專利名稱：電極結構、氮化鎵基半導體器件及其制造方法
技術領域：
本公開涉及電極結構、包括該電極結構的氮化鎵基半導體器件及其制造方法。
背景技術：
氮化鎵(GaN)基半導體具有優(yōu)良的材料性質諸如大的禁帶寬度、高的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性、高的電子飽和速度( 3X IO7Cm/秒)等。特別地，采用GaN基半導體的電子器件具有各種優(yōu)點，諸如高擊穿電場( 3X 106V/cm)、高的最大電流密度、在高溫下穩(wěn)定的工作特性、高熱導率等。在采用GaN基異質結結構的異質結構場效應晶體管(HFET)的情形下，由于結界面處的能帶不連續(xù)性大，所以電子可以在結界面處密集地聚集，因而電子遷移率可以進一歩増大。由于這樣的材料性質，GaN基半導體不僅可以應用于光學器件，而且可以應用于高頻和高功率的電子器件以及功率器件。然而，當GaN基半導體應用于各種電子器件(半導體器件)吋，發(fā)展關于GaN基半導體具有優(yōu)良的接觸特性的電極會是重要的。例如，能歐姆接觸GaN基半導體的電極以及該電極的制造方法的發(fā)展/改進可以極大地提高電子器件(半導體器件)的性能。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供關于GaN基半導體具有優(yōu)良的接觸特性的電極結構以及包括該電極結構的GaN基半導體器件。本發(fā)明還提供能降低用于歐姆接觸的退火溫度的電極結構以及包括該電極結構的GaN基半導體器件。本發(fā)明還提供了制造電極結構和GaN基半導體器件的方法。額外的方面將部分地在以下的描述中闡述，且部分將通過該描述變得明顯，或者可以通過實踐給出的實施例而習知。根據本發(fā)明的一方面，ー種GaN基半導體器件包括:GaN基半導體層；以及電極結構，在GaN基半導體層上，該電極結構包括:包括導電材料的電極元件；以及擴散層，在電極元件和GaN基半導體層之間，該擴散層包括關于所述GaN基半導體層為n型摻雜劑的材料，并且該擴散層接觸所述GaN基半導體層，GaN基半導體層的接觸擴散層的區(qū)域用n型摻雜劑摻雜。擴散層的材料可以包括第4族元素。擴散層的材料可以包括由Ge、S1、Sn、Pb、GeSi及其組合中選出的至少ー種，其中Ge、S1、Sn和Pb是第4族元素。擴散層可以具有約2nm至約20nm的厚度。電極元件可以具有多層結構。電極元件可以具有Ti/Al基多層結構。電極元件可以具有從Ti/Al結構、Ti/Al/Ni/Au結構、Ti/Al/TiN結構、Ti/Al/Mo結構和Ti/Al/W結構中選出的任何ー種結構。
電極元件的至少一部分可以包括所述η型摻雜劑。GaN基半導體層可以具有包括GaN層和AlGaN層的多層結構。電極結構可以接觸從GaN層和AlGaN層選出的一個。GaN基半導體層的接觸擴散層的區(qū)域可以包括氮(N)空位。電極結構和GaN基半導體層之間的接觸電阻率可以等于或小于約IX 10_4Ω ^cm20GaN基半導體器件可以是高電子遷移率晶體管(HEMT )。GaN基半導體器件可以是功率器件。GaN基半導體器件還可以包括:源電極，在GaN基半導體層的第一區(qū)域上；漏電極，在GaN基半導體層的第二區(qū)域上，其中源電極和漏電極中的至少一個為所述電極結構；以及柵電極，在GaN基半導體層上且在源電極和漏電極之間。GaN基半導體器件還可以包括在柵電極和GaN基半導體層之間的柵絕緣層。GaN基半導體層可以具有凹入部分，并且柵絕緣層的一部分可以與GaN基半導體層的凹入部分共形。GaN基半導體層的凹入部分可以對應于溝道部分。GaN基半導體器件還可以包括在柵絕緣層上的蝕刻阻擋層。蝕刻阻擋層可以包括從硅氮化物、硅氧化物、鋁氮化物、鋁氧化物及其組合中選出的至少一種。 GaN基半導體層的第一區(qū)域和第二區(qū)域可以分別具有凹入到各自的深度的凹入。GaN基半導體層可以具有包括GaN層和AlGaN層的多層結構，第一區(qū)域的上表面和第二區(qū)域的上表面是從GaN層和AlGaN層中選出的一個的被蝕刻表面。根據本發(fā)明的另一方面，一種制造GaN基半導體器件的方法包括:制備GaN基半導體層；以及在GaN基半導體層上形成電極結構，形成該電極結構包括在GaN基半導體層上形成擴散層以及在擴散層上形成包括導電材料的電極元件，該擴散層包括關于GaN基半導體層為η型摻雜劑的材料；以及對擴散層和GaN基半導體層退火從而將擴散層的η型摻雜劑擴散到GaN基半導體層中。擴散層的材料可以包括第4族元素。擴散層的材料可以包括從Ge、S1、Sn、Pb、GeSi及其組合中選出的至少一種，其中Ge、S1、Sn、Pb是第4族元素。電極元件可以形成為具有Ti/Al基多層結構。退火可以在約600°C至約800°C的溫度進行。GaN基半導體層可以具有包括GaN層和AlGaN層的多層結構。GaN基半導體器件可以是HEMT。所述方法還可以包括:在GaN基半導體層上形成柵電極；在GaN基半導體層的位于柵電極一側的第一區(qū)域上形成源電極；以及在GaN基半導體層的在柵電極另一側的第二區(qū)域上形成漏電極，其中源電極和漏電極中的至少一個為所述電極結構。所述方法還可以包括在GaN基半導體層和柵電極之間形成柵絕緣層。GaN基半導體層可以具有凹入部分，并且柵絕緣層的一部分可以形成得與GaN基半導體層的凹入部分共形。GaN基半導體層的凹入部分可以對應于溝道部分。所述方法還可以包括在柵絕緣層上形成蝕刻阻擋層。
所述方法還可以包括在形成源電極和漏電極之前，將GaN基半導體層的第一區(qū)域和第二區(qū)域蝕刻至期望的深度。GaN基半導體層可以具有包括GaN層和AlGaN層的多層結構，所述方法還可以包括蝕刻第一區(qū)域和第二區(qū)域的上表面以在從GaN層和AlGaN層選出的ー個中形成凹入。將第一區(qū)域和第二區(qū)域蝕刻至期望的深度可以通過反應離子蝕刻(RIE)進行。


通過以下結合附圖對實施例的描述，本發(fā)明的上述和/或其他的方面將變得顯然且更易于理解，在附圖中:圖1至圖4是剖視圖，示出根據本發(fā)明各個實施例的包括電極結構的GaN基半導體器件；圖5A至圖5E是剖視圖，示出根據本發(fā)明實施例的包括電極結構的GaN基半導體器件的制造方法；圖6 (A)和圖6 (B)是分別示出根據本發(fā)明實施例的在進行圖5E的退火之前第ニ半導體層的接觸源電極的區(qū)域的三維(3D)和ニ維(2D)晶體結構的視圖；圖7 (A)和圖7 (B)是分別示出根據本發(fā)明實施例的在進行圖5E的退火之后第ニ半導體層的接觸源電極的區(qū)域的3D和2D晶體結構的視圖；圖8A至圖8D是剖視圖，示出根據本發(fā)明另ー實施例的制造包括電極結構的GaN基半導體器件的方法；圖9A至圖9C是剖視圖，示出根據本發(fā)明另ー實施例的制造包括電極結構的GaN基半導體器件的方法；圖10 (A)和圖10 (B)是分別示出根據本發(fā)明實施例的在進行圖9C的退火之前第一半導體層的接觸源電極的區(qū)域的3D和2D晶體結構的視圖；圖11 (A)和圖11 (B)是分別示出根據本發(fā)明實施例的在進行圖9C的退火之后第一半導體層的接觸源電極的區(qū)域的3D和2D晶體結構的視圖；圖12是剖視圖，示出根據比較例的GaN基半導體器件；圖13 (A)和圖13 (B)是分別示出圖12的第二半導體層的接觸電極元件(源電極)的區(qū)域的3D和2D晶體結構；以及圖14是曲線圖，示出表I的比較例及樣品I和2的電極結構的接觸電阻率根據退火溫度的變化。
具體實施例方式現在將參照附圖更全面地描述各個示范性實施例，附圖中示出了示范性實施例。將理解，當一元件被稱為“連接”或“耦接”到另一元件吋，它可以直接連接或耦接到另一元件，或者可以存在中間元件。相反，當一元件被稱為“直接連接”或“直接耦接”到另一元件吋，則不存在中間元件。如這里所用的，術語“和/或”包括一個或多個的所列相關項目的任意及所有組合。將理解，雖然這里可以使用術語“第一”、“第二”等來描述各種元件、部件、區(qū)域、層和/或部分，但是這些元件、部件、區(qū)域、層和/或部分不應受到這些術語限制。這些術語僅用于將一個元件、部件、區(qū)域、層或部分與另一元件、部件、區(qū)域、層或部分區(qū)別開。因此，以下討論的第一元件、部件、區(qū)域、層或部分可以被稱為第二元件、部件、區(qū)域、層或部分，而不背離示范性實施例的教導。為了便于描述，這里可以使用空間相對性術語諸如“下方”、“下面”、“下”、“上方”、“上”等來描述如附圖中所示的一個元件或特征與另一個(另一些)元件或特征的關系。將理解，空間相對性術語旨在涵蓋器件在使用或操作中的不同取向，除了附圖所示的取向之外。例如，如果附圖中的器件被翻轉，則被描述為在其它元件或特征的“下方”或“下面”的元件將會取向在其它元件或特征的“上方”。因此，示范性術語“在...下面”可以涵蓋之上和之下兩種取向。器件也可以另外地取向(旋轉90度或在其它取向)，這里所用的空間相對描述語被相應地解釋。這里所用的術語只是為了描述特定實施例的目的，而不旨在限制示范性實施例。如這里所用的，除非上下文另有明確表述，否則單數形式“一”和“該”均同時旨在包括復數形式。將進一步理解的是，術語“包括”和/或“包含”，當在本說明書中使用時，指定了所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一個或多個其他特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其組合的存在或增加。這里參照剖視圖描述了示范性實施例，這些圖是示范性實施例的理想化實施例(和中間結構)的示意圖。因而，由例如制造技術和/或公差引起的圖示形狀的偏離是可以預期的。因而，示范性實施例不應被解釋為限于這里示出的區(qū)域的特定形狀，而是將包括由例如制造引起的形狀的偏離。例如，被示出為矩形的注入區(qū)在其邊緣處將通常具有圓化或彎曲的特征和/或注入濃度的梯度，而不是從注入區(qū)到非注入區(qū)的二元變化。同樣地，通過注入形成的埋入區(qū)可以導致在埋入區(qū)與通過其發(fā)生注入的表面之間的區(qū)域中的一些注入。因而，附圖所示的區(qū)域在本質上是示意性的，它們的形狀并非要示出器件的區(qū)域的實際形狀，并且不意欲限制示范性實施例的范圍。除非另行定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)都具有本發(fā)明所屬領域內的普通技術人員所通常理解的同樣的含義。將進一步理解的是，諸如通用詞典中所定義的術語，除非此處加以明確定義，否則應當被解釋為具有與它們在相關領域的語境中的含義相一致的含義，而不應被解釋為理想化的或過度形式化的意義。在下文中，將詳細描述根據本發(fā)明實施例的電極結構、氮化鎵(GaN)基半導體器件及其制造方法。在附圖中，為了清晰，夸大了層和區(qū)域的厚度。在附圖中相同的附圖標記表示相同的元件，因而將不重復對它們的描述。圖1是剖視圖，示出根據本發(fā)明實施例的包括電極結構的GaN基半導體器件。參照圖1，可以提供GaN基半導體層GLlO。GaN基半導體層GLlO可以具有包括第一半導體層100和第二半導體層200的多層結構。第一半導體層100和第二半導體層200可以是不同的基于GaN的層。因此，GaN基半導體層GLlO可以指包括異質結結構的層。第一半導體層100可以為例如GaN層，第二半導體層200可以為例如AlGaN層。第二半導體層200的極化率可以大于第一半導體層100的極化率。二維電子氣(2DEG)(未示出)可以由于第二半導體層200而形成在第一半導體層100中。2DEG可以在第一半導體層100和第二半導體層200之間的界面之下形成在第一半導體層100中。2DEG可以用作η型溝道。在這點上，第一半導體層100可以是溝道層，第二半導體層200可以是溝道供應層。第二半導體層200可以具有等于或小于約50nm的厚度，第一半導體層100可以厚于第二半導體層200。第一和第二半導體層100和200可以設置在預定基板(未示出)上，預定緩沖層(未示出)可以進一歩提供在基板和第一半導體層100之間。柵絕緣層300可以設置在第二半導體層200上。柵絕緣層300可以包括例如A1203、SiOx, SixNy, Sc203、AIN、Ga203、Gd2O3> AlxGa2(1_x)03、MgO 及其組合中的至少ー種。雖然在此沒有陳述，但是柵絕緣層300可以由在一般晶體管中使用的任何柵絕緣層材料形成。柵電極400可以設置在柵絕緣層300上。柵電極400可以由在一般半導體器件中使用的各種導電材料中的任何材料(例如金屬、導電氧化物等)形成。源電極500A和漏電極500B可以設置在第二半導體層200上、在柵電極400的兩偵れ源電極500A可以形成得比漏電極500B更靠近柵電極400。換言之，源電極500A和柵電極400之間的距離可以短于漏電極500B和柵電極400之間的距離。然而，這僅是一示例，源電極500A或漏電極500B與柵電極400之間的相對距離可以改變。柵絕緣層300可以在第二半導體層200和柵電極400之間一直延伸到源電極500A和漏電極500B。源電極500A和漏電極500B中的至少ー個可以具有根據本發(fā)明實施例的電極結構。源電極500A和漏電極500B兩者可以具有根據本發(fā)明當前實施例的電極結構的配置。在當前實施例中，源電極500A和漏電極500B可以具有相同配置。在下文，將詳細描述源電極500A和漏電極500B的配置。源電極500A可以包括設置在第二半導體層200的第一區(qū)域上的擴散層5A和電極元件50A。擴散層5A可以設置在電極元件50A和第二半導體層200之間。電極元件50A可以具有多層結構，例如Ti/Al基多層結構。例如，電極元件50A可以具有包括順序層疊在擴散層5A上的Ti層10A、Al層20A、Ni層30A和Au層40A的結構，也就是Ti/Al/Ni/Au結構。在這點上，Ti層IOA可以是有助于關于第二半導體層200的歐姆接觸的層，Al層20A可以是具有低電阻和優(yōu)良導電性的層。Ni層30A可以是擴散阻擋層，Au層40A可以是氧化阻擋層(蓋層)。圖1所示的電極元件50A的配置僅是ー示例，可以以各種方式變化。例如，電極元件50A可以具有Ti/Al結構、Ti/Al/TiN結構、Ti/Al/Mo結構和Ti/Al/W結構中的任何結構，或者可以具有不同的配置。擴散層5A可以是包括第4族元素的層。例如，擴散層5A可以包括Ge、S1、Sn、Pb和GeSi中的至少ー種。作為具體示例，擴散層5A可以是單元素層，諸如Ge層、Si層、Sn層或Pb層,或者可以是復合物層諸如GeSi層。在這點上,Ge、S1、Sn和Pb是第4族元素。擴散層5A可以具有約2nm至約20nm的厚度，但是可以根據需要而具有小于2nm的厚度。由于這樣的擴散層5A，可以改善源電極500A和第二半導體層200的歐姆接觸特性。具體地，因為擴散層5A中包括的第4族元素擴散到第二半導體層200的區(qū)域(即，第一區(qū)域)，所以第二半導體層200的第一區(qū)域會摻雜有第4族元素。由于第4族元素的摻雜可以在第二半導體層200的第一區(qū)域中產生過剩電子，所以第二半導體層200的第一區(qū)域可以容易地變成n+區(qū)域。因此，可以改善源電極500A和第二半導體層200之間的歐姆接觸特性。此外，在第二半導體層200的第一區(qū)域中的氮(N)元素擴散到源電極500A，或者電極元件50A的金屬元素例如Ti擴散到第二半導體層200以與第二半導體層200的N原子結合，從而在第ニ半導體層200的第一區(qū)域中產生N空位。N空位具有n+摻雜效果。因此，根據當前實施例，源電極500A和第二半導體層200可以容易地形成歐姆接觸，其間的接觸電阻率可以非常小。源電極500A和第二半導體層200之間的接觸電阻率可以非常小，也就是等于或小于約1Χ1(Γ4Ω.cm2，例如等于或小于約1Χ1(Γ5Ω.cm2。擴散層5A的第4族元素擴散到第二半導體層200以及第二半導體層200中產生N空位可以由退火引起。也就是說，通過進行預定退火操作，擴散層5A的第4族元素可以擴散到第二半導體層200，電極元件50A的金屬元素例如Ti可以擴散到第二半導體層200以與第二半導體層200的N原子結合，從而獲得源電極500A與第二半導體層200之間的歐姆接觸特性。在當前實施例中，由于使用了擴散層5A，所以即使在低的退火溫度，例如在約600°C至約800°C的溫度范圍，也可以容易地獲得優(yōu)良的歐姆接觸特性。因此，可以防止器件特性由于高溫工藝引起的退化，可以改善GaN基半導體器件的性能和效率。圖7 (A)是示出圖1的第二半導體層200的接觸源電極500A的區(qū)域(B卩，第一區(qū)域)的三維(3D)晶體結構的視圖，圖7 (B)是示出圖1的第二半導體層200的接觸源電極500A的區(qū)域(B卩，第一區(qū)域)的二維(2D)晶體結構的視圖。圖7 (A)和7 (B)示出第二半導體層200是AlGaN層的情形。這里，在第二半導體層200的第一區(qū)域中摻雜(擴散)的第4族元素是Ge，其中Ge可以用S1、Sn、Pb等來代替。參照圖7 (A)和7 (B)，第二半導體層200是具有纖鋅礦結構的AlGaN，當第4族元素Ge被摻雜在第二半導體層200中時，會產生過剩電子e-。此外，N空位形成在AlGaN結構中。過剩電子e-和N空位具有η+摻雜效果。因此，圖1的第二半導體層200的接觸源電極500Α的區(qū)域(即，第一區(qū)域)可以是η+區(qū)域，因此源電極500Α與第二半導體層200的第一區(qū)域可以彼此歐姆接觸。返回參照圖1，漏電極500Β可以包括設置在第二半導體層200的第二區(qū)域上的擴散層5Β和電極元件50Β。漏電極500Β的擴散層5Β和電極元件50Β可以分別與源電極500Α的擴散層5Α和電極元件50Α相同。漏電極500Β的電極元件50Β可以例如包括Ti層10Β、Al層20Β、Ni層30Β以及Au層40Β。第二半導體層200的接觸漏電極500Β的區(qū)域(B卩，第二區(qū)域)可以與第二半導體層200的接觸`源電極500Α的區(qū)域(S卩，第一區(qū)域)具有相同的晶體結構和特性。因而，漏電極500Β和第二半導體層200可以具有優(yōu)良的歐姆接觸特性。圖2是剖視圖，示出根據本發(fā)明另一實施例的包括電極結構的GaN基半導體器件。圖2的GaN基半導體器件的結構是由圖1的結構變型而來。參照圖2，可以提供具有凹入區(qū)Rl的GaN基半導體層GLlI。GaN基半導體層GLlI可以包括第一半導體層100和第二半導體層200a，凹入區(qū)Rl可以形成在至少第二半導體層200a的預定區(qū)域中。凹入區(qū)Rl可以形成為具有暴露第一半導體層100的上表面的深度，但是凹入區(qū)Rl的深度可以改變。凹入區(qū)Rl的深度可以大于或小于第二半導體層200a的厚度。柵電極400a可以設置在凹入區(qū)Rl上。柵絕緣層300a可以設置在凹入區(qū)Rl和柵電極400a之間。與凹入區(qū)Rl相應的溝道區(qū)(即，2DEG)可以被切斷，或者可以具有與其它溝道區(qū)不同的特性(例如，電子濃度)。因此，通過形成凹入區(qū)R1，可以控制或改善GaN基半導體器件的特性。并且，源電極500A和漏電極500B的配置可以與參照圖1描述的那些相同。根據本發(fā)明的另一實施例，在圖1和圖2的GaN基半導體層GLlO和GLll的位于柵絕緣層300和300a兩側的區(qū)域被蝕刻之后，源電極500A和漏電極500B可以設置在被蝕刻的表面上。蝕刻厚度(深度)可以在約Inm至約120nm的范圍內。因此，被蝕刻表面可以是第二半導體層200和200a的被蝕刻表面或可以是第一半導體層100的被蝕刻表面。例如，如圖3所示，在圖2的第二半導體層200a的位于柵絕緣層300a兩側的區(qū)域被蝕刻(凹進)至預定深度之后，源電極500A和漏電極500B可以設置在其上。參照圖3，第二半導體層200a’可以具有其中在柵絕緣層300a兩側的區(qū)域(S卩，第一區(qū)域和第二區(qū)域)被部分蝕刻(凹迸)至預定厚度的結構。源電極500A和漏電極500B可以設置在第二半導體層200a’的被蝕刻表面(S卩，第一和第二區(qū)域的表面)上。因而，當源電極500A和漏電極500B形成在第二半導體層200a’的被蝕刻表面上時，第二半導體層200a’中的原子鍵由于該蝕刻而斷開，因而N空位形成在第一和第二區(qū)域中的可能性很高。因此，在降低第二半導體層200a’與源電極500A和漏電極500B之間的接觸電阻率上會更有利。在圖3中，蝕刻阻擋層450可以進ー步設置在柵絕緣層300a上。蝕刻阻擋層450可以在用于形成第二半導體層200a’的蝕刻區(qū)域(即，將要形成源電極500A和漏電極500B的區(qū)域)的蝕刻エ藝期間用作掩模。換言之，蝕刻阻擋層450可以在用于形成第二半導體層200a’的蝕刻區(qū)域的蝕刻エ藝期間保護柵絕緣層300a以及第二半導體層200a’的設置在柵絕緣層300a下面的區(qū)域。蝕刻阻擋層450可以包括例如硅氮化物、硅氧化物、鋁氮化物和鋁氧化物中的至少ー種。根據本發(fā)明的另ー實施例，如圖4所示，圖2的第二半導體層200a的在柵絕緣層300a兩側的區(qū)域被蝕刻(去除)，然后在第二半導體層200a下面的第一半導體層100可以被蝕刻(凹迸)至預定厚度。參照圖4，第二半導體層200a”可以具有其中在柵絕緣層300a兩側的區(qū)域被蝕刻(去除)的結構，第一半導體層100’可以具有其中在柵絕緣層300a兩側的區(qū)域(S卩，第一區(qū)域和第二區(qū)域)被部分地蝕刻(凹入)至預定厚度的結構。源電極500A和漏電極500B可以設置在第一半導體層100’的被蝕刻表面(即，第一區(qū)域和第二區(qū)域的表面)上。在該情形下，可以提供圖3中描述的蝕刻阻擋層450。因而，如果源電極500A和漏電極500B形成在第一半導體層100’的被蝕刻表面上，則第一半導體層100’中的原子鍵由于該蝕刻而斷開，因而在第一區(qū)域和第二區(qū)域中形成N空位的可能性高。因此，在降低第一半導體層100’與源電極500A和漏電極500B之間的接觸電阻率上會更有利。在圖4中，第一半導體層100’的接觸源電極500A和漏電極500B的區(qū)域(即，第一區(qū)域和第二區(qū)域)的晶體結構可以如圖11 (A)和11 (B)所示。圖11 (A)是示出圖4的第一半導體層100’的接觸源電極500A的區(qū)域(S卩，第一區(qū)域)的3D晶體結構的視圖，圖11 (B)是示出圖4的第一半導體層100’的接觸源電極500A的區(qū)域(即，第一區(qū)域)的2D晶體結構的視圖。圖11 (A)和11 (B)示出第一半導體層100’為GaN層的情形。這里，在第一半導體層100’的第一區(qū)域中摻雜(擴散)的第4族元素是Ge，其中Ge可以用S1、Sn、Pb等來代替。參照圖11 (A)和11 (B)，第一半導體層100’是具有纖鋅礦結構的GaN，當Ge (其是第4族元素)被摻雜在第一半導體層100’中時，可以產生過剩電子e_。此外，在GaN結構中形成N空位。過剩電子e_和N空位具有n+摻雜效果。因此，第一半導體層100’和源電極500A可以具有優(yōu)良的接觸特性。換言之，第一半導體層100’和源電極500A可以彼此歐姆接觸，其間的接觸電阻率可以非常低。此外，在當前實施例中，擴散層5A和5B的第4族元素可以不僅擴散到第二半導體層200、200a和200a’或第一半導體層100’，還擴散到電極元件50A和50B。換言之，電極元件50A和50B可以進一步包括第4族元素。具體地，第4族元素可以包含在電極元件50A和50B的下部分中，也就是Ti層IOA和IOB或Al層20A和20B中。此外，由于電極元件50A和50B的金屬例如Ti擴散到第二半導體層200、200a、200a’或第一半導體層100’以與N原子結合，所以可以形成金屬氮化物。例如，Ti從電極元件50A的Ti層IOA擴散到第二半導體層200、200a和200a’，從而形成TiN。類似地，Al從Al層20A擴散到第二半導體層200、200a和200a’，從而形成A1N。電極元件50A和50B的金屬例如Ti和Al等可以保留在擴散層5A和5B中。因此，擴散層5A和5B可以包含電極元件50A和50B的金屬，例如Ti和Al等。此外，N原子可以從第二半導體層200、200a和200a’或第一半導體層100’擴散到電極元件50A和50B。根據示例實施例的上述GaN基半導體器件可以是高電子遷移率晶體管(HEMT)。此夕卜，GaN基半導體器件可以是異質結構場效應晶體管(HFET)。這樣的GaN基半導體器件可以用作例如功率器件。然而，上述GaN基半導體器件的配置和使用僅是示例，可以以各種方式改變。本發(fā)明實施例的電極結構可以不僅應用于HEMT或功率器件，而且應用于各種其它的GaN基半導體器件。圖5A至圖5E是剖視圖，示出根據本發(fā)明實施例的制造包括電極結構的GaN基半導體器件的方法。參照圖5A，可以制備GaN基半導體層GL100。GaN基半導體層GL100可以具有包括第一半導體層1000和第二半導體層2000的多層結構。第一和第二半導體層1000和2000可以是不同的基于GaN的層。例如，第一半導體層1000可以是GaN層，第二半導體層2000可以是AlGaN層。第二半導體層2000的極化率可以大于第一半導體層1000的極化率。2DEG(未示出)可以由于第二半導體層2000而形成在第一半導體層1000中。2DEG可以在第一半導體層1000和第二半導體層2000之間的界面之下形成在第一半導體層1000中。參照圖5B，凹入區(qū)RlO可以通過蝕刻第二半導體層2000的預定區(qū)域而形成。凹入區(qū)RlO的深度可以與第二半導體層2000的厚度相同或類似。凹入區(qū)RlO的深度可以改變。例如，凹入區(qū)RlO的深度可以小于或大于第二半導體層2000的厚度。參照圖5C，柵絕緣層3000可以形成在第二半導體層2000上以覆蓋凹入區(qū)RlO。柵絕緣層 3000 可以包括例如 A1203、SiOx、SixNy、Sc203、AlN、Ga203、Gd203、AlxGa2(H)03、MgO 及其組合中的至少一種。雖然在此未陳述，但是在晶體管中使用的任何柵絕緣層材料可以應用于柵絕緣層3000。由于柵絕緣層3000應該形成在基板(S卩，第一和第二半導體層1000和2000)的清潔表面上，所以有利的是在形成源電極和漏電極(即，圖的源電極5000A和漏電極5000B)之前形成柵絕緣層3000。如果形成圖的源電極5000A和漏電極5000B然后形成柵絕緣層3000，則柵絕緣層3000與第一和第二半導體層1000和2000之間的界面會由于圖的源電極5000A和漏電極5000B的材料而被污染。為了防止界面被污染，可以首先形成柵絕緣層3000。然后，柵電極4000可以形成在凹入區(qū)RlO的柵絕緣層3000上。柵電極4000可以由在一般半導體器件中使用的各種導電材料中的任何材料(例如金屬、導電氧化物等)形成。參照圖源電極5000A和漏電極5000B可以形成在第二半導體層2000上、在柵絕緣層3000兩側。源電極5000A可以包括擴散層55A和電極元件550A，漏電極5000B可以包括擴散層55B和電極元件550B。源電極5000A和漏電極5000B可以具有相同的配置。擴散層55A和55B可以由包括第4族元素的材料形成。例如，擴散層55A和55B可以形成為包括Ge、S1、Sn、Pb和GeSi中的至少ー種。具體地，擴散層55A和55B可以形成為單元素層，例如Ge層、Si層、Sn層和Pb層，或者可以是見合物層諸如GeSi層。擴散層55A和55B可以形成為具有約2nm至約20nm的厚度，但是可以根據需要形成為具有小于2nm或大于20nm的厚度。電極元件550A和550B可以形成為具有多層結構，例如Ti/Al基多層結構。具體地，電極元件550A和550B可以具有其中Ti層510A和510B、A1層520A和520B、Ni層530A和530B、以及金層540A和540B分別順序地層疊在擴散層55A和55B上的結構，即Ti/Al/Ni/Au結構。在這點上，Ti層510A和510B可以是有助于關于第二半導體層2000的歐姆接觸的層，Al層520A和520B可以是具有低電阻且提供優(yōu)良導電性的層。Ni層530A和530B可以是擴散阻擋層，Au層540A和540B可以是氧化阻擋層(蓋層)。電極元件550A和550B的配置僅是示例，可以以各種方式改變。例如，電極元件550A和550B可以具有Ti/Al結構、Ti/Al/TiN結構、Ti/Al/Mo結構和Ti/Al/W結構中的任何ー種，或者可以具有不同的配置。參照圖5E，可以對第一半導體層1000、第二半導體層2000、源電極5000A以及漏電極5000B進行退火?？梢赃M行退火以獲得源電極5000A和第二半導體層2000之間以及漏電極5000B和第二半導體層2000之間的歐姆接觸特性。通過進行退火，第4族元素可以從擴散層55A和55B擴散到第二半導體層2000的接觸擴散層55A和55B的區(qū)域(即，第一區(qū)域和第二區(qū)域)，這意味著第4族元素被摻入第二半導體層2000的第一區(qū)域和第二區(qū)域中。由于第二半導體層2000的第一區(qū)域和第二區(qū)域用第4族元素摻雜，所以在第一區(qū)域和第二區(qū)域中會產生過剩電子(未示出)。此外，N原子可以由于退火從第二半導體層2000的第一區(qū)域和第二區(qū)域擴散到源電極5000A和漏電極5000B，或者金屬例如Ti從電極元件550A和550B擴散到第二半導體層2000的第一區(qū)域和第二區(qū)域以與N原子結合。因此，可以在第二半導體層2000的第一區(qū)域和第二區(qū)域中產生N空位。過剩電子e-和N空位可以具有n+摻雜效果。因此，第二半導體層2000的第一區(qū)域和第二區(qū)域可以是n+摻雜的，并且可以具有關于源電極5000A和漏電極5000B的優(yōu)良接觸特性。此外，在退火期間，擴散層55A和55B的第4族元素可以分別擴散到電極元件550A和550B，電極元件550A和550B的金屬元素可以分別擴散到擴散層55A和55B。因此，電極元件550A和550B可以包括第4族元素，擴散層55A和55B可以包括金屬元素。退火可以例如通過快速熱退火(RTA)在約600°C至約800°C的溫度進行。退火可以在氮氣氣氛下或在真空中進行30秒至2分鐘。退火的上述條件僅是示例，可以根據需要以各種方式改變。退火在約600°C至約800°C的溫度進行具有重要的意義。如果在未形成擴散層55A和55B時且僅形成電極元件550A和550B時進行退火，則會需要約850°C以上的高溫以獲得歐姆接觸特性，原因在于當未提供擴散層55A和55B吋，歐姆接觸應當在沒有因擴散層55A和55B引起的第4族元素的摻雜效果的情況下形成。換言之，為了通過僅利用由于N空位引起的摻雜效果而沒有利用由于第4族元素產生的過剩電子而引起的n+摻雜效果來實現歐姆接觸，會需要850°C以上的高溫エ藝。因而，當進行高溫エ藝時，GaN基半導體器件的特性會退化。例如，柵絕緣層3000的特性會由于高溫エ藝而退化，使得柵絕緣層3000的擊穿電壓會降低，并且經過柵絕緣層3000的漏電流會増加。此外，電極元件550A和550B的表面粗糙度會由于高溫工藝而退化，或者電極元件550A和550B或柵電極4000會在高溫工藝期間被氧化。然而，由于在當前實施例中使用了擴散層55A和55B，所以即使通過在例如約600°C至約800°C的相對低的溫度退火，也可以獲得優(yōu)良的歐姆特性，因而可以防止高溫工藝的上述問題，由此獲得高性能/高效率半導體器件。圖6 (A)和圖6 (B)是分別示出根據本發(fā)明實施例的在進行圖5E的退火之前，第二半導體層2000的接觸源電極5000A的區(qū)域的3D和2D晶體結構的視圖；圖7 (A)和7(B)是分別示出根據本發(fā)明實施例的在進行圖5E的退火之后，第二半導體層2000的接觸源電極5000A的區(qū)域的3D和2D晶體結構的視圖。圖6 (A)和6 (B)以及圖7 (A)和7 (B)示出第二半導體層2000是AlGaN層的情形。此外，在圖7 (A)和7 (B)中，擴散到第二半導體層2000的第4族元素是Ge，其中Ge可以用S1、Sn、Pb等來代替。比較圖6 (A)和6 (B)與圖7 (A)和7 (B)，過剩電子e_由于Ge元素通過退火擴散到第二半導體層2000(AlGaN層)而產生，并且還產生N空位。第二半導體層2000(AlGaN層)可以由于過剩電子e-和N空位而被容易地η+摻雜。因此，第二半導體層2000 (AlGaN層)可以具有關于源電極5000Α和漏電極5000Β的優(yōu)良的歐姆接觸特性。圖8Α至圖8D是剖視圖，示出根據本發(fā)明另一實施例的制造包括電極結構的GaN基半導體器件的方法。參照圖8Α，當如圖5C所示柵絕緣層3000形成在第二半導體層2000上以覆蓋凹入區(qū)RlO并且柵電極4000形成在柵絕緣層3000上時，蝕刻阻擋層4500可以形成在柵電極4000周圍的柵絕緣層3000上。蝕刻阻擋層4500可包括例如硅氮化物、硅氧化物、鋁氮化物和鋁氧化物中的至少一種。參照圖SB，第二半導體層2000的在蝕刻阻擋層4500兩側的第一區(qū)域和第二區(qū)域可以通過利用蝕刻阻擋層4500和柵電極4000作為蝕刻掩模而被蝕刻至預定深度。這里，蝕刻阻擋層4500可以保護第二半導體層2000的形成在柵絕緣層3000下面的區(qū)域。蝕刻工藝可以通過例如反應離子蝕刻(RIE)進行。因而，通過蝕刻第二半導體層2000的第一區(qū)域和第二區(qū)域至預定深度，第一區(qū)域和第二區(qū)域中的原子鍵可以被斷開至某種程度。換言之，當第二半導體層2000是AlGaN層時，Al和Ga與N之間的鍵可能斷開。因此，在隨后的工藝中可以更容易在第二半導體層2000的第一區(qū)域和第二區(qū)域中形成N空位。參照圖8C，源電極5000Α和漏電極5000Β可以形成在第二半導體層2000的被蝕刻的第一區(qū)域和第二區(qū)域上。源電極5000Α和漏電極5000Β可具有與參照圖描述的那些相同的配置。參照圖8D，可以對第一半導體層1000、第二半導體層2000、源電極5000Α以及漏電極5000Β進行退火。進行退化的條件可以與參照圖5Ε描述的那些相同或類似。通過進行退火，可以獲得源電極5000Α和第二半導體層2000之間以及漏電極5000Β和第二半導體層2000之間的歐姆接觸特性。圖9Α至圖9C是剖視圖，示出根據本發(fā)明另一實施例的制造包括電極結構的GaN基半導體器件的方法。參照圖9Α，當如圖8Α所示形成蝕刻阻擋層4500時，第二半導體層2000可以通過利用蝕刻阻擋層4500和柵電極4000作為蝕刻掩模來蝕刻，第一半導體層1000的在第二半導體層2000下面的區(qū)域(即，第一區(qū)域和第二區(qū)域)可以被部分地蝕刻至預定厚度。蝕刻工藝可以通過例如RIE進行。通過蝕刻第一半導體層1000的第一區(qū)域和第二區(qū)域至預定深度，第一區(qū)域和第二區(qū)域中的原子鍵可以被斷開至某種程度。因此，在隨后的エ藝中可以更容易地在第一半導體層1000的第一區(qū)域和第二區(qū)域中形成N空位。參照圖9B，源電極5000A和漏電極5000B可以形成在第一半導體層1000的被蝕刻的第一區(qū)域和第二區(qū)域上。源電極5000A和漏電極5000B可以具有與參照圖描述的那些相同的配置。參照圖9C，可以對第一半導體層1000、第二半導體層2000、源電極5000A以及漏電極5000B進行退火。進行退化的條件可以與參照圖5E描述的那些相同或類似。通過進行退火，可以獲得源電極5000A和第一半導體層1000之間以及漏電極5000B和第一半導體層1000之間的歐姆接觸特性。圖10 (A)和10 (B)是分別示出根據本發(fā)明實施例的在進行圖9C的退火之前第一半導體層1000的接觸源電極5000A的區(qū)域的3D和2D晶體結構的視圖，圖11 (A)和圖11(B)是分別示出根據本發(fā)明實施例的在進行圖9C的退火之后第一半導體層1000的接觸源電極5000A的區(qū)域的3D和2D晶體結構的視圖。圖10 (A)至圖11 (B)示出第一半導體層1000是GaN層的情形。此外，在圖11 (A)和11 (B)中，擴散到第一半導體層1000的第4族元素是Ge，其中Ge可以用S1、Sn、Pb等來代替。另外，沒有在圖10 (A)和10 (B)以及圖11 (A)和10 (B)中反映出上述原子鍵斷開的效果。比較圖10 (A)和10 (B)與圖11 (A)和11 (B)，過剩電子e-由于Ge元素通過退火擴散到第一半導體層1000 (GaN層)而產生，并且還產生了 N空位。第一半導體層1000(GaN層)可以由于過剩電子e-和N空位而被容易地n+摻雜。因此，第一半導體層1000(GaN層)可以具有關于源電極5000A和漏電極5000B的優(yōu)良的歐姆接觸特性。圖12是剖視圖，示出根據比較例的GaN基半導體器件。除了圖1的擴散層5A和5B之外，圖12所示的GaN基半導體器件具有與圖1所示的結構基本相同的結構。換言之，在圖12中，電極元件50A和50B直接形成在第二半導體層200上。圖12的GaN基半導體器件可以通過在約850°C的溫度進行高溫退火而形成。圖13 (A)和圖13 (B)是分別示出第二半導體層200的接觸電極元件50A (S卩，圖12的源電極)的區(qū)域(S卩，第一區(qū)域)的3D和2D晶體結構的視圖。圖13 (A)和13 (B)示出第二半導體層200是AlGaN層的情形。參照圖13 (A)和圖13 (B)，第二半導體層200是具有纖鋅礦結構的AlGaN，N空位形成在AlGaN結構中。因而，在比較例中，由于歐姆接觸應該通過僅利用由于N空位引起的摻雜效應而形成，所以需要在等于或高于850°C的溫度進行高溫退火エ藝以獲得期望程度的接觸電阻率。這樣的高溫退火エ藝會對半導體器件具有不利的影響，并且會增加工藝負擔和制造成本。下面的表I示出根據本發(fā)明實施例和比較例的電極結構的接觸電阻率。在表I中，根據比較例的電極結構具有Ti/Al/Ni/Au結構，不進行關于下層(GaN/AlGaN)的蝕刻。樣品I的電極結構具有Ti/Al/Ni/Au結構，下層(GaN/AlGaN)被蝕刻約3nm。樣品2的電極結構具有Ge/Ti/Al/Ni/Au結構，下層(GaN/AlGaN)被蝕刻約3nm。在樣品2中，Ge層對應于圖1的擴散層5A和5B。表I的接觸電阻率通過使用傳輸線測量(TLM)法來測量。表I
權利要求
1.一種GaN基半導體器件,包括: GaN基半導體層；以及 電極結構，在所述GaN基半導體層上，該電極結構包括: 電極元件，包括導電材料，和 擴散層，在所述電極元件和所述GaN基半導體層之間，該擴散層包括關于所述GaN基半導體層為n型摻雜劑的材料，并且該擴散層接觸所述GaN基半導體層， 所述GaN基半導體層的接觸所述擴散層的區(qū)域用所述n型摻雜劑摻雜。
2.按權利要求1所述的GaN基半導體器件，其中所述擴散層的材料包括第4族元素。
3.按權利要求1所述的GaN基半導體器件，其中所述擴散層的材料包括Ge、S1、Sn、Pb、GeSi及其組合中選出的至少ー種。
4.按權利要求1所述的GaN基半導體器件，其中所述擴散層具有2nm至20nm的厚度。
5.按權利要求1所述的GaN基半導體器件，其中所述電極元件具有多層結構。
6.按權利要求5所述的GaN基半導體器件，其中所述電極元件具有Ti/Al基多層結構。
7.按權利要求6所述的GaN基半導體器件，其中所述電極元件具有從Ti/Al結構、Ti/Al/Ni/Au結構、Ti/Al/TiN結構、Ti/Al/Mo結構和Ti/Al/W結構中選出的ー種結構。
8.按權利要求1所述的GaN基半導體器件，其中所述電極元件的至少一部分包括所述n型摻雜劑。
9.按權利要求1所述的GaN基半導體器件，其中所述GaN基半導體層具有包括GaN層和AlGaN層的多層結構。
10.按權利要求9所述的GaN基半導體器件，其中所述電極結構接觸從所述GaN層和所述AlGaN層中選出的ー個。
11.按權利要求1所述的GaN基半導體器件，其中所述GaN基半導體層的接觸所述擴散層的區(qū)域包括氮空位。
12.按權利要求1所述的GaN基半導體器件，其中所述電極結構和所述GaN基半導體層之間的接觸電阻率等于或小于IX 10_4 Q cm2。
13.按權利要求1所述的GaN基半導體器件，其中所述GaN基半導體器件是高電子遷移率晶體管。
14.按權利要求1所述的GaN基半導體器件，其中所述GaN基半導體器件是功率器件。
15.按權利要求1所述的GaN基半導體器件，其中所述GaN基半導體器件還包括: 源電極，在所述GaN基半導體層的第一區(qū)域上； 漏電極，在所述GaN基半導體層的第二區(qū)域上，所述源電極和所述漏電極中的至少ー個為所述電極結構；以及 柵電極，在所述GaN基半導體層上且在所述源電極和所述漏電極之間。
16.按權利要求15所述的GaN基半導體器件，還包括: 柵絕緣層，在所述柵電極和所述GaN基半導體層之間。
17.按權利要求16所述的GaN基半導體器件，其中， 所述GaN基半導體層具有凹入部分，并且 所述柵絕緣層的一部分與所述GaN基半導體層的所述凹入部分共形。
18.按權利要求17所述的GaN基半導體器件，其中所述GaN基半導體層的凹入部分對應于溝道部分。
19.按權利要求16所述的GaN基半導體器件，還包括: 蝕刻阻擋層，在所述柵絕緣層上。
20.按權利要求19所述的GaN基半導體器件，其中所述蝕刻阻擋層包括從硅氮化物、硅氧化物、鋁氮化物和鋁氧化物及其組合中選出的至少一種。
21.按權利要求15所述的GaN基半導體器件，其中所述GaN基半導體層的所述第一區(qū)域和所述第二區(qū)域分別具有至各自深度的凹入。
22.按權利要求21所述的GaN基半導體器件，其中， 所述GaN基半導體層具有包括GaN層和AlGaN層的多層結構，并且所述第一區(qū)域和所述第二區(qū)域的上表面為從所述GaN層和所述AlGaN層中選出的一個的被蝕刻表面。
23.一種制造GaN基半導體器件的方法，所述方法包括: 制備GaN基半導體層；以及 在所述GaN基半導體層上形成電極結構，形成該電極結構包括: 在所述GaN基半導體層上形成擴散層，該擴散層包括關于所述GaN 基半導體層為η型摻雜劑的材料,和 在所述擴散層上形成包括導電材料的電極元件；以及 對所述擴散層和所述GaN基半導體層退火使得所述擴散層的所述η型摻雜劑擴散到所述GaN基半導體層中。
24.按權利要求23所述的方法，其中所述擴散層的材料包括第4族元素。
25.按權利要求23所述的方法，其中所述擴散層的材料包括從Ge、S1、Sn、Pb、GeSi及其組合中選出的至少一種。
26.按權利要求23所述的方法，其中所述電極元件形成為具有Ti/Al基多層結構。
27.按權利要求23所述的方法，其中所述退火在600°C至800°C的溫度進行。
28.按權利要求23所述的方法，其中所述GaN基半導體層具有包括GaN層和AlGaN層的多層結構。
29.按權利要求23所述的方法，其中所述GaN基半導體器件是高電子遷移率晶體管。
30.按權利要求23所述的方法，還包括: 在所述GaN基半導體層上形成柵電極；以及 在所述GaN基半導體層的在所述柵電極一側的第一區(qū)域上形成源電極；以及在所述GaN基半導體層的在所述柵電極另一側的第二區(qū)域上形成漏電極，所述源電極和所述漏電極中的至少一個為所述電極結構。
31.按權利要求30所述的方法，還包括: 在所述GaN基半導體層和所述柵電極之間形成柵絕緣層。
32.按權利要求31所述的方法，其中， 所述GaN基半導體層具有凹入部分，并且 所述柵絕緣層的一部分形成得與所述GaN基半導體層的所述凹入部分共形。
33.按權利要求32所述的方法，其中所述GaN基半導體層的凹入部分對應于溝道部分。
34.按權利要求31所述的方法， 還包括:在所述柵絕緣層上形成蝕刻阻擋層。
35.按權利要求30所述的方法，還包括: 在形成所述源電極和所述漏電極之前，將所述GaN基半導體層的所述第一區(qū)域和所述第二區(qū)域蝕刻至期望的深度。
36.按權利要求35所述的方法，其中， 所述GaN基半導體層具有包括GaN層和AlGaN層的多層結構，并且所述方法還包括蝕刻所述第一區(qū)域和所述第二區(qū)域的上表面以在所述GaN層和所述AlGaN層中選出的一個中形成凹入。
37.按權利要求35所述的方法，其中將所述第一區(qū)域和所述第二區(qū)域蝕刻至期望的深度是通過 反應離子蝕刻進行。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電極結構、包括該電極結構的GaN基半導體器件及其制造方法。該GaN基半導體器件可以包括GaN基半導體層；以及在GaN基半導體層上的電極結構。該電極結構可以包括包括導電材料的電極元件；以及在電極元件和GaN基半導體層之間的擴散層。該擴散層可以包括關于GaN基半導體層為n型摻雜劑的材料并且該擴散層接觸GaN基半導體層。例如，擴散層可以包括從Ge、Si、Sn、Pb、GeSi及其組合中選出的至少一種。GaN基半導體層的接觸擴散層的區(qū)域可以用所述n型摻雜劑摻雜。該GaN基半導體層可以包括例如GaN層和AlGaN層。GaN基半導體器件可以是高電子遷移率晶體管(HEMT)和/或可以是功率器件。
文檔編號H01L29/45GK103094334SQ201210215829
公開日2013年5月8日 申請日期2012年6月27日 優(yōu)先權日2011年10月27日
發(fā)明者李政燁, 鮮于文旭, 文彰烈, 樸用永, 梁佑榮, 黃仁俊 申請人:三星電子株式會社