形成具有势垒层中的金属接触的晶体管的方法

摘要

使用第一气体组合和第二气体组合在III-N族HEMT的势垒层(118)中蚀刻金属接触开口(132)，第一气体组合向下蚀刻到势垒层(118)中，第二气体组合进一步向下蚀刻到势垒层(118)中达位于沟道层(116)的顶表面上方的深度，沟道层(116)的顶表面接触势垒层(118)并位于势垒层(118)下方。

说明书

技术领域

本发明涉及形成具有III-N族高电子迁移率晶体管(HEMT)的集 成电路的方法，该III-N族高电子迁移率晶体管(HEMT)具有在势 垒层中的金属接触。

背景技术

III-N族高电子迁移率晶体管(HEMT)由于其更宽的带隙和高电 子饱和速度而针对功率电子学展示出潜在优越性。这些材料特性转化 为高击穿电压、低导通电阻以及快速切换。III-N族HEMT也可以操 作在比硅基晶体管更高的温度。这些特性使III-N族HEMT良好地适 用于高效率功率调节应用例如照明和车辆控制。

传统III-N族HEMT包括衬底和在衬底的顶表面上形成的层状结 构。层状结构进而包括位于衬底上的缓冲层、位于缓冲层上的沟道层 以及位于沟道层上的势垒层。进一步，层状结构可以可选地包括位于 势垒层上的覆盖层(caplayer)。

缓冲层提供衬底和沟道层之间的过渡层，以便解决晶格常数差并 提供位错最小化生长表面。沟道层和势垒层具有不同的极化特性和位 于沟道层的顶部的诱导两维电子气(2DEG)的形成的带隙。具有高浓 度电子的2DEG类似于传统场效应晶体管(FET)中的沟道。覆盖层 增强III-N族HEMT的可靠性。

传统III-N族HEMT也包括被形成层状结构的顶表面上的金属栅 极。金属栅极进行对势垒层(或覆盖层，如果存在的话)的肖特基 (Schottky)接触。可替换地，金属栅极可由绝缘层与势垒层(或覆盖 层，如果存在的话)绝缘。

此外，传统III-N族HEMT包括源极金属接触和与源极金属接触 间隔(spacedapart)开的漏极接触。位于延伸到层状结构中的金属接 触开口的源极金属接触和漏极金属接触进行与势垒层的欧姆接触。

天然III-N族衬底不易于得到。结果，III-N族HEMT通常使用单 晶硅衬底。(碳化硅是另一种用于III-NHEMT的常见衬底材料。) 层状结构传统上使用外延沉积技术例如金属有机化学气相沉积 (MOCVD)和分子束外延(MBE)生长在衬底上。

层状结构中每个层通常被实施为具有一个或更多III序列族氮化 物层，其中III族包括In、Ga和Al中的一种或更多种。例如，缓冲层 可被实施为具有顺序的AlN(热稳定材料)、AlGaN以及GaN层。此 外，沟道层通常由GaN形成，同时势垒层通常由AlGaN形成。进一 步，盖层可由GaN形成。

源极金属接触和漏极金属接触通常通过在层状结构的顶表面上 (如果存在的话，在覆盖层的顶表面上，或当不存在覆盖层时在势垒 层的顶表面上)形成钝化层例如氮化硅层。然后，图案化光刻胶层被 形成在钝化层上。

在图案化光刻胶层已经被形成之后，钝化层的暴露区域、覆盖层 的底层(underlying)部分(如果存在的话)以及势垒层的底层部分使 用包括CHF₃、CF₄、Ar和O₂的气体组合被干蚀刻达预定时间段。

干蚀刻形成延伸通过钝化层、通过覆盖层(如果存在的话)并且 进入势垒层的源极金属接触开口和漏极金属接触开口。控制金属接触 开口的深度非常困难，这是因为蚀刻非常短，通常几秒钟。结果，金 属接触开口的底表面常延伸通过势垒层并且进入沟道层。

然后，金属层被沉积以位于钝化层上方，并且填充金属接触开口。 金属层然后被平面化以暴露钝化层的顶表面，并且分别在源极金属接 触开口和漏极金属接触开口中形成源极金属接触和漏极金属接触。

发明内容

本发明提供了形成具有高电子迁移率晶体管(HEMT)的集成电 路的方法，该高电子迁移率晶体管在暴露势垒层而不暴露沟道层的金 属接触开口中具有金属接触。该方法包括使用第一气体组合蚀刻层状 结构，从而形成数个金属接触开口。层状结构包括接触衬底并位于衬 底上方的缓冲层、接触缓冲层并位于缓冲层上方的沟道层以及接触沟 道层并位于沟道层上方的势垒层。每个金属接触开口都具有位于沟道 层的顶表面上方并与沟道层的顶表面间隔开的第一底表面。该方法还 包括使用第二气体组合蚀刻层状结构，从而加深每个金属接触开口的 第一底表面距位于第一底表面下方的第二底表面一距离。第二底表面 位于沟道层的顶表面上方并与沟道层的顶表面间隔开。

本发明还提供了形成具有金属接触开口中的HEMT金属接触的集 成电路的替换性方法，该金属接触开口暴露势垒层而不暴露沟道层。 该方法包括使用包含三氯化硼(BCl₃)和六氟化硫(SF₆)的气体组合 蚀刻势垒层，从而形成数个金属接触开口。势垒层被形成在沟道层上， 并且包括氮化镓(GaN)。每个金属接触开口都具有位于沟道层的顶 表面上方并与沟道层的顶表面间隔开的底表面。该方法还包括使用包 含三氯化硼(BCl₃)和氯气(Cl₂)的气体组合蚀刻由金属接触开口暴 露的势垒层，从而加深金属接触开口到第二底表面。第二底表面位于 沟道层的顶表面上方并与沟道层的顶表面间隔开。

附图说明

图1-5是示出形成包括III-N族高电子迁移率晶体管(HEMT)的 集成电路的方法的示例的横截面图。

具体实施方式

图1-5示出形成包括III-N族高电子迁移率晶体管(HEMT)的集 成电路的示例方法100。该方法使用两步蚀刻工艺形成在III-N族 HEMT中的金属接触开口，该金属接触开口的深度易于控制且不延伸 到沟道层中。

如图1所示，方法100使用传统形成的III-N族HEMT108。HEMT 108进而包括单晶、轻掺杂的、p型硅半导体衬底110(如，<111>) 以及被形成在衬底110顶表面上的层状结构112。

层状结构112进而包括接触衬底110的缓冲层114、接触缓冲层114 的沟道层116以及接触沟道层116的势垒层。进一步，层状结构112 可以可选地包括位于势垒层118上方的覆盖层120。

缓冲层114由于晶格失配提供衬底100和沟道层116之间的过渡 层。沟道层116和势垒层118具有不同的极化特性和诱导位于沟道层 116顶部的两维电子气(2DEG)的形成的带隙。覆盖层120提供增强 的可靠性。

层状结构112中每个层都可被实施为具有一个或更多顺序的 (sequential)III族氮化物层，其中III族包括In、Ga、和Al中的一种 或多种。例如，缓冲层114可被实施为具有顺序的AlN(热稳定材料) 层、AlGaN层和GaN层。此外，沟道层116可由GaN形成，同时势 垒层118可由AlGaN形成。进一步，覆盖层120可由GaN形成。

进一步，HEMT108包括接触层状结构112的顶表面(如果存在覆 盖层120，在覆盖层120的顶表面上，或当不存在覆盖层120时在势垒 层118的顶表面上)的钝化层122。钝化层122可以被实施为具有例如 氮化硅层。

如图1进一步所示，方法100通过在钝化层122上形成图案化光刻 胶层124开始。图案化光刻胶层124是以传统方式形成的，传统方式 包括沉积光刻胶层；将光投射通过称为掩膜的图案化黑色/透明玻璃板 从而在光刻胶层上形成图案化图像，以软化曝光的光刻胶区域；并且 除去软化的光刻胶区域。

如图2所示，在图案化光刻胶层124已经被形成之后，钝化层122 的曝光区域、覆盖层120的底层部分(当存在时)以及势垒层118的 底层部分使用包含三氯化硼(BCl₃)和六氟化硫(SF₆)的气体组合被 干蚀刻，从而形成源极金属接触开口132和漏极金属接触开口132。

每个金属接触开口132具有位于沟道层116的顶表面上方并与沟道 层116的顶表面相隔开的底表面136。在本示例中，使用以下蚀刻条件：

压力：19mT-21mT(优选20mT)；

TCPRF：200W-400W(优选300W)；

偏置RF：47.5W-52.5W(优选50W)；

BCl₃：20ccm-30ccm(优选25ccm)；

SF₆：45ccm-65ccm(优选55ccm)；

He箝位(clamp)：5T-10T(优选6T)；以及

温度：45℃(degC)-65℃(优选55℃)。

BCl₃和SF₆气体组合在上述条件下向下蚀刻进入势垒层118达一定 时间段，但是然后在该时间段之后蚀刻基本不再深入到势垒层118中。 例如，BCl₃和SF₆气体组合在上述优选条件下在65秒的蚀刻时间期间 向下蚀刻进入AlGaN势垒层118约(埃)的距离。

然而，从65秒到200秒，BCl₃和SF₆气体组合基本不再深入到 AlGaN势垒层118中蚀刻。因此利用BCl₃和SF₆气体组合蚀刻势垒层 118达预定时间，预定时间等于或大于时间段。

如图3所示，在BCl₃和SF₆蚀刻之后，气体被改变，并且由金属 接触开口132暴露的势垒层118的区域使用包含BCl₃和CL₂的气体组 合被干蚀刻达预定时间段，从而将每个底表面136加深至下部底表面 (lowerbottomsurface)140。在本示例中，BCl₃和CL₂气体组合比BCl₃和SF₆气体组合蚀刻更多势垒层118。

每个下部底表面140位于沟道层116的顶表面上方并与其隔开间隔 距离D。在蚀刻以后，图案化光刻胶层124以传统方式(如以灰化工 艺(ashprocess))被除去。在本示例中，使用以下蚀刻条件：

压力：14mT-16mT(优选15mT)；

TCPRF：200W-400W(优选300W)；

偏置RF：8W-12W(优选10W)；

BCl₃：70ccm-90ccm(优选80ccm)；

Cl₂：10ccm-30ccm(优选20ccm)；

He箝位：5T-10T(优选6T)；以及

温度：45℃-65℃(优选55℃)。

BCl₃和CL₂气体组合在上述条件下以大约的(慢)速率进 一步向下蚀刻进入势垒层118。因为势垒层118中金属接触开口132的 初始深度被蚀刻大约并且由于BCl₃和CL₂气体以大约的速率向下蚀刻进入势垒层118，金属接触开口132的最终深度可易于 被控制。

例如，如果势垒层118是厚且的势垒层118已经通过 BCl₃和SF₆蚀刻被除去，那么BCl₃和CL₂蚀刻要求在约的速 率下大约101.9秒，以便将每个金属接触开口132向下延伸另一进入势垒层118中，从而在势垒层118中深处形成下部底表面 140，并留下间隔距离D。

约101.9秒的蚀刻时间比现有技术可用的几秒蚀刻显著更长，从而 允许易于控制金属接触开口132的深度。因此，本发明的一个优点是 源极金属接触开口和漏极金属接触开口132的深度可易于被控制，并 防止暴露或延伸到沟道层116。

如图4所示，在源极金属接触开口和漏极金属接触开口132已经被 加深到下部底表面140后，沉积金属层144被沉积以接触钝化层122 的顶表面，并填充在势垒层118、覆盖层120以及钝化层122中的金属 接触开口132。金属层144没有金，并可包括例如钛层、接触并位于钛 层上方的铝铜层(0.5％Cu)以及接触并位于铝铜层上方的氮化钛覆盖。

如图5所示，在金属层144被形成之后，金属层144以传统方式(例 如以化学-机械抛光)被平面化，从而暴露钝化层122的顶表面。平面 化分别在源极金属接触开口和漏极金属接触开口132中形成源极金属 接触和漏极金属接触150。平面化也形成III-N族HEMT结构152。金 属接触150没有金，金属接触150进行到势垒层118的欧姆连接。方 法100然后继续传统步骤，从而完成封装的III-N族HEMT的形成。

III-N族HEMT通常被形成为耗尽型模式器件，但也可被形成为增 强型器件。

本领域技术人员应该理解，可对上述方法做出修改，并且在本发明 保护范围内，许多其它实施例也是可能的。