專利名稱：半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法
半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明總體上涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，更具體地說，涉及高電子遷移率晶體管(HEMT)和形成高電子遷移率晶體管的方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體技術(shù)中，由于其特性，III族-V族(或者II1-V族)半導(dǎo)體化合物用于形成各種集成電路器件，如聞功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管、聞?lì)l率晶體管、或聞電子遷移率晶體管 (HEMT)。HEMT是場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在具有不同帶隙的兩種材料之間引入結(jié)(即異質(zhì)結(jié))作為溝道而不是摻雜區(qū)，正如通常用于金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的情況。與 MOSFET相比，HEMT具有許多優(yōu)良特性，這包括高電子遷移率以及在高頻率下傳播信號(hào)的能力等。
從應(yīng)用角度來說，增強(qiáng)型(E型)HEMT具有許多優(yōu)點(diǎn)。E型HEMT允許消除負(fù)極電壓電源并因而降低電路復(fù)雜性和成本。盡管具有如上所述的優(yōu)良特性，但是一些挑戰(zhàn)也與開發(fā)基于II1-V族半導(dǎo)體化合物的器件并存。針對(duì)這些II1-V族半導(dǎo)體化合物的結(jié)構(gòu)和材料的各種技術(shù)已經(jīng)用于嘗試并進(jìn)一步改進(jìn)晶體管器件性能。發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括
第一 II1-V族化合物層；
第二 II1-V族化合物層，所述第二 II1-V族化合物層設(shè)置在所述第一 II1-V族化合物層上，并且在組成上與所述第一 II1-V族化合物層不同，其中，載流子溝道位于所述第一 II1-V族化合物層和所述第二 II1-V族化合物層之間；
源極部件和漏極部件，所述源極部件和所述漏極部件設(shè)置所述第二 II1-V族化合物層上；
柵電極，所述柵電極設(shè)置在位于所述源極部件和所述漏極部件之間的所述第二 II1-V族化合物層的上方；以及
載流子溝道耗盡層，所述載流子溝道耗盡層設(shè)置在所述第二 II1-V族化合物層上，其中，所述載流子溝道耗盡層采用等離子體沉積并且一部分所述載流子溝道耗盡層位于至少一部分所述柵電極的下方。
在一實(shí)施例中，位于所述柵電極下方的所述載流子溝道包括耗盡區(qū)。
在一實(shí)施例中，所述載流子溝道耗盡層耗盡一部分所述載流子溝道。
在一實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括氟(F)區(qū)，所述F區(qū)被嵌于所述柵電極下方的所述第二 II1-V族化合物層中。
在一實(shí)施例中，載流子溝道耗盡層位于所述源極部件和所述漏極部件的上面。
在一實(shí)施例中，半導(dǎo) 體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括介電保護(hù)層，所述介電保護(hù)層位于所述載流子溝道耗盡層下面且位于所述第二 πι-v族化合物層上面。
在一實(shí)施例中，所述源極部件和所述漏極部件每一個(gè)都不包含Au，而包含Al、Ti 或Cu。
在一實(shí)施例中，所述第二 II1-V族化合物層包含AlGaN、AlGaAs、或AlInP。
在一實(shí)施例中，所述柵電極包含鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鈦鎢(TiW)、鎢(W)、鎳 (Ni)、金(Au)或銅(Cu)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括
氮化鎵(GaN)層，所述氮化鎵(GaN)層設(shè)置在襯底上；
氮化鋁鎵(AlGaN)層，所述氮化鋁鎵(AlGaN)層設(shè)置在所述GaN層上，其中，載流子溝道位于所述GaN層和所述AlGaN層之間；
源極部件和漏極部件，所述源極部件和所述漏極部件相間隔開并且設(shè)置在所述 AlGaN層上；
柵電極，所述柵電極設(shè)置在位于所述源極部件和所述漏極部件之間的所述AlGaN 層的上方；以及
載流子溝道耗盡層，部分所述載流子溝道耗盡層設(shè)置在所述柵電極和所述AlGaN 層之間，其中，所述部分載流子溝道耗盡層位于所述載流子溝道的耗盡區(qū)的上面。
在一實(shí)施例中，所述載流子溝道耗盡層耗盡所述載流子溝道的所述耗盡區(qū)。
在一實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括氟(F)區(qū)，所述F區(qū)被嵌于所述柵電極下方的所述AlGaN層中。
在一實(shí)施例中，所述載流子溝道耗盡層包括氮化物層。
在一實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括介電保護(hù)層，所述介電保護(hù)層位于所述載流子溝道耗盡層下面且位于所述AlGaN層上面。
在一實(shí)施例中， 所述源極部件和所述漏極部件每一個(gè)都不包含Au，而包含Al、Ti 或Cu。
在一實(shí)施例中，所述柵電極包含鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鈦鎢(TiW)、鎢(W)、鎳 (Ni)、金(Au)或銅(Cu) ο
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，還提供了一種形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括
提供第一 II1-V族化合物層；
在所述第一 II1-V族化合物層上外延生長(zhǎng)第二 II1-V族化合物層，其中，載流子溝道位于所述第一 II1-V族化合物層和所述第二 II1-V族化合物層之間；
在所述第二 II1-V族化合物層上形成源極部件和漏極部件；
在部分所述第二 II1-V族化合物層上等離子體沉積載流子溝道耗盡層；以及，在位于所述源極部件和所述漏極部件之間的所述部分第二 II1-V族化合物層的上方形成柵電極。
在一實(shí)施例中，所述方法進(jìn)一步包括在沉積所述載流子溝道耗盡層之前用氟(F) 處理位于所述柵電極下方的部分所述第二 II1-V族化合物層。
在一實(shí)施例中，形成所述柵電極包括在所述載流子溝道耗盡層上形成所述柵電極。
在一實(shí)施例中，所述方法進(jìn)一步包括在形成所述柵電極之前去除所述載流子溝道耗盡層。


當(dāng)結(jié)合附圖進(jìn)行閱讀時(shí)，根據(jù)下面詳細(xì)的描述可以更好地理解本發(fā)明的各方面。 應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，對(duì)各種部件沒有按比例繪制。實(shí)際上，為了清楚討論起見，各種部件的尺寸可以被任意增大或縮小。
圖1A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施例具有高電子遷移率晶體管(HEMT)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖1B是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例具有HEMT的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例形成具有HEMT的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法的流程圖。
圖3至圖8是根據(jù)圖2的方法的一個(gè)實(shí)施例在制造的各個(gè)階段的具有HEMT的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的剖面圖。
具體實(shí)施方式
在下面詳細(xì)討論示例性實(shí)施例的制造和使用。然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明提供了許多可以在各種具體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的可應(yīng)用的概念。所討論的具體實(shí)施例僅僅是示例性的，而不用于限制本發(fā)明的范圍。
通過芯片區(qū)之間的切割線在襯底上標(biāo)記多個(gè)半導(dǎo)體芯片區(qū)。襯底將經(jīng)歷各種清洗、成層、圖案化、蝕刻和摻雜步驟以形成集成電路。本文中的術(shù)語“襯底”通常是指各種層和器件結(jié)構(gòu)可以形成在其上的大塊襯底。在一些實(shí)施例中，大塊襯底包括硅或化合物半導(dǎo)體如GaAs、InP、Si/Ge或SiC。這些層的實(shí)例包括介電層、摻雜層、多晶硅層或?qū)щ妼印Ｆ骷Y(jié)構(gòu)的實(shí)例包括晶體管、電阻器和/或電容器，它們可以通過互連層與其他集成電路互連。
圖1A和圖1B是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100和101的剖面圖，每一個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)都具有高電子遷移率晶體管(HEMT)。
參考圖1A，示出了具有HEMT的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100包括襯底102。 在一些實(shí)施例中，襯底102包括碳化硅(SiC)襯底、藍(lán)寶石襯底或硅襯底。
半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100還包括異質(zhì)結(jié)，所述異質(zhì)結(jié)形成在兩個(gè)不同的半導(dǎo)體材料層之間，如具有不同帶隙的材料層之間。例如，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100包括未摻雜的窄帶隙溝道層和寬帶隙η型供體供應(yīng)層。在至少一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100包括形成在襯底102上的第一 II1-V族化合物層(或者被稱為溝道層)104以及 形成在溝道層104上的第二 II1-V族化合物層(或者被稱為供體供應(yīng)層)106。溝道層104和供體供應(yīng)層106是由元素周期表中的II1-V族元素組成的化合物。然而，溝道層104和供體供應(yīng)層106彼此在組成上不同。 溝道層104是未摻雜的或者非故意摻雜的(UID)。在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的本實(shí)例中，溝道層 104包括氮化鎵(GaN)層(也被稱為GaN層104)。供體供應(yīng)層106包括氮化鋁鎵(AlGaN) 層(也被稱為AlGaN層106)。GaN層104和AlGaN層106彼此直接接觸。在另一個(gè)實(shí)例中， 溝道層104包括GaAs層或InP層。供體供應(yīng)層106包括AlGaAs層或AlInP層。
GaN層104是未摻雜的。可選地，GaN層104是非故意摻雜的，如由于用于形成GaN 層104的前體而輕度摻雜有η型摻雜劑。在一個(gè)實(shí)例中，GaN層104具有在約O. 5微米至約10微米范圍內(nèi)的厚度。
AlGaN層106是非故意摻雜的。在一個(gè)實(shí)例中，AlGaN層106具有在約5納米(nm) 至約50納米范圍內(nèi)的厚度。
在AlGaN層106和GaN層104之間存在帶隙不連續(xù)性。AlGaN層106中的來自壓電效應(yīng)的電子進(jìn)入GaN層104，在GaN層104上產(chǎn)生非常薄的高遷移導(dǎo)電電子層108。該薄層108被稱為二維電子氣(2-DEG)，形成載體溝道(也被稱為載體溝道108)。2-DEG薄層 108位于AlGaN層106和GaN層104的交界處。因此，因?yàn)镚aN層104是未摻雜的或非故意摻雜的，所以載體溝道具有高電子遷移率，并且電子可以自由移動(dòng)而不與雜質(zhì)碰撞或者基本上減少碰撞。
半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100還包括源極部件和漏極部件，該源極部件和漏極部件設(shè)置在 AlGaN層106上并被配置成與載體溝道108電連接。源極部件和漏極部件每一個(gè)都包括金屬部件112。在一個(gè)實(shí)例中，金屬部件112不包含Au，而包含Al、T1、或Cu。
半導(dǎo)體材料100進(jìn)一步包括介電保護(hù)層110，該介電保護(hù)層110設(shè)置在未被金屬部件112占據(jù)的AlGaN層106的頂面上。介電保護(hù)層110進(jìn)一步包括暴露出一部分AlGaN層 106以用于柵電極形成的開口。介電保護(hù)層110保護(hù)下面的AlGaN層106在具有等離子體的后續(xù)工藝中免受損傷。
在金屬部件112和介電保護(hù)層110的頂面上設(shè)置保護(hù)層114。保護(hù)層114進(jìn)一步包括與介電保護(hù)層110中的開口對(duì)齊的開口。保護(hù)層114中的開口和介電保護(hù)層110中的開口的組合開口暴露出一部分AlGaN層106以用于柵電極形成。
半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100進(jìn)一步包括采用等離子體沉積在保護(hù)層114上的載流子溝道耗盡層126，該載流子溝道耗盡層126沿著組合開口的內(nèi)表面以及在AlGaN層106的暴露部分上設(shè)置。載流子溝道耗盡層126耗盡位于組合開口下方的載流子溝道108中的電子。
半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100還包括柵電極128，該柵電極128被設(shè)置在位于源極和漏極部件之間的AlGaN層106上的組合開口的上方。柵電極128包括配置成用于電壓偏置和與載流子溝道108電連接的導(dǎo)電材料層。在各個(gè)實(shí)例中，導(dǎo)電材料層可以包含難熔金屬或其化合物，例如鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鈦鎢(Tiff)和鎢(W)。在另一實(shí)例中，導(dǎo)電材料層可以包含鎳(Ni)、金(Au)或銅(Cu)。在一個(gè)實(shí)例中，柵電極128被設(shè)置在位于AlGaN層106上方的組合開口上的部分載流子溝道耗盡層126上。在另一實(shí)例中，柵電極128被直接設(shè)置在組合開口上的AlGaN層106上。在柵電極128和AlGaN層106之間無載流子溝道耗盡層126。 在以上實(shí)例中，柵電極128至少部分地嵌入保護(hù)層114和介電保護(hù)層110中。
半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100還包括耗盡區(qū)124，該耗盡區(qū)124位于保護(hù)層114和介電保護(hù)層 110中的組合開口下方的載流子溝道108中。載流子溝道108由于耗盡區(qū)124成為常關(guān)型 (normally-off)。應(yīng)當(dāng)施加正柵極電壓以打開這種HEMT的載流子溝道108。這種HMET也被稱為增強(qiáng)型HEMT，其與耗盡型HEMT相反。耗盡型HEMT具有常開型(normally-on)載流子溝道，并且應(yīng)施加負(fù)柵極電壓來關(guān)閉載流子溝道。
半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100進(jìn)一步包括含氟區(qū)122，該含氟區(qū)122位于組合開口下方(即柵電極128的下方)的AlGaN層106中。認(rèn)為含氟區(qū)122中的氟離子提供強(qiáng)固定負(fù)電荷，并有效地耗盡耗盡區(qū)124中的電子。
圖1B是根據(jù)本 發(fā)明的另一實(shí)施例的具有HEMT的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)101的剖面圖。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)101的層堆疊與圖1A中所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100相似。然而，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)101不包括圖1A中所示的含氟區(qū)122。在結(jié)構(gòu)101中，位于AlGaN層106上方的組合開口中的等離子體沉積載流子溝道耗盡層126有效地耗盡耗盡區(qū)124中的電子。
在上述實(shí)施例中，將柵電極128、源極/漏極部件和GaN層104中的載流子溝道108 配置為晶體管。當(dāng)對(duì)柵疊層施加電壓時(shí)，可以調(diào)節(jié)晶體管的器件電流。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例形成具有HEMT的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法200 的流程圖。現(xiàn)在參考圖2，在方法200流程圖的操作201中，提供第一 II1-V族化合物層。 在襯底上形成第一 II1-V族化合物層。接下來，方法200繼續(xù)到操作202，在第一 II1-V族化合物層上外延生長(zhǎng)第二 II1-V族化合物層。方法200繼續(xù)到操作203，在第二 II1-V族化合物層上形成源極部件和漏極部件。方法200繼續(xù)到操作204，在至少一部分的第二 II1-V 族化合物層上沉積載流子溝道耗盡層。方法200繼續(xù)到操作205，在源極部件和漏極部件之間的部分第二 II1-V族化合物層上方形成柵電極。應(yīng)注意其他工藝可以在圖2的方法200 之前、之中、或之后提供。
圖3至圖8是根據(jù)圖2的方法200的各個(gè)實(shí)施例在制造的各個(gè)階段的具有HEMT 的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的剖面圖。為了更好地理解本發(fā)明的發(fā)明概念，簡(jiǎn)化了各附圖。
參考圖3，圖3是在實(shí)施操作201、202、和203之后的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的襯底102 的一部分的放大剖面圖。在一些實(shí)施例中，襯底102包括碳化硅(SiC)襯底、藍(lán)寶石襯底或硅襯底。第一 II1-V族化合物層104，也被稱為溝道層，生長(zhǎng)在襯底102上。在該實(shí)施例中， 第一 II1-V族化合物層104是指氮化鎵(GaN)層(也稱為GaN層104)。可以通過金屬有機(jī)汽相外延(MOVPE)使用含鎵前體和含氮前體外延生長(zhǎng)GaN層114。含鎵前體包括三甲基鎵 (TMG)、三乙基鎵(TEG)或其他合適的化學(xué)品。含氮前體包括氨(NH3)、叔丁基胺(TBAm)、苯肼或其他合適的化學(xué)品。GaN層104的厚度在約O. 5微米至約10微米范圍內(nèi)。在其他實(shí)施例中，第一 II1-V族化合物層104可以包括GaAs層或InP層。
在第一 II1-V族化合物層104上生長(zhǎng)第二 II1-V族化合物層106，其也稱為供體供應(yīng)層。限定第一 II1-V族化合物層104和第二 II1-V族化合物層106之間的界面。2-DEG 載流子溝道108位于界面處。在至少一個(gè)實(shí)施例中，第二 II1-V族化合物層106指氮化鋁鎵 (AlGaN)層(也稱為AlGaN層106)。可以通過MOVPE使用含鋁前體、含鎵前體和含氮前體在GaN層104上外延生長(zhǎng)AlGaN層106。含鋁前體包括三甲基鋁(TMA)、三乙基鋁(TEA)或其它合適的化學(xué)品。含鎵前體包括TMG、TEG或其他合適的化學(xué)品。含氮前體包括氨、TBAm、 苯肼、或其它合適的化學(xué)品。AlGaN層106具有在約5納米至約50納米范圍內(nèi)的厚度。在其他實(shí)施例中，第二 II1-V族化合物層106可以包括AlGaAs層或AlInP層。
在第二 II1-V族化合物層106的頂面107上沉積介電保護(hù)層110。介電保護(hù)層110 具有在約100人至約5000人范圍內(nèi)的厚度。介電保 護(hù)層110可以包括Si02*Si3N4。在一個(gè)實(shí)例中，介電保護(hù)層110是Si3N4，并通過實(shí)施無等離子體的低壓化學(xué)汽相沉積(LPCVD)方法使用SiH4或NH3氣體來形成。操作溫度在約650°C至約800°C的范圍內(nèi)。操作壓力在約 O.1Torr和約ITorr之間的范圍內(nèi)。介電保護(hù)層110可以保護(hù)下面的第二 II1-V族化合物層106在具有等離子體的后續(xù)工藝中免受損傷。通過光刻和蝕刻工藝限定介電保護(hù)層110 中的兩個(gè)開口以暴露出部分第二 II1-V族化合物層106。
在介電保護(hù)層110的上方沉積金屬層，該金屬層填充并溢出開口，然后接觸第二II1-V族化合物層106。光刻膠層(未示出)形成在金屬層上方并被顯影以在開口上方形成部件。未被光刻膠層部件覆蓋的金屬層通過反應(yīng)離子蝕刻(RIE)工藝去除，該RIE工藝向下蝕刻金屬層的暴露部分至下面的介電保護(hù)層110。在蝕刻工藝之后生成金屬部件112。 金屬部件112被配置成作為用于HEMT的源極部件或漏極部件。在形成金屬部件之后去除光刻膠層。介電保護(hù)層110保護(hù)下面的第二 II1-V族化合物層106在用于形成金屬部件112 的蝕刻工藝期間免受損傷。位于第二 II1-V族化合物層106下面的2-DEG載流子溝道108 中的載流子不受影響。然而將對(duì)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)101的電氣性能產(chǎn)生積極影響。因此，會(huì)增加總組裝件的成品率。
金屬部件112的金屬層可以包含一種或多種導(dǎo)電材料。在至少一個(gè)實(shí)例中，金屬層不包含金(Au)，而包含鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、或鋁銅(AlCu)合金。在另一實(shí)例中，金屬層包括底部Ti/TiN層、位于底部Ti/TiN層上面的AlCu層、以及位于AlCu層上面的頂部Ti 層。金屬層的形成方法包括原子層沉積(ALD)或物理汽相沉積(PVD)工藝。在金屬部件112 中不使用Au的情況下，方法200還可以實(shí)施在生產(chǎn)硅襯底上的集成電路的生產(chǎn)線中。可以消除硅制造工藝中Au污染的顧慮。
接下來，在金屬部件112和介電保護(hù)層110的頂面上沉積保護(hù)層114。保護(hù)層114 可以包含介電材料如SiO2 *Si3N4。在一個(gè)實(shí)例中，保護(hù)層114是Si3N4，并通過實(shí)施等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)方法而形成。
圖4示出了在第一 II1-V族化合物層104和第二 II1-V族化合物層106上形成隔離區(qū)116之后的結(jié)構(gòu)100。隔離區(qū)116將結(jié)構(gòu)100中的HEMT與襯底112中的其他器件隔離開。在一個(gè)實(shí)例中，通過注入工藝采用氧氣或氮?dú)夥N類形成隔離區(qū)116。保護(hù)層114保護(hù)源極部件和漏極部件在注入工藝期間免受損傷。
圖5示出了在保護(hù)層114和介電保護(hù)層110上形成開口 118之后的結(jié)構(gòu)100。在保護(hù)層114的頂面上形成經(jīng)圖案化的掩膜層(未示出)，并實(shí)施蝕刻工藝來去除部分的保護(hù)層114和介電保護(hù)層110。開口 118暴露出第二 II1-V族化合物層106的頂面107的一部分。開口 118被配置成作為用于后續(xù)柵電極形成的位置。
圖6示出了通過開口 118用氟(F) 120處理一部分第二 II1-V族化合物層106之后的結(jié)構(gòu)100。第二 II1-V族化合物層106的處理過的部分形成含氟區(qū)122。F原子的濃度從第二 II1-V族化合物層106的頂面107向載流子溝道108衰減一個(gè)數(shù)量級(jí)。在一個(gè)實(shí)例中，在包含CF4的等離子體環(huán)境中處理結(jié)構(gòu)100。等離子體環(huán)境的工作功率在約100W至約 IOOOff0將等離子體自由基指向結(jié)構(gòu)100的偏置功率小于約350W。認(rèn)為含氟區(qū)122中的氟離子提供強(qiáng)固定負(fù)電荷并有效地耗盡載流子溝道108中的電子。在含氟區(qū)122下方生成位于載流子溝道108中的耗盡區(qū)124。結(jié)構(gòu)100中的HEMT從耗盡型HEMT轉(zhuǎn)變成增強(qiáng)型HEMT。 載流子溝道108變?yōu)槌ｊP(guān)型，并且應(yīng)施加正柵極電壓來打開用于該增強(qiáng)型HEMT的載流子溝道108。在另一實(shí)例中，通過注入工藝用氟處理結(jié)構(gòu)100。在又一個(gè)實(shí)例中，含氟區(qū)122保持在第二 II1-V族化合物層106內(nèi)，并且既不接觸載流子溝道108也不進(jìn)一步延伸至第一 II1-V族化合物層104中。這種結(jié)構(gòu)防止F原子滲入第一 II1-V族化合物層104內(nèi)并通過這種增強(qiáng)型的操作HEMT防止負(fù)面效應(yīng)。
圖7示出了在操 作204中沉積載流子溝道耗盡層126之后的結(jié)構(gòu)100。在保護(hù)層 114上、沿著開口 118的內(nèi)表面以及在第二 II1-V族化合物層106的暴露部分上(即在含氟區(qū)122上)等離子體沉積載流子溝道耗盡層126。載流子溝道耗盡層126的厚度在約50nm 至約200nm的范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)例中，載流子溝道耗盡層126是Si3N4，并通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積(PECVD)方法形成。操作溫度在約350°C至約500°C的范圍內(nèi)。等離子體環(huán)境的操作功率為約100W至約600W。等離子體環(huán)境中的高能自由基接觸第二 II1-V族化合物層106的暴露部分，而且也有效地耗盡載流子溝道108的耗盡區(qū)124中的電子。如果操作功率小于100W，則耗盡載流子溝道108的效應(yīng)不明顯。然而，如果操作功率高于600W， 則結(jié)構(gòu)100中的HEMT的整個(gè)載流子溝道108都可能被耗盡。HMET可以不是功能型的。器件的合格率與操作功率有關(guān)。
圖8示出了在實(shí)施操作205之后的結(jié)構(gòu)100，操作205在位于耗盡區(qū)124之上的部分第二 II1-V族化合物層106的上方形成柵電極128。在一個(gè)實(shí)例中，在位于含氟區(qū)122之上的部分載流子溝道耗盡層126上形成柵電極128。在另一實(shí)例中，在操作204中的沉積工藝之后去除載流子溝道耗盡層126。載流子溝道108的耗盡區(qū)124中的電子在操作204中的沉積工藝期間被耗盡，并且即使在去除沉積的載流子溝道耗盡層126時(shí)也不受影響。柵電極128形成在部分第二 II1-V族化合物層106上，并且在第二 II1-V族化合物層106和柵電極128之間無載流子溝道耗盡層126。在一個(gè)實(shí)例中，在載流子溝道耗盡層126上沉積柵電極層，并且該柵電極層填充并溢出圖7中所示的開口 118。對(duì)柵電極層實(shí)施光刻和蝕刻工藝以在源極部件和漏極部件之間限定柵電極128。柵電極128包括導(dǎo)電材料層，該導(dǎo)電材料層可以包含難熔金屬或其化合物，例如鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鈦鎢(TiW)和鎢(W)。 在另一實(shí)例中，柵電極128可以包含鎳(Ni)、金(Au)或銅(Cu)。
注意到在所有的以上實(shí)施例中，具有HEMT的結(jié)構(gòu)100可以通過圖3至圖8以及相關(guān)文本內(nèi)容中舉例說明的工藝來形成。用于形成具有HEMT的結(jié)構(gòu)101的工藝與結(jié)構(gòu)100 的形成相似，除去除圖6中的氟處理以外。在圖7中，采用等離子體沉積載流子溝道耗盡層 126在無氟處理的情況下也有效地耗盡了耗盡區(qū)124中的電子。可以形成具有增強(qiáng)型HEMT 的結(jié)構(gòu)101。
本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例可以用于改進(jìn)具有高電子遷移率晶體管(HEMT)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的性能。例如，在常規(guī)方法中，蝕刻一部分第一 II1-V族化合物層104以形成用于增強(qiáng)型 HEMT的凹槽。在蝕刻凹槽期間，同一襯底102上的半導(dǎo)體芯片區(qū)之間的蝕刻均勻性是難以控制的。可能不能準(zhǔn)確的控制同一半導(dǎo)體芯片區(qū)或同一襯底102中的每個(gè)HEMT的電氣性能。在本發(fā)明中，采用等離子體沉積的載流子溝道耗盡層126耗盡了用于增強(qiáng)型HEMT的載流子溝道108中的電子。等離子體沉積的溝道耗盡層126消除了常規(guī)方法中的缺點(diǎn)。金屬部件112不包含Au，而包含Al、Ti或Cu。在金屬部件112中不使用Au的情況下，方法200 也可以實(shí)施在生產(chǎn)在硅襯底上的集成電路的生產(chǎn)線中。可以消除硅制造工藝中Au污染的顧慮。與在源極/漏極部件中具有Au的HEMT相比，根據(jù)本申請(qǐng)制造HEMT的成本能夠降低。 II1-V族半導(dǎo)體化合物工藝和硅制造工藝這兩種工藝都可以在同一生產(chǎn)線上實(shí)施。這增加了對(duì)生產(chǎn)線分配不同產(chǎn)品的靈活性。
本發(fā)明的實(shí)施例描述了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括第一 II1-V族化合物層。第二 II1-V族化合物層設(shè)置在第一 II1-V族化合物層上，并且該第二 II1-V族化合物層在組成上與第一 II1-V族化合物層不同。載流子溝道位于第一 II1-V族化合物層和第 二 II1-V族化合物層之間。源極部件和漏極部件設(shè)置在第二 II1-V族化合物層上。柵電極設(shè)置在源極部件和漏極部件之間的第二 πι-v族化合物層的上方。載流子溝道耗盡層設(shè)置在第二 II1-V族化合物層上。所述載流子溝道耗盡層采用等離子體沉積并且一部分載流子溝道耗盡層位于至少部分柵電極的下方。
本發(fā)明的另一實(shí)施例描述了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在襯底上的GaN層。AlGaN層設(shè)置在GaN層上。載流子溝道位于GaN層和AlGaN層之間。間隔開的源極部件和漏極部件設(shè)置在AlGaN層上。柵電極設(shè)置在位于源極部件和漏極部件之間的 AlGaN層的上方。部分載流子溝道耗盡層設(shè)置在柵電極和AlGaN層之間。所述部分載流子溝道耗盡層位于載流子溝道的耗盡區(qū)的上面。
本發(fā)明還描述了形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法的實(shí)施例。該方法包括提供第一 II1-V 族化合物層。在第一 II1-V族化合物層上外延生長(zhǎng)第二 II1-V族化合物層。載流子溝道位于第一 II1-V族化合物層和第二 II1-V族化合物層之間。在第二 II1-V族化合物層上形成源極部件和漏極部件。在部分第二 II1-V族化合物層上等離子體沉積載流子溝道耗盡層。 在位于源極部件和漏極部件之間的部分第二 II1-V族化合物層的上方形成柵電極。
盡管已經(jīng)詳細(xì)地描述了實(shí)施例及其優(yōu)勢(shì)，但應(yīng)該理解，可以在不背離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，進(jìn)行各種改變、替換和更改。而且，本申請(qǐng)的范圍并不僅限于本說明書中描述的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法和步驟的特定實(shí)施例。作為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明應(yīng)很容易理解，根據(jù)本發(fā)明可以利用現(xiàn)有的或今后開發(fā)的用于執(zhí)行與本文所述相應(yīng)實(shí)施例基本上相同的功能或者獲得基本上相同的結(jié)果的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟。因此，所附權(quán)利要求預(yù)期在其范圍內(nèi)包括這樣的 工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),包括 第一 II1-V族化合物層； 第二 II1-V族化合物層，所述第二 II1-V族化合物層設(shè)置在所述第一 II1-V族化合物層上，并且在組成上與所述第一 II1-V族化合物層不同，其中，載流子溝道位于所述第一II1-V族化合物層和所述第二 II1-V族化合物層之間； 源極部件和漏極部件，所述源極部件和所述漏極部件設(shè)置所述第二 II1-V族化合物層上； 柵電極，所述柵電極設(shè)置在位于所述源極部件和所述漏極部件之間的所述第二 II1-V族化合物層的上方；以及 載流子溝道耗盡層，所述載流子溝道耗盡層設(shè)置在所述第二 II1-V族化合物層上，其中，所述載流子溝道耗盡層采用等離子體沉積并且一部分所述載流子溝道耗盡層位于至少一部分所述柵電極的下方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，位于所述柵電極下方的所述載流子溝道包括耗盡區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述載流子溝道耗盡層耗盡一部分所述載流子溝道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括氟(F)區(qū)，所述F區(qū)被嵌于所述柵電極下方的所述第二 II1-V族化合物層中。
5.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括 氮化鎵(GaN)層，所述氮化鎵(GaN)層設(shè)置在襯底上； 氮化鋁鎵(AlGaN)層，所述氮化鋁鎵(AlGaN)層設(shè)置在所述GaN層上，其中，載流子溝道位于所述GaN層和所述AlGaN層之間； 源極部件和漏極部件，所述源極部件和所述漏極部件相間隔開并且設(shè)置在所述AlGaN層上； 柵電極，所述柵電極設(shè)置在位于所述源極部件和所述漏極部件之間的所述AlGaN層的上方；以及 載流子溝道耗盡層，部分所述載流子溝道耗盡層設(shè)置在所述柵電極和所述AlGaN層之間，其中，所述部分載流子溝道耗盡層位于所述載流子溝道的耗盡區(qū)的上面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，所述載流子溝道耗盡層耗盡所述載流子溝道的所述耗盡區(qū)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括氟(F)區(qū)，所述F區(qū)被嵌于所述柵電極下方的所述AlGaN層中。
8.一種形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括 提供第一 II1-V族化合物層； 在所述第一 II1-V族化合物層上外延生長(zhǎng)第二 III-V族化合物層，其中，載流子溝道位于所述第一 III-v族化合物層和所述第二 II-v族化合物層之間； 在所述第二 III-v族化合物層上形成源極部件和漏極部件； 在部分所述第二 III-v族化合物層上等離子體沉積載流子溝道耗盡層；以及 在位于所述源極部件和所述漏極部件之間的所述部分第二 II1-V族化合物層的上方形成柵電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，進(jìn)一步包括在沉積所述載流子溝道耗盡層之前用氟(F)處理位于所述柵電極下方的部分所述第二 II1-V族化合物層。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，形成所述柵電極包括在所述載流子溝道耗盡層上形成所述柵電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括第一III-V族化合物層。第二III-V族化合物層設(shè)置在第一III-V族化合物層上，并且該第二III-V族化合物層在組成上與第一III-V族化合物層不同。載流子溝道位于第一III-V族化合物層和第二III-V族化合物層之間。源極部件和漏極部件設(shè)置在第二III-V族化合物層上。柵電極設(shè)置在位于源極部件和漏極部件之間的第二III-V族化合物層的上方。載流子溝道耗盡層設(shè)置在第二III-V族化合物層上。所述載流子溝道耗盡層采用等離子體沉積并且一部分載流子溝道耗盡層位于至少一部分柵電極的下方。本發(fā)明還公開了形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法。
文檔編號(hào)H01L21/335GK103050511SQ201210005700
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者姚福偉, 許竣為, 游承儒, 余俊磊, 楊富智, 熊志文 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司