用于III‑V半导体器件的水和离子阻挡层制造技术

本发明专利技术涉及用于III‑V半导体器件的水和离子阻挡层。一种半导体器件包括：III‑V半导体本体；形成在所述III‑V半导体本体中的器件；在所述III‑V半导体本体上方的一个或多个金属层；与每个金属层相邻的层间电介质；多个通路，将每个金属层电连接至形成在所述III‑V半导体本体中的所述器件；以及设置在最上方的金属层下方且在最下方的层间电介质中或上方的阻挡层。所述阻挡层配置为防止水、水离子、钠离子和钾离子扩散到在所述阻挡层正下方的所述层间电介质或所述层间电介质的部分中。还提供了制造半导体器件的方法。

【技术实现步骤摘要】
用于III-V半导体器件的水和离子阻挡层
本申请涉及III-V半导体器件，具体地涉及用于III-V半导体器件的水和离子阻挡层。
技术介绍
基于GaN的半导体由于突出的材料特性提供了相比于基于硅的半导体更优异的性能品质因数。另外，基于GaN的半导体还非常鲁棒地抵抗氧化和其他化学物质。然而，如果高电场被施加于潮湿环境内的GaN器件，则这一鲁棒方面不再有效。高电场和潮湿的结合导致GaN或AlGaN表面层的严重氧化，并且因此导致器件的损坏。AlxGa1-xN表面层与水之间的氧化还原反应由下式给出：（1）。在电化学电池中，栅极金属用作将电子提供给界面处的水的阴极。对于水的相应的还原反应由下式给出：（2）。电子对总的栅极电流做出贡献。另一方面，AlxGa1-xN表面层用作阳极并且在存在空穴和氢氧根离子（OH-）时分解并且随后阳极氧化，如由以下反应给出的：（3）以及（4）。总而言之，对于要发生的腐蚀过程，必要的是：（1）在高关断状态漏极偏置条件期间空穴在顶部III族氮化物表面层处是可用的；以及（2）来自环境的水离子扩散/渗透通过最上方的钝化层并且到达III族氮化物表面层。在高施加场下，空穴可以通过撞击离子化或通过带间隧穿（陷阱辅助）而生成。传统的GaNHEMT（高电子迁移率晶体管）器件结构具有在最上方的功率金属层的顶部上的钝化层。钝化层通常包括覆盖最上方的功率金属层的厚氧化物层（在1000nm的范围内），紧接着是在厚氧化物层上的致密氮化物层（厚度在800nm的范围内）。为了与Si工艺兼容，将器件的金属层分开的层间电介质由氧化物构成并且GaN器件的表面钝化通常为具有数百纳米厚度的薄氮化硅层。氮化硅表面钝化层通常具有低的氮化物密度并且因此是抵抗离子无效的阻挡层。即使在氮化物致密的表面钝化层的情况下，标准的100nm厚的氮化硅层也可能太薄而无法在所需的器件寿命期间阻挡离子。在没有损害顶部钝化层的情况下，这一传统的GaNHEMT器件结构概念可以经得住温度、湿度和偏置（THB）测试，所述温度、湿度和偏置（THB）测试常常是将产品投放到市场的所需测试。由于横向器件结构以及GaN的能力，GaNHEMT常常用作其中大量电流流经器件的功率金属化的功率器件。因为这一大电流，功率金属化厚度在数微米的范围内以满足电迁移要求。诸如Al、AlCu、AlSiCu和Au的金属常常用作GaNHEMT的功率金属化以与SiCMOS技术兼容。在横向器件概念中由于树枝状晶体形成，铜功率金属化不是选项。Al、AlCu、AlSiCu和Au的缺陷是材料的软度。由于因不同材料系统的温度系数的热失配引起的封装诱发的热机械应力，金属线易于在温度循环之后移动或变形（所谓的棘轮效应）。结果，功率金属线的移动/变形诱发顶部钝化层中的裂纹。这些裂纹将容易向下延伸到将不同金属层分开的层间电介质。如果使用相对厚的顶部钝化层，例如>800nm，则钝化裂纹长度至少大约为钝化层厚度。钝化裂纹的能量是钝化厚度的函数。由此，对于标准的厚顶部钝化层，钝化裂纹容易地传播到层间电介质中并且甚至向下直到GaN表面层。这一效应是造成常常在传统GaN器件中观察到的不足THB寿命的原因。如以上详细描述的，GaN器件的损坏需要水离子和高电场。在功率器件中无法避免高电场，由此需要新颖的阻挡层概念，所述阻挡层概念阻碍水和相应的水离子（例如，OH-和H3O+）以及诸如钠离子和钾离子的其他离子到达GaN或AlGaN表面层。即使离子仅仅扩散到层间电介质中而未到达半导体表面，离子仍然在由离子穿透的每个层间电介质中实现电场分布。这是所有III-V器件（包括GaN器件）所关注的，特别是如果离子到达最下方的层间电介质（在此处间隔是最关键的）并且因此可能导致器件损坏。例如，在水和高电场的情况下，器件损坏由于腐蚀而发生。在钠离子的情况下，损坏由于产生高局部电场的电场再分布而发生，所述高局部电场可以导致局部电介质击穿/器件击穿。由此，有效的水和离子阻挡层解决方案是期望的。
技术实现思路
一种半导体器件包括：III-V半导体本体；形成在所述III-V半导体本体中的器件；在所述III-V半导体本体上方的一个或多个金属层；与每个金属层相邻的层间电介质；将每个金属层电连接至形成在所述III-V半导体本体中的所述器件的多个通路；以及设置在最上方的金属层下方且在最下方的层间电介质中或上方的阻挡层。所述阻挡层配置为防止水、水离子、钠离子和钾离子扩散到在所述阻挡层正下方的所述层间电介质或所述层间电介质的部分中。根据一种制造半导体器件的方法的实施例，所述方法包括：在III-V半导体本体中形成器件；在所述III-V半导体本体上方形成一个或多个金属层；形成与每个金属层相邻的层间电介质；形成将每个金属层电连接至形成在所述III-V半导体本体中的所述器件的多个通路；以及在最上方的金属层下方且在最下方的层间电介质中或上方形成阻挡层，所述阻挡层配置为防止水、水离子、钠离子和钾离子扩散到在所述阻挡层正下方的所述层间电介质或所述层间电介质的部分中。在阅读以下详细说明时以及在查看附图时，本领域技术人员将认识到附加特征和优点。附图说明附图中的元件并不必然相对于彼此成比例。类似参考标记指代相应的相似部件。各个所图示实施例的特征可以组合，除非它们彼此排斥。实施例在附图中描绘并且在以下说明中详细描述。图1至11图示根据不同实施例的具有水和离子阻挡层的III-V半导体器件的相应局部截面图。具体实施方式所提供的III-V半导体器件具有由层间电介质彼此分开的金属层以及设置在最上方的金属层下方且在最下方的层间电介质中或上方的阻挡层。如在本文中使用的术语“层间电介质”指的是用于将布置在不同布线层级（多层级金属化）中的紧密间隔的互连线电分开的电介质材料。阻挡层配置为，即布置为或制备为防止水、水离子（例如，OH-和H3O+）、钠离子和钾离子在所要求或所规定的器件寿命期间扩散到在阻挡层正下方的层间电介质或层间电介质的部分中。阻挡层可以介入于同一层间电介质的两层之间，或设置在层间电介质之一上，即，接触该层间电介质的顶表面并且由该层间电介质的顶表面支撑。在一些情况下，钝化层可以提供在最上方的金属层上，所述最上方的金属层常常为功率金属层并且因此为最厚的金属层。在相对厚的顶部钝化层（例如>800nm厚）的情况下，导电衬里可以介入于最上方的金属层的每个金属线与在最上方的金属层正下方的层间电介质之间，并且可以向外延伸超过该导电衬里上方的金属线的相对侧面。每个导电衬里的延伸区域防止相对厚的顶部钝化层中的裂纹向下传播到下面的层间电介质和阻挡层中。在相对薄的顶部钝化层（例如<800nm厚）的情况下，可以省略可选的导电衬里延伸。可以提供多于一个阻挡层。在两个或多个阻挡层的情况下，离子阻挡层可以包括相同或不同的材料。在本文中描述的实施例可以可互换地实施，除非技术上或明显相抵触。图1图示III-V半导体器件的一个实施例的局部截面图。半导体器件包括III-V半导体本体100以及形成在III-V半导体本体100中的器件。在III族氮化物器件的情况下，半导体本体100可以包括形成异质结构的III族氮化物缓冲层102以及III族氮化物阻挡层104。在晶体管器件形成在III-V半导体本体100本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体器件，包括：III‑V半导体本体；形成在所述III‑V半导体本体中的器件；在所述III‑V半导体本体上方的一个或多个金属层；与每个金属层相邻的层间电介质；多个通路，将每个金属层电连接至形成在所述III‑V半导体本体中的所述器件；以及设置在最上方的金属层下方且在最下方的层间电介质中或上方的阻挡层，所述阻挡层配置为防止水、水离子、钠离子和钾离子扩散到在所述阻挡层正下方的所述层间电介质或所述层间电介质的部分中。

【技术特征摘要】
2015.09.29 US 14/8694571.一种半导体器件，包括：III-V半导体本体；形成在所述III-V半导体本体中的器件；在所述III-V半导体本体上方的一个或多个金属层；与每个金属层相邻的层间电介质；多个通路，将每个金属层电连接至形成在所述III-V半导体本体中的所述器件；以及设置在最上方的金属层下方且在最下方的层间电介质中或上方的阻挡层，所述阻挡层配置为防止水、水离子、钠离子和钾离子扩散到在所述阻挡层正下方的所述层间电介质或所述层间电介质的部分中。2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述阻挡层包括氮氧化硅或氮化硅。3.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述阻挡层介入于同一层间电介质的第一氧化物层与第二氧化物层之间，或者介入于两个相邻层间电介质之间。4.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述阻挡层接触一个层间电介质的顶表面并且由所述一个层间电介质的顶表面支撑。5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述阻挡层接触最上方的层间电介质的顶表面并且由所述最上方的层间电介质的顶表面支撑，并且其中，所述阻挡层在最上方的金属层的金属线之下延伸。6.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括：钝化层，接触最上方的金属层的顶表面并且由所述最上方的金属层的顶表面支撑；以及导电衬里，介入于最上方的金属层的每个金属线与在最上方的金属层正下方的所述层间电介质之间，每个导电衬里向外延伸超过该导电衬里上方的所述金属线的相对侧面。7.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述阻挡层包括介入于同一层间电介质的第一氧化物层与第二氧化物层之间或者介入于两个相邻层间电介质之间的不同材料的多个层。8.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括：附加阻挡层，设置在最上方的金属层下方且在除了其他阻挡层以外的不同层间电介质中或上，所述附加阻挡层配置为防止水、水离子、钠离子和钾离子扩散到在所述附加阻挡层正下方的所述层间电介质或所述层间电介质的部分中。9.根据权利要求8所述的半导体器件，其中，所述阻挡层包括不同材料。10.根据权利要求8所述的半导体器件，还包括：导电衬里，介入于在所述附加阻挡层正上方的所述金属层的每个金属线与在该金属层正下方的所述层间电介质之间，每个导电衬里向外延伸超过该导电衬里上方的所述金属线的相对侧面。11.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括：钝化层，接触所述III-V半导体本体的顶表面并且由所述III-V半导体本体的顶表面支撑，其中，最下方的层间电介质接触所...

【专利技术属性】
技术研发人员：O赫贝尔伦，G普雷希特尔，
申请(专利权)人：英飞凌科技奥地利有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利,AT