專利名稱：具有位于源極和漏極之間的島狀件的電路結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及半導(dǎo)體電路制造工藝，更具體而言，涉及基于III族V族(II1-V族)化合物半導(dǎo)體的晶體管。
背景技術(shù)：
近年來，由于在電力電子器件和光電器件中的應(yīng)用前景，已經(jīng)加大對(duì)諸如氮化鎵(GaN)及其相關(guān)合金的III族V族化合物半導(dǎo)體(通常稱為II1-V族化合物半導(dǎo)體)研究的力度。許多II1-V族化合物半導(dǎo)體具有的大帶隙和高電子飽和速率也使其成為應(yīng)用于高溫、高壓、和高速電力電子設(shè)備的優(yōu)秀候選物。采用II1-V族化合物半導(dǎo)體的潛在電子器件的具體實(shí)例包括高電子遷移率晶體管(HEMT)和其他異質(zhì)結(jié)雙極晶體管。在操作過程中，HEMT在柵極邊緣周圍形成大的表面電場(chǎng)，該表面電場(chǎng)影響柵極結(jié)構(gòu)和漏極之間的耗盡區(qū)曲線。雖然大的電場(chǎng)是HEMT應(yīng)用于電力用途中的益處之一，但操作過程中耗盡區(qū)的分布可以對(duì)器件的擊穿電壓產(chǎn)生負(fù)面的影響。當(dāng)對(duì)HEMT的柵極施加負(fù)偏壓時(shí)，在柵極下方直接形成耗盡區(qū)曲線并引起柵極邊緣周圍的高表面電場(chǎng)。柵極周圍的高電場(chǎng)濃度降低了器件的擊穿電壓。為了提高擊穿電壓(即，增加擊穿電壓)，有時(shí)在柵極結(jié)構(gòu)和漏極之間的鈍化層上方的柵極結(jié)構(gòu)的上方或者靠近柵極結(jié)構(gòu)的地方添加金屬場(chǎng)板。場(chǎng)板調(diào)節(jié)表面電場(chǎng)分布從而降低峰值電場(chǎng)，并因此增加擊穿電壓。然而，仍在繼續(xù)尋找用于基于II1-V族化合物半導(dǎo)體的晶體管的具有高擊穿電壓的新結(jié)構(gòu)及其形成方法。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明提供了 一種電路結(jié)構(gòu)，所述電路結(jié)構(gòu)包括:襯底；非故意摻雜氮化鎵(UID GaN)層，所述WD GaN層位于所述襯底上方；供給層，所述供給層位于所述WD GaN層上方；柵極結(jié)構(gòu)、漏極和源極，都位于所述供給層上方，所述柵極結(jié)構(gòu)設(shè)置于所述漏極和所述源極之間；多個(gè)島狀件，位于所述柵極結(jié)構(gòu)和所述漏極之間的所述供給層上方，其中，所述柵極結(jié)構(gòu)部分地設(shè)置在所述多個(gè)島狀件中的至少之一的至少一部分的上方。在所述的電路結(jié)構(gòu)中，所述多個(gè)島狀件為多個(gè)P-型摻雜島狀件。在所述的電路結(jié)構(gòu)中，所述多個(gè)P-型摻雜島狀件包含氮化鎵、氮化鎵鋁、氧化鎳、或氧化鋅。在所述的電路結(jié)構(gòu)中，所述多個(gè)P-型摻雜島狀件中的P-型摻雜劑包含碳、鐵、鎂、鈣、鈹、和鋅中的至少一種。在所述的電路結(jié)構(gòu)中，p-型摻雜劑濃度是約IE15/cm3至IE17/cm3。在所述的電路結(jié)構(gòu)中，所述多個(gè)島狀件包含多種肖特基材料。在所述的電路結(jié)構(gòu)中，所述肖特基材料包括鈦、氮化鈦、鈦鎢、或鎢。在所述的電路結(jié)構(gòu)中，從頂部向下觀察時(shí)，所述多個(gè)島狀件是四邊形。在所述的電路結(jié)構(gòu)中，所述多個(gè)島狀件和未被所述多個(gè)島狀件覆蓋的所述供給層的部分形成方格圖案。在所述的電路結(jié)構(gòu)中，所述多個(gè)島狀件覆蓋約40%至約75%的位于所述柵極結(jié)構(gòu)和所述漏極之間的所述供給層部分。在所述的電路結(jié)構(gòu)中，所述多個(gè)島狀件中的最大島狀件部分地配置在所述柵極結(jié)構(gòu)的下方。在所述的電路結(jié)構(gòu)中，所述供給層包含未摻雜的氮化鋁或者未摻雜的氮化鎵鋁。在所述的電路結(jié)構(gòu)中，所述多個(gè)島狀件的厚度是約3納米至約100納米。另一方面，本發(fā)明還提供了一種電路結(jié)構(gòu)，所述電路結(jié)構(gòu)包括:襯底；II1-V族化合物半導(dǎo)體層，所述II1-V族化合物半導(dǎo)體層位于所述襯底上方；供給層，所述供給層位于所述II1-V族化合物半導(dǎo)體層上方；多個(gè)P-型摻雜島狀件，所述多個(gè)P-型摻雜島狀件位于所述供給層的漂移部分的上方；柵極結(jié)構(gòu)，所述柵極結(jié)構(gòu)位于所述漂移部分的邊緣處鄰接所述多個(gè)P-型摻雜島狀件中之一的至少一部分；漏極，所述漏極位于所述漂移部分的與所述柵極結(jié)構(gòu)相對(duì)的邊緣處的所述供給層的上方，所述漏極與所述多個(gè)P-型摻雜島狀件隔離開；以及源極，所述源極位于所述供給層上方，所述柵極結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述源極和所述漏極之間，其中，所述供給層的漂移區(qū)占據(jù)至少50 %的所述供給層。在所述的電路結(jié)構(gòu)中，所述II1-V族化合物半導(dǎo)體包含非故意摻雜氮化鎵，以及所述供給層包含AlxGa(1_x)N，其中X介于0和I之間。在所述的電路結(jié)構(gòu)中，所述多個(gè)P-型摻雜島狀件包含氮化鎵、氮化鎵鋁、氧化鎳、
或者氧化鋅。在所述的電路結(jié)構(gòu)中，所述多個(gè)P-型摻雜島狀件中的P-型摻雜劑包含碳、鐵、鎂、鈣、鈹、和鋅中的至少一種。在所述的電路結(jié)構(gòu)中，所述襯底包含硅、碳化硅、或者藍(lán)寶石。在所述的電路結(jié)構(gòu)中，所述多個(gè)P-型摻雜島狀件覆蓋所述供給層的所述漂移部分的約40%至約75%。在所述的電路結(jié)構(gòu)中，所述P-型摻雜島狀件與其上沒有P-型摻雜島狀件的所述漂移部分的鄰近部分的寬度比是約1:1。


為了更充分地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在將結(jié)合附圖所進(jìn)行的以下描述作為參考，其中:圖1A是根據(jù)本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例的高電子遷移率晶體管(HEMT)結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖1B是依據(jù)根據(jù)本發(fā)明的圖1A的某些實(shí)施例形成HEMT結(jié)構(gòu)的方法的流程圖。圖2A至圖2E是根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的HEMT結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖3A至圖3C是不同操作條件下的HEMT耗盡區(qū)的剖視圖。圖4A至圖4C是不同操作條件下的根據(jù)本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例的HEMT耗盡區(qū)的剖視圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的模擬峰值表面電場(chǎng)作為HEMT結(jié)構(gòu)上的距離的函數(shù)的標(biāo)繪圖。
具體實(shí)施例方式在下文詳細(xì)地論述本發(fā)明實(shí)施例的制造和使用。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明提供了許多可以在各種具體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的可應(yīng)用的發(fā)明概念。所論述的具體實(shí)施例僅僅是制造和使用所公開的實(shí)施例的示例性具體方式，而不是用于限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明提供了用于基于III族至V族(下文稱為II1-V族)半導(dǎo)體的晶體管的新結(jié)構(gòu)和形成該結(jié)構(gòu)的方法。在整個(gè)說明書中，術(shù)語“II1-V族化合物半導(dǎo)體”指的是包含至少一種III族元素和一種V族元素的化合物半導(dǎo)體材料。術(shù)語“II1-N族化合物半導(dǎo)體”指的是其中V族元素為氮的II1-V族化合物半導(dǎo)體。論述了制造本發(fā)明的示例性實(shí)施例的示例階段。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，為了生產(chǎn)完整的器件，在所述階段之前或之后可以進(jìn)行其他制造步驟?？梢詫?duì)可替換其中一些示例階段的其他制造階段進(jìn)行論述。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解可以使用其他替換階段或程序。在本發(fā)明的所有各個(gè)附圖和示例性實(shí)施例中，相似的參考標(biāo)號(hào)用于表不相似的兀件。本發(fā)明提供了一種具有高擊穿電壓的基于II1-V族化合物半導(dǎo)體的晶體管的結(jié)構(gòu)及其形成方法。圖1A示出根據(jù)本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例的示例功率晶體管器件100。功率晶體管100可以是高電子遷移率晶體管(HEMT)。HEMT包括襯底101 ;位于襯底101上方的體層GaN層109 ;位于體GaN層109上方的有源層111 ;及位于有源層111上方的源極115、漏極117、和柵極119。有源層111和體GaN層109的界面是高電子遷移率區(qū)113，其又稱為溝道層。在位于柵極119和漏極117之間的漂移區(qū)107中，在有源層的上方形成若干島狀件103和島狀件105。下面將進(jìn)一步逐一討論這些晶體管元件及其形成方法。圖1B示出制造圖1A的功率晶體管器件100的方法的流程圖150。在操作151中，提供了襯底101，如圖1A中所示。雖然使用了硅晶圓，也可以使用包括碳化硅和藍(lán)寶石的其他合適的襯底。使用外延工藝在襯底101上方生長(zhǎng)很多層。這些層可以包括氮化鋁成核層、緩沖層、及生長(zhǎng)在緩沖層上方的體氮化鎵層109。體氮化鎵層109是用于功率晶體管器件100的溝道層。在圖1B的操作153中，在襯底的上方外延生長(zhǎng)未摻雜氮化鎵109的體層，其可以包括緩沖層(未示出)。氮化鎵109的體層不包括任何摻雜劑，但是可以包括非故意結(jié)合到膜中的污染物或者雜質(zhì)。氮化鎵的體層可以被稱為非故意摻雜氮化鎵(UID GaN)層。該UID GaN層的厚度是約0.5微米至約5微米。在高溫條件下生長(zhǎng)體GaN層。工藝可以是金屬有機(jī)CVD (MOCVD)、金屬有機(jī)汽相外延(MOVPE)、等離子體增強(qiáng)CVD (PECVD)、遠(yuǎn)程等離子體增強(qiáng)CVD (RP-CVD)、分子束外延(MBE)、氫化物汽相外延(HVPE)、氯化物汽相外延(Cl-VPE)、以及液相外延(LPE)。金屬有機(jī)汽相外延(MOVPE)工藝使用含鎵前體和含氮前體。含鎵前體包括三甲基鎵(TMG)、三乙基鎵(TEG)、或其他合適的化學(xué)物質(zhì)。含氮前體包括氨(順3)、三甲基鋁(TMA)、苯肼、或其他合適的化學(xué)物質(zhì)。圖1A示出位于體GaN層109頂部上的有源層111。在圖1B的操作155中，在溝道層109上生長(zhǎng)有源層111 (也被稱為供給層111)。在溝道層109和供給層111之間限定界面。二維電子氣(2-DEG)的載流子溝道113位于界面處，下面將對(duì)其進(jìn)行更詳細(xì)的論述。在至少一個(gè)實(shí)施例中，供給層111指的是氮化鎵鋁(AlGaN)層(也稱為AlGaN層111)。該AlGaN層111的分子式為AlxGa(1_x)N。該層的厚度范圍為約5納米至約50納米，其中x在約10%至100%之間變化。在其他實(shí)施例中，供給層111可以包括AlGaAs層或AIInP層。
在圖1B的操作155中，可以使用含鋁前體、含鎵前體、和/或含氮前體，通過MOVPE在GaN層109上外延生長(zhǎng)AlGaN層111。該含鋁前體包括三甲基鋁(TMA)、三乙基鋁(TEA)、或其他合適的化學(xué)物質(zhì)。該含鎵前體包括三甲基鎵(TMG)、三乙基鎵(TMG)、或其他適合的化學(xué)物質(zhì)。含氮前體包括氨、叔丁胺(TBAm)、苯肼、或其他合適的化學(xué)物質(zhì)。返回參考圖1A，在AlGaN層111和GaN層109之間存在帶隙不連續(xù)性(band gapdiscontinuity)。AlGaN層111中的來自壓電效應(yīng)的電子進(jìn)入到GaN層109中，在GaN層109中產(chǎn)生具有高遷移導(dǎo)電電子的超薄層113。該薄層113被稱為二維電子氣(2-DEG)，形成載流子溝道(也稱為載流子溝道113)。2-DEG的薄層113位于AlGaN層111和GaN層109的界面處。因此，載流子溝道具有高電子遷移率，因?yàn)镚aN層109是未摻雜的或者非故意摻雜的，因而電子可以自由移動(dòng)而不與雜質(zhì)碰撞或者基本上減少與雜質(zhì)的碰撞。根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例，柵極結(jié)構(gòu)119與形成在位于柵極結(jié)構(gòu)119和漏極117之間的AlGaN層111的上方的一個(gè)或多個(gè)島狀件103部分地重疊或者至少鄰接島狀件之一的至少一部分。位于柵極結(jié)構(gòu)119和漏極117之間的區(qū)域是其上形成有島狀件103和島狀件105的漂移區(qū)107。島狀件103和島狀件105在柵極結(jié)構(gòu)119之前形成，但是可以在源極115和漏極117之前或之后形成。 在某些實(shí)施例中，如圖1A中所示，柵極結(jié)構(gòu)119的一部分與一個(gè)或多個(gè)島狀件103的一部分重疊。在其他實(shí)施例中，柵極結(jié)構(gòu)119覆蓋一個(gè)或多個(gè)島狀件103的全部，同時(shí)柵極結(jié)構(gòu)119的底部的一部分不接觸該一個(gè)或多個(gè)島狀件。換句話說，柵極結(jié)構(gòu)119、一個(gè)或多個(gè)島狀件103、或者兩者都可以相互部分地重疊。在又一些實(shí)施例中，柵極結(jié)構(gòu)119鄰接一個(gè)或多個(gè)島狀件的一部分而不相互重疊。根據(jù)某些實(shí)施例，島狀件103和島狀件105是P-型摻雜島狀件。參考圖1B，在操作157中，在AlGaN層111上方外延生長(zhǎng)p_型摻雜GaN膜。該島狀件可以是p_型摻雜的氮化鎵或者氮化鎵鋁島狀件。該P(yáng)-型摻雜可以通過在外延生長(zhǎng)工藝期間加入摻雜劑來實(shí)現(xiàn)。P-型摻雜劑候選物包括碳、鐵、鎂、鈣、鈹、及鋅。也可以通過諸如離子注入的其他工藝來實(shí)施P-型摻雜；但是，務(wù)必不要將摻雜劑加入到下面各層中，否則可能對(duì)晶體管的電氣性質(zhì)產(chǎn)生不利影響。摻雜劑濃度可以是約lE15/cm3至lE17/cm3。在其他實(shí)例中，也可以例如采用金屬化學(xué)汽相沉積(MCVD)工藝或者濺射工藝，將島狀件103和島狀件105沉積在并且限定在AlGaN層111上。該島狀件可以是p_型摻雜氧化鎳或者P-型摻雜氧化鋅。該P(yáng)-型摻雜可以通過在沉積工藝期間加入摻雜劑來實(shí)現(xiàn)。P-型摻雜劑候選物包括碳、鐵、鎂、鈣、鈹、及鋅。也可以通過諸如離子注入的其他工藝來實(shí)施P-型摻雜；但是，務(wù)必不要將摻雜劑加入到下面各層中，否則可能對(duì)晶體管的電氣性質(zhì)產(chǎn)生不利影響。注意，雖然用于外延生長(zhǎng)的島狀件和沉積的島狀件的摻雜劑候選物可以是相同的，但是使用的化學(xué)物質(zhì)可以是不同的。摻雜劑濃度可以是約lE15/cm3至lE17/cm3。參考圖1B，在操作157中沉積P-型摻雜膜。然后，使用光刻工藝以保護(hù)P-型摻雜膜的島狀件部分。在操作159中，對(duì)P-型摻雜膜進(jìn)行蝕刻到島狀件內(nèi)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，使用等離子體蝕刻工藝以去除不需要的P-型摻雜薄膜的部分。在一個(gè)實(shí)例中，等離子體蝕刻工藝是使用含氯的蝕刻劑的反應(yīng)離子蝕刻工藝。在一些實(shí)施例中，務(wù)必小心以防過蝕刻至供給層111內(nèi)。島狀件的輕P-型摻雜在AlGaN層111表面產(chǎn)生p_n結(jié)。在操作過程中，p_n結(jié)調(diào)節(jié)表面電場(chǎng)及降低柵極邊緣的有效峰值電場(chǎng)。更低的峰值電場(chǎng)導(dǎo)致更高的擊穿電壓。根據(jù)一些實(shí)施例，島狀件103和島狀件105由諸如鈦、鎢、氮化鈦、或者鈦鎢的肖特基(Schottky)材料形成。其他肖特基材料可以包括鎳、金、或者銅?？梢圆捎弥T如濺射或電子槍的物理汽相沉積(PVD)工藝或者采用MCVD工藝沉積這些材料?？梢允紫瘸练e這些材料然后限定并蝕刻掉不需要的部分，或者在諸如光刻膠的限定膜上沉積這些材料，然后不需要的部分與限定膜一起揭掉。島狀件103和島狀件105的厚度可以是約3nm至約lOOnm。在一些情況下，島狀件103和島狀件105的厚度可以是約IOnm或者是約20nm。島狀件103和島狀件105的厚度取決于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的電氣性質(zhì)和物理尺寸。例如，當(dāng)體氮化鎵層109較厚并且漂移區(qū)107與柵極結(jié)構(gòu)119和源極115之間的區(qū)域相比非常大時(shí)，可以使用薄的島狀件103和島狀件105。在這些情況下，擊穿電壓自然就高并且稍微調(diào)節(jié)表面電場(chǎng)就可足以達(dá)到預(yù)定的擊穿電壓。另一方面，當(dāng)體氮化鎵層109較薄或者體層包含具有低臨界電場(chǎng)(Ec)值的材料時(shí)，島狀件103和島狀件105可以較厚。在漏極經(jīng)受高電壓的操作期間，形成的漂移區(qū)域可以延伸經(jīng)過薄氮化鎵層109并且與下面的襯底相互作用。當(dāng)柵極結(jié)構(gòu)119和漏極117之間的距離較小時(shí)適用相似的原理。在漏極經(jīng)受高電壓的操作期間，耗盡區(qū)曲線可以延伸經(jīng)過短漂移區(qū)107。因此，可以使用較厚的島狀件103和島狀件105來有效地調(diào)節(jié)表面電場(chǎng)。根據(jù)各個(gè)實(shí)施例，厚度介于約3nm至IOOnm之間的島狀件和至少為器件尺寸的一半(即供給層的一半)的漂移區(qū)形成HEMT，該HEMT具有600伏或600伏以上的良好的擊穿電壓。在圖1B的操作161中，形成源極115、漏極117、和柵極結(jié)構(gòu)119。源極部件115和漏極部件117設(shè)置在AlGaN層111上并且將其配置用于電連接至載流子溝道113。源極部件115和漏極部件117中的每一個(gè)都包括相應(yīng)的金屬間化合物。該金屬間化合物至少部分嵌入在AlGaN層111中并且可以嵌入在GaN層109的頂部中。在一個(gè)實(shí)例中，該金屬間化合物包括Al、T1、或者Cu。在另一個(gè)實(shí)例中，金屬間化合物包括AIN、TiN, Al3T1、或者AlTi1I通過在AlGaN層111的凹槽中構(gòu)建經(jīng)圖案化的金屬層可以形成金屬間化合物。然后，可以對(duì)該經(jīng)圖案化的金屬層實(shí)施熱退火工藝，使得該金屬層、AlGaN層111和GaN層109相互作用以形成金屬間化合物。該金屬間化合物接觸位于AlGaN層111和GaN層109界面處的載流子溝道113。因?yàn)樵贏lGaN層111中形成凹槽，金屬間化合物中的金屬元素可以更深地?cái)U(kuò)散至AlGaN層111和GaN層109中。該金屬間化合物可以改進(jìn)電連接并且在源極/漏極部件115或117和載流子溝道113之間形成歐姆接觸。在一個(gè)實(shí)例中，金屬間化合物形成在AlGaN層111的凹槽中從而金屬間化合物具有非平坦的頂面。在另一個(gè)實(shí)例中，金屬間化合物位于AlGaN層111的一部分的上面。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)110還包括設(shè)置在源極115部件和漏極117部件之間的AlGaN層111上的柵極結(jié)構(gòu)119。該柵極119包括導(dǎo)電材料層，其作為被配置用于電壓偏置和與載流子溝道113電連接的柵電極發(fā)揮作用。在各個(gè)實(shí)例中，導(dǎo)電材料層可以包括難熔金屬或者其化合物，例如鎢(W)、氮化鈦(TiN)和鉭(Ta)。其他常用于導(dǎo)電材料層中的金屬包括鎳(Ni)和金(Au)。柵極結(jié)構(gòu)可以包括一層或多層。圖2A至圖2D是根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的各種島狀件的示例俯視圖。圖2A示出在漂移區(qū)內(nèi)共有4個(gè)島狀件203和島狀件205，其中島狀件203被柵極219部分地覆蓋。被柵極結(jié)構(gòu)219覆蓋的島狀件203的邊緣以虛線示出。如圖2A中所示，三個(gè)島狀件205分布在島狀件203和漏極217之間，然而可以使用更少或者更多的島狀件。在圖2A中，部分地位于柵極結(jié)構(gòu)219下方的第一島狀件203是最大的島狀件。島狀件205具有相同的尺寸。每個(gè)島狀件具有寬度。島狀件203具有寬度221。島狀件205具有寬度223。島狀件203和相鄰的島狀件205之間的距離是距離222。島狀件205之間的距離是距離224。最后，漏極217和相鄰的島狀件205之間的距離為距離225。必須保持足夠的距離225以確保漏極217與相鄰島狀件205隔離開。根據(jù)某些實(shí)施例，島狀件203和205中的最大島狀件部分地設(shè)置在柵極結(jié)構(gòu)119的下方。雖然本發(fā)明不需要降低晶體管100的擊穿電壓，島狀件材料對(duì)調(diào)節(jié)柵極邊緣的表面電場(chǎng)具有最大的影響。因此，具有至少部分地位于柵極結(jié)構(gòu)119下方的較大島狀件的實(shí)施例導(dǎo)致更大地降低擊穿電壓。在一些實(shí)施例中，島狀件203和島狀件205具有相同的尺寸并且可以等距間隔開。在一些實(shí)例中，相鄰島狀件的寬度和未被島狀件占據(jù)的漂移區(qū)207的寬度之比可以介于約3: I至約1: 3之間。例如，距離221與距離222之比可以是約3: 1，而距離222與距離223之比可以是約1: 2。距離223與距離224之比可以是約1:1。在其他實(shí)施例中，對(duì)所有島狀件寬度的總和和總漂移區(qū)207的寬度進(jìn)行比較。總島狀件寬度可以是總漂移區(qū)207寬度的約40%至約75%。換句話說，對(duì)寬度221和寬度223的總和與漂移區(qū)207的總寬度進(jìn)行比較。在又一些實(shí)施例中，對(duì)總島狀件面積與漂移區(qū)面積進(jìn)行比較。在圖2A中，部件全都具有相同長(zhǎng)度從而用寬度代表面積。但是，島狀件不需要具有相同的長(zhǎng)度、形狀或尺寸?？倣u狀件面積可以是總漂移區(qū)面積的約40%至約75%。圖2B示出作為另一個(gè)實(shí)例的方格圖案島狀件203和方格圖案島狀件205。島狀件203又一次大于島狀件205 (寬度221大于寬度223)，但不是所有的柵極結(jié)構(gòu)邊緣都與島狀件203重疊。這種設(shè)計(jì)可用于使表面電場(chǎng)平滑。島狀件和未被島狀件占據(jù)的相鄰漂移區(qū)的比率(諸如221/222或者223/222)可以是約3: I至約1: 3。因此，這些方格不需要具有相同的尺寸。如圖2B中所示，比率為約1:1。圖2C示出作為另一個(gè)實(shí)例的梯形島狀件203和梯形島狀件205。梯形島狀件203和梯形島狀件205具有較短的寬度(諸如寬度220)，以及較長(zhǎng)的寬度(諸如寬度221)。柵極結(jié)構(gòu)邊緣與梯形島狀件203的一部分重疊。圖2D示出不規(guī)則的島狀件的分布。各種島狀件229和島狀件231全都具有不同的形狀并且可以具有不規(guī)則的形狀。在這個(gè)實(shí)例中，對(duì)整個(gè)島狀件面積(如所示的交叉影線區(qū)域)和總漂移區(qū)面積進(jìn)行比較?？倣u狀件面積可以是總漂移區(qū)面積的約40%至約75%。另一個(gè)比較是總島狀件面積(如圖交叉影線區(qū)域所示)與沒有被島狀件占據(jù)的漂移區(qū)(如影線區(qū)域所示)。該比率可以是約30%至約300%。圖2E示出其中島狀件203和島狀件205具有不同形狀的又一個(gè)實(shí)例。島狀件203鄰接?xùn)艠O結(jié)構(gòu)219而兩者相互之間沒有重疊。換句話說，島狀件203的任何部分都沒有位于柵極結(jié)構(gòu)219的一部分的下方。島狀件203和島狀件205位于漂移區(qū)207內(nèi)，該漂移區(qū)207開始于柵極結(jié)構(gòu)的邊緣。在沒有重疊的實(shí)施例中，鄰接島狀件203的寬度221可以更大以具有與如圖2A至圖2D中“設(shè)置在下方”的島狀件203相同的效應(yīng)。圖2A至圖2D中示出的各種島狀件僅僅是實(shí)例。該島狀件可以是多邊形，諸如四邊形，諸如圖2A、圖2B、及圖2C中所示的四邊形。該島狀件可以具有多于四條的邊或者可以是圓形或者不規(guī)則形，諸如圖2D中所示的那些形狀。圖3A至圖3C是各個(gè)操作期間的形成用于不具有本發(fā)明的島狀件的基于II1-V族半導(dǎo)體材料的晶體管的HEMT結(jié)構(gòu)和耗盡區(qū)的剖視圖。圖3A示出當(dāng)柵電壓大于閾值電壓(負(fù)值)，且對(duì)漏極313未施加偏壓時(shí)，位于柵極結(jié)構(gòu)311下方的小耗盡區(qū)301。圖3A的器件處于導(dǎo)通狀態(tài)(正常導(dǎo)通)并且電流沿著2-DEG載流子溝道315流動(dòng)。圖3B中，施加小于閾值電壓的柵電壓，并且在漏極313處沒有偏置，從而形成較大的耗盡區(qū)303。該耗盡區(qū)303跨過2-DEG載流子溝道的邊界，以使沒有電流通過2-DEG載流子溝道315。圖3B的器件處于關(guān)閉狀態(tài)。圖3C示出柵電壓小于閾值電壓并且在漏極處具有偏壓從而使漏極電壓大于零的器件。形成大得多的耗盡區(qū)305，該耗盡區(qū)305的尺寸對(duì)應(yīng)于漏極313處的偏壓。當(dāng)漏極313偏壓足夠大時(shí)(例如大于器件的擊穿電壓)，形成足夠大的電場(chǎng)，該電場(chǎng)比材料(體層317或者供給層319任一層)的臨界電場(chǎng)(Ec)大。器件可被擊穿或者爆裂而致使不能工作。圖4A至4C示出各種操作期間的形成用于具有本發(fā)明的島狀件的基于II1-V族半導(dǎo)體材料的晶體管的HEMT結(jié)構(gòu)和耗盡區(qū)的剖視圖。圖4A示出當(dāng)柵電壓大于閾值電壓(負(fù)值)且對(duì)漏極413未施加偏壓時(shí),位于柵極結(jié)構(gòu)411下方的小耗盡區(qū)401。還不出位于島狀件421下方的小耗盡區(qū)402。應(yīng)該注意到，位于柵極411下方的耗盡區(qū)401結(jié)合島狀件423的效應(yīng)。圖4A的器件處于導(dǎo)通狀態(tài)(正常導(dǎo)通)并且電流沿著2-DEG載流子溝道415流動(dòng)，因?yàn)楹谋M區(qū)401和耗盡區(qū)402都未跨過2-DEG載流子溝道415。在圖4B中，施加小于閾值電壓的柵電壓，且在漏極413處無偏壓，以使形成較大的耗盡區(qū)403和較小的耗盡區(qū)402。該耗盡區(qū)403跨過2-DEG載流子溝道的邊界以使沒有電流通過2-DEG載流子溝道415。圖4B的器件處于關(guān)閉狀態(tài)。圖4C示出柵電壓小于閾值電壓并且在漏極處具有偏壓從而漏極電壓大于零的器件。形成合并了位于島狀件421下方的較小耗盡區(qū)的大得多的耗盡區(qū)405。耗盡區(qū)405的尺寸對(duì)應(yīng)于漏極413處的偏壓。對(duì)于漏極413處的相同偏壓，因?yàn)楹谋M區(qū)405更多地分布在整個(gè)漂移區(qū)內(nèi)，該耗盡區(qū)405的最大深度小于圖3C的耗盡區(qū)305的最大深度。圖5是根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的模擬峰值表面電場(chǎng)作為HEMT結(jié)構(gòu)上的距離的函數(shù)的標(biāo)繪圖。針對(duì)跨過HEMT的沿線距離標(biāo)繪以伏特每厘米表示的電場(chǎng)。該模擬以-5伏的柵電壓和600伏的漏極偏壓為模型。峰對(duì)應(yīng)于最接近漏極的柵極結(jié)構(gòu)邊緣。線501是對(duì)于沒有本文所公開的島狀件的HEMT的模擬結(jié)果。線501的峰值電場(chǎng)為約6E6V/cm。線503是對(duì)于在柵極結(jié)構(gòu)和漏極之間具有三個(gè)島狀件的HEMT的模擬結(jié)果。線503的峰值電場(chǎng)約為5E6V/cm，減少了約20%。此模擬結(jié)果表明本文所公開的島狀件結(jié)構(gòu)確實(shí)降低HEMT中的峰值表面電場(chǎng)。雖然根據(jù)模擬中用于模型的結(jié)構(gòu)，峰值電場(chǎng)可能會(huì)有所不同，但島狀件的相對(duì)效應(yīng)是明確的。本發(fā)明的實(shí)施例可以有其他的變化。例如，島狀件可以包括多于一種的材料，諸如位于氮化鎵層上方的氧化鎳層。本發(fā)明的某些實(shí)施例具有若干有利部件。各種摻雜種類的使用允許微調(diào)島狀件，并因而允許微調(diào)擊穿電壓，與此同時(shí)最小化對(duì)諸如最大正向電流或漏電流的其他電氣性能的不利影響。
—方面，本發(fā)明涉及一種電路結(jié)構(gòu)，該電路結(jié)構(gòu)具有襯底；位于襯底上方的非故意摻雜氮化鎵(UID GaN)層；位于WD GaN層上方的供給層；位于供給層上方的柵極結(jié)構(gòu)、漏極、及源極；以及位于柵極結(jié)構(gòu)和漏極之間的供給層上方的多個(gè)島狀件。該柵極結(jié)構(gòu)設(shè)置在漏極和源極之間。柵極結(jié)構(gòu)部分地設(shè)置在多個(gè)島狀件的至少之一的至少一部分的上方。該島狀件是P-型摻雜島狀件或者肖特基材料島狀件。另一方面，本發(fā)明涉及一種電路結(jié)構(gòu)，該電路結(jié)構(gòu)具有襯底；位于襯底上方的II1-V族化合物半導(dǎo)體層；位于II1-V族化合物半導(dǎo)體層上方的供給層；位于供給層的漂移部分上方的多個(gè)P-型摻雜島狀件；處于漂移部分的邊緣的與多個(gè)P-型摻雜島狀件之一的至少一部分鄰接的柵極結(jié)構(gòu)，位于漂移部分的與柵極結(jié)構(gòu)相對(duì)的邊緣處的供給層上方的漏極，該漏極與多個(gè)P-型摻雜島狀件相隔離；以及位于供給層上方的源極，柵極結(jié)構(gòu)設(shè)置在遠(yuǎn)離漂移部分并且比漏極更接近于柵極結(jié)構(gòu)的源極和漏極之間，供給層的漂移部分區(qū)域占據(jù)至少50%的供給層。又一方面，本發(fā)明涉及一種制造電路結(jié)構(gòu)的方法。該方法包括提供襯底，在襯底上方外延生長(zhǎng)WD GaN層，在WD GaN層上方外延生長(zhǎng)未摻雜的AlGaN層，在一部分未摻雜的AlGaN層的上方形成一個(gè)或多個(gè)島狀件，以及形成源極/漏極和柵極結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^外延生長(zhǎng)P-型摻雜膜并蝕刻成圖案，沉積合適的P-型材料并蝕刻成圖案，或沉積合適的肖特基材料并蝕刻成圖案來形成島狀件。盡管已經(jīng)詳細(xì)地描述了本發(fā)明及其優(yōu)勢(shì)，但應(yīng)該理解，可以在不背離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，進(jìn)行各種改變、替換和更改。而且，本申請(qǐng)的范圍并不僅限于本說明書中描述的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法和步驟的特定實(shí)施例。作為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明應(yīng)很容易理解，根據(jù)本發(fā)明可以利用現(xiàn)有的或今后開發(fā)的用于執(zhí)行與本文所述相應(yīng)實(shí)施例基本上相同的功能或者獲得基本上相同的結(jié)果的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟。因此，所附權(quán)利要求預(yù)期在其范圍內(nèi)包括這樣的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟。
權(quán)利要求
1.一種電路結(jié)構(gòu),包括: 襯底； 非故意摻雜氮化鎵(UID GaN)層,位于所述襯底上方； 供給層，位于所述UID GaN層上方； 柵極結(jié)構(gòu)、漏極、和源極，都位于所述供給層上方，所述柵極結(jié)構(gòu)設(shè)置于所述漏極和所述源極之間； 多個(gè)島狀件，位于所述柵極結(jié)構(gòu)和所述漏極之間的所述供給層上方， 其中，所述柵極結(jié)構(gòu)部分地設(shè)置在所述多個(gè)島狀件的至少之一的至少一部分的上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路結(jié)構(gòu)，其中，所述多個(gè)島狀件為多個(gè)P-型摻雜島狀件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路結(jié)構(gòu)，其中，所述多個(gè)島狀件包含多種肖特基材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路結(jié)構(gòu)，其中，從頂部向下觀察時(shí)，所述多個(gè)島狀件是四邊形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路結(jié)構(gòu)，所述多個(gè)島狀件和未被所述多個(gè)島狀件覆蓋的所述供給層的部分形成方格圖案。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路結(jié)構(gòu)，其中，所述多個(gè)島狀件覆蓋約40%至約75%的位于所述柵極結(jié)構(gòu)和所述漏極之間的所述供給層部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路結(jié)構(gòu)，其中，所述多個(gè)島狀件中的最大島狀件部分地配置在所述柵極結(jié)構(gòu)的下方。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路結(jié)構(gòu)，其中，所述供給層包含未摻雜的氮化鋁或者未摻雜的氮化鎵鋁。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路結(jié)構(gòu)，其中，所述多個(gè)島狀件的厚度是約3納米至約100納米。
10.一種電路結(jié)構(gòu),包括: 襯底； II1-V族化合物半導(dǎo)體層，位于所述襯底上方； 供給層，位于所述II1-V族化合物半導(dǎo)體層上方； 多個(gè)P-型摻雜島狀件，位于所述供給層的漂移部分的上方； 柵極結(jié)構(gòu)，位于所述漂移部分的邊緣處鄰接所述多個(gè)P-型摻雜島狀件中之一的至少一部分； 漏極，位于所述漂移部分的與所述柵極結(jié)構(gòu)相對(duì)的邊緣處的所述供給層的上方，所述漏極與所述多個(gè)P-型摻雜島狀件隔離開；以及 源極，位于所述供給層上方，所述柵極結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述源極和所述漏極之間， 其中，所述供給層的漂移區(qū)占據(jù)至少50%的所述供給層。
全文摘要
具有位于源極和漏極之間的島狀件的電路結(jié)構(gòu)。電路結(jié)構(gòu)包括襯底；位于襯底上方的非故意摻雜氮化鎵(UID GaN)層；位于UID GaN層上方的供給層；位于供給層上方的柵極結(jié)構(gòu)、漏極、及源極。多個(gè)島狀件位于柵極結(jié)構(gòu)和漏極之間的供給層的上方。柵極結(jié)構(gòu)設(shè)置在漏極和源極之間。柵極結(jié)構(gòu)鄰接島狀件之一的至少一部分和/或部分地設(shè)置在島狀件至少之一的至少一部分的上方。
文檔編號(hào)H01L29/778GK103137681SQ20121038840
公開日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2012年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月1日
發(fā)明者游承儒, 熊志文, 姚福偉, 許竣為, 余俊磊, 楊富智 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司