具有凹陷电极结构的半导体器件制造技术

本发明专利技术描述了一种导电区凹陷到半导体区中的电极结构。半导体区中可以形成有沟槽使得导电区能够形成在沟槽中。电极结构可以用在例如场效应晶体管或二极管等的半导体器件中。描述了包括有能够减小漏电流并且在另外方面提高性能的这样的电极结构的氮化物基功率半导体器件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术描述了一种导电区凹陷到半导体区中的电极结构。半导体区中可以形成有沟槽使得导电区能够形成在沟槽中。电极结构可以用在例如场效应晶体管或二极管等的半导体器件中。描述了包括有能够减小漏电流并且在另外方面提高性能的这样的电极结构的氮化物基功率半导体器件。【专利说明】具有凹陷电极结构的半导体器件相关申请的交叉引用本申请要求于2011年10月11日提交的题为“TR1-GATE N0RMALLY-0FF GaNMISFET"的美国临时申请61/545925的优先权。背景
本文中所述的技术和装置涉及具有导电区凹陷到半导体区中的电极结构的半导体结构，并且具体地涉及使用一个或更多个这样的电极结构的半导体器件例如氮化物基半导体器件。相关技术讨论先进的运输系统、更可靠的能量输送网络以及高效发电和电力转换的新方法需要改进的功率晶体管。这样的系统依靠非常有效的转换器来对电压进行升压或降压，并且使用能够阻断大电压的功率晶体管。例如，在混合动力汽车中，阻断电压大于500V的功率晶体管用于将来自电池的DC功率转换为用于运行电机的AC功率。用在这样的应用中的常规功率器件(例如，晶体管或二极管)由硅制成。然而，硅的有限的临界电场及其相对高的电阻使得市售的装置、电路和系统非常大型且笨重，并且在低频下运行。因此这样的商用装置不适合于未来的混合动力汽车和其他应用。已经提出氮化物半导体器件作为提供制造需要高阻断电压和低导通电阻的高效率功率电子器件的可能。
技术实现思路
一些实施方案涉及包括源极区和漏极区的场效应晶体管。场效应晶体管还包括源极区与漏极区之间的半导体区。半导体区具有沿着源极区与漏极区之间延伸的方向延伸的沟槽。场效应晶体管还包括具有形成在沟槽中的导电区的导电电极。导电电极延伸不超过源极区与漏极区之间的距离的一部分。场效应晶体管还具有半导体区与导电电极之间的绝缘区。绝缘区延伸至少部分地跨越半导体区与导电电极之间的界面。一些实施方案涉及包括具有沟槽形成在其中的半导体区的二极管。二极管包括形成二极管的阳极的导电电极。导电电极包括形成在半导体区的沟槽中的导电区。一些实施方案涉及包括含有II1-N半导体材料的半导体区的半导体结构。半导体区具有形成在其中的沟槽。半导体结构还包括导电电极。导电电极包括形成在半导体区的沟槽中的导电区。半导体结构还具有半导体区与导电电极之间的绝缘区。绝缘区延伸至少部分地跨越半导体区与导电电极之间的界面。一些实施方案涉及形成半导体结构的方法。该方法包括在半导体区中形成沟槽，半导体区包含II1-N半导体材料。该方法还包括在半导体区的至少一部分之上形成绝缘区。该方法还包括在半导体区的沟槽中形成导电电极区。绝缘区延伸至少部分地跨越半导体区与导电电极之间的界面。上述
技术实现思路
通过示例的方式提供并且无意于进行限制。附图简述在附图中，示出在各个图中的每个相同或几乎相同的部件通过相同的附图标记表示。为清楚起见，可能没有对每一个附图中每个部件进行标记。附图不一定依照比例绘制，而是将重点放在示出本文中所述的技术和装置的各个方面上。图1a示出根据一些实施方案的电极结构的顶视图。图1b示出沿着图1a中的线A-A的电极结构的横截面，其中根据一些实施方案的电极结构的下部形成在半导体区中的沟槽中。图1c示出沿着图1a中的线A-A的电极结构的横截面，其中在半导体区与电极结构的至少一部分之间存在有绝缘材料。图1d示出电极结构的顶视图，其中半导体中的沟槽延伸超出芯片的由电极的上部覆盖的区域。图1e示出电极结构的顶视图，其中半导体中的沟槽在电极的第一侧上延伸超出芯片的由电极的上部覆盖的区域的。图2a示出根据一些实施方案的场效应晶体管的顶视图。图2b示出沿着图2a的线B_B的场效应晶体管的横截面。图2c更详细地示出图2b的与沟道区对应的部分。图2d示出图2b中所示的横截面的透视图。图2e示出在半导体区与电极之间没有绝缘材料的场效应晶体管的横截面。图2f更详细地示出图2b的与沟道区对应的部分。图2g示出在向上延伸的半导体区的三侧上具有沟道的场效应晶体管。图2h示出根据一些实施方案的具有常断型栅极区的场效应晶体管。图21示出根据一些实施方案的具有栅极和场板的场效应晶体管。图3a示出根据一些实施方案的半导体区中的沟槽的形成。图3b示出至少部分在半导体区的沟槽内的电极结构的形成。图4a至图4d示出具有如本文中所述的电极结构的场效应晶体管的实施方案的扫描电子显微镜图像和原子力显微镜图像。图5a至图5b不出场效应晶体管的实施方案的另外的扫描电子显微镜图像。图6a和图6b示出原型常断型GaN晶体管的DC特性。图7示出作为Vds的函数的漏电流的曲线。图8示出作为Ves的函数的电流的曲线。图9示出对各种晶体管技术进行对比的曲线。图1Oa和图1Ob示出根据一些实施方案的二极管结构的顶视图。图11示出根据一些实施方案的具有凹陷阳极的原型AlGaN/GaN肖特基二极管的电流-电压特性。具体说明如上所述，已经提出氮化物半导体器件作为提供制造具有高阻断电压和低导通电阻的高效率功率电子器件的可能。然而，常规氮化物基半导体器件存在几个技术问题。一个问题为常规氮化物基半导体器件在关断状态下经受过量的漏电流。例如，在氮化物基场效应晶体管中，源极端子与漏极端子之间的关断状态漏电流在高的漏极偏压下可以在沟道区下方流动。文献中报道了常规GaN(氮化镓)基晶体管的击穿电压在ImA/mm的漏电流水平处。如此高的漏电流的值不适于典型地具有大于IOOmm的宽度的大尺寸功率晶体管。另一挑战为制造高性能的常断型氮化物基晶体管。制造常断型氮化物基晶体管的常规方法包括:1)栅极凹陷技术；2)等离子体处理；3)形成GaN MISFET以及4)形成栅极注入GaN晶体管。这些常规技术要么降低了沟道迁移率要么具有有限的栅极过驱动能力，导致高沟道电阻和低漏极电流密度。本文中描述了能够减小漏电流(例如，减小到I μ A/mm或更小)并且能够实现高性能的常断型氮化物基晶体管的氮化物半导体器件和相关技术。在本文中描述了可以用于提高半导体器件(例如晶体管和二极管)的性能的电极结构。这样的电极结构包括凹陷在半导体区中的导电材料的区域。例如，电极结构可以包括形成在半导体区中的沟槽中的导电材料的区域。如以下所述，使用如本文中所述的电极结构形成的氮化物半导体器件能够实现减小的关断状态漏电流。描述了由于减小的导通电阻和增加的电流密度而具有提高的性能的常断型氮化物基晶体管。描述了可以用在晶体管、二极管或任何其他合适的半导体器件中的示例性电极结构。图1a示出根据一些实施方案可以在半导体芯片中形成的电极结构Ia的顶视图。图1a示出示例性半导体芯片的包括电极结构Ia的区域的顶视图。如图1a所示，电极结构Ia包括上电极区2和从上电极区2向下延伸的下电极区3。如图1a所示，下电极区3可以包括彼此平行延伸的导电板或其他区域。下电极区3可以具有图案化的结构。如图1a的实施例所示，下电极区3可以具有周期为P的周期性结构。如图1a所示，下电极区3可以具有长度U和览度w3。上电极区2可以具有长度I2和览度艰2。图1b示出沿着图1a的线A-A的图1a的电极结构的横截面。如图1b所示，上电极区2可以形成在半导体区4之上。因为下电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种场效应晶体管，包括：源极区；漏极区；所述源极区与所述漏极区之间的半导体区，所述半导体区具有沿着在所述源极区与所述漏极区之间延伸的方向延伸的沟槽；具有形成在所述沟槽中的导电区的导电电极，所述导电电极延伸不超过所述源极区与所述漏极区之间的距离的一部分；以及所述半导体区与所述导电电极之间的绝缘区，所述绝缘区延伸至少部分地跨越所述半导体区与所述导电电极之间的界面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯·阿波斯托尔·帕拉西奥斯，陆斌，埃利松·德·纳萨雷特·马蒂奥利，
申请(专利权)人：麻省理工学院，
类型：发明
国别省市：美国;US