TWI762346B - 一種iii族氮化物半導體元件之歐姆接觸製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種降低III族氮化物半導體元件之接觸電阻的歐姆接觸製作方法。主要是使用氟化物氣體電漿進行蝕刻與表面處理，並進行退火處理以實現超低接觸電阻之歐姆接觸。此製造方法不會造成半導體通道表面損傷，整體製程相對簡單，且製造出的III族氮化物半導體元件的可靠度佳，可應用於三族氮化物電晶體與二極體。

Description

一種III族氮化物半導體元件之歐姆接觸製造方法

本發明是有關於一種III族氮化物半導體元件，且特別是有關於一種III族氮化物半導體元件之歐姆接觸的製造方法。

現今在電力電子領域中，導入寬帶隙半導體元件以提升設備和模組能效並降低能耗，已是未來趨勢。特別是氮化鎵高頻功率元件，由於其優異的性能而成為下一代高功率和高頻器件中，最有希望超越矽材料極限的半導體元件。III族氮化物半導體元件，例如，氮化鎵(GaN)半導體高電子遷移率電晶體(HEMTs)，通常會形成二維電子氣(2DEG，two-dimensional electron gas)，以藉此達到高頻操作與高功率輸出。

以金屬-絕緣-半導體(MIS)結構的高電子遷移(HEMT)的III族氮化物半導體元件為例，其開啟電阻大致上會相關於接觸電阻、二維電子氣的源極與閘極間電阻、二維電子氣的閘極與汲極間電阻以及通道電阻，其中接觸電阻佔開啟電阻的最大部分，故在設計上需要降低其電阻值成為歐姆接觸，以藉此達到高開啟狀態電流、低功率損耗、低熱量產生與長生命週期。

已知在形成歐姆接觸的降低接觸電阻的作法有兩種，並說明如下。其中一種是蝕刻阻障層的接觸電極區域後重新長出重摻雜N型通道層(例如，N+ GaN層)於阻障層的兩側以及於通道層之上，並接著形成Ti/Au金屬的源極與汲極，以在N型通道層上形成歐姆接觸。然而，此種作法可能有下面的缺點：良率不高；製造成本高；蝕刻後造成阻障層內側損傷導致缺陷並容易引發漏電；以及需要複雜且昂貴的分子束磊晶(MBE)來重新長出重摻雜N型通道層。

其中另一種降低接觸電阻的作法是選擇讓Ti/Au金屬的源極與閘極部分埋入阻障層中。然而，此種作法可能有下面的缺點：難以控制蝕刻深度與側牆斜率精度；在晶圓等級(wafer-scale)的晶片製程可能有不均勻問題；可能有殘留物與蝕刻損害；以及非常難以實現具有超薄的AlN或Al(Ga)N的阻障層的HEMT III族氮化物半導體元件(註：因為不易控制蝕刻深度)。據此，對於低複雜度、低成本與高良率的低接觸電阻的歐姆接觸的製造方法，業界仍有迫切需求。

根據本發明之目的，提供一種III族氮化物半導體元件之歐姆接觸的製造方法，且此III族氮化物半導體元件包括電晶體以及二極體。此III族氮化物半導體元件之歐姆接觸的製造方法包括：提供未形成源極及汲極的III族氮化物半導體結構；於III族氮化物半導體結構的阻障層上形成保護層；在保護層形成具有圖案的遮罩層(例如，光阻層或其他可以抵抗氟化物氣體電漿腐蝕的材料層)，以定義出源極及汲極的位置；使用氟化物氣體電漿對III族氮化物半導體結構的保護層進行蝕刻處理，其中保護層對應於源極與汲極的位置處的部分至少被蝕刻至阻障層的表面；使用氟化物氣體電漿對III族氮化物半導體結構裸露的阻障層進行表面處理；移除遮罩層，並進行退火處理；在退火處理後，於源極與汲極的位置處植入金屬，以形成源極與汲極；以及對形成有源極與汲極的III族氮化物半導體結構進行快速退火處理。

根據本發明之目的，提供一種III族氮化物半導體元件半成品，係使用前述III族氮化物半導體元件之歐姆接觸的製造方法所製造，包括：III族氮化物半導體結構；以及保護層、源極與汲極，形成於III族氮化物半導體結構的阻障層之上。

根據本發明之目的，提供一種III族氮化物半導體元件，系包括將上述之III族氮化物半導體元件半成品的部分該保護層去除後所形成的另一III族氮化物半導體元件半成以及閘極，其中閘極形成在阻障層之上，且於水平方向上，係位於源極與汲極之間。

總而言之，相對於先前技術，本發明實施例提供的III族氮化物半導體元件之歐姆接觸製造方法具有低製造成本、高生產良率與製程簡單等技術效果。

為利 貴審查員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。

為了解決先前技術之III族氮化物半導體元件之歐姆接觸其製造良率低與製造成本高的技術問題，本發明提出一種新穎可行的降低III族氮化物半導體元件之歐姆接觸製造方法，其不會造成半導體通道表面損傷，整體製程相對簡單，且製造出的III族氮化物半導體元件的可靠度佳，甚至，接觸電阻的電阻率最低可達0.1歐姆·公釐。進一步地說，本發明的降低III族氮化物半導體元件之接觸電阻的歐姆接觸製造方法主要是在未形成源極及汲極的III族氮化物半導體結構形成保護層於阻障層上，接著，透過遮罩材料(例如，光阻)定義出圖案後，使用氟化物氣體電漿進行對未被遮罩材料遮蔽的保護層進行蝕刻與表面處理， 然後移除光阻，並進行退火處理後，才植入金屬以形成源極與閘極，最後再進行快速退火處理，以達到超低接觸電阻之歐姆接觸。

於本發明的III族氮化物半導體元件之歐姆接觸的製作方法中，由於存在著保護層，因此氟化物氣體電漿處理不會傷害到通道層表面，且透過控制功率與處理時間，氟離子不會穿透到通道層。另外，退火處理更可將殘留的氟離子移除。據此，本發明實施例的降低III族氮化物半導體元件之接觸電阻的歐姆接觸製造方法具有低製造成本、高生產良率與製程簡單等技術效果。另外，本發明實施例還提供了一種使用上述III族氮化物半導體元件之歐姆接觸的製造方法所製造出來的III族氮化物半導體元件與其半成品。

請參照圖2H，本發明實施例III族氮化物半導體元件半成品的剖面示意圖如圖2H。III族氮化物半導體結構11包括未形成源極12及汲極13的III族氮化物半導體結構11、源極12、汲極13與保護層14，其中源極12、汲極13與保護層14位於III族氮化物半導體結構11的阻障層115的表面上，且於水平方上，部分保護層14位於源極12的側牆與汲極13的側牆之間。由於經過氟化物氣體電漿進行蝕刻與表面處理，並經過真空退火處理與快速退火處理，源極12與汲極13相對於阻障層115的接觸電阻的電阻率可達到0.1至0.2歐姆·公釐(包括0.1與0.2歐姆·公釐)。

於本發明實施例中，保護層14為介電材質，且可以是SiN _x層、SiO ₂層或Si層，其中x表示大於0的任意數。保護層14的厚度原則可以選自5至100奈米之間(包括5奈米與100奈米)，較佳地，選自5至40奈米之間 (包括5奈米與40奈米)。另外，保護層14的厚度選擇與材料與氟化物氣體電漿功率與處理時間相關，其主要目的是為了保護二維電子氣(2DEG)層1141在氟化物氣體電漿處理時不會損傷。源極12與汲極13的每一者可以是金屬堆疊結構，其包括由下往上排序的第一結構層與第二結構層，第一結構層可以是Ti/Al雙層結構，而第二結構層可以是Ni/Au雙層結構、Ti/Ta雙層結構、Ti層、TiN層、Cu層或W層，且本發明不以此為限制。

於圖1與圖2A至圖2H的實施例中， III族氮化物半導體結構11為HEMT半導體結構，且最後的III族氮化物半導體元件半成品1不具有閘極，故可以作為HEMT二極體使用，但本發明不以此為限制，且在其他實施例中，III族氮化物半導體元件半成品1可以形成有閘極，且於水平方向上，閘極位於源極12的側牆與汲極13的側牆之間。III族氮化物半導體結構11包括基板111、成核層(nucleation layer)112、緩衝層113、通道層114與阻障層115，其中成核層112形成於基板111的表面上，緩衝層113形成於成核層112的表面上，通道層114形成於緩衝層113的表面上，以及阻障層115形成於通道層114的表面上。於III族氮化物半導體結構11，二維電子氣層1141形成通道層114與阻障層115之間的界面中。

基板111例如為矽、絕緣層上覆矽(SOI)、碳化矽(SiC)、藍寶石基板或其他能夠讓III族氮化物半導體磊晶的基板，且本發明不以此為限制。成核層112例如為低溫的GaN層、低溫的AlN層、高溫的GaN層或高溫的AlN層，且本發明不以此為限制。緩衝層113可以例如為AlN層、AlGaN層、InGaN層、超晶體(super lattice) AlN/GaN層、超晶體AlGaN/GaN層、超晶體AlN/AlGaN、碳摻雜GaN層、鐵摻雜GaN層或無摻雜GaN層，且本發明不以此為限制。在緩衝層113選用AlGaN層時，AlGaN的化學組成式為的化學組成式為Al _yGa _1-yN，5%＜=y。通道層114可以例如為GaN層、AlGaN層、InN層或InGaN層，且本發明不以此為限制。阻障層115可以例如為AlGaN層、InAlN層、InAlGaN層、InGaN層或AlN層，且本發明不以此為限制。在阻障層115選用AlGaN層時，AlGaN的化學組成式為Al _xGa _1-xN，0＜=x ＜=40%，例如，x可以是20%，阻障層115的厚度為20奈米，且此時二維電子氣層1141的片電阻值為＜450歐姆/□。

請接著參照圖1，圖2A至圖2H，圖1是本發明實施例的降低III族氮化物半導體元件之歐姆接觸的製造方法的流程圖，以及圖2A至圖2H是本發明實施例的III族氮化物半導體元件之歐姆接觸製造方法之各步驟成品的剖面示意圖。

首先，在步驟S31中，提供一個如圖2A之未形成源極12及汲極13且具有二維電子氣的III族氮化物半導體結構11，其結構上類似於圖1的III族氮化物半導體結構11。接著，於步驟S32中，在III族氮化物半導體結構11的阻障層115上形成保護層14'，如圖2B所示，其中形成保護層14'的方式例如透過電漿增強化學氣相沉積 (PECVD)的方式來沉積形成，保護層14'的材質如前面所述，且厚度選擇自40奈米以下，例如，10、20或40奈米。另外，沉積保護層14'的方式更可以是原位金屬有機氣相外延(in-situ MOCVD)、任一種化學氣相沉積(CVD)、任一種物理氣相沉積(PVD)或任一種原子層沉積(ALD)。之後，在步驟S33，在保護層14'形成具有圖案的遮罩層17，以定義出源極12與汲極13的位置，如圖2C。

接著，在步驟S34中，以乾蝕刻方式使用氟化物氣體電漿對III族氮化物半導體結構11的保護層14'進行蝕刻處理，如圖2D所示；在步驟S35中，使用氟化物氣體電漿進行表面處理，如圖2E所示。蝕刻與表面處理例如可以透過感應耦合電漿(ICP)系統產生CF ₄電漿，其中保護層14對應於源極12與汲極13的位置處的部分會被蝕刻至阻障層115的表面而形成保護層14與實現歐姆區的處理。氟化物氣體電漿的功率選自50至300瓦特之間(包括50與300瓦特)，以及處理時間選自5至300秒之間(包括5與300秒)，較佳地是選自5至50秒之間(包括5與50秒)。當保護層14’的厚度為10至40奈米間，處理時間可以是50秒，且保護層14'的最佳厚度為30奈米。另外，除了CF ₄電漿之外，也可以選用SF ₆、CHF ₃或C ₄F ₈電漿，且更能選擇性地混入Ar電漿。再者，除了選用感應耦合電漿系統外，也可以選用反應離子刻蝕(RIE)或電感耦合等離子體-反應離子刻蝕(ICP-RIE)系統。在保護層14'大概是20奈米時，使用氟化物氣體電漿的處理大概30與50秒，能夠將原來接觸電阻的電阻率從0.8分別降低至0.44與0.2歐姆·公釐。附帶一提的是，蝕刻與表面處理的氟化物氣體電漿之種類、功率與處理時間等可以彼此相同或不同。

接著，在步驟S36中，移除遮罩層17，並以真空退火處理進行表面熱處理去除氟離子鍵結，如圖2F所示。此處的退火處理可以是多步階退火處理或單步階退火處理，例如，退火處理的步階數較佳地是1至4(包括1與4)。然後，在進行退火處理後，於步驟S37中，才將金屬植入，如圖2G。金屬植入方式可以例如是透過電子束槍沉積，以形成源極12與汲極13。退火處理可以是真空腔室內進行或在Ar環境下進行，且在Ar環境下更可以導入其他氣體。退火處理可以是快速退火處理或其他類型的退火處理，退火處理的溫度大致在攝氏450度到650度之間(包括450與650度)，退火處理的總時間大概在30至240秒之間(包括30與240秒)，若是進行多步階退火處理，則每個步階的時間在15至60秒之間(包括15與60秒)。

然後，在步驟S38中，進行快速退火處理以達到超低接觸電阻，如圖2H，其中快速退火處理的溫度是攝氏750至850度(包括750與850度)，快速退火處理的總時間大概在10至60秒之間(包括10與60秒，較佳地是30秒)，而且接觸電阻的電阻率更可以降低至0.1至0.15歐姆·公釐。

請參照圖3A，圖3A是本發明實施例之III族氮化物半導體元件的剖面示意圖。於圖3A中，III族氮化物半導體元件3為HEMT的III族氮化物半導體元件。III族氮化物半導體元件3的實現方式如下。首先，將圖2H的III族氮化物半導體元件半成品1進行檯面蝕刻，定義出隔離區域RI後。接著，去除水平方向中介於源極12與汲極13之間的部分保護層14，以定義出閘極區域。接著，在閘極區域處形成位於阻障層115之上的閘極15。

請參照圖3B，圖3B是本發明另一實施例之III族氮化物半導體元件的剖面示意圖。不同於圖3A的實施例，III族氮化物半導體元件4去除部分保護層14之後，還沉積了厚度大概是1至10奈米(包括1與10奈米的兩個端點值)的介電層88於保護層14與閘極區域處的阻障層115之上，然後，閘極15形成於閘極區域處的介電層88之上。

請參照圖3C，圖3C是本發明再一實施例之III族氮化物半導體元件的剖面示意圖。不同於圖3B的實施例，III族氮化物半導體元件5去除部分保護層14時，更將部分阻障層115去除， 因此閘極 15 位於阻障層115的凹槽(recess)之上。

具體而言，本發明實施例的降低III族氮化物半導體元件之接觸電阻的歐姆接觸製造方法要使用搭配保護層的氟化物氣體電漿處理以及退火處理共兩次地降低接觸電阻，故接觸電阻的電阻率可以有效降低。再者，相對於先前技術，本發明實施例的III族氮化物半導體元件之歐姆接觸製造方法具有低製造成本、高生產良率與製程簡單等技術效果。

綜觀上述，可見本發明在突破先前之技術下，確實已達到所欲增進之功效，且也非熟悉該項技藝者所易於思及，再者，本發明申請前未曾公開，且其所具之進步性、實用性，顯已符合專利之申請要件，爰依法提出專利申請，懇請  貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

1:III族氮化物族半導體元件半成品 3～5:III族氮化物族半導體元件 11:III族氮化物半導體結構 111:基板 112:成核層 113:緩衝層 114:通道層 115:阻障層 12:源極 13:汲極 14、14':保護層 15:閘極 88:介電層 17:遮罩層 S31～S38:步驟 RI:隔離區域 1141:二維電子氣層

本發明之多個附圖僅是用於使本發明所屬技術領域的通常知識者易於了解本發明，其尺寸與配置關係僅為示意，且非用於限制本發明，其中各附圖簡要說明如下： 圖1是本發明實施例的III族氮化物半導體元件之歐姆接觸電阻的製造方法的流程圖； 圖2A至圖2H是本發明實施例的III族氮化物半導體元件之歐姆接觸電阻的製造方法其各步驟成品的剖面示意圖； 圖3A是本發明實施例之III族氮化物半導體元件的剖面示意圖； 圖3B是本發明另一實施例之III族氮化物半導體元件的剖面示意圖； 圖3C是本發明再一實施例之III族氮化物半導體元件的剖面示意圖。

1:III族氮化物半導體元件半成品

11:III族氮化物半導體結構

111:基板

112:成核層

113:緩衝層

114:通道層

115:阻障層

12:源極

13:汲極

14:保護層

1141:二維電子氣層

Claims (9)

1. 一種III族氮化物半導體元件之歐姆接觸的製造方法，包括：提供未形成一源極(12)及一汲極(13)的一III族氮化物半導體結構(11')；於該III族氮化物半導體結構(11)的一阻障層(115)上形成一保護層(14')；在該保護層(14')形成具有圖案的一遮罩層(17)，以定義出該源極(12)及該汲極(13)的位置；使用氟化物氣體電漿對該III族氮化物半導體結構(11')的該保護層(14')進行蝕刻處理，其中該保護層(14')對應於該源極(12)與該汲極(13)的位置處的部分至少被蝕刻至該阻障層(115)的表面；使用該氟化物氣體電漿對該III族氮化物半導體結構(11)裸露的該阻障層(115)進行表面處理；以及移除該遮罩層(17)，並進行一退火處理；在該退火處理後，於該源極(12)與該汲極(13)的位置處植入金屬，以形成該源極(12)與該汲極(13)；以及對形成有該源極(12)與該汲極(13)的III族氮化物半導體結構(11)進行一快速退火處理；其中該保護層(14')為SiN_x層或SiO₂層，該保護層(14')的厚度為5至100奈米之間，該氟化物氣體電漿為CF₄、SF₆或C₄F₈電漿，該氟化物氣體電漿的功率為50至300瓦特之間，以及該氟化物氣體電漿的處理時間為5至300秒之間。
2. 如請求項1所述之III族氮化物半導體元件之歐姆接觸的製造方法，其中該退火處理的溫度為攝氏450度至650度之間。
3. 如請求項1所述之III族氮化物半導體元件之歐姆接觸的製造方法，其中該快速退火處理的溫度為攝氏750度至850度之間。
4. 如請求項1所述之III族氮化物半導體元件之歐姆接觸的製造方法，其中該阻障層(115)是AlGaN層，其化學組成式為Al_xGa_1-xN,0<=x<=40%，或者，該阻障層(115)是AlN層。
5. 一種III族氮化物半導體元件半成品，係使用一如請求項1至4其中一項所述的III族氮化物半導體元件之歐姆接觸的製造方法所製造，包括：該III族氮化物半導體結構(11)；以及該保護層(14)、該源極(12)與該汲極(13)，形成於該III族氮化物半導體結構(11)的該阻障層(115)之上。
6. 如請求項5所述之III族氮化物半導體元件半成品，其中該III族氮化物半導體元件的接觸電阻的電阻率為0.1至0.2歐姆．公釐之間。
7. 一種III族氮化物半導體元件，包括：一另一III族氮化物半導體元件半成品(1)，係將一如請求項5所述之III族氮化物半導體元件半成品(1)的部分該保護層(14)去除後所形成；以及一閘極(15)，該閘極(15)形成在該阻障層(115)之上，且於水平方向上，係位於該源極(12)與該汲極(13)之間。
8. 如請求項7所述之III族氮化物半導體元件，更包括： 一介電層(88)，位於該閘極(15)之下與該阻障層(115)之上，以及位於該保護層(14)之上。
9. 如請求項7所述之III族氮化物半導體元件，其中所述之III族氮化物半導體元件半成品(1)的部分該阻障層(115)更被去除，以形成該阻障層(115)具有一凹槽的該另一III族氮化物半導體元件半成品(1)，且該閘極(15)位於該凹槽之上。

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