在基極層具有增強的摻雜的三價氮化物電晶體的製作方法

2024-03-23 21:12:05 2

技術領域

本發明概括地講涉及三價氮化物電晶體，具體地講涉及GaN基垂直溝道MOSFET。

背景技術：

GaN基電晶體在功率器件中的使用日益增加。主要使用的是AlGaN/GaN基橫向場效應電晶體，其中異質界面處的極化電荷產生高密度、高遷移率的二維電子氣(2DEG)，從而有效地降低導通狀態電阻。橫向GaN電晶體可在低成本、大直徑的Si基板上製作。但是，大多數橫向GaN電晶體的閾值電壓未高得足以用於高功率應用（如汽車應用），在高功率應用中，優選閾值電壓在3-5伏以上，以防止噪聲所引起的誤操作。此外，在這些電晶體中，通過增加柵極-漏極間距來提高擊穿電壓，這會降低有效電流密度，並且對於所要求的額定電流而言會增加晶片尺寸和成本。

另外，GaN自立基板上的垂直GaN器件已引起人們的注意。在垂直器件中，通過增加漂移區的厚度而又不犧牲器件尺寸來提高擊穿電壓，使得可以實現高功率密度的晶片。Tohru Oka、Yukihisa Ueno、Tsutomu Ina和Kazuya Hasegawa的文章"Vertical GaN-based trench metal oxide semiconductor field-effect transistors on a free-standing GaN substrate with blocking voltage of 1.6 kV" (Applied Physics Express 7, 021002 (2014))公開了在具有1.6千伏阻擋電壓的GaN自立基板上的GaN基垂直溝道金屬氧化物半導體場效應電晶體。

圖1示意性顯示GaN自立基板12上的GaN基垂直溝道MOSFET 10，這是一種現有技術。基板12是N型摻雜量高的GaN基板12，在其上形成GaN外延層14。在基板12的頂部，在層14的底部中形成N型摻雜量低的漂移區16。根據本發明，摻雜量低可意指摻雜量低於1E18cm-3。在層14中在漂移區16的頂部上形成P型摻雜量高的基極層18，並且在基極層18的頂部上形成N型摻雜量高的源極區20。根據本發明，摻雜量高可意指摻雜量高於1E18cm-3。在源極區20上可形成源極接點22。柵極溝道24具有至少一個垂直壁26和具有底壁28，該垂直壁沿著源極區20的一部分和基極層18的一部分延伸，該底壁與漂移區16接觸。絕緣層30覆蓋溝道24的內部。在絕緣層30的頂部上可形成柵極區32。在柵極區32上可形成柵極接點34。在基板12的底部上可形成漏極接點35。

基極層18的P型摻雜可通過在外延層14中摻入P型摻雜劑如鎂來實現。但是，已注意到，在GaN中進行P型摻雜通常是低效的。這是因為：1. GaN中的鎂摻雜劑大部分被氫原子鈍化；2. 鎂摻雜具有高電離能。GaN中的低效P型摻雜導致電晶體10的性能下降，如閾值電壓低和基極電阻高。

技術實現要素：

本發明涉及一種三價氮化物垂直溝道MOSFET，如GaN垂直溝道MOSFET，其中沿著柵極溝道的P型摻雜基極層的至少一部分包含一定比例的鋁，從而形成具有在下和/或在上區域的異質結構。

本發明的一個實施方案涉及一種垂直溝道MOSFET，其包括三價氮化物材料的N型摻雜基板；在該基板的頂部表面上生長的三價氮化物材料的外延層，在所述外延層中形成N型摻雜漂移區；所述三價氮化物材料的P型摻雜基極層，該基極層在該漂移區的至少一部分的頂部上形成；所述三價氮化物材料的N型摻雜源極區，該源極區在該基極層的至少一部分上形成；以及具有至少一個垂直壁的柵極溝道，該垂直壁沿著該源極區的至少一部分和該基極層的至少一部分延伸；其中沿著該柵極溝道的該P型摻雜基極層的至少一部分是所述P型摻雜三價氮化物材料的、另外包含一定比例的鋁的層。

根據本發明的一個實施方案，所述三價氮化物材料是GaN。

根據本發明的一個實施方案，鋁在所述P型摻雜三價氮化物材料的層中的比例在垂直方向（或者說沿著與該基板的平面正交的方向，而非該表面的代表水平面的平面）上變化。

根據本發明的一個實施方案，鋁的比例低於20%。

根據本發明的一個實施方案，所述P型摻雜三價氮化物材料的、另外包含一定比例的鋁的層，是在下方的GaN層的Ga面上生長的AlGaN層；其中鋁在該AlGaN層中的比例從底部到頂部下降（其中，例如，在該基板的表面的正交方向上的外延生長是從底部到頂部生長）。

根據本發明的一個實施方案，鋁的比例從底部到頂部從20%降低到0%。

根據本發明的一個實施方案，所述P型摻雜三價氮化物材料的、另外包含一定比例的鋁的所述層，是在下方的GaN層的N面上生長的AlGaN層；其中鋁在該AlGaN層中的比例從底部到頂部增加。

根據本發明的一個實施方案，鋁的比例從底部到頂部從0%增加到20%。

根據本發明的一個實施方案，該P型摻雜基極層的、另外包含一定比例的鋁的所述層，在外延層中該漂移區頂部上所形成的P型摻雜基極層上生長。

本發明還涉及一種製作垂直溝道MOSFET的方法，該方法包括：提供N型摻雜量高的三價氮化物的基板；在該基板上形成該三價氮化物材料的外延層；在該外延層中形成三價氮化物材料的、N型摻雜量低的、與該基板接觸的漂移區；在該外延層上形成所述三價氮化物材料的、P型摻雜量高的、包含一定比例的鋁的區域；在該基極層上形成所述三價氮化物材料的、N型摻雜量高的源極區；並且形成具有至少一個垂直壁的柵極溝道，該垂直壁沿著該源極區的至少一部分和該基極層的至少一部分延伸。

根據本發明的一個實施方案，所述三價氮化物材料是GaN。

根據本發明的一個實施方案，鋁的比例在垂直方向上變化。

根據本發明的一個實施方案，所述在該外延層上形成所述三價氮化物材料的、P型摻雜量高的、包含一定比例的鋁的區域包括：在該GaN外延層的Ga面上生長AlGaN層；其中該AlGaN層的鋁的比例從底部到頂部降低。

根據本發明的一個實施方案，所述下方的GaN層是在所述外延層中該N型摻雜量低的漂移區上方形成的P型摻雜量高的區域。

根據本發明的一個實施方案，鋁的比例從20%降低到0%。

根據本發明的一個實施方案，所述在該外延層上形成所述三價氮化物材料的、P型摻雜量高的、包含一定比例的鋁的區域包括：在該GaN外延層的N面上生長AlGaN層；其中該AlGaN層的鋁的比例從底部到頂部增加。

根據本發明的一個實施方案，鋁的比例從0%增加到20%。

根據本發明的一個實施方案，所述在該外延層上形成所述三價氮化物材料的、P型摻雜量高的、包含一定比例的鋁的區域包括：在該外延層中該漂移區頂部上所形成的P型摻雜基極層上，生長所述包含一定比例的鋁的區域。

本發明還涉及一種半導體電路，其包括：第一GaN層和在該第一層上生長的第二GaN層，其中該第二層包含隨著與該第一層的距離而變化的一定比例的鋁。

根據本發明的一個實施方案，該第二層在該第一層的Ga面上生長，並且當與該第一層的距離增加時，鋁的比例下降；或者該第二層在該第一層的N面上生長，並且當與該第一層的距離增加時，鋁的比例增加。

附圖說明

參考以下附圖，可更好地理解本發明。圖中的部件未必按比例繪製，重點在於說明本發明的原理。在附圖中，不同圖中的相同附圖標記代表相應的部分。

圖1示出現有技術的GaN垂直溝道MOSFET的一部分的截面。

圖2示出根據本發明的一個實施方案的垂直溝道MOSFET的截面。

圖3示出根據本發明的一個實施方案的垂直溝道MOSFET的截面。

具體實施方式

圖2示出根據本發明的一個實施方案的GaN基垂直溝道MOSFET 30的截面。MOSFET 30包括N型摻雜量高的自立GaN基板32，在該基板上形成GaN外延層34。在層34的底部中，在基板32的頂部上，形成N型摻雜量低的漂移區36。在層34中，在漂移區36的頂部上，形成P型摻雜量高的基極層38。根據本發明公開的一個實施方案，基極層38的頂部表面是GaN晶體結構的Ga面或纖鋅礦Ga面，並且在基極層38的頂部上生長P型摻雜GaN材料的、另外包含一定比例的鋁的層40。根據本發明的一個實施方案，基板被布置成使得[0001]方向與該基板的表面正交並且朝外（而非朝該基板的內部的方向，這種情況下是朝內）所謂Ga面是指Ga存在於{0001}雙層的頂部位置上，對應於[0001]極性或者GaN(0001)。按慣例，[0001]方向通過從Ga原子指向最鄰近的N原子的矢量來表示。要著重指出的是，GaN的[0001]表面和表面是不等價的，它們在化學性質和物理性質上存在差異。Ga面外延層可通過MOCVD（金屬有機化學氣相沉積）製作，如例如O. Ambacher等人的文章中所描述( 「Two-dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric」; JOURNAL OF APPLIED PHYSICS VOLUME 85, NUMBER 6; 15 MARCH 1999)（「自發和壓電誘導的二維電子氣」；《應用物理學雜誌》，第85卷，第6期；1999年3月15日）。

根據本發明的一個實施方案，MOSFET 30包括在基極層38的Ga面上生長的AlGaN層40。根據本發明的一個實施方案，MOSFET 30還包括在AlGaN層40的頂部上生長的N型摻雜量高的GaN源極區42。基極層38和層40一起形成MOSFET 30的基極層或區。

可在源極區42上形成源極接點44。具有至少一個垂直壁48的柵極溝道46沿著源極區42的一部分和基極層40，38的一部分延伸，並且具有底壁50，該底壁優選地與漂移區36接觸。絕緣層52覆蓋溝道46的內部。在絕緣層52的頂部上形成柵極區54。可在柵極區54上形成柵極接點56。在基板32的底部上可形成漏極接點58。

根據本發明的一個實施方案，AlGaN層40的鋁的比例從底部（在與基極層38的界面處）到頂部（在與源極層42的界面處）降低。根據本發明的一個實施方案，層40中的鋁的比例，在與基極層38的接合處可為20%，在與源極區42的接合處可為0%。O. Ambacher等人的文章(「Two dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization in undoped and doped AlGaN/GaN heterostructures」; JOURNAL OF APPLIED PHYSICS VOLUME 87, NUMBER 11; JANUARY 2000)（「在未摻雜的和摻雜的AlGaN/GaN異質結構中通過自發和壓電極化誘導的維電子氣」；《應用物理學雜誌》，第87卷，第11期；2000年1月）（該文章以引用方式併入本文）教導了在具有Ga面極性的GaN/AlGaN/GaN異質結構中，由於在該異質結構中的壓電和自發極化，在靠近AlGaN/GaN下界面處形成二維電子氣(2DEG)。Ambacher的文章並未教導具有變化的鋁比例的AlGaN層。

本發明提供例如包括區/層42、40和38、在AlGaN層40中具有可變比例的鋁的GaN/AlGaN/GaN異質結構，其中AlGaN層40在GaN區38的Ga面上形成，並且其中鋁的比例從底部到頂部下降。層40中鋁組成的遞減會產生一種固有的極化電場，這有助於P型摻雜劑電離而在基極層中形成較高濃度的空穴。根據本發明的一個實施方案，基極層中較高的空穴濃度可提高閾值電壓和降低基極電阻。

根據本發明的一個實施方案，區40中的鋁的比例連續變化。它可線性變化，但也可非線性變化，取決於在區40中期望的空穴重新分配。根據本發明的一個實施方案，區40中的鋁的比例可從頂部為0%變化到底部為20%。區40中的鋁的比例也可沿著不同的區間變化。

根據本發明的一個實施方案，區40可包括在一層AlGaN（層yy）的頂部上的一層GaN（層xx），在該AlGaN層中具有恆定的鋁組成。在這種情況中，區40中的空穴的濃度峰將在層xx和層yy之間的界面處。

根據本發明的一個實施方案，作為另一種選擇，基極層38的頂部表面可為GaN晶體的N面或纖鋅礦N面。在這種實施方案中，基板32被布置成使得方向與該基板的表面正交並且朝外。N面外延層可通過PIMBE（等離子體誘導分子束外延）製作，如例如O. Ambacher等人的文章中所描述(「Two-dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric」; JOURNAL OF APPLIED PHYSICS VOLUME 85, NUMBER 6; 15 MARCH 1999)（「自發和壓電誘導的二維電子氣」；《應用物理學雜誌》，第85卷，第6期；1999年3月15日）（該文章以引用方式併入本文）。

根據本發明的這種實施方案，AlGaN層40的鋁的比例從底部到頂部增加，因為在具有N面極性的贗晶GaN/AlGaN/GaN異質結構中，電子位於靠近GaN/AlGaN上界面之處。AlGaN層40的鋁的比例從底部到頂部增加，使得固有的極化電場有助於在層40中產生空穴。

根據本發明的實施方案，P型摻雜劑可為鎂，其中用鎂摻雜是通過在(Al)GaN層的MOCVD或MBE生長期間引入鎂前體來進行。

圖3示出根據本發明的一個實施方案的垂直MOSFET 30'，其中區40直接生長在漂移區36的頂部上。MOSFET 30'除了不包括外延基極層38外，在結構上與圖2所示的MOSFET 30相同。在MOSFET 30'中，基極層完全由區40構成。根據本發明的一個實施方案，區40的優選高度為200nm至2um。圖2中所示出的具有基極層38的實施方案可具有比圖3所示出的實施方案厚的基極。

要指出的是，根據本發明的實施方案的HEMT將適合於高壓GaN器件應用，包括其中需要高效率電力開關的電動車、卡車、牽引應用、高壓傳輸線和軍艦應用。分立功率器件的總體有效市場據預計到2020年達200億美元。高壓GaN HEMT可瞄準的高壓市場據估計到2020年達80億美元。由於GaN HEMT的優越材料性能，將GaN基功率器件結合到上述應用中，對於汽車製造商以及能源和防衛行業具有顯著的意義。此外，GaN基功率器件被認為是引導高效節能產品的未來路線圖的主要候選器件。根據本發明的HEMT尤其可用於要求1200V阻斷能力的應用中，例如用於下一代交通工具的電氣化。全球二氧化碳減排的需求以及美國國內減少對外國石油的依賴的運動，正在促使市場拉動對高效節能半導體器件的需求，這種高效節能半導體器件在性能上優於現有矽器件，將能夠實現在更高的溫度下操作，而這種更高溫度下的操作是矽基功率器件的較小帶隙(Eg=l.leV)所不能解決的。

前文已出於說明和描述的目的，對本發明的優選實施方案進行了描述。該描述並不旨在達到詳盡無遺，也不旨在使本發明限制於所公開的確切形式或限制於示例性實施方案。顯然，許多修改方案和變化方案對於本領域技術人員來說將是顯而易見的。同樣，本文描述的任何過程步驟可能可以與其他步驟互換以達到相同的結果。選擇和描述了實施方案，以最好地闡釋本發明的原理及其最佳實際應用模式，從而使本領域技術人員能夠理解本發明的各種實施方案，以及作出各種適合於所設想的具體使用或實施情形的修改方案。

例如，本發明是針對如下內容作出的：向垂直溝道電晶體的基極層的GaN材料添加鋁，以增強基極層的P型摻雜。但是，本發明並不限於以上所公開的材料或結構。例如，可將銦代替鋁添加到GaN材料，或者可以用ZnO代替GaN。上文對附圖的描述要按銦代替鋁或ZnO代替GaN來閱讀。

本發明的範圍旨在由所附的權利要求及其等同物限定。以單數形式提及某個要素，並不旨在意指「一個（種）且僅僅一個（種）」，除非明確地如此聲明，而是意指「一個（種）或多個（種）」。此外，不管本發明中的要素、部件或方法步驟是否在所附的權利要求書中明確敘及，該要素、部件或方法步驟都不旨在捐獻給公眾。本文的權利要求要素都不能根據美國法典第35篇第112條第6段的規定理解，除非該要素被特意地使用「用於…手段（裝置）」這樣的措辭敘及。

應當認識到，附圖文件中示出的附圖僅出於示例目的給出，旨在強調本發明的功能和優點。本發明的體系結構是足夠靈活和可配置的，使得本發明可以與附圖中所示的方式不同的方式來利用（和駕馭）。

此外，本發明的摘要的目的在於，使美國專利商標局以及不熟悉專利或法律術語或用語的公眾尤其是本領域的科學家、工程師和從業人員通過粗略查看，就能快速確定本申請的技術公開內容的類型和實質。摘要並不旨在以任何方式限制本發明的範圍。還應認識到，權利要求書中敘及的步驟和過程不必按所呈現的順序執行。

而且，要指出的是，實施方案可以作為過程來描述，該過程作為作業圖、流程圖、結構圖或框圖示出。儘管作業圖可將操作描述為順次過程，但許多操作可平行執行或同時執行。此外，操作的順序可重新安排。在過程的操作完成時，該過程終止。過程可對應於方法、函數、工序、子程序、輔程序等。當過程對應於函數時，其終止對應於該函數返回到調用函數或主函數。

可在不偏離本文描述的發明的前提下，將本發明的各種特徵在不同的系統中執行。應指出的是，前文的實施方案僅僅是實例，並不能解釋為限制本發明。對實施方案的描述旨在進行舉例說明，而不是旨在限制權利要求的範圍。因此，本文的教導可容易地應用於其他類型的裝置，並且許多替代方案、修改方案和變化方案對於本領域技術人員將是顯而易見的。

本文描述的所有要素、部分和步驟都優先地被包括。應認識到，這些要素、部分和步驟中的任何一者可以被其他要素、部分和步驟代替，或者被完全刪除，這對於本領域技術人員是顯而易見的。

大體上，本文公開了至少以下內容：

一種垂直溝道MOSFET，包括：三價氮化物材料的N型摻雜的基板；和在該基板的頂部表面上生長的三價氮化物材料的外延層，在所述外延層中形成N型摻雜漂移區；所述三價氮化物材料的P型摻雜基極層，該基極層在該漂移區的至少一部分的頂部上形成；所述三價氮化物材料的N型摻雜源極區，該源極區在該基極層的至少一部分上形成；以及具有至少一個垂直壁的柵極溝道，該垂直壁沿著該源極區的至少一部分和該基極層的至少一部分延伸；其中沿著該柵極溝道的該P型摻雜基極層的至少一部分是所述P型摻雜三價氮化物材料的、另外包含一定比例的鋁的層。

權利要求書(按照條約第19條的修改)

1.一種垂直溝道MOSFET，其特徵在於，包括：

三價氮化物材料的N型摻雜基板；和

在所述基板的頂部表面上生長的三價氮化物材料的外延層，N型摻雜漂移區形成在所述外延層中；

所述三價氮化物材料的P型摻雜基極層，所述基極層在所述漂移區的至少一部分的頂部上形成；

所述三價氮化物材料的N型摻雜源極區，所述源極區在所述基極層的至少一部分上形成；以及

具有至少一個垂直壁的柵極溝道，所述垂直壁沿著所述源極區的至少一部分和所述基極層的至少一部分延伸；

其中沿著所述柵極溝道的所述P型摻雜基極層的至少一部分是所述P型摻雜三價氮化物材料的、另外包含一定比例的鋁的層；並且

其中所述P型摻雜基極層具有的鋁的比例在垂直方向上變化。

2.根據權利要求1所述的垂直溝道MOSFET，其特徵在於，所述三價氮化物材料是GaN。

3.根據權利要求1所述的垂直溝道MOSFET，其特徵在於，鋁的所述比例是在所述P型摻雜基極層的、另外包含一定比例的鋁的所述層內在垂直方向上變化。

4.根據權利要求1所述的垂直溝道MOSFET，其特徵在於，中鋁的所述比例低於20%。

5.根據權利要求2所述的垂直溝道MOSFET，其特徵在於，所述P型摻雜三價氮化物材料的、另外包含一定比例的鋁的所述層，是在下方的GaN層的Ga面上生長的AlGaN層；其中所述AlGaN層的鋁的所述比例從底部到頂部下降。

6.根據權利要求4所述的垂直溝道MOSFET，其特徵在於，鋁的所述比例從20%下降到0%。

7.根據權利要求2所述的垂直溝道MOSFET，其特徵在於，所述P型摻雜三價氮化物材料的、另外包含一定比例的鋁的所述層，是在下方的GaN層的N面上生長的AlGaN層；其中所述AlGaN層的鋁的所述比例從底部到頂部增加。

8.根據權利要求7所述的垂直溝道MOSFET，其特徵在於，鋁的所述比例從0%增加到20%。

9.根據權利要求1所述的垂直溝道MOSFET，其特徵在於，所述P型摻雜基極層的、另外包含一定比例的鋁的所述層，在外延層中該漂移區頂部上所形成的P型摻雜基極層上生長。

10.一種製作垂直溝道MOSFET的方法，其特徵在於，包括：

提供N型摻雜量高的三價氮化物的基板；

在所述基板上形成所述三價氮化物材料的外延層；

在所述外延層中形成三價氮化物材料的、N型摻雜量低的、與所述基板接觸的漂移區；

在所述外延層上形成包括所述三價氮化物材料的、P型摻雜量高的、包含一定比例的鋁的區域的P型摻雜基極層，其中所述P型摻雜基極層具有的鋁的比例在垂直方向上變化；

在所述基極層上形成所述三價氮化物材料的、N型摻雜量高的源極區；並且形成具有至少一個垂直壁的柵極溝道，所述垂直壁沿著所述源極區的至少一部分和所述基極層的至少一部分延伸。

11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述三價氮化物材料是GaN。

12.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，鋁的所述比例是在所述包含一定比例的鋁的P型摻雜基極層的所述P型摻雜量高的區域內在垂直方向上變化。

13.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述在所述外延層上形成所述三價氮化物材料的、P型摻雜量高的、包含一定比例的鋁的區域包括：在所述GaN外延層的Ga面上生長AlGaN層；其中所述AlGaN層的鋁的所述比例從底部到頂部降低。

14.根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述下方的GaN層是在所述外延層中所述N型摻雜量低的漂移區上方形成的P型摻雜量高的區域。

15.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，鋁的所述比例從20%下降到0%。

16.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述在所述外延層上形成所述三價氮化物材料的、P型摻雜量高的、包含一定比例的鋁的區域包括：在所述GaN外延層的N面上生長AlGaN層；其中所述AlGaN層的鋁的所述比例從底部到頂部增加。

17.根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，鋁的所述比例從0%增加到20%。

18.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述在所述外延層上形成所述三價氮化物材料的、P型摻雜量高的、包含一定比例的鋁的區域包括：在所述外延層中所述漂移區頂部上所形成的P型摻雜基極層上，生長所述包含一定比例的鋁的區域。

19.一種半導體電路，其特徵在於，包括：

第一GaN層；和

在所述第一層上生長的第二GaN層，其中所述第二層包含隨著與所述第一層的距離而變化的一定比例的鋁。

20.根據權利要求19所述的半導體電路，其特徵在於，所述第二層在所述第一層的Ga面上生長，並且其中當與所述第一層的距離增加時，鋁的所述比例下降；或者其中所述第二層在所述第一層的N面上生長，並且其中當與所述第一層的距離增加時，鋁的所述比例增加。