專利名稱：用于氮化鎵增強(qiáng)型晶體管的低柵極-泄漏結(jié)構(gòu)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體技術(shù)，更具體地說(shuō)，涉及用于氮化鎵增強(qiáng)型晶體管的低柵極-泄漏結(jié)構(gòu)和方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體技術(shù)中，由于其特征，氮化鎵(GaN)被用于形成多種集成電路器件，諸 如，高功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管、高頻晶體管、或高電子遷移率晶體管(HEMT)。在一個(gè)實(shí)例中，GaN增強(qiáng)型晶體管形成在集成電路中。當(dāng)沒(méi)有偏壓應(yīng)用至相應(yīng)柵極時(shí)，增強(qiáng)型晶體管正常關(guān)閉。在傳統(tǒng)GaN增強(qiáng)型晶體管中，柵極結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成具有形成在有源區(qū)上的p型摻雜保護(hù)層(例如，參見(jiàn)美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)No. 2010/0258842)。然后，金屬層形成在p型摻雜保護(hù)層上并且被設(shè)計(jì)用于電壓偏置。然而，當(dāng)晶體管接通時(shí)，增強(qiáng)型晶體管中的該柵極結(jié)構(gòu)經(jīng)受大柵極泄漏。大柵極泄漏將限制晶體管的性能和安全操作范圍。從而，需要用于具有減少的柵極泄漏以解決以上問(wèn)題的GaN增強(qiáng)型晶體管的結(jié)構(gòu)以及制造其的方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括基板上的氮化鎵(GaN)層；設(shè)置在GaN層上的氮化鋁鎵(AlGaN)層；以及設(shè)置在AlGaN層上的柵疊層，其中，所述柵疊層包括=III-V化合物n型摻雜層；III-V化合物p型摻雜層，鄰近所述III-V化合物n型摻雜層；以及金屬層，形成在所述III-V化合物p型摻雜層和所述III-V化合物n型摻雜層之上。優(yōu)選地，所述柵疊層進(jìn)一步包括介電層，在所述金屬層之下并且覆蓋在所述III-V化合物n型摻雜層和所述III-V化合物P型摻雜層上。優(yōu)選地，所述柵疊層進(jìn)一步包括介電層，在所述金屬層、所述III-V化合物n型摻雜層、以及所述III-V化合物p型摻雜層之下。優(yōu)選地，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括另一 III-V化合物摻雜層。優(yōu)選地，所述III-V化合物n型摻雜層包括n型GaN層，并且所述III-V化合物p型摻雜層包括P型GaN層。優(yōu)選地，所述III-V化合物n型摻雜層摻雜有選自由硅和氧構(gòu)成的組中的雜質(zhì)。優(yōu)選地，所述III-V化合物p型摻雜層摻雜有選自由鎂、鈣、鋅、鈹、和碳構(gòu)成的組中的雜質(zhì)。優(yōu)選地，所述III-V化合物P型摻雜層和所述III-V化合物n型摻雜層中的每個(gè)均具有在約I納米和約100納米之間范圍內(nèi)的厚度。優(yōu)選地，所述GaN層不摻雜或者非故意摻雜。優(yōu)選地，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括源極和漏極部件，配置有所述GaN層、所述AlGaN層、以及柵疊層，以形成增強(qiáng)型晶體管。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種增強(qiáng)型晶體管，包括基板上的第一 III-V化合物層；第二 III-V化合物層，直接在所述第一 III-V化合物層上并且成分與所述第一 III-V化合物層不同；以及柵疊層，在所述第二 III-V化合物層上，所述柵疊層包括被配置為二極管的n型摻雜III-V化合物層和P型摻雜III-V化合物層對(duì)。
優(yōu)選地，所述基板包括藍(lán)寶石基板、硅基板、以及碳化硅基板中的一個(gè)；所述第一III-V化合物層包括氮化鎵(GaN)層；以及所述第二 III-V化合物層包括氮化鋁鎵(AlGaN)層。優(yōu)選地，所述柵疊層進(jìn)一步包括金屬層，設(shè)置在所述n型摻雜III-V化合物層和P型摻雜III-V化合物層對(duì)上；所述n型摻雜III-V化合物層包括n型摻雜GaN層；以及所述P型摻雜III-V化合物層包括p型摻雜GaN層。優(yōu)選地，所述金屬層通過(guò)進(jìn)行熱退火處理，具有與所述n型摻雜III-V化合物層和P-型摻雜III-V化合物層對(duì)的歐姆接觸。優(yōu)選地，所述柵疊層進(jìn)一步包括在所述金屬層和所述n型摻雜III-V化合物層和P型摻雜III-V化合物層對(duì)之間的絕緣材料層。優(yōu)選地，所述柵疊層進(jìn)一步包括在所述第二 III-V化合物層和所述n型摻雜III-V化合物層和P型摻雜III-V化合物層對(duì)之間的絕緣材料層。優(yōu)選地，該增強(qiáng)型晶體管進(jìn)一步包括氮化鋁(AlN)層，介于所述第一 III-V化合物層和第二 III-V化合物層之間。優(yōu)選地，該增強(qiáng)型晶體管進(jìn)一步包括插入有所述柵疊層的源極和漏極部件，其中，所述源極和漏極部件包括選自由鈦、鋁、鎳、以及金構(gòu)成的組中的金屬。優(yōu)選地，所述柵疊層進(jìn)一步包括第三摻雜III-V化合物層，鄰近所述n型摻雜III-V化合物層和P型摻雜III-V化合物層對(duì)。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種方法，包括在基板上形成第一 III-V化合物層；在所述第一 III-V化合物層上形成第二 III-V化合物層，其中，所述第二 III-V化合物層與所述第一 III-V化合物層不同；形成柵極疊層，包括形成具有n型摻雜III-V化合物層和p型摻雜III-V化合物層對(duì)的二極管，以及在所述二極管上形成金屬層；以及在所述第二 III-V化合物層上形成源極和漏極部件并且插入有所述柵疊層。優(yōu)選地，所述形成第一 III-V化合物層包括形成不摻雜氮化鎵層；所述形成第二III-V化合物層包括形成氮化鋁鎵層；以及所述形成二極管包括形成由硅和氧中的一個(gè)摻雜的n型氮化鎵層，并且形成由鎂、鈣、鋅、鈹、和碳中之一摻雜的p型氮化鎵層。優(yōu)選地，所述形成柵疊層包括執(zhí)行熱退火，以在所述二極管和所述金屬層之間形成歐姆接觸。
優(yōu)選地，所述形成柵疊層進(jìn)一步包括在所述二極管和所述金屬層之間形成絕緣材料層。


當(dāng)讀取附圖時(shí)，本披露的多個(gè)方面將從以下詳細(xì)描述明白。需要強(qiáng)調(diào)，根據(jù)工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，多種特征不按比例繪制。事實(shí)上，為了論述清楚起見(jiàn)，多種特征的尺寸可以任意增加或減小。
圖I是具有氮化鎵增強(qiáng)型晶體管的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例的截面圖；圖2a至圖7a是根據(jù)多種實(shí)施例的結(jié)合在圖I中的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的柵極結(jié)構(gòu)的截面圖；圖2b至圖7b是根據(jù)多種實(shí)施例的分別具有圖2a至圖7a中的柵疊層的圖I的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖；圖8是具有氮化鎵增強(qiáng)型晶體管的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例的截面圖；圖9是具有氮化鎵增強(qiáng)型晶體管的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例的截面圖；圖10至圖15是根據(jù)多種實(shí)施例的結(jié)合在圖9中的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的柵極結(jié)構(gòu)的截面圖；以及圖16是氮化鎵增強(qiáng)型晶體管的柵極泄漏部件數(shù)據(jù)的圖表。
具體實(shí)施例方式應(yīng)該明白，以下披露提供多種不同實(shí)施例或?qū)嵗?，用于?shí)現(xiàn)多種實(shí)施例的不同特征。以下描述組件和布置的特定實(shí)例，以簡(jiǎn)化本披露。當(dāng)然，這些僅是實(shí)例并且不用于限制。本披露可以在多種實(shí)例中重復(fù)參考標(biāo)號(hào)和/或字母。該重復(fù)用于簡(jiǎn)化和清楚的目的并且其本身不指示多種實(shí)施例和/或所論述的配置之間的關(guān)系。圖I是具有氮化鎵增強(qiáng)型晶體管的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的一個(gè)實(shí)施例的截面圖。圖2a至圖7a是根據(jù)本披露的多種實(shí)施例的在圖I的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中結(jié)合的柵極結(jié)構(gòu)的截面圖。圖2b至圖7b是根據(jù)本披露的多種實(shí)施例的分別具有圖2a至圖7a的柵極結(jié)構(gòu)的圖I的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的示意圖。參考圖I、圖2a至圖7a、圖2b至圖7b，共同描述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100及其制
造方法。參考圖1，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100包括藍(lán)寶石基板110?？商鎿Q地，基板可以是碳化硅(SiC)基板或娃基板。例如，娃基板可以是(111)娃晶片。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100還包括形成在兩個(gè)不同半導(dǎo)體材料層之間的異質(zhì)結(jié)，諸如具有不同能帶隙的材料層。例如，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100包括無(wú)摻雜的相對(duì)窄能帶隙溝道層和相對(duì)寬能帶隙n型施主提供層(donor supply layer)。在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100包括形成在基板110上的第一 III-V化合物層(或稱為緩沖層)114和形成在緩沖層114上的第二III-V化合物層(或稱為勢(shì)壘層)116。緩沖層114和勢(shì)壘層116是由元素周期表中的III-V族制成的化合物。然而，緩沖層114和勢(shì)壘層116的成分相互不同。鄰近勢(shì)壘層116的緩沖層114不摻雜或者非故意摻雜(UID)。在本實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100中，緩沖層114包括氮化鎵(GaN)層(還稱為GaN層114)。勢(shì)壘層116包括氮化鋁鎵(AlGaN)層(還稱為AlGaN層116)。GaN層114和AlGaN層116相互直接接觸。未示出通常出現(xiàn)在基板110和緩沖層114之間的過(guò)渡層。 GaN層114是非摻雜的?？商鎿Q地，由于用于形成GaN層114的前體(precursor),GaN層114是非故意摻雜的，諸如n型輕摻雜。GaN層114可以使用含鎵前體和含氮前體，通過(guò)金屬有機(jī)化合物氣相外延(metal organic vapor phase epitaxy, MOVPE)外延生長(zhǎng)。含鎵前體包括三甲基鎵(TMG)、三乙基鎵(TEG)、或其他合適化學(xué)物質(zhì)。含氮前體包括氨(NH3)、叔丁胺(teriarybutylamine, TBAm)、苯肼、或其他合適化學(xué)物質(zhì)。在一個(gè)實(shí)例中,GaN層114具有在約0. 5微米和約10微米之間范圍的厚度。在另一實(shí)例中，GaN層114具有約2微米的厚度。MOVPE沉積方法還已知為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)。AlGaN層116是非故意摻雜的?？商鎿Q地或者另外地，AlGaN層116具有從鄰近層得到的n型摻雜。AlGaN層116在GaN層114上外延生長(zhǎng)。AlGaN層116可以使用含鋁前體、含鎵前體、以及含氮前體通過(guò)MOVPE外延生長(zhǎng)。含鋁前體包括TMA、TEA、或其他合適化學(xué)物質(zhì)。含鎵前體包括TMG、TEG、或其他合適化學(xué)物質(zhì)。含氮前體包括氨、TBAm、苯肼、或其他合適化學(xué)物質(zhì)。在一個(gè)實(shí)例中，AlGaN層116具有在約5納米和約50納米之間范圍的厚度。在另一實(shí)例中，AlGaN層116具有約15納米的厚度。在AlGaN層116和GaN層114之間的能帶隙的不連續(xù)，伴隨有壓電效應(yīng)，在GaN層114中創(chuàng)建高移動(dòng)導(dǎo)電電子的非常薄層118。該薄層118被稱為二維電子氣(2-DEG)，形成載流子溝道。2-DEG的薄層118位于AlGaN層116和GaN層114的界面處。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100還包括形成在基板110上并且被配置成電連接至溝道的源極和漏極(S/D)部件120。S/D部件120包括一種或多種導(dǎo)電材料。例如，S/D部件120包括選自由鈦、鋁、鎳和金構(gòu)成的組中的金屬。S/D部件120可以通過(guò)諸如物理汽相沉積(PVD)或其他合適技術(shù)的處理形成。熱退火處理可以被應(yīng)用至S/D部件120，使得S/D部件120和AlGaN層116反應(yīng)，以形成用于從S/D部件120到溝道的有效電連接的合金。作為一個(gè)實(shí)例，快速熱退火(RTA)裝置和工藝被用于熱處理。柵疊層122形成在勢(shì)壘層116上并且插入源極和漏極部件120之間。柵疊層122包括導(dǎo)電材料層，諸如，金屬層124。金屬層124用作被配置用于電壓偏置和與溝道電連接的柵電極。在多種實(shí)施例中，金屬層124包括鎳或金。如果柵疊層122的金屬層為設(shè)置為直接與AlGaN層接觸，則所得到的肖特基二極管柵極產(chǎn)生耗盡器件。柵疊層122包括設(shè)置在金屬層124下面的結(jié)隔離部件126。結(jié)隔離部件126包括被配置為二極管的至少一個(gè)n型摻雜半導(dǎo)體層和一個(gè)p型摻雜半導(dǎo)體層。在本實(shí)施例中，至少一個(gè)n型摻雜半導(dǎo)體層和一個(gè)p型摻雜半導(dǎo)體層分別是n型摻雜III-V化合物層和p型摻雜III-V化合物半導(dǎo)體層。在本實(shí)施例的進(jìn)一步中，n型摻雜III-V化合物層和p型摻雜III-V化合物層分別是n型摻雜GaN層(或n_GaN層)和p型摻雜GaN層(p_GaN層)。柵疊層中的二極管提供結(jié)隔離效果。可替換地，結(jié)隔離部件126可以進(jìn)一步包括另一 n型摻雜GaN層、另一 p型摻雜GaN層、或兩者。結(jié)(或二極管)形成在每對(duì)鄰近n-GaN和p_GaN層之間。n_GaN和p_GaN層中的多種二極管被串聯(lián)電配置。這些二極管不僅給從溝道到柵電極的隔離提供減小的柵極泄漏，而且還希望提高如以下解釋的器件切換速度。由于多種二極管串聯(lián)連接，所有相應(yīng)電容器也串聯(lián)連接。從而，串聯(lián)的電容器的總電容將小于它們中的任何一個(gè)。從而，由于減小的電容，器件切換速度提高。
在一個(gè)實(shí)施 例中，金屬層和二極管之間的界面是利用在約800°C和約900°C之間范圍的熱處理溫度，通過(guò)熱退火處理形成的歐姆接觸。在另一實(shí)施例中，金屬層和二極管之間的界面是肖特基接觸。在這種情況下，在不進(jìn)行熱退火的情況下進(jìn)行該處理，以形成柵疊層。在本實(shí)施例中，柵疊層122、S/D部件120、以及緩沖層114中的2-DEG溝道被配置為增強(qiáng)型晶體管，其中，當(dāng)施加至柵疊層用于前向偏置的正電壓足夠大時(shí)，增強(qiáng)型(E-mode)晶體管導(dǎo)通。特別地，這樣配置的晶體管還被稱為E-mode高電子移動(dòng)性晶體管(HEMT)。圖2a至圖7a示出根據(jù)本披露的多個(gè)方面構(gòu)成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的柵疊層122的多種實(shí)施例。在圖2a中所示的一個(gè)實(shí)施例中，柵疊層122的結(jié)隔離部件126包括設(shè)置在P-GaN層130上的p-GaN層130和n_GaN層132。p-GaN層130通過(guò)p型摻雜質(zhì)(諸如，鎂、隹丐、鈹化鋅(zinc beryllium)、碳或其結(jié)合)摻雜。在一個(gè)實(shí)施例中，p-GaN層130可以通過(guò)MOCVD或其他合適技術(shù)形成。在另一實(shí)施例中，P-GaN層130具有在約Inm和約IOOnm之間范圍的厚度。n-GaN層132通過(guò)n型摻雜物(諸如，硅、氧、或其結(jié)合)被摻雜。在一個(gè)實(shí)施例中，n-GaN層132可以通過(guò)MOCVD或其他合適技術(shù)形成。在另一實(shí)施例中，n_GaN層132具有在約Inm和約IOOnm范圍的厚度。圖2b示出具有圖2a的柵疊層122的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的E_mode晶體管的示意圖。在圖2b中，“G”、“S”、以及“D”分別表示柵極、源極和漏極。2-DEG溝道限定在源極和漏極之間。二極管138a形成在p-GaN層130和具有n型摻雜物的勢(shì)壘層116之間。第二二極管138b形成在p-GaN層130和n-GaN層132之間。二極管138a和138b串聯(lián)配置。從二極管138a和138b得到的電容減小，同時(shí)器件切換速度增加。在圖3a中所示的另一實(shí)施例中，柵疊層122的結(jié)隔離部件126類似于圖2a中的結(jié)隔離部件126，但是進(jìn)一步包括設(shè)置在n-GaN層132上的附加p-GaN層134。附加p-GaN層134和n-GaN層132被配置成形成另一二極管，用于附加隔離效果。附加p_GaN層134在成分和形成方面類似于P-GaN層130。例如，p-GaN層134通過(guò)p型摻雜物(諸如，鎂、鈣、鈹化鋅、碳或其結(jié)合)摻雜。圖3b中示出具有圖3a的柵疊層122的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的E_mode晶體管的示意圖。符號(hào)“G”、“S”、以及“D”分別表示柵極、源極和漏極。2-DEG溝道限定在源極和漏極之間。二極管138a形成在p-GaN層130和具有n型摻雜物的勢(shì)壘層116之間。第二二極管138b形成在p-GaN層130和n_GaN層132之間。第三二極管138c形成在n_GaN層132和P-GaN層134之間。二極管138a、138b和138c串聯(lián)配置。從這些二極管所得到的柵電極和溝道之間的電容進(jìn)一步減小，同時(shí)器件切換速度進(jìn)一步提聞。在圖4a中所示的另一實(shí)施例中，柵疊層122的結(jié)隔離部件126與圖2a中的結(jié)隔離部件126類似，但是進(jìn)一步包括設(shè)置在P-GaN層132上的附加p_GaN層134和設(shè)置在p-GaN層134上的n-GaN層136。附加p-GaN層134和附加n_GaN層136在成分和形成方面分別類似于P-GaN層130和n-GaN層132。例如，n_GaN層136由n型摻雜物(諸如硅或氧)摻雜。圖4b中示出具有圖4a的柵疊層122的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的E_mode晶體管的示意圖。符號(hào)“G”、“S”、以及“D”分別表示柵極、源極和漏極。2-DEG溝道限定在源極和漏極之間。二極管138a形成在p-GaN層130和具有n型摻雜物的勢(shì)壘層116之間。第二二極管138b形成在p-GaN層130和n_GaN層132之間。第三二極管138c形成在n_GaN層132和p-GaN層134之間。第四二極管138d形成在p-GaN層134和n-GaN層136之間。二極管138a、138b、138c和138d串聯(lián)配置。從這些二極管得到的柵電極和溝道之間的電容進(jìn)一步減小，同時(shí)器件切換速度進(jìn)一步提高在圖5a中所示的一個(gè)實(shí)施例中，柵疊層122的結(jié)隔離部件126包括設(shè)置在n_GaN層132上的n-GaN層132和p-GaN層130。圖5a的柵疊層122類似于圖2a的柵疊層122，但是P-GaN層130和n-GaN層132被不同地配置。p_GaN層130由p型摻雜物(諸如，鎂、鈣、鈹化鋅、碳、或其結(jié)合)摻雜。在一個(gè)實(shí)施例中，P-GaN層130可以通過(guò)MOCVD或其他合適技術(shù)形成。在另一實(shí)施例中，P-GaN層130具有在約Inm和約IOOnm之間范圍的厚度。n-GaN層132由n型攙雜物(諸如，硅、氧、或其結(jié)合)摻雜。在一個(gè)實(shí)施例中，n_GaN層132可以通過(guò)MOCVD或其他合適技術(shù)形成。在另一實(shí)施例中，n-GaN層132具有在約Inm和約IOOnm之間范圍的厚度。圖5b中示出具有圖5a的柵疊層122的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的E_mode晶體管的示意圖。二極管138e形成在p-GaN層130和n_GaN層132之間用于隔離，以防止柵極泄漏。在圖6a中所示的另一實(shí)施例中，柵疊層122的結(jié)隔離部件126類似于圖3a的結(jié)隔離部件126，但是具有不同配置。特別地，n-GaN層132設(shè)置在勢(shì)壘層116上。p-GaN層130設(shè)置在n-GaN層132上。附加n_GaN層136設(shè)置在p_GaN層130上。圖6b中示出具有圖6a的柵疊層122的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的E_mode晶體管的示意圖。一個(gè)二極管138e形成在p-GaN層130和n-GaN層132之間。另一二極管138f形成在P-GaN層130和n-GaN層136之間。二極管138e和138f串聯(lián)配置。從這些二極管得到的柵電極和溝道之間的電容提供隔離，以防止柵極泄漏，并且進(jìn)一步提高器件切換速度。在圖7a中所示的另一實(shí)施例中，柵疊層122的結(jié)隔離部件126類似于圖4a的結(jié)隔離部件126，但是具有不同配置。圖7a中的柵疊層122包括勢(shì)壘層116上的n_GaN層132、n-GaN層132上的p-GaN層130、p_GaN層130上的附加n_GaN層136、以及設(shè)置在附加n_GaN層136上的附加p-GaN層134。n-GaN層和p-GaN層中的每個(gè)在成分和形成方面都類似于圖4a中的柵疊層122的相應(yīng)層。例如，n-GaN層136由n型攙雜物(諸如，硅或氧)摻雜。圖7b中示出具有圖4a的柵疊層122的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的E_mode晶體管的示意圖。符號(hào)“G”、“S”、以及“D”分別表示柵極、源極和漏極。2-DEG溝道限定在源極和漏極之間。二極管138e形成在n-GaN層132和p-GaN層130之間。第二二極管138f形成在p-GaN層130和附加n-GaN層136之間。第三二極管138g形成在n_GaN層136和附加p-GaN層134之間。二極管138e、138f和138g串聯(lián)配置。從這些二極管得到的柵電極和溝道之間的電容減小，同時(shí)器件切換速度進(jìn)一步提高。其他優(yōu)點(diǎn)還可以出現(xiàn)在不同實(shí)施例中。例如，相應(yīng)E-mode晶體管的閾值電壓可以通過(guò)改變n-p 二極管的摻雜和/或厚度來(lái)調(diào)節(jié)。圖8是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)其他實(shí)施例構(gòu)成的具有氮化鎵增強(qiáng)型晶體管的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)140的示意圖。參考圖8、圖2a至圖7a、以及圖2b至圖7b，共同描述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)140及其制造方法。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)140類似于圖I的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100，但是進(jìn)一步包括形成在勢(shì)壘層116上并且設(shè)置在源極和漏極部件120之間的介電材料層(或絕緣層)141。特別地，介電材料層141形成在勢(shì)壘層116和柵疊層122之間。根據(jù)多種實(shí)例，介電材料層141包括選自由二氧化硅(Si02)、氮化硅(Si3N4)、氧化鋁(A1203)、氧化鉭(Ta205)、氧化鈦(Ti02)、氧化鋅(Zn02)、氧化鉿(Hf02)或其結(jié)合組成的組中的介電材料。在一個(gè)實(shí)施例中，介電材料層141具有在約3nm和約IOOnm之間范圍的厚度。介電材料層141可以通過(guò)任何合適的制造技術(shù)(諸如，MOCVD、化學(xué)汽相沉積(CVD)、PVD、原子層沉積(ALD)或熱氧化)形成。介電材料層141進(jìn)一步提供隔離以防止柵極泄漏并且進(jìn)一步提高器件切換速度。柵疊層122類似于圖I的柵疊層122。例如，柵疊層122包括設(shè)置在介電材料層141上的結(jié)隔離部件126和在結(jié)隔離部件126上的金屬層124。而且，根據(jù)多種實(shí)施例，柵疊層122可以具有圖2a至圖7a中所示的結(jié)構(gòu)之一。圖9是具有氮化鎵增強(qiáng)型晶體管的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)142的一個(gè)實(shí)施例的截面圖。圖10至圖15是根據(jù)本披露的多種實(shí)施例的在圖9的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中結(jié)合的柵極結(jié)構(gòu)的截面圖。參考圖9和圖10至圖15，共同描述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)142及其制造方法。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)142類似于圖I的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100，但是柵疊層122進(jìn)一步包括設(shè)置在金屬層124和結(jié)隔離部件126之間的介電材料層(或絕緣層)144。根據(jù)多種實(shí)例，介電材料層144包括選自由Si02、Si304、A1203、Ta20、Ti02、Zn02、Hf02、或其結(jié)合組成的組的介電材料。在一個(gè)實(shí)施例中，介電材料層144具有在約3nm和約IOOnm之間范圍的厚度。介電材料層144可以通過(guò)任何合適的制造技術(shù)(MOCVD、CVD、PVD、ALD或熱氧化)形成。介電材料層144進(jìn)一步提供隔離，以防止柵極泄漏并且進(jìn)一步提高器件切換速度。圖10至圖15示出根據(jù)本披露的多個(gè)方面構(gòu)成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)142的柵疊層122的多種實(shí)施例。在圖10中所示的一個(gè)實(shí)施例中，柵疊層122類似于圖2a的柵疊層122，但是進(jìn)一步包括設(shè)置在結(jié)隔離部件126和金屬層124之間的介電材料層144。特別地，柵疊層122的結(jié)隔離部件126包括p-GaN層130和設(shè)置在p_GaN層130上的n_GaN層132。p-GaN層130通過(guò)p型摻雜物(諸如，鎂、鈣、鈹化鋅、碳、或其結(jié)合)摻雜。在一個(gè)實(shí)施例中，P-GaN層130可以通過(guò)MOCVD或其他合適技術(shù)形成。在另一實(shí)施例中，P-GaN層130具有在約Inm和約IOOnm之間范圍的厚度。n-GaN層132通過(guò)n型摻雜物(諸如，硅、氧、或其結(jié)合)摻雜。在一個(gè)實(shí)施例中，n-GaN層132可以通過(guò)MOCVD或其他合適技術(shù)形成。在另一實(shí)施例中，n-GaN層132具有在約Inm和約IOOnm之間的厚度。柵疊層122進(jìn)一步包括設(shè)置在結(jié)隔離部件126上的介電材料層144和設(shè)置在介電材料層144上的金屬層124。在圖11中所示的一個(gè)實(shí)施例中，柵疊層122類似于圖3a的柵疊層122，但是進(jìn)一步包括設(shè)置在結(jié)隔離部件126和金屬層124之間的介電材料層144。在圖12至圖15中所示的其他實(shí)施例中，柵疊層122分別類似于圖4a至圖7a的柵疊層，但是進(jìn)一步包括設(shè)置在結(jié)隔離部件126和金屬層124之間的介電材料層144。多個(gè)優(yōu)點(diǎn)可以出現(xiàn)在不同實(shí)施例中。這些優(yōu)點(diǎn)包括防止柵極泄漏、提高器件切換速度、以及通過(guò) 改變n-p 二極管的摻雜和/或厚度調(diào)節(jié)相應(yīng)E-mode晶體管的閾值電壓。圖16是柵極泄漏特征數(shù)據(jù)相對(duì)于柵極電壓的示意圖。柵極泄漏特征數(shù)據(jù)來(lái)自仿真，并且出現(xiàn)在柵極電流相對(duì)于柵極電壓的曲線中。根據(jù)具有半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100、140和142中之一的GaN增強(qiáng)型晶體管的實(shí)例，標(biāo)記為“n/p-GaN結(jié)構(gòu)”的曲線與柵極泄漏數(shù)據(jù)相關(guān)。標(biāo)記為“P-GaN結(jié)構(gòu)”的曲線被用作參考，并且與從GaN結(jié)構(gòu)(僅包括設(shè)置在其柵疊層中的P-型摻雜保護(hù)層和金屬層)的一個(gè)實(shí)例模擬的柵極泄漏數(shù)據(jù)相關(guān)。如所示，“n/p-GaN結(jié)構(gòu)”的柵極泄漏電流基本減小，從而器件性能提高。雖然在本披露中提供和解釋了多種實(shí)施例。但是，可以在不脫離本披露的精神的情況下使用其他替換和實(shí)施例。例如，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100 (或140或142)的E-mode晶體管可以進(jìn)一步包括設(shè)置在緩沖層114和勢(shì)壘層116之間的氮化鋁(AlN)層。在一個(gè)實(shí)施例中，AlN層在緩沖層114上選擇性地外延生長(zhǎng)。AlN層可以使用含鋁前體和含氮前體通過(guò)MOVPE外延生長(zhǎng)。含鋁前體包括TMA、TEA、或其他合適化學(xué)物質(zhì)。含氮前體包括氨、TBAm、苯肼、或其他合適化學(xué)物質(zhì)。在一個(gè)實(shí)例中，AlN層具有在約5nm和約50nm之間范圍的厚度?？商鎿Q地，AlN層可以代替AlGaN層作為勢(shì)壘層。在另一實(shí)施例中，多種n_GaN和P-GaN層的尺寸可以根據(jù)器件規(guī)格、性能、和電路要求而改變。例如，可以根據(jù)閾值電壓或其他器件/電路考慮調(diào)節(jié)多種n-GaN和p_GaN層的厚度。在另一實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100 (或140或142)的柵疊層122可以包括在結(jié)隔離部件126中配置的更多n_GaN和/或p-GaN 層。從而，本披露在一個(gè)實(shí)施例中提供半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括基板上的氮化鎵(GaN)層；設(shè)置在GaN層上的氮化鋁鎵(AlGaN)層；以及設(shè)置在AlGaN層上的柵疊層。柵疊 層包括=III-V化合物n型摻雜層；III-V化合物p型摻雜層，鄰近III-V化合物n型摻雜層；以及金屬層，形成在III-V化合物P型摻雜層和III-V化合物n型摻雜層之上。在一個(gè)實(shí)施例中，柵疊層進(jìn)一步包括介電層，在金屬層之下并且在III-V化合物n型摻雜層和III-V化合物p型摻雜層之上。在另一實(shí)施例中，柵疊層進(jìn)一步包括介電層，在金屬層、III-V化合物n型摻雜層、以及III-V化合物p型摻雜層之下。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步包括另一 III-V化合物摻雜層。在還有的另一實(shí)施例中，III-V化合物n型摻雜層包括n型GaN層，并且所述III-V化合物p型摻雜層包括p型GaN層。在還有的另一實(shí)施例中，III-V化合物n型摻雜層摻雜有選自由硅和氧構(gòu)成的組中的雜質(zhì)。在還有的另一實(shí)施例中，III-V化合物p型摻雜層摻雜有由鎂、鈣、鋅、鈹、和碳構(gòu)成的組中的雜質(zhì)。在還有的另一實(shí)施例中，III-V化合物p型摻雜層和III-V化合物n型摻雜層中的每個(gè)均具有在約I納米和約100納米之間的范圍內(nèi)的厚度。GaN層不摻雜或者非故意摻雜。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括源極和漏極部件，配置有GaN層、AlGaN層、以及柵極疊層，以形成增強(qiáng)型晶體管。本披露還在另一實(shí)施例中提供增強(qiáng)型晶體管。增強(qiáng)型晶體管包括基板上的第一 III-V化合物層；第二 III-V化合物層，直接在第一 III-V化合物層上并且成分與第一III-V化合物層不同；以及柵疊層，在第二 III-V化合物層上，柵疊層包括被配置為二極管的n型摻雜III-V化合物層和P型摻雜III-V化合物層對(duì)。在一個(gè)實(shí)施例中，基板包括藍(lán)寶石基板、娃基板、以及碳化娃基板中的一個(gè)；第一 III-V化合物層包括氮化鎵(GaN)層；以及第二 III-V化合物層包括氮化鋁鎵(AlGaN)層。在另一實(shí)施例中，柵疊層進(jìn)一步包括金屬層，設(shè)置在該n型摻雜III-V化合物層和p型摻雜III-V化合物層對(duì)上；n型摻雜III-V化合物層包括n型摻雜GaN層；以及p型摻雜III-V化合物層包括p型摻雜GaN層。在還有的另一實(shí)施例中，金屬層通過(guò)執(zhí)行熱退火處理，具有與該n型摻雜III-V化合物層和P-型摻雜III-V化合物層對(duì)的歐姆接觸。在還有的另一實(shí)施例中，柵疊層進(jìn)一步包括絕緣材料層，在金屬層和該對(duì)n型摻雜III-V化合物層和p型摻雜III-V化合物層對(duì)之間。在還有的另一實(shí)施例中，柵疊層進(jìn)一步包括絕緣材料層，在第二 III-V化合物層和該n型摻雜III-V化合物層和P型摻雜III-V化合物層對(duì)之間。增強(qiáng)型晶體管可以進(jìn)一步包括氮化鋁(AlN)層，插入第一和第二 III-V化合物層之間。增強(qiáng)型晶體管可以進(jìn)一步包括插入有柵疊層的源極和漏極部件，其中，源極和漏極部件包括選自由鈦、鋁、鎳、以及金構(gòu)成的組中的金屬。在一個(gè)實(shí)施例中，柵疊層可以進(jìn)一步包括第三摻雜III-V化合物層，鄰近該n型摻雜III-V化合物層和p型摻雜III-V化合物層對(duì)。本發(fā)明還披露了制造增強(qiáng)型晶體管的方法。該方法包括在基板上形成第一III-V化合物層；在第一 III-V化合物層上形成第二 III-V化合物層，其中，第二 III-V化合物層與第一 III-V化合物層不同；形成柵極疊層；以及在第二 III-V化合物層上形成插入有柵疊層的源極和漏極部件 。形成柵疊層進(jìn)一步包括形成具有n型摻雜III-V化合物層和P型摻雜III-V化合物層對(duì)的二極管，以及在二極管上形成金屬層。在該方法的多種實(shí)施例中，形成第一 III-V化合物層包括形成非摻雜氮化鎵層；形成第二 III-V化合物層可以包括形成氮化鋁鎵層；以及形成二極管可以包括形成由硅和氧中之一摻雜的n型氮化鎵層，并且形成由鎂、鈣、鋅、鈹、和碳中之一摻雜的P型氮化鎵層。在另一實(shí)施例中，形成柵疊層包括執(zhí)行熱退火，以在二極管和金屬層之間形成歐姆接觸。在還有的另一實(shí)施例中，形成柵疊層進(jìn)一步包括在二極管和金屬層之間形成絕緣材料層。以上論述了多個(gè)實(shí)施例的特征，使得本領(lǐng)域技術(shù)人員可以更好地明白以下詳細(xì)描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該想到，可以容易地使用本披露作為基礎(chǔ)，用于設(shè)計(jì)或修改用于實(shí)現(xiàn)相同目的和/或?qū)崿F(xiàn)在此介紹的實(shí)施例的相同優(yōu)點(diǎn)的其他處理和結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域技術(shù)人員還將認(rèn)識(shí)到，這種等價(jià)結(jié)構(gòu)不脫離本披露的精神和范圍，并且在不脫離本披露的精神和范圍的情況下，在此可以作出多種改變、替換和變更。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),包括 基板上的氮化鎵(GaN)層； 設(shè)置在GaN層上的氮化鋁鎵(AlGaN)層；以及 設(shè)置在AlGaN層上的柵疊層，其中，所述柵疊層包括 III-V化合物η型摻雜層； III-V化合物P型摻雜層，鄰近所述III-V化合物η型摻雜層；以及 金屬層，形成在所述III-V化合物P型摻雜層和所述III-V化合物η型摻雜層之上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述柵疊層進(jìn)一步包括介電層，在所述金屬層之下并且覆蓋在所述III-V化合物η型摻雜層和所述III-V化合物P型摻雜層上，或者 所述柵疊層進(jìn)一步包括介電層，在所述金屬層、所述III-V化合物η型摻雜層、以及所述III-V化合物P型摻雜層之下，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括另一 III-V化合物摻雜層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述III-V化合物η型摻雜層包括η型GaN層，并且所述III-V化合物P型摻雜層包括P型GaN層，其中，所述III-V化合物η型摻雜層摻雜有選自由硅和氧構(gòu)成的組中的雜質(zhì)，其中，所述III-V化合物P型摻雜層摻雜有選自由鎂、鈣、鋅、鈹、和碳構(gòu)成的組中的雜質(zhì)，其中，所述III-V化合物P型摻雜層和所述III-V化合物η型摻雜層中的每個(gè)均具有在約I納米和約100納米之間范圍內(nèi)的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述GaN層不摻雜或者非故意摻雜，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括源極和漏極部件，配置有所述GaN層、所述AlGaN層、以及柵疊層，以形成增強(qiáng)型晶體管。
5.一種增強(qiáng)型晶體管，包括 基板上的第一 III-V化合物層； 第二 III-V化合物層，直接在所述第一 III-V化合物層上并且成分與所述第一 III-V化合物層不同；以及 柵疊層，在所述第二 III-V化合物層上，所述柵疊層包括被配置為二極管的η型摻雜III-V化合物層和P型摻雜III-V化合物層對(duì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的增強(qiáng)型晶體管，其中 所述基板包括監(jiān)寶石基板、娃基板、以及碳化娃基板中的一個(gè)； 所述第一 III-V化合物層包括氮化鎵(GaN)層；以及 所述第二 III-V化合物層包括氮化鋁鎵(AlGaN)層， 其中，所述柵疊層進(jìn)一步包括金屬層，設(shè)置在所述η型摻雜III-V化合物層和P型摻雜III-V化合物層對(duì)上； 所述η型摻雜III-V化合物層包括η型摻雜GaN層；以及 所述P型摻雜III-V化合物層包括P型摻雜GaN層， 其中，所述金屬層通過(guò)進(jìn)行熱退火處理，具有與所述η型摻雜III-V化合物層和P-型摻雜III-V化合物層對(duì)的歐姆接觸， 其中，所述柵疊層進(jìn)一步包括在所述金屬層和所述η型摻雜III-V化合物層和P型摻雜III-V化合物層對(duì)之間的絕緣材料層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的增強(qiáng)型晶體管，其中，所述柵疊層進(jìn)一步包括在所述第二III-V化合物層和所述η型摻雜III-V化合物層和P型摻雜III-V化合物層對(duì)之間的絕緣材料層。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的增強(qiáng)型晶體管，進(jìn)一步包括氮化鋁(AlN)層，介于所述第一III-V化合物層和第二 III-V化合物層之間； 插入有所述柵疊層的源極和漏極部件，其中，所述源極和漏極部件包括選自由鈦、鋁、鎳、以及金構(gòu)成的組中的金屬， 其中，所述柵疊層進(jìn)一步包括第三摻雜III-V化合物層，鄰近所述η型摻雜III-V化合物層和P型摻雜πι-v化合物層對(duì)。
9.一種方法，包括 在基板上形成第一 III-V化合物層； 在所述第一 III-V化合物層上形成第二 III-V化合物層，其中，所述第二 III-V化合物層與所述第一 III-V化合物層不同； 形成柵極疊層，包括 形成具有η型摻雜III-V化合物層和P型摻雜III-V化合物層對(duì)的二極管，以及 在所述二極管上形成金屬層；以及 在所述第二 III-V化合物層上形成源極和漏極部件并且插入有所述柵疊層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中 所述形成第一 III-V化合物層包括形成不摻雜氮化鎵層； 所述形成第二 III-V化合物層包括形成氮化鋁鎵層；以及 所述形成二極管包括形成由硅和氧中的一個(gè)摻雜的η型氮化鎵層，并且形成由鎂、鈣、鋅、鈹、和碳中之一摻雜的P型氮化鎵層， 其中，所述形成柵疊層包括執(zhí)行熱退火，以在所述二極管和所述金屬層之間形成歐姆接觸，或者所述形成柵疊層進(jìn)一步包括在所述二極管和所述金屬層之間形成絕緣材料層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括基板上的氮化鎵(GaN)層；設(shè)置在GaN層上的氮化鋁鎵(AlGaN)層；以及設(shè)置在AlGaN層上的柵疊層。柵疊層包括III-V化合物n型摻雜層；鄰近III-V化合物n型摻雜層的III-V化合物p型摻雜層；以及形成在III-V化合物p型摻雜層和III-V化合物n型摻雜層之上的金屬層。
文檔編號(hào)H01L21/28GK102623490SQ201210020660
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者亞歷山大·卡爾尼茨基, 熊志文, 蔡俊琳 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司