[发明专利]一种制造变异势垒氮化镓场效应管的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体器件的制造方法，尤其是一种变异势垒氮化镓场效应管的制造方法，具体地说是一种制造低栅流高可靠氮化镓场效应晶体管的方法。属于半导体器件技术领域。

背景技术

AlGaN/GaN异质界面上的强极化电荷和大能带带阶产生高密度的二维电子气，使GaN场效应管的输出功率比GaAs场效应管提高了一个数量级。但是，大量实验研究发现，这种大功率场效应管的稳定性很差。在大功率射频工作中出现大的正向栅压，产生大正向栅流，引起肖特基势垒退化。此外，沟道中在栅靠漏一侧的边缘处出现强电场峰，它产生的高能热电子跃出沟道外，引起电流崩塌。高能电子撞击势垒层，产生晶格缺陷，进而俘获沟道中的电子导致器件性能退化。功率越大，正向栅流越大，沟道电场和热电子能量越高，器件的性能退化就越显著。

器件工作时的栅流和沟道中的强场峰都取决于异质结构。设计制作高而宽的势垒能抑制隧穿电流和热离子发射电流。但是源电极和漏电极上的欧姆接触又要求减薄势垒增大隧穿电流来降低接触电阻。许多作者使用挖槽工艺来减薄栅电极下的势垒层厚度，使夹断电压正移，弱化沟道中的强场峰。但是，挖槽减薄了势垒层厚度，又使栅流增大而导致可靠性变差。许多作者制作MOS或MIS结构来降低栅流。但是这些介质层增大了栅电极与沟道间的距离，降低了跨导和夹断电压，增强了沟道夹断时的电场，所产生的高能热电子跃出沟道，导致电流崩塌和器件性能退化。这些相互矛盾的要求大大增加了优化设计器件异质结构的难度。

发明内容

本发明的目的旨在解决上述矛盾，给出一种既能抑制栅流又能减弱沟道中的强场峰的制造变异势垒氮化镓场效应管的方法。栅电流分成两部分。一部分是金属电子隧穿势垒达到沟道层或者由热离子发射跨越势垒达到沟道层引起的。增加势垒宽度可以抑制隧穿电流，提高势垒高度可以减弱热离子发射。势垒高度和宽度可以利用氮化物中特有的极化电荷来剪裁。在AlGaN势垒层上生长适当厚度的GaN帽层，GaN/AlGaN异质界面上的负极化电荷抬高了表面能带，既提高了势垒高度，又增大了势垒宽度。自洽求解薛定谔方程和泊松方程发现，能带剪裁的力度依赖于GaN帽层的厚度。帽层越厚，势垒越高，宽度越大，沟道中的电子气密度越低。从而可以通过理论计算来进行优化设计。然而器件的源和漏电极又要求形成低阻欧姆接触，希望减薄势垒来增大隧穿电流。因此，必须针对两种接触设计出不同的势垒结构。另一部分栅流是由金属电子横向隧穿到势垒层表面，由跳跃式电导产生的。适当腐蚀势垒层表面，截断这一通路，就能减弱这一部分栅流。

当沟道被夹断时，栅下的沟道被耗尽，而栅外的沟道还未耗尽。这两部分沟道间形成间巨大的电导率落差。为了保持沟道电流的连续，必然在其交界处形成一个强电场峰。沟道电场的分布取决于栅电压、漏电压和电子气密度。在同样的漏电压下，电子气密度越高，沟道就必须在更负的栅压下夹断，既增强了沟道耗尽时的电场强度，又加大了耗尽沟道与未耗尽沟道间的电导率落差，增强了强场峰。使用挖槽等方法来减薄势垒增大跨导，设置背势垒改善沟道的夹断特性，使夹断电压正移，减弱了沟道夹断时的电场强度，就能弱化沟道中的强场峰。挖槽还降低了栅电极下沟道中的电子气密度，减少耗尽沟道与未耗尽沟道间的电导率差，弱化强场峰。能带和电场的二维设计及大量实验证明，改变从栅电极到漏电极的异质结构，使沟道电子气密度从栅到漏逐渐升高可以减弱强场峰和降低串联电阻，改善器件射频工作性能和提高稳定性。

本发明的技术解决方案：一种制造低栅流高可靠氮化镓场效应管的方法，其特征是该方法的工艺步骤分为，

(1)在衬底上生长成核层，AlGaN缓冲层和GaN沟道层，再生长AlN隔离层和AlGaN势垒层，使沟道中产生高电子气密度；

(2)在AlGaN势垒层上覆盖厚GaN帽层来提高势垒高度，增加势垒宽度，抑制栅流和降低沟道电子气密度，构成异质结材料结构：

(3)用氯基电感耦合等离子体干式腐蚀工艺减薄除栅电极下GaN帽层以外的GaN帽层，截断栅电极上电子横向隧穿到GaN帽层的通路，降低栅流。栅下以外的GaN帽层，截断栅电极上电子横向隧穿到GaN帽层的通路，降低栅流；

(4)利用减薄的GaN帽层来提高下面沟道中的电子气密度，减小沟道夹断时栅下沟道同减薄的GaN帽层下沟道间的电导率差，弱化强场峰；

(5)再光刻开窗腐蚀完除栅下GaN帽层和减薄的GaN帽层以外的GaN帽层，提高电子气密度，在腐蚀出的AlGaN势垒层上制作源电极和漏电极，利用薄势垒和高电子气密度降低欧姆接触电阻；