具有分級勢壘層的器件的制作方法
【專利說明】具有分級勢壘層的器件
[0001]相關(guān)申請的交叉引用:
[0002]本發(fā)明涉及于2012年4月16日提交的美國專利申請N0.13/448，348并要求其優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及具有分級勢皇層的III族-N異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFET)，其為毫米(mm)波器件提供了改進(jìn)的并且不同的RF性能。
【背景技術(shù)】
[0004]HFET(也可以被稱為高電子迀移率晶體管(HEMT))是包含兩種不同帶隙的材料之間的結(jié)(即異質(zhì)結(jié))代替常見的金屬-氧化物-硅場效應(yīng)晶體管(MOSFET)中的摻雜區(qū)域以作為溝道的場效應(yīng)晶體管。
[0005]圖1a描述了具有在襯底8上沉積的AlGaN緩沖層10的常規(guī)GaNHFET器件結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有技術(shù)中還已知的是采用GaN緩沖層10。溝道層12為40nm厚的GaN層并且勢皇層14為21nm厚的均勻的Ala25Gaa75N層。雖然圖1a中所示的這些層都為非故意摻雜(Un-1ntent1nally Doped，UID)層，但是在本領(lǐng)域中已知的是在這些層中的一部分層中或在這些層之間布置的層中添加一些摻雜。例如，見Fujiwara的題為“Technique forDevelopment of High Current Density Heterojunct1n Field Effect Transistorsbased on(10-10)-Plane GaN By Delta-Doping” 的美國專利公開 2011/0057198。
[0006]圖1a描述的結(jié)構(gòu)為在其上形成柵極結(jié)構(gòu)之前的結(jié)構(gòu)。對于較高頻的器件，柵極結(jié)構(gòu)通常為T形柵極。
[0007]圖3a描述了圖1a中常規(guī)器件的脈沖IV測量，其中Vgs= +IV并且脈沖寬度為200nsο圖1a中常規(guī)器件在Vds= 2V時發(fā)生的電流崩塌量為35%。
[0008]長期以來，電流崩塌一直是微波和毫米波AlGaN/GaN HFET需要解決的問題。晶體管中會出現(xiàn)被稱為電流崩塌的現(xiàn)象，該現(xiàn)象為在施加了高電壓之后溝道電導(dǎo)會臨時性地下降。該問題通常通過采用SiN表面鈍化來緩和。然后，將柵極底部刻蝕穿過SiN，隨后采用單獨(dú)的光刻步驟蒸發(fā)并且剝離(lift-off)柵極，從而制造出柵極。該現(xiàn)有技術(shù)自然而然地形成了場板，并且所得的器件對于高達(dá)Ka波段(26.5-40GHZ)的頻率非常有用。
[0009]但是，柵極長度的限制和由場板帶來的寄生電容妨礙了該過程用于更高的頻率。為了在具有較短的柵極長度時降低電容，通常采用了 T形柵極結(jié)構(gòu)。但遺憾的是，由于鈍化過程的固有差異以及器件的柵極的漏極端的電場形狀的改變，T形柵極器件通常比場板器件具有更差的電流崩塌性質(zhì)。因此對于高頻III族-氮化物器件(尤其是可以在高于Ka波段的頻率下使用的GaN基器件)而言，電流崩塌仍然是主要問題。
[0010]在高于Ka波段的頻率下達(dá)到好的功率性能需要新的技術(shù)方法。首先，可以采用T形柵極以獲得具有低寄生電容的長度較短的柵極。但是，與更常見的場板方法相比，T形柵極的處理中難以對表面陷阱進(jìn)行有效地鈍化。其經(jīng)常導(dǎo)致非常高的電流崩塌，從而難以達(dá)到在功率放大器中可以獲得的輸出功率和效率。這是在V帶和W帶應(yīng)用中阻礙GaN HFET成為主流的主要限制。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)試圖降低電流崩塌的程度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本技術(shù)的一個方面提供了一種晶體管，包括:沉積在襯底上的III族-氮化物緩沖層；以及配置在III族-氮化物緩沖層的表面上的III族-氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中III族-氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括III族-氮化物溝道和配置在III族-氮化物溝道的表面上的III族-氮化物勢皇層，該III族-氮化物勢皇層包括Al以作為其III族元素成分中的一種，Al的摩爾分?jǐn)?shù)在III族-氮化物勢皇層的至少一部分中變化。
[0013]本技術(shù)的另一個方面提供了一種制造晶體管的方法，包括:形成在襯底上沉積的III族-氮化物緩沖層；以及形成配置在III族-氮化物緩沖層的表面上的III族-氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中III族-氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括III族-氮化物溝道和配置在III族-氮化物溝道的表面上的III族-氮化物勢皇層，該III族-氮化物勢皇層包括Al以作為其III族元素成分中的一種，Al的摩爾分?jǐn)?shù)在III族-氮化物勢皇層的至少一部分中變化。
[0014]本技術(shù)的又一個方面提供一種降低HFET器件中的電流崩塌的方法，所述HFET器件具有溝道、柵極以及在溝道和柵極之間的勢皇區(qū)域，該勢皇區(qū)域具有鋁(Al)作為其組成元素中的一種，該方法包括在所述勢皇區(qū)域中改變鋁(Al)的摩爾分?jǐn)?shù)使得在靠近所述柵極的勢皇區(qū)域的鋁(Al)的摩爾分?jǐn)?shù)大于遠(yuǎn)離所述柵極的勢皇區(qū)域的鋁(Al)的摩爾分?jǐn)?shù)。
[0015]本技術(shù)的又一個方面提供一種HFET器件，該HFET器件具有溝道、柵極以及在溝道和柵極之間的勢皇區(qū)域和用于降低電流崩塌的組件，其中在HFET器件被施加了高電壓后溝道電導(dǎo)會臨時下降的情況下，用于降低電流崩塌的組件在所述勢皇區(qū)域包括元素鋁(Al)，其中在所述勢皇區(qū)域中改變鋁(Al)的摩爾分?jǐn)?shù)使得在靠近所述柵極的勢皇區(qū)域的鋁(Al)的摩爾分?jǐn)?shù)大于遠(yuǎn)離所述柵極的勢皇區(qū)域的鋁(Al)的摩爾分?jǐn)?shù)。
【附圖說明】
[0016]圖1a示出了常規(guī)HFET器件的外延結(jié)構(gòu)；圖1b示出了一種HFET器件的外延結(jié)構(gòu)，該HFET器件在其勢皇層中具有與均勻或同質(zhì)勢皇層完全不同的分級勢皇部分。
[0017]圖2為最終器件結(jié)構(gòu)的截面視圖，該器件結(jié)構(gòu)具有肖特基T形柵極以及兩個歐姆接觸。該器件優(yōu)選地在制造柵極后采用SiN進(jìn)行鈍化。
[0018]圖3a和圖3b示出了常規(guī)器件(圖3a)和具有分級勢皇層的器件(圖3b)的脈沖IV測量，其中Vgs= +IV并且脈沖寬度為200ns。每個器件的電流崩塌量(V ds= 2V處)分別為35%和9%o
[0019]圖4為Al的優(yōu)選摩爾分?jǐn)?shù)和勢皇層厚度的關(guān)系曲線圖。
[0020]圖5為另一個Al的摩爾分?jǐn)?shù)和勢皇層厚度的關(guān)系曲線圖，在該實(shí)施例中，Al的摩爾分?jǐn)?shù)在靠近柵極處較小。
【具體實(shí)施方式】
[0021]圖1a示出了上述常規(guī)器件的結(jié)構(gòu)。圖1b示出了改進(jìn)的HFET器件，在其勢皇層14中包括與圖1a的器件的均勻勢皇層14完全不同的分級勢皇層14-2。
[0022]在分級器件的一個實(shí)施例中，分級器件具有包含兩個層14-1和14-2的勢皇層14，其中一個層優(yōu)選地為均勻的而另一個層優(yōu)選地為分級的。層14-1優(yōu)選地為15nm厚的均勻AlGaN層，其配置在溝道層12的上面或上方。本實(shí)施例中，在形成均勻AlGaN層14_1之后形成分級層14-2，該分級層優(yōu)選地為6nm厚的AlGaN層，其中Al的摩爾分?jǐn)?shù)從25%逐漸變化至35% (較高的Al摩爾分?jǐn)?shù)優(yōu)選地出現(xiàn)在緩沖層14的靠近柵極20的表面上，見圖2)。
[0023]圖4為Al的優(yōu)選摩爾分?jǐn)?shù)與勢皇層厚度的關(guān)系曲線圖。這些厚度和摩爾分?jǐn)?shù)可以根據(jù)需要改變以適合特定應(yīng)用(采用了制造出的HFET)。圖4的曲線圖表明厚度在15nm和21nm之間時Al的摩爾分?jǐn)?shù)與厚度為線性關(guān)系，但非線性關(guān)系也有可能符合要求。如果勢皇層14采用InAIN，那么分級區(qū)域14_2的組分優(yōu)選地由1% 17Α1α83Ν(由于該摩爾分?jǐn)?shù)值可以導(dǎo)致勢皇層晶格與GaN溝道12匹配)開始并且將Al增加至Al摩爾分?jǐn)?shù)和勢皇層厚度關(guān)系曲線中非常量部分的InxAlhN(其中χ〈0.17)，這同樣能導(dǎo)致較高的Al摩爾分?jǐn)?shù)優(yōu)選地出現(xiàn)在緩沖層14的靠近柵極20的表面上。在層14-2的整個厚度中，InAlN中的Al的摩爾分?jǐn)?shù)可以在大約Inai7Ala83N至大約InatllAla99N的范圍中變化，但優(yōu)選地，Al的摩爾分?jǐn)?shù)隨層14-2的厚度在大約Inai7Ala83N至大約Inatl7Ala93N的范圍中變化。
[0024]圖5的曲線圖示出了分級方向與圖4相反的不同實(shí)施例。HEMT器件的結(jié)構(gòu)如圖1b和圖2所示，但其由圖5的分級方式代替圖4的分級方式，這種器件并未對電流崩塌帶來額外的改進(jìn)，但這種器件可以提高可靠性。
[0025]溝道12優(yōu)選地為40nm厚的GaN層而緩沖層10優(yōu)選地為AlGaN，而有些不同的實(shí)施例可以采用GaN代替作為緩沖層10。緩沖層10配置在襯底8上面，襯底8優(yōu)選地為SiC，但襯底8也可以由其他諸如S1、藍(lán)寶石、GaN、或其他III族-氮化物材料制成。溝道12的厚度可以根據(jù)需要改變以適合特定應(yīng)用(采用了制造出的HFET)。
[0026]圖2為具有肖特基T形柵極20和兩個歐姆接觸16、18的最終器件的截面視圖，該兩個歐姆接觸提供了制造出的HFET的源極和漏極接觸。制造出的HFET器件優(yōu)選地在制造柵極之后采用薄的SiN層22進(jìn)行SiN鈍化。最終的器件優(yōu)選地具有圖2描述的T形柵極20，雖然可以采用場板柵極結(jié)構(gòu)代替，但人們認(rèn)為相對于具有T形柵極結(jié)構(gòu)的器件，由于以上陳述的原因，場板柵極結(jié)構(gòu)具有退化的高頻性能。
[0027]電流崩塌通常通過脈沖IV測量來表征。圖3a和圖3b分別示出了圖1a和圖1b的外延結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。圖1b的常規(guī)結(jié)構(gòu)的電流崩塌量為35%，而圖1b中具有分級勢皇層14-2的結(jié)構(gòu)的電流崩塌量為9%。這種具有分級勢皇層的結(jié)構(gòu)對器件性能有顯著提升，并且將顯著地提高具有該結(jié)構(gòu)的射頻(RF)單片微波集成電路(MMIC)的性能。
[0028]在元素周期表中，Al、Ga和In連同其它元素均屬于III族。III族-氮化物包括GaN、InAIN、GaAlN和其他由III族和氮結(jié)合以作為半導(dǎo)體的氮化物。層10、12、14_1和14-2優(yōu)選地為UID層，但由于本領(lǐng)域中已知的原因，這些層可以被摻雜，更具體而言，存在層內(nèi)部的摻雜區(qū)域或?qū)娱g的摻雜層。
[0029]本發(fā)明已經(jīng)參考T形柵極HFET的實(shí)施例進(jìn)行了描述。本發(fā)明公開還需要證明對場板柵極HFET有效。相對于T形柵極HFET，場板柵極HFET更適合于低頻RF (<40GHz)或功率切換應(yīng)用，但分級勢皇結(jié)構(gòu)同樣也可以為場板柵極HFET的器件性能帶來提升。
[0030]在此總結(jié)對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的描述。上文中以示出和描述為目的地描述了一個或多個本發(fā)明的實(shí)施例。其并非意味著窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限制在公開的精確形式中。通過以上教導(dǎo)可以對本發(fā)明做出許多修改和變化。其意味著本發(fā)明的范圍并非由此詳細(xì)描述的說明書所限制，而是由所附權(quán)利要求書所限制。
[0031]優(yōu)選地包含本文中描述的所有元素、部分和步驟。可以理解，對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是所有這些元素、部分和步驟可以被其他元素、部分和步驟代替或被完全地刪除。
[0032]本文至少公開了一種在III族-N HFET上制造分級勢皇層的器件和方法，其中，該器件具有沉積在襯底上的III族-氮化物緩沖層；以及配置在III族-氮化物緩沖層的表面上的III族-氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中III族-氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括III族-氮化物溝道和配置在III族-氮化物溝道的表面上的III族-氮化物勢皇層，該III族-氮化物勢皇層包括Al以作為其III族元素成分中的一種，Al的摩爾分?jǐn)?shù)在所述III族-氮化物勢皇層的至少一部分中變化。
[0033]構(gòu)思:
[0034]本發(fā)明還公開了至少以下構(gòu)思:
[0035]構(gòu)思1.一種器件，包括:<