專利名稱：氮化鎵系外延結(jié)晶、其制造方法及場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及場(chǎng)效應(yīng)晶體管用的氮化鎵系(以下，稱為GaN系)外延 結(jié)晶及其制造方法，以及使用其的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
氮化鎵系場(chǎng)效應(yīng)晶體管是從材料的帶隙的大小來(lái)期待高耐壓的裝置。 但是，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)中所期待的高耐壓化。作為其中的一個(gè)理由，有空 穴的拉拔的問(wèn)題。如果對(duì)晶體管施加高電場(chǎng)而驅(qū)動(dòng)，則移動(dòng)電子與結(jié)晶晶 格相碰撞，由于該碰撞而產(chǎn)生電子與空穴生成的所謂碰撞離子化的現(xiàn)象。 由此生成的電子快速地由漏電極吸引，但是空穴只是比較慢地在結(jié)晶層內(nèi) 向源電極下部移動(dòng)，從而空穴滯留、蓄積在結(jié)晶中。如果產(chǎn)生該空穴的滯 留、蓄積，則元素活性層的電化學(xué)電勢(shì)下降，更多的電子在元素活性層內(nèi) 移動(dòng)，這產(chǎn)生引起進(jìn)一步的碰撞離子化的傾向，其結(jié)果，如果產(chǎn)生電流增 加的正反饋現(xiàn)象，則不久之后裝置就達(dá)到破壞的程度。因此，對(duì)晶體管施 加高電壓時(shí)，需要使電壓為不產(chǎn)生電流增加的正反饋現(xiàn)象的程度，因此即 使增大帶隙，也不容易實(shí)現(xiàn)與此平衡的高耐壓化。為了解決這個(gè)問(wèn)題，例如，(日本)特開2001-168111號(hào)公報(bào)、特開 2004-342810號(hào)公報(bào)公開有將因碰撞離子化產(chǎn)生的空穴向元素活性層外 拉拔的技術(shù)。該現(xiàn)有技術(shù)是在GaN系場(chǎng)效應(yīng)晶體管中遍及元素活性層的 下部整個(gè)表面來(lái)配置電接地的p傳導(dǎo)型的GaN系外延結(jié)晶層的技術(shù)，根 據(jù)該結(jié)構(gòu)，通過(guò)將電接地的p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層配置在元素活性層下部， 能夠?qū)⒂膳鲎搽x子化的現(xiàn)象等產(chǎn)生的空穴從元素活性層向外拉拔。根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)，能夠期待穩(wěn)定的空穴拉拔效果，但是存在以下的 問(wèn)題點(diǎn)。通常，由于p傳導(dǎo)型的GaN系結(jié)晶層摻雜高濃度的鎂等形成， 因此結(jié)晶性差。因此，由于在該結(jié)晶上外延生成的元素活性層繼承p傳導(dǎo)型氮化鎵層的結(jié)晶性的不良，因此有移動(dòng)電子的移動(dòng)度低的問(wèn)題、或來(lái)自 柵電極的漏電流大等問(wèn)題，難以制作出供給實(shí)用水平的晶體管。此外，通常形成p傳導(dǎo)型氮化鎵層時(shí)，由于活性化率的不穩(wěn)定或p傳 導(dǎo)型添加劑的擴(kuò)散等，難以正確地再現(xiàn)并良好地控制載流子濃度及其在結(jié) 晶中的分布。因此，在柵極下部也配置有p傳導(dǎo)型層的構(gòu)造的晶體管中， 存在容易引起閾值電壓的變動(dòng)或夾斷不良等問(wèn)題點(diǎn)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問(wèn)題點(diǎn)的氮 化鎵系外延結(jié)晶及其制造方法。本發(fā)明的另一目的在于提供一種高耐壓的 場(chǎng)效應(yīng)晶體管。本發(fā)明者經(jīng)過(guò)銳意研究討論，完成了本發(fā)明。艮P，本發(fā)明提供(1) ~ (12)的技術(shù)方案。(1) 一種氮化鎵系外延結(jié)晶，其用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中， 所述氮化鎵系外延結(jié)晶包括襯底基板和(a) (e)層，并且， 為了電連接第一緩沖層與p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層，將包含氮化鎵系結(jié)晶的連接層配置在非氮化鎵系的絕緣層的開口部，所述(a) (e)層為(a) 柵極層；(b) 包括與柵極層的襯底基板側(cè)界面相接的通道層的高純度的第一 緩沖層；(c) 配置在第一緩沖層的襯底基板側(cè)的第二緩沖層；(d) 配置在第二緩沖層的襯底基板側(cè)且其一部分具有開口部的非氮 化鎵系的絕緣層；以及，(e) 配置在絕緣層的襯底基板側(cè)的p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層。(2) 在(1)所述的 結(jié)晶中，連接層是p傳導(dǎo)型結(jié)晶。(3) 在(1)所述的結(jié)晶中，連接層具有向第一緩沖層延伸的端部， 且端部未延伸至超過(guò)第一緩沖層。(4) 在(1) ~ (3)中任一項(xiàng)所述的結(jié)晶中，連接層是利用向p傳導(dǎo) 型半導(dǎo)體結(jié)晶層上的選擇生長(zhǎng)而形成的結(jié)晶層，其中所述p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層在非氮化鎵系的絕緣層的開口部露出。(5) 在(1) (4)中任一項(xiàng)所述的結(jié)晶中，第一緩沖層的除非氮化 鎵系的絕緣層的開口部的上部之外的平均位錯(cuò)密度為lxlOVcm以下。(6) 在(1) ~ (5)中任一項(xiàng)記載的結(jié)晶中，第二緩沖層的至少一部 分是以配置在開口部的氮化鎵系結(jié)晶為基點(diǎn)通過(guò)選擇橫向生長(zhǎng)法形成的 結(jié)晶層。(7) 在(1) (6)中任一項(xiàng)記載的結(jié)晶中，絕緣層包含氧化硅或氮化硅。(8) —種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其使用上述1~7中任一項(xiàng)所述的結(jié)晶，其 中，具有形成在柵極層的上部的柵電極；配置在柵電極的兩側(cè)并與柵極層歐姆連接的源電極及漏電極， 開口部或形成在開口部的連接層配置為與源電極下部或柵電極的源 側(cè)端和源電極之間的區(qū)域?qū)χ?，p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層與空穴拉拔用電極連接。(9) 在(8)所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，第二緩沖層是通過(guò)橫向生長(zhǎng)法 生長(zhǎng)的結(jié)晶層。(10) 在(8)所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，第一緩沖層與所述柵極層的 界面由半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面構(gòu)成。(11) 一種氮化鎵系外延結(jié)晶的制造方法，其中，包括步驟(I ) ~ (IV)，即，(I )使p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層在襯底基板上外延生長(zhǎng)的步驟；(11) 在p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層上形成絕緣層的步驟；(III) 在絕緣層設(shè)置開口部的步驟；以及，(IV) 以絕緣層作為掩膜在開口部生長(zhǎng)連接層的步驟，所述連接層用 于電連接p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層和第一緩沖層。(12) 在(11)所述的方法中，還包括步驟(V)，艮口，(V) 在連接層生長(zhǎng)后，在絕緣層上以在開口部形成的氮化鎵系結(jié)晶 作為基點(diǎn)通過(guò)選擇橫向生長(zhǎng)法形成結(jié)晶層的步驟。根據(jù)本發(fā)明，將用于空穴拉拔的p傳導(dǎo)型結(jié)晶層與空穴蓄積、滯留的 源電極的下層對(duì)置配置，由此實(shí)現(xiàn)晶體管的高耐壓化，并在對(duì)電子的移動(dòng)特性影響大的柵電極到漏電極的緩沖層的下部配置有絕緣層，由此能夠有 效地防止晶體管的閾值變動(dòng)或夾斷性的惡化。再者，在絕緣層的上層(基 板的相反側(cè))配置有通過(guò)橫向生長(zhǎng)法生長(zhǎng)的位錯(cuò)缺陷少的結(jié)晶層，并通過(guò) 該結(jié)晶品質(zhì)優(yōu)良的結(jié)晶層形成緩沖層。由此，能夠進(jìn)一步提高電子的移動(dòng) 性能并減少柵電流的泄漏。


圖1是用于說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式的GaN系FET的示意剖面圖。圖2表示用于說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例的GaN系FET的制作工序。圖3是基于本發(fā)明的GaN系FET的示意剖面圖。[符號(hào)說(shuō)明]101 襯底基板102緩沖層103 p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層104 絕緣層 104A開口部 105連接層 106第二緩沖層 107第一緩沖層 108柵極層109、 209 源電極110、 210漏電極111、 211柵電極112、 212空穴拉拔電極113、 213 元素分離槽 201碳化硅襯底基板 202氮化鋁緩沖層205 p傳導(dǎo)型氮化鎵連接層206 i傳導(dǎo)型氮化鎵橫方向生長(zhǎng)層207 i傳導(dǎo)型氮化鎵通道層208 i傳導(dǎo)型氮化鋁鎵電子供給層具體實(shí)施方式
本發(fā)明的氮化鎵系外延結(jié)晶包括襯底基板和所述(a) (e)層。 在本發(fā)明中，包含氮化鎵系結(jié)晶的連接層配置在非氮化鎵系的絕緣層的開 口部，并將第一緩沖層與p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層進(jìn)行電連接。接下來(lái)，參照

本發(fā)明。圖1是應(yīng)用本發(fā)明的氮化鎵系外延結(jié)晶的氮化鎵系場(chǎng)效應(yīng)晶體管(以 下，稱為GaN系FET)的示意剖面圖。氮化鎵系的場(chǎng)效應(yīng)晶體管100包 括襯底基板101、緩沖層102、 p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層103、絕緣層104、 緩沖層106、緩沖層107、柵極層108、連接層105、電極108、 109、 110、 111。(襯底基板)襯底基板101是包含例如碳化硅、藍(lán)寶石、硅、氮化鎵、砷化鎵等的 單結(jié)晶基板。襯底基板101通常為半絕緣性、低阻抗p導(dǎo)電性、n導(dǎo)電性， 優(yōu)選半絕緣性、低阻抗p導(dǎo)電性。作為襯底基板市售有各種各樣的尺寸。 在襯底基板101中可以使用這樣的市售品。 (緩沖層)緩沖層102在襯底基板101上生長(zhǎng)。緩沖層102以如下目的導(dǎo)入，即， 對(duì)在襯底基板101上生長(zhǎng)的各種半導(dǎo)體結(jié)晶層與襯底基板101之間的晶格 常數(shù)差為原因而產(chǎn)生的變形進(jìn)行緩和，而且，防止襯底基板101含有的不 純物的影響等。緩沖層102包含例如氮化鋁、氮化鋁鎵、氮化鎵類的材料。緩沖層102 可以在襯底基板101上通過(guò)MOVPE法、MBE法、HVPE法等層疊該材料 而形成。緩沖層102可以用適合于各生長(zhǎng)方法的市售的原料生長(zhǎng)。緩沖層 102厚度通常為300nm到3000nm。 (p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層)P傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層103在緩沖層102上生長(zhǎng)。P傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié) 晶層103包含例如氮化鋁、氮化鋁鎵、氮化鎵類的材料。P傳導(dǎo)型半導(dǎo)體 結(jié)晶層103可以通過(guò)MOVPE法、MBE法、HVPE法生長(zhǎng)。原料可以使用 適合于各生長(zhǎng)方法的市售的原料。在生長(zhǎng)中，為了得到p傳導(dǎo)型的導(dǎo)電型， 在半導(dǎo)體結(jié)晶中摻雜不純物。作為添加劑可以使用鎂。添加濃度通常為從 5xlO'6cm-2至UlxlO"cm—2的范圍，更優(yōu)選為從lxlO' cm—，jlxlO m一2 ，最優(yōu) 選為從5xlO"cnT2到5xlO'9cnT2。在P傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層103中，厚度通 常為10nm到2000nm，更優(yōu)選50nm到1500nm，最優(yōu)選100nm到1000nm。 (絕緣層)
絕緣層104形成在p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層103上。絕緣層104包含電 絕緣材料。在絕緣層104設(shè)置有窗即開口部104A。通過(guò)開口部104A將p 傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層103與絕緣層103的上層部進(jìn)行電連接。絕緣層104 的厚度通常為10nm到3000nm。
用標(biāo)號(hào)105表示的連接層為了進(jìn)行電連接而配置在開口部104A。連 接層在以下進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。考慮加工的容易度和晶體管的尺寸，開口部 104A的寬度通常為100nm到5000nm。
如上所述，絕緣層104包含電絕緣材料，通常為了對(duì)晶體管施加充分 的夾斷性和穩(wěn)定的閾值特性而具有充分的電絕緣性，并且，形成絕緣層104 后，為了使連接層105生長(zhǎng)，進(jìn)行向設(shè)置在絕緣層104的開口部104A的 外延生長(zhǎng)，因此具有能夠忍耐其生長(zhǎng)溫度的耐熱性，再者，為了在p傳導(dǎo) 型半導(dǎo)體結(jié)晶層103上選擇生長(zhǎng)連接層105，氮化鎵系結(jié)晶包含不向表面 析出的材料。材料為例如氮化硅、氧化硅。絕緣層104的形成可以通過(guò)蒸 鍍法、濺射法、CVD法進(jìn)行，在形成中可以使用適用于各生長(zhǎng)方法的市 售的原料。 (緩沖層)
為了能夠?qū)⒃诮^緣層104的上層側(cè)(元素活性層側(cè))的空穴經(jīng)由連接 層105有效地向絕緣層104的下層側(cè)(基板側(cè))拉拔，在絕緣層104上配 置有位錯(cuò)缺陷少的結(jié)晶層。在絕緣層104上設(shè)置有通過(guò)橫向生長(zhǎng)法而外延 生長(zhǎng)形成的第二緩沖層106。第二緩沖層106包括i型或p型的氮化鋁鎵 或氮化鎵、氮化鋁鎵銦類材料。第二緩沖層IO的生長(zhǎng)由例如MOVPE法、MBE法、HVPE法進(jìn)行，從橫向生長(zhǎng)的容易度的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選利用 MOVPE法。為了得到i型的導(dǎo)電層，使其為高純度或添加碳、鐵、錳、 鉻等補(bǔ)償元素。為了得到p型的導(dǎo)電型，添加不純物。作為添加劑可以使 用鎂。在第二緩沖層106中，膜厚通常為500nm 5000nm ，優(yōu)選 700nm 4000nm，更優(yōu)選900nm 3000nm。在p型、i型任何的情況下，第 二緩沖層106都優(yōu)選為耗盡化(空乏化)。為了橫向生長(zhǎng)第二緩沖層106, 作為基材(基點(diǎn))使用后述的連接層105。為了使連接層105適合于作為 第二緩沖層106的橫向生長(zhǎng)的基材，重要的是如圖1所示比絕緣層104靠 上的部位的截面形狀形成為多面體面。所謂橫向生長(zhǎng)是指在作為襯底形成 的多面體面上使結(jié)晶沿與基板平行的方向外延生長(zhǎng)的方法，并公開在例如 日本特開平10-312971號(hào)公報(bào)、日本特開平11-135770號(hào)公報(bào)中。也可以 參照此來(lái)設(shè)定條件?？梢酝ㄟ^(guò)適當(dāng)選擇基板溫度、反應(yīng)爐壓力來(lái)進(jìn)行形成。 形成的條件較大地依賴于反應(yīng)爐的形狀，但基板溫度通常為1050°C ~1250°C，優(yōu)選1100°C 1225°C，更優(yōu)選1150°C~1200°C。反應(yīng)爐壓力通常 為0.5torr 200torr，優(yōu)選ltorr 100torr，更優(yōu)選5torr 50torr。
在第二緩沖層106上形成有高純度的第一緩沖層107。第一緩沖層107 含有下述的通道層。第一緩沖層107包含i型或p型的氮化鋁鎵或氮化鎵、 氮化鋁鎵銦。材料可以在與作為襯底的第二緩沖層106之間不產(chǎn)生較大的 晶格常數(shù)差的范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)選擇，優(yōu)選與第二緩沖層106為相同結(jié)晶系 并為相同的組成。第一緩沖層107的生長(zhǎng)可以通過(guò)例如MOVPE法、MBE 法、HVPE法進(jìn)行。在第一緩沖層107中，膜厚通常為50nm 3000nm，優(yōu) 選70nm 1000nm，更優(yōu)選90nm 500nm。 (柵極層)
柵極層108形成第一緩沖層107上。柵極層108包含i型或n型的氮 化鋁鎵、氮化鎵或氮化鋁鎵銦類的材料，重要的是為比第一緩沖層107電 子親和力小的組成。柵極層108的厚度只要設(shè)定在第一緩沖層107與柵極 層之間的晶格乘數(shù)差引起的彈性變形限度內(nèi)即可，根據(jù)設(shè)定的組成決定， 通常為5nm 50nm。 (通道層)
通道層形成在第一緩沖層107和柵極層108的界面的第一緩沖層107側(cè)。即，第一緩沖層107是含有與柵極層108的襯底基板側(cè)界面相接的通 道層的高純度的層。通過(guò)選擇柵極層108的組成，在第一緩沖層107與柵 極層之間產(chǎn)生晶格常數(shù)差。通過(guò)晶格常數(shù)差產(chǎn)生壓電電場(chǎng)，從而在第一緩 沖層107側(cè)誘發(fā)自由載流子。 (連接層)
連接層105配置在開口部104A。圖1表示在開口部104A配置的連接 層105的一方式，連接層105的配設(shè)方式并不局限于此。連接層105的襯 底基板101側(cè)的端部與p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層103電連接。連接層105的 相反側(cè)(上層側(cè))的端部向第一緩沖層107延伸，但不延伸至超過(guò)第一緩 沖層107。在第一緩沖層107產(chǎn)生的空穴能夠通過(guò)連接層105流入p傳導(dǎo) 型半導(dǎo)體結(jié)晶層103?？昭ㄗ罱K經(jīng)由與p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層103連接的 空穴拉拔電極112拉拔。連接層105通常包含氮化鋁、氮化鋁鎵、氮化鎵 類的材料。相對(duì)于在第一緩沖層107產(chǎn)生的空穴不產(chǎn)生電勢(shì)的障礙的方式， 連接層105優(yōu)選與p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層103為相同的結(jié)晶系，并包括具 有相同組成的材料。連接層105的導(dǎo)電型為i型、p型、n型均可，此時(shí)， 也以相對(duì)于在第一緩沖層107產(chǎn)生的空穴不產(chǎn)生電勢(shì)的障礙的方式，將其 電子濃度設(shè)定為比第一緩沖層107的電子濃度低。連接層105的厚度也可 以設(shè)定在比絕緣層104厚的范圍內(nèi)，通常為20nm 10000nm，優(yōu)選 50nm 5000nm，更優(yōu)選100nm 2000nm。 (電極)
在柵極層108上形成有源電極109、漏電極110以及柵電極111。源 電極109及漏電極110包含例如Ti / Al類的材料。柵電極111包含例如 Ni/Au類的材料。標(biāo)號(hào)112表示空穴拉拔電極?？昭ɡ坞姌O112設(shè)置 在p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層103的露出部分?？昭ɡ坞姌O112包含例如 Ni/Au類的材料。在圖1中，將源電極109與空穴電極112進(jìn)行連接， 并且均接地，但是也可以將空穴拉拔電極112獨(dú)立地偏置于負(fù)。
標(biāo)號(hào)113表示用于元素分離的元素分離槽。在圖1中，為了簡(jiǎn)單地說(shuō) 明，表示了一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管100，但是也可以在場(chǎng)效應(yīng)晶體管制造用的 外延結(jié)晶上形成多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管100，并設(shè)置元素分離槽113，在外延 結(jié)晶上形成為使具有上述的層構(gòu)造的多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管100不相互電干涉。
對(duì)連接層105、第二緩沖層106及各電極的配置關(guān)系進(jìn)行說(shuō)明。優(yōu)選
將連接層105配置為與晶體管的活性區(qū)域中的柵電極111的源側(cè)端和源電 極109之間的區(qū)域?qū)χ?，且此外的晶體管的活性區(qū)域?yàn)榕c第二緩沖層106 對(duì)置的配置結(jié)構(gòu)。在圖1中，作為用于空穴的拉拔的p傳導(dǎo)型結(jié)晶的連接 層105以與源電極109對(duì)置的方式配置在空穴蓄積、滯留的源電極109的 下層。由此，成為能夠極有效地拉拔空穴的結(jié)構(gòu)。通過(guò)如此的配置結(jié)構(gòu)， 有效地實(shí)現(xiàn)來(lái)自經(jīng)由連接層105的第一緩沖層107的空穴的拉拔。另外， 載流子從以最高速移動(dòng)的柵電極111的下部到漏電極110的通道部的結(jié)晶 層通過(guò)由橫向生長(zhǎng)法形成的第二緩沖層106的配置而配設(shè)有沒有/少位錯(cuò) 的結(jié)晶層，因此形成具有更高移動(dòng)度的電子移動(dòng)層，進(jìn)一步提高成為載流 子的電子的移動(dòng)度。因此，能夠形成具有優(yōu)良的高輸出、高頻特性等特征 的晶體管。而且，也能夠期待所謂能夠抑制橫方結(jié)晶性的惡化引起的柵漏 電流的增大的效果。再者，通過(guò)在對(duì)電子的移動(dòng)特性影響較大的柵電極111 至漏電極110的第一緩沖層107的下部配置有絕緣層104，能夠有效地抑 制向基板方向的電流的泄漏，并有效地防止晶體管的閾值變動(dòng)或夾斷性的 惡化。
對(duì)異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明，但是本發(fā)明 通過(guò)改變半導(dǎo)體結(jié)晶層的構(gòu)造而能夠適用于具有其它的FET構(gòu)造的 MODFET、 MESFET用外延結(jié)晶基板。
在上述中，基于實(shí)施方式的一個(gè)例子說(shuō)明了本發(fā)明，但是上述公開的 本發(fā)明的實(shí)施方式僅是例示，本發(fā)明的技術(shù)范圍并不局限于這些實(shí)施方 式。本發(fā)明的技術(shù)范圍通過(guò)權(quán)利要求書的范圍表示，進(jìn)一步包含與專利申 請(qǐng)的范圍的記載等同的意義及在該范圍內(nèi)的全部變形。
實(shí)施例
通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，但是本發(fā)明的范圍并不局限于 本實(shí)施例。
圖2示出了具有圖1的結(jié)構(gòu)的氮化鎵系場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造工序。 (氮化鎵系外延結(jié)晶的制作) 生長(zhǎng)面為(0001)面，將關(guān)閉角為0.5°的碳化硅襯底基板201安置于生長(zhǎng)爐。在襯底基板201上通過(guò)MOCVD法生長(zhǎng)厚度2000nm的氮化鋁 緩沖層202 (圖2的(A))。
切換原料氣體，作為添加劑使用鎂原料，生長(zhǎng)了厚度500nm、 Mg濃 度5xl0'8cm-2的添加了鎂的p傳導(dǎo)型氮化鎵結(jié)晶層203 (圖2的(B))。
冷卻后，從反應(yīng)爐取出襯底基板201。將襯底基板201安裝于CVD 裝置，在p傳導(dǎo)型氮化鎵結(jié)晶層203上生長(zhǎng)厚度為500nm的氮化硅絕緣層 204，得到基板。從CVD裝置取出基板，并在基板旋轉(zhuǎn)涂敷抗蝕劑后，通 過(guò)光刻法在抗蝕劑形成窗。該窗用于在氮化硅絕緣層204形成開口部204A 時(shí)，并以1000nm寬度形成為與p傳導(dǎo)型氮化鎵結(jié)晶層203的結(jié)晶面(ll-20) 平行的線狀。窗以外的部分以20000nm寬度形成。利用氧化氟溶液蝕刻除 去由形成窗而露出的氮化硅，形成開口部204A (圖2的(C))。
再次將得到的基板安裝于生長(zhǎng)爐，通過(guò)MOCVD法生長(zhǎng)p傳導(dǎo)型氮化 鎵連接層205，在比氮化硅絕緣層204靠上層形成有由(11-22)面構(gòu)成的 多面體面。
停止供給作為添加劑的鎂原料，將基板溫度/反應(yīng)爐壓力設(shè)定為 115(TC/100torr而使結(jié)晶橫向生長(zhǎng)，在所述(ll-22)面上生長(zhǎng)厚度為1000nm 的i傳導(dǎo)型氮化鎵橫向生長(zhǎng)層206 (圖2的(E))。
此后，改變反應(yīng)爐的壓力及生長(zhǎng)溫度，生長(zhǎng)厚度為500nm的i傳導(dǎo)型 氮化鎵通道層207。改變?cè)蠚怏w，使鋁組成20%，厚度30nm的i型氮 化鋁鎵電子供給層208 (圖2的(G))。如上所示，制作具有圖2的(F) 所示的層構(gòu)造的場(chǎng)效應(yīng)晶體管用氮化鎵系外延結(jié)晶。 (GaN系FET的制作)
使用氮化鎵系場(chǎng)效應(yīng)晶體管用外延結(jié)晶如下制作圖3所示的GaN系 FET200。
通過(guò)光刻法形成規(guī)定的抗蝕劑開口后，通過(guò)使用氯氣的ICP蝕刻法， 形成到達(dá)基板深度的元素分離槽213。
以同樣的方法，將結(jié)晶層的一部分蝕刻到p傳導(dǎo)型氮化鎵結(jié)晶層203 為止，形成空穴拉拔電極212。
以同樣的方法，通過(guò)光刻法形成規(guī)定形狀的抗蝕劑開口。此時(shí)，在下 一個(gè)工序中以在形成有源電極209的開口部的下部配置有p傳導(dǎo)型氮化鎵連接層205的方式進(jìn)行對(duì)位。
將Ti / Al / Ni / Au金屬膜以蒸鍍法形成為20nm / 150nm / 25nm / 50nm的厚度后，通過(guò)提離法加工成規(guī)定的形狀。
在80(TC下在氮?dú)夥罩屑訜?0秒，形成源電極209和漏電極210。
同樣地以光刻法形成規(guī)定的抗蝕劑開口 ，并用蒸鍍法將Ni / Au金屬 膜形成為25nm / 150nm的厚度后，通過(guò)提離法加工成規(guī)定的形狀。
在70(TC下在氮?dú)夥罩屑訜?0秒，形成空穴拉拔電極212。
同樣地以光刻法形成規(guī)定的抗蝕劑開口，并用蒸鍍法將Ni / Au金屬 膜形成為25nm/ 150nm的厚度后，通過(guò)提離法加工成規(guī)定的形狀并形成 柵電極211。這樣得到圖3的構(gòu)造的GaN系FET200。
在GaN系FET中，源電極209—柵電極211的間隔為2 n m，柵電極 211—漏電極210間隔為4um，柵極長(zhǎng)度為1.5um，柵極寬度30um。 (GaN系FET的評(píng)價(jià))
評(píng)價(jià)了 GaN系FET的關(guān)閉耐壓。將源電極接地，對(duì)柵電極施加作為 閾值電壓(在制作的裝置中為-5.5V)以下的電壓的-10V，將漏電壓向正 方向施加，將電流值成為1mA / mm的電壓作為元素的耐壓。耐壓為440V。 而且，作為柵電壓施加0V，作為漏電極施加30V，測(cè)定電流密度。電流 密度為921mA / mm。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種同時(shí)持有高破壞耐壓、高電子移動(dòng)度及低柵極 漏電流的高性能的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。另外，根據(jù)本發(fā)明，高再現(xiàn)性地生產(chǎn)正 確地控制閾值的晶體管。
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵系外延結(jié)晶，其用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中，所述氮化鎵系外延結(jié)晶包括襯底基板和(a)～(e)層，并且，為了電連接第一緩沖層與p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層，將包含氮化鎵系結(jié)晶的連接層配置在非氮化鎵系的絕緣層的開口部，所述(a)～(e)層為(a)柵極層；(b)包括與柵極層的襯底基板側(cè)界面相接的通道層的高純度的第一緩沖層；(c)配置在第一緩沖層的襯底基板側(cè)的第二緩沖層；(d)配置在第二緩沖層的襯底基板側(cè)且其一部分具有開口部的非氮化鎵系的絕緣層；以及，(e)配置在絕緣層的襯底基板側(cè)的p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的結(jié)晶，其中， 連接層為p傳導(dǎo)型結(jié)晶。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的結(jié)晶，其中，連接層具有向第一緩沖層延伸的端部，且端部未延伸至超過(guò)第一緩沖層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的結(jié)晶，其中， 連接層是利用向p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層上的選擇生長(zhǎng)而形成的結(jié)晶層，其中所述p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層在非氮化鎵系的絕緣層的開口部露出。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的結(jié)晶，其中，第一緩沖層的除非氮化鎵系的絕緣層的開口部的上部之外的平均位 錯(cuò)密度為lxl0Vcm以下。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1 5中任一項(xiàng)所述的結(jié)晶，其中， 第二緩沖層的至少一部分是以配置在開口部的氮化鎵系結(jié)晶為基點(diǎn)通過(guò)選擇橫向生長(zhǎng)法形成的結(jié)晶層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的結(jié)晶，其中， 絕緣層包含氧化硅或氮化硅。
8. —種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其使用權(quán)利要求1 7中任一項(xiàng)所述的結(jié)晶， 其中，具有-形成在柵極層的上部的柵電極；配置在柵電極的兩側(cè)并與柵極層歐姆連接的源電極及漏電極， 開口部或形成在開口部的連接層配置為與源電極下部或柵電極的源 側(cè)端和源電極之間的區(qū)域?qū)χ茫琾傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層與空穴拉拔用電極連接。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中， 第二緩沖層是通過(guò)橫向生長(zhǎng)法生長(zhǎng)的結(jié)晶層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中， 第一緩沖層與所述柵極層的界面由半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面構(gòu)成。
11. 一種氮化鎵系外延結(jié)晶的制造方法，其中，包括步驟(I )~(IV)，即，(I )使p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層在襯底基板上外延生長(zhǎng)的步驟；(II) 在p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層上形成絕緣層的步驟；(III) 在絕緣層設(shè)置開口部的步驟；以及，(IV) 以絕緣層作為掩膜在開口部生長(zhǎng)連接層的步驟，所述連接層用 于電連接p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層和第一緩沖層。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中，還包括步驟(V)，艮卩，(V) 在連接層生長(zhǎng)后，在絕緣層上以在開口部形成的氮化鎵系結(jié)晶 作為基點(diǎn)通過(guò)選擇橫向生長(zhǎng)法形成結(jié)晶層的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種氮化鎵系外延結(jié)晶、其制造方法及場(chǎng)效應(yīng)晶體管。氮化鎵系外延結(jié)晶包含襯底基板和(a)～(e)層，并且為了電連接第一緩沖層與p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層，將包含氮化鎵系結(jié)晶的連接層配置在非氮化鎵系的絕緣層的開口部，所述(a)～(e)層為(a)柵極層；(b)包括與柵極層的襯底基板側(cè)界面相接的通道層的高純度的第一緩沖層；(c)配置在第一緩沖層的襯底基板側(cè)的第二緩沖層；(d)配置在第二緩沖層的襯底基板側(cè)且其一部分具有開口部的非氮化鎵系的絕緣層；以及，(e)配置在絕緣層的襯底基板側(cè)的p傳導(dǎo)型半導(dǎo)體結(jié)晶層。
文檔編號(hào)H01L21/338GK101611479SQ20088000495
公開日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2008年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月16日
發(fā)明者佐澤洋幸, 秦雅彥, 西川直宏 申請(qǐng)人:住友化學(xué)株式會(huì)社