[發明專利]具有由氮化物半導體制成的緩沖層的半導體器件

有效

• 申請號: 201410427698.5
• 申請日: 2014-08-27
• 公開（公告）號: CN104465744B
• 公開（公告）日: 2017-09-19
• 發明（設計）人: 石黑哲郎;小谷淳二;中村哲一
• 申請（專利權）人: 富士通株式會社
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;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,彭鯤鵬

技術領域

本文中的公開內容涉及半導體器件和制造半導體器件的方法。

背景技術

氮化物半導體具有高飽和電子速度和寬帶隙。專注于這樣的特性，已經在進行將氮化物半導體應用于高電壓和高功率的半導體器件方面的研究。氮化物半導體GaN具有3.4eV的帶隙，其高于Si的帶隙(其為1.1eV)和GaAs的帶隙(其為1.4eV)。此外，GaN具有高的擊穿場強。因此，氮化物半導體(如GaN)非常有望用作用于高電壓操作和產生高功率的電源裝置的半導體器件材料。

關于使用氮化物半導體的半導體器件，已經在大量報道中對場效應晶體管、特別是高電子遷移率晶體管(即HEMT)做了描述。對GaN HEMT的關注主要涉及使用GaN作為電子渡越層和使用AlGaN作為電子供給層的AlGaN/GaN HEMT。在AlGaN/GaN HEMT中，由于GaN和AlGaN之間的晶格常數差，所以在AlGaN中出現了應變。以這種方式生成的壓電極化之差和AlGaN自身誘導的極化導致高密度的2DEG(即，二維電子氣)的生成。因此，預期可以獲得高效開關器件和高壓功率器件。從電路設計和安全角度來說，期望提供一種具有常斷特性的氮化物半導體晶體管。

通過使用MOVPE(即，金屬有機氣相外延)在襯底上形成氮化物半導體的電子溝道層和電子供給層來制造氮化物半導體晶體管。襯底可以由藍寶石、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、硅(Si)等制成。硅襯底的使用通過提供廉價的、大量的襯底實現了顯著的成本降低。

然而，用于硅襯底的硅具有與形成氮化物半導體層的氮化物半導體顯著不同的晶格常數和熱膨脹常數。由于硅與氮化物半導體之間的晶格常數和熱膨脹常數大的差異，所以硅襯底可以容易地形成畸變并且氮化物半導體層可以容易地遭受裂紋。因此，難以增加氮化物半導體層的厚度。禁止增加氮化物半導體層的厚度妨礙了提高半導體器件的擊穿電壓和降低位錯密度的努力。這削弱了使用氮化物半導體的最初目的——提高半導體器件的擊穿電壓。

用于增加氮化物半導體層的厚度同時避免出現襯底畸變和裂紋的方法包括形成具有階梯式Al組成的AlGaN緩沖結構和形成SLS(即，應變層超晶格)緩沖結構。更具體地說，在硅襯底上形成具有這樣的緩沖結構的緩沖層，然后在緩沖層上通過使用氮化物半導體形成電子溝道層和電子供給層。具有階梯式Al組成的AlGaN緩沖結構的緩沖層具有其中逐個地堆疊多個AlGaN層的結構，多個AlGaN層具有分別不同的Al組成。具有SLS緩沖結構的緩沖層具有其中逐個地反復堆疊GaN薄膜和AlN薄膜的結構。

具有這些緩沖結構的任何一種的緩沖層具有對由GaN制成的電子溝道層大的壓應變，這抵消了在膜形成后的溫度下降過程期間在整個氮化物半導體層中生成的強的拉伸應變。結果，抑制了畸變和裂紋被。

上述緩沖結構必然具有復雜的結構，造成形成緩沖層所需的時間長度增加，進而導致產量下降。此外，含有昂貴的有機金屬材料的原材料的量增加，造成所制造的半導體器件更加昂貴。

因此，期望提供一種半導體器件和制造半導體器件的方法，其中在硅襯底等上形成氮化物半導體，使得硅襯底等中的畸變和氮化物半導體層中的裂紋被抑制，并且使得在低成本下實現了滿意的特性。

[專利文獻1]日本公開特許公報第2012-023314號

[專利文獻2]日本公開特許公報第2007-067077號

發明內容

根據本實施方案的一個方面，一種半導體器件，包括：在襯底上由氮化物半導體制成的緩沖層；在緩沖層上由氮化物半導體制成的第一半導體層；在第一半導體層上由氮化物半導體制成的第二半導體層；以及形成在第二半導體層上的柵電極、源電極和漏電極，其中緩沖層具有摻雜于其中的包括選自C、Mg、Fe和Co的元素以及選自Si、Ge、Sn和O的元素兩者的元素。

根據本實施方案的一個方面，一種制造半導體器件的方法，包括：在襯底上形成由氮化物半導體制成的緩沖層；在緩沖層上形成由氮化物半導體制成的第一半導體層；在第一半導體層上形成由氮化物半導體形成的第二半導體層；以及在第二半導體層上形成柵電極、源電極和漏電極，其中緩沖層具有摻雜于其中的包括選自C、Mg、Fe和Co的元素以及選自Si、Ge、Sn和O的元素兩者的元素。

附圖說明

圖1A和圖1B是示出了由于形成GaN層后的熱收縮而產生的襯底在邊緣處向上彎曲的翹曲的圖；

圖2是示出了為研究翹曲而制造的測試材料的結構的圖；

圖3是示出了摻雜在緩沖層中的Si的密度與襯底在邊緣處向下彎曲的翹曲之間的關系的圖；