具有低歐姆接觸電阻的氮化鎵器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了具有臺面結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),所述臺面結(jié)構(gòu)包括:下層半導(dǎo)體層;上層半導(dǎo)體層,其具有與所述下層半導(dǎo)體層不同的帶隙并且與所述下層半導(dǎo)體層直接接觸,以在所述上層半導(dǎo)體層之間形成二維電子氣區(qū)。所述二維電子氣區(qū)具有終止于所述臺面的側(cè)壁處的外邊緣。附加電子施主層具有比下層的帶隙高的帶隙,其設(shè)置在所述臺面結(jié)構(gòu)的側(cè)壁部分上并且設(shè)置在所述2DEG區(qū)的終止于所述臺面的側(cè)壁處的區(qū)上。歐姆接觸材料設(shè)置在電子施主層上。側(cè)向HEMT由電子施主層、2DEG區(qū)和歐姆接觸材料形成,其增大了沿著所述下層半導(dǎo)體層與所述電子施主層之間的接觸部的電子濃度(即,降低了歐姆接觸電阻)。
【專利說明】具有低歐姆接觸電阻的氮化鎵器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及氮化物(GaN)半導(dǎo)體器件,并且更具體地涉及具有低歐姆接觸電阻的氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體器件。
【背景技術(shù)】
[0002]如本領(lǐng)域所知的,與現(xiàn)有器件相比,第二代GaN HEMT器件(30_300GHz)必須具有溝道中的更高的表層電荷(sheet charge)、更薄并且具有更高Al摩爾分?jǐn)?shù)的AlGaN、InAlN或InGaAlN肖特基接觸層厚度、以及更低的寄生歐姆接觸電阻(< 0.2ohm mm)。
[0003]用于形成第一代器件的歐姆接觸的一種方法包括在850-900°C下利用快速熱退火形成Ti/Al/勢皇/Au,這通常會產(chǎn)生具有高歐姆接觸電阻(> 0.2ohm mm)和由于<=2um的源極/漏極接觸部間隔而造成的較低產(chǎn)量的器件。
[0004]用于產(chǎn)生具有較低歐姆接觸電阻的器件的一種建議的方法在圖1A-1C中示出。此處,例如碳化硅(SiC)或硅Si的襯底,具有外延形成在襯底上的氮化鎵(GaN)層。具有比GaN大的帶隙的半導(dǎo)體層(即,肖特基接觸層)(例如,AlGaN, InAlN或InGaAlN層)形成在GaN層上,產(chǎn)生了在GaN層與較大帶隙肖特基接觸層之間的界面處產(chǎn)生的二維電子氣(2DEG)層。接著,在肖特基接觸層上形成掩膜并且利用任何適合的干法蝕刻在如圖所示的源極和漏極接觸區(qū)中蝕刻肖特基和GaN的暴露的部分。所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)是如圖1B中所示的臺面形狀的結(jié)構(gòu)。如圖1C中所示,η+摻雜的GaN歐姆接觸層沉積在蝕刻結(jié)構(gòu)之上。注意,二維電子氣(2DEG)層的端部(即,邊緣)現(xiàn)在直接接觸η+摻雜的GaN的歐姆接觸層。這個方法遭受兩個問題:第一,二維電子氣(2DEG)邊緣上的蝕刻和暴露會使所暴露的蝕刻表面附近的載流子濃度和電子迀移率折中。第二,源極處的電子注入和漏極處的電子收集僅通過二維電子氣與η+摻雜的GaN歐姆接觸層之間的薄(?50埃)接觸部。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]根據(jù)本公開內(nèi)容,提供了半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),其具有:襯底;以及設(shè)置在襯底上的臺面結(jié)構(gòu),臺面結(jié)構(gòu)包括下層半導(dǎo)體層和上層半導(dǎo)體層,上層半導(dǎo)體層具有與下層半導(dǎo)體層不同的帶隙并且與下層半導(dǎo)體層直接接觸,以在上層半導(dǎo)體層之間形成二維電子氣區(qū),二維電子氣區(qū)具有終止于臺面?zhèn)缺谔幍耐膺吘?;設(shè)置在臺面結(jié)構(gòu)的側(cè)壁部分上并且設(shè)置在二維電子氣區(qū)的終止于臺面?zhèn)缺谔幍膮^(qū)上的電子施主層;以及設(shè)置在電子施主層上的歐姆接觸材料。
[0006]在一個實(shí)施例中,提供了半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),其具有:襯底;以及設(shè)置在襯底上的臺面結(jié)構(gòu),臺面結(jié)構(gòu)包括下層半導(dǎo)體層和上層半導(dǎo)體層,上層半導(dǎo)體層具有比下層半導(dǎo)體層高的帶隙并且與下層半導(dǎo)體層直接接觸,以在上層半導(dǎo)體層之間形成二維電子氣區(qū),二維電子氣區(qū)具有終止于臺面?zhèn)缺谔幍耐膺吘墸痪哂斜认聦影雽?dǎo)體層高的帶隙的附加半導(dǎo)體層,所述附加半導(dǎo)體層設(shè)置在臺面結(jié)構(gòu)的側(cè)壁部分上,設(shè)置在二維電子氣區(qū)的終止于臺面?zhèn)缺谔幍膮^(qū)上,并設(shè)置在下層半導(dǎo)體層上,并且與下層半導(dǎo)體層直接接觸,以在附加層與下層半導(dǎo)體層之間形成二維電子氣區(qū);以及設(shè)置在電子施主層上的歐姆接觸材料。
[0007]在一個實(shí)施例中,提供了半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),其具有:襯底;以及設(shè)置在襯底上的臺面結(jié)構(gòu),臺面結(jié)構(gòu)包括下層半導(dǎo)體層和上層半導(dǎo)體層,上層半導(dǎo)體層具有與下層半導(dǎo)體層不同的帶隙并且與下層半導(dǎo)體層直接接觸;電子施主層,其設(shè)置在臺面結(jié)構(gòu)的側(cè)壁部分上并且設(shè)置在二維電子氣區(qū)的終止于臺面?zhèn)缺谔幍膮^(qū)上;以及設(shè)置在電子施主層上的歐姆接觸材料。
[0008]在一個實(shí)施例中,提供了半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),其具有:襯底;以及設(shè)置在襯底上的臺面結(jié)構(gòu),臺面結(jié)構(gòu)包括下層半導(dǎo)體層和上層半導(dǎo)體層,上層半導(dǎo)體層具有比下層半導(dǎo)體層高的帶隙并且與下層半導(dǎo)體層直接接觸,以在上層半導(dǎo)體層與下層半導(dǎo)體層之間形成二維電子氣區(qū),二維電子氣區(qū)具有終止于臺面?zhèn)缺谔幍耐膺吘墸灰约?,電子施主層,其設(shè)置在臺面結(jié)構(gòu)的側(cè)壁部分上并且設(shè)置在二維電子氣區(qū)的終止于臺面?zhèn)缺谔幍膮^(qū)上;以及設(shè)置在電子施主層上的歐姆接觸材料。
[0009]利用這種配置,電子施主層設(shè)置在二維電子氣區(qū)的外邊緣之間并且與二維電子氣區(qū)的外邊緣直接接觸,并且歐姆接觸材料實(shí)際上形成了可以被稱為高電子迀移率晶體管(HEMT)的器件。用于來自源極歐姆接觸材料的電子注入和進(jìn)入并且然后通過二維電子氣區(qū)的這些注入的電子的收集的區(qū)的寬度現(xiàn)在由于電子施主層與二維電子氣層之間較低的接觸電阻而顯著增大。實(shí)際上,這種側(cè)向HEMT的形成增大了所有沿著下層半導(dǎo)體層與電子施主層之間的接觸部的電子濃度,從而產(chǎn)生了較低的歐姆接觸電阻。
[0010]在一個實(shí)施例中,歐姆接觸材料終止于臺面結(jié)構(gòu)的頂部部分。
[0011]在一個實(shí)施例中,下層半導(dǎo)體層是GaN。
[0012]在一個實(shí)施例中,上層半導(dǎo)體層包括A1N。
[0013]在一個實(shí)施例中,電子施主層是η型摻雜的AlGaN。
[0014]在一個實(shí)施例中,歐姆接觸材料是η型摻雜的GaN。
[0015]在一個實(shí)施例中,柵極電極與上層半導(dǎo)體層肖特基接觸。
[0016]在一個實(shí)施例中,歐姆接觸是與歐姆接觸材料接觸。
[0017]本發(fā)明的一個或多個實(shí)施例的細(xì)節(jié)在下面的附圖和描述中闡述。根據(jù)描述和附圖以及權(quán)利要求,本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1A-1C是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造中的各種階段處的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造的概略示意圖;以及
[0019]圖2A-2C是示出根據(jù)本公開內(nèi)容的在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造中的各種階段處的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造的概略示意圖。
[0020]在各圖中,相似的附圖標(biāo)記指示相似的元件。
【具體實(shí)施方式】
[0021]現(xiàn)在參考圖2A,示出了半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)10,其具有:襯底12,此處例如是碳化硅(SiC)或硅(Si)的半導(dǎo)體襯底。通過任何傳統(tǒng)方式在襯底12上形成氮化鎵(GaN)的下層14。如圖所示,在氮化鎵(GaN)的下層上形成氮化鋁鎵(AlGaN)、或氮化銦鋁(InAlN)或銦鎵鋁氮化物(InGaAlN)的上層16。由于上層具有比下層大的帶隙,因此在上層14與下層16之間形成了二維電子氣(2DEG)區(qū)18。
[0022]接著,掩蔽圖2B中所示的結(jié)構(gòu)10并且進(jìn)行干法蝕刻以形成圖2B中所示的臺面結(jié)構(gòu)20。此處,將圖2A中所示的結(jié)構(gòu)10蝕刻至300埃-1000埃(優(yōu)選為600埃)的深度。
[0023]接著,如圖2C中所示,利用例如分子束外延(MBE)將具有5-30% (優(yōu)選為15-20%)的Al濃度的AlGaN的附加電子施主N+層22生長30-200埃(優(yōu)選為50-100埃)的厚度。此處,AlGaN的附加電子施主N+層22具有1018-5x 119電子/cm3的摻雜濃度。具有比GaN下層14的帶隙大的帶隙的該AlGaN附加電子施主N+層22在臺面結(jié)構(gòu)20的側(cè)壁上創(chuàng)建了二維電子氣(2DEG)區(qū)24GaN。首先要注意的是,AlGaN附加電子施主N+層22在下層半導(dǎo)體層14之間形成了二維電子氣區(qū)24,二維電子氣區(qū)16具有終止于臺面20的側(cè)壁處的外邊緣,并且附加電子施主層22設(shè)置在臺面結(jié)構(gòu)20的側(cè)壁部分上并且設(shè)置在二維電子氣區(qū)22的終止于臺面20的側(cè)壁處的區(qū)上。實(shí)際上,HEMT結(jié)構(gòu)可以被看作由所有沿著與下層GaN層14接觸的側(cè)壁的摻雜(類似于GaAs pHEMTs)和自發(fā)極化的組合形成的。這之后是將附加GaN N+歐姆接觸層30生長到200-1000埃(優(yōu)選為600埃)的厚度。
[0024]要注意的是:
[0025]1.AlGaN的附加電子施主N+層22具有比GaN層14大的帶隙;
[0026]2.實(shí)際上,在AlGaN的附加電子施主N+層22的較大帶隙材料與GaN層14之間的界面處形成HEMT并且因此電子停留在界面處的GaN層14內(nèi)部;以及
[0027]3.AlGaN的附加電子施主N+層22具有比GaN層22高的帶隙并且還具有N+摻雜。
[0028]在蝕刻區(qū)形成此處為N+GaN的源極和漏極接觸區(qū)30、31,如圖2C中所示,并且源極和漏極接觸區(qū)30、31終止于上層16的上表面。接著,利用任何常規(guī)工藝,利用源極和漏極接觸區(qū)30形成源極和漏極歐姆接觸部32、34,并且在肖特基接觸部內(nèi)利用上層半導(dǎo)體層16的表面形成柵極接觸部36。
[0029]用于來自源極接觸區(qū)30的電子注入和它們在漏極接觸區(qū)31處的收集的區(qū)的寬度現(xiàn)在顯著增大,產(chǎn)生了 AlGaN的N+層22的重新生長的附加層與由此形成的二維電子氣區(qū)24之間的較低的接觸電阻。因此,在圖2C中所示的結(jié)構(gòu)中,在源極和漏極接觸區(qū)30、31之間存在通過臺面的側(cè)向上的二維電子氣區(qū)24的直接接觸,即,通過蝕刻和重新生長AlGaN的附加N+層22的結(jié)果。因此,實(shí)際上,在生長GaN N+區(qū)30、31之前,通過首先生長N+AlGaN層來在蝕刻的源極/漏極GaN區(qū)30、31的側(cè)壁上形成GaNHEMT。該側(cè)向GaN HEMT的形成增大了所有沿著GaN層16與AlGaN層18之間的接觸部的電子濃度并且產(chǎn)生了較低的接觸電阻。
[0030]現(xiàn)在應(yīng)該理解,根據(jù)本公開內(nèi)容的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括:襯底;設(shè)置在襯底上的臺面結(jié)構(gòu),臺面結(jié)構(gòu)包括:下層半導(dǎo)體層;上層半導(dǎo)體層,其具有與下層半導(dǎo)體層不同的帶隙并且與下層半導(dǎo)體層直接接觸,以在上層半導(dǎo)體層之間形成二維電子氣區(qū),二維電子氣區(qū)具有終止于臺面的側(cè)壁的外邊緣;設(shè)置在臺面結(jié)構(gòu)的側(cè)壁部分上并且設(shè)置在二維電子氣區(qū)的終止于臺面?zhèn)缺谔幍膮^(qū)上的電子施主層;設(shè)置在電子施主層上的歐姆接觸材料。
[0031]半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括下述特征中的一個或多個:其中歐姆接觸材料終止在臺面結(jié)構(gòu)的頂部部分處;其中下層半導(dǎo)體層是GaN;其中上層半導(dǎo)體層包括AlN;其中電子施主層是η型摻雜的AlGaN ;其中歐姆接觸材料是η型摻雜的GaN ;柵極電極與上層半導(dǎo)體層肖特基接觸;并且歐姆接觸是與歐姆接觸材料接觸。
[0032]根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以包括:襯底;設(shè)置在襯底上的臺面結(jié)構(gòu),臺面結(jié)構(gòu)包括下層半導(dǎo)體層和上層半導(dǎo)體,上層半導(dǎo)體層具有與下層半導(dǎo)體層不同的帶隙并與下層半導(dǎo)體層直接接觸以在上層半導(dǎo)體層之間形成二維電子氣區(qū),二維電子氣區(qū)具有終止于臺面?zhèn)缺谔幍耐膺吘?;設(shè)置在臺面結(jié)構(gòu)的側(cè)壁部分上并且設(shè)置在二維電子氣區(qū)的終止于臺面?zhèn)缺谔幍膮^(qū)上的電子施主層;以及設(shè)置在電子施主層上的歐姆接觸材料。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以包括:襯底;設(shè)置在襯底上的臺面結(jié)構(gòu),臺面結(jié)構(gòu)包括下層半導(dǎo)體層和上層半導(dǎo)體,上層半導(dǎo)體層具有比下層半導(dǎo)體層高的帶隙并且與下層半導(dǎo)體層直接接觸,以在上層半導(dǎo)體層之間形成二維電子氣區(qū),二維電子氣區(qū)具有終止于臺面?zhèn)缺谔幍耐膺吘?;附加半?dǎo)體層,其具有比下層半導(dǎo)體層高的帶隙,設(shè)置在臺面結(jié)構(gòu)的側(cè)壁部分上,設(shè)置在二維電子氣區(qū)的終止于臺面?zhèn)缺谔幍膮^(qū)上,并且設(shè)置在下層半導(dǎo)體層上并與下層半導(dǎo)體層直接接觸以在附加層與下層半導(dǎo)體層之間形成二維電子氣區(qū);以及設(shè)置在電子施主層上的歐姆接觸材料。
[0034]根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以包括:襯底;設(shè)置在襯底上的臺面結(jié)構(gòu),臺面結(jié)構(gòu)包括下層半導(dǎo)體層和上層半導(dǎo)體,上層半導(dǎo)體層具有與下層半導(dǎo)體層不同的帶隙并且與下層半導(dǎo)體層直接接觸;電子施主層,其設(shè)置在臺面結(jié)構(gòu)的側(cè)壁部分上并且設(shè)置在二維電子氣區(qū)的終止于臺面?zhèn)缺谔幍膮^(qū)上;以及設(shè)置在電子施主層上的歐姆接觸材料。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以包括:襯底;設(shè)置在襯底上的臺面結(jié)構(gòu),臺面結(jié)構(gòu)包括下層半導(dǎo)體層和上層半導(dǎo)體,上層半導(dǎo)體層具有比下層半導(dǎo)體層高的帶隙并且與下層半導(dǎo)體層直接接觸;附加半導(dǎo)體層,其具有比下層半導(dǎo)體層高的帶隙,設(shè)置在臺面結(jié)構(gòu)的側(cè)壁部分上,并且設(shè)置在下層半導(dǎo)體層上并與下層半導(dǎo)體層直接接觸;以及設(shè)置在電子施主層上的歐姆接觸材料。此外,附加層可以是電子施主層。
[0036]已經(jīng)描述了本公開內(nèi)容的許多實(shí)施例。然而,將理解的是,在不脫離本公開內(nèi)容的精神和范圍的情況下可以做出各種修改。因此,其它實(shí)施例落入以下權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),包括: 襯底; 設(shè)置在所述襯底上的臺面結(jié)構(gòu),所述臺面結(jié)構(gòu)包括: 下層半導(dǎo)體層; 上層半導(dǎo)體層,其具有與所述下層半導(dǎo)體層不同的帶隙并且與所述下層半導(dǎo)體層直接接觸,以在所述上層半導(dǎo)體層之間形成二維電子氣區(qū),所述二維電子氣區(qū)具有終止于所述臺面的側(cè)壁處的外邊緣; 電子施主層,其設(shè)置在所述臺面結(jié)構(gòu)的側(cè)壁部分上并且設(shè)置在所述二維電子氣區(qū)的終止于所述臺面的側(cè)壁處的區(qū)上; 歐姆接觸材料,其設(shè)置在所述電子施主層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),其中,所述歐姆接觸材料在所述臺面結(jié)構(gòu)的頂部部分處終止。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),其中,所述下層半導(dǎo)體層是GaN。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),其中,所述上層半導(dǎo)體層包括A1N。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),其中,所述電子施主層是η型摻雜的AlGaN。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),其中,所述歐姆接觸材料是η型摻雜的GaN。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),包括與所述上層半導(dǎo)體層肖特基接觸的柵極電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),包括與所述歐姆接觸材料接觸的歐姆接觸。
9.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),包括: 襯底; 設(shè)置在所述襯底上的臺面結(jié)構(gòu),所述臺面結(jié)構(gòu)包括: 下層半導(dǎo)體層; 上層半導(dǎo)體層,其具有與所述下層半導(dǎo)體層不同的帶隙并且與所述下層半導(dǎo)體層直接接觸,以在所述上層半導(dǎo)體層之間形成二維電子氣區(qū),所述二維電子氣區(qū)具有終止于所述臺面的側(cè)壁處的外邊緣; 電子施主層,其設(shè)置在所述臺面結(jié)構(gòu)的側(cè)壁部分上并且設(shè)置在所述二維電子氣區(qū)的終止于所述臺面的側(cè)壁處的區(qū)上; 歐姆接觸材料,其設(shè)置在所述電子施主層上。
10.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),包括: 襯底; 設(shè)置在所述襯底上的臺面結(jié)構(gòu),所述臺面結(jié)構(gòu)包括: 下層半導(dǎo)體層; 上層半導(dǎo)體層,其具有比所述下層半導(dǎo)體層高的帶隙并且與所述下層半導(dǎo)體層直接接觸,以在所述上層半導(dǎo)體層之間形成二維電子氣區(qū),所述二維電子氣區(qū)具有終止于所述臺面的側(cè)壁處的外邊緣; 具有比所述下層半導(dǎo)體層高的帶隙的附加半導(dǎo)體層,所述附加半導(dǎo)體層設(shè)置在所述臺面結(jié)構(gòu)的側(cè)壁部分上,設(shè)置在所述二維電子氣區(qū)的終止于所述臺面的側(cè)壁處的區(qū)上并設(shè)置在所述下層半導(dǎo)體層上,并且與所述下層半導(dǎo)體層直接接觸,以在所述附加層與所述下層半導(dǎo)體層之間形成二維電子氣區(qū);以及 歐姆接觸材料,其設(shè)置在所述電子施主層上。
11.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),包括: 襯底; 設(shè)置在所述襯底上的臺面結(jié)構(gòu),所述臺面結(jié)構(gòu)包括: 下層半導(dǎo)體層; 上層半導(dǎo)體層,其具有與所述下層半導(dǎo)體層不同的帶隙并且與所述下層半導(dǎo)體層直接接觸; 電子施主層,其設(shè)置在所述臺面結(jié)構(gòu)的側(cè)壁部分上并且設(shè)置在所述二維電子氣區(qū)的終止于所述臺面的側(cè)壁處的區(qū)上; 歐姆接觸材料,其設(shè)置在所述電子施主層上。
12.—種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),包括: 襯底; 設(shè)置在所述襯底上的臺面結(jié)構(gòu),所述臺面結(jié)構(gòu)包括: 下層半導(dǎo)體層; 上層半導(dǎo)體層,其具有比所述下層半導(dǎo)體層高的帶隙并且與所述下層半導(dǎo)體層直接接觸; 具有比所述下層半導(dǎo)體層高的帶隙的附加半導(dǎo)體層,所述附加半導(dǎo)體層設(shè)置在所述臺面結(jié)構(gòu)的側(cè)壁部分上并設(shè)置在所述下層半導(dǎo)體層上,并且與所述下層半導(dǎo)體層直接接觸;以及 歐姆接觸材料,其設(shè)置在所述電子施主層上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),其中,所述附加層是電子施主層。
【文檔編號】H01L29/08GK104471713SQ201380030015
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月13日
【發(fā)明者】K·塔巴塔比, W·E·霍克, E·M·詹貝斯, K·麥卡錫 申請人:雷聲公司