專(zhuān)利名稱(chēng)：高電子遷移率晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體器件。具體地說(shuō)是一種高電子遷移率晶 體管HEMT，可用作高溫高頻高可靠大功率器件。
背景技術(shù)：
作為寬禁帶半導(dǎo)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、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高和導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn)，可用于制作高溫、高頻及大功率電子器件。更重要 的是，GaN基材料可以形成調(diào)制摻雜的MGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在室溫下可以獲得很高 的電子遷移率，極高的峰值電子速度和飽和電子速度，并獲得比第二代化合物半導(dǎo)體異質(zhì) 結(jié)構(gòu)更高的二維電子氣2DEG密度。因此，基于AKiaN/GaN異質(zhì)結(jié)的高電子遷移率晶體管 HEMT在大功率微波器件方面具有非常好的應(yīng)用前景。同時(shí)，在雷達(dá)、通信、高溫和抗輻射等 應(yīng)用系統(tǒng)和領(lǐng)域具有巨大的需求前景和應(yīng)用潛力。自1993年第一只AlGaN/GaN HEMT器件問(wèn)世以來(lái)，AlGaN/GaN HEMT器件就得到了 極大的重視和廣泛的研究，并且成果豐富。但隨著對(duì)高電子遷移率晶體管研究的深入，發(fā) 現(xiàn)了其中的電流崩塌現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被定義為在一定條件下漏電流ID比預(yù)想值下降的現(xiàn)象。自從電流崩塌現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，人們就對(duì)它進(jìn)行了深入的分析，并提出了一些合 理的模型來(lái)解釋電流崩塌現(xiàn)象，其中虛柵模型是目前普遍被接受的，也是最成熟、最有說(shuō) 服力的一種模型。1999年，Kohn等人在分析GaN基MODFET的高頻頻散現(xiàn)象時(shí)，就提出 了柵、漏極之間形成虛柵，限制了溝道電流，從而減小了微波輸出功率的虛柵模型，參考 Kohn E， Daumiller I， Schmid P， et al， Large signal frequency dispersion ofAlGaN/ GaN heterostructure field effect transistors，Electron Letters，1999，35 (12)， P1022。但那時(shí)他們沒(méi)有對(duì)該模型展開(kāi)深入詳細(xì)的討論。直到2001年，Vetury等人用浮 柵法研究AlGaN/GaN HEMT的表面態(tài)效應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了器件表面存在大量的負(fù)電荷和表面勢(shì) 負(fù)偏的現(xiàn)象，并由此提出表面態(tài)俘獲電子形成虛柵，最終導(dǎo)致高場(chǎng)應(yīng)力下電流崩塌的虛柵 模型。Vetury等人認(rèn)為，由于AKiaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)存在比較強(qiáng)的極化作用，在異質(zhì)結(jié)界 面GaN—側(cè)將得到濃度> 1013/Cm2的二維電子氣，根據(jù)電中性要求，器件表面必然會(huì)感應(yīng) 出大量的正電荷態(tài)，這些正電荷在器件工作過(guò)程中俘獲電子。這就好比在柵漏電極之間存 在另一個(gè)柵極，即所謂的虛柵。由于這些表面態(tài)能級(jí)的充放電時(shí)間通常很大，趕不上RF信 號(hào)的頻率，所以在RF信號(hào)下，虛柵會(huì)調(diào)制溝道電子的濃度，使器件輸出電流減小，膝點(diǎn)電 壓增加，輸出功率密度和功率附加效率減小，形成崩塌。參考文獻(xiàn)Ramakrishna Vetury, Naiqain Q. Zhang,Stacia Keller,et al,The Impact of Surface States on the DC and RF Characteristics of AlGaN/GaN HFETs, IEEE Transactions on electron devices, 2001. 3,48(3)，p560。當(dāng)前，能夠有效地減小電流崩塌的方法主要有兩種器件表面鈍化法和加帽層的 方法。其中
器件表面鈍化的方法，是一種比較常用的方法。2000年，UCSB大學(xué)的Green等人 在已完成電極的器件表面，用PECVD方法淀積一層厚為350nm的Si3N4薄膜作為鈍化層。實(shí) 驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)Si3N4鈍化的AlGaN/GaN HEMT的輸出功率密度提高了一倍。之后，多個(gè)研 究小組也先后證實(shí)了 Si3N4鈍化的方法可以有效地抑制電流崩塌。但這種方法工藝復(fù)雜，并 且只是一定程度上減小電流崩塌，不能完全阻止表面態(tài)對(duì)主溝道中二維電子氣的影響，高 電場(chǎng)時(shí)二維電子氣仍然會(huì)被表面態(tài)俘獲，從而影響器件性能的穩(wěn)定和可靠性。加帽層的方法，是在AlGaN/GaN材料表面再外延一層較厚的GaN帽層，目的是用這 個(gè)GaN帽層來(lái)隔離溝道和表面，減小表面對(duì)溝道中二維電子氣的影響，進(jìn)而起到減小電流 崩塌的作用。但該方法的缺陷是在高場(chǎng)應(yīng)力下這個(gè)帽層本身含有的一些陷阱會(huì)對(duì)溝道中 二維電子氣有一定影響；而且這個(gè)帽層的引入會(huì)使得溝道中二維電子氣密度減小，從而降 低器件性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的缺陷，從器件縱向結(jié)構(gòu)的優(yōu)化角度提出一 種高電子遷移率晶體管，以避免電流崩塌，提高器件性能。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的器件結(jié)構(gòu)自下而上包括襯底、成核層、主溝道層、 勢(shì)壘層、介質(zhì)層；勢(shì)壘層頂端兩側(cè)分別為源極和漏極，中間為柵極，其特征在于勢(shì)壘層上 依次增加有輔溝道層、緩變勢(shì)壘層、高勢(shì)壘層、隔離溝道層和隔離勢(shì)壘層；柵極位于勢(shì)壘層 與隔離勢(shì)壘層之間的凹槽中，柵極的兩側(cè)及底部設(shè)有介質(zhì)層。所述的隔離勢(shì)壘層與隔離溝道層界面上，緩變勢(shì)壘層與輔溝道層界面上，勢(shì)壘層 與主溝道層界面上分別形成有二維電子氣2DEG。所述的隔離勢(shì)壘層和勢(shì)壘層為AlJnyGa(1_x_y)N，且0 < χ < 1，0彡y彡0. 18， x+y ^ 1，隔離溝道層、輔溝道層和主溝道層為InzGi^zN,且0 < ζ彡0. 05。所述的高勢(shì)壘層為AluGi^N。所述的緩變勢(shì)壘層為AlmGai_m且從緩變勢(shì)壘層與高勢(shì)壘層界面到 緩變勢(shì)壘層與輔溝道層界面，緩變勢(shì)壘層的Al組分m由0. 5緩變?yōu)?。所述的成核層為AlmGi^mN,且0彡m彡1。所述的凹槽中柵極兩側(cè)介質(zhì)厚度為5 30nm，柵極底部介質(zhì)層厚度為0 5nm，隔 離勢(shì)壘層上方介質(zhì)層的厚度范圍為30 500nm。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的制作高電子遷移率晶體管的方法包括如下過(guò)程第一步，在襯底上，采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積MOCVD技術(shù)外延厚度是 30 IOOnm的成核層，其中成核層的成分為AlmGai_mN，且0彡m彡1，外延采用的溫度是 98O °C，壓力是 2OiTorr ；第二步，在成核層上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是1 5 μ m的主溝道層，其中主 溝道的成分為hzGai_zN，且0彡ζ彡0. 05，外延采用的溫度是500 920°C，壓力是40 200Torr ；第三步，在主溝道層上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是20nm的勢(shì)壘層，其中勢(shì)壘層 的成分為AlJnpadiyN，且0 < χ < 1，0彡y彡0. 18，x+y彡1，外延采用的溫度是600 IOOO0C，壓力是 40 200Torr ；
第四步，在勢(shì)壘層上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是IOnm的輔溝道層，其中輔溝 道層的成分為hzGai_zN，且0彡ζ彡0. 05，外延采用的溫度是500 920°C，壓力是40 200Torr ；第五步，在輔溝道層上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是IOnm的緩變勢(shì)壘層，其中緩變 勢(shì)壘層的成分為AlmGai_m5，鋁組分從襯底方向向上由0%緩變?yōu)?0%，外延 采用的溫度是920°C，壓力是40Torr ；第六步，在緩變勢(shì)壘層上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是5nm的高勢(shì)壘層，其中高勢(shì) 壘層的成分是Altl. 5Ga0.5N,外延采用的溫度是920 °C，壓力是40Torr ；第七步，在高勢(shì)壘層上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是IOnm的隔離溝道層，其中隔離 溝道層的成分是hzGai_zN，且0彡ζ彡0. 05，外延采用的溫度是500 920°C，壓力是40 200Torr ；第八步，在隔離溝道層上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是20nm的隔離勢(shì)壘層，其中隔 離勢(shì)壘層的成分是AlxInyfeia_x_y)N，且0 < χ < 1，0彡y彡0. 18，x+y彡1，外延采用的溫度 是 600 IOOO0C，壓力是 40 200Torr ；第九步，光刻并采用反應(yīng)離子刻蝕RIE技術(shù)刻蝕出凹槽，刻蝕至勢(shì)壘層，反應(yīng)氣體 CF4的流量為20sccm，O2的流量為2sccm壓力為5mT，功率為50W ；第十步，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD設(shè)備淀積厚度為30 500nm的介 質(zhì)層，該介質(zhì)層覆蓋隔離勢(shì)壘層表面和凹槽內(nèi)壁；第十一步，光刻并刻蝕出源極、柵極和漏極區(qū)域，其中源極和漏極區(qū)域從介質(zhì)層 表面開(kāi)始刻蝕至勢(shì)壘層，柵極區(qū)域在凹槽內(nèi)，刻蝕凹槽中介質(zhì)層至凹槽底部介質(zhì)層厚度為 0 5nm，且凹槽內(nèi)柵極區(qū)域兩側(cè)分別保留有介質(zhì)層；第十二步，蒸發(fā)金屬，形成源極、柵極和漏極，源極和漏極金屬采用Ti/Al/Ni/Au 組合，其中Ti的厚度為10 40nm，Al的厚度為30 160nm，Ni的厚度為20 120nm，Au 的厚度為60 150nm ；而柵極金屬采用Ni/Au組合，其中Ni的厚度為10 40nm，Au的厚 度為80 400nm。所述的凹槽兩側(cè)保留的介質(zhì)層厚度為5 30nm。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.更有效地避免電流崩塌現(xiàn)象。本發(fā)明由于對(duì)器件縱向結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，采用隔離溝道層來(lái)響應(yīng)表面態(tài)的各種影 響，避免了主溝道中的2DEG被表面陷阱俘獲，有效地避免了高場(chǎng)下因主溝道中二維電子氣 2DEG減少而導(dǎo)致的電流崩塌現(xiàn)象。2.源漏歐姆接觸電阻更小。本發(fā)明中由于在隔離溝道層、輔溝道層、主溝道層中都形成有二維電子氣2DEG，這 些2DEG的遷移率遠(yuǎn)大于三維狀態(tài)的體電子，從而大大降低源漏極歐姆接觸電阻，提高器件 性能。


圖1是本發(fā)明高電子遷移率晶體管剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明高電子遷移率晶體管的制作流程圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，本發(fā)明高電子遷移率晶體管是基于寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料的異質(zhì)結(jié) 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具體為襯底1上面是成核層2，成核層2為AlmGai_mN，且0 < m < 1 ；成核層 2上方是主溝道層3，主溝道層3為hz(iai_zN，且0彡ζ彡0. 05 ；主溝道3上方是勢(shì)壘層4， 勢(shì)壘層4為AlxIny(iaa_x_y)N，且0彡χ彡1，0彡y彡1，x+y彡1 ；勢(shì)壘層4頂端兩側(cè)分別為 源極10和漏極12，中間為柵極11 ；勢(shì)壘層4上方是輔溝道層5，輔溝道層5為hzGai_zN，且 0 ^ ζ ^ 0. 05 ；輔溝道層5上方是緩變勢(shì)壘層6，緩變勢(shì)壘層6為AlmGai_m
且自下而上緩變勢(shì)壘層6的Al組分m由0緩變?yōu)?. 5 ；緩變勢(shì)壘層6上方是高勢(shì)壘層7， 高勢(shì)壘層7為Ala5Giia5N ；高勢(shì)壘層7上方是隔離溝道層8，隔離溝道層8為Ιηζ(^_ζΝ， 且0彡ζ彡0.05 ；隔離溝道層8上方是隔離勢(shì)壘層9，隔離勢(shì)壘層9為AlJnyGa(1_x_y)N，且 0彡χ彡1，0彡y彡1，x+y彡1 ；柵極11處在隔離勢(shì)壘層9和頂勢(shì)壘層4之間的凹槽14 中，柵極兩側(cè)及底部和隔離勢(shì)壘層9上方都有介質(zhì)層13，其中，凹槽中柵極兩側(cè)介質(zhì)層的厚 度為5 30nm，柵極底部介質(zhì)層的厚度為0 5nm，隔離勢(shì)壘層9上方介質(zhì)層的厚度為30 500nm;隔離勢(shì)壘層(9)與隔離溝道層(8)界面上，緩變勢(shì)壘層(6)與輔溝道層( 界面上， 勢(shì)壘層(4)和主溝道層( 界面上分別形成有二維電子氣2DEG。實(shí)施例1成核層采用GaN，主溝道層、輔溝道層和隔離溝道層采用GaN，勢(shì)壘層采用 Α1。.25(^.75Ν，隔離勢(shì)壘層采用AImG^^N。參照?qǐng)D2，制作過(guò)程如下步驟1，在襯底(1)上外延成核層O)，如圖2(a)。襯底采用藍(lán)寶石，并在其上采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積MOCVD技術(shù)外延 一層厚度為IOOnm的GaN成核層。外延GaN成核層的工藝條件為溫度為980°C，壓力為 2(ΧΓογγ，氫氣流量為500sccm，氨氣流量為5000sccm，鎵源流量為20ymol/min。步驟2，在成核層(2)上外延主溝道層(3)，如圖2(b)。在成核層(2)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是5 μ m的GaN主溝道層(3)。外延 GaN主溝道層的工藝條件為溫度為920°C，壓力為40Torr，氫氣流量為500sCCm，氨氣流量 為 5000sccm，鎵源流量為 105ymol/min。步驟3，在主溝道層(3)上外延勢(shì)壘層，如圖2(c)。在主溝道層(3)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是20nm的Ala25Giia75N勢(shì)壘層。外 延Ala25GEia75N勢(shì)壘層的工藝條件為溫度為1000°C，壓力為40Torr，氫氣流量為500sCCm， 氨氣流量為5000sccm，鋁源流量為ΙΟμπιοΙ/min，鎵源流量為36ymol/min。步驟4，在勢(shì)壘層(4)上外延輔溝道層(5)，如圖2(d)。在勢(shì)壘層(4)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是IOnm的GaN輔溝道層(5)。外延 GaN輔溝道層的工藝條件為溫度為920°C，壓力為40Torr，氫氣流量為500sCCm，氨氣流量 為 5000sccm，鎵源流量為 100ymol/min。步驟5，在輔溝道層( 上外延緩變勢(shì)壘層(6)，如圖2(e)。在輔溝道層(5)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是IOnm的緩變勢(shì)壘層(6)，其中緩 變勢(shì)壘層的成分為AlmGai_mN，O^m^O. 5，鋁組分m從襯底方向向上由0緩變?yōu)?. 5。外延 緩變勢(shì)壘層的工藝條件為溫度為920°C，壓力為40ΤΟΠ·，氫氣流量為500sCCm，氨氣流量為5000sccm，招源、流量由 Oymol/min 至Ij 13 μ mol/min，嫁源、流量為 20ymol/min。步驟6，在緩變勢(shì)壘層(6)上外延高勢(shì)壘層(7)，如圖2(f)。在緩變勢(shì)壘層(6)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是5nm的Ala5Giia5N高勢(shì)壘層 (7)。外延Ala5Giia5N高勢(shì)壘層的工藝條件為溫度為920°C，壓力為40ΤΟΠ·，氫氣流量為 500sccm，氨氣流量為5000sccm，鋁源流量為13 μ mol/min，鎵源流量為20ymol/min。步驟7，在高勢(shì)壘層(7)上外延隔離溝道層(8)，如圖2(g)。在高勢(shì)壘層(7)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是IOnm的GaN隔離溝道層(8)。外 延GaN輔溝道層的工藝條件為溫度為920°C，壓力為40Torr，氫氣流量為500sCCm，氨氣流 量為5000sccm，鎵源流量為100 μ mol/min。步驟8，在隔離溝道層⑶上外延隔離勢(shì)壘層(9)，如圖2(h)。在隔離溝道層⑶上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是20nm的Ala2Giia8N隔離勢(shì)壘層 (9)。外延Ala2Giia8N高勢(shì)壘層的工藝條件為溫度為1000°C，壓力為40Torr，氫氣流量為 500sccm,氨氣流量為5000sccm，鋁源流量為4 μ mol/min,鎵源流量為20 μ mol/min。步驟9，光刻并采用干法刻蝕出凹槽(14)區(qū)域，如圖2(i)。光刻并采用反應(yīng)離子刻蝕RIE技術(shù)刻蝕出凹槽區(qū)域，刻蝕深度為55nm?？涛g凹槽 區(qū)域采用的工藝條件是反應(yīng)氣體CF4的流量為20sCCm，A的流量為kccm，壓力為5mT，功 率為50W。步驟10，淀積一層介質(zhì)層(13)，如圖2(」)。采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD設(shè)備淀積厚度為30nm的SiN介質(zhì)層(13)， 該介質(zhì)層覆蓋隔離勢(shì)壘層(9)表面和凹槽(14)內(nèi)壁。淀積SiN介質(zhì)層的工藝條件為=NH3W 流量為2. 5sccm, N2的流量為900sccm，SiH4的流量為200sccm，溫度為300°C，壓力為900mT， 功率為WW。步驟11，光刻并刻蝕出源極、柵極和漏極區(qū)域，如圖2(k)。光刻并刻蝕出源極、柵極和漏極區(qū)域，其中源極和漏極位于勢(shì)壘層(4)頂端兩側(cè)， 源極和漏極區(qū)域自介質(zhì)層表面開(kāi)始刻蝕至勢(shì)壘層(4)，刻蝕深度為85nm ；柵極區(qū)域在凹槽 內(nèi)，刻蝕凹槽中介質(zhì)層至凹槽底部介質(zhì)層厚度為Onm為止，且凹槽內(nèi)柵極區(qū)域兩側(cè)分別留 有介質(zhì)層厚度為5nm?？涛g采用的工藝條件是反應(yīng)氣體CF4的流量為20sCCm』2的流量為 2sccm，壓力為5mT，功率為50W。步驟12，蒸發(fā)金屬，形成源極、柵極和漏極，如圖2(1)。采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在已刻蝕的源極和漏極區(qū)域蒸發(fā)金屬，再在隊(duì)氣氛中進(jìn)行快 速熱退火，制作源極10和漏極12，其中源極和漏極金屬采用Ti/Al/Ni/Au組合，且Ti的厚 度為10nm，Al的厚度為30nm，Ni的厚度為20nm，Au的厚度為60nm ；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(fā)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(shí)間是60s。采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在已刻蝕的柵極區(qū)域蒸發(fā)金屬，柵極金屬采用Ni/Au組合， 其中M的厚度為10nm，Au的厚度為400nm。淀積柵極金屬采用的工藝條件為真空度小于 1. 8 X 10 ,功率范圍為200 700W，蒸發(fā)速率小于3A/s。實(shí)施例2成核層采用A1N，主溝道層、輔溝道層和隔離溝道層采用InaCl5Giia95N,勢(shì)壘層和隔離勢(shì)壘層采用Ala82Ina 18N。制作過(guò)程如下步驟1，襯底采用藍(lán)寶石，并在其上采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積MOCVD技術(shù) 外延一層厚度為30nm的AlN成核層。外延AlN成核層的工藝條件為溫度為980°C，壓力 為2(ΧΓογγ，氫氣流量為500sccm，氨氣流量為1500sccm，鋁源流量為18ymol/min。步驟2，在成核層(2)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是1 μ m的Laci5Giia95N主溝道 層(3)。外延Matl5Giia95N主溝道層的工藝條件為溫度為500°C，壓力為200Torr，氫氣流量 為500sccm，氨氣流量為5000sccm，鎵源流量為10 μ mol/min,銦源流量為2. 8 μ mol/min。步驟3，在主溝道層(3)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是20nm的Ala82Inai8N勢(shì)壘 層G)。外延Ala82^iai8N勢(shì)壘層的工藝條件為溫度為600°C，壓力為200Torr，氫氣流量為 500sccm，氨氣流量為5000sccm，鋁源流量為18 μ mol/min，銦源流量為1 μ mol/min。步驟4，在勢(shì)壘層(4)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是IOnm的Laci5Giia95N輔溝道 層(5)。外延Matl5Giia95N輔溝道層的工藝條件為溫度為500°C，壓力為200Torr，氫氣流量 為500sccm，氨氣流量為5000sccm，鎵源流量為10 μ mol/min,銦源流量為2. 8 μ mol/min。
步驟5，與實(shí)施例1的步驟5相同。步驟6，與實(shí)施例1的步驟6相同。步驟7，在高勢(shì)壘層(7)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是IOnm的Inatl5Giia95N隔離 溝道層(8)。外延Matl5Giia95N隔離溝道層的工藝條件為溫度為500°C，壓力為200Torr，氫 氣流量為500sccm，氨氣流量為5000sccm，鎵源流量為10 μ mol/min,銦源流量為2. 8 μ mol/
mirio步驟8，在隔離溝道層⑶上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是20nm的Ala8Jnai8N隔 離勢(shì)壘層(9)。外延Ala82^iai8N隔離勢(shì)壘層的工藝條件為溫度為600°C，壓力為200Torr， 氫氣流量為500sccm，氨氣流量為5000sccm，鋁源流量為18 μ mol/min,銦源流量為1 μ mol/
mirio步驟9，與實(shí)施例1的步驟9相同。步驟10，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD設(shè)備淀積厚度為500nm的SiN介 質(zhì)層(13)，該介質(zhì)層覆蓋隔離勢(shì)壘層(9)表面和凹槽(14)內(nèi)壁。淀積SiN介質(zhì)層的工藝條 件為=NH3的流量為2. 5sccm, N2的流量為900sccm, SiH4的流量為200sccm，溫度為300°C, 壓力為900mT，功率為25W。步驟11，光刻并刻蝕出源極、柵極和漏極區(qū)域，其中源極和漏極位于勢(shì)壘層(4)頂 端兩側(cè)，源極和漏極區(qū)域自介質(zhì)層表面開(kāi)始刻蝕至勢(shì)壘層G)，刻蝕深度為555nm;柵極區(qū) 域在凹槽內(nèi)，刻蝕凹槽中介質(zhì)層至凹槽底部介質(zhì)層厚度為5nm為止，且凹槽內(nèi)柵極區(qū)域兩 側(cè)分別留有介質(zhì)層厚度為30nm。刻蝕采用的工藝條件是反應(yīng)氣體CF4的流量為20sCCm， O2的流量為kccm，壓力為5mT，功率為80W。步驟12，采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在已刻蝕的源極和漏極區(qū)域蒸發(fā)金屬，再在隊(duì)氣氛 中進(jìn)行快速熱退火，制作源極10和漏極12，其中源極和漏極金屬采用Ti/Al/Ni/Au組合，且 Ti的厚度為40nm，Al的厚度為60nm，Ni的厚度為120nm，Au的厚度為150nm ；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(fā)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(shí)間是60s。采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在已刻蝕的柵極區(qū)域蒸發(fā)金屬，柵極金屬采用Ni/Au組合，其中M的厚度為40nm，Au的厚度為80nm。淀積柵極金屬采用的工藝條件為真空度小于 1. 8 X 10 ,功率范圍為200 700W，蒸發(fā)速率小于3A/s。實(shí)施例3成核層采用Ala35Giia65N,主溝道層、輔溝道層和隔離溝道層采用Inatl3Giia97N,勢(shì)壘 層和隔離勢(shì)壘層采用Ala27Inaci3Giia7Ntj制作過(guò)程如下步驟1，襯底采用藍(lán)寶石，并在其上采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積MOCVD技術(shù) 外延一層厚度為60nm的Ala35Giia65N成核層。外延Ala35Giia65N成核層的工藝條件為溫度 為980°C，壓力為20Torr，氫氣流量為500sccm，氨氣流量為1500sccm，鋁源流量為18 μ mol/ min,鎵源流量為45 μ mol/min。步驟2，在成核層(2)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是1. 5μπι的Laci3Giia97N主溝 道層(3)。外延Matl3GEia97N主溝道層的工藝條件為溫度為600°C，壓力為150Torr，氫氣流 量為500sccm，氨氣流量為5000sccm，鎵源流量為10 μ mol/min,銦源流量為2. 2 μ mol/min。步驟3，在主溝道層(3)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是20nm的Ala Mlnatl3GEici.小勢(shì) 壘層G)。外延Altl.MnaC3Giia7N勢(shì)壘層的工藝條件為溫度為700°C，壓力為lOOTorr，氫氣 流量為500sccm，氨氣流量為5000sccm，鋁源流量為3. 5 μ mol/min,銦源流量為2. 4 μ mol/ min,鎵源流量為10 μ mol/min。步驟4，在勢(shì)壘層(4)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是IOnm的Inaci3Giia97N輔溝道 層(5)。外延Matl3Giia97N輔溝道層的工藝條件為溫度為600°C，壓力為150Torr，氫氣流量 為500sccm，氨氣流量為5000sccm，鎵源流量為10 μ mol/min,銦源流量為2. 2 μ mol/min。步驟5，與實(shí)施例1的步驟5相同。步驟6，與實(shí)施例1的步驟6相同。步驟7，在高勢(shì)壘層(7)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是IOnm的Inatl3Giia97N隔離 溝道層(8)。外延Latl3GEia97N隔離溝道層的工藝條件為溫度為600°C，壓力為150Torr，氫 氣流量為500sccm，氨氣流量為5000sccm，鎵源流量為10 μ mol/min,銦源流量為2. 2 μ mol/ min。步驟8，在隔離溝道層⑶上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是ZOnmmAla27Inaci3GEia7N 隔離勢(shì)壘層(9)。外延Ala27Inaci3Giia7N隔離勢(shì)壘層的工藝條件為溫度為700°C，壓力為 lOOTorr，氫氣流量為500sccm，氨氣流量為5000sccm，鋁源流量為3. 5 μ mol/min，銦源流量 為 2. 4 μ mol/min,鎵源流量為 10 μ mol/min。步驟9，與實(shí)施例1的步驟9相同。步驟10，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD設(shè)備淀積厚度為200nm的SiN介 質(zhì)層(13)，該介質(zhì)層覆蓋隔離勢(shì)壘層(9)表面和凹槽(14)內(nèi)壁。淀積SiN介質(zhì)層的工藝條 件為=NH3的流量為2. 5sccm, N2的流量為900sccm, SiH4的流量為200sccm，溫度為300°C, 壓力為900mT，功率為25W。步驟11，光刻并刻蝕出源極、柵極和漏極區(qū)域，其中源極和漏極位于勢(shì)壘層(4)頂 端兩側(cè)，源極和漏極區(qū)域自介質(zhì)層表面開(kāi)始刻蝕至勢(shì)壘層G)，刻蝕深度為255nm;柵極區(qū) 域在凹槽內(nèi)，刻蝕凹槽中介質(zhì)層至凹槽底部介質(zhì)層厚度為3nm為止，且凹槽內(nèi)柵極區(qū)域兩 側(cè)分別留有介質(zhì)層厚度為15nm。刻蝕采用的工藝條件是反應(yīng)氣體CF4的流量為20sCCm， O2的流量為kccm，壓力為5mT，功率為60W。
步驟12，采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在已刻蝕的源極和漏極區(qū)域蒸發(fā)金屬，再在隊(duì)氣氛 中進(jìn)行快速熱退火，制作源極(10)和漏極(12)，其中源極和漏極金屬采用Ti/Al/Ni/Au組 合，且Ti的厚度為20nm，Al的厚度為160nm，Ni的厚度為60nm，Au的厚度為80nm ；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(fā)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(shí)間是60s。采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在已刻蝕的柵極區(qū)域蒸發(fā)金屬，柵極金屬采用Ni/Au組合， 其中M的厚度為30nm，Au的厚度為200nm。淀積柵極金屬采用的工藝條件為真空度小于 1. 8 X 10 ,功率范圍為200 700W，蒸發(fā)速率小于3A/s。上述實(shí)施例僅本發(fā)明的幾個(gè)優(yōu)選實(shí)例不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制，顯然對(duì)于本領(lǐng) 域的專(zhuān)業(yè)人員來(lái)說(shuō)，在了解了本發(fā)明內(nèi)容和原理后，能夠在不背離本發(fā)明的原理和范圍的 情況下，根據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明的 修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高電子遷移率晶體管，自下而上包括襯底(1)、成核層( 、主溝道層C3)、勢(shì)壘 層(4)、介質(zhì)層(13)；勢(shì)壘層(4)頂端兩側(cè)分別為源極(10)和漏極(12)，中間為柵極(11)， 其特征在于勢(shì)壘層(4)上依次增加有輔溝道層(5)、緩變勢(shì)壘層(6)、高勢(shì)壘層(7)、隔離 溝道層(8)和隔離勢(shì)壘層(9)；柵極(11)位于勢(shì)壘層(4)與隔離勢(shì)壘層(9)之間的凹槽 (14)中，柵極的兩側(cè)及底部設(shè)有介質(zhì)層(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，隔離勢(shì)壘層(9)與隔離溝 道層(8)界面上，緩變勢(shì)壘層(6)與輔溝道層( 界面上，勢(shì)壘層(4)和主溝道層C3)界面 上分別形成有二維電子氣2DEG。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，隔離勢(shì)壘層(9)和勢(shì)壘 層(4)為AlxInyGa(1_x_y)N，且0 < χ < 1，0彡y彡0. 18，x+y彡1，隔離溝道層(8)、輔溝道層 (5)和主溝道層(3)為InzGivzN,且0彡ζ彡0. 05。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，高勢(shì)壘層(7)為 Al?！?5Νο
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，緩變勢(shì)壘層(6)為 AlmGai_mN，0<m<0.5，且從緩變勢(shì)壘層(6)與高勢(shì)壘層(7)界面到緩變勢(shì)壘層(6)與輔溝 道層(5)界面，緩變勢(shì)壘層(6)的Al組分m由0. 5緩變?yōu)?。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，成核層(2)為AlmGi^mN, 且 彡m彡1。
7.根據(jù)權(quán)利要求9所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，凹槽(14)中柵極兩側(cè)介 質(zhì)厚度為5 30nm，柵極底部介質(zhì)層厚度為0 5nm，隔離勢(shì)壘層(9)上方介質(zhì)層(13)的 厚度范圍為30 500nm。
8.一種制作高電子遷移率晶體管的方法，包括如下過(guò)程第一步，在襯底(1)上，采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積MOCVD技術(shù)外延厚度是 30 IOOnm的成核層O)，其中成核層的成分為AlmGai_mN，且0彡m彡1，外延采用的溫度是 98O °C，壓力是 2OiTorr ；第二步，在成核層(2)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是1 5μπι的主溝道層(3)，其中 主溝道的成分為hzGai_zN，且0彡ζ彡0. 05，外延采用的溫度是500 920°C，壓力是40 200Torr ；第三步，在主溝道層(3)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是20nm的勢(shì)壘層0)，其中勢(shì)壘 層⑷的成分為AlxInyfeia_x_y)N，且0 < χ < 1，0彡y彡0. 18，x+y彡1，外延采用的溫度是 600 IOOO0C，壓力是 40 200Torr ；第四步，在勢(shì)壘層(4)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是IOnm的輔溝道層(5)，其中輔溝 道層的成分為hzGai_zN，且0彡ζ彡0. 05，外延采用的溫度是500 920°C，壓力是40 200Torr ；第五步，在輔溝道層(5)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是IOnm的緩變勢(shì)壘層(6)，其中 緩變勢(shì)壘層的成分為AlmGai_mN，00. 5，鋁組分從襯底方向向上由0%緩變?yōu)?0%，外延采用的溫度是920°C，壓力是40Torr ；第六步，在緩變勢(shì)壘層(6)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是5nm的高勢(shì)壘層(7)，其中高 勢(shì)壘層的成分是Ala 5Ga0.5N,外延采用的溫度是920°C，壓力是40Torr ；第七步，在高勢(shì)壘層(7)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是IOnm的隔離溝道層(8)，其中 隔離溝道層的成分是hfahN，且0彡ζ彡0. 05，外延采用的溫度是500 920°C，壓力是 40 200Torr ；第八步，在隔離溝道層(8)上，采用MOCVD技術(shù)外延厚度是20nm的隔離勢(shì)壘層(9)，其 中隔離勢(shì)壘層的成分是AlxInyfeia_x_y)N，且0 < χ < 1，0彡y彡0. 18，x+y彡1，外延采用的 溫度是6OO 1000°C，壓力是40 2OOTorr ；第九步，光刻并采用反應(yīng)離子刻蝕RIE技術(shù)刻蝕出凹槽(14)，刻蝕至勢(shì)壘層，反應(yīng) 氣體CF4的流量為20sccm，O2的流量為2sccm壓力為5mT，功率為50W ；第十步，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD設(shè)備淀積厚度為30 500nm的介質(zhì)層 (13)，該介質(zhì)層覆蓋隔離勢(shì)壘層(9)表面和凹槽(14)內(nèi)壁；第十一步，光刻并刻蝕出源極、柵極和漏極區(qū)域，其中源極和漏極區(qū)域從介質(zhì)層表面開(kāi) 始刻蝕至勢(shì)壘層G)，柵極區(qū)域在凹槽(14)內(nèi)，刻蝕凹槽中介質(zhì)層至凹槽底部介質(zhì)層厚度 為0 5nm，且凹槽內(nèi)柵極區(qū)域兩側(cè)分別保留有介質(zhì)層；第十二步，蒸發(fā)金屬，形成源極、柵極和漏極，源極和漏極金屬采用Ti/Al/Ni/Au組合， 其中Ti的厚度為10 40nm，Al的厚度為30 160nm，Ni的厚度為20 120nm，Au的厚 度為60 150nm ；而柵極金屬采用Ni/Au組合，其中Ni的厚度為10 40nm，Au的厚度為 80 400nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，凹槽兩側(cè)保留的介質(zhì)層厚度為5 30nm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高電子遷移率晶體管，主要解決現(xiàn)有技術(shù)的電流崩塌嚴(yán)重和源漏極歐姆接觸電阻大的問(wèn)題。該器件自下而上包括襯底(1)、成核層(2)、主溝道層(3)、勢(shì)壘層(4)、介質(zhì)層(13)；勢(shì)壘層(4)頂端兩側(cè)分別為源極(10)和漏極(12)，中間為柵極(11)，勢(shì)壘層(4)上依次增加有輔溝道層(5)、緩變勢(shì)壘層(6)、高勢(shì)壘層(7)、隔離溝道層(8)和隔離勢(shì)壘層(9)；柵極(11)位于勢(shì)壘層與隔離勢(shì)壘層之間的凹槽(14)中，柵極的兩側(cè)及底部設(shè)有介質(zhì)層(13)。隔離勢(shì)壘層與隔離溝道層界面上，緩變勢(shì)壘層與輔溝道層界面上，勢(shì)壘層和主溝道層界面上分別形成有二維電子氣2DEG。本發(fā)明可避免高場(chǎng)應(yīng)力下的電流崩塌，降低源漏極歐姆接觸電阻，可用作高溫高頻高可靠大功率器件。
文檔編號(hào)H01L29/205GK102130159SQ20111000151
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2011年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月6日
發(fā)明者付小凡, 劉子揚(yáng), 張凱, 張進(jìn)成, 林志宇, 王沖, 郝躍, 陳珂, 馬俊彩, 馬曉華 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)