[發明專利]半導體器件及其制造方法

有效

• 申請號: 201410376834.2
• 申請日: 2014-08-01
• 公開（公告）號: CN104518019B
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發明（設計）人: 苫米地秀一;小谷淳二
• 申請（專利權）人: 富士通株式會社
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/15;H01L21/335
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司11227
• 代理人: 顧晉偉,董文國

技術領域

本文中討論的實施方案涉及一種半導體器件及其制造方法。

背景技術

氮化物半導體具有如高飽和電子速度、寬帶隙等特征。因而，考慮將氮化物半導體應用于具有高擊穿電壓和高輸出功率的半導體器件。例如，作為氮化物半導體的GaN的帶隙為3.4eV，寬于Si的帶隙(1.1eV)和GaAs的帶隙(1.4eV)。因而，GaN具有高擊穿電場強度。因此，氮化物半導體如GaN等非常有望用作制造能提供高電壓操作和高輸出的電源半導體器件的材料。

作為使用氮化物半導體的半導體器件，存在大量關于場效應晶體管特別是高電子遷移率晶體管(HEMT)的報道。例如，在GaN-HEMT中，其中使用GaN作為電子渡越層并使用AlGaN作為電子供給層的由AlGaN/GaN制造的HEMT引起了關注。在由AlGaN/GaN制造的HEMT中，由于GaN與AlGaN之間的晶格常數之差導致在AlGaN中產生應變。因此，由于由這樣的應變引起的壓電極化和本征極化差，獲得了高濃度二維電子氣(2DEG)。因此，AlGaN/GaN-HEMT有望用作用于電動車輛的高效開關器件和高擊穿電壓功率器件。另外，從電路設計和安全性的觀點來看，期望地是實現具有常斷特性的氮化物半導體晶體管。

下面的專利文獻公開了背景技術。

專利文獻1：日本公開特許公報第2008-21847號

專利文獻2：日本公開特許公報第2010-153817號

另一方面，GaN襯底適于在使用氮化物半導體制造半導體器件的過程中使用的襯底。然而，GaN襯底非常難以制造，并且不存在大的襯底。因此，考慮使用由Si、SiC和藍寶石等形成的襯底制造半導體器件，并使氮化物半導體在該襯底上外延生長。特別地，優選地是通過使用特別是Si襯底以較低的成本使用氮化物半導體制造半導體器件，這是因為大直徑和高品質的硅襯底是可以獲得的。

在形成在硅襯底上的由AlGaN/GaN構成的HEMT中，為了提高擊穿電壓，需要使形成在硅襯底上的緩沖層的膜厚和形成在緩沖層上的電子渡越層的膜厚大。然而，如GaN等的氮化物半導體的外延生長通常是在高襯底溫度下進行的。因此，如果緩沖層和電子渡越層的厚度大，則Si層可能會產生彎曲，或者由于GaN與Si的晶格常數差和熱膨脹系數差而導致在成膜的氮化物半導體中可能會產生裂紋。

因此，采用一種通過在Si襯底上形成具有超晶格結構的超晶格緩沖層并在超晶格層上通過GaN形成電子渡越層來減小晶體應變以減小硅襯底的彎曲的方法。通過形成這樣超晶格緩沖層，改善了硅襯底的彎曲，但是可能存在不能獲得足夠的擊穿電壓的情況。如果Si襯底的彎曲大，則可能存在通過曝光裝置執行的曝光不能獲得期望的圖案的情況，或者難以傳輸襯底的情況。在這樣的情況下，這種方案不是優選的，這是因為不能制造出期望的半導體器件。

因此，需要實現一種其中通過氮化物半導體形成超晶格緩沖層的半導體器件，其具有彎曲小的襯底、高電阻的超晶格緩沖層和高擊穿電壓。

發明內容

根據實施方案的一個方面提供了一種半導體器件，該半導體器件包括：形成在襯底上的第一超晶格緩沖層；形成在第一超晶格緩沖層上的第二超晶格緩沖層；在第二超晶格緩沖層上的由氮化物半導體形成的第一半導體層；在第一半導體層上的由氮化物半導體形成的第二半導體層；以及形成在第二半導體層上的柵電極、源電極和漏電極，其中第一超晶格緩沖層通過交替地且周期地層疊第一超晶格形成層和第二超晶格形成層而形成，第二超晶格緩沖層通過交替地且周期地層疊第一超晶格形成層和第二超晶格形成層而形成，并且第一超晶格形成層由Al_xGa_1-xN形成，第二超晶格形成層由Al_yGa_1-yN形成，其中x>y，并且摻雜到第二超晶格緩沖層中的用作受主的雜質元素的濃度高于摻雜到第一超晶格緩沖層中的用作受主的雜質元素的濃度。