專利名稱：半導(dǎo)體外延襯底、化合物半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化合物半導(dǎo)體外延襯底、化合物半導(dǎo)體器件及其制造方 法，并且更具體地，涉及一種化合物半導(dǎo)體外延襯底以及具有氮化物半導(dǎo)體 層的化合物半導(dǎo)體器件、及它們的制造方法。
背景技術(shù)：
GaN具有3.4eV的寬的帶隙并且是一種期望用于短波長(zhǎng)光發(fā)射和高擊穿 電壓操作的半導(dǎo)體。已經(jīng)開發(fā)出了用于紫外線和藍(lán)光的光發(fā)射器件。移動(dòng)電 話的基站放大器需要高電壓操作。目前報(bào)道了將超過300V的值作為電流關(guān) 斷(current-off)期間的擊穿電壓。通過采用SiC襯底獲得最好的輸出特性。 認(rèn)為這是由于SiC的高熱導(dǎo)率。在III族氮化物混合結(jié)晶體中調(diào)節(jié)物理特性 例如帶隙。例如，在GaN中混合A1N或InN。 GaxAlyInzN(0<x《l， x+y+z=l) 在這里稱為含氮化鎵(含GaN)半導(dǎo)體。為了形成質(zhì)量良好的III族氮化物半 導(dǎo)體結(jié)晶層，已經(jīng)研究了多種外延生長(zhǎng)。JP-A-2003-309071提出在300。C至600。C的低溫下，在例如藍(lán)寶石、 SiC、 GaN和A1N的結(jié)晶襯底上(例如藍(lán)寶石襯底上)生長(zhǎng)10nm至50nm厚 的A1N低溫生長(zhǎng)緩沖層，在溫度升高到例如IOO(TC之后，在該低溫生長(zhǎng)緩 沖層上生長(zhǎng)AlxGaLXN (0<x《l)下墊層(underlying layer)，并且在該下墊 層上生長(zhǎng)具有較低Al含量的AlyGai.yN (0《y<x)。由于具有較低Al含量 的AlGaN膜具有大晶格常數(shù)，因此施加了壓應(yīng)力。其描述了由于在膜界面 斷層側(cè)向(laterally)偏轉(zhuǎn)，因此可以獲得質(zhì)量良好的GaN層等等。所述器 件結(jié)構(gòu)是紫外線發(fā)射LED。當(dāng)形成多量子阱時(shí)，將生長(zhǎng)溫度設(shè)為例如800°C。將JP-A-2005-32823引入于此作為參考，其提出當(dāng)通過在SiC襯底上 生長(zhǎng)A1N緩沖層并且在A1N緩沖層上生長(zhǎng)GaN或InGaN溝道層和AlGaN電 子供應(yīng)層，來(lái)形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管外延晶圓時(shí)，該緩沖層的生長(zhǎng)溫度設(shè)定為比 該溝道層的生長(zhǎng)溫度高大約IOO'C，并且在生長(zhǎng)期間V/III比例被降低到使 A1N反應(yīng)活性種(reactive species)的粘附力和釋放速度變得一樣的程度，優(yōu) 選不小于50并且不大于500。當(dāng)生長(zhǎng)溫度升高時(shí)，激活了 A1N反應(yīng)種類使得釋放變得容易。由于V/III 比例降低，因此A1N緩沖層的生長(zhǎng)速度被抑制為低，并且形成了接近均衡狀 態(tài)的狀態(tài)，其中A1N反應(yīng)活性種變得容易在表面上移動(dòng)。因此，在形成了該 A1N結(jié)晶膜之后，不僅促進(jìn)了二維成核而且提高了凹陷掩埋(pitburying)作 用。這說(shuō)明，實(shí)現(xiàn)了具有更少缺陷的A1N緩沖層的生長(zhǎng)。在爐壓為135Torr、 V/III比例為230以及生長(zhǎng)溫度為115(TC至120(TC的條件下，采用三甲基鋁 (trimethylaluminum，TMA)作為Al源以及采用NH3作為氮源，通過MOCVD 使該A1N緩沖層生長(zhǎng)。生長(zhǎng)速度為0.2nm/sec或更低。之后，將溫度降低到 IIOO'C，并且使其它層例如高純度GaN層外延生長(zhǎng)。將JP-A-2006-165207引入于此作為參考，其提出使用含GaN半導(dǎo)體作 為溝道層的高擊穿電壓的高電子遷移率晶體管(HEMT)。例如，在高阻SiC 襯底之上生長(zhǎng)i-型GaN溝道層，n-型AlGaN層和n-型GaN覆蓋層(cap layer) 形成為具有插入其間的i-型AlGaN間隔層，部分移除該n-型覆蓋層，通過在 51(TC或更高而低于600'C的溫度下退火，疊置Ta和Al以形成歐姆電極的源 /漏電極，沉積SiN層，經(jīng)由該SiN層形成開口，并且在該開口中形成接觸該 GaN覆蓋層的柵極。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)實(shí)施例的一個(gè)方案，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體外延襯底，包括單晶 襯底；A1N層，在所述單晶襯底上外延生長(zhǎng)；以及氮化物半導(dǎo)體層，在所述 A1N層上外延生長(zhǎng)，其中，所述AIN層和所述氮化物半導(dǎo)體層之間的界面的 粗糙度比所述單晶襯底和所述A1N層之間的界面的粗糙度大。根據(jù)實(shí)施例的另一個(gè)方案，本發(fā)明提供一種化合物半導(dǎo)體器件，包括 單晶襯底；A1N層，形成在所述單晶襯底上；氮化物半導(dǎo)體的緩沖層，形成在所述A1N層上；氮化物半導(dǎo)體的溝道層，形成在所述緩沖層上；化合物半 導(dǎo)體的載流子供應(yīng)層，形成在所述溝道層之上；以及源電極、漏電極和柵電 極，形成在所述載流子供應(yīng)層之上，其中，所述A1N層和所述緩沖層之間的 界面的粗糙度比所述單晶襯底和所述A1N層之間的界面的粗糙度大。根據(jù)實(shí)施例的又一方案，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體外延襯底的制造方法， 包括在單晶襯底上外延生長(zhǎng)A1N層；以及在所述A1N層上外延生長(zhǎng)氮化 物半導(dǎo)體層，其中，將所述A1N層的生長(zhǎng)條件設(shè)定為所述A1N層和所述 氮化物半導(dǎo)體層之間的界面的粗糙度比所述單晶襯底和所述A1N層之間的 界面的粗糙度大。根據(jù)實(shí)施例的再一方案，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體外延襯底的制造方法， 包括在單晶襯底上外延生長(zhǎng)A1N層；在所述A1N層上外延生長(zhǎng)氮化物半 導(dǎo)體的緩沖層；在所述緩沖層上外延生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體的溝道層；在所述溝 道層上外延生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體的載流子供應(yīng)層；以及在所述載流子供應(yīng)層上 方形成源電極、漏電極和柵電極。其中，將所述A1N層的生長(zhǎng)條件設(shè)定為 所述A1N層和所述緩沖層之間的界面的粗糙度比所述單晶襯底和所述A1N 層之間的界面的粗糙度大。本發(fā)明能夠快速恢復(fù)漏極電流。


圖1A和圖1B是顯示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例和比較例的含GaN的 HEMT的結(jié)構(gòu)的橫截面視圖。圖2A和圖2B是顯示在根據(jù)第一實(shí)施例和比較例的樣本中，高頻信號(hào)中 斷之后漏極電流變化的圖表，以及圖2C是在顯示根據(jù)第一實(shí)施例的樣本中 的集成元件之間的漏電流的圖表。圖3A和圖3B是顯示用原子力顯微鏡觀測(cè)到的5pmX5nm區(qū)域的表面 形態(tài)的圖片，圖3C和圖3D是顯示用原子力顯微鏡在一個(gè)方向上掃描到的大 約4.7pm的表面高度變化的圖片。圖4A是根據(jù)第二實(shí)施例的含GaN的HEMT的橫截面視圖，以及圖4B 和圖4C是顯示第二實(shí)施例的樣本中在高頻驅(qū)動(dòng)之后漏極電流恢復(fù)的圖表， 以及相鄰HEMT之間的漏電流。圖5是共同顯示在高頻信號(hào)中斷之后AlN層表面的斜度Rsk與漂移對(duì)間 之間關(guān)系的測(cè)量結(jié)果的圖表。
具體實(shí)施方式
受讓人(assignees之一提供了這樣一種方法在IIO(TC至120(TC生長(zhǎng) 溫度下在SiC層上生長(zhǎng)A1N層以及在該AIN層上形成含GaN的HEMT器件 層。通過這種生長(zhǎng)方法形成的含GaN的HEMT證明了在高頻信號(hào)中斷之后 漏極電流減小并且器件不易恢復(fù)的現(xiàn)象。本發(fā)明人設(shè)想造成這種現(xiàn)象的原因 是由于結(jié)晶缺陷導(dǎo)致的載流子陷阱中心(陷阱)，并試圖開發(fā)一種形成較少 結(jié)晶缺陷的生長(zhǎng)方法。圖lA是顯示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的含GaN的HEMT的結(jié)構(gòu)的橫截面 視圖。通過采用垂直氣流的低壓(LP)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD) 系統(tǒng)，在單晶SiC襯底100上層疊氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層。將在下文中說(shuō)明層 疊層形成工藝。首先，將經(jīng)過表面清洗工藝處理的SiC襯底lOO置于生長(zhǎng)系 統(tǒng)中，當(dāng)氫氣流經(jīng)該生長(zhǎng)系統(tǒng)時(shí)，通過抽氣泵系統(tǒng)(evacuation pump system) 將該生長(zhǎng)系統(tǒng)控制到50Torr的恒定壓力。在氫氣氣氛中將該襯底加熱到1150 "C并停留10分鐘。通過這個(gè)工藝實(shí)現(xiàn)該襯底的熱清洗。下一步，翻轉(zhuǎn)閥門 使三甲基鋁(TMA)和氨氣(NH3)流入反應(yīng)室以形成i-型A1N層102x。將 TMA摩爾濃度與氨摩爾濃度的比例、所謂V/III比例設(shè)為3000。在該比例下， 該AIN層的成膜速度大約是0.2nm/sec。通常通過TMA摩爾濃度確定成膜速 度。然而，因?yàn)門MA依賴于氨和生長(zhǎng)溫度而形成中間產(chǎn)品，因此該AIN層 的成膜速度也受氨摩爾濃度、生長(zhǎng)溫度和生長(zhǎng)壓力的影響。優(yōu)選選擇工藝參 數(shù)例如生長(zhǎng)速度和V/III比例，以便于生長(zhǎng)理想的結(jié)晶體、盡可能形成更少 的載流子陷阱中心(陷阱)、不影響生長(zhǎng)表面的平坦性。在下文中該外延生 長(zhǎng)稱為高溫、高V/III比例(HT-HR)外延生長(zhǎng)。在該AIN層生長(zhǎng)到大約30nm后，翻轉(zhuǎn)閥門以停止TMA氣體的流動(dòng)并 將該襯底溫度線性降低到1050°C。這種情況下，將氨氣流速改變?yōu)檫m于生長(zhǎng) 下個(gè)GaN層的流速。在溫度穩(wěn)定時(shí)間5分鐘之后，使三甲基鎵(TMG)氣 體流動(dòng)以形成2^im厚的i-型GaN層105作為電子傳輸層。下一步，采用TMA 和TMG的混合氣體形成3nm厚的i-型AlQ.3Ga。.7N層110，并且通過提供額外的硅烷SiH4來(lái)形成15nm厚的Si摻雜n-型Alo.3Gao.7N層111。最后，通過 采用TMG使n-型GaN保護(hù)層114生長(zhǎng)。具有20nm至40nm優(yōu)選厚度范圍的該A1N層102x的生長(zhǎng)溫度高于之后 生長(zhǎng)的GaN的生長(zhǎng)溫度(1050°C±50°C)，并且更具體地，優(yōu)選IIO(TC至 120(TC的溫度。同時(shí)，高V/III比例對(duì)于獲得低陷阱中心密度而言是非常重要的，并且高于500的v/ni比例是必須的。該v/ni比例優(yōu)選設(shè)在iooo至8000的范圍內(nèi)。如果生長(zhǎng)壓力在50Torr至300Torr范圍內(nèi)，就不會(huì)有問題。三甲基鋁(TMA)、三叔丁基鋁(tritertiarybutyl aluminum, TTBA)或 類似材料可以用作Al源氣體，并且二甲肼(DMHy)或類似材料可以用作氮 源氣體。氮?dú)饣驓浜偷幕旌蠚怏w可以代替氫氣作為載氣。對(duì)于該GaN層的生長(zhǎng)，三甲基鎵(TMG)用作Ga源氣體，,3用作氮 源氣體，并且H2用作載氣。代替的，三甲基鎵(TMG) 、 二甲肼或類似材 料也可用作源氣體。具有l(wèi)pm至3pm優(yōu)選厚度范圍的該i-型GaN層105用 作該含GaN的HEMT的溝道層或電子傳輸層。選擇該i-型AlxGai.xN層110和n-型AlxGai.xN層111的Al含量x以實(shí) 現(xiàn)預(yù)期的器件性能，并且將x設(shè)定在x二0.1至1.0的范圍內(nèi)。根據(jù)所選擇的 含量，在5nm至50nm范圍內(nèi)適當(dāng)設(shè)計(jì)整體厚度。該i-型AlGaN層110用作 間隔層，并且該n-型AlGaN層lll作為載流子供應(yīng)層。Si適于用作該n型AlGaN層的原料物質(zhì)(donor)，并且以1 X 1018cm-3 至5X10"cm^的載流子濃度摻雜。摻雜源材料(doping source material)可 以是硅垸、乙硅烷、三乙基硅垸或類似材料。這兩個(gè)AlGaN層不是必需的， 如果能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的電特性，可以省略它們中的一個(gè)。通過MOCVD在AlGaN層110和111的層疊結(jié)構(gòu)上形成2nm至8nm厚 的n-型GaN覆蓋層114。該n-型GaN層為柵電極提供合適的肖特基勢(shì)壘高 度。借助這些工藝，形成含GaN的HEMT的外延襯底。采用掩膜，蝕刻并移除將要形成源/漏電極的區(qū)域中的該n型GaN覆蓋 層114。通過舉離(lift-off)，在n-型AlGaN層111上形成Ti/Al層疊結(jié)構(gòu) 的源電極116和漏電極118。例如，下部Ti層厚20nm，以及上部Al層厚 200nm。源/漏電極116和118的短邊長(zhǎng)度為lpm至2pm，并且基于器件特 性設(shè)計(jì)長(zhǎng)邊長(zhǎng)度。通過熱合金工藝使該源/漏電極與下部氮化物半導(dǎo)體形成合金(alloyed)，以形成連接到位于i-型GaN層105中的二維電子氣(two dimensional electron gas )的歐姆電極。通過等離子CVD或光輔助型(photo-assisted)CVD,沉積10nm至IOO歸 厚的SiN層120。涂敷抗蝕劑饃，并且通過采用電子束或光的光刻 (lithography)方法，在柵電極形成區(qū)域中貫通形成開口 。干法蝕刻該SiN 層120，并且通過舉離，在n型GaN覆蓋層114上形成Ni/Au層疊結(jié)構(gòu)的柵 電極124。例如，下部Ni層厚10nm，上部Au層厚300nm。根據(jù)預(yù)期的器 件特性，在0.1pm至3jim范圍內(nèi)設(shè)計(jì)該柵電極的短邊長(zhǎng)度。通過干法蝕刻使溝槽形成到i-型GaN層105的中間深度，圍繞用于隔離 每個(gè)元件的每個(gè)HEMT元件。采用這些工藝形成了含GaN的HEMT。圖1B是比較例的含GaN的HEMT的橫截面視圖。主要針對(duì)與圖1A中 所示的第一實(shí)施例不同的點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。采用垂直氣流型低壓(LP)金屬有機(jī) 化學(xué)氣相沉積(MOCVD)系統(tǒng)，在單晶SiC襯底100上層疊氮化物半導(dǎo)體結(jié)晶層。下面將說(shuō)明這些工藝。首先，將經(jīng)過表面清洗工藝的SiC襯底100置于生長(zhǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)氫氣流 經(jīng)該生長(zhǎng)系統(tǒng)時(shí)通過抽氣泵系統(tǒng)將該生長(zhǎng)系統(tǒng)控制到135Torr的恒定壓力。 在氫氣氣氛中將該襯底加熱到1200。C并停留10分鐘。通過這個(gè)工藝實(shí)現(xiàn)該 襯底的熱清洗。下一步，翻轉(zhuǎn)閥門使三甲基鋁(TMA)和氨氣(NH3)流入 反應(yīng)室以形成i-型A1N層102y。將TMA摩爾濃度與氨摩爾濃度的比例、所 謂V/III比例設(shè)為230。在該比例下，該A1N層102y的成膜速度大約是 0.2nm/sec。通過各種參數(shù)的相互作用，該成膜速度恰好與該實(shí)施例的一樣。在該比較例中，通過關(guān)注生長(zhǎng)表面的平坦度來(lái)選擇工藝參數(shù)，例如生長(zhǎng) 速度和v/m比例。例如，由于A1N膜的厚度越厚，平坦度越好，因此形成 相度厚的膜。在該比較例中，厚度設(shè)為100nm。其它結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例中的 相似。形成具有l(wèi)mm柵極寬度(長(zhǎng)邊)的第一實(shí)施例和比較例的樣本。將源 電極116接地，對(duì)漏電極施加50V電壓，設(shè)定d.c.柵極偏壓以獲得大約10mA 的漏極電流，并且將非常小的2GHz的ax.信號(hào)施加到該柵電極。從該漏電 極檢測(cè)到放大的a.c.信號(hào)。例如，在16dB至18dB的輸入信號(hào)水平下，得到36dB至38dB的輸出信號(hào)。在a.c.信號(hào)重疊在d.c柵極偏壓上之后，僅僅中 斷了該a.c.信號(hào)。圖2A和圖2B是顯示第一實(shí)施例和比較例的樣本的a.c.信號(hào)中斷后，漏 極電流變化的實(shí)例的示意圖?？v坐標(biāo)表示a.c.信號(hào)中斷后的漏極電流Ids與施 加ax.信號(hào)之前的漏極電流Ids-前的比率，橫坐標(biāo)表示a.c.信號(hào)中斷后的時(shí)間， 其以秒為單位。在圖2B所示的比較例中，施加ax.信號(hào)之前的10mA漏極電 流減小為大約lmA至4mA，并且之后在1至4分鐘內(nèi)逐漸恢復(fù)。在a.c.信號(hào) 中斷之后，需要一分鐘或更長(zhǎng)的暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間，其是相對(duì)于高頻開/關(guān)操作的 關(guān)鍵干擾(critical obstacle)。在50V的漏極偏壓下施加高頻信號(hào)的狀態(tài)下， 在HEMT上施加最大150V左右的電壓。該狀態(tài)被認(rèn)為是具有加寬耗盡層的 高電壓和高電場(chǎng)狀態(tài)。認(rèn)為在陷阱中俘獲了二維電子氣并且該二維電子氣由 于該高電壓和高電場(chǎng)而不能移動(dòng)，該柵電極下的二維電子氣量減少并且電流 減小，此后電子逐漸從這些陷阱釋放出來(lái)以逐漸恢復(fù)電流。在圖2A所示的 第一實(shí)施例的樣本中，將ax.信號(hào)中斷之后的漏極電流的減小抑制在10%左 右，并且該漏極電流在大約5秒至15秒內(nèi)恢復(fù)。盡管不是最好，但是相對(duì) 于圖2B所示的性能有了相當(dāng)大的提高。為了研究這個(gè)現(xiàn)象，研究了在不同成膜條件下形成的A1N層102x和102y 的結(jié)晶狀態(tài)。圖3A和圖3B是顯示用原子力顯微鏡觀測(cè)到的5^imX5pm的 各個(gè)區(qū)域的表面形態(tài)的圖片。圖3C和圖3D是顯示用原子力顯微鏡掃描到的 在同一方向的約4.7pm的表面高度變化的圖。圖3A和圖3C所示的第一實(shí) 施例的樣本的A1N層102x的表面是不平坦的，其具有從下側(cè)向上側(cè)突出的 大量突起，不均勻的分布在整個(gè)表面上(在這個(gè)橫截面中，觀察到七個(gè)邊緣 特別尖銳的突起)。每個(gè)突起的寬度小于200nm并且具有尖銳的頂緣。相對(duì) 于平均高度，凸起部分的高度最大為6nm左右，并且凹進(jìn)部分的高度小于 3nm。其特點(diǎn)為大量突起主要從平均高度向上延伸。圖3B和圖3D所示比較例的樣本的A1N層102y的表面具有許多寬度為 200nm或更寬的高臺(tái)(plateaus)或平頂部分，其中包括有寬度為1000nm或 更寬的高臺(tái)或平頂部分位于其它的高臺(tái)或平頂部分之間。相對(duì)于平均高度， 向上凸起部分的高度最大為2nm。在這個(gè)橫截面中僅存在三個(gè)明顯凹部 (valley)或凹進(jìn)部分，包括一些深度達(dá)到10nm的凹部或凹進(jìn)部分。其特點(diǎn)為存在相對(duì)寬的高臺(tái)或平頂部分并且從高臺(tái)或平頂部分向下延伸而形成多 個(gè)深凹部或孔。與比較例的樣本相比較，可以說(shuō)第一實(shí)施例的樣本的特點(diǎn)為不具有寬度為200nm或更寬的高臺(tái)或突出部；相對(duì)于平均高度，多個(gè)突起或凸起部分 的高度為3nm或更高，以及相對(duì)于平均高度，凹進(jìn)部分的深度小于3nm。優(yōu)選采用Rsk (粗糙度曲線的斜度)或Psk (橫截面曲線的斜度)指數(shù) 作為代表兩種表面粗糙度之間差異的數(shù)學(xué)指數(shù)。斜度是物理量(絕對(duì)數(shù))， 其通過將沿參考長(zhǎng)度的高度偏差Z (x)的立方的平均值除以高度偏差Z (x) 的均方根的立方來(lái)獲得。對(duì)于第一實(shí)施例的計(jì)算結(jié)果是Rsk=+0.84，對(duì)于比較例是Rsk=-2.95。 具有正Rsk的表面形態(tài)表示存在尖銳地向上突出的粗糙表面部分(主要 是凸起部分)，而具有負(fù)Rsk的表面形態(tài)表示存在尖銳地向下凹落或壓進(jìn)的 粗糙表面部分(主要是凹進(jìn)部分)。該斜度Rsk優(yōu)選為正，并且進(jìn)一步優(yōu)選 為0.5或更高。不僅在緊接A1N層102x和102y形成之后，可以明顯觀察到該不平坦表 面部分，而且在A1N層上的外延生長(zhǎng)之后或者通過橫截面觀測(cè)估計(jì)完成器件 結(jié)構(gòu)之后也能明顯觀測(cè)到該不平坦表面部分。該不平坦或粗糙部分也可以采 用X射線通過非破壞性衍射密度估計(jì)而檢測(cè)到。例如，對(duì)于具有相同厚度的 A1N薄膜的衍射密度相對(duì)于GaN層的衍射密度的比率，粗糙度大的A1N層 的該比率比比粗糙度小的A1N層的該比率低很多。該比較例在施加了高頻信號(hào)之后大幅度地降低了漏極電流，盡管A1N層 表面的平坦度一定高于第一實(shí)施例中的平坦度。這個(gè)現(xiàn)象歸因于載流子數(shù)量 由于二維電子被陷在阱內(nèi)而減小，以及載流子需要時(shí)間從阱釋放出來(lái)。 一些 晶格缺陷被認(rèn)為是由于形成這些阱的原因。在該第一實(shí)施例中，通過忽略A1N表面的平坦度(到現(xiàn)在為止，該平坦 度被認(rèn)為是最優(yōu)化指數(shù))，提高該A1N層102x的生長(zhǎng)溫度并且將V/III比例 設(shè)為很高?？梢哉J(rèn)為這種設(shè)置可顯著地減小了 A1N層中陷阱中心(結(jié)晶缺陷) 的數(shù)量。也可以認(rèn)為在粗糙度大的A1N層上形成的GaN膜的初始生長(zhǎng)階段 生長(zhǎng)的區(qū)域中，可以減小阱中心的數(shù)量。換句話說(shuō)，粗糙度大的底層對(duì)于減 少GaN中的陷阱中心是有效的。結(jié)果，在A1N層和氮化物半導(dǎo)體層外延生長(zhǎng)在單晶襯底的結(jié)構(gòu)中，在A1N層和氮化物半導(dǎo)體層之間的界面處的粗糙度 大于在A1N層和單晶襯底之間的界面處的粗糙度。此外，在A1N層和氮化 物半導(dǎo)體層之間的界面處的突起或凸起部分高于在該A1N層和單晶襯底之 間的界面處的突起或凸起部分?？梢岳斫獾氖?，至少對(duì)于高壓操作的含GaN的HEMT，優(yōu)選在HT-HR 下使粗糙度大的A1N層外延生長(zhǎng)。盡管第一實(shí)施例的含GaN的HEMT呈現(xiàn)了極好的短暫態(tài)響應(yīng)性能，也 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)集成多個(gè)器件時(shí)會(huì)產(chǎn)生問題。圖2C是顯示當(dāng)在一個(gè)HEMT的漏極和另一個(gè)HEMT的源極之間施加大 至100V的電壓時(shí)，流動(dòng)于由隔離溝槽隔離的兩個(gè)含GaN的HEMT之間的 電流的監(jiān)視結(jié)果的圖表。為了防止該元件著火，將電流值限制在10_3A。即 使小的電壓，漏電流也會(huì)突然增加，并且即使在施加的電壓低于IOV時(shí)也會(huì) 達(dá)到10_3A。電流在相鄰的元件之間流動(dòng)，而不能獲得高阻隔離。另一問題 是即使單一元件也不能被柵極電壓完全關(guān)閉。漏電流的產(chǎn)生原因在于當(dāng)在粗糙度大的A1N層102x上生長(zhǎng)i-型GaN 層105時(shí)，會(huì)出現(xiàn)橫向生長(zhǎng)而掩埋不規(guī)則部分。在這種GaN橫向生長(zhǎng)期間， 很可能混合雜質(zhì)例如Si，使得晶體電阻變低。圖4A是根據(jù)第二實(shí)施例的含GaN的HEMT的橫截面視圖。通過類似于 第一實(shí)施例的工藝，在SiC襯底100上，以HT-HR，外延生長(zhǎng)20nrn至40nm 厚的AlN層102x。在105(TC士50。C的生長(zhǎng)溫度下，在A1N層上生長(zhǎng)鋁含量 調(diào)整到7at^的AlGaN層104，并在之后生長(zhǎng)i-型GaN層105。該AlGaN層 104的厚度優(yōu)選為10nm至200nm,并且在該實(shí)施例中設(shè)定為100nm。由于 加寬的帶隙之類的原因，該AlGaN層容易具有比GaN層更高的電阻系數(shù)。 該i-型GaN層105和之后形成的其它層具有與第一實(shí)施例中相似的結(jié)構(gòu)。圖4B和圖4C顯示了在第二實(shí)施例的樣品中在高頻驅(qū)動(dòng)之后所測(cè)量到的 漏極電流恢復(fù)，以及相鄰HEMT之間的漏電流。該測(cè)量方法與用于圖2A至 圖2C的方法相同。圖4B中顯示的漏極電流恢復(fù)特性約等于圖2A所示的特 性。在幾伏的施加電壓下，圖4C所示的漏電流超過了 10—6A，并且之后逐漸 增加。即使在100V的施加電壓下，該漏電流也處于10—5A的水平。相對(duì)于 圖2C所示的特性，實(shí)現(xiàn)了約兩位數(shù)的增加。從而得到了實(shí)際水平的隔離電阻。在第二實(shí)施例中，盡管將具有7at。/。Al含量的AlGaN用作漏電流防止高 阻層，期望通過采用AlxGai.xN (0<x《0.1) (Al含量符號(hào)為atX， Oat%< Al含量《10atX)獲得相似的高阻效應(yīng)。如果A1含量低，高阻效應(yīng)就小。 相反，如果A1含量太高，高到與HEMT等等的電流供應(yīng)層的AlGaN中的 Al含量相同的程度，則熱傳導(dǎo)會(huì)降低并且元件特性會(huì)受到不利影響。這是 Al含量存在上限的原因?？刹捎肍e摻雜GaN層代替AlGaN層。在圖4A中，在高溫下外延生長(zhǎng) A1N層102x之后，首先，在該GaN生長(zhǎng)條件下生長(zhǎng)Fe摻雜GaN層104, 并且在此后生長(zhǎng)i-型GaN層。Fe源可以是二茂(絡(luò))鐵。以lX10"cm^至1 X 1(Tcn^摻雜有Fe的GaN層104生長(zhǎng)到10nm至200nm的厚度并連接到 該i-型GaN層105。在這種情況下，為了防止Fe向上擴(kuò)散，將該i-型GaN 層的厚度設(shè)定為2.5ym。本發(fā)明人指導(dǎo)了在各種條件下實(shí)施A1N層的結(jié)晶體生長(zhǎng)并且研究高頻 信號(hào)中斷后A1N層表面斜度與漂移(恢復(fù))時(shí)間之間的關(guān)系。圖5是共同地顯示對(duì)于高頻信號(hào)中斷后的漂移(恢復(fù))時(shí)間與A1N層的 表面斜度之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖表。橫坐標(biāo)表示斜度Rsk，縱坐標(biāo)表示以 秒為單位的漂移時(shí)間。Rsk從-3左右到1 (1.2)左右之間變化。在斜度為-3 至O的范圍內(nèi)，恢復(fù)時(shí)間隨著斜度的絕對(duì)值減小而而縮短。在正斜度范圍內(nèi) 的恢復(fù)時(shí)間比負(fù)斜度范圍內(nèi)的恢復(fù)時(shí)間更短。由于表面形態(tài)具有更多向上突 起的狀態(tài)，因此Rsk具有更大的正值?？梢钥吹?，當(dāng)Rsk具有更大的正值時(shí)， 暫態(tài)現(xiàn)象的恢復(fù)加速了?？梢钥吹剑?至0.4左右的范圍內(nèi)，當(dāng)斜度變大 時(shí)，恢復(fù)時(shí)間明顯縮短。也可以看到，在O至1左右的范圍內(nèi)，當(dāng)該斜度Rsk 增加時(shí)，漂移時(shí)間縮短，并且當(dāng)Rsk超過l左右時(shí)，該漂移時(shí)間幾乎保持恒 定。因此優(yōu)選將Rsk設(shè)定不小于0.5，并且如果將Rsk設(shè)為l.O或更大，期望 穩(wěn)定地獲得足夠短的暫態(tài)響應(yīng)。然而，當(dāng)前的成膜技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)大于1.5左 右的斜度Rsk。因此，可以說(shuō)該斜度的實(shí)際上限是1.5。結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明。本發(fā)明不僅僅限于上述實(shí)施例。 對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行其它各種修改、 改進(jìn)和組合等等。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體外延襯底，包括單晶襯底；AlN層，在所述單晶襯底上外延生長(zhǎng)；以及氮化物半導(dǎo)體層，在所述AlN層上外延生長(zhǎng)，其中，所述AlN層和所述氮化物半導(dǎo)體層之間的界面的粗糙度比所述單晶襯底和所述AlN層之間的界面的粗糙度大。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體外延襯底，其中，所述A1N層的上表 面的斜度Rsk是正值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體外延襯底，進(jìn)一步包括 氮化物半導(dǎo)體的第一器件層，在所述氮化物半導(dǎo)體層上外延生長(zhǎng)；以及 氮化物半導(dǎo)體的第二器件層，在所述第一器件層上外延生長(zhǎng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體外延襯底，其中所述第一器件層是溝道 層，所述第二器件層是載流子供應(yīng)層，以及所述氮化物半導(dǎo)體層的電阻系數(shù) 比所述第一器件層的電阻系數(shù)高。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體外延襯底，其中所述單晶襯底是SiC。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體外延襯底，其中所述氮化物半導(dǎo)體層是 厚度在10nm至200nm范圍內(nèi)的AlxGa^N層，其中0.0<x《0.1。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體外延襯底，其中所述氮化物半導(dǎo)體層是 厚度在10nm至200nm范圍內(nèi)的GaN層，所述GaN層摻雜有濃度在IX 1017cm'3至1 X 1019cm'3范圍內(nèi)的Fe。
8. —種化合物半導(dǎo)體器件，包括 單晶襯底；A1N層，形成在所述單晶襯底上； 氮化物半導(dǎo)體的緩沖層，形成在所述A1N層上； 氮化物半導(dǎo)體的溝道層，形成在所述緩沖層上； 化合物半導(dǎo)體的載流子供應(yīng)層，形成在所述溝道層之上；以及 源電極、漏電極和柵電極，形成在所述載流子供應(yīng)層之上， 其中，所述A1N層和所述緩沖層之間的界面的粗糙度比所述單晶襯底和 所述A1N層之間的界面的粗糙度大。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的化合物半導(dǎo)體器件，其中所述A1N層的上表 面的斜度是正值。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的化合物半導(dǎo)體器件，其中所述氮化物半導(dǎo)體 的緩沖層的電阻系數(shù)比所述氮化物半導(dǎo)體的溝道層的電阻系數(shù)高。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的化合物半導(dǎo)體器件，其中所述單晶襯底是SiC。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的化合物半導(dǎo)體器件，其中所述氮化物半導(dǎo)體 的緩沖層是厚度在lOnm至200nm范圍內(nèi)的AlxGai.xN層，其中0.0<x《0.1 。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的化合物半導(dǎo)體器件，其中所述氮化物半導(dǎo)體 的緩沖層是厚度在lOnm至200nrn范圍內(nèi)的GaN層，所述GaN層摻雜有濃 度在1 X 1017cm_3至1 X 1019cm-3范圍內(nèi)的Fe。
14. 一種半導(dǎo)體外延襯底的制造方法，包括 在單晶襯底上外延生長(zhǎng)A1N層；以及在所述A1N層上外延生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體層，其中，將所述A1N層的生長(zhǎng)條件設(shè)定為所述A1N層和所述氮化物半 導(dǎo)體層之間的界面的粗糙度比所述單晶襯底和所述A1N層之間的界面的粗 糙度大。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體外延襯底的制造方法，其中，所述 A1N層的生長(zhǎng)條件包括生長(zhǎng)溫度為1100'C至120(TC，以及V/III的比例大 于500。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體外延襯底的制造方法，其中，所述氮 化物半導(dǎo)體層是厚度在10nm至200nm范圍內(nèi)的AlxGai.xN層，其中0.0<x 《0.1;或所述氮化物半導(dǎo)體層是厚度在10nm至200nm范圍內(nèi)的GaN層， 所述GaN層摻雜有濃度在1 X 1017cnT3至1 X 1019cm'3范圍內(nèi)的Fe。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體外延襯底的制造方法，進(jìn)一步包括在 所述氮化物半導(dǎo)體層上外延生長(zhǎng)器件層。
18. —種化合物半導(dǎo)體器件的制造方法，包括 在單晶襯底上外延生長(zhǎng)A1N層；在所述A1N層上外延生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體的緩沖層； 在所述緩沖層上外延生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體的溝道層；在所述溝道層上外延生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體的載流子供應(yīng)層；以及 在所述載流子供應(yīng)層上方形成源電極、漏電極和柵電極， 其中，將所述A1N層的生長(zhǎng)條件設(shè)定為所述A1N層和所述緩沖層之 間的界面的粗糙度比所述單晶襯底和所述A1N層之間的界面的粗糙度大。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的化合物半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述 A1N層的生長(zhǎng)條件包括生長(zhǎng)溫度為110(TC至120(TC，以及V/III的比例大 于500。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的化合物半導(dǎo)體器件的制造方法，其中所述氮 化物半導(dǎo)體緩沖層是厚度在10nm至200nm范圍內(nèi)的AlxGa^N層，其中0.0 <x《0.1;或所述氮化物半導(dǎo)體層是厚度在10nm至200nm范圍內(nèi)的GaN層， 所述GaN層摻雜有濃度在1 X 1017cm'3至1 X 1019cm'3范圍內(nèi)的Fe。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體外延襯底、化合物半導(dǎo)體器件及其制造方法。其中該半導(dǎo)體外延襯底包括單晶襯底；AlN層，在所述單晶襯底上外延生長(zhǎng)；以及氮化物半導(dǎo)體層，在所述AlN層上外延生長(zhǎng)，其中，所述AlN層和所述氮化物半導(dǎo)體層之間的界面的粗糙度比所述單晶襯底和所述AlN層之間的界面的粗糙度大。AlN層上表面的斜度為正值。本發(fā)明能夠快速恢復(fù)漏極電流。
文檔編號(hào)H01L23/00GK101276792SQ20081009031
公開日2008年10月1日 申請(qǐng)日期2008年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月30日
發(fā)明者乙木洋平, 今西健治, 吉川俊英, 守谷美彥, 田中丈士 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社;日立電線株式會(huì)社