4(im。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。9.使用等離子體增強化學氣相淀積技術覆蓋交疊柵IO和各浮空場板11的外圍區域，完成淀積厚度為2.7)am的SiN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和卯OmT。
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，交疊柵和各浮空場板為Pt/Ti/Au金屬組合的凹槽絕緣交疊柵異質結場效應晶體管，其過程是
1. 與實施例三的過程l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8上制作掩膜，使用電子束蒸發技術在源極與漏極之間的區域淀積厚度均為1.2pm/1.4nm/1.8|am的Pt/Ti/Au金屬組合，分別制作交疊柵10及三個浮空場板 ll，該交疊柵位于鈍化層上的有效長度LO為4.3pm，三個浮空場板的長度Ll均為3.9|im，交疊柵與第一個浮空場板之間的距離S1為1.3pm，交疊柵與第二個浮空場板之間的距離 S2為8pm，交疊柵與第三個浮空場板之間的距離S3為17.5pm。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。
9. 使用等離子體增強化學氣相淀積技術覆蓋交疊柵IO和各浮空場板11的外圍區域，完成淀積厚度為5pm的Si02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、圖5、圖6和圖7進一步說明。
在圖4中，交疊柵位于鈍化層上的部分與絕緣介質層上表面之間產生了一個介質電容Cf，絕緣介質層所產生的介質電容為Ci，勢壘層中所產生的勢壘電容為Cb，因此圖4 所示的傳統凹槽絕緣交疊柵異質結場效應晶體管的交疊柵與二維電子氣溝道之間所產生的附加電容為Cf串聯Ci串聯Cb所得的等效電容。在器件實際工作時，交疊柵與二維電子氣溝道之間所產生的附加電容會疊加進器件的柵極與漏極之間的反饋電容中，使得器件的反饋電容增加，因此該附加電容越大則器件的功率特性和頻率特性衰減越大。
在圖5中，交疊柵位于鈍化層上的部分與絕緣介質層上表面之間產生了一個介質電
容CfO， n個浮空場板與絕緣介質層上表面之間所產生的介質電容分別為Cfl、 CG.....
Cfn;在交疊柵到漏極的方向上，交疊柵與其最鄰近的浮空場板之間所產生的耦合介質電容以及相鄰兩浮空場板之間所產生的耦合介質電容依次為Ccl、 Cc2、…、Ccn，這些電容構成了n個兀形電容網絡，這些兀形電容網絡的總等效電容為Cf (圖中未畫出)。絕緣介質層所產生的介質電容為Ci，勢壘層中所產生的勢壘電容為Cb，因此本發明器件的交疊柵及各浮空場板與二維電子氣溝道之間所產生的附加電容為Cf串聯Ci串聯Cb所得的等效電容。
比較圖4與圖5，在本發明器件中從交疊柵到最后一個浮空場板之間的距離，即 L0+Sn+Ll與傳統交疊柵的有效長度LO相同的情況下，本發明器件中的附加電容遠小于傳統交疊柵器件中的附加電容，表明本發明器件的頻率特性優于傳統凹槽絕緣交疊柵異質結場效應晶體管，同時表明本發明器件加強了輸入與輸出之間的隔離，增強了穩定性。
圖6給出了采用AlG.32Gao.6SN/GaN異質結結構時，傳統凹槽絕緣交疊柵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Alo.32Gaa68N勢壘層中的電場仿真圖，由該圖可以看出，傳統凹槽絕緣交疊柵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 4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傳統凹槽絕緣交疊柵異質結場效應晶體管的擊穿電壓。
圖7給出了采用Ala32Gao.68N/GaN異質結結構時，傳統凹槽絕緣交疊柵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，傳統凹槽
絕緣交疊柵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760V，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1620V,證明本發明器件的擊穿電壓遠遠大于傳統凹槽絕緣交疊柵異質結場效應晶體管的擊穿電壓，該圖7的結論與附圖6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. 一種凹槽絕緣交疊柵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)、鈍化層(8)、交疊柵(10)和保護層(12)，該勢壘層(3)上開有第一凹槽(6)，該鈍化層(8)上開有第二凹槽(9)，其特征在于，鈍化層(8)上交疊柵(10)與漏極(5)之間淀積有n個浮空場板(11)，n≥1，構成復合的柵場板結構。
2. 根據權利要求1所述的凹槽絕緣交疊柵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，且與交疊柵(10)的厚度相同。
3. 根據權利要求1或2所述的凹槽絕緣交疊柵異質結場效應晶體管，其特征在于交疊柵(10)與其最鄰近的浮空場板之間的距離為0.08~1.3pm，相鄰兩浮空場板之間的間距按照浮空場板排列自交疊柵到漏極方向的個數依次遞增。
4. 根據權利要求1或2所述的凹槽絕緣交疊柵異質結場效應晶體管，其特征在于每個浮空場板(11)的厚度均為0.27~4.4nm，長度均為0.2~3.9pm，交疊柵位于鈍化層上的有效長度為0.25 4.3nm。
5. 根據權利要求1所述的凹槽絕緣交疊柵異質結場效應晶體管，其特征在于第一凹槽 (6)的深度D小于勢壘層的厚度，第二四槽(9)與第一凹槽(6)兩端的間距分別為Rl和R2， Rl的長度為0 2pm， R2的長度為0~4.6|am，并且R1^R2。
6. —種制作凹槽絕緣交疊柵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II1-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，并在源極和漏極之間的勢壘層上刻蝕出第一凹槽(6);淀積絕緣介質層(7)，即利用絕緣介質材料分別覆蓋源極(4)上部和漏極(5)上部，以及勢壘層(3)上的其它區域；在絕緣介質層(7)上部淀積鈍化層(8);在鈍化層(8)上第一次制作掩膜，并在源極和漏極之間的鈍化層上刻蝕出第二凹槽 (9)，且刻蝕至絕緣介質層(7)的上表面為止，第二凹槽(9)與第一凹槽(6)兩端的間距分別為Rl和R2， Rl的長度為0~2pm， R2的長度為0~4.6^mi，并且R1^R2;在鈍化層(8)上第二次制作掩膜，利用該掩膜在源極與漏極之間的區域淀積金屬, 以制作厚度均為0.27 4.4pm的交疊柵(10)及n個浮空場板(11)，論l;在交疊柵(10)和各浮空場板(11)的外圍區域淀積保護層(12)。
7. 根據權利要求6所述的方法，其特征在于在鈍化層(8)上制作掩膜，是按照交疊柵與其最鄰近的浮空場板之間的距離為0.08~1.3^m，且相鄰兩浮空場板之間的間距按照依次增大的順序設置。
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，以制作厚度均為0.27 4.4pm的交疊柵及各浮空場板，采用兩層或三層的金屬層組合，且下層金屬厚度小于上層金屬厚度。
9. 根據權利要求8所述的方法，其特征在于兩層金屬組合采用Mo/Au或Ni/Au或 Pt/Au，厚度均為0.03~1.5|am/0.24~2.9nm。
10. 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Mo/Ti/Au或Ni/Ti/Au 或Pt/Ti/Au，厚度均為0.02~1.2pm/0.1~1.4|^m/0,15~1.8|im。
全文摘要
本發明公開了一種凹槽絕緣交疊柵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)、絕緣介質層(7)、鈍化層(8)、交疊柵(10)和保護層(12)，該勢壘層上開有第一凹槽(6)，該鈍化層上開有第二凹槽(9)，其中，鈍化層上交疊柵與漏極之間淀積有n個浮空場板(11)。每個浮空場板大小相同，相互獨立，且相鄰兩浮空場板之間的間距按照浮空場板排列自交疊柵到漏極方向的個數依次遞增。n個浮空場板處于浮空狀態，并與交疊柵通過一次工藝完成。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H01L29/66GK101414637SQ20081023253
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

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