[发明专利]化合物半导体装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及具有由例如氮化物半导体的化合物半导体组成的通道层(channel layer)和电子供体层的化合物半导体装置及其制造方法。

背景技术

AlGaN/GaN FET(场效应晶体管)是一种使用AlGaN/GaN异质结(氮化物半导体)和GaN层作为通道层的化合物半导体装置，近年来已被大力开发，一般地如在日本公开专利公布第2007-329483号、第2008-270521号和第2008-270794号，以及国际公布小册子第WO2007/108055号中所述。GaN的特征在于其宽带隙、高击穿场强和大饱和电子速率，并极有希望用于组成能够高压工作并具有高输出的半导体的材料。出于这个原因，目前在有力开发AlGaN/GaN FET，以获得下一代高效开关装置。

发明内容

用作电源的开关装置要求在所谓的常闭模式(normally-off mode)下工作。在此模式下，当不施加电压时，没有电流流动。

一般而言，由于压电效应，AlGaN/GaN FET趋向于增加通道中电子的数量。因此，为了确保常闭模式工作，AlGaN/GaN FET有必要减少通道中的电子数量。

已经讨论了使电子供体层变薄并采用栅极凹槽(gate recess)结构作为确保AlGaN/GaN FET常闭操作的技术。栅极凹槽结构的特征在于，通过在电子供体层上稍后将形成栅极的位置形成开口，并形成栅极以填充该开口，同时使该栅极的顶部从开口上突出。

然而，随着电子供体层变薄，难以保证大电流工作和低导通电阻，这两者原本是AlGaN/GaN FET的优点。因此，不适合采用这一对策。

当采用栅极凹槽(gate-recess)结构时，如图1所示，通过干法蚀刻在通道层上电子供体层上的稍后将形成栅极的位置处形成开口。因为通道层由GaN层组成，而电子供体层由AlGaN层组成，因此干法蚀刻工艺中难以精确控制开口深度。此外，由图中圈C指示的开口的底部因蚀刻而受损，其示出严重恶化的表面形态(产生表面不平)，足以掩饰所谓的原子层台阶(atomic step)(晶体表面存在的原子层的高度差)。如果保持底面表面不平状态，并在开口中形成栅极，其位于覆盖开口的内壁表面的栅极绝缘膜之间，此时电场会被大量集中到突出部，从而显著影响栅极的击穿电压。

如上所述，虽然AlGaN/GaN FET的栅极凹槽结构成功确保常闭工作，然而难以控制电子供体层中形成的凹槽的深度，并可能由于在形成凹槽的工艺造成蚀刻损伤，导致电压电阻的退化。

在考虑过上述问题之后，想出本发明。本发明即使采用栅极凹槽结构来实现常闭操作(normally-off operation)，也能够提供一种高度可靠的化合物半导体装置及其制造方法，该化合物半导体装置能够稳定阈值电压(仅有小的变化)，并获得足够的击穿电压等级。

本发明的一个方案提供了一种化合物半导体装置，包括：通道层，其包含III-V族氮化物半导体；在该通道层上形成的AlN层，其具有允许在其中露出通道层的第一开口；在该AlN层上形成的电子供体层，该电子供体层具有允许通过第一开口在其中露出通道层的第二开口，并包含III-V族氮化物半导体；和在通道层上形成的栅极，其填充第一开口和第二开口。

本发明的另一方案提供了一种制造化合物半导体装置的方法，包括：形成包含III-V族氮化物半导体的通道层；在该通道层上形成AlN层；在AlN层上形成包含III-V族氮化物半导体的电子供体层；在电子供体层上形成第一开口，以便允许在其中露出AlN层；通过第一开口在AlN层上形成第二开口，以便允许在其中露出通道层；并在通道层上形成栅极，以便填充第一开口和第二开口。

根据上述方案，即使采用栅极凹槽结构来实现常闭工作，也可获得一种非常可靠的化合物半导体装置，该化合物半导体装置能够稳定阈值电压(变化小)，并获得足够的击穿电压等级。

附图说明

图1是解释栅极凹槽结构中的问题的示意性剖视图；

图2A、图2B、图2C、图3A、图3B、图3C、图4A和图4B顺序示出根据第一实施方式制造化合物半导体装置的方法的工艺的示意性剖视图；

图5A和图5B示出在稍后将形成栅极的位置处蚀刻形成的开口的深度与阈值电压之间的关系的研究结果；

图6是示出AlGaN/GaN FET的施加电压与输出电流之间的关系的研究结果的特性曲线；以及

图7A、图7B、图7C、图8A、图8B、图8C、图9A和图9B 顺序示出根据第二实施方式制造化合物半导体装置的方法的工艺的示意性剖视图。

具体实施方式