CN105742348B - 兼容hemt的横向整流器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种与高电子迁移率晶体管兼容的功率横向场效应整流器(L‑FER)器件及其形成方法。在一些实施例中，该整流器器件具有电子供给层，电子供给层设置在半导体材料层上方且位于阳极终端和阴极终端之间。掺杂的III‑N半导体材料层设置在电子供给层上方。钝化层设置在电子供给层和掺杂的III‑N半导体材料层上方。栅极结构设置在掺杂的III‑N半导体材料层和钝化层上方。掺杂的III‑N半导体材料层调制整流器器件的阈值电压，而钝化层通过缓解由于高温反向偏压(HTRB)压力(stress)引起的电流劣化而改进L‑FER器件的可靠性。
Description
相关申请的交叉参考
本发明是于2013年8月1日提交的、标题为“HEMT-COMPATIBLE LATERAL RECTIFIERSTRUCTURE”的U.S.专利申请第13/956,902号的部分继续申请案。
技术领域
本发明总体涉及半导体领域，更具体地，涉及功率半导体器件。
背景技术
功率半导体器件是一种在功率电子设备(例如，功率变流器)中用作开关或整流器的半导体器件。与低功率MOSFET器件相比，功率半导体器件(例如，功率二极管，晶闸管，功率MOSFET等)被配置为处理较大电流且支持更大反向偏压。
传统的功率半导体器件用硅来制造。然而，在近些年来，半导体工业对开发基于氮化镓(GaN)的功率器件付出了极大努力。与传统的基于硅的功率器件相比，基于GaN的功率器件的特征在于诸如较低的导通电阻和实施高频操作的能力。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种与高电子迁移率晶体管(HEMT) 兼容的功率横向场效应整流器(L-FER)器件，包括：半导体材料层，设置在衬底上方；电子供给层，设置在半导体材料层上方且位于阳极终端和阴极终端之间；掺杂的III-氮化物(III-N)半导体材料层，设置在电子供给层上方；钝化层，设置在电子供给层和掺杂的III-N半导体材料层上方；以及栅极结构，设置在垂直位于掺杂的III-N半导体材料层和钝化层上方的位置处。
优选地，钝化层位于掺杂的III-N半导体材料层上和电子供给层上，并且与掺杂的III-N半导体材料层和电子供给层直接其接触。
优选地，该L-FER器件还包括：栅极隔离材料层，垂直地设置在钝化层与栅极结构之间。
优选地，栅极隔离材料层与覆盖掺杂的III-N半导体材料层的钝化层相邻接。
优选地，钝化层从阳极终端连续延伸至阴极终端。
优选地，钝化层包括氮化铝(AlN)或氮化硅(Si3N4)。
优选地，钝化层的厚度在大约5埃和大约100埃之间的范围内。
优选地，该L-FER还包括：绝缘材料层，设置在钝化层上、阳极终端上和阴极终端上并且与钝化层、阳极终端和阴极终端直接接触，其中，钝化层是与绝缘材料层不同的材料。
优选地，该L-FER器件还包括：一个或多个金属互连层，被配置成将栅极结构电连接至阳极终端。
根据本发明的另一方面，提供了一种横向场效应整流器(L-FER)器件，包括：半导体材料层，设置在衬底上方；电子供给层，设置在半导体材料层上方且横向布置在阳极终端和阴极终端之间的位置处；掺杂的III-N (III-氮化物)半导体材料层，设置在电子供给层上方；基于氮化物的钝化层，设置在掺杂的III-N半导体材料层和电子供给层上，并且与掺杂的III-N 半导体材料层和电子供给层直接接触；栅极隔离材料层，设置在覆盖掺杂的III-N半导体材料层的钝化层的上方；以及栅极结构，设置在栅极隔离材料层上方。
优选地，该L-FER器件还包括：绝缘材料层，设置在钝化层、阳极终端和阴极终端上且与钝化层、阳极终端和阴极终端直接接触，其中，钝化层是与绝缘材料层不同的材料。
优选地，钝化层邻接阳极终端的侧壁和阴极终端的侧壁。
优选地，钝化层从阳极终端连续延伸至阴极终端。
优选地，钝化层包括氮化铝(AlN)或氮化硅(Si3N4)。
根据本发明的又一方面，提供了一种形成横向场效应整流器(L-FER) 器件的方法，包括：提供衬底，衬底具有位于半导体材料层和电子供给层之间的外延异质结；形成阳极终端和阴极终端，阳极终端和阴极终端包括位于电子供给层相对两端上的欧姆接触区域；选择性地在电子供给层上形成掺杂的III-N(III-氮化物)半导体材料层；在所述电子供给层和所述掺杂的III-N半导体材料层上方形成钝化层；在所述掺杂的III-N半导体材料层上方形成栅极结构。
优选地，该方法还包括：在垂直设置在钝化层和栅极结构之间的位置处形成栅极隔离材料层。
优选地，钝化层形成在掺杂的III-N半导体材料层和电子供给层上，并且与掺杂的III-N半导体材料层和电子供给层直接接触。
优选地，钝化层从阳极终端连续延伸至阴极终端。
优选地，钝化层包括氮化铝(AlN)或氮化硅(Si3N4)。
优选地，该方法还包括：绝缘材料层，设置在电子供给层的一部分上方、阳极终端上方以及阴极终端上方，其中，钝化层是与绝缘材料层不同的材料。
附图说明
图1示出了与高电子迁移率晶体管(HEMT)兼容的横向场效应整流器(L-FER)器件的一些实施例的截面图；
图2示出了所公开的与HEMT兼容的氮化镓(GaN)整流器器件的一些实施例的性能参数图；
图3示出了包括公开的与常关型HEMT集成的L-FER的集成芯片的一些实施例的截面图；
图4示出了带有钝化层的与HEMT兼容的L-FER器件的一些实施例的截面图；
图5示出了带有钝化层的与HEMT兼容的L-FER器件的一些可选实施例的截面图；
图6示出了形成与HEMT兼容的L-FER器件的方法的一些实施例的流程图；
图7至图13b示出了示例性衬底的一些实施例的截面图，在该衬底上实施形成与HEMT兼容的横向场效应整流器(L-FER)器件的方法。
具体实施方式
本文中参照附图来进行描述述，其中，在整个文中类似的参考标号大体上用于表示类似的元件，并且其中各种结构无需按照比例绘制。在以下描述中，出于解释目的，为了方便理解而阐述了许多具体细节。然而，可以在这些具体细节程度较低的情况下实施本文所描述的一个或多个方面对于本领域的技术人员而言可能是显而易见。在其他例子中，以框架图形式示出已知的结构和器件以方便理解。
在近些年来，对于用于多种高功率应用(例如，功率开关)的基于硅晶体管而言，氮化镓(GaN)晶体管已经作为有前途的替换而出现。具有氮化铝镓/氮化镓(AlGaN/GaN)异质结构的GaN晶体管提供了多种优于传统的硅器件的性能优势。例如，GaN半导体可以提供比传统硅功率器件更低的导通电阻和更高的开关频率。
为了提供具有良好性能(例如，高反向击穿电压，低正向导通电压，以及低特殊导通电阻)的、与GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)兼容的、双终端GaN功率整流器已经付出了努力。然而，这种努力大部分以失败告终。例如，虽然在掺杂的块体GaN上形成肖特基势垒二极管和p-i-n二极管表现出高击穿电压和低导通电阻特征，但肖特基势垒二极管和p-i-n二极管的外延结构在不损失重要性能(例如，较高的导通电压和导通电阻)的情况下无法兼容于GaN HEMT的外延结构。可选地，与HEMT兼容的功率整流器具有不良的断态漏电流，该断态漏电流由肖特基接触反向偏压漏电流限制。
因此，本发明涉及了一种高电子迁移率晶体管(HEMT)兼容的横向场效应整流器器件，它提供了高反向击穿电压和低栅极漏电。在一些实施例中，该整流器器件包括在阳极终端和阴极终端之间的位置处、位于半导体材料层上方的电子供给层。掺杂的III-N半导体材料的层设置在电子供给层上方。栅极隔离材料层位于掺杂的III-N半导体材料的层上方。栅极结构设置在栅极隔离材料上方，从而使得通过栅极隔离材料层和掺杂的III-N半导体材料层将栅极结构与电子供给层分开。掺杂的III-N半导体材料层调制整流器器件的阈值电压，而栅极隔离材料层提供了阻挡，该阻挡为整流器器件提供低泄漏和高反向击穿电压。
图1示出了与高电子迁移率晶体管(HEMT)兼容的横向场效应整流器(L-FER)器件100的一些实施例的截面图。
L-FER器件100包括设置在衬底102(例如，蓝宝石衬底，硅衬底，碳化硅衬底等)上方的半导体材料层104。在一些实施例中，半导体材料层104可以包括III-V族半导体材料或III-氮化物(III-N)半导体材料。例如，在一些L-FER器件100包括氮化镓整流器器件的实施例中，半导体材料层104可以包括氮化镓(GaN)层(例如，无意受到掺杂的GaN层，该掺杂的GaN层具有由于工艺污染物所产生的掺杂物)。
电子供给层106位于半导体材料层104上方且位于在阳极终端108和阴极终端110之间延伸的位置处，阳极终端108和阴极终端110分别包括设置在半导体材料层104上方的欧姆接触区域。电子供给层106包括一种材料，该材料所具有的带隙不等于(例如，大于)下面的半导体材料层104 的带隙，从而使得充当与HEMT兼容的L-FER器件100的沟道区域的异质结沿着半导体材料层104和电子供给层106之间的界面设置。在工作过程中，异质结使得电子供给层106向沿着界面形成的二维电子气体(2-DEG) 105提供电荷载流子(例如，电子)。2-DEG 105具有在阳极终端108和阴极终端110之间自由运动的高迁移率电子。在一些实施例中，电子供给层 106包括氮化铝镓(AlGaN)。在一些实施例中，可以有意掺杂AlGaN薄膜以使其具有向2-DEG 105提供载流子的掺杂物。
绝缘材料层112可以设置在阳极终端108、阴极终端110以及电子供给层106上方。在一些实施例中，例如，绝缘材料层112可以包括氮化硅 (Si3N4)。在一些实施例中，绝缘材料层112可以在电子供给层106的一部分上、阳极终端108以及阴极终端110上并且与电子供给层106的一部分、阳极终端108以及阴极终端110直接接触。
经过掺杂的III-N半导体材料层114设置在电子供给层106上方。经过掺杂的III-N半导体材料层114与阴极终端110的横向间隔距离为漂移(drift) 长度LD。在各个实施例中，经过掺杂的III-N半导体材料层114可以包括p 型掺杂物和/或n型掺杂物。在一些实施例中，掺杂的III-N半导体材料层 114横向地设置在绝缘材料层112和阳极终端108之间。掺杂的III-N半导体材料层包括氮化镓(GaN)。在一些实施例中，GaN可以包括具有第一掺杂物类型(例如，p型掺杂物)的GaN底层和位于GaN底层上面的具有不同于第一掺杂物类型的第二掺杂物类型(例如，n型掺杂物)的GaN顶层。
栅极隔离材料层116位于掺杂的III-N半导体材料层114上方。在一些实施例中，例如，栅极隔离材料层116可以包括二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化镓(Ga2O3)、氧化铝(Al2O3)、氧化钪(Sc2O3)、氧化铪(HfO2)或氮化铝(AlN)。在各个实施例中，栅极隔离材料层116 的厚度可以在大约5埃和大约30埃之间的范围内。在一些实施例中，栅极隔离材料层116也可以位于绝缘材料层112上方。栅极隔离层抑制栅极漏电流，由此改进了栅极稳定性，提供了具有低导通电压、低导通电阻以及高击穿反向电压的L-FER器件100。
栅极结构118位于栅极隔离材料116上方且位于上覆掺杂的III-N半导体材料114层的位置处，从而使得栅极隔离材料层116将栅极结构118与下面的掺杂的III-N半导体材料114分开。在一些实施例中，栅极结构118 可以包括金属栅极结构。例如，例如，栅极结构118可以包括钛(Ti)、镍(Ni)、铝(Al)、镍铝(NiAl)或钨(W)、氮化物(WN)中的一个或多个或它们的组合。在各个实施例中，栅极结构118的厚度可以在大约 1000埃和大约5000埃之间的范围内。
介电材料120设置在衬底上方且位于上覆栅极结构118的位置处。介电材料120可以包括诸如二氧化硅(SiO2)、掺杂碳化硅的氧化物(SiCO) 等的低k层间介电(ILD)材料。介电材料120包括一个或多个金属互连层 122，金属互连层122被配置为向L-FER器件100的阳极终端108、阴极终端110以及栅极结构118提供电连接。在一些实施例中，一个或多个金属互连层122可以包括被配置为提供垂直连接的一个或多个金属通孔122a和被配置为提供横向连接的一根或多根金属线122b。
一个或多个金属互连层122被配置为将栅极结构118电连接至阳极终端108。通过将栅极结构118连接至阳极终端108，三端器件(阳极终端 108，阴极终端110和栅极结构118)被转化成具有漂移长度LD的两端的横向整流器，由此允许由沟道的阈值电压(而不是阳极终端108的肖特基势垒)来确定L-FER器件100的正向(forward)导通电压。在工作期间，可以操作一个或多个金属互连层122以在正向偏置工作模式中或在反向偏置工作模式中来偏置L-FER器件100。例如，向栅极结构118施加正向偏压致使沟道导通，而向栅极结构118施加反向偏压致使沟道被截止。
图2示出了一幅图表200，该图表示出了公开的HEMT兼容的氮化镓 (GaN)横向整流器器件的一些实施例的性能参数。第一y轴示出了相对于漂移长度LD(x轴)的导通电阻(即，漏极到源极的电阻)。第二y轴示出了相对于漂移长度LD(x-轴)的击穿电压。
如图表200中所示，在漂移长度LD为9um的处置处，GaN横向整流器器件显示出660V的反向击穿电压和3.72mOhm*cm2的导通电阻Ron,sp。所得到的功率品质因数(BV2/Ron,sp)为117MW*cm-2，它兼容于现有技术中的GaN整流器，而现有技术中的GaN整流器与HEMT不兼容。
图3示出了包括与常关型HEMT 304相集成的公开的L-FER 302的集成芯片300的一些实施例的截面图。
L-FER 302参考上述图1进行描述。常关型HEMT 304包括设置在异质结(例如，AlGaN/GaN异质结)上方的源极终端306、漏极终端308、以及栅极结构310。如所述，L-FER302和常关型HEMT 304共用一个在衬底102上方形成的半导体材料外延层104。在一些实施例中，L-FER 302和常关型HEMT 304可以使用相同的制造工艺被制造成集成结构(例如，在同一个集成芯片上)。
图4示出了与高电子迁移率晶体管(HEMT)兼容且具有钝化层402 的横向场效应整流器(L-FER)器件400。
与HEMT兼容的L-FER器件400包括设置在电子供给层106和掺杂的 III-N半导体材料114上方的钝化层402。在一些实施例中，钝化层402从阳极终端108连续地延伸至阴极终端110。在一些实施例中，钝化层402 邻接电子供给层106的顶面、掺杂的III-N半导体材料114的顶面以及掺杂的III-N半导体材料114的侧壁。在一些实施例中，钝化层402也可以邻接阳极终端108和阴极终端110的侧壁。
钝化层402被配置成对下面的电子供给层106和掺杂的III-N半导体材料114中的表面陷阱和缺陷进行钝化(passivate)。通过将表面陷阱和缺陷钝化，钝化层402能够增大器件可靠性和DC性能。例如，通常在高温反向偏压(HTRB)压力(stress)期间，表面陷阱和缺陷被激活，从而导致与HEMT兼容的L-FER器件400中出现电流劣化。钝化层402降低了由HTRB压力而造成的与HEMT兼容的L-FER器件400上的电流劣化，由此在HTRB压力之前和之后的电流基本上是相同的(即，钝化层402缓解了由于HTRB压力的电流劣化)。
在一些实施例中，钝化层402包括基于氮化物的钝化层。例如，在一些实施例中，钝化层402可以包括氮化铝(AlN)或氮化硅(Si3N4)。例如，钝化层402的厚度t可以在大约5埃和大约100埃的范围内。
绝缘材料层112位于钝化层402上方。栅极绝缘材料116被布置在绝缘材料层112和钝化层402上。栅极结构404被设置在栅极绝缘材料116 上方。在一些实施例中，栅极结构404被横向设置在绝缘材料层112的两部分之间。在一些实施例中，栅极结构404的侧壁可与下面的栅极隔离材料116的侧壁垂直对齐且邻接绝缘材料层112和栅极隔离材料层116。在这种实施例中，钝化层402可以横向地延伸经过栅极结构404。在一些实施例中，栅极结构404通过绝缘材料层112与阳极终端108横向分开。
图5示出了与高电子迁移率晶体管(HEMT)兼容的横向场效应整流器(L-FER)器件500的一些实施例的截面图。
与HEMT兼容的L-FER器件500示出了高度为h的掺杂的III-N半导体材料502，该高度使得掺杂的III-N半导体材料502垂直延伸至阳极终端 108和阴极终端110的顶面之上。将理解：掺杂的III-N半导体材料502的高度调整了L-FER器件的阈值电压。如与HEMT兼容的L-FER器件500 所示，掺杂的III-N半导体材料502的高度使得钝化层504邻接掺杂的III-N半导体材料502相对的两个侧壁。
图6示出了用于形成HEMT兼容的横向场效应整流器(L-FER)器件的方法600的一些实施例的流程图。
尽管以下将公开的方法600示出和描述为一系列的步骤或事件，但将理解所示出的这些行为或事件的顺序并不理解为限制性意义。例如，一些行为可以以与本文所示出和/或描述的那些行为不同地以不同的顺序发生和/或与其他行为或事件同时发生。另外，并非需要所有示出的行为以实施本文说明书的一个或多个方面或实施例。此外，可以在一个或多个独立的行为和/或阶段中实行本文所述的一个或多个行为。
在602中，提供具有外延异质结的衬底，该异质结在半导体材料层和电子供给层之间。在一些实施例中，衬底包括半导体材料层(例如，III-施半导体材料)和在衬底(例如，蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底等)上方外延生长的电子供给层。半导体材料层和电子供给层具有不同的带隙、导致异质结的形成。
在604中，在电子供给层的相对两端形成阳极终端和阴极终端。阳极和阴极终端包括欧姆接触区域。
在606中，在电子供给层上选择性地形成掺杂的III-N半导体材料层。在一些实施例中，掺杂的III-N半导体材料层可以包括具有p型掺杂物和/ 或n型掺杂物的掺杂的氮化镓(GaN)材料。
在608中，在一些实施例中，可以在掺杂的III-N半导体材料和电子供给层上方形成钝化层。在一些实施例中，钝化层可以形成在掺杂的III-N半导体材料层和电子供给层上且与掺杂的III-N半导体材料层和电子供给层直接接触。
在610中，在衬底上方且在阳极终端、阴极终端、掺杂的III-N半导体材料和/或电子供给层上面选择性地形成绝缘材料层。在一些实施例中，绝缘材料层可以形成在钝化层上且与钝化层直接接触。
在612中，选择性地蚀刻绝缘材料层以暴露掺杂的III-N半导体材料或钝化层。
在614中，在绝缘材料层以及掺杂的III-N半导体材料层或钝化层上方形成栅极隔离材料层。
在616中，在位于掺杂的III-N半导体材料层上面的栅极隔离材料上方形成栅极结构。
在618中，在层间电介质(ILD)材料内形成一个或多个金属互连层以连接阳极终端和栅极结构。
图7至图13b示出了衬底截面图的各个实施例，在该衬底上形成对应于方法600的横向场效应整流器(L-FER)器件。虽然参考方法600来描述图7至图13b，但将理解：图7至13b公开的结构并不局限于这种方法，而是可以独立作为一结构。
图7示出了与步骤602-604对应的衬底的一些实施例的截面700。
如截面700中所示，半导体材料层104和电子供给层106在衬底102 (例如，硅、碳化硅、蓝宝石等)上方外延地生长。半导体材料层104和电子供给层106具有不同的带隙，由此形成了外延的异质结。在一些实施例中，半导体材料层104包括氮化镓(GaN)层，而电子供给层106包括氮化铝镓(AlGaN)层。
在电子供给层106的两个两端处形成阳极终端108和阴极终端110。在一些实施例中，可以通过沉积技术(例如，化学汽相沉积、物理汽相沉积等)在下方的半导体材料层104上沉积金属(例如，钨、铝等)以及选择性地蚀刻沉积的金属来形成阳极终端108和阴极终端110。
图8a示出了与步骤606对应的衬底的一些实施例的截面800a。
如截面800a中所示的那样，掺杂的III-N半导体材料层114(例如， GaN)选择性地形成在电子供给层106上。在一些实施例中，掺杂的III-N 半导体材料层114可以包括n/p型氮化镓(GaN)层。该n/p型GaN层包括设置在电子供给层106上的具有第一掺杂物类型(例如，n型掺杂物) 的第一GaN层114a和设置在第一GaN层114a上的具有第二掺杂物类型(例如，p型掺杂物)的第二GaN层114b。例如，n/p型GaN层可以包括具有 p型掺杂物的底部第一GaN114a层和具有n型掺杂物的上方的顶部第二 GaN层114b。可选择掺杂的III-N半导体材料层114的厚度和掺杂物以得到可调节L-FER器件的阈值电压的数值。
图8b示出了与步骤606-608对应的衬底的一些实施例的截面800b。
如截面800b中所示，掺杂的III-N半导体材料层114(例如，GaN) 选择性地形成在电子供给层106上。钝化层402形成在掺杂的III-N半导体材料114和电子供给层106上。在一些实施例中，形成的钝化层402与电子供给层106的顶面、掺杂的III-N半导体材料114的顶面以及掺杂的III-N 半导体材料114的一个或多个侧壁邻接。在一些实施例中，钝化层402可以从阳极终端108连续延伸至阴极终端110。
在各个实施例中，可以通过沉积技术(例如，原子层沉积(ALD)、化学汽相沉积(CVD)或物理汽相沉积(PVD)等)将钝化层402沉积成具有例如在大约5埃和大约100埃之间的范围内的厚度。在一些实施例中，钝化层402可以包括基于氮化物的钝化层。例如，钝化层402可以包括氮化铝(AlN)或氮化硅(Si3N4)。
图9a至图9b示出了与步骤610对应的衬底的一些实施例的截面 900a和900b。
如截面900a中所示，绝缘材料层112形成在阳极终端108、阴极终端110以及电子供给层106的上面。在一些实施例中，绝缘材料层112可以包括通过汽相沉积技术而沉积的氮化硅(SiN)。
如截面900b中所示，绝缘材料层112形成在在阳极终端108、阴极终端110以及钝化层402上面且与阳极终端108、阴极终端110以及钝化层402直接接触。在一些实施例中，钝化层402和绝缘材料层是不同的材料。例如，在一些实施例中，钝化层402可以包括SiN，但绝缘材料层112 可以包括AlN。
图10a至10b示出了对应于步骤612的衬底的一些实施例的截面 1000a和1000b。
如截面1000a中所示，掩蔽层1002形成在绝缘材料层112上方。掩蔽层1002包括开口1004，开口1004在掺杂的III-N半导体材料114上方的位置(例如，随后将要形成栅极结构的位置)。在一些实施例中，通过掩蔽层1002，将绝缘材料层112选择性地暴露于蚀刻剂1006，以去除绝缘材料层112的一部分并且由此暴露出下面的掺杂的III-N半导体材料层114。
在一些实施例中，蚀刻剂1006可以包括等离子体蚀刻剂(例如，电感耦合的等离子反应离子蚀刻剂，其中高能离子将绝缘材料层112蚀刻掉)。例如，蚀刻剂1006可以通过在低压蚀刻室内实施的RIE等离子体干式蚀刻工艺来生成。
如截面1000b中所示，通过掩蔽层1002，将绝缘材料层112选择性地暴露于蚀刻剂1006以去除绝缘材料层112的一部分并且由此暴露出下面的钝化层402。
图11a至图11b示出了与步骤614对应的衬底的一些实施例的截面 1100a和1100b。
如截面1100a中所示，栅极隔离材料层116形成在绝缘材料层112 上方以及掺杂的III-N半导体材料层114的上方。在一些实施例中，栅极隔离材料层116邻接开口1102内的掺杂的III-N半导体材料层，该开口1102 是通过掩蔽层1002来选择性地蚀刻绝缘材料112而形成的。栅极隔离材料层116在后续形成的栅极结构(404)和掺杂的III-N半导体材料层114之间提供阻挡，由此降低了栅极泄漏。在用于形成一个或多个互连层的BEOL 热工艺期间，栅极隔离材料层116也阻止了原子从后续形成的栅极结构 (404)扩散至下面的掺杂的III-N半导体材料层114。
可以通过汽相沉积工艺(例如，ALD、CVD、PVD等)将栅极隔离材料层116沉积成具有在大约5埃和大约30埃之间的范围内的厚度。在一些实施例中，例如，栅极隔离材料层116可以包括二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、氧化镓(Ga2O3)、氧化铝(Al2O3)、氧化钪(Sc2O3)、氧化铪(HfO2)或氮化铝(AlN)。
如截面1100b中所示，栅极隔离材料层116形成在绝缘材料层112 上方以及钝化层402上方。在一些实施例中，栅极隔离材料层116邻接开口1102内的钝化层402，开口1102是通过掩蔽层1002来选择性地蚀刻绝缘材料112而形成的。
图12a至图12b示出了与步骤616对应的衬底的一些实施例的截面 1200a和1200b。
如截面1200a和1200b中所示，栅极结构404直接形成在栅极隔离材料层116上。例如，可以通过使用溅射或物理汽相沉积来沉积金属(例如，Ti、Ni、Al、NiAl、W、WN等)从而形成栅极结构118。然后选择性地蚀刻金属以去除金属的部分从而限定栅极结构118。
图13a至图13b示出了与步骤618对应的衬底的一些实施例的截面 1300a和1300b。
如截面1300a和1300b中所示，形成一个或多个金属互连层122。一个或多个金属互连层122被配置为将阳极终端108短接(short)至栅极结构118。通过将阳极终端108连接至栅极结构，将三端的器件转化成两端的横向整流器。
在一些实施例中，可以通过在衬底上方沉积介电材料120以及选择性地蚀刻介电材料120以形成一个或多个沟槽来形成一个或多个金属互连层 122。随后用金属填充沟槽从而形成一个或多个金属互连层122。
将理解到：虽然在论述本文所述的方法的各个方面(例如，在图7至图13b中呈现的结构，同时论述根据图6中所述方法)中在该文件中通篇参考示例性的结构，但这些方法并不受到所提供的相应的结构的限制。反之，方法(和结构)被视为彼此独立的且能够独立以及可以在不参考图中所描述的任何具体方面的情况下实现。另外，可以以诸如旋涂、溅射、生长和/或沉积技术等的任何适合的方式来形成本文所述的层。
同样地，基于阅读和/或理解说明书和附图，对于本领域技术人员而言可能发生等效地替换和/或修改。本文中本发明包括所有这些修改和替换并且通常由此不旨在是限制性的。例如，虽然本文所提供的附图示出和描述出具有具体的掺杂物类型，但将理解到正如本领域普通技术人员所理解地，可以利用可选地掺杂物类型。
另外，虽然具体的特征或方面已经结合多个实施方式中的仅一个而公开，但这种特征或方面可以如期望的那样与其他实施方式的一个或多个其他特征和/或方面相组合。另外，在一定程度上，本文使用术语“包括”、“具有”、“有”、“带有”和/或它们的变型，这样的术语旨在包含在类似“包括”的含义中。同样，“示例性的”仅仅意味着实例，而不是最好的。还应该意识到将本文描述的部件、层和/或原件示出为具有具体尺寸和或相对于另一个的定向以用于简化和易于理解的目的，并且实际的尺寸和/ 或定向可以基本上不同于本文所示出的尺寸和/或定向。
本发明涉及一种高电子迁移率晶体管(HEMT)兼容的功率横向场效应整流器(L-FER)器件，它提供了高迁移率和低栅极泄漏。
在一些实施例中，本发明涉及一种高电子迁移率晶体管(HEMT)兼容的功率横向场效应整流器(L-FER)器件。该L-FER器件包括设置在衬底上方的半导体材料层，以及设置半导体材料层上方、位于阳极终端和阴极终端之间的位置处的电子供给层。掺杂的III-N(III-氮化物)半导体材料层设置在电子供给层上方，并且钝化层设置在电子供给层和掺杂的III-N半导体材料层上方。栅极结构设置在垂直地位于掺杂的III-N半导体材料层和钝化层上面的位置处。
在其他实施例中，本发明涉及一种横向场效应整流器(L-FER)器件。该L-FER器件包括设置在衬底上方的半导体材料层，以及设置在半导体材料层上方、横向地布置在阳极终端和阴极终端之间的位置处的电子供给层。掺杂的III-N(III-氮化物)半导体材料层设置在电子供给层上方，并且基于氮化物的钝化层设置在掺杂的III-N半导体材料层和电子供给层上且与掺杂的III-N半导体材料层和电子供给层直接接触。栅极隔离材料层设置在覆盖掺杂的III-N半导体材料层的钝化层的上方，并且栅极结构设置在栅极隔离材料层上方。
在又其他实施例中，本发明涉及一种形成横向场效应整流器(L-FER) 器件的方法。该方法包括提供具有外延异质结的衬底，外延异质结位于半导体材料层和电子供给层之间；以及形成阳极终端和阴极终端，阳极终端和阴极终端包括位于电子供给层的相对两个末端上的欧姆接触区域。该方法还包括选择性地在电子供给层上形成掺杂的III-N(III-氮化物)半导体材料层。该方法进一步包括在电子供给层和掺杂的III-N半导体材料层上方形成钝化层。该方法进一步包括在掺杂的III-N半导体材料层上面的位置处形成栅极结构。
Claims (20)
1.一种与高电子迁移率晶体管(HEMT)兼容的功率横向场效应整流器(L-FER)器件，包括：
半导体材料层，设置在衬底上方；
电子供给层，设置在所述半导体材料层上方且位于阳极终端和阴极终端之间，所述阳极终端和所述阴极终端分别包括邻接所述电子供给层侧壁的垂直延伸表面和邻接所述电子供给层上表面的水平延伸表面；
掺杂的III-N(III-氮化物)半导体材料层，设置在所述电子供给层上方；
钝化层，设置在所述电子供给层上方和所述掺杂的III-N半导体材料层上方；以及
栅极结构，设置在垂直位于所述掺杂的III-N半导体材料层和所述钝化层上方的位置处，以及
其中，所述掺杂的III-N半导体材料层位于所述栅极结构的最低表面的正下方。
2.根据权利要求1所述的功率横向场效应整流器器件，其中，所述钝化层位于所述掺杂的III-N半导体材料层上和所述电子供给层上，并且与所述掺杂的III-N半导体材料层和所述电子供给层直接接触。
3.根据权利要求1所述的功率横向场效应整流器器件，还包括：
栅极隔离材料层，垂直地设置在所述钝化层与所述栅极结构之间。
4.根据权利要求1所述的功率横向场效应整流器器件，其中，所述栅极隔离材料层与覆盖所述掺杂的III-N半导体材料层的所述钝化层相邻接。
5.根据权利要求1所述的功率横向场效应整流器器件，其中，所述钝化层从所述阳极终端连续延伸至所述阴极终端。
6.根据权利要求1所述的功率横向场效应整流器器件，其中，所述钝化层包括氮化铝(AlN)或氮化硅(Si3N4)。
7.根据权利要求1所述的功率横向场效应整流器器件，其中，所述钝化层的厚度在5埃和100埃之间的范围内。
8.根据权利要求1所述的功率横向场效应整流器器件，还包括：
绝缘材料层，设置在所述钝化层上、所述阳极终端上和所述阴极终端上并且与所述钝化层、所述阳极终端和所述阴极终端直接接触，其中，所述钝化层是与所述绝缘材料层不同的材料。
9.根据权利要求1所述的功率横向场效应整流器器件，还包括：
一个或多个金属互连层，被配置成将所述栅极结构电连接至所述阳极终端。
10.一种横向场效应整流器(L-FER)器件，包括：
半导体材料层，设置在衬底上方；
电子供给层，设置在所述半导体材料层上方且横向布置在阳极终端和阴极终端之间的位置处，其中，所述阳极终端和所述阴极终端分别包括邻接所述电子供给层侧壁的垂直延伸表面和邻接所述电子供给层上表面的水平延伸表面；
掺杂的III-N(III-氮化物)半导体材料层，设置在所述电子供给层上方；
基于氮化物的钝化层，设置在所述掺杂的III-N半导体材料层和所述电子供给层上，并且与所述掺杂的III-N半导体材料层和所述电子供给层直接接触；栅极隔离材料层，设置在覆盖所述掺杂的III-N半导体材料层的所述钝化层的上方；以及
栅极结构，设置在所述栅极隔离材料层上方，
其中，所述掺杂的III-N半导体材料层位于所述栅极结构的最低表面的正下方。
11.根据权利要求10所述的横向场效应整流器器件，还包括：
绝缘材料层，设置在所述钝化层、所述阳极终端和所述阴极终端上且与所述钝化层、所述阳极终端和所述阴极终端直接接触，其中，所述钝化层是与所述绝缘材料层不同的材料。
12.根据权利要求10所述的横向场效应整流器器件，其中，所述钝化层邻接所述阳极终端的侧壁和所述阴极终端的侧壁。
13.根据权利要求10所述的横向场效应整流器器件，其中，所述钝化层从所述阳极终端连续延伸至所述阴极终端。
14.根据权利要求11所述的横向场效应整流器器件，其中，所述钝化层包括氮化铝(AlN)或氮化硅(Si3N4)。
15.一种形成横向场效应整流器(L-FER)器件的方法，包括：
提供衬底，所述衬底具有位于半导体材料层和电子供给层之间的外延异质结；
形成阳极终端和阴极终端，所述阳极终端和阴极终端包括位于所述电子供给层相对两端上的欧姆接触区域，其中，所述阳极终端和所述阴极终端分别包括邻接所述电子供给层侧壁的垂直延伸表面和邻接所述电子供给层上表面的水平延伸表面；
选择性地在所述电子供给层上形成掺杂的III-N(III-氮化物)半导体材料层；
在所述电子供给层上方和所述掺杂的III-N半导体材料层上方形成钝化层；
在所述掺杂的III-N半导体材料层上方形成栅极结构；
其中，所述掺杂的III-N半导体材料层位于所述栅极结构的最低表面的正下方。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
在垂直设置在所述钝化层和所述栅极结构之间的位置处形成栅极隔离材料层。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述钝化层形成在所述掺杂的III-N半导体材料层和所述电子供给层上，并且与所述掺杂的III-N半导体材料层和所述电子供给层直接接触。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述钝化层从所述阳极终端连续延伸至所述阴极终端。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述钝化层包括氮化铝(AlN)或氮化硅(Si3N4)。
20.根据权利要求15所述的方法，还包括：
绝缘材料层，设置在所述电子供给层的一部分上方、所述阳极终端上方以及所述阴极终端上方，其中，所述钝化层是与所述绝缘材料层不同的材料。
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