Iii-n器件及其形成方法
【专利说明】MI-N器件及其形成方法
[0001] 分案声明
[0002] 本申请是申请日为2010年8月20日、发明名称为"具有场板的半导体器件"、申请 号为：201080048522. 9的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0003] 本发明涉及半导体电子器件，具体地涉及具有场板的器件。
【背景技术】
[0004] 迄今为止，包括诸如功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管（IGBT)的器件的现代功率 半导体器件已经通常利用硅（Si)半导体材料来制作。最近，由于碳化硅（SiC)的优异性质 而对碳化硅（SiC)功率器件进行了研宄。III族氮化物（III-N)半导体器件现在作为承载 大电流并且支持高电压并且提供非常低的导通电阻、高电压器件操作以及快速切换时间的 候选者而受到了很大关注。图1中所示的通常的III-N高电子迀移率晶体管（HEMT)包括 衬底10、位于衬底顶上的诸如GaN层的沟道层11、以及位于沟道层顶上的诸如AlxGai_xN的 阻挡层12。二维电子气（2DEG)沟道19被诱导在沟道层11中且在沟道层11和阻挡层12 之间的界面附近。源电极14和漏电极15分别形成与2DEG沟道的欧姆接触。栅极16调制 位于栅极区域中、即，位于栅极16正下方的2DEG的部分。
[0005] 在III-N器件中通常使用场板来以这种方式对器件的高电场区域中的电场进行 整形，使得减少了峰值电场并且增加了器件击穿电压，从而允许更高电压操作。在图2中示 出了具有场板的III-NHEMT的示例。除了图1的器件中包括的层之外，图2中的器件包括 连接到栅极16的场板18 ;以及在场板和阻挡层12之间的、诸如SiN层的绝缘体层13。场 板18可以包括与栅极16相同的材料或者由与栅极16相同的材料形成。绝缘体层13可以 用作表面钝化层，阻止或者抑制与绝缘体层13相邻的III-N材料的表面处的电压波动。
[0006] 斜场板已经显示出了对于在III-N器件中减少峰值电场并且增加击穿电压是特 别有效的。在图3中示出了类似于图2的III-N器件，但是其具有斜场板28。在该器件中， 栅极16和斜场板28由单个电极29形成。可以是SiN的绝缘体层23包含至少部分地限定 电极29的形状的凹陷。在此，绝缘体层23将被称为"电极限定层23"。电极限定层23还 可以作为表面钝化层，阻止或者抑制与电极限定层23相邻的III-N材料的表面处的电压波 动。该器件中的栅极16和斜场板28可以通过下述方式来形成：首先在阻挡层12的整个表 面上沉积电极限定层23,然后在包含栅极16的区域中蚀刻穿过电极限定层23的凹陷，并且 最终至少在该凹陷中沉积电极29。
[0007] 在使用III-N器件的很多应用中，例如，在高功率和高电压应用中，可以有利的 是，包括位于栅极16和下面的III-N层之间的栅极绝缘体以便于防止栅极泄漏。在图4中 示出了具有斜场板和栅极绝缘体的器件。该器件可以通过略微修改用于图3中的器件的工 艺来实现。对于图4中的器件，电极限定层23中的凹陷仅被部分地蚀刻穿过该层（而不是 整体穿过该层），之后沉积电极29。在该器件中，位于栅极16和下面的III-N层之间的电 极限定层23的部分用作栅极绝缘体。
【发明内容】
[0008] 在一方面，描述了一种III-N器件，其包括III-N材料层；绝缘体层，其位于III-N 材料层的表面上；蚀刻停止层，其位于绝缘体层的相对于III-N材料层的相反侧上；电极限 定层，其位于蚀刻停止层的相对于蚀刻停止层的相对于绝缘体层的相反侧上；以及电极。凹 陷形成在电极限定层中并且电极形成在凹陷中。
[0009] 对于这里描述的所有器件，可应用下面所述中的一个或多个。电极可以包括场板。 场板可以是斜场板。电极限定层中的凹陷的一部分可以具有成角度的壁，该成角度的壁的 至少一部分相对于蚀刻停止层的主表面成非垂直角度，该成角度的壁限定斜场板。非垂直 角度可以处于大约5度和85度之间。绝缘体层可以是钝化层。绝缘体层可以由氧化物或 者氮化物形成。绝缘体层可以是大约2-50纳米厚。绝缘体层可以具有大约0.8-40毫法 /平方米的每单位面积电容。电极限定层可以由氧化物或者氮化物形成。电极限定层可 以为至少大约100纳米厚。绝缘体层和电极限定层的组合厚度能够足以基本上抑制分散 (dispersion)。蚀刻停止层的厚度可以为大约1和15纳米之间。蚀刻停止层可以由氮化 铝形成。电极限定层和蚀刻停止层可以由不同材料形成。蚀刻停止层和绝缘体层可以由不 同材料形成。凹陷可以形成在蚀刻停止层中。
[0010] 在一些实施中，III-N器件是二极管。该二极管可以包括下述特征中的一个或多 个。凹陷可以形成在绝缘体层中。III-N材料层的第一部分可以具有第一组成并且III-N材 料层的第二部分可以具有第二组成，其中第一组成和第二组成之间的差异形成了III-N材 料层中的2DEG沟道。二极管可以包括阴极，其中电极的一部分是阳极，该阳极形成与III-N 材料层的实质性肖特基接触，并且阴极与2DEG沟道电接触。凹陷可以延伸到III-N材料层 中并且电极处于III-N材料层中的凹陷的一部分中。凹陷可以延伸穿过2DEG沟道。器件的 第一区域的阈值可以大于大约-15V，其中第一区域包括位于阳极区域和阴极之间并且与阳 极区域相邻的器件的部分。绝缘体层的厚度可以足以防止大于大约10微安/毫米的泄漏 电流在器件操作期间通过绝缘体层。电极可以是阳极电极并且器件可以进一步包括阴极。
[0011] 在一些实施中，器件是HEMT。HEMT可以包括下述特征中的一个或多个。III-N材 料层的第一部分可以具有第一组成并且III-N材料层的第二部分可以具有第二组成，其中 第一组成和第二组成之间的差异形成III-N材料层中的2DEG沟道。器件可以包括源极和 漏极，其中电极的一部分是栅极，并且源极和漏极与2DEG沟道电接触。器件阈值电压可以 大于大约-30V。绝缘体层的厚度可以被选择为器件阈值电压大于大约-30V。绝缘体层的 厚度可以足以防止大于大约100微安的泄漏电流在器件操作期间通过绝缘体层。电极可以 是栅极电极并且器件可以进一步包括源极和漏极。器件可以是FET，其中当以大约800V或 更少的源极-漏极偏置将器件从截止状态切换到导通状态时测量的动态导通电阻等于或 小于DC导通电阻的1.4倍。
[0012] 这里描述的任何器件可以包括多个场板。具有多个场板的器件可以包括下述特 征。电极限定层和蚀刻停止层可以是第一电极限定层和第一蚀刻停止层，器件可以进一步 包括第一电极限定层的相对于第一蚀刻停止层的相反侧上的堆叠，其中该堆叠包括第二蚀 刻停止层和第二电极限定层。凹陷可以形成在堆叠中，并且电极的一部分覆在该堆叠上。第 二绝缘体层可以位于第一电极限定层和第二蚀刻停止层之间。器件可以包括第二电极，其 中第二凹陷形成在第二电极限定层中和第二蚀刻停止层中，并且第二电极可以形成在第二 凹陷中。第二电极可以电连接到第一电极。器件可以包括多个堆叠，其中凹陷形成在每个 堆叠中，并且电极形成在每个凹陷中。器件可以是增强模式器件或者耗尽模式器件。
[0013] 在另一方面，描述了一种形成III-N器件的方法。该方法包括将绝缘体层施加到 III-N材料层的表面上。在施加绝缘体层之后，将蚀刻停止层施加在绝缘体层上。在施加蚀 刻停止层之后，将电极限定层施加在蚀刻停止层上。蚀刻电极限定层以形成凹陷，其中通过 不垂直于蚀刻停止层的表面的壁来至少部分地限定凹陷。蚀刻步骤使用具有选择性从而以 比蚀刻蚀刻停止层更快的速率蚀刻电极限定层的蚀刻剂。导电材料沉积在凹陷中和电极限 定层的暴露部分上。
[0014] 该方法的一个或多个实施可以包括下述特征中的一个或多个。该方法可以包括蚀 刻蚀刻停止层以将电极限定层中的凹陷延伸到绝缘体层。蚀刻蚀刻停止层可以包括湿法蚀 亥IJ。蚀刻蚀刻停止层可以包括干法蚀刻或基于氟的干法蚀刻。用于蚀刻蚀刻停止层的蚀刻 工艺可以基本上不蚀刻电极限定层或者绝缘体层。蚀刻工艺可以以大约10:1或更高的选 择性蚀刻蚀刻停止层。蚀刻电极限定层可以导致电极限定层具有成角度的壁，该成角度的 壁的至少一部分相对于蚀刻停止层的主表面成非垂直角度。非垂直角度可以处于大约5度 和85度之间。用于蚀刻电极限定层的蚀刻工艺可以基本上不蚀刻蚀刻停止层。蚀刻工艺 可以以大约10:1或更高的选择性蚀刻电极限定层。
[0015] 栅极绝缘体通常需要被制成很薄以保持栅极和2DEG沟道之间的足够耦合，并且 通常，栅极绝缘体的厚度必须被控制到很高的精度以便于确保器件阈值电压和其它器件参 数的可再现性。这里描述的技术可以导致栅极绝缘体厚度的足够精确的控制，尤其是在要 求非常薄的栅极绝缘体的情况下，并且因此使用该工艺的可再现的制造是可能的。
【附图说明】
[0016] 图1-4是现有技术的III-NHEMT器件的示意性横截面图。
[0017] 图5是包含栅极绝缘体和斜场板的III-N半导体晶体管的示意性横截面图。
[0018] 图6-11示出了形成图5的III-N半导体晶体管的方法。
[0019] 图12a是包含栅极绝缘体和斜场板的III-N半导体晶体管的示意性横截面图。
[0020] 图12b和图12c是示出用于III-N半导体晶体管的导通电阻与漏电压的曲线图。
[0021] 图13是包含栅极绝缘体和斜场板的III-N半导体晶体管的示意性横截面图。
[0022] 图14和图15分别是包含斜场板的III-N半导体二极管的示意性横截面图和平面 图。
[0023] 图16是包含斜场板的III-N半导体二极管的示意性横截面图。
[0024] 在各附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
【具体实施方式】
[0025] 描述了可以进行可再现制造的、诸如HEMT和二极管的半导体器件。器件都包括斜 场板，并且一些器件还包括位于栅极和下面的半导体层之间的栅极绝缘体。斜场板的使用 可以导致具有对于高电压切换应用的优异性质的器件，诸如在高电压操作时的高击穿电压 和最小分散，而当在晶体管结构中包括栅极绝缘体时，栅极绝缘体可以导致栅极泄漏减少。 此外，用于这些器件的制造工艺可以使用传统的半导体器件制作工艺来再现。半导体器件 可以是III族氮化物或者III-N半导体器件，并且因此这里描述的器件包括III-N半导体 层。还描述了形成器件的方法。
[0026] 图5示出了III族氮化物