專利名稱：氮化物半導(dǎo)體裝置及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明，涉及一種能夠適用于大功率晶體管的氮化物半導(dǎo)體裝置，且此大功率晶體管是用于諸如電視機(jī)等家用電器的電源電路的。
背景技術(shù)：
近年來，十分勇躍地展開對(duì)于作為高頻大功率器件且使用了氮化鎵(GaN)系列材料的電場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET＝Field Effect Transistor)的研究。因?yàn)榈壍鹊锇雽?dǎo)體材料能夠與氮化鋁(AlN)或氮化銦(InN)做成各種各樣的混合晶體，所以和以往所使用的砷化鎵(GaAs)等的砷系列半導(dǎo)體材料一樣能夠形成異質(zhì)結(jié)。然而，在氮化物半導(dǎo)體層間形成的異質(zhì)結(jié)中，即使在沒有摻入雜質(zhì)的狀態(tài)下，在氮化物半導(dǎo)體層之間的界面也會(huì)產(chǎn)生由于自發(fā)極化或者極電極化而生成的高濃度載流子。因此，由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，容易形成為耗盡型(常導(dǎo)通型)，而要得到增強(qiáng)型(常非導(dǎo)通型)的特性是很難的。
圖8，是顯示具有氮化鎵鋁(AlGaN)/氮化鎵(GaN)異質(zhì)結(jié)構(gòu)造的以往電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的剖面圖。
在此圖所示的以往電場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，藍(lán)寶石襯底1801上按照順序依次形成了低溫氮化鎵緩沖層1802、非摻雜的氮化鎵層1803、n型氮化鎵鋁層1804，在n型氮化鎵鋁層1804上形成了由鈦(Ti)層及鋁(Al)層構(gòu)成的源極電極1805及漏極電極1806。由鎳(Ni)層、鉑(Pt)層及金(Au)層構(gòu)成的柵極電極1807形成在源極電極1805及漏極電極1806之間。作為鈍化膜，形成了氮化硅(SiN)膜1808。此電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，由于在非摻雜的氮化鎵層1803和n型氮化鎵鋁層1804的異質(zhì)界面生成高濃度2維電子氣，所以在柵極電壓為0V時(shí)仍有漏極電流流出，屬于常導(dǎo)通型。
然而，現(xiàn)今在電力電子學(xué)市場(chǎng)上所使用的器件大部分都是常非導(dǎo)通型，即使對(duì)于氮化鎵系列的氮化物半導(dǎo)體器件來說，更多需求的也是常非導(dǎo)通型。作為實(shí)現(xiàn)此常非導(dǎo)通的器件結(jié)構(gòu)，在砷化鎵系列以往的化合物半導(dǎo)體中，柵極上使用了pn結(jié)的結(jié)型電場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET＝Junction Field EffectTransistor)被提出并被加以應(yīng)用(參照非專利文獻(xiàn)1)。在結(jié)型電場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)中，由于在柵極上使用自建電勢(shì)比肖特基結(jié)大的pn結(jié)，從而能夠增大柵極起始電壓(柵極電流開始流動(dòng)的電壓)，并能夠減小柵極的漏電電流。還有最近，據(jù)報(bào)告稱也有在氮化物半導(dǎo)體中探討采用結(jié)型電場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的研究例。(參照非專利文獻(xiàn)2、專利文獻(xiàn)1)。
(專利文獻(xiàn)1) 日本專利公開2004-273486(非專利文獻(xiàn)1) J.K.Abrokwah et al.，IEEE Transactions on ElectronDevices，vol.37，no.6，pp.1529-1531，1990.
(非專利文獻(xiàn)2) L.Zhang et al.，IEEE Transactions on Electron Device.s，vol.47，no.3，pp.507-511，2000.
(發(fā)明所要解決的課題)然而，為了使以往的氮化鎵系列電場(chǎng)效應(yīng)晶體管成為常非導(dǎo)通型，則有必要降低n型氮化鎵鋁層中的鋁的組成比，或者削薄n型氮化鎵鋁層降低極化電荷量，但獲得大的電流密度和實(shí)現(xiàn)常非導(dǎo)通型的電場(chǎng)效應(yīng)晶體管這兩者卻很難同時(shí)達(dá)成。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述的課題，本發(fā)明的目的在于提供可應(yīng)用于大功率晶體管，并能夠獲得充足電流密度的常非導(dǎo)通型氮化物半導(dǎo)體器件。
(解決課題的方法)為了解決上述課題，本發(fā)明的第一氮化物半導(dǎo)體裝置，包括襯底；在襯底上方設(shè)置的第一氮化物半導(dǎo)體層；在第一氮化物半導(dǎo)體層上設(shè)置的，禁帶能量比第一氮化物半導(dǎo)體層大的第二氮化物半導(dǎo)體層；在第二氮化物半導(dǎo)體層的上面或者上方設(shè)置的，至少在柵極區(qū)域形成了開口部的絕緣膜；以掩埋形成在柵極區(qū)域的開口部的形態(tài)在第二氮化物半導(dǎo)體層的上面或者上方設(shè)置的，并將絕緣膜的一部分覆蓋住的p型第三氮化物半導(dǎo)體層；和在第三氮化物半導(dǎo)體層的上面或者上方設(shè)置的柵極電極。
根據(jù)此結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵诠ぷ鲿r(shí)第一氮化物半導(dǎo)體層和第二氮化物半導(dǎo)體層之間的界面上形成了2維電子氣，所以在柵極區(qū)域能夠形成pn結(jié)。因此，與以往的氮化物半導(dǎo)體裝置相比，即使施加了很高的柵極電壓也很難有柵極漏電電流流出，并能夠獲得很大的漏極電流。此時(shí)，柵極電極最好是歐姆電極。還有，因?yàn)樽鳛殁g化膜起作用的絕緣膜的一部分被第三氮化物半導(dǎo)體層覆蓋，所以在施加了高漏極電壓時(shí)可以緩和在漏極一側(cè)的柵極區(qū)域端部形成的電場(chǎng)集中，并能夠提高耐壓性。還有，因?yàn)樵诟采w住絕緣膜的部分(上部)，第三氮化物半導(dǎo)體層的平面面積與下部相比增大了，所以和沒覆蓋絕緣膜的時(shí)候相比，減小第三氮化物半導(dǎo)體層的電阻將成為可能。
還有，還包括在第二氮化物半導(dǎo)體層上且在第三氮化物半導(dǎo)體層下設(shè)置的p型第四氮化物半導(dǎo)體層，由于在第四氮化物半導(dǎo)體層上形成了絕緣膜，因此能夠更加有效地抑制電流崩潰的發(fā)生。
第四氮化物半導(dǎo)體層也可以進(jìn)行載流子耗盡。特別是，因?yàn)榈谒牡锇雽?dǎo)體層的厚度，如果是在從第四氮化物半導(dǎo)體層和絕緣膜之間的界面向第四氮化物半導(dǎo)體層中擴(kuò)散的耗盡層的深度以下時(shí)，能夠防止耗盡層向第二氮化物半導(dǎo)體層中擴(kuò)散，所以可以防止在第一氮化物半導(dǎo)體層和第二氮化物半導(dǎo)體層之間的界面上形成的2維電子氣濃度的降低，并能夠減小溝道電阻。
在本發(fā)明的第一氮化物半導(dǎo)體裝置中，第一氮化物半導(dǎo)體層可以由諸如GaN構(gòu)成，第二氮化物半導(dǎo)體層可以由AlxGa1-xN(且，x為0＜x≤1)構(gòu)成，第三氮化物半導(dǎo)體層可以由AlyGa1-yN(且，y為0≤y≤1)構(gòu)成，第四氮化物半導(dǎo)體層可以由AlzGa1-zN(且，z為0≤z≤1)構(gòu)成。
本發(fā)明的第二氮化物半導(dǎo)體裝置，包括襯底；在襯底上方設(shè)置的第一氮化物半導(dǎo)體層；在第一氮化物半導(dǎo)體層上設(shè)置的，禁帶能量比第一氮化物半導(dǎo)體層大的第二氮化物半導(dǎo)體層；在第二氮化物半導(dǎo)體層上設(shè)置的p型第三氮化物半導(dǎo)體層；在第三氮化物半導(dǎo)體層上設(shè)置的，在柵極區(qū)域形成了開口部的絕緣膜；和以掩埋形成在柵極區(qū)域的開口部的形態(tài)在第二氮化物半導(dǎo)體層的上面或者上方設(shè)置的p型第四氮化物半導(dǎo)體層；以及在第四氮化物半導(dǎo)體層的上面或者上方設(shè)置的柵極電極。
由此，能夠有效地抑制電流崩潰的發(fā)生。
本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體裝置的制作方法，包括在襯底上形成第一氮化物半導(dǎo)體層的工序(a)；在第一氮化物半導(dǎo)體層上形成禁帶能量比第一氮化物半導(dǎo)體層大的第二氮化物半導(dǎo)體層的工序(b)；在第二氮化物半導(dǎo)體層的上面或者上方，形成柵極區(qū)域已形成了開口部的絕緣膜的工序(c)；以掩埋絕緣膜開口部的形態(tài)在第二氮化物半導(dǎo)體層的上面或者上方堆積氮化物半導(dǎo)體，形成將絕緣膜的一部分覆蓋住的p型第三氮化物半導(dǎo)體層的工序(d)；和在第三氮化物半導(dǎo)體層的上面或者上方形成柵極電極的工序(e)。
特別是，由于開口部的面積與包括開口部的絕緣膜的整個(gè)面積之比在4％以下，所以第三氮化物半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)速度能夠設(shè)定在規(guī)定值以上，并且形成上表面為鏡面的第三氮化物半導(dǎo)體層將成為可能。還有，第三氮化物半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)速度最好在11微米/小時(shí)以上。
(發(fā)明的效果)如以上所說明的那樣，根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體器件，由于在柵極區(qū)域形成了pn結(jié)，所以能夠?qū)崿F(xiàn)柵極漏電電流小、并能夠進(jìn)行大電流工作的常非導(dǎo)通型氮化物半導(dǎo)體器件。還有，因?yàn)橥ㄟ^在位于柵極區(qū)域的氮化物半導(dǎo)體層上形成p型氮化物半導(dǎo)體層，可以抑制位于溝道上方的氮化物半導(dǎo)體層的厚度偏差，所以能夠獲得電流密度大、漏電電流低、耐壓性高等穩(wěn)定特性，并可以使生產(chǎn)效率得以提高。


圖1是顯示本發(fā)明第一實(shí)施例所涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置的剖面圖。
圖2是位于第一實(shí)施例所涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置的柵極區(qū)域縱剖面上的能帶圖。
圖3(a)、圖3(b)分別顯示的是在第一實(shí)施例所涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置中，柵極電壓和漏極電流的關(guān)系圖，及在固定了柵極電壓時(shí)的漏極電流和漏極電壓之間的關(guān)系圖。
圖4(a)～圖4(e)是顯示第一實(shí)施例所涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置制作方法的剖面圖。
圖5是顯示將氮化硅膜作為掩模使用時(shí)的掩模開口率和氮化鎵鋁層的生長(zhǎng)速度之間的關(guān)系圖。
圖6是顯示本發(fā)明第二實(shí)施例所涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置的剖面圖。
圖7(a)～圖7(e)是顯示第二實(shí)施例所涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置制作方法的剖面圖。
圖8是顯示具有氮化鎵鋁/氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的以往電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的剖面圖。
(符號(hào)說明)101、601藍(lán)寶石襯底102、602氮化鋁緩沖層103、603非摻雜的氮化鎵層104、604非摻雜的氮化鎵鋁層105、606氮化硅膜106 p型氮化鎵鋁層107、608高濃度p型氮化鎵層108、609源極電極109、610漏極電極110、611柵極電極605 第一p型氮化鎵鋁層606 第二p型氮化鎵鋁層具體實(shí)施方式
以下，關(guān)于本發(fā)明的實(shí)施例，在參照附圖的同時(shí)加以說明。
(第一實(shí)施例)圖1是顯示本發(fā)明第一實(shí)施例所涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置的剖面圖。本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置，是作為大功率晶體管使用的電場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
如圖1所示的那樣，本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置，包括用諸如(0001)面作為主面的藍(lán)寶石襯底101；在藍(lán)寶石襯底101的(0001)面上設(shè)置的厚度為100納米的氮化鋁緩沖層102；在氮化鋁緩沖層102上設(shè)置的厚度為2微米的非摻雜的氮化鎵層103；在非摻雜的氮化鎵層103上設(shè)置的厚度為25納米的非摻雜的氮化鎵鋁層104；在非摻雜的氮化鎵鋁層104的一部分上設(shè)置的厚度為100納米的p型氮化鎵鋁層106；在p型氮化鎵鋁層106上設(shè)置的厚度為5納米的高濃度p型氮化鎵層107。在這里，所謂“非摻雜”的意思，是指沒有有意識(shí)地注入雜質(zhì)。
在p型氮化鎵鋁層106中摻雜濃度為1×1019cm-3左右的鎂(Mg)，載流子濃度成為1×1018cm-3左右。在高濃度p型氮化鎵層107中摻雜1×1020cm-3左右的鎂。還有，在本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置中，非摻雜的氮化鎵鋁層104及p型氮化鎵鋁層106，是由例如非摻雜的Al0.2Ga0.8N構(gòu)成的。
在高濃度p型氮化鎵層107上，設(shè)置有和高濃度p型氮化鎵層107進(jìn)行歐姆接觸，且由鈀(Pd)構(gòu)成的柵極電極110。還有，在非摻雜的氮化鎵鋁層104上設(shè)置有形成了一部分開口的氮化硅膜105。并且，在形成了氮化硅膜105開口的區(qū)域且在非摻雜的氮化鎵鋁層104之上，設(shè)置了以夾持著p型氮化鎵鋁層106的形態(tài)配置的由鈦層和鋁層構(gòu)成的源極電極108及漏極電極109。再者，在元件形成區(qū)域的周圍，也可以注入諸如硼(B)等的離子，形成高電阻化的元件分離區(qū)域。
還有，本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置的顯著特征，是柵極區(qū)域上所形成的p型氮化鎵鋁層106，以掩蓋氮化硅膜105開口部的形態(tài)被設(shè)置在非摻雜的氮化鎵鋁層104上的同時(shí)，并將氮化硅膜105的一部分覆蓋住。在這里，所謂“柵極區(qū)域”的意思，是指從平面看到的氮化物半導(dǎo)體裝置的柵極電極所形成的區(qū)域及其附近的區(qū)域。像這樣，由于p型氮化鎵鋁層106的形態(tài)是將氮化硅膜105的一部分覆蓋住，所以在漏極-源極間施加了高電壓時(shí)，能夠使位于p型氮化鎵鋁層106和氮化硅膜105重疊處的漏極一側(cè)的柵極區(qū)域端部的電場(chǎng)集中問題得以緩解，并可以增大耐壓性。
還有，由于在柵極區(qū)域所設(shè)置的p型氮化鎵鋁層106為T字型的剖面形狀，所以能夠減低p型氮化鎵鋁層106上部的電阻，進(jìn)而可以使柵極電阻得以降低。
還有，本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置的其他特征，在于因?yàn)闁艠O電極110和高濃度p型氮化鎵層107進(jìn)行歐姆接觸，所以在柵極區(qū)域形成了由非摻雜的氮化鎵鋁層104和非摻雜的氮化鎵層103之間的界面上形成的2維電子氣和p型氮化鎵鋁層106生成的pn結(jié)。因?yàn)閜n結(jié)所形成的薄膜比肖特基結(jié)所形成的薄膜厚，所以在本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置中，即使在以往的基礎(chǔ)上提高柵極電壓也很難產(chǎn)生柵極漏電。
還有，在本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置中，由于在柵極電極110的下面設(shè)置有很薄的高濃度p型氮化鎵層107，所以在它和柵極電極110之間容易形成歐姆接觸。一般來說，因?yàn)閜型氮化鎵系列半導(dǎo)體與p型砷化鎵系列半導(dǎo)體相比很難形成歐姆接觸，所以雖然設(shè)置高濃度p型氮化鎵層107不是必須的，但還是最好設(shè)置高濃度p型氮化鎵層107。還有，柵極電極110的材料最好是工作函數(shù)大的材料，除了鈀以外，還能夠使用鎳等。還有，p型氮化鎵鋁層106和非摻雜的氮化鎵鋁層104中鋁的組成也可以不相同，例如也可以設(shè)置p型氮化鎵層用以代替p型氮化鎵鋁層106。
圖2，是位于第一實(shí)施例所涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置的柵極區(qū)域縱剖面上的能帶圖。
如此圖所示，非摻雜的氮化鎵鋁層104和非摻雜的氮化鎵層103之間形成了非摻雜層之間的異質(zhì)結(jié)，由于在兩層間的界面上由于自發(fā)極化及極電極化生成了電荷，從而在導(dǎo)帶端形成了溝槽。然而，在柵極區(qū)域里如圖2所示的那樣，由于在非摻雜的氮化鎵鋁層104上形成了p型氮化鎵鋁層106，所以非摻雜的氮化鎵鋁層104及非摻雜的氮化鎵層103的能級(jí)上升，在非摻雜的氮化鎵鋁層104和非摻雜的氮化鎵層103異質(zhì)界面上的導(dǎo)帶的溝槽所處位置要高于費(fèi)米能級(jí)。其結(jié)果是，沒有在柵極電極上施加偏壓時(shí)柵極區(qū)域里將沒有2維電子氣形成，成為常非導(dǎo)通型狀態(tài)。
另一方面，在柵極區(qū)域以外的元件形成區(qū)域里，因?yàn)樵诜菗诫s的氮化鎵鋁層104上沒有形成p型氮化鎵鋁層106，所以即使在沒有施加?xùn)艠O電壓的狀態(tài)時(shí)也形成了2維電子氣。這樣一來，由于在柵極區(qū)域以外的元件形成區(qū)域里通常有2維電子氣生成，因此在柵極電極110上施加了正偏壓時(shí)，源極-漏極間可以流過很大的電流。
還有，在本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置的柵極區(qū)域里，在非摻雜的氮化鎵鋁層104上再次生成p型氮化鎵鋁層106時(shí)，與通過干蝕刻在柵極區(qū)域形成氮化物半導(dǎo)體層時(shí)的情況相比，能夠抑制p型氮化鎵鋁層106的膜厚偏差。
圖3(a)、圖3(b)，分別顯示的是在本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置中，柵極電壓和漏極電流的關(guān)系圖，及在固定了柵極電壓時(shí)的漏極電流和漏極電壓之間的關(guān)系圖。在這里，圖3(a)顯示的是漏極電壓(施加在源極-漏極間的電壓)為10V時(shí)的狀態(tài)，圖3(b)顯示的是柵極電壓(施加在柵極電極-源極電極間的電壓)為0～2.5V時(shí)的狀態(tài)。
從圖3(a)中，可以看出本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置，在閾值電壓大約為0V時(shí)實(shí)現(xiàn)了常非導(dǎo)通。還有，因?yàn)闁艠O起始電壓增大到3V左右，所以即使在柵極電極上施加2.5V的正偏壓，也基本上沒有柵極漏電電流流出，如圖3(b)所示的那樣，可以獲得最大約為400毫安/毫米的漏極電流。
下面，關(guān)于制作圖1所示的本實(shí)施例氮化物半導(dǎo)體裝置的一種方法進(jìn)行說明。圖4(a)～圖4(e)是顯示本實(shí)施例所涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置制作方法的剖面圖。
首先，如圖4(a)所示的那樣，按照金屬有機(jī)化合物汽相淀積法(MOCVD＝Metal Organic Chemical Vapor Deposition)，在藍(lán)寶石襯底101的(0001)面上依次形成了厚度為100納米的氮化鋁緩沖層102、厚度為2微米的非摻雜的氮化鎵層103、厚度為25納米的非摻雜的氮化鎵鋁層104。
然后，如圖4(b)所示的那樣，按照使用了硅烷(SiH4)、氨氣(NH3)及氮?dú)?N2)的化學(xué)汽相沉積法(CVD＝Chemical Vapor Deposition)，在非摻雜的氮化鎵鋁層104上形成了例如膜厚為50納米的氮化硅膜105。其次，按照使用了例如氫氟酸的濕蝕刻，在位于柵極區(qū)域的氮化硅膜105上形成了開口。
然后，如圖4(c)所示的那樣，將氮化硅膜105作為掩模按照金屬有機(jī)化合物汽相淀積法在襯底的柵極區(qū)域上有選擇地生成了厚度為100納米的p型氮化鎵鋁層106及厚度為5納米的高濃度p型氮化鎵層107。此時(shí)，通過在從非摻雜的氮化鎵鋁層104的露出部分上到位于柵極區(qū)域內(nèi)的氮化硅膜105的上面形成p型氮化鎵鋁層106及高濃度p型氮化鎵層107，從而形成了這樣一個(gè)形態(tài)，即p型氮化鎵鋁層106的一部分將氮化硅膜105的一部分覆蓋住。
圖5是顯示將氮化硅膜作為掩模使用時(shí)的掩模開口率和氮化鎵鋁層的生長(zhǎng)速度之間的關(guān)系圖。還有，所謂的“掩模開口率”，是指開口部的面積與成為掩模層且包括了開口部的整個(gè)面積之比。
如此圖所示的那樣，氮化鎵鋁層的生長(zhǎng)速度很大程度上依存于掩模開口率，掩模開口率越小生長(zhǎng)速度就越大。并且，當(dāng)?shù)変X層的生長(zhǎng)速度很低時(shí)，無法獲得上表面很平整的氮化鎵鋁層，而氮化鎵鋁層的生長(zhǎng)速度一旦設(shè)定在11微米/小時(shí)以上的話就能夠獲得上表面成為鏡面的氮化鎵鋁層。還有，在所進(jìn)行的圖5實(shí)驗(yàn)中的掩模形成條件里，掩模開口率在大約4％以下(且比0％大)的時(shí)候在氮化鎵鋁層上能夠再生出上表面為鏡面的氮化鎵鋁層。還有，生長(zhǎng)速度如果在大約11微米/小時(shí)以上的話即使氮化鎵鋁層的生成條件變化，也可以使氮化鎵鋁層的上表面成為鏡面。
其后，如圖4(d)所示的那樣，按照使用了例如四氟化碳(CF4)氣體的反應(yīng)離子刻蝕(RIE＝Reactive Ion Etching)等的干蝕刻等，將氮化硅膜105中位于p型氮化鎵鋁層106及高濃度p型氮化鎵層107兩側(cè)區(qū)域的一部分進(jìn)行開口。然后，在位于氮化硅膜105開口區(qū)域的非摻雜的氮化鎵鋁層104上按照蒸鍍?nèi)コǖ确謩e形成由鈦層和鋁層構(gòu)成的源極電極108及漏極電極109，并在氮?dú)猸h(huán)境中用650攝氏度的溫度進(jìn)行襯底的熱處理。
緊接著，如圖4(e)所示的那樣，按照蒸鍍?nèi)コǖ仍诟邼舛萷型氮化鎵層107上形成由鈀構(gòu)成的柵極電極110。按照以上的方法，能夠制作出本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置。
再者，本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置是以藍(lán)寶石襯底的(0001)面作為主面進(jìn)行制作的，也可以用這以外的結(jié)晶面作為主面?；蛘撸怂{(lán)寶石襯底以外，也可以使用能夠生成氮化物半導(dǎo)體的其他襯底。
還有，也可以用導(dǎo)入了n型雜質(zhì)的氮化鎵鋁層來代替非摻雜的氮化鎵鋁層104。
再者，除氮化鎵鋁之外，非摻雜的氮化鎵鋁層104也可以由氮化鋁構(gòu)成。
(第二實(shí)施例)圖6，是顯示本發(fā)明第二實(shí)施例所涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置的剖面圖。
如此圖所示的那樣，本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置，包括用諸如(0001)面作為主面的藍(lán)寶石襯底601；在藍(lán)寶石襯底601的(0001)面上依次設(shè)置的厚度為100納米的氮化鋁緩沖層602、厚度為2微米的非摻雜的氮化鎵層603、厚度為25納米的非摻雜的氮化鎵鋁層604、厚度為5納米且摻雜了鎂的第一p型氮化鎵鋁層605、厚度為100納米且摻雜了鎂的第二p型氮化鎵鋁層607及厚度為5納米的高濃度p型氮化鎵層608。在這里，本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置中，非摻雜的氮化鎵鋁層604、第一p型氮化鎵鋁層605及第二p型氮化鎵鋁層607，是由例如Al0.2Ga0.8N構(gòu)成的。第一p型氮化鎵鋁層605中所注入的鎂的濃度為1×1019cm-3左右，第二p型氮化鎵鋁層607中所注入的鎂的濃度為1×1019cm-3左右。
還有，本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置，包括與高濃度p型氮化鎵層608進(jìn)行歐姆接觸，且由鈀構(gòu)成的柵極電極611；與非摻雜的氮化鎵鋁層604進(jìn)行歐姆接觸，且由鈦層和鋁層構(gòu)成的源極電極609及漏極電極610；和氮化硅膜606。因?yàn)榕c第一實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置相同，柵極電極611和高濃度p型氮化鎵層608進(jìn)行的是歐姆接觸，所以在柵極區(qū)域形成了pn結(jié)，此pn結(jié)是由在非摻雜的氮化鎵層和非摻雜的氮化鎵鋁層604之間的界面上形成的2維電子氣和第一p型氮化鎵鋁層605及第二p型氮化鎵鋁層607生成的。因此，與柵極電極和高濃度p型氮化鎵層之間形成肖特基接觸時(shí)的狀態(tài)相比，能夠增大柵極電壓進(jìn)行工作。
還有，與第一實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置相同，在柵極區(qū)域處的氮化硅膜606上形成了開口部。第二p型氮化鎵鋁層607，以掩蓋此開口部的形態(tài)被設(shè)置在第一p型氮化鎵鋁層605上的同時(shí)，并將氮化硅膜606的一部分覆蓋住。
本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置與第一實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置的差異是在第二p型氮化鎵鋁層607(相當(dāng)于圖1中的p型氮化鎵鋁層106)及氮化硅膜606和非摻雜的氮化鎵鋁層604之間設(shè)置了第一p型氮化鎵鋁層605。在氮化鎵系列的電場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，屢屢出現(xiàn)的問題是一旦增大漏極電壓就會(huì)導(dǎo)致漏極電流減少，即所謂的電流崩潰問題。然而，在本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置中，由于在非摻雜的氮化鎵鋁層604上不僅形成了作為鈍化膜起作用的氮化硅膜606，還形成了第一p型氮化鎵鋁層605，所以能夠更好地抑制電流崩潰。這可以解釋成，是因?yàn)樽鳛榘雽?dǎo)體層的第一p型氮化鎵鋁層605自身作為鈍化膜起到了作用，緩解了表面態(tài)對(duì)于溝道所產(chǎn)生的影響。
在制作好本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置并使其工作時(shí)，實(shí)際上并沒有觀察到電流崩潰。
還有，在本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置中，第一p型氮化鎵鋁層605的厚度與由于表面態(tài)形成的耗盡層(從氮化硅膜606和第一p型氮化鎵鋁層605之間的界面擴(kuò)散開的耗盡層)的厚度大致相同。因此，柵極區(qū)域以外的第一p型氮化鎵鋁層605由于表面耗盡層而完全實(shí)現(xiàn)了載流子耗盡。因此，在位于柵極區(qū)域周邊的第一p型氮化鎵鋁層605里的空穴將消失。由此，非摻雜的氮化鎵鋁層604和非摻雜的氮化鎵層603之間的界面上所形成的2維電子氣的濃度在沒有下降的情況下，就能夠減小溝道電阻。還有，本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置，因?yàn)樵跂艠O區(qū)域設(shè)置了第二p型氮化鎵鋁層607，所以將成為常非導(dǎo)通型。
再者，第一p型氮化鎵鋁層605的厚度也可以比表面耗盡層的厚度大，如果由于表面耗盡層或者第一p型氮化鎵鋁層605和非摻雜的氮化鎵鋁層604的接觸所形成的耗盡層，而使第一p型氮化鎵鋁層605完全實(shí)現(xiàn)了載流子耗盡，則能夠使晶體管在不發(fā)生柵極漏電電流的情況下進(jìn)行工作。與此相對(duì)，只是表面耗盡層而第一p型氮化鎵鋁層605沒有完全實(shí)現(xiàn)載流子耗盡時(shí)，因?yàn)樵诜菗诫s的氮化鎵鋁層604中也有擴(kuò)散的耗盡層，所以導(dǎo)致2維電子氣的濃度降低，溝道電阻增加。
還有通常來說，因?yàn)榈锇雽?dǎo)體的再生界面將一度被暴露在空氣中，因此在形成鎵、鋁氧化物的同時(shí)殘留有碳(C)，將很容易形成結(jié)晶缺陷。當(dāng)再生界面是柵極區(qū)域的pn結(jié)界面時(shí)，由于結(jié)晶缺陷則有可能發(fā)生pn結(jié)的自建電壓下降、柵極漏電電流增大，而在本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置中，由于再生界面是第一p型氮化鎵鋁層605和第二p型氮化鎵鋁層607之間的界面，所以能夠降低柵極漏電電流。
下面，關(guān)于圖6所示的本實(shí)施例氮化物半導(dǎo)體裝置的一種制作方法進(jìn)行說明。圖7(a)～圖7(e)，是顯示本實(shí)施例所涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置制作方法的剖面圖。
首先，如圖7(a)所示的那樣，按照金屬有機(jī)化合物汽相淀積法，在藍(lán)寶石襯底601的(0001)面上依次形成厚度為100納米的氮化鋁緩沖層602、厚度為2微米的非摻雜的氮化鎵層603、厚度為25納米的非摻雜的氮化鎵鋁層604、厚度為5納米的第一p型氮化鎵鋁層605。
然后，如圖7(b)所示的那樣，按照使用了硅烷、氨氣及氮?dú)獾幕瘜W(xué)汽相沉積法，在非摻雜的氮化鎵鋁層604上形成了例如膜厚為50納米的氮化硅膜606。其次，按照使用了例如氫氟酸的濕蝕刻，在位于柵極區(qū)域的氮化硅膜606上形成了開口。
然后，如圖7(c)所示的那樣，按照金屬有機(jī)化合物汽相淀積法在形成了氮化硅膜606開口部的第一p型氮化鎵鋁層605上的區(qū)域有選擇地生成了厚度為100納米的第二p型氮化鎵鋁層607及厚度為5納米的高濃度p型氮化鎵層608。此時(shí)，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)氮化硅膜606的掩模開口率(例如4％以下)將第二p型氮化鎵鋁層607的生長(zhǎng)速度設(shè)定在例如11微米/小時(shí)，從而可以形成上表面成為鏡面的第二p型氮化鎵鋁層607。還有，第二p型氮化鎵鋁層607可將氮化硅膜606的一部分覆蓋住。
其后，如圖7(d)所示的那樣，按照使用了例如氯氣(Cl2)氣體的感應(yīng)耦合等離子體干蝕刻等，在氮化硅膜606及第一p型氮化鎵鋁層605中位于第二p型氮化鎵鋁層607兩側(cè)的區(qū)域形成了開口。然后，在此開口部形成了由鈦層和鋁層構(gòu)成的源極電極609及漏極電極610，并在氮?dú)猸h(huán)境中用650攝氏度的溫度進(jìn)行熱處理。
緊接著，如圖7(e)所示的那樣，在高濃度p型氮化鎵層608上形成了由鈀構(gòu)成的柵極電極611。按照以上的方法，能夠制作出本實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體裝置。
(產(chǎn)業(yè)上的利用可能性)本發(fā)明的電場(chǎng)效應(yīng)晶體管，作為在電視機(jī)及其他家用電器的電源電路等所使用的大功率晶體管是很有用的。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體裝置，其特征在于包括襯底；第一氮化物半導(dǎo)體層，設(shè)置在上述襯底的上方；第二氮化物半導(dǎo)體層，設(shè)置在上述第一氮化物半導(dǎo)體層的上面，且禁帶能量比上述第一氮化物半導(dǎo)體層大；絕緣膜，設(shè)置在上述第二氮化物半導(dǎo)體層的上面或者上方，且至少在柵極區(qū)域形成了開口部；第三氮化物半導(dǎo)體層，為p型半導(dǎo)體層，以掩埋形成在柵極區(qū)域的上述開口部的形態(tài)設(shè)置在上述第二氮化物半導(dǎo)體層的上面或者上方，并將上述絕緣膜的一部分覆蓋??；柵極電極，設(shè)置在上述第三氮化物半導(dǎo)體層的上面或者上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述柵極電極，是歐姆電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體裝置，其特征在于還包括第四氮化物半導(dǎo)體層，該第四氮化物半導(dǎo)體層為p型半導(dǎo)體層，設(shè)置在上述第二氮化物半導(dǎo)體層的上面且在上述第三氮化物半導(dǎo)體層的下面，并且上述絕緣膜，是在上述第四氮化物半導(dǎo)體層的上面形成的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮化物半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述第四氮化物半導(dǎo)體層的厚度，是在從上述第四氮化物半導(dǎo)體層和上述絕緣膜之間的界面向上述第四氮化物半導(dǎo)體層中擴(kuò)散的耗盡層的深度以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4中任意一項(xiàng)所述的氯化物半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述的氮化物半導(dǎo)體裝置，是常非導(dǎo)通型。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述的第一氮化物半導(dǎo)體層是由GaN構(gòu)成的，上述的第二氮化物半導(dǎo)體層是由AlxGa1-xN構(gòu)成的，且0＜X≤1，上述的第三氮化物半導(dǎo)體層是由AlyGa1-yN構(gòu)成的，且0≤y≤1，上述的第四氮化物半導(dǎo)體層是由AlzGa1-zN構(gòu)成的，且0≤z≤1。
7.一種氮化物半導(dǎo)體裝置，其特征在于包括襯底；第一氮化物半導(dǎo)體層，設(shè)置在上述襯底的上方；第二氮化物半導(dǎo)體層，設(shè)置在上述第一氮化物半導(dǎo)體層的上面，且禁帶能量比上述第一氮化物半導(dǎo)體層大；第三氮化物半導(dǎo)體層，為p型半導(dǎo)體層，設(shè)置在上述第二氮化物半導(dǎo)體層的上面；絕緣膜，設(shè)置在上述第三氮化物半導(dǎo)體層的上面，至少在柵極區(qū)域形成了開口部；第四氮化物半導(dǎo)體層，為p型半導(dǎo)體層，以掩埋形成在柵極區(qū)域的上述開口部的形態(tài)設(shè)置在上述第二氮化物半導(dǎo)體層的上面或者上方；柵極電極，設(shè)置在上述第四氮化物半導(dǎo)體層的上面或者上方。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的氮化物半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述第三氮化物半導(dǎo)體層的厚度，是在從上述第三氮化物半導(dǎo)體層和上述絕緣膜之間的界面向上述第三氮化物半導(dǎo)體層中擴(kuò)散的耗盡層的深度以下。
9.一種氮化物半導(dǎo)體裝置的制作方法，其特征在于包括工序a，在襯底上形成第一氮化物半導(dǎo)體層；工序b，在上述第一氮化物半導(dǎo)體層上形成禁帶能量比上述第一氮化物半導(dǎo)體層大的第二氮化物半導(dǎo)體層；工序c，在上述第二氮化物半導(dǎo)體層的上面或者上方形成柵極區(qū)域已形成了開口部的絕緣膜；工序d，以掩埋上述絕緣膜的上述開口部的形態(tài)在上述第二氮化物半導(dǎo)體層的上面或者上方堆積氮化物半導(dǎo)體，形成將上述絕緣膜的一部分覆蓋住的p型第三氮化物半導(dǎo)體層；工序e，在上述第三氮化物半導(dǎo)體層的上面或者上方形成柵極電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的氮化物半導(dǎo)體裝置的制作方法，其特征在于在上述工序c中，上述開口部的面積與包括上述開口部的上述絕緣膜的整個(gè)面積之比在4％以下。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的氮化物半導(dǎo)體裝置的制作方法，其特征在于在上述工序d中，第三氮化物半導(dǎo)體層的生長(zhǎng)速度設(shè)定在11微米/小時(shí)以上。
全文摘要
一種能夠獲得充足電流密度的常非導(dǎo)通型氮化物半導(dǎo)體裝置。在襯底(601)上依次形成氮化鋁緩沖層(602)、非摻雜的氮化鎵層(603)、非摻雜的氮化鎵鋁層(604)、第一p型氮化鎵鋁層(605)、第二p型氮化鎵鋁層(607)、高濃度p型氮化鎵層(608)，且柵極電極(611)和高濃度p型氮化鎵層進(jìn)行歐姆接觸。在非摻雜的氮化鎵鋁層上設(shè)有源極電極(609)及漏極電極(610)。在柵極區(qū)域形成了由非摻雜的氮化鎵鋁層和非摻雜的氮化鎵層之間的界面上產(chǎn)生的2維電子氣和第一p型氮化鎵鋁層及第二p型氮化鎵鋁層生成的pn結(jié)。還有，第二p型氮化鎵鋁層將氮化硅膜(606)的一部分覆蓋住。
文檔編號(hào)H01L21/335GK101022128SQ20061014286
公開日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2006年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月16日
發(fā)明者引田正洋, 柳原學(xué), 上田哲三, 上本康裕, 田中毅 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社