具有绝缘栅极的常闭型氮化镓晶体管及其制作方法
【专利说明】具有绝缘栅极的常闭型氮化镓晶体管及其制作方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请涉及并要求于2012年6月7日提交的美国临时专利申请N0.61/656，573的优先权，其全部内容通过引用合并于此。本申请还涉及并要求于2012年9月6日提交的美国专利申请N0.13/604, 983的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
[0003]本公开涉及II1-氮化物晶体管，例如氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET)，尤其涉及常闭型II1-氮化物晶体管。
【背景技术】
[0004]GaN FET为具有包括功率开关应用等很多用途的固态器件。一些值得注意的功率开关应用包括节能汽车(例如混合动力和燃料电池汽车)和高效功率转换模块。典型的GaN FET以耗尽模式或“常开”结构制成。为安全起见，系统设计要求“常闭”型或增强模式的功率开关。在本说明书中，“常开”意味着在没有电压施加于场效应晶体管的栅极上时晶体管可以导电。“常闭”意味着除非有电压施加于晶体管的栅极，否则晶体管基本上不导电或只能传导很小的电流。
[0005]在下述文献中已经描述了一种将常开型器件转换为常闭型器件的现有技术的方法:Y.Cai, Y.G.Zhou, K.J.Chen,和 K.M.Lau，“High-performance enhancement-modeAlGaN/GaN HEMTs using Fluoride-based plasma treatment,，，IEEE Electron Dev.Lett.Vol.26, n0.7, pp.435-437, July 2005。在Cai的文献中，在通过接触式光刻打开栅极窗口之后，在反应离子蚀刻(RIE)系统中利用四氟化碳(CF4)等离子体来处理栅极窗口下方的区域以制作常闭型器件。Cai的器件的一个缺点在于其具有过大的栅漏电流，从而限制了器件的性能。
[0006]需要的是一种具有极低的栅极泄漏电流并且同时还具有最小化阈值电压迟滞的性质的常闭型器件。本公开的实施例解决了上述以及其他需求。
【发明内容】
[0007]在本文公开的第一实施例中，一种常闭型晶体管包括:沟道层；覆盖所述沟道层的电子供应层；在所述电子供应层上的源电极和漏电极；在所述电子供应层中位于源电极和漏电极之间的区域，所述区域在通过氟基等离子体进行处理之后通过氯基等离子体进行处理；覆盖所述区域的栅极绝缘层；以及覆盖所述栅极绝缘层的栅电极。
[0008]在本文公开的第二实施例中，一种制作具有沟道层、覆盖所述沟道层的电子供应层、以及在所述电子供应层上的源电极和漏电极的常闭型晶体管的方法包括:利用氟基等离子体对电子供应层中源电极和漏电极之间的区域进行处理；在所述氟基等离子体处理之后，利用氯基等离子体对所述区域进行处理；形成覆盖所述区域的栅极绝缘层；以及在所述栅极绝缘层上形成栅电极。
[0009]通过下文的详细描述和附图，本发明的上述或其他特征和优点将变得更显而易见。在附图和说明书中，数字指示不同的特征，在整个附图和说明书中，类似的数字指的是类似的特征。
【附图说明】
[0010]图1示出了根据本公开的常闭型晶体管；
[0011]图2示出了根据本公开制作的器件的测得的电流-电压(IV)特性的图；以及
[0012]图3为根据本公开的制作常闭型晶体管的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0013]在下文中，阐述了许多具体的细节以清楚地描述本文公开的各种具体实施例。但是，本领域技术人员将理解的是，本发明可以在无需所有以下讨论的具体细节的情况下实施。在其他情况下，未描述公知特征以免混淆本发明。
[0014]现在参考图1，示出了根据本公开的II1-氮化物晶体管10。该II1-氮化物的III指的是元素周期表中的III族，其包括铝(Al)、镓(Ga)和铟(In)。晶体管10可以包括衬底12、覆盖在衬底12上的缓冲层14、在缓冲层14上方的沟道层16、在沟道层16上方的电子供应层20、以及源电极22、漏电极24和栅电极26，所有这些都是本领域技术人员所熟知的。
[0015]衬底12可以为GaN、S1、SiC、Al203或其他合适的材料。缓冲层14和沟道层16均可以为II1-氮化物半导体。电子供应层20可以为带隙大于沟道层16的II1-氮化物半导体。源电极22和漏电极24可以为欧姆接触。
[0016]栅极绝缘层28置于栅电极26的下方以减小栅极泄漏电流。栅极绝缘层28可以为绝缘介电薄膜并且可以为氧化铝(Al2O3)、氮化硅(SiN)、氧化硅(S12)、氮化铝(AlN)、氧化铪(HfO2)或其他合适的绝缘体。可以采用原子层沉积(ALD)来沉积栅极绝缘层28。
[0017]在晶体管的制作期间，首先利用氟(F)基等离子体并且随后利用氯(Cl)基等离子体处理栅电极下方的电子供应层20的区域30。该等离子体处理可以采用反应离子蚀刻(RIE)系统。在区域30经过氟(F)基等离子体处理以及随后的氯(Cl)基等离子体处理之后，栅极绝缘层28可以沉积在区域30的上方并且可在氮气(N2)环境下进行至少I分钟的退火。栅电极26被形成为覆盖栅极绝缘层28。
[0018]氟(F)基等离子体处理降低了栅电极26下方的电子供应层20的电子浓度。但是，氟(F)基等离子体处理还可产生表面陷阱态，该表面陷阱态可俘获电子供应层20中的电子，从而降低晶体管的性能。氯(Cl)基等离子体处理移除了电子供应层20中的表面陷阱态。氯(Cl)基等离子体处理还进一步降低了栅电极26下方的电子供应层20中的电子浓度。
[0019]在区域30中进行氟(F)基等离子体处理并随后进行氯(Cl)基等离子体处理、以及在栅电极26和电子供应层20之间的栅极绝缘层28的结果是具有最小化的阈值电压迟滞和非常低的栅极泄漏电流的常闭型晶体管10。
[0020]阈值电压迟滞指的是在晶体管10由导通状态至关闭状态进行切换所需的栅极偏置电压与晶体管10由关闭状态至导通状态进行切换所需的栅极偏置电压之间的差异。在很多应用中期望的是阈值电压迟滞最小化。在根据本公开制作的一个器件中达到了小于0.2V的阈值电压迟滞。该结果明显优于在现有技术中可大于0.5V的典型阈值电压迟滞。
[0021]还期望的是具有非常低的栅极泄漏电流。在根据本公开制作的一个器件中达到了小于100纳安/毫米(nanoamps/millimeter)的栅极泄漏电流。
[0022]图2示出了根据本公开制作的器件的测得的电流-电压(1-V)特性的图。该图示出了针对以0.5V阶跃从OV至3.5V的栅极电压、漏极电流(Id)对比漏极电压(Vd)的曲线。OV和0.5V栅极电压的曲线基本相互重合。图2中的右纵轴示出了 Vg = OV时的Id，并且指示Vg = 0(即当晶体管关闭时的栅极电压)时漏极电流非常小。
[0023]如图2所示，在Vg = 3.5V时测得导通电阻1??为55毫欧(mill1hms)。因此当晶体管10导通时，晶体管的电阻非常小。此外，测试的器件至少具有450伏的击穿电压(Vbr)。为了不损坏样品，样品的测试不超过该电压；但是，在450伏时未观察到击穿，可预期的是根据本公开制作的器件具有完全可接受的击穿电压。
[0024]图3为制作常闭型晶体管的方法的流程图。在步骤100中，提供或形成衬底，并且形成覆盖该衬底的缓冲层。随后，在步骤102中，在缓冲层上方形成沟道层。在步骤104中，形成覆盖沟道层的电子供应层。在步骤106中，在电子供应层上形成源电极和漏电极。在步骤108中，利用氟基等离子体处理在电子供应层中位于源电极和漏电极之间的区域30。随后，在步骤110中，在氟基等离子体处理之后，利用氯基等离子体处理区域30。氟基等离子体处理和氯基等离子体处理均采用反应离子蚀刻执行。在步骤112中，形成覆盖所述区域的栅极绝缘层。随后在步骤114中，在氮气(N2)环境下对栅极绝缘层进行至少I分钟的退火。随后在步骤116中，在栅极绝缘层上形成栅电极。可采用原子层沉积来沉积栅极绝缘层。
[0025]本领域技术人员将理解的是，这些步骤的顺序是可以改变的。例如，可以形成衬底，随后在衬底上形成缓冲层，在缓冲层上形成沟道层，在缓冲层上形成电子供应层，随后执行氟基等离子体处理和随后的氯基等离子体处理，随后形成栅极绝缘层，并且最后形成源电极、漏电极和栅电极。
[0026]本领域技术人员还将理解的是，可以提供衬底、缓冲层、沟道层、电子供应层、源电极和漏电极，随后再执行氟基等离子体处理和随后的氯基等离子体处理的步骤，随后可以形成栅极绝缘层，之后再形成栅电极。
[0027]至此已根据专利法规的要求对本发明进行了描述，本领域技术人员将理解如何对本发明做出改变和修改以满足他们的具体要求或条件。可以在不脱离本文公开的本发明的范围和精神的情况下做出这些改变和修改。
[0028]以上示出的对示例性和优选实施例的详细描述的目的在于根据法规要求对本发明进行展示和公开。其目的并非穷举或将本发明限于所描述的(多个)具体形式中，而仅用于使得本领域其他技术人员可以理解本发明如何可适于特定的用途或实施方式。对本领域从业技术人员来说，进行修改和改变的可能性是显而易见的。对可包含容差、特征尺寸、特定操作条件、工程标准等的示例性实施例的描述并不意味着限制，其可以在各种实施方式之间改变或随着本领域的状态改变而改变，其并不暗含任何限制。申请人根据现有技术的状态作出了本公开，但仍然预期进一步改进，并且可以通过考虑这些改进(即未来的“现有技术”)使得本发明在未来仍然适用。其目的在于，本发明的范围由本文的权利要求书及其可适用的等同方案所限定。除非明确指出，否则权利要求书中的涉及的单数形式并非意味着“一个和仅一个”。此外，对于本发明任何元素、组件、或方法、过程步骤，不管这些元素、组件、或步骤是否在权利要求书中明确地要求保护，它们都不意味着无偿贡献给公众。本发明的元素除非采用短语“装置，用于…”来清楚地引用，否则不能根据美国法典第35卷第112节第6段来解释权利要求的元素，并且本文中的步骤除非采用“包括…的步骤”来清楚地引用，否则也不能根据上述条款来解释权利要求的方法或过程步骤。
[0029]构思:
[0030]本文至少公开了以下构思。
[0031]构思1.一种常闭型晶体管，包括: