專利名稱：半導(dǎo)體器件和制造半導(dǎo)體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件和制造半導(dǎo)體器件的方法，并且其具體地涉及具有在含Ga的氮化物半導(dǎo)體層上方疊置氧化鋁膜的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件和制造該半導(dǎo)體器件的方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)通過使用含Ga氮化物半導(dǎo)體層形成晶體管時(shí)，用于柵極絕緣膜的材料的候選包括各種物質(zhì)。例如，日本未審專利申請(qǐng)公開N0.2005-183597描述了對(duì)于使用含氮的氧化鋁層作為柵極絕緣膜的研究。日本未審專利申請(qǐng)公開N0.2010-45308描述了使用在組分中含Al且具有尖晶石結(jié)構(gòu)的材料作為柵極絕緣膜。作為該材料，示出MgAl204、MnAl20、CoAl2O4和NiAl2O4作為示例。日本未審專利申請(qǐng)公開N0.2004-273630描述了使用AlGaN層作為柵極絕緣膜。日本未審專利申請(qǐng)公開N0.2007-235000描述了使用氮化硅膜、氧化硅膜或氮氧化硅膜作為柵極絕緣膜。

發(fā)明內(nèi)容
當(dāng)在含Ga的氮化物半導(dǎo)體層上方形成氧化鋁層時(shí)，在氧化鋁層和氮化物半導(dǎo)體層之間的界面處生成許多界面態(tài)。在這種情況下，使用疊置結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的特性惡化。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在含Ga的第一氮化物半導(dǎo)體層上方形成氧化鋁層。該氧化鋁膜在界面區(qū)域中具有作為Al原子的四配位Al原子和六配位Al原子，該四配位Al原子中的每個(gè)均由四個(gè)O原子包圍，該六配位Al原子中的每個(gè)均由六個(gè)O原子包圍，該界面區(qū)域位于離相對(duì)于第一氮化物半導(dǎo)體層的界面小于等于1.5nm的區(qū)域中。然后在該界面區(qū)域中，四配位Al原子基于全部Al原子以大于等于30原子％且小于50原子％存在。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在含Ga的氮化物半導(dǎo)體層上形成包括氧化鋁的界面層。在不含氧化劑的氣氛中對(duì)該界面層進(jìn)行熱處理。然后，在該界面層上形成氧化鋁層。根據(jù)上述實(shí)施例，在含Ga的氮化物半導(dǎo)體與氧化鋁層之間的界面處的界面態(tài)的生成得以抑制。


圖1是示出根據(jù)第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件中使用的層結(jié)構(gòu)的視圖；圖2A是示出形成圖1所示半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的方法的視圖2B是示出形成圖1所示半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的方法的視圖；圖3A是示出通過本發(fā)明第一實(shí)施例中示出的方法形成的界面層的TEM-EELS譜(0K-邊緣)的視圖；圖3B是示出比較實(shí)施例的當(dāng)在氮化物半導(dǎo)體層上方直接形成主體層時(shí)在界面處的TEM-EELS譜的視圖；圖4是示出a -Al2O3和Y -Al2O3的TEM-EELS譜的視圖；圖5示出了表明當(dāng)改變C1-Al2O3和Y-Al2O3的比率時(shí)TEM-EELS譜的變化的仿真結(jié)果;圖6Α是示出針對(duì)根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例的樣本和根據(jù)比較實(shí)施例的樣本來測(cè)量在氮化物半導(dǎo)體層和氧化鋁層之間的界面處的界面態(tài)密度的結(jié)果的視圖；圖6Β是示出根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例的樣本和根據(jù)比較實(shí)施例的樣本的BTI特性的測(cè)量結(jié)果的視圖；圖7是示出根據(jù)第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件所用的層結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖8是示出根據(jù)第三實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的配置的視圖；圖9Α是示出制造圖8所示半導(dǎo)體器件的方法的橫截面圖；圖9Β是示出在圖9Α所示步驟之后的制造圖8所示半導(dǎo)體器件的方法的橫截面圖；圖10是示出根據(jù)第四實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的配置的橫截面圖；圖1lA是示出制造圖10所示半導(dǎo)體器件的方法的橫截面圖；以及圖1lB是示出在圖11所示步驟之后的制造圖10所示半導(dǎo)體器件的方法的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式將參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。貫穿整個(gè)附圖，相同配置的元件帶有相同的參考標(biāo)記，對(duì)于這些參考標(biāo)記的描述將視情況省略。第一實(shí)施例圖1是示出根據(jù)第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件中使用的層結(jié)構(gòu)的視圖。該半導(dǎo)體器件包括第一氮化物半導(dǎo)體層100和氧化招層200。第一氮化物半導(dǎo)體層100包含Ga。第一氮化物半導(dǎo)體層100例如為GaN層、AlGaN層或AlInGaN層。然后，氧化鋁層200在相對(duì)于第一氮化物半導(dǎo)體層100的界面區(qū)域中具有作為Al原子的四配位Al原子和六配位Al原子，該四配位Al原子中的每個(gè)均由四個(gè)O原子包圍，該六配位Al原子中的每個(gè)均由六個(gè)O原子包圍。界面區(qū)域是離相對(duì)于第一氮化物半導(dǎo)體層100的界面例如小于等于1.5nm的區(qū)域。然而，界面區(qū)域也可以是離相對(duì)于第一氮化物半導(dǎo)體層100的界面例如小于等于3nm的區(qū)域，或者可以是離相對(duì)于第一氮化物半導(dǎo)體層100的界面2個(gè)原子層或3個(gè)原子層的區(qū)域。在界面區(qū)域中，四配位Al原子基于Al原子的總數(shù)以大于等于30at%且小于50at%存在，優(yōu)選地以大于等于35at %且小于45at %存在。界面區(qū)域例如包括90at %或更多的Y-Al2O3，但該區(qū)域也可以具有其它晶體結(jié)構(gòu)(包括非晶態(tài))。在該配置中，界面區(qū)域中的第一氮化物半導(dǎo)體層100和氧化鋁層200之間的接合得以改善，并且在第一氮化物半導(dǎo)體100與氧化鋁層200之間的界面處的界面態(tài)的生產(chǎn)可以得以抑制。本發(fā)明人估計(jì)如下所述的理由。首先，Ga氧化物在第一氮化物半導(dǎo)體層100的表面上不可避免地形成。Ga氧化物的數(shù)量例如對(duì)應(yīng)于I個(gè)原子層或2個(gè)原子層。Ga氧化物沒有整體地覆蓋第一氮化物半導(dǎo)體層100的表面，而是可以有時(shí)形成為島狀圖案。Ga氧化物的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是@_Ga203。在β-Ga2O3中，約40%的Ga原子均由4個(gè)O原子包圍，并且約60%的剩余原子均由6個(gè)O原子包圍。相應(yīng)地，通過布置使得約40%的Al原子均由4個(gè)O原子包圍并且約60%的剩余原子均由6個(gè)O原子包圍，表面態(tài)的形成得以抑制。在本實(shí)施例中，形成包括氧化鋁的界面層202作為氧化鋁層200的界面區(qū)域。將包括氧化鋁的主體層204形成在界面層202上。主體層的厚度例如為大于等于IOnm且小于等于lOOnm。由于界面層202和王體層204由相問材料形成，所以界面層202與王體層204之間的界面有時(shí)是不明顯的。在襯底10上方形成第一氮化物半導(dǎo)體100。該第一氮化物半導(dǎo)體層100是外延生長(zhǎng)膜。也可以在第一氮化物半導(dǎo)體層100與襯底10之間形成緩沖層。襯底10例如包括Si襯底。圖2是示出形成圖1所示半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的方法的視圖。首先，在襯底10上方外延生長(zhǎng)第一氮化物半導(dǎo)體層100。然后，通過諸如鹽酸之類的化學(xué)溶液清洗第一氮化物半導(dǎo)體層100的表面。然后，將襯底10和第一氮化物半導(dǎo)體層100的疊置結(jié)構(gòu)載入到用于形成氧化鋁層的處理容器中。該處理容器是用于例如通過原子層沉積(ALD)方法形成氮化鋁層的容器。然后，在該處理容器中，在第一氮化物半導(dǎo)體層100上形成包含界面層202的氧化鋁膜層。為此目的，在不含氧化劑的氣氛中在處理容器中沉積期望厚度的氧化鋁層200并且然后對(duì)氧化鋁層200進(jìn)行熱處理。不含氧化劑的氣氛例如是具有0.2*105atm或更少的氧分壓的氣氛，并且這例如是諸如Al氣體的惰性氣體氣氛或氮?dú)鈿怏w氣氛。熱處理溫度例如為大于等于500°C且小于等于100(TC。此外，熱處理時(shí)間例如為大于等于I分鐘且小于等于5分鐘。由該熱處理形成的界面層202的厚度例如為大于等于Inm且小于等于3nm。界面層202的厚度也可以為大于等于2個(gè)原子層且小于等于4個(gè)原子層。用于熱處理的條件設(shè)定在氧化鋁層200不被熱處理結(jié)晶化的范圍內(nèi)。通過該處理，形成在界面層202上具有主體層204的氧化鋁層200。通過使用例如透射電子顯微鏡-電子能量損失譜(TEM-EELS)方法，可以證實(shí)在相對(duì)于第一氮化物半導(dǎo)體層100的界面處的氧化鋁層200的晶體結(jié)構(gòu)是否如本實(shí)施例中所示那樣。圖3A示出了通過本實(shí)施例所述方法形成的界面層202的TEM-EELS譜(Ok-邊緣)，圖3B示出在與第一氮化物半導(dǎo)體層100的界面處的主體層204的TEM-EELS譜。如附圖中所示，本實(shí)施例中所示的界面層202的TEM-EEL譜的峰值位置不同于比較實(shí)施例中的峰值位置。將參照?qǐng)D4和圖5描述理由。圖4示出了 a -Al2O3和Y -Al2O3的TEM-EELS譜。如附圖中所示，a-Al2O3的峰值位置比Y-Al2O3的峰值位置高約2.5eV。然后,在Y-Al2O3中，四配位Al原子以基于全部Al原子的33%存在，而在a -Al2O3中，四配位Al原子占全部Al原子的0%。據(jù)此可見，TEM-EELS譜的峰值位置根據(jù)四配位Al原子的比率而位移。圖5示出了表明當(dāng)C1-Al2O3和Y-Al2O3的比率改變時(shí)TEM-EELS譜的變化的仿真結(jié)果。例如，可以通過將從樣本獲得的TEM-EELS譜與圖5所示的譜進(jìn)行比較來估計(jì)該樣本中的四配位Al原子的比率。然后，將描述本實(shí)施例的功能和效果。根據(jù)本實(shí)施例，可以抑制在第一氮化物半導(dǎo)體層100與氧化鋁層200之間的界面處的界面態(tài)的生成。這是通過如下面具體描述那樣實(shí)際地制備樣品所證實(shí)的。首先，根據(jù)上述優(yōu)選實(shí)施例制備樣品。界面層202的膜厚度為1.5nm,且主體層204的厚度為30nm。在這種情況下，在改變熱處理溫度的同時(shí)制備多個(gè)樣品。此外，作為比較實(shí)施例，制備不經(jīng)受上述處理且其中不形成界面層的樣品。圖6A示出針對(duì)根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例的樣本和根據(jù)比較實(shí)施例的樣本來測(cè)量在第一氮化物半導(dǎo)體層100與氧化鋁層200之間的界面處的界面態(tài)密度的結(jié)果。根據(jù)該附圖，與比較示例的樣品相比，在根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例的樣品中界面態(tài)減少得更多。這種趨勢(shì)隨著熱處理溫度變高而變得明顯。圖6B示出根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例的樣品和根據(jù)比較實(shí)施例的樣品的BTI特性的測(cè)量結(jié)果。測(cè)量條件是在150°C的溫度和IOV的柵極電壓下。在本發(fā)明的實(shí)施例和比較實(shí)施例的任何一個(gè)中，都使用在800°C的溫度下熱處理的樣品。根據(jù)附圖可見，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的樣品比根據(jù)比較實(shí)施例的樣品具有更好的BTI特性。也就是，晶體管的閾值電壓的移位量小。第二實(shí)施例圖7是示出根據(jù)第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件所用的層結(jié)構(gòu)的橫截面圖。除了第二氮化物半導(dǎo)體層102設(shè)置在襯底10與第一氮化物半導(dǎo)體層100之間以外，該層結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施例的層結(jié)構(gòu)相同。在本實(shí)施例中，第一氮化物半導(dǎo)體層100為AlGaN層或AlInGaN層。第二氮化物半導(dǎo)體層102為GaN層。同樣在本實(shí)施例中，可以獲得與第一實(shí)施例中相同的效果。第三實(shí)施例圖8是示出根據(jù)第三實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的配置的視圖。該半導(dǎo)體器件具有HEMT (高電子遷移率晶體管)。HEMT通過使用圖7所示的層結(jié)構(gòu)形成。具體而言，第二氮化物半導(dǎo)體層102和第一氮化物半導(dǎo)體層100由彼此不同的具有電子親和性的材料形成。相應(yīng)地，第二氮化物半導(dǎo)體層102和第一氮化物半導(dǎo)體層100在界面處形成異質(zhì)結(jié)。第一氮化物半導(dǎo)體層100用作對(duì)于兩維電子氣體的供給層，而第二氮化物半導(dǎo)體層102用作溝道層。在第一氮化物半導(dǎo)體層100上方形成氧化鋁層102。氧化鋁層102包括界面層202和主體層204，并且用作HEMT的柵極絕緣膜。在氧化鋁層200上方形成柵極電極210。例如通過濺射方法或CVD方法形成柵極電極210。在第一氮化物半導(dǎo)體層100上方還形成源極電極222和漏極電極224。源極電極222和漏極電極224定位在柵極電極210的相對(duì)側(cè)上。氧化鋁層200不形成在第一氮化物半導(dǎo)體層100的其中定位源極電極222和漏極電極224的區(qū)域中。因此，源極電極222和漏極電極224直接連接到第一氮化物半導(dǎo)體層100。
從柵極電極210到漏極電極224的距離長(zhǎng)于從柵極電極210到源極電極222的距離。這改善了柵極-漏極耐壓。此外，在氧化鋁層200的位于柵極電極210和漏極電極224之間的區(qū)域上方形成場(chǎng)板電極230。場(chǎng)板電極230例如處于與源極電極222相同的電勢(shì)(例如，接地電勢(shì))。這進(jìn)一步改善柵極-漏極耐壓。圖9是示出制造圖8所示半導(dǎo)體器件的方法的橫截面圖。首先，如圖9A所示，制備襯底，其中在襯底10上方形成第二氮化物半導(dǎo)體102。然后，在第二氮化物半導(dǎo)體層102上方形成第一氮化物半導(dǎo)體層100。然后，在第一氮化物半導(dǎo)體層100上方形成界面層202和主體層204。其形成方法如針對(duì)第一實(shí)施例所描述的那樣。然后，在氧化鋁層200上方形成作為柵極電極210的導(dǎo)電膜。例如通過使用濺射方法或CVD方法形成該導(dǎo)電膜。然后，如圖9B所示，在作為柵極電極210的導(dǎo)電膜上方形成抗蝕劑圖案，并且通過使用抗蝕劑圖案作為掩膜來選擇性地去除導(dǎo)電膜。因而，形成柵極電極膜210。然后，去除抗蝕劑圖案。然后，在柵極電極210上方且在氧化鋁層200上方形成抗蝕劑圖案，并且通過使用抗蝕劑圖案作為掩膜來選擇性地去除氧化鋁層200。因而，從氧化鋁層200露出將與源極電極222和漏極電極224連接的第一氮化物半導(dǎo)體層100的部分。隨后，去除抗蝕劑圖案。然而，柵極電極210和氧化鋁層200的圖案化方法以及步驟順序并不限于上述的示例。然后，在第一氮化物半導(dǎo)體層100上方、在氧化鋁層200上方并且在柵極電極210上方形成導(dǎo)電膜，并且選擇性地去除該導(dǎo)電膜。從而，形成源極電極222和漏極電極224。根據(jù)本實(shí)施例，減少了作為柵極絕緣膜的氧化鋁層200與第一氮化物半導(dǎo)體層100之間的界面態(tài)。相應(yīng)地，改善了 HEMT的例如BTI之類的特性。第四實(shí)施例圖10是示出根據(jù)第四實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的配置的橫截面圖。該半導(dǎo)體器件具有場(chǎng)效應(yīng)晶體管。該晶體管通過使用圖1所示的層結(jié)構(gòu)而形成。在本實(shí)施例中，第一氮化物半導(dǎo)體層100包括例如GaN。在第一氮化物半導(dǎo)體層100中形成源極區(qū)域232、漏極區(qū)域234和LDD區(qū)域236。這些區(qū)域中的每個(gè)區(qū)域例如通過將雜質(zhì)引入到第一氮化物半導(dǎo)體層100中來形成。當(dāng)源極區(qū)域232、漏極區(qū)域234和LDD區(qū)域236為N型時(shí)，雜質(zhì)例如為Si，并且當(dāng)它們?yōu)镻型時(shí)，雜質(zhì)例如為Mg。在平面圖中，源極區(qū)域232和漏極區(qū)域234借助于氧化鋁層200而彼此相對(duì)。源極電極222連接到源極區(qū)域232，并且漏極電極224連接到漏極區(qū)域234。此夕卜，柵極電極210和場(chǎng)板電極230形成在氧化鋁層200上方。對(duì)于源極電極222、柵極電極210、場(chǎng)板電極230和漏極電極224的布局與圖8所示示例中相同。圖11是示出制造圖10所示半導(dǎo)體器件的方法的橫截面圖。首先，制備第三實(shí)施例中的圖9B所示的結(jié)構(gòu)。形成該結(jié)構(gòu)的方法與第三實(shí)施例中相同。然后，如圖1IA所示，形成抗蝕劑圖案50并且通過使用抗蝕劑圖案50和柵極電極210作為掩膜來將雜質(zhì)注入到第一氮化物半導(dǎo)體層100中。從而，形成LDD區(qū)域236。隨后，如圖1lB所示，去除抗蝕劑圖案50。然后，通過使用柵極電極210和氧化鋁層200作為掩膜來將雜質(zhì)注入到第一氮化物半導(dǎo)體層100中。從而，形成源極區(qū)域232和漏極區(qū)域234。然后，形成源極電極222和漏極電極224。
根據(jù)本實(shí)施例，減少了作為柵極絕緣膜的氧化鋁層200和第一氮化物半導(dǎo)體層100中的界面態(tài)。相應(yīng)地，改善了場(chǎng)效應(yīng)晶體管的例如BTI之類的特性。盡管已經(jīng)參照附圖借助于優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但它們僅用于例示本發(fā)明，也可以采用除了上述以外的各種配置。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括: 含Ga的第一氮化物半導(dǎo)體層；以及 氧化鋁層，與所述第一氮化物半導(dǎo)體層相接觸地形成，其中 所述氧化鋁層在界面區(qū)域中具有作為Al原子的四配位Al原子和六配位Al原子，所述四配位Al原子中的每個(gè)均由四個(gè)O原子包圍，所述六配位Al原子中的每個(gè)均由六個(gè)O原子包圍，所述界面區(qū)域定位在離相對(duì)于所述第一氮化物半導(dǎo)體層的界面1.5nm的區(qū)域中；并且 所述四配位Al原子基于所述Al原子的總數(shù)以大于等于30at%且小于50at%存在。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中 所述第一氮化物半導(dǎo)體層為GaN層、AlGaN層或AlInGaN層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中 在所述界面區(qū)域中所述氧化鋁層中的90at%或更多包括Y-Al2O315
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中 所述氧化鋁層具有作為所述界面區(qū)域的界面層和疊置在所述界面層上的主體層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中 所述第一氮化物半導(dǎo)體層在關(guān)于所述氧化鋁層的所述界面處具有Ga氧化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中 所述氧化鋁層為柵極絕緣膜且具有形成在所述氧化鋁層上的柵極它極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體器件，其中 所述器件還具有第二氮化物半導(dǎo)體層，所述第二氮化物半導(dǎo)體層形成在所述第一氮化物半導(dǎo)體層下方并且與所述第一氮化物半導(dǎo)體層形成異質(zhì)結(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體器件，其中 所述器件具有源極和漏極，所述源極和漏極形成到所述第一氮化物半導(dǎo)體層并且在平面圖中在所述柵極絕緣膜的兩側(cè)上彼此相對(duì)。
9.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括: 形成包括氧化鋁的界面層； 在不含氧化劑的氣氛中對(duì)所述界面層進(jìn)行熱處理；以及 在所述界面層上形成氧化鋁層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述界面層的厚度大于等于Inm且小于等于3nm。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述熱處理的溫度為大于等于500°C且小于等于1000°C。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施例涉及半導(dǎo)體器件和制造半導(dǎo)體器件的方法。第一氮化物半導(dǎo)體層包含Ga。第一氮化物半導(dǎo)體層例如為GaN層、AlGaN層或AlInGaN層。然后，氧化鋁層在相對(duì)于第一氮化物半導(dǎo)體層的界面區(qū)域中具有四配位Al原子和六配位Al原子，該四配位Al原子中的每個(gè)均由四個(gè)O原子包圍，該六配位Al原子中的每個(gè)均由六個(gè)O原子包圍。界面區(qū)域是離相對(duì)于第一氮化物半導(dǎo)體層的界面例如小于等于1.5nm的區(qū)域。然后，在該界面區(qū)域中，四配位Al原子基于Al原子的總數(shù)以大于等于30at％且小于50at％存在。
文檔編號(hào)H01L21/31GK103199103SQ20131000868
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月4日
發(fā)明者五十嵐信行, 鬼澤岳, 西藤哲史 申請(qǐng)人:瑞薩電子株式會(huì)社