CN113169227B - 半导体结构及其形成方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种半导体结构及其形成方法。该半导体结构包括：衬底和设置在衬底上的外延层。外延层的至少一部分掺杂有金属原子，靠近衬底的外延层的下表面的金属原子的掺杂浓度高于1×10¹⁷atoms/cm³。

Description

半导体结构及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术，尤其涉及一种具有金属掺杂层的半导体结构及其形成方法。

背景技术

III-V族半导体材料(例如GaN、AlGaN等)在电、物理和化学特性方面具有许多优势，例如宽带隙、高电子迁移率、高击穿电压和出色的化学稳定性。因此，这种材料特别适合大功率、高频和高温应用。用于这些应用类型的半导体器件具有高电子迁移率，并且可以在高频工作时承受高压。例如，这些器件可以包括高电子迁移率晶体管(HEMTs)、异质结场效应晶体管(HFETs)或调制掺杂场效应晶体管(MODFETs)。

发明内容

在本发明的一些实施例中，提供了一种形成半导体结构的方法。该形成半导体结构的方法包括：提供衬底；在衬底上形成不连续金属原子层；在所述不连续金属原子层上形成外延层，其中，在外延层的生长过程中，将不连续金属原子层中的金属原子驱入到外延层中，使得外延层的至少一部分掺杂有金属原子。由于不连续金属原子层，与原子从衬底扩散相对应的电流漏泄现象消除，外延层由于掺杂了金属原子而具有更平滑的表面形态、更好的晶体质量和更高的电阻率。

在本发明的一些实施例中，该方法还包括在衬底与不连续金属原子层之间形成成核层。

在本发明的一些实施例中，成核层包括GaN、AlN、AlGaN、AlInGaN或其组合。

在本发明的一些实施例中，外延层包括GaN、AlN、AlGaN、AlInGaN或其组合。

在本发明的一些实施例中，不连续金属原子层中的金属包括Fe、Mn、Sb、Bi、Cd、Zn、Mg、Na或其组合。

在本发明的一些实施例中，该方法还包括在外延层上形成异质结，在异质结上形成栅极结构、源极接触和漏极接触。

在本发明的一些实施例中，提供了一种半导体结构，该半导体结构包括：衬底；以及设置在该衬底上的外延层，其中该外延层包括设置在该衬底上的掺杂有金属原子的金属掺杂层，金属原子的掺杂浓度从金属掺杂层的下表面到上表面逐渐降低，金属掺杂层的下表面的金属原子的掺杂浓度高于1×10¹⁷atoms/cm³。

在本发明的一些实施例中，半导体结构还包括设置在衬底与金属掺杂层之间的成核层。

在本发明的一些实施例中，成核层包括GaN、AlN、AlGaN、AlInGaN或其组合。

在本发明的一些实施例中，外延层包括AlN、AlGaN、AlInN、AlInGaN或其组合。

在本发明的一些实施方式中，金属原子包括Fe、Mn、Sb、Bi、Cd、Zn，Mg、Na或其组合。

在本发明的一些实施例中，半导体结构还包括设置在外延层上的异质结；以及设置在异质结上的栅极结构、源极接触和漏极接触。

附图说明

通过参考附图阅读下面的详细描述和示例，可以进一步理解本发明，其中：

图1A至图1E所示为本发明实施例提供的与方法200的各个阶段相对应的半导体结构。

图2所示为本发明实施例提供的形成半导体结构的方法200。

图3所示为金属原子的掺杂浓度与传统金属掺杂层的总厚度之间的关系。

图4所示为金属原子的掺杂浓度与如图1D所示实施例中的金属掺杂层的总厚度之间的关系。

图5A所示为无金属掺杂的外延层的5×5μm² AFM扫描。

图5B所示为有金属掺杂的外延层的5×5μm² AFM扫描。

图6A所示为本发明一实施例提供的无金属掺杂的GaN外延层(002)面的X射线衍射(XRD)欧米伽(omega)摇摆曲线(Rocking Curve)。

图6B所示为本发明一实施例提供的有金属掺杂的GaN外延层(002)面的XRDomega摇摆曲线。

具体实施方式

以下描述是实施本发明的最佳设想的模式。该描述出于说明本发明的一般原理的目的，不应该被视为具有限定意义。当然，这些仅仅是示例，无意于限制本发明。另外，本发明可能在各个示例中重复参考数字和/或字母，该重复是出于简单和清楚的目的，其本身并不指示所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。

参照图1A至图1E和图2，图2所示为本发明实施例提供的形成半导体结构的方法200，图1A至图1E所示为本发明实施例提供的与方法200的各个阶段相对应的半导体结构。

在图2描述的步骤之前、之时和/或之后可以进行其他操作步骤。此外，在不同的实施例中，图2中描述的一些步骤可以被替换或省略。在一些实施例中，半导体器件200为晶体管(例如，HEMT、HFET或MOSFET)。

如图2和图1A所示，方法200包括步骤202：在衬底100上形成成核层102。在一些实施例中，衬底100由适合生长包括Ⅲ族氮化物材料(例如，GaN、AlGaN、AlInGaN、AlN)的半导体结构的材料制成。例如，衬底100可以由Si、蓝宝石(Al₂O₃)、SiC或其他合适的材料制成。

在一些实施例中，成核层102是可选的，其可以包括AlN，GaN，AlGaN，AlInGaN或其组合，其厚度范围大约在0.1纳米至500纳米之间。在一些实施例中，成核层102可以通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)、氢化物气相外延法(HVPE)、液相外延法(LPE)、分子束外延法(MBE)、金属有机气相外延法(MOVPE)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)或类似方法生长在蓝宝石、碳化硅或硅基衬底上。

参照图2和图1B，方法200包括步骤204：在成核层102的上表面109上形成不连续金属原子层104。在一些实施例中，不连续金属原子层104可以用于提供掺杂杂质(即金属原子)，以获得具有高电阻率的半导体材料层。在一些实施例中，不连续金属原子层104可以由包含Fe、Mn、Sb、Bi、Cd、Zn、Mg和Na中的至少一种金属的材料形成。在一些实施例中，不连续金属原子层104通过原子层沉积(ALD)工艺、MOCVD工艺或其他合适的沉积工艺形成。在这些情况下，不连续的金属原子层104可以是单个原子层，并可以暴露成核层102的一部分。

参照图1C和图2，方法200包括步骤206：在不连续金属原子层104和成核层102的未被不连续金属原子层104覆盖的部分上形成外延层(例如，半导体材料)110。在一些实施例中，外延层110包括Ⅲ族氮化物材料(例如，GaN、AlGaN、AlInGaN、AlN)。在一些实施例中，外延层110可以是缓冲层。在一些实施例中，外延层110是通过MOCVD、HVPE、LPE、MBE、MOVPE、PECVD或其他合适的沉积方法形成的。

在一些实施例中，由于自掺杂效应，在外延层110的生长期间，不连续金属原子层104中的金属原子(例如，Fe、Mn、Sb、Bi、Cd、Zn、Mg、Na或其组合)可以被驱入(由图1C所示的箭头指示)到外延层110中，使得外延层110的至少一部分掺杂有金属原子。如图1D所示，由于非故意自掺杂效应(unintentional auto-doping effect)，不连续金属原子层104中的一些金属原子被驱入到部分外延层110中(如图1C所示)，因此金属掺杂层110a中掺杂有金属原子，上覆(overlying)外延层110b中未掺杂金属原子。在一些实施例中，外延层110可以仅包括金属掺杂层110a，即去除了上覆外延层110b。由于金属掺杂，金属掺杂层110a具有更平滑的表面形态、更好的晶体质量和更高的电阻率。

参照图5A和图5B，图5A为一实施例提供的无金属掺杂的外延层的5×5μm²原子力显微镜(AFM)扫描，该实施例中的外延层是GaN。图5B是一实施例提供的有金属掺杂的外延层的5×5μm² AFM扫描，该实施例中的外延层是GaN。在图5A中，无金属掺杂的外延层的界面的均方根(Rms)粗糙度约为0.59nm。在图5B中，有金属掺杂的外延层的界面的均方根(Rms)粗糙度约为0.19nm。显然，有金属掺杂的外延层具有更光滑的表面形态。

参照图6A和图6B，图6A所示为一实施例提供的无金属掺杂的GaN外延层(002)面的X射线衍射(XRD)omega摇摆曲线，XRDomega摇摆曲线的半峰全宽(FWHM)为694arcsec。图6B所示为一实施例提供的有金属掺杂的GaN外延层(002)面的XRD omega摇摆曲线，XRDomega摇摆曲线的FWHM为139arcsec。显然，有金属掺杂的GaN外延层具有更好的晶体质量。

参照图1E和图2，在一些实施例中，方法200还可以包括步骤208：形成异质结112。异质结112可以包括GaN/AlGaN异质结。如图1E所示，异质结112可以包括沟道层112b和势垒层112a。在一些实施例中，异质结112通过MOCVD、HVPE、LPE、MBE、MOVPE、PECVD或其他合适的沉积方法形成。

参照图1E和图2，在一些实施例中，方法200还可以包括步骤210：在异质结112上形成栅极结构120、源极接触122和漏极接触124，以形成诸如晶体管(例如，HEMT、HFET或MODFET)的半导体器件200。在一些实施例中，栅极结构120包括栅极介电层116和在栅极介电层116上的栅极接触118。此外，源极接触122和漏极接触124设置在栅极结构120的两侧。栅极接触118、源极接触122和漏极接触124可以由导电材料制成，诸如金属(例如，Al、TiN、Au、Ni、Ti、钽(Ta)、钨(W)或其组合)或其他合适的电极材料。在一些实施例中，栅极介电层116可以由SiN、SiCN、SiO₂、SiAlN、Al₂O₃、AlON、SiON、HfO₂、HfAlO或其组合形成。在形成栅极结构120、源极接触122和漏极接触124之后，半导体器件(例如，晶体管)1制造完成。

参照图2，在一些实施例中，可以省略步骤202。在一些实施例中，可以调整步骤202和步骤204的顺序，即可以在衬底100上形成不连续金属原子层104，然后可以在不连续金属层104上形成成核层102，然后可以在成核层102上形成外延层110。

参照图3，图3所示为金属原子的掺杂浓度与传统金属掺杂层的总厚度之间的关系。传统金属掺杂层中的金属是在半导体层生长的过程中通过将金属原子流引导至生长室获得的。由于记忆效应，金属不会立即掺杂到半导体层中，因此，如图3所示，传统金属掺杂层的掺杂浓度从下表面(成核层附近)开始逐渐增加。由于衬底中的某些原子可能扩散到衬底上形成的上述各层中，例如，Si、SiC或SiO₂衬底中的Si原子以及SiO₂、MgO或Al₂O₃中的O原子可能扩散到衬底上方的半导体层中，从而在半导体层中引起电流漏泄现象。

参照图4，图4所示为金属原子的掺杂浓度与如图1D所示的金属掺杂层110a的总厚度之间的关系。本发明上述方法提供的金属掺杂层110a的掺杂浓度从下表面(成核层附近)到上表面逐渐降低。金属掺杂层110a在靠近衬底的下表面处具有最大的金属原子掺杂浓度(例如，1×10¹⁹atoms/cm³)，而且金属可以增加电阻，因此消除了与原子从衬底扩散相对应的电流漏泄现象。

在一些实施例中，金属掺杂层110a的下表面处的金属原子的掺杂浓度大于1×10¹⁷atoms/cm³，例如2×10¹⁷atoms/cm³、1×10¹⁸atoms/cm³。

尽管已经通过示例的方式并根据优选实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的实施例。相反，其意图在于涵盖各种修改和类似设置(对于本领域技术人员而言将是显而易见的)。因此，所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这样的修改和类似设置。

Claims (8)

1.一种形成半导体结构的方法，其特征在于，包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成不连续金属原子层；其中，所述不连续金属原子层中的金属包括Fe、Mn、Sb、Bi、Cd、Zn、Mg、Na或其组合；

在所述不连续金属原子层和不被所述不连续金属原子层覆盖的部分衬底上形成外延层，所述外延层包括GaN、AlN、AlGaN、AlInGaN或其组合；其中，在所述外延层的生长过程中，将所述不连续金属原子层中的金属原子驱入到所述外延层中，使得所述外延层的至少一部分掺杂有金属原子，且所述外延层中所述金属原子的掺杂浓度沿远离所述衬底方向逐渐降低，所述外延层接近所述衬底的表面的金属原子的掺杂浓度高于1×10¹⁷atoms/cm³。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述衬底和所述不连续金属原子层之间形成成核层。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述成核层包括GaN、AlN、AlGaN、AlInGaN或其组合。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述外延层上形成异质结，以及

在所述异质结上形成栅极结构，源极接触和漏极接触。

5.一种半导体结构，其特征在于，所述半导体结构通过如权利要求1所述的半导体结构的制造方法制造得到；所述半导体结构包括：

衬底；

设置在所述衬底上的外延层，所述外延层包括AlN、AlGaN、AlInN、AlInGaN或其组合；其中，所述外延层包括设置在所述衬底上的掺杂有金属原子的金属掺杂层，所述金属原子包括Fe、Mn、Sb、Bi、Cd、Zn、Mg、Na或其组合，所述金属原子的掺杂浓度从所述金属掺杂层接近所述衬底的下表面到远离所述衬底的上表面逐渐降低，所述金属掺杂层的下表面的金属原子的掺杂浓度高于1×10¹⁷atoms/cm³。

6.根据权利要求5所述的半导体结构，其特征在于，还包括：

设置在所述衬底和所述金属掺杂层之间的成核层。

7.根据权利要求6所述的半导体结构，其特征在于，所述成核层包括GaN、AlN、AlGaN、AlInGaN或其组合。

8.根据权利要求5所述的半导体结构，其特征在于，还包括：

设置在所述金属掺杂层上的异质结，以及

设置在所述异质结上的栅极结构，源极接触和漏极接触。