本發(fā)明屬于半導體器件制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種具有高線性度的GaN鰭式高電子遷移率晶體管及其制造方法。

技術(shù)背景

第三代半導體GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)具有輸出功率密度大、效率高、耐高溫、耐輻照等特點，已成為制造高頻、高效、大功率電子器件的主流技術(shù)，有力推動了以雷達為代表的武器裝備性能提升。隨著高數(shù)據(jù)流衛(wèi)星通信與現(xiàn)代無線通訊應用(如5G通訊)對高線性晶體管的迫切需求，高線性器件現(xiàn)在成為GaN領(lǐng)域的重點發(fā)展方向。高線性度將帶來更加有效的頻譜利用率，且能夠降低對線性化模塊的需求，進一步增加整個系統(tǒng)的效率與集成度。

傳統(tǒng)GaN平面結(jié)構(gòu)的跨導呈現(xiàn)典型的峰值特性，即跨導在高電流下嚴重退化，導致在高輸入功率下器件增益迅速壓縮，交調(diào)特性差，線性度低。為克服此缺陷，2005年香港科技大學提出Al_0.05Ga_0.95N/GaN復合溝道，通過減小溝道縱向電場，一定程度上改善了跨導線性度(參見文獻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)。隨后，美國北卡州立大學發(fā)現(xiàn)，由空間電荷限流引起的非線性源電阻是限制GaN器件線性度的主要因素(參見文獻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，復合溝道結(jié)構(gòu)在提高線性度方面十分有限，而且會導致溝道熱阻增加，器件輸出功率、頻率、效率等性能顯著退化。

GaN FinFET(或三維鰭式結(jié)構(gòu))近來受到國內(nèi)外研究機構(gòu)的密切關(guān)注，它通過在溝道兩側(cè)引入額外側(cè)柵，增強了對溝道電子的控制能力，相對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出更好的亞閾值特性、關(guān)態(tài)特性，短溝道效應也得到極大抑制(參見文獻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)。隨后，MIT報道了具有高跨導和f_T線性度的GaN FinFET器件(參見文獻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)，并指出跨導高線性度的根本原因在于三維鰭片完全被柵金屬包裹。然而，為達到此目的，鰭片的制備采用了自對準方式，工藝復雜，與傳統(tǒng)GaN器件工藝兼容性差；最重要的是，通過此工藝制備的器件柵電極為直柵結(jié)構(gòu)，柵電阻大，導致最高振蕩頻率低，最終限制了其在微波功率電路的應用。

中國專利申請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。該器件的結(jié)構(gòu)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，其中：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。該器件柵控能力強，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。

中國專利申請公開了一種T柵N面GaN/AlGaN鰭式高電子遷移率晶體管，主要解決現(xiàn)有微波功率器件的最高振蕩頻率小，歐姆接觸電阻大，短溝道效應嚴重的問題。該器件的結(jié)構(gòu)自下而上包括：襯底(1)、GaN緩沖層(2)、AlGaN勢壘層(3)、GaN溝道層(4)、柵介質(zhì)層(5)、鈍化層(6)和源、漏、柵電極，其中緩沖層和溝道層采用N面GaN材料；GaN溝道層和AlGaN勢壘層組成GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)；柵電極采用T型柵，且包裹在GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)的兩側(cè)和上方，形成三維立體柵結(jié)構(gòu)。該器件具有柵控能力好，歐姆接觸電阻小及最高振蕩頻率高的優(yōu)點，可用作小尺寸的微波功率器件。

雖然上述兩個方案分別解決了GaN多溝道以及N面結(jié)構(gòu)存在的問題，但還存在明顯不足：主要為采用傳統(tǒng)GaN基鰭式結(jié)構(gòu)與制備方式，即先制備GaN基三維鰭片再制備凹槽，三維鰭片除了位于凹槽內(nèi)，還位于凹槽以外區(qū)域，如“N面GaN基鰭式高電子遷移率晶體管及制作方法”的圖1所示。研究表明，三維鰭片完全被柵金屬包裹是器件跨導高線性度的關(guān)鍵所在，而上述兩個方案都還不能滿足此要求，因此，現(xiàn)有器件均不具有高的跨導高線性度。

如何克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足已成為當今半導體器件制備技術(shù)領(lǐng)域中亟待解決的重點難題之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足而提供一種具有高線性度的GaN鰭式高電子遷移率晶體管及其制造方法，本發(fā)明以簡化的制備工藝，使器件兼有高的線性度與最高振蕩頻率，能夠滿足GaN高線性度微波功率器件的應用需要。

根據(jù)本發(fā)明提出的一種具有高線性度的GaN鰭式高電子遷移率晶體管，該晶體管的結(jié)構(gòu)自下而上依次包括襯底、緩沖層、勢壘層、鈍化層；所述勢壘層上方的一端設(shè)有源極和另一端設(shè)有漏極；位于所述源極和漏極之間的勢壘層上方設(shè)有鈍化層，所述鈍化層中設(shè)有凹槽，所述凹槽內(nèi)設(shè)有T型柵極，其特征在于，僅限于所述凹槽下方區(qū)域內(nèi)的勢壘層與緩沖層上刻蝕有周期性排列的GaN基三維鰭片，所述GaN基三維鰭片的長度與凹槽的長度相等，在相鄰的GaN基三維鰭片之間設(shè)有刻蝕形成的隔離槽。

本發(fā)明提出的一種具有高線性度的GaN鰭式高電子遷移率晶體管的進一步的優(yōu)選方案是：

所述GaN基三維鰭片(8)的高度為10～300nm、寬度為10～1000nm。

所述T型柵極(9)的一部分覆蓋在所述GaN基三維鰭片(8)上方的兩側(cè)，T型柵極(9)的另一部分覆蓋在相鄰GaN基三維鰭片(8)之間的隔離槽的上方，T型柵極(9)的再一部分覆蓋在所述鈍化層(6)的上方。

本發(fā)明提出的一種具有高線性度的GaN鰭式高電子遷移率晶體管及優(yōu)選方案的制備方法，包括如下具體步驟：

1)在襯底上依次生長緩沖層和勢壘層；

2)在所述勢壘層上光刻源漏圖形，并淀積源漏金屬，然后在N₂氛圍中進行熱退火，分別制作源極和漏極；

3)在勢壘層上沉積鈍化層；

4)在所述鈍化層上制作有源區(qū)掩模，隨后采用刻蝕或離子注入等方式進行器件隔離，形成有源區(qū)；

5)在所述鈍化層上制作柵腳掩模，隨后通過RIE、ICP等方式刻蝕鈍化層，形成凹槽；

6)在僅限于所述凹槽下方區(qū)域內(nèi)的勢壘層上定義GaN基三維鰭片掩模，隨后干法刻蝕勢壘層和緩沖層，形成周期排列的GaN基三維鰭片；

7)在所述鈍化層上定義柵帽掩模，通過蒸發(fā)或濺射方式沉積柵金屬，剝離形成T型柵；

8)在所述鈍化層上定義互聯(lián)開孔區(qū)掩模，刻蝕形成互聯(lián)開孔；

9)在所述鈍化層上定義互聯(lián)金屬區(qū)掩模，通過蒸發(fā)與剝離工藝形成互聯(lián)金屬。

本發(fā)明的實現(xiàn)原理：本發(fā)明基于現(xiàn)有GaN凹槽柵器件制造工藝，在鈍化層開出凹槽后，在所述凹槽內(nèi)部制作鰭片光刻掩模，隨后通過刻蝕形成GaN基三維鰭片，最后制備T型柵完全包裹GaN基三維鰭片。本發(fā)明的制備工藝能夠可靠地確保GaN基三維鰭片僅限于凹槽下方且完全被柵極包裹，其它區(qū)域無三維鰭片，因此根據(jù)跨導高線性原理，本發(fā)明器件的線性度高，由于采用與傳統(tǒng)工藝相同的T型柵，柵電阻小，因此器件的最高振蕩頻率高。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比其顯著優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明的工藝方法簡單可靠，僅需在現(xiàn)有GaN凹槽柵工藝基礎(chǔ)上添加一步鰭片制備工藝即可實現(xiàn)本發(fā)明的目的。

2、本發(fā)明的器件采用T柵結(jié)構(gòu)，不僅具有高的線性度，而且最高振蕩頻率高，能夠滿足微波功率電路需求。

3、由于跨導在高柵壓下的退化得到抑制，使得本發(fā)明的器件具有更高的電流驅(qū)動能力與輸出功率能力；

4、由于GaN基三維鰭片提供了輔助的側(cè)壁散熱，因此本發(fā)明所述器件熱阻較低，適用于大功率高線性微波功率器件。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種具有高線性度的GaN鰭式高電子遷移率晶體管的三維立體結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖2包括圖2a、圖2b、圖2c、圖2d、圖2e、圖2f、圖2g，是本發(fā)明的一種具有高線性度的GaN鰭式高電子遷移率晶體管的制造流程的示意圖。

圖3是常規(guī)GaN平面器件的直流轉(zhuǎn)移特性的示意圖。

圖4是依據(jù)本發(fā)明制造的高線性GaN鰭式器件的直流轉(zhuǎn)移特性的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的具體實施方式進一步進行詳細說明。

參照圖1,本發(fā)明提出的一種具有高線性度的GaN鰭式高電子遷移率晶體管是基于III族氮化物半導體，其結(jié)構(gòu)自下而上包括襯底1、緩沖層2、勢壘層3、鈍化層6；所述勢壘層3上方的一端設(shè)有源極4和另一端設(shè)有漏極5；位于源極4和漏極5之間的勢壘層3的上方設(shè)有鈍化層6，所述鈍化層6中設(shè)有凹槽7，所述凹槽7內(nèi)設(shè)有T型柵極9，在僅限于所述凹槽7下方區(qū)域內(nèi)的勢壘層3與緩沖層2上刻蝕有若干個周期性排列的GaN基三維鰭片8，所述GaN基三維鰭片8僅存在于凹槽7下方，其它區(qū)域無鰭片，所述GaN基三維鰭片8的長度與凹槽7的長度相等，在相鄰的GaN基三維鰭片之間設(shè)有刻蝕形成的隔離槽。其中：

所述GaN基三維鰭片8的高度為10～300nm(包括選擇10nm、100nm、150nm、200nm、250nm或300nm等)、寬度為10～1000nm(包括選擇10nm、100nm、300nm、600nm或1000nm等)，其中所述GaN基三維鰭片8的高度大于勢壘層3厚度。

所述T型柵極9的一部分覆蓋在所述三維鰭片8上方的兩側(cè)，T型柵極9的另一部分覆蓋在相鄰GaN基三維鰭片8之間的隔離槽的上方，T型柵極9的再一部分覆蓋在所述鈍化層6的上方。

參照圖2，本發(fā)明提出的一種具有高線性度的GaN鰭式高電子遷移率晶體管的制備方法，包括如下具體步驟：

1)在襯底1上依次生長緩沖層2和勢壘層3,如圖2a；其中：所述襯底1的材質(zhì)為藍寶石、SiC、Si、金剛石或GaN自支撐襯底中的任一種；緩沖層2為GaN、AlGaN、AlN、InGaN中一種或幾種組合；勢壘層3為AlGaN、InAlN、InAlGaN、AlN中一種或幾種組合。

2)在所述勢壘層3上光刻源漏圖形，并淀積源漏金屬，然后在N₂氛圍中進行熱退火，分別制作源極4和漏極5，如圖2b；其中：所述源極4和所述漏極5的金屬均包含但不限于Ti/Al、Ti/Au、Ti/Al/W、Ti/Al/Mo/Au、Ti/Al/Ni/Au、Si/Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/TiN中的任一種多層金屬。

3)在所述勢壘層3上沉積鈍化層6，如圖2c；其中：所述鈍化層6的材質(zhì)為SiN、SiO₂、SiON、AlN中的一種或幾種組合，厚度為30～300nm(包括選擇30nm、100nm、150nm、200nm、250nm或300nm等)，生長方法為等離子體增強化學氣相淀積(PECVD)、原子層淀積沉積(ALD)或低壓力化學氣相淀積(LPCVD)。

4)在所述鈍化層6上制作有源區(qū)掩模，隨后采用刻蝕或離子注入等方式進行器件隔離，形成有源區(qū)；

5)在所述鈍化層6上制作柵腳掩模，隨后通過RIE、ICP等方式刻蝕去除鈍化層6，形成凹槽7，如圖2d；

6)在僅限于所述凹槽7下方區(qū)域內(nèi)的勢壘層3上定義GaN基三維鰭片掩模，如圖2e，隨后干法刻蝕勢壘層3和緩沖層2，形成周期排列的GaN基三維鰭片8，如圖2f；其中：GaN基鰭片掩模的制作采用光學光刻或電子束直寫方式，勢壘層3和緩沖層2的刻蝕采用RIE、ICP等干法刻蝕方式；

7)在所述鈍化層6上定義柵帽掩模，通過蒸發(fā)或濺射方式沉積柵金屬，剝離形成T型柵9，如圖2g；其中：柵金屬包含但不限于Ni/Au、Ni/Au/Ni、Pt/Au、Ni/Pt/Au，W/Ti/Au、Ni/Pt/Au/Pt/Ti、TiN/Ti/Al/Ti/TiN中的任一種多層金屬，所述柵金屬的厚度為50～700nm(包括選擇50nm、100nm、300nm、500nm或700nm等)。

8)在所述鈍化層6上定義互聯(lián)開孔區(qū)掩模，刻蝕形成互聯(lián)開孔；

9)在所述鈍化層6上定義互聯(lián)金屬區(qū)掩模，通過蒸發(fā)與剝離工藝形成互聯(lián)金屬。

根據(jù)以上本發(fā)明所述的結(jié)構(gòu)和制造方法，本發(fā)明給出以下兩種實施例，但并不限于這些實施例。

實施例1：制備SiC襯底，緩沖層為AlN/GaN，勢壘層為AlGaN，鈍化層為SiN，：GaN基三維鰭片寬度為100nm，柵金屬為Ni/Au/Ni的具有高線性度的GaN鰭式高電子遷移率晶體管，其過程是：

1)在SiC襯底1上，利用金屬有機物化學氣相淀積技術(shù)MOCVD，先在1050℃下生長100nm的AlN，再在1000℃下生長2μm的非故意摻雜的GaN層，形成緩沖層2,隨后在緩沖層2上生長厚度為22nm的AlGaN勢壘層3，Al組分為30％。

2)在勢壘層3上制作光刻掩膜，然后采用電子束蒸發(fā)淀積金屬疊層，經(jīng)過剝離工藝在其兩端得到孤立的金屬塊，最后在N₂氣氛中進行快速熱退火形成源極4和漏極5。所淀積的金屬自下而上分別為Ti、Al、Ni和Au，其厚度分別為20nm、150nm、60nm和50nm。電子束蒸發(fā)采用的條件為：真空度≦2.0×10^-6Torr，淀積速率小于快速熱退火的工藝條件為：溫度840℃，時間30s。

3)利用PECVD技術(shù)在勢壘層3上淀積SiN形成鈍化層6；淀積工藝條件為：氣體分別為SiH₄、NH₃、He和N₂，流量分別為8sccm、2sccm、100sccm和200sccm，壓力為500mTorr，溫度260℃，功率25W，該鈍化層的厚度為100nm。

4)鈍化層6上制作有源區(qū)掩模，隨后采用離子注入方式進行器件隔離，形成有源區(qū)。注入條件為：離子為B⁺，電流10μA，能量100KeV，劑量5e14。

5)在鈍化層6的上部制作掩膜，利用等離子增強刻蝕技術(shù)RIE在源極4和漏極5之間的鈍化層6上開出凹槽7?？涛g凹槽的工藝條件為：氣體為SF₆，流量為20sccm，壓力0.2pa，時間200s。

6)采用ZEP520膠在凹槽7內(nèi)部制作GaN基三維鰭片掩膜，通過ICP干法刻蝕AlGaN/GaN，去除ZEP520膠掩模，形成寬度為100nm的GaN基三維鰭片8；其中：刻蝕工藝條件為：氣體分別為BCl₃和Cl₂，流量分別為25sccm和5sccm，壓力為30mTorr，溫度25℃，上電極功率100W，下電極3W，刻蝕時間5分鐘，刻蝕深度50nm。

7)在鈍化層6的上部制作柵極掩膜，利用電子束蒸發(fā)技術(shù)淀積金屬疊層，并利用剝離工藝形成T型柵9；其中：淀積金屬疊層的工藝條件為：真空度≦1.5×10^-6Torr，淀積速率小于其中：所淀積的金屬疊層自下而上為Ni、Au、Ni，厚度分別為20nm、500nm和30nm。

8)在鈍化層6上定義互聯(lián)開孔區(qū)光刻掩模，通過RIE干法刻蝕形成互聯(lián)開孔?？涛g工藝條件為：氣體為SF₆，流量為20sccm，壓力0.2pa，時間200s。

9)在鈍化層6上定義互聯(lián)金屬區(qū)掩模，通過蒸發(fā)與剝離工藝形成互聯(lián)金屬。淀積金屬疊層的工藝條件為：真空度≦1.5×10^-6Torr，淀積速率小于所淀積的金屬疊層自下而上為Ti、Au，厚度分別為30nm、500nm。

實施例2：制備Si襯底，緩沖層為AlN/AlGaN/GaN層，勢壘層為AlN/InAlN，鈍化層為SiO₂，GaN基三維鰭片寬度為400nm，柵金屬為TiN/Ti/Al/Ti/TiN的具有高線性度的GaN鰭式高電子遷移率晶體管，其過程是：

1)在Si襯底上，利用金屬有機物化學氣相淀積技術(shù)MOCVD，先在1050℃下生長200nm的AlN，再在1000℃下生長1μm的非故意摻雜的AlGaN層(Al組15％)和500nm GaN層，形成緩沖層2,隨后在800℃下在緩沖層2上生長厚度為1nm的AlN層和8nm InAlN，形成勢壘層3，Al組分為83％。

2)在勢壘層3上制作光刻掩膜，然后采用電子束蒸發(fā)淀積金屬疊層，經(jīng)過剝離工藝在其兩端得到孤立的金屬塊，最后在N₂氣氛中進行快速熱退火形成源極4和漏極5；所淀積的金屬自下而上為Ti、Al和TiN，其厚度分別為20nm、200nm和100nm；電子束蒸發(fā)采用的條件為：真空度≦2.0×10^-6Torr，淀積速率小于快速熱退火的工藝條件為：溫度550℃，時間90s。

3)利用PECVD技術(shù)在勢壘層3上淀積SiO₂形成鈍化層6。淀積工藝條件為：氣體分別為SiH₄、N₂O，流量分別為120sccm、200sccm，壓力為500mTorr，溫度320℃，功率35W，該鈍化層的厚度為150nm。

4)實施例2的第4步與實施例1的第4步相同。

5)在鈍化層6的上部制作掩膜，利用等離子增強刻蝕技術(shù)RIE在源極4和漏極5之間的鈍化層6上開出凹槽7；其中：刻蝕凹槽的工藝條件為：氣體為SF₆，流量為20sccm，壓力0.2pa，時間600s。

6)采用深紫外光刻在凹槽7內(nèi)部制作鰭片掩膜，通過ICP干法刻蝕AlGaN/GaN，去除光刻膠掩模，形成寬度為400nm的鰭片8。其中：刻蝕工藝條件為：氣體分別為BCl₃和Cl₂，流量分別為25sccm和5sccm，壓力為30mTorr，溫度25℃，上電極功率100W，下電極3W，刻蝕時間5分鐘,刻蝕深度50nm。

7)在鈍化層6的上部制作柵極掩膜，利用電子束蒸發(fā)技術(shù)淀積金屬疊層，并利用剝離工藝形成T型柵9。其中：淀積金屬疊層的工藝條件為：真空度≦1.5×10^-6Torr，淀積速率小于所淀積的金屬疊層自下而上為TiN/Ti/Al/Ti/TiN，厚度分別為20nm、30nm、300nm、30nm和100nm。

8)在鈍化層6上定義互聯(lián)開孔區(qū)光刻掩模，通過RIE干法刻蝕形成互聯(lián)開孔；其中：刻蝕工藝條件為：氣體為SF₆，流量為20sccm，壓力0.2pa，時間600s。

9)實施例2的第9步與實施例1的第9步相同。

本發(fā)明的效果可以通過圖3和圖4進一步說明。

圖3為GaN平面器件的直流轉(zhuǎn)移特性，可以看出，器件跨導呈現(xiàn)典型的峰值特性，最大電流為1.2A/mm，最大跨導G_m為0.48S/mm。圖4為依據(jù)本發(fā)明制備的高線性GaN鰭式器件的直流轉(zhuǎn)移特性，器件跨導G_m更加平坦，線性度大幅提高，且最大電流為2A/mm，最大跨導G_m為0.74S/mm。以上對比可知，本發(fā)明的高線性GaN鰭式器件的最大電流、跨導值都較平面器件有較大提高，并且跨導線性度得到極大改善。

本發(fā)明的具體實施方式中未涉及的說明屬于本領(lǐng)域公知的技術(shù)，可參考公知技術(shù)加以實施。

本發(fā)明經(jīng)反復實驗驗證，取得了滿意的試用效果。

以上具體實施方式及實施例是對本發(fā)明提出的一種具有高線性度的GaN鰭式高電子遷移率晶體管及其制造方法技術(shù)思想的具體支持，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在本技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何等同變化或等效的改動，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍。