專利名稱：GaN基的MS柵增強型高電子遷移率晶體管及制作方法
技術領域：
本發明屬于微電子技術領域，涉及半導體材料、器件及其制作エ藝。具體的說是ー種GaN基的MS柵增強型高電子遷移率晶體管及制作方法，可用于高溫大功率應用場合以及數字電路基本単元中。
背景技術：
隨著現代武器裝備和航空航天、核能、通信技木、汽車電子、開關電源的發展，對半導體器件的性能提出了更高的要求。作為寬禁帶半導體材料的典型代表，GaN基材料具有禁帶寬度大、電子飽和漂移速度高、臨界擊穿場強高、熱導率高、穩定性好、耐腐蝕、抗輻射等特點，可用于制作高溫、高頻及大功率電子器件。另外，GaN還具有優良的電子特性，可以和AlGaN形成調制摻雜的AlGaN/GaN異質結構,該結構在室溫下可以獲得高于1500cm2/Vs的電子遷移率，以及高達3X107cm/s的峰值電子速度和2X107cm/s的飽和電子速度，并獲得比第二代化合物半導體異質結構更高的ニ維電子氣密度，被譽為是研制微波功率器件的理想材料。因此，基于AlGaN/GaN異質結的高電子遷移率晶體管HEMT在微波大功率器件方面具有非常好的應用前景。AlGaN/GaN異質結材料的生長和AlGaN/GaN HEMT器件的研制始終占據著GaN電子器件研究的主要地位。然而十幾年來針對GaN基電子器件研究的大部分工作集中在耗盡型AlGaN/GaN HEMT器件上，這是因為AlGaN/GaN異質結構中較強極化電荷的存在，使得制造基于GaN的增強型器件變得十分困難，因此高性能AlGaN/GaN增強型HEMT的研究具有非常重要的意義。首先，GaN基材料被譽為是研制微波功率器件的理想材料，而增強型器件在微波功率放大器和低噪聲放大器等電路中由于減少了負電壓源，從而大大降低了電路的復雜性以及成本，且AlGaN/GaN增強型HEMT器件在微波大功率器件和電路具有很好的電路兼容性；同時，增強型器件的研制使單片集成耗盡型/增強型器件的數字電路成為可能；而且，在功率開光應用方面，AlGaN/GaN增強型HEMT也有很大的應用前景；因而高性能AlGaN/GaN增強型HEMT器件的研究得到了極大的重視。目前，不論是國內還是國際上，都有不少關于AlGaN/GaN增強型HEMT的報道。目前報道的主要有以下幾種技術I. F離子注入技術，即基于氟化物CF4的等離子體注入技術，香港科技大學的YongCai等人成功研制了基于F離子注入技術的增強型HEMT器件，該器件通過在AlGaN/GaNHEMT柵下的AlGaN勢壘層中注入F離子，由于F離子的強負電性，勢壘層中的F離子可以提供穩定的負電荷，因而可以有效的耗盡溝道區的強ニ維電子氣，當AlGaN勢壘層中的F離子數達到一定數量時，柵下溝道處的ニ維電子氣完全耗盡，從而實現增強型HEMT器件。但是F注入技術不可避免的會引入材料的損傷，且器件閾值電壓的可控性不高。該器件在室溫下薄層載流子濃度高達I. 3X 1013cm_2，遷移率為lOOOcmVVs，閾值電壓達到O. 9V，最大漏極電流達 310mA/mm。參見文獻 Yong Cai, Yugang Zhou, Kevin J. Chen and Kei May Lau,“High-performance enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs using fluoride-based plasmatreatment”，IEEE Electron Device Lett, Vol. 26, No. 7, JULY 2005。2.非極性或半極性GaN材料實現增強型器件，Masayuki Kuroda等人成功用r面(1102)藍寶石上的a面(1120)n-AlGaN/GaNHEMT實現了器件的增強，由于非極性或半極性材料由于缺少極化效應，因此其ニ維電子氣濃度很小甚至沒有，所以基于非極性或半極性材料的AlGaN/GaN HEMT器件具有增強特性。其報道的閾值電壓為-O. 5V，通過降低參雜濃度可進ー步增大器件閾值電壓，但其器件特性并不好，其電子遷移率只有5. 14cm2/Vs，室溫下方塊電阻很大。且其柵漏電大小在Vgs =-IOV時達到了 I. lX10_5A/mm。參見又獻 Masayuki Kuroaa, hidetoshi Ishida, Tetsuzo Jeaa, and Tsuyoshi Tanaka,“Nonpolar (11-20)plane AlGaN/GaN heterojunction field effect transistors on (1-102)plane sapphire”,Journal of Aplied Phisics, Vol. 102, No. 9,November2007。3.薄勢魚層技術，1996年,M. Asif Khan等人首先用IOnm的AlGaN薄勢魚層技術實現了 AlGaN/GaN增強型HEMT器件，薄勢壘層AlGaN/GaN增強型HEMT器件由于勢壘層厚度減薄，其極化效應減弱，由極化效應引起的溝道處ニ維電子氣濃度減小，從而實現器件閾值電壓的右移。但是他們獲得的結果并不理想，其峰值跨導只有23mS/mm。參見文獻M. AsifKhan,Q. Chen,C. J. bun,j. ff. Yang,and M. Blasingame, “Ennancement and depletion modeGaN/AlGaN heterostructure field effect transistors^Appl. Phys. Lett,Vol. 68,No. 4,January 1996。4.槽柵技術，W. B. Lanford等人通過MOCVD利用槽柵技術制得了閾值電壓達0. 47V的增強型器件，該器件結構自下而上包括=SiC襯底，成核層，2um厚的GaN，3nm厚的AlGaN，IOnm厚的η-AlGaN，IOnm厚的AlGaN。該技術通過將柵下的勢壘層刻蝕一定深度，使得柵下勢壘層變薄，從而使柵下2DEG濃度降低，而源漏區的載流子濃度保持較大值不變，這樣既可實現器件的增強特性，又可保證一定的電流密度。利用槽柵技術實現的增強型器件其外延生長容易控制，但其調控性較差，且刻蝕過程會形成損傷。參見文獻W. B. Lanford,
i.Tanaka, Y.Otoki and I. Adesida,“Recessed-gate enhancement-mode baN HEMT withhigh threshold voltage，，，Electronics Letrers, Vol. 41, No. 7 March 2005。綜上所述，目前國際上AlGaN/GaN HEMT增強型器件主要采用基于槽柵技術和基于氟離子注入技術形成，其均存在如下不足(I)閾值電壓的増大往往是以減小電流密度為代價的，很難實現高閾值電壓和高電流密度共存的增強型器件；(2)無論槽柵技術還是氟離子注入技術都會對材料造成損傷，雖然經過退火可以消除一定損傷，但是殘留的損傷仍然會對器件性能和可靠性造成影響，同時目前這種エ藝的重復性還不高；(3)制作短柵長的短溝道器件的エ藝難度較大，導致器件可靠性低。
發明內容
本發明的目的在于克服上述已有技術的缺陷，提出ー種GaN基的MS柵增強型高電子遷移率晶體管及制作方法，以增大器件的電流密度，降低エ藝難度，提高器件的可靠性，滿足實際應用。為實現上述目的，本發明提供的高電子遷移率晶體管的結構自下而上包括自下而上包括襯底、過渡層和GaN主緩沖層，其特征在于GaN主緩沖層的中間刻蝕有凹槽，該凹槽的底面為0001極性面，凹槽側面為非0001面，凹槽兩側的GaN主緩沖層上方為AlGaN主勢壘層，GaN主緩沖層和AlGaN主勢壘層界面上形成主ニ維電子氣2DEG層；凹槽的底面和側面方向上以及凹槽兩側的AlGaN主勢壘層表面，依次設有GaN次緩沖層和AlGaN次勢壘層；凹槽底面上方的GaN次緩沖層與AlGaN次勢壘層的界面上形成次ニ維電子氣2DEG層；凹槽側面方向上方的GaN次緩沖層與AlGaN次勢壘層為非0001面的AlGaN/GaN異質結，該異質結界面處形成增強型的ニ維電子氣2DEG層；凹槽兩側的GaN次緩沖層與AlGaN次勢壘層的界面上形成輔ニ維電子氣2DEG層；所述AlGaN次勢壘層的上為源級、漏級、柵極和介質層，該·源級和漏級分別位于AlGaN次勢壘層上方的兩側，柵極位于AlGaN次勢壘層上方的中間，介質層分布在源級、漏級、柵級之外的區域；所述的輔ニ維電子氣2DEG層、增強型的ニ維電子氣層以及次ニ維電子氣2DEG層，通過電子流經形成第一導電溝道；所述的主ニ維電子氣2DEG層、增強型的ニ維電子氣2DEG層以及次ニ維電子氣2DEG層，通過電子流經形成第二導電溝道，使凹槽兩側的區域均為雙溝道結構。所述次ニ維電子氣2DEG層的水平位置低于主ニ維電子氣2DEG層的水平位置。所述AlGaN主勢壘層和AlGaN次勢壘層為摻雜濃度為10 X IO19CnT3的N型AlGaN。為實現上述目的，本發明的GaN基的MS柵增強型高電子遷移率晶體管及制作方法，包括如下步驟I)在反應室中對襯底表面進行預處理；2)在襯底上外延厚度為I. 2um-3. 2um的GaN主緩沖層；3)在GaN外延層上外延N型摻雜的AlxGa^xN主勢壘層，在襯底上形成AlGaN/GaN異質結外延層，該AlxGa1J^主勢魚層厚度為15nm-38nm,且O. 18 < x < O. 4 ;4)光刻AlGaN/GaN異質結外延層，并采用反應離子刻蝕RIE方法，在AlGaN/GaN外延層上刻蝕形成長為O. 5um，深度為40nm-160nm的凹槽；5)將刻蝕后的外延層通過金屬有機物化學氣相淀積MOCVD反應室二次外延厚度為24nm-120nm的GaN次緩沖層；6)采用MOCVD技術在二次外延的GaN層上外延厚度為15nm_38nm的AlxGa1J次勢壘層，且O. 18 ^ X ^ 0.4 ；7)在二次外延的AlxGahN次勢壘層上，采用等離子增強化學氣相淀積PECVD方法淀積厚度為lnm-20nm的介質層；8)在介質層上，光刻出源、漏、柵區域，并刻蝕去窗口下的介質層，獲得源、漏、柵窗Π ；9)光刻出源、漏區域，采用電子束蒸發技術淀積歐姆接觸的金屬，并進行金屬剝離；10)對歐姆接觸金屬進行退火，形成源、漏接觸電極；11)光刻出柵區域，并采用電子束蒸發技術淀積柵極金屬，經剝離后形成肖特基柵電極；
12)光刻已形成源、漏、柵極的外延片，獲得加厚電極圖形，并采用電子束蒸發技術加厚電極，完成器件制作。所述步驟2)中外延GaN主緩沖層的エ藝條件為溫度為1050°C，壓カ為20Torr，氫氣流量為1500sccm,氨氣流量為6000sccm,鎵源流量為220sccm。所述步驟5)中二次外延GaN次緩沖層的エ藝條件為溫度為1050°C，壓カ為20Torr,氫氣流量為1500sccm,氨氣流量為3000sccm,鎵源流量為150sccm。所述步驟7)中用等離子增強化學氣相淀積PECVD方法淀積介質層的エ藝條件為氨氣流量為2. 5sccm，氮氣流量為900sccm，硅烷流量為200sccm，溫度為300°C，壓カ為900mT，功率為 25W。 本發明具有如下優點I.本發明由于在GaN主緩沖層中間刻蝕有凹槽，且凹槽的底面為0001極性面，凹槽側面為非0001面，因此沿凹槽側面方向上外延的非0001面GaN次緩沖層與AlGaN次勢壘層形成的AlGaN/GaN異質結結構，該結構降低甚至消除了極化效應，使該異質結界面處形成的ニ維電子氣濃度很低，甚至沒有ニ維電子氣，使凹槽側壁異質結界面處形成了增強型的ニ維電子氣2DEG層；同時由于在凹槽兩側的GaN主緩沖層和AlGaN主勢壘層界面上形成主ニ維電子氣2DEG層，在凹槽兩側的GaN次緩沖層與AlGaN次勢壘層界面上形成輔ニ維電子氣2DEG層，在凹槽底面上的GaN次緩沖層與AlGaN次勢壘層界面上形成次ニ維電子氣2DEG層，因而當電子流經輔ニ維電子氣2DEG層、增強型的ニ維電子氣2DEG層以及次ニ維電子氣2DEG層時形成第一導電溝道；當電子流經主ニ維電子氣2DEG層、增強型的ニ維電子氣2DEG層以及次ニ維電子氣2DEG層形成第二導電溝道，使得本發明具有雙溝道導電機制。2.本發明對于第一導電溝道，只有當柵極施加一定程度的正電壓時，凹槽側面的次緩沖層和次勢壘層界面的增強型的ニ維電子氣2DEG層才能形成ニ維電子氣溝道，從而實現第一導電通道的導通，即實現了器件的增強特性。對于第二導電通道，由于凹槽側面二次生長的次GaN緩沖層相當于ー層隔離層，只有當柵極施加一定正電壓，在該GaN隔離層中形成較強水平漂移電場，在此漂移電場作用下溝道電子可以實現導通，從而形成電流。現有的AlGaN/GaN HEMT器件由于高濃度ニ維電子氣2DEG的存在，在柵壓為零甚至更低的負值時器件都是導通狀態的，因而很難實現器件的增強；而本發明高電子遷移率晶體管無論是第一導電溝道的導通還是第二導電溝道的導通都需要一定的柵極正電壓，因此本發明可以實現良好的增強特性。3.本發明由于器件的凹槽兩側的區域均為雙溝道結構，且第二導電溝道上方的AlGaN勢壘層采用N型甚至N+型摻雜，不僅可大大減小器件的歐姆接觸電阻，而且大大降低了器件源極和漏極的串聯電阻；同時由于引入第二導電溝道的導電機制，可以使電子流經凹槽側壁的增強型的ニ維電子氣2DEG層的距離大大縮短，避免了凹槽側壁的增強型的ニ維電子氣2DEG層導電性較低對電流的限制，顯著提高了器件的電流密度，使本發明具有高電流密度特性；此外由于從柵電極發源的電カ線可以終止于第一導電溝道、N型AlGaN主勢壘層、N型AlGaN次勢壘層以及第ニ導電通道，將柵極與溝道間的電カ線分散，電場強度減弱，從而提高了器件的擊穿電壓，使本發明具有高擊穿電壓。4.本發明器件制作方法中的エ藝步驟均是目前國內外相對比較成熟的，而且エ藝流程也相對簡單，成本低，能完全與成熟的耗盡型AlGaN/GaN HEMT器件制備エ藝兼容。另夕卜，本發明采用了反應離子刻蝕方法進行刻蝕，并且在后續的高溫二次生長中，可在一定程度上對刻蝕形成的表面損傷進行修復，以減少刻蝕損傷對器件性能和可靠性的影響。與目前國內外常用的槽柵刻蝕方法相比，本發明能更有效的避免了刻蝕引起的材料損傷，器件
可靠性更高。
圖I是本發明GaN基的MS柵增強型高電子遷移率晶體管結構圖；圖2是本發明制備GaN基的MS柵增強型高電子遷移率晶體管エ藝流程圖。
具體實施例方式參照圖1，本發明的GaN基的MS柵增強型高電子遷移率晶體管，包括襯底I、過渡層2、GaN主緩沖層3、凹槽4、AlGaN主勢壘層5、GaN次緩沖層6、AlGaN次勢壘層7、源級
8、漏級9、介質層10、柵極11 ;襯底I上方為過渡層2 ;過渡層2上方為GaN主緩沖層3，該GaN主緩沖層3厚度為I. 2um-3. 2um ;凹槽4刻蝕在GaN主緩沖層3的中間，該凹槽4長為O. 5um,深度為40nm-160nm,且凹槽4的底面為0001極性面，凹槽4側面為非0001面；凹槽4兩側的GaN主緩沖層3上方為N型摻雜的AlGaN主勢壘層5，該AlGaN主勢壘層5的厚度為15nm-38nm,摻雜濃度為10 X IO19Cm-3,且O. 18彡x彡O. 4 ；GaN主緩沖層3和AlGaN主勢壘層5界面上形成主ニ維電子氣2DEG層12 ;凹槽4的底面和側面方向上以及凹槽兩側的AlGaN主勢壘層5表面上方為GaN次緩沖層6，該GaN次緩沖層6的厚度為24nm_120nm ；GaN次緩沖層6上方為N型摻雜的AlGaN次勢壘層7，該AlGaN次勢壘層7的厚度為15nm_38nm，摻雜濃度為IOX 1019cnT3，且O. 18彡X彡O. 4 ;凹槽4底面上方的GaN次緩沖層6與AlGaN次勢壘層7的界面上形成次ニ維電子氣2DEG層13，且該次ニ維電子氣2DEG層13的水平位置低于主ニ維電子氣2DEG層(12)的水平位置；凹槽4兩側的GaN次緩沖層6與AlGaN次勢壘層7的界面上形成輔ニ維電子氣2DEG層14 ;凹槽側面方向上的GaN次緩沖層6與AlGaN次勢魚層7為非0001面的AlGaN/GaN異質結,該異質結界面處形成增強型的ニ維電子氣2DEG層15 ;AlGaN次勢壘層7的上為源級8、漏級9、柵極11和介質層10，該源級8和漏級9分別位于AlGaN次勢壘層7上方的兩側，柵極11位于AlGaN次勢壘層7上方的中間，介質層10分布在源級、漏級、柵級之外的區域，且其厚度為lnm-20nm ;電子流經凹槽左側的輔ニ維電子氣2DEG層14、凹槽左側壁的增強型的ニ維電子氣層15、凹槽底面的次ニ維電子氣2DEG層13以及凹槽右側壁的增強型的ニ維電子氣層15、凹槽右側的輔ニ維電子氣2DEG層14形成第一導電溝道16 ;電子流經凹槽左側的主ニ維電子氣2DEG層12、凹槽左側壁的增強型的ニ維電子氣2DEG層15、凹槽底面的次ニ維電子氣2DEG層13以及凹槽右側壁增強型的ニ維電子氣層15、凹槽右側的主ニ維電子氣2DEG層12形成第二導電溝道17，使凹槽4兩側的區域均為雙溝道結構。參照圖2，本發明GaN基的MS柵增強型高電子遷移率晶體管的制作方法，給出以下三種實施例。實施例I制作成GaN主緩沖層厚度為I. 2um, Ala4Gaa6N主勢壘層厚度為15nm，凹槽刻蝕深度為40nm，GaN次緩沖層厚度為24nm，Ala4Gaa6N次勢壘層厚度為15nm，柵介質層厚度為Inm的GaN基的MS柵增強型高電子遷移率晶體管，其步驟是步驟一，襯底的熱處理及表面氮化將藍寶石襯底置于金屬有機物化學氣相淀積MOCVD反應室中，將反應室的真空度抽至I X KT2Torr之下，在流量為1500sCCm的氫氣與流量為2000sCCm的氨氣的混合氣體保護下，對藍寶石襯底進行熱處理和表面氮化，加熱溫度為1050°C，壓カ為20Torr。步驟ニ，外延AlN過渡層采用MOCVD技術，在溫度為1050°C，壓カ為20Torr，氫氣流量為1500sccm，氨氣流量為2000sCCm，鋁源流量為30SCCm的エ藝條件下，在經熱處理和表面氮化后藍寶石襯底上 外延厚度為150nm的AlN過渡層，如圖2(a)。步驟三，外延GaN主緩沖層采用MOCVD技術，在溫度為1050°C，壓カ為20Torr，氫氣流量為1500sccm，氨氣流量為6000SCCm，鎵源流量為220SCCm的エ藝條件下，在AlN過渡層上外延厚度為I. 2um的GaN主緩沖層，如圖2(b)。步驟四，外延N型摻雜的Ala4Gaa6N主勢壘層采用MOCVD技術，在溫度為920°C，壓カ為40Torr，氫氣流量為6000sccm，氨氣流量為5000SCCm，鋁源流量為lOsccm，鎵源流量為40sCCm的エ藝條件下，在主緩沖層上外延厚度為15nm的N型摻雜Ala4Gaa6N主勢壘層，通過在生長過程中通入硅烷SiH4實現摻雜濃度為10X1019cm_3的N型摻雜，這樣在AlN過渡層上形成了 AlGaN/GaN異質結，在質結界面處形成了ニ維電子氣2DEG，形成的外延片結構如圖2(c)。步驟五,淀積SiO2層掩膜層對外延片進行清洗后，采用電子束蒸發設備在外延片上淀積厚度為150nm的SiO2層，如圖2(d)，該SiO2層可以與光刻膠在外延片表面形成共同起保護作用的雙層掩膜圖形，更有利于對未刻蝕區域表面的保護。步驟六，光刻并刻蝕形成凹槽結構在淀積了 SiO2層的外延片表面上，通過甩正膠、軟烘、曝光以及顯影形成刻蝕所需的凹槽窗ロ，并采用反應離子刻蝕RIE方法，在氯氣Cl2流量為15SCCm，功率為200W，壓強為IOmT的エ藝條件下刻蝕外延片，刻蝕深度為40nm，形成凹槽結構，如圖2(e)。步驟七，去膠并去除SiO2掩膜層用丙酮溶液去除刻蝕后外延片上殘余的正膠，然后在HF溶液中腐蝕步驟五中淀積的SiO2掩膜,最后用超純水清洗并用氮氣吹干。步驟八，外延片的熱處理及表面氮化將反應室的真空度抽至I X KT2Torr之下，在流量為1500sCCm的氫氣與流量為2000sccm的氨氣的混合氣體保護下對清洗后的外延片進行熱處理，加熱溫度為1000°C，壓カ為 20Torr。步驟九，二次外延GaN次緩沖層利用MOCVD技術，在溫度為1050°C，壓カ為20Torr，氫氣流量為1500sccm，氨氣流量為3000SCCm，鎵源流量為150SCCm的エ藝條件下，在外延片上外延厚度為24nm的GaN次緩沖層，如圖2(f)。
步驟十，二次外延Ala4Gaa6N次勢壘層利用MOCVD技術，采用溫度為920°C，壓カ為40Torr，氫氣流量為6000sccm，氨氣流量為5000sccm，鋁源流量為lOsccm，鎵源流量為40sccm的エ藝條件，并且在生長過程中通入硅烷SiH4實現摻雜濃度為IOX IO19CnT3的N型摻雜，在GaN次緩沖層上外延形成厚度為15nm的N型摻雜Ala4Gaa6N次勢壘層，這樣在凹槽底面上和凹槽兩側的Ala4Gaa6N次勢壘層和GaN次緩沖層形成了 AlGaN/GaN異質結，該異質結界面處形成有ニ維電子氣2DEG，夕卜延后形成的外延片結構如圖2(g)。步驟^--,淀積SiN介質層利用等離子增強化學氣相淀積PECVD方法，在氨氣流量為2. 5sCCm，氮氣流量為900sccm,硅烷流量為200sccm，溫度為300°C，壓カ為900mT，功率為25W的エ藝條件下，淀積厚度為Inm的SiN介質層，該介質層覆蓋整個凹槽，如圖2(h)。步驟十二，光刻出源、漏窗ロ 12a)通過甩正膠、軟烘、曝光以及顯影，形成源、漏、柵的光刻窗ロ，并采用濕法刻蝕方法去除源、漏、柵區域下的SiN介質薄膜。12a)對去除了源、漏、柵區域下的SiN介質薄膜的外延片進行甩正膠、軟烘、曝光以及顯影獲得源、漏區域窗ロ，并利用等離子去膠機去除窗ロ區域未顯影干凈的光刻膠薄層，以提高金屬剝離的成品率。步驟十三，蒸發歐姆接觸金屬采用電子束蒸發儀器，在真空度小于2. OX 10_6Pa，功率范圍為600W，蒸發速率不大于3埃/秒的エ藝條件下蒸發Ti、Al、Ni、Au四層歐姆接觸金屬，Ti、Al、Ni、Au的厚度分別為 30nm、180nm、40nm、60nm。步驟十四，金屬剝離并進行歐姆接觸退火首先將蒸發完歐姆接觸金屬的外延片在丙酮溶液中浸泡20min，然后進行超聲清洗，接著超純水沖洗和氮氣吹干，以實現金屬的剝離，最后在氮氣氣氛中、850°C的溫度下進行30s的歐姆接觸退火，成源、漏接觸電極，如圖2 (i)。
步驟十五，光刻出柵窗ロ 在退火后的外延片上進行甩正膠、軟烘、曝光以及顯影獲得柵窗ロ。步驟十六，蒸發柵金屬采用電子束蒸發儀器,淀積Ni、Au兩層金屬，Ni、Au的厚度分別為30nm、200nm,隨后將器件浸泡在剝離液中進行金屬剝離，接著用超純水沖洗2min，最后氮氣吹干，最終獲得柵電極，如圖2 (j)。步驟十七，完成器件制作光刻已形成源、漏、柵極的外延片，獲得加厚電極圖形，并采用電子束蒸發技術加厚電極，完成如圖I所示的器件制作。實施例2制作成GaN主緩沖層厚度為2. 5um, Al0.3Ga0.7N主勢壘層厚度為28nm，凹槽刻蝕深度為lOOnm，GaN次緩沖層厚度為70nm，Ala 3Gaa 7N次勢壘層厚度為28nm，柵介質層厚度為IOnm的GaN基的MS柵增強型高電子遷移率晶體管，其步驟是步驟I，與實施例I的步驟ー相同。
步驟2，與實施例I的步驟二相同。步驟3，采用MOCVD技術在AlN過渡層上外延厚度為2. 5um的GaN主緩沖層，如圖2(b)，外延采用的エ藝條件為溫度為1050°C，壓カ為20Torr，氫氣流量為1500sCCm，氨氣流量為6000sccm,鎵源流量為220sccm。步驟4，采用MOCVD技術在主緩沖層上外延厚度為28nm的N型摻雜Ala3Gaa7N主勢壘層，這樣在AlN過渡層上形成了 AlGaN/GaN異質結，在質結界面處形成了ニ維電子氣2DEG，形成的外延片結構如圖2 (C)，外延采用的エ藝條件為溫度為920°C，壓カ為40Torr，氫氣流量為6000sccm,氨氣流量為5000sccm,招源流量為IOsccm,鎵源流量為40sccm,且通過在生長過程中通入硅烷SiH4實現摻雜濃度為IOX IO19CnT3的N型摻雜。步驟5，與實施例I的步驟五相同。步驟6，在淀積了 SiO2層的外延片表面上，通過甩正膠、軟烘、曝光以及顯影形成 刻蝕所需的凹槽窗ロ，并采用反應離子刻蝕RIE方法刻蝕外延片,刻蝕深度為lOOnm，形成凹槽結構如圖2(e)，刻蝕采用的エ藝條件為氯氣Cl2流量為15SCCm，功率為200W，壓強為IOmT的エ藝條件下。步驟7，與實施例I的步驟七相同。步驟8，與實施例I的步驟八相同。步驟9，利用MOCVD技術，在外延片上外延厚度70nm的GaN次緩沖層，如圖2 (f)，外延采用的エ藝條件為 .溫度為1050°C，壓カ為20Torr，氫氣流量為1500sCCm，氨氣流量為3000sccm,嫁源流量為 150sccm。步驟10，利用MOCVD技術，在GaN次緩沖層上外延形成厚度為28nm的N型摻雜Ala3Gaa7N次勢壘層，這樣在凹槽底面上和凹槽兩側的Ala3Gaa7N次勢壘層和GaN次緩沖層形成了 AlGaN/GaN異質結，該異質結界面處形成有ニ維電子氣2DEG,外延后形成的外延片結構如圖2(g)，外延采用的エ藝條件為溫度為920°C，壓カ為40Torr，氫氣流量為6000sccm，氨氣流量為5000sccm，鋁源流量為lOsccm，鎵源流量為40sccm，并且在生長過程中通入硅烷SiH4實現摻雜濃度為IOX IO19CnT3的N型摻雜。步驟11，利用等離子增強化學氣相淀積PECVD方法，淀積厚度為IOnm的SiN介質層，該介質層覆蓋整個凹槽，如圖2(h)，淀積采用的エ藝條件為氨氣流量為2. 5SCCm，氮氣流量為900sccm，硅烷流量為200sccm，溫度為300°C，壓カ為900mT，功率為25W。步驟12，與實施例I的步驟十二相同。步驟13，與實施例I的步驟十三相同。步驟14，與實施例I的步驟十四相同。步驟15，與實施例I的步驟十五相同。步驟16，與實施例I的步驟十六相同。步驟17，與實施例I的步驟十七相同。實施例3制作成GaN主緩沖層厚度為3. 2um，Alai8Gaa82N主勢壘層厚度為38nm，凹槽刻蝕深度為160nm，GaN次緩沖層厚度為120nm，Al。. 18GaQ.82N次勢壘層厚度為38nm，柵介質層厚度為20nm的GaN基的MS柵增強型高電子遷移率晶體管，其步驟是步驟A，與實施例I的步驟ー相同。
步驟B，與實施例I的步驟二相同。步驟C，采用溫度為1050°C，壓カ為20Torr，氫氣流量為1500sccm，氨氣流量為6000sccm,鎵源流量為220SCCm的エ藝條件，通過MOCVD技術，在AlN過渡層上外延厚度為
3.2um的GaN主緩沖層，如圖2 (b)。步驟D，采用溫度為920°C，壓カ為40Torr，氫氣流量為6000sccm，氨氣流量為5000sccm,鋁源流量為lOsccm，鎵源流量為40sccm的エ藝條件，通過MOCVD技術，在主緩沖層上外延厚度為38nm的N型摻雜Alai8Gaa82N主勢壘層，通過在生長過程中通入硅烷SiH4實現摻雜濃度為10X1019cm_3的N型摻雜，這樣在AlN過渡層上形成了 AlGaN/GaN異質結，在質結界面處形成了ニ維電子氣2DEG，形成的外延片結構如圖2(c)。步驟E,與實施例I的步驟五相同。步驟6，在淀積了 5102層的外延片表面上，通過甩正膠、軟烘、曝光以及顯影形成刻蝕所需的凹槽窗ロ，并采用反應離子刻蝕RIE方法，在氯氣Cl2流量為15SCCm，功率為200W，壓強為IOmT的エ藝條件下刻蝕外延片，刻蝕深度為160nm，形成凹槽結構，如圖2(e)。步驟F,與實施例I的步驟七相同。步驟G，與實施例I的步驟八相同。步驟H，在溫度為1050°C，壓カ為20Torr，氫氣流量為1500sccm，氨氣流量為 3000sccm,鎵源流量為150sccm的エ藝條件下，通過MOCVD技術，在外延片上外延厚度120nm的GaN次緩沖層，如圖2(f)。步驟I，采用溫度為920°C，壓カ為40Torr，氫氣流量為6000sccm，氨氣流量為5000sccm，鋁源流量為lOsccm，鎵源流量為40sccm的エ藝條件，并且在生長過程中通入硅烷SiH4實現摻雜濃度為IOX IO19CnT3的N型摻雜，利用MOCVD技術，在GaN次緩沖層上外延形成厚度為38nm的N型摻雜Alai8Gaa82N次勢壘層，這樣在凹槽底面上和凹槽兩側的Alai8Gaa82N次勢壘層和GaN次緩沖層形成了 AlGaN/GaN異質結，該異質結界面處形成有ニ維電子氣2DEG，外延后形成的外延片結構如圖2(g)。步驟J，在氨氣流量為2. 5sccm,氮氣流量為900sccm，硅烷流量為200sccm，溫度為3000C，壓カ為900mT，功率為25W的エ藝條件下，利用等離子增強化學氣相淀積PECVD方法，淀積厚度為20nm的SiN介質層，該介質層覆蓋整個凹槽，如圖2(h)。步驟K，與實施例I的步驟十二相同。步驟L,與實施例I的步驟十三相同。步驟M，與實施例I的步驟十四相同。步驟N，與實施例I的步驟十五相同。步驟O，與實施例I的步驟十六相同。步驟P，與實施例I的步驟十七相同。上述實施例僅本發明的幾個優選實例，不構成對本發明的任何限制，顯然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.ー種GaN基的MS柵增強型高電子遷移率晶體管，自下而上包括襯底(I)、過渡層(2)和GaN主緩沖層(3)，其特征在于 GaN主緩沖層(3)的中間刻蝕有凹槽(4)，該凹槽⑷的底面為OOOl極性面，凹槽(4)側面為非0001面，凹槽(4)兩側的GaN主緩沖層(3)上方為AlGaN主勢壘層(5)，GaN主緩沖層(3)和AlGaN主勢壘層(5)界面上形成主ニ維電子氣2DEG層(12)； 凹槽(4)的底面和側面方向上以及凹槽兩側的AlGaN主勢壘層(5)表面，依次設有GaN次緩沖層(6)和AlGaN次勢壘層(7);凹槽底面上方的GaN次緩沖層(6)與AlGaN次勢壘層(7)的界面上形成次ニ維電子氣2DEG層(13);凹槽側面方向上的GaN次緩沖層(6)與AlGaN次勢魚層(7)為非0001面的AlGaN/GaN異質結,該異質結界面處形成增強型的ニ維電子氣2DEG層(15);凹槽兩側的GaN次緩沖層(6)與AlGaN次勢壘層(7)的界面上形成輔ニ維電子氣2DEG層(14)； 所述AlGaN次勢壘層(7)上為源級(8)、漏級(9)、柵極(11)和介質層(10)，該源級(8)和漏級(9)分別位于AlGaN次勢壘層(7)上方的兩側，柵極(11)位于AlGaN次勢壘層(7)上方的中間，介質層(10)分布在源級、漏級、柵級之外的區域； 所述的輔ニ維電子氣2DEG層(14)、增強型的ニ維電子氣層(15)以及次ニ維電子氣2DEG層(13)，通過電子流經形成第一導電溝道(16);所述的主ニ維電子氣2DEG層(12)、增強型的ニ維電子氣2DEG層(15)以及次ニ維電子氣2DEG層(13)，通過電子流經形成第二導電溝道(17)，使凹槽(4)兩側的區域均為雙溝道結構。
2.根據權利要求I所述的增強型高電子遷移率晶體管，其特征在于，次ニ維電子氣2DEG層(13)的水平位置低于主ニ維電子氣2DEG層(12)的水平位置。
3.根據權利要求I所述的增強型高電子遷移率晶體管，其特征在干，AlGaN主勢壘層(5)和AlGaN次勢壘層(7)為摻雜濃度為IOXIOiW3的N型AlGaN。
4.ー種GaN基的MS柵增強型高電子遷移率晶體管的制作方法，包括以下步驟 1)在反應室中對襯底表面進行預處理； 2)在襯底上外延厚度為I.2um-3. 2um的GaN主緩沖層； 3)在GaN外延層上外延N型摻雜的AlxGai_xN主勢壘層，在襯底上形成AlGaN/GaN異質結外延層，該AlxGai_xN主勢壘層厚度為15nm-38nm,且O. 18彡x彡O. 4 ; 4)光刻AlGaN/GaN異質結外延層，并采用反應離子刻蝕RIE方法，在AlGaN/GaN外延層上刻蝕形成長為O. 5um,深度為40nm-160nm的凹槽； 5)將刻蝕后的外延層通過金屬有機物化學氣相淀積MOCVD反應室二次外延厚度為24nm-120nm的GaN次緩沖層； 6)采用MOCVD技術在二次外延的GaN層上外延厚度為15nm_38nm的AlxGai_xN次勢壘層，且 O. 18 ^ X ^ O. 4 ； 7)在二次外延的AlxGai_xN次勢壘層上，采用等離子增強化學氣相淀積PECVD方法淀積厚度為lnm-20nm的介質層； 8)在介質層上，光刻出源、漏、柵區域，并刻蝕去窗口下的介質層，獲得源、漏、柵窗ロ； 9)光刻出源、漏區域，采用電子束蒸發技術淀積歐姆接觸的金屬，并進行金屬剝離； 10)對歐姆接觸金屬進行退火，形成源、漏接觸電極； 11)光刻出柵區域，并采用電子束蒸發技術淀積柵極金屬，經剝離后形成肖特基柵電極； 12)光刻已形成源、漏、柵極的外延片，獲得加厚電極圖形，并采用電子束蒸發技術加厚電極，完成器件制作。
5.根據權利要求5所述的增強型高電子遷移率晶體管，其特征在于，步驟2)中外延GaN主緩沖層的エ藝條件為溫度為1050°C，壓カ為20Torr，氫氣流量為1500sCCm，氨氣流量為6000sccm,鎵源流量為220sccm。
6.根據權利要求5所述的增強型高電子遷移率晶體管，其特征在于，步驟5)中二次外延GaN次緩沖層的エ藝條件為溫度為1050°C，壓カ為20Torr，氫氣流量為1500sCCm，氨氣流量為3000sccm,鎵源流量為150sccm。
7.根據權利要求5所述的增強型高電子遷移率晶體管，其特征在于，步驟7)中用等離子增強化學氣相淀積PECVD方法淀積介質層的エ藝條件為氨氣流量為2. 5SCCm，氮氣流量為900sccm，硅烷流量為200sccm，溫度為300°C，壓カ為900mT，功率為25W。
全文摘要
本發明公開了一種GaN基的MS柵增強型高電子遷移率晶體管及制作方法，主要解決GaN基增強型器件電流密度低以及可靠性低的問題。該器件結構為襯底(1)上依次設有過渡層(2)和GaN主緩沖層(3)，GaN主緩沖層中間刻蝕有凹槽(4)，凹槽兩側的GaN主緩沖層(3)上方為AlGaN主勢壘層(5)，凹槽內壁以及凹槽兩側的AlGaN主勢壘層(5)表面依次設有GaN次緩沖層(6)和AlGaN次勢壘層(7)；AlGaN次勢壘層(7)上為源級(8)、漏級(9)、柵極(11)和介質層(10)，源級(8)、漏級(9)分別位于AlGaN次勢壘層(7)上方的兩側，柵極(11)位于AlGaN次勢壘層(7)上方的中間，介質層(10)分布在源級、漏級、柵級之外的區域。本發明具有增強型特性好，電流密度高、擊穿電壓高，制作工藝簡單成熟，可靠性高的優勢，可用于高溫開關器件和數字電路中。
文檔編號H01L29/04GK102683406SQ20121013214
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月29日 優先權日2012年4月29日
發明者周昊, 張宇桐, 張琳霞, 張進成, 李小剛, 王沖, 艾姍, 郝躍, 霍晶, 馬曉華 申請人:西安電子科技大學