介质辅助支撑型纳米栅器件及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米尺寸下T型结构栅器件及其制作方法，主要解决现有T型栅支撑性差的问题。其器件自下而上包括衬底层(1)、成核层(2)、缓冲层(3)和势垒层(4)，势垒层上设有源电极(5)、漏电极(6)和栅电极(7)，栅电极(7)上设有栅帽(8)，栅电极(7)的两边设有介质辅助支撑层(9)，以实现对大面积栅帽(8)的物理支撑。本发明专利技术器件通过原子层淀积high‑k介质，在进一步缩小栅长的基础上，形成T型栅的支撑层，提高了器件的工作频率，同时使得栅极输入电阻和栅漏反馈电容大幅减少，可用于通讯，卫星导航，雷达系统和基站系统中。

Medium auxiliary supporting type nano grid device and manufacturing method thereof

The invention discloses a nanometer size T type structure grid device and a manufacturing method thereof, mainly solving the problem of poor supporting performance of the existing T type grid. The bottom device including a substrate layer (1), a core layer (2), (3) buffer layer and the barrier layer (4), the barrier layer arranged on the active electrode (5) and a drain electrode (6) and a gate electrode, a gate electrode (7) (7) is arranged on the gate cap (8). The gate electrode (7) is arranged on both sides of the dielectric support layer (9), in order to realize the large area grid cap (8) physical support. The invention of devices by atomic layer deposition high K medium, in the basis of further narrow the gate length, supporting layer formed T grid, improve the operating frequency of the device, and the drain feedback capacitance substantially reduced gate input resistance and gate, can be used in communication, satellite navigation, radar system and base station system.

【技术实现步骤摘要】
介质辅助支撑型纳米栅器件及其制作方法
本专利技术属于微电子
，特别涉及一种T型结构纳米栅半导体器件，可用于通讯，卫星导航，雷达系统和基站系统中。
技术介绍
随着科技水平提高，Si、GaAs这些第一、二代半导体材料无法满足更高频率、更高功率电子器件的需求，基于氮化物半导体材料的电子器件则可满足这一要求，大大提高了器件性能，使得以GaN为代表的第三代半导体材料在微波毫米波器件制造中有了广泛的应用。GaN是宽禁带材料，具有电子饱和速度高、击穿场强高、导热性好、抗辐照的特点，且在AlGaN/GaN界面上存在自发极化和压电极化等物理效应，其二维电子气密度高达2×1013cm2。因此GaN基HEMT在微波毫米波频段具有大功率、高效率、宽带宽、低噪声的性能特点。进入21世纪后，由于SiC衬底上GaN异质结外延材料的生长质量和器件的栅、源场板技术的优化，GaN基HEMT在功率密度、大栅宽器件、高效率、毫米波、可靠性等方面取得重要突破。然而，随着工作频率的增加，栅漏之间的反馈电容对器件频率特性的影响日益明显，而随着栅长的减少，T型栅结构越来越难以实现，严重影响了器件的最大振荡频率，成为毫米波器件的发展瓶颈，是当前急需解决的问题。目前，在国内和国际上，主要是采用一些新的材料体系结构、生长方法来提高器件的频率特性，这些方法包括：2010年，SHINOHARAK等人采用AlN/GaN/AlGaN双异质结构的HEMT器件，为了减少欧姆接触电阻，采用再生长n型GaN层，其最大截止频率和最大振荡频率达到220GHz和400GHz。参见文献SHINOHARAK，CORRIONA，REGAND，etal，“FT＝220GHzandFmax＝400GHzin40nmGaNDHHEMTswithgrownOhmic”ProceedingsofIEEEIEDM.Washington，DC，USA.2010：672。2011年，LEE等人报道了近晶格匹配型InAlN/GaNHEMT器件，该型器件减少了由于晶格失配所引起的缺陷对迁移率的影响。器件的栅长为30nm，饱和输出电流为1.57A/mm，最大截止频率达到245GHz。参见文献LEEDS，CHUNGJW，WANGH，etal，“245GHzInAIN/GaNHEMTswithoxygenplasmatreatment”IEEEEDL，2011，32(6):755。综上所述，当前，国际上毫米波GaN基器件的制作都是采用新型的材料异质结构来提高载流子的浓度和迁移率，以此来提高器件的频率特性。但无论是采用AlN/GaN异质结还是InAlN/GaN异质结，均存在以下不足：一是会增加了材料生长的难度，生长出的材料质量难以满足制作器件的要求；二是新的异质结构中的位错和缺陷密度较高，会引发器件电学可靠性的问题；三是当器件栅长小于100nm以后，由于T型栅的支撑性变差，通常会采用I型栅的器件，但I型栅与T型栅相比，又会带来较大的栅极电阻和栅漏寄生电容，使得器件的频率特性变差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述已有技术的缺点，提出一种工艺稳定、可靠性高、重复性好的介质辅助支撑型纳米栅器件及其制作方法，以减少栅极电阻、栅漏寄生电容，提高器件在高频下的频率特性，获得高性能的毫米波器件。为实现上述目的，本专利技术的介质辅助型纳米栅器件，自下而上包括衬底层、成核层、缓冲层和势垒层，势垒层上设有源电极、漏电极和栅电极，栅电极上设有栅帽，其特征在于：在栅电极的两边设有介质辅助支撑层，以实现对大面积栅帽的物理支撑。作为优选，所述介质辅助支撑层的高度为60nm-200nm。作为优选，介质辅助支撑层的宽度为5nm-35nm。作为优选，所述栅帽的宽度为700nm-200nm。为实现上述目的，本专利技术制作介质辅助型纳米栅器件的方法，包括如下步骤：1)在衬底基片上，利用MOCVD设备，依次生长成核层、缓冲层和势垒层；2)在势垒层上采用ICP设备，刻蚀台面至缓冲层；3)在势垒层上光刻出源电极和漏电极图形，采用电子束蒸发工艺，在源电极和漏电极图形区蒸发欧姆接触金属；4)在势垒层涂抹光刻胶并光刻出栅极区域，而后利用ICP设备对光刻图形区域进行干法刻蚀，形成光滑的倒角区；5)在光刻胶和刻蚀形成的倒角区上方利用ALD设备进行低温原子层Al2O3介质的淀积，形成Al2O3介质覆盖层；6)在势垒层涂抹光刻胶并光刻出槽栅区域，利用ICP设备去除槽栅区域下方的Al2O3介质淀积层，形成槽栅；7)采用电子束蒸发工艺，在槽栅区域蒸发栅金属层，形成栅帽层，然后采用剥离工艺去除光刻胶，完成器件的制作。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：1)本专利技术工艺简单，只需要在蒸发栅极金属之前进行低温原子层淀积介质完成辅助支撑层的制作，避免了增加光刻工艺。2)本专利技术由于增加了辅助支撑层，提高了100nm栅长以下T型栅的支撑性。3)本专利技术的辅助支撑层由于采用high-k介质，显著减少了器件的栅极电阻和栅漏寄生电容，大幅改善了器件的频率特性。附图说明图1是本专利技术介质辅助支撑型纳米栅器件的剖面结构示意图；图2是介质辅助支撑型纳米栅器件的制作工艺流程图。具体实施方式参照图1，本专利技术器件的结构包括衬底层1、成核层2、缓冲层3和势垒层4、源电极5、漏电极6、栅电极7、栅帽8和介质辅助支撑层9。其中衬底层1、成核层2、缓冲层3和势垒层4自下而上设置；源电极5、漏电极6和栅电极7分布在势垒层4的表面，且栅电极位于源、漏电极之间；栅帽8位于栅电极7之上；介质辅助支撑层9位于栅电极7的两侧，其与栅电极7共同对栅帽8进行支撑。栅帽8的宽度为700nm-200nm，介质辅助支撑层9的高度为60nm-200nm，介质辅助支撑层9的宽度为5nm-35nm。参考图2，制作本专利技术器件的工艺按照不同设备、不同的实现步骤分别给出如下三种实施例。实施例一，在蓝宝石衬底上制作介质辅助支撑层高度为60nm，宽度为5nm，栅帽宽度为200nm的介质辅助支撑型纳米栅器件。步骤1，在蓝宝石基片上，利用MOCVD工艺，生长AlN成核层。将蓝宝石衬底温度降低为650℃，保持生长压力80Torr，氢气流量为5000sccm，氨气流量为3000sccm，向反应室通入流量为20sccm的铝源，在蓝宝石衬底上生长厚度为10nm的低温AlN层；再将生长温度升高到1050℃，保持生长压力80Torr，氢气流量为5000sccm，氨气流量为3000sccm，向反应室通入流量为20sccm的铝源，在低温AlN成核层上再生长厚度为200nm的高温AlN层；该低温AlN层与高温AlN层共同形成AlN成核层。步骤2，在AlN成核层上，生长GaN缓冲层。将生长温度升高到1050℃，保持生长压力80Torr，氢气流量为5000sccm，氨气流量为3000sccm，向反应室同时通入流量为200sccm的镓源和流量为200sccm的铁源，在成核层上生长厚度为2μm的铁掺杂GaN缓冲层。步骤3，在GaN缓冲层上，生长AlGaN势垒层，形成二维电子气。将生长温度升高到1050℃，保持生长压力80Torr，氢气流量为5000sccm，氨气流量为3000sccm，向反应室同时通入流量为200sccm的镓源和流量为50sccm的铝源，在GaN缓冲层上本文档来自技高网...

【技术保护点】
介质辅助支撑型纳米栅器件，自下而上包括衬底层(1)、成核层(2)、缓冲层(3)和势垒层(4)，势垒层上设有源电极(5)、漏电极(6)和栅电极(7)，栅电极(7)上设有栅帽(8)，其特征在于：在栅电极(7)的两边设有介质辅助支撑层(9)，以实现对大面积栅帽(8)的物理支撑。

【技术特征摘要】
1.介质辅助支撑型纳米栅器件，自下而上包括衬底层(1)、成核层(2)、缓冲层(3)和势垒层(4)，势垒层上设有源电极(5)、漏电极(6)和栅电极(7)，栅电极(7)上设有栅帽(8)，其特征在于：在栅电极(7)的两边设有介质辅助支撑层(9)，以实现对大面积栅帽(8)的物理支撑。2.根据权利要求1所述的介质辅助支撑型纳米栅器件，其特征在于介质辅助支撑层(9)的高度为60nm-200nm。3.根据权利要求1所述的介质辅助支撑型纳米栅器件，其特征在于介质辅助支撑层(9)的宽度为5nm-35nm。4.根据权利要求1所述的介质辅助支撑型纳米栅器件，其特征在于栅帽(8)的宽度为700nm-200nm。5.一种介质辅助支撑型纳米栅器件的制作方法，包括如下步骤：1)在衬底基片上，利用MOCVD设备，依次生长成核层、缓冲层和势垒层；2)在势垒层上采用ICP设备，刻蚀台面至缓冲层；3)在势垒层上光刻出源电极和漏电极图形，采用电子束蒸发工艺，在源电极和漏电极图形区蒸发欧姆接触金属；4)在势垒层涂抹光刻胶并光刻出栅极区域，而后利用ICP设备对光刻图形区域进行干法刻蚀，形成光滑的倒角区；5)在光刻胶和刻蚀形成的倒角区上方利用ALD设备进行低温原子层Al2O3介质的淀积，形成Al2O3介质覆盖层；6)在势垒层涂抹光刻胶并光刻出槽栅区域，利用ICP设备去除槽栅区域下方的Al2O3介质淀积层，形成槽栅；7)采用电子束蒸发工艺，在槽栅区域蒸发栅金属层，形成栅帽层，然后采用剥离工艺去除光刻胶，完成器件的制作。6.根据权利要求5所述的方法，其中步骤1中利用的MOCVD设备，其工艺参数如下：成核层：低温成核温度为500-650℃，生长压力为40-100Torr，氢气流量为1000-5000sccm，氨气流...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨凌，康慨，周小伟，马晓华，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61