半导体器件的电极及其形成方法
【专利说明】半导体器件的电极及其形成方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年2月15日提出的申请号为61/765，635的美国临时专利申请的优先权。先前申请的公开被认为是本申请公开的一部分，并通过引用的方式将其并入本申请的公开中。
技术领域
[0003]本发明涉及半导体电子器件，具体地，涉及具有连接至场板的电极的器件。
【背景技术】
[0004]迄今为止，现代功率半导体二极管，诸如高压P-1-N 二极管，以及功率晶体管，诸如功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT)，通常用硅(Si)半导体材料制造。近来，由于其优异的性能，已研究了碳化硅(SiC)功率器件。III族氮化物(II1-N)半导体器件现在正在成为一种有吸引力的候选，以便承载大电流和支持高电压，并提供非常低的导通电阻、高电压器件操作和快速的切换时间。如本文所使用的，术语II1-N或III族氮化物材料、层、器件等，指的是根据化学计量公式BwAlxInyGazN，其中w+x+y+z约为1，由化合物半导体材料组成的材料或器件。
[0005]在图1和图2中示出了现有技术的II1-N高电子迀移率晶体管(HEMT)的示例。图1的II1-N HEMT包括衬底10、在衬底的顶部上的II1-N沟道层11诸如GaN层，和在沟道层的顶部上的II1-N阻挡层12诸如AlxGa1 XN层。二维电子气(2DEG)沟道19被在沟道层11和阻挡层12之间的界面附近的沟道层11中感生。源极和漏极触点14和15分别与2DEG沟道形成欧姆接触。栅极触点16调节栅极区中的2DEG的一部分，即，直接在栅极触点16下面的部分。
[0006]场板通常用在II1-N器件中，以便以降低峰值电场和提高器件击穿电压的方式，形成器件的高电场区域中的电场，从而允许更高的电压操作。在图2中示出了现有技术的场板的II1-N HEMT的示例。除了包含在图1的器件中的层以外，图2中的器件还包括连接到栅极16的场板18，和在场板18和II1-N阻挡层12之间的绝缘体层13，诸如SiN层。场板18可包括或由与栅极16相同的材料形成。绝缘体层13可用作在邻接于绝缘体层13的II1-N材料的表面处防止或抑制电压波动的表面钝化层。
[0007]在降低II1-N器件的峰值电场和提高击穿电压的方面，斜场板已被证明是特别有效的。图3中示出了与图2的II1-N器件类似的现有技术的II1-N器件，但有斜场板24。在该器件中，栅极16 ( S卩，在垂直虚线之间的电极29的一部分)和斜场板24由单个电极29形成。可以为SiN的绝缘体层23，是电极界定层，其包含至少部分界定电极29的形状的凹进部。电极界定层23还可以用作在邻接于电极界定层23的II1-N材料的表面处防止或抑制电压波动的表面钝化层。通过在II1-N阻挡层12的整个表面上方首先沉积第一电极界定层23，然后在包含栅极16的区域中蚀刻穿过电极界定层23的凹进部，该凹进部包括倾斜的侧壁25，最后至少在凹进部中和倾斜侧壁25的上方沉积电极29，可形成该器件中的栅极16和斜场板24。
[0008]斜场板，诸如图3中的场板24，与常规场板诸如不包括倾斜部分的图3中的场板18相比，趋向于在器件中以更大的体积传播电场。因此，斜场板趋向于更有效地降低下层器件中的峰值电场，从而允许更大的操作和击穿电压。
[0009]当相对于源极14向漏极15施加大的电压使图3的器件偏置处于截止状态时，半导体层11和12中的电场在场板24的横向长度上传播。因此，对于电极界定层23的给定厚度，传播电场的区域的水平长度，很大程度上由场板与下层II1-N材料结构的表面28形成的角26确定。角26越小导致传播电场越大，从而允许相应更大的器件的操作和击穿电压。例如，在电极界定层23约为0.85微米厚的II1-N器件中，对可靠的50V或100V操作可能需要约40度以下的角，而对可靠的300V和600V操作可能需要约10度以下的角。然而，减少角26会导致场板24向漏极15横向延伸的更长，这可能需要栅极16和漏极15之间的间距更大。此外，很难重复制造具有这种小角26的斜场板24。希望有可提供充分抑制峰值电场并可被重复制造的场板结构。
【发明内容】
[0010]在第一方面，描述了一种II1-N晶体管。该晶体管包括II1-N材料结构、源极和漏极和具有厚度的电极界定层。该电极界定层在II1-N材料结构的表面的上方，并包括具有接近于漏极的第一侧壁和接近于源极的第二侧壁的凹进部，其中第一和第二侧壁每个都包括多个台阶。远离II1-N材料结构的凹进部的部分具有第一宽度，和接近II1-N材料结构的凹进部的部分具有第二宽度，第一宽度大于第二宽度。该晶体管进一步包括在凹进部中的电极，该电极包括至少部分地在第一侧壁上方的延伸部分。第一侧壁相对于II1-N材料结构的表面形成第一有效角，第二侧壁相对于II1-N材料结构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，描述了一种晶体管。该晶体管包括其中包括沟道的半导体材料结构，每个都与该沟道电接触的源极和漏极，和在源极和漏极之间的电极。该电极包括栅极和延伸部分，该延伸部分从栅极朝着漏极延伸。该晶体管具有小于20微米的栅极-漏极间距，当相对于源极使栅极在晶体管的阈值电压以下偏置且晶体管的漏极-源极电压约为600V以上时，该晶体管的每单位栅极宽度的截止状态漏极电流约为10 8Amps/mm以下，以及当晶体管以2微秒以下的切换时间切换时，晶体管的动态导通电阻小于1.1倍的晶体管的直流导通电阻。
[0012]在第三方面，描述了一种晶体管。该晶体管包括其中包括沟道的半导体材料结构，每个都与该沟道电接触的源极和漏极，和在源极和漏极之间的电极。该电极包括栅极和延伸部分，该延伸部分从栅极朝着漏极延伸。该晶体管具有小于20微米的栅极-漏极间距，该延伸部分包括多个台阶，其中在延伸部分的每微米长度中的所述多个台阶的台阶数大于
0.4 ;在相对于源极使栅极在晶体管的阈值电压以下偏置且晶体管的漏极-源极电压约为600V以上时，该晶体管的每单位栅极宽度的截止状态漏极电流约为10 8Amps/mm以下。
[0013]在第四方面，描述了一种形成半导体器件的方法。该方法包括提供半导体材料结构，在半导体材料结构的表面上形成具有厚度的电极界定层，并图案化在电极界定层的上方的掩蔽层，该掩蔽层包括具有宽度的开口。该方法进一步包括蚀刻电极界定层以在其中形成凹进部，该凹进部具有第一侧壁和与第一侧壁相对的第二侧壁，第一和第二侧壁每个都包括多个台阶，其中第一侧壁相对于半导体材料结构的表面形成第一有效角，第二侧壁相对于半导体材料结构的表面形成第二有效角，且远离半导体材料结构的凹进部的部分具有第一宽度，接近半导体材料结构的凹进部的部分具有第二宽度，第一宽度大于第二宽度。电极界定层的蚀刻包括执行第一工序和第二工序，该第一工序包括移除电极界定层的部分，该第二工序包括移除掩蔽层的一部分而不完全移除掩蔽层，其中第二工序导致掩蔽层中的开口的宽度增加。此外，电极界定层的蚀刻导致第二有效角大于第一有效角。
[0014]在第五方面，描述了一种形成半导体器件的方法。该方法包括提供半导体材料结构，在半导体材料结构的表面上形成具有厚度的电极界定层，并图案化在电极界定层的上方的掩蔽层，该掩蔽层包括开口。该开口形成包括与具有第二宽度的多个区域交错的具有第一宽度的多个区域的图案，第一宽度大于第二宽度。该方法进一步包括蚀刻在开口下面的电极界定层以在其中形成凹进部，该凹进部具有第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁包括多个区段，其中每个区段都邻接于具有第一宽度的区域之一，第二侧壁包括多个区段，其中每个区段都邻接于具有第二宽度的区域之一。另外，该蚀刻导致第二侧壁的区段的平均坡度大于第一侧壁的区段的平均坡度。
[0015]本文所描述的每一种器件和方法都可包括一个或多个以下特征或步骤。第二有效角可实质上大于第一有效角。第二有效角可以至少比第一有效角大10度。半导体或II1-N材料结构可包括第一 II1-N材料层、第二 II1-N材料层，和由于第一 II1-N材料层和第二II1-N材料层之间的成分差异而在邻接第二 II1-N材料层的第一 II1-N材料层中感生的2DEG沟道。第一 II1-N材料层可包括GaN，第二 II1-N材料层可包括AlGaN、AlInN、AlInGaN或BAlInGaN。第一 II1-N材料层和第二 II1-N材料层可以是III族面或[0 0 0 1]取向或III族封端的半极性层，第二 II1-N材料层可在第一 II1-N材料层和电极界定层之间。第一II1-N材料层和第二 II1-N材料层可以是N面或[0 0 0 -1]取向或氮封端的半极性层，第一 II1-N材料层可以在第二 II1-N材料层和电极界定层之间。该凹进部可穿过电极界定层的整个厚度延伸。该凹进部可延伸进入到II1-N材料结构中和/或穿过2DEG沟道。
[0016]电极界定层可以包括SiNx。电极界定层的厚度可在约为0.1微米和5微米之间。晶体管可进一步包括在II1-N材料结构和电极界定层之间的介电钝化层，该介电钝化层直接接触邻接于电极的II1-N材料的表面。介电钝化层可包括SiNx。介电钝化层可在电极和IH-N材料结构之间，使得电极不直接接触II1-N材料结构。晶体管可进一步包括在介电钝化层和电极界定层之间的附加的绝缘层。该附加的绝缘层可包括A1N。电极的延伸部分可直接接触侧壁。
[0017]电极可包括在晶体管的栅极区中的栅极，第一和第二侧壁中的多个台阶每个都可包括直接邻接于栅极的具有第一台阶宽度的第一台阶，直接邻接于第一台阶的具有第二台阶宽度的第二台阶，和直接邻接于第二台阶的具有第三台阶宽度的第三台阶；其中在第一侧壁中的多个台阶中第一台阶宽度与第二台阶宽度的比率与在第二侧壁中的多个台阶中第一台阶宽度与第