具有反向极化帽的增强模式III-N族高电子迁移率晶体管

摘要

在一种方法中形成具有反向极化帽的增强模式III-N族高电子迁移率晶体管HEMT(200)，所述方法利用：例如InGaN帽结构的反向极化帽结构(212)，其用以使二维电子气体2DEG耗尽并形成常关型装置；以及间隔件层(210)，其位于所述反向极化帽结构下面及所述HEMT的势垒层(118)上面，允许在不蚀刻到所述势垒层中的情况下蚀刻所述反向极化帽层。

说明书

技术领域

本发明大体来说涉及包含增强模式III-N族高电子迁移率晶体管(HEMT)的集成电路 装置；且更特定来说，涉及一种具有反向极化帽的增强模式III-N族HEMT。

背景技术

III-N族高电子迁移率晶体管(HEMT)已由于其较宽的带隙及高电子饱和速度而针对 功率电子器件展示潜在的优越性。这些材料性质转变成高击穿电压、低接通电阻及快速 切换。III-N族HEMT还可在比基于硅的晶体管高的温度下操作。这些性质使得III-N 族HEMT非常适于高效率功率调节应用，例如照明及车辆控制。

图1展示图解说明常规增强模式III-N族HEMT100的横截面图。如图1中所展示， 增强模式III-N族HEMT100包含衬底110及触及衬底110的顶部表面的分层结构112。 衬底110通常用SiC来实施，因为SiC具有相当低的晶格失配(～3％)及高导热率。然而， SiC衬底为昂贵的且在大小上受限制。由于Si的低成本及对Si处理基础设施的易得性， 衬底110通常也用Si来实施。

分层结构112又包含触及衬底110的顶部表面的缓冲层114、触及缓冲层114的顶 部表面的沟道层116及触及沟道层116的顶部表面的势垒层118。势垒层118又具有凹 部119，凹部119具有垂直地位于势垒层118的底部表面上面的底部表面。

缓冲层114、沟道层116及势垒层118各自通常用一或多个循序III族氮化物层来实 施，其中III族包含In、Ga及A1中的一或多者。举例来说，势垒层118通常由A1GaN 形成，而沟道层116通常由GaN形成。因此，沟道层116用不同于用于实施势垒层118 的III-N族材料的III-N族材料来实施。

另外，常规上通过使用例如金属有机化学气相沉积(MOCVD)及分子束外延(MBE) 等外延沉积技术在衬底110上生长分层结构112而形成分层结构112。在已形成分层结 构112之后，借助常规掩蔽及蚀刻步骤来形成凹部119。

缓冲层114提供衬底110与沟道层116之间的过渡层以便解决晶格常数差异的问题 且提供错位最小化的生长表面。然而，当衬底110由硅形成时，难以在6英寸衬底上生 长比2-3um厚的缓冲层114，这是因为应力、晶片的后续弯曲及氮化物膜的破裂。

如图1中进一步展示，增强模式III-N族HEMT100还包含触及分层结构112的顶 部表面且给凹部119加衬的栅极电介质120，以及触及栅极电介质120的顶部表面的金 属栅极122。另外，增强模式III-N族HEMT100包含通过势垒层118进行欧姆接触的 金属源极124及金属漏极126。金属源极124与金属漏极126水平间隔开且电连接到沟 道层116。

在操作中，如在米什拉(Mishra)等人的“A1GaN/GaN HEMT-装置操作及应用概述 (A1GaN/GaN HEMTs-An Overview of Device Operation and Applications)”(IEEE会刊， 第90卷，第6期，2002年6月，第1022-1031页)中所论述，HEMT的沟道层及势垒层 具有不同极化性质及带隙，如图1中所展示，此诱发位于沟道层的顶部处的二维电子气 体(2DEG)130的形成。具有高电子浓度的2DEG130类似于常规场效应晶体管(FET)中 的沟道。

此外，在增强模式装置中，2DEG130通常在栅极下方被耗尽电子且借此通常为关 断装置。因此，当将接地置于金属栅极122上时，无电流借助于2DEG130从金属漏极 126流动到金属源极124。然而，当将接地置于金属源极124上时，将正电压置于金属 漏极126上，且将大于阈值电压的正电压置于金属栅极122上，电流借助于2DEG130 从金属漏极126流动到金属源极124。

因此，在增强模式III-N族HEMT100的操作期间，每当III-N族HEMT100接通 及关断时，就将大的电压置于金属栅极122及金属漏极126上且接着在其之间移除所述 电压。施加及移除大电压超过数千次对HEMT的部分(例如栅极电介质120)施以应力， 且导致增强模式III-N族HEMT100的最终失效。因此，期望具有无电介质的增强模式 III-N族HEMT。

在“栅极结晶体管(GIT)-使用电导调制的常关型A1GaN/GaN功率晶体管(Gate  Injection Transistor(GIT)-A Normally-Off A1GaN/GaN Power Transistor Using  Conductivity Modulation)”(IEEE电子装置会报(TED)，第54卷，第12期，2007年，第 3393-3399页)中，上本等人提出了一种利用A1GaN的经p掺杂(Mg)帽来代替栅极电介质 120的增强模式III-N族HEMT。p型掺杂剂使2DEG耗尽，借此形成常关型装置。接 着通过(举例来说)将接地置于金属源极124上、将正电压置于金属漏极126上且将大于 阈值电压的正电压置于金属栅极122上来接通所述装置。

在使用电穴注入原理的增强模式III-N族HEMT中，遗憾地关断时间由于提取电穴 的需要而减慢。另一问题是，难以从其中不需要形成A1GaN帽的区移除位于AlGaN势 垒层上的经p掺杂AlGaN层，借此增加了可变性。如果使用GaN帽来代替AlGaN帽(其 是代替栅极电介质120而使用的)(例如来自UC圣巴巴拉市(UC Santa Barbara)或费迪南 德布劳恩学院(Ferdinand-Braun-Instiuit))，那么以上问题被简化，但栅极端子上的最大容 许电压受结接通限制，此可能不满足电路设计者的要求。

在“用于常关型操作的具有薄InGaN帽层的A1GaN/GaN HEMT(A1GaN/GaN HEMTs  with Thin InGaN Cap Layer for Normally Off Operation)”(IEEE电子装置期刊，第28卷， 第7期，2007年，第549-551页)中，水谷(Mizutani)等人提出了一种利用InGaN反向极 化帽来代替栅极电介质120的增强模式III-N族HEMT。InGaN的反向极化提升导带且 使2DEG耗尽，借此形成常关型装置。接着通过(举例来说)将接地置于金属源极124上、 将正电压置于金属漏极126上且将大于阈值电压的正电压置于金属栅极122上来接通所 述装置。

由水谷提出的增强模式III-N族HEMT的弱点之一是无法大规模可靠地制造所述装 置，因为难以形成坐落于A1GaN势垒层上的经图案化InGaN结构。水谷提出了通过首 先在势垒层的顶部表面上生长薄InGaN帽层来制作增强模式III-N族HEMT。接着，在 已形成(金属沉积、掩蔽及蚀刻)金属栅极之后，金属栅极本身用作掩模以移除薄InGaN 帽层的经暴露区。

然而，难以在不移除下伏A1GaN势垒层的部分的情况下移除薄InGaN帽层的经暴 露区，这是因为缺少用以进行此移除的选择性蚀刻。因此，需要一种减少与栅极电介质 相关联的问题且允许可制造制作的增强模式III-N族HEMT。另外，还需要增加最大容 许栅极电压以便更好地满足电路设计者的需要。

发明内容

本发明揭示包含晶体管的集成电路装置及其制造方法。

在一实施例中，包含所述晶体管的所述装置包含：衬底，其具有顶部表面；分层结 构，其具有顶部表面且包含触及所述衬底的所述顶部表面的缓冲层、触及所述缓冲层的 沟道层及触及所述沟道层的势垒层，所述势垒层包含第一III-N族材料；间隔件结构， 其具有顶部表面且触及所述分层结构的所述顶部表面，所述间隔件结构包含不同于所述 第一III-N族材料的第二III-N族材料；经反向极化结构，其具有顶部表面且触及所述间 隔件结构的所述顶部表面，所述经反向极化结构包含不同于所述第二III-N族材料的第 三III-N族材料；以及金属栅极，其触及所述经反向极化结构的所述顶部表面。

所述装置可进一步包含触及所述势垒层、所述间隔件结构、所述经反向极化结构及 所述金属栅极并位于所述势垒层、所述间隔件结构、所述经反向极化结构及所述金属栅 极上方的钝化层，所述钝化层具有暴露所述金属栅极的区的开口、暴露所述势垒层的第 一区的开口及暴露所述势垒层的第二区的开口。

所述装置还可进一步包含：金属源极，其触及所述钝化层及所述势垒层的所述第一 区，所述金属源极电连接到所述沟道层；以及金属漏极，其触及所述钝化层及所述势垒 层的所述第二区，所述金属漏极电连接到所述沟道层且与所述金属源极水平间隔开。

在一些实施方案中，所述金属源极的一部分垂直地在所述金属栅极的一部分正上方 触及所述钝化层。所述第二III-N族材料可包含GaN。所述第三III-N族材料可包含 InGaN。所述第一III-N族材料可包含A1GaN。

所述装置可进一步包括位于所述沟道层的顶部处的二维电子气体(2DEG)，当将接地 置于所述金属栅极上时，所述经反向极化结构使所述2DEG耗尽电子。所述间隔件结构 可包含与所述势垒层及所述经反向极化结构共同的两个元件，且所述经反向极化结构包 含不存在于所述势垒层中的元件。

在另一实例中，一种形成包含晶体管的集成电路装置的方法包含：形成具有顶部表 面的缓冲层；形成触及所述缓冲层的所述顶部表面的III-N族沟道层，所述III-N族沟道 层具有顶部表面；形成触及所述III-N族沟道层的所述顶部表面的III-N族势垒层，所述 III-N族势垒层具有顶部表面；形成触及所述III-N族势垒层的所述顶部表面的III-N族 间隔件层，所述III-N族间隔件层具有顶部表面；形成触及所述III-N族间隔件层的所述 顶部表面的III-N族帽层，所述III-N族帽层具有顶部表面且不同于所述III-N族势垒层 及所述III-N族间隔件层；以及形成触及所述III-N族帽层的所述顶部表面的金属层。

在一些实例中，所述III-N族间隔件层可不同于所述III-N族势垒层。所述方法可进 一步包含蚀刻所述金属层以形成金属栅极并暴露所述III-N族帽层的所述顶部表面，所 述金属栅极具有顶部表面。可蚀刻所述III-N族帽层以形成反向极化帽并暴露所述III-N 族间隔件层。可蚀刻所述III-N族间隔件层以形成间隔件结构并暴露所述III-N族势垒层 的所述顶部表面。

在一些实例中，所述方法可进一步包含沉积触及所述势垒层、所述间隔件结构、所 述反向极化帽及所述金属栅极的钝化层。所述方法还可包含蚀刻所述钝化层以形成暴露 所述势垒层的所述顶部表面的源极开口、暴露所述势垒层的所述顶部表面的漏极开口及 暴露所述金属栅极的所述顶部表面的区的栅极开口。所述方法可进一步包含沉积触及所 述势垒层、所述钝化层及所述金属栅极以分别填满所述源极开口、所述漏极开口及所述 栅极开口的金属层。所述方法还可包含蚀刻所述金属层以形成触及所述势垒层的金属源 极及金属漏极以及触及所述金属栅极的金属延伸器。在一实施例中，所述金属源极的一 部分垂直地在所述金属栅极的一部分正上方触及所述钝化层。

附图说明

图1是图解说明常规增强模式III-N族HEMT100的横截面图。

图2A是图解说明根据本发明的增强模式III-N族HEMT200的实例的横截面图。

图2B是图解说明根据本发明当将大于阈值电压的正电压置于金属栅极214上时增 强模式III-N族HEMT200的实例的横截面图。

图2C是进一步图解说明根据本发明的增强模式III-N族HEMT200的操作的带图。

图3A-3H是图解说明根据本发明形成增强模式III-N族HEMT的方法的实例的横 截面图。

具体实施方式

图2A图解说明根据本发明的实施例的实例性增强模式III-N族高电子迁移率晶体管 (HEMT)200。如下文更详细地描述，利用若干材料及选择性蚀刻大规模可靠地制造具有 反向极化帽的增强模式III-N族HEMT。

增强模式III-N族HEMT200与增强模式III-N族HEMT100具有相似性且因此， 利用相同参考编号来标示两个增强模式III-N族HEMT共有的结构。在当前实例中，增 强模式III-N族HEMT200与增强模式III-N族HEMT100的不同在于增强模式III-N 族HEMT200省略了凹部119。

如图2A中所展示，增强模式III-N族HEMT200与增强模式III-N族HEMT100 的不同还在于增强模式III-N族HEMT200包含触及分层结构112的势垒层118的顶部 表面的间隔件结构210。间隔件结构210用可相对于用于形成势垒层118的III-N族材料 选择性蚀刻的III-N族材料来实施。

在当前实例中，间隔件结构210用GaN来实施且势垒层118用AlGaN来实施。因 此，间隔件结构210用不同于用于实施势垒层118的III-N族材料的III-N族材料来实施。 间隔件结构210可为经掺杂或未掺杂的。未掺杂GaN间隔件结构的优点之一是，未掺杂 GaN间隔件结构避免了像Mg一样的p型掺杂剂的络合物。

增强模式III-N族HEMT200与增强模式III-N族HEMT100的不同进一步在于增 强模式III-N族HEMT200包含触及间隔件结构210的顶部表面的反向极化帽结构212 及触及反向极化帽结构212的顶部表面的金属栅极214。

反向极化帽结构212用通常使2DEG130耗尽且不需要相对于用于形成间隔件结构 210的III-N族材料选择性蚀刻的III-N族材料来实施。间隔件结构210用可相对于用于 形成势垒层118的III-N族材料选择性蚀刻的III-N族材料来实施。

在当前实例中，反向极化帽结构212用InGaN实施，间隔件结构210用GaN实施， 且势垒层118用A1GaN实施。因此，反向极化帽结构212用不同于用于实施间隔件结构 210的III-N族材料的III-N族材料实施。此外，间隔件结构210用不同于势垒层118及 反向极化帽结构212的III-N族材料实施。

另外，增强模式III-N族HEMT200与增强模式III-N族HEMT100的不同在于， 增强模式III-N族HEMT200包含触及势垒层118、间隔件结构210、反向极化帽结构 212及金属栅极214的钝化层216。

钝化层216具有暴露金属栅极214的区的开口、暴露势垒层118的第一区的开口及 暴露势垒层118的第二区的开口。金属源极124延伸穿过钝化层216中的开口以触及势 垒层118的第一区，而金属漏极126延伸穿过钝化层216中的开口以触及势垒层118的 第二区。

在操作中，当将接地置于金属栅极214、金属源极124及金属漏极126上时，在金 属栅极214正下方不存在二维电子气体2DEG130且无电流借助于2DEG130从金属漏 极126流动到金属源极124。此情况图解说明于图2A中。图2B展示图解说明根据本 发明当将大于阈值电压的正电压置于金属栅极214上时增强模式III-N族HEMT200的 实例的横截面图。

如图2B中所展示，将大于阈值电压的正电压置于金属栅极214上在金属栅极214 正下方产生2DEG130。因此，当将接地置于金属源极124上时，将正电压置于金属漏 极126上，且将大于阈值电压的正电压置于金属栅极214上，电流借助于2DEG130从 金属漏极126流动到金属源极124。

图2C展示进一步图解说明根据本发明的增强模式III-N族HEMT200的操作的带 图。如图2C中所展示，线250A及250B表示接地到金属栅极214的施加，而线260A 及260B表示1.2V到金属栅极214的施加。

线250A、250B、260A及260B是基于HEMT200，HEMT200具有：具有8nm的 厚度及10％铟的InGaN帽结构212、具有10nm的厚度的GaN间隔件结构210、具有 10nm的厚度及25％铝以及0.4V的阈值电压的A1GaN势垒层118。另外，区A表示InGaN 帽结构212，区B表示GaN间隔件结构210，区C表示A1GaN势垒层118，区D表示 2DEG130，且区E表示GaN沟道116。

如图2C中进一步展示，当将接地施加到金属栅极214时，使2DEG130耗尽电子。 然而，当施加到金属栅极214的栅极电压Vg超过阈值电压时，2DEG130变得被填充有 电子且接通。如点P处所展示，当施加1.2V的栅极电压时，2DEG130接通且填充有电 子。另外，在沟道形成之后，跨越GaN间隔件结构210下降某一栅极电压，此又扩展正 向栅极电压的范围。

可通过使反向极化帽结构212的厚度变化而使增强模式III-N族HEMT200的阈值 电压变化。举例来说，将InGaN帽结构212的厚度从大致80nm增加到大致120nm使 阈值电压从大致0.4V增加到大致1.2V。

另外，还可通过使反向极化帽结构212的摩尔分数变化而使增强模式III-N族 HEMT200的阈值电压变化。举例来说，将InGaN帽结构212中的铟的百分比从大致10％ 增加到大致15％使阈值电压从大致0.4V增加到大致1.2V。

用以产生良好质量层的InGaN帽结构212的最大厚度取决于存在于InGaN帽结构 212中的铟的百分比。举例来说，当InGaN帽结构212包含10％铟时，良好质量层的最 大厚度为30nm。当InGaN帽结构212包含15％铟时，良好质量层的最大厚度为15nm。 这些厚度足以实现所要的阈值电压范围。

图3A-3H展示图解说明根据本发明形成增强模式III-N族HEMT的方法的横截面 图。如图3A中所展示，本发明的方法利用常规形成的单晶Si半导体衬底310(例如， <111>)。

如图3A中进一步展示，本发明的方法通过在衬底310上形成分层结构312而开始。 分层结构312又包含缓冲层314、沟道层316及势垒层318。缓冲层314、沟道层316及 势垒层318可各自用一或多个循序III族氮化物层来实施，其中III族包含In、Ga及A1 中的一或多者。举例来说，缓冲层314可用A1N(热稳定材料)、A1GaN及GaN的循序 层来实施。另外，沟道层316可用(举例来说)GaN来实施，且势垒层318可用(举例来 说)A1GaN来实施。

可以常规方式来形成分层结构312，例如通过将衬底110置于MOCVD反应器中并 外延生长衬底310的顶部表面上的缓冲层314、缓冲层314的顶部表面上的沟道层316 及沟道层316的顶部表面上的势垒层318。因此，可通过在衬底310上生长缓冲层314、 在缓冲层314上生长III-N族沟道层316并在III-N族沟道层316上生长III-N族势垒层 318来形成分层结构312。

如图3A中另外展示，在分层结构312的常规形成之后，所述方法通过形成触及分 层结构312的顶部表面的III-N族间隔件层320、后续接着形成触及III-N族间隔件层320 的顶部表面的III-N族帽层322而继续。

对于分层结构312的势垒层318的III-N族材料为蚀刻选择性的III-N族间隔件层 320可用(举例来说)GaN来实施。另外，不需要对于III-N族间隔件层320为蚀刻选择性 的III-N族帽层322可用(举例来说)InGaN来实施。此外，可在形成势垒层118之后以 常规方式在MOCVD反应器中外延生长III-N族间隔件层320及III-N族帽层322两者。

接下来，将使用例如Ti、TiN、A1及W等常见金属的栅极金属层324溅镀沉积为 触及III-N族帽层322的顶部表面。在已沉积栅极金属层324之后，以常规方式在栅极 金属层324上形成经图案化光致抗蚀剂层326，所述常规方式包含：沉积光致抗蚀剂层， 通过称为掩模的经图案化黑色/透明玻璃板投射光以使由所述光暴露的光致抗蚀剂区软 化，并移除经软化的光致抗蚀剂区。

如图3B中所展示，在已形成经图案化光致抗蚀剂层326之后，蚀刻栅极金属层324 的经暴露区以暴露III-N族帽层322的顶部表面并形成坐落于III-N族帽层322的顶部表 面上的金属栅极328。可使用例如反应性离子蚀刻等干蚀刻或定时湿蚀刻来蚀刻栅极金 属层324。

此后，如图3C中所展示，蚀刻III-N族帽层322以暴露III-N族间隔件层320的顶 部表面并形成坐落于III-N族间隔件层320的顶部表面上的反向极化帽结构330。另外， 如图3C中进一步展示，所述移除还产生2DEG331。在当前实例中，III-N族帽层322 是借助非选择性定时基于BCl3的定时蚀刻(包含过蚀刻以确保在晶片上的各处均蚀刻 III-N族帽层322)进行干蚀刻的。由于所述蚀刻为非选择性的且蚀刻速率将存在某一不 均匀性，因此在蚀刻之后剩余的间隔件层320的量在不同位置间变化。

如图3D中所展示，在已形成反向极化帽结构330之后，蚀刻III-N族间隔件层320 以暴露分层结构312的势垒层318的顶部表面并形成坐落于势垒层318的顶部表面上的 间隔件结构332。在当前实例中，III-N族间隔件层320是用对于势垒层318为选择性的 基于SF6的化学品(即，相比势垒层318移除实质上更多的III-N族间隔件层320的蚀刻 剂)进行干蚀刻的。此校正间隔件层320由于先前定时蚀刻而在不同位置间的变化，且产 生势垒层318的均匀且平滑的表面及厚度。在间隔件结构332的形成之后，以常规方式 (例如借助丙酮)移除经图案化光致抗蚀剂层326。

如图3E中所展示，在已移除经图案化光致抗蚀剂层326之后，以常规方式将钝化 层334沉积到势垒层318、金属栅极328、帽结构330及间隔件结构332上。钝化层334 可用(举例来说)Si3N4层、后续接着Si02层来实施。在钝化层334的形成之后，以常规 方式在钝化层334的顶部表面上形成经图案化光致抗蚀剂层336。(在经图案化光致抗蚀 剂层336中展示一对垂直虚线以图解说明经图案化光致抗蚀剂层336中的位于图3E中 所展示的切割平面外侧的开口。)

如图3F中所展示，在已形成经图案化光致抗蚀剂层336之后，蚀刻钝化层334的 经暴露区以形成暴露势垒层318的顶部表面的源极开口340及漏极开口342。或者，可 如下伏势垒层318中的垂直虚线所图解说明而蚀刻势垒层318的一部分或全部。

另外，所述蚀刻进一步形成钝化层334中的栅极开口343(用一对垂直虚线展示，因 为栅极开口343位于图3F中所展示的切割平面的外侧)，其暴露金属栅极328的顶部表 面的区。此后，以常规方式移除经图案化光致抗蚀剂层336。

接下来，如图3G中所展示，以常规方式将欧姆金属层344沉积为触及势垒层318、 金属栅极328的一部分及钝化层334。在当前实例中，欧姆金属层344可用钛层、后续 接着铝层及上覆钨或氮化铝层来实施。在欧姆金属层344的形成之后，以常规方式在欧 姆金属层344的顶部表面上形成经图案化光致抗蚀剂层346。(在经图案化光致抗蚀剂层 346中展示一对垂直虚线以图解说明欧姆金属层344的由经图案化光致抗蚀剂层336保 护的位于图3G的切割平面外侧的区。)

如图3H中所展示，在已形成经图案化光致抗蚀剂层346之后，蚀刻欧姆金属层344 的经暴露区以形成金属源极350，金属源极350触及钝化层334、位于源极开口340中 以触及势垒层318且延伸以垂直地位于金属栅极328的顶部表面正上方以形成场板。所 述蚀刻还形成位于漏极开口342中以触及势垒层318的金属漏极352。

所述蚀刻进一步形成位于栅极开口343中以触及金属栅极328的顶部表面的金属延 伸器354(以虚线展示，因为金属延伸器354位于图3H中所展示的切割平面的外侧)。 此后，以常规方式移除经图案化光致抗蚀剂层346。

一旦已移除经图案化光致抗蚀剂层346，便在500-900℃的范围中的温度下对所得结 构进行合金化以将金属源极350及金属漏极352电连接到沟道层316中的2DEG331。 如图3H中进一步展示，金属源极350与势垒层318之间的结及金属漏极352与势垒层 318之间的结为虚线的以图解说明所述金属正通过势垒层318合金化。此后，所述方法 继续常规步骤。

因此，已描述增强模式III-N族HEMT及形成具有反向极化帽的增强模式III-N族 HEMT的方法。本发明的优点之一是，间隔件层320对于势垒层318的蚀刻选择性允许 大规模可靠地制造具有反向极化帽的增强模式III-N族HEMT。另外，可通过使反向极 化帽层322的厚度或铟摩尔分数变化而调整阈值电压。此外，间隔件层320还允许扩展 正向栅极电压Vg的范围。

本发明所涉及领域的技术人员将了解，在所主张发明的范围内，可对所描述的实例 性实施例做出修改且许多其它实施例也为可能的。