• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    本發明之課題在於，在將氮化物半導體層用作通道之電晶體中提高閾值電壓。第2氮化物半導體層200具有依序積層有Al之組成比互不相同之複數層氮化物半導體層204之構造，故而Al組成呈階梯狀變化。形成第2氮化物半導體層200之複數層半導體層分別向同一方向極化。而且，靠近閘極電極420之半導體層之極化強度變得強於(或弱於)遠離閘極電極420之半導體層。即，複數層半導體層係隨著接近於閘極電極420，而極化之強度向一個方向變化。該極化之方向係於複數層半導體層內之界面中負電荷變得多於正電荷之方向。
    公开号:TW201314904A
    申请号:TW101127846
    申请日:2012-08-01
    公开日:2013-04-01
    发明作者:Yasuhiro Okamoto；Tatsuo Nakayama；Takashi Inoue；Hironobu Miyamoto
    申请人:Renesas Electronics Corp；
    IPC主号:H01L29-00
    专利说明:
    半導體裝置及半導體裝置之製造方法
    本發明係關於一種包含氮化物半導體層之半導體裝置及半導體裝置之製造方法。
    由於使用GaN等氮化物半導體層之場效電晶體具有高耐壓及低電阻之特徵，故而被期待用作電力控制用元件。要求電力控制用元件為常斷開(normally off)型。但是，難以使使用氮化物半導體層之場效電晶體為常斷開型。
    於專利文獻1中記載有將AlGaN層與GaN層之異質接合之界面所儲存之二維電子氣用作載體之電晶體。於該電晶體中，藉由使閘極電極下不存在異質接合，從而於閘極電極下不會產生二維電子氣。藉此，認為可實現常斷開型之電晶體。
    於專利文獻2中揭示有具有以下構造之電晶體。首先，積層第1氮化物半導體層、第2氮化物半導體層、及第3氮化物半導體層，且於第2氮化物半導體層與第3氮化物半導體層之界面產生二維電子氣。而且，於第3氮化物半導體層及第2氮化物半導體層上形成到達第3氮化物半導體層之凹部，於該凹部內嵌入閘極絕緣膜及閘極電極。於專利文獻2中，凹部貫通第2氮化物半導體層。再者，於專利文獻2中記載有使第2氮化物半導體層為積層Al濃度互不相同之複數層AlGaN層而成之構造。 [先前技術文獻] [專利文獻] [專利文獻1]
    國際公開第03/071607號說明書 [專利文獻2]
    日本專利特開2011-044647號公報
    亦要求電力控制用電晶體之閾值電壓較高。但是，將氮化物半導體層用作通道之電晶體難以提高閾值電壓。
    根據本發明，提供一種半導體裝置，其包括：第1氮化物半導體層；第2氮化物半導體層，其形成於上述第1氮化物半導體層上；閘極絕緣膜，其與上述第2氮化物半導體層接觸；及閘極電極，其介隔上述閘極絕緣膜而面向上述第2氮化物半導體層；且上述第2氮化物半導體層係積層複數層半導體層而形成，至少於位於上述閘極電極之下方之區域內，上述複數層半導體層分別向同一方向極化，且使組成互不相同，藉此，於上述複數層半導體層內之界面中負電荷變得多於正電荷。
    根據本發明，第2氮化物半導體層具有積層有複數層半導體層之構造。該等複數層半導體層至少於位於閘極電極之下方之區域內，分別向於複數層半導體層內之界面中負電荷變得多於正電荷之方向極化。即，於第2氮化物半導體層中形成通道之區域內，自外觀上看預先存在負電荷。因此，電晶體之閾值電壓升高。
    根據本發明，提供一種半導體裝置，其包括：第1氮化物半導體層，其包含Alxα1-xN層(α為Ga或In，0<x<1)；第2氮化物半導體層，其形成於上述第1氮化物半導體層上，且包含Alyα1-yN層(0≦y<1)；閘極絕緣膜，其與上述第2氮化物半導體層接觸；及閘極電極，其介隔上述閘極絕緣膜而面向上述第2氮化物半導體層；且至少於位於上述閘極電極之下方之區域內，上述第2氮化物半導體層係隨著接近於上述第1氮化物半導體層而y增加。
    根據本發明，第2氮化物半導體層包含Alyα1-yN層(0≦y<1)。而且，y隨著接近於第1氮化物半導體層而增加。因此，於第2氮化物半導體層中形成通道之區域內，自外觀上看預先存在負電荷。因此，電晶體之閾值電壓升高。
    根據本發明，提供一種半導體裝置之製造方法，其包括如下步驟：於第1氮化物半導體層上形成第2氮化物半導體層；形成與上述第2氮化物半導體層接觸之閘極絕緣膜；及形成介隔上述閘極絕緣膜而面向上述第2氮化物半導體層之閘極電極；且於形成上述第2氮化物半導體層之步驟中，藉由積層組成互不相同之複數層半導體層而形成上述第2氮化物半導體層，至少於位於上述閘極電極之下方之區域內，上述複數層半導體層分別向同一方向極化，且使組成互不相同，藉此，隨著接近於上述閘極電極，極化之強度變強或變弱，上述複數層半導體層向於上述複數層半導體層內之界面中負電荷變得多於正電荷之方向極化。
    根據本發明，提供一種半導體裝置之製造方法，其包括如下步驟：於包含Alxα1-xN層(α為Ga或In，0<x<1)之第1氮化物半導體層上形成包含Alyα1-yN層(0≦y<1)之第2氮化物半導體層；形成與上述第2氮化物半導體層接觸之閘極絕緣膜；及形成介隔上述閘極絕緣膜而面向上述第2氮化物半導體層之閘極電極；且於形成上述第2氮化物半導體層之步驟中，以至少於位於上述閘極電極之下方之區域內，隨著接近於上述第1氮化物半導體層而y增加之方式形成上述第2氮化物半導體層。
    根據本發明，於將氮化物半導體層用作通道之電晶體中，可提高閾值電壓。
    以下，使用圖式對本發明之實施形態進行說明。再者，於所有圖式中，對相同之構成要素標註相同之符號，而適當省略說明。
    (第1實施形態)圖1係表示第1實施形態之半導體裝置之構成之剖面圖。該半導體裝置包含場效電晶體10。該半導體裝置包含第1氮化物半導體層100、第2氮化物半導體層200、第3氮化物半導體層300、閘極絕緣膜410、及閘極電極420。第2氮化物半導體層200為場效電晶體10之通道層。於本實施形態中，場效電晶體10係藉由使用形成於第2氮化物半導體層200與第3氮化物半導體層300之界面之二維電子氣202而低電阻化。
    第1氮化物半導體層100發揮用以使第2氮化物半導體層200磊晶成長之緩衝層之功能。第1氮化物半導體層100為例如AlxGa1-xN層(0<x<1)、或AlxIn1-xN層(0<x<1)。第1氮化物半導體層100之膜厚為例如1 μm以上，但亦可為3 μm以上。藉由使第1氮化物半導體層100變厚，而可提高場效電晶體10之耐壓。若例如使第1氮化物半導體層100為3 μm，則可使場效電晶體10之耐壓為500 V以上。
    第2氮化物半導體層200為發揮通道層之功能之層。因此，閘極絕緣膜410與第2氮化物半導體層200接觸。第2氮化物半導體層200於例如第1氮化物半導體層100為AlxGa1-xN層之情形時，為AlyGa1-yN層(0≦y<1)，於第1氮化物半導體層100為AlxIn1-xN層之情形時，為AlyIn1-yN層(0≦y<1)。
    第2氮化物半導體層200之膜厚為例如10 nm以上10 μm以下。即便使第2氮化物半導體層200變厚，亦可提高場效電晶體10之耐壓。例如即便將第1氮化物半導體層100設為1 μm，將第2氮化物半導體層200設為2 μm，場效電晶體10之耐壓亦可達到500 V以上。
    於第2氮化物半導體層200上磊晶成長有第3氮化物半導體層300。第3氮化物半導體層300為電子供給層，且係為於第2氮化物半導體層200上形成二維電子氣202而設置。為形成二維電子氣202，必需於第2氮化物半導體層200與第3氮化物半導體層300之界面存在傳導帶不連續。亦即，於第2氮化物半導體層200與第3氮化物半導體層300之界面中，第3氮化物半導體層300之電子親和力小於第2氮化物半導體層200。第3氮化物半導體層300於例如第2氮化物半導體層200為AlyGa1-yN層之情形時，為AlzGa1-zN層(0≦z<1)，於第2氮化物半導體層200為AlyIn1-yN層之情形時，為AlzIn1-zN層(0≦z<1)。
    再者，於第2氮化物半導體層200與第3氮化物半導體層300之界面中，z>y。此處，於界面中，使第3氮化物半導體層300之Al組成比高於第2氮化物半導體層200之原因在於，於第2氮化物半導體層200與第3氮化物半導體層300之間形成傳導帶不連續，從而形成二維電子氣202。於該界面中，較佳為z>y+0.05，更佳為z>y+0.10。如此一來，於第2氮化物半導體層200與第3氮化物半導體層300之界面上產生濃度充分之二維電子氣202。
    於第3氮化物半導體層300中形成有凹部310。於凹部310之內壁及底面形成有閘極絕緣膜410。閘極絕緣膜410為例如氧化矽(SiO2)，但亦可為氧化鋁(Al2O3)、氧化鉿(HfO2)、氮化矽(SiN)、或氮化鋁(AlN)。閘極絕緣膜410之厚度為例如30 nm以上，較佳為50 nm以上，更佳為70 nm以上。若使閘極絕緣膜410變厚，則可提高場效電晶體10之閘極耐壓。尤其若使閘極絕緣膜410為70 nm以上，則可大幅度地改善場效電晶體10之長期可靠性。
    於凹部310中未形成有閘極絕緣膜410之空間內嵌入有閘極電極420。即，閘極電極420介隔閘極絕緣膜410而面向第2氮化物半導體層200。閘極電極420為例如Au，但亦可為Ni或Pt等金屬單層膜、積層Ni層與Au層而成之多層膜、積層複數層該等以外之複數種金屬而成之金屬多層膜、WSi或TiN等金屬化合物膜、或多晶矽等半導體材料。
    於本實施形態中，閘極絕緣膜410及閘極電極420之上部具有突出部425。突出部425係自凹部310突出至位於凹部310周圍之第3氮化物半導體層300之上方之部分。藉由設置突出部425，電場除集中在閘極絕緣膜410中位於凹部310之底部之角之部分以外，亦集中在位於突出部425之端部之部分。因此，閘極絕緣膜410中位於凹部310之底部之角之部分中之電場得以緩和，從而提高場效電晶體10之耐壓。
    凹部310之下端到達第2氮化物半導體層200，且未到達第1氮化物半導體層100。於本圖所示之例中，凹部310之下端進入至第2氮化物半導體層200之內部。因此，二維電子氣202由凹部310阻斷。藉此，場效電晶體10成為常斷開型。
    於本實施形態中，第2氮化物半導體層200係至少於位於閘極電極420之下方之區域內，Al之含量(Al組成比)隨著接近於第1氮化物半導體層100而增加(即，y增加)。換言之，第2氮化物半導體層200中，Al之組成比於厚度方向上傾斜。此處，Al之組成比既可連續地變化，亦可以積層複數層Al組成比不同之氮化物半導體層之方式使Al組成比斷續地(即，呈階梯狀)變化。例如第2氮化物半導體層200藉由具有依序積層有Al之組成比互不相同之複數層氮化物半導體層204(於圖2中進行圖示)之構造，而使Al之組成傾斜。此處之氮化物半導體層204亦包含單層。於一層氮化物半導體層204具有積層複數層原子層而成之構造之情形時，第2氮化物半導體層200之Al組成呈階梯狀變化。
    而且，形成第2氮化物半導體層200之複數層半導體層分別向同一方向極化。於複數層半導體層內之界面中負電荷變得多於正電荷。而且，藉此使場效電晶體10之閾值電壓升高。使用圖2、圖3、及圖4於下文中對該理由進行敍述。再者，亦可為靠近閘極電極420之半導體層之極化強度變得強於(或弱於)遠離閘極電極420之半導體層。又，亦可為複數層半導體層隨著接近於閘極電極420而極化之強度向一個方向變化。
    再者，為了提高場效電晶體10之閾值電壓，較佳為於將第1氮化物半導體層100與第2氮化物半導體層200之界面中之y設為y1，將第2氮化物半導體層200之上表面(即，第2氮化物半導體層200與第3氮化物半導體層300之界面)中之y設為y2之情形時，0.05<y1-y2<0.12。
    於第3氮化物半導體層300上形成有汲極電極430及源極電極440。汲極電極430及源極電極440相對於第3氮化物半導體層300歐姆連接。汲極電極430及源極電極440為例如於Ti上積層Al而成之積層膜。於本圖所示之例中，為了提高汲極耐壓，而使汲極電極430至閘極電極420為止之距離長於源極電極440至閘極電極420為止之距離。
    第3氮化物半導體層300之上表面中未形成有汲極電極430及源極電極440之區域由保護絕緣膜450覆蓋。保護絕緣膜450為例如SiN膜。再者，閘極絕緣膜410及閘極電極420之突出部425係形成於保護絕緣膜450上。又，汲極電極430及源極電極440中靠近突出部425之區域亦由保護絕緣膜450覆蓋。
    圖2係用以說明第2氮化物半導體層200之構成之模式圖。如上所述，第2氮化物半導體層200具有依序積層複數層氮化物半導體層204而成之構造。氮化物半導體層204分別向厚度方向極化。於本圖所示之例中，氮化物半導體層204之任一者均向下表面為正之方向極化。而且，氮化物半導體層204之極化之強度越向上則變得越弱。此處，所謂極化之強度，係表示氮化物半導體層204之各層中之極化電荷量。亦即，氮化物半導體層204之各層(204-1~204-n)中之極化電荷量存在越向上方(即，接近於圖1中之閘極電極420)則越減少之傾向。因此，於2層氮化物半導體層204之界面中，下側之氮化物半導體層204之上表面中之負極化強度變得大於上側之氮化物半導體層204之下表面中之正極化強度。換言之，於氮化物半導體層204之鄰接之2層(例如，若將上層、下層分別設為半導體層204-n、與半導體層204-(n-1))之界面中，下層之極化電荷量多於上層。又，於與Al組成比較高之下層接觸之上層之界面附近極化為正，又，相反地於與Al組成比較低之上層接觸之下層之界面附近極化為負。亦即，於鄰接之2層之界面之下層側激發負極化電荷，於界面之上層側激發正極化電荷。因此，各層之界面附近之極化電荷中負電荷變得更多。其結果，於氮化物半導體層204之界面中，自外觀上看存在負電荷。此處，作為第2氮化物半導體層200，只要為含有Al之氮化物半導體即可，可例示AlGaN、AlInN、AlGaInN等。於以上之說明中，表示了極化之方向係下側變為正且上側變為負之情形。於極化之方向相反之情形時，只要以極化電荷量隨著向上而增加之方式變更組成等即可。於此情形時，由於各層之界面中之極化電荷變為負，故而亦可提高閾值電壓。
    圖3表示第2氮化物半導體層200具有實施形態之構造之情形、與第2氮化物半導體層200具有GaN之單層構造之情形(比較例)之各者之傳導帶之電位之模擬結果。圖3表示通過圖1中之閘極電極420之中心之縱剖面上之傳導帶之電位圖。於本圖所示之例中，將閘極電極420之電壓Vg設為0 V。
    於該模擬中，實施形態之構造如下。設為第3氮化物半導體層300中之Al組成比z=0.2。又，將第2氮化物半導體層200中之Al組成比y於與第3氮化物半導體層300之界面中設為0，於與第1氮化物半導體層100之界面中設為0.02。又，設為第1氮化物半導體層100中之Al組成比x=0.02。進而，將第1氮化物半導體層100之厚度設為1 μm，將第2氮化物半導體層200之厚度設為100 nm，將第3氮化物半導體層300之厚度設為30 nm。又，將閘極絕緣膜410設為厚度為30 nm之SiO2。
    又，比較例之構造除以下方面以外，其他方面與實施形態之構造相同。首先，不設置第1氮化物半導體層100。而且，將第2氮化物半導體層200設為厚度為1 μm之GaN。進而，設為第3氮化物半導體層300中之Al組成比z=0.15，且將第3氮化物半導體層300之厚度設為45 nm。
    場效電晶體10之閾值電壓依存於閘極絕緣膜410與第2氮化物半導體層200之界面中之傳導帶與費米能階(Fermi level)之差(△V)。於比較例中，於未施加有閘極電壓之條件下，不對閘極絕緣膜410施加電場，而為大致平坦之狀態。而且，△V為約1 eV。
    相對於此，於實施形態之構造中，藉由使第2氮化物半導體層200之Al組成於厚度方向上產生變化，而於第2氮化物半導體層200中分佈有藉由極化而產生之負電荷。因此，對閘極絕緣膜410施加與分佈於第2氮化物半導體層200之負電荷相對應之電場，故而閘極絕緣膜410與第2氮化物半導體層200之界面中之傳導帶被向上提昇。藉此，△V成為大於比較例之值。即，場效電晶體10之閾值電壓升高。於本實施形態中，△V為約2 eV。
    又，於實施形態之構造中，藉由改變第2氮化物半導體層200之Al組成之傾斜之大小，而可改變分佈於第2氮化物半導體層200之負電荷之量。因此，可藉由控制第2氮化物半導體層200之Al組成之傾斜之大小，而控制場效電晶體10之閾值電壓。
    圖4表示於圖3之模擬中所使用之構造中進行二維之器件模擬所得之結果。若將汲極電流成為1 mA/mm之閘極電壓定義為閾值電壓，則實施形態之閾值電壓為2.1 V，相對於此，比較例之閾值電壓為0.7 V。由此，亦表明於第2氮化物半導體層200具有實施形態之構造之情形時，場效電晶體10之閾值電壓升高。
    此處，在理論上說明藉由第2氮化物半導體層200具有實施形態所示之構造而使場效電晶體10之閾值電壓升高之情況。
    此處，第2氮化物半導體層200之Al組成比y係設為自最下部至最上部以K個階段產生變化者(此處，K為2以上之整數)。將構成第2氮化物半導體層200之氮化物半導體層204中第k層之氮化物半導體層204之Al組成比設為yk(k=0、1、…、K)。再者，若使K之值足夠大，則Al組成比y可視為連續地變化者。
    根據非專利文獻1(O.Ambacher,et al.,Pyroelectric properties of Al(In)GaN/GaN hetero- and quantum well structures,Journal of Physics C：Condensed Matter,Vol.14,pp.3399-3434(2002))，具有Al組成比yk之AlGaN層中產生之自發極化電荷PSP(單位：C/m2=Cm-2)由下式(1)給出。
    此處，將第k層之AlGaN層之應變εk如下式(2)所示般進行定義。
    [數2]
    上式(2)中，a0：AlGaN緩衝層之晶格常數，ak：具有Al組成比yk之第k層之AlGaN層之晶格常數。
    由於第2氮化物半導體層200之Al組成比隨著自下方朝向上方而下降，故而晶格常數係越向上方則變得越大。由此，εk<0。此時，構成第2氮化物半導體層200之氮化物半導體層204中產生之壓電極化電荷PPZ(單位：C/m2=Cm-2)由下式(2B)給出。
    再者，氮化物半導體層204中之極化電荷PPOL由下式(3)給出。
    於第k-1層之氮化物半導體層204與第k層之氮化物半導體層204之間產生極化電荷之差量，於兩層間之界面存在該差量之負電荷△σk。負電荷△σk由下式(4)表現。
    若將2層氮化物半導體層204之界面中所產生之負電荷之體積密度設為NPOL，將第k層之氮化物半導體層204之厚度設為tk，則體積密度NPOL由下式(5)給出。
    [數5]
    又，最上層之氮化物半導體層204之表面電荷Qch由(6)式表示。
    於熱平衡狀態下施加至閘極絕緣膜410之電場EOX0由(7)式表示。
    此處，εr：閘極絕緣膜410之比介電係數，ε0：真空介電係數。
    若將閘極電極420之功函數設為ΦGATE，將第2氮化物半導體層200之最上層中之電子親和力設為χSEMI，將閘極絕緣膜410之厚度設為tOX，則閘極絕緣膜410與第2氮化物半導體層200之界面之傳導帶與費米能階之差△V可近似於(8)式。
    [數8]△V=ΦGATE-χ SEMI+t OX ．E OX0………(8)
    以圖3及圖4之模擬中所使用之構造為例進行具體說明。εr=3.9，ε0=8.85×10-14 F/cm，ΦGATE=4.8 eV(Au)，χSEMI=4.1 eV(GaN)。因此，於比較例中，△V=0.70 eV，於實施形態之情形時，△V=1.75 eV。該等值與圖3所示之模擬結果大致一致。
    圖5及圖6係表示圖1所示之半導體裝置之製造方法之剖面圖。首先，如圖5(a)所示，使用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金屬有機化學氣相沈積)法於Si、藍寶石、或SiC等基板(未圖示)上依序形成第1氮化物半導體層100、第2氮化物半導體層200、及第3氮化物半導體層300。對於MOCVD法中之原料氣體，使用三甲基鎵(TMG，Trimethylgallium)、三甲基鋁(TMA，Trimethylaluminum)、及氨氣。為了於第1氮化物半導體層100、第2氮化物半導體層200、及300中改變Al之組成比，而將三甲基鋁及氨氣之供給量保持為固定，並且使三甲基鎵之供給量變化。例如於逐漸地減少第2氮化物半導體層200中Al之組成比時，將三甲基鋁及氨氣之供給量保持為固定，並且逐漸地增加三甲基鎵之供給量。
    其次，藉由局部地去除第3氮化物半導體層300及第2氮化物半導體層200直至第1氮化物半導體層100露出為止而形成台面，從而進行元件分離。
    其次，藉由濺鍍法於第3氮化物半導體層300上形成金屬膜(例如依序積層Ti及Al而成之積層膜)，並選擇性地去除該金屬膜。藉此，於第3氮化物半導體層300上形成汲極電極430及源極電極440。而且，對汲極電極430及源極電極440進行退火處理。藉此，汲極電極430及源極電極440與第3氮化物半導體層300歐姆接觸。
    繼而，如圖5(b)所示，使用電漿CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沈積)法於第3氮化物半導體層300上及汲極電極430上形成保護絕緣膜450。而且，將保護絕緣膜450中位於汲極電極430及源極電極440上之部分去除。
    繼而，如圖6所示，選擇性地去除保護絕緣膜450中位於形成凹部310之區域之部分。繼而，將汲極電極430、源極電極440、及保護絕緣膜450作為掩膜，對第3氮化物半導體層300(視需要亦對第2氮化物半導體層200之一部分)進行蝕刻。藉此，形成凹部310。
    繼而，使用例如ALD(Atomic Layer Deposition，原子層沈積)法於凹部310之底面及側面、保護絕緣膜450上、汲極電極430上、及源極電極440上形成閘極絕緣膜410。繼而，使用例如濺鍍法於閘極絕緣膜410上形成閘極電極420。繼而，將閘極絕緣膜410及閘極電極420中不需要之部分去除。藉此，形成圖1所示之包含場效電晶體10之半導體裝置。
    以上，根據本實施形態，形成第2氮化物半導體層200之複數層半導體層分別向同一方向極化。而且，靠近閘極電極420之半導體層之極化強度變得強於(或弱於)遠離閘極電極420之半導體層。該極化之方向係於複數層半導體層內之界面中負電荷變得多於正電荷之方向。因此，場效電晶體10之閾值電壓升高。
    (第2實施形態)圖7係表示第2實施形態之半導體裝置之構成之剖面圖。該半導體裝置除場效電晶體10為平面型電晶體之方面以外，其他方面與第1實施形態之半導體裝置相同。
    詳細而言，於第2氮化物半導體層200上未形成第3氮化物半導體層300。而且，閘極絕緣膜410、汲極電極430、及源極電極440直接形成於第2氮化物半導體層200上。閘極電極420形成於閘極絕緣膜410上。
    於第2氮化物半導體層200之表層形成有汲極區域432及源極區域442。汲極區域432及源極區域442之任一者均為n型雜質區域。又，俯視時，於汲極區域432與閘極電極420之間形成有延伸區域434。延伸區域434亦為n型雜質區域。但是，於源極區域442中未設置延伸區域。汲極區域432、源極區域442、及延伸區域434係藉由例如對第2氮化物半導體層200離子注入Si等雜質而形成。藉由設置延伸區域434，而使閘極電極420與汲極電極430間之耐壓提高。但是，於閘極電極420與汲極電極430間所要求之耐壓並非那樣大之情形時，亦可使成為延伸區域434之區域為汲極區域432。
    根據本實施形態，亦可獲得與第1實施形態相同之效果。又，第1實施形態所示之第3氮化物半導體層300係為了於第2氮化物半導體層200產生二維電子氣202而被賦予應變。因此，若第3氮化物半導體層300中產生反壓電效應(Enverse Piezoelectric Effect)，則場效電晶體10之特性會劣化。相對於此，於本實施形態中不包含第3氮化物半導體層300。因此，因反壓電效應而導致場效電晶體10之特性劣化之可能性較低。
    又，由於無需形成凹部310，故而製造成本降低。
    (第3實施形態)圖8係第3實施形態之包含場效電晶體10之半導體裝置之剖面圖。本實施形態之場效電晶體10係除以下方面以外與第1實施形態之半導體裝置相同之構成。
    首先，第3氮化物半導體層300含有n型雜質。即，本實施形態之半導體裝置與第1實施形態不同，並非使用二維電子氣202者。因此，無需對第3氮化物半導體層300賦予應變。
    進而，於第3氮化物半導體層300與汲極電極430之間、及第3氮化物半導體層300與源極電極440之間分別形成有第4氮化物半導體層500。第4氮化物半導體層500為n型AlGaN層，且雜質濃度高於第3氮化物半導體層300。較佳為第4氮化物半導體層500中之Al與Ga之組成比與第3氮化物半導體層300相同。
    又，於本實施形態中，為了降低第2氮化物半導體層200與第3氮化物半導體層300之連接電阻，較佳為使第2氮化物半導體層200之最上層中之Al之組成比與第3氮化物半導體層300之Al之組成比相等。
    根據本實施形態，亦可獲得與第1實施形態相同之效果。又，由於無需對第3氮化物半導體層300賦予應變，故而與第2實施形態同樣地，因反壓電效應而導致場效電晶體10之特性劣化之可能性較低。
    又，於使第3氮化物半導體層300磊晶成長時，可使第3氮化物半導體層300含有n型雜質。因此，與第2實施形態相比，可降低製程溫度。又，第3氮化物半導體層300之雜質濃度之控制性高於第2實施形態中之汲極區域432及源極區域442之雜質濃度之控制性。
    又，於第3氮化物半導體層300與汲極電極430之間、及第3氮化物半導體層300與源極電極440之間設置有第4氮化物半導體層500。因此，可降低第3氮化物半導體層300之雜質濃度，從而可提高場效電晶體10之耐壓。
    再者，於本實施形態中，於不要求場效電晶體10之耐壓之情形時，亦可不設置第4氮化物半導體層500，而使第3氮化物半導體層300之雜質濃度與第4氮化物半導體層500相同。
    (第4實施形態)圖9係表示第4實施形態之電子裝置2之電路構成之圖。該電子裝置2包含第1~第3實施形態中之任一者所示之半導體裝置(即場效電晶體10)。該電子裝置例如用於車輛，且包含電子裝置2、電源4、及負載6。電源4例如為搭載於車輛之電池。負載6例如為搭載於車輛之電子零件，例如前照燈、成為電動窗(power windows)之動力源、車輛之動力源之馬達。而且，電子裝置2控制自電源4供給至負載6之電力。
    電子裝置2係於電路基板(例如印刷電路板)上搭載有包含場效電晶體10之半導體裝置、半導體裝置20、及包含控制電路30之半導體裝置者。半導體裝置20包含微電腦，且經由電路基板之配線與場效電晶體10連接。半導體裝置20控制場效電晶體10。詳細而言，半導體裝置20對控制電路30輸入控制信號。繼而，控制電路30按照自半導體裝置20輸入之控制信號，對場效電晶體10之閘極電極420輸入信號。即，控制電路30控制場效電晶體10。藉由控制場效電晶體10，而將來自電源4之電力適當地供給至負載6。
    以上，參照圖式對本發明之實施形態進行了敍述，但該等為本發明之例示，亦可採用上述以外之各種構成。例如於上述各實施形態中，作為氮化物半導體層之例，表示了AlGaN或AlInN，但只要滿足與使用圖2所說明之極化相關之條件，則亦可使用四元系氮化物半導體。
    2‧‧‧電子裝置
    4‧‧‧電源
    6‧‧‧負載
    10‧‧‧場效電晶體
    20‧‧‧半導體裝置
    30‧‧‧控制電路
    100‧‧‧第1氮化物半導體層
    200‧‧‧第2氮化物半導體層
    202‧‧‧二維電子氣
    204‧‧‧氮化物半導體層
    300‧‧‧第3氮化物半導體層
    310‧‧‧凹部
    410‧‧‧閘極絕緣膜
    420‧‧‧閘極電極
    425‧‧‧突出部
    430‧‧‧汲極電極
    432‧‧‧汲極區域
    434‧‧‧延伸區域
    440‧‧‧源極電極
    442‧‧‧源極區域
    450‧‧‧保護絕緣膜
    500‧‧‧第4氮化物半導體層
    圖1係表示第1實施形態之半導體裝置之構成之剖面圖。
    圖2係用以說明第2氮化物半導體層之構成之模式圖。
    圖3係表示第2氮化物半導體層具有實施形態之構造之情形、與第2氮化物半導體層具有GaN之單層構造之情形(比較例)之各者之傳導帶之電位之模擬結果的圖。
    圖4係表示於圖3之模擬中所使用之構造中進行二維之器件模擬所得之結果之圖。
    圖5(a)、(b)係表示圖1所示之半導體裝置之製造方法之剖面圖。
    圖6係表示圖1所示之半導體裝置之製造方法之剖面圖。
    圖7係表示第2實施形態之半導體裝置之構成之剖面圖。
    圖8係第3實施形態之包含場效電晶體之半導體裝置之剖面圖。
    圖9係表示第4實施形態之電子裝置之電路構成之圖。
    10‧‧‧場效電晶體
    100‧‧‧第1氮化物半導體層
    200‧‧‧第2氮化物半導體層
    202‧‧‧二維電子氣
    300‧‧‧第3氮化物半導體層
    310‧‧‧凹部
    410‧‧‧閘極絕緣膜
    420‧‧‧閘極電極
    425‧‧‧突出部
    430‧‧‧汲極電極
    440‧‧‧源極電極
    450‧‧‧保護絕緣膜
    权利要求:
    Claims (15)
    [1] 一種半導體裝置，其包括：第1氮化物半導體層；第2氮化物半導體層，其形成於上述第1氮化物半導體層上；閘極絕緣膜，其與上述第2氮化物半導體層接觸；及閘極電極，其介隔上述閘極絕緣膜而面向上述第2氮化物半導體層；且上述第2氮化物半導體層係積層複數層半導體層而形成，至少於位於上述閘極電極之下方之區域內，上述複數層半導體層分別向同一方向極化，且使組成互不相同，藉此，於上述複數層半導體層內之界面中負電荷變得多於正電荷。
    [2] 如請求項1之半導體裝置，其中上述第2氮化物半導體層含有Al，且上述複數層半導體層中Al之組成比互不相同。
    [3] 如請求項2之半導體裝置，其中上述第1氮化物半導體層為Alxα1-xN層(α為Ga或In，且0<x<1)，上述第2氮化物半導體層為Alyα1-yN層(0≦y<1)。
    [4] 一種半導體裝置，其包括：第1氮化物半導體層，其包含Alxα1-xN層(α為Ga或In，0<x<1)；第2氮化物半導體層，其形成於上述第1氮化物半導體層上，且包含Alyα1-yN層(0≦y<1)；閘極絕緣膜，其與上述第2氮化物半導體層接觸；及閘極電極，其介隔上述閘極絕緣膜而面向上述第2氮化物半導體層；且至少於位於上述閘極電極之下方之區域內，上述第2氮化物半導體層係隨著接近於上述第1氮化物半導體層而y增加。
    [5] 如請求項4之半導體裝置，其中上述第2氮化物半導體層中Al之組成比呈階梯狀變化。
    [6] 如請求項3至5中任一項之半導體裝置，其包括：第3氮化物半導體層，其形成於上述第2氮化物半導體層上，且包含Alzα1-zN層(0≦z<1)；及凹部，其形成於上述第3氮化物半導體層，下端到達上述第2氮化物半導體層，且未到達上述第1氮化物半導體層；且上述閘極絕緣膜形成於上述凹部之底面及側面，上述閘極電極係嵌入上述凹部中。
    [7] 如請求項6之半導體裝置，其中於上述第2氮化物半導體層與上述第3氮化物半導體層之界面中，z>y。
    [8] 如請求項7之半導體裝置，其中於上述第2氮化物半導體層與上述第3氮化物半導體層之界面中，z>y+0.05。
    [9] 如請求項8之半導體裝置，其中於上述第2氮化物半導體層與上述第3氮化物半導體層之界面中，z>y+0.1。
    [10] 如請求項6至8中任一項之半導體裝置，其中上述第3氮化物半導體層含有n型雜質，且該半導體裝置包括：n型第4氮化物半導體層，其形成於上述第3氮化物半導體層上，且雜質濃度高於上述第3氮化物半導體層；及源極電極及汲極電極，其等形成於上述第4氮化物半導體層上。
    [11] 如請求項3至5中任一項之半導體裝置，其中上述閘極絕緣膜形成於上述第2氮化物半導體層上。
    [12] 如請求項3至11中任一項之半導體裝置，其中於上述第1氮化物半導體層與上述第2氮化物半導體層之界面中，x=y。
    [13] 如請求項3至12中任一項之半導體裝置，其中於將上述第1氮化物半導體層與上述第2氮化物半導體層之界面中之y設為y1，將上述第2氮化物半導體層與上述第3氮化物半導體層之界面中之y設為y2之情形時，0.05<y1-y2<0.12。
    [14] 一種半導體裝置之製造方法，其包括如下步驟：於第1氮化物半導體層上形成第2氮化物半導體層；形成與上述第2氮化物半導體層接觸之閘極絕緣膜；及形成介隔上述閘極絕緣膜而面向上述第2氮化物半導體層之閘極電極；且於形成上述第2氮化物半導體層之步驟中，藉由積層組成互不相同之複數層半導體層而形成上述第2氮化物半導體層，至少於位於上述閘極電極之下方之區域內，上述複數層半導體層分別向同一方向極化，且使組成互不相同，藉此，隨著接近於上述閘極電極，而極化之強度變強或變弱，上述複數層半導體層向於上述複數層半導體層內之界面中負電荷變得多於正電荷之方向極化。
    [15] 一種半導體裝置之製造方法，其包括如下步驟：於包含Alxα1-xN層(α為Ga或In，0<x<1)之第1氮化物半導體層上形成包含Alyα1-yN層(0≦y<1)之第2氮化物半導體層；形成與上述第2氮化物半導體層接觸之閘極絕緣膜；及形成介隔上述閘極絕緣膜而面向上述第2氮化物半導體層之閘極電極；且於形成上述第2氮化物半導體層之步驟中，以至少於位於上述閘極電極之下方之區域內，隨著接近於上述第1氮化物半導體層而y增加之方式形成上述第2氮化物半導體層。
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
    TWI540726B|2016-07-01|半導體裝置及半導體裝置之製造方法
    JP5805830B2|2015-11-10|半導体装置
    US8643025B2|2014-02-04|Semiconductor device and method of manufacturing same
    JP4751150B2|2011-08-17|窒化物系半導体装置
    JP4897948B2|2012-03-14|半導体素子
    KR20100138871A|2010-12-31|반도체 장치 및 반도체 장치의 제조 방법
    JP6337726B2|2018-06-06|半導体装置およびその製造方法
    WO2011118098A1|2011-09-29|電界効果トランジスタ、電界効果トランジスタの製造方法、および電子装置
    US8330187B2|2012-12-11|GaN-based field effect transistor
    US8344422B2|2013-01-01|Semiconductor device
    TW201310638A|2013-03-01|化合物半導體裝置及其製造方法
    JP2011210750A|2011-10-20|電界効果トランジスタ、電界効果トランジスタの製造方法、および電子装置
    WO2011118099A1|2011-09-29|電界効果トランジスタ、電界効果トランジスタの製造方法、および電子装置
    TW201737395A|2017-10-16|半導體裝置及半導體裝置的製造方法
    US8405067B2|2013-03-26|Nitride semiconductor element
    US20160049347A1|2016-02-18|Semiconductor device
    JP2017073506A|2017-04-13|窒化物半導体装置およびその製造方法
    US11233144B2|2022-01-25|Nitride semiconductor device and nitride semiconductor package
    JP2011171440A|2011-09-01|Ｉｉｉ族窒化物系へテロ電界効果トランジスタ
    JP2016105499A|2016-06-09|半導体装置及び半導体装置の製造方法
    JP2015106627A|2015-06-08|半導体積層基板
    JP2008172085A|2008-07-24|窒化物半導体装置及びその製造方法
    CN107068748B|2021-07-23|半导体功率元件
    JP2012094746A|2012-05-17|窒化物半導体装置およびその製造方法
    同族专利:
    公开号 | 公开日
    JP5878317B2|2016-03-08|
    US20130037868A1|2013-02-14|
    US9502551B2|2016-11-22|
    JP2013038218A|2013-02-21|
    US20160005846A1|2016-01-07|
    CN105845717A|2016-08-10|
    US20170005189A1|2017-01-05|
    US9123739B2|2015-09-01|
    CN102931221A|2013-02-13|
    CN102931221B|2016-06-29|
    TWI540726B|2016-07-01|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    JP3751791B2|2000-03-28|2006-03-01|日本電気株式会社|ヘテロ接合電界効果トランジスタ|
    JP4865189B2|2002-02-21|2012-02-01|古河電気工業株式会社|ＧａＮ系電界効果トランジスタ|
    JP4224423B2|2003-06-10|2009-02-12|パナソニック株式会社|半導体装置およびその製造方法|
    WO2005062745A2|2003-10-10|2005-07-14|The Regents Of The University Of California|GaN/AlGaN/GaN DISPERSION-FREE HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTORS|
    CN101390201B|2005-12-28|2010-12-08|日本电气株式会社|场效应晶体管和用于制备场效应晶体管的多层外延膜|
    WO2007091383A1|2006-02-10|2007-08-16|Nec Corporation|半導体装置|
    US8155251B2|2006-08-29|2012-04-10|Telefonaktiebolaget Lm Ericsson |Detection of access bursts in a random access channel|
    CN101312207B|2007-05-21|2011-01-05|西安捷威半导体有限公司|增强型hemt器件及其制造方法|
    EP2188842B1|2007-09-12|2015-02-18|Transphorm Inc.|Iii-nitride bidirectional switches|
    US8674407B2|2008-03-12|2014-03-18|Renesas Electronics Corporation|Semiconductor device using a group III nitride-based semiconductor|
    US8309987B2|2008-07-15|2012-11-13|Imec|Enhancement mode semiconductor device|
    US7985986B2|2008-07-31|2011-07-26|Cree, Inc.|Normally-off semiconductor devices|
    JP5355959B2|2008-08-08|2013-11-27|古河電気工業株式会社|電界効果トランジスタおよび電界効果トランジスタの製造方法|
    JP5323527B2|2009-02-18|2013-10-23|古河電気工業株式会社|ＧａＮ系電界効果トランジスタの製造方法|
    JP5460087B2|2009-03-13|2014-04-02|古河電気工業株式会社|電界効果トランジスタ|
    JP2010272728A|2009-05-22|2010-12-02|Furukawa Electric Co Ltd:The|ＧａＮ系半導体素子およびその製造方法|
    US8445941B2|2009-05-26|2013-05-21|Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc.|Asymmetrically recessed high-power and high-gain ultra-short gate HEMT device|
    JP5564842B2|2009-07-10|2014-08-06|サンケン電気株式会社|半導体装置|
    JP2011044647A|2009-08-24|2011-03-03|Sharp Corp|Ｉｉｉ族窒化物系電界効果トランジスタおよびその製造方法|
    JP2011071356A|2009-09-26|2011-04-07|Sanken Electric Co Ltd|半導体装置|
    US20110210377A1|2010-02-26|2011-09-01|Infineon Technologies Austria Ag|Nitride semiconductor device|
    JP5878317B2|2011-08-08|2016-03-08|ルネサスエレクトロニクス株式会社|半導体装置及び半導体装置の製造方法|JP5878317B2|2011-08-08|2016-03-08|ルネサスエレクトロニクス株式会社|半導体装置及び半導体装置の製造方法|
    JP6018376B2|2011-12-05|2016-11-02|キヤノン株式会社|固体撮像装置およびカメラ|
    JP5899879B2|2011-12-05|2016-04-06|富士通セミコンダクター株式会社|化合物半導体装置及びその製造方法|
    KR20140066015A|2012-11-22|2014-05-30|삼성전자주식회사|이종 접합 전계 효과 트랜지스터 및 제조 방법|
    JP2015056457A|2013-09-10|2015-03-23|株式会社東芝|半導体装置|
    JP6301640B2|2013-11-28|2018-03-28|ルネサスエレクトロニクス株式会社|半導体装置および半導体装置の製造方法|
    JP6229501B2|2014-01-08|2017-11-15|富士通株式会社|半導体装置|
    JP6401053B2|2014-12-26|2018-10-03|ルネサスエレクトロニクス株式会社|半導体装置および半導体装置の製造方法|
    CN108292678B|2015-11-19|2021-07-06|Hrl实验室有限责任公司|具有双栅极的iii族氮化物场效应晶体管|
    JP6472839B2|2017-06-20|2019-02-20|ルネサスエレクトロニクス株式会社|半導体装置|
    US20210305416A1|2020-03-26|2021-09-30|Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc.|Super Junction Gated AlGaN GaN HEMT|
    法律状态:
    2019-04-01| MM4A| Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP2011173020A|JP5878317B2|2011-08-08|2011-08-08|半導体装置及び半導体装置の製造方法|
    [返回顶部]