多溝道側柵結構的絕緣柵AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于微電子技術領域，涉及半導體器件結構與制作，具體的說是一種多溝道側柵結構的絕緣柵AlGaN/GaN高電子迀移率晶體管，可用于制作大規模集成電路。
【背景技術】
[0002]近年來以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶半導體以其大禁帶寬度、高擊穿電場、高熱導率、高飽和電子速度和異質結界面二維電子氣2DEG濃度高等特性，使其受到廣泛關注。在理論上，利用這些材料制作的高電子迀移率晶體管HEMT、發光二極管LED、激光二極管LD等器件比現有器件具有明顯的優越特性，因此近些年來國內外研究者對其進行了廣泛而深入的研究，并取得了令人矚目的研究成果。
[0003]AlGaN/GaN異質結高電子迀移率晶體管HEMT在高溫器件及大功率微波器件方面已顯示出了得天獨厚的優勢，追求器件高頻率、高壓、高功率吸引了眾多的研究。由于器件柵長不斷減小，柵控能力逐漸減弱，平面柵結構器件短溝道效應越來越明顯，AlGaN/GaNHEMT器件關態泄漏電流逐漸增大，這不僅會降低器件的可靠性和亞閾值特性，而且會影響器件的低頻噪聲特性。平面柵器件中，柵壓較高時使得載流子散射效應增強，器件飽和電流和跨導都受到較大影響，器件放大工作的線性度明顯降低。
[0004]蔡勇等人對納米溝道陣列AlGaN/GaN HEMT進行了分析研究。參見ShenghouLiu,Yong Cai, Guodong Gu, et al.Enhancement-Mode Operat1n of NanochannelArray (NCA) AlGaN/GaN HEMTs, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, 2012，VOL.33，N0.3。納米溝道陣列器件的導電溝道除了來自表面柵的縱向電場的影響外，還來自兩側壁柵橫向電場的影響，從而形成三維的二維電子氣調制，加強了柵的調制能力。通過實驗研究，證實了在100nm尺度內閾值電壓與溝道寬度呈現明顯的相關性。即隨著溝道寬度逐漸減小，閾值電壓正向增大，柵控能力增強。柵寬的減小使得閾值電壓增大，證明了三維柵結構中的兩個側柵的橫向電場對二維電子氣有較強的調制作用。但是由于FinFET結構器件具有納米量級的柵寬，柵寬的縮小使得源漏電流明顯下降，器件的電流驅動能力下降，不利于器件在大功率方面的應用。
[0005]Dong Seup Lee等人報道了具有高線性度gni和fT的納米溝道InAlN/GaN HEMTs器件。參見Dong Seup Lee, Han Wang, Allen Hsu, et al.Nanowire Channel InAlN/GaN HEMTsWith High Linearity of gmand fT, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, 2013，VOL.34，N0.8。文章介紹了在傳統AlGaN/GaN高電子迀移率晶體管中，隨著柵偏置電壓和漏極電流的增加，跨導在達到峰值后迅速下降。柵壓的增大使得載流子之間存在庫侖力散射及異質結界面散射，降低了載流子迀移率，導致載流子飽和速度降低，大大降低了器件的跨導性能。若僅采用側柵結構的AlGaN/GaN HEMT器件，消除頂柵對載流子迀移率的影響，勢必能將器件的傳輸特性明顯提高。
[0006]為了進一步推動GaN異質結器件在更大電流、更高功率、更低功耗、更高頻率、開關模式、多值邏輯門等領域的應用，對于多溝道多異質結材料和器件的研究就顯得很有必要。
[0007]2005 年，Rongming Chu 報道了 AlGaN/GaN/AlGaN/GaN 材料結構，同時制作完成了雙溝道的 HEMT 器件。參見 Rongming Chu, et al, AlGaN/GaN Double-Channel HEMTs, IEEETranscat1ns on electron devices, 2005.52 (4): 438。由于該結構有兩個GaN層作為溝道層，故被稱為雙溝道AlGaN/GaN異質結。通過實驗證明，雙溝道中最鄰近柵的溝道可以在高溫、高壓、高頻等方面有屏蔽底層溝道少受影響的作用。與單溝道AlGaN/GaN異質結相比，雙溝道AlGaN/GaN異質結可以有更高的2DEG總密度，使得器件飽和電流大幅度增加，對于功率應用的器件，飽和電流的提高至關重要。雙溝道AlGaN/GaN異質結材料總勢皇層厚度增加，頂柵結構器件中，柵對最下方的溝道控制能力減弱，引起跨導下降。
[0008]岳遠征等人研究報道了原子層淀積超薄高κ介質A1203和Η??2作為柵介質的高性能AlGaN/GaN金屬氧化物半導體高電子迀移率晶體管M0S-HEMT。參見YuanzhengYue, Yue Hao, et al.AlGaN/GaN M0S-HEMT With Hf02Dielectric and Al203lnterfacialPassivat1n Layer Grown by Atomic Layer Deposit1n,IEEE ELECTRON DEVICELETTERS, 2008，VOL.29，N0.8。該晶體管采用高κ介質Α1203和HfO 2做介質柵，雖然能明顯降低柵泄漏電流以及提高器件的擊穿電壓，但是由于該晶體管采用AlGaN/GaN單異質結結構，使得二維電子氣密度較低，導致器件的飽和電流小；同時由于該晶體管采用一維柵結構，使得柵極對溝道的控制能力較弱，在溝道長度很短時，易出現短溝道效應，導致器件關態泄漏電流較大。
【發明內容】
[0009]本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種多溝道側柵結構的絕緣柵AlGaN/GaN高電子迀移率晶體管，以提高柵控能力及器件的飽和電流和擊穿電壓，改善短溝道效應，降低關態泄漏電流和柵泄漏電流，提高載流子的迀移率和飽和速度，滿足GaN基電子器件在高壓開關、數字電路領域的應用要求。
[0010]為實現上述目的，本發明的技術方案如下:
[0011]1.一種多溝道側柵結構的絕緣柵AlGaN/GaN高電子迀移率晶體管，自下而上依次包括襯底、第一層AlGaN/GaN異質結、SiN鈍化層、絕緣柵介質層和源漏柵電極，源電極和漏電極分別位于SiN鈍化層兩側的頂層AlGaN勢皇層上，其特征在于:
[0012]第一層AlGaN/GaN異質結與SiN鈍化層之間設有GaN層和AlGaN勢皇層，形成第二層AlGaN/GaN異質結；
[0013]絕緣柵介質層覆蓋在SiN鈍化層的頂部并包裹SiN鈍化層、第一層異質結、第二層異質結的兩個側壁；
[0014]柵電極覆蓋在整個絕緣柵介質層上。
[0015]作為優選，上述多溝道側柵結構的絕緣柵AlGaN/GaN高電子迀移率晶體管，其特征在于:第一層AlGaN/GaN異質結中AlGaN勢皇層厚度與第二層AlGaN/GaN異質結中AlGaN勢皇層厚度均為20?30nm，其A1組份為30?40%。
[0016]作為優選，上述多溝道側柵結構的絕緣柵AlGaN/GaN高電子迀移率晶體管，其特征在于:SiN鈍化層的厚度為75?125nm。
[0017]作為優選，上述多溝道側柵結構的絕緣柵AlGaN/GaN高電子迀移率晶體管，其特征在于:絕緣柵介質層的厚度為2?4nm。
[0018]作為優選，上述多溝道側柵結構的絕緣柵AlGaN/GaN高電子迀移率晶體管，其特征在于:柵鰭寬度為30?50nm。
[0019]2.一種多溝道側柵結構的絕緣柵AlGaN/GaN高電子迀移率晶體管的制作方法，包括如下步驟:
[0020]第一步，在藍寶石或SiC基片上，利用M0CVD工藝，依次生長GaN層和AlGaN勢皇層形成第一層AlGaN/GaN異質結，其中GaN厚度為1.5?2.5 μ m，AlGaN勢皇層厚度為20?30nm，其A1組份為30?40% ；
[0021]第二步，在第一層AlGaN/GaN異質結上重復生長一次或兩次相同結構的GaN和AlGaN，獲得雙異質結或三異質結，形成多溝道結構，其中GaN厚度均為25?35nm，AlGaN勢皇層厚度為20?30nm，其A1組份為30?40% ;
[0022]第三步，在所有異質結上進行有源區干法刻蝕和臺面隔離，形成寬度為30?50nm的棚■魚耆;
[0023]第四步，在最上表面的AlGaN勢皇層兩側制作源、漏歐姆接觸電極；
[0024]第五步，采用PECVD工藝，在源漏電極之間進行75?125nm厚的SiN層淀積覆蓋其表面形成鈍化層；
[0025]第六步，采用原子層淀積技術，在反應腔體中投入TMA和H20作為反應源，淀積2?4nm的絕緣柵介質，使其覆蓋在SiN鈍化層的頂部并包裹SiN鈍化層、第一層異質結、第二層異質結的兩個側壁或SiN鈍化層的頂部并包裹SiN鈍化層、第一層異質結、第二層異質結及第三層異質結的兩個側壁；
[0026]第七步，在柵介質上方淀積金屬形成柵電極；
[0027]第八步，制作互連引線。
[0028]本發明器件與現有同類器件相比具有如下優點:
[0029]1)電流驅動能力大
[0030]本發明采用多溝道AlGaN/GaN異質結結構，能使源漏之間形成多個并聯的二維電子氣通路，提高了二維電子氣總密度，使得器件的飽和電流大幅度增加，大大降低了源漏之間的電阻，減小了器件的開態電阻。
[0031]2)提高了載流子的迀移率和飽和速度
[0032]本發明采用側柵結構，使得頂柵和最上表面AlGaN勢皇層之間存在厚的SiN層，降低了頂柵柵壓