半導(dǎo)體裝置和其生產(chǎn)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種可穩(wěn)定地獲得低導(dǎo)通電阻同時(shí)實(shí)現(xiàn)高縱向擊穿電壓的半導(dǎo)體裝置，和一種用于生產(chǎn)所述半導(dǎo)體裝置的方法。所述半導(dǎo)體裝置是以基于GaN的堆疊層形式形成的，包括n型漂移層(4)、p型層(6)和n型頂層(8)。所述半導(dǎo)體裝置包括再生長(zhǎng)層(27)，其被形成以便覆蓋所述基于GaN的堆疊層的暴露于開口(28)的一部分，所述再生長(zhǎng)層(27)包括通道。所述通道是在電子漂移層與電子供應(yīng)層之間的界面處形成的二維電子氣。當(dāng)假定所述電子漂移層(22)具有厚度d時(shí)，所述p型層(6)具有在d到10d范圍內(nèi)的厚度，并且形成濃度從所述p型層中的p型雜質(zhì)濃度降低的分級(jí)p型雜質(zhì)層(7)，以便從所述p型層與所述n型頂層之間的界面延伸到所述n型頂層內(nèi)部。
【專利說(shuō)明】半導(dǎo)體裝置和其生產(chǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于大功率切換并具有低導(dǎo)通電阻和卓越的擊穿電壓特性的縱向半導(dǎo)體裝置，和一種用于生產(chǎn)所述縱向半導(dǎo)體裝置的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高反向擊穿電壓和低導(dǎo)通電阻是強(qiáng)電流切換裝置所需的。使用基于III族氮化物的半導(dǎo)體的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)由于其寬帶隙在例如高擊穿電壓和高溫操作方面是卓越的。因此，使用基于GaN的半導(dǎo)體的縱向晶體管已作為控制大功率的晶體管而尤其受到關(guān)注。舉例來(lái)說(shuō)，PTLl提出了一種基于GaN的縱向FET，通過(guò)在基于GaN的半導(dǎo)體中形成開口和在所述開口的側(cè)表面形成包括二維電子氣(2DEG)通道的再生長(zhǎng)層而使所述縱向FET的遷移率增加并且使其導(dǎo)通電阻減小。
[0003]引用清單
[0004]專利文獻(xiàn)
[0005]PTLl:日本未審查專利申請(qǐng)公開案第2006-286942號(hào)
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]技術(shù)問(wèn)題
[0007]在縱向FET中，產(chǎn)生保護(hù)環(huán)作用的P型GaN層被安置在欲形成再生長(zhǎng)層的開口周圍部分。從而形成npn結(jié)構(gòu)，且因此可確保縱向擊穿電壓特性，同時(shí)由于形成通道的二維電子氣而獲得高遷移率。然而，這類結(jié)構(gòu)并不總是足以獲得低導(dǎo)通電阻的結(jié)構(gòu)。
[0008]本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種可穩(wěn)定地獲得低導(dǎo)通電阻同時(shí)實(shí)現(xiàn)高縱向擊穿電壓的半導(dǎo)體裝置和一種用于生產(chǎn)所述半導(dǎo)體裝置的方法。
[0009]問(wèn)題的解決方案
[0010]本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置是以基于GaN的堆疊層形式形成，包括η型漂移層、位于η型漂移層上的P型層和位于P型層上的η型頂層。在這一半導(dǎo)體裝置中，基于GaN的堆疊層具有從η型頂層延伸并穿過(guò)P型層到達(dá)η型漂移層的開口。所述半導(dǎo)體裝置包括再生長(zhǎng)層，其被定位以便覆蓋基于GaN的堆疊層的暴露于開口的一部分，所述再生長(zhǎng)層包括通道。再生長(zhǎng)層包括電子漂移層和電子供應(yīng)層，并且通道是在所述電子漂移層與所述電子供應(yīng)層之間的界面形成的二維電子氣。當(dāng)假定電子漂移層具有厚度d時(shí)，P型層具有在d到IOd范圍內(nèi)的厚度，并且形成濃度從P型層中的P型雜質(zhì)濃度降低的分級(jí)P型雜質(zhì)層，以便從P型層與η型頂層之間的界面延伸到η型頂層內(nèi)部。
[0011]根據(jù)以上結(jié)構(gòu)，由于P型層具有在d到IOd范圍內(nèi)的厚度，所以可減小通道的長(zhǎng)度，同時(shí)獲得令人滿意的擊穿電壓特性，這可減小導(dǎo)通電阻。關(guān)于擊穿電壓特性，分級(jí)P型雜質(zhì)層有助于改善擊穿電壓特性。雖然P型層可單獨(dú)提供令人滿意的擊穿電壓特性，但是擊穿電壓特性的余量或安全裕度可通過(guò)分級(jí)P型雜質(zhì)層的存在而獲得。此外，由于分級(jí)P型雜質(zhì)層是為了滲入η型頂層而形成的，所以分級(jí)P型雜質(zhì)層不直接造成導(dǎo)通電阻增加或幾乎不影響導(dǎo)通電阻。當(dāng)為了減小導(dǎo)通電阻而減小P型層的厚度時(shí)，容易產(chǎn)生從η型頂層流動(dòng)穿過(guò)電子漂移層(一般是i型GaN層)到η型漂移層的漏電流。然而，由于分級(jí)P型雜質(zhì)層滲入η型頂層，所以η型頂層實(shí)質(zhì)上占據(jù)了已遠(yuǎn)離P型層的區(qū)域或P型層的厚度實(shí)質(zhì)上增加。因此，可抑制產(chǎn)生流動(dòng)通過(guò)電子漂移層的漏電流。
[0012]關(guān)于P型層的厚度，如果P型層的厚度小于d，那么不能獲得令人滿意的擊穿電壓特性并且漏電流增加。另一方面，如果P型層的厚度大于10d，那么沿著開口斜面形成的通道長(zhǎng)度增加到IOd以上。因而，不能忽略導(dǎo)通電阻的增加。在本發(fā)明中，可減小P型層的厚度，并且可通過(guò)如上所述安置分級(jí)P型雜質(zhì)層來(lái)消除由于P型層厚度減小所導(dǎo)致的副作用。在特殊情況下，幾乎無(wú)副作用，并且可提供通過(guò)減小P型層厚度而改善的性能和通過(guò)形成分級(jí)P型雜質(zhì)層而改善的性能。
[0013]假定分級(jí)P型雜質(zhì)層至少未滲入η型頂層接近于表面的區(qū)域。也就是說(shuō)，至少在η型頂層接近于表面的區(qū)域中，分級(jí)P型雜質(zhì)層的P型雜質(zhì)濃度減少到背景含量。
[0014]基于GaN的堆疊層是通過(guò)在預(yù)定的GaN晶面上進(jìn)行外延生長(zhǎng)而獲得。GaN基底可以是GaN襯底或支撐襯底上的GaN膜?；蛘?，通過(guò)在基于GaN的堆疊層生長(zhǎng)期間，在GaN襯底等上形成GaN層，并且接著去除具有與GaN襯底等的厚度相當(dāng)?shù)哪骋缓穸鹊牟糠?，只可以留下薄的GaN層作為呈產(chǎn)物形式的基底。留下作為基底的薄GaN層可以是導(dǎo)電或不導(dǎo)電的層。根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)而定，漏極電極可被安置在薄GaN層的頂部或底部表面上。
[0015]在GaN襯底、支撐襯底等被留在產(chǎn)物中的情況下，支撐襯底或襯底可以是導(dǎo)電的或不導(dǎo)電的襯底。當(dāng)支撐襯底或襯底是導(dǎo)電襯底時(shí)，漏極電極可被直接安置在支撐襯底或襯底的底部(下部)表面或頂部(上部)表面上。當(dāng)支撐襯底或襯底是不導(dǎo)電襯底時(shí)，漏極電極可被安置在不導(dǎo)電襯底上方和位于半導(dǎo)體層下層側(cè)面上的導(dǎo)電層上。
[0016]可形成分級(jí)P型雜質(zhì)層以便從P型層與η型頂層之間的界面延伸到η型頂層內(nèi)部并具有在0.5d到3.5d范圍內(nèi)的厚度。這有助于改善擊穿電壓特性和抑制漏電流的產(chǎn)生。此外，對(duì)導(dǎo)通電阻幾乎不產(chǎn)生影響。如果分級(jí)P型雜質(zhì)層的厚度小于0.5d，那么僅具有改善擊穿電壓特性和抑制漏電流產(chǎn)生的有限作用。如果分級(jí)P型雜質(zhì)層的厚度大于3.5d，那么不利地影響導(dǎo)通電阻。
[0017]分級(jí)P型雜質(zhì)層的P型雜質(zhì)濃度梯度可在30納米/十進(jìn)位到300納米/十進(jìn)位范圍內(nèi)。如果P型雜質(zhì)的濃度梯度小于30納米/十進(jìn)位，那么所述濃度梯度變得像界面處的濃度梯度一樣陡。因此，僅提供在薄區(qū)域中的局部作用，并且很難改善擊穿電壓特性和抑制漏電流產(chǎn)生。另一方面，大于300納米/十進(jìn)位的P型雜質(zhì)的濃度梯度并沒(méi)有與P型層厚度的增加顯著不同，這增加了導(dǎo)通電阻增加的風(fēng)險(xiǎn)。
[0018]注意按“納米/十進(jìn)位”單位計(jì)量的那個(gè)濃度梯度是使雜質(zhì)濃度減小一個(gè)小數(shù)位所需的厚度。
[0019]電子漂移層的厚度d可在20nm到400nm范圍內(nèi)。這容易因P型層和分級(jí)P型雜質(zhì)層的排列而提供如抑制漏電流產(chǎn)生的作用。如果電子漂移層的厚度小于20nm，那么導(dǎo)通電阻因?yàn)镸g從P型層擴(kuò)散到電子漂移層中而增加。如果厚度大于400nm，那么容易產(chǎn)生從η型頂層流動(dòng)穿過(guò)電子漂移層到達(dá)η型漂移層的漏電流。
[0020]η型頂層的η型雜質(zhì)濃度可在相對(duì)于P型層的P型雜質(zhì)濃度_25%到+25%的范圍內(nèi)。因此，η型頂層的η型雜質(zhì)濃度實(shí)質(zhì)上等于P型層的P型雜質(zhì)濃度。在從界面到η型頂層內(nèi)部的區(qū)域中，分級(jí)P型雜質(zhì)層包括因雜質(zhì)之間的抵消而幾乎無(wú)載流子的層部分。因此，可改善擊穿電壓特性并且還可抑制漏電流產(chǎn)生。
[0021]一種用于生產(chǎn)本發(fā)明半導(dǎo)體裝置的方法使用基于GaN的堆疊層。這一生產(chǎn)方法包括形成η型漂移層、位于η型漂移層上的P型層和位于P型層上的η型頂層的步驟；形成從η型頂層延伸并穿過(guò)P型層到達(dá)η型漂移層的開口的步驟；和在開口中形成電子漂移層和電子供應(yīng)層的步驟。在形成P型層的步驟中，當(dāng)假定電子漂移層具有厚度d時(shí)，P型層具有在d到IOd范圍內(nèi)的厚度。在形成P型層和η型頂層的步驟中，形成濃度從P型層中的P型雜質(zhì)濃度降低的分級(jí)P型雜質(zhì)層，以便從P型層與η型頂層之間的界面延伸到η型頂層內(nèi)部。
[0022]根據(jù)以上方法，可通過(guò)減小P型層的厚度減小導(dǎo)通電阻并且同時(shí)在η型頂層形成期間，可通過(guò)將P型層中的P型雜質(zhì)引入η型頂層中而容易地在η型頂層中形成分級(jí)P型雜質(zhì)層。因此，可容易地提供具有低導(dǎo)通電阻和卓越擊穿電壓特性和低漏電流特性的半導(dǎo)體裝置。
[0023]在形成P型層和η型頂層的步驟中，可通過(guò)進(jìn)行摻雜使得η型頂層的η型雜質(zhì)濃度被調(diào)節(jié)在相對(duì)于P型層的P型雜質(zhì)濃度-25 %到+25 %的范圍內(nèi)而形成分級(jí)P型雜質(zhì)層，以便從P型層與η型頂層之間的界面延伸到η型頂層內(nèi)部，并且具有在0.5d到3.5d范圍內(nèi)的厚度。這可提供具有卓越擊穿電壓特性和低漏電流特性的半導(dǎo)體裝置。
[0024]在形成η型頂層的步驟中，進(jìn)行摻雜以便形成分級(jí)P型雜質(zhì)層或使η型頂層在1030°C到1100°C范圍內(nèi)的生長(zhǎng)溫度下生長(zhǎng)，從而使得P型層中的P型雜質(zhì)擴(kuò)散到η型頂層中。因此，使用常用設(shè)施和生長(zhǎng)方法可易于生產(chǎn)包括基于GaN的半導(dǎo)體層和分級(jí)P型雜質(zhì)層的半導(dǎo)體裝置。
[0025]本發(fā)明的有利作用
[0026]根據(jù)本發(fā)明，可提供一種半導(dǎo)體裝置，其中可穩(wěn)定地獲得低導(dǎo)通電阻同時(shí)實(shí)現(xiàn)高縱向擊穿電壓。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1是沿圖3的線1-1截取的截面視圖并示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的基于GaN的縱向FET。
[0028]圖2Α是圖1半導(dǎo)體裝置中開口側(cè)表面的放大視圖。
[0029]圖2Β是示出分級(jí)P型雜質(zhì)層中P型雜質(zhì)在厚度方向上的分布的圖。
[0030]圖3是形成圖1半導(dǎo)體裝置的芯片的平面視圖。
[0031]圖4Α是示出用于生產(chǎn)圖1的基于GaN的縱向FET的方法的圖，所述圖示出包括分級(jí)P型雜質(zhì)層的外延堆疊層已在GaN襯底上形成的狀態(tài)。
[0032]圖4Β是示出用于生產(chǎn)圖1的基于GaN的縱向FET的方法的圖，所述圖示出開口已形成的狀態(tài)。
[0033]圖4C是示出用于生產(chǎn)圖1的基于GaN的縱向FET的方法的圖，所述圖示出再生長(zhǎng)層已在開口中生長(zhǎng)的狀態(tài)。
[0034]圖5Α是示出在通過(guò)RIE形成開口的階段已形成抗蝕劑圖案的狀態(tài)的圖。
[0035]圖5Β是示出在通過(guò)RIE形成開口的階段，通過(guò)進(jìn)行離子輻射向下蝕刻堆疊層的狀態(tài)的圖。
[0036]圖6是示出在再生長(zhǎng)層生長(zhǎng)中的溫度-時(shí)間圖案的圖。
[0037]圖7A是示出絕緣層已在再生長(zhǎng)層上生長(zhǎng)的狀態(tài)的圖。
[0038]圖7B是示出已形成源極電極、漏極電極和柵極電極的狀態(tài)的圖。
[0039]圖8是示出實(shí)例中所生產(chǎn)的半導(dǎo)體裝置中分級(jí)P型雜質(zhì)層在厚度方向上的濃度分布的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置10的截面視圖。在這一半導(dǎo)體裝置10中，形成開口 28以便從由(基于GaN的襯底I /緩沖層2 / n_型漂移層4 / p型阻擋層6 / n+型接觸層8)構(gòu)成的基于GaN的半導(dǎo)體層表面延伸并到達(dá)n_型漂移層4。n+型接觸層8是給η型頂層8的替代名稱并在強(qiáng)調(diào)電極排列時(shí)使用。當(dāng)強(qiáng)調(diào)堆疊層的頂層時(shí)，η+型接觸層8也被稱為η+型頂蓋層。P型阻擋層6是給ρ型層6的替代名稱并用于強(qiáng)調(diào)針對(duì)電子的阻擋層。η—型漂移層4充當(dāng)η型漂移層4。
[0041 ] 形成包括電子漂移層22和電子供應(yīng)層26的再生長(zhǎng)層27以便覆蓋基于GaN的半導(dǎo)體層的一部分，所述部分被暴露于開口 28。柵極電極G是在再生長(zhǎng)層27上方形成的，其中在兩者之間安置有絕緣層9。源極電極S是在基于GaN的半導(dǎo)體層上形成的，以便與電子漂移層22和電子供應(yīng)層26接觸。面向源極電極S安置漏極電極D，使得η—型漂移層4等被夾在它們之間。在電子漂移層22與電子供應(yīng)層26之間的界面處形成二維電子氣(2DEG)。2DEG構(gòu)成了縱向電流在源極電極與漏極電極之間流動(dòng)的通道。
[0042]根據(jù)這一實(shí)施例，半導(dǎo)體裝置10的特征在于(I)當(dāng)假定電子漂移層22具有厚度d時(shí)，ρ型阻擋層6具有在d到IOd范圍內(nèi)的厚度和(2)形成濃度從ρ型阻擋層6中的ρ型雜質(zhì)濃度降低的分級(jí)P型雜質(zhì)層7，以便從(ρ型阻擋層6 / n+型接觸層8)界面延伸到n+型接觸層8內(nèi)部。
[0043]圖2A是示出在圖1所示半導(dǎo)體裝置10的再生長(zhǎng)層27和在開口 28側(cè)表面的(n_型漂移層/ P型阻擋層6 / n+型接觸層8)的放大截面視圖。圖2B是示出P型雜質(zhì)濃度在厚度方向上的分布的圖。在圖2A中，電子漂移層22的厚度是由d表示。如上所述，當(dāng)假定電子漂移層22具有厚度d時(shí)，ρ型阻擋層6可具有在d到IOd范圍內(nèi)的厚度。分級(jí)ρ型雜質(zhì)層7可具有在0.5d到3.5d范圍內(nèi)的厚度。
[0044]聚焦于構(gòu)成充當(dāng)P型層的P型阻擋層6的主要ρ型雜質(zhì)類型(如Mg)，如圖2B所示，分級(jí)P型雜質(zhì)層7的厚度被定義為從(P型阻擋層6 / n+型接觸層8)界面到n+型接觸層8中具有背景濃度的Mg的部分的厚度。舉例來(lái)說(shuō)，(P型阻擋層6 / n+型接觸層8)界面處的Mg濃度等于ρ型阻擋層6中的Mg濃度，約為5X 1018(5E+18) (cm-3)。n+型接觸層8中Mg的背景濃度為例如約I X IO16 (1E+16) (cm-3)。(ρ型阻擋層6 / η+型接觸層8)界面與分級(jí)P型雜質(zhì)層7的Mg濃度與η.型接觸層8中Mg的背景濃度相交的面(點(diǎn))之間的厚度對(duì)應(yīng)于分級(jí)P型雜質(zhì)層7的厚度。
[0045]通過(guò)排列薄ρ型阻擋層6和分級(jí)ρ型雜質(zhì)層7，可提供以下作用。
[0046](El)由于ρ型阻擋層6具有在d到IOd范圍內(nèi)的厚度，所以通道的長(zhǎng)度可減小到IOd或小于10d，同時(shí)獲得令人滿意的擊穿電壓特性，這可減小導(dǎo)通電阻。[0047](E2)與ρ型阻擋層6被單獨(dú)安置的情況相比，分級(jí)P型雜質(zhì)層7的存在可改善擊穿電壓特性。雖然P型層可單獨(dú)提供令人滿意的擊穿電壓特性，但是擊穿電壓特性的余量或安全裕度可通過(guò)分級(jí)P型雜質(zhì)層7的存在而獲得。此外，由于分級(jí)P型雜質(zhì)層是為了滲入η型頂層而形成，所以分級(jí)ρ型雜質(zhì)層不直接造成導(dǎo)通電阻增加或幾乎不影響導(dǎo)通電阻。
[0048](Ε3)特別是，當(dāng)為了減小導(dǎo)通電阻而減小ρ型阻擋層6的厚度時(shí)，容易產(chǎn)生從η+型接觸層8流動(dòng)穿過(guò)電子漂移層(一般是i型GaN層)22到η_型漂移層4的漏電流。然而，由于分級(jí)P型雜質(zhì)層7滲入η+型接觸層8，所以η+型接觸層8實(shí)質(zhì)上占據(jù)已遠(yuǎn)離ρ型阻擋層6的區(qū)域(通過(guò)朝向表面后退所形成的薄形狀)或ρ型阻擋層6的厚度實(shí)質(zhì)上增加。因此，可抑制產(chǎn)生流動(dòng)通過(guò)電子漂移層22的漏電流。分級(jí)ρ型雜質(zhì)層7充當(dāng)此類漏電流路徑的阻抗。
[0049]總而言之，減小ρ型層的厚度(El)減小了導(dǎo)通電阻，并且同時(shí)分級(jí)P型雜質(zhì)層7(Ε2)改善了擊穿電壓特性和(Ε3)抑制了漏電流產(chǎn)生。
[0050]假定分級(jí)ρ型雜質(zhì)層7至少未滲入η+型接觸層8接近于表面的區(qū)域。也就是說(shuō)，至少在η+型接觸層8接近于表面的區(qū)域中，分級(jí)ρ型雜質(zhì)層7的ρ型雜質(zhì)濃度減小到背景水平(例如 I X IO16CnT3)。
[0051]圖3是形成半導(dǎo)體裝置的芯片的平面視圖并且示出了圖1的截面視圖對(duì)應(yīng)于芯片的那一部分。如圖3所示，開口 28和柵極電極G具有六角形形狀并且開口 28和柵極電極G周圍的區(qū)域?qū)嵸|(zhì)上用源極電極S覆蓋，而源極電極S并未與柵極布線12重疊。因而，形成了最緊密堆疊的結(jié)構(gòu)(蜂巢狀結(jié)構(gòu))并且因此，每一單位面積柵極電極具有長(zhǎng)周長(zhǎng)，即可減小導(dǎo)通電阻。電流流經(jīng)源極電極S —再生長(zhǎng)層27中的通道一η_型漂移層4 —漏極電極D的路徑。柵極電極G、柵極布線12和柵極墊13構(gòu)成了柵極結(jié)構(gòu)。為了防止源極電極S和其布線干擾所述柵極結(jié)構(gòu)，將源極布線安置在層間絕緣層(未圖示)上。在層間絕緣層中形成通孔，并且包括導(dǎo)電插頭的源極電極S與層間絕緣層上的源極導(dǎo)電層(未圖示)導(dǎo)電連接。因此，包括源極電極S的源極結(jié)構(gòu)可具有低電阻和高遷移率，這適用于大功率裝置。
[0052]每一單位面積開口的周長(zhǎng)也可通過(guò)密集地排列伸長(zhǎng)的開口代替采用六角形蜂巢狀結(jié)構(gòu)來(lái)增加。因而，可改善電流密度。
[0053]現(xiàn)在將描述根據(jù)這一實(shí)施例用于生產(chǎn)半導(dǎo)體裝置10的方法。如圖4Α所示，包括η_型GaN漂移層4 / ρ型GaN層6 / η+型GaN接觸層8的基于GaN的堆疊層在相當(dāng)于上述GaN襯底的GaN襯底I上外延生長(zhǎng)?；贕aN的緩沖層可被插在GaN襯底I與η_型GaN漂移層4之間。
[0054]以上各層是通過(guò)例如金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)而形成?？刹捎梅肿邮庋?MBE)代替M0CVD。因此，可形成具有良好結(jié)晶度的基于GaN的半導(dǎo)體層。在通過(guò)使用MOCVD使氮化鎵膜在導(dǎo)電襯底上生長(zhǎng)形成GaN襯底I的情況下，三甲基鎵被用作鎵原料。高純度氨被用作氮原料。純化的氫氣被用作載氣。高純度氨的純度為99.999%或99.999%以上并且純化氫氣的純度為99.999995%或99.999995%以上?；跉涞墓柰楸挥米鳓切蛽诫s物的Si原料而環(huán)戊二烯基鎂被用作ρ型摻雜物的Mg原料。具有兩英寸直徑的導(dǎo)電GaN襯底被用作襯底。在氨氣和氫氣氛圍中，在100托下在1030°C下清潔襯底。隨后，使襯底溫度增加到1050°C并且使氮化鎵層在200托下在1500的V / III比率(這是氮原料與鎵原料的比率)下生長(zhǎng)。[0055]T型GaN層4 / ρ型GaN層6 / η+型GaN層8是以那種順序在GaN襯底I上生長(zhǎng)的。用于形成從(P型GaN層6 / η+型GaN層8)界面延伸到η.型GaN層8內(nèi)部的分級(jí)P型雜質(zhì)層7的方法描述如下。
[0056](SI)當(dāng)ρ型GaN層6的生長(zhǎng)切換到η.型GaN層8的生長(zhǎng)時(shí)，增加η+型GaN層8生長(zhǎng)的初始溫度以幫助P型雜質(zhì)(如Mg)從P型GaN層6擴(kuò)散到η+型GaN層8。
[0057](S2)在η+型GaN層8的生長(zhǎng)中，所引入的P型摻雜物(如充當(dāng)Mg原料的環(huán)戊二烯基鎂)的量在η.型GaN層8生長(zhǎng)的初始較短時(shí)間被調(diào)節(jié)成與ρ型阻擋層6的情況相等并且接著以梯度方式減小。
[0058]分級(jí)ρ型雜質(zhì)層7的ρ型雜質(zhì)濃度梯度可以是30納米/十進(jìn)位到300納米/十進(jìn)位。大于300納米/十進(jìn)位的ρ型雜質(zhì)的濃度梯度并沒(méi)有與P型層厚度的增加顯著不同，這增加了導(dǎo)通電阻增加的風(fēng)險(xiǎn)。小于30納米/十進(jìn)位的濃度梯度僅提供在薄區(qū)域中的局部作用，并且很難改善擊穿電壓特性和抑制漏電流產(chǎn)生。
[0059]如圖4Β所示，開口 28是通過(guò)蝕刻來(lái)形成。在這一開口 28的蝕刻中，如圖5Α和5Β所示，抗蝕劑圖案Ml是在外延層4、6和8的頂部形成，并且接著通過(guò)反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)來(lái)蝕刻抗蝕劑圖案Ml以使得抗蝕劑圖案Ml減少，由此形成開口 28。隨后，去除抗蝕劑圖案Ml并清潔晶片。晶片被插入MOCVD設(shè)備中并且包括由未摻雜的GaN組成的電子漂移層22和由未摻雜的AlGaN組成的電子供應(yīng)層26的再生長(zhǎng)層27是如圖4C所不生長(zhǎng)。在未摻雜的GaN層22和未摻雜的AlGaN層26的生長(zhǎng)中，在(ΝΗ3+Η2)的氛圍中進(jìn)行熱清潔，并且隨后在引入(ΝΗ3+Η2)的同時(shí)供應(yīng)有機(jī)金屬材料。圖6示出了在GaN層22和AlGaN層26生長(zhǎng)時(shí)的溫度-時(shí)間圖案。
[0060]隨后，從MOCVD設(shè)備取出晶片。絕緣層9是如圖7Α所示生長(zhǎng)。通過(guò)光刻法和離子束沉積使源極電極S和漏極電極D分別在外延層的頂部表面和基于GaN的襯底I的底部表面上形成，如圖7Β所示。柵極電極G另外在開口 28的側(cè)表面上形成。
[0061]實(shí)例
[0062]在以上實(shí)施例中所述的生產(chǎn)方法的基礎(chǔ)上生產(chǎn)圖7Β所示的半導(dǎo)體裝置10，研究為了從P型阻擋層6延伸到η.型接觸層8內(nèi)部所形成的分級(jí)P型雜質(zhì)層7的存在(厚度和濃度梯度)。半導(dǎo)體裝置10中除分級(jí)ρ型雜質(zhì)層7以外的構(gòu)件如下。Mg被用作ρ型GaN阻擋層6的ρ型雜質(zhì)。分級(jí)ρ型雜質(zhì)層7是在以上方法(Ml)的基礎(chǔ)上形成。也就是說(shuō)，在η+型頂蓋層8開始形成時(shí)，使溫度增加到1050°C以幫助Mg擴(kuò)散到n+型頂蓋層8中。
[0063]rT 型 GaN 漂移層 4:厚度 5pm, Si 濃度 I X IO16 (1E16) cnT3
[0064]ρ 型 GaN 阻擋層 6:厚度 0.5pm, Mg 濃度 I X IO18 (1E18) cm 3
[0065]n+型 GaN 接觸層 8:厚度 0.2pm，Si 濃度 I X IO18 (1E18) cnT3
[0066]電子漂移層(未摻雜的GaN) 22:厚度0.1pm
[0067]電子供應(yīng)層(未摻雜的AlGaN層)26:厚度0.02pm，Al含量25%
[0068]參看圖6，未摻雜的GaN層22在950°C下生長(zhǎng)約240秒的生長(zhǎng)時(shí)間以便具有0.1pm的厚度。未摻雜的AlGaN層26在1080°C下生長(zhǎng)約100秒的生長(zhǎng)時(shí)間以便具有0.02pm的厚度。在未摻雜的AlGaN層26生長(zhǎng)后,停止有機(jī)金屬材料供應(yīng)并且在氮?dú)夥諊薪档蜏囟取?br> [0069]隨后，從n+型頂蓋層8的表面沿深度方向蝕刻充當(dāng)測(cè)試樣品的半導(dǎo)體裝置10，并且同時(shí)通過(guò)二次離子微探針質(zhì)譜分析(SMS)測(cè)量Mg在深度方向上的濃度分布。[0070]圖8是示出Mg在深度方向上的濃度分布的圖，所述濃度分布是通過(guò)SMS來(lái)測(cè)量。形成具有0.22pm厚度的分級(jí)ρ型雜質(zhì)層(分級(jí)Mg雜質(zhì)層)7。由于電子漂移層22具有
0.1pm(=d)的厚度，所以分級(jí)ρ型雜質(zhì)層7具有2.2d的厚度。ρ型阻擋層6具有0.5pm的厚度，這是5d的厚度。通過(guò)形成厚度減小的ρ型層6和分級(jí)ρ型雜質(zhì)層(分級(jí)Mg雜質(zhì)層)7，如上所述，(El)可減小導(dǎo)通電阻，(E2)可改善擊穿電壓特性，和(E3)可抑制漏電流產(chǎn)生。
[0071]本發(fā)明的以上實(shí)施例中所揭示的結(jié)構(gòu)僅僅是實(shí)例并且本發(fā)明的范圍不限于這些實(shí)施例。本發(fā)明的范圍是由隨附權(quán)利要求書所限定的，并且因此處于所述權(quán)利要求書和其等效物范圍內(nèi)的所有變化都由所述權(quán)利要求書所涵蓋。
[0072]工業(yè)適用性
[0073]根據(jù)本發(fā)明，可提供一種半導(dǎo)體裝置，其中可穩(wěn)定地獲得低導(dǎo)通電阻同時(shí)實(shí)現(xiàn)高縱向擊穿電壓。因此，可實(shí)質(zhì)上控制強(qiáng)電流而無(wú)損耗。
[0074]參考符號(hào)清單
[0075]I GaN 襯底
[0076]2 緩沖層
[0077]4 rT型GaN漂移層
[0078]6 P 型 GaN 層
[0079]7 分級(jí)ρ型雜質(zhì)層
[0080]8 n+ 型 GaN 頂層
[0081]9 絕緣層
[0082]10 縱向 GaN FET
[0083]12柵極布線
[0084]13柵極墊
[0085]22 GaN電子漂移層
[0086]26 AlGaN電子供應(yīng)層
[0087]27再生長(zhǎng)層
[0088]28 開口
[0089]Ml抗蝕劑圖案
[0090]D 漏極電極
[0091]G 柵極電極
[0092]S 源極電極。
【權(quán)利要求】
1.一種以基于GaN的堆疊層形式形成的半導(dǎo)體裝置，其包括η型漂移層、位于所述η型漂移層上的P型層和位于所述P型層上的η型頂層， 所述基于GaN的堆疊層具有從所述η型頂層延伸并穿過(guò)所述P型層到達(dá)所述η型漂移層的開口，所述半導(dǎo)體裝置包含: 再生長(zhǎng)層，其被定位以便覆蓋所述基于GaN的堆疊層的暴露于所述開口的一部分，所述再生長(zhǎng)層包括通道， 其中所述再生長(zhǎng)層包括電子漂移層和電子供應(yīng)層，并且所述通道是在所述電子漂移層與所述電子供應(yīng)層之間的界面處形成的二維電子氣，且 當(dāng)假定所述電子漂移層具有厚度d時(shí)，所述P型層具有在d到IOd范圍內(nèi)的厚度，并且形成濃度從所述P型層中的P型雜質(zhì)濃度降低的分級(jí)P型雜質(zhì)層，以便從所述P型層與所述η型頂層之間的界面延伸到所述η型頂層內(nèi)部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置，其中形成所述分級(jí)P型雜質(zhì)層以便從所述P型層與所述η型頂層之間的所述界面延伸到所述η型頂層內(nèi)部并具有在0.5d到3.5d范圍內(nèi)的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述分級(jí)P型雜質(zhì)層中的P型雜質(zhì)濃度梯度在30納米/十進(jìn)位到300納米/十進(jìn)位的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述電子漂移層的厚度d在20nm到400nm的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述η型頂層的η型雜質(zhì)濃度在相對(duì)于所述P型層的所述P型雜質(zhì)濃度-25%到+25%的范圍內(nèi)。
6.一種用于生產(chǎn)使用基于GaN的堆疊層的半導(dǎo)體裝置的方法，所述方法包含: 形成η型漂移層、位于所述η型漂移層上的P型層和位于所述P型層上的η型頂層的步驟； 形成從所述η型頂層延伸并穿過(guò)所述P型層到達(dá)所述η型漂移層的開口的步驟； 和 在所述開口中形成電子漂移層和電子供應(yīng)層的步驟， 其中，在所述形成所述P型層的步驟中，當(dāng)假定所述電子漂移層具有厚度d時(shí)，所述P型層具有在d到IOd范圍內(nèi)的厚度，且 在所述形成所述η型頂層的步驟中，形成濃度從所述P型層中的P型雜質(zhì)濃度降低的分級(jí)P型雜質(zhì)層，以便從所述P型層與所述η型頂層之間的界面延伸到所述η型頂層內(nèi)部。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于生產(chǎn)半導(dǎo)體裝置的方法，其中，在所述形成所述η型頂層的步驟中，所述分級(jí)P型雜質(zhì)層是通過(guò)進(jìn)行摻雜使得所述η型頂層的η型雜質(zhì)濃度被調(diào)節(jié)在相對(duì)于所述P型層的所述P型雜質(zhì)濃度-25%到+25%的范圍內(nèi)而形成，以便從所述P型層與所述η型頂層之間的所述界面延伸到所述η型頂層內(nèi)部并具有在0.5d到3.5d范圍內(nèi)的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的用于生產(chǎn)半導(dǎo)體裝置的方法，其中，在所述形成所述η型頂層的步驟中，進(jìn)行摻雜以便形成所述分級(jí)P型雜質(zhì)層或使所述η型頂層在1030°C到1100°C范圍內(nèi)的生長(zhǎng)溫度下生長(zhǎng)，從而使得所述P型層中的P型雜質(zhì)擴(kuò)散到所述η型頂層中。
【文檔編號(hào)】H01L29/12GK103620750SQ201180071482
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2011年6月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月8日
【發(fā)明者】齋藤雄, 岡田政也, 上野昌紀(jì), 木山誠(chéng) 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社