本公開涉及一種高功率和高頻率異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管。

背景技術(shù)：

如已知的，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)已經(jīng)針對借助于材料的高擊穿電壓及二維電子氣(2DEG)中的載體離子的高密度和遷移率來制造高功率高頻率場效應(yīng)晶體管而吸引了很大興趣。

基于AlGaN/GaN的高電子遷移率晶體管(HEMT)一般地是在硅襯底上生長的，因?yàn)榛诘?GaN)的廉價(jià)襯底是不可獲得的。因此，器件是水平的，并且源極電極、漏極電極以及柵極電極被布置在晶片的上表面上。因此，晶片擊穿電壓與垂直擊穿電壓和源極電極與漏極電極之間的橫向距離兩者有關(guān)聯(lián)。

雖然氮化鎵及其合金是寬帶隙且高擊穿半導(dǎo)體，但氮化鎵的HEMT功率器件的一個(gè)關(guān)鍵方面是在截止期間獲得良好的電場分布。

因此，仔細(xì)地研究HEMT的結(jié)構(gòu)以便優(yōu)化電場分布并允許器件在經(jīng)由高壓變化時(shí)以最大開關(guān)速率操作。在沒有現(xiàn)有電場的適當(dāng)成形的情況下，事實(shí)上后者可引起電子在陷阱中的注入，因此使導(dǎo)通期間的輸出電流和導(dǎo)通電阻退化。此現(xiàn)象常常被稱為動態(tài)退化、電流降或DC-RF彌散。

為了防止此現(xiàn)象，在微波應(yīng)用中，已經(jīng)提出使用具有集成傾斜場板的V形柵極區(qū)(參見例如Y.Dora等人在IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,第27卷,N.9,2006年9月,第713-715頁中的“High Breakdown Voltage Achieved on AlGaN/GaN HEMTs With Integrated Slant Field Plates”(在具有集成傾斜場板的AlGaN/GaN HEMT上實(shí)現(xiàn)的高擊穿電壓)和R.Chu等人在IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,第29卷,No 9,2008年9月,第974-976頁中的“V-Gate GaN HEMTs for X-Band Power Applications”(用于X帶功率應(yīng)用的V柵GaN HEMT))。針對高壓應(yīng)用，還提出了使用具有多個(gè)單獨(dú)的疊置場板的結(jié)構(gòu)，以增加工作電壓(多場板解決方案，參見例如H.Xing等人在IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,第25卷,No.4,2004年4月,第161-163頁中的“High-Breakdown Voltage AlGaN/GaN HEMTs Achieved by Multiple Field Plates”(通過多個(gè)場板實(shí)現(xiàn)的高擊穿電壓AlGaN/GaN HEMT))。另一已知解決方案(參見R.Chu等人在IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,第32卷,No.5,2011年5月,第632-634頁中的“1200-V Normally Off GaN-on-Si Field-Effect Transistors with Low Dynamic On-Resistance”(具有低動態(tài)導(dǎo)通電阻的1200V常關(guān)型硅上GaN場效應(yīng)晶體管))示出了具有相互進(jìn)行電接觸的疊置部分的不同多個(gè)場板。在US 8,530,978 B1中描述了類似的方法，但是具有被連接到源極電極的斜坡場板。

特別地，在US 8,530,978 B1中描述的器件包括在硅襯底上的一堆AlGaN/GaN外延層。電介質(zhì)材料的鈍化層覆蓋一堆外延層并容納源極電極和漏極電極、柵極電極、被連接到柵極區(qū)的第一場板以及被連接到源極電極的第二場板。第二場板具有斜坡底面。被連接到柵極區(qū)的第一場板意圖防止低壓下的電荷俘獲。

第二場板的斜坡形狀是通過經(jīng)由灰階掩膜使光致抗蝕劑曝光而獲得的。此掩膜允許調(diào)制通過的光的強(qiáng)度并在光致抗蝕劑中獲得斜坡輪廓。此輪廓然后被通過干法刻蝕而轉(zhuǎn)印到底層電介質(zhì)層上。用于形成斜坡場板的工藝比用于形成多個(gè)單獨(dú)場板的工藝更簡單且更快，因?yàn)楹笳咭笤S多連續(xù)的金屬沉積和限定步驟。

斜坡場板的存在使得能夠?qū)?00V下的動態(tài)導(dǎo)通電阻的增加從使用多個(gè)場板器件可實(shí)現(xiàn)的47％減小至19％。該性能改善被認(rèn)為是由于電場的更加線性的輪廓(其可以借助于斜坡場板來實(shí)現(xiàn))而引起的。

然而，用斜坡場板的解決方案也不是沒有缺點(diǎn)。事實(shí)上，其涉及到復(fù)雜的制造工藝和最后的平坦化步驟。形成斜坡場板因此是昂貴的，并且可不是充分可控的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開的至少某些實(shí)施例提供了一種不同的制造工藝和具有帶有斜坡表面的場板的新HEMT器件。

根據(jù)本公開，提供了一種制造工藝和異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管。

實(shí)際上，為了形成場板，使覆蓋柵極、漏極以及源極區(qū)的電介質(zhì)層經(jīng)受多個(gè)連續(xù)刻蝕步驟，從而形成與具有多個(gè)臺階的底側(cè)包絡(luò)或底面連接或未連接的腔體，從而意味著多個(gè)不連續(xù)表面部分彼此相鄰，其中每個(gè)表面部分相對于相鄰表面部分而言在與底層晶片不同的距離處延伸。

附圖說明

為了更好地理解本公開，現(xiàn)在純粹以非限制性示例的方式且參考附圖來描述其優(yōu)選實(shí)施例，在所述附圖中：

圖1-11是通過本場效應(yīng)HEMT器件的第一實(shí)施例的連續(xù)制造步驟中的半導(dǎo)體材料晶片的橫截面圖；

圖12-15是通過本場效應(yīng)HEMT器件的第二實(shí)施例的連續(xù)制造步驟中的半導(dǎo)體材料晶片的橫截面圖；以及

圖16示出了圖11的器件的變體的橫截面圖。

具體實(shí)施方式

圖1示出了根據(jù)本器件的一個(gè)實(shí)施例的用于制造HEMT器件的晶片100的一部分。特別地，所述實(shí)施例是關(guān)于AlGaN/GaN的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管。

晶片100包括例如硅、碳化硅(SiC)或藍(lán)寶石(Al₂O₃)的襯底101，其被例如氮化鋁鎵(AlGaN)或氮化銦鎵(InGaN)的緩沖層102覆蓋。溝道層103在緩沖層102上延伸，并且在這里具有本征氮化鎵(GaN)，其具有例如約10nm至約10μm的厚度。在這里，本征類型的氮化鋁鎵(AlGaN)的阻擋層104在溝道層103上延伸，與之接觸，并且具有例如約5nm和約400nm的厚度。諸如氮化硅(Si₃N₄)或二氧化硅(SiO₂)之類的電介質(zhì)材料的鈍化層105在阻擋層104上延伸。

如圖2中所示，鈍化層105和阻擋層104在晶片100的部分處被選擇性地去除，其中在后續(xù)步驟中將形成HEMT器件的柵極區(qū)。例如，執(zhí)行光刻步驟，包括鈍化層105的刻蝕和阻擋層104的干法刻蝕，從而去除其選擇部分。因此形成溝槽110，其延伸通過鈍化層105和阻擋層104的整個(gè)厚度。

接下來，圖3，沉積例如由選自氮化鋁(AlN)、氮化硅(SiN)、氧化鋁(Al₂O₃)或二氧化硅(SiO₂)的材料制成的柵極絕緣層111。柵極絕緣層111可具有在1和50nm之間(例如，20nm)的厚度。

然后，如圖4中所示，在柵極絕緣層111上沉積導(dǎo)電層112且其填充溝槽110。例如，導(dǎo)電層112由金屬材料制成，該金屬材料諸如鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、鈀(Pa)、鎢(W)、硅化鎢(WSi₂)、鈦鋁(Ti/Al)或鎳金(Ni/Au)。

然后通過本身已知的光刻和刻蝕步驟來選擇性地去除(圖5)導(dǎo)電層112，從而從晶片110去除導(dǎo)電層112，除了在溝槽110中延伸的部分和從晶片110突出的相鄰部分之外。因此形成柵極金屬化層112'。柵極金屬化層112'和柵極絕緣層111總體上形成HEMT器件的柵極區(qū)，整體地表示為109。然后，在其中將形成HEMT器件的源極電極和漏極電極的晶片110的區(qū)域處執(zhí)行柵極絕緣層111、鈍化層105以及阻擋層104的一個(gè)或多個(gè)進(jìn)一步掩蔽刻蝕步驟。特別地，在柵極區(qū)109的相對側(cè)且在與之相距一定距離處形成開口113和114。

接下來，如圖6中所示，形成歐姆接觸以提供源極電極和漏極電極115、116。為此，通過濺射或蒸發(fā)在晶片110上且特別是在開口113、114內(nèi)部沉積導(dǎo)電材料，特別是諸如鈦(Ti)或鋁(Al)之類的金屬或其合金或化合物。然后刻蝕這樣沉積的金屬層，從而將其從晶片100去除，除在開口113和114中延伸的部分之外，分別地在其中形成源極電極和漏極電極115、116。

然后，圖7，沉積例如氮化硅或氧化硅或TEOS(正硅酸乙酯)/SOG(玻璃上自旋)TEOS的電介質(zhì)層120，其涂布源極電極和漏極電極115、116、柵極區(qū)109以及柵極絕緣層111。然后對這樣獲得的電介質(zhì)層120進(jìn)行平坦化(例如，經(jīng)由CMP—化學(xué)機(jī)械拋光)。接下來，通過在源極電極和漏極電極115、116處的光刻工藝、后面是刻蝕(例如干法等離子體刻蝕、濕法刻蝕或這些的組合)來選擇性地去除電介質(zhì)層120的部分。

接下來，圖8，用光刻工藝、后面是刻蝕(例如，干法等離子體刻蝕、濕法刻蝕或這些的組合)來刻蝕電介質(zhì)層120，以形成第一溝槽121。第一溝槽121直接地在布置于柵極區(qū)109與漏極電極116之間的晶片100的區(qū)域上延伸，通過電介質(zhì)層120的大部分厚度，但是在與柵極絕緣層111相距一定距離處(例如在50nm處)停止。

接下來，圖9，鄰近于第一溝槽121，用相同的工藝產(chǎn)生第二溝槽122。特別地，第二溝槽122被布置在第一溝槽121與通過漏極電極116的垂直線之間，并且延伸通過電介質(zhì)層120；此外，第二溝槽122深度略小于第一溝槽121，例如第二溝槽122底端被布置在距離柵極絕緣層111的200nm處。

然后，圖10，使用如參考圖8和9所述的相同工藝，鄰近于第二溝槽122，形成多個(gè)溝槽123。所述多個(gè)溝槽123被布置在第二溝槽122與通過漏極電極116的垂直線之間，并且延伸通過電介質(zhì)層120的厚度，使得每個(gè)溝槽123不如朝著柵極區(qū)109移動的相鄰溝槽那么深，并且比朝著漏極電極116移動的相鄰溝槽更深。總體上，所述多個(gè)溝槽121—123形成未連接腔體126。

接下來，圖11，在電介質(zhì)層120上沉積金屬層。金屬層與在該處電介質(zhì)層120已被去除的漏極電極116和源極電極115進(jìn)行直接電接觸。然后，根據(jù)光刻工藝來限定金屬層，從而形成場板131和漏極接觸134。場板131包括在電介質(zhì)層120上的平面部分125和由突出到溝槽121、122和123內(nèi)部的多個(gè)指狀物124形成的突出區(qū)。平面部分125與源極電極115進(jìn)行直接電接觸并形成源極接觸。漏極接觸134與漏極電極116進(jìn)行直接電接觸。

場板131因此朝著晶片100具有包絡(luò)表面或輪廓133(特別地參見放大細(xì)節(jié))，該包絡(luò)表面或輪廓133由相對于晶片110具有從柵極區(qū)109移動至漏極電極116增大的距離的多個(gè)臺階132限定。實(shí)際上，包絡(luò)表面133平均起來限定相對于晶片100的表面平面而言傾斜的表面，并且因此也在高功率操作期間允許獲得電場的優(yōu)化和因此的高擊穿電壓，如先前所述。

這樣獲得的最終晶片100'因此是平面的，并且不要求其它平坦化步驟。在分割之后，獲得多個(gè)常關(guān)型HEMT器件50。

在不同的實(shí)施例中，最初，執(zhí)行與如先前參考圖1-7所述的相同制造步驟。接下來，圖12，在布置于通過柵極區(qū)109的垂直線與通過漏極電極116的垂直線之間的第一區(qū)域135中，根據(jù)與前述實(shí)施例相同的工藝來刻蝕電介質(zhì)層120，形成腔體140。

在這里，由于在下文中將解釋的原因，刻蝕電介質(zhì)層120達(dá)到比在圖8的實(shí)施例中小的深度。

然后，圖13，執(zhí)行電介質(zhì)層120的第二刻蝕。詳細(xì)地，第二刻蝕去除第一區(qū)域135中和朝著漏極電極116移動的與第一區(qū)域135相鄰且鄰接的第二區(qū)域136中的電介質(zhì)層120的選擇性部分。從而，獲得腔體140的加寬和加深，并且腔體現(xiàn)在占據(jù)第二區(qū)域136，并且在第一區(qū)域135中具有由第一和第二刻蝕引起的深度。

接下來，圖14，在第一和第二區(qū)域135、136中且在相互且與第二區(qū)域136相鄰并鄰接、布置在第二區(qū)域136與通過漏極電極116的垂直線之間的多個(gè)區(qū)域137中執(zhí)行電介質(zhì)層120的一個(gè)或多個(gè)進(jìn)一步刻蝕。從而，獲得腔體140的進(jìn)一步加寬和加深。因此，腔體140在第一區(qū)域135中具有由所有刻蝕之和給定的深度，在第二區(qū)域136中具有由第二刻蝕和進(jìn)一步刻蝕之和確定的深度，并且在所述多個(gè)區(qū)域137中具有逐漸更小的深度。這樣，腔體140在每個(gè)其它區(qū)域137中具有比在朝著柵極區(qū)109移動的相鄰區(qū)域中更小的深度和比在朝著漏極電極116移動的相鄰區(qū)域137中更大的深度。

在刻蝕階段結(jié)束時(shí)，在圖12-15的實(shí)施例中，單個(gè)腔體140在電介質(zhì)層120內(nèi)部延伸；腔體140被朝著晶片100由階梯式表面144定界，其臺階被布置在從柵極區(qū)109向漏極電極116移動的相對于晶片100增大的距離處。

接下來，圖15，在電介質(zhì)層120上沉積金屬層，類似于參考圖11所述的。然后，根據(jù)光刻工藝來限定金屬層，從而獲得場板142和漏極接觸134。在這里，場板142包括平面部分139和單個(gè)突出部分145，其底面(朝著晶片100)再現(xiàn)腔體140的形狀，并且因此具有多個(gè)臺階143。

在分割最終的晶片100'之后，獲得HEMT器件150，其在這里也是常關(guān)型的。

圖16示出了其中柵極區(qū)209僅延伸通過鈍化層205而不通過阻擋層204、因此形成常開型的HEMT器件250的不同實(shí)施例。

在圖16中，如在第一實(shí)施例中那樣形成場板131，并且其具有由被多個(gè)臺階132限定的包絡(luò)表面133定界的多個(gè)突出指狀物124。

作為其替換方案，可以未示出的方式用具有單個(gè)突出部分的場板(類似于圖14的場板142)形成常開型的HEMT器件。

本文中所述的HEMT器件和相應(yīng)的制造工藝與已知解決方案相比是有利的。事實(shí)上，該器件在單個(gè)平坦化操作之后具有高平面性，因此促進(jìn)了電連接且因此不要求重復(fù)的昂貴的平坦化。此外，所述的制造工藝包括本身在半導(dǎo)體技術(shù)中是標(biāo)準(zhǔn)且因此而可靠并容易控制的制造步驟?？傮w上，場板131、142具有朝著晶片100傾斜的輪廓，因此確保了電場和電壓強(qiáng)度的期望優(yōu)化。最終的HEMT器件因此具有高可靠性。

最后，很明顯，在從而不脫離本公開的范圍的情況下，可對本文中所述和所示的工藝和器件進(jìn)行修改和改變。例如，可將所述的各種實(shí)施例組合從而提供更多解決方案。

另外，在所有解決方案中，場板底面的臺階的數(shù)目(由圖11的突出指狀物124的底端或者由圖15的單個(gè)突出部分143的臺階132限定)范圍可從二開始。

此外，場板131、142的每個(gè)臺階的深度、寬度以及相互距離可根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范而改變，并且這些參數(shù)可在沒有任何困難的情況下被設(shè)計(jì)師優(yōu)化。

可以將上述各種實(shí)施例組合以提供更多實(shí)施例?？梢愿鶕?jù)上文詳述的描述對實(shí)施例進(jìn)行這些及其它改變。一般地，在以下權(quán)利要求中，不應(yīng)將所使用的術(shù)語理解成使權(quán)利要求局限于在本說明書和權(quán)利要求中公開的特定實(shí)施例，但是應(yīng)理解成包括所有可能實(shí)施例以及等價(jià)于此類權(quán)利要求的等價(jià)物的全部范圍。因此，權(quán)利要求受到本公開的限制。