專利名稱：常關(guān)型半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，并且更具體地涉及晶體管以及相關(guān)的方法。
背景技術(shù)：
對(duì)用于高功率、高溫度和/或高頻率應(yīng)用的寬帶隙半導(dǎo)體材料存在高度的興趣， 所述寬帶隙半導(dǎo)體材料諸如是碳化硅(在室溫下對(duì)于α SiC為2. 996eV)以及III族氮化物(例如，在室溫下對(duì)于GaN為3. 36eV)。典型地，與砷化鎵和硅相比，這些材料具有較高的電場(chǎng)擊穿強(qiáng)度和較高的電子飽和速度。特別感興趣的一種用于高功率和/或高頻率應(yīng)用的器件是高電子遷移率晶體管 (HEMT)，其還被稱為調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管(M0DFET)。這些器件可以在許多情況下提供操作優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樵诰哂胁煌膸赌芰康膬煞N半導(dǎo)體材料的異質(zhì)結(jié)處形成二維電子氣(2 -DEG)，并且其中較小的帶隙材料具有較高的電子親和力。2 - DEG是在未摻雜(“非故意摻雜”)的較小帶隙材料中的積累層，并且可以包含超過例如IO13載流子/平方厘米的非常高的薄層電子濃度(sheet electron concentration)。此外，源于較寬帶隙半導(dǎo)體的電子轉(zhuǎn)移到2 - DEG,由于降低的離子化雜質(zhì)散射而允許高電子遷移率。高載流子濃度和高載流子遷移率的這種組合可以給予HEMT非常大的跨導(dǎo)并且可以提供優(yōu)于用于高頻應(yīng)用的金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)的高性能優(yōu)點(diǎn)。在氮化鎵/氮化鋁鎵(GaN/AlGaN)材料系統(tǒng)中制造的高電子遷移率晶體管具有生成大量RF功率的潛力，這是因?yàn)榘ㄇ懊嫣岬降母邠舸﹫?chǎng)、它們的寬帶隙、大的導(dǎo)帶偏移、 以及/或者高飽和電子漂移速度的材料特性的組合。此外，2 — DEG中的電子的主要部分歸因于AlGaN中的極化。Skppard等人的美國(guó)專利No. 6，316，793描述了一種具有半絕緣碳化硅襯底、在該襯底上的氮化鋁緩沖層、在緩沖層上的絕緣氮化鎵層、在氮化鎵層上的氮化鋁鎵阻擋層以及在氮化鋁鎵有源結(jié)構(gòu)上的鈍化層的HEMT器件，該專利被共同轉(zhuǎn)讓并且通過引用被結(jié)合于此。HEMT可以是常關(guān)型或常開型的。為了安全的原因，常關(guān)操作可以是被用作高電壓功率開關(guān)的晶體管中期望的。常關(guān)操作還可以在RF功率放大器中使用晶體管時(shí)簡(jiǎn)化偏壓電路。傳統(tǒng)的高性能GaN功率開關(guān)晶體管和RF晶體管通常是常開的。傳統(tǒng)的常關(guān)HEMT通常產(chǎn)生具有高導(dǎo)通狀態(tài)電阻、低切換速度和/或不穩(wěn)定的器件特性的器件。將在下面討論這些傳統(tǒng)器件中的一些。傳統(tǒng)的方法可以包括在蝕刻?hào)艠O之后的氟處理。特別地，在柵極金屬化之前柵極區(qū)中的AlGaN表面被暴露于包含氟的等離子體。如在Cai等人的High-performance enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs using fluoride-based plasma treatment (IEEEElectron Device Letters, Vol. 26, No. 7, p. 435, 2005)中所討論的那樣，通過氟等離子體暴露，器件的閾值電壓可以被移位到正值(常關(guān))。該方法適于例如如在C. S. Suh ^AW High-Breakdown Enhancement-Mode AlGaN/GaN HEMTs with Integrated Slant Field-Plate (2006年的IEEE國(guó)際電子器件會(huì)議的會(huì)議錄第911頁)中討論的GaN功率開關(guān)晶體管。當(dāng)使用這些方法時(shí)，閾值電壓在應(yīng)力下可能是不穩(wěn)定的并且可能朝向更負(fù)的值移位。此外，所達(dá)到的閾值電壓可能剛剛為正。為了考慮應(yīng)用中的亞閾值泄漏、工藝可變性以及噪聲抗擾性，通常期望VtHlV。
其它傳統(tǒng)的器件可以包括P型AlGaN或GaN蓋層(cap)。特別地，P型摻雜材料 (GaN或AlGaN)可以被形成在柵極區(qū)中的AlGaN阻擋層的上表面上。如在Y. Uemoto等人的 A Normally-off AlGaN/GaN Transistor with RonA=2. 6m Ω cm2 and BVds=640V using Conductivity Modulation (2006年的IEEE國(guó)際電子器件會(huì)議的會(huì)議錄第907頁)中所討論的那樣，這些器件可以具有低導(dǎo)通電阻和高擊穿電壓。然而，因?yàn)镚aN和AlGaN中的ρ型摻雜通常不具有淺受主能級(jí)，所以正常器件操作期間的受主的充電(charging)和耗盡可能太慢而不能以MHz切換速度來作出響應(yīng)。這可能在設(shè)備以高切換速度操作時(shí)產(chǎn)生增加的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻。可以由非故意摻雜GaN膜制造傳統(tǒng)的M0SFET。如例如Y. Niiyama等人的250C operation normally-off GaN MOSFETs (Solid-State Electronics vol. 51, p. 784, 2007) 中所討論的那樣，這些器件近似模擬硅MOSFET結(jié)構(gòu)。特別地，源極和漏極接觸被形成在η + 注入?yún)^(qū)上。閾值電壓以上的正柵極偏壓可以在ρ型緩沖(或半絕緣緩沖)中感應(yīng)出電子反轉(zhuǎn)層。反轉(zhuǎn)層的遷移率可能因?yàn)榻缑嫔⑸涠鵀榈?，這可能導(dǎo)致器件的高導(dǎo)通狀態(tài)電阻。要理解，利用精確控制的刻蝕速率，最初在250 左右的AlGaN層可以被蝕刻，在柵極區(qū)中留下大約25 。將柵極金屬沉積在該薄的剩余AlGaN層可以制作常關(guān)型器件。該工藝對(duì)凹進(jìn)蝕刻深度極其敏感，并且因此不實(shí)際。Μ. Kuraguchi等人討論了進(jìn)入雙溝道結(jié)構(gòu)中的凹進(jìn)蝕刻(Phys. Stat. Sol. (a) Vol. 204, No. 6，p. 2010, 2007)。討論了在雙溝道外延結(jié)構(gòu)(AlGaN/GaN/AlGaN/GaN)上形成的器件。其中蝕刻?hào)艠O溝槽穿過上AlGaN層停止在底層GaN層內(nèi)。在蝕刻?hào)艠O溝槽之后， 沉積介質(zhì)層和柵極金屬。GaN/AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)因此被提供在柵極下面，在此處AlGaN層的厚度和Al組分使得在零偏壓下在較低AlGaN/GaN界面處基本不會(huì)積累電子。閾值電壓通常對(duì)柵極溝槽蝕刻深度不敏感，但是導(dǎo)通電阻狀態(tài)中的傳輸特性可能會(huì)對(duì)它敏感。如果緊在柵極介質(zhì)下面的GaN厚度太厚，則在器件處于導(dǎo)通狀態(tài)中電子可能在柵極下面的介質(zhì)/GaN 界面處積累，而不是在較低的AlGaN/GaN界面處積累。這可能導(dǎo)致較低的電子遷移率和較高的器件導(dǎo)通電阻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一些實(shí)施例提供包括III族氮化物緩沖層和III族氮化物緩沖層上的 III族氮化物阻擋層的晶體管。不導(dǎo)電間隔物層被提供在III族氮化物阻擋層上。III族氮化物阻擋層和間隔物層限定延伸穿過阻擋層并且暴露一部分緩沖層的溝槽。柵極結(jié)構(gòu)被提供在間隔物層上且在溝槽中，并且柵極電極被提供在柵極結(jié)構(gòu)上。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，溝槽還可以由緩沖層限定。晶體管還可以包括在柵極電極和介質(zhì)層上的第二不導(dǎo)電間隔物層以及第二不導(dǎo)電間隔物上的場(chǎng)板。該場(chǎng)板可以電耦合到源極電極或者柵極電極。第二不導(dǎo)電間隔物可以具有從約500 到約5000 的厚度。
在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，溝槽還可以由緩沖層限定。晶體管還包括在溝槽和柵極結(jié)構(gòu)之間的薄GaN層，其具有從約2. 0到約50. 0 的厚度。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，柵極結(jié)構(gòu)可以包括介質(zhì)層，并且介質(zhì)層具有從約60 到約600 的厚度。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，溝槽還可以由緩沖層限定，并且柵極結(jié)構(gòu)可以包括在間隔物層上且在溝槽中的氮化鋁(AlN)層以及在AlN層上的介質(zhì)層。AlN層可以具有從約 1.0 到約10.0 的厚度。在某些實(shí)施例中，AlN層可以是氮化鋁鎵(AlGaN)層。薄的氮化鎵(GaN)層具有從約2. 0到約50. 0 的厚度，可以被提供在AlN層和溝槽之間。在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，柵極結(jié)構(gòu)可以包括AlN層上的氮化鎵(GaN)層，該GaN 層可以在介質(zhì)層和AlN層之間。GaN層可以具有從約2.0 到約30 的厚度。薄氮化鎵 (GaN)層具有約2. 0到約50. 0 的厚度，可以被提供在AlN層和溝槽之間。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第一不導(dǎo)電間隔物可以包括氮化硅，并且可以具有從約300 到約3000 的厚度。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，柵極電極可以具有從約0. 5Mm到約5. OMm的長(zhǎng)度。在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，晶體管可以是常關(guān)型高電子遷移率晶體管(HEMT)。本發(fā)明的一些實(shí)施例提供包括III族氮化物阻擋層和III族氮化物阻擋層上的不導(dǎo)電間隔物層的晶體管。間隔物層限定延伸穿過間隔物層并且暴露一部分阻擋層的溝槽。 柵極注入?yún)^(qū)被提供在一部分阻擋層中。柵極電極被提供在注入?yún)^(qū)上的溝槽中并且在間隔物層上。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，介質(zhì)側(cè)壁間隔物可以被提供在溝槽的側(cè)壁上。注入?yún)^(qū)可以具有從約5. OX 1012cm — 2到約1.0X 1014cm — 2的注入劑量。介質(zhì)側(cè)壁間隔物可以具有從約1. Onm到約50. Onm的厚度。在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，晶體管還可以包括在柵極電極和間隔物層上的第二不導(dǎo)電間隔物層和第二不導(dǎo)電間隔物上的場(chǎng)板。該場(chǎng)板可以電耦合到源極電極或者柵極電極。第二不導(dǎo)電間隔物可以具有從約500 到約5000 的厚度。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，溝槽可以延伸進(jìn)入阻擋層。溝槽可以從約0 延伸到約200 進(jìn)入阻擋層。盡管上文主要參考晶體管實(shí)施例討論了本發(fā)明的一些實(shí)施例，但是本文還提供了對(duì)應(yīng)的方法。


圖IA — ID是示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例制造半導(dǎo)體器件的處理步驟的截面圖。圖2到圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的截面圖。圖5A和圖5B是示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的截面圖。圖6A到6C是示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的性能特性的各種圖表。圖7A到7E是示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例制造半導(dǎo)體器件的處理步驟的截面圖。圖8到9B是示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的截面圖。圖10是 根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的性能特性的圖表。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參考示出本發(fā)明的實(shí)施例的附圖在下文中更全面地描述本發(fā)明的實(shí)施例。 然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式來具體實(shí)施并且不應(yīng)該被解釋為受限于本文所闡述的實(shí)施例；更確切地說，這些實(shí)施例被提供以便該公開內(nèi)容將更徹底和完整，并且將向本領(lǐng)域技術(shù)人員全面地傳達(dá)本發(fā)明的范圍。遍及全文，相似的數(shù)字指代相似的元件。此外，示意性示出在圖中示出的各個(gè)層和區(qū)。因此本發(fā)明不限于附圖中示出的相對(duì)大小、間距和對(duì)準(zhǔn)。還如本領(lǐng)域技術(shù)人員所認(rèn)識(shí)的那樣，本文提到的形成于襯底或其它層上的層可以指直接形成在襯底或其它層上的層或者在襯底或其它層上形成的一個(gè)或多個(gè)居間層上的層。本領(lǐng)域技術(shù)人員還將認(rèn)識(shí)到提到的“鄰近”另一特征(feature)布置的結(jié)構(gòu)或特征可以具有部分與鄰近特征重疊或在鄰近特征下面。相對(duì)術(shù)語(例如“以下”或“以上”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”在本文中可以被用來描述如在圖中示出的一個(gè)元件、層或區(qū)與另一元件、層或區(qū)之間的關(guān)系。將理解，這些術(shù)語意圖除了包括在圖中所描繪的取向之外還包括器件的不同取向。本文參考作為本發(fā)明的理想實(shí)施例(以及中間結(jié)構(gòu))的示意性圖示的截面圖示來描述本發(fā)明的實(shí)施例。為了清楚起見，附圖中的層和區(qū)的厚度可以被放大。此外，可以預(yù)期例如由制造技術(shù)和/或容差帶來的的圖示的形狀的變化。因此，本發(fā)明的實(shí)施例不應(yīng)該被解釋為受限于本文所示出的區(qū)的特定形狀，而是包括例如由制造而產(chǎn)生的形狀的偏差。例如，被示出為矩形的注入?yún)^(qū)典型地將具有圓形或彎曲的特征以及/或者在其邊緣處的注入濃度的梯度，而不是從注入到非注入?yún)^(qū)的不連續(xù)變化。同樣，由注入形成的掩埋區(qū)可以產(chǎn)生掩埋區(qū)和注入所通過的表面之間的區(qū)中的某些注入。因此，在圖中示出的區(qū)本質(zhì)上是示意性的并且它們的形狀不意圖示出器件的區(qū)的實(shí)際形狀并且不意圖限制本發(fā)明的范圍。在本文中所使用的術(shù)語僅僅為了描述特定實(shí)施例的目的并且不意圖限制本發(fā)明。 如本文所使用的那樣，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“所述”意圖也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文以其它方式明確指示。還將理解，當(dāng)在本文使用術(shù)語“包括”和/或“包含”時(shí)，其指定所敘述的特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一個(gè)或多個(gè)其它特征、整體、 步驟、操作、元件、部件和/或其組群的存在或添加。除非以其它方式限定，本文所使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語)具有與如本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同的含義。還將理解本文所使用的術(shù)語應(yīng)該被解釋為具有與它們?cè)谠撜f明書的背景以及相關(guān)領(lǐng)域中的含義一致的含義，并且將不會(huì)以理想化或過分形式的方式解釋，除非在本文中明確如此限定。本發(fā)明的實(shí)施例可以非常特別適合于在諸如基于III族氮化物的器件之類的基于氮化物的HEMT中使用。如本文所使用的那樣，術(shù)語“III族氮化物”指在氮和周期表的 III族中的元素(通常為鋁(Al)、鎵(Ga)和/或銦(In))之間形成的那些半導(dǎo)體化合物。術(shù)語還指諸如AlGaN和AlInGaN之類的三元和四元化合物。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所透徹理解的那樣，III族元素可以與氮結(jié)合以形成二元(例如GaN)、三元(例如AlGaN、AlInN)以及四元(例如AlInGaN)化合物。所有這些化合物都具有實(shí)驗(yàn)式，其中一摩爾氮與總的一摩爾III族元素結(jié)合。因此，通常例如用式AlxGai_xN來描述它們，其中O彡χ彡1。盡管結(jié)合GaN HEMT器件描述了本發(fā)明的實(shí)施例，但是可以結(jié)合其它類型的器件和 /或材料來使用本發(fā)明。例如，本發(fā)明的實(shí)施例還可以特別適合用在碳化硅MESFET器件中。
同樣，有利地，可以在基于GaN的發(fā)光器件(LED)以及在諸如GaAs/AlGaAs pHEMT器件之類的基于GaAs的器件中使用本發(fā)明的一些實(shí)施例。具有低導(dǎo)通電阻的高擊穿器件通常在柵極和源極之間的區(qū)以及在柵極和漏極之間的區(qū)中具有低電阻，而同時(shí)允許柵極和漏極之間的區(qū)中的溝道耗盡。在本文中柵極和源極之間的區(qū)以及柵極和漏極之間的區(qū)將被稱為“接入?yún)^(qū)(access region)”。AlGaN/GaN或 AlGaN/AlN/GaN結(jié)構(gòu)的高遷移率和高電荷密度可以適用于此，并且已被用于闡明例如如在 High Breakdown Voltage Achieved on AlGaN/GaN HEMTs With Integrated Slant Field Plates (IEEE Electron Device letters, vol. 27，no. 9，p. 713，2006)中所討論的高性能常開型器件。當(dāng)期望常關(guān)操作時(shí)，相同的層結(jié)構(gòu)通常不能在柵極區(qū)中使用。因此，如將在本文中參考圖IA到圖10進(jìn)一步討論的那樣，本發(fā)明的一些實(shí)施例提供常關(guān)型器件以及其制造方法，所述常關(guān)型器件具有低電阻接入?yún)^(qū)。常關(guān)型器件可以被用于諸如功率開關(guān)之類的應(yīng)用中，常關(guān)型器件對(duì)于功率開關(guān) /電源應(yīng)用來說本質(zhì)上會(huì)較安全，因?yàn)樵诩与娦蛄衅陂g提供的電流將不會(huì)使得器件破壞 (blow up)系統(tǒng)，如常開型器件可能經(jīng)歷的那樣。因此，本發(fā)明的一些實(shí)施例提供能夠進(jìn)行常關(guān)操作并且具有金屬-絕緣體-半導(dǎo)體柵極結(jié)構(gòu)的GaN HEMT器件。如上文所討論的那樣，為了安全，在用作高電壓功率開關(guān)的晶體管中期望常關(guān)操作。當(dāng)晶體管用于RF功率放大器中時(shí)，常關(guān)操作還可以簡(jiǎn)化偏置電路。傳統(tǒng)的高性能GaN功率開關(guān)晶體管和RF晶體管通常是常開型的。如上文所討論的那樣，實(shí)現(xiàn)常關(guān)操作的傳統(tǒng)器件通常產(chǎn)生高導(dǎo)通狀態(tài)電阻、低切換速度和/或不穩(wěn)定的器件特性。因此，根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，提供具有與常開型器件相當(dāng)?shù)男阅艿某ｊP(guān)型GaN HEMT。如下文參考圖1到圖6C詳細(xì)討論的那樣，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，包括GaN緩沖層和阻擋層之間的二維電子氣(2 — DEG)的GaN HEMT外延晶片被蓋有不導(dǎo)電間隔物層。 在器件的接入?yún)^(qū)中提供阻擋層結(jié)構(gòu)(例如AlGaN/GaN)。在阻擋層的上表面上提供間隔物層。 在器件的柵極區(qū)中，蝕刻溝槽穿過間隔物和阻擋層，從而暴露GaN緩沖層的一部分。在金屬柵極電極的沉積之后，執(zhí)行例如薄AIN/GaN疊層和介質(zhì)層的再生長(zhǎng)。薄的AIN/GaN疊層被設(shè)計(jì)成使得在零柵極偏壓下在柵極下基本上不會(huì)感應(yīng)出電荷，從而提供具有常關(guān)特性的器件。在正柵極偏壓以下，在AlN層和底層GaN緩沖之間的界面處會(huì)積累電子。電子具有典型的半導(dǎo)體異質(zhì)界面的高遷移率，從而產(chǎn)生低導(dǎo)通狀態(tài)電阻。因?yàn)楠?dú)立于形成接入?yún)^(qū)的層形成形成柵極結(jié)構(gòu)的層，所以每個(gè)層結(jié)構(gòu)可以被單獨(dú)優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)如本文所進(jìn)一步討論的期望的器件特性。將參考圖IA到圖ID討論根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造的處理步驟。首先參考圖1A，提供一種在其上可以形成基于氮化物的器件的襯底10。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，襯底10可以是半絕緣碳化硅(SiC)襯底，其可以例如是碳化硅的4H多型體。其它碳化硅候選多型體包括3C、6H和15R多型體。在相對(duì)而非絕對(duì)的意義上來使用術(shù)語“半絕緣”。 在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，碳化硅體晶體在室溫下具有等于或高于約1 X IO5 Ω -cm的電阻率?？梢栽?襯底10上提供可選的緩沖、成核和/或過渡層(未示出)。例如，AIN緩沖層可以被提供以便在碳化硅襯底和器件的剩余部分之間提供適當(dāng)?shù)木w結(jié)構(gòu)過渡。碳化硅比藍(lán)寶石(Al2O3)具有更接近于III族氮化物的晶格匹配，藍(lán)寶石是III族氮化物器件的非常常用的襯底材料。更接近的晶格匹配可以產(chǎn)生比通?？捎迷谒{(lán)寶石上的那些膜更高質(zhì)量的III族氮化物膜。碳化硅還具有非常高的導(dǎo)熱性，因此碳化硅上的III 族氮化物器件的總輸出功率通常不會(huì)像在藍(lán)寶石上形成相同器件的情形那樣受到襯底的熱耗散的限制。而且，使用半絕緣碳化硅襯底可以實(shí)現(xiàn)器件隔離和降低寄生電容。適當(dāng)?shù)?SiC襯底可以由例如本申請(qǐng)的受讓人美國(guó)北卡羅來納州達(dá)勒姆的Cree有限公司來制造。盡管碳化硅可以被用作襯底材料，但是本發(fā)明的實(shí)施例可以利用任何適合的襯底，例如藍(lán)寶石、氮化鋁、氮化鋁鎵、氮化鎵、硅、GaAs, LGO、ZnO, LAO、InP等等，而不會(huì)偏離本發(fā)明的范圍。在一些實(shí)施例中，可以形成適當(dāng)?shù)木彌_層。參考圖1A，在襯底10上形成緩沖(溝道)層20。如上述那樣使用緩沖層、過渡層和 /或成核層，將緩沖層20形成在襯底10上。緩沖層20可以受到壓應(yīng)變。此外，可以通過金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積(MOCVD)或通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它技術(shù)(例如分子束外延 (MBE)、氫化物氣相外延(HVPE)或其它適合的技術(shù))來外延生長(zhǎng)溝道層和/或緩沖成核和/ 或過渡層。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，緩沖層20是III族氮化物，例如AlxGai_xN，其中 0 ( χ<1，在溝道和阻擋層之間的界面處緩沖層20的導(dǎo)帶邊緣的能量小于阻擋層22的導(dǎo)帶邊界的能量。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，x=0，指示緩沖層20是GaN。緩沖層20還可以包括其它III族氮化物，例如InGaN、AlInGaN等等，而不會(huì)偏離本發(fā)明的范圍。緩沖層20可以是未摻雜的(“非故意摻雜”)并且可以被生長(zhǎng)到從約0.5μπι到約10 μ m的厚度。緩沖層 20還可以是多層結(jié)構(gòu)，例如超晶格或GaN、AlGaN等等的組合，而不會(huì)偏離本發(fā)明的范圍。阻擋層22形成在緩沖層20上。阻擋層22可以具有大于緩沖層20的帶隙的帶隙，并且阻擋層22還可以具有比緩沖層22小的電子親和力。因此，在兩種半導(dǎo)體材料(阻擋層22和緩沖層20)的異質(zhì)結(jié)處由不同帶隙能量形成二維電子氣(2-DEG) 33，并且在此處較小的帶隙材料具有較高的電子親和力。2-DEG 33是未摻雜(“非故意摻雜”)的較小帶隙材料中的積累層，并且可以包含非常高的薄層電子濃度，超過例如IO13載流子/平方厘米。 此外，源于較寬帶隙半導(dǎo)體的電子轉(zhuǎn)移到2-DEG，由于降低的離子化雜質(zhì)散射而允許高電子遷移率。阻擋層22可以直接外延生長(zhǎng)在緩沖層20上。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，阻擋層 22包括厚度從約100 到約700 的A1N、AlInN, AlGaN和/或Al InGaN。在一些實(shí)施例中，阻擋層22可以包括AlxGai_xN，其中0彡x<0. 32。在特定實(shí)施例中，x=0. 22。盡管在此處參考特定HEMT結(jié)構(gòu)描述了本發(fā)明的實(shí)施例，但是本發(fā)明不應(yīng)該被解釋為限于這種結(jié)構(gòu)。例如，附加層可以包括在HEMT器件中，而仍受益于本發(fā)明的教導(dǎo)。這樣的附加層可以包括阻擋層22上的GaN蓋層。此外，阻擋層22還可以被提供有多個(gè)層。因此，本發(fā)明的實(shí)施例不應(yīng)該被解釋為將阻擋層限制為單個(gè)層，而是可以包括例如具有GaN、 AlGaN和/或AlN層的組合的阻擋層。例如，GaN、AlN結(jié)構(gòu)可以被用來降低或防止合金散射。因此，本發(fā)明的實(shí)施例可以包括基于氮化物的阻擋層，這種基于氮化物的阻擋層可以包括基于AlGaN的阻擋層，基于AlN的阻擋層以及其組合。 在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，阻擋層22足夠厚并且具有足夠高的Al組分和摻雜以便在阻擋層22被埋到歐姆接觸金屬下面時(shí)通過極化效應(yīng)在緩沖層20和阻擋層22之間的界面之間感應(yīng)出足夠的載流子濃度。如上文所指出的那樣，阻擋層22可以具有比緩沖層22大的帶隙以及比緩沖層20 小的電子親和力。因此，在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，阻擋層22可以包括AlGaN、AlInGaN和 /或AlN或這些層的組合。阻擋層22不應(yīng)該太厚，否則會(huì)在其中會(huì)引起破裂或明顯的缺陷形成。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，阻擋層22是未摻雜的或者摻雜有濃度小于約IXlO19cnT3 的η型摻雜劑。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，阻擋層22包括AlxGai_xN，其中0<χ<=1。在特定實(shí)施例中，鋁濃度可以是約25%。然而，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，阻擋層22包括具有約5% 和約100%之間的鋁濃度的AlGaN。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，鋁濃度大于約10%。如在圖IA中進(jìn)一步示出的那樣，第一不導(dǎo)電間隔物層23可以形成在阻擋層22 上。第一不導(dǎo)電間隔物層可以包括例如氮化硅。第一不導(dǎo)電間隔物層可以具有從約300 到約3000 的厚度?，F(xiàn)在參考圖1B，使用掩模30，間隔物層23、阻擋層22和緩沖層被圖案化和蝕刻。 掩模30可以包括光致抗蝕劑和/或金屬，并且可以使用傳統(tǒng)的光刻/剝離技術(shù)來對(duì)其圖案化，而不會(huì)偏離本發(fā)明的范圍。特別地，緩沖層20、阻擋層22和間隔物層23被蝕刻以形成溝槽75。如所示出的那樣，溝槽延伸穿過間隔物層23和阻擋層22并且進(jìn)入緩沖層20，從而暴露一部分緩沖層。在一些實(shí)施例中，溝槽75可以從約50延伸到約500 進(jìn)入阻擋層 20。蝕刻時(shí)間可以被調(diào)整以使得在溝槽75延伸進(jìn)入緩沖層20的可接受范圍內(nèi)時(shí)工藝終止?，F(xiàn)在參考圖1C，掩模30被除去并且柵極結(jié)構(gòu)435 (圖4)被形成在溝槽和間隔物層上。在圖IC所示出的本發(fā)明的實(shí)施例中，柵極結(jié)構(gòu)是介質(zhì)層35。然而，如將在下文中參考圖2和圖3進(jìn)一步討論的那樣，柵極結(jié)構(gòu)435 (圖4)不限于該配置。參考圖4，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，柵極結(jié)構(gòu)435的形成之前是可選的GaN層47 的形成。在蝕刻溝槽75之后，被暴露的緩沖層20的表面可以是粗糙的。該粗糙的表面在沉積柵極結(jié)構(gòu)435之后形成器件導(dǎo)通狀態(tài)中積累電子的界面。該界面的粗糙度可以導(dǎo)致較低的電子遷移率和較高的器件導(dǎo)通電阻。因此，根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，在柵極結(jié)構(gòu)435 的形成之前，在溝槽75中形成(沉積)薄的GaN層47。薄的GaN層47可以在緩沖層20和阻擋層22的側(cè)壁上生長(zhǎng)，但是典型地不在間隔物層23上生長(zhǎng)。在一些實(shí)施例中，可以使用金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積(MOCVD)以從約600到約1200°C的溫度生長(zhǎng)薄的GaN層。然而，本發(fā)明的實(shí)施例不限于該形成工藝。當(dāng)薄的GaN層47被沉積時(shí)，由溝槽蝕刻產(chǎn)生的粗糙度可以恢復(fù)(recover)成代表原生生長(zhǎng)的(as-grown) GaN的臺(tái)階流形態(tài)。薄的GaN層47可以具有從約2.0 到約50 的厚度。再次參考圖1C，如上所述，在圖IC所示出的本發(fā)明的實(shí)施例中，柵極結(jié)構(gòu)435 (圖 4)由介質(zhì)層35提供。因此，如果圖IC的結(jié)構(gòu)包括薄的GaN層47來恢復(fù)表面光滑度，則將在溝道75和介質(zhì)層35之間提供薄的GaN層47。介質(zhì)層可以具有從約60 到約600 的厚度。介質(zhì)層35可以包括氮化硅(SixNy), 二氧化硅(Si02)、AlSiN和/或其它適合的介質(zhì)材料，例如氮氧化硅(SiON)。將會(huì)理解，在本文所使用的術(shù)語"SixNy”、“SiN”和“氮化硅”可交換地指的是化學(xué)計(jì)量的和非化學(xué)計(jì)量的氮化硅二者。還可以將其它材料用于介質(zhì)層 35，例如，介質(zhì)層35也可以包括氧化鎂、氧化鈧、氧化鋁、和/或氮氧化鋁。此外，介質(zhì)層35 可以是單層或者可以包括均勻和/或非均勻組分的多層。介質(zhì)層35的材料應(yīng)該能夠承受相對(duì)較高的溫度。一般來說，介質(zhì)層35具有相對(duì)較高擊穿場(chǎng)強(qiáng)并且在與諸如緩沖層20之類的底層 III族氮化物層的界面處提供相對(duì)較低界面陷阱密度。介質(zhì)層35可能不會(huì)對(duì)阻擋層22的材料起作用。此 外，介質(zhì)層35在此處可以具有相對(duì)較低水平的雜質(zhì)。例如，介質(zhì)層35可以具有相對(duì)較低水平的氫和其它雜質(zhì)(包括氧、碳、氟和氯)。此外，介質(zhì)層35可以在相對(duì)較高的溫度(例如>1000°C)下是穩(wěn)定的，以便能夠承受在隨后的工藝步驟中使用的高退火溫度。在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，介質(zhì)層35包括SiN。該SiN介質(zhì)層35可以例如通過化學(xué)汽相沉積(CVD)來形成。SiN介質(zhì)層35可以是化學(xué)計(jì)量的(即在材料中硅與氮的比值是約3 :4)。SiN層的化學(xué)計(jì)量可以被調(diào)整，例如通過調(diào)整CVD工藝中的SiH4和NH3源氣體的相對(duì)流速。此外，當(dāng)以相對(duì)較高溫度形成時(shí)，CVD生長(zhǎng)的SiN趨于是化學(xué)計(jì)量的。SiN層的化學(xué)計(jì)量也可以影響層的折射率。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，SiN介質(zhì)層 35在633nm波長(zhǎng)處可以具有從約1. 6到約2. 2的折射率。在特定實(shí)施例中，如通過橢圓偏光法測(cè)量的那樣，SiN介質(zhì)層35的折射率是1. 98士0. 05。化學(xué)計(jì)量的SiN還可以由其在緩沖氧化物蝕刻(BOE)中的蝕刻速率來表征。例如，化學(xué)計(jì)量的SiN在BOE中的蝕刻速率接近于零。在一些實(shí)施例中，介質(zhì)層35可以是Si02。SiO2可以通過LPCVD和/或MOCVD來形成并且可以是化學(xué)計(jì)量的。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，SiO2保護(hù)層在633nm波長(zhǎng)處可以具有從約1. 36到約1. 56的折射率。在特定實(shí)施例中，如通過橢圓偏光法測(cè)量的那樣，3102保護(hù)層的折射率是1.46 士 0. 03。當(dāng)介質(zhì)層35包括氮化硅時(shí)，如利用Cs離子束的二次離子質(zhì)譜(SIMS)所測(cè)量的那樣，介質(zhì)層35可以具有在表1中示出的雜質(zhì)水平或低于這些雜質(zhì)水平。表 權(quán)利要求
1.一種晶體管，包括 III族氮化物緩沖層；在III族氮化物緩沖層上的III族氮化物阻擋層；在III族化物氮阻擋層上的不導(dǎo)電間隔物層，所述III族氮化物阻擋層和間隔物層限定延伸穿過阻擋層并且暴露一部分緩沖層的溝槽； 在間隔物層上且在溝槽中的柵極結(jié)構(gòu)；以及在柵極結(jié)構(gòu)上的柵極電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體管，其中所述溝槽還由緩沖層限定，所述晶體管還包括在柵極電極和介質(zhì)層上的第二不導(dǎo)電間隔物層；以及在第二不導(dǎo)電間隔物上的場(chǎng)板。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的晶體管，其中所述場(chǎng)板電耦合到源極電極或者柵極電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的晶體管，其中所述第二不導(dǎo)電間隔物具有從約500到約 5000 的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體管，其中所述溝槽還由緩沖層限定，所述晶體管還包括在溝槽和柵極結(jié)構(gòu)之間的薄GaN層，所述薄GaN層具有從約2. 0到約50. 0 的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體管，其中所述柵極結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)層，并且其中所述介質(zhì)層具有從約60 到約600 的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體管，其中所述溝槽還由緩沖層限定，并且其中柵極結(jié)構(gòu)包括在間隔物層上且在溝槽中的氮化鋁(AlN)層以及在AlN層上的介質(zhì)層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的晶體管，其中所述AlN層具有從約1.0到約10.0 的厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的晶體管，其中AlN層是氮化鋁鎵(AlGaN)層。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的晶體管，還包括在AlN層和溝槽之間的薄氮化鎵(GaN)層， 所述薄氮化鎵(GaN)層具有從約2. 0到約50. 0 的厚度。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的晶體管，其中所述柵極結(jié)構(gòu)還包括AlN層上的氮化鎵(GaN) 層，所述GaN層在AlN層和介質(zhì)層之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的晶體管，其中所述GaN層具有從約2.0 到約30 的厚度。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的晶體管，還包括在AlN層和溝槽之間的薄氮化鎵(GaN)層， 所述薄氮化鎵(GaN)層具有從約2. 0到約50. 0 的厚度。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體管，其中所述第一不導(dǎo)電間隔物包括氮化硅，并且具有從約300 到約3000 的厚度。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體管，其中所述柵極電極具有從約0.5Mffl到約5. OMffl的長(zhǎng)度。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體管，所述晶體管包括常關(guān)型高電子遷移率晶體管 (HEMT)0
17.一種形成半導(dǎo)體器件的方法，包括 形成III族氮化物緩沖層；在III族氮化物緩沖層上形成III族氮化物阻擋層； 在III族氮化物阻擋層上形成不導(dǎo)電間隔物層；蝕刻所述III族氮化物阻擋層和間隔物層以形成溝槽，所述溝槽延伸穿過阻擋層并且暴露一部分緩沖層；在間隔物層上且在溝槽中形成柵極結(jié)構(gòu)；以及在柵極結(jié)構(gòu)上形成柵極電極。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中形成柵極結(jié)構(gòu)包括形成介質(zhì)層，并且其中所述介質(zhì)層具有從約60 到約600 的厚度。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中蝕刻還包括蝕刻一部分III族氮化物緩沖層， 并且其中形成柵極結(jié)構(gòu)包括在間隔物層上且在溝槽中形成氮化鋁(A1N)，以及在AlN層上形成介質(zhì)層。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中形成柵極結(jié)構(gòu)還包括在AlN層上形成氮化鎵 (GaN)層，所述GaN層在介質(zhì)層和AlN層之間。
21.一種晶體管，包括 III族氮化物阻擋層；在III族氮化物阻擋層上的不導(dǎo)電間隔物層，所述間隔物層限定延伸穿過間隔物層并且暴露一部分阻擋層的溝槽；在一部分阻擋層中的柵極注入?yún)^(qū)；以及在所述注入?yún)^(qū)上的溝槽中且在間隔物層上的柵極電極。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的晶體管，還包括在溝槽的側(cè)壁上的介質(zhì)側(cè)壁間隔物。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的晶體管，其中所述注入?yún)^(qū)具有從約5.OX 1012cm — 2到約 1.0X 1014cm — 2的注入劑量。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的晶體管，其中介質(zhì)側(cè)壁間隔物具有從約1.Onm到約50. Onm的厚度。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的晶體管，還包括 在柵極電極和間隔物層上的第二不導(dǎo)電間隔物層；以及在第二不導(dǎo)電間隔物上的場(chǎng)板。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的晶體管，其中所述場(chǎng)板電耦合到源極電極或柵極電極。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的晶體管，其中所述第二不導(dǎo)電間隔物具有從約500到約 5000 的厚度。
28.根據(jù)權(quán)利要求21所述的晶體管，其中所述溝槽延伸進(jìn)入阻擋層。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的晶體管，其中所述溝槽從約0延伸到約200 進(jìn)入阻擋層。
30.根據(jù)權(quán)利要求21所述的晶體管，其中所述晶體管包括常關(guān)型高電子遷移率晶體管(HEMT)。
31.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括 形成III族氮化物阻擋層；在III族氮化物阻擋層上形成不導(dǎo)電間隔物層；蝕刻間隔物層以形成溝槽，所述溝槽延伸穿過間隔物層并且暴露所述III族氮化物阻擋層的至少一部分； 在所述阻擋層的一部分中形成柵極注入?yún)^(qū)；以及在所述柵極注入?yún)^(qū)上的溝槽中且在間隔物層上形成柵極電極。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中形成柵極注入?yún)^(qū)包括利用從約3. OkeV到約20keV的注入能量以及從約5. OX 1012cm"2到約1. OX 1014cm一2 的劑量將摻雜劑離子注入到阻擋層的暴露部分中；以及在從約1000°C到約1300°C的溫度下對(duì)注入的摻雜劑離子進(jìn)行退火持續(xù)約30秒到約10分鐘。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中對(duì)注入的摻雜劑離子進(jìn)行退火包括在包含氨的氣氛中對(duì)注入的摻雜劑離子進(jìn)行退火。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中摻雜劑離子包括鎂(Mg)或鋅(Zn)。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中對(duì)注入的摻雜劑離子進(jìn)行退火之后是在從約 600°C到約900°C的溫度下對(duì)注入的摻雜劑離子進(jìn)行激活退火持續(xù)約1. 0分鐘到約1. 0小時(shí)。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中在包含約百分之80的N2和百分之20的O2的氣氛中執(zhí)行所述激活退火。
全文摘要
提供常關(guān)型半導(dǎo)體器件。提供III族氮化物緩沖層。III族氮化物阻擋層被提供在III族氮化物緩沖層上。不導(dǎo)電間隔物層被提供在III族氮化物阻擋層上。III族氮化物阻擋層和間隔物層被蝕刻以形成溝槽。所述溝槽延伸穿過阻擋層并且暴露一部分緩沖層。在間隔物層上且在溝槽中形成介質(zhì)層，并且在介質(zhì)層上形成柵極電極。還在本文中提供形成半導(dǎo)體器件的相關(guān)方法。
文檔編號(hào)H01L21/335GK102171830SQ200980138363
公開日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2009年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月31日
發(fā)明者S·黑克曼, Y·吳 申請(qǐng)人:克里公司