專利名稱：一種制造重?fù)诫s氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的制造方法，尤其是一種重?fù)诫s變異勢(shì)壘氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管的制造方法，具體地說(shuō)是一種制造重?fù)诫s氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法。
背景技術(shù)：
GaAs HFET在勢(shì)壘層中摻雜，雜質(zhì)離化產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)移到溝道中，形成二維電子氣，達(dá)到了很好的射頻性能。這種調(diào)制摻雜方法被移植到GaN HFET中，早期研究的器件都在勢(shì)壘層中摻雜。然而，氮化物是一種極性半導(dǎo)體，在AlGaN/GaN異質(zhì)界面上存在很強(qiáng)的極化電荷和很大的能帶帶階。勢(shì)壘層不摻雜就能產(chǎn)生1013/cm2量級(jí)的高電子氣密度。是否還需要再在勢(shì)壘層中摻雜來(lái)進(jìn)一步提高電子氣密度就成為大家討論的一個(gè)熱點(diǎn)。
GaN HFET中的電子氣密度比GaAs HFET要高一個(gè)量級(jí)。高電子氣密度提高了漏電流和輸出功率。但是，隨之而來(lái)的重要問(wèn)題是如何控制這樣高的電子氣密度。在場(chǎng)效應(yīng)管中，溝道電子氣密度是受柵電極控制的。勢(shì)壘層厚度越薄，柵電極離電子氣越近，對(duì)電子氣的控制力度就越大。為了提高器件的工作效率，必須盡量降低器件的靜態(tài)電流。因此，大功率器件都在深A(yù)B類工作，器件的靜態(tài)電流只有最大漏電流的3～5％。在射頻負(fù)半周中，溝道都是被夾斷的。因此，器件的夾斷行為常常是影響器件性能的重要因素。隨著電子氣密度增大，夾斷電壓降低。在強(qiáng)負(fù)柵壓下，溝道中出現(xiàn)很強(qiáng)的電場(chǎng)峰。電子被強(qiáng)電場(chǎng)加速后就容易躍遷到表面態(tài)，產(chǎn)生電流崩塌。因此大功率HFET的夾斷電壓都不低于-5V。為了達(dá)到這一夾斷電壓，必須在提高電子氣密度的同時(shí)，減薄勢(shì)壘層厚度，增大柵對(duì)電子氣的控制力度，nW乘積成為一個(gè)常數(shù)。但是，當(dāng)勢(shì)壘層太薄時(shí)，溝道電子隧穿到表面態(tài)的幾率大大增加，產(chǎn)生強(qiáng)電流崩塌。因而電子氣的濃度不能太大，存在一個(gè)nW乘積上限。許多研究者都發(fā)現(xiàn)，電子氣密度太高的材料不能制造出高功率的器件。目前，國(guó)內(nèi)外研制的高性能GaN HFET中，nW乘積都保持在2.5～3×107/cm范圍內(nèi)。構(gòu)成電子氣密度的上限。
電子氣密度上限直接影響到GaN HFET中的調(diào)制摻雜問(wèn)題。許多作者從實(shí)驗(yàn)中比較了摻雜和不摻雜勢(shì)壘器件的性能。發(fā)現(xiàn)摻雜器件有較高的漏電流、跨導(dǎo)和輸出功率，而且電流崩塌較弱。但是，受電子氣密度上限的約束，勢(shì)壘層中的摻雜量都不大于5*1012/cm2，摻雜僅使溝道電子氣密度提高2～2.5×1012/cm2，遠(yuǎn)小于溝道中的電子氣密度。從目前國(guó)外研究結(jié)果來(lái)看，這種有限的摻雜并沒(méi)有顯示出像GaAs HFET中調(diào)制摻雜那樣大的作用。勢(shì)壘層摻雜增大了柵金屬下的電場(chǎng)強(qiáng)度，增加了柵電極的隧穿電流。同時(shí)還降低了溝道中二維電子氣的遷移率和增加1/f噪聲。特別是在摻雜勢(shì)壘層上不能制作肖特基勢(shì)壘，就不能挖槽。在許多方面都有其局限性。目前大部分高功率器件都是用不摻雜勢(shì)壘制作的。如何發(fā)揮調(diào)制摻雜優(yōu)勢(shì)來(lái)進(jìn)一步改善器件性能，成為大家關(guān)心的一個(gè)新課題。
解決調(diào)制摻雜的上述困境，首先必須深入研究柵電極對(duì)溝道的控制。圖1畫(huà)出了HFET的結(jié)構(gòu)。1、2和3分別表示源、柵和漏。5和6分別指AlGaN和GaN層。器件工作時(shí)在柵和漏電極之間的AlGaN勢(shì)壘層表面4上會(huì)積累一定的負(fù)電荷，這些電荷能影響下面溝道中的電子氣密度。從而形成一個(gè)沒(méi)有金屬的柵，常常把它稱為虛柵。柵電極和虛柵的電壓是不同的，它們下面的溝道7和8中的電子氣密度也是不同的。為討論方便，把柵電極下的溝道7稱為內(nèi)溝道，而把虛柵下的溝道8稱為外溝道。器件射頻工作時(shí)，用柵電極來(lái)控制內(nèi)溝道，而外溝道則希望它一直打開(kāi)，盡量降低串聯(lián)電阻。在高頻器件中，柵長(zhǎng)很短，外溝道比內(nèi)溝道更長(zhǎng)，在整個(gè)溝道中形成復(fù)雜的電場(chǎng)和電子氣密度分布。理論和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，器件的夾斷行為取決于內(nèi)溝道量子阱，而溝道打開(kāi)時(shí)的漏電流主要受制于外溝道量子阱。如果我們?cè)趧?shì)壘層中重?fù)诫s，外溝道勢(shì)壘很低，電子氣密度很高，能達(dá)到很高的漏電流。而適當(dāng)提高內(nèi)溝道的勢(shì)壘，仍然可以把夾斷電壓控制在-3～-5V，不引起強(qiáng)電流崩塌。突破了nW乘積的制約，解決了內(nèi)溝道夾斷與電子氣濃度間的矛盾。
但是，內(nèi)、外溝道間還存在很強(qiáng)的相互作用。加負(fù)柵壓使內(nèi)溝道夾斷時(shí)，外溝道中靠近柵邊緣出現(xiàn)一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng)峰。高能熱電子躍遷到表面態(tài)，給虛柵充電，使外溝道部分夾斷。當(dāng)柵壓上升內(nèi)溝道打開(kāi)時(shí)，虛柵上的負(fù)電荷限制了外溝道的打開(kāi)，就產(chǎn)生電流崩塌。容易想到如果在勢(shì)壘層中重?fù)诫s，使外溝道中的電子氣密度遠(yuǎn)大于現(xiàn)有nW乘積上限，那么外溝道就不會(huì)被夾斷，電流崩塌將大大減輕。
綜上所述，設(shè)計(jì)制造不同的內(nèi)、外溝道勢(shì)壘就成為突破上述調(diào)制摻雜中的電子氣密度上限、增大器件漏電流和抑制電流崩塌的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管由于摻雜量無(wú)法提高而致使其性能不能得到改善的問(wèn)題，發(fā)明一種既能對(duì)氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行重?fù)诫s，又不會(huì)因重?fù)诫s而引起常見(jiàn)的電流崩塌現(xiàn)象，從而能顯著增大輸出功率的制造重?fù)诫s氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種制造重?fù)诫s氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，其特征是它包括以下步驟首先在襯底9上生長(zhǎng)成核層10、緩沖層11和溝道層12；然后生長(zhǎng)AlN隔離層13和重?fù)诫sAlGaN勢(shì)壘層14，控制摻雜層14的厚度和摻雜濃度使之達(dá)到1013/cm2量級(jí)的高濃度摻雜，以增大外溝道中的電子氣密度，提高漏電流，使外溝道在射頻工作周期內(nèi)不被夾斷，同時(shí)利用高密度外溝道電子氣來(lái)平抑溝道中的電場(chǎng)峰，阻止高能熱電子隧穿到虛柵表面，抑制電流崩塌；最后在生長(zhǎng)不摻雜帽層15后經(jīng)臺(tái)面隔離、歐姆接觸制作后光刻?hào)烹姌O窗口，并用CF4(四氟化碳)進(jìn)行氟等離子體處理，控制等離子體發(fā)射功率在100-150W之間，處理時(shí)間在120-180s之間，以實(shí)現(xiàn)將夾斷電壓調(diào)節(jié)到設(shè)定范圍的目的，再在所開(kāi)窗口的勢(shì)壘層上自對(duì)準(zhǔn)淀積柵金屬，制作肖特基勢(shì)壘并在N2氣氛中進(jìn)行退火以消除等離子體處理產(chǎn)生的缺陷即得本發(fā)明的重?fù)诫s場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)經(jīng)氟等離子體處理后制作肖特基勢(shì)壘，能有效控制內(nèi)溝道上的勢(shì)壘高度，使內(nèi)、外溝道處于不同的勢(shì)壘高度下，內(nèi)、外溝道中具有不同的電子氣密度。溝道的夾斷行為不再受制于原先的nW乘積限制。能夠用強(qiáng)摻雜來(lái)大幅提高電子氣密度，增大漏電流，提高輸出功率。
(2)重?fù)诫s勢(shì)壘層提高了外溝道的電子氣密度，其nW乘積提高了近一倍。在射頻電壓擺動(dòng)下外溝道不能被夾斷。此外，高電子氣密度有利于平抑外溝道中的電場(chǎng)峰，弱化熱電子隧穿，降低電流崩塌。因此，這種新穎HFET能有效抑制電流崩塌。
(3)經(jīng)氟等離子體處理后制作肖特基柵，提高了勢(shì)壘高度，降低了柵流。
(4)這種器件不需要特殊的挖槽和場(chǎng)板工藝。既簡(jiǎn)化了工藝，又減少寄生參數(shù)，提高了增益，有利于研制毫米波高頻器件。
(5)外溝道中的高電子氣密度降低了串聯(lián)電阻，有利于提高器件的跨導(dǎo)、fT和fmax。


圖1是本發(fā)明的AlGaN/GaN HFET結(jié)構(gòu)圖。
圖1中1是源，2是柵，3是漏，4是虛柵，5是AlGaN勢(shì)壘，6是GaN，7是內(nèi)溝道，8是外溝道圖2是本發(fā)明的變異勢(shì)壘調(diào)制摻雜GaN HFET的材料結(jié)構(gòu)圖。
圖2中9是襯底，10是成核層，11是緩沖層，12是溝道層，13是AlN隔離層，14是摻雜AlGaN勢(shì)壘層，15是不摻雜AlGaN帽層具體實(shí)施方式
下面結(jié)構(gòu)附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
如圖2所示。
一種制造重?fù)诫s氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法是首先在襯底1上生長(zhǎng)成核層2、緩沖層3和溝道層4，然后生長(zhǎng)AlN隔離層5和重?fù)诫sAlCaN勢(shì)壘層6，最后生長(zhǎng)不摻雜帽層7?？刂茡诫s層6的厚度和摻雜濃度，達(dá)到1013/cm2量級(jí)的高濃度摻雜。顯著增大外溝道中的電子氣密度，既提高了漏電流，又使外溝道在射頻工作周期內(nèi)不被夾斷。同時(shí)由高密度外溝道電子氣來(lái)平抑溝道中的電場(chǎng)峰，阻止高能熱電子隧穿到虛柵表面，抑制電流崩塌。內(nèi)溝道的夾斷特性可以用單位面積溝道電容Cc來(lái)描述。在夾斷電壓VT下，電子氣密度由n降為零，因此Cc=n-VT=ϵϵ0W---(1)]]>式中ε和ε0分別為相對(duì)介電常數(shù)和真空介電常數(shù)。由此容易得到VT=-nWϵϵ0---(2)]]>把表征現(xiàn)有摻雜上限的nW乘積代入計(jì)算，得到夾斷電壓約為～-5V。假設(shè)內(nèi)溝道勢(shì)壘比外溝道勢(shì)壘高5V，那么外溝道的電子氣密度就能比現(xiàn)有的摻雜上限高一倍。顯著增大漏電流密度。
經(jīng)臺(tái)面隔離、歐姆接觸制作后光刻?hào)烹姌O窗口，用CF4(四氟化碳)進(jìn)行氟等離子體處理，控制等離子體發(fā)射功率在100-150W之間，處理時(shí)間在120-180秒之間，以實(shí)現(xiàn)將夾斷電壓調(diào)節(jié)到設(shè)定范圍的目的，再在所開(kāi)窗口的勢(shì)壘層上自對(duì)準(zhǔn)淀積柵金屬，制作肖特基勢(shì)壘并在N2氣氛中進(jìn)行退火以消除等離子體處理產(chǎn)生的缺陷即得本發(fā)明的重?fù)诫s場(chǎng)效應(yīng)晶體管。然后在N2氣氛中退火，消除等離子體處理產(chǎn)生的缺陷。使用這一氟等離子體處理工藝來(lái)提高柵電極上的勢(shì)壘高度，制成變異勢(shì)壘HFET。
以下是利用上述方法的具體制造例具體制造例1取帽層厚度d7＝2nm，摻雜層厚d6＝20nm，摻雜濃度為1019cm-3，隔離層厚d5＝1nm，勢(shì)壘層的Al組份比為0.3。自洽求解薛定諤方程和泊松方程得出勢(shì)壘層摻雜和不摻雜時(shí)的電子氣密度分別為2.27*1013/cm2和1.24*1013/cm2。用公式(2)算得的夾斷電壓分別為-10.1V和-5.5V。不摻雜時(shí)夾斷電壓正好符合上述nW規(guī)則，溝道能正常夾斷。對(duì)于摻雜勢(shì)壘，使用氟等離子體處理(控制等離子體發(fā)射功率在100-150W之間，處理時(shí)間在120-180秒之間)使內(nèi)溝道勢(shì)壘提高5V，則內(nèi)溝道的夾斷電壓為-5.1V。同樣滿足nW規(guī)則，能正常夾斷。而外溝道的夾斷電壓為-10.1V。器件射頻工作時(shí)，虛柵上的電壓擺動(dòng)總是小于柵電極的電壓擺動(dòng)。因此，在整個(gè)射頻周期中外溝道都不會(huì)被夾斷，不產(chǎn)生顯著的電流崩塌。調(diào)制摻雜使外溝道電子氣密度從1.24*1013/cm2提高到2.27*1013/cm2，漏電流將提高近一倍。
具體制造例2為了降低異質(zhì)結(jié)中的應(yīng)變，常常制作Al組份比較低的結(jié)構(gòu)。假設(shè)Al組份比為0.25。其它結(jié)構(gòu)和實(shí)例1相同。則勢(shì)壘層摻雜和不摻雜時(shí)的電子氣密度分別為2.03*1013/cm2和1.01*1013/cm2。用公式(2)算得的夾斷電壓分別為-9.04V和-4.5V。不摻雜的夾斷電壓為-4.5V，符合上述nW規(guī)則，溝道能正常夾斷。對(duì)于摻雜勢(shì)壘，使用氟等離子體處理(控制等離子體發(fā)射功率在100-150W之間，處理時(shí)間在120-180秒之間)使內(nèi)溝道勢(shì)壘提高5V，則內(nèi)溝道的夾斷電壓為-4.04V。同樣滿足nW規(guī)則，能正常夾斷。而外溝道的夾斷電壓為-9.04V。在整個(gè)射頻周期中外溝道都不會(huì)被夾斷，不產(chǎn)生顯著的電流崩塌。調(diào)制摻雜使外溝道電子氣密度從1.01*1013/cm2提高到2.03*1013/cm2，漏電流將提高近一倍。
具體制造例3當(dāng)Al組份比更低時(shí)，電子氣密度降低，可以適當(dāng)增大勢(shì)壘層厚度W來(lái)提高電子氣密度。取Al組份比為0.2，摻雜層厚d6＝25nm，摻雜濃度為8*1018cm-3。此時(shí)，勢(shì)壘層摻雜和不摻雜時(shí)的電子氣密度分別為1.81*1013/cm2和7.88*1012/cm2。用公式(2)算得的夾斷電壓分別為-9.82V和-4.27V。不摻雜的夾斷電壓-4.27V也符合上述nW規(guī)則，溝道能正常夾斷。勢(shì)壘層摻雜后，使用氟等離子體處理(控制等離子體發(fā)射功率在100-150W之間，處理時(shí)間在120-180秒之間)使內(nèi)溝道勢(shì)壘提高5V，則內(nèi)溝道的夾斷電壓為-4.82V。也在要求的nW范圍內(nèi)，能正常夾斷。而外溝道的夾斷電壓為-9.82V。在整個(gè)射頻周期中外溝道都不會(huì)被夾斷，不產(chǎn)生顯著的電流崩塌。調(diào)制摻雜使外溝道電子氣密度從7.88*1012/cm2提高到1.81*1013/cm2，漏電流將提高近一倍。
權(quán)利要求
1.一種制造重?fù)诫s氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，其特征是它包括以下步驟首先在襯底(9)上生長(zhǎng)成核層(10)、緩沖層(11)和溝道層(12)；然后生長(zhǎng)AlN隔離層(13)和重?fù)诫sAlGaN勢(shì)壘層(14)，控制摻雜層(14)的厚度和摻雜濃度使之達(dá)到1013/cm2量級(jí)的高濃度摻雜，以增大外溝道中的電子氣密度，提高漏電流，使外溝道在射頻工作周期內(nèi)不被夾斷，同時(shí)利用高密度外溝道電子氣來(lái)平抑溝道中的電場(chǎng)峰，阻止高能熱電子隧穿到虛柵表面，抑制電流崩塌；最后在生長(zhǎng)不摻雜帽層(15)后經(jīng)臺(tái)面隔離、歐姆接觸制作后光刻?hào)烹姌O窗口，并用CF4進(jìn)行氟等離子體處理，控制等離子體發(fā)射功率在100-150W之間，處理時(shí)間在120-180s之間，以實(shí)現(xiàn)將夾斷電壓調(diào)節(jié)到設(shè)定范圍的目的，再在所開(kāi)窗口的勢(shì)壘層上自對(duì)準(zhǔn)淀積柵金屬，制作肖特基勢(shì)壘并在N2氣氛中進(jìn)行退火以消除等離子體處理產(chǎn)生的缺陷即得本發(fā)明的重?fù)诫s場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
全文摘要
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管由于摻雜量無(wú)法提高而致使其性能不能得到改善的問(wèn)題，發(fā)明一種既能對(duì)氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行重?fù)诫s，又不會(huì)因重?fù)诫s而引起常見(jiàn)的電流崩塌現(xiàn)象，從而能顯著增大輸出功率的制造重?fù)诫s氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，它包括首先在襯底9上生長(zhǎng)成核層10、緩沖層11和溝道層12；然后生長(zhǎng)AlN隔離層13和重?fù)诫sAlGaN勢(shì)壘層14，最后在生長(zhǎng)不摻雜帽層15后經(jīng)臺(tái)面隔離、歐姆接觸制作后光刻?hào)烹姌O窗口，并用CF
文檔編號(hào)H01L21/335GK1901144SQ200610086059
公開(kāi)日2007年1月24日 申請(qǐng)日期2006年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月21日
發(fā)明者薛舫時(shí) 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所