制造半導(dǎo)體器件的方法和半導(dǎo)體器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及制造半導(dǎo)體器件的方法和半導(dǎo)體器件。制造半導(dǎo)體器件的方法包括:在襯底上依次層疊并形成電子渡越層、電子供給層、蝕刻停止層以及p型膜，該p型膜由包含Al的摻雜有實(shí)現(xiàn)p型的雜質(zhì)元素的氮化物半導(dǎo)體材料形成，該蝕刻停止層由包含GaN的材料形成;通過干法蝕刻來(lái)移除在除待形成柵電極的區(qū)域以外的區(qū)域中的p型膜，以在待形成柵電極的區(qū)域中形成p型層，在觀察到干法蝕刻中的等離子體發(fā)射時(shí)進(jìn)行干法蝕刻，在干法蝕刻開始之后且沒有觀察到源自Al的等離子體發(fā)射時(shí)停止干法蝕刻;以及在p型層上形成柵電極。
【專利說明】制造半導(dǎo)體器件的方法和半導(dǎo)體器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文所討論的實(shí)施方案的一些方面涉及制造半導(dǎo)體器件的方法和半導(dǎo)體器件。
【背景技術(shù)】
[0002]作為氮化物半導(dǎo)體的GaN、AlN或InN以及由其混合晶體構(gòu)成的材料等均具有較高的飽和電子速度或較寬的帶隙，并且被研究用于較高耐壓或較高輸出的電子器件。對(duì)于較高耐壓或較高輸出的電子器件，開發(fā)了用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)、特別是用于高電子遷移率晶體管(HEMT)的技術(shù)。
[0003]對(duì)于使用氮化物半導(dǎo)體的HEMT，以如下方式設(shè)置結(jié)構(gòu):其中電子渡越層由GaN形成，電子供給層由AlGaN形成。在具有這種結(jié)構(gòu)的HEMT中，由于GaN與AlGaN之間的晶格常數(shù)差引起的畸變(即壓電極化)，生成較高濃度的二維電子氣(2DEG)，使得可以得到具有較高效率和較高輸出的半導(dǎo)體器件。
[0004]同時(shí)，在具有以電子渡越層由GaN形成并且電子供給層由AlGaN形成的方式設(shè)置的結(jié)構(gòu)的HEMT中生成較高濃度的2DEG，所以具有難以實(shí)現(xiàn)常斷狀態(tài)的問題。為了解決這樣的問題，公開了如下方法:其移除在待形成柵電極的區(qū)域中的電子供給層的一部分，使得形成凹部以消除在柵電極正下方的2DEG(例如，日本專利公開特許公報(bào)第2009-076845號(hào))。此外，公開了如下方法:其在柵電極與電子供給層之間形成P-GaN層，使得抑制在柵電極正下方生成2DEG，從而實(shí)現(xiàn)常斷狀態(tài)(例如，日本專利公開特許公報(bào)第2007-019309號(hào))。
[0005]然而，在用于形成凹部的方法中，在形成凹部時(shí)由蝕刻引起的損傷甚至可能施加至IJ電子渡越層的附近，從而可能由于導(dǎo)通電阻的增力口、泄漏電流的增加等而降低HEMT的特性。
[0006]此外，當(dāng)在電子供給層與柵電極之間形成ρ-GaN層時(shí)，通常通過如下方法來(lái)形成P-GaN層:在電子供給層的整個(gè)表面上形成ρ-GaN膜，并且隨后通過干法蝕刻來(lái)移除在除待形成柵電極的區(qū)域以外的區(qū)域中的P-GaN膜。然而，GaN是可能非常難以對(duì)其應(yīng)用干法蝕刻的材料，并且也不可能以AlGaN與GaN之間的較高選擇比進(jìn)行蝕刻，使得可能難以僅移除P-GaN層。因此，在應(yīng)該移除P-GaN層的區(qū)域中可能保留有ρ-GaN層的一部分，或者在應(yīng)該移除ρ-GaN層的區(qū)域中可能移除電子供給層的一部分。在這樣的情況中的任一種情況下，導(dǎo)通電阻可能增加，使得可能降低HEMT的特性。此外，如果干法蝕刻中的蝕刻不規(guī)則性可能引起電子供給層等的厚度偏差，則也可能引起HEMT的特性的不規(guī)則性，使得可能降低其成品率。
[0007]因此，期望一種用于制造半導(dǎo)體器件的方法，該方法能夠僅移除在除待形成柵電極的區(qū)域以外的區(qū)域中的P型層如P-GaN層而不移除電子供給層，并且期望由此所制造的半導(dǎo)體器件。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]根據(jù)實(shí)施方案的一個(gè)方面，制造半導(dǎo)體器件的方法包括:在襯底上依次層疊并形成電子渡越層、電子供給層、蝕刻停止層以及P型膜，該P(yáng)型膜由包含Al的摻雜有實(shí)現(xiàn)P型的雜質(zhì)元素的氮化物半導(dǎo)體材料形成,該蝕刻停止層由包含GaN的材料形成；通過干法蝕刻來(lái)移除在除待形成柵電極的區(qū)域以外的區(qū)域中的P型膜，以在待形成柵電極的區(qū)域中形成P型層，在觀察到干法蝕刻中的等離子體發(fā)射時(shí)進(jìn)行干法蝕刻，在開始干法蝕刻之后且未觀察到源自Al的等離子體發(fā)射時(shí)停止干法蝕刻；以及在P型層上形成柵電極。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是第一實(shí)施方案中的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)圖；
[0010]圖2A、圖2B和圖2C是第一實(shí)施方案中的半導(dǎo)體器件的制造工藝圖(I);
[0011]圖3A和圖3B是第一實(shí)施方案中的半導(dǎo)體器件的制造工藝圖(2);
[0012]圖4是用于進(jìn)行干法蝕刻的器件的結(jié)構(gòu)圖；
[0013]圖5是第一實(shí)施方案中的干法蝕刻工藝的示意圖；
[0014]圖6是第二實(shí)施方案中的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖7A、圖7B和圖7C是第二實(shí)施方案中的半導(dǎo)體器件的制造工藝圖(I);
[0016]圖8A和圖8B是第二實(shí)施方案中的半導(dǎo)體器件的制造工藝圖(2);
[0017]圖9是第二實(shí)施方案中的干法蝕刻工藝的示意圖；
[0018]圖10是第三實(shí)施方案中的分立封裝半導(dǎo)體器件的示意圖；
[0019]圖11是第三實(shí)施方案中的PFC(功率因子校正電路)電路的電路圖；
[0020]圖12是第三實(shí)施方案中的電源裝置的電路圖；以及
[0021]圖13是第三實(shí)施方案中的高功率放大器的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面將描述用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施方案。另外，將提供相同的附圖標(biāo)記來(lái)表示相同的構(gòu)件等，并且將省略其描述。
[0023][第一實(shí)施方案]
[0024](半導(dǎo)體器件)
[0025]將描述第一實(shí)施方案中的半導(dǎo)體器件。本實(shí)施方案中的半導(dǎo)體器件是具有圖1所示結(jié)構(gòu)的HEMT。
[0026]具體地，在由半導(dǎo)體等構(gòu)成的襯底11上形成有成核層12、緩沖層13、電子渡越層21、間隔層22、電子供給層23以及蝕刻停止層24。從而，在電子渡越層21中在電子渡越層21與間隔層22之間的界面附近生成2DEG21a。此外，在蝕刻停止層24上的待形成柵電極31的區(qū)域中形成有P型層25，并且在P型層25上形成有柵電極31。此外，在蝕刻停止層24上形成有源電極32和漏電極33。此外，通過移除在用于形成源電極32和漏電極33的區(qū)域中的蝕刻停止層24，可以將源電極32和漏電極33形成為接觸電子供給層23。
[0027]在本實(shí)施方案中，雖然SiC襯底用于襯底11，但是可以使用Si(硅)襯底、藍(lán)寶石襯底、GaN襯底等，并且還可以使用導(dǎo)電襯底、半絕緣襯底和絕緣襯底中的任一種襯底。成核層12由AlN形成，并且緩沖層13由AlGaN形成。電子渡越層21由具有約3 μ m的厚度的1-GaN形成，并且間隔層22由具有約5nm的厚度的i_AlGaN形成。電子供給層23由如下n-AlGaN形成:其具有約30nm的厚度并且以約5 X 1018cm_3的濃度摻雜有作為實(shí)現(xiàn)η型的雜質(zhì)元素的Si。蝕刻停止層24由具有約5nm的厚度的i_GaN形成。p型層25由如下P-Alatl5Gaa95N形成:其具有約50nm的厚度并且以約4X IO19CnT3的濃度摻雜有作為實(shí)現(xiàn)P型的雜質(zhì)元素的Mg。另外，P型層25由P-AlxGa1J形成，其中X的值為O <X≤0.1。
[0028]此外，間隔層22和電子供給層23可以由InAlN形成，其中例如間隔層22可以由?-Ιηα?7Α1α83Ν形成并且電子供給層23可以由η-Ιηα?7Α1α83Ν形成。此外，除Mg以外，可以將Be用作實(shí)現(xiàn)P型的雜質(zhì)元素。
[0029](用于制造半導(dǎo)體器件的方法)
[0030]接下來(lái)，將基于圖2Α、圖2Β、圖2C、圖3Α和圖3Β來(lái)描述用于制造本實(shí)施方案中的半導(dǎo)體器件的方法。
[0031]首先，如圖2Α所示，在襯底11上依次層疊并形成氮化物半導(dǎo)體層，如成核層12、緩沖層13、電子渡越層21、間隔層22、電子供給層23、蝕刻停止層24和ρ型膜25t。在本實(shí)施方案中，通過基于金屬有機(jī) 氣相外延(MOVPE)的外延生長(zhǎng)來(lái)形成這樣的氮化物半導(dǎo)體層。
[0032]具體地，成核層12由AlN形成，并且緩沖層13由AlGaN形成。電子渡越層21由具有約3 μ m的厚度的1-GaN形成，并且間隔層22由具有約5nm的厚度的1-Ala3Gaa7N形成。電子供給層23由如下n-Ala3GaQ.7N形成:其具有約30nm的厚度并且以約5X 1018cm_3的濃度摻雜有作為實(shí)現(xiàn)η型的雜質(zhì)元素的Si。蝕刻停止層24由具有約5nm的厚度的i_GaN形成。另外，蝕刻停止層24可以是η型或可以是ρ型。
[0033]ρ型膜25t由如下P-Alatl5Gaa95N形成:其具有約50nm的厚度并且以約4 X IO19cnT3的濃度摻雜有作為實(shí)現(xiàn)P型的雜質(zhì)元素的Mg。另外，P型膜25t由P-AlxGagN形成，其中X的值為O <X< 0.1。在本實(shí)施方案中，ρ型膜25t由包含Al的材料形成，原因是終點(diǎn)是通過源自Al的等離子體發(fā)射來(lái)檢測(cè)的，但包含超過需要的Al不是優(yōu)選的，原因是由此可能影響HEMT的特性。因此，ρ型膜25t形成為使得X的值小于或等于0.1。
[0034]當(dāng)通過MOVPE來(lái)外延生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體層時(shí)，三甲基鎵(TMG)用于Ga的原料氣體，三甲基鋁(TMA)用于Al的原料氣體，以及氨(NH3)用于N的原料氣體。此外，硅烷(SiH4)用于摻雜為實(shí)現(xiàn)η型的雜質(zhì)元素的Si的原料氣體，并且環(huán)戊二烯基鎂(CP2Mg)用于摻雜為實(shí)現(xiàn)P型的雜質(zhì)元素的Mg的原料氣體。將待進(jìn)料至室中的這樣的原料氣體的進(jìn)料速率調(diào)節(jié)為使得可以形成具有期望組成比的氮化物半導(dǎo)體層。此外，在氫(H2)作為載氣的情況下將這樣的原料氣體進(jìn)料至MOVPE裝置的室中。
[0035]隨后，在ρ型膜25t上施加抗蝕劑并且通過曝光裝置進(jìn)行曝光和顯影，使得形成在待形成元件隔離區(qū)的區(qū)域中具有開口的未示出抗蝕劑圖案。隨后，對(duì)在未形成抗蝕劑圖案的區(qū)域中的氮化物半導(dǎo)體層進(jìn)行使用含氯氣體的干法蝕刻或離子注入，使得形成圖中未示出的元件隔離區(qū)。隨后，通過有機(jī)溶劑等移除抗蝕劑圖案。
[0036]然后，如圖2B所示，在待形成ρ型層25的區(qū)域中的ρ型膜25t上形成抗蝕劑圖案51。具體地，在ρ型膜25t上施加抗蝕劑并且通過曝光裝置進(jìn)行曝光和顯影，使得在待形成P型層25的區(qū)域即待形成柵電極31的區(qū)域中形成抗蝕劑圖案51。
[0037]然后，通過干法蝕刻來(lái)移除在未形成有抗蝕劑圖案51的區(qū)域中的ρ型膜25t，使得在已形成有抗蝕劑圖案51的區(qū)域中形成ρ型層25，如圖2C所示。
[0038]對(duì)于這樣的干法蝕刻，使用如圖4所示的干法蝕刻裝置。這樣的干法蝕刻生成用于進(jìn)行干法蝕刻的等離子體，并且在本實(shí)施方案中，這樣的干法蝕刻可以被描述為等離子體蝕刻。對(duì)于這樣的等離子體蝕刻，可以提供例如反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)等。在本實(shí)施方案中，將具有形成在已形成有P型層25的區(qū)域中的抗蝕劑圖案的襯底11放置在干法蝕刻裝置的室100中并且將蝕刻氣體引入室100中，使得生成等離子體101以進(jìn)行蝕刻。在室100上設(shè)置觀察口 102，其中可以通過觀察口 102來(lái)觀察室100內(nèi)的等離子體101。[0039]將這樣的干法蝕刻裝置與作為等離子體發(fā)射光譜裝置的等離子體發(fā)射光譜終點(diǎn)監(jiān)視器110相連。在等離子體發(fā)射光譜終點(diǎn)監(jiān)視器110中，可以分析由于等離子體發(fā)射而包含在等離子體中的元素的種類。因此，通過觀察口 102由在等離子體發(fā)射光譜終點(diǎn)監(jiān)視器110中的光接收部111來(lái)接收來(lái)自等離子體101的等離子體發(fā)射的光，并且基于所接收到的等離子體發(fā)射的光可以知道等離子體101中所包含的元素的種類。另外，控制部120連接至等離子光譜終點(diǎn)監(jiān)視器110，并且控制部120還可以進(jìn)行干法蝕刻裝置的控制。
[0040]在本實(shí)施方案中，在通過等離子體發(fā)射光譜終點(diǎn)監(jiān)視器110觀察到來(lái)自室100中的等離子體101的等離子體發(fā)射時(shí)，進(jìn)行用于形成P型層25的干法蝕刻。具體地，當(dāng)觀察到源自在室100中生成的等離子體101中的Al的等離子體發(fā)射的強(qiáng)度時(shí)，進(jìn)行干法蝕刻。
[0041]將基于圖5更詳細(xì)地描述這樣的干法蝕刻工藝。圖5示出在本實(shí)施方案中通過等離子體發(fā)射光譜終點(diǎn)監(jiān)視器110所觀察到的源自Al的等離子體發(fā)射的時(shí)間變化。
[0042]首先，當(dāng)生成等離子體101以在如圖2B所示的已形成有抗蝕劑圖案51的面上進(jìn)行干法蝕刻時(shí)，移除在未形成抗蝕劑圖案51的區(qū)域中的P型膜25t。P型膜25t由P-Al0.05Ga0.95N形成，并且因此包含Al。因此，當(dāng)通過干法蝕刻移除P型膜25t時(shí)，在等離子體發(fā)射光譜終點(diǎn)監(jiān)視器110中觀察到源自Al的等離子體發(fā)射，如圖5所示。
[0043]隨后，隨著移除在未形成抗蝕劑圖案51的區(qū)域中的P型膜25t，開始對(duì)在P型膜25t下方形成的蝕刻停止層24進(jìn)行蝕刻。蝕刻停止層24由1-GaN形成，并且因此未包含Al。因此，在等離子體發(fā)射光譜終點(diǎn)監(jiān)視器110中未觀察到源自Al的等離子體發(fā)射，如圖5所示。因而，不再觀察到源自Al的等離子體發(fā)射的情況為停止干法蝕刻的終點(diǎn)。
[0044]從而，可以充分地移除在未形成抗蝕劑圖案51的區(qū)域中的P型膜25t，并且可以在已形成抗蝕劑圖案51的區(qū)域中形成P型層25，如圖2C所示。此外，在未形成有抗蝕劑圖案51的區(qū)域中露出蝕刻停止層24的情況下停止干法蝕刻。因此，通過干法蝕刻未對(duì)在蝕刻停止層24下方形成的電子供給層23進(jìn)行蝕刻并且未損壞電子供給層23。
[0045]在本實(shí)施方案中，可以使在已形成有P型層25的區(qū)域的正下方不存在2DEG21a，而未減少在未形成有P型層25的區(qū)域正下方的2DEG21a。因此，可以得到具有較低導(dǎo)通電阻的常斷型HEMT。此外，本實(shí)施方案中的P型膜25t由包含Al的材料形成，原因是終點(diǎn)是基于在等離子體發(fā)射光譜終點(diǎn)監(jiān)視器110中是否檢測(cè)到源自Al的等離子體發(fā)射來(lái)確定的。然而，P型膜25t優(yōu)選地由組成比為X的值處于O < X≤0.1的P-AlxGagN形成，原因是當(dāng)Al的組成較大時(shí)可能降低特性。
[0046]此外，蝕刻停止層24的膜厚度優(yōu)選地為大于或等于5nm且小于或等于15nm，以在電子供給層23不受干法蝕刻影響的同時(shí)充分移除在未形成有抗蝕劑圖案51的區(qū)域中的P型膜25t。如果蝕刻停止層24的膜厚度小于5nm，則在充分移除在未形成有抗蝕劑圖案51的區(qū)域中的P型膜25t之前，由于蝕刻的不規(guī)則性等，所以可能移除蝕刻停止層24或者還可能移除電子供給層23的一部分。此外，如果蝕刻停止層24較厚，則形成P型層25的效果可能會(huì)減弱并且可能難以形成常斷型，所以蝕刻停止層24的膜厚度優(yōu)選地為小于或等于 15nm。
[0047]另外，可以根據(jù)需要對(duì)蝕刻停止層24進(jìn)行過蝕刻。此外，即使在未形成有抗蝕劑圖案51的區(qū)域上保留蝕刻停止層24的一部分，也不影響HEMT的特性。隨后，通過有機(jī)溶劑等移除抗蝕劑圖案51使得可以得到如圖2C所示的結(jié)構(gòu)。
[0048]然后，在蝕刻停止層24上形成源電極32和漏電極33，如圖3A所示。
[0049]具體地，在ρ型層25和蝕刻停止層24上施加抗蝕劑并且通過曝光裝置進(jìn)行曝光和顯影，使得形成在用于形成源電極32和漏電極33的區(qū)域中具有開口的抗蝕劑圖案。隨后，通過真空沉積來(lái)膜形成由Ta/Al形成的金屬層疊膜(膜厚度，Ta:200nm且Al:200nm),并且之后將其浸沒在有機(jī)溶劑中，使得通過剝離將形成在抗蝕劑圖案上的金屬層疊膜與抗蝕劑圖案一起移除。從而，由剩余的金屬層疊膜形成源電極32和漏電極33。隨后，在氮?dú)夥罩?、?00°C至1000°C的溫度下(例如在550°C的溫度下)進(jìn)行熱處理，使得提供歐姆接觸。另外，當(dāng)在未進(jìn)行熱處理的情況下可以提供歐姆接觸時(shí)，可以不進(jìn)行熱處理。另外，Ta/Al的描述是指其中下層為Ta且上層為Al的雙層金屬層疊膜。此外，當(dāng)形成源電極32和漏電極33時(shí)，可以在移除用于形成源電極32和漏電極33的區(qū)域中的電子供給層23的一部分和蝕刻停止層24之后形成源電極32和漏電極33。
[0050]然后，如圖3B所示，在ρ型層25上形成柵電極31。
[0051]具體地，在ρ型層25和蝕刻停止層24上施加抗蝕劑并且通過曝光裝置進(jìn)行曝光和顯影，使得形成在待形成柵電極31的區(qū)域中具有開口的抗蝕劑圖案。隨后，通過真空沉積來(lái)膜形成由Ni/Au形成的金屬層疊膜(膜厚度，N1:30nm并且Au:400nm),并且之后將其浸沒在有機(jī)溶劑中，使得通過剝離將形成在抗蝕劑圖案上的金屬層疊膜與抗蝕劑圖案一起移除。從而，由在P型層25上剩余的金屬層疊膜形成柵電極31。隨后，可以根據(jù)需要進(jìn)行熱處理。
[0052]柵電極31、源電極32和漏電極33可以是除上述那些材料以外的金屬材料的組合，可以是除上述那些結(jié)構(gòu)以外的結(jié)構(gòu)，并且可以由單層金屬膜形成。此外，對(duì)于用于形成柵電極31、源電極32和漏電極33的方法，可以通過除上述那些方法以外的方法進(jìn)行柵電極31、源電極32和漏電極33的形成。
[0053]如上所述，可以制造本實(shí)施方案中的半導(dǎo)體器件。
[0054][第二實(shí)施方案]
[0055](半導(dǎo)體器件)
[0056]接下來(lái)，將描述第二實(shí)施方案中的半導(dǎo)體器件。本實(shí)施方案中的半導(dǎo)體器件為具有圖6所示的結(jié)構(gòu)的HEMT。
[0057]具體地，在由半導(dǎo)體等構(gòu)成的襯底11上形成成核層12、緩沖層13、電子渡越層21、間隔層22、電子供給層23和蝕刻停止層24。從而，在電子渡越層21中在電子渡越層21與間隔層22之間的界面附近生成2DEG21a。此外，在蝕刻停止層24上待形成柵電極31的區(qū)域中層疊并形成第一 P型層225和第二 ρ型層226，并且在第二 ρ型層226上形成柵電極31。另外，在蝕刻停止層24上形成源電極32和漏電極33。另外，通過移除在用于形成源電極32和漏電極33的區(qū)域中的蝕刻停止層24，可以將源電極32和漏電極33形成為接觸電子供給層23。[0058]在本實(shí)施方案中，雖然SiC襯底用于襯底11，但是可以使用Si襯底、藍(lán)寶石襯底、GaN襯底等，并且還可以使用導(dǎo)電襯底、半絕緣襯底和絕緣性襯底中的任一種襯底。成核層12由AlN形成，并且緩沖層13由AlGaN形成。電子渡越層21由具有約3 μ m的厚度的1-GaN形成，并且間隔層22由具有約5nm的厚度的1-AlQ.3GaQ.7N形成。電子供給層23由如下n-Ala3GaQ.7N形成:其具有約30nm的厚度并且以約5 X 1018cm_3的濃度摻雜有作為實(shí)現(xiàn)η型的雜質(zhì)元素的Si。蝕刻停止層24由具有約5nm的厚度的i_GaN形成。第一 p型層225由如下P-Ala Jaa95N形成:其具有約IOnm的厚度并且以約4X IO19CnT3的濃度摻雜有作為實(shí)現(xiàn)P型的雜質(zhì)元素的Mg。第二 P型層226由如下p-GaN形成:其具有約30nm的厚度并且以約4X IO19CnT3的濃度摻雜有作為實(shí)現(xiàn)P型的雜質(zhì)元素的Mg。另外，第一 P型層225由P-AlxGa1^xN形成，其中X的值為O < X≤0.1。
[0059]通常，在作為蝕刻停止層24的GaN層上形成的p-AlxGai_xN層厚的情況下，存在生成2DEG的可能性。因此，在本實(shí)施方案中，在蝕刻停止層24上形成兩層，如由具有約IOnm的厚度的P-Alatl5Gaa95N形成的第一 P型層225和由具有約30nm的厚度的ρ-GaN形成的第
二P型層226。
[0060]此外，間隔層22和電子供給層23可以由InAlN形成，其中例如間隔層22可以由1-1% 17A10.83N形成并且電子供給層23可以由n_In0.17A10.83N形成。此外，除Mg以外，Be可以用作實(shí)現(xiàn)P型的雜質(zhì)元素。
[0061](用于制造半導(dǎo)體器件的方法)
[0062]接下來(lái)，將基于圖7A、圖7B、圖7C、圖8A和圖8B來(lái)描述用于制造本實(shí)施方案中的半導(dǎo)體器件的方法。
[0063]首先，在襯底11上依次層疊并形成氮化物半導(dǎo)體層，如成核層12、緩沖層13、電子渡越層21、間隔層22、電子供給層23、蝕刻停止層24、第一 p型膜225t以及第二 p型膜226t，如圖7A所示。在本實(shí)施方案中，通過基于MOVPE的外延生長(zhǎng)來(lái)形成這樣的氮化物半導(dǎo)體層。
[0064]具體地，成核層12由AlN形成，并且緩沖層13由AlGaN形成。電子渡越層21由具有約3μπι的厚度的1-GaN形成，并且間隔層22由具有約5nm的厚度的1-AlQ.3GaQ.7N形成。電子供給層23由如下n-AlQ.3GaQ.7N形成:其具有約30nm的厚度并且以約5X IO18CnT3濃度摻雜有作為實(shí)現(xiàn)η型的雜質(zhì)元素的Si。蝕刻停止層24由具有約5nm的厚度的i_GaN形成。另外，蝕刻停止層24可以是η型或可以是P型。
[0065]第一 P型層225由如下P-Alatl5Gaa95N形成:其具有約IOnm的厚度并且以約4X 1019cm_3的濃度摻雜有作為實(shí)現(xiàn)P型的雜質(zhì)元`素的Mg。第二 P型層226由如下ρ-GaN形成:其具有約30nm的厚度并且以約4X IO19CnT3的濃度摻雜有作為實(shí)現(xiàn)P型的雜質(zhì)元素的Mg。另外，第一 P型層225由p-AlxGai_xN形成，其中X的值為O < X≤0.1。在本實(shí)施方案中，第一 P型膜225t由包含Al的材料形成，原因是終點(diǎn)是通過源自Al的等離子體發(fā)射來(lái)檢測(cè)的，但包含超過需要的Al不是優(yōu)選的，原因是由此可能影響HEMT的特性。因此，第一P型膜225t形成為使得X的值小于或等于0.1。
[0066]當(dāng)通過MOVPE來(lái)外延生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體層時(shí)，三甲基鎵(TMG)用于Ga的原料氣體，三甲基鋁(TMA)用于Al的原料氣體，以及氨(NH3)用于N的原料氣體。此外，硅烷(SiH4)用于摻雜為實(shí)現(xiàn)η型的雜質(zhì)元素的Si的原料氣體，并且環(huán)戊二烯基鎂(CP2Mg)用于摻雜為實(shí)現(xiàn)P型的雜質(zhì)元素的Mg的原料氣體。將待進(jìn)料室中的這樣的原料氣體的進(jìn)料速率調(diào)節(jié)為使得可以形成具有期望組成比的氮化物半導(dǎo)體層。此外，在氫(H2)作為載氣的情況下將這樣的原料氣體進(jìn)料至MOVPE裝置的室中。
[0067]隨后，在第二 ρ型膜226t上施加抗蝕劑并且通過曝光裝置進(jìn)行曝光和顯影，使得形成在待形成元件隔離區(qū)的區(qū)域中具有開口的未示出抗蝕劑圖案。隨后，對(duì)在未形成有抗蝕劑圖案的區(qū)域中的氮化物半導(dǎo)體層進(jìn)行使用含氯氣體的干法蝕刻或離子注入，使得形成圖中未示出的元件隔離區(qū)。隨后，通過有機(jī)溶劑等移除抗蝕劑圖案。
[0068]然后，在第二 ρ型膜226t上形成抗蝕劑圖案251，如圖7B所示。具體地，在第二 ρ型膜226t上施加抗蝕劑并且通過曝光裝置進(jìn)行曝光和顯影，使得在待形成第一 P型層225和第二 P型層226的區(qū)域即待形成柵電極31的區(qū)域中形成抗蝕劑圖案251。
[0069]然后，通過干法蝕刻來(lái)移除在未形成有抗蝕劑圖案251的區(qū)域中的第二 P型膜226t和第一 ρ型膜225t，如圖7C所示。從而，在已形成有抗蝕劑圖案251的區(qū)域中形成第一 ρ型層225和第二 ρ型層226。對(duì)于本實(shí)施方案中的干法蝕刻，類似于第一實(shí)施方案使用如圖4所示的干法蝕刻裝置。
[0070]在本實(shí)施方案中，類似于第一實(shí)施方案，在通過等離子體發(fā)射光譜終點(diǎn)監(jiān)視器110觀察到來(lái)自室100中的等離子體101的等離子體發(fā)射時(shí)，進(jìn)行用于形成第一 P型層225和第二 P型層226的干法蝕刻。具體地，當(dāng)觀察到源自在室100中生成的等離子101中的Al的等離子體發(fā)射的強(qiáng)度時(shí)，進(jìn)行干法蝕刻。
[0071]將基于圖9更詳細(xì)地描述這樣的干法蝕刻工藝。圖9示出本實(shí)施方案中由等離子體發(fā)射光譜終點(diǎn)監(jiān)視器Iio觀察到的源自Al的等離子體發(fā)射的時(shí)間變化。
[0072]首先，當(dāng)生成等離子體101以在如圖7B所示的已形成有抗蝕劑圖案251的面上進(jìn)行干法蝕刻時(shí)，移除在未形成有抗蝕劑圖案251的區(qū)域中的第二 ρ型膜226t。第二 ρ型膜226t由ρ-GaN形成，并且因此未包含Al。因此，如圖9所示，當(dāng)通過干法蝕刻來(lái)移除第二 ρ型膜226t時(shí)，未在等離子體發(fā)射光譜終點(diǎn)監(jiān)視器110中觀察到源自Al的等離子體發(fā)射。
[0073]隨后，當(dāng)在未形成有抗蝕劑圖案251的區(qū)域中的第二 ρ型膜226t被移除時(shí)，開始對(duì)在第二 P型膜226t下方形成的第一 P型膜225t進(jìn)行蝕刻。第一 ρ型膜225t由P-Al0.05Ga0.95N形成，并且因此包含Al。因此，當(dāng)通過干法蝕刻來(lái)移除第一 ρ型膜225t時(shí)，在等離子體發(fā)射光譜終點(diǎn)監(jiān)視器110中觀察到源自Al的等離子體發(fā)射，如圖9所示。
[0074]隨后，當(dāng)在未形成有抗蝕劑圖案251的區(qū)域中的第一 ρ型膜225t被移除時(shí)，開始對(duì)在第一 P型膜225t下方形成的蝕刻停止層24進(jìn)行蝕刻。蝕刻停止層24由i_GaN形成，并且因此未包含Al。因此，未在等離子體發(fā)射光譜終點(diǎn)監(jiān)視器110中觀察到源自Al的等離子體發(fā)射，如圖9所示。因而，不再觀察到源自Al的等離子體發(fā)射的情況為停止干法蝕刻的終點(diǎn)。
[0075]從而，可以充分地移除在未形成有抗蝕劑圖案251的區(qū)域中的第一 P型膜225t和第二 P型膜226t，如圖7C所示。因此，在已形成有抗蝕劑圖案251的區(qū)域中形成第一 ρ型層225和第二 ρ型層226。此外，在未形成有抗蝕劑圖案251的區(qū)域中露出蝕刻停止層24的情況下停止干法蝕刻。因此，通過干法蝕刻未對(duì)在蝕刻停止層24下方形成的電子供給層23進(jìn)行蝕刻并且未損壞電子供給層23。
[0076]在本實(shí)施方案中，可以使在已形成有第一 ρ型層225和第二 ρ型層226的區(qū)域正下方不存在2DEG21a，而未減少在未形成有第一 P型層225和第二 p型層226的區(qū)域正下方的2DEG21a。因此，可以得到具有較低導(dǎo)通電阻的常斷型HEMT。另外，本實(shí)施方案中的第一 P型膜225t由包含Al的材料形成，原因是終點(diǎn)是基于是否在等離子體發(fā)射光譜終點(diǎn)監(jiān)視器110中檢測(cè)到源自Al的等離子體發(fā)射來(lái)確定的。然而，第一 P型膜225t優(yōu)選地由組成比為X的值處于O <X≤0.1的P-AlxGagN形成，原因是當(dāng)Al的組成比較大時(shí)可能降低特性。此外，第一 P型膜225t的膜厚度優(yōu)選地大于或等于5nm且小于或等于15nm，以較準(zhǔn)確地檢測(cè)終點(diǎn)。
[0077]此外，蝕刻停止層24的膜厚度優(yōu)選地大于或等于5nm且小于或等于15nm，以在電子供給層23不受干法蝕刻影響的同時(shí)充分移除在未形成有抗蝕劑圖案251的區(qū)域中的第一 P型膜225t。如果蝕刻停止層24的膜厚度小于5nm，則在移除未形成有抗蝕劑圖案251的區(qū)域中的第一 P型膜225t之前，由于蝕刻的不規(guī)則性等，所以可能移除蝕刻停止層24或者還可能移除電子供給層23的一部分。此外，如果蝕刻停止層24較厚，則形成第一 P型層225和第二 P型層226的效果可能會(huì)減弱，并且可能難以形成常斷型，所以蝕刻停止層24的膜厚度優(yōu)選地小于或等于15nm。
[0078]另外，可以根據(jù)需要對(duì)蝕刻停止層24進(jìn)行過蝕刻。此外，即使在未形成有抗蝕劑圖案251的區(qū)域中留有蝕刻停止層24的一部分，也不影響HEMT的特性。隨后，通過有機(jī)溶劑等移除抗蝕劑圖案251使得可以得到如圖7C所示的結(jié)構(gòu)。
[0079]然后，在蝕刻停止層24上形成源電極32和漏電極33，如圖8A所示。
[0080]具體地，在第二 P型層226和蝕刻停止層24上施加抗蝕劑并且通過曝光裝置進(jìn)行曝光和顯影，使得形成在用于形成源電極32和漏電極33的區(qū)域中具有開口的抗蝕劑圖案。隨后，通過真空沉積來(lái)膜形成由Ta/Al形成的金屬層疊膜(膜厚度，Ta:200nm且Al: 200nm)，并且之后將其浸沒在有機(jī)溶劑中，使得通過剝離將形成在抗蝕劑圖案上的金屬層疊膜與抗蝕劑圖案一起移除。從而，由剩余的金屬層疊膜形成源電極32和漏電極33。隨后，在氮?dú)夥罩?、?00°C至1000°C的溫度下(例如在550°C的溫度下)進(jìn)行熱處理，使得提供歐姆接觸。另外，當(dāng)在未進(jìn)行熱處理的情況下可以提供歐姆接觸時(shí)，可以不進(jìn)行熱處理。此外，Ta/Al的描述是指其中下層為Ta且上層為Al的雙層金屬層疊膜。此外，當(dāng)形成源電極32和漏電極33時(shí)，可以在移除用于形成源電極32和漏電極33的區(qū)域中的電子供給層23的一部分和蝕刻停止層24之后形成源電極32和漏電極33。
[0081]然后，如圖8B所示，在第二 P型層226上形成柵電極31。
[0082]具體地，在第二 P型層226和蝕刻停止層24上施加抗蝕劑并且通過曝光裝置進(jìn)行曝光和顯影，使得形成在待形成柵電極31的區(qū)域中具有開口的抗蝕劑圖案。隨后，通過真空沉積來(lái)膜形成由Ni/Au形成的金屬層疊膜(膜厚度，N1:30nm且Au:400nm),并且之后將其浸沒在有機(jī)溶劑中，使得通過剝離將形成在抗蝕劑圖案上的金屬層疊膜與抗蝕劑圖案一起移除。從而，由在第二 P型層226上剩余的金屬層疊膜形成柵電極31。隨后，可以根據(jù)需要進(jìn)行熱處理。
[0083]柵電極31、源電極32和漏電極33可以是除上述那些材料以外的金屬材料的組合，可以是除上述那些結(jié)構(gòu)以外的結(jié)構(gòu)，并且可以由單層金屬膜形成。此外，對(duì)于用于形成柵電極31、源電極32和漏電極33的方法，可以通過除上述那些方法以外的方法進(jìn)行柵電極31、源電極32和漏電極33的形成。[0084]如上所述，可以制造本實(shí)施方案中的半導(dǎo)體器件。另外，除上述那些內(nèi)容以外的內(nèi)容都類似于第一實(shí)施方案中的那些內(nèi)容。
[0085][第三實(shí)施方案]
[0086]接下來(lái)，將描述第三實(shí)施方案。本實(shí)施方案用于半導(dǎo)體器件、電源裝置和高頻放大器。
[0087]通過對(duì)第一或第二實(shí)施方案中的半導(dǎo)體器件進(jìn)行分立封裝來(lái)設(shè)置本實(shí)施方案中的半導(dǎo)體器件，將基于圖10來(lái)描述這樣的分立封裝半導(dǎo)體器件。另外，圖10示意性地示出分立封裝半導(dǎo)體器件的內(nèi)部，其中電極等的布置不同于第一或第二實(shí)施方案中描述的那些。
[0088]首先，通過劃片等來(lái)切割第一或第二實(shí)施方案中所制造的半導(dǎo)體器件以形成作為GaN型半導(dǎo)體材料的HEMT的半導(dǎo)體芯片410。通過管芯粘合劑430如釬料將這樣的半導(dǎo)體芯片410固定在引線框420上。
[0089]然后，通過接合線431將柵電極441連接至柵極引線421，同時(shí)通過接合線432將源電極442連接至源極引線422，并且通過接合線433將漏電極443連接至漏極引線423。另外，接合線431、432和433由金屬材料如Al形成。此外，本實(shí)施方案中的柵電極441為連接至第一或第二實(shí)施方案中的柵電極31的柵電極焊墊。類似地，源電極442為連接至源電極32的源電極焊墊，并且漏電極443為連接至漏電極33的漏電極焊墊。
[0090]然后，通過傳遞模制法進(jìn)行利用模制樹脂440的塑封。因而，可以制造出作為使用GaN型半導(dǎo)體材料的HEMT的分立封裝半導(dǎo)體器件。
[0091](PFC電路、電源裝置和高頻放大器)
[0092]接下來(lái)，將描述本實(shí)施方案中的功率因子校正(PFC)電路、電源裝置和高頻放大器。本實(shí)施方案中的PFC電路、電源裝置和高頻放大器為使用在第一或第二實(shí)施方案中所描述的半導(dǎo)體器件的PFC電路、電源裝置和高頻放大器。
[0093](PFC 電路)
[0094]接下來(lái)，將描述本實(shí)施方案中的功率因子校正(PFC)電路。本實(shí)施方案中的PFC電路具有在第一或第二實(shí)施方案中所描述的半導(dǎo)體器件。
[0095]將基于圖11來(lái)描述本實(shí)施方案中的PFC電路。本實(shí)施方案中的PFC電路450具有開關(guān)兀件(晶體管)451、二極管452、扼流線圈453、電容器454和455、二極管電橋456以及圖中未示出的交流電源。作為在第一或第二實(shí)施方案中所描述的半導(dǎo)體器件的HEMT用于開關(guān)元件451。
[0096]在PFC電路450中，開關(guān)元件451的漏電極連接至二極管452的陽(yáng)極端子和扼流線圈453的一個(gè)端子。此外，開關(guān)元件451的源電極連接至電容器454的一個(gè)端子和電容器455的一個(gè)端子，并且電容器454的另一端子連接至扼流線圈453的另一端子。電容器455的另一端子連接至二極管452的陰極端子，并且圖中未示出的交流電源通過二極管電橋456連接至電容器454的兩個(gè)端子。在這樣的PFC電路450中，在電容器455的兩個(gè)端子之間輸出直流(DC)。
[0097](電源裝置)
[0098]將基于圖12來(lái)描述本實(shí)施方案中的電源裝置。本實(shí)施方案的電源裝置460包括高壓一次電路461、低壓二次電路462、以及布置在一次電路461與二次電路462之間的變壓器463。一次電路461包括交流電源464、所謂的橋式整流電路465、多個(gè)(在圖12示出的實(shí)例中為四個(gè))開關(guān)元件466和一個(gè)開關(guān)元件467等。二次電路462包括多個(gè)(在圖12示出的實(shí)例中為三個(gè))開關(guān)元件468。在圖12示出的實(shí)例中，將第一或第二實(shí)施方案中的半導(dǎo)體器件用作一次電路461的開關(guān)兀件466和467。另外，一次電路461的開關(guān)兀件466和467優(yōu)選地為常斷型半導(dǎo)體器件。此外，由硅形成的常規(guī)金屬絕緣體半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MISFET)用于在二次電路462中使用的開關(guān)元件468。
[0099](高頻放大器)
[0100]此外，將基于圖13來(lái)描述本實(shí)施方案中的高頻放大器。本實(shí)施方案中的高頻放大器470可以應(yīng)用于例如用于移動(dòng)電話的基站的功率放大器。這樣的高頻放大器470包括數(shù)字預(yù)失真電路471、混頻器472、功率放大器473和定向耦合器474。數(shù)字預(yù)失真電路471補(bǔ)償輸入信號(hào)的非線性失真?；祛l器472將已補(bǔ)償過非線性失真的輸入信號(hào)與交流信號(hào)混合。功率放大器473將與交流信號(hào)混合后的輸入信號(hào)放大。在圖13中所示的實(shí)例中，功率放大器473具有在第一或第二實(shí)施方案中所描述的半導(dǎo)體器件。定向耦合器474對(duì)輸入信號(hào)或輸出信號(hào)等進(jìn)行監(jiān)控。在圖13所示的電路中，由于例如開關(guān)的切換，所以混頻器472可以將輸出信號(hào)與交流信號(hào)混合，以將與交流信號(hào)混合后的輸出信號(hào)傳送至數(shù)字預(yù)失真電路 471。
[0101]根據(jù)上述實(shí)施方案中所公開的用于制造半導(dǎo)體器件的方法和半導(dǎo)體器件，可以移除僅在除待形成柵電極的區(qū)域以外的區(qū)域中的P型層如P-GaN層而未移除電極供給層，使得可以以較高成品率得到具有較低導(dǎo)通電阻的常斷型半導(dǎo)體器件。
【權(quán)利要求】
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括: 在襯底上依次層疊并形成電子渡越層、電子供給層、蝕刻停止層以及P型膜，所述P型膜由包含Al的摻雜有實(shí)現(xiàn)P型的雜質(zhì)元素的氮化物半導(dǎo)體材料形成，所述蝕刻停止層由包含GaN的材料形成； 通過干法蝕刻來(lái)移除在除待形成柵電極的區(qū)域以外的區(qū)域中的所述P型膜，以在所述待形成柵電極的區(qū)域中形成P型層，在觀察到所述干法蝕刻中的等離子體發(fā)射時(shí)進(jìn)行所述干法蝕刻，在所述干法蝕刻開始之后，當(dāng)觀察不到源自Al的等離子體發(fā)射時(shí)，停止所述干法蝕刻；以及 在所述P型層上形成所述柵電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述P型膜由包含AlGaN的摻雜有實(shí)現(xiàn)P型的雜質(zhì)元素的材料形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述P型膜由P-AlxGagN所表示的材料形成，其中X的值為O < X≤0.1。
4.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括: 在襯底上依次層疊并形成電子渡越層、電子供給層、蝕刻停止層、第一 P型膜以及第二P型膜，所述第二 P型膜由包含GaN的摻雜有實(shí)現(xiàn)P型的雜質(zhì)元素的材料形成，所述第一 P型膜由包含Al的摻雜有實(shí)現(xiàn)P型的雜質(zhì)元素的氮化物半導(dǎo)體材料形成，所述蝕刻停止層由包含GaN的材料形成； 通過干法蝕刻移除在除待形成柵電極的區(qū)域以外的區(qū)域中的所述第一P型膜和所述第二 P型膜，以在所述待形成柵電極的區(qū)域上形成第一 P型層和第二 P型層，在觀察到所述干法蝕刻中的等離子體發(fā)射時(shí)進(jìn)行所述干法蝕刻，在所述干法蝕刻開始且觀察到源自Al的等離子體發(fā)射之后，當(dāng)觀察不到所述源自Al的等離子體發(fā)射時(shí)，停止所述干法蝕刻；以及 在所述第二 P型層上形成所述柵電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述第一P型膜由包含AlGaN的摻雜有實(shí)現(xiàn)P型的雜質(zhì)元素的材料形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述第一P型膜由P-AlxGa1J所表示的材料形成，其中X的值為O < X ≤ 0.1。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述第一P型膜的厚度為5nm以上且15nm以下。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述蝕刻停止層的厚度為5nm以上且15nm以下。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述干法蝕刻為反應(yīng)性離子蝕刻。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中通過等離子體發(fā)射光譜儀來(lái)進(jìn)行所述等離子體發(fā)射的觀察。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，還包括: 在所述蝕刻停止層、所述電子供給層或者它們的組合上形成源電極和漏電極。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述電子渡越層由包含GaN的材料形成，所述電子供給層由包含AlGaN、InAlN或者它們的組合的材料形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中實(shí)現(xiàn)P型的所述雜質(zhì)元素為Mg或Be或者它們的組合。
14.一種半導(dǎo)體器件，包括: 形成在襯底上的電子渡越層； 形成在所述電子渡越層上的電子供給層； 形成在所述電子供給層上的蝕刻停止層，所述蝕刻停止層由包含GaN的材料形成； 形成在所述蝕刻停止層上的P型層，所述P型層形成在柵電極正下方的區(qū)域中，所述P型層由包含Al的摻雜有實(shí)現(xiàn)P型的雜質(zhì)元素的氮化物半導(dǎo)體材料形成； 形成在所述P型層上的所述柵電極；以及 形成在所述蝕刻停止層、所述電子供給層或者它們的組合上的源電極和漏電極。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體器件，其中所述P型層由包含AlGaN的摻雜有實(shí)現(xiàn)P型的雜質(zhì)元素的材料形成。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體器件，其中所述P型層為第一P型層和介于所述第一P型層與所述柵電極之間的第二 P型層，所述第二 P型層由不包含Al的摻雜有實(shí)現(xiàn)P型的雜質(zhì)元素的氮化物半導(dǎo)體材料形成?！?br> 17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第二P型層由包含GaN的摻雜有實(shí)現(xiàn)P型的雜質(zhì)元素的材料形成。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體器件，其中所述蝕刻停止層的厚度為5nm以上且15nm以下。
19.一種電源裝置，所述電源裝置包括根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體器件。
20.一種放大器，所述放大器包括根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體器件。
【文檔編號(hào)】H01L21/331GK103715084SQ201310369745
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月28日
【發(fā)明者】山田敦史, 溫井健司 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社, 富士通半導(dǎo)體股份有限公司