CN115428168A - 氮化物半导体装置 - Google Patents

氮化物半导体装置 Download PDF

Info

Publication number
CN115428168A
CN115428168A CN202180029895.XA CN202180029895A CN115428168A CN 115428168 A CN115428168 A CN 115428168A CN 202180029895 A CN202180029895 A CN 202180029895A CN 115428168 A CN115428168 A CN 115428168A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
gate
semiconductor device
nitride semiconductor
electron supply
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202180029895.XA
Other languages
English (en)
Inventor
伊藤范和
田中岳利
中原健
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rohm Co Ltd
Original Assignee
Rohm Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rohm Co Ltd filed Critical Rohm Co Ltd
Publication of CN115428168A publication Critical patent/CN115428168A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/43—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/47—Schottky barrier electrodes
    • H01L29/475—Schottky barrier electrodes on AIII-BV compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/402—Field plates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/28—Manufacture of electrodes on semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/268
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/10—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode not carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/1066—Gate region of field-effect devices with PN junction gate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/20—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L29/201—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including two or more compounds, e.g. alloys
    • H01L29/205—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including two or more compounds, e.g. alloys in different semiconductor regions, e.g. heterojunctions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/41—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
    • H01L29/423—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions not carrying the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/42312—Gate electrodes for field effect devices
    • H01L29/42316—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
    • H01L29/7786—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with direct single heterostructure, i.e. with wide bandgap layer formed on top of active layer, e.g. direct single heterostructure MIS-like HEMT
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/0684—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape, relative sizes or dispositions of the semiconductor regions or junctions between the regions
    • H01L29/0692—Surface layout
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/20—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L29/2003—Nitride compounds

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Abstract

氮化物半导体装置包括电子渡越层、形成在所述电子渡越层上的电子供给层、形成在所述电子供给层上且包含含有第一杂质的Al1‑xGaxN(0<X<1)系材料的栅极层、形成在所述栅极层上且与所述栅极层进行肖特基接合的栅极电极以及与所述电子供给层电连接的源极电极和漏极电极。根据该构成，能够提高栅极耐压，因此能够提供可靠性高的氮化物半导体装置。

Description

氮化物半导体装置
技术领域
本发明涉及氮化物半导体装置。
背景技术
例如，专利文献1公开了一种HEMT，其包括支撑基板、支撑基板上的缓冲层、缓冲层上的电子渡越层、电子渡越层上的电子供给层、形成于电子供给层并到达电子渡越层的栅极凹部、形成于栅极凹部的壁面和电子供给层上的绝缘膜、埋入绝缘膜上的栅极电极以及以与电子供给层进行欧姆接触的方式形成并经由电子供给层与2维电子气层电连接的源极电极和漏极电极。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-207287号公报
发明内容
用于解决课题的方法
本发明的一个实施方式的氮化物半导体装置包括电子渡越层、形成在上述电子渡越层上的电子供给层、形成在上述电子供给层上且包含含有第一杂质的Al1-xGaxN(0<X<1)系材料的栅极层、形成在上述栅极层上且与上述栅极层进行肖特基接合的栅极电极、以及与上述电子供给层电连接的源极电极和漏极电极。
附图说明
[图1]图1是本发明的一个实施方式的氮化物半导体装置的示意性平面图。
[图2]图2是表示图1的氮化物半导体装置的内部结构的示意性平面图。
[图3]图3是表示图2的III-III截面的图。
[图4]图4是由图3的双点划线IV包围的部分的主要部分放大图。
[图5]图5是用于说明图4的栅极结构的变形例的图。
[图6]图6是用于比较电子供给层与栅极层的Al组成比的图。
[图7]图7是用于说明栅极层的Al组成比的分布的图。
[图8]图8是用于说明栅极层的Al组成比的分布的图。
[图9]图9是表示样品1和样品2的栅极电压与绝缘击穿时间(tBD)的关系的图。
[图10]图10是表示样品1和样品2的电场强度与绝缘击穿时间(tBD)的关系的图。
具体实施方式
<本公开的实施方式>
首先，列举本公开的实施方式进行说明。
本发明的一个实施方式的氮化物半导体装置包括电子渡越层、形成在上述电子渡越层上的电子供给层、形成在上述电子供给层上且包含含有第一杂质的Al1-xGaxN(0<X<1)系材料的栅极层、形成在上述栅极层上且与上述栅极层进行肖特基接合的栅极电极、以及与上述电子供给层电连接的源极电极和漏极电极。
本发明的一个实施方式的氮化物半导体装置可以包括电子渡越层、形成在上述电子渡越层上的电子供给层、形成在上述电子供给层上且包含含有第一杂质的Al1-xGaxN(0<X<1)系的半绝缘材料的栅极层、形成在上述栅极层上且与上述栅极层进行肖特基接合的栅极电极、以及与上述电子供给层电连接的源极电极和漏极电极。
根据本发明的一个实施方式的氮化物半导体装置，能够提高栅极耐压，因此能够提供可靠性高的氮化物半导体装置。而且，由于栅极电极与栅极层进行肖特基接合，因此也能够降低栅极漏电流。
在本发明的一个实施方式的氮化物半导体装置中，上述栅极电极可以包含TiN、Ti、Al、W、Mo和TaN中的至少一种。
在本发明的一个实施方式的氮化物半导体装置中，也可以是，上述第一杂质包含Mg和Zn中的至少一种。
在本发明的一个实施方式的氮化物半导体装置中，上述栅极层可以具有60nm以上的厚度，并且具有3×1018cm-3以上的上述第一杂质的浓度。
在本发明的一个实施方式的氮化物半导体装置中，上述栅极层可以具有100nm以上的厚度。
在本发明的一个实施方式的氮化物半导体装置中，也可以是，上述电子渡越层包含GaN系材料，上述电子供给层包含Al1-xGaxN(0<X<1)系材料，上述栅极层具有比上述电子供给层的Al组成比小的Al组成比。
在本发明的一个实施方式的氮化物半导体装置中，也可以是，上述栅极层包含Al组成比相对小的第一部分和相对于上述第一部分形成于上述电子供给层的相反侧且相比于上述第一部分具有相对大的Al组成比的第二部分，上述第一部分和上述第二部分的平均Al组成比小于上述电子供给层的Al组成比。
在本发明的一个实施方式的氮化物半导体装置中，也可以是，上述栅极层的Al组成比从上述电子供给层朝向上述栅极电极线性或阶梯状地增加。
本发明的一个实施方式的氮化物半导体装置也可以包括台地结构部，该台地结构部具有连续地跨越上述栅极层和上述栅极电极且相对于上述电子供给层的表面倾斜的壁面。
在本发明的一个实施方式的氮化物半导体装置中，也可以是，上述栅极电极具有比上述栅极层小的厚度。
在本发明的一个实施方式的氮化物半导体装置中，也可以是，上述栅极电极以在上述栅极层的侧面与上述栅极电极的侧面之间形成有阶梯差的方式形成于上述栅极层的内侧区域。
在本发明的一个实施方式的氮化物半导体装置中，也可以是，上述栅极电极具有比上述栅极层大的厚度。
<本公开的实施方式的详细说明>
接着，参照附图详细说明本公开的实施方式。
《氮化物半导体装置1的平面结构》
图1是本发明的一个实施方式的氮化物半导体装置1的示意性平面图。图2是表示图1的氮化物半导体装置1的内部结构的示意性平面图。
如图1所示，氮化物半导体装置1可以是形成为平面观察时为四边形的芯片。在本实施方式中，氮化物半导体装置1形成为平面观察时为正方形，例如沿顺时针方向连续地具有第一边11、第二边12、第三边13以及第四边14。
氮化物半导体装置1的第一边11和第三边13的长度L1例如可以为0.5mm～10mm，第二边12和第四边14的长度L2例如可以为0.5mm～10mm。
在氮化物半导体装置1上的大致中央部形成有有源区域2。如图2所示，有源区域2具有如下结构：将栅极电极3和以从两侧夹着栅极电极3的方式配置的源极电极4和漏极电极5的组作为1个单元，该单元相互平行地并列排列。
更具体地，源极电极4和漏极电极5在X方向上延伸。栅极电极3包含相互平行地沿X方向延伸的多个电极部6以及将这些多个电极部6的对应的端部彼此分别连结的2个基底部7。
在图2的例子中，源极电极4(S)、栅极电极3的电极部6(G)以及漏极电极5(D)在Y方向上按照DGSGDGS的顺序周期性地配置。由此，通过由源极电极4(S)及漏极电极5(D)夹着栅极电极3的电极部6(G)而构成元件结构。半导体层叠结构28(后述)上的表面的区域由包含该元件结构的有源区域2和有源区域2以外的非有源区域8构成。在图2中，附图标记9表示作为有源区域2与非有源区域8的边界线的元件分离线(isolation line)。栅极电极3的基底部7在非有源区域8中将多个电极部6的对应的端部彼此分别连结。
在本实施方式中，有源区域2是在沿着第一边11和第三边13的方向上较长的平面观察时的长方形，具有与第一边11的长度L1大致同等大小的长度。
作为从有源区域2的各单元的源极电极4、栅极电极3以及漏极电极5引出的电极，配置有源极电极膜10、栅极电极膜15以及漏极电极膜16。作为源极电极膜10、栅极电极膜15以及漏极电极膜16，例如能够应用Al膜等金属膜。需要说明的是，源极电极膜10、栅极电极膜15及漏极电极膜16可以分别基于构成材料而称为源极金属、栅极金属及漏极金属，也可以基于功能面而简称为源极电极、栅极电极及漏极电极。
源极电极膜10相对于有源区域2配置在第一边11侧。在本实施方式中，源极电极膜10形成为具有比有源区域2窄的宽度的平面观察时的长方形。
在氮化物半导体装置1上的区域形成有由通过有源区域2与源极电极膜10的宽度之差而形成的阶梯差构成的区域17。如图1所示，区域17也可以形成于氮化物半导体装置1的第一边11与第二边12的交叉部。
栅极电极膜15配置在由有源区域2与源极电极膜10的阶梯差形成的区域17(在本实施方式中，氮化物半导体装置1的第一边11与第二边12的交叉部)，形成为平面观察时的四边形。
漏极电极膜16配置在有源区域2与氮化物半导体装置1的第三边13之间，形成为具有与第一边11的长度L1大致同等大小的宽度的平面观察时的长方形。即，漏极电极膜16也可以形成为在沿着第一边11以及第三边13的方向上较长的长方形。
而且，源极电极膜10、栅极电极膜15以及漏极电极膜16被表面绝缘膜18覆盖。作为表面绝缘膜18，例如能够应用SiN等。在表面绝缘膜18形成有使源极电极膜10、栅极电极膜15以及漏极电极膜16的一部分分别作为源极焊盘19、栅极焊盘20以及漏极焊盘21而露出的开口22、23、24。
源极焊盘19例如在氮化物半导体装置1的第一边11的附近形成为沿着第一边11的大致椭圆形。如图1所示，大致椭圆形的源极焊盘19也可以是包含沿着第一边11在与第一边11交叉的方向上相互对置的1对直线和将该1对边的各端部彼此相连的半圆的形状。
栅极焊盘20沿着氮化物半导体装置1的第一边11与源极焊盘19隔开间隔地配置。即，可以沿着氮化物半导体装置1的第一边11并列配置源极焊盘19以及栅极焊盘20。另外，作为栅极焊盘20的形状，与源极焊盘19同样，可以是沿着第一边11的大致椭圆形。
漏极焊盘21例如在氮化物半导体装置1的第三边13的附近形成为沿着第三边13的大致椭圆形。如图1所示，大致椭圆形的漏极焊盘21可以是包含沿着第三边13在与第三边13交叉的方向上相互对置的1对直线和将该1对边的各端部彼此相连的半圆的形状。在本实施方式中，1对直线的长度可以是与氮化物半导体装置1的第一边11的长度L1大致同等的大小。在该情况下，漏极焊盘21可以在与第一边11交叉的方向上与源极焊盘19和栅极焊盘20这两者相对。
需要说明的是，关于源极焊盘19、栅极焊盘20以及漏极焊盘21的形状、配置、个数等，上述例子只不过是一个例子，也可以根据设计适当变更。
《氮化物半导体装置1的截面结构》
图3是表示图2的III-III截面的图。图4是由图3的双点划线IV包围的部分的主要部分放大图。图5是用于说明图4的栅极结构的变形例的图。
氮化物半导体装置1包括具有第一面25及第一面25的相反侧的第二面26的基板27、以及形成在基板27的第一面25上的半导体层叠结构28。
作为基板27，例如能够应用蓝宝石基板等绝缘性基板、Si基板、SiC基板、GaN基板等半导体基板。在本实施方式中，基板27是Si基板。另外，基板27的厚度例如可以为400μm～1000μm。需要说明的是，基板27的第一面25以及第二面26也可以分别称为基板27的表面以及背面。此外，基板27的第二面26也可以为未形成有电极或半导体层叠结构等结构物的露出面。
半导体层叠结构28是由组成互不相同的多个半导体层构成的层叠结构。在本实施方式中，半导体层叠结构28从靠近基板27的第一面25的一侧起依次包含缓冲层29、电子渡越层30及电子供给层31。这些层29～31也可以通过使原料在基板27的第一面25上外延生长而形成。
作为缓冲层29，例如只要是能够缓和电子渡越层30相对于基板27的晶格失配的缓冲层即可，没有特别限制。缓冲层29例如也可以是将多个氮化物半导体层层叠而成的多层缓冲层。在本实施方式中，缓冲层29包括由与基板27的第一面25相接的AlN层构成的第一缓冲层32和由层叠在第一缓冲层32上的AlGaN层构成的第二缓冲层33。第一缓冲层32的厚度例如可以为50nm～500nm左右。第二缓冲层33的厚度例如可以比第一缓冲层32大，为50nm～2000nm左右。缓冲层29可以是AlN的单层或AlGaN的单层。
作为电子渡越层30，例如能够应用未掺杂的氮化物半导体，具体而言，可以是由未掺杂的Al1-xGaxN(0<X≤1)系材料构成的层。所谓未掺杂的氮化物半导体层，例如是指在电子渡越层30的结晶生长过程中，不进行有意地掺杂杂质而形成的半导体层，除了构成电子渡越层30的Al、Ga及N以外，也可以无意地混入几种其他元素。
另外，电子渡越层30的厚度例如为0.3μm以下，也可以为0.01μm以上。需要说明的是，电子渡越层30是形成后述的二维电子气34且形成氮化物半导体装置1的沟道的层，因此也可以称为沟道层。
作为电子供给层31，例如能够应用由Al组成比与电子渡越层30不同的Al1-xGaxN(0≤X<1)系材料构成的层。例如，可以是电子渡越层30为GaN层，电子供给层31为AlGaN层。此外，例如，如果电子供给层31是AlGaN，则电子供给层31的厚度可以是5nm至100nm，并且如果电子供给层31是AlN，则电子供给层31的厚度可以是1nm至5nm。需要说明的是，电子供给层31也可以称为阻挡层。
这样，电子渡越层30和电子供给层31由Al组成比不同的氮化物半导体构成，在它们之间产生晶格失配。而且，由于起因于该晶格失配的极化，起因于该极化的二维电子气34在靠近电子渡越层30与电子供给层31的界面的位置(例如距界面数
Figure BDA0003899950610000071
程度的距离的位置)扩展。
在半导体层叠结构28上形成有栅极层35，在该栅极层35上形成有栅极电极3。
栅极层35选择性地形成在电子供给层31的表面37的一部分上。栅极层35由Al1- xGaxN(0<X<1)系材料构成。在本实施方式中，栅极层35含有作为本公开的第一杂质的一例的Mg和Zn中的至少一种作为杂质。栅极层35的Al1-xGaxN(0<X<1)系材料也可以是半绝缘材料。半绝缘材料可以定义为在形成栅极层35时，在掺杂上述杂质的同时使Al1-xGaxN(0<X<1)系材料外延生长后，不实施用于使该杂质活性化的退火处理，由此杂质为非活性的状态的Al1-xGaxN(0<X<1)系材料。
另外，如图4所示，栅极层35的厚度T1例如为60nm以上，优选为60nm～165nm，进一步优选为100nm～165nm。另外，栅极层35的杂质浓度(在含有Mg和Zn两者的情况下，两者的总浓度)例如为3×1018cm-3以上，优选为3×1018cm-3～5×1020cm-3。
在氮化物半导体装置1中，在电子供给层31中的与电子渡越层30的异质界面附近产生的正的极化电荷通过在栅极层35内产生的自发极化而被抵消，作为结果，二维电子气34在栅极电极3的正下方的区域选择性地消失。由此，二维电子气34以该栅极电极3的正下方的区域为边界而将分布区域截断，实现氮化物半导体装置1的常断动作。
栅极电极3与栅极层35进行肖特基接合。作为栅极电极3的材料，只要能够与栅极层35进行肖特基接合，就没有特别限制。例如，相对于由AlGaN系材料构成的栅极层35，栅极电极3可以是TiN、Ti、Al、W、Mo以及TaN中的至少一种。
另外，如图4所示，栅极电极3的厚度T2比栅极层35的厚度T1小，例如为100nm以上，优选为50nm～150nm。
另外，在本实施方式中，如图4所示，栅极层35以及栅极电极3的层叠结构形成台地结构部36。该台地结构部36如图2中的栅极电极3(电极部6)所示，相互隔开间隔地呈条纹状延伸，也可以称为脊形结构。
台地结构部36具有相对于电子供给层31的表面37倾斜的壁面38。壁面38连续地跨越栅极层35和栅极电极3。换言之，栅极层35的侧面39与栅极电极3的侧面40以形成1个平坦面的方式无阶梯差地连续，由此形成壁面38。由此，台地结构部36如图4所示，在截面观察时，可以是以栅极电极3的上表面41为上底、以栅极层35的下表面42为下底的大致等腰梯形。
在半导体层叠结构28上，以覆盖栅极电极3的方式形成有绝缘层43。作为绝缘层43，例如能够应用SiO2等。另外，绝缘层43的厚度例如可以为50nm～300nm。
在绝缘层43上形成有使电子供给层31露出的源极接触孔44及漏极接触孔45。在源极接触孔44和漏极接触孔45中分别形成有源极电极4和漏极电极5。
源极电极4与电子供给层31欧姆接触。源极电极4例如可以具有与电子供给层31欧姆接触的下层(例如Ti层)和层叠于下层的上层(例如Al层)。另外，源极电极4具有从源极接触孔44朝向漏极电极5延伸的延伸部46。延伸部46以覆盖栅极电极3的方式形成，在沿着电子供给层31的表面37的方向上，在栅极电极3与漏极电极5之间具有端部47。
漏极电极5与电子供给层31欧姆接触。漏极电极5例如可以具有与电子供给层31欧姆接触的下层(例如Ti层)和层叠于下层的上层(例如Al层)。
《栅极结构的变形例》
接下来，参照图5说明由栅极层35和栅极电极3形成的栅极结构的变形例。
在图4中，栅极结构形成了具有连续地跨越栅极层35以及栅极电极3的壁面38的台地结构部36。与此相对，由图5的栅极层35和栅极电极3形成的台地结构部48具有在栅极层35与栅极电极3的边界部具有阶梯差49的壁面50。更具体而言，栅极电极3的侧面40形成在相对于栅极层35的侧面39而向栅极层35的内侧离开的位置。因此，栅极电极3形成在栅极层35的内部区域中。
另外，栅极层35的侧面39和栅极电极3的侧面40分别相对于电子供给层31的表面37倾斜。此外，栅极电极3的侧面40可以包括相对于电子供给层31的表面37倾斜的平坦面51和与平坦面51连续并且向栅极层35的内部区域膨出的弯曲面52。例如，栅极电极3的下部的侧面40可以是弯曲面52。弯曲面52也可以与栅极层35的侧面39连续。
另外，在台地结构部48中，栅极电极3的厚度T2也可以大于栅极层35的厚度T1。在这种情况下，栅极层35的厚度T1可以是50nm至150nm，并且栅极电极3的厚度T2可以是100nm至300nm。
《栅极层35的Al组成比》
接着，参照图6～图8，对栅极层35的Al组成比进行详细说明。图6是用于比较电子供给层31与栅极层35的Al组成比的图。
如上所述，电子供给层31可以由Al1-xGaxN(0≤X<1)系材料构成，栅极层35可以由Al1-xGaxN(0<X<1)系材料构成。因此，在电子供给层31由Al1-xGaxN(0<X<1)系材料构成的情况下，电子供给层31以及栅极层35双方可以是AlGaN层。
在这种情况下，栅极层35优选具有比电子供给层31的Al组成比X1小的Al组成比(后述的平均Al组成比X4)。例如，AlGaN电子供给层31的Al组成比X1可以为15％～30％，AlGaN栅极层35的Al组成比X4可以为5％～10％。由此，能够抑制栅极层35中的裂纹的产生，防止栅极漏电流流动。
从基底的GaN层(电子渡越层30)以接近GaN的晶格常数的晶格常数生长的电子供给层31是AlGaN层，但在其表面37具有接近GaN的晶格常数的晶格常数。因此，通过减小栅极层35的Al组成比，使栅极层35的晶体结构接近GaN的晶体结构，能够减小栅极层35与电子供给层31的晶格常数差。其结果是，能够减小由晶格常数差引起的应变，因此能够降低栅极层35中的裂纹产生概率。
另外，在本实施方式中，如图6所示，栅极层35包含Al组成比X2相对小的第一部分53、以及相对于第一部分53形成于电子供给层31的相反侧且相比于第一部分53具有相对大的Al组成比X3的第二部分54。在这种情况下，第一部分53和第二部分54的平均Al组成比((X2+X3)/2)可以小于电子供给层31的Al组成比X1。另外，第一部分53的厚度也可以比第二部分54的厚度小。例如，也可以是，第一部分53的厚度为5nm～30nm，第二部分54的厚度为50nm～120nm。
通过使靠近电子供给层31的第一部分53的Al组成比X2小于第二部分54的Al组成比X3，能够使栅极电极3对栅极层35的肖特基特性稳定化。另外，能够将栅极层35稳定地形成为脊形结构。例如，在选择性地蚀刻栅极层35的情况下，基于蚀刻速率的变化来停止蚀刻。通过形成第一部分53，第一部分53与电子供给层31的蚀刻速率大不相同，因此能够进行更准确的蚀刻停止。
栅极层35的第一部分53和第二部分54例如能够通过在栅极层35的外延生长中改变向外延生长装置的腔室供给的铝原料气体(例如，三甲基铝(TMAl))的供给量来形成。因此，在栅极层35的第一部分53与第二部分54之间也可以不形成明确的边界。例如，在图6中，用直线的虚线表示栅极层35的第一部分53与第二部分54的边界部55，但实际上也可以不是明确的直线状。例如，在进行栅极层35的厚度方向的组成分析时，可以将Al组成比增加或减少的一定的厚度部分定义为模糊的边界部。
接着，对于栅极层35中的Al组成比的分布，在图6的基础上加上图7及图8，进行更详细的说明。图7及图8是用于说明栅极层35的Al组成比的分布的图。需要说明的是，在图7中，示出了栅极层35从电子供给层31侧起依次具有第一部分56、第二部分57、第三部分58以及第四部分59，作为Al组成比彼此不同的部分的情况。即，栅极层35中，作为Al组成比相互不同的部分，如图6所示不限于2个部分，也可以具有3个部分、4个部分、这以上的部分。
在图6和图7中，栅极层35的Al组成比的分布从电子供给层31朝向栅极电极3呈阶梯状增加。阶梯状是指例如在进行栅极层35的厚度方向的组成分析时，形成有多个具有一定范围的Al组成比的部分。例如，在图6中，可以形成具有0％～3％的Al组成比的第一部分53和具有5％～15％的Al组成比的第二部分54，在将这些Al组成比图表化时，设置一定宽度的阶梯差。
另一方面，在图8中，如分布曲线60所示，栅极层35的Al组成比的分布从电子供给层31朝向栅极电极3线性地增加。线性增加例如可以是指在进行栅极层35的厚度方向的组成分析时，Al组成比从电子供给层31朝向栅极电极3连续地增加。需要说明的是，在图8中，为了进行比较，用虚线表示图7的呈阶梯状变化的Al组成比的分布。
《氮化物半导体装置1的作用效果》
接着，对本实施方式的氮化物半导体装置1的作用效果进行说明。
根据上述的氮化物半导体装置1，栅极层35由含有Mg和Zn中的至少一种的Al1- xGaxN(0<X<1)系材料构成，因此能够提高栅极耐压。而且，由于栅极电极3与栅极层35进行肖特基接合，因此还能够降低栅极漏电流。其结果是，能够提供可靠性高的氮化物半导体装置1。
关于通过AlGaN栅极层35提高栅极耐压，在图9以及图10中示出。图9是表示样品1以及样品2的栅极电压与绝缘击穿时间(tBD)的关系的图。图10是表示样品1和样品2的电场强度与绝缘击穿时间(tBD)的关系的图。
更具体而言，对具备AlGaN(Mg掺杂)及GaN(Mg掺杂)各自的栅极层35的HEMT进行TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown，电介质时变击穿)试验，比较AlGaN栅极层35(样品1)及GaN栅极层35(样品2)中的哪一个栅极层在短时间内击穿。另外，设定栅极层35的厚度为80nm，Al组成比为8％，Mg的浓度为5×1019cm-3。
如图9所示，在样品2中，随着栅极电压Vg为7.5V、8.5V以及9.5V，设定得越高，到栅极层35的击穿为止的时间tBD越短。与此相对，可知在样品1中，与样品2同样地，随着栅极电压Vg的增加，时间tBD变短，但在任意的栅极电压Vg下，与样品2相比，到击穿为止的时间tBD都更长。
另外，图10是用栅极层35的电场强度表示图9的图表的X轴(横轴)的图。根据图10可知，样品1的栅极层35的电场强度与样品2的栅极层35的电场强度相比向高电场强度侧偏移，样品1的栅极层35的耐压占优。例如，在施加栅极电压Vg＝7.5V时，样品2的电场强度为约7.2×105V/cm，与此相对，样品1的电场强度为约7.8×105V/cm。
以上，对本公开的实施方式进行了说明，但本公开也能够以其他方式实施，能够在权利要求书所记载的事项的范围内实施各种设计变更。
本申请对应于2020年4月23日在日本专利局提交的特愿2020-076664号，该申请的全部公开内容通过引用而并入到此。
符号说明
1：氮化物半导体装置，
3：栅极电极，
4：源极电极，
5：漏极电极，
6：电极部，
7：基底部，
10：源极电极膜，
15：栅极电极膜，
16：漏极电极膜，
28：半导体层叠结构，
30：电子渡越层，
31：电子供给层，
35：栅极层，
36：台地结构部，
37：(电子供给层)表面，
38：(台地结构部)壁面，
39：(栅极层)侧面，
40：(栅极电极)侧面，
48：台地结构部，
49：阶梯差，
50：(台地结构部)壁面，
51：(栅极电极)平坦面，
52：(栅极电极)曲面，
53：(栅极层)第一部分，
54：(栅极层)第二部分，
55：边界部，
56：(栅极层)第一部分，
57：(栅极层)第二部分，
58：(栅极层)第三部分，
59：(栅极层)第四部分，
T1：厚度，
T2：厚度，
X1：Al组成比，
X2：Al组成比，
X3：Al组成比，
X4：平均Al组成比。

Claims (13)

1.一种氮化物半导体装置，包括：
电子渡越层，
电子供给层，其形成在所述电子渡越层上，
栅极层，其形成在所述电子供给层上并且包含含有第一杂质的Al1-xGaxN系材料，且0<X<1，
栅极电极，其形成在所述栅极层上并且与所述栅极层进行肖特基接合，以及
源极电极和漏极电极，其电连接至所述电子供给层。
2.一种氮化物半导体装置，包括：
电子渡越层，
电子供给层，其形成在所述电子渡越层上，
栅极层，其形成在所述电子供给层上并且包含含有第一杂质的Al1-xGaxN系的半绝缘材料，且0<X<1，
栅极电极，其形成在所述栅极层上并且与所述栅极层进行肖特基接合，以及
源极电极和漏极电极，其与所述电子供给层电连接。
3.根据权利要求1或2所述的氮化物半导体装置，其中，
所述栅极电极包含TiN、Ti、Al、W、Mo和TaN中的至少一种。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的氮化物半导体装置，其中，
所述第一杂质包含Mg和Zn中的至少一种。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的氮化物半导体装置，其中，
所述栅极层具有60nm以上的厚度，且具有3×1018cm-3以上的所述第一杂质的浓度。
6.根据权利要求5所述的氮化物半导体装置，其中，
所述栅极层具有100nm以上的厚度。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的氮化物半导体装置，其中，
所述电子渡越层包含GaN系材料，
所述电子供给层包含Al1-xGaxN系材料且0<X<1，
所述栅极层具有比所述电子供给层的Al组成比小的Al组成比。
8.根据权利要求7所述的氮化物半导体装置，其中，
所述栅极层包含Al组成比相对小的第一部分、以及相对于所述第一部分而形成于所述电子供给层的相反侧且相比于所述第一部分具有相对大的Al组成比的第二部分，
所述第一部分及所述第二部分的平均Al组成比小于所述电子供给层的Al组成比。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的氮化物半导体装置，其中，
所述栅极层的Al组成比从所述电子供给层朝向所述栅极电极呈线性或阶梯状增加。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的氮化物半导体装置，其中，
所述氮化物半导体装置包括台地结构部，所述台地结构部具有连续地跨越所述栅极层和所述栅极电极且相对于所述电子供给层的表面倾斜的壁面。
11.根据权利要求10所述的氮化物半导体装置，其中，
所述栅极电极具有比所述栅极层小的厚度。
12.根据权利要求1～9中任一项所述的氮化物半导体装置，其中，
所述栅极电极以在所述栅极层的侧面与所述栅极电极的侧面之间形成有阶梯差的方式形成于所述栅极层的内侧区域。
13.根据权利要求12所述的氮化物半导体装置，其中，
所述栅极电极具有比所述栅极层大的厚度。
CN202180029895.XA 2020-04-23 2021-04-14 氮化物半导体装置 Pending CN115428168A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020-076664 2020-04-23
JP2020076664 2020-04-23
PCT/JP2021/015487 WO2021215336A1 (ja) 2020-04-23 2021-04-14 窒化物半導体装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115428168A true CN115428168A (zh) 2022-12-02

Family

ID=78269301

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180029895.XA Pending CN115428168A (zh) 2020-04-23 2021-04-14 氮化物半导体装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230114315A1 (zh)
JP (1) JPWO2021215336A1 (zh)
CN (1) CN115428168A (zh)
DE (1) DE112021002492T5 (zh)
WO (1) WO2021215336A1 (zh)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6174874B2 (ja) * 2013-03-15 2017-08-02 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置
JP6024579B2 (ja) 2013-04-11 2016-11-16 株式会社デンソー Ｈｅｍｔを備えた半導体装置
JP6222174B2 (ja) * 2015-06-26 2017-11-01 トヨタ自動車株式会社 窒化物半導体装置
JP2018196026A (ja) * 2017-05-18 2018-12-06 株式会社豊田中央研究所 ゲート駆動装置

Also Published As

Publication number Publication date
DE112021002492T5 (de) 2023-03-16
JPWO2021215336A1 (zh) 2021-10-28
WO2021215336A1 (ja) 2021-10-28
US20230114315A1 (en) 2023-04-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9293561B2 (en) High voltage III-nitride semiconductor devices
US10043896B2 (en) III-Nitride transistor including a III-N depleting layer
US9041065B2 (en) Semiconductor heterostructure diodes
US7038252B2 (en) Semiconductor device using a nitride semiconductor
US8519439B2 (en) Nitride semiconductor element with N-face semiconductor crystal layer
US8907349B2 (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP5564842B2 (ja) 半導体装置
US20060170003A1 (en) Nitride semiconductor device
US8816399B2 (en) Semiconductor device
CN108461591B (zh) 氮化物半导体外延叠层结构及其功率元件
US8564021B2 (en) Semiconductor device and its manufacturing method
US20150263155A1 (en) Semiconductor device
US20120091508A1 (en) Compound semiconductor device
US20230215923A1 (en) Nitride semiconductor device
CN103003930B (zh) 场效应晶体管
JP6233088B2 (ja) 電界効果トランジスタ
KR100857683B1 (ko) 질화물 반도체 소자 및 그 제조방법
CN115428168A (zh) 氮化物半导体装置
US12002858B2 (en) Semiconductor device
US20220093747A1 (en) Semiconductor device
US20240030333A1 (en) Nitride semiconductor device
US20230395650A1 (en) Nitride semiconductor device and semiconductor package
KR20230048800A (ko) 질화 갈륨 파워 디바이스
CN112750895A (zh) 一种高电子迁移率晶体管

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination