利用電導調(diào)制在氮化鎵材料中用于結(jié)終端的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種包括具有第一表面和與第一表面相反的第二表面的GaN襯底的半導體結(jié)構(gòu)。該GaN襯底的特征在于第一導電類型和第一摻雜劑濃度。該半導體結(jié)構(gòu)還包括：耦接到GaN襯底的第二表面的第一導電類型的第一GaN外延層；以及耦接到第一GaN外延層的第二導電類型的第二GaN外延層。該第二GaN外延層包括：有源器件區(qū)；特征在于具有第一注入分布的注入?yún)^(qū)的第一結(jié)終端區(qū)；以及特征在于具有第二注入分布的注入?yún)^(qū)的第二結(jié)終端區(qū)。
【專利說明】利用電導調(diào)制在氮化鎵材料中用于結(jié)終端的方法和系統(tǒng)

【背景技術(shù)】
[0001] 功率電子器件被廣泛用于各種應用。功率半導體器件一般在電路中使用以改變 電能的形式，例如，從AC到DC，從一個電壓電平到另一電壓電平，或以某種其他的方式。這 樣的器件可以在寬范圍的功率電平內(nèi)操作，從移動器件中的幾毫瓦到高壓輸電系統(tǒng)中的幾 百兆瓦。盡管在功率電子器件中取得了進展，但是在本領域中還存在對改進的電子系統(tǒng)和 操作該改進的電子系統(tǒng)的方法的需求。通常在需要高電壓和/或電流電平的應用中使用其 中初級電流從頂表面垂直向下流過襯底的垂直功率器件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0002] 本發(fā)明一般性涉及電子器件。更具體地，本發(fā)明涉及在第III族氮化物半導體材 料中利用注入工藝形成結(jié)終端結(jié)構(gòu)。僅通過示例的方式，本發(fā)明已經(jīng)應用于利用向氮化鎵 (GaN)基外延層中進行離子注入來提供半導體器件的結(jié)終端以調(diào)制外延層的電導率作為位 置的函數(shù)的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的實施方案提供了可操作來電緩和（electrically relax) 隅角電場（corner electrical field)的結(jié)終端結(jié)構(gòu)。該方法和技術(shù)可以應用于各種功率 半導體器件，例如肖特基二極管、PN二極管、垂直結(jié)型場效應晶體管（JFET)、晶閘管、雙極 晶體管和其他器件。
[0003] 根據(jù)本發(fā)明的實施方案，提供了一種用于制造結(jié)終端結(jié)構(gòu)的方法。該方法包括提 供第一導電類型的襯底。該襯底具有第一表面和第二表面。該方法還包括：形成耦接到襯 底的第一表面的第一導電類型的第一 GaN外延層；以及形成與第一導電類型相反的第二導 電類型的第二GaN外延層。第二GaN外延層耦接到第一 GaN外延層。該方法還包括：向第 二GaN外延層的第一區(qū)中注入離子以形成第一結(jié)終端元件，該第一結(jié)終端元件的特征在于 小于第二GaN外延層的電導率的第一電導率；以及向第二GaN外延層的第二區(qū)中注入離子 以形成第二結(jié)終端元件，該第二結(jié)終端元件的特征在于小于第一電導率的第二電導率。
[0004] 根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，提供了一種制造垂直功率器件的方法。該方法包括 通過以下步驟形成外延結(jié)構(gòu)：提供特征在于第一摻雜劑濃度的第一導電類型的第III族氮 化物襯底；形成耦接到第III族氮化物襯底的第一表面的第一導電類型的第一第III族氮 化物外延層；以及形成耦接到第一第III族氮化物外延層的第二導電類型的第二第III族 氮化物外延層。第二第III族氮化物外延層具有與第一第III族氮化物外延層相反的表 面。該方法還包括通過向第二外延層的表面注入離子來限定不同電導率的區(qū)域以形成外延 結(jié)構(gòu)的一組注入?yún)^(qū)；以及利用至少外延結(jié)構(gòu)的器件區(qū)形成一個或更多個有源器件。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明的具體實施方案，提供了一種半導體結(jié)構(gòu)。該半導體結(jié)構(gòu)包括具有第 一表面和與第一表面相反的第二表面的GaN襯底。GaN襯底的特征在于第一導電類型和第 一摻雜劑濃度。該半導體結(jié)構(gòu)還包括耦接到GaN襯底的第二表面的第一導電類型的第一 GaN外延層以及耦接到第一 GaN外延層的第二導電類型的第二GaN外延層。第二GaN外延 層包括：有源器件區(qū)；特征在于具有第一注入分布的注入?yún)^(qū)的第一結(jié)終端區(qū)；以及特征在 于具有第二注入分布的注入?yún)^(qū)的第二結(jié)終端區(qū)。
[0006] 通過本發(fā)明實現(xiàn)了優(yōu)于常規(guī)技術(shù)的各種益處。例如，本發(fā)明的實施方案提供了器 件區(qū)與結(jié)終端區(qū)之間的高度的電導調(diào)制。與蝕刻結(jié)終端技術(shù)（例如，蝕刻穿過一個或更多 個外延層的至少一部分）相反，本發(fā)明提供了不具有任何蝕刻側(cè)壁（其可以是關斷狀態(tài)漏 電流的源）并且制造成本較低的完全平坦的最終結(jié)構(gòu)。結(jié)合下文和附圖更詳細地描述了本 發(fā)明的這些實施方案和其他實施方案以及其大量優(yōu)勢和特征。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007] 圖IA至圖IB是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，結(jié)終端結(jié)構(gòu)如何改進半導體 器件的性能的半導體器件的一部分的簡化截面圖；
[0008] 圖2至圖7A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案示出在具有通過向外延層中進行離子 注入而形成的結(jié)終端結(jié)構(gòu)的氮化鎵中制造肖特基二極管的簡化截面圖；
[0009] 圖7B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的在圖7A中示出的具有可選的浮置場板的肖 特基二極管的簡化截面圖；
[0010] 圖7C示出了在圖7A中示出的肖特基二極管的替代方案；
[0011] 圖8A至圖IOA是根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案示出在具有通過向外延層中進行離 子注入而形成的結(jié)終端結(jié)構(gòu)的GaN中制造PN二極管的簡化截面圖；
[0012] 圖IOB是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的在圖IOA中示出的具有可選的浮置 場板的PN二極管的簡化截面圖；
[0013] 圖IOC示出了圖IOA中示出的PN二極管的替代方案；
[0014] 圖11是示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案的具有結(jié)終端結(jié)構(gòu)的垂直JFET的簡化 截面圖；
[0015] 圖12至圖14是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的結(jié)終端結(jié)構(gòu)的不同示例性實施方 案的簡化頂視圖；
[0016] 圖15是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的制造具有通過向外延層中進行離子 注入而形成的結(jié)終端結(jié)構(gòu)的肖特基二極管的方法的簡化流程圖；
[0017] 圖16是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的制造具有通過向外延層中進行離子 注入而形成的結(jié)終端結(jié)構(gòu)的PN二極管的方法的簡化流程圖；
[0018] 圖17是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的與制造不同電導率區(qū)域相關聯(lián)的掩 模結(jié)構(gòu)的簡化示意圖；以及
[0019] 圖18是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的蝕刻結(jié)終端結(jié)構(gòu)的簡化示意圖。
[0020] 在附圖中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附圖標記。此外，同一類型的各 個部件可以通過附圖標記后面跟有劃線和區(qū)分相似部件的第二標記來區(qū)分。如果在說明書 中僅使用第一附圖標記，則該描述適用于具有相同第一附圖標記的相似部件中的任意一個 部件，而不考慮第二附圖標記。

【具體實施方式】
[0021] 本發(fā)明的實施方案涉及一種電子器件。更具體地，本發(fā)明涉及形成結(jié)終端結(jié)構(gòu)以 提供用于半導體器件的結(jié)終端。僅通過示例的方式，本發(fā)明已經(jīng)應用于利用向氮化鎵（GaN) 基外延層中進行離子注入來制造結(jié)終端結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)。該方法和技術(shù)可以應用于形成 各種類型的結(jié)終端結(jié)構(gòu)，所述結(jié)終端結(jié)構(gòu)可以向多種類型的半導體器件提供邊緣終端的， 該半導體器件包括但不限于：結(jié)型場效應晶體管（JFET)、二極管、晶閘管、垂直場效應晶體 管、晶閘管和其他器件，其包括例如在2011年10月11日提交的美國專利申請第13/270606 號、在2011年11月18日提交的美國專利申請第13/300028號、在2011年12月22日提交 的美國專利申請第13/335329號、在2011年11月17日提交的美國專利申請第13/299254 號和在2011年12月22日提交的美國專利申請第13/335355號中討論的合并式PN肖特基 二極管，其全部公開內(nèi)容通過引用合并到本文中。
[0022] GaN基電子器件和光電子器件正經(jīng)歷迅速發(fā)展，并且通常有望超越競爭對手硅 (Si)和碳化硅（SiC)。與GaN及相關合金和異質(zhì)結(jié)構(gòu)相關聯(lián)的期望性能包括：用于可見光 和紫外光發(fā)射的高帶隙能量、有利的傳輸特性（如高電子遷移率和高飽和速度）、高擊穿電 場以及高熱導率。具體地，對于給定背景摻雜水平N，電子遷移率y高于競爭材料。這提供 了低電阻率P，原因是電阻率與電子遷移率成反比，如公式（1)所示：

【權(quán)利要求】
1. 一種制造結(jié)終端結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括： 提供第一導電類型的襯底，所述襯底具有第一表面和第二表面； 形成耦接到所述襯底的所述第一表面的所述第一導電類型的第一GaN外延層； 形成與所述第一導電類型相反的第二導電類型的第二GaN外延層，所述第二GaN外延 層耦接到所述第一GaN外延層； 向所述第二GaN外延層的第一區(qū)中注入離子以形成第一結(jié)終端元件，所述第一結(jié)終端 兀件的特征在于小于所述第二GaN外延層的電導率的第一電導率；以及 向所述第二GaN外延層的第二區(qū)中注入離子以形成第二結(jié)終端元件，所述第二結(jié)終端 元件的特征在于小于所述第一電導率的第二電導率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括形成電耦接到所述襯底的所述第二表面的第一 金屬結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括形成電耦接到所述第一GaN外延層和所述第二 GaN外延層的一部分的第二金屬結(jié)構(gòu)，其中所述第二金屬結(jié)構(gòu)包括對所述第一GaN外延層 的肖特基接觸。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中向所述第二區(qū)中注入離子包括執(zhí)行多能量離子注 入工藝。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述多能量離子注入工藝的第一步驟與向所述第 一區(qū)中注入離子同時進行。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括： 形成耦接到所述結(jié)終端結(jié)構(gòu)和所述金屬結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)層； 去除所述電介質(zhì)層的一部分以露出所述金屬結(jié)構(gòu)的一部分；以及 形成耦接到所述金屬結(jié)構(gòu)的露出部分的場板。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括形成耦接到所述結(jié)終端結(jié)構(gòu)的金屬場板。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括形成耦接到所述第二GaN外延層的有源器件，其 中所述第一結(jié)終端元件圍繞所述有源器件，并且所述第二結(jié)終端元件圍繞所述第一結(jié)終端 元件。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一結(jié)終端元件中的凈有效電荷在 1X1012cm2 至 1X1014cm2 之間。
10. -種制造垂直功率器件結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括： 通過以下步驟形成外延結(jié)構(gòu)： 提供特征在于第一摻雜劑濃度的第一導電類型的第III族氮化物襯底； 形成耦接到所述第III族氮化物襯底的第一表面的所述第一導電類型的第一第III族 氮化物外延層；以及 形成耦接到所述第一第III族氮化物外延層的第二導電類型的第二第III族氮化物外 延層，其中所述第二第III族氮化物外延層具有與所述第一第III族氮化物外延層相反的 表面； 通過向所述第二外延層的所述表面注入離子來限定不同電導率的區(qū)域以形成所述外 延結(jié)構(gòu)的一組注入?yún)^(qū)；以及 利用至少所述外延結(jié)構(gòu)的器件區(qū)形成一個或更多個有源器件。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述不同電導率的區(qū)域包括結(jié)終端結(jié)構(gòu)的結(jié)終 端元件。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括形成耦接到所述第一外延層的肖特基金屬結(jié) 構(gòu)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括形成耦接到所述一個或更多個有源器件的金 屬場板。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述結(jié)終端結(jié)構(gòu)圍繞所述一個或更多個有源器 件。
15. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述一組注入?yún)^(qū)中的第一注入?yún)^(qū)電連接到所述 一組注入?yún)^(qū)中的第二注入?yún)^(qū)。
16. -種半導體結(jié)構(gòu)，包括： 具有第一表面和與所述第一表面相反的第二表面的GaN襯底，其中所述GaN襯底的特 征在于第一導電類型和第一摻雜劑濃度； 耦接到所述GaN襯底的所述第二表面的所述第一導電類型的第一GaN外延層；以及 耦接到所述第一GaN外延層的第二導電類型的第二GaN外延層，其中所述第二GaN外 延層包括： 有源器件區(qū)； 特征在于具有第一注入分布的注入?yún)^(qū)的第一結(jié)終端區(qū)；以及 特征在于具有第二注入分布的注入?yún)^(qū)的第二結(jié)終端區(qū)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導體結(jié)構(gòu)，還包括電耦接到所述GaN襯底的所述第一表 面的金屬結(jié)構(gòu)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導體結(jié)構(gòu)，還包括電耦接到所述有源器件區(qū)的肖特基接 觸。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的半導體結(jié)構(gòu)，其中所述有源器件區(qū)還包括： 所述第一GaN外延層的露出部分；以及 電耦接到所述第一GaN外延層的所述露出部分的肖特基接觸。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的半導體結(jié)構(gòu)，還包括： 耦接到所述肖特基接觸并且在所述第一結(jié)終端區(qū)的至少一部分上側(cè)向延伸的金屬場 板；以及 將所述第一結(jié)終端區(qū)電隔離于所述金屬場板的電介質(zhì)層。
21. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導體結(jié)構(gòu)，其中所述有源器件區(qū)包括PN二極管的至少一 部分，所述PN二極管包括所述第一GaN外延層的至少一部分和所述第二GaN外延層的至少 一部分。
22. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導體結(jié)構(gòu)，其中所述有源器件區(qū)包括JFET的一個或更多 個元件。
23. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導體結(jié)構(gòu)，其中所述有源器件包括垂直肖特基二極管的 至少一部分。
24. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導體結(jié)構(gòu)，其中所述第一結(jié)終端結(jié)構(gòu)區(qū)圍繞所述有源器 件區(qū)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的半導體結(jié)構(gòu)，其中所述第二結(jié)終端結(jié)構(gòu)區(qū)圍繞所述第一結(jié) 終端區(qū)。
【文檔編號】H01L21/70GK104380458SQ201280069483
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月22日
【發(fā)明者】聶輝, 安德魯·P·愛德華茲, 唐納德·R·迪斯尼, 理查德·J·布朗, 伊舍克·C·克孜勒亞爾勒 申請人:阿沃吉有限公司