專利名稱：高壓GaN基異質(zhì)結(jié)晶體管的終止結(jié)構(gòu)和接觸結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高壓晶體管異質(zhì)結(jié)構(gòu)，更具體來講，涉及高壓氮化鎵 (GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)提供重要的機(jī)會來增強(qiáng)諸如高電子遷移率晶體管 (HEMT)的電子器件的性能。HEMT表現(xiàn)得更像傳統(tǒng)的場效應(yīng)晶體管 (FET)，并且HEMT器件的制造是基于FET結(jié)構(gòu)的。然而，HEMT 需要兩個化合物半導(dǎo)體層之間非常精確的晶格匹配異質(zhì)結(jié)。通常，GaN HEMT具有沉積在襯底上的肖特基(Schottky)層和GaN緩沖層，以 及沉積在肖特基層上的源極接觸、柵極接觸和漏極接觸。
通過在具有大帶隙的AlGaN層和具有較窄帶隙的GaN層之間的異 質(zhì)結(jié)界面上形成量子阱，GaN基HEMT器件能夠?qū)㈦娮舆w移率最大化。 結(jié)果，電子被捕獲在量子阱中。通過在未被摻雜的GaN層中的二維電 子氣來表現(xiàn)所捕獲的電子。通過向柵電極施加電壓來控制電流量，所述柵電極與半導(dǎo)體肖特基接觸，以使得電子沿著源電極和漏電極之間 的溝道流動。
隨著HEMT的市場持續(xù)擴(kuò)大，仍然期望進(jìn)行一些改進(jìn)，以增強(qiáng)諸 如擊穿電壓Vbr和漏電流I的各種操作特性。例如，因?yàn)樾ぬ鼗鶎油ǔ?是金屬的并且在HEMT制造過程中和/或HEMT的操作過程中會暴露于 空氣中，所以仍然需要充分地解決引起的該個問題。由于肖特基層暴 露于空氣中，因此會在肖特基層的表面上發(fā)生諸如氧化的表面反應(yīng)。 這些表面反應(yīng)會劣化HEMT的性能，并且還會降低鈍化處理的效率。 鈍化處理是指將電介質(zhì)材料沉積在HEMT表面上，以鈍化或填充 HEMT表面上的表面陷阱，由此避免由于這些表面陷阱而導(dǎo)致的器件 劣化，諸如RF至DC頻散。
因此，除了別的因素以外，仍然需要高電壓GaNHEMT結(jié)構(gòu)具有 能夠防止在GaN HEMT操作和制造過程中的表面反應(yīng)的可再生終止 層。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體器件包括襯底； 第一有源層，所述第一有源層設(shè)置在所述襯底的上方；以及第二有源 層，所述第二有源層設(shè)置在所述第一有源層上。所述第二有源層具有 比所述第一有源層高的帶隙，使得在所述第一有源層和所述第二有源 層之間產(chǎn)生二維電子氣層。在所述第二有源層上設(shè)置的終止層包括 InGaN。在所述終止層上設(shè)置源極接觸、柵極接觸和漏極接觸。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述第一有源層包含m族氮化物半導(dǎo)體
材料。所述第一有源層包含GaN。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述第二有源層包含m族氮化物半導(dǎo)
體材料。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述第二有源層包含AlxGai.xN，其中 0<X< 1。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述第二有源層選自由AlGaN、 AlInN 和AlInGaN組成的組。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，在所述襯底和所述第一有源層之間設(shè) 置成核層。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面， 一種半導(dǎo)體器件包括襯底；第一有 源層，所述第一有源層設(shè)置在所述襯底的上方；第二有源層，所述第 二有源層設(shè)置在所述第一有源層上。所述第二有源層具有比所述第一 有源層高的帶隙，使得在所述第一有源層和所述第二有源層之間產(chǎn)生 二維電子氣層。在所述第二有源層的上方設(shè)置終止層。所述終止層選 自由摻雜Fe的GaN、摻雜Si的GaN、 FeN和SiN組成的組。在所述 終止層上設(shè)置源極接觸、柵極接觸和漏極接觸。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面， 一種半導(dǎo)體器件包括襯底；第一有 源層，所述第一有源層設(shè)置在所述襯底的上方；以及第二有源層，所 述第二有源層設(shè)置在所述第一有源層上。所述第二有源層具有比所述 第一有源層高的帶隙，使得在所述第一有源層和所述第二有源層之間 產(chǎn)生二維電子氣層。所述第二有源層包括形成在其內(nèi)的第一凹進(jìn)部和 第二凹進(jìn)部。在所述第一凹進(jìn)部和所述第二凹進(jìn)部中分別設(shè)置源和漏 極接觸。在所述第二有源層的上方設(shè)置柵電極。


圖1示出了高電子遷移率晶體管(HEMT)中結(jié)合的氮化鎵(GaN) 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的一個實(shí)施例。
圖2和圖3示出了高電子遷移率晶體管(HEMT)中結(jié)合的氮化鎵(GaN)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的可供選擇的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
值得注意的是，對于"一個實(shí)施例"或"實(shí)施例"的任何引用意 味著結(jié)合實(shí)施例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在本發(fā)明至少一 個實(shí)施例中。在說明書中的各個地方中產(chǎn)生的短語"在一個實(shí)施例中" 不是必需指的都是相同的實(shí)施例。另外，可以以多種方式組合各種實(shí) 施例，從而形成在本文中沒有明確示出的額外的實(shí)施例。
如圖1中所示，本發(fā)明涉及高電子遷移率晶體管(HEMT) 10中 結(jié)合的高壓氮化鎵(GaN)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。HEMT IO包括襯底12、成核 (過渡)層18、 GaN緩沖層22、氮化鋁鎵(AlxGai.xN; 0 <x < 1)肖特 基層24和覆蓋層或終止層16。另外，HEMT 10包括源極接觸27、柵 極接觸28和漏極接觸30。
通常使用外延生長工藝來制造GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)10。例如，可以使 用反應(yīng)濺射工藝，在該工藝中，在毗鄰襯底設(shè)置的金屬靶和襯底都處 于包括氮和一個或多個摻雜物的氣氛中時，從金屬靶溢出諸如鎵、鋁 和/或銦的半導(dǎo)體金屬組分?？晒┻x擇的，可以采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相 沉積(MOCVD)，其中，在將襯底保持在升高的溫度，通常在70(TC 至IIO(TC左右下的同時，將襯底暴露于包含金屬的有機(jī)化合物的氣氛， 以及諸如氨的反應(yīng)含氮?dú)怏w和含摻雜物氣體中。氣體化合物分解并且 在襯底302的表面上形成晶體材料膜形式的摻雜的半導(dǎo)體。然后將襯 底和生長的膜冷卻。作為另外可供選擇的，可以使用諸如分子束外延 (MBE)或原子層外延的其它外延生長方法?？梢圆捎玫牧硗饧夹g(shù)包 括，但不限于流量調(diào)制有機(jī)金屬氣相外延(FM-OMVPE)、有機(jī)金屬 氣相外延(OMVPE)、氫化物外延(HVPE)和物理氣相沉積(PVD)。
為了開始生長結(jié)構(gòu)，在襯底12上沉積成核層18。襯底12可以由 各種材料形成，所述各種材料包括但不限于藍(lán)寶石或碳化硅(SiC)。成核層18可以是，例如，諸如AUGa^N的富鋁層，其中，X在0至 1的范圍內(nèi)。成核層18操作用于校正GaN緩沖層22和襯底12之間的 晶格不匹配。通常，當(dāng)一層中的原子的間隔與相鄰層中原子之間的間 距不匹配時，產(chǎn)生晶格不匹配。由于晶格不匹配，導(dǎo)致相鄰層中的原 子之間的結(jié)合弱，并且相鄰層會斷裂、分離或者具有大量的晶體缺陷。 因此，通過在襯底12的晶體結(jié)構(gòu)和GaN緩沖層22的晶體結(jié)構(gòu)之間產(chǎn) 生界面，成核層18操作用于校正GaN緩沖層22和襯底12之間的晶格 不匹配。
在沉積了成核層18之后，在成核層18上沉積GaN緩沖層22，并 且在GaN緩沖層22上沉積AlxGa"xN肖特基層24。 二維導(dǎo)電溝道26 是薄的高遷移率溝道，其將載流子限制在GaN緩沖層22和AlxGai.xN 肖特基層24之間的界面區(qū)域。在AlxGai.xN肖特基層24上沉積覆蓋層 或終止層16，所述覆蓋層或終止層16用于在HEMT 10的制造和操作 過程中保護(hù)AlxGai.xN肖特基層24以免其發(fā)生諸如氧化的表面反應(yīng)。 因?yàn)樾ぬ鼗鶎?4包含鋁，所以如果AlxGai.xN肖特基層24暴露于空氣 中并且沒有以其它方式受保護(hù)，則會發(fā)生氧化。
在襯底12上生長了外延層18、 22和24以及終止層16之后，通 過分別在終止層16上沉積源極接觸27、柵極接觸28和漏極接觸30來 完成HEMT 10。接觸件27、 28和30中的每個是金屬接觸件。優(yōu)選地， 柵極接觸28是諸如，但不限于鎳、金的金屬材料，并且源極接觸27 和漏極接觸30都是諸如但不限于鈦、金或鋁的金屬材料。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，終止層16是形成在AlxGai.xN肖特基 層24上的InGaN層。InGaN層16用于兩個目的，第一個目的是用于 提供不包含A1的上層，以減少氧化。此外，因?yàn)橹T如InGaAlN的含鋁 化合物通常需要較高的生長溫度來提供足夠的均勻度和光滑度，所以 通過使用InGaN材料來替代包含鋁的材料，可以簡化生且降低了結(jié)構(gòu)表面上的漏電流。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，終止層16是包含Al金屬的快閃層
(flash layer)。利用材料的極短猝發(fā)來形成該快閃層。這樣將在結(jié)構(gòu) 表面上方形成非常薄(例如，材料的l-2個單分子層)但是平的覆蓋。 該快閃層通常是原位執(zhí)行的。為了確保形成的是金屬A1而不是A1N， 不存在當(dāng)形成A1N時將會存在的反應(yīng)含氮?dú)怏w(例如，氨)。可以在 高溫或低溫下形成Al快閃層。在其形成之后，隨后可以對A1進(jìn)行退 火，以形成薄的氧化物層。由于A1快閃層非常薄，因此它可以被完全 氧化，由此在材料上產(chǎn)生初始的"自然"氧化物，該氧化物隨后保護(hù) 肖特基層24，使其不經(jīng)受處理過程中通?？吹降娜魏晤愋偷牧踊?。這 可以用作另外的勢壘材料，用于降低漏電流并且增大擊穿電壓，這兩 者對于HEMT性能都是重要的?？扉W層可以包含其它金屬，例如鎵或 者甚至銦，以替代鋁。還可以將Ga或In快閃層氧化來在結(jié)構(gòu)上形成 均勻的"自然"氧化物。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，覆蓋層或終止層16可以由其它材料形 成，諸如高度摻雜Fe的GaN、摻雜Si的GaN、 FeN或SiN?？梢允峭?延、非外延或者甚至無定形的這些層可以用作初始鈍化層或者用作額 外的勢壘材料，用于降低漏電流并且增大擊穿電壓。例如，向GaN添 加Fe導(dǎo)致了可以降低漏電流的材料，這是因?yàn)樵摬牧细^緣并且降低 了電子遷移率。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，可以在AlxGai.xN肖特基層24上形成 薄A1N層。該層提供了額外的肖特基勢壘層，以有助于更有效地調(diào)節(jié) 電荷，由此降低了漏電流并且增大了器件的擊穿電壓。A1N層還可以 用作結(jié)構(gòu)的初始鈍化層，這是由于A1N可以容易地被濕法蝕刻，以沉 積歐姆接觸件?？晒┻x擇的，可以氧化A1N層以形成鈍化層。
在一些實(shí)施例中，終止層16的厚度大致為l至5納米。因此，電子可以容易地隧穿終止層16。結(jié)果，終止層16沒有增加?xùn)艠O接觸28 和AlxGai.xN肖特基層24之間的肖特基勢壘高度，其中，肖特基勢壘 高度限定了柵極接觸28和AlxGai.xN肖特基層24的界面上的由電子遭 遇的電勢能量勢壘。另外，終止層16沒有影響源極接觸27和漏極接 觸30的形成。
圖2示出了本發(fā)明的又一個實(shí)施例，在該實(shí)施例中，歐姆接觸件 27和28位于AlxGai.xN肖特基層24中形成的凹進(jìn)部中。通過根據(jù)傳統(tǒng) 技術(shù)蝕刻AlxGai.xN肖特基層24來形成凹進(jìn)部。凹進(jìn)部可以部分或完 全地延伸穿過AlxGai.xN肖特基層24。例如，在一些情況下，凹進(jìn)部可 以延伸到約5nm至15nm深的深度，由此使得AlxGai.xN肖特基層24 能夠保持足夠的厚度來產(chǎn)生溝道層26。通過以此方式使接觸件凹進(jìn)， 降低了表面的接觸電阻和光滑度，從而增大了被沉積用于形成歐姆接 觸件的金屬的滲透性。表面粗糙的增加導(dǎo)致金屬更好地遷移到半導(dǎo)體 中。對于需要低導(dǎo)通電阻的器件來說，該布置在實(shí)現(xiàn)最低可能的導(dǎo)通 電阻方面會效果顯著。雖然沒有示出，但是本發(fā)明的該實(shí)施例還可以 采用諸如上述的覆蓋層或終止層。在這種情況下，設(shè)置有接觸件27和 28的凹進(jìn)部也將延伸穿過終止層。
圖3示出了本發(fā)明的另一個實(shí)施例，在該實(shí)施例中，勢壘層24由 代替AlxGaLXN的AlInGaN形成。例如，如在GAAS99中由M.Asif Khan 等人所著的"Strain Energy Band Engineering in AlGalnN/GaN Heterostructure Field Effect Transistors"中所討論的，采用了 AIxInyGa (1.x.y) N結(jié)，其勢壘厚度小于50nm且合金組分在x等于0.1至0.2而y 等于0.00至0.02的范圍內(nèi)變化。另外，Khan等人陳述的是，基于晶格 常數(shù)的線性插值，為5的Al/In比率應(yīng)該幾乎與GaN晶格匹配。通過 使用AlInGaN，可以與帶隙無關(guān)地控制張力，由此使得材料的帶隙能 夠關(guān)于臨界厚度更自由地變化。對于功率器件，在沒有過度對材料施
加應(yīng)力和縮短器件壽命的情況下，在溝道中得到最多的電荷是至關(guān)重 要的，其中，當(dāng)隨著時間過去材料馳豫時會產(chǎn)生所述器件壽命的縮短。雖然本文具體示出和描述了各種實(shí)施例，但是應(yīng)該理解的是，在 不脫離本發(fā)明的精神和意圖范圍的情況下，本發(fā)明的修改形式和變形 形式可以被以上教導(dǎo)覆蓋并且在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。例如，雖
然已經(jīng)將耗散模式FET描述為GaN基器件，但是本發(fā)明更通常地包括 由任何III族氮化物化合物半導(dǎo)體形成的耗散模式FET，在該半導(dǎo)體中， III族元素可以是鎵(Ga)、鋁(Al)、硼(B)或銦(In)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括襯底；設(shè)置在所述襯底的上方的第一有源層；設(shè)置在所述第一有源層上的第二有源層，所述第二有源層具有比所述第一有源層高的帶隙以使得在所述第一有源層和所述第二有源層之間產(chǎn)生二維電子氣層；設(shè)置在所述第二有源層上的終止層，所述終止層包含InGaN；以及設(shè)置在所述終止層上的源極接觸、柵極接觸和漏極接觸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第一有源層包 含III族氮化物半導(dǎo)體材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第一有源層包 含GaN。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第二有源層包含m族氮化物半導(dǎo)體材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第二有源層包 含AlxGaLxN，其中0 <X< 1。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第二有源層是 選自由AlGaN、 AlInN和AlInGaN組成的組。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體器件，還包括設(shè)置在所述襯底和 所述第一有源層之間的成核層。
8. —種半導(dǎo)體器件，包括襯底；設(shè)置在所述襯底的上方的第一有源層；設(shè)置在所述第一有源層上的第二有源層，所述第二有源層具有比所述第一有源層高的帶隙以使得在所述第一有源層和所述第二有源層之間產(chǎn)生二維電子氣層；設(shè)置在所述第二有源層上的終止層，所述終止層選自由摻雜Fe的GaN、摻雜Si的GaN、 FeN和SiN組成的組；以及設(shè)置在所述終止層上的源極接觸、柵極接觸和漏極接觸。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第一有源層包含m族氮化物半導(dǎo)體材料。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第一有源層包含GaN。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第二有源層包含III族氮化物半導(dǎo)體材料。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第二有源層包含AlxGaLxN，其中0〈X〈1。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第二有源層選自由AlGaN、 AlInN和AlInGaN組成的組。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體器件，還包括設(shè)置在所述襯底和所述第一有源層之間的成核層。
15. —種半導(dǎo)體器件，包括襯底；設(shè)置在所述襯底的上方的第一有源層；設(shè)置在所述第一有源層上的第二有源層，所述第二有源層具有比所述第一有源層高的帶隙以使得在所述第一有源層和所述第二有源層之間產(chǎn)生二維電子氣層，其中所述第二有源層包括形成在其內(nèi)的第一凹進(jìn)部和第二凹進(jìn)部；分別設(shè)置在所述第一凹進(jìn)部和所述第二凹進(jìn)部中的源極接觸和漏極接觸；以及設(shè)置在所述第二有源層的上方的柵電極。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體器件，還包括設(shè)置在所述第二有源層上方的終止層，并且其中，所述源極接觸和所述漏極接觸延伸穿過所述終止層。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述終止層包含InGaN。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體器件，所述終止層選自由摻雜Fe的GaN、摻雜Si的GaN、 FeN和SiN組成的組。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第一有源層包含III族氮化物半導(dǎo)體材料。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第一有源層包含GaN。
全文摘要
提供了一種半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體器件包括襯底；第一有源層，所述第一有源層設(shè)置在所述襯底的上方；以及第二有源層，所述第二有源層設(shè)置在所述第一有源層上。所述第二有源層具有比所述第一有源層高的帶隙，使得在所述第一有源層和所述第二有源層之間產(chǎn)生二維電子氣層。在所述第二有源層上設(shè)置的終止層包括InGaN。在所述終止層上設(shè)置源極接觸、柵極接觸和漏極接觸。
文檔編號H01L29/205GK101689561SQ200880009134
公開日2010年3月31日 申請日期2008年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月20日
發(fā)明者米蘭·波普赫里斯蒂奇, 邁克爾·墨菲 申請人:威洛克斯半導(dǎo)體公司