專利名稱：電子元件的制作方法
電子元件
現(xiàn)有技術(shù)
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1前序部分所述的一種電子元件。 在由半導體材料構(gòu)成的襯底上具有金屬層的電子元件比如是半導
體晶體管。該金屬層在此比如是該半導體晶體管的電極。
作為用于該金屬層的金屬比如使用了鉑或鈀。其通常或者直接被沉
積在該半導體材料的表面上、或者沉積在該半導體材料上的電絕緣層
上。通常的半導體材料比如是氮化鎵。但是如果該電子元件在高于350 。C的溫度中被使用，那么該電子元件的特性可能不可逆轉(zhuǎn)地惡化。這比 如是因為該金屬層的金屬擴散或遷移到該電絕緣層中或該半導體材料 中。在晶體管的情況中，金屬擴散或遷移可導致溝道阻抗的改變，但還 導致柵極泄漏電流的急劇提高。還已知的是，具有高柵極泄漏電流的半 導體晶體管比具有低柵極電流的電子元件明顯更快速地退化。這是導
致，促進該金屬層的鉑通過電遷移進入到該半導體中。
利用氮化鎵作為半導體材料的電子元件比如是大功率的以及高頻 的場效應晶體管以及在光電技術(shù)中所應用的藍色、白色和綠色LED。由 于氮化鎵的3.4eV的大帶隙以及晶體熱穩(wěn)定性，基于此的元件原則上適 于直至大約700。C的運行溫度。
一種化學敏感的場效應晶體管比如在US 4437969中被公開。其中 在一個層結(jié)構(gòu)中構(gòu)造了電極。該場效應晶體管在中溫的流體介質(zhì)中被驅(qū) 動。為了避免該流體介質(zhì)中的離子可能擴散到該半導體襯底中，在該襯 底與該金屬層之間構(gòu)造了一個離子擴散屏障。但是，通過該離子擴散屏 障沒有避免在高溫下該金屬層的金屬可能擴散到該半導體襯底中。
本發(fā)明的公開 本發(fā)明的優(yōu)點
在根據(jù)本發(fā)明所構(gòu)造的、在由半導體材料構(gòu)成的襯底上具有金屬層 的電子元件中，在該金屬層與該襯底之間或者在該金屬層與絕緣層之間 構(gòu)造有擴散阻斷層，該擴散阻斷層由一種材料來制造，該材料對于該金 屬層的金屬具有小的擴散系數(shù)。通過該金屬擴散阻斷層，降低了金屬至該半導體材料或至該絕緣層的擴散。該電子元件沒有由于擴散到該半導 體材料中的金屬而變得失效，或者說電絕緣層在其絕緣特性上沒有由于 擴散的金屬而被損壞。
"小的擴散系數(shù)"在本發(fā)明的意義上所意味的是，在該電子元件的 應用中在該電子元件的壽命上沒有由于金屬的遷移而產(chǎn)生功能損失。對 于許多應用，要求在由該擴散阻斷層所保護的區(qū)域中、也即在該絕緣層 或半導體材料中在整個壽命tL上在給定的運行溫度下金屬濃度保持低
于一個臨界閾值Cmax (比如0.1原子百分比)。按照菲克定律，根據(jù)所 需的壽命tL可以得出對于擴散系數(shù)D和阻斷層厚度d的以下要求
對于cmax=0.1原子百分比的例子，對于層厚度、擴散系數(shù)和壽命，有如 下關系式
如果比如繼續(xù)采用壽命tLH000h以及層厚度d=10nm,那么對于該金屬 在該擴散阻斷層中的擴散系數(shù)D，有 D<1.5 10-20cm2/s
為了使金屬不擴散到該電子絕緣層中或者該襯底的半導體材料中， 其中由此該電子元件將會變得失效，該擴散阻斷層優(yōu)選地是無孔隙的， 或者在該層不被貫通的通道穿過的意義上僅僅顯示出封閉的孔隙。
為了不會由于該擴散阻斷層而損害該電子元件的功能性，該擴散阻 斷層優(yōu)選由導電的材料來制造。用于擴散阻斷層的合適的材料比如是硅 化物、氮化硅鈦 (Titansiliziumnitrid ) 或者氮化硅鎢 (Wolframsiliziummtrid)。硅化物優(yōu)選地是硅化鉭、石圭化鴒或硅化鉑。
然而，替代地，該擴散阻斷層也可以由電絕緣的材料來制造。如果 該擴散阻斷層的材料是電絕緣的，那么就不需要設置附加的電絕緣層， 以保證該電子元件的功能，或者以制造即使在高溫下也具有微小泄漏電
流的晶體管。該襯底的半導體材料優(yōu)選是氮化鎵。氮化鎵是一種m-v 化合物半導體，其比如^皮應用于大功率晶體管和高頻場效應晶體管。另
外氮化鎵還應用于光電技術(shù)，尤其用于藍色、白色和綠色LED。由于
〉1-2C ,其中erf()表示高斯誤差積分。3.4eV的大帶隙以及晶體熱穩(wěn)定性，氮化鎵的優(yōu)點是，基于氮化鎵的半 導體元件原則上適合于直至約700。C的運行溫度。
金屬層的材料優(yōu)選是元素周期表第9、第10或第ll族的金屬或者 其中至少兩種金屬的混合物。尤其優(yōu)選把該金屬層的金屬選擇為鉑、釔、 銥、金、銀、銠或者其中至少兩種金屬的混合物。尤其如果該電子元件 應用于傳感器應用，比如以氣體敏感的場效應晶體管的形式，那么采用 鉑或鈀作為由電化學層構(gòu)成的金屬層的材料是尤其有利的。在傳感器應 用中該金屬層尤其構(gòu)成了場效應晶體管的柵極電極。
為了保證電子元件的功能，在一個優(yōu)選的實施方案中，在半導體材 料構(gòu)成的襯底與該金屬層之間還容納有一個電絕緣層。 一方面，在此， 該電絕緣層可以構(gòu)造在該半導體材料構(gòu)成的襯底與該擴散阻斷層之間， 或者該電絕緣層可以構(gòu)造在該擴散阻斷層與該金屬層之間。另外，擴散 阻斷層還可以位于該電絕緣層上面和下面。如果該擴散阻斷層由導電材 料來制造，那么 一個附加的電絕緣層則尤其是有利的。
為了防止該擴散阻斷層氧化或者為了防止物質(zhì)或氧化物泄漏到該 擴散阻斷層中，在本發(fā)明的一個實施方式中在該擴散層上面構(gòu)造有一個 保護層。該保護層可以是電絕緣的或?qū)щ姷?。如果該保護層是電絕緣的， 那么其比如也可以用作電絕緣層。
該保護層的采用尤其在針對擴散層利用硅化物或氮硅化物的情況 下是優(yōu)選的，因為其可能由于氧化而在其穩(wěn)定性和其作為擴散阻斷層的 功能上受損害。在由硅化物或氮硅化物比如WSi或WSiN構(gòu)成的擴散阻
斷層中，比如Si3N4適合作為用于該保護層的材料。該保護層尤其在腐
蝕性環(huán)境和/或在高溫的應用中被采用。
電絕緣層的優(yōu)選材料比如是Si3N4。如果該電絕緣層的材料是Si3N4,
有蝕刻阻擋層的情況下，在柵極電極區(qū)域中的鈍化的回刻也會自動地把 絕緣一起蝕刻掉。但是比如對于氣體傳感器必要的多孔金屬層可能不實 現(xiàn)該功能。
該擴散阻斷層的另一優(yōu)點是，其可以用作該金屬層在由半導體材料 構(gòu)成的襯底上的粘合增進劑(Haftvermittler)。尤其是對于氣體傳感器 優(yōu)選采用的金屬鉑和鈀在由氮化鎵構(gòu)成的襯底上已經(jīng)從20nm的層厚度 起進行分層。但是，如果該擴散阻斷層用作粘合增進劑，那么該金屬層就保持粘合在該擴散阻斷層上并且不分層。
在該電子元件作為氣體傳感器來應用的情況中，如果該擴散阻斷層 的最上面的層相對于氣體環(huán)境表現(xiàn)出合適的化學特性，那么這是有利 的。這尤其是說，該層為測量氣體或測量氣體的分解物或反應物提供吸 附位置，其導致在該邊界層上的電荷分離或偶極子的形成。從而比如對
fNH3、 HC、 H2、 CO和NOx氮化層或氧化層或形成界面氧化物的層已 經(jīng)證實是可靠的。但同時還要求該層相對于該環(huán)境是化學穩(wěn)定的。尤其 對于前述的擴散阻斷層的材料這已經(jīng)實現(xiàn)。
附圖的簡述
在附圖中示出了本發(fā)明的一個實施例，并在下文說明中進行詳細解釋。
唯一的附圖示例地示出了半導體晶體管的柵極電極的層構(gòu)造。
本發(fā)明的實施方案
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的電子元件1包括襯底3，該襯底由半導體材料來 制造。優(yōu)選的半導體材料是氮化鎵。但除了氮化鎵之外，氮化鋁、氮化 鋁鎵和碳化硅作為半導體材料也是適合的。如前所迷，氮化鎵是一種
m-v化合物半導體，其比如用于大功率晶體管和高頻場效應晶體管。另
外，氮化鎵在光電技術(shù)中尤其應用于藍色、白色和綠色LED。具有由氮
化鎵構(gòu)成的襯底的電子元件原則上適合于直至約70crc的運行溫度。從 而這類元件也可以應用在高溫應用中，比如用于汽車排放氣流的氣體傳
感器技術(shù)。
在該半導體材料構(gòu)成的襯底3上首先施加了電絕緣層5。該電絕緣 層5優(yōu)選由與該芯片的鈍化相同的材料來制造。比如Si3N4適合作為該 電絕緣層5的材料。該電絕緣層5的厚度優(yōu)選地在從1至100nm的范圍 內(nèi)。
通常該電絕緣層5的材料被沉積在該半導體材料構(gòu)成的襯底3上。 從而可以直接在氮化4家構(gòu)成的半導體表面的生長之后進行Si3N4的就地 沉積。但是或者也可以的是，該電絕緣層5是易地沉積的CVD( chemical vapor deposition, 4匕學汽相淀積)的SigN4層。
在具有柵極電極的電子元件中，通過該電絕緣層5該門二極管被絕緣，以降低4冊極泄漏電流，并從而降^氐電遷移，穩(wěn)定電氣運行，并保證
簡單的信號分析。另外，如果該電絕緣層5如

圖1所示被直接沉積在該 襯底3上，那么該襯底也可以把該電絕緣層用作具有小的界面物態(tài)密度 (Grenzflachen-Zustandsdichte )的擴散屏障的粘合增進劑。
在該電絕緣層5上敷設了擴散阻斷層7。該擴散阻斷層7優(yōu)選具有 從1至300nm范圍內(nèi)的厚度。該擴散阻斷層7的材料優(yōu)選如此來選擇， 使得該材料對于在該擴散阻斷層7上所敷設的金屬層9的金屬而具有小 的擴散系數(shù)。對此該擴散阻斷層7優(yōu)選地基本是無孔隙的，或者僅僅具 有封閉的孔隙。
如果該電子元件1是半導體晶體管，那么優(yōu)選的是該擴散阻斷層7 由導電的材料來制造。通過為該擴散阻斷層7采用一種導電的材料，在 該襯底的半導體材料3與電場的源極之間的間距被縮小。由此改善了該 半導體晶體管的跨導。如果該擴散阻斷層7由導電的材料來制造，那么 在該電場的源極與該襯底的半導體材料之間的間距就僅僅相應于該電 絕緣層5的厚度11。但如果針對該擴散阻斷層7采用了電絕緣材料，那 么該擴散阻斷層7的層厚度13就增加到在該電場的源極與該襯底3的 半導體材料之間的間距上，并從而該半導體晶體管的跨導下降。這是因
為，在該擴散阻斷層7是絕緣材料的情況下該電場的源極僅僅是該金屬 層9。
替代地，如果該擴散阻斷層7由一種電絕緣材料來制造，那么也可 以放棄附加的電絕緣層5。但是因為該擴散阻斷層7通常必須具有比電 絕緣層5明顯大的層厚度，所以優(yōu)選的是，將導電的、厚的擴散阻斷層 7和薄的電絕緣層5組合，以改善作為半導體晶體管而構(gòu)造的電子元件 1的跨導。
該擴散阻斷層7的、與該電絕緣層5的厚度相比較大的層厚度13 是需要的，以實現(xiàn)相對于來自該金屬層9的擴散金屬的足夠的阻斷效應， 并從而防止來自該金屬層9的金屬擴散到該襯底3的半導體材料中。
該電絕緣層5和該附加的擴散阻斷層7的另一優(yōu)點是，許多材料在 直接沉積在該半導體表面時、尤其當該半導體材料是氮化鎵時，致使產(chǎn) 生空的化學鍵，所謂的"dangling bonds (空懸鍵)"。其結(jié)果是損害晶 體管特性的固定的界面電荷。在界面物態(tài)密度非常高的情況下，甚至不 可能控制該晶體管。現(xiàn)在如果為該電絕緣層5選擇一種材料，該材料可以以非常小的界面物態(tài)密度來沉積，那么與在該襯底3上直接沉積擴散 阻斷層7相比可以實現(xiàn)改善的特性。在采用氮化鎵作為半導體材料的情
況下，Si3N4尤其具有非常小的界面物態(tài)密度。但是因為SbN4本身不作
為擴散屏障，所以需要附加的擴散阻斷層7。
該擴散阻斷層7的優(yōu)選材料比如是氮化鈦、由鈦和鎢組成的合金、 鎢或金。另外硅化物或氮化物是合適的，比如硅化鉭、硅化鎢、硅化鉬 或硅化鉑、氮化硅鈦或氮化硅鎢或氮化硼。作為擴散阻斷層7的材料優(yōu) 選的是硅化鉭或硅化鴒。
該金屬層9通常與用于驅(qū)動該電子元件1的電導體相連接。任意每 種金屬都適合作為該金屬層的材料。但優(yōu)選的金屬是元素周期表的第9、 10或11族的金屬。尤其優(yōu)選的是鉑、4巴、銥、金、銀、銠或者以上至 少兩種金屬的混合物。如果該電子元件1被用作氣體傳感器，那么該金 屬層9優(yōu)選地由鉑或鈀來制造。
該金屬層9的厚度優(yōu)選地處于從1至100nm的范圍內(nèi)。
在該電子元件1被用作氣體傳感器的情況下，該金屬層優(yōu)選地是有 孔隙的。如果該金屬層9是有孔隙的，那么該擴散阻斷層7附加地還用 于在該電子元件1的制造時的蝕刻阻擋層。即通常首先將鈍化物敷設到 該襯底3的半導體材料上。其為了制造該電子元件而被回刻 (meckgeatzt)。在沒有蝕刻阻擋層的情況下，該鈍化物的回刻將導致 該電絕緣層5也自動地被蝕刻掉?，F(xiàn)在如果把有孔隙的金屬層9直接敷 設在該電絕緣層5上，那么其將不能用作蝕刻阻擋層，并且該電絕緣層 5同樣將被蝕刻掉。但是，由于該擴散阻斷層7，即使在該金屬層9有 孔隙的情況下也避免了該電絕緣層5被蝕刻掉。
除了在此所示的構(gòu)造之外，其中在該襯底3上首先敷設電絕緣層5、 然后敷設該擴散阻斷層7并最后敷設該金屬層9,也可以在該襯底3上 首先敷設該擴散阻斷層7,并然后接著敷設該電絕緣層5。另外還可以 設置一個附加的擴散阻斷層。那么其比如可以位于該襯底3與該電絕緣 層5之間。
附加地，可以在該擴散阻斷層7上施加一個附加的保護層，通過該 保護層來防止物質(zhì)或氧化物泄漏到該擴散阻斷層7中，或者防止該擴散 阻斷層7的氧化。通常所述附加的保護層位于該擴散阻斷層7與該金屬 層9之間。如果該擴散阻斷層7直接位于該襯底3上，并且該電絕緣層5敷設在該擴散阻斷層7上，那么在一個實施方案中該電絕緣層5就用 作附加的保護層。替代地，也可以在該擴散阻斷層7與該電絕緣層5之 間容納所述附加的保護層。
如果不需要電絕緣層5,那么也可以代替該電絕緣層5在該擴散阻 斷層7上施加所迷附加的保護層。
權(quán)利要求
1.在由半導體材料構(gòu)成的襯底(3)上具有金屬層(9)的電子元件，其特征在于，在該金屬層(9)與該襯底(3)之間構(gòu)造有擴散阻斷層(7)，該擴散阻斷層由一種材料來制造，該材料對于該金屬層(9)的金屬具有小的擴散系數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子元件，其特征在于，該擴散阻斷層 (7)基本是無孔隙的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電子元件，其特征在于，該擴散阻 斷層(7)由導電的材料來制造。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的電子元件，其特征在于，該擴 散阻斷層(7)的材料是硅化物、氮化硅鈦或氮化硅鎢。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電子元件，其特征在于，該硅化物是硅 化鉭或硅化鶴。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的電子元件，其特征在于，該襯 底(3)的半導體材料是氮化鎵。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的電子元件，其特征在于，該金 屬層(9)的材料是元素周期表第9、 10或11族的金屬或由這些金屬的 至少兩種組成的混合物。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的電子元件，其特征在于，該金 屬層(9)的材料是柏、釔、銥、金、銀、銠或者這些金屬的至少兩種 組成的混合物。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的電子元件，其特征在于，在該 襯底(3)與該金屬層(9)之間另外還容納有電絕緣層(5)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電子元件，其特征在于，該電絕緣層(5)由Sl3N4制造。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10之一所述的電子元件，其特征在于，該 金屬層(9)是電極，尤其是柵極電極。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至11之一所述的電子元件，其特征在于，在 該擴散阻斷層(7)上敷設有附加的保護層。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至12之一所述的電子元件，其特征在于，用 于所述附加的保護層的材料是Si3N4。
全文摘要
本發(fā)明涉及在由半導體材料構(gòu)成的襯底(3)上具有金屬層(9)的電子元件，其中在該金屬層(9)與該襯底(3)之間構(gòu)造了一個擴散阻斷層(7)，該擴散阻斷層由一種材料來制造，該材料對于該金屬層(9)的金屬具有小的擴散系數(shù)。
文檔編號H01L21/28GK101589466SQ200880002906
公開日2009年11月25日 申請日期2008年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月24日
發(fā)明者A·馬丁, O·沃爾斯特, R·菲克斯 申請人:羅伯特·博世有限公司