本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及到GaN基高效率功率開關(guān)、電力電子器件的制作。

背景技術(shù)：

GaN材料由于其良好的半導(dǎo)體特性，基于該材料的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管HEMT在高溫器件及大功率微波器件方面有著極大的應(yīng)用前景。近年來，增強(qiáng)型(E-mode)AlGaN/GaN HEMT備受矚目，因?yàn)樵鰪?qiáng)型HEMT在功率開關(guān)中能提供固有的自動防故障裝置；在數(shù)字電路中能使其有更簡單的電路結(jié)構(gòu)；在射頻微波電路中則能讓其使用單極性電源電壓等等。增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT這些得天獨(dú)厚的優(yōu)勢使得研制高性能的該器件變得迫在眉睫。

然而增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT器件的制備是很有挑戰(zhàn)性的，傳統(tǒng)的普通AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)由于有極強(qiáng)的自發(fā)極化與壓電極化效應(yīng)，在不做任何處理的情況下，異質(zhì)結(jié)界面存在大量二維電子氣，也就是說普通的AlGaN/GaN HEMT器件是一個(gè)天然的耗盡型器件。為此研究工作者一直在探索實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT器件的方法，目前幾個(gè)比較有前景的技術(shù)有：1.通過柵刻蝕技術(shù)，刻蝕掉AlGaN勢壘層，達(dá)到耗盡二維電子氣的目的；2.向柵下的勢壘層區(qū)域注入氟離子，由于氟離子的強(qiáng)負(fù)電性，二維電子氣即可被耗盡；3.在柵下有選擇性地插入一層p型的AlGaN或者GaN，通過能帶的設(shè)計(jì)來減小異質(zhì)結(jié)界面的二維電子氣濃度。

以上這三個(gè)方法都是通過調(diào)控垂直于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)那個(gè)面的二維電子氣濃度來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件，或多或少都對溝道的性能有一定的影響，尤其是柵刻蝕技術(shù)和氟離子注入技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)型器件的基礎(chǔ)上，器件各方面的性能往往都大打折扣。有人報(bào)道出，隨著側(cè)面溝道寬度的減小，閾值電壓將正向移動，因此也有研究者利用常規(guī)的FinFET結(jié)構(gòu)，將AlGaN勢壘層刻蝕為納米尺寸線條，利用金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)差形成勢壘來耗盡二維電子氣，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型。由于此時(shí)的溝道已經(jīng)減小為納米尺度，故相對于常規(guī)的器件而言，單位面積輸出電流減小，另外也沒有能夠有效地利用晶元面積，對功率器件成本以及體積等有很大的不利影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明在前人研究基礎(chǔ)之上，對常規(guī)的GaN FinFET結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種基于多二維電子氣溝道技術(shù)形成增強(qiáng)型GaN FinFET器件及制備方法。該方法利用納米級柵寬 的勢壘調(diào)控和側(cè)面極化減弱來耗盡GaN/AlGaN中的二維電子氣以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件，并采用多層GaN/AlGaN二維結(jié)構(gòu)形成多溝道，通過多個(gè)導(dǎo)電溝道實(shí)現(xiàn)比普通GaN單溝道FinFET更大的面電流密度，成功地解決了普通GaN單溝道FinFET因損失有源區(qū)面積而導(dǎo)致輸出電流過低的問題。本發(fā)明中的器件結(jié)構(gòu)既能保證實(shí)現(xiàn)器件的增強(qiáng)型工作，又可以充分發(fā)揮GaN功率器件大電流面密度的特性，從而獲得高性能的GaN增強(qiáng)型器件。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：基于多二維溝道的增強(qiáng)型GaN FinFET，其器件結(jié)構(gòu)自下而上包括：襯底、GaN或AlN緩沖層、多層GaN/AlGaN二維電子氣溝道層、刻蝕掩膜介質(zhì)層，絕緣柵介質(zhì)層和柵金屬。在襯底上首先外延一層GaN或AlN緩沖層，以使其上的溝道層受到的晶格失配影響減小，在GaN或AlN緩沖層上外延多層GaN/AlGaN溝道層，并在該結(jié)構(gòu)上形成源、漏極，生長完刻蝕掩膜介質(zhì)層后，在垂直于源漏的方向上刻蝕出一列柵寬為納米級的柵極區(qū)域，然后淀積一層絕緣柵介質(zhì)層，最后在柵區(qū)用電子束蒸發(fā)的方法形成柵金屬電極。

所述襯底材料為以下材料中的一種：SiC、Si、藍(lán)寶石。

所述多層GaN/AlGaN溝道層的層數(shù)n＞＝2。

所述柵條寬度范圍在10～100nm之間。

所述刻蝕掩膜介質(zhì)層的材料可以為：Si₃N₄、SiO₂、SiON。

所述絕緣柵介質(zhì)層的材料為以下材料中的任意一種：Si₃N₄、Al₂O₃、AlN、HfO₂、SiO₂、HfTiO、Sc₂O₃、Ga₂O₃、MgO、SiNO。

所述源極和漏極為：鈦、鋁、鎳、金、鉑、銥、鉬、鉭、鈮、鈷、鋯、鎢等中的一種或多種的合金。

所述柵金屬電極為以下導(dǎo)電材料的一種或多種的組合：鉑、銥、鎳、金、鉬、鈀、硒、鈹、TiN、多晶硅、ITO。

這種基于多二維溝道增強(qiáng)型GaN FinFET的制備過程，包括如下步驟：

(1)在所述襯底材料上，在特定的生長條件下，依次生長GaN或AlN緩沖層、多層GaN/AlGaN溝道層；

(2)對第一步中形成的晶元材料利用刻蝕或者離子注入的方法實(shí)現(xiàn)有源區(qū)隔離；

(3)對第二步中制備好有源區(qū)臺面的晶元材料光刻出源漏電極圖形，采用的是ICP干法刻蝕，通過電子束蒸發(fā)或者磁控濺射制備多層金屬形成源極和漏極，并在800℃到900℃之間于保護(hù)氣體中退火30秒，形成歐姆接觸；

(4)在最上面的AlGaN層上用PECVD、ICPCVD或者LPCVD生長刻蝕掩膜介質(zhì)層；

(5)長完刻蝕掩膜介質(zhì)層后，在晶元上光刻出柵區(qū)，用RIE或者ICP干法刻蝕刻蝕掩膜介質(zhì)層，形成柵極區(qū)域；

(6)用ICP干法刻蝕多層GaN/AlGaN溝道層，在縱向上不斷刻蝕，形成多個(gè)FinFET納米柵條，直到測試出所制備器件的漏電流為0，即可停止，這就說明實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)型器件；

(7)在以上步驟的基礎(chǔ)上，在晶元表面生長絕緣柵介質(zhì)層，光刻出源漏區(qū)域接觸孔，用RIE干法刻蝕或者ICP干法刻蝕刻蝕掉絕緣柵介質(zhì)層以及刻蝕掩膜介質(zhì)層，使源漏歐姆接觸暴露出來；

(8)光刻柵電極區(qū)域，用電子束蒸發(fā)或者磁控濺射生長柵電極材料，然后通過剝離工藝形成柵電極，最后在氮?dú)猸h(huán)境下對整個(gè)晶元進(jìn)行退火處理，由此即可完成基于多二維溝道增強(qiáng)型GaN FinFET的完整制備。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)、通過減小柵條寬度的辦法來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件，避免用刻蝕AlGaN的辦法，保留了二維電子氣溝道，在實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型HEMT器件的基礎(chǔ)上又保證了高性能；

(2)、用多個(gè)二維電子氣溝道彌補(bǔ)了刻蝕GaN FinFET所損失的面積，使等效導(dǎo)電面密度得到多倍的提升，可以得到比常規(guī)方法實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件更大的輸出面電流密度，從而大幅提高器件的飽和電流。

(3)、FinFET結(jié)構(gòu)對溝道有著更好的控制作用，因此能大大提高器件的跨導(dǎo)。另外柵寬還有多層GaN/AlGaN溝道層的層數(shù)都是可以調(diào)控的器件設(shè)計(jì)參數(shù)，增加了設(shè)計(jì)的靈活性，因此器件的性能可以通過實(shí)際需要進(jìn)行控制。

附圖說明

通過參照附圖能更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例，本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)也能明晰地展現(xiàn)，從而使其優(yōu)點(diǎn)變得更加易于清楚，在附圖中：

圖1是本發(fā)明器件的橫向截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明器件的俯視圖，圖3是本發(fā)明器件的縱向截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4～圖10是本發(fā)明器件在每一步工藝后的橫向截面結(jié)構(gòu)示意圖，反映了本發(fā)明的的制造工藝流程。

具體實(shí)施方式

在下文中，將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，以使本發(fā)明的創(chuàng)作和實(shí)現(xiàn)過程更加清晰明確。所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一種實(shí)現(xiàn)方式，而不是全部的實(shí)現(xiàn) 方式?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，該器件結(jié)構(gòu)自下而上的順序包括：襯底、GaN緩沖層、多層GaN/AlGaN溝道層、Si₃N₄、絕緣柵介質(zhì)層和柵金屬。與常見的增強(qiáng)型GaN HEMT或MOSFET相比較，本發(fā)明采用納米級柵寬代替刻蝕AlGaN的方法實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型，保留了二維電子氣溝道，另外采用多層GaN/AlGaN溝道層的FinFET技術(shù)代替單層的FinFET技術(shù)，大大提高了輸出面電流密度，實(shí)現(xiàn)了高性能的增強(qiáng)型GaN FinFET。本發(fā)明的具體制造工藝過程包括以下具體步驟：

(1)如圖4所示，用MOCVD在Si襯底上(SiC或藍(lán)寶石均可)依次生長GaN緩沖層和多層GaN/AlGaN溝道層(最上層為AlGaN層)，溝道層的層數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要適當(dāng)調(diào)整；

(2)如圖5所示，在以上材料結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過光刻形成隔離島，然后繼續(xù)光刻出源漏電極圖形，在該圖形上用電子束蒸發(fā)的方法蒸發(fā)Ti/Au/Ni/Au四種金屬，最后用剝離工藝制備出源漏金屬電極，隨后在900℃氮?dú)夥諊锌焖偻嘶?0s，最終形成歐姆接觸；

(3)如圖6所示，在最上層的AlGaN層上用PECVD或ICPCVD生長Si₃N₄；

(4)如圖7所示，在上一步的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，首先光刻出柵極區(qū)域，然后用氟基氣體刻蝕Si₃N₄漏出AlGaN層；

(5)如圖8所示，用ICP干法刻蝕刻蝕多層GaN/AlGaN溝道層，形成多個(gè)FinFET納米柵條，不斷刻蝕，直到測試出所制備器件的漏電流為0，即可停止，這就說明實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)型器件；

(6)如圖9所示，在以上刻蝕完后的結(jié)構(gòu)中生長絕緣柵介質(zhì)層，然后光刻源漏區(qū)域，刻蝕掉絕緣柵介質(zhì)層以及Si₃N₄，使源漏歐姆接觸暴露出來方便測試；

(7)如圖10所示，在柵區(qū)用電子束蒸發(fā)的方法生長Ni/Au合金，通過剝離工藝形成柵金屬電極，形成一個(gè)T型柵結(jié)構(gòu)，最后將整個(gè)器件放在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行退火處理；

(8)通過以上步驟就可以形成基于多二維溝道的增強(qiáng)型GaN FinFET器件，相比于常規(guī)的增強(qiáng)型GaN HEMT器件，各方面性能提高不少。