专利名称：半导体器件及其制造方法
技术领域：
本实施方案涉及半导体器件以及制造该半导体器件的方法。
背景技术：
氮化物半导体具有高的饱和电子速率和宽的带隙。已经利用这些特性以及其他特性，研究了将氮化物半导体应用于高耐受电压和高输出半导体器件。例如，作为氮化物半导体的GaN具有3. 4eV的带隙，高于Si的带隙(1.1eV)和GaAs的带隙(1. 4eV)，并且具有较高击穿场强度。由于这个原因，GaN作为提供高压操作和高输出的电源半导体器件的材料具有很好的前景。对于氮化物半导体基器件，已经有许多关于氮化物半导体基场效应晶体管特别是高电子迁移率晶体管(HEMT)的报道。例如，对GaN基HEMT (GaN-HEMT)的研究集中在将GaN用于电子传输层和将AlGaN用于电子供给层的AlGaN/GaN HEMT0在AlGaN/GaN HEMT中，由于GaN和AlGaN之间晶格常数的差异引起AlGaN的应变。由应变导致的压电极化和AlGaN自发极化提供高浓度的二维电子气(2DEG)，这使得AlGaN/GaN HEMT适用于用于电动车辆的高效开关元件和高耐受电压功率器件。专利文件1:日本公开特许公报2007-220895为了使用氮化物半导体器件作为开关器件，在器件操作时(导通状态)，栅极电压需要充分地正向驱动，使得栅极电压阈值是正的并且避免噪声的影响。为了实现这个目的，相对于RF应用中常见的肖特基结构，优选金属-绝缘体-半导体(MIS)结构。然而，在MIS结构用于 氮化物半导体器件时，在电极与绝缘膜之间积累不期望的电荷，导致导通电阻增加并使器件可靠性降低。应该认真考虑具有MIS结构的氮化物半导体器件在实际中的应用。
发明内容
鉴于上述问题而给出本实施方案，实施方案的一个目的是提供具有MIS结构的高可靠半导体器件，其中半导体层与电极之间设置有绝缘膜，并且还使得导通状态电阻的增加和阈值变化最小化。—种半导体器件包括半导体层、与半导体层的表面接触的第一导电层、形成在第一导电层上的绝缘膜以及形成在第一导电层上方的第二导电层，其中绝缘膜介于第一导电层和第二导电层之间。一种制造半导体器件的方法包括形成半导体层；形成与半导体层接触的第一导电层；在第一导电层上形成绝缘膜；以及在绝缘层上的区域中形成第二导电层，该区域位于第一导电层上方并且与第一导电层垂直地对准。
图1是逐步示出制造根据第一实施方案的AlGaN/GaN HEMT的方法的示意性横截面图；图2是继续图1逐步示出制造根据第一实施方案的AlGaN/GaNHEMT的方法的示意性横截面图；图3是继续图2逐步示出制造根据第一实施方案的AlGaN/GaNHEMT的方法的示意性横截面图；图4是示出根据第一实施方案的AlGaN/GaN HEMT的构造的示意性俯视图；图5是示出第一实施方案中的漏极-源极电压Vds与栅极电流Ig之间的关系的研究结果的特性图；图6是示出利用根据第一实施方案的AlGaN/GaN HEMT的HEMT芯片的示意性俯视图；图1是示出利用根据第一实施方案的AlGaN/GaN HEMT的分立封装件的示意性俯视图；图8是示出制造根据第二实施方案的AlGaN/GaN HEMT的主要步骤的示意性横截面图；图9是继续图8示出制造根据第二实施方案的AlGaN/GaN HEMT的主要步骤的示意性横截面图；图10是示出第二实施方案中的漏极-源极电压Vds与漏极电流Id之间的关系的研究结果的特性图；图11是示出制造根`据第二实施方案的变化方案的MIS型AlGaN/GaN HEMT的主要步骤的示意性横截面图；图12是示出第二实施方案的变化方案中的漏极-源极电压Vds与漏极电流Id之间的关系的研究结果的特性图；图13是示出根据第三实施方案的PFC电路的连接图；图14是示出根据第四实施方案的电源装置的总体构造的连接图；以及图15是示出根据第五实施方案的高频放大器的总体构造的连接图。
具体实施方案将参考附图来描述实施方案。在以下实施方案中，将结合制造化合物半导体器件的方法来描述化合物半导体器件的构造。需要注意的是，为了便于描述，附图中某些部件的尺寸和厚度未按比例绘出。(第一实施方案)在第一实施方案中，将公开作为化合物半导体器件的金属-绝缘体-半导体(MIS)型 AlGaN/GaN HEMT。图1至图3是逐步示出制造根据第一实施方案的MIS型AlGaN/GaN HEMT的方法的示意性横截面图。如图1A所示，首先在生长衬底如Si衬底I上形成化合物半导体多层结构2。生长衬底可以是其他材料如蓝宝石衬底、GaAs衬底、SiC衬底或GaN衬底。衬底可以是半绝缘衬底或导电衬底。化合物半导体多层结构2包括缓冲层2a、电子传输层2b、中间层(间隔层)2c、电子供给层2d以及p型盖层2e。本文中，电子传输层2b具有负极性，使得在中间层2c的界面产生二维电子气，后续将对此进行描述。另一方面，因为P型盖层2e与n型盖层的导电性相反，所以P型盖层2e具有正极性。具体地，通过例如金属有机气相外延生长(MOVPE)在Si衬底I上生长以下化合物半导体。可以使用如分子束外延生长(MBE)等其他方法来替代MOVPE。在Si衬底上依次生长用作缓冲层2a、电子传输层2b、中间层2c、电子供给层2d以及P型盖层2e的化合物半导体。缓冲层2a通过在Si衬底上生长AlN至约0.1 y m的厚度来形成。电子传输层2b通过生长i (有意掺杂的)_GaN至约I y m至3 y m之间的厚度来形成。中间层2c通过生长1-AlGaN至约5nm的厚度来形成。供给层2d通过生长n_AlGaN至约30nm的厚度来形成。可以省略中间层2c。电子供给层可由i_AlGaN形成。p型盖层2e通过生长p-GaN至例如约IOnm至IOOOnm之间的厚度来形成。如果p型盖层2e薄于10nm，则不能实现期望的常断操作；如果p型盖层2e厚于lOOOnm，则从栅电极到用作沟道的AlGaN/GaN异质界面的距离将会长，使得响应速度降低，并且沟道中的来自栅电极的电场会不足，从而导致缺陷，如夹断不良。因此，P型盖层2e形成为具有约IOnm至约IOOOnm的范围内的厚度，以确保高的响应速度并且防止器件特性下降，例如在实现适当的常断操作的同时具有良好的夹断。在本实施方案中，P型盖层2e的GaN形成为具有约200nm的厚度。为了生长GaN，可以将作为Ga源的三甲基镓(TMGa)气体和氨气(NH3)的混合气体用作原料气体。为了生长AlGaN，可以将TMAl气体、TMGa气体和NH3气体的混合气体用作原料气体。根据待生长的化合物半导体层，适当地设置供应与停止供应TMGa和TMAl气体以及TMGa和TMAl气体的流量。作为这些层的共用原料的NH3气体的流量设定为在约lOOsccm至约IOslm的范围内的值。生长应力设定为在约50托至约300托的范围内的值，生长温度设定为在约1000°C至约1200°C的范围内的值。在生长AlGaN作为n型盖层时，即在形成电子供给层2d (n-AlGaN)时，将n型杂质添加到AlGaN的原料气体中。本文中，将例如包含硅的硅烷(SiH4)气体以给定的流量添加到原料气体，以使用Si来掺杂AlGaN。Si的掺杂浓度设定为在约I X IO1Vcm3至约I X 102°/cm3的范围内的值，例如，约2X 1018/cm3。在生长GaN作为p型盖层时，即在形成p型盖层2e (p-GaN)时，将p型杂质例如选自Mg和C中的杂质添加到GaN的原料气体中。在本实施方案中，将Mg用作p型杂质。将Mg以给定的流量添加到原料气体，以使用Mg来掺杂GaN。例如，Mg的掺杂浓度在约I X 1016/cm3至约1 X 102Vcm3的范围内。如果掺杂浓度小于约I X101Vcm3,则GaN没有充分地掺杂为P型并且盖层2e会处于常通状态；如果掺杂浓度大于约1 X 102Vcm3,则结晶度将降低，从而不能提供足够好的特性。通过选择Mg掺杂浓度在约1 X 101fVcm3至约2 X102Vcm3的范围内，可产生提供足够好的特性的P型半导体。在本实施方案中，P型盖层2e的Mg掺杂浓度为约 1X 101Vcm3。在由此形成的化合物半导体多层结构2中，由于GaN与AlGaN之间的晶格常数的差异而产生的畸变在具有负极性的电子传输层2b与电子供给层2d之间的界面(确切地说，与中间层2c的界面，下文将称为GaN/AlGaN界面)处引起了压电极化。压电极化效应结合电子传输层2b与电子供给层2d中的自发极化效应在GaN/AlGaN界面处产生了具有高电子浓度的二维电子气(2DEG)。在形成化合物半导体多层结构2后，在约700°C下对p型盖层2e进行约30分钟的退火。如图1B所示，形成元件隔离结构3。在图1C和随后附图中省略了元件隔离结构3。具体地，将例如氩(Ar)注入到化合物半导体多层结构2的元件隔离区域中。从而，在Si衬底I的表面部分和化合物半导体多层结构2中形成元件隔离结构3。化合物半导体多层结构2与元件隔离结构3之间的区域定义为有源区域。注意，除了上述注入方法，元件隔离结构还可以通过其他已知的方法如浅沟槽隔离(STI)来制造。此处，可以使用例如氯基蚀刻气体对化合物半导体多层结构2进行干法蚀刻。然后，如图1C所示，在化合物半导体多层结构2上形成插入金属层4。具体地，通过如气相沉积或溅射等方法将导电材料沉积在化合物半导体多层结构2的表面(p型盖层2e的表面)上。导电材料可以是与p型盖层2e的n-AlGaN形成欧姆接触的任意金属并且优选地选自例如T1、Ni及Pd中的至少一种金属。在本实例中，例如，沉积约30nm厚的Ni作为导电材料。然后，将插入金属层4和p型盖层2e制成如图2A所示的电极的几何形状。
具体地，对插入金属层4施加光刻胶并且通过光刻进行处理。结果，形成光刻胶图案10A，光刻胶图案IOA覆盖插入金属层4的预定区域，此处，该预定区域为与其中待形成栅极的位置对应的区域。然后，通过干法刻蚀使用光刻胶图案IOA来蚀刻插入金属层4和p型盖层2e。结果，P型盖层2e和插入金属层4都仅剩下其中在电子供给层2d上待形成栅极的位置的区域。P型盖层2e和插入金属层4保留在与待形成的漏电极位置相比更靠近待形成的源电极位置的预定区域。然后通过灰化或使用预定化学品进行湿法处理以移除光刻胶图案10A。在化合物半导体多层结构2中，p型盖层2e仅位于上述区域中，且其他区域中不存在p-GaN。因此，在除p型盖层2e下方区域之外的GaN/AlGaN界面处产生2DEG。在p型盖层2e下方的区域中，由于存在p-GaN，所以实际上没有产生2DEG。然后，如图2B所示，形成源电极5和漏电极6。具体地，首先形成用于形成源电极和漏电极的光刻胶掩模。此处使用适用于气相沉积和剥离的悬垂双层光刻胶。对化合物半导体多层结构2施加光刻胶，以形成露出电子供给层2d上待形成源电极的区域和待形成漏电极的区域的开口。这实现了具有开口的光刻胶掩模。例如，通过气相沉积在包括开口内的区域的光刻胶掩模上沉积电极材料如Ta/Al。沉积约20nm厚的Ta ;沉积约200nm厚的Al。通过剥离移除光刻胶掩模和沉积在其上的Ta/Al。然后，在氮气氛中在约400°C至约1000°C的范围内的温度下(例如在约600°C下)对Si衬底I进行热处理，使剩余的Ta/Al与电子供给层2d形成欧姆接触。若在无热处理的情况下可实现Ta/Al与电子供给层2d之间的欧姆接触，则可省略热处理。这样，形成了源电极5和漏电极6。
然后，形成栅极绝缘膜7，如图2C所示。具体地，在化合物半导体多层结构2上沉积绝缘材料例如Al2O3,以覆盖插入金属层4和p型盖层2e。为了沉积Al2O3,例如，可替代地，通过原子层沉积(ALD)来供应TMA气体和03。在本实施方案中，沉积Al2O3,使得插入金属层4上的Al2O3厚度在约2nm至约200nm的范围内，例如，在本实施方案中为约10nm。这样，形成栅极绝缘膜7。或者，通过等离子体CVD (化学气相沉积)或溅射替代ALD来沉积A1203。此外，除了 Al2O3，还可以沉积铝的氮化物或氧氮化物。可替代地，可以根据情况选择S1、Hf、Zr、T1、Ta或W的氧化物、氮化物或氧氮化物或者这些化合物中的任何化合物，来以多层形式沉积以形成栅极绝缘膜。然后，如在图3A所示，形成栅电极8。具体地，首先在栅极绝缘膜7上形成用于形成栅电极的光刻胶掩模。对栅极绝缘膜7施加光刻胶并且形成开口，以露出栅极绝缘膜7表面中的位于插入金属层4上方并且与插入金属层4垂直地对准的区域。这样，形成了具有开口的光刻胶掩模。例如，通过气相沉积在包括开口内区域的光刻胶掩模上沉积电极材料，如Ni/Au。沉积约30nm厚的Ni ;沉积约400nm厚的Au，然后通过剥离来移除光刻胶掩模和沉积在光刻胶掩模上的Ni/Au。这样,在栅极绝缘膜7的表面的位于插入金属层4上方并且与插入金属层4对准的区域中形成栅电极8。然后，如图3B所示，在源电极5和漏电极6上的栅极绝缘膜7中形成开口 7a和7b 0 具体地，利用光刻和干法蚀刻移除掉栅极绝缘膜7的位于源电极5上的部分区域和位于漏电极6上的部分区域。结果，在栅极绝缘膜7中形成露出源电极5的表面和漏电极6的表面的开口 7a和7b。此后，进行以下步骤来完成根据本实施方案的MIS型AlGaN/GaNHEMT :将源电极5、漏电极6和栅电极8电互连；以及形成用于源电极5、漏电极6和栅电极8的焊垫。图4是示出根据本实施方案的AlGaN/GaN HEMT的俯视图。图4中沿着虚线1-1'截取的横截面是图3B的横截面图。这样，源电极5和漏电极6形成为彼此平行，如梳齿一样，并且将梳齿状的栅电极8设置在源电极5和漏电极6之间并且与源电极5和漏电极6平行。根据本实施方案的AlGaN/GaN HEMT具有其中栅极绝缘膜设置在化合物半导体和栅极之间的MIS型结构。本文中，栅极绝缘膜7设置在化合物半导体多层结构2和栅电极8之间，其中插入金属层4位于栅极绝缘膜7和化合物半导体多层结构2之间并与栅电极8垂直地对准。在没有供给插入金属层4的结构中，在栅极绝缘膜中或化合物半导体多层结构与栅极绝缘膜之间的界面处会累积不期望的电荷。在本实施方案的构造中，插入金属层4阻止不期望的电荷的累积，从而使得导通状态电阻的增加和阈值变化最小化。此外，在根据本实施方案的AlGaN/GaN HEMT中，化合物半导体多层结构2的p型盖层2e仅设置在栅电极8下方并与栅电极8垂直地对准的区域中，并且在不操作期间除了P型盖层2e下方以外，实际上没有2DEG。该构造提供了期望的常断操作。即，在栅极电压断开时，在沟道内没有2DEG，因此提供了常断状态；当栅极电压导通时，在沟道内产生了期望的用于驱动的2DEG。
本实施方案中，虽然p型化合物用作化合物半导体多层结构的盖层，但是可用n型化合物(n-GaN)替代。在该情况下，盖层没有必要与插入金属层一起成形为电极的几何形状。插入金属层可以由任何能与n型盖层的n-GaN形成欧姆接触的导电材料制成。例如，优选地,导电材料为选自Ta和Al中的至少一种。本文中，将描述用于研究根据本实施方案的AlGaN/GaN HEMT的特性的实验。为了与本实施方案对比，以不包括插入金属层的AlGaN/GaNHEMT作为对比实施例。在本实施方案中，持续地施加栅极电压Vg以确定击穿前所用时间(断开-应力测试)。本文中，在200°C的温度下施加600V的Vds并且将栅极-源极电压Vgs设定为0V。图5给出了实验结果。结果表明，与对比实施例相比，在本实施方案中，发生击穿所需的时间增加，并且改善了器件的可靠性。如上所述，本实施方案实现了高可靠的高耐受电压的具有MIS结构的AlGaN/GaNHEMT，其中化合物半导体多层结构2与栅电极8之间设置有绝缘膜，并且还使得导通状态电阻的增加和阈值变化最小化。根据本实施方案的AlGaN/GaN HEMT适合于所谓的分立封装件。将根据本实施方案的AlGaN/GaN HEMT芯片固定在分立封装件上。将在下文描述根据本实施方案的AlGaN/GaN HEMT芯片的分立封装件(下文称之为HEMT芯片)。图6示意性地示出HEMT芯片的构造(对应于图4)。在HEMT芯片100的表面上设置有上述AlGaN/GaN HEMT的晶体管区域101、与漏电极连接的漏 极焊垫102，与栅极连接的栅极焊垫103和与源电极连接的源极焊垫104。图7是上述分立封装件的示意性俯视图。为了制造分立封装件，首先使用管芯粘合剂111例如钎料将HEMT芯片100固定到引线框112。使用引线框112整体地形成漏极引线112a，栅极引线112b和源极引线112c单独地设置并且与引线框112分隔开。然后，使用Al引线113进行接合，以电连接漏极焊垫102与漏极引线112a、栅极焊垫103与栅极引线112b、以及源极焊垫104与源极引线112c。此后，通过传递模制使用模制树脂114对HEMT芯片100进行封装并且切掉引线框112。由此，实现分立封装件。(第二实施方案)在第二实施方案中，将公开作为化合物半导体器件的MIS型AlGaN/GaN HEMT。图8和图9是示出制造根据第二实施方案的MIS型AlGaN/GaNHEMT的方法的主要步骤的示意性横截面图。与第一实施方案相同的组件将被给予相同的附图标记并且将省略对上述部件的详细描述。首先，与第一实施方案一样，依次执行图1A至2A中的步骤。然后，如图8A所示，在化合物半导体多层结构2上形成插入金属层11。具体地，首先形成用于形成插入金属层的光刻胶掩模。在化合物半导体多层结构2上施加光刻胶并且形成露出电子供给层2d的表面的待形成插入金属层的区域的开口。这样，形成具有开口的光刻胶掩模。例如，通过气相沉积或溅射等方法，在包括开口区域内区域的光刻胶掩模上沉积导电材料。导电材料可以是能与电子供给层2d的n-AlGaN形成欧姆接触的任何金属并优选地为例如选自Ta与Al中的至少一种。在本实施例中，例如用Ta作导电材料，沉积厚度约为20nm。通过剥离移除光刻胶掩模和沉积在光刻胶掩模上的Ta。结果，形成插入金属层
11。插入金属层11形成在插入金属层4与待形成漏电极的位置之间的以下位置处该位置与待形成源电极的位置相比更靠近待形成漏电极的位置。然后，如图8B所示，形成源电极5和漏电极6。具体地，首先形成用于形成源电极和漏电极的光刻胶掩模。本文中，例如，使用适用于气相沉积和剥离的悬垂双层光刻胶。在化合物半导体多层结构2上施加光刻胶并且形成露出电子供给层2d的表面的待形成源电极的区域和待形成漏电极的区域的开口。这样，形成了具有开口的光刻胶掩模。例如，通过气相沉积在包括开口内的区域的光刻胶掩模上沉积电极材料,如Ta/Al。沉积约20nm厚的Ta ;沉积约200nm厚的Al。通过剥离移除光刻胶掩模和沉积在光刻胶掩模上的Ta/Al。此后，在氮气氛中在约400°C至约1000°C的范围内的温度下(例如在约600°C下)对Si衬底I进行热处理，使得剩余的Ta/Al与电子供给层2d形成欧姆接触。若在无热处理情况下可实现Ta/Al与电子供给层2d之间的欧姆接触，则可省略热处理。这样，形成了源电极5和漏电极6。然后，如图SC所示，形成栅极绝缘膜7。
具体地，在化合物半导体多层结构2上沉积绝缘材料，如Al2O3,以覆盖插入金属层4和p型盖层2e。为了沉积Al2O3，例如，可替代地，通过ALD供应TMA气体和03。在本实施方案中，沉积Al2O3,使得插入金属层4上的Al2O3的厚度在约2nm到约200nm的范围内，如，在本实施方案中为10nm。这样，形成了栅极绝缘膜7。可替代地，除了 ALD，通过等离子体CVD或溅射来沉积Al2O315此外，除了 Al2O3，可以沉积铝的氮化物或氧氮化物。可替代地，根据情况选择S1、Hf、Zr、T1、Ta或W的氧化物、氮化物或氧氮化物或者这些化合物中的任何化合物，来以多层形式沉积以形成栅极绝缘膜。然后，如图9A所示，形成栅电极8和场板电极12。具体地，首先在栅极绝缘膜7上形成用于形成栅电极的光刻胶掩模。在栅极绝缘膜7上施加光刻胶并且通过光刻形成露出栅极绝缘膜7的表面的位于插入金属层4、11上方的与插入金属层垂直地对准的区域的开口。这样，形成了具有开口的光刻胶掩模。通过例如气相沉积在光刻胶掩模包括开口内区域上沉积电极材料如Au。沉积厚度为约300nm的Au，然后通过剥离移除掉光刻胶掩模和沉积在光刻胶掩模上的Au。这样，在栅极绝缘膜7的表面的位于插入金属层4上方并且与插入金属层4垂直地对准的区域形成了栅电极8，并且，在插入金属层11上方的并且与插入金属层11垂直地对准的区域中形成了场板电极12。在AlGaN/GaN HEMT中，在某些情况下，给漏电极施加高于施加给源电极和栅极的电压的电压。在本实施方案中，可以通过设置的场板电极12来减小通过施加高电压产生的电场。然后，如在图9B所示，在源电极5和漏电极6上的栅极绝缘膜7中形成开口 7a和7b 0具体地，利用光刻和干法蚀刻移除掉栅极绝缘膜7的位于源电极5上的部分和漏电极6上的部分。因此，在栅极绝缘膜7中形成了露出源电极5的表面和漏电极6的表面的开口 7a和7b。此后，进行以下步骤以实现根据本实施方案的AlGaN/GaN HEMT :将源电极5、漏电极6和栅电极8电互连；以及形成用于源电极5、漏电极6和栅电极8的焊垫。根据本实施方案的AlGaN/GaN HEMT具有其中栅极绝缘膜设置在化合物半导体和栅极之间的MIS型结构。本文中，栅极绝缘膜7设置在化合物半导体多层结构2和栅电极8之间，插入金属层4位于栅极绝缘膜7和化合物多层结构2之间并且与栅电极8垂直地对准。在没有设置插入金属层4的构造中，在栅极绝缘膜上或化合物半导体多层结构与栅极绝缘膜的界面上累积不期望的电荷。在本实施方案的构造中，插入金属层4阻止了不期望的电荷的累积，从而提高了器件的可靠性。根据本实施方案的AlGaN/GaN HEMT具有其中栅极绝缘膜设置在化合物半导体和场板电极之间的MIS型结构。本文中，绝缘膜(栅极绝缘膜7)设置在化合物半导体多层结构2和场板电极12之间，其中插入金属层4位于栅极绝缘膜7和化合物多层结构2之间并且与场板电极12垂直地对准。在没有提供插入金属层11的结构中，在栅极绝缘膜上或化合物半导体多层结构与栅极绝缘膜的界面上累积不期望的电荷。在本实施方案的构造中，相反地，插入金属层11阻止了不期望的电荷的累积。从而，不会产生不期望的电荷并且可以通过设置的场板电极12来减小通过施加高电压产生的电场，由此显著地提高了器件的可靠性。此外，根据本实施方案的AlGaN/GaN HEMT，化合物半导体多层结构2的p型盖层2e仅设置在源电极8的下方的 并且与源电极8垂直地对准的区域中，当处于不工作状态时，除了 P型盖层2e下方之外，实际上没有2DEG产生。上述构造提供了期望的常断操作。即，在断开栅极电压时，在沟道内没有2DEG，因此提供常断状态；在导通栅极电压时，在沟道内产生期望的2DEG以进行驱动。本文中，将描述用于研究根据本实施方案的AlGaN/GaN HEMT的特性的实验。为了与本实施方案对比，以不包括插入金属层的AlGaN/GaNHEMT作为实施例。在本实验中，对源电极和漏电极持续地施加电压Vds以确定击穿前所用时间(断开-应力测试)。本文中，在200°C的温度下施加600V的Vds并且将栅极-源极电压Vgs设定为0V。图10给出了实验结果。结果表明与对比实施例相比，在本实施方案中，发生击穿所需的时间增加，从而改善了器件的可靠性。如上所述，本实施方案实现了高可靠的高耐受电压的具有其中化合物半导体多层结构2与栅电极8之间设置有绝缘膜的MIS结构的AlGaN/GaN HEMT,并且还使得导通状态电阻的增加和阈值变化最小化。(变化方案)下面将描述第二实施方案的变化方案。这里公开的示例性变化方案是类似于与第二实施方案的MIS型AlGaN/GaN HEMT,唯一不同的是场板电极的结构。图11是示出制造根据第二实施方案的MIS型AlGaN/GaN HEMT的方法的主要步骤的示意性横截面图。与第二实施方案相同的所述组件将被给予相同的附图标记并且将省略对上述部件的详细描述。
首先，与第二实施方案一样，依次执行第一实施方案的图1A至2A中的步骤并且接着执行第二实施方案的图8A至SC中的步骤。然后，如图1lA所示，在源电极5和漏电极6上的栅极绝缘膜7中形成开口 7a和7b 0具体地，利用光刻和干法蚀刻移除掉栅极绝缘膜7的位于源电极5上的部分和漏电极6上的部分。因此，在栅极绝缘膜7中形成露出源电极5的表面和漏电极6的表面的开口 7a和7b。然后，如图1lB所示，形成栅电极8和场板电极13。具体地，首先在栅极绝缘膜7上形成用于形成栅极和场板电极的光刻胶掩模。在栅极绝缘膜7上施加光刻胶并且通过光刻形成露出栅极绝缘膜7的表面的位于插入金属层4上方并且与插入金属层4垂直地对准的区域的开口，并形成露出栅极绝缘膜7的位于插入金属层11上方的并且与插入金属层11垂直地对准的区域的开口，以及形成邻近该区域的开口 7b。这样，形成了具有开口的光刻胶掩模。例如，通过气相沉积在包括开口内区域光刻胶掩模上沉积电极材料，如Au。例如沉积厚度为约300nm的Au，然后通过剥离移除掉光刻胶掩模和沉积在光刻胶掩模上的Au。这样，在栅极绝缘膜7的表面的位于插入金属层4上方的并且与插入金属层4垂直地对准的区域中形成了栅电极8。另外，在栅极绝缘膜7的表面的位于插入金属层11上方的并且与插入金属层11垂直地对准的区域中形成了场板电极13，从而使电极材料填满开口 7b以电连接至漏电极6。场板电极13电连接漏电极6，形成了所谓的漏电极-场-板电极。在AlGaN/GaN HEMT中，在某些情况下给漏电极施加的电压高于施加给源电极和栅电极的电压。在本实施方案中，可以通过设置场板电极13来减小通过施加高电压产生的电场。`此后，进行以下步骤来完成根据本实施方案的MIS型AlGaN/GaNHEMT :将源电极5、漏电极6和栅电极8电互连；以及形成用于源电极5、漏电极6和栅电极8的焊垫。根据本实施方案的AlGaN/GaN HEMT具有其中栅极绝缘膜设置在化合物半导体和栅极之间的MIS型结构。本文中，栅极绝缘膜设置在化合物半导体多层结构2和栅电极8之间，插入金属层4位于栅极绝缘膜7和化合物多层结构2之间并与栅电极8垂直地对准。在没有提供插入金属层4的结构中，在栅极绝缘膜上或化合物半导体多层结构与栅极绝缘膜的界面处累积不期望的电荷。相比之下，在本实施方案的结构中，插入金属层4阻止了不期望的电荷的累积，从而改善了器件的可靠性。根据本示例性变化方案的AlGaN/GaN HEMT具有其中栅极绝缘膜设置在化合物半导体和场板电极之间的MIS型结构。本文中，绝缘膜(栅极绝缘膜7)设置在化合物半导体多层结构2和场板电极13之间，其中插入金属层11位于栅极绝缘膜7和化合物多层结构2之间并与场板电极13垂直地对准。在没有提供插入金属层11的构造中，在栅极绝缘膜上或化合物半导体多层结构与栅极绝缘膜的界面上累积不期望的电荷。相反地，在本示例性变化方案结构中，插入金属层11阻止了不期望的电荷的累积。从而，不会产生不期望的电荷并且可以通过设置的场板电极13来减小通过施加高电压产生的电场，由此显著地改善了器件的可靠性。此外，根据本实施方案的AlGaN/GaN HEMT，化合物半导体多层结构2的p型盖层2e仅设置给在源电极8下方的并且与源电极8垂直地对准的区域中，当处于非工作状态时，除了 P型盖层2e下方之外，实际上没有2DEG产生。所述构造提供了期望的常断操作。即，在断开栅极电压时，在沟道内没有2DEG，因此提供常断状态；在栅极电压导通时，在沟道产生期望2DEG以用于驱动。本文中，将描述用于研究根据本实施方案的AlGaN/GaN HEMT的特性的实验。为了与本实施方案对比，以不包括插入金属层的AlGaN/GaNHEMT作为对比实施例。在本示例性变化方案中，持续地对源电极和漏电极施加电压Vds以确定击穿前所用时间(断开-应力测试)。本文中，在200°C的温度下施加600V的Vds以及将栅极-源极电压Vgs设定为0V。图12给出了实验结果。结果表明与对比实施例相比，在本实施方案中发生击穿所需时间增加并且器件的可靠性提高了。如上所述，本示例性变化方案实现了高可靠的高耐受电压的具有其中化合物半导体多层结构2与栅电极8之间设置有绝缘膜的MIS结构的AlGaN/GaN HEMT,并且还使得导通状态电阻的增加和阈值变变化最小化。(第三实施方案)在第三实施方案中，将公开包括AlGaN/GaN HEMT的功率因子校正(PFC)电路，该电路包括根据从根据第一和第二实施方案及其变化方案中选择的实施方案的AlGaN/GaNHEMT0图13是所述PFC电路的连接图。所述PFC电路20包括开关元件(晶体管)21、二极管22、扼流圈23、电容器24、25，二极管电桥26、交流电源(AC)27。根据第一和第二实施方案和他们的变化方案的AlGaN/GaN HEMT被应用到开关元件21。在所述PFC电路20中，开关元件21的漏电极、二极管22的阳极端子和扼流圈23的一个端子连接在一起。开关兀件21的源电极、电容器24的一个端子和电容器25的一个端子连接在一起。电容器24的另一端子和扼流圈的另一端子连接在一起。电容器25的另一端子和二极管22的阴极端子连接在一起。所述AC27通过二极管电桥26连接在电容器24的两个端子之间。直流电源(DC)连接在电容器25的两个端子之间。PFC控制器(未图示)连接在开关元件21上。在本实施方案中，根据从第一和第二实施方案及其变化方案中选择的实施方案的AlGaN/GaN HEMT被应用到PFC电路20。这样可实现高可靠性的PFC电路30。(第四实施方案)在第四实施方案中，将公开包括根据从第一和第二实施方案及其变化方案中选择的一种实施方案的AlGaN/GaN HEMT的电源器件。图14是示意性地示出根据第四实施方案的电源装置的构造的连接图。根据本实施方案所述电源器件包括高压一次电路31、低压二次电路32、以及设置在一次电路31和二次电路32之间的变压器33。一次电路31包括根据第三实施方案的PFC电路20、连接在PFC电路的电容器25两个端子之间的逆变电路，如全桥逆变电路30。全桥逆变电路30包括多个(本示例中有4个)开关元件34a、34b、34c和34d。二次电路32包括多个(本实例中为3个)开关元件35a、35b和35c。
在本实施方案中，一次电路31的PFC电路是根据第三实施方案的PFC电路20，全桥逆变电路30的开关元件34a、34b、34c和34d是根据从第一和第二实施方案及其变化方案中选择的一种实施方案的AlGaN/GaN HEMT。另一方面，二次电路32的开关元件35a、35b和35c是传统的硅基MISFET (金属绝缘半导体场效应晶体管)。在本实施方案中，根据第三实施方案的PFC电路20和根据从第一和第二实施方案及其变化方案中选择的一种实施方案的AlGaN/GaNHEMT被应用到一次电路31中，所述二次电路31是高压电路。这种构造可实现高可靠的大功率电源装置。(第五实施方案)在第五实施方案中，将公开包括根据从第一和第二实施方案及其变化方案中选择的一种实施方案的AlGaN/GaN HEMT的高频放大器。图15是示意性地示出根据第五实施方案的高频放大器的构造的连接图。根据本实施方案的高频放大器包括数字预失真电路41、混频器42a和42b以及功率放大器43。数字预失真电路41补偿输入信号的非线性失真。混频器42a对已补偿线性失真的输入信号与AC信号进行混合。功率放大器43对与AC信号混频的输入信号进行放大，并且所述功率放大器43包括根据从第一和第二实施方案及其变化方案中选择一种实施方案的AlGaN/GaN HEMT。需要注意的是，在图15中，例如，开关的切换操作使得能够在混频器42b处混合AC信号与输出信号，并且将混 合信号送回数字预失真电路41。在本实施方案中，根据从第一和第二实施方案及其变化方案中选择的一种实施方案的AlGaN/GaN HEMT被应用到高频放大器中。这种构造可以实现具有高耐受电压的高可靠的高频放大器。(可替代实施方案)在第一和第二实施方案及其变化方案中已经对化合物半导体器件AlGaN/GaNHEMT进行了描述。除了 AlGaN/GaN HEMT，化合物半导体器件还可以应用到其他HEMT中，如下述内容。可替代的示例性器件I在本示例性实施方案中，将公开作为化合物半导体器件的InAlN/GaN HEMT。InAlN和GaN是具有可以通过调节组成比例来使得彼此接近的晶格常数的化合物半导体。在这种情况下，在第一和第二实施方案中描述的电子传输层由1-GaN制成，间隔层由AlN制成，电子供给层由n-1nAIN制成，p型盖层由p_GaN制成。此外在这种情况下,不会出现压电极化，因此二维电子气主要由InAlN的自发极化产生。本示例性实施方案可实现高可靠的高耐受电压的具有其中化合物半导体与栅极之间设置有绝缘膜的MIS结构的InAlN/GaN HEMT，并且还使得导通状态的电阻的增加和阈值的变化最小化，这与上述AlGaN/GaN HEMT相同。可替代示例性器件2在本示例性实施方案中，将公开作为化合物半导体器件的InAlGaN/GaN HEMT。GaN和InAlGaN是化合物半导体，InAlGaN的晶格常数可以通过调节组成比率使得其小于GaN的晶格常数。在这种情况下，在第一和第二实施方案中描述的电子传输层由1-GaN制成，中间层由1-1nAlGaN制成，电子供给层由n-1nAlGaN制成，p型盖层由p_GaN制成。本示例性实施方案可实现高可靠的高耐受电压的具有其中在化合物半导体与栅极之间设置有绝缘膜的MIS结构的InAlGaN/GaN HEMT，还使得导通状态电阻的增加和阈值变化最小化，这 与上述AlGaN/GaN HEMT相同。根据上述模式，可实现高可靠的具有其中半导体层与电极之间设置有绝缘膜的MIS结构的半导体器件，并且还使得导通状态电抗的增加和阈值变化最小化。
权利要求
1.一种半导体器件，包括半导体层；与所述半导体层的表面接触的第一导电层；形成在所述第一导电层上的绝缘膜；以及形成在所述第一导电层上方的第二导电层，所述绝缘膜介于所述第一导电层和所述第二导电层之间。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述半导体层包括作为所述半导体层的顶层的半导体盖层，所述半导体盖层的极性与所述半导体层的其余部分的极性相反。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中所述第一导电层形成在所述半导体盖层上。
4.根据权利要求3所述的半导体器件，其中所述第一导电层包括T1、Ni或Pd或者它们的任意组合作为材料。
5.根据权利要求1或2所述的半导体器件，其中所述第一导电层包括Ta或Al或者它们的任意组合作为材料。
6.根据权利要求1或2所述的半导体器件，还包括源电极和漏电极，其中所述第二导电层电连接至所述漏电极。
7.—种制造半导体器件的方法，所述方法包括形成半导体层；形成与所述半导体层的表面接触的第一导电层；在所述第一导电层上形成绝缘膜；以及在所述绝缘膜上的区域中形成第二导电层，所述区域位于所述第一导电层上方并且与所述第一导电层垂直地对准。
8.根据权利要求7所述的制造半导体器件的方法，其中所述半导体层包括作为所述半导体层的顶层的半导体盖层，所述半导体盖层的极性与所述半导体层的其余部分的极性相反。
9.根据权利要求8所述的制造半导体器件的方法，其中在形成所述第一导电层中，将所述半导体盖层成形为与所述第一导电层相同的几何形状。
10.根据权利要求8或9所述的制造半导体器件的方法，其中在形成所述第二导电层中，将所述第一导电层与漏电极整体地形成。
全文摘要
本发明涉及一种半导体器件及其制造方法。一种AlGaN/GaN HEMT包括化合物半导体多层结构、与化合物半导体多层结构的表面接触的插入金属层、形成在插入金属层上的栅极绝缘膜和形成在插入金属层上方的栅极，其中栅极绝缘膜介于栅极与插入金属层之间。
文档编号H01L21/335GK103035701SQ20121026917
公开日2013年4月10日 申请日期2012年7月30日 优先权日2011年9月29日
发明者今田忠纮 申请人:富士通株式会社