一种具有弧形栅电极的氮化镓高频晶体管及制作方法
阅读说明：本技术 一种具有弧形栅电极的氮化镓高频晶体管及制作方法 (Gallium nitride high-frequency transistor with arc-shaped gate electrode and manufacturing method ) 是由 刘志宏 朱肖肖 张进成 王泽宇 郎英杰 周弘 赵胜雷 张雅超 张苇杭 郝跃 于 2020-04-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种具有弧形栅电极的氮化镓高频晶体管及制作方法,包括：晶圆结构；栅电极、源电极和漏电极,所述栅电极、所述源电极和所述漏电极设置于所述晶圆结构上,其中,所述栅电极包括栅脚和设置于所述栅脚上的栅头,所述栅头的体积大于所述栅脚的体积,所述栅头与所述栅脚的连接处为弧形。本发明的晶圆结构为氮化镓高迁移率晶体管外延结构,包括衬底层、复合缓冲区、沟道层和复合势垒区,栅电极采用弧形结构,可提高器件的工作频率、增加器件的击穿电压,使器件具有更低的导通电阻和更高的输出电流。(The invention relates to a gallium nitride high-frequency transistor with an arc-shaped gate electrode and a manufacturing method thereof, wherein the gallium nitride high-frequency transistor comprises the following steps: a wafer structure; the wafer structure comprises a gate electrode, a source electrode and a drain electrode, wherein the gate electrode, the source electrode and the drain electrode are arranged on the wafer structure, the gate electrode comprises a gate pin and a gate head arranged on the gate pin, the volume of the gate head is larger than that of the gate pin, and the joint of the gate head and the gate pin is arc-shaped. The wafer structure is a gallium nitride high-mobility transistor epitaxial structure and comprises a substrate layer, a composite buffer region, a channel layer and a composite barrier region, wherein a gate electrode is of an arc-shaped structure, so that the working frequency of a device can be improved, the breakdown voltage of the device can be increased, and the device has lower on-resistance and higher output current.)
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种具有弧形栅电极的氮化镓高频晶体管及制作方法。
背景技术
随着微电子技术的发展，以氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体材料具有更大的禁带宽度、更高的临界击穿电场、较高的电子饱和漂移速度、稳定的化学性能、以及耐高温和抗辐射等物理特性，利用氮化镓材料制作电子器件可以进一步减少芯片面积、提高工作频率、提高工作温度、降低导通电阻以及提高击穿电压等，氮化镓材料在制备微波器件方面有巨大的潜力。氮化镓以及与氮化镓同一材料体系的铝镓氮、铟铝氮等具有很高的极化系数，氮化镓与比氮化镓禁带宽度大的铝镓氮或铟铝氮形成的异质结构更能够形成二维电子气，在室温下可以获得高于1500cm2/V·s的电子迁移率、高达1.5×10cm7/s的饱和电子速度和高于1×1013cm-2的二维电子气浓度，因此基于氮化镓材料研制的高速肖特基二极管(Schottky Barrier Diode，SBD)和高电子迁移率晶体管(High Electron MobilityTransistor，HEMT)器件能够具有更低的导通电阻和更高的输出电流。另外，氮化镓材料的较高的临界击穿电场强度可以使电子器件具有更高的击穿电压，从而使器件能够在更高的工作电压下工作，拥有更高的微波输出功率密度，跟同等输出功率的硅或者砷化镓微波晶体管相比，氮化镓晶体管具有更高的功率附加效率，从而具有更低的能量损耗。
影响最高振荡频率的重要因素，一个是栅脚长度，一个是栅电极的金属电阻，栅电极的金属电阻与栅极金属的横截面积成反比，也就是说，与栅电极的长度成反比。提高晶体管的工作频率，需要减少栅脚长度，但是，栅脚长度的减少增加了栅电极的金属电阻。目前设计栅电极的形状，以提高氮化镓高频晶体管的工作频率和击穿电压的主要方法有：一、非对称Γ型栅电极，由于处于正常工作状态的晶体管的电压降主要集中于栅极和漏极之间，因此增加T型栅电极的靠近漏端的栅头长度，可以增强其场板效应，有效减小栅电极靠近漏极一侧的电场尖峰强度，从而增加击穿电压。但是，这种方法的缺点是栅头的长度变宽，额外寄生电容变大，从而影响截止频率和最高振荡频率。非对称栅Γ型栅电极的重心偏离，也会使采用双层胶剥离制作方法制作的栅电极更容易倒塌，从而影响栅极的制造良率。栅头宽度的增加也会增加栅漏间距，从而增强器件的漏极接入电阻，影响器件的截止频率、导通电阻和功率附加效率。二、Y型栅电极，为了增加栅头的悬空高度，减小T型栅电极的栅头与微波器件导电沟道之间的寄生电容，并且同时保持T型栅电极的稳定性，栅电极可以制作成Y型结构，即栅头的悬空部分不是水平，而是向上倾斜。Y型栅电极有效降低了T型栅电极带来的高寄生电容。缺点是击穿电压与T型栅相比有所提高，但是栅电极的边沿的电场强度尖峰仍然比较高，击穿电压仍然偏低。因此，大部分高频晶体管都运用一种称为“T型栅”的技术，在栅脚上增加一个栅头，在实现较细的栅脚的同时保持较宽的栅头和较低的栅电极金属电阻。
T型栅的引入也具有一些缺点，较宽的栅头结构会引入额外的寄生电容，从而造成晶体管截止频率和最高振荡频率的下降；为了减小额外的寄生电容，需要增加栅脚的高度，这样会造成栅电极的不稳和容易塌倒。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具有弧形栅电极的氮化镓高频晶体管及制作方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种具有弧形栅电极的氮化镓高频晶体管，包括：
晶圆结构；
栅电极、源电极和漏电极，所述栅电极、所述源电极和所述漏电极设置于所述晶圆结构上，其中，所述栅电极包括栅脚和设置于所述栅脚上的栅头，所述栅头的体积大于所述栅脚的体积，所述栅头与所述栅脚的连接处为弧形。
在本发明的一个实施例中，所述栅头顶面至所述栅头底面的横截面积逐渐减小，且所述栅头的侧面为弧形。
在本发明的一个实施例中，所述栅头顶面与所述栅头的连接处为弧形。
在本发明的一个实施例中，所述栅脚顶面至所述栅脚底面的横截面积逐渐减小，且所述栅脚的侧面为弧形。
在本发明的一个实施例中，所述栅头的高度大于等于所述栅脚的高度。
在本发明的一个实施例中，所述栅脚的高度为10nm～300nm。
在本发明的一个实施例中，所述栅头的高度为10nm～800nm。
在本发明的一个实施例中，所述栅电极的材料为镍/金、钛/金或氧化物/镍/金其中之一。
在本发明的一个实施例中，所述源电极的材料为钛/铝/任意金属/金、钛/任意金属或钽/任意金属其中之一，所述漏电极的材料为钛/铝/任意金属/金、钛/任意金属或钽/任意金属其中之一。
一种具有弧形栅电极的氮化镓高频晶体管的制作方法，包括：
在晶圆结构(1)上制作源电极(3)和漏电极(4)；
在所述晶圆结构(1)上涂布第一电子束光刻胶(1a)；
在所述第一电子束光刻胶(1a)上涂布第二电子束光刻胶(1b)，所述第二电子束光刻胶(1b)的光敏度大于所述第一电子束光刻胶(1a)；
对涂布有所述第一电子束光刻胶(1a)和所述第二电子束光刻胶(1b)的所述晶圆结构(1)进行两次曝光、显影、烘烤，在所述第一电子束光刻胶(1a)和所述第二电子束光刻胶(1b)上形成栅电极结构(1c)；
在所述栅电极结构(1c)中淀积栅电极材料；
剥离所述第一电子束光刻胶(1a)和所述第二电子束光刻胶(1b)得到栅电极(2)，所述栅电极(2)包括栅脚(21)和设置于所述栅脚(21)上的栅头(22)，所述栅头(22)的体积大于所述栅脚(21)的体积，所述栅头(22)与所述栅脚(21)的连接处为弧形。
本发明的有益效果：
本发明包括晶圆结构、栅电极、源电极和漏电极，栅电极、源电极和漏电极都设置在晶圆结构上，栅电极包括栅头和栅脚，栅头设置在栅脚上，栅头的体积大于栅脚的体积，栅头和栅脚的连接处为弧形，本发明栅电极的弧形结构设计可避免过高的寄生电容，同时提高晶体管的工作频率、增加晶体管的击穿电压，使晶体管具有更低的导通电阻和更高的输出电流。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种具有弧形栅电极的氮化镓高频晶体管的剖面示意图；
图2是本发明实施例提供的一种具有弧形栅电极的氮化镓高频晶体管的栅电极的剖面示意图；
图3是本发明实施例提供的一种具有弧形栅电极的氮化镓高频晶体管的晶圆结构的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种具有弧形栅电极的氮化镓高频晶体管的晶圆结构的结构示意图；
图5a～图5h是本发明实施例提供的一种具有弧形栅电极的氮化镓高频晶体管的晶圆结构的制作方法示意图；
图6～图13是本发明实施例提供的一种具有弧形栅电极的氮化镓高频晶体管的栅电极的制作方法示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1～图4，图1是本发明实施例提供的一种具有弧形栅电极的氮化镓高频晶体管的剖面示意图，图2是本发明实施例提供的一种具有弧形栅电极的氮化镓高频晶体管的栅电极的剖面示意图，图3是本发明实施例提供的一种具有弧形栅电极的氮化镓高频晶体管的晶圆结构的结构示意图，图4是本发明实施例提供的另一种具有弧形栅电极的氮化镓高频晶体管的晶圆结构的结构示意图。该结构包括：
晶圆结构1；
栅电极2、源电极3和漏电极4，所述栅电极2、所述源电极3和所述漏电极4设置于所述晶圆结构1上，其中，所述栅电极2包括栅脚21和设置于所述栅脚21上的栅头22，所述栅头22的体积大于所述栅脚21的体积，所述栅头22与所述栅脚21的连接处为弧形。
进一步地，所述栅头22顶面至所述栅头22底面的横截面积逐渐减小，且所述栅头22的侧面为弧形。
进一步地，所述栅头22顶面与所述栅头22的连接处为弧形。
进一步地，所述栅脚21顶面至所述栅脚21底面的横截面积逐渐减小，且所述栅脚21的侧面为弧形。
进一步地，所述栅头22的高度大于等于所述栅脚21的高度。
进一步地，所述栅脚21的高度为10nm～300nm。
进一步地，所述栅头22的高度为10nm～800nm。
进一步地，所述栅电极2的材料为镍/金、钛/金或氧化物/镍/金其中之一。
进一步地，所述源电极3的材料为钛/铝/任意金属/金、钛/任意金属或钽/任意金属其中之一，所述漏电极4的材料为钛/铝/任意金属/金、钛/任意金属或钽/任意金属其中之一。
本发明的栅电极2、源电极3和漏电极4设置于晶圆结构1上，栅电极2包括栅头22和栅脚21，栅头22设置在栅脚21上，栅头22的体积大于栅脚21的体积。栅电极2的结构为弧形结构，具体地，栅头22和栅脚21的连接处为弧形，栅头22顶面与栅头22的连接处为弧形，栅头22和栅脚21的侧面均为弧形，栅头22的体积大于栅脚21，栅头22顶面至栅头22底面的横截面积逐渐减小，栅脚21顶面至栅脚21底面的横截面积逐渐减小，且栅头22的高度h1大于等于栅脚21的高度h2，栅脚的高度h2为10nm～300nm，栅头的高度h1为10nm～800nm。栅电极2的材料为镍/金、钛/金或氧化物/镍/金其中之一，每种材料中的金属层按照自下而上的顺序依次布置。源电极3的材料为钛/铝/任意金属/金、钛/任意金属或钽/任意金属其中之一，每种材料中的金属层按照自下而上的顺序依次布置，高度为10nm～800nm。漏电极4的材料为钛/铝/任意金属/金、钛/任意金属或钽/任意金属其中之一，每种材料中的金属层按照自下而上的顺序依次布置，高度为10nm～800nm。
优选地，栅电极2的材料为镍/金，先淀积镍，生长厚度为50nm，后淀积金，生长厚度为300nm，栅脚21的高度h2为50nm，栅头22的高度h1为300nm；源电极3的材料为钛/铝/镍/金，淀积顺序自下而上依次为钛、铝、镍、金，每层金属的生长厚度依次为20nm、120nm、40nm、50nm；漏电极4的材料为钛/铝/镍/金，淀积顺序自下而上依次为钛、铝、镍、金，每层金属的生长厚度依次为20nm、120nm、40nm、50nm。
氮化镓高频晶体管的主要性能指标包括输出电流、最高振荡频率和击穿电压等，体现晶体管高频放大性能的一个重要指标是最高振荡频率，最高振荡频率越高，在特定频率下的晶体管的增益越高。栅电极2的栅脚21长度和金属电阻是影响最高振荡频率的重要因素，栅电极2的金属电阻与栅极金属的横截面积成反比，即与栅电极2的长度成反比，而本发明栅电极2的弧形结构，可提高晶体管的工作频率、增加器件的击穿电压，使晶体管具有更低的导通电阻和更高的输出电流。
本发明的晶圆结构1为氮化镓高迁移率晶体管外延结构，此结构为现有技术。晶圆结构1包括：衬底层11；复合缓冲区12，设置于所述衬底层11上；沟道层13，设置于所述复合缓冲区12上；复合势垒区14，设置于所述沟道层13上。
衬底层11的材料为高阻硅，掺杂类型为N型或P型，电阻率为3000Ω.cm～30000Ω.cm，晶向为<111>，衬底层11的材料还可以为半绝缘碳化硅、半绝缘蓝宝石、半绝缘金刚石或半绝缘氮化铝。晶圆结构1还包括成核层110，成核层110设置于衬底层11上，材料为氮化铝，其生长厚度为200nm。
复合缓冲区12包括过渡区和核心缓冲区，同时还可以包括背势垒层，核心缓冲区设置于过渡区上，背势垒层设置于核心缓冲区上，核心缓冲区的材料为III族氮化物。过渡区由多层不同组成成分的过渡层121组成，每层过渡层121的材料都为铝镓氮，过渡区还可以包括超晶格层122或超晶格过渡层123，其材料为氮化铝/氮化镓，先生长氮化铝，后生长氮化镓。核心缓冲区的材料为氮化镓、铝镓氮或氮化铝，核心缓冲区还包括缓冲层124，材料为氮化镓，生长厚度为1μm。背势垒层的材料为铝镓氮、铟镓氮或氮化铝，生长厚度＞1nm。
沟道层13设置于复合缓冲区12上，其材料为氮化镓、铟镓氮或铝镓氮，生长厚度＞10nm。
复合势垒区14设置于沟道层13上，包括核心势垒层141，还可包括隔离层142或帽层143，帽层143设置于核心势垒层141上，核心势垒层141设置于隔离层142上。核心势垒层141的材料为铝镓氮，铝的成分为0.2～0.4，生长厚度为10nm～30nm；核心势垒层141的材料还可为铟铝氮，铟的组分为0.1～0.2，生长厚度为5nm～30nm；核心势垒层141的材料还可为氮化铝，生长厚度为2nm～10nm。隔离层142的材料为氮化铝，生长厚度为0.5nm～1.5nm。帽层143的材料为氮化镓，生长厚度为1nm～3nm；帽层143的材料还可为氮化硅，生长厚度为1nm～10nm。在沟道层13与复合势垒区14的界面处形成二维电子气，可作为晶体管的导电沟道。
优选地，衬底层11的材料为高阻硅，阻值5000Ω.cm，晶向为<111>，尺寸为8寸，厚度为725μm；成核层110的材料为氮化铝，厚度为200nm；超晶格过渡层123的材料为氮化铝/氮化镓，厚度为1μm；缓冲层124的材料为氮化镓，为铁掺杂，厚度1μm；沟道层13的材料为氮化镓，厚度为300nm；隔离层142的材料为氮化铝，厚度为1nm；背势垒层的材料为铝镓氮，铝组分为0.25，厚度为20nm；帽层143的材料为氮化镓，厚度为3nm。
请参见图5a～图5h，图5a～图5h是本发明实施例提供的一种具有弧形栅电极的氮化镓高频晶体管的晶圆结构的制作方法示意图。晶圆结构1的制备方法为：
S11、采用MOCVD设备与技术，在衬底层11上生长厚度为200nm的成核层110，衬底层11的材料为高阻硅，成核层110的材料为氮化铝；
S12、在成核层110上生长厚度为1μm的超晶格过渡层123，超晶格过渡层123的材料为氮化铝/氮化镓；
S13、在超晶格过渡层123上生长厚度为1μm的缓冲层124，缓冲层124的材料为氮化镓；
S14、在缓冲层124上生长厚度为300nm的沟道层13，沟道层13的材料为氮化镓；
S15、在沟道层13上生长1nm的隔离层142，隔离层142的材料为氮化铝；
S16、在隔离层142上生长20nm的核心势垒层141，核心势垒层141的材料为氮化镓；
S17、在核心势垒层141上生长3nm的帽层143，帽层143的材料为氮化镓。
MOCVD淀积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)是在气相外延生长的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。它以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长原材料，以热分解反应方式在衬底层上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。
实施例二
请参见图6～图13，图6～图13是本发明实施例提供的一种具有弧形栅电极的氮化镓高频晶体管的栅电极的制作方法示意图。该方法包括：
S21、在晶圆结构1上制作源电极3和漏电极4。
采用剥离工艺制作源电极3和漏电极4，剥离工艺为现有技术，源电极3和漏电极4的材料均为钛/铝/镍/金，淀积顺序依次为钛、铝、镍、金，每层金属的厚度依次为20nm、120nm、40nm、50nm，退火温度为825℃，时间为30s。
S22、在所述晶圆结构1上涂布第一电子束光刻胶1a；
第一电子束光刻胶1a的材料为PMMA，厚度为100nm。
S23、在所述第一电子束光刻胶1a上涂布第二电子束光刻胶1b，所述第二电子束光刻胶1b的光敏度大于所述第一电子束光刻胶1a；
第二电子束光刻胶1b的材料为P(MMA-MAA)，厚度为600nm，第二电子束光刻胶1b的涂布厚度大于第一电子束光刻胶1a，且第二电子束光刻胶1b的光敏度大于第一电子束光刻胶1a。
S24、对涂布有所述第一电子束光刻胶1a和所述第二电子束光刻胶1b的所述晶圆结构1进行两次曝光、显影、烘烤，在所述第一电子束光刻胶1a和所述第二电子束光刻胶1b上形成栅电极结构1c；
采用电子束光刻设备对涂布有第一电子束光刻胶1a和第二电子束光刻胶1b的晶圆结构1进行两次曝光处理，第一次曝光时，电子束的电压为100kV、电子束的电流为0.2nA、曝光区域宽度为80nm、剂量为1000C/cm-2，第一电子束光刻胶1a和第二电子束光刻胶1b在80nm宽度的曝光区域均发生分解反应；第二次曝光时，电子束的电压100kV、电子束的电流1nA、曝光区域宽度500nm、剂量200C/cm-2，第二电子束光刻胶1b在500nm宽度的曝光区域发生分解反应。
然后进行显影处理，显影液配比为MIBK：IPA＝1：3、显影时间为1m，用显影液溶解曝光的第一电子束光刻胶1a和第二电子束光刻胶1b，得到T型凹槽；
最后进行烘烤处理，烘烤温度为200℃、距离30m，将进行显影处理后为T型凹槽的第一电子束光刻胶1a和第二电子束光刻胶1b进行软化，得到弧形结构。
经过两次曝光、显影、烘烤后的第一电子束光刻胶1a和第二电子束光刻胶1b得到弧形凹槽，第一电子束光刻胶1a中的凹槽部分形成栅脚21，第二电子束光刻胶1b中的凹槽部分形成栅头22。
S25、在所述栅电极结构1c中淀积栅电极材料淀积；
在进行烘烤后的第一电子束光刻胶1a和第二电子束光刻胶1b的弧形凹槽中淀积栅电极材料，栅电极2的材料为镍/金、钛/金或氧化物/镍/金其中之一，每种材料中的金属层按照自下而上的顺序依次布置。优选地，栅电极2的材料为镍/金，先淀积镍，生长厚度为50nm，后淀积金，生长厚度为300nm，得到栅电极结构1c，栅头22高度h1为300nm，栅脚21高度h2为50nm。
S26、剥离所述第一电子束光刻胶1a和所述第二电子束光刻胶1b得到栅电极2，所述栅电极2包括栅脚21和设置于所述栅脚21上的栅头22，所述栅头22的体积大于所述栅脚21的体积，所述栅头22与所述栅脚21的连接处为弧形；
栅电极材料淀积完成后，剥离栅电极材料外的第一电子束光刻胶1a和第二电子束光刻胶1b，得到栅电极2，栅电极2包括栅脚21和设置于栅脚21上的栅头22，栅头22的体积大于栅脚21的体积，栅头22与栅脚21的连接处为弧形。
S26、在所述晶圆结构1上制作源电极3和漏电极4。
采用剥离工艺制作源电极3和漏电极4，剥离工艺为现有技术，源电极3和漏电极4的材料均为钛/铝/镍/金，淀积顺序依次为钛、铝、镍、金，每层金属的厚度依次为20nm、120nm、40nm、50nm，退火温度为825℃，时间为30s。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。