專利名稱：源場板異質(zhì)結(jié)場效應晶體管及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微電子領域，涉及半導體器件，可用于微波功率放大器、無線雷達、單片集成電路等領域。
背景技術：
GaN材料作為第三代半導體材料，由于其大的禁帶寬度、高的臨界擊穿場強、高的載流子遷移率以及飽和速度，在高頻、高溫、高壓以及大功率領域顯示出極大的優(yōu)越性。自從1993年，Khan等人報道成功的研制出了第一支AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管，經(jīng)過材料質(zhì)量、器件工藝以及器件結(jié)構(gòu)的不斷改進，其性能不斷取得突破。但是AlGaN/GaN微波功率器件中仍有很多問題沒有解決，其中關鍵的兩個問題是存在柵漏電大以及電流崩 塌現(xiàn)象，導致器件擊穿電壓低，輸出功率以及功率附加效率PAE受到極大的限制。并且大的漏電帶來附加的噪聲、損耗，將直接影響到器件的長期可靠性。研究發(fā)現(xiàn)這兩種現(xiàn)象都與柵靠漏端處的電場有關。在高電子遷移率晶體管工作時，勢壘層中的電場線分布并不均勻，柵極靠近漏極一側(cè)的邊緣往往收集大部分的電場線，因此此處的電場相當高。此處的的高電場會使得柵極漏電增大，容易觸發(fā)器件的雪崩或者遂穿擊穿，導致了 GaN材料高擊穿電壓和大功率等優(yōu)勢不復存在。并且加大柵電子注入到AlGaN表面，導致了嚴重的電流崩塌，大大的限制了器件的功率特性。為了提高AlGaN/GaN HEMTs的擊穿電壓以及降低電流崩塌對器件的影響，各種各樣的場板結(jié)構(gòu)被提出，并且進行了不斷的改進，如圖I所示為傳統(tǒng)的Γ柵AlGaN/GaNHEMTs。其基本原理是利用場板電極對載流子的耗盡作用，增加耗盡區(qū)寬度，增加耗盡區(qū)可以承受的電壓，從而提高器件的源漏擊穿電壓，參見Enhancement of breakdown voltagein AlGaN/GaN high electron mobility transistors using a field palte, IEEETransactions on Electron Devices, Vol. 48，No. 8, pp. 1515-1521, August, 2001。同時場板屏蔽部分來自于漏端的電場線，緩和了柵偏漏端的電場的過度集中，使得柵邊緣以及場板下的電場分布更加均勻，從而降低了由于高場導致的柵電子的遂穿以及對AlGaN表面的電子注入，降低了電流崩塌效應。為了進一步調(diào)制電場分布，提高擊穿電壓，一些研究者開始考慮采用雙場板甚至多層場板的結(jié)構(gòu)，Γ請參見High breakdown voltage AlGaN/GaNHEMTs achieved by multiple field plates, IEEE Electron Device Letters, Vol.25,No. 4，pp. 161-163，April 2004。但是場板的引入會增加柵漏間的反饋電容，導致了器件增益的下降。為了解決增益下降的問題，部分人采用了第二層場板結(jié)構(gòu)，且將第二層場板與源極相連，形成源場板結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，場板和溝道間的電容是漏-源電容，而漏源電容對功率增益特性沒有影響，一定程度上提高了器件的增益，參見High-gain microwave GaNHEMTs with source-terminated field-plates, IEEE International Electron DevicesMeeting Technical Digest, pp. 1078-1079，December 2004。此外,在 2005年,Yuji Ando 等人報道了采用柵場板和源場板雙層場板的結(jié)構(gòu)，有效的減小了器件的柵漏反饋電容，獲得了非常高的擊穿電壓，輸出功率以及線性增益，參見Novel AlGaN/GaN dual-field-plateFET with high gain, increased linearity and stability, IEEE InternationalElectrion Devices Meeting Technical Digest,pp. 576-579，December 2005。但是，由于源場板與柵場板的距離比較遠，即使采用源場板結(jié)構(gòu)，仍然不能完全地屏蔽柵漏電容，獲得最佳的功率增益特性。同時，采用多層場板結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)場效應晶體管的制作工藝變得更加復雜，增加一層場板都需要額外的光刻、金屬蒸發(fā)、介質(zhì)材料的沉積、清洗等工藝步驟，大大的增加了工藝的復雜度。且每一步工藝都有一定的成品率，隨著工藝步驟的增加，使得最后得到的器件的成品率以及均勻性降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述已有場板技術的不足，充分利用第一層場板，提供一種工藝簡單、成品率高的源場板異質(zhì)結(jié)場效應晶體管及其制造方法，以提高器件的擊穿電壓和射頻功率增益。為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供的器件結(jié)構(gòu)可采用任何的III-V族化合物半導體材 料異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包括襯底、緩沖層、勢壘層、源極、漏極、鈍化層、凹槽、Γ柵和保護層，緩沖層位于襯底與勢壘層之間，鈍化層位于源極與Γ柵以及Γ柵與漏極之間的勢壘層上，凹槽開在鈍化層上，Γ柵一部分位于凹槽上，其余部分位于鈍化層上，其特征在于在Γ柵與漏極之間的鈍化層上，按照與Γ柵的距離自近而遠淀積有一個源場板和η個浮置金屬場板，該源場板與源極電氣相連，以提高功率增益，該η個浮置金屬場板處于浮空狀態(tài)，以提高擊穿電壓，η彡I。作為優(yōu)選，上述源場板異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，其特征在于Γ柵、源場板與η個浮置金屬場板通過同一次金屬淀積完成。作為優(yōu)選，上述源場板異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，其特征在于Γ柵位于鈍化層上的有效長度為O O. 5 μ m,每個浮置金屬場板的有效長度均為O. I μ m 5 μ m,源場板的有效長度為O. 2 5 μ m。作為優(yōu)選，上述源場板異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，其特征在于源場板Γ柵的有效距離為O. I 0.8μπι，相鄰兩個浮置金屬場板之間的距離以及第一個浮置金屬場板與源場板之間的距離均為O. I 2 μ m。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明制作源場板異質(zhì)結(jié)場效應晶體管的方法，包括如下過程:在襯底上外延III-V族化合物半導體材料的緩沖層，作為器件的工作區(qū)；在緩沖層上外延III-V族化合物半導體材料的勢壘層；在勢壘層上制作光刻掩膜，利用該掩膜在勢壘層上淀積金屬，然后在N2氛圍中進行熱退火，分別制作成源極和漏極，其退火溫度為750°C 890°C ；分別在源極和漏極的上部，以及源極與漏極之間的勢壘層上淀積鈍化層，其厚度為 20nm O. 5 μ m ;在鈍化層上第一次制作光刻掩膜，并在源極與漏極之間的鈍化層上刻蝕出凹槽，該凹槽的刻蝕深度終止在勢壘層的上表面；在鈍化層上第二次制作光刻掩膜，利用該掩膜在源極與漏極之間的區(qū)域淀積兩層或者三層金屬，形成Γ柵、源場板和η個浮置金屬場板，其中Γ柵與源場板的距離為O. I O. 8 μ m，相鄰兩個浮置金屬場板之間的距離以及第一個浮置金屬場板與源場板之間的距離均為O. I 2 μ m ;在Γ柵、源場板以及各浮置金屬場板的外圍區(qū)域淀積保護層，其厚度為O. I
3μ m0本發(fā)明較傳統(tǒng)的Γ柵異質(zhì)結(jié)場效應晶體管比較有以下優(yōu)點I.進一步優(yōu)化電場分布，提高了擊穿電壓。本發(fā)明首先由于采用了源場板結(jié)構(gòu)，當器件工作在關態(tài)的情況下，由于源場板與Γ柵有很強的耦合作用，在與傳統(tǒng)的Γ柵相同的有效場板長度的情況下，可以獲得完全相同的電場分布與擊穿特性；同時由于本發(fā)明結(jié)合浮置金屬場板結(jié)構(gòu)進一步均勻化源場板邊緣的高電場強度，將單一的高的電場分為多個均勻的電場峰值，增加了源場板與漏電極之 間的高阻耗盡區(qū)長度，使得柵漏區(qū)域能夠承受更高的漏源電壓，突破傳統(tǒng)Γ柵結(jié)構(gòu)擊穿電壓的極限，進一步提高了器件的擊穿特性。2.提高了器件的功率增益，增強了器件的穩(wěn)定性。本發(fā)明與傳統(tǒng)的Γ柵結(jié)構(gòu)相比，由于采用短的柵場板和源場板相結(jié)合代替?zhèn)鹘y(tǒng)單一的柵場板結(jié)構(gòu)，在相同的有效場板長度的情況下，縮短了柵場板的長度，極大地減小了由柵場板引入的柵漏反饋電容，獲得更高的功率增益；同時由于源場板對Γ柵發(fā)出的到達漏端的電場線具有法拉第屏蔽效應，進一步減小了柵漏端反饋電容，使得功率增益特性得到了進一步的改善。此外由于柵漏反饋電容的減小，使得柵漏端之間的隔離效果更好，增強了器件的穩(wěn)定性。3.工藝簡單、易于實現(xiàn)，成品率高本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)中，由于源場板、浮置金屬場板與Γ柵的制作同時完成，不需要任何的附加工藝，避免了多層場板結(jié)構(gòu)所帶來的工藝復雜性問題，大大的提高了器件的均勻性以及成品率。仿真結(jié)果表明，本發(fā)明器件的擊穿電壓高于傳統(tǒng)Γ柵異質(zhì)結(jié)場效應晶體管的擊穿電壓；器件的功率增益顯著地高于傳統(tǒng)的Γ柵異質(zhì)結(jié)場效應晶體管的功率增益。以下結(jié)合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明的技術內(nèi)容和效果。


圖I是傳統(tǒng)Γ柵場板器件的異質(zhì)結(jié)場效應晶體管的結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明源場板異質(zhì)結(jié)場效應晶體管的結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明源場板異質(zhì)結(jié)場效應晶體管的制作流程圖；圖4是本發(fā)明器件與傳統(tǒng)器件仿真得到的工作區(qū)中電場曲線圖；圖5是本發(fā)明器件與傳統(tǒng)器件仿真得到的擊穿特性的曲線圖；圖6是本發(fā)明器件與傳統(tǒng)器件仿真得到的頻率特性的曲線圖；圖7是本發(fā)明器件與傳統(tǒng)器件仿真得到的反饋電容的曲線圖。
具體實施例方式參照圖2，本發(fā)明源場板異質(zhì)結(jié)場效應晶體管是基于III-V族化合物半導體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，它包括襯底I、緩沖層2、勢壘層3、源極4、漏極5、鈍化層6、Γ柵8以及保護層11。其中，勢壘層3的兩端分別淀積有源極4以及漏極5。源極4和漏極5的上部以及勢壘層3的其他區(qū)域淀積有鈍化層6。鈍化層6上開有凹槽7，Γ柵8的一部分位于此凹槽7中，其余部分位于鈍化層6的上部。在Γ柵8與漏極之間的鈍化層上制有一個源場板9以及η個浮置金屬場板10，η > I。該源場板9和η個浮置金屬場板10經(jīng)過同一步金屬淀積工藝完成，且處于同一個平面。源場板9與源極4電相連，η個浮置金屬場板不與任何的電極相連接，處于獨立的浮置金屬狀態(tài)。Γ柵位于鈍化層6上部的有效長度為O 0.5 μ m，源場板的有效長度為O. 2 5 μ m,源場板與Γ柵8之間的距離為O. I O. 8 μ m,源場板與其最近鄰第一個浮置金屬場板之間的距離以及各個浮置金屬場板之間的距離均為O. I 2μπι。各個浮置金屬場板的長度均O. I μ m 5 μ m。保護層11位于源場板、各浮置金屬場板的上部，以及鈍化層上的其他區(qū)域。上述器件的襯底I可采用多種材料，如碳化硅或藍寶石或硅或氮化鎵；緩沖層2由一層或者多層III-V族化合物半導體材料組成，如GaN、AlN、AlGaN、InGaN單層或者其多層的組合等，其厚度為O. 8 4. 5 μ m ;勢壘層3由一層或者多層III-V族化合物半導體材料組成，如GaN、AlN、AlGaN、InAlGaN以及InAlN單層或者其多層的組合，其厚度為4nm 40nm。 鈍化層6可以為一層或者多層絕緣介質(zhì)材料，如SiN、SiO2, A1203、HfO2, Ga203、Ti2O5或者其多層的組合，其厚度為20nm 0.5μπι。保護層11可以為一層或者多層絕緣介質(zhì)材料，如SiN、Si02、Al203、Hf02、Ga203、Ti205或者其多層的組合，其厚度為O. I 3 μ m ; Γ柵8、源場板9及浮置金屬場板10為多層金屬的疊層，如Ni/Au、Pt/Au、Ni/Au/Ni或Pt/Au/Ni疊層，其總厚度為O. 15 3μπι。參照圖3，本發(fā)明源場板異質(zhì)結(jié)場效應晶體管的制作方法，包括如下步驟步驟1，在襯底I上外延緩沖層2作為器件的工作區(qū)，如圖3(a)所示。選擇襯底1，其材料可以為碳化硅、藍寶石、硅、氮化鎵或其它外延襯底材料，并在其上外延厚度為O. 8 4. 5 μ m的III-V族化合物半導體材料作為器件的緩沖層2，該緩沖層的材料可以為由一層或者多層III-V族化合物半導體材料組成，如GaN單層，或AlGaN單層，或者自下而上分別為AlGaN和GaN兩層材料組成。外延緩沖層的方法采用金屬有機化學氣相沉積技術MOCVD或者分子束外延技術MBE。步驟2，在緩沖層上生長勢壘層3，如圖3(b)。在緩沖層2上淀積厚度為Inm 40nm的勢魚層3,該勢魚層材料由一層或者多層III-V族化合物半導體材料組成，如AlGaN單層，InAlN單層、AlN單層，或者自上而下分別為AlGaN和AlN雙層材料，自上而下分別為InAlN和AlN雙層材料等。步驟3，在勢壘層3上分別制作源極4和漏極5，如圖3(c)。在勢壘層3上制作光刻掩膜，然后采用電子束蒸發(fā)或者濺射工藝淀積金屬，經(jīng)過剝離工藝在其兩端得到孤立的金屬塊，最后在N2氣氛中進行快速熱退火形成源極4和漏極5，退火溫度為750°C 890°C，其中所沉積的金屬可以為多層金屬的組合，如自下而上分別為Ti、Al、Ni和Au的組合、自上而下分別為Pt和Au的組合。步驟4，淀積鈍化層6，如圖3 (d)。分別在源、漏極上部，以及勢壘層3上的其他區(qū)域淀積鈍化層6。該鈍化層采用的介質(zhì)為SiN、Si02、AlN、Al2O3和Ta2O5中的任意一種，其有效厚度為20nm (λ 5 μ m。淀積鈍化層6可以采用的方法可以為等離子體增強化學淀積技術PECVD、濺射技術、原子層外延技術ALD等介質(zhì)沉積技術。步驟5，在鈍化層6上刻蝕凹槽7，如圖3 (e)。在鈍化層6上制作掩膜并刻蝕出凹槽7，該凹槽的刻蝕深度終止在勢壘層3的上表面?？涛g凹槽的方法采用反應離子刻蝕技術RIE和感應耦合等離子刻蝕技術ICP等技術。步驟6，制作Γ柵8、源場板9以及浮置金屬場板10，如圖3 (f)。在鈍化層6上制作掩膜，該掩膜是按照Γ柵8在鈍化層6上的長度為O O. 5 μ m，源場板9與Γ柵8的距離為O. I 0.8 μ m，源場板與最近鄰的浮置金屬場板以及各個浮置金屬場板之間的距離O. I 2.0μπι進行設置。在此掩膜上沉積金屬，利用剝離工藝同時得到Γ柵8、源場板9以及η個浮置金屬場板10，η彡I，其厚度為O. 15 3μπι。其中，源場板的有效長度為O. 2 5 μ m,浮置金屬場板的有效長度為O. I μ m 5 μ m。沉積的金屬可以米用一層或者多層金屬的組合，例如自下而上為Ni、Au、Ni三層金屬的疊層，自下而上為 Pt、Au兩層金屬的疊層等。電極金屬的方法可以是電子束蒸發(fā)技術或者濺射技術等。步驟7，沉積保護層11，如圖3 (g)。在Γ柵8、源場板9以及各浮置金屬場板的外圍區(qū)域沉積保護層11。保護層材料可以采用SiN或Si02*Al203或A1N，其厚度為0.05 2μπι。沉積保護層11的方法采用等離子體增強化學淀積技術PECVD、濺射技術、原子層外延技術ALD等介質(zhì)沉積技術。根據(jù)以上所述的器件結(jié)構(gòu)以及制作方法，本發(fā)明給出以下種實施例實施例I :制作在SiC襯底上，鈍化層介質(zhì)為SiN，保護層為SiN，Γ柵、源場板和浮置金屬場板為自下而上由Ni和Au組成的金屬疊層的源場板異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，其步驟包括如下第一步，在SiC襯底上，利用金屬有機物化學氣相淀積技術M0CVD，先在1050°C下生長IOOnm的A1N，再在1000°C下生長I μ m的非故意摻雜的GaN層，形成緩沖層2。第二步，利用金屬有機物化學氣相淀積技術MOCVD在緩沖層2上淀積厚度為27nm的勢壘層3。該勢壘層自下而上由I. 2nm厚的AlN、25nm厚的Al組分為27%的AlGaN層和O. 8nm的GaN層組成，其中淀積底層AlN層的溫度為1070°C，淀積中間層AlGaN的溫度為IllO0C,淀積頂層GaN的溫度為1110°C。第三步，在勢壘層3上制作光刻掩膜，然后采用電子束蒸發(fā)淀積金屬疊層，經(jīng)過剝離工藝在其兩端得到孤立的金屬塊，最后在N2氣氛中進行快速熱退火形成源極4和漏極5。所淀積的金屬自下而上為Ti、Al、Ni和Au,其厚度分別為20nm、150nm、60nm和50nm ；電子束蒸發(fā)采用的條件為真空度彡2. O X IO-6Torr,淀積速率小于3A/s,快速熱退火的工藝條件為溫度870°C，時間30s。第四步，利用等離子體增強化學氣相淀積技術PECVD在源極4上部和漏極5的上部，以及勢壘層3的其他部分淀積SiN形成鈍化層6。淀積工藝條件為氣體分別為SiH4、NH3 > He和N2,流量分別為4sccm、2sccm、200sccm和200sccm，壓力為600mT，溫度250°C，功率22W ;該鈍化層的厚度為50nm，。第五步，在鈍化層6的上部制作掩膜，利用等離子增強刻蝕技術RIE在源極4和漏極5之間的鈍化層6上開出凹槽7?？涛g凹槽的工藝條件為氣體為CF4和02，流量分別為20sccm和5sccm，壓力5mT。
第六步，在鈍化層6的上部制作光刻掩膜，利用電子束蒸發(fā)技術淀積金屬疊層，并利用剝離工藝分別形成Γ柵8、源場板9以及一個浮置金屬場板10。淀積金屬疊層的工藝條件為真空度彡2. OX 10_6Torr，淀積速率小于3A/s;所淀積的金屬疊層自下而上為Ni、Au，厚度分別為50nm、800nm。該Γ柵8在鈍化層6上的長度LO為O μ m，Γ柵8與源場板9之間的距離dl為O. 2 μ m，源場板9的長度為I μ m,源場板9與浮置金屬場板10之間的距離d2為O. 2 μ m,浮置金屬場板10的長度為I μ m0第七步，利用等離子體增強化學氣相淀積技術PECVD在Γ柵8、源場板9和浮置金屬場板10的外圍區(qū)域淀積SiN形成保護層11.淀積工藝條件為氣體分別為SiH4、NH3 > He和N2,流量分別為4sccm、2sccm、 200sccm 和 2OOsccm,壓力為 600mT，溫度 250°C，功率 22W ；保護層的厚度為lOOnm。實施例2 :在藍寶石襯底上制作鈍化層介質(zhì)為Al2O3，保護層為A1N，Γ柵、源場板和浮置金屬場板為自下而上由Pt和Au組成的金屬疊層的源場板異質(zhì)結(jié)場效應晶體管。本實例的制作步驟如下步驟A，在藍寶石襯底上，利用金屬有機物化學氣相淀積技術M0CVD，先在1050°C下生長IOOnm的A1N，再在1000°C下生長2. 5 μ m的非故意摻雜的AlGaN層，Al組分10%，形成緩沖層(2)。步驟B，利用金屬有機物化學氣相淀積技術MOCVD在緩沖層2上淀積厚度為27nm的勢壘層3。該勢壘層自下而上由L2nm厚的AlN、25nm厚的Al組分為40%的AlGaN層和O. 8nm的GaN層組成，其中淀積底層AlN層的溫度為1070°C，淀積中間層AlGaN的溫度為IllO0C,淀積頂層GaN的溫度為1110°C ;步驟C，在勢壘層3上制作光刻掩膜，采用電子束蒸發(fā)淀積金屬Ti和Ni，然后采用濺射技術淀積W，經(jīng)過剝離工藝在其兩端得到孤立的金屬塊，最后在隊氣氛中進行快速熱退火形成源極4和漏極5。所淀積的金屬自下而上為Ti、Al和W，其厚度分別為20nm、150nm和I μ m ;電子束蒸發(fā)的條件為真空度< 2. O X IO-6Torr，淀積速率小于3A/SJi射技術的條件為真空度(2. OXlO^6Torr,淀積速率小于30A/s:快速熱退火的工藝條件為溫度780°C，時間30s。步驟D，利用原子層淀積技術ALD在源極4上部和漏極5上部，以及勢壘層3的其他部分淀積Al2O3形成鈍化層6，該鈍化層的厚度為300nm，該淀積工藝條件為TMA和水分別作為Al源和氧源，載氣為N2，壓力為700Pa，淀積溫度280°C。步驟E，與實施例I的第五步相同。步驟F，在鈍化層6的上部制作光刻掩膜，利用電子束蒸發(fā)技術淀積金屬疊層，并利用剝離工藝分別形成Γ柵8、源場板9以及一個浮置金屬場板10。其中所淀積的金屬自下而上為Pt、Au，厚度分別為IOOnm和200nm。該Γ柵8在鈍化層6上的長度Ltl為O. 25 μ m，Γ柵8與源場板9之間的距離Cl1為O. I μ m，源場板9的長度為O. 5 μ m，源場板9與浮置金屬場板10之間的距離d2為O. 8 μ m,浮置金屬場板10的長度為O. 5 μ m。淀積金屬疊層的工藝條件為真空度< 2. OX 10_6Torr，淀積速率小于3入,
步驟G，利用反應濺射技術在Γ柵8、源場板9和浮置金屬場板10的外圍區(qū)域淀積AlN形成保護層11，該保護層的厚度為800nm。該濺射工藝條件為Ar流量為10mL/min，N2流量為20mL/min，濺射功率150W，工作氣壓I. 4Pa，襯底溫度250°C。實施例3 :在GaN襯底上制作鈍化層介質(zhì)為HfO2，保護層為SiO2, Γ柵、源場板和浮置金屬場板為自下而上由Ni、Au和Ni組成的金屬疊層的源場板異質(zhì)結(jié)場效應晶體管。本實例的步驟如下第I步，在GaN襯底上，利用金屬有機物化學氣相淀積技術MOCVD，先在1050°C下生長IOOnm的A1N，再在1000°C下生長4 μ m的非故意摻雜的GaN層，形成緩沖層2。第2步，利用金屬有機物化學氣相淀積技術MOCVD在緩沖層2上淀積厚度為9nm的勢壘層3。勢壘層自下而上為Inm厚的AlN和8nm厚的Al組分為83%的InAlN層；生長AlN層的溫度為1000°c，生長頂層InAlN的溫度為750°C。第3步，在勢壘層3上制作光刻掩膜，然后采用電子束蒸發(fā)淀積金屬疊層，經(jīng)過剝離工藝在其兩端得到孤立的金屬塊，最后在N2氣氛中進行快速熱退火形成源極4和漏極5。所淀積的金屬自下而上為Ti、Al、Mo和Au,其厚度分別為20nm、150nm、lOOnm、50nm ；電子束蒸發(fā)的條件為真空度彡2. OX 10_6Torr，淀積速率小于3A/s;
快速熱退火的工藝條件為溫度850°C，時間30s。第4步，利用原子層淀積技術ALD在源極4上部和漏極5上部，以及勢壘層3的其他部分淀積HfO2形成鈍化層6，該鈍化層的厚度為500nm。淀積工藝條件為Hf源和氧源分別為TEMAH和03，載氣為N2，壓力為700Pa，淀積溫度 280 0C ο第5步，與實施例I的第五步相同。第6步，在鈍化層6的上部制作光刻掩膜，利用電子束蒸發(fā)技術淀積金屬疊層，并利用剝離工藝分別形成Γ柵8、源場板9以及一個浮置金屬場板10。所淀積的金屬自下而上為Ni、Au、Ni，厚度分別為300nm、1000nm和800nm。該Γ柵8在鈍化層6上的長度Ltl為O. 5 μ m，Γ柵8與源場板9之間的距離Cl1為O. 8 μ m，源場板9的長度為4 μ m，源場板9與浮置金屬場板10之間的距離d2為2. O μ m，浮置金屬場板10的長度為4μ ;電子束蒸發(fā)的條件為真空度彡2. OX IO-6Torr,淀積速率小于3A/s第7步，利用等離子體增強化學氣相淀積技術PECVD在Γ柵8源場板9和浮置金屬場板10的外圍區(qū)域淀積SiO2形成保護層11，該保護層的厚度為1500nm。淀積的工藝條件為氣體為N2O和SiH4,流量分別為700sccm和200sccm，壓力為900mT，溫度 250°C，功率 26W。本發(fā)明的效果可以通過以下仿真進一步說明仿真I :設傳統(tǒng)Γ柵場板的長度Lf = 1.2 μ m，本發(fā)明的源場板結(jié)構(gòu)中浮置金屬場板的個數(shù) n=2。分別對傳統(tǒng)Γ柵結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管和本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管的電場分布進行仿真，仿真結(jié)果如圖4。從圖4可見，采用傳統(tǒng)的Γ柵結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管在溝道中形成兩個大小幾乎相同的強電場峰值，在這兩個峰值的中間部分，電場強度比較低，電場分布高度不均勻，電場曲線下的覆蓋的面積比較小，使得擊穿電壓比較低。SLf > I. 2 μ m，由于柵場板邊緣電場過大，擊穿電壓反而降低。即Lf = I. 2 μ m確保了在此器件幾何尺寸下的傳統(tǒng)Γ柵器件結(jié)構(gòu)的最大擊穿電壓。而在本發(fā)明的源場板器件中，共形成四個電場峰值，使得傳統(tǒng)Γ柵場板邊緣的單一的高電場峰值由三個比較低且均勻的電場峰值所代替，電場曲線下覆蓋的面積比較大，突破了傳統(tǒng) Γ柵場板器件的擊穿極限，極大的提高了擊穿電壓。仿真2:定義電流突然增加時的電壓為源漏擊穿電壓。分別對傳統(tǒng)Γ柵結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管和本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管的擊穿特性進行仿真，仿真結(jié)果如圖5。從圖5可見，傳統(tǒng)Γ柵結(jié)構(gòu)在源漏電壓大約350V發(fā)生擊穿，而采用本發(fā)明的源場板結(jié)構(gòu)的器件的擊穿電壓大約發(fā)生在450V。此圖證明了本發(fā)明的源場板異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管的擊穿電壓高于傳統(tǒng)Γ柵異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管的最大擊穿電壓。仿真3:分別對無任何場板結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管、傳統(tǒng)Γ柵結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管和本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管的小信號功率增益隨頻率的關系進行仿真，仿真結(jié)果如圖6。從圖6可見，在IOGHz下，傳統(tǒng)Γ柵、無場板和本發(fā)明的源場板異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管的功率增益分別為13. 38dB, 17dB以及20. 17dB。本發(fā)明的源場板器件的功率增益比傳統(tǒng)Γ柵器件高6. 8dB，同時由于源場板的屏蔽效應，使得本發(fā)明的源場板器件的功率增益比無場板器件的高3. 17dB。此圖證明了本發(fā)明的源場板高電子遷移率晶體管的功率增益遠高于傳統(tǒng)Γ柵高電子遷移率晶體管。仿真4:分別對無任何場板結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管、傳統(tǒng)Γ柵結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管和本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管的柵漏電容Cgd隨頻率的變化特性進行仿真，仿真結(jié)果如圖7。從圖7可見，傳統(tǒng)Γ柵、無場板和本發(fā)明的源場板異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管的柵漏電容分別為本發(fā)明的源場板異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管的柵漏電容僅僅為傳統(tǒng)Γ柵異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管的O. 25倍，大大提高了器件的反向隔離效果，增強了穩(wěn)定性。以上僅是本發(fā)明的幾個具體實例，并不構(gòu)成對本發(fā)明的具體限制，對本領域的專業(yè)人員來說，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)明的方法進行形式和細節(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)利要求保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種源場板異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，包括襯底(I)、緩沖層(2)、勢壘層(3)、源極(4)、漏極(5)、鈍化層(6)、凹槽(7)、Γ柵⑶和保護層(11)，緩沖層(2)位于襯底⑴與勢壘層⑶之間，鈍化層(6)位于源極⑷與Γ柵⑶以及Γ柵⑶與漏極(5)之間的勢壘層(3)上，凹槽(7)開在鈍化層(6)上，Γ柵(8) —部分位于凹槽(7)上，一部分位于鈍化層(6)上，其特征在于 在Γ柵⑶與漏極(5)之間的鈍化層(6)上，按照與Γ柵⑶的距離自近而遠淀積有一個源場板(9)和η個浮置金屬場板(10)，該源場板與源極(4)電氣相連，以提高功率增益，該η個浮置金屬場板(10)處于浮空狀態(tài)，以提高擊穿電壓，η > I。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的源場板異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，其特征在于Γ柵(8)、源場板(9)與η個浮置金屬場板(10)通過同一次金屬淀積完成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的源場板異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，其特征在于Γ柵(8)位于鈍化層(6)上的有效長度為O O. 5 μ m,每個浮置金屬場板(10)的有效長度均為O. I μ m 5 μ m,源場板(9)的有效長度為O. 2 5 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的源場板異質(zhì)結(jié)場效應晶體管，其特征在于源場板(9)與Γ柵(8)的有效距離為O. I O. 8 μ m，相鄰兩個浮置金屬場板之間的距離以及第一個浮置金屬場板與源場板(9)之間的距離均為O. I 2 μ m。
5.一種制作源場板異質(zhì)結(jié)場效應晶體管的方法，包括如下過程 在襯底(I)上外延III-V族化合物半導體材料的緩沖層(2)，作為器件的工作區(qū)； 在緩沖層(2)上外延III-V族化合物半導體材料的勢壘層(3)； 在勢壘層(3)上制作光刻掩膜，利用該掩膜在勢壘層(3)上淀積金屬，然后在N2氛圍中進行熱退火，分別制作成源極(4)和漏極(5)，其退火溫度為750°C 890°C ； 分別在源極(4)和漏極(5)的上部，以及源極(4)與漏極(5)之間的勢壘層(3)上淀積鈍化層(6),其厚度為20nm O. 5 μ m ; 在鈍化層(6)上第一次制作光刻掩膜，并在源極⑷與漏極(5)之間的鈍化層(6)上刻蝕出凹槽(7)，該凹槽的刻蝕深度終止在勢壘層(3)的上表面； 在鈍化層(6)上第二次制作光刻掩膜，利用該掩膜在源極⑷與漏極(5)之間的區(qū)域淀積兩層或者三層金屬，形成Γ柵(8)、源場板(9)和η個浮置金屬場板(10)，其中Γ柵(8)與源場板的距離為O. I O. 8 μ m，相鄰兩個浮置金屬場板之間的距離以及第一個浮置金屬場板與源場板(9)之間的距離均為O. I 2 μ m ; 在Γ柵(8)、源場板(9)以及各浮置金屬場板(10)的外圍區(qū)域淀積保護層(11)，其厚度為O. I 3 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于在源極(4)與漏極(5)之間的區(qū)域淀積的兩層金屬，采用Pt/Au，且第一層Pt的厚度為O. 02 I. 2 μ m,第二層Au的厚度為O. 05 2.5 μ m0
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于在源極(4)與漏極(5)之間的區(qū)域淀積的兩層金屬，進一步采用Ni/Au，且第一層Ni的厚度為O. 02 I. 2 μ m,第二層Au的厚度為O. 05 2. 5 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于在源極(4)與漏極(5)之間的區(qū)域淀積的三層金屬，采用Ni/Au/Ni，且第一層Ni的厚度為O. 02 I. 2 μ m,第二層Au的厚度為O. 05 2· 5 μ m,第三層Ni的厚度為O. 02 I. 2 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于在源極(4)與漏極(5)之間的區(qū)域淀積的三層金屬，進一步采用Pt/Au/Ni，且第一層Pt的厚度為O. 02 I. 2 μ m，第二層Au的厚度為O. 05 2. 5 μ m，第三層Ni的的厚度為O. 02 I. 2 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種源場板異質(zhì)結(jié)場效應晶體管及制作方法，主要解決現(xiàn)有場板技術擊穿電壓低、功率增益小的問題。該器件包括襯底(1)、過渡層(2)、勢壘層(3)、源極(4)、漏極(5)、鈍化層(6)、Γ柵(8)和保護層(11)，鈍化層(6)上開有凹槽(7)，Γ柵(8)一部分位于凹槽(7)內(nèi)，其余部分位于鈍化層(6)上部；Γ柵(8)與漏極(5)之間的鈍化層(6)上設有一個源場板(9)以及n個浮置金屬場板(10)，源場板(9)與源極(4)相連，這些浮置金屬場板長度相同，場板間的間距相同；Γ柵(8)、源場板(9)和n個浮置金屬場板(10)經(jīng)同一次金屬淀積工藝完成，形成源場板異質(zhì)結(jié)場效應晶體管。本發(fā)明具有擊穿電壓高，柵漏反饋電容小，功率增益高，工藝簡單的優(yōu)點，適用于高頻、大功率III-V族化合物微波功率器件。
文檔編號H01L21/335GK102881722SQ201210418868
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者郝躍, 張凱, 馬曉華, 陳永和, 曹夢逸 申請人:西安電子科技大學