專利名稱：絕緣柵鋁鎵氮化物/氮化鉀高電子遷移率晶體管(hemt)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以氮化鋁鎵與氮化鎵為基的高電子遷移率晶體管。
背景技術(shù)：
微波系統(tǒng)一般是使用固態(tài)晶體管作為放大器與振蕩器，使得系統(tǒng)尺寸大幅縮小且可靠度增加。為能適應不斷擴展的各種微波系統(tǒng)，重要的是提高操作頻率與功率。較高頻的信號能承載更多資訊(頻寬)，使得較小的天線具有很高增益，并改善雷達的解析度。
場效應晶體管(FETs)以及高電子遷移率晶體管(HEMT)一般是固態(tài)晶體管類型，是由諸如硅(Si)或砷化鎵(GaAs)的半導體材料制成的。Si的一個缺點是具有較低的電子遷移率(約1450cm2/V-s)，會產(chǎn)生高電源電阻。該電阻使得可能以Si為基的HEMT高性能增益嚴重地降級。[CRC Press出版的“The Electrical EngineeringHandbook”(第二版)，Dorf，p.994(1997)]GaAs也是HEMT中常用到的材料，而且已經(jīng)變成民用和軍用雷達、手持式行動電話以及衛(wèi)星通訊中信號放大的標準。GaAs具有較高的電子遷移率(約6000cm2/V-s)以及比Si還低的電源電阻，可使以GaAs為基的器件能在較高頻下運作。然而，GaAs具有很小的能隙(室溫下為1.42eV)以及很小的崩潰電壓，這會阻礙以GaAs為基的HEMT在高頻下提供高功率。
氮化鎵(GaN)和氮化鋁鎵(AlGaN)半導體材料在制作上的改良，使人們將關(guān)注力集中在以AlGaN/GaN為基的HEMT開發(fā)上。這些器件可以產(chǎn)生較大的功率，這是因為它們獨特地結(jié)合了材料的特性，這些特性包括高崩潰電場，寬能隙(GaN在室溫下為3.36eV)，高傳導能帶差異以及高飽合電漂移速度。若在相同頻率下操作，尺寸相同的AlGaN/GaN放大器所產(chǎn)生的功率可以比GaAs放大器的高十倍。
Khan等人的美國專利編號第5,192,987案，揭示了在一緩沖層和一基材上成長出以AlGaN/GaN為基的HEMT，并揭示了其制作方法。Gaska等人在1997年出版的IEEEElectron Device Letters第10期第18卷第492頁的″High-TemperaturePerformance of AlGaN/GaN HFET’s on SiC Substrates”一文中；以及Wu等人在″High Al-content AlGaN/GaN HEMTs with Very High Performance″(IEDM-1999Digestpp.925-927，Washington DC，Dec.1999)一文中揭示了其它HEMT。這些器件經(jīng)已顯示出高達100億赫茲的增益-頻寬乘積(fT)(Lu等人的″AlGaN/GaNHEMTs on SiC With Over 100GHz ft and Low Microwave Noise″IEEE Transactionson Electron Devices，Vol.48，No.3，March 2001，pp.581-585)，以及高達10W/mm X頻帶的高功率密度(Wu等人的″Bias-dependent Performance ofHigh-Power AlGaN/GaN HEMTs″，IEDM-2001，Washington DC，Dec.2-6，2001)。
盡管有這些發(fā)展，以AlGaN/GaN為基的FET與HEMT還是無法產(chǎn)生具高效率和高增益的大的總微波功率。它們會產(chǎn)生具有直流柵極驅(qū)動的很高功率增益，但是頻率提升卻低到毫赫茲至數(shù)千赫茲，其放大減弱很多。
據(jù)信，交流與直流放大之間的差異主要是由器件通道內(nèi)的表面陷阱引起。雖然名稱上有些不同，但是如果補捉到一種載子后最可能的下一步驟是再激發(fā)的話，一般把雜質(zhì)或缺陷中心當作捕獲中心(或簡稱陷阱)。
平衡時，陷阱會提供電子給HEMT內(nèi)的2維電子氣體(2-DEG)。位于深達能隙內(nèi)的陷阱能階在釋放出捕獲的載子時，比位于接近價帶傳導的其它能階還慢。這是因為從接近能隙中間的中心處，要將捕獲的電子再激發(fā)到傳導帶需要增加能量的關(guān)系。
AlxGa1-xN(X＝0~1)具有表面陷阱密度，相當于在深層施體狀態(tài)帶有陷阱的晶體管的通道電荷，起動能量的范圍由0.7至1.8eV(取決于X)。在HEMT操作期間，該陷阱會捕捉通道電子。較慢的捕捉與釋放過程會讓晶體管速率降低，將使得微波頻率下的功率性能大幅降低。
據(jù)信，以AlGaN/GaN為基的HEMT的陷阱密度是取決于AlGaN層的表面以及體積。降低AlGaN層的厚度會降低總陷阱量，進而降低高頻時的捕捉效應。然而，降低AlGaN層的厚度會增加柵極漏電流的不需要的效應。正常操作時，偏壓將被施加到源極與漏極觸點之間，且電流會在觸點之間流過，主要是穿過二維區(qū)。然而，在具有較薄AlGaN層的HEMT中，電流會代之以漏入柵極，形成從源極到柵極的不需要的電流。而且，較薄的AlGaN層會造成HEMT的可用最大驅(qū)動電流降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是在尋求提供一種解決上述問題的改良的AlGaN/GaN的HEMT，通過具有很薄的AlGaN層來降低陷阱捕捉，并通過具有額外層來降低柵極漏電流以及增加最大驅(qū)動電流。本發(fā)明還揭示了制作具有這些特性的HEMT的方法。
依據(jù)本發(fā)明的HEMT包括一高電阻半導體層，其上具有勢迭半導體層。勢迭層具有比高電阻層還寬的能隙，并在勢迭層與高電阻層之間具有二維電子氣體。包括會接觸到勢迭層的源極與漏極觸點，而部分勢迭層表面并未被這些觸點覆蓋住。絕緣層是包括在勢迭層的未覆蓋表面上。沉積在絕緣層上的柵極觸點具有對柵極漏電流形成勢迭并增加HEMT最大電流驅(qū)動的絕緣層。
本發(fā)明還包括依據(jù)本發(fā)明制作HEMT的方法。其中一方法是，在金屬有機化學氣相沉積反應器內(nèi)，在基材上形成HEMT的活性層。然后，將源氣體加到反應器內(nèi)，而在HEMT的活性層上″在原位″形成一絕緣層。然后，將該HEMT從反應器中移走以做進一步處理。
依據(jù)本發(fā)明制作HEMT的另一方法是在基材上形成HEMT的活性層。然后，將該基材置于濺鍍室內(nèi)，在此，將絕緣層濺鍍到HEMT活性層的上表面上。然后，可將HEMT從濺鍍室中移走做進一步處理。
本發(fā)明的這些特點與優(yōu)點以及其它進一步的特點與優(yōu)點，對于熟知該技術(shù)領(lǐng)域的人士來說，從以下參照附圖的詳細說明會變得更明白。


圖1是依據(jù)本發(fā)明的在AlGaN層和之間具有絕緣層的AlGaN/GaN HEMT的剖視圖；圖2是圖1中的其表面上具有介電層的HEMT的剖視圖；圖3是依據(jù)本發(fā)明的只在柵極觸點下面具有絕緣層的AlGaN/GaN HEMT的剖視圖；圖4是依據(jù)本發(fā)明的在柵極觸點和AlGaN層之間具有雙絕緣層的AlGaN/GaNHEMT的剖視圖；圖5是圖4中的HEMT在其表面上具有一介電層的剖視圖；圖6是依據(jù)本發(fā)明的僅在柵極觸點下面具有雙絕緣層的AlGaN/GaN HEMT剖視圖；
圖7是依據(jù)本發(fā)明制作HEMT的方法中所使用的金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)反應器的簡圖；以及圖8是依據(jù)本發(fā)明制作HEMT的方法中所使用的濺鍍室的簡圖。
發(fā)明的詳細說明圖1顯示了依據(jù)本發(fā)明制作的以AlGaN/GaN為基的HEMT10。它包括基材11，該基材既可以是藍寶石(Al2O3)，也可以是碳化硅(SiC)，較佳的基材是4H多晶型的碳化硅。也可使用其它的碳化硅多晶型，包括3C，6H和15R多晶型。它還包括在基材11上的AlxGa1-xN緩沖層12(其中x是在0與1之間)，該緩沖層在碳化硅基材和HEMT 10的殘留物之間提供適當?shù)木w結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移。許多不同的材料可用于緩沖層12，用于SiC上的緩沖層的合適材料是AlxGa1-xN，x＝1。
針對III族氮化物，碳化硅比起藍寶石具有更加接近的晶格匹配，使III族氮化物薄膜的品質(zhì)更高。碳化硅也具有高導熱性，使得碳化硅上III族氮化物器件的總輸出功率不受限于基材的熱逸散(如同在藍寶石上形成的某些器件)。而且，半絕緣碳化硅基材的可用性提供器件絕緣的能力以及降低寄生電容，使器件商品化變成可能。SiC基材可由美國北卡羅萊納州達拉謨(Durham)的Cree Research公司購得，制作方法在科學文獻以及美國專利號34,861；4,946,547以及5,200,022案中提出。
HEMT 10包括緩沖層12上的高電阻層20以及該電阻層上的勢迭層18，使得高電阻層被夾在勢迭層18和緩沖層12之間。勢迭層18通常的厚度約為0.1至0.3微米，勢迭層18、高電阻層20以及緩沖層12最好是利用磊晶成長或離子注入在基材11上形成。
HEMT還包括在高電阻層20的表面上的源極與漏極觸點13，14。勢迭層18設(shè)置在觸點13和14之間，每個觸點接觸勢迭層的邊緣。絕緣層24是包括在觸點13和14之間的勢迭層18上。在所顯示的實施例中，絕緣層24覆蓋住整個勢迭層18，但是在其它實施例(下文將作描述)中，勢迭層18并沒有被完全覆蓋住。絕緣層24可以用許多不同的材料做成，包括但不限于氮化硅(SiN)，氮化鋁(AlN)，二氧化硅(SiO2)或由上述材料合并成多層的合成物。
對于微波器件來說，觸點13和14通常被隔開且間距范圍為1.5至10微米。整流蕭特基觸點(柵極)16位于源極和漏極觸點13，14之間的絕緣層24的表面上，而且它的長度范圍通常為0.1至2微米。HEMT的總寬度取決于所需的總功率。它可以比30微米還寬，一般的寬度范圍是100微米至6毫米。
AlxGa1-xN層18比GaN層20具有更寬的能隙，而且其能隙的不連續(xù)性會造成自由電荷從較寬的能隙轉(zhuǎn)移到較低的能隙材料中。電荷會聚集在這兩種材料之間的界面處并產(chǎn)生二維電子氣體(2DEG)22，使得電流在源極和漏極觸點13，14之間流動。2DEG具有高電子遷移率，使HEMT在高頻下具有很高跨導。施加在柵極16上的電壓是以靜電的方式控制正好在柵極底下2DEG內(nèi)的電子數(shù)目，從而控制總電子流。
源極和漏極觸點13，14最好由鈦，鋁，鎳及金的合金做成，而柵極16最好由鈦，鉑，鉻，鎳，鈦鎢合金以及硅化鉑做成。在一實施例中，觸點包括鎳，硅及鈦的合金，是通過將這些材料分別沉積成層，然后進行退火處理而形成。因為該合金系統(tǒng)剔除掉鋁，所以當退火溫度超過鋁的熔點(660℃)時，可避免不需要的鋁污染在器件表面上。
操作期間，以特定的電位(n型隧道器件的正漏極電位)加偏壓到漏極觸點14，而源極接地。這會造成電流流過隧道和2DEG，從漏極流到源極觸點13，14。該電流是通過施加到柵極16上的偏壓和頻率電位來控制，對隧道電流進行調(diào)節(jié)并提供增益。
如上所述，AlGaN層18的陷阱密度是取決于薄層體積，而且降低AlGaN層18的厚度也會降低陷阱密度，減少陷阱效應。然而，降低AlGaN層的厚度會增加柵極漏電流以及減低器件的最大電流驅(qū)動力。
在柵極16與勢迭層18之間具有絕緣層，可降低HEMT的柵極漏電流。這對改善器件的長期可靠性來說會有直接的影響，因為柵極漏電流是HEMT變差的其中一個來源。HEMT 10的啟動電壓取決于絕緣層24所使用的材料種類，而啟動電壓可以高達3-4伏。然后，HEMT 10可以在較高電流程度以及較高輸入驅(qū)動程度的聚集模式下操作。絕緣層也當作是HEMT的天然鈍化劑，以改善其可靠性。
圖2顯示了類似于圖1中的HEMT 10的以AlGaN為基的HEMT 30。HEMT 30具有類似的薄層，包括基材11，緩沖層12，GaN層20，2DEG 22，AlxGa1-xN勢迭層18和絕緣層24。HEMT 30也具有源極，柵極和漏極觸點13，14，16，類似于HEMT 10的。HEMT 30包括一額外的介電層32，該介電層設(shè)置在源極、柵極和漏極觸點13，14，16之間的絕緣層24表面上。介電層保護HEMT免于在處理時會發(fā)生不需要的鈍化、雜質(zhì)以及損壞。介電層可以用許多不同的材料或這些材料的合成物來做成，適當?shù)牟牧鲜荢ixNy。
絕緣層24用于降低柵極漏電流，并利用夾在柵極16和勢迭層18之間的絕緣層24的區(qū)段來增加電流驅(qū)動力。該區(qū)段的絕緣層24延伸到柵極16外，幫助保護觸點之間的勢迭層的表面，但是對降低漏電流或增加電流驅(qū)動力沒有幫助。
圖3顯示了依據(jù)本發(fā)明的HEMT 40的另一實施例，類似于圖1與2中的HEMT 10和30。HEMT 40具有類似的薄層，包括基材11，緩沖層12，GaN層20，2DEG 22和AlxGa1-xN勢迭層18。HEMT 30亦有類似于HEMT 10和40上的源極、柵極和漏極觸點13，14和16。然而，HEMT 40的絕緣層42只是包括在柵極觸點16底下，使得絕緣層只被夾在柵極觸點16和勢迭層18之間。觸點13，14，16之間的勢迭層18的表面沒有被絕緣層42覆蓋?？梢员３植桓采w或可以包括一介電材料料層44，來幫助降低陷阱捕捉效應，以及幫助降低任何對HEMT薄層不需要的鈍化和損壞。而且還幫助減少雜質(zhì)被加到HEMT薄層內(nèi)。
介電層最好是氮化硅(SixNy)，其中的硅是施體電子的來源，它會降低陷阱捕捉作用。最有效的是，薄層22和24應該滿足以下條件第一，應該具有提供施體電子高來源的摻雜物。對于氮化硅，該薄層應該具有高百分比的Si。雖然本申請人并不希望被任何操作理論所約束，但目前相信，來自薄層的電子會填滿表面陷阱，使得它們變成中性，而不會在操作時捕捉到勢迭層電子。
第二，摻雜物的能階應該比陷阱的能階高，為了獲得最佳結(jié)果，該能階應該比勢迭層的導帶邊緣能階高。相信這會降低電子來自處于施體狀態(tài)的柵極金屬的可能性，并防止在該能階下的陷阱捕捉以及解除捕捉。如果摻雜物的能階稍微低于勢迭層的導帶的能階，該薄層也會工作，但是其能階愈高，其工作將愈佳。
第三，對器件表面的損壞要很小或沒有損壞，而且形成介電層時不應增加表面損壞。相信表面的損壞會產(chǎn)生更多的表面陷阱。
第四，涂布層與傳導隧道表面之間的鍵結(jié)應在應力下穩(wěn)定。如果該鍵結(jié)不穩(wěn)定，相信當電子電場、電壓或溫度增加而產(chǎn)生應力時，該薄層在實際器件操作下可能會失效。
具有絕緣層的HEMT會經(jīng)歷低崩潰電壓，所述絕緣層是利用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)法在原位沉積而形成。雖然本申請人并不希望受限于任何理論，但相信，低崩潰電壓是由于在SiN層成長時AlGaN勢迭層的摻雜/劣化造成的。成長條件，比如SiN層的成長溫度，也會影響到HEMT片電荷的遷移率。降低絕緣層的成長溫度造成較低的HEMT劣化，但是也造成SiN成長率減低。
為了在沒有AlGaN勢迭層的摻雜或劣化情況下，以正常成長率提供成長出絕緣層，可以使用雙絕緣層的設(shè)計來替代單一絕緣層。圖4顯示了HEMT 50，類似于圖1、2和3中的HEMT 10、30和40。HEMT 50具有類似的基材11，緩沖層12，GaN層20，2DEG22以及AlxGa1-xN勢迭層18。HEMT 50也具有類似的源極，柵極和漏極觸點13，14和16。然而，HEMT 50使用雙絕緣層設(shè)計，而不是單一絕緣層。該雙絕緣層包括源極和漏極觸點13，14之間的勢迭層18上的AlN間隔層52。SiN絕緣層54是包括在AlN間隔層52上，柵極觸點16設(shè)置在絕緣層54上。
AlN間隔層52當作SiN絕緣層54和活性AlGaN勢迭層18之間的隔層或屏障。SiN絕緣層54在正常條件下成長時，AlN間隔層52可防止勢迭層18的摻雜/劣化。
間隔層也可以使用其它材料，只要在SiN絕緣層54以正常成長率沉積出來時，該材料能防止AlGaN勢迭層18的摻雜/劣化即可。如果可以避免掉摻雜和劣化，則也可使用在沒有間隔層情況下，直接在AlGaN層上提供沉積出SiN絕緣層的方法。本發(fā)明這些特點的重要特性可以避免HEMT的低崩潰電壓。
圖5是依據(jù)本發(fā)明的另一HEMT 60，它類似于圖4中的HEMT 50，具有類似的基材11，緩沖層12，GaN層20，2DEG 22，AlxGa1-xN勢迭層18，AlN間隔層52以及SiN絕緣層54。HEMT 60也具有類似的源極，柵極和漏極觸點13，14和16。HEMT 60也包括一在觸點13與16，14與16之間的SiN絕緣層54的曝露表面上的介電層62，類似于圖2中HEMT 30的介電層32。如同HEMT 30的介電層32，介電層54幫助保護HEMT 60免于在控制處理期間發(fā)生不需要的鈍化、雜質(zhì)以及損壞。介電層可以用許多不同的材料或這些材料的結(jié)合來制成，適當?shù)牟牧鲜荢ixNy。
圖6是依據(jù)本發(fā)明的另一HEMT 70，它類似于圖3中的HEMT 40，只在柵極觸點底下具有一絕緣層。HEMT 70具有類似的基材11，緩沖層12，GaN層20，2DEG 22，AlxGa1-XN勢迭層18以及源極，柵極和漏極觸點13，14和16。HEMT的SiN絕緣層72以及AlN間隔層74都只在柵極16底下，使得這二層都被夾在柵極16與勢迭層18之間。另一實施例(圖中未示)中，間隔層74可以延伸到柵極以下，覆蓋觸點13與16，14與16之間的勢迭層的表面。
HEMT 70也包括一介電層76，如圖所示，覆蓋在觸點13與16，14與16之間的勢迭層18的表面上。如同圖3中HEMT 40的介電層44，介電層76幫助減低陷阱捕捉效應，并幫助降低對HEMT各薄層不需要的鈍化和損壞。也幫助減少雜質(zhì)被加到HEMT各薄層內(nèi)。介電層76最好是氮化硅(SixNy)，硅是施體電子的來源，用來填滿所有的陷阱。為了更加有效，介電層76應該滿足上述的圖3的介電層44的四個條件。
上述HEMT的活性層是由AlGaN/GaN制成，但也可以用其它III族的氮化物材料制成。III族的氮化物是指氮與周期表中III族元素之間所形成的那些半導體化合物，通常是鋁(Al)、鎵(Ga)以及銦(In)。該用詞也是指如AlGaN和AlInGaN的三元和四元化合物。
制作方法本發(fā)明也揭示了制作具有單或雙絕緣層的HEMT的方法?？梢允褂肕OCVD法、電漿化學氣相沉積(CVD)法、熱燈絲裂解法(hot-filament CVD)或濺鍍法，將絕緣層沉積在AlGaN/GaN半導體材料上。
圖7顯示了一MOCVD反應器80，它是在基材上長出AlGaN/GaN活性層以及沉積絕緣層的新方法中使用。反應器80包括一反應室82，該反應室具有由一轉(zhuǎn)軸86支撐的成長平臺84。在很多的應用中，如藍寶石(Al2O3)或是碳化硅(SiC)藍寶石的基材88是設(shè)置在成長平臺84上，當然也可以使用其它的基材。
成長期間內(nèi)，用加熱元件90加熱平臺84，以保持基材88處于預設(shè)的溫度下。該溫度通常是在攝氏400與1200度(℃)之間，但可以更高或更低，視所需的成長類型而定。加熱元件90可以是不同的加熱器件，但通常是一射頻(RF)或電阻線圈。
供應載送氣體92給氣體管線94，該載送氣體是氫或氮。載送氣體92也經(jīng)由質(zhì)流控制器95a，95b，95c供應給相對應的氣泡器96a，96b，96c。氣泡器96a具有成長化合物，通常是含有甲基或乙基的烷基化物，比如三甲基鎵(TMG)，三甲基鋁(TMA)或三甲基銦(TMI)。氣泡器96b與96c也可以包含類似的金屬有機化物，能成長出III族化合物的合金。氣泡器96a，96b，96c一般是由恒溫槽98a，98b，98c保持在預設(shè)溫度下，以確保在利用載送氣體92傳送到反應室82之前，金屬有機化物的蒸氣壓不變。
打開所需組合的閥門100a，100b，100c，讓通過氣泡器96a，96b，96c的載送氣體92與氣體管線94內(nèi)流動的載送氣體92混合。然后，經(jīng)由反應室82上端的氣體輸入口102，將混合氣體注入反應室82內(nèi)。
諸如氨的含氮氣體104，經(jīng)由質(zhì)流控制器106供應到氣體管線94內(nèi)。含氮氣體的流量是受閥門108控制。如果載送氣體92與含氮氣體104混合在一起，而且氣體管線94內(nèi)的TMG蒸氣被注入到反應室82內(nèi)，則經(jīng)由TMG和含氨氣體內(nèi)的分子熱分解，會出現(xiàn)元素進而在基材88上成長出氮化鎵。
為了對基材88上的氮化鎵合金進行摻雜處理，不用于TMG的其中一個氣泡器96a、96b、96c可給摻雜材料使用，所述材料通常是鎂(Mg)或硅(Si)，但可以是其它材料，比如鋇，鈣，鋅或碳。氣泡器96b或96c是給合金材料使用，比如硼，鋁，銦，磷，砷或其它材料。一旦選定摻雜物與合金，而且打開適當?shù)拈y門100a、100b、100c使摻雜物流入裝有鎵與含氮氣體104的氣體管線94內(nèi)，則在基材88上會發(fā)生氮化鎵摻雜層的成長。
可以經(jīng)由連接到可液壓操作的泵112的氣體凈化管線110，來清除掉反應室82內(nèi)的氣體。此外，放氣閥114可使反應室82內(nèi)建立氣壓，或除去壓力。
通常是藉關(guān)閉閥門110a與100b來阻斷鎵和摻雜物源，進而停止成長，并保持含氮氣體和載送氣體流動。另一方式是，可以經(jīng)由質(zhì)流控制器118和閥門120來控制氣體116，以清洗反應室82。打開閥門114幫助清洗，使用泵112將反應室82內(nèi)的多余成長氣體抽出。通常，凈化氣體116是氫，但可以是其它氣體。關(guān)閉加熱元件90的電源，以冷卻基材88。
依據(jù)本發(fā)明的一種方法中，在AlGaN/GaN半導體材料成長之后且在冷卻反應室82之前(稱作在原位)或冷卻期間，施加絕緣層/各層。緊接在反應室82中成長出半導體材料之后，藉關(guān)閉適當?shù)拈y門組合100a，100b，100c使不需要的成長氣體流停止。可以完成反應器的短暫清洗，以去除掉上述不需要的氣體。然后，讓氣體流入反應器內(nèi)以沉積絕緣層，而在一較佳方法中，用于絕緣層的氣體由一般的MOCVD源供給。當在AlGaN/GaN半導體材料上沉積Si3N4絕緣層時，二硅甲烷(Si2H6)和氨(NH6)經(jīng)由氣體管線94被注入到反應室82內(nèi)?，F(xiàn)在會有分子出現(xiàn)，經(jīng)由熱分解將Si3N4沉積在AlGaN/GaN材料上。當沉積雙絕緣層時，在形成Si3N4層之前，先將適當?shù)臍怏w注入到反應室內(nèi)，形成AlN層。
在具有介電層的那些HEMT實施例中，介電層也可以在原位沉積出來。在介電層中可以使用到的一些化合物的實例包括Si，Ge，MgOx，MgNx，ZnO，SiNx，SiOx，ScOx，GdOx以及其合金。多重薄層與適當材料的重復薄堆迭的層可用作為勢迭層，比如SiNx/Si，MgNx/SiNx或MgNx/MgOx。不同的勢迭層可由以下的源氣體來形成來自硅甲烷或二硅甲烷的Si、來自鍺化合物的Ge，來自環(huán)戊二烯鎂或甲基-環(huán)戊二烯鎂和氨的MgNx，來自環(huán)戊二烯鎂或甲基-環(huán)戊二烯鎂和一氧化二氮的MgO，來自二甲基鋅或二甲基鋅和一氧化二氮或水的ZnO，來自硅甲烷或二硅甲烷和氨或一氧化二氮的SiNx，以及來自硅甲烷或二硅甲烷和一氧化二氮的SiOx。
沉積出絕緣層與介電層后，可以在反應室82內(nèi)冷卻半導體材料。然后，從冷卻的反應室82中取出半導體材料。當該結(jié)構(gòu)準備進行額外處理(比如金屬化處理)時，可以用一些不同的方法去除掉部分的薄層，包括濕化學氫氟酸(HF)蝕刻，反應性離子蝕刻或電漿蝕刻，但并不受限于此。
依據(jù)本發(fā)明沉積絕緣層的另一方法是通過濺鍍。圖8顯示了一簡化的濺鍍室130，可以用它在基材上沉積材料。操作時，半導體器件132是放在陽極134上。然后，將濺鍍室136抽空，且將如氬氣的惰性氣體138注入氣體管線140內(nèi)，并經(jīng)閥門142排出，以保持背景壓力。由待沉積到基材/器件上的材料所做成的陰極144設(shè)置在濺鍍室136內(nèi)。當在電極之間加上高電壓146時，惰性氣體將被離子化，且正離子148會跑到陰極144。當撞擊到陰極144時，正離子會與陰極原子150碰撞，使陰極原子獲得足夠的能量而射出。被濺鍍的陰極原子150穿過空間，最后覆蓋陽極134和半導體器件132，所述半導體器件具有來自濺鍍原子150的涂層133。
其它濺鍍裝置可以更復雜且更詳細，但它們都是在同一基本物理機理下工作。使用更復雜的濺鍍系統(tǒng)，有可能濺鍍并沉積出某一范圍的金屬與介電層。
可以使用濺鍍法將絕緣層沉積到AlGaN/GaN HEMT上。利用如MOCVD的方法，在半導體晶圓上先形成HEMT。然后，清洗該晶圓(用NH4OH∶H2O(1∶4)沖洗約10至60秒)，再將器件132放到濺鍍室136中，該濺鍍室的陰極144上具有硅源。SixNy絕緣層是以濺鍍法沉積到晶圓上。濺鍍法包括以下特定的步驟將反應室抽氣，直到壓力低至約3×10-7Torr。利用具20-100sccm流率以及約5-10mTorr的源氣體，再用200-300W的RF功率約2分鐘來起始電漿。這會轟擊陰極144上的硅，清洗其表面。然后，改變?yōu)R鍍條件，使氬氣流率為10-12sccm，氮氣流率為8-10sccm，反應室壓力為2.5-5mTorr以及RF功率為200-300W。保持該條件2分鐘，對陰極144的Si進行濺鍍。被濺鍍的硅與氮起反應，最后的氮化硅被沉積在器件132上。
濺鍍后，下個步驟130是要關(guān)閉氮氣并調(diào)高氬氣流率至20-100sccm歷時2分鐘，以清洗Si表面。然后，關(guān)閉所有的氣體與電源，讓反應室冷卻五分鐘并排氣。然后可以從濺鍍室中取出器件132?？梢詫υ撈骷谋釉龠M行蝕刻處理。使用不同的方法，包括但不限于濕化學氫氟酸(HF)蝕刻、反應性離子蝕刻或電漿蝕刻，窗口處于器件薄層中作為源極、柵極與漏極觸點。
另一方式是，在濺鍍室130內(nèi)沉積絕緣層之前，可以先在器件上沉積觸點與柵極。然后對觸點與柵極上的介電層進行蝕刻，提供導線連接。
雖然本發(fā)明已經(jīng)參考某些較佳組合以相當詳細的方式來做說明，但是其它的版本是可能的。絕緣層可以應用到不同材料系統(tǒng)的HEMT以及半導體器件上。也可以利用許多上述方法以外的其他方法來使用絕緣層，包括PECVD法、電子束沉積法、感應性耦合電漿法以及ICP沉積法。因此，所附的權(quán)利要求的精神和范圍并不是限定于說明書中所描述的較佳版本。
器件標號對照表


權(quán)利要求
1.一種高電子遷移率晶體管(HEMT)，它包括一高電阻半導體層(20)；一在所述高電阻層(20)上的勢迭半導體層(18)，所述勢迭層(18)具有一比所述高電阻層(20)還寬的能隙；一在所述勢迭層(18)和所述高電阻層(20)之間的二維電子氣體(22)；源極和漏極觸點(13，14)，它們使所述勢迭層(18)與未被所述源極和漏極觸點(13，14)覆蓋的所述勢迭層(18)的部分表面接觸；一在所述勢迭層(18)的未被覆蓋表面上的絕緣層(24)；以及一在所述絕緣層(24)上的柵極觸點(16)，所述絕緣層(16)形成對柵極漏電流的障礙并增加HEMT的最大電流驅(qū)動力。
2.如權(quán)利要求1所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述高電阻層(20)和所述勢迭半導體層(18)由III族氮化物半導體材料制成。
3.如權(quán)利要求1所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述高電阻層(20)和所述勢迭半導體層(20)由AlGaN/GaN半導體材料制成。
4.如權(quán)利要求1所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述絕緣層(24)包括氮化硅(SiN)、氮化鋁(AlN)、二氧化硅(SiO2)或這些材料的多重薄層。
5.如權(quán)利要求1所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述絕緣層(24)包括氮化硅。
6.如權(quán)利要求1所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述絕緣層(24)包括一氮化硅層和一氮化鋁，所述氮化鋁層被夾在所述勢迭層和所述氮化硅絕緣層之間。
7.如權(quán)利要求1所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述晶體管還包括一介電層(32)，該介電層覆蓋在所述觸點間勢迭層(18)和絕緣層(24)的曝露表面上。
8.如權(quán)利要求1所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述絕緣層(24)只在所述柵極觸點(16)底下并被夾在所述柵極觸點(16)和所述勢迭層(18)之間。
9.如權(quán)利要求8所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述絕緣層(24)包括一氮化硅層以及一氮化鋁層。
10.如權(quán)利要求8所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述晶體管還包括一介電層(76)，該介電層覆蓋所述觸點(13，14，16)之間的勢迭層(18)的曝露表面以及所述柵極觸點(16)下緣和所述勢迭層(18)之間的所述絕緣層(24)的曝露表面。
11.如權(quán)利要求1所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述絕緣層(24)覆蓋所述源極和所述觸點(13，14)之間的所述勢迭層(18)的表面。
12.如權(quán)利要求11所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述絕緣層(24)包括一AlN層和一SiN層，而所述AlN層被夾在所述勢迭層(18)和所述SiN層之間。
13.如權(quán)利要求11所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述晶體管還包括一在所述觸點(13，14，16)之間的所述絕緣層(24)的表面上的介電層(32)。
14.一種高電子遷移率晶體管(HEMT)，它包括一具有高電阻且非導電的GaN半導體層(20)；一在所述GaN層(20)上的AlGaN半導體勢迭層(18)，所述AlGaN層(18)具有比所述GaN層(20)還寬的能隙；一在所述AlGaN層(18)和所述GaN層(20)之間的二維電子氣體(22)；源極和漏極觸點(13，14)，它們接觸所述AlGaN層(18)，所述AlGaN層(18)在所述源極和漏極觸點(13，14)之間的表面未被覆蓋；一與所述勢迭層(18)電接觸的柵極觸點(16)；以及一對所述柵極觸點(16)和所述勢迭層(18)之間的柵極漏電流形成一障礙的器件，所述障礙也會增加HEMT的最大電流驅(qū)動力。
15.如權(quán)利要求14所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述障礙的形成器件包括一在所述勢迭層(18)上的絕緣層(24)，在所述絕緣層(24)上具有所述柵極觸點(16)，所述絕緣層(24)對柵極漏電流形成一障礙。
16.如權(quán)利要求15所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述絕緣層(24)包括氮化硅(SiN)、氮化鋁(AlN)、二氧化硅(SiO2)或這些材料的多重薄層。
17.如權(quán)利要求15所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述晶體管還包括一介電層(32)，該介電層在所述觸點(13，14，16)之間的所述絕緣層(24)和所述勢迭層(18)的表面上。
18.如權(quán)利要求14所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述障礙的形成器件包括在所述勢迭層(18)上的雙絕緣層(52，54)，而在所述雙絕緣層(52，54)上具有所述柵極觸點(16)，所述雙絕緣層的第一層(52)在所述勢迭層(18)和所述雙絕緣層(52，54)的第二層(54)之間作為一隔層，在沉積出所述雙絕緣層(52，54)的第二層(54)時，防止對所述勢迭層摻雜或損壞。
19.如權(quán)利要求18所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述雙絕緣層(52，54)包括一AlN層(52)和一SiN層(54)，所述AlN層(52)作為所述勢迭層(18)和SiN層(54)之間的隔層。
20.如權(quán)利要求18所述的高電子遷移率晶體管，其特征在于，所述晶體管還包括一介電層(62)，該介電層在所述觸點(13，14，16)之間的所述雙絕緣層(52，54)和勢迭層(18)的表面上。
21.一種對柵極漏電流形成障礙的高電子遷移率晶體管(HEMT)的制作方法，該方法包括以下步驟將一基材(88)放入MOCVD反應器(80)中；使源氣體流入所述反應室(82)內(nèi)，以在所述基材(88)上形成一高電阻GaN層(12)；使源氣體流入所述反應室(82)內(nèi)，在所述高電阻GaN層(12)上形成AlGaN層(18)，所述AlGaN層(18)具有比所述高電阻GaN層(12)還寬的能隙；使源氣體流入所述反應室(82)內(nèi)，在所述AlGaN層上形成一絕緣層(24)；冷卻所述反應室(82)；以及將具有沉積層的基材(88)從所述反應室(82)取出。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，該方法還包括對所述絕緣層(24)和勢迭層(18)進行蝕刻，以作為源極和漏極觸點(13，14)。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，該方法還包括在蝕刻區(qū)內(nèi)分別沉積源極和漏極觸點(13，14)。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，該方法還包括在所述絕緣層(24)上沉積一柵極觸點(16)。
25.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述絕緣層(24)包括氮化硅(SiN)、氮化鋁(AlN)、二氧化硅(SiO2)或這些材料的多重薄層。
26.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述絕緣層(24)包括氮化硅(SiN)。
27.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述絕緣層(24)包括一氮化硅層(54)和一氮化鋁層(52)，所述氮化鋁層(52)被夾在所述勢迭層(18)和所述氮化硅層(54)之間。
28.一種對柵極漏電流形成障礙的高電子遷移率晶體管(HEMT)的制作方法，該方法包括以下步驟在一基材(132)上制作出所述HEMT的活性層；將所述基材(132)放入一濺鍍室(136)內(nèi)；在所述濺鍍室(136)內(nèi)的基材(132)上濺鍍一絕緣層(24)；以及將所述基材(132)從所述濺鍍室(136)取出。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述絕緣層(24)包括氮化硅(SiN)、氮化鋁(AlN)、二氧化硅(SiO2)或這些材料的多重薄層。
30.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述絕緣層(24)包括氮化硅。
31.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述絕緣層(24)包括一氮化硅層(54)和一氮化鋁層(52)，所述氮化鋁層(52)被夾在所述勢迭層(18)與氮化硅層(54)之間。
32.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，該方法還包括形成與所述活性層接觸的源極和漏極觸點(13，14)。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，該方法還包括在所述絕緣層(24)上形成一柵極觸點(16)。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，該方法還包括在所述觸點(13，14，16)之間的所述勢迭層(18)和絕緣層(24)的表面上形成一介電層(32)。
35.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述活性層是用金屬-有機氣相沉積(MOCVD)法制作。
36.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述絕緣層(24)是氮化硅，所述薄層是通過將所述濺鍍室(136)抽氣到一預設(shè)壓力而在所述HEMT活性層上沉積出來，用源氣體轟擊一硅源(144)來清洗其表面，改變?yōu)R鍍室(136)的條件以便對硅(144)進行濺鍍處理，以及讓濺鍍的硅與氮反應而沉積出一氮化硅層(133)。
37.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述活性層包括一高電阻GaN層(20)和一AlGaN層(18)，所述GaN層(20)被夾在所述基材和所述AlGaN層(18)之間。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述AlGaN層(18)具有比所述GaN層(20)還寬的能隙。
全文摘要
本發(fā)明所揭示的AlGaN/GaN HEMT具有一很薄的AlGaN層，以降低陷阱捕捉，而且還具有額外層，以降低柵極漏電流并增加最大驅(qū)動電流。依據(jù)本發(fā)明的一HEMT包括一高電阻半導體層(20)，其上具有一勢迭半導體層(18)。勢迭層(18)具有比高電阻層(20)還寬的能隙，并在各層之間形成一二維電子氣體(22)。源極和漏極觸點(13，14)接觸勢迭層(18)，勢迭層(18)的一部分表面未被觸點(13，14)覆蓋。一絕緣層(24)在勢迭層(18)的未覆蓋表面上，而一柵極觸點(16)在絕緣層(24)上。絕緣層(24)對柵極漏電流形成阻障，并幫助增加HEMT的最大電流驅(qū)動力。本發(fā)明也包括本發(fā)明HEMT的制作方法。在其中一方法中，HEMT及其絕緣層是用金屬有機氣相沉積(MOCVD)法制作。在另一方法中，所述絕緣層是在一濺鍍室內(nèi)被濺鍍到HEMT的上表面上。
文檔編號H01L31/0328GK1557024SQ02818502
公開日2004年12月22日 申請日期2002年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月24日
發(fā)明者P·帕里克, U·米史拉, 吳益逢, P 帕里克, 防 申請人:美商克立股份有限公司