專利名稱：Ⅲ族－氮化物器件的鈍化及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)基于2003年12月5日提交的序列號(hào)為60/527,627、題為“使用高溫封裝的高電壓橫向幾何柱狀I(lǐng)II族-氮化物器件(Hi VoltageHorizontal Geometry Column 111-Nitride Devices with HighTemperature Encapsulants)”的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)以及2003年12月5日提交的序列號(hào)為60/527,634、題為“GaN器件的歐姆接觸”的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)并要求其優(yōu)先權(quán)，在此要求上述兩個(gè)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，并且其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本申請(qǐng)。
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及III族-氮化物材料系的器件，特別涉及形成有歐姆接觸的III族-氮化物材料系的器件，以及形成與剩余的鈍化層的接觸的方法。
2.背景技術(shù)目前，具有超過(guò)2.2MV/cm的較大介質(zhì)擊穿電場(chǎng)的III族-氮化物半導(dǎo)體是眾所周知的。III族-氮化物異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)還能夠承載超大的電流，這使得在III族-氮化物材料系中制造的器件非常適用于功率應(yīng)用。
基于III族-氮化物材料的器件通常是針對(duì)于大功率高頻應(yīng)用，例如蜂窩電話基站的發(fā)射器。所制造的用于此類應(yīng)用的器件基于具有高的電子遷移率的普通器件結(jié)構(gòu)，例如異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)、高電子遷移率晶體管或者調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MODFET)。此類器件通常能夠承受例如約為100伏特的高壓，同時(shí)典型地在2-100GHz范圍內(nèi)的高頻下工作。可以對(duì)此類器件進(jìn)行改造以用于多種類型的應(yīng)用，但是其典型地通過(guò)應(yīng)用壓電極化場(chǎng)產(chǎn)生二維電子氣(2DEG)(能夠傳輸極高的電流密度，同時(shí)具有極低的電阻損耗)來(lái)操作。在這種傳統(tǒng)的III族-氮化物HEMT器件中，2DEG在AlGaN和GaN材料的界面處形成。由于AlGaN/GaN界面的性質(zhì)、以及2DEG在界面處的形成，形成在III族-氮化物材料系中的器件傾向于是名義上導(dǎo)通(nominally on)型或損耗型器件。AlGaN/GaN層界面層處的2DEG的高電子遷移率使得III族-氮化物器件(例如HEMT器件)能夠在不施加?xùn)艍旱那闆r下進(jìn)行傳導(dǎo)。以前制造的HEMT器件的名義上導(dǎo)通特性限制了其在功率調(diào)節(jié)方面的應(yīng)用性。名義上導(dǎo)通的功率器件的局限性在于，在功率能夠安全地受名義上導(dǎo)通的器件控制之前，需要具有被供電并可操作的控制電路。因此，理想的是制造名義上截止以避免啟動(dòng)模式和其他模式下的電流傳導(dǎo)問(wèn)題的III族-氮化物異質(zhì)結(jié)器件。
具有高電流密度和低電阻損耗的III族-氮化物器件的一個(gè)缺陷在于其在應(yīng)變的AlGaN/GaN系統(tǒng)中所能夠?qū)崿F(xiàn)的受限的厚度。此類材料的晶格結(jié)構(gòu)中的差異會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，使得所生長(zhǎng)的用于制造不同層的膜產(chǎn)生位錯(cuò)。舉例來(lái)說(shuō)，這導(dǎo)致了穿過(guò)勢(shì)壘層的高漏電水平。某些在先的設(shè)計(jì)致力于將AlGaN層的面內(nèi)晶格常數(shù)降低到接近弛豫發(fā)生點(diǎn)，以減少位錯(cuò)和漏電。然而，這些設(shè)計(jì)并不是針對(duì)受限厚度的問(wèn)題。
另一種解決方案是增加絕緣層以防止漏電問(wèn)題。增加絕緣層可以降低通過(guò)勢(shì)壘的漏電，用于這一目的的典型的層是淀積在AlGaN和金屬柵極層之間的二氧化硅、氮化硅、藍(lán)寶石或者其他絕緣體。此類器件通常稱為MISHFET，并相對(duì)于不具有絕緣層的傳統(tǒng)器件具有某些優(yōu)點(diǎn)。
雖然附加的絕緣層使得能夠構(gòu)造較厚的應(yīng)變的AlGaN/GaN系統(tǒng)，但是由于GaN/絕緣體界面處的電子散射效應(yīng)，由附加的絕緣體所產(chǎn)生的限制層會(huì)較低載流能力。另外AlGaN層和絕緣體層之間的附加界面會(huì)產(chǎn)生界面俘獲狀態(tài)，使器件的響應(yīng)變慢。氧化層的附加厚度再加上兩個(gè)層之間的附加界面，也使得需要較大的柵極驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)開(kāi)關(guān)所述器件。
利用氮化物材料來(lái)獲得名義上截止的器件的傳統(tǒng)器件設(shè)計(jì)依靠這種附加的絕緣層作為限制層，并且可以降低或者去除頂部AlGaN層。然而，由于GaN/AlGaN絕緣體界面處的散射，這些器件典型地具有較低的載流能力。
因此，需要制造這樣一種異質(zhì)結(jié)器件或者FET，其具有低漏電性能以及較少的界面和層、同時(shí)能夠承受高壓并且產(chǎn)生高的電流密度和低的電阻損耗。目前已經(jīng)通過(guò)多種技術(shù)利用GaN和AlGaN合金制造出了平面器件，所述技術(shù)包括MOCVD(有機(jī)金屬化學(xué)汽相淀積)、以及分子束外延(MBE)和氫化物氣相外延(HVPE)。
氮化鎵材料系中的材料可以包括氮化鎵(GaN)及其合金，例如氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鎵(InGaN)以及氮化銦鋁鎵(InAlGaN)。這些材料是具有相對(duì)較寬的直接帶隙的半導(dǎo)體化合物，從而能夠產(chǎn)生高能量的電子躍遷。氮化鎵材料被形成在各種不同的襯底上，包括碳化硅(SiC)、藍(lán)寶石和硅。硅襯底易于使用并且相對(duì)較為便宜，并且硅加工技術(shù)已經(jīng)非常成熟。
然而，在硅襯底上形成氮化鎵材料來(lái)制造半導(dǎo)體器件面臨著由晶格常數(shù)的差異、熱膨脹和硅與氮化鎵之間的帶隙所產(chǎn)生的挑戰(zhàn)。GaN與傳統(tǒng)的襯底材料之間的晶格失配所產(chǎn)生的問(wèn)題也普遍存在于包括GaN和GaN合金的材料層結(jié)構(gòu)中。例如，GaN和AlGaN材料的晶格結(jié)構(gòu)的差異足以在用于壓電極化的兩個(gè)層之間產(chǎn)生界面應(yīng)變。在許多現(xiàn)有器件中，對(duì)壓電極化所產(chǎn)生的場(chǎng)進(jìn)行控制，以改善器件的特性。AlGaN/GaN層結(jié)構(gòu)中的鋁含量的變化會(huì)改變材料之間的晶格失配，從而實(shí)現(xiàn)不同的器件特性，例如改善的導(dǎo)電率或者隔離勢(shì)壘。
多種類型的功率器件可以從具有低導(dǎo)通電阻的名義上截止的器件中潛在地獲益。例如，期望獲得這樣的功率開(kāi)關(guān)、功率整流器、同步整流器、電流控制器件或者其他功率器件，即它們?cè)跊](méi)有加電時(shí)，其是名義上截止的。電流控制器件可以包括二極管、擴(kuò)散致窄電阻(pinchresistor)、肖特基二極管等。
期望改進(jìn)或優(yōu)化的功率器件的另一個(gè)特征是擊穿電壓。典型地由半導(dǎo)體制造的高壓開(kāi)關(guān)器件暴露在極高的電場(chǎng)下，所述電場(chǎng)可以是功率器件中的介質(zhì)擊穿源。由于III族-氮化物材料系中的器件的形成特性，III族-氮化物材料器件特別容易由于介質(zhì)的擊穿而失效。在III族-氮化物材料器件的制造過(guò)程中，經(jīng)常使用高溫退火步驟或者化學(xué)處理來(lái)制造連接到低摻雜或者中等摻雜的半導(dǎo)體材料的低電阻的歐姆接觸。在高溫退火步驟中，由于在高溫退火環(huán)境中氮的近表面揮發(fā)特性，被退火的半導(dǎo)體材料的表面將會(huì)損失氮。半導(dǎo)體材料中氮的損失將會(huì)在材料中產(chǎn)生空位，從而在該材料系中產(chǎn)生N型摻雜效果。這種表面半導(dǎo)體材料層中超過(guò)正常的或者所需量的附加摻雜效果將會(huì)在電壓阻斷(blocking)操作過(guò)程中在器件的近表面區(qū)域中產(chǎn)生增加的電場(chǎng)。例如，如果器件是處于截止?fàn)顟B(tài)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，則期望該器件潛在地避開(kāi)(standoff)大電壓并且不被擊穿。然而，由于半導(dǎo)體材料的表面層中的摻雜效應(yīng)大于預(yù)期的摻雜效應(yīng)、以及在表面區(qū)域中增加的輔助電場(chǎng)，因此可以觀察到器件的擊穿電壓較低，與之伴隨的是器件的失效。
避免發(fā)生由氮從半導(dǎo)體材料的表面移除所導(dǎo)致的有效摻雜的一種方法是，在形成歐姆基礎(chǔ)之前，在半導(dǎo)體材料的上表面上形成高摻雜的III族-氮化物材料。一旦完成了歐姆接觸材料的淀積和退火，高摻雜的材料層將被蝕刻去除，以暴露例如用于形成柵和漂移區(qū)的區(qū)域。然而，在蝕刻過(guò)程中，被暴露的材料表面會(huì)經(jīng)受由于材料中的缺陷而帶來(lái)的多種不利影響。除了例如對(duì)柵極下方的界面態(tài)密度產(chǎn)生有害影響外，由蝕刻過(guò)程產(chǎn)生的缺陷也會(huì)產(chǎn)生摻雜效果。
因此，期望減小和去除高溫退火步驟中半導(dǎo)體材料表面層中的氮的外擴(kuò)散，從而降低或消除歐姆接觸形成過(guò)程中半導(dǎo)體表面層中的高殘留摻雜效應(yīng)。
還希望獲得能夠保護(hù)半導(dǎo)體器件表面以防止表面擊穿的器件鈍化層。另外還希望防止出現(xiàn)上述傳統(tǒng)的加工技術(shù)通常會(huì)導(dǎo)致的場(chǎng)集聚效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方案，在淀積歐姆接觸之前，通過(guò)進(jìn)行非化學(xué)計(jì)量(stoichiometric)的、高摻雜的GaN層淀積來(lái)在III族-氮化物材料系中的半導(dǎo)體器件上形成歐姆接觸。該高摻雜的GaN層極薄，并且由于高摻雜的GaN層與歐姆接觸材料之間的界面處的隧穿效應(yīng)，通過(guò)用于形成歐姆接觸的歐姆材料形成了極低電阻率的接觸。高摻雜GaN層的存在使得能夠在極少或者未損害半導(dǎo)體器件表面的情況下形成歐姆接觸。通過(guò)低溫退火步驟激活高摻雜GaN層和歐姆接觸，從而為所述器件保持穿過(guò)歐姆接觸的低電阻通道。高摻雜的GaN層使得能夠通過(guò)低溫退火步驟形成高質(zhì)量的歐姆接觸，以防止氮從半導(dǎo)體材料的表面向外擴(kuò)散。該薄的高摻雜GaN層還使得能夠在不產(chǎn)生表面再鈍化的情況下形成柵電極。因此，所得到的器件具有高質(zhì)量的界面以及低的界面態(tài)密度，并且在柵電極下方具有低的剩余摻雜。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，可以在形成歐姆接觸之前在半導(dǎo)體材料上形成薄層高摻雜多晶GaN。也可以使用多種其他的材料來(lái)在形成歐姆接觸之前形成該薄層以及鈍化所述半導(dǎo)體材料，所述材料包括其他的III族-氮化物材料，例如AlGaN?？梢岳萌魏维F(xiàn)有技術(shù)來(lái)形成該薄鈍化層，例如PECVD、濺射淀積等。如果使用鋁作為歐姆接觸材料，則可以通過(guò)約850℃以下的溫度利用退火步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的接觸。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)特征，可以在形成歐姆接觸之前在半導(dǎo)體材料的暴露表面上淀積非揮發(fā)、非擴(kuò)散的材料，例如AIN、HfN或者其他合適的材料。所覆蓋的材料防止在形成歐姆接觸時(shí)由于高溫、暴露在化學(xué)處理中、或者其他與低電阻歐姆接觸形成相關(guān)的處理中所產(chǎn)生的表面損壞?？梢栽谔囟▍^(qū)域中去除該保護(hù)層，以允許形成肖特基接觸。剩余的保護(hù)材料被保留以鈍化接觸區(qū)之間的區(qū)域內(nèi)的半導(dǎo)體材料表面。
在形成歐姆接觸之前，可以形成保護(hù)層，作為位于器件的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域上方的含氮材料的犧牲層。該鈍化材料作為氮的儲(chǔ)存部分，以在III族-氮化物材料內(nèi)保持化學(xué)計(jì)量(stoichiometry)。該鈍化材料通過(guò)提供從所覆蓋的犧牲層向III族-氮化物材料內(nèi)擴(kuò)散的等量的氮來(lái)平衡氮從III族-氮化物材料向外的擴(kuò)散。在通過(guò)退火步驟形成歐姆接觸之后，可以在待形成肖特基接觸或柵接觸的區(qū)域內(nèi)去除保護(hù)層。剩余的材料鈍化所述接觸區(qū)之間的區(qū)域內(nèi)的表面區(qū)域。
本發(fā)明使得能夠形成具有簡(jiǎn)單的鈍化層的III族-氮化物半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，從而允許在低溫退火步驟中形成歐姆接觸。該鈍化層還抑制了所完成器件中的表面擊穿和電場(chǎng)聚集效應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明制造的器件可以承受極高的反向偏壓，因?yàn)楸３至薎II族-氮化物材料的介質(zhì)完整性。所得到的器件具有改善的電壓阻斷特性，其幾倍于傳統(tǒng)器件的特性。
有利的是，可以在有源區(qū)之上或者之下生長(zhǎng)覆層和接觸層。在本發(fā)明中也可以使用用于形成電極、絕緣層等結(jié)構(gòu)的其他公知工藝。
根據(jù)本發(fā)明，在此提供了一種在III族-氮化物材料系中實(shí)現(xiàn)的器件，其具有高的導(dǎo)電性和高電壓阻斷以及降低的導(dǎo)通電阻。所述器件利用歐姆接觸和肖特基或絕緣接觸來(lái)控制兩個(gè)III族-氮化物材料之間的2DEG。
根據(jù)本發(fā)明，在此提供了一種在III族-氮化物中實(shí)現(xiàn)的FET器件。根據(jù)III族-氮化物材料系的性質(zhì)，該FET能夠承載大電流，其中壓電和自發(fā)極化場(chǎng)形成具有高載流子遷移率和大電流生產(chǎn)量的2DEG。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特征，提供有良好的GaN絕緣體界面(而不是有源層處的附加絕緣層或者結(jié)構(gòu))來(lái)提高載流能力。無(wú)需附加的絕緣層，在此描述的異質(zhì)界面的外延性質(zhì)導(dǎo)致了在2DEG內(nèi)的電子聚集時(shí)產(chǎn)生約高一個(gè)量級(jí)的電子遷移率。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，提供了一種具有降低的用于正向傳導(dǎo)的導(dǎo)通電壓的III族-氮化物器件。該器件形成有兩種III族-氮化物材料層，其中一個(gè)III族-氮化物材料層的面內(nèi)晶格常數(shù)大于另一個(gè)，從而在界面處形成2DEG。2DEG中的高載流子遷移率使得可通過(guò)較低的正向?qū)щ婋妷簛?lái)開(kāi)啟器件。通過(guò)器件的電流通過(guò)2DEG溝道被分流并且離開(kāi)歐姆接觸以避免出現(xiàn)肖特基勢(shì)壘。在反向電壓條件下，肖特基接觸使2DEG中斷(interrupt)并且打開(kāi)溝道以避免在反向偏壓條件下產(chǎn)生電流流動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特征，可以在III族-氮化物層的凹入部分內(nèi)形成肖特基接觸，以使得器件在施加正向偏壓之前是非導(dǎo)通的。有利地，所述凹入部分具有傾斜的壁，以使得器件的參數(shù)易于控制。
根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施方案，提供了一種III族-氮化物材料系內(nèi)的肖特基型整流器(rectifier)，其中器件通過(guò)溝道傳導(dǎo)電流，所述溝道包括由兩種不同的III族-氮化物材料的界面形成的2DEG。該器件包括肖特基接觸和歐姆接觸，以朝著所述歐姆接觸在一個(gè)方向上進(jìn)行傳導(dǎo)，并且朝著所述肖特基接觸在另一個(gè)方向上阻斷電壓。施加在肖特基接觸上的電壓使得電流流動(dòng)通過(guò)2DEG形成的溝道，并且離開(kāi)歐姆接觸，而施加在相反方向上的電壓耗盡肖特基接觸下的2DEG，以在反向偏壓的過(guò)程中阻斷電壓。當(dāng)利用GaN作為III族-氮化物層的一層時(shí)，GaN層的高電阻特性防止出現(xiàn)通過(guò)器件的漏電流。該器件可被構(gòu)造為III族-氮化物層具有輕摻雜或者無(wú)摻雜，以在反向偏壓時(shí)獲得低電場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)高的截?cái)?standoff)電壓。在無(wú)需降低正向偏壓電阻的情況下即可獲得這一優(yōu)良特征。
III族-氮化物半導(dǎo)體材料系中的大的介質(zhì)擊穿電場(chǎng)使得能夠形成截?cái)鄥^(qū)域尺寸降低的功率器件。該材料系還使得能夠制造與公知的具有相似額定電壓的器件相比具有降低的特定導(dǎo)通電阻的器件。在本文中討論的III族-氮化物器件的情況下，與具有垂直幾何結(jié)構(gòu)的類似器件相比，在約300伏的額定電壓下，平面器件在特定的導(dǎo)通電阻方面的改善約為一百倍。
該器件的特征還在于在接觸中具有較低泄漏以及相對(duì)于勢(shì)壘層具有高的擊穿電場(chǎng)。因此，與傳統(tǒng)的絕緣物(例如SiO2和SiN)相比，器件提供了較大的介電常數(shù)。GaN材料的高臨界電場(chǎng)使得較薄的層即可以承受大的電壓而不會(huì)擊穿介質(zhì)。GaN材料的介電常數(shù)約為10，其為SiO2的兩倍。
通過(guò)以下參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)更加清楚。


圖1A-1E是根據(jù)本發(fā)明的形成有鈍化層的III族-氮化物器件的剖視圖；圖2A-E是根據(jù)本發(fā)明的形成由鈍化層的III族-氮化物器件的剖視圖；
圖3是根據(jù)本發(fā)明的III族-氮化物器件的剖視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的III族-氮化物器件的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
在GaN材料的器件中，有大量的因素會(huì)對(duì)器件的功能和性能產(chǎn)生影響。III族-氮化物材料的大量晶格失配和這些材料中的強(qiáng)壓電和極化效應(yīng)會(huì)顯著影響III族-氮化物異質(zhì)結(jié)器件的電學(xué)性能。迄今為止所報(bào)道的大量GaN基器件利用應(yīng)變的具有合金成分的GaN-AlGaN結(jié)，所述合金成分被設(shè)計(jì)用于釋放應(yīng)力，以防止導(dǎo)致器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差的失配。已經(jīng)提出了用于構(gòu)建異質(zhì)結(jié)器件的各種器件和系統(tǒng)，以控制GaN-AlGaN結(jié)的晶格失配和應(yīng)變。這些器件被典型的設(shè)計(jì)為利用壓電和自發(fā)極化效應(yīng)，并且可以使長(zhǎng)期不穩(wěn)定性最小化。
III族-氮化物器件，特別是GaN/AlGaN器件，在給定的器件中典型地具有用于控制電功率通量的一個(gè)或多個(gè)端子。施加在端子上的電勢(shì)控制與終端耦接的導(dǎo)電溝道內(nèi)的電流流量。所述導(dǎo)電溝道由兩個(gè)不同半導(dǎo)體材料之間的至少一個(gè)異質(zhì)界面限定。
當(dāng)異質(zhì)結(jié)器件的半導(dǎo)體材料由AlGaN/GaN材料組成并且AlGaN被用作勢(shì)壘層時(shí)，出現(xiàn)由AlGaN的自發(fā)極化特性以及應(yīng)變引入特征(即，通常所說(shuō)的壓電極化電場(chǎng))產(chǎn)生的極化電荷。在III族-氮化物器件結(jié)構(gòu)中對(duì)這些場(chǎng)的形成的控制導(dǎo)致了不同的特性，從而使GaN基的器件根據(jù)器件的設(shè)定特性適用于多種應(yīng)用。
由GaN材料形成的異質(zhì)結(jié)器件典型地包括設(shè)置在溝道層上的AlGaN勢(shì)壘層以引入2DEG，2DEG在溝道中產(chǎn)生高濃度的電子，從而增強(qiáng)溝道的導(dǎo)電特性。由于在AlGaN/GaN層的界面處形成的2DEG的存在，基本地形成的III族-氮化物器件是名義上導(dǎo)通的，這是因?yàn)闇系赖拇嬖谑沟媚軌蚶缭陔姌O之間傳導(dǎo)電流。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1A-1E，圖1A-1E中示出了具有歐姆接觸和柵電極的III族-氮化物器件14的形成工藝中的一系列步驟。器件14包括III族-氮化物層10，其可由多個(gè)III族-氮化物材料層組成，例如緩沖層、具有交替組分的超晶格層、或者組分漸變層(graded composition layer)。典型地，層10由GaN組成。
柵極絕緣層12形成在層10的上方，并由晶格常數(shù)小于層10的材料組成。典型地，層12由AlGaN形成。層12典型地使III族-氮化物器件鈍化，但是在形成歐姆接觸的高溫工藝中經(jīng)受氮的外擴(kuò)散。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1B，在層12中開(kāi)有歐姆接觸窗11，以提供能夠到達(dá)層10以淀積歐姆接觸的通道?？梢酝ㄟ^(guò)公知技術(shù)實(shí)現(xiàn)層12上選定部分的構(gòu)圖和去除。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1C，在淀積歐姆接觸材料之前，在器件14上形成非揮發(fā)、非擴(kuò)散的材料16。材料16覆蓋層12除了歐姆接觸窗11之外的區(qū)域，并且在歐姆接觸窗11的底部覆蓋層10。材料16可以是AIN、HfN、AlGaN、高摻雜的GaN、高摻雜的多晶GaN、LPCVD SiN、或者能夠防止半導(dǎo)體表面12在退火步驟中不會(huì)產(chǎn)生外擴(kuò)散以及不會(huì)受到損害的其他合適的材料?？梢孕纬杉s300到400厚的高摻雜GaN層作為層16。在任何情況下，材料16的厚度可以近似為50或更大。
可以在形成層10或12的生長(zhǎng)過(guò)程中形成材料16。也可以在給定包括層10或12的預(yù)形成的結(jié)構(gòu)的情況下，在分立的步驟中淀積材料16。在外延生長(zhǎng)過(guò)程中形成材料16可以為后形成的器件提供性能上的優(yōu)點(diǎn)，包括有助于根據(jù)所生長(zhǎng)的材料16的結(jié)構(gòu)提高器件的擊穿電壓。
一旦在層12上方、以及歐姆接觸窗11內(nèi)的層10上方淀積了層16，即可在層16上方淀積用于實(shí)現(xiàn)歐姆接觸19的材料。淀積在層16上方以及歐姆接觸窗11內(nèi)的材料18可以是歐姆金屬，并且可以例如由鋁組成。可以通過(guò)用于形成歐姆接觸材料的公知技術(shù)來(lái)淀積材料18。保護(hù)層16為歐姆接觸19與層10的連接提供了導(dǎo)電路徑，特別地，提供了到達(dá)層10和層12之間的界面的導(dǎo)電路徑，以允許在界面處與導(dǎo)電溝道連接。因此，器件14的導(dǎo)電電阻不會(huì)由于層16的引入而顯著增加。
在歐姆材料18的淀積過(guò)程中，執(zhí)行退火步驟以使得歐姆材料形成歐姆接觸19。在退火步驟中，氮通常從層10和12中擴(kuò)散出，導(dǎo)致層10和12的表面受到損害以及導(dǎo)致這些層的材料中出現(xiàn)摻雜效應(yīng)。然而，富含氮的保護(hù)層16的存在抵制了退火步驟中通常會(huì)發(fā)生的外擴(kuò)散過(guò)程。因此，層10和12的表面免于受到本來(lái)在退火步驟中的外擴(kuò)散過(guò)程中會(huì)發(fā)生的損害。通過(guò)提供保護(hù)以防止氮從層10和12中外擴(kuò)散，大大改善了器件的性能，實(shí)現(xiàn)了更高的擊穿電壓。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1D，在圖案中淀積抗蝕材料13，以能夠形成柵極15和歐姆接觸17。在淀積了光致抗蝕劑層13后，例如通過(guò)蝕刻去除除了由光致抗蝕劑13保護(hù)的位置之外的材料18。所述去除或者蝕刻過(guò)程也去除了構(gòu)圖的光致抗蝕劑13下方的保護(hù)層16。
參照?qǐng)D1E，得到的柵極接觸15和歐姆接觸17通過(guò)保護(hù)層16的剩余部分連接到器件14的特定區(qū)域。保護(hù)層16的剩余部分在歐姆接觸17和層10中的導(dǎo)電溝道之間形成了低電阻連接。注意，柵接觸15也位于保護(hù)層16的頂上。然而，柵接觸15可以通過(guò)其他技術(shù)形成，并且不依賴于保護(hù)層16。
在從器件未覆蓋光致抗蝕劑13的區(qū)域中去除材料18后，剝離光致抗蝕劑13，對(duì)得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行低溫退火。退火步驟中的溫度約低于850℃，并且優(yōu)選為約600℃。低溫退火步驟激活歐姆接觸17，以在層10和接觸17中形成的導(dǎo)電溝道之間提供低電阻連接點(diǎn)。低溫退火步驟使得層10和12的氮外擴(kuò)散較少或者為零，從而避免了高溫退火步驟中通常會(huì)遇到的損害。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2A-2E，在圖2A-2E中示出了根據(jù)本發(fā)明的器件的另一個(gè)實(shí)施方案，其被示出為器件24。圖2A中器件24的初始結(jié)構(gòu)具有III族-氮化物層20，其可由多層III族-氮化物結(jié)構(gòu)形成，例如包括緩沖層、超晶格層或者組分漸變層。在圖2A所示的初始步驟中，在層20上淀積有保護(hù)層22。保護(hù)層22可通過(guò)任何公知的技術(shù)形成，包括PECVD、LPCVD和濺射。保護(hù)層22可由多種材料組成，包括AIN、HfN、高摻雜的GaN、高摻雜的多晶GaN、LPCVD SiN、或者其他的III族-氮化物材料，包括AlGaN。層22相對(duì)較薄，以能夠在保護(hù)層22與覆蓋的歐姆材料之間的界面處的隧穿效應(yīng)的作用下，通過(guò)歐姆材料形成低電阻接觸。保護(hù)層的厚度可以在300-400左右，或者可以近似為50或更大，以形成低電阻接觸，從而利用界面處的隧道效應(yīng)。
可以在形成層20的生長(zhǎng)過(guò)程中形成保護(hù)層22。也可以在給定包括層20的預(yù)形成的結(jié)構(gòu)的情況下，在分立的步驟中淀積保護(hù)層22。如果在外延生長(zhǎng)過(guò)程中形成保護(hù)層22，則可以為后形成的器件提供性能上的某些優(yōu)點(diǎn)，包括由于保護(hù)層22的結(jié)構(gòu)而使器件的擊穿電壓提高。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2B，在保護(hù)層22中開(kāi)有歐姆接觸窗21，以形成歐姆接觸。可以通過(guò)任何類型的公知構(gòu)圖和材料去除技術(shù)來(lái)形成歐姆接觸窗21。歐姆接觸窗21提供了到達(dá)III族-氮化物層20的通路，以及到達(dá)III族-氮化物層20中的導(dǎo)電溝道的通路。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2C，在保護(hù)層22和III族-氮化物層20上淀積歐姆接觸26，從而通過(guò)歐姆接觸窗21實(shí)現(xiàn)與III族-氮化物層20的接觸。歐姆接觸26的形成過(guò)程包括高溫步驟，所述高溫步驟通常會(huì)導(dǎo)致III族-氮化物層20中的氮外擴(kuò)散，從而在III族-氮化物層20的表面區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生損害或缺陷。然而保護(hù)層22的存在降低或消除了氮從III族-氮化物層20中的外擴(kuò)散，從而消除了在層20的表面區(qū)域內(nèi)經(jīng)?？梢杂^察到的損壞。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2D，在形成了歐姆接觸26之后，形成肖特基接觸窗25以將III族-氮化物層20從保護(hù)層22中暴露出來(lái)。在圖2E中，肖特基接觸28穿過(guò)肖特基接觸窗25淀積，并且提供與III族-氮化物層20所形成的導(dǎo)電溝道的接觸。保護(hù)層22還防止從III族-氮化物層20向外擴(kuò)散，以提高器件24的性能。例如，可以保護(hù)漂移區(qū)27免于表面擊穿，或者出現(xiàn)摻雜效應(yīng)，而這種情況通常會(huì)由于氮從III族-氮化物層20中外擴(kuò)散而發(fā)生。另外，還可以防止區(qū)域29出現(xiàn)通常會(huì)由氮從III族-氮化物層20中的外擴(kuò)散而導(dǎo)致的電場(chǎng)聚集。典型地，進(jìn)行低溫退火步驟以激活歐姆接觸26，保護(hù)層22的存在使得可以在較低的溫度下進(jìn)行退火，例如850℃，或者優(yōu)選為例如600℃。
上述鈍化/保護(hù)層可通過(guò)化學(xué)計(jì)量(stoichometric)的或非化學(xué)計(jì)量的方法淀積形成，所述方法包括PECVD和濺射淀積。保護(hù)層優(yōu)選地包括薄N+GaN，也可以使用多種其他的材料。所得到的器件的電壓阻斷特性幾倍于不具有保護(hù)層的器件(包括公知的不具有表面保護(hù)層的肖特基整流器或氮化鎵器件)的特性。該鈍化/保護(hù)層可通過(guò)降低或完全消除外擴(kuò)散、或者通過(guò)補(bǔ)充提供外擴(kuò)散的氮來(lái)防止氮從下方的層中向外擴(kuò)散。該鈍化/保護(hù)層可以通過(guò)提供其自身的氮外擴(kuò)散來(lái)作為富含氮的阱，以平衡外擴(kuò)散。因此該鈍化/保護(hù)層可以被認(rèn)為是用于實(shí)現(xiàn)所得到的器件的表面保護(hù)和鈍化的封裝物。不需要將鈍化層從完成的器件上去除，從而所得到的器件的全部暴露表面是被鈍化的。
根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)，可以形成多種器件，包括肖特基二極管、諸如擴(kuò)散致窄電阻的限流器件等。典型地，在制造過(guò)程中會(huì)經(jīng)受氮外擴(kuò)散現(xiàn)象，從而使得介質(zhì)擊穿閾值降低的任何類型的半導(dǎo)體器件都能夠從本發(fā)明的技術(shù)中獲益。本發(fā)明優(yōu)選用于III族-氮化物材料系，所述材料系包括AIN、GaN、InN化合物以及這些材料的合金。保護(hù)層可以由任何非揮發(fā)、非擴(kuò)散的材料形成，例如AlN、HfN、或者淀積在暴露的表面上、以保護(hù)半導(dǎo)體表面在退火或其他高溫過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生氮外擴(kuò)散的其他合適的材料。
器件14的層10具有比層12大的面內(nèi)晶格常數(shù)。顯然，可以使用多種III族-氮化物材料來(lái)形成器件14，只要其界面可以形成導(dǎo)電溝道。器件14可以設(shè)置在絕緣的或高阻的襯底上，所述襯底通常由公知的材料形成，例如碳化硅、硅、藍(lán)寶石和其他公知的襯底材料。
器件14、24可被構(gòu)造為具有多種不同的幾何形狀，以實(shí)現(xiàn)歐姆接觸17和26以及肖特基接觸28。例如，接觸28可以是環(huán)繞歐姆接觸26的肖特基接觸。接觸28也可以被形成為環(huán)繞歐姆接觸26的一部分，同時(shí)形成有槽或者蝕刻區(qū)域以限制電流以特定的方向流動(dòng)或者流向器件24的特定區(qū)域。歐姆接觸26和形成為肖特基接觸的接觸28還可以彼此相隔不同的距離，以增加或降低擊穿電壓和導(dǎo)通電阻參數(shù)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3，圖3中以器件31為例示出了本發(fā)明的一個(gè)可選實(shí)施方案。除了接觸38由絕緣層34上的導(dǎo)電材料形成之外，器件31與器件24(圖2A-2E)基本相似。因此，接觸38為絕緣接觸而不是肖特基接觸，并且可以包括任何類型的金屬導(dǎo)體來(lái)操作器件31。保護(hù)層32提供與器件24相同的防止氮從III族-氮化物層30外擴(kuò)散的抑制特征。
可以通過(guò)多種方法來(lái)制造歐姆接觸14、26和36，例如淀積之前的注入、在歐姆淀積之前在層10、12或20、22或30、32的頂部淀積高摻雜的III族-氮化物材料、在歐姆接觸19、26和36下方形成III族-氮化物超晶格結(jié)構(gòu)、蝕刻層12、22或32、或上述沉積步驟的結(jié)合等。
本發(fā)明可應(yīng)用于雙向器件，從而提高了其靈活性和其適合的應(yīng)用的數(shù)量。本發(fā)明也可用于HEFT，其中柵電極與源/漏電極之間短路?？梢宰兓瘹W姆接觸和肖特基接觸之間的間隔以調(diào)整器件參數(shù)，例如導(dǎo)通電阻和擊穿電壓。接觸的幾何形狀可以被形成為多種結(jié)構(gòu)，例如肖特基材料環(huán)繞歐姆接觸、兩個(gè)肖特基接觸環(huán)繞每個(gè)歐姆接觸、具有蝕刻區(qū)域的非環(huán)繞肖特基以限制電流流向器件上的特定區(qū)域等。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4，其中以器件70為例示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案。器件70包括襯底72，襯底72由絕緣或高阻材料組成，例如藍(lán)寶石、硅、碳化硅或其他適合的材料。電阻性的III族-氮化物材料層74覆蓋在襯底72上，并且可選地包括介于層74和層72之間的緩沖層73。緩沖層73可被插入層74和72之間，以降低或者減輕由層72和74之間的晶格失配引起的應(yīng)變。層74上覆蓋有另一個(gè)III族-氮化物材料層75，層75具有小于層74的面內(nèi)晶格常數(shù)。根據(jù)III族-氮化物材料的性質(zhì)，在層74和75之間形成能夠承載大量電流的2DEG。如圖4所示，層74、75可包括GaN/AlGaN。
器件70還包括保護(hù)層76，保護(hù)層76保護(hù)下方的層，并且提供用于構(gòu)圖器件以形成接觸和電極。器件70還包括接觸77和78，其中接觸77是肖特基接觸，而接觸78是歐姆接觸。接觸77、78以場(chǎng)電極(filedplate)設(shè)計(jì)的方式排列，其中接觸的一部分延伸穿過(guò)絕緣層76以與層75接觸。保護(hù)層76防止在器件70形成過(guò)程中的高溫處理步驟中氮的外擴(kuò)散。
由于在層74、75之間的界面處形成了高密度高遷移率2DEG，所得到的器件是名義上導(dǎo)通的整流器。2DEG通過(guò)壓電和自發(fā)極化力的結(jié)合形成，從而形成超薄但具有高導(dǎo)電性的層和高電阻性的層。在層74和75之間界面形成的溝道可以承載極大的電流，而無(wú)需利用傳統(tǒng)器件中通常采用的高摻雜區(qū)域。因此，在器件進(jìn)行導(dǎo)電的正偏壓方向，可以通過(guò)溝道傳送大量的電流。
在反偏壓的條件下，溝道內(nèi)的可移動(dòng)電荷被耗盡，從而溝道中沒(méi)有電流流過(guò)，并且下方的層74的高阻特性防止電荷流入該層。在器件70的形成過(guò)程中采用保護(hù)層76通過(guò)在工藝過(guò)程中避免III族-氮化物材料表面的損壞而改善了器件的反向偏壓操作。由于層74和75是未摻雜的，因此反偏條件下的器件產(chǎn)生低的電場(chǎng)。由于電場(chǎng)值較低，因此器件能夠承受高電壓，但是仍然提供低的正向偏壓電阻。通過(guò)提供高導(dǎo)電性2DEG而不是摻雜的電流載體，器件70在給定的擊穿電壓下大大提高了RA乘積(RA product)。器件70的另一個(gè)特征是通過(guò)蝕刻層75來(lái)隔離器件的能力，這歸因于層74的電阻特性。所有這些特征和優(yōu)點(diǎn)使得能夠在單個(gè)芯片上集成大量器件同時(shí)占用較少的面積，從而能夠在小于傳統(tǒng)器件的空間內(nèi)形成具有一定復(fù)雜性的大功率器件。
可以通過(guò)公知技術(shù)來(lái)形成歐姆接觸、肖特基接觸、絕緣層以及金屬化接觸的結(jié)構(gòu)。另外，可以將其他的鈍化層和覆層，以及用于形成與電流承載電極和柵極的接觸以提供最終器件的技術(shù)應(yīng)用在本文中描述的器件上。
用于構(gòu)成器件14、24、31和70的III族-氮化物材料典型地具有遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)材料的阻斷特性，從而使得器件可以被構(gòu)造為小于傳統(tǒng)材料所允許的尺寸，同時(shí)保持工作參數(shù)值不變。由于器件可以以小于傳統(tǒng)器件的尺寸實(shí)現(xiàn)以執(zhí)行可相比擬的功能，因此可以實(shí)現(xiàn)降低的導(dǎo)通電阻，以獲得提高的功率效率。由本發(fā)明所提供的改善的擊穿電壓特征使得能夠進(jìn)一步減小尺寸同時(shí)具有更高的功率效率。
另外，在此描述的電極可以通過(guò)低電阻歐姆接觸工藝形成，從而進(jìn)一步改善上述器件的工作特性。
雖然根據(jù)特定實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是多種其他的修改和調(diào)整以及應(yīng)用對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明不受本文中特定公開(kāi)的限制，而僅由所附權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種III族-氮化物半導(dǎo)體器件，包括導(dǎo)電溝道，形成在具有不同晶格常數(shù)的兩個(gè)III族-氮化物材料之間的界面處；電極，與所述溝道耦接以傳送溝道電流；以及鈍化層，位于所述電極和所述溝道之間并具有中斷區(qū)域，其中所述器件內(nèi)的電流流過(guò)所述鈍化層的所述中斷區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述III族-氮化物層分別包括GaN和AlGaN，所述電極形成在所述AlGaN層上。
3.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述鈍化層在最上層的III族-氮化物材料的表面上方延伸。
4.如權(quán)利要求1所述的器件，進(jìn)一步包括與所述導(dǎo)電溝道共同工作以允許或阻止電流在所述導(dǎo)電溝道內(nèi)流動(dòng)的柵接觸。
5.如權(quán)利要求4所述的器件，其中所述鈍化層的一部分位于所述柵接觸下方。
6.如權(quán)利要求1所述的器件，進(jìn)一步包括與所述導(dǎo)電溝道耦接的肖特基接觸。
7.如權(quán)利要求6所述的器件，其中所述鈍化層的一部分環(huán)繞所述肖特基接觸。
8.如權(quán)利要求1所述的器件，進(jìn)一步包括所述鈍化層內(nèi)的凹入部分；形成在所述凹入部分內(nèi)的絕緣層；以及形成在所述絕緣層上方的導(dǎo)電接觸，其中所述導(dǎo)電接觸可用于影響所述導(dǎo)電溝道，以允許或者防止電流流動(dòng)。
9.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述器件是FET，并且進(jìn)一步包括另外的電極，與所述溝道耦接以傳送溝道電流；以及鈍化層，位于所述另外的電極和所述溝道之間，并且具有中斷區(qū)域，其中所述器件內(nèi)的電流穿過(guò)位于所述另外的電極和所述溝道之間的所述鈍化層的所述中斷區(qū)域。
10.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述電極是歐姆接觸。
11.如權(quán)利要求9所述的器件，其中所述另外的電極是歐姆接觸。
12.如權(quán)利要求4所述的器件，其中所述器件是FET，并且進(jìn)一步包括另外的電極，與所述溝道耦接以傳送溝道電流；以及鈍化層，位于所述另外的電極和所述溝道之間，并且具有中斷區(qū)域，其中所述器件內(nèi)的電流穿過(guò)位于所述另外的電極和所述溝道之間的所述鈍化層的所述中斷區(qū)域。
13.一種選擇性地允許電流流動(dòng)的半導(dǎo)體器件，包括絕緣襯底；位于所述襯底上方的電阻性GaN層；位于所述GaN層上方的AlGaN層；位于所述AlGaN層上方的封裝物層；凹入部分，在所述封裝物層內(nèi)形成以在所述凹入部分內(nèi)暴露所述AlGaN層；利用高溫過(guò)程形成在所述凹入部分內(nèi)的歐姆接觸，其中所述封裝物層防止氮從所述GaN層或AlGaN層向外擴(kuò)散。
14.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體器件，其中所述封裝物包括含氮的化合物。
15.一種選擇性地允許電流流動(dòng)的半導(dǎo)體器件，包括襯底；位于所述襯底上方的第一III族-氮化物材料結(jié)構(gòu)；位于所述第一III族-氮化物結(jié)構(gòu)上方的絕緣層；開(kāi)口，形成在所述絕緣層中以暴露所述第一III族-氮化物結(jié)構(gòu)；位于所述絕緣層上方的第二III族-氮化物層；歐姆接觸，形成于所述開(kāi)口內(nèi)以允許電流在所述第一III族-氮化物結(jié)構(gòu)和所述歐姆接觸之間流動(dòng)。
16.如權(quán)利要求15所述的器件，其中所述第二III族-氮化物層是高摻雜的。
17.如權(quán)利要求15所述的器件，其中所述第二III族-氮化物層的一部分位于所述開(kāi)口內(nèi)，從而所述部分位于所述歐姆接觸和所述III族-氮化物結(jié)構(gòu)之間。
18.如權(quán)利要求17所述的器件，其中所述第二III族-氮化物層是高摻雜的。
19.如權(quán)利要求15所述的器件，其中所述第二III族-氮化物層的組成材料從以下材料中選擇AIN、HfN、非化學(xué)計(jì)量的高摻雜GaN、濺射淀積的高摻雜GaN、高摻雜的多晶GaN、AlGaN、TiN、InN以及導(dǎo)電金屬氮化物。
20.如權(quán)利要求15所述的器件，其中所述第二III族-氮化物層的厚度為50或者更大。
21.一種形成III族-氮化物半導(dǎo)體器件的方法，包括形成包含導(dǎo)電溝道的III族-氮化物結(jié)構(gòu)；在所述III族-氮化物結(jié)構(gòu)上方形成絕緣層；在所述絕緣層內(nèi)形成開(kāi)口以暴露所述III族-氮化物結(jié)構(gòu)；在所述絕緣層上方和所述開(kāi)口的底部形成富含氮的層；在所述富含氮的層上方淀積歐姆接觸；以及進(jìn)行低溫退火以激活所述歐姆材料。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括對(duì)所述歐姆材料進(jìn)行構(gòu)圖以在所述開(kāi)口內(nèi)形成歐姆接觸。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，進(jìn)一步包括對(duì)所述歐姆材料進(jìn)行構(gòu)圖以形成柵接觸。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述層是外延生長(zhǎng)的。
25.一種形成III族-氮化物半導(dǎo)體器件的方法，包括形成III族-氮化物結(jié)構(gòu)；形成位于所述III族-氮化物結(jié)構(gòu)上方的層；在所述層內(nèi)形成開(kāi)口以暴露所述III族-氮化物結(jié)構(gòu)；利用高溫工藝在所述開(kāi)口內(nèi)形成歐姆接觸，由此，所述層抑制了從所述III族-氮化物結(jié)構(gòu)向外的擴(kuò)散。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，進(jìn)一步包括在所述層內(nèi)形成另一個(gè)開(kāi)口以暴露所述III族-氮化物結(jié)構(gòu)；以及利用高溫工藝在所述另一個(gè)開(kāi)口內(nèi)形成肖特基接觸，由此，所述層防止在所述高溫工藝中對(duì)所述III族-氮化物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損壞。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述層是外延生長(zhǎng)的。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述III族-氮化物結(jié)構(gòu)的一部分是外延生長(zhǎng)的，并且所述層在所述生長(zhǎng)過(guò)程的一部分中形成。
全文摘要
III族－氮化物半導(dǎo)體器件的一種實(shí)施方案以及其制造方法，可以包括低電阻鈍化層，所述鈍化層使得能夠形成器件接觸，而不會(huì)在高溫處理過(guò)程中損壞III族－氮化物材料。該鈍化層也可以設(shè)置在接觸與器件的有源層之間，從而為電流傳導(dǎo)提供低電阻路徑。該鈍化過(guò)程可用于多種器件，包括FET、整流器、肖特基二極管等，以提交擊穿電壓和防止在接觸結(jié)附近出現(xiàn)電場(chǎng)聚集效應(yīng)。該鈍化層可以通過(guò)低溫退火激活，從而不會(huì)在外擴(kuò)散方面對(duì)III族－氮化物器件產(chǎn)生影響。
文檔編號(hào)H01L31/0328GK1890814SQ200480036192
公開(kāi)日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2004年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月5日
發(fā)明者羅伯特·彼遲 申請(qǐng)人:國(guó)際整流器公司