Hemt器件和方法
【專利說明】HEMT器件和方法
[0001]相關(guān)串請
[0002]本申請要求于2013年7月15日提交的美國申請系列號61/846，489的優(yōu)先權(quán)并要求保護(hù)該申請的權(quán)益，該申請的全部內(nèi)容通過弓I用并入本文中。本申請還要求于2014年7月11日提交的美國申請系列號14/329，745的優(yōu)先權(quán)并要求保護(hù)該申請的權(quán)益，該申請的全部內(nèi)容通過引用合并于本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本技術(shù)總體上涉及具有利用二維電子氣(2DEG)操作的元件的集成電路或器件，并且特別地涉及利用2DEG操作的III族氮化物高電壓垂直HEMTS。本技術(shù)提出了具有垂直形成的二維電子氣的垂直III族氮化物半導(dǎo)體器件。術(shù)語“HEMT”是指高電子迀移率晶體管器件。
【背景技術(shù)】
[0004]在已知的用于電力應(yīng)用中的III族氮化物HEMT器件中，存在導(dǎo)通狀態(tài)電阻和擊穿電壓(BV)之間的折衷設(shè)計。已知的高電壓GaN HEMT器件使用基于橫向器件結(jié)構(gòu)的技術(shù)和工序流程，在橫向器件結(jié)構(gòu)中大的漂移區(qū)支持橫向延伸的斷態(tài)電壓，并且其中高迀移率2DEG面水平地取向。
[0005]圖1圖示了現(xiàn)有技術(shù)高電壓HEMT 10的一部分的橫截面，HEMT 10包括例如在緩沖結(jié)構(gòu)14的頂部上形成的未摻雜GaAs或GaN的窄帶隙溝道層12，或載流子承載層(carriercarrying layer)，所述緩沖結(jié)構(gòu)14本身在襯底16諸如娃襯底的頂部上形成。寬帶隙載流子供給層18或阻擋層，例如高度摻雜的η-型AlGaAs或AlGaN層，在溝道層12的頂部上形成。HEMT 10包括在溝道層12中在導(dǎo)電源極接觸區(qū)22和導(dǎo)電漏極接觸區(qū)24之間形成的溝道區(qū)20，導(dǎo)電源極接觸區(qū)22和導(dǎo)電漏極接觸區(qū)24兩者均穿過載流子供給層18形成在溝道層12中。鈍化層26覆蓋溝道區(qū)20上方的載流子供給層18和被絕緣體層30絕緣的柵極接觸區(qū)28，穿過鈍化層26進(jìn)入到載流子層18中?？蛇x的是，被絕緣體層30絕緣的柵極接觸區(qū)28可以穿過鈍化層26與載流子層18的表面接觸。除此之外，HEMT 10包括場板32，34，所述場板32，34分別連接到柵極接觸區(qū)28和源極接觸區(qū)22。
[0006]在HEMT 10中，在斷開狀態(tài)操作期間，從柵極區(qū)28的邊緣延伸到漏極接觸區(qū)的漂移區(qū)水平地取向，具有支持高漏源電壓和高漏柵電壓的功能。HEMT 10的第二個重要特征是二維電子氣層36，該層36剛好在載流子供應(yīng)層18 (AlGaN)和載流子承載層(GaN層)之間的界面下方形成。這層具有高的載流子迀移率，所述高載流子迀移率例如可以達(dá)到2100cm2/V.sec。如果AlGaN層厚度增加到超過一定值，則2DEG將在該界面下方形成，其中2DEG的密度隨著AlGaN層的厚度和鋁的摩爾分?jǐn)?shù)兩者的增加而增加。
[0007]基于水平2DEG HV GaN的HEMT諸如橫向HEMT 10由于其較佳的材料特性諸如高臨界電場、寬帶隙和高飽和速度以及利用可以以高迀移率在2DEG層中移動的高密度片電荷的能力而被認(rèn)為是目前引領(lǐng)電力電子學(xué)路線圖的優(yōu)選候選物。然而，對于額定值例如高于600V的較高電壓器件，水平漂移區(qū)變得相當(dāng)大，這又導(dǎo)致較大的單元柵距以及導(dǎo)通狀態(tài)電阻和芯片面積的較大乘積Ron.A，其中A是器件芯片的面積。
[0008]乘積Ron.A是功率器件中很重要的品質(zhì)因數(shù)，因為它直接影響模具的成本。對模具成本的進(jìn)一步影響來自與較大的模具面積相關(guān)聯(lián)的較低產(chǎn)率，這對于橫向GaN是特別顯著的。
[0009]雖然仍然比它們的硅形式更有利，但由于需要較長的漂移區(qū)來支持?jǐn)嚅_狀態(tài)漏電壓，隨著阻塞電壓的增加基于高電壓GaN的橫向HEMT不如基于垂直GaN的器件更有吸引力。
[0010]在垂直配置(垂直功率器件)中，單元柵距顯著減小，因為漂移區(qū)垂直延伸。在這樣的結(jié)構(gòu)中橫向維度僅由工藝約束和對穿通擊穿的考慮限制。這意味著與橫向器件相比，對于垂直器件來說Ron.A乘積將低得多，并且對于更高的電壓額定值尤其如此。
[0011]圖2圖示了已知的垂直GaN FET 40的一部分的橫截面，所述垂直GaN FET 40包括襯底42，例如由N+GaN制成，在其頂部上配置有漂移層44，例如漂移層44由低摻雜的N_GaN制成。FET 40不包括2DEG。例如未摻雜GaN的溝道層46，配置在漂移區(qū)44的頂部上并被源極接觸區(qū)48覆蓋。源極接觸區(qū)48和溝道區(qū)46被延伸到漂移區(qū)44中的柵極溝槽50橫貫。柵極絕緣層52沿著柵極溝槽50并且柵極接觸層54填充由柵極絕緣層52在柵極溝槽中留下的空間。漏電極56被配置在襯底42的底面上；在FET 40的頂面上，源電極和柵電極接觸源極接觸區(qū)和柵極接觸區(qū)。FET40包括垂直地在漂移層44中延伸的漂移區(qū)58，由此FET40中的電流傳導(dǎo)是垂直的并且橫跨處于斷開狀態(tài)的器件的電壓在整個垂直取向的漂移區(qū)中得到支持。
[0012]FET40的垂直配置轉(zhuǎn)化為具有高額定電壓的晶體管的單元柵距明顯減少。對于如FET40的垂直器件的單元柵距主要通過光刻法、為實現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)的工藝約束和對穿通的考慮來確定。對于給定的技術(shù)成熟度水平的垂直功率器件諸如GaN FET40和橫向功率器件諸如Gan HEMT 10，就價值主張而言設(shè)置額定電壓值的盈虧平衡點。在盈虧平衡點下方，橫向配置更具商業(yè)意識，在盈虧平衡點上方則垂直配置更有利。盈虧平衡點可以通過漂移區(qū)長度(其與設(shè)計相關(guān))、單元柵距，除工藝復(fù)雜性之外的原材料成本和兩種配置中每種的掩模計數(shù)來確定。
[0013]已知的基于垂直GaN的器件依賴于本體GaN漂移區(qū)，在本體GaN漂移區(qū)中不存在高電子密度和高迀移率層。本體GaN器件依賴于本體迀移率，這大大低于2DEG迀移率。本發(fā)明人已經(jīng)注意到，對于額定電壓大于600V的高電壓器件，與橫向GaN HEMT和垂直本體GaN相比，垂直GaN HEMT往往更優(yōu)選。
[0014]Furukawa的于2006年5月2日授權(quán)的美國專利號:US 7，038, 253 B2，公開了一種常閉型的基于GaN的場效應(yīng)晶體管，其在操作期間具有非常小的導(dǎo)通電阻，并且能夠大電流操作，其包括源電極和漏電極；由第一基于GaN的半導(dǎo)體材料制成的溝道部分，所述第一基于GaN的半導(dǎo)體材料是基于1-GaN的半導(dǎo)體材料或基于ρ-GaN的半導(dǎo)體材料。如此形成溝道部分從而與源電極和漏電極電連接。由第二基于GaN的半導(dǎo)體材料制成的第一和第二電子供應(yīng)部分具有比第一基于GaN的半導(dǎo)體材料更大的帶隙能，所述第一和第二電子供應(yīng)部分被加入到溝道部分并且彼此分開定位。在溝道部分的表面上形成的絕緣層，在第一和第二電子供應(yīng)部分之間延展；以及柵電極被布置在絕緣層上。
[0015]Hirotaka的題為“氮化物半導(dǎo)體器件和制備氮化物半導(dǎo)體器件的方法”的羅姆公司(Rohm C0.)美國專利申請公開號US 2009/0057684公開了一種氮化物半導(dǎo)體期間，其包括:由具有由非極性平面或半極性平面限定的主平面的導(dǎo)電III族氮化物半導(dǎo)體制成的半導(dǎo)體基層；在半導(dǎo)體基層的主平面上形成的絕緣層，其具有部分地暴露主平面的孔；氮化物半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)部分，其在從所述孔延伸到絕緣層上的區(qū)域上形成，具有平行于半導(dǎo)體基層的主平面的平行表面以及相對于半導(dǎo)體基層的主平面傾斜的+c-軸側(cè)第一斜面和-c-軸側(cè)第二斜面并且包括至少具有不同晶格常數(shù)的兩種類型的III族氮化物半導(dǎo)體層；形成為與第二斜面相對的柵電極；被布置為與III族氮化物半導(dǎo)體層電連接的源電極；和在與主平面相對的半導(dǎo)體基層的背面上形成的漏電極。
[0016]Clarke的美國專利號7，098, 093公開了 HEMT型器件，其具有支柱，所述支柱具有與襯底垂直的垂直壁。支柱具有絕緣的半導(dǎo)體材料，如GaN。布置在支柱的側(cè)面上的是半導(dǎo)體材料諸如AlGaN的阻擋層，其具有大于支柱的絕緣材料的帶隙的帶隙。電子流被限制在兩種材料的界面處的狹窄溝道。包含合適的源極、漏極和柵極觸點用于HEMT操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本公開涉及垂直HEMT的結(jié)構(gòu)，其中柵極和漏極之間的漂移區(qū)的至少一部分依賴于2DEG迀移率，以及涉及制造這種垂直HEMT的方法。
[0018]本公開的一個實施方案涉及HEMT器件，包括:111族氮化物材料襯底，所述III族氮化物材料襯底的表面沿著與所述III族氮化物材料的C-面不平行的平面；在所述襯底上生長的III族氮化物材料的外延層；在所述外延層中蝕刻的凹槽，所述凹槽具有與所述襯底的所述表面不平行的至少一個平面壁；所述至少一個平面壁與所述III族氮化物材料的極性平面平行；在所述凹槽的所述至少一個平面壁的至少一部分上形成的至少一個載流子供應(yīng)層，使得沿所述凹槽的所述至少一個平面壁的所述至少一部分形成2DEG區(qū)；在所述外延層的所述表面處形成的摻雜源區(qū)使得所述摻雜源區(qū)與所述2DEG區(qū)被所述外延層的溝道區(qū)隔開；在所述外延層的所述溝道區(qū)上形成的柵極絕緣層；和在所述柵極絕緣層上形成的柵極接觸層。
[0019]根據(jù)本公開的實施方案，柵極和溝道區(qū)平行于襯底的表面延伸。
[0020]根據(jù)本公開的實施方案，柵極和溝道區(qū)平行于凹槽的所述至少一個平面壁延伸。
[0021]根據(jù)本公開的實施方案，所述至少一個載流子供應(yīng)層在凹槽的所述至少一個平面壁的一部分上形成使得沿外延層的溝道區(qū)形成另一個2DEG區(qū)。
[0022]根據(jù)本公開的實施方案，凹槽的所述至少一個平面壁平行于III族氮化物材料的C-面。
[0023]根據(jù)本公開的實施方案，凹槽的至少一個平面壁垂直于襯底的表面。
[0024]根據(jù)本公開的實施方案，襯底的表面沿著III族氮化物材料的M-面。表面。
[0025]根據(jù)本公開的實施方案，襯底的表面沿著III族氮化物材料的A-面。表面。
[0026]根據(jù)本公開的實施方案，III族氮化物材料襯底是自支撐III族氮化物材料襯底。
[0027]根據(jù)本公開的實施方案，III族氮化物材料是G