[发明专利]具有钝化以及栅极电介质多层结构的GaN高压HFET

说明书

技术领域

本发明总体涉及基于III族氮化物化合物的半导体器件以及制备所述半导体器件的方法；更具体地，涉及包括氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）和GaN异质结场效应晶体管（HFET）的GaN开关器件，以及制备所述功率晶体管器件的方法。

背景技术

由于氮化镓（GaN）和其他宽带隙的基于III族氮化物的直接过渡半导体（direct transitional semiconductor）材料在硅基器件上的极好的物理属性，所以它们被有利地用在某些电子器件中。例如，由于基于GaN的材料和器件结构所提供的高电子迁移率、高击穿电压和高饱和电子速度特性，所以GaN和AlGaN/GaN晶体管通常用在高速开关和高功率应用中。

GaN和AlGaN/GaN集成电路（IC）器件一般由基底材料诸如蓝宝石（Sapphire）、碳化硅、单晶体GaN、硅等上的半绝缘（高阻）GaN缓冲层的外延生长制造。对于高压操作，要求IC器件具有高的击穿电压VBR，以及具有穿过GaN缓冲层的最小泄漏电流。泄漏电流的一个来源是由GaN缓冲层中的残余供体（donor）诸如氧的无意掺杂（UID）造成的。例如，由于前期制备处理步骤和后期制备处理步骤中的表面污染，氧可能被无意地引入到GaN缓冲层中。此外，由于GaN的压电性质和通常在钝化期间所执行的多种电介质沉积，所以电荷积累（正或者负）可能出现在界面处。所积累的电荷可不利地影响IC器件的电压-电流特性和频率响应。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种制备用于功率晶体管器件的多层结构的方法，包括：（a）将具有基于氮化物的有源半导体层的晶圆装载到一个反应腔中；（b）在所述反应腔内，将所述基于氮化物的有源半导体层的顶面暴露至第一源；（c）在所述反应腔内，执行氮（N）等离子体撞击，导致直接在所述基于氮化物的有源半导体层上形成一个氮化物层；（d）在所述反应腔内，将所述氮化物层的顶面暴露至第二源；以及（e）在所述反应腔内，执行氮氧等离子体撞击，导致直接在所述氮化物层上形成氮氧化物层，其中所述氮化物层包括一个钝化层，所述氮氧化物层包括所述功率晶体管器件的栅极电介质。

根据本发明的第二方面，提供一种制备用于异质结场效应晶体管（HFET）器件的多层结构的方法，包括：（a）在反应腔内，将所述基于氮化物的半导体层的顶面暴露至第一铝源；（b）在所述反应腔内，将所述晶圆暴露至氮（N）等离子体，导致在所述基于氮化物的半导体层的顶部上形成氮化铝（AlN）层；（c）在所述反应腔内，将所述AlN层的顶面暴露至第二铝源；以及（d）在所述反应腔内，将所述晶圆暴露至氮氧等离子体，导致在所述AlN层的顶部上形成氮氧化铝（AlON）层，其中所述氮化物层包括一个钝化层，所述氮氧化物层包括所述功率晶体管器件的栅极电介质。

根据本发明的第三方面，提供一种基于氮化物的异质结场效应晶体管（HFET）器件，包括：第一有源半导体层；第二有源半导体层，布置在所述第一有源半导体层的顶部上，在所述第一有源半导体层和所述第二有源半导体层之间形成有二维电子气；一个多层结构，包括直接布置在所述第二有源半导体层上的第一基于氮化物的钝化层，以及直接布置在所述第一基于氮化物的钝化层上的氮氧化物层，所述第一基于氮化物的钝化层具有第一厚度，所述氮氧化物层具有第二厚度，所述氮氧化物层包括所述基于氮化物的HFET器件的栅极电介质；以及间隔开的源极欧姆触点和漏极欧姆触点，直接在所述第二有源半导体层上，或者在延伸穿过所述第二有源半导体层的凹口中。

附图说明

参考下面的图来描述本发明的非限制性和非穷举性的实施方案，其中在各个视图中，除非另有指示，相似的参考数字指的是相似的部分。

图1A-图1C是示出了根据本发明的实施方案的、在制备工艺中的各个阶段的示例性基于GaN的HFET器件的横截面侧视图。

图2是在完成制备工艺之后的、具有图1A-图1C中示出的本发明的实施方案的另一示例性GaN HFET器件的横截面侧视图。

图3是用于形成钝化以及栅极电介质/绝缘多层结构的步骤的示例顺序。

在附图的多个视图中，对应的参考字符指示对应的部件。本领域普通技术人员将理解，图中的元件是出于简洁和清楚而被示出的，未必按比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸相对于另一些元件可能被夸大，从而有助于理解本发明的各个实施方案。此外，通常未描绘在商业可行的实施方案中有用或必要的常用但众所周知的元件，从而便于较不妨碍观察本发明的这些实施方案。

具体实施方式