氮化镓基低漏电流悬臂梁的环形振荡器及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明提出了氮化镓基低漏电流悬臂梁的环形振荡器，属于微电子机械系统的技 术领域。
【背景技术】
[0002] 在集成电路领域中，倒相器是一种最基本的器件，它以独特的优势被广泛应用于 各种各样的电路中，其中环形振荡器就是最常见的一种应用，由奇数个倒相器构成的环形 振荡器因其线路简单、起振容易、体积小、便于集成化等优点，取代了传统的石英振荡器而 成为了集成电路中的主流。目前，由于GaN场效应晶体管（MESFET)的电子迀移率高、工作 温度范围广、载流子速度快、抗干扰能力强，因而利用GaN场效应晶体管（MESFET)制作的环 形振荡器就有着独特的优势，但是同时，随着器件尺寸的不断多小，集成电路的规模越来越 大，时钟频率也变得越来越高，在这种大趋势下，传统MESFET制造的环形振荡器就有着功 耗过高的问题，这对环形振荡器的稳定性能是一个巨大的挑战。
[0003] 对于MESFET器件制作的环形振荡器而言，其功耗很大一部分原因是因为漏电流 的存在。漏电流有两种情况，一种是MESFET器件处于截止状态时的关态沟道泄漏电流，这 种漏源之间的电流泄漏会导致系统的静态功耗增大；另一种漏电流是栅极泄漏电流，这种 漏电流会带来器件的发热增加，功耗变大。而目前，对于降低漏电流的研宄还相对较少，本 发明就是在GaN衬底上设计了一种具有很小的栅极泄漏电流的悬臂梁式的环形振荡器。
【发明内容】
[0004] 技术问题：本发明的目的是提供一种氮化镓基低漏电流悬臂梁的环形振荡器及制 备方法，环形振荡器是将奇数个倒相器首尾相连的接成环形电路，当环形振荡器产生自激 振荡时，在理想情况下，这奇数个倒相器的栅极上是没有电流的，但是在实际情况下，由于 MESFET的栅极是被容性耦合到器件的沟道上，与衬底形成了肖特基势皇，即金一半接触，因 而不可避免的会产生栅极漏电流，正是由于这种栅极漏电流，环形振荡器的性能才会下降， 而本发明就极为有效的降低了环形振荡器中的栅极漏电流，从而也可以一定程度上降低环 形振荡器的功耗。
[0005] 技术方案：本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的环形振荡器由三个倒相器构成 的，它们首尾相接构成环状，整个环形振荡器是基于半绝缘型GaN衬底制作的，三个倒相器 通过引线实现互连，每个倒相器由悬臂梁N型MESFET和悬臂梁P型MESFET组成，该N型 MESFET和P型MESFET的悬臂梁悬在栅极上，悬臂梁的锚区淀积在半绝缘型GaN衬底上，在 悬臂梁下方有一个下拉电极，分布在栅极与锚区之间，其中N型MESFET悬臂梁下方的下拉 电极是接地的，而P型MESFET悬臂梁下方的下拉电极是接电源的，下拉电极上覆盖有氮化 娃介质层。
[0006] 构成环形振荡器的MESFET的悬臂梁是由Au材料制作，它是悬浮在栅极上方，构成 了悬臂梁结构，电压信号是加载到悬臂梁上的，而不是加到栅极上的，N型MESFET的阈值电 压设计为正值，P型MESFET的阈值电压设计为负值，且N型MESFET和P型MESFET的阈值电 压的绝对值设计为相等，悬臂梁的下拉电压设计为与MESFET的阈值电压的绝对值相等。当 MESFET悬臂梁与下拉电极之间的电压小于阈值电压绝对值的时候，悬浮的悬臂梁不会吸附 下来，从而导致MESFET不能够导通，这样栅极漏电流就得到了很好的抑制；当MESFET的悬 臂梁与下拉电极间的电压大于阈值电压绝对值的时候，悬浮的悬臂梁就会吸附至沟道上， MESFET就此导通。
[0007] 当其中某一个MESFET倒相器的悬臂梁上有高电平时，则N型MESFET的悬臂梁就 会下拉贴至栅极上，N型MESFET就此导通，而P型MESFET还是处于截止状态，此时该MESFET 倒相器输出低电平，相反的，当该MESFET倒相器的悬臂梁上有低电平时，则N型MESFET截 止、P型MESFET导通，倒相器输出高电平；由于三个倒相器循环相接，前一倒相器的输出就 是后一倒相器的输入，因此便产生了自激振荡，从而构成环形振荡器。
[0008] 这三个倒相器的输出端和输入端首尾相连构成环状，组成环形振荡器，环形振荡 器起振时，假设倒相器悬臂梁上得到一个高电平电压的激励，由于N型MESFET悬臂梁下方 的下拉电极接的是低电位，所以N型MESFET的悬臂梁就会下拉并贴至栅极上，N型MESFET 开始正常导通工作，而此时P型MESFET还是处于悬浮状态；相反的，当悬臂梁上的电压为低 电平时，P型MESFET的悬臂梁才会下拉贴至栅极上，P型MESFET就此导通，而N型MESFET 截止，三个倒相器共同工作时，产生自激振荡，从而形成环形振荡器，此处的高电平电压是 大于MESFET的阈值电压绝对值的电源电压，而低电平电压即是地。
[0009] 本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的环形振荡器的制备方法如下：
[0010] 1)准备半绝缘型GaN衬底；
[0011] 2)淀积一层氮化硅，光刻并刻蚀氮化硅，去除P型MESFET沟道区的氮化硅；
[0012] 3) P型MESFET沟道注入：注入硼，在氮气环境下退火；退火完成后，在高温下进行 杂质再分布，形成P型MESFET的沟道区；
[0013] 4)去除氮化硅层：采用干法刻蚀技术将氮化硅全部去除；
[0014] 5)淀积一层氮化娃，光刻并刻蚀氮化娃，去除N型MESFET沟道区的氮化硅；
[0015] 6) N型MESFET沟道注入：注入磷，在氮气环境下退火；退火完成后，在高温下进行 杂质再分布，形成N型MESFET的沟道区；
[0016] 7)去除氮化硅层：采用干法刻蚀技术将氮化硅全部去除；
[0017] 8)光刻栅极，去除栅区的光刻胶；
[0018] 9)电子束蒸发钛/铂/金；
[0019] 10)去除剩余的光刻胶及光刻胶上的钛/铂/金；
[0020] 11)加热，使钛/铂/金合金与P型MESFET沟道以及N型MESFET沟道形成肖特基 接触；
[0021] 12)涂覆光刻胶，光刻并刻蚀N型MESFET源极和漏极区域的光刻胶；
[0022] 13)对该区域进行N型重掺杂，在N型MESFET源极和漏极区域形成的N型重掺杂 区，进行快速退火处理；
[0023] 14)涂覆光刻胶，光刻并刻蚀P型MESFET源极和漏极区域的光刻胶；
[0024] 15)对该区域进行P型重掺杂，在P型MESFET源极和漏极区域形成的P型重掺杂 区，进行快速退火处理；
[0025] 16)光刻源极和漏极，去除源极和漏极的光刻胶；
[0026] 17)真空蒸发金锗镍/金；
[0027] 18)去除光刻胶以及光刻胶上的金锗镍/金；
[0028] 19)合金化形成欧姆接触，形成源极和漏极；
[0029] 20)涂覆光刻胶，去除电源线、地线、引线、下拉电极和悬臂梁的锚区位置的光刻 胶；
[0030] 21)蒸发第一层金，其厚度约为0? 3 y m ;
[0031] 22)去除光刻胶以及光刻胶上的金，形成电源线、地线、引线、下拉电极和悬臂梁的 锚区；
[0032] 23)淀积一层1000A厚的氮化硅；
[0033] 24)光刻并刻蚀氮化硅介质层，保留在下拉电极上的氮化硅；
[0034] 25)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在GaN衬底上涂覆1.6 ym厚的聚酰亚胺牺牲 层，要求填满凹坑；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留悬臂梁下方的牺牲层；
[0035] 26)蒸发钛/金/钛，其厚度为500/1500/300A;
[0036] 27)光刻：去除要电镀地方的光刻胶；
[0037] 28)电镀金，其厚度为2 ym;
[0038] 29)去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；
[0039] 30)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成MEMS悬臂梁；
[0040] 31)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除悬臂梁下的聚酰亚胺牺牲层，去离子 水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。
[0041] 在本发明中，N型MESFET的阈值电压设计为正值，P型MESFET的阈值电压设计为 负值，且N型MESFET和P型MESFET的阈值电压的绝对值设计为相等，悬臂梁的下拉电压设 计为与MESFET的阈值电压的绝对值相等。当MESFET悬臂梁与下拉电极间的电压小于阈值 电压绝对值的时候，悬臂梁没有得到足够的吸引力不会吸附下来，此时悬臂梁与栅极之间 有一层空气间隙，栅极上并没有得到偏置电压，从而导致MESFET不能够导通，这样栅极漏 电流就得到了很好的抑制；当MESFET的悬臂梁与下拉电极间的电压大于阈值电压绝对值 的时候，悬臂梁才会吸附至栅极上，此时MESFET才导通。
[0042] 有益效果：本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的环形振荡器具有悬浮的悬臂梁结 构，极大的减小了栅极的直流漏电流，从而很大程度上降低了环形振荡器的功耗，提高了环 形振荡器的工作稳定性。
【附图说明】
[0043] 图1、图2为本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的环形振荡器的原理图，
[0044] 图3为本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的环形振荡器的俯视图，
[0045] 图4为图3氮化镓基低漏电流悬臂梁的环形振荡器的P-P'向的剖面图，
[0046] 图5为图3氮化镓基低漏电流悬臂梁的环形振荡器的A-A'向的剖面图，
[0047] 图6为图3氮化镓基低漏电流悬臂梁的环形振荡器的B-B'向的剖面图，
[0048] 图中包括：电源线1，地线2,引线3,锚区4,悬臂梁5,下拉电极6,氮化硅介质层7， P型MESFET的源极8, P型MESFET的漏极9, N型MESFET的源极10, N型MESFET的漏极11， N型MESFET沟道12, P型MESFET沟道13,栅极14,半绝缘型GaN衬底15, P型MESFET16, N 型 MESFET17。
【具体实施方式】
[0049] 本发明的氮化镓基低漏电流悬臂梁的环形振荡器是由三个倒相器构成的，它们首 尾相接构成环状，整个环形振荡器是基于半绝缘型GaN衬底15制作的，三