异质结型场效应晶体管及其制造方法

专利名称：异质结型场效应晶体管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及异质结型场效应晶体管及其制造方法，特别涉及电子供
给层为A1N层或AlxGai.xN层(0.6《x<l)的异质结型场效应晶体管及 其制造方法。
背景技术：
参照图11，说明现有的异质结型场效应晶体管。图11是用于说明现 有的异质结型场效应晶体管的概要图，示出主要部分的剖切端面。
异质结型场效应晶体管110构成为在基底120上依次层积作为沟道 层140的GaN层和作为电子供给层150的AlGaN层。异质结型场效应晶 体管110具有作为电子供给层150的AlGaN层和作为沟道层140的GaN 层的异质结构。根据该结构，形成于沟道层140和电子供给层150的边 界面即异质界面142上的二维电子气体(2DEG)浓度高，并且电子迁移 率也高，所以作为高电子迁移率晶体管显示出良好的特性。下面，有时 将具有AlGaN/GaN异质结构的异质结型场效应晶体管、即高电子迁移率 晶体管称作AlGaN/GaN-HEMT (High Electron Mobility Transistor)。
电子供给层150上设有利用欧姆接合形成的源电极182和漏电极 184、以及利用肖特基接合形成的栅电极180。 AlGaN/GaN-HEMT 110例 如借助向沟道层140和电子供给层150注入杂质来形成的元件分离区域 135，与其他元件分离。电子供给层150的上侧表面152上形成有氮化硅 膜，作为表面保护膜190。
另外，例如电子供给层150的组成为AlxGai.xN (x=0.25)的情况 下，电子供给层的厚度(活性层厚度)a为25nm时，2DEG浓度约为 1.0xl013 cm-2,电子迁移率为1500 cm2/V's。
众所周知，为了实现FET的高频化，增大截止频率的方法很有效，
为了增大截止频率，最有效的方法是縮短栅极长度Lg。
在此，若缩短栅极长度Lg，则会发生夹断特性不良或阈值电压向负 方向位移等短沟道效应。夹断特性不良导致FET的工作电压下降。并且， 阈值电压的位移导致相对于设计值的容许范围变窄，所以给成品率等带 来影响。
为了防止该短沟道效应，优选栅极长度Lg与活性层厚度a之比(长 厚(aspect)比)Lg/a为5以上(例如，参照非专利文献l)。
在上述AlGaN/GaN-HEMT 110中，活性层厚度a为25 nm，所以在 栅极长度Lg为0.1,的短栅极区域中，长厚比为4左右，引起短沟道效 应。
在此，若逐渐减小活性层厚度a、即减小电子供给层150的厚度，则 2DEG浓度下降。另一方面，若增大AlxGai.xN的x、即提高A1浓度而最 终成为A1N，则与AlxGai.xN (x-0.25)的情况相比，理论上可以使电子 供给层150的厚度为1/4以下。但是，在利用有机金属气相沉积(MOCVD) 法沉积AlGaN的情况下，若逐渐提高AlxGai_xN的Al浓度，则x=0.52 左右在AlGaN层的表面产生裂缝，该裂缝给FET特性带来影响(例如， 参照非专利文献2)。
并且，众所周知，表面氧化会导致栅漏特性变差(例如，参照非专 利文献3)。
同样地，若利用有机金属气相沉积法沉积A1N层，则即使是厚度为 2nm左右的AlN层，也会在其表面产生裂缝。
因此，不能将A1N或x为0.6以上的AlxGai.xN用作电子供给层150。
对于A1N层的裂缝，我们认为，由于在MOCVD法中在高温(1200°C) 下沉积A1N层，所以在沉积后的降温中，GaN和AlN之间的热膨胀系数 差导致在A1N层上产生裂缝，或者，A1N暴露于空气中而被氧化，由此 也会导致在A1N层上产生裂缝，但其原因尚不明确。
还有一种方法就是利用等离子体辅助分子束外延(PAMBE: Plasma Assisted Molecular Beam Epitaxy)法进行到形成AIN层为止的工序(参 照非专利文献4)。 在非专利文献4中，PAMBE法中的A1N的沉积温度较低，为200°C 300°C，所以可不引起裂缝地沉积AIN。
非专利文献1福田益美、平地康剛著「GaAs電界効果卜，乂-7夕C0基礎」〕口于社 1992年、pp56國59
非专禾U文献2M. Miyoshi et al. ， "Characterization of Different-Al隱Content AlGaN/GaN Heterostmctures and
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在此，将AIN层用作电子供给层时，为了提高2DEG浓度，优选 AIN层以大于2 nm且至少为4 5 nm左右的厚度形成。
但是，非专利文献3中虽然公开了厚度为2.5nm左右的AlN层的形 成，但没有公开厚度大于该值的A1N层的形成。
并且，以往还研究了将A1N层用作隔层(例如，参照非专利文献5)。 在该非专利文献5中公开了通过有机金属气相沉积法在基底上形成作为 沟道层的GaN层、作为隔层的A1N层、以及作为电子供给层的AlGaN 层的技术。
但是，在非专利文献5中，A1N层被用作隔层，厚度为lnm左右最 合适，而且，并没有对以大于2nm的厚度形成AlN层的情况进行研究。
于是，本申请的发明人进行深入研究后发现，通过MOCVD法，在 形成作为电子供给层的A1N层之后继续形成作为覆盖层的GaN层时，即 使AlN层的厚度为2.5nm以上，也能够消除裂缝，使表面平坦。

发明内容
本发明正是鉴于上述问题而提出的，本发明的目的在于，提供一种 将AlN层或x为0.6以上的AlxGaN层用作电子供给层的异质结型场效应 晶体管及其制造方法。
为了达到上述目的，本发明的异质结型场效应晶体管构成为具备依 次层积作为沟道层的第1GaN层、作为电子供给层的A1N层、以及作为 覆盖层的第2GaN层而成的层积体。
并且，根据本发明的异质结型场效应晶体管的其他优选实施方式， 构成为具备依次层积作为沟道层的第1GaN层、作为电子供给层的 AlxGa"N层、以及作为覆盖层的第2GaN层而成的层积体，其中，0.6《x <1。
在实施上述异质结型场效应晶体管时，优选层积体上具备控制电极、 第1主电极以及第2主电极。并且，优选采用在层积体和控制电极之间 具备栅极绝缘膜的结构。
为了达到上述目的，本发明的异质结型场效应晶体管的制造方法构 成为具备以下工序。首先在基底上形成作为沟道层的第lGaN层。接着， 在沟道层上形成作为电子供给层的A1N层。然后，在电子供给层上形成 作为覆盖层的第2GaN层。在此，通过有机金属气相沉积法在同一装置 内层积沟道层、电子供给层以及覆盖层。
并且，本发明的异质结型场效应晶体管的制造方法的其他优选实施 方式构成为具备以下工序。首先在基底上形成作为沟道层的第1GaN层。 接着，在沟道层上形成作为电子供给层的Al,Ga"N层，其中，0.6《x<l。 然后，在电子供给层上形成作为覆盖层的第2GaN层。在此，通过有机 金属气相沉积法在同一装置内层积沟道层、电子供给层以及覆盖层。
在实施上述异质结型场效应晶体管的制造方法时，优选在形成覆盖 层的工序之后，通过有机金属气相沉积法在同一装置内形成用作栅极绝 缘膜的氮化硅膜。
而且，本发明的异质结型场效应晶体管的制造方法的其他优选实施
方式构成为具备以下工序。首先在基底上形成作为沟道层的第1GaN层。 接着，在沟道层上形成作为电子供给层的A1N层。然后，在电子供给层 上形成用作栅极绝缘膜的氮化硅膜。在此，通过有机金属气相沉积法在 同一装置内层积沟道层、电子供给层以及氮化硅膜。
此外，本发明的异质结型场效应晶体管的制造方法的其他优选实施 方式构成为具备以下工序。首先在基底上形成作为沟道层的GaN层。接 着，在沟道层上形成作为电子供给层的AlxGa"xN层，其中，0.6《x<l。 然后，在电子供给层上形成用作栅极绝缘膜的氮化硅膜。在此，通过有 机金属气相沉积法在同一装置内层积沟道层、电子供给层以及氮化硅膜。
根据本发明的异质结型场效应晶体管，作为电子供给层具备A1N层 或AlxGai.xN层(0.6《x<l)，所以2DEG浓度高于以往的AlxGai.xN层 (例如，x-0.25)的情况，其结果，能够减小电子供给层的厚度。因此， 即使在短栅极区域，也能够增大长厚比，能够抑制短沟道效应。
并且，根据本发明的异质结型场效应晶体管的制造方法，在形成作 为电子供给层形成的、A1N层或AlxGai.xN层(0.6《x<l)之后，在同一 装置内使用有机金属气相沉积法形成作为覆盖层的GaN层或作为栅极绝 缘膜的SiN层。因此，不会使A1N层暴露在空气中，所以能够抑制由于 A1N层氧化而引起的A1N层裂缝。并且，对于ALGa^N层(0.6《x<l)， 也同样能够抑制裂缝。


图1是用于说明第1实施方式的异质结型场效应晶体管的概要图。 图2是示出利用原子力显微镜观察到的A1N层表面的图。 图3是示出利用原子力显微镜观察到的第2GaN层表面的图。 图4是示出在改变了 A1N层厚度的情况下，利用原子力显微镜观察 到的第2GaN层表面的图。
图5是示出A1N层的厚度与表面的RMS之间的关系的特性图。 图6是示出第1实施方式中的、通过C-V测定得到的载流子浓度的 测定结果的图。
图7是用于说明第2实施方式的异质结型场效应晶体管的概要图。 图8是示出第2实施方式中的、通过C-V测定得到的载流子浓度的 测定结果的图。
图9是示出异质结型场效应晶体管的栅漏电流的特性图。
图10是用于说明第3实施方式的异质结型场效应晶体管的概要图。
图11是用于说明现有的异质结型场效应晶体管的概要图。
具体实施例方式
下面，参照

本发明的实施方式，对于各构成要件的形状、 大小以及配置关系，仅概略地示出到能够理解本发明的程度。并且，下 面对本发明的优选结构例进行说明，但各构成要件的材料和数值条件等 仅是单纯的优选例。因此，本发明不限于以下实施方式，在不脱离本发 明结构的范围内，能够进行可实现发明效果的多种变更或变形。 (第1实施方式)
参照图1说明第1实施方式的异质结型场效应晶体管。另外，该异 质结型场效应晶体管为高电子迁移率晶体管(HEMT)，所以在下面的说 明中有时也称作HEMT。
图1是用于说明第1实施方式的异质结型场效应晶体管的概要图， 示出主要部分的剖切端面。
第1实施方式的异质结型场效应晶体管10构成为具备层积体30， 该层积体30在基底20上依次层积有作为沟道层40的第1GaN层、作为 电子供给层50的A1N层、以及作为覆盖层60的第2GaN层。在作为沟 道层40的第1GaN层和作为电子供给层50的A1N层的边界面、即 AlN/GaN-异质界面45上形成有二维电子气体(2DEG)。
覆盖层60上设有利用欧姆接合形成的源电极82和漏电极84、以及 利用肖特基接合形成的栅电极80。 AlN/GaN-HEMT例如借助向沟道层40
和电子供给层50注入杂质来形成的元件分离区域35，与其他元件分离。 覆盖层60的上侧表面62上形成有作为表面保护膜的氮化硅膜90。
该第1实施方式的异质结型场效应晶体管可以采用以下工序形成。
首先，准备基底20。基底20可以采用与异质结型场效应晶体管中 通常使用的基底相同的结构。例如，可以使用在由选自硅、碳化硅以及 蓝宝石的1种材料形成的基板上具备缓冲层的基底。缓冲层是为了在硅 等基板和沟道层之间产生光栅缓和效应而设置的。例如可以采用有机金 属气相沉积法(MOCVD法)沉积A1N，由此形成缓冲层。
接着，在基底20上形成作为沟道层40的第1GaN层。然后，在沟 道层40上形成作为电子供给层50的A1N层。接着，在电子供给层50上 形成作为覆盖层60的第2GaN层。
在此，通过MOCVD法在同一装置内层积沟道层40、电子供给层50 以及覆盖层60。 A1N层采用如下方法形成在CVD装置内，分别以6slm 和10 sc cm的流量导入氨气(NH3)和三甲基铝(TMA)气体，在1200。C 的沉积温度下形成A1N层。并且，第1GaN层和第2GaN层通过如下方 法形成在CVD装置内，分别以5slm和6sccm的流量导入NH3气体 和三甲基镓(TMG)气体，在107(TC的沉积温度下形成第1GaN层和第 2GaN层。另夕卜，sc cm(standard cubic cm per minute)禾口 slm(standard liter per minute)是表示换算成(TC、 1个大气压(=1013 hPa)时的气 体流量的单位。
在此，A1N层含有大量A1，容易受到表面氧化的影响，引发裂缝。 因此，若A1N层暴露在空气中，则难以抑制栅漏电流。在第l实施方式 的异质结型场效应晶体管的制造方法中，由于作为电子供给层50的A1N 层被作为覆盖层60的第2GaN层覆盖，所以能够抑制氧化。
图2示出采用MOCVD法形成厚度为2 nm的A1N层之后，利用原 子力显微镜(AFM: Atomic Force Microscope)观察到的A1N层表面。 并且，图3示出在形成作为电子供给层的A1N层之后继续形成作为覆盖 层的第2GaN层之后，利用AFM观察到的第2GaN层表面。图2和图3 均示出ljim见方的区域。
图2中表面出现裂缝结构，相对于此，图3中表面未出现裂缝，为 良好的表面结构。在A1N层上产生了裂缝的情况下，该影响也会显现到 形成于AlN层上的第2GaN层的表面上，但是，在此，第2GaN层表面 未出现裂缝。即，采用MOCVD法形成AIN层之后继续在同一装置内形 成第2GaN层，从而能够抑制在A1N层产生裂缝。
在形成A1N层的阶段停止沉积时，在AFM像中确认到表面上有裂 缝(参照图2)，因此，可以认为通过在形成AlN层之后继续形成GaN层， 能够带来抑制在A1N层产生裂缝的效果。虽然其理由尚不明确，但可以 举出通过采用利用第lGaN层和第2GaN层夹着AlN层的结构来抑制AlN 层断裂；或通过覆盖A1N层表面来防止A1N层氧化，抑制氧化引起的裂 缝结构；等等。
无论怎样，由于在1200'C下沉积A1N层之后沉积GaN层，所以在 降温到1070。C的阶段或沉积GaN层的阶段，A1N层均不会产生裂缝，并 且即使在沉积GaN层之后下降到室温，也能够确保表面的平坦性。
例如，将电子供给层的厚度设为2.5nm，将覆盖层的厚度设为5nm 时，活性层厚度a为7.5 nm，即使栅极长度縮短至40 nm，也能够确保5 以上的长厚比。
为了提高2DEG浓度，优选进一步增大A1N层的厚度。AlN和GaN 的光栅常数分别为3.112A以及3.187A，其差为2.4%左右，所以理论上 能够不引起裂缝地形成A1N层的临界膜厚为10nm左右。
图4 (A)、 (B)、 (C)、 (D)、 (E)以及(F)分别示出A1N层的厚 度为0.5nm、 2.5 nm、 2.55 nm、 6.08 nm、 8.12 nm以及20 nm时的AFM 像。在此，对于形成在AlN层上的GaN层(第2GaN层)的表面，与图 2和图3相同地示出lpm见方区域的AFM像。
并且，图5示出A1N层的厚度与表面的平坦度之间的关系。图5中， 横轴表示A1N层的厚度(单位pm)，并且纵轴表示表面的RMS (Root Mean Square)(单位nm)。表面的RMS用于评价表面平坦度，是将 表面在高度方向上的位置分布作为从平均位置起的距离的平方平均计算 出的。
A1N层的厚度到2.55 nm为止，表面没有裂缝，RMS也在0.2 nm以 下。若A1N层的厚度达到6.08 nm，则表面产生裂缝，随着A1N层的厚 度增大，更加显著。
在A1N层的厚度为6.08 nm以上的区域中，RMS相对于A1N层的厚 度以一元函数方式增大。即，RMS的增加与裂缝的增加对应。另一方面， AIN层的厚度到2.55 nm为止，基本为恒定值。
在A1N层的厚度为6.08 nm以上的情况下，若将A1N层的厚度与RMS 之间的关系一元线性近似，则y-0.18x-0.89，大概在x-5时，y为0。艮卩， 若A1N层的厚度为5 nm以下，则可认为是能够忽略裂缝给FET的动作 带来影响的范围。
图6示出通过使用汞探针的C-V测定得到的载流子浓度的测定结果。 图6中，横轴表示从栅电极的下表面、即层积体30的上表面起的深度(单 位nm)，纵轴表示载流子浓度(单位cm_3)。图6示出A1N层的厚度 为2.5nm、第2GaN层的厚度为5 nm时的测定结果。此时，确认到深度 为9 nm且浓度为8.6xl019 cm'3的载流子的存在。
另外，采用相同方法测定载流子浓度后，当AlN层的厚度为0.5nm 时，没有确认到载流子的存在。并且，若AlN层的厚度为2.5nm以上， 则到A1N层的厚度为20 nm为止均确认到载流子的存在。
根据以上结果，考虑到载流子的存在和表面的RMS时，优选将A1N 层的厚度设为2.5 nm 5nm。
在此，已知提高AlxGa^N的Al浓度，使得x-l时成为AlN，并且， x为0.52以上时，AlxGai-xN成为裂缝结构(参照非专利文献2)。
相对于此，能够容易地推测出有效抑制A1N层裂缝的GaN覆盖层对 AlxGa^N层(0.6《x<l)也可有效抑制裂缝。于是，作为电子供给层， 可以使用AlxGa"N层(0.6《x<l)来替代A1N层。
另夕卜，AlxGa^N层(0.6《x<l)的膜厚依据x的大小而定。为了提 高2DEG浓度，优选将AlxGai_xN层(0.6《x<l)的膜厚设定成大于将 A1N层用作电子供给层时的厚度。此时，AlxGa^N层和GaN层的光栅常 数之差要比AlN层和GaN层之差小，所以临界膜厚大，能够以大于等于 A1N层的厚度形成。
根据本发明的异质结型场效应晶体管，作为电子供给层，具有A1N 层或AlxGai.xN层(0.6《x<l)，所以2DEG浓度比现有的AlxGai_xN层 (例如，x=0.25)的情况高，其结果，能够减少电子供给层的厚度。因此， 即使在短栅极区域，也能够增大长厚比，能够抑制短沟道效应。
并且，根据本发明的异质结型场效应晶体管的制造方法，在形成作 为电子供给层形成的A1N层或AlxGa^N层(0.6《x<l)之后，在同一 装置内使用有机金属气相沉积法形成作为覆盖层的GaN层，从而能够抑 制A1N层或AlxGa!.xN层(0.6《x<l)的裂缝。 (第2实施方式)
参照图7说明第2实施方式的异质结型场效应晶体管。图7是用于 说明第2实施方式的异质结型场效应晶体管的概要图，示出主要部分的 剖切端面。
第2实施方式的异质结型场效应晶体管11是所谓MIS (Metal Insulator Semiconductor:金属绝缘体半导体)结构的场效应晶体管 (MISFET)，艮卩，在具有覆盖层的层积体上具备作为栅极绝缘膜92的氮 化硅膜，在栅极绝缘膜92上具备栅电极80。
通过采用MIS结构，能够抑制栅漏电流。即使在作为栅极绝缘膜层 积厚度为14nm的氮化硅膜的情况下，只要电子供给层的厚度为2.4nm、 覆盖层的厚度为3.3 nm，则活性层厚度a为20 nm以下，即使栅极长度 为100 nm，也能够维持5以上的长厚比。
在现有的GaN系MISFET中，由于将AlGaN层用作电子供给层， 所以长厚比较低。例如，电子供给层为AlxGa^N层(x=0.25)且厚度为 25nm的情况下，若将氮化硅膜的厚度设为14 nm，则活性层厚度a、即 从栅电极到异质界面的距离为39nm，栅极长度为O.lpm时，长厚比下降 到2.5。
相对于此，只要利用形成于AlN/GaN异质界面的2DEG，则例如作 为电子供给层50的A1N层的厚度为2.4 nm，作为覆盖层60的第2GaN 层的厚度为3.3nm，即使氮化硅膜的厚度为14nm，也能够维持5以上的
长厚比。
图8示出通过使用汞探针的C-V测定得到的载流子浓度的测定结果。 图8中，横轴表示从栅电极的下表面、即层积体30的上表面起的深度(单 位nm)，纵轴表示载流子浓度(单位cm'3)。图8示出A1N层的厚度 为2.4 nm、覆盖层的厚度为3.3 nm、氮化硅膜的厚度为14 nm时的测定 结果。此时，确认到深度为30nm、浓度为1.75xl(^cn^的载流子的存 在。
参照图9说明栅漏电流。图9 (A)是示出参照图1说明的第1实施 方式的异质结型场效应晶体管的栅漏电流的特性图，图9 (B)是示出参 照图7说明的第2实施方式的异质结型场效应晶体管的栅漏电流的特性 图。图9 (A)和图9 (B)中，横轴表示源-栅间的电压Vgs (单位V)， 纵轴表示在源-栅间流过的漏电流Ids (单位A)。
在第l实施方式中，电流Ids为lxl(TS lxl(^A左右，相对于此， 在第2实施方式中，漏电流减少3位左右，为lxlO" lxl(T"A左右。
氮化硅膜可以利用等离子CVD法或热CVD法等任意合适的方法来 形成，但优选在形成沟道层、电子供给层以及覆盖层的层积体之后，接 着在相同装置内通过MOCVD法进行堆积。该情况下，在CVD装置内分 别以4 slm和100 sc cm的流量导入NH3气体和硅烷(SiH4)气体，在 850'C的沉积温度形成氮化硅膜。
并且，在此，在形成沟道层、电子供给层以及覆盖层的层积体之后， 接着在同一装置内形成栅极绝缘膜。因此，SiN/GaN界面状态良好，其 结果，在MISFET的工作方面，界面能级(interface state)小，界面能级 引起的电流崩塌(Current Collapse)得到改善，能够期待提高栅极耐压。
另外，对于第2实施方式的异质结型场效应晶体管，与第1实施方 式同样地，作为电子供给层，可使用AlxGai.xN层(0.6《x<l)来替代 A1N层。
(第3实施方式)
参照图10说明第3实施方式的异质结型场效应晶体管。图10是用 于说明第3实施方式的异质结型场效应晶体管的概要图，示出主要部分
的剖切端面。
第3实施方式的异质结型场效应晶体管12构成为具备层积体32, 该层积体32依次层积有作为沟道层40的GaN层、作为电子供给层50 的A1N层。在作为沟道层的GaN层和作为电子供给层的A1N层之间的 AlN/GaN-异质界面形成有二维电子气体(2DEG)。
电子供给层上形成有作为栅极绝缘膜92的氮化硅膜。与第2实施方 式相同，利用MOCVD法形成GaN层和AlN层，在形成作为电子供给层 的A1N层之后，接着在MOCVD装置内形成氮化硅膜。
其结果，可形成SiN层而不使AlN层的表面暴露于空气中，所以能 够防止A1N层的表面氧化、以及该表面氧化引起的裂缝。
另外，对于第3实施方式的异质结型场效应晶体管，与第1和第2 实施方式相同，作为电子供给层，可使用AlxGai.xN层(0.6《x<l)来替 代A1N层。
权利要求
1.一种异质结型场效应晶体管，其特征在于，所述异质结型场效应晶体管具备依次层积作为沟道层的第1GaN层、作为电子供给层的AlN层、以及作为覆盖层的第2GaN层而成的层积体。
全文摘要
本发明提供一种异质结型场效应晶体管，其中，将AlN层或x为0.6以上的Al_xGa_1-xN层用作电子供给层。该异质结型场效应晶体管构成为具备依次层积作为沟道层(40)的第1GaN层、作为电子供给层(50)的AlN层、以及作为覆盖层(60)的第2GaN层而成的层积体(30)。并且，根据本发明的异质结型场效应晶体管的其他优选实施方式，构成为具备依次层积作为沟道层的第1GaN层、作为电子供给层的Al_xGa_1-xN层、以及作为覆盖层的第2GaN层而成的层积体，其中，0.6≤x＜1。
文档编号H01L29/78GK101369601SQ200810125679
公开日2009年2月18日 申请日期2008年6月20日 优先权日2007年8月17日
发明者户田典彦, 星真一, 玉井功 申请人:冲电气工业株式会社