T形柵場板高電子遷移率晶體管及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種T形柵場板高電子遷移率晶體管及其制作方法，主要解決現(xiàn)有場板技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高擊穿電壓時工藝復(fù)雜的問題。其結(jié)構(gòu)自下而上包括：襯底(1)、過渡層(2)、勢壘層(3)、鈍化層(8)和保護(hù)層(11)，勢壘層(3)的上面淀積有源極(4)、漏極(5)與柵極(7)，勢壘層(3)的側(cè)面刻有臺面(6)，鈍化層(8)內(nèi)刻有凹槽(9)，鈍化層(8)與保護(hù)層(11)之間淀積有T形柵場板(10)，該T形柵場板與柵極(7)電氣連接，且下端完全填充在凹槽(9)內(nèi)。本發(fā)明具有制作工藝簡單、擊穿電壓高、可靠性高和成品率高的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】T形柵場板高電子遷移率晶體管及其制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微電子【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及半導(dǎo)體器件，特別是T形柵場板高電子遷移率 晶體管，可作為電力電子系統(tǒng)的基本器件。 技術(shù)背景
[0002] 功率半導(dǎo)體器件是電力電子系統(tǒng)的重要元件，是進(jìn)行電能處理的有效工具。近年 來，隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，研發(fā)新型高性能、低損耗功率器件已成為提高電能利 用率、節(jié)約能源、緩解能源危機(jī)的有效途徑之一。然而，在功率器件研究中，高速、高壓與低 導(dǎo)通電阻之間存在著嚴(yán)重的制約關(guān)系，合理、有效地改進(jìn)這種制約關(guān)系是提高器件整體性 能的關(guān)鍵。隨著市場不斷對功率系統(tǒng)提出更高效率、更小體積、更高頻率的要求，傳統(tǒng)Si基 半導(dǎo)體功率器件性能已逼近其理論極限。為了能進(jìn)一步減少芯片面積、提高工作頻率、提高 工作溫度、降低導(dǎo)通電阻、提高擊穿電壓、降低整機(jī)體積、提高整機(jī)效率，以氮化鎵為代表的 寬禁帶半導(dǎo)體材料，憑借其更大的禁帶寬度、更高的臨界擊穿電場和更高的電子飽和漂移 速度，且化學(xué)性能穩(wěn)定、耐高溫、抗輻射等突出優(yōu)點(diǎn)，在制備高性能功率器件方面脫穎而出， 應(yīng)用潛力巨大。特別是采用GaN基異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的高電子遷移率晶體管，即GaN基HEMT器件， 更是因其低導(dǎo)通電阻、高工作頻率等特性，能滿足下一代電子裝備對功率器件更大功率、更 高頻率、更小體積和更惡劣高溫工作的要求，在經(jīng)濟(jì)和軍事領(lǐng)域具有廣闊和特殊的應(yīng)用前 旦 -5^ 〇
[0003] 然而，常規(guī)GaN基HEMT器件結(jié)構(gòu)上存在固有缺陷，會導(dǎo)致器件溝道電場強(qiáng)度呈畸 形分布，尤其是在器件柵極靠近漏極附近存在極高電場峰值。導(dǎo)致實(shí)際的GaN基HEMT器件 的擊穿電壓往往遠(yuǎn)低于理論期望值，且存在電流崩塌、逆壓電效應(yīng)等可靠性問題，嚴(yán)重制約 了在電力電子領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展。為了解決以上問題，國內(nèi)外研究者們提出了眾多方法， 而場板結(jié)構(gòu)是其中效果最為顯著、應(yīng)用最為廣泛的一種。2000年美國UCSB的N. Q. Zhang 等人首次將場板結(jié)構(gòu)成功應(yīng)用于GaN基HEMT功率器件中，研制出交疊柵器件，飽和輸出電 流為500mA/mm，關(guān)態(tài)擊穿電壓可達(dá)570V，這是當(dāng)時所報道擊穿電壓最高的GaN器件，參見 High breakdown GaN HEMT with overlapping gate structure, IEEE Electron Device Letters，Vol. 21，No. 9, pp. 421-423, 2000。隨后，各國研究機(jī)構(gòu)紛紛展開了相關(guān)的研究工 作，而美國和日本是該領(lǐng)域中的主要領(lǐng)跑者。在美國，主要是UCSB、南卡大學(xué)、康奈爾大學(xué) 以及著名的電力電子器件制造商IR公司等從事該項研究。日本相對起步較晚，但他們對這 方面的工作非常重視，資金投入力度大，從事機(jī)構(gòu)眾多，包括：東芝、古河、松下、豐田和富 士等大公司。隨著研究的深入，研究者們發(fā)現(xiàn)相應(yīng)地增加場板長度，可以提高器件擊穿電 壓。但場板長度的增加會使場板效率，即擊穿電壓比場板長度，不斷減小，也就是場板提高 器件擊穿電壓的能力隨著場板長度的增加逐漸趨于飽和，參見Enhancement of breakdown voltage in AlGaN/GaN high electron mobility transistors using a field plate, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, No. 8, pp. 1515-1521，2001,以及Development and characteristic analysis of a field-plated Al2O3AlInN/GaN MOS HEMT, Chinese Physics B, VoL 20, No. 1，ρρ· 0172031-0172035, 2011。因此，為了進(jìn)一步提高器件擊穿電 壓，同時兼顧場板效率，2004年UCSB的Η. L. Xing等人提出了一種雙層場板結(jié)構(gòu)，他們研制 的雙層?xùn)艌霭錑aN基HEMT器件可獲得高達(dá)900V的擊穿電壓，最大輸出電流700mA/mm，參 見High breakdown voltage AlGaN-GaN HEMTs achieved by multiple field plates, IEEE Electron Device Letters，Vol.25，No.4，pp. 161-163, 2004。這種雙層場板結(jié)構(gòu)已成為當(dāng) 前國際上用來改善GaN基功率器件擊穿特性，提高器件整體性能的主流場板技術(shù)。然而， GaN基雙層場板HEMT器件的工藝復(fù)雜，制造成本更高，每一層場板的制作都需要光刻、淀積 金屬、淀積鈍化介質(zhì)等工藝步驟。而且要優(yōu)化各層場板下介質(zhì)材料厚度以實(shí)現(xiàn)擊穿電壓最 大化，必須進(jìn)行繁瑣的工藝調(diào)試和優(yōu)化，因此大大增加了器件制造的難度，降低了器件的成 品率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種制造工藝簡單、擊穿電壓 高、場板效率高和可靠性高的T形柵場板高電子遷移率晶體管及其制作方法，以減小器件 的制作難度，改善器件的擊穿特性和可靠性，提高器件的成品率。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的器件結(jié)構(gòu)采用GaN基寬禁帶半導(dǎo)體材料構(gòu)成的異 質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，自下而上包括：襯底、過渡層、勢壘層、鈍化層和保護(hù)層，勢壘層的上面淀積有源 極、漏極與柵極，勢壘層的側(cè)面刻有臺面，且臺面深度大于勢壘層厚度，其特征在于，鈍化層 內(nèi)刻有凹槽，鈍化層與保護(hù)層之間淀積有T形柵場板，該T形柵場板與柵極電氣連接，且下 端完全填充凹槽。
[0006] 作為優(yōu)選，所述的凹槽深度s為0· 11?8.2 μ m，寬度b為0.42?6.3 μ m。
[0007] 作為優(yōu)選，所述的凹槽底部與勢壘層之間的距離d為0. 057?0. 29 μ m。
[0008] 作為優(yōu)選，所述的T形柵場板靠近漏極一側(cè)邊緣與凹槽靠近漏極一側(cè)邊緣之間的 距離c為0· 62?7. 9 μ m。
[0009] 作為優(yōu)選，所述的凹槽靠近柵極一側(cè)邊緣與柵極靠近漏極一側(cè)邊緣之間的距離a 為sX (d)°_5,其中s為凹槽深度，d為凹槽底部與勢壘層之間的距離。
[0010] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明制作T形柵場板高電子遷移率晶體管的方法，包括如下 過程：
[0011] 第一步，在襯底上外延GaN基寬禁帶半導(dǎo)體材料，形成過渡層；
[0012] 第二步，在過渡層上外延GaN基寬禁帶半導(dǎo)體材料，形成勢壘層；
[0013] 第三步，在勢壘層上第一次制作掩膜，利用該掩膜在勢壘層的兩端淀積金屬，再在 N2氣氛中進(jìn)行快速熱退火，分別制作源極和漏極；
[0014] 第四步，在勢壘層上第二次制作掩膜，利用該掩膜在源極左側(cè)、漏極右側(cè)的勢壘層 上進(jìn)行刻蝕，且刻蝕區(qū)深度大于勢壘層厚度，形成臺面；
[0015] 第五步，在勢壘層上第三次制作掩膜，利用該掩膜在源極與漏極之間的勢壘層上 淀積金屬，制作柵極；
[0016] 第六步，分別在源極上部、漏極上部、柵極上部、柵極與源極之間的勢壘層上部，以 及柵極與漏極之間的勢壘層上部淀積鈍化層；
[0017] 第七步，在鈍化層上第四次制作掩膜，利用該掩膜在柵極與漏極之間的鈍化層內(nèi) 進(jìn)行刻蝕，以制作深度S為0. 11?8. 2 μ m，寬度b為0. 42?6. 3 μ m的凹槽，凹槽底部與勢 壘層之間的距離d為0. 057?0. 29 μ m，該凹槽靠近柵極一側(cè)邊緣與柵極靠近漏極一側(cè)邊緣 之間的距離a為sX (d)°_5,其中s為凹槽深度，d為凹槽底部與勢壘層之間的距離；
[0018] 第八步，在鈍化層上第五次制作掩膜，利用該掩膜在凹槽內(nèi)和源極與漏極之間的 鈍化層上淀積金屬，所淀積的金屬要完全填充凹槽，以形成厚度為0. 11?8. 2 μ m的T形 柵場板，凹槽靠近漏極一側(cè)邊緣與T形柵場板靠近漏極一側(cè)邊緣之間的距離c為0. 62? 7. 9 μ m，并將T形柵場板與柵極電氣連接；
[0019] 第九步，在T形柵場板上部和鈍化層的其它區(qū)域上部淀積絕緣介質(zhì)材料，形成保 護(hù)層，完成整個器件的制作。
[0020] 本發(fā)明器件與采用傳統(tǒng)柵場板的高電子遷移率晶體管比較具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0021] 1.進(jìn)一步提高了擊穿電壓。
[0022] 本發(fā)明由于采用T形柵場板結(jié)構(gòu)，使器件在處于工作狀態(tài)尤其是處于關(guān)態(tài)的工作 狀態(tài)時，勢壘層表面電勢從柵極到漏極逐漸升高，從而增加了勢壘層中耗盡區(qū)，即高阻區(qū)， 的面積，改善了耗盡區(qū)的分布，促使柵極與漏極之間勢壘層中的耗盡區(qū)承擔(dān)更大的漏源電 壓，從而大大提高了器件的擊穿電壓。
[0023] 2.進(jìn)一步減小了柵極泄漏電流，提高了器件的可靠性。
[0024] 本發(fā)明由于采用T形柵場板結(jié)構(gòu)，使器件勢壘層耗盡區(qū)中電場線的分布得到了更 有效的調(diào)制，器件中柵極靠近漏極一側(cè)邊緣、T形柵場板靠近漏極一側(cè)邊緣以及凹槽靠近漏 極一側(cè)邊緣都會產(chǎn)生一個電場峰值，而且通過調(diào)整T形柵場板下方鈍化層的厚度、凹槽深 度和寬度、T形柵場板靠近漏極一側(cè)邊緣與凹槽靠近漏極一側(cè)邊緣之間的距離以及凹槽靠 近柵極一側(cè)邊緣與柵極靠近漏極一側(cè)邊緣之間的距離，可以使得上述各個電場峰值相等且 小于GaN基寬禁帶半導(dǎo)體材料的擊穿電場，從而最大限度地減少了柵極靠近漏極一側(cè)的邊 緣所收集的電場線，有效地降低了該處的電場，大大減小了柵極泄漏電流，使得器件的可靠 性和擊穿特性均得到了顯著增強(qiáng)。
[0025] 3.工藝簡單，易于實(shí)現(xiàn)，提高了成品率。
[0026] 本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)中T形柵場板的制作只需一步工藝便可完成，避免了傳統(tǒng)的堆層 場板結(jié)構(gòu)所帶來的工藝復(fù)雜化問題，大大提高了器件的成品率。
[0027] 仿真結(jié)果表明，本發(fā)明器件的擊穿電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采用傳統(tǒng)柵場板的高電子遷移率 晶體管的擊穿電壓。
[0028] 以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容和效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1是采用傳統(tǒng)柵場板的高電子遷移率晶體管的結(jié)構(gòu)圖；
[0030] 圖2是本發(fā)明T形柵場板高電子遷移率晶體管的結(jié)構(gòu)圖；
[0031] 圖3是本發(fā)明T形柵場板高電子遷移率晶體管的制作流程圖；
[0032] 圖4是對傳統(tǒng)器件及本發(fā)明器件仿真所得的勢壘層中電場曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0033] 參照圖2,本發(fā)明T形柵場板高電子遷移率晶體管是基于GaN基寬禁帶半導(dǎo)體異質(zhì) 結(jié)結(jié)構(gòu)，其包括：襯底1、過渡層2、勢壘層3、源極4、漏極5、臺面6、柵極7、鈍化層8、凹槽9、 T形柵場板10與保護(hù)層11。襯底1、過渡層2與勢壘層3為自下而上分布，源極4和漏極5 淀積在勢壘層3上，柵極7淀積在源極4和漏極5之間的勢壘層上，臺面6制作在源極左側(cè) 及漏極右側(cè)的勢壘層上，該臺面深度大于勢壘層厚度；鈍化層8分別覆蓋在源極上部、漏極 上部、柵極上部、柵極與源極之間的勢壘層上部，以及柵極與漏極之間的勢壘層上部。凹槽 9位于鈍化層8內(nèi)，該凹槽深度s為0· 11?8.2 μ m，寬度b為0.42?6.3 μ m，凹槽底部與 勢壘層之間的距離d為0. 057?0. 29 μ m，凹槽靠近柵極一側(cè)邊緣與柵極靠近漏極一側(cè)邊 緣之間的距離a、凹槽深度s以及凹槽底部與勢壘層之間的距離d滿足關(guān)系a = sX (d) ° 5。 鈍化層8與保護(hù)層11之間淀積有T形柵場板10,該T形柵場板與柵極7電氣連接，且下端 完全填充凹槽9。T形柵場板靠近漏極一側(cè)邊緣與凹槽靠近漏極一側(cè)邊緣之間的距離c為 0. 62?7. 9 μ m。保護(hù)層11位于T形柵場板10上部和鈍化層8的其它區(qū)域上部。
[0034] 上述器件的襯底1采用藍(lán)寶石或碳化硅或硅材料；過渡層2由若干層相同或不同 的GaN基寬禁帶半導(dǎo)體材料組成，其厚度為1?5 μ m ;勢壘層3由若干層相同或不同的GaN 基寬禁帶半導(dǎo)體材料組成，其厚度為5?50nm ;鈍化層8和保護(hù)層11均采用Si02、SiN、 A1203、Sc203、Hf02、TiO 2中的任意一種或其它絕緣介質(zhì)材料，鈍化層的厚度為凹槽深度s和 凹槽底部與勢壘層之間的距離d之和，即0. 167?8. 49 μ m ;保護(hù)層的厚度為0. 12?8 μ m ; T形柵場板10采用三層不同金屬的組合構(gòu)成，其厚度為0. 11?8. 2 μ m。
[0035] 參照圖3,本發(fā)明制作T形柵場板高電子遷移率晶體管的過程，給出如下三種實(shí)施 例：
[0036] 實(shí)施例一：制作襯底為藍(lán)寶石，鈍化層為Al2O3，保護(hù)層為SiN，T形柵場板為Ti/Mo/ Au金屬組合的T形柵場板高電子遷移率晶體管。
[0037] 步驟1.在藍(lán)寶石襯底1上自下而上外延GaN材料制作過渡層2,如圖3a。
[0038] 使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積技術(shù)在藍(lán)寶石襯底1上外延厚度為1 μ m的未摻雜 過渡層2,該過渡層自下而上由厚度分別為30nm和0. 97 μ m的GaN材料構(gòu)成。外延下層GaN 材料采用的工藝條件為：溫度為530°C，壓強(qiáng)為45T〇rr，氫氣流量為440〇SCCm，氨氣流量為 440〇 SCCm，鎵源流量為22 μ mol/min ;外延上層GaN材料采用的工藝條件為：溫度為960°C， 壓強(qiáng)為45Torr，氫氣流量為4400sccm，氨氣流量為4400sccm，鎵源流量為120ymol/min。
[0039] 步驟2.在GaN過渡層2上淀積未摻雜的Ala5Gaa5N制作勢壘層3,如圖3b。
[0040] 使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積技術(shù)在GaN過渡層2上淀積厚度為5nm，且鋁組分為 〇. 5的未摻雜Ala5Gaa5N勢壘層3,其采用的工藝條件為：溫度為980°C，壓強(qiáng)為45T 〇rr，氫 氣流量為4400sccm，氨氣流量為4400sccm，鎵源流量為35 μ mol/min，鋁源流量為7 μ mol/ min〇
[0041] 步驟3.在勢魚層3的兩端淀積金屬Ti/Al/Ni/Au制作源極4與漏極5,如圖3c。
[0042] 在Ala5Gaa5N勢壘層3上第一次制作掩膜，使用電子束蒸發(fā)技術(shù)在其兩 端淀積金屬，再在N 2氣氛中進(jìn)行快速熱退火，制作源極4和漏極5,其中所淀積 的金屬為Ti/Al/Ni/Au金屬組合，即自下而上分別為Ti、Al、Ni與Au,其厚度為 0. 018 μ m/0. 135 μ m/0. 046 μ m/0. 052 μ m。淀積金屬采用的工藝條件為：真空度小于 1.8父10，&，功率范圍為200?10001，蒸發(fā)速率小于3力8;快速熱退火采用的工藝條件為 ： 溫度為850°C，時間為35s。
[0043] 步驟4.在源極左邊與漏極右邊的勢壘層上進(jìn)行刻蝕制作臺面6,如圖3d。
[0044] 在Ala5Gaa5N勢壘層3上第二次制作掩膜，使用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)在源極左邊與 漏極右邊的勢壘層上進(jìn)行刻蝕，形成臺面6,刻蝕深度為10nm?？涛g采用的工藝條件為：Cl2 流量為15sccm，壓強(qiáng)為IOmTorr,功率為100W。
[0045] 步驟5.在源極4和漏極5之間的勢魚層上淀積金屬Ni/Au制作柵極7,如圖3e。
[0046] 在Ala5Gaa5N勢壘層3上第三次制作掩膜，使用電子束蒸發(fā)技術(shù)在源極4和漏 極5之間的勢壘層上淀積金屬，制作柵極7,其中所淀積的金屬為Ni/Au金屬組合，即下層 為Ni、上層為Au,其厚度為0. 046 μ m/0. 21 μ m。淀積金屬采用的工藝條件為：真空度小于 1.8父101^，功率范圍為200?10001，蒸發(fā)速率小于3^8。
[0047] 步驟6.在源極上部、漏極上部、柵極上部、柵極與源極之間的Ala5Ga a5N勢壘層上 部，以及柵極與漏極之間的Ala5Gaa5N勢壘層上部淀積Al 2O3鈍化層8,如圖3f。
[0048] 使用原子層淀積技術(shù)分別覆蓋源極上部、漏極上部、柵極上部、柵極與源極之間 的Ala 5Gaa 5N勢壘層上部，以及柵極與漏極之間的Ala 5Gaa 5N勢壘層上部，完成淀積厚度為 0. 167 μ m的Al2O3鈍化層8。淀積鈍化層采用的工藝條件為：以TM和H2O為反應(yīng)源，載氣 為N 2，載氣流量為200sccm，襯底溫度為300°C，氣壓為700Pa。
[0049] 步驟7.在柵極7與漏極5之間的鈍化層內(nèi)進(jìn)行刻蝕制作凹槽9,如圖3g。
[0050] 在鈍化層8上第四次制作掩膜，使用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)在柵極7與漏極5之間的 鈍化層內(nèi)進(jìn)行刻蝕，以制作凹槽9,其中凹槽深度s為0. 11 μ m，寬度b為0. 42 μ m，凹槽底部 與勢壘層之間的距離d為0. 057 μ m，凹槽靠近柵極一側(cè)邊緣與柵極靠近漏極一側(cè)邊緣之間 的距離a為0· 026 μ m?？涛g采用的工藝條件為：CF4流量為45sccm，O2流量為5sccm，壓強(qiáng) 為 15mTorr，功率為 250W。
[0051] 步驟8.在凹槽內(nèi)和源極4與漏極5之間的鈍化層上淀積金屬Ti/Mo/Au制作T形 柵場板10,如圖3h。
[0052] 在鈍化層8上第五次制作掩膜，使用電子束蒸發(fā)技術(shù)在凹槽內(nèi)和源極4與 漏極5之間的鈍化層上淀積金屬制作T形柵場板10,并將T形柵場板與柵極電氣連 接，所淀積的金屬為Ti/Mo/Au金屬組合，即下層為Ti、中層為Mo、上層為Au,其厚度為 0. 05 μ m/0. 05 μ m/0. 01 μ m。其中所淀積的金屬要完全填充凹槽9, T形柵場板10靠近漏極 一側(cè)邊緣與凹槽9靠近漏極一側(cè)邊緣之間的距離c為0. 62 μ m。淀積金屬采用的工藝條件 為：真空度小于1.8 X KT3Pa,功率范圍為200?1000W，蒸發(fā)速率小于3A/s。
[0053] 步驟9.在T形柵場板10上部以及鈍化層8的其它區(qū)域上部淀積SiN制作保護(hù)層 11，如圖3i。
[0054] 使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積技術(shù)在T形柵場板10上部以及鈍化層8的其 它區(qū)域上部淀積SiN制作保護(hù)層11，其厚度為0. 12 μ m，從而完成整個器件的制作，淀積 保護(hù)層采用的工藝條件為：氣體為NH3、隊及SiH4，氣體流量分別為2. 5SCCm、95〇SCCm和 250sccm，溫度、RF功率和壓強(qiáng)分別為300°C、25W和950mTorr。
[0055] 實(shí)施例二：制作襯底為碳化硅，鈍化層為SiN，保護(hù)層為Si02，T形柵場板為Ti/Ni/ Au金屬組合的T形柵場板高電子遷移率晶體管。
[0056] 步驟一.在碳化硅襯底1上自下而上外延AlN與GaN材料制作過渡層2,如圖3a。
[0057] I. 1)使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積技術(shù)在碳化硅襯底1上外延厚度為50nm的 未摻雜的AlN材料；其外延的工藝條件為：溫度為1000°C，壓強(qiáng)為45T〇rr，氫氣流量為 4600sccm，氨氣流量為4600sccm，錯源流量為5ymol/min ;
[0058] 1. 2)使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積技術(shù)在AlN材料上外延厚度為2. 45 μ m的GaN 材料，完成過渡層2的制作；其外延的工藝條件為：溫度為1000°C，壓強(qiáng)為45T〇rr，氫氣流 量為4600sccm，氨氣流量為4600sccm，鎵源流量為120ymol/min。
[0059] 本步驟的外延不局限于金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積技術(shù)，也可以采用分子束外延技 術(shù)或氫化物氣相外延技術(shù)。
[0060] 步驟二·在過渡層2上自下而上外延Ala3Gaa7N和GaN材料制作勢壘層3,如圖 3b 〇
[0061] 2. 1)使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積技術(shù)在GaN過渡層2上淀積厚度為27nm、鋁組 分為0. 3的Ala3Gaa7N材料；其外延的工藝條件為：溫度為IKKTC，壓強(qiáng)為45T〇rr，氫氣流 量為4600sccm，氨氣流量為4600sccm，鎵源流量為16 μ mol/min，錯源流量為8 μ mol/min ;
[0062] 2· 2)使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積技術(shù)在Ala3Gaa7N材料上外延厚度為3nm的 GaN材料，完成勢壘層3的制作；其外延的工藝條件為：溫度為1050°C，壓強(qiáng)為40Torr，氫氣 流量為4200sccm，氨氣流量為4200sccm，鎵源流量為12ymol/min。
[0063] 本步驟的外延不局限于金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積技術(shù)，也可以采用分子束外延技 術(shù)或氫化物氣相外延技術(shù)。
[0064] 步驟三.在勢壘層3的兩端淀積金屬Ti/Al/Ni/Au制作源極4與漏極5,如圖3c。
[0065] 3. 1)在勢壘層3上第一次制作掩膜，使用電子束蒸發(fā)技術(shù)在其兩端淀積金 屬，淀積的金屬為Ti/Al/Ni/Au金屬組合，SP自下而上分別為Ti、Al、Ni與Au,其厚 度為0. 018 μ m/0. 135 μ m/0. 046 μ m/0. 052 μ m，其淀積金屬工藝條件為：真空度小于 1.8父101^，功率范圍為200?10001，蒸發(fā)速率小于3心8;
[0066] 3.2)在N2氣氛中進(jìn)行快速熱退火，完成源極4和漏極5的制作，其快速熱退火的 工藝條件為：溫度為850°C，時間為35s。
[0067] 本步驟的金屬淀積不局限于電子束蒸發(fā)技術(shù)，也可以采用濺射技術(shù)。
[0068] 步驟四.在源極的左邊與漏極的右邊的勢壘層3上進(jìn)行刻蝕制作臺面6,如圖3d。
[0069] 在勢壘層3上第二次制作掩膜，使用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)在源極左邊與漏極右邊的 勢壘層3上進(jìn)行刻蝕，形成臺面6,其中刻蝕深度為IOOnm ;反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)刻蝕臺面6采 用的工藝條件為：Cl2流量為15SCCm，壓強(qiáng)為IOmTorr,功率為100W。
[0070] 本步驟的刻蝕不局限于反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，也可以采用濺射技術(shù)或等離子體刻蝕 技術(shù)。
[0071] 步驟五.在源極和漏極之間的勢壘層3上淀積金屬Ni/Au制作柵極7,如圖3e。
[0072] 在勢壘層3上第三次制作掩膜，使用電子束蒸發(fā)技術(shù)在源極4和漏極5之間的勢 壘層3上淀積金屬，制作柵極7,其中所淀積的金屬為Ni/Au金屬組合，即下層為Ni、上層 為Au,其厚度為0. 046 μ m/0. 21 μ m ;電子束蒸發(fā)技術(shù)淀積Ni/Au采用的工藝條件為：淀積 金屬采用的工藝條件為：真空度小于1.8 X 10_3Pa，功率范圍為200?1000W，蒸發(fā)速率小于 3A/s〇
[0073] 本步驟的金屬淀積不局限于電子束蒸發(fā)技術(shù)，也可以采用濺射技術(shù)。
[0074] 步驟六.在源極上部、漏極上部、柵極上部、柵極與源極之間的勢壘層3上部，以及 柵極與漏極之間的勢壘層3上部淀積SiN制作鈍化層8,如圖3f。
[0075] 使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積技術(shù)分別覆蓋源極上部、漏極上部、柵極上部、 柵極與源極之間的勢壘層3上部，以及柵極與漏極之間的勢壘層3上部，完成淀積厚度為 4. 12 μ m的SiN鈍化層8 ;其采用的工藝條件為：氣體為NH3、N2及SiH4，氣體流量分別為 2. 5sccm、950sccm 和 250sccm，溫度、RF 功率和壓強(qiáng)分別為 300°C、25W 和 950mTorr。
[0076] 本步驟的鈍化層的淀積不局限于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積技術(shù)，也可以采用電 子束蒸發(fā)技術(shù)或?yàn)R射技術(shù)或原子層淀積技術(shù)。
[0077] 步驟七.在柵極7和漏極5之間的鈍化層8內(nèi)進(jìn)行刻蝕制作凹槽9,如圖3g。
[0078] 在鈍化層8上第四次制作掩膜，使用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)在柵極7與漏極5之間的 鈍化層上進(jìn)行刻蝕，以制作凹槽9,其中凹槽深度s為4 μ m，寬度b為3. 5 μ m，凹槽底部與勢 壘層之間的距離d為0. 12 μ m，凹槽靠近柵極一側(cè)邊緣與柵極靠近漏極一側(cè)邊緣之間的距 離a為1. 386 μ m ;反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)刻蝕凹槽采用的工藝條件為：CF4流量為45SCCm，O2流 量為5sccm，壓強(qiáng)為15mTorr，功率為250W。
[0079] 本步驟的刻蝕不局限于反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，也可以采用濺射技術(shù)或等離子體刻蝕 技術(shù)。
[0080] 步驟八.在凹槽內(nèi)和源極4與漏極5之間的鈍化層8上淀積金屬Ti/Ni/Au制作 T形柵場板10,如圖3h。
[0081] 在鈍化層8上第五次制作掩膜，使用電子束蒸發(fā)技術(shù)在凹槽內(nèi)和源極4與 漏極5之間的鈍化層上淀積金屬制作T形柵場板10,并將T形柵場板與柵極電氣連 接，所淀積的金屬為Ti/Ni/Au金屬組合，即下層為Ti、中層為Ni、上層為Au,其厚度為 3 μ m/0. 8 μ m/0. 2 μ m。其中所淀積的金屬要完全填充凹槽9, T形柵場板10靠近漏極一側(cè) 邊緣與凹槽9靠近漏極一側(cè)邊緣之間的距離c為4 μ m ;電子束蒸發(fā)技術(shù)淀積Ti/Ni/Au采 用的工藝條件為：真空度小于1.8父10_午&，功率范圍為200?10001，蒸發(fā)速率小于3力8。 [0082] 本步驟的金屬淀積不局限于電子束蒸發(fā)技術(shù)，也可以采用濺射技術(shù)。
[0083] 步驟九.在T形柵場板10上部以及鈍化層8的其它區(qū)域上部淀積SiO2制作保護(hù) 層11，如圖3i。
[0084] 使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積技術(shù)在T形柵場板10上部以及鈍化層8的其它 區(qū)域上部淀積SiO 2制作保護(hù)層11，其厚度為4 μ m，從而完成整個器件的制作；其采用的工 藝條件為=N2O流量為850sccm，5丨!14流量為200sccm，溫度為250°C，RF功率為25W，壓強(qiáng)為 IlOOmTorr0
[0085] 本步驟的保護(hù)層的淀積不局限于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積技術(shù)，也可以采用電 子束蒸發(fā)技術(shù)或?yàn)R射技術(shù)或原子層淀積技術(shù)。
[0086] 實(shí)施例三：制作襯底為硅，鈍化層為SiO2，保護(hù)層為SiN，T形柵場板為Ti/Pt/Au金 屬組合的T形柵場板高電子遷移率晶體管。
[0087] 步驟A.在硅襯底1上自下而上外延AlN與GaN材料制作過渡層2,如圖3a。
[0088] Al)使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積技術(shù)在溫度為800°C，壓強(qiáng)為40Torr，氫氣流量 為4000sccm，氨氣流量為4000sccm，鋁源流量為25 μ mol/min的工藝條件下，在硅襯底1上 外延厚度為200nm的AlN材料；
[0089] A2)使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積技術(shù)在溫度為980°C，壓強(qiáng)為45Torr，氫氣流量 為4000sccm，氨氣流量為4000sccm，鎵源流量為120 μ mol/min的工藝條件下，在AlN材料 上外延厚度為4. 8 μ m的GaN材料，完成過渡層2的制作。
[0090] 步驟B.在過渡層上自下而上淀積八1(|.16&(|. !^與GaN材料制作勢壘層3,如圖3b。
[0091] BI)使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積技術(shù)在溫度為1000°C，壓強(qiáng)為40Torr，氫氣流 量為 4000sccm，氨氣流量為 4000sccm，鎵源流量為12μmol/min，錯源流量為12μmol/min 的工藝條件下，在GaN過渡層2上外延厚度為46nm、鋁組分為0. 1的Ala Aaa9N材料；
[0092] B2)使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積技術(shù)在溫度為1000°C，壓強(qiáng)為40Torr，氫氣流 量為4000sccm，氨氣流量為4000sccm，鎵源流量為3 μ mol/min的工藝條件下，在Ala Paa9N 材料上外延厚度為4nm的GaN材料，完成勢壘層3的制作。
[0093] 步驟C.在勢壘層3兩端淀積金屬Ti/Al/Ni/Au制作源極4與漏極5,如圖3c。
[0094] Cl)在勢魚層3上第一次制作掩膜，使用電子束蒸發(fā)技術(shù)在真空度小于 1.8父10_午&，功率范圍為200?10001，蒸發(fā)速率小于31/8的工藝條件下，在其兩端淀積金 屬，其中所淀積的金屬為Ti/Al/Ni/Au金屬組合，即自下而上分別為Ti、Al、Ni與Au,其厚 度為 0· 018 μ m/0. 135 μ m/0. 046 μ m/0. 052 μ m ;
[0095] C2)在N2氣氛，溫度為850°C，時間為35s的工藝條件下進(jìn)行快速熱退火，完成源 極4和漏極5的制作。
[0096] 步驟D.在源極左邊與漏極右邊的勢壘層3上進(jìn)行刻蝕制作臺面6,如圖3d。
[0097] 在勢壘層3上第二次制作掩膜，使用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)在Cl2流量為15Sccm，壓強(qiáng) 為IOmTorr,功率為100W的工藝條件下，在源極左邊與漏極右邊的勢壘層3上進(jìn)行刻蝕，形 成臺面6,其中刻蝕深度為200nm。
[0098] 步驟E.在源極4與漏極5之間的勢壘層3上淀積金屬Ni/Au制作柵極7,如圖3e。
[0099] 在勢壘層3上第三次制作掩膜，使用電子束蒸發(fā)技術(shù)在真空度小于I. 8 X KT3Pa, 功率范圍為200?1000W，蒸發(fā)速率小于3A/s的工藝條件下，在源極4與漏極5之間的勢壘 層3上淀積金屬，制作柵極7,所淀積的金屬為Ni/Au金屬組合，即下層為Ni、上層為Au,其 厚度為 〇· 046 μ m/0. 21 μ m。
[0100] 步驟F.在源極上部、漏極上部、柵極上部、柵極與源極之間的勢壘層3上部，以及 柵極與漏極之間的勢壘層3上部淀積SiO 2材料制作鈍化層8,如圖3f。
[0101] 使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積技術(shù)在N2O流量為85〇SCCm，SiH 4流量為20〇SCCm， 溫度為250°C，RF功率為25W，壓強(qiáng)為IlOOmTorr的工藝條件下，在源極上部、漏極上部、柵 極上部、柵極與源極之間的勢壘層3上部，以及柵極與漏極之間的勢壘層3上部，淀積厚度 為8. 49 μ m的SiO2制作鈍化層8。
[0102] 步驟G.在柵極7與漏極5之間的鈍化層8內(nèi)進(jìn)行刻蝕制作凹槽9,如圖3g。
[0103] 在鈍化層8上第四次制作掩膜，使用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)在CF4流量為2〇SCCm，O 2流 量為2sccm，壓強(qiáng)為20mTorr，偏置電壓為100V的工藝條件下，在柵極7與漏極5之間的鈍 化層內(nèi)進(jìn)行刻蝕，以制作凹槽9,其中凹槽深度s為8. 2 μ m，寬度b為6. 3 μ m，凹槽底部與勢 壘層之間的距離d為0. 29 μ m，凹槽靠近柵極一側(cè)邊緣與柵極靠近漏極一側(cè)邊緣之間的距 離 a 為 4. 416 μ m。
[0104] 步驟Η.在凹槽內(nèi)和源極4與漏極5之間的鈍化層上淀積Ti/Pt/Au，制作T形柵場 板10,如圖3h。
[0105] 在鈍化層8上第五次制作掩膜，使用電子束蒸發(fā)技術(shù)在真空度小于I. SXKT3Pa, 功率范圍為200?1000W，蒸發(fā)速率小于3A/s的工藝條件下，在凹槽內(nèi)和源極4與漏 極5之間的鈍化層上淀積金屬制作T形柵場板10,并將T形柵場板與柵極電氣連接，所 淀積的金屬為厚度為Ti/Pt/Au金屬組合，即下層為Ti、中層為Pt、上層為Au,其厚度為 6 μ m/1. 7 μ m/0. 5 μ m，以制作T形柵場板10。其中所淀積的金屬要完全填充凹槽9, T形柵 場板10靠近漏極一側(cè)邊緣與凹槽9靠近漏極一側(cè)邊緣之間的距離c為7. 9 μ m。
[0106] 步驟I.在T形柵場板10上部以及鈍化層8的其它區(qū)域上部淀積SiN，制作保護(hù)層 11，如圖3i。
[0107] 使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積技術(shù)在氣體為NH3、N2及SiH 4，氣體流量分別為 2. 5sccm、950sccm和250sccm，溫度、RF功率和壓強(qiáng)分別為300°C、25W和950mTorr的工藝 條件下，在T形柵場板10上部以及鈍化層8的其它區(qū)域上部淀積SiN制作保護(hù)層11，其厚 度為8 μ m,從而完成整個器件的制作。
[0108] 本發(fā)明的效果可通過以下仿真進(jìn)一步說明。
[0109] 對采用傳統(tǒng)柵場板的高電子遷移率晶體管的勢壘層與本發(fā)明器件的勢壘層中的 電場進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4,其中傳統(tǒng)柵場板有效長度L與本發(fā)明T形柵場板有效總長度相 等。
[0110] 由圖4可以看出：采用傳統(tǒng)柵場板的高電子遷移率晶體管在勢壘層中的電場曲線 只形成了 2個近似相等的電場峰值，其在勢壘層中的電場曲線所覆蓋的面積很小，而本發(fā) 明器件在勢壘層中的電場曲線形成了 3個近似相等的電場峰值，使得本發(fā)明器件在勢壘層 中的電場曲線所覆蓋的面積大大增加，由于在勢壘層中的電場曲線所覆蓋的面積近似等于 器件的擊穿電壓，說明本發(fā)明器件的擊穿電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采用傳統(tǒng)柵場板的高電子遷移率晶 體管的擊穿電壓。
[0111] 對于本領(lǐng)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(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T形柵場板高電子遷移率晶體管，自下而上包括：襯底（1)、過渡層（2)、勢壘層 (3)、鈍化層（8)和保護(hù)層（11)，勢壘層（3)的上面淀積有源極（4)、漏極（5)與柵極（7)，勢 壘層（3)的側(cè)面刻有臺面￠)，且臺面深度大于勢壘層厚度，其特征在于，鈍化層（8)內(nèi)刻 有凹槽（9)，鈍化層（8)與保護(hù)層（11)之間淀積有T形柵場板（10)，該T形柵場板與柵極 (7)電氣連接，且下端完全填充在凹槽（9)內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的T形柵場板高電子遷移率晶體管，其特征在于凹槽（9)的深 度s為0. 11?8.2 iim，寬度b為0.42?6.3 iim;凹槽（9)底部與勢壘層（3)之間的距離 d 為 0? 057 ?0? 29 u m。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的T形柵場板高電子遷移率晶體管，其特征在于凹槽（9)靠近 柵極一側(cè)邊緣與柵極（7)靠近漏極一側(cè)邊緣之間的距離a為sX (d)°_5,其中s為凹槽深度， d為凹槽底部與勢壘層之間的距離；凹槽靠近漏極一側(cè)邊緣與T形柵場板靠近漏極一側(cè)邊 緣之間的距離c為0. 62?7. 9 ii m。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的T形柵場板高電子遷移率晶體管，其特征在于襯底（1)采用 藍(lán)寶石或碳化硅或硅材料。
5. -種制作T形柵場板高電子遷移率晶體管的方法，包括如下過程： 第一步，在襯底（1)上外延GaN基寬禁帶半導(dǎo)體材料，形成過渡層（2); 第二步，在過渡層上外延GaN基寬禁帶半導(dǎo)體材料，形成勢壘層（3); 第三步，在勢壘層（3)上第一次制作掩膜，利用該掩膜在勢壘層（3)的兩端淀積金屬， 再在隊氣氛中進(jìn)行快速熱退火，分別制作源極（4)和漏極（5); 第四步，在勢壘層（3)上第二次制作掩膜，利用該掩膜在源極左側(cè)、漏極右側(cè)的勢壘層 上進(jìn)行刻蝕，且刻蝕區(qū)深度大于勢壘層厚度，形成臺面（6); 第五步，在勢壘層（3)上第三次制作掩膜，利用該掩膜在源極與漏極之間的勢壘層上 淀積金屬，制作柵極（7); 第六步，分別在源極上部、漏極上部、柵極上部、柵極與源極之間的勢壘層上部，以及柵 極與漏極之間的勢壘層上部淀積鈍化層（8); 第七步，在鈍化層（8)上第四次制作掩膜，利用該掩膜在柵極與漏極之間的鈍化層（8) 內(nèi)進(jìn)行刻蝕，以制作深度s為0. 11?8. 2 y m，寬度b為0. 42?6. 3 y m的凹槽（9)，凹槽 (9)底部與勢壘層（3)之間的距離d為0.057?0.29 ym，該凹槽靠近柵極一側(cè)邊緣與柵極 靠近漏極一側(cè)邊緣之間的距離a為sX (d)°_5,其中s為凹槽深度，d為凹槽底部與勢壘層之 間的距離； 第八步，在鈍化層（8)上第五次制作掩膜，利用該掩膜在凹槽內(nèi)和源極與漏極之間的 鈍化層上淀積金屬，所淀積的金屬要完全填充凹槽，以形成厚度為0. 11?8. 2 y m的T形柵 場板（10)，凹槽靠近漏極一側(cè)邊緣與T形柵場板靠近漏極一側(cè)邊緣之間的距離c為0. 62? 7. 9 y m，并將T形柵場板（10)與柵極（7)電氣連接； 第九步，在T形柵場板（10)上部和鈍化層（8)的其它區(qū)域上部淀積絕緣介質(zhì)材料，形 成保護(hù)層（11)，完成整個器件的制作。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于在凹槽內(nèi)和源極與漏極之間的鈍化層上 所淀積的金屬采用三層金屬組合Ti/Mo/Au，即下層為Ti、中層為Mo、上層為Au，其厚度為 0? 05 ?6 u m/0. 05 ?1. 7 u m/0. 01 ?0? 5 u m。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于在凹槽內(nèi)和源極與漏極之間的鈍化層上 所淀積的金屬采用Ti/Ni/Au三層金屬組合，即下層為Ti、中層為Ni、上層為Au，其厚度為 0? 05 ?6 u m/0. 05 ?1. 7 u m/0. 01 ?0? 5 u m。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于在凹槽內(nèi)和源極與漏極之間的鈍化層上 所淀積的金屬采用Ti/Pt/Au三層金屬組合，即下層為Ti、中層為Pt、上層為Au，其厚度為 0? 05 ?6 u m/0. 05 ?1. 7 u m/0. 01 ?0? 5 u m。
【文檔編號】H01L29/778GK104393041SQ201410659603
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】毛維, 佘偉波, 張延濤, 楊翠, 馬佩軍, 郝躍 申請人:西安電子科技大學(xué)