CN105023940B - 氮化镓基低漏电流固支梁场效应晶体管传输门及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种GaN基低漏电流固支梁MESFET传输门及制备方法,该传输门由固支梁N型MESFET和固支梁P型MESFET构成。该传输门的MESFET的制作在半绝缘GaN衬底上,其栅极上方设计了固支梁结构。固支梁下方设计了电极板。固支梁的下拉电压设计为等于型MESFET的阈值电压的绝对值。当在固支梁与电极板间的电压小于阈值电压的绝对值时,固支梁是悬浮在栅极的上方,此时栅极处是断路的,MESFET始终工作在截止状态,而只有在固支梁与电极板间的电压达到或大于阈值电压的绝对值时,固支梁才会被下拉到贴在栅极上,栅极与固支梁短接,此时若输入端与输出端的电平值不同,则MESFET工作在导通状态。本发明减小了栅极漏电流,有效地降低了功耗。
Description
技术领域
本发明提出了GaN基低漏电流固支梁MESFET传输门,属于微电子机械系统的技术领域。
背景技术
现代无线通信系统和雷达系统对电子元器件提出了高频,高速,高效率,高功率和耐高温等高要求,传统的Si基器件已经无法满足这些要求。为了满足现代通信系统和雷达系统的需求,各种新型的半导体器件不断出现。而基于GaN衬底的金属-半导体场效应晶体管(MESFET)以其电子迁移率高、载流子漂移速度快,禁带宽度大、抗辐射能力强、工作温度范围宽等优点,很快被广泛地应用到微波射频芯片中。同时,随着器件特征尺寸的不断缩小,芯片的规模不断增大,内部集成的晶体管数目急剧增加,时钟频率越来越高。上亿的MESFET在很高的频率下工作,使得芯片的功耗问题变得显著。过高的功耗会使芯片过热,不仅会降低芯片的工作性能还会影响芯片的可靠性,缩短芯片的使用寿命。过高的功耗还会使各种移动便携式设备不得不面临电源续航及散热等问题。因此,集成电路过高的功耗对设备的散热性能及稳定性提出了更高的要求,各种移动便携式设备的续航能力也受到越来越大的挑战。所以,对于目前设计者来说,芯片的功耗问题是不得不考虑的重要问题。
常见的MESFET器件的功耗主要包括两方面,一方面是指MESFET工作时交流信号产生的动态功耗;而另一方面是漏电流造成的损耗。而对于漏电流主要有两种,一种是栅极电压带来的栅极漏电流,另一种时截止时源漏之间的漏电流。而目前对于MESFET器件的研究多集中在对MESFET动态功耗的降低。对漏电流的降低的研究很少。本发明即是基于GaN工艺设计了一种具有极低的栅极漏电流的固支梁MESFET传输门。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提供一种氮化镓基低漏电流固支梁场效应晶体管传输门及制备方法,在MESFET传输门工作时,通常希望其在栅极的电流是为0。传统MESFET的栅与有源区是肖特基接触,所以不可避免的会有一定的直流漏电流。特别是在同一个传输门中,N型MESFET和P型MESFET的栅极所加的电压是相反的,所以在两个栅极间就形成了直流回路。在大规模集成电路中,这种漏电流的存在会增加传输门在工作的中的功耗。而这种漏电流在本发明中得到有效的降低。
技术方案:本发明的氮化镓基低漏电流固支梁场效应晶体管传输门包括固支梁N型MESFET和固支梁P型MESFET,该固支梁N型MESFET和固支梁P型MESFET基于半绝缘GaN衬底并联在一起,其引线是利用金制作,栅极与有源层形成肖特基接触,在栅极上方设计了固支梁,每个固支梁的锚区制作在半绝缘GaN衬底上,在每个固支梁下方设计了两个电极板,电极板的上方覆盖有氮化硅层,固支梁N型MESFET的电极板接地,固支梁P型MESFET的电极板接电源。
固支梁N型MESFET的阈值电压设计为正值,固支梁P型MESFET的阈值电压设计为负值,且固支梁N型MESFET和固支梁P型MESFET的阈值电压的绝对值设计为相等,固支梁的下拉电压设计为与MESFET的阈值电压的绝对值相等,本发明中的MESFET的栅极信号不是直接加载在栅极上,而是加载在固支梁上,在工作中,固支梁N型MESFET的固支梁
与固支梁P型MESFET的固支梁所加载的信号相反,当传输门开时,固支梁N型MESFET的固支梁接高电平,其固支梁与其下方电极板的电压大于阈值电压的绝对值,所以固支梁被下拉到栅极上,固支梁与栅极短接,而固支梁P型MESFET的固支梁接低电平,其固支梁与其下方电极板的电压也大于阈值电压的绝对值,所以其固支梁也被下拉到栅极上,并与栅极短接,此时本发明的传输门与传统的传输门类似,只要输出和输入电平不同,两个MESFET便会导通,实现电平的传输,而当传输门关时,情况恰好相反,固支梁N型MESFET的固支梁接低电平,固支梁P型MESFET的固支梁接高电平,两个MESFET的固支梁悬浮,两个MESFET的栅极都是断路的,此时无论输入和输出是处于高电平还是低电平,两个MESFET都是截止的,所以不能传输电平值,从而实现的传输门开关的功能。
当固支梁与电极板间的电压小于阈值电压的绝对值时,固支梁是悬浮在栅极的上方,此时栅极处是断路的,MESFET始终工作在截止状态,而只有在固支梁与电极板间的电压达到或大于阈值电压的绝对值时固支梁才会下拉到贴在栅极上,固支梁与栅极短接,此时若输入端与输出端的电平值不同,则MESFET工作在导通状态,相比于传统的型MESFET,本发明中的MESFET的固支梁在悬浮时,栅极与固支梁间有一层空气层,栅极处是断路的,所以直流漏电流大大减小,有效地降低了功耗。
本发明的GaN基低漏电流固支梁MESFET传输门的制备方法如下:
1)准备半绝缘GaN衬底;
2)淀积氮化硅,用等离子体增强型化学气相淀积法工艺(PECVD)生长一层氮化硅,然后光刻和刻蚀氮化硅,去除固支梁P型MESFET有源区的氮化硅;
3)固支梁P型MESFET有源区离子注入:注入硼后,在氮气环境下退火;退火完成后,在高温下进行P+杂质再分布,形成固支梁P型MESFET有源区的P型有源层;
4)去除氮化硅层:采用干法刻蚀技术将氮化硅全部去除;
5)淀积氮化硅,用等离子体增强型化学气相淀积法工艺(PECVD)生长一层氮化硅,然后光刻和刻蚀氮化硅,去除固支梁N型MESFET有源区的氮化硅;
6)固支梁N型MESFET有源区离子注入:注入磷后,在氮气环境下退火;退火完成后,在高温下进行N+杂质再分布,形成固支梁N型MESFET有源区的N型有源层;
7)去除氮化硅层:采用干法刻蚀技术将氮化硅全部去除;
8)光刻栅区,去除栅区的光刻胶;
9)电子束蒸发钛/铂/金;
10)去除光刻胶以及光刻胶上的钛/铂/金;
11)加热,使钛/铂/金合金与P型GaN层以及N型GaN有源层形成肖特基接触;
12)涂覆光刻胶,光刻并刻蚀固支梁N型MESFET源极和漏极区域的光刻胶;
13)注入重掺杂N型杂质,在固支梁N型MESFET源极和漏极区域形成的N型重掺杂区,注入后进行快速退火处理;
14)涂覆光刻胶,光刻并刻蚀固支梁P型MESFET源极和漏极区域的光刻胶;
15)注入重掺杂P型杂质,在固支梁P型MESFET源极和漏极区域形成的P型重掺杂区,注入后进行快速退火处理;
16)光刻源极和漏极,去除引线、源极和漏极的光刻胶;
17)真空蒸发金锗镍/金;
18)去除光刻胶以及光刻胶上的金锗镍/金;
19)合金化形成欧姆接触,形成引线、源极和漏极;
20)涂覆光刻胶,去除电极板和固支梁的锚区位置的光刻胶;
21)蒸发第一层金,其厚度约为0.3μm;
22)去除光刻胶以及光刻胶上的金,初步形成电极板和固支梁的锚区;
23)淀积氮化硅:用等离子体增强型化学气相淀积法工艺(PECVD)生长厚的氮化硅介质层;
24)光刻并刻蚀氮化硅介质层,保留在电极板上的氮化硅;
25)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层:在砷化镓衬底上涂覆1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层,要求填满凹坑;光刻聚酰亚胺牺牲层,仅保留固支梁下方的牺牲层;
26)蒸发钛/金/钛,其厚度为500/1500/蒸发用于电镀的底金;
27)光刻:去除要电镀地方的光刻胶;
28)电镀金,其厚度为2μm;
29)去除光刻胶:去除不需要电镀地方的光刻胶;
30)反刻钛/金/钛,腐蚀底金,形成固支梁;
31)释放聚酰亚胺牺牲层:显影液浸泡,去除固支梁下的聚酰亚胺牺牲层,去离子水稍稍浸泡,无水乙醇脱水,常温下挥发,晾干。
在本发明中固支梁N型MESFET的阈值电压设计为正值,固支梁P型MESFET的阈值电压设计为负值,且固支梁N型MESFET和固支梁P型MESFET的阈值电压的绝对值设计为相等。固支梁的下拉电压设计为与MESFET的阈值电压的绝对值相等。在工作中,固支梁N型MESFET的固支梁与固支梁P型MESFET的固支梁所加载的信号相反。当传输门开时,固支梁N型MESFET的固支梁接高电平,其固支梁与其下方电极板的电压大于阈值电压的绝对值,所以固支梁被下拉到栅极上,固支梁与栅极短接。而固支梁P型MESFET的固支梁接低电平,其固支梁与其下方电极板的电压也大于阈值电压的绝对值,所以其固支梁也被下拉到栅极上,并与栅极短接。此时本发明的传输门与传统的传输门类似,只要输出和输入电平不同,两个MESFET便会导通,实现电平的传输。而当传输门关时,情况恰好相反,固支梁N型MESFET的固支梁接低电平,固支梁P型MESFET的固支梁接高电平,两个MESFET的固支梁悬浮,两个MESFET的栅极都是断路的,此时无论输入和输出是处于高电平还是低电平,两个MESFET都是截止的,所以不能传输电平值,从而实现的传输门开关的功能。在本发明中的MESFET工作中,当固支梁与电极板间的电压小于阈值电压的绝对值时,固支梁是悬浮在栅极上方的,栅极是断路的,MESFET不会导通。只有在固支梁与电极板间的电压达到或大于阈值电压的绝对值时,固支梁才会下拉到贴在栅极上,固支梁与栅极短接,从而使MESFET在输入端和输入端电平值不同时发生导通。相比于传统的MESFET本发明中的MESFET的固支梁在不下拉时都是悬浮的,固支梁与栅极间有一层空气层,栅极处是断路的,所以工作中直流漏电流得到有效的减小。
有益效果:本发明的GaN基低漏电流固支梁MESFET传输门在工作中输入电压不总是加载在栅极上。在固支梁悬浮时,固支梁与栅极间有一层空气层,栅极处是断路的,有效的减小栅极漏电流。从而使得本发明中的GaN基低漏电流固支梁MESFET传输门的功耗得到有效的降低,性能也得到改善。
附图说明
图1为本发明GaN基低漏电流悬臂梁MESFET传输门的原理图,
图2为本发明GaN基低漏电流悬臂梁MESFET传输门的俯视图,
图3为图2GaN基低漏电流悬臂梁MESFET传输门的P-P’向的剖面图,
图4为图2GaN基低漏电流悬臂梁MESFET传输门的A-A’向的剖面图,
图5为图2GaN基低漏电流悬臂梁MESFET传输门的B-B’向的剖面图。
图中包括:固支梁N型MESFET1,固支梁P型MESFET2,半绝缘GaN衬底3,引线,栅极5,固支梁6,锚区7,电极板8,氮化硅层9,P型有源层10,N型有源层11,N型重掺杂区12,P型重掺杂区13。
具体实施方式
本发明是由固支梁N型MESFET1和固支梁P型MESFET2构成,固支梁N型MESFET1和固支梁P型MESFET2并联在一起。该传输门的晶体管基于半绝缘GaN衬底3,其引线4是利用金制作。本发明中的MESFET的栅极5与有源层形成肖特基接触,在栅极5上方设计了固支梁6。固支梁6两个锚区7制作在半绝缘GaN衬底3上。在每个固支梁6下方设计了两个电极板8,电极板8的上方覆盖有氮化硅层9。固支梁N型MESFET1的电极板8接地,固支梁P型MESFET2的电极板8接电源。
在本发明中,固支梁N型MESFET1的阈值电压设计为正值,固支梁P型MESFET2的阈值电压设计为负值,且固支梁N型MESFET1和固支梁P型MESFET2的阈值电压的绝对值设计为相等,而固支梁6的下拉电压设计为与型MESFET的阈值电压的绝对值相等。本发明中的MESFET的栅极信号不是直接加载在栅极5上,而是加载在固支梁6上。在工作中,固支梁N型MESFET1的固支梁6与固支梁P型MESFET2的固支梁6所加载的信号相反。当传输门开时,固支梁N型MESFET1的固支梁6接高电平,其固支梁6与其下方电极板8的电压大于阈值电压的绝对值,所以固支梁6被下拉到栅极5上,固支梁6与栅极5短接。而固支梁P型MESFET2的固支梁6接低电平,其固支梁6与其下方电极板8的电压也大于阈值电压的绝对值,所以其固支梁6也被下拉到栅极5上,并与栅极5短接。此时本发明的传输门与传统的传输门类似,只要输出和输入电平不同,两个MESFET便会导通,实现电平的传输。而当传输门关时,情况恰好相反,固支梁N型MESFET1的固支梁6接低电平,固支梁P型MESFET2的固支梁6接高电平,两个MESFET的固支梁6悬浮,两个MESFET的栅极5都是断路的,此时无论输入和输出是处于高电平还是低电平,两个MESFET都是截止的,所以不能传输电平值,从而实现的传输门开关的功能。在本发明中的MESFET工作过程中,当固支梁6与电极板8间的电压小于阈值电压的绝对值时,固支梁6是悬浮在栅极5的上方,栅极5处是断路的,MESFET工作在截止状态。只有在固支梁6与电极板8间的电压达到或大于阈值电压的绝对值时,固支梁6才会下拉到贴在其下方的栅极5上,固支梁6与栅极5短接,从而使MESFET在输入端与输出端电平值不同时发生导通。相比于传统的MESFET,本发明中的MESFET的固支梁6在悬浮时,固支梁6与栅极5之间有一层空气,栅极5处是断开的,所以直流漏电流得到有效的减小。
GaN基低漏电流固支梁MESFET传输门的制备方法包括以下几个步骤:
1)准备半绝缘GaN衬底3;
2)淀积氮化硅,用等离子体增强型化学气相淀积法工艺(PECVD)生长一层氮化硅,然后光刻和刻蚀氮化硅,去除固支梁P型MESFET2有源区的氮化硅;
3)固支梁P型MESFET2有源区离子注入:注入硼后,在氮气环境下退火;退火完成后,在高温下进行P+杂质再分布,形成固支梁P型MESFET2有源区的P型有源层10;
4)去除氮化硅:采用干法刻蚀技术将氮化硅全部去除;
5)淀积氮化硅,用等离子体增强型化学气相淀积法工艺(PECVD)生长一层氮化硅,然后光刻和刻蚀氮化硅,去除固支梁N型MESFET1有源区的氮化硅;
6)固支梁N型MESFET1有源区离子注入:注入磷后,在氮气环境下退火;退火完成后,在高温下进行N+杂质再分布,形成固支梁N型MESFET1有源区的N型有源层11;
7)去除氮化硅:采用干法刻蚀技术将氮化硅全部去除;
8)光刻栅区,去除栅区的光刻胶;
9)电子束蒸发钛/铂/金;
10)去除光刻胶以及光刻胶上的钛/铂/金;
11)加热,使钛/铂/金合金与P型GaN有源层10以及N型GaN有源层11形成肖特基接触;
12)涂覆光刻胶,光刻并刻蚀固支梁N型MESFET1源极和漏极区域的光刻胶;
13)注入重掺杂N型杂质,在固支梁N型MESFET1源极和漏极区域形成的N型重掺杂区12,注入后进行快速退火处理;
14)涂覆光刻胶,光刻并刻蚀固支梁P型MESFET2源极和漏极区域的光刻胶;
15)注入重掺杂P型杂质,在固支梁P型MESFET2源极和漏极区域形成的P型重掺杂区13,注入后进行快速退火处理;
16)光刻源极和漏极,去除引线、源极和漏极的光刻胶;
17)真空蒸发金锗镍/金;
18)去除光刻胶以及光刻胶上的金锗镍/金;
19)合金化形成欧姆接触,形成引线4、源极和漏极;
20)涂覆光刻胶,去除电极板8和固支梁的锚区7位置的光刻胶;
21)蒸发第一层金,其厚度约为0.3μm;
22)去除光刻胶以及光刻胶上的金,初步形成电极板8和固支梁的锚区7;
23)淀积氮化硅:用等离子体增强型化学气相淀积法工艺(PECVD)生长厚的氮化硅介质层;
24)光刻并刻蚀氮化硅介质层,保留在电极板上的氮化硅层9;
25)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层:在砷化镓衬底上涂覆1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层,要求填满凹坑;光刻聚酰亚胺牺牲层,仅保留固支梁6下方的牺牲层;
26)蒸发钛/金/钛,其厚度为500/1500/蒸发用于电镀的底金;
27)光刻:去除要电镀地方的光刻胶;
28)电镀金,其厚度为2μm;
29)去除光刻胶:去除不需要电镀地方的光刻胶;
30)反刻钛/金/钛,腐蚀底金,形成固支梁;
31)释放聚酰亚胺牺牲层:显影液浸泡,去除固支梁下的聚酰亚胺牺牲层,去离子水稍稍浸泡,无水乙醇脱水,常温下挥发,晾干。
本发明与现有技术的区别在于:
本发明能够有效的减小MESFET在工作时的栅极漏电流,降低功耗,改善性能。本发明中的传输门由固支梁N型MESFET和固支梁P型MESFET构成。固支梁MESFET与传统的MESFET最大的区别在于,固支梁MESFET的栅极上方设计有固支梁结构,固支梁下方设计有电极板。固支梁MESFET的栅极信号不是直接加载在栅极上的,而是加载在固支梁上。固支梁的下拉电压设计为等于MESFET的阈值电压的绝对值。当固支梁与电极板间的电压小于MESFET的阈值电压的绝对值时,固支梁与其下方的栅极有着一定的间隙,此时,栅极处是断路的,MESFET始终工作在截止状态。只有当固支梁与电极板间的电压等于或大于MESFET的阈值电压的绝对值时,固支梁才会被下拉到附在其下方的栅极上,固支梁与栅极短接,此时若传输门的输入与输出的电平值不同,则MESFET工作在导通状态。所以,本发明中的MESFET的固支梁在未被下拉时都是悬浮的,固支梁与其下方的栅极有着一定的间隙,栅极处是断开的,所以直流漏电流得到有效的减小,所以使得功耗降低。
满足以上条件的结构即视为本发明的GaN基低漏电流固支梁MESFET传输门。
Claims (2)
1.一种氮化镓基低漏电流固支梁场效应晶体管传输门,其特征是该传输门包括固支梁N型MESFET(1)和固支梁P型MESFET(2),该固支梁N型MESFET(1)和固支梁P型MESFET(2)基于半绝缘GaN衬底(3)并联在一起,其引线(4)是利用金制作,栅极(5)与有源层形成肖特基接触,在栅极(5)上方设计了固支梁(6),每个固支梁(6)的锚区(7)制作在半绝缘GaN衬底(3)上,在每个固支梁(6)下方设计了两个电极板(8),电极板(8)的上方覆盖有氮化硅层(9),固支梁N型MESFET(1)的电极板(8)接地,固支梁P型MESFET(2)的电极板(8)接电源;固支梁N型MESFET(1)的阈值电压设计为正值,固支梁P型MESFET(2)的阈值电压设计为负值,且固支梁N型MESFET(1)和固支梁P型MESFET(2)的阈值电压的绝对值设计为相等,固支梁(6)的下拉电压设计为与阈值电压的绝对值相等,栅极信号不是直接加载在栅极(5)上,而是加载在固支梁(6)上;当固支梁(6)与电极板(8)间的电压小于阈值电压的绝对值时,固支梁(6)是悬浮在栅极(5)的上方,此时栅极(5)处是断路的,固支梁N型MESFET(1)和固支梁P型MESFET(2)始终工作在截止状态,而只有在固支梁(6)与电极板(8)间的电压达到或大于阈值电压的绝对值时固支梁(6)才会下拉到贴在栅极(5)上,固支梁(6)与栅极(5)短接,此时若输入端与输出端的电平值不同,则固支梁N型MESFET(1)和固支梁P型MESFET(2)工作在导通状态,相比于传统的型MESFET,固支梁N型MESFET(1)和固支梁P型MESFET(2)的固支梁(6)在悬浮时,栅极(5)与固支梁(6)间有一层空气层,栅极(5)处是断路的,所以直流漏电流大大减小,有效地降低了功耗。
2.一种如权利要求1所述的氮化镓基低漏电流固支梁场效应晶体管传输门的制备方法,其特征在于该传输门的制备方法如下:
1.准备半绝缘GaN衬底;
2.淀积氮化硅,用等离子体增强型化学气相淀积法工艺(PECVD)生长一层氮化硅,然后光刻和刻蚀氮化硅,去除固支梁P型MESFET有源区的氮化硅;
3.固支梁P型MESFET有源区离子注入:注入硼后,在氮气环境下退火;退火完成后,在高温下进行P+杂质再分布,形成固支梁P型MESFET有源区的P型有源层;
4.去除氮化硅层:采用干法刻蚀技术将氮化硅全部去除;
5.淀积氮化硅,用等离子体增强型化学气相淀积法工艺(PECVD)生长一层氮化硅,然后光刻和刻蚀氮化硅,去除固支梁N型MESFET有源区的氮化硅;
6.固支梁N型MESFET有源区离子注入:注入磷后,在氮气环境下退火;退火完成后,在高温下进行N+杂质再分布,形成固支梁N型MESFET有源区的N型有源层;
7.去除氮化硅层:采用干法刻蚀技术将氮化硅全部去除;
8.光刻栅区,去除栅区的光刻胶;
9.电子束蒸发钛/铂/金;
10.去除光刻胶以及光刻胶上的钛/铂/金;
11.加热,使钛/铂/金合金与P型GaN层以及N型GaN有源层形成肖特基接触;
12.涂覆光刻胶,光刻并刻蚀固支梁N型MESFET源极和漏极区域的光刻胶;
13.注入重掺杂N型杂质,在固支梁N型MESFET源极和漏极区域形成的N型重掺杂区,注入后进行快速退火处理;
14.涂覆光刻胶,光刻并刻蚀固支梁P型MESFET源极和漏极区域的光刻胶;
15.注入重掺杂P型杂质,在固支梁P型MESFET源极和漏极区域形成的P型重掺杂区,注入后进行快速退火处理;
16.光刻源极和漏极,去除引线、源极和漏极的光刻胶;
17.真空蒸发金锗镍/金;
18.去除光刻胶以及光刻胶上的金锗镍/金;
19.合金化形成欧姆接触,形成引线、源极和漏极;
20.涂覆光刻胶,去除电极板和固支梁的锚区位置的光刻胶;
21.蒸发第一层金,其厚度约为0.3μm;
22.去除光刻胶以及光刻胶上的金,初步形成电极板和固支梁的锚区;
23.淀积氮化硅:用等离子体增强型化学气相淀积法工艺(PECVD)生长厚的氮化硅介质层;
24.光刻并刻蚀氮化硅介质层,保留在电极板上的氮化硅;
25.淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层:在砷化镓衬底上涂覆1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层,要求填满凹坑;光刻聚酰亚胺牺牲层,仅保留固支梁下方的牺牲层;
26.蒸发钛/金/钛,其厚度为蒸发用于电镀的底金;
27.光刻:去除要电镀地方的光刻胶;
28.电镀金,其厚度为2μm;
29.去除光刻胶:去除不需要电镀地方的光刻胶;
30.反刻钛/金/钛,腐蚀底金,形成固支梁;
31.释放聚酰亚胺牺牲层:显影液浸泡,去除固支梁下的聚酰亚胺牺牲层,去离子水稍稍浸泡,无水乙醇脱水,常温下挥发,晾干。
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