專利名稱：肖特基結半導體器件的制作方法
此項發明涉及一種帶有鋁制肖特基結的半導體器件，適合用在半導體集成電路器件中。
在常規肖特基結半導體器件(如肖特基勢壘二極管)的制備過程中，與半導體構成肖特基勢壘的鋁膜一向是用濺射或蒸發的方法形成的。
但這種常規方法一直存在著下述缺點第一鋁膜形成之后，為形成歐姆接觸而進行的400-500℃的熱處理過程中，構成肖特基勢壘二極管的鋁和硅會由于相互擴散而發生反應;第二這種二極管的擊穿電壓比PN結二極管的低。
下面將對常規肖特基結半導體器件作進一步說明。
所謂PNM型半導體器件，即橫向PNP半導體器件的改進型，設計得使電流集中在與橫向PNP器件集電極對應部分上形成的肖特基結中，從而實現了與普通PNM器件等效的功能。
圖1和2是表明PNM器件工作狀態的能帶圖，其中給有發射極201，210;基極202，211;集電極203，212;和集電極與基極之間的耗盡層204，213。在兩種器件中起主要載流子作用的正空穴的運動是相同的。圖5表示常規PNM半導體器件，其中給有p型半導體襯底101;構成集電極的n埋層102;構成實際器件的n外延層103;隔離區104;擴散形成的發射極區105;發射極和基極電極107;用鋁制成的與外延層103構成肖特基結的肖特基電極108;由二氧化硅制成的用于使發射極、基極電極107及金屬層108與半導體表面絕緣的絕緣層106;以及用于實現與基極電極107的電氣聯接的擴散層109。
圖6還表示了一種將肖特基結用在漏部分的常規結構，其中給有n型半導體襯底111;構成源區的擴散層112;用LOCOS(硅局部氧化法)制成的隔離氧化層113;用磷玻璃制成的絕緣層114;用鋁制成的肖特基電極115;柵氧化膜116;柵電極117;以及源電極118。
圖5所示的常規PNM半導體器件一直存在的一個缺點是由于肖特基結的平面結構，電流收集效率極低。如圖7所示，在肖特基結(集電極)處生成的耗盡層119集中在器件的表面，因而無法高效率地收集從發射擴散而來的載流子，使得載流子泄漏到器件的隔離區，導致電流增益下降。還有必要實現對硅襯底的控制，求達到滿意的界面特性。
如圖7的放大8所示，耗盡層119生長出沿器件表面擴展的突出部分119a，從而形成產生/復合(G-R)區，并阻礙了器件性能的改進。為了避免這種缺點，如圖9所示還可以設法在與所述突出部分119a對應的位置設置高摻雜層120，但由于耗盡層的面積畢竟是有限的，不能指望特性會有顯著的改進。
考慮到上述缺點，本發明的第一個目的是提供一種能夠用于高速整流的半導體器件及其制造方法。
本發明的第二個目的是以較低成本提供一種具有滿意的性能和足夠高的擊穿電壓的高度可靠的半導體器件。
本發明的第三個目的是提供一種帶有金屬電極的半導體器件，構成的肖特基結是通過采用氫化烷基鋁和氫的CVD方法制成的。
此發明的第四個目的是提供一種帶有由單晶金屬和半導體區構成的肖特基結的半導體器件。
此發明的第五個目的是提供一種半導體器件，其中的肖特基結是通過在半導體區的凹槽內埋置金屬而形成的。
圖1和2為表示PNM器件工作狀態的能帶圖;
圖3和4為表示PNP器件工作狀態的能帶圖;
圖5為常規PNP半導體器件的部分縱剖視圖;
圖6為肖特基結用在漏部分常規結構的縱剖視圖;
圖7為說明圖5所示常規半導體器件功能的剖視圖;
圖8和圖9為表示在常規半導體器件中形成的耗盡層的示意圖;
圖10為實現本發明的肖特基勢壘二極管的示意性剖面圖;
圖11A至11D為表示實現本發明的肖特基勢壘二極管制造方法的示意性剖面圖;
圖12為作為本發明第二實施例的半導體器件的部分縱剖面圖;
圖13為說明圖12所示半導體器件功能的剖面圖;
圖14A至14D為表示圖12所示半導體器件制造方法的示意圖;
圖15為作為本發明另一實施例的半導體器件的部分縱剖面圖;
根據本發明的一個最佳實施例，提供了一種帶有由金屬電極和半導體區構成的肖特基結的半導體器件，其中所述金屬電極由一種主要含鋁的單晶構成。
上述目的還可以通過一種半導體器件制造方法來達到，其中肖特基電極趨是用氫化烷基鋁和氫的化學汽相沉積(CVD)法形成的。
本發明通過采用氫化烷基鋁和氫的CVD方法即所謂鋁CVD方法將單晶鋁有選擇地埋置在孔中，控制了鋁與硅之間的反應，從而以受到良好控制的均勻方法實現了肖特基勢壘二極管的制備。
第一實施例圖10表示帶有實現本發明的肖特基結的半導體器件，其上設有n型半導體的第一半導體區;
電阻高于所述第一半導體區的n型半導體的第二半導體區;
鄰近所述第二半導體區并開有一孔的絕緣膜;
設在所述孔區內的電極區;以及設在所述絕緣膜和所述電極區接合處的p型半導體的第三半導體區;
其中所述電極區是由與所述第二半導體區形成肖特基結的單晶鋁構成。
圖10表示作為肖特基結半導體器件實例的肖特基勢壘二極管。
在p型半導體襯底301上設有埋層302，n型層303在其上外延生長。在襯底主表面上設有n層304用于與埋層302接觸，且所述n層與上面的陰極之間是歐姆接觸。
在所述n層303上設有氧化硅層305、307，其上設有一孔以使n層303局部暴露，孔內設有單晶鋁使得與所述n層303構成肖特基結。p層306，設在下面并跨越由所述單晶鋁構成的陽極與氧化硅絕緣層305之間的邊界。
由于同與p層306形成結的n層303接觸的陽極是由單晶鋁構成的，界面特性得以改進，形成了滿意的肖特基結。
現參照圖11A至11D解釋本發明采用鋁膜的肖特基勢壘二極管的制造方法。首先，在半導體襯底301上形成高雜質濃度的n層302，作為用于降低串聯電阻的埋層(圖11A)。而后，外延生長出n半導體層303。雜質濃度應能使其與鋁形成肖特基結，并且最好為5×10/cm或更低。隨后形成高雜質濃度的n層304，用于降低串聯電阻，并在器件形成區內形成300-500A的熱氧化薄膜305。而后用離子注入法在其上形成p層306以確保肖特基勢壘二極管的反向電阻，并用CVD方法形成厚度3000-8000A的層間絕緣膜307。
然后通過用普通的光刻方法在所需位置打通層間絕緣膜307和熱氧化膜305來形成接觸孔，并且用以形成引線電極的鋁是用后面將予說明的CVD方法在所述接觸孔內生長出來的。鋁膜形成是在抽真空至壓力5×10乇或更低的反應室內充入以氫氣為載帶氣體的氫化二甲基鋁(DMAH)來進行的，總壓力為0.5-706乇，最好為0.1至0.8乇，DMAH分壓為總壓力的1×10至1.3×10倍，襯底溫度為270-350℃。所形成的鋁膜308作為單晶有選擇地在接觸孔中生長，并能以平坦的上表面充填接觸孔(圖11C)。在接觸孔填上鋁之后，不破壞真空狀態，襯底溫度為100-500℃，用濺射法形成厚度4000-12000A的鋁膜，并隨后用光刻方法進行布線以形成引線電極309。
在肖特基勢壘二極管的鋁電極上采用上述CVD方法得到的單晶鋁抑制了鋁與襯底硅之間的反應，從而具有以下優點1)得到良好控制的肖特基特性;
2)降低了器件之間的特性偏差;以及3)從而能夠以很高的產量獲得具有高度可靠性并能高速運行的半導體器件。
第二實施例本發明的第二實施例提供一種肖特基結半導體器件，能夠形成所需形狀的耗盡層而不會減少其面積，從而使性能得到顯著地改進。
更具體地，第二實施例的半導體器件具有這樣的結構其中襯底在將要形成肖特基結的位置處設有凹槽，并且金屬層的一部分置于所述凹槽中。
根據所述第二實施例，肖特基電極在外延層內深入到預定深度，使得耗盡層到達所述外延層的深部。因此從發射極擴散來的載流子能夠被有效地俘獲，從而能夠獲得增益改進。
現參照圖12更詳細地解釋第二實施例，其中給出了半導體襯底1;埋層2;器件隔離層3;發射極的擴散部分4;用同基極電極7歐姆接觸的擴散層5;基極和發射電極7;構成集電極的肖特基電極8;用于將半導體襯底與電極7、8絕緣的比如由二氧化硅構成的絕緣層6;以及外延層9。
電極7與半導體襯底1的表面接觸，而電極8深入到在半導體襯底表面上形成的凹槽10中，并在端面與外延層9之間形成肖特基結。
現參照圖13解釋上述半導體器件的功能。在所述器件中，由于肖特基電極8在外延層9內深入到一預定深度，與圖7所示常規器件作比較可明顯看出，耗盡層20到達外延層9的深部，從而使從發射極擴散來的載流子可有效地被集電極俘獲，能夠獲得增益改進。
圖14A至14D表示圖12所示半導體器件制造方法的一個實施例。在圖14A中繪出了半導體襯底501;構成基極一部分的埋層502;構成器件形成層的外延層504;器件隔離層503;表面保護膜505;形成與基極接觸的擴散層506;以及起發射極作用的擴散區507。構成基極和發射極的擴散層506、507按照普通方法形成。而后用光刻方法和蝕刻方法在表面保護膜505中形成接觸孔508(圖14)，再用光刻方法和蝕刻方法形成凹槽509。所述凹槽509深入表面保護層505并到達從外延層504表面算起的深度d。最后在接觸孔508及凹槽509內形成基極、發射極電極511和集電極電極512(圖14D)。
用以構成肖特基勢壘的集電極電極512可用上述鋁CVD方法形成。更具體地說，將要進行鋁膜形成的襯底放在裝料室內，其中的空氣被氫氣取代。鄰近的反應室抽真空至壓力大約1×10乇。通過第一送氣管向所述反應室充入以氫為載帶氣體的氫化二甲基鋁(Al(CH)HDMAH)，并通過第二送氣管充入作為反應氣體的氫氣。DMAH和氫氣在反應室內反應，并且經過反應的氣體在裝料室內與襯底接觸。通常用燈將所述襯底加熱到大約270℃，并且在這種狀態下將鋁沉積到襯底表面上。鋁CVD方法能夠在襯底表面的溝槽內進行有選擇的鋁沉積，制成滿意的鋁沉積層。
第三實施例圖15表示將本發明應用于場效應晶體管的實施例，其中繪有在半導體襯底上形成的外延層11;構成源的擴散層12;用LOCOS形成的器件隔離區13;用磷玻璃制成的絕緣層14;漏電極15;柵絕緣膜16;柵電極17;以及構成源的肖特基的電極18。漏電極15由構成肖特基勢壘的鋁之類的金屬制成，并部分深入設在外延層11上的凹槽19內。如圖13所示，在本發明的半導體器件中，肖特基結S設在外延層11深部，以致從源擴散而來的載流子能夠被漏極有效地收集，從而能夠得到增益的改進。肖特基勢壘也可以用除鋁以外的其它金屬制成，比如鉑、鎢、鉬、鎳、鈦、錳或鉭。
在圖16所示結構中，設有外延層21、絕緣層22和深入凹槽26中的肖特基電極23，還可以在所述電極23周圍形成一高雜質濃度層25。在這種情況下，還設有耗盡層24，到達外延層21深部，從而可以減少表面G-R區而不會顯著減小載流子收集區。
第二和第三實施例的半導體器件能顯著地提高從發射極擴散來的載流子被集電極俘獲的概率，從而使電流增益得到改進，因為肖特基電極在外延層中深入到預定深度，并且在其周圍形成的耗盡層到達所述外延層的深部。
用于形成肖特基電極的鋁CVD方法可提供尤其令人滿意的界面特性，從而能夠獲得滿意的肖特基結，并且便于對器件制備進行控制。
制備方法說明以下將概述適用于此項發明的肖特基電極的制造方法。
成膜方法以下將解釋適用于本發明的僅含或主要含鋁的金屬膜的形成方法，所述方法稱為鋁CVD方法。
這種方法適用于金屬材料來充填徑深比為1或更大的微小深孔，如接觸孔或通孔，其特點是有極好的選擇性。
用這種方法形成的金屬膜的特點是有極好的結晶度，如單晶鋁，幾乎完全沒有碳夾雜。
所述金屬膜具有極好的表面特性，電阻率低達0.7至3.4微歐·厘米，反射率高達85至95%，并且在1至100厘米范圍內小丘密度等于1微米或更大。
用0.15微米半導體結的破壞概率來表示的與硅的界面上的合金柱生成概率幾乎等于零。
更具體地說，所述方法包括用氫化烷基鋁氣體和氫氣在電子施主襯底上通過表面反應形成沉積層。采用氫化單甲基鋁(MMAH)或氫化二甲基鋁(DMAH)作為原料氣，氫氣作為反應氣，并對設有這些晶體管的襯底表面進行加熱，可以沉積出質量極為令人滿意的鋁膜。
在進行鋁的選擇性沉積時，襯底表面最好用直接或間接加熱方法加熱到至少等于氫化烷基鋁分解溫度而又低于450℃的溫度范圍，在260-440℃范圍內更好。
可以用直接或間接加熱方法將襯底加熱到上述溫度范圍，但如果襯底靠直接加熱保持在上述溫度范圍，但如果襯底靠直接加熱保持在上述溫度范圍之內，就能以極高的沉積速度獲得質量滿意的鋁膜。例如，當襯底表面溫度靠直接加熱保持在更好的260-440℃范圍之內時，就能以3000-5000A/分鐘的沉積速度獲得滿意的膜層，這高于電阻加熱所能達到的沉積速度。在這種直接加熱過程中是由來自加熱裝置的直接能量傳輸來加熱襯底的，比如可以用氦燈或氙燈之類的燈加熱來實現。間接加熱可以用電阻加熱來實現，可以用設在成膜室內用以支撐需進行成膜加工的襯底的襯底支撐件上設置的發熱件來實現。
當把這種方法應用于既有電子施主表面區又有電子非施主表面區的襯底時，可以以令人滿意的選擇性僅在電子施主表面區形成單晶鋁。
電子施主材料就是一種帶有或傾向于產生自由電子的材料，具有這樣一種表面能夠通過電子遷移來加速與沉積在所述表面上的原料氣分子的化學反應。金屬和半導體通常屬于這一類。帶有表面氧化薄膜的金屬和半導體也被列入本發明的電子施主材料，因為襯底和沉積于其上的原料氣分子之間的化學反應可由電子遷移來引發。
電子施主材料的實例包括通過將其鎵、銦、鋁等Ⅲ族元素與磷、砷、氮等V族元素化合得到的二、三或多元素的Ⅲ-Ⅴ族化合物;單晶或多晶硅之類的半導體;以及金屬、合金和硅化物，如鎢、鉬、鉭、銅、鈦、鋁、鈦鋁、氮化鈦、鋁-硅-銅、鋁-鈀、硅化鎢、硅化鈦、硅化鋁、硅化鉬和硅化鉭等。
另一方面，構成和引致鋁或鋁-硅選擇性沉積的表面的電子非施主材料包括通過熱氧化或CVD形成的氧化硅;BSG、PSG和BPSG之類的玻璃;氧化膜;高溫氮化膜;以及通過等離子CVD、低壓CVD或ECR、CVD形成的氮化硅膜。
所述的Al-CVD方法也可沉積主要含鋁的下述的金屬膜，其膜質量是令人滿意的。
例如，為了形成電極而進行的導電材料的選擇性沉積(比如Al-Si，Al-Ti，Al-Cu，Al-Si-Ti或Al-Si-Cu)可采用一種除了氫化烷基鋁和氫之外還含有如下氣體的適當組合的混合氣體氣氛SiH4、Si2H6、Si3H8、Si(CH3)4、SiCl4、SiH2Cl2、SiHCl3等含硅氣體;
TiCl4、TiBr4、Ti(CH3)4等含鈦氣體;以及二乙酰丙酮銅(Cu(C5H7O2))、Copper bispyvaloylm ethanite、(Cu(C11H19O2)2)，二六氟乙酰丙酮銅(Cu(C5HF6O)2)2等含銅氣體。
由于所述鋁CVD方法能夠以極好的選擇性成膜，并且得到的膜有滿意的表面特性，就有可能在隨后的膜沉積過程中采用非選擇性的成膜方法，在選擇性沉積的鋁膜和二氧化硅絕緣膜上都可得到僅含或主要含鋁的金屬膜，從而得到在半導體器件通常用作連線的金屬膜。
這種金屬膜可以通過將非選擇性沉積的鋁、鋁-硅、鋁-鈦、鋁-銅、鋁-硅-鈦或鋁-硅-銅和選擇性沉積的鋁、鋁-硅、鋁-鈦、鋁-銅、鋁-硅-鈦、鋁-硅-銅結合起來而得到。
所述非選擇性膜沉積可以用不同于上述鋁-CVD方法的CVD方法或濺射法來實現。
通過用CVD或濺射法形成導電膜、對所述膜進行布線得到所需連線圖形子層、并在所述子層上用鋁CVD方法有選擇地沉積鋁或主要含鋁的金屬，就可以形成連線。
而且可以用鋁CVD方法將金屬沉積在絕緣膜上。為此，絕緣膜要經過表面修飾以形成基本上是電子施主的表面區。在這個過程中所需連線圖形可用射線描繪，使膜有選擇地只沉積在由所述射線描繪得到的電子施主區上，這種連線可用自校準方式得到而無需布線過程。
權利要求
1.一種肖特基結半導體器件，包括由n型半導體構成的第一半導體區；由電阻高于所述第一半導體區的n型半導體構成的第二半導體區；設在所述第二半導體區附近并且上面帶孔的絕緣膜；設在所述孔內的電極區；以及設在所述絕緣膜與所述電極區之間接合處的由p型半導體構成的第三半導體區；其中所述電極區由單晶金屬構成的，并與所述第二半導體區構成肖特基結。
2.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述電極區是由單晶鋁構成的。
3.一種帶有半導體襯底和設在所述襯底主表面上的電極的半導體器件，所述主表面和所述電極構成肖特基結。其中所述電極形成在所述主表面上的凹槽內。
4.根據權利要求3所述半導體器件，其中所述肖特基結形成在所述凹槽的五個面上。
5.根據權利要求3所述半導體器件，其中所述電極是由單晶鋁構成的。
全文摘要
一種肖特基結半導體器件，包括由n型半導體構成的第一半導體區；由電阻高于所述第一半導體區的n型半導體構成的第二半導體區；設在所述第二半導體區附近并且上面帶孔的絕緣膜；設在所述孔內的電極區；以及設在所述絕緣膜與所述電極區之間接合處的由p型半導體構成的第三半導體區。
文檔編號H01L29/47GK1058117SQ9110430
公開日1992年1月22日 申請日期1991年6月29日 優先權日1990年6月29日
發明者中村佳夫, 菊池伸, 西村茂 申請人:佳能株式會社