專利名稱:半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及用于高功率開關(guān)的半導(dǎo)體器件和用于制造該半導(dǎo)體器件的方法,并且特別地,涉及使用氮化物基半導(dǎo)體之中的GaN基半導(dǎo)體的半導(dǎo)體器件和用于制造該半導(dǎo)體器件的方法。
背景技術(shù):
對于高電流開關(guān)器件,需要的是高反向擊穿電壓和低導(dǎo)通電阻。使用III族氮化物基半導(dǎo)體的場效應(yīng)晶體管(FET)因其帶隙寬而在例如高擊穿電壓和高溫操作方面表現(xiàn)優(yōu)異。因此,使用GaN基半導(dǎo)體的垂直晶體管作為用于控制高功率的晶體管已經(jīng)備受矚目。例如,PTLl提出了一種垂直GaN基FET,通過在GaN基半導(dǎo)體中形成開口并且在該開口中形成包括二維電子氣(2DEG)通道的再生長層,該FET的遷移率增加并且其導(dǎo)通電阻減小。在該垂直GaN基FET中,為了提高擊穿電壓特性和夾斷特性,提出了一種包括P型GaN勢壘層等的結(jié)構(gòu)。引用列表專利文獻(xiàn)PTLl:日本未審查專利申請公開N0.2006-28694
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題在以上的垂直GaN基FET中,可以通過p型GaN勢壘層和η—型GaN漂移層之間的ρη結(jié)中形成的耗盡層,提高擊穿電壓特性。然而,開口穿透P型GaN勢壘層并且到達(dá)η_型GaN漂移層。因此,柵電極G面對漏電極,而其間沒有設(shè)置P型GaN勢壘層。當(dāng)使用半導(dǎo)體器件作為高功率開關(guān)裝置時,在截止?fàn)顟B(tài)下,在源電極(接地)和漏電極之間施加幾百伏到一千幾百伏的電壓。在截止?fàn)顟B(tài)下,向柵電極施加大約負(fù)幾伏的電壓。因?yàn)楦咴?漏電壓,所以在開口的底部部分中,特別是在η—型GaN漂移層在底部部分的脊(橫截面中的拐角)附近的部分中,產(chǎn)生電場集中。結(jié)果,由開口的底部部分的脊不可避免地提供的不平坦部分等產(chǎn)生半導(dǎo)體的擊穿。上述P型勢壘層不能充分確保開口的底部部分中在截止?fàn)顟B(tài)下的擊穿電壓特性。本發(fā)明的目的在于提供一種垂直半導(dǎo)體器件,該半導(dǎo)體器件具有開口并且在開口中包括溝道和柵電極。在該半導(dǎo)體器件中,在截止?fàn)顟B(tài)下,可以減小在開口的底部部分附近的電場集中。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種制造半導(dǎo)體器件的方法。問題的解決方法本發(fā)明的半導(dǎo)體器件是一種垂直半導(dǎo)體器件,該半導(dǎo)體器件包括具有開口的GaN基堆疊層。在這個半導(dǎo)體器件中,該GaN基堆疊層向頂層側(cè)依次包括η型GaN基漂移層/p型GaN基勢壘層/n型GaN基接觸層,并且該開口從頂層延伸并且到達(dá)η型GaN基漂移層。該半導(dǎo)體器件包括:再生長層,其被定位為覆蓋開口的壁表面,該再生長層包括電子漂移層和電子供應(yīng)層;源電極,其接觸η型GaN基接觸層和再生長層;漏電極,其被定位為面對源電極,而GaN基堆疊層夾在其間;柵電極,其被定位在再生長層上;以及半導(dǎo)體雜質(zhì)調(diào)節(jié)區(qū),其被設(shè)置在開口的底部部分中。該雜質(zhì)調(diào)節(jié)區(qū)是促進(jìn)在截止?fàn)顟B(tài)下的電勢分布中從漏電極側(cè)到柵電極側(cè)的電勢降低的區(qū)。在該垂直半導(dǎo)體器件中,在被設(shè)置在一個主表面(GaN基半導(dǎo)體層的頂表面)上的源電極和在GaN基半導(dǎo)體層夾在其間的情況下面對源電極的漏電極之間施加幾百伏到一千幾百伏的高電壓。源電極被固定在地電勢并且將高電壓施加到漏電極。為了打開和關(guān)閉溝道的目的,在截止?fàn)顟B(tài)下,柵電極被保持在負(fù)幾伏,諸如-5V。也就是說,在截止?fàn)顟B(tài)下,柵電極具有最小電勢。柵電極和漏電極之間的電壓差比源電極和漏電極之間的電壓差聞5V。根據(jù)以上結(jié)構(gòu),雜質(zhì)調(diào)節(jié)區(qū)促進(jìn)在截止?fàn)顟B(tài)下電勢分布中從漏電極側(cè)到柵電極側(cè)的電勢降低。這減小了位于開口的底部部分中的半導(dǎo)體和柵電極之間在截止?fàn)顟B(tài)下的電勢差。因此,在截止?fàn)顟B(tài)下,沒有產(chǎn)生在現(xiàn)有半導(dǎo)體器件中已經(jīng)產(chǎn)生的高度電場集中。即使在漏電極和柵電極之間施加高電壓,在開口的底部部分中在諸如η型GaN基漂移層的半導(dǎo)體中的電場集中減小。特別地,在開口的底部部分和開口的壁表面彼此相交處的脊(橫截面中的拐角)附近的電場集中減小。因此,在脊附近的半導(dǎo)體不容易出現(xiàn)擊穿。至于導(dǎo)電類型η型或P型,雜質(zhì)濃度不受限制并且可以是從低濃度到高濃度的任何濃度。雜質(zhì)調(diào)節(jié)區(qū)可以是通過將η型GaN基漂移層劃分成多個層并且將該層中的一個層中的η型雜質(zhì)濃度設(shè)置為比另一個層中的η型雜質(zhì)濃度低而形成的區(qū)。在從漏電極到柵電極的區(qū)中在截止?fàn)顟B(tài)下的電勢分布中,促進(jìn)在η型雜質(zhì)濃度低的區(qū)中的電壓降達(dá)到比η型雜質(zhì)濃度高的區(qū)中的電壓降更大的程度。結(jié)果,位于開口底部部分中的半導(dǎo)體和柵電極之間在截止?fàn)顟B(tài)下的電勢差可以減小。此外,通過在電子流從開口向漏電極擴(kuò)展的位置,也就是說,在更靠近漏電極的位置,設(shè)置η型雜質(zhì)濃度低的區(qū),可以抑制導(dǎo)通電阻增大。η型GaN基漂移層可以被劃分成形成開口的底部部分的第二 η型漂移層和位于第二 η型漂移層的漏電極側(cè)的第一 η型漂移層,并且第二 η型漂移層中的η型雜質(zhì)濃度可以被設(shè)置為低于第一 η型漂移層中的η型雜質(zhì)濃度。通過將位于更靠近開口底部部分的第二 η型漂移層中的η型雜質(zhì)濃度設(shè)置為低,促進(jìn)了第二 η型漂移層中的電壓降,這可以減小開口底部部分中的半導(dǎo)體和柵電極之間的電勢差。因此,在開口的底部部分附近和在底部部分邊緣(拐角或脊)附近的電場集中減小。該雜質(zhì)調(diào)節(jié)區(qū)可以是設(shè)置在開口的底部部分中從而沒有妨礙來自再生長層的電子流動的底部P型區(qū)。可以在底部P型區(qū)和位于底部P型區(qū)下方的η型GaN基漂移層之間形成ρη結(jié)。據(jù)此,由于ρη結(jié)中形成的電勢勢壘造成的電壓降和ρη結(jié)中形成的耗盡層中的電壓降,導(dǎo)致在柵電極和位于底部P型區(qū)上方的半導(dǎo)體之間的電勢差可以減小。結(jié)果,可以減小在開口的底部部分附近、特別地在拐角附近的電場集中,這可以防止半導(dǎo)體的擊穿。該底部P型區(qū)可以是以下區(qū)中的任一個:(I)板形底部區(qū),其具有板狀形狀并且位于覆蓋開口的底部部分的再生長層下方;(2)環(huán)形底部區(qū),其位于覆蓋開口的底部部分的再生長層下方并且僅處于該底部部分的邊緣處;和(3)再生長層底部區(qū),其通過利用P型雜質(zhì)摻雜覆蓋開口的底部部分的再生長層而形成。據(jù)此,通過考慮到導(dǎo)通電阻等,根據(jù)半導(dǎo)體器件的用途而在以上底部P型區(qū)之中選擇合適的底部P型區(qū),可以減小在開口的底部部分中、特別是拐角處的電場集中,同時可以滿足其它特性。板狀形狀和環(huán)形形狀可以具有任何截面形狀,諸如盤狀形狀和環(huán)狀形狀或角度板狀形狀和角度環(huán)形形狀。在一種用于制造本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的方法中,制造了一種包括具有開口的GaN基堆疊層的垂直半導(dǎo)體器件。該制造方法包括:形成向頂層側(cè)依次包括η型GaN基漂移層/P型GaN基勢壘層/n型GaN基接觸層的GaN基堆疊層的步驟;形成從η型GaN基接觸層延伸并且到達(dá)η型GaN基漂移層的開口的步驟;以及形成再生長層從而覆蓋開口的壁表面和底部部分的步驟,該再生長層包括電子漂移層和電子供應(yīng)層。在形成GaN基堆疊層的步驟中,通過連續(xù)生長多個層來形成η型GaN基漂移層,并且該層中的一個層中的η型雜質(zhì)濃度被設(shè)置為低于另一個層中的η型雜質(zhì)濃度。根據(jù)這種方法,可以使工藝只發(fā)生較小改變而使用現(xiàn)有制造設(shè)備,以簡單方式制造在開口的底部部分中的電場集中減小的半導(dǎo)體器件。在開口的底部部分中的電場集中減小的原因在于,在截止?fàn)顟B(tài)下的電勢分布中,具有低η型雜質(zhì)濃度的η型區(qū)中的電勢降低大。在形成GaN基堆疊層的步驟中,當(dāng)生長η型GaN基漂移層時,生長第一η型漂移層,并且然后在第一 η型漂移層上生長第二 η型漂移層。第二 η型漂移層中的η型雜質(zhì)濃度可以被設(shè)置為低于第一 η型漂移層中的η型雜質(zhì)濃度。據(jù)此,可以通過將形成開口底部部分的第二 GaN漂移層中的η型雜質(zhì)濃度設(shè)置為低,來增大第二 GaN漂移層中在截止?fàn)顟B(tài)下的電壓降。因此,可以減小開口的底部部分中、特別是拐角處的電場集中。在本發(fā)明的用于制造半導(dǎo)體器件的另一種方法中,制造了一種包括具有開口的GaN基堆疊層的垂直半導(dǎo)體器件。該制造方法包括:形成向頂層側(cè)依次包括η型GaN基漂移層/P型GaN基勢壘層/n型GaN基接觸層的GaN基堆疊層的步驟;形成從η型GaN基接觸層延伸并且到達(dá)η型GaN基漂移層的開口的步驟;形成再生長層以覆蓋開口的壁表面和底部部分的步驟,該再生長層包括電子漂移層和電子供應(yīng)層;以及形成覆蓋再生長層的除了底部部分之外的部分的抗蝕劑圖案并且利用P型雜質(zhì)執(zhí)行離子注入以將再生長層的底部部分轉(zhuǎn)換成P型底部部分的步驟。根據(jù)這種方法,通過在用于制造由開口中的二維電子氣形成溝道的半導(dǎo)體器件的現(xiàn)有方法中進(jìn)行較小改變,可以制造可以減小在開口的底部部分中的電場集中的半導(dǎo)體器件。換句話講,通過形成通過將在開口的底部部分中的再生長層轉(zhuǎn)換成P型再生長層而得到的再生長層底部區(qū),可以減小電場集中。在形成再生長層的步驟之前和形成開口之后,形成覆蓋開口的除了底部部分之外的部分的抗蝕劑圖案,并且然后在開口的底部部分中利用P型雜質(zhì)執(zhí)行離子注入以形成底部P型區(qū),或者通過蝕刻去除開口的底部部分并且在底部部分中執(zhí)行P型層的嵌入生長來形成底部P型區(qū);然后形成再生長層;并且不進(jìn)行隨后利用P型雜質(zhì)執(zhí)行離子注入的步驟。
根據(jù)這種方法,可以相對容易地在再生長層下方的開口底部部分中形成P型區(qū)。可以根據(jù)例如半導(dǎo)體器件的用途,從板狀形狀和環(huán)形形狀中選擇P型區(qū)的形狀。本發(fā)明的有益效果根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件,在具有開口并且在開口中包括溝道和柵電極的垂直半導(dǎo)體器件中,可以減小在開口的底部部分中在截止?fàn)顟B(tài)下的電場集中。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的垂直GaN基FET (半導(dǎo)體器件)的截面圖(沿著圖2的1-1線截取的截面圖)。圖2是圖1中的垂直GaN基FET的平面圖。圖3是示出用于制造圖1中的垂直GaN基FET的方法的圖示,該圖示示出在包括與支撐襯底歐姆接觸的GaN層的襯底上已經(jīng)形成包括直至接觸層的層的外延堆疊層的狀態(tài)。圖4是示出已經(jīng)通過蝕刻形成開口的狀態(tài)的圖示。圖5A是示出在通過RIE形成開口的階段中已經(jīng)形成抗蝕劑圖案的狀態(tài)的圖示。圖5B是示出在通過RIE形成開口的階段中通過執(zhí)行離子輻射向下蝕刻堆疊層并且擴(kuò)大開口(造成后退)的狀態(tài)的圖示。圖6是示出已經(jīng)在開口中形成再生長層的狀態(tài)的圖示。圖7是示出已經(jīng) 在再生長層上生長絕緣層的狀態(tài)的圖示。圖8是屬于本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的截面圖,該半導(dǎo)體器件是圖1中的半導(dǎo)體器件的修改。圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的垂直GaN基FET (半導(dǎo)體器件)的截面圖。圖10是屬于本發(fā)明的第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的截面圖,該半導(dǎo)體器件是圖9中的半導(dǎo)體器件的修改I。圖11是屬于本發(fā)明的第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的截面圖,該半導(dǎo)體器件是圖9中的半導(dǎo)體器件的修改2。圖12是示出在實(shí)例中在第二 GaN漂移層中變化的η型雜質(zhì)濃度對開口的底部部分中的最大電場強(qiáng)度的影響的圖示。所有的測試樣本在第一 GaN漂移層4a中具有相同的η 型雜質(zhì)濃度,即,IX IO16 (lE16)cm_3。附圖標(biāo)記列表IGaN 襯底4rT型GaN漂移層4a第一 GaN漂移層4b第二 GaN漂移層6p型GaN勢魚層7n+型GaN接觸層9絕緣層10半導(dǎo)體器件(垂直GaN基FET)12柵極布線13柵極焊盤
15GaN基堆疊層22GaN電子漂移層26AlGaN電子供應(yīng)層27再生長層28開口28a開口的壁表面28b開口的底部部分31底部P型區(qū)(板形P型區(qū)、環(huán)形P型區(qū)或再生長層P型區(qū))D漏電極G柵電極K開口的脊或拐角Ml抗蝕劑圖案S源電極
具體實(shí)施例方式(第一實(shí)施例)
圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的垂直GaN基FET (半導(dǎo)體器件)10的截面圖。垂直GaN基FETlO包括導(dǎo)電GaN襯底I和在GaN襯底I上外延生長的η—型GaN漂移層4/P型GaN勢壘層6/η+型GaN接觸層7。η_型GaN漂移層4包括位于襯底側(cè)的第一 GaN漂移層4a和形成開口的底部部分28b的第二 GaN漂移層4b。第二 GaN漂移層4b中的η型雜質(zhì)濃度η2低于第一 GaN漂移層4a中的η型雜質(zhì)濃度Ii1。該實(shí)施例的半導(dǎo)體器件10的特征在于,η_型GaN漂移層4被劃分成兩層并且形成開口 28的底部部分28b的第二 GaN漂移層中的η型雜質(zhì)濃度η2低,如上所述。第二 GaN漂移層4b中的η型雜質(zhì)濃度η2低于第一GaN漂移層4a中的η型雜質(zhì)濃度Ii1的條件只應(yīng)用于η_型GaN漂移層4中的雜質(zhì)濃度。顯而易見,η型雜質(zhì)濃度η2低于現(xiàn)有η—型GaN漂移層4中的η型雜質(zhì)濃度。隨后將描述通過這個特征實(shí)現(xiàn)的效果。連續(xù)形成rT型GaN漂移層4(第一 GaN漂移層4a和第二 GaN漂移層4b)/p型GaN勢壘層6/n+型GaN接觸層7,以構(gòu)成GaN基堆疊層15。取決于GaN襯底I的類型,可以在GaN襯底I和的rT型GaN漂移層4之間插入由AlGaN層或GaN層構(gòu)成的緩沖層。GaN襯底I可以是所謂的單片、厚GaN襯底或者包括與支撐襯底歐姆接觸的GaN層的襯底。另外,通過在生長GaN基堆疊層期間在GaN襯底等上形成GaN層并且隨后去除具有與GaN襯底等的厚度對應(yīng)的特定厚度的部分,可以只留下薄GaN層作為以產(chǎn)品形式的基底。GaN襯底、包括與支撐襯底歐姆接觸的GaN層的襯底和被留下作為以產(chǎn)品形式的基底的薄GaN層可以被簡稱為GaN襯底。被留下作為基底的薄GaN層可以是導(dǎo)電層或非導(dǎo)電層并且取決于制造工藝和產(chǎn)品結(jié)構(gòu),可以在薄GaN層的頂表面或底表面上設(shè)置漏電極。在GaN襯底、支撐襯底等被留在產(chǎn)品中的情況下,支撐襯底或襯底可以是導(dǎo)電襯底或非導(dǎo)電襯底。當(dāng)支撐襯底或襯底是導(dǎo)電襯底時,漏電極可以直接設(shè)置在支撐襯底或襯底的底(下)表面或頂(上)表面上。當(dāng)支撐襯底或襯底是非導(dǎo)電襯底時,漏電極可以設(shè)置在非導(dǎo)電襯底的上方并且在位于半導(dǎo)體層中的下層側(cè)上的導(dǎo)電層上。在這個實(shí)施例中,P型GaN勢壘層6用作p型GaN基勢壘層,但是可以使用由諸如P型AlGaN層的P型GaN基半導(dǎo)體組成的任何層。至于構(gòu)成堆疊層15的其它層,如果需要的話,可以使用其它GaN基半導(dǎo)體層替代上述的GaN層。在GaN基堆疊層15中,開口 28被形成為從η.型GaN接觸層7穿透到ρ型GaN勢壘層6并且到達(dá)η_型GaN漂移層4。開口 28由壁表面(側(cè)表面)28a和底部部分28b限定。外延生長再生長層27,使其覆蓋開口 28的壁表面28a和底部部分28b和GaN基堆疊層15的頂層(n+型GaN接觸層7)。再生長層27由絕緣GaN (i型GaN)電子漂移層22和AlGaN電子供應(yīng)層26構(gòu)成。可以在i型GaN電子漂移層22和AlGaN電子供應(yīng)層26之間插入由AlN等組成的中間層。源電極S位于GaN基堆疊層15上,以電連接到再生長層27、n+型GaN接觸層7和ρ型GaN勢壘層6。在圖1中,源電極S向下延伸并且具有與再生長層27和n+型GaN接觸層7的端面接觸的側(cè)表面和與ρ型GaN勢壘層6接觸的端部。因此,建立電連接。漏電極D位于GaN襯底I的底表面上。絕緣層9位于柵電極G下方,以覆蓋再生長層27。設(shè)置絕緣層9是為了減小當(dāng)向柵電極施加正電壓時產(chǎn)生的柵極泄漏電流,這允許高電流操作。因?yàn)殚撝惦妷嚎梢栽谡较蛏线M(jìn)一步移動,所以容易實(shí)現(xiàn)常關(guān)。注意的是,不必須設(shè)置絕緣層9。在導(dǎo)通狀態(tài)下,在再生長層27中,在i型GaN電子漂移層22和AlGaN電子供應(yīng)層26之間界面附近的位置處,在i型GaN電子漂移層22中產(chǎn)生二維電子氣(2DEG)。由于例如因晶格常數(shù)差異造成的自發(fā)極化和壓電極化,導(dǎo)致在i型GaN電子漂移層22和AlGaN電子供應(yīng)層之間界面附近的位置處,在i型GaN電子漂移層22中產(chǎn)生二維電子氣。電子從源電極S通過二維電子氣和n_型GaN漂移層4流向漏電極D。因?yàn)樵偕L層27中的i型GaN電子漂移層22和AlGaN電子供應(yīng)層26在同一生長室中連續(xù)生長,所以界面處的雜質(zhì)級密度等可以被降低到低值。因此,通過形成開口 28,可以導(dǎo)致高電流(每單位面積)以低導(dǎo)通電阻流動,同時具有導(dǎo)致高電流在厚度方向上流動的結(jié)構(gòu)。如上所述,在截止?fàn)顟B(tài)下,在保持在地電勢的源電極S和漏電極D之間施加幾百伏至一千幾百伏的高電壓。為了打開和關(guān)閉溝道的目的,在截止?fàn)顟B(tài)下,柵電極被保持在負(fù)幾伏,諸如-5V。在截止?fàn)顟B(tài)下,柵電極具有最小電勢。在rT型GaN漂移層4具有如現(xiàn)有垂直半導(dǎo)體器件中的單層結(jié)構(gòu)的情況下,需要η型雜質(zhì)濃度保持在特定濃度,以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻。因此,在從漏電極D到開口 28的底部部分的區(qū)中在截止?fàn)顟B(tài)下的電勢分布中,在rT型GaN漂移層4的電壓降不是特別大。結(jié)果,在開口的底部部分附近的柵電極和半導(dǎo)體4之間保持大電勢差,這在開口的底部部分28b附近的半導(dǎo)體處、特別是在拐角K處產(chǎn)生高電場集中。相比之下,在本實(shí)施例的半導(dǎo)體器件10中,n_型GaN漂移層4被劃分成兩層,并且形成開口的底部部分28b的第二 GaN漂移層4b中的η型雜質(zhì)濃度η2被設(shè)置成低于位于襯底側(cè)的第一 GaN漂移層4a中的η型雜質(zhì)濃度Ii1,如上所述。η型雜質(zhì)濃度Ii1和η2都屬于由η_型GaN漂移層4所指示的η_型(低濃度)的類別。特別地,第二 GaN漂移層4b中的η型雜質(zhì)濃度η2被設(shè)置成低于第一 GaN漂移層4a中的η型雜質(zhì)濃度Ii1。結(jié)果,在截止?fàn)顟B(tài)下,在電勢分布中,第二 GaN漂移層4b中的電壓降變大??梢愿鶕?jù)例如所需的導(dǎo)通電阻來設(shè)置第一 GaN漂移層4a和第二第二 GaN漂移層4b的具體η型雜質(zhì)濃度和厚度。第二 GaN漂移層4b中的η型雜質(zhì)濃度η2可以是例如I X IO14 (1Ε14) cnT3或更大且5X1016(5E16)cnT3或更小,并且第二 GaN漂移層4b的厚度可以是例如0.1 μ m或更大且0.3μπι或更小。第一 GaN漂移層4a中的η型雜質(zhì)濃度Ii1可以是例如5Χ IO14 (5E14)cm_3或更大且5X1017(5E17)cnT3或更小,并且第一 GaN漂移層4a的厚度可以是例如0.5 μ m或更大且7 μ m或更小。為了保持低導(dǎo)通電阻的目的,第二 GaN漂移層4b的厚度可以小于第
一GaN漂移層4a的厚度。ρ型GaN勢壘層6中的ρ型雜質(zhì)濃度可以是大約IXlO17 (1E17) cnT3至I X IO19(lE19)cnT3。ρ型雜質(zhì)可以是諸如Mg的雜質(zhì),其形成GaN基半導(dǎo)體中的受主。ρ型GaN勢壘層6的厚度取決于例如η—型GaN漂移層4的厚度,因此不能以通常的方式確定厚度范圍。然而,許多器件中經(jīng)常使用的常規(guī)厚度是大約0.3 μ m至I μ m。如果厚度小于0.3 μ m,則不能充分產(chǎn)生擊穿電壓特性和夾斷特性,因此可以將0.3 μ m設(shè)置為厚度的下限。如果具有大約為0.3 μ m至I μ m厚度的ρ型GaN勢壘層6具有過高的Mg含量,則出現(xiàn)朝向ρ型GaN勢壘層6的端面的直線移動,這對溝道產(chǎn)生不利影響(增大導(dǎo)通電阻)。溝道中斷(截止?fàn)顟B(tài))期間在P型GaN勢壘層6和η_型GaN漂移層之間的ρη結(jié)處的反向電壓特性(擊穿電壓特性)也變差。η.型GaN接觸層7的厚度可以是大約0.1 μ m至0.6 μ m。n+型GaN接觸層7的長度可以是0.5 μ m或更大且5 μ m或更小。圖2是圖1中示出的垂直GaN基半導(dǎo)體器件10的平面圖,并且圖1是沿著圖2的1-1線截取的截面圖。參照圖2,開口 28具有六邊形形狀并且圍繞開口 28的區(qū)基本上被源電極S覆蓋,同時源電極S沒有重疊柵極布線12。因此,形成最緊密堆疊的結(jié)構(gòu)(蜂窩結(jié)構(gòu)),因此柵電極每單位面積具有長周長。通過采用這種形狀,還可以減小導(dǎo)通電阻。電流從源電極S流出并且直接地或者通過η.型GaN接觸層7進(jìn)入再生長層27中的溝道(電子漂移層22)。然后,電流通過第二 GaN漂移層4b和第一 GaN漂移層4a流向漏電極D。為了防止源電極S及其布線干擾包括柵電極G、柵極布線12和柵極焊盤13的柵極結(jié)構(gòu),源布線被設(shè)置在層間絕緣層(未示出)上。在層間絕緣層中形成通孔,并且包括通過填充該通孔得到的導(dǎo)電部分的源電極S導(dǎo)電連接到層間絕緣層上的源極導(dǎo)電層(未示出)。結(jié)果,包括源電極S的源極結(jié)構(gòu)可以具有適用于高功率器件的低電阻和高遷移率。還可以通過密集地布置細(xì)長開口代替采用六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)來增大每單位面積的開口周長。因此,可以提高電流密度。將描述根據(jù)這個實(shí)施例的用于制造半導(dǎo)體器件10的方法。如圖3中所示,在與上述GaN襯底對應(yīng)的GaN襯底I上,生長包括η—型GaN漂移層4 (第一 GaN漂移層4a和第二GaN漂移層4b) /p型GaN勢壘層6/n+型GaN接觸層7的堆疊層15??梢栽贕aN襯底I和n_型GaN漂移層4之間插入GaN基緩沖層(未示出)??梢酝ㄟ^(例如)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)執(zhí)行上述層的形成處理。通過使用MOCVD執(zhí)行生長,可以形成具有良好結(jié)晶度的堆疊層15。在通過使用MOCVD在導(dǎo)電襯底上生長氮化鎵膜來形成GaN襯底I的情況下,使用三甲基鎵作為鎵的原材料。使用高純度氨作為氮的原材料。使用純化氫作為載氣。高純度氨的純度是99.999%或更大并且純化氫的純度是99.999995%或更大??梢允褂脷浠柰樽鳛橛糜讦切蛽诫s物(施主)的Si原材料并且可以使用茂基鎂作為用于P型摻雜物(受主)的Mg原材料。使用具有2英寸直徑的導(dǎo)電GaN襯底作為導(dǎo)電襯底。在氨和氫的氣氛中在100Torr、1030°C下清潔襯底。隨后,溫度增加至1050°C并且在200Torr下以1500的V/III比生長氮化鎵層,V/III比是氮原材料和鎵原材料的比率。在導(dǎo)電襯底上形成GaN層的方法不僅用于形成GaN襯底I而且用于在GaN襯底I上生長堆疊層15。通過采用上述方法,依次在GaN襯底I上生長第一 GaN漂移層4a/第二 GaN漂移層4b/p型GaN勢壘層6/n+型GaN接觸層7。隨后,如圖4中所示,通過反應(yīng)離子蝕刻(RIE)形成開口 28。如圖5A和圖5B中所示,在外延層4、6和7的頂部形成抗蝕劑圖案Ml。然后,通過RIE蝕刻抗蝕劑圖案M1,以造成抗蝕劑圖案Ml后退,由此擴(kuò)大開口,以形成開口 28。在這個RIE處理中,開口 28的傾斜表面、即堆疊層15的端面因經(jīng)受離子輻射而受損。在受損部分中,例如,形成懸掛鍵和晶格缺陷的高密度區(qū)。源自RIE裝置或非特定源的導(dǎo)電雜質(zhì)到達(dá)受損部分并因此出現(xiàn)富集。形成受損部分導(dǎo)致漏極泄漏電流增大并因此需要執(zhí)行修復(fù)。當(dāng)以特定水平包含氫和氨時,可以在下述的生長再生長層27期間實(shí)現(xiàn)關(guān)于懸掛鍵等的修復(fù)以及雜質(zhì)的去除和鈍化。隨后,去除抗蝕劑圖案Ml并且清潔晶片。將晶片插入MOCVD設(shè)備中并且生長包括由未摻雜GaN組成的電子漂移層22和由未摻雜AlGaN組成的電子供應(yīng)層26的再生長層27,如圖6中所示。在生長未摻雜GaN層22和未摻雜AlGaN層26時,在(NH3+H2)的氣氛中執(zhí)行熱清潔,然后在引入(NH3+H2)的同時供應(yīng)有機(jī)金屬材料。在形成再生長層27之前或者在形成再生長層27時進(jìn)行的熱清潔中,允許進(jìn)行關(guān)于受損部分的修復(fù)以及導(dǎo)電雜質(zhì)的去除和鈍化。隨后,將晶片取出MOCVD設(shè)備。如圖7中所示,生長絕緣層9。如圖1中所示,通過光刻和電子束沉積,在外延層的頂表面和GaN襯底I的底表面上分別形成源電極S和漏電極D。<圖1中的半導(dǎo)體器件的修改>圖8示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的半導(dǎo)體器件10,該半導(dǎo)體器件10是第一實(shí)施例的修改。在這個修改中,與圖1中的半導(dǎo)體器件不同,n_型GaN漂移層4被劃分成三層。n_型GaN漂移層4由從襯底側(cè)開始依次形成的第一 GaN漂移層4a (η型雜質(zhì)濃度Ii1)/第
二GaN漂移層4b (η型雜質(zhì)濃度n2) /第三GaN漂移層4c (η型雜質(zhì)濃度n3)構(gòu)成。在這三個層中,η型雜質(zhì)濃度可以滿足例如η3〈η2〈ηι。(第二實(shí)施例)圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的圖示。該實(shí)施例的特征在于,板形底部P型區(qū)31被設(shè)置在開口的底部28b中。漂移層由單個n_型GaN漂移層4形成。其它結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例(參照圖1)中的半導(dǎo)體器件10的結(jié)構(gòu)相同。板形底部P型區(qū)31接觸在開口 28側(cè)上的再生長層27并且與襯底I側(cè)上的n_型GaN漂移層4形成ρη結(jié)。在ρη結(jié)處,當(dāng)在截止?fàn)顟B(tài)下施加反向偏置電壓時形成耗盡層,并且可以在ρη結(jié)處形成電壓降。此外,在施加反向偏置電壓時,在ρη結(jié)處形成的電勢勢壘確定無疑地有助于電壓降,這減小了襯底I側(cè)的板形底部P型區(qū)31的一部分中的電勢。因此,開口的底部部分28b和柵電極G之間的電勢差減小并因此開口的底部部分28b中的電場集中降低。拐角K處的電場集中也確定無疑地降低。以下將描述用于制造圖9中示出的半導(dǎo)體器件的方法。只描述圖9中示出的半導(dǎo)體器件和第一實(shí)施例中的半導(dǎo)體器件之間在制造方法上差異。(SI)從襯底I側(cè)開始依次生長包括n_型GaN漂移層4/p型GaN勢壘層6/n+型GaN接觸層7的堆疊層15。(S2)形成開口 28。(S3)(i)形成掩蓋開口 28中的除了底部部分28b之外的部分的抗蝕劑圖案,并且利用諸如Mg的ρ型雜質(zhì)執(zhí)行離子注入,使得在底部部分28b中形成板形底部ρ型區(qū)31。(^)代替處理(1),形成掩蓋開口 28中的除了底部部分28b之外的部分的抗蝕劑圖案,并且蝕刻底部部分28b,然后執(zhí)行板形底部ρ型區(qū)31的嵌入式生長。(S3)的處理(i)或(ii)是這個實(shí)施例的半導(dǎo)體器件10特有的制造處理。此后,執(zhí)行與第一實(shí)施例中的制造處理相同的制造處理,也就是說,執(zhí)行形成再生長層的步驟。〈圖9中的半導(dǎo)體器件的修改1>圖10示出本發(fā)明的實(shí)施例的半導(dǎo)體器件10,該半導(dǎo)體器件10是第二實(shí)施例的修改。在這個修改I中,與圖9中的半導(dǎo)體器件不同,底部P型區(qū)31具有環(huán)形形狀并且位于開口的底部部分28b中的再生長層27下方,以便接觸再生長層27。特別地,底部ρ型區(qū)31以局部方式定位在開口的底部部分28b的邊緣附近或者在拐角K附近。如上所述,在剖面視圖中拐角K是在開口的底部部分28b和開口的壁表面彼此相交處的脊。環(huán)形底部ρ型區(qū)31設(shè)置在脊下方并且沿著脊,其直徑比脊的直徑小。因?yàn)殚_口 28具有六邊形形狀,所以脊也形成六邊形形狀并且沿著脊設(shè)置的底部P型區(qū)31具有六邊環(huán)形形狀。利用與設(shè)置在圖9中的半導(dǎo)體器件中的底部P型區(qū)的機(jī)制相同的機(jī)制,產(chǎn)生使用環(huán)形底部P型區(qū)31減小開口的底部部分中的電場集中的效果。然而,在修改I的半導(dǎo)體器件10中,底部ρ型區(qū)31局部地有助于減小邊緣或拐角K處的電場集中。因此,底部ρ型區(qū)31沒有相當(dāng)有助于減小底部部分28b中心中的電場集中。然而,因?yàn)樵陂_口的底部部分28b的拐角K處密集地出現(xiàn)由電場集中造成的擊穿,所以可以有效地提高擊穿電壓特性。另外,因?yàn)槿缟纤?,底部P型區(qū)31局部位于拐角M的下方和內(nèi)部,所以底部ρ型區(qū)31不容易變成電子從電子漂移層22流入η—型GaN漂移層4的障礙。這是實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。簡而言之,在圖10中的半導(dǎo)體器件10中,底部ρ型區(qū)31有效地有助于減小在開口的底部部分28b的拐角K處的電場集中,同時可以保持低導(dǎo)通電阻。用于制造圖10中的半導(dǎo)體器件10的方法與用于制造圖9中的半導(dǎo)體器件的方法相同,不同之處在于,底部P型區(qū)31的形狀改變,這是很小的改變?!磮D9中的半導(dǎo)體器件的修改2>圖11示出本發(fā)明的實(shí)施 例的半導(dǎo)體器件10,該半導(dǎo)體器件10是第二實(shí)施例的修改。在這個修改中,與圖9中的半導(dǎo)體器件不同,底部ρ型區(qū)31是通過將再生長層轉(zhuǎn)換成P型再生長層而得到的再生長層底部區(qū)。因此,這個修改2中的再生長層底部區(qū)31具有與圖9中的半導(dǎo)體器件的底部ρ型區(qū)31的結(jié)構(gòu)和效果類似的結(jié)構(gòu)和效果。要記住的要點(diǎn)如下。修改2中的再生長層底部區(qū)31是通過將再生長層轉(zhuǎn)換成P型再生長層而得到的。如果再生長層底部區(qū)31形成在整個底部部分28b中,則再生長層底部區(qū)31妨礙電子流動。因此,再生長層底部區(qū)31的直徑優(yōu)選地被設(shè)置成小于開口的底部部分28b的直徑,以保持低導(dǎo)通電阻。制造方法具有如下差異,這并非顯著差異。在形成再生長層27的步驟之前的步驟中,在開口的底部部分28b中均形成圖9和圖10中的半導(dǎo)體器件10中的底部ρ型區(qū)31。通過形成再生長層27,然后形成覆蓋再生長層的除了底部部分之外的部分的抗蝕劑圖案,并且利用P型雜質(zhì)執(zhí)行離子注入以將再生長層的底部部分轉(zhuǎn)換成P型底部部分,從而形成這個修改2的半導(dǎo)體器件10中的再生長層底部區(qū)31。例如,可以使用Mg作為ρ型雜質(zhì)。實(shí)例關(guān)于圖1中示出的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件,使用計算機(jī)模擬,調(diào)查在開口 28的底部部分的邊緣處的電場集中降低。半導(dǎo)體器件10的結(jié)構(gòu)如下?!吹谝籊aN漂移層4a>:厚度5 μ m,所有測試樣本具有相同的IXlO16 (lE16)cm_3的η型雜質(zhì)濃度?!吹诙礼aN 漂移層 4b>:厚度 0.3 μ m,η 型雜質(zhì)濃度(Al)為 IXlO14 (lE14)cm_3、(A2)為 IXlO15 (1E15)chT3、(A3)為 IXlO16 (1E16) cnT3、(BI)為 5 X IO16 (5E16) cm_3、(B2)為 IXlO17 (1E17) cnT3在測試樣本(Al)至(A3)中,第二 GaN漂移層4b中的η型雜質(zhì)濃度低于第一 GaN漂移層4a中的η型雜質(zhì)濃度。測試樣本(Al)至(A3)被當(dāng)作本發(fā)明實(shí)例Al至A3。嚴(yán)格意義上,具有IXlO16 (lE16)cm_3的η型雜質(zhì)濃度的測試樣本(A3)不能被當(dāng)作本發(fā)明實(shí)例。然后,通過將第二 GaN漂移層4b中的η型雜質(zhì)濃度解釋為只比第一 GaN漂移層4a中的η型雜質(zhì)濃度略低的濃度,將測試樣本(A3 )當(dāng)作本發(fā)明實(shí)例。其它測試樣本被當(dāng)作比較例(BI)和(Β2)。在比較例BI和Β2中,第二 GaN漂移層4b中的η型雜質(zhì)濃度高于第一 GaN漂移層4a中的η型雜質(zhì)濃度。 通過確定在開口的底部部分28b的拐角K處的電場強(qiáng)度(任意單位),來評價模擬。假設(shè)本發(fā)明實(shí)例Al的電場強(qiáng)度為5 (被稱為參考值),并且其它測試樣本的電場強(qiáng)度被示出為相對值。圖12示出結(jié)果。參照圖12,比較例B2的測試樣本具有電場強(qiáng)度9,幾乎是參考值5的兩倍,因?yàn)榈?br>
二GaN漂移層4b具有高η型雜質(zhì)濃度。通過減小η型雜質(zhì)濃度,在比較例BI中,電場強(qiáng)度減小為大約7 (參考值的1.4倍)。在η型雜質(zhì)濃度進(jìn)一步減小的本發(fā)明實(shí)例A3中,電場強(qiáng)度減小至略小于6 (參考值的1.2倍)。此外,當(dāng)η型雜質(zhì)濃度如在本發(fā)明實(shí)例Α2或Al中減小為IXlO15 (lE15)cm_3或更小,電場強(qiáng)度減小為大約5 (參考值)。從模擬結(jié)果確認(rèn)的是,可以通過減小第二 GaN漂移層4b中的η型雜質(zhì)濃度,減小開口的底部部分28b中的電場集中。因此,n_型GaN漂移層4被劃分成2層,并且在形成開口的底部部分28b的第二 GaN漂移層4b中的η型雜質(zhì)濃度被設(shè)置成低于位于第二 GaN漂移層4b下方的第一 GaN漂移層4a中的η型雜質(zhì)濃度,由此可以減小開口的底部部分28b中的電場集中。本發(fā)明的以上實(shí)施例中公開的結(jié)構(gòu)只是實(shí)例并且本發(fā)明的范圍不限于這些實(shí)施例。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定,并且落入權(quán)利要求的范圍及其等同物內(nèi)的所有變化因此被權(quán)利要求涵蓋。工業(yè)適用性根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件等,在具有開口的垂直半導(dǎo)體器件中,可以通過設(shè)置雜質(zhì)調(diào)節(jié)層來提高截止?fàn)顟B(tài)下的擊穿電壓特性,該雜質(zhì)調(diào)節(jié)層促進(jìn)在截止?fàn)顟B(tài)下的電勢分布中從漏電極側(cè)到柵電極側(cè)的電壓降。通過采用簡單結(jié)構(gòu),可以穩(wěn)定地提高截止?fàn)顟B(tài)下的擊穿電壓特性,在該簡單結(jié)構(gòu)中,例如,通過將漂移層劃分成兩個層并且將形成開口底部部分的漂移層的η型雜質(zhì)濃度設(shè)置為低來形成雜質(zhì)調(diào)節(jié)層。
權(quán)利要求
1.一種垂直半導(dǎo)體器件,所述垂直半導(dǎo)體器件包括具有開口的GaN基堆疊層, 所述GaN基堆疊層向頂層側(cè)依次包括η型GaN基漂移層/p型GaN基勢壘層/n型GaN基接觸層,所述開口從頂層延伸并且到達(dá)所述η型GaN基漂移層,所述半導(dǎo)體器件包括:再生長層,所述再生長層被定位為覆蓋所述開口的壁表面,所述再生長層包括電子漂移層和電子供應(yīng)層; 源電極,所述源電極接觸所述η型GaN基接觸層和所述再生長層; 漏電極,所述漏電極被定位為面對所述源電極,而所述GaN基堆疊層夾在其間; 柵電極,所述柵電極被定位在所述再生長層上;以及 半導(dǎo)體雜質(zhì)調(diào)節(jié)區(qū),所述半導(dǎo)體雜質(zhì)調(diào)節(jié)區(qū)被設(shè)置在所述開口的底部部分中, 其中,所述雜質(zhì)調(diào)節(jié)區(qū)是促進(jìn)在截止?fàn)顟B(tài)下的電勢分布中從所述漏電極側(cè)到所述柵電極側(cè)的電勢降低的區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件,其中,所述雜質(zhì)調(diào)節(jié)區(qū)是通過將所述η型GaN基漂移層劃分成多個層并且將所述多個層中的一個層中的η型雜質(zhì)濃度設(shè)置為比其他層中的η型雜質(zhì)濃度低而形成的區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件,其中,所述η型GaN基漂移層被劃分成形成所述開口的底部部分的第二 η型漂移層和位于所述第二 η型漂移層的所述漏電極側(cè)的第一 η型漂移層,并且所述第二 η型漂移層中的η型雜質(zhì)濃度被設(shè)置為低于所述第一 η型漂移層中的η型雜質(zhì)濃度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件,其中,所述雜質(zhì)調(diào)節(jié)區(qū)是設(shè)置在所述開口的底部部分中從而沒有妨礙自所述再生長層的電子流動的底部P型區(qū),并且在所述底部P型區(qū)和位于所述底部P型區(qū)下方的所述η型GaN基漂移層之間形成ρη結(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件,其中,所述底部P型區(qū)是下述區(qū)中的任一個:(I)板形底部區(qū),所述板形底部區(qū)具有板狀形狀并且位于覆蓋所述開口的底部部分的所述再生長層下方,(2)環(huán)形底部區(qū),所述環(huán)形底部區(qū)位于覆蓋所述開口的底部部分的所述再生長層下方并且僅處于所述底部部分的邊緣處,和(3)再生長層底部區(qū),所述再生長層底部區(qū)通過利用P型雜質(zhì)摻雜覆蓋所述開口的底部部分的所述再生長層而形成。
6.一種用于制造垂直半導(dǎo)體器件的方法,所述垂直半導(dǎo)體器件包括具有開口的GaN基堆疊層,所述方法包括: 形成向頂層側(cè)依次包括η型GaN基漂移層/p型GaN基勢壘層/n型GaN基接觸層的GaN基堆疊層的步驟; 形成從所述η型GaN基接觸層延伸并且到達(dá)所述η型GaN基漂移層的開口的步驟;以及 形成再生長層以覆蓋所述開口的壁表面和底部部分的步驟,所述再生長層包括電子漂移層和電子供應(yīng)層, 其中,在形成所述GaN基堆疊層的步驟中,通過連續(xù)生長多個層來形成所述η型GaN基漂移層,并且所述多個層中的一個層中的η型雜質(zhì)濃度被設(shè)置為低于其他層中的η型雜質(zhì)濃度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造半導(dǎo)體器件的方法,其中,在形成所述GaN基堆疊層的步驟中,當(dāng)生長所述η型GaN基漂移層時,生長第一 η型漂移層,然后在所述第一 η型漂移層上生長第二 η型漂移層,并且所述第二 η型漂移層中的η型雜質(zhì)濃度被設(shè)置為低于所述第一η型漂移層中的η型雜質(zhì)濃度。
8.一種用于制造垂直半導(dǎo)體器件的方法,所述垂直半導(dǎo)體器件包括具有開口的GaN基堆疊層,所述方法包括: 形成向頂層側(cè)依次包括η型GaN基漂移層/p型GaN基勢壘層/n型GaN基接觸層的GaN基堆疊層的步驟; 形成從所述η型GaN基接觸層延伸并且到達(dá)所述η型GaN基漂移層的開口的步驟; 形成再生長層以覆蓋所述開口的壁表面和底部部分的步驟,所述再生長層包括電子漂移層和電子供應(yīng)層;以及 形成覆蓋所述再生長層的除了底部部分之外的部分的抗蝕劑圖案并且利用P型雜質(zhì)執(zhí)行離子注入以將所述再生長層的底部部分轉(zhuǎn)換成P型底部部分的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制造半導(dǎo)體器件的方法,其中,在形成所述再生長層的步驟之前和形成所述開口之后,形成覆蓋所述開口的除了底部部分之外的部分的抗蝕劑圖案,然后在所述開口的底部部分中執(zhí)行利用P型雜質(zhì)的離子注入以形成底部P型區(qū),或者通過蝕刻去除所述開口的底部部分并且在底部部分中執(zhí)行P型層的嵌入生長以形成底部P型區(qū);然后形成所述再生長層;并且不進(jìn)行 利用P型雜質(zhì)執(zhí)行離子注入的后續(xù)步驟。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種半導(dǎo)體器件等,該半導(dǎo)體器件配備有在開口部分中的溝道和柵電極并且在發(fā)生截止操作時可以減小在開口的底部部分附近的電場集中。該半導(dǎo)體器件包括n-型GaN漂移層(4)/p型GaN勢壘層(6)/n+型GaN接觸層,并且特征在于配備有開口部分(28),其從表面層延伸進(jìn)入n型GaN基漂移層;再生長層(27),其被定位在所述開口中,并且包括電子供應(yīng)層(22)和電子漂移層(22);源電極(S);漏電極(D);柵電極(G),其被定位在再生長層上;以及半導(dǎo)體雜質(zhì)調(diào)節(jié)區(qū)(31),其被設(shè)置在開口部分的底部部分中。該雜質(zhì)調(diào)節(jié)區(qū)(31)是用于促進(jìn)當(dāng)發(fā)生截止操作時關(guān)于電勢分布從漏電極側(cè)到柵電極側(cè)的電勢降低的區(qū)。
文檔編號H01L21/338GK103189992SQ201180052289
公開日2013年7月3日 申請日期2011年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月4日
發(fā)明者八重樫誠司, 木山誠, 井上和孝, 橫山滿德, 齋藤雄, 岡田政也 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社