用于生长III‑V外延层的方法和半导体结构技术

本发明专利技术涉及一种在衬底上生长III‑V外延层的方法、一种包括衬底的半导体结构、包括这样的半导体结构的设备、和电路。诸如例如HEMT等的III族氮化物设备，包括在两个有源层之间，例如在GaN和AlGaN之间的2DEG。这些晶体管工作在耗尽模式操作中，这意味着必须耗尽沟道来将晶体管截止。对于诸如例如功率开关或集成逻辑等的某些应用，负极性栅极电源是不期望的。然后，晶体管可以工作在增强模式（E模式）中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本专利技术涉及一种在衬底上生长III-V外延层的方法、一种包括衬底的半导体结构、包括这样的半导体结构的设备、和电路。技术背景诸如例如HEMT等的III-V族设备，包括在两个有源层之间，例如在GaN层和AlGaN层之间的2DEG（二维电子气）。已知这一2DEG源自导致材料内电荷分离的自发极化和压电极化。在这种类型的大多数已知设备中，由于材料的特性，2DEG出现在零栅偏压处。例如，具有形成在AlGaN阻挡层顶部的触点的GaN FET设备是常开设备。假设在外延结构顶部形成触点不会大幅改变异质结构中的极化电荷，使得如果在形成触点前2DEG就存在，则在处理之后它将仍在那里。要求在栅极上施加被称为阈值电压的特定的负电压，以便通过电容耦合耗尽该2DEG。通过把负电压施加到栅极，可夹断电子沟道。这一负电压通常低于负阈值电压（Vth），通常在-2V和-8V之间。这些晶体管工作在耗尽模式操作，这意味着必须耗尽沟道才能使晶体管截止。对于诸如例如功率开关或集成逻辑等的某些应用，负极性栅极电源是不期望的。在这样的情况中，栅极控制需要以这样的方式工作：如果控制电路出于任何原因失效，则在源极和漏极之间不存在电连接。例如具有阈值电压Vth>0的FET设备是常关设备。在零栅极电压处，所以在没有栅极控制时，不存在传导电流的沟道。这些晶体管工作在增强模式（E模式）。为了制成常关设备，即其中当栅极接地或浮动时没有电流可在源极和漏极之间流动的设备，通常在栅极触点（即在设备的本征部分中，这是其中可以调制电流的设备部分）下需要选择性地阻断沟道，且同时在其他区域（即设备的非本征部分）中保留尽可能高的2DEG密度。图2示出带有本征部分和非本征部分的设备的横截面。然后，高于特定正阈值电压的栅偏压将引起栅极触点下的2DEG，该2DEG允许电流在源极和漏极之间流动。AlGaN/GaN HEMT的另一问题是欧姆接触的相对高的接触电阻，这是因为III氮化物材料的高带隙和杂质掺杂的缺乏。一种可能的方法是在欧姆接触下的区域内的n型掺杂的GaN（优选地具有低带隙，诸如InGaN）的选择性再生长。在这种方法的所有已知的示例中，从反应器取出样本并用SiOx图案化来进行选择性再生长。这对AlGaN/GaN HEMT的表面的钝化来说是非常有害的。已经报告了实现这样的E模式晶体管的多种方法：文献US2010327293（A1）叙述了依序形成的AlN缓冲层、未掺杂GaN层、未掺杂AlGaN层、p型GaN层、和重掺杂p型GaN层。栅极电极与重掺杂p型GaN层形成欧姆接触。在未掺杂AlGaN层上设置源电极和漏电极。由在未掺杂AlGaN层和未掺杂GaN层和p型GaN层之间的界面处生成的二维电子气在栅极区域中形成pn结，从而可增加栅极电压摆动。这一文献不提供具有良好钝化的结构。进一步，在结场效应晶体管（JFET）的生长中，在AlGaN势垒顶部的p型AlGaN层引起2DEG的耗尽，因此在非本征的设备区域中需要移除它。移除非本征的设备区域中的p-GaN的蚀刻工艺对底层来说是非选择性的，且因而非常难以控制。在以上方法中，首先在晶片上到处生长p型AlGaN，且然后除了在设备的栅极区域之外都移除。结果，难以控制蚀刻深度，可由此引起等离子体损伤，且在进一步的处理步骤中，难以钝化未覆盖的表面。V.Kumar等人在“High transconductance enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs on SiC substrate（SiC衬底上的高跨导增强模式AlGaN/GaN HEMT）”（参见Kumar的EL39-242003）叙述了使用电感耦合等离子体反应性离子蚀刻（ICP-RIE），藉此制造凹入的1μm栅极长度的增强模式（E模式）AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）。这些1μm栅极长度的设备表现出470mA/mm的最大漏极电流密度、248mS/mm的非本征跨导、和75mV的阈值电压。这些特性比GaN基E模式HEMT的先前报告的值高得多。然而，对于实际应用来说，该阈值电压太低。还在这些设备上测量到了8GHz的单位增益截止频率（fT）和26GHz的最大振荡频率（fmax）。直接在衬底上生长这些HEMT。W.B.Lanford等人在“Recessed-gate enhancement-mode GaN HEMT with high threshold voltage（具有高阈值电压的凹入栅极增强模式GaN HEMT）”（参见Lanford的EL41-72005）中叙述在SiC衬底上生长的GaN/AlGaN异质结构上制造增强模式高电子迁移率晶体管（E-HEMT）。通过组合低损害且可控的干法栅极凹入和Ni/Au栅极的退火，实现了具有高阈值电压（VT）的增强模式操作。由于具有1.0mm栅极的凹入E-HEMT呈现出0.35V的阈值电压（VT）、505mA/mm的最大漏极电流（ID，max）、和345mS=mm的最大跨导（gm，max）；相应的后栅极退火特性分别是0.47V、455mA/mm和310mS/mm。RF性能不受后栅极退火工艺影响，具有10GHz的单位电流增益截止频率（fT）。然而，对于实际应用来说，该阈值电压太低。直接在衬底上生长这些HEMT。栅极凹入蚀刻需要或不需要后蚀刻RTA处理。由于蚀刻的非选择性本质，难以控制该工艺。Yong Cai等人在“High-Performance Enhancement-Mode AlGaN/GaN HEMTs Using Fluoride-Based Plasma Treatment（使用基于氟化物的等离子体处理的高性能增强模式AlGaN/GaN HEMT）”（参见Cai等人的EDL26-72005）中叙述了制造高性能增强模式（E模式）AlGaN/GaN HEMT的新颖方法。该制造技术基于在AlGaN/GaN HEMT中的栅极区域基于氟化物的等离子体处理和退火温度低于500°C的后栅极快速热退火。从常规的耗尽模式HEMT样本开始，他们发现，基于氟化物的等离子体处理可使阈值电压从-4V有效地变化至0.9V。最重要的是，在Vgs=0V处获得零跨导（gm），在AlGaN/GaN HEMT中第一次展示出真正的E模式操作。在Vgs=0V处，在6V的漏极-源极偏压处，截止态漏极漏电流是28μA/mm。所制造的具有1μm长栅极的E模式AlGaN/GaN HEMT展示出31本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造半导体III‑V结构的方法，包括提供有源层，提供用作所述有源层的掩膜的保护层叠层，包括III‑V蒸发层，其中，所述蒸发层优选地具有2‑10nm厚的厚度，例如5nm，位于所述蒸发层顶部的III‑V蚀刻停止层，以及位于所述蚀刻停止层顶部的掩膜层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.07.18 GB 1112330.41.一种制造半导体III-V结构的方法，包括
提供有源层，
提供用作所述有源层的掩膜的保护层叠层，包括
III-V蒸发层，其中，所述蒸发层优选地具有2-10nm厚的厚度，例如5nm，
位于所述蒸发层顶部的III-V蚀刻停止层，以及
位于所述蚀刻停止层顶部的掩膜层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述III-V蒸发层包括N、P、As中的一种或多种、以及B、Al、Ga、In、
和Tl中的一种或多种，优选地为GaN，和/或
所述III-V蚀刻停止层包括N、P、As中的一种或多种、以及B、Al、Ga、
In、和Tl中的一种或多种，优选地为AlGaN，和/或
所述蚀刻停止层具有0.3nm–100nm的厚度，优选地为从1nm到10nm，
例如2-5nm，和/或
所述掩膜层包括Si、Al、O、和N中的一种或多种，优选地为SiN，和/
或
所述掩膜层具有1-500nm的厚度，优选地为从30nm到400nm，更优选
地为从50nm到300nm，例如从100nm到200nm。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，设置栅极通过位于所述
有源层上的所述保护层叠层，其中，所述栅极包括III-V材料，优选地为p型
III-V材料，且其中，优选地选择性地且外延地再生长所述栅极。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述栅极p型III-V材料上
形成欧姆接触。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，通过MOCVD进行所述
再生长。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，在所述掩膜层顶部
提供光致抗蚀剂掩膜，且界定、优选光刻地界定栅极区域。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述栅极包括N、
P、As中的一种或多种、以及B、Al、Ga、In、和Tl中的一种或多种，优选地
为p型AlGaN。
8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括
-提供衬底，例如Si、SiC、Ge、绝缘体上的Si、绝缘体上的Ge、蓝宝石
衬底及其组合，优选地为诸如<111>Si衬底等的Si衬底，以及
-其中，通过位于所述衬底顶部的外延III-V半导电层叠层来设置所
述有源层，包括：
-第一有源III-V层，优选地为III-N层，以及
-第二有源III-V层，优选地为III-N层。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述第一有源III-V层具有20-500nm的厚度，优选地为从30nm到300nm，
更优选地为从50nm到250nm，例如从100nm到150nm，和/或
所述第二有源III-V层具有10-100nm的厚...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·德鲁恩，S·迪格鲁特，M·杰曼，
申请(专利权)人：埃皮根股份有限公司，
类型：发明
国别省市：比利时;BE