專利名稱：單電壓源假晶高電子遷移率晶體管(phemt)功率器件及制造方法
單電壓源假晶高電子遷移率晶體管(PHEMT)功率器件及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明總體上涉及一種功率器件，更具體地，涉及一種假晶高電子遷 移率晶體管(PHEMT)功率器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
如所知的，假晶高電子遷移率晶體管(PHEMT)在用于開關(guān)、功率和低 噪聲放大器應(yīng)用的無線通信系統(tǒng)中被廣泛地使用。這些晶體管由于其高的 RF增益以及功率附加效率(PAE)和低噪聲系數(shù)(NF)，獲得了廣泛的市場接 受性。這些晶體管的優(yōu)異性能還使得它們對包括直播衛(wèi)星電視(DBS-TV) 和全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用具有吸引力。PHEMT技術(shù) 還用于高速模擬和數(shù)字IC，如2.5-10 Gb/s光波通信系統(tǒng)。PHEMT的較高 頻率響應(yīng)目前在毫米波通信(40 Gb/s)和雷達系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。
對用于無線通信系統(tǒng)、雷達探測、衛(wèi)星和電子作戰(zhàn)系統(tǒng)的具有越來越 高的性能的RF功率器件的日益增長的市場需求已經(jīng)使得電子工業(yè)拓寬了 可得到的功率器件和技術(shù)的工作頻率。為了將功率器件的工作頻率增大至 毫米波范圍，已經(jīng)提出了幾個關(guān)鍵的技術(shù)特點，包括優(yōu)化的PHEMT外延 層結(jié)構(gòu)、用于特定應(yīng)用的單位晶胞的優(yōu)化器件布局，以及適于高頻功能的 薄膜技術(shù)開發(fā)。特別是，對外延層結(jié)構(gòu)設(shè)定的最主要條件與確保傳導(dǎo)通道 中的自由電子與離子化給體物理分離的條件相關(guān)。這種解決方案允許相對 于常規(guī)的金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)顯著降低離子化雜質(zhì)散射、 提高電子遷移率，因此允許顯著的性能提高。
另外，假晶高電子遷移率晶體管PHEMT的工作通常需要負(fù)的柵極偏 壓。因此，與使用正的柵極電壓的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)相比，這樣的 負(fù)電壓的引入不利地需要專用的電壓供給電路，其增加了芯片的復(fù)雜性以 及制造成本。
在例如US 6,593,603中公開了能夠利用單電壓源(single voltage supply)工作的PHEMT功率器件。PHEMT功率器件包括外延襯底，其包括依 次層疊在半絕緣GaAs襯底上的GaAs緩沖層、AlGaAs/GaAs超晶格層、 未摻雜AlGaAs層、第一摻雜硅層、第一隔體、InGaAs電子傳遞層、第二 隔體、摻雜濃度不同于第一摻雜硅層的第二摻雜硅層、輕摻雜AlGaAs層 和未摻雜GaAs保護層；在未摻雜GaAs保護層上形成并且與其歐姆接觸 的源極電極和漏極電極；以及在輕摻雜AlGaAs層上形成以延伸通過未摻 雜GaAs保護層的柵極電極。
本發(fā)明目的和概述 本申請人己經(jīng)注意到，為了提供可利用單電壓源(僅僅漏極供給電壓) 工作的PHEMT功率器件，必需優(yōu)化允許在保持沒有任何偏置的接地的柵 極的同時獲得A級工作條件(等于可獲得的最大值的一半的漏極至源極電 流)的夾斷電壓。
特別是，本申請人已經(jīng)注意到，具有優(yōu)異的線性和附加效率、高擊穿 電壓并且能夠利用單電壓源工作的優(yōu)化PHEMT功率器件應(yīng)當(dāng)滿足下列要 求低的膝處電壓、高并且均勻的跨導(dǎo)以及低的源極-柵極電容。
在這點上，本申請人已經(jīng)注意到，雖然在US 6,593,603中公開的 PHEMT功率器件可利用單電壓源工作，但是其性能證明僅僅在C頻帶(4 至6GHz)中令人滿意，而在X頻帶(8.0至12.0GHz)中相當(dāng)不令人滿意， 并且該PHEMT功率器件在Ka(高于K)頻帶(18至40 GHz)中完全不可用。
因此，本申請人已經(jīng)注意到，為了提供可利用單電壓源工作，并且在 X頻帶和Ka頻帶中也具有優(yōu)異性能的PHEMT功率器件，必需進一步優(yōu) 化專用外延襯底的結(jié)構(gòu)，因此，必需進一步優(yōu)化在US6，593，603中公開的 裝置制造方法。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供可利用單電壓源工作的PHEMT功率 器件，該PHEMT功率器件令人滿意地適用于高頻數(shù)字無線通信，特別是 可以用于將信號放大至40GHz，即，例如C頻帶、X頻帶和Ka頻帶， 并且與現(xiàn)有技術(shù)PHEMT中的相比，具有更高的線性、擊穿電壓以及附加 效率。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于制造該PHEMT功率器件的方
9法。
這些目的是通過本發(fā)明達到的，其中本發(fā)明涉及如后附權(quán)利要求中所
述的PHEMT功率器件及其制造方法。
本發(fā)明通過以下手段達到上述目的禾U用第ni-v半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的外 延生長技術(shù)的進展，所述進展確保半導(dǎo)體器件的能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計、在不同區(qū) 域中的摻雜類型和摻雜水平的可能性；并且采用具有優(yōu)良電特性的新的半 導(dǎo)體材料，例如寬帶隙的半導(dǎo)體；以及適當(dāng)?shù)卦O(shè)計PHEMT結(jié)構(gòu)。這些附
加的自由度的利用提供了開發(fā)RF性能顯著提高的新器件的機會。特別是， 本發(fā)明通過引入優(yōu)化的外延層序列和雙凹柵極幾何形狀而達到上述目的。 更具體地，本發(fā)明通過提供一種假晶高電子遷移率晶體管(PHEMT)功率器
件而達到上述目的，所述功率器件包括 半絕緣襯底；
在所述半絕緣襯底上形成的外延襯底，所述外延襯底包括依次層疊在 所述半絕緣襯底上的緩沖層、超晶格層、第一電子供給層、第一隔體層、 電子傳遞層、第二隔體層、第二電子供給層、肖特基(Schottky)層，以及接 觸層；
源極和漏極電極，所述源極和漏極電極在所述接觸層上形成并且與所 述接觸層歐姆接觸；以及
柵極電極，所述柵極電極在所述肖特基層上形成以延伸通過所述接觸
層；
所述PHEMT功率器件的特征在于所述接觸層包括.-輕摻雜接觸層，所述輕摻雜接觸層形成在所述肖特基層上； 高摻雜接觸層，所述高摻雜接觸層形成在所述輕摻雜接觸層上并且具 有高于所述輕摻雜接觸層的摻雜濃度；
所述PHEMT功率器件的特征還在于
寬凹部，所述寬凹部形成為穿透所述高摻雜接觸層以暴露所述輕摻雜 接觸層的表面；以及
窄凹部，所述窄凹部在所述寬凹部中形成為穿透所述輕摻雜接觸層以 暴露所述肖特基層的表面；
其中所述柵極電極形成在所述窄凹部中，并且與所述肖特基層肖特基接觸，以從所述肖特基層的暴露表面延伸通過所述輕摻雜接觸層和高摻雜 接觸層；并且
所述源極和漏極電極形成在所述寬凹部外部的所述高摻雜接觸層上， 并且與其歐姆接觸，使得所述寬凹部被安置在所述源極和漏極電極之間。
附圖簡述
為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在將參考附圖描述優(yōu)選實施方案，所述優(yōu) 選實施方案純粹意在作為實例，并且不應(yīng)被解釋為限制性的，其中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的PHEMT功率器件的示意圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的PHEMT功率器件的示意以及
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個不同實施方案的PHEMT功率器件的示意圖。
本發(fā)明優(yōu)選實施方案的詳細(xì)描述
下列論述是為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造并且利用本發(fā)明而提供 的。實施方案的各種變型對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的，并且本文中 的一般原理可以在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下適用于其它實施 方案和應(yīng)用。因此，本發(fā)明不意在限于所示的實施方案，而應(yīng)當(dāng)符合與本 文中公開并且在后附權(quán)利要求中所述的原理和特征一致的最寬范圍。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的PHEMT功率器件的示意圖。
PHEMT功率器件1包括III-V襯底2例如半絕緣GaAs襯底、在半絕 緣GaAs襯底2上形成的摻雜的外延襯底3，以及在外延襯底3上形成的 源極電極4、漏極電極5和柵極電極6。
具體地，外延襯底3包括依次層疊在半絕緣GaAs襯底2上的未摻雜 GaAs緩沖層10、未摻雜AlGaAs/GaAs超晶格層11、未摻雜的寬帶隙 AlGaAs層12、第一超薄慘雜硅(脈沖)電子供給(給體)層13、第一隔體層 14、未摻雜的窄帶隙InGaAs電子傳遞(通道)層15、第二隔體層16、摻雜 濃度不同于第一電子供給層13的第二超薄摻雜硅(脈沖)電子供給(給體)層 17、未摻雜或輕摻雜寬帶隙肖特基AlGaAs層18，以及GaAs(歐姆)接觸(保護)層19。
為了降低GaAs接觸層19與源極電極4和漏極電極5之間的歐姆接 觸電阻，GaAs接觸層19被摻雜，并且包括下部輕摻雜GaAs接觸層20 和上部高摻雜GaAs接觸層21 。具體地，摻雜的GaAs接觸層19厚約100 nm，輕摻雜GaAs接觸層20厚約30 nm，并且形成為具有約3.10"cm'3的 摻雜濃度，并且高摻雜GaAs接觸層21厚約70 nm，并且形成為具有約 3.5'10"cm-3的摻雜濃度。
未摻雜AlGaAs層12厚約4 nm，并且含有按摩爾比計在約22%至24% 的范圍內(nèi)的鋁(A1)， InGaAs電子傳遞層15厚約13-15 nm，并且含有按摩 爾比計在約15。/。至20。/。的范圍內(nèi)的銦(In);并且輕摻雜AlGaAs層18厚約 30 nm，含有按摩爾比計在約22%至24。/。的范圍內(nèi)的鋁(A1)，并且形成為 具有在約1.01017至3.01017(^3的范圍內(nèi)的摻雜濃度。
為了改善跨導(dǎo)線性，與第二電子供給層17相比，第一電子供給層13 具有更低的摻雜濃度。另外，為了在InGaAs電子傳遞層15中具有在約 1.7'1012至2.7'1012^^2的范圍內(nèi)的摻雜水平，第一電子供給層13形成為具 有約l'l(^cn^的摻雜水平，并且第二電子供給層17形成為具有約5.1012 cm々的摻雜水平。另外，第一電子供給層13和第二電子供給層17各自厚 約0.5 nm。
為了獲得歐姆接觸，在高摻雜GaAs接觸層21上沉積Au/Ge/Ni/Au 敷金屬，并且對其進行快速的熱退火(RTA)，以形成與高摻雜GaAs接觸層 21歐姆接觸的源極電極4和漏極電極5。
為了分開各個PHEMT功率器件的活性區(qū)域，可以對外延襯底3進行 臺面蝕刻，或者優(yōu)選下至AlGaAs/GaAs超晶格層11的使用氘或氟高能離 子的離子注入。
在這兩個步驟之后，為了提高擊穿電壓并且保持低的膝處電壓，同時 保持高的跨導(dǎo)和高的PHEMT增益，從而提高PHEMT功率特性，將摻雜 GaAs接觸層19進行凹入式蝕刻，以形成雙凹部結(jié)構(gòu)22，所述雙凹部結(jié)構(gòu) 22包括在高摻雜GaAs接觸層21中形成的上寬凹部23，以及在輕摻雜 GaAs接觸層20中并且部分在輕摻雜AlGaAs層18中形成的下窄凹部24。 具體地，為了形成雙凹部結(jié)構(gòu)22，蝕刻源極電極4和漏極電極5之間的高慘雜GaAs接觸層21以形成寬凹部23，然后在寬凹部23內(nèi)部，將輕摻雜 GaAs接觸層20選擇性地向下濕刻至輕摻雜AlGaAs層18，以形成窄凹部 24。具體地，使用ph控制和溫度控制的檸檬酸和過氧化氫溶液進行選擇 性蝕刻。另外，通過使用正性i-線光致抗蝕劑將輕摻雜GaAs接觸層20和 高摻雜GaAs接觸層21圖案化，進行兩種蝕刻中的每一個。即使在PHEMT 功率器件1的制造中為了形成雙凹部而進行的濕刻中，輕摻雜AlGaAs層 18的存在也確保蝕刻均勻性。
然后在形成雙凹部22之后，通過蒸發(fā)鈦(Ti)和鋁(Al)，在輕摻雜 AlGaAs層18的暴露表面上與AlGaAs肖特基層18相接觸地形成柵極電極 6。具體地，柵極電極6在雙凹部22的中心從AlGaAs肖特基層18延伸， 并且穿過輕摻雜下部GaAs接觸層20和高摻雜的下部GaAs接觸層21并 且突出到雙凹部22外部。
然后，例如通過等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)，在通過源極電 極4、漏極電極5和柵極電極6暴露的高摻雜GaAs接觸層21的表面上形 成例如由氮化硅(Si3N4)制成的保護絕緣層25。
然后，通過例如蒸發(fā)形成Ti/Pt/Au基底金屬層26，然后使其在源極電 極4和漏極電極5上成層，然后在基底金屬層26上通過例如電鍍形成Au 層27?；捉饘賹?6限定了隔絕歐姆接觸并且防止金從Au鍍層27擴散 至源極電極4和柵極電極5的相互擴散阻擋層。
然后通過Au電鍍空氣橋(未示出)，將源極電極4和漏極電極5連接 至各個源極和漏極焊盤(pad)(未示出)。
最后，將半絕緣GaAs襯底2從約650 pm的原始厚度減薄至在約50 至120 (im的范圍內(nèi)的最終厚度，然后將PHEMT 1反蝕刻(back-etched)以 形成具有厚的Au層的包括周圍區(qū)域的金屬化通孔28，所述厚的Au層從 變薄的半絕緣GaAs襯底2向上延伸至源極電極4，其用于源極焊盤互連 以及散熱片安置(heat sink provision),所述源極焊盤互連用于將寄生的源極 -至-接地的電感最小化。
圖2是與圖1中所示的PHEMT功率器件類似的PHEMT功率器件的 示意圖，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。具體地，圖2中所示由1' 表示的PHEMT功率器件與圖1中所示的PHEMT功率器件1的不同之處
13在于柵極電極6大體上是T形的，其中下腿部6a由Ti形成而上頭部6b 由Al形成。更具體地，柵極電極6的腿部6a具有基本上等于雙凹部22 深度的高度，使得柵極電極6的頭部6b突出到雙凹部22外部。更具體地， T形狀通過在低損害各向同性等離子體蝕刻反應(yīng)器中以適合的氟/氧等離 子體化學(xué)反應(yīng)干法蝕刻柵極金屬疊層的Ti而得到。氟載氣可以是CF4或 CHF3或SF6。氧載氣可以是02。
在等離子體蝕刻平行板構(gòu)造中通過RF釋放產(chǎn)生等離子體。在例如100 至20(TC的范圍內(nèi)加熱室的每一個板，室壓力在200至1000毫托的范圍內(nèi)。 應(yīng)當(dāng)降低RF功率釋放，以盡可能地減少由離子和電子轟擊引起的表面損 害。當(dāng)將等離子體蝕刻平行板構(gòu)造用于這種柵極蝕刻時，RF功率釋放必 須低于50瓦。而且，如果引入能夠確保冷等離子體的設(shè)備(ECR -電子回 旋加速器共振，ICP-感應(yīng)耦合等離子體)，則獲得更好的結(jié)果。
在這樣的方法中，使用柵極電極6的頭部6b的Al作為掩模層，因為 Al被氟化，并且保持不被氟等離子體蝕刻。因此，由A1制成的柵極電極 6的頭部6b保持不被蝕刻，同時由Ti制成并且位于AlGaAs肖特基層18 上面的柵極電極6的腿部6a在側(cè)面被蝕刻。以這種方式，可以利用快速 和低成本制造方法獲得低至0.15 )Lim的柵極長度，從而保持低的柵極指電 阻(gate finger resistance)。
圖3是與圖1和2中所示的那些類似的PHEMT功率器件的示意圖， 其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。具體地，圖3中所示由l"表示的 PHEMT功率器件與圖1和2中所示的PHEMT功率器件的不同之處在于， 它配置有場極電板29，所述場極電板29連接至柵極6并且在,不與高摻雜 接觸層21或漏極電極(5)交疊的情況下向漏極電極5延伸。具體地，場極 電板29形成為柵極擴展部(gate extension)6c，所述柵極擴展部6c與高摻雜 GaAs接觸層21共面，與輕摻雜GaAs接觸層20上的保護絕緣層25的一 部分垂直交疊，并且止于離高摻雜下部GaAs接觸層21為1.0 pm的距離 處。由氮化硅(Si3N4)制成的保護絕緣層25是超薄的(小于50nm)，并且通 過PECVD沉積，因此被優(yōu)化而達到Si3N4的高介電常數(shù)，并且控制 GaAs/Si3N4界面狀態(tài)。
在圖1 、2和3所示的PHEMT功率器件中，安置不同的GaAs和AlGaAs層，但是最令人感興趣的異質(zhì)結(jié)是在硅摻雜的AlGaAs層12和18與未摻 雜的InGaAs層15之間的異質(zhì)結(jié)。實際上，由于AlGaAs層的帶隙比相鄰 的InGaAs層更高，自由電子擴散到InGaAs層中，并且在異質(zhì)界面形成二 維電子氣(2-DEG)，在此它們被限制在很薄的片中，并且2-DEG的傳輸性 能遠高于常規(guī)的MESFET中的自由電子的傳輸性能。
AlGaAs層18是給體層，并且在最終的PHEMT功率器件中，該層應(yīng) 當(dāng)從肖特基柵極6耗盡至AlGaAs/GaAs界面，以消除AlGaAs中的任何平 行傳導(dǎo)效應(yīng)，否則對PHEMT性能有害。在異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須考慮的 是，增加給體層中的摻雜水平降低PHEMT的擊穿電壓。為了克服這個難 題，同時保持高的2-DEG片狀載流子濃度，可以使用脈沖摻雜、S摻雜的 AlGaAs層。該解決方案利用厚約0.5nm、具有很高摻雜水平的Si單層。
對于隔體層14、 16的厚度，盡管自由電子與給體物理地隔開，但是 緊密的接近產(chǎn)生了被稱為庫侖散射的靜電相互作用。這種效應(yīng)是通過借助 于未慘雜的AlGaAs的薄的隔體層將2-DEG與AlGaAs給體層分離而降低 的。值得一提的是PHEMT的噪聲性能與隔體厚度密切相關(guān)。
對于GaAs緩沖層lO，由于漏極至源極電場，可以將電子的一部分注 入到GaAs緩沖層10中。作為增加漏極輸出電導(dǎo)的結(jié)果，這種現(xiàn)象導(dǎo)致增 益降低。在PHEMT中，進入GaAs緩沖層10的電子注入借助于 AlGaAs/GaAs超晶格層11而控制進入到GaAs緩沖層10中，同時不改變 通道質(zhì)量。
下面描述的是對根據(jù)本發(fā)明制造，并且具有0.5 pm柵極長度、0.25 柵極長度并且具有場極電板結(jié)構(gòu)的PHEMT功率器件進行的特性測量的結(jié) 果。所有提到的結(jié)果涉及100 ^mi的單位柵極寬度以及1 mm的總柵極寬 度。具體地，就跨導(dǎo)和飽和電流而言，根據(jù)本發(fā)明具有不同柵極長度的 PHEMT功率器件具有約-0.8 V至-0.6 V的夾斷電壓，在0 V的柵極電壓下 范圍從100至300 mA/mm的飽和電流，以及在0.8 V的柵極電壓下范圍從 300至600mAAnm的最大飽和電流。另外，在0至1 V的柵極電壓范圍內(nèi)， 在250-350 mS/mm的范圍內(nèi)的跨導(dǎo)是幾乎一致的。作為結(jié)果，PHEMT功 率器件表現(xiàn)出改善的線性。就電流-電壓特性而言，根據(jù)本發(fā)明的PHEMT 功率器件顯示約1 V的低的膝處電壓和在沒有場極電板結(jié)構(gòu)的情況下約18V的斷開狀態(tài)擊穿電壓，以及在具有場極電板結(jié)構(gòu)的情況下40 V的斷開 狀態(tài)擊穿電壓，同時最大電流保持不受影響。這樣的結(jié)果說明，可以獲得 高的柵極漏極擊穿電壓，從而保持低的歐姆接觸電阻。就功率特性而言，
根據(jù)本發(fā)明的PHEMT功率器件具有高達29 dBm/mm的輸出功率，以及 高達12dB的相關(guān)功率增益，如果合宜地釆用柵極長度，則所述功率特性 通過負(fù)荷牽引法(load-pull method)在高達10 GHz頻率的增益壓縮的ldB 典型值測定。引入場極電板結(jié)構(gòu)，功率性能另外增加，從而實現(xiàn)高達32 dBm/mm的輸出功率以及用于C帶應(yīng)用的高達15 dB的相關(guān)功率增益。最 后，就高的RF放大器應(yīng)用而言，通過適當(dāng)?shù)馗淖儢艠O長度，根據(jù)本發(fā)明 的PHEMT功率器件可以用于將信號放大至40 GHz。
從上述中，本發(fā)明的優(yōu)點是明顯的。具體地，在根據(jù)本發(fā)明的PHEMT 功率器件中，摻雜GaAs接觸層19，具體地，由與源極和漏極電極歐姆接 觸的下部輕摻雜下部GaAs接觸層20和上部高摻雜下部GaAs接觸層21 組成的摻雜GaAs接觸層19的形成允許其間的接觸電阻降低，從而提高 PHEMT的電壓特性。
另外，由高摻雜GaAs接觸層21中形成的上寬凹部23和下部輕摻雜 GaAs接觸層20中形成的下窄凹部24組成的雙凹部結(jié)構(gòu)22的形成允許了 在高摻雜GaAs接觸層21上提供歐姆接觸，從而提高PHEMT的總功率特 性，特別是顯著增加擊穿電壓，同時保持低的膝處電壓，并且改善線性和 功率附加效率。
此外，雙凹部結(jié)構(gòu)22與輕摻雜GaAs接觸層20和高摻雜GaAs接觸 層21的組合允許PHEMT功率器件利用單電壓源工作，而沒有對柵極接 觸的負(fù)偏壓的任何需要。
此外，本發(fā)明的PHEMT允許利用直接連接至地線的柵極接觸焊盤滿 足A級放大器要求。
此外，摻雜濃度低于摻雜硅層17的摻雜硅層13使得PHEMT功率器 件的跨導(dǎo)相對于柵極至源極電壓不變，同時輕摻雜AlGaAs層18確保在為 了制造PHEMT功率器件而進行的濕法蝕刻中的蝕刻均勻性，從而使得 PHEMT功率器件的整個制造過程簡單，因此提高生產(chǎn)率。
最后，T-柵極結(jié)構(gòu)允許柵極至源極電容和柵極指電阻顯著降低，從而允許PHEMT獲得高達40 GHz的工作頻率。
最后，可以對本發(fā)明進行大量的修改和變化，所有修改和變化均落入 后附權(quán)利要求中所述的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
例如，未摻雜的寬帶隙AlGaAs層12和第一超薄摻雜硅電子供給層 13可以被單個均勻摻雜AlGaAs電子供給層代替。
權(quán)利要求
1.一種假晶高電子遷移率晶體管(PHEMT)功率器件(1；1′；1″)，其包括半絕緣襯底(2)；在所述半絕緣襯底(2)上形成的外延襯底(3)，所述外延襯底(3)包括依次層疊在所述半絕緣襯底(2)上的緩沖層(10)、超晶格層(11)、第一電子供給層(12、13)、第一隔體層(14)、電子傳遞層(15)、第二隔體層(16)、第二電子供給層(17)、肖特基層(18)，以及接觸層(19)；源極和漏極電極(4、5)，所述源極和漏極電極(4、5)在所述接觸層(19)上形成并且與所述接觸層(19)歐姆接觸；以及柵極電極(6)，所述柵極電極(6)在所述肖特基層(18)上形成以延伸通過所述接觸層(19)；所述PHEMT功率器件(1)的特征在于所述接觸層(19)包括輕摻雜接觸層(20)，所述輕摻雜接觸層(20)形成在所述肖特基層(18)上；高摻雜接觸層(21)，所述高摻雜接觸層(21)形成在所述輕摻雜接觸層(20)上并且具有高于所述輕摻雜接觸層(20)的摻雜濃度，所述PHEMT功率器件(1)的特征還在于寬凹部(23)，所述寬凹部(23)形成為穿透所述高摻雜接觸層(21)以暴露所述輕摻雜接觸層(20)的表面；以及窄凹部(24)，所述窄凹部(24)在所述寬凹部(23)中形成為穿透所述輕摻雜接觸層(20)以暴露所述肖特基層(18)的表面，其中所述柵極電極(6)形成在所述窄凹部(24)中，并且與所述肖特基層(18)肖特基接觸，以從所述肖特基層(18)的暴露表面延伸通過所述輕摻雜接觸層(20)和高摻雜接觸層(21)；并且所述源極和漏極電極(4、5)形成在所述寬凹部(23)外部的所述高摻雜接觸層(21)上，并且與所述高摻雜接觸層(21)歐姆接觸，使得所述寬凹部(23)被安置在所述源極和漏極電極(4、5)之間。
2. 權(quán)利要求1所述的PHEMT功率器件，所述PHEMT功率器件還包括保護絕緣層(25)，所述保護絕緣層(25)形成在通過源極、漏極和柵極電極(4、 5、 6)暴露的所述高摻雜GaAs接觸層(21)的表面上。
3. 權(quán)利要求1或2所述的PHEMT功率器件，所述PHEMT功率器件 還包括基底金屬層(26)，所述基底金屬層(26)形成在所述源極和漏極電極(4、 5)上;和Au層(27)，所述Au層(27)形成在所述基底金屬層(26)上。
4. 前述權(quán)利要求中任一項所述的PHEMT功率器件，所述PHEMT功 率器件還包括金屬化通孔(28)，所述金屬化通孔(28)為了源極焊盤互連和散熱片安 置而形成為從所述半絕緣襯底(2)延伸至所述源極電極(4)。
5. 前述權(quán)利要求中任一項所述的PHEMT功率器件，其中所述柵極電 極(6)大體上是T形的。
6. 權(quán)利要求2所述的PHEMT功率器件，所述PHEMT功率器件還包括場極電板(29)，所述場極電板(29)形成在所述保護絕緣層(25)上，電連 接至所述柵極電極(6)，并且在不與所述高摻雜接觸層(21)或所述漏極電極 (5)交疊的情況下向所述漏極電極(5)延伸。
7. 權(quán)利要求6所述的PHEMT功率器件，其中所述場極電板形成為柵 極擴展部(6c)，所述柵極擴展部(6c)與所述高摻雜GaAs接觸層(21)基本上 共面，與所述輕摻雜GaAs接觸層(20)的一部分垂直交疊，并且止于離所 述高摻雜接觸層(21)—定距離處。
8. 權(quán)利要求l、 2和3所述的PHEMT功率器件，其中所述襯底(2)是 由GaAs形成的半絕緣襯底，所述緩沖層(10)由GaAs形成，所述超晶格層 (ll)由AlGaAs/GaAs形成，所述第一和第二電子供給層(13、 17)由摻雜硅 形成，所述電子傳遞層(15)由InGaAs形成；所述肖特基層(18)由AlGaAs 形成，所述輕摻雜接觸層(21)和高摻雜接觸層(22)由GaAs形成，所述柵極 電極(6)由Ti/Al形成，所述源極和漏極電極(4、 5)由Au/Ge/Ni/Au金屬薄 膜形成，所述保護絕緣層(25)由氮化硅形成，并且所述基底金屬層(26)由Ti/Pt/Au形成。
9. 前述權(quán)利要求中任一項所述的PHEMT功率器件，其中所述輕摻雜 接觸層(20)具有約3.1017cm-3的摻雜濃度，并且所述高摻雜接觸層(21)具有 約3.5.1018011'3的摻雜濃度。
10. 前述權(quán)利要求中任一項所述的PHEMT功率器件，其中所述第一 和第二電子供給層(13、17)形成為具有使得所述電子傳遞層(15)中具有在約 1.7-1012至2.7，1012(^1—2的范圍內(nèi)的摻雜水平的摻雜濃度。
11. 前述權(quán)利要求中任一項所述的PHEMT功率器件，其中第二電子 供給層(17)形成為具有高于所述第一電子供給層(13)的摻雜濃度。
12. 權(quán)利要求11所述的PHEMT功率器件，其中所述第一電子供給層 (13)形成為具有約1*1012(^2的摻雜水平，并且所述第二電子供給層(17)形 成為具有約5，1012(^'2的摻雜水平。
13. 前述權(quán)利要求中任一項所述的PHEMT功率器件，其中所述電子 傳遞層(15)含有按摩爾比計在約15 %至20 %的范圍內(nèi)的銦，所述肖特基層 (18)含有按摩爾比計在約22%至24%的范圍內(nèi)的鋁，并且形成為具有在約 1.01017至3.0' 1017cm—3的范圍內(nèi)的慘雜濃度。
14. 前述權(quán)利要求中任一項所述的PHEMT功率器件，其中所述第一 電子供給層(12、 13)包括未摻雜的寬帶隙層(12)，所述未摻雜的寬帶隙層(12)形成在所述超晶 格層(ll)上；禾口摻雜的硅層(13)，所述摻雜的硅層(13)形成在所述未摻雜的寬帶隙層 (12)上。
15. 權(quán)利要求14所述的PHEMT功率器件，其中所述未摻雜的寬帶隙 層(12)由AlGaAs形成，并且含有按摩爾比計在約22°/。至24%的范圍內(nèi)的鋁。
16. —種用于制造假晶高電子遷移率晶體管(PHEMT)功率器件(l、 l'、 r)的方法，所述方法包括提供半絕緣襯底(2);在所述半絕緣襯底(2)上形成外延襯底(3)，其中外延襯底(3)的形成包 括在所述半絕緣襯底(2)上依次層疊緩沖層(10)、超晶格層(ll)、第一電子供給層(12、 13)、第一隔體層(14)、電子躍遷層(15)、第二隔體層(16)、 第二電子供給層(17)、肖特基層(18)，以及接觸層(19);在所述接觸層(19)上形成源極和漏極電極(4、 5)，并且所述源極和漏 極電極(4、 5)與所述接觸層(19)歐姆接觸；以及在所述肖特基層(18)上形成柵極電極(6)，使所述柵極電極(6)延伸通過 所述接觸層(19);所述制造方法的特征在于接觸層(19)的形成包括在所述肖特基層(18)上形成輕摻雜接觸層(20);在所述輕摻雜接觸層(20)上形成高摻雜接觸層(21)，并且所述高摻雜 接觸層(21)具有高于所述輕摻雜接觸層(20)的摻雜濃度；所述方法的特征還在于形成寬凹部(23)，使所述寬凹部(23)穿透所述高摻雜接觸層(21)以暴露所述輕摻雜接觸層(20)的表面；以及在所述寬凹部(23)中形成窄凹部(24)，使所述窄凹部(24)穿透所述輕摻 雜接觸層(20)以暴露所述肖特基層(18)的表面，其中將所述柵極電極(6)形成在所述窄凹部(24)中，并且與所述肖特基 層(18)肖特基接觸，以從所述肖特基層(18)的暴露表面延伸通過所述輕摻雜 接觸層(20)和高摻雜接觸層(21);并且將所述源極和漏極電極(4、 5)形成在所述寬凹部(23)外部的所述高摻 雜接觸層(21)上，并且與所述高摻雜接觸層(21)歐姆接觸，使得所述寬凹部 (23)被安置在所述源極和漏極電極(4、 .5)之間。
17. 權(quán)利要求16所述的方法，其中在所述寬和窄凹部(20、 21)之前形 成所述源極和漏極電極(4、 5)。
18. 權(quán)利要求16或17所述的方法，其中源極和漏極電極(4、 5)的形 成包括-在所述高摻雜接觸層(21)上形成各個金屬薄膜；以及 將沉積的金屬薄膜快速熱退火。
19. 前述權(quán)利要求16至18中任一項所述的方法，所述方法還包括 在通過所述源極、漏極和柵極電極(4、 5、 6)暴露的所述高摻雜接觸層(21)的表面上形成保護絕緣層(25)。
20. 前述權(quán)利要求16至19中任一項所述的方法，所述方法還包括在所述源極和漏極電極(4、 5)上形成基底金屬層(26);以及 在所述基底金屬層(26)上形成Au層(27)。
21. 前述權(quán)利要求16至20中任一項所述的方法，所述方法還包括 為了源極焊盤互連和散熱片安置，形成并金屬化通孔(28)，使所述通孔(28)從所述半絕緣襯底(2)延伸至所述源極電極(4)。
22. 權(quán)利要求21所述的方法，其中通孔(28)的形成包括 反蝕刻所述半絕緣襯底(2)和所述外延襯底(3)。
23. 權(quán)利要求21或22所述的方法，所述方法還包括 在形成所述通孔(28)之前，將所述半絕緣襯底(2)薄化。
24. 前述權(quán)利要求16至23中任一項所述的方法，其中所述柵極電極 (6)大體上是T形的。
25. 權(quán)利要求19所述的方法，所述方法還包括 在所述保護絕緣層(25)上形成場極電板(29)，所述場極電板(29)電連接至所述柵極電極(6)，并且在不與所述高摻雜接觸層(21)或所述漏極電極(5) 交疊的情況下向所述漏極電極(5)延伸。
26. 權(quán)利要求25所述的方法，其中場極電板的形成包括 形成柵極擴展部(6c)，所述柵極擴展部(6c)與所述高摻雜GaAs接觸層(21)基本上共面，與所述輕摻雜GaAs接觸層(20)的一部分垂直交疊，并且 止于離所述高摻雜GaAs接觸層(21)—定距離處。
27. 權(quán)利要求16、 19和20所述的方法，其中所述襯底(2)是由GaAs 形成的半絕緣襯底，所述緩沖層(10)由GaAs形成，所述超晶格層(ll)由 AlGaAs/GaAs形成，所述第一和第二電子供給層(13、 17)由摻雜硅形成， 所述電子傳遞層(15)由InGaAs形成；所述肖特基層(18)由AlGaAs形成， 所述輕摻雜接觸層和高摻雜的接觸層(21、 22)由GaAs形成，所述柵極電 極(6)由Ti/Al形成，所述源極和漏極電極(4、 5)由Au/Ge/Ni/Au金屬薄膜 形成，所述保護絕緣層(25)由氮化硅形成，并且所述基底金屬層(26)由 Ti/Pt/Au形成。
28. 前述權(quán)利要求16至27中任一項所述的方法，其中所述輕摻雜接 觸層(20)具有約3，1017cm.3的摻雜濃度，并且所述高摻雜接觸層(21)具有約,3.5-1018^—3的摻雜濃度。
29. 前述權(quán)利要求16至28中任一項所述的方法，其中將所述第一和 第二電子供給層(13、17)形成為具有使得在所述電子傳遞層(15)中具有在約 1.7.1(^至2.7.10 m々的范圍內(nèi)的摻雜水平的摻雜濃度。
30. 前述權(quán)利要求16至29中任一項所述的方法，其中將所述第二電 子供給層(17)形成為具有高于所述第一電子供給層(13)的慘雜濃度。
31. 權(quán)利要求30所述的方法，其中將所述第一電子供給層(13)形成為 具有約hl0^m々的摻雜水平，并且將所述第二電子供給層(17)形成為具有 約5'l(^cn^的摻雜水平。
32. 前述權(quán)利要求16至31中任一項所述的方法，其中所述電子傳遞 層(15)含有按摩爾比計在約15%至20%的范圍內(nèi)的銦，所述肖特基層(18) 含有按摩爾比計在約22%至24%的范圍內(nèi)的鋁，并且形成為具有在約 L(H0'7至3.(H0"cm-3的范圍內(nèi)的摻雜濃度。
33. 前述權(quán)利要求16至32中任一項所述的方法，其中所述第一電子 供給層(12、 13)包括未摻雜的寬帶隙層(12)，所述未慘雜的寬帶隙層(12)形成在所述超晶 格層(ll)上；和摻雜的硅層(13)，所述摻雜的硅層(13)形成在所述未摻雜的寬帶隙層 (12)上。
34. 權(quán)利要求33所述的方法，其中所述未摻雜的寬帶隙層(12)由 AlGaAs形成，并且含有按摩爾比計在約22%至24%的范圍內(nèi)的鋁。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種假晶高電子遷移率晶體管(PHEMT)功率器件(1)，其包括半絕緣襯底(2)；在所述半絕緣襯底(2)上形成的外延襯底(3)；接觸層(19)。所述接觸層(19)包括形成在肖特基層(18)上的輕摻雜接觸層(20)；以及高摻雜接觸層(21)，所述高摻雜接觸層(21)形成在所述輕摻雜接觸層(20)上并且具有高于所述輕摻雜接觸層(20)的摻雜濃度。所述PHEMT功率器件(1)還包括寬凹部(23)，所述寬凹部(23)形成為穿透所述高摻雜接觸層(21)；以及窄凹部(24)，所述窄凹部(24)在所述寬凹部(23)中形成為穿透所述輕摻雜接觸層(20)。柵極電極(6)形成在所述窄凹部(24)中，并且與所述肖特基層(18)肖特基接觸。
文檔編號H01L29/423GK101636843SQ200680056499
公開日2010年1月27日 申請日期2006年10月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月4日
發(fā)明者克勞迪奧·蘭齊耶里, 安東尼奧·塞特龍尼奧, 西蒙·拉瓦尼亞, 馬爾科·佩羅尼 申請人:塞萊斯系統(tǒng)集成公司