高电流高电压GaN场效应晶体管及其制造方法
【专利摘要】一种场效应晶体管(FET)具有与沟道层接触的源极接点、与沟道层接触的漏极接点、以及在沟道层之上的势垒层上的栅极接点，该FET包括：在源极接点和漏极接点之间的势垒层上并且覆盖栅极接点的电介质层；以及在电介质层上的场板，该场板连接至源极接点并且延伸超过栅极接点和漏极接点之间区域，并且该场板包含位于栅极接点和漏极接点之间区域的倾斜侧壁。
【专利说明】高电流高电压GaN场效应晶体管及其制造方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 无
【技术领域】
[0003] 本发明涉及场效应晶体管（FET)，尤其涉及高压氮化镓（GaN)器件。
【背景技术】
[0004] 在场效应晶体管中，在栅极的漏端设计或塑造电场的能力是减小器件动态导通电 阻和增大器件击穿电压的关键，导通电阻和击穿电压是高压GaN器件的两个主要参数。
[0005] 现有技术中，描述过多种修改电场的方法。下述文献中描述了用以提高击穿电压 的多重场板器件：H. Xing, Y. Dora, A. Chini, S. Heikman, S. Keller, and U. K. Mishra, "High Breakdown voltage AlGaN-GaN HEMTs Achieved by Multiple Field Plates,"IEEE Electron Dev. Lett.，vol. 25, no. 4, April2004。Wu等人在下述专利中还描述了平场板和 组合平场板：U. S. Patent No. 7, 573, 078B2, "Wide bandgap transistors with Multiple Field Plates"。
[0006] 现有技术中，下述文献中描述了与栅极连接的斜面场板的使用：Y. Pei, Z. Chen, D. Brown, S. Keller, S. P. Denbaars, and U. K. Mishra, "Deep-Submicrometer AlGaN/GaN HEMTs With Slant Field Plates^ , IEEE Electron Dev. Lett. , vol. 30,no. 4, April2009〇 在下述文献中还描述了与栅极连接的斜面场板以减小用于高电压击穿操作的峰值电场： Y. Dora, A. Chakraborty, L. McCarthy, S. Keller, S. P. Denbaars, and U. K. Mishra, "High Breakdown Voltage Achieved on AlGaN/GaN HEMTs with integrated Slant Field Plates"，IEEEElectron Dev. Lett. , vol. 27, no. 9, Sep. 2006。
[0007] 斜面结构具有有利效果但难以采用传统光刻技术制造，从而并未广泛采用。此 夕卜，与栅极连接的场板的缺点为其具有器件不期望具备的较高的器件密勒电容（Miller Capacitance)和较高的寄生源电阻。
[0008] 需要一种改进的场板和制造此改进的场板的方法。由于在III族-氮化物材料中 存在陷阱并且其表面钝化的难度极高，而且此两者均会通过栅极和漏极之间的不均匀电场 而恶化，因此GaN基晶体管特别需要改进的场板。需要在降低器件密勒电容和寄生源电阻 的同时，通过优化器件栅极和漏极间的电场以降低动态导通电阻以及提高击穿电压。本发 明公开的实施例尝试解决这些问题并且满足其他需求。
【发明内容】
[0009] 在本发明公开的第一实施例中，场效应晶体管（FET)具有与沟道层接触的源极接 点、与沟道层接触的漏极接点、以及在沟道层之上的势鱼层上的栅极接点，该FET包括：在 源极接点和漏极接点之间的势垒层上并且覆盖栅极接点的电介质层；以及在电介质层上的 场板，该场板连接至源极接点并且延伸超过栅极接点和漏极接点之间区域，并且该场板包 含位于栅极接点和漏极接点之间区域的倾斜侧壁。
[0010] 在本发明公开的另一个实施例中，公开了一种形成场效应晶体管的场板的方法， 该场效应晶体管具有与沟道层接触的源极接点、与沟道层接触的漏极接点、以及在沟道层 之上的势垒层上的栅极接点，该方法包括：在源极接点和漏极接点之间的势垒层上并且在 栅极接点上面形成电介质层；在电介质层上涂覆光刻胶；使光刻胶在穿过掩模板的光照下 曝光，该掩模板适于给在栅极接点和漏极接点之间的光刻胶提供逐渐减小的光照强度；显 影并且移除被曝光的光刻胶，以在栅极接点和漏极接点之间留下具有第一倾斜侧壁图案的 光刻胶；刻蚀电介质层和保留的具有第一倾斜侧壁图案的光刻胶以将第一倾斜侧壁图案转 移至电介质层，从而在栅极接点和漏极接点之间的电介质层上生成第二倾斜侧壁图案；以 及在电介质层上沉积金属以形成连接至源极接点并且在栅极接点和漏极接点之间具有第 三倾斜侧壁的场板。
[0011] 可以通过以下详细描述和附图进一步了解这些或其他特征和优点。在附图和描述 中，标号指明不同的特征，在所有附图和描述中相同的标号表示相同的特征。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1示出了根据本发明的具有连接至源极的斜面场板的FET的立面剖视图；
[0013] 图2A至图2D示出了根据本发明的连接至源极的斜面场板的形成方法；
[0014] 图3示出了采用根据本发明的方法形成的斜面沟槽；
[0015] 图4A示出了常规的多重平板结构的电场模拟，以及图4B示出了根据本发明的连 接至源极的斜面场板结构的电场模拟；以及
[0016] 图5为根据本发明的制造连接至源极的斜面场板的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0017] 在以下描述中，阐述了多个具体细节以清楚地描述本文公开的各具体实施例。但 是，本领域技术人员应理解，本发明可在没有以下讨论的具体细节的情况下实施。在其他实 例中，并未对公知特征进行描述以免混淆本发明。
[0018] 图1示出了根据本发明制造的FET10的立面剖视图。FET10的多层结构20可以与 常规的任何FET的多层结构相同。同现有技术中熟知的结构相同，在沟道层16和衬底12之 间可以形成缓冲层14。源极22和漏极26耦接至沟道层16。势垒层18覆盖在源极22和 漏极26之间的沟道层16上、并且处于栅极24和沟道层16之间。栅极24电容耦接至沟道 层16,以上均为熟知的现有技术。
[0019] 在一个实施例中，多层结构20可以包括用于GaN器件（例如GaN功率开关器件） 的多个层。势垒层18可以由AlGaN、AlN、或AlInN形成。沟道层16可以由GaN形成或由 InN(或InGaN)形成。电介质层36可以为SiN、A1203、二氧化铪（Hf02)、二氧化钛（Ti02)、 Si02、非晶A1N、或多晶A1N。用于形成源极22、栅极24、和漏极26接触以及场板30的金属 可以为金（Au)、铜（Cu)、铝（A1)或其他任何合适的金属。
[0020] 如图1所示，在势垒层18上的电介质层36覆盖了源极22和漏极26之间的包括 沟槽31和33的区域。电介质层36延伸超过栅极24,并且具有处于栅极24和漏极26之 间区域的倾斜侧壁32。场板30物理和电连接至源极22,而且延伸超过电介质层36并且位 于电介质层36之上。源极22和场板30具有导电性并且优选地为金属。场板30通过电介 质层36与栅极24和漏极26绝缘。场板在栅极24和漏极26之间的区域中具有斜面或倾 斜侧壁34。在一个实施例中，栅极24和漏极26之间的倾斜侧壁34的横向尺度38至少为 1微米。倾斜侧壁34以这样一种方式倾斜：在栅极24附近，倾斜侧壁34距离电子供应层 18相对较近，而在漏极26附近，倾斜侧壁34距离电子供应层18相对较远。倾斜侧壁34 相对于势垒层或电子供应层18的平面的倾斜角度通常为30度，并且可以高达90度。优选 的倾斜角度为30度。
[0021] 可以对倾斜侧壁34进行各种变型。例如，倾斜侧壁34可以具有一定的曲率。
[0022] 连接至源极22的场板为源极互连金属提供了更大的宽度，这具有减小源极电阻 的效果。
[0023] 倾斜侧壁34塑造了栅极24和漏极26之间的电场，其具有增大击穿电压和抑制有 害电子陷阱的效果。具有倾斜侧壁34的场板30可以连续优化栅极24和漏极26之间的电 场，其可以明显降低动态导通电阻并且增大击穿发生时的电压（即击穿电压），动态导通电 阻和击穿电压是限制现有技术GaN高压器件的性能的两个主要参数。
[0024] 图2A至图2D示出了根据本发明的形成连接至源极的斜面场板的方法。该方法采 用灰度光刻以在场板30上形成倾斜侧壁34。
[0025] 图2A为立面剖视图并且示出了被电介质层36覆盖的多层结构20和栅极24。电 介质层36被光刻胶40包覆。之后如图2B中所不，灰度掩模板44被放置在光刻胶40的区 域上方，并且随后光刻胶40暴露于光线46进行曝光。如图2B所示，灰度掩模板44提供了 调制过的光强度穿过光刻胶40,使得在处理后仅有一部分光刻胶40仍保留在电介质层36 上。灰度掩模板44具有逐渐减小栅极24和漏极26之间的光照强度以在保留的那部分光 刻胶40上形成倾斜侧壁47的效果。在一个实施例中，光照强度逐渐减小以在栅极24和漏 极26之间线性变化。在其他实施例中，栅极24和漏极26之间光照强度可以非线性变化。
[0026] 随后，如图2C所示，电介质层36和保留的那部分光刻胶40被刻蚀，使得将倾斜侧 壁47的图案转移到电介质层36上以在电介质层36上形成倾斜侧壁32。可以采用等离子 体干法刻蚀、湿法刻蚀、或等离子体干法刻蚀和湿法刻蚀的组合执行上述刻蚀。
[0027] 随后，如图2D所示，沉积金属以形成场板30。在倾斜侧壁32上沉积的金属形成了 场板30上的倾斜侧壁34。
[0028] 图3示出了采用上述方法形成的斜面沟槽。
[0029] 图4A示出了常规的多重平板结构的电场模拟。图4B示出了根据本发明的连接至 源极的斜面场板结构的电场模拟。通过比较图4A和图4B可以看出，具有连接至源极的倾 斜侧壁的场板具有较低的峰值电场。相比于现有技术的多重平板结构，根据本发明的连接 至源极的斜面场板30结构还更容易制造。
[0030] 图5为制作根据本发明的连接至源极的斜面场板的方法的流程图。在步骤100中， 在源极接点22和栅极接点24之间、栅极接点24和漏极接点26之间的势垒层18上以及在 栅极接点24上形成电介质层36。随后在步骤102中，在电介质层36上涂覆光刻胶40。随 后在步骤104中，光刻胶暴露于穿过掩模板44的光照进行曝光，掩模板44适于为栅极接点 和漏极接点之间的光刻胶提供逐渐减小的光照强度。随后在步骤106中，被曝光的光刻胶 被显影并且移除，在栅极接点和漏极接点之间留下具有第一倾斜侧壁图案47的光刻胶。随 后在步骤108中，电介质层和保留的具有第一倾斜侧壁图案的光刻胶被刻蚀以将第一倾斜 侧壁图案47转移至电介质层36,从而在栅极接点和漏极接点之间的电介质层上生成第二 倾斜侧壁图案32。随后在步骤108中，在电介质层上沉积金属以形成连接至源极接点并且 具有处于栅极接点和漏极接点之间的第三倾斜侧壁34的场板。
[0031] 至此，根据专利法规要求对本发明进行了描述，而本领域技术人员可以理解如何 对本发明做出改变与修改以使本发明达到其具体需求或条件。可以在不脱离在此公开的本 发明范围和思想情况下进行这些改变与修改。
[0032] 为了符合相关法律要求的示范和公开，呈现了前述关于示范性实施例与优选实施 例的细节描述。其目的并非穷举，也不是将本发明限制为所描述的（多个）精确形式，而只 为了使得本领域其他技术人员可以理解如何使本发明适用于特定用途或实施。很显然，本 领域的从业技术人员有可能对本发明做出改进与变化。示范性实施例的描述的目的不在于 进行限制，其可包含公差、特征尺寸、特定工作条件、工程规格、或诸如此类，并且其可在不 同实施过程中进行变化或随着本领域状态进行改变，并且也不应当从示范性实施例的描述 中暗示任何限制。 申请人:已针对本领域的当前状态进行了本公开并且还预期了改进，未来 适应性改变应当考虑这些改进，即根据本领域当时的当前状态考虑这些改进。本发明保护 范围旨在由所附权利要求书及其可适用等价物限定。以单数形式对权利要求元素的引用并 不意味"一个且唯一一个"，除非有明确陈述。此外，本公开中没有任何元素、组件、或方法与 处理步骤意图致力于贡献给公众，而不管权利要求书中是否已明确记载该元素、组件、或步 骤。本文中没有任何权利要求元素应当按照35U.S.C Sec. 112,第六款规定进行理解，除非 此元素使用"用于...装置"方式进行明确陈述；并且本文中没有方法或处理步骤应当按照 上述规定进行理解，除非此步骤、或多个步骤，使用"包含...（多个）步骤"方式进行明确 陈述。
[0033] 本文中描述的所有元素、部分、与步骤均为优选。应当理解的是，对本领域技术人 员显然的是，此处任何元素、部分、与步骤均可由其他元素、部分、与步骤所代替，或者一起 删除。
[0034] 构思
[0035] 本文至少公开了以下构思。
[0036] 构思1. 一种场效应晶体管（FET)，具有与沟道层接触的源极接点、与沟道层接触 的漏极接点、以及在沟道层之上的势垒层上的栅极接点，所述FET包括：
[0037] 在源极接点和漏极接点之间的势垒层上并且覆盖栅极接点的电介质层；以及
[0038] 在所述电介质层上的场板，所述场板连接至所述源极接点并且延伸超过所述栅极 接点和所述漏极接点之间区域，并且所述场板包含位于所述栅极接点和所述漏极接点之间 区域的倾斜侧壁。
[0039] 构思2.构思1所述的场效应晶体管（FET)，其中，所述栅极接点和所述漏极接点之 间的所述倾斜侧壁的横向尺度至少为1微米。
[0040] 构思3.构思1所述的场效应晶体管（FET)，其中，所述倾斜侧壁以下述方式倾斜： 在所述栅极接点附近处的所述倾斜侧壁比远离所述栅极接点的所述倾斜侧壁距离所述势 垒层更近。
[0041] 构思4.构思1所述的场效应晶体管（FET)，其中，所述倾斜侧壁相对于所述势垒层 的平面倾斜的角度近似为30度。
[0042] 构思5.构思1所述的场效应晶体管（FET)，其中，所述倾斜侧壁为弯曲的。
[0043] 构思6.构思1所述的场效应晶体管（FET)，其中，所述倾斜侧壁塑造所述栅极接点 和所述漏极接点之间的电场。
[0044] 构思7.构思1所述的场效应晶体管（FET)，其中，所述源极接点、所述栅极接点、所 述漏极接点、以及所述场板为金属。
[0045] 构思8.构思1所述的场效应晶体管（FET)，其中，所述电介质层覆盖所述源极接点 和所述栅极接点之间的第一沟槽和所述栅极接点和所述漏极接点之间的第二沟槽。
[0046] 构思9.构思1所述的场效应晶体管（FET)，其中，所述场板通过所述电介质层与所 述栅极接点和所述漏极接点绝缘。
[0047] 构思10. -种形成用于场效应晶体管的场板的方法，该场效应晶体管具有与沟道 层接触的源极接点、与所述沟道层接触的漏极接点、以及在所述沟道层之上的势垒层上的 栅极接点，所述方法包括：
[0048] 在所述源极接点和所述漏极接点之间的所述势垒层上并且在所述栅极接点上面 形成电介质层；
[0049] 在所述电介质层上涂覆光刻胶；
[0050] 使所述光刻胶暴露于穿过掩模板的光照进行曝光，所述掩模板适于为所述栅极接 点和所述漏极接点之间的所述光刻胶提供逐渐减小的光照强度；
[0051] 显影并且移除被曝光的光刻胶，以在所述栅极接点和所述漏极接点之间留下具有 第一倾斜侧壁图案的光刻胶；
[0052] 刻蚀所述电介质层和保留的具有所述第一倾斜侧壁图案的光刻胶以将所述第一 倾斜侧壁图案转移至所述电介质层，从而在所述栅极接点和所述漏极接点之间的所述电介 质层上生成第二倾斜侧壁图案；以及
[0053] 在所述电介质层上沉积金属以形成连接至所述源极接点并且具有处在所述栅极 接点和所述漏极接点之间的第三倾斜侧壁的场板。
[0054] 构思11.构思10所述的方法，其中，所述栅极接点和所述漏极接点之间的所述第 三倾斜侧壁的横向尺度至少为1微米。
[0055] 构思12.构思10所述的方法，其中，所述第三倾斜侧壁以下述方式倾斜：在所述栅 极接点附近处的所述第三倾斜侧壁比远离所述栅极接点的所述第三倾斜侧壁距离所述势 垒层更近。
[0056] 构思13.构思10所述的方法，其中，所述第三倾斜侧壁相对于所述势垒层的平面 倾斜的角度近似为30度。
[0057] 构思14.构思10所述的方法，其中，所述第三倾斜侧壁为弯曲的。
[0058] 构思15.构思10所述的方法，其中，所述第三倾斜侧壁塑造所述栅极接点和所述 漏极接点之间的电场。
[0059] 构思16.构思10所述的方法，其中，所述源极接点、所述栅极接点、所述漏极接点、 以及所述场板为金属。
[0060] 构思17.构思10所述的方法，其中，所述刻蚀包括等离子体干法刻蚀、湿法刻蚀、 或等离子体干法刻蚀和湿法刻蚀的组合。
[0061] 构思18.构思10所述的方法，其中，所述掩模板包括灰度掩模板。
[0062] 构思19.构思10所述的方法，其中，所述掩模板中的一部分遮盖光照使得光照强 度在所述栅极接点和所述漏极接点之间线性变化。
[0063] 构思20.构思10所述的方法，其中，所述场板通过所述电介质层与所述栅极接点 和所述漏极接点绝缘。
【权利要求】
1. 一种场效应晶体管（FET)，具有与沟道层接触的源极接点、与沟道层接触的漏极接 点、以及在沟道层之上的势垒层上的栅极接点，所述FET包括： 在源极接点和漏极接点之间的势垒层上并且覆盖栅极接点的电介质层；以及 在所述电介质层上的场板，所述场板连接至所述源极接点并且延伸超过所述栅极接点 和所述漏极接点之间区域，并且所述场板包含位于所述栅极接点和所述漏极接点之间区域 的倾斜侧壁。
2. 如权利要求1所述的场效应晶体管（FET)，其中，所述栅极接点和所述漏极接点之间 的所述倾斜侧壁的横向尺度至少为1微米。
3. 如权利要求1所述的场效应晶体管（FET)，其中，所述倾斜侧壁以下述方式倾斜：在 所述栅极接点附近处的所述倾斜侧壁比远离所述栅极接点的所述倾斜侧壁距离所述势垒 层更近。
4. 如权利要求1所述的场效应晶体管（FET)，其中，所述倾斜侧壁相对于所述势垒层的 平面倾斜的角度近似为30度。
5. 如权利要求1所述的场效应晶体管（FET)，其中，所述倾斜侧壁为弯曲的。
6. 如权利要求1所述的场效应晶体管（FET)，其中，所述倾斜侧壁塑造所述栅极接点和 所述漏极接点之间的电场。
7. 如权利要求1所述的场效应晶体管（FET)，其中，所述源极接点、所述栅极接点、所述 漏极接点、以及所述场板为金属。
8. 如权利要求1所述的场效应晶体管（FET)，其中，所述电介质层覆盖所述源极接点和 所述栅极接点之间的第一沟槽和所述栅极接点和所述漏极接点之间的第二沟槽。
9. 如权利要求1所述的场效应晶体管（FET)，其中，所述场板通过所述电介质层与所述 栅极接点和所述漏极接点绝缘。
10. -种形成用于场效应晶体管的场板的方法，该场效应晶体管具有与沟道层接触的 源极接点、与所述沟道层接触的漏极接点、以及在所述沟道层之上的势垒层上的栅极接点， 所述方法包括： 在所述源极接点和所述漏极接点之间的所述势垒层上并且在所述栅极接点上面形成 电介质层； 在所述电介质层上涂覆光刻胶； 使所述光刻胶暴露于穿过掩模板的光照以进行曝光，所述掩模板适于为所述栅极接点 和所述漏极接点之间的所述光刻胶提供逐渐减小的光照强度； 显影并且移除被曝光的光刻胶，以在所述栅极接点和所述漏极接点之间留下具有第一 倾斜侧壁图案的光刻胶； 刻蚀所述电介质层和保留的具有所述第一倾斜侧壁图案的光刻胶以将所述第一倾斜 侧壁图案转移至所述电介质层，从而在所述栅极接点和所述漏极接点之间的所述电介质层 上生成第二倾斜侧壁图案；以及 在所述电介质层上沉积金属以形成连接至所述源极接点并且具有处在所述栅极接点 和所述漏极接点之间的第三倾斜侧壁的场板。
11. 如权利要求10所述的方法，其中，所述栅极接点和所述漏极接点之间的所述第三 倾斜侧壁的横向尺度至少为1微米。
12. 如权利要求10所述的方法，其中，所述第三倾斜侧壁以下述方式倾斜：在所述栅极 接点附近处的所述第三倾斜侧壁比远离所述栅极接点的所述第三倾斜侧壁距离所述势垒 层更近。
13. 如权利要求10所述的方法，其中，所述第三倾斜侧壁相对于所述势垒层的平面倾 斜的角度近似为30度。
14. 如权利要求10所述的方法，其中，所述第三倾斜侧壁为弯曲的。
15. 如权利要求10所述的方法，其中，所述第三倾斜侧壁塑造所述栅极接点和所述漏 极接点之间的电场。
16. 如权利要求10所述的方法，其中，所述源极接点、所述栅极接点、所述漏极接点、以 及所述场板为金属。
17. 如权利要求10所述的方法，其中，所述刻蚀包括等离子体干法刻蚀、湿法刻蚀、或 等离子体干法刻蚀和湿法刻蚀的组合。
18. 如权利要求10所述的方法，其中，所述掩模板包括灰度掩模板。
19. 如权利要求10所述的方法，其中，所述掩模板中的一部分遮盖光照使得光照强度 在所述栅极接点和所述漏极接点之间线性变化。
20. 如权利要求10所述的方法，其中，所述场板通过所述电介质层与所述栅极接点和 所述漏极接点绝缘。
【文档编号】H01L21/335GK104094408SQ201280059254
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2012年5月15日 优先权日:2011年12月6日
【发明者】储荣明, 李紫剑, 卡里姆·S·保特罗斯, 肖恩·伯纳姆 申请人:Hrl实验室有限责任公司