CN102388441B - 增强型GaN高电子迁移率晶体管器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种增强型GaN晶体管及其制备方法。该增强型GaN晶体管包括衬底、过渡层、由III族氮化物材料构成的缓冲层、由III族氮化物材料构成的阻挡层、漏极和源极接触、包含受体型掺杂元素的栅极III-V族化合物，以及栅极金属，其中所述栅极III-V族化合物和栅极金属由单一光掩模工艺形成以便自对准，并且栅极金属的底部和栅极化合物的顶部具有相同的尺寸。该增强型GaN晶体管还可具有由欧姆金属制成的场板，其中由单一光掩模工艺形成漏极欧姆金属、源极欧姆金属和场板。

Description

增强型GaN高电子迁移率晶体管器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及增强型氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)器件。具体的，本发明涉及一种用于提供增强型HEMT器件的方法和设备。
背景技术
对于功率半导体器件而言，对氮化镓(GaN)半导体器件存在着日益增长的需求，原因在于氮化镓(GaN)半导体器件具有承载大电流并支持高电压的能力。这些器件的研发通常旨在高功率/高频率应用。为这些应用类型而制造的器件基于表现出高电子迁移率的常规器件结构，且这些器件被称为异质结场效应晶体管(HFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)或调制掺杂场效应晶体管(MODFET)等各种名称。
GaN HEMT器件包括具有至少两个氮化物层的氮化物半导体。形成于该半导体或缓冲层上的不同材料导致这些层具有不同的带隙。在相邻氮化物层中的不同材料还导致极化，这有助于在两层接合处附近，尤其在具有较窄带隙的层中形成导电二维电子气(2DEG)区。
导致极化的这些氮化物层通常包括邻近GaN层的AlGaN阻挡层以便包括2DEG，其允许电荷流经动通过器件。该阻挡层可以是掺杂或无掺杂的。由于在零栅偏压下，在栅极下方存在2DEG区，所以大多数氮化物器件是常开型或耗尽型器件。如果在施加零栅偏压时在栅极下方的2DEG区被耗尽，也就是被移除，那么该器件可以是增强型器件。增强型器件是常关型，并且因为它们提供的附加安全性以及它们更易于由简单、低成本的激励电路来控制，因而符合需要。为了传导电流，增强型器件需要在栅极施加正偏压。
在传统的增强型GaN晶体管中，通过利用单独的光掩模来限定栅极金属以及p-型GaN材料或p-型AlGaN材料。例如，图1(现有技术)示出栅极金属与栅极pGaN用两种不同的光掩模进行处理。图1示出传统的增强型GaN晶体管器件100，其包括可为蓝宝石或硅的衬底101、过渡层102、非掺杂的GaN材料103、非掺杂的AlGaN材料104、源极欧姆接触金属109、漏极欧姆接触金属110、p-型AlGaN材料或p-型GaN材料105、高度掺杂的p-型GaN材料106以及栅极金属111。
如图1中所示，栅极金属、p-型GaN或p-型AlGaN材料由两个单独的光掩模限定。第一掩模用于通过使硬掩模图案化以及使p-型GaN选择性地生长或通过使p-型GaN图案化并被蚀刻来形成p-型GaN或p-型AlGaN。第二掩模用于通过使栅极金属图案化并剥离栅极金属或通过使栅极金属图案化并被蚀刻来形成栅极金属。两次掩模工艺导致比光/蚀刻最小CD更宽的栅极长度。这导致高栅极电荷、更宽的单元间距以及更高的Rdson(“导通电阻”)。传统的制造方法还增加生产成本。另一缺陷是最高的电场位于朝向漏极欧姆接触金属的p-型GaN材料或p-型AlGaN材料的栅极拐角处。该高电场导致高栅极泄漏电流和高栅极可靠性危险。
发明内容
希望提供一种具有自对准栅极的增强型GaN晶体管结构，其可避免现有技术的上述缺陷。还希望提供一种减小p-型GaN或AlGaN的栅极拐角处的高电场的特征。
附图说明
图1是传统的增强型GaN晶体管的横断面视图。
图2示出根据在此描述的本发明第一实施例形成的增强型GaN HEMT器件。
图3A-3E示意性示出根据本发明第一实施例的增强型GaN HEMT器件的形成。
图4示出根据本发明第二实施例形成的增强型GaN HEMT器件。
图5A-5E示意性示出根据本发明第二实施例的增强型GaN HEMT器件的形成。
图6示出根据本发明第三实施例形成的增强型GaN HEMT器件。
图7A-7F示意性示出根据本发明第三实施例的增强型GaN HEMT器件的形成。
图8示出根据本发明第四实施例形成的增强型GaN HEMT器件。
图9示出根据本发明第五实施例形成的增强型GaN HEMT器件。
图10示出根据本发明第六实施例形成的增强型GaN HEMT器件。
图11示出根据本发明第七实施例形成的增强型GaN HEMT器件。
图12示出根据本发明第八实施例形成的增强型GaN HEMT器件。
具体实施方式
在下述详细说明中，参照某些实施例进行描述。对这些实施例进行足够详细地描述以便使得本领域的那些技术人员能够实施这些实施例。应该理解可采用其它实施例，并且可进行各种结构、逻辑以及电气改变。
本发明涉及具有自对准的栅极金属材料和掺杂的GaN或AlGaN材料的增强型GaN HEMT器件以及用于制备这种器件的方法。利用单一光掩模使得这些材料形成图案并被蚀刻，由此降低生产成本。此外，使得在源极电位下的场板连同漏极和源极欧姆接触金属一起形成图案蚀刻。场板降低该增强型GaN HEMT器件的栅极拐角处的电场。
参照图2和图3A-3E，现在描述用于形成具有自对准栅极的增强型GaN HEMT器件的第一实施例，其中在整个附图中对于相同特征一致地使用相同的附图标记。图2示出通过关于图3A-3E在下文描述的方法形成的增强型GaN HEMT器件200，其具有自对准的栅极金属17和p-型GaN材料15。器件200包括硅衬底11、过渡层12、非掺杂的GaN缓冲材料13、非掺杂的AlGaN阻挡材料14、p-型GaN栅极层15、栅极金属17、电介质材料18、漏极欧姆接触19以及源极欧姆接触20。源极金属20还起到作为在栅极上方并朝向漏极接触延伸的场板的作用。层13、14和15由III族氮化物材料制成。III族氮化物材料可由InxAlyGa1-x-yN构成，其中x+y≤1。
图3A示出GaN HEMT器件200a的EPI结构，从下到上包括硅衬底11、过渡层12、非掺杂的GaN缓冲材料13、非掺杂的AlGaN阻挡材料14、和p-型GaN栅极层15。非掺杂的GaN缓冲材料13优选具有约0.5到约5微米的厚度。非掺杂的AlGaN阻挡材料14优选具有约50埃到约300埃的厚度。非掺杂的AlGaN阻挡材料14包含AlGaN材料金属含量的从约12％到100％的铝。p-型GaN栅极层15可具有约100埃到约2000埃的厚度。此外，p-型GaN栅极层可具有从每立方厘米约1018至约1021个原子的掺杂浓度。
如图3B中所示，栅极金属17沉积到图3A中所示的EPI结构上。可选的，可在EPI的生长末端处生长栅极金属17。栅极金属17可由难熔金属或其化合物制成，例如钽(Ta)、氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)、钯(Pd)、钨(W)、硅化钨(WSi2)。
随后，利用单一光掩模使得栅极金属17和p-型GaN栅极层15图案化并被蚀刻，形成图3C中所示的结构。栅极金属17和p-型GaN栅极层15通过如等离子体蚀刻的任何已知的技术来蚀刻，随后经过光刻胶剥离。p-型GaN栅极层15可进行欠蚀刻，在栅极区域外侧留下约0至约10纳米的栅极材料。p-型GaN栅极层15还可进行过蚀刻，将栅极区域外侧的阻挡层14去除约0至约3纳米。在过蚀刻情况下，在栅极区域外侧的阻挡层14比在栅极区域内的阻挡层14薄约0至约3纳米。
现在参照图3D，沉积诸如硅氮化物(Si3N4)的电介质材料18。在沉积电介质材料18之后，利用接触光掩模来使得电介质材料18图案化并被蚀刻，随后经过光刻胶剥离，形成图3D中所示的结构。
现在参照图3E，沉积欧姆接触金属。欧姆接触金属可由钛(Ti)、铝(Al)、和封盖金属叠层制成。在欧姆金属沉积之后，利用金属掩模来使得欧姆接触金属图案化并被蚀刻，形成如图3E中所示的漏极欧姆接触19和源极欧姆接触20。执行快速热退火(RTA)以便形成到AlGaN/GaN二维电子气的欧姆接触。在栅极上方提供源极欧姆接触金属20，且该源极欧姆接触金属20起到场板的作用。该场板减小在最接近漏极欧姆接触19的p-型GaN材料栅极15拐角处的电场。
根据上述方法，利用单一光掩模使得栅极金属17和p-型GaN材料15图案化并被蚀刻，从而它们可自动自对准。这降低生产成本。最小的栅极长度可与光/蚀刻最小CD相同，从而将栅极电荷最小化。单元间距减小，从而获得更低的RdsON。由于源极欧姆接触金属20用作场板以减小最接近漏极欧姆接触19的p-型GaN材料栅极拐角处的电场，从而可获得较低的栅极泄漏电流，并且改善栅极可靠性。此外，在源极电位下的场板保护栅极免受漏极偏压的影响，这样减少栅极-漏极电荷(Qgd)。
参照图4和图5A-5E，现在描述本发明的第二实施例。图4示出由图5A-5E中所示的方法形成的增强型GaN HEMT器件200，由此形成自对准的栅极金属17、p-型GaN栅极层15、以及p-型AlGaN材料21。图4中的器件200与图2和图3A-3E的器件200的区别在于其包括附加层，即由p-型AlGaN材料21形成的层。
图5A示出EPI结构，从下到上包括硅衬底11、过渡层12、非掺杂的GaN缓冲材料13、非掺杂的AlGaN阻挡材料14、p-型AlGaN材料21以及p-型GaN材料15。各层的尺寸和组分类似于第一实施例的尺寸和组分。p-型AlGaN材料21的附加层优选具有约20埃到约300埃的厚度且包括AlGaN材料的从约12％到约100％的铝。
如图5B中所示，如在第一实施例中的那样，栅极金属17沉积或生长在图5A中示出的EPI结构上。
随后，利用单一光掩模使得栅极金属17和p-型GaN材料15、且在该情况下还有p-型AlGaN材料21图案化并被蚀刻，形成图5C中所示的结构。
现在参照图5D，如前所述，沉积诸如硅氮化物(Si3N4)的电介质材料18，并利用接触光掩模来使得电介质18图案化并被蚀刻，随后经过光刻胶剥离，形成图5D中所示的结构。
在图5E中，如前所述，沉积欧姆接触金属，并利用金属掩模来使得欧姆接触金属图案化并被蚀刻，形成如图5E中所示的漏极欧姆接触19和源极欧姆接触20。执行快速热退火(RTA)以便形成到AlGaN/GaN二维电子气的欧姆接触。
根据上述方法，利用单一光掩模使得栅极金属17、p-型GaN材料15以及p-型AlGaN材料21图案化并被蚀刻，从而它们自对准，并具有与第一实施例相同的优势。
参照图6和图7A-7F，现在描述本发明的第三实施例。本发明的该实施例类似于上述的第二实施例，但是在该实施例中，p-型AlGaN材料21从栅极朝向漏极欧姆接触19延伸。从栅极朝向漏极欧姆接触19延伸的p-型AlGaN材料21形成二维电子气密度降低的区域。这进一步降低栅极拐角处以及场板拐角处的电场，导致较高的击穿电压以及减少的栅极-漏极电荷(Qgd)。
图7A-7C类似于上述的图5A-5C。但是，在图7C中，利用光掩模仅仅使得栅极金属17和p-型GaN材料15(不包括p-型AlGaN材料21)图案化并被蚀刻，形成图7C中所示的自对准结构。然后，利用光掩模使得p-型AlGaN材料21图案化并被蚀刻成图7D中所示的图案，这样p-型AlGaN材料21从栅极向外(在将形成漏极接触的方向上)延伸。
现在参照图7E，如前所述，使得诸如硅氮化物(Si3N4)的电介质材料18图案化并被蚀刻，并在图7F中，如前所述形成欧姆接触金属。
根据上述方法，栅极金属17和p-型GaN材料15自对准。此外，在该实施例中存在的从栅极朝向漏极接触延伸的p-型AlGaN材料进一步降低栅极拐角处以及场板拐角处的电场，导致较高的击穿电压以及减少的栅极-漏极电荷(Qgd)。
参照图8，现在描述本发明的第四实施例。本发明的该实施例类似于上述的第一实施例，除了使得p-型GaN材料15被蚀刻之外，结果材料的底部比材料的顶部宽超过10％，形成斜边。
为了获得p-型GaN材料15的斜边，对蚀刻化学进行改变。在优选实施例中，利用等离子体蚀刻，并且改变功率设定以便控制p-型GaN材料的坡度。因此，根据上述方法，p-型GaN具有比顶部宽超过10％的基部。较宽的基部导致电子在栅极金属17和二维电子气之间沿着pGaN侧壁行进的较长路径。该较长路径导致较低的栅极泄漏。
参照图9，现在描述本发明的第五实施例。本发明的该实施例类似于上述的第一实施例，除了使得器件被蚀刻以便形成梯状栅极之外。
该实施例的方法紧接图3A-3C的过程之后。紧接图3C中所示的步骤，将晶圆背向放置到蚀刻机中，蚀刻机仅仅对栅极金属层17进行蚀刻而不对器件的任意其它部分进行蚀刻。如图9中所示，最终的结构具有梯状轮廓，这导致电子沿着p-型GaN边缘从栅极金属17流动到二维电子气的较长电阻路径。这因此减小不希望的栅极泄漏电流，同时保持自对准结构的所有希望特性。
参照图10，现在描述本发明的第六实施例。该实施例基本是上述第四和第五实施例的组合，且包括梯状的栅极轮廓和具有斜边的p-型GaN材料两者。用于形成该结构的方法类似于关于第四和第五实施例所述的方法。该实施例增加了沿着栅极边缘的栅极电流路径，从而减小了栅极泄漏电流。
参照图11，现在描述本发明的第七实施例。本发明的该实施例类似于上述的第一实施例，除了p-型GaN材料15具有邻近AlGaN阻挡的对称边缘。该实施例的方法紧接图3A-3B的过程之后。紧接图3B中所示的步骤，进行自对准的栅极蚀刻，这样在蚀刻过程中改变蚀刻条件。进行上述的一种方法是改变在蚀刻过程中其上放置晶圆的卡盘的温度。由于等离子体与光刻胶反应，较高的卡盘温度导致形成更多的聚合物。这些聚合物有效地使得紧靠栅极金属侧壁的蚀刻减慢，从而形成凸出部分。较低的卡盘温度不产生明显的凸出部分，而较高的温度产生较宽的凸出部分。第七实施例还具有第三实施例的益处。p-型GaN凸出部分起到类似于第三实施例中的p-型ALGaN的作用，用于降低二维电子气密度，降低栅极拐角处的电场，以及提高器件的击穿电压。
参照图12，现在描述本发明的第八实施例。该实施例基本是上述第五和第七实施例的组合，且包括梯状栅极轮廓和对称的凸出部分两者。用于形成该结构的方法类似于关于第五和第七实施例所述的方法。该实施例具有第五和第七实施例的优势，从而提供减小栅极泄漏电流的结构。
在第九实施例中，通过在例如图3A中的顶部EPI层的生长过程中引入镁(Mg)杂质来形成p-GaN材料15。镁是用于形成富含受体(p-型)GaN的最常用的杂质原子。
在第十实施例中，镁杂质用氢补偿，形成半绝缘的p-型GaN层而非传导层。具有半绝缘栅极具有如下一些优势。其中一个优势是减小栅极与源极或漏极之间的泄漏电流。另一优势是在p-型GaN和AlGaN之间形成的二极管与在半绝缘GaN和AlGaN之间形成的二极管相比具有较低的正向压降。在该实施例的器件中，二极管正向压降足够高以使其不显著导电，直到二维电子气充分增强(在1V和5V之间)。
在第十一实施例中，在GaN栅极层15的生长过程中引入碳杂质而不使用镁。碳杂质对于GaN栅极层的电特性具有的影响与用氢补偿的镁类似。
在第十二实施例中，用氢补偿的镁杂质与碳杂质一起使用。这导致半绝缘GaN栅极具有提高的电特性。
上述说明和附图仅仅被认为是实现本文所对获得上述特征和优势的本发明特定实例的示例性说明。可对特定工艺条件进行改变和替换。因此，不应该认为在此所述的本发明实施例受到前述说明和附图的限制。

Claims (27)

1.一种增强型GaN晶体管，包括：
衬底；
过渡层；
由III族氮化物材料构成的缓冲层；
由III族氮化物材料构成的阻挡层；
漏极和源极接触，所述源极接触用作场板，由此所述场板位于源极电位下；
包含受体型掺杂元素的栅极III-V族化合物；以及
栅极金属。
2.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述缓冲层由InAlGaN构成。
3.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述阻挡层由InAlGaN构成，其带隙大于缓冲层。
4.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述栅极金属的底部和栅极III-V族化合物的顶部具有相同的尺寸，并且栅极III-V族化合物的侧壁具有80到90度的角度。
5.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述栅极III-V族化合物的侧壁具有30到80度的角度。
6.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述栅极III-V化合物和栅极金属由单一光掩模工艺形成以便自对准，并且栅极金属比栅极III-V族化合物更窄，这样在栅极化合物的顶部存在对称的凸出部分。
7.根据权利要求6所述的晶体管，其中所述栅极III-V族化合物的侧壁具有80到90度的角度。
8.根据权利要求6所述的晶体管，其中所述栅极III-V族化合物的侧壁是具有30到80度的斜面。
9.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述栅极III-V族化合物和栅极金属由单一光掩模工艺形成以便自对准，栅极金属的底部和栅极III-V族化合物的顶部具有相同的尺寸，并且栅极III-V族化合物的底部包含恰好位于阻挡层上方的对称凸出部分。
10.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述栅极III-V族化合物和栅极金属由单一光掩模工艺形成以便自对准，栅极金属比栅极III-V族化合物更窄，这样在栅极III-V化合物的顶部存在对称的凸出部分，并且栅极III-V化合物的底部包含恰好位于阻挡层上方的对称凸出部分。
11.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述栅极III-V族化合物是掺杂受体型掺杂剂的GaN，并且p-型掺杂剂被激活。
12.根据权利要求11所述的晶体管，其中受体型掺杂剂选自Mg，C，Zn和Ca。
13.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述栅极III-V族化合物是掺杂受体型掺杂剂的GaN，并且p-型掺杂剂用氢补偿。
14.根据权利要求13所述的晶体管，其中受体型掺杂剂选自Mg，C，Zn和Ca。
15.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述栅极III-V族化合物包含AlGaN层以及掺杂受体型掺杂剂的GaN层。
16.根据权利要求15所述的晶体管，其中受体型掺杂剂选自Mg，C，Zn和Ca。
17.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述栅极III-V族化合物包含AlGaN层以及GaN层，用单一光掩模工艺对所述栅极金属和栅极GaN进行蚀刻，并且由于第二光掩模工艺使得栅极AlGaN朝向漏极延伸。
18.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述栅极金属是TiN。
19.根据权利要求1所述的晶体管，其中所述栅极金属包含一种或多种难熔金属、金属化合物和合金。
20.根据权利要求19所述的晶体管，其中所述难熔金属、金属化合物和合金选自Ta，W，TaN，TiN，WN和WSi。
21.一种增强型GaN晶体管，包括：
衬底；
过渡层；
由III族氮化物材料构成的缓冲层；
由III族氮化物材料构成的阻挡层；
漏极和源极接触；
包含受体型掺杂元件的栅极III-V族化合物，以及；
栅极金属，
其中所述源极接触由欧姆金属制成并用作场板，位于源极电位下。
22.一种用于形成增强型GaN晶体管的方法，所述方法包括：
在衬底上成核和生长过渡层；
在该过渡层上方生长III族氮化物缓冲层；
在该缓冲层上方生长III族氮化物阻挡层；
在该阻挡层上方生长具有受体型掺杂剂的GaN层；
将栅极接触层沉积到掺杂的GaN层上；
施加栅极光刻图案；
将栅极区域外侧的栅极接触层蚀刻掉；
除了位于栅极接触下方的掺杂的GaN层的一部分之外，将掺杂的GaN层蚀刻掉；
去除栅极光刻图案；
沉积电介质层；
施加接触光刻图案；
蚀刻该电介质层以使漏极和源极接触区域开口；
去除接触光刻图案；
沉积欧姆接触金属；
施加金属光刻图案；
蚀刻欧姆接触金属；
去除金属光刻图案；以及
执行快速热退火以形成欧姆漏极和源极接触，其中所述源极接触用作场板，位于源极电位下。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述缓冲层由InAlGaN构成。
24.根据权利要求22所述的方法，其中所述阻挡层由InAlGaN构成，其带隙大于缓冲层。
25.一种用于形成增强型GaN晶体管的方法，所述方法包括：
在衬底上成核和生长过渡层；
在该过渡层上方生长InAlGaN缓冲层；
在该InAlGaN缓冲层上方生长InAlGaN阻挡层；
在InAlGaN阻挡层上方生长具有受体型掺杂剂的InAlGaN层；
在掺杂InAlGaN层上方生长具有受体型掺杂剂的GaN层；
将栅极接触层沉积到掺杂的GaN层上；
施加栅极光刻图案；
将栅极区域外侧的栅极接触层蚀刻掉；
除了位于栅极接触下方的掺杂的GaN层以及掺杂的InAlGaN层的一些部分之外，将掺杂的GaN层和掺杂的AlGaN层蚀刻掉；
去除栅极光刻图案；
沉积电介质层；
施加接触光刻图案；
蚀刻电介质层以使漏极和源极接触区域开口；
去除接触光刻图案；
沉积欧姆接触金属；
施加金属光刻图案；
蚀刻欧姆接触金属；
去除金属光刻图案；以及
执行快速热退火以形成欧姆漏极和源极接触，其中所述源极接触用作场板，位于源极电位下。
26.一种用于形成增强型GaN晶体管的方法，所述方法包括：
在衬底上成核和生长过渡层；
在该过渡层上方生长InAlGaN缓冲层；
在该InAlGaN缓冲层上方生长AlGaN阻挡层；
在该AlGaN阻挡层上方生长具有受体型掺杂剂的AlGaN层；
在掺杂AlGaN层上方生长具有受体型掺杂剂的GaN层；
将栅极接触层沉积到掺杂的GaN层上；
施加栅极光刻图案；
将栅极区域外侧的栅极接触层蚀刻掉；
除了位于栅极接触下方的掺杂的GaN层以及掺杂的AlGaN层的一些部分之外，将掺杂的GaN层蚀刻掉；
去除栅极光刻图案；
施加另外的光刻图案；
蚀刻掺杂的AlGaN层，这样掺杂的AlGaN在栅极区域外侧朝向漏极延伸；
去除光刻图案；
沉积电介质层；
施加接触光刻图案；
蚀刻电介质层以使漏极和源极接触区域开口；
去除接触光刻图案；
沉积欧姆接触金属；
施加第四光刻图案；
蚀刻欧姆接触金属；
去除第四光刻图案；以及
执行快速热退火以形成欧姆漏极和源极接触，其中所述源极接触用作场板，位于源极电位下。
27.一种增强型GaN晶体管，包括：
衬底；
过渡层；
由III族氮化物材料构成的缓冲层；
由III族氮化物材料构成的阻挡层；
由欧姆金属构成的漏极和源极接触；
包含受体型掺杂元素的栅极III-V族化合物，以及
栅极金属，
其中所述源极接触用作场板，位于源极电位下，
其中在同一金属层中形成漏极欧姆金属和源极欧姆金属。
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