CN107993934A - 增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法，包括：对氧化镓半导体进行等离子体刻蚀表面处理，通过控制刻蚀工艺来调控氧化镓半导体表面的粗糙度、氧空位，使得表面粗糙度在1μm之内、氧空位增加；以及在经过等离子体刻蚀表面处理后的氧化镓半导体上生长对应功函数的金属层，形成欧姆接触的半导体器件。该方法有助于实现氧化镓材料的推广使用，另外，利用等离子体刻蚀方法提升欧姆接触不局限于氧化镓材料，还可以拓展应用至其他半导体器件中。
Description
技术领域
本公开属于半导体技术领域，尤其是涉及一种增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法。
背景技术
第三代半导体材料SiC，GaN的不断普及与发展，在新能源，智能电网，电动汽车，高速列车，雷达，航空航天等领域都发挥了关键作用。氧化镓具有4.8eV的禁带宽度，属于宽禁带半导体材料，击穿场强约在8MV/cm，这个值大约是4H-SiC和GaN的三倍，并且氧化镓的制备成本低，这些特性使其在大功率器件领域成为一支潜力股。
在现今的半导体发展过程中，接触是十分关键的一步，影响着整个器件的性能，以及器件的功耗。其中欧姆接触一直是半导体工艺方面的一个难点。欧姆接触是指：一是半导体和金属接触时不产生明显的附加阻抗；二是不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著变化。
从理论上来说，影响金属与半导体形成欧姆接触的主要因素有两个：一是金属、半导体的功函数；二是半导体的表面态密度。对于给定的半导体，从功函数对金属和半导体之间接触的影响来看，要形成欧姆接触，对于n型半导体，应该选择功函数小的金属，即满足金属的功函数Wm小于半导体的功函数Ws，使金属与半导体之间形成n型反阻挡层；而对于p型半导体，应该选择功函数大的金属与半导体形成接触，即满足Wm＞Ws，使金属与半导体之间形成p型反阻挡层。但是由于表面态的影响，功函数对欧姆接触形成的影响减弱，对于n型半导体而言，即使Wm＜Ws，金属与半导体之间还是不能形成性能良好的欧姆接触。目前，在生产实际中，主要是利用隧穿效应原理在半导体上制造欧姆接触，基于氧化镓材料的欧姆接触电阻大，氧化镓功率器件的功率损耗大，且工艺复杂，不能实现产业化，因此亟需提出一种能够增强氧化镓半导体器件的欧姆接触的方法，且工艺简单，可以推广使用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法，包括：对氧化镓半导体进行等离子体刻蚀表面处理，通过控制刻蚀工艺来调控氧化镓半导体表面的粗糙度、氧空位，使得表面粗糙度在1μm之内、氧空位增加；以及在经过等离子体刻蚀表面处理后的氧化镓半导体上生长对应功函数的金属层，形成欧姆接触的半导体器件。
在本公开的一些实施例中，等离子体刻蚀的工艺为感应耦合等离子体刻蚀。
在本公开的一些实施例中，感应耦合等离子体刻蚀中用于刻蚀的等离子体至少为如下一种：氮，氩，氯，氟，硫，氧，BCl3。
在本公开的一些实施例中，感应耦合等离子体刻蚀采用氧等离子体。
在本公开的一些实施例中，采用氧等离子体刻蚀的刻蚀条件满足：腔内温度介于300℃～1000℃之间，功率不超过50W，表面粗糙度控制在1μm以内。
在本公开的一些实施例中，对应功函数的金属层满足：对于n型半导体，金属的功函数小于半导体的功函数；对于p型半导体，金属的功函数大于半导体的功函数。
在本公开的一些实施例中，金属层的材料至少为如下材料中的一种：Ti、In、Cu、Ag、Pt、Ni、Au、Al。
在本公开的一些实施例中，在经过等离子体刻蚀表面处理后的氧化镓半导体上生长对应功函数的金属层之后还包括如下步骤：进行温度范围为400℃～1300℃的快速热退火处理。
在本公开的一些实施例中，半导体器件包括：分立器件，包括：二极管、晶体管、晶闸管；以及光电器件，包括：LED，激光半导体器件，受光器件，光耦，光通讯器件。
在本公开的一些实施例中，氧化镓半导体的材料至少为如下材料中的一种：单晶氧化镓，包括各个晶向的氧化镓；多晶氧化镓；非晶氧化镓；以及经过掺杂的氧化镓，包括：n型或p型氧化镓。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法，具有以下有益效果：
(1)采用等离子体刻蚀技术对氧化镓半导体器件进行表面处理，通过控制刻蚀工艺来调控氧化镓半导体表面的粗糙度、氧悬挂键、氧空位等参数，使得后续沉积于氧化镓半导体之上的金属与之形成非常薄的隧穿氧化层，降低肖特基势垒，减弱肖特基接触的影响，增强了欧姆接触，减小了接触电阻；
(2)由于氧化镓材料本身具有较低的制作成本，以及宽禁带、高的击穿场强等优异的半导体特性，本方法基于已经成熟的等离子体刻蚀工艺，成本低，简单易行，摸索出精确的工艺参数后可以进行大批量处理，有助于实现氧化镓材料的推广使用；
(3)该方法不仅适用于氧化镓半导体，还可以拓展至其他半导体器件，通过针对不同的材料体系调控相应的等离子体刻蚀工艺，便能够实现增强欧姆接触。
附图说明
图1为根据本公开一实施例的增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法示意图。
【符号说明】
10-衬底； 20-氧化镓半导体；
30-金属层。
具体实施方式
本公开提供了一种增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法，采用等离子体刻蚀技术对氧化镓半导体器件进行表面处理，通过控制刻蚀工艺来调控氧化镓半导体表面的粗糙度、氧悬挂键、氧空位等参数，使得后续沉积于氧化镓半导体之上的金属与之形成非常薄的隧穿氧化层，降低肖特基势垒，减弱肖特基接触的影响，增强了欧姆接触，减小了接触电阻。该方法有助于实现氧化镓材料的推广使用，另外，利用等离子体刻蚀方法提升欧姆接触不局限于氧化镓材料，还可以拓展应用至其他半导体器件中。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步详细说明。
等离子体工艺在半导体产业中十分重要，包括等离子体刻蚀，等离子体增强化学气相沉积，离子束溅射等。可以说等离子体的运用在半导体产业中是十分常见的。但是目前，等离子体表面处理用于提升欧姆接触的报道几乎没有见到过。其中，感应耦合等离子体(ICP，Inductively Coupled Plasma)刻蚀技术作为微机电系统(MEMS)中体微机械加工工艺中的一种重要加工方法，具有控制精度高、大面积刻蚀均匀性好、刻蚀垂直度好、污染少的优点，常用于刻蚀高深宽比结构，本公开将其作为改变氧化镓半导体器件表面悬挂键以及界面粗糙度的一种手段，结合退火处理过程，通过控制具体工艺将肖特基接触转变为欧姆接触，从而实现对欧姆接触电阻的调控。
本公开的增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法是通过等离子体刻蚀和氧化技术，通过刻蚀技术增加金属和半导体接触的粗糙度，并增加氧空位从而加大施主杂质的浓度，实现增强接触区域的隧穿效应，提升欧姆接触，降低接触电阻；另外，选用的刻蚀气体优选氧离子，通过氧化技术在表面形成氧的悬挂键，氧悬挂键和后面生长的Ti电极形成纳米级厚度的TiO2层，从而降低了氧化镓和Ti金属之间的势垒高度，增强遂穿效应，进而提升欧姆接触，降低接触电阻。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法。
图1为根据本公开一实施例的增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法示意图，其中，(a)为在衬底上沉积氧化镓半导体材料；(b)为在氧化镓半导体表面上进行ICP刻蚀的过程；(c)为进行ICP刻蚀后得到的表面粗糙度被调控后的氧化镓半导体；(d)为在ICP刻蚀后的氧化镓半导体上生长对应功函数的金属层。
参照图1所示，本公开的增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法，包括：在衬底10上沉积的氧化镓半导体20上进行等离子体刻蚀表面处理，通过控制刻蚀工艺来调控氧化镓半导体表面的粗糙度、氧空位，使得表面粗糙度在1μm之内、氧空位增加；以及在经过等离子体刻蚀表面处理后氧化镓半导体20上生长对应功函数的金属层30，形成欧姆接触。
这里的氧化镓半导体材料至少为如下材料中的一种：单晶氧化镓，包括各个晶向的氧化镓；多晶氧化镓或非晶氧化镓；经过掺杂的氧化镓，比如n型或p型氧化镓。
本实施例中，以n型或p型氧化镓作为氧化镓半导体20的材料，参照图1中(a)所示，在衬底10上沉积n型或p型氧化镓20；参照图1中(b)所示，对n型或p型氧化镓20采用等离子体刻蚀进行表面处理，得到如图1中(c)所示的结果，此时n型或p型氧化镓20的表面粗糙度在1μm之内、氧空位增加；然后在表面处理后的n型或p型氧化镓20上生长对应功函数的欧姆接触金属层30，参照图1中(d)所示。
从功函数的角度来考虑，金属与半导体要形成欧姆接触时，对于n型半导体，金属功函数要小于半导体的功函数，一般来说，满足此条件的金属材料有Ti、In、Al、Mo等；对于p型半导体，金属功函数要大于半导体的功函数，满足此条件的金属材料有Cu、Ag、Pt、Ni、、Au等。
对于n型氧化镓来说，选用功函数小于其的金属，本实施例以金属Ti为例进行说明；对于p型氧化镓来说，选用功函数大于其的金属，本实施例以金属Ni为例进行说明。需要说明的是，本公开中用于与氧化镓半导体形成欧姆接触的金属层不局限于上述列举的金属材料，只要符合形成欧姆接触的条件的金属材料均可。
优选的，为了使器件性能稳定，在欧姆接触金属层生长完之后，接着进行快速热退火处理，退火温度介于400℃～1300℃之间，退火时间介于30s～2min之间。本实施例中，优选的，退火温度为：470℃，退火时间为1min。
从功函数的角度来考虑，金属与半导体要形成欧姆接触时，对于n型半导体，金属功函数要小于半导体的功函数，一般来说，满足此条件的金属材料有Ti、In、Al、Mo；对于p型半导体，金属功函数要大于半导体的功函数，满足此条件的金属材料有Cu、Ag、Pt、Ni、Au。
对于n型氧化镓来说，选用功函数小于其的金属，本实施例以金属Ti为例进行说明；对于p型氧化镓来说，选用功函数大于其的金属，本实施例以金属Ni为例进行说明。
本实施例中，采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)的方法对氧化镓表面进行等离子体刻蚀。
本实施例中，用于刻蚀的等离子体可选但不限于：氮，氩，氯，氟，硫，氧，BCl3等。
优选的，采用氧等离子体进行刻蚀。在采用氧等离子体进行刻蚀的过程中，氧等离子体除了作为刻蚀气体，实现对粗糙度和氧空位的调控，增加金属和半导体接触的粗糙度，并增加氧空位，从而提升表面处的掺杂浓度，加大施主杂质的浓度，实现接触区域隧穿效应的增强，有助于提升欧姆接触，减小接触电阻；在氧气环境下，氧会以悬挂键的方式存在于材料的表面，和后续沉积于其上的形成欧姆接触的金属形成非常薄的隧穿氧化层，降低肖特基势垒，减弱肖特基接触的影响，因此选用氧等离子体进行刻蚀。
采用等离子体进行刻蚀的过程中，对于工艺的参数优化至关重要，通过实验摸索可以得到精确的调控参数，从而实现批量化处理。刻蚀工艺参数的优化对于粗糙度和氧空位的调控至关重要。其中，等离子体刻蚀的调控参数主要包括：刻蚀选用的气体或粒子、刻蚀腔内的气压、刻蚀腔的温度，刻蚀的时间等，这些参数会影响到刻蚀的深度、粗糙度、以及产生氧空位的多少。
本实施例中，采用氧等离子体进行刻蚀调控的参数主要包括：腔内的气压、温度，氧化时间等，这些参数会影响到表面悬挂键的数量、界面的粗糙度以及氧空位，优选的，腔内温度控制在300℃-1000℃之间，功率不超过50W，表面粗糙度控制在1μm以内。
在另一实施例中，采用BCl3作为等离子体刻蚀气体，优化之后的刻蚀的参数为：起辉功率为400W，刻蚀功率为30W，气压为20sccm，平均刻蚀速率为100nm/min，粗糙度为1nm。
需要说明的是，对半导体用于和金属接触的表面在沉积金属之前进行刻蚀的工艺也可以是采用现有的湿法刻蚀或干法刻蚀，只要能实现对粗糙度和氧空位的调控即可，不局限于实施例所述的具体刻蚀手段和工艺。另外，本公开中提到的半导体器件包括如今现有的分立器件，例如二极管、晶体管、晶闸管等；以及光电器件，例如LED，激光半导体器件，受光器件，光耦，光通讯器件等。
另外，本公开的技术方案是基于现有氧化镓材料具有的优异特性和存在的缺陷提出，因此针对氧化镓半导体器件可以适用，有助于氧化镓器件的大批量推广使用，但是该方法不仅适用于氧化镓半导体，还可以拓展至其他半导体器件，通过针对不同的材料体系调控相应的等离子体刻蚀工艺，便能够达到增强欧姆接触的目的。
综上所述，本公开提供了一种增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法。采用等离子体刻蚀技术对氧化镓半导体器件进行表面处理，通过控制刻蚀工艺来调控氧化镓半导体表面的粗糙度、氧悬挂键、氧空位等参数，使得后续沉积于氧化镓半导体之上的金属与之形成非常薄的隧穿氧化层，降低肖特基势垒，减弱肖特基接触的影响，增强了欧姆接触，减小了接触电阻；由于氧化镓材料本身具有较低的制作成本，以及宽禁带、高的击穿场强等优异的半导体特性，本方法基于已经成熟的等离子体刻蚀工艺，成本低，简单易行，摸索出精确的工艺参数后可以进行大批量处理，有助于实现氧化镓材料的推广使用；并且该方法不仅适用于氧化镓半导体，还可以拓展至其他半导体器件，通过针对不同的材料体系调控相应的等离子体刻蚀工艺，便能够实现增强欧姆接触。
当然，根据实际需要，本公开提供的增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法还包含其他的常用方法和步骤，由于同公开的创新之处无关，此处不再赘述。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
应该注意的是上述实施例对本公开进行说明而不是对本公开进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法，包括：
对氧化镓半导体进行等离子体刻蚀表面处理，通过控制刻蚀工艺来调控氧化镓半导体表面的粗糙度、氧空位，使得表面粗糙度在1μm之内、氧空位增加；以及
在经过等离子体刻蚀表面处理后的氧化镓半导体上生长对应功函数的金属层，形成欧姆接触的半导体器件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述等离子体刻蚀的工艺为感应耦合等离子体刻蚀。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述感应耦合等离子体刻蚀中用于刻蚀的等离子体至少为如下一种：氮，氩，氯，氟，硫，氧，BCl3。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述感应耦合等离子体刻蚀采用氧等离子体。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，采用所述氧等离子体刻蚀的刻蚀条件满足：腔内温度介于300℃～1000℃之间，功率不超过50W，表面粗糙度控制在1μm以内。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对应功函数的金属层满足：
对于n型半导体，金属的功函数小于半导体的功函数；
对于p型半导体，金属的功函数大于半导体的功函数。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述金属层的材料至少为如下材料中的一种：Ti、In、Cu、Ag、Pt、Ni、Au、Al。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在经过等离子体刻蚀表面处理后的氧化镓半导体上生长对应功函数的金属层之后还包括如下步骤：
进行温度范围为400℃～1300℃的快速热退火处理。
9.根据权利要求1至8任一项所述的方法，其中，所述半导体器件包括：
分立器件，包括：二极管、晶体管、晶闸管；以及
光电器件，包括：LED，激光半导体器件，受光器件，光耦，光通讯器件。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述氧化镓半导体的材料至少为如下材料中的一种：
单晶氧化镓，包括各个晶向的氧化镓；
多晶氧化镓；
非晶氧化镓；以及
经过掺杂的氧化镓，包括：n型或p型氧化镓。
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