一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管及其制造方法与流程

本发明属于半导体器件制备技术领域，特别是涉及一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管及其制造方法。

技术背景

第三代半导体GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)具有输出功率密度大、效率高、耐高温、耐辐照等特点，已成为制造高频、高效、大功率电子器件的主流技术，有力推动了以雷达为代表的武器装备性能提升。随着高数据流卫星通信与现代无线通讯应用(如5G通讯)对高线性晶体管的迫切需求，高线性器件现在成为GaN领域的重点发展方向。高线性度将带来更加有效的频谱利用率，且能够降低对线性化模块的需求，进一步增加整个系统的效率与集成度。

传统GaN平面结构的跨导呈现典型的峰值特性，即跨导在高电流下严重退化，导致在高输入功率下器件增益迅速压缩，交调特性差，线性度低。为克服此缺陷，2005年香港科技大学提出Al_0.05Ga_0.95N/GaN复合沟道，通过减小沟道纵向电场，一定程度上改善了跨导线性度(参见文献Jie Liu et al.,Highly Linear Al_0.3Ga_0.7N–Al_0.05Ga_0.95N–GaN Composite-Channel HEMTs,IEEE Electron Device Lett.,vol.26,no.3,pp.145-147,2005)。随后，美国北卡州立大学发现，由空间电荷限流引起的非线性源电阻是限制GaN器件线性度的主要因素(参见文献Robert J.Trew et al.,Nonlinear Source Resistance in High-Voltage Microwave AlGaN/GaN HFETs,IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol.54,no.5,pp.2061-2067,2006)。因此，复合沟道结构在提高线性度方面十分有限，而且会导致沟道热阻增加，器件输出功率、频率、效率等性能显著退化。

GaN FinFET(或三维鳍式结构)近来受到国内外研究机构的密切关注，它通过在沟道两侧引入额外侧栅，增强了对沟道电子的控制能力，相对传统结构，表现出更好的亚阈值特性、关态特性，短沟道效应也得到极大抑制(参见文献Kota Ohi et al.,Current Stability in Multi-Mesa-Channel AlGaN/GaN HEMTs,IEEE Trans.Electron Devices.,vol.60,no.10,pp.2997-3004,2013)。随后，MIT报道了具有高跨导和f_T线性度的GaN FinFET器件(参见文献Kota Ohi Dong Seup Lee et al.,Nanowire Channel InAlN/GaN HEMTs With High Linearity of g_m and f_T,IEEE Electron Devices.,vol.34,no.8,pp.969-971,2013)，并指出跨导高线性度的根本原因在于三维鳍片完全被栅金属包裹。然而，为达到此目的，鳍片的制备采用了自对准方式，工艺复杂，与传统GaN器件工艺兼容性差；最重要的是，通过此工艺制备的器件栅电极为直栅结构，栅电阻大，导致最高振荡频率低，最终限制了其在微波功率电路的应用。

中国专利申请公开了一种多沟道鳍式结构的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构和利记博彩app，主要解决现有多沟道器件栅控能力差及FinFET器件电流低的问题。该器件的结构自下而上依次包括衬底(1)、第一层AlGaN/GaN异质结(2)、SiN钝化层(4)和源漏栅电极，源电极和漏电极分别位于SiN钝化层两侧顶层AlGaN势垒层上，其中：第一层AlGaN/GaN异质结与SiN钝化层之间设有GaN层和AlGaN势垒层，形成第二层AlGaN/GaN异质结(3)；栅电极覆盖在第二层异质结顶部和第一层及第二层异质结的两侧壁。该器件栅控能力强，饱和电流大，亚阈特性好，可用于短栅长的低功耗低噪声微波功率器件。

中国专利申请公开了一种T栅N面GaN/AlGaN鳍式高电子迁移率晶体管，主要解决现有微波功率器件的最高振荡频率小，欧姆接触电阻大，短沟道效应严重的问题。该器件的结构自下而上包括：衬底(1)、GaN缓冲层(2)、AlGaN势垒层(3)、GaN沟道层(4)、栅介质层(5)、钝化层(6)和源、漏、栅电极，其中缓冲层和沟道层采用N面GaN材料；GaN沟道层和AlGaN势垒层组成GaN/AlGaN异质结；栅电极采用T型栅，且包裹在GaN/AlGaN异质结的两侧和上方，形成三维立体栅结构。该器件具有栅控能力好，欧姆接触电阻小及最高振荡频率高的优点，可用作小尺寸的微波功率器件。

虽然上述两个方案分别解决了GaN多沟道以及N面结构存在的问题，但还存在明显不足：主要为采用传统GaN基鳍式结构与制备方式，即先制备GaN基三维鳍片再制备凹槽，三维鳍片除了位于凹槽内，还位于凹槽以外区域，如“N面GaN基鳍式高电子迁移率晶体管及利记博彩app”的图1所示。研究表明，三维鳍片完全被栅金属包裹是器件跨导高线性度的关键所在，而上述两个方案都还不能满足此要求，因此，现有器件均不具有高的跨导高线性度。

如何克服现有技术所存在的不足已成为当今半导体器件制备技术领域中亟待解决的重点难题之一。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服现有技术所存在的不足而提供一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管及其制造方法，本发明以简化的制备工艺，使器件兼有高的线性度与最高振荡频率，能够满足GaN高线性度微波功率器件的应用需要。

根据本发明提出的一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管，该晶体管的结构自下而上依次包括衬底、缓冲层、势垒层、钝化层；所述势垒层上方的一端设有源极和另一端设有漏极；位于所述源极和漏极之间的势垒层上方设有钝化层，所述钝化层中设有凹槽，所述凹槽内设有T型栅极，其特征在于，仅限于所述凹槽下方区域内的势垒层与缓冲层上刻蚀有周期性排列的GaN基三维鳍片，所述GaN基三维鳍片的长度与凹槽的长度相等，在相邻的GaN基三维鳍片之间设有刻蚀形成的隔离槽。

本发明提出的一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管的进一步的优选方案是：

所述GaN基三维鳍片(8)的高度为10～300nm、宽度为10～1000nm。

所述T型栅极(9)的一部分覆盖在所述GaN基三维鳍片(8)上方的两侧，T型栅极(9)的另一部分覆盖在相邻GaN基三维鳍片(8)之间的隔离槽的上方，T型栅极(9)的再一部分覆盖在所述钝化层(6)的上方。

本发明提出的一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管及优选方案的制备方法，包括如下具体步骤：

1)在衬底上依次生长缓冲层和势垒层；

2)在所述势垒层上光刻源漏图形，并淀积源漏金属，然后在N₂氛围中进行热退火，分别制作源极和漏极；

3)在势垒层上沉积钝化层；

4)在所述钝化层上制作有源区掩模，随后采用刻蚀或离子注入等方式进行器件隔离，形成有源区；

5)在所述钝化层上制作栅脚掩模，随后通过RIE、ICP等方式刻蚀钝化层，形成凹槽；

6)在仅限于所述凹槽下方区域内的势垒层上定义GaN基三维鳍片掩模，随后干法刻蚀势垒层和缓冲层，形成周期排列的GaN基三维鳍片；

7)在所述钝化层上定义栅帽掩模，通过蒸发或溅射方式沉积栅金属，剥离形成T型栅；

8)在所述钝化层上定义互联开孔区掩模，刻蚀形成互联开孔；

9)在所述钝化层上定义互联金属区掩模，通过蒸发与剥离工艺形成互联金属。

本发明的实现原理：本发明基于现有GaN凹槽栅器件制造工艺，在钝化层开出凹槽后，在所述凹槽内部制作鳍片光刻掩模，随后通过刻蚀形成GaN基三维鳍片，最后制备T型栅完全包裹GaN基三维鳍片。本发明的制备工艺能够可靠地确保GaN基三维鳍片仅限于凹槽下方且完全被栅极包裹，其它区域无三维鳍片，因此根据跨导高线性原理，本发明器件的线性度高，由于采用与传统工艺相同的T型栅，栅电阻小，因此器件的最高振荡频率高。

本发明与现有技术相比其显著优点在于：

1、本发明的工艺方法简单可靠，仅需在现有GaN凹槽栅工艺基础上添加一步鳍片制备工艺即可实现本发明的目的。

2、本发明的器件采用T栅结构，不仅具有高的线性度，而且最高振荡频率高，能够满足微波功率电路需求。

3、由于跨导在高栅压下的退化得到抑制，使得本发明的器件具有更高的电流驱动能力与输出功率能力；

4、由于GaN基三维鳍片提供了辅助的侧壁散热，因此本发明所述器件热阻较低，适用于大功率高线性微波功率器件。

附图说明

图1是本发明的一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管的三维立体结构的示意图。

图2包括图2a、图2b、图2c、图2d、图2e、图2f、图2g，是本发明的一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管的制造流程的示意图。

图3是常规GaN平面器件的直流转移特性的示意图。

图4是依据本发明制造的高线性GaN鳍式器件的直流转移特性的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进一步进行详细说明。

参照图1,本发明提出的一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管是基于III族氮化物半导体，其结构自下而上包括衬底1、缓冲层2、势垒层3、钝化层6；所述势垒层3上方的一端设有源极4和另一端设有漏极5；位于源极4和漏极5之间的势垒层3的上方设有钝化层6，所述钝化层6中设有凹槽7，所述凹槽7内设有T型栅极9，在仅限于所述凹槽7下方区域内的势垒层3与缓冲层2上刻蚀有若干个周期性排列的GaN基三维鳍片8，所述GaN基三维鳍片8仅存在于凹槽7下方，其它区域无鳍片，所述GaN基三维鳍片8的长度与凹槽7的长度相等，在相邻的GaN基三维鳍片之间设有刻蚀形成的隔离槽。其中：

所述GaN基三维鳍片8的高度为10～300nm(包括选择10nm、100nm、150nm、200nm、250nm或300nm等)、宽度为10～1000nm(包括选择10nm、100nm、300nm、600nm或1000nm等)，其中所述GaN基三维鳍片8的高度大于势垒层3厚度。

所述T型栅极9的一部分覆盖在所述三维鳍片8上方的两侧，T型栅极9的另一部分覆盖在相邻GaN基三维鳍片8之间的隔离槽的上方，T型栅极9的再一部分覆盖在所述钝化层6的上方。

参照图2，本发明提出的一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管的制备方法，包括如下具体步骤：

1)在衬底1上依次生长缓冲层2和势垒层3,如图2a；其中：所述衬底1的材质为蓝宝石、SiC、Si、金刚石或GaN自支撑衬底中的任一种；缓冲层2为GaN、AlGaN、AlN、InGaN中一种或几种组合；势垒层3为AlGaN、InAlN、InAlGaN、AlN中一种或几种组合。

2)在所述势垒层3上光刻源漏图形，并淀积源漏金属，然后在N₂氛围中进行热退火，分别制作源极4和漏极5，如图2b；其中：所述源极4和所述漏极5的金属均包含但不限于Ti/Al、Ti/Au、Ti/Al/W、Ti/Al/Mo/Au、Ti/Al/Ni/Au、Si/Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/TiN中的任一种多层金属。

3)在所述势垒层3上沉积钝化层6，如图2c；其中：所述钝化层6的材质为SiN、SiO₂、SiON、AlN中的一种或几种组合，厚度为30～300nm(包括选择30nm、100nm、150nm、200nm、250nm或300nm等)，生长方法为等离子体增强化学气相淀积(PECVD)、原子层淀积沉积(ALD)或低压力化学气相淀积(LPCVD)。

4)在所述钝化层6上制作有源区掩模，随后采用刻蚀或离子注入等方式进行器件隔离，形成有源区；

5)在所述钝化层6上制作栅脚掩模，随后通过RIE、ICP等方式刻蚀去除钝化层6，形成凹槽7，如图2d；

6)在仅限于所述凹槽7下方区域内的势垒层3上定义GaN基三维鳍片掩模，如图2e，随后干法刻蚀势垒层3和缓冲层2，形成周期排列的GaN基三维鳍片8，如图2f；其中：GaN基鳍片掩模的制作采用光学光刻或电子束直写方式，势垒层3和缓冲层2的刻蚀采用RIE、ICP等干法刻蚀方式；

7)在所述钝化层6上定义栅帽掩模，通过蒸发或溅射方式沉积栅金属，剥离形成T型栅9，如图2g；其中：栅金属包含但不限于Ni/Au、Ni/Au/Ni、Pt/Au、Ni/Pt/Au，W/Ti/Au、Ni/Pt/Au/Pt/Ti、TiN/Ti/Al/Ti/TiN中的任一种多层金属，所述栅金属的厚度为50～700nm(包括选择50nm、100nm、300nm、500nm或700nm等)。

8)在所述钝化层6上定义互联开孔区掩模，刻蚀形成互联开孔；

9)在所述钝化层6上定义互联金属区掩模，通过蒸发与剥离工艺形成互联金属。

根据以上本发明所述的结构和制造方法，本发明给出以下两种实施例，但并不限于这些实施例。

实施例1：制备SiC衬底，缓冲层为AlN/GaN，势垒层为AlGaN，钝化层为SiN，：GaN基三维鳍片宽度为100nm，栅金属为Ni/Au/Ni的具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管，其过程是：

1)在SiC衬底1上，利用金属有机物化学气相淀积技术MOCVD，先在1050℃下生长100nm的AlN，再在1000℃下生长2μm的非故意掺杂的GaN层，形成缓冲层2,随后在缓冲层2上生长厚度为22nm的AlGaN势垒层3，Al组分为30％。

2)在势垒层3上制作光刻掩膜，然后采用电子束蒸发淀积金属叠层，经过剥离工艺在其两端得到孤立的金属块，最后在N₂气氛中进行快速热退火形成源极4和漏极5。所淀积的金属自下而上分别为Ti、Al、Ni和Au，其厚度分别为20nm、150nm、60nm和50nm。电子束蒸发采用的条件为：真空度≦2.0×10^-6Torr，淀积速率小于快速热退火的工艺条件为：温度840℃，时间30s。

3)利用PECVD技术在势垒层3上淀积SiN形成钝化层6；淀积工艺条件为：气体分别为SiH₄、NH₃、He和N₂，流量分别为8sccm、2sccm、100sccm和200sccm，压力为500mTorr，温度260℃，功率25W，该钝化层的厚度为100nm。

4)钝化层6上制作有源区掩模，随后采用离子注入方式进行器件隔离，形成有源区。注入条件为：离子为B⁺，电流10μA，能量100KeV，剂量5e14。

5)在钝化层6的上部制作掩膜，利用等离子增强刻蚀技术RIE在源极4和漏极5之间的钝化层6上开出凹槽7。刻蚀凹槽的工艺条件为：气体为SF₆，流量为20sccm，压力0.2pa，时间200s。

6)采用ZEP520胶在凹槽7内部制作GaN基三维鳍片掩膜，通过ICP干法刻蚀AlGaN/GaN，去除ZEP520胶掩模，形成宽度为100nm的GaN基三维鳍片8；其中：刻蚀工艺条件为：气体分别为BCl₃和Cl₂，流量分别为25sccm和5sccm，压力为30mTorr，温度25℃，上电极功率100W，下电极3W，刻蚀时间5分钟，刻蚀深度50nm。

7)在钝化层6的上部制作栅极掩膜，利用电子束蒸发技术淀积金属叠层，并利用剥离工艺形成T型栅9；其中：淀积金属叠层的工艺条件为：真空度≦1.5×10^-6Torr，淀积速率小于其中：所淀积的金属叠层自下而上为Ni、Au、Ni，厚度分别为20nm、500nm和30nm。

8)在钝化层6上定义互联开孔区光刻掩模，通过RIE干法刻蚀形成互联开孔。刻蚀工艺条件为：气体为SF₆，流量为20sccm，压力0.2pa，时间200s。

9)在钝化层6上定义互联金属区掩模，通过蒸发与剥离工艺形成互联金属。淀积金属叠层的工艺条件为：真空度≦1.5×10^-6Torr，淀积速率小于所淀积的金属叠层自下而上为Ti、Au，厚度分别为30nm、500nm。

实施例2：制备Si衬底，缓冲层为AlN/AlGaN/GaN层，势垒层为AlN/InAlN，钝化层为SiO₂，GaN基三维鳍片宽度为400nm，栅金属为TiN/Ti/Al/Ti/TiN的具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管，其过程是：

1)在Si衬底上，利用金属有机物化学气相淀积技术MOCVD，先在1050℃下生长200nm的AlN，再在1000℃下生长1μm的非故意掺杂的AlGaN层(Al组15％)和500nm GaN层，形成缓冲层2,随后在800℃下在缓冲层2上生长厚度为1nm的AlN层和8nm InAlN，形成势垒层3，Al组分为83％。

2)在势垒层3上制作光刻掩膜，然后采用电子束蒸发淀积金属叠层，经过剥离工艺在其两端得到孤立的金属块，最后在N₂气氛中进行快速热退火形成源极4和漏极5；所淀积的金属自下而上为Ti、Al和TiN，其厚度分别为20nm、200nm和100nm；电子束蒸发采用的条件为：真空度≦2.0×10^-6Torr，淀积速率小于快速热退火的工艺条件为：温度550℃，时间90s。

3)利用PECVD技术在势垒层3上淀积SiO₂形成钝化层6。淀积工艺条件为：气体分别为SiH₄、N₂O，流量分别为120sccm、200sccm，压力为500mTorr，温度320℃，功率35W，该钝化层的厚度为150nm。

4)实施例2的第4步与实施例1的第4步相同。

5)在钝化层6的上部制作掩膜，利用等离子增强刻蚀技术RIE在源极4和漏极5之间的钝化层6上开出凹槽7；其中：刻蚀凹槽的工艺条件为：气体为SF₆，流量为20sccm，压力0.2pa，时间600s。

6)采用深紫外光刻在凹槽7内部制作鳍片掩膜，通过ICP干法刻蚀AlGaN/GaN，去除光刻胶掩模，形成宽度为400nm的鳍片8。其中：刻蚀工艺条件为：气体分别为BCl₃和Cl₂，流量分别为25sccm和5sccm，压力为30mTorr，温度25℃，上电极功率100W，下电极3W，刻蚀时间5分钟,刻蚀深度50nm。

7)在钝化层6的上部制作栅极掩膜，利用电子束蒸发技术淀积金属叠层，并利用剥离工艺形成T型栅9。其中：淀积金属叠层的工艺条件为：真空度≦1.5×10^-6Torr，淀积速率小于所淀积的金属叠层自下而上为TiN/Ti/Al/Ti/TiN，厚度分别为20nm、30nm、300nm、30nm和100nm。

8)在钝化层6上定义互联开孔区光刻掩模，通过RIE干法刻蚀形成互联开孔；其中：刻蚀工艺条件为：气体为SF₆，流量为20sccm，压力0.2pa，时间600s。

9)实施例2的第9步与实施例1的第9步相同。

本发明的效果可以通过图3和图4进一步说明。

图3为GaN平面器件的直流转移特性，可以看出，器件跨导呈现典型的峰值特性，最大电流为1.2A/mm，最大跨导G_m为0.48S/mm。图4为依据本发明制备的高线性GaN鳍式器件的直流转移特性，器件跨导G_m更加平坦，线性度大幅提高，且最大电流为2A/mm，最大跨导G_m为0.74S/mm。以上对比可知，本发明的高线性GaN鳍式器件的最大电流、跨导值都较平面器件有较大提高，并且跨导线性度得到极大改善。

本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。

本发明经反复实验验证，取得了满意的试用效果。

以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管及其制造方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。