專利名稱：半導(dǎo)體器件及制造該半導(dǎo)體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體器件以及制造該半導(dǎo)體器件的方法。
背景技術(shù)：
預(yù)期包括諸如GaN層的氮化物半導(dǎo)體層的場效應(yīng)晶體管廣泛用作電力控制元件， 因為它們具有高耐受電壓以及低電阻率。要求這些電力控制元件是常關(guān)型元件。但是，難以將包括氮化物半導(dǎo)體層的場效應(yīng)晶體管制成常關(guān)型晶體管。國際公布WO 03/071607中公開了一種晶體管，其使用在界面處、即在AlGaN層和GaN層之間的異質(zhì)結(jié)處積累的二維電子氣作為載流子。這種晶體管被構(gòu)造為在晶體管的柵電極下方不存在異質(zhì)結(jié)，以防止在柵電極下方產(chǎn)生二維電子氣。國際公布WO 03/071607陳述了借助這種構(gòu)造可以實現(xiàn)常關(guān)晶體管。日本未審專利申請公開2011-044647中公開了一種晶體管，其具有如下形成的構(gòu)造。首先，堆疊第一氮化物半導(dǎo)體層、第二氮化物半導(dǎo)體層以及第三氮化物半導(dǎo)體層，且在第二和第三氮化物半導(dǎo)體層的界面處產(chǎn)生二維電子氣。隨后，在第三氮化物半導(dǎo)體層和第二氮化物半導(dǎo)體層中形成達(dá)到第一氮化物半導(dǎo)體層的凹部，且在該凹部中嵌入柵極絕緣膜和柵電極。在日本未審專利申請公開2011-044647中，凹部穿透第二氮化物半導(dǎo)體層。此夕卜，日本未審專利申請公開2011-044647中公開了通過堆疊多個AlGaN層來形成第二氮化物半導(dǎo)體層，該多個AlGaN層的每一個都具有彼此不同的Al濃度。

發(fā)明內(nèi)容
還要求電力控制晶體管具有高閾值電壓。但是已經(jīng)指出難以使具有由氮化物半導(dǎo)體層構(gòu)成的溝道的晶體管具有高閾值電壓。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種半導(dǎo)體器件，包括第一氮化物半導(dǎo)體層；第二氮化物半導(dǎo)體層，其形成在第一氮化物半導(dǎo)體層上；柵極絕緣膜，其接觸第二氮化物半導(dǎo)體層；以及柵電極，其經(jīng)由柵極絕緣膜面對第二氮化物半導(dǎo)體層，其中通過堆疊多個半導(dǎo)體層形成第二氮化物半導(dǎo)體層，且該半導(dǎo)體層至少在柵電極下方的區(qū)域中在相同方向上被極化，并具有彼此不同的組成，由此在兩個半導(dǎo)體層之間的界面的每一個處的負(fù)電荷量大于正電荷量。根據(jù)本發(fā)明的上述方面，通過堆疊多個半導(dǎo)體層形成第二氮化物半導(dǎo)體層。這些半導(dǎo)體層在一個方向上被極化，使得至少在柵電極下方的區(qū)域中的兩個半導(dǎo)體層之間的每個界面處的負(fù)電荷量大于正電荷量。換言之，可以說看上去在第二氮化物半導(dǎo)體層中形成溝道的區(qū)域中預(yù)先存在負(fù)電荷。因此以此方式形成的晶體管具有高閾值電壓。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種半導(dǎo)體器件，其包括第一氮化物半導(dǎo)體層，其由Α1χαι_χΝ層(α是Ga或In，且0<x< I)形成；第二氮化物半導(dǎo)體層，其形成在第一氮化物半導(dǎo)體層上并由AlyCi "N層(O < y < I)形成；柵極絕緣膜，其接觸第二氮化物半導(dǎo)體層；以及柵電極，其經(jīng)由柵極絕緣膜面對第二氮化物半導(dǎo)體層。此外，半導(dǎo)體器件的特征在于形成第二氮化物半導(dǎo)體層的Aly α "N層的y至少在柵電極下方的區(qū)域中隨著測量y的位置接近第一氮化物半導(dǎo)體層而增大。根據(jù)本發(fā)明的上述方面，第二氮化物半導(dǎo)體層由AlyCI i_yN層(O彡y< I)形成。此外，y隨著測量y的位置接近第一氮化物半導(dǎo)體層而增大。因此可以說看上去在第二氮化物半導(dǎo)體層中形成溝道的區(qū)域中預(yù)先存在負(fù)電荷。因此以此方式形成的晶體管具有高閾值電壓。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟在第一氮化物半導(dǎo)體層上形成第二氮化物半導(dǎo)體層；形成柵極絕緣膜，其接觸第二氮化物半導(dǎo)體··層；以及形成柵電極，其經(jīng)由柵極絕緣膜面對第二氮化物半導(dǎo)體層。此外，在該方法中，其中在形成第二氮化物半導(dǎo)體層的步驟中，通過堆疊具有彼此不同組成的多個半導(dǎo)體層形成第二氮化物半導(dǎo)體層，且該半導(dǎo)體層在相同方向上被極化并至少在柵電極下方的區(qū)域中具有彼此不同的組成，由此第二氮化物半導(dǎo)體層的極化強(qiáng)度在隨著測量極化強(qiáng)度的位置接近柵電極而變得更高或更低，且以如下傾向?qū)Π雽?dǎo)體層進(jìn)行極化，使得在兩個半導(dǎo)體層之間的每個界面處的負(fù)電荷量大于正電荷量。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟在由Alx a 層(α是Ga或In，且O < χ < I)形成的第一氮化物半導(dǎo)體層上形成由Aly α "N層(O < y < I)形成的第二氮化物半導(dǎo)體層；形成柵極絕緣膜，其接觸第二氮化物半導(dǎo)體層；以及形成柵電極，其經(jīng)由柵極絕緣膜形成面對第二氮化物半導(dǎo)體層。此外，在形成第二氮化物半導(dǎo)體層的步驟中，將第二氮化物半導(dǎo)體層形成為，使得形成第二氮化物半導(dǎo)體層的Aly α "N層的y隨著測量y的位置接近第一氮化物半導(dǎo)體層而增大。根據(jù)本發(fā)明的上述方面，采用氮化物半導(dǎo)體層作為溝道的晶體管可具有高閾值電壓。


圖I是示出根據(jù)第一實施例的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖2是用于說明第二氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3是示出具有根據(jù)實施例的結(jié)構(gòu)的第二氮化物半導(dǎo)體層的導(dǎo)帶電勢的模擬結(jié)果，以及具有由GaN單層形成的結(jié)構(gòu)的第二氮化物半導(dǎo)體層(比較例)的導(dǎo)電電勢的模擬結(jié)果的不意圖；圖4是示出根據(jù)對在圖3中的模擬中使用的結(jié)構(gòu)進(jìn)行的二維器件模擬獲得的結(jié)果的不意圖；圖5A和圖5B是用于說明制造半導(dǎo)體器件的方法的橫截面圖，該半導(dǎo)體器件的橫截面在圖I中不出；圖6是用于說明制造半導(dǎo)體器件的方法的橫截面圖，該半導(dǎo)體器件的橫截面在圖I中示出；圖7是示出根據(jù)第二實施例的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖8是包括根據(jù)第三實施例的場效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體器件的橫截面圖；以及圖9是示出根據(jù)第四實施例的電子設(shè)備的電路構(gòu)造的示意圖。
具體實施例方式以下將參考

本發(fā)明的實施例。在所有附圖中，具有相同功能的構(gòu)件由相同的附圖標(biāo)記和標(biāo)號表示，并省略該構(gòu)件的重復(fù)說明。第一實施例
圖I是示出根據(jù)第一實施例的半導(dǎo)體器件構(gòu)造的橫截面圖。該半導(dǎo)體器件包括場效應(yīng)晶體管10。該半導(dǎo)體器件包括第一氮化物半導(dǎo)體層100、第二氮化物半導(dǎo)體層200、第三氮化物半導(dǎo)體層300、柵極絕緣膜410以及柵電極420。第二氮化物半導(dǎo)體層200是場效應(yīng)晶體管10的溝道層。在本實施例中，因為場效應(yīng)晶體管10使用在第二氮化物半導(dǎo)體層200和第三氮化物半導(dǎo)體層300之間界面處產(chǎn)生的二維電子氣202，所以該場效應(yīng)晶體管10具有低電阻率。第一氮化物半導(dǎo)體層100用作其中外延生長第二氮化物半導(dǎo)體層200的緩沖層。第一氮化物半導(dǎo)體層100例如是AlxGahN (O < χ < I)或AlxIrvxN層(O < χ < I)。第一氮化物半導(dǎo)體層100的膜厚例如大于I μ m，且其可以大于3 μ m。通過使第一氮化物半導(dǎo)體層100的膜厚更大，能夠使場效應(yīng)晶體管10的耐受電壓更高。例如，如果第一氮化物半導(dǎo)體層100的膜厚是3 μ m,則場效應(yīng)晶體管10的耐受電壓能夠大于500伏。第二氮化物半導(dǎo)體層200用作溝道層。因此，柵極絕緣膜410接觸第二氮化物半導(dǎo)體層200。如果第一氮化物半導(dǎo)體層100是AlxGapxN層，則第二氮化物半導(dǎo)體層200例如是AlyGa^N層(O彡y < I)，且如果第一氮化物半導(dǎo)體層100是AlxIrvxN層，則第二氮化物半導(dǎo)體層200為AlyIrvyN層(O彡y < I)。第二氮化物半導(dǎo)體層200的膜厚例如大于IOnm并小于10 μ m。通過使第二氮化物半導(dǎo)體層200的膜厚更大，也能夠以使場效應(yīng)晶體管10的耐受電壓更高。例如，如果第一氮化物半導(dǎo)體層100的膜厚是Ium且第二氮化物半導(dǎo)體層200的膜厚是2 μ m,則能夠使場效應(yīng)晶體管10的耐受電壓大于500伏。第三氮化物半導(dǎo)體層300外延生長在第二氮化物半導(dǎo)體層200上。第三氮化物半導(dǎo)體層300用作電子提供層，且被制備用于在第二氮化物半導(dǎo)體層200中產(chǎn)生二維電子氣202。為了產(chǎn)生二維電子氣202，需要第二氮化物半導(dǎo)體層200和第三氮化物半導(dǎo)體層300之間的界面處存在導(dǎo)帶不連續(xù)。換言之，在第二氮化物半導(dǎo)體層200和第三氮化物半導(dǎo)體層300之間界面處，需要第三氮化物半導(dǎo)體層300具有比第二氮化物半導(dǎo)體層200具有的電子親和勢低的電子親和勢。例如，如果第二氮化物半導(dǎo)體層200由AlyG&1_yN層200形成，則第三氮化物半導(dǎo)體層300由AlzGa1=N層(O < z < I)形成，且如果第二氮化物半導(dǎo)體層200由AlyIrvyN層形成，則第三氮化物半導(dǎo)體層300由AlzIrvzN層(O彡z < I)形成。此外，在第二氮化物半導(dǎo)體層200和第三氮化物半導(dǎo)體層300的界面處，形成第三氮化物半導(dǎo)體層300的Alz α卜#層的z和形成第二氮化物半導(dǎo)體層200的Aly α "N層的Y之間存在關(guān)系“z > y”。將第三氮化物半導(dǎo)體層300的Al組成比設(shè)定為大于第二氮化物半導(dǎo)體層200的Al組成比的原因在于，這是因為由于這些Al組成比之間的差異而在第二氮化物半導(dǎo)體層200和第三氮化物半導(dǎo)體層300之間形成了導(dǎo)帶不連續(xù)，且因此產(chǎn)生二維電子氣202。在該界面處，優(yōu)選z >y+0. 05，且更優(yōu)選2 >y+0. 10。如果如上設(shè)定y和z之間的關(guān)系，則可以在第二氮化物半導(dǎo)體層200和第三氮化物半導(dǎo)體層300之間的界面處產(chǎn)生具有足夠濃度的二維電子氣202。凹部310形成在第三氮化物半導(dǎo)體層300中。柵極絕緣膜410形成在凹部310的內(nèi)壁和底部上。柵極絕緣膜410例如可以由氧化硅(SiO2)制成，但也可由諸如氧化鋁(Al2O3)、氧化鉿(HfO2)、氮化硅(SiN)或氮化鋁(AlN)的其他材料制成。柵極絕緣膜410的厚度例如大于30nm，但優(yōu)選地其大于50nm，且更優(yōu)選地大于70nm。如果將柵極絕緣膜410形成得更厚，則場效應(yīng)晶體管10的柵極耐受電壓將變得更高。具體而言，如果使柵極絕緣膜410的厚度為70nm或更大，則大幅提高場效應(yīng)晶體管10的長期可靠性。凹部310中沒有形成柵極絕緣膜410的空的空間嵌入有柵電極420。換言之，柵電極420經(jīng)由柵極絕緣膜410面對第二氮化物半導(dǎo)體層200。柵電極420例如可由Au制成，但其也可由諸如Ni或Pt膜的金屬單層膜、通過堆疊Ni層和Au層而形成的多層膜、通過堆疊除Ni和Au之外的多種金屬而形成的金屬多層膜、由WSi或TiN形成的金屬化合物膜或由諸如多晶硅的半導(dǎo)體材料形成的膜制成。在本實施例中，柵極絕緣膜410和柵電極420的上部形成突出部425。突出部425是從凹部310突出并在圍繞凹部310的第三氮化物半導(dǎo)體層300上延伸的部分。在本實施例中，電場集中在柵極絕緣膜410的凹部310的底部的角部處。但是，制備突出部425使得電場也集中在突出部425的端部。結(jié)果，減輕了柵極絕緣膜410的凹部310的底部的角部處的電場集中，并提高場效應(yīng)晶體管10的耐受電壓。凹部310的下端達(dá)到第二氮化物半導(dǎo)體層200，但并未達(dá)到第一氮化物半導(dǎo)體層100。在圖I中所示實例中，凹部310的下端延伸進(jìn)入第二氮化物半導(dǎo)體層200內(nèi)部中。因·此，二維電子氣202被凹部310分成兩部分。結(jié)果，場效應(yīng)晶體管10變成常關(guān)型晶體管。在本實施例中，第二氮化物半導(dǎo)體層200的Al含量(Al組成比)至少在柵電極420下方的區(qū)域中隨著測量I的位置接近第一氮化物半導(dǎo)體層100而增大(即y增大)。換言之，第二氮化物半導(dǎo)體層200的Al組成比在其厚度方向上是傾斜的。這里，如在通過堆疊彼此具有不同Al組成比的多個氮化物半導(dǎo)體層而形成第二氮化物半導(dǎo)體層200的情況下看到的，Al組成比連續(xù)改變或Al組成比不連續(xù)(或階段式地)改變是可想到的。例如，如果第二氮化物半導(dǎo)體層200具有由彼此具有不同Al組成比的多個氮化物半導(dǎo)體層204逐一堆疊的結(jié)構(gòu)(如圖2中所示)，則第二氮化物半導(dǎo)體層200的Al組成比是傾斜的。這里，將假設(shè)氮化物半導(dǎo)體層204包括單層或多個單層。如果一個氮化物半導(dǎo)體層204具有由多個單原子層形成的結(jié)構(gòu)，則第二氮化物半導(dǎo)體層200的Al組成將階段式改變。如上所述，形成第二氮化物半導(dǎo)體層200的多個半導(dǎo)體層在相同方向上被極化。此外，在半導(dǎo)體層之間的界面處，負(fù)電荷量大于正電荷量。結(jié)果，場效應(yīng)晶體管10的閾值電壓將變得更高。閾值電壓變得更高的原因?qū)⒖紙D2、圖3和圖4在下文進(jìn)行說明。更靠近柵電極420的半導(dǎo)體層的極化強(qiáng)度高于(或低于)遠(yuǎn)離柵電極420的半導(dǎo)體層中的極化強(qiáng)度是可以的。此外，半導(dǎo)體層的極化強(qiáng)度隨著半導(dǎo)體層的位置更靠近柵電極420而在一個方向上更大的改變是可以的。
為了使場效應(yīng)晶體管10的閾值電壓更大，假設(shè)第一氮化物半導(dǎo)體層100和第二氮化物半導(dǎo)體層200之間界面處的y為yi，且第二氮化物半導(dǎo)體層200的表面處(即第二氮化物半導(dǎo)體層200和第三氮化物半導(dǎo)體層300之間的界面處)的y為y2，優(yōu)選O. 05 < J1-J2< O. 12。漏電極430和源電極440形成在第三氮化物半導(dǎo)體層300上。漏電極430以及源電極440分別與第三氮化物半導(dǎo)體層300形成歐姆接觸。漏電極430和源電極440例如由通過堆疊Al和Ti而形成的堆疊膜制成。在圖I所示實例中，為了使漏極耐受電壓為高，從漏電極430到柵電極420之間的距離被設(shè)定為大于從源電極440到柵電極420之間的距離。第三氮化物半導(dǎo)體層300的既沒有形成漏電極430也沒有形成源電極440的上表面部分被保護(hù)絕緣膜450覆蓋。保護(hù)絕緣膜450例如是SiN膜。柵極絕緣膜410以及柵電極420的突出部425形成在保護(hù)絕緣膜450上?？拷怀霾?25的漏電極430的一部分和源電極440的一部分也被保護(hù)絕緣膜450覆蓋。
圖2是用于說明第二氮化物半導(dǎo)體層200構(gòu)造的示意圖。如上所述，第二氮化物半導(dǎo)體層200具有通過堆疊多個氮化物半導(dǎo)體層204而形成的結(jié)構(gòu)。氮化物半導(dǎo)體層204每一個均在其厚度方向上被極化。在圖2所示實例中，氮化物半導(dǎo)體層204每一個均被極化以使得氮化物半導(dǎo)體層204的底表面帶正電。該實例示出氮化物半導(dǎo)體層204的位置越高，則氮化物半導(dǎo)體層204的極化強(qiáng)度變得越弱。這里，極化強(qiáng)度指示在氮化物半導(dǎo)體層204的每一個中的極化電荷量。換言之,氮化物半導(dǎo)體層204的每一個(204-1至204_n)所具有的極化電荷量具有隨著層的位置變得更高(即隨著該層接近柵電極420)而降低的趨勢。因此，在兩個氮化物半導(dǎo)體層204之間的界面處，下氮化物半導(dǎo)體層204的頂表面處的負(fù)電荷強(qiáng)度大于上氮化物半導(dǎo)體層204的底表面處的正電荷強(qiáng)度。換言之，在氮化物半導(dǎo)體層204的彼此相鄰的兩個層(假設(shè)上層是半導(dǎo)體層204-i且下層是半導(dǎo)體層204-(i-1)，其中2彡i彡η)之間的界面處，半導(dǎo)體層204-(i-1)中的極化電荷量大于半導(dǎo)體層204-i中的極化電荷量。此外，在上半導(dǎo)體層的與具有更高Al組成比的下半導(dǎo)體層接觸的底表面處產(chǎn)生正極化電荷，且在下半導(dǎo)體層的與具有更低Al組成比的上半導(dǎo)體層接觸的頂面處產(chǎn)生負(fù)極化電荷。換言之，在兩個相鄰層(即下層和上層)之間的界面附近，負(fù)極化電荷在下層中產(chǎn)生，且正極化電荷在上層中產(chǎn)生。因此，在每個界面附近，負(fù)電荷量大于正電荷量。結(jié)果，可以認(rèn)為看上去在氮化物半導(dǎo)體層204之間的界面處存在負(fù)電荷?？梢允褂冒珹l的氮化物半導(dǎo)體作為制成第二氮化物半導(dǎo)體層200的材料，且例如為AlGaN、AlInN和AlGaInN0已經(jīng)在使氮化物半導(dǎo)體層204的底表面帶負(fù)電且頂表面帶正電的方式進(jìn)行極化的假設(shè)下進(jìn)行上述說明。在極化方向與上述情況相反的情況下，改變氮化物半導(dǎo)體層204的組成比等以使得氮化物半導(dǎo)體層204中的每一層所具有的極化電荷量具有隨著層的位置變得更高而增加的趨勢是可以的。即使在這種情況下，因為可以認(rèn)為看上去在氮化物半導(dǎo)體層204之間的界面處存在負(fù)電荷，所以可以使閾值電壓為高。圖3是示出具有根據(jù)該實施例的結(jié)構(gòu)的第二氮化物半導(dǎo)體層200的導(dǎo)電電勢的模擬結(jié)果，以及具有由GaN單層形成的結(jié)構(gòu)的第二氮化物半導(dǎo)體層(比較例)的導(dǎo)帶電勢的模擬結(jié)果的示意圖。圖3是示出關(guān)于本實施例和比較實例在沿穿過圖I中的柵電極420的中心的垂線截取的橫截面圖處的導(dǎo)帶電勢的示意圖。在圖3中，假設(shè)柵電極420的電壓Vg是O伏。
在該模擬中，實施例的結(jié)構(gòu)如下所述。第三氮化物半導(dǎo)體層300的Al組成比z設(shè)定為O. 2。此外，第二氮化物半導(dǎo)體層200的Al組成比y在第二氮化物半導(dǎo)體層200和第三氮化物半導(dǎo)體層300之間界面處設(shè)定為0，且在第一氮化物半導(dǎo)體層100和第二氮化物半導(dǎo)體層200之間界面處設(shè)定為O. 02。此外，在第一氮化物半導(dǎo)體層100中的Al組成比χ設(shè)定為O. 02。而且,第一氮化物半導(dǎo)體層100的厚度設(shè)定為I μ m,第二氮化物半導(dǎo)體層200的厚度設(shè)定為IOOnm,且第三氮化物半導(dǎo)體層300的厚度設(shè)定為30nm。此外，厚度為30nm的SiO2膜用作柵極絕緣膜410。比較實例的結(jié)構(gòu)除以下幾點之外與該實施例的結(jié)構(gòu)相同。首先，未制備第一氮化物半導(dǎo)體層100。第二，第二氮化物半導(dǎo)體層200由厚度為I μπι的GaN膜形成。此外，第三氮化物半導(dǎo)體層300的Al組成比ζ設(shè)定為O. 15，且第三氮化物半導(dǎo)體層300的厚度設(shè)定為45nm。場效應(yīng)晶體管10的閾值電壓由在柵極絕緣膜410與第二氮化物半導(dǎo)體層200之間界面處的導(dǎo)帶電勢和費米能級之間的差(△￥)決定。在比較例中，因為在未施加任何柵 電壓的情況下，沒有對柵極絕緣膜410施加任何電場，因此導(dǎo)帶電勢幾乎是平的，且AV約為 leV。另一方面，在該實施例的結(jié)構(gòu)中，通過在第二氮化物半導(dǎo)體層200的厚度方向上改變Al組成比，由極化產(chǎn)生的負(fù)電荷分布在第二氮化物半導(dǎo)體層200中。因此，與第二氮化物半導(dǎo)體層200中分布的負(fù)電荷對應(yīng)的電場施加至柵極絕緣膜410，因此在柵極絕緣膜410和第二氮化物半導(dǎo)體層200之間界面處的導(dǎo)帶電勢向上升高。因此，本實施例中的AV大于比較例的Λ V。換言之，場效應(yīng)晶體管10的閾值電壓變高。本實施例中的M妁為。此外，在本實施例的結(jié)構(gòu)中，通過改變第二氮化物半導(dǎo)體層200的Al組成比的傾斜幅度，可以改變分布在第二氮化物半導(dǎo)體層200中的負(fù)電荷量。因此，可通過控制第二氮化物半導(dǎo)體層200的Al組成比的傾斜幅度來控制場效應(yīng)晶體管10的閾值電壓。圖4示出通過使用在其結(jié)果在圖3中示出的模擬中使用的結(jié)構(gòu)的二維器件模擬的結(jié)果。在對于該器件模擬來說，將致使漏電流變?yōu)镮mA/mm的柵電壓定義為閾值電壓的假設(shè)下，則對于該實施例的閾值電壓是2. IV，而對于比較例的閾值電壓是O. 7V。該結(jié)果還示出在第二氮化物半導(dǎo)體層200具有根據(jù)該實施例的結(jié)構(gòu)的情況下，場效應(yīng)晶體管10的閾值電壓變聞。以下將理論地解釋在第二氮化物半導(dǎo)體層200具有根據(jù)該實施例的結(jié)構(gòu)的情況下使場效應(yīng)晶體管10的閾值電壓變高的原因。將假設(shè)第二氮化物半導(dǎo)體層200的Al組成比y在從第二氮化物半導(dǎo)體層200的最下部至最上部以K個階段改變(其中K是等于2或更大的整數(shù))。此外，將假設(shè)yk是形成第二氮化物半導(dǎo)體層200的氮化物半導(dǎo)體層204的第k個氮化物半導(dǎo)體層204的Al組成比(其中k = 0，l，· · ·，Κ)。此外，如果將足夠大的值賦予K值，則Al組成比y可以視為連續(xù)改變的比。非專利文獻(xiàn)(O.Ambacher 等人的 “Pyroelectric properties of Al (In) GaN/GaNhetero-and quantum well structures，，，Journal of Physics C Condensed Matter,第14卷，第3399-3434頁(2002))公開了在AlGaN層中產(chǎn)生的自發(fā)極化電荷Psp(單位C/m2=Cm-2)具有由下式(I)定義的Al組成比yk。
PSpGaW(y/c) = -0.090yk -0.034(1 -) + 0.02lyk(l-yk)[Cm-z]...⑴第k個AlGaN層的畸變ε k由下式⑵定義。
^ % 一 ak% = --- . . . (2)· ak在等式⑵中， 是AlGaN緩沖層的晶格常數(shù)，且ak是具有Al組成比yk的第k個AlGaN層的晶格常數(shù)。因為第二氮化物半導(dǎo)體層200的Al組成比隨著測量Al組成比的位置向上移動而降低，因此晶格常數(shù)隨著測量晶格常數(shù)的位置向上移動而增大。因此ek<0。在這種情況·下，產(chǎn)生在形成第二氮化物半導(dǎo)體層200的氮化物半導(dǎo)體層204中的壓電極化電荷Ppz(單位C/m2 = Cm_2)由下式(2B)給出。P^GaN(yk) = -0,9l$ek +9.541^2 -(0.89% +3.915^)yi([Cm^] · · . (2B)此外，在氮化物半導(dǎo)體層204中的極化電荷Pm由下式(3)給出。ΡροιΝ{Υπ) = PspGaN(Yk) + PpZGaN(Yk) . · · (3)在第(k-ι)個氮化物半導(dǎo)體層204的極化電荷和第k個氮化物半導(dǎo)體層204的極化電荷之間存在差異，并且在該兩層之間的界面處存在對應(yīng)于該差異的負(fù)電荷△ ok。該負(fù)電荷Λ ok由下式(4)給出。
_2] Affk= P^fN(Yk)-PpoGLaN(Y· . . (4>假設(shè)兩個氮化物半導(dǎo)體層204之間的界面處產(chǎn)生的負(fù)電荷的體積密度由Nm表示，且第k個氮化物半導(dǎo)體層204的厚度由tk表示，則體積密度Nra由下式(5)給出。NpOL(k) = —~ · · · (5)
fZf此外，最上層氮化物半導(dǎo)體層204的表面電荷Qeh由等式(6)給出。
KQch 二 Psjyk . . .(g)
Ic=O施加至柵極絕緣膜410的電場由等式(7)給出。
QchEqxo =- · · . (7)
h'rt:0其中ε r是柵極絕緣膜410的相對介電常數(shù)，且ε ^是真空介電常數(shù)。假設(shè)柵電極420的功函數(shù)由ΦωτΕ表示，第二氮化物半導(dǎo)體層200的最上層的電子親和勢由χ SEMI表示，且柵極絕緣膜410的厚度由tQX表示，則在柵極絕緣膜410與第二氮化物半導(dǎo)體層200之間界面處的導(dǎo)帶電勢和費米能級之間的差A(yù)V可由等式(8)近似。Δ V — cI5GATE- X SEMI+^OX · Eoxo · · · (8)將通過使用在其結(jié)果在圖3和圖4中示出的模擬中使用的結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體說明。此時，已知 ε r、ε。、ΦωτΕ 和 χ SEMI 分別是 3. 9、8· 85xl(T14F/cm、4. 8eV(Au)和 4. IeV(GaN)。由于采用上述值，在比較例的情況下AV = O. 70eV，且在本實施例的情況下AV= I. 75eV。這些值幾乎分別等于圖3中所示的模擬的結(jié)果值。圖5A、圖5B以及圖6是用于說明制造半導(dǎo)體器件的方法的橫截面圖，該半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的橫截面圖在圖I中示出。首先如圖5A中所示，通過使用MOCVD方法在由Si、藍(lán)寶石、SiC等制成的襯底(未示出)上依次形成第一氮化物半導(dǎo)體層100、第二氮化物半導(dǎo)體層200以及第三氮化物半導(dǎo)體層300。用于MOCVD方法的原料氣體是三甲基鎵(TNG)、三甲基鋁(TMA)或氨氣。為了改變第一氮化物半導(dǎo)體層100、第二氮化物半導(dǎo)體層200或第三氮化物半導(dǎo)體層300的Al組成比，需要改變?nèi)谆壍墓?yīng)量，同時保持三甲基鋁和氨氣的供應(yīng)量恒定。例如，為了逐漸降低第二氮化物半導(dǎo)體層200的Al組成比，需要逐漸增加三甲基鎵的供應(yīng)量，同時保持三甲基鋁氣體和氨氣的供應(yīng)量恒定。隨后，移除部分第三氮化物半導(dǎo)體層300和第二氮化物半導(dǎo)體層200直至暴露部分第一氮化物半導(dǎo)體層100的程度，從而形成臺面和隔離元件。隨后，借助濺射技術(shù)在第三氮化物半導(dǎo)體層300上形成金屬膜(例如由依次堆疊Ti和Al而制成的膜)，且隨后選擇性移除部分該金屬膜。結(jié)果，在第三氮化物半導(dǎo)體層300上形成漏電極430和源電極440。隨后，對漏電極430和源電極440執(zhí)行退火工藝。結(jié)果，漏電極430和源電極440分別與第三氮化物半導(dǎo)體層300形成歐姆接觸。 隨后，如圖5B中所示，通過使用等離子體CVD方法在第三氮化物半導(dǎo)體層300、漏電極430以及源電極440上形成保護(hù)絕緣膜450。此后，移除覆蓋漏電極430和源電極440的部分保護(hù)絕緣膜450。隨后，如圖6中所示，選擇性移除覆蓋將要形成凹部310的區(qū)域的部分保護(hù)絕緣膜450。此后，使用漏電極430、源電極440以及保護(hù)絕緣膜450作為掩膜對部分第三氮化物半導(dǎo)體層300 (以及根據(jù)需要對部分第二氮化物半導(dǎo)體層200)執(zhí)行蝕刻工藝。在蝕刻工藝之后形成了凹部310。隨后，例如通過使用ALD (原子層沉積)方法在凹部310的底部和側(cè)面上、漏電極430上以及源電極440上形成柵極絕緣膜410。此后，例如通過使用濺射方法在柵極絕緣膜410上形成柵電極420。隨后移除柵極絕緣膜410和柵電極420的不必要的部分。結(jié)果形成了圖I中所示的包括場效應(yīng)晶體管10的半導(dǎo)體器件。如上所述，根據(jù)本實施例，形成第二氮化物半導(dǎo)體層200的多個半導(dǎo)體層的每一個在相同方向上被極化。此外，更靠近柵電極420的半導(dǎo)體層的極化強(qiáng)度高于(或低于)遠(yuǎn)離柵電極420的半導(dǎo)體層的極化強(qiáng)度。這種極化方向是使相鄰半導(dǎo)體層之間的多個界面的每一個處的負(fù)電荷量都大于正電荷量的方向。結(jié)果，場效應(yīng)晶體管10的閾值電壓變高。第二實施例圖7是示出根據(jù)第二實施例的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的橫截面圖。除了根據(jù)本實施例的場效應(yīng)晶體管10是平面型晶體管之外，該半導(dǎo)體器件與根據(jù)第一實施例的半導(dǎo)體器件相同。確切地說，在該第二實施例中，在第二氮化物半導(dǎo)體層200上并未形成第三氮化物半導(dǎo)體層300。柵極絕緣膜410、漏電極430和源電極440直接形成在第二氮化物半導(dǎo)體層200上。柵電極420直接形成在柵極絕緣膜410上。漏極區(qū)432和源極區(qū)442形成在第二氮化物半導(dǎo)體層200的表面層上。漏極區(qū)432和源極區(qū)442兩者都是η型雜質(zhì)區(qū)。此外，在平面圖中，擴(kuò)展區(qū)434形成在漏極區(qū)432和柵極區(qū)420之間。擴(kuò)展區(qū)434也是η型雜質(zhì)區(qū)。但是，在源極區(qū)442和柵極區(qū)420之間沒有形成擴(kuò)展區(qū)。通過將諸如Si離子的雜質(zhì)離子注入第二氮化物半導(dǎo)體層200中而形成漏極區(qū)432、源極區(qū)442以及擴(kuò)展區(qū)434。通過形成擴(kuò)展區(qū)434，可以提高柵電極420和漏電極430之間的耐受電壓。但是，如果柵電極420和漏電極430之間的耐受電壓不需要非常高，則利用漏極區(qū)432的延展部取代擴(kuò)展區(qū)434是可以的。本實施例也實現(xiàn)類似于第一實施例的有利效果。使第一實施例采用的第三氮化物半導(dǎo)體層300畸變，從而使第二氮化物半導(dǎo)體層200產(chǎn)生二維電子氣202。由于使第三氮化物半導(dǎo)體層300畸變，所以存在產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)，并劣化場效應(yīng)晶體管10的特性的可能性。另一方面，因為本實施例不具有第三氮化物半導(dǎo)體層300，因此由于逆壓電效應(yīng)造成的場效應(yīng)晶體管10特性的劣化的可能性非常小。此外，本實施例中并未形成凹部，這樣導(dǎo)致降低的制造成本。第三實施例圖8是根據(jù)第三實施例的包括場效應(yīng)晶體管10的半導(dǎo)體器件的橫截面圖。除了下述要點，根據(jù)本實施例的場效應(yīng)晶體管10具有的結(jié)構(gòu)類似于第一實施例具有的結(jié)構(gòu)。 首先，本實施例具有包括η型雜質(zhì)的第三氮化物半導(dǎo)體層300。換言之，與根據(jù)第一實施例的半導(dǎo)體器件不同，根據(jù)本實施例的半導(dǎo)體器件不采用二維電子氣202。因此，無需使第三氮化物半導(dǎo)體層300畸變。此外，第四氮化物半導(dǎo)體層500形成在第三氮化物半導(dǎo)體層300和漏電極430之間以及第三氮化物半導(dǎo)體層300和源電極440之間。第四氮化物半導(dǎo)體層500是N型AlGaN層，且其具有的雜質(zhì)濃度高于第三氮化物半導(dǎo)體層300具有的雜質(zhì)濃度。希望第四氮化物半導(dǎo)體層500的Al組成與Ga組成的比類似于第三氮化物半導(dǎo)體層300的Al組成與Ga組成的比。此外，在本實施例中，希望第二氮化物半導(dǎo)體層200的Al組成比等于第三氮化物半導(dǎo)體層300的Al組成比，以便降低第二氮化物半導(dǎo)體層200和第三氮化物半導(dǎo)體層300之間的接觸電阻。本實施例可實現(xiàn)類似于第一實施例的有利效果。在本實施例中，因為無需使第三氮化物半導(dǎo)體層300畸變，因此與第二實施例相同，由于逆壓電效應(yīng)造成的場效應(yīng)晶體管10特性的劣化的可能性非常小。此外，當(dāng)外延生長第三氮化物半導(dǎo)體層300時，能夠?qū)ⅵ切碗s質(zhì)注入第三半導(dǎo)體層300中。因此，與第二實施例中的工藝溫度相比較，可以將本實施例中的工藝溫度設(shè)定為更低。此外，第三氮化物半導(dǎo)體層300的雜質(zhì)濃度的可控性高于第二實施例的漏極區(qū)432和源極區(qū)442的雜質(zhì)濃度的可控性。此外，第四氮化物半導(dǎo)體層500形成在第三氮化物半導(dǎo)體層300和漏電極430之間以及第三氮化物半導(dǎo)體層300和源電極440之間。由于第四氮化物半導(dǎo)體層500，所以能夠降低第三氮化物半導(dǎo)體層300的雜質(zhì)濃度，這使得能夠提高場效應(yīng)晶體管10的耐受電壓。此外，在本實施例中，如果不要求場效應(yīng)晶體管10的耐受電壓很高，則不形成第四氮化物半導(dǎo)體層500，且可以將要形成第四氮化物半導(dǎo)體層500的區(qū)域的雜質(zhì)濃度設(shè)定為與第三氮化物半導(dǎo)體層300的雜質(zhì)濃度類似是可以的。第四實施例圖9是示出根據(jù)第四實施例的電子設(shè)備2的電路構(gòu)造的示意圖。該電子設(shè)備2包括第一至第三實施例中所示的任意半導(dǎo)體器件(即，場效應(yīng)晶體管10)。該電子設(shè)備2例如用于車輛并耦合至電源4和負(fù)載6。電源4例如是安裝于車輛上的電池。負(fù)載6例如包括安裝在車輛上的電子零部件——諸如前燈、用于車窗和車輛供電的用作動力源的電機(jī)。電子設(shè)備2控制從電源4提供至負(fù)載6的電力。電子設(shè)備2是包括電路板(例如印刷電路板)，以及均被安裝在該電路板上的具有場效應(yīng)晶體管10的半導(dǎo)體器件、半導(dǎo)體器件20、具有控制電路30的半導(dǎo)體器件的電子設(shè)備。半導(dǎo)體器件20包括微型計算機(jī)，且經(jīng)由電路板上的導(dǎo)線而連接至場效應(yīng)晶體管10。半導(dǎo)體器件20控制場效應(yīng)晶體管10。確切地說，半導(dǎo)體器件20將控制信號發(fā)送至控制電路30。此后，控制電路30根據(jù)從半導(dǎo)體器件20發(fā)送的控制信號而將信號發(fā)送至場效應(yīng)晶體管10的柵電極420。換言之，控制電路30控制場效應(yīng)晶體管10。由于通過控制電路30控制場效應(yīng)晶體管10，所以電力適當(dāng)?shù)貜碾娫?提供至負(fù)載6。雖然已經(jīng)參考

了本發(fā)明的實施例，但這些實施例僅為說明性實例，且可對本發(fā)明進(jìn)行除上述實施例之外的各種改進(jìn)。雖然采用AlGaN層或AlInN層作為上述實施 例中的氮化物半導(dǎo)體層，但也可采用四元氮化物半導(dǎo)體層，只要其能夠滿足參考圖2描述的極化情況。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括 第一氮化物半導(dǎo)體層； 第二氮化物半導(dǎo)體層，所述第二氮化物半導(dǎo)體層形成在所述第一氮化物半導(dǎo)體層上； 柵極絕緣膜，所述柵極絕緣膜接觸所述第二氮化物半導(dǎo)體層；以及 柵電極，所述柵電極經(jīng)由所述柵極絕緣膜面對所述第二氮化物半導(dǎo)體層， 其中，通過堆疊多個半導(dǎo)體層形成所述第二氮化物半導(dǎo)體層，并且所述多個半導(dǎo)體層至少在所述柵電極下方的區(qū)域中在相同方向上被極化，并且具有彼此不同的組成，由此使在兩個半導(dǎo)體層之間的每一個界面處，負(fù)電荷量大于正電荷量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第二氮化物半導(dǎo)體層包括Al，并且所述多個半導(dǎo)體層具有彼此不同的Al組成比。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第一氮化物半導(dǎo)體層是AlxCihN層，并且所述第二氮化物半導(dǎo)體層是AlyCi "N層，其中α為Ga或In，并且0<χ< 1，0彡y< I。
4.一種半導(dǎo)體器件,包括 第一氮化物半導(dǎo)體層，所述第一氮化物半導(dǎo)體層由Α1χαι_χΝ層形成，其中α是Ga或In，并且 O < X < I ; 第二氮化物半導(dǎo)體層，所述第二氮化物半導(dǎo)體層形成在所述第一氮化物半導(dǎo)體層上并且由Alya卜#層形成，其中O彡y < I ; 柵極絕緣膜，所述柵極絕緣膜接觸所述第二氮化物半導(dǎo)體層；以及 柵電極，所述柵電極經(jīng)由所述柵極絕緣膜面對所述第二氮化物半導(dǎo)體層， 其中形成所述第二氮化物半導(dǎo)體層的AlyCi i_yN層的y至少在所述柵電極下方的區(qū)域中隨著測量y的位置接近所述第一氮化物半導(dǎo)體層而增大。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第二氮化物半導(dǎo)體層的Al組成比階段式改變。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5中的任何一項所述的半導(dǎo)體器件，進(jìn)一步包括 第三氮化物半導(dǎo)體層，所述第三氮化物半導(dǎo)體層形成在所述第二氮化物半導(dǎo)體層上，并且由Alz α卜#層形成，其中O彡z < I ;以及 凹部，所述凹部形成在所述第三氮化物半導(dǎo)體層中，所述凹部的下端達(dá)到所述第二氮化物半導(dǎo)體層但未達(dá)到所述第一氮化物半導(dǎo)體層， 其中所述柵極絕緣膜形成在所述凹部的底面和側(cè)面上，以及 其中所述柵電極嵌入在所述凹部中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體器件，其中在所述第二氮化物半導(dǎo)體層和所述第三氮化物半導(dǎo)體層之間的界面處，在形成所述第三氮化物半導(dǎo)體層的AlzCi卜#層的z和形成所述第二氮化物半導(dǎo)體層的Alya "N層的y之間存在關(guān)系“z > y”。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體器件，其中在所述第二氮化物半導(dǎo)體層和所述第三氮化物半導(dǎo)體層之間的界面處，在z和y之間存在關(guān)系“z > y+0. 05”。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體器件，其中在所述第二氮化物半導(dǎo)體層和所述第三氮化物半導(dǎo)體層之間的界面處，在z和y之間存在關(guān)系“z > y+0. I”。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至8中的任何一項所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第三氮化物半導(dǎo)體層包括η型雜質(zhì)，所述半導(dǎo)體器件進(jìn)一步包括 η型第四氮化物半導(dǎo)體層，所述η型第四氮化物半導(dǎo)體層形成在所述第三氮化物半導(dǎo)體層上，所述η型第四氮化物半導(dǎo)體層具有的雜質(zhì)濃度高于所述第三氮化物半導(dǎo)體層具有的雜質(zhì)濃度；以及 源電極和漏電極，所述源電極和漏電極形成在所述第四氮化物半導(dǎo)體層上。
11.根據(jù)權(quán)利要求3至5中的任何一項所述的半導(dǎo)體器件，其中所述柵極絕緣膜形成在所述第二氮化物半導(dǎo)體層上。
12.根據(jù)權(quán)利要求3至11中的任何一項所述的半導(dǎo)體器件，其中在所述第一氮化物半導(dǎo)體層和所述第二氮化物半導(dǎo)體層之間的界面處，在形成所述第一氮化物半導(dǎo)體層的AlxCi hN層的X和形成所述第二氮化物半導(dǎo)體層的AlyCi "N層的y之間存在關(guān)系“X = y”。
13.根據(jù)權(quán)利要求3至12中的任何一項所述的半導(dǎo)體器件，其中假設(shè)在所述第一氮化物半導(dǎo)體層和所述第二氮化物半導(dǎo)體層之間的界面處的Aly α "N層的y為，并且在所述第二氮化物半導(dǎo)體層和所述第三氮化物半導(dǎo)體層之間的界面處的Aly α "N層的y為y2，則在I1和Y2之間存在關(guān)系“O. 05 < yl-y2 < O. 12”。
14.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括 在第一氮化物半導(dǎo)體層上形成第二氮化物半導(dǎo)體層； 形成柵極絕緣膜，所述柵極絕緣膜接觸所述第二氮化物半導(dǎo)體層；以及 形成柵電極，所述柵電極經(jīng)由所述柵極絕緣膜面對所述第二氮化物半導(dǎo)體層， 其中，在形成所述第二氮化物半導(dǎo)體層的步驟中，通過堆疊具有彼此不同的組成的多個半導(dǎo)體層形成所述第二氮化物半導(dǎo)體層，并且所述多個半導(dǎo)體層在相同方向上被極化，并且至少在所述柵電極下方的區(qū)域中具有彼此不同的組成，由此使所述第二氮化物半導(dǎo)體層的極化強(qiáng)度隨著測量極化強(qiáng)度的位置接近所述柵電極而變高或變低，并且所述多個半導(dǎo)體層以在兩個半導(dǎo)體層之間的每一個界面處負(fù)電荷量變得大于正電荷量的傾向被極化。
15.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括 在由AlxCi hN層形成的第一氮化物半導(dǎo)體層上形成由Alya "N層形成的第二氮化物半導(dǎo)體層，其中α是Ga或In，并且0<χ< 1，0彡y< I ; 形成柵極絕緣膜，所述柵極絕緣膜接觸所述第二氮化物半導(dǎo)體層；以及 形成柵電極，所述柵電極經(jīng)由所述柵極絕緣膜面對所述第二氮化物半導(dǎo)體層， 其中，在形成所述第二氮化物半導(dǎo)體層的步驟中，將所述第二氮化物半導(dǎo)體層形成為使得形成所述第二氮化物半導(dǎo)體層的Aly α "N層的y隨著測量y的位置接近所述第一氮化物半導(dǎo)體層而增大。
全文摘要
提供一種半導(dǎo)體器件及制造該半導(dǎo)體器件的方法。具體涉及包括氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體器件及制造該半導(dǎo)體器件的方法。半導(dǎo)體器件包括第一氮化物半導(dǎo)體層；形成在第一氮化物半導(dǎo)體層上的第二氮化物半導(dǎo)體層；通過柵極絕緣膜面對第二氮化物半導(dǎo)體層的柵電極。因為通過堆疊多個Al組成比彼此不同的半導(dǎo)體層形成第二氮化物半導(dǎo)體層，因此第二氮化物半導(dǎo)體層的Al組成比階段式改變。形成第二氮化物半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體層在相同方向上被極化，使得這些半導(dǎo)體層中更靠近柵電極的半導(dǎo)體層具有更高(或更低)的極化強(qiáng)度。即多個半導(dǎo)體層的極化強(qiáng)度基于它們與柵電極的距離而以如下傾向改變，使得在兩個半導(dǎo)體層的界面的每一個處，負(fù)電荷量變得大于正電荷量。
文檔編號H01L29/778GK102931221SQ201210280030
公開日2013年2月13日 申請日期2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月8日
發(fā)明者岡本康弘, 中山達(dá)峰, 井上隆, 宮本廣信 申請人:瑞薩電子株式會社