TWI358838B - Low doped layer for nitride-based semiconductor de - Google Patents
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Description
1358838 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於半導體裝置，且更特定言之係關於如肖特 基一極體之氮化物基半導體裝置，且係關於用於製造該相 同裝置之方法。 【先前技術】 諸如氮化鎵及氮化鎵基半導體之氮化物基半導體被廣泛 視為理想的寬㈣:化合物半導體。此等材料已採用於如發 光二極體（LED)、雷射二極體及光電二極體之光電子裝置 中，且亦已應用於如場效電晶體（FET)及場發射器之非光學 電子裝置中。在光電子裝置中’該材料之寬帶隙允許發出 或吸收在可見光至紫外線之範圍内的光。在電子裝置中， 氮化鎵及其相㈣料提供高電子遷移率且允許以非常高之 讯流頻率操作。
氮化物基半導體之該等特性亦使得此等材料是肖特基二 2體應用中所需的1要肖特基二極體用於以下應用中了 “正向偏壓轉換為反向偏㈣損耗能量且自反向偏遷轉 換為正向偏麼時可顯著地影響系統之效率；及當用作開關 電源中之輸出整流料’在正向偏壓下需要高電流傳導或 需:很少傳導或無需傳導。因為該整流金屬 且=接面之較低的障壁高度，所以該等肖特基二極體 八有較低之啟動電壓，且因為該等肖特基二極體主要是夕 數載流子裝置，所以其具有較快的轉換速度。因此= 希望氛化物基半導體作為肖特基二極體，此是因為當= 99386.doc 1358838 • 豸壓該肖特基二極體時，氮化物基半導體具有減小裝置導 • 通電阻之高電子遷移率，且當反向偏壓該等肖特基二極 . 體，氮化物基半導體具有經受高崩潰場之能力另外，氮 . 化嫁及氮化嫁基半導體進一步具有如下優點：可視該結合 • 中所使用之金屬類型而改變金屬至半導體接面之障壁i 度’且因此改變正向電壓降落。 然而，當反向偏壓該金屬Μ導體接面時，該降低之金 4至半導體障壁高度可增加反向茂漏電流。因此，該金屬 至半導體接面需要一較低摻雜半導體層。然而，當正向偏 壓該裝置時’該較低換雜層產生更高之導通電阻。因此進 -步希望倂人-充當傳導路徑之主要部分的更高度推雜的 層’且將該較低摻雜層之厚度降至最低，進而當正向偏壓 該裝置時減小該電阻。因此，當試圖減小一裝置之正向電 阻並減小反向崩潰·時存在調整。當如藉由增加該較低 摻雜層之電阻率及晟许 十夂与度而使Α特基二極體優化以用於更高 私&向偏壓崩溃電壓時，導通電壓增加。相反，當如藉由提 供個更同捧雜及更厚之低電阻層而將該等裝置優化以用 於低導通電阻時，崩潰電壓降低。 為優化用於高反向偏壓崩潰㈣及低正向偏壓導通電阻 土極朋·，希望一薄的、非常低摻雜的層充當該金 • 1至半導體接觸。然而’很難在該層上以均句的可重複的 .方式獲得該等低摻雜級。 因此’希望提供-種具有可以均句摻雜重複形成之非常 低摻雜層的肖特基二極體。 99386.doc 1358838 【發明内容】 本务明提供一種具有一藉由使 摻雜頂層的肖特基二極體。 L雜㈣成之較低 發明之一態樣’形成-半導继層結構。藉由在另 :至〉-部分的頂上形成摻雜氣化物半導趙之至少一 子層及未摻雜氮化物半導體 該h、/ ㈣之至P子層而在該另-層之 ^至乂一部分的頂上形成一調變摻 層且右, 丈佼雜層，藉此該調變摻雜 〆、有取大為2E16 cm 3之摻雜濃度。 ㈣本發明之另一態樣，一半導體層結構包括—安置於 :之頂上的氮化物半導體的調變摻雜層。該調變摻雜 .乂邰刀的頂上的摻雜氮化物 之至少一子層及未摻雜氮化物半導體之至少一子 層，藉此該調變摻雜層具有最大為2E16cm.3之換雜P。 根據本發明之此等態樣’可在另一層之至少—部分二頂 上形成摻雜氮化物半導體與未摻雜氮化物半導體之交替式 子層。來自摻雜子層之摻雜物可擴散到未播雜子層中以形 成該具有大體均勻之摻雜濃度的調變摻雜層。可藉由反應 性濺鍍、金屬有機物化學氣相沈積（M〇CVD)、分^束磊^ 法（MBE)或原子層以法來形成摻雜子層及未彳參雜子層。 該調變摻雜層可包括氮化鎵基半導體，其可包括㈣且 可為n型。該調變摻雜層可具有至少為4E15 cm·3之摻雜濃 度。該調變摻雜層可具有至少為〇·2 μηι及/或最大為⑺ 之厚度。該調變摻雜層之摻雜子層可具有至少為〇 〇〇〇5 pm 及/或最大為0.1 μηι之厚度。該調變摻雜層之未摻雜子層可 99386.doc 1358838 具有至少為0.005哗及/或最大為〇〜之厚度。 社二-接面可形成為具有—根據本發明之此等態樣的層 二贫且具有一形成於該摻雜層之頂上的第-金屬接觸 曰第—金屬接觸層可包料㈣、把㈣或鎳⑽。 肖特基二極體’其具有上述之肖特基接面，且 具有形成於另-層之至少-部分上之歐姆接觸。
在：據：發明之進一步態樣，形成-肖特基二極體。藉由 二至少—部分的頂上形成摻雜氮化物半導體之至 ^ s及未摻雜氮化物半導體之至 -層之該至少一部分的頂上 ：％該另 摻雜層之至+一土 戚凋嫒摻雜層。於該調變 ^ 13卩分的頂上形成—金屬接觸層，以與並形 成-为特基接觸。在另—層之至少一部 、广 金属接雜思 刀上^成至少另一 阻盘肖特其'形成一歐姆接觸。肖特基二極體之導通電 Ω.^/ν。 ％凊電屡的比率最大為2χΙ〇.5 層=另二=;據本發明之進-步態樣。-調變摻* 體之至少-心及=部分上’且包括摻雜氣化物半導 于膺及未摻雜氮化物半導體之至 金屬接觸層安置於該調變掺雜：層。-與其形成—肖特基接觸、。至少一另刀的頂上’以 -層之至少-部分上屬接觸層安置於另 之導通電阻與肖d 一歐姆接觸。肖特基二極體 2X〜2/V基-極體之崩潰電壓的比率最大為 根據本發明之此等態樣’可在另一層之至少一部分的頂 99386.doc 1358838 上形成摻雜氮化物半導體與未摻雜氮化物半導體之交替式 子層。可藉由反應性濺鍍、金屬有機物化學氣相沈積 (MOCVD)、分子束磊晶法（MBE)或原子層磊晶法來形成摻 雜子層及未摻雜子層《> 該調變摻雜層可包括氮化鎵基半導體，該說化鎵基半導 體可包括⑽並且可為n型。調變換雜層可具有至少為0.2fxm 及/或最大為1〇 μι„之厚度。該調變摻雜層之摻雜子層可具
有至少為0.005叫及/或最大為〇」㈣之厚度。調變推雜層 之未摻雜子層可具有至少為〇〇〇5阳及/或最大為〇」㈣之 厚度。 該另-層可為在形成摻雜層之前形成於—基板之頂上的 氮化物半導體的另一摻雜層，該推雜層與另一接雜層可具 有相同的傳導類型，且另一摻雜層可比該推雜層經更高推 雜可藉由反應性滅鐘、金屬有機物化學氣相沈積 (MOCVD)、分子束磊晶法（_)或原子層磊晶法來形成另 -摻雜層。該另—摻雜層可包括氮化嫁基半導體，該氮化 鎵基半導體可包括GaN並且可為♦另—摻雜層可具有至 少4E18 cm·3之摻雜濃度。 該基板可為藍寶石、碳切、摻㈣或未摻雜石夕。 該肖特基金屬接觸層可包括翻㈣、把㈣或_)。該 ^姆金屬接觸層可為紹/鈦/姑/金⑽Ti/pt/Au)或⑽呂㈤ 金（ΤιΜΙ/PtMu)。 根據本發明之額外態樣，形成一宵特基二極體。在一基 板之頂上形成η型摻雜氮化物半導體之下層。由位於氮化物 99386.doc •10- 1358838 +導體之下層的至少-部分的頂上的n型摻雜氮化物半導 . ㈣未摻雜氛化物半導體之交替式子層形成一上層。可藉 • 由反應性濺鍍、金屬有機物化學氣相沈積（M0CVD)、分子 束县晶法（MBE)或原子層蠢晶法來形成該等子層，從而形 '《氮化物半導體之—上層。氮化物半導體之下層比氮化物 半導體之上層經更高摻雜。在氣化物半導體之上層的項上 形成-第-金屬接觸層以形成一肖特基接觸。在氮化物半 #體之下層的頂上形成一第二金屬接觸層以形成一歐姆接 觸。肖特基二極體之導通電阻與肖特基二極體之崩潰電塵 的比率最大為2xI〇·5 ii.cm'V。 肖特基二極體是根據本發明之另一額外態樣的。η型摻雜 氮化物半導體之-下層安置於一基板的頂上。氣化物半導 體之-上層安置於氮化物半導體上層的該層的至少一部分 的頂上’且包括n型摻雜氮化物半導體與未摻雜氮化物半導 體之交替式子層。氮化物半導體之下層比氮化物半導體之 _丨層經更高摻雜…第-金屬接觸層安置於氮化物半導體 之上層的頂上以形成-肖特基接觸。一第二金屬接觸層安 置於氮化物半導體之下層的頂上以形成—歐姆接觸。肖特 基二極體之導通電阻與肖特基二極體之崩潰電塵的比率最 大為 2 XIΟ β 2 / v。 根據本發明之此等態樣，氮化物半導體之上層及氣化物 +導體之下層中的一者或兩者包括一可包括㈣之氮化鎵 基半導體。 式的彳苗述考慮本發明將進 參考如下較佳實施例及隨附圓 993S6.doc -11 · 1358838 _ —步瞭解本發明之前述態樣、特徵及優點。 【實施方式】 . 如本揭示内容中所使用之術語"ΙΙΙ-V半導體"指根據化學 計量式AlaInbGacNdAsePf之化合物半導體材料，在該化學計 量式中（a+b+c)約為1且（d+e+f)亦約為！。術語，，氮化物半導 體"或"氮化物基半導體"指m-ν半導體，其中4為〇5或更 大、最為典型約為0.8或更大。該等半導體材料較佳為純氮 _ 化物半導體，意即，其中d約為1〇之氮化物半導體。本文 所使用之術語"氮化鎵基半導體，，指包括鎵之氮化物半導 體，並且最佳包括作為基體金屬存在之鎵的氮化物半導 體，意即，具有G0.5且最佳>〇.8。該等半導體可具有p型或 η型傳導性，該導電性可由習知摻雜物賦予並且亦可得自特 定半導體材料之固有導電型。例如具有缺陷之氮化錄基半 冑體通常固有地為㈣，甚至當未摻雜時亦為㈣。諸如si、
Ge S及Ο之習知電子供體摻雜物可用於將n型導電性賦予 氮化物半導體，而Ρ型氮化物半導體可包括諸如河§及仏之 習知電子受體摻雜物。 圖1說明-根據本發明而形成之一氮化物基肖特基二極 體的截面圖1特基二極體1〇〇包括一其上生長有另外層之 基板102。理想上，該基板應具有一晶格間距，即其晶格中 鄰近原子之間的間隔’其等於待生長在該基板之頂上之氮 化鎵或其它氮化物基半導體之晶格間距，以減少形成於氮 化物基半導體中之缺陷（例如晶格中之位錯）的數量。另外， 亦高度希望該等基板具有至少等於該氮化物基半導體之熱 99386.doc -12- 1358838 膨脹係數，以便在生長氮化物基半導體層後，於冷卻該基 板及氮化物基半導體時，該基板將會比半導體層收縮更 多，藉此壓縮該半導體層且避免層中裂紋的形成。 基板102可為一用於形成側向導電裝置之絕緣基板或非 導電基板，該基板如結晶藍寶石晶圓、碳化石夕晶圓或非推 雜矽晶圓。或者，基板102可為一用於形成垂直導電裝置之 摻雜矽晶圓，如2002年12月4日申請的美國臨時申請案第 60/430,837號及2003年11月25日中請之美國專利申請案第 1 0/721，488號中所描述者，其揭示内容以引用之方式併入本 文中。 為補償氮化物基半導體層與基板之間的晶格失配及熱膨 脹係數失配，可在基板102的頂上提供一緩衝層（未圖示卜 該緩衝層可包含-或多個氫化物基材料層，以在該基板之 晶格結構與該氮化鎵或其它氮化物基半導體層之晶格結構 之間提供過渡。 接著’在該緩衝層的頂上形成諸如氮化鎵或氮化鎵基半 導體之高摻雜氮化物基半導體層1〇6，或當不存在緩衝層 時，直接在基板102的頂上形成該高摻雜氮化物基半導體層 1 06。通常使用磊晶成長過程形成該高摻雜層丨。可使用 一反應性濺鍍過程，其中在目標及基板二者皆處於包括氮 及一或多種摻雜物之氣體氣氛下時’自安置在接近該基板 處的金屬目標中移除半導體的金屬成分（例如錄、紹及/或 銦）。或者，可採用金屬有機物化學氣相沈積（m〇cvd)，其 中將該基板曝露於含金屬有機化合物之氣氛以及反應性含 99386.doc -13- 1358838 氮氣體（例如氨氣）及含接雜物之氣體中，同時將該基叛维持 在升高之溫度，通常約為70(M100t：。該等氣體化合物八 解且在基板1〇2之表面上以結晶材料之薄膜的形式形成推 雜金屬氮化物半導體。接著冷卻該基板及所生成之薄膜。 作為另一種選擇，可使用其它屋晶成長方法’例如分子束 磊晶法⑽E)或原子層蟲晶法。所得高摻雜層1〇6較佳為n 型且具有至少為4Ε18 cm·3之摻雜濃度。
藉由调變摻雜’在高摻雜層1〇6之至少頂上部分的項上形 成一諸如氮化鎵或氮化鎵基半導體之低摻雜氮化物基半導 體層108。低摻雜層108通常形成於更高摻雜層ι〇6之整個表 面的頂上’接著圖案化該低摻雜層，且钮刻去除低摻雜層 ，部分以曝露較高摻雜層1〇6的區域。可以已知方式執行該 等圖案化及姓刻步驟。 以已知方式在低摻雜層108之頂上形成一诗特基金屬層 110且其與低摻雜層形成該金屬至半導體接面，已知為诗特 基接面。儘管其它高功量材料可用於獲得想要的障壁高 度’但該肖特基金屬層通f包含—#(pt)層、—纪㈣層或 一鎳（Ni)層。 另一金屬層11 6安置於高摻雜層1〇6之頂上，且其與該高 摻雜層形成一歐姆接觸。儘管可使用其它金屬或金屬之組 合，但該歐姆金屬層通常為一或多種金屬之堆疊，例如鋁/ ，/鉑 /金（Al/Ti/Pt/Au)堆疊或鈦/鋁 /鉑 /金（Ti/Ai/pt/Au)堆 且在2003年11月25日頒佈之題為”Contact To n-GaN With Au T_inaii〇n”的美國專利第M53,215號中描述了 A1/Ti/pt/Au 99386.doc 14 1358838 歐姆接觸堆疊及其形成之實例，該專利之揭示内容以引用 之方式倂入本文中。 在肖特基金屬層110及歐姆金屬層116之頂上形成一更厚 、、-·° δ襯塾金屬層112。該結合襯塾金屬層通常為一厚的叙 (Α1)層或金（Au)層。至少可於該歐姆金屬與肖特基金屬層之 間形成一包含一絕緣體之鈍化層（未圖示）。
可使用本領域中已知之方法來形成肖特基金屬層11〇、歐 姆金屬層1〇6及結合襯墊金屬層112。 圖1中所示之肖特基二極體結構產生一種在氮化鎵基層 中使用側向傳導以輸送正向電流之裝置。該正向電流跨過 肖特基障壁從肖特基金屬層11〇垂直行進經過相對薄的低 摻雜層108且然後沿高摻雜層106之水平維度到達歐姆金屬 層 116 〇 圆2更詳細地說明圖丨中所示之氮化物基肖特基二極體 W0,以展示用於形成該較低摻雜層之調變摻雜。圖2中所 φφ 不的類似參考數字表示圖1中所示的對應於彼等參考數字 之結構。 藉由交替沉積摻雜氮化物基材料之子層2〇8及未摻雜氮 化物基材料之子層209來獲得該調變摻雜，該等子層如摻雜 及未摻雜氮化鎵或氮化鎵基材料之子層。該等交替摻雜及 -未摻雜之子層較佳使用如反射性濺鍍、M〇CVD、ΜΒΕ或原 .子層悬晶法之方法在高推雜層的頂上蟲晶成長。 視情況，交替摻雜及未摻雜子層可足夠薄，以使得在磊 晶成長期間加熱基板導致該等摻雜層中之摻雜物擴散到未 99386.doc •15· 1358838 摻雜層，從而在整個較低摻雜層上產生大體均勻的摻雜濃 度，其低於摻雜子層2〇8中的初始摻雜濃度。然而，本發明 同樣適於不存在該擴散之情況。
所得較低捧雜層較佳為„型，且當在形成較低摻雜層之後 里測時較佳具有-在7 5£18到j 4E16 cm‘3之間的在較低推 雜層上的摻雜濃度，且在完成裝置處理之後具有一在侧 到2E16之間的摻雜濃度。該較低接雜層較佳具有μ叫至 1〇μΐΏ的厚度’而該等摻雜層每一均具有〇.〇〇5μΓη至〇.1μιη 的較佳厚度，並且該等未摻雜層每-均具有0.0〇5 μιη至Q.1 μΠ1的較，厚度。該較低摻雜層的厚度及摻雜濃度由裝置之 所而的麗來確定，而增加的厚度及/或較低捧雜濃度 提供更问的崩潰電塵。作為—實例，對於 ν之所需崩潰 電壓而言’較低換雜層可具有1 μπι至4 μχη的厚度，且具有 1Ε1 5至5 Ε1 6 c m · 3之㈤的相對應之摻雜濃度。 有利的是’本發明之調詩雜過程允許使用可以可重複 的，均勾的方式得到的較低換雜層。該等交替摻雜子層中 的母者均具有待以一可重複方式形成之足夠高的摻雜濃 度。因此’摻雜子層及未摻雜子層的所得組合產生—在整 個低：雜層上之可重複的及均句的摻雜物濃度。 所侍、”。構具有另-優點：當處於正向偏壓下時該裝置之 導通電阻低’而當處於反向偏壓時崩潰電壓高。該裝 導通電阻與該妒& 裝置之反向朋潰電壓的比率通常最 2x10 Ω Cm /V。作為—實例，對於具有康v崩潰電遲： 0.003 5 Ω·οηι2導甬带 „ 、電阻之肖特基二極體而言，得到丨75χΐ〇_5 99386.doc -16· 1358838 Q.cm2/V的比率。作為另一實例，對於具有6〇〇 v崩潰電壓、 0.009 0.^112導通電阻之裝置而言，得到15乂丨〇-2以1112/¥的 比率。 儘管本文t已參考特定實施例描述本發明，但應瞭解此 等實施例僅㈣本㈣之㈣及應用。因此應瞭解在不偏 離如隨附中請專利範財所界定之本發明的精神及範嗜的 情況下，可對說明性實施例進行許多修改，且可設計其它 配置。
【圖式簡單說明】 圖1是一放大根據本發明之一實施例之半導體結構的尺 寸的片斷、截面圖。 【主要元件符號說明】 圖2是-放大圖4所示之半導體結構之尺寸的片斷 '截 面圖，其展示頂層之調變摻雜。 100 肖特基二極體 102 •基板 106 咼摻雜氮化物基半導體層 108 低摻雜氮化物基半導體層 110 肖特基金屬層 112 結合椒墊金屬層 116 歐姆金屬層 208 摻雜氮化物基材料之子層/摻雜子層 209 未推雜氮化物基材料之子声 99386.doc •17·
Claims (1)
1358838 第094104494號專利申請案 十、申請專利範圍： _文申請專利範圍替換本(ϊ〇0年9月Wg
一種形成-半導體層結構之方法，該方法包含·· 在另一層之至少一部分上形成一調變摻雜層，該調變 摻雜層是藉由在該另—層之爷 ^ 層之該至少一部分上形成摻雜氮 化物半導體之至少-子層及未摻雜氮化物半導體之至少 一:層而形成，藉此該調變摻雜層具有__最大為2ei6 ‘ 之實質上均勻摻雜濃度。 _月求項1之方法’其中該形成步驟包括在該另—層之該 ^部刀的頂上形成摻雜氮化物半導體與未摻雜敦化 物半導體之交替式子層。 如π求項1之方法，其中該形成步驟包括使來自該摻雜氮 化物半導體子層之摻雜物擴散到該未摻雜氮化物半導體 子層中以形成該摻雜層，該摻雜層具有一大體均勻之摻-雜濃度。 夕 如吻求項1之方法，其中該調變摻雜層包括一氮化鎵基半 導體。 5.如明求項1之方法，其中該調變摻雜層包括GaN。 6·如請求項1之方法’其中該調變摻雜層具有一至少為 且最大為ΙΟμιη之厚度。 7·如請求項1之方法，進一步包含藉由在該調變摻雜層的頂. 上形成一金屬接觸層而形成一肖特基接面。 8·如請求項7之方法，其包括該另一層之另一部分上之—歐 姆接觸’且其中該肖特基二極體之一導通電阻及該肖特 基一極體之一崩潰電壓的比率最大為2xHT5 〇.cm2/v。 99386-1000926.doc 1358838 9_如請求項7之方法，其中該金屬接觸層係選自由鉑（Pt)、 纪（Pd)及鎳（Ni)組成之群。 10.如請求項8之方法，其中該歐姆金屬接觸層係選自由鋁/ 欽/始/金（Al/Ti/Pt/Au)及鈦/銘/翻/金（Ti/Al/Pt/Au)組成之 、群。 11_如請求項1之方法，其中：
該另一層係一以高摻雜氮化物為基.礎之半導體層；及 該方法進一步包含使用一磊晶成長製程以形成該以高 摻雜氮化物為基礎之半導體層。 12.如明求項11之方法，其中該方法進一步包含蝕刻去除該 調變摻雜層之部分以曝露該以高摻雜氮化物為基礎之半 導體層的區域。 13.如前述請求項任—項之方法，其進—步包含使得在該推 雜氮化物半導體之至少一早居中夕换灿心 ^于層宁之摻雜物擴散至該未摻 雜氮化物半導體之至少一子層。
14.如請求項13之方法， 成長期間加熱該基板 其中使得該摻雜物擴散包含在磊 as 99386-I000926.doc
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