一種GaN基超薄勢壘增強模式反相器及環振的製作方法

2023-10-08 05:19:49

一種GaN基超薄勢壘增強模式反相器及環振的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種GaN基超薄勢壘增強模式反相器及環振，利用表面SiN有效降低超薄勢壘異質結的溝道方塊電阻，通過調節器件表面SiN厚度可分別實現增強型器件及負載電阻，將增強型器件柵下SiN刻蝕掉，器件柵下溝道電子濃度很低，器件可呈現出正閾值電壓的增強型特性，負載電阻表面保留SiN，電阻溝道中存在高濃度二維電子氣，呈現出電阻特性，將增強型器件和負載電阻集成可實現反相器，再將2n+1個相同的反相器級連，可實現環振。
【專利說明】一種GaN基超薄勢壘增強模式反相器及環振
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於微電子【技術領域】，涉及半導體器件及電路，具體涉及一種GaN基超薄勢壘增強模式(E-mode)反相器、環振的結構，主要用於作為耐高溫、抗輻照的集成電路基礎單元。
【背景技術】
[0002]GaN材料作為第三代半導體，由於其突出的材料特性，已成為現代國際上研究的熱點。GaN材料特有的極化效應以及GaN材料的高電子飽和速度，使得AlGaN/GaN異質結高電子遷移率電晶體在大功率微波器件方面顯示出明顯的優勢。近年來，AlGaN/GaN異質結耗盡型高電子遷移率電晶體得到了很大的發展，美國加州大學巴巴拉分校的T.Palac1s等人研製的AlGaN/GaN高電子遷移率電晶體在40GHz的高頻下可獲得10W/mm的輸出功率，同時能獲得高達163GHz的特徵頻率及230GHz的截止頻率。Wu等人2003年報導的器件在30GHz頻率下輸出功率密度為3.5ff/mm, 2004年報導了器件8GHz下輸出功率密度為32W/mm，漏電壓偏置大於100V。
[0003]同時，GaN基HEMT器件由於其寬禁帶特性，具有良好的高溫特性及抗輻照特性，在惡劣環境下的GaN基高速集成電路中具有很好的應用前景。但是由於GaN中p型摻雜的難度很大，所以國際上主要把注意力放在η型增強型器件的研製上，通過將增強型器件和耗盡型器件(或負載電阻)集成，實現增強/耗盡(E/D)模式或增強(E)模式的集成電路。
[0004]現有的實現GaN基環振集成電路及其基本單元反相器的方案如下:
[0005]現有方案I
[0006]Khan等人利用薄勢壘結構製備了第一支GaN基增強型器件，並將增強型器件和耗盡型器件的信號合成，實現了反相器特性。參見文獻M Asif Khan, Q Chen, C J Sun.et al, Enhancement and deplet1n mode GaN/AlGaN heterostructure field effecttransistors, App1.Phys.Lett.，V0I68，Januaryl996, pp:514-516。
[0007]現有方案2
[0008]Micovic等人採用槽柵刻蝕技術製備增強型器件，並將耗盡型器件和增強型器件集成在同一圓片上，製備了 GaN基反相器、環振及2級分頻器。增強型器件槽柵長0.15 μ m,柵長I μ m,採用T型場板結構,器件閾值電壓為0.5V,最大跨導為400mS/mm,最大飽和電流為0.9A/mm。在高電平電壓為IV時，反相器高低噪聲容限分別為0.38V和0.22V。23級環振的振蕩頻率為80MHz，每級延時為272ps，功耗延遲積為50f J。參見文獻M.Micovic, T.Tsen, M.Hu.et al, GaN enhancement/deplet1n-mode FET logic for mixed signalapplicat1ns, Electronics Lett.，Vol.41，September2005，N0.19，15th。
[0009]現有方案3
[0010]2005年蔡勇等人將F等離子體處理增強型器件和常規耗盡型器件集成在同一圓片上製備了 E/D-mode反相器及環振。反相器高低噪聲容限分別為0.51V和0.21V。Vdd為
2.5V時環振頻率為193MHz，每級延時為152ps ；VDD為3.5V時每級延時為130ps。參見文獻 Y Cai, Z Q Cheng, W C W Tang, et al, Monolithic Integrat1n of Enhancement-andDeplet1n-mode AlGaN/GaN HEMTs for GaN Digital Integrated Circuits, IEDM Tech.Dig., 2005, pp: 771。
[0011]現有方案4
[0012]2007年蔡勇等人採用F等離子體處理製備MIS結構增強型器件，柵介質為15nm的Si3N4，並將增強型器件和耗盡型器件集成了 E/D-mode反相器。增強型器件閾值電壓為2V，最大飽和電流為420mA/mm，最大跨導為125mS/mm，反相器高低噪聲容限分別為2V和2.1V0 參見文獻 R N Wang, Y Cai, W C W Tang, et al, Integrat1n of enhancement anddeplet1n-mode AlGaN/GaN MIS-HFETs by fluoride-based plasma treatment, phys.stat.sol.(a)Vol204, 2007, pp:2023 - 2027。
[0013]以上現有方案及其製作的GaN基集成電路缺點如下:
[0014]1.方案I工藝複雜，增強型和耗盡型器件勢壘層厚度不一致，很難在同一圓片上集成。
[0015]2.方案2工藝複雜，槽柵刻蝕可重複性差，因此器件均勻性差，在製備大規模集成電路中存在較大問題。
[0016]3.方案3增強型器件可靠性差，在電應力及熱應力下器件閾值電壓容易漂移，因而電路可靠性較差。
[0017]4.方案4增強型器件可靠性差，且由於柵電極到溝道距離較大，器件頻率特性較差，因而電路可靠性及頻率特性較差。
實用新型內容
[0018]本實用新型的目的在於克服現有技術的不足，提供一種GaN基超薄勢壘增強模式(E-mode)反相器及環振，實現高頻率特性及高可靠性。
[0019]一種GaN基超薄勢壘增強模式反相器，其特徵在於:該反相器包括依次設置於襯底上的成核層、緩衝層、插入層、勢壘層以及帽層，帽層、勢壘層、插入層以及部分緩衝層被刻蝕形成臺面，臺面將反相器隔離為兩個器件區域，其中一個器件區域(增強型器件)的異質結上設置有第一柵電極、第一源電極以及第一漏電極，第一源電極以及第一漏電極直接蒸發在帽層上，第一柵電極位於第一源電極與第一漏電極之間，第一源電極上、第一漏電極上、第一柵電極、第一源電極以及第一漏電極所在位置以外的帽層上及臺面下的緩衝層上設置有表面SiN層，表面SiN層上及第一柵電極處的帽層上設置有柵介質Al2O3層，第一柵電極蒸發在柵介質Al2O3層上，另一個器件區域(負載電阻)的異質結上設置有兩個歐姆電極，兩個歐姆電極直接蒸發在帽層上，兩個歐姆電極上、兩個歐姆電極所在位置以外的帽層上及臺面下的緩衝層上設置有表面SiN層，表面SiN層上設置有柵介質Al2O3層，兩個器件區域的柵介質Al2O3層及第一柵電極上設置有保護SiN層，保護SiN層上設置有互聯金屬，互聯金屬和下層各電極(第一柵電極、第一源電極、第一漏電極以及兩個歐姆電極)對應相連。
[0020]所述襯底的材料為藍寶石或SiC，成核層的材料為A1N，緩衝層的材料為GaN，插入層的材料為A1N，勢壘層的材料為Ala3Gaa7N,帽層的材料為GaN。
[0021]所述勢魚層的厚度為3_5nm。[0022]所述表面SiN層的厚度為60nm，表面SiN層採用等離子體增強化學汽相沉積(PECVD)工藝形成。
[0023]所述柵介質Al2O3層的厚度為3_5nm,柵介質Al2O3層採用原子層沉積(ALD)工藝形成。
[0024]一種基於上述GaN基超薄勢壘增強模式反相器的環振，該環振由2n+l個所述反相器級連而成，η為自然數。
[0025]2η+1個反相器通過互聯金屬集成在同一圓片上。
[0026]一種製作上述GaN基超薄勢壘增強模式反相器的方法，包括以下步驟:
[0027]I)在襯底基片上生長AlN成核層；
[0028]2)在AlN成核層上生長1-3 μ m厚的GaN緩衝層；
[0029]3)在GaN緩衝層上生長1.5nm厚的AlN插入層；
[0030]4)在AlN插入層上生長3_5nm厚的Ala3Gaa7N勢壘層；
[0031]5)在Ala3Gaa7N勢壘層上生長2nm厚的GaN帽層；
[0032]6)在GaN帽層上光刻歐姆接觸區域窗口，並在該歐姆接觸區域窗口上採用電子束蒸發工藝蒸發歐姆接觸金屬，形成負載電阻的歐姆電極及增強型器件的源、漏電極；
[0033]7)經過步驟6)以後，在GaN帽層上光刻臺面區域，然後採用RIE工藝刻蝕臺面，得到樣片A ；
[0034]8)在樣片A表面沉積60nm的表面SiN層；
[0035]9)在表面SiN層上光刻增強型器件的槽柵區域，然後採用RIE工藝刻蝕槽柵；
[0036]10)在表面SiN層及槽柵區域的GaN帽層上沉積3_5nm的柵介質Al2O3層；
[0037]11)在柵介質Al2O3層上光刻增強型器件的柵極區域，並採用電子束蒸發工藝蒸發柵極金屬，得到樣片B;
[0038]12)在樣片B上沉積200nm的保護SiN層，並在保護SiN層上光刻金屬互聯開孔區，再刻蝕金屬互聯開孔區；
[0039]13)最後在保護SiN層上光刻互聯金屬區、蒸發互聯金屬。
[0040]本實用新型與現有技術相比具有如下優點:
[0041]1.本實用新型採用GaN/AlGaN/AlN/GaN超薄勢壘異質結材料，且採用較薄柵介質，製備的增強型器件具有優良的頻率特性，所集成的反相器、環振可實現較高的工作頻率。同時，由於採用金屬-絕緣層-半導體(MIS)結構，柵介質可有效減小增強型器件的柵極正嚮導通電流，增大增強型器件的工作範圍，所集成的反相器可實現較大的噪聲容限，所集成的環振可實現較大的工作範圍。
[0042]2.本實用新型利用表面SiN對薄勢壘異質結溝道方阻的調節作用，通過調節器件柵下表面SiN厚度可在一圓片上同時實現負載電阻及增強型器件，製備反相器、環振的工藝簡單，易於集成。
[0043]3.本實用新型利用表面SiN對薄勢壘異質結溝道方阻的調節作用，採用GaN/AlGaN/AlN/GaN超薄勢壘異質結製備的T型柵增強型器件，具有較高的電應力、熱應力及輻照應力可靠性，因此採用該結構增強型器件和負載電阻集成的反相器、環振具有較高可靠性。【專利附圖】

【附圖說明】
[0044]圖1是本實用新型所述GaN基超薄勢壘增強模式反相器的電路示意圖；
[0045]圖2是本實用新型所述GaN基超薄勢壘增強模式環振的電路示意圖；
[0046]圖3是製作本實用新型所述環振中反相器的工藝流程圖，S表示源電極，D表示漏電極。
[0047]圖4是5nmAlGaN薄勢壘異質結未覆蓋表面SiN和覆蓋表面SiN的材料方塊電阻對比圖。
[0048]圖5是薄勢壘MIS增強型器件的輸出特性(a)和轉移特性(b)曲線。
[0049]圖6是方案3中器件(a)和薄勢壘MIS增強型器件(b)的頻率特性對比圖。
【具體實施方式】
[0050]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
[0051]一種GaN基超薄勢壘增強模式環振，環振由2n+l個相同的反相器級連而成，這2n+l個反相器通過互聯金屬集成在同一圓片上。反相器包括依次設置於襯底上的成核層、緩衝層、插入層、勢壘層以及帽層，臺面區域的帽層、勢壘層、插入層以及部分緩衝層被刻蝕，形成兩個隔離的器件區域，其中一個器件區域(增強型器件)的異質結上設置有柵、源、漏電極，源、漏電極直接蒸發在帽層上，源、漏電極上及柵、源、漏電極以外的帽層上及臺面下的緩衝層上設置有表面SiN層，表面SiN層上及柵區域處的帽層上設置有柵介質Al2O3層，柵電極蒸發在柵介質Al2O3層上。另一個器件區域(負載電阻)的異質結上設置有兩個歐姆電極，兩個歐姆電極直接蒸發在帽層上，兩個歐姆電極上、兩個歐姆電極以外的帽層上及臺面下的緩衝層上設置有表面SiN層，表面SiN層上設置有柵介質Al2O3層。兩個器件區域的柵介質Al2O3層及前一器件的柵電極上設置有保護SiN層，保護SiN層上設置有互聯金屬，互聯金屬和下層電極對應相連。
[0052]本實用新型的關鍵技術在於對表面SiN層的利用，表面SiN層採用PECVD工藝製備，SiN厚度為60nm，該表面SiN層能有效降低超薄勢壘異質結的溝道方塊電阻，通過調節表面SiN層厚度可分別實現增強型器件及負載電阻，將增強型器件柵下表面SiN層刻蝕掉，器件柵下溝道電子濃度很低，器件可呈現出正閾值電壓的增強型特性，負載電阻表面保留SiN，溝道中存在高濃度二維電子氣，呈現出電阻特性，將增強型器件和負載電阻集成可實現反相器，再將2n+l個相同的反相器級連，可實現環振。
[0053]參照圖1，本實用新型所述反相器由一個負載電阻和一個增強型器件組成，負載電阻的一端電極接高電平VDD;增強型器件的漏極和負載電阻的另一端電極相連，做為輸出端Vout ;增強型器件的源極接地Gnd ;增強型器件的柵極為反相器的輸入端Vin。當輸入信號為低電平時，增強型器件關斷，負載電阻導通，輸出和Vdd導通，輸出端為高電平。當輸入信號為高電平時，增強型器件開啟，輸出端和地之間導通，輸出端和Vdd之間也導通，通過合理設計負載電阻和增強型器件的導通電阻比，使大部分壓降落在負載電阻上，輸出端為低電平，實現反相器功能。
[0054]參照圖2，本實用新型所述環振由2n+l個相同的反相器級連而成，即反相器通過互聯金屬首尾相連(前一個反相器的輸出端與後一個反相器的輸入端相連)，引其中一反相器的輸出作為環振的輸出。[0055]參照圖3，製作本實用新型所述環振的工藝按照不同的襯底分別描述如下:
[0056]實施例一
[0057]在藍寶石襯底上製作GaN/AlGaN/AlN/GaN(2nm/5nm/l.5nm/l μ m)超薄勢魚增強模式(E-mode)反相器,步驟如下:
[0058]步驟I，在藍寶石襯底基片上，利用MOCVD工藝，生長AlN成核層。
[0059]將藍寶石襯底放入金屬有機化學氣相沉積MOCVD設備的反應室中，當反應室的真空度降至IX 10_2Torr後，在氫氣與氨氣的混合氣體保護下對藍寶石襯底進行高溫熱處理和表面氮化，加熱溫度為1050°C，加熱時間為5min，反應時壓力保持在40Torr。通入氨氣流量為1500sccm,氧氣流量為1500sccm ;
[0060]將襯底溫度降至900°C，生長厚度為20nmAlN成核層。反應時壓力保持在40Torr，氨氣流量為1500sccm，氫氣流量為1500sccm，同時向反應室通入鋁源。
[0061]步驟2，在AlN成核層上，生長I μ m厚的GaN緩衝層。
[0062]在MOCVD設備中分別設置生長溫度為900°C、生長厚度為100nm的GaN緩衝層、生長壓力為40Torr、氨氣流量為1500sCCm和氫氣流量為1500sCCm的工藝參數，同時向反應室通入鎵源；
[0063]步驟3，在GaN緩衝層上，生長1.5nm厚的AlN插入層。
[0064]在MOCVD設備中分別設置生長溫度為900°C、生長厚度為1.5nm的AlN插入層、生長壓力為40Torr、氨氣流量為1500sCCm和氫氣流量為1500sCCm的工藝參數，同時向反應室通入鋁源；
[0065]步驟4,在AlN插入層上，生長5nm厚的Ala3Gaa7N勢魚層。
[0066]在MOCVD設備中分別設置生長溫度為900°C、生長厚度為5nm的Ala3Gaa7N勢壘層、生長壓力為40Torr、氨氣流量為1500sCCm和氫氣流量為1500sCCm的工藝參數，同時向反應室通入鋁源和鎵源；
[0067]步驟5，在Ala3Gaa7N勢壘層上，生長2nm厚的GaN帽層。
[0068]在MOCVD設備中分別設置生長溫度為900°C、生長厚度為2nm的GaN帽層、生長壓力為40Torr、氨氣流量為1500sccm和氫氣流量為1500sccm的工藝參數，同時向反應室通入鎵源；
[0069]步驟6，在GaN帽層上光刻歐姆接觸區域窗口，並在該歐姆接觸區域窗口上採用電子束蒸發工藝蒸發歐姆接觸金屬，形成負載電阻的歐姆電極及增強型器件的源、漏電極。
[0070](6a)光刻歐姆接觸區域:首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然後塗膠，甩膠，甩膠轉速為2000轉/min，之後再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再對樣品歐姆接觸區進行光刻和顯影；
[0071](6b)蒸發歐姆接觸金屬:採用電子束蒸發臺蒸發歐姆接觸金屬，歐姆接觸金屬自下而上為Ti/Al/Ni/Au，然後再對樣品進行金屬剝離；
[0072](6c)歐姆接觸金屬退火:將樣品放入退火爐中，在900°C的溫度下退火3min。
[0073]步驟7，在GaN帽層上光刻臺面區域，採用RIE工藝刻蝕臺面，得到樣片A。
[0074](7a)光刻臺面:首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然後塗膠，甩膠，甩膠轉速為2000轉/min，之後再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再對樣品臺面區進行光刻和顯影；[0075](7b)刻蝕臺面:採用RIE工藝對臺面圖形部分進行刻蝕，刻蝕深度為120nm。刻蝕條件為=Cl2流量為15SCCm，壓力為10mT，射頻功率為100W，刻蝕時間為3min。
[0076]步驟8，在樣片A表面採用PECVD工藝沉積表面SiN層。
[0077]用等離子體增強化學汽相沉積(PECVD)在樣品表面沉積一層600A的SiN，沉積條件為:2%SiH4/N2流量為200sccm，NH3流量為3sccm，He流量為900sccm，壓強為900mT，溫度為300°C，功率為25W，沉積時間為9min。
[0078]步驟9，在表面SiN層上光刻增強型器件的槽柵區域，採用RIE工藝刻蝕槽柵。
[0079](9a)光刻槽柵:首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然後塗膠，甩膠，甩膠轉速為2000轉/min，之後再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再對增強型器件槽柵進行光刻和顯影；
[0080](9b)刻蝕槽柵:採用RIE工藝對槽柵圖形部分進行刻蝕，刻蝕深度為60nm。刻蝕條件為=CF4流量為20SCCm，壓強為5mT，射頻功率為50W，刻蝕時間為2min。
[0081]步驟10，在表面SiN層及槽柵區域的GaN帽層上沉積柵介質Al2O3層。
[0082]採用原子層沉積(ALD)在樣品表面沉積一層50A的Al2O3,使用TMA (三甲基鋁)作為Al源,去離子水作為O源,生長溫度為300°C。
[0083]步驟11，在柵介質Al2O3層上光刻增強型器件的柵極區域(增強型器件的柵極區域與槽柵區域位置對應)，並採用電子束蒸發工藝蒸發柵極金屬，得到樣片B。
[0084](Ila)光刻柵極:首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然後塗膠，甩膠，甩膠轉速為2000轉/min，之後再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再對樣品增強型器件的柵極區域進行光刻和顯影；
[0085](Ilb)柵金屬蒸發:採用電子束蒸發臺蒸發柵金屬，柵金屬自下而上為Ni/Au，並對其進行剝離。
[0086]步驟12，採用PECVD工藝在樣片B上沉積保護SiN層，並在保護SiN層上光刻金屬互聯開孔區，再刻蝕金屬互聯開孔區。
[0087](12a)保護SiN層沉積:用等離子增強化學汽相沉積(PECVD)在樣品表面沉積一層2000A的SiN，沉積條件為:2%SiH4/N2流量為200sccm，NH3流量為3sccm，He流量為
900sccm，壓強為900mT，溫度為300°C，功率為25W，沉積時間為30min。
[0088](12b)光刻金屬互聯開孔區:首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然後塗膠，甩膠，甩膠轉速為2000轉/min，之後再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再光刻金屬互聯開孔區圖形；
[0089](12c)刻蝕金屬互聯開孔區:對金屬互聯開孔區進行刻蝕，刻蝕條件為=CF4流量為20sccm，壓力為10mT，射頻功率為25OW ；
[0090]步驟13，在保護SiN層上光刻互聯金屬區及蒸發互聯金屬。
[0091](13a)光刻互聯金屬區:首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然後塗膠，甩膠，甩膠轉速為2000轉/min，之後再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再對樣品互聯金屬區進行光刻和顯影；
[0092](13b)互聯金屬蒸發:採用電子束蒸發臺蒸發互聯金屬，互聯金屬自下而上為Ni/Au,並對其進行剝離，完成器件製作。[0093]實施例二
[0094]在SiC 襯底上製作 GaN/AlGaN/AlN/GaN(2nm/5nm/l.5nm/l μ m)超薄勢壘增強 / 耗盡模式(E/D-mode)反相器，步驟如下:
[0095]步驟1，在SiC襯底基片上，利用MOCVD工藝，生長AlN成核層。
[0096]將SiC襯底放入金屬有機化學氣相沉積MOCVD設備的反應室中，當反應室的真空度降至I X KT2Torr後，在氫氣與氨氣的混合氣體保護下對SiC襯底進行高溫熱處理和表面氮化，加熱溫度為1050°C，加熱時間為5min，反應時壓力保持在40Torr。通入氨氣流量為1500sccm,氧氣流量為 1500sccm ;
[0097]將襯底溫度降至900°C，生長厚度為20nmAlN成核層。反應時壓力保持在40Torr，氨氣流量為1500sccm，氫氣流量為1500sccm，同時向反應室通入鋁源。
[0098]步驟2，在AlN成核層上，生長I μ m厚的GaN緩衝層。
[0099]在MOCVD設備中分別設置生長溫度為900°C、生長厚度為100nm的GaN緩衝層、生長壓力為40Torr、氨氣流量為1500sCCm和氫氣流量為1500sCCm的工藝參數，同時向反應室通入鎵源；
[0100]步驟3，在GaN緩衝層上，生長1.5nm厚的AlN插入層。
[0101]在MOCVD設備中分別設置生長溫度為900°C、生長厚度為1.5nm的AlN插入層、生長壓力為40Torr、氨氣流量為1500sCCm和氫氣流量為1500sCCm的工藝參數，同時向反應室通入鋁源；
[0102]步驟4,在AlN插入層上，生長5nm厚的Ala3Gaa7N勢魚層。
[0103]在MOCVD設備中分別設置生長溫度為900°C、生長厚度為5nm的Ala3Gaa7N勢壘層、生長壓力為40Torr、氨氣流量為1500sCCm和氫氣流量為1500sCCm的工藝參數，同時向反應室通入鋁源和鎵源；
[0104]步驟5，在Al。.3Ga0.7N勢壘層上，生長2nm厚的GaN帽層。
[0105]在MOCVD設備中分別設置生長溫度為900°C、生長厚度為2nm的GaN帽層、生長壓力為40Torr、氨氣流量為1500sccm和氫氣流量為1500sccm的工藝參數，同時向反應室通入鎵源；
[0106]步驟6，在GaN帽層上光刻歐姆接觸區域窗口，並在該歐姆接觸區域窗口上採用電子束蒸發工藝蒸發歐姆接觸金屬，形成負載電阻的歐姆電極及增強型器件的源、漏電極。
[0107](6a)光刻歐姆接觸區域:首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然後塗膠，甩膠，甩膠轉速為2000轉/min，之後再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再對樣品歐姆接觸區進行光刻和顯影；
[0108](6b)蒸發歐姆接觸金屬:採用電子束蒸發臺蒸發歐姆接觸金屬，歐姆接觸金屬自下而上為Ti/Al/Ni/Au，然後再對樣品進行金屬剝離；
[0109](6c)歐姆接觸金屬退火:將樣品放入退火爐中，在900°C的溫度下退火3min。
[0110]步驟7，在GaN帽層上光刻臺面區域，採用RIE工藝刻蝕臺面，得到樣片A。
[0111](7a)光刻臺面:首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然後塗膠，甩膠，甩膠轉速為2000轉/min，之後再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再對樣品臺面區進行光刻和顯影；
[0112](7b)刻蝕臺面:採用RIE工藝對臺面圖形部分進行刻蝕，刻蝕深度為120nm。刻蝕條件為:C12流量為15SCCm，壓力為10mT，射頻功率為100W，刻蝕時間為3min。
[0113]步驟8，在樣片A表面採用PECVD工藝沉積表面SiN層。
[0114]用等離子體增強化學汽相沉積(PECVD)在樣品表面沉積一層600.A的SiN，沉積條件為:2%SiH4/N2流量為200sccm，NH3流量為3sccm，He流量為900sccm，壓強為900mT，溫度為300°C，功率為25W，沉積時間為9min。
[0115]步驟9，在表面SiN層上光刻增強型器件的槽柵區域，採用RIE工藝刻蝕槽柵。
[0116](9a)光刻槽柵:首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然後塗膠，甩膠，甩膠轉速為2000轉/min，之後再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再對增強型器件槽柵進行光刻和顯影；
[0117](9b)刻蝕槽柵:採用RIE工藝對槽柵圖形部分進行刻蝕，刻蝕深度為60nm。刻蝕條件為=CF4流量為20SCCm，壓強為5mT，射頻功率為50W，刻蝕時間為2min。
[0118]步驟10，在表面SiN層及槽柵區域的GaN帽層上沉積柵介質Al2O3層。
[0119]米用原子層沉積(ALD)在樣品表面沉積一層5θΑ的Al2O3,使用TMA (三甲基招)作為Al源,去離子水作為O源,生長溫度為300°C。
[0120]步驟11，在柵介質Al2O3層上光刻增強型器件的柵極區域(增強型器件的柵極區域與槽柵區域位置對應)，並採用電子束蒸發工藝蒸發柵極金屬，得到樣片B。
[0121](Ila)光刻柵極:首 先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然後塗膠，甩膠，甩膠轉速為2000轉/min，之後再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再對樣品增強型器件的柵極區域進行光刻和顯影；
[0122](Ilb)柵金屬蒸發:採用電子束蒸發臺蒸發柵金屬，柵金屬自下而上為Ni/Au，並對其進行剝離。
[0123]步驟12，採用PECVD工藝在樣片B上沉積保護SiN層，並在保護SiN層上光刻金屬互聯開孔區，再刻蝕金屬互聯開孔區。
[0124](12a)保護SiN層沉積:用等離子增強化學汽相沉積(PECVD)在樣品表面沉積一層2000/?的SiN，沉積條件為:2%SiH4/N2流量為200sccm，NH3流量為3sccm，He流量為900sccm，壓強為900mT，溫度為300°C，功率為25W，沉積時間為30min。
[0125](12b)光刻金屬互聯開孔區:首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然後塗膠，甩膠，甩膠轉速為2000轉/min，之後再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再光刻金屬互聯開孔區圖形；
[0126](12c)刻蝕金屬互聯開孔區:對金屬互聯開孔區進行刻蝕，刻蝕條件為=CF4流量為20sccm，壓力為10mT，射頻功率為25OW ；
[0127]步驟13，在保護SiN層上光刻互聯金屬區及蒸發互聯金屬。
[0128](13a)光刻互聯金屬區:首先在溫度為200°C的條件下烘烤樣品5min，然後塗膠，甩膠，甩膠轉速為2000轉/min，之後再在溫度為110°C的條件下烘烤樣品lmin，再對樣品互聯金屬區進行光刻和顯影；
[0129](13b)互聯金屬蒸發:採用電子束蒸發臺蒸發互聯金屬，互聯金屬自下而上為Ni/Au,並對其進行剝離，完成器件製作。
[0130]圖3給出的是本實用新型所述環振基本單元反相器的基本工藝流程圖，由於本實用新型所述環振是由2n+l個相同的反相器級連而成，環振的製造工藝和反相器基本一致，只是版圖設計不同，而反相器的工藝流程可以體現環振的工藝流程，因此為簡便在附圖中只給出了反相器的工藝流程圖。
[0131]本實用新型所述的環振由2n+l個相同的反相器級連而成，根據電路基本知識可知在反相器特性正常的情況下該電路可實現環振功能。本實用新型所述的反相器是利用表面SiN層對薄勢壘異質結溝道電子的調製作用，通過調節器件柵下表面SiN層厚度，在薄勢壘異質結上分別實現增強型器件和負載電阻，並最終將增強型器件和負載電阻集成而成。通過對反向器基本結構進行分析不難得出在增強型器件和負載電阻特性正常的情況下，只要合理設計增強型器件和負載電阻的導通電阻比，便可實現反相器功能。
[0132]採用PECVD工藝製備的表面SiN層對薄勢壘異質結材料溝道電子具有調製作用，圖4顯示了 5nmAlGaN薄勢壘異質結未覆蓋表面SiN和覆蓋表面SiN的材料方塊電阻對比，覆蓋表面SiN層的薄勢壘異質結具有高濃度的溝道電子，而未覆蓋表面SiN層的薄勢壘異質結溝道電子濃度很低。因此如圖3中右側的器件結構，由於器件表面均被SiN覆蓋，異質結溝道中存在高濃度電子，可實現理想的導通電阻。而對於圖3中左側器件結構，由於柵下異質結表面未被SiN覆蓋，器件柵下溝道載流子濃度很低，而柵以外有源區被SiN覆蓋，柵外有源區存在高濃度電子，可實現高性能增強型器件特性。利用表面SiN層的這一特性，發明人已成功製備T型柵超薄勢壘MIS增強型器件，器件採用15nmSiN作為柵介質，實現了
0.8V的正閾值電壓。圖5為器件的直流特性，器件特性正常。本實用新型採用ALD工藝沉積3-5nm的Al2O3作為柵介質，是由於和SiN相比，Al2O3具有更優良的介質特性，同時可減小棚介質厚度，提聞器件的頻率特性，從而提聞反相器、環振的頻率特性。
[0133]通過以上分析及實驗結果，可以得出本實用新型具有較高的可行性。
[0134]本實用新型優勢分析:
[0135]本實用新型利用表面SiN層對薄勢壘異質結溝道方阻的調節作用，通過調節器件表面SiN層厚度可在一圓片上同時實現負載電阻及增強型器件，製備反相器、環振的工藝簡單，易於集成。
[0136]由於本實用新型反相器、環振工藝簡單，無任何引入損傷的工藝步驟(如F等離子體處理、凹槽柵刻蝕)，避免了會引入降低器件可靠性的因素，因此本實用新型反相器、環振和現有案例相比具有較高的可靠性。
[0137]由於薄勢壘器件勢壘層相對較薄，器件的頻率響應相對較快，增強型器件具有較高的頻率特性，因此本實用新型反向器、環振也應具有較高的頻率特性。圖5顯示了發明人所製備的T型柵超薄勢壘MIS增強型器件和方案3中厚勢壘F等離子體處理增強型器件的頻率特性，從圖中可見，方案3中增強型器件特徵頻率fT為10.1GHz，最大振蕩頻率fmax為34.3GHz，方案4中的F等離子體處理MIS增強型器件頻率特性更低，而發明人所製備的T型柵超薄勢壘MIS增強型器件特徵頻率fT為21GHz，最大振蕩頻率fmax為37GHz，和厚勢壘器件相比，薄勢壘器件具有較高的頻率特性，在高頻電路應用中具有更大的潛力。所製備器件採用15nmSiN作為柵介質，已實現較高頻率特性，而本實用新型採用3_5nm的Al2O3作為柵介質，可進一步提高器件及環振的頻率特性。
[0138]由於採用金屬-絕緣層-半導體(MIS)結構，柵介質可有效減小耗盡型器件及增強型器件的柵極正嚮導通電流，增大器件的工作範圍，所集成的反相器可實現較大的噪聲容限，所集成的環振可實現較大的工作範圍。
【權利要求】
1.一種GaN基超薄勢壘增強模式反相器，其特徵在於:該反相器包括依次設置於襯底上的成核層、緩衝層、插入層、勢壘層以及帽層，帽層、勢壘層、插入層以及部分緩衝層被刻蝕形成臺面，臺面將反相器隔離為兩個器件區域，其中一個器件區域的異質結上設置有第一柵電極、第一源電極以及第一漏電極，第一源電極以及第一漏電極直接蒸發在帽層上，第一柵電極位於第一源電極與第一漏電極之間，第一源電極上、第一漏電極上、第一柵電極、第一源電極以及第一漏電極所在位置以外的帽層上及臺面下的緩衝層上設置有表面SiN層，表面SiN層上及第一柵電極處的帽層上設置有柵介質Al2O3層，第一柵電極蒸發在柵介質Al2O3層上，另一個器件區域的異質結上設置有兩個歐姆電極，兩個歐姆電極直接蒸發在帽層上，兩個歐姆電極上、兩個歐姆電極所在位置以外的帽層上及臺面下的緩衝層上設置有表面SiN層，表面SiN層上設置有柵介質Al2O3層，兩個器件區域的柵介質Al2O3層及第一柵電極上設置有保護SiN層，保護SiN層上設置有互聯金屬，互聯金屬和下層各電極對應相連。
2.根據權利要求1所述一種GaN基超薄勢壘增強模式反相器，其特徵在於:所述襯底的材料為藍寶石或SiC，成核層的材料為A1N，緩衝層的材料為GaN，插入層的材料為A1N，勢壘層的材料為Ala3Gaa7N,帽層的材料為GaN。
3.根據權利要求1所述一種GaN基超薄勢壘增強模式反相器，其特徵在於:所述勢壘層的厚度為3-5nm。
4.根據權利要求1所述一種GaN基超薄勢壘增強模式反相器，其特徵在於:所述表面SiN層的厚度為60nm，表面SiN層採用等離子體增強化學汽相沉積工藝形成。
5.根據權利要求1所述一種GaN基超薄勢壘增強模式反相器，其特徵在於:所述柵介質Al2O3層的厚度為3-5nm,柵介質Al2O3層採用原子層沉積工藝形成。
6.一種基於權利要求1所述GaN基超薄勢壘增強模式反相器的環振，其特徵在於；該環振由2n+l個所述反相器級連而成，η為自然數。
7.根據權利要求6所述一種基於GaN基超薄勢壘增強模式反相器的環振，其特徵在於；2η+1個反相器通過互聯金屬集成在同一圓片上。
【文檔編號】H01L21/77GK203826388SQ201420149020
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年3月28日 優先權日:2014年3月28日
【發明者】全思, 楊麗媛, 李演明, 文常保, 閆茂德, 郝躍 申請人:長安大學