本發(fā)明大體涉及半導(dǎo)體器件和制造半導(dǎo)體器件的方法。

背景技術(shù)：

在半導(dǎo)體技術(shù)中，由于iii族-v族(或ⅲ-ⅴ族)半導(dǎo)體化合物的特性，iii族-v族(或ⅲ-ⅴ族)半導(dǎo)體化合物用于形成各種集成電路器件，諸如高功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管、高頻率晶體管和高電子遷移率晶體管(hemt)。如同金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(mosfet的)的情況，hemt是包括位于兩種具有不同帶隙的材料之間的結(jié)(例如，異質(zhì)結(jié))的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，位于兩種具有不同帶隙的材料之間的結(jié)作為溝道而不作為摻雜區(qū)。與mosfet相比，hemt具有許多顯著的特性，包括高電子遷移率、高頻傳輸信號(hào)的能力等。

從應(yīng)用的角度來(lái)看，增強(qiáng)模式(e模式)hemt具有很多優(yōu)點(diǎn)。e模式hemt允許去除負(fù)極性電壓電源，并且從而降低電路的復(fù)雜性和成本。盡管上文說(shuō)明了顯著特性，關(guān)于ⅲ-ⅴ族半導(dǎo)體化合物基器件的發(fā)展存在許多挑戰(zhàn)。已經(jīng)應(yīng)用這些針對(duì)ⅲ-ⅴ族半導(dǎo)體化合物的配置和材料的各種技術(shù)以試圖并進(jìn)一步提高晶體管器件性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種半導(dǎo)體器件，包括：襯底；第一ⅲ-ⅴ族化合物層，位于所述襯底上方；第二ⅲ-ⅴ族化合物層，位于所述第一ⅲ-ⅴ族化合物層上；第三ⅲ-ⅴ族化合物層，位于所述第二ⅲ-ⅴ族化合物層上；源極區(qū)，位于所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層上；以及漏極區(qū)，位于所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層上，其中，所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層的鋁百分比大于所述第二ⅲ-ⅴ族化合物層的鋁百分比。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，還提供了一種高電子遷移率晶體管(hemt)，包括：襯底；第一iii-v族化合物層，位于所述襯底上方；第二ⅲ-ⅴ族化合物層，位于所述第一ⅲ-ⅴ族化合物層上；第三ⅲ-ⅴ族化合物層，位于所述第二ⅲ-ⅴ族化合物層上；源極區(qū)，位于所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層上；漏極區(qū)，位于所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層上，第一介電層，穿透所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層并且位于所述第二ⅲ-ⅴ族化合物層上；以及柵極區(qū)，位于所述第一介電層上，其中，所述第一介電層和位于所述漏極區(qū)下面的所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層之間的距離與所述第一介電層和所述漏極區(qū)之間的距離的比率在從0至0.8的范圍內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，還提供了一種制造半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括：提供襯底；在所述襯底上方形成第一iii-v族化合物層；在所述第一ⅲ-ⅴ族化合物層上形成具有第一鋁濃度的第二ⅲ-ⅴ族化合物層；在所述第二ⅲ-ⅴ族化合物層上形成具有第二鋁濃度的第三ⅲ-ⅴ族化合物層；在所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層上形成源極區(qū)；以及在所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層上形成漏極區(qū)，其中，所述第二鋁濃度高于所述第一鋁濃度。

附圖說(shuō)明

當(dāng)結(jié)合附圖進(jìn)行閱讀時(shí)，從以下詳細(xì)描述可最佳理解本發(fā)明的各個(gè)方面。應(yīng)當(dāng)注意，根據(jù)工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，各個(gè)部件并非按比例繪制。事實(shí)上，為了清楚討論，各個(gè)部件的尺寸可以任意增大或減小。

此外，為便于描述，在此可以使用諸如“在...之下”、“在...下方”、“下部”、“在...之上”、“上部”等的空間相對(duì)術(shù)語(yǔ)，以描述如圖所示的一個(gè)元件或部件與另一個(gè)(或另一些)元件或部件的關(guān)系?？臻g相對(duì)術(shù)語(yǔ)旨在包括除了附圖中所示的方位之外，在使用中或操作中的器件的不同方位。裝置可以以其它方式定位(旋轉(zhuǎn)90度或在其他方位)，并且通過(guò)在本文中使用的空間關(guān)系描述符可同樣地作相應(yīng)地解釋。

圖1a是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面圖。

圖1b是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖1a中的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的測(cè)量結(jié)果的圖表。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面圖。

圖3a至圖3d是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的示出了制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的工藝步驟的一系列截面圖。

具體實(shí)施方式

下列公開(kāi)提供了許多用于實(shí)現(xiàn)所提供主題的不同特征的不同實(shí)施例或?qū)嵗Ｏ旅鎸⒚枋鲈筒贾玫奶囟▽?shí)例以簡(jiǎn)化本發(fā)明。當(dāng)然這些僅僅是實(shí)例并不旨在限定本發(fā)明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接觸的實(shí)施例，也可以包括在第一部件和第二部件之間形成額外的部件使得第一部件和第二部件可以不直接接觸的實(shí)施例。而且，本發(fā)明在各個(gè)實(shí)例中可重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)僅是為了簡(jiǎn)明和清楚，其自身并不表示所論述的各個(gè)實(shí)施例和/或配置之間的關(guān)系。

圖1a是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1的截面圖。在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1可以是高電子遷移率晶體管(hemt)。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1包括襯底10、緩沖層11、第一ⅲ-ⅴ族化合物層12、第二ⅲ-ⅴ族化合物層13、第一介電層14、第二介電層18、柵極區(qū)15、源極區(qū)16、漏極區(qū)17和隔離區(qū)19a、19b。

在一些實(shí)施例中，襯底10包括碳化硅(sic)襯底、或藍(lán)寶石襯底或硅襯底。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1還包括形成在兩種不同半導(dǎo)體材料層(諸如具有不同帶隙的材料層)之間的異質(zhì)結(jié)。例如，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1包括非摻雜窄帶隙溝道層和寬帶隙n型供體提供(donor-supply)層。

緩沖層11在襯底10上。緩沖層11為隨后形成的覆蓋層充當(dāng)緩沖層和/或過(guò)渡層?？梢允褂媒饘儆袡C(jī)汽相外延(movpe)外延生長(zhǎng)緩沖層11。緩沖層11可以用作界面以用于降低襯底10和第一ⅲ-ⅴ族化合物層12之間的晶格失配。在一些實(shí)施例中，緩沖層11包括具有從約10納米(nm)到約300納米(nm)范圍之間的厚度的氮化鋁(aln)層。緩沖層11可以包括單層或多層。在多層的情況下，緩沖層11可以包括在約800攝氏度(℃)到約1200攝氏度(℃)之間的溫度下形成低溫aln層(在圖中未示出)和在約1000℃到1400℃之間的溫度下形成的高溫aln層(在圖中未示出)。

第一ⅲ-ⅴ族化合物層12在緩沖層11上。第一ⅲ-ⅴ族化合物層12是由元素周期表中的ⅲ-ⅴ族制成的化合物。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第一ⅲ-ⅴ族化合物層12包括氮化鎵(gan)層。在一些實(shí)施例中，第一ⅲ-ⅴ族化合物層12包括gaas層或inp層。例如，在一些實(shí)施例中，可以通過(guò)mopve外延生長(zhǎng)第一ⅲ-ⅴ族化合物層12，在外延生長(zhǎng)第一ⅲ-ⅴ族化合物層12期間，使用含鎵前體和含氮前體。含鎵前體可以包括三甲基鎵(tmg)、三乙基鎵(teg)或其他合適的含鎵化學(xué)物。含氮前體可以包括氨(nh3)、叔丁基胺(tbam)、苯肼或其他合適的化學(xué)物。

第一ⅲ-ⅴ族化合物層12是未摻雜的?？蛇x地，例如，由于用于形成第一ⅲ-ⅴ族化合物層12的前體的原因，第一ⅲ-ⅴ族化合物層12是無(wú)意地?fù)诫s并且可以輕摻雜有n型摻雜劑。在一些實(shí)施例中，第一ⅲ-ⅴ族化合物層12的厚度在從約0.5微米(μm)至約10μm的范圍內(nèi)。

第二ⅲ-ⅴ族化合物層13在第一ⅲ-ⅴ族化合物層12上。第二ⅲ-ⅴ族化合物層13是由元素周期表中的ⅲ-ⅴ族制成的化合物。第二ⅲ-ⅴ族化合物層13和第一ⅲ-ⅴ族化合物層12的組分彼此不同。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第二ⅲ-ⅴ族化合物層13包括氮化鋁鎵(algan)層。在一些實(shí)施例中，第二ⅲ-ⅴ族化合物層13包括algaas層或alinp層。第二ⅲ-ⅴ族化合物層13是有意摻雜的。在一些實(shí)施例中，第二ⅲ-ⅴ族化合物層13的厚度在從約5nm至約50nm的范圍內(nèi)。

如圖1a所示，第二ⅲ-ⅴ族化合物層13具有兩個(gè)ⅲ-ⅴ族化合物層13a和13b。在一些實(shí)施例中，ⅲ-ⅴ族化合物層13a和13b都是algan，只是具有不同的al百分比?？蛇x地，ⅲ-ⅴ族化合物層13a和13b都是algaas或都是alinp，只是具有不同al百分比。ⅲ-ⅴ族化合物層13a的鋁百分比小于ⅲ-ⅴ族化合物層13b的鋁百分比。在一些實(shí)施例中，ⅲ-ⅴ族化合物層13b的algan的鋁百分比與ⅲ-ⅴ族化合物層13a的algan的鋁百分比的比率在從約1.1至約2.5的范圍內(nèi)。例如，ⅲ-ⅴ族化合物層13a的algan的鋁百分比為16％，ⅲ-ⅴ族化合物層13b的algan的鋁百分比將在約17.6％到約40％的范圍內(nèi)。例如，ⅲ-ⅴ族化合物層13a的algan的鋁百分比在約12％到約18％的范圍內(nèi)，而ⅲ-ⅴ族化合物層13b的algan的鋁百分比在約23％到約40％的范圍內(nèi)。

在一些實(shí)施例中，第二ⅲ-ⅴ族化合物層13可以具有兩個(gè)以上的algan層，每個(gè)algan層具有不同的鋁百分比。在一些實(shí)施例中，隨著algan層遠(yuǎn)離第一ⅲ-ⅴ族化合物層12，algan層的鋁百分比增加。因此，具有較高鋁百分比的algan層將在具有較低鋁百分比的algan層上生長(zhǎng)。

隔離區(qū)19a、19b在第一ⅲ-ⅴ族化合物層12和第二ⅲ-ⅴ族化合物層13內(nèi)的兩側(cè)處。隔離區(qū)19a、19b將半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1中的hemt與襯底10中的其它器件隔離。在一些實(shí)施例中，隔離區(qū)19a、19b包括具有氧或氮的物種的摻雜區(qū)。

源極區(qū)16在ⅲ-ⅴ族化合物層13b上。在一些實(shí)施例中，源極區(qū)16包括鋁(al)、鈦(ti)、鎳(ni)、金(au)或銅(cu)。漏極區(qū)17在ⅲ-ⅴ族化合物層13b上并且與源極區(qū)16間隔開(kāi)。在一些實(shí)施例中，漏極區(qū)17包括al、ti、ni、au或cu。

第一介電層14穿透ⅲ-ⅴ族化合物層13b并且位于ⅲ-ⅴ族化合物層13a上。將第一介電層14配置為保護(hù)下面ⅲ-ⅴ族化合物層13免受(來(lái)自)具有等離子體的工藝中的損害。在一些實(shí)施例中，第一介電層14的厚度在約到約之間的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施例中，第一介電層14可以是包括氧化硅和/或氮化硅的鈍化層。當(dāng)?shù)谝唤殡妼?4包括氮化硅時(shí)，可以使用sih4氣體和nh3體氣通過(guò)實(shí)施低壓化學(xué)汽相沉積(lpcvd)方法(沒(méi)有等離子體)來(lái)形成第一介電層14。

柵極區(qū)15在第一介電層14上并位于源極區(qū)16與區(qū)漏極17之間。柵極區(qū)15包括配置為用于電壓偏置的導(dǎo)電材料。在一些實(shí)施例中，該導(dǎo)電材料包括難熔金屬或其化合物，例如，鈦(ti)、氮化鈦(tin)、鎢化鈦(tiw)和鎢(w)?？蛇x地，該導(dǎo)電材料包括鎳(ni)、金(au)或銅(cu)。

第二介電層18在ⅲ-ⅴ族化合物層13b和隔離層19a、19b上。第二介電層18圍繞源極區(qū)16、漏極區(qū)17、第一介電層14和柵極區(qū)15。將第二介電層18配置為保護(hù)下面ⅲ-ⅴ族化合物層13b免受(來(lái)自)具有等離子體的工藝中的損害。在一些實(shí)施例中，第二介電層18可以是包括氧化硅、氮化硅、氧化鎵、氧化鋁、氧化鈧、氧化鋯、氧化鑭或氧化鉿的鈍化層。

在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1還可以包括保護(hù)層(圖中未示出)。該保護(hù)層設(shè)置在源極區(qū)16和第二介電層18之間以及漏極區(qū)17和第二介電層18之間。保護(hù)層覆蓋源極區(qū)16和漏極區(qū)17以防止源極區(qū)16和漏極區(qū)17在形成隔離區(qū)19a、19b的退火工藝期間曝光。

在一些現(xiàn)有方法中，ⅲ-ⅴ族化合物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)僅具有單個(gè)algan層。因此，algan層的鋁百分比是決定半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)性能的主要參數(shù)。在鋁百分比低的情況下，在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)操作期間，由于能量勢(shì)壘低，電子很容易被捕獲，這將增加半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通電阻并使半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的效率衰減。盡管增加algan層的鋁百分比可以解決上述問(wèn)題，algan層的更高的鋁百分比將導(dǎo)致algan層和下面的gan層之間的高晶格失配，algan層和下面的gan層之間的高晶格失配將降低半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的可靠性。因此，通過(guò)使用單個(gè)algan層以得到具有低導(dǎo)通電阻且高可靠性的ⅲ-ⅴ族化合物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)是困難的。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有多個(gè)algan層，每個(gè)algan層具有不同的鋁百分比。通過(guò)在gan層上生長(zhǎng)具有較低鋁百分比的algan層13a，可以降低algan層和gan層之間的晶格失配。在algan層13a上生長(zhǎng)另一具有較高鋁百分比的algan層13b將增加能量勢(shì)壘以避免電子易于捕獲，這將降低半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1的導(dǎo)通電阻。因此，與現(xiàn)有的具有單個(gè)algan層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相比，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1在具有更低的導(dǎo)通電阻和更高的效率的同時(shí)，沒(méi)有降低可靠性。

圖1b示出了根據(jù)一些實(shí)施例的圖1a中的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的測(cè)量結(jié)果。在圖1b中，x軸代表施加于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1的反向偏壓應(yīng)力電壓，y軸代表動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻比率(該比率是施加了反向偏壓應(yīng)力電壓的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通電阻和未施加反向偏壓應(yīng)力電壓的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通電阻之間的比)。

如圖1b所示，在300v應(yīng)力電壓下，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻比是約1.1，比現(xiàn)有的具有單個(gè)algan層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻比低約25％。在400v應(yīng)力電壓下，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻比是約1.8，比現(xiàn)有的具有單個(gè)algan層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻比低約62％。較低的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻比將增加半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1的效率和性能。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)2的截面圖。在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)2可以是高電子遷移率晶體管(hemt)。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)2包括襯底20、緩沖層21、第一ⅲ-ⅴ族化合物層22、第二ⅲ-ⅴ族化合物層23、第一介電層24、第二介電層28、柵極區(qū)25、源極區(qū)26、漏極區(qū)27和隔離區(qū)29a、29b。

在一些實(shí)施例中，襯底20包括碳化硅(sic)襯底或藍(lán)寶石襯底或硅襯底。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)2還包括形成在兩種不同半導(dǎo)體材料層(諸如具有不同帶隙的材料層)之間的異質(zhì)結(jié)。例如，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)2包括非摻雜窄帶隙溝道層和寬帶隙n型供體提供(donor-supply)層。

緩沖層21在襯底20上。緩沖層21為隨后形成的覆蓋層充當(dāng)緩沖層和/或過(guò)渡層?？梢允褂媒饘儆袡C(jī)汽相外延(movpe)外延生長(zhǎng)緩沖層21。緩沖層21可以用作用于降低襯底20和第一ⅲ-ⅴ族化合物層22之間的晶格失配的界面。在一些實(shí)施例中，緩沖層21包括具有從約10納米(nm)到約300納米(nm)范圍之間的厚度的氮化鋁(aln)層。緩沖層21可以包括單層或多層。例如，緩沖層21可以包括在約800℃到約1200℃之間的溫度下形成的低溫aln層(在圖中未示出)和在約1000℃到約1400℃之間的溫度下形成的高溫aln層(在圖中未示出)。

第一ⅲ-ⅴ族化合物層22在緩沖層21上。第一ⅲ-ⅴ族化合物層22是由元素周期表中的ⅲ-ⅴ族制成的化合物。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第一ⅲ-ⅴ族化合物層22包括氮化鎵(gan)層。在一些實(shí)施例中，第一ⅲ-ⅴ族化合物層22包括gaas層或inp層。例如，在一些實(shí)施例中，可以通過(guò)mopve外延生長(zhǎng)第一ⅲ-ⅴ族化合物層22，在外延生長(zhǎng)第一ⅲ-ⅴ族化合物層12期間，使用含鎵前體和含氮前體。含鎵前體可以包括三甲基鎵(tmg)、三乙基鎵(teg)或其他合適的含鎵化學(xué)物。含氮前體可以包括氨(nh3)、叔丁基胺(tbam)、苯肼或其他合適的化學(xué)物。

第一ⅲ-ⅴ族化合物層22是未摻雜的?？蛇x地，例如，由于用于形成第一ⅲ-ⅴ族化合物層22的前體的原因，第一ⅲ-ⅴ族化合物層22是無(wú)意地?fù)诫s并且可以輕摻雜有n型摻雜劑。在一些實(shí)施例中，第一ⅲ-ⅴ族化合物層22的厚度在從約0.5微米(μm)至約10μm的范圍內(nèi)。

第二ⅲ-ⅴ族化合物層23在第一ⅲ-ⅴ族化合物層22上以覆蓋第一ⅲ-ⅴ族化合物層22的部分。第二ⅲ-ⅴ族化合物層23是由元素周期表中的ⅲ-ⅴ族制成的化合物。第二ⅲ-ⅴ族化合物層23和第一ⅲ-ⅴ族化合物層22的組分彼此不同。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第二ⅲ-ⅴ族化合物層23包括氮化鋁鎵(algan)層。在一些實(shí)施例中，第二ⅲ-ⅴ族化合物層23包括algaas層或alinp層。第二ⅲ-ⅴ族化合物層23是有意摻雜的。在一些實(shí)施例中，第二ⅲ-ⅴ族化合物層23的厚度在從約5nm至約50nm的范圍內(nèi)。

如圖2所示，第二ⅲ-ⅴ族化合物層23具有兩個(gè)ⅲ-ⅴ族化合物層23a和23b。在一些實(shí)施例中，ⅲ-ⅴ族化合物層23a和23b都是algan，只是具有不同al百分比?？蛇x地，ⅲ-ⅴ族化合物層23a和23b都是algaas或都是alinp，只是具有不同al百分比。ⅲ-ⅴ族化合物層23a的鋁百分比小于ⅲ-ⅴ族化合物層23b的鋁百分比。在一些實(shí)施例中，ⅲ-ⅴ族化合物層23b的algan的鋁百分比與ⅲ-ⅴ族化合物層23a的algan的鋁百分比的比率在從約1.1至約2.5的范圍內(nèi)。例如，ⅲ-ⅴ族化合物層23a的algan的鋁百分比為16％，ⅲ-ⅴ族化合物層23b的algan的鋁百分比將在17.6％到40％的范圍內(nèi)。例如，ⅲ-ⅴ族化合物層23a的algan的鋁百分比在約12％到約18％的范圍內(nèi)，而ⅲ-ⅴ族化合物層23b的algan的鋁百分比在約23％到約40％的范圍內(nèi)。

在一些實(shí)施例中，第二ⅲ-ⅴ族化合物層23可以具有兩個(gè)以上的algan層，每個(gè)algan層具有不同的鋁百分比。在一些實(shí)施例中，隨著algan層遠(yuǎn)離第一ⅲ-ⅴ族化合物層22，algan層的鋁百分比增加。因此，具有較高鋁百分比的algan層將在具有較低鋁百分比的algan層上生長(zhǎng)。

隔離區(qū)29a、29b在第一ⅲ-ⅴ族化合物層22和第二ⅲ-ⅴ族化合物層23內(nèi)的兩側(cè)處。隔離區(qū)29a、29b將半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)2中的hemt與襯底20中的其它器件隔離。在一些實(shí)施例中，隔離區(qū)29a、29b包括具有氧或氮的物種的摻雜區(qū)。

源極區(qū)26在ⅲ-ⅴ族化合物層23b上。在一些實(shí)施例中，源極區(qū)26包括鋁(al)、鈦(ti)、鎳(ni)、金(au)或銅(cu)。漏極區(qū)27在ⅲ-ⅴ族化合物層23b上并且與源極區(qū)26間隔開(kāi)。在一些實(shí)施例中，漏極區(qū)27包括al、ti、ni、au或cu。

第一介電層24位于ⅲ-ⅴ族化合物層23a上并且與ⅲ-ⅴ族化合物層23b隔開(kāi)。例如，第一介電層24和漏極區(qū)27下面的ⅲ-ⅴ族化合物層23b之間的距離l2與第一介電層24和漏極區(qū)27之間的距離l1的比在0至約0.8的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施例中，l1約為15μm以及l(fā)2小于12μm。將第一介電層24配置為保護(hù)下面ⅲ-ⅴ族化合物層23免受(來(lái)自)具有等離子體的工藝中的損害。在一些實(shí)施例中，第一介電層24的厚度在約到約之間的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施例中，第一介電層24可以是包括氧化硅和/或氮化硅的鈍化層。當(dāng)?shù)谝唤殡妼?4包括氮化硅，可以使用sih4氣和nh3氣通過(guò)實(shí)施低壓化學(xué)汽相沉積(lpcvd)方法(沒(méi)有等離子體)來(lái)形成第一介電層14。

柵極區(qū)25在第一介電層24上并位于源極區(qū)26與區(qū)漏極27之間。柵極區(qū)25包括配置為用于電壓偏置的導(dǎo)電材料。在一些實(shí)施例中，該導(dǎo)電材料包括難熔金屬或其化合物，例如，鈦(ti)、氮化鈦(tin)、鎢化鈦(tiw)和鎢(w)?？蛇x地，該導(dǎo)電材料包括鎳(ni)、金(au)或銅(cu)。

第二介電層28在ⅲ-ⅴ族化合物層23b、ⅲ-ⅴ族化合物層23a和隔離層19a、19b上。第二介電層28圍繞源極區(qū)26、漏極區(qū)27、第一介電層24和柵極區(qū)25。將第二介電層28配置為保護(hù)下面ⅲ-ⅴ族化合物層23b免受(來(lái)自)具有等離子體的工藝中的損害。在一些實(shí)施例中，第二介電層28可以是包括氧化硅、氮化硅、氧化鎵、氧化鋁、氧化鈧、氧化鋯、氧化鑭或氧化鉿的鈍化層。

在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)2還可以包括保護(hù)層(圖中未示出)。該保護(hù)層設(shè)置在源極區(qū)26和第二介電層28之間以及漏極區(qū)27和第二介電層28之間。保護(hù)層覆蓋源極區(qū)26和漏極區(qū)27以防止源極區(qū)26和漏極區(qū)27在形成隔離區(qū)29a、29b的退火工藝期間曝光。

在一些現(xiàn)有方法中，ⅲ-ⅴ族化合物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)僅具有單個(gè)algan層。因此，algan層的鋁百分比是決定半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)性能的主要參數(shù)。在鋁百分比低的情況下，在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)操作期間，由于能量勢(shì)壘低，電子很容易被捕獲，這將增加半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通電阻并使半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的效率衰減。盡管增加algan層的鋁百分比可以解決上述問(wèn)題，algan層的更高的鋁百分比將導(dǎo)致algan層和下面的gan層之間的高晶格失配，algan層和下面的gan層之間的高晶格失配將降低半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的可靠性。因此，通過(guò)使用單個(gè)algan層以得到具有低導(dǎo)通電阻且高可靠性的ⅲ-ⅴ族化合物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)是困難的。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有多個(gè)algan層，每個(gè)algan層具有不同的鋁百分比。通過(guò)在gan層上生長(zhǎng)具有較低鋁百分比的algan層23a，可以降低algan層和gan層之間的晶格失配。在algan層23a上生長(zhǎng)另一具有較高鋁百分比的algan層23b將增加能量勢(shì)壘以避免電子易于捕獲，這將降低半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)2的導(dǎo)通電阻。因此，與現(xiàn)有的具有單個(gè)algan層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相比，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)2在具有更低的導(dǎo)通電阻和更高的效率的同時(shí)，沒(méi)有降低可靠性。此外，與圖1a所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)1相比，通過(guò)將iii-v族化合物層23b與第一介電層24隔開(kāi)，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)2可以具有更好的性能。

圖3a至圖3d是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)3在各個(gè)制造階段的截面圖。為了更好地理解本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思，已經(jīng)簡(jiǎn)化了各個(gè)圖。

參照?qǐng)D3a,提供了襯底30。襯底30包括碳化硅(sic)襯底、或藍(lán)寶石襯底或硅襯底。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)3還包括形成在兩種不同半導(dǎo)體材料層(諸如具有不同帶隙的材料層)之間的異質(zhì)結(jié)。例如，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)3包括非摻雜窄帶隙溝道層和寬帶隙n型供體提供(donor-supply)層。

緩沖層31形成在襯底30上。緩沖層31為隨后形成的覆蓋層充當(dāng)緩沖層和/或過(guò)渡層?？梢允褂媒饘儆袡C(jī)汽相外延(movpe)外延生長(zhǎng)緩沖層31。緩沖層31可以用作用于降低襯底30和隨后形成的ⅲ-ⅴ族化合物層之間的晶格失配的界面。在一些實(shí)施例中，緩沖層31包括具有從約10納米(nm)到約300納米(nm)范圍之間的厚度的氮化鋁(aln)層。緩沖層31可以包括單層或多層。例如，緩沖層31可以包括在約800℃到約1200℃之間的溫度下形成低溫aln層(在圖中未示出)和在約1000℃到約1400℃之間的溫度下形成的高溫aln層(圖中未示出)。

第一ⅲ-ⅴ族化合物層32形成在緩沖層31上。第一ⅲ-ⅴ族化合物層32是由元素周期表中的ⅲ-ⅴ族制成的化合物。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第一ⅲ-ⅴ族化合物層32包括氮化鎵(gan)層。在一些實(shí)施例中，第一ⅲ-ⅴ族化合物層32包括gaas層或inp層。例如，在一些實(shí)施例中，可以通過(guò)mopve外延生長(zhǎng)第一ⅲ-ⅴ族化合物層32，在外延生長(zhǎng)第一ⅲ-ⅴ族化合物層32期間，使用含鎵前體和含氮前體。含鎵前體可以包括三甲基鎵(tmg)、三乙基鎵(teg)或其他合適的含鎵化學(xué)物。含氮前體可以包括氨(nh3)、叔丁基胺(tbam)、苯肼或其他合適的化學(xué)物。

第一ⅲ-ⅴ族化合物層32是未摻雜的?？蛇x地，例如，由于用于形成第一ⅲ-ⅴ族化合物層32的前體的原因，第一ⅲ-ⅴ族化合物層32是無(wú)意地?fù)诫s并且可以輕摻雜有n型摻雜劑。在一些實(shí)施例中，第一ⅲ-ⅴ族化合物層32的厚度在從約0.5μm至約10μm的范圍內(nèi)。

第二ⅲ-ⅴ族化合物層33a形成在第一ⅲ-ⅴ族化合物層32上。第二ⅲ-ⅴ族化合物層33a是由元素周期表中的ⅲ-ⅴ族制成的化合物。第二ⅲ-ⅴ族化合物層33a和第一ⅲ-ⅴ族化合物層32的組分彼此不同。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第二ⅲ-ⅴ族化合物層33a包括氮化鋁鎵(algan)層。在一些實(shí)施例中，第二ⅲ-ⅴ族化合物層33a包括algaas層或alinp層。第二ⅲ-ⅴ族化合物層33a是有意摻雜的。使用含鋁前體、含鎵前體和含氮前體，通過(guò)movpe在第一ⅲ-ⅴ族化合物層32上外延生長(zhǎng)第二ⅲ-ⅴ族化合物層33a。含鋁前體包括三甲基鋁(tma)、三乙基鋁(tea)或其他合適的化學(xué)物。含鎵前體包括tmg、teg或其他合適的化學(xué)物。含氮前體可以包括氨、tbam、苯肼或其他合適的化學(xué)物。

第三ⅲ-ⅴ族化合物層33b形成在第二ⅲ-ⅴ族化合物層33a上。除了第三ⅲ-ⅴ族化合物層33b的鋁百分比與第二ⅲ-ⅴ族化合物層33a的鋁百分比不同，第三ⅲ-ⅴ族化合物層33b和第二ⅲ-ⅴ族化合物層33a由相同的化合物形成。更具體地，第三ⅲ-ⅴ族化合物層33b的鋁百分比大于第二ⅲ-ⅴ族化合物層33a的鋁百分比。在一些實(shí)施例中，第三ⅲ-ⅴ族化合物層33b的algan的鋁百分比與第二ⅲ-ⅴ族化合物層33a的algan的鋁百分比的比率在從約1.1至約2.5的范圍內(nèi)。例如，第二ⅲ-ⅴ族化合物層33a的algan的鋁百分比為16％，第三ⅲ-ⅴ族化合物層33b的algan的鋁百分比將在約17.6％到約40％的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施例中，ⅲ-ⅴ族化合物層33a的algan的鋁百分比在約12％到約18％的范圍內(nèi)，而ⅲ-ⅴ族化合物層33b的algan的鋁百分比在約23％到約40％的范圍內(nèi)。

使用含鋁前體、含鎵前體和含氮前體，通過(guò)movpe在第二ⅲ-ⅴ族化合物層33a上外延生長(zhǎng)第三ⅲ-ⅴ族化合物層33b。含鋁前體包括三甲基鋁(tma)、三乙基鋁(tea)或其他合適的化學(xué)物。含鎵前體包括tmg、teg或其他合適的化學(xué)物。含氮前體可以包括氨、tbam、苯肼或其他合適的化學(xué)物。

隔離區(qū)39a、39b形成在第一ⅲ-ⅴ族化合物層32、第二ⅲ-ⅴ族化合物層33a和第三ⅲ-ⅴ族化合物層33b內(nèi)的兩側(cè)。在一些實(shí)施例中，使用氧或氮的物種通過(guò)離子注入工藝來(lái)形成隔離區(qū)39a、39b。

參照?qǐng)D3b，源極區(qū)36和漏極區(qū)37形成在第三ⅲ-ⅴ族化合物層33b上。在一些實(shí)施例中，通過(guò)使用濺射、原子層沉積(ald)或化學(xué)汽相沉積(cvd)操作來(lái)形成源極區(qū)36和漏極區(qū)37。在一些實(shí)施例中，源極區(qū)36和漏極區(qū)37包括au、al、ti、ni、au或cu。

參照?qǐng)D3c，從第三ⅲ-ⅴ族化合物層33b的頂面到第二ⅲ-ⅴ族化合物層33a形成開(kāi)口。參照?qǐng)D3c,通過(guò)光刻和蝕刻工藝限定開(kāi)口以暴露第二ⅲ-ⅴ族化合物層33a的頂面。第一介電層34形成在開(kāi)口內(nèi)以及第二ⅲ-ⅴ族化合物層33a的頂面上。在一些實(shí)施例中，第一介電層34包括氧化硅和/或氮化硅。在一些實(shí)施例中，可以使用sih4氣和nh3氣通過(guò)實(shí)施低壓化學(xué)汽相沉積(lpcvd)方法(沒(méi)有等離子體)來(lái)形成第一介電層34。操作溫度在從約650℃至約800℃的范圍內(nèi)。操作壓力在從約0.1托至約1托的范圍內(nèi)。

然后，金屬層沉積在第一介電層34中以形成柵極區(qū)35。在一些實(shí)施例中，柵極區(qū)35包括難熔金屬或其化合物，例如，鈦(ti)、氮化鈦(tin)、鎢化鈦(tiw)和鎢(w)?？蛇x地，柵極區(qū)35包括鋁鎳(ni)、金(au)或銅(cu)。

參照?qǐng)D3d，第二介電層38沉積在源極區(qū)36、漏極區(qū)37、柵極區(qū)35和第三ⅲ-ⅴ族化合物層33b上。在一些實(shí)施例中，第二介電層38包括氧化硅、氮化硅、氧化鎵、氧化鋁、氧化鈧、氧化鋯、氧化鑭或氧化鉿。在一些實(shí)施例中，通過(guò)原子層沉積(ald)方法形成第二介電層38。ald方法基于汽相化學(xué)工藝的相繼使用。大部分的ald反應(yīng)使用兩種化學(xué)物(通常稱作前體)。這些前體按順序地一次一種地與表面反應(yīng)。通過(guò)將前體反復(fù)地暴露于生長(zhǎng)面來(lái)沉積第二介電層38。ald方法提供了第二介電層38的具有高質(zhì)量的統(tǒng)一厚度。在一些實(shí)施例中，通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(pecvd)或低壓化學(xué)汽相沉積(lpcvd)形成第二介電層38。

如上所述，現(xiàn)有的ⅲ-ⅴ族化合物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)通過(guò)使用單個(gè)algan層不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻和高可靠性。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，通過(guò)在gan層上外延生長(zhǎng)具有不同鋁百分比的多個(gè)algan層，按照?qǐng)D3a到圖3d所示的操作制造的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)能夠具有低導(dǎo)通電阻和高效率同時(shí)不降低穩(wěn)定性。

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體器件包括襯底、位于襯底上方的第一ⅲ-ⅴ族化合物層、位于第一ⅲ-ⅴ族化合物層上方的第二ⅲ-ⅴ族化合物層、位于第二ⅲ-ⅴ族化合物層上方的第三ⅲ-ⅴ族化合物層、位于第三ⅲ-ⅴ族化合物層上方的源極區(qū)和位于第三ⅲ-ⅴ族化合物層上方的漏極區(qū)。第三ⅲ-ⅴ族化合物層的鋁百分比大于第二ⅲ-ⅴ族化合物層的鋁百分比。

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中提供了高電子遷移率晶體管(hemt)。hemt包括襯底、位于襯底上方的第一ⅲ-ⅴ族化合物層、位于第一ⅲ-ⅴ族化合物層上方的第二ⅲ-ⅴ族化合物層、位于第二ⅲ-ⅴ族化合物層上方的第三ⅲ-ⅴ族化合物層、位于第三ⅲ-ⅴ族化合物層上方的源極區(qū)和位于第三ⅲ-ⅴ族化合物層上方的漏極區(qū)、穿過(guò)第三ⅲ-ⅴ族化合物層并且在第二ⅲ-ⅴ族化合物層上的第一介電層和位于第一介電層上的柵極區(qū)。例如，第一介電層和漏極區(qū)下面的ⅲ-ⅴ族化合物層之間的距離與第一介電層和漏極區(qū)之間的距離的比率在從0至約0.8的范圍內(nèi)。

本發(fā)明的一些實(shí)施例提供了一種制造半導(dǎo)體器件的方法。方法包括：提供襯底；在襯底上方形成第一ⅲ-ⅴ族化合物層；在第一ⅲ-ⅴ族化合物層上形成具有第一鋁濃度的第二ⅲ-ⅴ族化合物層；在第二ⅲ-ⅴ族化合物層上形成具有第二鋁濃度的第三ⅲ-ⅴ族化合物層；在第三ⅲ-ⅴ族化合物層上形成源極區(qū)以及在第三ⅲ-ⅴ族化合物層上形成漏極區(qū)。第二鋁濃度大于第一鋁濃度。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種半導(dǎo)體器件，包括：襯底；第一ⅲ-ⅴ族化合物層，位于所述襯底上方；第二ⅲ-ⅴ族化合物層，位于所述第一ⅲ-ⅴ族化合物層上；第三ⅲ-ⅴ族化合物層，位于所述第二ⅲ-ⅴ族化合物層上；源極區(qū)，位于所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層上；以及漏極區(qū)，位于所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層上，其中，所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層的鋁百分比大于所述第二ⅲ-ⅴ族化合物層的鋁百分比。

在上述半導(dǎo)體器件中，所述第一ⅲ-ⅴ族化合物層包括gan、gaas或inp。

在上述半導(dǎo)體器件中，所述第二ⅲ-ⅴ族化合物層和所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層包括algan、algaas或alinp。

在上述半導(dǎo)體器件中，所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層的所述鋁百分比與所述第二ⅲ-ⅴ族化合物層的所述鋁百分比的比率在從1.1至2.5的范圍內(nèi)。

在上述半導(dǎo)體器件中，所述第二ⅲ-ⅴ族化合物層的所述鋁百分比在從12％至18％的范圍內(nèi)。

在上述半導(dǎo)體器件中，所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層的所述鋁百分比在從23％至40％的范圍內(nèi)。

在上述半導(dǎo)體器件中，還包括位于所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層上的多個(gè)ⅲ-ⅴ族化合物層，其中，所述多個(gè)ⅲ-ⅴ族化合物層的每個(gè)的鋁百分比大于所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層的所述鋁百分比。

在上述半導(dǎo)體器件中，所述多個(gè)ⅲ-ⅴ族化合物層的遠(yuǎn)離所述第一ⅲ-ⅴ族化合物層的任何一個(gè)的鋁百分比大于所述多個(gè)ⅲ-ⅴ族化合物層的接近所述第一ⅲ-ⅴ族化合物層的一個(gè)的鋁百分比。

在上述半導(dǎo)體器件中，還包括：第一介電層，穿透所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層并且位于第二ⅲ-ⅴ族化合物層上；以及柵極區(qū)，位于所述第一介電層上。

在上述半導(dǎo)體器件中，還包括第二介電層(18)，所述第二介電層覆蓋所述源極區(qū)、所述漏極區(qū)、所述柵極區(qū)和所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層。

在上述半導(dǎo)體器件中，所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層與所述第一介電層水平地間隔開(kāi)一距離。

在上述半導(dǎo)體器件中，所述第一介電層和位于所述漏極區(qū)下面的所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層之間的所述距離與所述第一介電層和所述漏極區(qū)之間的距離的比率小于0.8。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，還提供了一種高電子遷移率晶體管(hemt)，包括：襯底；第一iii-v族化合物層，位于所述襯底上方；第二ⅲ-ⅴ族化合物層，位于所述第一ⅲ-ⅴ族化合物層上；第三ⅲ-ⅴ族化合物層，位于所述第二ⅲ-ⅴ族化合物層上；源極區(qū)，位于所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層上；漏極區(qū)，位于所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層上，第一介電層，穿透所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層并且位于所述第二ⅲ-ⅴ族化合物層上；以及柵極區(qū)，位于所述第一介電層上，其中，所述第一介電層和位于所述漏極區(qū)下面的所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層之間的距離與所述第一介電層和所述漏極區(qū)之間的距離的比率在從0至0.8的范圍內(nèi)。

在上述高電子遷移率晶體管中，所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層的鋁百分比大于所述第二ⅲ-ⅴ族化合物層的鋁百分比。

在上述高電子遷移率晶體管中，所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層的鋁百分比與所述第二ⅲ-ⅴ族化合物層的鋁百分比的比率在從1.1至2.5的范圍內(nèi)。

在上述高電子遷移率晶體管中，還包括位于所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層上的多個(gè)ⅲ-ⅴ族化合物層，其中，所述多個(gè)ⅲ-ⅴ族化合物層的每個(gè)的鋁百分比大于所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層的鋁百分比。

根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，還提供了一種制造半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括：提供襯底；在所述襯底上方形成第一iii-v族化合物層；在所述第一ⅲ-ⅴ族化合物層上形成具有第一鋁濃度的第二ⅲ-ⅴ族化合物層；在所述第二ⅲ-ⅴ族化合物層上形成具有第二鋁濃度的第三ⅲ-ⅴ族化合物層；在所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層上形成源極區(qū)；以及在所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層上形成漏極區(qū)，其中，所述第二鋁濃度高于所述第一鋁濃度。

在上述方法中，使用金屬有機(jī)汽相外延(movpe)外延生長(zhǎng)所述第二ⅲ-ⅴ族化合物層和所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層。

在上述方法中，所述第二鋁濃度與所述第一鋁濃度的比率在從1.1至2.5的范圍內(nèi)。

在上述方法中，還包括：在所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層的頂面形成開(kāi)口以暴露所述第二ⅲ-ⅴ族化合物層的頂面；填充所述開(kāi)口以形成介電層；以及在所述介電層上形成柵極區(qū)，其中，所述介電層和位于所述漏極區(qū)下面的所述第三ⅲ-ⅴ族化合物層之間的距離與所述介電層和所述漏極區(qū)之間的距離的比率在從0至0.8的范圍內(nèi)。

此外，本申請(qǐng)的范圍并不僅限于本說(shuō)明書(shū)中描述的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法和步驟的特定實(shí)施例。作為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明應(yīng)很容易理解，根據(jù)本發(fā)明可以利用現(xiàn)有的或今后開(kāi)發(fā)的用于執(zhí)行與本文所述相應(yīng)實(shí)施例基本上相同的功能或者獲得基本上相同的結(jié)果的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟。因此，所附權(quán)利要求應(yīng)該包括在諸如工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟/操作的范圍內(nèi)。此外，每一個(gè)權(quán)利要求都構(gòu)成一個(gè)單獨(dú)的實(shí)施例，且不同權(quán)利要求和實(shí)施例的組合都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。