專利名稱：場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及場(chǎng)效應(yīng)晶體管，例如高電子遷移率晶體管(HEMTs)。本發(fā)明具體涉及通過晶體生長(zhǎng)制造的含有III族元素氮化物半導(dǎo)體的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括溝道層和半導(dǎo)體結(jié)晶層，如載流子供應(yīng)層或阻擋層，其含有由式AlxGa1-xN代表的半導(dǎo)體。為了使每一個(gè)半導(dǎo)體結(jié)晶層和溝道層之間具有高勢(shì)壘高度，式AlxGa1-xN中的x通常為0.20-0.30。這使得場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有低的導(dǎo)通電阻。
日本未審查專利申請(qǐng)公開No.2000-277536和2005-183551(下文中分別稱為專利文件1和2)公開了降低流入場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的漏電流的技術(shù)。
因?yàn)閳?chǎng)效應(yīng)晶體管包括含有這種半導(dǎo)體的半導(dǎo)體結(jié)晶層，因此盡管場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有低導(dǎo)通電阻，但是場(chǎng)效應(yīng)晶體管不能夠具有高介電強(qiáng)度。這可能是因?yàn)槭紸lxGa1-xN中x的增大使半導(dǎo)體結(jié)晶層的結(jié)晶度下降并因此通過對(duì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管施加高電壓而形成柵極漏電流經(jīng)其流動(dòng)的漏電路徑。
在專利文件1和2公開的傳統(tǒng)技術(shù)中，雖然可以減小漏電流，但是需要使用附加元件如覆蓋層。這使得場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)及場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法變得復(fù)雜。因此，傳統(tǒng)技術(shù)在有效制造場(chǎng)效應(yīng)晶體管中并非必定有利。

發(fā)明內(nèi)容
提出本發(fā)明是為了解決上述問題。本發(fā)明的目的是提供一種具有低導(dǎo)通電阻和高介電強(qiáng)度的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
上述問題可如下所述得以解決。
本發(fā)明提供一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其通過晶體生長(zhǎng)形成多個(gè)含有III族氮化物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體結(jié)晶層而制備。該場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括具有溝道的溝道層和位于溝道層上的載流子供應(yīng)層，載流子供應(yīng)層含有由式AlxGa1-xN代表的半導(dǎo)體，其中x大于0.04并小于0.45。溝道在溝道層和載流子供應(yīng)層之間的第一界面附近形成或被耗盡。載流子供應(yīng)層具有大于溝道層的帶隙能。式AlxGa1-xN中的x隨與第一界面的距離增加而單調(diào)下降。
作為選擇，式AlxGa1-xN中的x可以隨與第一界面的距離增加而逐步或連續(xù)減小或者可以非有意地輕微波動(dòng)。溝道可以通過控制柵極電壓而形成或耗盡。
在場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，溝道層可以是結(jié)晶體，例如氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)或其它氮化物。
溝道層可以是非摻雜的。
載流子供應(yīng)層可以在第一界面處具有第一組成比x1，并且式Alx1Ga1-x1N中的x1優(yōu)選大于或等于0.15且小于或等于0.40，更優(yōu)選大于或等于0.19且小于或等于0.25。
載流子供應(yīng)層可具有位于第一界面的相對(duì)側(cè)上的第二界面，并且在第二界面處具有第二組成比x2，式Alx2Ga1-x2N中的x2優(yōu)選大于或等于0.05且小于或等于0.20，更優(yōu)選大于或等于0.13且小于或等于0.17。
此外，載流子供應(yīng)層的式AlxGa1-xN中的x可隨第一界面至第二界面距離的增加而從0.20單調(diào)下降至0.15。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下所述。
因?yàn)檩d流子供應(yīng)層的式AlxGa1-xN中的x隨與溝道層和載流子供應(yīng)層之間第一界面的距離增加而單調(diào)下降，因此溝道層和載流子供應(yīng)層之間的勢(shì)壘高度可保持恒定并且可保持溝道層的高結(jié)晶度。這允許場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有低導(dǎo)通電阻和高介電強(qiáng)度。
當(dāng)溝道層是GaN結(jié)晶體時(shí)，溝道層具有良好、平坦的晶體生長(zhǎng)面，在其上形成載流子供應(yīng)層。這也允許場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有低導(dǎo)通電阻。
當(dāng)GaN結(jié)晶體的溝道層未摻雜時(shí)，溝道層至載流子供應(yīng)層的晶體生長(zhǎng)面更好且更平坦。這也允許場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有低導(dǎo)通電阻。
當(dāng)載流子供應(yīng)層在第一界面處具有第一組成比x1且式Alx1Ga1-x1N中的x1大于或等于0.15且小于或等于0.40時(shí)，溝道層和載流子供應(yīng)層之間的勢(shì)壘高度高。這也允許場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有低導(dǎo)通電阻。
當(dāng)載流子供應(yīng)層具有位于第一界面相對(duì)側(cè)上的第二界面并且在例如與電極的第二界面處具有第二組成比x2且式Alx2Ga1-x2N中的x2大于或等于0.05且小于或等于0.20時(shí)，載流子供應(yīng)層的結(jié)晶度高。這減小流入場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的漏電流。
當(dāng)載流子供應(yīng)層的式AlxGa1-xN中的x隨與第一界面距離的增加而從0.20單調(diào)下降至0.15時(shí)，溝道層和載流子供應(yīng)層之間的勢(shì)壘高度高并且載流子供應(yīng)層的結(jié)晶度高。這允許場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有低導(dǎo)通電阻和減小流入場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的漏電流。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的場(chǎng)效應(yīng)晶體管100的截面圖；和圖2是示出施加在每一個(gè)樣品上的偏壓和對(duì)應(yīng)的漏電流之間的關(guān)系的圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在描述本發(fā)明的實(shí)施方案。該實(shí)施方案不應(yīng)被以任何方式被視為限制性的。
圖1示出根據(jù)本實(shí)施方案的場(chǎng)效應(yīng)晶體管100。場(chǎng)效應(yīng)晶體管100是通過沉積III族元素氮化物基半導(dǎo)體而制備的半導(dǎo)體器件。參考圖1，場(chǎng)效應(yīng)晶體管100包括晶體生長(zhǎng)襯底101、緩沖層102、用作溝道層的未摻雜第一半導(dǎo)體結(jié)晶層103和用作載流子供應(yīng)層的未摻雜第二半導(dǎo)體結(jié)晶層104，這些層順序排列在晶體生長(zhǎng)襯底101上。
晶體生長(zhǎng)襯底101具有約400μm的厚度并含有碳化硅(SiC)。緩沖層102具有約200nm的厚度并含有氮化鋁(AlN)。
第一半導(dǎo)體結(jié)晶層103具有約2μm的厚度并含有未摻雜的GaN。第二半導(dǎo)體結(jié)晶層104具有約400的厚度并含有由式AlxGa1-xN代表的半導(dǎo)體，其中0.15≤x≤0.20。式AlxGa1-xN中的x隨著與第一和第二半導(dǎo)體結(jié)晶層103和104之間的第一界面的距離的增加而從0.20單調(diào)下降至0.15。第二半導(dǎo)體結(jié)晶層104具有多層結(jié)構(gòu)，例如六層結(jié)構(gòu)。
第二半導(dǎo)體結(jié)晶層104的厚度設(shè)計(jì)為當(dāng)柵極導(dǎo)通時(shí)允許載流子(電子)從下述歐姆電極經(jīng)隧道到達(dá)溝道層，溝道層形成在第一和第二半導(dǎo)體結(jié)晶層103和104之間的第一界面附近。載流子供應(yīng)層的第二界面位于載流子供應(yīng)層和電極之間。
場(chǎng)效應(yīng)晶體管100還包括歐姆源電極105、肖特基(Schottky)型柵電極106和歐姆漏電極107，這些電極排列在第二半導(dǎo)體結(jié)晶層104上。源電極和漏電極105和107各自包括通過氣相沉積形成的第一金屬層和通過氣相沉積形成在第一金屬層上的第二金屬層。第一金屬層含有鈦(Ti)并具有約100的厚度。第二金屬層含有Al并具有約3000的厚度。源電極和漏電極105和107與第二半導(dǎo)體結(jié)晶層104牢固結(jié)合或合金化，其方法是通過快速退火在約700℃-900℃溫度下熱處理源電極和漏電極105和107不超過1分鐘。柵電極106包括通過氣相沉積形成的第三金屬層和通過氣相沉積在第三金屬層上形成的第四金屬層。第三金屬層含有鎳(Ni)并具有約100的厚度。第四金屬層含有金(Au)并具有約3000的厚度。
以下描述一種制造場(chǎng)效應(yīng)晶體管100的方法，重點(diǎn)是作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管100的關(guān)鍵元件的第二半導(dǎo)體結(jié)晶層104。
緩沖層102和第一及第二半導(dǎo)體結(jié)晶層103和104優(yōu)選通過氣相生長(zhǎng)技術(shù)例如金屬有機(jī)物氣相外延(MOVPE)來形成。用來形成這些層的氣體物質(zhì)是用作載氣的氣態(tài)氫(H2)或氮(N2)、氣態(tài)氨(NH3)、氣態(tài)三甲基鎵(Ga(CH3)3)、氣態(tài)三甲基鋁(Al(CH3)3)等。
用于形成這些層的技術(shù)實(shí)例除MOVPE外還包括分子束外延(MBE)和鹵化物氣相外延(HVPE)。
形成這些層的條件如下所述。
1.緩沖層102(1)晶體生長(zhǎng)溫度To1140℃(2)層結(jié)構(gòu)單層結(jié)構(gòu)(約200nm厚，AlN)2.第一半導(dǎo)體結(jié)晶層103(1)晶體生長(zhǎng)溫度TA1140℃(2)層結(jié)構(gòu)單層結(jié)構(gòu)(約2μm厚，GaN)3.第二半導(dǎo)體結(jié)晶層104(1)結(jié)晶生長(zhǎng)溫度TB1000℃(2)層結(jié)構(gòu)多層結(jié)構(gòu)(六層結(jié)構(gòu))第一亞層約70厚，式AlxGa1-xN中的x等于0.20第二亞層約70厚，式AlxGa1-xN中的x等于0.19第三亞層約60厚，式AlxGa1-xN中的x等于0.18
第四亞層約60厚，式AlxGa1-xN中的x等于0.17第五亞層約70厚，式AlxGa1-xN中的x等于0.16第六亞層約70厚，式AlxGa1-xN中的x等于0.15在這種情況下，第二半導(dǎo)體結(jié)晶層104的第一組成比x1為0.20，第二組成比x2為0.15。
在通過晶體生長(zhǎng)即從第二半導(dǎo)體結(jié)晶層104的第一界面至第二界面形成第一至第六亞層的過程中，輕微改變?cè)蠚庵蠥l(CH3)3的含量，從而可以形成具有這種六層結(jié)構(gòu)的第二半導(dǎo)體結(jié)晶層104。因此，場(chǎng)效應(yīng)晶體管100的制造效率可高于或等于傳統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造效率。
實(shí)施例實(shí)施例1制備具有與圖1所示場(chǎng)效應(yīng)晶體管100的構(gòu)造相同的樣品S1。
實(shí)施例2制備樣品S2。樣品S2基本與圖1所示場(chǎng)效應(yīng)晶體管100的構(gòu)造相同，除了樣品S2包括第二半導(dǎo)體結(jié)晶層，該第二半導(dǎo)體結(jié)晶層含有由式Al0.15Ga0.85N代表的半導(dǎo)體并具有單層結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例3制備類似于圖1所示的場(chǎng)效應(yīng)晶體管100的樣品S3。樣品S3與場(chǎng)效應(yīng)晶體管100的不同之處在于樣品S3包括第二半導(dǎo)體結(jié)晶層，該第二半導(dǎo)體結(jié)晶層含有由式Al0.20Ga0.80N代表的半導(dǎo)體并具有單層結(jié)構(gòu)。樣品S3中包括的其它元件與場(chǎng)效應(yīng)晶體管100相同。
實(shí)驗(yàn)1測(cè)量樣品S1-S3的漏電流。
圖2示出施加至每一樣品的偏壓與對(duì)應(yīng)的漏電流之間的關(guān)系。在圖2中，曲線I、II和III分別代表流入樣品S1、S2和S3的漏電流的變化。如圖2所清楚示出，流入樣品S1的漏電流與流入樣品S2的漏電流基本相同并且是流入樣品S3的漏電流的1/100或更低。
實(shí)驗(yàn)2通過測(cè)量每一樣品的第一和第二半導(dǎo)體結(jié)晶層之間界面的薄層電阻來檢驗(yàn)樣品S1-S3。測(cè)量顯示樣品S1具有約600Ω/方塊的薄層電阻，樣品S2具有約700Ω/方塊的薄層電阻，樣品S3具有約500Ω/方塊的薄層電阻。
樣品S1具有低薄層電阻即低導(dǎo)通電阻，因此具有高電導(dǎo)率。此外，流入樣品S1的漏電流小，因而樣品S1具有如實(shí)驗(yàn)1所述的高介電強(qiáng)度。亦即，樣品S1的電導(dǎo)率和介電強(qiáng)度彼此相容。具有此種性質(zhì)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以方便地通過任意傳統(tǒng)技術(shù)制造。
如上所述，本發(fā)明提供具有低導(dǎo)通電阻和高介電強(qiáng)度的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，例如HEMT。該場(chǎng)效應(yīng)晶體管可通過III族元素氮化物基半導(dǎo)體的晶體生長(zhǎng)來制造。
權(quán)利要求
1.一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其通過晶體生長(zhǎng)形成多個(gè)含有III族元素氮化物基半導(dǎo)體的半導(dǎo)體結(jié)晶層來制備，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括具有溝道的溝道層；和位于溝道層上的載流子供應(yīng)層，其含有由式AlxGa1-xN代表的半導(dǎo)體，x大于0.04且小于0.45，其中溝道在溝道層和載流子供應(yīng)層之間的第一界面附近形成或被耗盡，載流子供應(yīng)層具有大于溝道層的帶隙能，并且式AlxGa1-xN中的x隨著與所述第一界面的距離增加而單調(diào)減小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中溝道層是氮化鎵結(jié)晶體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中溝道層是未摻雜的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述載流子供應(yīng)層在所述第一界面處具有第一組成比x1，并且式Alx1Ga1-x1N中的x1大于或等于0.15且小于或等于0.40。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述載流子供應(yīng)層在所述第一界面處具有第一組成比x1，并且式Alx1Ga1-x1N中的x1大于或等于0.15且小于或等于0.40。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述載流子供應(yīng)層在所述第一界面處具有第一組成比x1，并且式Alx1Ga1-x1N中的x1大于或等于0.15且小于或等于0.40。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述載流子供應(yīng)層具有位于所述第一界面相對(duì)側(cè)上的第二界面，并且在所述第二界面處具有第二組成比x2，并且式Alx2Ga1-x2N中的x2大于或等于0.05且小于或等于0.20。
8.根據(jù)權(quán)利要求4的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述載流子供應(yīng)層具有位于所述第一界面相對(duì)側(cè)上的第二界面，并且在所述第二界面處具有第二組成比x2，并且式Alx2Ga1-x2N中的x2大于或等于0.05且小于或等于0.20。
9.根據(jù)權(quán)利要求5的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述載流子供應(yīng)層具有位于所述第一界面相對(duì)側(cè)上的第二界面，并且在所述第二界面處具有第二組成比x2，并且式Alx2Ga1-x2N中的x2大于或等于0.05且小于或等于0.20。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述載流子供應(yīng)層具有位于所述第一界面相對(duì)側(cè)上的第二界面，并且在所述第二界面處具有第二組成比x2，并且式Alx2Ga1-x2N中的x2大于或等于0.05且小于或等于0.20。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中式AlxGa1-xN中的x隨著與所述第一界面的距離增加而從0.20單調(diào)減小至0.15。
全文摘要
一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括具有溝道的溝道層和位于溝道層上的載流子供應(yīng)層，所述載流子供應(yīng)層含有由式Al
文檔編號(hào)H01L29/812GK1937247SQ20061012781
公開日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2006年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月22日
發(fā)明者小嵜正芳, 平田宏治 申請(qǐng)人:豐田合成株式會(huì)社