專利名稱：半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括基于III族氮化物的半導(dǎo)體作為主材料的半導(dǎo)體器件。在基 于III族氮化物的半導(dǎo)體器件之中，具體來講，本發(fā)明涉及一種基于III族氮化物的場效應(yīng) 晶體管的結(jié)構(gòu)，其具有閾值電壓的優(yōu)良均勻性和再現(xiàn)性，同時(shí)保持低柵泄漏電流和高電子 遷移率，并且還能夠以增強(qiáng)模式操作。
背景技術(shù)：


圖10是示意性示出使用基于III族氮化物半導(dǎo)體的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的場效應(yīng)晶體 管型半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。例如，已經(jīng)由Imanaga等人報(bào)道了這種場效應(yīng)晶體管 型半導(dǎo)體器件。(參見專利文件1)圖10中所示的場效應(yīng)晶體管型半導(dǎo)體器件包括例如下述的構(gòu)成。襯底100是具 有(0001)面(即，C面)的襯底，緩沖層101由未摻雜的氮化鎵(GaN)或氮化鋁鎵(AlGaN) 制成，電子供應(yīng)層102由N型氮化鋁鎵(AlxloGa1^xloN)制成，溝道層103由氮化鎵(GaN)制 成，并且絕緣層104由未摻雜的氮化鋁(AlN)制成。在絕緣層104上，形成源電極IOS和漏 電極10D，并且與之處于歐姆接觸。在絕緣層104上，柵電極IOG形成在源電極IOS和漏電 極IOD之間的區(qū)域中，并且與之處于肖特基接觸。溝道層103和電子供應(yīng)層102之間的界 面是GaN/AlGaN的異質(zhì)結(jié)界面，并且絕緣層104和溝道層103之間的界面也是AIN/GaN的 異質(zhì)結(jié)界面。其中溝道層103的上下界面由與這種AIN/GaN/AlGaN的異質(zhì)結(jié)界面類似的異 質(zhì)結(jié)界面形成的半導(dǎo)體器件被稱作具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。圖11是示意性示出在具有圖10所示的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管型半導(dǎo)體器件 中、位于柵電極IOG正下方的區(qū)域中的導(dǎo)帶的帶示意圖的橫截面圖。分別在GaN與AlGaN之 間和GaN與AlN之間存在導(dǎo)帶邊能量Ec的差(帶不連續(xù))Δ Ec (AlGaN/GaN)和Δ Ec (AIN/ GaN)。帶的不連續(xù)量可以被設(shè)置為AEc(AlN/GaN) > Δ Ec (AlGaN/GaN)。在雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)中， 在GaN溝道層103與AlGaN電子供應(yīng)層102的界面附近以及GaN溝道層103與AlN絕緣層 104的界面附近，產(chǎn)生二維電子氣107。在圖10所示的結(jié)構(gòu)中，與GaN的帶隙Eg(GaN)相比， 構(gòu)成絕緣層104的AlN的帶隙Eg(AlN)大，由此肖特基勢壘ΦΒ增大。因此，提供了如下的 優(yōu)點(diǎn)場效應(yīng)晶體管型半導(dǎo)體器件的正向柵擊穿電壓由此增大。如下所述報(bào)道了具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管型半導(dǎo)體器件的實(shí)例。Imagnage等人還報(bào)道了具有這種具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管型半導(dǎo)體器件， 其采用AlN層和二氧化硅(SiO2)層的層壓結(jié)構(gòu)替代AlN絕緣層來作為絕緣層(參見專利 文件2)。Yosida報(bào)道了具有AlGaN/GaN/AlGaN的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，在該雙異質(zhì)結(jié) 構(gòu)中，用未摻雜的AlGaN取代AlN絕緣層(參見專利文件3)。0. Aktas等人還描述了具有 AlGaN/GaN/AlGaN的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，在該雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，用未摻雜的AlGaN取代 AlN絕緣層(參見非專利文件1)。另外，如下所述報(bào)道了基于III族氮化物的半導(dǎo)體器件的實(shí)例，其采用絕緣膜插入在柵電極和半導(dǎo)體層之間的結(jié)構(gòu)。Matuo等人已經(jīng)報(bào)道了氮化硅(SiN)絕緣膜在GaN/N型AlGaN/GaN的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu) 上設(shè)置的半導(dǎo)體器件(參見專利文件4)。另外，Ching-Ting Lee等人已經(jīng)報(bào)道了具有金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)結(jié)構(gòu)的 半導(dǎo)體器件，在該MIS結(jié)構(gòu)中，具有氧化鎵(Ga2O3)和SiO2的層壓結(jié)構(gòu)的絕緣膜形成在η型 GaN溝道層(參見非專利文件2)。專利文件1 JP2000-294768A專利文件2 JP2000-252458A專利文件3 JP11-261052A專利文件4 JP2004-335960A非專利文件 1 0. Aktas et al.，IEEE Electron Device Letters, Vol. 18，No. 6， pp 293-295，June 1997非專利文件2 :Ching-Ting Lee et al.，IEEE Electron Device Letters, Vol. 24, No. 2，pp. 54-56，F(xiàn)ebruary 200
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題在使用圖10所示的基于III族氮化物半導(dǎo)體的場效應(yīng)晶體管型半導(dǎo)體器件中，采 用AlN絕緣層104提供了位于如圖11所示的柵電極10G正下方的區(qū)域中的導(dǎo)帶的帶示意 圖。由于構(gòu)成該絕緣層104的AlN的極化效應(yīng)，導(dǎo)致在GaN溝道層103和AlN絕緣層104之 間的界面中產(chǎn)生極化電荷。由于在該界面中產(chǎn)生極化電荷，導(dǎo)致在AlN絕緣層104內(nèi)部形 成大電場。另外，除了從AlGaN電子供應(yīng)層102提供載流子(電子)之外，還由于AlN的極 化效應(yīng)造成從AlN絕緣層104提供載流子(電子)。結(jié)果，難以以增強(qiáng)模式實(shí)現(xiàn)器件操作。 除此之外，由于AlN絕緣層104的膜厚度分散，因此閾值電壓Vt的均勻性和再現(xiàn)性大幅度 降低。也就是說，采用圖10所示的AlN絕緣層104的場效應(yīng)晶體管型半導(dǎo)體器件具有兩個(gè) 結(jié)構(gòu)方面的限制難以以增強(qiáng)模式實(shí)現(xiàn)器件操作，并且由于AlN絕緣層104的膜厚度分散， 因此閾值電壓Vt的均勻性和再現(xiàn)性大幅度降低。以下將詳細(xì)描述造成上述結(jié)構(gòu)方面的限制的、構(gòu)成絕緣層104的AlN的極化效應(yīng)。在圖10所示的場效應(yīng)晶體管型半導(dǎo)體器件中，在(0001)面上，即在襯底的C面 上，基于III族氮化物的半導(dǎo)體層被C軸((0001)軸)生長。設(shè)置緩沖層101，使得以晶格馳 豫形式在(0001)面上生長AlGaN電子供應(yīng)層102。另一方面，在AlGaN電子供應(yīng)層102上外 延生長的GaN溝道層103和AlN絕緣層104沒有晶格馳豫，這是因?yàn)樗鼈兙哂斜〉哪ず穸取?因此，它們的晶格常數(shù)變得基本上等于下面的AlGaN電子供應(yīng)層102的晶格常數(shù)a(AlGaN)。 GaN溝道層103和AlN絕緣層104中的每個(gè)是具有應(yīng)變晶格的層。因此，由于GaN的晶格常數(shù)a(GaN)與Alxl(1Gai_xl(1N的晶格常數(shù)a(Alxl(1Gai_xl(1N)之間 的差導(dǎo)致在 GaN 溝道層 103 中產(chǎn)生壓應(yīng)變 ezz (GaN) ^ {a (AlxloGa1^xloN) -a (GaN)} /a (GaN) 由于AlN的晶格常數(shù)a (AlN)與Alxl(1Gai_xl(1N的晶格常數(shù)a (AlxloGa1^xloN)之間的差導(dǎo)致在AlN 絕緣層 104 中產(chǎn)生張應(yīng)變 ezz (AlN) {a (AlxloGa1^xloN) -a (AlN)} /a (AlN) 0因?yàn)樵贑軸生長的AlGaN電子供應(yīng)層102中不存在造成應(yīng)變的應(yīng)力，所以不產(chǎn)生壓電極化Ppeltl2 (Ppei02 = 0)，但是存在自發(fā)極化Pspltl2 = Psp(AlGaN)。AlGaN電子供應(yīng)層102 中的極化Pltl2通常由Pltl2 = Ppelo2+PSpio2來表示，并且Ρ_2 = 0導(dǎo)致Pltl2 = Psp皿。該自發(fā)極 化Pspltl4的方向被取向?yàn)閺那氨砻娉蛞r底。在GaN溝道層103中還存在從前表面朝向襯底的自發(fā)極化Pspltl3 = Psp(GaN)。另 外，在GaN溝道層103中，因?yàn)榇嬖趬簯?yīng)變，所以在抵銷自發(fā)極化Pspltl3的方向上產(chǎn)生壓電極 化PpelQ3。因此，GaN溝道層103中的極化Pltl3為P103 =Ppel03+PSpl03 < PSp (GaN)。在AlN絕緣層104中還存在從前表面朝向襯底方向上的自發(fā)極化Pspltl4 = Psp (AlN)。另外，在AlN溝道層104中，因?yàn)楫a(chǎn)生壓應(yīng)變，所以在與自發(fā)極化Pspltl4的方向相 同的方向上產(chǎn)生壓電極化PpelQ3。因此，AlN絕緣層104中的極KPltl4為Pltl4 = Ppel04+Pspl04 > Psp (AlN)。因此，AlGaN電子供應(yīng)層102中的極化P1(12、GaN溝道層103中的極化PltlJPAlN絕緣 層104中的極KPltl4中的每個(gè)取決于構(gòu)成電子供應(yīng)層102的AlxltlGahltlN的Al組分(Xltl)。例 如，在 Xltl = O. 1 的情況下，通過計(jì)算估算出 P1Q2/q = 2. 13 X 1013Cnr2、P1(13/q= 1.61 X IO13cnT2 ^P P104/q = 7. 90 X1013cnT2，其中 q = 1. 6 X ICT19C 是基本電荷。在GaN溝道層103和AlGaN電子供應(yīng)層102之間的異質(zhì)結(jié)界面中，極化P以不連 續(xù)方式(P1C13-Pltl2)從P1C 變?yōu)镻1(12。因此，在該界面中，由于極化效應(yīng)產(chǎn)生界面電荷σ1(13。界 面電荷的密度 σ 1Q3/q 為 ο 1Q3/q = (Ρ1(13_Ρ1(12)/q。另外，同樣地，在AlN絕緣層104和GaN溝道層103之間的異質(zhì)結(jié)界面中，極化P 以不連續(xù)方式(Pici4-Pici3)從Pici4變?yōu)棣?(ι3。因此，在該界面中，由于極化效應(yīng)產(chǎn)生界面電荷 σ 104。界面電荷的密度 σ 104/q 為 σ 104/q = (Ρ1(14_Ρ1(13)/q。例如，在Xltl = 0. 1的情況下，界面電荷的密度o1(13/q和界面電荷的密度O104/ q 分別被估算為 σ 1Q3/q = (Ρ1(13_Ρ1(12)/d = "5. 28 X IO12cnT2 以及 σ 1(14/q = (Ρ1(14_Ρ1(13)/q = +6. 29X1012cnT2。在GaN溝道層103和AlGaN電子供應(yīng)層102之間的界面中，產(chǎn)生負(fù)界面電 荷σ1(13，并且在AlN絕緣層104和GaN溝道層103之間的界面中，產(chǎn)生正界面電荷ο 1(14，并 且之和(σ 103+ σ 104)變成(σ 103+ σ 104)/q > 0。因此，即使在AlGaN電子供應(yīng)層102中沒有 摻雜淺η型雜質(zhì)(施主)，電子被提供到具有與(σ 1(Ι3+ σ 104) /q相對應(yīng)的面密度的GaN溝道 層103。在所提供的電子至少積聚在GaN溝道層103與AlGaN電子供應(yīng)層102的界面的附 近，由此產(chǎn)生二維電子氣107。因此，場效應(yīng)晶體管型半導(dǎo)體器件用作耗盡模式型的半導(dǎo)體 器件。對于圖10所示的場效應(yīng)晶體管型半導(dǎo)體器件，用以不同方式變化的AlN絕緣膜 104的膜厚度tA1N來解答Poisson等式，由此估算每個(gè)膜厚度tA1N的閾值電壓VT。圖12是 示出估算出的AlN絕緣層104的每個(gè)膜厚度tA1N的閾值電壓VT。針對淺η型雜質(zhì)(施主) 的濃度Nsdici2被選擇為Nsdici2 = OcnT3和Nsdici2 = 2X IO1W的這類情況，圖12中分別示出 通過計(jì)算關(guān)于閾值電壓Vt與AlN絕緣層104的每個(gè)膜厚度tA1N的依賴關(guān)系而得到的估算 結(jié)果。注意的是，對于圖12中所示的通過計(jì)算進(jìn)行的估算，使用表1-1中示出的以下條件 (參數(shù))。[表1-1]
權(quán)利要求
一種使用基于III族氮化物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體器件，其特征在于所述半導(dǎo)體器件包括雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)通過順序?qū)訅河删Ц耨Y豫的AlxGa1 xN構(gòu)成的AlxGa1 xN下部勢壘層、由具有壓應(yīng)變的InyGa1 yN構(gòu)成的InyGa1 yN溝道層和由AlzGa1 zN構(gòu)成的AlzGa1 zN接觸層來構(gòu)造，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，其中在所述InyGa1 yN溝道層與所述AlzGa1 zN接觸層的界面附近，產(chǎn)生二維電子氣，至少兩個(gè)歐姆電極被形成為所述AlzGa1 zN接觸層上的源電極和漏電極，在位于所述源電極和所述漏電極之間的區(qū)域中設(shè)置柵電極，并且由此，所述半導(dǎo)體器件包括由所述柵電極、所述源電極和所述漏電極構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，其能夠構(gòu)成場效應(yīng)晶體管，通過蝕刻掉所述AlzGa1 zN接觸層而去除所述AlzGa1 zN接觸層的一部分直到暴露所述InyGa1 yN溝道層，來在位于所述源電極和所述漏電極之間的區(qū)域中設(shè)置凹陷部，以及在插有由多晶硅或非晶物質(zhì)制成的絕緣膜的情況下，所述柵電極被形成為嵌入在所述凹陷部中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述絕緣膜是選自由Si3N4、SiO2、SiON、A1203、Ga2O3、ZnO、MgO和HfO2組成的組中的、由 多晶或非晶絕緣材料制成的單層膜，或者是包括由多個(gè)所述單層膜構(gòu)成的層壓結(jié)構(gòu)的多層膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件，其中 所述AlxGai_xN下部勢壘層被摻雜有淺η型雜質(zhì)，以及當(dāng)所述柵電極、所述源電極和所述漏電極被設(shè)置成相等的電勢時(shí)，那么在所述 InyGa1^yN溝道層和所述AlxGai_xN下部勢壘層之間的界面附近產(chǎn)生二維電子氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件，其中選擇所述AlzGai_zN接觸層的Al組分ζ和所述AlxGai_xN下部勢壘層的Al組分x，使得 它們的差(ζ-χ)滿足條件(z-x) > 0. 02。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件，其中 所述AlzGa1=N接觸層被摻雜有淺η型雜質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中所述InyGai_yN溝道層由未被摻雜或者摻雜有淺η型雜質(zhì)的InyGai_yN制成，其中 0 ^ y ^ I0
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中所述AlxGai_xN下部勢壘層、所述InyGai_yN溝道層和所述AlzGa1=N接觸層中的每個(gè)是通 過C軸生長而生長的外延膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中在等于或大于50meV的范圍內(nèi)，選擇帶不連續(xù)Δ Ec (AlzGai_zN/InyGai_yN)，該帶不連續(xù)是 由于所述AlzGai_zN接觸層和所述InyGai_yN溝道層之間的異質(zhì)結(jié)界面處的所述AlzGai_zN和 所述InyGai_yN之間的導(dǎo)帶能量差導(dǎo)致的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中在等于或大于50meV的范圍內(nèi)，選擇帶不連續(xù)Δ Ec (AlxGai_xN/InyGai_yN)，該帶不連續(xù)是 由于所述AlxGa1J下部勢壘層和所述InyGai_yN溝道層之間的異質(zhì)結(jié)界面處的所述AlxGa1J和所述InyGai_yN之間的導(dǎo)帶能量差導(dǎo)致的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中所述AlxGai_xN下部勢壘層被形成在包括襯底上形成的、在C軸上生長的AluGai_uN的緩 沖層上，其中OSuS 1。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中 在5nm-500nm的范圍內(nèi)選擇所述絕緣膜的膜厚度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體器件，其在降低了柵泄漏電流的同時(shí)，具有高電子遷移率和具有閾值電壓的優(yōu)良均勻性和再現(xiàn)性，并且還能夠應(yīng)用到增強(qiáng)模式型。該半導(dǎo)體器件順序?qū)訅河删Ц耨Y豫的AlxGa1-xN(0≤x≤1)構(gòu)成的下部勢壘層、由具有壓應(yīng)變的InyGa1-yN(0≤y≤1)構(gòu)成的溝道層和由AlzGa1-zN(0≤z≤1)構(gòu)成的接觸層，并且在所述InyGa1-yN溝道層與所述AlzGa1-zN接觸層的界面附近，產(chǎn)生二維電子氣。AlzGa1-zN接觸層的一部分形成為柵電極嵌入在凹陷部中，并且插有絕緣膜，其中通過蝕刻所述AlzGa1-zN接觸層而去除所述AlzGa1-zN接觸層中的一部分直到暴露所述InyGa1-yN溝道層，來形成所述凹陷部，以及在AlzGa1-zN接觸層上形成歐姆電極。因此，獲得了一種能夠以增強(qiáng)模式進(jìn)行操作的半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體器件具有閾值電壓的優(yōu)良均勻性和再現(xiàn)性，同時(shí)保持低柵泄漏電流和高電子遷移率。
文檔編號H01L29/778GK101971308SQ20098010874
公開日2011年2月9日 申請日期2009年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月12日
發(fā)明者中山達(dá)峰, 井上隆, 岡本康宏, 大田一樹, 安藤裕二, 宮本廣信 申請人:日本電氣株式會社