氮化鎵基低漏電流固支梁場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳輸門及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提出了GaN基低漏電流固支梁MESFET傳輸門,屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)的技術(shù) 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)電子元器件提出了高頻,高速,高效率,高功率和 耐高溫等高要求,傳統(tǒng)的Si基器件已經(jīng)無(wú)法滿足這些要求。為了滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)和雷 達(dá)系統(tǒng)的需求,各種新型的半導(dǎo)體器件不斷出現(xiàn)。而基于GaN襯底的金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng) 晶體管(MESFET)以其電子迀移率高、載流子漂移速度快,禁帶寬度大、抗輻射能力強(qiáng)、工作 溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn),很快被廣泛地應(yīng)用到微波射頻芯片中。同時(shí),隨著器件特征尺寸的不斷 縮小,芯片的規(guī)模不斷增大,內(nèi)部集成的晶體管數(shù)目急劇增加,時(shí)鐘頻率越來(lái)越高。上億的 MESFET在很高的頻率下工作,使得芯片的功耗問題變得顯著。過(guò)高的功耗會(huì)使芯片過(guò)熱,不 僅會(huì)降低芯片的工作性能還會(huì)影響芯片的可靠性,縮短芯片的使用壽命。過(guò)高的功耗還會(huì) 使各種移動(dòng)便攜式設(shè)備不得不面臨電源續(xù)航及散熱等問題。因此,集成電路過(guò)高的功耗對(duì) 設(shè)備的散熱性能及穩(wěn)定性提出了更高的要求,各種移動(dòng)便攜式設(shè)備的續(xù)航能力也受到越 來(lái)越大的挑戰(zhàn)。所以,對(duì)于目前設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō),芯片的功耗問題是不得不考慮的重要問題。
[0003] 常見的MESFET器件的功耗主要包括兩方面,一方面是指MESFET工作時(shí)交流信號(hào) 產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)功耗;而另一方面是漏電流造成的損耗。而對(duì)于漏電流主要有兩種,一種是柵極 電壓帶來(lái)的柵極漏電流,另一種時(shí)截止時(shí)源漏之間的漏電流。而目前對(duì)于MESFET器件的研 究多集中在對(duì)MESFET動(dòng)態(tài)功耗的降低。對(duì)漏電流的降低的研究很少。本發(fā)明即是基于GaN 工藝設(shè)計(jì)了一種具有極低的柵極漏電流的固支梁MESFET傳輸門。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提供一種氮化鎵基低漏電流固支梁場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳 輸門及制備方法,在MESFET傳輸門工作時(shí),通常希望其在柵極的電流是為0。傳統(tǒng)MESFET 的柵與有源區(qū)是肖特基接觸,所以不可避免的會(huì)有一定的直流漏電流。特別是在同一個(gè)傳 輸門中,N型MESFET和P型MESFET的柵極所加的電壓是相反的,所以在兩個(gè)柵極間就形成 了直流回路。在大規(guī)模集成電路中,這種漏電流的存在會(huì)增加傳輸門在工作的中的功耗。而 這種漏電流在本發(fā)明中得到有效的降低。
[0005] 技術(shù)方案:本發(fā)明的氮化鎵基低漏電流固支梁場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳輸門包括固支梁N 型MESFET和固支梁P型MESFET,該固支梁N型MESFET和固支梁P型MESFET基于半絕緣GaN 襯底并聯(lián)在一起,其引線是利用金制作,柵極與有源層形成肖特基接觸,在柵極上方設(shè)計(jì)了 固支梁,每個(gè)固支梁的錨區(qū)制作在半絕緣GaN襯底上,在每個(gè)固支梁下方設(shè)計(jì)了兩個(gè)電極 板,電極板的上方覆蓋有氮化硅層,固支梁N型MESFET的電極板接地,固支梁P型MESFET 的電極板接電源。
[0006] 固支梁N型MESFET的閾值電壓設(shè)計(jì)為正值,固支梁P型MESFET的閾值電壓設(shè)計(jì) 為負(fù)值,且固支梁N型MESFET和固支梁P型MESFET的閾值電壓的絕對(duì)值設(shè)計(jì)為相等,固支 梁的下拉電壓設(shè)計(jì)為與MESFET的閾值電壓的絕對(duì)值相等,本發(fā)明中的MESFET的柵極信號(hào) 不是直接加載在柵極上,而是加載在固支梁上,在工作中,固支梁N型MESFET的固支梁
[0007] 與固支梁P型MESFET的固支梁所加載的信號(hào)相反,當(dāng)傳輸門開時(shí),固支梁N型 MESFET的固支梁接高電平,其固支梁與其下方電極板的電壓大于閾值電壓的絕對(duì)值,所以 固支梁被下拉到柵極上,固支梁與柵極短接,而固支梁P型MESFET的固支梁接低電平,其固 支梁與其下方電極板的電壓也大于閾值電壓的絕對(duì)值,所以其固支梁也被下拉到柵極上, 并與柵極短接,此時(shí)本發(fā)明的傳輸門與傳統(tǒng)的傳輸門類似,只要輸出和輸入電平不同,兩個(gè) MESFET便會(huì)導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)電平的傳輸,而當(dāng)傳輸門關(guān)時(shí),情況恰好相反,固支梁N型MESFET的 固支梁接低電平,固支梁P型MESFET的固支梁接高電平,兩個(gè)MESFET的固支梁懸浮,兩個(gè) MESFET的柵極都是斷路的,此時(shí)無(wú)論輸入和輸出是處于高電平還是低電平,兩個(gè)MESFET都 是截止的,所以不能傳輸電平值,從而實(shí)現(xiàn)的傳輸門開關(guān)的功能。
[0008] 當(dāng)固支梁與電極板間的電壓小于閾值電壓的絕對(duì)值時(shí),固支梁是懸浮在柵極的上 方,此時(shí)柵極處是斷路的,MESFET始終工作在截止?fàn)顟B(tài),而只有在固支梁與電極板間的電壓 達(dá)到或大于閾值電壓的絕對(duì)值時(shí)固支梁才會(huì)下拉到貼在柵極上,固支梁與柵極短接,此時(shí) 若輸入端與輸出端的電平值不同,則MESFET工作在導(dǎo)通狀態(tài),相比于傳統(tǒng)的型MESFET,本 發(fā)明中的MESFET的固支梁在懸浮時(shí),柵極與固支梁間有一層空氣層,柵極處是斷路的,所 以直流漏電流大大減小,有效地降低了功耗。
[0009] 本發(fā)明的GaN基低漏電流固支梁MESFET傳輸門的制備方法如下:
[0010] 1)準(zhǔn)備半絕緣GaN襯底;
[0011] 2)淀積氮化硅,用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相淀積法工藝(PECVD)生長(zhǎng)一層氮化 硅,然后光刻和刻蝕氮化硅,去除固支梁P型MESFET有源區(qū)的氮化硅;
[0012] 3)固支梁P型MESFET有源區(qū)離子注入:注入硼后,在氮?dú)猸h(huán)境下退火;退火完成 后,在高溫下進(jìn)行P+雜質(zhì)再分布,形成固支梁P型MESFET有源區(qū)的P型有源層;
[0013] 4)去除氮化硅層:采用干法刻蝕技術(shù)將氮化硅全部去除;
[0014] 5)淀積氮化硅,用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相淀積法工藝(PECVD)生長(zhǎng)一層氮化 硅,然后光刻和刻蝕氮化硅,去除固支梁N型MESFET有源區(qū)的氮化硅;
[0015] 6)固支梁N型MESFET有源區(qū)離子注入:注入磷后,在氮?dú)猸h(huán)境下退火;退火完成 后,在高溫下進(jìn)行N+雜質(zhì)再分布,形成固支梁N型MESFET有源區(qū)的N型有源層;
[0016] 7)去除氮化硅層:采用干法刻蝕技術(shù)將氮化硅全部去除;
[0017] 8)光刻?hào)艆^(qū),去除柵區(qū)的光刻膠;
[0018] 9)電子束蒸發(fā)鈦/鉑/金;
[0019] 10)去除光刻膠以及光刻膠上的鈦/鉑/金;
[0020] 11)加熱,使鈦/鉑/金合金與P型GaN層以及N型GaN有源層形成肖特基接觸;
[0021] 12)涂覆光刻膠,光刻并刻蝕固支梁N型MESFET源極和漏極區(qū)域的光刻膠;
[0022] 13)注入重?fù)诫sN型雜質(zhì),在固支梁N型MESFET源極和漏極區(qū)域形成的N型重?fù)?雜區(qū),注入后進(jìn)行快速退火處理;
[0023] 14)涂覆光刻膠,光刻并刻蝕固支梁P型MESFET源極和漏極區(qū)域的光刻膠;
[0024] 15)注入重?fù)诫sP型雜質(zhì),在固支梁P型MESFET源極和漏極區(qū)域形成的P型重?fù)?雜區(qū),注入后進(jìn)行快速退火處理;
[0025] 16)光刻源極和漏極,去除引線、源極和漏極的光刻膠;
[0026] 17)真空蒸發(fā)金鍺鎳/金;
[0027] 18)去除光刻膠以及光刻膠上的金鍺鎳/金;
[0028] 19)合金化形成歐姆接觸,形成引線、源極和漏極;
[0029] 20)涂覆光刻膠,去除電極板和固支梁的錨區(qū)位置的光刻膠;
[0030] 21)蒸發(fā)第一層金,其厚度約為0? 3Iim;
[0031] 22)去除光刻膠以及光刻膠上的金,初步形成電極板和固支梁的錨區(qū);
[0032] 23)淀積氮化硅:用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相淀積法工藝(PECVD)生長(zhǎng)1000A厚 的氮化娃介質(zhì)層;
[0033] 24)光刻并刻蝕氮化硅介質(zhì)層,保留在電極板上的氮化硅;
[0034]25)淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層:在砷化鎵襯底上涂覆I. 6 y m厚的聚酰亞胺犧牲 層,要求填滿凹坑;光刻聚酰亞胺犧牲層,僅保留固支梁下方的犧牲層;
[0035] 26)蒸發(fā)鈦/金/鈦,其厚度為500/1500/細(xì)成蒸發(fā)用于電鍍的