KR101690442B1 - 조성적으로 등급화된 반도체 채널들을 갖는 비평면형 iii-n 트랜지스터들 - Google Patents

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사나즈 케이. 가드너
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Abstract

III-N 반도체 채널은 천이층과 III-N 분극층 사이에서 조성적으로 등급화된다. 실시예들에서, 게이트 스택은 등급화된 III-N 반도체 채널을 포함하는 핀의 측벽들 위에 적층되어, 게이트 바이어스 전압에 응답하어 적어도 측벽 표면들 양자 모두에 인접하는 III-N 반도체 채널에 전송 채널의 형성을 가능하게 한다. 실시예들에서, 게이트 스택은 조성적으로 등급화된 III-N 반도체 채널을 포함하는 나노와이어 주변에 완전히 적층되어, 게이트 바이어스 전압에 응답하여 분극층 및 천이층 양자 모두에 인접하는 III-N 반도체 채널에 전송 채널의 형성을 가능하게 한다.

Description

조성적으로 등급화된 반도체 채널들을 갖는 비평면형 III-N 트랜지스터들{NONPLANAR III-N TRANSISTORS WITH COMPOSITIONALLY GRADED SEMICONDUCTOR CHANNELS}
본 발명의 실시예들은 일반적으로 마이크로전자 디바이스들 및 제조에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 III족-N 트랜지스터 아키텍처들에 관한 것이다.
모바일 컴퓨팅(예를 들어, 스마트 폰 및 태블릿) 시장들은 보다 소형인 컴포넌트 형태 인자들(form factors) 및 보다 낮은 전력 소모로부터 이익을 얻는다. 스마트 폰들 및 태블릿들에 대한 현재의 플랫폼 솔루션들은 회로 보드 상에 탑재되는 다수 패키지화된 집적 회로들(ICs)에 의존하기 때문에, 보다 적고 보다 전력 효율적인 형태 인자들로의 더 이상의 스케일링이 제한된다. 예를 들어, 스마트 폰은, 개별 논리 프로세서 IC 외에도, 개별 전력 관리 IC(PMIC), 무선 주파수 IC(RFIC), 및 WiFi/Bluetooth/GPS IC를 포함할 것이다. 시스템-온-칩(SoC) 아키텍처들은 보드-레벨 컴포넌트 집적화에 의해 매칭될 수 없는 스케일링의 이점을 제공한다. 논리 프로세서 IC 자체는 메모리 및 논리 기능들 양자 모두를 집적하는 시스템 온 칩(SoC)으로 고려될 수 있지만, PMIC 및 RFIC는 고 전압, 고 전력 및 고 주파수 중 2 이상으로 동작하기 때문에, 모바일 컴퓨팅 플랫폼들에 대해 보다 광범위한 SoC 솔루션들은 찾기 힘들었다.
이와 같이, 종래의 모바일 컴퓨팅 플랫폼들은, PMIC 및 RFIC에 의해 수행되는 상이한 기능들에 특정하게 맞추어지는 비호환성 트랜지스터 기술들을 통상적으로 사용한다. 예를 들어, PMIC에서는 전압 변환 및 전력 분배(스텝-업 및/또는 스텝-다운 전압 변환을 포함하는 배터리 전압 조정 등)를 관리하는데 LDMOS(Laterally Diffused silicon MOS) 기술이 통상적으로 이용된다. RFIC에서는 GHz 캐리어 주파수들에서 충분한 전력 증폭을 생성하는데 GaAs HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)들과 같은 III-V족 화합물 반도체들이 통상적으로 이용된다. 그리고, CMOS 기술을 구현하는 종래의 실리콘 전계 효과 트랜지스터들은 모바일 컴퓨팅 플랫폼 내에서 논리 및 제어 기능들에 이용되는 제3 트랜지스터 기술을 수반한다. 모바일 컴퓨팅 플랫폼에서 여러 IC들 사이의 기본적인 반도체 재료 비호환성들 외에도, PMIC에서의 DC-to-DC 변환 스위치들에 대한 트랜지스터 설계는 RFIC에서의 고 주파수 전력 증폭기들에 대한 트랜지스터 설계와 일반적으로 호환불가능하였다. 예를 들어, 실리콘의 비교적 낮은 항복 전압은, DC-to-DC 변환기 스위치에서의 소스-투-드레인 분리가, 캐리어 주파수에 따라서 20GHz를 초과하는, 가능하게는 500GHz까지인 Ft를 요구하는 전력 증폭기 트랜지스터에 대해 허용가능한 것보다 대단히 클 것을 요구한다(예를 들어, WPAN은 60GHz이고, 따라서 트랜지스터들은 60GHz의 다수 배인 Ft를 요구한다). 이러한 상이한 트랜지스터-레벨 설계 요건들은 다양한 트랜지스터 설계들에 대한 제조 공정들을 상이하게 하고 단일 공정으로 통합하는 것을 곤란하게 한다.
따라서, PMIC 및 RFIC 기능들을 집적화할 모바일 컴퓨팅 스페이스를 위한 SoC 솔루션은, 확장성을 향상하고, 비용을 절감하며, 플랫폼 전력 효율을 개선하는데 매력적이지만, SoC 솔루션에 대한 하나의 장벽은, 충분한 속도(즉, 충분히 높은 게인 컷오프 주파수, Ft) 및 충분히 높은 항복 전압(BV) 양자 모두를 갖는 스케일가능한 트랜지스터 기술의 부족이다.
III족-질화물(III-N) 디바이스들은, 높은 BV 및 Ft 양자 모두가 달성될 수 있는 CMOS로 PMIC 및 RFIC 기능들의 집적화에 대해 유망한 방안을 제공한다. 그러나 현재까지는, III-N 트랜지스터들이 2DEG(2D Electron Gas) 또는 시트 전하를 전달 채널로서 사용한다. 이러한 2D 시트 전하는, 예를 들어, GaN 상의, AlN과 같은, 자발적이고 압전식인 분극이 더 큰 필름의 에피택셜 적층에 의해 형성되는 갑작스런 이종-계면(hetero-interface)에서 형성된다. 분극 필드들이 매우 방향성이기 때문에, 2D 시트 전하는 이종-계면에서 상부 (0001) 우르츠광(wurtzite) 결정 평면에만 형성된다. 이러한 재료 기반의 비대칭성은, 산업 리더들에 의해 실리콘에 현재 실시되는 듀얼-게이트 및 트라이-게이트와 같은, 멀티-게이트 트랜지스터 아키텍처를 구현하는데 문제를 일으킨다. 이와 같이, III-N 트랜지스터의 풋프린트는, 불리하게도 크고, 비평면형 실리콘 디바이스들로의 천이를 자극했던 것들과 유사한 다양한 성능 제한들(예를 들어, 쇼트 채널 효과들)을 겪는다.
본 발명의 실시예들은, 제한이 아닌 예시의 방법으로 설명되고, 도면들과 연관하여 고려될 때 이하의 상세한 설명을 참조하여 보다 완전히 이해될 수 있다.
도 1a는, 일 실시예에 따른, 비평면형 III족-N 트랜지스터에 대한 GaN 결정 배향의 등측도이다.
도 1b, 1c 및 1d는, 일 실시예에 따른, 단면도로 도시되고 도 1a에 도시된 결정 배향을 갖는 조성적으로 등급화된 III-N 트랜지스터 채널의 영역들에 대응하는 합금 함량의 그래프들이다.
도 1e는, 일 실시예에 따른, 비평면형 III족-N 트랜지스터에 대한 GaN 결정 배향의 등측도이다.
도 1f는, 일 실시예에 따른, 단면도로 도시되고 도 1e에 도시된 결정 배향을 갖는 조성적으로 등급화된 III-N 트랜지스터 채널의 영역들에 대응하는 합금 함량의 그래프이다.
도 2a는, 본 발명의 실시예들에 따른, 트라이-게이트형 비평면형 III-N 트랜지스터의 채널 영역을 통한 단면도를 도시한다.
도 2b는, 본 발명의 실시예들에 따른, 도 2a에 도시된 채널 영역 내에 모델링된 전하를 도시한다.
도 2c는, 본 발명의 실시예들에 따른, 게이트-올-어라운드(gate-all-around) 비평면형 III-N 트랜지스터의 채널 영역을 통한 단면도이다.
도 2d는, 본 발명의 실시예들에 따른, 도 2c에 도시된 채널 영역 내에 모델링된 전하를 도시한다.
도 3은, 일 실시예에 따라, 비평면형 고 전압 트랜지스터를 제조하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 4a, 4b, 4c 및 4d는, 도 3에 도시된 방법의 일 실시예에 따라 제조되는 고 전압 나노와이어 트랜지스터의 등측도들이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 모바일 컴퓨팅 플랫폼의 SoC 구현의 기능 블럭도이다.
도 6은, 본 발명의 하나의 구현에 따른 컴퓨팅 디바이스의 기능 블럭도이다.
이하의 설명에서는, 다수의 상세사항들이 제시되지만, 본 발명은 이들 특정 상세사항들 없이도 실시될 수 있다는 점이 기술분야의 숙련된 자에게 명백할 것이다. 일부 경우에는, 본 발명을 불명료하게 하는 것을 회피하도록, 잘 알려진 방법들 및 디바이스들은 상세하게 보다는 오히려 블록도 형태로 도시된다. 본 명세서 전반에 걸쳐 "일 실시예(an embodiment)"라는 것은, 해당 실시예와 관련하여 설명되는 특정 특성, 구조, 기능 또는 특징이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 점을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 도처에서 "일 실시예에서"라는 문구의 출현들이 반드시 본 발명의 동일한 실시예를 말하는 것은 아니다. 또한, 특정 특성들, 구조들, 기능들 또는 특징들은 하나 이상의 실시예들에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다. 예를 들어, 제1 실시예는 2개 실시예들이 상호 배타적인 것이지 않는 어느 곳에서든 제2 실시예와 조합될 수 있다.
"연결된(coupled)" 및 "접속된(connected)"이라는 용어들은 그들의 파생어와 함께, 본 명세서에서 컴포넌트들 사이의 구조적 관계들을 설명하는데 사용될 수 있다. 이 용어들은 상호 동의어로서 의도된 것이 아니라는 점이 이해되어야 한다. 오히려, 특정 실시예들에서, "접속된"이란 2 이상의 엘리먼트들이 상호 직접적인 물리적 또는 전기적 접촉을 이루는 것을 나타내는데 사용될 수 있다. "연결된"이란 2 이상의 엘리먼트들이, 직접적인 또는 간접적인(이들 사이에 다른 중간 요소들을 갖고) 물리적 또는 전기적 상호 접촉을 이루고, 및/또는 상호 협조하거나 또는 상호작용(예를 들어, 인과관계와 같이)하는 것을 나타내는데 사용될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 "위에(over)", "아래에(under)", "사이에(between)" 및 "상에(on)"라는 용어들은 다른 층들에 대한 하나의 재료 층의 상대적인 위치를 말한다. 예를 들어, 다른 층 위에(상위에) 또는 아래에 배치되는 하나의 층은 다른 층과 직접 접촉을 이룰 수 있거나 또는 하나 이상의 중간층들을 가질 수 있다. 또한, 2개의 층들 사이에 배치되는 하나의 층은 2개의 층들과 직접 접촉을 이룰 수 있거나 또는 하나 이상의 중간층들을 가질 수 있다. 대조적으로, 제2 층 "상"의 제1 층은 제2 층과 직접 접촉을 이룬다.
III-N 반도체 채널 내에 3DEG(3-Dimensional Electron Gas)를 형성하는 방식으로 조성적으로 등급화되는 III-N 반도체 채널을 갖는 비평면형 III-N 트랜지스터들의 실시예들이 본 명세서에 설명된다. 실제로, 본 명세서에 설명되는 비평면형 III-N 트랜지스터 아키텍처들은 주어진 구동 전류에 대해 유리하게도 낮은 외인성 저항을 제공하고/제공하거나 기판 표면적을 감소시킨다. 실시예들에서, 등급화된 III-N 반도체 채널은 다수의 게이트된 표면들을 갖고, 감소된 쇼트 채널 효과들을 가능하게 하며 더 높은 드레인 항복 전압들(BVDD)을 가능하게 한다.
실시예들에서, 본 명세서에 설명되는 고 전자 이동도 전계 효과 트랜지스터들(FETs)은, RFIC를 PMIC와 집적화하여 고 전압 및/또는 고 전력 회로들을 구현하는 SoC 솔루션들에 이용된다. 본 명세서에 설명되는 트랜지스터 구조들 의하면, SoC 솔루션들은 모바일 컴퓨팅 플랫폼에 요구되는 제품 특정 전류 및 전력 요건들을 전달할 수 있다. 스위칭이 빠른 고 전압 트랜지스터들은, 높은 입력 전압 스윙들을 다룰 수 있고, RF 주파수들에서 고 전력 추가된 효율들을 제공할 수 있다. 실시예들에서, 본 명세서에 설명되는 III-N 트랜지스터 아키텍처는, 평면형 및 비-평면형 실리콘 CMOS 트랜지스터 기술들과 같은 IV족 트랜지스터 아키텍처들과의 모놀리식 집적된다. 특정 실시예들에서는, 고 전력 무선 데이터 송신 및/또는 고 전압 전력 관리 기능들을 저 전력 CMOS 논리 데이터 처리와 집적화하는 SoC 아키텍처들에 본 발명에 설명되는 III족-N 트랜지스터들이 이용될 수 있다. 광대역 무선 데이터 송신 애플리케이션들에 적합한 고 주파 작업이 가능한 한편, 밴드 갭이 큰 III-N 재료들의 사용은 또한 무선 데이터 송신 애플리케이션들에 대해 충분한 RF의 높은 BV 생성을 제공한다. 높은 Ft/Fmax 및 고 전압 능력의 이러한 조합은, 또한, 본 명세서에 설명되는 III-N FET들이, 감소된 사이즈의 유도성 엘리먼트들을 사용하는 DC-to-DC 변환기들에서의 고속 스위칭 애플리케이션들에 사용될 수 있게 한다. 전력 증폭 및 DC-to-DC 스위칭 애플리케이션들 양자 모두가 스마트 폰, 태블릿들 및 기타 모바일 플랫폼들에서 주요한 기능 블럭들이므로, 본 명세서에 설명되는 구조들은 이러한 디바이스들에 대한 SoC 솔루션에 사용될 수 있다. 하나의 예로서 제1 III-N FET는 PMIC의 DC-to-DC 스위칭 회로에 사용되고, 제2 III-N FET는 RFIC의 증폭 회로에 사용된다.
실시예들에서, III-N FET의 III-N 반도체 채널은, III-N 3원(ternary) 또는 4원(quaternary) 조성적으로 등급화된 합금을 포함한다. 하나의 3원 실시예에서, III-N 반도체 채널은 인듐 갈륨 질화물(InxGal-xN)을 포함하며, 여기서 x는 반도체 채널의 우르츠광 결정 c-축을 따라 변화된다. 다른 3원 실시예에서, III-N 반도체 채널은 알루미늄 갈륨 질화물(AlxGal-xN)을 포함하며, 여기서 x는 반도체 채널의 c-축을 따라 변화된다. 4원의 실시예에서, 인듐 및 알루미늄 양자 모두는, 반도체 채널의 c-축을 따라 변화되는 x 및/또는 y를 갖는 InxAlyGal-x-yN 합금으로서 존재한다. 도 1a는, 일 실시예에 따른, 비평면형 III족-N 트랜지스터의 GaN 결정 배향의 등측도이다. 도 1b는 도 1a에 도시된 결정 배향을 갖는 InGaN 기반의 조성적으로 등급화된 III-N 반도체 채널의 단면도이다. III-N 반도체 채널 내의 영역들에 대응하는 합금 함량의 그래프가 더 도시된다.
도 1a에 도시된 GaN 결정은 비-중심대칭(non-centrosymmetric)으로, III-N 결정이 반전 대칭이 부족하다는 점, 보다 구체적으로는 {0001} 평면들이 동등하지 않다는 점을 의미한다. 순수 GaN에 대해, (0001) 평면은 통상적으로 Ga-면(+c 극성, 또는 [0001] 방향)이라 하고, 나머지,
Figure 112015041553738-pct00001
평면은 N-면(-c 극성, 또는
Figure 112015041553738-pct00002
방향)이라 한다. 도 1a에서의 배향은 따라서 Ga-면, 또는 (0001)이고, (0001) 평면은 III-N 반도체 채널의 상부 표면 상에 격자 상수를 갖는다.
극성 결합 및 결정 비대칭성의 결과로서, III-N 반도체 내에 자발적 분극 필드(PSP)가 존재하고, III-N 반도체가 (도 1b에 도시된 바와 같은 y-치수를 따라) (0001) 평면에 평행한 방향으로 인장 변형(tensile strain)하에 있을 때, 압전 분극 필드(PPE)는 (0001) 평면으로부터 멀리
Figure 112015041553738-pct00003
평면 쪽으로 PSP와 정렬된다. III-N 반도체 내의 조성적 등급화는 이러한 극성 필드들을 확산시켜, 특정 결정 면, Ga 또는 N에 대해 소망하는 분포 극성-유도된 전하 캐리어들(예를 들어, n-타입)을 제공할 수 있다. 특히, GaN의 Ga-면에 적층될 때 InN 및 AlN에서의 자발적 분극 필드들은 상호 반대로 배향되고, 따라서, 본 명세서의 실시예들은, Ga 또는 N 면 중 어느 하나에 대해 제1 방향(예를 들어, In%가 증가됨)으로 In 함량을 등급화함으로써 III-N 반도체 채널 내에 분극 캐리어 전하의 소망하는 분포를 달성하는 한편, Al 함량을 등급화하는 실시예들은 반대 방향(예를 들어, Al%가 감소됨)으로 그렇게 한다.
실시예들에서, In 함량은 와이드 밴드 갭 재료의 계면에서 상대적으로 더 순수한 GaN(예를 들어, 0 % In)을 갖도록 등급화된다. 이러한 등급화에 의해, 등급화된 반도체 내에 3D 전자 가스가 형성될 수 있고, 기판 영역 근처에 전하 캐리어들이 존재하지 않으며, 이는 도 2a-2b의 맥락에서 본 명세서의 다른 곳에 더욱 설명되듯이, 누설 경로를 감소시키거나 또는 예방하는데 유리할 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, In 함량의 등급화는, 또한, 와이드 밴드 갭 천이층(115)의 계면과 와이드 밴드 갭 III-N 분극층(125)의 계면 사이에 중심을 두는 평면에 대해 유리하게도 대칭성이다. 실시예들에서, In 함량은, 각각의 III-N 면들로부터 증가하도록 등급화되어, 등급화된 III-N 반도체 채널(120)의 대략 1/2 c-축 두께에서 만난다. 이러한 등급화 프로필은, Ga과 N 면 사이에서 합금 함량의 범위가 최소인 특정 전송 채널 지오메트리를 달성하는 것에 관하여 유리할 수 있다. In 등급화가 중심 평면에 대해 비대칭성인 변화들 또한 가능하다.
도 1b에 도시된 대칭성으로 등급화된 실시예에 대해서는, 천이층(115)과의 계면에서 시작하여, III-N 반도체 채널(120)의 두께의 대략 1/2(1/2 T)에 상당하는 제1 거리에 대해 인듐 함량이 증가하며 III-N 반도체 채널(120)이 등급화된다. 그리고, 분극층(125)의 계면까지 대략 1/2 T에 상당하는 제2 거리에 대해 인듐 함량이 감소하며 III-N 반도체 채널(120)이 또한 등급화된다. 예시적인 실시예에서는, 와이드 밴드 갭 천이층 및 분극층(115 및 125) 각각과 반도체 채널(120)의 계면에서 In 함량이 0%(즉, x=0인 InxGal-xN, 또는 순수 GaN)이다. 도 1b에 도시된 바와 같이, III-N 반도체 채널(120)의
Figure 112015041553738-pct00004
면에서 순수 GaN인, 전하 심볼들의 생성 위치에 의하면, 와이드 밴드 갭 천이층(115)과의 계면으로부터는 전하 캐리어들이 없다.
예시적인 실시예에서, 최대 In 함량은 대략 10%에 도달하지만 다른 실시예들에서는 더 높을 수 있다(예를 들어, 15-20%). 이러한 범위에 대해, 등급화는 균일한 분극 전하 밀도를 달성하기 유리하게 등급화 거리에 대해 균일하다. 예시적인 실시예에서는, III-N 반도체 채널(120)의 (0001) 표면으로부터 떠나서 및
Figure 112015041553738-pct00005
표면으로부터 떠나서 1/2-두께, 또는 중심 평면으로 향하는 방향들로 등급화가 선형성이다. 물론, 비선형성 등급화들(예를 들어, 반도체 채널(120)의 두께에 대해 포물선형 등) 또한 가능하다.
도 1c는, 일 실시예에 따라, 도 1a에 도시된 결정 배향을 갖는 AlxGa1-xN 기반의 조성적으로 등급화된 III-N 반도체 채널(120)의 단면도이다. 천이층(115)과의 계면에서 시작하여, III-N 반도체 채널(120)의 두께의 대략 1/2(1/2 T)에 상당하는 제1 거리에 대해 Al 함량이 감소하며 III-N 반도체 채널(120)이 등급화된다. 분극층(125)의 계면까지 대략 1/2 T에 상당하는 제2 거리에 대해 Al 함량이 증가하며 III-N 반도체 채널(120)이 또한 등급화된다. 예시적인 실시예에서는, 와이드 밴드 갭 천이층 및 분극층(115 및 125)의 각각의 계면에서 Al 함량이 최대이고(예를 들어, 30%, 또는 그 이상) 반도체 채널(120)의 1/2 두께, 또는 중심 평면에서 Al 함량이 0%(즉, 순수 GaN)이다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 와이드 밴드 갭 천이층(115)와의 계면으로부터는 전하 캐리어들이 없다.
반도체 채널(120) 내에서, Al 등급화는 균일한 분극 전하 밀도를 달성하기 유리하게 균일하다. 예시적인 실시예에서는, III-N 반도체 채널(120)의 (0001) 표면 및
Figure 112015041553738-pct00006
표면들로부터 1/2-두께, 또는 중심 평면으로 향하여 등급화가 선형성이다. 물론, 비선형성 등급화들(예를 들어, 반도체 채널(120)의 두께에 대해 포물선형 등)이 다시 가능하다.
4원 실시예들에 대해서는, Al 및 In 함량 중 적어도 하나가, III-N 반도체 채널(120)의 두께의 대략 1/2(1/2 T)에 상당하는 제1 거리에 대해 천이층(115)으로부터 변화되고(예를 들어, 감소되거나 또는 증가되고), 그리고 III-N 반도체 채널(120)의 두께의 대략 1/2(1/2 T)에 상당하는 제2 거리에 대해 분극층(125)까지 대칭성으로 변화되어(예를 들어, 감소되거나 또는 증가되어), Al 및/또는 In의 등급화가 도 1b, 1c에 도시된 것과 일관된다.
다른 실시예들에서, In 함량은, N-면
Figure 112015041553738-pct00007
에서 와이드 밴드 갭 재료의 계면에서 최고 In 함량을 갖고, Ga-면 (0001)에서 와이드 밴드 갭 재료의 계면에서 최저 In 함량을 갖도록 등급화된다. 이러한 대안적인 등급화 프로필은, III-N 반도체 채널(120), 및 하이 밴드 갭 층들(115, 125)의 대응 단면도를 따라 도 1d에 도시된다. 도시된 바와 같이, 하이 밴드 갭 천이층(115)과의 계면에서 In 함량은, 임계 전압 위의 바이어스 전압이 게이트 전극에 인가될 때, 와이드 밴드 갭 천이층(115)에 인접하는 III-N 반도체 채널(120) 내에 전하 캐리어들(전자들)이 존재하기에 충분히 높다. 예시적인 실시예에서, 피크 In 함량은 20%이지만, 이는 15-20% 범위일 수 있다. 다시, 1/2-두께에서 In 함량이 다시 약 10%이도록 예시적인 실시예가 선형성 등급화이고, 분극층(125)의 계면에서 실질적으로 순수 GaN인 균일한 등급화가 유리하다. 특히, 심지어 In에 대해 설명된 것과 반대인 프로필로, Al 함량을 등급화하는 것은, InGaN 실시예들에 대한 것보다 GaN 밴드 갭이 훨씬 더 넓기 때문에 동일한 효과를 갖지 않을 것이다.
도 1b 및 1c에 도시된 실시예들은 Al 및 In 3원 합금들의 상이한 분극 강도들의 결과로서 상호에 대해 반전되는 등급화 프로필들을 수반한다는 점에 주목하면, 등급화 프로필은 밴드 갭의 합수로서 보다 편리하게 표현될 수 있다. InGaN의 밴드 갭이 GaN의 것보다 더 적고 AlGaN의 밴드 갭이 GaN의 것보다 더 넓어서, 도 1b, 1c 및 심지어 1d에서의 등급화 프로필들 각각은, 2개의 와이드 밴드 갭 재료층들(115 및 125) 중 적어도 하나로부터의 거리에 대해 (도 1b 및 1c에서 반도체 채널의 중심 평면 쪽으로 및 도 1d에서 제2 와이드 밴드 갭 재료층 쪽으로) 밴드 갭을 감소시킨다. 환언하면, 도 1b 및 1c에 도시된 실시예들에 대해서, 밴드 갭은 2개의 와이드 밴드 갭 재료층들(115 및 125) 양자 모두로부터 중심 평면 쪽으로 감소한다. 도 1d에 도시된 실시예에 대해서, 밴드 갭은 와이드 밴드 갭 재료층(125)으로부터 와이드 밴드 갭 재료층(115) 쪽으로 감소한다.
특히, 도 1a-1d에 도시된 등급화 프로필들은 기판의 측벽 표면들 상에 성장되는 에피택셜 채널 층들에 동등하게 적용될 수 있고, 이는 예를 들어 (110) 또는 (100) 기판의 (111) 또는 (110) 씨딩 표면을 제공하는 목적으로 행해질 수 있다. 이러한 실시예들에 대해서, 도 1e에 도시된 바와 같이, 구조화된 템플릿 표면은, III-N 우르츠광 결정이 회전되어 측벽들로부터 {0001} 면들을 갖고 상부 및 바닥 표면들로부터 {1010} 면들 중 하나를 갖도록, 기판으로부터 연장된다. 도 1f는 도 1e에서의 배향을 갖는 III-N 반도체 채널(120)에 대한 예시적인 In 및/또는 Al 등급화 프로필들을 도시한다.
도 2a는, 본 발명의 실시예들에 따른, 트라이-게이트된 비평면형 III-N 트랜지스터(201)의 채널 영역을 통한 단면도를 도시한다. 일반적으로, 트랜지스터(201)는 도 1a-1b의 맥락에서 본 명세서의 다른 곳에 설명되는 바와 같은 등급화된 III-N 반도체 채널(120)을 사용하고, 따라서 참조 번호들은 이전에 설명된 특징들에 대해 유지된다. III-N 트랜지스터(201)는, 게이트 전압 제어된 디바이스(즉, FinFET)이고, 예시적인 실시예에서는, 기판층(205) 상에 배치되는 적어도 하나의 비평면형 결정성 반도체 채널(120)을 포함하는 n-타입 FinFET이다.
일 실시예에서, 기판층(205)은 지지 기판(도시되지 않음) 상에 성장되는 III족-N 반도체(도 1a에 도시됨)으로 구성되는 버퍼층을 포함한다. 특정 실시예에서, 기판층(205)은 실리콘 지지 기판 상에 배치되는 GaN의 하나 이상의 층을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 실리콘 지지 기판은, 실질적으로 단결정성이고, (100) 실리콘(즉, (100) 상부 표면을 가짐)이거나 또는 (110) 실리콘(즉, (110) 상부 표면을 가짐)이다. 지지 기판은 또한 대안적인 재료들의 것일 수 있는데, 이에 제한되는 것은 아니지만, 게르마늄, 인듐 안티몬화물, 납 테루르화물, 인듐 비화물, 인듐 인화물, 갈륨 비소 또는 갈륨 안티몬화물, 탄소(SiC) 및 사파이어를 포함하는 실리콘과 조합될 수 있거나, 또는 조합되지 않을 수 있다.
도 2a에 더욱 도시된 바와 같이, 트랜지스터(201)는 천이층(115)에 의해 기판층(205)로부터 분리되는 비평면형 III-N 반도체 바디를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 천이층(115)은, 트랜지스터(101)로부터 기판층(105)로의 누설(즉, 서브-핀 누설)을 예방하거나, 또는 적어도 감소시키기 위한, III-N 반도체 채널(120)에 관한 조성으로 이에 관해 물리적으로 배치된다. 따라서, 천이층(115)은 천이층(115)과 직접 접촉하는 III-N 반도체 채널 재료보다 밴드 갭이 더 넓은 재료의 것이어야 한다. 천이층(115)은 또한 III-N 반도체 채널(120)의 에피택셜 성장을 허용해야 하고, 그래서 또한 우르츠광 결정성을 가져야 한다. 이와 같이, 천이층(115)은, AlN, AlGaN(예를 들어, Al<0.3Ga>0.7N) 또는 AlInN(예를 들어, A10.83In0.17N)을 포함하는 예시적 III-N 재료들, 및 TiN, SiN, AlN과 같은 우르츠광 결정성 질화물들 및 A1203, Gd203, Sc203, Ta205 및 Ti02와 같은 우르츠광 결정성 산화물들을 포함하는 예시적 우르츠광 유전체들을 갖는, 하나 이상의 III-N 재료들 또는 결정성 유전체들일 수 있다. 이러한 유전체 재료층들은 통상적으로 다결정성층들로서 적층되고, III-N 반도체들의 높은 성장 온도에 놓일 때, III-N 성장을 위한 템플릿들로서 적합한 결정들을 형성하는 경향이 있다.
천이층(115) 상에는 III-N 반도체 채널(120)이 배치된다. 실시예들에 따르면, III-N 반도체 채널(120)은, 우르츠광 구조를 갖고, 도 1a-1c의 맥락에서 설명된 바와 같이 {0001} 기저 평면에 정상인 성장 방향을 따라(즉, III-N 반도체 결정의 c-축을 따라) 조성적으로 등급화된다. 실시예들에서, III-N 반도체 채널(120)은 25 nm 내지 100 nm의 두께(도 2a의 z-축)를 갖는다. 실시예들에서, III-N 반도체 채널(120)은 의도적 도펀트들이 없는 진성 불순물 도핑 레벨을 갖는다. 도 2a에 도시된 바와 같이 III-N 반도체 채널(120)은 c-축을 따라 III-N 반도체 채널의 두께 내에서 조성적 등급화를 강조하는 복수의 층들(120A-120N)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, In은 반도체 채널의 두께 T의 대략 1/2에서 피크 농도로 등급화된다. 예시적인 실시예에서, III-N 반도체 채널(120)은 InGaN을 포함하고, 이는 InGaN의 분극 필드가 AlGaN 및 GaN의 것과 반대로 배향되기 때문에, 또한, 와이드 밴드 갭 천이층(115)으로부터의 도전 밴드 오프셋이 더 커질 것이라는 점에서 AlGaN 실시예들에 비해 이점을 갖는다. 이는 주어진 천이층 재료에 대해 상대적으로 더 나은 캐리어 가둠을 초래하고/초래하거나 천이층 조성에 대한 제약들을 완화시켜 준다(예를 들어, AlGaN 천이층에서 더 낮은 Al 함유량을 허용함).
도 2a에 더욱 도시되는 바와 같이, III-N 반도체 채널(120)의 (0001) 표면 상에는 분극층(125)이 배치된다. 분극층(125)은 III-N 반도체 채널(120)에 캐리어들을 제어가능하게 공급하는 전하-유도층으로서 기능적으로 역할을 한다. 예시적인 실시예들에서, 분극층(125)은 1nm 내지 20nm 두께 범위이다. 분극층은 밴드 갭이 충분히 넓은 곳에서 캐리어 가둠의 수단으로서 더욱 역할을 할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 분극층(125)은 AlInGaN, AlGaN, AlInN 또는 A1N 중 적어도 하나를 포함한다. 분극층(125)은, 또한, 감소된 합금 스캐터링 및 높은 캐리어 이동성을 위해 반도체 채널층의 표면에 얇은(예를 들어, >0.5nm) 와이드밴드 갭 재료가 존재하는 것을 보장하면서 트랜지스터 임계 전압 조절을 허용하도록, 개별 조성의 제1 전하 유도층 및 오버라잉 상부 배리어층과 같은 복수의 조성적 개별 층들을 수반할 수 있다.
도 1a-1b의 맥락에서 설명된 조성적 등급화에 의해, 분극 필드들(및 밴드 갭들)은 등급화된 III-N 반도체 채널(120) 내에서 변화되어, 게이트 전극(250) 상의 전압 전위의 함수로서 게이트 유전체(240)를 통한 전계 효과에 의해 차후 변조될 수 있는 다량의 전하가 III-N 반도체 채널(120) 내에 형성되는 것을 허용한다. 게이트 전극(250)에 대한 일 함수의 선택을 통해, 임계 전압(Vt)은 반도체 채널(120)의 소스 및 드레인 단부들 사이의 접속성의 온 및 오프 상태들을 정의하도록 설정될 수 있다. 임의의 종래의 소스/드레인 아키텍처들이 트랜지스터(201)에 대해 이용될 수 있으므로, 소스/드레인 영역들의 더 이상의 상세는 생략된다.
도 2b는, 본 발명의 실시예들에 따라, 도 2a에 도시된 트랜지스터(201)의 III-N 반도체 채널 내의 모델링된 전하를 도시한다. III-N 반도체 채널(120)의 두께(z-치수)는 50nm로서, y-치수 폭은 10nm로서 모델링된다. 도시된 바와 같이, 영역(220M)에 비해, 전송 채널들과 관련된 더 높은 전하 밀도의 영역들은, 임계 전압 위의 게이트 바이어스 조건들 하에서 III-N 반도체 채널(120) 내의 다수 표면 평면들을 따라 존재한다. 따라서, (0001) 상부 III-N 반도체 채널 표면(110C)에 근접하여 더 높은 전하 밀도를 갖는 전송 채널(220C)에 추가하여, III-N 반도체 채널 측벽들(210A 및 210B)에 근접하여(즉, {1010} 평면들에 근접하여) 추가적 전송 채널들(220A 및 220B)이 또한 존재한다. 이러한 더 큰 전송 채널 차원성(즉, 오직 2D보다는 오히려 3D)은 도 1a-1b의 맥락에서 설명되는 실시예들과 일치하는 방식으로 III-N 반도체 채널(120)을 조성적으로 등급화한 결과이다. 특히, 천이층(115)의 계면에서 실질적으로 순수한 GaN에 의하면, 임계 전압 위의 게이트 바이어스 조건들 하에서도 천이층(115)에 근접하여 전송 채널이 존재하지 않는다. 이와 같이, 측벽 전송 채널들(220A, 220B)은 비평면형 트랜지스터(201)의 베이스(220N)에서 핀치-오프되어(pinched-off), 서브-핀 누설을 감소시킨다. 따라서, III-N FinFET(201)은, III-N 반도체 채널(120)의 측벽들 상에 존재하는 게이트 스택에 응답하는 유리한 멀티-사이드형(multi-sided) 전송 채널을 갖는다.
도 2c는, 본 발명의 실시예들에 따라, 멀티-게이트형 비평면 III-N 트랜지스터(202)의 채널 영역을 통한 단면도를 도시한다. 일반적으로, 트랜지스터(202)는 도 1d의 맥락에서 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 바와 같은 등급화된 III-N 반도체 채널(120)을 사용하고, 따라서 참조 번호들은 이전에 설명된 특징들에 대해 유지된다. III-N 트랜지스터(202)는, 게이트 전압 제어된 디바이스(즉, "게이트-올-어라운드(gate-all-around)" 또는 "나노와이어(nanowire)" FET)이고, 예시적인 실시예에서는, 기판층(205) 위에 배치되는 적어도 하나의 비평면형 결정성 반도체 채널(120)을 포함하는 n-타입 나노와이어 FET이다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 트랜지스터(202)는, 천이층(115) 뿐만 아니라 게이트 유전체(240) 및 게이트 전극(250)에 의해 기판층(205)으로부터 분리되는 비평면형 III-N 반도체 바디를 포함한다. 천이층(115) 상에는 III-N 반도체 채널(120)이 배치된다. 예시적인 실시예들에 따르면, III-N 반도체 채널(120)은, 도 1d의 맥락에서 설명된 바와 같이 {0001} 기저 평면에 직각인 성장 방향을 따라(즉, III-N 반도체 결정의 c-축을 따라) 조성적으로 등급화된다. 실시예들에서, III-N 반도체 채널(120)은 트랜지스터(201)에 대한 것보다 적은, 예를 들어 30 nm보다 적은 두께(도 2c의 z-축)를 갖는다. y-치수, 또는 III-N 반도체 채널(120)의 폭은 "리본(ribbon)" 지오메트리에 대한 z-축 두께(예를 들어, 50nm 이상)보다 더 크다. 다른 치수들도 물론 가능하다. 채널 도핑은 선택적인 것으로, 특정 실시예들에서, III-N 반도체 채널(120)은 다시 의도적 도펀트들이 없는 진성 불순물 도핑 레벨을 갖는다. 도 2c에 도시된 바와 같이 III-N 반도체 채널(120)은 조성적 등급화를 강조하는 복수의 층들(120A-120N)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, In은 천이층(115)의 계면에서 피크 농도(예를 들어, ~20%)로부터 분극층(125)의 계면에서 0%(순수 GaN)로 등급화된다.
도 2d는, 본 발명의 실시예들에 따라, 게이트 전극(250) 상에 양극 전위의 인가하에 도 2c에 도시된 트랜지스터(202)의 III-N 반도체 채널 내의 모델링된 전하를 도시한다. 전송 채널들과 관련된 전하 밀도는 다시, 임계 전압 위의 게이트 바이어스 조건들 하에서 III-N 반도체 채널(120) 내의 다수 표면 평면들을 따라 존재한다. (0001) 표면(110C)에 근접하는 전송 채널(220C)에 추가하여, III-N 반도체 채널(120)의
Figure 112015041553738-pct00008
표면에 근접하는 추가적 전송 채널들(220D)이 또한 존재한다. 이러한 더 큰 전송 채널 차원성(즉, 오직 2D보다는 오히려 3D)은 도 1d의 맥락에서 설명되는 실시예들과 일치하는 방식으로 III-N 반도체 채널(120)을 조성적으로 등급화한 결과이다. 특히, 천이층(115)의 계면에서 20% In함량에 의하면, 천이층(115)에 근접하는 전송 채널(220D)은, 나노와이어의 중심을 향하는 최고 캐리어 농도를 위해 임계 전압 위의 게이트 바이어스 조건들 하에서 전송 채널(220C)을 오버랩한다. 따라서, 나노와이어 반도체의 상부 및 바닥 표면들은 양자 모두 기능적으로 게이트 결합된다.
도 3은, 본 발명의 실시예들에 따라, 비평면형 III-N FET(Field Effect Transistor)를 제조하는 방법(300)을 도시하는 흐름도이다. 방법(300)은 주요 작업들을 강조하지만, 각각의 작업은 다수의 더 많은 프로세스 시퀀스들을 수반할 수 있고, 도 3에서의 작업들의 넘버링 또는 작업들의 상대적인 위치가 어떠한 순서를 시사하는 것은 아니다. 방법(300)은, 이에 제한되는 것은 아니지만, MOCVD, MOVPE 또는 MBE와 같은, 기술에 의해 작업 301에서 III-N 반도체 스택을 성장시키는 것으로 시작한다. 보다 구체적으로, 작업 301은 천이층(115)에 대해 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 것들 중 임의의 것과 같은 결정성 와이드 밴드 갭 천이층을 형성하는 것을 수반한다. 그리고, III-N 3원 또는 4원 반도체 채널층이 천이층 위에 성장되며, 합금 성분들의 분압들은 본 명세서의 다른 곳에서 설명되는 바와 같이 채널층의 두께에 대해(예를 들어, 분극층에 근접하여 더 좁은 밴드 갭 조성 쪽으로) III-N 반도체 채널층의 조성을 등급화하도록 적절히 변화된다.
이러한 등급화는 또한 III-N 반도체 채널층의 약 1/2 두께에 대해 균일하게 및 대칭적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 천이층으로부터의 에피택셜 성장 동안, III-N 반도체 채널층의 조성은, 천이층에 근접하는 제1 더 낮은 인듐 함량으로부터, 가장 좁은 밴드 갭 조성을 향해 단조 증가하는 인듐 함량으로, 및 제2 더 넓은 밴드 갭 조성으로 단조 감소하는 인듐 함량으로, 변화될 수 있다. 대안적으로, 나노와이어 실시예에 대해서, 작업 301에서 III-N 반도체 채널층의 조성은, 분극층의 성장을 위해 반응로 조건들을 변경하기 이전에, 성장 동안, 천이층에 근접하는 최고 인듐 함량으로부터, 가장 좁은 밴드 갭 조성을 향해 단조 감소하는 인듐 함량으로 변화될 수 있다. 예를 들어, 0% 에서 10%까지, 또는 더 이상의 In의 등급화가 작업 301에서 발생할 수 있다. 다른 예로서, 30% 또는 더 이상으로부터 0%까지 및 다시 30% 또는 더 이상까지의 Al의 등급화가 작업 301에서 수행될 수 있다. III-N 반도체 채널의 등급화를 뒤따라서, 더 넓은 밴드 갭 조성에 근접하는 III-N 반도체 채널층 위에 와이드 밴드 갭 분극층이 에피택셜하게 성장된다.
작업 301은 finFET 실시예 또는 나노와이어 실시예에 적용될 수 있고 선택적 에피택셜 기술들이 핀 또는 나노와이어 구조를 성장시키는데 사용될 수 있거나, 대안적으로는 블랭킷(비선택적) 에피택셜 성장으로부터 핀 또는 나노와이어 구조를 형성하는 패터닝 공정이 작업 303에서 수행될 수 있다. 도 4a, 4b, 4c, 4d 및 4e는 방법(300)의 실시예에 따라 제조되는 비평면형 III족-N 나노와이어 트랜지스터들의 등측도들이다. 특히, 도 4a에 도시되는 핀 구조(410)는, 동종의 finFET(201)가 실질적으로 동일한 일반 구조를 갖지만, 단일 III-N 반도체층이 도 1b-1c의 등급화를 갖는 더 복잡한 종류의 finFET이다. 도 4a-4e는 따라서 finFET(201)의 형성에 나노와이어 트랜지스터(202)와 동등하게 적용될 수 있다.
도 4a는, 도 1d에 도시된 바와 같이, 와이드 밴드 갭 천이 및 분극 층들 사이에 배치되는 등급화된 반도체 채널을 각각 갖는, 나노와이어들(210A 및 210B)의 수직 스택을 도시한다. 나노와이어(210A, 210B) 사이에는 개별 조성의 희생 재료들(212A, 212B 및 212C)이 배치된다. 층 두께들(T1-T4)은 소망하는 나노와이어 치수들에 의존되고, 게이트 스택으로 두께(T1, T3)를 다시 메우는 능력에도 의존된다. 예를 들어 쉘로우 트렌치 격리(shallow trench isolation) 기술에 의해, 기판층(205) 위의 핀 구조(410)의 양측에 절연체층(407)이 형성된다.
도 3으로 돌아가서, 작업 305에서는, 나노와이어(210A 및 210B) 주변을 부분적으로 또는 완전히 둘러싸도록 드레인 콘택트가 형성된다. 작업 310에서는, 소스 콘택트가 유사하게 형성된다. 작업 315에서는 III-N 스택들(210A 및 210B) 내의 등급화된 반도체 채널 주변에 게이트 도전체가 동축으로 완전히 둘러싸여진다. 그리고, 예를 들어 종래의 상호접속 기술들을 사용하여, 디바이스가 작업 320에서 완성된다.
도 4b는 핀 구조(410) 상에 배치되는 희생 게이트(412)를 형성하는 것을 수반하는 작업들(305, 310 및 315)의 일 실시예를 도시한다. 도 4c를 참조하면, 희생 게이트(412)는 스페이서들(255) 및 ILD(Interlayer Dielectric Layer)(420)의 부분을 남겨두고 제거되었다. 도 4c에 더욱 도시되는 바와 같이, 희생 반도체층들(212A, 212B 및 212C)은 희생 게이트(412)에 의해 본래 피복된 채널 영역들에서 제거된다. 그러면, 제1 반도체 재료의 별개 나노와이어들(210A 및 210B)이 남는다.
도 4d에 도시된 바와 같이, 그리고 채널 영역(245) 내에서 나노와이어(210A, 201B) 주변을 동축으로 둘러싸는 게이트 스택이 형성된다. 에피택셜 스택을 별개 III족-N 나노와이어들로 에칭한 이후 층간 절연체층(420)의 트렌치에 게이트(250)가 형성된다. 또한, 도 4d는, 층간 절연층(420)의 후속 제거 및 소스/드레인 영역(235B)에 소스/드레인 콘택트(421)의 형성의 결과를 도시한다(영역(220)은 설명의 목적상 제2 소스/드레인 단부를 노출시켜 도시됨).
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 모바일 컴퓨팅 플랫폼의 SoC 구현의 기능 블럭도이다. 모바일 컴퓨팅 플랫폼(500)은, 전자 데이터 디스플레이, 전자 데이터 처리 및 무선 전자 데이터 송신 각각을 위해 구성되는 임의의 휴대용 디바이스일 수 있다. 예를 들어, 모바일 컴퓨팅 플랫폼(500)은, 태블릿, 스마트 폰, 랩탑 컴퓨터 등 중 임의 것일 수 있고, 예시적인 실시예에서 사용자 입력의 수신을 가능하게 하는 터치스크린(예를 들어, 용량성, 유도성, 저항성 등)인 디스플레이 스크린(505), SoC(510) 및 배터리(513)를 포함한다. 도시된 바와 같이, SoC(510)의 집적도가 높을수록, 충전 사이의 가장 긴 동작 수명을 위해 배터리(513)에 의해 차지될 수 있거나, 최대의 기능성을 위한 솔리드 스테이트 드라이브와 같은 메모리(도시되지 않음)에 의해 차지될 수 있는, 모바일 컴퓨팅 플랫폼(500) 내의 형태 인자가 더 많을 수 있다.
그 응용들에 따라, 모바일 컴퓨팅 플랫폼(500)은, 이에 제한되는 것은 아니지만, 휘발성 메모리(예를 들어, DRAM), 불휘발성 메모리(예를 들어, ROM), 플래시 메모리, 그래픽 프로세서, 디지털 신호 프로세서, 암호 프로세서, 칩셋, 안테나, 디스플레이, 터치스크린 디스플레이, 터치스크린 제어기, 배터리, 오디오 코덱, 비디오 코덱, 전력 증폭기, GPS(Global Positioning System) 디바이스, 나침반, 가속도계, 자이로스코프, 스피커, 카메라, 및 대용량 스토리지 디바이스(하드 디스크 드라이브, CD(Compact Disk), DVD(Digital Versatile Disk) 등)를 포함하는 다른 컴포넌트들 포함할 수 있다.
SoC(510)는 확대도(521)에 더욱 도시된다. 실시예들에 따라, SoC(510)는, PMIC(Power Management Integrated Circuit)(515), RF 송신기 및/또는 수신기를 포함하는 RFIC(RF Integrated Circuit)(525), 그 제어기(511) 및 하나 이상의 중앙 프로세서 코어(530, 531) 중 2개 이상이 그 상에 제조되는 기판(102)의 일부(즉, 칩)를 포함한다. RFIC(525)는, 이에 제한되는 것은 아니지만, Wi-Fi(IEEE 802.11 계열), WiMAX(IEEE 802.16 계열), IEEE 802.20, LTE(Long Term Evolution), Ev-DO, HSPA+, HSDPA+, HSUPA+, EDGE, GSM, GPRS, CDMA, TDMA, DECT, Bluetooth, 이들의 파생어 뿐만 아니라 3G, 4G, 5G 및 그 이상으로 지정되는 임의의 다른 무선 프로토콜들을 포함하는 임의의 다수의 무선 표준들 또는 프로토콜들을 구현할 수 있다. RFIC(525)는 복수의 통신 칩들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 통신 칩은 Wi-Fi 및 Bluetooth와 같은 근거리 무선 통신 전용일 수 있으며, 제2 통신 칩은 GPS, EDGE, GPRS, CDMA, WiMAX, LTE, Ev-DO 및 기타와 같은 장거리 무선 통신 전용일 수 있다.
통상의 기술자에게 인식되는 바와 같이, 이들 기능적으로 상이한 회로 모듈들 중, CMOS 트랜지스터들은 통상적으로 PMIC(515) 및 RFIC(525)를 배타적으로 제외하고 이용된다. 본 발명의 실시예들에서, PMIC(515) 및 RFIC(525)는, 본 명세서세 설명되는 수평 c-축 III-N 에피택셜 스택들의 일 실시예를 사용하여 본 명세서에 설명되는 바와 같은 III족-질화물 트랜지스터들(예를 들어, III족-질화물 트랜지스터(401)) 중 하나 이상을 사용한다. 다른 실시예들에서는, 본 명세서에 설명되는 III족-질화물 트랜지스터들을 이용하는 PMIC(515) 및 RFIC(525)가, (실리콘) 기판(102) 상에 PMIC(515) 및/또는 RFIC(525)와 모놀리식하게 집적화되는 실리콘 CMOS 기술에서 제공되는 제어기(511) 및 프로세서 코어들(530, 531) 중 하나 이상과 집적화된다. PMIC(515) 및/또는 RFIC(525) 내에서, 본 명세서에 설명되는 고 전압, 고 주파수 가능한 III족-질화물 트랜지스터들은 CMOS에 대해 배타적으로 사용될 필요가 없고, 오히려 PMIC(515) 및 RFIC(525)의 각각에 실리콘 CMOS가 더욱 포함될 수 있다는 점이 이해될 것이다.
본 명세서에 설명되는 III족-질화물 트랜지스터들은 고 전압 스윙이 존재하는 경우(예를 들어, PMIC(515) 내의 7-10V 배터리 전력 조정, DC-to-DC 변환 등)에 특히 이용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예에서, PMIC(515)는, 배터리(513)에 연결되는 입력을 갖고, SoC(510) 내의 모든 다른 기능 모듈들에 전류 공급을 제공하는 출력을 갖는다. 다른 실시예에서는, 모바일 컴퓨팅 플랫폼(500) 내이지만 SoC(510)에서 떨어져 추가 IC들이 제공되는 경우, PMIC(515) 출력은 SoC(510)에서 떨어진 모든 이러한 추가 IC들에 전류 공급을 더욱 제공한다.
더욱 도시되듯이, 예시적인 실시예에서, PMIC(515)는, 안테나에 연결되는 출력을 갖고, RF 아날로그 및 디지털 기저대역 모듈(도시되지 않음)과 같은 SoC(510) 상의 통신 모듈들에 연결되는 입력을 더 가질 수 있다. 대안적으로, 이러한 통신 모듈들은, SoC(510)로부터 IC 오프-칩 상에 제공될 수 있고, 송신을 위해 SoC(510)에 연결될 수 있다. 사용되는 III족-질화물 재료들에 따라서, 본 명세서에 설명되는 III족-질화물 트랜지스터들(예를 들어, III-N 트랜지스터(401))은 적어도 캐리어 주파수(예를 들어, 3G 또는 GSM 셀룰러 통신을 위해 설계되는 RFIC(725)에서 1.9GHz)의 10배인 Ft를 갖는 전력 증폭기 트랜지스터로부터 요구되는 큰 PAE(Power Added Efficiency)를 더욱 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 구현에 따른 컴퓨팅 디바이스(600)를 도시한다. 컴퓨팅 디바이스(600)는 보드(602)를 수용한다. 보드(602)는, 이에 제한되지는 않지만 프로세서(604) 및 적어도 하나의 통신 칩(606)을 포함하는 다수의 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 프로세서(604)는 보드(602)에 물리적으로 및 전기적으로 연결된다. 일부 실시예들에서 적어도 하나의 통신 칩(606) 또한 보드(602)에 물리적으로 및 전기적으로 연결된다. 다른 실시예들에서, 통신 칩(606)은 프로세서(604)의 일부이다.
그 응용들에 따라, 컴퓨팅 디바이스(600)는 보드(602)에 물리적으로 및 전기적으로 연결될 수 있거나 또는 연결되지 않을 수 있는 다른 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 이들 다른 컴포넌트들은, 이에 제한되는 것은 아니지만, 휘발성 메모리(예를 들어, DRAM), 불휘발성 메모리(예를 들어, ROM), 프래시 메모리, 그래픽 프로세서, 디지털 신호 프로세서, 크립토 프로세서, 칩셋, 안테나, 디스플레이, 터치스크린 디스플레이, 터치스크린 제어기, 배터리, 오디오 코덱, 비디오 코덱, 전력 증폭기, GPS(Global Positioning System) 디바이스, 나침반, 가속도계, 자이로스코프, 스피커, 카메라 및 (하드 디스크 드라이브, CD(Compact Disk), DVD(Digital Versatile Disk) 등과 같은) 대용량 스토리지 디바이스를 포함할 수 있다.
통신 칩(606)은 컴퓨팅 디바이스(600)로의, 및 컴퓨팅 디바이스(600)로부터의 데이터 전달을 위한 무선 통신을 가능하게 한다. "무선(wireless)"이란 용어 및 그 파생어들은, 비-고체 매체를 통한 변조된 전자기 방사(electromagnetic radiation)를 이용하여 데이터를 통신할 수 있는, 회로들, 디바이스들, 시스템들, 방법들, 기술들, 통신 채널들 등을 설명하는데 이용될 수 있다. 이러한 용어는 관련 디바이스들이 임의의 배선들을 포함하지 않음을 시사하지 않지만, 일부 실시예들에서는 그렇지 않을 수도 있다. 통신 칩(606)은, 이에 제한되는 것은 아니지만, Wi-Fi(IEEE 802.11 계열), WiMAX(IEEE 802.16 계열), IEEE 802.20, LTE(Long Term Evolution), Ev-DO, HSPA+, HSDPA+, HSUPA+, EDGE, GSM, GPRS, CDMA, TDMA, DECT, Bluetooth, 이들의 파생어 뿐만 아니라 3G, 4G, 5G 및 그 이상으로 지정되는 임의의 다른 무선 프로토콜들을 포함하는 임의의 다수의 무선 표준들 또는 프로토콜들을 구현할 수 있다. 컴퓨팅 디바이스(600)는 복수의 통신 칩들(606)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 통신 칩(606)은 Wi-Fi 및 Bluetooth와 같은 근거리 무선 통신 전용일 수 있으며, 제2 통신 칩(606)은 GPS, EDGE, GPRS, CDMA, WiMAX, LTE, Ev-DO 및 기타와 같은 장거리 무선 통신 전용일 수 있다.
컴퓨팅 디바이스(600)의 프로세서(604)는 프로세서(604) 내에 패키징된 집적 회로 다이를 포함한다. 본 발명의 일부 실시예들에서, 프로세서의 집적 회로 다이는, 본 명세서의 다른 곳에서 설명되는 실시예들에 따라 구축되는 III-N 등급화된 채널 MOS-FET들과 같은 하나 이상의 디바이스들을 포함한다. "프로세서"란 용어는 레지스터들 및/또는 메모리로부터 전자 데이터를 처리하여 그 전자 데이터를 레지스터들 및/또는 메모리에 저장될 수 있는 다른 전자 데이터로 변환하는 임의의 디바이스 또는 디바이스 일부를 말할 수 있다.
통신 칩(606)은 또한 통신 칩(606) 내에 패키징된 집적 회로 다이를 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 통신 칩의 집적 회로 다이는, 본 명세서에서 다른 곳에 설명되는 실시예들에 따라 특징들을 갖고 및/또는 제조되는 MOS-FET들과 같은 하나 이상의 디바이스를 포함한다.
추가 구현들에서, 컴퓨팅 디바이스(600) 내에 수용되는 다른 구성요소는, 본 명세서의 다른 곳에 설명되는 실시예들에 따라 특징들을 갖고 및/또는 제조되는 MOS-FET들과 같은 하나 이상의 디바이스를 포함하는 집적 회로 다이를 포함할 수 있다.
실시예들에서, 컴퓨팅 장치(600)는, 랩탑, 넷북, 노트북, 울트라북, 스마트폰, 태블릿, PDA(Personal Digital Assistant), 울트라 모바일 PC, 모바일 폰, 데스크탑 컴퓨터, 서버, 프린터, 스캐너, 모니터, 셋-탑 박스, 오락 제어 유닛, 디지털 카메라, 휴대형 음악 재생기, 또는 디지털 비디오 레코더일 수 있다.
위 설명은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 의도된 점이 이해되어야 한다. 예를 들어, 도면들에서 흐름도는 본 발명의 특정 실시예들에 의해 수행되는 작업들의 특정 순서를 도시하지만, 이러한 순서가 요구되지 않을 수 있다는 점이 이해되어야 한다(예를 들어, 대안적인 실시예들은, 이러한 작업들을 다른 순서로 수행할 수 있거나, 특정 작업들을 조합할 수 있거나, 특정 작업들을 중복할 수 있는 등). 또한, 위 설명을 읽어보고 이해하면 통상의 기술자들에게 다수의 다른 실시예들이 명백할 것이다. 비록 본 발명은 특정 예시적 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명이 설명된 실시예들에 제한되는 것이 아니고, 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위 이내에서 변형 및 대체물로 실시될 수 있음이 인식될 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는, 첨부된 특허청구범위를 참조하여, 이러한 청구범위가 인정되는 등가물들의 전체 범위와 함께 결정되어야 한다.

Claims (25)

  1. 기판 상에 배치되는 비평면형 III-N 트랜지스터로서,
    III-N 반도체 채널의 대향 {0001} 표면들 상의 2개의 와이드 밴드 갭 재료층들을 포함하는 비평면형 III-N 반도체 바디- 상기 III-N 반도체 채널은 상기 2개의 와이드 밴드 갭 재료층들 사이에서 c-축을 따라 조성적 등급화를 가짐 -;
    게이트 유전체 및 게이트 전극을 포함하는 게이트 스택(stack)- 상기 게이트 스택은, 상기 2개의 와이드 밴드 갭 재료층들 사이의 거리에 걸친(span) 상기 반도체 채널의 대향 표면들 위에 배치됨 -; 및
    상기 게이트 스택의 대향 사이드들에서 상기 비평면형 III-N 반도체 바디에 임베디드(embedded)되거나 또는 이에 연결되는 한 쌍의 소스/드레인 영역들
    을 포함하는 III-N 트랜지스터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 III-N 반도체 채널은, 상기 2개의 와이드 밴드 갭 재료층들 중 적어도 하나로부터, 상기 c-축에 직교하고 상기 III-N 반도체 채널 내에 중심을 두는 중심 평면을 향해 감소하는 밴드 갭을 갖는 III-N 트랜지스터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 III-N 반도체 채널은, 상기 2개의 와이드 밴드 갭 재료층들 양자 모두로부터 상기 중심 평면을 향해 감소하는 밴드 갭을 갖는 III-N 트랜지스터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 조성적 등급화는 상기 중심 평면에 대하여 균일하고 대칭적인 III-N 트랜지스터.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 조성적 등급화는, 상기 2개의 와이드 밴드 갭 재료층들 중 적어도 하나로부터 먼 쪽의 지점에 비해 상기 2개의 와이드 밴드갭 재료층들 중 적어도 하나에 근접하여 더 낮은 In 함량(content) 및 더 높은 Al 함량 중 적어도 하나를 포함하는 III-N 트랜지스터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 In 함량은 상기 적어도 하나의 와이드 밴드갭 재료층과 상기 중심 평면 사이에서 적어도 10%만큼 변하는 III-N 트랜지스터.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 III-N 반도체 채널은, 상기 와이드 밴드 갭 재료층들 각각에 근접하는 GaN으로부터 상기 중심 평면에서 10% 인듐까지 조성적으로 등급화되는 III-N 트랜지스터.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 III-N 반도체 채널은, 상기 와이드 밴드 갭 재료층들 중 제1 층에 인접하는 GaN으로부터 상기 와이드 밴드 갭 재료층들 중 제2 층에서의 최대 In 함량까지 조성적으로 등급화되는 III-N 트랜지스터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 게이트 스택은 상기 2개의 와이드 밴드 갭 재료층들 양자 모두를 완전히 둘러싸서 III-N 나노와이어 트랜지스터를 형성하는 III-N 트랜지스터.
  10. 제9항에 있어서,
    수직 스택의 나노와이어들 내에 배치되는 나노와이어를 더 포함하며, 각각의 나노와이어들은 상기 2개의 와이드 밴드 갭 재료층들 사이에서 c-축을 따라 조성적으로 등급화되는 III-N 반도체 채널을 포함하는 채널 영역을 갖는 III-N 트랜지스터.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 III-N 반도체 채널은, 상기 2개의 와이드 밴드 갭 재료층들 각각에 근접하여 최고이고, 상기 중심 평면을 향해 감소하는 Al 함량으로 조성적으로 등급화되는 III-N 트랜지스터.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 비평면형 III-N 반도체 바디의
    Figure 112015041553738-pct00009
    표면에 근접하는 와이드 밴드 갭 재료층은, AlN, AlInN, AlGaN 또는 AlInGaN을 포함하는 그룹으로부터 선택되고, 상기 비평면형 III-N 반도체 바디의 (0001) 표면에 근접하는 와이드 밴드 갭 재료층은, AlN, AlInN, AlGaN 또는 AlInGaN으로 구성되는 III-N 트랜지스터.
  13. 기판 상에 배치되는 비평면형 III-N 트랜지스터로서,
    III-N 반도체 채널의 대향 사이드들 상의 2개의 와이드 밴드 갭 결정성 재료층들을 포함하는 비평면형 III-N 반도체 바디- 상기 III-N 반도체 채널은 상기 2개의 와이드 밴드 갭 결정성 재료층들 사이에서 c-축을 따라 조성적 등급화를 가짐 -;
    게이트 유전체 및 게이트 전극을 포함하는 게이트 스택- 상기 게이트 스택은, 상기 2개의 와이드 밴드 갭 결정성 재료층들 사이의 거리에 걸친 상기 반도체 채널의 대향 표면들 위에 배치됨 -; 및
    상기 게이트 스택의 대향 사이드들에서 상기 비평면형 III-N 반도체 바디에 임베디드되거나 또는 이에 연결되는 한 쌍의 소스/드레인 영역들
    을 포함하고,
    상기 트랜지스터의 임계 전압을 초과하는 게이트 전극 상의 바이어스 전압에 응답하여 대향 표면들 양자 모두에 인접하여 상기 III-N 반도체 채널에 전송 채널이 형성되는 III-N 트랜지스터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 III-N 반도체 채널의 (0001) 표면에 근접하는 상기 와이드 밴드 갭 결정성 재료층들 중 제1 층에 인접하는 전송 채널은, 상기 (0001) 표면 및 상기 반도체 채널의 복수의 {1010} 표면들을 걸치는 연속적인 전송 채널을 형성하는 III-N 트랜지스터.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 III-N 반도체 채널은, 상기 2개의 와이드 밴드 갭 결정성 재료층들 양자 모두로부터 상기 반도체 채널의 중심을 통과하는 평면을 향해 감소하는 밴드 갭을 갖는 III-N 트랜지스터.
  16. SoC(System on Chip)로서,
    스위칭 전압 레귤레이터 또는 스위칭 모드 DC-DC 변환기 중 적어도 하나를 포함하는 PMIC(Power Management Integrated Circuit); 및
    양자 모두가 적어도 20GHz인 컷-오프 주파수(Ft) 및 최대 발진 주파수(Fmax)로 동작하고, 반송파 주파수를 생성하도록 동작될 수 있는 전력 증폭기를 포함하는 RFIC(RF Integrated Circuit) - 상기 Ft는 상기 반송파 주파수의 적어도 10배임 -
    를 포함하고,
    상기 PMIC 및 RFIC 양자 모두는 동일 기판 상에 모놀리식하게 집적되며, 상기 PMIC 및 RFIC 중 적어도 하나는 제1항의 III-N 트랜지스터를 포함하는 SoC.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 기판 상에 집적된 상기 PMIC 및 RFIC 중 적어도 하나의 제어기를 더 포함하고, 상기 제어기는 실리콘 전계 효과 트랜지스터들로 제조되는 CMOS 기술을 포함하는 SoC.
  18. 모바일 컴퓨팅 디바이스로서,
    터치스크린;
    배터리;
    안테나;
    상기 배터리에 연결되는 DC-to-DC 변환기; 및
    PA(Power Amplifier)를 더 포함하는 무선 송신기
    를 포함하고,
    상기 DC-to-DC 변환기 및 PA 중 적어도 하나는 제1항에서와 같은 III-N 트랜지스터를 포함하는 모바일 컴퓨팅 디바이스.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 DC-to-DC 변환기는 제1항에서와 같은 제1 III-N 트랜지스터를 포함하고, 상기 PA는 제1항에서와 같은 제2 III-N 트랜지스터를 사용하는 모바일 컴퓨팅 디바이스.
  20. III-N FET(Field Effect Transistor)를 형성하는 방법으로서,
    기판 위에 결정성 와이드 밴드 갭 천이층을 형성하는 단계;
    상기 천이층 위에 III-N 반도체 채널층을 에피택셜하게 성장시키는 단계- 상기 성장 단계는, 상기 채널층의 두께에 대해 상기 III-N 반도체 채널층의 조성을 분극층에 근접하는 더 좁은 밴드 갭 조성을 향해 등급화하는 단계를 포함함 -;
    상기 III-N 반도체 채널층 위에 와이드 밴드 갭 분극층을 에패틱셜하게 성장시키는 단계; 및
    상기 천이층과 분극층 사이의 상기 III-N 반도체 채널층의 표면들 위에 게이트 스택을 형성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 III-N 반도체 채널층을 에피택셜하게 성장시키는 단계는, 상기 III-N 반도체 채널층의 조성이 상기 III-N 반도체 채널층의 1/2 두께 근처에서 대칭적이 되도록 상기 III-N 반도체 채널층의 조성을 등급화하는 단계를 더 포함하는 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 III-N 반도체 채널층을 에피택셜하게 성장시키는 단계는, 상기 채널층의 두께에 대해 상기 III-N 반도체 채널층의 조성을 분극층에 근접하는 더 좁은 밴드 갭 조성을 향해 등급화하는 단계의 대안으로서, 상기 III-N 반도체 채널층의 조성을 제1 더 높은 인듐 함량 및 단조 감소하는 인듐 함량으로부터 등급화하는 단계를 포함하는 방법.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 III-N 반도체 채널층을 에피택셜하게 성장시키는 단계는, 상기 III-N 반도체 채널층의 조성을 상기 천이층에 근접하여 제1 더 높은 알루미늄 함량으로부터 가장 좁은 밴드 갭 조성을 향해 단조 감소하는 알루미늄 함량으로 등급화하는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 III-N 반도체 채널층을 에피택셜하게 성장시키는 단계는, 상기 III-N 반도체 채널층의 조성을 적어도 30% Al을 갖는 AlGaN으로부터 가장 좁은 밴드갭 조성에서의 GaN까지 등급화하고 나서, 적어도 30% Al을 갖는 AlGaN으로 되돌리는 단계를 포함하는 방법.
  25. 제20항에 있어서,
    상기 게이트 스택을 형성하는 단계는,
    원자 층 적층 공정을 사용하여 상기 III-N 반도체 채널층의 2 이상의 {1010} 표면들 위에 하나 이상의 게이트 유전체층을 적층하는 단계; 및
    상기 게이트 유전체층 위에 하나 이상의 게이트 전극층을 적층하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
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