高速大功率氮化物半导体器件及其制造方法技术

一种氮化物半导体器件及其制造方法，该氮化物半导体器件包括：衬底，能够在其上外延生长氮化物半导体层；半导体叠层，在衬底上形成并包括氮化物半导体的沟道层；源极和漏极，在半导体叠层上形成并与所述沟道层欧姆接触；绝缘层，在半导体叠层上形成具有开口、总厚度部分以及过渡部分，其开口位于栅极接触区上，总厚度部分在与开口相隔的区域中有着平坦表面和总厚度，过渡部分位于开口和总厚度部分之间，绝缘层面向开口的侧壁陡峭上升到总厚度的部分厚度；以及Ｔ形栅极，与半导体叠层在开口内接触，并且在绝缘膜上延伸到具有增加厚度的相对部分，该增加厚度比所述部分厚度更厚。本发明专利技术的半导体器件反方向漏电流最小，且难以发生介电击穿。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体器件及其制造方法，更特别地涉及一种使用氮化 物半导体，例如，氮化镓(GaN)的半导体器件。本专利技术可应用于一种氮化 物半导体器件，特别地，应用于一种高电压击穿氮化物半导体器件。
技术介绍
一些用于移动电话基站和卫星通信的晶体管需要实现高温操作，高速切 换和大功率运行。氮化物半导体，通常为氮化镓(GaN)、氮化铝(AIN)、 氮化铟(InN)及其混合晶体，由于其优良的性能已经被关注作为高输出功 率器件和短波长发光器件的材料。在应用场效应晶体管、特别是高电子迁移 率晶体管(HEMT，s)作为高输出功率器件方面已经有大量的研究报告。正 在研究中的典型的HEMT's是使用GaN层作为沟道层和使用n型氮化铝镓 (AlGaN)层作为载子(电子)提供层的HEMT。JP-A-2004-186679公开了一种方法，包括以下步骤通过金属有机化学 气相沉积(MOCVD)法将非晶GaN层沉积在c平面蓝宝石衬底上；通过加 热到95(TC-1050C形成晶体GaN缓冲层；在晶体GaN缓冲层上形成GaN成 长晶核(growth nuclei);通过MOCVD法形成厚度为100nm或更厚的GaN 沟道层、厚度为10nm-20nm的Si掺杂n型AlGaN载子提供层以及厚度为 10nm-20nm的Si掺杂n型GaN接触层；形成源极/漏极；然后在栅极形成区 中蚀刻n型GaN接触层；在氮气气氛中实施退火工艺；以及形成栅极。它还 公开了如果使用碳化硅(SiC)衬底，优选形成A1N缓冲层。国际公开WO2004-066393公开了通过由多个Al (ln， B) GaN层(例如， 交替堆叠A1N层，p-型GaN层和GaN层)堆叠形成的缓冲层，而在Si衬底上形成GaN器件层，并且还公开了使用氧化硅膜覆盖器件层的表面，图案化 氧化硅层以形成开口，以及在该开口中形成电极。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供了一种具有更好的电性能的氮化物半导体器件，包括衬底，能够在其上外延生长氮化物半导体层；半导体叠层，在所述衬底上形成，并包括氮化物半导体的沟道层； 源极和漏极，在所述半导体叠层上形成并与所述沟道层欧姆接触； 绝缘层，在所述半导体叠层上形成，并且具有开口、总厚度部分以及过 渡部分，所述开口位于栅极接触区上，所述总厚度部分在与所述开口相隔的 区域中有着平坦表面和总厚度，以及所述过渡(transient)部分位于所述开 口和所述总厚度部分之间，所述绝缘层的面向所述开口的侧壁陡峭上升到所 述总厚度的部分厚度；以及T形栅极，与所述半导体叠层在所述开口内接触，并且在所述绝缘膜上 延伸到具有增加厚度的相对部分，该增加厚度比所述部分厚度更厚。根据本专利技术的另一方面，提供了一种氮化物半导体器件的制造方法，包 括以下步骤(a) 在衬底上外延生长包括氮化物半导体层的半导体叠层；(b) 形成分别与所述半导体叠层欧姆接触的源极和漏极； (C)在所述半导体叠层上形成绝缘保护层；(d) 使用抗蚀剂掩模蚀刻所述绝缘保护层以形成开口部分，所述绝缘 保护层具有在开口边缘陡峭升高到所述绝缘保护膜的总厚度的部分厚度的 侧壁，并且通过过渡(transiton)部分达到总厚度部分，所述过渡部分的厚 度随着距开口边缘的距离的增加而单调(monotonously)增大；(e) 形成在所述开口内与所述半导体叠层接触的栅极，并且该栅极在 所述绝缘保护膜上延伸到增加厚度的部分，该增加厚度比所述部分厚度更 厚。在本专利技术的实施例中所提供的氮化物半导体器件，在栅极/漏极两个端点 之间的反方向漏电流最小，且难以发生介电击穿。附图说明图1A到图1C是示出本专利技术制造的第一和第二样例(即HEMT的对比 实例)以及第三样例(即第一实施例的样例)的结构的剖面图。图2A到图2F是示出第三样例(即第一实施例的HEMT)的制造工艺的 剖面图。图3A和图3B是示出第一样例的制造工艺的剖面图。图4A和图4B是示出第二样例的制造工艺的剖面图。图5A到图5D是示出根据第二实施例的HEMT制造工艺的剖面图。图6A到6D是示出根据第三实施例的HEMT制造工艺的剖面图。图7A和7B是示出根据第四实施例的HEMT制造工艺的剖面图。图8是根据另一实施例的场效应晶体管(FET)结构的剖面图。具体实施方式图1A到图1C是示出本专利技术制造的第一和第二样例(HEMT的对比实 例)以及第三样例(第一实施例的样例)的结构的剖面图。如图1A到图1C 所示，在碳化硅(SiC)衬底11上外延生长的是厚度为3pm的i型GaN载 子传送(transport)层12，厚度为5fim的i型AlGaN间隔件层13，厚度为30pm 并且Si掺杂浓度为5xlOcm^的n型AlGaN载子提供层14以及厚度为10nm 并且Si掺杂浓度为5xlOcn^的n型GaN覆盖(cap)层15。 n型GaN覆盖 层15的两个区域被蚀刻以暴露出下面的n型AlGaN载子提供层14。 Ti层和 Al层被堆叠在n型AlGaN层14所暴露的表面上以形成源极16和漏极17。 厚度为100nm的氮化硅(SiN)层18形成在n型GaN覆盖层15上，并覆盖 源极16和漏极17。由这些工序形成的结构对于三种类型的所有样例是通用 的。贯穿SiN层18而形成开口。 M层和Au层被堆叠在包括开口的区域以 形成栅极19。在图1A到图1C中，SiN层的开口的截面形状是不同的。在图1A中，贯穿SiN层18而形成栅极开口 2，其具有通常的垂直侧壁。 在图1B中，贯穿SiN层18而形成开口 3，逐渐增加从半导体层接触面到上 层的开口宽度。在图1C中，贯穿SiN层18而形成开口，从开口底部以陡峭 的梯度升高到一定高度，之后以平缓的梯度向上逐渐增加开口宽度。堆叠 Ni层和Au层以覆盖开口并延伸到开口两侧之上的SiN层的平坦表面。从而 形成了这三种类型的HEMT结构。在与i型AlGaN间隔件层13接触的i型GaN载子传送层12的接触面形 成深势阱。n型AlGaN载子提供层14通过间隔件层13将电子供应到势阱， 从而产生了二维(two dimensional)气体2DEG。通过压电效应，n型GaN 覆盖层15相对二维电子气体2DEG提升栅极电子19的肖特基势垒(Schottky barrier)。通过掺杂n型杂质来减缓(relax)电场。在厚度为10nm的n型 GaN覆盖层15中没有电荷载子剩余。图2A到图2F是示出图1C中的HEMT结构的制造工艺的剖面图。如图2A所示，通过金属有机气相外延(MOVPE)法生成基于GaN的 HEMT器件层。三甲基镓(TMG)被用作Ga气源，三甲基铝(TMA)被用 作A1气源，铵(NH3)被用作N气源，甲硅烷(SiH4)被用作n型杂质Si 气源。氢气(H2)和氮气(N2)被用作载子气体。以110(TC的衬底温度，通 过MOVPE法依次外延形成在SiC衬底11上的是厚度为3nm的i型GaN载 子传送层12、厚度为5nm的i型AlGaN间隔件层13、厚度为30|im并且Si 掺杂浓度为5xl018cm-3的n型AlGaN载子提供层14以及厚度为lOnm并且 Si掺杂浓度为5xlOcm^的n型GaN覆盖层15。如图2B所示，形成具有开口的抗蚀剂掩模，该开口对应于将形成源极 区和漏极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化物半导体器件，包括：衬底，能够在其上外延生长氮化物半导体层；半导体叠层，在所述衬底上形成并包括氮化物半导体的沟道层；源极和漏极，在所述半导体叠层上形成并与所述沟道层欧姆接触；绝缘层，在所述半导体叠层上形成，并且具有开口、总厚度部分以及过渡部分，所述开口位于栅极接触区上，所述总厚度部分位于与所述开口相隔一定距离的区域中，且有着平坦表面和总厚度，以及所述过渡部分位于所述开口和所述总厚度部分之间，所述绝缘层的面向所述开口的侧壁陡峭上升到所述总厚度的部分厚度；以及Ｔ形栅极，与所述半导体叠层在所述开口内接触，并且在所述绝缘层上延伸到具有增加厚度的相对部分，该增加厚度比所述部分厚度更厚。

【技术特征摘要】
JP 2006-12-28 2006-3539801.一种氮化物半导体器件，包括衬底，能够在其上外延生长氮化物半导体层；半导体叠层，在所述衬底上形成并包括氮化物半导体的沟道层；源极和漏极，在所述半导体叠层上形成并与所述沟道层欧姆接触；绝缘层，在所述半导体叠层上形成，并且具有开口、总厚度部分以及过渡部分，所述开口位于栅极接触区上，所述总厚度部分位于与所述开口相隔一定距离的区域中，且有着平坦表面和总厚度，以及所述过渡部分位于所述开口和所述总厚度部分之间，所述绝缘层的面向所述开口的侧壁陡峭上升到所述总厚度的部分厚度；以及T形栅极，与所述半导体叠层在所述开口内接触，并且在所述绝缘层上延伸到具有增加厚度的相对部分，该增加厚度比所述部分厚度更厚。2. 根据权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中所述总厚度的部分厚 度在所述总厚度的20 %到80 %的范围内。3. 根据权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中在所述绝缘层的开口 边缘的厚度为5nm或更厚。4. 根据权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中所述增加厚度是所述 总厚度。5. 根据权利要求1所述的氮化物半导体器件，其中所述半导体叠层包 括i型GaN层，在所述i型GaN层上形成的n型AlGaN层，以及在所述 n型AlGaN层上形成的n型GaN层；所述源极和所述漏极与所述n型AlGaN 层欧姆接触，且所述栅极与所述n型GaN层肖特基接触。6. 根据权利要求1所述的氮化物半导体...

【专利技术属性】
技术研发人员：多木俊裕，
申请(专利权)人：富士通株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]