專利名稱：低密度漏極hemt的制作方法
低密度漏極HEMT相關(guān)申請的交叉引用本申請要求2005年11月29日提交的美國臨時(shí)專利申請 60/740256以及2005年12月8日提交的美國臨時(shí)專利申請60/748339 的優(yōu)先權(quán)，通過引用將這兩者結(jié)合于此。背景和概述本申請涉及常斷高電子遷移率晶體管("HEMT")中的擊穿電壓提 高和電流崩塌抑制的方法，具體來說，涉及采用無電極漏極側(cè)表面場 工程設(shè)計(jì)來制作氮化鋁鎵/氮化鎵("AlGaN/GaN" )HEMT，從而產(chǎn)生 "低密度漏極"HEMT。過度的電場可能在半導(dǎo)體器件中引起問題，(一種類型的問題是熱 栽流子，其中高能電子或空穴充分變?yōu)槟軌虼┻^介質(zhì)；另一種類型的 問題是雪崩，其中傳導(dǎo)變?yōu)椴皇芸刂啤?甚至在設(shè)計(jì)成以最小邏輯電壓 工作的器件中，重要的是確保電壓在漏極邊界上不會(huì)過于銳利地改 變；以及在用于開關(guān)較高電壓的器件中，越來越需^^吏峰值電場為最 小。漏極工程設(shè)計(jì)一直是集成器件發(fā)展的最長期的子區(qū)域之一 ，追溯 到1974年的原始LDD建議。參見Blanchard的"高電壓同時(shí)擴(kuò)散桂 柵CMOS"， 9IEEEJ.S.S.C. 103(1974)。許多技術(shù)已經(jīng)用來控制高壓器 件中的峰值電場，通常包括場極板和非載流擴(kuò)散的各種配置。這種長期存在的M難題與增強(qiáng)型("E型")m-NHEMT的較新 領(lǐng)域特別相關(guān)。常斷AlGaN/GaN HEMT是微波功率放大器和功率電 子應(yīng)用所需的，因?yàn)樗鼈兲峁┖喕碾奿 各配置以^J寸器件安全有利的 工作條件。但是，常斷AlGaN/GaNHEMT與它們的常通對應(yīng)物相比，通常呈現(xiàn)更低的最大漏極電流，特別是在門限電壓增加到大約+iv以確保在零柵極偏置上2DEG溝道的完全截止以及提供附加工作安全性 時(shí)。為了補(bǔ)償最大電流的減小以及取得相同的功率處理能力，擊穿電 壓(vbk)需要進(jìn)一步提高，但是最好不以增加的柵極-漏極距離(這不可 避免地增加器件尺寸)為代價(jià)。連接到柵電極或源電極的場極板的使用 可通過修改表面場分布有效地提高VBK。但是，柵極端接的場極板可 能引入附加?xùn)艠O電容(Cos和Cgd)，它們減小器件的增益和截止頻率。源極端接的場極板已用于實(shí)現(xiàn)提高的vbk以及減輕增益降低，但是這需要柵極和場極板之間的厚介質(zhì)層。GaN器件中的一個(gè)問題是電流崩塌現(xiàn)象當(dāng)源極-漏極電壓達(dá)到可 能發(fā)生碰撞電離的電平時(shí)，器件承栽的最大電流實(shí)際上可能減小。已 經(jīng)表明，這種不合需要的影響是由其中中間帶隙狀態(tài)由熱電子占據(jù)的 伴獲現(xiàn)象引起的。低密度漏^LHEMT本申請公開控制場效應(yīng)晶體管中的電場的新方法。公開的方法及 裝置用于制作修改常斷HEMT的柵極與漏極之間的表面場分布的 HEMT。柵極與漏極之間的區(qū)域的部分或全部可采用CF4等離子體處 理變換為具有低密度的2DEG的區(qū)域，從而形成低密度漏極 ("LDD" )HEMT。截止?fàn)顟B(tài)擊穿電壓可得到提高，以及電流崩塌可 在LDD-HEMT中完全^皮抑制，而沒有出現(xiàn)增益和截止頻率的明顯降 級 在各種實(shí)施例中，所7>開的創(chuàng)新提供至少以下優(yōu)點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè),允許修改常斷HEMT中的表面場分布而不使用場極板電極。
易于實(shí)現(xiàn)僅對漏極側(cè)的不對稱修改。 不需要拓樸的改變加入寬帶隙勢壘層中的附加固定電荷不影 響物理拓樸。*提供提高的擊穿電壓和抑制的電流崩塌，而沒有出現(xiàn)增益或截 止頻率的降級。 不對增強(qiáng)+私f m-N制作已經(jīng)需要的那些過程步驟添加任何附 加過程步驟。 表面狀態(tài)俘獲和解俘獲被減小或阻止。
電流崩塌被減小或阻止。附圖簡介參照附圖來描述本公開創(chuàng)新，附圖示出本創(chuàng)新的重要示范實(shí)施例，并通過引用結(jié)合到其說明中，附圖中

圖1說明先有技術(shù)的E型HFET。 圖1A說明用于E/D反相器的DCFL電路示意圖。 圖1B說明用于環(huán)形振蕩器的DCFL電路。 圖1C說明反相器的顯微照片作為本創(chuàng)新的一個(gè)實(shí)施例。 圖1D說明環(huán)形振蕩器的顯微照片作為本創(chuàng)新的一個(gè)實(shí)施例。 圖2說明沒有利用本創(chuàng)新的傳統(tǒng)D型HEMT、E型HEMT以及本創(chuàng)新的 一個(gè)實(shí)施例的轉(zhuǎn)移特性。圖3A至3F說明制作E型AlGaN/GaN HFET的過程的一個(gè)實(shí)施例。圖4A說明E型AlGaN/GaNHFET的一個(gè)實(shí)施例的I-V輸出特性。 圖4B說明E型AlGaN/GaNHFET的一個(gè)實(shí)施例的Ig-Vgs特性。 圖5說明E型AlGaN/GaN HFET的一個(gè)實(shí)施例的通過"SIMS" 所測量的氟離子濃度分布曲線。圖6說明注入氟離子之前本創(chuàng)新的一個(gè)實(shí)施例的截面。圖7說明各種實(shí)施例的通過"SMS"所測量的氟離子濃度分布曲線。圖7A和圖7B說明各種實(shí)施例的通過"SIMS"所測量的氟離子 濃度分布曲線。圖8A說明在不同的CF4等離子體處理?xiàng)l件之后的E型 AlGaN/GaN HFET的Id對V辟的轉(zhuǎn)移特性。圖8B說明在不同的CF4等離子體處理?xiàng)l件之后的E型 AlGaN/GaN HFET的^ 對Vgs的轉(zhuǎn)移特性。圖9說明采用不同CF4等離子體處理的柵極肖特基二極管的所提 取勢壘高度和理想因數(shù)。圖10說明各種E型AlGaN/GaN HFET的V也與等離子體功率和 處理時(shí)間的相關(guān)性。圖ll說明AFM圖像，說明在AlGaN層上的CF4等離子體處理的 微小蝕刻效果。圖12A說明各種E型AlGaN/GaN HFET實(shí)施例的DC Id對Vgs轉(zhuǎn)移特性。圖12B說明各種E型AlGaN/GaN HFET實(shí)施例的DC gm對 轉(zhuǎn)移特性。圖13說明一個(gè)E型AlGaN/GaN HFET實(shí)施例的DC輸出特性。圖14A說明E型AlGaN/GaN HFET的各種實(shí)施例的具有不同CF4 等離子體處理的反向以及正向柵極電流。圖14B說明E型AlGaN/GaN HFET的各種實(shí)施例的具有不同CF4 等離子體處理的放大和正向柵極電流。圖15說明fi和f皿與柵極偏置的相關(guān)性，其中Vds固定在12V。圖16說明采用不同CF4等離子體處理的晶片上所測量ft和f皿。圖17A至17F說明制作E型Si3N4AlGaN/GaN MISHFET的一個(gè) 示范過程。圖18說明示范DC輸出特性。圖19A說明轉(zhuǎn)移特性。圖19B說明柵極漏電流。圖20說明脈沖測量結(jié)果。圖21說明小信號RF特性。圖22說明沒有CF4等離子體處理的傳統(tǒng)D型AlGaN/GaN HEMT 的模擬導(dǎo)帶圖。圖23說明具有CF4等離子體處理的E型AlGaN/GaN HEMT的模 擬導(dǎo)帶圖。圖24說明沒有CF4等離子體處理的傳統(tǒng)D型AlGaN/GaN HEMT 以及具有CF4等離子體處理的E型AlGaN/GaNHEMT的電子濃度。圖25說明根據(jù)本創(chuàng)新的反相器的E型和D型HEMT的單片集成 的工藝流程的一個(gè)實(shí)施例。圖26A至26F說明E型和D型HFET的單片集成的一個(gè)示范工 藝流程。圖27說明單片集成的平面工藝流程。 圖28說明E/D型HEMT的另一個(gè)示范工藝流程。 圖29說明通過平面工藝制作的D-HEMT和E-HEMT的DC輸出 特性。圖30把平面工藝的轉(zhuǎn)移特性與傳統(tǒng)工藝的轉(zhuǎn)移特性進(jìn)行比較， 圖31說明通過平面制作工藝所制作的E/D HEMT反相器的靜態(tài)電壓轉(zhuǎn)移特性。圖32說明一個(gè)示范實(shí)施例中使用的HEMT的外延結(jié)構(gòu)。圖33說明用于單片反相器的E型和D型HEMT的單片集成的集成工藝流程。圖34說明反相器和環(huán)形振蕩器的示范幾何參數(shù)。圖35說明所公開的示范D型和E型AlGaN/GaN HEMT的DC I-V轉(zhuǎn)移特性及輸出特性。圖36 i兌明所制作E型和D型AlGaN/GaN HEMT的性能。圖37說明D型和E型HEMT的Ig-Vg特性以及在D型HEMT和E型HEMT的柵電極之下的模擬導(dǎo)邊帶圖。圖38說明傳統(tǒng)E/D HEMT反相器的靜態(tài)電壓轉(zhuǎn)移特性。圖39說明根據(jù)各種公開實(shí)施例、具有|3 = 6.7、 10、 25和50的E/D HEMT反相器的靜態(tài)電壓轉(zhuǎn)移特性。圖40說明具有不同p值的反相器的噪聲容限。圖41說明具有在不同電源電壓上所測量的P = 10的E/D HEMT 反相器的靜態(tài)電壓轉(zhuǎn)移特性。圖42說明對于具有P = 10的反相器、在不同的Vdd所測量的噪 聲容限。圖43說明根據(jù)一個(gè)示范實(shí)施例、在VDD = 2.5 V具有p = 10的反 相器的負(fù)栽和輸入電流。圖44說明具有在VDD = 3,5 V偏置的卩==10的17級環(huán)形振蕩器的 頻譜，以及圖45說明它的時(shí)域特性。圖46說明一個(gè)電路實(shí)施例的傳播延遲和功率延遲乘積與電源電 壓的相關(guān)性。圖47說明根據(jù)本創(chuàng)新的一個(gè)實(shí)施例的LDD-HEMT的制作的工藝 流程。圖47A說明根據(jù)本創(chuàng)新的一個(gè)實(shí)施例的LDD-HEMT的2DEG。 圖48說明本創(chuàng)新的一個(gè)實(shí)施例的截止?fàn)顟B(tài)擊穿電壓。 圖49說明對于本創(chuàng)新的多個(gè)實(shí)施例的擊穿電壓與固定柵極-漏極 間隔LoD-3pm的LDD區(qū)域的長度的相關(guān)性。圖50說明本創(chuàng)新的一個(gè)實(shí)施例的DC轉(zhuǎn)移特性。圖51說明本創(chuàng)新的一個(gè)實(shí)施例的截止頻率。圖52說明本創(chuàng)新的一個(gè)實(shí)施例的H21和MSG/MAG。圖53說明本創(chuàng)新的一個(gè)實(shí)施例的DC輸出曲線。圖54說明本創(chuàng)新的多個(gè)實(shí)施例的導(dǎo)通電阻和拐點(diǎn)電壓。圖55說明本創(chuàng)新的一個(gè)實(shí)施例的柵極-漏極二極管I-V特性，圖56說明本創(chuàng)新的多個(gè)實(shí)施例的DC和脈沖I-V特性。圖57說明沒有本創(chuàng)新的幫助的大信號功率特性。圖58說明本創(chuàng)新的一個(gè)實(shí)施例的大信號功率特性。優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明具體參照當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例(作為實(shí)例而不是限制)來描述本申請的 大量創(chuàng)新理論。分布的簡單方式。通過把柵極與漏極之間的區(qū)域的部分或全部變?yōu)榫哂械兔芏鹊?DEG的區(qū)域，有效地形成低密度漏極("LDD"),來實(shí) 現(xiàn)場修改，采用相同的器件尺寸，截止?fàn)顟B(tài)擊穿電壓Vbk從沒有LDD 的HEMT中的60V提高到具有LDD的器件中的90V以上。在 LDD-HEMT中沒有觀察到ft的降級，以及觀察到功率增益和f皿的輕 微改進(jìn)。另外，電流崩塌在LDD-HEMT中可被完全抑制。 實(shí)例AlGaN/GaN LDD-HEMT按照圖47A至47F所示的過程來制作。 在藍(lán)寶石村底上的LDD-HEMT的外延結(jié)構(gòu)和器件制作流程與用于圖 3的過程相似，除了圖47D所示的一個(gè)附加步驟，它在器件加工結(jié)束 時(shí)定義LDD區(qū)域。在低密度漏極區(qū)的窗口被定義之后，在150W的 RF源功率下的CF4等離子體處理應(yīng)用45秒。樣本則以400。C退火10 分鐘。圖47E說明成品LDD-HEMT的截面。柵極長度(Lo)為lpm, 以及柵極-源極間隔(Los)為lpm。柵極-漏極間隔(LGD沐選擇為l拜或 3pm。低密度漏極區(qū)的長度(Ly)d)對于具有l(wèi)jim L⑥的器件為0.5脾 和l拜，以力十于具有3nmLcjD的器件為0.5拜、l拜、1.5,、 2nm 和3pm。 LDD-HEMT的不同區(qū)域中的2DEG密度分布的示意圖如圖 47F所示。為了比較測試，具有LLDD=0的傳統(tǒng)HEMT器件也在相同 晶片上制作。被加入LDD區(qū)域的AlGaN層中的氟離子提供負(fù)的固定電荷，它 可調(diào)制表面電場及2DEG密度，從而允許電場的重新分布以及峰值場 的減小。LDD區(qū)域的功能在提高擊穿電壓方面與金屬場極板相似，但 是沒有引入任何附加電容。其次，被加入AlGaN層的氟離子可有效地 提升能帶，有效地阻擋俘獲和解俘獲過程。AlGaN層中氟離子的加入被認(rèn)為是替位的，并且氟原子可填充AlGaN層中的氮空位。因此，與 表面狀態(tài)和阱關(guān)聯(lián)的電流崩塌也可通過實(shí)現(xiàn)低密度漏極來抑制。圖48說明LDD-HEMT中的擊穿電壓提高。通過^t極-漏極區(qū) 域的一半轉(zhuǎn)換為低密度區(qū)域，在VeK方面實(shí)現(xiàn)50%增加。如圖48所 示，具有LGD=1拜和Lldd=0.5ym的器件呈現(xiàn)與具有LGD = 3拜和LLDD =Ojim的更笨重器件(沒有LDD)中所實(shí)現(xiàn)的相似的擊穿電壓。V孤與 Udd的相關(guān)性如圖49所示。對于具有相同的LoD-3nm和不同的Lld"0 或3 jim)的器件，獲得相同的Vth=0.75V、 Imax = 300mA/mm和 =150mS/mm。如圖50、 51和52所示，LDD-HEMT顯示電流增益和 ft沒有降級、功率增益(MSG/MAG)和f皿輕微提高…增加的輸出電阻 (RDS)的結(jié)果。施加到LDD-HEMT上的唯一不利結(jié)果是引起最多2V 的拐點(diǎn)電壓增加的增加的導(dǎo)通電阻，如圖53和圖54所示，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)小 于V服的提高(〉30V)。圖55表明，與傳統(tǒng)器件相比，在20V的偏置 上的反向柵極-漏極的漏電流在LDD-HEMT中可從25[iA/mm減小到 15pA/mm。圖56說明DC和脈沖I-V特性，以及說明具有不同Udd 的氟離子的鈍化效應(yīng)。隨著Lldd増加，電流崩塌被減小，從而在柵極 -漏極區(qū)域由氟離子完全處理時(shí)達(dá)到完全抑制(Lu)d == 3nm)。大信號測 量的比較如圖57和圖58所示。由于電流崩塌，傳統(tǒng)HEMT的最大功 率在大約0.69W/mm飽和。具有抑制的電流崩塌的LDD-HEMT呈現(xiàn) 1.58W/mm的最大功率。以上所述的LDD-HEMT結(jié)構(gòu)和工藝可集成到采用寬帶隙層的形 成圖案的氟處理的增強(qiáng)+*工藝中，現(xiàn)在將進(jìn)行描迷。圖3A至3F說明根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例制作增強(qiáng)型III氮化物 HFET的過程。圖3A說明本創(chuàng)新的一個(gè)優(yōu)選外延結(jié)構(gòu)，在其中，參 考標(biāo)號110、 120、 130和140表示襯底(例如藍(lán)寶石、硅或SiC)、核化 層(低溫生長GaN核化層、AlGaN或A1N)、高溫生長GaN緩沖層以 及包括調(diào)制摻雜栽流子供應(yīng)層的AlxGa^N勢壘層。下面描迷一個(gè)實(shí) 施例的增強(qiáng)型III氮化物HFET的制造方法。臺(tái)面隔離利用Cl2/He等離子體干式蝕刻、然后是具有以850。C退火45秒的Ti、 Al、 Ni和Au 的源極/漏極歐姆接觸形成160來形成，如圖3B所示。隨后，光致抗 蝕劑170形成圖案而曝光柵極窗口。然后，通過例如氟等離子體處理 或者氟離子注入，把氟離子加入AlxGa^N勢壘層，如圖3C所示。柵 電極180通過淀積和剝離Ni及Au在勢壘層140上形成，如圖3D所 示。此后，后柵極RTA在400-450°C進(jìn)行10分鐘。鈍化層190在晶 片頂部生長，如圖3E所示。最后，通過消除接觸焊盤上的鈍化層的 部分打開接觸焊盤，如圖3F所示。 實(shí)例在Aixtron AIX 2000 HT金屬有機(jī)化合物化學(xué)汽相淀積(MOCVD) 系統(tǒng)中在(0001)藍(lán)寶石襯底上生長AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu) HEMT結(jié) 構(gòu)由低溫GaN核化層、2,5-m厚的無意識摻雜GaN緩沖層以及具有標(biāo) 稱30% AI成分的AlGaN勢壘層組成。勢壘層由3-mn未摻雜隔離片、 以2.5 x 10"cm^摻雜的15-nm載流子供應(yīng)層以及2-nm未摻雜覆蓋層 組成。結(jié)構(gòu)的室溫霍爾測量得到1.3xl0"cm々的電子片密度以及1000 cm2/Vs的電子遷移率。器件臺(tái)面利用STS ICP-R正系統(tǒng)中的Cl2/He 等離子體干式蝕刻、然后是具有以850°C退火45秒的Ti/Al/Ni/Au的 源極/漏極歐姆接觸形成來形成。歐姆接觸電阻通常被測量為0.8 ohm-mm。在通過接觸光刻打開具有1 nm長度的柵極窗口之后，樣本在RIE 系統(tǒng)中通過CF4等離子體以150 W的RF等離子體功率處理150秒。 處理的壓力通常為50mTorr。經(jīng)由該處理這樣加入的氟離子的典型深 度分布曲線為高斯的，以及氟濃度從峰值下降一個(gè)數(shù)量級時(shí)的典型深 度是20nm,注意，離子注入是加入氟離子的另一種方法，并且估計(jì) 將需要大約10KeV的能量。隨后執(zhí)行Ni/Au電子束蒸發(fā)和剝離以形成柵電極。等離子體處理 的柵極區(qū)和柵電極自對準(zhǔn)。后柵極RTA在400。C進(jìn)行10分鐘。這個(gè) RTA溫度經(jīng)過選擇，因?yàn)樵诟哂?00。C的溫度的RTA可能使柵極肖特基接觸和源^/漏極歐姆接觸都降級。器件具有Lsg-l nm的源-柵極間 隔以及Lgd=2nm的柵-漏極間隔。D型HEMT也在相同的樣本上制作， 而沒有對柵極區(qū)進(jìn)行等離子體處理。圖2說明D型以及E型(后柵極退火之前及之后)AlGaN/GaN HEMT的轉(zhuǎn)移特性。把V也定義為漏極電流的線性外插在峰值跨導(dǎo)(^n) 點(diǎn)的柵極偏置截距，E型器件的V也確定為0.9V,而D型器件的Vth 為-4.0V。高于4V的Vth移位通過等離子體處理來實(shí)現(xiàn)。在Vgs^0處， 跨導(dǎo)達(dá)到零，表明真實(shí)的E型操作。漏極電流被完全夾斷，并且在 Vds = 6V時(shí)顯示28 [lAAnm的泄漏，即對于E型AlGaN/GaN HEMT 最近報(bào)告的最小值。峰值^n分別對于D型HEMT為151 mS/mm以及 對于E型HEMT為148 mS/mm。最大漏極電流(I,yf于E型HEMT 在3 V的柵極偏置(Vgs)時(shí)達(dá)到313 mA/mm,在RTA之前及之后的E 型器件的電流-電壓(I-V)特性的比較表明，以400°C進(jìn)行10分鐘的RTA 在恢復(fù)等離子體處理期間引起的損壞以及實(shí)現(xiàn)高電流密度和跨導(dǎo)方 面起重要作用。圖4A說明RTA過程之前和之后的E型器件的輸出曲 線。在RTA之后沒有觀察到門限電壓的變化。在2.5V的Vgs，以400°C 進(jìn)行的RTA之后的E型器件的飽和漏極電流(247 mA/mm)比RTA之 前的(133 mA/mm)高85%,以及具有RTA的E型器件的拐點(diǎn)電壓為 2.2V，其中漏極電流為95%的飽和漏極電流。在Vgs-OV的截止?fàn)顟B(tài) 漏極擊穿電壓大于80V,表明與D型HEMT中所觀察的相比沒有降 級。圖4B說明這三個(gè)器件的Ig/Vgs曲線。對于E型HEMT實(shí)現(xiàn)更低 的柵極漏電流，特別是在RTA之后。為了研究通過CRt等離子體處理的V也移位的機(jī)制，對伴隨的樣 本進(jìn)行二次離子質(zhì)語(SIMS)測量，以便監(jiān)測CF4等離子體處理的 AlGaN/GaN材料的原子組成變化。除了 Al、 Ga和N之外，在等離子 體處理后的樣本中檢測到大量氟原子。圖5說明以150W的CRt等離 子體功率處理2.5分鐘的樣本的氟原子濃度分布曲線。氟原子的濃度 在AlGaN表面附近最高，并在溝道中下降一個(gè)數(shù)量級?？梢酝茢?，通過CF4等離子體所產(chǎn)生的氟離子被加入樣本表面，與作為開發(fā)用于實(shí)現(xiàn)先進(jìn)硅技術(shù)中的超淺結(jié)的技術(shù)的等離子體浸入離子注入("Pin")的效果相似。由于氟離子的強(qiáng)負(fù)電性，加入的氟離子可在AlGaN勢壘 中提供固定的負(fù)電荷并且有效地耗盡溝道中的電子.隨著足夠的氟離 子 口入AlGaN勢壘，D型HEMT可轉(zhuǎn)換為E型HEMT。 CF4等離 子體處理可產(chǎn)生大至4.9 V的門限電壓移位。在以400。C進(jìn)行10分鐘 的RTA之后，AlGaN表面附近的峰值氟原子濃度沒有改變，而 AlGaN/GaN界面周圍則遇到更明顯的降低。但是應(yīng)當(dāng)注意，來自不同 行程的SIMS測量結(jié)果由于缺乏參考標(biāo)準(zhǔn)而沒有提供精確的定量比 較。然而，在RTA之前和之后的V也的小變化表明，被加入AlGaN勢 壘的氟離子的總數(shù)在RTA之前和之后接近常數(shù)，而等離子體損壞則通 過RTA得到較大的恢復(fù)。E型HEMT的較低柵極反向漏電流可歸因 于由于氟離子加入而引起的AlGaN層的向上能帶彎曲，在RTA過程 之后，CF4所引起的金屬和AlGaN的界面上的缺陷被恢復(fù)，從而產(chǎn)生 對柵極漏電流的進(jìn)一步抑制。從對于形成圖案的樣本進(jìn)行的原子力顯 微術(shù)("AFM")測量中觀察到，等離子體處理僅產(chǎn)生整個(gè)AlGaN勢壘 層(20 nm厚)的0.8 nm的減小。/人0.1至39.1 GHz測量D型和E型AlGaN/GaN HEMT的晶片上 小信號RF特性。具有1 pm長柵極的兩種類型的器件的電流增益和最 大穩(wěn)定增益/最大可用增益(MSG/MAG)作為頻率的函數(shù)從所測量S參 數(shù)中得出，如圖5所示。在Vds=12和VgS=l.9 V處，對于E型AlGaN/GaN HEMT獲得10.1 GHz的電流增益截止頻率(^)以及34.3 GHz的功率增 益截止頻率(/kw)，略小于它的D型對應(yīng)物，后者的在12V的漏極偏 置和-3V的柵極偏置上分別測量為13.1和37.1 GHz。本創(chuàng)新的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，具有被加入勢壘層的氟離子的E型HFET 可經(jīng)受與更大輸入電壓擺動(dòng)對應(yīng)的更大柵極偏置(〉3V)。熱可靠性測試也已經(jīng)表明，AlGaN勢壘中的氟離子加入一直到 700。C都是穩(wěn)定的。但是，由鎳制作的肖特基接觸僅在5Q0。C以下才^:穩(wěn)定的。因此，應(yīng)用溫度范圍高達(dá)500°C，除非采用另一種肖特基 接觸技術(shù)。鴒柵極是一種可能的候選者。在圖7中，說明通過SMS測量的不同后柵極RTA對AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的氟原子分布的影響。未處理器件用作參考?？梢园l(fā)現(xiàn)，通過CF4等離子體處理被加入AlGaN勢壘層的氟離子 可有效地使門限電壓正向移位。AlGaN層中的氟離子的加入通過二次 離子質(zhì)譜(SIMS)測量來確認(rèn)，如圖7所示。在CF4等離子體處理中， 氟離子在RF功率所模擬的自建電場中被注入AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)。從圖7所示的結(jié)杲中還得出，注入的氟離子一直到700。C都在 AlGaN層中具有良好的熱穩(wěn)定性。應(yīng)當(dāng)注意，雖然氟離子的存在被確 定為門限電壓移位的原因，但是不清楚氟離子占據(jù)什么位置，是填隙 還是替位。已經(jīng)對于CF4等離子體所處理的HEMT樣本進(jìn)行深能級瞬 態(tài)光語學(xué)("DLTS"),祐Jo入AlGaN勢壘的氟離子看來引入低于導(dǎo)帶 最小值至少1.8eV的深能級狀態(tài)。因此，氟離子被認(rèn)為在AlGaN中引 入類似帶負(fù)電荷受主的深能級。注意，在例如圖7的SIMS圖表中，難以從SIMS測量中進(jìn)行濃 度的精確計(jì)算，因?yàn)椴恢郎涫笮?。但是，根?jù)帶結(jié)構(gòu)和門限電壓 計(jì)算，F(xiàn)濃度的峰值可能高到大約1 x 20 cm-3。在圖7A中，說明通過SIMS測量的未經(jīng)RTA的不同等離子體功 率,于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的氟原子分布的影響。注意，200W和400W線條表明AlGaN/GaN界面之間的界面上的 "凸起(bump)"。在加入過程中，氟離子可能填充表面或界面狀態(tài)(或 "阱")，產(chǎn)生"反常停止"。因此，這表明在界面上存在更多阱。此 外，600W和800W線條沒有表明凸起，很可能是因?yàn)楦蟮拇┩干?度和整體濃度。未處理的器件用作參考。在圖7B中，說明通過SMS測量的對于 RTA采用600W的固定功率的不同后柵極處理溫度對AlGaN/GaN異 質(zhì)結(jié)構(gòu)中的氟原子分布的影響。未處理的器件用作參考。注意，7Q0。C及以下的AlGaN中的分布顯示根Dt的常規(guī)效果，但是AlGaN層中的 分布似乎反映極為不同的擴(kuò)散率(或者可能的其它某種激活能量效 果)。因此，數(shù)據(jù)表明，氟離子在AlGaN中比在GaN中更穩(wěn)定。此外， 結(jié)合能可能更高，以及f^目關(guān)的能態(tài)在MGaN中比在GaN中低于導(dǎo) 帶的程度更大。還研究了對于等離子體處理參數(shù)的敏感度。通過應(yīng)用不同的CF4 等離子體功率和處理時(shí)間以不同的Vth值來制作器件。采用五種不同 的組合100 W、 60秒，150 W、 20秒，150 W、 60秒，150 W、 150 秒以及200 W、 60秒。為了進(jìn)行比較，未經(jīng)CF4處理的HEMT也在相 同的樣本上并且在相同的加工過程中制作。所有器件未經(jīng)鈍化，以便 避免鈍化層引起的任何混亂，它可能改變AlGaN層的應(yīng)力并且改變壓 電極化。所有HEMT器件具有1 pra的柵極長度、Lsg=lnm的源-柵極 間隔以及Lgd=2|im的柵，漏極間隔。制作的器件的DC電流-電壓(I-V) 特性采用HP4156A^t分析儀來測量。轉(zhuǎn)移特性和跨導(dǎo)(^0特性分別 如圖8A和圖8B所示。采取傳統(tǒng)的HEMr(即未經(jīng)CRt等離子體處理) 作為基線器件，所有其它CF4等離子體處理的HEMT的門限電壓移向 正方向。把V化定義為在峰值跨導(dǎo)(^n)點(diǎn)的漏極電流的線性外插的柵極 偏置截距，所有器件的Vth在圖9中提取并列出。對于傳統(tǒng)的HEMT， Vth為-4 V。對于通過CF4等離子體以150 W處理150秒的HEMT， Vth為0.9V，它對應(yīng)于E型HEMT。實(shí)現(xiàn)4.9V的最大Vth移位。為了 進(jìn)一步揭示CF4等離子體處理的效果，V也與CEt等離子體處理時(shí)間以 及RF功率的相關(guān)性在圖IO中繪出曲線。隨著等離子體功率增大以及 采用更長的處理時(shí)間，實(shí)現(xiàn)Vth的更大移位。隨著等離子體處理時(shí)間 的增加，更多氟離子被注入A!GaN層。增大的氟離子濃度導(dǎo)致溝道中 減小的電子密度，并且引起Vth的正移位。當(dāng)?shù)入x子體功率增大時(shí)， 氟離子獲得更高能量，以及氟離子流量因CF4的增強(qiáng)電離速率而增大。 采用更高的能量，氟離子可達(dá)到更接近溝道的更深的深度。氟離子越 接近溝道，則它們在耗盡2DEG時(shí)更有效，并且實(shí)現(xiàn)V也的更大移位。增大的氟離子流量對V也具有與通過提高AlGaN層中的氟原子濃度的 等離子體處理時(shí)間的增加相同的效果。應(yīng)當(dāng)注意，準(zhǔn)線性V也對時(shí)間 以及Vth對功率關(guān)系表明AlGaN/GaN HEMT的Vth的準(zhǔn)確控制的可能性。雖然Vth通過CF4等離子伴處理被移位，但是ftn沒有降級。如圖8B所示，所有器件的最大&處于149-166mS/mm的范圍內(nèi)，除了以 150W處理60秒的器件之外，它具有186mS/mm的更高峰值fta。猜 想這個(gè)奇異點(diǎn)由外延生長中的非一致性引起。通過對CF4處理的形成 圖案的樣本(其中，樣本的一部分#:處理，并防止其它部分經(jīng)過等離子 體處理)進(jìn)行的AFM測量來確定，CF4等離子體處理僅產(chǎn)生小于1 nm 的AlGaN厚度減小，如圖11所示。因此，接近恒定的跨導(dǎo)表明，根 據(jù)本創(chuàng)新，在器件制作中保持溝道中的2DEG遷移率。保持跨導(dǎo)的一 個(gè)關(guān)鍵步驟是后柵極退火過程，通it^柵極退火恢復(fù)等離子體引起的損壞如前面所述，等離子體通常引起損壞，并產(chǎn)生半導(dǎo)體材料中的缺 陷，因而^f吏載流子的遷移率降級。RTA是一種^^復(fù)這些損壞并恢復(fù)遷 移率的有效方法。在CF4等離子體處理的AlGaN/GaN HEMT中，漏 極電流和跨導(dǎo)降級就在等離子體處理之后發(fā)生。在圖12A和圖12B中， 繪制了奉RTA(400。C, 10分鐘)之前和之后在未處理器件和已處理器 件(200W， 60秒)上測量的漏極電流和跨導(dǎo)的曲線。圖13比較RTA之 前和之后的已處理器件的輸出特性。在已處理器件中RTA之后，漏極 電流高76%,以及跨導(dǎo)高51%。 RTA過程可恢復(fù)等離子體處理后的器 件的遷移率降級的大部分，而對傳統(tǒng)的未處理器件表現(xiàn)出不明顯影 響。因此，CF4等離子體處理的器件中的Id和gm的恢復(fù)是在這個(gè)RTA 條件上的2DEG遷移率的有效恢復(fù)的結(jié)果。與在凹槽柵極的情況中恢 復(fù)由基于氯的ICP-RIE所產(chǎn)生的損壞所需的700°C的較高退火溫度相 比，這個(gè)較低的RTA溫度表明CF4等離子體處理產(chǎn)生比基于氯的 ICP-RIE更低的損壞。它還使RTA過程能夠在柵極淀積之后進(jìn)行，從 而實(shí)現(xiàn)自對準(zhǔn)工藝的目標(biāo)。如果采用Vth的先前定義，則CF4等離子體處理的器件的Vth在RTA之后似乎從0.03V移位到-0.29V。當(dāng)圖12B 所示的gm的起始點(diǎn)或者圖12A的插入圖所示的對數(shù)標(biāo)度上的Ia的起 始點(diǎn)用作評估V也的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，CF4等離子體處理后的器件的Vth在RTA 之后沒有改變。V也的良好熱穩(wěn)定性與先前所述的AlGaN層中的氟原 子的良好熱穩(wěn)定性一致。AJGaN/GaNHEMT始終呈現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱離子發(fā)射("TE")模型的 理論預(yù)測值的反向柵極漏電流。較高的柵極電流使器件的噪聲性能降 級，并且提高待機(jī)功耗。具體來說，正向柵極電流限制柵極輸入電壓 擺動(dòng)，因而限制最大漏極電流，已經(jīng)嘗試其它方式來抑制AlGaN/GaN HEMT的柵極電流，這些努力包括采用具有較高功函數(shù)的柵極金屬、 采用銅、修改HEMT結(jié)構(gòu)(例如添加GaN覆蓋層)或者轉(zhuǎn)向金屬絕緣體 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管(MISHFET)。在本創(chuàng)新的CF4等離子體 處理的AlGaN/GaN HEMT中，可實(shí)現(xiàn)反向以及正向偏置區(qū)中的柵極 電流的抑制。柵極電流抑制表明與CF4等離子體處理?xiàng)l件的相關(guān)性。圖14A和圖14B說明釆用不同的CF4等離子體處理的AlGaN/GaN HEMT的柵極電流。圖14B是正向柵極偏置區(qū)的放大曲線。在反向偏 置區(qū)中，與未經(jīng)CF4等離子體處理的傳統(tǒng)HEMT相比，所有CF4等離 子體處理的AlGaN/GaN HEMT的柵極漏電流減小。在Vg--20V,柵 極漏電流從傳統(tǒng)HEMT的1.2xl(T2A/imn到以200W等離子體處理60 秒的AlGaN/GaNHEMT的7x10—7A/mm下降超過四個(gè)數(shù)量級。在正向 區(qū)中，所有CF4等離子體處理的AlGaN/GaN HEMT的柵極電流也減 小。因此，柵極肖特基二極管的導(dǎo)通電壓擴(kuò)展，以及柵極輸入電壓擺 動(dòng)增加。采用1mA/mm作為標(biāo)準(zhǔn)，柵極肖特基二極管的導(dǎo)通電壓從傳 統(tǒng)HEMT的IV增加到以200 W經(jīng)60秒的CF4等離子體處理的 AlG藩GaN HEMT的1.75 V。CF4等離子體處理的AlGaN/GaN HEMT中的柵極漏電流的抑制可 說明如下。在CF4等離子體處理中，氟離子被加入AlGaN層。具有強(qiáng)負(fù)電性的這些離子用作固定負(fù)電荷，它們因靜電感應(yīng)效應(yīng)而引起AlGaN勢壘層中的向上導(dǎo)帶彎曲。因此，形成如圖23所示的附加勢壘高度。f，以及有效金屬半導(dǎo)體勢壘高度從OB增加到0B+0F。這種增加的勢壘高度可有效地抑制反向以及正向偏置區(qū)中的柵極肖特基 二極管電流。采用更高的等離子體功率和更長的處理時(shí)間，AlGaN層 中的氟離子濃度增加，以及有效勢壘高度進(jìn)一步提高，從而產(chǎn)生更顯 著的柵極電流抑制。在圖9中，詳細(xì)說明通過利用TE模型從測量的 柵極電流的正向區(qū)提取的有效勢壘高度和理想因數(shù)。傳統(tǒng)HEMT的有 效勢壘髙度為0.4eV，而對于以200W進(jìn)行60秒的CRt等離子體處理 的HEMT，有效勢壘高度增加到0.9eV。 CF4等離子體處理的HEMT 的有效勢壘高度還顯示隨等離子體功率和處理時(shí)間增加的趨勢，除了 以150W處理20秒的HEMT之外，它具有較高的有效勢壘高度。這 個(gè)例外被認(rèn)為是由于加工變化引起的。所提取有效勢壘高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 理論預(yù)測值和很大的理想因數(shù)(>2.4)的事實(shí)表明，制作的AJGaN/GaN HEMT的柵極電流不是由TE機(jī)制而是由其它機(jī)制、如垂直隧穿、表 面勢壘細(xì)化以及阱輔助隧穿來控制的。因此，通過利用TE才莫型提取 的勢壘高度和理想因數(shù)不準(zhǔn)確。然而，它們提供用于說明CF4等離子 體處理的AlGaN/GaN HEMT中的柵極電流抑制的機(jī)制的充分定性信 息。動(dòng)態(tài)I-V特性通過利用Accent DIVA D265系統(tǒng)研究CF4等離子體 處理對漏極電流擴(kuò)散的影響來進(jìn)行。脈沖寬度為0.2^s，并且脈沖間隔 為l ms。靜點(diǎn)處于略( 0.5V)低于夾斷的VGS，且Vds-15V。與靜態(tài) I-V特性相比，傳統(tǒng)D型HEMT的最大漏極電流降低63。/。，而采用以 150 W進(jìn)行150秒的CF4等離子體處理的E型HEMT的最大漏極電流 降低6%。E型HEMT的漏極電流下降的減輕可能是由靜點(diǎn)的提高的柵極偏 置引起的(對于E型HEMT, VGS=OV，對于D型HEMT, VGS=-4.5V)。 RF小信號特性制作的AJGaN/GaN HEMT的晶片上小信號RF特性描述利用 Cascade微波探針和Agilent 8722ES網(wǎng)絡(luò)分析儀在0.1-39.1GHz的頻率 范圍上進(jìn)行。采用假焊盤的S參數(shù)來執(zhí)行開放焊盤解嵌，以便消除探 測焊盤的寄生電容。具有1 nm長的柵極的所有器件的電流增益和最 大穩(wěn)定增益/最大可用增益(MSG/MAG)作為頻率的函數(shù)從解嵌S參數(shù)中得出。電流截止頻率(/D和最大振蕩頻率(Tmax)以單位增益從電流增益 和MSG/MAG中提取。已經(jīng)觀察到，本征ft和f皿在沒有解嵌過程時(shí)一般比非本征的高10-15%。對于E型HEMT， /和/,與柵極偏置的 相關(guān)性如圖15所示。,以及/r^在低和高柵極偏置上都比較恒定，表 明良好線性度。圖16列出所有樣本的/和/皿。對于傳統(tǒng)的HEMT， /t和/max為13.1和37.1GHz,而對于CF4等離子體處理的HEMT, /t 和/nmx近似為10和34GHz,略低于傳統(tǒng)的HEMT,但是除以150W處 理60秒的HEMT之外。150W/60秒的器件中的這個(gè)較高的/t和/皿 與之前提供的較高的^n一致，并且歸因于材料不一致性和加工變化。 CF4等離子體處理的HEMT中略低的/t和/max表明，以400°C進(jìn)行的 后柵極RTA可有效地恢復(fù)通過等離子體處理而降級的2DEG遷移率， 但恢復(fù)小于100°/。。我們建議，需要RTA溫度和時(shí)間的優(yōu)化來進(jìn)一步 改進(jìn)2DEG遷移率，同時(shí)沒有使柵極肖特基接觸降級。 MISHFET在另一個(gè)實(shí)施例中，E型Si3N4/AlGaN/GaN MSHFET采用兩級 Si3N4過程來構(gòu)建，它以柵極之下的Si3N4薄層(15nm)以及接入?yún)^(qū)中的 Si3N4厚層(大約125nm)為特色?；诜牡入x子體處理用于把器件從 D型轉(zhuǎn)換到E型。具有l(wèi)卞m長柵極覆蓋面積的E型MISHFET呈現(xiàn) 2V的門限電壓、6.8V(與E型AlGaN/GaN HEMT中實(shí)現(xiàn)的大約3V進(jìn) 行比較)的正向?qū)艠O偏置以及420mA/mm的最大電流密度。這個(gè)實(shí)例中使用的AlGaN/GaN HFET結(jié)構(gòu)在Aixtron AIX 2000 HT MOCVD系統(tǒng)中的(0001 )藍(lán)寶石村底上生長。HFET結(jié)構(gòu)由50-nm 厚的低溫GaN核化層、2.5卞m厚的無意識摻雜GaN緩沖層以及具有標(biāo)稱30% Al成分的AlGaN勢壘層組成。勢壘層由3-nm未摻雜隔離 片、以2xl018 cra^摻雜的16-nm載流子供應(yīng)層以及2-nm未摻雜覆蓋 層組成。水銀探針進(jìn)行的電容-電壓("C-V")測量對于這個(gè)樣本產(chǎn)生 4V的初始門限電壓。加工流程如圖17A至17F所示。器件臺(tái)面利用 STS ICP-R正系統(tǒng)中的Cl2/He等離子體千式蝕刻、然后是具有以850°C 退火30秒的Ti/Al/Ni/Au(20 nm/150 nm/50 nm/80 nm)的源極/漏極歐姆 接觸形成來形成，如圖17A所示。然后，第一Si3N4層(大約125 run) 通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積(PECVD)淀積到樣本上，如圖17B所 示。在通過光刻打開具有1-拜長度的柵極窗口之后，樣本放在RIE 系統(tǒng)中經(jīng)過CF4等離子體處理，它在AlGaN中消除SbN4和加入氟離 子。等離子體的RF功率為150W，如圖17C所示。氣流凈皮控制為150 sccm,以及總蝕刻和處理時(shí)間是190秒。在消除光致抗蝕劑之后，笫 二 Si3N4薄膜(大約15 nm)通過PECVD被淀積以便形成柵極金屬與 AlGaN之間的絕緣層，如圖17D所示。隨后，Si3NU層被形成圖案和 蝕刻，以便在源極和漏極歐姆接觸區(qū)域中打開窗口，如圖17E所示。 然后，2羋m長的柵電極通過光刻、然后是Ni/Au( 50nm/300 nm)的 電子束蒸發(fā)和剝離來定義，如圖17F所示。為了確保柵電極覆蓋整個(gè) 等離子體處理區(qū)域，金屬柵極長度(2 [im)被選擇為大于已處理柵極區(qū) (1拜)，從而產(chǎn)生T柵極配置。懸于源/漏極接入?yún)^(qū)域中的柵極通過厚 Si3lSU層與AlGaN層絕緣，使柵極電容保持在低水平。最后，整個(gè)樣 本以400°C退火10分鐘，以便修復(fù)AlGaN勢壘和溝道中的等離子體 引起的損壞。從柵極的底部進(jìn)行測量，柵極-源極和柵極-漏極間隔均 為1.5 pm。對于dc測試采用10 nm的柵極寬度以及對于RF特征描述 采用100 tim的柵極寬度來設(shè)計(jì)E型MISHFET。所構(gòu)建的器件則被表征。在圖18中繪制了 E型MSHFET的DC 輸出特性。在Vgs-7V，器件呈現(xiàn)大約420mA/mm的峰值電流密度、 大約5.67Q'mm的導(dǎo)通電阻以及大約3.3V的拐點(diǎn)電壓。圖19A說明 具有l(wèi)xlO卞m柵極尺寸的相同器件的轉(zhuǎn)移特性，可以看到，Vth大約為2V,表明通過插入Si3N4絕緣體和等離子體處理實(shí)現(xiàn)的Vth的6-V 移位(與傳統(tǒng)的D型HFET進(jìn)行比較)。峰值跨導(dǎo)gm大約為125 mS/mm。 圖19B說明負(fù)偏置以及正向偏置時(shí)的柵極漏電流。柵極的正向偏置導(dǎo) 通電壓大約為6.8V，提供比E型HFET大得多的柵極偏置擺動(dòng)。采用 0.2網(wǎng)的脈沖長度和1 ms的脈沖間隔對具有1 x 100卞m柵極尺寸的E 型MISHFET進(jìn)行脈沖測量。靜態(tài)偏置點(diǎn)選擇在Vgs-0V(低于V也)和 VDS=20V。圖20表明，脈沖峰值電流高于靜態(tài)的，表明器件中沒有電 流崩塌。具有100卞m柵極寬度的大器件的靜態(tài)最大電流密度大約為 330mA/mm，小于具有10卞m柵極寬度的器件(大約420 mA/mm)。較 大器件中的較低峰值電流密度是由于降低電流密度的自動(dòng)加熱效應(yīng) 引起的。由于在脈沖測量期間出現(xiàn)極小自動(dòng)加熱，因此，100卞m寬的 器件的最大電流可達(dá)到與10卞m寬的器件相同的電平。晶片上小信號 RF特性從0.1至39.1GHz在VDS=10V對100卞m寬的E型MISHFET 執(zhí)行。如圖21所示，最大電流增益截止頻率(fr)和功率增益截止頻率 (fmax)分別為13.3和23.3GHz。當(dāng)柵極偏置為7V時(shí)，小信號RF性能 沒有明顯降級，其中具有13.1GHz的fr和20.7GHz的fmax，表明Si3N4 絕緣體提供柵極金屬與半導(dǎo)體之間的良好絕緣。 模型為本創(chuàng)新的一部分開發(fā)了理論表征模型。對于具有硅調(diào)制摻雜層 的傳統(tǒng)AlGaN/GaN HEMT，如圖7所示，在計(jì)算HEMT門限電壓時(shí) 需要考慮極化電荷。通過考慮電荷極化、表面和緩沖阱的效應(yīng)從一般 使用的公式進(jìn)行修改，AlGaN/GaN HEMT的門限電壓可表示為<formula>formula see original document page 22</formula>其中參數(shù)定義如下 ^s是金屬半導(dǎo)體肖特基勢壘高度。說明書第20/32頁ff是在勢壘-AlGaN/GaN界面上的總凈(自發(fā)的以及壓電的)極化電荷。dAMGaN勢壘層厚度。 AUX)是硅摻雜濃度。A^c是在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上的導(dǎo)帶偏移。 是GaN溝道的本征費(fèi)米能級與導(dǎo)帶邊緣之間的差。s是AlGaN的介電常數(shù)。 A^是每個(gè)單位面積的凈電荷表面阱。M是每個(gè)單位面積的有效凈電荷緩沖阱。G是每個(gè)單位面積的有效緩沖-溝道電容。等式(1)中的最后兩項(xiàng)分別描述表面阱和緩沖阱的效應(yīng)。AlGaN表 面處于x=0，以及指向溝道的方向?yàn)榧傻恼较?。為了表示以上?述的器件，固定負(fù)電荷被引入柵極之下的AlGaN勢壘層。由于靜電感 應(yīng)，這些固定負(fù)電荷可耗盡溝道中的2DEG,提高能帶，因而調(diào)制Vth。 包括AlGaN勢壘中限定的負(fù)電荷的效應(yīng)，從等式(l)修改的門限電壓 表示為<formula>formula see original document page 23</formula>正電荷分布曲線/4(jc)由凈電荷分布Wsi(;c)- Mr(JC)代替，其中WF(JC) 為帶負(fù)電荷氟離子的濃度。表面阱密度(Ag可通過等離子體處理來修 改。通過應(yīng)用泊松方程和費(fèi)米-迪拉克統(tǒng)計(jì)，才莫擬由帶有和沒有被加入 AlGaN層的氟離子的AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶分布曲線和電子 分布來組成。兩種結(jié)構(gòu)都具有相同的外延結(jié)構(gòu)，如圖7所示。對于加 入氟離子的HEMT結(jié)構(gòu)，帶負(fù)電荷氟離子的分布曲線從通過CF4等離 子體以150 W處理150秒并轉(zhuǎn)換為E型HEMT的AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)的氟原子分布的SMS測量結(jié)果中提取。在圖22和圖23中繪制 了零柵極偏置時(shí)的模擬導(dǎo)帶圖。對于E型HEMT的^^擬導(dǎo)帶，如圖 22所示，氟濃度通過利用峰值氟濃度在AlGaN表面為3x10" crn^的 線性分布來近似計(jì)算，以及氟濃度假定為在AlGaN/GaN界面上是可 忽略的。大約3xl013 cn^的總氟離子片濃度足以不僅岸Ht AlGaN勢 壘中的硅摻雜(大約3.7xl0"cm力，而且還補(bǔ)償壓電和自發(fā)極化感應(yīng)電 荷(大約lxl013 cm'2)?？捎^察到兩個(gè)顯著特征。首先，與未處理 AlGaN/GaNHEMT結(jié)構(gòu)相比，等離子體處理的結(jié)構(gòu)的2DEG溝道的導(dǎo) 帶最小值高于費(fèi)米能級，表明完全耗盡的溝道和E型HEMT。如圖24 中的電子分布曲線所示，在等離子體處理的結(jié)構(gòu)中，在零柵極偏置下 的溝道中沒有電子，表明E型HEMT操作。其次，固定帶負(fù)電荷氟離 子特別在AlGaN勢壘中導(dǎo)致導(dǎo)帶的向上彎曲，從而產(chǎn)生附加勢壘高度 OF,如圖23所示，這種增強(qiáng)的勢壘可明顯抑制反向以及正向偏置區(qū) 中的AlGaN/GaN HEMT的柵極肖特基二極管電流。單片集成E/D型HFET的外延結(jié)構(gòu)由以下各項(xiàng)組成(a)半導(dǎo)體 襯底(藍(lán)寶石，SiC，硅，AlN或GaN等)；(b)在村底上生長的緩沖層； (c)溝道層；(d)勢壘層，包括未摻雜間隔層、調(diào)制摻雜載流子供應(yīng)層 和未摻雜覆蓋層。制作過程包括(f)有源區(qū)隔離；(g)源極和漏極端 子上的歐姆接觸形成；(h)E型HFET的柵極區(qū)域的光刻；(i)對E型 HFET的曝光勢壘層的基于氟化物的等離子體處理；(j) E型HFET的 柵極金屬淀積；(k) D型HFET的柵極區(qū)的光刻；(1) D型HFET的柵 極金屬淀積；ml)D型和E型HFET的表面鈍化；(n)以升高的溫度進(jìn) 行的柵極退火。這種單片集成的示意加工流程如圖25所示。上迷單片集成過程中的有源器件隔離采用臺(tái)面蝕刻，它以通過蝕 刻技術(shù)在沒有HFET的區(qū)域中的有源區(qū)域消除為特色。這種方法對集 成密度、光刻分辨率施加限制。對于高頻電路，臺(tái)面的邊緣還對波的 傳播引入附加間斷，這又使電路設(shè)計(jì)和分析復(fù)雜化。由于基于氟化物 的等離子體處理能夠耗盡溝道中的電子(提供溝道的電氣截止)，因此可用于器件隔離。采用增加的等離子體功率和處理時(shí)間，不需要有源 器件的區(qū)域可在電氣上完全截止，從而提供器件之間的電氣隔離。這 種方法不涉及任何材料消除，因而實(shí)現(xiàn)平面工藝的平坦晶片表面。 實(shí)例圖26A至26F說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例單片集成集成電路的 E/D型HFET的過程。圖26A說明本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選外延結(jié)構(gòu)，其中 參考標(biāo)號110、 120、 130和140表示襯底、低溫生長GaN核化層、高 溫生長GaN緩沖層以及包括調(diào)制摻雜載流子供應(yīng)層的AlxGaLXN勢壘 層。集成電路的E/D型HFET的單片集成的制造方法如下所述。對于 D型以及E型HFET,臺(tái)面隔離同時(shí)利用Cl2/He等離子體干式蝕刻、 然后是具有以850°C退火45秒的Ti、 Al、 Ni和Au的源極/漏極歐姆 接觸形成160來形成，如圖26B所示。柵極以及D型HFET的柵極-源極互連如圖26C所示通過光致抗蝕劑170來形成圖案，之后跟隨淀 積和剝離Ni和Au 178。此后，E型HFET的柵極、烊盤和第二互連 采用光致抗蝕劑175來形成圖案，如圖26D所示。然后，例如通過氟 化物等離子體處理或者氟化物離子注入，把氟化物離子加入E型 HFET的柵極之下的AlxGa，.xN勢壘層，如圖26D所示。柵電極180 通過淀積和剝離Ni及Au在勢壘層140上形成。此后，后柵極快速熱 退火(RTA)在400-450°C進(jìn)行10分鐘。鈍化層190在晶片頂部生長， 如圖26E所示。然后，通過消除接觸焊盤和通孔上的鈍化層的部分將 它們打開，如圖26F所示。最后，形成第三互連。在對于E型HFET以150W進(jìn)行150秒的典型CF4等離子體處理層上的20nm Al0.25Gao.75N勢壘層上建立E/D HFET反相器和17級直 4妄耦合環(huán)形振蕩器。反相器在1.5V的電源電壓上具有0.21V的NML 和0.51V的NMh。當(dāng)施加3.5V的電源電壓時(shí)，17級環(huán)形振蕩器呈現(xiàn) 與130 ps的最小傳播延遲對應(yīng)的225MHz的最大振蕩頻率。 紐這個(gè)實(shí)施例描述E型和D型AlGaN/GaN HFET的平面單片集成 的方法。如第一實(shí)施例所述，有源器件之間的隔離可通過經(jīng)由建立非 平坦晶片表面的蝕刻建立有源器件臺(tái)面來獲得。在集成電路制作中， 平面工藝始終是符合需要的。遵照通過AlGaN中的帶負(fù)電荷氟離子的 溝it^盡的相同原理，可實(shí)現(xiàn)通過基于氟化物的等離子體處理的預(yù)期 無源(被隔離)區(qū)域的耗盡。等離子體功率和處理時(shí)間均可增加，以便 增強(qiáng)載流子耗盡。加工流程如圖27所示，其中(a)源^l/漏極歐姆接 觸形成；(b)通過光刻進(jìn)行的D型HFET柵極定義；(c) D型HFET柵 極金屬化以及互連形成的部分；(d)通過光刻之后跟隨等離子體處理 進(jìn)行的E型HFET柵極定義；(e) E型HFET柵極金屬化和互連形成的 部分；(f)通過光刻之后跟隨第二基于氟化物的等離子體處理進(jìn)行的 隔離區(qū)域定義；(g)之后跟隨鈍化的最終芯片。實(shí)例這個(gè)實(shí)例中的AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)在Aixtron AIX 2000 HT MOCVD系統(tǒng)中的(0001)藍(lán)寶石襯底上生長。HEMT結(jié)構(gòu)由低溫GaN 核化層、2.5-m加厚的無意識摻雜GaN緩沖層以及具有標(biāo)稱30% Al成 分的AlGaN勢壘層組成。勢壘層由3-nm未摻雜隔離片、以2x1018 cm'3 摻雜的21-nm栽流子供應(yīng)層以及2-nm未摻雜覆蓋層組成。結(jié)構(gòu)的室 溫霍爾測量產(chǎn)生1.3x1013 cn^的電子片密度以及950ct^/Vs的電子遷 移率。集成工藝流程如圖28所示。首先，E/D型器件的源極/漏極歐姆 接觸同時(shí)通過電子束蒸發(fā)的Ti/Al/Ni/Au (20 nm/150 nm/50 nm/80 nm) 的淀積和以850。C進(jìn)行30秒的快速熱退火來形成，如圖28(a)所示。 其次，E/D型兩種器件的有源區(qū)域通過光刻來形成圖案，其后跟隨反 應(yīng)離子蝕刻系統(tǒng)中的CF4等離子體處理。等離子體功率為300W,以 及處理時(shí)間為100秒。氣流被控制為150sccm，以及等離子體偏置設(shè) 置為0V。隔離區(qū)域是其中大量氟離子械力口入表面附近的AlGaN和 GaN層、然后耗盡溝道中的二維電子氣的位置，如圖28(b)所示。然后，D型HEMT的柵電極通過接觸光刻、之后跟隨Ni/Au(50 nm/300 nm) 的電子束蒸發(fā)和剝離來形成圖案，如圖28(c)所示。隨后，定義E型 HEMT的柵電極和互連。在Ni/Au的電子束蒸發(fā)之前，E型HEMT的 柵極區(qū)域通過CF4等離子體以170 W處理150秒(它具有對AlGaN的 可忽略的蝕刻)，如圖28(d)所示。這個(gè)等離子體處理執(zhí)行把處理的器 件從D型轉(zhuǎn)換為E型HEMT的功能。200nm厚的氮化珪鈍化層通過 PECVD淀積，以及打開探測焊盤。然后，樣本以400°C退火10分鐘， 以便修復(fù)E型HEMT的AlGaN勢壘和溝道中的等離子體引起的損壞， 如圖28(e)所示。作為比較，D型器件在來自相同襯底的另一個(gè)樣本上 通過標(biāo)準(zhǔn)工藝來制作，在標(biāo)準(zhǔn)工藝中，感應(yīng)耦合等離子體反應(yīng)離子蝕 刻用于把臺(tái)面定義為有源區(qū)域。對于圖1A所示的直接耦合FET邏輯 反相器，E型HEMT驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)成柵極長度、柵極-源極間隔、柵極-漏極間隔和柵極寬度分別為1.5、 1.5、 1.5和50jnm; D型HEMT負(fù)載 設(shè)計(jì)成柵極長度、柵極-源極間隔、柵極-漏極間隔和柵極寬度為4、 3、 3和8 pm，產(chǎn)生16.7的比率p = (We/Le)/(Wd/Ld)。對于表征制作具有 1.5xlO(Him的柵極尺寸的分立E型和D型HEMT, 器件和電路特性對于通過平面工藝制作的E/D型HEMT,在圖29中繪制了輸出 特性。D型和E型HEMT的峰值電流密度大約為730和l卯mA/mm。 圖30說明平面與標(biāo)準(zhǔn)工藝之間的DC轉(zhuǎn)移特性比較?？梢钥吹?，平面 工藝的漏極漏電流大約為0.3mA/mm，達(dá)到與通過標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)面蝕刻制作 的器件相同的水平。通過平面工藝的D型HEMT具有與通過標(biāo)準(zhǔn)工 藝的相當(dāng)?shù)穆O電流和跨導(dǎo)特性，如圖30(b)所示。另外，兩個(gè)焊盤之 間(400 x 100 nm"的漏電流采用150拜的間隔來測量。在10V的DC 偏置上，在標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)面蝕刻樣本的相同電平(大約30nA)，通過平面工藝 的漏電流大約為38^iA。與標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)面工藝相比，基于氟化物的等離子 體處理可實(shí)現(xiàn)有源器件隔離的相同等級，從而實(shí)現(xiàn)完全平面集成工 藝。與D型器件相比，E型HEMT呈現(xiàn)更小的跨導(dǎo)("gm")，這是由等離子體引入的損壞的不完全恢復(fù)引起的。樣本已經(jīng)通過以400'C進(jìn) 行的熱退火的事實(shí)還表明，在至少一直到400'C的溫度上預(yù)計(jì)有良好 的熱穩(wěn)定性。應(yīng)當(dāng)注意，還開發(fā)離子注入技術(shù)用于通過多個(gè)能量N+ 注入以便在GaN緩沖層的整個(gè)厚度上產(chǎn)生嚴(yán)重晶格損壞所實(shí)現(xiàn)的器 件間隔離。與離子注入技術(shù)相比，CF4等離子體處理技術(shù)具有低成本 和低損壞的優(yōu)點(diǎn)。通過平面集成工藝制作的E/D型HEMTDCFL反相器被表征。圖 31說明在電源電壓VDD = 3.3V的反相器的測量靜態(tài)電壓轉(zhuǎn)移曲線。高 和低輸出邏輯電平(VoH和VoL)分別為3.3和0.45 V,其中具有2.85V 的輸出擺動(dòng)(VoH-VoL)。線性區(qū)域中的DC電壓增益為2.9。通過定義 單位增益點(diǎn)上的V仏和Vm的值，低和高噪聲容限為0.34和1.47 V。 在圖31中還示出反相器DC電流。具有E型器件夾斷的漏電流大約 為3^A，它與分立器件結(jié)果一致。實(shí)例質(zhì)結(jié)構(gòu)。它們包括以下各項(xiàng)2.5 nm GaN緩沖層和溝道，2 nm未摻 雜Al0.25Gao.75N間隔片，具有以1x1018 cm-3摻雜的Si的15nm Al0.25Gao.75N栽流子供應(yīng)層，以及3 nm未摻雜Alo.25Gao.75N覆蓋層。 結(jié)構(gòu)在Aixtron 2000 HT MOCVD系統(tǒng)中在藍(lán)寶石襯底上生長。工藝流 程如圖33(a)至33(f)所示。臺(tái)面和源才S7漏極歐姆接觸同時(shí)為E型以及D型HEMT形成，如 圖33(a)和(b)所示。然后，D型HEMT的柵電極通過光刻、金屬淀積 和剝離來形成，如圖33(c)和(d)所示。在定義E型HEMT的柵極和互 連的圖案之后，樣本在STS RIE系統(tǒng)中通過CF4等離子體以150 W的 源功率處理150秒，如圖33(e)所示，然后是對于E型HEMT的柵極 金屬化和剝離。通過原子力顯微學(xué)("AFM")測量來檢查，AlGaN勢 壘厚度在等離子體處理之后減小0.8nm,隨后，后柵極熱退火以450 °C 進(jìn)行10分鐘，如圖33(f)所示。CF4等離子體處理把處理的GaNHEMT從D型轉(zhuǎn)換為E型。門限電壓移位量取決于處理^f牛，例如等離子體 功率和處理時(shí)間，如前面所述。后柵極退火用于恢復(fù)AlGaN勢壘和溝 道中的等離子體引入的損壞。原則上，退火溫度越高，損壞修復(fù)越有 效。但是，實(shí)際上，后柵極退火溫度不應(yīng)當(dāng)超過柵極肖特基接觸可經(jīng) 受的最高溫度(在我們的情況中， 500'C)，如前面所述。我們發(fā)現(xiàn)， D型HEMT的特性在退火之后保持不變，而E型HEMT的漏極電流 密度則顯著增加。發(fā)現(xiàn)后柵極退火對于等離子體處理所產(chǎn)生的門限電 壓移位沒有影響。對于E/D反相器和環(huán)形振蕩器，最重要的物理設(shè)計(jì)參數(shù)是驅(qū)動(dòng)/ 負(fù)載比卩=(Wg/Lg)E型/(Wg/Lg)D型。具有從6.7至50變化的卩的若 干E/D反相器和環(huán)形振蕩器在相同樣本上設(shè)計(jì)和制作。在圖34中列 出各設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)。具有l(wèi)xl00pm的柵極尺寸的分立E型和D型 GaN HEMT對于dc和RF測試在相同樣本上同時(shí)制作。E/D型HEMT的特性分立器件的DC電流-電壓(I-V)特性采用HP4156A參數(shù)分析儀來 測量。在圖35(a)中繪制了 E/D型HEMT的轉(zhuǎn)移特性。分立器件的晶 片上小信號RF表征利用Cascade微波探針和Agilent 8722ES網(wǎng)絡(luò)分 析儀在0.1-39.1 GHz的頻率范圍中進(jìn)行。在圖36中列出E/D型HEMT 的測量參數(shù)。門限電壓和峰值跨導(dǎo)(g恥m虹)對于E型HEMT為0.75V 和132mS/mm,以及對于D型HEMT為-2.6V和142mS/mm。D型HEMT 的480mA/mra的較低峰值電流密度是由于AlGaN勢壘層中25%的較 低A1成分和1x1018 cm—3的較低摻雜密度引起的。與用于RF/微波功 率放大器的AlGaN/GaNHEMT不同，數(shù)字IC對電流密度的要求較小。 如圖35(b)所示，對于E型HEMT獲得2.5V的低拐點(diǎn)電壓。在2.5V 的柵極偏置上，對于E型HEMT實(shí)現(xiàn)7.1 Q . mm的導(dǎo)通電阻，它與 相同飽和電流電平上的D型HEMT的導(dǎo)通電阻相同。 一種觀察結(jié)果 是，與D型HEMT相比，反向以及正向偏置條件中的柵極電流在E 型HEMT中顯著減小，如圖37(a)所示。這種柵極電流抑制的機(jī)制是通過由等離子體處理所引入的帶負(fù)電荷氟離子調(diào)制AlGaN勢壘中的 電勢。通過求解泊松方程和費(fèi)米-迪拉克統(tǒng)計(jì)，對于D以及E型HEMT 模擬導(dǎo)邊帶圖。對于E型HEMT的模擬導(dǎo)帶，氟分布的分布曲線通過 線性函數(shù)來近似計(jì)算，該函數(shù)的特點(diǎn)是在AlGaN表面上的3x1019 cm_3的最大氟離子濃度并在AlGaN/GaN界面上達(dá)到零(可忽略)。大約 3x1013 cn^的總氟離子片濃度足以不僅補(bǔ)償大約3.7x1012 cn^的Si+ 施主的濃度，而且還補(bǔ)償壓電和自發(fā)極化感應(yīng)電荷(大約1x1013 cm力。 應(yīng)當(dāng)注意，柵^/AlGaN結(jié)上的肖特基勢壘高度在本例中假定為保持不 變，從圖37(b)和(c)所示的模擬導(dǎo)帶看到，AlGaN勢壘的電勢可通過 氟離子的加入顯著提高，從而產(chǎn)生增強(qiáng)的肖特基勢壘以及后續(xù)的柵極 電流抑制。正向偏置中的柵極電流抑制對于數(shù)字IC應(yīng)用特別有益。 抑制的柵極電流允許E型器件的柵極偏置增加到2.5V。這種增加產(chǎn)生 更大的柵極電壓擺動(dòng)、輸入的更大動(dòng)態(tài)范圍以及更高的扇出。增加的 輸入電壓擺動(dòng)允許更高的電源電壓，它在實(shí)現(xiàn)數(shù)字IC的更高操作速 度和更高噪聲容限時(shí)是一個(gè)重要因素。沒有增加的柵極輸入擺動(dòng)，較 大的電源電壓將產(chǎn)生超過下一級的輸入柵極的導(dǎo)通電壓的輸出電壓 (在邏輯"高")。輸入的更寬動(dòng)態(tài)范圍實(shí)現(xiàn)輸入與輸出之間的直接邏 輯電平匹配，從而消除對相鄰級之間的電平調(diào)節(jié)的需要。應(yīng)當(dāng)注意，作為一般用于基于GaN的HEMT的穩(wěn)定操作的重要 技術(shù)的氮化硅鈍化還可在較低程度上影響門限電壓。 一般來說，氮化 硅鈍化層在有源區(qū)域上的淀積可改變AlGaN和GaN層中的應(yīng)力。隨 后，器件的壓電極化電荷密度和門限電壓可經(jīng)過少量修改。 一般來說， 通過高頻PECVD淀積的廣泛使用的氮化硅層在AlGaN層中引入附加 張應(yīng)力，從而產(chǎn)生十分之幾伏特的范圍中的門限電壓的負(fù)移位。實(shí)際 上，這種影響應(yīng)當(dāng)在工藝設(shè)計(jì)中加以考慮。等離子體處理劑量可相應(yīng) 增加，從而補(bǔ)償通過SiN鈍化層產(chǎn)生的門限電壓中的負(fù)移位。SiN鈍 化層的應(yīng)力還可通過修改PECVD淀積的工藝參數(shù)來減小，使得門限 電壓中的負(fù)移位為最小。實(shí)例DCFL反相器E/D HEMT反相器的電路示意圖如圖1A所示，在其中，D型 HEMT用作負(fù)栽，其柵極連接到其源極，以及E型HEMT用作驅(qū)動(dòng) 器。圖IB說明根據(jù)本創(chuàng)新的反相器的制作顯微照片，制作的反相器 采用HP4156A參數(shù)分析儀進(jìn)行表征。圖38說明典型的E/DHEMT反 相器的靜態(tài)電壓轉(zhuǎn)移特性(實(shí)線曲線)。在大輸入電壓(>2.1\0的輸出電 壓的升高是柵極肖特基二極管導(dǎo)通的結(jié)果。短劃線曲線是具有交換軸 的相同轉(zhuǎn)移曲線，并且表示下一個(gè)反相器級的輸入-輸出特性。參數(shù)定 義遵照對于基于GaAs和InP的HEMT所述。靜態(tài)輸出電平(Vcm和VoL)由穩(wěn)定平衡點(diǎn)的曲線的兩個(gè)相交點(diǎn)給定，以及兩個(gè)電平之間的差凈皮定義為輸出邏輯電壓擺動(dòng)。反相器門限電壓(Vra)^皮定義為Vin，其中Vin等于V。ut。靜態(tài)噪聲容限釆用邏輯低噪聲容限(NML)以及邏輯高噪聲容限(NMH)的最大寬度的方法來測量。在圖39中繪制了在電源電 壓VDD=1.5V具有從6.7到50變化的p的E/D反相器的測量靜態(tài)電壓 轉(zhuǎn)移曲線。高輸出邏輯電平(VoH)保持為1.5V,表明E型HEMT完全 斷開，而低輸出邏輯電平(VoO由于卩從6.7增加到50而從0.34改進(jìn) 到0.09V。因此，定義為VoH"VoL的輸出邏輯擺動(dòng)從1.16增加到1.41 V, 當(dāng)p從6.7增加到50時(shí)，Vth從0.88威小到0.61V,線性區(qū)域中的DC 電壓增益(G)從2增加到4.1。圖40列出靜態(tài)噪聲容限以及VoH、 Vol、 輸出邏輯擺動(dòng)、Vra和G的測量值。NMl以及NMh均隨P増加而改 進(jìn)。具有p-io的反相器的靜態(tài)電壓轉(zhuǎn)移曲線在不同的電源電壓上祐:測量，并在圖41中繪制曲線。電路性能參數(shù)在圖42中列出。當(dāng)電源 電壓增加時(shí)，E/D反相器的所有W:相應(yīng)增加。這意味著，電源電壓 的增加改進(jìn)E/D反相器的靜態(tài)性能。大家知道，對于HEMT和MESFET E/D反相器，輸入電壓始終受到柵極肖特基二極管的導(dǎo)通電壓限制。 在大輸入電壓時(shí)，柵極導(dǎo)電引起用作驅(qū)動(dòng)器的E型器件的寄生源極電 阻上增加的電壓降，從而提高邏輯低電平的電壓。當(dāng)電源電壓和所需輸入電壓增加時(shí)，可在靜態(tài)轉(zhuǎn)移曲線中觀察到輸出電壓的升高，如圖41所示。柵極電流在通過大輸入電壓增加時(shí)可能使反相器驅(qū)動(dòng)多個(gè)級 的能力明顯降級，從而減小扇出。通常，柵極肖特基二極管的導(dǎo)通電 壓對于常規(guī)AlGaN/GaN HEMT大約為IV。對于柵極凹槽E型GaN HEMT,變薄的AlGaN勢壘因提高的隧穿電流而進(jìn)一步減小導(dǎo)通電 壓。因此，對于基于柵極凹槽E型GaN HEMT的反相器，輸出電壓 在輸入電壓超過0.8V時(shí)升高。如前面所述，通過CF4等離子體處理制 作的E型GaNHEMT因AlGaN層中增強(qiáng)的肖特基勢壘而具有被抑制 的柵極電流，它由負(fù)電氟離子引起。這樣一種柵極電流抑制實(shí)現(xiàn)E/D 反相器的較大輸入電壓擺動(dòng)。在圖41中可以看到，輸出電壓的升高 在輸入電壓超過2V之前沒有發(fā)生，表明輸入電壓擺動(dòng)的大約1V擴(kuò)展。 圖43說明負(fù)栽電流和輸入電流與輸入電壓的相關(guān)性。^/f氐的輸入電 流(E型HEMT的柵極電流)表明更大扇出量。在"導(dǎo)通"狀態(tài)，當(dāng)輸 入電壓大于2V時(shí)，輸入電流超過10%的負(fù)載電流。 實(shí)例DCFL環(huán)形振蕩器圖1B說明DCFL環(huán)形振蕩器的示意電路圖，它采用奇數(shù)E/D反 相器鏈來形成。十七級環(huán)形振蕩器采用反相器的p=6.7、 10和25來制 作。對于各環(huán)形振蕩器，釆用36個(gè)晶體管，包括輸出緩沖器。圖1D 說明根據(jù)本創(chuàng)新的所制作環(huán)形振蕩器的顯微照片。環(huán)形振蕩器利用 Agilent E4404B頻鐠分析儀和HP 54522A示波器在晶片上表征。在環(huán) 形振蕩器的操作期間還測量DC功耗。圖44和45說明在VDD= 3.5V 偏置的具有P-10的17級環(huán)形振蕩器的頻域和時(shí)域特性?；菊袷庮l 率為225MHz。根椐每級的傳播延遲的公式Tpd-(2zi/)—、其中級數(shù)為 17,以及Tpd計(jì)算為130ps/級。在圖46中繪制了 Tpd和功率延遲乘積對 VoD的相關(guān)性。隨著電源電壓的增加，傳播延遲被減小，而功率延遲 乘積則增加，與在IV所測量的Tpd相比(234ps/級)，在3.5 V所測量的 Xpd減小45%。環(huán)形振蕩器可在這種高VDD上工作的事實(shí)歸因于集成過 程中所使用的CF4等離子體處理技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的更大輸入電壓擺動(dòng)。在IV的VoD上發(fā)現(xiàn)0.113 pJ/級的最小功率延遲乘積。圖46還說明具有 卩=6.7和25的環(huán)形振蕩器的vj及功率延遲乘積特性。對于具有 的環(huán)形振蕩器，較大的Tpd和功率延遲乘積是由于E型HEMT的更大 柵極長度(1.5pm)所確定的更大輸入電容引起的。對于具有卩=25的環(huán) 形振蕩器，較大的vi是由于D型HEMT的更大柵極長度(4,)所確 定的更低充電電流引起的，而功率延遲乘積則處于與具有的環(huán) 形振蕩器相同的等級。當(dāng)這種集成技術(shù)在亞微米體系中實(shí)現(xiàn)時(shí)，預(yù)計(jì) 柵極延遲時(shí)間會(huì)進(jìn)一步減小。近來，分立E型HEMT和DCFL環(huán)形振蕩器已經(jīng)以高達(dá)375 C的 升高溫度進(jìn)行了測試。在E型HEMT的門限電壓中沒有觀察到明顯移 位，并且環(huán)形振蕩器在375 C呈現(xiàn)70MHz的振蕩頻率，根據(jù)所公開類別的創(chuàng)造性實(shí)施例，提供場效應(yīng)晶體管，包括 源極接觸和漏極接觸；由柵極覆蓋的垂直不同質(zhì)半導(dǎo)體材料中的溝 道，它使所迷源極接觸與所述漏極接觸電氣分離；所述垂直不同質(zhì)材 料在表面附近具有更高的鋁份額和更寬的帶隙；以及所述半導(dǎo)體材料 內(nèi)的俘獲電荷的區(qū)域，它位于所述柵極與所述溝道之間，并且還朝所 述漏極橫向延伸。根據(jù)所公開類別的創(chuàng)造性實(shí)施例，提供 一種用于制作半導(dǎo)體有 源器件的方法，包括以下動(dòng)作i)把摻雜劑引入第一半導(dǎo)體材料，在 其中通過形成圖案層曝光，形成其至少一個(gè)深能級，由此引入俘獲電 荷；以及ii)形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)晶體管，它包括緊接在所述第一半導(dǎo)體的 相應(yīng)部分下方的更窄帶隙半導(dǎo)體中的溝道區(qū)；其中，所述晶體管中的 一些還包括把所述溝道區(qū)連接到相應(yīng)漏極區(qū)的所述第一半導(dǎo)體材料 的若千部分之上的所述俘獲電荷。修改和變更本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)理解，本申請所描述的創(chuàng)造性概念可在極大 范圍的應(yīng)用中進(jìn)行修改和變更，以及專利主題的范圍相應(yīng)地不受所提供的具體示范理論的任一個(gè)限制。在上述實(shí)施例中，在柵極與漏極之間提供兩級固定電荷。但是， 在備選方案中，必要時(shí)可采用附加中間步長，或者可釆用連續(xù)增量。對于高電壓應(yīng)用，還能夠利用以上對于在漏極側(cè)上使用所述的相 同技術(shù)，在源極側(cè)也包括固定電荷成分。這將使導(dǎo)通電阻輕微降級，但是在HEMT中需要經(jīng)受最大電壓的情況中可能是有利的。以上所述的方法及結(jié)構(gòu)在電場控制中提供新工具。這些概念不僅 適用于HEMT或MISHFET器件，而且適用于III-N MESFET(金屬半 導(dǎo)體FET)和MOSFET器件。(MESFET器件不采用柵極絕緣體，而是 提供柵極與溝道之間的肖特基勢壘。)對于另一個(gè)實(shí)例，半導(dǎo)體成分的小變更、例如^^磷氮化物代替純 氮化物的使用或者對于基本HEMT結(jié)構(gòu)在AlyGaLyN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上的 AlxGaLXN的使用被認(rèn)為是備選方案。對于另一個(gè)實(shí)例，在所示的各種器件結(jié)構(gòu)中，各種材料可以可選 地用于^f電極(考慮功函數(shù)的任何所產(chǎn)生的差異)。類似地，可在外延層摻雜中進(jìn)行各種變化或替代。類似地，如上所述，各種材料可以可選地用于襯底。各種公開的實(shí)施例提供具有新種類的漏極工程設(shè)計(jì)、即漏極側(cè)的 電場控制的新方法的場效應(yīng)晶體管。但是，也考慮到，公開的晶體管 實(shí)施例可能是合并器件結(jié)構(gòu)的一部分，例如其中的橫向晶體管用來控 制對另一個(gè)器件結(jié)構(gòu)的注入。在另一類備選實(shí)施例中，還考慮到，所建議的場成形固定電荷可 用于高壓二極管中的電場成形、特別是在陽極側(cè)。還考慮到，本發(fā)明可與傳統(tǒng)漏極場修改技術(shù)結(jié)合，例如采用差分 擴(kuò)散、場極板和/或側(cè)壁隔離片。幫助說明變更和實(shí)現(xiàn)的附加的一般背景可見于以下出版物，通過 引用將其全部結(jié)合于此 Y. Cai等人，正EE EDL, Vol.26，笫435-437頁，2005年7月； W. Saito等人，IEEE T-ED, Vol.53 ，第356-362頁，2006年2月； Y. Ando等人，IEEE EDL, Vol.24,第289-291頁，2003年； Y. F. Wu等人，IEDM 2004,第1078-1079頁； Y. Ando等人，IEDM 2005，第576-579頁。 本申請中任何描述不應(yīng)當(dāng)理解為暗示任何具體元件、步驟或功能是必須包舍在權(quán)利要求范圍中的必要元素。專利主題的范圍僅由允許 的權(quán)利要求來定義。此外，這些權(quán)利要求中沒有一個(gè)意在援引35 USC 笫112節(jié)的第六段，除非確切的詞語"用于...的部件"之后跟隨分詞。 所提交的權(quán)利要求意在盡可能全面，以及沒有主題被有意放棄、 專用或丟棄。
權(quán)利要求
1.一種場效應(yīng)晶體管，包括源極接觸和漏極接觸；柵極覆蓋的垂直不同質(zhì)半導(dǎo)體材料中的溝道，它使所述源極接觸與所述漏極接觸電氣分離；所述垂直不同質(zhì)材料在表面附近具有更高的鋁份額和更寬的帶隙；以及所述半導(dǎo)體材料內(nèi)的俘獲電荷區(qū)，它位于所述柵極與所述溝道之間，并且還朝所述漏極橫向延伸。
2. 如權(quán)利要求1所迷的晶體管，其中，所述半導(dǎo)體材料是 AlGaN/GaN分層結(jié)構(gòu)。
3. 如權(quán)利要求1所述的晶體管，其中，所述半導(dǎo)體材料是由藍(lán)寶 石、硅、SiC、 AlN或GaN的襯底所支撐的外延層。
4. 如權(quán)利要求1所述的晶體管，其中，所述半導(dǎo)體材料是包括 GaN或AIN的核化層、GaN或AlGaN的緩沖層、GaN溝道以及AlGaN 勢壘的外延結(jié)構(gòu)。
5. 如權(quán)利要求l所述的晶體管，其中，所述源極接觸和所述漏極 接觸通過淀積多個(gè)金屬層和快速熱退火來形成，其中，所述金屬從由 Ti、 Al、 Ni和Au構(gòu)成的組中選取。
6. 如權(quán)利要求1所述的晶體管，其中，所述溝道經(jīng)it基于氟的等 離子體處理，其中采用從由CF4、 SF6、 BF3及其混合物構(gòu)成的組中選 取的原料氣。
7. 如權(quán)利要求1所述的晶體管，還經(jīng)過在所述晶體管上淀積從由 氮化硅、氧化硅、聚酰亞胺和苯并環(huán)丁烯構(gòu)成的組中選取的鈍化材料 的后續(xù)步驟。
8. 如權(quán)利要求1所述的晶體管，還經(jīng)過大致在不會(huì)改變所述柵極 之下的肖特基勢壘的最高溫度進(jìn)行的熱退火。
9. 一種用于制作半導(dǎo)體有源器件的方法，包括以下動(dòng)作i) 把摻雜劑引入笫一半導(dǎo)體材料，在其中通過形成圖案層曝光，形成其至少一個(gè)深能級，由此引入俘獲電荷；以及ii) 形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)晶體管，它包括緊接在所述笫一半導(dǎo)體的相應(yīng)部 分下方的更窄帶隙半導(dǎo)體中的溝道區(qū)；其中，所述晶體管中的一些還包括把所述溝道區(qū)連接到相應(yīng)漏極 區(qū)的所述第一半導(dǎo)體材料的若干部分之上的所述伴獲電荷。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所i^目應(yīng)溝道區(qū)通過所述 俘獲電荷覆蓋的所述部分以及還與其串聯(lián)、通過沒有被所述俘獲電荷 覆蓋的所述半導(dǎo)體材料的另 一部分連接到所述相應(yīng)漏極區(qū)。
11. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所迷晶體管中的一些包括 在把所述溝道區(qū)連接到相應(yīng)漏極區(qū)的所述第 一半導(dǎo)體材料的部分之 上、但不在把所述溝道區(qū)連接到相應(yīng)源極區(qū)的所述第一半導(dǎo)體材料的 部分之上的所迷俘獲電荷。
12. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體材料是 AlGaN/GaN分層結(jié)構(gòu)。
13. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體材料是由藍(lán)寶 石、硅、SiC、 AlN或GaN的襯底所支撐的外延層。
14. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體材料是包括GaN 或A1N的核化層、GaN或AlGaN的緩沖層、GaN溝道以及AJGaN勢 壘的外延結(jié)構(gòu)。
15. 如權(quán)利要求9所述的方法，還包括在所述晶體管上淀積從由 氮化硅、氧化硅、聚酰亞胺和苯并環(huán)丁烯構(gòu)成的組中選取的鈍化材料 的后續(xù)步驟。
16. 如權(quán)利要求9所述的方法，還包括大致在不會(huì)改變所述柵極 之下的肖特基勢壘的最高溫度進(jìn)行的熱退火。
全文摘要
用于制作AlGaN/GaN常閉高電子遷移率晶體管(HEMT)的方法及裝置?；诜?基于陰離子)的等離子體處理或低能離子注入用來修改漏極側(cè)表面場分布，而不使用場極板電極。截止?fàn)顟B(tài)擊穿電壓可得到提高，以及電流崩塌可在LDD-HEMT中被完全抑制，而沒有出現(xiàn)增益和截止頻率的明顯降級。
文檔編號H01L29/772GK101336482SQ200680052007
公開日2008年12月31日 申請日期2006年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月29日
發(fā)明者劉紀(jì)美, 敬 陳 申請人:香港科技大學(xué)