专利名称：槽栅型源-漏复合场板异质结场效应晶体管及其制作方法
技术领域：
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件，特别是基于宽禁带化合物半导体材 料异质结结构的槽栅型源-漏复合场板异质结场效应晶体管，可作为大功率系统的基本器 件。
背景技术：
当今世界，功率半导体器件如功率整流器和功率开关已广泛应用于开关电源、汽车 电子、工业控制、无线电通讯、电机控制等众多功率领域。功率半导体器件必须具备以 下两个重要的参数指标，即高击穿电压和低导通电阻。Baliga优值特性反映了在功率半 导体器件中存在击穿电压与导通电阻之间的折衷关系，为了满足高击穿电压和低导通电 阻的需要，人们在材料研制、器件结构设计等方面不断进行探索。硅材料是人们用于制 作功率半导体器件最常用的一种材料，然而随着科技的发展，硅基的功率半导体器件已 经接近其理论上的极限性能。
为了进一步提高功率半导体器件的性能，人们采用了宽禁带化合物半导体材料以代 替传统的硅材料，这类材料，如氮化镓(GaN)等，往往具有较大的禁带宽度、高临界击穿 电场、高热导率、高载流子饱和速率等，因此在高频、高温、大功率等领域显示出极大 的优越性，而采用这类宽禁带化合物半导体材料制作功率半导体器件，既可以确保器件 的导通电阻进一步减小，又可以确保器件的击穿电压进一步得到提高，尤其是采用宽禁 带化合物半导体材料异质结结构，如AlGaN和GaN形成的异质结结构，制作的异质结 场效应晶体管，更以其优越的器件性能和巨大的发展潜力而倍受全世界众多研究者的关 注。1980年，Mimura等人报道成功研制出了第一只AlGaAs/GaAs异质结场效应晶体管， 参见A new field-effect transistor with selectively doped GaAs/n-AlxGai.xAs heterostructures, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 19, No. 5, pp. L225-L227, May 1980。 1993年，Khan 等人报道成功研制出了第一只AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管，也是一种异质结 场效应晶{本管，参见High electron mobility transistor based on a GaN-AlxGa!.xN heteroj醒tion， Applied Physics Letters, Vol. 63， No. 9, pp. 1214-1215, August 1993。随着器 件研究的深入，人们对基于宽禁带化合物半导体材料异质结的异质结场效应晶体管的研 究不断地取得突破。然而，当异质结场效应晶体管工作时，其势垒层耗尽区中的电场线 的分布并不均匀，靠近漏极一侧的栅极边缘往往会收集大部分的电场线，因此该处的电 场相当高。此处的高电场会使得栅极泄漏电流增大，容易导致器件发生雪崩击穿，使其实际击穿电压偏小，从而导致该类器件的高击穿电压和大功率等优势不能充分发挥。另 外，器件的栅极泄露电流增大会导致其可靠性变差。
为了提高异质结场效应晶体管的击穿电压，同时增强器件的可靠性，有研究者采用 场板结构对其进行了改进，其结构如图l所示。该结构的基本原理是利用场板增加了耗 尽区的面积，提高了耗尽区可以承担的漏源电压，从而增大了器件的击穿电压；同时， 利用场板对势垒层耗尽区中电场线的分布进行调制，减小了栅极泄露电流。在异质结场 效应晶体管中采用场板结构后，会在场板下方形成新的耗尽区，即高阻区，增加了栅极 与漏极之间势垒层中耗尽区的面积，使得耗尽区可以承担更大的漏源电压，从而增大了 器件的击穿电压。在异质结场效应晶体管中采用场板结构，可以将部分原本收集在栅极 靠近漏极一侧的边缘的电场线收集到场板上，尤其是场板靠近漏极一侧的边缘，结果在 栅极靠近漏极一侧的边缘和场板靠近漏极一侧的边缘分别出现一个电场峰值，从而减少 了栅极靠近漏极一侧的边缘所收集的电场线，降低了该处的电场，减小了栅极泄露电流。 2003年，WatamSaito等人报道了采用源场板的高电子迁移率晶体管，也是一种异质结场 效应晶体管，通过对器件结构的优化设计获得了很高的击穿电压，参见High breakdown voltage AlGaN-GaN power-HEMT design and high current density switching behavior, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 50, No. 12, pp. 2528-2531, December 2003 。然而在异 质结场效应晶体管中，采用单个的源场板结构能够提高的击穿电压是有限度的，所以为 了进一歩提高器件的击穿电压， 一些研究者提出采用双场板的复合结构，如WataruSaito 等人于2005年提出的采用源场板和漏场板的高电子迁移率晶体管，参见Design optimization of high breakdown voltage AlGaN-GaN power HEMT on an insulating substrate for RonA陽Vb tradeoff characteristics, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 52， No. 1， pp. 106-111, January 2005。由于双场板的复合结构也只能在一定限度内提高异质结场效应 晶体管的击穿电压，所以一些研究者在异质结场效应晶体管中采用了目前最为有效的堆 层场板结构，这种结构通过增加堆层场板的个数可以持续地增加器件的击穿电压，如 WataruSaito等人于2007年提出的采用栅场板和源场板的双层场板结构的高电子迁移率晶 体管，参见Suppression of Dynamic On-Resistance Increase and Gate Charge Measurements in High-Voltage GaN-HEMTs With Optimized Field-Plate Structure, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 54, No. 8, pp. 1825-1830, August 2007。但是采用堆层场板结构的异 质结场效应晶体管制作工艺比较复杂，每增加一层场板都需要多加光刻、淀积金属、淀 积绝缘介质材料、剥离、清洗等工艺步骤，而且要使各层场板下面所淀积的绝缘介质材 料具有合适的厚度，必须进行繁琐的工艺调试，因此大大增加了器件制造的难度，降低了器件的成品率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种制造工艺简单和击穿电压高 的槽栅型源-漏复合场板异质结场效应晶体管及其制作方法，以增强器件的可靠性，实现 器件的高输出功率和高成品率。
为实现上述目的，本发明提供的器件结构采用任何宽禁带化合物半导体材料组合而 成的异质结结构，该结构自下而上包括衬底、过渡层、势垒层、源极、漏极、槽栅、 钝化层、源场板、漏场板和保护层，该漏场板与漏极电气连接，该源场板与源极电气连 接，其中，势垒层上开有凹槽;源场板与漏场板之间的钝化层上淀积有n个浮空场板，1^1 ， 这些场板构成源-漏复合场板结构。
所述的槽栅位于势垒层的凹槽中，n个浮空场板与源场板和漏场板均位于钝化层上。
所述的每个浮空场板大小相同，相互独立，各浮空场板按照相邻两浮空场板之间的
间距均为0.11~2.8pm的方式等间距分布于源场板与漏场板之间。
所述的源场板与其最邻近的浮空场板之间的距离为0.09~2.3pm，漏场板与其最邻近 的浮空场板之间的距离为0.07~1.8pm。
所述的凹槽的深度D小于势垒层的厚度，槽栅与凹槽两端的间距分别为Rl和R2， Rl的长度为0.0~2.5|im， R2的长度为0.0~4|nm，并且R1^R2。
为实现上述目的，本发明提供的制作槽栅型源-漏复合场板异质结场效应晶体管的方
法，包括如下过程
选择蓝宝石或碳化硅或硅或其它外延衬底材料作为衬底，在衬底上外延宽禁带化合 物半导体材料的过渡层作为器件的工作区；
在过渡层上淀积宽禁带化合物半导体材料的势垒层；
在势垒层上第一次制作掩膜，并在势垒层的两端淀积金属，再在N2气氛中进行快速 热退火，分别制作源极和漏极
在势垒层上第二次制作掩膜，并在源极和漏极之间的势垒层刻蚀出凹槽；
在势垒层上第三次制作掩膜，并在凹槽中淀积金属，制作槽栅，该槽栅与凹槽两端
的间距分别为R1和R2， Rl的长度为0~2.5pm， R2的长度为0~4(am，并且R1^R2;
淀积钝化层，即利用绝缘介质材料分别覆盖源极上部、漏极上部和槽栅上部，以及 势垒层上的其它区域；在钝化层上制作掩膜，并在源极与漏极之间的钝化层上淀积两层或三层金属层的组 合，以制作厚度均为0.24~6pm的源场板、各浮空场板和漏场板，并分别将源场板与源极 电气连接，将漏场板与漏极电气连接；
淀积保护层，即用绝缘介质材料分别覆盖源场板、各浮空场板和漏场板的外围区域。 本发明器件与采用传统源场板的异质结场效应晶体管比较具有以下优点
1. 本发明由于采用浮空场板结构，使器件在处于工作状态尤其是处于关态的工作状态 时，在源场板与其最邻近的浮空场板之间，在各个浮空场板彼此之间，以及在漏场板与 其最邻近的浮空场板之间都存在电容耦合作用，于是电势从源场板到漏场板逐渐升高， 从而大大增加了槽栅与漏极之间势垒层中的耗尽区，即高阻区的面积，使得此耗尽区能 够承担更大的漏源电压，即大大提高了器件的击穿电压。
2. 本发明由于采用浮空场板结构，使器件势垒层耗尽区中电场线的分布得到了更强的 调制，器件中槽栅靠近漏极一侧的边缘、源场板与其最邻近的浮空场板之间、各个浮空 场板彼此之间以及漏场板与其最邻近的浮空场板之间都会产生一个电场峰值，而且通过 调整源场板与其最邻近的浮空场板之间的距离、各个浮空场板彼此之间的距离，以及漏 场板与其最邻近的浮空场板之间距离，可以使得上述各个电场峰值相等且小于宽禁带化 合物半导体材料的击穿电场，从而最大限度地减少了槽栅靠近漏极一侧的边缘所收集的 电场线，有效地降低了该处的电场，大大减小了栅极泄露电流，显著增强了器件的可靠 性。
3. 本发明由于采用槽栅结构，进一步提高了器件的跨导，增强了器件栅极对输出电流 的控制能力，同时也进一步减小了栅极泄漏电流，提高了器件的击穿电压。
4. 本发明器件结构中由于源场板、各浮空场板和漏场板位于同一层钝化层上，且只有 一层，因此只需要一步工艺便可以同时实现源场板、各浮空场板和漏场板的制作，避免 了传统的堆层场板结构所带来的工艺复杂化问题，大大提高了器件的成品率。
仿真结果表明，本发明器件的击穿电压远远大于采用传统源场板的异质结场效应晶 体管的击穿电压。
以下结合附图和实施例进一步说明本发明的技术内容和效果。
图1是采用传统源场板的异质结场效应晶体管的结构图2是本发明槽栅型源-漏复合场板异质结场效应晶体管的结构图；图3是本发明槽栅型源-漏复合场板异质结场效应晶体管的制作流程图； 图4是对传统器件及本发明器件仿真所得的势垒层中电场曲线图； 图5是对传统器件及本发明器件仿真所得的击穿曲线图。
具体实施例方式
参照图2，本发明槽栅型源-漏复合场板异质结场效应晶体管是基于宽禁带化合物半 导体材料异质结结构，其结构自下而上为衬底l、过渡层2、势垒层3、钝化层8与保 护层12。其中，势垒层3上的两端分别为源极4和漏极5，源极4和漏极5之间刻蚀有 凹槽6，该凹槽的深度D小于势垒层的厚度，槽栅7位于凹槽6中，并与该凹槽两端的 间距分别为Rl和R2， Rl的长度为0~2.5^im， R2的长度为0 4pm，并且R1^R2。钝化 层8位于源极4上部、漏极5上部和槽栅7上部，以及势垒层3上的其它区域。在钝化 层8上制作有源场板9、 n个浮空场板10及漏场板11， 1^1，源场板与其最邻近的浮空场 板之间的距离Sl为0.09 2.3nm，漏场板与其最邻近的浮空场板之间的距离S3为 0.07 1.8pm，各浮空场板与源场板和漏场板位于同一层钝化层上，且各浮空场板按照相 邻两浮空场板之间的间距S2均为0.11~2.8|am的方式等间距分布于源场板与漏场板之间。 各浮空场板10的大小相同，沿着平行于源场板宽度和漏场板宽度的方向放置，不与任何 电极或者金属接触，处于相互独立的浮空状态。源场板的有效长度LO为0.3~4nm,每个 浮空场板的长度Ll均为0.25~5^mi，漏场板的有效长度L2为0.2~5.2|im。保护层12位于 源场板9、各浮空场板10和漏场板11的外围区域。源场板9与源极4电气连接，漏场板 11与漏极5电气连接。
上述器件的衬底1可以为蓝宝石、碳化硅、硅或其它外延衬底材料；过渡层2由若 干层相同或不同的宽禁带化合物半导体材料组成，其厚度为1 5^im;势垒层3由若干层 相同或不同的宽禁带化合物半导体材料组成，其厚度为10 50nm;钝化层8可以为Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 Ti02或其它绝缘介质材料，其厚度为0.035~0.76nm;保护层 12可以是Si02、SiN、Al203、Sc2Cb、附02、Ti02或其它绝缘介质材料，其厚度为0.V6.3(Am; 源场板9、 n个浮空场板10及漏场板11采用两层或三层金属层的组合，其厚度为 0.24 一m。
参照图3,本发明制作槽栅型源-漏复合场板异质结场效应晶体管的过程如下
步骤l，在衬底1上外延过渡层2作为器件的工作区，如图3a。
选择一衬底l，该衬底材料可以为蓝宝石、碳化硅、硅或其它外延衬底材料，并在其 上外延厚度为1 5pm的宽禁带化合物半导体材料过渡层2作为器件的工作区，该过渡层材料由若干层相同或不同的宽禁带化合物半导体材料组成，如仅由GaN材料组成，或自 下而上由A1N和GaN两层材料组成，或仅由GaAs材料组成。外延过渡层的方法采用金 属有机物化学气相淀积技术或分子束外延技术或氢化物气相外延技术或其它可以用于外 延过渡层的技术。
步骤2，在过渡层2上淀积势垒层3，如图3b。
在过渡层2上淀积厚度为10 50nm的势垒层3，该势垒层材料由若干层相同或不同 的宽禁带化合物半导体材料组成，如仅由AlxGaLxN材料组成，或自下而上由AlxGai.xN 和GaN两层材料组成，或仅由AlxGai-XAs材料组成，0<X<1， X表示Al组分的含量。 淀积势垒层的方法采用金属有机物化学气相淀积技术或分子束外延技术或氢化物气相外 延技术或其它可以用于淀积势垒层的技术。
步骤3，在势垒层3上分别制作源极4和漏极5，如图3c。
在势垒层3上第一次制作掩膜，分别在其两端淀积金属，再在N2气氛中进行快速热 退火，制作源极4和漏极5，其中所淀积的金属采用Ti/Al/Ni/Au组合或Ti/Al/Ti/Au组合 或 Ti/Al/Mo/Au 组合，或采用其它金属组合，金属厚度为 0.01 0.04nm/0.03 0.16|am/0.02~0.12nm /0.06~0.15|am。淀积金属的方法采用电子束蒸发技 术或溅射技术或其它可以用于淀积金属的技术。
步骤4，在势垒层3上刻蚀出凹槽6，如图3d。
在势垒层3上第二次制作掩膜，在源极和漏极之间的势垒层上刻蚀出凹槽6，该凹槽 深度D小于势垒层的厚度。刻蚀凹槽的方法采用反应离子刻蚀技术或感应耦合等离子体 技术或反应离子刻蚀-感应耦合等离子体技术或其它可以用于刻蚀凹槽的技术。
步骤5，在凹槽6中制作槽栅7，如图3e。
在势垒层3上第三次制作掩膜，并在凹槽6中淀积金属，制作槽栅7，其中所淀积的 金属采用Ni/Au金属组合，或采用其它金属组合，金属厚度为0.01~0.04|_mi/0.08~0.4(im， 槽栅7与凹槽6两端的间距分别为Rl和R2，R1的长度为0 2.5pm，R2的长度为0 4nm， 并且R1^R2。淀积金属的方法采用电子束蒸发技术或溅射技术或其它可以用于淀积金属 的技术。
步骤6，淀积钝化层8，如图3f。
分别在源极4上部、漏极5上部和槽栅7上部，以及势垒层3上的其它区域淀积钝 化层8，该钝化层材料可以采用Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 Ti02或其它绝缘介质材料，其厚度为0.035 0.76iLim。淀积钝化层的方法采用化学气相淀积技术或蒸发技术或 原子层淀积技术或溅射技术或分子束外延技术或其它可以用于淀积钝化层的技术。 步骤7，制作源场板9、各浮空场板10及漏场板11，如图3g。
在钝化层8上制作掩膜，该掩膜是按照源场板9与其最邻近的浮空场板之间的距离 为0.09~2.3pm，漏场板11与其最邻近的浮空场板之间的距离为0.07~1.8|_im，且各浮空场 板IO按照相邻两浮空场板之间的间距均相等的规律设置，该间距为0.11~2.8nm。利用该 掩膜在钝化层上淀积金属厚度均为0.24~6nm的源场板9、漏场板11及n个浮空场板10, nd。该源场板、各浮空场板及漏场板的淀积均采用两层或三层金属层的组合。对于两层 金属组合采用Ti/Au或Ni/Au或Pt/Au，厚度为0.02~1.5|am/0.22~4.5pm;对于三层金属组 合采用Ti/Mo/Au或Ti/Ni/Au或Ti/Pt/Au，厚度为0.02 1.2nm/0.1~2|im/0.12~2.8nm。源场 板的有效长度LO为0.3-4^im,每个浮空场板的长度LI均为0.25~5nm，漏场板的有效长 度L2为0.2~5.2pm。淀积金属的方法采用电子束蒸发技术或溅射技术或其它可以用于淀 积金属的技术。
完成源场板9、 n个浮空场板10及漏场板11的制作后，将源场板9与源极4电气连 接，将漏场板11与漏极5电气连接。 步骤8，淀积保护层12，如图3h。
在源场板9、各浮空场板10和漏场板11的外围区域淀积保护层12，其中保护层材 料可以采用Si02、 SiN、 A1203、 Sc203、 Hf02、 Ti02或其它绝缘介质材料，其厚度为 0.3~6.3pm。淀积保护层的方法采用化学气相淀积技术或蒸发技术或原子层淀积技术或溅 射技术或分子束外延技术或其它可以用于淀积保护层的技术。
根据以上所述的器件结构和制作方法，.本发明给出以下六种实施例，但并不限于这 些实施例。
实施例一
制作衬底为蓝宝石、钝化层为Si02、保护层为Si02和各场板为Ti/Au金属组合的复 合场板异质结场效应晶体管，其过程是
l.使用金属有机物化学气相淀积技术在蓝宝石衬底1上外延厚度为的未掺杂过 渡层2，该过渡层自下而上由厚度分别为37nm和0.963iam的GaN材料构成。外延下层 GaN材料采用的工艺条件为温度为538。C，压力为120Torr，氢气流量为5200sccm，氨 气流量为5200sccm，镓源流量为40)imol/min;外延上层GaN材料采用的工艺条件为 温度为1060°C，压力为120Torr，氢气流暈为5200sccm，氨气流量为5200sccm，镓源流量为170|jxnol/min。
2. 使用金属有机物化学气相淀积技术在GaN过渡层2上淀积厚度为50nm的未掺杂 势垒层3，该势垒层自下而上由厚度为46nm、铝组分为0.15的Alo.15Gao.85N材料和厚度 为4nm的GaN材料构成。淀积下层Alai5Gaa85N材料采用的工艺条件为温度为1100°C， 压力为120Torr，氢气流量为5200sccm，氨气流量为5200sccm，镓源流量为16(xmol/min, 铝源流量为3pmol/min;淀积上层GaN材料采用的工艺条件为温度为1100°C,压力为 120Torr，氢气流量为5200sccm，氨气流量为5200sccm，镓源流量为4nmol/min。
3. 在势垒层3上制作掩膜，使用电子束蒸发技术在其两端淀积金属，再在N2气氛中 进行快速热退火，制作源极4和漏极5，其中所淀积的金属为Ti/Al/Ni/Au金属组合，金 属层厚度为0.01^im/0.03|^m/0.02pm70.06nm。淀积金属采用的工艺条件为真空度小于 1.8x10—3Pa，功率范围为200 1000W，蒸发速率小于3A/s;快速热退火采用的工艺条件为 温度为830oC，时间为46s。
4. 在势垒层3上制作掩膜，使用反应离子刻蚀技术在源极和漏极之间的势垒层上刻蚀 出凹槽6，该凹槽深度D为30nm。刻蚀凹槽采用的工艺条件为反应气体Cl2的流量为 5sccm，压力为10mT，功率为100 W。
5. 在势垒层3上制作掩膜，并使用电子束蒸发技术在凹槽6中淀积金属，制作槽栅7， 其中所淀积的金属采用Ni/Au金属组合，金属厚度为0.01|am/0.08pm，该槽栅7与凹槽6 两端的间距分别为Rl和R2， Rl的长度为Opm， R2的长度为O)am。淀积金属采用的工 艺条件为真空度小于1.2xlO—3Pa，功率范围为200 700W，蒸发速率小于2A/s。
6. 使用等离子体增强化学气相淀积技术分别覆盖源极4上部、漏极5上部和槽栅7 上部，以及势垒层3上的其它区域，完成淀积厚度为0.035nm的SiO2钝化层8。淀积钝 化层采用的工艺条件为气体为N20及SiH4，气体流量分别为800sccm和150sccm，温 度、RF功率和压力分别为250°C、 25W和1000mT。
7. 在Si02钝化层8上制作掩膜，使用电子束蒸发技术在源极与漏极之间的钝化层上 淀积厚度均为0.02|Lim/0.22^mi的Ti/Au金属组合，分别制作源场板9、三个浮空场板10 及漏场板ll，该源场板的有效长度L0为0.3pm，各浮空场板的长度Ll均为0.25pm，漏 场板的有效长度L2为0.2|im，源场板与其最邻近的浮空场板之间的距离Sl为0.09pm， 相邻两浮空场板之间的距离S2为O.llpm，漏场板与其最邻近的浮空场板之间的距离S3 为0.07|am。淀积金属采用的工艺条件为真空度小于1.8xl0,a，功率范围为200~700W， 蒸发速率小于3A/s。将源场板9与源极4电气连接，将漏场板11与漏极5电气连接。8.使用等离子体增强化学气相淀积技术分别覆盖源场板9、各浮空场板10和漏场板 11的外围区域，完成淀积厚度为0.3pm的Si02保护层12，淀积保护层采用的工艺条件 为气体为N20及SiH4，气体流量分别为800sccm和150sccm，温度、RF功率和压力分 别为250。C、 25W和1000mT。
实施例二
制作衬底为碳化硅、钝化层为SiN、保护层为SiN和各场板为Ni/Au金属组合的复 合场板异质结场效应晶体管，其过程是
1. 使用金属有机物化学气相淀积技术在碳化硅衬底1上外延厚度为2.2pm、未掺杂的 过渡层2，该过渡层自下而上由厚度为30nm的A1N材料和厚度为2.17pm的GaN材料构 成。外延下层A1N材料采用的工艺条件为温度为99(fC，压力为122Torr，氢气流量为 4400sccm，氨气流量为4400sccm，铝源流量为6pmol/min;外延上层GaN材料采用的工 艺条件为温度为990°C，压力为122Torr，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm， 镓源流量为120nmol/min。
2. 使用金属有机物化学气相淀积技术在GaN过渡层2上淀积厚度为22nm，且铝组 分为0.3的未掺杂Alo.3Gao.7N势垒层3。采用的工艺条件为温度为1070°C，压力为 122Torr，氢气流量为4400sccm，氨气流量为4400sccm，镓源流量为23pmol/min，铝源 流量为10|jmol/min。
3. 在AlQ.3GaQ.7N势垒层3上制作掩膜，使用电子束蒸发技术在其两端淀积金属，再 在N2气氛中进行快速热退火，制作源极4和漏极5，其中所淀积的金属为Ti/Al/Ti/Au金 属组合，金属层厚度为0.02nm/0.12nm/0.07nm/0.07^im。淀积金属釆用的工艺条件为真 空度小于1.8xlO—3Pa，功率范围为200~1000W，蒸发速率小于3A/s;快速热退火采用的 工艺条件为温度为850。C，时间为35s。
4. 在Ala3Ga().7N势垒层3上制作掩膜，使用反应离子刻蚀技术在源极和漏极之间的 势垒层上刻蚀出凹槽6，该凹槽深度D为8nm。刻蚀凹槽采用的工艺条件为反应气体 Cb的流量为5sccm，压力为10mT，功率为100 W。
5. 在Ala3Gaa7N势垒层3上制作掩膜，并使用电子束蒸发技术在凹槽6中淀积金属， 制作槽栅7，其中所淀积的金属采用Ni/Au金属组合，金属厚度为0.02nm/0.3nm，该槽 栅7与凹槽6两端的间距分别为Rl和R2， Rl的长度为0.5pm， R2的长度为1.5pm。淀 积金属采用的工艺条件为真空度小于1.2x10—3Pa，功率范围为200 700W，蒸发速率小 于2A/s。6. 使用等离子体增强化学气相淀积技术分别覆盖源极4上部、漏极5上部和槽栅7 上部，以及势垒层3上的其它区域，完成淀积厚度为0.4pm的SiN钝化层8。淀积钝化 层采用的工艺条件为气体为NH3、 N2及'SiH4，气体流量分别为2.5sccm、卯Osccm和 200sccm，温度、RF功率和压力分别为300°C、 25W和900mT。
7. 在SiN钝化层8上制作掩膜，使用电子束蒸发技术在源极与漏极之间的钝化层上 淀积厚度均为0.8(im/1.4pm的Ni/Au金属组合，分别制作源场板9、十六个浮空场板10 及漏场板11，该源场板的有效长度LO为1.5pm，各浮空场板的长度Ll均为2.2pm，漏 场板的有效长度L2为3pm，源场板与其最邻近的浮空场板之间的距离Sl为0.^m，相 邻两浮空场板之间的距离S2为lpm，漏场板与其最邻近的浮空场板之间的距离S3为 0.65(am。淀积金属采用的工艺条件为真空度小于1.8xl(T3Pa，功率范围为200 700W， 蒸发速率小于3A/s。将源场板9与源极4电气连接，将漏场板11与漏极5电气连接。
8. 使用等离子体增强化学气相淀积技术分别覆盖源场板9、各浮空场板10和漏场板 11的外围区域，完成淀积厚度为2.5pm的SiN保护层12。淀积保护层采用的工艺条件为 气体为NH3、 N2及SiH4，气体流量分别为2.5sccm、 900sccm和200sccm，温度、RF功 率和压力分别为300°C 、 25W和900mT。
实施例三
制作衬底为硅、钝化层为Al203、保护层为Al203和各场板为Pt/Au金属组合的复合 场板异质结场效应晶体管，其过程是
1. 使用金属有机物化学气相淀积技术在硅衬底1上外延厚度为5pm的未掺杂过渡层 2，该过渡层自下而上由厚度为105nm的A1N材料和厚度为4.895pm的GaN材料构成。 外延下层A1N材料采用的工艺条件为温度为820°C，压力为130Torr，氢气流量为 4300sccm，氨气流量为4300sccm，铝源流量为25pmol/min;外延上层GaN材料采用的 工艺条件为温度为980。C，压力为130Torr，氢气流量为4300sccm，氨气流量为4300sccm， 镓源流量为120(miol/min。
2. 使用金属有机物化学气相淀积技术在GaN过渡层2上淀积厚度为10nm，且铝组 分为0.5的未惨杂AlQ.5Gaa5N势垒层3。采用的工艺条件为温度为1000°C，压力为 130Torr，氢气流量为4300sccm，氨气流量为4300sccm，镓源流量为9pmol/min，铝源流 量为9|umol/min0
3. 在AlQ.5GaQ.5N势垒层3上制作掩膜，使用电子束蒸发技术在其两端淀积金属，再 在N2气氛中进行快速热退火，制作源极4.和漏极5，其中所淀积的金属为Ti/Al/Mo/Au金属组合，金属层厚度为0.04^im/0.16|Lim/0.12^im/0.15^im。淀积金属采用的工艺条件为 真空度小于1.8xl0—3Pa，功率范围为200 1800W，蒸发速率小于3A/s;快速热退火采用 的工艺条件为温度为880。C，时间为25s。
4. 在Ala5GaQ.5N势垒层3上制作掩膜，使用反应离子刻蚀技术在源极和漏极之间的 势垒层上刻蚀出凹槽6，该凹槽深度D为2nm。刻蚀凹槽采用的工艺条件为反应气体 Cb的流量为5sccm，压力为10mT，功率为100 W。
5. 在Ala5GaQ.5N势垒层3上制作掩膜，并使用电子束蒸发技术在凹槽6中淀积金属， 制作槽栅7，其中所淀积的金属采用Ni/Au金属组合，金属厚度为0.04|^m/0.4pm，该槽 栅7与凹槽6两端的间距分别为Rl和R2， Rl的长度为2.5pm， R2的长度为4|im。淀 积金属采用的工艺条件为真空度小于1.2x10—3Pa，功率范围为200 700W,蒸发速率小 于2A/s。
6. 使用原子层淀积技术分别覆盖源极4上部、漏极5上部和槽栅7上部，以及势垒层 3上的其它区域，完成淀积厚度为0.76pm的八1203钝化层8。淀积钝化层采用的工艺条 件为以TMA和H20为反应源，载气为N2，载气流量为200sccm，衬底温度为300'C， 气压为700Pa。
7. 在八1203钝化层8上制作掩膜，使用电子束蒸发技术在源极与漏极之间的钝化层上 淀积厚度均为1.5pm/4.5pm的Pt/Au金属组合，分别制作源场板9、 二十二个浮空场板 10及漏场板11，该源场板的有效长度L0为4|_im，各浮空场板的长度Ll均为5(am，漏 场板的有效长度L2为5.2pm，源场板与其最邻近的浮空场板之间的距离Sl为2.3nm， 相邻两浮空场板之间的距离S2为2.8pm,漏场板与其最邻近的浮空场板之间的距离S3 为1.8pm。淀积金属采用的工艺条件为真空度小于1.8xl(T3Pa，功率范围为200~1000W， 蒸发速率小于3A7s。将源场板9与源极4电气连接，将漏场板11与漏极5电气连接。
8. 使用原子层淀积技术分别覆盖源场板9、各浮空场板IO和漏场板11的外围区域， 完成淀积厚度为6.3pm的八1203保护层12。淀积保护层采用的工艺条件为以TMA和 H20为反应源，载气为N2，载气流量为200sccm，衬底温度为30CTC，气压为700Pa。
实施例四
制作衬底为蓝宝石、钝化层为Si02、保护层为Al203和各场板为Ti/Mo/Au金属组合 的复合场板异质结场效应晶体管，其过程是
1. 与实施例一的过程l相同；
2. 与实施例一的过程2相同；3. 与实施例一的过程3相同；
4. 与实施例一的过程4相同；
5. 与实施例一的过程5相同；
6. 与实施例一的过程6相同；
7. 在Si02钝化层8上制作掩膜，使用电子束蒸发技术在源极与漏极之间的钝化层上 淀积厚度均为0.02|im/0.1^im/0.12|am的Ti/Mo/Au金属组合，分别制作源场板9、五个浮 空场板10及漏场板11，该源场板的有效长度L0为03pm，各浮空场板的长度L1均为 0.25pm，漏场板的有效长度L2为0.2)im，源场板与其最邻近的浮空场板之间的距离Sl 为0.09^m，相邻两浮空场板之间的距离S2为0.11nm，漏场板与其最邻近的浮空场板之 间的距离S3为0.07^im。淀积金属采用的工艺条件为真空度小于1.8xl0—3Pa，功率范围 为200 1800W，蒸发速率小于3A/s。将源场板9与源极4电气连接，将漏场板11与漏 极5电气连接。
8. 使用原子层淀积技术分别覆盖源场板9、各浮空场板10和漏场板11的外围区域， 完成淀积厚度为0.3|im的八1203保护层12。淀积保护层采用的工艺条件为以TMA和 H20为反应源，载气为N2，载气流量为200sccm，衬底温度为30(TC，气压为700Pa。
实施例五
制作衬底为碳化硅、钝化层为SiN、保护层为Si02和各场板为Ti/Ni/Au金属组合的 复合场板异质结场效应晶体管，其过程是:'
1. 与实施例二的过程1相同；
2. 与实施例二的过程2相同；
3. 与实施例二的过程3相同；
4. 与实施例二的过程4相同；
5. 与实施例二的过程5相同；
6. 与实施例二的过程6相同；
7. 在SiN钝化层8上制作掩膜，使用电子束蒸发技术在源极与漏极之间的钝化层上 淀积厚度均为0.5pm/1.2^mi/2(im的Ti/Ni/Au金属组合，分别制作源场板9、 二十个浮空 场板10及漏场板11 ，该源场板的有效长度L0为2.5nm，各浮空场板的长度Ll均为2(am， 漏场板的有效长度L2为2.3pm，源场板与其最邻近的浮空场板之间的距离Sl为1.4pm， 相邻两浮空场板之间的距离S2为1.7|im，漏场板与其最邻近的浮空场板之间的距离S3为l.l^un。淀积金属采用的工艺条件为真空度小于1.8xlO—3Pa，功率范围为200~700W， 蒸发速率小于3A/s。将源场板9与源极4电气连接，将漏场板11与漏极5电气连接。
8.使用等离子体增强化学气相淀积技术分别覆盖源场板9、各浮空场板10和漏场板 11的外围区域，完成淀积厚度为4pm的Si02保护层12。淀积保护层采用的工艺条件为 气体为N20及SiH4,气体流量分别为800sccm和150sccm，温度、RF功率和压力分别为 250 。C、 25W和1000mT。
实施例六
制作衬底为硅、钝化层为A1203、保护层为SiN和各场板为Ti/Pt/Au金属组合的复合 场板异质结场效应晶体管，其过程是
1. 与实施例三的过程l相同；
2. 与实施例三的过程2相同；
3. 与实施例三的过程3相同；
4. 与实施例三的过程4相同；
5. 与实施例三的过程5相同；
6. 与实施例三的过程6相同；
7. 在八1203钝化层8上制作掩膜，使用电子束蒸发技术在源极与漏极之间的钝化层上 淀积厚度均为1.2nm/2pm/2.8nm的Ti/Pt/Au金属组合，分别制作源场板9、四十个浮空 场板10及漏场板11,该源场板的有效长度L0为4pm，各浮空场板的长度Ll均为5^im， 漏场板的有效长度L2为5.2pm，源场板与其最邻近的浮空场板之间的距离Sl为2.3pm， 相邻两浮空场板之间的距离S2为2.8nm，.漏场板与其最邻近的浮空场板之间的距离S3 为1.8pm。淀积金属采用的工艺条件为真空度小于1.8xl(T3Pa，功率范围为200~1000W， 蒸发速率小于3A/s。将源场板9与源极4电气连接，将漏场板11与漏极5电气连接。
8. 使用等离子体增强化学气相淀积技术分别覆盖源场板9、各浮空场板10和漏场板 11的外围区域，完成淀积厚度为6.3pm的SiN保护层12。淀积保护层采用的工艺条件为 气体为NH3、 N2及SiH4，气体流量分别为2.5sccm、 900sccm和200sccm，温度、RF功 率和压力分别为300°C、 25W和900mT。
本发明的效果可通过图4和图5进一步说明。
图4给出了采用Ala27Gaa73N/GaN异质结结构时，采用传统源场板的异质结场效应 晶体管与本发明采用三个浮空场板的器件在Ala27Gaa73N势垒层中的电场仿真图，由该图可以看出，采用传统源场板的异质结场效应晶体管在势垒层中的电场曲线只形成了 2个 近似相等的电场峰值，其在势垒层中的电场曲线所覆盖的面积很小，而本发明器件在势 垒层中的电场曲线形成了 5个近似相等的电场峰值，使得本发明器件在势垒层中的电场 曲线所覆盖的面积大大增加，由于在势垒层中的电场曲线所覆盖的面积近似等于器件的 击穿电压，说明本发明器件的击穿电压远远大于采用传统源场板的异质结场效应晶体管 的击穿电压。
图5给出了采用Alo.27Gaa73N/GaN异质结结构时，采用传统源场板的异质结场效应 晶体管与本发明采用三个浮空场板的器件的击穿仿真图，由该图可以看出，采用传统源
场板的异质结场效应晶体管的击穿曲线中发生击穿，即漏极电流迅速增加时的漏源电压 大约在605V，而本发明器件的击穿曲线中发生击穿时的漏源电压大约在1780V，证明本 发明器件的击穿电压远远大于采用传统源场板的异质结场效应晶体管的击穿电压，该图5 的结论与图4的结论相一致。
对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，能够在不背离本发明 的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是 这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
权利要求
1. 一种槽栅型源-漏复合场板异质结场效应晶体管，包括衬底(1)、过渡层(2)、势垒层(3)、源极(4)、漏极(5)、槽栅(7)、钝化层(8)、源场板(9)、漏场板(11)和保护层(12)，该漏场板(11)与漏极(5)电气连接，该源场板(9)与源极(4)电气连接，其特征在于，势垒层(3)上开有凹槽(6)；源场板与漏场板之间的钝化层上淀积有n个浮空场板(10)，n≥1，这些场板构成源-漏复合场板结构。
2. 根据权利要求1所述的源-漏复合场板异质结场效应晶体管，其特征在于，槽栅(7) 位于势垒层的凹槽(6)中，n个浮空场板与源场板和漏场板均位于钝化层(8)上。
3. 根据权利要求1所述的源-漏复合场板异质结场效应晶体管，其特征在于每个浮空 场板大小相同，相互独立，各浮空场板按照相邻两浮空场板之间的间距均为0.11~2.Wm 的方式等间距分布于源场板与漏场板之间。
4. 根据权利要求1所述的源-漏复合场板异质结场效应晶体管，其特征在于源场板(9) 与其最邻近的浮空场板之间的距离为0.09~2.3^im，漏场板(11)与其最邻近的浮空场板 之间的距离为0.07 1.8pm。
5. 根据权利要求1所述的源-漏复合场板异质结场效应晶体管，其特征在于每个浮空 场板(10)的厚度均为0.24 6pm，每个浮空场板的长度均为0.25 5pm，源场板的有效 长度为0.3~4pm，漏场板的有效长度为0.2 5.2pm。
6. 根据权利要求1或2所述的源-漏复合场板异质结场效应晶体管，其特征在于凹槽 (6)的深度D小于势垒层的厚度，槽栅(.7)与凹槽(6)两端的间距分别为R1和R2，Rl的长度为0 2.5pm， R2的长度为0 4^m，并且R1SR2。
7. —种制作槽栅型源-漏复合场板异质结场效应晶体管的方法，包括如下步骤歩骤l，选择蓝宝石或碳化硅或硅或其它外延衬底材料作为衬底(1)，在衬底(1)上外延宽禁带化合物半导体材料的过渡层(2)作为器件的工作区；步骤2，在过渡层(2)上淀积宽禁带化合物半导体材料的势垒层(3);步骤3，在势垒层(3)上第一次制作掩膜，并在势垒层(3)的两端淀积金属，再在 N2气氛中进行快速热退火，分别制作源极(4)和漏极(5);步骤4，在势垒层(3)上第二次制作掩膜，并在源极和漏极之间的势垒层刻蚀出凹 槽(6);步骤5，在势垒层(3)上第三次制作掩膜，.并在凹槽(6)中淀积金属，制作槽栅(7)， 该槽栅(7)与凹槽(6)两端的间距分别为R1和R2， Rl的长度为0.0 2.5pm， R2的长 度为0.0~4nm，并且R1^R2;步骤6，淀积钝化层(8)，即利用绝缘介质材料分别覆盖源极(4)上部、漏极(5) 上部和槽栅(7)上部，以及势垒层(3)上的其它区域；步骤7，在钝化层(8)上制作掩膜，并在源极与漏极之间的钝化层上淀积两层或三 层金属层的组合，以制作厚度均为0.24~6pm的源场板(9)、各浮空场板(10)和漏场 板(11)，并分别将源场板(9)与源极(4)电气连接，将漏场板(11)与漏极(5)电 气连接；步骤8，淀积保护层(12)，即用绝缘介质材料分别覆盖源场板(9)、各浮空场板 (10)和漏场板(11)的外围区域。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于两层金属组合采用Ti/Au或Ni/Au或 Pt/Au，厚度为0.02 1.5lim/0.22 4.5iam。
9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于三层金属组合釆用Ti/Mo/Au或Ti/Ni/Au 或Ti/Pt/Au,厚度为0.02~1.2pm/0.1 2nm/0.12~2.8pm。
全文摘要
本发明公开了一种槽栅型源-漏复合场板异质结场效应晶体管及其制作方法，该器件自下而上包括衬底(1)、过渡层(2)、势垒层(3)、源极(4)、漏极(5)、槽栅(7)、钝化层(8)、源场板(9)、漏场板(11)和保护层(12)，该漏场板与漏极电气连接，该源场板与源极电气连接，其中，势垒层(3)上开有凹槽(6)；源场板与漏场板之间的钝化层上淀积有n个浮空场板(10)。每个浮空场板大小相同，处于浮空状态，且按照等间距的方式分布于源场板与漏场板之间。n个浮空场板与源场板和漏场板在钝化层上通过一次工艺完成。本发明具有成品率高、可靠性好和输出功率高的优点，可制作基于宽禁带化合物半导体材料异质结的功率器件。
文档编号H01L29/02GK101414623SQ20081023252
公开日2009年4月22日 申请日期2008年12月1日 优先权日2008年12月1日
发明者翠 杨, 维 毛, 过润秋, 跃 郝 申请人:西安电子科技大学