具有电荷分布结构的开关器件的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本发明涉及半导体器件。具体而言，本发明涉及起开关和功率开关作用的高压异质结构场效应晶体管(HFET)。
[0002]高压半导体开关是电子电路中用于功率转换的关键部件。这些应用的实施例包括用于电子设备的电源、用于电动马达的驱动器以及用于太阳能电池的逆变器。
[0003]功率开关具有允许器件传导电流的导通状态，且具有防止器件传导电流的断开状态。当功率开关处于导通状态时，该功率开关可以传导数十或数百安培的电流而该开关两端的电压小于I伏特。当功率开关处于断开状态时，该功率开关通常必须承受数百或数千伏特的电压而传导基本为零的电流。器件处于断开状态而传导不多于一个给定的小电流值时该器件能经受的电压有时被称为击穿电压。
[0004]通常期望两种状态之间的转变尽可能地快，因为在转变期间，在开关中可能有相对尚的电流同时开关两端可能有相对尚的电压。同时存在相对尚的电流和相对尚的电压表示能量损失，在最好的情况下该能量损失是不期望的且在最坏的情况下该能量损失可毁坏该开关。
[0005]高压HFET对于用作功率开关是具有吸引力的，主要因为高压HFET可以显著地比在类似的电压下传导相同的电流的其他半导体开关快地改变状态。与使用传统基于硅的技术的晶体管相比，用在HFET的构造中的材料还允许HFET在更高的温度下运行。
[0006]用于功率开关的HFET的制造的一个主要问题是，现有技术生产具有显著地在理论上可能的值之下的击穿电压的器件。另外，难于预测已知技术的应用(诸如，场极电极的使用)如何影响击穿电压。如此，针对特定特性的器件设计是困难且耗时的，需要应用试探法来制造和测试硬件而不是使用计算机建模。
[0007]需要一种解决方案，该解决方案允许为了期望的性能以更少的时间设计带有可预测的击穿电压的功率HFET。
【附图说明】
[0008]参考以下附图描述本发明的非限制性和非穷尽性实施方案，其中除非另有指定，所有各个视图中相同的参考数字指示相同的部件。
[0009]图1是示出根据本发明的教导的示例性电荷分布结构的部件的示例性半导体器件的横截面。
[0010]图2是一示例性半导体器件的横截面，示出根据本发明的教导的示例性电荷分布结构的部件与半导体器件中的有源层之间的电容。
[0011]图3A是在恒定电压和电流的条件下包括具有根据本发明的教导的电荷分布结构的半导体器件的示例性电路的原理图。
[0012]图3B是示出图3A的示例性电路中的恒定电压和电流的相对幅度的曲线图。
[0013]图4是图3A的电路中的示例性半导体器件的一部分的横截面，大体上例示了对于图3B的曲线图中所描绘的条件的电荷和电容的分布。
[0014]图5A是在动态电压和电流的条件下包括具有根据本发明的教导的电荷分布结构的半导体器件的另一个示例性电路的原理图。
[0015]图5B是示出图5A的示例性电路中的动态电压和电流的相对幅度的曲线图。
[0016]图6是图5A的电路中的示例性半导体器件的一部分的横截面，大体上例示对于图5B的曲线图中所描绘的条件的电荷和电容的分布。
[0017]图7A是示出包括根据本发明的教导的电荷分布结构的示例性半导体器件的多个部分和特征的相对位置的以一个立体图形式的图解。
[0018]图7B是图7A中的示例性半导体器件的以一个不同的立体图形式的图解，例示在图7A的视图中不可见的其他部分和特征的相对位置。
[0019]图8是大体上例示构造图7A和图7B中所例示的具有根据本发明的教导的电荷分布结构的示例性半导体器件的过程中的样本操作流程的示例性流程图。
[0020]图9A是示出包括根据本发明的教导的电荷分布结构的另一个示例性半导体器件的多个部分和特征的相对位置的以一个立体图形式的图解。
[0021]图9B是图9A中的示例性半导体器件的以一个不同的立体图形式的图解，例示在图9A的视图中不可见的其他部分和特征的相对位置。
[0022]图10是大体上例示构造图9A和图9B中所例示的具有根据本发明的教导的电荷分布结构的示例性半导体器件的过程中的样本操作流程的示例性流程图。
[0023]图11是示出示例性静态放电系统的等效电路的电原理图。
[0024]图12是示出例示示例性静态放电系统的一般配置的等效电路的电原理图。
[0025]图13是示出示例性静态放电系统的晶体管的半导体结构的横截面。
[0026]图14是示出示例性静态放电系统的晶体管和具有示例性电荷分布结构的示例性高压功率HFET的一部分的半导体结构的俯视图。
[0027]图15A是不出包括静态放电系统和功率HFET的一部分的不例性半导体器件的多个部分和特征的相对位置的以一个立体图形式的图解。
[0028]图15B是图15A中的示例性半导体器件的以一个不同的立体图形式的图解，例示在图15A的视图中不可见的其他部分和特征的相对位置。
[0029]图16A是图15A中的示例性半导体器件的以立体图形式的图解，其中钝化被移除以显示在图15A的图解中不可见的金属。
[0030]图16B是图15B中的示例性半导体器件的以一个不同的立体图形式的图解，例示在图15B的视图中不可见的其他部分和特征的相对位置。
[0031]图17是大体上例示构造图15A和图15B中所例示的包括静态放电系统的示例性半导体器件的过程中的样本操作流程的示例性流程图。
[0032]图18A是不出包括静态放电系统和功率HFET的一部分的另一个不例性半导体器件的多个部分和特征的相对位置的以一个立体图形式的图解。
[0033]图18B是图18A中的示例性半导体器件的以一个不同的立体图形式的图解，例示在图18A的视图中不可见的其他部分和特征的相对位置。
[0034]图19A是图18A中的示例性半导体器件的以立体图形式的图解，其中钝化被移除以显示在图18A的图解中不可见的金属。
[0035]图19B是图18B中的示例性半导体器件的以一个不同的立体图形式的图解，例示在图18B的视图中不可见的其他部分和特征的相对位置。
[0036]图20是大体上例示构造图18A和图18B中所例示的包括静态放电系统和功率HFET的一部分的示例性半导体器件的过程中的样本操作流程的示例性流程图。
【具体实施方式】
[0037]在下面的描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将会明了，并非必须使用所述具体细节来实施本发明。在其它情况下，为了避免模糊本发明，没有详细描述公知的材料或方法。
[0038]本说明书通篇所提及“ 一个实施方案”、“ 一实施方案”、“ 一个实施例”或“一实施例”意味着，结合该实施方案或实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，在本说明书全文多个不同位置出现的短语“在一个实施方案中”、“在一实施方案中”、“一个实施例”或“一实施例”未必全都指相同的实施方案或实施例。此夕卜，所述特定特征、结构或特性可以以任何合适的组合和/或子组合在一个或多个实施方案或实施例中结合。特定特征、结构或特性可以被包括在集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描述的功能的其他合适的部件中。另外，应当理解，随此提供的附图是出于向本领域普通技术人员解释的目的，并且附图未必按比例绘制。
[0039]图1示出受益于本发明的教导的示例性半导体器件的显著特征。具体地，未按比例绘制的图1是穿过高压异质结场效应晶体管(HFET)的一部分的横截面视图100。图1中所例示的示例性HFET包括第一有源层120和第二有源层115。
[0040]第一有源层120通常设置在衬底(图1中未示出)之上，如本领域已知的，该衬底可以由多种材料诸如蓝宝石(Al2O3)、硅(Si)或碳化硅(SiC)形成。多种制造技术可能需要将其他材料的层设置在衬底和第一有源层120之间，以促进该器件的构造。
[0041]图1的实施例中的第一有源层120由氮化镓(GaN)组成。在其他实施例中，包含来自元素周期表的第m族的其他元素的氮化物的不同半导体材料可以组成第一有源层120。
[0042]图1的实施例中的第二有源层115由氮化铝镓(AlGaN)组成。在其他实施例中，不同的第ΠΙ族氮化物半导体材料诸如氮化铝铟(AlInN)和氮化铝镓铟(AlInGaN)可以组成第二有源层115。第二有源层115的材料可以是非化学计量化合物。在这样的材料中，元素的比率不易由普通整数表示。例如，第二有源层115可以是第ΠΙ族氮化物半导体材料诸如AlxGagN(其中0〈X〈1)的非化学计量化合物。
[0043]在图1的实施例中，传导源极触点125、传导栅极触点130和传导漏极触点150设置在第二有源层115之上。在图1的样本中还示出的是，稍后将在本公开内容中进一步详细描述的电荷分布结构的传导部件E1 135、E2 140和En 145。传导部件E1 135、E2 140和En 145可以由导电材料或诸如一种或多种金属、重掺杂半导体等等的材料形成。
[0044]在图1的示例性HFET中，电荷分布结构的传导部件E1 135,E2 140和En 145位于栅极触点130与漏极触点150之间。在图1的实施例中，电荷分布结构的部件E1 135与栅极触点130以第一距离Sg 160横向地间隔开。在图1的实施例中，电荷分布结构的部件En145与漏极触点150以第二距离Sd 170横向地间隔开。在图1的实施例中，第二距离Sd 170大于第一距离Se 160。可以选择电荷分布结构的任何两个部件之间的间隔Se 165，以实现如稍后在本公开内容中描述的所期望的性能特性。
[0045]虽然图1的示例性HFET示出形成电荷分布结构的三个传导部件，但可采用任何合适数量的传导部件，在一些情况下，包括单个传导部件。此外，如图1中所示，在那些采用多个传导部件的实施方式中，传导部件可以限定由一系列彼此相同的周期性重复的部件形成的金属栅格。在其他实施例中，传导部件不必周期性重复，也不必全都彼此相同。相反地，不同的传导部件可以具有不同的配置、尺寸等等。
[0046]另外，在图1的示例性HFET中，栅极电介质层110将栅极触点130以及电荷分布结构的部件E1 135,E2 140和En 145与第二有源层115分开。在图1的示例性HFET中，电介质材料的钝化层105设置在所述触点周围且在栅极电介质层110之上。钝化层105通过将器件的表面与环境中的电的和化学的污染物隔离，来提供器件的电特性的稳定性。
[0047]在使用不同钝化层布置的其他实施例中，栅极电介质层110是可选的。在不带有栅极电介质层110的实施例中，栅极触点130形成到第二有源层115的肖特基触点，且单独的钝化层将电荷分布结构的部件E1 135,E2 140和En 145与第二有源层115绝缘。肖特基触点是金属与半导体之间的接点，该接点在仅一个方向上在金属与半导体之间传导电流。不带有栅极电介质层的晶体管有时叫做肖特基栅极晶体管。稍后在本公开内容中呈现使用可选的栅极电介质层的构造的实施例。
[0048]图1中描绘的示例性HFET也称为高电子迀移率晶体管(HEMT)。在图1的HEMT中，通常具有比第一有源层120更高的带隙的第二有源层115在第一有源层120中靠近第二有源层115产生电荷层155。电荷层155限定一个横向传导沟道。第一有源层120有时叫做沟道层。第二有源层115有时叫做阻挡层或施主层。限定横向传导沟道的电荷层155有时叫做二维电子气(2DEG)，因为电子(被陷获在由带隙中的不同所导致的量子阱内)在二维上可自由移动但是在第三维上被紧紧地限制。如下文讨论的，二维电子气被认为至少部分地由第二有源层115中极化电荷的存在引起。随后的说明和解释将区分极化电荷、表面电荷和HEMT中2DEG的移动电荷。
[0049]当HFET被用作功率开关时，HFET的源极触点125、栅极触点130和漏极触点150通过端子耦合以形成到外部电路的电连接。在运行中，二维电子气155中的电荷在源极触点125与漏极触点150之间的沟道内移动，以成为外部电路中的电流。电荷，且因此电流，由来自电连接在栅极触点130与源极触点125之间的外部电路的电压控制。
[0050]如在此公开内容中所使用的，电连接是欧姆连接。欧姆连接是其中电压和电流之间的关系是线性的且对电流的两个方向是对称的连接。例如，通过仅金属接触彼此的两个金属图案是电连接的。相反，在图1的实例性HFET中，漏极触点150和源极触点125不是电连接的，因为这些触点之间的任何连接是通过半导体内的沟道且由栅极触点130控制。类似地，当栅极电介质110用于将栅极触点130与下面的半导体115绝缘时，栅极触点130未电连接到栅极触点130下面的半导体115，且栅极触点130未电连接到2DEG 155。
[0051]图2是图1中例示的实例性HFET的横截面视图200，用虚线示出电容器以表示电荷分布结构的个体部件之间的电容以及这些部件与器件的其他部分之间的电容。应理解，电容存在于每一对可拥有电荷的物体之间。图2强调在具有根据本发明的教导的电荷分布结构的HFET的运行中主要涉及的电容。
[0052]电容Ctl 205表示栅极触点130与部件E1 135之间的电容耦合。电容C1 210表示部件E1 135与部件E2 140之间的电容耦合。电容Cn 215表示部件E2 140与部件En 145之间的电容耦合。
[0053]电容Cm 220表示栅极触点130与2DEG 155之间的电容耦合。类似地，电容Csi225,Cs2 230以及Csn 235分别表示电荷分布结构的2DEG155与部件E1 135,E2 140,En 145之间的电容耦合。
[0054]由于电荷分布结构的部件通过电容而不是通过直接的电连接耦合到器件的其他部分，电荷分布结构的个体部件可响应于施加到器件的端子的电压的变化而改变其静电电势。由于电荷分布结构的每个部件的静电电势可以具有不同的值，沿着2DEG 155的静电电势可以被相对均勾地分布以避免场拥挤(field crowding)的非期望的影响(诸如减小的击穿电压)。
[0055]通过在存在变化电场时重新分布电荷，电容耦合电荷分布结构的每个部件可以将其电势与在其下方的传导2DEG沟道的部分的电势匹配。此性能使电容耦合电荷分布结构区别于已知为场极电极的常规传导场重新分布结构，该场极电极具有牢固地固定在器件的端子中的一个的电势的静电电势。这样的场极电极可以在其边缘附近形成不期望的高幅度的电场。
[0056]图3A是在恒定电压和电流的条件下包括具有根据本发明的教导的电荷分布结构的半导体器件308的示例性电路的原理图300。图3A中的半导体器件308是带有漏极端子306、栅极端子314和源极端子318的HFET开关。图3A的实施例中的HFET 308的栅极端子314和源极端子318电连接到公共回线(common return) 320，使得栅极314与源极318之间的电压Ves 316为零。
[0057]图3A的实施例中的HFET 308的漏极端子306耦合到具有值R的电阻器302的一端。电阻器302的另一端耦合到相对于公共回线320具有值％的正电压的恒定电压源312的一个端子。在图3A中的电路的静态条件下