專利名稱：半導體器件和制造半導體器件的方法
技術領域：
本文所述實施方案涉及半導體器件和制造所述半導體器件的方法。
背景技術：
在氮化物半導體中所包括的包括GaN、AIN、InN的材料和這些材料的混合晶體具有寬的帶隙并用于高輸出電子器件、短波長發光器件等。場效應晶體管(FET)，例如高電子遷移率晶體管(HEMT)用于高輸出高效率的放大器或高功率的開關器件等。在包括具有AlGaN的電子供給層和具有GaN的電子傳輸層的HEMT中，由于AlGaN和GaN之間晶格常數的差異，所以在AlGaN中可產生應變并且可產生壓電極化。由于通過壓電極化產生高濃度二維電子氣，所以可提供高輸出器件。 在用于高輸出高效率的放大器、高功率開關器件等中的HEMT中，可對其施加常閉，HEMT可具有高的擊穿電壓。為了實現常閉運行，將位于柵電極下的半導體層的一部分移除以形成柵極凹陷。在柵極凹陷結構中，閾值電壓變為正的而沒有增加電極之間的電阻。為了獲得高的漏極擊穿電壓和高的柵極擊穿電壓，在具有橫向結構的FET或HEMT中，使用包括柵極絕緣膜的金屬絕緣體半導體(MIS)結構。柵極凹陷結構和MIS結構可應用于包括GaN基半導體材料的HEMT中。例如，日本專利公開號2002-359256、2007-19309和2009-76845公開了相關內容。在具有柵極凹陷結構和MIS結構的半導體器件中，通過例如蝕刻移除通過外延生長等形成的半導體層的一部分，并且在該經蝕刻的部分上可形成絕緣膜。因此，蝕刻可使半導體器件受損。此外，制造工藝可變得復雜，所以制造的半導體的成本可增加。

發明內容
根據實施方案的一個方面，一種半導體器件包括在襯底上設置的半導體層；通過氧化半導體層的一部分形成的絕緣膜；和在絕緣膜上設置的電極，其中所述絕緣膜包括氧化鎵、或氧化鎵和氧化銦。上述半導體器件的制造工藝得到簡化，使得以低的成本提供半導體器件。本發明的附加優勢和新的特征將在后續的描述中得到部分地闡述，并且本領域技術人員在研究了下述內容或在通過實施本發明來獲悉時將部分地變得更加明了。


圖I示出一個示例性的半導體器件；圖2A至21示出一種制造半導體器件的示例性的方法；圖3示出示例性的超臨界水的特性；圖4示出一個示例性的半導體器件；圖5示出示例性的分立封裝的半導體器件；圖6示出一個示例性的電源裝置；和
圖7示出一個示例性的高頻放大器。
具體實施例方式在實施方案中，利用相同的附圖標記指定基本相同的構件等，并且可省略或減少對那些構件的描述。圖I示出一個示例性的半導體器件。圖I示出的半導體器件可包括稱作HEMT的晶體管。該半導體器件包括包括電子傳輸層21、間隔物層22、電子供給層23和蓋層24的半導體層，所述半導體層設置在緩沖層20 上，緩沖層20形成在與半導體等對應的襯底10上。所述半導體層通過外延生長例如金屬有機氣相外延(MOVPE)形成。提供與電子供給層23相連的源電極42和漏電極43。在電子傳輸層21的其中形成柵電極41的區域上提供相當于柵極絕緣膜的絕緣膜30。在絕緣膜30上提供柵電極41。源電極42和漏電極43可與電子傳輸層21相連。可提供包括絕緣體的保護膜以覆蓋蓋層24。襯底10可為Si襯底、SiC襯底、藍寶石(Al2O3)襯底等中的任一種。例如，當Si襯底用作襯底10時，可提供緩沖層20。當使用除了硅之外的材料作為襯底10時，可不提供緩沖層20。電子傳輸層21可由i-GaN構成。間隔物層22可為i_AlGaN。電子供給層23可由n-AlGaN構成。蓋層24可為n_GaN。在電子傳輸層21的電子供給層23側上產生二維電子氣(2DEG)21a。柵電極41、源電極42和漏電極43可包括金屬材料。相當于柵極絕緣膜的絕緣膜30通過氧化間隔物層22、電子供給層23和蓋層24形成。例如，通過氧化對應于間隔物層22的i-AlGaN、對應于電子供給層23的n-AlGaN和對應于蓋層24的n_GaN，形成Ga2O3和Al2O3。Ga2O3和Al2O3可對應于絕緣膜30。或者，可氧化電子供給層23和蓋層24。或者，可僅僅氧化蓋層24。半導體層可包括GaN和AlGaN。或者，半導體層可包括氮化物半導體例如InAlN或InGaAIN。相當于柵極絕緣膜的絕緣膜30可為通過氧化InAlN和InGaAlN形成的Ga203、In2O3> Al2O3 等。圖2A至21示出一種制造半導體器件的示例性的方法。如圖2A所示，在襯底10上形成緩沖層20。通過外延生長例如MOVPE在緩沖層20上形成包括例如電子傳輸層21、間隔物層22、電子供給層23和蓋層24的半導體層。在蓋層24上形成用于形成掩模的氮化硅(SiN)膜61。襯底10可為由Si、SiC、藍寶石(Al2O3)等構成的襯底。在襯底10上形成用于外延生長電子傳輸層21和其它層的緩沖層20。緩沖層20可為例如厚度為O. I μ m的未摻雜的i_AlN層。電子傳輸層21可為厚度為3 μ m的未摻雜的i_GaN層。間隔物層22可為厚度為5nm的未慘雜的i_AlGaN層。電子供給層23可為厚度為30nm的Ii-Ala25Gaa75N層。電子供給層23慘雜有濃度為5 X 10 cm的用作雜質兀素的Si。蓋層24可為厚度為IOnm的n_GaN層。蓋層24慘雜有濃度為5X 10 cm的用作雜質元素的Si。通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)，在蓋層24上沉積厚度為200nm的氮化硅(SiN)膜61。如圖2B所示，在氮化硅膜61上形成光刻膠圖案62。例如，在氮化硅膜61上施加光刻膠。通過曝光設備使光刻膠曝光并然后顯影以形成光刻膠圖案62。光刻膠圖案62在其中將形成相當于柵極絕緣膜的絕緣膜的區域中可具有開口。
如圖2C所示，通過干蝕刻例如反應性離子蝕刻(RIE)移除其中不形成光刻膠圖案62的區域中的氮化硅膜61。也可移除光刻膠圖案62。形成掩模64，其包括具有開口 63的氮化硅膜61。使用氮化硅膜61作為掩模64的材料。或者，可使用不易于氧化的其它材料。如圖2D所示，將在掩模64的開口 63中暴露出的間隔物層22、電子供給層23和蓋層24氧化，以形成相當于柵極絕緣膜的絕緣膜30。例如，絕緣膜30可通過使用超臨界水氧化間隔物層22、電子供給層23和蓋層24形成。例如，將具有開口 63的氮化硅膜61置于填充有純水的室中的預定位置。將室的內部設定為高溫、高壓狀態，室中的純水變為超臨界水。由于超臨界水具有強氧化能力，所以通過使用超臨界水使得在高溫下氧化的材料在較低溫度下得到氧化。例如，GaN和AlGaN在1000°C或更高的溫度下被熱氧化。然而，外延生長的半導體層的晶體結構可因在這種高溫下被加熱而損害。在利用超臨界水氧化中，使用在700°C或更低的溫度下例如約380°C的超臨界水，并因此在與超臨界水接觸的預定區域中的半導體層得到氧化。氮化物半導體被氧化而沒有導致半導體層的晶體結構無序。相當于柵極絕緣膜的絕緣膜30通過氧化包括氮化物半導體的半導體層的一部分形成而沒有使半導體器件的特性劣化。 圖3示出示例性的超臨界水的特性。術語“超臨界水”指的是在溫度為374°C或更高以及壓力為218個大氣壓或更高的狀態下的水，并且指的是例如其中氣體和液體彼此無法區分的狀態的水。超臨界水的性能與常規的水的性能不同。超臨界水的性能可加速化學反應。通過使用超臨界水，在相對低溫下使得在高溫下氧化的GaN和AlGaN氧化。例如，通過氧化對應于i-AlGaN的間隔物層22、對應于η-AlGaN的電子供給層23或對應于n_GaN的蓋層24，形成對應于Ga2O3和Al2O3的絕緣膜30。通過使用在700°C或更低例如550°C或更低的溫度下的超臨界水氧化間隔物層22、電子供給層23和蓋層24，以形成絕緣膜30。處于稍微低于臨界點的溫度和壓力的狀態的亞臨界水也具有強的氧化能力。在接近于亞臨界水的狀態的水的氧化能力也是相對強的。因此，通過使用在高于100°C的溫度下處于液態的/K,如在超臨界水的情況下一樣，可在低溫下氧化GaN和AlGaN。例如，可在等于或低于使源電極42和漏電極43彼此歐姆接觸的溫度的溫度下，氧化包括氮化物半導體的半導體層。在通過氧化間隔物層22、電子供給層23和蓋層24形成的氧化區域中形成凹陷，并且此外，在凹陷中形成絕緣膜。同時進行形成凹陷的工藝和形成絕緣膜的工藝，因此可使得制造工藝簡化。類似地，在包括除了 GaN和AlGaN之外的氮化物半導體的半導體器件中，可形成相當于絕緣膜的氧化膜。例如，也在其中氮化物半導體例如InAlN或InGaAlN用作半導體層的半導體器件中，可通過使用超臨界水等的氧化形成包括In203、Ga203和Al2O3的絕緣膜。如圖2E所示，移除氮化硅膜61。例如，通過使用熱磷酸的濕蝕刻移除氮化硅膜61。如圖2F所不,形成光刻膠圖案65。例如,在蓋層24的表面上施加光刻膠。通過曝光設備使光刻膠曝光并然后顯影以形成光刻膠圖案65。光刻膠圖案65在其中待形成源電極42和漏電極43的區域中具有開口。在光刻膠圖案65形成之前，可形成元件隔離區(未示出)。形成在元件隔離區中具有開口的光刻膠圖案(未示出)。在開口中進行使用氯基氣體的干蝕刻或離子注入以形成元件隔離區。將用于形成元件隔離區的光刻膠圖案(未示出)移除。如圖2G所示，使用氯基氣體進行干蝕刻例如RIE，以移除在光刻膠圖案65的開口中的蓋層24。光刻膠圖案65也通過有機溶劑等移除。因此，將其中待形成源電極42和漏電極43的區域中的蓋層24移除。如圖2H所示，形成源電極42和漏電極43。例如，形成在其中待形成源電極42和漏電極43的區域中具有開口的光刻膠圖案(未示出)。在其上形成有蓋層24的表面上施加光刻膠。通過曝光設備使光刻膠曝光并然后顯影以形成光刻膠圖案。通過真空沉積等，在整個表面上形成金屬膜，例如厚度為約20nm的Ta膜或厚度為約200nm的Al膜。然后使用有機溶劑通過剝離將光刻膠圖案上沉積的金屬膜移除。在其中不形成光刻膠圖案的區域中的金屬膜用作設置在電子供給層23上并且包括Ta/Al的源電極42和漏電極43。在400°C至700°C例如550°C的溫度下，在氮氣氛中，熱處理包括Ta并且與蓋層24接觸的金屬膜，由此在源電極42和漏電極43之間產生歐姆接觸。在其中無需熱處理即可產生歐姆接觸的情況下，可不進行熱處理。 如圖21所示，形成柵電極41。例如，形成在其中待形成柵電極41的區域中具有開口的光刻膠圖案(未示出)。在其上形成有蓋層24的表面上施加光刻膠。通過曝光設備使光刻膠曝光并然后顯影以形成光刻膠圖案。通過真空沉積，在整個表面上形成金屬膜，例如厚度為約40nm的Ni膜或厚度為約400nm的Au膜。然后使用有機溶劑通過剝離將光刻膠圖案上沉積的金屬膜移除。在其中不形成光刻膠圖案的區域中的金屬膜用作設置在絕緣膜30上并且包括Ni/Au的柵電極41。根據需要，可然后進行熱處理等。圖4示出一個示例性的半導體器件。如圖4所示，可在其中暴露出蓋層24的區域中形成保護膜50。例如，保護膜50可包括絕緣體。例如，保護膜50可經由等離子體原子層沉積(ALD)等通過沉積氧化鋁膜或氮化硅膜形成。圖5示出示例性的分立封裝的半導體器件。可將圖I或4中示出的半導體器件進行分立封裝。圖5示意性地示出分立封裝的半導體器件的內部。因此，圖5中示出的電極的布置等可與圖I或4示出的結構不同。例如，通過劃片等切割圖I或4中示出的半導體器件，以形成包括GaN基半導體材料的HEMT的半導體芯片410。利用晶粒粘合劑430例如釬料，將半導體芯片410固定于引線框420上。利用接合線431，將柵電極441與柵極引線421相連。利用接合線432將源電極442與源極引線422相連。利用接合線433將漏電極443與漏極引線423相連。接合線431、432和433可包括金屬材料例如Al。柵電極441可為柵電極墊，并且與例如柵電極41相連。源電極442可為源電極墊，并且與例如源電極42相連。漏電極443可為漏電極墊，并且與例如漏電極43相連。使用模制樹脂440通過傳遞模塑方法進行樹脂密封，由此制造其中將包括GaN基半導體材料的HEMT分立封裝的半導體器件。圖6示出一個示例性的電源裝置。圖6示出的電源裝置460包括高壓一次側電路461、低壓二次側電路462、以及設置于一次側電路461和二次側電路462之間的變壓器463。一次側電路461包括AC電源464，例如橋式整流電路465，以及多個開關元件，例如四個開關元件466和一個開關元件467等。二次側電路462包括多個開關元件，例如三個開關兀件468。圖I或4中不出的半導體器件可用作一次側電路461的開關兀件466和467。一次側電路461的開關元件466和467可各自為常閉半導體器件。二次側電路462的開關元件468可各自為包含硅的金屬絕緣體半導體場效應晶體管(MISFET)。圖7示出一個示例性的高頻放大器。圖7中示出的高頻放大器470可應用于用于移動式電話的基站的功率放大器。高頻放大器470包括數字預失真電路471、混頻器472、功率放大器473和定向耦合器474。數字預失真電路471補償輸入信號中的非線性失真。混頻器472中之一將其中非線性失真得到補償的輸入信號與交流電信號混合。功率放大器473將與交流電信號混合的輸入信號放大。圖7中示出的功率放大器473可包括圖I或4示出的半導體器件。定向耦合器474進行例如輸入信號和輸出信號的監控。例如，基于開關的轉換，輸出信號混頻器472可將輸出信號與交流電信號混合，并將混合的信號傳輸至數字預失真電路471。由于在功率放大器473中使用圖I或4示出的半導體器件，所以可以以低成本提供電源裝置和放大器。
現在根據上述優勢已經描述了本發明的示例實施方案。應理解這些示例僅僅用于本發明的說明。許多變化和改變對于本領域技術人員將是明顯的。
權利要求
1.一種半導體器件，包括 在襯底上設置的半導體層； 通過氧化所述半導體層的一部分形成的絕緣膜；和 在所述絕緣膜上設置的電極， 其中所述絕緣膜包括氧化鎵、或者氧化鎵和氧化銦。
2.根據權利要求I所述的半導體器件，其中所述絕緣膜還包括氧化鋁。
3.根據權利要求I所述的半導體器件，其中所述半導體層包括氮化物半導體。
4.根據權利要求3所述的半導體器件，其中所述半導體層包括選自Ga、Al和In中的至少一種元素的氮化物。
5.根據權利要求I所述的半導體器件，還包括 使所述半導體層的一部分與超臨界水或者在高于100°c且700°C以下的溫度下的水接觸，以形成所述絕緣膜。
6.根據權利要求I所述的半導體器件，還包括設置為與包括于所述半導體層中的第一半導體層和第二半導體層中的至少之一接觸的源電極和漏電極。
7.根據權利要求6所述的半導體器件，其中所述第一半導體層包括GaN。
8.根據權利要求6所述的半導體器件，其中所述第二半導體層包括AlGaN。
9.根據權利要求I所述的半導體器件，其中所述絕緣膜與所述第一半導體層接觸。
10.根據權利要求I所述的半導體器件，還包括 包括絕緣體并設置于所述半導體層上的保護膜。
11.一種電子設備，包括 輸入電路； 輸出電路；和 設置于所述輸入電路和所述輸出電路之間的半導體器件，所述半導體器件包括 在襯底上設置的半導體層； 通過氧化所述半導體層的一部分形成的絕緣膜；和 在所述絕緣膜上設置的電極， 其中所述絕緣膜包括氧化鎵、或者氧化鎵和氧化銦。
12.根據權利要求11所述的電子設備，其中所述電子設備包括電源裝置和放大器中的一種。
13.—種制造半導體器件的方法，包括 在襯底上形成半導體層； 在所述半導體層上形成在其中待形成絕緣膜的區域中具有開口的掩模； 通過氧化所述半導體層的在所述開口中的部分形成所述絕緣膜；和 在所述絕緣膜上形成電極， 其中所述半導體層包括氮化物半導體。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述半導體層包括選自Ga、Al和In中的至少一種元素的氮化物。
15.根據權利要求13所述的方法，還包括 使在所述掩模的所述開口中暴露出的所述半導體層與超臨界水或在高于100°C的溫度下的水接觸。
16.根據權利要求13所述的方法，其中所述絕緣膜在700°C以下的溫度下形成。
17.根據權利要求13所述的方法，還包括 在所述半導體層上形成氮化硅膜；和 在所述氮化硅膜中形成開口。
18.根據權利要求13所述的方法，還包括 形成第一半導體層； 在所述第一半導體層上形成第二半導體層；和 形成源電極和漏電極，以與包括于所述半導體層中的第一半導體層和第二半導體層中的至少之一接觸。
19.根據權利要求18所述的方法，其中所述源電極和所述漏電極在形成所述絕緣膜之后形成。
20.根據權利要求18所述的方法，還包括 熱處理所述源電極和所述漏電極以產生歐姆接觸， 形成所述絕緣膜時的溫度低于熱處理所述源電極和所述漏電極時的溫度。
全文摘要
一種半導體器件包括在襯底上設置的半導體層；通過氧化半導體層的一部分形成的絕緣膜；和在絕緣膜上設置的電極，其中所述絕緣膜包括氧化鎵、或氧化鎵和氧化銦。
文檔編號H01L29/40GK102646581SQ20121000349
公開日2012年8月22日 申請日期2012年1月6日 優先權日2011年2月21日
發明者山田敦史 申請人:富士通株式會社