HK1188514A - 具有柵極隔離物的增強型gan高電子遷移率晶體管器件及其製備方法 - Google Patents

Description

具有栅极隔离物的增强型GaN高电子迁移率晶体管器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及增强型氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)器件的领域。具体地，本发明涉及用于提供具有栅极隔离物的增强型HEMT器件的方法和装置。

背景技术

氮化镓(GaN)半导体器件用作功率半导体器件日益受到欢迎，原因在于氮化镓(GaN)半导体器件具有承载大电流和支持高电压的能力。这些器件的开发通常旨在高功率/高频率应用。针对这类应用而制造的器件是基于表现出高电子迁移率的常规器件结构，且被称为异质结场效应晶体管(HFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)或调制掺杂场效应晶体管(MODFET)等多种名称。

GaN HEMT器件包括具有至少两个氮化物层的氮化物半导体。形成于该半导体或缓冲层上的不同材料导致这些层具有不同的带隙。在相邻氮化物层中的不同材料还导致极化，这有助于在这两层接合处附近，尤其在具有较窄带隙的层中形成导电二维电子气(2DEG)区。

导致极化的氮化物层通常包括与GaN层相邻的AlGaN阻挡层以便包括上述2DEG，其允许电荷流过该器件。该阻挡层可以是掺杂或无掺杂的。由于所述2DEG区在零栅偏压下，存在于栅极下方，所以大多数氮化物器件是常开型或耗尽型器件。如果在施加零栅偏压时在栅极下方的2DEG区被耗尽，即被移除，则该器件可以是增强型器件。增强型器件是常关型，并且由于它们提供的附加安全性以及由于它们更易于由简单、低成本的激励电路来控制，因而符合需要。为了传导电流，增强型器件需要在栅极施加正偏压。

在常规的增强型GaN晶体管中，通过利用单独的光掩模来限定栅极金属以及p-型GaN材料或p-型AlGaN材料。例如，图1(现有技术)示出了用两种不同的光掩模处理栅极金属与栅极pGaN。图1示例说明了常规的增强型GaN晶体管器件100，其包括可为蓝宝石或硅的衬底101、多个过渡层102、非掺杂的GaN材料103、非掺杂的AlGaN材料104、源极欧姆接触金属109、漏极欧姆接触金属110、p-型AlGaN或p-型GaN材料105、高度掺杂的p-型GaN材料106以及栅极金属111。

如图1中所示，栅极金属、p-型GaN或p-型AlGaN材料由两个单独的光掩模限定。第一掩模用于通过使硬掩模图案化并使p-型GaN选择性地生长或通过使p-型GaN图案化并被蚀刻来形成p-型GaN或p-型AlGaN。第二掩模用于通过使栅极金属图案化并剥离栅极金属或通过使栅极金属图案化并被蚀刻来形成栅极金属。所述两个掩模工艺导致比光/蚀刻最小CD更宽的栅极长度。这导致高的栅极电荷、更宽的单元间距和更高的Rdson(“导通电阻”)。常规的制造方法还会增加生产成本。另一个缺陷在于，最高的电场位于朝向漏极欧姆接触金属的p-型GaN材料或p-型AlGaN材料的栅极拐角处。这种高电场导致高的栅极泄漏电流和高的栅极可靠性危险。

希望提供具有自对准栅极的增强型GaN晶体管结构，其可避免现有技术的上述缺陷。还希望提供减小p-型GaN或AlGaN的栅极拐角处的高电场的特征。

发明内容

本说明书公开的实施方案涉及具有自对准的栅极隔离物、栅极金属材料和栅极化合物的增强型GaN晶体管，及其制备方法。利用单一光掩模对这些材料进行图案化和进行蚀刻，这样可降低生产成本。所述栅极隔离物和所述栅极化合物的界面比介电膜和所述栅极化合物的界面具有更低的泄漏，从而降低栅极泄漏。此外，使用欧姆接触金属层作为场板(fieldplate)来减小朝向漏极触点的掺杂的III-V栅极化合物拐角处的电场，这导致减小的栅极泄漏电流和改进的栅极可靠性。

附图说明

图1显示常规增强型GaN晶体管的横截面视图。

图2显示具有根据此处描述的本发明第一个实施方案形成的栅极隔离物的增强型GaN HEMT器件。

图3A-3H示意显示根据本发明第一实施方案的增强型GaN HEMT器件的形成。

图4显示具有根据本发明第二实施方案形成的栅极隔离物的增强型GaN HEMT器件。

图5A-5G示意显示根据本发明第二实施方案的增强型GaN HEMT器件的形成。

图6显示具有根据本发明第三实施方案形成的栅极隔离物的增强型GaN HEMT器件。

图7A-7H示意显示根据本发明第三实施方案的增强型GaN HEMT器件的形成。

图8显示具有根据本发明第四实施方案形成的栅极隔离物的增强型GaN HEMT器件。

图9A-9G示意显示根据本发明第四实施方案的增强型GaN HEMT器件的形成。

具体实施方式

在以下详细说明中，涉及某些实施方案。对这些实施例进行足够详细的描述，以使本领域的技术人员能够实施它们。应理解的是，可采用其它实施方案，并且可对各种结构、逻辑以及电气进行改变。

本发明涉及具有自对准的栅极隔离物、栅极金属材料和栅极化合物的增强型GaN HEMT器件，及制备这类器件的方法。利用单一光掩模对这些材料进行图案化和进行蚀刻，由此降低生产成本。此外，所述栅极隔离物21和所述栅极化合物的界面比介电膜和所述栅极化合物的界面具有更低的泄漏，从而降低栅极泄漏。此外，使用欧姆接触金属层作为场板，以减小朝向漏极触点的掺杂的III-V栅极化合物拐角处的电场，这导致减小的栅极泄漏电流和改进的栅极可靠性。在源极电位下的场板保护栅极免受漏极偏压的影响。减少了栅极-漏极电荷(Qgd)。

参照图2和3A-3H，现在描述用于形成具有栅极隔离物和自对准栅极的增强型GaN HEMT器件的第一实施方案，其中在整个附图中对于同一特征一致地使用相同的附图标记。图2显示通过下文针对图3A-3E描述的方法形成的增强型GaN HEMT器件200，其具有自对准的栅极金属17和III-V栅极化合物15。器件200包括硅衬底11、缓冲材料12、非掺杂的GaN缓冲材料13、非掺杂的AlGaN阻挡材料14、III-V栅极化合物15、栅极金属17、电介质材料18、漏极欧姆接触19、源极欧姆接触20和电介质隔离物21。源极金属20还用作在栅极上方并朝向漏极触点延伸的场板。

图3A显示GaN HEMT器件200a的EPI结构，从下向上包括硅衬底11、缓冲材料12、非掺杂的GaN缓冲材料13、非掺杂的AlGaN阻挡材料14和III-V栅极化合物材料15。所述非掺杂的GaN缓冲材料13优选具有约0.5μm至约5μm的厚度。所述非掺杂的AlGaN阻挡材料14优选具有约至约的厚度。所述非掺杂的AlGaN阻挡材料14包括占AlGaN材料中金属含量的约12％-28％的Al。所述III-V栅极化合物15可具有约至约的厚度。另外，所述III-V栅极化合物15可具有每立方厘米约10¹⁸至约10²⁰个原子的p-型掺杂浓度。

如图3B中所示，栅极金属17沉积到图3A中所示的EPI结构上。可替代地，栅极金属17可在上述EPI生长结束时进行生长。栅极金属17可由难熔金属或其化合物制成，例如由钽(Ta)、氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)、钯(Pd)、钨(W)、硅化钨(WSi₂)制成。

随后，使用单一光掩模对栅极金属17进行图案化和进行蚀刻，形成图3C中所示的堆栈(stack)和结构。所述栅极金属17通过诸如等离子体蚀刻的任何已知技术进行蚀刻，之后进行光刻胶的剥离。

现在参照图3D，电介质材料21，例如二氧化硅(SiO₂)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)氮化硅(Si₃N₄)，被沉积在图3C所示的结构上。在沉积电介质材料21之后，实施回蚀刻操作，以图案化和蚀刻所述电介质材料21，在栅极金属17的侧壁上形成隔离物21(图3E中示出)。

现在参照图3F，使用栅极金属17和隔离物21作为硬掩模对III-V栅极化合物15进行蚀刻。然后在图3F结构上沉积电介质材料18，例如Si3N4。在沉积电介质材料18之后，使用接触式光掩模对所述材料18进行蚀刻，之后进行光刻胶的剥离，从而形成图3G所示的结构。

在所述图3G结构上沉积欧姆接触金属。欧姆接触金属可由钛(Ti)、铝(Al)，及覆盖金属叠层(capping metal stack)制成。在欧姆金属沉积之后，使用金属掩模来对欧姆接触金属进行图案化和进行蚀刻，形成如图3H中所示的漏极欧姆接触19和源极欧姆接触20。实施快速热退火(RTA)，以形成对AlGaN/GaN2DEG的欧姆接触。源极欧姆接触金属20在栅极上方提供，并用作场板。其减小在最接近漏极欧姆接触19的III-V栅极化合物15拐角的拐角处的电场。

根据上文所述的方法，对栅极金属17进行图案化和进行蚀刻。然后在栅极金属17的侧壁上形成电介质隔离物21。然后使用栅极金属17和隔离物21作为硬掩模对III-V栅极化合物15进行蚀刻。栅极金属17、隔离物21和栅极化合物15形成在单一光掩模之后，由此自动地自对准。欧姆接触金属19和20由Ti、Al、和覆盖金属叠层构成。源极金属20覆盖整个栅极，并用作场板。其减小朝向漏极的栅极拐角处的电场。由于使用源极欧姆接触金属20作为场板来减小朝向漏极欧姆接触19的III-V栅极拐角处的电场，实现了栅极泄漏电流的降低和栅极可靠性的改进。另外，在源极电位下的场板保护栅极免受漏极偏压的影响，这样减少了栅极-漏极电荷(Q_gd)。

现在参照图4和5A-5G，描述本发明的第二实施方案。图4显示具有通过图5A-5G中所示的方法形成的栅极隔离物21的增强型GaN HEMT器件300。所得器件300将具有自对准的栅极金属17和III-V栅极化合物15。图4中的器件300与图2中器件200的区别在于，器件300包括隔离物21，所述隔离物21不仅形成于栅极金属17的侧壁上，而且形成于III-V栅极化合物15的侧壁上。

图5A显示EPI结构300a，所述EPI结构300a从下向上包括硅衬底11、缓冲材料12、非掺杂的GaN缓冲材料13、非掺杂的AlGaN阻挡材料14和III-V栅极化合物材料15。所述各种材料的尺寸和组成与第一实施方案的类似。

如图5B中所示，如在第一实施方案中一样，栅极金属17在图5A中所示的EPI结构上沉积或生长。

随后，使用单一光掩模对栅极金属17和III-V栅极化合物15进行图案化和进行蚀刻，形成图5C中所示的堆栈和结构(之后实施光刻胶的剥离)。

参照图5D，如前文所述，在图5C结构上沉积电介质材料21，例如二氧化硅(SiO₂)。在沉积电介质材料21之后，实施回蚀刻操作，以图案化和蚀刻所述电介质材料21，在栅极金属17的侧壁上和III-V栅极化合物15的侧壁上形成隔离物21(图5E中示出)。

然后在图5E结构上沉积电介质材料18，例如Si3N4。在沉积电介质材料18之后，使用接触式光掩模对该材料18进行蚀刻，之后进行光刻胶的剥离，从而形成图5F中所示的结构。

在图5F结构的上沉积欧姆接触金属。欧姆接触金属可由钛(Ti)、铝(Al)，及覆盖金属叠层(capping metal stack)制成。在欧姆金属沉积之后，使用金属掩模来对欧姆接触金属进行图案化和进行蚀刻，形成如图5G中所示的漏极欧姆接触19和源极欧姆接触20。实施快速热退火(RTA)，以形成对AlGaN/GaN2DEG的欧姆接触。源极欧姆接触金属20在栅极上方提供，并用作场板。其减小在最接近漏极欧姆接触19的III-V栅极化合物15拐角的拐角处的电场。

根据上文所述的方法，对栅极金属17和III-V栅极化合物15使用单一光掩模进行图案化和进行蚀刻，因此它们是自对准的，具有与第一实施方案相同的优点。

现在参照图6和7A-7H，描述本发明的第三实施方案。图6显示通过下文针对图7A-7H所述的方法形成的增强型GaN HEMT器件400，其具有自对准的栅极金属17和III-V栅极化合物15。器件400包括硅衬底11、缓冲材料12、非掺杂的GaN缓冲材料13、非掺杂的AlGaN阻挡材料14、III-V栅极化合物15、栅极金属17、电介质材料18、漏极欧姆接触19、源极欧姆接触20、电介质隔离物21和介电膜22。源极金属20也用作在栅极上方并朝向漏极触点延伸的场板。

图7A显示GaN HEMT器件400a的EPI结构，所述EPI结构从下向上包括硅衬底11、缓冲材料12、非掺杂的GaN缓冲材料13、非掺杂的AlGaN阻挡材料14和III-V栅极化合物材料15。所述非掺杂的GaN缓冲材料13优选具有约0.5至约5μm的厚度。所述非掺杂的AlGaN阻挡材料14优选具有约至约的厚度。所述非掺杂的AlGaN阻挡材料14包括占AlGaN材料中金属含量的约12％-28％的Al。所述III-V栅极化合物15可具有约至约的厚度。另外，所述III-V栅极化合物15可具有每立方厘米约10¹⁸至约10²⁰个原子的p-型掺杂浓度。

如图7B中所示，栅极金属17沉积到图7A中所示的EPI结构上。可替代地，栅极金属17可在上述EPI生长结束时进行生长。栅极金属17可由难熔金属或其化合物制成，例如由钽(Ta)、氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)、钯(Pd)、钨(W)或硅化钨(WSi₂)制成。介电膜22，例如二氧化硅(SiO₂)，通过任何已知方法沉积或形成在栅极金属17上。

随后，使用单一光掩模对栅极金属17和介电膜22进行图案化和进行蚀刻，形成图7C中所示的堆栈和结构。所述栅极金属17和所述和介电膜22通过诸如等离子体蚀刻的任何已知技术进行蚀刻，之后进行光刻胶的剥离。

现在参照图7D，将电介质材料21，例如二氧化硅(SiO₂)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)氮化硅(Si₃N₄)，现沉积在图7C所示的结构上。在沉积电介质材料21之后，实施回蚀刻操作，以图案化和蚀刻所述电介质材料21，在栅极金属17的侧壁上和介电膜22的侧壁上形成隔离物21(图7E中示出)。

现在参照图7F，使用在栅极金属17之上的介电膜22和隔离物21作为硬掩模实施对III-V栅极化合物15的蚀刻。然后在图7F结构上沉积电介质材料18，例如Si3N4。在沉积电介质材料18之后，使用接触式光掩模对所述材料18进行蚀刻，之后进行光刻胶的剥离，从而形成图7G所示的结构。

在所述图7G所示的结构上沉积欧姆接触金属。欧姆接触金属可由钛(Ti)、铝(Al)，及覆盖金属叠层制成。在欧姆金属沉积之后，使用金属掩模来对欧姆接触金属进行图案化和进行蚀刻，形成如图7H中所示的漏极欧姆接触19和源极欧姆接触20。实施快速热退火(RTA)，以形成对AlGaN/GaN2DEG的欧姆接触。源极欧姆接触金属20在栅极上方提供，并用作场板。其减小在最接近漏极欧姆接触19的III-V栅极化合物15拐角的拐角处的电场。

现在参照图8和9A-9G，描述本发明的第四实施方案。图8显示具有通过图9A-9G中所示方法形成的栅极隔离物21的增强型GaN HEMT器件500。所得器件500将具有自对准的栅极金属17和III-V栅极化合物15。器件500与图6中器件400的区别在于，器件500包括隔离物21，所述隔离物21不仅形成于栅极金属17和介电膜22的侧壁上，而且形成于III-V栅极化合物15的侧壁上。

图9A显示EPI结构500a，所述EPI结构500a从下向上包括硅衬底11、缓冲材料12、非掺杂的GaN缓冲材料13、非掺杂的AlGaN阻挡材料14和III-V栅极化合物材料15。所述各种材料的尺寸和组成与上述第三实施方案的类似。

如图9B中所示，如在第三实施方案中一样，栅极金属17在图9A中所示的EPI结构上沉积或生长，然后在栅极金属17之上形成介电膜22(例如SiO₂)。

随后，使用单一光掩模对介电膜22、栅极金属17和III-V栅极化合物15进行图案化和进行蚀刻，形成图9C中所示的堆栈和结构(之后实施光刻胶的剥离)。

参照图9D，与第三实施方案类似，将电介质材料21，例如二氧化硅(SiO₂)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)氮化硅(Si₃N₄)，沉积在图9C结构之上。在沉积电介质材料21之后，实施回蚀刻操作，以图案化和蚀刻所述电介质材料21，在介电膜22、栅极金属17和III-V栅极化合物15的侧壁上形成隔离物21(图9E中示出)。

然后，在图9E结构之上沉积电介质材料18，例如Si₃N₄。在沉积电介质材料18之后，使用接触式光掩模对该材料18进行蚀刻，之后进行光刻胶的剥离，从而形成图9F中所示的结构。

在图9F所示的结构上沉积欧姆接触金属。欧姆接触金属可由钛(Ti)、铝(Al)，及覆盖金属叠层制成。在欧姆金属沉积之后，使用金属掩模对欧姆接触金属进行图案化和进行蚀刻，形成如图9G中所示的漏极欧姆接触19和源极欧姆接触20。实施快速热退火(RTA)，以形成对AlGaN/GaN2DEG的欧姆接触。源极欧姆接触金属20在栅极上方提供，并用作场板。其减小在最接近漏极欧姆接触19的III-V栅极化合物15拐角的拐角处的电场。

根据上文所述的方法，对栅极金属17和III-V栅极化合物15使用单一光掩模进行图案化和进行蚀刻，因此它们是自对准的，具有与第一至第三实施方案相同的优点。

以上描述和附图仅被认为是对实现说明书中所述特征和优点的具体实施方案的说明。可对具体操作条件进行修改和替换。因此，本发明的实施方案不应被认为受前文描述和附图的限制。

Claims (19)

1.增强型GaN晶体管，包含：

衬底；

在所述衬底之上的缓冲材料；

在所述缓冲材料之上的阻挡材料；

在所述阻挡材料之上的栅极III-V化合物；

在所述栅极III-V化合物之上的栅极金属；和

至少在所述栅极金属的侧壁上形成的隔离物材料。

2.权利要求1所述的晶体管，其中所述栅极III-V化合物和所述栅极金属用自对准的单一光掩模方法形成。

3.权利要求1或2所述的晶体管，其中所述缓冲材料含有GaN。

4.权利要求1、2或3所述的晶体管，其中所述阻挡材料含有AlGaN。

5.前述权利要求的任一项中所述的晶体管，其中所述隔离物材料形成在所述栅极金属和栅极III-V化合物的侧壁上。

6.前述权利要求的任一项中所述的晶体管，其进一步含有在所述栅极金属之上的电介质材料。

7.权利要求6所述的晶体管，其中所述隔离物材料还形成在所述电介质材料的侧壁上。

8.权利要求6所述的晶体管，其中所述隔离物材料形成在所述栅极金属、栅极III-V化合物和电介质材料的侧壁上。

9.前述权利要求的任一项中所述的晶体管，其中所述隔离物含有二氧化硅(SiO₂)。

10.前述权利要求的任一项中所述的晶体管，其中所述隔离物含有等离子体增强化学气相沉积(PECVD)氮化硅(Si₃N₄)。

11.前述权利要求的任一项中所述的晶体管，其中所述栅极金属含有一种或多种难熔金属、金属化合物及合金，例如Ta、TaN、TiN、Pd、W或WSi。

12.形成增强型GaN晶体管的方法，所述方法包括：

在衬底上形成缓冲材料；

在所述缓冲材料之上形成AlGaN阻挡层；

在所述AlGaN阻挡层之上形成III-V化合物；

在所述栅极III-V化合物之上形成含栅极金属的堆栈；

至少在所述栅极金属的堆栈的侧壁上形成隔离物材料；

使用所述栅极金属和隔离物材料作为掩模对所述III-V化合物进行蚀刻；

沉积电介质层；

蚀刻所述电介质层，以暴露漏极和源极接触区域；和

在暴露的漏极和源极接触区域中形成漏极和源极的欧姆接触。

13.权利要求12所述的方法，其中所述隔离物材料形成在所述栅极金属堆栈和栅极III-V化合物的侧壁上。

14.权利要求12或13所述的方法，其进一步包括，在每一个栅极金属堆栈之上形成电介质材料。

15.权利要求14所述的方法，其中所述隔离物材料还形成在所述电介质材料的侧壁上。

16.权利要求14所述的方法，其中所述隔离物材料形成在所述栅极金属堆栈、栅极III-V化合物和电介质材料的侧壁上。

17.权利要求12-16中任一项所述的方法，其中所述隔离物含有二氧化硅(SiO₂)。

18.权利要求12-17中任一项所述的方法，其中所述隔离物含有等离子体增强化学气相沉积(PECVD)氮化硅(Si₃N₄)。

19.权利要求12-18中任一项所述的方法，其中所述栅极金属含有一种或多种难熔金属、金属化合物及合金，例如Ta、TaN、TiN、Pd、W或WSi。