專(zhuān)利名稱(chēng)：常關(guān)型氮化鎵基半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)總體涉及半導(dǎo)體器件。更特別地，本公開(kāi)涉及常關(guān)型氮化鎵基半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
人們正在研究用于高功率電子應(yīng)用的各種III-V族化合物。這些化合物包括III-V族氮化物，如氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)和氮化鋁銦鎵(AlInGaN)。這些化合物可以用來(lái)形成用于高功率高電壓應(yīng)用的高電子遷移率晶體管(HEMT)。許多常規(guī)的GaN基晶體管器件工作在常開(kāi)狀態(tài)或耗盡模式。這通常要求使用負(fù)偏壓以便關(guān)閉晶體管器件。使用負(fù)偏壓通常是不期望的。雖然已經(jīng)提出了一些常關(guān)型GaN基晶體管器件，但這些器件也有各種缺點(diǎn)
發(fā)明內(nèi)容



為了更徹底理解本公開(kāi)及其特征，現(xiàn)在結(jié)合附圖參考下面描述，其中圖I示出根據(jù)本公開(kāi)的第一示例常關(guān)型氮化鎵基半導(dǎo)體器件；圖2示出根據(jù)本公開(kāi)的在圖I的半導(dǎo)體器件中的示例極化；圖3示出根據(jù)本公開(kāi)的與圖I的半導(dǎo)體器件關(guān)聯(lián)的示例能帶圖；圖4A和4B示出根據(jù)本公開(kāi)的圖I的半導(dǎo)體器件的電學(xué)特性和組成之間的示例關(guān)系;圖5示出根據(jù)本公開(kāi)的第二示例常關(guān)型氮化鎵基半導(dǎo)體器件；以及圖6示出根據(jù)本公開(kāi)的形成常關(guān)型氮化鎵基半導(dǎo)體器件的示例方法。
具體實(shí)施例方式下面討論的圖I到圖6以及本專(zhuān)利文件中用于描述本發(fā)明原理的各個(gè)實(shí)施例僅是示例性的，且不應(yīng)視為以任何方式限制本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明的原理可以在任何類(lèi)型的合適布置的器件或系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。圖I示出根據(jù)本公開(kāi)的第一示例常關(guān)型氮化鎵基半導(dǎo)體器件100。如圖I所示，在襯底102上形成半導(dǎo)體器件100。襯底102代表支撐或承載半導(dǎo)體器件100的其他結(jié)構(gòu)的任何合適的半導(dǎo)體襯底。例如，襯底102可以代表硅、藍(lán)寶石或碳化硅襯底。在襯底102上形成緩沖層104。緩沖層104通常代表用于幫助半導(dǎo)體器件100中其他結(jié)構(gòu)與襯底102隔離(例如與襯底102中的缺陷隔離)的薄層。緩沖層104可以由任何合適的(一種或多種)材料并以任何合適的方式形成。例如，緩沖層104可以代表外延層，比如氮化鎵(GaN)或氮化鋁鎵(AlGaN)外延層。在緩沖層104上形成弛豫層106。弛豫層106代表由一般不處于張應(yīng)力或壓應(yīng)力下或者處于僅少量張應(yīng)力或壓應(yīng)力下的(一種或多種)材料形成的有源層。弛豫層106可以由任何合適的(一種或多種)材料并以任何合適的方式形成。例如，弛豫層106可以代表GaN外延層。在弛豫層106上形成張力層108。張力層108代表由在張應(yīng)力下的(一種或多種)材料形成的阻擋層。張力層108可以由任何合適的(一種或多種)材料并以任何合適的方式形成。例如，張力層108可以代表AlGaN外延層。應(yīng)該注意，緩沖層104中的鋁濃度(如果有)可以遠(yuǎn)小于張力層108中的鋁濃度。在張力層108上形成壓縮層110。壓縮層110代表由處于壓應(yīng)力下的(一種或多種)材料形成的阻擋層。壓縮層110可以由任何合適的(一種或多種)材料并以任何合適的方式形成。例如，壓縮層Iio可以通過(guò)如下步驟形成淀積AlInGaN外延層，并刻蝕AlInGaN,留下張力層110上的一部分AlInGaN。壓縮層110也可以通過(guò)在由掩膜限定的指定區(qū)域中淀積AlInGaN而形成。應(yīng)該注意，緩沖層104中的鋁濃度(如果有)可以遠(yuǎn)小于壓縮層110中的鋁濃度。
在張力層108中且可能地在弛豫層106中形成源極區(qū)112和漏極區(qū)114。源極區(qū)112和漏極區(qū)114可以以任何合適的方式形成，例如通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行掩蔽并執(zhí)行摻雜工藝(例如注入或擴(kuò)散工藝)。同樣，可以使用任何合適的(一種或多種)摻雜劑形成源極區(qū)112和漏極區(qū)114中的每一個(gè)。在壓縮層110上形成柵極116。柵極116可以由任何合適的(一種或多種)材料并以任何合適的方式形成。例如，可以通過(guò)在結(jié)構(gòu)上淀積(一種或多種)導(dǎo)電材料，并刻蝕(一種或多種)導(dǎo)電材料，從而形成柵極116。柵極116也可以通過(guò)在由掩膜限定的指定區(qū)域中淀積(一種或多種)導(dǎo)電材料而形成。如上所述，許多常規(guī)的GaN基晶體管器件工作在常開(kāi)狀態(tài)或耗盡模式中。這是由自發(fā)極化造成的，自發(fā)極化源自GaN纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的原子結(jié)構(gòu)中的不對(duì)稱(chēng)性和鋁、銦或鎵和氮之間的部分離子鍵合。該自發(fā)極化誘導(dǎo)沿著鎵面結(jié)構(gòu)的晶體生長(zhǎng)軸的電荷分離。并且，當(dāng)使用寬帶隙阻擋層108 (例如鋁的摩爾分?jǐn)?shù)在10-30%之間的AlGaN)時(shí)，會(huì)由于晶格失配和熱系數(shù)失配而產(chǎn)生張應(yīng)變。該應(yīng)變誘導(dǎo)壓電極化，其進(jìn)一步加強(qiáng)了 AlGaN/GaN系統(tǒng)中的電荷分離。低帶隙(GaN)層和寬帶隙(AlGaN)層之間的帶隙不連續(xù)以及電荷分離導(dǎo)致了在AlGaN/GaN界面形成二維電子氣。該二維電子氣的存在導(dǎo)致常開(kāi)或耗盡模式晶體管。根據(jù)本公開(kāi)，在半導(dǎo)體器件100中使用應(yīng)變工程來(lái)補(bǔ)償自發(fā)極化。應(yīng)變工程也用于反轉(zhuǎn)在弛豫層/張力層界面產(chǎn)生的電荷。在圖2中示出了該情形的圖解，其示出在圖I的半導(dǎo)體器件100中的示例極化。如圖2所示，雖然在層106和110中的自發(fā)極化強(qiáng)度Psp是沿相同方向，但是在層110中的壓電極化強(qiáng)度Ppe是沿相反方向。這會(huì)在柵極116下形成耗盡電子區(qū)。同時(shí)，源極區(qū)112和漏極區(qū)114在它們與層106-108的界面處會(huì)具有電子積累。當(dāng)向柵極116施加正電壓時(shí)，在耗盡電子區(qū)的正電荷被耗盡，并且在弛豫層/張力層界面處的電子積累導(dǎo)致開(kāi)狀態(tài)。因此，可以在常關(guān)型GaN基晶體管器件中實(shí)現(xiàn)高電流和非常低的比導(dǎo)通電阻(RDSqn)。在半導(dǎo)體器件100中，使用壓縮層110來(lái)補(bǔ)償自發(fā)極化。當(dāng)壓縮層110由AlInGaN形成時(shí)，鋁組分可以約為20%，并且銦組分可以約為20%。在該組成的情況下，在張力層108的頂部上產(chǎn)生壓應(yīng)變，其可以導(dǎo)致輕微壓縮性的總應(yīng)變。在特定實(shí)施例中，AlInGaN壓縮層110可以產(chǎn)生高達(dá)O. 04C/m2的極化強(qiáng)度，其會(huì)稍微高于器件100中的總自發(fā)極化強(qiáng)度并與其相反。圖3示出與圖I的半導(dǎo)體器件100關(guān)聯(lián)的示例能帶圖300?？梢允褂脡嚎s層110中的應(yīng)變來(lái)補(bǔ)償自發(fā)極化，從而調(diào)節(jié)器件100的閾值電壓ντ。在壓電極化強(qiáng)度大于或等于自發(fā)極化強(qiáng)度的情況下，在零柵極電壓偏置時(shí)，在弛豫層/張力層界面處或在弛豫層/緩沖層界面處可能形成少量二維電子氣，或沒(méi)有二維電子氣。圖4Α和4Β示出圖I的半導(dǎo)體器件100的電學(xué)特性和組成之間的示例關(guān)系。具體地，圖4Α示出曲線圖400，其示出器件100中的自發(fā)極化強(qiáng)度Psp如何根據(jù)壓縮層110 (假設(shè)AlInGaN壓縮層含20%鋁)的銦組分變化。如這里所示，對(duì)于銦組分從零摩爾分?jǐn)?shù)變化到O. 25摩爾分?jǐn)?shù)，自發(fā)極化強(qiáng)度Psp只是略微變化，僅增加約O. 0008C/m2。圖4B示出曲線圖450，其示出器件100中的壓電極化強(qiáng)度Ppe如何根據(jù)壓縮層110(假設(shè)AlInGaN壓縮層含20%鋁)的銦組分變化。如這里所示，對(duì)于銦組分從零摩爾分?jǐn)?shù)變 化到O. 25摩爾分?jǐn)?shù)，壓電極化強(qiáng)度Ppe變化程度較大，增加超過(guò)O. 05C/m2。曲線圖400和450示出，可以調(diào)節(jié)AlInGaN壓縮層110的銦組分，從而得到合適的壓電極化強(qiáng)度PPE。該壓電極化強(qiáng)度Ppe可以被選擇為，其略微大于自發(fā)極化強(qiáng)度PSP。圖5示出根據(jù)本公開(kāi)的第二示例常關(guān)型氮化鎵基半導(dǎo)體器件500。如圖5所示，半導(dǎo)體器件500包括襯底502、緩沖層504和弛豫層506。這些部件502-506可以與圖I中對(duì)應(yīng)的部件102-106相同或相似。在弛豫層506上形成壓縮層508。壓縮層508可以由任何合適的(一種或多種)材料并以任何合適的方式形成。例如，壓縮層508可以通過(guò)如下步驟形成淀積AlInGaN的外延層，并刻蝕AlInGaN，留下弛豫層506上的一部分AlInGaN。也可以通過(guò)在由掩膜限定的指定區(qū)域中淀積AlInGaN而形成壓縮層508。同樣，壓縮層508具有足夠的壓應(yīng)變從而補(bǔ)償半導(dǎo)體器件500中產(chǎn)生的總自發(fā)極化強(qiáng)度。在弛豫層506上和壓縮層508的旁邊或周?chē)纬蓮埩?10。張力層510可以由任何合適的(一種或多種)材料并以任何合適的方式形成。例如，張力層510可以由AlGaN形成。作為特定例子，張力層510可以通過(guò)選擇性外延生長(zhǎng)鋁含量為20%的AlGaN而形成。在張力層510中且可能地在弛豫層506中形成源極區(qū)512和漏極區(qū)514，在壓縮層508上形成柵極516。在圖I的半導(dǎo)體器件100中，二維電子氣仍然會(huì)形成于源極區(qū)112和層106-108之間的界面處，以及漏極區(qū)114和層106-108之間的界面處。在圖5的半導(dǎo)體器件500中，二維電子氣會(huì)形成于源極區(qū)512和層506和510之間的界面處，以及漏極區(qū)514和層506和510之間的界面處。該二維電子氣幫助提供高電流和低比導(dǎo)通電阻。然而，二維電子氣遠(yuǎn)離柵極116和516，位于不會(huì)造成半導(dǎo)體器件100和500處于常開(kāi)的區(qū)域。二維電子氣會(huì)在半導(dǎo)體器件100和500中形成，因?yàn)閴嚎s層110和508被刻蝕為遠(yuǎn)離源極區(qū)和漏極區(qū)所處位置，或未在源極區(qū)和漏極區(qū)所處位置形成。雖然圖I至圖5示出兩個(gè)示例常關(guān)型氮化鎵基半導(dǎo)體器件和相關(guān)細(xì)節(jié)，但是可以對(duì)圖I至圖5進(jìn)行各種改變。例如，雖然上面描述了具體的材料和制造工藝，但是可以使用任何其他材料和制造工藝來(lái)形成半導(dǎo)體器件100和500的各個(gè)層或其他結(jié)構(gòu)。同樣，雖然上面描述了具體的電學(xué)或其他特性，但是這些細(xì)節(jié)僅僅是示例。圖6示出根據(jù)本公開(kāi)的用于形成常關(guān)型氮化鎵基半導(dǎo)體器件的示例方法600。如圖6所示，在步驟602中，在襯底上形成緩沖層。例如，這可以包括在襯底102、502上形成緩沖層104、504。在步驟604，在緩沖層上形成弛豫層。例如，這可以包括在緩沖層104、504上形成弛豫層106、506。這兩層都可以代表外延層。在步驟606，在弛豫層上形成張力層和壓縮層。例如，這可以包括在弛豫層106上形成張力層108和在張力層108上形成壓縮層110。這也可以包括在弛豫層506上形成壓縮層508和在弛豫層506上且靠近壓縮層508形成張力層510。壓縮層具有大于或等于結(jié)構(gòu)中的自發(fā)極化強(qiáng)度Psp的壓電極化強(qiáng)度PPE。在步驟608形成源極、漏極和柵極結(jié)構(gòu)。例如，這可以包括在張力層108、510中以及可選地在弛豫層106、506中形成源極區(qū)112、512和漏極區(qū)114、514。半導(dǎo)體器件的形成在步驟610完成。例如，這可以包括形成至源極、漏極和柵極結(jié)構(gòu)的電連接。這還可以包括將半導(dǎo)體器件100、500包封在保護(hù)性封裝中或形成其他結(jié)構(gòu)，以完成HEMT晶體管器件的形成。 雖然圖6示出用于形成常關(guān)型氮化鎵基半導(dǎo)體器件的示例方法600，但是可以對(duì)圖6進(jìn)行各種改變。例如，雖然示出一系列步驟，但圖6中的不同步驟可以重疊，平行發(fā)生，或以不同順序發(fā)生。同樣，可以以許多不同的方式實(shí)現(xiàn)通過(guò)應(yīng)變管理壓電極化強(qiáng)度，方法600說(shuō)明其中一個(gè)例子。闡明本專(zhuān)利文件中所用的某些詞和短語(yǔ)的定義是有利的。術(shù)語(yǔ)“包括”和“包含”，及其派生詞，意味著包括但不限于。術(shù)語(yǔ)“或”是包括性的，意味著和/或。雖然本公開(kāi)已經(jīng)描述了某些實(shí)施例和一般關(guān)聯(lián)的方法，但是對(duì)這些實(shí)施例和方法的改動(dòng)和置換對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。因此，示例實(shí)施例的以上描述不限定或限制本公開(kāi)。在不偏離所附權(quán)利要求限定的本公開(kāi)的精神和范圍的情況下，其他改變、替換和改動(dòng)也是可能的。
權(quán)利要求
1.一種方法，其包括 在半導(dǎo)體器件中形成弛豫層； 在所述弛豫層上形成張力層，所述張力層具有張應(yīng)力；和 在所述弛豫層上形成壓縮層，所述壓縮層具有壓應(yīng)力； 其中所述壓縮層的壓電極化強(qiáng)度近似等于或大于所述馳豫層、張力層和壓縮層中的自發(fā)極化強(qiáng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中 所述弛豫層包括氮化鎵； 所述張力層包括氮化鋁鎵；和 所述壓縮層包括氮化鋁銦鎵。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述氮化鋁銦鎵中的銦摩爾分?jǐn)?shù)在O.20和O. 25之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述壓縮層中的壓電極化強(qiáng)度與所述壓縮層中的自發(fā)極化強(qiáng)度方向相反。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中形成所述壓縮層包括在所述張力層上形成所述壓縮層。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中形成所述張力層包括靠近所述壓縮層形成所述張力層。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步包括 至少在所述張力層中形成源極區(qū)和漏極區(qū)；和 在所述壓縮層上形成柵極。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步包括 在襯底上形成緩沖層； 其中形成所述弛豫層包括在所述緩沖層上形成所述弛豫層。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述半導(dǎo)體器件包括高電子遷移率晶體管。
10.一種裝置，其包括 半導(dǎo)體襯底上的弛豫層； 所述弛豫層上的張力層，所述張力層具有張應(yīng)力；和 所述弛豫層上的壓縮層，所述壓縮層具有壓應(yīng)力； 其中所述壓縮層的壓電極化強(qiáng)度近似等于或大于所述弛豫層、張力層和壓縮層中的自發(fā)極化強(qiáng)度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中 所述弛豫層包括氮化鎵； 所述張力層包括氮化鋁鎵；和 所述壓縮層包括氮化鋁銦鎵。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述壓縮層中的壓電極化強(qiáng)度與所述壓縮層中的自發(fā)極化強(qiáng)度方向相反。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述壓縮層在所述張力層上。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述張力層靠近所述壓縮層。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，進(jìn)一步包括 至少在所述張力層中的源極區(qū)和漏極區(qū)；和 所述壓縮層上的柵極。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，進(jìn)一步包括 所述襯底上的緩沖層； 其中所述弛豫層在所述緩沖層上。
17.—種方法,其包括 在氮化鎵基半導(dǎo)體器件中形成多個(gè)層，其中至少一層的壓電極化強(qiáng)度近似等于或大于所述多個(gè)層中的自發(fā)極化強(qiáng)度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述壓電極化強(qiáng)度與所述自發(fā)極化強(qiáng)度方向相反。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中形成所述多個(gè)層包括形成張力層和形成壓縮層，所述壓縮層包括所述壓電極化強(qiáng)度。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中 所述壓縮層包括氮化鋁銦鎵；且 形成所述壓縮層包括選擇所述壓縮層的銦含量，以實(shí)現(xiàn)期望的壓電極化強(qiáng)度。
全文摘要
一種方法包括在半導(dǎo)體器件(100,500)中形成(604)弛豫層(106,506)。該方法還包括在弛豫層上形成(606)張力層(108，510)，其中張力層具有張應(yīng)力。該方法進(jìn)一步包括在弛豫層上形成(606)壓縮層(110,508)，其中壓縮層具有壓應(yīng)力。壓縮層的壓電極化強(qiáng)度近似等于或大于弛豫層、張力層和壓縮層中的自發(fā)極化強(qiáng)度。壓縮層中的壓電極化強(qiáng)度與壓縮層中的自發(fā)極化強(qiáng)度方向相反。弛豫層可以包括氮化鎵，張力層可以包括氮化鋁鎵，并且壓縮層可以包括氮化鋁銦鎵。
文檔編號(hào)H01L29/772GK102812554SQ201180014938
公開(kāi)日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2011年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月27日
發(fā)明者J·拉達(dá)尼 申請(qǐng)人:美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司