專利名稱:GaN緩沖層中的摻雜劑擴散調(diào)制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及氮化鎵(GaN)晶體管的領(lǐng)域。尤其,本發(fā)明涉及一種用于捕獲多余的摻雜劑的方法和裝置。
背景技術(shù):
對于功率半導(dǎo)體器件,氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體器件的需求日益增加,這是由于它們能夠承載大電流并且支持高電壓的能力。這些器件的發(fā)展通常旨在進行高功率/高頻應(yīng)用。為這些應(yīng)用類型而制造的器件基于展示高電子遷移率的通用器件結(jié)構(gòu),并且這些器件被稱為異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFET)、高電子遷移率晶體管(HEMT)或者調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管(MODFET)等各種名稱。這些類型的器件典型地可以經(jīng)受高電壓,例如100伏特,同時在高頻下運行,例如IOOkHz-IOGHz。GaN HEMT器件包括具有至少兩個氮化物層的氮化物半導(dǎo)體。形成在該半導(dǎo)體或緩沖層上的不同材料使得這些層具有不同的帶隙。相鄰氮化物層中的不同材料還引起極化, 這有助于在兩層接合處附近,尤其在具有較窄帶隙的層中形成導(dǎo)電二維電子氣ODEG)區(qū)。弓丨起極化的這些氮化物層通常包括臨近GaN層的AlGaN阻擋層,以包括2DEG,其允許電荷流經(jīng)器件。該阻擋層可以是摻雜或無摻雜的。由于在零柵偏壓下門極下方存在2DEG 區(qū),所以大部分氮化物器件是常開型或者是耗盡型器件。如果在施加零柵偏壓時在門極下方2DEG區(qū)被耗盡,即被移除,則該器件可以是增強型器件。增強型器件是常關(guān)型,并且由于它們提供的附加安全性而符合需要。為了傳導(dǎo)電流,增強型器件需要在門極施加正偏壓。圖1示出了常規(guī)GaN晶體管器件100。器件100包括由硅(Si)、碳化硅(SiC)、藍寶石或其他材料形成的基底11,通常由氮化鋁(AlN)和氮化鋁鎵(AKiaN)形成的厚度為約0. 1至約1. 0 μ m的過渡層12,摻雜Mg的GaN層10,通常由GaN形成的厚度為約0. 5至約3 μ m的緩沖層13,由GaN或氮化銦鎵QnfeiN)形成的厚度通常為約0. 01至0. 5 μ m的電流傳導(dǎo)區(qū)14,通常由AWaN、Al和鈦(Ti)形成的可以具有Si的厚度通常為約0. 01至約 0. 03 μ m的接觸區(qū)15,通常由AlGaN形成的厚度為約0. 01至約0. 03 μ m的阻擋層16,其中 Al和( 比例為約0. 1至約0. 5,由鎳(Ni)和金(Au)金屬觸點形成的門極結(jié)構(gòu)17,以及由具有諸如Ni和Au的封蓋金屬的Ti和Al形成的歐姆觸點金屬18和19。在常規(guī)GaN晶體管器件(例如圖1)中生長摻雜Mg的GaN材料期間,將鎂(Mg)添加至生長環(huán)境中。該Mg積聚在GaN的表面上,并且成為晶體的一部分。此外,在該部分生長期間,Mg覆蓋了生長腔的壁。在生長摻雜Mg的材料之后,為了獲得不具有Mg的材料而生長未摻雜的GaN是困難的,這是因為在GaN的表面仍然殘留有Mg并且在室壁上也具有Mg。 由于Mg容易在生長腔移動,所以這些殘余的Mg將繼續(xù)污染晶體更長時間。常規(guī)GaN晶體管具有許多缺點。擊穿電壓受到門極17寬度的限制(如圖1中所示)。為了實現(xiàn)高電壓,需要寬的門極以及門極17和漏極觸點18之間的大間隔,這是由于在未摻雜GaN材料13中由于氧污染和氮空位導(dǎo)致的殘余η-型摻雜。此外,使用摻雜在緩沖層中的Mg的常規(guī)GaN晶體管受到由阻擋層附近的Mg所引起的導(dǎo)電性改變的不良影響。
發(fā)明內(nèi)容
需要提供一種方法和裝置,以實現(xiàn)利用摻雜緩沖層改善器件的擊穿電壓,同時消除由阻擋層附近的摻雜劑引起的器件性能波動。為了實現(xiàn)該目標,需要捕獲多余的摻雜劑, 以便于避免現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點。
圖1示出了常規(guī)GaN晶體管器件的橫截面視圖。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例形成的增強型GaN晶體管器件的橫截面視圖。圖3是與非中斷或標準生長相比的單行中斷和多行中斷的緩沖層中的Mg濃度的曲線圖。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例形成的增強型GaN晶體管器件的橫截面視圖。
具體實施例方式在下列詳述中,參考特定實施例。充分詳細地描述這些實施例,以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┻@些實施例。應(yīng)當理解的是,可以采用其他實施例,并且可以進行各種結(jié)構(gòu)、 邏輯和電氣改變。本發(fā)明涉及具有Mg生長中斷層以捕獲多余或殘余的摻雜劑的GaN晶體管器件,以及用于制造該器件的方法。本發(fā)明被設(shè)計成迫使Mg與氮進行反應(yīng),例如形成較低揮發(fā)性的材料,即氮化鎂。隨后,該材料被一層GaN或AlGaN所覆蓋。覆層步驟可以在較低的溫度下進行,以協(xié)助覆層。通過降低溫度,MgN與Al或( 之間將發(fā)生較少的反應(yīng)。Al和MgN的反應(yīng)使得形成A1N,而MgN還原成Mg。該反應(yīng)與所需覆層和MgN的捕獲相競爭。因而,如果可以通過降低溫度而抑制該反應(yīng),Mg將更易于以MgN的形式存留。參考圖2,現(xiàn)在參考增強型GaN晶體管的形成來描述第一實施例。圖2示出器件 200的截面視圖。器件200自底向上地包括基底31、過渡層32、Mg摻雜層33、生長中斷層 39、緩沖層34、阻擋層35、歐姆接觸金屬36、37以及門極結(jié)構(gòu)38。生長中斷層(Mg擴散阻擋)39可以由一層或多層高度Mg摻雜的GaN構(gòu)成。它們可以通過中斷生長并且將表面暴露至氨而形成??梢允褂贸?Mg之外的其他合適的摻雜劑,包括鐵0 )、鎳(Ni)、錳(Mn)、 鈣(Ca)、釩(V)或其他過渡金屬?,F(xiàn)在將參考Mg作為摻雜劑的一個實例,描述圖2的結(jié)構(gòu)的形成。通過在基底31 上成核和生長形成過渡層32?;?1可以包括硅(Si)、碳化硅(SiC)、藍寶石、氧化鋰鎵 (LiGaO2)、氮化鎵(GaN)或其他合適的材料。過渡層32可以包括AlN、AlGaN、IniUGaN、Si02、 SiN、Mg0、Al203或其組合物,優(yōu)選其厚度為約0. 1至約1. 0 μ m。過渡層32通常厚度小于約 1000埃。隨后,生長Mg摻雜層33。Mg摻雜層33可以包括GaN,其厚度為約0. 1至約1. 0 μ m, 其中Mg的濃度在每cm3具有IO16個原子和每cm3具有IO19個原子之間。接著,生長阻擋Mg 的生長中斷層39。生長中斷層39的形成包括生長不具有含Mg材料的GaN,停止提供含鎵材料、同時維持提供氨或其他活性氮源(例如,等離子體N2),以形成一層氮化鎂,開始提供 Ga以通過生長一層GaN而封蓋該氮化鎂層,再次中斷生長并重復(fù)上述順序,直到實現(xiàn)最終層中的Mg的目標含量。接著,生長緩沖層34、阻擋層35和門極結(jié)構(gòu)38,并且進行材料處理以形成門極觸點。緩沖層34可以包括GaN,優(yōu)選厚度為約0.5至約3.0μπι。阻擋層可以包括AlGaN,其中Al組分比例為約0. 1至約0. 5,優(yōu)選厚度在約0. 01和約0. 03 μ m之間。Al 組分比例是Al在AlGaN的含量,其中Al組分比例加上( 組分比例等于1。門極結(jié)構(gòu)38可以包括P型GaN,其具有高熔點金屬觸點,諸如鉭(Ta)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鎢(W)或硅化鎢(WSi2)。門極結(jié)構(gòu)可以是簡單金屬,如Au下的Ni,或者具有金屬的半導(dǎo)體,如TiN下的GaN,或者金屬下的絕緣體下的半導(dǎo)體,如TiN下的SiN下的GaN。其他半導(dǎo)體可以是Si、 6&八8或hAlGaN。其他絕緣體可以是AlfeiN JnAl(iaN、Si02、SiN、Mg0、Al203。其他金屬可以是Al、Ni、Au、Pt等。也可以使用多晶硅代替金屬。金屬和門極層優(yōu)選厚度均為約0.01至約Ι.Ομπι。門極結(jié)構(gòu)的總厚度優(yōu)選低于1 μ m。接著,在器件的其他區(qū)域蝕刻門極結(jié)構(gòu)38, 并且形成歐姆觸點36、37。歐姆觸點金屬36、37可以由具有諸如鎳(Ni)和金(Au)或者鈦 (Ti)和氮化鈦(TiN)的封蓋金屬的鈦(Ti)和鋁(Al)形成。還可以存在與接觸區(qū)相關(guān)的被注入的高摻雜區(qū)。主溝道區(qū)可以使η型摻雜GaN、或未摻雜或本征IniUGaN。根據(jù)上述方法,在門極下添加ρ型GaN層33和一系列生長中斷層39減小了 GaN 緩沖層34中Mg的水平。在圖2中,層33的Mg摻雜增大了器件的擊穿電壓。器件的門極長度可以顯著地減小,而不減小器件的擊穿電壓。由于較小的門極長度,器件的門極電容減小。由于較小的門極電容,提高了器件的開關(guān)速度。生長中斷層39減少了層34中和阻擋層35附近的Mg濃度。圖3是比較在不具有生長中斷層的緩沖層中、具有單一生長中斷層的緩沖層中和具有六層生長中斷層的緩沖層中Mg濃度的曲線圖。從多個生長中斷曲線可見,每個生長中斷在中斷位置處形成較高水平的Mg,而在隨后層中具有較低水平的Mg。每個生長中斷層降低了 Mg,并且通過應(yīng)用多層,可以在較短的距離內(nèi)獲得低水平的Mg。降低層34中的Mg增加器件的導(dǎo)電性。降低層34中的Mg還允許將層33設(shè)置緊密接近層35,而不降低器件的導(dǎo)電性。此外,層33與層35的緊密接近導(dǎo)致提高了器件的擊穿電壓,并且減小了門極漏電流。然而,圖2的結(jié)構(gòu)具有一些缺點。生成生長中斷層39所需的時間會很長,導(dǎo)致增加制造成本。此外,因為反應(yīng)器部件的污染,在層34中仍然存在一些Mg。參考圖4,現(xiàn)在參考增強型GaN晶體管的形成而描述第二實施例。圖4示出了由下文所述方法形成的器件300的橫截面視圖。本發(fā)明的該實施例與第一實施例不同之處在于,圖2的生長中斷層39現(xiàn)在替換為AWaN層49。AWaN層49 (摻雜擴散阻擋)可以包括一層或多層MGaN。類似于第一實施例,它們通過中斷生長和暴露GaN表面至氨、隨后沉積 AlGaN以及再沉積GaN而形成。AlGaN層中的Al組分比例在約0. 3和約1之間。AlGaN層的厚度優(yōu)選為約0. 005至約0. 03 μ m。圖4結(jié)構(gòu)的形成類似于上述參考第一實施例(圖2)所述,其中使用Mg作為摻雜劑,作為實例。各層的尺寸和成分也類似于第一實施例。然而,不形成生長中斷層39(圖 2),而是形成AlGaN層49。AWaN層49的形成包括生長不具有含Mg材料的GaN,停止提供含鎵材料、同時維持提供氨或其他活性氮源(例如,等離子體N2),以形成一層氮化鎂,降低生長溫度,開始提供Al和/或( 以通過生長一層GaN而封蓋該氮化鎂層,返回生長溫度至初始溫度以生長GaN,再次中斷生長并重復(fù)上述順序,直到實現(xiàn)最終層中的Mg的目標量級。 降低生長溫度和返回初始生長溫度的步驟是任選的。
根據(jù)上述方法,在門極下添加ρ型GaN層43和一系列生長中斷和AWaN層49減少了 GaN緩沖層44中的Mg的水平。第二實施例共享與第一實施例相同的優(yōu)勢。而且,向擴散阻擋49添加多個AlGaN層,提高了每個生長中斷步驟的效率,減少了實現(xiàn)緩沖層44中 Mg摻雜的所需水平的步驟數(shù)量。上述描述和附圖僅是實現(xiàn)本文所述的特征和優(yōu)點的特定實施例的解釋說明。可以對特定處理條件進行修改和替換。因此,不應(yīng)認為本發(fā)明的實施例受到前述描述和附圖的限制。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體晶體,包括 基底;一組位于該基底上的過渡層;以及該組過渡層上的III族氮化合物(III-N),包含經(jīng)調(diào)制并且逐漸降低濃度的摻雜劑原子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體晶體,其中所述摻雜劑原子選自于包括Mg、Fe、m、Mn、 Ca、V和其他過渡金屬的組。
3.—種制造半導(dǎo)體晶體的方法,該方法包括 生長不具有Mg的GaN材料;停止提供含( 材料,同時維持提供氨或其他活性氮源;以及隨后開始提供fe。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法,其中重復(fù)這些步驟多次。
5.一種制造半導(dǎo)體晶體的方法,該方法包括 提供包含摻雜劑和III族元素的氣體流;停止提供包含摻雜劑和III族元素的氣體流; 降低溫度;重新開始提供含III族元素的氣體流; 升高溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法,其中氣體中斷、溫度降低、氣體再引入和溫度升高的順序重復(fù)多次。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法,其中所述含III族元素氣體是下列一種或多種化合物的混合物三甲基鎵、三甲基鋁、三乙基鎵、三乙基鋁和三乙基銦。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法,其中摻雜劑原子選自包括Mg、Fe,Ni,Mn、Ca、V和其他過渡金屬的組。
全文摘要
一種半導(dǎo)體晶體及其形成方法。該方法包括提供包含摻雜劑和III族元素的氣體流、停止提供包含摻雜劑和III族元素的氣體流降低溫度、重新開始提供包含III族元素的氣體流然后升高溫度。
文檔編號H01L33/00GK102365763SQ201080014928
公開日2012年2月29日 申請日期2010年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月8日
發(fā)明者羅伯特·比奇, 趙廣元 申請人:宜普電源轉(zhuǎn)換公司