本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種多溝道鰭式結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)和制作方法。主要解決現(xiàn)有多溝道器件柵控能力差及FinFET器件電流低的問題。其自下而上依次包括襯底(1)、第一層AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)(2)、SiN鈍化層(4)和源漏柵電極，源電極和漏電極分別位于SiN鈍化層兩側(cè)頂層AlGaN勢壘層上，其特征在于：第一層AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)與SiN鈍化層之間設(shè)有GaN層和AlGaN勢壘層，形成第二層AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)(3)；柵電極覆蓋在第二層異質(zhì)結(jié)頂部和第一層及第二層異質(zhì)結(jié)的兩側(cè)壁。本發(fā)明專利技術(shù)器件柵控能力強(qiáng)，飽和電流大，亞閾特性好，可用于短柵長的低功耗低噪聲微波功率器件。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于微電子
，涉及半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)與制作，特別是一種多溝道鰭式結(jié)構(gòu)的AIGaN/GaN高電子迀移率晶體管HEMT，可用于制作大規(guī)模集成電路。
技術(shù)介紹
近年來以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體以其大禁帶寬度、高擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高飽和電子速度和異質(zhì)結(jié)界面二維電子氣2DEG濃度高等特性，使其受到廣泛關(guān)注。在理論上，利用這些材料制作的高電子迀移率晶體管HEMT、發(fā)光二極管LED、激光二極管LD等器件比現(xiàn)有器件具有明顯的優(yōu)越特性，因此近些年來國內(nèi)外研究者對其進(jìn)行了廣泛而深入的研究，并取得了令人矚目的研究成果。AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)高電子迀移率晶體管HEMT在高溫器件及大功率微波器件方面已顯示出了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，追求器件高頻率、高壓、高功率吸引了眾多的研究。為了進(jìn)一步推動GaN異質(zhì)結(jié)器件在更大電流、更高功率、更低功耗、更高頻率、開關(guān)模式、多值邏輯門等領(lǐng)域的應(yīng)用，對于多溝道多異質(zhì)結(jié)材料和器件的研究就顯得很有必要。2005 年，Rongming Chu 報道了 AlGaN/GaN/AlGaN/GaN 材料結(jié)構(gòu)，同時制作完成了雙溝道的 HEMT 器件。參見 Rongming Chu, et al, AIGaN/GaN Double-Channel HEMTs, IEEETranscat1ns on electron devices, 2005.52 (4): 438。由于該結(jié)構(gòu)有兩個GaN層作為溝道層，故被稱為雙溝道AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)。通過實(shí)驗證明，雙溝道中最鄰近柵的溝道可以在高溫、高壓、高頻等方面有屏蔽底層溝道少受影響的作用。與單溝道AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)相比，雙溝道AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)可以有更高的二維電子氣總密度，這使得器件飽和電流大幅度增加，對于功率應(yīng)用的器件，飽和電流的提高至關(guān)重要。但是雙溝道AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料總勢皇層厚度增加，使得器件柵與下面的溝道距離增大，降低了柵控能力，器件跨導(dǎo)峰值有所下降。2013年，魯明等人對三溝道AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料的結(jié)構(gòu)仿真、材料生長、器件制備等進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。參見魯明碩士畢業(yè)論文，三溝道AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料與器件研究。隨著溝道數(shù)量的增加，由AIGaN/GaN組成的異質(zhì)結(jié)的層數(shù)也增多，使得器件有三層的二維電子氣層并聯(lián)在源漏之間，這樣更進(jìn)一步降低了溝道電阻，提高了器件源漏電流。但是，隨著溝道數(shù)量的增加，離柵極越遠(yuǎn)的溝道受到的控制越弱，柵極電壓的控制能力下降引起跨導(dǎo)峰值下降，器件增益下降。而且由于柵控能力的下降，閾值電壓的負(fù)向移動很大。柵極對多個溝道的控制能力的提高是個挑戰(zhàn)。采用FinFET結(jié)構(gòu)制作的AIGaN/GaN HEMT器件相對于普通GaN基HEMT器件，具有較多的優(yōu)勢。FinFET結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)就是采用了三維立體結(jié)構(gòu)，由柵極將溝道從三個方向包裹起來，溝道在三個方向都能受到柵極較好的控制，使得器件在溝道長度很短時，提高柵控能力，改善短溝道效應(yīng)，降低關(guān)態(tài)泄漏電流。在高速高頻應(yīng)用方面，F(xiàn)inFET結(jié)構(gòu)器件具有低的泄漏電流和良好的亞閾值特性。蔡勇等人報道了納米溝道陣列AIGaN/GaN HEMT。參見Shenghou Liu, YongCai, Guodong Gu,et al.Enhancement-Mode Operat1n of Nanochannel Array(NCA)AIGaN/GaN HEMTs, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, 2012，VOL.33，N0.3。三面環(huán)柵的 FinFET結(jié)構(gòu)大大增強(qiáng)了柵極的控制能力。但溝道中發(fā)生的應(yīng)力弛豫減小了異質(zhì)結(jié)處的壓電極化，使存在于異質(zhì)結(jié)附近的電子氣濃度下降，使得閾值電壓會正向偏移。隨著納米溝道寬度的減小，器件的峰值跨導(dǎo)逐漸增大，并且具有納米溝道陣列器件的跨導(dǎo)比常規(guī)器件都大，峰值跨導(dǎo)增大55%。但是由于FinFET結(jié)構(gòu)器件具有納米量級的柵寬，而柵寬的縮小使得源漏電流明顯下降，器件的電流驅(qū)動能力下降，不利于器件在大功率方面的應(yīng)用。K1-Sik等人采用FinFET結(jié)構(gòu)在常規(guī)勢皇厚度AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)上研究了增強(qiáng)型器件的制作，參見 K1-Sik Im, Dong-Hyeok Son, Ho-Kyun Ahn, et al.Performanceimprovement of normally off AIGaN/GaN FinFETs with fully gate-coverednanochannel, Solid-State Electronics 2013, 89:124 - 127。該研究結(jié)果報導(dǎo)的器件使得電流開關(guān)比更大，亞閾特性更優(yōu)良，功耗更低，為實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性GaN基數(shù)字電路打下良好的基礎(chǔ)。為了更進(jìn)一步提高GaN基數(shù)字電路特性，必須采用納米級柵長和柵寬，但FinFET的納米級柵寬會使得電路器件單元的電流驅(qū)動能力減弱，飽和電流降低，不能滿足GaN基電子器件在高壓開關(guān)、數(shù)字電路領(lǐng)域的應(yīng)用要求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于針對以上多溝道異質(zhì)結(jié)器件柵控能力差以及FinFET結(jié)構(gòu)器件電流驅(qū)動能力較低的不足，提供一種多溝道鰭式結(jié)構(gòu)的AIGaN/GaN高電子迀移率晶體管，以滿足GaN基電子器件在高壓開關(guān)、數(shù)字電路領(lǐng)域的應(yīng)用要求。本專利技術(shù)的技術(shù)思路是:對AIGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)或AIGaN/GaN三異質(zhì)結(jié)材料，設(shè)計100nm內(nèi)的單個柵寬，形成三維的FinFET結(jié)構(gòu)。AIGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)或AIGaN/GaN三異質(zhì)結(jié)材料結(jié)構(gòu)的采用使得源漏之間形成多個并聯(lián)的二維電子氣通路，減小源漏之間的導(dǎo)通電阻，增大器件電流。三維的FinFET結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵是，在形成有源區(qū)臺面刻蝕時，設(shè)計器件單元柵寬小于lOOnm。小于100nm的柵寬使得器件側(cè)面柵發(fā)揮控制能力，提高柵控能力而增大器件跨導(dǎo)。AIGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)或AIGaN/GaN三異質(zhì)結(jié)材料結(jié)構(gòu)的生長中，實(shí)現(xiàn)每層導(dǎo)電二維電子氣都具有較高的迀移率和電子濃度，保證多溝道并聯(lián)的結(jié)構(gòu)使得器件源漏之間的導(dǎo)通電阻明顯降低。在FinFET結(jié)構(gòu)形成中，采用干法刻蝕工藝保證柵鰭側(cè)面的陡峭，并保證柵鰭的高度明顯大于異質(zhì)結(jié)勢皇層的厚度，實(shí)現(xiàn)器件的隔離。依據(jù)上述技術(shù)思路，本專利技術(shù)的多溝道鰭式結(jié)構(gòu)的AIGaN/GaN高電子迀移率晶體管，自下而上包括襯底、第一層AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)、SiN鈍化層和源漏柵電極，源電極和漏電極分別位于SiN鈍化層兩側(cè)的頂層AlGaN勢皇層上，其特征在于:AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)與SiN鈍化層之間設(shè)有GaN層和AlGaN勢皇層，形成第二層AIGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)；柵電極覆蓋在第二層異質(zhì)結(jié)的頂部和第一層異質(zhì)結(jié)及第二層異質(zhì)結(jié)的兩個側(cè)壁。依據(jù)上述技術(shù)思路，本專利技術(shù)制作多溝道鰭式結(jié)構(gòu)的AIGaN/GaN高電子迀移率晶體管的制作方法，包括如下步驟:(1)在藍(lán)寶石或SiC基片上，利用M0CVD工藝，依次生長GaN層和AlGaN勢皇層形成第一層AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，其中GaN厚度為1?2 μ m，AlGaN勢皇層厚度為15?25nm，其Al組份為25?35% ；(2)在第一層AIGaN/GaN異質(zhì)結(jié)上重復(fù)生長一次或兩次相同結(jié)構(gòu)的GaN和AlGaN，獲得雙異質(zhì)結(jié)或三異質(zhì)結(jié)，形成多溝道結(jié)本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種多溝道鰭式結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管，自下而上依次包括襯底(1)、第一層AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)(2)、SiN鈍化層(4)和源漏柵電極，源電極和漏電極分別位于SiN鈍化層兩側(cè)的頂層AlGaN勢壘層上，其特征在于：第一層AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)(2)與SiN鈍化層(4)之間設(shè)有GaN層和AlGaN勢壘層，形成第二層AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)(3)；柵電極覆蓋在第二層異質(zhì)結(jié)(3)的頂部和第一層異質(zhì)結(jié)(2)及第二層異質(zhì)結(jié)(3)的兩個側(cè)壁。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王沖，魏曉曉，郝躍，何云龍，鄭雪峰，馬曉華，張進(jìn)成，
申請(專利權(quán))人：西安電子科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西;61
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