專利名稱：橫向溝槽mesfet的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及半導(dǎo)體器件，特別涉及橫向溝槽MESFET。
背景技術(shù)：
MESFET (金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)包括位于源極和漏極接觸區(qū)域之間的導(dǎo)電溝道。從源極到漏極的載流子流由肖特基金屬柵極所控制。通過改變對(duì)所述導(dǎo)電溝道的厚度進(jìn)行調(diào)制并由此對(duì)電流進(jìn)行調(diào)制的金屬觸點(diǎn)以下的耗盡層寬度來控制所述溝道。MESFET需要相對(duì)低的導(dǎo)通電阻(Ron)來實(shí)現(xiàn)良好的性能。此外，Si襯底上的GaN MESFET的阻擋能力受GaN層的厚度所限制，這是因?yàn)殡姾奢d流子的積聚出現(xiàn)在GaN和襯底之間的邊界表面上的Si中并且因此無法耗散任何電壓。然而，因?yàn)閺腉aN到Si的應(yīng)力變化，GaN層的厚度受限制。基于GaN的當(dāng)前功率晶體管主要被構(gòu)造為HEMT (高電子遷移率晶體管)，其也被稱作異質(zhì)結(jié)構(gòu)FET (HFET)或調(diào)制摻雜FET (MODFET)。HEMT是具有在諸如GaN和AlGaN的具有不同帶隙的兩種材料之間的結(jié)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所述結(jié)形成溝道而不是諸如在MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)中的摻雜區(qū)域。HEMT提供了形成于例如AlGaN阻擋層和GaN緩沖層之間的邊界上的2維電子氣(2DEG)。不用進(jìn)一步的措施，這樣的構(gòu)造導(dǎo)致了自傳導(dǎo)即正常導(dǎo)通晶體管。也就是說，HEMT在不存在正柵極電壓的情況下導(dǎo)電?？梢砸赃@樣的方式提升導(dǎo)帶，例如利用柵極電極下的P型AlGaN或P型GaN層，這與沒有這樣的P型層的器件相比將所得到的施加電壓在正方向上移位了大約3V(等同于帶距離)。具有這樣的構(gòu)造的HEMT是正常截止晶體管，因?yàn)樾枰龞艠O電壓來導(dǎo)通所述晶體管?？商鎿Q地，可以使用凹陷柵極結(jié)構(gòu)來確保HEMT用作正常截止晶體管。在每種情況下，通常使用廉價(jià)的硅襯底來制造HEMT。然而，對(duì)于大于100V的高電壓而言，整個(gè)電壓必須在GaN層的厚度中被吸收，這是因?yàn)槿缫陨纤枋龅?，襯底無法耗散任何電壓。HEMT通常還具有平面柵極結(jié)構(gòu)，這限制了溝道寬度。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)晶體管的實(shí)施例，所述晶體管包括在半導(dǎo)體主體中形成的溝槽，所述溝槽具有側(cè)壁和底部。所述晶體管進(jìn)一步包括設(shè)置在所述溝槽中與所述側(cè)壁相鄰的第一半導(dǎo)體材料以及設(shè)置在所述溝槽中并且通過所述第一半導(dǎo)體材料與所述側(cè)壁隔開的第二半導(dǎo)體材料。所述第二半導(dǎo)體材料具有不同于所述第一半導(dǎo)體材料的帶隙。所述晶體管還包括設(shè)置在所述溝槽中并且通過所述第二半導(dǎo)體材料與所述第一半導(dǎo)體材料隔開的柵極材料。所述柵極材料提供所述晶體管的柵極。源極和漏極區(qū)域布置在所述溝槽中，其中插入在所述源極和漏極區(qū)域之間的溝道在第一或第二半導(dǎo)體材料中，以使得所述溝道具有沿所述溝槽的側(cè)壁的橫向電流流動(dòng)方向。根據(jù)一種制造晶體管的方法的實(shí)施例，所述方法包括在半導(dǎo)體主體中形成溝槽，所述溝槽具有側(cè)壁和底部；形成與所述溝槽側(cè)壁相鄰的第一半導(dǎo)體材料；在所述溝槽中形成通過所述第一半導(dǎo)體材料與所述側(cè)壁隔開的第二半導(dǎo)體材料，所述第二半導(dǎo)體材料具有不同于所述第一半導(dǎo)體材料的帶隙；在所述溝槽中形成通過所述第二半導(dǎo)體材料與所述第一半導(dǎo)體材料隔開的柵極材料，所述柵極材料提供所述晶體管的柵極；并且在所述溝槽中形成源極和漏極區(qū)域，其中插入在源極和漏極區(qū)域之間的溝道在第一或第二半導(dǎo)體材料中，以使得所述溝道具有沿所述溝槽的側(cè)壁的橫向電流流動(dòng)方向。根據(jù)一種半導(dǎo)體器件的實(shí)施例，所述器件包括在半導(dǎo)體主體中形成的多個(gè)溝槽，每個(gè)溝槽具有側(cè)壁和底部。所述器件進(jìn)一步包括與每個(gè)溝槽的側(cè)壁相鄰設(shè)置的第一半導(dǎo)體 材料以及在每個(gè)溝槽中設(shè)置在所述第一半導(dǎo)體材料上的第二半導(dǎo)體材料。所述第二半導(dǎo)體材料具有不同于所述第一半導(dǎo)體材料的帶隙。所述器件還包括在每個(gè)溝槽中設(shè)置在所述第二半導(dǎo)體材料上的柵極材料。第一或第二半導(dǎo)體材料中的溝道具有沿每個(gè)溝槽的側(cè)壁的橫向電流流動(dòng)方向。根據(jù)一種制造半導(dǎo)體器件的方法的實(shí)施例，所述方法包括在半導(dǎo)體主體中形成多個(gè)溝槽，每個(gè)溝槽具有側(cè)壁和底部；形成與每個(gè)溝槽的側(cè)壁相鄰的第一半導(dǎo)體材料；在每個(gè)溝槽中在所述第一半導(dǎo)體材料上形成第二半導(dǎo)體材料，所述第二半導(dǎo)體材料具有不同于所述第一半導(dǎo)體材料的帶隙；并且形成在每個(gè)溝槽中設(shè)置在所述第二半導(dǎo)體材料上的柵極材料，以使得第一或第二半導(dǎo)體材料中的溝道具有沿每個(gè)溝槽的側(cè)壁的橫向電流流動(dòng)方向。通過閱讀以下的詳細(xì)描述以及通過觀看附圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到附加特征和優(yōu)勢(shì)。


附圖的元件不必相互依比例繪制。相同的附圖標(biāo)記表示對(duì)應(yīng)的相似部分。除非它們彼此排斥，否則各個(gè)圖示實(shí)施例的特征可以進(jìn)行組合。實(shí)施例在附圖中進(jìn)行描繪并且在隨后的描述中進(jìn)行詳述。圖I圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的橫向溝槽MESFET的部分示意性平面圖。圖2圖示了圖I的橫向溝槽MESFET的第一示意性截面圖。圖3圖示了圖I的橫向溝槽MESFET的第二示意性截面圖。圖4圖示了具有電極的圖I的橫向溝槽MESFET的部分示意性平面圖。圖5-8圖示了在溝槽中制造橫向HEMT的方法的實(shí)施例。圖9圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的具有應(yīng)力補(bǔ)償?shù)臏喜壑械臋M向HEMT的部分示意性截面圖。圖10圖示了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的具有應(yīng)力補(bǔ)償?shù)臏喜壑械臋M向HEMT的部分示意性截面圖。圖11圖示了根據(jù)又另一個(gè)實(shí)施例的具有應(yīng)力補(bǔ)償?shù)臏喜壑械臋M向HEMT的部分示意性截面圖。
圖12圖示了根據(jù)再另一個(gè)實(shí)施例的具有應(yīng)力補(bǔ)償?shù)臏喜壑械臋M向HEMT的部分示意性截面圖。圖13圖示了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的橫向溝槽MESFET的部分示意性平面圖。圖14-18圖示了在溝槽中制造橫向HEMT的方法的另一個(gè)實(shí)施例。圖19A和19B圖示了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的橫向溝槽MESFET的部分示意性截面圖。圖20圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的橫向溝槽MESFET的源極和漏極電極區(qū)域的部分示意性截面圖。
具體實(shí)施方式
接下來對(duì)多個(gè)實(shí)施例進(jìn)行解釋。相同的結(jié)構(gòu)特征在圖中通過相同或相似的附圖標(biāo)記進(jìn)行標(biāo)識(shí)。在本描述的上下文中，“橫向”或“橫向方向”應(yīng)當(dāng)被理解為表示與半導(dǎo)體材料或半導(dǎo)體主體的橫向范圍總體上平行延伸的方向或范圍。橫向方向因此總體上與這些表面或側(cè)面平行延伸。與之相比，術(shù)語“垂直”或“垂直方向”被理解為表示與這些表面或側(cè)面總體上垂直并且因此與所述橫向方向總體上垂直延伸的方向。垂直方向因此在半導(dǎo)體材料或半導(dǎo)體主體的厚度方向上延伸。圖I圖示了諸如正常截止HEMT之類的MESFET的實(shí)施例的部分平面圖。HEMT因?yàn)樵撈骷哂姓撝惦妷憾徽J(rèn)為是正常截止的。圖2示出了通過圖I中標(biāo)為A-A’的線的HEMT的源極區(qū)域的截面圖，圖3示出了通過圖I中標(biāo)為B-B’的線的HEMT的柵極區(qū)域的截面圖，而圖4示出了具有柵極、漏極和源極電極的HEMT的部分平面圖。HEMT提供在形成于諸如Si、SOI (絕緣體上硅)GaN、SiC或藍(lán)寶石襯底的半導(dǎo)體主體120中的溝槽100中。這里所描述的溝槽結(jié)構(gòu)可以與若干MESFET結(jié)構(gòu)(諸如例如具有柵極以下的薄AlGaN或GaN阻擋層)組合或者用于M0SFET。而且，MESFET可以形成在還用于垂直電流流動(dòng)的溝槽側(cè)壁上，并且源極或漏極可以形成在后壁上。在每種情況下，溝槽100可以被蝕刻到半導(dǎo)體主體102中。溝槽100具有側(cè)壁104以及在圖1-4中看不見的底部106。溝槽100從半導(dǎo)體主體102的頂面108向半導(dǎo)體主體102中的深度延伸。HEMT包括在溝槽100中相鄰側(cè)壁104設(shè)置的諸如GaN的III-V半導(dǎo)體材料的緩沖層110、以及設(shè)置在溝槽100中并且通過緩沖層110與側(cè)壁104隔開的諸如AlGaN、 -AlGaN (本征AlGaN)、InAlN或i-InAIN (本征InAlN)的III-V半導(dǎo)體材料的阻擋層112。阻擋層112具有不同于緩沖層110的帶隙。緩沖層110或阻擋層112在緩沖層110和阻擋層112之間的界面附近提供了溝道(反型層)。向所述溝道提供用于2-D電子氣(2DEG)的電荷。所述溝道經(jīng)由應(yīng)變和極化效應(yīng)自動(dòng)創(chuàng)建而沒有向柵極電極114施加任何電壓。諸如P-AlGaN (P型AlGaN)或p_GaN (p型GaN)的III-V半導(dǎo)體材料的柵極層116被設(shè)置在溝槽100中并且通過阻擋層112與緩沖層110隔開。柵極層116耗盡柵極區(qū)域中的反型層，從而在溝道的該段中將閾值電壓移位至正值。照此，HEMT被認(rèn)為是正常截止的。柵極層116提供HEMT的柵極并且不存在于HEMT的源極、漏極和漂移區(qū)域118、120、122中。源極、漏極和漂移區(qū)域118、120、122也布置在溝槽100中，其中在源極和漏極區(qū)域118、120之間插入溝道。在溝槽100中可以在源極、漏極和/或漂移區(qū)域118、120、122處提供諸如電介質(zhì)的任選過濾材料128。所述溝道在源極和漏極區(qū)域118、120之間具有沿溝槽100的側(cè)壁104的橫向電流流動(dòng)方向。
在一個(gè)實(shí)施例中，溝槽100的側(cè)壁104優(yōu)選地形成有(111)表面。隨后與平面表面類似地出現(xiàn)與緩沖層Iio的生長以及阻擋層112和柵極層116的生長。柵極電極114隨后電連接到溝槽100中的柵極層116以使得溝槽100至少部分被填充。在一個(gè)實(shí)施例中，柵極電極114被席狀沉積并且隨后在源極、漏極和漂移區(qū)域118、120、122中被蝕刻掉。源極和漏極電極124、126或者可能還有柵極電極114可以有選擇地形成和結(jié)構(gòu)化。源極和漏極電極124、126可以如圖4所示的那樣被設(shè)置在半導(dǎo)體主體102的相同側(cè)或者被設(shè)置在不同側(cè)。橫向電流在源極和漏極區(qū)域118、120之間沿溝槽側(cè)壁104以2DEG流動(dòng)。所述橫向電流還能夠在溝槽100的底部106流動(dòng)，和/或如果在這些區(qū)域中形成了緩沖層、阻擋層和柵極層110、112、166，則能夠在溝槽100上方沿半導(dǎo)體 主體102的頂面108流動(dòng)?？商鎿Q地，緩沖層、阻擋層和/或柵極層110、112、116可以從溝槽底部106和/或沿半導(dǎo)體主體102的頂面108去除。在每種情況下，在與常規(guī)的HEMT相比時(shí)，溝道的寬度通過這樣的折疊而明顯增加，從而產(chǎn)生更低的導(dǎo)通電阻(Ron)。圖5-8圖示了用于在溝槽中制造橫向HEMT的方法的一個(gè)實(shí)施例。如圖5所示，溝槽100形成在諸如Si襯底的半導(dǎo)體襯底200中，每個(gè)溝槽100具有側(cè)壁104和底部106。如圖6所示，諸如GaN的III-V半導(dǎo)體材料的第一區(qū)域202沿側(cè)壁104和底部106形成在溝槽100中并且形成在Si襯底200的頂面201上。III-V半導(dǎo)體材料的第一區(qū)域202形成緩沖層并且能夠包括HEMT的溝道。III-V半導(dǎo)體材料的第一區(qū)域202可以經(jīng)由任何適當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)技術(shù)(例如經(jīng)由異質(zhì)外延)而形成在諸如Si、藍(lán)寶石、GaN或SiC的兼容襯底上。如圖7所示，隨后在溝槽100中經(jīng)由任何適當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)技術(shù)例如經(jīng)由外延在第一(緩沖)區(qū)域202上形成諸如AlGaN或InAlN的III-V半導(dǎo)體材料的第二區(qū)域204。第二區(qū)域204形成HEMT的阻擋層，其為溝道中的2DEG提供電荷。第二(阻擋)區(qū)域204具有不同于第一(緩沖)區(qū)域202的帶隙。如圖8所示，隨后經(jīng)由任何適當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)技術(shù)例如經(jīng)由外延在溝槽100中在第二(阻擋)區(qū)域204上形成III-V半導(dǎo)體材料的第三區(qū)域206，以使得第二(阻擋)區(qū)域204插入在第一(緩沖)區(qū)域202和第三(柵極)區(qū)域206之間。第三(柵極)區(qū)域206提供晶體管的柵極。隨后能夠在溝槽100中形成在圖5-8中看不見的源極和漏極區(qū)域，其中在源極和漏極區(qū)域之間插入的溝道在緩沖層202或阻擋層204中，以使得所述溝道具有沿溝槽100的側(cè)壁104的橫向電流流動(dòng)方向?？梢栽谌鐖D8中的虛線圓圈所指示的溝槽拐角上方或下方創(chuàng)建未定義的關(guān)系。沒有形成應(yīng)力有所減小的2DEG。然而，當(dāng)應(yīng)力增加時(shí)獲得減小的所施加電壓。因此優(yōu)選一些形式的應(yīng)力補(bǔ)償。在一個(gè)實(shí)施例中，通過將諸如氦、氫和鐵之類的離子注入到(一個(gè)或多個(gè))拐角區(qū)域中而對(duì)一個(gè)或多個(gè)拐角區(qū)域去激活以使得它們不形成溝道的一部分?？梢圆捎糜糜谧⑷脒@樣的離子的任何適當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)技術(shù)。所注入的離子生成使對(duì)應(yīng)的(一個(gè)或多個(gè))拐角區(qū)域去激活的深干擾位置。也可以采用蝕刻進(jìn)行應(yīng)力補(bǔ)償。這里所描述的注入和蝕刻實(shí)施例可以在拐角區(qū)域之外執(zhí)行，例如在半導(dǎo)體主體102/200的整個(gè)頂面108/201上和/或在溝槽100的整個(gè)底部106上執(zhí)行。雖然僅溝槽側(cè)壁104隨后是活性的，但是如果提供了大縱橫比的溝槽，諸如具有大約10:1或更大的縱橫比的溝槽，則溝道的寬度不會(huì)特別明顯減小。
圖9圖示了用于提供應(yīng)力補(bǔ)償?shù)牧硪粋€(gè)實(shí)施例。根據(jù)該實(shí)施例，半導(dǎo)體襯底200的背面203例如經(jīng)由蝕刻或CMP (化學(xué)機(jī)械研磨)而變薄，并且在半導(dǎo)體襯底200的變薄的背面210上并且與溝槽100的底部106相鄰形成電絕緣材料208，以使得沒有任何部分的半導(dǎo)體襯底200在溝槽100的底部106與緩沖層202直接接觸。例如也可以經(jīng)由蝕刻工藝從如圖9所示的半導(dǎo)體襯底200的頂面201去除緩沖層、阻擋層和/或柵極層202、204、206?？梢允拱雽?dǎo)體襯底200足夠多的背面變薄以使得從處于溝槽100的底部106的背面去除緩沖層和阻擋層202、204中的至少一個(gè)。圖10圖示了其中例如通過使用阻擋層204作為蝕刻停止而使半導(dǎo)體襯底200的背面變薄直至去除了處于溝槽100的底部106的緩沖層202的實(shí)施例。根據(jù)該實(shí)施例，阻擋層204插入在形成于半導(dǎo)體襯底200的變薄的背面210上的電絕緣材料208和柵極層206之間。圖11圖示了其中例如通過使用柵極層206作為蝕刻停止而使半導(dǎo)體主體的背面 變薄直至還去除了處于溝槽100的底部106的阻擋層204的另一個(gè)實(shí)施例。根據(jù)該實(shí)施例，柵極層206與處于溝槽100的底部106的電絕緣材料208直接接觸。圖12圖示了用于通過使用間隔層蝕刻或其它掩模處理來提供應(yīng)力補(bǔ)償?shù)挠至硪粋€(gè)實(shí)施例。根據(jù)該實(shí)施例，在半導(dǎo)體襯底200的與溝槽100相鄰的頂面201上以及在溝槽100的底部106上形成掩模220。緩沖層、阻擋層和柵極層202、204、206在形成掩模220之后在溝槽100的側(cè)壁104上生長。在一個(gè)實(shí)施例中，用來形成溝槽100的硬掩模留在半導(dǎo)體襯底200的頂面201上。另外，諸如氧化物之類的另一個(gè)硬掩模區(qū)域可以在溝槽100的底部106上形成。用于形成諸如HEMT的MESFET的GaN/AlGaN/GaN或其它適當(dāng)?shù)膶訔ｋS后有選擇地在溝槽側(cè)壁104上生長。溝槽100的底部106中的硬掩模220例如能夠通過對(duì)溝槽進(jìn)行填充、接著是背向蝕刻而形成。圖13圖示了正常截止HEMT的另一個(gè)實(shí)施例的部分平面圖。根據(jù)該實(shí)施例，半導(dǎo)體主體的橫向設(shè)置在相鄰溝槽100之間的區(qū)域被去除并且被替代以電絕緣材料300，留下了被溝槽100和絕緣材料300橫向包圍的半導(dǎo)體材料的臺(tái)面(島)302。臺(tái)面302可以僅部分被蝕刻掉并且被填充以電介質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體主體102僅在漂移路徑的區(qū)域中被電絕緣材料300所替代?？商鎿Q地，電絕緣材料300直接與緩沖(例如，GaN)層110相鄰提供，其中臺(tái)面302的中心部分保持完整無損。在又另一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體主體102僅在漂移區(qū)122的區(qū)域中被去除，而其余的半導(dǎo)體臺(tái)面302與器件的漏極和源極區(qū)域118、120相鄰設(shè)置。對(duì)電壓進(jìn)行限制的半導(dǎo)體臺(tái)面區(qū)域302可以至少在漂移區(qū)122的區(qū)域中被完全去除，以使得即使對(duì)于相對(duì)薄的GaN層110也不出現(xiàn)由于半導(dǎo)體襯底材料102所致的阻擋電阻減小。臺(tái)面302還提供了機(jī)械穩(wěn)定性和隔離，并且能夠被置于諸如源極或漏極電勢(shì)的現(xiàn)有電勢(shì)上。圖14至18圖示了用于在溝槽中制造橫向HEMT的方法的另一個(gè)實(shí)施例。根據(jù)該實(shí)施例，襯底400為SOI襯底。SOI襯底400具有通過絕緣體層406與體區(qū)域404分離的器件區(qū)域402，所述器件區(qū)域402是制造器件之處。如圖14所示，溝槽100在SOI襯底400的器件區(qū)域402中形成，其中溝槽100的底部106與SOI襯底400的絕緣體層406接觸。如圖15所示，諸如GaN的III-V半導(dǎo)體材料的第一區(qū)域408在溝槽100中沿側(cè)壁104和底部106形成，并且在SOI襯底400的頂面401上形成。III-V半導(dǎo)體材料的第一區(qū)域408形成緩沖層并且可以包括HEMT的溝道。III-V半導(dǎo)體材料的第一區(qū)域408可以經(jīng)由任何適當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)技術(shù)例如經(jīng)由異質(zhì)外延而形成在諸如Si、藍(lán)寶石、GaN或SiC的兼容襯底上。如圖16所示，隨后在溝槽100中經(jīng)由任何適當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)技術(shù)例如經(jīng)由外延在第一(緩沖)區(qū)域408上形成諸如AlGaN或InAlN的III-V半導(dǎo)體材料的第二區(qū)域410。第二區(qū)域410形成HEMT的阻擋層，其為溝道中的2DEG提供電荷。第二(阻擋)區(qū)域410具有不同于第一(緩沖)區(qū)域408的帶隙。如圖17所示，隨后經(jīng)由任何適當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)技術(shù)例如經(jīng)由外延在溝槽100中在第二(阻擋)區(qū)域410上形成III-V半導(dǎo)體材料的第三區(qū)域412，以使得第二(阻擋)區(qū)域410插入在第一(緩沖)區(qū)域408和第三(柵極)區(qū)域412之間。第三(柵極)區(qū)域412提供晶體管的柵極。在溝槽100中形成在圖17中看不見的源極和漏極區(qū)域，其中插入在源極和漏極區(qū)域之間的溝道在緩沖層408或阻擋層410中，以使得所述溝道具有沿溝槽100的側(cè)壁104的 橫向電流流動(dòng)方向。利用SOI襯底400，2DEG通過掩埋絕緣體層406而在下面被絕緣。例如可以利用源極和/或漏極的金屬觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)到襯底400的熱連接。如果需要，SOI襯底400的體區(qū)域404例如可以通過對(duì)背面403進(jìn)行蝕刻或者利用CMP而被去除以使器件變薄。如先前這里所描述的并且如圖18所示的，可以從SOI襯底400的頂面401去除柵極層、阻擋層和/或緩沖層412、410、408來提供應(yīng)力補(bǔ)償。可替換地，還如先前這里所描述的，可以通過將諸如氦、氫和鐵之類的離子注入到(一個(gè)或多個(gè))拐角區(qū)域中而對(duì)一個(gè)或多個(gè)上拐角區(qū)域去激活。在又另一個(gè)實(shí)施例中，如先前這里解釋的并且如圖12所示的，可以使用間隔層蝕刻或其它掩模處理來僅在溝槽100的側(cè)壁104上生長緩沖層、阻擋層和柵極層408、410、412。如先前這里所描述的并且如圖13所示的，SOI襯底400的有源器件層402的區(qū)域可以被去除并且被替代以絕緣材料。在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)電壓進(jìn)行限制的Si臺(tái)面區(qū)域至少在漂移區(qū)122的區(qū)域中被完全去除，以使得即使對(duì)于相對(duì)薄的GaN層408也不出現(xiàn)由于有源器件區(qū)域材料所致的阻擋電阻減小。圖19A圖示了柵極區(qū)域中的諸如正常截止HEMT的MESFET的另一個(gè)實(shí)施例的截面圖。根據(jù)該實(shí)施例，在諸如Si晶片的體半導(dǎo)體襯底200而不是SOI襯底上制造正常截止HEMT。緩沖層202 (例如，GaN)沿溝槽側(cè)壁104設(shè)置，而阻擋層204 (例如，AlGaN或InAlN)被設(shè)置在緩沖層202上。如圖19A所示，柵極材料206在溝槽中設(shè)置在阻擋層204上以及在柵極區(qū)域中設(shè)置在襯底200的上表面上。照此，如先前這里所描述的，阻擋層204插入在緩沖層202和柵極材料206之間。形成在襯底200的頂表面上以在襯底200中形成溝槽的溝槽硬掩模510將柵極材料206與襯底200絕緣。執(zhí)行氧化或氧化物沉積步驟并且對(duì)氧化物進(jìn)行回蝕，留下在溝槽的底部106中的氧化物520，其足夠厚以承受器件的最大額定電壓。留在溝槽底部106中的氧化物520還可以被用來防止GaN層在該表面處的生長。隨后可以在溝槽中形成在圖19A中看不見的源極和漏極區(qū)域，其中插入在源極和漏極區(qū)域之間的溝道在緩沖層202或阻擋層204中，以使得該溝道具有沿溝槽側(cè)壁104的橫向電流流動(dòng)方向。圖19B是漏極延伸區(qū)域中的MESFET的截面圖。溝槽底部106中的厚氧化物520與相鄰溝槽之間的電絕緣材料300組合防止了經(jīng)由半導(dǎo)體主體200與源極的短路。圖20圖示了這里所描述的MESFET的源極和漏極電極區(qū)域600、610的實(shí)施例的截面圖。根據(jù)該實(shí)施例，源極和漏極電極124、126被設(shè)置在襯底200的相反側(cè)并且因此與橫向電流流動(dòng)垂直偏移。源極電極120被設(shè)置在襯底200的一側(cè)并且通過襯底200以及器件的源極電極區(qū)域600中的底部溝槽氧化物520中的開口而電連接到溝槽中的導(dǎo)電材料602。底部溝槽氧化物520在器件的漏極電極區(qū)域610中是連續(xù)的，以使得漏極電極126與襯底200隔離。漏極電極126被設(shè)置在襯底200的與源極電極124相反的一側(cè)，并且通過在襯底200的這一側(cè)設(shè)置在器件的漏極電極區(qū)域612中的一個(gè)或多個(gè)絕緣層620、630中的開口而電連接到溝槽中的導(dǎo)電材料612。從背面處理的接觸也是可能的。源極和漏極電極124、126的位置可以顛倒。也就是說，源極電極124可以被設(shè)置在器件的頂面上而漏極電極126可以被設(shè)置在底面上。
根據(jù)這里所描述的實(shí)施例，特別通過去除用作GaN生長的襯底的Si臺(tái)面并且利用電介質(zhì)來替代它，為諸如HEMT的橫向MESFET提供增加的溝道寬度，其中增加的溝道寬度是沿溝槽的側(cè)壁。諸如“以下”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等的空間相對(duì)術(shù)語為了方便描述而被用來解釋一個(gè)元件相對(duì)于第二元件的定位。除了與圖中所描繪的那些不同的方位之外，這些術(shù)語意在涵蓋不同的器件方位。此外，諸如“第一”、“第二”等的術(shù)語也被用來描述各個(gè)元件、區(qū)域、分段等，并且也并非意在進(jìn)行限制。相同的術(shù)語在整個(gè)描述中指代相同的元件。如這里所使用的，術(shù)語“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等是指示存在所陳述元件或特征但是并不排除附加元件或特征的開放性術(shù)語。除非上下文清楚地另外指示，否則冠詞“一”、“一個(gè)”和“該”意在包括多個(gè)以及單個(gè)。所要理解的是，除非明確地另外指出，否則這里所描述的各個(gè)實(shí)施例的特征可以
互相組合。雖然在這里已對(duì)特定實(shí)施例進(jìn)行了圖示和描述，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到的是，各種替換和/或等同的實(shí)施方式可以替代所示出和描述的特定實(shí)施例而并不背離本發(fā)明的范圍。本申請(qǐng)意在覆蓋這里所討論的特定實(shí)施例的任何適配或變化。因此，本發(fā)明意在僅由權(quán)利要求及其等同物限制。
權(quán)利要求
1.一種晶體管，包括 在半導(dǎo)體主體中形成的溝槽，所述溝槽具有側(cè)壁和底部； 設(shè)置在所述溝槽中與所述側(cè)壁相鄰的第一半導(dǎo)體材料； 設(shè)置在所述溝槽中并且通過所述第一半導(dǎo)體材料與所述側(cè)壁隔開的第二半導(dǎo)體材料，所述第二半導(dǎo)體材料具有不同于所述第一半導(dǎo)體材料的帶隙； 設(shè)置在所述溝槽中并且通過所述第二半導(dǎo)體材料與所述第一半導(dǎo)體材料隔開的柵極材料，所述柵極材料提供所述晶體管的柵極；以及 布置在所述溝槽中的源極和漏極區(qū)域，其中插入在所述源極和漏極區(qū)域之間的溝道在第一或第二半導(dǎo)體材料中，以使得所述溝道具有沿所述溝槽的側(cè)壁的橫向電流流動(dòng)方向。
2.如權(quán)利要求I所述的晶體管，其中所述半導(dǎo)體主體包括硅并且所述溝槽的側(cè)壁具有(111)表面。
3.如權(quán)利要求I所述的晶體管，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述半導(dǎo)體主體的底表面上并且與所述溝槽的底部相鄰的電絕緣材料。
4.如權(quán)利要求3所述的晶體管，其中所述柵極材料與在所述溝槽的底部處的電絕緣材料直接接觸。
5.如權(quán)利要求I所述的晶體管，其中所述柵極材料通過第一和第二半導(dǎo)體材料中的至少一個(gè)與所述溝槽的底部隔開。
6.如權(quán)利要求I所述的晶體管，進(jìn)一步包括源極、漏極和柵極電極，其中源極和漏極電極設(shè)置在所述半導(dǎo)體主體的相同側(cè)。
7.如權(quán)利要求I所述的晶體管，其中所述半導(dǎo)體主體的與所述溝槽橫向相鄰的區(qū)域被電絕緣材料所替代。
8.如權(quán)利要求7所述的晶體管，其中所述半導(dǎo)體主體的與所述漏極區(qū)域相鄰的第一臺(tái)面區(qū)域比所述半導(dǎo)體主體的與所述源極區(qū)域相鄰的第二臺(tái)面區(qū)域更窄，所述臺(tái)面區(qū)域被所述電絕緣材料分離。
9.如權(quán)利要求7所述的晶體管，其中所述半導(dǎo)體主體的被所述電絕緣材料所替代的區(qū)域與在源極和漏極區(qū)域之間設(shè)置在所述溝槽中的漂移區(qū)相鄰。
10.如權(quán)利要求I所述的晶體管，其中所述溝槽的一個(gè)或多個(gè)拐角區(qū)域被去激活。
11.如權(quán)利要求10所述的晶體管，其中所述溝槽的一個(gè)或多個(gè)拐角區(qū)域利用所注入的氦、氫和鐵中的至少一個(gè)進(jìn)行去激活。
12.如權(quán)利要求I所述的晶體管，其中所述半導(dǎo)體主體是具有通過絕緣體層與體區(qū)域分離的器件區(qū)域的絕緣體上硅襯底，所述溝槽形成在所述絕緣體上硅襯底的所述器件區(qū)域中并且所述溝槽的底部與所述絕緣體上硅襯底的絕緣體層接觸。
13.如權(quán)利要求I所述的晶體管，其中所述半導(dǎo)體主體包括硅襯底，所述第一半導(dǎo)體材料包括GaN，所述第二半導(dǎo)體材料包括AlGaN，并且所述柵極材料包括AlGaN。
14.如權(quán)利要求I所述的晶體管，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述溝槽的底部處的絕緣材料，所述絕緣材料足夠厚以承受所述晶體管的最大額定電壓，其中第一和第二半導(dǎo)體材料在所述溝槽的底部通過所述絕緣材料與所述半導(dǎo)體主體隔開。
15.一種制造晶體管的方法，包括 在半導(dǎo)體主體中形成溝槽,所述溝槽具有側(cè)壁和底部；形成與所述溝槽側(cè)壁相鄰的第一半導(dǎo)體材料； 在所述溝槽中形成通過所述第一半導(dǎo)體材料與所述側(cè)壁隔開的第二半導(dǎo)體材料，所述第二半導(dǎo)體材料具有不同于所述第一半導(dǎo)體材料的帶隙； 在所述溝槽中形成通過所述第二半導(dǎo)體材料與所述第一半導(dǎo)體材料隔開的柵極材料，所述柵極材料提供所述晶體管的柵極；并且 在所述溝槽中形成源極和漏極區(qū)域，其中插入在源極和漏極區(qū)域之間的溝道在第一或第二半導(dǎo)體材料中，以使得所述溝道具有沿所述溝槽的側(cè)壁的橫向電流流動(dòng)方向。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括 使所述半導(dǎo)體主體的背面變薄；并且 在所述半導(dǎo)體主體的變薄的背面上并且與所述溝槽的底部相鄰形成電絕緣材料。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，包括使所述半導(dǎo)體主體的足夠多的背面變薄以使得第一和第二半導(dǎo)體材料中的至少一個(gè)從所述半導(dǎo)體主體的背面被去除。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括 從所述半導(dǎo)體主體的頂面去除第一和第二半導(dǎo)體材料中的至少一個(gè)。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括 去除所述半導(dǎo)體主體的與所述溝槽橫向相鄰的區(qū)域；并且 以電絕緣材料替代所述半導(dǎo)體主體的被去除區(qū)域。
20.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括對(duì)所述溝槽的一個(gè)或多個(gè)拐角區(qū)域去激活。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，包括將氦、氫和鐵中的至少一個(gè)注入到所述溝槽的一個(gè)或多個(gè)拐角區(qū)域中以對(duì)所述一個(gè)或多個(gè)拐角區(qū)域去激活。
22.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括 形成與所述柵極電連接的柵極電極； 去除所述晶體管的源極區(qū)域、漏極區(qū)域和漂移區(qū)的區(qū)域中的柵極電極的部分； 形成與所述源極區(qū)域電連接的源極電極；并且 形成與所述漏極區(qū)域電連接的漏極電極。
23.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括 在所述半導(dǎo)體主體的頂面上與所述溝槽相鄰以及在所述溝槽的底部上形成掩模；并且在形成所述掩模之后在所述溝槽的側(cè)壁上有選擇地生長所述第一半導(dǎo)體材料、所述第二半導(dǎo)體材料和所述柵極材料。
24.—種半導(dǎo)體器件,包括 在半導(dǎo)體主體中形成的多個(gè)溝槽，每個(gè)溝槽具有側(cè)壁和底部； 與每個(gè)溝槽的側(cè)壁相鄰設(shè)置的第一半導(dǎo)體材料； 在每個(gè)溝槽中設(shè)置在所述第一半導(dǎo)體材料上的第二半導(dǎo)體材料，所述第二半導(dǎo)體材料具有不同于所述第一半導(dǎo)體材料的帶隙； 在每個(gè)溝槽中設(shè)置在所述第二半導(dǎo)體材料上的柵極材料；以及 其中第一或第二半導(dǎo)體材料中的溝道具有沿每個(gè)溝槽的側(cè)壁的橫向電流流動(dòng)方向。
25.如權(quán)利要求24所述的半導(dǎo)體器件，其中所述半導(dǎo)體主體的在相鄰溝槽之間的不同區(qū)域被電絕緣材料所替代以在所述電絕緣材料所包圍的溝槽之間形成半導(dǎo)體臺(tái)面。
26.—種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括 在半導(dǎo)體主體中形成多個(gè)溝槽,每個(gè)溝槽具有側(cè)壁和底部； 形成與每個(gè)溝槽的側(cè)壁相鄰的第一半導(dǎo)體材料； 在每個(gè)溝槽中在所述第一半導(dǎo)體材料上形成第二半導(dǎo)體材料，所述第二半導(dǎo)體材料具有不同于所述第一半導(dǎo)體材料的帶隙；并且 形成在每個(gè)溝槽中設(shè)置在所述第二半導(dǎo)體材料上的柵極材料，以使得第一或第二半導(dǎo)體材料中的溝道具有沿每個(gè)溝槽的側(cè)壁的橫向電流流動(dòng)方向。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，進(jìn)一步包括 去除所述半導(dǎo)體主體的在相鄰溝槽之間的不同區(qū)域；并且 利用電絕緣材料來填充所述半導(dǎo)體主體的被去除區(qū)域以在所述電絕緣材料所包圍的溝槽之間形成半導(dǎo)體臺(tái)面。
全文摘要
本發(fā)明涉及橫向溝槽MESFET。一種晶體管包括在半導(dǎo)體主體中形成的溝槽，所述溝槽具有側(cè)壁和底部。所述晶體管進(jìn)一步包括設(shè)置在所述溝槽中與所述側(cè)壁相鄰的第一半導(dǎo)體材料以及設(shè)置在所述溝槽中并且通過所述第一半導(dǎo)體材料與所述側(cè)壁隔開的第二半導(dǎo)體材料。所述第二半導(dǎo)體材料具有不同于所述第一半導(dǎo)體材料的帶隙。所述晶體管還包括設(shè)置在所述溝槽中并且通過所述第二半導(dǎo)體材料與所述第一半導(dǎo)體材料隔開的柵極材料。所述柵極材料提供所述晶體管的柵極。源極和漏極區(qū)域布置在所述溝槽中，其中插入在所述源極和漏極區(qū)域之間的溝道在第一或第二半導(dǎo)體材料中，以使得所述溝道具有沿所述溝槽的側(cè)壁的橫向電流流動(dòng)方向。
文檔編號(hào)H01L29/10GK102810563SQ20121017798
公開日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者F.希爾勒, A.梅澤 申請(qǐng)人:英飛凌科技奧地利有限公司