阅读说明：本技术 一种基于GaN的鳍式场效应晶体管器件及其制造方法 (GaN-based fin field effect transistor device and manufacturing method thereof ) 是由 马晓华 何皓 张鹏 张濛 吕玲 于 2019-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于GaN的鳍式场效应晶体管器件及其制造方法。所述器件,包括依次设置的衬底、缓冲层、势垒层、钝化层,其中：所述势垒层上一端设置有源极、另一端设置有漏极；所述钝化层设置在所述源极和所述漏极之间的势垒层上；所述钝化层中部设置有开口；所述开口对应的势垒层区域中设置有多个凹槽；相邻凹槽之间设置有鳍片；所述钝化层上设置有T型栅极,所述T型栅极覆盖所述凹槽以及所述鳍片；所述凹槽的长度与所述T型栅极底部的长度相等；所述鳍片的厚度与所述凹槽的深度相等；所述凹槽远离所述钝化层部分的宽度大于靠近所述钝化层部分的宽度。(The invention provides a GaN-based fin field effect transistor device and a manufacturing method thereof. The device comprises a substrate, a buffer layer, a barrier layer and a passivation layer which are sequentially arranged, wherein: a source electrode is arranged at one end of the barrier layer, and a drain electrode is arranged at the other end of the barrier layer; the passivation layer is arranged on the barrier layer between the source electrode and the drain electrode; an opening is formed in the middle of the passivation layer; a plurality of grooves are formed in the region of the barrier layer corresponding to the opening; fins are arranged between the adjacent grooves; a T-shaped grid is arranged on the passivation layer and covers the groove and the fins; the length of the groove is equal to that of the bottom of the T-shaped grid; the thickness of the fin is equal to the depth of the groove; the width of the groove far away from the passivation layer part is larger than that of the groove near the passivation layer part.)

一种基于GaN的鳍式场效应晶体管器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种基于GaN的鳍式场效应晶体管器件及其制造方法。

背景技术

GaN(氮化镓)作为一种具有宽频带、高饱和速度等物理性能的半导体电子材料，在高温、高速、大功率电子领域被广泛关注。基于GaN材料的AlGaN(铝镓氮)/GaN HEMTs(高电子迁移率晶体管)以其高浓度的二维电子气、高的电子迁移率和出色的击穿场强在微波功率器件领域具有非常好的前景。而随着器件尺寸的减小，短沟道效应越来越显著，造成器件性能恶化。而鳍栅场效应管(FinFET)通过三个方向对器件沟道进行控制，改善了短沟道效应。

跨导g_m反映了栅对沟道电流的控制能力，实际器件中源电阻R_s会使施加在栅源间的有效电压下降，会影响饱和区跨导g_m，进而影响器件的线性度。实测跨导满足g_m＝g_m*/(1+R_s·g_m)，其中g_m为本征跨导。

2013年，Dong Seup Lee等人研究了R_s对器件跨导的调制造用。研究发现，采用更宽的源沟道区域结构可以降低该区域电场强度，从而缓解随着器件输出电流增大时源电阻增大的情况，进而提高了器件的线性度(参见Dong Seup Lee Nanowire Channel InAlN/GaN HEMTs With High Linearity of gm and fT IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,VOL.34,NO.8,AUGUST 2013)。

中国专利公开(公开号CN106684141A)了一种具有高线性度的GaN鳍式高电子迁移率晶体管。该器件在势垒层上方设有钝化层，在钝化层中设有凹槽，其仅对凹槽区域的势垒层和缓冲层进行刻蚀形成周期性排列的GaN基三维鳍片，相邻的鳍片之间设有刻蚀形成的隔离槽。其特征在于GaN基三维鳍片完全被栅金属包围，同时采用了T型栅结构。该器件栅控能力好，线性度较高，但该器件的三维鳍片为常规的矩形结构，因此器件依然有进一步优化，提高线性度的空间。

当前GaN基FinFET器件的一大问题依然是线性度不足，这限制了其进一步应用；而在GaN基Fin结构器件工艺逐渐成熟的情况下，工艺的改进对性能改进的空间已经越来越小，需要从结构方面进行改进以进一步提升其线性度。

发明内容

因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出了一种基于GaN的鳍式场效应晶体管器件，包括依次设置的衬底、缓冲层、势垒层、钝化层，其中：

所述势垒层上一端设置有源极、另一端设置有漏极；

所述钝化层设置在所述源极和所述漏极之间的势垒层上；所述钝化层中部设置有开口；

所述开口对应的势垒层区域中设置有至少两个凹槽；相邻凹槽之间设置有鳍片；

所述钝化层上设置有T型栅极，所述T型栅极覆盖所述凹槽以及所述鳍片；所述凹槽的长度与所述T型栅极底部的长度相等；所述鳍片的厚度与所述凹槽的深度相等；

所述凹槽远离所述钝化层部分的宽度大于靠近所述钝化层部分的宽度。

可选的，所述凹槽横截面包括矩形区域和两个等腰三角形区域，所述等腰三角形区域分别位于所述矩形区域的靠近源端一边外侧和靠近漏端一边外侧；

外侧，所述凹槽的长度为所述等腰三角形顶点之间的距离。

可选的，相2邻所述凹槽之间的最小距离不小于100nm。

同时，本发明还提供一种基于GaN的鳍式场效应晶体管器件的制造方法，包括：

在GaN异质结材料表面制备源级和漏极；

在源极和漏极之间的势垒层上制备钝化层；

刻蚀所述钝化层，使得所述钝化层上形成矩形开口；

按照预设形状，在所述GaN基异质结层的势垒层上光刻、刻蚀多个凹槽，在相邻所述凹槽之间形成鳍片；

制备T型栅极；所述T型栅极覆盖所述凹槽以及所述鳍片；

所述凹槽的长度与所述T型栅极底部的长度相等；所述鳍片的厚度与所述凹槽的深度相等。

可选的，所述在GaN异质结材料表面制备源级和漏极的步骤包括：

在GaN异质结材料平面上光刻源漏图形并沉积源漏金属，随后在氮气氛中进行退火制备源级和漏极。

可选的，所述在源极和漏极之间的势垒层上制备钝化层的步骤包括：

通过PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学的气相沉积法)淀积技术在异质结材料的势垒层表面生长SiN钝化层。

可选的，所述刻蚀所述钝化层，使得所述钝化层上形成矩形开口的步骤具体包括：

在所述钝化层表面，通过光刻技术形成鳍片的光刻胶图形；所述光刻技术采用氟基气体作为刻蚀的工艺气体；

采用感应耦合等离子体刻蚀技术或反应离子刻蚀技术刻蚀掉所述钝化层，其中没有光刻胶掩蔽的钝化层表面被刻蚀掉，形成所述开口。

可选的，所述按照预设形状，在所述GaN基异质结层的势垒层和上光刻、刻蚀至少两个凹槽，在相邻所述凹槽之间形成鳍片的步骤包括：

采用Cl基气体作为刻蚀的工艺气体，继续刻蚀所述开口处露出的GaN基异质结层的势垒层和缓冲层，形成凹槽，在相邻凹槽之间形成鳍片结构；

所述凹槽远离所述钝化层部分的宽度大于靠近所述钝化层部分的宽度。

可选的，所述制备T型栅极的步骤具体包括：

采用F基气体作为刻蚀的工艺气体，在所述鳍片和所述势垒层上，栅位置处通过感应耦合等离子体刻蚀技术或反应离子刻蚀技术进行刻蚀，形成栅图形，并刻蚀掉未被光刻胶掩蔽钝化层；

在栅位置光刻栅图形，并在所述钝化层整个表面进行金属蒸发，然后剥离掉光刻胶，形成所述T型栅极。

本发明实施例提供的基于GaN的鳍式场效应晶体管器件，由于凹槽为中间宽度大于两边，因此鳍片为中间窄两边宽，鳍片到通道的交接区域的宽度为渐变的，使通道区域靠近鳍片位置处的电场分布更均匀，降低了该位置的电场强度，降低了通道区域的电阻，进而提高了器件的线性度。

附图说明

下面将结合附图，对本发明的

具体实施方式

进行详细的说明。

图1为本发明实施例提供的基于GaN的鳍式场效应晶体管器件结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于GaN的鳍式场效应晶体管器件凹槽截面示意图；

图3为本发明实施例提供的基于GaN的鳍式场效应晶体管器件制造方法流程示意图的示意图；

图4A-4E为本发明实施例提供的基于GaN的鳍式场效应晶体管器件制造方法工艺流程的不同步骤中产品结构示意图；

图5为本发明实施例提供的基于GaN的鳍式场效应晶体管器件和现有技术中常规场效应晶体管器件鳍片结构对比示意图；

图6为本发明实施例提供的基于GaN的鳍式场效应晶体管器件和现有技术中常规鳍式场效应晶体管器件鳍片与源通道区域交界处的电场强度对比仿真结果图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明首先提供一种基于GaN的鳍式场效应晶体管器件，其结构如图1所示，包括依次设置的衬底101、缓冲层102、势垒层103、钝化层104，其中：

所述势垒层103上一端设置有源极105、另一端设置有漏极106；

所述钝化层104设置在所述源极105和所述漏极106之间的势垒层103上；所述钝化层104中部设置有开口；

所述开口对应的势垒层103区域中设置有多个凹槽107；相邻凹槽107之间设置有鳍片108；

所述钝化层104上设置有T型栅极109，所述T型栅极109覆盖所述凹槽107以及所述鳍片108；所述凹槽107的长度与所述T型栅极109底部的长度相等；所述鳍片108的厚度与所述凹槽107的深度相等；

所述凹槽107远离所述钝化层104部分的宽度大于靠近所述钝化层104部分的宽度。

常规的矩形鳍片结构的鳍片与通道交接区域在宽度上是突变的，通过仿真分析，我们发现该通道区域在靠近鳍片位置处局部电场强度很大，造成该区域平均电场强度较大增大了通道区域的电阻。

本发明实施例提供的基于GaN的鳍式场效应晶体管器件，由于凹槽为中间宽度大于两边，因此鳍片为中间窄两边宽，鳍片到通道的交接区域的宽度为渐变的，使通道区域靠近鳍片位置处的电场分布更均匀，降低了该位置的电场强度，降低了通道区域的电阻，进而提高了器件的线性度。

在本发明一些实施例中，如图2所示，所述凹槽201横截面包括矩形区域202和两个等腰三角形区域203，所述等腰三角形区域203分别位于所述矩形区域的靠近源端一边外侧和靠近漏端一边外侧，所述凹槽201的长度为所述等腰三角形顶点之间的距离a。

图5为本发明实施例提供的基于GaN的鳍式场效应晶体管器件和常规器件的鳍片结构对比图。图5上半部分为常规的场效应晶体管的鳍片，常规鳍片为长方体，鳍片宽度从源漏通道区到鳍片区域为突变的；图5下半部分为本发明实施例的基于GaN的鳍式场效应晶体管器件鳍片结构，从源漏通道区到鳍片区域为宽度渐变，这个结构使得沟道区域电场分布宽度在梯形位置处呈线性变化，优化了电场在通道区域的分布。

采用上述横截面为六边形的凹槽，既能够满足鳍片中部到沟道区域款单独渐变的要求，也能满足易于制造的需要。

在本发明其他实施例中，凹槽的横截面还可以是其他宽度渐变的结构，如菱形、不规则多边形等。

进一步，本发明还提供一种基于GaN的鳍式场效应晶体管器件的制造方法，如图3所示，包括：

步骤301：在GaN异质结材料表面制备源级和漏极；如图4A所示，源极401和漏极402分别位于GaN异质结材料403的势垒层两端。

步骤302：在源极和漏极之间的势垒层上制备钝化层；如图4B所示，钝化层404覆盖源极401和漏极402之间的GaN异质结材料403的势垒层。

步骤303：刻蚀所述钝化层，使得所述钝化层上形成矩形开口；如图4C所示；

步骤304：按照预设形状，在所述GaN基异质结层的势垒层上光刻、刻蚀至少两个凹槽，在相邻所述凹槽之间形成鳍片；仍然参照图4D，凹槽405刻蚀在所述开口处暴露的势垒层上，凹槽405之间的部分势垒层和部分缓冲层成为鳍片406；

步骤305：制备T型栅极；所述T型栅极覆盖所述凹槽以及所述鳍片；如图4E所示，T型栅极407填充到凹槽中，在三个方向上包围鳍片；

所述凹槽的长度与所述T型栅极底部的长度相等；所述鳍片的厚度与所述凹槽的深度相等，即凹槽底面位于缓冲层中，鳍片包括相邻凹槽之间的部分缓冲层和部分势垒层。

本发明实施例提供的基于GaN的鳍式场效应晶体管器件的制造方法，用于制造本发明任意一种实施例提供的基于GaN的鳍式场效应晶体管器件。其中，上述GaN异质结材料包括依次设置的衬底、缓冲层、势垒层。

在本发明一些实施例中，所述在GaN异质结材料表面制备源级和漏极的步骤包括：

在GaN异质结材料平面上光刻源漏图形并沉积源漏金属，随后在氮气氛中进行退火制备源级和漏极。

在本发明一些实施例中，所述在源极和漏极之间的势垒层上制备钝化层的步骤包括：

通过PECVD淀积技术在异质结材料的势垒层表面生长SiN钝化层。

在本发明一些实施例中，所述刻蚀所述钝化层，使得所述钝化层上形成矩形开口的步骤具体包括：

在所述钝化层表面，通过光刻技术形成鳍片的光刻胶图形；所述光刻技术采用氟基气体作为刻蚀的工艺气体；所述氟基气体可以是CF₄、或SF₆。

采用感应耦合等离子体刻蚀技术或反应离子刻蚀技术刻蚀掉所述钝化层，其中没有光刻胶掩蔽的钝化层表面被刻蚀掉，形成所述开口。

在本发明一些实施例中，所述按照预设形状，在所述GaN基异质结层的势垒层和上光刻、刻蚀至少两个凹槽，在相邻所述凹槽之间形成鳍片的步骤包括：

采用Cl基气体作为刻蚀的工艺气体，继续刻蚀所述开口处露出的GaN基异质结层的势垒层和缓冲层，形成凹槽，在相邻凹槽之间形成鳍片结构；所述Cl基气体可以是BCl₃或Cl₂等；

所述凹槽远离所述钝化层部分的宽度大于靠近所述钝化层部分的宽度。

在本发明一些实施例中，所述制备T型栅极的步骤具体包括：

采用F基气体作为刻蚀的工艺气体，在所述鳍片和所述势垒层上，栅位置处通过感应耦合等离子体刻蚀技术或反应离子刻蚀技术进行刻蚀，形成栅图形，并刻蚀掉未被光刻胶掩蔽钝化层；所述F基气体可以是CF₄、SF₆；

在栅位置光刻栅图形，并在所述钝化层整个表面进行金属蒸发，然后剥离掉光刻胶，形成所述T型栅极。

本发明实施例提供的基于GaN的鳍式场效应晶体管器件，由于凹槽为中间宽度大于两边，因此鳍片的宽度为中间窄两边宽，鳍片区域到通道区域的交接区域的宽度为渐变的，使通道区域靠近鳍片区域位置处的电场分布更均匀，降低了该位置的电场强度，降低了通道区域的电阻，进而提高了器件的线性度。图6为基于GaN的鳍式场效应晶体管器件的源漏通道区域电场强度仿真结果图与现有技术的场效应晶体管源漏通道区域区域电场强度仿真结果图，可以看出，本发明提供的基于GaN的鳍式场效应晶体管器件源漏通道区域电场分布得到优化，峰值降低，进而减小源电阻，提高了线性度。

综上，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。