化合物半導(dǎo)體器件及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供化合物半導(dǎo)體器件及其制造方法。柵電極形成在化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)上，并且柵電極包括其中Al固溶于TaN中的TaN:Al層、由TAN和Al的化合物制成的TaAlN層、以及Al層的堆疊體。
【專利說明】 化合物半導(dǎo)體器件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文所討論的實(shí)施方案涉及化合物半導(dǎo)體器件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]已經(jīng)考慮過通過利用氮化物半導(dǎo)體的如高飽和電子速度與寬帶隙的特征將氮化物半導(dǎo)體應(yīng)用到高耐壓和高功率的半導(dǎo)體器件上。例如，作為氮化物半導(dǎo)體的GaN具有
3.4ev的帶隙，其帶隙寬于Si的帶隙(1.lev)和GaAs的帶隙(1.4ev)，并且GaN具有高的擊穿電場強(qiáng)度。這使得GaN作為半導(dǎo)體器件的材料用于電源實(shí)現(xiàn)高電壓操作和高功率非常有前景。
[0003]已經(jīng)做了許多關(guān)于場效應(yīng)晶體管的報道，尤其是使用氮化物半導(dǎo)體作為半導(dǎo)體器件的HEMT (高電子遷移率晶體管)。例如，在GaN基HEMT (GaN-HEMT)中，使用GaN作為電子渡越層并且使用AlGaN作為電子供給層的AlGaN/GaNHEMT已經(jīng)引起了注意。在AlGaN/GaNHEMT中，由于GaN和AlGaN之間晶格常數(shù)的差異而產(chǎn)生的畸變發(fā)生在AlGaN中。由于因畸變引起的壓電極化以及AlGaN的自發(fā)極化，獲得了高濃度二維電子氣(2DEG)。因此，希望將AlGaN/GaN HEMT作為用于電動汽車等的高效率開關(guān)元件或高耐壓功率器件。
[0004][專利文檔I]日本公開特許公報N0.2006-302999ο
[0005]如上所述，例如，使用GaN層作為電子渡越層的電子器件非常有望在高壓和高溫環(huán)境下具有穩(wěn)定的操作，但是仍存在待解決的問題。特別地，電子器件實(shí)際應(yīng)用的最重要的任務(wù)是建立在高溫和高壓下的高可靠性。在高溫和高壓下，擔(dān)心的是包含在晶體管中的各類電極的劣化。特別地，柵電極劣化的出現(xiàn)對耐壓特性和閾值特性有很大的影響。在這種情況下，目前期待的是開發(fā)具有高可靠性的柵電極結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的實(shí)施方案是考慮到上述問題而做出的，并且實(shí)施方案的一個目的是提供一種包括提高了耐壓特性和閾值特性的電極的高可靠的和高耐壓的化合物半導(dǎo)體器件及其制造方法。
[0007]根據(jù)一方面的化合物半導(dǎo)體器件包括:化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)；以及形成在化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)上的電極，電極包括:具有第一低電阻金屬的第一電極層；以及布置在化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)和第一電極層之間的第二電極層，第二電極層具有第二低電阻金屬固溶于其中的第一氮化物導(dǎo)體。
[0008]根據(jù)一方面的制造化合物半導(dǎo)體器件的方法包括:形成化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)；以及在化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)上形成電極，電極包括:具有第一低電阻金屬的第一電極層；以及布置在化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)和第一電極層之間的第二電極層，第二電極層具有其中第二低電阻金屬固溶于其中的第一氮化物導(dǎo)體。
【專利附圖】

【附圖說明】[0009]圖1A和圖1B是示出AlGaN/GaN HEMT的對比例的示意性結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0010]圖2A和圖2B是示出AlGaN/GaN HEMT的不同形式的實(shí)施例的示意性截面圖。
[0011]圖3A至圖3C是按照步驟順序示出制造根據(jù)第一實(shí)施方案的AlGaN/GaN HEMT的方法的示意性截面圖。
[0012]圖4A至圖4C上接圖3A至圖3C，按照步驟順序示出制造根據(jù)第一實(shí)施方案的AlGaN/GaN HEMT的方法的示意性截面圖。
[0013]圖5A和圖5B上接圖4A至圖4C，按照步驟順序示出制造根據(jù)第一實(shí)施方案的AlGaN/GaNHEMT的方法的示意性截面圖。
[0014]圖6是示出當(dāng)在200°C的環(huán)境下同時柵極電壓設(shè)置為-1OV并且漏極電壓設(shè)置為200V的情況下進(jìn)行加電測試時閾值電壓變化的特性圖。
[0015]圖7是示出當(dāng)在200°C下同時柵極-漏極電壓設(shè)置為200V情況下進(jìn)行加電測試時柵極漏電流變化的特性圖。
[0016]圖8A至圖8C是示出根據(jù)第二實(shí)施方案制造AlGaN/GaN HEMT的方法的主要步驟的示意性截面圖。
[0017]圖9是示出根據(jù)第三實(shí)施方案的電源電路的示意性結(jié)構(gòu)的連接圖。
[0018]圖10是示出根據(jù)第四實(shí)施方案的高頻放大器的示意性結(jié)構(gòu)的連接圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]首先，在與對比例相對比的基礎(chǔ)上描述化合物半導(dǎo)體器件的不同形式的實(shí)施例。作為化合物半導(dǎo)體器件，公開了氮化物半導(dǎo)體的AlGaN/GaN HEMT。
[0020]圖1A和圖1B是示出對比例的AlGaN/GaN HEMT的示意性結(jié)構(gòu)的截面圖，圖1A示出通電前的狀態(tài)，圖1B示出通電后的狀態(tài)。圖2A和圖2B是示出AlGaN/GaN HEMT的不同形式的實(shí)施例的示意性截面圖，圖2A示出第一種形式的實(shí)施例，以及圖2B示出第二種形式的實(shí)施例。在圖2A和圖2B中，采用相同的附圖標(biāo)記表示如那些在圖1A和圖1B中相同的成分元件等，并且省略對這些元件的描述。
[0021]在根據(jù)對比例的MIS型AlGaN/GaN HEMT中，如圖1A中所示，在Si襯底101上形成化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)102，在化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)102上經(jīng)由柵極絕緣膜103形成柵電極104。如將在后述的實(shí)施方案中所描述的，化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)102是其中GaN的電子渡越層、AlGaN的電子供給層等相堆疊的結(jié)構(gòu)。例如，柵電極104由具有約40nm厚度的TaN層104a和具有約400nm厚度的Al層104b的堆疊體構(gòu)成。在化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)102上，源電極和漏電極形成在柵電極104的兩側(cè)，但是省略了源電極和漏電極的圖示。
[0022]在對比例的AlGaN/GaN HEMT中，作為在高溫和高壓環(huán)境下進(jìn)行加電測試的結(jié)果，Al層104b的Al原子向下擴(kuò)散到柵電極104的TaN層104a中，如圖1B中所示。TaN層104a形成為多晶態(tài)或非晶態(tài)。這被認(rèn)為是為何在高溫和高壓環(huán)境下通電會引起Al原子透入TaN層104a的晶界以擴(kuò)散的原因。在這種情況下，在極端的情況下，Al原子擴(kuò)散到柵極絕緣膜103中。因此，能看到閾值電壓的變化和柵極漏電流的增加。
[0023]在上述對比例中，作為例子闡明了其中在柵電極和化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)之間設(shè)置有柵極絕緣膜的MIS型結(jié)構(gòu)。在沒有柵極絕緣膜的肖特基型(Schottky-type) AlGaN/GaNHEMT中，柵電極與化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)相接觸，Al層的Al原子超出TaN層滲入到化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)。因此，閾值電壓的變化和柵極漏電流的增加大于MIS型結(jié)構(gòu)中的閾值電壓的變化和柵極漏電流的增加。
[0024]在根據(jù)第一種形式的實(shí)施例的MIS型AlGaN/GaN HEMT中，如圖2A中所示，在化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)102上經(jīng)由柵極絕緣膜103形成柵電極111。例如，柵電極111由具有約40nm厚度的TaN = Al層Illa以及具有約400nm厚度的Al層Illb堆疊體構(gòu)成。Al層Illb是具有第一低電阻金屬的第一電極層，以及TaN:Al層Illa是具有第二低電阻金屬固溶于其中的第一氮化物導(dǎo)體的第二電極層。
[0025]第一低電阻金屬和第二低電阻金屬各自是選自Al和Cu中的至少一種。形成第一氮化物導(dǎo)體的金屬元素是選自Ta、T1、和W中的至少一種。在第一種形式的實(shí)施例中，列舉了第一低電阻金屬和第二低電阻金屬都是Al并且第一氮化物導(dǎo)體是TaN的情況。除了這種組合之外，存在下述情況:第一低電阻金屬和第二低電阻金屬中的一個是Al并且另一個是Cu的情況，第一低電阻金屬和第二低電阻金屬都是Cu的情況等。存在第一氮化物導(dǎo)體是TiN或WN的情況等。
[0026]第一種形式的實(shí)施例采用下述結(jié)構(gòu):其中在TaN:Al層Illa中，Al固溶于TaN中以及Al填充晶界。對于這樣的結(jié)構(gòu)，即使當(dāng)在高溫和高壓環(huán)境下加電時，試圖從Al層Illb向下擴(kuò)散的Al被TaN = Al層Illa所阻擋，使得Al的向下擴(kuò)散被抑制。因此，閾值電壓是穩(wěn)定的并且柵極漏電流大幅減小。
[0027]在根據(jù)第二種形式的實(shí)施例的MIS型AlGaN/GaN HEMT中，如圖2B中所示，柵電極112經(jīng)由柵極絕緣膜103形成在化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)102上。例如，柵電極112由具有約40nm厚度的TaN = Al層112a、具有約20nm厚度的TaAlN層112b、以及具有約400nm厚度的Al層112c堆疊體構(gòu)成。Al層112c是具有第一低電阻金屬的第一電極層，以及TaN: Al層112a是具有第二低電阻金屬固溶于其中的第一氮化物導(dǎo)體的第二電極層。介于TaN:Al層112a和Al層112c之間的TaAlN層112b是具有第二氮化物導(dǎo)體與第三低電阻金屬的化合物的第三電極層。
[0028]第一低電阻金屬、第二低電阻金屬和第三低電阻金屬各自是選自Al和Cu中的至少一種。形成第一氮化物導(dǎo)體和第二氮化物導(dǎo)體的金屬元素是各自選自Ta、T1、和W中的至少一種。在第二種形式的實(shí)施例中，列舉了第一低電阻金屬、第二低電阻金屬和第三低電阻金屬都是Al并且第一氮化物導(dǎo)體和第二氮化物導(dǎo)體都是TaN的情況。除了這種組合之夕卜，存在下述情況:第一低電阻金屬、第二低電阻金屬和第三低電阻金屬中的一個是Al并且另外兩個是Cu的情況，第一低電阻金屬、第二低電阻金屬和第三低電阻金屬中的一個是Cu并且另外兩個是Al的情況，第一低電阻金屬、第二低電阻金屬和第三低電阻金屬都是Cu的情況等。關(guān)于第一氮化物導(dǎo)體和第二氮化物導(dǎo)體，當(dāng)?shù)谝坏飳?dǎo)體和第二氮化物導(dǎo)體兩者不同時，存在第一氮化物導(dǎo)體和第二氮化物導(dǎo)體是各自選自TaN、TiN和WN中的一種的情況，以及當(dāng)?shù)谝坏飳?dǎo)體和第二氮化物導(dǎo)體兩者相同時，存在第一氮化物導(dǎo)體和第二氮化物導(dǎo)體是TiN或WN的情況等。
[0029]在第二種形式的實(shí)施例中，TaN = Al層112a采用下述結(jié)構(gòu):A1固溶于TaN中以及Al填充晶界。TaAlN層112b采用了由TaN和Al的化合物制成的結(jié)構(gòu)。這種兩層結(jié)構(gòu)更可靠地防止了 Al的向下擴(kuò)散。也就是說，即使當(dāng)在高溫和高壓環(huán)境下加電時，試圖從Al層112c向下擴(kuò)散的Al被TaAlN層112b和TaN = Al層112a所阻擋，使得Al的向下擴(kuò)散被抑制。因此，閾值電壓是穩(wěn)定的并且柵極漏電流大幅減小。
[0030](第一實(shí)施方案)
[0031]在本實(shí)施方案中，公開了作為化合物半導(dǎo)體器件的MIS型AlGaN/GaN HEMT。
[0032]圖3A至圖5B是按照步驟順序示出制造根據(jù)第一實(shí)施方案的AlGaN/GaN HEMT的方法的示意性截面圖。應(yīng)注意，從圖4B起，以放大的方式圖示了保護(hù)絕緣膜的電極凹部的周圍，并且省略了 Si襯底、元件隔離結(jié)構(gòu)、源電極、以及漏電極的圖示。
[0033]首先，如圖3A中所示，例如，在作為生長襯底的Si襯底I上形成化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)2。作為生長襯底，SiC襯底、藍(lán)寶石襯底、GaAs襯底、GaN襯底等都可以用于替代Si襯底。襯底的導(dǎo)電性可以是半絕緣的或者導(dǎo)電的。
[0034]化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)2包括緩沖層2a、電子渡越層2b、中間層2c、電子供給層2d、以及蓋層2e。
[0035]在完成的AlGaN/GaN HEMT中，在操作期間，在電子渡越層2b與電子供給層2d(更確切地說，中間層2c)的界面的周圍生成二維電子氣(2DEG)。該2DEG是基于在電子渡越層2b的化合物半導(dǎo)體(此處，GaN)和電子供給層2d的化合物半導(dǎo)體(此處，AlGaN)之間的晶格常數(shù)的差異而生成的。
[0036]更詳細(xì)地，在Si襯底I上，例如，通過MOVPE (金屬有機(jī)氣相外延)法生長下述的化合物半導(dǎo)體。MBE (分子束外延)法等可以用于替代MOVPE法。
[0037]在Si襯底I上，順序地生長具有約5nm厚度的A1N、具有約I μ m厚度的i (有意未摻雜)-GaN、具有約5nm厚度的1-AlGaN、具有約30nm厚度的n-AlGaN、以及具有約3nm厚度的n-GaN。因此，形成緩沖層2a、電子渡越層2b、中間層2c、電子供給層2d、以及蓋層2e。作為緩沖層2a，選自AlN、AlGaN、和GaN的材料的堆疊體結(jié)構(gòu)或超晶格結(jié)構(gòu)可以用于替代AlN單層。
[0038]作為AlN的生長條件，三甲基鋁(TMA)氣體和氨氣(NH3)氣體的混合氣體被用作源氣體。作為GaN的生長條件，三甲基鎵(TMG)氣體和NH3氣體的混合氣體被用作源氣體。作為AlGaN的生長條件，TMA氣體、TMG氣體和NH3氣體的混合氣體被用作源氣體。根據(jù)將要生長的化合物半導(dǎo)體層，確定是否提供作為Al源的TMA氣體和作為Ga源的TMG氣體，并且適當(dāng)設(shè)置其流量。作為共用源的NH3氣體的流量設(shè)置為約IOOccm至約10LM。另外，生長壓力設(shè)置為約50托至約300托，以及生長溫度設(shè)置為約1000°C至約1200°C。
[0039]為了使GaN和AlGaN作為η型生長，也就是說，例如，為了生長蓋層2e的n_GaN和電子供給層2d的n-AlGaN，包含例如Si的SiH4氣體在預(yù)定的流量下被作為η型雜質(zhì)添加到源氣體中。因此，GaN和AlGaN摻雜有Si。Si的摻雜濃度設(shè)置為約IXlO1Vcm3至約
IX IO2Vcm3,例如，設(shè)置為約 5 X IO1Vcm30
[0040]隨后，如圖3B中所示，形成元件隔離結(jié)構(gòu)3。從圖4A起，省略元件隔離結(jié)構(gòu)3的圖
/Jn ο
[0041]更詳細(xì)地，例如，將氬(Ar)注入到化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)2的元件隔離區(qū)域中。因此，在化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)2中形成元件隔離結(jié)構(gòu)3。元件隔離結(jié)構(gòu)3在化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)2上劃分出有源區(qū)域。
[0042]附帶地，例如STI (淺溝槽隔離)法可以替代上述注入方法用于元件隔離。此時，例如，氯基蝕刻氣體用于化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)2的干蝕刻。[0043]隨后，如圖3C中所示，形成源電極4和漏電極5。
[0044]更詳細(xì)地，首先，在化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)2的表面中，在要形成源電極和漏電極的位置(計(jì)劃的電極形成位置)處形成電極凹部2A、2B。
[0045]在化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)2的表面上施用抗蝕劑。通過光刻法處理抗蝕劑，從而在抗蝕劑中形成開口，在化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)2的表面中的與計(jì)劃的電極形成位置相對應(yīng)的部分從開口露出。因此，形成具有開口的抗蝕劑掩模。
[0046]通過使用該抗蝕劑掩模，干蝕刻移除蓋層2e的計(jì)劃的電極形成位置直到露出電子供給層2d的表面。因此，形成露出電極供給層2d表面的計(jì)劃的電極形成位置的電極凹部2A、2B。作為蝕刻條件,惰性氣體如Ar以及氯基氣體如Cl2用作蝕刻氣體，并且例如，Cl2的流量設(shè)置為30SCCm，壓力設(shè)置為2Pa，RF供電功率設(shè)置為20W。附帶地，在形成電極凹部2A、2B的過程中，可以執(zhí)行蝕刻一直到蓋層2e的中間或一直到電子供給層2d或更遠(yuǎn)。
[0047]通過灰化等移除抗蝕劑掩模。
[0048]形成用于形成源電極和漏電極的抗蝕劑掩模。此處，例如，使用適合于氣相沉積法和剝離法的檐式結(jié)構(gòu)(eaves-structure)兩層抗蝕劑。這種抗蝕劑被應(yīng)用到化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)2上，并且形成露出電極凹部2A、2B的開口。因此，形成具有開口的抗蝕劑掩模。
[0049]通過使用這種抗蝕劑掩模，例如,通過氣相沉積法將例如Ta/Al作為電極材料沉積在抗蝕劑掩模上，該抗蝕劑掩模包括露出電極凹部2A、2B的開口的內(nèi)部。Ta的厚度約為20nm并且Al的厚度約為200nm。通過剝離法移除抗蝕劑掩模及沉積在其上的Ta/Al。此后，例如，在氮?dú)夥罩性诩s400°C至約1000°C的溫度下，例如約600°C溫度下對Si襯底I進(jìn)行熱處理，并且使殘留的Ta/Al與電子供給層2d形成歐姆接觸。如果獲得了 Ta/Al和電子供給層2d的歐姆接觸，則熱處理有時候不是必需的。因此，形成了其電極材料填充電極凹部2A、2B的源電極4和漏電極5部件。
[0050]隨后，如圖4A中所示，形成保護(hù)絕緣膜6。
[0051]更詳細(xì)地，通過等離子體CVD法、濺射法等在化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)2上沉積具有約30nm至約500nm厚度的氮化硅(SiN)，例如沉積約200nm厚度的氮化硅。因此，形成保護(hù)絕緣膜6。
[0052]覆蓋化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)2的鈍化膜的SiN的使用能減小電流崩塌。
[0053]隨后，如圖4B中所示，在保護(hù)絕緣膜6中形成電極凹部6a。
[0054]更詳細(xì)地，首先在保護(hù)絕緣膜6的表面上施用抗蝕劑。通過光刻法處理抗蝕劑，從而在抗蝕劑中形成開口，在保護(hù)絕緣膜6的表面中的與要形成柵電極(計(jì)劃的電極形成區(qū)域)的區(qū)域相對應(yīng)的部分從開口露出。因此，形成具有開口的抗蝕劑掩模。
[0055]通過使用該抗蝕劑掩模，干蝕刻移除保護(hù)絕緣膜6的計(jì)劃的電極形成區(qū)域直到露出蓋層2e的表面。因此，在保護(hù)絕緣膜6中形成露出蓋層2e表面的計(jì)劃的電極形成區(qū)域的電極凹部6a。電極凹部6a具有形成為正向錐形形狀(forward tapered shape)的側(cè)表面，因此圖示電極凹部6a的截面是大致V型。對于干蝕刻，例如，使用氟基蝕刻氣體。需要這種干蝕刻對蓋層2e有盡可能小的蝕刻損傷，并且使用氟基氣體的干蝕刻僅對電子供給層2d有小的損傷。
[0056]可以通過使用氟基溶液的濕蝕刻替代干蝕刻來形成電極凹部。
[0057]此后，通過使用氧等離子體灰化或通過使用化學(xué)溶液的潤濕移除抗蝕劑掩模。[0058]隨后，如圖4C中所示，形成柵極絕緣膜7。
[0059]更詳細(xì)地，例如，在保護(hù)絕緣膜6上沉積作為絕緣材料的Al2O3,以便覆蓋電極凹部6a的內(nèi)壁表面。例如通過ALD法(原子層沉積)沉積具有約2nm至約200nm膜厚的Al2O3,此處沉積具有約40nm膜厚的Al2O315因此，形成柵極絕緣膜7。
[0060]附帶地，對于Al2O3的沉積，例如，可以使用等離子體CVD法、濺射法等替代ALD法。另外，可以使用Al的氮化物或氧氮化物以替代沉積Al2O315此外，為了形成柵極絕緣膜，可以沉積S1、Hf、Zr、T1、Ta、或W的氧化物、氮化物、或氧氮化物，或者可以將從其中適當(dāng)?shù)剡x擇的一些沉積為多層。
[0061]隨后，如圖5A中所示，沉積柵電極的電極材料8A。
[0062]更詳細(xì)地，通過濺射法等在柵極絕緣膜7上順序地沉積具有約40nm厚度的TaN: Al層8a、具有約20nm厚度的TaAlN層8b、以及具有約400nm厚度的Al層8c，以便經(jīng)由柵極絕緣膜7填充電極凹部6a的內(nèi)部。因此，形成具有TaN:Al/TaAlN/Al結(jié)構(gòu)的電極材料8A。用于形成TaN:Al層8a的濺射靶以下述方式形成:例如使Al與TaN相接觸以及通過熱處理使Al固溶。用于形成TaAlN層8b的派射祀由TaN和Al的化合物制成。形成電極材料8A。電極材料8A的TaN:Al/TaAlN/Al結(jié)構(gòu)并不是必需為嚴(yán)格地識別的層結(jié)構(gòu)，并且在層的每個界面附近它們可以是混合的狀態(tài)。此外，例如，可以形成具有TaN:Cu/TaAlN/Al結(jié)構(gòu)、TaN:Cu/TaCuN/Al 結(jié)構(gòu)、TaN:Cu/TaCuN/Cu 結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)以替代 TaN:Al/TaAlN/Al 結(jié)構(gòu)的電極材料。
[0063]隨后，如圖5B中所示，形成柵電極8。
[0064]更詳細(xì)地，在電極材料8A上施用抗蝕劑，并且通過光刻法處理抗蝕劑，從而在電極材料8A上形成覆蓋將形成柵電極的區(qū)域的抗蝕劑掩模。
[0065]通過使用該抗蝕劑掩模，例如，通過離子研磨法移除電極材料8A的露出部分。此時，保護(hù)絕緣膜6是輕度過蝕刻的。通過使用氧等離子體灰化或者通過使用預(yù)定化學(xué)溶液的潤濕移除抗蝕劑掩模。因此，形成具有TaN:Al/TaAlN/Al結(jié)構(gòu)的柵電極8，其電極材料8A經(jīng)由柵極絕緣膜7填充電極凹部6a的內(nèi)側(cè)并且具有騎在保護(hù)絕緣膜6上的形狀(使得沿著柵極長度方向的截面為所謂的懸垂形狀)。
[0066]此后，通過多個過程如中間層絕緣膜的形成；連接到源電極4、漏電極5和柵電極8的接線的形成；上部保護(hù)膜的形成；以及暴露于最上部表面的連接電極的形成，形成根據(jù)本實(shí)施方案的MIS型AlGaN/GaN HEMT。
[0067]對于根據(jù)本實(shí)施方案的AlGaN/GaN HEMT,在與對比例相對比的基礎(chǔ)上進(jìn)行加電測試。將在下面描述結(jié)果。在根據(jù)對比例的AlGaN/GaN HEMT中，如圖1A中所示，根據(jù)本實(shí)施方案的AlGaN/GaN HEMT的柵電極形成為具有TaN層和Al層兩層結(jié)構(gòu)。
[0068]首先，當(dāng)在200°C的環(huán)境下同時柵極電壓設(shè)置為-1OV并且漏極電壓設(shè)置為200V的情況下進(jìn)行加電測試時，研究閾值電壓的變化。結(jié)果顯示在圖6中。
[0069]在對比例中，隨著加電時間變長，閾值電壓在負(fù)方向上變化。據(jù)認(rèn)為發(fā)生這個變化的原因是在柵電極中，Al原子從Al層向下擴(kuò)散到達(dá)TaN層內(nèi)部以及進(jìn)一步到達(dá)柵極絕緣膜，并且金屬的逸出功與柵極絕緣膜的變化相關(guān)。另一方面，在本實(shí)施方案中，即使當(dāng)加電時間變長的情況下，也沒有觀察到閾值電壓的變化。如上所述，已經(jīng)證實(shí)在柵電極中的TaN:Al/TaAlN/Al結(jié)構(gòu)具有高可靠性。[0070]接下來，當(dāng)在200°C下同時柵極-漏極電壓設(shè)置為200V的情況下進(jìn)行加電測試時，研究柵極漏電流的變化。結(jié)果顯示在圖7中。
[0071]在對比例中，隨著加電時間的變長，柵極漏電流增大。認(rèn)為發(fā)生該變化是因?yàn)樵跂烹姌O中Al原子從Al層向下擴(kuò)散到達(dá)柵極絕緣膜并且生成泄漏路徑。另一方面，在本實(shí)施方案中，即使當(dāng)加電時間變長的情況下，也沒有觀察到柵極漏電流的變化。如上所述，已經(jīng)證實(shí)在本實(shí)施方案的柵電極中的TaN:Al/TaAlN/Al結(jié)構(gòu)具有高可靠性。
[0072]如上所述，根據(jù)本實(shí)施方案，實(shí)現(xiàn)了包括提高了耐壓特性和閾值特性的柵電極8的高可靠的和高耐壓的AlGaN/GaN HEMT。
[0073](第二實(shí)施方案)
[0074]在本實(shí)施方案中，公開了如在第一實(shí)施方案中的AlGaN/GaN HEMT的結(jié)構(gòu)及其制造方法，也舉例說明了不具有柵極絕緣膜并且在其中柵電極與化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)表面是肖特基接觸的肖特基型AlGaN/GaN HEMT。應(yīng)注意，采用相同的附圖標(biāo)記表示如那些在第一實(shí)施方案中相同的成分元件等，并且省略了對這些元件的詳細(xì)描述。
[0075]圖8A至圖8C是示出根據(jù)第二實(shí)施方案制造AlGaN/GaN HEMT的方法的主要步驟的示意性截面圖。在圖8A至圖SC中，以放大的方式圖示了保護(hù)絕緣膜的電極凹部的周圍，并且省略了 Si襯底、元件隔離結(jié)構(gòu)、源電極、以及漏電極的圖示。
[0076]在本實(shí)施方案中，首先執(zhí)行如在第一實(shí)施方案中的圖3A至圖4B中的步驟。此時，如圖8A中所示，在化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)2上的保護(hù)絕緣膜6中形成電極凹部6a。
[0077]隨后，如圖8B中所示，沉積柵電極的電極材料11A。
[0078]更詳細(xì)地，通過濺射法等在保護(hù)絕緣膜6上順序地沉積具有約40nm厚度的TaN: Al層11a、具有約20nm厚度的TaAlN層lib、以及具有約400nm厚度的Al層11c，以便填充電極凹部6a的內(nèi)部。因此，形成具有TaN:Al/TaAlN/Al結(jié)構(gòu)的電極材料11A。用于形成TaN = Al層Ila的濺射靶以下述方式形成:例如使Al與TaN相接觸，以及通過熱處理使Al固溶。用于形成TaAlN層Ilb的濺射靶由TaN和Al的化合物制成。形成電極材料11A。電極材料IlA的TaN:Al/TaAlN/Al結(jié)構(gòu)并不是必需為嚴(yán)格地識別的層結(jié)構(gòu)，并且在層的每個界面附近它們可以是混合的狀態(tài)。此外，例如，可以形成具有TaN:Cu/TaAlN/Al結(jié)構(gòu)、TAN = Cu/TaCuN/Al結(jié)構(gòu)、TAN:Cu/TACuN/Cu結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)以替代TAN: Al/TaAlN/Al結(jié)構(gòu)的電極材料。
[0079]隨后，如圖8C中所示，形成柵電極11。
[0080]更詳細(xì)地，在電極材料IlA上應(yīng)用抗蝕劑，并且通過光刻法處理抗蝕劑，從而在電極材料IlA上形成覆蓋將形成柵電極的區(qū)域的抗蝕劑掩模.[0081]通過使用該抗蝕劑掩模，例如，通過離子研磨法移除電極材料IlA的露出部分。此時，保護(hù)絕緣膜6是輕度過蝕刻的。通過使用氧等離子體灰化或者通過使用預(yù)定化學(xué)溶液的潤濕移除抗蝕劑掩模。因此，形成具有TaN:Al/TaAlN/Al結(jié)構(gòu)的柵電極11，其電極材料IIA填充電極凹部6a的內(nèi)部并且具有騎在保護(hù)絕緣膜6上的形狀(使得沿著柵極長度方向的截面為所謂的懸垂形狀)。在電極凹部6a的底表面，柵電極11與化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)
2(蓋層2e)的表面肖特基接觸。
[0082]此后，通過多個過程如中間層絕緣膜的形成；連接到源電極4、漏電極5和柵電極11的接線的形成；上部保護(hù)膜的形成；以及暴露于最上部表面的連接電極的形成，形成根據(jù)本實(shí)施方案的肖特基型AlGaN/GaN HEMT。[0083]如上所述，根據(jù)本實(shí)施方案，實(shí)現(xiàn)了包括提高了耐壓特性和閾值特性的柵電極11的高可靠的和高耐壓的AlGaN/GaN HEMT。
[0084](第三實(shí)施方案)
[0085]在本實(shí)施方案中，公開了將第一實(shí)施方案或第二實(shí)施方案的AlGaN/GaN HEMT應(yīng)用到其上的電源電路。
[0086]圖9是示出根據(jù)第三實(shí)施方案的電源電路的示意性結(jié)構(gòu)的連接圖。
[0087]根據(jù)本實(shí)施方案的電源電路包括高壓一次側(cè)電路21、低壓二次側(cè)電路22、以及布置在一次側(cè)電路21和二次側(cè)電路22之間的變壓器23。
[0088]一次側(cè)電路21包括AC電源24，所謂的橋式整流電路25，以及多個(此處，四個)開關(guān)元件26a、開關(guān)元件26b、開關(guān)元件26c、開關(guān)元件26d。此外，橋式整流電路25具有開關(guān)元件26e。
[0089]二次側(cè)電路22包括多個(此處，三個)開關(guān)元件27a、開關(guān)元件27b、開關(guān)元件27c。
[0090]在本實(shí)施方案中，一次側(cè)電路21的開關(guān)兀件26a、開關(guān)兀件26b、開關(guān)兀件26c、開關(guān)元件26d、開關(guān)元件26e各自是根據(jù)第一實(shí)施方案或第二實(shí)施方案的AlGaN/GaN HEMT。另一方面，二次側(cè)電路22的開關(guān)元件27a、開關(guān)元件27b、開關(guān)元件27c各自是使用硅的普通的 MIS FET。
[0091]根據(jù)本實(shí)施方案，將包括提高了耐壓特性和閾值特性的柵電極的高可靠的和高耐壓的AlGaN/GaN HEMT應(yīng)用到電源電路。因此，實(shí)現(xiàn)了高可靠的和高功率的電源電路。
[0092](第四實(shí)施方案)
[0093]在本實(shí)施方案中，公開了將根據(jù)第一實(shí)施方案或第二實(shí)施方案的AlGaN/GaN HEMT應(yīng)用于其上的高頻放大器。
[0094]圖10是示出根據(jù)第四實(shí)施方案的高頻放大器的示意性結(jié)構(gòu)的連接圖。
[0095]根據(jù)本實(shí)施方案的高頻放大器包括數(shù)字預(yù)失真電路31、混頻器32a、混頻器32b、以及功率放大器33。
[0096]數(shù)字預(yù)失真電路31補(bǔ)償輸入信號的非線性失真?；祛l器32a對已補(bǔ)償非線性失真的輸入信號和AC信號進(jìn)行混頻。功率放大器33對混有AC信號的輸入信號進(jìn)行放大，并且功率放大器33具有根據(jù)第一實(shí)施方案或第二實(shí)施方案的AlGaN/GaN HEMT。在圖10中，通過例如開關(guān)的變化能夠通過混頻器32b將輸出側(cè)信號與AC信號進(jìn)行混頻，并且將結(jié)果發(fā)送給數(shù)字預(yù)失真電路31。
[0097]在本實(shí)施方案中，將包括提高了耐壓特性和閾值特性的柵電極的高可靠的和高耐壓的AlGaN/GaN HEMT應(yīng)用到高頻放大器。
[0098](其它實(shí)施方案)
[0099]在第一至第四實(shí)施方案中，舉例說明了作為化合物半導(dǎo)體器件的AlGaN/GaNHEMT。作為化合物半導(dǎo)體器件，本發(fā)明適用于除了 AlGaN/GaN HEMT以外的下述HEMT。
[0100]-其它HEMT的實(shí)施例1
[0101]在本實(shí)施例中，公開了作為化合物半導(dǎo)體器件的InAlN/GaN HEMT。
[0102]InAlN和GaN是其晶格常數(shù)可以通過組成而制成彼此接近的化合物半導(dǎo)體。在這種情況下，在上述第一至第四實(shí)施方案中，電子渡越層由1-GaN制成，中間層由1-1nAIN制成，電子供給層由n-1nAlN制成，蓋層由n-GaN制成。此外，在這種情況下，幾乎沒有壓電極化發(fā)生，因此，主要由于InAlN的自發(fā)極化來生成二維電子氣。
[0103]根據(jù)本實(shí)施例，實(shí)現(xiàn)了類似于上述AlGaN/GaN HEMT的包括提高了耐壓特性和閾值特性的柵電極的高可靠的和高耐壓的InAlN/GaN HEMT。
[0104]-其它HEMT的實(shí)施例2
[0105]在本實(shí)施例中，公開了作為化合物半導(dǎo)體器件的InAlGaN/GaN HEMT。
[0106]GaN和InAlGaN是可以通過組成使其后者的晶格常數(shù)小于前者的晶格常數(shù)的化合物半導(dǎo)體。在這種情況下，在上述第一至第四實(shí)施方案中，電子渡越層由1-GaN制成，中間層由1-1nAlGaN制成，電子供給層由n-1nAlGaN制成,蓋層由η-GaN制成。
[0107]根據(jù)本實(shí)施例，實(shí)現(xiàn)了類似于上述AlGaN/GaN HEMT的包括提高了耐壓特性和閾值特性的柵電極的高可靠的和高耐壓的InAlGaN/GaN HEMT。
[0108]根據(jù)上述各種實(shí)施方案，實(shí)現(xiàn)了包括提高了耐壓特性和閾值特性的電極的高可靠的和高耐壓的化合物半導(dǎo)體器件。
【權(quán)利要求】
1.一種化合物半導(dǎo)體器件，包括: 化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)；以及 形成在所述化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)上方的電極，所述電極包括: 具有第一低電阻金屬的第一電極層；以及 設(shè)置在所述化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)和所述第一電極層之間的第二電極層，所述第二電極層具有第二低電阻金屬固溶于其中的第一氮化物導(dǎo)體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化合物半導(dǎo)體器件，其中所述電極還包括設(shè)置在所述第一電極層和所述第二電極層之間的第三電極層，所述第三電極層具有第二氮化物導(dǎo)體和第三低電阻金屬的化合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的化合物半導(dǎo)體器件，其中所述第一低電阻金屬和所述第二低電阻金屬是相同的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化合物半導(dǎo)體器件，其中所述第一氮化物導(dǎo)體和所述第二氮化物導(dǎo)體是相同的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化合物半導(dǎo)體器件，還包括: 形成在所述化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)上的保護(hù)絕緣膜，所述保護(hù)絕緣膜具有其側(cè)面是正向錐形形狀的開口， 其中所述電極填充所述開口的內(nèi)側(cè)并且形成在所述保護(hù)絕緣膜上。
6.一種制造化合物半導(dǎo)體器件的方法，包括: 形成化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)；以及 在所述化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)上方形成電極，所述電極包括: 具有第一低電阻金屬的第一電極層；以及 設(shè)置在所述化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)和所述第一電極層之間的第二電極層，所述第二電極層具有第二低電阻金屬固溶于其中的第一氮化物導(dǎo)體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造化合物半導(dǎo)體器件的方法，其中所述電極還包括設(shè)置在所述第一電極層和所述第二電極層之間的第三電極層，所述第三電極層具有第二氮化物導(dǎo)體和第三低電阻金屬的化合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的制造化合物半導(dǎo)體器件的方法，其中所述第一低電阻金屬和所述第二低電阻金屬是相同的。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造化合物半導(dǎo)體器件的方法，其中所述第一氮化物導(dǎo)體和所述第二氮化物導(dǎo)體是相同的。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造化合物半導(dǎo)體器件的方法，還包括: 在所述化合物半導(dǎo)體堆疊結(jié)構(gòu)上形成保護(hù)絕緣膜，所述保護(hù)絕緣膜具有其側(cè)面為正向錐形形狀的開口， 其中所述電極填充所述開口的內(nèi)側(cè)并且形成在所述保護(hù)絕緣膜上。
【文檔編號】H01L29/778GK103715250SQ201310424757
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月28日
【發(fā)明者】金村雅仁, 吉木純 申請人:富士通株式會社, 富士通半導(dǎo)體股份有限公司