半導體器件和制造方法
【專利摘要】公開了一種半導體器件，包括：在襯底(10)上的至少一個有源層(14，16)；以及至所述至少一個有源層的第一觸點(24、26、28)，所述第一觸點包括與所述至少一個有源層接觸的金屬以及金屬上的氮化鈦鎢TiW(N)層(30)。還公開了一種制造這種半導體器件的方法。
【專利說明】半導體器件和制造方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種半導體器件，所述半導體器件包括襯底上的諸如GaN層之類的至 少一個有源層以及至所述至少一個有源層的第一觸點，所述第一觸點包括與所述至少一個 有源層接觸的金屬。
[0002] 本發(fā)明還涉及一種制造這種半導體器件的方法。

【背景技術】
[0003] 近些年來，諸如GaN之類的III-V族氮化物由于允許用于高溫和高功率電子設備 的材料而吸引了許多注意。未來的高效功率轉換器需要能夠處理高電壓的快切換、低傳導 損耗的器件。GaN對于高達lkV的電壓來說是良好的候選，在肖特基二極管和高電子遷移率 晶體管（HEMT)中表現出優(yōu)異的切換行為。由于GaN-on-Si外延的進步，目前半導體工業(yè)主 動將III-V族特定器件專業(yè)技術與低成本大體積的Si主流生產設施相結合。
[0004] 對于主流Si兼容性的關鍵考慮之一是對所使用的金屬的選擇，隨著技術的進步， 對GaN基半導體器件的再現性、一致性、熱穩(wěn)定性和高溫操作將會有更加苛刻的要求。
[0005] GaN/AlGaN異質結構上的大多數歐姆觸點依賴于Ti/Al基金屬化方案。通過形成 TiN，鈦在下層GaN中產生氮空位，TiN使電子能夠隧穿到AlGaN下方的二維電子氣（2DEG)。 包含鋁以便與Ti反應，從而防止Ti氧化。在A1上方，通常使用金作為體金屬，體金屬通常 被擴散層隔離。通常的金屬化結構包括Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au和Ti/Al/Pt/Au。
[0006] 然而金不僅昂貴而且與主流硅基半導體器件制造工藝不兼容。因此，為了能夠在 標準硅fab中處理GaN-on-Si襯底上的GaN/AlGaN HEMT，需要從工藝中去掉金并由主流硅 兼容金屬來代替。
[0007] 這種半導體器件還可以包括或備選地包括肖特基觸點，所述肖特基觸點可以包括 與半導體器件的至少一個有源層接觸的鎳層。這也不是沒問題的。例如，當在后段中使用 鋁作為選擇的金屬時，鋁可以擴散到鎳中，這對肖特基觸點的性質造成負面影響。
[0008] EP2416364A2公開了一種GaN基半導體器件，所述GaN基半導體器件具有肖特基 觸點，所述肖特基觸點包括第一金屬接觸層和布置在第一金屬接觸層上的第二肖特基金屬 接觸層。第二肖特基金屬接觸層具有比第一金屬接觸層低的功函數。第一金屬接觸層優(yōu)選 地包括鎳，第二肖特基金屬接觸層可以是從以下之中選擇的：Pd、TiW interlayer、Pt、Al、 Ti、Mo、Au或其組合。然而，已發(fā)現所推薦的第二肖特基金屬接觸層并不能令人滿意地解決 上述問題。


【發(fā)明內容】

[0009] 本發(fā)明意在提供一種半導體器件，包括：在襯底上的至少一個有源層（如，GaN 層）；以及至所述至少一個有源層的第一觸點，所述第一觸點包括與所述至少一個有源層 接觸的金屬，解決了前述問題中的至少一些。
[0010] 本發(fā)明意在提供一種制造這種半導體器件的方法。 toon] 根據第一方面，提供了一種半導體器件，包括：在襯底上的至少一個有源層；以及 至所述至少一個有源層的第一觸點，所述第一觸點包括與所述至少一個有源層接觸的金屬 以及金屬上的氮化鈦鎢（TiW(N))層。
[0012] 已發(fā)現，TiW(N)由于其熱性質和勢壘性質而可以改善這種半導體器件中歐姆觸點 和肖特基觸點兩者的特性。
[0013] 例如，對于作為歐姆觸點的第一觸點（在歐姆觸點中金屬包括Ti/Al夾層）， TiW(N)層防止在后續(xù)退火工藝中鋁層熔化，同時不影響Ti/Al歐姆觸點形成并且很好地粘 附到Ti/Al夾層結構而不擴散到該結構中。此外，TiW(N)層在退火之后表現出低表面粗糙 性，這便于向該層形成可靠的（外部）觸點。
[0014] 對于作為肖特基觸點的第一觸點（肖特基觸點包括鎳作為金屬），TiW(N)層起到 有效的阻擋層的作用，所述阻擋層防止鋁金屬化擴散到鎳中。此外，還發(fā)現TiW(N)層可以 防止鎳的分層，其中第一觸點由電絕緣材料（具體地，氮化硅（SiC)來劃界（delimited)。
[0015] 在實施例中，除了作為肖特基觸點的第一觸點之外，半導體器件還可以包括空間 上與第一觸點分離的另外（歐姆）觸點，所述另外觸點包括與所述至少一個有源層接觸的 Ti/Al夾層以及在Ti/Al夾層上的氮化鈦鎢（TiW(N))層。在該實施例中，將以上分別描述 的在肖特基觸點中包含TiW(N)層的優(yōu)點和在歐姆觸點中包含TiW(N)層的優(yōu)點結合到了單 一半導體器件中。
[0016] 在實施例中,第一觸點是柵極觸點，另外觸點是源極觸點和漏極觸點之一。源極觸 點和漏極觸點兩者可以是相應的另外觸點。
[0017] TiW(N)層包括子層的疊層，所述子層包括第一TiW子層、第二TiW子層以及夾在第 一 TiW子層與第二TiW子層之間的TiW(N)子層。該結構是通過向例如濺射沉積工具的反 應室中的反應物逐步引入氮并從反應物中去除氮而得到的，這確保了在反應室中沒有氮污 染后續(xù)的濺射目標，其中對于所述濺射目標而言不希望包含氮。
[0018] TiW(N)子層的厚度優(yōu)選地超過了第一 TiW子層與第二TiW子層的組合厚度，使得 子層疊層的性質由TiW(N)子層主導。
[0019] 盡管本發(fā)明可以應用于任何合適的半導體器件，然而本發(fā)明具體適合于應用在包 括氮化鎵（GaN)有源層的半導體器件中。AlGaN層可以使GaN層與半導體器件的一個或多 個觸點的金屬層分離。
[0020] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種制造半導體器件的方法，所述方法包括：提供 襯底；在所述襯底上形成至少一個有源層；以及通過以下操作在所述有源層上形成第一觸 點：在所述至少一個有源層上沉積金屬，在所述金屬上沉積TiW(N)層，以及將金屬圖案化 以形成第一觸點。可以例如使用濺射沉積來沉積TiW(N)層。
[0021] 如果金屬是鎳，則優(yōu)選地在沉積TiW(N)層之后執(zhí)行圖案化觸點，因為驚喜地發(fā)現 這有效地保護了鎳層免于在后續(xù)的工藝步驟中分層。
[0022] 在實施例中，襯底可以是硅襯底、SiC襯底或藍寶石襯底，所述至少一個有源層可 以包括GaN層和GaN層上的AlGaN層，其中形成第一觸點的步驟包括在AlGaN層上形成所 述第一觸點。
[0023] 在所述金屬上沉積TiW(N)層的步驟可以包括：在金屬上沉積第一 TiW子層；在第 一 TiW子層上沉積TiW (N)子層；以及在TiW (N)子層上沉積第二TiW子層。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 參考附圖，通過非限制性示例更詳細地描述了本發(fā)明的實施例，其中：
[0025] 圖1示意性地示出了根據本發(fā)明示例實施例的半導體器件；以及
[0026] 圖2是半導體器件的一方面的光學圖像。

【具體實施方式】
[0027] 應理解，附圖僅僅是示意性的，而不是按比例繪制的。還應連接，貫穿附圖相同的 參考數字用于表示相同或相似的部分。
[0028] 本發(fā)明基于以下認識：可以有利地在金屬觸點（具體地，Ti/Al和Ni觸點）頂部使 用氮化鈦鎢（TiW(N))，以在形成諸如二極管、晶體管等半導體器件時在后續(xù)的工藝步驟中 提高這些觸點的魯棒性。具體地，如以后將更詳細描述的，已發(fā)現，如果半導體器件的后續(xù) 制造步驟使金屬觸點暴露于高溫退火步驟，則在這樣的觸點上涂敷TiW(N)尤為有利。本發(fā) 明可以應用于任何半導體技術，但是在應用于氮化鎵（GaN)基半導體器件時尤為有利，GaN 基半導體器件的制造工藝中這種熱退火步驟是常見的。更具體地，本發(fā)明在應用于需要主 流Si-fab兼容性的氮化鎵（GaN)基半導體器件（例如，用于電力應用、射頻（RF)應用和半 導體應用的GaN半導體器件）時是尤為有利的。
[0029] 圖1示意性地示出了這種GaN基半導體器件（HEMT)的非限制性示例。半導體器件 包括襯底10,如，硅襯底，在襯底10上形成緩沖層12。緩沖層12可以例如包括GaN、AlGaN 或其組合。半導體器件包括有源層疊層，所述有源層疊層包括GaN層14和AlGaN層16。半 導體器件可以包括隔離區(qū)18以將晶片上的相鄰半導體器件電隔離。例如可以以任何合適 的方式形成隔離區(qū)18,例如，通過向有源層疊層中蝕刻臺面（mesa)，或者通過將諸如氬之 類的雜質注入有源層疊層中，以局部打亂晶體結構使得在該區(qū)域中不再形成二維電子氣。 應理解，根據技術，可以使用其他類型的隔離區(qū)18,例如，使用任何合適的電絕緣材料，如， 氧化娃、富娃氧化娃（silicon-rich oxide)、氮化娃等等。
[0030] 在有源層疊層上形成無源層20,所述無源層20已被圖案化以向有源層疊層提供 接觸區(qū)。無源層20可以是任何合適的電介質材料，如，氮化硅。在圖1中，僅以非限制性示 例的方式將半導體器件示為具有三個觸點，即，歐姆觸點24、26和肖特基觸點28。然而應理 解，半導體器件可以具有任意合適數目的觸點，半導體器件不必須包括歐姆觸點和肖特基 觸點兩者。而是，半導體器件可以僅具有歐姆觸點或者僅具有肖特基觸點。觸點24、26和 28與AlGaN層16導電接觸，并且通過諸如氮化硅或任何其他合適材料等電介質材料22彼 此電絕緣。在實施例中，觸點24、26和28與AlGaN層16物理接觸。在備選實施例中，通過 保護層（capping layer)使觸點24、26和28與AlGaN層16分離，以在使中間結構暴露于 干蝕刻或濕蝕刻化學時（例如，在形成用于觸點24、26和28的開口時），防止AlGaN層16 起反應。這種保護層應當足夠薄以至于允許防止觸點24、26和28與絕緣層16導電耦合。 在實施例中，保護層是厚度小于l〇nm(例如，2-3nm)的GaN層。優(yōu)選地，無源層20和電介質 材料22是相同的材料，如，氮化硅。
[0031] 第一歐姆觸點24限定了半導體器件的源極，第二歐姆觸點26可以限定半導體器 件的漏極，肖特基觸點28可以限定半導體器件的柵極。第一觸點24和第二觸點26分別均 典型地由金屬化疊層形成，所述金屬化疊層包括與AlGaN層16物理接觸的Ti層和與Ti層 物理接觸的A1層。在這些觸點的每一個中還可以存在其他層。為了在Ti層和AlGaN層16 之間獲得低歐姆觸點，典型地例如800°C左右的高溫退火步驟是必要的。然而，由于這些溫 度在鋁的熔點以上，所以在歐姆觸點上需要存在保護層以防止歐姆觸點中的A1層熔化。
[0032] 肖特基觸點30典型地包含鎳（Ni)作為與AlGaN層16物理接觸的金屬。Ni的使 用也不是直接的，尤其是在使用鋁來金屬化半導體器件時。為了避免模糊，術語金屬化用于 表示半導體器件頂部上尤其有利于將觸點24、28、28與其他電路元件相連或與外部相連的 金屬結構。制造半導體器件的金屬化的工藝通常稱作后端工藝。
[0033] 為了在Ni層和AlGaN層16之間獲得良好的肖特基觸點，例如400_600°C的高溫退 火步驟典型地是必要的。然而在這些溫度下，鋁金屬化自由擴散到鎳觸點中，使得有必要用 阻擋層來保護鎳不受鋁影響。
[0034] 將理解，希望提供提供單一的解決方案來解決與歐姆Ti/Al觸點24、26和肖特基 Ni觸點28相關聯(lián)的不同問題，因為這最小化了所需的附加工藝步驟的數目，從而提供了節(jié) 約成本的解決方案。根據本發(fā)明的一方面，通過在歐姆觸點24、26和肖特基觸點28上添加 TiW(N)層30,提供了這種單一解決方案。在實施例中，基于TiW(N)層30的總原子組成， TiW(N)層30的氮含量在1-30的原子百分比范圍內。在另一實施例中，基于TiW(N)層30 的總原子組成，TiW(N)層30的氮含量在2-20的原子百分比范圍內?；赥iW(N)層30的 總原子組成，TiW(N)層30的氮含量在5-15的原子百分比范圍內。
[0035] 已發(fā)現，對于歐姆觸點24、26, TiW(N)層30對Ti/Al歐姆觸點形成沒有負面影 響并且不擴散到所形成的Ti/Al金屬間化物（intermetallic)中。在前述退火步驟之后， TiW(N)層30還表現出對這種Ti/Al金屬間化物的優(yōu)異粘附性以及低表面粗糙性，從而促進 了 TiW(N)層30和金屬化（例如，鋁金屬化）之間的高質量接觸。此外，TiW(N)層30還允 許到鎳的優(yōu)異粘附性，并且經證實在前述退火步驟期間有效地防止了 A1擴散到鎳中。
[0036] 需要指出，除了 TiW(N)層30之外，圖1的半導體器件本身是已知的，因此可以以 本領域技術人員已知的任何合適方式來制造半導體器件。優(yōu)選地，在圖案化觸點24、26和 28之前將TiW(N)層30沉積到觸點金屬上。具體地，優(yōu)選地以單程的形式形成各個觸點24、 26和28的金屬疊層，以避免向空氣的任意外露，所述外露會導致氧化。進一步優(yōu)選地，如以 下將更詳細描述的，在鎳肖特基觸點28上沉積TiW(N)層30時，剛好在該圖案化步驟之前 沉積TiW(N)層30。
[0037] 可以以任何合適的方式來沉積TiW(N)層30。一種尤為合適的方式是通過濺射沉 積。在實施例中，將TiW(N)層30沉積為單層。在尤為有利的實施例中，將TiW(N)層30沉 積為子層的疊層，其中TiW(N)子層夾在下面的TiW子層和上面的TiW子層之間。如上所述， 這凈化了殘余氮濺射設備的反應室，使得后續(xù)的濺射目標不被殘余氮污染?？梢允褂脼R射 沉積或任何其他合適的沉積技術來沉積這些子層中的每一個。然而應理解，僅使用TiW(N) 層30 (即，沒有下面的TiW子層和上面的TiW子層）同樣可以解決本發(fā)明所解決的技術問 題。
[0038] 在實施例中，優(yōu)選地TiW (N)子層比每個TiW子層厚，優(yōu)選地比組合的TiW子層厚。 例如，在當前的4"娃晶片工藝中，TiW子層厚度為10nm，TiW(N)子層厚度為80nm，以確保疊 層30的體行為（bulk behavior)由TiW(N)子層的性質來主導。
[0039] 圖2是圓形肖特基勢壘二極管的光學顯微圖，示出了在與氮化硅的界面處Ni的分 層。利用箭頭指出了一個這種分層區(qū)域。不希望受理論上的束縛，相信Ni的分層主要是由 于氫擴散通過Ni而引起。在氮化硅金屬間電介質22的等離子體增強化學氣相沉積（PECVD) 期間存在大量的原子氫，這會導致在Ni的界面處重新組合成氮化硅。此外，已知PECVD氮 化硅包含鍵合（bound)到氮的大量氫。在后續(xù)的退火步驟中，H-N鍵斷裂，再次導致氫擴散 通過Ni肖特基觸點28。盡管前者的氫擴散過程可能更具主導性，但是相信原子氫和后續(xù) H2的形成這兩個因素都是造成分層的驅動力。
[0040] 如果在氮化硅氫源和Ni金屬層之間涂覆氫擴散阻擋物，則防止了 Ni從氮化硅的 分層。驚喜地發(fā)現，經證實，在圖案化肖特基柵極之前直接在肖特基觸點28的Ni上沉積的 TiW(N)阻擋層30非常有效地抑制了這種分層。
[0041] 應注意，前述實施例示出而非限制本發(fā)明，在不脫離所附權利要求的范圍的前提 下，本領域技術人員將能夠設計出許多備選的實施例。在權利要求中，圓括號之間的任何參 考標記都不應解釋為限制權利要求。詞語"包括"不排出權利要求中所列元件或步驟之外 其他元件或步驟的存在。元件前面的詞語"一種"不排出存在多個這樣的元件?？梢岳?包括若干不同元件的硬件來實現本發(fā)明。列舉了若干裝置的設備權利要求中，這些裝置中 的一些可以由同一個硬件來實現。在互不相同的從屬權利要求中產生特定的措施并不表示 不能有利地使用這些措施的組合。
【權利要求】
1. 一種半導體器件，包括： 在襯底（10)上的至少一個有源層（14,16);以及 至所述至少一個有源層的第一觸點（24、26、28)，所述第一觸點包括與所述至少一個有 源層接觸的金屬以及金屬上的氮化鈦鎢TiW(N)層（30)。
2. 根據權利要求1所述的半導體器件，其中，所述至少一個有源層包括GaN層（14)。
3. 根據權利要求2所述的半導體器件，其中，通過AlGaN層（16)使GaN層（14)與所述 至少一個觸點（24、26、28)分離。
4. 根據權利要求1-3中任一項權利要求所述的半導體器件，其中，金屬包括Ti/Al夾 層。
5. 根據權利要求1-3中任一項權利要求所述的半導體器件，其中，金屬是鎳。
6. 根據權利要求5所述的半導體器件，其中，第一觸點（24、26、28)由電絕緣材料（22) 橫向劃界。
7. 根據權利要求6所述的半導體器件，其中，電絕緣材料（22)是SiN。
8. 根據權利要求5-7中任一項權利要求所述的半導體器件，其中，半導體器件包括與 第一觸點（28)空間上分離的另外觸點（24、26)，所述另外觸點包括與所述至少一個有源層 (14、16)接觸的Ti/Al夾層以及在Ti/Al夾層上的氮化鈦鎢TiW(N)層（30)。
9. 根據權利要求8所述的半導體器件，其中，所述第一觸點（28)是肖特基觸點，所述另 外觸點（24、26)是歐姆觸點。
10. 根據權利要求8或9所述的半導體器件，其中，第一觸點（28)是柵極觸點，所述另 外觸點（24、26)是源極觸點和漏極觸點之一。
11. 根據權利要求1-10中任一項權利要求所述的半導體器件，其中，TiW(N)層（30)包 括子層的疊層，所述子層包括第一 TiW子層、第二TiW子層以及夾在第一 TiW子層與第二 TiW子層之間的TiW(N)子層，其中TiW(N)子層的厚度優(yōu)選地超過了第一 TiW子層與第二 TiW子層的組合厚度。
12. -種制造半導體器件的方法，所述方法包括： 提供襯底（10); 在所述襯底上形成至少一個有源層（14、16);以及 通過以下操作在所述至少一個有源層上形成第一觸點（24、26、28): 在所述至少一個有源層上沉積金屬； 在所述金屬上沉積TiW (N)層（30);和 將金屬圖案化以形成第一觸點。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中，金屬是鎳，并且圖案化步驟是在沉積TiW(N)層 (30)之后執(zhí)行的。
14. 根據權利要求12或13所述的方法，其中，襯底（10)是硅襯底、SiC襯底和藍寶石 襯底之一，所述至少一個有源層包括GaN層（14)和GaN層上的AlGaN層（16)，其中形成第 一觸點（24、26、28)的步驟包括在AlGaN層上形成所述第一觸點。
15. 根據權利要求12-14中任一項權利要求所述的方法，其中，在所述金屬上沉積 TiW (N)層（30)的步驟包括： 在金屬上沉積第一 TiW子層； 在第一 TiW子層上沉積TiW (N)子層；以及 在TiW(N)子層上沉積第二TiW子層。
【文檔編號】H01L21/28GK104103684SQ201410147952
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權日:2013年4月15日
【發(fā)明者】約翰尼斯·唐克斯, 漢斯·布魯克曼, 斯蒂芬·海爾, 馬克·德克瑟, 西西勒·范德切爾 申請人:Nxp股份有限公司