在基片上形成的電子器件及其製造方法
2023-05-24 09:13:26
專利名稱：在基片上形成的電子器件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及由在已知半導體電子器件中使用的材料組成的基片上形成的包括氧化鉬的半導體電子器件。
更加具體地，本發明涉及由新的半導體製成的場效應電晶體、雙極電晶體、具有高擊穿電壓的晶閘管以及惡劣環境電子器件，其能夠解決由諸如氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)之類的具有大能帶隙的已知半導體製成的這樣的器件帶來的難題。
本發明還涉及用於在由已在通常的電子和光子器件中使用的材料組成的基片上製造所述電子器件的新方法。
背景技術：
近來，在諸如家用電子產品、汽車、工具機以及照明之類的各種領域中使用了諸如雙極電晶體、場效應電晶體以及晶閘管之類的所謂功率器件。隨著應用的增加，高效且高速地轉換和控制電功率對功率器件而言是所需要的。儘管已使用矽(Si)製造功率器件很長時間，但是預測了矽器件的限制。限制來自大約1電子伏(eV)的矽的能帶隙很小的事實。已進行了廣泛的研究，以實現由具有大的能帶隙的半導體、亦即所謂的寬隙半導體製成的功率器件，以克服限制。具體地，已廣泛地進行了使用能帶隙大約為3.43eV的氮化鎵(GaN)或能帶隙大約為3.2eV的碳化矽(SiC)的功率器件的開發。
另一方面，由來自宇宙射線或汽車的噪聲和熱量引起的電子器件的誤差或故障已成為嚴重問題。已弄清能抵抗具有噪聲或熱量的嚴峻環境的所謂惡劣環境器件應當由具有大的能帶隙的半導體製成。已從這些觀點出發進行了使用GaN或SiC的電子器件的開發。然而對於實現由GaN或SiC製成的電子器件，存在許多要解決的另外的問題。
最嚴重的問題之一在於，GaN的塊晶尚未獲得，因為氮的平衡蒸汽壓相對於鎵的平衡蒸汽壓非常高。因此，使用由藍寶石或碳化矽(SiC)組成的基片。在藍寶石基片上不能直接形成GaN，因為在藍寶石和GaN之間存在16％的晶格失配。因此在生長GaN之前，在藍寶石基片上形成氮化鋁(AlN)的緩衝層。AlN是電阻性的，因為難以將雜質摻入到AlN中。在諸如雙極電晶體和晶閘管之類的包括多層半導體的器件中使用藍寶石基片對於它們的結構和製造工藝而言是非常不利的。另一方面，SiC基片非常昂貴，因為SiC的塊晶要在2200-2400℃的非常高的溫度下生長。使用SiC基片的GaN器件或SiC器件是非常昂貴的。
對於實現新器件要解決的問題是獲得替換諸如藍寶石或SiC之類的昂貴基片的新基片。
第二個嚴重的問題是實現能夠在比形成GaN或SiC層的溫度更低的溫度下生長的新器件。有必要在高於1000℃的溫度下形成GaN或SiC的層。在高溫下形成半導體層需要大量能量。另外，存在層之間原子移動、成分被幹擾或者摻雜物在層之間的界面附近移動的可能性。
通過使用氧化鉬用於這樣的光子器件，能夠部分解決上述問題。本發明的發明人發現，高質量氧化鉬晶體具有大於3.2eV的能帶隙，並且非常適用於在光子和電子器件中使用(美國專利申請No.10/848,145和No.10/863,288)。
在上述專利申請中，描述了本發明的發明人發現的事實和方法。它們被總結如下
(i)高質量氧化鉬晶體具有3.45～3.85eV的能帶隙。通過對具有大於10μm的厚度的氧化鉬層的實驗獲得該結果，所述氧化鉬層通過在具有99.9995％的純度的氧氣中氧化具有99.99％的純度的鉬板生長。例如，通過在550℃下氧化120分鐘形成的氧化鉬具有3.66eV的能帶隙。本發明的發明人發明的方法形成的氧化鉬具有大於以前報導的能帶隙的原因在於，它是具有大於以前報導的厚度的高質量氧化鉬晶體。能帶隙受到層的結構，亦即晶體或非晶體、層中的應變以及純度的影響。(ii)可以證實，本發明人的方法形成的氧化鉬也是基於電子性質的測量結果的半導體。
然而，在上述專利申請中，通過氧化部分的金屬鉬板來形成氧化鉬晶體。部分的金屬鉬板被留下而沒有氧化。因為鉬板不是晶體，所以不能使用諸如劈理之類的某些製造技術。進而，當通過氧化鉬板來形成時，精確控制氧化鉬層的厚度是困難的。
因此需要在新的基片上形成具有大於3.2eV的能帶隙的半導體晶體層，所述新的基片優選地由在已知器件中使用的材料組成，並且優選地是晶體。
在本專利中，能夠在由已在通常的電子和光子器件中使用的材料組成的基片上形成氧化鉬膜。最普遍的材料是矽。本發明能夠解決基片上的最嚴重的問題之一。
在本發明中，在低於850℃的溫度下通過新方法能夠在基片上形成氧化鉬膜。因此，本發明能夠解決第二個嚴重的問題。
發明內容
本發明針對包含在基片上生長的金屬氧化物的半導體電子器件及其製造方法。
具體地，本發明使用作為金屬氧化物的氧化鉬，其具有大於3.2eV的能帶隙，並且非常適用於製造諸如二極體、雙極電晶體、場效應電晶體以及具有高耐壓的晶閘管之類的電子器件。本發明同樣針對由高純度氧化鉬組成的惡劣環境電子器件。
本發明的重要方面在於，能夠在已在通常的光子和電子器件中傳統上使用的材料組成的基片上形成氧化鉬膜。可以用作這樣的基片材料的最普遍的材料是矽。
本發明的另一個重要方面在於在基片上製造電子器件的新穎方法。根據這種新穎的方法，在基片上形成金屬氧化物的至少第一層，優選地在基片上直接形成氧化鉬。本發明的新穎方法包括以下系列步驟。第一步，在生長室中布置基片和源材料。作為源材料，典型地使用鉬板，並且典型的基片是矽。第二步，在生長室中形成溫度分布，以便源材料處的溫度高於基片處的溫度。第三步，在形成溫度分布之後，使氧氣流動一段預定時間，這取決於形成特定器件所需的氧化鉬的厚度。
能夠通過使用包括和上述步驟類似的步驟的任何方法來形成電子器件中的(一個或多個)氧化鉬層。在那些情況下，基片可以充當部分的器件。
適當的基片由從以下選擇的材料組成諸如矽和鍺之類的IV單質半導體、諸如砷化鎵和磷化鎵之類的III-V化合物半導體、諸如氧化鋅之類的II-IV化合物半導體、IV化合物半導體、有機半導體、金屬晶體以及它們的衍生物或玻璃。
圖1是根據本發明的第一實施例的場效應電晶體的結構的示意圖；
圖2顯示了通過模擬在圖1中顯示了其結構的場效應電晶體獲得的500℃下的電流-電壓特性；圖3是根據本發明的第二實施例的雙極電晶體的示意圖；圖4顯示了通過模擬在圖3中顯示了其結構的雙極電晶體獲得的500℃下的電流-電壓特性；圖5是根據本發明的第三實施例的晶閘管的示意6顯示了通過模擬在圖5中顯示了其結構的晶閘管獲得的耐壓和接通電阻之間的關係。
具體實施例方式
現在將對本發明的優選實施例更加詳細地進行參考。
通過使用由已在通常的電子和光子器件中使用的材料組成的基片上形成的作為諸如二極體、場效應電晶體、雙極電晶體以及晶閘管之類的電子器件的至少一部分的高純度氧化鉬，解決了上述問題。
本發明針對至少部分由具有大於3.45eV的能帶隙的高純度氧化鉬組成的電子器件。所述器件包括電阻器件、二極體、電晶體、霍爾效應器件、熱控管、變阻器、晶閘管以及存儲器件。
圖1是根據本發明的第一實施例的場效應電晶體100的示意圖。在圖中，基片101由矽組成。然而，能夠使用其他材料。在基片101上形成氧化鉬層102。通過以下步驟形成層102。在這個例子中，鉬(Mo)板用作源，並且使用矽(Si)基片。首先，漂洗並乾燥源和矽基片101。然後將它們放置在生長室中。下一步，加熱生長室，以便在氮保護氣氛下，源區的溫度為630℃，並且基片區的溫度為530℃。在將源和基片101分別加熱到所述溫度之後，將高純度氧流入到生長室中並且保持6個小時。層102的厚度為6μm。儘管並未有意摻雜層102，但是它為具有1.0×1016cm-3的載流子濃度的n型。可以認為氧空位充當施主。層102充當緩衝層，其限制因為層102具有不同於基片101的成分而引起的層102中的無序。當不必要使器件的特性儘可能好時，不必要形成層102。
在層102上，形成具有更高質量的n型氧化鉬層103。通過具有下述生長條件的和用於形成層102類似的方法形成氧化鉬層103，所述生長條件為源溫度為670℃，並且基片溫度為600℃。它為具有6.0×1016cm-3的載流子濃度的n型。層103的厚度為0.2μm。層103是場效應電晶體100的溝道層。
在層103上形成由鉑和金的雙層組成的肖特基電極110，作為場效應電晶體100的柵。在層103上，同樣形成源111和漏112電極。所述電極由金/鈦/金三層組成。
通過假設柵長度為2.5μm並且柵寬度為100μm的模擬顯示，場效應電晶體具有極好的特性具有30mS/mm的最大互導。圖2顯示了通過模擬獲得的500℃下的電流-電壓特性。還顯示其具有大於100V的穩定耐壓。模擬中假設氧化鉬的能帶隙為3.75eV。上面顯示的結果意味著，通過使用高純度氧化鉬，能夠實現具有高耐壓的場效應電晶體和極好的惡劣環境場效應電晶體，而不必使用昂貴的基片和高溫下的製造工藝。
圖3是根據本發明的第二實施例的雙極電晶體200的示意圖。在這個實施例中，基片201由矽組成。然而其他材料能夠用作基片。在基片201上形成氧化鉬層202。通過以下步驟形成層202。在這個例子中，鉬(Mo)板用作源，並且使用矽(Si)基片。首先，漂洗並乾燥源和矽基片201。然後將它們放置在生長室中。下一步，加熱生長室，以便在氮保護氣氛下，源區的溫度為630℃，並且基片區的溫度為530℃。在將源和基片201分別加熱到所述溫度之後，將高純度氧流入到生長室中並且保持6個小時。層202的厚度為6μm。儘管並未有意摻雜層202，但是它為具有1.0×1016cm-3的載流子濃度的n型。可以認為氧空位充當施主。層202充當緩衝層，其限制因為層202具有不同於基片201的成分而引起的層202中的無序。當不需要使器件的特性儘可能好時，不必要形成層202。
在層202上形成具有更好質量的n型氧化鉬層203。層203具有6.0×1016cm-3的載流子濃度以及450nm的厚度。它起到雙極電晶體200的集電極的作用。通過具有下述生長條件的和用於形成層202類似的方法形成層203，所述生長條件為源溫度為670℃，並且基片溫度為600℃。其載流子濃度為6.0×1016cm-3，並且厚度為450nm。層203充當雙極電晶體200的集電極。
在層203上形成用鋅摻雜到2.0×1017cm-3的載流子濃度的p型氧化鉬層204。通過具有下述生長條件的和用於形成層202類似的方法形成層204，所述生長條件為源溫度為650℃，並且基片溫度為550℃。將作為摻雜物源的氧化鋅粉末放置在源和基片之間，其中溫度為640℃。層204的厚度為350nm。層204具有雙極電晶體200的基極的功能。在層204上形成n型氧化鉬層205，其具有3.0×1017cm-3的載流子濃度以及400nm的厚度。層205具有作為雙極電晶體200的發射極的功能。如圖3所示，在除了外圍區之外的基極層204上形成n型氧化鉬層205，以便在基極層204上形成基極電極211。在發射極層205上形成發射極電極212。基極電極210和發射極電極212分別由鎳/鈦/金三層和鋁/鈦雙層組成。集電極電極210由金組成，並且形成在矽基片201的背面上，因為矽基片201和層202是導電的。
圖4顯示了通過模擬在圖3中顯示了其結構的雙極電晶體獲得的500℃下的電流-電壓特性。圖4中顯示的特性表明，由氧化鉬形成的雙極電晶體在例如500℃的高溫下運行。已有報導說由GaN組成的雙極電晶體在300℃下運行。然而由氧化鉬組成的雙極電晶體在更高的溫度下運行。此外，並不需要昂貴的基片和高於1000℃的溫度下的製造工藝。
圖5是根據本發明的第三實施例的晶閘管300的結構的示意圖。在圖5中僅顯示了對於功能而言的必要元素。晶閘管300包括矽基片。然而其他材料能夠用作基片。在基片301上，形成了緩衝層302、p型氧化鉬層303、n型氧化鉬層304、p型氧化鉬層305以及n型氧化鉬層306。通過用於形成根據第一和第二實施例的器件中包括的層的蒸汽生長形成這些層。
用下述條件形成緩衝層302源溫度為680℃，並且基片301和摻雜物源氧化鋅的溫度為600℃。層302的厚度為6.0μm。用下述條件形成層303源溫度為670℃，氧化鋅的溫度為650℃，並且基片的溫度為600℃。它是具有7.0×1017cm-3的載流子濃度的p型。層303的厚度為50nm。在層303上形成n型層304。用下述條件形成層304源溫度為640℃，並且基片的溫度為540℃。層304具有2.0×1016cm-3的載流子濃度以及160nm的厚度。在層304上形成p型層305。用下述條件形成層305源溫度為630℃，氧化鋅的溫度為610℃，並且基片的溫度為530℃。它具有7.0×1016cm-3的載流子濃度以及80nm的厚度。在除了其外圍區之外的層305上形成n型氧化鉬層306。用下述條件形成層306源溫度為700℃，並且基片的溫度為630℃。層306具有3.0×1017cm-3的載流子濃度以及60nm的厚度。在層306上形成負電極311。在層305的外圍暴露區上形成門電極312。在矽基片的背面上形成正電極313。負電極311由鋁/鈦雙層組成。門電極312由鎳/鈦/金三層組成，並且正電極313由金組成。
對於假設氧化鉬具有3.75eV的能帶隙的在圖5中顯示了其結構的晶閘管的模擬顯示，重複的斷開狀態電壓為5200V，可控制的接通狀態電流為5000A。在本領域中可以知道，由SiC形成的具有幾乎相同結構的晶閘管具有4500V的重複斷開狀態電壓和4000A的可控制接通狀態電流。因此，由氧化鉬組成的晶閘管具有優於由SiC組成的晶閘管的特性。在由GaN組成的晶閘管方面尚無報導。
圖6顯示了通過模擬圖5中顯示的晶閘管獲得的耐壓和接通狀態電阻之間的關係。線1001顯示對於由具有3.75eV的能帶隙的氧化鉬形成的晶閘管的關係，線1002顯示了對於SiC器件的關係，而線1003則顯示了對於Si器件的關係。圖6中顯示的結果表明，使用氧化鉬能夠獲得具有相對於由Si或SiC形成的晶閘管的特性而言的優越得多的特性的晶閘管。亦即，具有比已知晶閘管的特性優越得多的特性的晶閘管，而不必使用昂貴的基片和高溫下的製造工藝。
雖然在圖5中顯示了從形成負電極的頂層到底部包括了npnp型導電層的結構，但是從頂部到底部包括pnpn型導電層的結構也是允許的。
很明顯，如果能夠得到包括兩個pn結的雙極電晶體的話，那麼就能夠形成包括一個pn結的二極體。因此，本發明的範圍中同樣包括pn結二極體。
迄今已參考包括電晶體和晶閘管的一些實施例說明了本發明的細節。然而本發明的精神並不限於那些器件。本發明的優點來自於高純度氧化鉬具有大的能帶隙，並且能夠在低於700℃、在許多情況下低於650℃的相對低的溫度下形成。
已參考電晶體和晶閘管的實施例說明了本發明的細節。從高純度氧化鉬具有大能帶隙的事實中獲得的優點，在基於本發明的原理的其他電子器件中是適用的。另外，能夠在由在已知半導體電子器件中使用的材料組成的基片上形成氧化鉬的事實，使得它們在其他電子器件中更加有用。在本領域中很容易推導出本發明的這樣的應用，並且它們都包括在本發明的範圍中。
權利要求
1.一種半導體電子器件，其具有在基片上形成的氧化鉬層，所述基片包含從以下選擇的材料IV單質半導體、III-V或II-IV化合物半導體、IV化合物半導體、有機半導體、金屬晶體以及它們的衍生物或玻璃。
2.根據權利要求1所述的半導體電子器件，其中，所述電子器件是電阻器件、二極體、電晶體、霍爾效應器件、變抗器、熱控管、晶閘管以及存儲器件。
3.根據權利要求1所述的半導體電子器件，其中，所述氧化鉬是具有等於或大於3.45eV的能帶隙的高純度氧化鉬。
4.根據權利要求1所述的半導體電子器件，其中，所述氧化鉬是通過汽相沉積形成的高純度氧化鉬。
5.根據權利要求1所述的半導體電子器件，其中，在其上形成氧化鉬層的所述基片是矽基片。
6.根據權利要求1所述的半導體電子器件，其中，所述電子器件是具有下述器件結構的晶閘管，所述器件結構由在所述基片上按照順序堆疊起來的第一p型氧化鉬層、第一n型氧化鉬層、第二p型氧化鉬層和第二n型氧化鉬層組成。
7.根據權利要求1所述的半導體電子器件，其中，所述電子器件是具有下述器件結構的晶閘管，所述器件結構由在所述基片上按照順序堆疊起來的氧化鉬的緩衝層、第一p型氧化鉬層、第一n型氧化鉬層、第二p型氧化鉬層和第二n型氧化鉬層組成。
8.根據權利要求1所述的半導體電子器件，其中，所述電子器件是具有下述器件結構的晶閘管，所述器件結構由在所述基片上按照順序堆疊起來的第一n型氧化鉬層、第一p型氧化鉬層、第二n型氧化鉬層和第二p型氧化鉬層組成。
9.根據權利要求1所述的半導體電子器件，其中，所述電子器件是具有下述器件結構的晶閘管，所述器件結構由在所述基片上按照順序堆疊起來的氧化鉬的緩衝層、第一n型氧化鉬層、第一p型氧化鉬層、第二n型氧化鉬層和第二p型氧化鉬層組成。
10.根據權利要求6-9中任何一個所述的半導體電子器件，其中，所述基片包含矽。
11.根據權利要求1所述的半導體電子器件，其中，所述電子器件是場效應電晶體，其中所述氧化鉬層至少用作所述場效應電晶體的溝道層。
12.根據權利要求1所述的半導體電子器件，其中，所述電子器件是場效應電晶體，其中在矽基片上形成所述氧化鉬層。
13.根據權利要求1所述的半導體電子器件，其中，所述電子器件是場效應電晶體，其中至少一個氧化鉬的緩衝層夾在所述溝道層和所述基片之間。
14.根據權利要求1所述的半導體電子器件，其中，所述電子器件是雙極電晶體，其中在所述雙極電晶體中的發射區、基區和集電區中的至少一個中使用所述氧化鉬層。
15.根據權利要求1所述的半導體電子器件，其中，所述電子器件是雙極電晶體，其中在矽基片上形成所述氧化鉬層。
16.根據權利要求1所述的半導體電子器件，其中，所述電子器件是雙極電晶體，其中至少一個氧化鉬的緩衝層夾在所述集電極和所述基片之間，或者夾在所述發射極和所述基片之間。
全文摘要
本發明涉及在由已知半導體電子器件中使用的材料組成的基片上形成的包括氧化鉬的半導體電子器件。本發明還涉及用於在由已在通常的電子和光子器件中使用的材料組成的基片上製造所述電子器件的新方法。適當的基片由諸如以下的材料組成諸如矽和鍺之類的單質半導體、諸如砷化鎵和磷化鎵之類的III－V化合物半導體、諸如氧化鋅之類的II－IV化合物半導體、IV化合物半導體、有機半導體、金屬晶體以及它們的衍生物或玻璃。
文檔編號H01L29/12GK1828930SQ20061000497
公開日2006年9月6日 申請日期2006年1月18日 優先權日2005年1月19日
發明者河東田隆 申請人:河東田隆