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氮化物半導(dǎo)體裝置的制作方法

文檔序號(hào):7022703閱讀:189來源:國(guó)知局
專利名稱:氮化物半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及氮化物半導(dǎo)體裝置,尤其是涉及具有晶體管構(gòu)造的氮化物半導(dǎo)體裝置。
背景技術(shù)
以氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)或氮化銦(InN)或它們的混晶體為主成分的氮化物半導(dǎo)體(III族氮化物半導(dǎo)體)是寬帶隙半導(dǎo)體,絕緣擊穿電場(chǎng)大,另外與硅系半導(dǎo)體或砷化鎵(GaAs)系的化合物半導(dǎo)體相比,電子的飽和漂移速度大。因而,在獲得高的電子遷移率的同時(shí),能夠?qū)崿F(xiàn)高耐壓化。進(jìn)而,在以面方位的(0001)面為主面的氮化鋁鎵(AlGaN)與氮化鎵(GaN)等的異質(zhì)界面,由自發(fā)極化及壓電極化會(huì)產(chǎn)生電荷。異質(zhì)界面的表面載流子濃度(sheet carrier concentration)由于這些極化的效應(yīng),即便不特別進(jìn)行摻雜,也會(huì)變?yōu)镮 X IO13CnT2以上。因而,利用異質(zhì)界面的二維電子氣體(2Dimensional ElectronGas:2DEG),可以實(shí)現(xiàn)電流密度大的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Hetero-junction Field EffectTransistor:HFET)。
圖12中表示具有由AlGaN/GaN構(gòu)成的異質(zhì)構(gòu)造的現(xiàn)有的場(chǎng)效應(yīng)型晶體管(HFET)的剖面構(gòu)成(例如、參照專利文獻(xiàn)I。)。
如圖12所示,采用了第I現(xiàn)有例涉及的氮化物半導(dǎo)體的HFET在基板101之上依次形成有:由在低溫下生長(zhǎng)的GaN構(gòu)成的低溫緩沖層102、由GaN或AlGaN構(gòu)成的高電阻緩沖層103、無摻雜GaN層105及無摻雜AlGaN層106。無摻雜AlGaN層106之上,分別由Ti層及Al層構(gòu)成的源電極108及漏電極110相互隔開間隔而形成。無摻雜AlGaN層106之上的源電極108及漏電極110之間的區(qū)域形成有由Ni層、Pt層及Au層構(gòu)成的柵電極109。再有,雖然并未圖示,但按照包含各電極在內(nèi)覆蓋無摻雜AlGaN層106的方式形成由氮化硅(SiN)構(gòu)成的鈍化膜。
具備這種構(gòu)造的HFET將在無摻雜AlGaN層106與無摻雜GaN層105的界面生成的二維電子氣體用作溝道。例如,若向源電極108與漏電極110之間施加規(guī)定的電壓,則溝道內(nèi)的電子從源電極108向漏電極110移動(dòng)。此時(shí),通過控制施加給柵電極109的電壓(偏壓)并使該柵電極109正下的耗盡層的厚度變化,能夠控制從源電極108向漏電極110移動(dòng)的電子、即漏極電流。
采用了氮化物半導(dǎo)體的HFET中,可觀測(cè)到被稱為電流崩塌的現(xiàn)象,公知在設(shè)備動(dòng)作時(shí)會(huì)引發(fā)問題。電流崩塌被觀測(cè)為以下現(xiàn)象:例如在將柵極設(shè)為斷開的期間內(nèi),向源極/漏極間及漏極/基板間等施加強(qiáng)的電場(chǎng),然后即便接通柵電極109,源極/漏極間的溝道電流也會(huì)減少,接通電阻增大。專利文獻(xiàn)I中,以O(shè)V 10V及OV 30V掃描接通狀態(tài)中的源極/漏極間的電壓,將獲得的電流值之比的值定義為電流崩塌值。再有,記載著:如果將高電阻緩沖層103的碳濃度設(shè)為IO1VcnT3以上且1027cm_3以下、進(jìn)而將從二維電子氣體層到高電阻緩沖層103為止的厚度(以下稱為溝道層)設(shè)為0.05 μ m以上,則電流崩塌的值成為在實(shí)用方面沒有問題的等級(jí)。另一方面,如果將高電阻緩沖層103的碳濃度設(shè)為IO1VcnT3以上、并將溝道層的厚度設(shè)為Iym以下,則也可以確保工業(yè)電源的情況下所需的耐壓400V以上。
在先技術(shù)文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)I JP特開2007-251144號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)2 JP特開2006-339561號(hào)公報(bào)發(fā)明內(nèi)容
-發(fā)明所要解決的技術(shù)問題-
上述的現(xiàn)有例是通過基于接通狀態(tài)下的電壓掃描進(jìn)行的測(cè)量來定義電流崩塌,來設(shè)定溝道層的厚度的下限值等。
然而,上述的現(xiàn)有例中,若增厚碳濃度低的溝道層,則橫向(與基板的主面平行的方向)的漏電流會(huì)增加,因此產(chǎn)生耗電上升、且可靠性惡化的問題。
再有,若為了抑制橫向的漏電流而將溝道層削薄,則如專利文獻(xiàn)I所記載的,由于碳濃度高的高電阻緩沖層接近溝道層,故產(chǎn)生電流崩塌的抑制效應(yīng)劣化的問題。
S卩,上述現(xiàn)有的HFET難以兼顧漏電流的降低與電流崩塌的降低。
本發(fā)明鑒于上述的問題,其目的在于:可以實(shí)現(xiàn)在氮化物半導(dǎo)體裝置中可抑制電流崩塌且降低橫向的漏電流的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
-用于解決技術(shù)問題的方案-
為了達(dá)成上述目的,本發(fā)明使氮化物半導(dǎo)體裝置構(gòu)成為:具備依次形成于基板之上的第I氮化物半導(dǎo)體層、第2氮化物半導(dǎo)體層、第3氮化物半導(dǎo)體層及第4氮化物半導(dǎo)體層,在第3氮化物半導(dǎo)體層中的與第4氮化物半導(dǎo)體層的界面附近形成蓄積有載流子的溝道,第2氮化物半導(dǎo)體層的帶隙比第3氮化物半導(dǎo)體層的帶隙大,第I氮化物半導(dǎo)體層,其帶隙與第2氮化物半導(dǎo)體層的帶隙相同或比第2氮化物半導(dǎo)體層的帶隙大,且被導(dǎo)入比第2氮化物半導(dǎo)體層更高濃度的碳。
根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體裝置,由于第2氮化物半導(dǎo)體層的帶隙比第3氮化物半導(dǎo)體層大,故從第3氮化物半導(dǎo)體層朝向第2氮化物半導(dǎo)體層的電子因第3氮化物半導(dǎo)體層與第2氮化物半導(dǎo)體層之間的帶隙之差而變得難以到達(dá)第2氮化物半導(dǎo)體層及第I氮化物半導(dǎo)體層。再有,由于第2氮化物半導(dǎo)體層與第I氮化物半導(dǎo)體層相比,其碳濃度低,故與第3氮化物半導(dǎo)體層同樣地,電子難以被捕獲,因此電力崩塌變得難以增大。還有,由于第I氮化物半導(dǎo)體層的帶隙與第2氮化物半導(dǎo)體層的帶隙相同或比第2氮化物半導(dǎo)體層的帶隙大,故可以抑制第I氮化物半導(dǎo)體層與第2氮化物半導(dǎo)體層的界面處的自發(fā)極化或壓電極化引起的二維電子氣體的產(chǎn)生。進(jìn)而,由于第I氮化物半導(dǎo)體層與第2氮化物半導(dǎo)體層相比,其碳濃度高,故第I氮化物半導(dǎo)體層的電阻上升,本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體裝置中的耐壓提聞。
在本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體裝置中,優(yōu)選第I氮化物半導(dǎo)體層及第2氮化物半導(dǎo)體層在組成中包含鋁。
這樣一來,可以容易地使第I氮化物半導(dǎo)體層及第2氮化物半導(dǎo)體層的帶隙比第3氮化物半導(dǎo)體層的帶隙更大。
該情況下,優(yōu)選第4氮化物半導(dǎo)體層包含組成比高于第I氮化物半導(dǎo)體層的鋁。
這樣一來,在第3氮化物半導(dǎo)體層中的與第4氮化物半導(dǎo)體層的界面附近可以可靠地生成二維電子氣體。
本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體裝置也可以還具備:在第4氮化物半導(dǎo)體層之上相互隔開間隔而形成的源電極及漏電極;和形成于第4氮化物半導(dǎo)體層之上的源電極及漏電極之間的區(qū)域的柵電極。
該情況下,本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體裝置也可以還具備形成于第4氮化物半導(dǎo)體層與柵電極之間的P型的第5氮化物半導(dǎo)體層。
再有,該情況下本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體裝置也可以還具備形成于第4氮化物半導(dǎo)體層與柵電極之間的絕緣膜。
-發(fā)明效果-
根據(jù)本發(fā)明涉及的半導(dǎo)體裝置,可以實(shí)現(xiàn)兼顧了橫向漏電流的降低和電流崩塌的抑制的氮化物半導(dǎo)體裝置。


圖1是表示本發(fā)明第I實(shí)施方式涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置的示意性剖視圖。
圖2(a)及圖2(b)表示本發(fā)明第I實(shí)施方式涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置中的能帶圖,圖2(a)是柵極區(qū)域的縱向的能帶圖、圖2(b)是柵極區(qū)域與源極區(qū)域之間的縱向的能帶圖。
圖3(a) 圖3(e)是表示本發(fā)明第I實(shí)施方式涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置的制造方法的工序順序的示意性剖視圖。
圖4是表示第2現(xiàn)有例涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置的示意性剖視圖。
圖5是將第2現(xiàn)有例作為比較例來表示本發(fā)明第I實(shí)施方式涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置中的漏電流與Ron比的關(guān)系的圖表。
圖6是表示第2現(xiàn)有例涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置中的SMS的測(cè)量結(jié)果的圖表。
圖7是表示本發(fā)明第I實(shí)施方式涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置中的SIMS的測(cè)量結(jié)果的圖表。
圖8是表示本發(fā)明第2實(shí)施方式涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置的示意性剖視圖。
圖9(a) 圖9(c)是表示本發(fā)明第2實(shí)施方式涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置的制造方法的工序順序的示意性剖視圖。
圖10是表示本發(fā)明第3實(shí)施方式涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置的示意性剖視圖。
圖11 (a) 圖11 (d)是表示本發(fā)明第3實(shí)施方式涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置的制造方法的工序順序的示意性剖視圖。
圖12是表示第I現(xiàn)有例涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置的示意性剖視圖。
具體實(shí)施方式
(第I實(shí)施方式)
參照?qǐng)D1及圖2來說明本發(fā)明第I實(shí)施方式。
如圖1所示,第I實(shí)施方式涉及的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)具有依次形成于基板I的主面上的由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的緩沖層2、第I氮化物半導(dǎo)體層3、第2氮化物半導(dǎo)體層4、第3氮化物半導(dǎo)體層5及第4氮化物半導(dǎo)體層6。在第4氮化物半導(dǎo)體層6之上形成由P型GaN構(gòu)成的控制層12,在該控制層12之上形成由高濃度P型GaN構(gòu)成的接觸層13。
在接觸層13之上形成有作為歐姆電極的柵電極9。再有,在第4氮化物半導(dǎo)體層6之上的控制層12的柵極長(zhǎng)方向的兩側(cè),在與控制層12隔開間隔的區(qū)域分別形成有作為與第4氮化物半導(dǎo)體層6進(jìn)行歐姆接觸的歐姆電極的源電極8及漏電極10。
圖2 (a)示出第I實(shí)施方式涉及的HFET中的柵極區(qū)域的縱向(基板的深度方向)的能帶。
如圖2(a)所示,在第3氮化物半導(dǎo)體層5與第4氮化物半導(dǎo)體層6的界面中,由于自發(fā)極化及壓電極化而產(chǎn)生的電荷,在傳導(dǎo)帶(Ec)形成溝槽(凹坑)。但是,在柵極區(qū)域由于存在控制層12,故第3氮化物半導(dǎo)體層5與第4氮化物半導(dǎo)體層6的能級(jí)被提高。因而,第3氮化物半導(dǎo)體層5與第4氮化物半導(dǎo)體層6的界面的傳導(dǎo)帶(Ec)的溝槽成為比費(fèi)米能級(jí)(Ef)更高的位置,因此在未向柵電極施加偏壓的狀態(tài)下,柵極區(qū)域不會(huì)產(chǎn)生二維電子氣體。由此,第I實(shí)施方式涉及的HFET成為常閉狀態(tài)。
另一方面,如圖2(b)所示,在除了柵極區(qū)域以外的區(qū)域、例如柵極區(qū)域與源極區(qū)域之間的區(qū)域中由于不存在控制層12,故形成二維電子氣體7?;谝陨系奶匦裕粝驏烹姌O9施加正偏壓,則在源極/漏極間能夠流過大電流。
另外,基板I只要是由藍(lán)寶石(單晶體Al2O3)、硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)或石墨(C)等的、具有能夠進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)的的表面、且可以結(jié)晶生長(zhǎng)結(jié)晶品質(zhì)良好的氮化物半導(dǎo)體的材料構(gòu)成的基板即可。再有,為了使結(jié)晶品質(zhì)提高,也可以是對(duì)基板表面或其內(nèi)部實(shí)施了凹凸加工的基板。
形成于基板I的主面上的緩沖層2只要采用可以交接呈現(xiàn)于基板I的主面的材料的結(jié)晶信息的氮化物半導(dǎo)體即可,例如可以采用由AlGaN構(gòu)成的單層構(gòu)造或多層構(gòu)造。再有,在基板I采用硅(Si)的情況下,在緩沖層2中,作為緩沖層也可以包含具有緩和硅基板上的各氮化物半導(dǎo)體層內(nèi)潛在的應(yīng)力的效果的層。緩沖層例如是由AlGaN構(gòu)成的單層構(gòu)造、更優(yōu)選是緩和應(yīng)力的多層構(gòu)造。在緩和應(yīng)力的多層構(gòu)造中,例如有由組成相互不同的多個(gè)AlGaN層構(gòu)成的超晶格構(gòu)造。由于超晶格構(gòu)造會(huì)引起應(yīng)力的緩和,可以降低氮化物半導(dǎo)體層產(chǎn)生的翹曲。再有,若在超晶格構(gòu)造或多層構(gòu)造的內(nèi)部包含有帶隙小的層,則該帶隙小的層中由于自發(fā)極化及壓電極化,二維電子氣體(2DEG)變得容易產(chǎn)生。這樣,若產(chǎn)生2DEG,則在緩沖層2的內(nèi)部產(chǎn)生漏電流,耐壓顯著地下降。因而,超晶格構(gòu)造中,需要按照不使2DEG產(chǎn)生的方式提高帶隙小的層的電阻值。例如,可以通過提高帶隙小的層的碳濃度來提聞其電阻值。
形成于緩沖層2之上的第I氮化物半導(dǎo)體層3是由AlxGahN (其中、O彡x< I)組成的化合物構(gòu)成的層。在此,通過在第I氮化物半導(dǎo)體層3中以高濃度摻雜碳,從而該第I氮化物半導(dǎo)體層3的電阻增大,能夠提高HFET的耐壓。
形成于第I氮化物半導(dǎo)體層3之上的第2氮化物半導(dǎo)體層4由InxAlyGanyN(其中、O≤X < 1、0≤y < 1、0≤x+y < I)組成的化合物構(gòu)成。第2氮化物半導(dǎo)體層4與第3氮化物半導(dǎo)體層5相比,其帶隙更大,因此可降低從第3氮化物半導(dǎo)體層5向基板I側(cè)的漏電流。再有,第2氮化物半導(dǎo)體層4由于被摻雜的碳濃度為低濃度,故電子的捕獲減少,電流崩塌被降低。另外,第I氮化物半導(dǎo)體層3的帶隙也可以與第2氮化物半導(dǎo)體層4的帶隙相同或比第2氮化物半導(dǎo)體層4的帶隙更大。
形成于第2氮化物半導(dǎo)體層4之上的第3氮化物半導(dǎo)體層5由InxAIyGa1^yN(其中、O < X < 1、0 ^ y < 1、0 ( x+y < I)構(gòu)成。第3氮化物半導(dǎo)體層5與第2氮化物半導(dǎo)體層4相比,其帶隙更小。雖然在第3氮化物半導(dǎo)體層5與第2氮化物半導(dǎo)體層4的界面存在帶隙的差,但既可以使帶隙急劇地變化,也可以使帶隙緩和地變化。還有,也可以利用相當(dāng)于第3氮化物半導(dǎo)體層5與第2氮化物半導(dǎo)體層4各自的帶隙之間的多個(gè)層,使帶隙階段性地變化。
形成于第3氮化物半導(dǎo)體層5之上的第4氮化物半導(dǎo)體層6由InxAlyGa1IyN(其中、O彡X < 1、0 < y < 1、0 < x+y ( I)構(gòu)成。第3氮化物半導(dǎo)體層5是帶隙比第4氮化物半導(dǎo)體層6小的半導(dǎo)體, 通過自發(fā)極化及壓電極化,在第3氮化物半導(dǎo)體層5與第4氮化物半導(dǎo)體層6的界面中形成二維電子氣體(2DEG)7。另外,若第4氮化物半導(dǎo)體層中的Al組成低于0.1,則不適當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生2DEG。再有,若Al組成增大,則容易產(chǎn)生裂縫,因此希望第4氮化物半導(dǎo)體層中的Al組成在0.1 0.5的程度。為了提高電子的遷移率,希望第3氮化物半導(dǎo)體層5為低摻雜物,由于在因高電壓而存在載流子的情況下遷移率升高,故第3氮化物半導(dǎo)體層5成為低電阻的層。另外,在第3氮化物半導(dǎo)體層5的層厚較厚的情況下,若向電極施加高電壓,則產(chǎn)生橫向的漏電流。
以下,參照?qǐng)D3對(duì)上述那樣構(gòu)成的第I實(shí)施方式涉及的氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的HFET的制造方法進(jìn)行說明。
首先,如圖3(a)所示,采用結(jié)晶生長(zhǎng)裝置,在例如由高電阻硅組成的基板I之上,分別依次生長(zhǎng)由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的緩沖層2、第I氮化物半導(dǎo)體層3、第2氮化物半導(dǎo)體層4、第3氮化物半導(dǎo)體層5、第4氮化物半導(dǎo)體層6、控制層12及接觸層13。
具體而言,例如利用氫氟酸緩沖腐蝕液清洗由硅組成的基板I的主面,以除去主面上的自然氧化膜,然后將基板I投入結(jié)晶生長(zhǎng)裝置中。希望結(jié)晶生長(zhǎng)裝置是可以生長(zhǎng)高品質(zhì)的氮化物半導(dǎo)體的裝置,可以采用分子束外延生長(zhǎng)(MBE:molecular beam epitaxy)法、有機(jī)金屬氣相外延生長(zhǎng)(MOVPE:metal-organic vapor phase epitaxy 或 MOCVD:metal-organic chemical vapor deposition)法、或氫化物氣相外延生長(zhǎng)(HVPE:hydridevapor phase epitaxy)法等。在此,以MOCVD法為例進(jìn)行說明。
將表面已被清洗的基板I投入結(jié)晶生長(zhǎng)裝置之后,在氨氣(NH3)或不包含有機(jī)金屬的氫氣(H2)或氮?dú)?N2)氣氛下對(duì)基板I的表面進(jìn)行高溫的熱清洗。接著,通過供給三甲基鋁(TMA)及氨氣,從而形成高碳濃度的第I氮化鋁層。此時(shí),通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整生長(zhǎng)時(shí)的V族(氮)原料與III族原料之比、即V/III比的值,從而可以提高碳濃度。通過將第I氮化鋁層形成為規(guī)定的厚度,然后將V/III比的值適當(dāng)?shù)卣{(diào)整成比上述情況更高,從而形成低碳濃度的第2氮化鋁層。接著,適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)V/III比的值,形成碳濃度高的AlGaN層。由于AlGaN層通過提高碳濃度而可以實(shí)現(xiàn)高電阻化,故HFET的高耐壓化成為可能。接著,在AlGaN層之上形成平均的Al組成比上述的AlGaN層低的AlGaN層及AlN層構(gòu)成的超晶格構(gòu)造。這樣,通過在緩沖層2設(shè)置超晶格構(gòu)造,從而可以緩和上層的氮化物半導(dǎo)體層的應(yīng)力,起到可以降低各氮化物半導(dǎo)體層的翹曲及裂縫的效果。
接著,在緩沖層2之上,作為第I氮化物半導(dǎo)體層3,適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)V/III比的值而形成碳濃度高的AlGaN層。
接著,在第I氮化物半導(dǎo)體層3之上,作為第2氮化物半導(dǎo)體層4,適當(dāng)?shù)卣{(diào)整V/III比的值,形成碳濃度低的無摻雜的AlGaN層。在此,希望第I氮化物半導(dǎo)體層3中的Al組成要比超晶格構(gòu)造中的平均Al組成更低,與第2氮化物半導(dǎo)體層4中的Al組成相等或比其高。
接著,在第2氮化物半導(dǎo)體層4之上,作為第3氮化物半導(dǎo)體層5,適當(dāng)?shù)卣{(diào)整V/III比的值,而形成碳濃度低的無摻雜的GaN層。
接著,在第3氮化物半導(dǎo)體層5之上,作為第4氮化物半導(dǎo)體層6,適當(dāng)?shù)卣{(diào)整V/III比的值,形成碳濃度低的無摻雜的AlGaN層。
接著,在第4氮化物半導(dǎo)體層6之上,作為控制層12,例如在P型的摻雜物源中采用雙環(huán)戍二烯基鎂(Cp2Mg),進(jìn)行Mg的摻雜,形成P型GaN層。
接著,在控制層12之上,作為接觸層13而形成以比P型GaN層更高的濃度摻雜了Mg的P型GaN層。
在以上的各氮化物半導(dǎo)體層連續(xù)地生長(zhǎng)之后,從結(jié)晶生長(zhǎng)裝置取出基板I。
作為調(diào)整各層的碳濃度的方法,有降低V/III比的值或在500°C 1000°C程度的低溫度下進(jìn)行成膜,取入作為供給源的有機(jī)金屬的碳而提高碳濃度的方法。再有,還存在采用四溴化碳(CBr4)、乙烷(CH4)或甲烷(C2H6)等碳供給源而積極地?fù)诫s碳的方法。
接著,如圖3(b)所示,利用光刻法,在接觸層13之上進(jìn)行圖案加工來形成遮蔽柵電極形成區(qū)域的第I抗蝕劑膜(未圖示)。接著,借助干蝕刻裝置,采用三氯化硼(BCl3)或氯氣(Cl2)等氣體,將第I抗蝕劑膜作為掩模,除去接觸層13、及控制層12的上部,使第4氮化物半導(dǎo)體層6露出。然后,將第I抗蝕劑膜除去。
接著,如圖3(c)所示,采用等離子體CVD裝置等,在包含已露出的第4氮化物半導(dǎo)體層6在內(nèi)的接觸層13之上全面地形成絕緣膜11。
接著,如圖3(d)所示,利用光刻法在絕緣膜11之上進(jìn)行圖案加工,以形成在源電極及漏電極的各形成區(qū)域的上側(cè)部分具備開口部的第2抗蝕劑膜(未圖示)。然后,利用干蝕刻裝置,將第2抗蝕劑膜作為掩模,有選擇地除去絕緣膜11。接著,利用蒸鍍裝置,在包含從第2抗蝕劑膜露出的第4氮化物半導(dǎo)體層6在內(nèi)的第2抗蝕劑膜之上形成歐姆電極用金屬膜。然后,利用剝離法(lift-off),除去第2抗蝕劑膜及其上的歐姆電極用金屬膜的無用部分,由此形成源電極8及漏電極10。
接著,如圖3(e)所示,利用光刻法在絕緣膜11之上進(jìn)行圖案加工,以形成在柵電極形成區(qū)域的上側(cè)部分具備開口部的第3抗蝕劑膜(未圖示)。然后,利用干蝕刻裝置,將第3抗蝕劑膜作為掩模而有選擇地除去絕緣膜11。接著,利用蒸鍍裝置,在包含從第3抗蝕劑膜露出的接觸層13在內(nèi)的第3抗蝕劑膜之上形成P側(cè)歐姆電極用金屬膜。然后,利用剝離法,將第3抗蝕劑膜及其上的P側(cè)歐姆電極用金屬膜的無用部分除去,由此形成柵電極9。
通過以上的制造方法,可以形成第I實(shí)施方式中示出的異質(zhì)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)。
接著,對(duì)圖4所示的第2現(xiàn)有例涉及的HFET的設(shè)備特性和第I實(shí)施方式涉及的HFET的設(shè)備特性進(jìn)行比較。另外,圖4所示的HFET記載于專利文獻(xiàn)2中。如圖4所示,第2現(xiàn)有例涉及的HFET在第I氮化物半導(dǎo)體層3之上形成第3氮化物半導(dǎo)體層5而不具有第2氮化物半導(dǎo)體層4。
首先,作為橫向(與基板的主面平行的方向)的漏電流,測(cè)量了分別將柵極電壓設(shè)為0V、將漏極電壓設(shè)為550V時(shí)的源極/漏極間的電流。
接著,在電流崩塌的影響較大的情況下,可以看出晶體管的開關(guān)動(dòng)作時(shí)的接通電阻惡化(增大)的傾向,因此作為電流崩塌的評(píng)價(jià)分別進(jìn)行以下的測(cè)量。首先,測(cè)量施加OV的柵極電壓、250V漏極電壓、然后施加了 4.5V的柵極電壓后的接通電阻,以評(píng)價(jià)與直流動(dòng)作時(shí)的接通電阻之比的值??梢耘卸?接通電阻比的值越大,則電流崩塌的影響越大。
圖5表示源極/漏極間的漏電流與接通電阻比的值的評(píng)價(jià)結(jié)果。評(píng)價(jià)的HFET是第I實(shí)施方式涉及的HFET、第2現(xiàn)有例涉及的HFET、以及將第2現(xiàn)有例涉及的HFET中的第3氮化物半導(dǎo)體的膜厚設(shè)為1.5倍的HFET。由此可知:第I實(shí)施方式涉及的HFET,與第2現(xiàn)有例涉及的HFET相比,源極/漏極間的漏電流及接通電阻比的值有所降低,特性優(yōu)良。再有,可知:將第2現(xiàn)有例涉及的HFET中的第3氮化物半導(dǎo)體的膜厚設(shè)為1.5倍的HFET,與第2現(xiàn)有例涉及的HFET相比,雖然接通電阻比的值有所下降,但源極/漏極間的漏電流的值有所增加,兩者之間具有權(quán)衡的關(guān)系。
圖6 表不第 2 現(xiàn)有例涉及的 HFET 中的 SIMS (secondary ion mass spectrometry)的測(cè)量結(jié)果。根據(jù)圖6可知:由GaN構(gòu)成的第3氮化物半導(dǎo)體層5中的碳濃度為測(cè)量界限的程度(約I X IO1Vcm3),由AlGaN構(gòu)成的第I氮化物半導(dǎo)體層3的碳濃度為7X 1018/cm3。即,第2現(xiàn)有例涉及的第I氮化物半導(dǎo)體層3由于該碳而被高電阻化。
圖7表示第I實(shí)施方式涉及的HFET中的SIMS的測(cè)量結(jié)果。根據(jù)圖7可知:由GaN構(gòu)成的第3氮化物半導(dǎo)體層5及由AlGaN構(gòu)成的第2氮化物半導(dǎo)體層4均為測(cè)量界限程度的碳濃度,由AlGaN構(gòu)成的第I氮化物半導(dǎo)體層3具有與現(xiàn)有構(gòu)造相同的7X 1018/cm3的碳濃度?,F(xiàn)有構(gòu)造和第I實(shí)施方式均不管作為高碳濃度層的第I氮化物半導(dǎo)體層3的深度方向的位置是否相等,可知在第I實(shí)施方式中,與現(xiàn)有構(gòu)造相比,源極/漏極間的漏電流有所降低、且可以抑制電流崩塌。
(第2實(shí)施方式)
以下,參照?qǐng)D8說明本發(fā)明第2實(shí)施方式。圖8中,對(duì)與圖1所示的構(gòu)成部件相同的構(gòu)成部件賦予相同的符號(hào),從而省略說明。
如圖8所示,第2實(shí)施方式涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置是高電子遷移率晶體管(HEMT:High Electron Mobility Transistor),例如在由高電阻娃構(gòu)成的基板I的主面上,隔著緩沖層2及第I氮化物半導(dǎo)體層3而形成有第2氮化物半導(dǎo)體層4與活性層?;钚詫佑梢来涡纬捎诘?氮化物半導(dǎo)體層4之上的第3氮化物半導(dǎo)體層5及第4氮化物半導(dǎo)體層6構(gòu)成。
第4氮化物半導(dǎo)體層6之上形成:作為肖特基電極的柵電極9 ;在該柵電極9的兩偵扮別隔開間隔的、作為歐姆電極的源電極8及漏電極10。
以下,參照?qǐng)D9對(duì)上述那樣構(gòu)成的第2實(shí)施方式涉及的HEMT的制造方法進(jìn)行說明。
首先,如圖9(a)所示,與第I實(shí)施方式同樣地采用MOCVD裝置等結(jié)晶生長(zhǎng)裝置,在基板I之上依次生長(zhǎng)由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的緩沖層2、第I氮化物半導(dǎo)體層3、第2氮化物半導(dǎo)體層4、第3氮化物半導(dǎo)體層5及第4氮化物半導(dǎo)體層6。
接著,如圖9(b)所示,利用光刻法,在第4氮化物半導(dǎo)體層6之上進(jìn)行圖案加工,以形成在源電極及漏電極的各形成區(qū)域的上側(cè)部分具備開口部的第I抗蝕劑膜(未圖示)。接著,利用蒸鍍裝置,在包含從第I抗蝕劑膜露出的第4氮化物半導(dǎo)體層6在內(nèi)在第I抗蝕劑膜之上形成歐姆電極用金屬膜。然后,利用剝離法,將第I抗蝕劑膜及其上的歐姆電極用金屬膜的無用部分除去,由此形成源電極8及漏電極10。在此,歐姆電極用金屬膜例如可以采用鈦(Ti)及鋁(Al)。
接著,如圖9 (C)所示,利用光刻法在第4氮化物半導(dǎo)體層6之上進(jìn)行圖案加工,以形成在柵電極形成區(qū)域的上側(cè)部分具備開口部的第2抗蝕劑膜(未圖示)。接著,利用蒸鍍裝置在包含從第2抗蝕劑膜露出的第4氮化物半導(dǎo)體層6在內(nèi)在第2抗蝕劑膜之上,依次形成作為肖特基電極用金屬膜的鉬(Pt)膜及金(Au)膜。然后,利用剝離法將第2抗蝕劑膜及其上的肖特基電極用金屬膜的無用部分除去,由此形成柵電極9。
通過以上的制造方法,可以形成第2實(shí)施方式涉及的HEMT。
在第2實(shí)施方式涉及的HEMT中,由于在第I氮化物半導(dǎo)體層3與第3氮化物半導(dǎo)體層5之間也形成有帶隙比第3氮化物半導(dǎo)體層5大、且碳濃度比第I氮化物半導(dǎo)體層3低的第2氮化物半導(dǎo)體層4,故與第I實(shí)施方式涉及的HFET同樣地,電流崩塌的抑制與橫向漏電流的降低成為可能。
(第3實(shí)施方式)
以下,參照?qǐng)D10來說明本發(fā)明第3實(shí)施方式。圖10中,對(duì)與圖1所示的構(gòu)成部件相同的構(gòu)成部件賦予相同的符號(hào)而省略說明。
如圖10所示,第3實(shí)施方式涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置是具有柵極絕緣膜的金屬-絕緣膜-半導(dǎo)體結(jié)合(MIS:metal insulator semiconductor)型的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)。
具體而言,在例如由高電阻硅構(gòu)成的基板I的主面上依次形成緩沖層2、第I氮化物半導(dǎo)體層3、第2氮化物半導(dǎo)體層4、第3氮化物半導(dǎo)體層5及第4氮化物半導(dǎo)體層6。
在第4氮化物半導(dǎo)體層6之上,作為歐姆電極的源電極8及漏電極10相互隔開間隔地形成。再有,在第4氮化物半導(dǎo)體層6上、且源電極8及漏電極10之間的區(qū)域形成柵極絕緣膜14,在該柵極絕緣膜14之上形成柵電極9。
在此,柵極絕緣膜14的形成材料例如可以采用氮化硅(SiN)或氧化硅(SiO2)。
與第2實(shí)施方式涉及的HEMT相比,第3實(shí)施方式涉及的MIS型HFET由于在柵電極與第4氮化物半導(dǎo)體層6之間設(shè)置有柵極絕緣膜14,故在互導(dǎo)得到提高的同時(shí),還可以帶來高濃度的表面載流子。
以下參照?qǐng)D11來說明上述那樣構(gòu)成的第3實(shí)施方式涉及的MIS型HFET的制造方法。
首先,如圖11(a)所示,與第2實(shí)施方式同樣地采用MOCVD裝置等結(jié)晶生長(zhǎng)裝置,在基板I之上依次生長(zhǎng)由氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成的緩沖層2、第I氮化物半導(dǎo)體層3、第2氮化物半導(dǎo)體層4、第3氮化物半導(dǎo)體層5及第4氮化物半導(dǎo)體層6。接著,采用等離子體CVD裝置等,在第4氮化物半導(dǎo)體層6之上成膜柵極絕緣膜14。柵極絕緣膜14由氧化硅或氮化硅組成,希望在柵極絕緣膜與第4氮化物半導(dǎo)體層6的界面處缺陷較少。再有,柵極絕緣膜14在結(jié)晶生長(zhǎng)裝置內(nèi)也可以在第4氮化物半導(dǎo)體層6之上連續(xù)地成膜。
接著,如圖11(b)所示,利用光刻法在柵極絕緣膜14之上進(jìn)行圖案加工,以形成在源電極及漏電極的各形成區(qū)域的上側(cè)部分具備開口部的第I抗蝕劑膜(未圖示)。然后,利用干蝕刻裝置,將第I抗蝕劑膜作為掩模而有選擇地除去柵極絕緣膜14。
接著,如圖11(c)所示,利用蒸鍍裝置在包含從第I抗蝕劑膜露出的第4氮化物半導(dǎo)體層6在內(nèi)在第I抗蝕劑膜之上形成歐姆電極用金屬膜,然后利用剝離法,將第I抗蝕劑膜及其上的歐姆電極用金屬膜的無用部分除去,由此形成源電極8及漏電極10。在此,歐姆電極用金屬膜例如可以采用鈦(Ti)及鋁(Al)。
接著,如圖11(d)所示,利用光刻法在柵極絕緣膜14之上進(jìn)行圖案加工,以形成在柵電極形成區(qū)域的上側(cè)部分具備開口部的第2抗蝕劑膜(未圖示)。然后,利用蒸鍍裝置,在包含從第2抗蝕劑膜露出的柵極絕緣膜14在內(nèi)在第2抗蝕劑膜之上形成肖特基電極用金屬膜。然后,利用剝離法將第2抗蝕劑膜及其上的肖特基電極用金屬膜的無用部分除去,由此形成柵電極9。肖特基電極用金屬膜可以采用鉬(Pt)及金(Au)。
通過以上的制造方法可以形成第3實(shí)施方式涉及的MIS型HFET。
在第3實(shí)施方式涉及的MIS型HFET中,由于在第I氮化物半導(dǎo)體層3與第3氮化物半導(dǎo)體層5之間也形成有帶隙比第3氮化物半導(dǎo)體層5大、且碳濃度比第I氮化物半導(dǎo)體層3低的第2氮化物半導(dǎo)體層4,故與第I實(shí)施方式涉及的HFET同樣地電流崩塌的抑制與橫向漏電流的降低成為可能。
-工業(yè)實(shí)用性-
本發(fā)明涉及的氮化物半導(dǎo)體裝置可以抑制電流崩塌且降低橫向的漏電流,作為HFET及HEMT等場(chǎng)效應(yīng)晶體管等是有用的。
-符號(hào)說明-
I 基板
2 緩沖層
3 第I氮化物半導(dǎo)體層
4 第2氮化物半導(dǎo)體層
5 第3氮化物半導(dǎo)體層
6 第4氮化物半導(dǎo)體層
7 二維電子氣體
8 源電極
9 柵電極
10 漏電極
11 絕緣膜
12 控制層
13 接觸層
14 柵極絕緣膜
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體裝置,其具備依次形成于基板之上的第I氮化物半導(dǎo)體層、第2氮化物半導(dǎo)體層、第3氮化物半導(dǎo)體層及第4氮化物半導(dǎo)體層, 在上述第3氮化物半導(dǎo)體層中的與上述第4氮化物半導(dǎo)體層的界面附近形成蓄積有載流子的溝道, 上述第2氮化物半導(dǎo)體層的帶隙比上述第3氮化物半導(dǎo)體層的帶隙大, 上述第I氮化物半導(dǎo)體層,其帶隙與上述第2氮化物半導(dǎo)體層的帶隙相同或比上述第2氮化物半導(dǎo)體層的帶隙大,且被導(dǎo)入比上述第2氮化物半導(dǎo)體層更高濃度的碳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體裝置,其中, 上述第I氮化物半導(dǎo)體層及上述第2氮化物半導(dǎo)體層在組成中包含鋁。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體裝置,其中, 上述第4氮化物半導(dǎo)體層包含組成比高于上述第I氮化物半導(dǎo)體層的鋁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體裝置,其中, 該氮化物半導(dǎo)體裝置還具備: 在上述第4氮化物半導(dǎo)體層之上相互隔開間隔而形成的源電極及漏電極;和 在上述第4氮化物半導(dǎo)體層之上的上述源電極及漏電極之間的區(qū)域形成的柵電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氮化物半導(dǎo)體裝置,其中, 該氮化物半導(dǎo)體裝置還具備形成于上述第4氮化物半導(dǎo)體層與上述柵電極之間的P型的第5氮化物半導(dǎo)體層。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氮化物半導(dǎo)體裝置,其中, 該氮化物半導(dǎo)體裝置還具備形成于上述第4氮化物半導(dǎo)體層與上述柵電極之間的絕緣膜。
全文摘要
本發(fā)明提供一種氮化物半導(dǎo)體裝置,其具有依次形成于基板(1)之上的第1氮化物半導(dǎo)體層(3)、第2氮化物半導(dǎo)體層(4)、第3氮化物半導(dǎo)體層(5)及第4氮化物半導(dǎo)體層(6)。在第3氮化物半導(dǎo)體層(5)中的與第4氮化物半導(dǎo)體層(6)的界面附近形成蓄積有載流子的溝道。第2氮化物半導(dǎo)體層(4)的帶隙比第3氮化物半導(dǎo)體層(5)的帶隙大。第1氮化物半導(dǎo)體層(3),其帶隙與第2氮化物半導(dǎo)體層(4)的帶隙相同或比其大,且被導(dǎo)入比第2氮化物半導(dǎo)體層(4)更高濃度的碳。
文檔編號(hào)H01L21/205GK103155124SQ20118004817
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2011年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月19日
發(fā)明者好田慎一, 石田昌宏, 山田康博 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社
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