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TWI792110B - 半導體結構及其製作方法 - Google Patents

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TWI792110B
TWI792110B TW109142502A TW109142502A TWI792110B TW I792110 B TWI792110 B TW I792110B TW 109142502 A TW109142502 A TW 109142502A TW 109142502 A TW109142502 A TW 109142502A TW I792110 B TWI792110 B TW I792110B
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程凱
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大陸商蘇州晶湛半導體有限公司
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Abstract

本發明提供了一種半導體結構及其製作方法，製作方法中，先提供P型半導體層，P型半導體層包括GaN基材料；再在P型半導體層上形成第一N型半導體層，第一N型半導體層包括GaN基材料；其中，所提供的P型半導體層中，控制上表面為Ga面；形成第一N型半導體層時，控制上表面為N面。利用濕式蝕刻的方向性，使得從第一N型半導體層的N面開始刻蝕，自動停止於P型半導體層的Ga面，從而避免P型半導體層的過刻蝕以及電洞載流子濃度下降。

Description

半導體結構及其製作方法
本發明涉及半導體技術領域，尤其涉及一種半導體結構及其製作方法。
III-氮化物是繼Si、GaAs等第一、第二代半導體材料之後的第三代新型半導體材料，其中GaN作為寬禁帶半導體材料有許多優點，諸如飽和漂移速度高、擊穿電壓大、載流子輸運性能優異以及能夠形成AlGaN、InGaN三元合金和AlInGaN四元合金等，容易製作GaN基的PN結。鑒於此，近幾年來GaN基材料和半導體器件得到了廣泛和深入的研究，金屬有機化合物化學氣相沉積(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)技術生長GaN基材料日趨成熟；在半導體器件研究方面，GaN基LED、LDs等光電子器件以及GaN基HEMT等微電子器件方面的研究都取得了顯著的成績和長足的發展。
目前GaN基半導體器件仍有改進空間。問題之一在於：P型GaN基半導體層上的接觸電極較難製作。
有鑑於此，實有必要提供一種新的半導體結構及其製作方法，以解決上述技術問題。
本發明的發明目的是提供一種半導體結構及其製作方法，提高GaN基半導體器件的性能。
為實現上述目的，本發明一方面提供一種半導體結構的 製作方法，包括：提供P型半導體層，所述P型半導體層包括GaN基材料，且上表面為Ga面；在所述P型半導體層上形成第一N型半導體層，所述第一N型半導體層包括GaN基材料，且上表面為N面；濕式蝕刻去除部分區域的第一N型半導體層，暴露所述P型半導體層。
GaN晶體為釺鋅礦結構，其中Ga、N原子層呈ABABAB六方層堆垛，每個Ga(N)原子都與周圍的4個N(Ga)原子呈類金剛石四面體結構成鍵。需要說明的是，以平行於C軸([0001]晶向)的Ga-N鍵作為參照，若每一個Ga-N鍵中的Ga原子更遠離下表面，則上表面為Ga面；若每一個Ga-N鍵中的N原子更遠離下表面，則上表面為N面。
可選地，在所述P型半導體層上形成第一N型半導體層前，激活所述P型半導體層中的P型摻雜離子。
可選地，所述P型半導體層位於第二N型半導體層上；濕式蝕刻的為基極區域的所述第一N型半導體層；所述製作方法還包括：乾式蝕刻去除集電極區域的第一N型半導體層與P型半導體層，暴露第二N型半導體層。
可選地，提供P型半導體層包括：提供半導體襯底，在所述半導體襯底上形成第二N型半導體層；在所述第二N型半導體層上形成所述P型半導體層；或包括：提供第二N型半導體層；在所述第二N型半導體層上形成所述P型半導體層。
可選地，在集電極區域的第二N型半導體層上形成集電極、在基極區域的P型半導體層上形成基極，以及在發射極區域的第一N 型半導體層上形成發射極。
可選地，在所述P型半導體層上形成上表面為N面的第一N型半導體層通過：將所述第一N型半導體層的Ga面直接與所述P型半導體層的Ga面鍵合。
可選地，在所述P型半導體層上形成上表面為N面的第一N型半導體層通過：形成第一N型半導體層的過程中，通過極性反轉的方式使所述第一N型半導體層的N面朝上。
本發明另一方面提供一種半導體結構，包括：自下而上分佈的P型半導體層與第一N型半導體層；其中：所述P型半導體層包括GaN基材料，且上表面為Ga面；所述第一N型半導體層包括GaN基材料，且上表面為N面；所述P型半導體層的Ga面的部分區域裸露。
可選地，還包括第二N型半導體層，所述P型半導體層位於所述第二N型半導體層上；集電極區域的第二N型半導體層與基極區域的P型半導體層裸露。
所述裸露的第二N型半導體層上具有集電極，P型半導體層上具有基極，所述第一N型半導體層上具有發射極。
與習知技術相比，本發明的有益效果在於：
1)本發明的半導體結構製作方法中，先提供P型半導體層，P型半導體層包括GaN基材料；再在P型半導體層上形成第一N型半導體層，第一N型半導體層包括GaN基材料；其中，所提供的P型半導體層中，控制上表面為Ga面；形成第一N型半導體層時，控制上表面為N面。利用濕式蝕刻的方向性，使得從第一N型半導體層的N面開始刻蝕，自動停止於P型半導體層的Ga面，從而避免過刻蝕。若採用乾式蝕刻，乾 式蝕刻停止時，會對P型半導體層過刻蝕；由於乾式蝕刻過程中，GaN基材料中的氮原子優先逸出，造成電子載流子數量變多，對於P型半導體層，會中和部分電洞載流子，造成電洞載流子濃度下降，甚至出現表面反型；因而相對於乾式蝕刻，濕式蝕刻可以避免形成P型半導體層的電連接結構過程中的上述問題。
2)可選方案中，在P型半導體層上形成第一N型半導體層前，激活P型半導體層中的P型摻雜離子。本方案可以為釋放的H原子提供逸出路徑，提高PN結的品質，這是因為：MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金屬有機化合物化學氣相沉積)技術生長P型GaN基材料時，MOCVD生長環境中存在大量的H原子，若不移除，GaN中的受主摻雜劑Mg會被大量H原子鈍化而不產生電洞；此外，大量的被鈍化、未成鍵的Mg離子會進入其上面生長的N型GaN基材料層，造成PN結結面模糊並使得部分N型GaN基材料層被補償、電子濃度降低，嚴重時會造成PN結失效。
3)可選方案中，P型半導體層位於第二N型半導體層上；濕式蝕刻的為基極區域的第一N型半導體層；製作方法還包括：乾式蝕刻去除集電極區域的第一N型半導體層與P型半導體層，暴露第二N型半導體層。換言之，本發明製作的半導體結構可以為PN結，也可以為NPN雙極電晶體。
4)可選方案中，在P型半導體層上形成上表面為N面的第一N型半導體層通過：a)將第一N型半導體層的Ga面直接與P型半導體層的Ga面鍵合；或b)形成第一N型半導體層的過程中，通過極性反轉的方式使第一N型半導體層的N面朝上。研究表明，上述兩種方法工藝可靠。
1,2,3,4,5,6:半導體結構
10:半導體襯底
11:P型半導體層
11a:P型半導體層的上表面
12:第一N型半導體層
12a:第一N型半導體層的上表面
131:正電極
132:負電極
14:第二N型半導體層
1a:集電極區域
1b:基極區域
1c:發射極區域
C:集電極
B:基極
E:發射極
S01,S1,S1',S1",S11,S2,S21,S3,S3',S4:步驟
圖1是本發明第一實施例的半導體結構的結構示意圖；圖2是圖1中的半導體結構的製作方法的流程圖；圖3是本發明第二實施例的半導體結構的結構示意圖；圖4是圖3中的半導體結構的製作方法的流程圖；圖5是本發明第三實施例的半導體結構的製作方法的流程圖；圖6是本發明第四實施例的半導體結構的結構示意圖；圖7是本發明第五實施例的半導體結構的結構示意圖；圖8是圖7中的半導體結構的製作方法的流程圖；圖9是本發明第六實施例的半導體結構的結構示意圖；圖10是本發明第七實施例的半導體結構的結構示意圖。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更為明顯易懂，下面結合圖式對本發明的具體實施例做詳細的說明。
圖1是本發明第一實施例的半導體結構的結構示意圖。
參照圖1所示，半導體結構1包括：自下而上分佈的半導體襯底10、P型半導體層11以及第一N型半導體層12；其中：P型半導體層11包括GaN基材料，且上表面11a為Ga面；第一N型半導體層12包括GaN基材料，且上表面12a為N面；P型半導體層11的Ga面的部分區域裸露。
可以看出，本實施例中的P型半導體層11與第一N型半導體層12形成PN結。
半導體襯底10可以為藍寶石、碳化矽、矽、GaN或金剛石。
GaN基材料可以為GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN中的至少一種。
P型半導體層11的上表面11a為Ga面是指：以平行於C軸([0001]晶向)的Ga-N鍵作為參照，每一個Ga-N鍵中的Ga原子更遠離半導體襯底10。可以理解的是，此時，P型半導體層11的下表面為N面。
第一N型半導體層12的上表面12a為N面是指：以平行於C軸([0001]晶向)的Ga-N鍵作為參照，每一個Ga-N鍵中的N原子更遠離半導體襯底10。可以理解的是，此時，第一N型半導體層12的下表面為Ga面。
P型半導體層11的上表面11a的裸露區域與第一N型半導體層12的上表面12a可以形成電連接結構，例如金屬互連結構，以分別將P型半導體層11與第一N型半導體層12的電訊號引出。
對於圖1中的半導體結構1，本發明一實施例中提供了對應的製作方法。圖2為製作方法的流程圖。
首先，步驟S1：參照圖2與圖1所示，在半導體襯底10上形成P型半導體層11，P型半導體層11包括GaN基材料，且上表面11a為Ga面。
半導體襯底10可以為藍寶石、碳化矽、矽、GaN或金剛石等，本實施例對此不加以限制。
P型半導體層11的GaN基材料可以為GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN中的至少一種，本實施例對此也不加以限制。
P型半導體層11的材料以GaN為例，可以通過MOCVD技術生長。示例性地，NH3、TMGa分別為N源和Ga源，H2為載氣。具體地，可以邊生長GaN，邊進行P型離子摻雜，P型離子可以為Mg，Mg源可以為CP2Mg。其它可選方案中，P型摻雜離子可以為鈣、碳、鈹、釔和鋅中的至少一種。
一個可選方案中，可以先在半導體襯底10上生長緩衝層，再在緩衝層上生長P型半導體層11。緩衝層的設置可以減小P型半導體層11中的螺位錯(threading dislocation，TD)密度以及由於橫向生長機制導致的TD彎曲。
一個可選方案中，實現P型半導體層11的上表面11a為Ga面可以通過：形成P型半導體層11的過程中，通過外延生長方式使P型半導體層11的Ga面朝上。
接著，步驟S2：仍參照圖2與圖1所示，在P型半導體層11上形成第一N型半導體層12，第一N型半導體層12包括GaN基材料，且上表面12a為N面。
第一N型半導體層12的GaN基材料參照P型半導體層11的GaN基材料，兩者材料可以相同，也可以不同。
第一N型半導體層12的材料以GaN為例，可以通過MOCVD技術生長。示例性地，NH3、TMGa分別為N源和Ga源，H2為載氣。N型摻雜離子可以為矽、鍺和氧中的至少一種。
一個可選方案中，實現第一N型半導體層12的上表面12a為N面可以通過：將第一N型半導體層12的Ga面直接與P型半導體層11的Ga面鍵合。
在一個可選方案中，用於鍵合的第一N型半導體層12外延層，可通過如下方法製備：製備上表面為Ga面的GaN基材料外延層過程中設置犧牲層，然後在該犧牲層上繼續製備預定厚度的上表面為Ga面的GaN基材料外延層。該犧牲層可例如多孔GaN、H注入後的GaN等。製備完成後，通過退火、活化等工藝，該犧牲層上方的上表面為Ga面的GaN基材料外延層可從犧牲層處剝離，剝離後的上表面為Ga面的GaN基材料外延層與犧牲層接觸的面即為N面。
一個可選方案中，實現第一N型半導體層12的上表面 12a為N面可以通過：形成第一N型半導體層12的過程中，通過極性反轉方式使第一N型半導體層12的N面朝上。
極性反轉方式是指：首先外延生長上表面12a為Ga面的第一N型半導體層12；接著在外延生長的同時添加極性反轉元素，極性反轉元素例如為Mg等，實現N面朝上。
此外，還可以：首先在P型半導體層11上製作極性反轉層，材料例如為Al2O3；接著在極性反轉層上繼續生長GaN基材料，實現N面朝上。
再接著，步驟S3：仍參照圖2與圖1所示，濕式蝕刻去除部分區域的第一N型半導體層12，暴露P型半導體層11。
濕式蝕刻溶液例如為KOH溶液，它在N表面上是腐蝕性的，但在Ga表面上是非腐蝕性的。由於P型半導體層11的上表面為Ga面，因而刻蝕工序可以自動停止在P型半導體層11的上表面，不會出現對P型半導體層11的過刻蝕。
習知技術中，一般採用乾式蝕刻對第一N型半導體層12進行圖形化。乾式蝕刻停止時，會對P型半導體層11過刻蝕。由於乾式蝕刻過程中，GaN基材料中的氮原子優先逸出，造成P型半導體層11中的電子載流子數量變多，會中和部分電洞載流子，造成電洞載流子濃度下降，甚至出現表面反型。因而相對於乾式蝕刻，濕式蝕刻可以避免圖形化過程中的上述問題。
後續工序中，還可以繼續在P型半導體層11的上表面11a的裸露區域與第一N型半導體層12的上表面12a形成電連接結構，例如金屬互連結構，以分別將P型半導體層11與第一N型半導體層12的電訊號引出。
圖3是本發明第二實施例的半導體結構的結構示意圖。參照圖3所示，本實施例二的半導體結構2與實施例一的半導體結構1大 致相同，區別僅在於：省略了半導體襯底10。
需要說明的是，以平行於C軸([0001]晶向)的Ga-N鍵作為參照，若每一個Ga-N鍵中的Ga原子更遠離下表面，則上表面為Ga面。
圖4是圖3中的半導體結構的製作方法的流程圖。參照圖4所示，本實施例二的製作方法與實施例一的製作方法大致相同，區別僅在於：步驟S1'：提供P型半導體層11，P型半導體層11包括GaN基材料，且上表面11a為Ga面。換言之，本實施例的P型半導體層11可以為現成的半導體中間結構。
圖5是本發明第三實施例的半導體結構的製作方法流程圖。參照圖5與圖2所示，本實施例三的製作方法與實施例一、二的製作方法大致相同，區別僅在於：增加步驟S11，激活P型半導體層11中的P型摻雜離子。步驟S11在步驟S1與S2之間進行。
P型摻雜離子可以為鎂，激活可以通過高溫退火、活化實現。MOCVD技術生長P型GaN基材料時，由於MOCVD生長環境中存在大量的H原子，若H原子無法釋放，則GaN中的受主摻雜劑Mg容易與H原子形成共價鍵而無法產生電洞，即被H原子鈍化。本步驟P型半導體層11上表面11a無遮擋，因而容易釋放H原子，大量P型摻雜離子Mg可與GaN基材料中的原子形成共價鍵，即被激活而避免鈍化。
此外，大量的Mg與GaN基材料中的原子形成共價鍵，也能避免游離態的Mg離子進入其上面生長的第一N型GaN基材料層，提高PN結品質。
圖6是本發明第四實施例的半導體結構的結構示意圖。本實施例四的半導體結構3與實施例一、二、三的半導體結構1、2大致相同，區別僅在於：P型半導體層11的上表面11a的裸露區域具有正電極131，第一N型半導體層12的上表面12a具有負電極132。
正電極131與P型半導體層11之間，負電極132與第一N型半導體層12之間都為歐姆接觸。
正電極131與負電極132的材料都可以為金屬或經摻雜後導電性能佳的半導體材料。
對應地，對於製作方法，包括：步驟S4，在P型半導體層11的上表面11a的裸露區域形成正電極131，第一N型半導體層12的上表面12a形成負電極132。
正電極131與負電極132的形成方法可以為電鍍或金屬沉積法。
圖7是本發明第五實施例的半導體結構的結構示意圖。參照圖7所示，本實施例五的半導體結構4與實施例一、二、四的半導體結構1、3大致相同，區別僅在於：半導體襯底10為第二N型半導體層14；第一N型半導體層12位於發射極區域1c，集電極區域1a的第二N型半導體層14與基極區域1b的P型半導體層11裸露。
其它實施例中，若省略半導體襯底10，則半導體結構4包括：自下而上分佈的第二N型半導體層14、P型半導體層11以及第一N型半導體層12。
可以看出，第二N型半導體層14、P型半導體層11與第一N型半導體層12形成NPN雙極電晶體。
圖8是圖7中的半導體結構的製作方法的流程圖。參照圖8與圖2所示，區別僅在於：步驟S01，提供第二N型半導體層14；步驟S1"，在第二N型半導體層14上形成P型半導體層11，P型半導體層11包括GaN基材料，且上表面11a為Ga面；步驟S21，乾式蝕刻去除集電極區域1a的第一N型半導體層12與P型半導體層11，暴露第二N型半導體層14；步驟S3'，濕式蝕刻去除基極區域1b的第一N型半導體層12，暴露P 型半導體層11。
步驟S01中，第二N型半導體層14可以為GaN基材料，GaN基材料可以為GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN中的至少一種。本實施例不限定第二N型半導體層14中GaN共價鍵的方向。
先執行步驟S21，後執行步驟S3'。步驟S21中，乾式蝕刻可以為ICP刻蝕法，反應氣體可以為Cl2，輔助氣體可以為N2。
乾式蝕刻停止時，會對第二N型半導體層14過刻蝕，但由於乾式蝕刻過程中，GaN基材料中的氮原子優先逸出，造成電子載流子數量變多，對於第二N型半導體層14，會降低表面的電阻率，有利於降低第二N型半導體層14上的電連接結構的接觸電阻。
圖9是本發明第六實施例的半導體結構的結構示意圖。本實施例六的半導體結構5與實施例五的半導體結構4大致相同，區別僅在於：裸露的第二N型半導體層14上具有集電極C，P型半導體層11上具有基極B，第一N型半導體層12上具有發射極E。
集電極C與第二N型半導體層14之間，基極B與P型半導體層11之間，發射極E與第一N型半導體層12之間都為歐姆接觸。
集電極C、基極B與發射極E的材料都可以為金屬或經摻雜後導電性能佳的半導體材料。
圖10是本發明第七實施例的半導體結構的結構示意圖。參照圖10所示，本實施例七的半導體結構6與實施例六的半導體結構5、實施例五的半導體結構4大致相同，區別僅在於：還包括第二N型半導體層14，第二N型半導體層14位於半導體襯底10上。
在半導體襯底10上形成第二N型半導體層14的方法，可以為MOCVD法。本實施例不限定第二N型半導體層14中GaN共價鍵的方向。
雖然本發明披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以申請專利範圍所限定的範圍為準。
S1',S2,S3:步驟

Claims (5)

  1. 一種半導體結構的製作方法，其特徵在於，包括：提供P型半導體層，所述P型半導體層包括GaN基材料，且上表面為Ga面；在所述P型半導體層上形成第一N型半導體層，所述第一N型半導體層包括GaN基材料，且上表面為N面；濕式蝕刻去除部分區域的第一N型半導體層，暴露所述P型半導體層；其中，在所述P型半導體層上形成上表面為N面的第一N型半導體層通過：將所述第一N型半導體層的Ga面直接與所述P型半導體層的Ga面鍵合；其中，利用濕式蝕刻的方向性，使得從第一N型半導體層的N面開始刻蝕，自動停止於P型半導體層的Ga面。
  2. 如請求項1所述的半導體結構的製作方法，其中，在所述P型半導體層上形成第一N型半導體層前，激活所述P型半導體層中的P型摻雜離子。
  3. 如請求項1所述的半導體結構的製作方法，其中，所述P型半導體層位於第二N型半導體層上；濕式蝕刻的為基極區域的所述第一N型半導體層；所述製作方法還包括：乾式蝕刻去除集電極區域的第一N型半導體層與P型半導體層，暴露第二N型半導體層。
  4. 如請求項1所述的半導體結構的製作方法，其中，提供P型半導體層包括：提供半導體襯底，在所述半導體襯底上形成第二N型半導體層；在所述第二N型半導體層上形成所述P型半導體層； 或包括：提供第二N型半導體層；在所述第二N型半導體層上形成所述P型半導體層。
  5. 如請求項3或4所述的半導體結構的製作方法，其中，在集電極區域的第二N型半導體層上形成集電極、在基極區域的P型半導體層上形成基極，以及在發射極區域的第一N型半導體層上形成發射極。
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