CN105304783A - 半导体装置 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的一种实施方式，半导体装置具有第一氮化物半导体层、本征氮化物半导体层、以及具有Al的第二氮化物半导体层。所述本征氮化物半导体层设置于所述第一氮化物半导体层的第一侧。所述第二氮化物半导体层设置于所述本征氮化物半导体层的与所述第一氮化物半导体层相对的一侧。所述第一氮化物半导体层在所述第一氮化物半导体层、所述本征氮化物半导体层以及所述第二氮化物半导体层层叠的方向上具有第一浓度和低于所述第一浓度的第二浓度重复出现的碳分布。
Description
(关联申请的引用)
本申请以于2014年6月18日申请的在先的日本专利申请2014-125531号的权利的利益为基础，并且要求其利益，其全部内容通过引用被包含于此。
技术领域
在此说明的实施方式全部涉及半导体装置。
背景技术
氮化物半导体除了被用于发光器件以外，由于其临界电场强度高，也被用于功率器件，近年来，要求其更进一步的高耐压化。
发明内容
本发明的实施方式提供高耐压化的半导体装置。
根据一种实施方式，半导体装置具有第一氮化物半导体层、本征氮化物半导体层、以及具有Al的第二氮化物半导体层。所述本征氮化物半导体层设置在所述第一氮化物半导体层的第一侧。所述第二氮化物半导体层设置在所述本征氮化物半导体层的与所述第一氮化物半导体层相对的一侧。所述第一氮化物半导体层在所述第一氮化物半导体层、所述本征氮化物半导体层以及所述第二氮化物半导体层层叠的方向上具有第一浓度和低于所述第一浓度的第二浓度重复出现的碳分布。
根据上述构成的半导体装置，能够提供高耐压化的半导体装置。
附图说明
图1是表示实施方式1的半导体装置的截面示意图的一个例子。
图2A是表示图1所示的半导体装置所含的C-AlxGa1-xN层中的碳[C]的浓度分布的具体例的图的一个例子。
图2B是表示图1所示的半导体装置所含的C-AlxGa1-xN层中的碳[C]的浓度分布的另一具体例的图的一个例子。
图2C是表示图1所示的半导体装置所含的C-AlxGa1-xN层中的碳[C]的浓度分布的又一具体例的图的一个例子。
图3A是表示图1所示的半导体装置所含的C-AlxGa1-xN层中的碳[C]以及铝[Al]的浓度分布的具体例的图的一个例子。
图3B是表示图1所示的半导体装置所含的C-AlxGa1-xN层中的碳[C]以及铝[Al]的浓度分布的另一具体例的图的一个例子。
图3C是表示图1所示的半导体装置所含的C-AlxGa1-xN层中的碳[C]以及铝[Al]的浓度分布的又一具体例的图的一个例子。
图4是表示实施方式2的半导体装置的截面示意图的一个例子。
图5A是说明图4所示的半导体装置的制造方法的截面示意图的一个例子。
图5B是说明图4所示的半导体装置的制造方法的截面示意图的一个例子。
具体实施方式
以下参照附图对几个实施方式进行说明。在附图中，相同部分附以相同的参照编号，其重复说明适当省略。另外，附图分别用于发明的说明以及促进其理解，希望留意的是存在各图中的形状以及尺寸、比例等与实际装置存在不同的地方。
在本申请说明书中，关于“层叠”，除了彼此接触重叠的情况以外，还包括在其中插入其它层而重叠的情况。另外，所谓的“设置在……上”，除了直接接触而设置的情况以外，还包括在其中插入其它层而设置的情况。
(1)半导体装置
图1是表示实施方式1的半导体装置的截面示意图的一个例子。本实施方式的半导体装置包括基板S、缓冲层10、C-AlxGa1-xN层13、i(intrinsic，本征)-GaN层14、以及AlxGa1-xN层15。
在本实施方式中，基板S为包含(111)面的Si基板。Si基板的厚度例如为500μm以上且2mm以内，更优选为700μm以上且1.5mm以内。另外，基板S也可以为薄层Si被层叠而成的基体。使用薄层Si被层叠而成的基体时，薄层Si的层厚例如为5nm以上且500nm以内。但是，基板S不限于Si基板，例如也可以使用SiC基板、蓝宝石基板或GaN基板等。
缓冲层10在本实施方式中为在基板S上与基板S接触地设置的AlN层。AlN层10的层厚例如为50nm以上且500nm以下，优选为100nm以上且300nm以下。此外，也可以使用超晶格结构的多层膜来代替缓冲层10。在此，所谓的“超晶格结构”是指，例如以层厚为5nm的AlN层与层厚为20nm的GaN层为1对，将其多对例如20对交替层叠而成的结构。
另外，根据半导体装置整体的层厚和半导体装置的设计，在AlN层10的与基板S相对的一侧，也可以与AlN层10接触地插入AlyGa1-yN层(0＜y＜1)。此时，AlyGa1-yN层(0＜y＜1)的层厚例如为100nm以上且1000nm以下。
C-AlxGa1-xN层13为设置于缓冲层10的与基板S相对的一侧的、含有碳[C]的AlxGa1-xN层(0≤x＜0.01)。C-AlxGa1-xN层13的层厚例如为100nm以上且10μm以下，C-AlxGa1-xN层13中所含的碳[C]的平均浓度例如为1×1016cm-3以上且3×1019cm-3以下，碳[C]的最小浓度为1×1010cm-3，最大浓度为5×1019cm-3。由于通过在AlxGa1-xN层中添加碳[C]，能够减少漏电流，因此，能够增加作为半导体装置整体的绝缘耐受量，高耐压化成为可能。C-AlxGa1-xN层13在本实施方式中例如对应于第一氮化物半导体层。关于C-AlxGa1-xN层13的详细构成，后面详述。
i-GaN层14设置于C-AlxGa1-xN层13的与缓冲层10相对的一侧。i-GaN层14的层厚例如为0.5μm以上且3μm以下，关于i-GaN层14的杂质浓度，碳[C]、氧[O]以及硅[Si]均小于3×1017cm-3。在本实施方式中，i-GaN层14例如对应于本征氮化物半导体层，与缓冲层10相对的一侧例如对应于第一侧。
AlxGa1-xN层15形成于i-GaN层14的与C-AlxGa1-xN层13相对的一侧，含有非掺杂或n型的AlxGa1-xN(0＜x≤1)。在i-GaN层14内的i-GaN层14与AlxGa1-xN层15的界面附近产生二维电子系统30e。由此，i-GaN层14作为通道起作用。在本实施方式中，AlxGa1-xN层15例如对应于第二氮化物半导体层。
关于C-AlxGa1-xN层13的具体构成，参照图2A至图3C进行详细描述。
在设置于本实施方式的半导体装置中的C-AlxGa1-xN层13中，所添加的碳[C]的浓度分布不均匀，在其厚度方向、即在基板S上缓冲层10、C-AlxGa1-xN层13、i-GaN层14、以及AlxGa1-xN层15层叠的方向上变化。
C-AlxGa1-xN层13中的[C]浓度变化的几个具体例如图2A至图2C所示。在图2A的例子中，从C-AlxGa1-xN层13的缓冲层10侧向i-GaN层14侧，碳[C]浓度以规定比例变化。在图2B的例子中，从C-AlxGa1-xN层13的缓冲层10侧向i-GaN层14侧，碳[C]浓度呈阶梯式变化。
作为碳[C]浓度的变化方式，在图2A以及图2B中，示出了从C-AlxGa1-xN层13的缓冲层10侧向i-GaN层14侧碳[C]浓度递减的例子。这是由于外延生长层足够厚时，若碳[C]的浓度分布一样，则随着成为上层侧、即随着从基板离开，GaN晶体的品质下降。GaN晶体的品质下降诱发在器件工作时电阻增加的现象(电流崩塌)。
另外，在本实施方式中，由于使用Si基板作为基板S，因此，若碳[C]浓度一定，则外延生长中难以施加压缩应力。因此，通过从C-AlxGa1-xN层13的缓冲层10侧向i-GaN层14侧使碳[C]浓度递减，容易施加压缩应力，其结果是，能够得到无裂纹且向上为凸形状的晶片。
但是，C-AlxGa1-xN层13中的[C]浓度的变化并不限于这些例子，例如也可以为如图2C所示的梳子的齿形状那样，从缓冲层10侧向i-GaN层14侧，高浓度区域与(例如有意地阻止了碳[C]的添加)低浓度区域重复出现的方式。在该情况下，例如C-AlxGa1-xN层13的膜厚为100nm以上且10μm以下，碳[C]的最小浓度为1×1010cm-3，最大浓度为5×1019cm-3，高浓度区域和低浓度区域重复出现数(振幅数)的最小次数为5次，将C-AlxGa1- xN层13的膜厚设为Yμm时，振幅数为10Y以上且1000Y以下。即使在该图2C的实施方式中，由于高浓度区域的碳[C]向低浓度区域侧扩散，因此，作为平均碳浓度，例如成为1×1016cm-3以上且3×1019cm-3以下，能够实现高耐压化的器件。
而且，如上所述，均匀地添加了碳[C]的氮化物半导体外延生长层足够厚时，晶体品质降低，但是，通过设置低浓度区域层，能够抑制晶体品质的下降，还能够抑制电流崩塌现象。
另外，关于C-AlxGa1-xN层13，不仅可以改变碳[C]浓度，还可以改变铝[Al]的组成比(即、C-AlxGa1-xN中的x的值)。铝[Al]组成比的变化方式例如如图3A至图3C所示，可以与碳[C]浓度的变化方式相同，但是，并不限于这些例子。如此通过沿层叠方向、例如从缓冲层10侧向i-GaN层14侧使铝[Al]浓度变化，能够容易地控制碳[C]浓度，得到高品质的晶体。
图4是表示实施方式2的半导体装置的大致结构的截面示意图的一个例子。
通过与图1的对比可以明确，本实施方式的半导体装置通过在如图1所示的半导体装置上进一步设置电极31至33，实现了横型高电子迁移率晶体管(HEMT，HighElectronMobilityTransistor)。
具体地，图4所示的半导体装置在基板S、缓冲层10、C-AlxGa1-xN层13、i-GaN层14、以及AlxGa1-xN层15依次被层叠而成的半导体装置的基础上，还包括源(或漏)电极31、漏(或源)电极32以及栅电极33。
源(或漏)电极31以及漏(或源)电极32在AlxGa1-xN层15的与i-GaN层14相对的一侧彼此离开地被设置，分别以与AlxGa1-xN层15欧姆接合的方式形成。在本实施方式中，源(或漏)电极31以及漏(或源)电极32例如分别对应于第一以及第二电极。
栅电极33以夹在源(或漏)电极31与漏(或源)电极32间的方式形成于AlxGa1-xN层15的与i-GaN层14相对的一侧。在本实施方式中，栅电极33例如对应于控制电极。
虽然在图4中没有特别图示出，但是，也可以在这些电极31～33间的AlxGa1-xN层15上的区域中形成绝缘膜。另外，也可以在栅电极33与AlxGa1-xN层15之间插入栅绝缘膜(未图示出)，形成MIS(金属绝缘半导体，Metal-Insulator-Semiconductor)结构。
根据上述至少一个实施方式的半导体装置，由于含有在层叠方向上碳[C]的浓度或碳[C]以及铝[Al]的浓度发生变化的C-AlxGa1-xN层13，从而能够提供高耐压化的半导体装置。
(2)半导体装置的制造方法
关于制造图4中记载的半导体装置的方法的一个例子，参照图5A以及图5B进行说明。
首先，如图5A所示，通过使用了已知方法的低温生长在基板S上形成缓冲层10。
然后，通过有机金属气相沉积(MOCVD：MetalOrganicChemicalVaporDeposition)法，一边掺杂碳[C]，一边在缓冲层10的与基板S相对的一侧使GaN晶体外延生长。作为掺杂气体，例如使用乙炔(C2H2)或四溴化碳(CBr4)。
为了提高外延生长中的GaN晶体内的碳[C]浓度，有(a)降低生长压力、(b)降低V族元素材料/III族元素(在本例中为N/Ga)的比、(c)降低生长温度等方法。
在此，在一边供给含有一定浓度的碳[C]的掺杂气体一边使GaN晶体外延生长的情况下，当碳[C]被瞬间过量地供给时，碳[C]阻碍了适当的外延生长，因此，存在GaN晶体的品质有可能降低的问题。特别是形成较厚的GaN的外延生长层时，随着成为上层侧、即随着从基板离开，也存在GaN晶体的品质有可能降低的问题。另外，如本例中所示，使GaN晶体在Si基板上生长时，添加了高浓度的碳[C]的GaN由于晶格常数并非理想的值，难以在生长中施加压缩应力，因此还存在难以得到无裂纹且向上为凸形状的晶片的问题。
为了应对这些问题，例如如图2A至图2C所示，根据目标的碳[C]浓度分布，控制掺杂气体量、生长温度以及压力。但是，即使使这些参数的组合最佳化，在GaN层的晶体品质方面也残留问题。
因此，在本例中，利用含有Al的氮化物半导体容易吸收其它杂质的特性，在GaN晶体的外延生长中掺杂铝[Al]。铝[Al]的掺杂量以组成比计，优选小于1％。由此，不会对GaN的晶格常数、晶体品质以及生长速度造成大的影响，能够增加碳[C]的吸收。其结果是，形成如图5B所示的添加了碳[C]的AlxGa1-xN层13。如本例所示，掺杂铝[Al]时，AlxGa1-xN中的x的值为0＜x＜0.01。
在本例中，为了进一步增加碳[C]的吸收，使用三甲基铝Al(CH3)3(以下仅称作“TMAl”)，通过以下的反应式(1)增加碳[C]的供给量。
Ga(CH3)3+Al(CH3)3+NH3＝GaN、AlN+H、C反应式(1)
这样，通过增加III族原料，能够增大碳[C]的供给量。
另外，例如如图3A至图3C所示，还可以不仅改变碳[C]的掺杂量，而且使铝[Al]的掺杂量变化。由此，能够增加AlGaN中的原料组成的组合和掺杂的碳[C]浓度分布的选择项。
之后，通过已知的方法，在C-AlxGa1-xN层13的与缓冲层10相对的一侧依次形成i-GaN层14和AlxGa1-xN层15，进而，以与AlxGa1-xN层15欧姆接合的方式形成作为源极或漏极的电极31、32，在AlxGa1-xN层15的与i-GaN层14相对的一侧在电极31、32间形成栅电极33，由此可提供如图4所示的半导体装置。
根据上述的半导体装置的制造方法，由于在GaN晶体的外延生长中使碳[C]的浓度或碳[C]以及铝[Al]的浓度发生变化，因此，能够得到与以一定浓度持续掺杂碳[C]时同样的漏电流降低效果，并且能够得到良好的晶体品质。而且，在Si基板上形成C-AlxGa1-xN层13时，能够得到向上凸的形状。由此，能够提供高耐压化的半导体装置。
说明了本发明的几个实施方式，但是，这些实施方式作为例子示出，并非意图限定发明的范围。这些实施方式可以以其它的各种方式实施，在不脱离发明的要旨的范围内，可以进行各种省略、置换、变更。这些实施方式或其变形与包含在发明的范围或要旨中同样地，包含在专利权利要求书中记载的发明和其均等的范围内。
Claims (10)
1.一种半导体装置，其特征在于，具备：
第一氮化物半导体层、
设置在所述第一氮化物半导体层的第一侧的本征氮化物半导体层、以及
设置在所述本征氮化物半导体层的与所述第一氮化物半导体层相对的一侧的、具有Al的第二氮化物半导体层，
所述第一氮化物半导体层在所述第一氮化物半导体层、所述本征氮化物半导体层以及所述第二氮化物半导体层层叠的方向上具有第一浓度与低于所述第一浓度的第二浓度重复出现的碳分布。
2.一种半导体装置，其特征在于，具备：
具有Al的第一氮化物半导体层、
设置在所述第一氮化物半导体层的第一侧的本征氮化物半导体层、以及
设置在所述本征氮化物半导体层的与所述第一氮化物半导体层相对的一侧的、具有Al的第二氮化物半导体层，
所述第一氮化物半导体层具有浓度发生变化的碳分布。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，所述第一氮化物半导体层中的Al浓度在所述第一氮化物半导体层、所述本征氮化物半导体层以及所述第二氮化物半导体层层叠的方向上递减。
4.根据权利要求2或3所述的半导体装置，其特征在于，所述Al浓度呈阶梯式递减。
5.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，所述第一氮化物半导体层在所述第一氮化物半导体层、所述本征氮化物半导体层以及所述第二氮化物半导体层层叠的方向上具有第一浓度和低于所述第一浓度的第二浓度重复出现的Al分布。
6.根据权利要求1或5所述的半导体装置，其特征在于，所述第一浓度的最大值是5×1019cm-3。
7.根据权利要求1、5中任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述第二浓度的最小值是1×1010cm-3。
8.根据权利要求1、5中任一项所述的半导体装置，其特征在于，所述第一浓度和所述第二浓度重复出现数为5以上。
9.根据权利要求1、5中任一项所述的半导体装置，其特征在于，将所述第一氮化物半导体层的厚度设为Yμm时，所述第一浓度和所述第二浓度重复出现数为10Y以上且1000Y以下。
10.根据权利要求1～3、5中任一项所述的半导体装置，其特征在于，还具备：
在所述第二氮化物半导体层的与所述本征氮化物半导体层相对的一侧彼此离开地设置的第一电极以及第二电极、以及
在所述第二氮化物半导体层的与所述本征氮化物半导体层相对的一侧设置在所述第一电极与第二电极之间的控制电极。
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