GaN 基超薄勢壘增強(qiáng)模式反相器及環(huán)振的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種GaN?基超薄勢壘增強(qiáng)模式反相器及環(huán)振，利用表面SiN有效降低超薄勢壘異質(zhì)結(jié)的溝道方塊電阻，通過調(diào)節(jié)器件表面SiN厚度可分別實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件及負(fù)載電阻，將增強(qiáng)型器件柵下SiN刻蝕掉，器件柵下溝道電子濃度很低，器件可呈現(xiàn)出正閾值電壓的增強(qiáng)型特性，負(fù)載電阻表面保留SiN，電阻溝道中存在高濃度二維電子氣，呈現(xiàn)出電阻特性，將增強(qiáng)型器件和負(fù)載電阻集成可實(shí)現(xiàn)反相器，再將2n+1個(gè)相同的反相器級連，可實(shí)現(xiàn)環(huán)振。
【專利說明】GaN基超薄勢壘增強(qiáng)模式反相器及環(huán)振
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于微電子【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及半導(dǎo)體器件及電路，具體涉及一種GaN基超薄勢壘增強(qiáng)模式(E-mode)反相器、環(huán)振的結(jié)構(gòu)，主要用于作為耐高溫、抗輻照的集成電路基礎(chǔ)單元。
【背景技術(shù)】
[0002]GaN材料作為第三代半導(dǎo)體，由于其突出的材料特性，已成為現(xiàn)代國際上研究的熱點(diǎn)。GaN材料特有的極化效應(yīng)以及GaN材料的高電子飽和速度，使得AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管在大功率微波器件方面顯示出明顯的優(yōu)勢。近年來，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)耗盡型高電子遷移率晶體管得到了很大的發(fā)展，美國加州大學(xué)巴巴拉分校的T.Palac1s等人研制的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管在40GHz的高頻下可獲得10W/mm的輸出功率，同時(shí)能獲得高達(dá)163GHz的特征頻率及230GHz的截止頻率。Wu等人2003年報(bào)道的器件在30GHz頻率下輸出功率密度為3.5ff/mm, 2004年報(bào)道了器件8GHz下輸出功率密度為32W/mm，漏電壓偏置大于100V。
[0003]同時(shí)，GaN基HEMT器件由于其寬禁帶特性，具有良好的高溫特性及抗輻照特性，在惡劣環(huán)境下的GaN基高速集成電路中具有很好的應(yīng)用前景。但是由于GaN中p型摻雜的難度很大，所以國際上主要把注意力放在η型增強(qiáng)型器件的研制上，通過將增強(qiáng)型器件和耗盡型器件(或負(fù)載電阻)集成，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)/耗盡(E/D)模式或增強(qiáng)(E)模式的集成電路。
[0004]現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)GaN基環(huán)振集成電路及其基本單元反相器的方案如下:
[0005]現(xiàn)有方案I
[0006]Khan等人利用薄勢壘結(jié)構(gòu)制備了第一支GaN基增強(qiáng)型器件，并將增強(qiáng)型器件和耗盡型器件的信號合成，實(shí)現(xiàn)了反相器特性。參見文獻(xiàn)M Asif Khan, Q Chen, C J Sun.et al, Enhancement and deplet1n mode GaN/AlGaN heterostructure field effecttransistors, App1.Phys.Lett.，V0I68，Januaryl996, pp:514-516。
[0007]現(xiàn)有方案2
[0008]Micovic等人采用槽柵刻蝕技術(shù)制備增強(qiáng)型器件，并將耗盡型器件和增強(qiáng)型器件集成在同一圓片上，制備了 GaN基反相器、環(huán)振及2級分頻器。增強(qiáng)型器件槽柵長0.15 μ m,柵長I μ m,采用T型場板結(jié)構(gòu),器件閾值電壓為0.5V,最大跨導(dǎo)為400mS/mm,最大飽和電流為0.9A/mm。在高電平電壓為IV時(shí)，反相器高低噪聲容限分別為0.38V和0.22V。23級環(huán)振的振蕩頻率為80MHz，每級延時(shí)為272ps，功耗延遲積為50f J。參見文獻(xiàn)M.Micovic, T.Tsen, M.Hu.et al, GaN enhancement/deplet1n-mode FET logic for mixed signalapplicat1ns, Electronics Lett.，Vol.41，September2005，N0.19，15th。
[0009]現(xiàn)有方案3
[0010]2005年蔡勇等人將F等離子體處理增強(qiáng)型器件和常規(guī)耗盡型器件集成在同一圓片上制備了 E/D-mode反相器及環(huán)振。反相器高低噪聲容限分別為0.51V和0.21V。Vdd為
2.5V時(shí)環(huán)振頻率為193MHz，每級延時(shí)為152ps ；VDD為3.5V時(shí)每級延時(shí)為130ps。參見文獻(xiàn) Y Cai, Z Q Cheng, W C W Tang, et al, Monolithic Integrat1n of Enhancement-andDeplet1n-mode AlGaN/GaN HEMTs for GaN Digital Integrated Circuits, IEDM Tech.Dig., 2005, pp: 771。
[0011]現(xiàn)有方案4
[0012]2007年蔡勇等人采用F等離子體處理制備MIS結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型器件，柵介質(zhì)為15nm的Si3N4，并將增強(qiáng)型器件和耗盡型器件集成了 E/D-mode反相器。增強(qiáng)型器件閾值電壓為2V，最大飽和電流為420mA/mm，最大跨導(dǎo)為125mS/mm，反相器高低噪聲容限分別為2V和2.1V0 參見文獻(xiàn) R N Wang, Y Cai, W C W Tang, et al, Integrat1n of enhancement anddeplet1n-mode AlGaN/GaN MIS-HFETs by fluoride-based plasma treatment, phys.stat.sol.(a)Vol204, 2007, pp:2023 - 2027。
[0013]以上現(xiàn)有方案及其制作的GaN基集成電路缺點(diǎn)如下:
[0014]1.方案I工藝復(fù)雜，增強(qiáng)型和耗盡型器件勢壘層厚度不一致，很難在同一圓片上集成。
[0015]2.方案2工藝復(fù)雜，槽柵刻蝕可重復(fù)性差，因此器件均勻性差，在制備大規(guī)模集成電路中存在較大問題。
[0016]3.方案3增強(qiáng)型器件可靠性差，在電應(yīng)力及熱應(yīng)力下器件閾值電壓容易漂移，因而電路可靠性較差。
[0017]4.方案4增強(qiáng)型器件可靠性差，且由于柵電極到溝道距離較大，器件頻率特性較差，因而電路可靠性及頻率特性較差。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0018]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種GaN基超薄勢壘增強(qiáng)模式(E-mode)反相器及環(huán)振，實(shí)現(xiàn)高頻率特性及高可靠性。
[0019]GaN基超薄勢壘增強(qiáng)模式反相器，該反相器包括依次設(shè)置于襯底上的成核層、緩沖層、插入層、勢壘層以及帽層，帽層、勢壘層、插入層以及部分緩沖層被刻蝕形成臺面，臺面將反相器隔離為兩個(gè)器件區(qū)域，其中一個(gè)器件區(qū)域(增強(qiáng)型器件)的異質(zhì)結(jié)上設(shè)置有第一柵電極、第一源電極以及第一漏電極，第一源電極以及第一漏電極直接蒸發(fā)在帽層上，第一柵電極位于第一源電極與第一漏電極之間，第一源電極上、第一漏電極上、第一柵電極、第一源電極以及第一漏電極所在位置以外的帽層上及臺面下的緩沖層上設(shè)置有表面SiN層，第一柵電極采用T型柵結(jié)構(gòu)，T型柵結(jié)構(gòu)的一部分在帽層上，另一部分在表面SiN層上，另一個(gè)器件區(qū)域(負(fù)載電阻)的異質(zhì)結(jié)上設(shè)置有兩個(gè)歐姆電極，兩個(gè)歐姆電極直接蒸發(fā)在帽層上，兩個(gè)歐姆電極上、兩個(gè)歐姆電極所在位置以外的帽層上及臺面下的緩沖層上設(shè)置有表面SiN層，兩個(gè)器件區(qū)域的表面SiN層上及第一柵電極上設(shè)置有保護(hù)SiN層，保護(hù)SiN層上設(shè)置有互聯(lián)金屬，互聯(lián)金屬和下層各電極(第一柵電極、第一源電極、第一漏電極以及兩個(gè)歐姆電極)對應(yīng)相連。
[0020]所述襯底的材料為藍(lán)寶石或SiC，成核層的材料為A1N，緩沖層的材料為GaN，插入層的材料為A1N，勢壘層的材料為Ala3Gaa7N,帽層的材料為GaN。
[0021]所述勢魚層的厚度為3_5nm。
[0022]所述表面SiN層的厚度為60nm，表面SiN層采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)工藝形成。
[0023]基于上述GaN基超薄勢壘增強(qiáng)模式反相器的環(huán)振，該環(huán)振由2n+l個(gè)所述反相器級連而成，η為自然數(shù)。
[0024]2η+1個(gè)反相器通過互聯(lián)金屬集成在同一圓片上。
[0025]制作上述GaN基超薄勢壘增強(qiáng)模式反相器的方法，包括以下步驟:
[0026]I)在襯底基片上生長AlN成核層；
[0027]2)在AlN成核層上生長1-3 μ m厚的GaN緩沖層；
[0028]3)在GaN緩沖層上生長1.5nm厚的AlN插入層；
[0029]4)在AlN插入層上生長3_5nm厚的Ala3Gaa7N勢壘層；
[0030]5)在Ala3Gaa7N勢壘層上生長2nm厚的GaN帽層；
[0031]6)在GaN帽層上光刻歐姆接觸區(qū)域窗口，并在該歐姆接觸區(qū)域窗口上采用電子束蒸發(fā)工藝蒸發(fā)歐姆接觸金屬，形成負(fù)載電阻的歐姆電極及增強(qiáng)型器件的源、漏電極；
[0032]7)經(jīng)過步驟6)以后，在GaN帽層上光刻臺面區(qū)域，然后采用RIE工藝刻蝕臺面，得到樣片A ；
[0033]8)在樣片A表面沉積60nm的表面SiN層；
[0034]9)在表面SiN層上光刻增強(qiáng)型器件的槽柵區(qū)域，然后采用RIE工藝刻蝕槽柵；
[0035]10)在表面SiN層上光刻增強(qiáng)型器件的柵極區(qū)域，并采用電子束蒸發(fā)工藝蒸發(fā)柵極金屬，得到樣片B;
[0036]11)在樣片B上沉積200nm的保護(hù)SiN層，并在保護(hù)SiN層上光刻金屬互聯(lián)開孔區(qū)，再刻蝕金屬互聯(lián)開孔區(qū)；
[0037]12)最后在保護(hù)SiN層上光刻互聯(lián)金屬區(qū)、蒸發(fā)互聯(lián)金屬。
[0038]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0039]1.本實(shí)用新型采用GaN/AlGaN/AlN/GaN超薄勢壘異質(zhì)結(jié)材料，制備的增強(qiáng)型器件具有優(yōu)良的頻率特性，所集成的反相器、環(huán)振可實(shí)現(xiàn)較高的工作頻率。
[0040]2.本實(shí)用新型利用表面SiN層對薄勢壘異質(zhì)結(jié)溝道方阻的調(diào)節(jié)作用，通過調(diào)節(jié)器件柵下表面SiN層厚度可在一圓片上同時(shí)實(shí)現(xiàn)負(fù)載電阻及增強(qiáng)型器件，制備反相器、環(huán)振的工藝簡單，易于集成。
[0041]3.本實(shí)用新型利用表面SiN層對薄勢壘異質(zhì)結(jié)溝道方阻的調(diào)節(jié)作用，采用GaN/AlGaN/AlN/GaN超薄勢壘異質(zhì)結(jié)制備的T型柵增強(qiáng)型器件，具有較高的電應(yīng)力、熱應(yīng)力及輻照應(yīng)力可靠性，因此采用該結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型器件和負(fù)載電阻集成的反相器、環(huán)振具有較高可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]圖1是本實(shí)用新型所述GaN基超薄勢壘增強(qiáng)模式反相器的電路示意圖；
[0043]圖2是本實(shí)用新型所述GaN基超薄勢壘增強(qiáng)模式環(huán)振的電路示意圖；
[0044]圖3是制作本實(shí)用新型所述環(huán)振中反相器的工藝流程圖，S表示源電極，D表示漏電極。
[0045]圖4是5nmAlGaN薄勢壘異質(zhì)結(jié)未覆蓋表面SiN和覆蓋表面SiN的材料方塊電阻對比圖。[0046]圖5是薄勢壘增強(qiáng)型器件的輸出特性(a)和轉(zhuǎn)移特性(b)曲線。
[0047]圖6是方案3中器件(a)和薄勢壘增強(qiáng)型器件(b)的頻率特性對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0048]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0049]一種GaN基超薄勢壘增強(qiáng)模式環(huán)振，環(huán)振由2n+l個(gè)相同的反相器級連而成，這2n+l個(gè)反相器通過互聯(lián)金屬集成在同一圓片上。反相器包括依次設(shè)置于襯底上的成核層、緩沖層、插入層、勢壘層以及帽層，臺面區(qū)域的帽層、勢壘層、插入層以及部分緩沖層被刻蝕，形成兩個(gè)隔離的器件區(qū)域，其中一個(gè)器件區(qū)域(增強(qiáng)型器件)的異質(zhì)結(jié)上設(shè)置有柵、源、漏電極，源、漏電極直接蒸發(fā)在帽層上，源、漏電極上及柵、源、漏電極以外的帽層上及臺面下的緩沖層上設(shè)置有表面SiN層，柵電極采用T型柵結(jié)構(gòu)，即部分在帽層上，部分在表面SiN層上。另一個(gè)器件區(qū)域(負(fù)載電阻)的異質(zhì)結(jié)上設(shè)置有兩個(gè)歐姆電極，兩個(gè)歐姆電極直接蒸發(fā)在帽層上，兩個(gè)歐姆電極上、兩個(gè)歐姆電極以外的帽層上及臺面下的緩沖層上設(shè)置有表面SiN層。兩個(gè)器件區(qū)域的表面SiN層及前一器件的柵電極上設(shè)置有保護(hù)SiN層，保護(hù)SiN層上設(shè)置有互聯(lián)金屬，金屬互聯(lián)開孔區(qū)的SiN層被刻蝕，使保護(hù)SiN層上的互聯(lián)金屬和下層電極相連。
[0050]本實(shí)用新型的關(guān)鍵技術(shù)在于對表面SiN層的利用，表面SiN層采用PECVD工藝制備，SiN厚度為60nm，該表面SiN層能有效降低超薄勢壘異質(zhì)結(jié)的溝道方塊電阻，通過調(diào)節(jié)表面SiN層厚度可分別實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件及負(fù)載電阻，將增強(qiáng)型器件柵下表面SiN層刻蝕掉，器件柵下溝道電子濃度很低，器件可呈現(xiàn)出正閾值電壓的增強(qiáng)型特性，負(fù)載電阻表面保留SiN，溝道中存在高濃度二維電子氣，呈現(xiàn)出電阻特性，通過輸入信號控制增強(qiáng)型器件的開與關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)輸出信號的轉(zhuǎn)變，將增強(qiáng)型器件和負(fù)載電阻集成可實(shí)現(xiàn)反相器，再將2n+l個(gè)相同的反相器級連，可實(shí)現(xiàn)環(huán)振。
[0051]參照圖1，本實(shí)用新型所述反相器由一個(gè)負(fù)載電阻和一個(gè)增強(qiáng)型器件組成，負(fù)載電阻的一端電極接高電平VDD;增強(qiáng)型器件的漏極和負(fù)載電阻的另一端電極相連，做為輸出端Vout ;增強(qiáng)型器件的源極接地Gnd ;增強(qiáng)型器件的柵極為反相器的輸入端Vin。當(dāng)輸入信號為低電平時(shí)，增強(qiáng)型器件關(guān)斷，負(fù)載電阻導(dǎo)通，輸出和Vdd導(dǎo)通，輸出端為高電平。當(dāng)輸入信號為高電平時(shí)，增強(qiáng)型器件開啟，輸出端和地之間導(dǎo)通，輸出端和Vdd之間也導(dǎo)通，通過合理設(shè)計(jì)負(fù)載電阻和增強(qiáng)型器件的導(dǎo)通電阻比，使大部分壓降落在負(fù)載電阻上，輸出端為低電平，實(shí)現(xiàn)反相器功能。
[0052]參照圖2，本實(shí)用新型所述環(huán)振由2n+l個(gè)相同的反相器級連而成，即反相器通過互聯(lián)金屬首尾相連(前一個(gè)反相器的輸出端與后一個(gè)反相器的輸入端相連)，引其中一反相器的輸出作為環(huán)振的輸出。
[0053]參照圖3，制作本實(shí)用新型所述環(huán)振的工藝按照不同的襯底分別描述如下:
[0054]實(shí)施例一
[0055]在藍(lán)寶石襯底上制作GaN/AlGaN/AlN/GaN(2nm/5nm/l.5nm/l μ m)超薄勢魚增強(qiáng)模式(E-mode)反相器,步驟如下:
[0056]步驟I，在藍(lán)寶石襯底基片上，利用MOCVD工藝，生長AlN成核層。
[0057]將藍(lán)寶石襯底放入金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積MOCVD設(shè)備的反應(yīng)室中，當(dāng)反應(yīng)室的真空度降至IX 10_2Torr后，在氫氣與氨氣的混合氣體保護(hù)下對藍(lán)寶石襯底進(jìn)行高溫?zé)崽幚砗捅砻娴訜釡囟葹?050°c，加熱時(shí)間為5min，反應(yīng)時(shí)壓力保持在40Torr。通入氨氣流量為1500sccm,氧氣流量為1500sccm ;
[0058]將襯底溫度降至900°C，生長厚度為20nmAlN成核層。反應(yīng)時(shí)壓力保持在40Torr，氨氣流量為1500sccm，氫氣流量為1500sccm，同時(shí)向反應(yīng)室通入鋁源。
[0059]步驟2，在AlN成核層上，生長I μ m厚的GaN緩沖層。
[0060]在MOCVD設(shè)備中分別設(shè)置生長溫度為900°C、生長厚度為100nm的GaN緩沖層、生長壓力為40Torr、氨氣流量為1500sCCm和氫氣流量為1500sCCm的工藝參數(shù)，同時(shí)向反應(yīng)室通入鎵源；
[0061]步驟3，在GaN緩沖層上，生長1.5nm厚的AlN插入層。
[0062]在MOCVD設(shè)備中分別設(shè)置生長溫度為900°C、生長厚度為1.5nm的AlN插入層、生長壓力為40Torr、氨氣流量為1500sCCm和氫氣流量為1500sCCm的工藝參數(shù)，同時(shí)向反應(yīng)室通入鋁源；
[0063]步驟4，在AlN插入層上，生長5nm厚的Ala3Gaa7N勢壘層。
[0064]在MOCVD設(shè)備中分別設(shè)置生長溫度為900°C、生長厚度為5nm的Ala3Gaa7N勢壘層、生長壓力為40Torr、氨氣流量為1500sCCm和氫氣流量為1500sCCm的工藝參數(shù)，同時(shí)向反應(yīng)室通入鋁源和鎵源；
[0065]步驟5，在Al。.3Ga0.7N勢壘層上，生長2nm厚的GaN帽層。
[0066]在MOCVD設(shè)備中分別設(shè)置生長溫度為900°C、生長厚度為2nm的GaN帽層、生長壓力為40Torr、氨氣流量為1500sccm和氫氣流量為1500sccm的工藝參數(shù)，同時(shí)向反應(yīng)室通入鎵源；
[0067]步驟6，在GaN帽層上光刻歐姆接觸區(qū)域窗口，并在該歐姆接觸區(qū)域窗口上采用電子束蒸發(fā)工藝蒸發(fā)歐姆接觸金屬，形成負(fù)載電阻的歐姆電極及增強(qiáng)型器件的源、漏電極。
[0068](6a)光刻歐姆接觸區(qū)域:首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然后涂膠，甩膠，甩膠轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/min，之后再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再對樣品歐姆接觸區(qū)進(jìn)行光刻和顯影；
[0069](6b)蒸發(fā)歐姆接觸金屬:采用電子束蒸發(fā)臺蒸發(fā)歐姆接觸金屬，歐姆接觸金屬自下而上為Ti/Al/Ni/Au，然后再對樣品進(jìn)行金屬剝離；
[0070](6c)歐姆接觸金屬退火:將樣品放入退火爐中，在900°C的溫度下退火3min。
[0071]步驟7，在GaN帽層上光刻臺面區(qū)域，采用RIE工藝刻蝕臺面，得到樣片A。
[0072](7a)光刻臺面:首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然后涂膠，甩膠，甩膠轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/min，之后再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再對樣品臺面區(qū)進(jìn)行光刻和顯影；
[0073](7b)刻蝕臺面:采用RIE工藝對臺面圖形部分進(jìn)行刻蝕，刻蝕深度為120nm?？涛g條件為=Cl2流量為15SCCm，壓力為10mT，射頻功率為100W，刻蝕時(shí)間為3min。
[0074]步驟8，在樣片A表面采用PECVD工藝沉積表面SiN層。
[0075]用等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)在樣品表面沉積一層600人的SiN，沉積條件為:2%SiH4/N2流量為200sccm，NH3流量為3sccm，He流量為900sccm，壓強(qiáng)為900mT，溫度為300°C，功率為25W，沉積時(shí)間為9min。[0076]步驟9，在表面SiN層上光刻增強(qiáng)型器件的槽柵區(qū)域，采用RIE工藝刻蝕槽柵。
[0077](9a)光刻槽柵:首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然后涂膠，甩膠，甩膠轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/min，之后再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再對增強(qiáng)型器件槽柵進(jìn)行光刻和顯影；
[0078](9b)刻蝕槽柵:采用RIE工藝對槽柵圖形部分進(jìn)行刻蝕，刻蝕深度為60nm?？涛g條件為=CF4流量為20SCCm，壓強(qiáng)為5mT，射頻功率為50W，刻蝕時(shí)間為2min。
[0079]步驟10，在表面SiN層上光刻增強(qiáng)型器件的柵極區(qū)域(增強(qiáng)型器件的柵極區(qū)域與槽柵區(qū)域位置對應(yīng))，并采用電子束蒸發(fā)工藝蒸發(fā)柵極金屬，得到樣片B。
[0080](1a)光刻柵極:首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然后涂膠，甩膠，甩膠轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/min，之后再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再對樣品增強(qiáng)型器件的柵極區(qū)域進(jìn)行光刻和顯影；
[0081](1b)柵金屬蒸發(fā):采用電子束蒸發(fā)臺蒸發(fā)柵金屬，柵金屬自下而上為Ni/Au，并對其進(jìn)行剝離。
[0082]步驟11，采用PECVD工藝在樣片B上沉積保護(hù)SiN層，并在保護(hù)SiN層上光刻金屬互聯(lián)開孔區(qū)，再刻蝕金屬互聯(lián)開孔區(qū)。
[0083](Ila)保護(hù)SiN層沉積:用等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)在樣品表面沉積一層2000A的SiN，沉積條件為:2%SiH4/N2流量為200sccm，NH3流量為3sccm，He流量為900sccm，壓強(qiáng)為900mT，溫度為300°C，功率為25W，沉積時(shí)間為30min。
[0084](Ilb)光刻金屬互聯(lián)開孔區(qū):首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然后涂膠，甩膠，甩膠轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/min，之后再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再光刻金屬互聯(lián)開孔區(qū)圖形；
[0085](Ilc)刻蝕金屬互聯(lián)開孔區(qū):對金屬互聯(lián)開孔區(qū)進(jìn)行刻蝕?？涛g條件為=CF4流量為20sccm，壓力為10mT，射頻功率為250W，刻蝕時(shí)間為2min ；
[0086]步驟12，在保護(hù)SiN層上光刻互聯(lián)金屬區(qū)及蒸發(fā)互聯(lián)金屬。
[0087](12a)光刻互聯(lián)金屬區(qū):首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然后涂膠，甩膠，甩膠轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/min，之后再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再對樣品互聯(lián)金屬區(qū)進(jìn)行光刻和顯影；
[0088](12b)互聯(lián)金屬蒸發(fā):采用電子束蒸發(fā)臺蒸發(fā)互聯(lián)金屬，互聯(lián)金屬自下而上為Ni/Au,并對其進(jìn)行剝離，完成器件制作。
[0089]實(shí)施例二
[0090]在SiC 襯底上制作 GaN/AlGaN/AlN/GaN(2nm/5nm/l.5nm/1 μ m)超薄勢魚增強(qiáng) / 耗盡模式(E/D-mode)反相器，步驟如下:
[0091]步驟1，在SiC襯底基片上，利用MOCVD工藝，生長AlN成核層。
[0092]將SiC襯底放入金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積MOCVD設(shè)備的反應(yīng)室中，當(dāng)反應(yīng)室的真空度降至I X KT2Torr后，在氫氣與氨氣的混合氣體保護(hù)下對SiC襯底進(jìn)行高溫?zé)崽幚砗捅砻娴?，加熱溫度?050°C，加熱時(shí)間為5min，反應(yīng)時(shí)壓力保持在40Torr。通入氨氣流量為1500sccm,氧氣流量為 1500sccm ;
[0093]將襯底溫度降至900°C，生長厚度為20nmAlN成核層。反應(yīng)時(shí)壓力保持在40Torr，氨氣流量為1500sccm，氫氣流量為1500sccm，同時(shí)向反應(yīng)室通入鋁源。[0094]步驟2，在AlN成核層上，生長I μ m厚的GaN緩沖層。
[0095]在MOCVD設(shè)備中分別設(shè)置生長溫度為900°C、生長厚度為100nm的GaN緩沖層、生長壓力為40Torr、氨氣流量為1500sCCm和氫氣流量為1500sCCm的工藝參數(shù)，同時(shí)向反應(yīng)室通入鎵源；
[0096]步驟3，在GaN緩沖層上，生長1.5nm厚的AlN插入層。
[0097]在MOCVD設(shè)備中分別設(shè)置生長溫度為900°C、生長厚度為1.5nm的AlN插入層、生長壓力為40Torr、氨氣流量為1500sCCm和氫氣流量為1500sCCm的工藝參數(shù)，同時(shí)向反應(yīng)室通入鋁源；
[0098]步驟4,在AlN插入層上，生長5nm厚的Ala3Gaa7N勢魚層。
[0099]在MOCVD設(shè)備中分別設(shè)置生長溫度為900°C、生長厚度為5nm的Ala3Gaa7N勢壘層、生長壓力為40Torr、氨氣流量為1500sCCm和氫氣流量為1500sCCm的工藝參數(shù)，同時(shí)向反應(yīng)室通入鋁源和鎵源；
[0100]步驟5，在Al。.3Ga0.7N勢壘層上，生長2nm厚的GaN帽層。
[0101]在MOCVD設(shè)備中分別設(shè)置生長溫度為900°C、生長厚度為2nm的GaN帽層、生長壓力為40Torr、氨氣流量為1500sccm和氫氣流量為1500sccm的工藝參數(shù)，同時(shí)向反應(yīng)室通入鎵源；
[0102]步驟6，在GaN帽層上光刻歐姆接觸區(qū)域窗口，并在該歐姆接觸區(qū)域窗口上采用電子束蒸發(fā)工藝蒸發(fā)歐姆接 觸金屬，形成負(fù)載電阻的歐姆電極及增強(qiáng)型器件的源、漏電極。
[0103](6a)光刻歐姆接觸區(qū)域:首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然后涂膠，甩膠，甩膠轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/min，之后再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再對樣品歐姆接觸區(qū)進(jìn)行光刻和顯影；
[0104](6b)蒸發(fā)歐姆接觸金屬:采用電子束蒸發(fā)臺蒸發(fā)歐姆接觸金屬，歐姆接觸金屬自下而上為Ti/Al/Ni/Au，然后再對樣品進(jìn)行金屬剝離；
[0105](6c)歐姆接觸金屬退火:將樣品放入退火爐中，在900°C的溫度下退火3min。
[0106]步驟7，在GaN帽層上光刻臺面區(qū)域，采用RIE工藝刻蝕臺面，得到樣片A。
[0107](7a)光刻臺面:首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然后涂膠，甩膠，甩膠轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/min，之后再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再對樣品臺面區(qū)進(jìn)行光刻和顯影；
[0108](7b)刻蝕臺面:采用RIE工藝對臺面圖形部分進(jìn)行刻蝕，刻蝕深度為120nm。刻蝕條件為=Cl2流量為15SCCm，壓力為10mT，射頻功率為100W，刻蝕時(shí)間為3min。
[0109]步驟8，在樣片A表面采用PECVD工藝沉積表面SiN層。
[0110]用等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)在樣品表面沉積一層600/?的SiN，沉積條件為:2%SiH4/N2流量為200sccm，NH3流量為3sccm，He流量為900sccm，壓強(qiáng)為900mT，溫度為300°C，功率為25W，沉積時(shí)間為9min。
[0111]步驟9，在表面SiN層上光刻增強(qiáng)型器件的槽柵區(qū)域，采用RIE工藝刻蝕槽柵。
[0112](9a)光刻槽柵:首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然后涂膠，甩膠，甩膠轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/min，之后再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再對增強(qiáng)型器件槽柵進(jìn)行光刻和顯影；
[0113](9b)刻蝕槽柵:采用RIE工藝對槽柵圖形部分進(jìn)行刻蝕，刻蝕深度為60nm?？涛g條件為=CF4流量為20sCCm，壓強(qiáng)為5mT，射頻功率為50W，刻蝕時(shí)間為2min。
[0114]步驟10，在表面SiN層上光刻增強(qiáng)型器件的柵極區(qū)域(增強(qiáng)型器件的柵極區(qū)域與槽柵區(qū)域位置對應(yīng))，并采用電子束蒸發(fā)工藝蒸發(fā)柵極金屬，得到樣片B。
[0115](1a)光刻柵極:首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然后涂膠，甩膠，甩膠轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/min，之后再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再對樣品增強(qiáng)型器件的柵極區(qū)域進(jìn)行光刻和顯影；
[0116](1b)柵金屬蒸發(fā):采用電子束蒸發(fā)臺蒸發(fā)柵金屬，柵金屬自下而上為Ni/Au，并對其進(jìn)行剝離。
[0117]步驟11，采用PECVD工藝在樣片B上沉積保護(hù)SiN層，并在保護(hù)SiN層上光刻金屬互聯(lián)開孔區(qū)，再刻蝕金屬互聯(lián)開孔區(qū)。
[0118](Ila)保護(hù)SiN層沉積:用等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)在樣品表面沉積一層2000A的SiN，沉積條件為:2%SiH4/N2流量為200sccm，NH3流量為3sccm，He流量為900sccm，壓強(qiáng)為900mT，溫度為300°C，功率為25W，沉積時(shí)間為30min。
[0119](Ilb)光刻金屬互聯(lián)開孔區(qū):首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然后涂膠，甩膠，甩膠轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/min，之后再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再光刻金屬互聯(lián)開孔區(qū)圖形；
[0120](Ilc)刻蝕金屬互聯(lián)開孔區(qū):對金屬互聯(lián)開孔區(qū)進(jìn)行刻蝕?？涛g條件為=CF4流量為20sccm，壓力為10mT，射頻功率為250W，刻蝕時(shí)間為2min ；
[0121]步驟12，在保護(hù)SiN層上光刻互聯(lián)金屬區(qū)及蒸發(fā)互聯(lián)金屬。
[0122](12a)光刻互聯(lián)金屬區(qū):首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然后涂膠，甩膠，甩膠轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/min，之后再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再對樣品互聯(lián)金屬區(qū)進(jìn)行光刻和顯影；
[0123](12b)互聯(lián)金屬蒸發(fā):采用電子束蒸發(fā)臺蒸發(fā)互聯(lián)金屬，互聯(lián)金屬自下而上為Ni/Au,并對其進(jìn)行剝離，完成器件制作。
[0124]圖3給出的是本實(shí)用新型所述環(huán)振基本單元反相器的基本工藝流程圖，由于本實(shí)用新型所述環(huán)振是由2n+l個(gè)相同的反相器級連而成，環(huán)振的制造工藝和反相器基本一致，只是版圖設(shè)計(jì)不同，而反相器的工藝流程可以體現(xiàn)環(huán)振的工藝流程，因此為簡便在圖3中只給出了反相器的工藝流程圖。
[0125]本實(shí)用新型所述的環(huán)振由2n+l個(gè)相同的反相器級連而成，根據(jù)電路基本知識可知在反相器特性正常的情況下該電路可實(shí)現(xiàn)環(huán)振功能。本實(shí)用新型所述的反相器是利用表面SiN層對薄勢壘異質(zhì)結(jié)溝道電子的調(diào)制作用，通過調(diào)節(jié)器件柵下表面SiN層厚度，在薄勢壘異質(zhì)結(jié)上分別實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件和負(fù)載電阻，并最終將增強(qiáng)型器件和負(fù)載電阻集成而成。通過對反相器基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析不難得出在增強(qiáng)型器件和負(fù)載電阻特性正常的情況下，只要合理設(shè)計(jì)增強(qiáng)型器件和負(fù)載電阻的導(dǎo)通電阻比，便可實(shí)現(xiàn)反相器功能。
[0126]采用PECVD工藝制備的表面SiN層對薄勢壘異質(zhì)結(jié)材料溝道電子具有調(diào)制作用，圖4顯示了 5nmAlGaN薄勢壘異質(zhì)結(jié)未覆蓋表面SiN和覆蓋表面SiN的材料方塊電阻對比，覆蓋表面SiN層的薄勢壘異質(zhì)結(jié)具有高濃度的溝道電子，而未覆蓋表面SiN層的薄勢壘異質(zhì)結(jié)溝道電子濃度很低。因此如圖3中右側(cè)的器件結(jié)構(gòu)，由于器件表面均被SiN覆蓋，異質(zhì)結(jié)溝道中存在高濃度電子，可實(shí)現(xiàn)理想的導(dǎo)通電阻。而對于圖3中左側(cè)器件結(jié)構(gòu)，由于柵下異質(zhì)結(jié)表面未被SiN覆蓋，器件柵下溝道載流子濃度很低，而柵以外有源區(qū)被SiN覆蓋，柵外有源區(qū)存在高濃度電子，可實(shí)現(xiàn)高性能增強(qiáng)型器件特性。利用表面SiN層的這一特性，發(fā)明人已成功制備T型柵超薄勢壘增強(qiáng)型器件(圖3左側(cè)結(jié)構(gòu))，器件實(shí)現(xiàn)了 0.2V的正閾值電壓。圖5為器件的直流特性，器件特性正常。
[0127]通過以上分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出本實(shí)用新型具有較高的可行性。
[0128]本實(shí)用新型優(yōu)勢分析:
[0129]本實(shí)用新型利用表面SiN層對薄勢壘異質(zhì)結(jié)溝道方阻的調(diào)節(jié)作用，通過調(diào)節(jié)器件表面SiN層厚度可在一圓片上同時(shí)實(shí)現(xiàn)負(fù)載電阻及增強(qiáng)型器件，制備反相器、環(huán)振的工藝簡單，易于集成。
[0130]由于本實(shí)用新型反相器、環(huán)振工藝簡單，無任何引入損傷的工藝步驟(如F等離子體處理、凹槽柵刻蝕)，避免了會(huì)引入降低器件可靠性的因素，因此本實(shí)用新型反相器、環(huán)振和現(xiàn)有案例相比具有較高的可靠性。
[0131]由于薄勢壘器件勢壘層相對較薄，器件的頻率響應(yīng)相對較快，增強(qiáng)型器件具有較高的頻率特性，因此本實(shí)用新型反相器、環(huán)振也應(yīng)具有較高的頻率特性。圖6顯示了發(fā)明人所制備的T型柵超薄勢壘增強(qiáng)型器件和方案3中厚勢壘F等離子體處理增強(qiáng)型器件的頻率特性，從圖中可見，方案3中耗盡型器件特征頻率fT為13.1GHz，最大振蕩頻率fmax為37.1GHz，增強(qiáng)型器件特征頻率fT為10.1GHz，最大振蕩頻率fmax為34.3GHz，而發(fā)明人所制備的T型柵超薄勢壘增強(qiáng)型器件特征頻率fT為27.5GHz，最大振蕩頻率fmax為58GHz。和厚勢壘器件相比，薄勢壘器件具有較高的頻率特性，在高頻電路應(yīng)用中具有更大的潛力。
【權(quán)利要求】
1.一種GaN基超薄勢壘增強(qiáng)模式反相器，其特征在于:該反相器包括依次設(shè)置于襯底上的成核層、緩沖層、插入層、勢壘層以及帽層，帽層、勢壘層、插入層以及部分緩沖層被刻蝕形成臺面，臺面將反相器隔離為兩個(gè)器件區(qū)域，其中一個(gè)器件區(qū)域的異質(zhì)結(jié)上設(shè)置有第一柵電極、第一源電極以及第一漏電極，第一源電極以及第一漏電極直接蒸發(fā)在帽層上，第一柵電極位于第一源電極與第一漏電極之間，第一源電極上、第一漏電極上、第一柵電極、第一源電極以及第一漏電極所在位置以外的帽層上及臺面下的緩沖層上設(shè)置有表面SiN層，第一柵電極采用T型柵結(jié)構(gòu)，T型柵結(jié)構(gòu)的一部分在帽層上，另一部分在表面SiN層上，另一個(gè)器件區(qū)域的異質(zhì)結(jié)上設(shè)置有兩個(gè)歐姆電極，兩個(gè)歐姆電極直接蒸發(fā)在帽層上，兩個(gè)歐姆電極上、兩個(gè)歐姆電極所在位置以外的帽層上及臺面下的緩沖層上設(shè)置有表面SiN層，兩個(gè)器件區(qū)域的表面SiN層上及第一柵電極上設(shè)置有保護(hù)SiN層，保護(hù)SiN層上設(shè)置有互聯(lián)金屬，互聯(lián)金屬和下層各電極對應(yīng)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種GaN基超薄勢壘增強(qiáng)模式反相器，其特征在于:所述襯底的材料為藍(lán)寶石或SiC，成核層的材料為A1N，緩沖層的材料為GaN，插入層的材料為A1N，勢壘層的材料為Ala3Gaa7N,帽層的材料為GaN。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種GaN基超薄勢壘增強(qiáng)模式反相器，其特征在于:所述勢壘層的厚度為3-5nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種GaN基超薄勢壘增強(qiáng)模式反相器，其特征在于:所述表面SiN層的厚度為60nm，表面SiN層采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積工藝形成。
5.一種基于權(quán)利要求1所述GaN基超薄勢壘增強(qiáng)模式反相器的環(huán)振，其特征在于:該環(huán)振由2n+l個(gè)所述反相器級連而成，η為自然數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種基于GaN基超薄勢壘增強(qiáng)模式反相器的環(huán)振，其特征在于:2η+1個(gè)反相器通過互聯(lián)金屬集成在同一圓片上。
【文檔編號】H01L27/02GK203826389SQ201420149069
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】全思, 谷文萍, 李演明, 文常保, 謝元斌, 巨永鋒, 郝躍 申請人:長安大學(xué)