GaN基FinFET器件工艺及特性分析

发布时间：2020-04-06 17:09

【摘要】：AlGaN/GaN HEMT具有输出电流大,击穿电压高,耐高温,抗辐射等优异的特性,在微波功率等方面发展空间广阔。集成电路的发展趋势一直遵循着摩尔定律,因此可以预见AlGaN/GaN HEMT尺寸将不断缩小,短沟道效应将是制约器件发展的重大难点。在Si基器件的发展中,三维鳍式栅(Fin)结构是解决短沟道效应并推动集成电路发展的重大技术突破,将之应用在GaN基器件的研究中,一方面Fin结构能够加强器件的栅控能力,另一方面,对于AlGaN/GaN器件而言,Fin结构侧栅会耗尽一部分沟道电子,同时使极化效应减弱,可以应用于实现增强型HEMT。本文基于Silvaco仿真与实验室标准工艺生产线,将FinFET理论研究与器件制备相结合,围绕栅控能力的提高与增强型实现,就FinFET工艺控制及特性展开研究。主要的研究内容与成果有:本文首先对FinFET器件纳米沟道刻蚀工艺条件进行了探索。采用SEM电镜对不同ICP刻蚀条件的纳米沟道阵列进行了测试分析,测试结果表明:偏压源功率越大,轰击速度越大,材料表面越粗糙。ICP源功率越大,化学反应速率越大,横向扩展越快,刻蚀倾角越大。最后采用的刻蚀方案中ICP源功率为100W,偏压源功率为10W,Cl_2流量为25sccm,刻蚀速率低至0.5nm/s,并且刻蚀表面形貌良好,粗糙度小,纳米沟道阵列较为陡直。本文对AlGaN/GaN FinFET进行了仿真研究。设计了Fin宽分别为50nm、100nm、150nm、200nm、400nm、800nm的三维FinFET器件,仿真结果表明:相比于常规HEMT,FinFET器件阈值正移,并且随着Fin宽的减小,阈值进一步正移,并且,Fin宽为50nm时的FinFET阈值为0.14V,实现了增强型;相比于常规HEMT,FinFET器件跨导大幅度提高,并且随着Fin宽的减小,器件跨导峰值先增大后减小,100nmFin宽的FinFET器件峰值跨导最大为321mS/mm。器件内部的电子浓度分布表明:随着纳米Fin宽的减小,二维电子气浓度逐渐降低,并且金属栅侧壁产生的耗尽区宽度相同,与Fin宽无关。器件内部电势分布表明:肖特基接触产生的电势分布基本一致,与Fin宽无关。本文制备了不同Fin宽的FinFET器件并进行了测试分析。测试结果表明:首先,FinFET的阈值电压相比于常规HEMT正移近2V左右,并且随Fin宽降低,器件阈值电压进一步正移,其中160nm与100nmFin宽器件阈值电压分别为-1.63V与-0.97V,正移了0.66V。同时,采用了相关阈值电压的理论模型很好的解释了实验规律,即FinFET侧栅的耗尽作用与压电极化效应的减弱共同导致器件阈值电压正移,并且当器件Fin宽减小到一定程度时,侧栅耗尽的沟道将占据整个Fin宽,器件实现增强型。其次,FinFET器件表现出更好的栅控能力,160nmFin宽的FinFET器件跨导峰值为306mS/mm,比常规HEMT提高41.6%;最后,FinFET器件电流密度更大,160nmFinFET电流密度为996mA/mm(V_G-V_(TH)=4V),比常规HEMT增大44.5%;但是,FinFET器件亚阈值摆幅与DIBL值比常规HEMT大,原因是在器件沟道刻蚀损伤引入了界面态。同时,界面态的引入使肖特基正反向电流增大。本文采用ICP设备对FinFET器件栅下方区域进行了氧等离子体处理。测试结果表明:氧化使器件阈值电压正移,Fin宽为100nm的FinFET器件氧化后,阈值电压由-0.97V增加到-0.54V,正移了近0.43V;氧化同时有刻蚀的作用,使势垒层减薄,导致器件跨导峰值提高,亚阈值斜率降低,栅控能力增强;氧化过程中产生了MIS绝缘层,使肖特基正反向漏电降低了近2个数量级。
【图文】：

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子器件领域与高频、高压电子器件领域蕴藏着巨大的发展潜力。图 1.1 展示了常规AlGaN/GaN HEMT 结构示意图。图1.1 常规 AlGaN/GaN HEMT 结构示意图如今的信息时代对高频高功率电子器件的需求与日俱增，GaN 等第三代半导体材料生长技术及工艺水平也在不断进步。Khan 等人在 1994 年首次成功研制了

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图1.2 AlGaN/GaN FinFET 结构图 1.2 为 AlGaN/GaN FinFET 结构示意图，实际的 GaN FinFET 是由众多成，并且有共同的源漏栅电极，这里为了说明 FinFET 器件的工作原理沟道。与常规 AlGaN/GaN HEMT 相比，FinFET 的特点是栅极从三个方因此，沟道不仅受到来自顶栅的电场调控，还有来自栅侧壁的电场调控 FinFET 器件的栅控能力，当器件尺寸减小至一定程度时，该结构可有道效应。并且侧栅与半导体材料的肖特基接触可以耗尽沟道中的一部分T 器件更易实现增强型器件。际上 LiuS H 等人在 2012 年制作了纳米沟道阵列 AlGaN/GaN HEMT[ 19为 64nm，实现了增强型器件。纳米沟道阵列采用电子束光刻与干法刻蚀00 个平行的纳米沟道组成，器件 Fin 宽与沟道间距之比为 0.4，，沟道总m，有效宽度宽度为 64μm，栅长为 2μm。器件的阈值电压为 0.6V，峰值S/mm，相比所做制作的常规 HEMT，阈值正移 2.2V，跨导提升 16%。并明，实现增强型的临界 Fin 宽为 90nm。该报道指出，通过恰当的制作
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386

【参考文献】