專(zhuān)利名稱(chēng)：半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管、半導(dǎo)體集成電路及其制造方法。
技術(shù)背景半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管廣泛地用作電子元件諸如放大器或開(kāi)關(guān)，并且根 據(jù)電流途徑(通道)的形式區(qū)分為數(shù)個(gè)類(lèi)別。實(shí)例包括利用二維電子氣體(2DEG)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。根據(jù)在其上形成2DEG的界面的形式，將這種場(chǎng) 效應(yīng)晶體管分成兩個(gè)類(lèi)型。在第一類(lèi)型中，2DEG形成在氧化物膜/半導(dǎo)體 晶體的界面。在第二類(lèi)型中，2DEG形成在類(lèi)似的半導(dǎo)體晶體/半導(dǎo)體晶體 的界面。第一類(lèi)型的代表性實(shí)例是Si-MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，而第二類(lèi)型的 代表性實(shí)例是GaN高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(GaN-HEMT)。Si-MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括通過(guò)控制柵偏壓而形成在Si氧化物膜/Si半 導(dǎo)體晶體的界面上的極性反轉(zhuǎn)通道。Si-MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有巨大的優(yōu) 點(diǎn)，當(dāng)柵偏壓施加到正向方向時(shí)(在N-型通道的情況下是正電壓)，能夠在 氧化物膜的壓力電阻范圍內(nèi)在所述界面感生更多的載流子，因此獲得更高 的電流密度。然而，存在問(wèn)題的是，因?yàn)殡娮釉诓煌档慕缑嫔线\(yùn)行， 所以電子運(yùn)輸速度由于界面處的晶格混亂所致的散射而變得不足，因此在 高頻率信號(hào)的放大或快速切換方面存在限制。同時(shí)，在GaN-HEMT情況下，將它配置成形成這樣的一種通道，該 通道通過(guò)結(jié)合AlGaN層和GaN層而在結(jié)合的界面上感生載流子，因而類(lèi) 似的半導(dǎo)體晶體具有不同的電子親合勢(shì)。因?yàn)樗鼋缑媸穷?lèi)似晶體的異質(zhì) 結(jié)合界面(heterobonded interface),所以電子散射小，可以實(shí)現(xiàn)高電子運(yùn)輸 速度，因此它適于高頻率信號(hào)放大或快速切換。然而，在GaN-HEMT的 情況下，幾乎不可能通過(guò)施加正向柵偏壓來(lái)提高漏電流密度。這是因?yàn)樗?謂"柵泄漏(gate leakage)"現(xiàn)象發(fā)生。該現(xiàn)象是由允許誘導(dǎo)的載流子容易地 泄漏在通過(guò)具有小的電子親合勢(shì)的晶體的柵電極中所引起的，原因在于在類(lèi)似的晶體之中的電子親合勢(shì)的差異小。為了改善該問(wèn)題，現(xiàn)有已知的方法是，增加AlGaN層的Al含量以擴(kuò)大AlGaN層和GaN層之間的電子親 合勢(shì)的差異(非專(zhuān)利文獻(xiàn)1)。另一個(gè)己知的方法是通過(guò)層壓由具有比半導(dǎo) 體晶體層小的電子親合勢(shì)的材料制成的膜，使該膜與所述半導(dǎo)體晶體層接 觸，從而減少正向柵泄漏(非專(zhuān)利文獻(xiàn)2)。非專(zhuān)禾廿文獻(xiàn)1: Masataka higashiwaki等,Japanese JournaJ of Applied Physics(日本應(yīng)用物理雜志)，第44巻.第16期，2005非專(zhuān)利文獻(xiàn)2: Narihiko maeda等，Applied Physics Letter (應(yīng)用物理通訊) 87， 073504, 2005發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的問(wèn)題然而，根據(jù)增加AlGaN層的A1含量的方法，已經(jīng)產(chǎn)生的問(wèn)題有，諸 如在界面處的合金擴(kuò)散增加和由于界面晶格失配擴(kuò)展而引起的結(jié)晶度劣 化。結(jié)果，仍然沒(méi)有提供預(yù)期的效果。另外，將與所述半導(dǎo)體晶體層接觸并且由具有比半導(dǎo)體晶體層的電子 親合勢(shì)小的材料制成的膜層壓的方法可以顯著減少反向漏電流，但是它對(duì) 于減少正向漏電流是沒(méi)有效的，以致不能施加足夠的柵偏壓。因此，存在 對(duì)于實(shí)際應(yīng)用的限制。因而，依照所述常規(guī)方法，難以產(chǎn)生具有高電子運(yùn)輸速度、高增益和 高漏電流密度這三者的半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。本發(fā)明的目的是提供能解決常規(guī)技術(shù)中的上述問(wèn)題的高性能氮化鎵場(chǎng) 效應(yīng)晶體管。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供具有良好電流滯后特征的氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶 體管，其中可以減少正向柵泄漏。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供能實(shí)現(xiàn)高電子速度、高增益的和高增益電 流密度的氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管。解決所述問(wèn)題的手段為了解決上述問(wèn)題，根據(jù)本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有作為通道的載流子，其中所述載流子在氮化鎵半導(dǎo)體晶體層A和B之間的雜界面處被感 生，并且另外所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有柵絕緣膜，該柵絕緣膜被安置在半導(dǎo) 體晶體層A和柵電極之間，以使在構(gòu)成所述柵絕緣膜的材料中至少部分地 含有鉿氧化物。如權(quán)利要求1中所述的半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的本發(fā)明涉及一種具有柵 絕緣膜和異質(zhì)結(jié)的氮化鎵半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所述異質(zhì)結(jié)由半導(dǎo)體晶體層A和半導(dǎo)體晶體層B組成，其中構(gòu)成所述柵絕緣膜的材料的一部分或 全部是相對(duì)介電常數(shù)為9至22的介電材料，并且其中所述半導(dǎo)體晶體層A 與所述柵絕緣膜接觸，并且在所述半導(dǎo)體晶體層A附近的半導(dǎo)體晶體層B 比所述半導(dǎo)體晶體層A具有更大的電子親合勢(shì)。如權(quán)利要求2中所述的本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶 體管，其中所述半導(dǎo)體晶體層A是AlxInyGa(1.x.y)N晶體(0^x, y§ 1， x+y^ 1)。如權(quán)利要求3中所述的本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1或2的半導(dǎo)體場(chǎng)效 應(yīng)晶體管，其中主張構(gòu)成所述柵絕緣膜的材料的一部分或全部包含鉿氧化物。如權(quán)利要求4中所述的本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1至3的任何一項(xiàng)的 半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中主張構(gòu)成所述柵絕緣膜的材料的一部分或全部 包含HfxAl,.xOy (0<x<l, 1當(dāng)y芻2)。如權(quán)利要求5中所述的本發(fā)明涉及具有根據(jù)權(quán)利要求1至4的任何一 項(xiàng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體集成電路。如權(quán)利要求6中所述的本發(fā)明涉及用于制造根據(jù)權(quán)利要求1至4的任 何一項(xiàng)的半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，所述方法還包括下列步驟形成絕 緣層，然后在300。C或更高的溫度下進(jìn)行熱處理。如權(quán)利要求7中所述的本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求6的制造半導(dǎo)體場(chǎng)效 應(yīng)晶體管的方法，所述方法還包括下列步驟形成柵電極，然后在300。C 或更高的溫度下進(jìn)行熱處理。如權(quán)利要求8中所述的本發(fā)明涉及制造根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體集成 電路的方法，所述方法還包括下列步驟形成絕緣層，然后在300。C或更 高的溫度下進(jìn)行熱處理。如權(quán)利要求9中所述的本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求8的制造半導(dǎo)體集成 電路的方法，所述方法包括下列步驟形成柵電極，然后在300。C或更高的溫度下進(jìn)行熱處理。 發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)橥ǖ缹有纬稍诰哂行‰娮由⑸涞念?lèi)似半導(dǎo)體晶體層 界面處，所以可以提供高遷移率。而且，因?yàn)樵谒鼍w層的表面上配置 最佳介電常數(shù)，所以還可以施加大的正向柵偏壓。結(jié)果，可以提供實(shí)現(xiàn)非 常大的漏電流密度的高性能場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其在工業(yè)應(yīng)用上具有極大的意 義。實(shí)施本發(fā)明的最佳方式現(xiàn)在將參考附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的例舉性實(shí)施方案。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的例舉性實(shí)施方案的剖視圖。在該實(shí)施方案中，采用具有多個(gè)形成在底基襯底101上的根據(jù)本發(fā)明的氮化鎵 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的GaN-HEMT的半導(dǎo)體集成電路作為實(shí)例，但是本發(fā)明不 局限于所述GaN-HEMT或所述半導(dǎo)體集成電路。圖1中顯示的半導(dǎo)體集成電路1具有多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管 100，其中所述多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管IOO形成在底基襯底101上。然而，為 了簡(jiǎn)化，僅有所述多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管100中的一個(gè)顯示在圖1中。不需要 說(shuō)的是，在所述半導(dǎo)體集成電路1中，可以安置除所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管100 以外的多種裝置，并且所述半導(dǎo)體集成電路1也可以?xún)H由提供在其上的場(chǎng) 效應(yīng)晶體管100組成。在這里將場(chǎng)效應(yīng)晶體管100制成為氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶 體管的GaN-HEMT?，F(xiàn)在參考圖1，將注意集中在場(chǎng)效應(yīng)晶體管100的一個(gè)上，以解釋其 構(gòu)造與操作。這些同樣應(yīng)用于沒(méi)有展示的其它場(chǎng)效應(yīng)晶體管。所述場(chǎng)效應(yīng) 晶體管100(即數(shù)個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管100中的一個(gè))形成在含有緩沖層102的 襯底上，所述緩沖層102形成在一種底基襯底101上。作為底基襯底101，可以使用任何其中形成在底基襯底101上的外延 層和底基襯底101之間的晶格常數(shù)差異小或少的單晶襯底，諸如SiC、藍(lán)寶石、Si和GaN。雖然所述底基襯底101優(yōu)選是半絕緣的，但是也可以使 用導(dǎo)電襯底?？缮藤?gòu)具有各種尺寸的襯底，但是它們?cè)诔叽缟蠜](méi)有限制。 另外，可商購(gòu)具有多種偏角(off-angles)和偏向(off-directions)的襯底，并且 可以無(wú)限制性地使用它們。作為底基襯底101的平面方向，可以無(wú)限制性 地使用極性的和非極性的平面。因此，商售的襯底可以用作所述底基襯底 101。為了減少由底基襯底101和安置在底基襯底101上的多種半導(dǎo)體晶體 層之間的晶格常數(shù)差異所引起的變形，并且為了避免包含在底基襯底101 中的雜質(zhì)的影響，引入安置在底基襯底101上的緩沖層102。作為用于緩 沖層102的材料，可以使用A1N、 AlGaN、 GaN等。根據(jù)諸如MOPVE、 MBE和HVPE的方法，可以通過(guò)將這樣的材料層壓在底基襯底101上而 形成緩沖層102。適于各自生長(zhǎng)過(guò)程的來(lái)源材料可商購(gòu)，所以可以使用它 們。緩沖層102的厚度沒(méi)有特別限制，但是一般地在3，000A至20 pm的 范圍內(nèi)。半導(dǎo)體晶體層B103形成在所述緩沖層102上，并且另一個(gè)半導(dǎo)體晶 體層A104形成在所述半導(dǎo)體晶體層B103上。如圖1中所示，半導(dǎo)體晶 體層B103的一個(gè)表面直接與半導(dǎo)體晶體層A104的一個(gè)表面接觸，這樣 在柵偏壓施加時(shí)容許在半導(dǎo)體晶體層B103和A104之間的界面處和在半 導(dǎo)體晶體層B103的側(cè)面形成通道。為了形成上述通道，半導(dǎo)體晶體層B103比半導(dǎo)體晶體層A104需要具 有更大的電子親合勢(shì)?，F(xiàn)在將詳細(xì)地描述為形成所述通道而提供的兩個(gè)半 導(dǎo)體晶體層B103和A104。作為用于半導(dǎo)體晶體層B103的材料，可以使用GaN。可以以與緩沖 層102的情況相同的方法，例如MOVPE、 MBE和HVPE進(jìn)行半導(dǎo)體晶體 層B103的層壓。因?yàn)樵诰彌_層102的情況下，適于各自生長(zhǎng)過(guò)程的來(lái)源 材料可商購(gòu)，所以可以使用它們。'半導(dǎo)體晶體層B103的厚度沒(méi)有特別限 制，但是它在3，OOOA至5 (mi范圍內(nèi)，更優(yōu)選5,000A至3 pm，并且還更 優(yōu)選700A至2 pm。半導(dǎo)體晶體層A104可以由AlGaN或AlInGaN在所述半導(dǎo)體晶體層 B103上的晶體生長(zhǎng)而形成。在所述半導(dǎo)體晶體層B103上的晶體生長(zhǎng)過(guò)程是用和半導(dǎo)體晶體層B103的情況中相同的方法進(jìn)行的。關(guān)于所述半導(dǎo)體晶體層A104， AlGaN的晶體生長(zhǎng)引起半導(dǎo)體晶體層B103和A104之間的 晶格常數(shù)差異，因此在所述界面并且在半導(dǎo)體晶體層B103的側(cè)面(GaN層 側(cè)面)上生成壓電場(chǎng)并且感生自由載流子。同時(shí)，當(dāng)AlInGaN的晶體生長(zhǎng)作為半導(dǎo)體晶體層A104進(jìn)行時(shí)，除半 導(dǎo)體晶體層B103和A104的晶格匹配之外，還通過(guò)調(diào)節(jié)Al和In之間的組 成比例，以避免壓電場(chǎng)的產(chǎn)生，因此可以產(chǎn)生在柵偏壓為零時(shí)不產(chǎn)生自由 載流子并且不形成通道的方式，即，E-模式運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。對(duì)于用于根據(jù)本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體晶體層A104的材料沒(méi) 有特別的限制。然而，在任何情況下，為了可以在施加?xùn)牌珘簳r(shí)在半導(dǎo)體 晶體層B103和A104之間的界面的半導(dǎo)體晶體層B103側(cè)形成通道以及為 了半導(dǎo)體晶體層B103可以比半導(dǎo)體晶體層A104提供更大的電子親合勢(shì)， 重要的是選擇材料體系和組成。在半導(dǎo)體晶體層A104中，優(yōu)選的是增加A1含量，以便半導(dǎo)體晶體層 A104比半導(dǎo)體晶體層B103具有小足夠的電子親合勢(shì)。然而，如上所述， 更大的Al含量引起AlGaN層的結(jié)晶度的劣化，導(dǎo)致得到的場(chǎng)效應(yīng)晶體管 的性能降低或操作失靈。因而，需要通過(guò)考慮上述因素來(lái)確定最佳值。考 慮到這樣的情況，通常，Al含量?jī)?yōu)選在O.l至0.6、更優(yōu)選在0.15至0.5、 并且還更優(yōu)選在0.2至0.4的范圍內(nèi)?？梢砸耘c緩沖層102和半導(dǎo)體晶體層B103的這種情況的相同方法， 即，MOVPE、 MBE、 HVPE等進(jìn)行半導(dǎo)體晶體層A104的層壓。適于各自 生長(zhǎng)過(guò)程的來(lái)源材料可商購(gòu)的，所以可以使用它們。半導(dǎo)體晶體層A104 的厚度沒(méi)有特別限制，但是它在30A至600A、更優(yōu)選100A至500A、還 更優(yōu)選150A至400A的范圍內(nèi)。在該實(shí)施方案中，將所述半導(dǎo)體晶體層A104制備為單層。然而，所 述半導(dǎo)體晶體層A104可以采取GaN層和AlGaN層的反復(fù)層壓結(jié)構(gòu)或采 取InGaN層和AlGaN層的反復(fù)層壓結(jié)構(gòu)，這些層壓結(jié)構(gòu)都具有在彈性變形限度之內(nèi)的厚度。在半導(dǎo)體晶體層A104上，除形成源極105和漏極106之外，還通過(guò) 柵絕緣膜108形成柵電極109。用于分離器件的分離層以附圖標(biāo)記107表示。通過(guò)安置分離層107，在襯底上形成多個(gè)具有上述層結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)晶 體管100，以使它們不會(huì)相互地并且在電學(xué)上引起干涉?？梢酝ㄟ^(guò)安置柵絕緣膜108而減少在對(duì)于柵電極109施加正向偏壓電 壓時(shí)的漏電流，因此施加大的正向電壓。在該情況下，隨著所述柵絕緣膜 108變厚，可以減少漏電流。然而，當(dāng)柵絕緣膜108厚度增加時(shí)，容易在 柵絕緣膜108和半導(dǎo)體晶體層A104之間的界面形成電子的中間水平，因 此引起電流滯后。因而，本發(fā)明的發(fā)明人關(guān)于氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵絕緣膜用的材料 進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。結(jié)果，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，通過(guò)使用含有鉿氧化物的材 料作為用于柵絕緣膜的材料，獲得了高性能氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其可以 抑制電流滯后的產(chǎn)生并且減少在施加正向偏壓電壓時(shí)的漏電流。相對(duì)介電常數(shù)為9以上至22以下的介電材料形成在半導(dǎo)體晶體層 A104上，作為柵絕緣膜108。在背離上述范圍的情況下，不可能有效抑制 所述正向漏電流。雖然相對(duì)介電常數(shù)為9以上至22以下的介電材料對(duì)于 減少柵泄漏是有效的，但是13至18的相對(duì)介電常數(shù)是更優(yōu)選的。相對(duì)介 電常數(shù)為9以上至22以下的材料的實(shí)例包括0203、 CuO、 FeO、 PbC03、 PbCl2、 PbS04、 Sn02、 Zr02、 ZrSi04、 Ta205、 Ti02、 BaTiO、 HfSi02、 HfAlO、 La203、 CaHfO和HfAlON。所有這些材料體系都是有效的，但是考慮到在 驅(qū)動(dòng)期間更少的電流滯后，更優(yōu)選La203、 CuO、 ZrSi04、 HfSi02、 Hf02、 HfAlO和CaHfO。還更優(yōu)選Hf02、 HfAlON、 HfAlO禾Q HfSiO。最優(yōu)選 HfAlO。為了更少的泄漏等原因，在用作柵絕緣膜108的情況下，這些材料的 晶體體系優(yōu)選是無(wú)定形的或單晶?？紤]到產(chǎn)生膜的容易性等，無(wú)定形的是 更優(yōu)選的。因而，當(dāng)構(gòu)成柵絕緣膜108的材料的一部分或全部含有鉿氧化物時(shí)， 例如Hf^Ah-xOy((Xx〈1， l^y^2)，可以有效減少漏電流。因此，漏電流的 控制變得可能。柵絕緣膜108可以采取上述材料及其它材料的層壓材料結(jié)構(gòu)。例如， 可以采用這樣的層壓結(jié)構(gòu)，其中已知作為能抑制電流崩潰現(xiàn)象(cmrent collapse phenomenon)的絕緣膜的SiN適合于插入在與說(shuō)明的上述材料的干涉空間中，作為能以1 nm至10nm的厚度用于柵絕緣膜108。在該情況下， 對(duì)于要結(jié)合的絕緣膜材料的類(lèi)型沒(méi)有特別的限制?？紤]有效的漏電流抑 制、相互電導(dǎo)、滯后等，其厚度優(yōu)選在3nm至40nm、更優(yōu)選5 nm至30 nm、并且最優(yōu)選7nm至20nm的范圍內(nèi)。而且，還可以采用其中半導(dǎo)體晶體層B103和/或104的一部分通過(guò)蝕 刻被除去的結(jié)構(gòu)(凹口結(jié)構(gòu))。這樣可以通過(guò)將閾值電壓調(diào)節(jié)至正而改善場(chǎng) 效應(yīng)晶體管增益或E-模式操作的性能?？梢酝ㄟ^(guò)利用諸如熱CVD、等離子體CVD、 ALCVD、 MOCVD、 MBE、 蒸發(fā)和濺射之類(lèi)的方法形成柵絕緣膜108?？梢酝ㄟ^(guò)根據(jù)上述方法形成柵絕緣膜108，然后通過(guò)進(jìn)行退火處理而 減少電流滯后。因此，在產(chǎn)生圖1中所示的半導(dǎo)體集成電路1或產(chǎn)生具有 圖1中所示的構(gòu)造的獨(dú)立場(chǎng)效應(yīng)晶體管100的情況下，在形成柵絕緣膜108 以后的退火處理有效地改善了其電流滯后特征。可以在形成柵絕緣膜108至器件密封期間的適當(dāng)時(shí)間進(jìn)行該退火處 理。 一般在300°C或更高的溫度并且在柵絕緣膜108的耐熱性范圍(在能 保持無(wú)定形的范圍)內(nèi)進(jìn)行退火處理。 一般地，它在300°C至900°C的范 圍之內(nèi)。在300。C至900。范圍內(nèi)的溫度進(jìn)行退火處理情況下，與沒(méi)有退火 處理的情況相比，可以進(jìn)一步地改善其電流滯后特征。對(duì)于退火處理的時(shí) 間沒(méi)有特別的限制，但是考慮到效果和工業(yè)效率的平衡，該時(shí)間優(yōu)選在io 秒至60分鐘的范圍內(nèi)。氣氛優(yōu)選地是氮和/或Ar，并且更優(yōu)選氮。作為用于形成在柵絕緣膜108上的柵電極109、源極105和漏極106 的材料，在典型的GaN-HEMT器件中使用的材料和方法可以原樣使用。 因此，用于柵電極108的材料包括Ni/Au、 Pt等。用于源極105和漏極106 的材料的實(shí)例包括Ti/Al、 Ti/Mo等。這些可以通過(guò)濺射、蒸發(fā)、CVD等 形成。退火處理可以在形成柵電極以后進(jìn)行。在這種情況下，它在可以減少 滯后并且不對(duì)柵電極材料產(chǎn)生損害的溫度范圍進(jìn)行。這樣的溫度范圍是考 慮到柵電極材料的耐熱性而確定，但是一般在300°C至600°C的范圍內(nèi)。雖然已經(jīng)在上文中基于例舉性實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明的 這種實(shí)施方案僅是說(shuō)明，并且本發(fā)明的技術(shù)范圍并不限于此。本發(fā)明的技術(shù)范圍是由權(quán)利要求限定的，并且進(jìn)一步意欲包括等價(jià)于權(quán)利要求的含義 和在權(quán)利要求范圍內(nèi)的任何修改。實(shí)施例現(xiàn)在將參考下列實(shí)施例詳細(xì)地描述本發(fā)明，但是它們僅是實(shí)施例，并 且本發(fā)明不應(yīng)該受這些實(shí)施例限制。實(shí)施例1具有圖1中所示構(gòu)造的GaN-HEMT制作如下。將作為底基襯底10制備的半絕緣SiC襯底101用硫酸和過(guò)氧化氫的 混合物洗滌，然后在MOCVD爐中加熱到600。C。其后，在下列條件下從 室中供給40sccm的TMA:恒溫槽的溫度；30°C，以及，氫和氨的載體氣 體的流量分別為，60SLM和40SLM。然后，A1N作為緩沖層102生長(zhǎng)至 500A的厚度。隨后，底基襯底101的溫度改變至1,150°C，并且將TMA的流量調(diào)節(jié) 至Osccm。然后，從30。C的恒溫槽供給40sccm的TMG，并且將作為半 導(dǎo)體晶體層103的GaN層在緩沖層102上層壓至2pm的厚度。隨后，將TMG的流量改變至100sccm，并且從30°C的恒溫槽供給3 sccm的TMA。然后，將其鋁含量是0.2的ud-AlGaN作為半導(dǎo)體晶體層 A104生長(zhǎng)至400 A的厚度。其后，將底基襯底101的溫度降至約室溫， 并且然后從反應(yīng)器中移出所述襯底。然后通過(guò)光刻法形成對(duì)應(yīng)于源極和漏極的形狀的抗蝕劑開(kāi)口 ，并且通 過(guò)EB蒸發(fā)將Ti/Al/Ni/Au金屬膜分別層壓至200 A/l，500 A/250 A/500 A的 厚度。其后，通過(guò)剝離(lift-off)方法將除開(kāi)口以外的金屬膜除去以形成源極 105和漏極106。為了繼續(xù)改善歐姆特性，在氮?dú)夥罩性?00。C將RTA處 理進(jìn)行30秒。移出襯底，并且然后通過(guò)光刻法形成抗蝕劑圖案，將其用作掩模。隨 后，進(jìn)行1^+離子植入以形成深度為3,000A的分離層107。 N+離子的劑量 量是2xl0"離子/cm2。在離子植入以后，除去抗蝕劑。然后，通過(guò)光刻法在形成柵絕緣膜的區(qū)域提供抗蝕劑開(kāi)口，接著用稀HC1水溶液洗滌所述開(kāi)口。將得到的開(kāi)口移動(dòng)至濺射設(shè)備，并且通過(guò)RF濺射層壓Hfo.6A1。.402。制備三個(gè)級(jí)別的樣品，這些樣品在厚度上不同，即，為8nm(樣品l)、 16nm(樣品2)和24nm(樣品3)。作為用于濺射底基襯底 101的氣體，使用Ar。濺射功率是0.48 kW。濺射期間的反應(yīng)器電壓是0.45 Pa。將Hfo.6Alo.402的燒結(jié)壓塊用作濺射靶。隨后，通過(guò)剝離而形成柵絕緣 膜108。然后，在以類(lèi)似方式通過(guò)光刻法形成對(duì)應(yīng)于柵電極形狀的開(kāi)口以后， 通過(guò)電子束蒸發(fā)將Ni/Au金屬膜形成至200A/1000A的厚度，接著，以源 極的情況下相同的方式進(jìn)行剝離。結(jié)果，形成柵電極109。將由此處理的底基襯底101移動(dòng)至退火爐，并且在氮?dú)夥罩?、?00°C 進(jìn)行退火30分鐘。如上所述，制備出三個(gè)具有柵絕緣膜的GaN-HEMT，這些柵絕緣膜的 柵長(zhǎng)度和寬度相同，為2 pm和30 pm，但是其厚度不同，艮卩， GaN-HEMTl(柵絕緣膜8 nm) ， GaN-HEMT2(柵絕緣膜16 nm)和 GaN-HEMT3(柵絕緣膜24nm)。以和GaN-HEMTl的情況下相同的方法制備出彈栓二極管(shot key diode)，以進(jìn)行GaN-HEMTl的CV測(cè)量。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)柵絕緣膜的相對(duì)介 電常數(shù)是16。如上所述制備的每個(gè)GaN-HEMT，即，GaN-HEMTl、 GaN-HEMT2 和GaN-HEMT3，的柵電流密度對(duì)柵電壓特征是在漏極上的兩個(gè)接線(xiàn)端被 接地的條件下測(cè)量的。測(cè)量結(jié)果顯示在圖3中。另外，每個(gè)GaN-HEMT即GaN-HEMTl 、GaN-HEMT2和GaN-HEMT3 的漏電流密度的遷移特性是在源電子(source electron)上的三個(gè)接線(xiàn)端被接 地的條件下測(cè)量的。在測(cè)量期間，將20伏的偏壓施加到所述漏極。測(cè)量 結(jié)果顯示在圖4中。測(cè)量GaN-HEMTl的漏電流密度對(duì)漏電壓曲線(xiàn)的滯后特征。在測(cè)量期 間，將-2伏的電壓施加到所述柵電極。測(cè)量結(jié)果顯示在圖6中。比較例1作為比較例制備的包括GaN-HEMT的半導(dǎo)體集成電路的橫截面示意圖顯示在圖2中。圖1中顯示的本發(fā)明的實(shí)施方案和圖2中顯示的比較例 之間的結(jié)構(gòu)差異是，在比較例中沒(méi)有在每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管上提供柵絕緣
膜，但是它們?cè)谄渌Y(jié)構(gòu)上是相同的。在圖2中，將底基襯底以附圖標(biāo)記 201表示，將緩沖層以202表示，將半導(dǎo)體晶體層B以203表示，將半導(dǎo) 體晶體層A以204表示，將源極以205表示，將漏極以206表示，將分離 層以207表示并且將柵電極以208表示。
用和實(shí)施例1相同的方法，將SiC襯底用作襯底201，在其上將作為 緩沖層202的A1N層形成至500A的厚度；然后將作為半導(dǎo)體晶體層B203 的GaN層形成至2 pm的厚度；并且最終將作為半導(dǎo)體晶體層A204的其 鋁含量為0.20的ud-AlGaN層形成至400A的厚度。其后，將由此處理的 底基襯底201的溫度降至約室溫，然后將所述襯底從反應(yīng)器中移出，作為 外延的襯底。
用和實(shí)施例1中相同的方法，將源極205、漏極206和分離層207形 成在從反應(yīng)器中移出的外延襯底上。其后，在不層壓柵絕緣膜的情況下， 通過(guò)光刻法形成對(duì)應(yīng)于柵電極形狀的開(kāi)口，接著用稀HC1水溶液洗滌。然 后用與實(shí)施例1所描述相同的方法形成柵電極208。由此產(chǎn)生柵長(zhǎng)度為2 (im并且柵寬度為30 nm的GaN-HEMT4。
在漏極上的兩個(gè)接線(xiàn)端被接地的條件下，測(cè)量該GaN-HEMT4的柵電 流密度對(duì)柵電壓特征。測(cè)量結(jié)果顯示在圖3中。
另外，在源極上的三個(gè)接線(xiàn)端被接地的條件下，測(cè)量GaN-HEMT4的 漏電流密度的遷移特征。在測(cè)量期間，將20伏的偏壓施加到所述漏極。 測(cè)量結(jié)果顯示在圖4中。
比較例2
用和實(shí)施例1相同的方法，在作為底基襯底201的SiC襯底上順序生 長(zhǎng)下列層將A1N緩沖層202生長(zhǎng)至厚度為500A;然后將GaN半導(dǎo)體晶 體層B203生長(zhǎng)至厚度為2 和最后將ud-AlGaN半導(dǎo)體晶體層A204 生長(zhǎng)至厚度為400A，其中ud-AlGaN的鋁含量是0.20。
用和實(shí)施例1中相同的方法，然后在由此處理的底基襯底201上形成 分離層207、源極205、漏極206、柵絕緣膜(厚度8nm)和柵電極208，接著形成必要的電極。沒(méi)有進(jìn)行退火處理。由此制備出柵長(zhǎng)度為2 pm和 柵寬度為30 pm的GaN-HEMT5。
測(cè)量GaN-HEMT5的漏電流密度對(duì)漏電壓曲線(xiàn)的滯后特征。然后，將 -2伏的電壓施加到所述柵電極。測(cè)量結(jié)果顯示在圖5中。
參考圖3，與比較例1中的GaN-HEMT4相比，柵電流在實(shí)施例1中 所制備的GaN-HEMTl、 GaN-HEMT2和GaN-HEMT3中顯著地降低。特 別是，應(yīng)當(dāng)注意，在施加正向柵偏壓時(shí)抑制柵電流的效果得到顯著改善。 如從圖3可以顯而易見(jiàn)，對(duì)于GaN-HEMTl和GaN-HEMT3，能夠?qū)⑹┘?的正向電壓的振幅增加高達(dá)+8V，而對(duì)于GaN-HEMT2，能夠?qū)⑹┘拥恼?向電壓的振幅增加高達(dá)+9 V。
同時(shí)，在GaN-HEMT4的情況下，不能施加大于0 V的柵電壓，原因 在于當(dāng)柵電壓超過(guò)大于0V時(shí)產(chǎn)生大的漏電流。
參考圖4，與比較例1中的GaN-HEMT4的最大漏電流密度相比，實(shí) 施例1中的每個(gè)GaN-HEMTl 、 GaN-HEMT2和GaN-HEMT3的最大漏電 流密度分別提高至約95%、 105%和115%。
在圖6中，在變換實(shí)施例1中的GaN-HEMTl的漏電流密度對(duì)漏電壓 曲線(xiàn)的掃描方向的情況下，差異遠(yuǎn)小于圖5中GaN-HEMT4所示的差異。 因此，證實(shí)通過(guò)退火處理顯著地減少了滯后。
附圖簡(jiǎn)述
圖1是顯示本發(fā)明實(shí)施方案的橫截面示意圖； 圖2是顯示比較例中器件的橫截面示意圖3是顯示實(shí)施例1和比較例1中柵電流密度對(duì)柵電壓特征的圖； 圖4是顯示實(shí)施例1和比較例1中的漏電流密度的遷移特征的圖； 圖5是顯示比較例2中漏電流對(duì)漏電壓曲線(xiàn)的滯后特征的曲線(xiàn)圖；和 圖6是顯示實(shí)施例1中漏電流對(duì)漏電壓曲線(xiàn)的滯后特征的曲線(xiàn)圖。
附圖標(biāo)記說(shuō)明
101,201底基襯底 102,202緩沖層103，203半導(dǎo)體晶體層B
104，204半導(dǎo)體晶體層A
105,205源極
106，206漏極
107,207分離層
濯柵絕緣膜
109，208柵電極
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其具有柵絕緣膜和異質(zhì)結(jié)，所述異質(zhì)結(jié)由半導(dǎo)體晶體層A和半導(dǎo)體晶體層B構(gòu)成，其中構(gòu)成所述柵絕緣膜的材料的一部分或全部是相對(duì)介電常數(shù)為9以上至22以下的介電材料，并且其中所述半導(dǎo)體晶體層A與所述柵絕緣膜接觸，而且在所述半導(dǎo)體晶體層A附近的半導(dǎo)體晶體層B比所述半導(dǎo)體晶體層A具有更大的電子親合勢(shì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中所述半導(dǎo)體晶體 層A是AlxINyGa(1.x.y)N晶體(0^x, y芻1, x+y^ 1)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中構(gòu)成所述柵 絕緣膜的材料的一部分或全部包含鉿氧化物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中 構(gòu)成所述柵絕緣膜的材料的一部分或全部包含HfxAl,.xOy (0<x<l， lSy蕓2)。
5. —種半導(dǎo)體集成電路，其包含根據(jù)權(quán)利要求1至4中任何一項(xiàng)所述 的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
6. —種制造根據(jù)權(quán)利要求1至4中任何一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體 管的方法，所述方法包括下列步驟形成絕緣層；然后在300°C或更高的溫度下進(jìn)行熱處理。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，所述方法 包括下列步驟形成柵電極；然后在300°C或更高的溫度下進(jìn)行熱處理。
8. —種制造根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體集成電路的方法，所述方法 包括下列步驟形成絕緣層；然后在300°C或更高的溫度下進(jìn)行熱處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制造半導(dǎo)體集成電路的方法，所述方法包括 下列步驟形成柵電極；然后在300°C或更高的溫度下進(jìn)行熱處理。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有良好電流滯后特征的氮化鎵基的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中可以減少正向柵泄漏。在具有柵絕緣膜(108)的氮化鎵-基場(chǎng)效應(yīng)晶體管(100)中，構(gòu)成柵絕緣膜(108)的材料的一部分或全部是相對(duì)介電常數(shù)為9-22的介電材料，并且與柵絕緣膜(108)接觸的半導(dǎo)體晶體層A(104)和半導(dǎo)體晶體層B(103)構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，所述半導(dǎo)體晶體層B(103)在所述半導(dǎo)體晶體層A(104)附近并且比半導(dǎo)體晶體層A(104)具有更大的電子親合勢(shì)。優(yōu)選至少部分地在構(gòu)成所述柵絕緣膜(108)的材料中包含鉿氧化物諸如HfO₂、HfAlO、HfAlON或HfSiO。
文檔編號(hào)H01L21/338GK101405850SQ20078000956
公開(kāi)日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2007年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月17日
發(fā)明者佐澤洋幸, 八木修一, 奧村元, 清水三聰 申請(qǐng)人:住友化學(xué)株式會(huì)社;獨(dú)立行政法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所