半導(dǎo)體器件及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了半導(dǎo)體器件以及制造半導(dǎo)體器件的方法，該半導(dǎo)體器件包括形成在襯底上的第一超晶格緩沖層。在第一超晶格緩沖層上形成有第二超晶格緩沖層。在第二超晶格緩沖層上由氮化物半導(dǎo)體形成有第一半導(dǎo)體層。在第一半導(dǎo)體層上由氮化物半導(dǎo)體形成有第二半導(dǎo)體層。第一超晶格緩沖層通過交替地且周期地層疊第一超晶格形成層和第二超晶格形成層而形成。第二超晶格緩沖層通過交替地且周期地層疊第一超晶格形成層和第二超晶格形成層而形成。第一超晶格形成層由AlxGa1-xN形成，第二超晶格形成層由AlyGa1-yN形成，其中x>y。摻雜到第二超晶格緩沖層中的雜質(zhì)元素的濃度高于摻雜到第一超晶格緩沖層中的雜質(zhì)元素的濃度。
【專利說明】半導(dǎo)體器件及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文中討論的實施方案涉及一種半導(dǎo)體器件及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]氮化物半導(dǎo)體具有如高飽和電子速度、寬帶隙等特征。因而，考慮將氮化物半導(dǎo)體應(yīng)用于具有高擊穿電壓和高輸出功率的半導(dǎo)體器件。例如，作為氮化物半導(dǎo)體的GaN的帶隙為3.4eV，寬于Si的帶隙(1.1eV)和GaAs的帶隙(1.4eV)。因而，GaN具有高擊穿電場強度。因此，氮化物半導(dǎo)體如GaN等非常有望用作制造能提供高電壓操作和高輸出的電源半導(dǎo)體器件的材料。
[0003]作為使用氮化物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體器件，存在大量關(guān)于場效應(yīng)晶體管特別是高電子遷移率晶體管(HEMT)的報道。例如，在GaN-HEMT中，其中使用GaN作為電子渡越層并使用AlGaN作為電子供給層的由AlGaN/GaN制造的HEMT引起了關(guān)注。在由AlGaN/GaN制造的HEMT中，由于GaN與AlGaN之間的晶格常數(shù)之差導(dǎo)致在AlGaN中產(chǎn)生應(yīng)變。因此，由于由這樣的應(yīng)變引起的壓電極化和本征極化差，獲得了高濃度二維電子氣(2DEG)。因此，AlGaN/GaN-HEMT有望用作用于電動車輛的高效開關(guān)器件和高擊穿電壓功率器件。另外，從電路設(shè)計和安全性的觀點來看，期望地是實現(xiàn)具有常斷特性的氮化物半導(dǎo)體晶體管。
[0004]下面的專利文獻(xiàn)公開了【背景技術(shù)】。
[0005]專利文獻(xiàn)1:日本公開特許公報第2008-21847號
[0006]專利文獻(xiàn)2:日本公開特許公報第2010-153817號
[0007]另一方面，GaN襯底適于在使用氮化物半導(dǎo)體制造半導(dǎo)體器件的過程中使用的襯底。然而，GaN襯底非常難以制造，并且不存在大的襯底。因此，考慮使用由S1、SiC和藍(lán)寶石等形成的襯底制造半導(dǎo)體器件，并使氮化物半導(dǎo)體在該襯底上外延生長。特別地，優(yōu)選地是通過使用特別是Si襯底以較低的成本使用氮化物半導(dǎo)體制造半導(dǎo)體器件，這是因為大直徑和聞品質(zhì)的娃襯底是可以獲得的。
[0008]在形成在硅襯底上的由AlGaN/GaN構(gòu)成的HEMT中，為了提高擊穿電壓，需要使形成在硅襯底上的緩沖層的膜厚和形成在緩沖層上的電子渡越層的膜厚大。然而，如GaN等的氮化物半導(dǎo)體的外延生長通常是在高襯底溫度下進(jìn)行的。因此，如果緩沖層和電子渡越層的厚度大，則Si層可能會產(chǎn)生彎曲，或者由于GaN與Si的晶格常數(shù)差和熱膨脹系數(shù)差而導(dǎo)致在成膜的氮化物半導(dǎo)體中可能會產(chǎn)生裂紋。
[0009]因此，采用一種通過在Si襯底上形成具有超晶格結(jié)構(gòu)的超晶格緩沖層并在超晶格層上通過GaN形成電子渡越層來減小晶體應(yīng)變以減小硅襯底的彎曲的方法。通過形成這樣超晶格緩沖層，改善了硅襯底的彎曲，但是可能存在不能獲得足夠的擊穿電壓的情況。如果Si襯底的彎曲大，則可能存在通過曝光裝置執(zhí)行的曝光不能獲得期望的圖案的情況，或者難以傳輸襯底的情況。在這樣的情況下，這種方案不是優(yōu)選的，這是因為不能制造出期望的半導(dǎo)體器件。
[0010]因此，需要實現(xiàn)一種其中通過氮化物半導(dǎo)體形成超晶格緩沖層的半導(dǎo)體器件，其具有彎曲小的襯底、高電阻的超晶格緩沖層和高擊穿電壓。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]根據(jù)實施方案的一個方面提供了一種半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體器件包括:形成在襯底上的第一超晶格緩沖層；形成在第一超晶格緩沖層上的第二超晶格緩沖層；在第二超晶格緩沖層上的由氮化物半導(dǎo)體形成的第一半導(dǎo)體層；在第一半導(dǎo)體層上的由氮化物半導(dǎo)體形成的第二半導(dǎo)體層；以及形成在第二半導(dǎo)體層上的柵電極、源電極和漏電極，其中第一超晶格緩沖層通過交替地且周期地層疊第一超晶格形成層和第二超晶格形成層而形成，第二超晶格緩沖層通過交替地且周期地層疊第一超晶格形成層和第二超晶格形成層而形成，并且第一超晶格形成層由AlxGahN形成,第二超晶格形成層由AlyGapyN形成,其中x>y,并且摻雜到第二超晶格緩沖層中的用作受主的雜質(zhì)元素的濃度高于摻雜到第一超晶格緩沖層中的用作受主的雜質(zhì)元素的濃度。
[0012]根據(jù)本實施方案的另一方面提供了一種半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體器件包括:形成在襯底上的超晶格緩沖層；在超晶格緩沖層上的由氮化物半導(dǎo)體形成的第一半導(dǎo)體層；在第一半導(dǎo)體層上的由氮化物半導(dǎo)體形成的第二半導(dǎo)體層；以及形成在第二半導(dǎo)體層上的柵電極、源電極和漏電極，其中超晶格緩沖層通過交替地且周期地層疊第一超晶格形成層和第二超晶格形成層而形成，并且第一超晶格形成層由AlxGahN形成，第二超晶格形成層由AlyGa1J形成，其中x>y，并且在超晶格緩沖層中用作受主的雜質(zhì)元素的濃度從襯底側(cè)朝著第一半導(dǎo)體層側(cè)增加。
[0013]根據(jù)實施方案的又一方面提供了一種半導(dǎo)體器件的制造方法，該方法包括:通過在襯底上交替地且周期地層疊第一超晶格形成層和第二超晶格形成層形成第一超晶格緩沖層；通過在第一超晶格緩沖層上交替地且周期地層疊第一超晶格形成層和第二超晶格形成層形成第二超晶格緩沖層；在第二超晶格緩沖層上由氮化物半導(dǎo)體形成第一半導(dǎo)體層；在第一半導(dǎo)體層上由氮化物半導(dǎo)體形成第二半導(dǎo)體層；以及在第二半導(dǎo)體層上形成柵電極、源電極和漏電極，其中第一超晶格形成層由AlxGahN形成，第二超晶格形成層由AlyGa1^yN形成，其中x>y，以及通過金屬有機化學(xué)氣相沉積形成第一超晶格緩沖層和第二超晶格緩沖層，并且形成第二超晶格緩沖層時的襯底溫度低于形成第一超晶格緩沖層時的襯底溫度。
[0014]本實施方案的目的和優(yōu)點將通過所附權(quán)利要求中具體指出的要素及組合來實現(xiàn)和獲得。
[0015]應(yīng)當(dāng)理解，前述一般性描述和后面詳細(xì)描述僅是示例性說明，并非限制所要求保護(hù)的本發(fā)明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是其中形成有超晶格緩沖層的半導(dǎo)體器件的截面圖；
[0017]圖2是其中超晶格緩沖層具有膜厚為1.5nm的AlN層的半導(dǎo)體器件中流動的漏電流的曲線圖；
[0018]圖3是不出了其上形成有具有I旲厚為1.5nm的AlN層的超晶格緩沖層的娃襯底彎曲的曲線圖；
[0019]圖4是其中超晶格緩沖層具有膜厚為3.5nm的AlN層的半導(dǎo)體器件中流動的漏電流的曲線圖；
[0020]圖5是示出了其上形成有具有膜厚為3.5nm的AlN層的超晶格緩沖層的硅襯底彎曲的曲線圖；
[0021]圖6A是包含具有膜厚為1.5nm的AlN膜的超晶格緩沖層的半導(dǎo)體器件的能帶圖；
[0022]圖6B是示出了包含具有膜厚為1.5nm的AlN膜的超晶格緩沖層的半導(dǎo)體器件中載流子濃度分布的曲線圖；
[0023]圖7A是包含具有膜厚為3.5nm的AlN膜的超晶格緩沖層的半導(dǎo)體器件的能帶圖；
[0024]圖7B是示出了包含具有膜厚為3.5nm的AlN膜的超晶格緩沖層的半導(dǎo)體器件中載流子濃度分布的曲線圖；
[0025]圖8是示出了根據(jù)第一實施方案的半導(dǎo)體器件的截面圖；
[0026]圖9是示出了根據(jù)第一實施方案的半導(dǎo)體器件中超晶格緩沖層的截面圖；
[0027]圖1OA是包含具有膜厚為1.5nm的AlN膜的超晶格緩沖層的半導(dǎo)體器件的能帶圖；
[0028]圖1OB是示出了包含具有膜厚為1.5nm的AlN膜的超晶格緩沖層的半導(dǎo)體器件中載流子濃度分布的曲線圖；
[0029]圖11是示出了根據(jù)第一實施方案的半導(dǎo)體器件中施加在源極和漏極兩端的電壓與沿著垂直方向流動的漏電流之間的關(guān)系的曲線圖；
[0030]圖12A至圖12D是用于說明根據(jù)第一實施方案的半導(dǎo)體器件的制造過程的截面圖；
[0031]圖13是示出了根據(jù)第二實施方案的半導(dǎo)體器件的截面圖；
[0032]圖14是示出了根據(jù)第三實施方案的半導(dǎo)體器件的截面圖；
[0033]圖15是示出了根據(jù)第四實施方案的分立封裝的半導(dǎo)體器件的內(nèi)部的俯視圖；
[0034]圖16是示出了根據(jù)第四實施方案的電源裝置的電路圖；以及
[0035]圖17是示出了根據(jù)第四實施方案的高功率放大器的電路圖。

【具體實施方式】
[0036]現(xiàn)在，將參照附圖給出實施方案的描述。在附圖中，相同的部件用相同的附圖標(biāo)記給出，并將省略對其的描述。
[0037][第一實施方案]
[0038]首先，給出了在圖1中示出的半導(dǎo)體器件中的硅襯底的彎曲以及沿著垂直方向(基本垂直于硅襯底)流動的漏電流的描述。
[0039]圖1中示出的半導(dǎo)體器件具有其中在硅襯底910上層疊有氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)。具體地，在硅襯底910上依次層疊有核形成層911、緩沖層912、超晶格緩沖層920、電子渡越層931和電子供給層932。在電子供給層932上形成有柵電極941、源電極942和漏電極 943。
[0040]核形成層911是由膜厚為200nm的AlN等形成的。緩沖層912是由膜厚為50nm的Ala5Gaa5N形成的。超晶格緩沖層920是通過交替地且周期地層疊AlN膜和AlaiGaa9N層100個周期形成的。通常，超晶格緩沖層可以被稱作應(yīng)變層超晶格(SLS)層。
[0041]電子渡越層931由1-GaN形成。電子供給層932由AlGaN形成。因此，在電子渡越層931內(nèi)在電子渡越層931與電子供給層932之間的界面附近產(chǎn)生二維電子氣(2DEG)931a。
[0042]下面給出以下描述:在形成超晶格緩沖層920的AlN層的膜厚不同的情況下，施加在源極和漏極兩端的電壓與沿著垂直方向流動的漏電流之間的關(guān)系，以及具有電子供給層932的半導(dǎo)體器件中所產(chǎn)生的彎曲。應(yīng)該注意，沿著垂直方向流動的漏電流是在氮化物半導(dǎo)體層中沿著基本上垂直于硅襯底910的方向電流。
[0043]圖2示出了施加在源極和漏極兩端的電壓與沿著半導(dǎo)體器件的垂直方向流動的漏電流之間的關(guān)系，其中超晶格緩沖層920是通過交替層疊膜厚為1.5nm的AlN膜和膜厚為20nm的AlaiGaa9N層形成的。圖3示出了半導(dǎo)體器件表面的相對高度，其中形成這些層直到電子供給層932，S卩，尚未形成柵電極941、源電極942和漏電極943。表面的高度差異對應(yīng)于彎曲。
[0044]圖4示出了在半導(dǎo)體器件中施加在源極和漏極兩端的電壓與沿著垂直方向流動的漏電流之間的關(guān)系，其中超晶格緩沖層920是通過交替層疊膜厚為3.5nm的AlN膜和膜厚為20nm的AlaiGaa9N層形成的。
[0045]如圖2和圖4所示，在超晶格緩沖層920由膜厚為1.5nm的AlN膜形成的情況下的漏電流小于在超晶格緩沖層920由膜厚為3.5nm的AlN膜形成的情況下的漏電流。因而，從漏電流的觀點來看，超晶格緩沖層920由膜厚為1.5nm的AlN膜形成的情況比超晶格緩沖層920由膜厚為3.5nm的AlN膜形成的情況更優(yōu)選。
[0046]給出如下事實的描述:在超晶格緩沖層920由膜厚為1.5nm的AlN膜形成的情況下的漏電流小于超晶格緩沖層920由膜厚為3.5nm的AlN膜形成的情況下的漏電流。圖6A是在超晶格緩沖層920中的AlN膜的膜厚為1.5nm的情況下的能帶圖。圖6B是示出了在超晶格緩沖層920中的AlN膜的膜厚為1.5nm的情況下的電子濃度分布的曲線圖。圖7A是在超晶格緩沖層920中的AlN膜的膜厚為3.5nm的情況下的能帶圖。圖7B是示出了在超晶格緩沖層920中的AlN膜的膜厚為3.5nm的情況下的電子濃度分布的曲線圖。圖6A和圖7A的能帶圖以及圖6B和圖7B的電子濃度分布圖都是模擬的結(jié)果。應(yīng)該注意，在圖6A、圖6B、圖7A和圖7B中，為了方便起見，AlN膜和Ala Paa9N層一起形成超晶格緩沖層920的部分被省略。
[0047]在圖6B所示出的超晶格緩沖層920中AlN膜的膜厚為1.5nm的情況下的電子濃度(載流子濃度)比圖7B所示出的超晶格緩沖層920中AlN膜的厚度為3.5nm的情況下的電子濃度低。因而，在超晶格緩沖層920中的電子濃度降低的情況下，超晶格緩沖層920中的電阻增加，因此導(dǎo)致沿著垂直方向流動的漏電流減小。
[0048]下面給出硅襯底910的彎曲的描述。如圖3和圖5所示，在超晶格緩沖層920由膜厚為1.5nm的AlN膜形成的情況下高度差為約320μπι，在超晶格緩沖層920由膜厚為3.5nm的AlN膜形成的情況下高度差為約250 μ m。因而，在超晶格緩沖層920由膜厚為3.5nm的AlN膜形成的情況下硅襯底910的彎曲小于在超晶格緩沖層920由膜厚為1.5nm的AlN膜形成的情況下的硅襯底910的彎曲。因此，從硅襯底910的彎曲的角度來看，超晶格緩沖層920由膜厚為3.5nm的AlN膜形成的情況比超晶格緩沖層920由膜厚為1.5nm的AlN膜形成的情況更優(yōu)選。
[0049]如上所提到的，在超晶格緩沖層920中的AlN膜的膜厚變化時，漏電流和硅襯底910的彎曲是折衷的關(guān)系。通常，要求形成超晶格緩沖層920使得漏電流小并且硅襯底910的彎曲小。即，由氮化物半導(dǎo)體形成的半導(dǎo)體器件要求具有小漏電流和硅襯底910小的彎曲。
[0050]將C(碳)作為雜質(zhì)元素?fù)诫s到超晶格緩沖層920中作為減小沿著垂直方向上的漏電流的方法是已知的。然而，如果將預(yù)定量的C摻雜到整個超晶格緩沖層920中，則不是優(yōu)選的，這是因為可能存在在氮化物半導(dǎo)體層中產(chǎn)生裂紋等的情況。
[0051](半導(dǎo)體器件)
[0052]下面給出根據(jù)第一實施方案的半導(dǎo)體器件的描述。如圖8和圖9所示，根據(jù)本實施方案的半導(dǎo)體器件具有其中在硅襯底10上層疊有氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)。具體地，在硅襯底10上依次層疊有核形成層11、緩沖層12、第一超晶格緩沖層21、第二超晶格緩沖層22、電子渡越層31和電子供給層32。在電子供給層32上形成有柵電極41、源電極42和漏電極43。在本實施方案中，第一超晶格緩沖層21和第二超晶格緩沖層22 —起可以被稱為超晶格緩沖層20。圖9是包括形成在硅襯底10上的核形成層11、緩沖層12和超晶格緩沖層20的半導(dǎo)體器件的一部分的放大截面圖。
[0053]在本實施方案中，可以使用由SiC、藍(lán)寶石和GaN等形成的襯底代替Si襯底10。應(yīng)該注意，核形成層11由膜厚為200nm的AlN等形成，緩沖層12由膜厚為50nm的Al。.5Ga。.5N形成。
[0054]第一超晶格緩沖層21是通過交替層疊膜厚為3.5nm的AlN層21a和膜厚為20nm的Ala Paa#層21b 50個周期形成的。第一超晶格緩沖層21以低于IX 119原子/cm_3的濃度摻雜有C作為雜質(zhì)元素。
[0055]第二超晶格緩沖層22是通過交替地且周期地層疊膜厚為3.5nm的AlN層22a和膜厚為20nm的AlaiGaa9N層22b 50個周期形成的。第二超晶格緩沖層22以大于或等于I X 119原子/cm_3并且小于或等于I X 120原子/cm_3的濃度摻雜有C作為雜質(zhì)元素。
[0056]在本實施方案中，第一超晶格緩沖層21以2X1018原子/cm_3的濃度摻雜有C，第二超晶格緩沖層22以2X 119原子/cnT3的濃度摻雜有C元素。
[0057]另外，在本實施方案中，形成第一超晶格緩沖層21的AlN層21a可以被稱作第一超晶格形成層，21b可以被稱作第二超晶格形成層。此外，形成第二超晶格緩沖層22的AlN層22a可以被稱作第一超晶格形成層，Al0.^9N層22b可以被稱作第二超晶格形成層。
[0058]電子渡越層31是由膜厚為100nm的i_GaN形成的。電子供給層32是由膜厚為20nm的AlGaN形成的。因此，在電子渡越層31內(nèi)在電子渡越層31與電子供給層32之間的界面附近產(chǎn)生2DEG 31a。應(yīng)該注意，可以在電子供給層32上的由膜厚為5nm的n_GaN形成蓋層(圖中未示出)。
[0059]圖1OA是在超晶格緩沖層20中的AlN膜的膜厚為1.5nm的情況下的能帶圖。圖1OB是示出了在超晶格緩沖層20中的AlN膜的膜厚為1.5nm的情況下的電子(載流子)濃度分布的曲線圖。為了方便起見，在圖1OA和圖1OB中，形成第一超晶格緩沖層21的第一超晶格形成層的一部分和形成第二超晶格緩沖層22的第二超晶格形成層的一部分被省略。
[0060]與圖7A和圖7B的情況相比，在圖1OA和圖1OB的情況中，以2 X 119原子/cm—3的濃度摻雜有C的第二超晶格緩沖層22的電子濃度(載流子濃度)低于或等于I X 113原子/cm—3。因此，第二超晶格緩沖層22的電阻可以增加，并且沿著垂直方向流動的漏電流可以減小。
[0061]圖11示出了根據(jù)本實施方案的半導(dǎo)體器件中施加在源極和漏極兩端的電壓與沿著垂直方向流動的漏電流的關(guān)系。比較圖11的情況和圖4的情況，應(yīng)理解在根據(jù)本實施方案的半導(dǎo)體器件中流動的漏電流小于在圖4的情況中流動的漏電流。即，可以通過向第二超晶格緩沖層22中以大于或等于I X 119原子/cnT3的濃度摻雜C來減小漏電流。
[0062]本實施方案中，第一超晶格緩沖層21和第二超晶格緩沖層22中的每一個均是通過交替層疊膜厚為3.5nm的AlN層和膜厚為20nm的AlaiGaa9N層而形成的。因而,娃襯底的彎曲小，并且所形成的氮化物半導(dǎo)體層中未產(chǎn)生裂紋。應(yīng)該注意，以高于或等于IXlO19原子/cnT3的濃度將C摻雜到第二超晶格緩沖層22中，而不是將C摻雜到整個超晶格緩沖層20中。即，C作為雜質(zhì)元素不是摻雜到整個超晶格緩沖層20中，而是摻雜到超晶格緩沖層20的一部分中。因而，可以抑制裂紋的產(chǎn)生。
[0063]應(yīng)該注意，在本實施方案中，用作AlN層21a和22a的第一超晶格形成層是由AlxGahN形成的，其中X的值大于或等于0.5并且小于或等于I。另外，用作AlaiGaa9N層21b和22b的第二超晶格形成層是由AlyG&1_yN形成的，其中y的值大于O并且小于0.5。因此，形成半導(dǎo)體器件使得滿足x>y的關(guān)系。更優(yōu)選地，可以由AlN形成第一超晶格形成層。
[0064]在上述情況中，第一超晶格緩沖層21和第二超晶格緩沖層22具有相同厚度。然而，第二超晶格緩沖層22的厚度可以比第一超晶格緩沖層21的厚度大。
[0065]另外，在上述情況中，摻雜到第一超晶格緩沖層21和第二超晶格緩沖層22中的雜質(zhì)元素為C。然而，所摻雜的雜質(zhì)元素可以是P型雜質(zhì)元素。應(yīng)當(dāng)注意，所摻雜的雜質(zhì)元素優(yōu)選為C或Fe。
[0066](半導(dǎo)體器件的制造方法)
[0067]現(xiàn)在將參照圖12A至圖12D給出根據(jù)本實施方案的半導(dǎo)體器件的制造方法的描述。根據(jù)本實施方案中的半導(dǎo)體器件的制造方法，通過外延生長在硅襯底10上形成氮化物半導(dǎo)體層。作為通過外延生長形成氮化物半導(dǎo)體的方法，有金屬有機物化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)和分子數(shù)外延(MBE)。
[0068]在本實施方案的說明中，假定通過MOCVD形成氮化物半導(dǎo)體層。當(dāng)形成氮化物半導(dǎo)體層時，使用三甲基鋁(TMA)作為Al源氣體，使用三甲基鎵(TMG)作為Ga源氣體，使用氨(NH3)作為N源氣體。
[0069]首先，如圖12A所示，通過氮化物半導(dǎo)體在半導(dǎo)體襯底10上依次形成核形成層11和緩沖層12。雖然在本實施方案中使用硅(111)襯底作為硅襯底10，但是可以使用由SiC、藍(lán)寶石、GaN等形成的襯底代替硅襯底10。核形成層11是由厚度為200nm的AlN膜形成的。緩沖層12是由Altl 5Gatl 5N形成的。
[0070]核形成層11是在通過襯底溫度為約1000°C并且MOCVD裝置的室中的壓力為約50毫巴(5kPa)的條件下供給TMA和NH3使AlN外延生長形成的。緩沖層12是通過在襯底溫度為約1000°C并且MOCVD裝置的室中的壓力為約50毫巴(5kPa)的條件下供給TMA、TMG和NH3使Ala 5Ga0.5N外延生長形成的。
[0071]然后，如圖12B所示，在緩沖層12上依次層疊第一超晶格緩沖層21和第二超晶格緩沖層22。具體地，如圖9所示，第一超晶格緩沖層21是通過交替地且周期地層疊AlN層21a和AlGaN層21b 50個周期形成的。第一超晶格緩沖層21是通過在襯底溫度為約1000°C并且MOCVD裝置的室中的壓力為約50毫巴(5kPa)的條件下控制TMA、TMG和NH3的供給形成的。
[0072]之后，第二超晶格緩沖層22是通過在第一超晶格緩沖層21上交替地且周期地層疊AlN層22a和AlGaN層22b 50個周期形成的。第二超晶格緩沖層22是通過在襯底溫度為約950°C并且MOCVD裝置的室中的壓力為約50毫巴(5kPa)的條件下通過控制TMA、TMG和NH3的供給形成的。
[0073]通過MOCVD形成氮化物半導(dǎo)體層時，可以通過降低襯底溫度來增加混合到第二超晶格緩沖層22的C的濃度。即，可以通過降低襯底溫度使C自動摻雜到膜中。因而，摻雜到第二超晶格緩沖層22中的C的濃度優(yōu)選大于或等于IX 119原子/cnT3并且小于或等于I X 120原子/cm_3。應(yīng)該注意，除了通過降低襯底溫度自動摻雜C的方法之外，還存在以下方法:通過改變源氣體供給量的比例來摻雜碳的方法以及供給用于摻雜作為雜質(zhì)元素的C的源氣體的方法等。
[0074]然后，如圖12C所示，在第二超晶格緩沖層22上層疊電子渡越層31和電子供給層32。具體地，電子渡越層31是通過在生長溫度為約1000°C，MOCVD裝置的室中的壓力為約200毫巴(20kPa)的條件下使在第二超晶格緩沖層22上生長膜厚為約100nm的GaN形成的。
[0075]電子供給層32是通過在生長溫度為約1000°C并且MOCVD裝置的室中的壓力為約50毫巴(5kPa)的條件下使在電子渡越層31上生長厚度為約20nm的AlGaN形成的。在本實施方案中，電子供給層32是由Altl 2Gatl 8N形成的。
[0076]應(yīng)該注意，可以在電子供給層32上的由膜厚為5nm的n_GaN形成蓋層(圖中未示出)。由此形成的蓋層以大于或等于I X 118原子/cnT3并且小于或等于I X 120原子/cm_3，例如，濃度為5X 118原子/cnT3的濃度摻雜有Si作為雜質(zhì)元素。當(dāng)將Si摻雜到蓋層中時，可以使用SiH4。
[0077]然后，如圖12D所示，在電子供給層32上形成源電極42和漏電極43，在電子供給層32上還形成柵電極41。具體地，在電子供給層32上施加光致抗蝕劑，通過曝光裝置進(jìn)行曝光和顯影以形成在待形成源電極42和漏電極43的區(qū)域中具有開口的抗蝕劑圖案(圖中未示出)。之后，通過真空沉積形成由Ti/Al膜制成的金屬層疊膜。然后，通過將抗蝕劑圖案浸入有機溶劑中等將形成在抗蝕劑圖案上的金屬層疊膜與抗蝕劑圖案一起去除。由此，源電極42和漏電極43由金屬層疊膜的剩余部分形成。之后，進(jìn)行快速熱退火(RTA)使源電極42和漏電極43彼此產(chǎn)生歐姆接觸。應(yīng)該注意，在由Ti/Al膜制成的金屬層疊膜中，Ti膜的膜厚為約lOOnm，Al膜的膜厚為約300nm。
[0078]之后，再次在電子供給層32上施加光致抗蝕劑，并且通過曝光裝置進(jìn)行曝光和顯影以形成在待形成柵電極41的區(qū)域具有開口的抗蝕劑圖案(圖中未示出)。之后，通過真空沉積形成由Ni/Au膜制成的金屬層疊膜。然后，通過將抗蝕劑圖案浸入有機溶劑等中將形成在抗蝕劑圖案上的金屬層疊膜與抗蝕劑圖案一起去除。由此，柵電極41由金屬層疊膜的剩余部分形成。應(yīng)該注意，在由Ni/Au膜制成的金屬層疊膜中,Ni膜的厚度為約50nm,Au膜的厚度為約300nm。
[0079]在本實施方案中，在電子供給層32上形成鈍化膜。另外，根據(jù)本實施方案的半導(dǎo)體器件可以具有其中通過去除電子供給層32的待形成柵電極41的區(qū)域中的部分來形成柵極凹槽的結(jié)構(gòu)。通過形成柵極凹槽，柵極閾值電壓可以沿著正向偏移，這可以制造常斷型半導(dǎo)體器件。本實施方案可以具有其中在電子供給層32上的由Al2O3等形成柵極絕緣膜并且在柵極絕緣膜上形成柵電極41的結(jié)構(gòu)。
[0080]可以通過上述過程制造根據(jù)本實施方案的半導(dǎo)體器件。
[0081][第二實施方案]
[0082]參照圖13給出根據(jù)第二實施方案的半導(dǎo)體器件的描述。如圖13所示，根據(jù)第二實施方案中的半導(dǎo)體器件具有其中在在硅襯底10上層疊有氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)。具體地，在硅襯底10上依次層疊有核形成層11、緩沖層12、第一超晶格緩沖層121、第二超晶格緩沖層122、電子渡越層31和電子供給層32。本實施方案中，在電子供給層32上形成有柵電極41、源電極42和漏電極43。應(yīng)該注意，本實施方案中，第一超晶格緩沖層121和第二超晶格緩沖層122 —起可以被稱為超晶格緩沖層120。
[0083]本實施方案中，第一超晶格緩沖層121是通過交替地且周期地層疊膜厚為3.5nm的AlN層和膜厚為20nm的Ala Aaa9N層50個周期形成的。第一超晶格緩沖層121以低于I X 119原子/cm_3的濃度摻雜有Fe作為雜質(zhì)元素。
[0084]第二超晶格緩沖層122是通過交替地且周期地層疊膜厚為3.5nm的AlN層和膜厚為20nm的Ala Aaa9N層50個周期形成的。第二超晶格緩沖層122以大于或等于I X 119原子/cnT3并且低于或等于I X 120原子/cnT3的濃度摻雜有Fe作為雜質(zhì)元素。
[0085]在本實施方案中，第一超晶格緩沖層121以2 X 118原子/cnT3的濃度摻雜有Fe，第二超晶格緩沖層以2X 119原子/cnT3的濃度摻雜有Fe。使用例如二茂鐵(Cp2Fe)作為當(dāng)摻雜Fe時所使用的源氣體。
[0086]雖然給出了 Fe摻雜到第一超晶格緩沖層121和第二超晶格緩沖層122中的情況的描述，但是Fe也可以只摻雜到第二超晶格緩沖層122中。另外，如果雜質(zhì)元素的濃度具有上述關(guān)系，則C可以摻雜到第一超晶格緩沖層121和第二超晶格緩沖層122中的一個，而Fe可以摻雜到第一超晶格緩沖層121和第二超晶格緩沖層122中另一個。
[0087]在本實施方案中，如果第一超晶格緩沖層121中的AlN層和作為第二超晶格緩沖層122中的AlN層的第一超晶格形成層用AlxGahN表示，則x的值大于或等于0.5并且小于或等于I。如果第一超晶格緩沖層121中的Ala Aatl 9N層和第二超晶格緩沖層122中的Al。.Aaa9N層用AlyGa1J表示，則y的值大于或等于O并且小于0.5。因此，滿足了 x>y的關(guān)系。另外，第一超晶格形成層可以由AlN形成。
[0088]本實施方案的除了上述的配置和布置之外其他配置和布置與第一實方案中的配置和布置相同。
[0089][第三實施方案]
[0090]參照圖14給出根據(jù)第三實施方案中的半導(dǎo)體器件的描述。如圖14所示，根據(jù)第三實施方案中的半導(dǎo)體器件具有其中在硅襯底10上層疊有氮化物半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)。具體地，在硅襯底10上依次層疊有核形成層11、緩沖層12、超晶格緩沖層220、電子渡越層31和電子供給層32。在電子供給層32上形成有柵電極41、源電極42和漏電極43。
[0091]在本實施方案中，超晶格緩沖層220是通過交替地層疊膜厚為3.5nm的AlN層和膜厚為20nm的々1(|.16&(|.0層100個周期形成的。超晶格緩沖層220摻雜有C作為雜質(zhì)元素。C濃度從Si襯底10側(cè)朝向電子渡越層的31側(cè)逐漸增大，例如，在超晶格緩沖層220內(nèi)，在超晶格緩沖層220與緩沖層12之間的界面附近C的濃度為2X 118原子/cm_3，C的濃度朝向電子渡越層31逐漸增加，在超晶格緩沖層220與電子渡越層31之間的界面附近C的濃度為2 X 119原子/cnT3。因此，本實施方案中，在超晶格緩沖層220中C的濃度分布是傾斜的。
[0092]在本實施方案中，在緩沖層12上依次層疊有第一超晶格緩沖層和第二超晶格緩沖層，并且可以在第二超晶格緩沖層產(chǎn)生所摻雜的雜質(zhì)元素的濃度梯度。在第二超晶格緩沖層中，第二超晶格緩沖層與第一超晶格緩沖層的界面附近C的濃度可以為2X 118原子/cnT3，C的濃度朝向電子渡越層31逐漸增加，在第二超晶格緩沖層與電子渡越層31之間的界面附近C的濃度可以為2 X 119原子/cm_3。在這種情況下，第一超晶格緩沖層以2 X 118原子/cm濃度慘雜有C。
[0093]摻雜到超晶格緩沖層220中的雜質(zhì)元素除了 C外可以是Fe，并且可以是p型雜質(zhì)元素。
[0094]在本實施方案中，如果作為晶格緩沖層220中的AlN層的第一超晶格形成層用AlxGahN表示，則X的值大于或等于0.5并且小于或等于1，如果作為超晶格緩沖層220中的Ala Paa9N層的第二超晶格形成層用AlyGa^yN表不,則y的值大于或等于O并且小于0.5。因此，滿足了 x>y的關(guān)系。另外，第一超晶格形成層可以由AlN形成。
[0095]本實施方案的除了上述的配置和布置之外的其他配置和布置與第一實施方案中的配置和布置相同。
[0096][第四實施方案]
[0097]下面將給出根據(jù)第四實施方案中的半導(dǎo)體器件、電源裝置和高頻放大器的描述。
[0098]根據(jù)第四實施方案中的半導(dǎo)體器件包括根據(jù)第一實施方案至第三實施方案的半導(dǎo)體器件中的引入分立封裝件中的半導(dǎo)體器件之一。參照圖15描述分立封裝的半導(dǎo)體器件。圖15示意性示出了分立封裝的半導(dǎo)體器件的內(nèi)部。引入分立封裝件中的半導(dǎo)體器件的電極的配置和布置不同于根據(jù)第一實施方案至第三實施方案的半導(dǎo)體器件的電極的配置和布置。
[0099]首先，通過根據(jù)第一實施方案至第三實施方案的半導(dǎo)體器件之一形成GaN半導(dǎo)體材料的HEMT半導(dǎo)體芯片410。然后，半導(dǎo)體芯片410通過管芯粘合劑430 (如釬料等)固定在引線框420上。半導(dǎo)體芯片410對應(yīng)于根據(jù)第一實施方案至第三實施方案的半導(dǎo)體器件之一O
[0100]然后，通過接合線431將柵電極411連接到柵極引線421上，通過接合線432將源電極412連接到源極引線422上，通過接合線433將漏電極413連接到漏極引線423上。接合線431、432和433由例如鋁等金屬材料制成。在本實施方案中，柵電極411是連接到根據(jù)第一實施方案至第三實施方案中的半導(dǎo)體器件之一的柵電極41的柵電極焊盤。源電極412是連接到根據(jù)第一實施方案至第三實施方案中的半導(dǎo)體器件之一的源電極42的源電極焊盤。漏電極413是連接到根據(jù)第一實施方案至第三實施方案的半導(dǎo)體器件之一的漏電極43的漏電極焊盤。
[0101]然后，半導(dǎo)體芯片410和引線框420使用傳遞模制法通過模制樹脂440進(jìn)行封裝。如上所述，制造了作為使用GaN半導(dǎo)體材料的HEMT的分立封裝的半導(dǎo)體器件。
[0102]對根據(jù)第四實施方案的電源裝置和高頻放大器進(jìn)行描述。根據(jù)第四實施方案的電源裝置和高頻放大器件包括引入其中的根據(jù)第一實施方案至第三實施方案的半導(dǎo)體器件之一 O
[0103]首先，參照圖16給出根據(jù)第四實施方案的電源裝置的描述。根據(jù)第四實施方案的電源裝置460包括高壓一次電路461、低壓二次電路462以及設(shè)置在一次電路461與二次電路462之間的變壓器463。一次電路461包括交流電壓電源464、所謂的橋式整流電路465、多個開關(guān)器件466 (在圖16中不出了 4個開關(guān)器件)和另一開關(guān)器件467。二次電路462包括多個開關(guān)器件468 (在圖16中示出了三個開關(guān)器件)。在如圖16所示的電源裝置460中，使用根據(jù)第一實施方案至第三實施方案的半導(dǎo)體器件作為一次電路461的開關(guān)器件466和467。一次電路461的開關(guān)器件466和467優(yōu)先為常斷半導(dǎo)體器件。使用金屬絕緣體半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MISET)作為二次電路462中的開關(guān)器件468。
[0104]下面參照圖17給出根據(jù)第四實施方案的高頻放大器的描述。根據(jù)本實施方案的高頻放大器470可以用于，例如，便攜式電話系統(tǒng)的基站中的功率放大器。高頻放大器470包括數(shù)字預(yù)失真電路471、混頻器472、功率放大器473和定向耦合器474。數(shù)字預(yù)失真電路471對輸入信號的線性失真進(jìn)行補償。混頻器472用于將線性失真已得到補償?shù)妮斎胄盘柵c交流電流信號混合。功率放大器473對與交流電流信號混合的輸入信號進(jìn)行放大。在如圖17所示的電路中，功率放大器473包括根據(jù)第一實施方案至第三實施方案的半導(dǎo)體器件之一。定向耦合器474對輸入信號和輸出信號進(jìn)行監(jiān)控。在圖17所示的電路中，例如，可以通過混頻器472將輸出信號和交流電流信號混合并且可以將其發(fā)送到數(shù)字預(yù)失真電路471。
[0105]本文中記載的所有實施例和條件用語旨在教導(dǎo)目的，以幫助讀者理解本發(fā)明的原理和由
【發(fā)明者】貢獻(xiàn)的促進(jìn)本領(lǐng)域的概念，并且應(yīng)當(dāng)理解不限于這些具體記載的實施例和條件，而且本說明書中的這些實施例的組織也不涉及示出本發(fā)明的優(yōu)勢和劣勢。盡管已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明的實施方案，但是應(yīng)當(dāng)理解，可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對其做出多種變化、替換和改變。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體器件，包括: 形成在襯底上的第一超晶格緩沖層； 形成在所述第一超晶格緩沖層上的第二超晶格緩沖層； 在所述第二超晶格緩沖層上的由氮化物半導(dǎo)體形成的第一半導(dǎo)體層； 在所述第一半導(dǎo)體層上的由氮化物半導(dǎo)體形成的第二半導(dǎo)體層；以及 形成在所述第二半導(dǎo)體層上的柵電極、源電極和漏電極， 其中所述第一超晶格緩沖層通過交替地且周期地層疊第一超晶格形成層和第二超晶格形成層而形成，并且 所述第二超晶格緩沖層通過交替地且周期地層疊所述第一超晶格形成層和所述第二超晶格形成層而形成，以及 所述第一超晶格形成層由AlxGahN形成，所述第二超晶格形成層由AlyGa1J形成，其中x>y，并且 摻雜到所述第二超晶格緩沖層中的用作受主的雜質(zhì)元素的濃度高于摻雜到所述第一超晶格緩沖層中的用作受主的雜質(zhì)元素的濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中摻雜到所述第二超晶格緩沖層中的用作受主的所述雜質(zhì)元素的濃度大于或等于IX 119原子/cm_3，摻雜到所述第一超晶格緩沖層中的用作受主的所述雜質(zhì)元素的濃度小于I X 119原子/cm_3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第二超晶格緩沖層的厚度大于或等于所述第一超晶格緩沖層的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，還包括在所述襯底與所述第一超晶格緩沖層之間的由包含AlGaN的材料形成的緩沖層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中用作受主的所述雜質(zhì)元素為C或Fe。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述襯底由S1、SiC、藍(lán)寶石和GaN中的一種形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第一超晶格形成層由AlN形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第一半導(dǎo)體層由包含GaN的材料形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第二半導(dǎo)體層由包含AlGaN或InAlGaN的材料形成。
10.一種半導(dǎo)體器件，包括: 形成在襯底上的超晶格緩沖層； 在所述超晶格緩沖層上的由氮化物半導(dǎo)體形成的第一半導(dǎo)體層； 在所述第一半導(dǎo)體層上的由氮化物半導(dǎo)體形成的第二半導(dǎo)體層；以及 形成在所述第二半導(dǎo)體層上的柵電極、源電極和漏電極， 其中所述超晶格緩沖層通過交替地且周期地層疊第一超晶格形成層和第二超晶格形成層而形成，以及 所述第一超晶格形成層由AlxGkxN形成，所述第二超晶格形成層由AlyGa1J形成，其中x>y，并且 在所述超晶格緩沖層中用作受主的雜質(zhì)元素的濃度從所述襯底側(cè)朝著所述第一半導(dǎo)體層側(cè)增加。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體器件，其中用作受主的所述雜質(zhì)元素為C或Fe。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體器件，還包括在所述襯底與所述超晶格緩沖層之間的由包含AlGaN的材料形成的緩沖層。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體器件，其中所述襯底由S1、SiC、藍(lán)寶石和GaN中的一種形成。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第一超晶格形成層由AlN形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第一半導(dǎo)體層由包含GaN的材料形成。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第二半導(dǎo)體層由包含AlGaN或InAlGaN的材料形成。
17.—種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括: 通過在襯底上交替地且周期地層疊第一超晶格形成層和第二超晶格形成層形成第一超晶格緩沖層； 通過在所述第一超晶格緩沖層上交替地且周期地層疊所述第一超晶格形成層和所述第二超晶格形成層形成第二超晶格緩沖層； 在所述第二超晶格緩沖層上由氮化物半導(dǎo)體形成第一半導(dǎo)體層； 在所述第一半導(dǎo)體層上由氮化物半導(dǎo)體形成第二半導(dǎo)體層；以及 在所述第二半導(dǎo)體層上形成柵電極、源電極和漏電極， 其中所述第一超晶格形成層由AlxGa1J形成，以及所述第二超晶格形成層由AlyGa1J形成，其中x>y，以及 通過金屬有機物化學(xué)氣相沉積形成所述第一超晶格緩沖層和所述第二超晶格緩沖層，并且 形成所述第二超晶格緩沖層時的襯底溫度低于形成所述第一超晶格緩沖層時的襯底溫度。
【文檔編號】H01L29/778GK104518019SQ201410376834
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】苫米地秀一, 小谷淳二 申請人:富士通株式會社