[发明专利]常关型半导体器件及其制造方法

说明书

美国政府利益的声明

根据海军研究办公室给予的合同号No. N00014-05-C-226，利用政府支持完成本发明。政府对本发明具有特定权利。

技术领域

本发明涉及半导体器件，并且更具体地涉及晶体管以及相关的方法。

背景技术

对用于高功率、高温度和/或高频率应用的宽带隙半导体材料存在高度的兴趣，所述宽带隙半导体材料诸如是碳化硅（在室温下对于α SiC为2.996eV）以及III族氮化物（例如，在室温下对于GaN为3.36eV）。典型地，与砷化镓和硅相比，这些材料具有较高的电场击穿强度和较高的电子饱和速度。

特别感兴趣的一种用于高功率和/或高频率应用的器件是高电子迁移率晶体管（HEMT），其还被称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET）。这些器件可以在许多情况下提供操作优点，因为在具有不同的带隙能量的两种半导体材料的异质结处形成二维电子气（2－DEG），并且其中较小的带隙材料具有较高的电子亲和力。2－DEG是在未掺杂（“非故意掺杂”）的较小带隙材料中的积累层，并且可以包含超过例如10¹³载流子/平方厘米的非常高的薄层电子浓度（sheet electron concentration）。此外，源于较宽带隙半导体的电子转移到2－DEG，由于降低的离子化杂质散射而允许高电子迁移率。

高载流子浓度和高载流子迁移率的这种组合可以给予HEMT非常大的跨导并且可以提供优于用于高频应用的金属半导体场效应晶体管（MESFET）的高性能优点。

在氮化镓/氮化铝镓（GaN/AlGaN)材料系统中制造的高电子迁移率晶体管具有生成大量RF功率的潜力，这是因为包括前面提到的高击穿场、它们的宽带隙、大的导带偏移、以及/或者高饱和电子漂移速度的材料特性的组合。此外，2－DEG中的电子的主要部分归因于AlGaN中的极化。Sheppard等人的美国专利No.6,316,793描述了一种具有半绝缘碳化硅衬底、在该衬底上的氮化铝缓冲层、在缓冲层上的绝缘氮化镓层、在氮化镓层上的氮化铝镓阻挡层以及在氮化铝镓有源结构上的钝化层的HEMT器件，该专利被共同转让并且通过引用被结合于此。

HEMT可以是常关型或常开型的。为了安全的原因，常关操作可以是被用作高电压功率开关的晶体管中期望的。常关操作还可以在RF功率放大器中使用晶体管时简化偏压电路。传统的高性能GaN功率开关晶体管和RF晶体管通常是常开的。传统的常关HEMT通常产生具有高导通状态电阻、低切换速度和/或不稳定的器件特性的器件。将在下面讨论这些传统器件中的一些。

传统的方法可以包括在蚀刻栅极之后的氟处理。特别地，在栅极金属化之前栅极区中的AlGaN表面被暴露于包含氟的等离子体。如在Cai等人的High-performance enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs using fluoride-based plasma treatment（IEEE Electron Device Letters, Vol.26, No.7, p.435, 2005）中所讨论的那样，通过氟等离子体暴露，器件的阈值电压可以被移位到正值（常关）。该方法适于例如如在C.S.Suh等人的High-Breakdown Enhancement-Mode AlGaN/GaN HEMTs with Integrated Slant Field-Plate (2006年的IEEE国际电子器件会议的会议录第911页)中讨论的GaN功率开关晶体管。当使用这些方法时，阈值电压在应力下可能是不稳定的并且可能朝向更负的值移位。此外，所达到的阈值电压可能刚刚为正。为了考虑应用中的亚阈值泄漏、工艺可变性以及噪声抗扰性，通常期望Vt>+1V。

其它传统的器件可以包括P型AlGaN或GaN盖层（cap）。特别地，P型掺杂材料（GaN或AlGaN）可以被形成在栅极区中的AlGaN阻挡层的上表面上。如在Y.Uemoto等人的A Normally-off AlGaN/GaN Transistor with RonA=2.6mΩcm2 and BVds=640V using Conductivity Modulation (2006年的IEEE国际电子器件会议的会议录第907页)中所讨论的那样，这些器件可以具有低导通电阻和高击穿电压。然而，因为GaN和AlGaN中的p型掺杂通常不具有浅受主能级，所以正常器件操作期间的受主的充电（charging）和耗尽可能太慢而不能以MHz切换速度来作出响应。这可能在设备以高切换速度操作时产生增加的动态导通电阻。