專利名稱：場效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用第III族氮化物半導(dǎo)體的場效應(yīng)晶體管。
技術(shù)背景近年來，具有AlGaN (上層)/GaN (下層(襯底側(cè)))結(jié)構(gòu)的電 子器件已被更廣闊地開發(fā)。由于AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)的寬帶隙特性，它具 有高擊穿電壓特性，并且被認(rèn)為尤其可用于在較高電壓下操作的髙頻/ 高輸出器件和反相器電源。在專利文獻(xiàn)1中描述了一種公知的、具有AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng) 異質(zhì)結(jié)晶體管。圖2是示意性截面圖，其示出了該文獻(xiàn)所述的晶體管 的基本配置。通過下述過程來制造圖2所示的晶體管。首先，在高電阻率SiC襯底24之上，通過MOCVD工序順序沉積 用作溝道層的未摻雜GaN (i-GaN)溝道層25和包含n型AlGaN的 AlGaN電子施主層26。然后，通過CVD工序沉積SiN膜27。此后， 通過具體在稍后將形成柵電極22、漏電極23及源電極21的區(qū)域中移 除SiN膜27來形成開口，然后形成電極。以這種方式，獲得了圖2所 示的基本結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，柵電極22被形成在AlGaN電子施主層 26上，并與之相接觸。圖3是示出了在圖2所示晶體管的柵電極22正下方的區(qū)域的能帶 圖(band chart)。如圖3所示，在柵電極22正下方，在AlGaN電子施主層26和未 摻雜GaN溝道層25之間出現(xiàn)了較大壓電極化，其歸因于其間的晶格不 匹配。結(jié)果，在AlGaN電子施主層26和未摻雜GaN溝道層25之間的 界面處，在AIGaN電子施主層26中產(chǎn)生了正極化電荷，并在未摻雜 GaN溝道層25中感應(yīng)出負(fù)二維電子氣。在AlGaN電子施主層26的表 面?zhèn)?，即，在其柵電極側(cè)的界面處，在AlGaN龜子施主層26中感應(yīng)出 負(fù)電荷，該負(fù)電荷與由壓電和自發(fā)極化產(chǎn)生的正電荷相平衡。AlGaN電子施主層26的Al含量的增加導(dǎo)致了更多通過極化的電 荷的產(chǎn)生，并增加了表面載流子濃度，從而晶體管被設(shè)定為大電流類 型。例如，二維電子氣的表面載流子濃度大約為GaAs基半導(dǎo)體的表面 載流子濃度的10倍。此外，由于其寬帶隙特性，報(bào)道了遠(yuǎn)超出GaAs 基半導(dǎo)體功率密度的功率密度。在這里引入了表層SiN膜27來減少外部影響并穩(wěn)定操作。SiN膜 27緊密影響在AlGaN電子施主層26的表層部分附近的深能級和極化 電荷。如果SiN膜27的厚度較大，則能夠補(bǔ)償極化電荷和施主能級。因 此，在AlGaN電子施主層26和SiN膜27之間的界面將表現(xiàn)為無能級 的理想界面(排除了任何影響)。相反，當(dāng)未提供SiN膜27時，或當(dāng) SiN膜27僅僅具有較小厚度時，則僅僅將極化電荷和施主能級補(bǔ)償?shù)?不充分的程度，留下表層能級未被補(bǔ)償。因此，晶體管特性可以根據(jù) SiN膜27的厚度而大大改變。當(dāng)未提供SiN膜27時，或當(dāng)SiN膜27僅僅具有較小厚度時，可 能產(chǎn)生被己知是電流崩塌的特定問題。崩塌意味著，當(dāng)晶體管在大信 號下操作時，晶體管由于表面能級的響應(yīng)導(dǎo)致從負(fù)電荷被釋放和捕獲 的狀態(tài)轉(zhuǎn)變到保持捕獲的狀態(tài)，并因此抑制最大漏電流。如果崩塌變 得顯著，則在大信號操作下的漏電流可被抑制，并由此能夠降低飽和輸出。崩塌有時可產(chǎn)生i-v特性的滯后，并可能使操作失穩(wěn)。圖4是示出了對不提供SiN膜27的配置實(shí)際測量的IV特性的圖 示。如圖4所示，在沒有提供SiN膜的情況下，可在IV特性中看到大 滯后。如在上文中所描述的，可能需要在一定程度上或更多地加厚SiN 膜27，以充分減少崩塌。然而，加厚的SiN膜27可消除(cancel)表 面負(fù)電荷，電流可更加集中在柵極和漏極之間的區(qū)域中，從而可降低 柵極的擊穿電壓。簡而言之，在崩塌和柵極擊穿電壓之間存在折衷。在本說明書上下文中的柵極擊穿電壓意味著這樣的電壓在該電 壓處，當(dāng)在柵極和漏極之間施加反向電壓時，柵極泄漏電流開始在柵 極-漏極反向方向上流動。順便提一下，在專利文獻(xiàn)2中描述了一種公知的改進(jìn)晶體管的IV 特性的技術(shù)。專利文獻(xiàn)2描述了使用n型Al。.25Ga。.75N層作為載流子施 主層并使用i-GaN層作為載流子流動層的HEMT (高電子遷移率晶體 管)。該文獻(xiàn)示出了具有GaN層的結(jié)構(gòu)，并且該GaN層被包括在載流 子施主層的上部中作為表面層，該GaN層具有與載流子流動層相同的 導(dǎo)電類型，即n型GaN層。圖5是截面圖，其示出了該文獻(xiàn)所述的晶體管的基本配置。在圖5所示的晶體管中，GaN溝道層35、 AlGaN電子施主層36 及n型GaN層37被按此順序堆疊在襯底34上。在GaN層37上，提 供了源電極31、漏電極33及柵電極32。在源電極31和柵電極32之 間的區(qū)域中及在柵電極32和漏電極33之間的區(qū)域中提供SiN膜38。[專利文獻(xiàn)l]日本特開專利公開No. 2004-342810[專利文獻(xiàn)2]日本特開專利公開No. 2002-359256 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的發(fā)明人廣泛地研究了具有上面參考圖5所述的基礎(chǔ)配置 的晶體管。研究的細(xì)節(jié)將在下文中解釋。在圖5所示的配置中，GaN層37被提供作為表面層，其具有改善 可歸因于AIGaN電子施主層106的深能級問題和氧化問題的效果。因 此可獲得穩(wěn)定的操作。該主題將參考圖6來解釋。圖6是示出了在圖5 所示晶體管的柵電極32正下方的能帶圖。在圖6中的"GaN表面層" 對應(yīng)于GaN層37。如圖6中所示，通過引入表層GaN層37，可增加在GaN層37和 AlGaN電子施主層36之間的界面處的、AlGaN電子施主層36的有效 肖特基勢壘高度。結(jié)果，可以增加?xùn)艠O的反向擊穿電壓。此外，通過引入表層GaN層37，存在于表層AlGaN電子施主層 36的界面處，即GaN層37和AlGaN電子施主層36的界面處，的AlGaN 電子施主層36中的負(fù)極化電荷可遠(yuǎn)離AlGaN電子施主層36的表面。 因此，形成SiN膜的影響可被顯著減小。結(jié)果，減輕了崩塌，并且穩(wěn) 定了操作。然而，從我們的研究中，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了當(dāng)采用圖5所示 的傳統(tǒng)配置時以前并不公知的新問題。首先，圖5所示的配置通過摻雜GaN層37以降低有效勢壘高度 從而降低界面電位，由此增加表面載流子濃度。更具體地，在背景技 術(shù)部分中提到的專利文獻(xiàn)2描述了具有2X 1018 cnT3的摻雜濃度的n型 GaN保護(hù)層的形成。然而，從本發(fā)明發(fā)明人的研究預(yù)期到，增加的GaN層37的摻雜 濃度可能增加?xùn)烹姌O32的漏極側(cè)端處的電場強(qiáng)度。此外，在柵極和漏 極之間的非柵極區(qū)域中的電場強(qiáng)度可增加，并從而能夠降低柵極的擊 穿電壓。另一方面，對于如圖5所示配置中表層GaN層37保持未摻雜 (i-GaN)的情況來說，在柵電極32正下方的溝道中的表面載流子(二 維電子氣)濃度可較低，并因此可產(chǎn)生僅僅達(dá)到不充分程度的溝道電 流。在圖5所示的晶體管中，作為肖特基電極的柵電極32形成在表層 GaN層37之上。在這種情況下，在柵電極32正下方的區(qū)域中的耗盡 層存在于與表面耗盡層相同的位置處，該表面耗盡層歸因于存在于GaN層37的表層部分中的深能級。這意味著，在柵電極32正下方的 耗盡層不能完全排除來自非柵極區(qū)域中耗盡層的影響。結(jié)果，通過非 柵極區(qū)域中GaN層36的表面附近產(chǎn)生的表層能級獲得的載流子的釋放 和捕獲，尤其在漏極側(cè)的柵極端附近，可能有時不完全響應(yīng)于輸入到 柵電極32的大信號的高頻率。還預(yù)期到，上述表層電平可能引發(fā)另一 個電流崩塌的原因，以及可阻止提取出充分水平的高頻輸出。因此， 預(yù)期不能完全增加功率密度。在考慮了上述情況后設(shè)想了本發(fā)明，并且本發(fā)明提供了在崩塌和 柵極擊穿電壓之間優(yōu)越權(quán)衡的晶體管。基于上述主題，本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。本發(fā)明的 發(fā)明人最后發(fā)現(xiàn)下述結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠抑制歸因于表層能級的崩塌， 同時減少在AlGaN層中的深能級的影響，從而保持較高的柵極擊穿電 壓，并實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。.根據(jù)本發(fā)明，提供了場效應(yīng)晶體管，包括包括第一未摻雜GaN層的溝道層；提供在溝道層之上并與之接觸的電子施主層，該電子施主層由AlxGa^N((Kx^l)組成；提供在電子施主層上的第二未摻雜GaN 層；提供在第二未摻雜GaN層上并彼此間隔開的源電極和漏電極；提 供在源電極和漏電極之間的區(qū)域中并延伸通過第二未摻雜GaN層的凹 槽；柵電極，埋入凹槽并特別地在其漏電極側(cè)與凹槽側(cè)壁相接觸、以 及在其底部與電子施主層相接觸；以及處于柵電極和漏電極之間的區(qū) 域中的、提供在第二未摻雜GaN層上的絕緣薄膜。在本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管中，柵電極在其底部與電子施主層相接 觸，并且在柵電極和漏電極之間的區(qū)域中，在電子施主層上提供第二 未摻雜GaN層。因此，存在于電子施主層中的負(fù)極化電荷可從電子施 主層的表面被帶離。因此，有效抑制了崩塌。柵電極被埋入凹槽中并在漏電極側(cè)與凹槽的側(cè)壁相接觸。換句話 說，在柵電極和漏電極之間的區(qū)域中，提供第二未摻雜GaN層以從柵 電極的側(cè)面延伸到漏電極。由于電子施主層完全被第二未摻雜GaN層 覆蓋，因此在其處于漏電極側(cè)的柵電極端部分處的區(qū)域中，非柵極區(qū) 域的表面電位和在柵電極正下方的表面電位可被完全隔離。依靠這種 配置，在漏電極側(cè)的柵電極端部附近的非柵極區(qū)域中不會形成這樣的 區(qū)域，該區(qū)域不能響應(yīng)高頻并且影響在柵電極正下方的區(qū)域高頻特性。 根據(jù)該配置，可完全避免崩塌。因此，該配置可成功改善高頻特性并 可提高操作穩(wěn)定性。由于在電子施主層和絕緣膜之間提供了未摻雜GaN層，本發(fā)明還 成功地緩和了柵電極的漏極側(cè)端處的電場集中，并增加了柵極的擊穿 電壓。由于在本發(fā)明中，柵電極被埋入到凹槽中，因此第二未摻雜GaN 層被布置在柵電極在漏極側(cè)的側(cè)表面附近。因此，這種配置能夠更有 效地抑制在柵電極的漏極側(cè)端處的電場集中。由于在本發(fā)明中，未摻雜GaN層被提供在柵電極和漏電極之間的電子施主層之上，因此在柵極和漏極之間的非柵極區(qū)域中的電場強(qiáng)度 可被降低。因此，可增加?xùn)艠O的擊穿電壓。在本發(fā)明中，凹槽被提供為延伸通過第二未摻雜GaN層。通常通 過凹槽蝕刻來形成凹槽。柵電極被形成為埋入凹槽中，并且在其底部 與電子施主層相接觸。根據(jù)這種配置，即使在電子施主層上提供未摻 雜GaN層的情況下，在柵電極正下方的溝道中的表面載流子濃度也可 確保在充足水平。因此，可產(chǎn)生足夠程度的溝道電流。如從上文清楚獲知的，本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管可改進(jìn)在崩塌和柵 極擊穿電壓之間的折衷，其中可同時增加?xùn)艠O擊穿電壓并抑制崩塌。在本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管中，在沿柵極長度方向得到的截面圖中， 柵電極的源電極側(cè)和漏電極側(cè)的凹槽側(cè)壁與柵電極側(cè)壁可以彼此直接 接觸。這種配置可進(jìn)一步增加源極電阻率，并可改進(jìn)器件特性。在本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管中，柵電極可完全充滿凹槽。在本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管中，柵電極可具有場極板部分，該場極 板部分在絕緣膜上形成并朝向漏電極側(cè)鼓出鼓出，就像遮篷。根據(jù)這 種配置，可更有效地緩和在柵電極的漏極側(cè)端處的電場的集中。因此， 柵極擊穿電壓可進(jìn)一步提高。在本發(fā)明中，具有低界面能級強(qiáng)度的絕緣層，可被用作柵電極附 近區(qū)域之外的區(qū)域中的第二未摻雜GaN層上提供的絕緣膜。根據(jù)這種 配置，在柵電極和漏電極之間可能發(fā)生的崩塌可被有效抑制。這種種 類的絕緣膜可具體示例為含氮絕緣膜，并且進(jìn)一步具體化為SiN膜、 SiON膜及SiCN膜。以這種方式，可獲得減少崩塌和柵極泄漏電流還適于較高輸出配置的晶體管。在本發(fā)明中，柵電極可具有T形式或Y形式。根據(jù)這種配置，可 減少柵極電阻率，可提高增益，因此可進(jìn)一步改進(jìn)高頻特性。如從上文解釋中清楚獲知的，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)在崩塌和柵極擊穿電 壓之間優(yōu)越平衡的晶體管。


本發(fā)明的上述和其它目的、優(yōu)點(diǎn)和特征，將通過下述結(jié)合附圖的特定優(yōu)選實(shí)施例的描述而變得更加明顯。圖1是截面圖，其示出了實(shí)施例中的半導(dǎo)體器件的配置；圖2是截面圖，其示出了傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的配置；圖3是示出在圖2所示半導(dǎo)體器件的柵電極正下方的區(qū)域的能帶圖的圖示；圖4是示出半導(dǎo)體器件的IV特性的測量結(jié)果的圖示； 圖5是截面圖，其示出了傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的配置； 圖6是示出在圖5所示半導(dǎo)體器件的柵電極正下方的區(qū)域的能帶 圖的圖示；圖7是示出了實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的柵電極正下方的區(qū)域和非柵 極區(qū)域的能帶圖的圖示；圖8是示出實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的未摻雜GaN層厚度與有效勢壘高度之間的關(guān)系的圖示；以及圖9是示出實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的未摻雜GaN層厚度與表面載流 子密度之間的關(guān)系。
具體實(shí)施方式
下文中，將參考附圖解釋本發(fā)明的實(shí)施例。注意到任何共有的構(gòu) 件將在所有附圖中被給予相同的參考數(shù)字，以使得出于方便目無需重 復(fù)解釋。在本說明書中，所有堆疊的結(jié)構(gòu)將被表達(dá)為"上層/下層(襯底側(cè))"。圖1是截面圖，其示出了化合物半導(dǎo)體器件的配置。半導(dǎo)體器件 100是將氮化物基第III —V族化合物半導(dǎo)體用于溝道層的異質(zhì)結(jié)場效 應(yīng)晶體管。半導(dǎo)體器件100具有第三族氮化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包括未摻雜GaN (i-GaN)溝道層105、提供在未摻雜GaN溝道層105之上并與之 接觸的AlGaN電子施主層106、以及提供在AlGaN電子施主層106之 上并與之接觸的未摻雜GaN (i-GaN)層107。在半導(dǎo)體器件100中，通過AlGaN電子施主層106的極化電荷和 施主層，感應(yīng)出溝道或二維電子氣。未摻雜GaN溝道層105被提供為與襯底104相接觸，并且是用作 電子運(yùn)動層的第一未摻雜GaN層。未摻雜GaN溝道層105用作溝道層。 襯底104通常包括高電阻率SiC襯底。AlGaN電子施主層106被提供在未摻雜GaN溝道層105之上并與 之相接觸，并由AlxGaLxN((Kx2l)組成。AlGaN電子施主層106用作電 子施主層。AlGaN電子施主層106通常包括摻雜n-AlGaN層。未摻雜GaN層107是提供在AlGaN電子施主層106之上的第二未 摻雜GaN層。未摻雜GaN (i-GaN)層107用作表面層。未摻雜GaN 層107的表面使用SiN膜109來提供表面保護(hù)，該SiN膜109是含氮絕緣膜。在未摻雜GaN層107上的預(yù)定區(qū)域上，彼此間隔地提供源電極101 和漏電極103。在源電極101和漏電極103之間的區(qū)域中，提供了延伸通過未摻雜GaN層107的凹槽111。凹槽111的底表面由AlGaN電子施主層106 構(gòu)成。凹槽111的側(cè)面由延伸通過未摻雜GaN層107和SiN膜108的 開口的內(nèi)壁組成?？赏ㄟ^凹槽蝕刻來形成這種種類的凹槽111。在源電極101和漏電極103之間的區(qū)域中，柵電極102被提供在 AlGaN電子施主層106的頂表面上并與之相接觸。柵電極102被埋在 凹槽111中，并在其底部處與AlGaN電子施主層106進(jìn)行肖特基接觸。在半導(dǎo)體器件100中，柵電極102完全充滿凹槽111，其中，在 沿柵極長度方向得到的截面圖中，在漏電極103側(cè)的凹槽111的側(cè)壁 和柵電極102的側(cè)壁彼此直接接觸。在半導(dǎo)體器件100中，在源電極 101側(cè)的凹槽111的側(cè)壁和柵電極102的側(cè)壁彼此直接接觸。圖1在此示出了示例性配置，其中，柵電極102的底部高度與 AlGaN電子施主層106的頂部高度一致，但該配置并不限于此，只要 在柵電極102的漏極側(cè)端處的電場的集中被充分地抑制，允許例如在 柵電極102底部附近的部分被壓入到AlGaN電子施主層106中?？稍跂烹姌O102和AlGaN電子施主層106之間在柵電極102正下 方提供插入層，只要可保證柵電極102正下方的表面載流子濃度處于 充分的水平。還可在AlGaN電子施主層106和未摻雜GaN層107之間提供插入 層，只要在柵電極102正下方的區(qū)域中的表面電位和非柵極區(qū)域中的 表面電位可被可靠隔離。柵電極102具有場極板部分(鼓出部分110)，該場極板部分(鼓 出部分110)在SiN膜108上形成并在其上朝向漏電極103側(cè)鼓出，就 像遮篷。在半導(dǎo)體器件100中，還在源電極101側(cè)為柵電極102提供了用作場極板的鼓出部分109。在柵電極102和漏電極103之間的區(qū)域中提供了絕緣膜(SiN膜 108)，其與未摻雜GaN層107相接觸。SiN膜108用作表面保護(hù)膜(此 后簡稱為"保護(hù)膜")。接下來，將解釋制造半導(dǎo)體器件100的方法。首先，在由髙電阻率SiC構(gòu)成的襯底104上，順序堆疊用作溝道 層的未摻雜GaN溝道層105、 AlGaN電子施主層106及用作表面層的 未摻雜GaN層107。然后，SiN膜108通過CVD被沉積在未摻雜GaN 層107上。在稍后將形成柵電極102、漏電極103及源電極101的區(qū)域 中，選擇性地蝕刻SiN膜108以形成開口。然后，在開口中形成單獨(dú)的電極。在此工序中，源電極101和漏 電極103被形成，并且通常通過在650°C的退火來造成歐姆接觸。柵 電極102以這種方式來形成在用于形成柵電極102的區(qū)域中，將SiN 膜108的開口中暴露的未摻雜GaN層107蝕刻掉，通過真空蒸發(fā)沉積 諸如Ni (上層)/Au (下層(襯底側(cè)))的金屬，然后在AlGaN電子 施主層106之上形成柵電極102。優(yōu)選通過干法蝕刻來執(zhí)行未摻雜GaN 層107的蝕刻。通過采用干法蝕刻，可形成柵電極102的側(cè)壁和未摻 雜GaN層107的側(cè)壁，同時阻止在其間形成任何縫隙，以使得可以具 有高產(chǎn)率的穩(wěn)定方式獲得柵電極102與未摻雜GaN層107在它們的側(cè) 表面上直接接觸的配置。根據(jù)上述過程，獲得了圖1所示的半導(dǎo)體器 件100。在由此獲得的半導(dǎo)體器件100中，在源電極101和漏電極103之 間的預(yù)定區(qū)域中，凹槽lll被形成為延伸通過SiN膜108和未摻雜GaN 層107。柵電極102完全充滿凹槽111，并在其底部處與AlGaN電子施 主層106相接觸，以及在其側(cè)表面處與未摻雜GaN層107相接觸?，F(xiàn)返回參考圖2，在柵電極22和漏電極23之間的區(qū)域中，在上 文中解釋的傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件具有形成于AlGaN電子施主層26上的SiN 膜27，該SiN膜27與AlGaN電子施主層26直接接觸。然而，該配置 遇到這樣的問題當(dāng)出于抑制崩塌的目的而增加SiN膜27的厚度時， 會降低柵極的擊穿電壓，這是由柵電極22的漏極側(cè)端處的電場集中所 導(dǎo)致的。相反地，在圖1所示的半導(dǎo)體器件100中，在柵電極102和漏電 極103之間的區(qū)域中，未摻雜GaN層107被插入到AlGaN電子施主層 106與SiN膜108之間。因此，即使當(dāng)SiN膜108的厚度增加時，也可 抑制在柵電極102的漏極側(cè)端處的電場的集中，并由此可以提高柵極 的擊穿電壓。當(dāng)如圖1所示，柵電極102的底部位置與在AlGaN電子 施主層106和未摻雜GaN層107之間界面的位置相一致時，這種效應(yīng) 變得顯著。如圖1所示，當(dāng)未摻雜GaN層107被形成為與柵電極102 在其漏極側(cè)的側(cè)表面相接觸時，這種效應(yīng)也變得顯著。當(dāng)未摻雜GaN 層107被形成在柵電極102的漏極側(cè)端與漏電極103的柵極側(cè)端之間 的區(qū)域中時，即在非柵極區(qū)域的整個范圍之上時，這種效應(yīng)也變得顯 著。在背景技術(shù)中參考圖5已經(jīng)描述了在電子施主層和SiN膜之間插 入GaN層的公知技術(shù)。在圖5中示出的器件通過在AlGaN電子施主層 36上摻雜GaN層37以降低有效勢壘高度，從而提高表面載流子濃度。 然而，這種技術(shù)被預(yù)期到，GaN層37的摻雜濃度的升高會增強(qiáng)柵電極 32的漏極側(cè)端處的電場的集中，或可增強(qiáng)非柵極區(qū)域中的電場強(qiáng)度， 并因此可能降低柵極的擊穿電壓。相反地，在半導(dǎo)體器件100中，未摻雜GaN層107被提供作為在 AlGaN電子施主層106和SiN膜108之間的插入層。因此，可阻止柵 極擊穿電壓的降低，同時確保在非柵極區(qū)域中的有效勢壘高度的足夠水平。更具體地，可以抑制在柵電極102的漏極側(cè)端處的電場的集中， 并且可有效降低在非柵極區(qū)域中的電場強(qiáng)度。此外，在半導(dǎo)體器件100中，柵電極102被埋入未摻雜GaN層107 中，并且柵電極102的底部表面和AlGaN電子施主層106相接觸。根 據(jù)這種配置，柵電極102正下方的區(qū)域中的表面載流子濃度可被增加 到足夠的程度，而不論該配置是否將未摻雜GaN層107提供在AlGaN 電子施主層106之上。如上所述，半導(dǎo)體器件100可獲得溝道電流的增加以及柵極擊穿 電壓的提高。更具體地，此處獲得的配置通過在未摻雜GaN層107上 提供SiN膜108而具有優(yōu)越的IV特性，并且可抑制在IV曲線中的滯 后，這些己在上文中參考圖4進(jìn)行了解釋。在半導(dǎo)體器件100中，可表現(xiàn)出緩和在柵電極102的漏極側(cè)端處 的電場的集中的效應(yīng)，而不管從柵極長度方向看到的柵電極102的截 面形狀。因此，不僅在如圖1所示為柵電極102配備用作場極板部分 的鼓出部分110的情況下可有效提高柵極的擊穿電壓，而且在例如柵 電極102的截面形狀是如圖2和圖5所示的矩形時，也可有效提高柵 極的擊穿電壓。在示于圖1的配置中，柵電極102具有鼓出部分109和鼓出部分 110以給出場極板結(jié)構(gòu)?？梢愿行У姆绞絹砭徍屯ǔＮ挥跂烹姌O102 在漏電極側(cè)的端部處的電場的集中。結(jié)果，柵極的反向擊穿電壓可進(jìn) 一步增加。在半導(dǎo)體器件100中，柵電極102被埋入在凹槽111中，并且柵 電極102的側(cè)壁在柵電極102的源電極101側(cè)和漏電極103側(cè)與凹槽 111的側(cè)壁都直接接觸。由于未摻雜GaN層107和柵電極102不僅在 漏電極103側(cè)相接觸，而且在源電極101側(cè)也接觸，因此半導(dǎo)體器件IOO被配置為有效降低源電阻率。因此，根據(jù)半導(dǎo)體器件IOO，可提高 包括電流增益特性和高速性能的器件特性。在半導(dǎo)體器件100中，未摻雜GaN層107可在柵電極102和漏電 極103之間被提供在AlGaN電阻施主層106之上。根據(jù)這一配置，在 非柵極區(qū)域中，在提供未摻雜GaN層107的區(qū)域中的表面電位與柵電 極102下方的區(qū)域中的表面電位可被隔離。更好的是，柵電極102被 埋入凹槽111中，并且未摻雜GaN層107朝柵電極102的漏極側(cè)端延 伸，以防止非柵極區(qū)域的耗盡層影響在柵電極102正下方區(qū)域中的耗 盡層。因此，可阻止發(fā)生任何新的崩塌。通過如圖1所示的以柵電極 102完全充滿凹槽111的配置，該效應(yīng)會變得更加顯著，其中該配置可 基本上完全抑制崩塌。簡而言之，在半導(dǎo)體器件100中，凹槽111完全被柵電極102充 滿，并且未摻雜GaN層107被形成為從漏電極103正下方的區(qū)域延伸 到柵電極102的側(cè)表面。柵電極102在其側(cè)表面上與未摻雜GaN層107 相接觸。柵電極102在其側(cè)表面的一部分上還與提供在未摻雜GaN層 107上的SiN膜108相接觸。結(jié)果，半導(dǎo)體器件IOO被配置為使得在 柵電極102正下方的區(qū)域中的表面電位與在柵電極102和漏電極103 之間的區(qū)域或非柵極區(qū)域的表面電位完全隔離。因此，半導(dǎo)體器件IOO 被配置為使得可以任意和獨(dú)立的方式來設(shè)計(jì)在柵電極102正下方的區(qū) 域中的表面電位和在非柵極區(qū)域中的表面電位，有意使它們彼此不同。在上文參考圖2和圖5描述的半導(dǎo)體器件中，柵電極102和漏電 極103被提供在相同的層上，使得在非柵極區(qū)域中的表面電位和在柵 電極正方的區(qū)域中的表面電位不能被隔離。出于這個原因，非柵極區(qū) 域中的耗盡層可能對在柵電極102正下方的區(qū)域中的耗盡層產(chǎn)生不利 影響，從而可能破壞高頻特性。層107直接接觸，使得在柵電極102正下方的區(qū)域中的表面電位與非 柵極區(qū)域中的表面電位完全隔離。由于在柵電極102正下方的區(qū)域中 的耗盡層與未摻雜GaN層107的表面能級完全隔離，因此在柵電極102 的漏極端側(cè)附近的非柵極區(qū)域中不會形成不能響應(yīng)高頻且會影響柵 電極102正下方區(qū)域的高頻特性的區(qū)域。因此，根據(jù)半導(dǎo)體器件100，可完全排除歸因于非柵極區(qū)域中的 表面能級的崩塌的影響。結(jié)果，當(dāng)將大信號輸入到柵電極102時，載 流子的捕獲和釋放將不會對高頻造成不利影響，從而可提取充分水平 的高頻輸出。將在此更具體地解釋在柵電極102被完全埋入到未摻雜GaN層 107中的情況下可預(yù)期到的影響。在半導(dǎo)體器件100中，在AlGaN電子施主層106中產(chǎn)生極化電荷， 以及在該AlGaN電子施主層106的表層側(cè)電位顯著上升。如果未摻雜GaN層107被引入到AlGaN電子施主層106的表面， 并且柵電極102被完全埋入到未摻雜GaN層107中，則里面形成有柵 電極102的部分(柵極區(qū)域)和非柵極區(qū)域?qū)l(fā)生能帶結(jié)構(gòu)的變化。作為埋入柵極的結(jié)果所產(chǎn)生的柵極區(qū)域和非柵極區(qū)域的有效肖特 基勢壘高度，現(xiàn)在分別假定為e0b(AlGaN)和e沐(eff)。它們利用AlGaN 電子施主層106的摻雜量(Nd)、AlGaN電子施主層106的厚度(^1(3^)、 未摻雜GaN層107的厚度(tGaN)、表面載流子濃度(ns)、及AEc (勢 壘高度)來確定。e伸(AlGaN)和e沐(eff)的大小的關(guān)系可由按情況分類的方程(1)-(3)來表達(dá)。Nd * t方程(1)顯示出在柵電極102正下方的肖特基勢壘高度變得低 于非柵極區(qū)域的肖特基勢壘高度，并且非柵極區(qū)域的表面載流子濃度 大于柵極區(qū)域的表面載流子濃度。Nd"AK3aN -ns+tGaN^^ns/^tGaN), ^ = (t AIGaN , tGaN, Nd)方程(2)顯示出在柵電極102正下方的肖特基勢壘高度變得等于非柵極區(qū)域的勢壘高度，并且情況變得與表面層中不電存在未摻雜GaN層等效。Nd"AiGaN <ns + tGaN*(ans/5tGaN),ns = ns(、^,1。^,:^)方程(3)顯示出在柵電極102正下方的肖特基勢壘髙度變得大 于非柵極區(qū)域的勢壘高度，并且非柵極區(qū)域的表面載流子濃度小于柵 極區(qū)域的表面載流子濃度。由公式(1)到(3)所表達(dá)的關(guān)系將參考圖7 (a)-圖7 (d)進(jìn) 行解釋。圖7 (a)-圖7 (d)是示出半導(dǎo)體器件100的柵電極102正下 方的區(qū)域和非柵極區(qū)域的能帶圖的圖示。圖7 (a)是在柵電極102正下方的區(qū)域的能帶圖。如前面參考圖 l所述，在柵電極102正下方的區(qū)域中，由于通過凹槽蝕刻移除了未摻 雜GaN層107，可如此處所示給出能帶圖。圖7 (b)-圖7 (d)示出了上面形成有未摻雜GaN層107的非柵 極區(qū)域，其中，AlGaN電子施主層106的厚度以三種方式變化。在AlGaN電子施主層106的厚度較小(圖7 (b))的情況下，通 過未摻雜GaN層107提升電位。結(jié)果，有效勢壘高度變得高于在柵電極102正下方的區(qū)域中的有效勢壘高度。情況對應(yīng)于由方程(1)所表 達(dá)的關(guān)系。相反地，在AlGaN電子施主層106的厚度較大(圖7 (d))的情 況下，非柵極區(qū)域的有效勢壘高度被建議降低到低于柵極區(qū)域的有效 勢壘高度。情況對應(yīng)于由方程(3)所表達(dá)的關(guān)系。此外可選擇地，可能有基于AlGaN電子施主層106的厚度而使柵 極區(qū)域和非柵極區(qū)域的有效勢壘高度變得相等的情況。該情況對應(yīng)于 由方程(2)所表達(dá)的關(guān)系。圖8和圖9是示出使用方程(1) - (3)計(jì)算的柵極區(qū)域和非柵極 區(qū)域中的電位分布的圖示。在圖8和圖9中，在橫軸上繪出未摻雜GaN 層107的厚度，未摻雜GaN層107的0厚度對應(yīng)于柵極區(qū)域，以及未 摻雜GaN層107的厚度的正區(qū)域?qū)?yīng)于非柵極區(qū)域。首先，圖8是示出未摻雜GaN層107的厚度與有效肖特基勢壘高 度e0b(eff)之間的關(guān)系的圖示。圖8示出了當(dāng)AlGaN電子施主層106 的載流子濃度假定為1.5X1018 cm-s且極化電荷密度假定為5X1012cnT2 時所獲得的能帶計(jì)算結(jié)果。從圖8可知，當(dāng)AlGaN電子施主層106的厚度為100 A (10nm) 時，非柵極區(qū)域中的e^)b(eff)隨著未摻雜GaN層107厚度的增加而增加。 另一方面，當(dāng)AIGaN電子施主層106的厚度為200人時，e彿(eff)隨著 未摻雜GaN層107厚度的增加而相反減小。此外可選擇地，當(dāng)AlGaN電子施主層106的厚度為125 A時， e0b(eff)保持為常數(shù)而不管未摻雜GaN層107的厚度，并且變得等于未 摻雜GaN層107厚度為0的情況。在這種情況下獲得的結(jié)構(gòu)使得非柵 極區(qū)域的e0b(eff)等于柵極區(qū)域的e抽(AlGaN)。如圖8中所示，在半導(dǎo)體器件100中，可通過調(diào)節(jié)AlGaN電子施 主層106的厚度，來設(shè)計(jì)柵極區(qū)域和非柵極區(qū)域的表面特性。具體地，如公式(1)和圖7 (b)中所示，對于非柵極區(qū)域的電 位大于在柵極正下方的電位的情況來說，從柵電極102向漏電極103 運(yùn)動的電子不跳過電位勢壘高度差則不能通過非柵極區(qū)域。因此，泄 漏電流，另外情況下在柵極和漏極之間施加反向電壓時發(fā)生，可被顯 著減少。這意味著可獲得很高的柵極擊穿電壓。考慮到在半導(dǎo)體器件100中產(chǎn)生充分的溝道電流，表面載流子濃 度可優(yōu)選地設(shè)置為較大。此外，考慮到減少漏電極正下方的區(qū)域中的 電阻率，未摻雜GaN層107的厚度可優(yōu)選地設(shè)置為，例如，200人或 更小，以及更優(yōu)選地設(shè)置為IOOA或更小。然后本發(fā)明的發(fā)明人還進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，意在實(shí)現(xiàn)具有高表 面載流子濃度同時將未摻雜GaN層107的厚度抑制到較低水平的結(jié)構(gòu)。 計(jì)算結(jié)果示于圖9中。圖9是示出基于未摻雜GaN層107的厚度而變 化的表面載流子濃度的圖示，其中的表面載流子濃度在與圖8所示相 同的情況下獲得。也在圖9中，類似于圖8，針對AlGaN電子施主層 106的厚度被調(diào)整為100 A、 125A和200A的情況進(jìn)行了計(jì)算。從圖9可知，當(dāng)未摻雜GaN層107的厚度為IOOA或更小時，表 面載流子濃度變?yōu)閘E12/cn^或附近?；贏lGaN電子施主層106的濃 度變化并未發(fā)現(xiàn)顯著的增加或降低。另一方面，當(dāng)未摻雜GaN層107的厚度為125A和200A時，即 使AlGaN電子施主層106的厚度落入到大約100人或更小的相對小范 圍內(nèi)，表面載流子濃度也可進(jìn)一步增加。因此，很清楚，如果未摻雜 GaN層107的厚度被設(shè)置為125 A和200 A，對于柵電極部分和非柵極區(qū)域兩者都允許高自由度下的更好電位設(shè)計(jì)，而不需要考慮表面載流 子濃度的變化。圖8和圖9中所示的結(jié)果表達(dá)了通過將柵電極102埋入到未摻雜GaN層107中可獲得的特性。如上文所述，半導(dǎo)體器件100是將氮化物基第III-V族化合物半導(dǎo) 體用于溝道層的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，并被配置為在崩塌和柵極高擊 穿電壓之間進(jìn)行良好的平衡，以及可在高頻下工作，并且能夠穩(wěn)定地 在高電流密度下操作。半導(dǎo)體器件100還被配置為具有優(yōu)越的可靠性 和操作穩(wěn)定性。本發(fā)明的實(shí)施例已在上文中參考附圖僅僅作為本發(fā)明的例子進(jìn)行 了描述，允許采用各種不同于上文所描述的配置。例如，在上文的解釋中處理了未摻雜GaN溝道層105上的AlGaN 層由AlGaN電子施主層106構(gòu)成的示例性情況，該AlGaN電子施主層 106由摻雜n-AlGaN層配置，其中，在未摻雜GaN溝道層105上的AlGaN 電子施主層106可為未摻雜(i-AlGaN)或摻雜(n-AlGaN)?；蛘撸?AlGaN電子施主層106可被配置為具有以這種順序堆疊的i-AlGaN和 n-AlGaN。在上文的解釋中處理了 SiN膜108被提供在未摻雜GaN層107上 的示例性情況，其中，在未摻雜GaN層107上的絕緣膜并不限于SiN 薄膜10S，只要該絕緣膜可用作抑制電流崩塌的表面保護(hù)膜。例如，任 何包含氮作為組成元素的膜，諸如SiON膜或SiCN膜，可被采用來替 換SiN膜108。上文中的解釋處理了高電阻率SiC被用作組成襯底104的材料的 情況，其中，也可采用低電阻率襯底?；蛘?，可使用任何其他不同種類的襯底材料，例如藍(lán)寶石、或例如由GaN、 AlGaN等組成的第III 族氮化物半導(dǎo)體襯底。
權(quán)利要求
1.一種場效應(yīng)晶體管，包括溝道層，其由第一未摻雜GaN層構(gòu)成；電子施主層，其與所述溝道層相接觸地被提供在所述溝道層上，并且由AlxGa1-xN(0＜x≤1)構(gòu)成；第二未摻雜GaN層，其被提供在所述電子施主層上；源電極和漏電極，被彼此間隔開地提供在所述第二未摻雜GaN層上；凹槽，提供在所述源電極和所述漏電極之間的區(qū)域中，并延伸通過所述第二未摻雜GaN層；柵電極，被埋入所述凹槽中，具體在所述柵電極的所述漏電極側(cè)與所述凹槽的側(cè)壁相接觸，并在所述柵電極的底部與所述電子施主層相接觸；以及絕緣膜，提供在所述柵電極和所述漏電極之間的區(qū)域中的所述第二未摻雜GaN層上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的場效應(yīng)晶體管， 其中，在沿柵極長度方向獲得的截面圖中，在所述柵電極的所述源電極側(cè)和所述漏電極側(cè)的所述凹槽的側(cè)壁 和所述柵電極的側(cè)壁彼此直接接觸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的場效應(yīng)晶體管， 其中，所述凹槽通過凹槽蝕刻形成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l-3任何一項(xiàng)所述的場效應(yīng)晶體管，其中，所述柵電極具有在所述絕緣膜上形成的場極板部分，所述 場極板部分在所述絕緣膜上象遮篷一樣朝向所述漏電極側(cè)鼓出。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l-4任何一項(xiàng)所述的場效應(yīng)晶體管，其中，所述絕緣膜是SiN膜、SiON膜和SiCN膜的任何一種。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件(100)，具有未摻雜GaN溝道層(105)、與未摻雜GaN溝道層(105)接觸的AlGaN電子施主層(106)、提供在AlGaN電子施主層(106)上的未摻雜GaN層(107)、提供在未摻雜GaN層(107)上并彼此間隔開的源電極(101)和漏電極(103)、提供在源電極(101)和漏電極(103)之間的區(qū)域中并穿透未摻雜GaN層(107)的凹槽(111)、埋入凹槽(111)并在其底部表面與AlGaN電子施主層(106)相接觸的柵電極(102)、以及在柵電極(102)和漏電極(103)之間區(qū)域中提供在未摻雜GaN層(107)上的SiN膜(108)。
文檔編號H01L29/778GK101331599SQ20068004737
公開日2008年12月24日 申請日期2006年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月14日
發(fā)明者中山達(dá)峰, 井上隆, 岡本康宏, 分島彰男, 大田一樹, 安藤裕二, 宮本廣信, 村瀨康裕, 松永高治 申請人:日本電氣株式會社