專利名稱：半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄層電阻隨時間顯示出很小變化的第III族氮化物半導(dǎo) 體器件。
背景技術(shù)：
近年來，第III族氮化物半導(dǎo)體材料通過對其用于LED和LD的深入 研究得到了顯著的M。最近，對于半導(dǎo)體材料用于LED和LD以外的半 導(dǎo)體器件進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，并且，材料的應(yīng)用現(xiàn)在是大有希望的。借 助于氮原子的特定性能，第III族氮化物半導(dǎo)體顯示出強的壓電效應(yīng)和自 發(fā)極化。因此，在AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中，可以在不實施調(diào)制摻雜的 情況下即以非摻雜的狀態(tài)賦予異質(zhì)結(jié)界面較大的二維電子氣密度。因此， 第III族氮化物半導(dǎo)體是用于制造HEMT器件的大有希望的材料。
一種提高二維電子氣密度的可能的方法是增加AlGaN的Al摩爾分?jǐn)?shù)， 以由此增強壓電效應(yīng)。然而，當(dāng)使用該方法來增加二維電子氣密度時，在 某些情況下，觀察到AlGaN層的薄層電阻隨時間而增加。因此，通過這種 技術(shù)產(chǎn)生的電子器件不具有可靠性。
上述的薄層電阻隨時間的變化可能是由于AlGaN中的微裂縫隨時間 的生長所導(dǎo)致。換言之，認(rèn)為由于裂縫隨時間擴展并到達(dá)異質(zhì)結(jié)界面的附 近，AlGaN的表面積由于裂縫的滑移面的增加而增加。這促進(jìn)AlGaN層 中的表面能級的私^，由此，載流子的密度降低，以由此提高薄層電阻。 另外，認(rèn)為裂化對于電流路徑的攔截是薄層電阻增加的另 一原因。
產(chǎn)生裂縫的可能的主要原因是:AlGaN和GaN之間的晶格常數(shù)的差異 提供應(yīng)變，并且所述應(yīng)變隨著AlGaN層厚度的增加而增加。當(dāng)厚度超過某 一值(稱為"臨界厚度")時，由此提供的無法容忍的應(yīng)變在層中產(chǎn)生裂 縫。
因此， 一種可能的用于防止裂縫產(chǎn)生的方法^_調(diào)節(jié)AlGaN厚度為等于 或小于臨界厚度。非專利文件l公開了用于計算臨界厚度的理論公式。根據(jù)該公式，當(dāng)
給定AlGaN和GaN的泊松比和晶格常數(shù)時，可以計算臨界厚度。值得注 意的是，AlGaN的泊松比和晶格常數(shù)隨Al摩爾分?jǐn)?shù)而變化。因此，在 AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中，AlGaN層的臨界厚度依賴于AlGaN的Al摩 爾分?jǐn)?shù)。
關(guān)于AlGaN層的厚度，專利文件1公開了當(dāng)Al摩爾分?jǐn)?shù)為30%時厚 度為25 nm，專利文件2公開了當(dāng)Al摩爾分?jǐn)?shù)為20%時厚度為25 nm。然 而，兩個文件都沒有教導(dǎo)使用該厚度的原因，并且從未描述薄層電阻隨時 間的變化。
還公開了其它的用于防止裂縫產(chǎn)生的方法。專利文件3公開了通過摻 雜鎂的方法，而專利文件4公開了通過在AlGaN層和GaN層之間形成A1N 層的方法。
專利文件1:日本專利申請^Hf (特開)No. 2001-284576 專利文件2:日本專利申請7>開(特開)2004-200248 專利文件3:日本專利No. 3441329
專利文件4:日本專利申請^〉開(特開)No. 2004-119783
非專利文件1: J. W. Mattews和A. E. Blakeslee, J. Cryst. Growth, 27, 118(1974)
非專利文件2: Polian， A.， M. Grimsditch, I. Grzegory， J. Appl. Phys. 79 (6) (1996)， 3343-3344
非專利文件3: Thokala， R, Chaudhuri J., Thin Solid Films 266, 2 (1995)， 189-19
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題
然而，使用在非專利文件l中公開的理論公式計算臨界厚度的嘗試意外地遇到困難。這是由于相關(guān)學(xué)術(shù)射艮告的AlGaN和GaN晶體的材料常數(shù)(例如，泊松比和晶格常數(shù))的值不一致。這些材料常數(shù)隨晶體生長方法、外延結(jié)構(gòu)或其它因素而改變。因此，由此計算的臨界厚度值隨選擇的材料常數(shù)而變化，所以，理論值沒有正確地反映實際的臨界厚度值。
在特定的情況下，通過用Vergard定律從例如5.185的GaN的晶格常數(shù)和0.352的GaN的泊松比(在非專利文件2中公開)與4.982的A1N的晶格常數(shù)和0.287的A1N的泊松比(在非專利文件3中公開)進(jìn)行內(nèi)插，計算Al摩爾分?jǐn)?shù)為30%的AlGaN的晶格常數(shù)和泊松比?；谠诜菍＠募中公開的理論公式，通過從由此獲得的晶格常數(shù)和泊松比進(jìn)行計算，獲得37 nm的AlGaN層的臨界厚度。單獨地觀察Al摩爾分?jǐn)?shù)為30%和厚度為30 nm的實際AlGaN層的薄層電阻隨時間的變化。如圖6中給出的圖所示，即使AlGaN層的厚度為小于上述臨界厚度的30nm，也發(fā)現(xiàn)薄層電阻在經(jīng)過約100小時之后急劇增加。i^明由此計算的臨界厚度的理論值明顯偏離臨界厚度的實際值。值得注意的是，在圖6中給出的圖中，橫軸為對數(shù)坐標(biāo)。
通過重復(fù)的實驗，基于AlGaN的Al摩爾分?jǐn)?shù)和AlGaN層的臨界厚度之間存在特定關(guān)系構(gòu)思本發(fā)明。因此，本發(fā)明的一個目的是通過調(diào)節(jié)AlGaN層的厚度為等于或小于臨界厚度，實現(xiàn)具有AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)并顯示出隨時間變化很小的薄層電阻的半導(dǎo)體器件。
本發(fā)明的另一目的是通過使用新的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)具有AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)并顯示出隨時間變化很小的薄層電阻的半導(dǎo)體器件。
技術(shù)方案
在本發(fā)明的第一方面中，提供一種具有包含AlGaN層和GaN層的AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，其特征在于AlGaN層具有Al摩爾分?jǐn)?shù)(x%)和厚度(ynm)，其中，x和y滿足以下關(guān)系x+y<55，25W40和y210。
由公式y(tǒng)=55-x計算的y的值對應(yīng)于Al摩爾分?jǐn)?shù)為x。/。的AlGaN層的臨界厚度。首先通過反復(fù)的實驗獲得臨界厚度。當(dāng)Al摩爾分?jǐn)?shù)和厚度落入本發(fā)明的第一方面的范圍內(nèi)時，AlGaN層的厚度小于臨界厚度。由于如果厚度小于10nm則難以形成均勻的膜并且會產(chǎn)生增加電阻的凹坑(pit)，因此采用條件y》10。 AlGaN層和GaN層可摻雜有諸如Mg的雜質(zhì)元素。參數(shù)"x"優(yōu)選落入范圍25《x《40內(nèi)，最優(yōu)選為30《x。5。由于在條件x^40下臨界厚度過小并且難以形成均勻的AlGaN層，所以該條件不是優(yōu)選的。
在本發(fā)明的第二方面中，提供一種具有包含AlGaN層和GaN層的AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，其特征在于器件在AlGaN層的與AlGaN層的掩^至GaN層的表面相反的表面上具有^枉GaN層(以下稱為i-GaN層)，AlGaN層的Al摩爾分?jǐn)?shù)為30~40%并且厚度為30-45 nm，i-GaN層的厚度為5~100 nm。
本發(fā)明的第二方面優(yōu)選增加AlGaN層的厚度同時維持Al摩爾分?jǐn)?shù)在高水平。特別地，在Al摩爾分?jǐn)?shù)^30。/。時，厚度可增加到30 nm或更大，由此AlGaN層的厚度可超過臨界厚度。在本發(fā)明的第三方面中，i-GaN層的厚度優(yōu)選為20 nm或更小。i-GaN層的厚度為100 nm或更大是不優(yōu)選的，這是由于AlGaN中的應(yīng)變過度松弛并且難以在i-GaN層上形成歐姆電極。因此，i-GaN層的厚度優(yōu)選為5nm或更大。當(dāng)厚度小于5nm時，無法獲得松弛應(yīng)變的效果。Al摩爾分?jǐn)?shù)優(yōu)選為40%或更小，AlGaN層的厚度優(yōu)選為40 nm或更小。在本發(fā)明的第四方面中，AlGaN層與i-GaN層接合。顯然，這兩個層可不必相互"^。例如，金屬膜可插入AlGaN層和i-GaN層之間。在本發(fā)明的第二到第四方面中，與第一方面類似，AlGaN層和GaN層可進(jìn)行摻雜。
在本發(fā)明的第五方面中，提供^f吏用第一方面的器件的HEMT。在第六方面中，提儉使用第二到第四方面中的任一個的器件的HEMT。
本發(fā)明的效果
根據(jù)本發(fā)明的第 一方面的半導(dǎo)體器件，AlGaN層的厚度小于通過實驗確定的臨界厚度。因此，防止裂縫的產(chǎn)生和薄層電阻隨時間的變化。
本發(fā)明的第二方面的半導(dǎo)體器件具有i-GaN層(# GaN層)。因此，即使AlGaN層的厚度大于臨界厚度，AlGaN層中的應(yīng)變也可得到補償，由此防止裂縫的產(chǎn)生。與本發(fā)明的第一方面類似，半導(dǎo)體器件顯示出隨時間變化小的薄層電阻。由根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造的HEMT器件具有高的Al摩爾分?jǐn)?shù)。因此，可以在異質(zhì)結(jié)界面獲得高的二維電子氣密度，由此，可以制造性能隨時間不劣化的良好的HEMT器件。
實施本發(fā)明的最優(yōu)方式
下面參考附圖利用實施例來詳細(xì)描述本發(fā)明，這些實施例不應(yīng)解釋為對本發(fā)明的限制。
實施例1
在實施例1中，制造如圖1所示的半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件具有由AlGaN層1和GaN層2形成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。還制造具有不同的Al摩爾分?jǐn)?shù)和厚度的AlGaN層1的類似的半導(dǎo)體器件，并且，對于制造的器件觀察薄層電阻隨時間的變化。
在實施例1中，通過利用MOCVD在SiC襯底4上形成A1N緩沖層3、在緩沖層上形成GaN層2并在GaN層上形成AlGaN層1 ，來制造各個半導(dǎo)體器件。AlGaN層1和GaN層2未進(jìn)行摻雜。GaN層2的厚度為2 pm。
特別地，制造四個器件(Al摩爾分?jǐn)?shù)30%、 AlGaN層l的厚度15nm、 20 nm和25 nm,和Al摩爾分?jǐn)?shù)35%、 AlGaN層1的厚度20 nm)。監(jiān)測四個器件的薄層電阻隨時間的變化。結(jié)果如圖2中給出的圖所示。在圖2中，器件(A1摩爾分?jǐn)?shù)30%,厚度15 nm)的薄層電阻值由三角形表示；器件(A1摩爾分?jǐn)?shù)30%，厚度20 nm)的薄層電阻值由正方形表示；器件(A1摩爾分?jǐn)?shù)30%,厚度25 nm)的薄層電阻值由圓表示；器件(A1摩爾分?jǐn)?shù)35%，厚度20 nm)的薄層電阻值由倒三角形表示。如圖2中給出的圖所示，測試的器件(Al摩爾分?jǐn)?shù)30%,厚度15nm、 20nm和25nm)在超過約10天內(nèi)顯示出基本上不變化的薄層電阻，測試的器件(Al摩爾分?jǐn)?shù)35%，厚度20 nm)在超過約40天內(nèi)顯示出基本上不變化的薄層電阻。在各個情況下，測量的電阻值稍微變化。然而，測試的器件沒有顯示出薄層電阻的明顯增加，而常規(guī)的器件如圖6所示的那樣在試驗開始之后約100小時顯示出薄層電阻的明顯增加。測量的電阻值的微小變化可歸因于測量時的約1~2°C的溫度變化，而不是由于裂縫的產(chǎn)生所導(dǎo)致。
對在圖2和圖6中給出的AlGaN層l的Al摩爾分?jǐn)?shù)(x。/。)和AlGaN層1的厚度(y nm)的數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖，如圖3中的具有橫軸(x)和縱軸(y)的示圖所示。在圖3中，未觀察到薄層電阻隨時間變化的數(shù)據(jù)組(x，y)由實心圓表示，而觀察到薄層電阻隨時間變化的數(shù)據(jù)組(x，y)由空心圓表示。因此，顯示出落入圖3所示的斜線區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)組的半導(dǎo)體器件凈皮i人為顯示出不隨時間變化的薄層電阻。
實施例2
在實施例2中，制造如圖4中所示的半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件具有以下結(jié)構(gòu)AlGaN層1與GaN層2的上表面掩^， i-GaN層5即;^或未摻雜GaN層與AlGaN層1的上表面#^。 AlGaN層1、 GaN層2和GaN層5是未摻雜的即是本征的。GaN層2的厚度為2 pm, AlGaN層1的Al摩爾分?jǐn)?shù)為30%并且厚度為30 nm， i-GaN層5的厚度為75 nm。
以與實施例1類似的方式監(jiān)測薄層電阻隨時間的變化，結(jié)果如圖5所示。與實施例l類似，雖然測量的薄層電阻值由于溫度變化而具有可覺察的微小變化，但在制造試驗器件之后在300~500小時內(nèi)未觀察到薄層電阻的明顯變化。
工業(yè)實用性
本發(fā)明的半導(dǎo)體器件可用于制造諸如HEMT器件的半導(dǎo)體器件，并可延長由其制造的半導(dǎo)體器件的使用壽命。


圖1是實施例1的半導(dǎo)體器件。
圖2是顯示在實施例1中制造的半導(dǎo)體器件的薄層電阻隨時間變化的圖。
圖3是顯示AlGaN層的Al摩爾分?jǐn)?shù)和AlGaN層的厚度之間關(guān)系的圖，該圖具體:^兌明了其中半導(dǎo)體器件顯示出不隨時間變化的薄層電阻的區(qū)域。
圖4是實施例2的半導(dǎo)體器件。
圖5是顯示在實施例2中制造的半導(dǎo)體器件的薄層電阻隨時間變化的圖。
圖6是顯示半導(dǎo)體器件的薄層電阻隨時間變化的圖。附圖標(biāo)記描述1: AlGaN層
2: GaN層3:緩沖層
4: SiC襯底
5: GaN層
權(quán)利要求
1. 一種具有包含AlGaN層和GaN層的AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，其特征在于所述AlGaN層具有Al摩爾分?jǐn)?shù)(x％)和厚度(ynm)，其中，x和y滿足以下關(guān)系x+y<55，25≤x≤40，y≥10。
2. —種具有包含AlGaN層和GaN層的AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的半 導(dǎo)體器件，其特征在于所述器件在所述AlGaN層的與AlGaN層的接 合至所述GaN層的表面相反的表面上具有本征i-GaN層，所述AlGaN 層的Al摩爾分?jǐn)?shù)為30~40%并且厚度為30-45 nm，所述本征i-GaN層 的厚度為5~100 nm。
3. 如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述本征i-GaN層的厚度 為5~20 nin。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述AlGaN層和所述 本征i-GaN層相互接合。
5. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件是HEMT，其中， 所述AlGaN層用作勢壘層，所述GaN層用作溝道層，并且，在所述AlGaN層和所述GaN層之間的結(jié)界面上形成二維電子氣。
6. 如權(quán)利要求2 4中任一項所述的半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件是 HEMT,其中，所述AlGaN層用作勢壘層，所述GaN層用作溝道層，所述本征i-GaN層用作覆層，并且，在所述AlGaN層和所述GaN層之間的結(jié)界面上形成二維電子氣。
全文摘要
提供一種具有包含AlGaN層和GaN層的AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，該器件顯示出不隨時間變化的薄層電阻。如圖1所示，在具有包含AlGaN層1和GaN層2的AlGaN-GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件中，當(dāng)AlGaN的Al摩爾分?jǐn)?shù)(x％)和AlGaN層的厚度(y nm)滿足關(guān)系x+y＜55、25≤x≤40和y≥10時，y小于臨界厚度，由此在AlGaN層中不產(chǎn)生裂縫。因此，本發(fā)明提供盡管Al摩爾分?jǐn)?shù)較高但仍顯示出幾乎不隨時間變化的薄層電阻的半導(dǎo)體器件。
文檔編號H01L29/201GK101461046SQ200780019660
公開日2009年6月17日 申請日期2007年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月31日
發(fā)明者城川潤二郎, 小嵜正芳, 平田宏治, 鈴木彰 申請人:豐田合成株式會社;學(xué)校法人立命館