增強型鰭式絕緣柵高電子遷移率晶體管制造技術

本發明專利技術公開了一種增強型鰭式絕緣柵高電子遷移率晶體管，主要解決現有增強型器件的閾值電壓小，短溝道效應嚴重的問題。其自下而上包括：襯底(1)、GaN緩沖層(2)、GaN溝道層(3)、AlGaN勢壘層(4)、柵介質層(5)、鈍化層(6)和源、漏、柵電極。其中GaN溝道層與AlGaN勢壘層組成AlGaN/GaN異質結；柵電極采用凹槽柵結構，且包裹在AlGaN/GaN異質結的兩側和上方，形成三維柵結構；柵電極與AlGaN/GaN異質結之間設有一層高介電常數的柵介質；源、漏電極設在AlGaN/GaN異質結的兩端。本發明專利技術器件具有閾值電壓高，柵控能力強，源、漏電阻小的優點，可作為小尺寸的增強型器件。

Enhanced fin insulated gate high electron mobility transistor

The invention discloses an enhanced fin type insulated gate high electron mobility transistor, which mainly solves the problems of low threshold voltage and short channel effect of the prior enhanced device. The bottom up comprises a substrate (1), a GaN buffer layer (), a GaN channel layer (), a AlGaN barrier layer (4), a gate dielectric layer (a), a passivation layer (6), and a source, drain and gate electrode. The GaN channel layer and AlGaN barrier layer composed of AlGaN/GaN heterojunction; a gate electrode with recessed gate structure, and wrapped in AlGaN/GaN heterostructure on both sides and above, forming a three-dimensional grid structure; a layer of high dielectric constant dielectric is arranged between the gate electrode and the AlGaN/GaN heterojunction; source and drain electrodes are arranged at both ends of the AlGaN/GaN heterojunction the. The device of the invention has the advantages of high threshold voltage, strong grid control ability, small source and electric leakage resistance, and can be used as an enhanced device with small size.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于微電子器件
，具體地說是一種增強型鰭式絕緣柵高電子遷移率晶體管MIS-HEMT，可用于增強/耗盡模式的納米級數字集成電路。
技術介紹
GaN材料作為第三代半導體材料，由于禁帶寬度大、二維電子氣2DEG濃度高和電子飽和速度高等優點，被認為是制作微波功率器件及高速器件的優良材料。特別是AlGaN/GaN異質結高電子遷移率晶體管HEMT，在集成電路中有廣泛的應用。通常AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管器件制備完成時已經形成了高密度的二維電子氣2DEG，這樣的器件屬于常開的耗盡型器件D-HEMT。為了實現常關的增強型器件E-HEMT，需要一些特殊結構和工藝，如薄勢壘層、凹槽柵、柵下氟離子注入等。但是隨著器件尺寸的減小，傳統結構的增強型器件短溝道效應越來越嚴重，影響了器件的工作性能。2013年，ShinoharaK等人制備的增強型器件，采用AlN作為薄勢壘層，這種結構有更短的柵長，更好的頻率特性，參見ScalingofGaNHEMTsandSchottkyDiodesforSubmillimeter-WaveMMICApplications[J].IEEETransactionsonElectronDevices,2013,60(10):2982-2996。但是該器件在柵長較小時，短溝道效應嚴重，亞閾值擺幅較大，不利于實現增強/耗盡模式的納米級數字集成電路。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對以上增強型高電子遷移率晶體管的不足，提出一種增強型鰭式絕緣柵高電子遷移率晶體管及制作方法，以抑制短溝道效應，提高閾值電壓和跨導，實現更小柵長的增強型器件。為實現上述目的，本專利技術的技術思路是：采用GaN溝道層和AlGaN勢壘層形成AlGaN/GaN異質結，通過AlGaN/GaN異質結生成二維電子氣，通過刻蝕AlGaN和GaN，形成鰭型AlGaN/GaN異質結，通過在柵區域刻蝕AlGaN，形成柵凹槽，通過在凹槽處淀積高介電常數的柵介質，形成鰭式凹槽絕緣柵結構。依據上述技術思路，本專利技術的增強型鰭式絕緣柵高電子遷移率晶體管，自下而上包括襯底1、GaN緩沖層2、GaN溝道層3、AlGaN勢壘層4、柵介質層5、鈍化層6和柵、源、漏電極，GaN溝道層和AlGaN勢壘層形成AlGaN/GaN異質結，AlGaN/GaN異質結生成二維電子氣，其特征在于：柵電極采用凹槽柵結構，且包裹在AlGaN/GaN異質結的兩側和上方，形成三維柵結構；柵電極與AlGaN/GaN異質結之間設有一層高介電常數的柵介質；源、漏電極設在AlGaN/GaN異質結的兩端，以實現與二維電子氣的直接接觸。依據上述技術思路，本專利技術制作增強型鰭式絕緣柵高電子遷移率晶體管的方法，包括如下步驟：1)在Si面SiC或c面藍寶石或Si襯底上，利用金屬有機化合物化學氣相淀積MOCVD生長1～3μm的GaN緩沖層；2)在GaN緩沖層上生長5nm厚的GaN溝道層；3)在GaN溝道層上生長10～20nm的AlGaN勢壘層；4)通過刻蝕AlGaN勢壘層、GaN溝道層和GaN緩沖層的邊緣部分，形成鰭型AlGaN/GaN異質結；5)在GaN溝道層和AlGaN勢壘層兩端制作源、漏電極；6)利用原子層淀積ALD或等離子體增強化學氣相淀積PECVD技術在AlGaN、GaN和源、漏電極表面生長鈍化層；7)先刻蝕掉AlGaN勢壘層上面的鈍化層，再在AlGaN勢壘層上表面進行刻蝕，形成凹槽；8)在凹槽處利用原子層淀積ALD設備淀積柵介質層；9)在柵介質層上光刻柵形狀，并用電子束蒸發制備柵電極；10)利用等離子體增強化學氣相淀積PECVD設備在電極表面淀積SiN鈍化層，刻蝕掉電極鍵合點上多余的鈍化層，并進行金屬互連蒸發，完成器件的制備。本專利技術具有如下優點：1.本專利技術器件由于采用凹槽絕緣柵結構，所以柵泄漏電流較低，閾值電壓較高，擊穿電壓也較高，能夠獲得大的飽和電流。2.本專利技術器件由于采用鰭型Fin柵結構，可以很好的抑制短溝道效應，加強柵控能力。3.本專利技術器件由于源、漏電極與二維電子氣溝道直接接觸，源、漏電阻很小，可以做低功耗器件。附圖說明圖1是本專利技術器件的結構示意圖；圖2是圖1中水平方向a的剖視圖；圖3是圖1中垂直方向b的剖視圖；圖4是本專利技術器件的制作工藝流程示意圖。具體實施方式以下結合附圖對本專利技術作進一步詳細描述。參照圖1、圖2和圖3，本專利技術器件包括襯底1、GaN緩沖層2、GaN溝道層3、AlGaN勢壘層4、柵介質層5、SiN鈍化層6和柵、源、漏電極。其中：襯底1采用SiC或Si或藍寶石；GaN緩沖層2位于襯底1的上面，其厚度是1～3μm；GaN溝道層3在緩沖層2之上，其厚度是5nm；AlGaN勢壘層4位于溝道層3之上，其厚度是10～20nm、Al組分為10％～30％；GaN溝道層3和AlGaN勢壘層4組成AlGaN/GaN異質結；柵介質層5位于溝道層3的兩側和勢壘層4的周圍，該柵介質層5采用SiN或Al2O3，其厚度是5～10nm；柵電極位于柵介質層5的兩側和上方，該柵電極采用凹槽柵結構，其凹槽的度是3～8nm；源電極位于GaN溝道層3和AlGaN勢壘層4的左端，漏電極位于GaN溝道層3和AlGaN勢壘層4的右端；鈍化層6覆蓋在源、漏、柵電極和AlGaN/GaN異質結的表面，該鈍化層6采用SiN，其厚度為30～100nm。參照圖4，本專利技術給出制備增強型鰭式絕緣柵高電子遷移率晶體管的如下三種實施例。實施例1：制作鰭型AlGaN/GaN異質結寬度為200nm，凹槽柵深度為8nm增強型鰭式絕緣柵高電子遷移率晶體。步驟一：生長緩沖層。在溫度為700℃，壓強為1.5×104Pa的工藝條件下，利用金屬有機化合物化學氣相沉積MOCVD設備在圖4(a)所示的SiC襯底上生長一層厚度為1μm的GaN緩沖層，其反應氣體為三甲基鎵和氨氣。步驟二：生長溝道層。在溫度為850℃，壓強為1.5×104Pa的工藝條件下，利用金屬有機化合物化學氣相沉積MOCVD設備在GaN緩沖層上生長一層5nm厚的GaN溝道層，其反應氣體為三甲基鎵和氨氣。步驟三：生長勢壘層。在溫度為950℃，壓強為1.5×104Pa的工藝條件下，利用金屬有機化合物化學氣相沉積MOCVD設備在GaN溝道層上生長一層厚度為20nm，Al組分為25％的AlGaN勢壘層，其反本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種增強型鰭式絕緣柵高電子遷移率晶體管，自下而上包括襯底(1)、GaN緩沖層(2)、GaN溝道層(3)、AlGaN勢壘層(4)、柵介質層(5)、鈍化層(6)和柵、源、漏電極，GaN溝道層和AlGaN勢壘層形成AlGaN/GaN異質結，AlGaN/GaN異質結生成二維電子氣，其特征在于：柵電極采用凹槽柵結構，且包裹在AlGaN/GaN異質結的兩側和上方，形成三維柵結構；柵電極與AlGaN/GaN異質結之間設有一層高介電常數的柵介質；源、漏電極設在AlGaN/GaN異質結的兩端，以實現與二維電子氣的直接接觸。

【技術特征摘要】
1.一種增強型鰭式絕緣柵高電子遷移率晶體管，自下而上包括襯底(1)、GaN緩沖層(2)、GaN溝道層(3)、AlGaN勢壘層(4)、柵介質層(5)、鈍化層(6)和柵、源、漏電極，GaN溝道層和AlGaN勢壘層形成AlGaN/GaN異質結，AlGaN/GaN異質結生成二維電子氣，其特征在于：
柵電極采用凹槽柵結構，且包裹在AlGaN/GaN異質結的兩側和上方，形成三維柵結構；
柵電極與AlGaN/GaN異質結之間設有一層高介電常數的柵介質；
源、漏電極設在AlGaN/GaN異質結的兩端，以實現與二維電子氣的直接接觸。
2.根據權利要求1所述的增強型鰭式絕緣柵高電子遷移率晶體管，其中的襯底(1)采用藍寶石或SiC或Si。
3.根據權利要求1所述的增強型鰭式絕緣柵高電子遷移率晶體管，其中緩沖層(2)采用GaN，厚度為1.5～3μm。
4.根據權利要求1所述的增強型鰭式絕緣柵高電子遷移率晶體管，其中溝道層(3)為GaN，厚度為5nm。
5.根據權利要求1所述的增強型鰭式絕緣柵高電子遷移率晶體管，其中勢壘層(4)采用AlGaN，厚度是10～20nm，Al組分為10％～30％。
6.根據權利要求1所述的增強型鰭式絕緣柵高電子遷移率晶體管，其中柵介質層(5)采用SiN或Al2O3，厚度是5～10nm。
7.根據權利要求1所述的增強型鰭式絕緣柵高電子遷移率晶體管，其中凹槽柵的凹槽深度是3～8nm。
8.一種增強型鰭式絕緣柵高...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張金風，安陽，黃旭，張進成，郝躍，
申請(專利權)人：西安電子科技大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61