Iii族氮化物晶體管布局的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體裝置領域。更具體地，本發明涉及半導體裝置中的氮化鎵FET。
【背景技術】
[0002]III族氮化物材料(例如GaN)形成的場效應晶體管(FET)對電源開關表現出令人滿意的特性，例如相比于硅FET，表現出高帶隙和高熱導率。然而，不理想的是，GaN FET易受到從漏極通過區域外的二維電子氣到源極的泄漏電流的影響。
【發明內容】
[0003]包含GaN FET的半導體裝置在區域外具有絕緣柵極結構，該絕緣柵極結構可操作以阻斷半導體裝置的兩個域之間的二維電子氣中的電流。絕緣柵極結構與GaN FET的柵極同時形成并具有與該柵極相同的結構。
【附圖說明】
[0004]圖1A-1D是一個示例半導體裝置的橫截面。
[0005]圖2-7是具有絕緣柵極結構的示例性配置的半導體裝置的俯視圖。
【具體實施方式】
[0006]以下共同未決的專利申請通過引用結合在此:申請號US13/886，378 ；US2014/0042452A1 ;申請號US13/886, 652 (T1-71492W0，對應與本申請同時提交的PCT申請)；申請號US 13/886，688 (T1-72417W0，對應與本申請同時提交的PCT申請)；申請號US13/886，709以及申請號US13/886，744(T1-72605TO，對應與本申請同時提交的PCT申請)。
[0007]—種包含GaN FET的半導體裝置在區域外具有絕緣柵極結構，該絕緣柵極結構阻斷該半導體裝置的兩個域之間的二維電子氣中的電流。該絕緣柵極結構與GaN FET的柵極同時形成。
[0008]III族氮化物半導體材料是以下材料:111族(硼族)元素(硼、招、鎵、銦)提供半導體材料中的一部分原子并且氮原子提供剩余部分。III族氮化物半導體材料的實例有氮化鎵、硼氮化鎵、鋁氮化鎵、氮化銦以及鋁氮化鎵銦。III族氮化物材料可以用可變下標書寫以表明可能的計量比范圍。例如，鋁氮化銦可以寫為AlxGa1 XN，而鋁氮化鎵銦可以寫為InxAlyGa1 x yN。GaN FET是包括III族氮化物半導體材料的場效應晶體管的一個實例。
[0009]圖1A-1D是一個示例半導體裝置的橫截面。參考圖1A，半導體裝置100在襯底(例如電絕緣層)102上形成。電絕緣層可以是，例如300至2000納米的半絕緣氮化鎵。電絕緣層可以是，例如，半絕緣的，以便在電絕緣層下方的層和電絕緣層上方的層之間提供所需電絕緣水平。襯底102還可以包括例如硅基晶片以及硅基晶片和電絕緣層之間的氮化鋁絕緣層和分級AlxGal-xN緩沖層。
[0010]低缺陷層104在襯底102的電絕緣層上形成。低缺陷層104可以是，例如25至1000納米的氮化鎵。可以形成低缺陷層104以最小化晶體缺陷，該缺陷可能對電子迀移率有不利影響，這可以使得低缺陷層104被摻雜有碳、鐵或其他摻雜類物質，如具有小于117Cm 3的摻雜密度。
[0011]阻擋層106形成在低缺陷層104上。阻擋層106可以是，例如，8至30納米的AlxGa1 -或InxAlyGa1 x yN。阻擋層234中的III族元素的成分可以是，例如，24%至28%的氮化鋁和72%至76%的氮化鎵。在低缺陷層104上形成阻擋層106會在阻擋層106正下方的低缺陷層104中產生二維電子氣，該電子氣具有例如為I X 112至2X10 13cm 2的電子密度。阻擋層106可以包括在阻擋層106的上表面處的可選蓋層，例如氮化鎵蓋層。
[0012]絕緣掩模108在阻擋層106的上方形成以暴露阻擋層106的區域以用作絕緣區。絕緣掩模108可以包括，例如，200納米至2微米、由光刻工藝形成的光刻膠。
[0013]參考圖1B，執行絕緣過程，其在阻擋層106和低缺陷層104中、絕緣掩模108暴露的區域中形成絕緣區110。在圖1B描述的示例的其中一個版本中，絕緣過程可以是絕緣蝕亥IJ，其從阻擋層106和低缺陷層104去除材料以形成絕緣溝槽110。在本示例的另一個版本中，絕緣過程可以是絕緣注入，其將摻雜物注入阻擋層106和低缺陷層104中以形成高度摻雜的絕緣屏障。絕緣區I1減少或消除二維電子氣中的電流穿過絕緣區110。絕緣區110可以延伸跨越半導體裝置100或可以封閉半導體裝置100內的區域。在形成絕緣區110后，可以移除絕緣掩模108。
[0014]參考圖1C，執行柵極形成過程，該過程同時形成柵極112、鄰接柵極112的第一絕緣柵極結構114和與柵極112分離的第二絕緣柵極結構116。柵極112和第一絕緣柵極結構114相連(contiguous，相連/鄰近)；圖1C-1D中提供的邊界線118描繪它們各自的范圍。第二絕緣柵極結構116可以與絕緣區110交疊，如圖1C中所描繪的。第一絕緣柵極結構114還可以可選地與絕緣區110交疊。
[0015]柵極112、第一絕緣柵極結構114和第二絕緣柵極結構116可以是，例如，直接位于阻擋層106上的金屬柵極結構，該金屬柵極結構在金屬和阻擋層106的III族氮化物材料之間形成肖特基結。在另一個示例中，柵極112、第一絕緣柵極結構114和第二絕緣柵極結構116可以是絕緣金屬柵極結構，在該絕緣金屬柵極結構中，金屬柵極結構形成在阻擋層106的柵極介電層上。在一個進一步示例中，柵極112、第一絕緣柵極結構114和第二絕緣柵極結構116可以是III族氮化物半導體柵極結構，該半導體柵極結構不破壞二維電子氣，除非有偏壓施加到半導體柵極結構。在另一個示例中，柵極112、第一絕緣柵極結構114和第二絕緣柵極結構116可以是P型III族氮化物半導體柵極結構，其在沒有偏壓施加到該P型半導體柵極結構時破壞二維電子氣。
[0016]參考圖1D，至少一個漏極接觸120和至少一個源極接觸122形成在阻擋層106上。漏極接觸120和源極接觸122可以例如被設置在阻擋層106的上表面下方，并形成到低缺陷層104中的二維電子氣的隧穿電連接。柵極112、漏極接觸120和源極接觸122是半導體裝置100的GaN FET 124的部分。
[0017]第一絕緣柵極結構114和第二絕緣柵極結構116將二維電子氣的一個或更多個區域彼此電絕緣。在一些類型的柵極結構中，例如P型半導體柵極結構，可以在不施加偏壓(相對于阻擋層106)至第一絕緣柵極結構114和第二絕緣柵極結構116的情況下實現電絕緣。在其他類型的柵極結構中，例如半導體柵極結構或肖特基金屬柵極結構，可以通過施加負偏壓(相對于阻擋層106)至第一絕緣柵極結構114和第二絕緣柵極結構116實現電絕緣。在圖1D描繪的示例中，由第一絕緣柵極結構114將鄰近漏極接觸120的二維電子氣與鄰近源極接觸122的二維電子氣電絕緣。類似地，鄰近源極接觸122的二維電子氣與第二絕緣柵極結構116的相對側上的二維電子氣電絕緣。未示出的場板可以在柵極附近形成以減弱阻擋層106和低缺陷層104中的電場。場板可以包括柵極112以及第一絕緣柵極結構114和第二絕緣柵極結構116的延展部分并且可以包括源極接觸122的延展部分。
[0018]圖2-7示出具有絕緣柵極結構的示例配置的半導體裝置。參考圖2，半導體裝置200在襯底202上和襯底202中形成，例如參見圖1A所描述的。二維電子氣由低缺陷層上的阻擋層在襯底202中形成。柵極212和柵極絕緣結構214同時形成在襯底202的上表面上。在本示例中，柵極212具有兩個平行的區段，并且柵極絕緣結構214具有兩個弧形區段。柵極絕緣結構214區段與柵極212區段相連；圖2中提供的邊界線218描繪它們各自的范圍。柵極212和柵極絕緣結構214具有閉環配置。
[0019]兩個漏極接觸220形成在柵極212和柵極絕緣結構214的閉環外，閉環的每側上具有一個漏極接觸，方向為平行于柵極212。源極接觸222形成在柵極212和柵極絕緣結構214的閉環內，方向也是平行于柵極212。柵極212、漏極接觸220和源極接觸222是半導體裝置200的GaN FET 224的部分。在本示例中，柵極絕緣結構214將源極接觸222鄰近的二維電子氣和漏極接觸220鄰近的二維電子氣電絕緣。
[0020]參考圖3，半導體裝置300在襯底302上和襯底302中形成，例如參見圖1A所描述。二維電子氣由低缺陷層上的阻擋層在襯底302中形成。柵極312和柵極絕緣結構314同時形成在襯底302的上表面上。在本示例中，柵極312具有兩個平行的區段，并且柵極絕緣結構314具有與柵極312區段鄰近的C形區段。圖3中提供的邊界線318描繪它們各自的范圍。柵極絕緣結構314區段可以可選地由柵極結構的一部分連接，如圖3所示。
[0021]源極接觸322在柵極312區段之間形成，方向為平行于柵極312區段。兩個漏極接觸320相鄰柵極312區段形成，與源極接觸322相對，柵極312區段的每一側上具有一個漏極接觸。柵極312、漏極接觸320和源極接觸322是半導體裝置300的GaN FET 324的部分。柵極絕緣結構314具有與柵極312區段連接的兩個C型區段以形成兩個閉環結構，每個閉環結構封閉漏極接觸320中的一個。在本示例中，柵極絕緣結構314將漏極接觸320鄰近的二維電子氣和源極接觸322鄰近的二維電子氣電絕緣。
[0022]參考圖4，半導體裝置400在襯底402上和襯底402中形成，例如參見圖1A所描述。絕緣結構410 (例如絕緣溝槽結構或絕緣注入結構)如參考圖1A和圖1B所描述的，經形成以封閉襯底402的區域。二維電子氣由低缺陷層上的阻擋層在襯底402中形成。
[0023]第一柵極412、第一柵極絕緣結構414、第二柵極424、第二柵極絕緣結構426和第三柵極絕緣結構428同時形成在襯底402的上表面上。第三柵極絕緣結構428延伸跨過絕緣結構410封閉的區域并且可以與絕緣結構410交疊。
[0024]在本示例中，第一柵極412具有兩個平行的區段并且第一柵極絕緣結構414具有與第一柵極412區段鄰近的三個弧形區段。圖4中提供的第一邊界線418描繪它們各自的范圍。兩個第一漏極接觸420形成在兩個第一柵極412區段之外，第一柵極412區段的每側上具有一個第一漏極接觸，方向為平行于第一柵極412區段。第一源極接觸422在第一柵極412區段之間形成，方向也是平行于第一柵極412區段。第一柵極412、第一漏極接觸420和第一源極接觸422是半導體裝置400的第一 GaN FET 436的部分。三個第一柵極絕緣結構414弧形區段和兩個第一柵極412平行區段具有開環結構，該結構具有將三個第一柵極絕緣結構414弧形區段中的兩個分離的窄夾斷區