專利名稱：異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，特別涉及氮化鎵系高電子遷移率 晶體管。
背景技術(shù)：
參照圖8說明現(xiàn)有的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管。圖8是用于說明現(xiàn)有的 異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管的概略圖，示出主要部分的剖切端面。
異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管110構(gòu)成為在基底120上依次層積作為溝道層 140的GaN層和作為電子供給層150的AlGaN層。異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管 110具有作為電子供給層150的AlGaN層和作為溝道層140的GaN層的 異質(zhì)結(jié)構(gòu)。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，形成在溝道層140和電子供給層150的邊界面 即異質(zhì)界面142上的二維電子氣(2DEG)為高濃度，并且，電子遷移率 也高，所以，作為高電子遷移率晶體管顯示出良好的特性。下面，有時 將具有AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管即高電子遷移率晶體 管稱作AlGaN/GaN-HEMT (High Electron Mobility Transistor)。
在電子供給層150上，設(shè)有利用歐姆接合而形成的源電極182和漏 電極184、以及利用肖特基接合而形成的柵電極180。 AlGaN/GaN-HEMT 110例如借助向溝道層140和電子供給層150注入雜質(zhì)而形成的成分隔離 區(qū)域135，與其他成分隔離。在電子供給層150的上側(cè)表面152上形成有 作為表面保護膜190的氮化硅膜。
另外，例如在電子供給層150的組成為AlxGai.xN (x=0.25)的情況 下，當(dāng)電子供給層的厚度(活性層厚度)a為25nm時，2DEG濃度約為 1.0xl013cm-2，電子遷移率為1500cm2/V s。
眾所周知，為了使晶體管高頻化，增大截止頻率fT是有效的，為了
增大截止頻率fr，縮短柵極長度Lg是最有效的。這里，當(dāng)縮短柵極長度Lg時，發(fā)生夾斷特性不良或閾值電壓向負方
向漂移等所謂的短溝道效應(yīng)。夾斷特性不良導(dǎo)致電場效應(yīng)晶體管(FET) 的工作電壓下降。并且，閾值電壓的漂移使相對于設(shè)計值的容許范圍變 窄，所以，影響成品率等。
為了防止該短溝道效應(yīng)，優(yōu)選活性層厚度a和柵極長度Lg之比(長 寬(aspect)比)Lg/a大于等于5 (例如參照非專利文獻1 )。
在上述AlGaN/GaN-HEMT 110中，活性層厚度a為25nm，所以， 在柵極長度Lg為0.1pm的短柵極區(qū)域中，長寬比為4左右，引起短溝道 效應(yīng)。
這里，當(dāng)減小活性層厚度a、即減薄電子供給層150的厚度時，2DEG 濃度下降。與此相對，如果增大AlxGai_xN的x、即提高A1濃度而最終成 為A1N，則與AlxGai_xN (x=0.25)的情況相比，理論上能夠使電子供給 層150的厚度為1/4以下。但是，在利用有機金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD) 法使AlGaN生長的情況下，當(dāng)提高AlxGai.xN的Al濃度時，x=0.52左右， 在AlGaN層的表面上產(chǎn)生裂紋，該裂紋對FET特性帶來影響(例如參照 非專利文獻2)。
與使Al濃度提高到x=0.52以上的AlxGai.xN同樣，當(dāng)利用有機金屬 化學(xué)氣相沉積法使A1N生長時，即使是厚度為2nm左右的A1N層，也會 在其表面上產(chǎn)生裂紋。
產(chǎn)生裂紋的原因不明確，但是，由于該裂紋，無法使用AlN層或x 大于等于0.6的AlxGai.xN層作為電子供給層150。
并且，關(guān)于形成A1N層之前的工序，代替MOCVD法，還存在利用 等離子體輔助分子束外延(PAMBE: Plasma Assisted Molecular Beam Epitaxy)法進行的方法(參照非專利文獻3)。
在非專利文獻3中，利用PAMBE法的A1N的生長溫度低到200 300°C，所以，能夠不引起裂紋地生長AIN。
非專利文獻1福田益美、平地康剛著「GaAs電界効果卜，y^ 7夕0基礎(chǔ)」〕口于社1992年，pp56-59
非專禾!j文獻 2M. Miyoshi et al.， "Characterization ofDifferent-Al-Content AlGaN/GaN Heterostructures and
High-Electron-Mobility Transistors Grown on 100-mm-Diameter Sapphire Substrates by Metalorganic Vapor Phase Epitaxy", Jpn. J.Appl.Phys.， Vol.43, No.l2，2004, pp.7939-794非專利文獻3M. Higashiwaki et al" "AIN/GaN Insulated-Gate HFETs Using Cat畫CVD SiN", IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, Vol.27， No.9， 2006， pp.719-721
這里，在非專利文獻3中，報告了形成厚度為2.5nm左右的AIN層 作為電子供給層的例子。但是，所得到的電子遷移率為365cm2/V*s左 右，僅是使用AlGaN作為電子供給層時所得到的1500cm2/V s的1/4左 右。
然而，本申請的發(fā)明人進行深入研究后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通過MOCVD法， 形成厚度為2.5nm 8nm的A1N層作為電子供給層，進而在A1N層上形 成GaN層作為覆蓋層時，能夠得到更大的電子遷移率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述問題而完成的，本發(fā)明的目的在于，提供二維電 子濃度和電子遷移率高、且不引起短溝道效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管。
為了達成上述目的，根據(jù)本發(fā)明的主旨，提供如下的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng) 晶體管該異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管具有在基底上依次層積的作為溝道層的 第1 GaN層、作為電子供給層的A1N層、以及作為覆蓋層的第2 GaN層， A1N層的厚度大于等于2.5nm且小于等于8nm。
根據(jù)本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管的優(yōu)選實施方式，優(yōu)選在第2 GaN層上具有作為表面保護膜的氮化硅膜。并且，優(yōu)選通過有機金屬化 學(xué)氣相沉積法來形成A1N層。并且，優(yōu)選AlN層的厚度小于等于5nm。
根據(jù)本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，二維電子濃度和電子遷移率高， 能夠獲得良好的器件特性。


圖1是用于說明異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管的概略圖。
圖2是用于說明改變了上表面狀態(tài)時的表面狀態(tài)的圖。
圖3是用于說明改變了上表面狀態(tài)時的表面粗糙度的圖。 圖4是改變了 A1N層的厚度吋的AFM像。 圖5是示出A1N層的厚度和表面粗糙度之間的關(guān)系的圖。 圖6是示出載流子面密度(sheet carrier density)、電子遷移率和方塊 電阻(sheet resistance)相對于A1N層厚度的依賴性的特性圖。
圖7是示出表面粗糙度和電子遷移率相對于AIN層厚度的依賴性的圖。
圖8是用于說明現(xiàn)有的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管的概略圖。
具體實施例方式
下面，參照

本發(fā)明的實施方式，關(guān)于各結(jié)構(gòu)要素的形狀、 大小和配置關(guān)系，只不過是在可理解本發(fā)明的程度上概略地示出。并且， 下面說明本發(fā)明的優(yōu)選結(jié)構(gòu)例，各結(jié)構(gòu)要素的材質(zhì)和數(shù)值條件等只不過 是優(yōu)選例。因此，本發(fā)明不限于以下的實施方式，可以進行不脫離本發(fā) 明的結(jié)構(gòu)范圍且能獲得本發(fā)明的效果的多種變更或變形。
參照圖1說明本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管。另外，該異質(zhì)結(jié)場效 應(yīng)晶體管為高電子遷移率晶體管(HEMT)，所以，在以下的說明中，有
時也稱為HEMT。
圖1是用于說明作為本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管的 AlN/GaN-HEMT的概略圖，示出主要部分的剖切端面。
本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管10具有在基底20上依次層積的溝道 層40、電子供給層50以及覆蓋層60。
基底20構(gòu)成為在晶體生長基板22上具有緩沖層24。
作為晶體生長基板22，例如可以使用碳化硅(SiC)基板。另外， 作為晶體生長基板22，與在異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管中通常使用的基板同樣，
也可以使用硅基板或藍寶石基板。
緩沖層24是為了在晶體生長基板22和溝道層40之間產(chǎn)生晶格弛豫效應(yīng)而設(shè)置的。例如利用有機金屬化學(xué)氣相沉積法(MOCVD法)使A1N 生長，由此，緩沖層24形成為100nm左右的厚度。
與緩沖層24同樣，通過MOCVD法依次層積形成溝道層40、電子 供給層50以及覆蓋層60。
作為溝道層40，形成厚度為1000nm左右的GaN層(第1 GaN層)。 并且，作為電子供給層50，形成A1N層。并且，作為覆蓋層60，形成厚 度為2.5nm左右的GaN層(第2GaN層)。另外，電子供給層50的厚度 在后面敘述。
這里，在作為溝道層40的第1 GaN層和作為電子供給層50的A1N 層的邊界面即AlN/GaN異質(zhì)界面45上形成二維電子氣(2DEG)。
在覆蓋層60上設(shè)有表面保護膜90。作為表面保護膜90，例如形成 氮化硅膜。氮化硅膜可以利用等離子體CVD法或熱CVD法等任意優(yōu)選 的方法形成，但是，優(yōu)選在形成溝道層40、電子供給層50以及覆蓋層 60之后，在相同裝置內(nèi)通過MOCVD法進行堆積。
AlN/GaN-HEMT IO具有電極，該電極形成在設(shè)于表面保護膜90上 的開孔內(nèi)。例如，源極電極82和漏極電極84形成為歐姆電極，并且， 柵極電極80形成為肖特基電極。形成這些電極的工序使用剝離(lift-off) 法等現(xiàn)有公知的技術(shù)即可，這里省略說明。
并且，AlN/GaN-HEMT 10例如借助向溝道層40和電子供給層50注 入雜質(zhì)而形成的成分隔離區(qū)域35，與其他成分隔離。
A1N層含有大量A1，所以，容易受到表面氧化的影響，引發(fā)裂紋。 因此，如果A1N層暴露在空氣中，則難以抑制柵極泄漏電流。在本發(fā)明 的AlN/GaN-HEMT 10中，作為電子供給層50而形成的A1N層被作為覆 蓋層60而形成的第2GaN層覆蓋，所以，能夠抑制氧化。
參照圖2和圖3說明改變了上表面狀態(tài)時的表面粗糙度。表面粗糙 度用于表面平坦度的評價，是將表面高度方向的位置分布作為與平均位 置距離的均方根值(RMS)而計算出的。
圖2 (A)、 (B)和(C)是示出暴露于上表面的材料(最表面材料) 不同的三種結(jié)構(gòu)的示意圖，示出利用原子力顯微鏡(AFM: Atomic ForceMicroscope)觀察到的各個AFM像。圖3示出這三種結(jié)構(gòu)體的表面粗糙 度的測定結(jié)果。
這里，三種結(jié)構(gòu)體中的晶體生長基板22、緩沖層24、溝道層40和 電子供給層50的結(jié)構(gòu)相同。在晶體生長基板22上形成有，作為緩沖層 24的厚度為100nm的A1N層、作為溝道層40的厚度為1000nm的第1 GaN 層、以及作為電子供給層50的厚度為2.5nm的A1N層。
圖2 (A)示出在電子供給層50上沒有形成表面保護膜等的情況、 即A1N層為最表面的情況。該情況下，如AFM像所示，在表面上產(chǎn)生 裂紋。此時的表面粗糙度為1.471nm (圖3)。
圖2 (B)示出在電子供給層50上形成厚度為13nm的氮化硅膜作為 表面保護膜95的情況。通過設(shè)置表面保護膜95,稍微改善了表面狀態(tài)， 但是，依然產(chǎn)生裂紋。此時的表面粗糙度為0.550nm (圖3)。
圖2 (C)示出在電子供給層50上形成厚度為2.5nm的第2 GaN層 作為覆蓋層60的情況。當(dāng)設(shè)置覆蓋層60時，與圖2 (B)所示的形成氮 化硅膜的情況相比，進一步改善了表面狀態(tài)，不產(chǎn)生裂紋。此時的表面 粗糙度為0.194nm (圖3)。
通過在AlN層上設(shè)置第2GaN層，與設(shè)置氮化硅膜的情況相比，改 善了表面狀態(tài)，這是因為，通過設(shè)置第2GaN層，除了抑制A1N層的表 面氧化以外，還能夠獲得抑制AlN/GaN的晶格失配等的效果。
這樣，為了獲得良好的表面狀態(tài)，優(yōu)選在作為電子供給層50的A1N 層上設(shè)置作為覆蓋層60的第2 GaN層。
接著，說明電子供給層50的厚度。另外，在以下的說明中，電子供 給層50即A1N層的厚度示出設(shè)計值。由于制造時的偏差，制造后的實測 值有時相對于設(shè)計值產(chǎn)生20%左右的偏差。
為了提高2DEG濃度，優(yōu)選進一步增大作為電子供給層50的A1N 層的厚度。AlN和GaN的晶格常數(shù)分別為3.112A以及3.187A,其差為 2.4%左右，所以，能夠形成A1N層且不產(chǎn)生裂紋的臨界膜厚理論上為 10nm左右。
圖4 (A)、 (B)、 (C)、 (D)和(E)分別示出A1N層的厚度為0.5nm、
82.5nm、 6nm、 8nm、和20nm時的AFM像。這里，關(guān)于形成在A1N層上 的第2GaN層的表面，示出"m見方區(qū)域的AFM像。
并且，圖5示出A1N層的厚度和表面粗糙度之間的關(guān)系。在圖5中， 橫軸表示A1N層的厚度(單位nm)，縱軸表示表面粗糙度(RMS)(單 位nm)。
A1N層的厚度小于等于2.5nm時，表面沒有裂紋(圖4 (A)和(B))， 表面粗糙度也在0.2nm以下(圖5)。當(dāng)A1N層的厚度達到6nm時，在表 面上產(chǎn)生裂紋，隨著A1N層厚度的增大，裂紋變得顯著(圖4 (C)、 (D) 和(E))。
觀察圖5所示的A1N層的厚度和表面粗糙度之間的關(guān)系時，在A1N 層的厚度大于等于6nm的區(qū)域中，表面粗糙度相對于A1N層的厚度呈一 階函數(shù)增大。另一方面，A1N層的厚度小于等于2.5nm時，表面粗糙度 為大致恒定的值。
因此，當(dāng)描繪通過A1N層的厚度為0.5nm和2.5nm這兩點的直線I、 以及通過A1N層的厚度為6nm、 8nm、和20nm這三點的近似直線II時， 直線I和近似直線II在A1N層的厚度約為5nm處交叉。
因此，如果把作為電子供給層的AlN層的厚度設(shè)為5mn以下，則能 夠獲得表面粗糙度的值在0.2nm以下這樣良好的表面狀態(tài)。
接著，參照圖6，來說明相對于AlN層厚度的載流子面密度Ns、電 子遷移率p和方塊電阻Rs。圖6是示出載流子面密度Ns、電子遷移率p 和方塊電阻Rs相對于A1N層厚度的依賴性的特性圖。在圖6中，橫軸表 示A1N層厚度(單位nm)，縱軸表示載流子面密度Ns (cm'2)、方塊電 阻Rs (Q/sq)和遷移率p (cm2/V s)。
這里，當(dāng)AlN層的厚度為0.5nm時，觀測不到載流子。這是因為， AlN/GaN異質(zhì)結(jié)為不均勻的結(jié)構(gòu)。并且，當(dāng)A1N層的厚度為20nm時， 無法得到基于霍爾效應(yīng)的測定的結(jié)果。這是因為表面粗糙程度的影響。
當(dāng)AlN層的厚度為2.5nm、 6nm和8nm時，在任意情況下，電子遷 移率p大于等于500cmVv s，能夠獲得優(yōu)于非專利文獻3所示的值的結(jié) 果。特別地，在A1N層的厚度為2.5nm時，電子遷移率pi示出1226.8cm2/V s這樣非常高的值，是接近在AlxGai.xN (x=0.25) /GaN異 質(zhì)結(jié)構(gòu)中獲得的值(1500cmVv's)的值。
沒有發(fā)現(xiàn)方塊電阻Rs相對于A1N層厚度的依賴性，方塊電阻Rs表 現(xiàn)出大致恒定的值。并且，載流子面密度Ns隨著A1N層厚度的增大而增 大。
由圖5和圖6可知，電子遷移率(i的值與表面粗糙度即表面狀態(tài)密 切相關(guān)。當(dāng)表面粗糙度增大、即表面狀態(tài)惡化時，具有如下傾向無法 形成良好的異質(zhì)界面，電子遷移率p急劇降低。
圖7示出表面粗糙度和電子遷移率相對于A1N層厚度的依賴性。在 圖7中，橫軸表示A1N層厚度(單位nm)，縱軸表示表面粗糙度(RMS) (nm)和電子遷移率p (cm2/V s)。隨著A1N層厚度的增大，表面粗糙 度增大，電子遷移率p降低。
根據(jù)這些結(jié)果，在作為電子供給層的A1N層上具有作為覆蓋層的第 2GaN層，進而，如果設(shè)AlN層的厚度大于等于2.5nm且小于等于8nm， 則能夠獲得電子遷移率比現(xiàn)有的AlN/GaN-HEMT高的AlN/GaN-HEMT。 并且，如果A1N層的厚度進一步小于等于5nm，則能夠獲得接近AlxGai.xN (x=0.25) /GaN-HEMT的高電子遷移率。
在上述實施方式中，作為異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，說明了在覆蓋層60 上形成柵電極80作為肖特基電極的例子，但是，不限于該例子。
作為異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，也可以是構(gòu)成為在覆蓋層60上具有例如 氮化硅膜作為柵極絕緣膜并在該柵極絕緣膜上具有柵電極的所謂的MIS (Metal Insulator Semiconductor:金屬絕緣體半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)的場效應(yīng) 晶體管(MISFET)。通過構(gòu)成為MIS結(jié)構(gòu)，能夠抑制柵極泄漏電流。
權(quán)利要求
1. 一種異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管具有在基底上依次層積的作為溝道層的第1GaN層、作為電子供給層的AlN層、以及作為覆蓋層的第2GaN層，所述AlN層的厚度大于等于2.5nm且小于等于8nm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于， 在所述第2 GaN層上具有作為表面保護膜的氮化硅膜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于， 通過有機金屬化學(xué)氣相沉積法來形成所述A1N層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征在于， 所述A1N層的厚度小于等于5nm。
全文摘要
本發(fā)明提供異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管。其課題在于，針對氮化鎵系的高電子遷移率晶體管，提高二維電子濃度和電子遷移率，并且不產(chǎn)生短溝道效應(yīng)。作為解決手段，異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管具有在基底(20)上依次層積的作為溝道層(40)的第1GaN層、作為電子供給層(50)的AlN層、以及作為覆蓋層(60)的第2GaN層。AlN層的厚度大于等于2.5nm且小于等于8nm。
文檔編號H01L21/205GK101521225SQ20091011854
公開日2009年9月2日 申請日期2009年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月26日
發(fā)明者戶田典彥, 星真一, 玉井功 申請人:沖電氣工業(yè)株式會社