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Beanspruchung der Priorität
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Diese
Anmeldung ist eine teilweise Fortführung von und beansprucht
die Priorität der gleichzeitig anhängigen United
States Patentanmeldung Serial No. 10/996,249, die am 23. November
2004 angemeldet wurde, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme eingeschlossen
ist, wie sie in ihrer Gesamtheit ausgeführt ist.
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Halbleitervorrichtungen und im Besonderen
Transistoren, welche Nitrid-basierte aktive Schichten enthalten.
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Hintergrund
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Materialien,
wie z. B. Silizium (Si) und Galliumarsenid (GaAs), haben eine breite
Anwendung bei Halbleitervorrichtungen Niedrigleistungs-, und (im Falle
von Si) Niedrigfrequenz-Anwendungen gefunden. Diese geläufigeren
Halbleitermaterialien sind jedoch nicht sehr geeignet für
höhere Leistungs- und/oder Hochfrequenz-Anwendungen, aufgrund
ihrer relativ kleinen Bandlücken (beispielsweise 1,12 eV
für Si und 1,42 eV für GaAs bei Zimmertemperatur)
und/oder relativ geringen Durchschlagsspannung.
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Angesichts
der Schwierigkeiten aufgezeigt von Si und GaAs, wendete sich das
Interesse bei Hochleistungs-, Hochtemperatur- und/oder Hochfrequenz-Anwendungen
und -Vorrichtungen zu Halbleitermaterialien mit breiter Bandlücke,
beispielsweise Siliziumkarbid (2,996 eV für Alpha SiC bei
Raumtemperatur) und die Nitride der Gruppe III (beispielsweise 3,6
eV für GaN bei Raumtemperatur). Diese Materialien haben,
verglichen mit Galliumarsenid und Silizium, typischerweise eine
höhere Durchschlagfestigkeit des elektrischen Feldes und
höhere Elektronensättigungsgeschwindigkeiten.
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Eine
Vorrichtung von besonderem Interesse für Hochleistungs-
und/oder Hochfrequenz-Anwendungen ist der superschnelle Transistor
(High Electron Mobility Transistor HEMT), welcher in bestimmten
Fällen, auch als modulationsdotierter Feldeffekt Transistor
(modulation doped field effect transistor MODFET) bekannt ist. Diese
Vorrichtungen können betriebsbedingte Vorteile, unter Berücksichtigung
einer Reihe von Umständen ermöglichen, weil ein zweidimensionales
Elektronengas (2DEG) an einem Heterogenübergang zweier
Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Bandabstandsenergien
gebildet ist, und bei denen das Material mit schmalerer Bandlücke
eine höhere Elektronenaffinität hat. Das 2DEG ist
eine Anreicherungsschicht in dem undotierten („unbeabsichtigt
dotiert") Material mit schmalerer Bandlücke und kann eine
sehr hohe Flächenelektronenkonzentration höher
als beispielsweise 1013 Träger/cm2 beinhalten. Zusätzlich dazu wird
Elektronen, die in dem Halbleiter mit breiterer Bandlücke
ihren Ursprung haben, welche an das 2DEG überführt
werden, eine höhere Elektronenbeweglichkeit infolge reduzierter
Störstellenstreuung ermöglicht.
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Diese
Kombination von hoher Trägerkonzentration und hoher Trägerbeweglichkeit
kann dem HEMT einen sehr großen Übertragungsleitwert
geben und kann einen starken Ausführungsvorteil über Metallhalbleiter-Feldeffekt-Transistoren
(MESFETs) für Hochfrequenz-Anwendungen bereitstellen.
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Superschnelle
Transistoren die in dem Galliumnitrid/Aluminiumgalliumnitrid (GaN/AlGaN)
Materialsystem hergestellte sind, haben das Leistungsvermögen,
große Mengen an Leistung zu erzeugen, aufgrund der Kombination
der Materialeigenschaften, die die vorstehend erwähnten
hohen Durchschlagsfelder, deren breite Bandlücken, die
große Leitungsbandverschiebung und/oder hohe Elektronensättigungsdriftgeschwindigkeit
einschließen. Ein großer Anteil der Elektronen
in dem 2DEG ist der Polarisierung in dem AlGaN zuzuschreiben.
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HEMTs
in dem GaN/AlGaN-System wurden bereits vorgestellt. Die
U.S. Patente 5,192,987 und
5,296,395 beschreiben AlGaN/GaN-HEMT-Strukturen
und Verfahren zur Herstellung. Das
U.S.
Patent Nr. 6,316,793 von Sheppard et al., welches gemeinsam übertragen
wurde und hierin unter Bezug eingeschlossen ist, beschreibt eine
HEMT-Vorrichtung die ein halbisolierendes Siliziumkarbid-Substrat,
eine Aluminiumnitrid-Pufferschicht auf dem Substrat, eine isolierende
Galliumnitridschicht auf der Pufferschicht, eine Aluminiumgalliumnitrid
Sperrschicht auf der Galliumnitridschicht und eine Passivierungsschicht
auf der aktiven Aluminiumgalliumnitridstruktur aufweist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Einige
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung stellen
superschnelle Gruppe III-Nitrid-Transistoren und Herstellungsmethoden
für superschnelle Gruppe III-Nitrid-Transistoren bereit,
die eine Gruppe III-Nitrid-basierte Kanalschicht, eine Gruppe III-Nitrid-basierte
Sperrschicht an der Kanalschicht und eine ungleichmäßige
Zusammensetzung einer AlGaN-basierten Deckschicht an der Sperrschicht
enthalten. Die ungleichmäßige Zusammensetzung
der AlGaN-basierten Deckschicht hat eine höhere Konzentration
von Al benachbart einer Oberfläche der Deckschicht, die
von der Sperrschicht entfernt ist, als eine, die in einer Region
innerhalb der AlGaN-basierten Deckschicht vorhanden ist. Bei besonderen
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung mit einem
durch die Deckschicht vertieften Gate erstreckt sich die höhere
Konzentration von Al in die Deckschicht von etwa 30 Å bis
zu etwa 1000 Å. Bei besonderen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung mit einem Gate an der Deckschicht erstreckt
sich die höhere Konzentration von Al in die Deckschicht
von etwa 2,5 Å bis zu etwa 100 Å.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
enthält die AlGaN-basierte Deckschicht eine erste Region
von AlxGA1-XN an
der Oberfläche der Deckschicht, wobei x ≤ 1 ist,
und eine zweite Region von AlyGa1-yN innerhalb der AlGaN-basierten Deckschicht,
wobei y < 1 und
y < x ist. Der Wert
von x kann von etwa 0,2 bis etwa 1 betragen und y ist von etwa 0,15
bis etwa 0,3. Bei besonderen Ausführungsbeispielen der
vorliegenden Erfindung kann die Differenz zwischen x und y und/oder
die Dicke der Deckschicht ausgewählt sein, so dass eine Bildung
von einem zweiten 2DEG in der Deckschicht vermieden wird. Bei anderen
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, bei denen
das Gate durch die Deckschicht vertieft ist aber nicht die Deckschicht
berührt, kann die Differenz zwischen x und y und/oder die
Dicke der Deckschicht ausgewählt sein, so dass eine Bildung
von einem zweiten 2DEG in der Deckschicht bereit gestellt wird.
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Bei
zusätzlichen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung enthält die AlGaN-basierte Deckschicht ferner
eine dritte Region von AlzGa1-zN an
einer Schnittstelle zwischen der Sperrschicht und der AlGaN-basierten
Deckschicht, wobei z ≤ 1 und z ≠ y ist. Bei einigen
Ausführungsbeispielen ist z > y. Bei anderen Ausführungsbeispielen
ist z > x. Bei noch
weiteren Ausführungsbeispielen ist z ≤ X.
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Bei
besonderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
weist die Kanalschicht eine GaN-Schicht auf die Sperrschicht weist
eine AlGaN-Schicht auf und die Deckschicht weist eine AlGaN-Schicht
auf.
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Einige
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung stellen
superschnelle Gruppe III-Nitrid-Transistoren und Herstellungsmethoden
für superschnelle Gruppe III-Nitrid-Transistoren bereit,
die eine Gruppe III-Nitrid-basierte Kanalschicht, eine Gruppe III-Nitrid-basierte
Sperrschicht an der Kanalschicht und eine AlGaN-basierte Deckschicht
an der Sperrschicht enthalten. Die AlGaN-basierte Deckschicht hat
eine dotierte Region, die benachbart einer Oberfläche der
Deckschicht ist und die von der Sperrschicht entfernt ist.
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Bei
bestimmten Ausführungsbeispielen ist die dotierte Region
eine Region mit n-Typ-Dotierungen. Bei besonderen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung ohne eine Gatevertiefung erstreckt sich
die dotierte Region in die Deckschicht von etwa 2,5 Å bis
zu etwa 50 Å. Bei besonderen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung mit einer Gatevertiefung erstreckt sich
dotierte Region in die Deckschicht von etwa 20 Å bis zu
etwa 5000 Å. Die dotierte Region kann eine Konzentration
der Dotierung von etwa 1018 bis zu etwa
1021 cm–3 vorsehen.
Die n-Typ-Dotierung kann Si, Ge oder O sein. Bei besonderen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung kann die dotierte Region eine oder mehrere
Delta-dotierte Regionen an oder in der Nähe der Oberfläche
der Deckschicht sein und sie kann beispielsweise eine Konzentration
der Dotierung von etwa 1011 bis zu etwa
1015 cm–2 aufweisen.
Bei besonderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
ist die Dotierung O, das sich in die Deckschicht um etwa 20 Å erstreckt.
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Bei
anderen Ausführungsbeispielen ist die dotierte Region eine
Region mit p-Typ-Dotierungen. Bei besonderen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung ohne eine Gatevertiefung erstreckt sich
die dotierte Region in die Deckschicht von etwa 2,5 Å bis
zu etwa 50 Å. Bei besonderen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung mit einer Gatevertiefung erstreckt sich
dotierte Region in die Deckschicht von etwa 30 Å bis zu
etwa 5000 Å. Die dotierte Region kann eine Konzentration
der Dotierung von etwa 1016 bis zu etwa
1022 cm–3 vorsehen. Die
p-Typ-Dotierung kann Mg, Be, Zn, Ca oder C sein. Bei besonderen
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die
dotierte Region eine oder mehrere Delta-dotierte Regionen an oder
in der Nähe der Oberfläche der Deckschicht sein
und sie kann beispielsweise eine Konzentration der Dotierung von
etwa 1011 bis zu etwa 1015 cm–2 aufweisen.
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Bei
noch weiteren Ausführungsbeispielen ist die dotierte Region
eine Region mit Deep-Level-Dotierungen bzw. Dotierungen mit tiefem
Niveau. Bei besonderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
ohne eine Gatevertiefung erstreckt sich die dotierte Region in die
Deckschicht von etwa 2,5 Å bis zu etwa 100 Å.
Bei besonderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
mit einer Gatevertiefung erstreckt sich dotierte Region in die Deckschicht von
etwa 30 Å. bis zu etwa 5000 Å. Die dotierte Region
kann eine Konzentration der Dotierung von etwa 1016 bis
zu etwa 1022 cm–3 vorsehen.
Die Deep-Level-Dotierung kann Fe, C, V, Cr, Mn, Ni, Co oder andere
seltene Erdenelemente sein.
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Bei
zusätzlichen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung ist die dotierte Region eine erste dotierte Region und
die Deckschicht enthält eine zweite dotierte Region. Die
zweite dotierte Region weist eine Konzentration der Dotierung auf
die geringer ist als die Konzentration der Dotierung der ersten
dotierten Region. Die zweite dotierte Region kann der Rest der Deckschicht
sein, der nicht in der ersten dotierten Region sich befindet.
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Bei
besonderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
weist die Kanalschicht eine GaN-Schicht auf die Sperrschicht weist
eine AlGaN-Schicht auf und die Deckschicht weist eine GaN- oder
eine AlGaN-Schicht auf.
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Einige
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sehen Verfahren
zur Passivierung einer Oberfläche einer Halbleitervorrichtung
mit breiter Bandlücke vor, die ein Bilden einer Graphit- und/oder amorphen
BN-Schicht zumindest an einem Bereich einer Oberfläche
einer Region eines Halbleitermaterials mit breiter Bandlücke
einer Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke einschließen.
Entsprechende Strukturen werden ebenfalls bereitgestellt.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
ist die Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke eine
Gruppe III-Nitrid-Halbleitervorrichtung. Beispielsweise kann die
Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke eine GaN-basierte Halbleitervorrichtung
sein. Weiterhin kann die Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke
ein superschneller Gruppe III-Transistor sein.
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Bei
zusätzlichen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung wird ein Bilden der Graphit- und/oder amorphen BN-Schicht
bei einer geringeren Temperatur ausgeführt als eine Zersetzungstemperatur
eines Halbleitermaterials mit breiter Bandlücke in der
Halbleitervorrichtung mit breiter Bandlücke. Das Bilden
der Graphit- und/oder amorphen BN-Schicht kann bei einer geringeren
Temperatur als etwa 1100°C ausgeführt werden,
bei einigen Ausführungsbeispielen bei einer Temperatur
von weniger als 1000°C und bei besonderen Ausführungsbeispielen
bei einer Temperatur von weniger als 900°C. Auch kann die
BN-Schicht als nicht Einkristall gebildet werden. Die Graphit- und/oder
amorphe BN-Schicht kann mit einer Dicke von etwa 3 Å bis
zu etwa 1 μm gebildet werden.
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Einige
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sehen Verfahren
zur Passivierung einer Oberfläche einer Gruppe III-Nitrid-Halbleitervorrichtung
durch Bilden einer SiC-Schicht zumindest an einem Bereich einer
Oberfläche einer Region eines Gruppe III-Nitrid-Halbleitermaterials
einer Gruppe III-Nitrid-Halbleitervorrichtung vor. Entsprechende Strukturen
werden ebenfalls bereitgestellt.
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Bei
bestimmten Ausführungsbeispielen kann die Gruppe III-Nitrid-Halbleitervorrichtung
eine GaN-basierte Halbleitervorrichtung sein. Bei weiteren Ausführungsbeispielen
kann die Gruppe III-Nitrid-Halbleitervorrichtung ein superschneller
Gruppe III-Transistor sein.
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Bei
zusätzlichen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung wird ein Bilden der SiC-Schicht bei einer geringeren Temperatur
ausgeführt als eine Zersetzungstemperatur eines Gruppe III-Nitrid-Halbleitermaterials
in der Gruppe III-Nitrid-Halbleitervorrichtung. Beispielsweise wird das
Bilden der SiC-Schicht bei einer geringeren Temperatur als etwa
1100°C ausgeführt, bei einigen Ausführungsbeispielen
bei einer Temperatur von weniger als 1000°C und bei besonderen
Ausführungsbeispielen bei einer Temperatur von weniger
als 900°C. Auch kann die SiC-Schicht als nicht Einkristall
gebildet werden. Bei besonderen Ausführungsbeispielen kann
das Bilden der SiC-Schicht ein Bilden einer 3C-SiC-Schicht aufweisen.
Die SiC-Schicht kann mit einer Dicke von etwa 3 Å bis zu
etwa 1 μm gebildet werden.
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Weitere
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weisen
Verfahren zum Bereitstellen von Passivierungsstrukturen für
Halbleitervorrichtungen mit breiter Bandlücke auf, beispielsweise
Gruppe III-Nitrid-Halbleitervorrichtungen, die ein Anlassen bzw.
Vergüten einer Passivierungsschicht direkt an eine Gruppe
III-Nitrid-Schicht in einer Sauerstoff enthaltenden Umgebung aufweisen.
Die Passivierungsschicht kann beispielsweise SiN, BN, MgN und/oder SiC
sein. Bei noch weiteren Ausführungsbeispielen enthält
die Passivierungsschicht SiO2, MgO, Al2O3, Sc2O3 und oder AlN.
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Das
Vergüten kann bei einer Temperatur von etwa 100°C
bis etwa 1000°C und für eine Zeitdauer von etwa
10 Sekunden bis zu etwa 1 Stunde ausgeführt werden. Die
Sauerstoff enthaltende Umgebung kann reiner Sauerstoff, Sauerstoff
in N2, Sauerstoff in einem anderen Inertgas,
beispielsweise Argon, Sauerstoff in trockener Luft, CO, CO2, NO, NO2 und/oder Ozon
sein. Das Vergüten kann bei einer Temperatur und für
eine Zeitdauer ausgeführt werden, die unzureichend sind,
um die Struktur zu oxidieren, die unter der Passivierungsschicht
liegt, aber ausreichend sind, um zumindest etwas Wasserstoff aus
der Passivierungsschicht zu entfernen. Auch kann etwas Kohlenstoff
aus der Passivierungsschicht entfernt werden.
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Einige
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sehen Verfahren
zur Herstellung einer Passivierungsstruktur für eine Gruppe
III-Nitrid-Halbleitervorrichtung durch Bilden einer Passivierungsschicht
direkt zumindest an einem Bereich einer Oberfläche einer
Region eines Gruppe III-Nitrid-Halbleitermaterials der Gruppe III-Nitrid-Halbleitervorrichtung
und Vergüten der Passivierungsschicht in D2 und/oder
D2O vor. Bei einigen Ausführungsbeispielen
enthält die Passivierungsschicht BN und/oder SiC. Bei noch
weiteren Ausführungsbeispielen enthält die Passivierungsschicht
SiO2, MgO, Al2O3, Sc2O3 und/oder
AlN.
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Das
Vergüten kann bei einer Temperatur und für eine
Zeitdauer ausgeführt werden, die unzureichend sind, um
die Struktur zu oxidieren, die unter der Passivierungsschicht liegt,
aber ausreichend sind, um zumindest etwas Wasserstoff aus der Passivierungsschicht
zu entfernen oder etwas Wasserstoff durch Deuterium zu ersetzen.
Weiterhin kann das Gruppe III-Nitrid-Halbleitermaterial ein GaN-basiertes
Material sein.
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Zusätzliche
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sehen superschnelle
Gruppe III-Nitrid-Transistoren und Verfahren zur Herstellung von
superschnellen Gruppe III-Nitrid-Transistoren vor, die eine Gruppe
III-Nitrid-basierte Kanalschicht, eine Gruppe III-Nitrid-basierte
Sperrschicht an der Kanalschicht und eine AlN-Deckschicht an der
Sperrschicht enthalten. Der Transistor kann ferner einen Gatekontakt
einschließen, der in der AlN-Deckschicht vertieft ist.
Bei solchen Ausführungsbeispielen weist die AlN-Deckschicht
eine Dicke von etwa 5 bis etwa 5000 Å auf. Bei einigen
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die
AlN-Schicht inkohärent mit der darunter liegenden Schicht
sein, sie kann nicht ein Einkristall sein, sie kann ex-situ gebildet
werden und/oder sie kann durch einen Bildungsprozess minderer Qualität
gebildet sein, beispielsweise durch PVD als durch CVD. Der Transistor
kann auch einen Gatekontakt an der AlN-Deckschicht und nicht in
der AlN-Deckschicht vertieft aufweisen. Bei solchen Ausführungsbeispielen
weist die AlN-Deckschicht eine Dicke von etwa 2 Å bis etwa
20 Å auf. Zusätzlich kann die Kanalschicht eine GaN-Schicht
sein und die Sperrschicht kann eine AlGaN-Schicht sein.
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Noch
weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
sehen superschnelle Gruppe III-Nitrid-Transistoren und Verfahren
zur Herstellung von superschnellen Gruppe III-Nitrid-Transistoren vor,
die eine Gruppe III-Nitrid-basierte Kanalschicht, eine Gruppe III-Nitrid-basierte
Sperrschicht an der Kanalschicht, eine Schutzschicht an der Sperrschicht,
einen Gatekontakt an der Sperrschicht und Ohmsche Kontakte Schutzschicht
enthalten. Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung enthält die Schutzschicht SiN. Bei anderen Ausführungsbeispielen
kann die Schutzschicht BN oder MgN enthalten. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann
die Schutzschicht mehrere Schichten enthalten, beispielsweise eine
Schicht aus SiN und eine Schicht AlN. Bei besonderen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung weist die Schutzschicht eine Dicke von
etwa 1 Å bis etwa 10 Å auf. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen
weist die Schutzschicht eine Dicke von etwa einer Monolage auf.
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Bei
noch weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
ist der Gatekontakt an der Schutzschicht. Auch die Ohmschen Kontakte können
direkt an der Schutzschicht sein. Die Schutzschicht kann in-situ
mit dem Bilden der Sperrschicht gebildet werden.
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Einige
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sehen Gruppe
III-Nitrid-HEMTs vor, die eine Gruppe III-Nitrid-basierte Kanalschicht
und eine Gruppe III-Nitrid-basierte Sperrschicht an der Kanalschicht
enthalten. Eine mehrschichtige Deckschicht ist an der Sperrschicht
vorgesehen. Die mehrschichtige Deckschicht enthält eine
Aluminiumnitrid (AlN) enthaltene Schicht an der Sperrschicht und
eine Galliumnitrid (GaN)-Schicht an der AlN enthaltenen Schicht.
Eine SiN-Passivierungsschicht ist an der GaN-Schicht vorgesehen.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
kann die AlN enthaltende Schicht Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN),
Aluminiumindiumnitrid (AlInN) und/oder AlN enthalten. Die AlN enthaltende
Schicht kann eine Dicke von etwa 3 bis etwa 30 Å aufweisen.
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Bei
noch weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
kann die GaN-Schicht eine Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN)-Schicht
mit einer niedrigen Molfraktion sein. Die Molfraktion der AlGaN-Schicht
kann von Null Prozent einer Molfraktion der Sperrschicht bis etwa
zu der Molfraktion der Sperrschicht betragen. Die Molfraktion der
AlGaN-Schicht kann größer als die Molfraktion
der Sperrschicht sein.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
kann die AlN enthaltende Schicht eine AlGaN-Schicht mit einer hohen
Molfraktion enthalten.
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Weitere
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sehen Gruppe
III-Nitrid-HEMTs vor, die eine Gruppe III-Nitrid-basierte Kanalschicht
und eine Gruppe III-Nitrid-basierte Sperrschicht an der Kanalschicht
enthalten. Eine mehrschichtige Deckschicht ist an der Sperrschicht
vorgesehen. Die mehrschichtige Deckschicht enthält eine
AlGaN-Schicht an der Sperrschicht und eine AlN-Schicht an der AlGaN-Schicht.
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Bei
noch weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
kann die AlN-Schicht eine Dicke von etwa 10 Å aufweisen.
Der HEMT kann ferner einen Gatekontakt enthalten, der nicht in der mehrschichtigen
Deckschicht vertieft ist. Eine Dicke der AlGaN-Schicht kann von
etwa 5,0 bis etwa 50,0 Å betragen.
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Einige
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sehen Gruppe
III-Nitrid-HEMTs vor, die eine Gruppe III-Nitrid-basierte Kanalschicht
und eine Gruppe III-Nitrid-basierte Sperrschicht an der Kanalschicht
enthalten. Eine mehrschichtige Deckschicht ist an der Sperrschicht
vorgesehen. Die mehrschichtige Deckschicht enthält eine
AlGaN-Schicht an der Sperrschicht und eine AlN-Schicht an der AlGaN-Schicht
und eine GaN-Schicht an der AlN-Schicht.
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Bei
weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
kann die AlN-Schicht eine Dicke von etwa 10,0 Å aufweisen
und die GaN-Schicht kann eine Dicke von etwa 20 Å aufweisen.
Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
weist der HEMT eine Sperre von mehr als etwa 3,0 V auf.
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Verschiedene
Kombinationen und/oder Unterkombinationen der Deckschichten, der
Passivierungsschichten, der Schutzschichten und/oder Vergütungen
der Passivierungsschichten können ebenfalls gemäß einigen
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung vorgesehen
sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1A und 1B sind
schematische Querschnittsdarstellungen, die Transistoren mit einer Deckschicht
gemäß einigen Ausführungsbeispielen der
vorliegenden Erfindung zeigen.
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2A und 2B sind
schematische Querschnittsdarstellungen, die Transistoren mit einer Deckschicht
gemäß einigen Ausführungsbeispielen der
vorliegenden Erfindung zeigen.
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3A und 3B sind
schematische Querschnittsdarstellungen, die Graphit- und/oder amorphe
BN-Passivierungsschichten gemäß einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung zeigen.
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4A und 4B sind
schematische Querschnittsdarstellungen, die SiC-Passivierungsschichten
gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung zeigen.
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5A und 5B sind
schematische Querschnittsdarstellungen, die Transistoren mit einer Deckschicht
gemäß einigen Ausführungsbeispielen der
vorliegenden Erfindung zeigen.
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6 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung, die Transistoren mit
Ohmschen Kontakten an einer Schutzschicht gemäß einigen
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zeigt.
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7 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung, die Transistoren einschließlich
einer Schutzschicht und einer Deckschicht gemäß einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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8 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung, die Transistoren mit
einer mehrschichtigen Deckschicht gemäß einigen
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zeigt.
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9 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung, die Transistoren mit
einer mehrschichtigen Deckschicht gemäß einigen
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zeigt.
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10 ist
ein Graph, der eine simulierte Leitungsbandkante und eine Elektronendichte
als eine Funktion der Tiefe für Vorrichtungen mit einer
AlGaN-Deckschicht gemäß einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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11 ist
ein Graph, der eine simulierte Leitungsbandkante und eine Elektronendichte
als eine Funktion der Tiefe für Vorrichtungen mit einer AlN-Deckschicht
auf AlGaN gemäß einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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12 ist
ein Graph, der eine simulierte Leitungsbandkante und eine Elektronendichte
als eine Funktion der Tiefe für Vorrichtungen mit einer GaN/AlN-Deckschicht
auf AlGaN gemäß einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
der Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wird nun nachfolgend unter Bezug auf beigefügten
Zeichnungen vollständiger beschrieben, in denen Ausführungsbeispiele
der Erfindung gezeigt werden. Diese Erfindung soll jedoch nicht
als auf die hierin ausgeführten Ausführungsbeispiele
eingeschränkt ausgelegt werden. Vielmehr sind diese Ausführungsbeispiele
vorgesehen, so dass diese Offenbarung gründlich und vollständig
ist, und dass sie den Umfang der Erfindung an die Fachleute vollständig
vermittelt. In den Zeichnungen ist die Dicke der Schichten und der
Regionen aus Gründen der Klarheit übertrieben.
Gleiche Bezugszeichen betreffen durchgehend gleiche Elemente. So
wie er hierin verwendet wird, umfasst der Begriff „und/oder"
irgendeine und alle Kombinationen von einem oder mehreren zugeordneten,
aufgelisteten Posten.
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Die
hierin verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung
besonderer Ausführungsbeispiele und sie ist nicht vorgesehen,
die Erfindung einzuschränken. Wenn hierin verwendet, sind die
Singularformen „ein", „eine" und „der,
die, das" vorgesehen, auch die Pluralformen einzuschließen, solange
der Zusammenhang nichts Gegenteiliges anzeigt. Es wird ferner verstanden,
dass die Begriffe „weist auf" und „aufweisend",
wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein gemeinter
Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder
Komponenten spezifiziert, aber nicht das Vorhandensein oder die
Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen
Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten oder
Gruppen davon ausschließt.
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Es
wird verstanden, dass, wenn ein Element beispielsweise eine Schicht,
eine Region oder ein Substrat als „an" einem anderen Element
zu sein oder als „auf" ein anderes Element zu erstrecken
bezeichnet wird, es direkt an dem anderen Element sein kann oder
sich direkt darauf erstrecken kann oder dazwischen liegende Elemente
können ebenfalls vorhanden sein. Im Gegensatz dazu, wenn
ein Element als „direkt" an einem anderen Element zu sein
oder „direkt auf" ein anderes Element zu erstrecken bezeichnet
wird, dann sind keine dazwischen liegenden Elemente vorhanden. Es
wird auch verstanden, dass, wenn ein Element als „verbunden"
oder „gekoppelt" mit einem anderen Element bezeichnet wird, es
direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann
oder dass dazwischen liegende Elemente ebenfalls vorhanden sein
können. Im Gegensatz dazu, wenn ein Element als „direkt
verbunden" oder „direkt gekoppelt" mit einem anderen Element
bezeichnet wird, dann sind keine dazwischen liegenden Elemente vorhanden.
Gleiche Bezugszeichen betreffen die Beschreibung durchgehend gleiche
Elemente.
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Es
wird verstanden, dass, obwohl die Begriffe erster, zweiter etc.
hierin verwendet werden können, um verschiedene Elemente,
Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben,
dann sollen diese Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder
Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt sein.
Somit könnte ein erstes Element, Komponente, Region, Schicht
oder Abschnitt, welches unten diskutiert wird, als ein zweites Element,
Komponente, Region, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden ohne
die Lehre der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weiterhin
können relative Begriffe, beispielsweise „unteren"
oder „unten" und „oberen" oder „oben"
hierin verwendet werden, um die Beziehung von einem Element zu anderen
Elementen zu beschreiben, wie es in den Figuren dargestellt ist.
Wenn beispielsweise die Vorrichtung in den Figuren umgedreht wird,
können Elemente, die als an der „unteren" Seite
von anderen Elementen beschreiben wurden, dann zu den „oberen"
Seiten der anderen Elemente ausgerichtet sein. Der beispielhafte
Begriff „unteren" kann deshalb beide Ausrichtungen „unteren"
und „oberen" umfassen, in Abhängigkeit der Ausrichtung der
Figur. Wenn die Vorrichtung in einer der Figuren umgedreht ist,
würden in ähnlicher Weise Elemente, die als „unter"
oder „unterhalb" von anderen Elementen beschrieben werden,
dann „oberhalb" der anderen Elemente ausgerichtet sein.
Deshalb können die beispielhaften Begriffe „unter"
oder „unterhalb" beide Ausrichtungen oben und unten umfassen.
Weiterhin kann der Begriff „äußere" verwendet
werden, um eine Oberfläche und/oder Schicht zu bezeichnen,
die am weitesten von einem Substrat entfernt ist.
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Die
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden
hierin unter Bezug auf die Querschnittsdarstellungen beschrieben,
die schematische Darstellungen idealisierter Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind. Deshalb sind Variationen von den
Formen der Darstellungen als ein Ergebnis von beispielsweise Herstelltechniken und/oder
Toleranzen zu erwarten. Somit sollten die Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung nicht als eingeschränkt auf
die besonderen Formen der Regionen ausgelegt werden, die hierin
dargestellt sind, sondern sie schließen Abweichungen der Formen
ein, die beispielsweise von der Herstellung herrühren.
Beispielsweise kann eine geätzte Region, die als ein Rechteck
dargestellt ist, zulaufende, gerundete oder gekrümmte Merkmale
aufweisen. Somit sind die Regionen, die in den Figuren dargestellt sind,
schematischer Natur und deren Formen sind nicht vorgesehen, die
präzise Form einer Region einer Vorrichtung darzustellen,
und sie sind nicht vorgesehen, den Umfang der vorliegenden Erfindung einzuschränken.
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Soweit
es nicht gegensätzlich definiert ist, haben alle hierin
verwendeten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher
Begriffe) die gleiche Bedeutung, wie sie üblicherweise
von Fachleuten der Technik verstanden wird, zu der die Erfindung
gehört. Es wird ferner verstanden, dass Begriffe, beispielsweise
diese, die in üblicherweise verwendeten Wörterbüchern
definiert sind, derartig interpretiert werden sollen, als haben
sie die Bedeutung, die mit ihrer Bedeutung in Zusammenhang mit der
relevanten Technik übereinstimmt, und dass sie nicht in einem
idealisierten oder übermäßig formalen
Sinn interpretiert werden, soweit es hierin nicht ausdrücklich definiert
ist.
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Es
wird auch von den Fachleuten anerkannt, dass Bezugnahmen auf eine
Struktur oder auf ein Merkmal, das „benachbart" zu einem
anderen Merkmal angeordnet ist, Bereiche aufweisen können,
die das benachbarte Merkmal überlappen oder darunter liegen.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung können insbesondere zur Anwendung
in Nitrid-basierten Vorrichtungen, beispielsweise Gruppe III-Nitrid-basierte
HEMTs, geeignet sein. Wie sie hierin verwendet wird, bezieht sich
der Begriff „Gruppe III-Nitride" auf solche Halbleiterverbindungen,
die zwischen Stickstoff und den Elementen der Gruppe III des Periodensystems
gebildet werden, üblicherweise Aluminium (AL), Gallium
(Ga) und/oder Indium (In). Der Begriff bezieht sich auch auf ternäre
und quaternäre Verbindungen, beispielsweise AlGaN und AlInGaN.
Wie von den Fachleuten wohl verstanden wird, können sich
Gruppe III-Elemente mit Stickstoff verbinden, um binäre
(beispielsweise GaN), ternäre (beispielsweise AlGaN, AlInN)
und quaternäre (beispielsweise AlInGaN) Verbindungen zu
bilden. Diese Verbindungen haben empirische Formeln, in denen ein
Mol Stickstoff mit einer Gesamtheit von einem Mol oder der Gruppe
III-Elemente sich verbindet. Folglich werden Formeln, beispielsweise
ALxGa1-xN, wobei
0 ≤ x ≤ 1 ist, oftmals verwendet, um sie zu beschreiben.
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Geeignete
Strukturen und Techniken zum Herstellen GaN-basierter HEMTs, die
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung verwenden können,
werden beispielsweise in den üblicherweise übertragenen
US-Patent 6,316,793 und
der
US-Patentpublikation
Nr. 2002/0066908 A1 , die am 12. Juli 2001 angemeldet und
am 6. Juni 2002 veröffentlicht wurde, für „ALUMINUM
GALLIUM NITRIDE/GALLIUM NITRIDE HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTORS
HAVING A GATE CONTACT ON A GALIUM NITRIDE BASED CAP SEGMENT AND
METHOS OF FABRICATING SAME", in der
US-Patentpublikation Nr. 2002/0167023
A1 für Smorckova et al., die am 14. November 2002
veröffentlicht wurde und den Titel trägt "GROUP-III
NITRIDE BASED HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTOR/HEMT) WITH BARRIER/SPACER
LAYER", in der
US-Patentpublikation
Nr. 10/617,843 , die am 11. Juli 2003 angemeldet wurde,
für "NITRIDE_BASED TRANSISTORS AND METHODS OF FABRICATION
THERE OF USING NON-ETCHED CONTACT RECESSES", in der
US-Patentpublikation Nr. 10/772,882 ,
die am 5. Februar 2004 angemeldet wurde, für "NITRIDE HETEROJUNCTION
TRANSISTORS HAVING CHARGE-TRANSFER INDUCED ENERGY BARRIERS AND METHODS
OF FABRICATING THE SAME", in der
US-Patentpublikation
Nr. 10/897,726 , die am 23. Juli 2004 angemeldet wurde und
den Titel trägt "METHODS OF FABRICATIN NITRIDE-BASED TRANSISTORS
WITH A CAP LAYER AND A RECESSED GATE", in der US-Patentanmeldung
Nr. 10/849,617, die am 20. Mai 2004 angemeldet wurde und den Titel trägt
"METHODS OF FABRICATIN NITRIDE-BASED TRANSISTORS HAVING REGROWN
OHMIC CONTACT REGIONS AND NITRIDE_BASED TRANSISTORS HAVING REGROWN
OHMIC CONTACT REGIONS", in der US-Patentanmeldung Nr. 10/849,589, die
am 20. Mai 2004 angemeldet wurde und den Titel trägt "SEMICONDUCTOR
DEVICES HAVING A HYBRID CHANNEL LAYER, CURRENT APERTURE TRANSISTORS
AND METHODS OF FABRICATING SAME", und in der
US-Patentpublikation Nr. 2003/0020092 beschrieben,
die am 23. Juli 2002 angemeldet und am 30. Januar 2003 veröffentlicht
wurde, für "INSULATING GATE ALGAN/GAN HEMT", deren Offenbarungen
hiermit hierin durch Bezugnahme in Ihrer Gesamtheit eingeschlossen
sind.
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Einige
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sehen Nitrid-basierte
HEMTs mit einer Deckschicht aus AlGaN vor, die eine höhere
Konzentration von AlGaN beispielsweise an einer Oberfläche,
die entfernt von der Sperrschicht ist, aufweist als andere Regionen
von der AlGaN-Deckschicht. Somit dann die Vorrichtung eine Schicht
mit einer hohen Konzentration von Al als eine äußere
Oberfläche der Vorrichtung aufweisen. Eine derartige Schicht
kann die Robustheit der Vorrichtung während der Verarbeitung
und/oder eines Betriebs der Vorrichtung gegenüber einer
herkömmlichen Vorrichtung verbessern, die eine gleichmäßige
Al-Konzentration oder eine reduzierte Al-Konzentration an ihren äußeren
Oberflächen enthält. Beispielsweise kann die gesteigerte Al-Konzentration
an der Oberfläche unempfindlich für ein Ätzen
oder andere chemische Reaktionen bei höheren Temperaturen
sein aufgrund der stärkeren Al-N-Bindungen verglichen mit
Ga-N-Bindungen.
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Bei
besonderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
werden Nitrid-basierte HEMTs mit einer AlN-Deckschicht an der Sperrschicht
bereitgestellt. Somit kann die Vorrichtung eine Schicht mit einer
hohen Konzentration von Al als eine äußere Oberfläche
der Vorrichtung aufweisen, was, wie vorstehend diskutiert wurde,
die Robustheit der Vorrichtung währen der Verarbeitung
und/oder des Betriebes der Vorrichtung gegenüber einer
herkömmlichen Vorrichtung verbessert.
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In
weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
ist die äußere Oberfläche der Deckschicht
einer Nitrid-basierten HEMT mit p-Typ-, n-Typ- oder Deep-Level-Dotierungen
dotiert, so dass die Deckschicht eine höhere Konzentration
an Dotierungen an einer Oberfläche der Deckschicht, die
von der Sperrschicht entfernt ist, als andere Regionen der Deckschicht
aufweist. Die Deckschicht kann eine GaN-basierte Deckschicht sein.
Die Dotierungen an der äußeren Oberfläche
der Vorrichtung können Versetzungen in der Deckschicht
aufheben und dadurch einen Gateleckstrom entlang der Versetzungen
reduzieren. Die Dotierung kann unterschiedliche Eigenschaften aufweisen,
wenn sie sich an einer Versetzung befindet, als wenn wie sich in
einem Stapelkristall (bulk crystal) befindet. Beispielsweise kann
eine schwache Dotierung im Stapelkristall die Eigenschaften von
Deep-Level-Dotierungen aufweisen, wenn sie sich an einer Versetzung
befindet. Somit beziehen sich Bezugnahmen auf p-Typ-, N-Typ- oder
Deep-Level-Dotierungen auf Eigenschaften der Dotierungen in dem
Stapelkristall als an einer Versetzung. Dies kann insbesondere wahr
sein in dem Fall von p-Typ- oder Deep-Level-Dotierungen.
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Weitere
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung stellen
eine Graphit- und/oder amorphe BN-Passivierungsschicht für
Halbleitervorrichtungen mit einer breiten Bandlücke bereit.
Wie es hierin verwendet wird, beziehen sich Halbleitervorrichtungen
tritt einer breiten Bandlücke auf Vorrichtungen, die ein
Halbleitermaterial mit einer Bandlücke von mehr als 2,5
eV enthalten. Graphit- und/oder amorphes BN kann insbesondere gut
zur Anwendung bei GaN-basierten Vorrichtungen geeignet sein, weil
B zu Al, Ga und In isovalent ist und N in beiden Materialien vorhanden
ist. Somit sind weder B noch N Dotierungen in GaN-basierten Strukturen.
Im Gegensatz dazu ist Si eine Dotierung in GaN. Somit kann die Bildung
einer Graphit- und/oder amorphen BN-Passivierungsschicht die Wahrscheinlichkeit
von unerwünschtem Dotieren einer GaN-Schicht aus Si-Wanderung
reduzieren. Weiterhin kann die Graphit- und/oder amorphe BN-Passivierungsschicht
ein verringertes Fangstellenniveau, unterschiedliche Fangstellenenergien, unterschiedliche Ätzempfindlichkeit
und/oder ein verbessertes Vergütungsverhalten aufweisen
verglichen mit herkömmlichen Passivierungsmaterialien,
beispielsweise mit SiN oder SiOx.
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Weitere
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung stellen
eine SiC-Passivierungsschicht für Gruppe III-Nitrid-Vorrichtungen
bereit. Die SiC-Passivierungsschicht kann ein verringertes Fangstellenniveau,
unterschiedliche Fangstellenenergien, unterschiedliche Ätzempfindlkhkeit
und/oder ein verbessertes Vergütungsverhalten aufweisen verglichen
mit herkömmlichen Passivierungsmaterialien, beispielsweise
mit SiN oder SiOx. Bezugnahmen auf SiN,
SiON, SiOx, MgN oder dergleichen beziehen sich
auf stöchiometrische und/oder nicht-stöchiometrische
Materialien.
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Beispielhafte
Vorrichtungen gemäß einiger Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind schematisch in den 1A bis 12 dargestellt.
Obwohl Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
hierin unter Bezug auf eine vertiefte Gatestruktur oder eine nicht-vertiefte
Gatestruktur beschrieben werden, können somit andere Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung eine Gatevertiefung enthalten oder nicht
enthalten. Folglich sollen Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung nicht als auf die besonderen, beispielhaften Ausführungsbeispiele
eingeschränkt verstanden werden, die hierin beschrieben
werden, sondern sie können jegliche geeignete Struktur
mit einer Deckschicht und/oder einer Passivierungsschicht enthalten,
wie sie hierin beschrieben wird.
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Sich
nun den 1A und 1B zuwendend,
ist ein Substrat 10 vorgesehen, an dem Nitrid-basierte
Vorrichtungen ausgebildet sein können. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung kann das Substrat 10 ein halb-isolierendes
Siliziumkarbid-(SiC)-Substrat sein, das beispielsweise ein 4H-Polytyp
von SiC sein kann. Andere Kandidatenpolytypen von Siliziumkarbid
enthalten die 3C, 6H und 15R Polytypen. Der Begriff „halb-isolierend"
wird eher beschreibend verwendet als in einem absoluten Sinn. Bei
bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung,
weist der Siliziumkarbid-Stapelkristall einen spezifischen Widerstand
gleich oder größer als etwa 1 × 105 Ω cm bei Raumtemperatur auf.
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Optional
können Puffer-, Keimbildungs- und/oder Übergangsschichten
(nicht gezeigt) an dem Substrat
10 vorgesehen werden. Beispielsweise kann
eine AlN-Pufferschicht bereitgestellt werden, um einen geeigneten
Kristallstrukturübergang zwischen dem Siliziumkarbid-Substrat
und dem Übrigen der Vorrichtung bereitzustellen. Zusätzlich
können Übergangsschichten zum Spannungsausgleich
bereitgestellt werden, wie sie beispielsweise in der üblicherweise übertragenen
US-Patentpublikation
Nr. 2003/0102482 A1 , die am 19. Juli 2002 angemeldet und
am 5. Juni 2003 veröffentlicht wurde, und die den Titel
trägt „STRAIN BALANCED NITRIDE HETEROJUNCTION
TRANSISTORS AND METHODS OF FABRICATING STRAIN BALANCED NITRIDE HETEROJUNCTION
TRANSISTORS", oder in der
US-Patentpublikation Nr. 2004/0012015 A1 beschrieben werden,
die am 19. Juli 2002 angemeldet und am 22. Januar 2004 veröffentlicht
wurde, und die den Titel trägt „STRAIN COMPENSATED
SEMICONDUCTOR STRUCTURES AND METHODS OF FABRICATING STRAIN SEMICONDUCTORS
STRUCTURES", deren Offenbarungen hierin durch Bezugnahme eingeschlossen
ist, wie es hierin vollständig bekannt gemacht wurde.
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Geeignete
SiC-Substrate werden beispielsweise von Cree Inc. In Durham, N.
C. hergestellt, die die Bevollmächtigten der vorliegenden
Erfindung sind, und Verfahren zur Herstellung werden beispielsweise
in den
US-Patenten Nr. 34,861 ;
4,496547 ;
5,200,022 ; und
6,218,680 beschrieben, deren Inhalt
hierin durch Bezugnahme in deren Gesamtheit eingeschlossen ist.
Entsprechend wurden Techniken zum epitaxialen Wachstum von Gruppe III-Nitriden
beispielsweise in
US-Patenten
Nr. 5,210,051 ;
5,393,993 ;
5,523,589 und
5,592,501 beschrieben, deren Inhalt
hierin durch Bezugnahme in deren Gesamtheit eingeschlossen ist.
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Obwohl
Siliziumkarbid als ein Substratmaterial verwendet werden kann, können
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung jegliches
geeignete Substratmaterial verwenden, beispielsweise Saphir, Aluminiumnitrid,
Aluminiumgalliumnitrid, Galliumnitrid, Silizium, GaAs, LGO, ZnO,
LAO, InP, und dergleichen. Bei einigen Ausführungsbeispielen
kann auch eine geeignete Pufferschicht ausgebildet sein.
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Zurückgehend
zu den 1A und 1B ist
eine Kanalschicht 20 an dem Substrat 10 vorgesehen.
Die Kanalschicht 20 kann an dem Substrat 10 durch
Verwenden von Sperrschichten, Übergansschichten und/oder
Keimbildungsschichten abgeschieden werden, wie vorstehend beschrieben
wurde. Die Kanalschicht 20 kann unter Druckspannung stehen.
Weiterhin können die Kanalschicht und/oder die Puffer-,
Keimbildungs- und/oder Übergangsschichten durch MOCVD durch
andere Techniken abgeschieden werden, die Fachleuten bekannt sind, beispielsweise
MBE oder HVPE.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
ist die Kanalschicht 20 ein Gruppe III-Nitrid, beispielsweise
AlxGa1-xN, wobei
0 ≤ x ≤ 1 ist, das derart vorgesehen ist, dass
die Energie der Leitungsbandkante der Kanalschicht 20 geringer
ist als die Energie der Leitungsbandkante der Sperrschicht 22 an
der Schnittstelle zwischen den Kanal- und Sperrschichten. Bei bestimmten
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zeigt
x = 0 an, dass die Kanalschicht 20 GaN ist. Die Kanalschicht 20 kann
undotiert („unerwüscht dotiert") sein und sie kann
bis zu einer Dicke von mehr als etwa 20 Å angewachsen sein.
Die Kanalschicht 20 kann auch eine mehrschichtige Struktur
aufweisen, beispielsweise ein Übergitter bzw. Superlattice
oder Kombinationen von GaN, AlGaN oder dergleichen.
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Eine
Sperrschicht
22 ist an der Kanalschicht
20 vorgesehen.
Die Kanalschicht
20 kann eine Bandlücke aufweisen,
die geringer als die Bandlücke der Sperrschicht
22 ist,
und die Kanalschicht
20 kann eine größere
Elektronenaffinität als die Sperrschicht
22 aufweisen.
Die Sperrschicht
22 kann auf der Kanalschicht abgeschieden
sein. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung ist die Sperrschicht
22 AlN, AlInN, AlGaN oder
AlInGaN mit einer Dicke zwischen etwa 0,1 nm und etwa 40 nm. Beispiele
von Schichten gemäß bestimmter Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden in der
US-Patentpublikation Nr. 2002/0167023 für Smorchkova
et al. Beschrieben, die den Titel trägt „GROUP-III
NITRID BASED HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTOR (HEMT) WITH BARRIER/SPACER
LAYER", deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme eingeschlossen
ist, wie es hierin vollständig bekannt gemacht wurde. Bei
bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist
die Sperrschicht
22 dick genug und weist eine ausreichend
hohe Al Zusammensetzung und Dotierung auf, um eine signifikante
Trägerkonzentration an der Schnittstelle zwischen der Kanalschicht
20 und
der Sperrschicht
22 durch Polarisierungseffekte zu induzieren.
Auch sollte die Sperrschicht
22 dick genug sein, um eine
Streuung von Elektronen in dem Kanal aufgrund ionisierter Verunreinigungen
oder Fehlstellen zu reduzieren oder zu minimieren, die an der Schnittstelle
zwischen der Sperrschicht
22 und der Deckschicht
24 abgeschieden
wurden.
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Die
Sperrschicht 22 kann ein Gruppe III-Nitrid sein und eine
Bandlücke aufweisen, die größer als die
der Kanalschicht 20 ist, und sie kann eine geringere Elektronenaffinität
als die Kanalschicht 20 aufweisen. Folglich ist bei bestimmten
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die Sperrschicht 22 AlGaN,
AInGaN und/oder AlN oder Kombinationen von Schichten davon. Die
Sperrschicht 22 kann beispielsweise von etwa 0,1 nm bis
etwa 40 nm dick sein, aber sie ist nicht so dick, dass sie ein Reißen oder
eine wesentliche Fehlstellenbildung darin bewirkt. Bei bestimmten
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist die
Sperrschicht undotiert oder dotiert mit einer n-Typ-Dotierung bis
zu einer Konzentration von weniger als etwa 1019 cm–3. Bei einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung ist die Sperrschicht AlxGa1-xN, wobei 0 ≤ x ≤ 1 ist.
Bei bestimmten Ausführungsbeispielen beträgt die
Aluminiumkonzentration etwa 25%. Bei anderen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung weist jedoch die Sperrschicht 22 AlGaN
mit einer Aluminiumkonzentration zwischen etwa 5% und etwa 100%
auf. Bei spezifischen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung beträgt die Aluminiumkonzentration mehr als 10%.
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1A zeigt
auch eine Deckschicht 24 an der Sperrschicht 22 mit
einem Gate 32 in einer Vertiefung 36 durch die
Deckschicht 24. 1B zeigt auch
eine Deckschicht 24' an der Sperrschicht 22 mit einem
Gate 32 an der Deckschicht 24'. Bei einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung ist die Deckschicht 24, 24' eine
ungleichmäßig zusammengesetzte AlGaN-Schicht.
Die Deckschicht 24, 24' bringt die obere (äußere)
Fläche der Vorrichtung physikalisch fort von dem Kanal,
was den Effekt der Oberfläche reduzieren kann. Die Deckschicht 24, 24' kann
eine Decke sein, die an der Sperrschicht 22 gebildet ist,
und sie kann epitaxial gewachsen und/oder durch Abscheidung gebildet
sein. Üblicherweise kann die Deckschicht 24, 24' eine
Dicke von etwa 2 nm bis etwa 500 nm aufweisen.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
kann die Deckschicht 24, 24' eine gestufte AlGaN-Schicht
sein. Die Deckschicht 24, 24' weist eine äußere
Oberfläche 25 auf, die von der Sperrschicht 22 entfernt
ist, wobei die Menge von Al in der zu der Oberfläche benachbarten
Deckschicht 24, 24' größer als
die Menge an Al in der Deckschicht 24, 24' in
einer inneren Region der Deckschicht 24, 24' ist.
Beispielsweise kann die Deckschicht 24, 24' eine
erste Menge an Al an der Oberfläche 25 und eine
zweite Menge an Aluminium in einer inneren Region der Deckschicht 24, 24' aufweisen,
wobei die erste Menge größer als die zweite Menge
ist. Die Deckschicht 24, 24' kann auch eine dritte
Menge an Aluminium an der Schnittstelle zwischen der Deckschicht 24, 24' und
der Sperrschicht 22 aufweisen. Die dritte Menge kann größer,
geringer oder gleich wie die erste Menge sein. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung enthält die AlGaN-Deckschicht 24, 24' eine
erste Region von AlxGa1-xN
an der Oberfläche 25, wobei x ≤ 1 ist, und
eine zweite Region von AlyGa1-yN
in einer inneren Region der Deckschicht 24, 24',
wobei y < x ist. Bei
einigen Ausführungsbeispielen ist x von etwa 0,3 bis etwa
1. Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist y von etwa 0
bis etwa 0,9. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen enthält
die AlGaN-Schicht eine dritte Region von AlzGa1-zN an der Schnittstelle zwischen der Sperrschicht 22 und
der Deckschicht 24, 24', wobei z ≤ 1
und z ≠ y. Weiterhin kann z größer als
y sein. Beispielsweise kann bei einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung eine AlN-Schicht als die Sperrschicht
oder als ein Teil der Deckschicht benachbart zu der Sperrschicht
vorgesehen sein. In einem derartigen Fall kann die Deckschicht 24, 24' eine gestufte
Al-Konzentration von z nach y und von y nach x enthalten. Bei bestimmten
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, die ein
Gate vertieft durch die Deckschicht 24 aufweist, erstreckt
sich die höhere Konzentration von Al in die Deckschicht von
etwa 30 Å bis etwa 1000 Å. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung, die ein Gate an der Deckschicht 24' aufweist,
erstreckt sich die höhere Konzentration in die Deckschicht
von etwa 2,5 Å bis etwa 100 Å.
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Die
Deckschicht 24, 24' kann durch herkömmliche
epitaxiale Wachstumstechniken bereitgestellt werden, wobei eine
höhere Al-Konzentration während des Abschließens
des Wachstums der Deckschicht 24, 24' vorgesehen
ist. Somit kann beispielsweise die Deckschicht 24, 24' durch
ein MOCVD-Wachstum mit einer Steigerung der Al-Quelle kurz vor und
während des Wachstumsabschluss bereitgestellt werden.
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Wie
in den 1A und 1B weiter
dargestellt ist, sind Ohmsche Kontakte 30 an der Sperrschicht 22 vorgesehen.
Eine gemusterte Maske und ein Ätzprozess können
verwendet werden, um die darunterliegende Sperrschicht 22 freizulegen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
kann das Ätzen ein schwaches Schädigungsätzen
sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung ist das Ätzen ein Nassätzen mit einer
starken Base, beispielsweise KOH mit UV-Beleuchtung. Bei anderen
Ausführungsbeispielen ist das Ätzen ein Trockenätzen.
Beispiele für schwache Schädigungsätztechniken
für Gruppe III-Nitride schließen andere Ätztechniken
ein als reaktives Ionenätzen, beispielsweise induktiv gekoppeltes
Plasma unter Verwendung von Cl2, BCl3, CCl2F2 und/oder andere
chlorierte Arten oder Elektroncyclotronresonanz (ECR) und/oder abströmendes
Plasmaätzen ohne DC-Komponente zu dem Plasma. Wie es weiter in
den 1A und 1B gezeigt
ist, ist ein Ohmsches Metall gemustert vorgesehen, um Ohmsche Kontaktmaterialmuster
bereit zu stellen, die die Ohmschen Kontakte 30 bereitstellen,
wenn sie angelassen sind. Obwohl in den 1A und 1B vertieft dargestellt,
müssen bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung die Ohmschen Kontakte 30 nicht vertieft sein.
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Wie
in 1A gezeigt ist, kann eine Gatevertiefung durch
die Deckschicht 24 vorgesehen werden, um einen Teil der
Sperrschicht 22 frei zu stellen. Bei einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung ist die Vertiefung 36 derart
ausgebildet, dass sie sich in die Sperrschicht 22 erstreckt.
Die Vertiefung 36 kann in die Sperrschicht 36 sich
erstrecken, beispielsweise um Performanceeigenschaften der Vorrichtung
einzustellen, beispielsweise eine Schwellenspannung, Frequenzperformance
etc. Die Vertiefung kann unter Verwendung einer Maske und eines Ätzprozesses
gebildet werden, die vorstehend beschrieben wurden. Bei bestimmten
Ausführungsbeispielen, bei denen die Ohmschen Kontakte 30 Source-
und Drainkontakte bereit stellen, kann die Vertiefung zwischen den
Source- und Drainkontakten versetzt sein, so dass die Vertiefung,
und folglich der Gatekontakt 32, näher an dem
Sourcekontakt als an dem Drainkontakt ist.
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Ein
Gatekontakt 32 ist in der Vertiefung gebildet und kontaktiert
den freigesetzten Bereich der Sperrschicht 22. Der Gatekontakt
kann ein „T"-Gate sein, wie in 1A gezeigt
ist, und er kann unter Verwendung herkömmlicher Herstelltechniken
hergestellt sein. Der Gatekontakt 32 kann auch an der Deckschicht 24' gebildet
sein, wie es in 1B gezeigt ist, und er kann
unter Verwendung herkömmlicher Herstelltechniken hergestellt
sein. Geeignete Gatematerialien können von der Zusammensetzung der
Sperrschicht abhängig sein, bei bestimmten Ausführungsbeispielen
können jedoch herkömmliche Materialien verwendet
werden, die geeignet sind, einen Schottkykontakt zu einem Nitrid-basierten
Halbleitermaterial herzustellen, beispielsweise Ni, Pt, NiSix, Cu, Pd, Cr, W und/oder WSiN.
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Eine
herkömmliche Passivierungsschicht oder eine BN-Passivierungsschicht,
wie sie nachfolgend beschrieben wird, kann an den Strukturen
1A und
1B vorgesehen
sein. Beispielsweise eine SiN-Schicht und, bei einigen Ausführungsbeispielen, eine
extrem dünne SiN-Schicht kann in situ ausgebildet sein.
Eine MgN-Passivierungsschicht kann auch verwendet werden, beispielsweise
die in dem
US-Patent Nr. 6,498,111 beschriebene,
die den Titel trägt „FABRICATION OF SEMICONDUCTOR
MATERIALS AND DEVICES WITH CONTROLLED ELECTRICAL CONDUCTIVITY",
deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist, wie
es in ihrer Gesamtheit bekannt ist. Optional kann ein Vergüten
der Struktur einschließlich der Passivierungsschicht in
einer Sauerstoffumgebung ausgeführt werden, um Wasserstoff
aus der Schicht zu entfernen und die Oberflächenzustände
zu ändern und/oder Sauerstoff zu der Oberfläche
hinzu zu fügen. Wenn ein Sauerstoffvergüten ausgeführt
wird, kann das Vergüten in der Weise ausgeführt
werden, um die Schicht zwischen der Passivierungsschicht und der darunter
liegenden Gruppe III-Nitrid-Schicht nicht signifikant zu oxidieren.
Beispielsweise kann bei einigen Ausführungsbeispielen der
vorliegenden Erfindung das Vergüten bei einer Temperatur
von etwa 100°C bis etwa 1000°C und für
eine Zeitdauer von etwa 10 Sekunden bis etwa 1 Stunde ausgeführt
werden. Die Sauerstoff enthaltende Umgebung kann nur Sauerstoff,
Sauerstoff in N
2, Sauerstoff in einem anderen
Inertgas, beispielsweise Argon, Sauerstoff in trockener Luft, CO,
CO
2, NO, NO
2 oder
Ozon sein. Die Gase, die verwendet werden, um die Sauerstoff enthaltene
Umgebung bereit zu stellen, kann frei von Wasserstoff sein, um keinen
Wasserstoff in die Passivierungsschicht einzubringen. Alternativ
oder zusätzlich kann ein Vergüten in D
2 oder D
2O durchgeführt
werden.
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Transistoren
gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung können unter Verwendung von beispielsweise solchen
Techniken hergestellt werden, die in den Patentanmeldungen und Patenten
durch Bezugnahme diskutiert wurden, einschließlich beispielsweise
wie in der US-Patentanmeldung Nr. 10/849,617, die am 20 Mai 2004
angemeldet wurde und den Titel trägt „METHODS
OF FABRICATIONG NITRIDE-BASED TRANSISTORS HAVING REGROWN OHMIC CONTACT
REGIONS AND NITRIDE-BASED TRANSISTORS HAVING REGROWN OHMIC CONTACT
REGIONS" und in der US-Patentanmeldung Nr. 10/897,726 beschrieben wurden,
die am 23. Juli 2004 angemeldet wurde und den Titel trägt „VMETHODS
OF FABRICATING NITRID-BASED TRANSISTORS WITH A CAP LAYER AND A RECESSED
GATE", deren Offenbarungen hierin eingeschlossen sind, wie sie in
ihrer Gesamtheit beschrieben werden.
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2A und 2B zeigen
superschnelle Transistoren (high electron mobility transistors)
mit einer Deckschicht 34, 34' gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Das Substrat 10,
die Kanalschicht 20, die Sperrschicht 22, die
Ohmschen Kontakte 30 und der Gatekontakt 32 können
vorgesehen sein, wie es vorstehend unter Bezug auf die 1A und 1B beschrieben
wurde. Wie in den 2A und 2B zu
sehen ist, enthält die Deckschicht 34, 34' eine
dotierte Region 40 an oder nahe der äußeren
Oberfläche. Die Deckschicht 34, 34' kann
eine GaN-basierte Deckschicht sein, beispielsweise eine GaN-Schicht
und/oder eine AlGaN-Schicht, die beispielsweise in den hierin durch
Bezugnahme eingeschlossenen Patenten und Patentanmeldungen beschrieben
werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung ist die dotierte Region 40 mit einer p-Typ-Dotierung,
beispielsweise Mg, Be, Zn, Ca und/oder C, dotiert. Bei anderen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung ist die dotierte Region 40 mit
einer n-Typ-Dotierung, beispielsweise Si, Ge und/oder O, dotiert.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
ist die dotierte Region 40 mit einer Deep-Level-Dotierung,
beispielsweise Fe, C, V, Cr, Mn, Ni und/oder Co, dotiert. Die Dotierung
kann in die Deckschicht 34 während der Abscheidung
oder des Wachstums der Deckschicht 34, 34' eingebracht sein
oder sie kann anschließend implantiert sein, beispielsweise
unter Verwendung von Ionenimplantation. Bei einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung weist die Deckschicht 34 eine
Dotierung auf, die überall in der Deckschicht 34, 34' eingebracht
ist. In einem solchen Fall, kann die dotierte Region 40 durch
eine Region mit erhöhter Konzentration der Dotierung über
die Konzentration der Dotierung der übrigen Deckschicht 34, 34' vorgesehen sein.
Techniken zum Mitdotieren von Gruppe III-Nitridmaterialien werden
beispielsweise in der US-Patentanmeldung Nr. 10/752,970 beschrieben
die am 7. Januar 2004 angemeldet wurde und den Titel trägt „CO-DOPING
FOR FERMI LEVEL CONTROL IN SEMI-INSULATING GROUP III NITRIDES",
deren Offenbarung hierin eingeschlossen ist, wie sie in Ihrer Gesamtheit
bekannt gemacht wurde.
-
Bei
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, bei denen
die Dotierungen n-Typ-Dotierungen sind, können die n-Typ-Dotierungen
Si, Ge oder O sein. Bei besonderen Ausführungsbeispielen der
vorliegenden Erfindung ohne eine Gatevertiefung erstreckt sich die
dotierte Region 40 in die Deckschicht 34 von etwa
2,5 Å bis etwa 50 Å. Bei besonderen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung mit einer Gatevertiefung erstreckt sich
die dotierte Region 40 in die Deckschicht 34' von
etwa 20 Å bis etwa 5000 Å. Mit n-Typ-Dotierungen
kann die dotierte Region 40 bei Ausführungsbeispielen
ohne eine Gatevertiefung eine Konzentration der Dotierung von etwa
1018 bis etwa 1021 cm–3 vorsehen und sie kann schwer
dotiert sein mit 1021 cm–3,
wenn eine Gatevertiefung vorgesehen ist. Bei besonderen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung kann die dotierte Region 40 eine
oder mehrerer Delta-dotierte Regionen an oder nahe der Oberfläche
der Deckschicht 34, 34' sein und sie kann beispielsweise eine
Konzentration der Dotierung von etwa 1011 bis etwa
1015 cm–2 aufweisen.
Wie es hierin verwendet wird, ist eine Delta-dotierte Region an
der Oberfläche, wenn sie innerhalb von etwa 5 Å von
der Oberfläche ist, und sie ist nahe der Oberfläche,
wenn sie innerhalb von etwa 50 Å von der Oberfläche
ist. Bei besonderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
ist die Dotierung O, das sich in die Deckschicht 34, 34' um
etwa 20 Å erstreckt. N-Type-Dotierungen können
verwendet werden, um die Kanalschicht von den Oberflächenzuständen
abzuschirmen und das Oberflächenenergieniveau auf ein vorhersagbaren
und gewünschten Niveau festzuheften, um Einfangeffekte
zu reduzieren und/oder zu minimieren. Das Niveau der Dotierung sollte
genügend hoch sein, wie der zu dominierende „Oberflächenzustand"
bei den Ausführungsbeispielen ohne einem vertieften Gate,
aber nicht so hoch, um übermäßige Leckstromwege
bereit zu stellen.
-
Bei
anderen Ausführungsbeispielen ist die dotierte Region 40 eine
Region, die mit p-Typ-Dotierungen dotiert ist. Bei besonderen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung ohne eine Gatevertiefung erstreckt sich
die dotierte Region 40 in die Deckschicht 34 von
etwa 2,5 Å bis etwa 100 Å. Bei besonderen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung mit einer Gatevertiefung erstreckt sich
die dotierte Region 40 in die Deckschicht 34' von
etwa 30 Å bis etwa 5000 Å. Mit p-Typ-Dotierungen
kann die dotierte Region 40 eine Konzentration der Dotierung von
etwa 1016 bis etwa 1022 cm–3 vorsehen. Die p-Typ-Dotierung
kann Mg, Be, Zn, Ca und/oder C sein. Bei besonderen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung kann die dotierte Region 40 eine oder
mehrere Delta-dotierte Regionen an oder nahe der Oberfläche
der Deckschicht 34, 34' sein und sie kann beispielsweise
eine Konzentration der Dotierung von etwa 1011 bis
etwa 1015 cm–2 aufweisen. P-Type-Dotierungen
können verwendet werden, um die Kanalschicht von den Oberflächenzuständen
abzuschirmen und das Oberflächenenergieniveau auf ein vorhersagbaren
und gewünschten Niveau festzuheften, um Einfangeffekte
zu reduzieren und/oder zu minimieren. Das Niveau der Dotierung sollte
genügend hoch sein, um einen Leckstrom in den Ausführungsbeispielen
ohne ein vertieftes Gate und den dominanten „Oberflächenzustand"
zu reduzieren, aber nicht so hoch, um Einfangstellen oder Leckwege
bereit zu stellen, in dem es eine leitfähige Schicht wird. Bei
besonderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
mit einem vertieften Gate, wie es beispielsweise in 2B gezeigt
ist, kann, wenn eine isolierende Schicht, beispielsweise eine SiN-Schicht oder
eine Lücke, zwischen der Deckschicht 34' und dem
Gatekontakt 32 vorgesehen ist, ein hohes Niveau von p-Typ-Dotierungen
derart vorgesehen sein, dass die Deckschicht 34' als eine
leitfähige Schicht vorgesehen sein kann.
-
Weiterhin
kann bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung die dotierte Region 40 mit p-Typ-Dotierungen
dotiert sein, um einen p-n-Übergang zwischen der dotierten Region
und der Deckschicht 34 vorzusehen, und der Gatekontakt 32 ist
direkt an der dotierten Region 40 vorgesehen, um ein Übergangs-HEMT
(JHEMT) bereit zu stellen. In einem solchen Fall würde
die dotierte Region 40 sich nicht zu den Ohmeschen Kontakten 30 erstrecken,
die von der dotierten Region 40 mittels einer isolierenden
Region isoliert sein können, beispielsweise einer SiN-Schicht
oder einer Lücke.
-
Bei
noch weiteren Ausführungsbeispielen ist die dotierte Region 40 eine
Region, die mit Deep-Level-Dotierungen dotiert ist. Bei besonderen
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ohne eine
Gatevertiefung erstreckt sich die dotierte Region 40 in
die Deckschicht 34 von etwa 2,5 Å bis etwa 100 Å.
Bei besonderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
mit einer Gatevertiefung erstreckt sich die dotierte Region 40 in
die Deckschicht 34' von etwa 30 Å bis etwa 5000 Å.
Mit Deep-Level-Dotierungen kann die dotierte Region 40 eine
Konzentration der Dotierung von etwa 1016 bis
etwa 1022 cm–3 vorsehen.
Die Deep-Level-Dotierungen können Fe, C, V, Cr, Mn, Ni,
Co oder andere seltene Erdenelemente sein. Deep-Level-Dotierungen
können verwendet werden, um die Kanalschicht von den Oberflächenzuständen
abzuschirmen und das Oberflächenenergieniveau auf ein vorhersagbaren
und gewünschten Niveau festzuheften, um Einfangeffekte
zu reduzieren und/oder zu minimieren und Leckströme zu
reduzieren. Das Niveau der Dotierung sollte genügend hoch
sein, um einen Leckstrom in den Ausführungsbeispielen ohne
ein vertieftes Gate und den dominanten „Oberflächenzustand"
zu reduzieren, aber nicht so hoch, um ein signifikantes Einfangen
zu bewirken.
-
3A und 3B zeigen
elektronische Vorrichtungen, die eine Graphit- und/oder amorphe BN-Passivierungsschicht
gemäß einiger Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung einschließen. Das Substrat 10,
die Kanalschicht 20, die Sperrschicht 22, die
Deckschicht 24, die Ohmeschen Kontakte 30 und
der Gatekontakt 32 können bereit gestellt sein,
wie es vorstehend unter Bezug auf die 1A und 1B und/oder 2A, 2B diskutiert
wurde. Wie ferner in den 3A und 3B gezeigt
wird, ist eine Graphit- und/oder amorphe BN-Passivierungsschicht 100, 100' an
freigelegten Oberflächen der Vorrichtung vorgesehen. Bei
besonderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
ist die Graphit-BN-Passivierungsschicht 100, 100' keine
Einkristallschicht.
-
Die
Graphit- und/oder amorphe BN-Passivierungsschicht 100, 100' kann
als eine Einkristallschicht vorgesehen sein oder sie kann mehrschichtig sein
oder es können Schichten aus anderen Materialien, beispielsweise
SiN oder SiOx, eingearbeitet sein. Bei besonderen
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die
Graphit- oder amorphe BN- Passivierungsschicht 100, wenn
das Gate durch die BN-Passivierungsschicht 100 vertieft
ist, eine Dicke von etwa 3 Å bis etwa 1 μm aufweisen.
Bei besonderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
kann die Graphit- oder amorphe BN-Passivierungsschicht 100',
wenn das Gate nicht durch die BN-Passivierungsschicht 100' vertieft
ist, eine Dicke von etwa 2 Å bis etwa 100 Å aufweisen.
Somit ist bei den in 3B gezeigten Ausführungsbeispielen
ein MISHEMT vorgesehen. Weiterhin kann, wie vorstehend diskutiert
wurde, das Gate in die oder durch die Deckschicht 24 vertieft
sein, wie es beispielsweise in den 1A und 2B gezeigt
ist, und die BN-Passivierungsschicht 100, 100' kann
sich in die Deckschicht 24, in die Vertiefung und auf die
Sperrschicht 22 erstrecken oder sie kann an dem Gatekontakt 32 enden.
Somit kann bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung ein MISHEMT mit einem vertieften Gate vorgesehen sein.
-
Techniken
zum Bilden von Graphit- und/oder amorphen BN, beispielsweise MOCVD,
sind Fachleuten bekannt und müssen deshalb hier nicht weiter beschrieben
werden. Beispielsweise kann eine BN-Schicht durch Fließen
von TEB und NH3 in einen Trägergas
gebildet werden. Die Bildung der Graphit- und/oder amorphen BN-Passivierungsschicht 100 sollte
jedoch bei Temperaturen unterhalb der Zersetzungstemperatur der
darunter liegenden Struktur ausgeführt werden, auf der
die Passivierungsschicht 100 gebildet wird. Beispielsweise
für eine GaN-basierte Struktur, sollte somit die Graphit-
und/oder amorphe BN-Passivierungsschicht 100 bei Temperaturen
von weniger als etwa 1100°C und bei einigen Ausführungsbeispielen
bei weniger als etwa 950°C ausgeführt werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Passivierungsschicht 100 anschließend angelassen
bzw. vergütet werden, wir vorstehend beschrieben wurde.
-
4A und 4B zeigen
elektronische Vorrichtungen, die eine SiC-Passivierungsschicht gemäß einiger
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung einschließen.
Das Substrat 10, die Kanalschicht 20, die Sperrschicht 22,
die Deckschicht 24, die Ohmeschen Kontakte 30 und
der Gatekontakt 32 können bereit gestellt sein,
wie es vorstehend unter Bezug auf die 1A, 1B und/oder 2A, 2B diskutiert
wurde. Wie ferner in den 4A und 4B gezeigt
wird, ist eine SiC-Passivierungsschicht 110, 110' an
freigelegten Oberflächen der Vorrichtung vorgesehen. Bei
besonderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
ist die SiC-Passivierungsschicht 100, 100' keine
Einkristallschicht. Bei einigen Ausführungsbeispielen der
vorliegenden Erfindung ist die SiC-Passivierungsschicht 110, 110' eine
isolierendes oder p-Typ SiC. Wenn die SiC-Passivierungsschicht 110, 110' p-Typ
SiC ist, kann eine isolierende Region, beispielsweise eine SiN- Schicht
oder eine Lücke, zwischen der SiC-Passivierungsschicht 110, 110' und
den Ohmschen Kontakten 30 vorgesehen sein. Bei einigen
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist die SiC-Passivierungsschicht
3C-SiC, da 3C-SiC auf (0001) Hexagonalmaterialien auf der Achse
in einem Niedertemperaturprozess gebildet werden kann. Die SiC-Passivierungsschicht 110, 110' kann
als eine Einkristallschicht vorgesehen sein oder sie kann mehrschichtig
sein oder es können Schichten aus anderen Materialien,
beispielsweise SiN oder SiOx, eingearbeitet
sein. Bei besonderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung kann die SiC-Passivierungsschicht 110, wenn das
Gate durch die SiC-Passivierungsschicht 110 vertieft ist,
eine Dicke von etwa 3 Å bis etwa 1 μm aufweisen.
Bei besonderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
kann die SiC-Passivierungsschicht 110', wenn das Gate nicht
durch die SiC-Passivierungsschicht 110' vertieft ist, eine
Dicke von etwa 2 Å bis etwa 100 Å aufweisen. Somit
ist bei den in 4B gezeigten Ausführungsbeispielen
ein MISHEMT vorgesehen. Weiterhin kann, wie vorstehend diskutiert
wurde, das Gate in die oder durch die Deckschicht 24 vertieft sein,
wie es beispielsweise in den 1A und 2B gezeigt
ist, und die SiC-Passivierungsschicht 110, 110' kann
sich in die Deckschicht 24, in die Vertiefung und auf die
Sperrschicht 22 erstrecken oder sie kann an dem Gatekontakt 32 enden.
Somit kann bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
ein MISHEMT mit einem vertieften Gate vorgesehen sein.
-
Techniken
zum Bilden von SiC-Schichten sind Fachleuten bekannt und müssen
deshalb hier nicht weiter beschrieben werden. Die Bildung der SiC-Passivierungsschicht 110 sollte
jedoch bei Temperaturen unterhalb der Zersetzungstemperatur der darunter
liegenden Struktur ausgeführt werden, auf der die Passivierungsschicht 110 gebildet
wird. Beispielsweise sollte für eine GaN-basierte Struktur
somit die SiC-Passivierungsschicht 110 bei Temperaturen
von weniger als etwa 1100°C und bei einigen Ausführungsbeispielen
bei weniger als etwa 950°C ausgeführt werden.
Techniken zum Bilden von SiC bei derartig niedrigen Temperaturen
können beispielsweise CVD und PECVD, die beispielsweise SiH4 und C3H8 als Si- und C-Quellen verwenden, oder Sputtern
bei sehr niedriger Temperatur einschließen. Weiterhin kann
die SiC-Schicht mit Verunreinigungen dotiert sein, um die Eigenschaften
der SiC-Passivierungsschicht 110 zu steuern. Beispielsweise
kann n-Typ-SiC mit N dotiert sein, p-Typ-SiC kann mit Al und/oder
B dotiert sein und isolierendes SiC kann mit V oder Fe dotiert sein.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Passivierungsschicht 110 anschließend
angelassen bzw. vergütet werden, wir vorstehend beschrieben
wurde.
-
Obwohl
die 3A, 3B und 4A und 4B Passivierungsschichten 100, 100' und 110, 110' auf
einer Deckschicht 24 zeigen, können andere Deckschichten
vorgesehen sein, beispielsweise die Deckschicht 34, herkömmliche
Einzel- oder Mehrfachdeckschichten oder keine Deckschicht. Beispielsweise
können die Passivierungsschichten 100, 100' und 110, 110' mit
einer Deckschicht verwendet werden, die eine AlN-Schicht an ihrer äußeren
Oberfläche derart enthalten, dass die Passivierungsschichten
an der AlN-Schicht vorgesehen sind. Somit sollte die Verwendung
einer Graphit- oder amorphen BN-Passivierungsschicht 100, 100' oder
einer SiC-Passivierungsschicht 110, 110' nicht
als einschränkend auf besondere Struktur verstanden werden,
die in den 3A, 3B und 4A und 4B gezeigt
sind, sondern sie können auf jeder Gruppe III-Nitrid-Halbleitervorrichtung
oder anderen Halbleitervorrichtung mit großer Bandlücke
verwendet werden.
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Obwohl
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezug
auf HEMT-Strukturen beschrieben wurden, bei denen das Gate direkt
an der Sperr- oder der Deckschicht angeordnet ist, kann bei einigen
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine isolierende
Schicht zwischen dem Gate und der Sperr- oder Deckschicht vorgesehen
sein. Somit kann bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung ein isolierender Gate-HEMT bereit gestellt werden, wie
er beispielsweise in der
US-Patentpublikation
Nr. 2003/0020092 für Parikh et al. Beschrieben
wird, die den Titel trägt „INSULATING GATE ALGAN/GAN
HEMT", deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme eingeschlossen
ist, wie vollständig hierin bekannt gemacht wurde. Bei
einigen Ausführungsbeispielen kann die isolierende Schicht
Graphit- und/oder amorphes BN sein.
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Die 5A und 5B zeigen
weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung,
die eine AlN-Deckschicht 54, 54' enthalten. 5A zeigt auch
eine AlN-Deckschicht 54 an der Sperrschicht 22 mit
einem vertieften Gate 32 durch die AlN-Schicht 54. 5B zeigt
auch eine AlN-Deckschicht 54' an der Sperrschicht 22 mit
einem Gate 32 auf der AlN-Schicht 54'. Die Deckschicht 54, 54' bringen
die obere (äußere) Oberfläche der Vorrichtung
physikalisch fort von dem Kanal, was den Effekt der Oberfläche
reduziert. Weiterhin kann die AlN-Deckschicht 54, 54' eine
gesteigerte chemische Stabilität bieten und die darunter
liegenden Schichten schützen, in dem die AlN-Deckschicht 54, 54' nicht
empfindlich für Ätzen oder andere chemische Reaktionen
bei höheren Temperaturen ist aufgrund der stärkeren Al-N-Bindungen
verglichen mit Ga-N-Bindungen.
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Die
AlN-Deckschicht 54, 54' kann deckend an der Sperrschicht 22 gebildet
werden und sein kann epitaxial wachsen und/oder durch Abscheidung gebildet
werden. Üblicherweise weist die Deckschicht 54, 54' eine
Dicke von etwa 0,2 nm bis etwa 500 nm auf. Bei besonderen Ausführungsbeispielen der
vorliegenden Erfindung mit einem vertieften Gate durch die AlN-Deckschicht 54 weist
die AlN-Deckschicht 54 eine Dicke von etwa 10 Å bis
etwa 5000 Å auf. Bei besonderen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung mit einem Gate auf der AlN-Deckschicht 54' weist
die AlN-Deckschicht 54' eine Dicke von etwa 2 Å bis
etwa 50 Å auf.
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Die
AlN-Deckschicht 54, 54' kann durch herkömmliche
epitaxiale Wachstumstechniken durch Beenden der Ga-Quelle während
des Beendens des Wachsens der Sperrschicht 22 bereitgestellt
werden. Somit kann beispielsweise die AlN-Deckschicht 54, 54' durch
ein MOCVD-Wachstum durch Beenden der Ga-Quelle kurz vor und während
des Beendens des Wachstums bereitgestellt werden.
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6 zeigt
weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung,
bei denen eine Schutzschicht 64 an der Sperrschicht 22 vorgesehen
ist. Wie in der 6 gezeigt ist, sind die Ohmeschen Kontakte
an der Schutzschicht 64 vorgesehen. Der Gatekontakt 32 kann
auch an der Schutzschicht 64 vorgesehen sein. Bei bestimmten
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind die
Ohmeschen Kontakte direkt an der Schutzschicht 64 vorgesehen
und der Gatekontakt 32 kann auch direkt an der Schutzschicht 64 vorgesehen
sein.
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Die
Schutzschicht 64 kann eine SiN-Schicht sein, die vor der
Bildung der Ohmschen Kontakte 30 und des Gatekontaktes 32 abgeschieden
wird. Alternative kann die Schutzschicht 64 eine BN- oder
eine MgN-Schicht sein. MgN kann insbesondere zur Anwendung mit p-Typ-Vorrichtungen
geeignet sein, da ein zusätzliches Dotieren nach einem
Anlassen des Ohmeschen Kontaktmaterials vorgesehen sein kann. Die
Schutzschicht 64 kein eine Einzelschicht, beispielsweise
eine einzelne SiN-, MgN- oder BN-Schicht, sein oder in einigen Ausführungsbeispielen
kann die Schutzschicht 64 eine Mehrfachschicht sein, beispielsweise
eine Schicht von SiN und eine Schicht von AlN.
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Die
Schutzschicht 64 kann eine Dicke von etwa 1 Å bis
etwa 10 Å aufweisen und bei einigen Ausführungsbeispielen
kann sie eine Dicke von einer Monolage aufweisen. Da die Schutzschicht 64 sehr dünn
ist, besteht kein Erfordernis, die Ohmeschen Kontakte durch die
Schutzschicht 64 zu vertiefen. Die Zuverlässigkeit
kann durch eine bessere Oberflächenzustandssteuerung und
einen geringeren Gateleckstrom verbessert sein im Vergleich mit
Vorrichtungen ohne eine solche Schutzschicht.
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Die
Schutzschicht 64 kann in-situ mit der Bildung der Sperrschicht
gebildet werden. Da die Schutzschicht 64 sehr dünn
ist, können sehr geringe zusätzliche Herstellkosten
als das Bereitstellen einer Si-Quelle, einer B-Quelle oder einer
Mg-Quelle und nur ein eine kurze zusätzliche Wachstumszeit
entstehen, um die dünne Schutzschicht 64 abzuscheiden. Weil
die Schutzschicht 64 dünn ist, können
weiterhin keine zusätzlichen Schritte zum Bilden von Vertiefungen
für die Gate- und/oder Ohmschen Kontakte erforderlich sein.
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Bei
dem vorstehend diskutierten Herstellprozess können Gates
durch Ätzen an 0,3 bis 0,7 μm Linie in einer Schicht
aus SiN gebildet werden, die eine Dicke von etwa 50 nm bis etwa
150 nm aufweist, Bilden einer längeren Linie, beispielsweise
1,0 μm oder mehr, die die vorstehende Linie um etwa 0,1
bis 0,6 μm an jeder Seite überlappt, in einem
Photolack und einem Abscheidungsmetall in der Linie. Das überschüssige
Metall kann durch Auslösen des Photolacks entfernt werden.
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Obwohl
das Gate geätzt wird, kann es möglich sein, unabsichtlich
das AlGaN und/oder heiße Elektronen, die auf die AlGaN/SiN-Schnittstelle
auftreffen, zu ätzen, insbesondere auf der Drainseite des
Gates, Fangstellen an der Schnittstelle oder in dem SiN zu erzeugen,
was bewirkt, das die Vorrichtung unzuverlässig wird.
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Somit
kann gemäß einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung eine dünne AlN-Schicht an einer
AlGaN-Deckschicht vorgesehen sein, was die Selektivität
für das Ätzen erhöht und die Menge an
AlGaN reduziert, das geätzt wird. Wie es hierin verwendet
wird, bezieht sich eine „dünne AlN-Schicht" auf
eine AlN-Schicht mit einer Dicke von etwa einigen wenigen Monolagen
bis etwa 50 Å. Weiterhin weist AlN eine größere
Bandlücke und stärkere Bindungseigenschaften relativ
zu AlGaN auf, so dass die Menge an Elektroneninjektion in die SiN-Schnittstelle
oder in das SiN selber reduziert sein kann. Es wird verstanden,
dass gemäß einiger Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung das Design der epitaxialen Schicht unter
Berücksichtigung von Polarisationsfeldern vorgenommen werden sollte,
um die Reduzierung der Elektroneninjektion zu erreichen.
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Gemäß einigen
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, die eine
dünne AlN-Schicht oder eine AlGaN-Schicht mit hoher Molfraktion
enthalten, können die Ätzstoppqualitäten
des AN mit der größtmöglichen Potentialsperre
kombiniert werden, wie nachfolgend diskutiert wird.
-
Nun
unter Bezug auf 7 enthalten weitere Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung eine mehrschichtige Deckschicht (65, 66)
und eine Schutzschicht 67 an der Sperrschicht 22.
Wie in 7 gezeigt ist, enthält die mehrschichtige
Deckschicht eine Schicht AlN 65 enthaltend und eine Schicht
aus GaN 66. Die AlN 65 enthaltende Schicht kann
AlGaN, AlInd und/oder AlN enthalten. Die AlN 65 enthaltende
Schicht kann eine Dicke von etwa 3,0 bis etwa 30,0 Å enthalten.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
kann die AlN 65 enthaltende Schicht eine AlGaN-Schicht
mit einer hohen Molfraktion sein. Wie es hierin verwendet wird, bezieht
sich „Molfraktion" auf die AlN-Molfraktion in einer AlN-GaN-Legierung.
Wie es hierin verwendet wird, bezieht sich „eine hohe Molfraktion"
auf eine Molfraktion von etwa 30 bis etwa 100%.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
kann die GaN-Schicht 66 beispielsweise durch eine AlGaN-Schicht
mit einer niedrigen Molfraktion ersetzt sein. Wie es hierin verwendet
wird, bezieht sich „eine niedrige Molfraktion" auf eine
Molfraktion von etwa 0 bis etwa 30%. Die Molfraktion der AlGaN-Schicht
kann von etwa Null Prozent einer Molfraktion der Sperrschicht bis
etwa der Molfraktion der Sperrschicht betragen. Die Molfraktion
der AlGaN-Schicht kann größer als die Molfraktion
der Sperrschicht sein.
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Es
wird verstanden, dass, obwohl das Gate 32, das in den Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung gezeigt ist, die in 7 gezeigt
werden, nicht in die mehrschichtige Deckschicht vertieft ist, Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung nicht auf die darin gezeigten Konfigurationen
eingeschränkt sind. Beispielsweise kann das Gate 32 ohne Verlassen
des Umfangs der vorliegenden Erfindung vertieft sein.
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Nun
unter Bezug auf 8 enthalten weitere Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung eine mehrschichtige Deckschicht (73, 74)
an der Sperrschicht 22. Wie in 8 gezeigt
ist, enthält die mehrschichtige Deckschicht eine AlGaN-Schicht 73 an
der Sperrschicht 22 und eine Schicht aus AlN 74 an
der AlGaN-Schicht 73. Bei Ausführungsbeispielen der
vorliegenden Erfindung, die in 8 gezeigt
ist, kann die AlN-Schicht 74 kann eine Dicke von etwa 10,0 Å aufweisen.
Wie vorstehend diskutiert wurde, kann die AlN-Schicht 74 eine
AlGaN-Schicht mit einer hohen Molfraktion sein.
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Wie
ferner in 8 gezeigt ist, ist der Gatekontakt 32 nicht
in die mehrschichtige Deckschicht vertieft. Bei diesen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung, kann die Dicke der AlGaN-Schicht 73 von
etwa 5,0 bis etwa 50,0 Å. Es wird verstanden, dass die
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nicht auf
die in 8 gezeigten Konfigurationen eingeschränkt
sind. Wenn beispielsweise der Gatekontakt 32 vertieft ist,
kann die Dicke der AlGaN-Schicht 73 viel größer
sein, beispielsweise etwa 250 Å. Eine simulierte Leitungsbandkante
und Elektronendichte als ein Funktion der Tiefe für Vorrichtungen
gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung, die in 8 gezeigt sind, werden nachfolgend
unter Bezug auf 11 diskutiert.
-
Nun
unter Bezug auf 9 enthalten weitere Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung eine mehrschichtige Deckschicht (73', 74', 75)
an der Sperrschicht 22. Wie in 9 gezeigt
ist, enthält die mehrschichtige Deckschicht eine AlGaN-Schicht 73' an
der Sperrschicht 22, eine Schicht aus AlN 74' an der
AlGaN-Schicht 73' und eine Schicht aus GaN 75 an
der AlN-Schicht 74'. Bei Ausführungsbeispielen der
vorliegenden Erfindung, die in 9 gezeigt
ist, weist die AlN-Schicht 74 eine Dicke von etwa 10,0 Å auf
und die GaN-Schicht eine Dicke von etwa 20 Å auf. Ausführungsbeispiele
von HEMTs, die in 9 gezeigt sind, können
eine Sperre von mehr als etwa 3,0 V aufweisen.
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Wie
in 9 gezeigt ist, ist der Gatekontakt 32 nicht
in die mehrschichtige Deckschicht vertieft. Es wird dennoch verstanden,
dass die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
nicht auf die in 9 gezeigten Konfigurationen
eingeschränkt sind. Eine simulierte Leitungsbandkante und
Elektronendichte als ein Funktion der Tiefe für Vorrichtungen
gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung,
die in 9 gezeigt sind, werden nachfolgend unter Bezug
auf 12 diskutiert.
-
Nun
wird auf die in den 11 und 12 gezeigten
Graphen Bezug genommen. Insbesondere zeigt die 10 eine
simulierte Leitungsbandkante und Elektronendichte einer Funktion
der Tiefe für Vorrichtungen, die eine AlGaN Deckschicht
und keine AlN- oder GaN-Deckschicht enthalten. Die 11 zeigt
eine simulierte Leitungsbandkante und Elektronendichte einer Funktion
der Tiefe für Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung, die in 8 gezeigt
sind. Wie in 11 gezeigt ist, kann die Addition
der AlN-Schicht 74, ein Material mit größerer
Bandlücke, eine übermäßige Polarisationsladung
induzieren, wodurch die wirksame Sperre der Vorrichtung vermindert
wird. Die 12 zeigt eine simulierte Leitungsbandkante
und Elektronendichte einer Funktion der Tiefe für Vorrichtungen
gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung, die in 9 gezeigt sind. Wie in 12 gezeigt
ist, kann eine mehrschichtige Deckschicht, die AlN enthält,
mit einer GaN-Deckschicht an dem AlN zu einer relativ höheren
Sperre (über 3,0 V im Gegensatz zu den Standardstrukturen)
führen mit einer annähernd gleiche n Ladungsmenge
in der Kanalschicht, wie in 10 gezeigt
ist. Es wird verstanden, dass bei einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung die Dicken der GaN-Schicht 75 und
der AlN-Schicht 74' verändert werden können,
um die resultierende Ladungsdicht abstimmen zu können.
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Unter
Bezug auf die Graphen der 10 bis 12,
die eine simulierte Leitungsbandkante und Elektronendichte als eine
Funktion der Tiefe gemäß einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung zeigen, wird eine Konstante Ec für
die obere Schnittstelle verwendet. Bei einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung kann die Leitungsbandkante des AlGaN
an der Oberseite einer Standardstruktur sein als die Leitungsbandkante
von GaN und die Leitungsbandkante von AlN kann noch höher
sein.
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Die
Dicke der Schichten der mehrschichtigen Deckschicht (GaN, AlN und
AlGaN) und die Zusammensetzung des AlGaN können alle eingestellt
werden, um eine verbesserte Vorrichtungsperformance zu erhalten.
Weiterhin kann, wie vorstehend diskutiert wurde, bei einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung die GaN-Schicht durch AlGaN mit niedriger
Molfraktion ersetzt werden. Die Molfraktion des AlGaN kann irgendwas
zwischen 0% bis zu der gleichen Fraktion wie der Haupt-AlGaN-Sperrschicht
betragen, oder möglicherweise bei einigen Ausführungsbeispielen
noch höher.
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
kann weiterhin die AlN-Schicht durch ein AlGaN mit einer hohen Molfraktion
ersetzt werden. Die kann das Ätzende beeinträchtigen,
zusätzlich kann die Verwendung einer sehr dünnen Sperrschicht
von nur wenigen Monolagen kann in dem Sinne beeinträchtigen,
dass die Sperrhöhe in unmittelbarer Nähe einer
Ga-Seite niedriger sein.
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Obwohl
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung hierin
unter Bezug auf besondere HEMT-Strukturen beschrieben wurden, sollte
die vorliegende Erfindung nicht einschränkend auf solche Strukturen
verstanden werden. Beispielsweise können zusätzliche
Schichten in der HEMT-Vorrichtung enthalten sein, während
sie weiter von den Lehren der vorliegenden Erfindung profitieren.
Derartige zusätzliche Schichten können GaN-Deckschichten
enthalten, die beispielsweise von
Yu et al. in „Schottky barrier
engineering in III–V nitrides via the piezoelectric effect",
Applied Physics Letters, Vol. 73, Nr. 13, 1998, oder in
der
US-Patentpublikation
Nr. 2002/0066908 A1 beschrieben werden, die am 12. Juli
2001 angemeldet und am 6. Juni 2002 veröffentlicht wurde,
für „ALUMINUM GALLIUM NITRIDE/GALLIUM NITRIDE
HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTORS HAVING A GATE CONTACT ON A GALLIUM
NITRIDE BASED CAP SEGMENT AND METHODS OF FABRICATING SAME", deren
Offenbarungen hierin durch Bezugnahme eingeschlossen sind, wie sie
vollständig hierin bekannt sind. Bei einigen Ausführungsbeispielen
können isolierende Schichten, beispielsweise SiN, an eine
ONO-Struktur oder relative hochwertiges AlN abgeschieden werden,
um ein MISHEMT herzustellen und/oder um die Oberfläche
zu passivieren. Die zusätzlichen Schichten können
eine zusammengesetzt abgestufte Übergansschicht oder -schichten
enthalten Weiterhin kann die Sperrschicht
22 mit mehrfachen
Schichten vorgesehen sein, wie sie in der
US-Patentpublikation Nr. 2002/0167023
A1 beschrieben wird, die vorstehend beschrieben wurde.
Somit sollten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
nicht verstanden werden, die Sperrschicht auf eine einzige Schicht
zu beschränken, sondern sie kann beispielsweise Sperrschichten
mit Kombinationen von GaN-, AlGaN- und/oder AlN-Schichten enthalten.
Beispielsweise kann eine GaN, AlN-Struktur verwendet werden, um
eine Legierungsstreuung zu reduzieren oder zu vermeiden. Somit können
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Nitrid-basierte
Sperrschichten enthalten, und derartige Nitrid-basierte Sperrschichten
können AlGaN-basierte Sperrschichten, AlN-basierte Sperrschichten
und Kombinationen enthalten.
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Obwohl
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezug
auf die Ohmeschen Kontakt 30 beschrieben wurden, die durch
verschiedene Deckschichten vertieft sind, sind bei bestimmten Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung die Ohmeschen Kontakte 30 an
der Deckschicht oder nur teilweise in die Deckschicht vertieft sein.
Somit sollten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
nicht auf Strukturen einschränkend verstanden werden, die
durch die Deckschicht vertiefte Ohmsche Kontakte aufweisen.
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In
den Zeichnungen und der Beschreibung wurden typische Ausführungsbeispiele
offenbart und, obwohl spezifische Begriffe verwendet wurden, wurden
diese nur in einem generischen und beschreibenden Sinn verwendet
und nicht zum Zwecke der Einschränkung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5192987 [0008]
- - US 5296395 [0008]
- - US 6316793 [0008, 0062]
- - US 2002/0066908 A1 [0062, 0119]
- - US 20020167023 A1 [0062]
- - US 10617843 [0062]
- - US 10/772882 [0062]
- - US 10/897726 [0062]
- - US 2003/0020092 [0062, 0096]
- - US 2003/0102482 A1 [0070]
- - US 2004/0012015 A1 [0070]
- - US 34861 [0071]
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- - US 6218680 [0071]
- - US 5210051 [0071]
- - US 5393993 [0071]
- - US 5523589 [0071]
- - US 5592501 [0071]
- - US 20020167023 [0075]
- - US 6498111 [0083]
- - US 2002/0167023 A1 [0119]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Yu et al.
in „Schottky barrier engineering in III–V nitrides
via the piezoelectric effect", Applied Physics Letters, Vol. 73,
Nr. 13, 1998 [0119]