半導(dǎo)體器件的電極及其形成方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】半導(dǎo)體器件的電極及其形成方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2013年2月15日提出的申請(qǐng)?zhí)枮?1/765，635的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。先前申請(qǐng)的公開(kāi)被認(rèn)為是本申請(qǐng)公開(kāi)的一部分，并通過(guò)引用的方式將其并入本申請(qǐng)的公開(kāi)中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體電子器件，具體地，涉及具有連接至場(chǎng)板的電極的器件。
【背景技術(shù)】
[0004]迄今為止，現(xiàn)代功率半導(dǎo)體二極管，諸如高壓P-1-N 二極管，以及功率晶體管，諸如功率MOSFET和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，通常用硅(Si)半導(dǎo)體材料制造。近來(lái)，由于其優(yōu)異的性能，已研究了碳化硅(SiC)功率器件。III族氮化物(II1-N)半導(dǎo)體器件現(xiàn)在正在成為一種有吸引力的候選，以便承載大電流和支持高電壓，并提供非常低的導(dǎo)通電阻、高電壓器件操作和快速的切換時(shí)間。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)II1-N或III族氮化物材料、層、器件等，指的是根據(jù)化學(xué)計(jì)量公式BwAlxInyGazN，其中w+x+y+z約為1，由化合物半導(dǎo)體材料組成的材料或器件。
[0005]在圖1和圖2中示出了現(xiàn)有技術(shù)的II1-N高電子迀移率晶體管(HEMT)的示例。圖1的II1-N HEMT包括襯底10、在襯底的頂部上的II1-N溝道層11諸如GaN層，和在溝道層的頂部上的II1-N阻擋層12諸如AlxGa1 XN層。二維電子氣(2DEG)溝道19被在溝道層11和阻擋層12之間的界面附近的溝道層11中感生。源極和漏極觸點(diǎn)14和15分別與2DEG溝道形成歐姆接觸。柵極觸點(diǎn)16調(diào)節(jié)柵極區(qū)中的2DEG的一部分，即，直接在柵極觸點(diǎn)16下面的部分。
[0006]場(chǎng)板通常用在II1-N器件中，以便以降低峰值電場(chǎng)和提高器件擊穿電壓的方式，形成器件的高電場(chǎng)區(qū)域中的電場(chǎng)，從而允許更高的電壓操作。在圖2中示出了現(xiàn)有技術(shù)的場(chǎng)板的II1-N HEMT的示例。除了包含在圖1的器件中的層以外，圖2中的器件還包括連接到柵極16的場(chǎng)板18，和在場(chǎng)板18和II1-N阻擋層12之間的絕緣體層13，諸如SiN層。場(chǎng)板18可包括或由與柵極16相同的材料形成。絕緣體層13可用作在鄰接于絕緣體層13的II1-N材料的表面處防止或抑制電壓波動(dòng)的表面鈍化層。
[0007]在降低II1-N器件的峰值電場(chǎng)和提高擊穿電壓的方面，斜場(chǎng)板已被證明是特別有效的。圖3中示出了與圖2的II1-N器件類(lèi)似的現(xiàn)有技術(shù)的II1-N器件，但有斜場(chǎng)板24。在該器件中，柵極16 ( S卩，在垂直虛線(xiàn)之間的電極29的一部分)和斜場(chǎng)板24由單個(gè)電極29形成。可以為SiN的絕緣體層23，是電極界定層，其包含至少部分界定電極29的形狀的凹進(jìn)部。電極界定層23還可以用作在鄰接于電極界定層23的II1-N材料的表面處防止或抑制電壓波動(dòng)的表面鈍化層。通過(guò)在II1-N阻擋層12的整個(gè)表面上方首先沉積第一電極界定層23，然后在包含柵極16的區(qū)域中蝕刻穿過(guò)電極界定層23的凹進(jìn)部，該凹進(jìn)部包括傾斜的側(cè)壁25，最后至少在凹進(jìn)部中和傾斜側(cè)壁25的上方沉積電極29，可形成該器件中的柵極16和斜場(chǎng)板24。
[0008]斜場(chǎng)板，諸如圖3中的場(chǎng)板24，與常規(guī)場(chǎng)板諸如不包括傾斜部分的圖3中的場(chǎng)板18相比，趨向于在器件中以更大的體積傳播電場(chǎng)。因此，斜場(chǎng)板趨向于更有效地降低下層器件中的峰值電場(chǎng)，從而允許更大的操作和擊穿電壓。
[0009]當(dāng)相對(duì)于源極14向漏極15施加大的電壓使圖3的器件偏置處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，半導(dǎo)體層11和12中的電場(chǎng)在場(chǎng)板24的橫向長(zhǎng)度上傳播。因此，對(duì)于電極界定層23的給定厚度，傳播電場(chǎng)的區(qū)域的水平長(zhǎng)度，很大程度上由場(chǎng)板與下層II1-N材料結(jié)構(gòu)的表面28形成的角26確定。角26越小導(dǎo)致傳播電場(chǎng)越大，從而允許相應(yīng)更大的器件的操作和擊穿電壓。例如，在電極界定層23約為0.85微米厚的II1-N器件中，對(duì)可靠的50V或100V操作可能需要約40度以下的角，而對(duì)可靠的300V和600V操作可能需要約10度以下的角。然而，減少角26會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)板24向漏極15橫向延伸的更長(zhǎng)，這可能需要柵極16和漏極15之間的間距更大。此外，很難重復(fù)制造具有這種小角26的斜場(chǎng)板24。希望有可提供充分抑制峰值電場(chǎng)并可被重復(fù)制造的場(chǎng)板結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]在第一方面，描述了一種II1-N晶體管。該晶體管包括II1-N材料結(jié)構(gòu)、源極和漏極和具有厚度的電極界定層。該電極界定層在II1-N材料結(jié)構(gòu)的表面的上方，并包括具有接近于漏極的第一側(cè)壁和接近于源極的第二側(cè)壁的凹進(jìn)部，其中第一和第二側(cè)壁每個(gè)都包括多個(gè)臺(tái)階。遠(yuǎn)離II1-N材料結(jié)構(gòu)的凹進(jìn)部的部分具有第一寬度，和接近II1-N材料結(jié)構(gòu)的凹進(jìn)部的部分具有第二寬度，第一寬度大于第二寬度。該晶體管進(jìn)一步包括在凹進(jìn)部中的電極，該電極包括至少部分地在第一側(cè)壁上方的延伸部分。第一側(cè)壁相對(duì)于II1-N材料結(jié)構(gòu)的表面形成第一有效角，第二側(cè)壁相對(duì)于II1-N材料結(jié)構(gòu)的表面形成第二有效角，第二有效角大于第一有效角。
[0011]在第二方面，描述了一種晶體管。該晶體管包括其中包括溝道的半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)，每個(gè)都與該溝道電接觸的源極和漏極，和在源極和漏極之間的電極。該電極包括柵極和延伸部分，該延伸部分從柵極朝著漏極延伸。該晶體管具有小于20微米的柵極-漏極間距，當(dāng)相對(duì)于源極使柵極在晶體管的閾值電壓以下偏置且晶體管的漏極-源極電壓約為600V以上時(shí)，該晶體管的每單位柵極寬度的截止?fàn)顟B(tài)漏極電流約為10 8Amps/mm以下，以及當(dāng)晶體管以2微秒以下的切換時(shí)間切換時(shí)，晶體管的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻小于1.1倍的晶體管的直流導(dǎo)通電阻。
[0012]在第三方面，描述了一種晶體管。該晶體管包括其中包括溝道的半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)，每個(gè)都與該溝道電接觸的源極和漏極，和在源極和漏極之間的電極。該電極包括柵極和延伸部分，該延伸部分從柵極朝著漏極延伸。該晶體管具有小于20微米的柵極-漏極間距，該延伸部分包括多個(gè)臺(tái)階，其中在延伸部分的每微米長(zhǎng)度中的所述多個(gè)臺(tái)階的臺(tái)階數(shù)大于
0.4 ;在相對(duì)于源極使柵極在晶體管的閾值電壓以下偏置且晶體管的漏極-源極電壓約為600V以上時(shí)，該晶體管的每單位柵極寬度的截止?fàn)顟B(tài)漏極電流約為10 8Amps/mm以下。
[0013]在第四方面，描述了一種形成半導(dǎo)體器件的方法。該方法包括提供半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)，在半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)的表面上形成具有厚度的電極界定層，并圖案化在電極界定層的上方的掩蔽層，該掩蔽層包括具有寬度的開(kāi)口。該方法進(jìn)一步包括蝕刻電極界定層以在其中形成凹進(jìn)部，該凹進(jìn)部具有第一側(cè)壁和與第一側(cè)壁相對(duì)的第二側(cè)壁，第一和第二側(cè)壁每個(gè)都包括多個(gè)臺(tái)階，其中第一側(cè)壁相對(duì)于半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)的表面形成第一有效角，第二側(cè)壁相對(duì)于半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)的表面形成第二有效角，且遠(yuǎn)離半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)的凹進(jìn)部的部分具有第一寬度，接近半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)的凹進(jìn)部的部分具有第二寬度，第一寬度大于第二寬度。電極界定層的蝕刻包括執(zhí)行第一工序和第二工序，該第一工序包括移除電極界定層的部分，該第二工序包括移除掩蔽層的一部分而不完全移除掩蔽層，其中第二工序?qū)е卵诒螌又械拈_(kāi)口的寬度增加。此外，電極界定層的蝕刻導(dǎo)致第二有效角大于第一有效角。
[0014]在第五方面，描述了一種形成半導(dǎo)體器件的方法。該方法包括提供半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)，在半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)的表面上形成具有厚度的電極界定層，并圖案化在電極界定層的上方的掩蔽層，該掩蔽層包括開(kāi)口。該開(kāi)口形成包括與具有第二寬度的多個(gè)區(qū)域交錯(cuò)的具有第一寬度的多個(gè)區(qū)域的圖案，第一寬度大于第二寬度。該方法進(jìn)一步包括蝕刻在開(kāi)口下面的電極界定層以在其中形成凹進(jìn)部，該凹進(jìn)部具有第一側(cè)壁和第二側(cè)壁，第一側(cè)壁包括多個(gè)區(qū)段，其中每個(gè)區(qū)段都鄰接于具有第一寬度的區(qū)域之一，第二側(cè)壁包括多個(gè)區(qū)段，其中每個(gè)區(qū)段都鄰接于具有第二寬度的區(qū)域之一。另外，該蝕刻導(dǎo)致第二側(cè)壁的區(qū)段的平均坡度大于第一側(cè)壁的區(qū)段的平均坡度。
[0015]本文所描述的每一種器件和方法都可包括一個(gè)或多個(gè)以下特征或步驟。第二有效角可實(shí)質(zhì)上大于第一有效角。第二有效角可以至少比第一有效角大10度。半導(dǎo)體或II1-N材料結(jié)構(gòu)可包括第一 II1-N材料層、第二 II1-N材料層，和由于第一 II1-N材料層和第二II1-N材料層之間的成分差異而在鄰接第二 II1-N材料層的第一 II1-N材料層中感生的2DEG溝道。第一 II1-N材料層可包括GaN，第二 II1-N材料層可包括AlGaN、AlInN、AlInGaN或BAlInGaN。第一 II1-N材料層和第二 II1-N材料層可以是III族面或[0 0 0 1]取向或III族封端的半極性層，第二 II1-N材料層可在第一 II1-N材料層和電極界定層之間。第一II1-N材料層和第二 II1-N材料層可以是N面或[0 0 0 -1]取向或氮封端的半極性層，第一 II1-N材料層可以在第二 II1-N材料層和電極界定層之間。該凹進(jìn)部可穿過(guò)電極界定層的整個(gè)厚度延伸。該凹進(jìn)部可延伸進(jìn)入到II1-N材料結(jié)構(gòu)中和/或穿過(guò)2DEG溝道。
[0016]電極界定層可以包括SiNx。電極界定層的厚度可在約為0.1微米和5微米之間。晶體管可進(jìn)一步包括在II1-N材料結(jié)構(gòu)和電極界定層之間的介電鈍化層，該介電鈍化層直接接觸鄰接于電極的II1-N材料的表面。介電鈍化層可包括SiNx。介電鈍化層可在電極和IH-N材料結(jié)構(gòu)之間，使得電極不直接接觸II1-N材料結(jié)構(gòu)。晶體管可進(jìn)一步包括在介電鈍化層和電極界定層之間的附加的絕緣層。該附加的絕緣層可包括A1N。電極的延伸部分可直接接觸側(cè)壁。
[0017]電極可包括在晶體管的柵極區(qū)中的柵極，第一和第二側(cè)壁中的多個(gè)臺(tái)階每個(gè)都可包括直接鄰接于柵極的具有第一臺(tái)階寬度的第一臺(tái)階，直接鄰接于第一臺(tái)階的具有第二臺(tái)階寬度的第二臺(tái)階，和直接鄰接于第二臺(tái)階的具有第三臺(tái)階寬度的第三臺(tái)階；其中在第一側(cè)壁中的多個(gè)臺(tái)階中第一臺(tái)階寬度與第二臺(tái)階寬度的比率與在第二側(cè)壁中的多個(gè)臺(tái)階中第一臺(tái)階寬度與第