用于非對稱GaN晶體管和增強模式操作的自對準結構和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明的實施例總體上涉及微電子器件，并且更具體地涉及III族-N晶體管架構和制造。
【背景技術】
[0002]移動計算(例如，智能電話和平板電腦)市場受益于較小的部件形狀因子和較低的功耗。由于智能電話和平板電腦的當前平臺解決方案依賴于安裝到電路板上的多個封裝集成電路(1C)，因而限制了進一步縮放到更小并且功率效率更高的形狀因子。例如，智能電話除了包括單獨的邏輯處理器IC之外，還將包括單獨的功率管理IC(PMIC)、射頻IC(RFIC)和WiFi/藍牙/GPS 1C?片上系統(tǒng)(SoC)架構提供了板級部件集成所不能比擬的縮放的優(yōu)勢。盡管邏輯處理器IC本身可以被看作是集成了存儲器和邏輯功能的片上系統(tǒng)(SoC)JS是用于移動計算平臺的范圍更廣的SoC解決方案仍然令人難以捉摸，因為PMIC和RFIC利用高電壓、高功率和高頻率中的兩個或更多來進行操作。
[0003]盡管用于移動計算領域的集成PMIC功能和RFIC功能的SoC解決方案對于提高可擴展性、降低成本和提高平臺功率很有吸引力，但是這種SoC解決方案的一個障礙是缺乏具有足夠的速度(即，足夠高的增益截止頻率Ft)和足夠高的擊穿電壓(BV)的可擴展的晶體管技術。
[0004]某些非硅器件，例如，III族-氮化物(II1-N)器件提供了在能夠獲得高BV和高Ft的同時集成PMIC功能和RFIC功能的具有光明前景的途徑。對于這種器件，源極與柵極之間的器件長度(Lsg)不同于柵極與漏極之間的器件長度(Lgd)的非對稱高電子迀移率晶體管(HEMT)結構可以利用低導通狀態(tài)源極到漏極電阻(RON)來實現(xiàn)特別高的BV。盡管較短的Lsg實現(xiàn)低R0N，但是較長的Lgd則實現(xiàn)高BV。然而，對于要大量生產的器件，必須精確限定這兩種器件尺寸。到目前為止，不存在將這些器件尺寸重復限定為不同值的任何技術。常規(guī)方法依賴于兩個或更多光刻掩模圖案化操作的對準，并且這種技術受到由于掩模間對準容差/誤差的原因而導致的Lgd和Lsg尺寸的較高變化的影響。
[0005]增強模式操作對于在大部分設計中具有低于零的閾值(即，耗盡型)的II1-N HEMT器件而言仍然是一個挑戰(zhàn)。因此II1-N HEMT的大規(guī)模集成帶來功耗問題。常規(guī)閾值調整技術通常依賴于柵極凹陷蝕刻(例如，單凹陷或雙凹陷)，但是有限的蝕刻選擇性使得這種技術不適合大批量制造。
【附圖說明】
[0006]將通過示例而非限制的方式來示出本發(fā)明的實施例，并且通過結合附圖參考以下【具體實施方式】能夠更充分地理解本發(fā)明的實施例，附圖中:
[0007]圖1是示出根據(jù)實施例的制造非對稱II1-N HEMT的方法的流程圖；
[0008]圖2A、2B、2C、2D、2E、2F、2G、2H、2I 和 2J 示出了根據(jù)實施例的非對稱II1-N HEMT 的作為圖1中所描繪的方法中的操作的執(zhí)行的結果而演變的截面圖；
[0009]圖3示出了移動計算設備平臺的等距視圖以及移動平臺所采用的微電子器件的不意圖；以及
[0010]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的計算設備的功能框圖。
【具體實施方式】
[0011]在以下描述中，闡述了許多細節(jié)，然而，對于本領域中的技術人員而言顯而易見的是，在沒有這些具體細節(jié)的情況下也可以實踐本發(fā)明。在一些實例中，公知的方法和設備以框圖的形式而不是以細節(jié)的形式示出，以避免使本發(fā)明難以理解。在整個說明書中，對“實施例”的引用表示結合實施例所描述的特定特征、結構、功能或特性包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，在整個說明書中，在各處出現(xiàn)的短語“在實施例中”不一定指代本發(fā)明的同一個實施例。此外，特定特征、結構、功能或特性可以采用任何適合的方式組合在一個或多個實施例中。例如，第一實施例可以與第二實施例組合，只要未指定這兩個實施例是互斥的。
[0012]術語“耦合”和“連接”及其衍生詞在本文中可以用于描述部件之間的結構關系。應該理解，這些術語并不是要作為彼此的同義詞。相反，在特定實施例中，“連接”可以用于指示兩個或更多元件彼此直接物理接觸或電接觸。“耦合”可以用于指示兩個或更多元件彼此直接或間接地(其間具有其它中間元件)物理接觸或電接觸，和/或指示兩個或更多元件彼此配合或相互作用(例如，如在因果關系中)。
[0013]如本文中使用的術語“在…之上”、“在…之下”、“在….之間”和“在…上”指的是一個材料層或部件相對于其它層或部件的相對位置。像這樣，例如，設置在一個層之上或之下的另一個層可以與該層直接接觸或可以具有一個或多個中間層。此外，設置在兩個層之間的一個層可以與這兩個層直接接觸或可以具有一個或多個中間層。相比之下，第二層“上”的第一層與該第二層直接接觸。
[0014]本文中描述了III族-氮化物(II1-N)高電子迀移率晶體管(HEMT)，并且更具體地描述了金屬氧化物半導體HEMT (MOSHEMT)。在實施例中，柵極電極與源極和漏極半導體區(qū)間隔不同的距離，以提供高擊穿電壓和低導通狀態(tài)電阻。在實施例中，自對準技術用于在溝槽中以及在中間芯體(mandrel)之上形成電介質襯墊，以利用單次臨界掩模操作來獨立地限定柵極長度、柵極-源極長度以及柵極-漏極長度。在實施例中，II1-N HEMT包括用于閾值電壓(Vt)調諧和/或增強模式操作的氟摻雜的半導體勢皇層。在實施例中，在將RFIC與PMIC集成的SoC解決方案中采用非對稱和/或增強模式II1-N HEMT,以實現(xiàn)高電壓和/或高功率電路。利用本文中所描述的HEMT實施例，SoC解決方案可以實現(xiàn)移動平臺所需的產品特定電流和功率要求?？焖偾袚Q的高電壓II1-N晶體管能夠處理高輸入電壓擺動，并且能夠在RF頻率下提供高功率附加效率。在實施例中，II1-N非對稱和/或增強模式HEMT服從與諸如平面和非平面硅CMOS晶體管技術之類的IV族晶體管架構的單片集成。在特定實施例中，在將高功率無線數(shù)據(jù)傳輸和/或高電壓功率管理功能與低功率CMOS邏輯數(shù)據(jù)處理集成的SoC架構中采用III族-N晶體管。適合于寬帶無線數(shù)據(jù)傳輸應用的高頻率操作是可能的，而大帶隙II1-N材料的使用還提供了高BV，以使得可以為無線數(shù)據(jù)傳輸應用產生足夠的RF輸出功率。高Ft/Fmax與高電壓能力的該組合還使得本文中所描述的晶體管適合于利用縮小尺寸的感應元件的DC到DC轉換器中的高速開關應用。由于功率放大應用和DC到DC開關應用都是智能電話、平板電腦和其它移動平臺中的關鍵功能塊，因而本文中所描述的結構可以有利地用于這種設備的SoC解決方案中。
[0015]圖1是示出根據(jù)實施例的制造非對稱II1-N HEMT的方法101的流程圖。圖2A、2B、2C、2D、2E、2F、2G、2H、2I和2J示出了根據(jù)實施例的非對稱II1-N HEMT的作為方法101中的操作的執(zhí)行的結果而演變的截面圖。為了描述的清晰起見，將同時參考圖1和圖2A-2J來描述對方法101和相應晶體管結構的說明。
[0016]方法101例示了用于利用單次臨界掩模操作來獨立地限定晶體管的三個重要尺寸(即，柵極長度(Lg)、柵極-源極長度(Lgs)和柵極-漏極長度(Lgd)的技術)，并且認為其它掩模操作是非臨界的，因為通過自對準技術極大地放寬了疊加容差。因此，可以在大批量制造環(huán)境中保持對(Lg)、(Lgs)和(Lgd)的良好控制。方法101還例示了用于以有利于增強模式操作的方式調整閾值電壓的技術。
[0017]方法101開始于操作105處的起始襯底的接收。圖2A示出了根據(jù)實施例的示例性II1-N半導體起始材料201的截面，可以在該示例性II1-N半導體起始材料201中形成高電子迀移率晶體管(HEMT)。起始材料201的基底處是襯底205。通常，襯底205是非II1-N材料，以使起始材料201包括變質外延層。因此，襯底205可以是本領域已知的應用于II1-N材料堆疊體的任何材料，例如但不限于:SiC、藍寶石、硅、硅合金以及II1-V材料及其合金。在一個示例性實施例中，襯底205是晶體硅(例如，實質上為單晶)。在第一硅襯底實施例中，襯底205是(100)硅(g卩，具有(100)頂表面，在該表面上設置上覆外延層)。(100)晶體取向對于硅晶體管的形成是有利的(例如，在未被II1-N外延層覆蓋的其它區(qū)域中)，并且因此對于要將形成于起始材料201中的III族-N晶體管與硅CMOS晶體管技術單片集成的實施例是有利的。在第二硅襯底實施例中，襯底205是(111)硅(即，具有(111)頂表面，在該表面上設置上覆外延層)。盡管示例性(100)和(111)硅實施例要求襯底本質上由硅構成，但是對II1-N和/或硅CMOS器件功能無害的一定水平的雜質是容許的。
[0018]在實施例中，起始襯底包括緩沖。通常，緩沖是在下層襯底材料(例如，娃、藍寶石、SiC等)與上覆II1-N器件層的特性之間的過渡。像這樣，緩沖可以具有本領域已知的適用于特定襯底的任何成分、層數(shù)、厚度等。在圖2A中所示的示例性實施例中，緩沖層210具有II1-N材料。
[0019]在實施例中，起始材料包括至少一個II1-N器件層。在圖2A中所示的示例性實施例中，溝道層215和頂部勢皇層220表示設置在緩沖層210之上的器件層。在實施例中，溝道層215實質上是單晶的，并且盡管本文中將其稱為“單晶”，但是本領域技術人員將領會到，仍然可能存在作為不完美外延生長工藝的人為缺陷的低水平的晶體缺陷。在溝道層215內，存在包括一種或多種III族元素和氮的第一半導體材料的晶體排列。通常，溝道層215中的III族-氮化物半導體應當具有相對高的載流子迀移率并且因此在實施例中，溝道層215實質上是未摻雜的III族-氮化物材料(即，雜質濃度最小)，以具有最小雜質散射。在示例性實施例中，溝道層215是GaN。然而，溝道層215也可以是諸如AlGaN、AlInN之類的一種或多種GaN的三元合金、或者諸如InxAlyGa1^N之類的包括至少一種III族元素和氮的GaN的四元合金。在一個示例性GaN實施例中，溝道層215的厚度在1nm與200nm之間(z維度)
[0020]在實施例中，起始材料包括設置在溝道層之上的蓋層或半導體勢皇層。通常，可以將本領域已知