半导体装置和制造半导体装置的方法

半导体装置和制造半导体装置的方法
【专利摘要】公开了半导体装置和制造半导体装置的方法。该半导体装置包括：衬底；氮化物半导体层，被形成在衬底上并包括有源区和元素隔离区，惰性原子被引入元素隔离区中；源电极，被形成在有源区中的氮化物半导体层上；栅电极，与源电极分开地被形成在有源区中的氮化物半导体层上；以及漏电极，与栅电极分开地被形成在有源区中的氮化物半导体层上，漏电极包括端部，该端部被设置为与元素隔离区与有源区之间的边界分开第一距离，其中第一距离大于第二距离，该第二距离是从元素隔离区扩散到有源区的惰性原子的浓度变为第一浓度的距离，有源区中的在惰性原子的浓度高于第一浓度的位置处的电子密度低于有源区的中心部分中的电子密度。
【专利说明】半导体装置和制造半导体装置的方法

【技术领域】
[0001] 本文所讨论的实施例涉及半导体装置和制造半导体装置的方法。

【背景技术】
[0002] 利用高耐受电压的优点，将诸如氮化镓的氮化物半导体用于沟道的场效应晶体管 被应用于高输出装置。减小场效应晶体管的耐受电压的因素之一是漏极端处的电场集中。 减小该电场集中能够进一步提1?场效应晶体管的耐受：电压。
[0003] 然而，可以通过找到除了漏极端处的电场集中之外的主导耐受电压的因素进一步 提高耐受电压来改进场效应晶体管。
[0004] 在日本公开专利公布第2010-238982号和日本公开专利公布第2010-62321号中 公开了与本申请相关的技术。


【发明内容】

[0005] 本发明的目的是在半导体装置和制造半导体装置的方法中提高场效应晶体管的 耐受电压。
[0006] 根据本文所讨论的一个方面，提供了一种半导体装置，该半导体装置包括：衬底； 氮化物半导体层，被形成在衬底上并包括有源区和元素隔离区，惰性原子被引入元素隔离 区中；源电极，被形成在有源区中的氮化物半导体层上；栅电极，与源电极分开地被形成在 有源区中的氮化物半导体层上；以及漏电极，与栅电极分开地被形成在有源区中的氮化物 半导体层上，漏电极包括端部，该端部被设置为与元素隔离区与有源区之间的边界分开第 一距离，其中第一距离大于第二距离，该第二距离是从元素隔离区扩散到有源区的惰性原 子的浓度变为第一浓度的距离，有源区中的在惰性原子的浓度高于第一浓度的位置处的电 子密度低于有源区的中心部分中的电子密度。
[0007] 根据本文所讨论的另一个方面，提供了一种半导体装置，该半导体装置包括：衬 底；氮化物半导体层，被形成在衬底上并包括有源区和元素隔离区，惰性原子被引入元素隔 离区中；源电极，被形成在有源区中的氮化物半导体层上；漏电极，与源电极分开地被形成 在有源区中的氮化物半导体层上，漏电极包括端部，端部被设置为与元素隔离区与有源区 之间的边界分开第一距离；以及栅电极，与元素隔离区分开地被形成在有源区中的氮化物 半导体层上并包括第一开口和第二开口，源电极处于第一开口中，第二开口被设置为与第 一开口分开，漏电极处于第二开口中；其中第一距离大于第二距离，第二距离是从元素隔离 区扩散到有源区的惰性原子的浓度变为第一浓度的距离，有源区中的在惰性原子的浓度高 于第一浓度的位置处的电子密度低于有源区的中心部分中的电子密度。
[0008] 根据以下公开，漏电极的端部中的每个被设置为与元素隔离区与有源区之间的边 界分开第一距离，该第一距离大于第二距离。
[0009] 由于该配置，漏电极与下述区域分开：其中在沟道层中电子密度低且强电场作用 于漏电极。因此，抑制了由于漏电极的电场集中而导致的场效应晶体管的耐受电压减小，从 而可以增大耐受电压。

【专利附图】

【附图说明】
[0010] 图1A是研究中使用的场效应晶体管的放大平面视图；
[0011] 图1B是沿着图1A的I-Ι线截取的剖面视图；
[0012] 图2是示意性示出有源区中的电子密度差别如何影响耗尽层的平面视图；
[0013] 图3A是通过仿真有源区中的电子密度而获得的曲线图；
[0014] 图3B是通过仿真电场强度而获得的曲线图；
[0015] 图4A是在将场效应晶体管从关态切换到开态的过程中沿着沟道长度方向截取的 剖面视图(部分1);
[0016] 图4B是在将场效应晶体管从关态切换到开态的过程中沿着沟道长度方向截取的 剖面视图（部分2);
[0017] 图5A是第一实施例中的半导体装置的平面视图；
[0018] 图5B是沿着图5A的II-II线截取的剖面视图；
[0019] 图6是在第一实施例中通过仿真氩原子的浓度分布而获得的视图；
[0020] 图7是在第一实施例中通过仿真沟道层的表面中的氩原子的浓度而获得的视图；
[0021] 图8A是根据比较示例通过检查场效应晶体管的耐受电压而获得的视图；
[0022] 图8B是根据第一实施例通过检查场效应晶体管的耐受电压而获得的视图；
[0023] 图9是示出了在第一实施例中元素隔离区与漏电极之间的位移（displacement) 的平面视图；
[0024] 图10A至10M是根据第一实施例在制造半导体装置的过程中半导体装置的剖面视 图；
[0025] 图11是根据第二实施例的半导体装置的平面视图；
[0026] 图12A是根据第三实施例的半导体装置的平面视图；
[0027] 图12B是根据第三实施例的半导体装置中的漏电极的端部之一的放大平面视图；
[0028] 图13是根据第四实施例的半导体装置的平面视图；以及
[0029] 图14是根据第五实施例的半导体装置的平面视图。

【具体实施方式】
[0030] 在说明本实施例之前，描述本申请的发明人进行的研究。
[0031] 图1A是研究中使用的场效应晶体管的放大平面视图。如图1A所示，该场效应晶 体管TR包括沟道层1。此外，场效应晶体管TR包括彼此分开地形成在沟道层1上的漏电极 3、栅电极4和源电极5。
[0032] 其中，关于沟道层1，可以使用优选用于增大场效应晶体管TR的耐受电压的诸如 氮化镓层的氮化物半导体层。沟道层1具有在平面视图中为矩形的有源区la。围绕有源区 la的沟道层1用作元素隔离区lb，氩原子的离子被注入到元素隔离区lb中并且由此元素 隔离区lb具有低电子密度。
[0033] 在通过离子注入形成元素隔离区lb的这样的方法中，不需要像STI(浅沟槽隔离， Shallow Trench Isolation)等那样通过形成沟槽和绝缘膜来隔离元素。因此，可以简化半 导体装置的制造步骤。
[0034] 这里，漏电极3的端部3a中的每个是电场E趋于集中的部分。因为在有源区la 中发生这样的电场集中可以导致晶体管TR的耐受电压减小，所以在本示例中端部3a被设 置在元素隔离区lb上。
[0035] 图1B是沿着图1A的I-Ι线截取的剖面视图。
[0036] 如图1B所示，通过按照类似氮化钛层的具有低功函数的下面的导电层3b以及作 为电极的主体部分的诸如铝层的导电层3c的顺序来堆叠它们，形成漏电极3。
[0037] 此外，AlGaN层作为电子供应层2被设置在沟道层1与漏电极3之间。注意，在图 1A中省略了电子供应层2。
[0038] 如上所述，氩离子被注入到元素隔离区lb中。由于该离子注入在元素隔离区lb 中毁坏了沟道层1的晶体结构，所以元素隔离区lb中的电子密度变得低于有源区la中的 电子密度，使得相邻的场效应晶体管TR可以彼此电气隔离。
[0039] 然而，由于注入到元素隔离区lb中的一些氩离子在离子注入时在沟道层1中散射 并由此被引入有源区la中，所以在图1A和1B中虚线所指示的区域lc中也存在氩。
[0040] 由于氩引起的沟道层1中的晶体毁坏，区域lc中的电子密度变得低于有源区la 的中央部分C (参见图1A)中的电子密度。
[0041] 图2是示意性示出了有源区la中的电子密度的这种差别如何影响耗尽层的平面 视图。
[0042] 注意，用与图1A和1B中的那些附图标记相同的附图标记来表示图2中的与图1A 和1B中的那些元件相同的元件，并且下面省略其描述。
[0043] 图2示出了在将漏电压Vd保持在约25V的高电平的情况下、通过把栅电压Vg设 置为约0V的低电平将晶体管TR设置为断开的情况。
[0044] 在这种情况下，耗尽层DL在漏电极3与栅电极4之间在沟道层1中扩散。在沟道 层1中，在电子密度较小的区域中耗尽较快地发生。因此，在更靠近有源区la中的区域lc 的部分中耗尽层DL的宽度D变得更大，因此宽度D根据有源区la中的位置而不同。
[0045] 本申请的发明人进行了以下研究：耗尽层DL的宽度D的差别对场效应晶体管TR 的耐受电压的影响。
[0046] 图3A是通过仿真有源区la中的电子密度而获得的曲线图。
[0047] 在该仿真中，在栅电压Vg是0V并且漏电压Vd是25V的情况下，计算沿着图2的 剖面线F的电子密度。
[0048] 图3A的水平轴表示沿着剖面线F的距栅电极4中的原点的距离，并且其竖直轴表 示有源区la中的电子密度。
[0049] 图3A包括多个曲线图，这是因为在漏电压Vd是0V的情况下在改变电子密度的同 时多次执行仿真。每个曲线图的括号中的数值表示在Vd=0V的情况下的电子密度。
[0050] 如图3A所示，还根据仿真确认在Vd=0V的情况下电子密度越小，在Vd=25V的情况 下耗尽层DL越靠近漏电极3并且耗尽层DL的宽度D越大。
[0051] 图3B是通过针对在Vd=0V的情况下的电子密度的每个值仿真沿着图2的剖面线 F的电场强度而获得的曲线图。
[0052] 在Vd=0V的情况下的电子密度的值与图3A中的那些值是相同的值，并且通过与图 3A相同类型的线示出相同值的电子密度的曲线图。
[0053] 此外，图3B的水平轴与图3A的水平轴相同，而坚直轴表示电场强度。
[0054] 如图3B所示，例如，当如一点划线（one-dot chain line)的曲线图所示出的在 Vd=0V的情况下的电子密度大时，漏电极3中的电场强度小。
[0055] 另一方面，发现当如实线的曲线图所示出的在Vd=0V的情况下的电子密度小时， 漏电极3中的电场强度变大。
[0056] 图4A和4B是示意性示出场效应晶体管TR的耐受电压由于漏电极3中的这样的 电场集中而减小的剖面视图。注意，用与图1A、1B和2中的那些附图标记相同的附图标记 表示图4A和4B中的与图1A、1B和2中描述的那些元件相同的元件，并且下面省略其描述。
[0057] 图4A是在将场效应晶体管TR从断开切换到接通的过程中沿着沟道长度方向截取 的剖面视图。
[0058] 如图4A所示，p型GaN层作为盖层9被设置在电子供应层2与栅电极4之间。
[0059] 通过电子供应层2的AlGaN在沟道层1与靠近源电极5的电子供应层2之间的界 面处感生出电子7,并且通过电子7生成二维电子气8。
[0060] 当栅电极是0V时，上述盖层9以使得减小盖层9下方的电子供应层2的电势的方 式而起作用。因此，在栅电极4下方没有生成二维电子气8,并且场效应晶体管TR被设置为 断开。
[0061] 这里，在升高栅电压并将场效应晶体管TR从断开切换为接通的过程中，从上述二 维电子气8朝向漏电极3抽出（pull)电子7。
[0062] 此时，如上所述当漏电极3中的电场强度强时，电子7通过强电场加速从而具有高 能量。然后，高能电子7在漏电极3附近的部分中与沟道层1中的GaN的晶格碰撞。
[0063] 由于高能电子7在该碰撞中向GaN的共价键中的电子11给出高能量，所以电子11 变为自由电子并且生成对应于电子11的空穴10。电子和空穴对的这样的生成也被称作离 子石並撞（ion impact)。
[0064] 如图4B所示，虽然在离子碰撞中生成的电子11从漏电极3出来，但是空穴10逐 渐在沟道层1中累积。由于这些空穴升高沟道层1的电势，所以从二维电子气8抽出电子 7,并且抽出的电子7流向漏电极3,以引起进一步的离子碰撞。
[0065] 通过电子7进行的离子碰撞由此进入正反馈回路并最终导致雪崩击穿，从而导致 场效应晶体管TR的耐受电压显著退化。
[0066] 如上所述，本示例的目的在于通过如图1A所示将漏电极3的端部3a定位在元素 隔离区lb上以使得在有源区la中不会发生电场集中到端部3a，来增大晶体管TR的耐受电 压。
[0067] 然而，在实际情况下，如上所述在有源区la中形成区域lc，在区域lc中由于从元 素隔离区lb扩散的氩而导致电子密度低，并且电场被强烈地集中在漏电极3的与区域lc 交叠的部分中，从而导致晶体管TR的耐受电压减小。
[0068] 在下文中，描述了甚至在如上所述扩散诸如氩的惰性原子时也能够抑制耐受电压 减小的场效应晶体管。
[0069] (第一实施例）
[0070] 图5A是第一实施例中的半导体装置的平面视图。
[0071] 半导体装置50是包括由氮化物半导体制成的沟道层22的场效应晶体管，该氮化 物半导体有利于实现高耐受电压。半导体装置50具有彼此分开地形成在沟道层22上的源 电极43、栅电极37和漏电极44。注意，沟道层22是氮化物半导体层的示例。
[0072] 氮化镓被用作作为沟道层22的材料的氮化物半导体。沟道层22具有在平面视图 中为矩形的有源区22a以及围绕有源区22a的元素隔离区22b。
[0073] 氩原子作为惰性原子在元素隔离区22b中被离子注入到沟道层22中。氩原子毁 坏元素隔离区22b中的氮化镓晶体，因此可以减小元素隔离区22b中的电子密度。
[0074] 如上所述，由于被注入到元素隔离区22b中的一些氩离子在离子注入时在沟道层 22中散射并被引入有源区22a中，在虚线所指示的区域22c中也存在氩。
[0075] 区域22c中的电子密度由于上述氩而小于有源区22a的中心部分22d中的电子密 度。电子密度的这样的差别使得耗尽层DL的宽度D如上所述根据有源区22a中的位置而 不同，并且特别是在区域22c中增大了宽度D。
[0076] 当具有特别低的电子密度的区域22c与漏电极44交叠时，如图3B所示电场强度 在漏电极44中增加，并且场效应晶体管的耐受电压减小。
[0077] 为了处理该问题，在本实施例中，通过使端部44a从有源区22a与元素隔离区22b 之间的边界B回缩（set back)来防止区域22c和漏电极44的端部44a彼此交叠，以使得 由此增大场效应晶体管的耐受电压。
[0078] 以这种方式使端部44a从边界B回缩致使边界B和端部44a分开第一距离al。稍 后将描述第一距离al的优选值。
[0079] 图5B是沿着图5A的II-II线截取的剖面视图。
[0080] 如图5B所示，AlGaN层作为电子供应层23被设置在有源区22a上。
[0081] 此外，通过按照诸如氮化钛层的下面的导电层41以及作为电极的主体部分的诸 如铝层的导电层42的顺序来堆叠它们，形成漏电极44。
[0082] 此外，通过诸如氮化硅层的保护绝缘层33保护除了漏电极44之外的沟道层22和 电子供应层23。
[0083] 接着，描述了图5A所示的边界B与漏电极44的端部44a之间的第一距离al的优 选值。
[0084] 图6是通过使用蒙特卡洛（Monte Carlo)方法仿真沿着图5A的剖面线G的氩原 子的浓度分布而获得的视图。图6的水平轴表示在漏电极44的端部44a被设置为原点的 情况下沿着剖面线G的距离。图6的坚直轴表示测量的距保护绝缘层33的表面的深度。
[0085] 在图6中，绘制氦原子的相同浓度的点，并且针对每个浓度示出多个浓度分布。除 了浓度分布之外的数值表不对应于分布的氦原子的浓度。
[0086] 如图6所示，氩原子从元素隔离区22b扩散到有源区22a中。
[0087] 图7是通过仿真沟道层22的表面中的氩原子的浓度而获得的视图。如图6中那 样，图7的水平轴表示在漏电极的端部44a被设置为原点的情况下沿着剖面线G的距离。此 夕卜，图7的坚直轴表示沟道层22的表面中的氩原子的浓度。
[0088] 如图7所示，氩原子还在沟道层22的表面中从元素隔离区22b扩散到有源区22a。
[0089] 如上所述，在氩原子扩散的区域中电子密度减小。在图7中，由于在有源区22a 中的与边界B远隔的部分中氩原子的浓度低，因此在该部分中没有发生电子密度的显著减 小。
[0090] 图7中用虚线示出的曲线图A是示意性示出这样的电子密度的曲线图。如曲线图 A所示，在有源区22a中的与边界B远隔的部分中电子密度具有显著大的值。
[0091] 在以这种方式电子密度为大的部分中，如图3B所示抑制漏电极中的电场集中。因 此，使漏电极44的端部44a回缩到电子密度大的部分可以防止电场集中到漏电极44。
[0092] 因此，在本实施例中，有源区22a的中心部分22d (参见图5A)中的电子密度ED用 作能够抑制电场集中到漏电极44的电子密度的参考，并且使端部44a回缩到电子密度等于 电子密度E D的区域。
[0093] 在图7中，在距离等于或小于0. 31 μ m的情况下氩原子的浓度急剧减小。因此，在 距离等于或小于〇. 31 μ m的区域中，从元素隔离区22b扩散的氩的量足够小而可忽略，并且 认为该区域中的氩原子的浓度和电子密度与有源区22a的中心部分22d的那些氩原子的浓 度和电子密度相同。
[0094] 距离为0. 31 μ m的点是测量的距边界B的距离a2为0. 19 μ m的点。该点处的氦 原子的浓度等于第一浓度，第一浓度是使得该点处的电子密度等于中心部分22d中的电子 密度E D的浓度。
[0095] 换言之，在与边界B分开距离a2的位置处氩原子的浓度是第一浓度，并且该位置 处的有源区22a中的电子密度与有源区22a的中心部分22d中的电子密度相同。此外，在 氩原子的浓度高于第一浓度的点处，电子密度变得低于中心部分22d中的电子密度ED。其 中从元素隔离区22b扩散到有源区22a的氩原子的浓度等于第一浓度的距离a2下面被称 作第二距离。在图7的示例中，在第二距离a2处提供与中心部分22d中的电子密度E D相 同的电子密度的氩原子的浓度为约lXl〇14cnT3。
[0096] 在本实施例中，漏电极44被布置成通过将上述第一距离al设置为大于第二距离 a2而不与有源区22a中的电子密度低的区域交叠，从而防止电场集中到漏电极44。
[0097] 本申请的发明人进行了关于以下内容的研究：是否通过以这种方式将第一距离 al设置为大于第二距离a2实际上提高场效应晶体管的耐受电压。
[0098] 图8A和8B中示出了该研究的结果。
[0099] 在该研究中，针对通过将栅电压设置为0V而被设置为关态的多个场效应晶体管 中的每个，检查场效应晶体管的漏电压Vd与漏电流Id之间的关系。
[0100] 注意，图8A是比较示例的结果，其中如图1所示漏电极3的端部3a被设置在元素 隔离区lb上。
[0101] 同时，图8B是下述情况的结果：其中，使漏电极44的端部44a从有源区22a与元 素隔离区22b之间的边界B回缩，并且如在本实施例中那样第一距离al被设置为大于第二 距离a2。
[0102] 如图8A的虚线圆圈X表示的，在比较示例中，存在当漏电压Vd增大时漏电流Id 急剧增大的晶体管。这意味着耐受电压由于雪崩击穿而退化。
[0103] 另一方面，在图8B所示的本实施例中，不存在像比较示例中的晶体管那样漏电流 Id急剧增大的晶体管。据此，发现将第一距离al设置为大于第二距离a2是有效的以增大 场效应晶体管的耐受电压。
[0104] 由于在制造半导体装置时难以将层精确对准，所以优选地考虑如下所述的对准误 差来确定上述第一距离al。
[0105] 图9是示出了元素隔离区22b与漏电极44之间的位移的平面视图。
[0106] 图9的示例示出了在元素隔离区22b与漏电极44之间存在对准误差Λ的情况。 对准误差△是在制造半导体装置时在元素隔离区22b与漏电极44之间可能出现的位移的 最大值。当出现对准误差Λ时，元素隔离区22b位移到图9的虚线Y。
[0107] 在这种情况下，优选考虑到对准误差Λ，按照使得上述第一距离al与第二距离a2 之间的差（al_a2)被设置为大于对准误差△的方式来设计半导体装置。因而边界B与漏 电极44的端部44a之间的第一距离al即使在元素隔离区22b与漏电极44彼此位移时当 然也被设置为大于上述第二距离a2,并且当然可以提高晶体管的耐受电压。
[0108] 例如，由于如上所述第二距离a2为0. 19μπι，所以当对准误差Λ为0. 5μπι时，第 一距离al优选被设置为大于0. 69 μ m(=0. 19 μ m+0. 5 μ m)的值，例如被设置为6. 65 μ m。
[0109] 此外，图9示出了除了上述尺寸之外的尺寸b至g。这些尺寸不限于特定值并且例 如可以使用以下值。
[0110] ?栅电极37与漏电极44之间的间隔b :3. 3μ--
[0111] ?栅电极37的宽度c :1 μ m
[0112] ?源电极43的宽度d :3 μ m
[0113] ?漏电极44的宽度e :3 μ m
[0114] ?漏电极44的长度f :300 μ m
[0115] ?栅电极37与源电极43之间的间隔g :0. 7 μ m
[0116] 如上所述，在本实施例中，将上述第一距离al设置为大于第二距离a2防止漏电极 44与有源区22a中的由于氩扩散而导致电子密度低的部分交叠。这可以防止强电场从有源 区22a作用于漏电极44,由此提高半导体装置50的耐受电压。
[0117] 注意，在稍后描述的第二至第五实施例中，可以通过如上所述将第一距离al设置 为大于第二距离a2来增大半导体装置的耐受电压。
[0118] 接着，描述根据本实施例的制造半导体装置的方法。
[0119] 图10A至10M是根据本实施例在制造半导体装置的过程中的半导体装置的剖面视 图。
[0120] 首先，如图10A所示，准备p型硅衬底作为半导体衬底20,该p型硅衬底以 8X 1019cnT3±8X 1018cnT3的浓度掺杂有硼并具有约645 μ m的厚度。注意，也可以使用非掺 杂硅衬底作为半导体衬底20。
[0121] 接着，通过使用金属有机气相外延（M0VPE)方法按照缓冲层21、沟道层22、电子供 应层23和盖层24的顺序在半导体衬底20上形成这些层。
[0122] 这些层的材料和厚度不受特别限制。在本实施例中，形成厚度约100nm至2000nm 且其铝组分比为20%或更大且小于100%的AlGaN层作为缓冲层21。
[0123] 缓冲层21具有实现半导体衬底20与沟道层22之间的晶格匹配的功能。具有这 样的功能的膜还包括通过交替堆叠多个A1N层和多个GaN层而形成的堆叠膜。此外，可以 形成其铝组分比随着距半导体衬底20的距离增加而向上减小的Al xGa(1_x)N(0〈X< 1)层，作 为缓冲层21。
[0124] 可以形成厚度约lOOnm至约1200nm的i型GaN层作为沟道层22。注意，如上所 述，沟道层22是氮化物半导体层的示例。
[0125] 此外，电子供应层23是用于通过在其下方的沟道层22中感生电子而生成二维电 子气的层。例如，可以形成厚度5nm至40nm且其铝组分比为10%至30%的AlGaN层，作为 电子供应层23。
[0126] 盖层24例如为以lX1019cm_3至4X10 19cm_3的浓度掺杂有Mg且厚度为10nm至 300nm 的 p 型 GaN 层。
[0127] 接着，描述为获得图10B所示的剖面结构而执行的步骤。
[0128] 首先，通过等离子体CVD(化学气相沉积)方法在盖层24上形成厚度为5nm至lOOnm 的氮化娃层作为用于离子注入的通膜（through film) 25。
[0129] 此后，光致抗蚀剂被施加于通膜25上并且然后暴露于光中并显影，从而形成厚度 为约0. 8μηι至3μηι的第一抗蚀剂层26。
[0130] 接着，在使用第一抗蚀剂层26作为掩模时，诸如氩的惰性原子27的离子被离子注 入到沟道22中的未覆盖有第一抗蚀剂层26的部分中。
[0131] 在沟道层22中的以这种方式引入惰性原子27的部分中，毁坏了氮化镓的晶体并 形成了元素隔离区22b。注意，沟道层22中的除了元素隔离区22b之外的未引入惰性原子 27的部分用作有源区22a。
[0132] 离子注入的条件不受特别限制。在本实施例中，以两种操作执行离子注入。例如， 可以采用加速能量为140KeV至200KeV、剂量为3X10 13cnT2至7X1013cnT2并且倾斜角为 4°至10°的条件，作为用于第一离子注入操作的条件。此外，例如，可以采用加速能量为 50KeV至120KeV、剂量为7X10 12cnT2至2X1013cnT2并且倾斜角为4°至10°的条件，作为 用于第二离子注入操作的条件。
[0133] 此后，去除通膜25和第一抗蚀剂层26。
[0134] 随后，如图10C所示，通过溅射方法在盖层24上形成厚度为20nm至150nm的氮化 钛层，作为第一金属层30。
[0135] 接着，如图10D所示，第二抗蚀剂层31被形成在第一金属层30上。然后，利用用 作掩模的第二抗蚀剂层31对盖层24和第一金属层30进行干蚀刻，从而除了第二抗蚀剂层 31之外暴露电子供应层23。
[0136] 在干蚀刻中使用的蚀刻气体不受特别限制。在本实施例中，基于氯的气体或基于 SFX的气体用作蚀刻气体。
[0137] 此后，去除第二抵抗剂层31。
[0138] 随后，如图10E所示，通过等离子体CVD方法在电子供应层23和第一金属层30上 形成厚度为20nm至500nm的氮化硅层。该氮化硅层用作保护绝缘层33。
[0139] 保护绝缘层33不限于氮化硅层。也可以形成氧化硅层或氮化硅层和氧化硅层的 堆叠膜，作为保护绝缘层33。
[0140] 此外，可以通过热CVD方法或原子层沉积（ALD)方法来替代等离子体CVD方法而 形成保护绝缘层33。
[0141] 接着，描述为获得图10F所示的剖面结构而执行的步骤。
[0142] 首先，光致抗蚀剂被施加于保护绝缘层33上并且然后暴露于光中并显影，从而形 成在第一金属层30上方的位置处包括孔35a的第三抗蚀剂层35。
[0143] 接着，通过使用氟化氢溶液作为蚀刻剂通过孔35a对保护绝缘层33进行湿蚀刻， 并且在第一金属层30上方的位置处在保护绝缘层33中形成开口 33a。
[0144] 此后，去除第三抗蚀剂层35。
[0145] 随后，如图10G所示，通过物理气相沉积（PVD)方法在保护绝缘层33上形成金层 作为第二金属层36,并且开口 33a完全填充有第二金属层36。
[0146] 第二金属层36不限于金层。可以使用金、镍、钴、钽、钼、钨、钌、Ni3Si和钯作为第 二金属层36的材料。此外，可以使用富含氮的氮化钛或氮化钽或者富含碳的TaC，作为第二 金属层36的材料。
[0147] 此后，如图10H所示，使用未示出的抗蚀剂图案作为掩模通过干蚀刻对第二金属 层36进行图案化，并且该第二金属层36仅在开口 33a和围绕开口 33a的部分中留下。在 开口 33a中留下的第二金属层36与其下方的第一金属层30 -起被用作栅电极37。
[0148] 在该干蚀刻中使用的蚀刻气体不限于特定气体。在本实施例中，基于氯的气体用 作蚀刻气体。
[0149] 接着，如图101所示，通过旋涂方法在保护绝缘层33和栅电极37上形成厚度约 100nm至约1500nm的氧化娃层，作为夹层绝缘层38。在旋涂方法中，氧化娃的液体原材料 在保护绝缘层33的表面上流动。因此，夹层绝缘层38的表面较不可能是不平坦的。注意， 可以通过CVD方法形成夹层绝缘层38,此后，可以通过CMP (化学机械抛光）方法对夹层绝 缘层38的表面进行平坦化。
[0150] 然后，如图10J所示，通过利用被用作掩模的未示出的抗蚀剂图案对保护绝缘层 33和夹层绝缘层38进行干蚀刻，来形成均具有到达电子供应层23的深度的第一和第二孔 38a 和 38b。
[0151] 该干蚀刻的条件不受特别限制。例如，可以通过将包含CF4、SF6、CHF 3和氟中的任 一种的蚀刻气体提供给平行板蚀刻设备，并将衬底温度设置为25°C至200°C、将压力设置 为10毫托至2托并将RF功率设置为10W至400W，来执行干蚀刻。
[0152] 接着，如图10K所示，通过PVD方法在夹层绝缘层38上并且在第一和第二孔38a 和38b中形成厚度为lnm至100nm的氮化钛层，作为下方的导电层41。此外，通过PVD方法 在下方的导电层41上形成铝层作为导电层42,并且第一和第二孔38a和38b完全填充有导 电层42。
[0153] 由于作为下方的导电层41而形成的氮化钛层的功函数为低时，下方的导电层41 和电子供应层23形成欧姆接触，并且可以减小其间的电阻。具有这样的低功函数的材料还 包括铝、钛、钽、氮化钽、锆、TaC、NiSi 2和银，可以形成使用这些材料中的任一种作为材料的 导电层，作为下方的导电层41。
[0154] 接着，如图10L所示，下方的导电层41和导电层42被图案化以在第一和第二孔 38a和38b以及围绕孔38a和38b的部分中留下这些导电层，作为源电极43和漏电极44。
[0155] 注意，使用铝作为材料在导电层43中形成铝钉（aluminum spike)，并且在一些情 况下这些钉穿透下方的导电层41并且到达电子供应层23。因此，优选地在形成这些电极之 后将源电极43和漏电极44退火以消除这些铝钉。
[0156] 例如，在衬底温度为550°C至650°C且处理时间等于或短于180秒的条件下在氮气 中执行该退火。可以在贵族气体、氧、铵和氢中的任一种的气氛中而不是在氮气中执行退 火。
[0157] 然后，如图10M所示，通过旋涂方法在夹层绝缘层38、源电极43和漏电极44上形 成厚度为l〇〇nm至1500nm的氧化硅层，并且该氧化硅层用作保护绝缘层46。注意，可以通 过CVD方法而不是旋涂方法形成保护绝缘层46。
[0158] 此后，虽然执行了在夹层绝缘层38和保护绝缘层46中形成用于引出栅电极37、源 电极43和漏电极44的开口的步骤，但是省略这些步骤的细节。
[0159] 因此，完成了根据本实施例的半导体装置50的基本结构。
[0160] 在半导体装置50中，可以通过在图10L的步骤中形成漏电极44时将边界B与端 部44a之间的距离al (参见图5B)设置为大于上述第二距离a2来增大晶体管的耐受电压。
[0161] (第二实施例）
[0162] 在第二实施例中，与第一实施例相比，从源电极流出的电流增大。
[0163] 图11是根据本实施例的半导体装置的平面视图。注意，用与第一实施例中的那些 附图标记相同的附图标记表示图11中的与在第一实施例中描述的那些元件相同的元件， 并且下面省略其描述。
[0164] 如在第一实施例中那样，根据本实施例的半导体装置51是使用诸如氮化镓层的 氮化物半导体层作为沟道层22的场效应晶体管。
[0165] 在半导体装置51中，与第一实施例相比，源电极被延伸以位于元素隔离区22b中。 本实施例的其它配置与第一实施例相同。
[0166] 如在第一实施例中那样，有源区22a是矩形的，并且在边界B处具有彼此相对的第 一边缘22e和第二边缘22f。延伸的源电极43跨过边缘22e和22f并且延伸到沟道层22。
[0167] 这增大了有源区22a与源电极43之间的接触面积，从而减小了其间的电阻。因此， 与第一实施例相比，可以增大从源电极43流出的电流。
[0168] 注意，图11所示的尺寸al和b至g的值不受特别限制，并且例如可以使用以下值。
[0169] ?第一距离 al :6· 65μηι
[0170] ?栅电极37与漏电极44之间的间隔b :3. 3μπι
[0171] ?栅电极37的宽度c :1 μ m
[0172] ?源电极43的宽度d :3 μ m
[0173] ?漏电极44的宽度e :3 μ m
[0174] ?漏电极44的长度f :300 μ m
[0175] ?栅电极37与源电极43之间的间隔g :0. 7 μ m
[0176] (第三实施例）
[0177] 在第三实施例中，如下抑制漏电极的端部中的电场集中。
[0178] 图12A是根据本实施例的半导体装置的平面视图。注意，用与第一和第二实施例 中的那些附图标记相同的附图标记表示图12A中的与在第一和第二实施例中描述的那些 元件相同的元件，并且下面省略其描述。
[0179] 如在第一和第二实施例中那样，根据本实施例的半导体装置52是使用诸如氮化 镓层的氮化物半导体层作为沟道层22的场效应晶体管。
[0180] 在半导体装置52中，漏电极44的端部44a在平面视图中为圆形。本实施例的其 它配置与第二实施例相同。
[0181] 在平面视图中在端部44a中存在锐角的情况下，该角处的电场集中度和场效应晶 体管的耐受电压减小。
[0182] 在本实施例中，通过使得端部44a为圆形来消除这样的角，从而抑制端部44a中的 电场的集中。这可以抑制由于端部44a中的电场集中而导致场效应晶体管的耐受电压减 小。
[0183] 注意，图12A所示的尺寸al和b至g的值不限于特定值，并且例如可以使用以下 值。
[0184] ?第一距离 al :6· 65μηι
[0185] ?栅电极37与漏电极44之间的间隔b :3. 3μπι
[0186] ?栅电极37的宽度c :1 μ m
[0187] ?源电极43的宽度d :3 μ m
[0188] ?漏电极44的宽度e :3 μ m
[0189] ?漏电极44的长度f :300 μ m
[0190] ?栅电极37与源电极43之间的间隔g :0. 7 μ m
[0191] 图12B是漏电极44的端部44a的放大平面视图。
[0192] 端部44a的形状不限于特定形状，只要形状是没有角的圆形即可。在本示例中，以 半径等于宽度e的一半的半圆形形状形成端部44a。
[0193] (第四实施例）
[0194] 在第四实施例中，与第一至第三实施例相比，漏电流增大。
[0195] 图13是根据本实施例的半导体装置的平面视图。注意，用与第一至第三实施例中 的那些附图标记相同的附图标记表示图13中的与在第一至第三实施例中描述的那些元件 相同的元件，并且下面省略其描述。
[0196] 如在第一至第三实施例中那样，根据本实施例的半导体装置53是使用诸如氮化 镓层的氮化物半导体层作为沟道层22的场效应晶体管。
[0197] 在半导体装置53中，在漏电极44的端部44a中设置延伸部44b。本实施例的其它 配置与第二实施例相同。
[0198] 延伸部44b从端部44a延伸到元素隔离区22b。栅电极37与延伸部44b之间的第 一间隔W1大于栅电极37与漏电极44之间的第二间隔W2。
[0199] 通过以这种方式设置延伸部44b不仅可以从漏电极44也可以从延伸部44b流出 漏电流。因此，相比于第一至第三实施例，可以增大漏电流。
[0200] 此外，当栅电极37与漏电极44之间的电势差为Vd时，在栅电极37与延伸部44b 之间生成的电场El为Vd/Wl，并且在栅电极37与漏电极44之间生成的电场E2为Vd/W2。
[0201] 由于在本实施例中如上所述第一间隔W1被设置为大于第二间隔W2,所以电场El 变得比电场E2弱。这可以防止电场El在延伸部44b中强烈集中，并且防止在延伸部44附 近发生雪崩击穿。
[0202] 注意，图13所示的尺寸al、Wl、W2和c至g的值不受特别限制，并且例如可以使用 以下值。
[0203] ?第一距离 al :6· 65μηι
[0204] ?第一间隔 W1 :4· 3μπι
[0205] ?第二间隔 W2 :3· 3μπι
[0206] ?栅电极37的宽度c :1 μ m
[0207] ?源电极43的宽度d :3 μ m
[0208] ?漏电极44的宽度e : 3 μ m
[0209] ?漏电极44的长度f :300 μ m
[0210] ?栅电极37与源电极43之间的间隔g :0. 7 μ m
[0211] (第五实施例）
[0212] 在本实施例中，如下所述相比于第一至第四实施例可以减小场效应晶体管的泄露 电流。
[0213] 图14是根据本实施例的半导体装置的平面视图。注意，用与第一至第四实施例中 的那些附图标记相同的附图标记表示图14中的与在第一至第四实施例中描述的那些元件 相同的元件，并且下面省略其描述。
[0214] 如在第一至第四实施例中那样，根据本实施例的半导体装置54是使用诸如氮化 镓层的氮化物半导体层作为沟道层22的场效应晶体管。
[0215] 在半导体装置54中，在有源区22a中的远隔元素隔离区22b的部分中形成栅电极 37,使得防止栅电极37与有源区22a和元素隔离区22b的边界B交叠。
[0216] 此外，栅电极37具有其间设置有间隔的第一开口 37a和第二开口 37b。其中，在平 面视图中第一开口 37a中包括源电极43。在平面视图中第二开口 37b中包括漏电极44。
[0217] 这里，当诸如氩的惰性原子的离子被离子注入到元素隔离区22b中时，在边界B处 出现缺陷。该缺陷导致陷阱辅助隧穿。因此，当在平面视图中边界B和栅电极37彼此交叠 时，泄露电流由于陷阱辅助隧穿而从栅电极37流动到沟道层22。
[0218] 由于在本实施例中栅电极37不与边界B交叠，所以可以抑制如上所述栅电极37 下方的泄露电流的发生，从而改进半导体装置54的可靠性。
[0219] 此外，由于通过栅电极37的开口 37a、37b围绕源电极43和漏电极44,所以从源电 极43延伸到漏电极44的任意电流路径P必然与栅电极37交叠。
[0220] 因此，可以在栅电压被设置为低电平并且晶体管被断开时防止电流流经栅电极37 下方的电流路径P，并可以抑制泄露电流从源电极43流动到漏电极44。
[0221] 注意，图14所示的尺寸al和b至h的值不受特别限制，并且例如可以使用以下值。
[0222] ?第一距离 al :6· 65μηι
[0223] ?栅电极37与漏电极44之间的间隔b :3. 3 μ m
[0224] ?栅电极37的宽度c :1 μ m
[0225] ?源电极43的宽度d :3 μ m
[0226] ?漏电极44的宽度e :3 μ m
[0227] ?漏电极44的长度f :300 μ m
[0228] ?栅电极37与源电极43之间的间隔g :0. 7 μ m
[0229] ?栅电极37与元素隔离区22b之间的间隔h :1. 75 μ m
【权利要求】
1. 一种半导体装置，包括： 衬底； 氮化物半导体层，被形成在所述衬底上并包括有源区和元素隔离区，惰性原子被引入 所述元素隔离区中； 源电极，被形成在所述有源区中的所述氮化物半导体层上； 栅电极，与所述源电极分开地被形成在所述有源区中的所述氮化物半导体层上；以及 漏电极，与所述栅电极分开地被形成在所述有源区中的所述氮化物半导体层上，所述 漏电极包括端部，所述端部被设置为与所述元素隔离区与所述有源区之间的边界分开第一 距离，其中 所述第一距离大于第二距离，所述第二距离是从所述元素隔离区扩散到所述有源区的 惰性原子的浓度变为第一浓度的距离，所述有源区中的在所述惰性原子的浓度高于所述第 一浓度的位置处的电子密度低于所述有源区的中心部分中的电子密度。
2. 根据权利要求1所述的半导体装置，其中 所述有源区在所述有源区与所述元素隔离区之间的所述边界处具有彼此相对的第一 边缘和第二边缘，并且 所述源电极跨过所述第一边缘和所述第二边缘，并且延伸到所述元素隔离区中的所述 氮化物半导体层上。
3. 根据权利要求1或2所述的半导体装置，其中，所述漏电极的所述端部在平面视图中 为圆形。
4. 根据权利要求1或2所述的半导体装置，还包括： 延伸部，被设置在所述漏电极的所述端部中，其中 所述延伸部从所述端部延伸到所述元素隔离区。
5. 根据权利要求4所述的半导体装置，其中，所述栅电极与所述延伸部之间的第一间 隔大于所述栅电极与所述漏电极之间的第二间隔。
6. 根据权利要求1或2所述的半导体装置，其中，所述第一距离和所述第二距离之间的 差大于所述元素隔离区与所述漏电极之间的对准误差。
7. 根据权利要求1或2所述的半导体装置，其中，所述有源区中的在与所述边界分开所 述第二距离的位置处的电子密度与所述有源区的所述中心部分中的电子密度相同。
8. -种半导体装置，包括： 衬底； 氮化物半导体层，被形成在所述衬底上并包括有源区和元素隔离区，惰性原子被引入 所述元素隔离区中； 源电极，被形成在所述有源区中的所述氮化物半导体层上； 漏电极，与所述源电极分开地被形成在所述有源区中的所述氮化物半导体层上，所述 漏电极包括端部，所述端部被设置为与所述元素隔离区与所述有源区之间的边界分开第一 距离；以及 栅电极，与所述元素隔离区分开地被形成在所述有源区中的所述氮化物半导体层上并 包括第一开口和第二开口，所述源电极处于所述第一开口中，所述第二开口被设置为与所 述第一开口分开，所述漏电极处于所述第二开口中；其中 所述第一距离大于第二距离，所述第二距离是从所述元素隔离区扩散到所述有源区的 惰性原子的浓度变为第一浓度的距离，所述有源区中的在所述惰性原子的浓度高于所述第 一浓度的位置处的电子密度低于所述有源区的中心部分中的电子密度。
9. 根据权利要求8所述的半导体装置，其中，所述第一距离和所述第二距离之间的差 大于所述元素隔离区与所述漏电极之间的对准误差。
10. 根据权利要求8或9所述的半导体装置，其中，所述有源区中的在与所述边界分开 所述第二距离的位置处的电子密度与所述有源区的所述中心部分中的电子密度相同。
11. 一种制造半导体装置的方法，包括： 在衬底上形成氮化物半导体层； 通过将惰性原子的离子注入到所述氮化物半导体层中来形成元素隔离区，所述氮化物 半导体层中的所述元素隔离区之外的部分是有源区； 在所述有源区中的所述氮化物半导体层上形成源电极； 与所述源电极分开地在所述有源区中的所述氮化物半导体层上形成栅电极； 与所述栅电极分开地在所述有源区中的所述氮化物半导体层上形成漏电极，所述漏 电极包括端部，所述端部被设置为与所述元素隔离区与所述有源区之间的边界分开第一距 离，其中 在形成所述漏电极时，所述第一距离大于第二距离，所述第二距离是从所述元素隔离 区扩散到所述有源区的惰性原子的浓度变为第一浓度的距离，并且所述有源区中的在所述 惰性原子的浓度高于所述第一浓度的位置处的电子密度低于所述有源区的中心部分中的 电子密度。
【文档编号】H01L29/10GK104051513SQ201410020129
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年1月16日 优先权日:2013年3月6日
【发明者】薄岛章弘, 神山雅充, 宫崎靖守 申请人:创世舫电子日本株式会社