CN101211969A - 高速大功率氮化物半导体器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种氮化物半导体器件及其制造方法，该氮化物半导体器件包括：衬底，能够在其上外延生长氮化物半导体层；半导体叠层，在衬底上形成并包括氮化物半导体的沟道层；源极和漏极，在半导体叠层上形成并与所述沟道层欧姆接触；绝缘层，在半导体叠层上形成具有开口、总厚度部分以及过渡部分，其开口位于栅极接触区上，总厚度部分在与开口相隔的区域中有着平坦表面和总厚度，过渡部分位于开口和总厚度部分之间，绝缘层面向开口的侧壁陡峭上升到总厚度的部分厚度；以及T形栅极，与半导体叠层在开口内接触，并且在绝缘膜上延伸到具有增加厚度的相对部分，该增加厚度比所述部分厚度更厚。本发明的半导体器件反方向漏电流最小，且难以发生介电击穿。
Description
相关申请
本发明基于2006年12月28日提交的，申请号为2006-353980的日本专利申请，并要求其优先权，将其全部内容作为参考援引于此。
技术领域
本发明涉及一种半导体器件及其制造方法，更特别地涉及一种使用氮化物半导体，例如，氮化镓(GaN)的半导体器件。本发明可应用于一种氮化物半导体器件，特别地，应用于一种高电压击穿氮化物半导体器件。
背景技术
一些用于移动电话基站和卫星通信的晶体管需要实现高温操作，高速切换和大功率运行。氮化物半导体，通常为氮化镓(GaN)、氮化铝(AIN)、氮化铟(InN)及其混合晶体，由于其优良的性能已经被关注作为高输出功率器件和短波长发光器件的材料。在应用场效应晶体管、特别是高电子迁移率晶体管(HEMT’s)作为高输出功率器件方面已经有大量的研究报告。正在研究中的典型的HEMT’s是使用GaN层作为沟道层和使用n型氮化铝镓(AlGaN)层作为载子(电子)提供层的HEMT。
JP-A-2004-186679公开了一种方法，包括以下步骤：通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)法将非晶GaN层沉积在c平面蓝宝石衬底上；通过加热到950℃-1050℃形成晶体GaN缓冲层；在晶体GaN缓冲层上形成GaN成长晶核(growth nuclei)；通过MOCVD法形成厚度为100nm或更厚的GaN沟道层、厚度为10nm-20nm的Si掺杂n型AlGaN载子提供层以及厚度为10nm-20nm的Si掺杂n型GaN接触层；形成源极/漏极；然后在栅极形成区中蚀刻n型GaN接触层；在氮气气氛中实施退火工艺；以及形成栅极。它还公开了如果使用碳化硅(SiC)衬底，优选形成AlN缓冲层。
国际公开WO2004-066393公开了通过由多个Al(ln，B)GaN层(例如，交替堆叠AlN层，p-型GaN层和GaN层)堆叠形成的缓冲层，而在Si衬底上形成GaN器件层，并且还公开了使用氧化硅膜覆盖器件层的表面，图案化氧化硅层以形成开口，以及在该开口中形成电极。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种具有更好的电性能的氮化物半导体器件，包括：
衬底，能够在其上外延生长氮化物半导体层；
半导体叠层，在所述衬底上形成，并包括氮化物半导体的沟道层；
源极和漏极，在所述半导体叠层上形成并与所述沟道层欧姆接触；
绝缘层，在所述半导体叠层上形成，并且具有开口、总厚度部分以及过渡部分，所述开口位于栅极接触区上，所述总厚度部分在与所述开口相隔的区域中有着平坦表面和总厚度，以及所述过渡(transient)部分位于所述开口和所述总厚度部分之间，所述绝缘层的面向所述开口的侧壁陡峭上升到所述总厚度的部分厚度；以及
T形栅极，与所述半导体叠层在所述开口内接触，并且在所述绝缘膜上延伸到具有增加厚度的相对部分，该增加厚度比所述部分厚度更厚。
根据本发明的另一方面，提供了一种氮化物半导体器件的制造方法，包括以下步骤：
(a)在衬底上外延生长包括氮化物半导体层的半导体叠层；
(b)形成分别与所述半导体叠层欧姆接触的源极和漏极；
(c)在所述半导体叠层上形成绝缘保护层；
(d)使用抗蚀剂掩模蚀刻所述绝缘保护层以形成开口部分，所述绝缘保护层具有在开口边缘陡峭升高到所述绝缘保护膜的总厚度的部分厚度的侧壁，并且通过过渡(transiton)部分达到总厚度部分，所述过渡部分的厚度随着距开口边缘的距离的增加而单调(monotonously)增大；
(e)形成在所述开口内与所述半导体叠层接触的栅极，并且该栅极在所述绝缘保护膜上延伸到增加厚度的部分，该增加厚度比所述部分厚度更厚。
在本发明的实施例中所提供的氮化物半导体器件，在栅极/漏极两个端点之间的反方向漏电流最小，且难以发生介电击穿。
附图说明
图1A到图1C是示出本发明制造的第一和第二样例(即HEMT的对比实例)以及第三样例(即第一实施例的样例)的结构的剖面图。
图2A到图2F是示出第三样例(即第一实施例的HEMT)的制造工艺的剖面图。
图3A和图3B是示出第一样例的制造工艺的剖面图。
图4A和图4B是示出第二样例的制造工艺的剖面图。
图5A到图5D是示出根据第二实施例的HEMT制造工艺的剖面图。
图6A到6D是示出根据第三实施例的HEMT制造工艺的剖面图。
图7A和7B是示出根据第四实施例的HEMT制造工艺的剖面图。
图8是根据另一实施例的场效应晶体管(FET)结构的剖面图。
具体实施方式
图1A到图1C是示出本发明制造的第一和第二样例(HEMT的对比实例)以及第三样例(第一实施例的样例)的结构的剖面图。如图1A到图1C所示，在碳化硅(SiC)衬底11上外延生长的是厚度为3μm的i型GaN载子传送(transport)层12，厚度为5μm的i型AlGaN间隔件层13，厚度为30μm并且Si掺杂浓度为5×1018cm-3的n型AlGaN载子提供层14以及厚度为10nm并且Si掺杂浓度为5×1018cm-3的n型GaN覆盖(cap)层15。n型GaN覆盖层15的两个区域被蚀刻以暴露出下面的n型AlGaN载子提供层14。Ti层和Al层被堆叠在n型AlGaN层14所暴露的表面上以形成源极16和漏极17。厚度为100nm的氮化硅(SiN)层18形成在n型GaN覆盖层15上，并覆盖源极16和漏极17。由这些工序形成的结构对于三种类型的所有样例是通用的。贯穿SiN层18而形成开口。Ni层和Au层被堆叠在包括开口的区域以形成栅极19。在图1A到图1C中，SiN层的开口的截面形状是不同的。
在图1A中，贯穿SiN层18而形成栅极开口2，其具有通常的垂直侧壁。在图1B中，贯穿SiN层18而形成开口3，逐渐增加从半导体层接触面到上层的开口宽度。在图1C中，贯穿SiN层18而形成开口，从开口底部以陡峭的梯度升高到一定高度，之后以平缓的梯度向上逐渐增加开口宽度。堆叠Ni层和Au层以覆盖开口并延伸到开口两侧之上的SiN层的平坦表面。从而形成了这三种类型的HEMT结构。
在与i型AlGaN间隔件层13接触的i型GaN载子传送层12的接触面形成深势阱。n型AlGaN载子提供层14通过间隔件层13将电子供应到势阱，从而产生了二维(two dimensional)气体2DEG。通过压电效应，n型GaN覆盖层15相对二维电子气体2DEG提升栅极电子19的肖特基势垒(Schottkybarrier)。通过掺杂n型杂质来减缓(relax)电场。在厚度为10nm的n型GaN覆盖层15中没有电荷载子剩余。
图2A到图2F是示出图1C中的HEMT结构的制造工艺的剖面图。
如图2A所示，通过金属有机气相外延(MOVPE)法生成基于GaN的HEMT器件层。三甲基镓(TMG)被用作Ga气源，三甲基铝(TMA)被用作Al气源，铵(NH3)被用作N气源，甲硅烷(SiH4)被用作n型杂质Si气源。氢气(H2)和氮气(N2)被用作载子气体。以1100℃的衬底温度，通过MOVPE法依次外延形成在SiC衬底11上的是厚度为3nm的i型GaN载子传送层12、厚度为5nm的i型AlGaN间隔件层13、厚度为30μm并且Si掺杂浓度为5×1018cm-3的n型AlGaN载子提供层14以及厚度为10nm并且Si掺杂浓度为5×1018cm-3的n型GaN覆盖层15。
如图2B所示，形成具有开口的抗蚀剂掩模，该开口对应于将形成源极区和漏极区的区域。利用含氯气体通过干蚀刻工艺对n-GaN覆盖层15进行蚀刻。没有必要将蚀刻终止点严格设定在n-GaN层和n-AlGaN层之间的接触面。通过气相沉积法来沉积Ti层和Al层，之后移除抗蚀剂掩模。由此，通过举离(lift-off)法形成源极16和漏极17。在氮气气氛中，通过以400℃到600℃的温度实施热处理来建立欧姆特性，在本样例中，温度为600℃。
如图2C所示，覆盖源极16和漏极17的SiN层18以5nm到500nm的厚度沉积在GaN覆盖层15的整个表面上，在该样例中，厚度为100nm。这些工序对于三种类型的全部样例是通用的。
如图2D所示，在栅极接触区上形成具有开口的抗蚀剂掩模PR1。在各向异性干蚀刻条件下使用SF6对SiN层18进行蚀刻，蚀刻深度对应于层厚度的20％到80％，在本样例中为50nm的深度，对应于层厚度100nm的50％。尽管SF6被作为蚀刻气体用于形成样例，但其他含氟的气体，例如，CF4和C3F8也可以作为蚀刻气体。
如图2E所示，通过使用SF6和氧气O2的混合气体作为蚀刻气体，在5Pa大气压和50W的功率下通过干蚀刻法对SiN层18的剩余厚度进行蚀刻，在本样例中SiN层18的剩余厚度是50nm，，同时抗蚀剂开口边缘在横向方向(lateral direction)被缩进。SiN层18的开口边缘1在其下部以陡峭的梯度升高，在本样例中，具有大约50nm的厚度。然后，梯度变为平缓的斜坡，由此而在上部逐渐增加宽度。SiN膜18在边缘具有预定厚度，在本样例中，该预定厚度为大约50nm，并且朝着源极16和漏极17的方向逐渐增加厚度以达到具有100nm厚度的平坦部分(总厚度部分)。此后，移除蚀刻抗蚀剂掩模PR1。
如图2F所示，形成具有开口的抗蚀剂掩模，其开口宽度比SiN膜18的开口更宽，通过气相沉积法进行Ni层和Au层的沉积，并且通过举离法形成栅极19。栅极19的剖面形状与SiN膜的开口的剖面形状一致，其中该SiN膜的开口具有这样的侧壁，即在开口边缘陡峭上升到部分厚度，并且在过渡部分随着距开口的距离的增加而单调增加厚度，从而达到总厚度部分，因此，栅极19的横截面形状为，在其下部以陡峭的梯度升高，在上部改变为平缓的梯度以形成开口宽度逐渐增加的斜坡，并且在斜坡外具有平坦的底部。
图3A和图3B是图1A所示的HEMT结构的制造工艺的剖面图。
如图3A所示，在实施如图2A到图2C所示的工序之后，与图2D相似，在栅极接触区上形成具有开口的抗蚀剂掩模PR2。使用SF6气体通过各向异性蚀刻法对SiN膜18的整个厚度进行蚀刻。SiN膜18的开口边缘具有通常的垂直向上的侧壁。
如图3B所示，形成具有开口的抗蚀剂掩模，该开口比SiN膜18的开口更宽，并且通过与图2F所示工序相似的举离法形成栅极19。SiN膜18的开口边缘具有从底部开始的预定厚度，并且SiN膜的上表面是平坦的。可以说，贯穿SiN膜18的开口仅通过与图2D所示的工序相似的工序而形成。
图4A和图4B是示出如图1B所示的HEMT结构的制造工艺的剖面图。
如图4A所示，在实施如图2A到图2C所示的工序之后，与图2D相似，在栅极接触区上形成具有开口的抗蚀剂掩模PR3。使用SF6气体和O2气体的混合气体，通过干蚀刻法对SiN膜18的整个厚度进行蚀刻，同时抗蚀剂开口边缘在横向方向被缩进。SiN层18的开口边缘3具有如下剖面形状，即，相对开口边缘的距离的增加而逐渐增大宽度，并逐渐增加SiN膜的厚度。可以说，贯穿SiN膜18的开口仅通过与图2E所示的工序相似的工序而形成。SiN膜在开口边缘是薄的。
下面对三种类型的这些样例的特性进行评估。在栅极和漏极之间施加100V电压。在第三样例中，在栅极/漏极两个端点之间的反方向漏电流是最小的，为5μA/mm。第一样例被设定为在可以形成通常的垂直侧壁的条件下进行蚀刻。可以说，在包含C或H的气氛中完成蚀刻，会在侧壁上产生沉积，从而生成通常的垂直侧壁。该沉积的产生不受以气相提供的C或H的限制。也可以自蚀刻剂中产生。可以认为漏电流的流动是因为蚀刻期间的沉积作为残余而留存在侧壁上的缘故。第二样例被设定为高各向同性蚀刻，因此很难出现蚀刻残余。但是，由于SiN膜在开口边缘很薄，可以认为如果因沟道层中的电压下降而使得SiN膜的上表面和下表面之间的电势差变大，就会发生介电击穿。第三样例首先被设定为进行可能形成残余的蚀刻。之后，该第三样例被设定为进行难以形成残余的蚀刻，并且抗蚀剂侧壁变得与开口边缘之间形成间隔，可以认为这样一来可能引起泄漏的残余就很难保留，并且，因为即使在开口边缘也可以获得预定的SiN膜厚度，因此很难发生介电击穿。所以第三样例是第一实施例。
漏电流的抑止可以归功于在开口上部增加开口宽度的蚀刻。尽管栅极延伸到了总厚度部分，但如果栅极从开口边缘开始只延伸到增加厚度部分，也是足够的。
图5A到图5D是根据第二实施例的基于GaN的HEMT的制造方法的剖面图。图5A示出类似图2D的状态。通过参考图2A到图2D描述的工序来获得图5A所示的状态。SiN膜18被蚀刻到其厚度的20％到80％，并且开口的侧壁具有陡峭的梯度。
如图5B所示，抗蚀剂掩模PR4被加热(固化)而圆化其上边缘角。抗蚀剂掩模相对开口边缘的距离增加而厚度增大，最终使其厚度充足。换言之，抗蚀剂厚度在越接近开口边缘的位置越薄。
如图5C所示，通过使用含氟气体进一步实施蚀刻。由于抗蚀剂厚度在开口边缘处被减小，则开口边缘随着抗蚀剂的消耗而缩进。可以认为在与抗蚀剂有间隔的SiN侧壁上难以形成残留。蚀刻之后，移除抗蚀剂掩模PR4。
如图5D所示，由此，通过举离法形成栅极电极19。
图6A到图6D是示出根据第三实施例的基于GaN的HEMT的制造方法的剖面图。图6A示出类似图2D的状态。通过参考图2A到图2D描述的工序来获得图6A所示的状态。SiN膜18被蚀刻到其厚度的20％到80％，并且开口的侧壁具有陡峭的梯度。
如图6B所示，抗蚀剂掩模PR5被氧等离子体缩进。由于抗蚀剂掩模PR5从被蚀刻的凹槽中缩进，因此，会暴露出SiN膜18的部分上表面。
如图6C所示，通过使用含氟气体进一步实施蚀刻。可以认为在与抗蚀剂有间隔的SiN表面上难以形成残留。蚀刻之后，移除抗蚀剂掩模PR5。
如图6D所示，由此，通过举离法形成栅极电极19。在本实施例中，在开口上部中的SiN膜上可以形成多个步骤，并且栅极可以从开口的内部延伸到相对的增加厚度部分。
在上述实施例中，保护膜是由单个SiN膜构成的。但也可以使用叠层保护膜。
图7A示出由第一SiN膜18a和第二SiN膜18b的叠层构成的保护膜18，并覆盖n型GaN层15，源极16和漏极17。如果通过等离子体CVD法沉积SiN膜，通过选择沉积条件可以调整折射率。随着折射率的改变，蚀刻特性也随之改变。例如，第二SiN膜18b的蚀刻率被设置为比第一SiN膜18a的蚀刻率更快。图7B是示出蚀刻之后SiN膜的开口形状的实例的示意图。可以使用三层或者更多层的叠层结构。栅极可以从开口边缘延伸到增加厚度部分中的上表面。由多层构成的保护层可以与任何上述实施例相结合。
尽管针对使用HEMT进行描述，但是所制造的半导体器件不限于HEMT。
图8示出场效应晶体管的实例。GaN缓冲层22和n型GaN沟道层23在SiC衬底21上外延生长。如图8所示，在n型GaN层23上向左和向右形成源极26和漏极27。贯穿SiN保护膜28形成开口，并且形成覆盖该开口的栅极29。开口边缘在开口的下部陡峭地升高，并且在上部的梯度改变为平缓梯度。该结构对应于下述结构，即，省略了在HEMT结构中的n型AlGaN层并且n型GaN覆盖层，并且沟道层从i型改变为n型。可以从上述实施例的工艺中省略不必要的工序来形成该场效应晶体管。
对本发明的描述参考了优选实施例。但本发明不仅限于上述实施例。在说明书中，尽管绝缘膜侧壁的梯度在栅极两侧都有改变，但是该梯度也可以仅在漏极侧发生改变。在说明书中，尽管采用氮化硅膜作为保护绝缘膜，但也可以使用其他绝缘材料，例如，氧化硅、氮氧化硅和氧化铝。在说明书中，尽管使用SiC衬底作为衬底，但也可以使用其他可以外延生长氮化物半导体层的材料，例如，蓝宝石，硅和GaAs制成的衬底。电极的材料和结构可以采用已知的电极。电极的制造工艺不限于气相沉积。也可以采用其他工艺，例如溅镀和电镀法。如果源极/漏极的欧姆性能能得到保证，那么可以省略退火。如果可以获得肖特基特性，那么可以对栅极进行退火。作为各向同性性质的蚀刻，可以使用湿蚀刻法。可以采用多种方式来改变材料，膜的厚度等。对于本领域技术人员而言，很明显可以进行其他的各种变化、改型、替换、改进及其组合等。
Claims (12)
1.一种氮化物半导体器件，包括：
衬底，能够在其上外延生长氮化物半导体层；
半导体叠层，在所述衬底上形成并包括氮化物半导体的沟道层；
源极和漏极，在所述半导体叠层上形成并与所述沟道层欧姆接触；
绝缘层，在所述半导体叠层上形成，并且具有开口、总厚度部分以及过渡部分，所述开口位于栅极接触区上，所述总厚度部分位于与所述开口相隔一定距离的区域中，且有着平坦表面和总厚度，以及所述过渡部分位于所述开口和所述总厚度部分之间，所述绝缘层的面向所述开口的侧壁陡峭上升到所述总厚度的部分厚度；以及
T形栅极，与所述半导体叠层在所述开口内接触，并且在所述绝缘层上延伸到具有增加厚度的相对部分，该增加厚度比所述部分厚度更厚。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中所述总厚度的部分厚度在所述总厚度的20％到80％的范围内。
3.根据权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中在所述绝缘层的开口边缘的厚度为5nm或更厚。
4.根据权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中所述增加厚度是所述总厚度。
5.根据权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中所述半导体叠层包括：i型GaN层，在所述i型GaN层上形成的n型AlGaN层，以及在所述n型AlGaN层上形成的n型GaN层；所述源极和所述漏极与所述n型AlGaN层欧姆接触，且所述栅极与所述n型GaN层肖特基接触。
6.根据权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中所述半导体叠层包括n型GaN层，所述源极和所述漏极与所述n型GaN层欧姆接触，以及所述栅极与所述n型GaN层肖特基接触。
7.一种氮化物半导体器件的制造方法，包括以下步骤：
a在衬底上外延生长包括氮化物半导体层的半导体叠层；
b形成分别与所述半导体叠层欧姆接触的源极和漏极；
c在所述半导体叠层上形成绝缘保护层；
d使用抗蚀剂掩模蚀刻所述绝缘保护层以形成开口部分，所述绝缘保护层具有在开口边缘陡峭升高到所述绝缘保护层的总厚度的部分厚度的侧壁，并且通过过渡部分达到总厚度部分，所述过渡部分的厚度随着与所述开口边缘的距离的增加而单调增大；以及
e在所述开口内形成与所述半导体叠层接触的栅极，并且该栅极在所述绝缘保护膜上延伸到具有增加厚度的部分，该增加厚度比所述部分厚度更厚。
8.根据权利要求7所述的氮化物半导体器件的制造方法，其中所述步骤d包括各向异性蚀刻和各向同性蚀刻的组合。
9.根据权利要求7所述的氮化物半导体器件的制造方法，其中所述步骤d包括连续子步骤：第一各向异性蚀刻，通过抗蚀剂固化而圆化抗蚀剂角部，以及第二各向异性蚀刻。
10.根据权利要求7所述的氮化物半导体器件的制造方法，其中所述步骤d包括连续子步骤：第一各向异性蚀刻，通过抗蚀剂灰化而缩进抗蚀剂边缘，以及第二各向异性蚀刻。
11.根据权利要求7所述的氮化物半导体器件的制造方法，其中所述增加厚度是所述总厚度。
12.根据权利要求7所述的氮化物半导体器件的制造方法，其中所述步骤c形成绝缘叠层。
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