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      場效應(yīng)晶體管的制作方法

      文檔序號:6886748閱讀:222來源:國知局
      專利名稱:場效應(yīng)晶體管的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及場效應(yīng)晶體管。
      背景技術(shù)
      報導(dǎo)了一種結(jié)構(gòu),其使用氮化硅(SiN)膜來作為在具有氮化鋁鎵 /氮化鎵(AlGaN/GaN)的異質(zhì)結(jié)以減少電流崩塌的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體 管(HJFET)結(jié)構(gòu)內(nèi)的鈍化膜。
      在非專利文獻(xiàn)1中報導(dǎo)了一種結(jié)構(gòu),其使用在AlGaN/GaN上布置的 SiNx膜來作為鈍化膜,其中掩埋了柵電極。圖4是圖解了對應(yīng)于在這樣 的文獻(xiàn)內(nèi)所述的結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管的配置的剖視圖。
      在圖4中所示的場效應(yīng)晶體管1000內(nèi),在硅(Si)襯底1001上生長 氮化鋁(A1N)成核層1002、 (Al, Ga)N緩沖層1003和GaN緩沖層1004, 并且形成源電極1006和漏電極1007并且進(jìn)行所述元件的隔離,然后形 成SiNx絕緣膜1008,并且進(jìn)行干蝕刻過程以去除所述SiNx絕緣膜的一 部分,并且進(jìn)一步掩埋柵電極1009以形成器件。
      題目為"Material, Process, and Device Development of GaN-Based HFETs on Silicon Substrate",由包括J. W. Johnson的15個作者撰寫, Electrochemical Society Proceedings, pp. 2004-2006, vol. 405。
      然而,在常規(guī)的場效應(yīng)晶體管內(nèi),與諸如砷化鎵的其他的III-V族 的化合物半導(dǎo)體相比較,由于AlGaN的壓電效應(yīng)的影響,在SiNx/AlGaN 界面存在更多的界面態(tài),因此顯示出基本上等同于在柵電極周圍的漏電極的電勢的電勢。因此,經(jīng)由在包括SiNx/AlGaN界面和柵電極的部 分內(nèi)的SiNx/AlGaN界面而產(chǎn)生泄漏電流,而不是通過AlGaN層的肖特 基接觸那樣的泄漏,最終引起柵極泄漏。

      發(fā)明內(nèi)容
      按照本發(fā)明的一個方面,提供了一種場效應(yīng)晶體管,其包括III-V 族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu),其包含異質(zhì)結(jié);彼此相間隔的源電極和漏電 極,其形成在所述III-V族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)上;柵電極,其布置在 所述源電極和所述漏電極之間;以及覆蓋層,其提供在所述柵電極和 所述漏電極之間的區(qū)域內(nèi)或者在所述源電極和所述柵電極之間的區(qū)域
      內(nèi)的所述m-v族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)上并且與其接觸,其中柵電極的
      一部分掩埋在所述III-V族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)內(nèi),并且其中所述III-V 族氮化物半導(dǎo)體層與所述覆蓋層的界面的柵電極一側(cè)的端部與所述柵 電極相間隔。
      因為柵電極未與在本發(fā)明內(nèi)其中建立了更多的界面態(tài)的在所述 III-V族氮化物半導(dǎo)體層和所述覆蓋層之間的界面接觸,因此不存在通 過這樣的界面的泄漏通道,因此顯示肖特基特性,其中所有的柵極電
      流流過包括肖特基電極-m-v族氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)。因此,可以實
      現(xiàn)柵極泄漏電流的減少,允許在較高電壓下的操作和/或在較高功率下 的操作。
      除了上述之外,這些構(gòu)成的每個的任意組合或者在諸如過程、器 件、用于使用所述器件的方法等的本發(fā)明的類別之間的轉(zhuǎn)換也可以在 本發(fā)明的范圍內(nèi)。
      如上所述,因為按照本發(fā)明在m-v族氮化物半導(dǎo)體層和覆蓋層的 界面的柵電極一側(cè)的端部與柵電極相間隔,因此可以有效地抑制柵極 泄漏電流的產(chǎn)生。


      通過下面結(jié)合附圖的特定的優(yōu)選實施方案的描述,本發(fā)明的上述 和其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特征將變得更清楚。
      圖l是圖解在一個實施方案中的半導(dǎo)體器件的配置的剖視圖; 圖2是圖解在一個實施方案中的半導(dǎo)體器件的配置的剖視圖; 圖3是圖解用于制造圖1的半導(dǎo)體器件的方法的剖視圖; 圖4是圖解常規(guī)的半導(dǎo)體器件的配置的剖視圖;以及 圖5是圖解在一個實施方案中的半導(dǎo)體器件的配置的剖視圖。
      具體實施例方式
      下面參見

      本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。在所有的附圖內(nèi),向 在多個附圖中共同出現(xiàn)的元件分配相同的附圖標(biāo)記,并且不重復(fù)其詳 細(xì)說明。
      (第一實施方案)
      圖l是圖解本發(fā)明的操作的配置的橫截面結(jié)構(gòu)圖。在圖l中所示的 場效應(yīng)晶體管100包括具有異質(zhì)結(jié)的III-V族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)(緩沖
      層102、載流子移動層103和載流子提供層104)。所述III-V族氮化物半 導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)包括電子移動層(載流子移動層103)和提供在載流子移動 層103上并且與其接觸的電子提供層(載流子提供層104)。
      源電極105和漏電極106彼此相間隔地形成在構(gòu)成所述III-V族氮化 物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的載流子提供層104上。另外,柵電極110布置在源電 極105和漏電極106之間。柵電極IIO的一部分掩埋在所述III-V族氮化物 半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)內(nèi),并且更具體而言在載流子提供層104內(nèi)。
      在柵電極110和漏電極106之間的區(qū)域內(nèi)或者在源電極105和柵電
      極iio之間的區(qū)域內(nèi),提供覆蓋層(絕緣膜i07)以便其與構(gòu)成所述m-v
      族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的載流子提供層104接觸。在本實施方案中,將說明使用單層的絕緣膜來用作覆蓋層的一種示例性實現(xiàn)方式。
      除了上述之外,雖然在本實施方案和隨后的實施方案中配置的示 例實現(xiàn)方式以在柵電極110和漏電極106之間的整體區(qū)域上或者在源電
      極105和柵電極110之間的整體區(qū)域上的載流子提供層104上提供絕緣 膜107,但是絕緣膜107可以不形成在柵電極110和漏電極106之間的整 體區(qū)域上或者在源電極105和柵電極110之間的整體區(qū)域上。
      在場效應(yīng)晶體管100內(nèi),載流子提供層104和絕緣膜107的界面的柵 電極110—側(cè)的端部與柵電極110相間隔。另外,提供絕緣膜107以便其 與柵電極110的側(cè)表面接觸,并且載流子提供層104的側(cè)表面在與絕緣 膜107接觸的其區(qū)域下與柵電極110相間隔。
      另外,在載流子提供層104內(nèi)提供了一個凹進(jìn)部分(在圖3 (b)內(nèi) 的凹進(jìn)部分113),并且提供柵電極110以便在沿著柵極長度的剖視圖 內(nèi)與凹進(jìn)部分113的底表面接觸,并且在柵電極110的側(cè)表面和凹進(jìn)部 分113的側(cè)表面之間提供了間隙112。柵電極110的側(cè)表面通過間隙112 而與載流子提供層104的側(cè)表面相間隔,并且被配置使得其間不接觸。 在沿著柵極長度的剖視圖內(nèi),間隙112的長度例如大于0nm并且小于 50mn。
      凹進(jìn)部分113由例如后述的凹進(jìn)蝕刻過程形成,并且在沿著柵極長 度的剖視圖內(nèi),凹進(jìn)部分113的側(cè)表面被從柵電極110的側(cè)表面向源電 極105的側(cè)面或者漏電極106的側(cè)面拉回。
      另外,提供絕緣膜107以便其與柵電極110的漏電極106側(cè)表面接 觸,并且柵電極110包括形成在絕緣膜107上的場板,其向漏電極106的 側(cè)面突出以形成帽檐形的形狀。
      下面進(jìn)一步說明所述每個層的具體配置。在本實施方案中,所述m-V族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)由緩沖層102、載流子移動層103和載流子 提供層104構(gòu)成,它們以此順序沉積在襯底101上。
      例如,藍(lán)寶石、碳化硅、氮化鎵(III) (GaN)或者氮化鋁(A1N) 等通??梢杂糜诒緦嵤┓桨傅囊r底IOI。
      另外,緩沖層102由第一III-V族氮化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成。用于所述 第一III-V族氮化物半導(dǎo)體材料的典型材料包括例如GaN、氮化銦 (InN) 、 A1N和這三種III-V族氮化物半導(dǎo)體材料的混合物。然而,為 了形成第一III-V族氮化物半導(dǎo)體材料,可以在襯底101和緩沖層102之 間布置由GaN、 InN、 A1N和這三種III-V族氮化物半導(dǎo)體材料的混合物
      構(gòu)成的成核層。另外,可以在第一in-v族氮化物半導(dǎo)體材料內(nèi)添加諸
      如硅(Si)、硫(S)、氧(0)、硒(Se)等的n型雜質(zhì)和/或諸如鈹(Be)、 碳(C)、鎂(Mg)等的p型雜質(zhì)。
      載流子移動層103由第二III-V族氮化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成。用于所述 第二III-V族氮化物半導(dǎo)體材料的典型材料包括例如GaN、 InN、 A1N和 這三種III-V族氮化物半導(dǎo)體材料的混合物。另外,可以在第二m-v族 氮化物半導(dǎo)體材料內(nèi)添加諸如Si、 S、 0、 Se等的n型雜質(zhì)和/或諸如Be、 C、 Mg等的p型雜質(zhì)。然而,在減少由于在第二III-V族氮化物半導(dǎo)體材 料內(nèi)的雜質(zhì)濃度的提高引起的庫侖散射的影響而導(dǎo)致的電子的遷移率 的退化上,所述雜質(zhì)濃度可以優(yōu)選為l x 1017 cn^或者更低。
      另外,載流子提供層104由第三III-V族氮化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成。載 流子提供層104可以由例如纖維鋅礦形式的III-V族氮化物半導(dǎo)體材料 構(gòu)成。典型的第三III-V族氮化物半導(dǎo)體材料包括例如GaN、 InN、 A1N 和這三種III-V族氮化物半導(dǎo)體材料的混合物。作為選擇,可以使用 AlGaN、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵銦(AlGalnN)等來用于第三 III-V族氮化物半導(dǎo)體材料。然而,在本實施方案中,第三m-v族氮化
      物半導(dǎo)體材料由顯示比第二m-v族氮化物半導(dǎo)體材料更小的電子親合性的材料或者組合物構(gòu)成。另外,可以在第三III-V族氮化物半導(dǎo)體材 料內(nèi)添加諸如Si、 S、 0、 Se等的n型雜質(zhì)和/或諸如Be、 C、 Mg等的p型 雜質(zhì)。
      載流子移動層103和載流子提供層104的組合的一個具體實例通常 包括使用GaN層來作為載流子移動層103并且使用AlGaN層來作為載流 子提供層104的配置。
      而且,所述III-V族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)由能夠在與柵電極110的底 表面接觸的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生壓電電荷的化合物構(gòu)成。
      而且,用于絕緣膜107的典型材料包括由例如Si、 Mg、鉿(Hf)、 Al、鈦(Ti)和鉭(Ta)的一種或多種與氧(0)和氮(N)的一種或 多種構(gòu)成的化合物。具體地,包括包含Si和N的化合物,并且更具體而 言,包括SiN膜、氮氧化硅(SiON)膜和氮碳化硅(SiCN)膜。這可 以進(jìn)一步有效地抑制可能在柵電極110和漏電極106之間產(chǎn)生的崩塌, 以便可以獲得顯示減少的電流崩塌和具有較低的柵極泄漏電流的較高 輸出的改進(jìn)的晶體管。
      而且,用于鈍化膜lll的典型材料包括由例如Si、 Mg、 Hf、 Al、 Ti和Ta的一種或多種與O和N的一種或多種構(gòu)成的化合物。而且,可以 使用諸如有機(jī)樹脂膜等的有機(jī)材料來用作鈍化膜lll。
      接著,將參見圖1和圖3 (a)到圖3 (c)來說明用于制造半導(dǎo)體器 件100的方法。圖3 (a)到圖3 (c)是圖解制造圖l所示的場效應(yīng)晶體管 IOO的方法的剖視圖。
      首先,如圖3 (a)內(nèi)所示,由第一III-V族氮化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成 的緩沖層102、由第二III-V族氮化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成的載流子移動層 103和由第三III-V族氮化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成的載流子提供層104連續(xù)地形成在襯底101上。其后,在載流子提供層104上形成源電極105和漏電 極106。而且,在源電極105和漏電極106之間的區(qū)域內(nèi)的載流子提供層 104上沉積絕緣膜107。
      接著,如圖3 (b)所示,進(jìn)行凹進(jìn)蝕刻過程以形成凹進(jìn)部分113, 其在源電極105和漏電極106之間的預(yù)定區(qū)域內(nèi)的載流子提供層104的 內(nèi)部上延伸通過絕緣膜107。在這種情況下,選擇性地去除絕緣膜107 的預(yù)定區(qū)域以形成通孔,并且進(jìn)一步,去除在這樣的通孔正下方的區(qū) 域內(nèi)載流子提供層104的部分以在載流子提供層104內(nèi)形成凹進(jìn)表面 114。
      而且,當(dāng)形成凹進(jìn)表面114時,形成凹進(jìn)部分113,以便凹進(jìn)表面 114的寬度,即凹進(jìn)寬度109,大于在沿著柵極長度的剖視圖內(nèi)的絕緣 膜107內(nèi)的開口108的寬度。
      更具體地,首先,作為用于形成柵電極110的區(qū)域的掩模形成在絕 緣膜107上,并且在用于形成柵電極110的區(qū)域內(nèi)選擇性地蝕刻去除絕 緣膜107。在這種情況下,例如,使用用于在載流子提供層104上選擇 性地蝕刻絕緣膜107的蝕刻劑氣體來進(jìn)行干蝕刻過程。當(dāng)絕緣膜107是 諸如二氧化硅(Si02) 、 SiN等的包含硅的膜時,典型的蝕刻劑氣體包 括例如四氟化碳(CF4)或者六氟化硫(SF6)。
      隨后,去除在絕緣膜107上形成的掩模。然后,通過絕緣膜107的 掩模將載流子提供層104蝕刻到預(yù)定深度。在這種情況下,例如,使用 用于選擇性地在絕緣膜107上蝕刻載流子提供層104的蝕刻劑氣體來進(jìn) 行干蝕刻過程。當(dāng)絕緣膜107是諸如SiO2、 SiN等的包含硅的膜時,典型 的蝕刻劑氣體包括例如含氯氣體。這允許沿著深度方向蝕刻載流子提 供層104,并且也允許側(cè)面蝕刻,因此形成錐形幾何形狀的凹進(jìn)部分 113,其在絕緣膜107下的下部具有更大的直徑。在以這種方式形成凹進(jìn)部分113后,形成柵電極110以突出在絕緣
      膜107之上,同時掩埋對應(yīng)于在凹進(jìn)表面114內(nèi)的絕緣膜107內(nèi)的開口寬 度108的區(qū)域(圖3 (c))。在這種情況下,形成柵電極110使得與源電 極105的側(cè)面相比較,在漏電極106的側(cè)面的突出部分的寬度更大。這 在凹進(jìn)部分113的柵電極110的側(cè)表面和載流子提供層104的側(cè)表面之 間形成間隙112。
      然后,沉積鈍化膜111以在源電極105和漏電極106之間的區(qū)域內(nèi)覆 蓋絕緣膜107和柵電極110的上表面。通過上述的步驟來獲得圖l所示的 場效應(yīng)晶體管IOO。
      因為按照本實施方案柵電極110不與包含其中形成的多個界面態(tài) 的絕緣膜107/載流子提供層104界面接觸,更具體而言不與SiN/AlGaN 界面接觸,所以不存在通過這樣的界面的泄漏通道,因此顯示肖特基 特性,其中所有的柵極電流通過肖特基電極載流子提供層104 (例如 AlGaN層)。因此,可以提供減少的柵極泄漏電流,允許在較高電壓下 的操作和在較高功率下的操作。
      而且,因為在本實施方案中在柵電極110的源電極105側(cè)和漏電極 106側(cè)提供了間隙112,因此可以進(jìn)一步確定地減少柵極泄漏電流。
      (第二實施方案)
      圖2是圖解在本實施方案中的場效應(yīng)晶體管的配置的剖視圖。
      圖2所示的場效應(yīng)晶體管200的基本配置類似于在第一實施方案中 的上述場效應(yīng)晶體管IOO (圖l)的基本配置。在場效應(yīng)晶體管200內(nèi), 緩沖層202、載流子移動層203和載流子提供層204也以此順序沉積在襯 底201上。而且,在載流子提供層204上提供了源電極206和漏電極207, 并且在這些電極之間的區(qū)域內(nèi)提供凹進(jìn)柵極結(jié)構(gòu)的柵電極211。在源電 極206和漏電極207之間的區(qū)域內(nèi),絕緣膜208和柵電極211的上表面涂有鈍化膜212。
      然而,在本實施方案中,在載流子提供層204和絕緣膜208之間布 置了蓋層205。而且,提供了在柵電極211的側(cè)面的間隙213,其從絕緣 膜208的下表面在柵電極211的整個側(cè)表面上延伸。
      而且,在場效應(yīng)晶體管200內(nèi),在載流子提供層204上提供的覆蓋 層是具有絕緣膜(絕緣膜208)的多層構(gòu)件,所述絕緣膜包含硅(Si) 和氮(N)。這樣的多層構(gòu)件由例如m-V族氮化物半導(dǎo)體層(蓋層205) 和提供來在蓋層205上接觸的絕緣膜208構(gòu)成。
      下面說明每個層的具體配置。在場效應(yīng)晶體管200內(nèi),襯底201的 典型材料包括例如藍(lán)寶石碳化硅、GaN、 A1N等。
      而且,緩沖層202由第一III-V族氮化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成,并且這樣 的材料通常可以包括例如GaN、 InN、 A1N和這三種III-V族氮化物半導(dǎo) 體材料的混合物。然而,可以在襯底201和緩沖層202之間布置由GaN、 InN、 A1N和這三種III-V族氮化物半導(dǎo)體材料的混合物構(gòu)成的成核層,
      以形成第一半導(dǎo)體材料。另外,可以在所述第一m-v族氮化物半導(dǎo)體
      材料內(nèi)添加諸如Si、 S、 0、 Se等的n型雜質(zhì)和/或諸如Be、 C、 Mg等的p
      型雜質(zhì)。
      載流子移動層203由第二III-V族氮化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成,并且這樣 的材料通??梢园ɡ鏕aN、 InN、 A1N和這三種III-V族氮化物半導(dǎo) 體材料的混合物。另外,可以在所述第二III-V族氮化物半導(dǎo)體材料內(nèi) 添加諸如Si、 S、 0、 Se等的n型雜質(zhì)和/或諸如Be、 C、 Mg等的p型雜質(zhì)。 然而,在更有效地減少由于在第二III-V族氮化物半導(dǎo)體材料內(nèi)的雜質(zhì) 濃度的提高引起的庫侖散射的影響而導(dǎo)致的電子的遷移率的退化上, 所述雜質(zhì)濃度可以優(yōu)選為l x 1017 cm—3或者更低。載流子提供層204由第三III-V族氮化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成。所述第三 III-V族氮化物半導(dǎo)體材料可以由例如纖維鋅礦形式的III-V族氮化物半 導(dǎo)體材料構(gòu)成。典型的第三III-V族氮化物半導(dǎo)體材料包括例如GaN、 InN、 A1N和這三種III-V族氮化物半導(dǎo)體材料的混合物。作為選擇,可 以使用AlGaN、 InGaN、 AlGalnN等來用于第三III-V族氮化物半導(dǎo)體材 料。然而,同樣在本實施方案中,第三m-v族氮化物半導(dǎo)體材料由顯 示比第二III-V族氮化物半導(dǎo)體材料更小的電子親合性的材料或者組合
      物構(gòu)成。另夕卜,可以在第三ni-v族氮化物半導(dǎo)體材料內(nèi)添加諸如si、 s、
      0、 Se等的n型雜質(zhì)和/或諸如Be、 C、 Mg等的p型雜質(zhì)。
      蓋層205由第四III-V族氮化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成,并且這樣的材料通 ??梢园ɡ鏕aN、 InN、 A1N和這三種III-V族氮化物半導(dǎo)體材料的 混合物。然而,在本實施方案中,所述第四III-V族氮化物半導(dǎo)體材料 由顯示比第三III-V族氮化物半導(dǎo)體材料更大的電子親合性的材料或者 組合物構(gòu)成。在柵電極211和漏電極207之間的電子提供層204上提供了 由這樣的材料構(gòu)成的層,以便可以將在電子提供層204內(nèi)存在的負(fù)極性 電荷保持與電子提供層204分離。因此,可以有效地抑制崩塌的產(chǎn)生。 另外,可以在第四m-V族氮化物半導(dǎo)體材料內(nèi)添加諸如Si、 S、 0、 Se 等的n型雜質(zhì)和/或諸如Be、 C、 Mg等的p型雜質(zhì)。
      而且,用于絕緣膜208的典型材料包括例如列為用于圖1的場效應(yīng) 晶體管100的絕緣膜107的材料。更具體地,用于絕緣膜107的典型材料 包括由Si、 Mg、 Hf、 Al、 Ti和鉭(Ta)的一種或多種與O和N的一種或 多種構(gòu)成的化合物。
      而且,用于鈍化膜212的典型材料包括由例如Si、 Mg、 Hf、 Al、 Ti和Ta的一種或多種與O和N的一種或多種構(gòu)成的化合物。而且,可以 使用諸如有機(jī)樹脂膜等的有機(jī)材料來用作鈍化膜212。
      接著,將說明用于制造場效應(yīng)晶體管200的方法??梢酝ㄟ^使用例如用于制造場效應(yīng)晶體管IOO (圖l)的方法來制造所述場效應(yīng)晶體管
      200。
      首先,由第一m-V族氮化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成的緩沖層202、由第二
      m-v族氮化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成的載流子移動層203、由第三m-v族氮化
      物半導(dǎo)體材料構(gòu)成的載流子提供層204和由第四III-V族氮化物半導(dǎo)體 材料構(gòu)成的蓋層205以此順序形成在襯底201上。
      接著,在用于形成源電極206和漏電極207的區(qū)域內(nèi)選擇性地去除 蓋層205以暴露載流子提供層204的表面。然后,源電極206和漏電極207 形成為與載流子提供層204接觸。
      然后,在源電極206和漏電極207之間的區(qū)域內(nèi),沉積與蓋層205 的上表面接觸的絕緣膜208。
      隨后,在源電極206和漏電極207之間的區(qū)域內(nèi),選擇性地去除絕 緣膜208和載流子提供層204的預(yù)定區(qū)域以形成延伸通過其并且具有預(yù) 定開口寬度209的通孔,并且進(jìn)一步去除蓋層205的一部分以制造凹進(jìn) 的結(jié)構(gòu),其具有預(yù)定凹進(jìn)寬度210的凹進(jìn)表面214。除了上述之外,當(dāng)
      形成凹進(jìn)結(jié)構(gòu)時,也形成凹入部分,使得在本實施方案中載流子提供 層204的凹進(jìn)寬度210大于在絕緣膜208內(nèi)的開口寬度209。例如,可以
      使用在第一實施方案中所述的方法來形成所述凹進(jìn)部分。
      然后,形成柵電極211,使得在絕緣膜208內(nèi)提供的通孔完全插入, 并且插入對應(yīng)于在凹進(jìn)的結(jié)構(gòu)內(nèi)的開口寬度209的區(qū)域。在這種情況 下,形成柵電極211以從凹進(jìn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部突出到絕緣膜208之上。而且, 形成柵電極211,以便與源電極206的側(cè)面相比較,在漏電極207的側(cè)面 的突出寬度更大。
      而且,在源電極206和漏電極207之間的區(qū)域內(nèi),沉積鈍化膜212,其覆蓋襯底201的整個器件形成表面。通過上述的過程來獲得圖2所示 的場效應(yīng)晶體管200。
      因為在本實施方案中,具有壓電電荷的載流子提供層204和蓋層 205之間的界面的柵電極211—側(cè)的端部與柵電極211相間隔,因此也可 以獲得與在第一實施方案中獲得的類似的有益效果。而且,因為在本 實施方案中,蓋層205和絕緣膜208之間的界面的柵電極211—側(cè)的端部 與柵電極211相間隔,因此除了在載流子提供層204和蓋層205之間的界 面之外,可以進(jìn)一步有效地減少柵極泄漏電流。
      (第三實施方案)
      另一種III-V族氮化物半導(dǎo)體層可以進(jìn)一步提供在第一實施方案 (圖l)中所示的場效應(yīng)晶體管100內(nèi)的載流子提供層104上或者與其接 觸,并且柵電極可以部分掩埋在這樣的半導(dǎo)體層內(nèi)。
      圖5是圖解本實施方案的場效應(yīng)晶體管的配置的剖視圖。雖然圖5 所示的場效應(yīng)晶體管的基本配置類似于圖l所示的上述的場效應(yīng)晶體 管100的基本配置,但是其間的差別是提供在其上部并且與其接觸的載 流子提供層104和肖特基層115的多層構(gòu)件,取代圖l的載流子提供層 104。提供源電極105和漏電極106使得其與肖特基層115的上表面接觸, 并且提供柵電極110使得其與在肖特基層115內(nèi)提供的凹進(jìn)表面114接 觸。
      雖然在第一實施方案中,在與柵電極110接觸的表面中的載流子提 供層104上引起拉伸應(yīng)變,但是在本實施方案中,在III-V族氮化物半導(dǎo) 體層結(jié)構(gòu)內(nèi)在與柵電極110接觸的層內(nèi)引起壓縮應(yīng)變。具體地,在肖特 基層115內(nèi)引起壓縮應(yīng)變。依賴于緩沖層和載流子提供層的組成,這樣 的肖特基層通常包括例如GaN層、InGaN層。
      在圖5所示的場效應(yīng)晶體管內(nèi),肖特基層115和絕緣膜107的界面的柵電極110—側(cè)的端部與柵電極110相間隔,并且在柵電極110的側(cè)表面 提供了間隙112。因此,可以獲得與在第一實施方案中獲得的類似的有 益效果。
      產(chǎn)生電荷的界面的端部與柵電極110相間隔,以減少在除了其中像 在第一實施方案中那樣在與絕緣膜107的界面的III-V族氮化物半導(dǎo)體 層結(jié)構(gòu)(載流子提供層104)內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)電荷的配置之外,還在其中在 本實施方案中那樣在與絕緣膜107的界面在III-V族氮化物半導(dǎo)體層結(jié) 構(gòu)(肖特基層115)內(nèi)產(chǎn)生了正電荷的所述配置內(nèi)的柵極泄漏電流。
      而且,因為在本實施方案中提供柵電極110使得其下表面與肖特基 層115接觸,因此與圖l所示的配置相比較,可以進(jìn)一步抑制柵極泄漏 電流。
      雖然已經(jīng)參見附圖充分地描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案,但是提 供這些實施方案僅旨在說明本發(fā)明,并且除了上述之外的各種修改也 是可行的。
      例如,雖然上面已經(jīng)示例性地描述了其中載流子提供層和直接在 其上布置的層的界面的柵電極一側(cè)的端部與柵電極相間隔的配置,但 是如下配置可以是足夠的從載流子提供層、直接在其上布置的層和 柵電極選擇的兩個的界面與另一個相間隔。例如,可以配置使得柵電 極和載流子提供層的界面與直接在載流子提供層上的覆蓋層相間隔。
      實施例
      在下面的實施例內(nèi),制造場效應(yīng)晶體管,其具有SiN膜,所述SiN 膜直接提供在由AlGaN構(gòu)成的載流子提供層上或者通過其間的GaN層 提供在由AlGaN構(gòu)成的載流子提供層上。
      (實施例l)本實施例涉及在第一實施方案中描述的場效應(yīng)晶體管。下面將參 照圖l進(jìn)行描述。本實施例的場效應(yīng)晶體管通過第一實施方案所述的步 驟制造。
      在本實施例內(nèi),使用c面([OOOl]面)碳化硅(SiC)襯底來作為襯 底IOI。
      使用A1N層(厚度200 nm)來用于構(gòu)成緩沖層102的第一III-V族 氮化物半導(dǎo)體材料。使用GaN載流子移動層(厚度1000nm)來用于 構(gòu)成載流子移動層103的第二III-V族氮化物半導(dǎo)體材料。而且,使用 AlGaN載流子提供層(Al含量比例0.3,厚度35nm)來用于構(gòu)成載流 子提供層104的第三III-V族氮化物半導(dǎo)體材料。
      使用Ti/Al (Ti層的厚度10nm, Al層的厚度200nm)來用于源 電極105和漏電極106。而且,Ni/Au (Ni層的厚度10nm, Au層的厚 度200nm)用于柵電極IIO。
      SiN膜(厚度80nm)用于絕緣膜107,絕緣膜107的開口寬度108 設(shè)置為500 nm。而且,去除深度25nm的第三III-V族氮化物半導(dǎo)體材料 104的上表面的區(qū)域以形成凹進(jìn)。凹進(jìn)表面114的凹進(jìn)寬度109設(shè)置為 520nm。
      而且,SiON膜(厚度80nm)用于鈍化膜lll。
      具有這樣的結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管制造出來,并且發(fā)現(xiàn)顯示肖特基 特性,其中所有的柵極電流通過AlGaN層,并且未產(chǎn)生通過SiN/AlGaN 界面的泄漏通道,因為柵電極110未與絕緣膜107/載流子提供層104界面 或者具體地SiN/AlGaN界面接觸,實現(xiàn)了減少柵極泄漏電流。
      雖然在本實施例內(nèi)SiC用于襯底,但是作為選擇可以使用其他類型的基底諸如藍(lán)寶石。而且,雖然在本實施例內(nèi)使用SiC襯底的c面(
      面),但是可用的面可以是ni-v族氮化物半導(dǎo)體的生長保持其c軸取向
      繼續(xù)進(jìn)行并且沿著與在本實施方案中相同的方向產(chǎn)生壓電效應(yīng)的面,
      具體地,其可能向任意取向傾斜大約55度。然而,因為過大的傾斜引 起獲得更好的結(jié)晶性的困難,因此優(yōu)選提供在10度內(nèi)的向任意取向的 傾斜。
      類似地,雖然在本實施例內(nèi)將GaN層用于載流子移動層103,但是 作為選擇可以使用GaN、 InN、 AlN和諸如InGaN層的這三種III-V族氮化 物半導(dǎo)體材料的混合物來用于載流子移動層103。
      類似地,作為選擇可以使用期望的厚度來用于每層的厚度。然而, 因為本實施例的第三和第四層的每個的晶格常數(shù)不等同于第二層的晶 格常數(shù),因此優(yōu)選使用小于用于產(chǎn)生位錯的臨界厚度的厚度。
      而且,雖然在本實施例內(nèi)在由GaN構(gòu)成的載流子移動層103內(nèi)未注 入雜質(zhì),但是可以注入諸如Si、 S、 0、 Se等的n型雜質(zhì)禾卩/或諸如Be、 C、 Mg等的p型雜質(zhì)。然而,因為在載流子移動層103內(nèi)的過高的雜質(zhì)濃度 引起庫侖散射的影響而導(dǎo)致電子遷移率的退化,因此所述雜質(zhì)濃度可 以更優(yōu)選為1 x 1017 cm—s或者更低。
      而且,雖然在本實施例內(nèi)Ti/Al用于源電極105和漏電極106,但是 在本實施例內(nèi)能夠產(chǎn)生與在載流子提供層104內(nèi)的AlGaN的歐姆接觸的 金屬可以足以用于源電極105和漏電極106的材料,并且例如可以使用 鴇(W)、鉬(Mo) 、 Si、 Ti、鉑(Pt)、鈮(Nb) 、 Al、金(Au) 等,或者也可以使用沉積了多種這些金屬的結(jié)構(gòu)。
      類似地,雖然在本實施例內(nèi)Ni/Au用于柵電極110的金屬材料,但 是作為選擇可以使用期望的金屬,只要與III-V族氮化物半導(dǎo)體材料產(chǎn) 生肖特基接觸。而且,雖然在本實施例內(nèi)在凹進(jìn)結(jié)構(gòu)的制造中去除了距離第三
      ni-V族氮化物半導(dǎo)體材料的表面的超過深度25nm的部分,但是可以進(jìn) 行半導(dǎo)體的任何任意深度的用于形成凹進(jìn)的去除,并且可以進(jìn)行所述 去除以去除第三III-V族氮化物半導(dǎo)體材料的整體厚度。然而,去除的 半導(dǎo)體的較小的深度使得通過使用凹進(jìn)結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)的用于改善擊穿電 壓和減少電流崩塌的效果惡化,另一方面,去除的半導(dǎo)體的較大的深 度減少了在柵電極110正下方的區(qū)域內(nèi)的載流子而提高了電阻,因此去 除的半導(dǎo)體材料的深度可用優(yōu)選在半導(dǎo)體的原始沉積的厚度的30%到 70%的范圍內(nèi)。
      而且,雖然在本實施例內(nèi)開口寬度108設(shè)置為500nm并且凹進(jìn)表面 114的長度、即凹進(jìn)寬度109設(shè)置為520nm,但是對應(yīng)于柵極寬度的開口 寬度108可以依賴于所使用的頻率設(shè)置為期望的寬度。
      而且,凹進(jìn)寬度109可以大于開口寬度108,并且可以設(shè)置為期望 的寬度。然而,因為按照本發(fā)明人的調(diào)査,與開口寬度108相比較的更 大的凹進(jìn)寬度109趨向于提供相當(dāng)大的電流崩塌,因此優(yōu)選凹進(jìn)寬度 109和開口寬度108之間的差是100nm,或者換句話說,在柵電極110和 凹進(jìn)的III-V族氮化物半導(dǎo)體的側(cè)表面之間的間隙112的寬度優(yōu)選等于 或者小于50nm。
      而且,雖然在本實施例內(nèi)柵電極110的帽檐(visor)形成為在漏電 極106的側(cè)面比在源電極105的側(cè)面更長,但是在源極105的側(cè)面的帽檐 可以形成為等同于或者大于在漏電極106的側(cè)面的帽檐。然而,在源電 極105的側(cè)面的過長的帽檐因為柵極電容的提高而可能相對于改善擊 穿電壓和減少電流崩塌的有益效果引起增益的較大降低,因此優(yōu)選所 述源電極105的側(cè)面的帽檐比在漏電極106的側(cè)面的帽檐更短。
      (實施例2)本實施例涉及在第二實施方案中所述的場效應(yīng)晶體管。下面參見 圖2來進(jìn)行說明,在本實施例內(nèi),通過在第二實施方案中的所述的步驟 來制造本實施例的場效應(yīng)晶體管。
      在這種情況下,使用c面([OOOl]面)碳化硅(SiC)襯底來用于襯 底201。
      而且,使用A1N層(厚度200nm)來用于構(gòu)成緩沖層202的第一 III-V族氮化物半導(dǎo)體材料。使用GaN載流子移動層(厚度1000nm) 來用于構(gòu)成載流子移動層203的第二III-V族氮化物半導(dǎo)體材料。使用 AlGaN載流子提供層(Al含量比例0.25,厚度40nm)來用于構(gòu)成載流 子提供層204的第三III-V族氮化物半導(dǎo)體材料。而且,使用GaN蓋層(厚 度10nm)來用于構(gòu)成蓋層205的第四III-V族氮化物半導(dǎo)體材料。
      而且,使用Ti/Al (Ti層的厚度10nm, Al層的厚度200nm)來 用于源電極206和漏電極207。而且,使用Ni/Au (Ni層的厚度10nm, Au層的厚度200nm)來用于柵電極211。
      使用SiON膜(厚度80nm)來用于絕緣膜208,并且絕緣膜208 的開口寬度209設(shè)置為700nm。而且,去除20nm深度的第三III-V族氮化 物半導(dǎo)體材料和第四III-V族氮化物半導(dǎo)體材料的區(qū)域以形成凹進(jìn)。凹 進(jìn)寬度210設(shè)置為780nm。
      而且,使用SiON膜(厚度80nm)來用于鈍化膜212的材料。
      這樣的結(jié)構(gòu)提供了肖特基特性,其中所有的柵極電流通過AlGaN 層,并且沒有通過AlGaN/GaN界面和GaN/SiON界面的泄漏通道,因為 柵電極211未與載流子提供層204/蓋層205界面、或者具體地AlGaN/GaN 界面和蓋層205/絕緣膜208或者具體地GaN/SiON界面接觸,實現(xiàn)減小柵 極泄漏電流。雖然在本實施例內(nèi)使用SiC來用于襯底201,但是作為選擇可以使
      用其他類型的襯底諸如藍(lán)寶石。
      而且,雖然在本實施例內(nèi)使用SiC襯底的c面([OOOl]面),但是可
      用的面可以是in-v族氮化物半導(dǎo)體的生長保持其c軸取向繼續(xù)進(jìn)行并
      且沿著與在本實施方案中相同的方向產(chǎn)生壓電效應(yīng)的面,更具體地,
      其可能向任意方向傾斜大約55度。然而,因為過大的傾斜引起獲得更 好的結(jié)晶性的困難,因此優(yōu)選提供在10度內(nèi)的向任意取向的傾斜。
      類似地,雖然在本實施例內(nèi)將GaN層用于載流子移動層203,但是 作為選擇可以使用GaN、 InN、 AlN和諸如InGaN層的這三種III-V族氮化 物半導(dǎo)體材料的混合物來用于載流子移動層203。
      類似地,作為選擇可以使用期望的厚度來用于每層的厚度。然而, 因為本實施例的第三和第四層的每個的晶格常數(shù)不等同于第二層的晶 格常數(shù),因此優(yōu)選使用小于用于產(chǎn)生位錯的臨界厚度的厚度。
      而且,雖然在本實施例內(nèi)在由GaN構(gòu)成的載流子移動層203內(nèi)未注 入雜質(zhì),但是可以注入諸如Si、 S、 0、 Se等的n型雜質(zhì)和/或諸如Be、 C、 Mg等的p型雜質(zhì)。然而,考慮到抑制由在載流子移動層203內(nèi)的過高的 雜質(zhì)濃度引起庫侖散射的影響而導(dǎo)致電子遷移率的退化,所述雜質(zhì)濃 度可以優(yōu)選為l x 1017 cm-3或者更低。
      而且,雖然在本實施例內(nèi)Ti/Al用于源電極206和漏電極207,但是 在本實施例內(nèi)能夠產(chǎn)生與在載流子提供層204內(nèi)AlGaN的歐姆接觸的金 屬可以足以用于源電極206和漏電極207,并且例如也可以使用W、 Mo、 Si、 Ti、 Pt、 Nb、 Al、 Au等,或者也可以使用沉積了多種這些金屬的 結(jié)構(gòu)。類似地,雖然在本實施例內(nèi)Ni/Au用于柵電極211,但是作為選擇
      可以使用期望的金屬,只要與ni-v族氮化物半導(dǎo)體材料產(chǎn)生肖特基接觸。
      而且,雖然在本實施例內(nèi)在凹進(jìn)結(jié)構(gòu)的制造中去除了距離第三
      ni-V族氮化物半導(dǎo)體材料的表面的超過深度20nm的部分,但是可以進(jìn) 行半導(dǎo)體的任何任意深度的用于形成凹進(jìn)的去除,并且可以進(jìn)行所述
      去除以去除第三m-v族氮化物半導(dǎo)體材料的整體厚度。
      然而,去除的半導(dǎo)體的過小的深度使得通過使用凹進(jìn)結(jié)構(gòu)而實現(xiàn) 的用于改善擊穿電壓和減少電流崩塌的效果惡化。另一方面,去除的 半導(dǎo)體的更大的深度減少了在柵極下的載流子而提高了電阻。因此,
      去除的半導(dǎo)體材料的深度優(yōu)選在半導(dǎo)體的原始沉積的厚度的30%到 70%的范圍內(nèi)。
      而且,雖然在本實施例內(nèi)開口寬度209設(shè)置為700nm并且凹進(jìn)表面 的長度即凹進(jìn)表面214的凹進(jìn)寬度210設(shè)置為780nm,但是對應(yīng)于柵極長 度的開口寬度209可以依賴于所使用的頻率設(shè)置為期望的寬度。
      而且,凹進(jìn)寬度210可以大于開口寬度209,并且可以設(shè)置為期望 的寬度。但是,因為按照本發(fā)明人的調(diào)查,與開口寬度209相比較的較 大的凹進(jìn)寬度210趨向于提供相當(dāng)大的電流崩塌,因此優(yōu)選凹進(jìn)寬度 210和開口寬度209之間的差是100nm,或者換句話說,在柵電極和凹進(jìn) 的m-V族氮化物半導(dǎo)體的側(cè)表面之間的間隙、即間隙213的寬度優(yōu)選等 于或者小于50nm。
      而且,雖然在本實施例內(nèi)柵電極211的帽檐形成為在漏電極207的 側(cè)面比在源電極206的側(cè)面更長,但是在源極206的側(cè)面的帽檐可以形 成為等同于或者大于在漏電極207的側(cè)面的帽檐。然而,在源電極206 的側(cè)面的過長的帽檐因為柵極電容的提高而可能相對于改善擊穿電壓和減少電流崩塌的有益效果引起增益的較大降低,因此優(yōu)選所述源電
      極206的側(cè)面的帽檐比在漏電極207的側(cè)面的帽檐更短。
      權(quán)利要求
      1. 一種場效應(yīng)晶體管,其包括III-V族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu),其包含異質(zhì)結(jié);彼此相間隔的源電極和漏電極,其形成在所述III-V族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)上;柵電極,其布置在所述源電極和所述漏電極之間;以及覆蓋層,其提供在所述柵電極和所述漏電極之間的區(qū)域內(nèi)或者在所述源電極和所述柵電極之間的區(qū)域內(nèi)的所述III-V族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)之上并且與其接觸,其中,所述柵電極的一部分掩埋在所述III-V族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)內(nèi),并且其中,所述III-V族氮化物半導(dǎo)體層與所述覆蓋層的界面的柵電極一側(cè)的端部與所述柵電極相間隔。
      2. 根據(jù)權(quán)利要求i的場效應(yīng)晶體管,其中,在所述ni-v族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)內(nèi)提供凹進(jìn)部分, 其中,提供所述柵電極使其與所述凹進(jìn)部分的底表面接觸,并且 其中,在沿著柵極長度的剖視圖內(nèi),在所述柵電極的側(cè)表面和所 述凹進(jìn)部分的側(cè)表面之間提供間隙。
      3. 根據(jù)權(quán)利要求2的場效應(yīng)晶體管,其中,在沿著柵極長度的剖視圖內(nèi)的所述間隙的長度大于Onm并 且小于50nm。
      4. 根據(jù)權(quán)利要求l的場效應(yīng)晶體管,其中,提供所述覆蓋層使其與所述柵電極的側(cè)表面接觸,并且 其中,在沿著柵極長度的剖視圖內(nèi),在與所述覆蓋層接觸的區(qū)域 下,所述III-V族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的側(cè)表面與所述柵電極相間隔。
      5. 根據(jù)權(quán)利要求l-4中任一項的場效應(yīng)晶體管,其中,所述m-v族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)包括電子移動層和提供在所述電子移動層上并且與其接觸的電子提供層,并且其中,提供所述源電極和所述漏電極使其與所述電子提供層接觸, 并且所述柵電極的一部分掩埋在所述電子提供層內(nèi)。
      6. 根據(jù)權(quán)利要求5的場效應(yīng)晶體管,其中,所述電子移動層是氮化鎵(GaN)層,并且所述電子提供 層是氮化鋁鎵(AlGaN)層。
      7. 根據(jù)權(quán)利要求l-6中任一項的場效應(yīng)晶體管,其中,所述覆蓋層是包含硅(Si)和氮(N)的絕緣膜。
      8. 根據(jù)權(quán)利要求l-6中任一項的場效應(yīng)晶體管,其中,所述覆蓋層是包括絕緣膜的多層構(gòu)件,所述絕緣膜包含硅 (SO和氮(N)。
      9. 根據(jù)權(quán)利要求8的場效應(yīng)晶體管,其中,所述多層構(gòu)件由ni-v族氮化物半導(dǎo)體層和所述絕緣膜構(gòu)成, 所述絕緣膜提供在所述ni-v族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)上并且與其接觸。
      10. 根據(jù)權(quán)利要求l-9中任一項的場效應(yīng)晶體管,其中,在所述m-v族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)內(nèi)與所述柵電極接觸的層內(nèi)引起壓縮應(yīng)變。
      11. 根據(jù)權(quán)利要求i-io中任一項的場效應(yīng)晶體管,其中,所述覆蓋層提供在所述柵電極的所述漏電極一側(cè)的側(cè)表面 上并且與其接觸,并且其中,所述柵電極包括在所述覆蓋層上形成的場板,所述場板向 所述漏電極一側(cè)突出以形成帽檐形的形狀。
      全文摘要
      一種場效應(yīng)晶體管(100)包括包含異質(zhì)結(jié)的III-V族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu);彼此分離地形成在所述III-V族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)上的源電極(105)和漏電極(106);柵電極(110),其布置在所述源電極(105)和所述漏電極(106)之間;以及絕緣層(107),其在所述柵電極(110)和所述漏電極(106)之間的區(qū)域內(nèi)和在所述源電極(105)和所述柵電極(110)之間的區(qū)域內(nèi),通過與所述III-V族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)接觸來布置。柵電極(110)的一部分掩埋在所述III-V族氮化物半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)內(nèi),并且在所述III-V族氮化物半導(dǎo)體層與所述絕緣層(107)之間的界面的柵電極側(cè)端與所述柵電極(110)隔離。
      文檔編號H01L29/812GK101416289SQ200780011908
      公開日2009年4月22日 申請日期2007年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月28日
      發(fā)明者中山達(dá)峰, 井上隆, 岡本康宏, 大田一樹, 安藤裕二, 宮本廣信, 村瀨康裕, 黑田尚孝 申請人:日本電氣株式會社
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