專利名稱：凹柵槽的AlGaN/GaN HEMT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(dǎo)體材料中微波功率器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種凹柵 槽的鋁鎵氮/氮化鎵高電子遷移率場效應(yīng)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(dǎo)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(>1013cm2)、飽 和電子速度大(2.8X107cm/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(xué)光刻，形成對準(zhǔn)標(biāo)記，蒸發(fā)標(biāo)記金屬； 步驟102:光學(xué)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(xué)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/GaNHEMT微波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(yīng)和過大的柵反向漏電，這不僅會導(dǎo)致?lián)舸?電壓降低、跨導(dǎo)、截止頻率和最大頻率的降低；同時，由于引入了很大的 噪聲，會帶來大的功率損耗以及效率的降低，影響器件的可靠性。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(yīng)以達(dá)到抑制電流崩塌的作用，SiN被采用做為介質(zhì)膜對器 件進(jìn)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(yīng)，增大了器件微波功率輸 出的能力。但是，鈍化工藝的采用同時也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/GaNHEMT器件應(yīng)用在高頻高壓大功率領(lǐng)域的重要課題。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(dǎo)致了增益的下降。為了解決增益下降的問題，有以下兩種改善措施 一種是，源連接場 板的工藝的引進(jìn)，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(luò)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；另外一種則是凹柵 槽工藝的引進(jìn)，對柵圖形部分的AIGaN外延層進(jìn)行適當(dāng)?shù)目涛g，減小 AlGaN外延層的厚度，也可以有效地提高器件的增益。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凹柵槽的AlGaN/GaN HEMT多層場板器件，以提高AlGaN/GaNHEMT器件的擊穿特性，并在 提高器件增益的同時，有效抑制AlGaN/GaNHEMT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凹柵槽的AlGaN/GaN HEMT 多層場板器件的方法，以提高AlGaN/GaN HEMT器件的擊穿特性，并在 提高器件增益的同時，有效抑制AlGaN/GaN HEMT器件的電流崩塌現(xiàn)象。(二) 技術(shù)方案為達(dá)到上述一個目的，本發(fā)明提供了一種凹柵槽的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；所述柵極、源極和漏極位于襯底 材料頂層鋁鎵氮AlGaN外延層上；在形成了柵極、源極和漏極的器件表面淀積的SiN介質(zhì)膜；在所述SiN介質(zhì)膜上蒸發(fā)柵連接場板的圖形；在蒸發(fā)了柵連接場板的圖形的器件表面二次淀積的SiN介質(zhì)膜；在二次淀積的SiN介質(zhì)膜上蒸發(fā)源連接場板的圖形。 優(yōu)選地，所述源極、漏極分別與AlGaN外延層之間通過退火合金形 成歐姆接觸；所述柵極是通過在形成源極、漏極歐姆接觸的AlGaN外延 層上光刻柵圖形，并對柵圖形部分的AlGaN外延層進(jìn)行刻蝕，然后蒸發(fā) 柵金屬形成的。優(yōu)選地，所述襯底材料由下至上依次包括藍(lán)寶石襯底、氮化鎵GaN 和AlGaN外延層三層結(jié)構(gòu)；其中，所述藍(lán)寶石襯底用于作為生長GaN外延層的襯底材料；所述 AlGaN/GaN外延層結(jié)構(gòu)中，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。為達(dá)到上述另一個目的，本發(fā)明提供了一種制作凹柵槽的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，在形成源極和漏極的歐姆接觸后，光刻柵圖形，對柵圖形部分 的AlGaN外延層進(jìn)行刻蝕，蒸發(fā)柵金屬后，先制作柵連接場板，再制作 源連接場板，形成凹柵槽的AlGaN/GaNHEMT多層場板器件。該方法具體包括A、 在襯底材料上進(jìn)行光學(xué)光刻，形成對準(zhǔn)標(biāo)記，蒸發(fā)標(biāo)記金屬；B、 在蒸發(fā)過標(biāo)記金屬后，在AlGaN外延層上光學(xué)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(jìn)行離子注入，對有源區(qū)進(jìn)行隔離；
D、 在襯底材料上源極和漏極之間的位置光學(xué)光刻柵線條圖形，然后 刻蝕柵圖形部分AlGaN外延層，然后蒸發(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(xué)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(xué)光刻源場板圖形，蒸發(fā)金屬；
I、 光學(xué)光刻金屬布線圖形，蒸發(fā)金屬；
J、制作空氣橋。
優(yōu)選地，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SO(TC的氮氣氛圍中退火30秒。
優(yōu)選地，步驟C中所述進(jìn)行離子注入，注入離子為高能的He+離子。
優(yōu)選地，步驟D中所述刻蝕條件為ICP設(shè)備刻蝕，同時使用Cl2和 BCV混合氣體刻蝕，刻蝕深度為10A。
優(yōu)選地，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。
優(yōu)選地，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IOOOA;
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。(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、 利用本發(fā)明提供的凹柵槽的AlGaN/GaN HEMT多層場板器件，由 于進(jìn)一步調(diào)制了柵-漏間.的電場，該結(jié)構(gòu)的擊穿電壓遠(yuǎn)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。
2、 利用本發(fā)明提供的凹柵槽的AlGaN/GaN HEMT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(dá)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(dāng)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。
3、 利用本發(fā)明提供的凹柵槽的AU3aN/GaNHEMT多層場板器件，由 于對AlGaN層進(jìn)行了刻蝕，減小了 AlGaN層的厚度，有效地提高了器件 的閾值電壓和跨導(dǎo)，增強了柵的調(diào)制能力。
4、 利用本發(fā)明提供的凹柵槽的AlGaN/GaNHEMT多層場板器件，由 于對AlGaN層進(jìn)行了刻蝕，減小了 AlGaN層的厚度，有效地提高了器件 的增益。
5、 利用本發(fā)明提供的凹柵槽的AlGaN/GaNHEMT多層場板器件，有 效地提高了 AlGaN/GaN HEMT器件的擊穿特性，并在提高器件增益的同 時，有效抑制了 AlGaN/GaNHEMT器件的電流崩塌現(xiàn)象。


圖1為目前制作常規(guī)AlGaN/GaN HEMT器件的方法流程圖； 圖2為本發(fā)明提供的凹柵槽的AlGaN/GaN HEMT多層場板器件的結(jié) 構(gòu)示意圖3為本發(fā)明提供的制作凹柵槽的AlGaN/GaN HEMT多層場板器件 的方法流程圖4為本發(fā)明提供的制作凹柵槽的AlGaN/GaN HEMT多層場板器件 的工藝流程圖。
具體實施例方式
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(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖2所示，圖2為本發(fā)明提供的凹柵槽的AlGaN/GaN HEMT多層 場板器件的結(jié)構(gòu)示意圖。該器件包括
柵極，位于柵極兩側(cè)的源極和漏極；所述柵極、源極和漏極位于襯底 材料頂層AlGaN外延層上；
在形成了柵極、源極和漏極的器件表面淀積的SiN介質(zhì)膜；
在所述SiN介質(zhì)膜上蒸發(fā)柵連接場板的圖形；
在蒸發(fā)了柵連接場板的圖形的器件表面二次淀積的SiN介質(zhì)膜；
在二次淀積的SiN介質(zhì)膜上蒸發(fā)源連接場板的圖形。
所述源極、漏極分別與AlGaN外延層之間通過退火合金形成歐姆接
觸；所述柵極是通過在形成源極、漏極歐姆接觸的AlGaN外延層上光刻 柵圖形，并對柵圖形部分的AlGaN外延層進(jìn)行刻蝕，然后蒸發(fā)柵金屬形 成的。
所述襯底材料由下至上依次包括藍(lán)寶石襯底、氮化鎵GaN和AlGaN 外延層三層結(jié)構(gòu)；其中，所述藍(lán)寶石襯底用于作為生長GaN外延層的襯 底材料；所述AlGaN/GaN外延層結(jié)構(gòu)中，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所示的凹柵槽的AlGaN/GaN HEMT多層場板器件，圖3示 出了本發(fā)明提供的制作凹柵槽的AlGaN/GaN HEMT多層場板結(jié)構(gòu)的方法 流程圖。該方法基于常規(guī)的AlGaN/GaN HEMT器件制作工藝，在形成源 極和漏極的歐姆接觸后，光刻柵圖形，對柵圖形部分的AlGaN外延層進(jìn) 行刻蝕，蒸發(fā)柵金屬后，先制作柵連接場板，再制作源連接場板，形成凹 柵槽的AiGaN/GaNHEMT多層場板器件。該方法具體包括以下步驟
步驟301:在襯底材料上進(jìn)行光學(xué)光刻，形成對準(zhǔn)標(biāo)記，蒸發(fā)標(biāo)記金
屬；
步驟302:在蒸發(fā)過標(biāo)記金屬后，在AlGaN外延層上光學(xué)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75(TC至80(TC的氮 氣氛圍中退火30秒。與本步驟對應(yīng)的工藝流程圖如圖4 (a)所示。
步驟303:進(jìn)行離子注入，對有源區(qū)進(jìn)行隔離；在本步驟中，注入條件為使用高能He+離子對隔離區(qū)進(jìn)行離子注入。 與本步驟對應(yīng)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(xué)光刻柵線條圖形，
然后刻蝕柵圖形部分AlGaN外延層，然后蒸發(fā)柵金屬Ni/Au，形成柵極； 在本步驟中，刻蝕條件為ICP設(shè)備刻蝕，同時使用Cl2和BCV混合 氣體刻蝕，刻蝕深度約為IOA。與本步驟對應(yīng)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，即一次淀積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SiN介質(zhì)膜的厚度為1000 A。與本步驟對應(yīng)的工藝流程圖如圖4(d) 所示。
步驟306:光學(xué)光刻柵場板圖形，蒸發(fā)金屬Ni/Au;與本步驟對應(yīng)的 工藝流程圖如圖4 (e)所示。
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SiN介質(zhì)膜的厚度為3000 A;與本步驟對應(yīng)的工藝流程圖如圖4(f) 所示。
步驟308:光學(xué)光刻源場板圖形，蒸發(fā)金屬Ni/Au; 步驟309:光學(xué)光刻金屬布線圖形，蒸發(fā)金屬Ti/Au;
步驟310:制作空氣橋。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(jìn)行 了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種凹柵槽的AlGaN/GaN HEMT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；所述柵極、源極和漏極位于襯底材料頂層鋁鎵氮AlGaN外延層上；在形成了柵極、源極和漏極的器件表面淀積的SiN介質(zhì)膜；在所述SiN介質(zhì)膜上蒸發(fā)柵連接場板的圖形；在蒸發(fā)了柵連接場板的圖形的器件表面二次淀積的SiN介質(zhì)膜；在二次淀積的SiN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所述的凹柵槽的AlGaN/GaNHEMT多層場板器件， 其特征在于，所述源極、漏極分別與AlGaN外延層之間通過退火合金形成歐姆接觸，所述柵極是通過在形成源極、漏極歐姆接觸的AlGaN外延層上光刻 柵圖形，并對柵圖形部分的AlGaN外延層進(jìn)行刻蝕，然后蒸發(fā)柵金屬形 成的。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的凹柵槽的AlGaN/GaNHEMT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(lán)寶石襯底、氮化鎵GaN 和AlGaN外延層三層結(jié)構(gòu)；其中，所述藍(lán)寶石襯底用于作為生長GaN外延層的襯底材料；所述 AlGaN/GaN外延層結(jié)構(gòu)中，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。
4、 一種制作凹柵槽的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，在形成源 極和漏極的歐姆接觸后，光刻柵圖形，對柵圖形部分的AlGaN外延層進(jìn) 行刻蝕，蒸發(fā)柵金屬后，先制作柵連接場板，再制作源連接場板，形成凹 柵槽的AlGaN/GaN HEMT多層場板器件。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作凹柵槽的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(jìn)行光學(xué)光刻，形成對準(zhǔn)標(biāo)記，蒸發(fā)標(biāo)記金屬；B、 在蒸發(fā)過標(biāo)記金屬后，在AlGaN外延層上光學(xué)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(jìn)行離子注入，對有源區(qū)進(jìn)行隔離；D、 在襯底材料上源極和漏極之間的位置光學(xué)光刻柵線條圖形，然后 刻蝕柵圖形部分AlGaN外延層，然后蒸發(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(xué)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(xué)光刻源場板圖形，蒸發(fā)金屬；I、 光學(xué)光刻金屬布線圖形，蒸發(fā)金屬； J、制作空氣橋。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作凹柵槽的AlGaN/GaNHEMT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(rC至80(TC的氮氣氛圍中退火30秒。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作凹柵槽的AlGaN/GaN HEMT多層場板 器件的方法，其特征在于，步驟C中所述進(jìn)行離子注入，注入離子為高能 的He+離子。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作凹柵槽的AlGaN/GaN HEMT多層場板 器件的方法，其特征在于，步驟D中所述刻蝕條件為ICP設(shè)備刻蝕，同 時使用Cl2和BCl3混合氣體刻蝕，刻蝕深度為IOA。
9、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作凹柵槽的AlGaN/GaN HEMT多層場板 器件的方法，其特征在于，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。
10、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作凹柵槽的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3000 A。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料中微波功率器件技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種凹柵槽的AlGaN/GaN HEMT多層場板器件，同時公開了一種制作凹柵槽的AlGaN/GaN HEMT多層場板器件的方法，該方法基于常規(guī)的AlGaN/GaNHEMT器件制作工藝，在形成源極和漏極的歐姆接觸后，光刻柵圖形，對柵圖形部分的AlGaN外延層進(jìn)行刻蝕，蒸發(fā)柵金屬后，先制作柵連接場板，再制作源連接場板，形成凹柵槽的AlGaN/GaN HEMT多層場板器件。利用本發(fā)明，有效地提高了AlGaN/GaN HEMT器件的擊穿特性、跨導(dǎo)和閾值電壓，并在提高器件增益的同時，有效抑制了AlGaN/GaN HEMT器件的電流崩塌現(xiàn)象。
文檔編號H01L29/778GK101276837SQ20071006486
公開日2008年10月1日 申請日期2007年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月28日
發(fā)明者劉新宇, 劉果果, 鄭英奎 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所