專利名稱：一種場效應晶體管多層場板器件及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體材料中微波功率器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鋁鎵氮/氮化鎵高電子遷移率場效應晶體管(AlGaN/GaN HEMT)多層場板器 件及其制作方法。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)作為第三代寬禁帶半導體材料，以其禁帶寬度大 (3.4eV)、擊穿電壓高(3.3MV/cm)、 二維電子氣濃度高(大于1013cm2)、 飽和電子速度大(2.8xl07cm/s)等特性在國際上受到廣泛關(guān)注。目前，AlGaN/GaN HEMT器件的高頻、高壓、高溫以及大功率特性 使之在微波功率器件方面有著巨大的前景。對于常規(guī)的AlGaN/GaN HEMT器件，通常的工藝步驟如圖1所示， 圖1為目前制作常規(guī)AlGaN/GaN HEMT器件的方法流程圖，該方法具體包括以下步驟-步驟101:光學光刻，形成對準標記，蒸發(fā)標記金屬； 步驟102:光學光刻源漏圖形，并蒸發(fā)源漏金屬； 步驟103:退火，使源漏金屬與襯底材料形成良好的歐姆接觸； 步驟104:有源區(qū)隔離；步驟105:光學光刻制作柵線條； 步驟106:蒸發(fā)柵金屬； 步驟107:金屬布線； 步驟108:制作空氣橋； 步驟109:測試分析。但是，AlGaN/GaN HEMT功率器件中仍有很多問題沒有解決，關(guān)鍵 的兩個問題是電流崩塌效應和過大的柵反向漏電。研究發(fā)現(xiàn)，這兩個現(xiàn)象 都和AlGaN的表面態(tài)有直接的關(guān)系。為了降低表面陷阱效應以達到抑制電流崩塌的作用，氮化硅(SiN) 被采用做為介質(zhì)膜對器件進行鈍化工藝處理。鈍化工藝的采用有效地抑制 了電流崩塌效應，增大了器件微波功率輸出的能力。但是，也同時減小了 器件的擊穿電壓。如何折衷處理電流崩塌與擊穿電壓的關(guān)系，是使得AlGaN/GaN器件 應用在高頻高壓大功率領(lǐng)域的重要問題。為此，引入了柵連接場板的工藝。 柵連接場板的引入起到了調(diào)制柵-漏間的表面態(tài)陷阱的作用，以起到抑制電 流崩塌的作用；同時，場板的引入，使得柵一漏間的電場得到重新分布。未做場板前，柵-漏間電場強度最大點位于柵金屬邊緣，而柵-漏間的 場板使得電場強度最大值區(qū)域向漏端擴張，峰值降低，大大提高了器件的 擊穿電壓。但是，柵連接場板的加入增加了柵漏間的電容，同時也增加了耗盡區(qū) 的長度，導致了增益的下降。為了解決這個問題，提出了源連接場板的概 念。在這種結(jié)構(gòu)中，場板和溝道間的電容是漏一源電容，可以被輸出匹配網(wǎng)絡吸收，而柵場板場板結(jié)構(gòu)帶來的Miller反饋電容也不存在了。因此， 有效地同時提高了器件的輸出功率和增益。發(fā)明內(nèi)容(一) 要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種AlGaN/GaN HEMT多層 場板器件，以提高AlGaN/GaN HEMT器件的擊穿特性，并抑制AlGaN/GaN HEMTs器件的電流崩塌現(xiàn)象。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種制作AlGaN/GaN HEMT多層場板 器件的方法，以提高AlGaN/GaN HEMTs器件的擊穿特性，并抑制 AlGaN/GaN HEMTs器件的電流崩塌現(xiàn)象。(二) 技術(shù)方案為達到上述一個目的，本發(fā)明提供了一種AlGaN/GaN HEMT多層場 板器件，該器件包括柵極，位于柵極兩側(cè)的源極和漏極；其中，柵極、源極和漏極位于襯底材料頂層AlGaN外延層上，源極與AlGaN 外延層以及漏極與AlGaN外延層之間通過退火合金形成歐姆接觸；形成了柵極、源極和漏極的器件表面淀積氮化硅(SiN)介質(zhì)膜，在 該層介質(zhì)膜上蒸發(fā)柵連接場板的圖形；隨后在已經(jīng)形成的器件表面再次淀 積SiN介質(zhì)膜，在該層介質(zhì)膜上蒸發(fā)源連接場板的圖形。所述襯底材料由下至上依次包括藍寶石襯底、氮化鎵GaN和AlGaN 外延層三層結(jié)構(gòu)；其中，藍寶石襯底，用于作為生長GaN外延層的襯底材料；AlGaN/GaN外延層結(jié)構(gòu)，AlGaN外延層和GaN外延層間形成異質(zhì) 結(jié)，產(chǎn)生高濃度的二維電子氣，提供大的電流密度和功率輸出能力。為達到上述另一個目的，本發(fā)明提供了一種制作AlGaN/GaN HEMT 多層場板器件的方法，該方法基于常規(guī)的AlGaN/GaN HEMT器件制作工 藝，在形成柵金屬接觸后，先制作柵連接場板，再制作源連接場板，形成 AlGaN/GaN HEMT多層場板器件。該方法具體包括A、 在襯底材料上進行光學光刻，形成對準標記，蒸發(fā)標記金屬；B、 在蒸發(fā)過標記金屬后，在AlGaN外延層上光學光刻源漏圖形，并 蒸發(fā)源漏金屬，然后高溫快速熱退火，在源漏金屬與襯底材料之間形成歐 姆接觸，形成源極和漏極；C、 進行離子注入，對有源區(qū)進行隔離；D、 在襯底材料上源極和漏極之間的位置光學光刻制作柵線條，蒸發(fā) 柵金屬，形成柵極；E、 在制作有源極、漏極和柵極的襯底材料表面淀積SiN介質(zhì)膜；F、 光學光刻柵場板圖形，蒸發(fā)金屬；G、 二次淀積SiN介質(zhì)膜；H、 光學光刻源場板圖形，蒸發(fā)金屬；I、 光學光刻金屬布線圖形，蒸發(fā)金屬。 所述襯底材料從上到下依次為AlGaN、 GaN和藍寶石。 所述襯底材料在AlGaN與GaN之間進一步包括一層A1N。步驟B中所述蒸發(fā)的源漏金屬為Ti/Al/Ti/Au，所述高溫快速熱退火的條件為在750。C至800。C的氮氣氛圍中退火30秒。步驟C中所述進行離子注入時注入的離子為高能He+離子；步驟D中所述蒸發(fā)的柵金屬為Ni/Au，步驟F中所述蒸發(fā)的金屬為Ni/Au,步驟H中所述蒸發(fā)的金屬為Ni/Au，步驟I中所述蒸發(fā)的金屬為Ti/Au。步驟E中所述淀積采用PECVD方法，淀積介質(zhì)膜種類為Si3N4，淀積 的介質(zhì)膜的厚度為1000 A;步驟G中所述淀積采用PECVD方法，淀積介質(zhì)膜種類為Si3N4，淀 積的介質(zhì)膜的厚度為3000A。該方法進一步包括J、制作空氣橋和測試分析。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、 本發(fā)明提供的這種AlGaN/GaN HEMT多層場板器件及其制作方 法，由于基于常規(guī)的AlGaN/GaN HEMT器件制作工藝，在形成柵金屬接 觸后，先制作柵連接場板，再制作源連接場板，形成AlGaN/GaN HEMT 多層場板器件，所以大大提高了 AlGaN/GaN HEMT器件的擊穿特性，并 有效地抑制了 AlGaN/GaN HEMT器件的電流崩塌現(xiàn)象。2、 利用本發(fā)明制作的AlGaN/GaN HEMT多層場板器件，從擊穿電壓 測試可以看出，該結(jié)構(gòu)的擊穿電壓遠比只采用柵連接場板或源連接場板結(jié) 構(gòu)的擊穿電壓大，這是因為，兩層場板的采用，使得柵一漏間的電場由一 層場板的兩個尖峰變成了三個尖峰的E型結(jié)構(gòu)，峰值變小，也就是最大電場值變小，所以擊穿電壓得到提高。3、利用本發(fā)明制作的AlGaN/GaNHEMT多層場板器件，在功率輸出 方面，基本完全消除了電流崩塌現(xiàn)象。而且，不同于常規(guī)結(jié)構(gòu)的是，常規(guī) 結(jié)構(gòu)HEMT器件在二十幾伏的漏壓下功率就達到飽和，即使漏壓可以加上 去，輸出功率基本不增加，而采用兩層場板結(jié)構(gòu)的HEMT器件，在大電壓 情況時，當漏壓大于40伏，隨著漏壓的增加，輸出功率仍然增加，證明 這種結(jié)構(gòu)的HEMT結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了 AlGaN/GaN材料體系在功率輸出上的 潛力。
圖1為目前制作常規(guī)AlGaN/GaNHEMT器件的方法流程圖； 圖2為本發(fā)明提供的AlGaN/GaN HEMT多層場板器件的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明提供的制作AlGaN/GaN HEMT多層場板器件的方法流 程圖；圖4為本發(fā)明提供的制作AlGaN/GaN HEMT多層場板器件的工藝流 程圖；圖5為本發(fā)明提供的AlGaN/GaN HEMT多層場板器件的擊穿特性示 意圖。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實 施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。如圖2所示，圖2為本發(fā)明提供的AlGaN/GaN HEMT多層場板器件 的結(jié)構(gòu)示意圖。該AlGaN/GaNHEMT多層場板器件包括 柵極，位于柵極兩側(cè)的源極和漏極；其中，柵極、源極和漏極位于襯底材料頂層鋁鎵氮(AlGaN)外延層上，源 極與AlGaN外延層以及漏極與AlGaN外延層之間通過退火合金形成歐姆 接觸；形成了柵極、源極和漏極的器件表面淀積SiN介質(zhì)膜，在該層介質(zhì)膜 上蒸發(fā)柵連接場板的圖形；隨后在己經(jīng)形成的器件表面再次淀積SiN介質(zhì) 膜，在該層介質(zhì)膜上蒸發(fā)源連接場板的圖形。所述襯底材料由下至上依次包括藍寶石襯底、氮化鎵(GaN)和AlGaN 外延層三層結(jié)構(gòu)；其中，藍寶石襯底，用于作為生長GaN外延層的襯底 材料；AlGaN/GaN外延層結(jié)構(gòu)，AlGaN外延層和GaN外延層間形成異質(zhì) 結(jié)，產(chǎn)生高濃度的二維電子氣，提供大的電流密度和功率輸出能力。基于圖2所示的AlGaN/GaN HEMT多層場板器件，圖3示出了本發(fā) 明提供的制作AlGaN/GaN HEMT多層場板器件的方法流程圖。該方法基 于常規(guī)的GaN HEMT器件制作工藝，在形成柵金屬接觸后，先制作柵連 接場板，再制作源連接場板，形成AlGaN/GaN HEMT多層場板結(jié)構(gòu)。該 方法具體包括以下步驟步驟301:在襯底材料上進行光學光刻，形成對準標記，蒸發(fā)標記金屬；在本步驟中，所述襯底材料從上到下依次為AlGaN、 GaN和藍寶石，或者也可以在AlGaN與GaN之間進一步包括一層A1N。步驟302:在蒸發(fā)過標記金屬后，在AlGaN外延層上光學光刻源漏圖形，并蒸發(fā)源漏金屬(Ti/Al/Ti/Au)，然后高溫快速熱退火，在源漏金屬與襯底材料之間形成歐姆接觸，形成源極和漏極；在本步驟中，所述高溫快速熱退火的條件為在750'C至800'C的氮氣氛圍中退火30秒；與本步驟對應的工藝流程圖如圖4 (a)所示。 步驟303:進行離子注入，對有源區(qū)進行隔離；在本步驟中，使用高能He+離子對隔離區(qū)進行離子注入，與本步驟對 應的工藝流程圖如圖4 (b)所示。步驟304:在襯底材料上源極和漏極之間的位置光學光刻制作柵線條， 蒸發(fā)柵金屬Ni/Au，形成柵極；與本步驟對應的工藝流程圖如圖4 (c)所示。步驟305:在制作有源極、漏極和柵極的襯底材料表面淀積SiN介質(zhì)膜；在本步驟中，所述淀積采用PECVD方法，淀積介質(zhì)膜種類為Si3N4， 淀積的介質(zhì)膜的厚度為1000 A;與本步驟對應的工藝流程圖如圖4 (d) 所示。步驟306:光學光刻柵場板圖形，蒸發(fā)金屬Ni/Au;步驟307: 二次淀積SiN介質(zhì)膜；在本步驟中，所述淀積采用PECVD方法，淀積介質(zhì)膜種類為Si3N4， 淀積的介質(zhì)膜的厚度為3000 A;與本步驟對應的工藝流程圖如圖4 (f)所示。步驟308:光學光刻源場板圖形，蒸發(fā)金屬Ni/Au;與本步驟對應的 工藝流程圖如圖4 (g)所示。步驟309:光學光刻金屬布線圖形，蒸發(fā)金屬Ti/Au。 步驟310:制作空氣橋；步驟311:測試分析。在本步驟中，對本發(fā)明提供的AlGaN/GaNHEMT 多層場板器件的擊穿特性示意圖如圖5所示。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行 了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而 已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種鋁鎵氮/氮化鎵高電子遷移率場效應晶體管多層場板器件，其特征在于，該器件包括柵極，位于柵極兩側(cè)的源極和漏極；其中，柵極、源極和漏極位于襯底材料頂層鋁鎵氮AlGaN外延層上，源極與AlGaN外延層以及漏極與AlGaN外延層之間通過退火合金形成歐姆接觸；形成了柵極、源極和漏極的器件表面淀積氮化硅SiN介質(zhì)膜，在該層介質(zhì)膜上蒸發(fā)柵連接場板的圖形；隨后在已經(jīng)形成的器件表面再次淀積SiN介質(zhì)膜，在該層介質(zhì)膜上蒸發(fā)源連接場板的圖形。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁鎵氮/氮化鎵高電子遷移率場效應晶體管 多層場板器件，其特征在于，所述襯底材料由下至上依次包括藍寶石襯底、 氮化鎵GaN和AlGaN外延層三層結(jié)構(gòu)；其中，藍寶石襯底，用于作為生長GaN外延層的襯底材料;AlGaN/GaN 外延層結(jié)構(gòu)，AlGaN外延層和GaN外延層間形成異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)生高濃度的二維電子氣，提供大的電流密度和功率輸出能力。
3、 一種制作AlGaN/GaNHEMT多層場板器件的方法，其特征在于， 該方法基于常規(guī)的AlGaN/GaN HEMT器件制作工藝，在形成柵金屬接觸 后，先制作柵連接場板，再制作源連接場板，形成AlGaN/GaN HEMT多 層場板器件。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制作AlGaN/GaN HEMT多層場板器件的方 法，其特征在于，該方法具體包括A、 在襯底材料上進行光學光刻，形成對準標記，蒸發(fā)標記金屬；B、 在蒸發(fā)過標記金屬后，在AlGaN外延層上光刻源漏圖形，并蒸發(fā) 源漏金屬，然后高溫快速熱退火，在源漏金屬與襯底材料之間形成歐姆接 觸，形成源極和漏極；C、 進行離子注入，對有源區(qū)進行隔離；D、 在襯底材料上源極和漏極之間的位置光學光刻制作柵線條，蒸發(fā) 柵金屬，形成柵極；E、 在制作有源極、漏極和柵極的襯底材料表面淀積SiN介質(zhì)膜；F、 光學光刻柵場板圖形，蒸發(fā)金屬；G、 二次淀積SiN介質(zhì)膜；H、 光學光刻源場板圖形，蒸發(fā)金屬；I、 光學光刻金屬布線圖形，蒸發(fā)金屬。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作AlGaN/GaN HEMT多層場板器件的方 法，其特征在于，所述襯底材料從上到下依次為AlGaN、 GaN和藍寶石。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制作AlGaN/GaN HEMT多層場板器件的方 法，其特征在于，所述襯底材料在AlGaN與GaN之間進一步包括一層A1N。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作AlGaN/GaN HEMT多層場板器件的方 法，其特征在于，步驟B中所述蒸發(fā)的源漏金屬為Ti/Al/Ti/Au，所述高溫 快速熱退火的條件為在75(TC至800。C的氮氣氛圍中退火30秒。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作AlGaN/GaN HEMT多層場板器件的方 法，其特征在于，步驟C中所述進行離子注入時注入的離子為高能He+離子；步驟D中所述蒸發(fā)的柵金屬為Ni/Au，步驟F中所述蒸發(fā)的金屬為 Ni/Au，步驟H中所述蒸發(fā)的金屬為Ni/Au，步驟I中所述蒸發(fā)的金屬為 Ti/Au。
9、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作AlGaN/GaN HEMT多層場板器件的方 法，其特征在于，步驟E中所述淀積采用PECVD方法，淀積介質(zhì)膜種類為Si3N4，淀積 的介質(zhì)膜的厚度為1000 A;步驟G中所述淀積采用PECVD方法，淀積介質(zhì)膜種類為Si3N4，淀 積的介質(zhì)膜的厚度為3000A。
10、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作AlGaN/GaN HEMT多層場板器件的 方法，其特征在于，該方法進一步包括J、制作空氣橋和測試分析。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導體材料中微波功率器件技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種制作鋁鎵氮/氮化鎵高電子遷移率場效應晶體管(AlGaN/GaN HEMT)多層場板器件的方法，該方法基于常規(guī)的AlGaN/GaN HEMT器件制作工藝，在形成柵金屬接觸后，先制作柵連接場板，再制作源連接場板，形成AlGaN/GaNHEMT多層場板器件。本發(fā)明同時公開了一種AlGaN/GaN HEMT多層場板器件。利用本發(fā)明，大大提高了AlGaN/GaN HEMT器件的擊穿特性，并有效地抑制了AlGaN/GaN HEMT器件的電流崩塌現(xiàn)象。
文檔編號H01L29/778GK101232045SQ20071006298
公開日2008年7月30日 申請日期2007年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月24日
發(fā)明者劉新宇, 劉果果, 鄭英奎, 珂 魏 申請人:中國科學院微電子研究所