CN101506958A - 场效应晶体管 - Google Patents

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Abstract

一种场效应晶体管，包括：半导体层叠结构，其包括由氮化物半导体构成的载流子传输层；栅电极，其与所述载流子传输层中的沟道区域对应地形成于所述半导体层叠结构上，并在第一侧具有第一侧壁面，在第二侧具有第二侧壁面；绝缘膜，其直接形成于所述栅电极上，覆盖所述第一侧壁面和第二侧壁面中至少一方；第一欧姆电极，其形成于所述半导体层叠结构上的所述栅电极的所述第一侧；第二欧姆电极，其形成于所述半导体层叠结构上的所述栅电极的所述第二侧；和钝化膜，其包括第一部分和第二部分，该第一部分从所述第一欧姆电极朝向所述栅电极延伸，以便覆盖所述半导体层叠结构的表面中的所述第一欧姆电极与所述栅电极之间的区域，该第二部分从所述第二欧姆电极朝向所述栅电极延伸，以便覆盖所述半导体层叠结构的表面中的所述第二欧姆电极与所述栅电极之间的区域，所述绝缘膜至少与所述第一和第二钝化膜部分接触、且具有与所述钝化膜不同的成分。

Description

场效应晶体管
技术领域
本发明涉及一般半导体装置，尤其涉及使用氮化物半导体的高输出场效应晶体管。
背景技术
以GaN、AlN、InN或它们的混合晶体为代表的氮化物半导体，因带隙(bandgap)大，所以被用作短波长发光元件。另一方面，这种带隙大的氮化物半导体在高电场下也不会产生击穿，所以在高输出电子元件中的应用也受到关注。关于这种高输出电子元件，可以列举高输出场效应晶体管、尤其高输出HEMT。
在使用这种氮化物半导体的高输出电子元件中，以更高输出动作为目标，正在尝试进一步降低栅漏电流。
图1表示把基于本发明的相关技术的GaN设为电子传输层的高输出HEMT10的结构。
参照图1，HEMT10形成于半绝缘性SiC基板11上，在所述SiC基板12上，利用非掺杂GaN构成的电子传输层12形成为外延。
在所述电子传输层12上，隔着非掺杂AlGaN隔层13，利用n型AlGaN构成的电子供给层14形成为外延，在所述电子供给层14上，n型GaN层15形成为外延。并且，伴随所述电子供给层14的形成，在所述电子传输层12中，沿着与所述隔层13的界面形成二维电子气体(2DEG)12A。
另外，在所述n型GaN层15上形成有层叠了用于形成肖特基结(schottky junction)的Ni电极膜16A、和其上的低电阻Au膜16B的栅电极16，且在所述栅电极16的两侧，为了直接接触所述电子供给层14，使层叠了Ti膜和Al膜的欧姆电极17A、17B远离所述栅电极16，分别形成为源电极和漏电极。
另外，为了覆盖所述n型GaN层15的外露表面，形成有利用SiN等构成的钝化膜18。在图示的例子中，所述钝化膜18覆盖欧姆电极17A、17B，并紧密接触所述栅电极16的侧壁面。
根据这种结构，利用所述AlGaN构成的电子供给层14被不含铝的n型GaN层15覆盖，所以能够抑制因所述电子供给层14的表面中的铝的氧化导致的界面态的形成，抑制传递该界面态的漏电流，能够使所述HEMT10以高输出动作。
另一方面，近年来要求使用了这种GaN等氮化物半导体的高输出HEMT以更高输出动作，为了满足这种要求，需要进一步抑制在这种高输出HEMT中产生的漏电流、尤其在栅极—漏极之间产生的漏电流。
发明内容
根据本发明的一个方面提供一种场效应晶体管，该场效应晶体管包括：半导体层叠结构，其包括由氮化物半导体构成的载流子传输层；栅电极，其与所述载流子传输层中的沟道区域对应地形成于所述半导体层叠结构上，并在第一侧具有第一侧壁面，在第二侧具有第二侧壁面；绝缘膜，其直接形成于所述栅电极上，覆盖所述第一侧壁面和第二侧壁面中至少一方；第一欧姆电极，其形成于所述半导体层叠结构上的所述栅电极的所述第一侧；第二欧姆电极，其形成于所述半导体层叠结构上的所述栅电极的所述第二侧；和钝化膜，其包括第一部分和第二部分，该第一部分从所述第一欧姆电极朝向所述栅电极延伸，以便覆盖所述半导体层叠结构的表面中的所述第一欧姆电极与所述栅电极之间的区域，该第二部分从所述第二欧姆电极朝向所述栅电极延伸，以便覆盖所述半导体层叠结构的表面中的所述第二欧姆电极与所述栅电极之间的区域，所述绝缘膜至少与所述第一和第二钝化膜部分接触、且具有与所述钝化膜不同的成分。
根据本发明的其他方面提供一种场效应晶体管的制造方法，该场效应晶体管在包括载流子传输层的半导体结构上具有栅电极、源电极和漏电极，所述制造方法包括执行以下处理的步骤：在所述半导体层叠结构上形成所述栅电极；在所述半导体层叠结构上形成覆盖所述栅电极的钝化膜；在所述钝化膜中形成用于露出所述栅电极的开口部；以及在所述露出的栅电极上形成成分与所述钝化膜不同的绝缘膜，以便所述绝缘膜至少覆盖所述栅电极的侧壁面中、面向所述漏电极的一侧的侧壁面。
根据本发明的其他方面提供一种场效应晶体管的制造方法，该场效应晶体管在包括载流子传输层的半导体结构上具有栅电极、源电极和漏电极，所述制造方法包括执行以下处理的步骤：在所述半导体层叠结构上形成所述栅电极；在所述露出的栅电极上形成绝缘膜，以便所述绝缘膜至少覆盖所述栅电极的侧壁面中、面向所述漏电极的一侧的侧壁面；以及在所述半导体层叠结构上形成成分与所述绝缘膜不同的钝化膜，以便覆盖形成有所述绝缘膜的所述栅电极。
根据本发明，在把氮化物半导体作为载流子传输层的高输出场效应晶体管中，至少在漏电极的一侧，利用成分与钝化膜不同的绝缘膜覆盖栅电极侧壁面，从而可以有效地抑制产生于栅电极和漏极区域之间的栅极漏电流。
附图说明
图1是表示基于本发明的相关技术的HEMT的结构的图。
图2是表示本发明的第1实施方式涉及的HEMT的结构的图。
图3A是表示图2中的HEMT的栅极—漏极间漏电流特性的图。
图3B是表示图1中的HEMT的栅极—漏极间漏电流特性的图。
图4A是表示图2中的HEMT的制造步骤的图(之一)。
图4B是表示图2中的HEMT的制造步骤的图(之二)。
图4C是表示图2中的HEMT的制造步骤的图(之三)。
图4D是表示图2中的HEMT的制造步骤的图(之四)。
图4E是表示图2中的HEMT的制造步骤的图(之五)。
图4F是表示图2中的HEMT的制造步骤的图(之六)。
图5是表示图2中的HEMT的一个变形例的图。
图6是表示图2中的HEMT的其他变形例的图。
图7是表示本发明的第2实施方式涉及的HEMT的结构的图。
图8A是表示图7中的HEMT的制造步骤的图(之一)。
图8B是表示图7中的HEMT的制造步骤的图(之二)。
图8C是表示图7中的HEMT的制造步骤的图(之三)。
图9是表示图7中的HEMT的一个变形例的图。
图10是表示图7中的HEMT的其他变形例的图。
标号说明
10、20、40HEMT；11、21、41半绝缘性SiC基板；12、22、42GaN电子传输层；12A、22A、42A二维电子气体；13、23、43AlGaN隔层；14、24、44 AlGaN电子供给层；15、25、45GaN层；16、26、46栅电极；16A、26ANi层；16B、26B Au层；17A、27A、47A源电极；17B、27B、47B漏电极；18、28、49钝化膜；28A、28B钝化膜部分；28a、28b钝化膜端面；29、48绝缘膜。
具体实施方式
[第1实施方式]
图2表示本发明的第1实施方式涉及的高输出场效应晶体管20的结构。
参照图2，高输出场效应晶体管20是形成于半绝缘性SiC基板21上的HEMT，在所述SiC基板21上，利用非掺杂GaN构成的电子传输层22形成为例如3μm厚的外延。
在所述电子传输层22上，隔着例如厚度为5nm的非掺杂AlGaN隔层23，利用n型AlGaN构成的、利用Si掺杂成电子浓度为5×1018cm-3的、例如厚度为30nm的电子供给层24形成为外延，在所述电子供给层24上，n型GaN层25形成为外延。并且，伴随所述电子供给层24的形成，在所述电子传输层22中，沿着与所述隔层23的界面形成二维电子气体(2DEG)22A。
另外，在所述n型GaN层25上形成有层叠了用于形成肖特基结的Ni电极膜26A、和其上的低电阻Au膜26B的栅电极26，在所述栅电极26的两侧，为了直接接触所述电子供给层24，层叠了Ti膜和Al膜的欧姆电极27A、27B远离所述栅电极26，分别形成为源电极和漏电极。
另外，在所述HEMT20中形成有利用SiN等构成的钝化膜28，以便覆盖所述n型GaN层25的外露表面，但在本实施方式中，所述钝化膜28由覆盖所述欧姆电极27A的第一钝化膜部分28A、和覆盖所述欧姆电极27B的第二钝化膜部分28B构成，所述钝化膜部分28A的面向所述栅电极26的端面28a形成为，相对所述栅电极26中面向所述欧姆电极27A的侧壁面相隔0.5nm以上且500nm以下的距离。同样，所述钝化膜部分28B的面向所述栅电极26的端面28b形成为，相对所述栅电极26中面向所述欧姆电极27B的侧壁面相隔0.5nm以上且500nm以下的距离。
另外，在本实施方式中，利用覆盖所述栅电极26的侧壁面的氧化铝构成的绝缘膜29形成为0.5nm以上且500nm以下的膜厚，以便填满所述栅电极26与端面28a、28b之间的间隙。这样形成的绝缘膜29连续覆盖所述栅电极26的两侧壁面及上表面。
在图示的例子中，HEMT20具有1μm的栅极长度，并形成为100μm的栅极宽度。
图3A表示针对所述图2中的HEMT求出的栅极—漏极电流特性。并且，在图3A中，横轴表示施加给所述栅电极26与作为漏电极的欧姆电极27B之间的电压，纵轴表示此时流过栅电极26和欧姆电极27B之间的栅极漏电流。在图中，横轴的一个刻度为10V，纵轴的一个刻度为10μA。
参照图3A得知，由于所述HEMT20是高输出动作，所以即使在栅电极26和欧姆电极27B之间被施加50V电压，漏电流也仍为1μA左右。
相比之下，图3B是表示使所述图1中的HEMT10形成为与图2中的HEMT20相同尺寸时的、与图3A相同的栅极漏电流特性的图。在图3B中，横轴表示施加给所述栅电极16与作为漏电极的欧姆电极17B之间的电压，纵轴表示此时流过栅电极16和欧姆电极17B之间的栅极漏电流。与图3A相同，横轴的一个刻度为10V，纵轴的一个刻度为10μA。
参照图3B得知，在不设置所述绝缘膜29的结构中，在栅极—漏极间电压每超过20V时，栅极漏电流上升，在栅极—漏极间电压达到50V时，栅极漏电流超过50μA。
下面，参照图4A～4E说明图2所示的HEMT20的制造步骤。
参照图4A，利用MOCVD法，分别按照前面说明的膜厚，在所述SiC基板21上依次层叠所述非掺杂GaN层22、AlGaN隔层23、n型AlGaN电子供给层24和n型GaN层25，得到半导体层叠结构。
然后，在图4B所示的步骤中，在所述图4A所示的半导体层叠结构中的所述n型GaN层25中，通过使用了氯气的干式蚀刻形成使露出其下面的n型AlGaN电子供给层24的开口部，通过蒸镀和浮脱(lift off)接触所述电子供给层24，形成所述Ti/Al电极27A、27B。在此，所述开口部也可以形成为多少进入所述电子供给层24中。在图4B所示的步骤中，还在氮气氛围下进行600℃的热处理，使所述电极27A、27B欧姆接触所述电子供给层24。
然后，在图4C所示的步骤中，在所述图4B所示的结构上，利用等离子CVD法形成SiN钝化膜28，在图4D所示的步骤中，在所述SiN钝化膜28中，对应所述栅电极26的形成区域，通过光刻形成略大于栅电极26的栅极长度的开口部28C。由此，所述钝化膜28被分割为由端面28a划分形成的钝化膜部分28A和由端面28b划分形成的钝化膜部分28B。
然后，在图4E所示的步骤中，在所述开口部28C中形成略小于所述开口部28C的开口部，通过蒸镀和浮脱，形成层叠了Ni层26A和Au层26B的栅电极26，并使其远离所述钝化膜28的端面28a、28b。
另外，在图4F所示的步骤中，在图4E所示的结构上，为了填充所述栅电极26与SiN钝化膜部分28A或28B之间的间隙，利用MOCVD法形成所述氧化铝膜29，从而得到图2所示的HEMT20。
另外，在本实施方式中，设置掩模来进行所述图4F中的绝缘膜49的堆积步骤，如图5所示，也可以使所述绝缘膜29形成为只覆盖所述栅电极26的侧壁面中、漏电极27B侧的侧壁面。这样，在只覆盖所述栅电极26的侧壁面中的漏电极27B侧的侧壁面时，也能够获得前面在图3A、3B中说明的栅极漏极电流的抑制效果。
另外，在图2所示的HEMT20中，如图6所示，也可以在所述绝缘膜29上层叠SiO2膜30，从而形成SiN膜与SiO2膜的层叠膜等的多层膜。
另外，在上述的结构中，所述绝缘膜29不限于氧化铝，也可以是氮化铝、氧化钾、氧化镍、氟化硅或氧化铜，还可以是如图6所示包括这些膜的多层膜。另外，所述钝化膜不限于SiN，也可以使用SiO2等。
另外，在本实施方式中，所述电子传输层22不限于GaN，也可以使用其他氮化物半导体、例如AlN或InN、或者它们的混合晶体。
另外，半导体层叠结构不限于本实施方式的结构，只要是HEMT结构即可，例如也可以使用没有GaN间隙层的结构。
另外，在所述图4D所示的步骤中，所述开口部28C例如也可以先形成栅电极26，再在所述栅电极26的侧壁面上利用SiO2等蚀刻选择性与SiN钝化膜28不同的绝缘膜形成侧壁绝缘膜，在形成钝化膜28后，通过蚀刻去除该侧壁绝缘膜，从而可以自匹配地形成。
另外，在本实施方式中，所述基板21也可以使用导电性SiC基板和蓝宝石基板取代半绝缘性SiC基板。
[第2实施方式]
图7表示本发明的第2实施方式的高输出场效应晶体管40的结构。
参照图7，高输出场效应晶体管40是形成在半绝缘性SiC基板41上的HEMT，在所述SiC基板61上，利用非掺杂GaN构成的电子传输层42形成为例如厚3μm的外延。
在所述电子传输层42上，隔着例如厚度为5nm的非掺杂AlGaN隔层43，利用n型AlGaN构成的、利用Si掺杂成电子浓度为5×1018cm-3的、例如厚度为30nm的电子供给层44形成为外延，在所述电子供给层44上，n型GaN层45形成为外延。并且，伴随所述电子供给层44的形成，在所述电子传输层42中，沿着与所述隔层43的界面形成二维电子气体(2DEG)42A。
另外，在所述n型GaN层45上形成有利用形成肖特基结的Ni膜构成的栅电极46，在所述栅电极46的两侧，为了直接接触所述电子供给层44，层叠了Ti膜和Al膜的欧姆电极47A、47B远离所述栅电极46，分别形成为源电极和漏电极。
另外，在所述HEMT40中形成有膜厚为0.05nm～500nm的绝缘膜48，其利用通过使所述Ni电极46氧化形成的氧化镍膜构成，以便连续覆盖所述栅电极46的两侧壁面和上表面。
在这种结构中，在所述栅电极48和源电极47A、栅电极48和漏电极48B之间，露出所述n型GaN层45，所述GaN层24的外露表面被钝化膜49覆盖，该钝化膜49利用SiN或SiO2构成，并以包括所述栅电极48在内的方式连续覆盖所述源电极47A到漏电极47B。
在这种结构中，通过形成所述绝缘膜48，与前面在图3A、3B中说明的相同，也可以抑制栅极漏电流。
下面，参照图8A～8C说明图7所示HEMT的制造步骤。
首先进行与图4A～4B相同的步骤，形成在SiC基板41上层叠了半导体层42～45的层叠结构体，再形成源极和漏电极47A、47B，然后在图8A所示的步骤中，通过蒸镀和浮脱步骤形成所述栅电极46。
然后，在图8B所示的步骤中，对图8A所示的结构进行氧气氛围下的热处理或氧气等离子处理，在所述栅电极46的侧壁面和上表面形成氧化膜作为所述绝缘膜48。这样形成的绝缘膜48包含作为构成元素的、构成所述栅电极46的金属元素。在所述氧化处理或氧气等离子处理期间，所述源电极47A和漏电极47B被SiO2膜等掩模图案(未图示)覆盖。
另外，在图8C所示的步骤中，在去除该掩模图案后，利用等离子CVD法形成SiN膜或SiO2膜作为钝化膜49。
另外，在本实施方式中，关于绝缘膜48在所述栅电极46上的形成，通过利用掩模图案部分地覆盖所述栅电极46，如图9的变形例所示，可以只形成于覆盖所述栅电极46的侧壁面中面向漏电极47B的一侧。
作为所述绝缘膜48，不限于前面说明的氧化膜，也可以是氮化膜或氟化膜。这种氮化膜或氟化膜可以通过使所述栅电极46暴露于氮气等离子或氟气等离子中而形成。
另外，如图10的变形例所示，通过在所述绝缘膜48上利用例如氧化处理、氮化处理、氟化处理或CVD法形成其他绝缘膜48A，也可以形成多层膜。
在本实施方式中，所述电子传输层22不限于GaN，也可以使用其他氮化物半导体、例如AlN或InN、或者它们的混合晶体。
另外，半导体层叠结构不限于本实施方式的结构，只要是HEMT结构即可，例如也可以使用没有GaN间隙层的结构。
另外，在本实施方式中，所述基板21也可以使用导电性SiC基板和蓝宝石基板取代半绝缘性SiC基板。
并且，在本实施例中，所述栅电极46不限于Ni，也可以使用在Cu和Pd、Pt等与氮化物半导体膜之间产生肖特基结的金属膜。
另外，在以上的说明中说明了半导体装置为HEMT的情况，但本发明也可以适用于MESFET等其他化合物半导体装置。
以上关于本发明说明了优选的实施例，但本发明不限于这种特定的实施例，可以在权利要求书记载的范围内进行各种变形及变更。
产业上的可利用性
根据本发明，在把氮化物半导体作为载流子传输层的高输出场效应晶体管中，对于栅电极侧壁面，至少在漏电极的一侧利用成分与钝化膜不同的绝缘膜覆盖，由此可以有效抑制产生于栅电极和漏极区域之间的栅极漏电流。

Claims (13)

1.一种场效应晶体管，该场效应晶体管包括：
半导体层叠结构，其包括由氮化物半导体构成的载流子传输层；
栅电极，其与所述载流子传输层中的沟道区域对应地形成于所述半导体层叠结构上，并在第一侧具有第一侧壁面，在第二侧具有第二侧壁面；
绝缘膜，其直接形成于所述栅电极上，覆盖所述第一侧壁面和第二侧壁面中至少一方；
第一欧姆电极，其形成于所述半导体层叠结构上的所述栅电极的所述第一侧；
第二欧姆电极，其形成于所述半导体层叠结构上的所述栅电极的所述第二侧；和
钝化膜，其包括第一部分和第二部分，该第一部分从所述第一欧姆电极朝向所述栅电极延伸，以便覆盖所述半导体层叠结构的表面中的所述第一欧姆电极与所述栅电极之间的区域，该第二部分从所述第二欧姆电极朝向所述栅电极延伸，以便覆盖所述半导体层叠结构的表面中的所述第二欧姆电极与所述栅电极之间的区域，
所述绝缘膜至少与所述第一和第二钝化膜部分接触、且具有与所述钝化膜不同的成分。
2.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，所述绝缘膜由构成所述栅电极的金属元素的氧化物、氮化物或氟化物构成。
3.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，所述绝缘膜是包括由构成所述栅电极的金属元素的氧化物、氮化物或氟化物构成的层的多层膜。
4.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，所述绝缘膜由氧化铝、氮化铝、氧化钾、氧化镍、氟化镍、氧化铜中的任一种构成。
5.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，所述绝缘膜具有0.5nm以上且500nm以下的膜厚。
6.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，所述绝缘膜形成为连续覆盖所述栅电极的所述第一侧壁面和第二侧壁面及上表面。
7.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，所述钝化膜由氮化硅膜或氧化硅膜构成。
8.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，所述电子传输层由GaN、AlN、InN中的任一种构成。
9.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，
所述半导体装置是HEMT，
所述半导体层叠结构在所述载流子传输层上具有由氮化物半导体构成的载流子供给层，在所述载流子传输层中形成有二维载气。
10.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中，在所述半导体层叠结构中的所述载流子供给层和所述栅电极之间，形成有不含铝的氮化物半导体层。
11.一种场效应晶体管的制造方法，该场效应晶体管在包括载流子传输层的半导体结构上具有栅电极、源电极和漏电极，所述制造方法包括执行以下处理的步骤：
在所述半导体层叠结构上形成所述栅电极；
在所述半导体层叠结构上形成覆盖所述栅电极的钝化膜；
在所述钝化膜中形成用于露出所述栅电极的开口部；以及
在所述露出的栅电极上形成成分与所述钝化膜不同的绝缘膜，以便所述绝缘膜至少覆盖所述栅电极的侧壁面中、面向所述漏电极的一侧的侧壁面。
12.一种场效应晶体管的制造方法，该场效应晶体管在包括载流子传输层的半导体结构上具有栅电极、源电极和漏电极，所述制造方法包括执行以下处理的步骤：
在所述半导体层叠结构上形成所述栅电极；
在所述露出的栅电极上形成绝缘膜，以便所述绝缘膜至少覆盖所述栅电极的侧壁面中、面向所述漏电极的一侧的侧壁面；以及
在所述半导体层叠结构上形成成分与所述绝缘膜不同的钝化膜，以便覆盖形成有所述绝缘膜的所述栅电极。
13.根据权利要求12所述的场效应晶体管的制造方法，其中，所述绝缘膜通过所述栅电极的氧化处理、氮化处理、氟化处理中的任一种处理而形成。
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