具有凹嵌式欧姆接触的半导体器件结构及其生产方法与流程

本披露内容涉及一种具有凹嵌式欧姆接触的半导体器件结构及其生产方法。

背景技术：

1、algan/gan高电子迁移率晶体管(hemt)典型地用于射频应用、微波应用和功率开关应用。常规的algan/gan hemt是使用在高温(即，>800℃)下退火的au基欧姆接触来制造的。由于这种高退火温度，algan势垒层的al和欧姆金属堆叠内的al被熔融，从而导致表面形态和边缘锐度不佳。此外，在高al含量的势垒层上很难形成接触电阻低的欧姆接触，因为高al含量会导致较大的肖特基势垒电位，这使电子更难通过热离子传输或隧穿传输在欧姆接触与2deg沟道之间传输。

2、已经提出了若干方案来解决在algan/gan hemt上形成接触电阻低的欧姆接触的问题。这些解决方案中一些解决方案涉及浅凹嵌式欧姆接触(即，凹嵌深度在2deg沟道上方)或深凹嵌式侧壁ta基欧姆接触(即，凹嵌深度达到2deg沟道或在该沟道下方)。

3、通过在algan/gan hemt中提供浅凹嵌式欧姆接触，隧穿距离减小，因此也降低了接触电阻。然而，这种解决方案可能会引入不均匀的接触电阻，从而导致2deg性质退化或器件整体性能降低。

4、深凹嵌式侧壁ta基欧姆接触允许忽略势垒层的设计，并且可以实现更大的刻蚀与光刻工艺窗口。然而，这种解决方案会由于在退火工艺期间形成tan(被认为是薄膜电阻器)而在欧姆接触与2deg沟道之间引入串联电阻。

5、鉴于上述讨论，在满足半导体性质的情况下实现高产量制造是很困难的。

6、因此，需要一种包括接触电阻低的欧姆接触的半导体器件结构，其至少会缓解上述与常规解决方案相关的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种减轻现有解决方案上述缺点的改进的解决方案。特别地，第一目的是提供一种包括接触电阻低的欧姆接触的半导体器件结构，其适合于大规模制造。此目的通过根据权利要求1所述的本发明来解决。第二目的是提供一种用于制造这种适合于大规模制造的半导体器件结构的方法。此目通过根据权利要求7所述的方法来解决。

2、在下文中，使用了某些术语。例如，“第一层a布置在第二层b上”可以是指第一层a与第二层b直接接触，或者是指第一层a与第二层b之间存在一个或多个层，但该一个或多个层不会妨碍半导体器件结构实现低接触电阻。

3、根据本发明的第一方面，提供了一种半导体器件结构。该半导体器件结构包括：衬底；iii族氮化物材料沟道层，该iii族氮化物材料沟道层布置在衬底上；iii族氮化物材料势垒层，该iii族氮化物材料势垒层布置在iii族氮化物材料沟道层上；欧姆接触结构，该欧姆接触结构包括第一ti层和布置在第一ti层上的al层，其中，欧姆接触结构布置成凹嵌在iii族氮化物材料势垒层中，使得第一ti层的底部延伸至由第一iii族氮化物材料沟道层和iii族氮化物材料势垒层提供的2deg沟道水平下方，第一ti层设置有成角度的侧壁，侧壁角度为40°≤θ≤75°、优选地50°≤θ≤60°，该侧壁角度是以相应的成角度的侧壁与iii族氮化物材料势垒层的底部之间的角度测量的；第一ti层的厚度等于或小于5nm；第一ti层与al层之间的厚度比为ti:al<1:1000。

4、通过所指定的侧壁角度，隧穿距离减小，因此也降低了接触电阻。此外，通过第一ti层延伸至2deg沟道水平下方，进一步降低了接触电阻。进一步地，通过所指定的第一ti层厚度，可以使接触电阻更低。进一步地，通过在欧姆接触结构中使用ti而不是ta，可以实现更低的接触电阻。厚度比ti:al<1:1000连同侧壁角度特征一起提供了令人惊讶的优点，即接触电阻可以进一步降低，例如降低至0.2ohm-mm至0.1ohm-mm的区间，这通常只能通过复杂的再生长欧姆接触来实现。

5、因此，鉴于上文所提及的优点，该半导体结构器件解决了上文所提及的第一目的。

6、侧壁角度θ为40°≤θ≤75°允许低接触电阻。比所指定的范围更陡的侧壁角度可能会导致金属沉积困难(金属在侧壁上覆盖不足)。此外，比所指定的范围小的倾斜度可能会导致半导体/欧姆金属的界面区域处的2deg浓度降低(电子越少，接触电阻越差)。因此，可以相对于这些方面相应地选择侧壁角度。因此，侧壁角度θ可以选自以下中任何一项：40°≤θ≤45°、45°≤θ<50°、50°≤θ≤55°、55°≤θ≤60°、60°≤θ≤65°、65°≤θ≤70°、70°≤θ≤75°。作为示例，当半导体器件结构包括algan势垒层时，可以在侧壁角度为50°≤θ≤60°时达到0.2ohm-mm或更低的接触电阻。然而，通过改变例如沟道层和/或势垒层的材料、沟道层和/或势垒层的厚度、欧姆接触结构性质等，可以在40°≤θ≤50°和60°≤θ≤75°的情况下达到0.2ohm-mm的低接触电阻。

7、衬底可以是sic衬底、si衬底、gan衬底、aln衬底、或蓝宝石衬底。在sic衬底的情况下，sic衬底可以具有4h或6c多型体。衬底可以被设置成使得衬底沿着平面内晶格轴的偏角基本上为零。衬底可以掺杂有碳。衬底可以是半绝缘的。通过刻蚀气体，比如h2、hcl、hf、hbr或sif4、cl2、或这些气体(比如h2和任何一种其他气体)的组合，可以原位或非原位预处理衬底。通过对衬底进行预处理，可以减少衬底表面上的例如氧污染和碳污染的量。

8、iii族氮化物材料沟道层的厚度可以为0.050μm至10μm。iii族氮化物材料沟道层的厚度可以为0.050μm至0.1μm、0.1μm至0.2μm、0.2μm至0.3μm、0.3μm至0.4μm、0.4μm至0.5μm、0.5μm至0.6μm、0.6μm至0.7μm、0.7μm至0.8μm、0.8μm至0.9μm、0.9μm至1.0μm、1.0μm至2.0μm、2.0μm至3.0μm、3.0μm至4.0μm、4.0μm至5.0μm、5.0μm至6.0μm、6.0μm至7.0μm、7.0μm至8.0μm、8.0μm至9.0μm、或9.0μm至10.0μm。

9、iii族氮化物材料势垒层的厚度可以为1nm至40nm。iii族氮化物材料势垒层的厚度可以为1nm至2nm、2nm至3nm、3nm至4nm、4nm至5nm、5nm至6nm、6nm至7nm、7nm至8nm、8nm至9nm、9nm至10nm、10nm至15nm、15nm至20nm、20nm至25nm、25nm至30nm、30nm至35nm、或35nm至40nm。

10、鉴于比率ti:al<1:1000这一指定条件，根据针对第一ti层所选择的厚度，欧姆接触结构的al层可以为2μm至5μm。

11、半导体器件结构包括欧姆接触结构，该欧姆接触结构包括第一ti层和al层。ti层或al层可以分别是指ti基层和al基层。x基层可以是指该层包含材料x。这可以是指x基层被沉积为x层，但会从附近提取附加的材料。欧姆接触结构是在凹部中进行退火的。在对欧姆接触结构进行退火期间，第一ti层可以从邻近层提取其他材料。例如，可以从iii族氮化物材料沟道层或iii族氮化物材料势垒层提取n，由此将第一ti层至少部分地或全部地转化为tin层。类似地，al层可以至少部分地或全部地转化为aln层。“部分地”可以是指第一ti层包括tin层部分和ti层部分。它可以是指al层包括aln层部分和al层部分。

12、根据一个实施例，欧姆接触结构布置成凹嵌在iii族氮化物材料势垒层中，使得第一ti层的底部延伸至2deg沟道水平下方5nm至15nm。此范围已被确认会降低欧姆接触。特别地，接触电阻甚至可以进一步降低到低于0.2ohm-mm。通过延伸至少5nm，可以实现良好的接触电阻均匀性。通过延伸到2deg沟道水平下方不超过15nm，可以实现令人期望的欧姆接触，如果延伸到更深处，则可能会导致更差的欧姆接触。“更差的欧姆接触”可以是指0.2ohm-mm至0.4ohm-mm。

13、根据一个实施例，半导体器件结构包括第二ti层，该第二ti层布置在欧姆接触结构的al层上。第二ti层可以充当氧化防护层。其他材料也可以是合适的，只要它们可以防止氧化即可，比如tin、tan、tiw、taw、ti、ta等。第二ti层的厚度可以为1nm至100nm。第二ti层的厚度可以为1nm至10nm、10nm至20nm、20nm至30nm、30nm至40nm、40nm至50nm、50nm至60nm、60nm至70nm、70nm至80nm、80nm至90nm、或90nm至100nm。

14、根据一个实施例，半导体器件结构包括钝化层，该钝化层布置在iii族氮化物材料势垒层上，其中，该钝化层的材料优选地是sin。由此，半导体器件结构可以较少地受到环境影响或腐蚀。钝化层的厚度可以为1nm至400nm。钝化层的厚度可以为1nm至25nm、25nm至50nm、50nm至75nm、75nm至100nm、100nm至150nm、150nm至200nm、200nm至250nm、250nm至300nm、300nm至350nm、或350nm至400nm。

15、根据一个实施例，iii族氮化物材料沟道层的材料是gan。gan对于iii族氮化物材料沟道层来说可以是优选的选择，因为它在iii族氮化物之中具有最高的电子迁移率和速度，这在hemt结构中作为沟道层是理想的。iii族氮化物材料沟道层可以替代性地是algan层、或al梯度变化的algan层。

16、根据一个实施例，iii族氮化物材料势垒层(30)的材料是alx2ga1-x2n、iny2al1-y2n、或iny2alx2ga1-x2-y2n，x2＝0至1，y2＝0至1，x2+y2≤1。在alx2ga1-x2n的情况下，x2可以优选地为x2＝0.15至1。在iny2al1-y2n的情况下，y2可以优选地为y2＝0.1至0.2。在iny2alx2ga1-x2-y2n的情况下，x2、y2可以优选地为x2＝0.75至0.80、y2＝0.1至0.2。

17、根据本发明的第二方面，提供了一种制造半导体器件结构的方法。该方法包括以下步骤：提供衬底；在衬底上提供iii族氮化物材料沟道层；在iii族氮化物材料沟道层上提供iii族氮化物材料势垒层；在iii族氮化物材料势垒层上或可选地在被提供在iii族氮化物材料势垒层上的钝化层上提供光刻胶层；将光刻胶层的目标区域置于光下以对iii族氮化物层或(如果提供的话)钝化层进行曝光；在iii族氮化物材料势垒层中刻蚀出深度超出由iii族氮化物材料沟道层和iii族氮化物材料势垒层提供的2deg沟道水平的凹部，所述刻蚀被执行成使得iii族氮化物材料沟道层的侧壁具有40°≤θ≤75°、优选地50°≤θ≤60°的侧壁角度，该侧壁角度是以相应的成角度的侧壁与iii族氮化物材料势垒层的底部之间的角度测量的；在500℃至700℃、优选地550℃至600℃的温度下在凹部中对包括第一ti层和al层的欧姆接触结构进行退火，其中，第一ti层通过倾斜沉积工艺沉积，使得第一ti层的厚度等于或小于5nm；并且其中，al层以使得第一ti层与al层之间的厚度比为ti:al<1:1000的厚度沉积在ti层上。

18、通过所指定的侧壁角度，隧穿距离减小，因此也降低了接触电阻。此外，通过第一ti层延伸至2deg沟道水平下方，进一步降低了接触电阻。进一步地，通过所指定的第一ti层厚度，使接触电阻更低。进一步地，通过在欧姆接触结构中使用ti而不是ta，可以实现甚至进一步更低的接触电阻。比率ti:al<1:1000提供了令人惊讶的优点，即接触电阻可以降低到低于0.2ohm-mm，这通常只能通过复杂的再生长欧姆接触来实现。

19、因此，鉴于上文所提及的优点，该半导体结构器件解决了上文所提及的第一目的。

20、侧壁角度θ为40°≤θ≤75°允许低接触电阻。比所指定的范围更陡的侧壁角度可能会导致金属沉积困难(金属在侧壁上覆盖不足)。此外，比所指定的范围小的倾斜度可能会导致半导体/欧姆金属的界面区域处的2deg浓度降低(电子越少，接触电阻越差)。因此，可以相对于这些方面相应地选择侧壁角度。因此，侧壁角度θ可以选自以下中任何一项：40°≤θ≤45°、45°≤θ<50°、50°≤θ≤55°、55°≤θ≤60°、60°≤θ≤65°、65°≤θ≤70°、70°≤θ≤75°。作为示例，当半导体器件结构包括algan势垒层时，可以在侧壁角度为50°≤θ≤60°时达到0.2ohm-mm或更低的接触电阻。然而，通过改变例如沟道层和/或势垒层的材料、沟道层和/或势垒层的厚度、欧姆接触结构性质等，可以在40°≤θ≤50°和60°≤θ≤75°的情况下达到0.2ohm-mm的低接触电阻。

21、衬底可以是sic衬底。sic衬底可以具有4h或6c多型体。sic衬底可以被设置成使得衬底沿着平面内晶格轴的偏角基本上为零。衬底可以掺杂有碳。衬底可以是半绝缘的。通过刻蚀气体，比如h2、hcl、hf、hbr或sif4、cl2、或这些气体(比如h2和任何一种其他气体)的组合，可以原位或非原位预处理衬底。通过对衬底进行预处理，可以减少衬底表面上的例如氧污染和碳污染的量。

22、iii族氮化物材料沟道层的厚度可以为0.050μm至10μm。iii族氮化物材料沟道层的厚度可以为0.050μm至0.1μm、0.1μm至0.2μm、0.2μm至0.3μm、0.3μm至0.4μm、0.4μm至0.5μm、0.5μm至0.6μm、0.6μm至0.7μm、0.7μm至0.8μm、0.8μm至0.9μm、0.9μm至1.0μm、1.0μm至2.0μm、2.0μm至3.0μm、3.0μm至4.0μm、4.0μm至5.0μm、5.0μm至6.0μm、6.0μm至7.0μm、7.0μm至8.0μm、8.0μm至9.0μm、或9.0μm至10.0μm。

23、iii族氮化物材料势垒层的厚度可以为1nm至40nm。iii族氮化物材料势垒层的厚度可以为1nm至2nm、2nm至3nm、3nm至4nm、4nm至5nm、5nm至6nm、6nm至7nm、7nm至8nm、8nm至9nm、9nm至10nm、10nm至15nm、15nm至20nm、20nm至25nm、25nm至30nm、30nm至35nm、或35nm至40nm。

24、鉴于比率ti:al<1:1000这一指定条件，根据针对第一ti层所选择的厚度，欧姆接触结构的al层可以为2μm至5μm。

25、可以使用金属有机化学气相沉积(mocvd)工艺、或金属有机气相外延法(movpe)、或氢化物气相外延法(hvpe)、或分子束外延法(mbe)来使半导体器件结构生长。

26、第一层和iii族氮化物材料势垒层的生长条件(即，所使用的前体、流量、生长持续时间、压力、温度、温度斜升)可以根据第一层和iii族氮化物材料势垒层、可选的钝化层以及光刻胶层的材料选择来选择。

27、光刻胶层可以被沉积在iii族氮化物材料势垒层上或在(如果存在的话)可选的钝化层上。可以在光刻法期间对光刻胶层进行曝光以形成具有底切角度的底切区域。侧壁角度可以通过光刻胶的底切来控制。光刻胶底切角度越大，凹嵌侧壁角度越大，反之亦然。

28、如果存在可选的钝化层，可以用氟基气体通过电感耦合等离子体(icp)干法刻蚀对该钝化层进行刻蚀。可以在不暴露在空气下的情况下执行刻蚀。刻蚀残留物可以通过等离子体灰化来去除。

29、可以用氯基气体通过电感耦合等离子体(icp)干法刻蚀对第二iii族氮化物层进行刻蚀。可以在不暴露在空气下的情况下执行刻蚀。刻蚀残留物可以通过等离子体灰化来去除。

30、根据一个实施例，该方法包括相应地布置掩膜以限定光刻胶层的目标区域的步骤。替代性地，目标区域借由空间光调制器而暴露在光下。

31、根据一个实施例，欧姆接触结构被退火成凹嵌在iii族氮化物材料势垒层中，使得第一ti层的底部延伸至2deg沟道水平下方5nm至15nm。由此，接触电阻可以进一步降低到低于0.2ohm-mm。延伸到2deg沟道水平下方超出15nm可能会导致欧姆接触不良，或甚至由于金属在侧壁上覆盖不足而导致无欧姆接触。延伸到2deg沟道水平下方不足5nm可能会导致不良的接触电阻均匀性。

32、根据一个实施例，该方法包括在欧姆接触结构的al层上提供第二ti层的步骤。第二ti层可以充当氧化防护层。第二ti层的厚度可以为1nm至100nm。第二ti层的厚度可以为1nm至10nm、10nm至20nm、20nm至30nm、30nm至40nm、40nm至50nm、50nm至60nm、60nm至70nm、70nm至80nm、80nm至90nm、或90nm至100nm。

33、根据一个实施例，该方法包括在使iii族氮化物材料势垒层经受刻蚀步骤之前借由低压化学气相沉积(lpcvd)或等离子体增强化学气相沉积(pecvd)在该iii族氮化物材料势垒层上沉积钝化层的步骤，其中，该钝化层的材料优选地是sin。由此，半导体器件结构可以较少地受到环境影响或腐蚀。钝化层的厚度可以为1nm至400nm。在sin的情况下，可以使用硅烷、二氯硅烷和氨的前体。生长条件可以如下：流量可以为50sccm至400sccm，生长持续时间可以为0.1分钟至100分钟，压力可以为100mtorr至500mtorr，温度可以为700℃至850℃。

34、根据一个实施例，iii族氮化物材料沟道层的材料是gan。gan对于iii族氮化物材料沟道层来说可以是优选的选择，因为它在iii族氮化物之中具有最高的电子迁移率和速度，这在hemt结构中作为沟道层是理想的。iii族氮化物材料沟道层可以替代性地是algan层、或al梯度变化的algan层。在gan的情况下，可以使用三甲基镓(tmg，ga(ch3)3)和氨(nh3)的前体。作为示例，对于nh3，前体的流量可以为2l/min，而对于tmga，前体的流量可以为0.62ml/min。流经tmga起泡器的载气(例如h2)的流量可以为42ml/min。前体可以在室温下提供。作为替代方案，可以对这些前体中的至少一种前体进行加热，以便提高流量并且因此提高gan缓冲层的生长速率。这些前体中的每一种前体的流动可以通过至少一个质量流动控制器来控制，该至少一个质量流动控制器可以位于前体容器与反应器之间。这些前体中的每种或两种前体可以通过载气(比如h2、n2或ar)被输送到反应器中。在gan层生长时，反应器的温度可以为约1050℃。在gan生长时，反应器中的压力可以为约50mbar。在稳定的生长条件下，即当例如温度和压力稳定时，gan层的生长速率可以为约700nm/小时至2000nm/小时。室温可以是指16℃至23℃。

35、根据一个实施例，iii族氮化物材料势垒层的材料是alx2ga1-x2n、iny2al1-y2n、或iny2alx2ga1-x2-y2n，x2＝0至1，y2＝0至1，x2+y2≤1。在alx2ga1-x2n的情况下，x2可以优选地为x2＝0.15至1。在iny2al1-y2n的情况下，y2可以优选地为y2＝0.1至0.2。在iny2alx2ga1-x2-y2n的情况下，x2、y2可以优选地为x2＝0.75至0.80、y2＝0.1至0.2。al含量、ga含量、in含量可以根据生长条件相应地调整。

36、iii族氮化物材料势垒层的生长的前体可以是tmin(三甲基铟，即in(ch3)3)、tmal或tea、和tmga或tega。这些前体通常借由载气(比如h2、n2、或n2与h2的混合物)被输送到mocvd反应器中。

37、流经前体(例如tmal或tmga)起泡器的载气的流量对于tmal可以为约70ml/min，对于tmga可以为约50ml/min，而对于tmin可以为70ml/min。前体流与主载气流合并，可以为大约30l/min，以进一步输送到反应器。前体的反应形成反应性中间体，副产物发生在衬底上或附近。反应物被吸附在衬底上，从而形成薄膜层，最后借由mocvd反应器上的泵送将副产物从衬底上输送走。薄膜生长时，mocvd反应器中的压力通常范围从几毫巴到大气压力。反应器腔室可以是冷壁式或热壁式的。在冷壁反应器中，衬底典型地从下方被加热，而反应器壁保持比衬底冷。相比之下，在热壁反应器中，整个反应器腔室都会被加热，即衬底和反应器两者都会被加热。对于本披露内容所讨论的异质结构的生长，可以使用爱思强(aixtron)的vp508gfr热壁反应器。反应器的背景压力可以低于10mbar至4mbar。(参考：d.nilsson于2014年发表的博士论文“doping of al-content algan grown by mocvd[通过mocvd生长的al含量algan的掺杂]”和维基百科)。

38、根据一个实施例，刻蚀步骤涉及电感耦合等离子体、icp、干法刻蚀工艺。

39、根据一个实施例，第一ti层的厚度可以为0.1nm至1nm、1nm至2nm、2nm至3nm、3nm至4nm、4nm至4.5nm、或4.5nm至小于5nm、或在由这些区间的任意组合形成的区间内。通过将第一ti层的厚度选择成小于5nm，第一ti层足够薄，足以使之充当催化剂来帮助al层中的al提取n，因为al比ti具有更强的电子亲和力。作为示例，al的电子亲和力可以为大约42kj/mol，而ti的电子亲和力可以为大约7kj/mol。更精确的值可以在适用的参考表中找到。通过提供厚度小于5nm的第一ti层，可以进一步降低接触电阻。理想地，ti第一层应尽可能地薄，以防止形成tin(否则可能会起到电阻器的作用，从而导致接触电阻增大)。然而，可以使用ti充当催化剂来支持al从iii氮化物材料提取n，以形成接触电阻低的欧姆接触。

40、根据一个实施例，欧姆结构的al层的厚度可以为250nm至300nm、300nm至400nm、400nm至500nm、500nm至600nm、600nm至700nm、700nm至800nm、800nm至900nm、900nm至1000nm、1000nm至1500nm、1500nm至2000nm、2000nm至2500nm、2500nm至3000nm、3000nm至3500nm、3500nm至4000nm、4000nm至4500nm、4500nm至5000nm、或在由这些区间的任意组合形成的区间内。通过在厚度小于5nm的第一ti层上提供这种厚度的al层，实现低接触电阻。特别地，当al层的厚度为300nm至1000nm时，实现低接触电阻。

41、根据一个实施例，第一ti层与al层之间的厚度比可以为ti:al<1:1000。厚度比可以为50至100、100至150、150至200、200至250、250至300、300至350、350至400、400至450、450至500、500至550、550至600、600至650、650至700、700至750、750至800、800至850、850至900、900至950、950至1000、或在由这些区间的任意组合形成的区间内。

42、根据一个实施例，第一ti层是至少包含ti的ti基层。根据一个实施例，欧姆接触结构的al层是至少包含al的al基层。根据一个实施例，第二ti层是至少包含ti的ti基层。在退火工艺期间，上述层可以从邻近层提取材料。例如，这些层中的一个或多个层可以部分地包含ti-n、ti-al-n、al-n合金和未反应的ti或al。