半導體器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種半導體器件，包括：第一半導體層；第二半導體層，所述第二半導體層形成在所述第一半導體層上方；柵極絕緣膜，所述柵極絕緣膜接觸所述第二半導體層；以及柵電極，所述柵電極經(jīng)由所述柵極絕緣膜面對所述第二半導體層，其中，所述第一半導體層包括Alxαl?xN層，所述第二半導體層包括Alyαl?yN層，其中，α是Ga或In，并且0<x<l，0≦y<l，并且其中，形成所述第二半導體層的Alyαl?yN層的y隨著測量y的位置接近所述第一半導體層而至少在所述柵電極下方的區(qū)域中增加。
【專利說明】
半導體器件
[0001] 本申請是2012年8月8日提交的申請?zhí)枮?01210280030.3、發(fā)明名稱為"半導體器 件及制造該半導體器件的方法"之申請的分案申請。
[0002] 相關(guān)申請交叉引用
[000；3]將201許8月8日提交的日本專利申請2011-173020的公開內(nèi)容，包括說明書、附圖 W及摘要整體并入本文作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明設(shè)及一種包括氮化物半導體層的半導體器件W及制造該半導體器件的方 法。
【背景技術(shù)】
[0005] 預期包括諸如GaN層的氮化物半導體層的場效應晶體管廣泛用作電力控制元件， 因為它們具有高耐受電壓W及低電阻率。要求運些電力控制元件是常關(guān)型元件。但是，難W 將包括氮化物半導體層的場效應晶體管制成常關(guān)型晶體管。
[0006] 國際公布WO 03/071607中公開了一種晶體管，其使用在界面處、即在AlGaN層和 GaN層之間的異質(zhì)結(jié)處積累的二維電子氣作為載流子。運種晶體管被構(gòu)造為在晶體管的柵 電極下方不存在異質(zhì)結(jié)，W防止在柵電極下方產(chǎn)生二維電子氣。國際公布WO 03/071607陳 述了借助運種構(gòu)造可W實現(xiàn)常關(guān)晶體管。
[0007] 日本未審專利申請公開2011-044647中公開了一種晶體管，其具有如下形成的構(gòu) 造。首先，堆疊第一氮化物半導體層、第二氮化物半導體層W及第=氮化物半導體層，且在 第二和第=氮化物半導體層的界面處產(chǎn)生二維電子氣。隨后，在第=氮化物半導體層和第 二氮化物半導體層中形成達到第一氮化物半導體層的凹部，且在該凹部中嵌入柵極絕緣膜 和柵電極。在日本未審專利申請公開2011-044647中，凹部穿透第二氮化物半導體層。此外， 日本未審專利申請公開2011-044647中公開了通過堆疊多個AlGaN層來形成第二氮化物半 導體層，該多個AlGaN層的每一個都具有彼此不同的Al濃度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引還要求電力控制晶體管具有高闊值電壓。但是已經(jīng)指出難W使具有由氮化物半導 體層構(gòu)成的溝道的晶體管具有高闊值電壓。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種半導體器件，包括:第一氮化物半導體層;第二 氮化物半導體層，其形成在第一氮化物半導體層上;柵極絕緣膜，其接觸第二氮化物半導體 層；W及柵電極，其經(jīng)由柵極絕緣膜面對第二氮化物半導體層，其中通過堆疊多個半導體層 形成第二氮化物半導體層，且該半導體層至少在柵電極下方的區(qū)域中在相同方向上被極 化，并具有彼此不同的組成，由此在兩個半導體層之間的界面的每一個處的負電荷量大于 正電荷量。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的上述方面，通過堆疊多個半導體層形成第二氮化物半導體層。運些 半導體層在一個方向上被極化，使得至少在柵電極下方的區(qū)域中的兩個半導體層之間的每 個界面處的負電荷量大于正電荷量。換言之，可W說看上去在第二氮化物半導體層中形成 溝道的區(qū)域中預先存在負電荷。因此W此方式形成的晶體管具有高闊值電壓。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種半導體器件，其包括第一氮化物半導體層，其由 Alxai-xN層(a是Ga或In,且0<x<l)形成；第二氮化物半導體層，其形成在第一氮化物半導體 層上并由Alyai-yN層(0 ^戶1)形成;柵極絕緣膜，其接觸第二氮化物半導體層；W及柵電極， 其經(jīng)由柵極絕緣膜面對第二氮化物半導體層。此外，半導體器件的特征在于形成第二氮化 物半導體層的Alyai-yN層的y至少在柵電極下方的區(qū)域中隨著測量y的位置接近第一氮化物 半導體層而增大。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的上述方面，第二氮化物半導體層由Alyai-yN層(0含y<l)形成。此外，y 隨著測量y的位置接近第一氮化物半導體層而增大。因此可W說看上去在第二氮化物半導 體層中形成溝道的區(qū)域中預先存在負電荷。因此W此方式形成的晶體管具有高闊值電壓。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造半導體器件的方法，包括W下步驟:在第一 氮化物半導體層上形成第二氮化物半導體層;形成柵極絕緣膜，其接觸第二氮化物半導體 層；W及形成柵電極，其經(jīng)由柵極絕緣膜面對第二氮化物半導體層。此外，在該方法中，其中 在形成第二氮化物半導體層的步驟中，通過堆疊具有彼此不同組成的多個半導體層形成第 二氮化物半導體層，且該半導體層在相同方向上被極化并至少在柵電極下方的區(qū)域中具有 彼此不同的組成，由此第二氮化物半導體層的極化強度在隨著測量極化強度的位置接近柵 電極而變得更高或更低，且W如下傾向?qū)Π雽w層進行極化，使得在兩個半導體層之間的 每個界面處的負電荷量大于正電荷量。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造半導體器件的方法，包括W下步驟:在由 AlxQi-xN層(a是Ga或In,且0<x<l)形成的第一氮化物半導體層上形成由AlyOi-yN層(0 < ;y<l) 形成的第二氮化物半導體層;形成柵極絕緣膜，其接觸第二氮化物半導體層；W及形成柵電 極，其經(jīng)由柵極絕緣膜形成面對第二氮化物半導體層。此外，在形成第二氮化物半導體層的 步驟中，將第二氮化物半導體層形成為，使得形成第二氮化物半導體層的Alyai-yN層的y隨 著測量y的位置接近第一氮化物半導體層而增大。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的上述方面，采用氮化物半導體層作為溝道的晶體管可具有高闊值電 壓。
【附圖說明】
[0016] 圖1是示出根據(jù)第一實施例的半導體器件結(jié)構(gòu)的橫截面圖；
[0017] 圖2是用于說明第二氮化物半導體層的結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0018] 圖3是示出具有根據(jù)實施例的結(jié)構(gòu)的第二氮化物半導體層的導帶電勢的模擬結(jié) 果，W及具有由GaN單層形成的結(jié)構(gòu)的第二氮化物半導體層（比較例）的導電電勢的模擬結(jié) 果的示意圖；
[0019] 圖4是示出根據(jù)對在圖3中的模擬中使用的結(jié)構(gòu)進行的二維器件模擬獲得的結(jié)果 的示意圖；
[0020] 圖5A和圖5B是用于說明制造半導體器件的方法的橫截面圖，該半導體器件的橫截 面在圖1中示出；
[0021] 圖6是用于說明制造半導體器件的方法的橫截面圖，該半導體器件的橫截面在圖I 中示出；
[0022] 圖7是示出根據(jù)第二實施例的半導體器件結(jié)構(gòu)的橫截面圖；
[0023] 圖8是包括根據(jù)第=實施例的場效應晶體管的半導體器件的橫截面圖；W及
[0024] 圖9是示出根據(jù)第四實施例的電子設(shè)備的電路構(gòu)造的示意圖。
【具體實施方式】
[0025] W下將參考【附圖說明】本發(fā)明的實施例。在所有附圖中，具有相同功能的構(gòu)件由相 同的附圖標記和標號表示，并省略該構(gòu)件的重復說明。
[00%] 第一實施例
[0027] 圖1是示出根據(jù)第一實施例的半導體器件構(gòu)造的橫截面圖。
[0028] 該半導體器件包括場效應晶體管10。該半導體器件包括第一氮化物半導體層100、 第二氮化物半導體層200、第=氮化物半導體層300、柵極絕緣膜410W及柵電極420。第二氮 化物半導體層200是場效應晶體管10的溝道層。在本實施例中，因為場效應晶體管10使用在 第二氮化物半導體層200和第=氮化物半導體層300之間界面處產(chǎn)生的二維電子氣202,所 W該場效應晶體管10具有低電阻率。
[0029] 第一氮化物半導體層100用作其中外延生長第二氮化物半導體層200的緩沖層。第 一氮化物半導體層100例如是AlxGai-xN( 0<x< 1)或AlxIm-xN層(0<x< 1)。第一氮化物半導體層 100的膜厚例如大于化m，且其可W大于3皿。通過使第一氮化物半導體層100的膜厚更大，能 夠使場效應晶體管10的耐受電壓更高。例如，如果第一氮化物半導體層100的膜厚是姐!!!，貝。 場效應晶體管10的耐受電壓能夠大于500伏。
[0030] 第二氮化物半導體層200用作溝道層。因此，柵極絕緣膜410接觸第二氮化物半導 體層200。如果第一氮化物半導體層100是AlxGai-xN層，則第二氮化物半導體層200例如是 AlyGai-yN層(0 ^戶1)，且如果第一氮化物半導體層100是AlxIni-xN層，貝第二氮化物半導體 層 200為AレInl-yN 層(0<5<1)。
[0031] 第二氮化物半導體層200的膜厚例如大于IOnm并小于10WI1。通過使第二氮化物半 導體層200的膜厚更大，也能夠W使場效應晶體管10的耐受電壓更高。例如，如果第一氮化 物半導體層100的膜厚是1皿且第二氮化物半導體層200的膜厚是化m，則能夠使場效應晶體 管10的耐受電壓大于500伏。
[0032] 第=氮化物半導體層300外延生長在第二氮化物半導體層200上。第=氮化物半導 體層300用作電子提供層，且被制備用于在第二氮化物半導體層200中產(chǎn)生二維電子氣202。 為了產(chǎn)生二維電子氣202,需要第二氮化物半導體層200和第=氮化物半導體層300之間的 界面處存在導帶不連續(xù)。換言之，在第二氮化物半導體層200和第=氮化物半導體層300之 間界面處，需要第=氮化物半導體層300具有比第二氮化物半導體層200具有的電子親和勢 低的電子親和勢。例如，如果第二氮化物半導體層200由AlyGai-yN層200形成，則第立氮化物 半導體層300由AlzGai-zN層(0 < ^l)形成，且如果第二氮化物半導體層200由AlyIni-yN層形 成，則第；氮化物半導體層300由AlzIm-zN層(0 < ^l)形成。
[0033] 此外，在第二氮化物半導體層200和第=氮化物半導體層300的界面處，形成第= 氮化物半導體層300的AlzOi-zN層的Z和形成第二氮化物半導體層200的Alyai-yN層的y之間存 在關(guān)系"z〉y"。將第=氮化物半導體層300的Al組成比設(shè)定為大于第二氮化物半導體層200 的Al組成比的原因在于，運是因為由于運些Al組成比之間的差異而在第二氮化物半導體層 200和第=氮化物半導體層300之間形成了導帶不連續(xù)，且因此產(chǎn)生二維電子氣202。在該界 面處，優(yōu)選z〉y+0.05,且更優(yōu)選z〉y+0.10。如果如上設(shè)定y和Z之間的關(guān)系，則可W在第二氮 化物半導體層200和第=氮化物半導體層300之間的界面處產(chǎn)生具有足夠濃度的二維電子 氣 202。
[0034] 凹部310形成在第=氮化物半導體層300中。柵極絕緣膜410形成在凹部310的內(nèi)壁 和底部上。柵極絕緣膜410例如可W由氧化娃(Si〇2)制成，但也可由諸如氧化侶(Ab化）、氧 化給化f〇2)、氮化娃(SiN)或氮化侶(AlN)的其他材料制成。柵極絕緣膜410的厚度例如大于 30nm，但優(yōu)選地其大于50nm，且更優(yōu)選地大于70nm。如果將柵極絕緣膜410形成得更厚，則場 效應晶體管10的柵極耐受電壓將變得更高。具體而言，如果使柵極絕緣膜410的厚度為70nm 或更大，則大幅提高場效應晶體管10的長期可靠性。
[0035] 凹部310中沒有形成柵極絕緣膜410的空的空間嵌入有柵電極420。換言之，柵電極 420經(jīng)由柵極絕緣膜410面對第二氮化物半導體層200。柵電極420例如可由Au制成，但其也 可由諸如Ni或Pt膜的金屬單層膜、通過堆疊 Ni層和Au層而形成的多層膜、通過堆疊除Ni和 Au之外的多種金屬而形成的金屬多層膜、由WSi或TiN形成的金屬化合物膜或由諸如多晶娃 的半導體材料形成的膜制成。
[0036] 在本實施例中，柵極絕緣膜410和柵電極420的上部形成突出部425。突出部425是 從凹部310突出并在圍繞凹部310的第=氮化物半導體層300上延伸的部分。在本實施例中， 電場集中在柵極絕緣膜410的凹部310的底部的角部處。但是，制備突出部425使得電場也集 中在突出部425的端部。結(jié)果，減輕了柵極絕緣膜410的凹部310的底部的角部處的電場集 中，并提高場效應晶體管10的耐受電壓。
[0037] 凹部310的下端達到第二氮化物半導體層200,但并未達到第一氮化物半導體層 100。在圖1中所示實例中，凹部310的下端延伸進入第二氮化物半導體層200內(nèi)部中。因此， 二維電子氣202被凹部310分成兩部分。結(jié)果，場效應晶體管10變成常關(guān)型晶體管。
[003引在本實施例中，第二氮化物半導體層200的Al含量(Al組成比）至少在柵電極420下 方的區(qū)域中隨著測量y的位置接近第一氮化物半導體層100而增大（即y增大）。換言之，第二 氮化物半導體層200的Al組成比在其厚度方向上是傾斜的。運里，如在通過堆疊彼此具有不 同Al組成比的多個氮化物半導體層而形成第二氮化物半導體層200的情況下看到的，Al組 成比連續(xù)改變或Al組成比不連續(xù)(或階段式地)改變是可想到的。例如，如果第二氮化物半 導體層200具有由彼此具有不同Al組成比的多個氮化物半導體層204逐一堆疊的結(jié)構(gòu)(如圖 2中所示），則第二氮化物半導體層200的Al組成比是傾斜的。運里，將假設(shè)氮化物半導體層 204包括單層或多個單層。如果一個氮化物半導體層204具有由多個單原子層形成的結(jié)構(gòu)， 則第二氮化物半導體層200的Al組成將階段式改變。
[0039]如上所述，形成第二氮化物半導體層200的多個半導體層在相同方向上被極化。此 夕h在半導體層之間的界面處，負電荷量大于正電荷量。結(jié)果，場效應晶體管10的闊值電壓 將變得更高。闊值電壓變得更高的原因?qū)⒖紙D2、圖3和圖4在下文進行說明。更靠近柵電 極420的半導體層的極化強度高于（或低于)遠離柵電極420的半導體層中的極化強度是可 W的。此外，半導體層的極化強度隨著半導體層的位置更靠近柵電極420而在一個方向上更 大的改變是可W的。
[0040] 為了使場效應晶體管10的闊值電壓更大，假設(shè)第一氮化物半導體層100和第二氮 化物半導體層200之間界面處的y為yi，且第二氮化物半導體層200的表面處（即第二氮化物 半導體層200和第=氮化物半導體層300之間的界面處）的y為y2，優(yōu)選0.05<yi-y2<0.12。
[0041] 漏電極430和源電極440形成在第S氮化物半導體層300上。漏電極430W及源電極 440分別與第=氮化物半導體層300形成歐姆接觸。漏電極430和源電極440例如由通過堆疊 Al和Ti而形成的堆疊膜制成。在圖1所示實例中，為了使漏極耐受電壓為高，從漏電極430到 柵電極420之間的距離被設(shè)定為大于從源電極440到柵電極420之間的距離。
[0042] 第S氮化物半導體層300的既沒有形成漏電極430也沒有形成源電極440的上表面 部分被保護絕緣膜450覆蓋。保護絕緣膜450例如是SiN膜。柵極絕緣膜410W及柵電極420的 突出部425形成在保護絕緣膜450上。靠近突出部425的漏電極430的一部分和源電極440的 一部分也被保護絕緣膜450覆蓋。
[0043] 圖2是用于說明第二氮化物半導體層200構(gòu)造的示意圖。如上所述，第二氮化物半 導體層200具有通過堆疊多個氮化物半導體層204而形成的結(jié)構(gòu)。氮化物半導體層204每一 個均在其厚度方向上被極化。在圖2所示實例中，氮化物半導體層204每一個均被極化W使 得氮化物半導體層204的底表面帶正電。該實例示出氮化物半導體層204的位置越高，則氮 化物半導體層204的極化強度變得越弱。運里，極化強度指示在氮化物半導體層204的每一 個中的極化電荷量。換言之，氮化物半導體層204的每一個(204-1至204-n)所具有的極化電 荷量具有隨著層的位置變得更高（即隨著該層接近柵電極420)而降低的趨勢。因此，在兩個 氮化物半導體層204之間的界面處，下氮化物半導體層204的頂表面處的負電荷強度大于上 氮化物半導體層204的底表面處的正電荷強度。換言之，在氮化物半導體層204的彼此相鄰 的兩個層(假設(shè)上層是半導體層204-i且下層是半導體層204-Q-1)，其中2含i含n)之間的 界面處，半導體層204-( i-1)中的極化電荷量大于半導體層204-i中的極化電荷量。此外，在 上半導體層的與具有更高Al組成比的下半導體層接觸的底表面處產(chǎn)生正極化電荷，且在下 半導體層的與具有更低Al組成比的上半導體層接觸的頂面處產(chǎn)生負極化電荷。換言之，在 兩個相鄰層（即下層和上層)之間的界面附近，負極化電荷在下層中產(chǎn)生，且正極化電荷在 上層中產(chǎn)生。因此，在每個界面附近，負電荷量大于正電荷量。結(jié)果，可W認為看上去在氮化 物半導體層204之間的界面處存在負電荷。可W使用包含Al的氮化物半導體作為制成第二 氮化物半導體層200的材料，且例如為AlGaN、AlInN和AlGaInN。已經(jīng)在使氮化物半導體層 204的底表面帶負電且頂表面帶正電的方式進行極化的假設(shè)下進行上述說明。在極化方向 與上述情況相反的情況下，改變氮化物半導體層204的組成比等W使得氮化物半導體層204 中的每一層所具有的極化電荷量具有隨著層的位置變得更高而增加的趨勢是可W的。即使 在運種情況下，因為可W認為看上去在氮化物半導體層204之間的界面處存在負電荷，所W 可W使闊值電壓為高。
[0044] 圖3是示出具有根據(jù)該實施例的結(jié)構(gòu)的第二氮化物半導體層200的導電電勢的模 擬結(jié)果，W及具有由GaN單層形成的結(jié)構(gòu)的第二氮化物半導體層（比較例）的導帶電勢的模 擬結(jié)果的示意圖。圖3是示出關(guān)于本實施例和比較實例在沿穿過圖1中的柵電極420的中屯、 的垂線截取的橫截面圖處的導帶電勢的示意圖。在圖3中，假設(shè)柵電極420的電壓Vg是0伏。
[0045] 在該模擬中，實施例的結(jié)構(gòu)如下所述。第S氮化物半導體層300的Al組成比Z設(shè)定 為0.2。此外，第二氮化物半導體層200的Al組成比y在第二氮化物半導體層200和第=氮化 物半導體層300之間界面處設(shè)定為0,且在第一氮化物半導體層100和第二氮化物半導體層 200之間界面處設(shè)定為0.02。此外，在第一氮化物半導體層100中的Al組成比X設(shè)定為0.02。 而且，第一氮化物半導體層100的厚度設(shè)定為1皿，第二氮化物半導體層200的厚度設(shè)定為 lOOnm，且第=氮化物半導體層300的厚度設(shè)定為30nm。此外，厚度為30nm的Si化膜用作柵極 絕緣膜410。
[0046] 比較實例的結(jié)構(gòu)除W下幾點之外與該實施例的結(jié)構(gòu)相同。首先，未制備第一氮化 物半導體層100。第二，第二氮化物半導體層200由厚度為Iwii的GaN膜形成。此外，第S氮化 物半導體層300的Al組成比Z設(shè)定為0.15,且第S氮化物半導體層300的厚度設(shè)定為45nm。
[0047] 場效應晶體管10的闊值電壓由在柵極絕緣膜410與第二氮化物半導體層200之間 界面處的導帶電勢和費米能級之間的差（AV)決定。在比較例中，因為在未施加任何柵電壓 的情況下，沒有對柵極絕緣膜410施加任何電場，因此導帶電勢幾乎是平的，且A V約為lev。
[0048] 另一方面，在該實施例的結(jié)構(gòu)中，通過在第二氮化物半導體層200的厚度方向上改 變Al組成比，由極化產(chǎn)生的負電荷分布在第二氮化物半導體層200中。因此，與第二氮化物 半導體層200中分布的負電荷對應的電場施加至柵極絕緣膜410,因此在柵極絕緣膜410和 第二氮化物半導體層200之間界面處的導帶電勢向上升高。因此，本實施例中的A V大于比 較例的A V。換言之，場效應晶體管10的闊值電壓變高。本實施例中的AV約為2eV。
[0049] 此外，在本實施例的結(jié)構(gòu)中，通過改變第二氮化物半導體層200的Al組成比的傾斜 幅度，可W改變分布在第二氮化物半導體層200中的負電荷量。因此，可通過控制第二氮化 物半導體層200的Al組成比的傾斜幅度來控制場效應晶體管10的闊值電壓。
[0050] 圖4示出通過使用在其結(jié)果在圖3中示出的模擬中使用的結(jié)構(gòu)的二維器件模擬的 結(jié)果。在對于該器件模擬來說，將致使漏電流變?yōu)镮mA/mm的柵電壓定義為闊值電壓的假設(shè) 下，則對于該實施例的闊值電壓是2. IV，而對于比較例的闊值電壓是0.7V。該結(jié)果還示出在 第二氮化物半導體層200具有根據(jù)該實施例的結(jié)構(gòu)的情況下，場效應晶體管10的闊值電壓 變高。
[0051] W下將理論地解釋在第二氮化物半導體層200具有根據(jù)該實施例的結(jié)構(gòu)的情況下 使場效應晶體管10的闊值電壓變高的原因。
[0052] 將假設(shè)第二氮化物半導體層200的Al組成比y在從第二氮化物半導體層200的最下 部至最上部WK個階段改變(其中K是等于2或更大的整數(shù)）。此外，將假設(shè)yk是形成第二氮化 物半導體層200的氮化物半導體層204的第k個氮化物半導體層204的Al組成比（其中k = 0， 1，- ? -，K)。此外，如果將足夠大的值賦予K值，則Al組成比y可W視為連續(xù)改變的比。
[0053] 非專利文獻（0.Ambacher等人的 "Pyroelectric p;rope;rties of Al (In)GaN/GaN hetero-and quantum well structures"，Journal of Physics C:Condensed Matter，第 14卷，第3399-3434頁（2002))公開了在AlGaN層中產(chǎn)生的自發(fā)極化電荷Psp(單位:C/m 2 = Cm -2)具有由下式（1)定義的Al組成比yk。
[0化4]
- . . (1)
[(K)對第k個AlGaN層的崎變Ek由下式(2)定義。
[00日6]
< * . (2 ;
[0057]在等式(2)中，a日是AlGaN緩沖層的晶格常數(shù)，且ak是具有Al組成比yk的第H^AlGaN 層的晶格常數(shù)。
[005引因為第二氮化物半導體層200的Al組成比隨著測量Al組成比的位置向上移動而降 低，因此晶格常數(shù)隨著測量晶格常數(shù)的位置向上移動而增大。因此Ek<0。在運種情況下，產(chǎn) 生在形成第二氮化物半導體層200的氮化物半導體層204中的壓電極化電荷Ppz(單位:C/V = Cnf2)由下^^^^州^給出。
[0059] '.（ 2 良）
[0060]
[0061]
[0062] 在第(k-1)個氮化物半導體層204的極化電荷和第k個氮化物半導體層204的極化 電荷之間存在差異，并且在該兩層之間的界面處存在對應于該差異的負電荷A Ok。該負電 荷A化由下式（4)絡?出。
[0063]
'?，.（4)
[0064] 假設(shè)兩個氮化物半導體層204之間的界面處產(chǎn)生的負電荷的體積密度由Npol表示， 且第k個氮化物半導體層204的厚度由tk表示，則體積密度Npol由下式巧)給出。
[00化]
...(5)
[0066] 此外，最上層氮化物半導體層204的表面電荷Qch由等式(6)給出。
[0067] (6,)
[006引 tlO的電場由等式(7)給出。
[0069] . . ? (7 )
[0070] 其中Er是柵極絕緣膜410的相對介電常數(shù)，且EO是真空介電常數(shù)。
[0071] 假設(shè)柵電極420的功函數(shù)由Ogate表示，第二氮化物半導體層200的最上層的電子 親和勢由XSEMI表示，且柵極絕緣膜410的厚度由tox表示，則在柵極絕緣膜410與第二氮化物 半導體層200之間界面處的導帶電勢和費米能級之間的差A V可由等式(8)近似。
[0072] A V=巫 GATE；-化EMI+toX ? Eoxo ? ? ? (8)
[0073] 將通過使用在其結(jié)果在圖3和圖4中示出的模擬中使用的結(jié)構(gòu)進行具體說明。此 時，已知er、e〇、巫GATO和化EMI分別是3.9、8.85xl0-l 4F/cm、4.8eV(Au)和4.1eV(GaN)。由于采用 上述值，在比較例的情況下AV = O. 70eV，且在本實施例的情況下AV=I. 75eV。運些值幾乎 分別等于圖3中所示的模擬的結(jié)果值。
[0074] 圖5A、圖5BW及圖6是用于說明制造半導體器件的方法的橫截面圖，該半導體器件 的結(jié)構(gòu)的橫截面圖在圖1中示出。首先如圖5A中所示，通過使用MOCVD方法在由Si、藍寶石、 SiC等制成的襯底(未示出）上依次形成第一氮化物半導體層100、第二氮化物半導體層200 W及第S氮化物半導體層300。用于MOCVD方法的原料氣體是S甲基嫁（TNG)、S甲基侶 (TMA)或氨氣。為了改變第一氮化物半導體層100、第二氮化物半導體層200或第=氮化物半 導體層300的Al組成比，需要改變=甲基嫁的供應量，同時保持=甲基侶和氨氣的供應量恒 定。例如，為了逐漸降低第二氮化物半導體層200的Al組成比，需要逐漸增加=甲基嫁的供 應量，同時保持=甲基侶氣體和氨氣的供應量恒定。
[0075] 隨后，移除部分第=氮化物半導體層300和第二氮化物半導體層200直至暴露部分 第一氮化物半導體層100的程度，從而形成臺面和隔離元件。
[0076] 隨后，借助瓣射技術(shù)在第=氮化物半導體層300上形成金屬膜(例如由依次堆疊 Ti 和Al而制成的膜），且隨后選擇性移除部分該金屬膜。結(jié)果，在第=氮化物半導體層300上形 成漏電極430和源電極440。隨后，對漏電極430和源電極440執(zhí)行退火工藝。結(jié)果，漏電極430 和源電極440分別與第=氮化物半導體層300形成歐姆接觸。
[0077] 隨后，如圖5B中所示，通過使用等離子體CVD方法在第S氮化物半導體層300、漏電 極430W及源電極440上形成保護絕緣膜450。此后，移除覆蓋漏電極430和源電極440的部分 保護絕緣膜450。
[0078] 隨后，如圖6中所示，選擇性移除覆蓋將要形成凹部310的區(qū)域的部分保護絕緣膜 450。此后，使用漏電極430、源電極440W及保護絕緣膜450作為掩膜對部分第=氮化物半導 體層300( W及根據(jù)需要對部分第二氮化物半導體層200)執(zhí)行蝕刻工藝。在蝕刻工藝之后形 成了凹部310。
[0079] 隨后，例如通過使用ALD(原子層沉積)方法在凹部310的底部和側(cè)面上、漏電極430 上W及源電極440上形成柵極絕緣膜410。此后，例如通過使用瓣射方法在柵極絕緣膜410上 形成柵電極420。隨后移除柵極絕緣膜410和柵電極420的不必要的部分。結(jié)果形成了圖1中 所示的包括場效應晶體管10的半導體器件。
[0080] 如上所述，根據(jù)本實施例，形成第二氮化物半導體層200的多個半導體層的每一個 在相同方向上被極化。此外，更靠近柵電極420的半導體層的極化強度高于(或低于)遠離柵 電極420的半導體層的極化強度。運種極化方向是使相鄰半導體層之間的多個界面的每一 個處的負電荷量都大于正電荷量的方向。結(jié)果，場效應晶體管10的闊值電壓變高。
[0081 ] 第二實施例
[0082] 圖7是示出根據(jù)第二實施例的半導體器件結(jié)構(gòu)的橫截面圖。除了根據(jù)本實施例的 場效應晶體管10是平面型晶體管之外，該半導體器件與根據(jù)第一實施例的半導體器件相 同。
[0083] 確切地說，在該第二實施例中，在第二氮化物半導體層200上并未形成第=氮化物 半導體層300。柵極絕緣膜410、漏電極430和源電極440直接形成在第二氮化物半導體層200 上。柵電極420直接形成在柵極絕緣膜410上。
[0084] 漏極區(qū)432和源極區(qū)442形成在第二氮化物半導體層200的表面層上。漏極區(qū)432和 源極區(qū)442兩者都是n型雜質(zhì)區(qū)。此外，在平面圖中，擴展區(qū)434形成在漏極區(qū)432和柵極區(qū) 420之間。擴展區(qū)434也是n型雜質(zhì)區(qū)。但是，在源極區(qū)442和柵極區(qū)420之間沒有形成擴展區(qū)。 通過將諸如Si離子的雜質(zhì)離子注入第二氮化物半導體層200中而形成漏極區(qū)432、源極區(qū) 442 W及擴展區(qū)434。通過形成擴展區(qū)434,可W提高柵電極420和漏電極430之間的耐受電 壓。但是，如果柵電極420和漏電極430之間的耐受電壓不需要非常高，則利用漏極區(qū)432的 延展部取代擴展區(qū)434是可W的。
[0085] 本實施例也實現(xiàn)類似于第一實施例的有利效果。使第一實施例采用的第=氮化物 半導體層300崎變，從而使第二氮化物半導體層200產(chǎn)生二維電子氣202。由于使第=氮化物 半導體層300崎變，所W存在產(chǎn)生逆壓電效應，并劣化場效應晶體管10的特性的可能性。另 一方面，因為本實施例不具有第=氮化物半導體層300,因此由于逆壓電效應造成的場效應 晶體管10特性的劣化的可能性非常小。
[0086] 此外，本實施例中并未形成凹部，運樣導致降低的制造成本。
[0087] 第=實施例
[0088] 圖8是根據(jù)第=實施例的包括場效應晶體管10的半導體器件的橫截面圖。除了下 述要點，根據(jù)本實施例的場效應晶體管10具有的結(jié)構(gòu)類似于第一實施例具有的結(jié)構(gòu)。
[0089] 首先，本實施例具有包括n型雜質(zhì)的第=氮化物半導體層300。換言之，與根據(jù)第一 實施例的半導體器件不同，根據(jù)本實施例的半導體器件不采用二維電子氣202。因此，無需 使第=氮化物半導體層300崎變。
[0090] 此外，第四氮化物半導體層500形成在第S氮化物半導體層300和漏電極430之間 W及第S氮化物半導體層300和源電極440之間。第四氮化物半導體層500是N型AlGaN層，且 其具有的雜質(zhì)濃度高于第=氮化物半導體層300具有的雜質(zhì)濃度。希望第四氮化物半導體 層500的Al組成與Ga組成的比類似于第S氮化物半導體層300的Al組成與Ga組成的比。
[0091] 此外，在本實施例中，希望第二氮化物半導體層200的Al組成比等于第=氮化物半 導體層300的Al組成比，W便降低第二氮化物半導體層200和第=氮化物半導體層300之間 的接觸電阻。
[0092] 本實施例可實現(xiàn)類似于第一實施例的有利效果。在本實施例中，因為無需使第= 氮化物半導體層300崎變，因此與第二實施例相同，由于逆壓電效應造成的場效應晶體管10 特性的劣化的可能性非常小。
[0093] 此外，當外延生長第=氮化物半導體層300時，能夠?qū)型雜質(zhì)注入第=半導體層 300中。因此，與第二實施例中的工藝溫度相比較，可W將本實施例中的工藝溫度設(shè)定為更 低。此外，第=氮化物半導體層300的雜質(zhì)濃度的可控性高于第二實施例的漏極區(qū)432和源 極區(qū)442的雜質(zhì)濃度的可控性。
[0094] 此外，第四氮化物半導體層500形成在第S氮化物半導體層300和漏電極430之間 W及第=氮化物半導體層300和源電極440之間。由于第四氮化物半導體層500,所W能夠降 低第=氮化物半導體層300的雜質(zhì)濃度，運使得能夠提高場效應晶體管10的耐受電壓。
[0095] 此外，在本實施例中，如果不要求場效應晶體管10的耐受電壓很高，則不形成第四 氮化物半導體層500,且可W將要形成第四氮化物半導體層500的區(qū)域的雜質(zhì)濃度設(shè)定為與 第=氮化物半導體層300的雜質(zhì)濃度類似是可W的。
[0096] 第四實施例
[0097] 圖9是示出根據(jù)第四實施例的電子設(shè)備2的電路構(gòu)造的示意圖。該電子設(shè)備2包括 第一至第=實施例中所示的任意半導體器件（即，場效應晶體管10)。該電子設(shè)備2例如用于 車輛并禪合至電源4和負載6。電源4例如是安裝于車輛上的電池。負載6例如包括安裝在車 輛上的電子零部件一一諸如前燈、用于車窗和車輛供電的用作動力源的電機。電子設(shè)備2控 制從電源4提供至負載6的電力。
[0098] 電子設(shè)備2是包括電路板(例如印刷電路板），W及均被安裝在該電路板上的具有 場效應晶體管10的半導體器件、半導體器件20、具有控制電路30的半導體器件的電子設(shè)備。 半導體器件20包括微型計算機，且經(jīng)由電路板上的導線而連接至場效應晶體管10。半導體 器件20控制場效應晶體管10。確切地說，半導體器件20將控制信號發(fā)送至控制電路30。此 后，控制電路30根據(jù)從半導體器件20發(fā)送的控制信號而將信號發(fā)送至場效應晶體管10的柵 電極420。換言之，控制電路30控制場效應晶體管10。由于通過控制電路30控制場效應晶體 管10,所W電力適當?shù)貜碾娫?提供至負載6。
[0099] 雖然已經(jīng)參考【附圖說明】了本發(fā)明的實施例，但運些實施例僅為說明性實例，且可 對本發(fā)明進行除上述實施例之外的各種改進。雖然采用AlGaN層或AlInN層作為上述實施例 中的氮化物半導體層，但也可采用四元氮化物半導體層，只要其能夠滿足參考圖2描述的極 化情況。
【主權(quán)項】
1. 一種半導體器件，包括： 第一半導體層； 第二半導體層，所述第二半導體層形成在所述第一半導體層上方； 柵極絕緣膜，所述柵極絕緣膜接觸所述第二半導體層；以及 柵電極，所述柵電極經(jīng)由所述柵極絕緣膜面對所述第二半導體層， 其中，所述第一半導體層包括ΑΙχαρχΝ層，所述第二半導體層包括AlyCH-yN層，其中，α是 Ga 或 In，并且00〈1，0$7〈1，并且 其中，形成所述第二半導體層的Alyai-yN層的y隨著測量7的位置接近所述第一半導體層 而至少在所述柵電極下方的區(qū)域中增加。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體器件，其中，所述第二半導體層通過堆疊多個半導體層 來形成。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導體器件，其中，所述第二半導體層的A1組分比階段式地變 化。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導體器件，其中，所述第二半導體層的A1組分比不連續(xù)地變 化。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體器件，進一步包括： 形成在所述第二半導體層上方的源電極和漏電極。6. -種半導體器件，包括： 第一半導體層； 形成在所述第一半導體層上方的第二半導體層； 形成在所述第二半導體層上方的第三半導體層； 凹部，所述凹部形成在所述第三半導體層中，所述凹部的下端達到所述第二半導體層 但未達到所述第一半導體層； 柵極絕緣膜，所述柵極絕緣膜形成在所述凹部的底部和側(cè)面上，以及 柵電極，所述柵電極嵌入在所述凹部中， 其中，所述第一半導體層包括A1xQ1-xN層，所述第二半導體層包括Alyai- yN層，所述第三 半導體層包括AlzahN層，其中，a是Ga或In,并且0〈1〈1，0$7〈1，0$2〈1，并且 其中，形成所述第二半導體層的Alyai-yN層的y隨著測量7的位置接近所述第一半導體層 而至少在所述柵電極下方的區(qū)域中增加。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導體器件，其中，所述第二半導體層通過堆疊多個半導體層 來形成。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導體器件，其中，所述第二半導體層的A1組分比階段式地變 化。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導體器件，其中，所述第二半導體層的A1組分比不連續(xù)地變 化。10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導體器件，進一步包括： 形成在所述第三半導體層上方的源電極和漏電極。11. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導體器件，其中，在所述第二半導體層和所述第三半導體 層之間的界面處，在形成所述第三半導體層的Al zai-zN層的z和形成所述第二半導體層的Aly ai-yN層的y之間存在關(guān)系"z>y"。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導體器件，其中，在所述第二半導體層和所述第三半導體 層之間的界面處，在z和y之間存在關(guān)系"z>y+0.05"。13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導體器件，其中，在所述第二半導體層和所述第三半導體 層之間的界面處，在z和y之間存在關(guān)系"z>y+0. Γ。14. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導體器件，其中，在所述第一半導體層和所述第二半導體 層之間的界面處，在形成所述第一半導體層的Α1 χα?-χΝ層的X和形成所述第二半導體層的Aly ai-yN層的y之間存在關(guān)系"x = y"。15. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導體器件，其中，當在所述第一半導體層和所述第二半導 體層之間的界面處的Alyai- yN層的y為yl，并且在所述第二半導體層和所述第三半導體層之 間的界面處的AlyC[1- yN層的y為y2時，在yl和y2之間存在關(guān)系"0.05〈yl-y2〈0.12"。
【文檔編號】H01L29/778GK105845717SQ201610317928
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2012年8月8日
【發(fā)明人】岡本康弘, 中山達峰, 井上隆, 宮本廣信
【申請人】瑞薩電子株式會社