專利名稱：在基于氮化鎵的蓋帽區(qū)段上有柵接觸區(qū)的氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率晶體管及其制 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高電子遷移率晶體管(HEMT)，更加具體地說，涉及氮化鋁鎵(AlGaN)/氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)。
背景技術(shù)：
AlGaN/GaN HEMT(高電子遷移率晶體管)器件在半導(dǎo)體領(lǐng)域是眾所周知的。美國(guó)專利5192987和5296395描述了AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)和制造方法。在1998年6月12日提交的題目為“在半絕緣的碳化硅基板上的基于氮化物的晶體管”的共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)NO.09/095967中公開了改進(jìn)的HEMT結(jié)構(gòu)，這里全文引用了這個(gè)申請(qǐng)。
圖1中示出了典型的AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)110。在基板112的緩沖層113上形成一個(gè)GaN溝道層114。在GaN溝道層114上形成AlGaN勢(shì)壘層116。源電極118和漏電極120形成通過AlGaN勢(shì)壘層116的表面到在GaN溝道層114的頂部存在的電子層的歐姆接觸區(qū)。在常規(guī)的AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)中，柵電極122形成到AlGaN勢(shì)壘層116的非歐姆接觸區(qū)。
因?yàn)樵诰Ц裰写嬖阡X元素，所以與GaN相比，AlGaN具有較寬的帶隙。這樣，在GaN溝道層114和AlGaN勢(shì)壘層之間的界面形成了一個(gè)異質(zhì)結(jié)構(gòu)。圖2是表示器件中沿圖1的剖面A-A’的一個(gè)部分的能級(jí)的能帶圖。如圖2所示，由于極化效應(yīng)，在AlGaN勢(shì)壘層116中的導(dǎo)帶Ec和價(jià)帶Ev都發(fā)生了畸變。結(jié)果，在GaN溝道層114和AlGaN勢(shì)壘層116之間的異質(zhì)結(jié)處，就包括有兩維的電子氣體(2DEG)片狀電荷區(qū)115，同時(shí)由于導(dǎo)帶的形狀，使AlGaN勢(shì)壘層116耗盡了移動(dòng)的載流子。如圖2所示，緊靠著勢(shì)壘層116的GaN溝道層114區(qū)域中的導(dǎo)帶Ec降低到費(fèi)米能級(jí)(Ef)以下。
在2DEG片狀電荷區(qū)115中的電子表現(xiàn)出較高的載流子遷移率。通過向柵電極122加電壓，可調(diào)制這個(gè)區(qū)的電導(dǎo)率。當(dāng)加上反向電壓時(shí)，在片狀電荷區(qū)115附近的導(dǎo)帶提升到費(fèi)米能級(jí)上方，一部分片狀電荷區(qū)115耗盡了載流子，因此可阻止電流從源電極118向漏電極120的流動(dòng)。
如圖1所示，通常AlGaN/GaN HEMT是利用共面金屬接觸區(qū)制造出來的。即，對(duì)于源電極118和漏電極120的歐姆接觸區(qū)是在與柵電極122相同的外延層上(即，AlGaN層)。如果想讓歐姆接觸區(qū)提供低電阻，就要對(duì)一種材料進(jìn)行非整流的接觸區(qū)，同時(shí)讓柵接觸區(qū)成為非歐姆接觸區(qū)，在大的反向電壓下可擋住電流，在相同的外延層上形成所有的3種接觸區(qū)可能導(dǎo)致在這些特性之間的折衷方案。換言之，在常規(guī)的AlGaN/GaN HEMT器件中，當(dāng)在一方面優(yōu)化源電極和漏電極的歐姆接觸區(qū)以及另一方面優(yōu)化非歐姆柵接觸區(qū)這兩者之間選擇AlGaN勢(shì)壘層116的摻雜和組分時(shí)，在器件的設(shè)計(jì)中存在一個(gè)折衷的方案。
此外，再次應(yīng)該考慮的是，應(yīng)該向柵電極122下方的片狀電荷區(qū)115提供盡可能大的載流能力(current-carrying capability)，同時(shí)使柵電極阻擋盡可能高的電壓。于是，在柵電極下方的源、柵之間的區(qū)域以及在柵、漏之間的區(qū)域產(chǎn)生差別是有益的，從而可以改變能帶彎曲量，因而可以改變電荷量。改變能帶彎曲，將改變片狀電荷區(qū)115的電荷，并且可以改變?cè)谄骷?nèi)存在的電場(chǎng)。
在常規(guī)的砷化鎵(GaAs)和磷化銦(Indium phosphorous)的(基于InP的)HEMT器件中，在勢(shì)壘層的表面上形成一個(gè)附加的GaAs或砷化銦鎵(InGaAs)層。在附加層上制作源接觸區(qū)和漏接觸區(qū)，同時(shí)柵電極向下朝勢(shì)壘層凹陷。但這種作法不適合于AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)，因?yàn)镚aN的上表面一般情況下是不導(dǎo)電的，使柵電極向下朝勢(shì)壘層的方向凹陷也設(shè)有任何好處。
于是，在本領(lǐng)域中需要改進(jìn)AlGaN/GaN HEMT的結(jié)構(gòu)和制造AlGaN/GaN HEMT的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例提供高電子遷移率晶體管(HEMT)和制造HEMT的方法。按照本發(fā)明的實(shí)施例的器件包括一個(gè)氮化鎵(GaN)溝道層和在溝道層上的一個(gè)氮化鋁鎵(AlGaN)的勢(shì)壘層。在勢(shì)壘層上提供第一歐姆接觸區(qū)以提供源電極，在勢(shì)壘層上并與源電極隔開還提供第二歐姆接觸區(qū)以提供漏電極。在勢(shì)壘層上并在源電極和漏電極之間提供一個(gè)蓋帽區(qū)段(cap segment)。蓋帽區(qū)段具有靠近源電極并與源電極分開的第一側(cè)壁。蓋帽區(qū)段還可以具有第二側(cè)壁，第二側(cè)壁靠近漏電極并與漏電極隔開。在蓋帽區(qū)段上提供非歐姆接觸區(qū)，以提供柵接觸區(qū)。柵接觸區(qū)具有第一側(cè)壁，它與蓋帽區(qū)段的第一側(cè)壁大體上對(duì)齊。柵接觸區(qū)在蓋帽區(qū)段的第一側(cè)壁和第二側(cè)壁之間的一部分距離上延伸，在特定實(shí)施例中，蓋帽區(qū)段是GaN蓋帽區(qū)段。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，非歐姆接觸區(qū)延伸到蓋帽區(qū)段的第一側(cè)壁，但不超出(past)蓋帽區(qū)段的第一側(cè)壁。GaN蓋帽區(qū)段的厚度可從約10埃到約60埃。GaN蓋帽區(qū)段還可以是未摻雜的GaN在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，源電極和漏電極分開的距離從約2微米到約4微米。此外，GaN蓋帽區(qū)段的第一側(cè)壁盡可能接近，例如，距源電極從約為0到約為2微米。GaN蓋帽區(qū)段的第二側(cè)壁距柵電極從約0.5到約1微米。
在本發(fā)明的附加實(shí)施例中，AlGaN勢(shì)壘層在約15％和約40％鋁之間。AlGaN勢(shì)壘層可以摻雜硅，硅的最大濃度約為4×1018cm-3或以上，AlGaN勢(shì)壘層最好提供最大約為5×1012cm-2的總片濃度，AlGaN勢(shì)壘層的厚度從約為15納米到約為40納米，優(yōu)選的厚度約為25納米。
在本發(fā)明的下一個(gè)實(shí)施例中，在一個(gè)基板上提供GaN溝道層?；蹇梢允翘蓟?、藍(lán)寶石、或類似物質(zhì)。在特定實(shí)施例中，基板是4H碳化硅或6H碳化硅。進(jìn)而，GaN緩沖層可以設(shè)置在GaN溝道層和基板之間。
在本發(fā)明的另一個(gè)附加實(shí)施例中，柵電極是一個(gè)T形的柵電極。
在本發(fā)明的方法實(shí)施例中，制造高電子遷移率晶體管(HEMT)的方法包括如下步驟在一個(gè)基板上形成第一氮化鎵(GaN)層，在第一GaN層上形成氮化鋁鎵(AlGaN)層。在AlGaN層上對(duì)于第二GaN層進(jìn)行構(gòu)圖，以便在AlGaN層上提供GaN段，并且暴露AlGaN層的一些部分。對(duì)于靠近GaN段并且與GaN段分開的AlGaN層形成第一歐姆接觸區(qū)以形成源電極，對(duì)于在第一歐姆接觸區(qū)的對(duì)面的靠近GaN段并且與GaN段分開的AlGaN層形成第二歐姆接觸區(qū)，以便可以在第一歐姆接觸區(qū)和第二歐姆接觸區(qū)之間包含GaN段，以提供漏電極。在GaN段上對(duì)于一個(gè)非歐姆接觸區(qū)進(jìn)行構(gòu)圖，以提供柵接觸區(qū)。柵接觸區(qū)具有第一側(cè)壁，它與靠近源接觸區(qū)的GaN段的第一側(cè)壁基本上對(duì)齊。柵接觸區(qū)只在第一側(cè)壁和靠近漏電極的GaN段的第二側(cè)壁之間的一部分距離延伸。
在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，對(duì)于第二GaN層制圖以及對(duì)于非歐姆接觸區(qū)構(gòu)圖包括如下步驟在AlGaN層上形成一第二GaN層，在一第二GaN層上形成非歐姆接觸區(qū)，對(duì)于非歐姆接觸區(qū)和第二GaN層構(gòu)圖以提供GaN段和柵接觸區(qū)。這種構(gòu)圖過程進(jìn)一步包括如下步驟形成一個(gè)掩模以覆蓋非歐姆接觸區(qū)和第二GaN層的一些部分，以限定靠近源接觸區(qū)的非歐姆接觸區(qū)和GaN段的一個(gè)側(cè)壁以及靠近漏接觸區(qū)的GaN段的一個(gè)側(cè)壁，并且飾刻非歐姆接觸區(qū)和第二GaN層，以便露出AlGaN層的一些部分。


圖1是常規(guī)的AlGaN/GaN HEMT器件的剖面圖；圖2是在常規(guī)的AlGaN/GaN HEMT器件中存在的能帶能量的示意圖；圖3是按照本發(fā)明的實(shí)施例的AlGaN/GaN HEMT器件剖面圖；圖4A-4C表示的是制造按照本發(fā)明的實(shí)施例的器件的方法的一些方案；圖5A和5B表示可能存在的柵電極的對(duì)不準(zhǔn)；圖6A-6C表示的是制造按照本發(fā)明的附加實(shí)施例的器件的方法的一些方案。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照附圖更加全面地描述本發(fā)明，附圖中表示的是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。但本發(fā)明可能用許多不同的方式實(shí)施，不應(yīng)該認(rèn)為本發(fā)明僅限于這里提出的實(shí)施例，相反，提供這些實(shí)施例是為了使本發(fā)明的公開更徹底和完整，并且能向本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員傳遞本發(fā)明的范圍。如圖所示，為了說明的目的把層或區(qū)的大小放大了，提供層或區(qū)的大小是為了說明本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)。在整個(gè)說明書中，相同的數(shù)字指的是相同的組成部分。應(yīng)該理解，當(dāng)說一個(gè)組成部分如層、區(qū)、或基板在另一個(gè)組成部分之上時(shí)，這個(gè)組成部分可以直接在另一個(gè)組成部分之上，或者還可以存在中間組成部分。相反，當(dāng)說一個(gè)組成部分直接在另一個(gè)組成部分之上時(shí)，則不存在中間的組成部分。
如以上所述，眾所周知，在平衡條件下，在埋入的AlGaN/GaN界面可能會(huì)出現(xiàn)大的電子濃度。這些大的電子濃度可能形成大的載流子遷移率的兩維電子氣(2DEG)，在HEMT器件結(jié)構(gòu)中可以有益地利用這種電子氣。此外，在這種結(jié)構(gòu)的AlGaN勢(shì)壘層上附加一個(gè)GaN帽可能增加電子在結(jié)構(gòu)的上表面上來回傳導(dǎo)的勢(shì)壘的大小。然而，若假定表面勢(shì)在這兩種情況(即，有帽或無帽)下完全相同，GaN帽的存在可以減小2DEG傳導(dǎo)層中的電子濃度。
雖然Yu等人已經(jīng)提出建議，可以在GaN/AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)上制造HEMT，但在這種結(jié)構(gòu)中，柵極性能的改進(jìn)似乎會(huì)被由于GaN帽下方傳導(dǎo)層中的較低的載流子密度引起的溝道電阻的增加而抵消。參見E.T.Yu等人的“在III-V氮化物中經(jīng)過壓電效應(yīng)的肖特基墊壘工程學(xué)”，應(yīng)用物理快訊，73，1880(1998)。
本發(fā)明的實(shí)施例提供了改進(jìn)的AlGaN/GaN HEMT器件以及這種器件的制造方法。在本發(fā)明的特定實(shí)施例中，通過在AlGaN勢(shì)壘層上提供GaN蓋帽區(qū)段，并且在這個(gè)蓋帽區(qū)段上提供非歐姆接觸區(qū)以提供柵接觸區(qū)，可以減小或避免在低電阻的源和漏接觸區(qū)、通過器件的電流流動(dòng)和柵接觸區(qū)的阻斷能力之間的折衷。在另外的實(shí)施例中，對(duì)于柵接觸區(qū)和蓋帽區(qū)段進(jìn)行安排，使它們可以提供內(nèi)部電場(chǎng)減小的AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)，這可能導(dǎo)致較大的操作電壓和功率水平。本發(fā)明的實(shí)施例可得到AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)的接觸區(qū)電阻低的優(yōu)點(diǎn)，與AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)有關(guān)的柵極性能得到了改善。
圖3表示按照本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)器件11。器件11包括基板12和在基板12上的任選的緩沖層13?；?2可以是碳化硅、藍(lán)寶石、塊材氮化鎵、或任何其它適合于支撐基于氮化物的電子器件的基板。優(yōu)選地，該基板是半絕緣的4H碳化硅(0001)或6H碳化硅(0001)。對(duì)于除塊材氮化鎵外的基板，任選的緩沖層13提供可以生長(zhǎng)高質(zhì)量的氮化鎵的一個(gè)表面。緩沖層13的組成和制造取決于所用基板的類型。適宜的緩沖層在本領(lǐng)域中是眾所周知的，不必進(jìn)一步描述。如果緩沖層13存在，則在緩沖層13上還要提供GaN溝道層14，如果緩沖層13不存在，則在基板12上還要提供GaN溝道層14?？梢酝ㄟ^MOCVD、MBE、和/或任何其它合適的生長(zhǎng)技術(shù)形成溝道層14和隨后的基于GaN的層。溝道層14最好是不摻雜的，但也可以摻雜各種物質(zhì)，以改進(jìn)片狀電荷區(qū)15的電子濃度，或者改進(jìn)在片狀電荷區(qū)下邊的區(qū)域中導(dǎo)帶Ec和價(jià)帶Ev的性能。
在GaN溝道層14上提供AlGaN勢(shì)壘層16，借此在溝道層14和勢(shì)壘層16之間形成一個(gè)異質(zhì)結(jié)15。AlGaN勢(shì)壘層16中的鋁的組分最好在15％和60％之間，并且可以摻雜硅，摻雜的濃度最大約為4×1018cm-3，以提供最大約為5×1012cm-3或以上的總的片濃度。勢(shì)壘層16的厚度在約15納米和40納米之間，厚度最好約為25納米。
如以上所述，因?yàn)樵诮Y(jié)15存在AlGaN/GaN異質(zhì)勢(shì)壘，所以在結(jié)15附近的內(nèi)部形成兩維的電子氣。在AlGaN勢(shì)壘層16的表面上提供歐姆源電極18和歐姆漏電極20。源電極18和漏電極20可以是Ti/Si/Ni，Ti/Al/Ni，或可與n型AlGaN形成歐姆接觸區(qū)的任何其它合適的材料。用于AlGaN/GaN HEMT器件的一種合適的歐姆接觸區(qū)在以下文章中有所敘述S.T.Sheppar，W.L.Pribble，D.T.Emerson，Z.Ring，R，P.Smith，S.T.Allen，J.W.Palmour的“利用AlGaN/GaN混合放大器在10G赫茲的高功率展示”(2000年6月在Dener的第58次器件研究會(huì)議提出)；以及S.T.Sheppar，K.Doverspike，M.Leonard，W.L.Pribble，S.T.Allen，J.W.Pahmour的“在碳化硅上改進(jìn)的AlGaN/GaN的10G赫茲操作”(材料科學(xué)論壇，第338-342卷(2000年)，第1643-1646頁)，這里參照引用了它們公開的內(nèi)容，好像全文在這里提出的一樣。在源電極18和漏電極20之間的距離一般約為2-4微米。
進(jìn)一步如圖3所示，在源電極18和漏電極20之間并在AlGaN層16的表面上設(shè)置一個(gè)薄的基于GaN的蓋帽區(qū)段30，最好是GaN構(gòu)成的。蓋帽區(qū)段30的厚度最好在約10-60埃之間，并且最好是未摻雜的。蓋帽區(qū)段30最好由氮化鎵構(gòu)成，但也可以使用其它合適的材料。例如，可以使用分級(jí)的或者鋁含量減少的AlGaN層，使鋁的百分?jǐn)?shù)隨著距溝道層的距離而減小。例如可以通過蝕刻形成這樣的AlGaN層，從而可以提供蓋帽區(qū)段30。如這里所使用的，術(shù)語基于“GaN的”指的是含有鎵和氮的材料，并且包括GaN和AlGaN。
在蓋帽區(qū)段30上設(shè)置柵電極26。柵電極26最好由鉑、鎳、或任何其它合適的金屬形成，這些金屬對(duì)于n型的或“本征的”GaN形成非歐姆接觸區(qū)。在T形柵結(jié)構(gòu)中，這個(gè)柵電極26可以包有一個(gè)附加的金屬層，或者在特定的實(shí)施例中，可以用一個(gè)處理步驟形成一個(gè)T形柵。T形柵結(jié)構(gòu)可以專門適用于射頻或微波器件。
因?yàn)樵贏lGaN或GaN的鎵或鋁的表面上生長(zhǎng)的GaN/AlGaN結(jié)構(gòu)的極化效應(yīng)，所以在柵電極22下方的傳導(dǎo)勢(shì)壘極大地增強(qiáng)了。于是，可以減小柵泄漏，甚至于減至最小。
優(yōu)選地，蓋帽區(qū)段30的源側(cè)側(cè)壁31基本上與柵電極26的源側(cè)側(cè)壁27對(duì)齊。由于蓋帽區(qū)段30的存在可減小在其下方的2DEG區(qū)15中的載流子的濃度，所以使蓋帽區(qū)段30實(shí)際上在源電極18和柵電極26之間延伸可能是不期望的，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致電阻的增加。于是，優(yōu)選的作法是，使蓋帽區(qū)段30與源電極18分開一個(gè)很小的距離，這個(gè)分開的距離按照制造極限來說應(yīng)是合理的。這樣，例如，從約0到約2微米的距離可能是合適的，利用常規(guī)的掩模和制造技術(shù)可以得到從約0.3到約1.5微米距離。相反地，有益的是，延伸蓋帽區(qū)段30的漏側(cè)側(cè)壁32使其超出柵電極26的漏側(cè)側(cè)壁28一個(gè)預(yù)定的距離，優(yōu)選地從約0.5到約1微米。這樣，蓋帽區(qū)段30的漏側(cè)側(cè)壁32可以延伸到距漏電極20從約0到約3微米的距離。一旦從漏側(cè)側(cè)壁32到漏電極20的距離是0微米，就可能沒有漏側(cè)側(cè)壁32，但蓋帽區(qū)段30可以延伸到漏電極20下方。然而，這可能不是優(yōu)選的。這樣，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，從漏側(cè)側(cè)壁32到漏電極20的距離約為0.5微米或以上。
在柵電極26的下面存在蓋帽區(qū)段30，不會(huì)對(duì)器件的操作產(chǎn)生不利的影響，這是因?yàn)榭梢哉{(diào)節(jié)柵偏置來補(bǔ)償蓋帽區(qū)段30對(duì)于柵極下方的2DEG區(qū)15中載流子密度的影響。在操作中，電子從源極18開始通過2DEG區(qū)15流到漏電極20。雖然沒有任何特定的操作理論的依據(jù)，但我們相信，蓋帽區(qū)段30在2DEG區(qū)上方并在柵電極22和漏電極20之間的存在，不會(huì)對(duì)器件的操作產(chǎn)生不利的影響，因?yàn)樵跂烹姌O22和漏電極20之間的2DEG區(qū)15這部分中的平衡電子濃度在器件的導(dǎo)電性中不占主導(dǎo)地位。事實(shí)上，延伸蓋帽區(qū)段30使之超過柵電極26的漏則側(cè)壁28一個(gè)預(yù)定的距離，通過減小器件中的內(nèi)部電場(chǎng)，可以改善器件性能，這樣可以允許在較高的電壓和功率水平下工作。FET的擊穿電壓受到最大內(nèi)部電場(chǎng)的限制，最大的內(nèi)部電場(chǎng)通常發(fā)生在柵接觸區(qū)的的漏電極側(cè)，并且引入通過柵電極的雪崩電流和其它不期望的電流。向漏極延長(zhǎng)蓋帽區(qū)段，可以減小帽下方的來源于極化效應(yīng)的電荷總量。求解用于這樣一種晶體管的泊松方程可以看出，對(duì)于一個(gè)指定的而且是假定的最大可允許電場(chǎng)，在柵電極下方朝向漏電極的區(qū)域中，具有較少電荷的晶體管可以在較高的偏置下操作。
雖然圖3表示出本發(fā)明的作為分立器件的實(shí)施例，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，圖3還可以被認(rèn)為是具有多個(gè)單元的器件的單個(gè)單元(unitcells)。這樣，例如，圍繞如圖3所示的器件的周邊處的一個(gè)垂直軸(如圖3所示的器件的垂直邊緣)鏡像轉(zhuǎn)動(dòng)這個(gè)器件，就可以把附加的單個(gè)單元加進(jìn)如圖3所示的器件內(nèi)。因此，本發(fā)明的實(shí)施例包括如圖3所示的器件以及加入如圖3所示的蓋帽區(qū)段和柵接觸區(qū)的具有多個(gè)單個(gè)單元的器件。
在圖4A-4C中表示用于制造按照本發(fā)明的利用GaN蓋帽區(qū)段的AlGaN/GaNHEMT的方法，該方法可選擇性地包括如下步驟在基板12上形成緩沖層13。在緩沖層13上形成GaN溝道層14，并在溝道層上形成AlGaN勢(shì)壘層16。在勢(shì)壘層16上形成一個(gè)薄的GaN帽層30’。這些層可以通過MOCVD、MBE、和/或任何其它合適的對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員公知的方法形成。
對(duì)于GaN帽層30’進(jìn)行構(gòu)圖，以提供用于柵電極的GaN蓋帽區(qū)段30。例如，如圖4A所示，在GaN帽層30’上形成一個(gè)蝕刻掩模40，并且例如通過使用常規(guī)的蝕刻方法除去GaN帽層30’到勢(shì)壘層16的一些部分，留下如圖4B所示的GaN蓋帽區(qū)段30。此外，還可以使用其它的技術(shù)，如選擇性的外延法。
如圖4C所示，使用常規(guī)的技術(shù)在勢(shì)壘層16的露出部分上形成源電極18和漏電極20。在GaN蓋帽區(qū)段30上形成柵電極22。在如圖4A-4C所示的實(shí)施例中，使用常規(guī)的光刻技術(shù)和掩模對(duì)齊工具將柵接觸區(qū)的源側(cè)側(cè)壁與GaN蓋帽區(qū)段30的源側(cè)側(cè)壁對(duì)準(zhǔn)。在如圖4A-4C所示的實(shí)施例中，柵電極22對(duì)于GaN蓋帽區(qū)段30的源側(cè)側(cè)壁不是自動(dòng)對(duì)齊的。因此，柵電極22相對(duì)于源側(cè)或漏側(cè)有可能是對(duì)不齊的，分別如圖5A和5C所示。盡管略微有一點(diǎn)對(duì)不齊可能不會(huì)對(duì)器件的操作產(chǎn)生不利影響，但嚴(yán)重的對(duì)不齊對(duì)于器件是不利的。這樣，優(yōu)選的作法是，柵電極22的源側(cè)側(cè)壁如圖4C所示要與GaN蓋帽區(qū)段30的源側(cè)對(duì)齊，但柵電極22的源側(cè)側(cè)壁可只與GaN蓋帽區(qū)段30的源側(cè)側(cè)壁基本上對(duì)齊，如圖5A和5B所示，這是從本發(fā)明的教導(dǎo)中得到的益處。這樣，如這里所用的，術(shù)語基本上對(duì)齊指的是對(duì)齊有一個(gè)范圍，其中可包括對(duì)不齊。
圖6A-6C表示按照本發(fā)明的實(shí)施例的制造器件的另一種方法。在這些實(shí)施例中，GaN蓋帽區(qū)段30的源側(cè)側(cè)壁與柵電極22的源側(cè)側(cè)壁是自動(dòng)對(duì)齊的。
參照附圖6A，任選地，在基板12上形成緩沖層13。在GaN緩沖層13上或在基板12上形成GaN溝道層14，在GaN溝道層14上形成AlGaN勢(shì)壘層16。如以上所述，在AlGaN勢(shì)壘層16上形成薄GaN帽層30’。在GaN帽層30’上形成柵金屬22’，并對(duì)柵金屬22’進(jìn)行部分構(gòu)圖，從而可以提供柵電極22的漏側(cè)側(cè)壁，并且可以提供延伸超出柵電極22的源側(cè)側(cè)壁的一部分柵金屬22’。在GaN帽層30’上設(shè)置一個(gè)飾刻掩模，GaN帽層30’與柵金屬22’部分重疊，從而可以確定柵電極22和GaN蓋帽區(qū)段30的源側(cè)側(cè)壁以及GaN蓋帽區(qū)段30的漏側(cè)側(cè)壁。
如圖6B所示，將GaN帽層30’的露出部分蝕刻掉，留下與柵電極22的側(cè)壁自動(dòng)對(duì)齊的GaN蓋帽區(qū)段30的一個(gè)側(cè)壁，并且露出AlGaN勢(shì)壘層16的一些部分。掩模44是后來去除的。如圖6C所示，然后在AlGaN勢(shì)壘層16的露出部分上形成源電極18和漏電極20，并且按常規(guī)方式處理器件的其余部分。
雖然參照操作的特定順序已經(jīng)描述了本發(fā)明的實(shí)施例，如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解的，可以重新編排在這個(gè)操作順序中的某些操作，同時(shí)仍能從本發(fā)明的教導(dǎo)中獲得益處。此外，某些操作可以組合成單個(gè)操作，或者分成多個(gè)操作，同時(shí)仍能從本發(fā)明的教導(dǎo)中獲得益處。因此不應(yīng)將本發(fā)明限制在這里所描述的嚴(yán)格的操作順序上。
在附圖和說明書中，公開了本發(fā)明的典型實(shí)施例，雖然其中使用了特殊的術(shù)語，但使用它們有普遍意義和說明意義，并不是為了進(jìn)行限制，本發(fā)明的范圍由下面的權(quán)利要求書提出。
權(quán)利要求
1.一種高電子遷移率晶體管(HEMT)，包括一個(gè)氮化鎵(GaN)溝道層；在溝道層上的一個(gè)氮化鋁鎵(AlGaN)的勢(shì)壘層；在勢(shì)壘層上的第一歐姆接觸區(qū)，用于提供源電極；在勢(shì)壘層上并與源電極隔開的第二歐姆接觸區(qū)，用于提供漏電極；在勢(shì)壘層上并在源電極和漏電極之間提供一個(gè)基于GaN的蓋帽區(qū)段，基于GaN的蓋帽區(qū)段具有比勢(shì)壘層低的鋁濃度，并且具有靠近源電極并與源電極隔開的第一側(cè)壁；在GaN的蓋帽區(qū)段上的非歐姆接觸區(qū)，用于提供柵接觸區(qū)，柵接觸區(qū)具有第一側(cè)壁，它與基于GaN的蓋帽區(qū)段的第一側(cè)壁大體上對(duì)齊，柵接觸區(qū)在基于GaN的蓋帽區(qū)段的第一側(cè)壁和第二側(cè)壁之間的一部分距離上延伸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HEMT，其中基于GaN的蓋帽區(qū)段具有第二側(cè)壁，第二側(cè)壁靠近漏電極并與漏電極隔開。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HEMT，其中基于GaN的蓋帽區(qū)段包括GaN蓋帽區(qū)段。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的HEMT，其中非歐姆接觸區(qū)延伸到GaN蓋帽區(qū)段的第一側(cè)壁，但不超出這個(gè)側(cè)壁。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的HEMT，其中GaN蓋帽區(qū)段的厚度從約10埃到約60埃。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的HEMT，其中GaN蓋帽區(qū)段還可以包括未摻雜的GaN。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的HEMT，其中源電極和漏電極分開的距離從約2微米到約4微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的HEMT，其中GaN蓋帽區(qū)段的第一側(cè)壁距源電極的距離小于約2微米。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的HEMT，其中GaN蓋帽區(qū)段的第一側(cè)壁距源電極的距離從約0.3微米到約1.5微米。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的HEMT，其中GaN蓋帽區(qū)段的第二側(cè)壁距柵電極從約0.5到約1微米。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的HEMT，其中AlGaN勢(shì)壘層包括的鋁在約15％和約40％之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的HEMT，其中AlGaN勢(shì)壘層可以摻雜硅，以提供最大約為5×1012cm-2的總片濃度。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的HEMT，其中AlGaN勢(shì)壘層的厚度從約為15納米到約為40納米。
14.根根權(quán)利要求13所述的HEMT，其中AlGaN勢(shì)壘層的厚度約為25納米。
15.根據(jù)權(quán)利要求3所述的HEMT，進(jìn)一步包括一個(gè)基板，GaN溝道層在基板上面。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的HEMT，其中基板包括碳化硅。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的HEMT，其中基板包括藍(lán)寶石。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的HEMT，其中基板至少包含4H碳化硅和6H碳化硅中的一種。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的HEMT，進(jìn)一步包括一個(gè)GaN緩沖層，它設(shè)置在GaN溝道層和基板之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HEMT，其中柵電極包括一個(gè)T形的柵電極。
21.一種制造高電子遷移率晶體管(HEMT)的方法，包括如下步驟在一個(gè)基板上形成第一氮化鎵(GaN)層；在第一GaN層上形成氮化鋁鎵(AlGaN)層；在AlGaN層上形成基于GaN的區(qū)段，基于GaN的區(qū)段的鋁濃度小于AlGaN層；對(duì)于在靠近GaN區(qū)段并且與GaN區(qū)段分開的AlGaN層形成第一歐姆接觸區(qū)，以形成源電極；對(duì)于在第一歐姆接觸區(qū)的對(duì)面的靠近GaN區(qū)段并且與GaN區(qū)段分開的AlGaN層形成第二歐姆接觸區(qū)，以便可以在第一歐姆接觸區(qū)和第二歐姆接觸區(qū)之間設(shè)置GaN區(qū)段以提供漏電極；在GaN區(qū)段上形成一個(gè)非歐姆接觸區(qū)，以提供柵接觸區(qū)，柵接觸區(qū)具有第一側(cè)壁，它與靠近源電極接觸區(qū)的GaN區(qū)段的第一側(cè)壁基本上對(duì)齊，柵接觸區(qū)只在第一側(cè)壁和第二歐姆接觸區(qū)之間的一部分距離延伸。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中非歐姆接觸區(qū)只在第一側(cè)壁和靠近漏接觸區(qū)的GaN區(qū)段的第二側(cè)壁之間的一部分距離延伸。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中形成基于GaN的區(qū)段的步驟包括在AlGaN層上形成一個(gè)GaN區(qū)段。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中形成基于GaN的區(qū)段和形成非歐姆接觸區(qū)的步驟包括在AlGaN層上形成第二GaN層；在第二GaN層上形成非歐姆接觸區(qū)；對(duì)于非歐姆接觸區(qū)和第二GaN層構(gòu)圖以提供GaN區(qū)段和柵接觸區(qū)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中對(duì)非歐姆接觸區(qū)和第二GaN層構(gòu)圖的步驟包括在非歐姆接觸區(qū)和第二GaN層上形成一層掩模以覆蓋非歐姆接觸區(qū)和第二GaN層的一些部分，從而限定靠近源接觸區(qū)的非歐姆接觸區(qū)和GaN區(qū)段的一個(gè)側(cè)壁以及靠近漏接觸區(qū)的GaN區(qū)段的一個(gè)側(cè)壁；蝕刻非歐姆接觸區(qū)和第二GaN層，以便露出AlGaN層的一些部分。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中GaN區(qū)段的厚度從約10埃到約60埃。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中GaN蓋帽區(qū)段包括未摻雜的GaN。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中形成第一歐姆接觸區(qū)和形成第二歐姆接觸區(qū)的步驟包括形成分開的距離從約2微米到約4微米的第一歐姆接觸區(qū)和第二歐姆接觸區(qū)。
29.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中形成的第一側(cè)壁距GaN區(qū)段的距離小于約2微米。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中形成的第一歐姆接觸區(qū)距GaN區(qū)段的距離從約0.3微米到約1.5微米。
31.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中對(duì)非歐姆接觸區(qū)進(jìn)行構(gòu)圖，使非歐姆接觸區(qū)的側(cè)壁距GaN區(qū)段的第二側(cè)壁從約0.5到約1微米。
32.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中形成AlGaN層的步驟包括形成的AlGaN層的鋁濃度在約15％和約40％之間。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中形成AlGaN層的步驟包括形成的AlGaN層摻雜硅，以提供最大約為5×1012cm-2的總片濃度。
34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中形成AlGaN層的步驟包括形成AlGaN層的厚度從約為15納米到約為40納米。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中形成AlGaN層的步驟包括形成的AlGaN層的厚度約為25納米。
36.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中基板包括碳化硅。
37.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中基板包括藍(lán)寶石。
38.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中基板包括4H碳化硅和6H碳化硅中的至少一種。
39.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括形成第三GaN層，它設(shè)置在第一GaN層和基板之間。
40.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，進(jìn)一步包括在非歐姆接觸區(qū)上形成一個(gè)鍍金屬層，以提供T形的柵電極。
41.一種高電子遷移率晶體管(HEMT)，包括一個(gè)氮化鎵(GaN)溝道層；一個(gè)氮化鋁鎵(AlGaN)的勢(shì)壘層；在AlGaN勢(shì)壘層上的歐姆接觸區(qū)，用于提供源電極和漏電極；設(shè)置在源和漏接觸區(qū)之間的非歐姆柵接觸區(qū)；和一個(gè)器件，按可操作方式與非歐姆柵接觸區(qū)和AlGaN勢(shì)壘層相接，與沒有用于減小歐姆接觸區(qū)的電阻以及增加?xùn)沤佑|區(qū)的阻斷電壓的器件相比，能夠減小歐姆接觸區(qū)的電阻以及增加?xùn)沤佑|區(qū)的阻斷電壓。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的HEMT，其中用于減小歐姆接觸區(qū)的電阻以及增加?xùn)沤佑|區(qū)的阻斷電壓的裝置包括一個(gè)位于柵接觸區(qū)和AlGaN勢(shì)壘層之間的GaN區(qū)段，GaN區(qū)段使柵接觸區(qū)在靠近源接觸區(qū)的一部分GaN區(qū)段上，GaN區(qū)段朝向漏接觸區(qū)延伸超過柵接觸區(qū)。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的HEMT，其中柵接觸區(qū)延伸到但不超過靠近源電極但與源電極分開的GaN區(qū)段的一個(gè)側(cè)壁。
44.根據(jù)權(quán)利要求42所述的HEMT，其中GaN區(qū)段延伸的距離從約0.5到約1微米。
全文摘要
提供一種高電子遷移率晶體管(HEMT)及其制造方法。按照本發(fā)明的實(shí)施例的這個(gè)器件包括一個(gè)氮化鎵(GaN)溝道層和在溝道層上的一個(gè)氮化鋁鎵(AlGaN)的勢(shì)壘層。在勢(shì)壘層(16)上提供第一歐姆接觸區(qū)，用于形成源電極(18)；在勢(shì)壘層(16)上還提供與源電極(18)隔開的第二歐姆接觸區(qū)，用于提供漏電極(20)。在勢(shì)壘層(16)上并在源電極(18)和漏電極(20)之間提供一個(gè)基于GaN的蓋帽區(qū)段(30)。基于GaN的蓋帽區(qū)段(30)具有靠近源電極(18)并與源電極(18)隔開的第一側(cè)壁(31)和靠近漏電極(20)并與漏電極(20)隔開的第二側(cè)壁(32)。在基于GaN的蓋帽區(qū)段(30)上提供非歐姆接觸區(qū)，用于形成柵接觸區(qū)(22)。柵接觸區(qū)(22)具有第一側(cè)壁(27)，它與基于GaN的蓋帽區(qū)段(30)的第一側(cè)壁(31)大體上對(duì)齊。柵接觸區(qū)(22)在基于GaN的蓋帽區(qū)段(30)的第一側(cè)壁(31)和第二側(cè)壁(32)之間的一部分距離上延伸。
文檔編號(hào)H01L21/338GK1554121SQ02817829
公開日2004年12月8日 申請(qǐng)日期2002年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月12日
發(fā)明者R·P·史密斯, R P 史密斯 申請(qǐng)人:克里公司