专利名称：第Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及第III-V族化合物半导体器件的改进，更特别地，涉及包括沟道层
和阻挡层的第ni-v族化合物半导体器件的改进，所述的沟道层和阻挡层形成异质界面
(hetero-interface)。
背景技术：
在将由GaN、 AlGaN、 InGaN等代表的第III族氮化物半导体用于电子器件的情况 下，预期这些材料的优异性能可以实现良好的器件性能例如高耐电压、高速运行、高耐热 性、低接通电阻等。因此，目前正在开发使用第III族氮化物半导体代替Si材料的电子器 件。特别是对于场效应晶体管(FET)，采用形成在AlGaN/GaN的异质结界面附近的二维电子 气，可以降低FET的接通电阻。如此，提出了各种利用异质结界面的器件结构。
图3是使用第III族氮化物半导体的常规的异质结型场效应晶体管(HFET)(参考 IEICE的技术报告(Technical R印ort ofIEICE) ， ED2001-185，第7-12页)的示意性横截 面图。这种HFET是平面型器件，并且包括缓冲层(或晶体成核层)303、 GaN沟道层304和 AlGaN阻挡层305，它们以这种顺序层叠在蓝宝石、Si、SiC等的基板302上。在AlGaN阻挡 层305上形成的是源极电极306、栅极电极307和漏极电极308。在源极电极306和漏极电 极308之间，阻挡层305的上表面和栅极电极307的上表面被由SiN等的绝缘体膜形成的 保护层覆盖。 当长时间运行上述第III族氮化物半导体HFET时，出现的问题是HFET器件的接 通电阻与器件初始状态相比逐渐增加，然后源极-漏极电流逐渐降低。
对于第III族氮化物半导体HFET，所谓的电流崩塌(current coll即se)现象是熟 知的，其中当施加源极-漏极电压时，与器件的静止状态相比，沟道区域中的薄层(sheet) 载流子密度降低。为了抑制这种现象，已经尝试使保护层309(参见图3)例如具有抑制电 流崩塌的功能。然而，即使提供这样的对策，也难以避免漏极电流如上所述那样降低。
为了研究这个问题的起因，本发明人已经对性能已劣化的HFET器件进行了 SMS (次级离子质谱法)。结果，已经发现，与非劣化的器件中相比，在劣化的HFET器件中， 氢原子浓度在半导体层中，特别是在从AlGaN阻挡层的上表面侧至异质结界面和GaN沟道 层附近的区域变得更高。 通过SMS还发现，在覆盖器件上表面的绝缘体膜内含有约102°个/cm3的高水平 浓度的氢原子。尽管通过射频溅射沉积此时分析的绝缘体膜，但是存在以下的充分可能性 甚至通过使用其它沉积方法例如在用于形成电子器件的方法中通常使用的电子束蒸发法 和CVD(化学气相沉积)法中的一种沉积的绝缘体膜中，取决于沉积条件而含有约1019_1021 个/cm3的氢原子。这种约102°个/cm3的氢浓度水平比第III族氮化物晶体层如AlGaN阻有的氢原子浓度(约1018个/cm3)高约2位数。
因此，据推测，当器件处于其运行状态时，在朝器件的基板侧产生强电场的条件 下，氢原子从含有高浓度氢原子的绝缘体膜迁移或者扩散至HFET器件的内部。此时，在绝 缘体膜中的氢键的解离引起的缺陷增加，因而电荷被定位在这些缺陷处。结果，以与熟知的 电流崩塌现象类似的原理，在AlGaN阻挡层/GaN沟道层的异质界面附近中产生的二维电子 气(以下称为〃 2DEG〃 )中的电子浓度相对降低，因而在HFET的电流沟道中的电阻成分 (component)增加。因此，据推测，这是其中源极和漏极之间的电流降低的模型。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，并且本发明的一个目的是提供一种改进的
第ni-v族化合物半导体器件，其中长时间的器件运行中，接通电阻不增加。 根据本发明的第III-V族化合物半导体器件包括基板；沟道层，所述沟道层被安 置在所述基板的上方；阻挡层，所述阻挡层被安置在所述沟道层上以形成异质界面；多个 电极，所述多个电极被安置在所述阻挡层上；绝缘体层，所述绝缘体层被安置成覆盖所述阻 挡层的除所述电极的至少部分区域以外的整个上表面；层叠在所述绝缘体层上的氢吸收层 或其中氢吸收层与所述绝缘体层构成整体的整体层。 这里，沟道层和阻挡层中的每一个优选由第III-V族化合物半导体形成，更优选 由第III族氮化物半导体形成。还优选与绝缘体层中所含的金属元素相比，在氢吸收层中 含有的金属元素具有更小的氢化物形成热。 更具体地，绝缘体层优选包含选自以下各项中的电介质Si、 Si3N4、 Si02、 Ti02、 Zr02、 Hf02、 MgF2、 CaF2、 SrF2、 BaF2、 A1203、 V205、 Nb205、 Ta205、 A10N和ZnO。氢吸收层优选由含 有金属元素的金属氧化物、金属氮化物和金属氟化物中的一种形成，所述金属元素选自Li、 Na、 Mg、 K、 Ca、 Sc、 Ti、 Rb、 Sr、 Y、 Zr、 Cs、 Ba、 La、 Hf 、 Ta、 Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho禾口Er。 优选绝缘体层含有浓度为1(^个/cm3以上的氢原子。还优选氢吸收层具有lnm以 上的厚度。 本发明可以提供一种改进的第III-V族化合物半导体器件，其中可以抑制与异质 界面相邻的沟道层中的2DEG浓度的降低，因而可以抑制在长时间运行中的接通电阻的增 加。 更具体地，因为在覆盖根据本发明的第III-V族化合物半导体器件的表面的绝 缘体层上安置氢吸收层，因此将在绝缘体层中所含的氢原子吸引并且吸收在氢吸收层中， 由此可以抑制氢朝半导体器件的内部扩散。因此，在将本发明用于例如包括GaN沟道层和 AlGaN阻挡层的HFET器件的情况下，可以防止在沟道层和阻挡层之间的异质结界面附近形 成的2DEG被绝缘体层中的局部电荷补偿。结果，可以提供具有稳定特性的第III-V族化合 物半导体器件，其中可以避免2DEG浓度的降低和电流沟道中的电阻的增加，因而可以抑制 在HFET器件的运行中接通电阻的增加。 当结合附图时，从本发明的下列详细描述中，本发明的上述和其它目的、特征、方 面和优点将变得更明显。
图1是根据本发明的一个实施方案的HFET器件的示意性横截面图。
图2是根据本发明的另一个实施方案的HFET器件的示意性横截面图。
图3是常规的HFET器件的示意性横截面图。
具体实施例方式
第III-V族化合物半导体器件包括沟道层和阻挡层，所述沟道层和阻挡层由第 III族半导体形成的。直接在该阻挡层上，或者在其上形成的接触层上，安置源极电极、栅极 电极和漏极电极。阻挡层的不形成电极的整个上表面或者部分上表面被绝缘体层覆盖。在 绝缘体层上，安置含有用于从绝缘体层吸收氢原子的金属元素的氢吸收层。
该氢吸收层通过吸引和吸收氢原子，起着防止绝缘体层中所含的氢原子朝半导体 层侧迁移或扩散的作用。因此，即使在晶体管的运行状态中产生强电场时，氢原子在绝缘体 层中被固定，并且所涉及的缺陷不增加，由此保持在GaN沟道层和AlGaN阻挡层之间的界面 附近形成的2DEG的电子浓度。结果，可以避免电流沟道的电阻增加，于是可以保持器件的
特性稳定，而不增加整个第ni-v族化合物半导体器件的接通电阻。 如上所述的第III-V族半导体器件对应于具有在位于场效应晶体管中心的电流 通道中利用2DEG的结构的各种第III-V族半导体器件。 顺带提及，绝缘体层和氢吸收层可以在整体上形成为一个整体层。在这种情况下， 优选使在整体层中用于吸收氢原子的金属元素的浓度朝半导体层侧变低。在这种情况下， 特别优选使用于吸收氢原子的金属元素的浓度从整体层上表面朝半导体层侧以梯度的方 式变低。使用这种的构造，在绝缘体层中所含的氢原子强烈地被吸引到与半导体层侧相反 的一侧，于是抑制其朝半导体层侧的扩散。 优选的是，与绝缘体层中含有的氢化物形成热相比，在氢吸收层中所含有的金属 元素的氢化物形成热更小。使用这种构造，在绝缘体层中所含的氢原子强烈地被吸引到与 半导体层侧相反的一侧，于是抑制其朝半导体层侧的扩散。 更具体地，绝缘体层优选包含选自以下各项中的电介质Si、 Si3N4、 Si02、 Ti02、 Zr02、 Hf02、 MgF2、 CaF2、 SrF2、 BaF2、 A1203、 V205、 Nb205、 Ta205、 A10N和Zn0。考虑到制备工艺、 抑制电流崩塌现象的能力、与半导体层的粘附性等，特别优选将Si其、Si02、Al203或Ta^用 于绝缘体层。 氢吸收层优选由形成含有金属元素的金属氧化物、金属氮化物和金属氟化物中的 一种形成，所述的金属元素选自以下各项Li、 Na、 Mg、 K、 Ca、 Sc、 Ti、 Rb、 Sr、 Y、 Zr、 Cs、 Ba、 La、 Hf 、 Ta、 Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho禾口 Er。 优选氢吸收层具有lnm以上的厚度。但是，应指出，即使氢吸收层为非连续膜，它 也引起氢吸收效应。在绝缘体层以1(^个/cm3以上的浓度含有氢原子的情况下，本发明特 别有效。 在形成包含BN、A1N、 InN、GaN、TlN或它们的混合晶体的第III-V族化合物半导体 器件的情况下，本发明也特别有效。 此外，在第III-V族化合物半导体器件在其结构中包括p-型电导率层的情况下， 本发明特别有效。通常，Mg常常被用作用于第III族氮化物半导体的p-型掺杂剂。但是，如果氢原子在P-型第III族氮化物半导体中扩散，则作为掺杂剂的Mg由氢原子补偿，因而 不起着受体的作用。结果，p-型电导率劣化，由此由半导体器件的被包含在其中的p-型层 保持的功能特性劣化。但是，这些不适宜的后果可以使用本发明而得以避免。
在下面，作为用于本发明的第III-V族化合物半导体器件的实例，说明第III 族氮化物半导体HFET器件。根据本发明的第III族氮化物半导体HFET器件使用由式 BvAlwGaxInyTlzN(0《v《l，0《w《l，0《x《l，0《y《l，0《z《l，v+w+x+y+z = 1) 表示的氮化物半导体晶体。这里，B表示硼，Al表示铝，Ga表示镓，In表示铟，Tl表示铊， 并且N表示氮，于是v、w、x、y和z分别表示在第III族元素中的硼、铝、镓、铟、铊和氮的含 量比。下面，在本说明书中，将由例如式A^Ga，(0 < w < l，O < x < l，w+x = 1)表示的氮 化物半导体晶体形成的半导体层简称为AlGaN层。
(实施例1) 图1显示了根据本发明的实施例1的第III族氮化物半导体HFET的示意性横截 面图。对于这种HFET器件，使用外延晶片，所述的外延晶片包括缓冲层103、厚度为lym的 i-型GaN沟道层104和厚度为30 ii m的未掺杂的AlGaN阻挡层105，它们以这种顺序层叠 在高电阻Si基板102上。在AlGaN阻挡层105中将第III族元素中的Al组成比率设定为 25%。在AlGaN阻挡层105的上表面上形成源极电极106、栅极电极107和漏极电极108。 源极电极106和漏极电极108中的每一个是具有Hf/Al/Hf/Au的层叠结构的欧姆电极，而 栅极电极107是WN基肖特基电极。 在形成电极106， 107， 108之后，形成厚度为150nm的Si02保护绝缘体层109。该 保护层109起着抑制电流崩塌现象的作用。此外，厚度为10nm的Hf02氢吸收层IIO形成 于保护层109的上表面上。顺带提及，在源极电极106、栅极电极107和漏极电极108电极 的每一个的至少部分上表面区域上形成穿过氢吸收层110和保护层109的开孔，作为供给 导线至各个电极的连接区域。 与在绝缘体层中包含的Si相比，在氢吸收层中包含的金属元素Hf的氢化物形成 热更小，因此在绝缘体层109中所含的氢原子强烈地被吸引到氢吸收层110，由此抑制其朝 半导体层侧的扩散。因此，可以防止在GaN沟道层104和AlGaN阻挡层105之间的异质结 界面附近形成的2DEG被氢原子补偿。结果，可以避免2DEG浓度的降低和电流沟道中的电 阻的增加，因此可以抑制在HFET器件的运行中的接通电阻增加。 对如上所述根据实施例1对HFET器件进行电流测试。在该测试中，在15(TC的高 温施加5V的栅极电压和300V的漏极电压的恒定电压驱动的条件下，监测源极和漏极之间 的运行电流。 结果，实施例1的第III族氮化物半导体HFET显示出源极_漏极电流值即使在 1000小时的恒定电压驱动之后，从初始值仅变化百分之几，并且可以长时间稳定地运行。 [OO38](实施例2) 图2显示了根据本发明的实施例2的第III族氮化物半导体HFET的示意性横截 面图。该实施例2与实施例1的不同之处仅仅在于Si02绝缘体层109和氢吸收Hf02层110 形成为整体，作为整体层209。该整体层209具有200nm的厚度，并且在源极电极106、栅极 电极107和漏极电极108上方的至少部分区域配置有开孔。 在整体层209内部，氢吸收元素Hf的浓度成梯度。更具体地，在整体层209内，Hf
6浓度在AlGaN阻挡层侧的更低，而在整体层209的上表面侧增加。通过提供这样的浓度梯 度，在整体层209中所含的氢原子强烈地被吸引到整体层209的上表面侧，因而抑制了其朝 半导体器件内部的扩散。 因此，在整体层209内部不形成归因于氢原子的解离导致的缺陷，因而可以防止 在AlGaN阻挡层105和i_型GaN沟道层104之间的异质结界面附近形成的2DEG被氢原子 补偿。结果，可以避免2DEG浓度的降低和电流沟道的电阻的增加，因而可以抑制在HFET器 件的电流运行中接通电阻的增加。 也在与实施例1中的条件相同的条件下，对实施例2的HFET器件进行电流测试。 结果，发现，实施例2的第III族氮化物半导体HFET器件也显示出源极-漏极电流值即使 在1000小时的驱动之后，从初始值仅变化百分之几，并且可以长时间稳定地运行。
顺带提及，本领域技术人员应容易地理解，如上所述结构的HFET器件可以使用各 种生长氮化物半导体晶体的熟知方法制备。具体地，在HFET器件中包括的各个半导体层可 以用MOCVD(金属有机化学气相沉积)法或MBE(分子束外延)法沉积。可以使用通用的膜 沉积方法中的任何一种例如电子束蒸发法、射频溅射法和各种化学气相沉积(CVD)法沉积 在源极、栅极和漏极电极中包括的金属层以及沉积保护层。 上述实施例显示了使用第III族氮化物半导体作为半导体材料的HFET器件。但 是，如在假定的模型中已经说明的，据认为源极-漏极电流的降低是由绝缘体层内部的缺 陷引起的，这归因于氢原子从在器件上侧的绝缘体层朝半导体层侧的迁移或者扩散。因此， 半导体材料不限于第III族氮化物半导体，并且本发明对使用铟_镓_铝_砷化物基第 III-V族化合物半导体的HFET也有效。例如，本发明还优选可适用于包括GaAs沟道层和 AlGaAs阻挡层的第III-V族化合物半导体器件。 上述实施例显示了作为半导体器件的HFET器件。但是，如上所述，氢原子的迁移 或者扩散最终影响在半导体层内部的异质界面附近的2DEG。因此，本发明对具有其中可以 形成2DEG的结构的任何半导体器件也有效。 在实施例1禾P 2中，Si02是作为用于绝缘体层的材料显示的，而Hf是作为氢吸收 金属元素显示的。但是，还可以将Si、 Si3N4、Ti02、Zr02、Hf02、MgF2、CaF2、 SrF2、 BaF2、 A1203、 V205、 Nb205、 Ta205、 A10N、 ZnO或它们的混合物用于绝缘体层，并且还可以使用Li、 Na、 Mg、 K、 Ca、 Sc、 Ti、 Rb、 Sr、 Y、 Zr、 Cs、 Ba、 La、 Ta、 Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho、 Er和它们的化合 物(compound)作为氢吸收金属元素。关于在绝缘体层中包含的金属元素和氢吸收金属元 素的组合，本发明的效果可以通过选择前一种和后一种金属元素使得后一种的氢化物形成 热比前一种的氢化物形成热更小而获得。 在实施例1和2的每一个中的绝缘体层中所含的氢原子的浓度用SIMS测量。结 果，测得绝缘体层以至少1Xl(^个/cm3的浓度含有氢原子。 根据如上所述的本发明，可以提供一种改进的第III-V族化合物半导体器件，其
中在长时间运行中接通电阻不增加。如上所述的第ni-v族半导体器件对应于具有在位于
场效应晶体管中心的电流通道中利用2DEG的结构的各种第III-V族半导体器件。在器件
的运行中，可以抑制氢原子扩散到半导体层中，因而可以抑制器件特性的变化。 尽管已经详细描述并且举例说明了本发明，但是应清楚地理解，本发明是仅仅是
举例和实例，而不认为是限制性的，本发明的范围由后附权利要求的术语说明。
权利要求
一种第III-V族化合物半导体器件，所述第III-V族化合物半导体器件包括基板；沟道层，所述沟道层被安置在所述基板的上方；阻挡层，所述阻挡层被安置在所述沟道层上以形成异质界面；多个电极，所述多个电极被安置在所述阻挡层上；绝缘体层，所述绝缘体层被安置成覆盖所述阻挡层的除所述电极的至少部分区域以外的整个上表面；层叠在所述绝缘体层上的氢吸收层或其中氢吸收层与所述绝缘体层构成整体的整体层。
2. 根据权利要求1所述的第III-V族化合物半导体器件， 其中所述沟道层和阻挡层中的每一个由第iii-v族化合物半导体形成。
3. 根据权利要求2所述的第III-V族化合物半导体器件， 其中所述沟道层和阻挡层中的每一个由第III族氮化物半导体形成。
4. 根据权利要求1所述的第III-V族化合物半导体器件，其中与所述绝缘体层中含有的金属元素相比，在所述氢吸收层中含有的金属元素具有 更小的氢化物形成热。
5. 根据权利要求1所述的第III-V族化合物半导体器件，其中所述绝缘体层包含选自以下各项中的电介质Si、 Si3N4、 Si02、 Ti02、 Zr02、 Hf02、 MgF2、 CaF2、 SrF2、 BaF2、 A1203、 V205、 Nb205、 Ta205、 A10N和ZnO。
6. 根据权利要求1所述的第III-V族化合物半导体器件，其中所述氢吸收层由含有金属元素的金属氧化物、金属氮化物和金属氟化物中的一种 形成，所述金属元素选自Li、 Na、 Mg、 K、 Ca、 Sc、 Ti、 Rb、 Sr、 Y、 Zr、 Cs、 Ba、 La、 Hf 、 Ta、 Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho禾口 Er。
7. 根据权利要求1所述的第III-V族化合物半导体器件， 其中所述绝缘体层含有浓度为1018个/，3以上的氢原子。
8. 根据权利要求1所述的第III-V族化合物半导体器件， 其中所述氢吸收层具有lnm以上的厚度。
全文摘要
本发明提供第III-V族化合物半导体器件，所述第III-V族化合物半导体器件包括基板；沟道层，所述沟道层被安置在所述基板的上方；阻挡层，所述阻挡层被安置在所述沟道层上以形成异质界面；多个电极，所述多个电极被安置在所述阻挡层上；绝缘体层，所述绝缘体层被安置成覆盖所述阻挡层的除所述电极的至少部分区域以外的整个上表面；和层叠在所述绝缘体层上的氢吸收层或其中氢吸收层与所述绝缘体层构成整体的整体层。
文档编号H01L29/812GK101794814SQ201010109010
公开日2010年8月4日 申请日期2010年2月1日 优先权日2009年2月3日
发明者高谷邦启 申请人:夏普株式会社