TW201916355A

TW201916355A - 氮化物系場效電晶體

Info

Publication number: TW201916355A
Application number: TW106145026A
Authority: TW
Inventors: 木下博之; 畠中奨; 恵良淳史
Original assignee: 日商三菱電機股份有限公司
Priority date: 2017-10-03
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2019-04-16
Also published as: JPWO2019069364A1; WO2019069364A1

Abstract

本發明之氮化物系場效電晶體之特徵為：包括：基板；核生成層，其係形成在該基板之上且具有氮化鋁；緩衝層，其係形成在該核生成層之上，且具有添加有矽、氧及碳的氮化鎵；阻障層，其係形成在該緩衝層之上且具有氮化鋁鎵；源極電極，其係直接或透過中間層而形成在該阻障層之上；汲極電極，其係直接或透過中間層而形成在該阻障層之上；及閘極電極，其係直接或透過中間層而形成在該源極電極與該汲極電極之間的該阻障層之上，該緩衝層形成為P型。

Description

氮化物系場效電晶體

本發明係關於氮化物系場效電晶體。

氮化物半導體係寬能帶隙半導體，絕緣破壞電場大，而且電子飽和漂移速度大。此外，在氮化鋁鎵(AlGaN)與氮化鎵(GaN)等的異質介面，由於發生高濃度的2次元電子氣體，因此可實現電流密度大的異質接合場效電晶體。因此，使用氮化物半導體的高頻動作電晶體的研究開發目前活躍地進行。

氮化物系高電子移動度電晶體(HEMT)等場效型電晶體所使用的氮化物磊晶晶圓的磊晶結構例已揭示於專利文獻1。在專利文獻1中係揭示由以下所成之晶圓：碳化矽(SiC)基板；形成在該SiC基板上且由氮化鋁(AlN)所成之核生成層；形成在該核生成層上且由氮化鎵(GaN)所成之緩衝層；及形成在該緩衝層上且由氮化鋁鎵(AlGaN)所成之阻障層。

先前技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2011-023677號公報

在氮化物系HEMT中，在由氮化鎵所成之緩衝層流通的源極汲極間的電流關斷時的漏洩電流往往造成問題。為防止該情形，以對緩衝層添加碳為有效。但是，在使用對緩衝層添加碳的手法中，有發現高頻動作時的導通時的電流比直流通電時的導通時的電流為較少的現象的情形。為了緩和該高頻動作時的電流減少，有對由氮化鋁鎵所成之阻障層添加矽與氧、或對由氮化鎵所成之緩衝層同時添加矽與碳的情形。

但是，GaN緩衝層中的殘留碳係伴隨延遲特性。作成HEMT構造的電晶體時，即使使其反覆動作，原本源極汲極間的電流即應按照閘極電壓。相對於此，若在GaN緩衝層中存在C，即使施加假想的閘極電壓，源極汲極間的電流並未形成為假想的電流值，之後在時間上延遲而成為假想的值。

該現象係可藉由電晶體反覆動作中的閘極電壓與源極汲極間的電流滯後、或以將源極汲極電流關斷的方式施加閘極電壓時的時間上的解析來確認。該現象係GaN緩衝層中的殘留碳愈為高濃度愈明顯呈現，對電晶體的電流放大功能及電流遮斷功能造成障礙。

亦即，為了縮短汲極源極間的電流關斷時的關斷電流恢復至所設定的值的時間，GaN緩衝層的殘留碳濃度係以低者為佳。另一方面，殘留碳係具有使GaN系半導體結晶高電阻化，且使電流關斷時的汲極漏洩電流減低的作用。亦即，在緩衝層中的殘留碳濃度控制中，電流的延遲特性與漏洩電流減低成為取捨關係。因此，藉由在緩衝層僅摻雜碳，以使電流的延遲特性的問題、與汲極漏洩特性的問題之雙方同時滿足的方式進行改善並非易事。

此外，即使藉由在由n型GaN所成之緩衝層摻雜Si與碳的方法，亦難以獲得可一邊滿足電流的延遲特性的問題及漏洩特性的問題之雙方，一邊亦充分滿足高耐壓特性的氮化物半導體元件。

此外，若作成HEMT構造的電晶體，GaN緩衝層中的殘留碳係有具有源極汲極間的電流的狹窄功能的情形。該現象係在殘留碳在元件的動作區域的附近時更為明顯。因此，由於該等問題，為了實現更加抑制汲極漏洩的氮化物半導體元件，必須以對緩衝層中摻雜碳的摻雜濃度控制以外的方法，來抑制汲極電流的延遲特性。

本發明係為解決上述問題而完成者，目的在提供一邊減低漏洩電流，一邊改善電流的延遲特性的氮化物系場效電晶體。

本案發明之氮化物系場效電晶體之特徵為包括：基板；核生成層，其係形成在該基板之上且具有氮化鋁；緩衝層，其係形成在該核生成層之上，且具有添加有矽、氧及碳的氮化鎵；阻障層，其係形成在該緩衝層之上且具有氮化鋁鎵；源極電極，其係直接或透過中間層而形成在該阻障層之上；汲極電極，其係直接或透過中間層而形成在該阻障層之上；及閘極電極，其係直接或透過中間層而形成在該源極電極與該汲極電極之間的該阻障層之上，該緩衝層形成為P型。

本發明之其他特徵由以下明顯可知。

藉由本發明，可提供一種藉由將具有添加有矽、氧及碳之氮化鎵的緩衝層形成為P型，一邊減低漏洩電流，一邊改善電流之延遲特性的氮化物系場效電晶體。

10‧‧‧晶圓

11‧‧‧基板

12‧‧‧核生成層

13‧‧‧緩衝層

14‧‧‧阻障層

15d‧‧‧汲極電極

15g‧‧‧閘極電極

15s‧‧‧源極電極

20‧‧‧電晶體

第1圖係晶圓的局部剖面圖。

第2圖係電晶體的剖面圖。

第3圖係顯示源極汲極間的電流變化的圖。

參照圖示，說明本發明之實施形態之氮化物系場效電晶體。對相同或相對應的構成要素標註相同符號，且有省略反覆說明的情形。

實施形態1.

第1圖係成為本發明之實施形態1之氮化物系場效電晶體的材料的晶圓10的局部剖面圖。晶圓10係氮化物系半導體磊晶晶圓。第2圖係本發明之實施形態1之電晶體20的剖面圖。電晶體20係氮化物系場效電晶體。

(1)晶圓及電晶體的構成

如第1圖所示，晶圓10係包括基板11。在本實施形態中，基板11係碳化矽(SiC)基板。基板11的材料係可形成為SiC、矽或藍寶石等。在基板11之上，設有主要由氮化鋁(AlN)所成之核生成層12。以下將核生成層12亦稱為AlN核生成層12。在核生成層12之上設有主要由氮化鎵(GaN)所成之緩衝層13。以下將緩衝層以下亦稱為GaN緩衝層13。在緩衝層13添加有矽、氧、及碳。在緩衝層13之上設有主要由氮化鋁鎵(AlGaN)所成之阻障層14。以下將阻障層14亦稱為AlGaN阻障層14。晶圓10係例如作為高電子移動度電晶體(HEMT)等電子元件的材料來使用。

第2圖係使用上述晶圓10所製造的電晶體20的剖面圖。如第2圖所示，電晶體20係包括：基板11、依序積層在基板11之上的上述核生成層12、緩衝層13及阻障層14。此外，電晶體20係包括：直接形成在阻障層14之上的源極電極15s、汲極電極15d、及閘極電極15g。閘極電極15g係形成在源極電極15s與汲極電極15d之間的阻障層14上。亦可在阻障層14之上透過中間層設置源極電極15s、汲極電極15d及閘極電極15g。

以下針對上述晶圓10及電晶體20之各構成要素，分別詳加說明。

為了使寄生電容減低而使高頻特性提升，較佳為使用具有半絕緣性的SiC基板作為基板11。

AlN核生成層12係具有使構成GaN緩衝層13的GaN結晶成長時作為核生成層的功能，並且具有作為緩衝基板11與GaN緩衝層13的晶格常數差的緩衝層的功能。AlN核生成層12係可使用例如三甲基鋁(TMA)氣體等含Al氣體、與氨(NH₃)氣等含氮氣體(氮化氣體)，藉由磊晶成長法來形成。

在GaN緩衝層13與AlGaN阻障層14的介面，因伴隨晶格常數差的壓電效應，發生2次元電子氣體層，該2次元電子氣體層作為電子行走層來發揮功能。同時，GaN緩衝層13係必須全體被高電阻化。在被稱為緩衝漏洩的GaN緩衝層13流動的源極汲極間的漏洩電流會依GaN緩衝層13的高電阻化的準位而改變。

GaN緩衝層13係可藉由使用例如三甲基鎵(TMG)氣體等含二次元電子氣體a氣體、與NH₃氣體等含氮氣體(氮化氣體)的磊晶成長法來形成。

AlGaN阻障層14係可藉由使用例如TMA氣體等含Al氣體、與TMG氣體等含Ga氣體、與NH₃氣體等含氮氣體(氮化氣體)的磊晶成長法來形成。

其中，在GaN緩衝層13之中，係按照例如溫度、壓力、氣體種類、流量、成膜時間等磊晶成長條件，被摻雜氧。此外，在GaN緩衝層13之中，係按照磊晶成長條件，亦被摻雜TMG氣體中所含有的碳。摻雜在GaN緩衝層13之中的O係作為生成屬於n型載體的自由電子的供體來發揮功能，C係作為生成屬於p型載體的電洞的受體來發揮功能。

此外，除了例如上述TMG氣體、TMA氣體、NH₃氣體等成膜氣體之外，亦可藉由使用單矽烷(SiH₄)氣體等含矽氣體來進行磊晶成長，被摻雜矽(Si)。GaN緩衝層13中所摻雜的Si係作為生成屬於n型載體的自由電子的供體來發揮功能。

源極電極15s及汲極電極15d係可分別藉由例如Ti與Al的複層構造來形成。閘極電極15g係可藉由例如Ni與Au的複層構造來形成。

其中，在本實施形態之晶圓10及電晶體20中，添加有矽、氧及碳的氮化鎵亦即緩衝層13形成為P型。GaN緩衝層13中的矽與氧的合計濃度係以GaN緩衝層13中的碳的濃度的1~70%為佳。GaN緩衝層13中的矽與氧的合計濃度係以GaN緩衝層13中的碳的濃度的20~70%為較佳。以下說明其理由。

如上所述，在GaN緩衝層13中，係可在磊晶成長時摻雜碳。基於發明人精心研究，GaN緩衝層13中所摻雜的碳係使其產生捕獲自由電子的陷阱準位。該陷阱準位係具有捕獲侵入至經高電阻化的GaN緩衝層13的電子的功能。因此，藉由侵入GaN緩衝層13的電子的量，可抑制在GaN緩衝層13內流動的電流，可抑制在汲極源極間施加有電壓的狀態下關斷閘極時，亦即電晶體20關斷時的汲極源極間的漏洩電流。

另一方面，GaN緩衝層13中所摻雜的碳係在捕獲電子的狀態下帶電，因此使帶電區域的能帶(band)彎曲。在HEMT構造的電晶體中，因該能帶彎曲，藉由閘極電壓所設定的汲極源極電流會改變。此外，GaN緩衝層13之中所摻雜的碳即使暫時捕獲電子，亦以對應捕獲準位的時間放出電子，因此彎曲的能帶在一定時間後會再次恢復成原本的狀態。因此，發生藉由閘極電壓所設定的汲極源極電流改變的現象。

若為GaN緩衝層13之中所摻雜的碳，電子放出時間係在室溫下為10~1000毫秒的時間。接著，若為電晶體動作在該時間進行干擾的頻率，會發生應藉由閘極電壓所設定的汲極源極間的電流進行增減的現象。結果，發生在電晶體的動作區域的閘極設定電壓中未正常動作的問題。

發明人精心研究抑制該閘極關斷時的汲極源極間的電流改變的現象的手法。結果得到藉由將GaN緩衝層13中的矽濃度與氧濃度的合計濃度，以成為低於GaN緩衝層13中的碳的濃度的濃度的方式進行摻雜，即可解決上述課題的知見。使緩衝層13中的矽與氧的合計濃度低於緩衝層13中的碳的濃度，係將緩衝層13形成為P型的導電型。

若將GaN緩衝層13之中的雜質亦即矽、氧、碳的濃度調整為滿足上述關係，在碳所產生的陷阱係被捕獲相對較多之已經由矽與氧所發生的電子而維持費米能階，即使重新侵入至GaN緩衝層13中的碳所產生的陷阱的電子被捕獲及放出，亦被認為對GaN緩衝層13全體所造成的影響小。因此，能帶的彎曲方式變小，被認為可抑制閘極電壓與源極汲極間的電流之間的異常變化。

此外，即使在將GaN緩衝層13之中的矽、氧、碳的濃度調整為滿足上述關係的情形下，若GaN緩衝層13之中的矽的摻雜量超過5×10¹⁹cm^-3，因碳所產生的陷阱所致之電子的捕獲及放出作用會變得過強。結果，容易發生閘極電壓與源極汲極間之電流之間的異常變化。為了防止如上所示之異常，碳的摻雜量以形成為5×10¹⁷cm^-3以下為佳。

但是，為了在GaN緩衝層13中的碳的摻雜量不超過5×10¹⁹cm^-3的範圍，維持捕獲侵入至GaN緩衝層13中的電子的功能，捕獲電子的陷阱數量必須比由矽、氧及晶格缺陷等供體被供給的電子數量為更多。

其中，GaN緩衝層13中的碳濃度係當製作半導體元件而使用時，假想侵入至GaN緩衝層13的電子的量，若為形成可充分捕獲侵入的電子的電子陷阱的濃度即可。因此，緩衝層13中的碳的濃度係依半導體元件的使用條件或使用方法而改變者。半導體元件的源極汲極間的電壓愈為高電壓，而且使用溫度愈高，被認為侵入至GaN緩衝層13的電子的量愈多。

若將半導體元件使用時的汲極源極間電壓設為300V左右，GaN緩衝層13中的碳濃度係以設為1×10¹⁶cm^-3以上為佳。另一方面，若將半導體元件使用時的汲極源極間電壓設為600V左右，GaN緩衝層13中的碳濃度係以設為1×10¹⁷cm^-3以上為佳。若GaN緩衝層13中的碳濃度為未達該等之值，有造成汲極漏洩電流增大的可能性。

此外，GaN緩衝層13中的矽與氧的濃度和亦即合計濃度係以形成為GaN緩衝層13中的碳的濃度的70%以下為佳。若使該值大於70%，藉由作為矽及氧的供體的功能而被激發的電子填埋藉由碳所形成的陷阱準位的大部分，侵入至GaN緩衝層13的電子的捕獲量大幅減少。此時，有汲極漏洩電流增大的可能性。

(2)本實施形態之效果

藉由本實施形態，因使GaN緩衝層13中的矽濃度與氧濃度的合計濃度低於GaN緩衝層13中的碳濃度而侵入至GaN緩衝層13中的電子係藉由碳所產生的陷阱準位予以捕獲。藉此，可抑制在GaN緩衝層13流通的汲極漏洩電流。

即使有因碳所產生的陷阱所致之電子的捕獲及放出，其數量係比因矽及氧之作為供體的功能而被激發的電子數量為較少，因此可抑制由GaN緩衝層13至阻障層14之能帶的彎曲依因GaN緩衝層13中的陷阱所致之電子的捕獲及放出而改變的現象，亦即費米能階改變的現象。結果，可抑制藉由閘極電壓所設定的源極汲極間的電流改變的現象。

(3)本發明之其他實施形態

以上具體說明本發明之實施形態，惟本發明並非為限定於上述實施形態者，可在未脫離其要旨的範圍內作各種變更。例如，關於上述晶圓10或電晶體20的構成、及該等製造方法的特徵，可在未變更發明要旨的範圍內，作任意刪除、追加及變更。

(4)實施例

以下說明本發明之氮化物系半導體磊晶晶圓、及氮化物系場效電晶體之製造方法之一實施例。

首先，準備多晶型4H或多晶型6H的半絕緣性的SiC基板。接著，在有機金屬氣相成長(MOVPE：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)裝置所配備的反應爐內收容上述SiC基板。接著，將反應爐內的溫度形成為例如1175℃，開始對反應爐內供給H₂氣體與N₂氣體的混合氣體。亦即，對反應爐供給未含有NH₃氣體的混合氣體。

接著，在將反應爐內的溫度保持在1175℃的情況下，開始對反應爐內供給H₂氣體與NH₃氣體的混合氣體。

接著，在將反應爐內的溫度保持在1175℃的情況下，開始對反應爐內供給TMA氣體及NH₃氣體。接著，藉由保持SiC基板預定時間，使例如膜厚40nm的AlN核生成層12磊晶成長在SiC基板上。

AlN核生成層12的形成一完成，將反應爐內的溫度變更為例如980℃，且開始對反應爐內供給TMG氣體及NH₃氣體。接著，藉由保持SiC基板預定時間，使例如膜厚2000nm的GaN緩衝層13磊晶成長在AlN核生成層12上。

GaN緩衝層13的形成一完成，在將反應爐內的溫度保持在980℃的情況下，開始對反應爐內供給TMA氣體、TMG氣體、及NH₃氣體。接著，藉由保持SiC基板預定時間，使例如膜厚20nm的AlGaN阻障層14磊晶成長在GaN緩衝層13上。

經由以上工序，製造出本實施例之氮化物系半導體磊晶晶圓。其中，在GaN緩衝層13的成長工序中係藉由將例如成長溫度、成長壓力、V/III比、成長速度、各氣體流量等成長條件最適化，以GaN緩衝層13中的矽濃度與氧濃度的合計濃度小於碳濃度的方式使其成長。在製造實施例之晶圓之後，使用二次離子質量分析法(SIMS：Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometry)，測定GaN緩衝層13中的雜質濃度。結果，GaN緩衝層13中的矽濃度為1.2×10¹⁶cm^-3，氧濃度為2.2×10¹⁷cm^-3，碳濃度為5.0×10¹⁷cm^-3。

較佳為緩衝層13的矽的濃度設為1×10¹⁵cm^-3以上，緩衝層13的氧的濃度設為2×10¹⁵cm^-3以上。此時，為了使緩衝層13中的矽與氧的合計濃度低於緩衝層13中的碳的濃度，必須使緩衝層13中的碳的濃度大於3×10¹⁵em^-3。其中，為了防止碳的濃度的下限值變得過高，氧的濃度的上限係以設為5×10¹⁷cm^-3以下為佳。此外，為了使緩衝層13與阻障層14的介面產生充分密度的2次元電子氣體，使緩衝層13的碳的濃度，由核生成層12側至阻障層14側連續或不連續地減少，在與阻障層14相接的位置，係以形成為5×10¹⁶cm^-3以下為佳。

接著，使用光微影技術，將源極電極15s、汲極電極15d、及閘極電極15g分別形成在阻障層14上，製造本實施例之HEMT構造的氮化物系場效電晶體。

此外，以比較例而言，使用在GaN緩衝層中僅摻雜碳的氮化物系半導體磊晶晶圓，來製造氮化物系場效電晶體。在比較例中，在GaN緩衝層僅摻雜碳，而未摻雜矽與氧。其中，比較例的電晶體的設計、製造時的順序、條件係除了關於GaN緩衝層中的雜質濃度設定之外，與實施例同樣地進行設定。

接著，對該等電晶體的源極汲極間施加偏壓電壓而通電後，以源極汲極間的電流成為空值(idle value)的方式施加閘極電壓。調查之後的源極汲極間的電流變化。第3圖係顯示其調查結果的圖。在第3圖中，在本實施例之摻雜有矽、氧及碳的元件中，與僅摻雜碳的比較例的元件相比，確認出電流變化極端變快。

此外，對該等電晶體的源極汲極間施加偏壓電壓，且以遮斷電流的方式施加閘極電壓。經調查源極汲極間的漏洩電流，實施例的元件與比較例的元件相比，並無顯著差異，毫不遜色。

Claims

一種氮化物系場效電晶體，其特徵為包括：基板；核生成層，其係形成在前述基板之上且具有氮化鋁；緩衝層，其係形成在前述核生成層之上，且具有添加有矽、氧及碳的氮化鎵；阻障層，其係形成在前述緩衝層之上且具有氮化鋁鎵；源極電極，其係直接或透過中間層而形成在前述阻障層之上；汲極電極，其係直接或透過中間層而形成在前述阻障層之上；及閘極電極，其係直接或透過中間層而形成在前述源極電極與前述汲極電極之間的前述阻障層之上，前述緩衝層形成為P型。
如申請專利範圍第1項之氮化物系場效電晶體，其中，前述緩衝層中的前述矽與前述氧的合計濃度係低於前述緩衝層中的前述碳的濃度。
如申請專利範圍第1或2項之氮化物系場效電晶體，其中，前述緩衝層中的前述矽與前述氧的合計濃度係前述緩衝層中的前述碳的濃度的1~70%。
如申請專利範圍第1或2項之氮化物系場效電晶體，其中，前述緩衝層中的前述矽與前述氧的合計濃度係前述緩衝層中的前述碳的濃度的20~70%。
如申請專利範圍第1或2項之氮化物系場效電晶體，其中，前述緩衝層的前述碳的濃度係由前述核生成層側至前述阻障層側連續或不連續地減少，在與前述阻障層相接的位置係形成為5×10 ¹⁶cm ^-3以下。
如申請專利範圍第2項之氮化物系場效電晶體，其中，前述緩衝層的前述矽的濃度為1×10 ¹⁵cm ^-3以上，前述緩衝層的前述氧的濃度為2×10 ¹⁵cm ^-3以上，前述緩衝層的前述碳的濃度為大於3×10 ¹⁵cm ^-3、5×10 ¹⁹cm ^-3以下。
如申請專利範圍第1、2、6項中任一項之氮化物系場效電晶體，其中，前述緩衝層的前述碳的濃度為5×10 ¹⁷cm ^-3以下。