CN101589466B - 电子元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在由半导体材料构成的衬底(3)上具有金属层(9)的电子元件，其中在该金属层(9)与该衬底(3)之间构造了一个扩散阻断层(7)，该扩散阻断层由一种材料来制造，该材料对于该金属层(9)的金属具有小的扩散系数。

Description

电子元件

现有技术

本发明涉及根据权利要求1前序部分所述的一种电子元件。

在由半导体材料构成的衬底上具有金属层的电子元件比如是半导体晶体管。该金属层在此比如是该半导体晶体管的电极。

作为用于该金属层的金属比如使用了铂或钯。其通常或者直接被沉积在该半导体材料的表面上、或者沉积在该半导体材料上的电绝缘层上。通常的半导体材料比如是氮化镓。但是如果该电子元件在高于350℃的温度中被使用，那么该电子元件的特性可能不可逆转地恶化。这比如是因为该金属层的金属扩散或迁移到该电绝缘层中或该半导体材料中。在晶体管的情况中，金属扩散或迁移可导致沟道阻抗的改变，但还导致栅极泄漏电流的急剧提高。还已知的是，具有高栅极泄漏电流的半导体晶体管比具有低栅极电流的电子元件明显更快速地退化。这是导致，促进该金属层的铂通过电迁移进入到该半导体中。

利用氮化镓作为半导体材料的电子元件比如是大功率的以及高频的场效应晶体管以及在光电技术中所应用的蓝色、白色和绿色LED。由于氮化镓的3.4eV的大带隙以及晶体热稳定性，基于此的元件原则上适于直至大约700℃的运行温度。

一种化学敏感的场效应晶体管比如在US 4437969中被公开。其中在一个层结构中构造了电极。该场效应晶体管在中温的流体介质中被驱动。为了避免该流体介质中的离子可能扩散到该半导体衬底中，在该衬底与该金属层之间构造了一个离子扩散屏障。但是，通过该离子扩散屏障没有避免在高温下该金属层的金属可能扩散到该半导体衬底中。

本发明的公开

本发明的优点

在根据本发明所构造的、在由半导体材料构成的衬底上具有金属层的电子元件中，在该金属层与该衬底之间或者在该金属层与绝缘层之间构造有扩散阻断层，该扩散阻断层由一种材料来制造，该材料对于该金属层的金属具有小的扩散系数。通过该金属扩散阻断层，降低了金属至该半导体材料或至该绝缘层的扩散。该电子元件没有由于扩散到该半导体材料中的金属而变得失效，或者说电绝缘层在其绝缘特性上没有由于扩散的金属而被损坏。

“小的扩散系数”在本发明的意义上所意味的是，在该电子元件的应用中在该电子元件的寿命上没有由于金属的迁移而产生功能损失。对于许多应用，要求在由该扩散阻断层所保护的区域中、也即在该绝缘层或半导体材料中在整个寿命t_L上在给定的运行温度下金属浓度保持低于一个临界阈值c_max(比如0.1原子百分比)。按照菲克定律，根据所需的寿命t_L可以得出对于扩散系数D和阻断层厚度d的以下要求：

$\mathrm{erf}\left(\frac{d}{2\sqrt{D\·t_L}}\right)>1-{2c}_{\max },$ 其中erf()表示高斯误差积分。

对于c_max＝0.1原子百分比的例子，对于层厚度、扩散系数和寿命，有如下关系式：

$\frac{d}{\sqrt{D\·t_L}}>4.83$

如果比如继续采用寿命t_L＝1000h以及层厚度d＝10nm，那么对于该金属在该扩散阻断层中的扩散系数D，有：

D＜1.5·10^-20cm²/s

为了使金属不扩散到该电子绝缘层中或者该衬底的半导体材料中，其中由此该电子元件将会变得失效，该扩散阻断层优选地是无孔隙的，或者在该层不被贯通的通道穿过的意义上仅仅显示出封闭的孔隙。

为了不会由于该扩散阻断层而损害该电子元件的功能性，该扩散阻断层优选由导电的材料来制造。用于扩散阻断层的合适的材料比如是硅化物、氮化硅钛(Titansiliziumnitrid)或者氮化硅钨(Wolframsiliziumnitrid)。硅化物优选地是硅化钽、硅化钨或硅化铂。

然而，替代地，该扩散阻断层也可以由电绝缘的材料来制造。如果该扩散阻断层的材料是电绝缘的，那么就不需要设置附加的电绝缘层，以保证该电子元件的功能，或者以制造即使在高温下也具有微小泄漏电流的晶体管。该衬底的半导体材料优选是氮化镓。氮化镓是一种III-V化合物半导体，其比如被应用于大功率晶体管和高频场效应晶体管。另外氮化镓还应用于光电技术，尤其用于蓝色、白色和绿色LED。由于3.4eV的大带隙以及晶体热稳定性，氮化镓的优点是，基于氮化镓的半导体元件原则上适合于直至约700℃的运行温度。

金属层的材料优选是元素周期表第9、第10或第11族的金属或者其中至少两种金属的混合物。尤其优选把该金属层的金属选择为铂、钯、铱、金、银、铑或者其中至少两种金属的混合物。尤其如果该电子元件应用于传感器应用，比如以气体敏感的场效应晶体管的形式，那么采用铂或钯作为由电化学层构成的金属层的材料是尤其有利的。在传感器应用中该金属层尤其构成了场效应晶体管的栅极电极。

为了保证电子元件的功能，在一个优选的实施方案中，在半导体材料构成的衬底与该金属层之间还容纳有一个电绝缘层。一方面，在此，该电绝缘层可以构造在该半导体材料构成的衬底与该扩散阻断层之间，或者该电绝缘层可以构造在该扩散阻断层与该金属层之间。另外，扩散阻断层还可以位于该电绝缘层上面和下面。如果该扩散阻断层由导电材料来制造，那么一个附加的电绝缘层则尤其是有利的。

为了防止该扩散阻断层氧化或者为了防止物质或氧化物泄漏到该扩散阻断层中，在本发明的一个实施方式中在该扩散层上面构造有一个保护层。该保护层可以是电绝缘的或导电的。如果该保护层是电绝缘的，那么其比如也可以用作电绝缘层。

该保护层的采用尤其在针对扩散层利用硅化物或氮硅化物的情况下是优选的，因为其可能由于氧化而在其稳定性和其作为扩散阻断层的功能上受损害。在由硅化物或氮硅化物比如WSi或WSiN构成的扩散阻断层中，比如Si₃N₄适合作为用于该保护层的材料。该保护层尤其在腐蚀性环境和/或在高温的应用中被采用。

电绝缘层的优选材料比如是Sj₃N₄。如果该电绝缘层的材料是Si₃N₄，那么该扩散阻断层在制造该电子元件期间也可以用作蚀刻阻挡层。在没有蚀刻阻挡层的情况下，在栅极电极区域中的钝化的回刻也会自动地把绝缘一起蚀刻掉。但是比如对于气体传感器必要的多孔金属层可能不实现该功能。

该扩散阻断层的另一优点是，其可以用作该金属层在由半导体材料构成的衬底上的粘合增进剂(Haftvermittler)。尤其是对于气体传感器优选采用的金属铂和钯在由氮化镓构成的衬底上已经从20nm的层厚度起进行分层。但是，如果该扩散阻断层用作粘合增进剂，那么该金属层就保持粘合在该扩散阻断层上并且不分层。

在该电子元件作为气体传感器来应用的情况中，如果该扩散阻断层的最上面的层相对于气体环境表现出合适的化学特性，那么这是有利的。这尤其是说，该层为测量气体或测量气体的分解物或反应物提供吸附位置，其导致在该边界层上的电荷分离或偶极子的形成。从而比如对于NH₃、HC、H₂、CO和NO_x氮化层或氧化层或形成界面氧化物的层已经证实是可靠的。但同时还要求该层相对于该环境是化学稳定的。尤其对于前述的扩散阻断层的材料这已经实现。

附图的简述

在附图中示出了本发明的一个实施例，并在下文说明中进行详细解释。

唯一的附图示例地示出了半导体晶体管的栅极电极的层构造。

本发明的实施方案

根据本发明构造的电子元件1包括衬底3，该衬底由半导体材料来制造。优选的半导体材料是氮化镓。但除了氮化镓之外，氮化铝、氮化铝镓和碳化硅作为半导体材料也是适合的。如前所述，氮化镓是一种III-V化合物半导体，其比如用于大功率晶体管和高频场效应晶体管。另外，氮化镓在光电技术中尤其应用于蓝色、白色和绿色LED。具有由氮化镓构成的衬底的电子元件原则上适合于直至约700℃的运行温度。从而这类元件也可以应用在高温应用中，比如用于汽车排放气流的气体传感器技术。

在该半导体材料构成的衬底3上首先施加了电绝缘层5。该电绝缘层5优选由与该芯片的钝化相同的材料来制造。比如Si₃N₄适合作为该电绝缘层5的材料。该电绝缘层5的厚度优选地在从1至100nm的范围内。

通常该电绝缘层5的材料被沉积在该半导体材料构成的衬底3上。从而可以直接在氮化镓构成的半导体表面的生长之后进行Si₃N₄的就地沉积。但是或者也可以的是，该电绝缘层5是易地沉积的CVD(chemicalvapor deposition，化学汽相淀积)的Si₃N₄层。

在具有栅极电极的电子元件中，通过该电绝缘层5该门二极管被绝缘，以降低栅极泄漏电流，并从而降低电迁移，稳定电气运行，并保证简单的信号分析。另外，如果该电绝缘层5如图1所示被直接沉积在该衬底3上，那么该衬底也可以把该电绝缘层用作具有小的界面物态密度(

-Zustandsdichte)的扩散屏障的粘合增进剂。

在该电绝缘层5上敷设了扩散阻断层7。该扩散阻断层7优选具有从1至300nm范围内的厚度。该扩散阻断层7的材料优选如此来选择，使得该材料对于在该扩散阻断层7上所敷设的金属层9的金属而具有小的扩散系数。对此该扩散阻断层7优选地基本是无孔隙的，或者仅仅具有封闭的孔隙。

如果该电子元件1是半导体晶体管，那么优选的是该扩散阻断层7由导电的材料来制造。通过为该扩散阻断层7采用一种导电的材料，在该衬底的半导体材料3与电场的源极之间的间距被缩小。由此改善了该半导体晶体管的跨导。如果该扩散阻断层7由导电的材料来制造，那么在该电场的源极与该衬底的半导体材料之间的间距就仅仅相应于该电绝缘层5的厚度11。但如果针对该扩散阻断层7采用了电绝缘材料，那么该扩散阻断层7的层厚度13就增加到在该电场的源极与该衬底3的半导体材料之间的间距上，并从而该半导体晶体管的跨导下降。这是因为，在该扩散阻断层7是绝缘材料的情况下该电场的源极仅仅是该金属层9。

替代地，如果该扩散阻断层7由一种电绝缘材料来制造，那么也可以放弃附加的电绝缘层5。但是因为该扩散阻断层7通常必须具有比电绝缘层5明显大的层厚度，所以优选的是，将导电的、厚的扩散阻断层7和薄的电绝缘层5组合，以改善作为半导体晶体管而构造的电子元件1的跨导。

该扩散阻断层7的、与该电绝缘层5的厚度相比较大的层厚度13是需要的，以实现相对于来自该金属层9的扩散金属的足够的阻断效应，并从而防止来自该金属层9的金属扩散到该衬底3的半导体材料中。

该电绝缘层5和该附加的扩散阻断层7的另一优点是，许多材料在直接沉积在该半导体表面时、尤其当该半导体材料是氮化镓时，致使产生空的化学键，所谓的“dangling bonds(空悬键)”。其结果是损害晶体管特性的固定的界面电荷。在界面物态密度非常高的情况下，甚至不可能控制该晶体管。现在如果为该电绝缘层5选择一种材料，该材料可以以非常小的界面物态密度来沉积，那么与在该衬底3上直接沉积扩散阻断层7相比可以实现改善的特性。在采用氮化镓作为半导体材料的情况下，Si₃N₄尤其具有非常小的界面物态密度。但是因为Si₃N₄本身不作为扩散屏障，所以需要附加的扩散阻断层7。

该扩散阻断层7的优选材料比如是氮化钛、由钛和钨组成的合金、钨或金。另外硅化物或氮化物是合适的，比如硅化钽、硅化钨、硅化钼或硅化铂、氮化硅钛或氮化硅钨或氮化硼。作为扩散阻断层7的材料优选的是硅化钽或硅化钨。

该金属层9通常与用于驱动该电子元件1的电导体相连接。任意每种金属都适合作为该金属层的材料。但优选的金属是元素周期表的第9、10或11族的金属。尤其优选的是铂、钯、铱、金、银、铑或者以上至少两种金属的混合物。如果该电子元件1被用作气体传感器，那么该金属层9优选地由铂或钯来制造。

该金属层9的厚度优选地处于从1至100nm的范围内。

在该电子元件1被用作气体传感器的情况下，该金属层优选地是有孔隙的。如果该金属层9是有孔隙的，那么该扩散阻断层7附加地还用于在该电子元件1的制造时的蚀刻阻挡层。即通常首先将钝化物敷设到该衬底3的半导体材料上。其为了制造该电子元件而被回刻在没有蚀刻阻挡层的情况下，该钝化物的回刻将导致该电绝缘层5也自动地被蚀刻掉。现在如果把有孔隙的金属层9直接敷设在该电绝缘层5上，那么其将不能用作蚀刻阻挡层，并且该电绝缘层5同样将被蚀刻掉。但是，由于该扩散阻断层7，即使在该金属层9有孔隙的情况下也避免了该电绝缘层5被蚀刻掉。

除了在此所示的构造之外，其中在该衬底3上首先敷设电绝缘层5、然后敷设该扩散阻断层7并最后敷设该金属层9，也可以在该衬底3上首先敷设该扩散阻断层7，并然后接着敷设该电绝缘层5。另外还可以设置一个附加的扩散阻断层。那么其比如可以位于该衬底3与该电绝缘层5之间。

附加地，可以在该扩散阻断层7上施加一个附加的保护层，通过该保护层来防止物质或氧化物泄漏到该扩散阻断层7中，或者防止该扩散阻断层7的氧化。通常所述附加的保护层位于该扩散阻断层7与该金属层9之间。如果该扩散阻断层7直接位于该衬底3上，并且该电绝缘层5敷设在该扩散阻断层7上，那么在一个实施方案中该电绝缘层5就用作附加的保护层。替代地，也可以在该扩散阻断层7与该电绝缘层5之间容纳所述附加的保护层。

如果不需要电绝缘层5，那么也可以代替该电绝缘层5在该扩散阻断层7上施加所述附加的保护层。

Claims (14)

1.在由半导体材料构成的衬底(3)上具有金属层(9)的电子元件，其特征在于，在该金属层(9)与该衬底(3)之间构造有扩散阻断层(7)，该扩散阻断层由一种材料来制造，该材料对于该金属层(9)的金属具有小的扩散系数，其中该金属层(9)是有孔隙的，该电子元件被用作气体传感器，该扩散阻断层相对于环境是化学稳定的，并且该扩散阻断层为测量气体或测量气体的分解物或反应物提供吸附位置。

2.根据权利要求1所述的电子元件，其特征在于，该扩散阻断层(7)是无孔隙的。

3.根据权利要求1或2所述的电子元件，其特征在于，该扩散阻断层(7)由导电的材料来制造。

4.根据权利要求1或2所述的电子元件，其特征在于，该扩散阻断层(7)的材料是硅化物、氮化硅钛或氮化硅钨。

5.根据权利要求4所述的电子元件，其特征在于，该硅化物是硅化钽或硅化钨。

6.根据权利要求1或2所述的电子元件，其特征在于，该衬底(3)的半导体材料是氮化镓。

7.根据权利要求1或2所述的电子元件，其特征在于，该金属层(9)的材料是元素周期表第9、10或11族的金属或由这些金属的至少两种组成的混合物。

8.根据权利要求1或2所述的电子元件，其特征在于，该金属层(9)的材料是铂、钯、铱、金、银、铑或者这些金属的至少两种组成的混合物。

9.根据权利要求1或2所述的电子元件，其特征在于，在该衬底(3)与该金属层(9)之间另外还容纳有电绝缘层(5)。

10.根据权利要求9所述的电子元件，其特征在于，该电绝缘层(5)由Si₃N₄制造。

11.根据权利要求1或2所述的电子元件，其特征在于，该金属层(9)是电极。

12.根据权利要求1或2所述的电子元件，其特征在于，在该扩散阻断层(7)上敷设有附加的保护层。

13.根据权利要求12所述的电子元件，其特征在于，用于所述附加的保护层的材料是Si₃N₄。

14.根据权利要求1或2所述的电子元件，其特征在于，该金属层(9)是栅极电极。

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