專(zhuān)利名稱(chēng)：垂直功率晶體管器件、半導(dǎo)體管芯及制造垂直功率晶體管器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種垂直功率晶體管器件，這種器件例如包括形成在氮化鎵襯底上的垂直結(jié)構(gòu)。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種半導(dǎo)體管芯，這種管芯例如包括第一功率晶體管器件，該第一功率管器件鄰近第二功率晶體管器件設(shè)置并共享公共氮化鎵襯底。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種制造功率晶體管器件的方法，這種方法例如包括提供氮化鎵襯底以及生長(zhǎng)垂直結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
由于內(nèi)燃機(jī)對(duì)環(huán)境的不利影響越來(lái)越重要，所以汽車(chē)制造商一直受到壓力以減小他們制造的車(chē)輛引擎的二氧化碳(CO2)排放。為此，除了其他技術(shù)之外，車(chē)輛制造商等正致力于開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力車(chē)輛(HV)技術(shù)、電氣車(chē)輛(EV)技術(shù)、燃料電池(FC)技術(shù)以及先進(jìn)的生物燃料技術(shù)，以作為減少所制造的車(chē)輛的碳足跡的方式。關(guān)于HV技術(shù)，已知所謂的混合動(dòng)力車(chē)輛包括由混合動(dòng)力車(chē)輛控制系統(tǒng)控制的傳動(dòng)系。該傳動(dòng)系包括經(jīng)耦合以通過(guò)功率分流(power-split)裝置驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)，所述功率分流裝置使得所驅(qū)動(dòng)的車(chē)輪能夠單獨(dú)由內(nèi)燃機(jī)、單獨(dú)由電動(dòng)機(jī)或者由內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩者一起供以動(dòng)力，從而允許內(nèi)燃機(jī)在給定時(shí)間維持最大的效率負(fù)載和速度范圍。電動(dòng)機(jī)由高壓電池供以電力。所謂的“逆變器組件”被提供為包括逆變器和所謂的“升壓轉(zhuǎn)換器”。逆變器將來(lái)自車(chē)輛的高壓電池的高壓直流電流轉(zhuǎn)換成三相交流電流，用于對(duì)電動(dòng)機(jī)供以動(dòng)力。車(chē)輛的傳動(dòng)系有時(shí)包括超過(guò)一個(gè)的電動(dòng)機(jī)。為了提供三相交流電流，通過(guò)升壓轉(zhuǎn)換器將高壓電池的輸出電壓從例如200V逐步升至500V。逆變器然后負(fù)責(zé)提供三相交流電流，該三相交流電流是從由升壓轉(zhuǎn)換器提供的逐步升高的電壓得到的。為了產(chǎn)生三相交流電流，已知逆變器包括用于功率調(diào)制的一組絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和并聯(lián)的二極管，IGBT構(gòu)成功率開(kāi)關(guān)。然而，對(duì)于未來(lái)的混合動(dòng)力以及其他電動(dòng)的車(chē)輛，將對(duì)逆變器提出更多要求，包括低的能量損失、減小的尺寸和成本效益。此外，逆變器的半導(dǎo)體器件將需要由寬帶隙半導(dǎo)體材料形成，并且表現(xiàn)出高的擊穿電壓且能夠耐受高的操作溫度。盡管硅基IGBT的表現(xiàn)目前尚可接受，但相對(duì)于未來(lái)的車(chē)輛設(shè)計(jì)將對(duì)硅IGBT提出的高電流密度要求、高功率源電壓和高溫度操作要求，這些器件不太可能表現(xiàn)得很好。用于制作功率晶體管的有希望的候選半導(dǎo)體材料是氮化鎵。然而，這些器件需要氮化鎵(GaN)襯底。對(duì)于后續(xù)將從其上進(jìn)行分離的在硅襯底上進(jìn)行的氮化鎵襯底的生長(zhǎng)由于晶格失配所引起的應(yīng)力因而不可行。在這一點(diǎn)上，氮化鎵層不可能生長(zhǎng)得足夠厚而同時(shí)當(dāng)試圖將氮化鎵層從硅襯底上分離時(shí)又使得氮化鎵層不破裂。為了緩解這個(gè)問(wèn)題，還已知的是，在碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵襯底，所述碳化硅襯底具有與在其上生長(zhǎng)的氮化鎵的晶體結(jié)構(gòu)具有較為接近的晶格匹配。然而，在碳化硅襯底上制作期望厚度的氮化鎵襯底價(jià)格高昂，因此并非所期望的制造選擇。替代使用碳化硅，已知的是，在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)氮化鎵，從而得到以更高成本效益制作的氮化鎵襯底。實(shí)際上，在“Vertical deviceoperation of AlGaN/GaN HEMTs on free-standing n-GaN substrates，，(Sugimoto 等人，Power Conversion Conference (功率轉(zhuǎn)換會(huì)議)2007，名古屋，2007年4月2飛日)中描述了在生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底的自支撐 (free-standing)氮化鎵襯底上形成的垂直功率晶體管器件。該文獻(xiàn)描述了具有在其上生成的n-GaN漂移層(drift layer)的自支撐GaN襯底。然后在n_GaN漂移層上形成具有絕緣柵的掩埋型結(jié)構(gòu)。在器件的正面上形成柵極和源極，而在器件的背面上形成漏極，從而將器件制作成垂直晶體管器件。然而，這樣的器件結(jié)構(gòu)不能維持高擊穿電壓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供如隨附權(quán)利要求書(shū)中所描述的一種垂直功率晶體管器件、半導(dǎo)體管芯以及制作垂直功率晶體管器件的方法。本發(fā)明的特定實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中加以闡述。本發(fā)明的這些及其他方面將從下文描述的實(shí)施例中清楚顯現(xiàn)，并且將參照這些實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。


將參照附圖而描述僅僅作為示例的本發(fā)明的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)、方面和實(shí)施例。附圖中，用相同的附圖標(biāo)記表示相同或功能相似的元件。圖中的元件是為了簡(jiǎn)明清楚而示出的， 未必按照比例繪制。圖I至圖8是遵循構(gòu)成本發(fā)明實(shí)施例的垂直功率晶體管器件的制造方法的步驟的示例性制造階段的示意圖；圖9是與圖I至圖8相關(guān)聯(lián)的方法的示例性步驟的流程圖；圖10是構(gòu)成本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的相鄰的垂直功率晶體管器件的示例的示意圖；以及圖11是構(gòu)成本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的相鄰的垂直功率晶體管器件的另一個(gè)示例的示意圖。
具體實(shí)施例方式由于本發(fā)明的例示實(shí)施例的絕大部分可用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的電子部件和電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而不會(huì)以比理解和評(píng)價(jià)本發(fā)明的基本構(gòu)思所需要的任何更大范圍來(lái)對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行解釋?zhuān)员苊饣煜蚍稚⒈景l(fā)明的教導(dǎo)。參照?qǐng)DI和圖9，可提供自支撐氮化鎵襯底100(步驟200)，用于加入到功率晶體管器件的構(gòu)造中，并構(gòu)成晶片102。在該示例中，氮化鎵襯底可通過(guò)高氣相工藝外延(HVPE)形成，并且在根據(jù)本領(lǐng)域已知的任何合適的分離或解理技術(shù)而從藍(lán)寶石襯底分離(步驟202) 之前，可生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上。然而，技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，可將氮化鎵襯底100保留設(shè)置在藍(lán)寶石襯底上，并且使用下文描述的處理步驟對(duì)其進(jìn)行處理，在這之后，可以將氮化鎵襯底 100從藍(lán)寶石襯底分離。而且，技術(shù)人員還應(yīng)認(rèn)識(shí)到，如果需要，可以使用例如原子鍵合技術(shù)在硅襯底上形成氮化鎵襯底。此外，氮化鎵襯底100無(wú)需是自支撐的。實(shí)際上，如果需要， 襯底100可由任何合適的材料形成，例如III-V族半導(dǎo)體材料的任何合適的氮化物。
氮化鎵襯底100的生長(zhǎng)過(guò)程易受污染，主要是指鐵(Fe)污染。然而，在本示例中， 因?yàn)槲廴疚锏拇嬖跁?huì)使氮化鎵襯底100具有導(dǎo)電性，并且使得襯底100能夠用作端子，例如晶體管器件的漏極，所以這樣的污染是有益的?？稍谝r底100中形成凹槽106。例如，在提供氮化鎵襯底之后，可以例如使用物理氣相沉積(PVD)技術(shù)在氮化鎵襯底100上設(shè)置二氧化娃(SiO2)包覆層(capping layer) 104 (圖2)(步驟204)，并且之后，例如通過(guò)旋涂在二氧化硅包覆層104上設(shè)置光致抗蝕劑 (未示出)，并可使用合適的掩膜對(duì)光致抗蝕劑進(jìn)行構(gòu)圖(步驟206)。然后可去除未硬化的光致抗蝕劑，并且可以例如通過(guò)使用氯氣作為蝕刻劑的等離子體蝕刻對(duì)晶片進(jìn)行蝕刻(步驟S208)，以在大約I μ m和大約2 μ m厚度之間的合適的深度的氮化鎵襯底100中形成凹槽106 (圖3)，但同樣也可使用其他深度。提供SiO2包覆層104用以允許選擇性局部外延生長(zhǎng)，如下面將描述的，并且從而防止凹槽166外部的生長(zhǎng)。雖然本示例中包覆層104是由 SiO2形成的，但包覆層104也可以由氮化硅(SiN)或任何其他合適的材料形成。在形成凹槽106之后，可對(duì)晶片102執(zhí)行多層選擇性外延重生長(zhǎng)工藝。例如，可首先在凹槽中生長(zhǎng)(步驟210)半絕緣的外延層108 (圖4)。半絕緣層108提供襯底100和形成在半絕緣層108上方(在凹槽區(qū)域中)的層之間的電隔離。更具體而言，半絕緣層108抑制或者至少減少了電荷載流子從上方的層到襯底或反方向地在垂直方向上的漂移，因而使得能夠提高擊穿電壓。半絕緣層108的厚度小于凹槽106的深度，使得半絕緣層108不會(huì)延伸到凹槽外，在本示例中，即是指不會(huì)延伸到襯底100的表面109上方。該層可在凹槽 106中具有例如大約I μ m和大約I. 5 μ m之間的厚度，使得半絕緣層108的頂表面107在襯底100的表面109之下。在本示例中，生長(zhǎng)技術(shù)可為分子束外延(MBE)或金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(M0CVD)，半絕緣層108被凹進(jìn)在襯底100中。在本示例中，半絕緣層108為p型摻雜氮化鎵，其中摻雜劑為錳(Mg)。然而，可以采用其他摻雜劑，例如碳(C)或鐵(Fe)，以增大半絕緣層108的電阻，或通過(guò)該層發(fā)展P型行為。替代地，半絕緣層108可以是氮化鋁鎵 (AlGaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁銦(AlInN)或任何其他合適的已摻雜或未摻雜的半絕緣材料的層。在設(shè)置半絕緣層108之后，可在半絕緣層108的頂部生長(zhǎng)第一氮化鎵層110 (圖 5)(步驟212)。發(fā)現(xiàn)合適的厚度在大約200nm和大約O. 5 μ m之間，但同樣也可使用其他厚度。氮化鎵層110鄰近半絕緣層108。如圖所示，GaN層110在凹槽106中的半絕緣層108 的頂表面107上面延伸。GaN層110的頂表面113與表面109齊平或在表面109之下。為了形成氮化鎵層110，可以采用任何合適的生長(zhǎng)技術(shù)，例如MBE或M0CVD。在所示示例中，層 108是非有意摻雜的GaN層。當(dāng)然，第一層108也可以由其他任何合適的材料形成，例如任何合適的III-V族半導(dǎo)體材料，諸如III族氮化物半導(dǎo)體材料。所使用的III族氮化物材料可以例如是由二元III族氮化物材料、三元III族氮化物材料、四元III族氮化物材料、 GaN、AlGaN、InGaN、AlInN、AlInGaN構(gòu)成的組中的一個(gè)或多個(gè)材料，并且可以是外延生長(zhǎng)的 III族氮化物材料。從本示例中可以看出，半絕緣層108和GaN層110基本上被(自支撐)氮化鎵襯底 100包圍。就這點(diǎn)而言，在水平面上，即平行于表面109，半絕緣層108和GaN層110被襯底 100的凹槽側(cè)面111圍繞，并且其中設(shè)置有層108、110的凹槽106的底部同樣也被襯底100 封閉。但凹槽106的頂部沒(méi)有被襯底100覆蓋，并且在本示例中相對(duì)于襯底100是敞開(kāi)的。
之后，可生長(zhǎng)(步驟214)例如由例如非有意摻雜的氮化鋁鎵形成的第二勢(shì)壘層 112 (圖6)。GaN層110和勢(shì)壘層112之間的界面用作異質(zhì)結(jié)，因此正在形成的功率晶體管器件是高電子遷移率晶體管(HEMT)或異質(zhì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)。可以例如使用相同的外延工藝(M0CVD或MBE)，在氮化鎵層110上生長(zhǎng)層112。發(fā)現(xiàn)勢(shì)壘層112的合適的厚度在大約15nm和大約30nm之間，但同樣也可使用其他厚度。氮化鋁鎵勢(shì)壘層112可鄰近氮化物層110設(shè)置，并且可以例如被提供在層110的頂部。氮化鋁鎵中的鋁的原子百分比可以具有大約20°/Γ30%的量級(jí)，其可以由這樣的等式加以表示=AlxGrvxN,其中χ在大約O. 20 和大約O. 30之間。替代地，勢(shì)壘層112可以由氮化銦鎵(InGaN)形成，銦的原子百分比在大約10%到大約20%之間，其可以由這樣的等式加以表示InxGai_xN，其中χ在大約O. I和大約O. 2之間。作為另外一種情況，勢(shì)壘層112可以由氮化鋁銦(AlInN)形成，銦的原子百分比在大約10%到大約20%之間，其可以由這樣的等式加以表示=AlhInxN，其中χ在大約O. I 和大約O. 2之間。技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，上述材料是合適的III-V族半導(dǎo)體材料的示例，形成異質(zhì)結(jié)的任何其他合適的材料都可以采用，例如具有不同的帶隙從而在界面處形成勢(shì)阱、 或者具有不同的晶格常數(shù)從而在自界面向襯底的橫斷方向上產(chǎn)生壓電極化。例如，可使用其他合適的III-V族半導(dǎo)體材料，諸如III族氮化物(的合金、化合物或混合物)，例如Al和 /或In和/或Ga的氮化物的III族氮化物。所使用的III族氮化物材料可以例如是由二元III族氮化物材料、三元III族氮化物材料、四元III族氮化物材料、GaN、AlGaN、InGaN、 AlInN,AlInGaN構(gòu)成的組中的一個(gè)或多個(gè)材料，并且可以是外延生長(zhǎng)的III族氮化物材料?？稍诘X鎵勢(shì)壘層112上生長(zhǎng)(步驟216)氮化鎵帽蓋層(caplayer)114 (圖7)， 以使氮化鎵帽蓋層114鄰近氮化鋁鎵勢(shì)壘層112，以便防止AlGaN勢(shì)壘層112的氧化。在形成多層堆疊116之后，可去除(步驟218)二氧化硅包覆層104，并且如果尚未去除，可以上面提及的相似的方式去除(步驟220)藍(lán)寶石襯底(未示出)，以使氮化鎵襯底100成為自支撐氮化鎵襯底100。通過(guò)選擇性外延重生長(zhǎng)形成的半絕緣層108、氮化鎵層110、氮化鋁鎵勢(shì)壘層112 和氮化鎵帽蓋層114構(gòu)成多層堆疊116。多層堆疊116可與氮化鎵襯底100相關(guān)聯(lián)，多層堆疊116形成在氮化鎵襯底100中。從圖7中可以看出，多層堆疊116的頂表面115與凹槽的邊緣齊平，或者延伸到凹槽的邊緣上方，即襯底100的頂表面109上方。例如如圖8所示，半絕緣層108在從襯底100的表面109到底部的垂直方向上使多層堆疊116中的其他層與襯底100分離。因而，勢(shì)壘層抑制或者至少減少了凹槽106中從堆疊116到襯底或反方向地在垂直方向上的直流電流流動(dòng)。為了引導(dǎo)電流在GaN襯底100中橫向地然后縱向地在GaN層110和勢(shì)壘層112之間的界面附近流動(dòng)，GaN層110和勢(shì)壘層112之間的界面的位置與凹槽106的邊緣齊平或在凹槽106的邊緣之下，在本示例中，即是指在襯底100的表面109之下，以便確保與襯底100 的電連接。在本示例中，界面與表面109齊平，因此勢(shì)壘層112和帽蓋層114位于表面109上方。然而，如果界面被設(shè)置在表面109之下足夠的距離處，則多層堆疊116的其余層可以被形成為使得多層堆疊116的頂表面與表面109齊平。如圖8所示，可在襯底100的背面120 上形成(步驟222)漏極接觸118。漏極接觸118可電連接至GaN襯底100，并且在GaN襯底被提供在其他襯底上，例如在Si襯底上的情況下，可以貫通其他襯底提供連接器，例如，使其他襯底局部導(dǎo)電的局部摻雜的金屬通孔。可使用任何合適的金屬處理(metallisation)技術(shù)在氮化鎵帽蓋層114上形成源極接觸122和柵極接觸124。柵極接觸124可以是例如由鎳、鉬、鑰或銥形成的肖特基接觸。替代地，柵極接觸124可以是金屬-絕緣體-半導(dǎo)體 (MIS)接觸，例如二氧化硅、氮化硅或氧化鉿。源極和漏極接觸可以是根據(jù)本領(lǐng)域已知的任何合適的技術(shù)，由鉭、鈦和鋁的組合形成的歐姆接觸，并且可以經(jīng)受快速熱退火以使金屬元素在GaN層內(nèi)擴(kuò)散而形成所謂的歐姆接觸。功率晶體管器件的結(jié)構(gòu)是如下的結(jié)構(gòu)，其使得功率晶體管器件為“常開(kāi)”型器件， 因此現(xiàn)在將相應(yīng)地描述功率晶體管器件的操作。然而，技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，功率晶體管器件可以被形成為“常閉”型。操作時(shí)，施加在柵極端124和源極端122之間的-5V負(fù)偏壓Ves致使功率晶體管器件被置于OFF狀態(tài)。當(dāng)處于ON狀態(tài)下時(shí)，由于異質(zhì)結(jié)處的自發(fā)的并壓電極化形成的厚度約為25埃的量子阱導(dǎo)致在柵極端122以及GaN層110和勢(shì)壘層112之間的界面下方形成二維電子氣(2DEG)區(qū)。2DEG區(qū)構(gòu)成橫向漂移區(qū)。然而，當(dāng)施加-5V負(fù)偏壓Ves時(shí)，2DEG區(qū)被耗盡并且沒(méi)有電流流動(dòng)，而導(dǎo)致處于OFF狀態(tài)。當(dāng)使偏壓Ves向OV增大時(shí)，2DEG區(qū)的耗盡減小，且2DEG區(qū)填充有電子。由于存在電阻率非常大的半絕緣層108，所以電流在經(jīng)過(guò)襯底100向下流向漏極接觸118之前開(kāi)始向鄰近于凹槽的襯底100的區(qū)域，形式上是凹槽側(cè)面111，橫向流動(dòng)。隨著使偏壓Ves逐漸為正，2DEG區(qū)逐漸變成非耗盡，并且在2DEG區(qū)中形成電子積累且該電子積累對(duì)增大的漏極電流做出貢獻(xiàn)。在另一個(gè)實(shí)施例(圖10)中，除了形成在自支撐氮化鎵襯底100中的第一多層堆疊 116以外，在自支撐氮化鎵襯底100中在水平方向上還并排形成有第二多層堆疊126，第一和第二多層堆疊116、126通過(guò)氮化鎵襯底100的垂直區(qū)分離。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，所執(zhí)行的構(gòu)圖(步驟206)可定義第二凹槽128的位置，可與蝕刻第一凹槽106同時(shí)地在自支撐氮化鎵襯底100中蝕刻第二凹槽128。然后可與在第一凹槽106中形成第一多層堆疊116同時(shí)地用第二多層堆疊126填充第二凹槽128。因此，本示例中自支撐氮化鎵襯底100構(gòu)成公共襯底，在其中，形成第一和第二多層堆疊116和126。結(jié)果，在晶片102上/中形成了第一功率晶體管器件和第二功率晶體管器件，第一多層堆疊116與第一功率晶體管器件相關(guān)聯(lián)，且第二多層堆疊126與第二功率晶體管器件相關(guān)聯(lián)。在形成了第一和第二多層堆疊116、126之后,可在第一和第二多層堆疊116、126 之間形成連接區(qū)130，在本示例中，其在第一和第二多層堆疊116、126的相對(duì)側(cè)之間，以便橋接第一和第二多層堆疊116、126。就這一點(diǎn)而言，在形成柵極和源極接觸之前，可以例如使用光刻抗蝕劑對(duì)晶片102的表面進(jìn)行構(gòu)圖，并定義連接區(qū)130的位置。然后可以例如使用硅離子，通過(guò)離子注入形成連接區(qū)130，以形成小于大約0.5μπι厚的n+區(qū)132。n+區(qū) 132橋接第一和第二功率晶體管器件的氮化鎵層110、氮化鋁鎵勢(shì)壘層112和氮化鎵帽蓋層 114。在本示例中，連接區(qū)可與柵極接觸124分開(kāi)大約ΙΟμπι到大約30μπι。如果需要，η+區(qū) 132可以被分成分別與第一和第二多層堆疊116、126中的每個(gè)相鄰近的兩個(gè)分離區(qū)。結(jié)果， 在另一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)晶體管器件可以并聯(lián)放置，以形成網(wǎng)絡(luò)或二維陣列，用于高電流應(yīng)用。因此，雖然已經(jīng)圍繞η+歐姆區(qū)132是橋接兩個(gè)多層堆疊的單個(gè)區(qū)域?qū)ι鲜鰧?shí)施例進(jìn)行了描述，但技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，關(guān)于η+歐姆區(qū)相對(duì)于給定多層堆疊的側(cè)表面延伸的程度，可設(shè)想以上述方式提供鄰近多層堆疊而設(shè)置的η+歐姆區(qū)的單獨(dú)的非橋接區(qū)。
操作時(shí)，第一和第二功率晶體管器件中的每一個(gè)，當(dāng)處于ON狀態(tài)下時(shí)，在A(yíng)lGaN勢(shì)壘層112和GaN層110之間的界面下面并且與柵極124相對(duì)地，產(chǎn)生向n+區(qū)132延伸的相應(yīng)的橫向漂移區(qū)。在這一點(diǎn)上，第一和第二功率晶體管器件中的每一個(gè)以上面關(guān)于形成單個(gè)功率晶體管器件所描述的相似的方式操作。然而，連接區(qū)130的存在用于促進(jìn)電流從第一和第二功率晶體管器件的橫向漂移區(qū)傳輸?shù)轿挥诘谝缓偷诙鄬佣询B116、126之間的襯底100中的垂直漂移區(qū)134中。在這一點(diǎn)上，連接區(qū)130將第一和第二多層堆疊的異質(zhì)結(jié)電耦合到襯底100的垂直漂移區(qū)134。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，如果對(duì)單個(gè)功率晶體管器件加以了考慮， 則功率晶體管器件產(chǎn)生其自己的橫向漂移區(qū)，并且當(dāng)非橋接n+歐姆區(qū)鄰近單個(gè)功率晶體管器件的多層堆疊設(shè)置時(shí)，n+區(qū)132的存在也用于促進(jìn)電流從功率晶體管器件的橫向漂移區(qū)傳輸?shù)酱怪逼茀^(qū)134。在又一實(shí)施例(圖11)中，可用歐姆接觸136來(lái)補(bǔ)充連接區(qū)130，該歐姆接觸136形成在n+區(qū)132之上，使歐姆接觸136鄰近n+區(qū)132設(shè)置?？梢栽谟靡孕纬稍礃O接觸122的相同的工藝步驟內(nèi)實(shí)現(xiàn)歐姆接觸136。因此進(jìn)一步促進(jìn)了電流從第一和第二功率晶體管器件的橫向漂移區(qū)到垂直漂移區(qū)134的傳輸。如上所述，除了 n+歐姆區(qū)被布置為兩個(gè)分離的區(qū)域以外，歐姆接觸136也可以被設(shè)置為兩個(gè)分離的歐姆接觸，每一個(gè)分別鄰近第一和第二多層堆疊116、126。因而可以提供導(dǎo)致改善的帶隙，例如大約3. 5eV的帶隙，且因而得到增大的截止?fàn)顟B(tài)擊穿電壓的垂直功率晶體管器件及其制造方法。該器件還受益于提高的載流子遷移率。連接區(qū)130的提供還用于當(dāng)器件處于截止?fàn)顟B(tài)下時(shí)，在器件柵極和漏極之間以三維擴(kuò)展(spread)電場(chǎng)，從而也支持提高的擊穿電壓，這導(dǎo)致每器件的管芯面積占用減小，以及對(duì)垂直功率晶體管器件的擊穿電壓相對(duì)歸一化的導(dǎo)通電阻得以?xún)?yōu)化。另外，在公共襯底中的堆疊之間提供連接區(qū)減少了相鄰器件的二維電子氣和垂直漂移區(qū)之間的電中斷 (electrical discontinuity),由此便利了從相鄰器件的橫向漂移區(qū)到由公共襯底支撐的垂直漂移區(qū)的電流傳輸。因此，橫向漂移區(qū)和垂直漂移區(qū)之間的高電阻被減小，而無(wú)需犧牲漏-源電隔離。當(dāng)然，上述優(yōu)點(diǎn)是示例性的，這些或其他優(yōu)點(diǎn)可由本發(fā)明獲得。此外，技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，并非上面所闡述的所有優(yōu)點(diǎn)都必須由這里所描述的實(shí)施例來(lái)實(shí)現(xiàn)。在前面的說(shuō)明書(shū)中，已經(jīng)參照本發(fā)明實(shí)施例的具體事例描述了本發(fā)明。然而，將顯而易見(jiàn)的是，在不背離如隨附權(quán)利要求書(shū)中所釋明的較寬精神和范圍的情況下，可在其中進(jìn)行各種修改和改變。例如，可與晶體管器件一起在襯底上提供其他無(wú)源或有源器件，例如晶體管、二極管、電容器等。此外，可在上面提供其他層。而且作為示例，在一個(gè)實(shí)施例中，所示示例可被實(shí)現(xiàn)為位于單個(gè)集成電路上或同一器件內(nèi)的電路。例如，如圖10和圖11的實(shí)施例中所不,第一和第二多層堆疊116、126共享公共的自支撐氮化鎵襯底100。替代地，這些示例可被實(shí)現(xiàn)為以合適的方式彼此互連的任何數(shù)目的單獨(dú)的集成電路或單獨(dú)的器件。然而，其他修改、變形和替代也是可以的。因此，說(shuō)明書(shū)和附圖應(yīng)理解為是例示性而非限制性的。在權(quán)利要求書(shū)中，置于括號(hào)中的任何附圖標(biāo)記都不應(yīng)被解釋為對(duì)權(quán)利要求的限定。詞語(yǔ)“包括”不排除存在除權(quán)利要求中所列出的元件或步驟以外的其他元件或步驟。此夕卜，如本申請(qǐng)中所使用的術(shù)語(yǔ)“一”或“一個(gè)”被定義為一個(gè)或多于一個(gè)。同樣，在權(quán)利要求中使用諸如“至少一個(gè)”和“一個(gè)或多個(gè)”這樣的介紹性短語(yǔ)也不應(yīng)被解釋為使得通過(guò)不定冠詞“一”或“一個(gè)”對(duì)另一權(quán)利要求要素的介紹將包含這樣介紹的權(quán)利要求要素的任一特定權(quán)利要求限定到只包含一個(gè)這樣的元件的發(fā)明，即使在同一權(quán)利要求包括介紹性短語(yǔ)“一個(gè)或多個(gè)”或者“至少一個(gè)”以及諸如“一”或“一個(gè)”這樣的不定冠詞時(shí)也是如此。對(duì)于使用定冠詞的情形同樣如此。除非另外聲明，否則諸如“第一”和“第二”這樣的術(shù)語(yǔ)被用以任意區(qū)分這樣的術(shù)語(yǔ)所描述的要素。因此，這些術(shù)語(yǔ)并非意圖表示這樣的要素在時(shí)間或其他方面的優(yōu)先次序。在相互不同的權(quán)利要求中陳述的特定的量度并非表示不能有利地使用這些量度的組合。如果存在的話(huà)，說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中的術(shù)語(yǔ)“正面”、“背面”、“頂部”、“底部”、“之上”、“之下”等，則用于描述性目的而并非用于描述永久的相對(duì)位置。應(yīng)理解的是， 這樣使用的術(shù)語(yǔ)在適當(dāng)?shù)臈l件下是可互換的，以便使本文中所描述的本發(fā)明實(shí)施例例如能夠在除本文中所例示的或以其他方式所描述的方位以外的方位中操作。
權(quán)利要求
1.一種垂直功率晶體管器件，包括由III-V族半導(dǎo)體材料形成的襯底和至少部分地容納在所述襯底中的多層堆疊，所述多層堆疊包括第一層，所述第一層由第一 III-V族半導(dǎo)體材料形成；第二層，所述第二層由第二 III-V族半導(dǎo)體材料形成；異質(zhì)結(jié)，所述異質(zhì)結(jié)形成在所述第一層和所述第二層的界面處；半絕緣層，所述半絕緣層設(shè)置在所述襯底和所述第一層之間，用于在凹槽中使所述異質(zhì)結(jié)與所述襯底電絕緣。
2.如權(quán)利要求I所述的器件，其中，所述半絕緣層由III-V族半導(dǎo)體材料形成，所述 III-V族半導(dǎo)體材料諸如選自由III族氮化物材料、二元III族氮化物材料、三元III族氮化物材料、四元III族氮化物材料、包含P型摻雜劑的氮化鎵、AlGaN, InGaN和AlInN構(gòu)成的組。
3.如權(quán)利要求I或權(quán)利要求2所述的器件，其中，所述第一層和或所述第二層由已摻雜或非有意摻雜的III-V族半導(dǎo)體材料形成，所述III-V族半導(dǎo)體材料選自由III族氮化物材料、二元III族氮化物材料、三元III族氮化物材料、四元III族氮化物材料、GaN、AlGaN、 InGaN和AlInN構(gòu)成的組。
4.如權(quán)利要求I或權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的器件，其中，所述第二層是勢(shì)壘層。
5.如權(quán)利要求4所述的器件，其中，所述勢(shì)壘層由選自由AlGaN、InGaN和AlInN構(gòu)成的組的材料形成。
6.如權(quán)利要求4或權(quán)利要求5所述的器件，其中，所述勢(shì)壘層由AlxGahN形成，其中x 在大約O. 20和大約O. 30之間。
7.如權(quán)利要求4所述的器件，其中，所述多層堆疊包括鄰近所述勢(shì)壘層設(shè)置的氮化鎵帽蓋層。
8.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中，所述多層堆疊是外延多層堆疊。
9.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中，所述半絕緣層和所述第一層基本上被所述襯底包圍。
10.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中，所述襯底包括凹槽，并且所述多層堆疊至少部分地位于所述凹槽中。
11.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中，至少所述半絕緣層被凹進(jìn)在所述襯底中。
12.—種半導(dǎo)體管芯，包括第一功率晶體管器件，所述第一功率晶體管器件包括如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的垂直功率晶體管器件的結(jié)構(gòu)；第二功率晶體管器件，所述第二功率晶體管器件包括如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的垂直功率晶體管器件的結(jié)構(gòu)；其中所述第一和第二功率晶體管器件的襯底對(duì)所述第一和第二功率晶體管器件是共同的， 所述襯底能夠支撐所述第一功率晶體管器件的第一多層堆疊和所述第二功率晶體管器件的第二多層堆疊之間的垂直漂移區(qū)；并且所述管芯進(jìn)一步包括所述第一和第二功率晶體管器件的所述第一和第二多層堆疊的相對(duì)側(cè)之間的連接區(qū)，用于將所述第一和第二多層堆疊的異質(zhì)結(jié)電耦合至所述垂直漂移區(qū)。
13.如權(quán)利要求12所述的管芯，其中，所述連接區(qū)包括離子注入?yún)^(qū)，所述離子注入?yún)^(qū)被布置為橋接所述第一多層堆疊的第一層和所述第二多層堆疊的第一層。
14.如權(quán)利要求13所述的管芯，當(dāng)從屬于權(quán)利要求7時(shí)，其中，所述離子注入?yún)^(qū)橋接所述第一多層堆疊的第二層及帽蓋層和所述第二多層堆疊的第二層及帽蓋層。
15.如權(quán)利要求13或權(quán)利要求14所述的管芯，其中，所述連接區(qū)進(jìn)一步包括歐姆接觸， 所述歐姆接觸鄰近所述離子注入?yún)^(qū)設(shè)置。
16.一種制造垂直功率晶體管器件的方法，包括提供由III-V族半導(dǎo)體材料的氮化物形成的襯底；在所述襯底中蝕刻凹槽；生長(zhǎng)由第一 III-V族半導(dǎo)體材料形成的第一層；以及生長(zhǎng)由第二 III-V族半導(dǎo)體材料形成的第二層；在所述第一層和所述第二層的界面處形成異質(zhì)結(jié)；以及在所述凹槽中生長(zhǎng)半絕緣層，所述半絕緣層設(shè)置在所述襯底和所述第一層之間，用于在所述凹槽中使所述異質(zhì)結(jié)與所述襯底電絕緣。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括在所述襯底中蝕刻另一凹槽，所述凹槽和所述另一凹槽由所述襯底的垂直區(qū)在水平方向上分離。
18.如權(quán)利要求16或權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括在所述另一凹槽中形成另一多層堆疊。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括形成連接區(qū)，以便橋接所述多層堆疊和所述另一多層堆疊的相對(duì)側(cè)，并將所述多層堆疊和所述另一多層堆疊的各自的異質(zhì)結(jié)電耦合至所述襯底。
20.如權(quán)利要求16至19中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括將所述襯底形成為自支撐襯底。
全文摘要
一種垂直功率晶體管器件，包括襯底(100)，其由III-V族半導(dǎo)體材料形成；和多層堆疊(116)，其至少部分地容納在所述襯底(100)中。所述多層堆疊包括半絕緣層(108)，其鄰近所述襯底(100)設(shè)置；和第一層(110)，其由第一III-V族半導(dǎo)體材料形成，并鄰近所述半絕緣層(108)設(shè)置。多層堆疊(116)還包括第二層(112)，其由第二III-V族半導(dǎo)體材料形成，并鄰近所述第一層(110)設(shè)置；和異質(zhì)結(jié)，其形成在第一層和第二層的界面處。
文檔編號(hào)H01L29/737GK102612750SQ200980162502
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2009年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月19日
發(fā)明者布魯斯·格林, 菲利普·雷諾 申請(qǐng)人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司