TWI533453B - 具垂直結構之氮化鎵功率半導體裝置 - Google Patents

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TWI533453B TW103118094A TW103118094A TWI533453B TW I533453 B TWI533453 B TW I533453B TW 103118094 A TW103118094 A TW 103118094A TW 103118094 A TW103118094 A TW 103118094A TW I533453 B TWI533453 B TW I533453B
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Description

具垂直結構之氮化鎵功率半導體裝置
本發明係涉及具垂直結構之氮化鎵功率半導體裝置。
氮化鎵(GaN)在高功率應用方面為有潛力替代矽(Si)的材料。氮化鎵具有高破壞電壓、極佳的輸送特性、快速的交換速度與良好的熱安定性。氮化鎵也較碳化矽更具成本效益。另一優點為，由氮化鋁鎵(AlGaN)與氮化鎵組成之異質結構所產生高電子移動的二維通道，能使該氮化鎵裝置在相同的逆向偏壓時，實現較矽與碳化矽更低的接通電阻。
氮化鎵可提供技術平台各種不同的半導體裝置，例如包括：二極體與電晶體。二極體被廣泛使用於各種電子電路上。理想上，用於高壓開關應用電路的二極體需符合下列特徵。當呈現反方向偏壓時(即，陰極的電壓較陽極高)，該二極體應能支援大量電壓，同時盡可能不讓電流通過。必須支援的電壓總量取決於應用；例如，許 多高功率開關應用要求二極體能支援至少600V的逆向偏壓，且同時不讓大量的電流通過。最終，當該二極體為反向偏壓時，儲存於其中的電荷總量應盡可能地為小，以減低當該二極體兩端電壓改變時，該電路中的暫態電流，從而減少轉換的損失。
圖1係顯示傳統氮化鎵為基之二極體示例。二極體100包括基板110、氮化鎵緩衝層120、氮化鎵磊晶(「epi」)層130與氮化鋁鎵障壁層135。第一金屬層在氮化鋁鎵障壁層135形成蕭特基接觸140，且第二金屬層在氮化鋁鎵障壁層135形成歐姆接觸150。蕭特基接觸140作為裝置之陽極，且歐姆接觸150作為裝置之陰極。鈍化層160位於蕭特基接觸140與歐姆接觸150之間。
量子井在介於具有大量能隙之氮化鋁鎵層，與具有較狹窄能隙之氮化鎵層之間的異質連接界面上形成。電子因此被俘獲在該量子井中。被俘獲的電子以在氮化鎵磊晶層中的二維(2DEG)電子氣170為代表，且為電子沿著該通道陽極與陰極之間流動的結果。因此，因其操作是以二維電子氣為基礎，在通道中電荷載體建立橫向電流。
圖1顯示的該二極體問題為由於總附加接觸電阻，其接通電阻相對地大，因為該二維電子氣的順向電流必須經由氮化鋁鎵障壁層135傳送到達陰極150，其中相較於矽，以氮化鎵為基之材料的歐姆接觸的電阻通常顯著地大。此外，因為陽極與陰極位於該裝置的同一面，所 要求的晶粒區域也相對地大。況且，因為熱散逸被限制只在該晶粒的一面上，該二極體的熱性能相對地不足。
依照本發明，半導體裝置包括具有第一側與第二側的基板，及被配置於該基板第一側上方的第一主動層。被配置於該第一主動層上的第二主動層。該第二主動層具有較該第一主動層高之能隙，使得二維電子氣層發生於該第一主動層與該第二主動層之間。至少一溝槽，經由該第一主動層與該第二主動層，以及該二維電子氣層延伸並進入該基板。該些溝槽由傳導材料襯裡。第一電極被配置於該第二主動層上，以及第二電極被配置於該基板的第二側。
100‧‧‧二極體
110‧‧‧基板
120‧‧‧氮化鎵緩衝層
130‧‧‧氮化鎵磊晶層
135‧‧‧氮化鋁鎵障壁層
140‧‧‧蕭特基接觸
150‧‧‧歐姆接觸
160‧‧‧鈍化層
170‧‧‧二維電子氣
210‧‧‧基板
212‧‧‧結核層
220‧‧‧氮化鎵緩衝層
225‧‧‧二維通道
230‧‧‧第一主動層/氮化鎵磊晶層
235‧‧‧第二主動層/氮化鋁鎵障壁層
240‧‧‧溝槽
245‧‧‧傳導材料
250‧‧‧陽極
260‧‧‧陰極
270‧‧‧鈍化層
310‧‧‧基板
320‧‧‧氮化鎵緩衝層
325‧‧‧二維通道
330‧‧‧第一主動層/氮化鎵磊晶層
335‧‧‧第二主動層/氮化鋁鎵障壁層
340‧‧‧溝槽
345‧‧‧傳導材料
350‧‧‧歐姆電極
355‧‧‧蕭特基接觸
360‧‧‧歐姆汲極電極
365‧‧‧介電材料
370‧‧‧鈍化層
410‧‧‧基板
420‧‧‧氮化鎵緩衝層
425‧‧‧二維通道
430‧‧‧第一主動層/氮化鎵磊晶層
435‧‧‧第二主動層/氮化鋁鎵障壁層
440‧‧‧溝槽
445‧‧‧傳導材料
450‧‧‧歐姆電極
455‧‧‧閘極電極
460‧‧‧歐姆汲極電極
470‧‧‧鈍化層
圖1係顯示傳統氮化鎵為基之二極體示例。
圖2係顯示依照本發明所建構的氮化鎵為基之二極體示例。
圖3至圖7係顯示用於製造如圖2所顯示的氮化鎵為基之二極體，其製程順序的步驟示例。
圖8與圖9係顯示依照本發明建構的氮化鎵為基之金屬絕緣半導體(MIS)電晶體示例。
圖10與圖11係顯示依照本發明建構的氮化鎵為基之高電子移動性電晶體(HEMT)示例。
值得注意的是在本文中提及任何「一實施方式」或「實施方式」等的參考，表示描述包括在本發明至少一實施方式中，與實施方式關聯的特定特徵、架構或特性。在不同說明處出現「一實施方式中」該詞，不一定全指相同之實施方式。況且，不同的實施方式可整合為各種方法，來產生在本文中顯示以外的額外實施方式。
如以下詳述，所提供的氮化鎵為基之功率裝置，例如二極體或電晶體，具有相對低的接通電阻。如之前所述，使用如圖1所顯示的橫向氮化鎵為基之裝置會導致數個缺點。這些缺點包括接通電阻的增加、該裝置所佔用面積的增大以及較差的散熱。
相反的，如以下詳述的垂直氮化鎵為基之功率裝置，如二極體或電晶體，可克服這些問題。此裝置可藉由從裝置的頂端移動陰極，如圖1所顯示之傳統裝置，到其與低電阻基板210接觸的背面來完成。如此一來電流被橫向(經由該二維通道)且垂直地傳導於陽極與陰極之間。結果，來自頂電極部之電流可在二維通道內移動，並接著流往底電極部，因此減少總電阻。為了將電流傳導至陰極，二維通道與陰極之間設置有傳導路徑。在一實施方式中，藉由用傳導材料襯裡一個或多個溝槽以設置傳導路徑。
圖2係顯示依照本發明所建構的氮化鎵為基 之二極體示例。該二極體包括低電阻基板210、氮化鎵緩衝層220、第一主動層如氮化鎵磊晶層230與第二主動層如氮化鋁鎵(AlXGa1-XN；0<X<1)障壁層235。經由障壁層235、氮化鎵磊晶層230及氮化鎵緩衝層220被蝕刻的一對溝槽240，並延伸至低電阻基板210。溝槽240由傳導材料245襯裡，如鈦、鋁或金。第一金屬層形成有氮化鋁鎵障壁層235之蕭特基接觸250，並作為陽極。第二金屬層在基板210背面形成歐姆接觸260，並作為陰極。鈍化層270填充溝槽240，並覆蓋障壁層235暴露之處。
如圖2所顯示連續的傳導路徑此時經由二維通道225被橫向提供，以及經由傳導材料245所襯裡的溝槽240被垂直向提供。如此一來當陽極與陰極之間產生電壓差時，電流便於之間產生。有利的是，電流必須通過圖2裝置之二維通道的橫向距離，相較於圖1的裝置來得短。況且，電流可經由該低電阻基板被傳導至陰極，因此減少總電阻。
氮化鎵為基之二極體可由磊晶生長製程來製造。舉例說明，反應濺射製程可被用於，當靶材與基板同時位在包括氮與一或多項摻雜物的氣體環境中，從置於靠近基板的金屬靶材中拉出該半導體的金屬組成物，如鎵、鋁與/或銦。或者，可使用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)，其中基板暴露在含有金屬有機化合物、以及反應性含氮氣體，如氨，與含摻雜物氣體的環境中，同時基板通常維持在約700~1100C的昇華溫度。氣體化合 物以結晶材料的薄膜形式，在基板的表面分解或形成摻雜半導體。該基板與所生成的薄膜接著被冷卻。又或者，可使用其他如分子束磊晶(MBE)或原子層磊晶的磊晶生長方法。可應用其它額外的技術，包括但不侷限，流量調節有機金屬氣相磊晶(FM-OMVPE)、有機金屬氣相磊晶(OMVPE)、氫化物氣相磊晶(HVPE)與物理氣相沉積(PVD)。
圖3至圖5係顯示製程順序的步驟示例，可用於製作如圖2顯示之氮化鎵為基之二極體。開始結構生成，一可選的結核層212沉積於基板210上(圖3)。基板210為適合氮化鎵沉積之低電阻基板。圖解示例的合適基板可為，例如高度摻矽或高度摻碳化矽所形成。例如，結核層212可為富含鋁層，如AlXGa1-XN，其中X介於0至1之間。結核層212操作為，藉由創造基板210的結晶結構與氮化鎵緩衝層220的結晶結構之間的界面，修正氮化鎵緩衝層220與基板210之間的晶格錯位。
若應用在該結核層212沉積後，氮化鎵緩衝層220沉積於結核層212之上，氮化鎵磊晶層230在該緩衝層220上形成以及AlXGa1-X障壁層235沉積於氮化鎵磊晶層230之上(圖4)。二維傳導通道225為細窄、高遷移率之通道，限制載體到氮化鎵磊晶層230與AlXGa1-XN障壁層235之間的界面區。
延伸至基板210之溝槽240可藉由蝕刻製程而形成(圖5)。例如可應用光蝕刻技術，其中光阻塗佈 在於障壁層235上所形成的氧化物層上來定界該些溝槽240，其使用電漿蝕刻製程來蝕刻，舉例說明，如反應性離子蝕刻(RIE)或感應耦合式電漿蝕刻(ICP)。應該注意的是溝槽底部可為各種表面結構，例如包括V型、圓U型及方型表面結構。
襯裡該溝槽的傳導層245(見圖6)可由濺鍍、沉積或真空蒸鍍低電阻傳導金屬來形成，與使用微影及後續的蝕刻步驟成型。鈍化層270可藉由生長一或多層高品質的介電材料而製成，此種介電材料係使用例如物理氣相沉積(PVD)、電漿加強式化學氣相沉積(PECVD)、低壓化學氣相沉積(LPCVD)或原子層沉積(ALD)等技術。
圖7係顯示在形成陽極250與陰極260後的最終裝置結構。陽極250可藉由首先型塑鈍化層270、接著經由濺鍍、沉積或真空蒸鍍蕭特基金屬沉積而形成。接著使用微影及後續的蝕刻步驟使陽極250成型。陰極260可藉由歐姆金屬的沉積來製成，舉例說明，如使用濺鍍、沉積或真空蒸鍍等技術。
圖8和圖9係顯示其它氮化鎵為基之裝置的示例，其提供一經由二維通道325的橫向傳導路徑以及一垂直傳導路徑。更具體來說，所顯示之電晶體或轉換器具有位於基板頂端的源極與閘極，在其中與AlXGa1-XN障壁層相連，且其汲極位於基板底部端。
圖8所顯示之金屬絕緣半導體(MIS)電晶 體，其包括基板310、氮化鎵緩衝層320、如氮化鎵磊晶層330之第一主動層與如氮化鋁鎵(AlXGa1-XN；0<X<1)障壁層335之第二主動層。一對溝槽340經由障壁層330被蝕刻並延伸至基板310。溝槽340由傳導材料345襯裡，如鈦、鋁或金。一對蕭特基接觸355，可於二氧化矽、氮化矽、氧化鋁或氮化鋁等等的介電材料365上形成。介電材料365在氮化鋁鎵障壁層335上形成，鄰接溝槽340並作為閘極。歐姆電極350直接於氮化鋁鎵障壁層335上形成，並位於閘極電極355之間。歐姆電極350作為源極。歐姆汲極電極360於基板310的背面形成並作為汲極。鈍化層370填充溝槽340並覆蓋閘極電極355。在替代的實施方式中，如圖9所顯示的暴露出閘極電極355。
圖10示範高電子移動性電晶體(HEMT)，其包括基板410、氮化鎵緩衝層420、如氮化鎵磊晶層430之第一主動層與如氮化鋁鎵(AlXGa1-XN；0<X<1)障壁層435之第二主動層。一對溝槽440經由障壁層430與二維通道425被蝕刻，並延伸至基板410。溝槽440由傳導材料445襯裡，如鈦、鋁或金。一對蕭特基接觸455於氮化鋁鎵障壁層435上形成，連接溝槽440並作為閘極。歐姆電極450直接於氮化鋁鎵障壁層335上形成，並位於閘極455之間，作為源極。歐姆汲極電極460在基板410的背面形成並作為汲極。鈍化層470填充溝槽440並覆蓋閘極電極455。在替代的實施方式中，如圖11所顯 示的暴露出閘極電極455。
在其他優點之上，以上所描述之功率半導體裝置，其透過低電阻傳導通道而有降低的總電阻。此外，在二極體的案例之中，因為陽極與陰極位於該裝置的相反面上，可減少所需求的晶粒區域(在某些實施方式中約20%)。因此，裝置也具有降低的接通電阻。況且，因為熱散逸發生在晶粒兩側，熱性能裝置被強化。
儘管在本文中特別說明與描述不同的實施方式，應當理解的是本發明的修改和變化都包括在上述教導和在所附的申請專利範圍之內而不悖離其精神和本發明預期的範圍。例如，當描述功率半導體裝置為氮化鎵為基之裝置時，本發明一般而言多半包含由任何第三族氮化物化合物半導體形成的功率半導體裝置，其中第三族成份可為鎵(Ga)、鋁(Al)或銦(In)。
210‧‧‧基板
220‧‧‧氮化鎵緩衝層
225‧‧‧二維通道
230‧‧‧第一主動層/氮化鎵磊晶層
235‧‧‧第二主動層/氮化鋁鎵障壁層
240‧‧‧溝槽
245‧‧‧傳導材料
250‧‧‧陽極
260‧‧‧陰極
270‧‧‧鈍化層

Claims (17)

  1. 一種半導體裝置，包含：基板，具有第一與第二側；第一主動層，被配置於該基板的該第一側的上方；第二主動層，被配置於該第一主動層上，該第二主動層具有較該第一主動層高之能隙，使得二維電子氣層發生於該第一主動層與該第二主動層之間；至少一溝槽，經由該第一主動層與該第二主動層，以及該二維電子氣層延伸並進入該基板；傳導材料，該襯裡溝槽；第一電極，被配置於該第二主動層上；第二電極，被配置於該基板的該第二側；以及第三電極，被配置於該第二主動層上，該第一電極、第二電極以及第三電極分別為源極電極、汲極電極、以及閘極電極。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該至少一溝槽包含經由該第一主動層與該第二主動層，以及該二維電子氣層延伸並進入該基板的一對溝槽，該對溝槽各由傳導材料襯裡。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該第一主動層包括磊晶層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該第一電極為蕭特基接觸。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之半導體裝置，其中該 第二電極為歐姆接觸。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該第一主動層包含第三族氮化物之半導體材料。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之半導體裝置，其中該第一主動層包含氮化鎵。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該第二主動層包含第三族氮化物之半導體材料。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之半導體裝置，其中該第二主動層包含AlXGa1-XN，其中0<X<1。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，進一步包含被配置於該些第三電極各者與該第二主動層之間的電介質層。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中該些第三電極為蕭特基電極。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，進一步包含填充該溝槽的鈍化材料。
  13. 一種形成半導體裝置之方法，包含：在基板上形成第一主動層；在該第一主動層上方形成第二主動層，該第二主動層具有較該第一主動層高的能隙，使得二維電子氣層發生於該第一主動層與該第二主動層之間；形成經由該第一主動層與該第二主動層、以及該二維電子氣層延伸並進入該基板的至少一溝槽；以傳導材料襯裡該溝槽； 以鈍化材料填充該溝槽；在該第二主動層上形成第一電極；在該基板的底側形成第二電極；以及第三電極，被配置於該第二主動層上，該第一電極、第二電極以及第三電極分別為源極電極、汲極電極、以及閘極電極。
  14. 如申請專利範圍第13項所述形成之方法，其中：形成該至少一溝槽進一步包含形成經由該第一主動層與第二主動層、及該二維電子氣層延伸並進入該基板的一對溝槽，該些溝槽各由傳導材料襯裡以及鈍化材料填充。
  15. 如申請專利範圍第13項所述形成之方法，其中該第一電極為蕭特基接觸。
  16. 如申請專利範圍第15項所述形成之方法，其中該第二電極為歐姆接觸。
  17. 如申請專利範圍第13項所述形成之方法，其中該第一主動層包含第三族氮化物的半導體材料。
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