專(zhuān)利名稱：半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高壓晶體管異質(zhì)結(jié)構(gòu)，更具體來(lái)講，涉及高壓氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)。
背景技術(shù)：
氮化鎵(GaN)提供重要的機(jī)會(huì)來(lái)增強(qiáng)諸如高電子遷移率晶體管(HEMT)的電子器件的性能。HEMT表現(xiàn)得更像傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，并且HEMT器件的制造是基于FET結(jié)構(gòu)的。然而，HEMT需要兩個(gè)化合物半導(dǎo)體層之間非常精確的晶格匹配異質(zhì)結(jié)。通常，GaNHEMT具有沉積在襯底上的肖特基(Schottky)層和GaN緩沖層，以及沉積在肖特基層上的源極接觸、柵極接觸和漏極接觸。通過(guò)在具有大帶隙的AlGaN層和具有較窄帶隙的GaN層之間的異質(zhì)結(jié)界面上形成量子阱，GaN基HEMT器件能夠?qū)㈦娮舆w移率最大化。結(jié)果，電子被捕獲在量子阱中。通過(guò)在未被摻雜的GaN層中的二維電子氣來(lái)表現(xiàn)所捕獲的電子。通過(guò)向柵電極施加電壓來(lái)控制電流量，所述柵電極與半導(dǎo)體肖特基接觸，以使得電子沿著源電極和漏電極之間的溝道流動(dòng)。隨著HEMT的市場(chǎng)持續(xù)擴(kuò)大，仍然期望進(jìn)行一些改進(jìn)，以增強(qiáng)諸如擊穿電壓Vbr和漏電流I的各種操作特性。例如，因?yàn)樾ぬ鼗鶎油ǔＪ墙饘俚牟⑶以贖EMT制造過(guò)程中和/或HEMT的操作過(guò)程中會(huì)暴露于空氣中，所以仍然需要充分地解決引起的該個(gè)問(wèn)題。由于肖特基層暴露于空氣中，因此會(huì)在肖特基層的表面上發(fā)生諸如氧化的表面反應(yīng)。這些表面反應(yīng)會(huì)劣化HEMT的性能，并且還會(huì)降低鈍化處理的效率。鈍化處理是指將電介質(zhì)材料沉積在HEMT表面上，以鈍化或填充HEMT表面上的表面陷阱，由此避免由于這些表面陷阱而導(dǎo)致的器件劣化，諸如RF至DC頻散。因此，除了別的因素以外，仍然需要高電壓GaN HEMT結(jié)構(gòu)具有能夠防止在GaNHEMT操作和制造過(guò)程中的表面反應(yīng)的可再生終止層。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體器件包括:襯底；第一有源層，所述第一有源層設(shè)置在所述襯底的上方；以及第二有源層，所述第二有源層設(shè)置在所述第一有源層上。所述第二有源層具有比所述第一有源層高的帶隙，使得在所述第一有源層和所述第二有源層之間產(chǎn)生二維電子氣層。在所述第二有源層上設(shè)置的終止層包括InGaN。在所述終止層上設(shè)置源極接觸、柵極接觸和漏極接觸。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，所述第一有源層包含III族氮化物半導(dǎo)體材料。所述第一有源層包含GaN。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述第二有源層包含III族氮化物半導(dǎo)體材料。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述第二有源層包含AlxGai_xN，其中0〈X〈1。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述第二有源層選自由AlGaN、AlInN和AlInGaN組成的組。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，在所述襯底和所述第一有源層之間設(shè)置成核層。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一種半導(dǎo)體器件包括:襯底；第一有源層，所述第一有源層設(shè)置在所述襯底的上方；第二有源層，所述第二有源層設(shè)置在所述第一有源層上。所述第二有源層具有比所述第一有源層高的帶隙，使得在所述第一有源層和所述第二有源層之間產(chǎn)生二維電子氣層。在所述第二有源層的上方設(shè)置終止層。所述終止層選自由摻雜Fe的GaN、摻雜Si的GaN、FeN和SiN組成的組。在所述終止層上設(shè)置源極接觸、柵極接觸和漏極接觸。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一種半導(dǎo)體器件包括:襯底；第一有源層，所述第一有源層設(shè)置在所述襯底的上方；以及第二有源層，所述第二有源層設(shè)置在所述第一有源層上。所述第二有源層具有比所述第一有源層高的帶隙，使得在所述第一有源層和所述第二有源層之間產(chǎn)生二維電子氣層。所述第二有源層包括形成在其內(nèi)`的第一凹進(jìn)部和第二凹進(jìn)部。在所述第一凹進(jìn)部和所述第二凹進(jìn)部中分別設(shè)置源和漏極接觸。在所述第二有源層的上方設(shè)置柵電極。


圖1示出了高電子遷移率晶體管(HEMT)中結(jié)合的氮化鎵(GaN)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例。圖2和圖3示出了高電子遷移率晶體管(HEMT)中結(jié)合的氮化鎵(GaN)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的可供選擇的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式值得注意的是，對(duì)于“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”的任何引用意味著結(jié)合實(shí)施例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施例中。在說(shuō)明書(shū)中的各個(gè)地方中產(chǎn)生的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”不是必需指的都是相同的實(shí)施例。另外，可以以多種方式組合各種實(shí)施例，從而形成在本文中沒(méi)有明確示出的額外的實(shí)施例。如圖1中所示，本發(fā)明涉及高電子遷移率晶體管(HEMT) 10中結(jié)合的高壓氮化鎵(GaN)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。HEMTlO包括襯底12、成核(過(guò)渡)層18、GaN緩沖層22、氮化鋁鎵(AlxGa1^xN; 0<χ<1)肖特基層24和覆蓋層或終止層16。另外，HEMTlO包括源極接觸27、柵極接觸28和漏極接觸30。
通常使用外延生長(zhǎng)工藝來(lái)制造GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)10。例如，可以使用反應(yīng)濺射工藝，在該工藝中，在毗鄰襯底設(shè)置的金屬靶和襯底都處于包括氮和一個(gè)或多個(gè)摻雜物的氣氛中時(shí)，從金屬靶溢出諸如鎵、鋁和/或銦的半導(dǎo)體金屬組分?？晒┻x擇的，可以采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(M0CVD)，其中，在將襯底保持在升高的溫度，通常在700°C至1100°C左右下的同時(shí)，將襯底暴露于包含金屬的有機(jī)化合物的氣氛，以及諸如氨的反應(yīng)含氮?dú)怏w和含摻雜物氣體中。氣體化合物分解并且在襯底302的表面上形成晶體材料膜形式的摻雜的半導(dǎo)體。然后將襯底和生長(zhǎng)的膜冷卻。作為另外可供選擇的，可以使用諸如分子束外延(MBE)或原子層外延的其它外延生長(zhǎng)方法?？梢圆捎玫牧硗饧夹g(shù)包括，但不限于流量調(diào)制有機(jī)金屬氣相外延(FM-0MVPE)、有機(jī)金屬氣相外延(0MVPE)、氫化物外延(HVPE)和物理氣相沉積(PVD)0為了開(kāi)始生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，在襯底12上沉積成核層18。襯底12可以由各種材料形成，所述各種材料包括但不限于藍(lán)寶石或碳化硅(Sic)。成核層18可以是，例如，諸如AlxGahN的富鋁層，其中，X在O至I的范圍內(nèi)。成核層18操作用于校正GaN緩沖層22和襯底12之間的晶格不匹配。通常，當(dāng)一層中的原子的間隔與相鄰層中原子之間的間距不匹配時(shí)，產(chǎn)生晶格不匹配。由于晶格不匹配，導(dǎo)致相鄰層中的原子之間的結(jié)合弱，并且相鄰層會(huì)斷裂、分離或者具有大量的晶體缺陷。因此，通過(guò)在襯底12的晶體結(jié)構(gòu)和GaN緩沖層22的晶體結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生界面，成核層18操作用于校正GaN緩沖層22和襯底12之間的晶格不匹配。在沉積了成核層18之后，在成核層18上沉積GaN緩沖層22，并且在GaN緩沖層22上沉積AlxGahN肖特基層24。二維導(dǎo)電溝道26是薄的高遷移率溝道，其將載流子限制在GaN緩沖層22和AlxGa1J肖特基層24之間的界面區(qū)域。在AlxGa1J肖特基層24上沉積覆蓋層或終止層16，所述覆蓋層或終止層16用于在HEMTlO的制造和操作過(guò)程中保護(hù)AlxGa1J肖特基層24以免其發(fā)生諸如氧化的表面反應(yīng)。因?yàn)樾ぬ鼗鶎?4包含鋁，所以如果AlxGahN肖特基層24暴露于空氣中并且沒(méi)有以其它方式受保護(hù)，則會(huì)發(fā)生氧化。在襯底12上生長(zhǎng)了外延層18、22和24以及終止層16之后，通過(guò)分別在終止層16上沉積源極接觸27、柵極接觸28和漏極接觸30來(lái)完成HEMT10。接觸件27、28和30中的每個(gè)是金屬接觸件。優(yōu)選地，柵極接觸28是諸如，但不限于鎳、金的金屬材料，并且源極接觸27和漏極接觸30都是諸如但不限于鈦、金或鋁的金屬材料。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，終止層16是形成在AlxGahN肖特基層24上的InGaN層。InGaN層16用于兩個(gè)目的，第一個(gè)目的是用于提供不包含Al的上層，以減少氧化。此夕卜，因?yàn)橹T如InGaAlN的含鋁化合物通常需要較高的生長(zhǎng)溫度來(lái)提供足夠的均勻度和光滑度，所以通過(guò)使用InGaN材料來(lái)替代包含鋁的材料，可以簡(jiǎn)化生長(zhǎng)工藝。另外，InGaN層24略微降低了表面的勢(shì)魚(yú)，這樣可以減少表面電荷的增多并且降低了結(jié)構(gòu)表面上的漏電流。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，終止層16是包含Al金屬的快閃層(flash layer)。利用材料的極短猝發(fā)來(lái)形成該快閃層。這樣將在結(jié)構(gòu)表面上方形成非常薄(例如，材料的1-2個(gè)單分子層)但是平的覆蓋。該快閃層通常是原位執(zhí)行的。為了確保形成的是金屬Al而不是A1N，不存在當(dāng)形成AlN時(shí)將會(huì)存在的反應(yīng)含氮?dú)怏w(例如，氨)。可以在高溫或低溫下形成Al快閃層。在其形成之后，隨后可以對(duì)Al進(jìn)行退火，以形成薄的氧化物層。由于Al快閃層非常薄，因此它可以被完全氧化，由此在材料上產(chǎn)生初始的“自然”氧化物，該氧化物隨后保護(hù)肖特基層24，使其不經(jīng)受處理過(guò)程中通?？吹降娜魏晤?lèi)型的劣化。這可以用作另外的勢(shì)壘材料，用于降低漏電流并且增大擊穿電壓，這兩者對(duì)于HEMT性能都是重要的?？扉W層可以包含其它金屬，例如鎵或者甚至銦，以替代鋁。還可以將Ga或In快閃層氧化來(lái)在結(jié)構(gòu)上形成均勻的“自然”氧化物。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，覆蓋層或終止層16可以由其它材料形成，諸如高度摻雜Fe的GaN、摻雜Si的GaN、FeN或SiN?？梢允峭庋?、非外延或者甚至無(wú)定形的這些層可以用作初始鈍化層或者用作額外的勢(shì)壘材料，用于降低漏電流并且增大擊穿電壓。例如，向GaN添加Fe導(dǎo)致了可以降低漏電流的材料，這是因?yàn)樵摬牧细^緣并且降低了電子遷移率。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，可以在AlxGa1J肖特基層24上形成薄AlN層。該層提供了額外的肖特基勢(shì)壘層，以有助于更有效地調(diào)節(jié)電荷，由此降低了漏電流并且增大了器件的擊穿電壓。AlN層還可以用作結(jié)構(gòu)的初始鈍化層，這是由于AlN可以容易地被濕法蝕亥IJ，以沉積歐姆接觸件?？晒┻x擇的，可以氧化AlN層以形成鈍化層。在一些實(shí)施例中，終止層16的厚度大致為I至5納米。因此，電子可以容易地隧穿終止層16。結(jié)果，終止層16沒(méi)有增加?xùn)艠O接觸28和AlxGahN肖特基層24之間的肖特基勢(shì)壘高度，其中，肖特基勢(shì)壘高度限定了柵極接觸28和AlxGahN肖特基層24的界面上的由電子遭遇的電勢(shì)能量勢(shì)壘。另外，終止層16沒(méi)有影響源極接觸27和漏極接觸30的形成。圖2示出了本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例，在該實(shí)施例中，歐姆接觸件27和28位于AlxGahN肖特基層24中形成的凹進(jìn)部中。通過(guò)根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)蝕刻AlxGapxN肖特基層24來(lái)形成凹進(jìn)部。凹進(jìn)部可以部分或完全地延伸穿過(guò)AlxGahN肖特基層24。例如，在一些情況下，凹進(jìn)部可以延伸到約5nm至15nm深的深度，由此使得AlxGa1J肖特基層24能夠保持足夠的厚度來(lái)產(chǎn)生溝道層26。通過(guò)以此方式使接觸件凹進(jìn)，降低了表面的接觸電阻和光滑度，從而增大了被沉積用于形成歐姆接觸件的金屬的滲透性。表面粗糙的增加導(dǎo)致金屬更好地遷移到半導(dǎo)體中。對(duì)于需要低導(dǎo)通電阻的器件來(lái)說(shuō)，該布置在實(shí)現(xiàn)最低可能的導(dǎo)通電阻方面會(huì)效果顯著。雖然沒(méi)有示出，但是本發(fā)明的該實(shí)施例還可以采用諸如上述的覆蓋層或終止層。在這種情況下，設(shè)置有接觸件27和28的凹進(jìn)部也將延伸穿過(guò)終止層。圖3示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，在該實(shí)施例中，勢(shì)壘層24由代替AlxGa1J的AlInGaN 形成。例如，如在 GAAS99 中由 M.Asif Khan 等人所著的 “Strain Energy BandEngineering in AlGaInN/GaNHeterostructure Field Effect Transistors，，中所討論的，采用了 AlxInyGa(結(jié)，其勢(shì)魚(yú)厚度小于50nm且合金組分在x等于0.1至0.2而y等于
0.00至0.02的范圍內(nèi)變化。另外，Khan等人陳述的是，基于晶格常數(shù)的線性插值，為5的Al/In比率應(yīng)該幾乎與GaN晶格匹配。通過(guò)使用AlInGaN,可以與帶隙無(wú)關(guān)地控制張力，由此使得材料的帶隙能夠關(guān)于臨界厚度更自由地變化。對(duì)于功率器件，在沒(méi)有過(guò)度對(duì)材料施加應(yīng)力和縮短器件壽命的情況下，在溝道中得到最多的電荷是至關(guān)重要的，其中，當(dāng)隨著時(shí)間過(guò)去材料馳豫時(shí)會(huì)產(chǎn)生所述器件壽命的縮短。雖然本文具體示出和描述了各種實(shí)施例，但是應(yīng)該理解的是，在不脫離本發(fā)明的精神和意圖范圍的情況下，本發(fā)明的修改形式和變形形式可以被以上教導(dǎo)覆蓋并且在所附權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)。例如，雖然已經(jīng)將耗散模式FET描述為GaN基器件，但是本發(fā)明更通常地包括由任何III族氮化物化合物半導(dǎo)體形成的耗散模式FET，在該半導(dǎo)體中，III族元素可以是鎵(Ga)、鋁(Al)、硼(B)或銦(In)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括: 襯底； 設(shè)置在所述襯底的上方的第一有源層； 設(shè)置在所述第一有源層上的第二有源層，所述第二有源層具有比所述第一有源層高的帶隙以使得在所述第一有源層和所述第二有源層之間產(chǎn)生二維電子氣層，其中所述第二有源層包括形成在其內(nèi)的第一凹進(jìn)部和第二凹進(jìn)部； 分別設(shè)置在所述第一凹進(jìn)部和所述第二凹進(jìn)部中的源極接觸和漏極接觸，其中所述第一凹進(jìn)部和所述第二凹進(jìn)部具有各自的側(cè)表面和底表面，并且所述源極接觸和所述漏極接觸被設(shè)置在所述第一凹進(jìn)部和所述第二凹進(jìn)部中，接觸所述第二有源層中的相應(yīng)凹進(jìn)部的側(cè)表面和底表面，其中，以此方式使接觸件凹進(jìn)降低了所述第二有源層的表面的接觸電阻和光滑度，從而增大了被沉積用于形成所述源極接觸和所述漏極接觸的金屬對(duì)所述第二有源層的滲透性； 設(shè)置在所述第二有源層的上方的柵電極；以及 設(shè)置在所述第二有源層的上方的終止層，并且其中，所述源極接觸和所述漏極接觸延伸穿過(guò)所述終止層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述終止層包含InGaN。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述終止層選自由下列各項(xiàng)組成的組:氧化鋁、氧化鎵、氧化銦，以及摻雜Fe的GaN、摻雜Si的GaN、FeN和SiN。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第一有源層包含III族氮化物半導(dǎo)體材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第一有源層包含GaN。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第二有源層包含III族氮化物半導(dǎo)體材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第二有源層包含AlxGai_xN，其中0〈X〈1。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第二有源層選自由AlGaN、AlInN和AlInGaN組成的組。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，還包括設(shè)置在所述襯底和所述第一有源層之間的成核層。
全文摘要
提供了一種半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體器件包括襯底；設(shè)置在所述襯底的上方的第一有源層；設(shè)置在所述第一有源層上的第二有源層，所述第二有源層具有比所述第一有源層高的帶隙以使得在所述第一有源層和所述第二有源層之間產(chǎn)生二維電子氣層，其中所述第二有源層包括形成在其內(nèi)的第一凹進(jìn)部和第二凹進(jìn)部；分別設(shè)置在所述第一凹進(jìn)部和所述第二凹進(jìn)部中的源極接觸和漏極接觸；設(shè)置在所述第二有源層的上方的柵電極；以及設(shè)置在所述第二有源層的上方的終止層。
文檔編號(hào)H01L29/778GK103094336SQ20131000431
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2008年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月20日
發(fā)明者邁克爾·墨菲, 米蘭·波普赫里斯蒂奇 申請(qǐng)人:電力集成公司