功率半導(dǎo)體器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種功率半導(dǎo)體器件。該功率半導(dǎo)體器件包括襯底、設(shè)置在襯底上的第一半導(dǎo)體層、設(shè)置在第一半導(dǎo)體層上的第二半導(dǎo)體層，設(shè)置在第二半導(dǎo)體層上并且露出第二半導(dǎo)體層的一部分的第三半導(dǎo)體層、設(shè)置在第二半導(dǎo)體層的經(jīng)由第三半導(dǎo)體層露出的部分上的柵電極以及設(shè)置在第三半導(dǎo)體層上在柵電極的兩側(cè)處以彼此間隔開的源電極和漏電極。在第三半導(dǎo)體層中在柵電極和漏電極之間形成電隔離區(qū)域。
【專利說明】功率半導(dǎo)體器件
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2012年11月08日在韓國提交的韓國專利申請第10_2012_0125842號的優(yōu)先權(quán)，所述申請以其全文通過引用合并在本文中，如在本文中完全記載一樣。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明的實施方案涉及功率半導(dǎo)體器件。
【背景技術(shù)】
[0004]功率半導(dǎo)體器件分為肖特基勢壘二極管、金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管和高電子遷移率晶體管(HEMT)。
[0005]由于其作為在高至毫米波頻率的超高頻率下工作的集成電路器件的優(yōu)異電子遷移率和低噪聲特性，HEMT被廣泛使用。由于采用HEMT的應(yīng)用系統(tǒng)變得更復(fù)雜和精細，因此需要提高HEMT的特性，具體是射頻(RF)特性。
[0006]最大振蕩頻率(Fmax)是評價HEMT的RF特性的非常重要的因素?？梢酝ㄟ^調(diào)整小信號參數(shù)和提高DC特性來提高最大振蕩頻率(Fmax)。存在許多影響HEMT的DC特性和小信號參數(shù)的其它變量。將在下文中描述其中作為最重要因素的柵極凹部結(jié)構(gòu)。
[0007]圖1是示意性地示出具有第一柵極凹部結(jié)構(gòu)的常規(guī)HEMT器件的側(cè)視截面圖，第一柵極凹部結(jié)構(gòu)具有設(shè)置有柵電極的寬凹部區(qū)域。圖2是示意性地示出具有第二柵極凹部結(jié)構(gòu)的HEMT器件的側(cè)視截面圖，第二柵極凹部結(jié)構(gòu)具有設(shè)置有柵電極的窄凹部區(qū)域。
[0008]參考圖1和圖2，常規(guī)HEMT器件IA和IB中的每一個都包括襯底10、設(shè)置在襯底10上的緩沖層20、設(shè)置在緩沖層20上的阻擋層30和設(shè)置在阻擋層30上的蓋層40。
[0009]常規(guī)HEMT器件IA和IB分別包括通過部分地移除蓋層40以露出阻擋層30而形成的凹部區(qū)域R1和R2。在凹部區(qū)域R1和R2的每個中設(shè)置柵電極53，并且在蓋層40上設(shè)置源電極51和漏電極52。
[0010]圖1中示出的HEMT器件IA具有第一柵極凹部結(jié)構(gòu)，第一柵極凹部結(jié)構(gòu)具有通過部分地移除蓋層40的除了其上設(shè)置有源電極51和漏電極52的區(qū)域以外的區(qū)域而形成的寬凹部區(qū)域。圖2中示出的HEMT器件IB具有第二柵極凹部結(jié)構(gòu)，第二柵極凹部結(jié)構(gòu)具有通過部分地移除蓋層40的僅將要形成柵電極53的區(qū)域而形成的窄凹部區(qū)域。
[0011]具有第二柵極凹部結(jié)構(gòu)的HEMT器件IB比具有第一柵極凹部結(jié)構(gòu)的HEMT器件IA具有更大的最大漏極電流(Idss,_)和更大的最大跨導(dǎo)(Gm,_)。這是因為，在具有第一柵極凹部結(jié)構(gòu)的HEMT器件IA中，形成在阻擋層30的通過凹部區(qū)域Rl露出的表面上的自由表面狀態(tài)40a(用X標(biāo)記)呈現(xiàn)出負電荷的表面狀態(tài)以改變溝道21中的場強，從而降低了面載流子密度(sheet carrier density) (ns)。
[0012]同時，雖然HEMT器件IB具有優(yōu)異的DC特性，但是相比于具有第一柵極凹部結(jié)構(gòu)的HEMT器件IA的RF特性，具有第二柵極凹部結(jié)構(gòu)的HEMT器件IB的RF特性沒有得到提高。這是因為具有導(dǎo)電性的蓋層40形成為直到具有第二柵極凹部結(jié)構(gòu)的HEMT器件IB中的柵電極53附近，以減少柵電極和漏電極之間的實際距離(substantial distance),從而增加?xùn)烹姌O和漏電極之間的電容(Cgd)。由于相比于柵電極和漏電極之間的電容(Cgd)對RF特性的影響，小信號參數(shù)對RF特性的影響較低，因此描述集中在電容(Cgd)上。
[0013]因此，需要開發(fā)具有優(yōu)異DC特性和優(yōu)異RF特性的功率半導(dǎo)體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]實施方案提供了功率半導(dǎo)體器件。
[0015]在一個實施方案中，功率半導(dǎo)體器件包括襯底、設(shè)置在襯底上的第一半導(dǎo)體層、設(shè)置在第一半導(dǎo)體層上的第二半導(dǎo)體層、設(shè)置在第二半導(dǎo)體層上并且露出第二半導(dǎo)體層的一部分的第三半導(dǎo)體層、設(shè)置在第二半導(dǎo)體層的經(jīng)由第三半導(dǎo)體層露出的部分上的柵電極以及設(shè)置在第三半導(dǎo)體層上在柵電極的兩側(cè)處以彼此間隔開的源電極和漏電極。在第三半導(dǎo)體層中在柵電極和漏電極之間形成電隔離區(qū)域(electrical segregation region)。
[0016]電隔離區(qū)域可以設(shè)置成相鄰于漏電極。
[0017]柵電極可以接觸第二半導(dǎo)體層。
[0018]電隔離區(qū)域可以形成在第三半導(dǎo)體層中且延伸至第二半導(dǎo)體層的一部分。
[0019]可以在第一半導(dǎo)體層的接觸第二半導(dǎo)體層的界面處設(shè)置溝道層，并且電隔離區(qū)域可以與溝道層間隔開。
[0020]第二半導(dǎo)體層的通過第三半導(dǎo)體層露出的部分的寬度可以對應(yīng)于柵電極的長度。
[0021]柵電極的連接至第二半導(dǎo)體層的部分可以具有比柵電極的相反部分的寬度小的覽度。
[0022]第二半導(dǎo)體層可以具有凹陷部分，并且可以在凹陷部分上設(shè)置柵電極。
[0023]凹陷部分可以對應(yīng)于第二半導(dǎo)體層的經(jīng)由第三半導(dǎo)體層露出的部分。
[0024]可以在第三半導(dǎo)體層上設(shè)置鈍化層。
[0025]注入電隔離區(qū)域中的離子可以具有與第三半導(dǎo)體層的導(dǎo)電類型不同的導(dǎo)電類型。
[0026]設(shè)置在第二半導(dǎo)體層中的電隔離區(qū)域的厚度可以小于整個第二半導(dǎo)體層的厚度。
[0027]電隔離區(qū)域可以包括Mg、Zn、Ca、Sr、Ba、Fe或Ar中的至少一種。
[0028]在另一實施方案中，功率半導(dǎo)體器件包括:源電極、漏電極和設(shè)置在源電極與漏電極之間的柵電極、設(shè)置在源電極和漏電極下方并且具有其寬度與柵電極的長度對應(yīng)的開放區(qū)域的第三半導(dǎo)體層、設(shè)置在第三半導(dǎo)體層下方并且通過開放區(qū)域連接至柵電極的第二半導(dǎo)體層以及設(shè)置在第二半導(dǎo)體層下方的第一半導(dǎo)體層。第三半導(dǎo)體層包括設(shè)置成相鄰于柵電極的第一區(qū)域、設(shè)置成相鄰于漏電極的第二區(qū)域和設(shè)置在第一區(qū)域和第二區(qū)域之間并且將第一區(qū)域與第二區(qū)域電分離的第三區(qū)域。
[0029]第三區(qū)域可以是其中注入有具有與第三半導(dǎo)體層的導(dǎo)電類型不同的導(dǎo)電類型的離子的電隔離區(qū)域。
[0030]第三區(qū)域可以設(shè)置成相鄰于漏電極。
[0031]功率半導(dǎo)體器件還可以包括設(shè)置在第一半導(dǎo)體層下方的襯底和設(shè)置在襯底與第一半導(dǎo)體層之間的過渡層。
[0032]第三區(qū)域可以包括Mg、Zn、Ca、Sr、Ba、Fe或Ar中的至少一種。
[0033]第二半導(dǎo)體層可以具有凹陷部分，并且可以在凹陷部分上設(shè)置柵電極。[0034]在另一實施方案中，功率半導(dǎo)體器件包括襯底、設(shè)置在襯底上的第一半導(dǎo)體層、設(shè)置在第一半導(dǎo)體層上的第二半導(dǎo)體層、設(shè)置在第二半導(dǎo)體層上并且露出第二半導(dǎo)體層的一部分的第三半導(dǎo)體層、設(shè)置在第二半導(dǎo)體層的經(jīng)由第三半導(dǎo)體露出的部分上的柵電極、設(shè)置在第三半導(dǎo)體層上在柵電極的兩側(cè)處以彼此間隔開的源電極和漏電極。在柵電極和漏電極之間，第三半導(dǎo)體層的相鄰于柵電極的部分與第三半導(dǎo)體層的相鄰于漏電極的另一部分電分離。
[0035]第二半導(dǎo)體層的通過第三半導(dǎo)體層露出的部分的寬度大于柵電極的長度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]可以參考下面的附圖詳細描述布置和實施方案，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的要素，其中:
[0037]圖1是示意性地示出具有第一柵極凹部結(jié)構(gòu)的常規(guī)高電子遷移率晶體管(HEMT)器件的側(cè)視截面圖，第一柵極凹部結(jié)構(gòu)具有設(shè)置有柵電極的寬凹部區(qū)域；
[0038]圖2是示意性地示出具有第二柵極凹部結(jié)構(gòu)的常規(guī)HEMT器件的側(cè)視截面圖，第二柵極凹部結(jié)構(gòu)具有設(shè)置有柵電極的窄凹部區(qū)域；
[0039]圖3是示出根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施方案的功率半導(dǎo)體器件的側(cè)視截面圖；
[0040]圖4是示出根據(jù)本公開內(nèi)容的另一實施方案的功率半導(dǎo)體器件的側(cè)視截面圖；
[0041]圖5是示出根據(jù)本公開內(nèi)容的另一實施方案的功率半導(dǎo)體器件的側(cè)視截面圖；
[0042]圖6是示出根據(jù)本公開內(nèi)容的另一實施方案的功率半導(dǎo)體器件的側(cè)視截面圖；
[0043]圖7是示出根據(jù)本公開內(nèi)容的另一實施方案的功率半導(dǎo)體器件的側(cè)視截面圖；
[0044]圖8至圖11是示出圖3至圖7的截面A的局部放大圖。
[0045]圖12至圖14是用于描述制造根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案的功率半導(dǎo)體器件的方法的視圖；
[0046]圖15是用于描述根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施方案的功率半導(dǎo)體器件的RF特性的曲線圖；
[0047]圖16是示出用于描述根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施方案的功率半導(dǎo)體器件的DC特性的Idss,_和Gm,_的圖表；以及
[0048]圖17是示出用于描述根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施方案的功率半導(dǎo)體器件的RF特性的Ft和Fmax的圖表。
【具體實施方式】
[0049]在下文中，將參考附圖來描述實施方案。可以提供本公開內(nèi)容的各種其它修改實施方案，且本公開內(nèi)容的范圍不應(yīng)限于將在下文中詳細描述的實施方案。本公開內(nèi)容的實施方案向本領(lǐng)域技術(shù)人員提供本公開內(nèi)容的更全面的說明。
[0050]將理解，當(dāng)元件被稱作在另一元件“上”或“下方”時，它可以直接地在元件上/下方，并且也可以存在一個或更多個中間元件。當(dāng)元件被稱作“上”或“下方”時，基于元件可以包括“在元件下方”以及“在元件上”。
[0051]在附圖中，為便于描述和清楚，每層的厚度或尺寸被放大、省略或示意性地示出。另外，每個構(gòu)成元件的尺寸或面積不完全反映其實際尺寸。[0052]圖3是示出根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施方案的功率半導(dǎo)體器件100A的側(cè)視截面圖。
[0053]參考圖3,功率半導(dǎo)體器件100A包括襯底110、第一半導(dǎo)體層120、第二半導(dǎo)體層130、第三半導(dǎo)體層150、源電極161、漏電極162和柵電極163。
[0054]襯底110可以是藍寶石襯底(Al2O3)、硅襯底(Si)、碳化硅襯底(SiC)、氮化鎵襯底(GaN)或砷化鎵襯底(GaAs)，但不限于此。
[0055]在襯底110上形成包括第一半導(dǎo)體層120和第二半導(dǎo)體層130的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)140。
[0056]在襯底110上生長第一半導(dǎo)體層120之前，可以生長過渡層115以減少用于形成襯底110和第一半導(dǎo)體層120的材料之間的晶格常數(shù)差異。過渡層115可以具有單層結(jié)構(gòu)如AlN和AlGaN、或多層結(jié)構(gòu)如AlN/AlGaN、AlN/GaN和AlGaN/AlGaN，但不限于此。此外，過渡層115可以具有其中Al的含量變化的多層結(jié)構(gòu)AlGaN。例如，為了減少襯底110和第一半導(dǎo)體層120之間的晶格常數(shù)差異，過渡層115可以包括Al，Al的量朝著第一半導(dǎo)體層120減少，但不限于此。
[0057]在過渡層115上生長包括第一半導(dǎo)體層120和第二半導(dǎo)體層130的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)140。
[0058]第一半導(dǎo)體層120和第二半導(dǎo)體層130由具有不同極化率和能帶隙的材料形成。第一半導(dǎo)體層120可以具有比第二半導(dǎo)體層130的極化率和能帶隙小的極化率和能帶隙。
[0059]第一半導(dǎo)體層120可以是未摻雜的或摻雜的半導(dǎo)體層，并且可以包括例如選自GaN,InN、AlN、InGaN,AlGaN,InAlGaN、AlInN、GaAs、AlGaAs、InGaAs、AlInGaAs、GaP、AlGaP、InGaP、AlInGaP以及InP中的至少一種。
[0060]第二半導(dǎo)體層130可以是未摻雜的或摻雜的半導(dǎo)體層，并且可以包括例如選自GaN,InN、AlN、InGaN,AlGaN,InAlGaN、AlInN、GaAs、AlGaAs、InGaAs、AlInGaAs、GaP、AlGaP、InGaP、AlInGaP以及InP中的至少一種。
[0061]由于在第一半導(dǎo)體層120和第二半導(dǎo)體層130之間的能帶隙差異，在第一半導(dǎo)體層120和第二半導(dǎo)體層130之間的結(jié)界面處發(fā)生能帶不連續(xù)，并且由于在第一半導(dǎo)體層120和第二半導(dǎo)體層130之間的晶格常數(shù)差異而發(fā)生極化。因此，形成二維電子氣(2-DEG)層。2-DEG層可以在第一半導(dǎo)體層120的接觸第二半導(dǎo)體層130的界面處形成并且可以用作溝道層122。2-DEG層也可以在第一半導(dǎo)體層120中從第一半導(dǎo)體層120的接觸第二半導(dǎo)體層130的界面處延伸而形成。
[0062]在第二半導(dǎo)體層130上設(shè)置第三半導(dǎo)體層150。
[0063]形成第三半導(dǎo)體層150以在設(shè)置在其上的源電極161和漏電極162之間提供良好的歐姆接觸并且可以由通過摻雜的η型半導(dǎo)體形成。第三半導(dǎo)體層150可以包括以高濃度摻雜的GaAs或GaN。
[0064]第三半導(dǎo)體層150具有部分地露出第二半導(dǎo)體層130的開放區(qū)域P。經(jīng)由開放區(qū)域P在第二半導(dǎo)體層130上設(shè)置柵電極163。在第三半導(dǎo)體層150的在柵電極163的兩側(cè)處的非開放區(qū)域上設(shè)置源電極161和漏電極162以彼此間隔開。柵電極163可以接觸第二半導(dǎo)體層130。
[0065]在圖3中示出的第三半導(dǎo)體層150具有形成開放區(qū)域P的傾斜側(cè)壁。然而，根據(jù)用于形成開放區(qū)域P的蝕刻方法，側(cè)壁可以是垂直壁或傾斜壁，但不限于此。[0066]源電極161和漏電極162彼此進行歐姆接觸并且可以具有包括選自鋁(Al)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、銅(Cu)以及金(Au)中的至少一種的單層或多層結(jié)構(gòu)，但不限于此。為了改善源電極161和漏電極162之間的歐姆接觸特性，可以以高濃度摻雜第二半導(dǎo)體層130和第一半導(dǎo)體層120的設(shè)置在源電極161和漏電極162下方的部分。
[0067]柵電極163進行肖特基接觸并且可以具有包括選自鉬(Pt)、鑰(Mo)、鈦(Ti)、金(Au)、鈀(Pd)、鎢(W)、鎳(Ni)、銥(Ir)以及鋨(Os)中的至少一種的單層或多層結(jié)構(gòu)，但不限于此。
[0068]柵電極163經(jīng)由第三半導(dǎo)體層150的開放區(qū)域P結(jié)構(gòu)上連接至第二半導(dǎo)體層130。
[0069]開放區(qū)域P的寬度W1可以對應(yīng)于柵電極163的長度Q (柵極長度)。即，第二半導(dǎo)體層130的通過第三半導(dǎo)體層150露出的部分的寬度可以對應(yīng)于柵電極163的長度GJ柵極長度)。參考圖3，開放區(qū)域P的寬度W1與柵電極163的長度相同。然而，開放區(qū)域P的寬度W1可以大于柵電極163的長度以確保工藝裕度。
[0070]第二半導(dǎo)體層130的除通過開放區(qū)域P露出的部分以外的上表面覆蓋有第三半導(dǎo)體層150。第二半導(dǎo)體層130的上表面的通過開放區(qū)域P露出的部分可以覆蓋有柵電極163。
[0071]在第三半導(dǎo)體層150中在柵電極163和漏電極162之間設(shè)置電隔離區(qū)域150a。根據(jù)一個實施方案，電隔離區(qū)域150a可以是通過離子注入形成的離子注入?yún)^(qū)域。
[0072]圖3示出電隔離區(qū)域150a的一側(cè)設(shè)置在與漏電極162的靠近柵電極163的一個邊緣相同的線上。然而，電隔離區(qū)域150a也可以設(shè)置在柵電極163和漏電極162之間以靠近漏電極162。
[0073]電隔離區(qū)域150a將第三半導(dǎo)體層150的設(shè)置在柵電極163和電隔離區(qū)域150a之間的部分與第三半導(dǎo)體層150的設(shè)置在電隔離區(qū)域150a和漏電極162之間的另一部分電分離。
[0074]換言之，第三半導(dǎo)體層150包括設(shè)置成相鄰于柵電極163的第一區(qū)域150_1、設(shè)置成相鄰于漏電極162的第二區(qū)域150-2以及設(shè)置在第一區(qū)域150-1和第二區(qū)域150-2之間的第三區(qū)域150-3。第三區(qū)域150-3將第一區(qū)域150-1與第二區(qū)域150-2電分離。
[0075]第三半導(dǎo)體層150的第三區(qū)域150-3是電隔離區(qū)域150a。根據(jù)實施方案，電隔離區(qū)域150a可以是通過離子注入形成的離子注入?yún)^(qū)域。
[0076]注入電隔離區(qū)域150a的離子可以是具有與第三半導(dǎo)體層150不同的導(dǎo)電類型的離子。由于第三半導(dǎo)體層150包括第一導(dǎo)電類型離子，因此電隔離區(qū)域150a可以包括第二導(dǎo)電類型離子。例如，當(dāng)?shù)谌雽?dǎo)體層150包括η-型離子時，P-型摻雜劑可以注入到電隔離區(qū)域150a以電打開第三半導(dǎo)體層150。例如,可以注入Mg、Zn、Ca、Sr以及Ba等?？商鎿Q地，摻雜劑如Fe、Mg以及Ar可以注入到電隔離區(qū)域150a以破壞第三半導(dǎo)體層150的結(jié)晶度，從而電打開第三半導(dǎo)體層150。
[0077]第三半導(dǎo)體層150的第一區(qū)域150-1、第三區(qū)域150-3以及第二區(qū)域150-2從柵電極163側(cè)至漏電極162側(cè)依次排列。
[0078]第三區(qū)域150-3的一側(cè)可以設(shè)置在與漏電極162的靠近柵電極163的一個邊緣相同的線上。就這點而言，第二區(qū)域150-2可以設(shè)置為對應(yīng)于漏電極162的寬度。
[0079]根據(jù)一個實施方案，由于第二半導(dǎo)體層130的除設(shè)置有柵電極163的開放區(qū)域P以外的區(qū)域覆蓋有第三半導(dǎo)體層150，因此以與上面參考圖2描述的結(jié)構(gòu)類似的方式獲得優(yōu)異的DC特性。此外，通過在第三半導(dǎo)體層150中在柵電極163和漏電極162之間形成電隔離區(qū)域150a，柵電極163和漏電極162之間的實際距離增加，并且因此柵電極163和漏電極162之間的電容減小。因此，與圖2中所示的功率半導(dǎo)體器件相比，圖3中所示的功率半導(dǎo)體器件可以同時具有優(yōu)異的DC特性和優(yōu)異的RF特性。由于電隔離區(qū)域150a更靠近漏電極162，因此柵電極163和漏電極162之間的實際距離增加。因此，可以進一步提高RF特性。
[0080]包含在第三半導(dǎo)體層150中的電隔離區(qū)域150a的厚度可以與整個第三半導(dǎo)體層150的厚度相同。
[0081]可以在第三半導(dǎo)體層150上形成鈍化層170。鈍化層170保護器件免受物理沖擊或化學(xué)污染并且可以由氮化硅或氧化硅形成。
[0082]源電極161和漏電極162的未覆蓋有鈍化層170的部分可以分別連接至地和外部電源。雖然本文中未示出，但連接至柵電極163的柵極焊墊(未示出)可以連接至外部電源。
[0083]圖4是示出根據(jù)本公開內(nèi)容的另一實施方案的功率半導(dǎo)體器件100B的側(cè)視截面圖。將不詳細描述與之前的實施方案的那些構(gòu)成元件相同的構(gòu)成元件并且將只描述不同的構(gòu)成元件。
[0084]參考圖4，功率半導(dǎo)體器件100B包括襯底110、第一半導(dǎo)體層120、第二半導(dǎo)體層130、第三半導(dǎo)體層150、源電極161、漏電極162以及柵電極163。
[0085]由于第一半導(dǎo)體層120和第二半導(dǎo)體層130之間的能帶隙差異，在第一半導(dǎo)體層120和第二半導(dǎo)體層130之間的結(jié)界面處發(fā)生能帶不連續(xù)，并且由于第一半導(dǎo)體層120和第二半導(dǎo)體層130之間的晶格常數(shù)差異而發(fā)生極化。因此，二維電子氣(2-DEG)層形成。2-DEG層可以在第一半導(dǎo)體層120的接觸第二半導(dǎo)體層130的界面處形成并且可以用作溝道層122。
[0086]第三半導(dǎo)體層150包括露出第二半導(dǎo)體層130的部分的開放區(qū)域P。經(jīng)由開放區(qū)域P在第二半導(dǎo)體層130上設(shè)置柵電極163。在第三半導(dǎo)體層150的在柵電極163的兩側(cè)處的非開放區(qū)域上設(shè)置源電極161和漏電極162以彼此間隔開。
[0087]柵電極163經(jīng)由第三半導(dǎo)體層150的開放區(qū)域P結(jié)構(gòu)上連接至第二半導(dǎo)體層130。
[0088]開放區(qū)域P的寬度W1可以對應(yīng)于柵電極163的長度Q (柵極長度)。即，第二半導(dǎo)體層130的通過第三半導(dǎo)體層150露出的部分的寬度可以對應(yīng)于柵電極163的長度GJ柵極長度)。參考圖4，開放區(qū)域P的寬度W1與柵電極163的長度相同。然而，開放區(qū)域P的寬度W1可以大于柵電極163的長度以確保工藝裕度。
[0089]在第三半導(dǎo)體層150中在柵電極163和漏電極162之間設(shè)置電隔離區(qū)域150a。根據(jù)實施方案，電隔離區(qū)域150a可以是通過離子注入形成的離子注入?yún)^(qū)域。電隔離區(qū)域150a可以設(shè)置在柵電極163和漏電極162之間以靠近漏電極162。
[0090]電隔離區(qū)域150a將第三半導(dǎo)體層150的設(shè)置在柵電極163和電隔離區(qū)域150a之間的部分與第三半導(dǎo)體層150的設(shè)置在電隔離區(qū)域150a和漏電極162之間的另一部分電分離。
[0091]換言之，第三半導(dǎo)體層150包括設(shè)置成相鄰于柵電極163的第一區(qū)域150_1、設(shè)置成相鄰于漏電極162的第二區(qū)域150-2以及設(shè)置在第一區(qū)域150-1和第二區(qū)域150-2之間的第三區(qū)域150-3。第三區(qū)域150-3將第一區(qū)域150-1與第二區(qū)域150-2電分離。
[0092]第三半導(dǎo)體層150的第三區(qū)域150-3是電隔離區(qū)域150a。根據(jù)實施方案，電隔離區(qū)域150a可以是通過離子注入形成的離子注入?yún)^(qū)域。
[0093]由于第三半導(dǎo)體層150包括第一導(dǎo)電類型離子，因此電隔離區(qū)域150a可以包括第二導(dǎo)電類型離子。例如，當(dāng)?shù)谌雽?dǎo)體層150包括η-型離子時，P-型摻雜劑可以注入到電隔離區(qū)域150a以電打開第三半導(dǎo)體層150。例如,可以注入Mg、Zn、Ca、Sr以及Ba等?？商鎿Q地，摻雜劑如Fe、Mg以及Ar可以注入到電隔離區(qū)域150a以破壞第三半導(dǎo)體層150的結(jié)晶度，從而電打開第三半導(dǎo)體層150。
[0094]第三半導(dǎo)體層150的第一區(qū)域150-1、第三區(qū)域150_3以及第二區(qū)域150_2從柵電極163側(cè)至漏電極162側(cè)依次排列。
[0095]第三區(qū)域150-3的一側(cè)可以設(shè)置在與漏電極162的靠近柵電極163的一個邊緣相同的線上。在這點上，可以設(shè)置第二區(qū)域150-2以對應(yīng)于漏電極162的寬度。
[0096]包含在第三半導(dǎo)體層150中的電隔離區(qū)域150a的厚度可以與整個第三半導(dǎo)體層150的厚度相同。
[0097]電隔離區(qū)域150a可以在第三半導(dǎo)體層150中延伸至第二半導(dǎo)體層130的部分而形成。
[0098]由于電隔離區(qū)域150a不應(yīng)該影響溝道層122，因此通過預(yù)定距離將電隔離區(qū)域150a與溝道層122間隔開，使得第二半導(dǎo)體層130的至少一部分置于電隔離區(qū)域150a與溝道層122之間。S卩，溝道層122設(shè)置在第一半導(dǎo)體層120的接觸第二半導(dǎo)體層130的界面處，并且電隔離區(qū)域150a與溝道層122間隔開。因此，電隔離區(qū)域150a的延伸至第二半導(dǎo)體層130的一部分的部分的厚度H1小于第二半導(dǎo)體層130的厚度H2。為了確?？煽啃?，電隔離區(qū)域150a可以延伸到第二半導(dǎo)體層130中達到第二半導(dǎo)體層130的厚度H2的70%。
[0099]電隔離區(qū)域150a的延伸至第二半導(dǎo)體層130的部分的延伸部分可以用作輕摻雜漏極(LDD)區(qū)。
[0100]圖5是示出根據(jù)本公開內(nèi)容的另一實施方案的功率半導(dǎo)體器件100C的側(cè)視截面圖。將不詳細描述與之前的實施方案的那些構(gòu)成元件相同的構(gòu)成元件，將只描述不同的構(gòu)成元件。
[0101]參考圖5，在功率半導(dǎo)體器件100C中，電隔離區(qū)域150a設(shè)置在第三半導(dǎo)體層150中在柵電極163和漏電極162之間。根據(jù)實施方案，電隔離區(qū)域150a可以是通過離子注入形成的離子注入?yún)^(qū)域。電隔離區(qū)域150a可以設(shè)置在柵電極163和漏電極162之間以接近漏電極162。
[0102]電隔離區(qū)域150a的厚度可以小于第三半導(dǎo)體層150的整個厚度。S卩，電隔離區(qū)域150a可以將第三半導(dǎo)體層150的設(shè)置在柵電極163和電隔離區(qū)域150a之間的部分與第三半導(dǎo)體層150的設(shè)置在電隔離區(qū)域150a和漏電極162之間的另一部分不完全電分離。
[0103]電隔離區(qū)域150a可以圍繞第三半導(dǎo)體層150的表面形成，即，在功率半導(dǎo)體器件100C的不與第二半導(dǎo)體層130接觸的上部處形成。電隔離區(qū)域150a可以與第二半導(dǎo)體層130間隔開，使得第三半導(dǎo)體層150的部分置于電隔離區(qū)域150a與第二半導(dǎo)體層130之間。
[0104]圖6是示出根據(jù)本公開的另一實施方案的功率半導(dǎo)體器件100D的側(cè)視截面圖。將不詳細描述與之前的實施方案的那些構(gòu)成元件相同的構(gòu)成元件，將只描述不同的構(gòu)成元件。
[0105]參考圖6，在功率半導(dǎo)體器件100D中，電隔離區(qū)域150a設(shè)置在第三半導(dǎo)體層150中在柵電極163和漏電極162之間。根據(jù)實施方案，電隔離區(qū)域150a可以是通過離子注入形成的離子注入?yún)^(qū)域。電隔離區(qū)域150a可以設(shè)置在柵電極163和漏電極162之間而不接觸漏電極162。
[0106]g卩，電隔離區(qū)域150a設(shè)置在第三半導(dǎo)體層150中在柵電極163和漏電極162之間但也可以不形成在第三半導(dǎo)體層150的在漏電極162下方的部分中。
[0107]圖7是示出根據(jù)本公開內(nèi)容的另一實施方案的功率半導(dǎo)體器件100E的側(cè)視截面圖。將不詳細描述與之前的實施方案的那些構(gòu)成元件相同的構(gòu)成元件，將只描述不同的構(gòu)成元件。
[0108]參考圖7，在功率半導(dǎo)體器件100E中，電隔離區(qū)域150a設(shè)置在第三半導(dǎo)體層150中在柵電極163和漏電極162之間。根據(jù)實施方案，電隔離區(qū)域150a可以是通過離子注入形成的離子注入?yún)^(qū)域。電隔離區(qū)域150a可以設(shè)置在柵電極163和漏電極162之間以與漏電極162接觸。
[0109]電隔離區(qū)域150a設(shè)置在第三半導(dǎo)體層150中在柵電極163和漏電極162之間以部分重疊漏電極162。
[0110]g卩，電隔離區(qū)域150a可以設(shè)置在第三半導(dǎo)體層150中在柵電極163和漏電極162之間，使得電隔離區(qū)域150a的一部分部分地重疊漏電極162并且電隔離區(qū)域150a的另一部分不重疊漏電極162。
[0111]圖8至圖11是示出圖3至圖7的截面A的局部放大圖。
[0112]首先，參考圖8，在柵電極163中，連接至第二半導(dǎo)體層130的部分的寬度(即，柵極長度GJ可以小于未連接至第二半導(dǎo)體層130的相反部分的寬度W2。例如，柵電極163可以是T形柵電極或蘑菇形柵電極。
[0113]在高速半導(dǎo)體器件中，由于柵極長度減小，因此調(diào)制特性提高。然而，柵極長度的減小導(dǎo)致柵電極的橫截面面積減少，從而增大柵電極的電阻Rg。因此，當(dāng)使用T形柵電極或蘑菇形柵電極時，柵極長度可以減小且橫截面面積增加，從而降低電阻Rg。
[0114]在圖8中，示例性地示出T形柵電極163。然而，任意其它結(jié)構(gòu)也可以施加到柵電極，只要柵電極具有短的柵極長度&和寬的橫截面面積即可。
[0115]參考圖9，第二半導(dǎo)體層130具有凹陷部分130R，并且可以在凹陷部分130R上設(shè)置柵電極163。
[0116]凹陷部分130R從第二半導(dǎo)體層130的接觸第三半導(dǎo)體層150的表面朝著第一半導(dǎo)體層120凹陷以對應(yīng)于第三半導(dǎo)體層150的開放區(qū)域P。即，可以形成凹陷部分130R以對應(yīng)于第二半導(dǎo)體層130的通過第三半導(dǎo)體層150露出的部分。
[0117]第二半導(dǎo)體層130的其中形成有凹陷部分130R的部分的厚度小于第二半導(dǎo)體層130的其它部分的厚度。第二半導(dǎo)體層130的厚度在確定工作模式或控制夾斷電壓時是非常重要的因素。因此，通過以凹陷部分130R的深度來控制第二半導(dǎo)體層130的厚度可以調(diào)整器件的特性。通常，由于HEMT以耗盡模式工作，因此通過形成凹陷部分130R來控制閾值電壓可以制造以增強模式工作的功率半導(dǎo)體器件。[0118]參考圖10，可以在柵電極163和第二半導(dǎo)體層130之間設(shè)置柵極絕緣層180。柵極絕緣層180也可以施加到圖8或圖9中示出的結(jié)構(gòu)。柵極絕緣層180的寬度可以對應(yīng)于柵電極163的長度。
[0119]參考圖11，開放區(qū)域P的寬度W1可以大于柵電極163的長度Q (柵極長度)。即，第二半導(dǎo)體層130的通過第三半導(dǎo)體層150露出的部分的寬度可以大于柵電極163的長度& (柵極長度)。
[0120]圖12至圖14是用于描述制造根據(jù)本公開內(nèi)容的上述實施方案的功率半導(dǎo)體器件的方法的視圖。在下文中，將參考圖8至圖10描述制造功率半導(dǎo)體器件的方法。
[0121]首先，參考圖12，在襯底110上生長用于減少晶格常數(shù)失配的過渡層115。然后，在其上生長包括第一半導(dǎo)體層120和第二半導(dǎo)體層130的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)140與第三半導(dǎo)體層150。
[0122]通過金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)以及汽相外延(VPE)等生長過渡層115、第一半導(dǎo)體層120、第二半導(dǎo)體層130以及第三半導(dǎo)體層150，但是生長方法不限于此。
[0123]此外，進行臺面蝕刻工藝以將相鄰于的功率半導(dǎo)體器件彼此電分離。雖然為簡單起見，圖3至圖7中未示出臺面蝕刻部分，但是第二半導(dǎo)體層130可以比第一半導(dǎo)體層120具有更窄的寬度?？商鎿Q地，第一半導(dǎo)體層120的相鄰于第二半導(dǎo)體層130的部分的寬度可以小于第一半導(dǎo)體層120的相鄰于襯底110的另一部分的寬度。
[0124]可以通過濕法蝕刻或干法蝕刻進行臺面蝕刻工藝。在GaN基異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中，由于GaN的高結(jié)合能，因此通過濕法蝕刻的蝕刻速率低。因此，可以使用干法蝕刻如電感耦合等離子體反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)和電子回旋共振(ECR)等離子體蝕刻。
[0125]當(dāng)通過臺面蝕刻工藝來電分離功率半導(dǎo)體器件時，在第三半導(dǎo)體層150上形成源電極161和漏電極162?？梢酝ㄟ^使用光刻膠PR和電子束蒸發(fā)的光刻法來形成源電極161和漏電極162,但不限于此。
[0126]此外，參考圖13，通過蝕刻工藝在第三半導(dǎo)體層150中形成開放區(qū)域P，然后形成柵電極163。
[0127]也可以通過使用光刻膠PR和電子束蒸發(fā)的光刻法來形成柵電極163。當(dāng)形成T形柵極圖案時，例如，可以使用PMMA/P (MMA-MMA)/PMMA的三層光刻膠圖案。
[0128]當(dāng)柵電極163形成時，在柵電極163和漏電極162之間的第三半導(dǎo)體層150中形成電隔離區(qū)域150a。
[0129]通過形成露出對應(yīng)區(qū)域的掩模圖案并且使用離子注入加速器沿箭頭所示的方向注入離子來形成電隔離區(qū)域150a。可以通過控制離子類型和離子注入能量來調(diào)節(jié)電隔離區(qū)域150a的深度。
[0130]此外，參考圖14，在第三半導(dǎo)體層150上在異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)140的通過臺面蝕刻露出的側(cè)上除用于連接地或外部電源的部分以外的部分上形成鈍化層170。
[0131]然而，制造上述功率半導(dǎo)體器件的方法是實例，并且可以根據(jù)實施方案以各種方式修改詳細的工序和技術(shù)。
[0132]根據(jù)上述實施方案，柵電極163的上表面上比源電極161或漏電極162的上表面低。然而，可以根據(jù)制造工藝或設(shè)計修改柵電極163、源電極161和漏極電極162的上表面。[0133]圖15是用于描述根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案的功率半導(dǎo)體器件的RF特性的曲線圖。
[0134]圖15示出功率半導(dǎo)體器件關(guān)于源電極和漏電極之間的位置的電勢。在比較例I中，使用上面參考圖1描述的具有第一柵極凹部結(jié)構(gòu)的常規(guī)HEMT器件，第一柵極凹部結(jié)構(gòu)具有寬凹部區(qū)域。在比較例2中，使用上面參考圖2描述的具有第二柵極凹部結(jié)構(gòu)的常規(guī)HEMT器件，第二柵極凹部結(jié)構(gòu)具有窄凹部區(qū)域。
[0135]比較例I的HEMT器件的電勢在柵電極和漏電極之間的整個區(qū)域上線性增加。另一方面，比較例2的HEMT器件的電勢在柵電極附近迅速增加并且飽和。
[0136]如比較例2中所示的電場曲線減小了柵電極和漏電極之間的實際距離，從而增大了電容(Cgd)。電容(Cgd)的增大導(dǎo)致最大振蕩頻率(Fmax)減小，從而使RF特性劣化。
[0137]根據(jù)本公開的實施方案，雖然第三半導(dǎo)體層形成直到柵電極附近，但是在柵電極和漏電極之間形成的電隔離區(qū)域增大了柵電極和漏電極之間的實際距離，從而減小了電容(Cgd)。因此，獲得了比較例I的優(yōu)點。結(jié)果，可以獲得優(yōu)異的RF特性。
[0138]圖16是示出用于描述根據(jù)本公開的實施方案的功率半導(dǎo)體器件的DC特性的Idss,_^BGm,max的圖。圖17是示出用于描述根據(jù)本公開的實施方案的功率半導(dǎo)體器件的RF特性的Ft和Fmax的圖。
[0139]在比較例I中，使用上面參考圖1描述的具有第一柵極凹部結(jié)構(gòu)的常規(guī)HEMT器件，第一柵極凹部結(jié)構(gòu)具有寬凹部區(qū)域。在比較例2中，使用上面參考圖2描述的具有第二柵極凹部結(jié)構(gòu)的常規(guī)HE MT器件，第二柵極凹部結(jié)構(gòu)具有窄凹部區(qū)域。
[0140]參考圖16和圖17,由于根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案的功率半導(dǎo)體器件具有高的最大漏極電流(Idss,_)和高的最大跨導(dǎo)(Gm,_)，所以可以看出獲得了比較例2的優(yōu)點。結(jié)果，可以得到優(yōu)異的DC特性。由于根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案的功率半導(dǎo)體器件具有高的截止頻率(Ft)和高的最大振蕩頻率(Fmax),因此可以看出獲得了比較例I的優(yōu)點。結(jié)果，可以獲得優(yōu)異的RF特性。具體地，參考圖13，可以證實，與比較例I相比，RF特性進一步提聞。
[0141]從上述明顯看出，可以制造具有優(yōu)異的DC特性和優(yōu)異的RF特性的功率半導(dǎo)體器件。
[0142]雖然已經(jīng)參考其多個說明性實施方案描述了實施方案，但應(yīng)該理解，在該公開內(nèi)容的原則的精神和范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以作出許多其它修改方案和實施方案。更具體地，在本公開內(nèi)容、附圖和所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，主題組合布置的組成部件和/或布置中的各種變化和修改也是可以的。除了組成部件和/或布置中的變化和修改之外，本領(lǐng)域技術(shù)人員也將明白可替換的用途。
【權(quán)利要求】
1.一種功率半導(dǎo)體器件，包括: 襯底； 在所述襯底上的第一半導(dǎo)體層； 在所述第一半導(dǎo)體層上的第二半導(dǎo)體層； 在所述第二半導(dǎo)體層上并且露出所述第二半導(dǎo)體層的一部分的第三半導(dǎo)體層； 在所述第二半導(dǎo)體層的經(jīng)由所述第三半導(dǎo)體層露出的所述部分上的柵電極；以及 在所述第三半導(dǎo)體層上在所述柵電極的兩側(cè)處以彼此間隔開的源電極和漏電極， 其中，在所述第三半導(dǎo)體層中在所述柵電極和所述漏電極之間設(shè)置有電隔離區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體器件，其中，所述電隔離區(qū)域相鄰于所述漏電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體器件，其中，所述柵電極靠近所述第二半導(dǎo)體層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的功率半導(dǎo)體器件，其中，所述電隔離區(qū)域從所述第三半導(dǎo)體層延伸至所述第二半導(dǎo)體層的一部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率半導(dǎo)體器件，其中: 在所述第一半導(dǎo)體層的接觸所述第二半導(dǎo)體層的界面處設(shè)置有溝道層；以及 所述電隔離區(qū)域與所述溝道層間隔開。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的功率半導(dǎo)體器件，其中，所述第二半導(dǎo)體層的通過所述第三半導(dǎo)體層露出的所述部分的寬度對應(yīng)于所述柵電極的長度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的功率半導(dǎo)體器件，其中，注入到所述電隔離區(qū)域的離子具有與所述第三半導(dǎo)體層的導(dǎo)電類型不同的導(dǎo)電類型。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率半導(dǎo)體器件，其中，設(shè)置在所述第二半導(dǎo)體層中的所述電隔離區(qū)域的厚度小于整個所述第二半導(dǎo)體層的厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的功率半導(dǎo)體器件，其中，所述電隔離區(qū)域包括Mg、Zn、Ca、Sr、Ba、Fe 或 Ar 中的至少一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的功率半導(dǎo)體器件，其中，在所述第三半導(dǎo)體層中的所述電隔離區(qū)域的厚度與整個所述第三半導(dǎo)體層的厚度相同。
11.一種功率半導(dǎo)體器件，包括: 源電極、漏電極以及在所述源電極和所述漏電極之間的柵電極； 設(shè)置在所述源電極和所述漏電極下方并且具有開放區(qū)域的第三半導(dǎo)體層，所述開放區(qū)域的寬度與所述柵電極的長度對應(yīng)； 設(shè)置在所述第三半導(dǎo)體層下方并且通過所述開放區(qū)域連接至所述柵電極的第二半導(dǎo)體層；以及 在所述第二半導(dǎo)體層下方的第一半導(dǎo)體層， 其中，所述第三半導(dǎo)體層包括相鄰于所述柵電極的第一區(qū)域、相鄰于所述漏電極的第二區(qū)域以及在所述第一區(qū)域和所述第二區(qū)域之間的第三區(qū)域，并且所述第三區(qū)域?qū)⑺龅谝粎^(qū)域與所述第二區(qū)域電分離， 其中，所述第一區(qū)域、所述第三區(qū)域和所述第二區(qū)域從所述柵電極側(cè)至所述漏電極側(cè)依次排列。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的功率半導(dǎo)體器件，其中，所述第三區(qū)域是電隔離區(qū)域，向所述電隔離區(qū)域中注入有具有與所述第三半導(dǎo)體層的導(dǎo)電類型不同的導(dǎo)電類型的離子。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12中任一項所述的功率半導(dǎo)體器件，其中，所述第三區(qū)域相鄰于所述漏電極。
14.根據(jù)權(quán)利要求11或12中任一項所述的功率半導(dǎo)體器件，其中，所述第三區(qū)域包括Mg、Zn、Ca、Sr、Ba、Fe 或 Ar 中的至少一種。
15.一種功率半導(dǎo)體器件，包括: 襯底； 設(shè)置在所述襯底上的第一半導(dǎo)體層； 設(shè)置在所述第一半導(dǎo)體層上的第二半導(dǎo)體層； 設(shè)置在所述第二半導(dǎo)體層上并且露出所述第二半導(dǎo)體層的一部分的第三半導(dǎo)體層； 設(shè)置在所述第二半導(dǎo)體層的經(jīng)由所述第三半導(dǎo)體層露出的所述部分上的柵電極；以及 設(shè)置在所述第三半導(dǎo)體層上在所述柵電極的兩側(cè)處以彼此間隔開的源電極和漏電極， 其中，所述第三半導(dǎo)體層的相鄰于所述柵電極的部分與在所述柵電極和所述漏電極之間所述第三半導(dǎo)體層的相鄰于所述漏電極的另一部分電分離。
16.根據(jù)權(quán)利要求1、11或15中任一項所述的功率半導(dǎo)體器件，其中，所述柵電極的連接至所述第二半導(dǎo)體層的部分的寬度比所述柵電極的相反部分的寬度小。
17.根據(jù)權(quán)利要求1、11或15中任一項所述的功率半導(dǎo)體器件，其中: 所述第二半導(dǎo)體層具有凹陷 部分；以及 在所述凹陷部分上設(shè)置有所述柵電極。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的功率半導(dǎo)體器件，其中，所述凹陷部分對應(yīng)于所述第二半導(dǎo)體層的經(jīng)由所述第三半導(dǎo)體層露出的部分。
19.根據(jù)權(quán)利要求1、11或15中任一項所述的功率半導(dǎo)體器件，其中，在所述第三半導(dǎo)體層上設(shè)置有鈍化層。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至3中 任一項所述的功率半導(dǎo)體器件，其中，所述第二半導(dǎo)體層的通過所述第三半導(dǎo)體層露出的部分的寬度大于所述柵電極的長度。
【文檔編號】H01L29/778GK103811541SQ201310175270
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月8日
【發(fā)明者】吳政勳 申請人:Lg伊諾特有限公司