高電流高電壓GaN場效應晶體管及其制造方法
【專利摘要】一種場效應晶體管(FET)具有與溝道層接觸的源極接點、與溝道層接觸的漏極接點、以及在溝道層之上的勢壘層上的柵極接點，該FET包括：在源極接點和漏極接點之間的勢壘層上并且覆蓋柵極接點的電介質層；以及在電介質層上的場板，該場板連接至源極接點并且延伸超過柵極接點和漏極接點之間區域，并且該場板包含位于柵極接點和漏極接點之間區域的傾斜側壁。
【專利說明】高電流高電壓GaN場效應晶體管及其制造方法
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 無

【技術領域】
[0003] 本發明涉及場效應晶體管（FET)，尤其涉及高壓氮化鎵（GaN)器件。

【背景技術】
[0004] 在場效應晶體管中，在柵極的漏端設計或塑造電場的能力是減小器件動態導通電 阻和增大器件擊穿電壓的關鍵，導通電阻和擊穿電壓是高壓GaN器件的兩個主要參數。
[0005] 現有技術中，描述過多種修改電場的方法。下述文獻中描述了用以提高擊穿電壓 的多重場板器件：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等人在下述專利中還描述了平場板和 組合平場板：U. S. Patent No. 7, 573, 078B2, "Wide bandgap transistors with Multiple Field Plates"。
[0006] 現有技術中，下述文獻中描述了與柵極連接的斜面場板的使用：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 在下述文獻中還描述了與柵極連接的斜面場板以減小用于高電壓擊穿操作的峰值電場： 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] 斜面結構具有有利效果但難以采用傳統光刻技術制造，從而并未廣泛采用。此 夕卜，與柵極連接的場板的缺點為其具有器件不期望具備的較高的器件密勒電容（Miller Capacitance)和較高的寄生源電阻。
[0008] 需要一種改進的場板和制造此改進的場板的方法。由于在III族-氮化物材料中 存在陷阱并且其表面鈍化的難度極高，而且此兩者均會通過柵極和漏極之間的不均勻電場 而惡化，因此GaN基晶體管特別需要改進的場板。需要在降低器件密勒電容和寄生源電阻 的同時，通過優化器件柵極和漏極間的電場以降低動態導通電阻以及提高擊穿電壓。本發 明公開的實施例嘗試解決這些問題并且滿足其他需求。


【發明內容】

[0009] 在本發明公開的第一實施例中，場效應晶體管（FET)具有與溝道層接觸的源極接 點、與溝道層接觸的漏極接點、以及在溝道層之上的勢魚層上的柵極接點，該FET包括：在 源極接點和漏極接點之間的勢壘層上并且覆蓋柵極接點的電介質層；以及在電介質層上的 場板，該場板連接至源極接點并且延伸超過柵極接點和漏極接點之間區域，并且該場板包 含位于柵極接點和漏極接點之間區域的傾斜側壁。
[0010] 在本發明公開的另一個實施例中，公開了一種形成場效應晶體管的場板的方法， 該場效應晶體管具有與溝道層接觸的源極接點、與溝道層接觸的漏極接點、以及在溝道層 之上的勢壘層上的柵極接點，該方法包括：在源極接點和漏極接點之間的勢壘層上并且在 柵極接點上面形成電介質層；在電介質層上涂覆光刻膠；使光刻膠在穿過掩模板的光照下 曝光，該掩模板適于給在柵極接點和漏極接點之間的光刻膠提供逐漸減小的光照強度；顯 影并且移除被曝光的光刻膠，以在柵極接點和漏極接點之間留下具有第一傾斜側壁圖案的 光刻膠；刻蝕電介質層和保留的具有第一傾斜側壁圖案的光刻膠以將第一傾斜側壁圖案轉 移至電介質層，從而在柵極接點和漏極接點之間的電介質層上生成第二傾斜側壁圖案；以 及在電介質層上沉積金屬以形成連接至源極接點并且在柵極接點和漏極接點之間具有第 三傾斜側壁的場板。
[0011] 可以通過以下詳細描述和附圖進一步了解這些或其他特征和優點。在附圖和描述 中，標號指明不同的特征，在所有附圖和描述中相同的標號表示相同的特征。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1示出了根據本發明的具有連接至源極的斜面場板的FET的立面剖視圖；
[0013] 圖2A至圖2D示出了根據本發明的連接至源極的斜面場板的形成方法；
[0014] 圖3示出了采用根據本發明的方法形成的斜面溝槽；
[0015] 圖4A示出了常規的多重平板結構的電場模擬，以及圖4B示出了根據本發明的連 接至源極的斜面場板結構的電場模擬；以及
[0016] 圖5為根據本發明的制造連接至源極的斜面場板的方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0017] 在以下描述中，闡述了多個具體細節以清楚地描述本文公開的各具體實施例。但 是，本領域技術人員應理解，本發明可在沒有以下討論的具體細節的情況下實施。在其他實 例中，并未對公知特征進行描述以免混淆本發明。
[0018] 圖1示出了根據本發明制造的FET10的立面剖視圖。FET10的多層結構20可以與 常規的任何FET的多層結構相同。同現有技術中熟知的結構相同，在溝道層16和襯底12之 間可以形成緩沖層14。源極22和漏極26耦接至溝道層16。勢壘層18覆蓋在源極22和 漏極26之間的溝道層16上、并且處于柵極24和溝道層16之間。柵極24電容耦接至溝道 層16,以上均為熟知的現有技術。
[0019] 在一個實施例中，多層結構20可以包括用于GaN器件（例如GaN功率開關器件） 的多個層。勢壘層18可以由AlGaN、AlN、或AlInN形成。溝道層16可以由GaN形成或由 InN(或InGaN)形成。電介質層36可以為SiN、A1203、二氧化鉿（Hf02)、二氧化鈦（Ti02)、 Si02、非晶A1N、或多晶A1N。用于形成源極22、柵極24、和漏極26接觸以及場板30的金屬 可以為金（Au)、銅（Cu)、鋁（A1)或其他任何合適的金屬。
[0020] 如圖1所示，在勢壘層18上的電介質層36覆蓋了源極22和漏極26之間的包括 溝槽31和33的區域。電介質層36延伸超過柵極24,并且具有處于柵極24和漏極26之 間區域的傾斜側壁32。場板30物理和電連接至源極22,而且延伸超過電介質層36并且位 于電介質層36之上。源極22和場板30具有導電性并且優選地為金屬。場板30通過電介 質層36與柵極24和漏極26絕緣。場板在柵極24和漏極26之間的區域中具有斜面或傾 斜側壁34。在一個實施例中，柵極24和漏極26之間的傾斜側壁34的橫向尺度38至少為 1微米。傾斜側壁34以這樣一種方式傾斜：在柵極24附近，傾斜側壁34距離電子供應層 18相對較近，而在漏極26附近，傾斜側壁34距離電子供應層18相對較遠。傾斜側壁34 相對于勢壘層或電子供應層18的平面的傾斜角度通常為30度，并且可以高達90度。優選 的傾斜角度為30度。
[0021] 可以對傾斜側壁34進行各種變型。例如，傾斜側壁34可以具有一定的曲率。
[0022] 連接至源極22的場板為源極互連金屬提供了更大的寬度，這具有減小源極電阻 的效果。
[0023] 傾斜側壁34塑造了柵極24和漏極26之間的電場，其具有增大擊穿電壓和抑制有 害電子陷阱的效果。具有傾斜側壁34的場板30可以連續優化柵極24和漏極26之間的電 場，其可以明顯降低動態導通電阻并且增大擊穿發生時的電壓（即擊穿電壓），動態導通電 阻和擊穿電壓是限制現有技術GaN高壓器件的性能的兩個主要參數。
[0024] 圖2A至圖2D示出了根據本發明的形成連接至源極的斜面場板的方法。該方法采 用灰度光刻以在場板30上形成傾斜側壁34。
[0025] 圖2A為立面剖視圖并且示出了被電介質層36覆蓋的多層結構20和柵極24。電 介質層36被光刻膠40包覆。之后如圖2B中所不，灰度掩模板44被放置在光刻膠40的區 域上方，并且隨后光刻膠40暴露于光線46進行曝光。如圖2B所示，灰度掩模板44提供了 調制過的光強度穿過光刻膠40,使得在處理后僅有一部分光刻膠40仍保留在電介質層36 上。灰度掩模板44具有逐漸減小柵極24和漏極26之間的光照強度以在保留的那部分光 刻膠40上形成傾斜側壁47的效果。在一個實施例中，光照強度逐漸減小以在柵極24和漏 極26之間線性變化。在其他實施例中，柵極24和漏極26之間光照強度可以非線性變化。
[0026] 隨后，如圖2C所示，電介質層36和保留的那部分光刻膠40被刻蝕，使得將傾斜側 壁47的圖案轉移到電介質層36上以在電介質層36上形成傾斜側壁32。可以采用等離子 體干法刻蝕、濕法刻蝕、或等離子體干法刻蝕和濕法刻蝕的組合執行上述刻蝕。
[0027] 隨后，如圖2D所示，沉積金屬以形成場板30。在傾斜側壁32上沉積的金屬形成了 場板30上的傾斜側壁34。
[0028] 圖3示出了采用上述方法形成的斜面溝槽。
[0029] 圖4A示出了常規的多重平板結構的電場模擬。圖4B示出了根據本發明的連接至 源極的斜面場板結構的電場模擬。通過比較圖4A和圖4B可以看出，具有連接至源極的傾 斜側壁的場板具有較低的峰值電場。相比于現有技術的多重平板結構，根據本發明的連接 至源極的斜面場板30結構還更容易制造。
[0030] 圖5為制作根據本發明的連接至源極的斜面場板的方法的流程圖。在步驟100中， 在源極接點22和柵極接點24之間、柵極接點24和漏極接點26之間的勢壘層18上以及在 柵極接點24上形成電介質層36。隨后在步驟102中，在電介質層36上涂覆光刻膠40。隨 后在步驟104中，光刻膠暴露于穿過掩模板44的光照進行曝光，掩模板44適于為柵極接點 和漏極接點之間的光刻膠提供逐漸減小的光照強度。隨后在步驟106中，被曝光的光刻膠 被顯影并且移除，在柵極接點和漏極接點之間留下具有第一傾斜側壁圖案47的光刻膠。隨 后在步驟108中，電介質層和保留的具有第一傾斜側壁圖案的光刻膠被刻蝕以將第一傾斜 側壁圖案47轉移至電介質層36,從而在柵極接點和漏極接點之間的電介質層上生成第二 傾斜側壁圖案32。隨后在步驟108中，在電介質層上沉積金屬以形成連接至源極接點并且 具有處于柵極接點和漏極接點之間的第三傾斜側壁34的場板。
[0031] 至此，根據專利法規要求對本發明進行了描述，而本領域技術人員可以理解如何 對本發明做出改變與修改以使本發明達到其具體需求或條件。可以在不脫離在此公開的本 發明范圍和思想情況下進行這些改變與修改。
[0032] 為了符合相關法律要求的示范和公開，呈現了前述關于示范性實施例與優選實施 例的細節描述。其目的并非窮舉，也不是將本發明限制為所描述的（多個）精確形式，而只 為了使得本領域其他技術人員可以理解如何使本發明適用于特定用途或實施。很顯然，本 領域的從業技術人員有可能對本發明做出改進與變化。示范性實施例的描述的目的不在于 進行限制，其可包含公差、特征尺寸、特定工作條件、工程規格、或諸如此類，并且其可在不 同實施過程中進行變化或隨著本領域狀態進行改變，并且也不應當從示范性實施例的描述 中暗示任何限制。 申請人:已針對本領域的當前狀態進行了本公開并且還預期了改進，未來 適應性改變應當考慮這些改進，即根據本領域當時的當前狀態考慮這些改進。本發明保護 范圍旨在由所附權利要求書及其可適用等價物限定。以單數形式對權利要求元素的引用并 不意味"一個且唯一一個"，除非有明確陳述。此外，本公開中沒有任何元素、組件、或方法與 處理步驟意圖致力于貢獻給公眾，而不管權利要求書中是否已明確記載該元素、組件、或步 驟。本文中沒有任何權利要求元素應當按照35U.S.C Sec. 112,第六款規定進行理解，除非 此元素使用"用于...裝置"方式進行明確陳述；并且本文中沒有方法或處理步驟應當按照 上述規定進行理解，除非此步驟、或多個步驟，使用"包含...（多個）步驟"方式進行明確 陳述。
[0033] 本文中描述的所有元素、部分、與步驟均為優選。應當理解的是，對本領域技術人 員顯然的是，此處任何元素、部分、與步驟均可由其他元素、部分、與步驟所代替，或者一起 刪除。
[0034] 構思
[0035] 本文至少公開了以下構思。
[0036] 構思1. 一種場效應晶體管（FET)，具有與溝道層接觸的源極接點、與溝道層接觸 的漏極接點、以及在溝道層之上的勢壘層上的柵極接點，所述FET包括：
[0037] 在源極接點和漏極接點之間的勢壘層上并且覆蓋柵極接點的電介質層；以及
[0038] 在所述電介質層上的場板，所述場板連接至所述源極接點并且延伸超過所述柵極 接點和所述漏極接點之間區域，并且所述場板包含位于所述柵極接點和所述漏極接點之間 區域的傾斜側壁。
[0039] 構思2.構思1所述的場效應晶體管（FET)，其中，所述柵極接點和所述漏極接點之 間的所述傾斜側壁的橫向尺度至少為1微米。
[0040] 構思3.構思1所述的場效應晶體管（FET)，其中，所述傾斜側壁以下述方式傾斜： 在所述柵極接點附近處的所述傾斜側壁比遠離所述柵極接點的所述傾斜側壁距離所述勢 壘層更近。
[0041] 構思4.構思1所述的場效應晶體管（FET)，其中，所述傾斜側壁相對于所述勢壘層 的平面傾斜的角度近似為30度。
[0042] 構思5.構思1所述的場效應晶體管（FET)，其中，所述傾斜側壁為彎曲的。
[0043] 構思6.構思1所述的場效應晶體管（FET)，其中，所述傾斜側壁塑造所述柵極接點 和所述漏極接點之間的電場。
[0044] 構思7.構思1所述的場效應晶體管（FET)，其中，所述源極接點、所述柵極接點、所 述漏極接點、以及所述場板為金屬。
[0045] 構思8.構思1所述的場效應晶體管（FET)，其中，所述電介質層覆蓋所述源極接點 和所述柵極接點之間的第一溝槽和所述柵極接點和所述漏極接點之間的第二溝槽。
[0046] 構思9.構思1所述的場效應晶體管（FET)，其中，所述場板通過所述電介質層與所 述柵極接點和所述漏極接點絕緣。
[0047] 構思10. -種形成用于場效應晶體管的場板的方法，該場效應晶體管具有與溝道 層接觸的源極接點、與所述溝道層接觸的漏極接點、以及在所述溝道層之上的勢壘層上的 柵極接點，所述方法包括：
[0048] 在所述源極接點和所述漏極接點之間的所述勢壘層上并且在所述柵極接點上面 形成電介質層；
[0049] 在所述電介質層上涂覆光刻膠；
[0050] 使所述光刻膠暴露于穿過掩模板的光照進行曝光，所述掩模板適于為所述柵極接 點和所述漏極接點之間的所述光刻膠提供逐漸減小的光照強度；
[0051] 顯影并且移除被曝光的光刻膠，以在所述柵極接點和所述漏極接點之間留下具有 第一傾斜側壁圖案的光刻膠；
[0052] 刻蝕所述電介質層和保留的具有所述第一傾斜側壁圖案的光刻膠以將所述第一 傾斜側壁圖案轉移至所述電介質層，從而在所述柵極接點和所述漏極接點之間的所述電介 質層上生成第二傾斜側壁圖案；以及
[0053] 在所述電介質層上沉積金屬以形成連接至所述源極接點并且具有處在所述柵極 接點和所述漏極接點之間的第三傾斜側壁的場板。
[0054] 構思11.構思10所述的方法，其中，所述柵極接點和所述漏極接點之間的所述第 三傾斜側壁的橫向尺度至少為1微米。
[0055] 構思12.構思10所述的方法，其中，所述第三傾斜側壁以下述方式傾斜：在所述柵 極接點附近處的所述第三傾斜側壁比遠離所述柵極接點的所述第三傾斜側壁距離所述勢 壘層更近。
[0056] 構思13.構思10所述的方法，其中，所述第三傾斜側壁相對于所述勢壘層的平面 傾斜的角度近似為30度。
[0057] 構思14.構思10所述的方法，其中，所述第三傾斜側壁為彎曲的。
[0058] 構思15.構思10所述的方法，其中，所述第三傾斜側壁塑造所述柵極接點和所述 漏極接點之間的電場。
[0059] 構思16.構思10所述的方法，其中，所述源極接點、所述柵極接點、所述漏極接點、 以及所述場板為金屬。
[0060] 構思17.構思10所述的方法，其中，所述刻蝕包括等離子體干法刻蝕、濕法刻蝕、 或等離子體干法刻蝕和濕法刻蝕的組合。
[0061] 構思18.構思10所述的方法，其中，所述掩模板包括灰度掩模板。
[0062] 構思19.構思10所述的方法，其中，所述掩模板中的一部分遮蓋光照使得光照強 度在所述柵極接點和所述漏極接點之間線性變化。
[0063] 構思20.構思10所述的方法，其中，所述場板通過所述電介質層與所述柵極接點 和所述漏極接點絕緣。
【權利要求】
1. 一種場效應晶體管（FET)，具有與溝道層接觸的源極接點、與溝道層接觸的漏極接 點、以及在溝道層之上的勢壘層上的柵極接點，所述FET包括： 在源極接點和漏極接點之間的勢壘層上并且覆蓋柵極接點的電介質層；以及 在所述電介質層上的場板，所述場板連接至所述源極接點并且延伸超過所述柵極接點 和所述漏極接點之間區域，并且所述場板包含位于所述柵極接點和所述漏極接點之間區域 的傾斜側壁。
2. 如權利要求1所述的場效應晶體管（FET)，其中，所述柵極接點和所述漏極接點之間 的所述傾斜側壁的橫向尺度至少為1微米。
3. 如權利要求1所述的場效應晶體管（FET)，其中，所述傾斜側壁以下述方式傾斜：在 所述柵極接點附近處的所述傾斜側壁比遠離所述柵極接點的所述傾斜側壁距離所述勢壘 層更近。
4. 如權利要求1所述的場效應晶體管（FET)，其中，所述傾斜側壁相對于所述勢壘層的 平面傾斜的角度近似為30度。
5. 如權利要求1所述的場效應晶體管（FET)，其中，所述傾斜側壁為彎曲的。
6. 如權利要求1所述的場效應晶體管（FET)，其中，所述傾斜側壁塑造所述柵極接點和 所述漏極接點之間的電場。
7. 如權利要求1所述的場效應晶體管（FET)，其中，所述源極接點、所述柵極接點、所述 漏極接點、以及所述場板為金屬。
8. 如權利要求1所述的場效應晶體管（FET)，其中，所述電介質層覆蓋所述源極接點和 所述柵極接點之間的第一溝槽和所述柵極接點和所述漏極接點之間的第二溝槽。
9. 如權利要求1所述的場效應晶體管（FET)，其中，所述場板通過所述電介質層與所述 柵極接點和所述漏極接點絕緣。
10. -種形成用于場效應晶體管的場板的方法，該場效應晶體管具有與溝道層接觸的 源極接點、與所述溝道層接觸的漏極接點、以及在所述溝道層之上的勢壘層上的柵極接點， 所述方法包括： 在所述源極接點和所述漏極接點之間的所述勢壘層上并且在所述柵極接點上面形成 電介質層； 在所述電介質層上涂覆光刻膠； 使所述光刻膠暴露于穿過掩模板的光照以進行曝光，所述掩模板適于為所述柵極接點 和所述漏極接點之間的所述光刻膠提供逐漸減小的光照強度； 顯影并且移除被曝光的光刻膠，以在所述柵極接點和所述漏極接點之間留下具有第一 傾斜側壁圖案的光刻膠； 刻蝕所述電介質層和保留的具有所述第一傾斜側壁圖案的光刻膠以將所述第一傾斜 側壁圖案轉移至所述電介質層，從而在所述柵極接點和所述漏極接點之間的所述電介質層 上生成第二傾斜側壁圖案；以及 在所述電介質層上沉積金屬以形成連接至所述源極接點并且具有處在所述柵極接點 和所述漏極接點之間的第三傾斜側壁的場板。
11. 如權利要求10所述的方法，其中，所述柵極接點和所述漏極接點之間的所述第三 傾斜側壁的橫向尺度至少為1微米。
12. 如權利要求10所述的方法，其中，所述第三傾斜側壁以下述方式傾斜：在所述柵極 接點附近處的所述第三傾斜側壁比遠離所述柵極接點的所述第三傾斜側壁距離所述勢壘 層更近。
13. 如權利要求10所述的方法，其中，所述第三傾斜側壁相對于所述勢壘層的平面傾 斜的角度近似為30度。
14. 如權利要求10所述的方法，其中，所述第三傾斜側壁為彎曲的。
15. 如權利要求10所述的方法，其中，所述第三傾斜側壁塑造所述柵極接點和所述漏 極接點之間的電場。
16. 如權利要求10所述的方法，其中，所述源極接點、所述柵極接點、所述漏極接點、以 及所述場板為金屬。
17. 如權利要求10所述的方法，其中，所述刻蝕包括等離子體干法刻蝕、濕法刻蝕、或 等離子體干法刻蝕和濕法刻蝕的組合。
18. 如權利要求10所述的方法，其中，所述掩模板包括灰度掩模板。
19. 如權利要求10所述的方法，其中，所述掩模板中的一部分遮蓋光照使得光照強度 在所述柵極接點和所述漏極接點之間線性變化。
20. 如權利要求10所述的方法，其中，所述場板通過所述電介質層與所述柵極接點和 所述漏極接點絕緣。
【文檔編號】H01L21/335GK104094408SQ201280059254
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2012年5月15日 優先權日:2011年12月6日
【發明者】儲榮明, 李紫劍, 卡里姆·S·保特羅斯, 肖恩·伯納姆 申請人:Hrl實驗室有限責任公司