GaN HEMT的共源共栅结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及共源共栅结构，且更具体地，涉及具有在一个栅极下面的绝缘层的双 栅极晶体管。
【背景技术】
[0002] 已经发现诸如硅（Si)和砷化镓（GaAs)之类的材料在低功率的半导体器件中的广 泛应用，并且在Si的情况下，具有低频率应用。然而，例如，由于其相对小的带隙（室温下， Si的带隙是1. 12eV以及GaAs的带隙是1. 42eV)，这些更熟悉的半导体材料可能不能很好 地适用于高功率和/或高频率应用。
[0003] 鉴于由Si和GaAs呈现的困难，高功率、高温度和/或高频率应用和装置中的关注 度已经聚焦在宽带隙半导体材料，诸如碳化硅（室温下对于a-SiC是2. 996eV)和III族 氮化物（例如，室温下对于GaN是3. 36eV)。这些材料通常可具有比GaAs和Si更高的电场 击穿强度和更高的电子饱和速度。
[0004] 特别关注高功率和/或高频应用的一种设备是高电子迀移率晶体管（HEMT)，其也 被称为调制掺杂场效应晶体管（M0DFET)。在HEMT装置中，二维电子气（2DEG)可形成于不 同带隙能量的两个半导体材料的异质结上。较小带隙材料可具有比宽带隙材料高的电子亲 和力。2DEG是未掺杂较小带隙材料中的积累层并且可包含相对高的薄层电子浓度，例如，超 过1013载体/cm2。此外，在较宽带隙半导体起源的电子可能会转移到2DEG，从而由于降低 的离子化杂质散射而允许相对高的电子迀移率。相对高的载流子浓度和载流子迀移的这种 组合可给予HEMT相对大的跨导并且可提供优于用于高频应用的金属-半导体场效应晶体 管（MESFETS)的性能。
[0005] 在氮化镓/氮化铝镓（GaN/AlGaN)材料系统中制造的HEMT可由于材料特性的组 合而产生大量的RF功率，诸如相对高的击穿场、比较宽的带隙、相对大的导带偏移，和/或 相对高的饱和电子漂移速度。2DEG中的电子的主要部分可归因于AlGaN中的极化。
[0006] 在GaN/AlGaN系统中的不同类型的HEMT已被证实。例如，美国专利号 5, 192, 987和5, 296, 395描述了AlGaN/GaNHEMT的结构和制造方法。此外，美国专利 号6, 316, 793 (Sh印pard等人，其共同转让给本申请）描述了一种HEMT设备，其具有 半绝缘碳化硅衬底；在衬底上的A1N缓冲层；在缓冲层上的绝缘GaN层；在GaN层上 的AlGaN势皇层；以及在AlGaN活性结构上的钝化层。此外，美国专利申请公开号US 2005/0170574 (Sh印pard等人，其也被共同转让）描述了一种HEMT设备，包括保护层和/或 低损伤凹槽制造技术，该技术可减少在设备的欧姆接触的退火过程中可能发生的在晶体管 的栅极区对半导体的损坏。
[0007] 电子俘获和DC和RF特性之间产生的差异在这些设备的性能方面可能是一个限制 因素。氮化硅（SiN)钝化已被用来减轻导致具有在10GHz超过10W/mm的功率密度的高性 能设备的这个俘获问题。例如，共同转让的美国专利号6, 586, 781 (Wu等人），公开了用于减 少在GaN基晶体管中的俘获效应的方法和结构。然而，由于存在于这些结构的高电场，电荷 俘获可能仍然是一个关注的问题。
[0008] 场板已经用于提高在微波频率的GaN基的HEMT的性能，并表现出在整个非场 板设备的性能改进[参见S.Kamalkar和U.K.Mishra,VeryHighVoltageAlGaN/GaN HighElectronMobilityTransistorsUsingaFieldPlateDepositedonaStepped Insulator，SolidStateElectronics45,（2001 年），第 1645 至 1662 页]。许多场板方法 包含了场板连接到具有沟道的漏极侧的顶部的场板的晶体管的栅极。这可导致晶体管的栅 极-漏极侧的电场的降低，从而增加击穿电压以及降低高场俘获效应。然而，具有栅极-漏 极场板的晶体管可表现出相对较差的可靠性能，特别是在C类（或更高类）的操作，其中栅 极的源极侧的电场变得显著。其它场板方法仍然包含了将场板连接到源极。源极连接的场 板提供了栅极到漏极电容的降低，从而提高了增益。
[0009] 除了最小化反馈电容，一些应用的一个目标是改进线性度（即，输入和输出之间 的比例的程度）。虽然GaN基的HEMT通常显示出良好线性度，但是在一些应用中，需要进一 步改进（例如，高功率RF或和/或通信应用）。一种最小化反馈电容同时也提高线性度的 方法包括多级布置。诸如HEMT之类的晶体管可在两极共源共栅布置中组合（使用相同或不 同晶体管中的两个）。在共同转让的美国专利号7, 126, 426(Mishra等人，且题为"Cascode AmplifierStructureIncludingWideBandgapFieldEffectTransistorWithField Plates"，其全部实体内容通过引证结合于此）中描述了一些包括初始的非场板共源极级 和第二场板共栅极级的共源共栅布置。这些设备可由于因使用场板导致的反馈电容而获得 具有很少不利影响的场板的益处。
[0010] 多级布置也可在单双栅极晶体管内实现，诸如美国专利号5,514,992(Tanaka等 人）中描述的那些。在双栅极共源共栅晶体管中，双晶体管布置的漏极-源极连接被替换为 两个栅极之间的晶体管的部分。图1示出具有双栅极共源共栅布置的现有技术的HEMT10。 HEMT10包括第一级栅极26和第二级栅极28,其都处于势皇层18上且布置在源极触点22 和漏极触点24之间且处于绝缘间隔层21内。势皇层18处于层序列，包括2DEG20、缓冲层 16,和衬底12。第二栅极28可用作第一栅极26的屏蔽，并因此可减小第一栅极26和漏极 24之间的反馈电容、可减少电容的漏极电压依赖性，并可改进线性度。
[0011] 在诸如图1中所示的现有技术的双栅极布置中，第一级和第二级具有相同的阈值 电压。如果这样的布置中的第二栅极接地，则电流流动可被限制。正因为如此，第二级必须DC偏置以便避免限制设备的最大电流。一些这样的设备在美国公开号2007/0290762(Lin 等人）中描述。然而，单独偏压第二级会导致增加的复杂性和成本。
【发明内容】
[0012] 本发明提供了双栅极晶体管和/或共源共栅结构，其中，第二级栅极不需要被单 独偏置。根据本发明的多栅极晶体管的一个实施例包括：多个有源半导体层，在衬底上；其 中，2DEG在两个这些层的界面处。第一栅极在源极和漏极之间，并且第二栅极在第一栅极和 漏极之间。间隔层将第二栅极与多个有源半导体层分离。
[0013] 根据本发明的共源共栅结构的一个实施例包括具有第一栅极的第一级以及具有 第二栅极的第二级。由间隔层将第二栅极与势皇层分离。
[0014] 根据本发明的集成电路的一个实施例包括：晶体管，在衬底上具有多个有源半导 体层，其中，2DEG在两个这些层的界面处。第一栅极在源极和漏极之间，并且第二栅极在第 一栅极和漏极之间。间隔层将第二栅极与多个有源半导体层分离。
[0015] 通过下面的详细描述结合附图，这些和其它本发明的进一步特征和优点对于本领 域技术人员将是显而易见的，其中：
【附图说明】
[0016] 图1是现有技术的晶体管的一个实施例的横截面图；
[0017] 图2是根据本发明的晶体管的一个实施例的横截面图；
[0018] 图3是图2中所示的晶体管的平面图；
[0019] 图4是根据本发明的晶体管的另一实施例的横截面图；
[0020] 图5是根据本发明的晶体管的另一实施例的横截面图；
[0021] 图6是根据本发明的晶体管的另一实施例的横截面图；以及
[0022] 图7是根据本发明的晶体管的另一实施例的横截面图。
[0023] 图8是根据本发明的晶体管的另一实施例的横截面图。
[0024] 图9是根据本发明的晶体管的另一实施例的横截面图。
【具体实施方式】
[0025] 本发明提供了诸如双栅极晶体管或HEMT共源共栅结构的结构，其提供降低的复 杂性和成本的较低反馈电容和改进的线性度。这些诸如GaN基的双栅极HEMT的结构，可提 供高电压、大电流并具有改进的线性高的增益操作。本发明一般涉及共源共栅结构，其中， 第二级栅极由相对薄的间隔层与势皇层分离，从而使第二级具有比第一级更多的负阈值电 压。在一个实施例中，第二级包括其暴露有源区的间隔层中的腔室；薄间隔层沉积在有源 区上方，且第二级栅极填充腔室的剩余部分。第二级栅极然后可接地，诸如通过到源极的连 接，并且消除了对于分别偏压第二级栅极的需要。
[0026] 应理解，当元件或层被称为"在另一元件或层上"、"连接到另一元件或层"、"耦合 到另一元件或层"或"与另一元件或层接触"时，它可直接处于另一元件或层上、连接到或耦 合到另一元件或层，或与另一元件或层接触，或中间元件或层可存在。相反，当元件被称为 "直接处于另一元件或层上"、"直接连接到另一元件或层"、"直接耦合到另一元件或层"或 "直接与另一元件或层接触"时，不存在中间元件或中间层。同样地，当第一元件或层被称为 "与第二元件或层电接触"或"电耦合到第二元件或层"时，没有用于允许第一元件或层和第 二元件或层之间的电流流动的电路径。电路径可包括电容器、耦合的电感器，和/或即使在 导电元件之间没有直接接触也允许电流流动的其它元件。此外，术语，诸如"绝缘"例如可 参考完全绝缘、半绝缘，或者其一的材料。
[0027] 还应理解，虽然序号术语第一、第二、第三等在这里可用于描述各种元件，但是这 些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于彼此区分元件。例如，在不脱离本发明的 范围的