技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的實(shí)施例總體涉及微電子器件和制造，并且更具體地涉及Ⅲ族-N晶體管。

背景技術(shù)：

在過去幾十年中已經(jīng)以大容量的方式實(shí)施了片上系統(tǒng)(SoC)。SoC解決方案提供了板級部件集成所比不上的縮放優(yōu)勢。盡管長時(shí)間以來將模擬電路和數(shù)字電路集成到同一襯底上來提供SoC(其提供混合的信號能力)的形式，但是用于移動(dòng)計(jì)算平臺(例如智能電話和平板電腦)的SoC解決方案仍然難以得到，因?yàn)檫@些設(shè)備通常包括利用兩個(gè)或多個(gè)具有高電壓、高功率和高頻率的信號來操作的部件。同樣，常規(guī)的移動(dòng)計(jì)算平臺通常利用Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體(例如GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT))來在GHz載頻處產(chǎn)生足夠的功率放大，并且利用橫向擴(kuò)散硅MOS(LDMOS)技術(shù)來管理電壓轉(zhuǎn)換和功率分配(包括升壓和/或降壓轉(zhuǎn)換的電池電壓調(diào)節(jié)，等等)。隨后，實(shí)現(xiàn)CMOS工藝的常規(guī)的硅場效應(yīng)晶體管是第三種器件技術(shù)，其用于移動(dòng)計(jì)算平臺內(nèi)的邏輯和控制功能。

在移動(dòng)計(jì)算平臺內(nèi)使用的多個(gè)晶體管技術(shù)限制了器件作為整體的可擴(kuò)展性，并且因此是更強(qiáng)功能、更高集成水平、更低成本和更小形狀因數(shù)等的障礙。因此，盡管用于將這三種器件技術(shù)中的兩種或多種器件技術(shù)集成的移動(dòng)計(jì)算空間的SoC解決方案是有吸引力的，但是SoC解決方案的一個(gè)障礙是缺乏具有足夠的速度(即，足夠高的增益截止頻率，F(xiàn)_t)以及足夠高的擊穿電壓(BV)的可擴(kuò)展的晶體管技術(shù)。

一種有希望的晶體管技術(shù)是基于Ⅲ族氮化物(Ⅲ-N)。然而，在縮放到小于100nm的特征尺寸(例如，柵極長度)方面該晶體管技術(shù)面臨根本性困難，在小于100nm的情況下，短溝道效應(yīng)變得難以控制。因此具有良好控制的短溝道效應(yīng)的縮放的Ⅲ-N晶體管對實(shí)現(xiàn)具有足夠高的擊穿電壓(BV)的高F_t非常重要。對于用于傳送移動(dòng)計(jì)算平臺的產(chǎn)品特定電流和功率要求的SoC解決方案，需要能夠處理高輸入電壓擺動(dòng)、以及在RF頻率處提供高的功率附加效率的快速切換高電壓晶體管。因此經(jīng)得起縮放和具有這樣的性能的改進(jìn)的Ⅲ-N晶體管是有優(yōu)勢的。

附圖說明

通過示例的方式而不是限制的方式對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說明，并且結(jié)合附圖參考下文的具體實(shí)施方式可以更充分地理解本發(fā)明的實(shí)施例，其中：

圖1A是根據(jù)實(shí)施例的Ⅲ族-N晶體管的等距圖；

圖1B是圖1A中所示的Ⅲ族-N晶體管的溝道區(qū)的截面圖；

圖1C是根據(jù)實(shí)施例的Ⅲ族-N晶體管的等距圖；

圖2A是根據(jù)實(shí)施例的用于Ⅲ族-N晶體管的GaN晶體取向的等距圖；

圖2B是采用非平面GaN體的Ⅲ族-N晶體管的溝道區(qū)的截面圖，其中非平面GaN主體具有圖2A中所示的晶體取向；

圖2C是圖2B中所示的溝道區(qū)的能帶圖；

圖2D是根據(jù)實(shí)施例的用于Ⅲ族-N晶體管的GaN晶體取向的等距圖；

圖2E是采用非平面GaN主體的Ⅲ族-N晶體管的溝道區(qū)的截面圖，其中非平面GaN主體具有圖2D中所示的晶體取向；

圖3是示出根據(jù)實(shí)施例的制造非平面高電壓晶體管的方法的流程圖；

圖4A、4B、4C、4D和4E是根據(jù)圖3中所示的方法的實(shí)施例所制造的非平面高電壓晶體管的等距圖；以及

圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的移動(dòng)計(jì)算平臺的SoC實(shí)施方式的功能框圖。

具體實(shí)施方式

在下文的說明中，闡釋了大量的細(xì)節(jié)，然而對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，本發(fā)明可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)例中，以框圖的形式、而不是以細(xì)節(jié)的方式示出公知的方法和器件，以避免使本發(fā)明難以理解。整個(gè)說明書中提及的“實(shí)施例”表示結(jié)合實(shí)施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)、功能或特性包含在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，在整個(gè)說明書中術(shù)語“在實(shí)施例中”在各種地方的出現(xiàn)不必指代本發(fā)明的相同實(shí)施例。此外，特定特征、結(jié)構(gòu)、功能或特性可以以任何適合的方式組合在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中。例如，第一實(shí)施例可以與第二實(shí)施例結(jié)合，只要這兩個(gè)實(shí)施例不互相排斥。

在本文中，術(shù)語“耦合”和“連接”以及它們的衍生物可以用于描述部件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。應(yīng)該理解的是，這些術(shù)語不是要作為彼此的同義詞。相反，在特定實(shí)施例中，“連接”可以用于表示兩個(gè)或多個(gè)元件彼此直接物理或電接觸。“耦合”可以用于表示兩個(gè)或多個(gè)元件彼此直接或非直接(在它們之間具有其它中間元件)的物理或電接觸，和/或兩個(gè)或多個(gè)元件彼此合作或互動(dòng)(例如，作為造成影響的關(guān)系)。

在本文中使用的術(shù)語“在……之上”、“在……之下”、“在……之間”和“在……上”指的是一個(gè)材料層相對于另一層的相對位置。同樣，例如，設(shè)置在另一層之上或之下的一層可以直接與另一層接觸，或可以具有一個(gè)或多個(gè)中間層。此外，設(shè)置在兩層之間的一層可以直接與這兩層接觸，或可以具有一個(gè)或多個(gè)中間層。相比之下，在第二層“上”的第一層與第二層直接接觸。

在本文中描述的是Ⅲ族氮化物(Ⅲ-N)半導(dǎo)體納米線、以及用于制造高電壓、高帶寬場效應(yīng)晶體管的制造技術(shù)的實(shí)施例。在特定實(shí)施例中，在集成高功率無線數(shù)據(jù)傳輸和/或具有低功率CMOS邏輯數(shù)據(jù)處理的高電壓功率管理功能的SoC架構(gòu)中采用這種晶體管。納米線結(jié)構(gòu)需要用于短溝道效應(yīng)極好的靜電控制的“環(huán)繞式柵極”，并且因此，容許將Ⅲ族-N晶體管超縮放至低于100nm的尺度。適合于寬帶無線數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的高頻操作是可能的，而大帶隙Ⅲ-N材料的使用還提供高BV，從而可以產(chǎn)生用于無線數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的足夠的RF輸出功率。高F_t和高電壓容量的這種組合還使本文中所描述的晶體管的使用成為可能，這是因?yàn)镈C到DC轉(zhuǎn)換器中的高速切換應(yīng)用使用減小尺寸的電感元件。由于功率放大和DC到DC切換應(yīng)用均是智能手機(jī)、平板電腦和其它移動(dòng)平臺中的關(guān)鍵功能塊，所以針對這樣的設(shè)備，本文描述的結(jié)構(gòu)可以用于SoC解決方案中。

在實(shí)施例中，利用可以包括多種Ⅲ族-N材料的多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)來形成納米線、多個(gè)垂直疊置的納米線，并且可以進(jìn)一步用于將具有不同帶隙的半導(dǎo)體材料合并到晶體管的各個(gè)區(qū)中(例如，可以將更寬帶隙的材料合并在器件溝道與漏極觸點(diǎn)之間的非本征漏極區(qū)中)。在示例性實(shí)施例中，柵極結(jié)構(gòu)環(huán)繞溝道區(qū)的所有邊，以提供用于縮放柵極長度(Lg)的溝道電荷的全選通限制。根據(jù)實(shí)施例，納米線的一個(gè)或多個(gè)表面覆蓋有寬帶隙Ⅲ族-N材料，以提供以下中的一個(gè)或多個(gè)：增強(qiáng)的溝道遷移率、自發(fā)和壓電極化的表層電荷[二維電子氣(2DEG)]、界面狀態(tài)的鈍化、以及用于溝道電荷載流子限制的能量勢壘。

圖1A是根據(jù)實(shí)施例的Ⅲ族-N晶體管100的等距圖。通常，Ⅲ族-N晶體管100是通常被稱為高電子遷移率晶體管(HEMT)的柵極電壓控制的器件(即，F(xiàn)ET)。Ⅲ族-N晶體管100包括至少一個(gè)非平面結(jié)晶半導(dǎo)體主體，其位于與襯底層205的頂表面平行的平面上，晶體管100設(shè)置于襯底層205的頂表面上。在實(shí)施例中，襯底層205是絕緣的、或半絕緣的、和/或具有設(shè)置于其上的絕緣或半絕緣層，其上設(shè)置納米線210A。在一個(gè)這樣的實(shí)施例中，襯底層205是生長在支撐襯底上或轉(zhuǎn)移到施主襯底上(未示出支撐襯底和施主襯底)的Ⅲ族-N半導(dǎo)體的頂層(圖1A中所示)。在特定實(shí)施例中，襯底層205包括硅支撐襯底，Ⅲ族-N層外延生長在所述硅支撐襯底上，然而，所述支撐襯底還可以具有可選的材料(其可以或可以不與硅組合)，包括但不限于鍺、銻化銦、碲化鉛、砷化銦、磷化銦、砷化鎵、或銻化鎵、碳(SiC)和藍(lán)寶石。在另一個(gè)實(shí)施例中，其上設(shè)置晶體管100的襯底層205是介電層，從而襯底層205是掩埋氧化層(BoX)，其可以例如通過將形成納米線210A的一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體層轉(zhuǎn)移到襯底層205上來形成。

如圖1A進(jìn)一步示出的，Ⅲ族-N晶體管100的縱向長度L劃分為源極區(qū)220、溝道區(qū)145、漏極區(qū)230和設(shè)置于它們之間的非本征漏極區(qū)235A。必須特別強(qiáng)調(diào)非本征漏極區(qū)235A，因?yàn)槠鋵ζ骷腂V具有顯著影響。至少在溝道區(qū)245內(nèi)，非平面結(jié)晶半導(dǎo)體主體通過除了形成主體的結(jié)晶半導(dǎo)體或形成襯底層205的材料以外的中間材料與襯底層205物理分隔開，以形成橫向取向的納米線210A。對于本文描述的實(shí)施例，納米線210A的橫截面幾何結(jié)構(gòu)可以從圓形到矩形有相當(dāng)大的變化，從而納米線210A的厚度(即，在z維度上)可以近似等于納米線210A的寬度(即，在y維度上)，或納米線210A的厚度和寬度彼此可以有很大的不同(即，物理上類似于帶狀物，等等)，以形成圓柱形和平行六面體的半導(dǎo)體主體。對于示例性實(shí)施例，納米線210A的寬度在5和50納米(nm)之間，但是這可以取決于實(shí)施方式而變化。

在溝道區(qū)245內(nèi)，納米線210A具有比多晶材料大得多的長程有序(long range order)。在示例性實(shí)施例中，溝道區(qū)245基本上是單晶，并且盡管此處被稱為“單晶”，普通技術(shù)人員將意識到，低水平的晶體缺陷仍然可能作為不完美外延生長過程的工件而出現(xiàn)。在溝道區(qū)245內(nèi)，納米線210A是包括一種或多種Ⅲ族元素和氮(即，Ⅲ族-N半導(dǎo)體)的第一半導(dǎo)體材料的晶體排列。通常，溝道區(qū)245中的該第一Ⅲ族氮化物材料應(yīng)該具有相對高的載流子遷移率，并且因此在實(shí)施例中，為了最小的雜質(zhì)散射，溝道區(qū)245是基本上未摻雜的Ⅲ族氮化物材料(即，雜質(zhì)濃度最小化)。在第一示例性實(shí)施例中，溝道區(qū)245是GaN。在第二示例性實(shí)施例中，溝道區(qū)245是氮化銦(InN)。因?yàn)镮nN具有比GaN大的載流子遷移率(與1900cm²/Vs相比的2700cm²/Vs)，晶體管的度量(例如比導(dǎo)通電阻(Ron))可能對于InN實(shí)施例來說相對較好。在第三示例性實(shí)施例中，溝道區(qū)245是GaN的三元合金，例如鋁鎵氮化物(Al_xGa_1-xN)，其中x小于1。在第四示例性實(shí)施例中，溝道區(qū)245是InN的三元合金，例如鋁銦氮化物(Al_xIn_1-xN)，其中x小于1。在其它實(shí)施例中，溝道區(qū)245是四元合金，其包括至少一種Ⅲ族元素和氮，例如In_xAl_yGa_1-x-yN。

至少在溝道區(qū)245內(nèi)，納米線210A被覆蓋有第二半導(dǎo)體層215，其設(shè)置于納米線210A的側(cè)壁、頂部、和/或底表面中的一個(gè)或多個(gè)之上。在示例性實(shí)施例中，半導(dǎo)體層215直接設(shè)置于納米線210A的至少兩個(gè)相對的表面處。圖1B是沿著穿過Ⅲ族-N晶體管200的溝道區(qū)245的B平面的截面圖，其示出設(shè)置于納米線210A(和納米線210B)的全周長表面上的半導(dǎo)體215。如圖2A中進(jìn)一步示出的，半導(dǎo)體層215在非本征漏極區(qū)235A內(nèi)也覆蓋納米線210A，其中層215用作電荷誘導(dǎo)層。

半導(dǎo)體層215具有第二半導(dǎo)體成分，其帶隙寬于溝道區(qū)245內(nèi)的納米線210A中使用的Ⅲ族-N材料的帶隙。優(yōu)選地，結(jié)晶半導(dǎo)體層215基本上是單晶(即，具有小于臨界厚度的厚度)，晶格與溝道區(qū)245內(nèi)的納米線210A中使用的Ⅲ族-N材料匹配。在示例性實(shí)施例中，半導(dǎo)體層215具有結(jié)晶度與納米線210的結(jié)晶度相同的第二Ⅲ族-N材料，以在溝道區(qū)245內(nèi)形成量子阱異質(zhì)界面。

通常，用于納米線210A的所描述的任何Ⅲ族-N材料均可以用于半導(dǎo)體層215，這取決于納米線210A所選擇的材料，以便提供帶隙比納米線210A的帶隙大的半導(dǎo)體層215。在納米線210A是GaN的第一示例性實(shí)施例中，半導(dǎo)體層215是AlN。在納米線210A是InN的第二示例性實(shí)施例中，半導(dǎo)體層215是GaN。在納米線210A是Al_xIn_1-xN的第三示例性實(shí)施例中，半導(dǎo)體層215是Al_yIn_1-yN，其中y大于x。在納米線210A是Al_xGa_1-xN的第四示例性實(shí)施例中，半導(dǎo)體層215是Al_yGa_1-yN，其中y大于x。包括至少一種Ⅲ族元素和氮的四元合金，例如Al_1-x-yIn_xGa_yN(x、y<1)也是可能的。半導(dǎo)體層215還可以包括這些Ⅲ族氮化物的任何多層疊置，例如，Al_xIn_1-xN/AIN疊置有鄰近(例如，GaN)納米線210A的疊置的AIN層。

即使在納米線210A的所有表面上(頂部、底部和側(cè)壁)出現(xiàn)半導(dǎo)體層215的情況下，如圖1B中所描述的，厚度仍可以變化。半導(dǎo)體層215在溝道區(qū)245內(nèi)用于至少兩種功能。這兩種功能是由于半導(dǎo)體結(jié)晶體210A內(nèi)的極性鍵所引起的不對稱和源于相對于半導(dǎo)體層215的這些鍵的極化方向。根據(jù)納米線210A的晶體取向，納米線210A的各種相對的表面與不同晶體平面對齊，從而使由半導(dǎo)體層215在這些相對的表面上導(dǎo)致的電場的影響發(fā)生變化。

在圖2A所示的一個(gè)實(shí)施例中，納米線210A的Ⅲ族氮化物所具有的晶體結(jié)構(gòu)被稱為纖鋅礦結(jié)構(gòu)?？梢岳美w鋅礦結(jié)構(gòu)來形成本文所描述的GaN和其它Ⅲ族氮化物，所述纖鋅礦結(jié)構(gòu)因?yàn)槠涫欠侵行膶ΨQ而著名，非中心對稱意味著晶體缺少反對稱性，并且更具體地，{0001}平面不相等。對于示例性GaN實(shí)施例，{0001}平面中的一個(gè)通常稱為Ga-面(+c極性)，并且另一個(gè)被稱為N-面(-c極性)。通常對于平面Ⅲ族-N器件，{0001}平面中的一個(gè)或另一個(gè)更緊鄰襯底表面，并且因此如果Ga(或其它Ⅲ族元素)的三個(gè)鍵指向襯底則可以被稱為Ga極性(+c)，或者如果Ga(或其它Ⅲ族元素)的三個(gè)鍵指向遠(yuǎn)離襯底的方向則可以被稱為N極性(-c)。然而對于Ⅲ族-N晶體管200的第一實(shí)施例，纖鋅礦晶體取向是使得具有晶格常數(shù)c的(1010)平面形成晶體的頂表面并且連接襯底層205。

如圖2B中所進(jìn)一步示出的，其中納米線210A具有如圖2A中取向的Ⅲ族氮化物材料，半導(dǎo)體層215包括在一個(gè)側(cè)壁(例如，215B)上用作電荷誘導(dǎo)層的側(cè)壁部分215A和215B，從而可以在鄰近半導(dǎo)體層215的納米線210A中形成2DEG 211A。如此取向，半導(dǎo)體層側(cè)壁部分215A還可以用作背面勢壘，以在溝道區(qū)245內(nèi)限制電荷載流子。如圖所示，第一側(cè)壁部分215A基本上沿著平面，從而使第一側(cè)壁部分215A的大部分表面位于納米線210A的平面上。類似地，第二側(cè)壁部分215B基本上沿著(0001)平面，從而使第二側(cè)壁部分110B的大部分表面由(0001)平面界定。因此，將納米線210A內(nèi)的自發(fā)極化場P_SP從第二側(cè)壁部分215B導(dǎo)向第一側(cè)壁部分215B。同樣，非平面Ⅲ族-N晶體管200的極化穿過納米線210A的寬度方向(沿著y維度的橫向方向)。

如圖2B所進(jìn)一步示出的，由于半導(dǎo)體層215的結(jié)晶，自發(fā)極化場P_SP也出現(xiàn)在半導(dǎo)體層215內(nèi)，并且與納米線210A的自發(fā)極化場對齊。此外，當(dāng)半導(dǎo)體層215處于與側(cè)壁部分215A和215B的高度維度平行的方向(沿著如圖2B所示的z維度)上的拉伸應(yīng)變下時(shí)，壓電極化場P_PE在從第二側(cè)壁部分215B到第一側(cè)壁部分215A的方向上也與P_SP對齊。因此，納米線210A和半導(dǎo)體層215的極化在沿著緊鄰第二側(cè)壁部分215B的(0001)平面的異質(zhì)界面處形成極化場。如麥克斯韋方程所描述的，極化場引起2DEG211A。

對于Ⅲ族-N晶體管200的第二個(gè)實(shí)施例，纖鋅礦晶體取向使得具有晶格常數(shù)a的(0001)平面形成晶體的頂表面并且連接襯底層205，如圖2D所示。對于該實(shí)施例，如圖4E所進(jìn)一步示出的，出現(xiàn)在納米線210A的頂部和底部上(215D和215C)的半導(dǎo)體層215分別用作電荷誘導(dǎo)層和背面勢壘。于是納米線210A內(nèi)的半導(dǎo)體層215自發(fā)極化場P_SP從頂表面部分215D被導(dǎo)向底表面部分215C。同樣，非平面Ⅲ族-N晶體管200的極化穿過納米線210A的厚度方向(沿著z維度的垂直方向)。因此，如圖2E所示，納米線210A以及半導(dǎo)體層部分215D和215C的極化分別在沿著(0001)平面和平面的異質(zhì)界面處形成極化場，并且該極化場引起與納米線210A的頂表面相鄰的2DEG 211A。

在任一個(gè)晶體取向(圖2A或圖2D)中，背面勢壘和電荷誘導(dǎo)層均由柵極疊置體250選通。圖2C是根據(jù)納米線210A(和納米線210B)是GaN并且半導(dǎo)體層215是AlN的示例性實(shí)施例的非平面Ⅲ族氮化物晶體管的能帶圖，該非平面Ⅲ族氮化物晶體管由圖2B所示的非平面結(jié)晶半導(dǎo)體主體形成，其中環(huán)繞的柵極結(jié)構(gòu)如圖1A中所示。如圖2C所示，在零柵極偏壓處，能帶在納米線210A的整個(gè)截面寬度上并且在半導(dǎo)體層部分215A和半導(dǎo)體層部分215B之間是非對稱的。在納米線210A內(nèi)的能帶由于極化場而彎曲在費(fèi)米(Fermi)能級E_F以下的位置處，出現(xiàn)電荷載流子。如能帶圖所示，圖1B中所示的對稱的柵極結(jié)構(gòu)具有由納米線210A的極化引起的非對稱功能。因此，緊鄰半導(dǎo)體層部分215B的柵極導(dǎo)體250調(diào)制溝道區(qū)內(nèi)的2DEG111的電荷載流子密度，而緊鄰半導(dǎo)體層部分215A的柵極導(dǎo)體250調(diào)制背面勢壘。對于圖2D中的取向，在柵極導(dǎo)體填充在納米線210A與襯底層205之間以完全同軸地環(huán)繞納米線210A的地方，提供相同的選通的背面勢壘，如圖1A中由溝道區(qū)245內(nèi)的虛線所示。因此圖2C的能帶圖還可以用于圖2D的晶體取向。

如圖1B中所進(jìn)一步示出的，柵極疊置體包括柵極導(dǎo)體250，其通過設(shè)置于柵極導(dǎo)體下的柵極介電材料240與納米線210A電隔離，以減少柵極導(dǎo)體與納米線210A之間的泄露電流。由于柵極疊置體250A設(shè)置于半導(dǎo)體層215之上，所以可以將半導(dǎo)體層215和柵極疊置體215的柵極介電材料看作是復(fù)合介電疊置體。在圖1B中示出的實(shí)施例中，還將柵極介電材料240設(shè)置于襯底層205與柵極導(dǎo)體250之間。如圖1A中所示，同軸纏繞需要設(shè)置在納米線210A與襯底層205之間的區(qū)域250A內(nèi)的柵極導(dǎo)體。

通常，柵極介電材料240可以包括本領(lǐng)域公知的適合于FET柵極電介質(zhì)的任何材料中的一種或多種，并且優(yōu)選為高K電介質(zhì)(即，介電常數(shù)比大于氮化硅(Si₃N₄)的介電常數(shù))，例如，但不限于諸如氧化釓(Gd₂O₃)、氧化鉿(HfO₂)的高K氧化物；諸如HfSiO、TaSiO、AlSiO的高K硅酸鹽；以及諸如HfON的高K氮化物。類似地，柵極導(dǎo)體250可以是本領(lǐng)域中公知的適合于晶體管柵極電極的任何材料。在實(shí)施例中，柵極導(dǎo)體250包括功函數(shù)金屬，可以選擇該功函數(shù)金屬來獲取期望的閾值電壓(Vt)(例如，大于0V，等等)。示例性導(dǎo)電柵極材料包括鎢(W)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎳(Ni)、鉬(Mo)、鍺(Ge)、鉑(Pt)、金(Au)、釕(Ru)、鈀(Pd)、銥(Ir)、它們的合金和硅化物、碳化物、氮化物、磷化物、及其碳氮化物。

回到圖1A，納米線210A還包括源極區(qū)220和漏極區(qū)230。在示例性實(shí)施例中，在源極區(qū)220和漏極區(qū)230內(nèi)，納米線210A是在溝道區(qū)245中出現(xiàn)的相同的Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料，但是還包括更高的摻雜濃度，例如n型雜質(zhì)(即，N+)。在特定實(shí)施例中，源極區(qū)220和漏極區(qū)230內(nèi)的納米線210A與溝道區(qū)245內(nèi)的納米線210A保持相同的單晶。在第一實(shí)施例中，半導(dǎo)體材料層212A與源極區(qū)220和/或漏極區(qū)230內(nèi)的納米線210接觸。對于Ⅲ族氮化物晶體管200，納米線210A夾在半導(dǎo)體材料層212A與212B之間。在示例性實(shí)施例中，在半導(dǎo)體材料層212A有助于納米線210A在溝道區(qū)245內(nèi)的底切的地方，半導(dǎo)體材料層212A與納米線210A具有不同的材料。

在實(shí)施例中，半導(dǎo)體材料層212A是針對納米線210A的實(shí)施例所描述的不同于納米線210A所使用的任何Ⅲ族氮化物。例如，半導(dǎo)體材料層212A可以是AlN、GaN、InN、Al_zIn_1-zN或Al_zGa_1-zN，其中z不同于x。在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體材料層212A的帶隙低于納米線210A的帶隙(例如，z小于x，其中納米線210A和半導(dǎo)體材料層212A均是三元的)，以幫助減小源極/漏極接觸電阻。在可選的實(shí)施例中，半導(dǎo)體材料層212A的帶隙高于納米線210A的帶隙(例如，z大于x，其中納米線210A和半導(dǎo)體材料層212A均是三元的)。在納米線210A的Ⅲ族氮化物和半導(dǎo)體材料層212A的Ⅲ族氮化物是合金或混合的情況下，可以將非本征漏極區(qū)235A內(nèi)的帶隙有利地增加到溝道區(qū)245中的帶隙與半導(dǎo)體材料層212A中的帶隙的中間，從而實(shí)現(xiàn)甚至更高的BV。同樣，根據(jù)實(shí)施例，晶體管100可以將犧牲性的半導(dǎo)體并入溝道區(qū)245內(nèi)，以選擇性地減少或增加溝道區(qū)245中采用的半導(dǎo)體材料的帶隙。

圖1C是根據(jù)實(shí)施例的Ⅲ族-N晶體管200的等距圖。盡管Ⅲ族-N晶體管100具有非本征漏極區(qū)235A，其近似等于源極觸點(diǎn)222A與溝道區(qū)245之間的間距(即，由電介質(zhì)墊片255確定)，但是Ⅲ族-N晶體管200具有非本征漏極區(qū)235B，其大于源極觸點(diǎn)222B與溝道區(qū)245之間的間距。非本征漏極區(qū)235A、235B可以是輕摻雜的并且還包括半導(dǎo)體層215，如圖1A和1C中所示。在非本征漏極區(qū)235A、B內(nèi)，半導(dǎo)體層215用作電荷誘導(dǎo)層并且由于非本征漏極區(qū)的縱向長度是BV所期望的函數(shù)，因此Ⅲ族-N晶體管200具有比Ⅲ族-N晶體管100大的BV。

在一個(gè)示例性實(shí)施例中，非本征漏極區(qū)235B是第一和第二半導(dǎo)體材料的合金，以提供介于第一和第二半導(dǎo)體材料的帶隙之間的帶隙。如圖1C中的空心箭頭所示出的，在非本征漏極區(qū)235B內(nèi)，第一和第二半導(dǎo)體材料的合金是無序的多層結(jié)構(gòu)的形式。該多層結(jié)構(gòu)包括夾在半導(dǎo)體材料層212A與212B之間的納米線210A的Ⅲ族氮化物材料，其通過非本征漏極區(qū)235B延伸并且將溝道區(qū)245耦合到漏極區(qū)230。利用與半導(dǎo)體材料層212A和212B相鄰的納米線210A的相對的邊，可以在非本征漏極區(qū)235B的部分內(nèi)實(shí)現(xiàn)好的合金均勻性。

在實(shí)施例中，Ⅲ族氮化物晶體管包括嵌有源極和/或漏極觸點(diǎn)的納米線的源極區(qū)和/或漏極區(qū)。圖1C示出源極觸點(diǎn)222B，其完全同軸地環(huán)繞納米線210A以填充在納米線210A與襯底層205之間的間隙中。如圖1A所示，源極觸點(diǎn)222A并未完全環(huán)繞納米線210A，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體層212A和212B的存在。源極觸點(diǎn)222A、222B可以包括歐姆性金屬化層，并且還可以包括與納米線210A不同成分的外延生長半導(dǎo)體。例如，源極觸點(diǎn)222A、222B可以包括隧道結(jié)(例如，在源極區(qū)220內(nèi)環(huán)繞納米線210A的p+層)?？梢岳眠@種隧道結(jié)來提供超陡峭的導(dǎo)通和截止(即，改進(jìn)的亞閾值性能)，以減少斷開狀態(tài)泄露電流。

納米線210A還包括漏極區(qū)230。類似于源極區(qū)，漏極區(qū)可以或多或少地嵌有漏極觸點(diǎn)232。在圖1C中，在漏極區(qū)230內(nèi)漏極觸點(diǎn)232B完全同軸地環(huán)繞納米線210A，以填充在納米線210A與襯底層205之間的間隙中。如圖1A所示，漏極觸點(diǎn)232A并未完全環(huán)繞納米線210A，這是由于半導(dǎo)體層212A和212B的存在。類似于源極觸點(diǎn)222A、222B，漏極觸點(diǎn)232A、232B可以包括歐姆性金屬化層，并且還可以包括與納米線210A不同成分的外延生長半導(dǎo)體。

在實(shí)施例中，如圖1A和1C中所示，Ⅲ族-N晶體管包括納米線的垂直疊置體，以針對襯底層上的給定的占用空間來實(shí)現(xiàn)較大的電流攜載能力(例如，較大的驅(qū)動(dòng)電流)?？梢詫⑷魏螖?shù)量的納米線垂直疊置，這取決于制造限制，并且每個(gè)納米線的縱軸基本上平行于襯底層205的頂表面。在圖1A或1C中所示出的示例性實(shí)施例中，納米線210A、210B的每一個(gè)在溝道區(qū)245內(nèi)具有相同的第一半導(dǎo)體材料。在其它實(shí)施例中，納米線210A、210B的每一個(gè)由柵極疊置體250A(例如，如圖1B、2B和2E中所進(jìn)一步示出的)同軸環(huán)繞。至少柵極介電層240將被設(shè)置于納米線210A與210B之間，但是在圖1B所示的示例性實(shí)施例中，柵極導(dǎo)體也出現(xiàn)在納米線210A、210B的每一個(gè)的溝道區(qū)之間。

在圖1C所示的實(shí)施例中，多個(gè)納米線210B中的每一個(gè)通過非本征漏極區(qū)235B中的半導(dǎo)體材料物理耦合在一起。對于包括多個(gè)納米線210A、210B的實(shí)施例，Ⅲ族-N晶體管100、200具有多個(gè)漏極區(qū)，在納米線的垂直疊置體內(nèi)的每個(gè)納米線對應(yīng)一個(gè)漏極區(qū)?？梢岳寐O觸點(diǎn)(例如，232B)同軸地環(huán)繞每個(gè)漏極區(qū)，該漏極觸點(diǎn)完全同軸地環(huán)繞漏極區(qū)中的每一個(gè)，從而填充在納米線210A、210B之間的間隙中。類似地，源極觸點(diǎn)222B可以完全同軸地環(huán)繞多個(gè)源極區(qū)。

現(xiàn)在提供針對晶體管200和201中的每一個(gè)的制造過程的顯著部分的簡要描述。圖3是示出根據(jù)實(shí)施例的制造非平面高電壓晶體管200和201的方法300的流程圖。盡管方法300突出了主要操作，但是每個(gè)操作可能需要更多的過程順序，并且圖3中的操作的標(biāo)號或操作的相對位置并不暗示任何順序。圖4A、4B、4C、4D和4E是根據(jù)方法300的實(shí)施例制造的非平面Ⅲ族-N晶體管100、200的等距圖。

在操作301處，利用任何標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)氣相沉積(CVD)、分子束外延(MBE)、氫化物氣相外延(HVPE)生長技術(shù)等(利用標(biāo)準(zhǔn)前驅(qū)體、溫度，等)來生長單晶半導(dǎo)體材料的疊置體。生長至少兩種不同的半導(dǎo)體層來作為外延疊置體的一部分。在實(shí)施例中，層212A、212B和212C是第一Ⅲ族氮化物材料，其中第二Ⅲ族氮化物設(shè)置在它們之間。

在操作305處，通過針對作為外延疊置體的部分而生長的特定材料，利用本領(lǐng)域公知的任何等離子或濕式化學(xué)蝕刻技術(shù)，對外延疊置體進(jìn)行蝕刻來界定納米線(例如，長和寬)。如圖4A中所示，在操作303處，將鰭結(jié)構(gòu)410蝕刻到外延疊置體中以形成納米線210A、210B，其可以與半導(dǎo)體層212A、212B和212C交替。如圖所示，納米線210A和210B中的每一個(gè)均設(shè)置于半導(dǎo)體層212A、212B之上和之下。層的厚度T₁—T₄取決于所期望的納米線尺寸，并且還取決于在納米線210A和210B上形成半導(dǎo)體層215之后，利用柵極疊置體回填厚度T₁、T₃的能力。圖4A中還示出，在襯底層205之上的鰭結(jié)構(gòu)401的任一側(cè)上，例如通過淺溝槽隔離技術(shù)來形成絕緣層407。

回到圖3，在操作305處，形成漏極觸點(diǎn)以部分地(如圖1A中)或完全地(如圖1C中)環(huán)繞納米線210A和210B。在操作310處，以類似的方法形成源極觸點(diǎn)。在操作315處，柵極導(dǎo)體完全同軸地環(huán)繞納米線210A和210B的縱向溝道長度。于是在操作320處例如使用常規(guī)的互連技術(shù)完成器件。

圖4B示出需要形成設(shè)置于鰭結(jié)構(gòu)410上的犧牲柵極412的操作305、310和315的一個(gè)實(shí)施例。在一個(gè)這樣的實(shí)施例中，犧牲柵極412由犧牲柵極氧化層和犧牲多晶硅柵極層組成，將所述犧牲柵極氧化層和犧牲多晶硅柵極層均厚沉積并利用常規(guī)的光刻和等離子蝕刻技術(shù)來圖案化。在犧牲柵極412的側(cè)壁上形成墊片，并且可形成夾層介電層來覆蓋犧牲柵極412?？蓪A層介電層進(jìn)行拋光來暴露用于替換柵極、或后柵極、過程的犧牲柵極412。參考圖4C，已經(jīng)去除犧牲柵極412，留下墊片255和夾層介電層(ILD)420、421的部分。如圖4C中所進(jìn)一步示出的，在最初由犧牲柵極412覆蓋的溝道區(qū)中去除半導(dǎo)體層212A、212B和212C。于是留下第一半導(dǎo)體材料的分立的納米線210A和210B。

如圖4D中所示，然后在溝道區(qū)245內(nèi)形成同軸環(huán)繞納米線210A、210B的柵極疊置體250A。圖4D示出在半導(dǎo)體層215的外延生長、柵極電介質(zhì)240的沉積以及柵極導(dǎo)體250的沉積以回填由選擇性蝕刻半導(dǎo)體層212A、212B和212C所形成的間隙的柵極疊置體。也就是說，將外延疊置體蝕刻成分立的Ⅲ族-N納米線之后，在夾層介電層420、421之間的溝槽中形成柵極疊置體。此外，圖4D示出了在柵極疊置體250A形成之后，去除夾層介電層420后的結(jié)果。對于包括非本征漏極區(qū)235B(例如，Ⅲ族氮化物晶體管200)的實(shí)施例，在非本征漏極區(qū)235A內(nèi)保留一部分夾層介電層421(例如，利用夾層電介質(zhì)的光刻界定的掩蔽蝕刻)。對于可選的實(shí)施例(例如，對于晶體管Ⅲ族氮化物晶體管100)，不保留ILD 421的部分。

對于包括完全同軸地環(huán)繞納米線210A、210B的源極觸點(diǎn)和漏極觸點(diǎn)的實(shí)施例，一旦去除ILD層420、421，那么沒有被柵極疊置體保護(hù)的半導(dǎo)體層212A和212B的部分則相對于第一半導(dǎo)體材料的納米線210A、210B被選擇性地去除，以在納米線210A、210B與襯底層205之間形成間隙。于是第一半導(dǎo)體的分立部分保留在源極區(qū)220和漏極區(qū)230中，如圖4D中所示的。然后可以通過回填形成在源極區(qū)220和漏極區(qū)230內(nèi)的間隙來形成源極觸點(diǎn)222和漏極觸點(diǎn)232(如圖2A中所示)。在一個(gè)這樣的實(shí)施例中，通過CVD、原子層沉積(ALD)或金屬回流來統(tǒng)一沉積觸點(diǎn)金屬。在可選的實(shí)施例中，在半導(dǎo)體層212A和212B以及源極區(qū)和漏極區(qū)內(nèi)的納米線210A和210B的側(cè)壁上形成源極觸點(diǎn)222A和漏極觸點(diǎn)232A。然后在操作320處例如利用常規(guī)的互連金屬化等來準(zhǔn)備完成器件。

在圖4E所示的其它實(shí)施例中，可以將ILD421的任何保留的部分選擇性地遷移到墊片255、柵極導(dǎo)體250和源極觸點(diǎn)222B、漏極觸點(diǎn)232B。然后可以在納米線210A、210B和半導(dǎo)體層212A、212B、212C中的一個(gè)之上選擇性地去除納米線210A、210B和半導(dǎo)體層212A、212B、212C中的另一個(gè)。在示例性實(shí)施例中，然后在(多個(gè))底切間隙中重新外延生長具有比納米線210A、210B大的帶隙的結(jié)晶半導(dǎo)體材料。然后半導(dǎo)體層212A、212B、212C可以用作非本征漏極區(qū)235B內(nèi)的電荷誘導(dǎo)層?？梢栽诩{米線210A、210B的側(cè)壁上(例如，在晶體取向是如圖2B中所示的情況下)另外生長半導(dǎo)體層215?？商鎿Q地，或此外，在去除ILD 421的剩余部分之后，可以將諸如Al、Ga或Zn之類的擴(kuò)散元素并入到非本征漏極區(qū)235B內(nèi)的第一半導(dǎo)體上。

在實(shí)施例中，在非本征漏極區(qū)235B內(nèi)出現(xiàn)的半導(dǎo)體材料通過熱退火熔合。例如，可以混合第一半導(dǎo)體材料210A、210B和半導(dǎo)體層212A、212B和212C(即，無序的多層結(jié)構(gòu))?？商鎿Q地，熱退火可以將半導(dǎo)體材料與擴(kuò)散元素(例如，Al、Ga或Zn)混合。在一個(gè)這樣的實(shí)施例中，熱退火與源極觸點(diǎn)和漏極觸點(diǎn)的形成(例如，操作305和310)同時(shí)進(jìn)行。值得注意的是，可以在源極觸點(diǎn)222和漏極觸點(diǎn)232形成之后、和/或在非本征漏極區(qū)235B退火之后進(jìn)行犧牲柵極412的替換。同樣，可以在非本征漏極區(qū)235B的熱退火之后生長半導(dǎo)體層215，以保持溝道區(qū)245和/或非本征漏極區(qū)235B內(nèi)的半導(dǎo)體層215與納米線210A、210B之間的不連貫的異質(zhì)界面。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的移動(dòng)計(jì)算平臺的SoC實(shí)施方式的功能性框圖。移動(dòng)計(jì)算平臺700可以是被配置為電子數(shù)據(jù)顯示、電子數(shù)據(jù)處理、以及無線電子數(shù)據(jù)傳輸中的每一個(gè)的任何便攜式設(shè)備。例如，移動(dòng)計(jì)算平臺700可以是平板電腦、智能手機(jī)、膝上型計(jì)算機(jī)等中的任何一個(gè)，并且包括在示例性實(shí)施例中是允許接收用戶輸入的觸摸屏(例如，電容性、電感性、電阻性，等)的顯示屏705、SoC 710、以及電池713。如所示，SoC710的集成水平越高，在移動(dòng)計(jì)算平臺700內(nèi)的形狀因素就可以越多地被電池713占據(jù)以用于在充電之間最長的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命，或越多地被諸如固態(tài)硬盤的存儲器(未描述)占據(jù)以用于最大的功能。

根據(jù)其應(yīng)用，移動(dòng)計(jì)算平臺700可以包括其它部件，其包括但不限于易失性存儲器(例如，DRAM)、非易失性存儲器(例如，ROM)、閃存存儲器、圖形處理器、數(shù)字信號處理器、密碼處理器、芯片組、天線、顯示器、觸摸屏顯示器、觸摸屏控制器、電池、音頻編解碼器、視頻編解碼器、功率放大器、全球定位系統(tǒng)(GPS)設(shè)備、羅盤、加速計(jì)、陀螺儀、揚(yáng)聲器、相機(jī)、以及大容量存儲設(shè)備(例如硬盤驅(qū)動(dòng)器、光盤(CD)、數(shù)字通用光盤(DVD)，等等)。

在擴(kuò)展視圖720中進(jìn)一步示出了SoC 710。根據(jù)實(shí)施例，SoC 710包括硅襯底500(即，芯片)的一部分，其上制造以下部件中的兩個(gè)或多個(gè)：功率管理集成電路(PMIC)715、包括RF發(fā)送器和/或接收器的RF集成電路(RFIC)725、其控制器711，以及一個(gè)或多個(gè)中央處理器核730、731。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會的，關(guān)于這些功能不同的電路模塊，除了在PMIC 715和RFIC 725中，通常采用專用的CMOS晶體管，該P(yáng)MIC 715和RFIC 725通常分別使用LDMOS和Ⅲ-ⅤHBT技術(shù)。然而在本發(fā)明的實(shí)施例中，PMIC715和RFIC 725采用本文描述的Ⅲ族氮化物晶體管(例如，Ⅲ族氮化物晶體管100或200)。在其它實(shí)施例中，采用本文描述的Ⅲ族氮化物晶體管的PMIC 715和RFIC 725與一個(gè)或多個(gè)控制器711集成，并且在硅CMOS工藝中提供的處理器核720、730與PMIC 715和RFIC 725單片地集成到硅襯底500上。應(yīng)該領(lǐng)會的是，在PMIC 715和/或RFIC 725內(nèi)，本文描述的高電壓、高頻能力Ⅲ族氮化物晶體管不需要被用于將CMOS排除在外，而是相反還可以將硅CMOS包括在PMIC 715和RFIC 725中的每一個(gè)中。

RFIC 725可以實(shí)現(xiàn)多種無線標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議中的任何一種，包括但不限于Wi-Fi(IEEE 802.11系列)、WiMAX(IEEE 802.16系列)、IEEE 802.20、長期演進(jìn)(LTE)、Ev-DO、HSPA+、HSDPA+、HSUPA+、EDGE、GSM、GPRS、CDMA、TDMA、DECT、藍(lán)牙、它們的衍生物、以及任何其它定名為3G、4G、5G及其以后的無線協(xié)議。平臺725可以包括多個(gè)通信芯片。例如，第一個(gè)通信芯片可以專用于較短范圍無線通信，例如Wi-Fi和藍(lán)牙；并且第二個(gè)通信芯片可以專用于較長范圍的無線通信，例如GPS、EDGE、GPRS、CDMA、WiMAX、LTE、Ev-DO、等等。

本文描述的Ⅲ族氮化物晶體管可以特別用于出現(xiàn)高電壓擺動(dòng)的情況(例如，在PMIC 715內(nèi)的7-10V電池功率調(diào)節(jié)、DC到DC轉(zhuǎn)換，等等)。如所示出的，在示例性實(shí)施例中，PMIC 715具有耦合到電池713的輸入端，并且具有向SoC 710中的所有其它功能模塊提供電流源的輸出端。在其它實(shí)施例中，在移動(dòng)計(jì)算平臺700內(nèi)但在SoC 710外提供附加的IC的情況下，PMIC 715的輸出端還向SoC 710外部的所有這些附加的IC提供電流源。如進(jìn)一步示出的，在示例性實(shí)施例中，RFIC 715具有耦合到天線的輸出端，并且還可以具有耦合到SoC 710上的諸如RF模擬和數(shù)字基帶模塊(未示出)的通信模塊的輸入端?？商鎿Q地，可以從SoC 710在片下IC上提供這種通信模塊，并且將其耦合到SoC 710中用于傳輸。根據(jù)使用的Ⅲ族氮化物材料，本文描述的Ⅲ族氮化物晶體管(例如，200或201)還可以提供功率放大晶體管所需要的大的功率附加效率(PAE)，該功率放大晶體管具有至少是載頻的十倍大小的F_t(例如，在為3G或GSM蜂窩通信而設(shè)計(jì)的RFIC 725中是1.9GHz)。

應(yīng)該理解的是，上述描述是示例性而非限制性的。例如，盡管附圖中的流程圖示出了由本發(fā)明的特定實(shí)施例所執(zhí)行的操作的特定順序，但是應(yīng)該理解的是，可以不需要這種順序(例如，可選的實(shí)施例可以采用不同的順序來執(zhí)行操作、組合特定操作、重疊特定操作，等等)。此外，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，一經(jīng)閱讀并理解了上述描述后，許多其它實(shí)施例將是顯而易見的。盡管已經(jīng)參考特定的示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該認(rèn)識到，本發(fā)明并不限于所描述的實(shí)施例，而是可以在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，在做出修改和替換的情況下實(shí)現(xiàn)。因此，應(yīng)該參考所附權(quán)利要求、以及為這些權(quán)利要求賦予權(quán)利的等價(jià)物的完整范圍來確定本發(fā)明的范圍。