[发明专利]控制由具有压电特性的材料形成的器件中的阈值电压的齿状栅极

说明书

粗略地描述，场效应晶体管具有支持沟道的第一压电层、位于第一压电层之上的第二压电层、具有由多个间隙分隔的多个介电片段的介电层以及具有主体和多个齿的栅极，介电层位于第二压电层之上。栅极的主体覆盖多个介电片段中的至少一个介电片段和多个间隙中的至少两个间隙。多个齿具有连接至栅极的主体的近端、通过多个间隙突出的中间部分以及通过至少第二压电层与第一压电层分隔的远端。介电层施加应力，在第一压电层中创建压电电荷，改变晶体管的阈值电压。

技术领域

本公开涉及半导体领域，更具体地，涉及控制由具有压电特性的材料形成的器件中的阈值电压的齿状栅极。

背景技术

本发明的技术涉及异质结场效应晶体管(HFET)(包括高电子迁移率晶体管(HEMT)或金属绝缘体半导体HFET(MISHFET)或双沟道HFET/HEMT/MISHFET或双沟道HFET/HEMT/MISHFET，或薄体(SOI、FinFET、三栅极、栅极全周围等)HFET/HEMT/MISHFET)，其例如可用作开关器件。这种器件通常由III-V族半导体形成，并且通过具有未掺杂沟道区来实现非常高的迁移率。在传统HFET中，该器件被描述为“常开”，即阈值电压(也称为夹断电压)为零或负，并且沟道传导电流，在源极和栅极之间施加很少的偏置或者没有偏置。对于功率电子应用来说，出于安全性、能量转换和电路设计的原因，常关器件是更加优选的。例如，在导致浮置或接地的栅极端子的故障的情况下，常开器件将允许大量的功率在源极和漏极之间流动。

尝试各种方法来改变HFET的阈值电压。在Saito等人的“Recessed-GateStructure Approach Toward Normally Off High-Voltage AlGaN/GaN HEMT for PowerElectronics Applications”(IEEE Transaction on Electron Devices，第53卷，第2期，2006年2月，第356至362页)中，作者描述了在栅极下方减薄阻挡层以增加阈值电压。这种方法增加了制造复杂度，需要额外的蚀刻和清洗步骤，并且可能导致蚀刻损伤。较薄的阻挡和刻蚀损伤增加了栅极泄漏。蚀刻可能不均匀，因此所得的器件可能不具有均匀的阈值电压。

Ota等人的“A Normally-off GaN FET with High Threshold VoltageUniformity Using a Novel Piezo Neutralization Technique”(IEDM2009，第153-156页)描述了一种凹陷栅极HFET，其中在栅极凹槽的底部处形成“压电中和(PNT)层”，以改善阈值电压均匀性。PNT层的形成显著增加了制造复杂度和成本，要求通过三个而不是一个Al_xGa_1-xN的阻挡层的金属有机化学气相沉积(MOCVD)、阻挡蚀刻和栅极氧化物的原子层沉积来形成。

Wang等人的“Enhancement-Mode Si₃N₄/AlGaN/GaN MISHFETs”(IEEE ElectronDevice Letters，第27卷，第10期，2006年10月，第793-795页)描述了一种方法，其中栅极的等离子体处理和两步骤Si₃N₄沉积工艺提高了阈值电压。等离子体处理将造成损伤并且制造更加复杂。

Uemoto等人的“Gate Injection Transistor(GIT)–A Normally-Off AlGaN/GaNPower Transistor Using Conductivity Modulation”(IEEE Trans Electron Dev，54(2007)，第3393页)描述了一种HFET，其使用从p-AlGaN栅极到AlGaN/GaN异质结的空穴注入来提高阈值电压。与其它方法一样，需要额外的沉积、蚀刻和清洗步骤，增加了器件复杂度和成本。

希望在不显著增加器件成本和复杂度的情况下改变器件的阈值电压。改变阈值电压以制造常关型的HFET，或者以其他方式改变阈值电压可能是有利的。