JP2003059948A - Semiconductor device and production method therefor - Google Patents

Semiconductor device and production method therefor

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JP2003059948A
JP2003059948A JP2001248735A JP2001248735A JP2003059948A JP 2003059948 A JP2003059948 A JP 2003059948A JP 2001248735 A JP2001248735 A JP 2001248735A JP 2001248735 A JP2001248735 A JP 2001248735A JP 2003059948 A JP2003059948 A JP 2003059948A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the costs of a GaN compound semiconductor device. SOLUTION: A buffer layer 2 is provided with the structure of alternately laminating a plurality of first layers 8 composed of Al and second layers 9 composed of GaN on a wafer 1 composed of silicon. A gallium-nitride semiconductor region 3 for HEMT element is formed on the buffer layer 2.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は窒化物系化合物半導
体を用いたMESFETやHEMT等の半導体装置及びその製造方
法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device such as MESFET or HEMT using a nitride compound semiconductor and a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】窒化ガリウム系化合物半導体を用いたメ
タル・セミコンダクタ電界効果トランジスタ即ちMESFET
(Metal Semiconductor Filed Effect Transistor)や
高電子移動度トランジスタ即ちHEMT(High Electron Mo
bility Transistor)等の半導体デバイスは公知であ
る。従来の典型的な窒化ガリウム系化合物半導体を用い
た半導体デバイスにおいては、サファイアから成る絶縁
性基板の上に、500〜600℃程度の比較的低温の基板温度
で形成したGaNまたはAlNから成る低温バッファ層(以
下、単に低温バッファ層と言う。)介して化合物半導体
を形成する。
2. Description of the Related Art Metal semiconductor field effect transistor or MESFET using gallium nitride compound semiconductor
(Metal Semiconductor Filed Effect Transistor) and high electron mobility transistor
Semiconductor devices such as bility transistors) are known. In a conventional semiconductor device using a typical gallium nitride-based compound semiconductor, a low-temperature buffer made of GaN or AlN formed on an insulating substrate made of sapphire at a relatively low substrate temperature of about 500 to 600 ° C. A compound semiconductor is formed through a layer (hereinafter, simply referred to as a low temperature buffer layer).

【0003】即ち、MESFETを形成する場合には、サファ
イアから成る絶縁性基板の上にGaNまたはAlNから成る低
温バッファ層を介してSiをドープしたn形GaN層から成る
動作層即ちチャネル層を形成し、動作層の表面にソース
電極、ドレイン電極及びゲート電極を形成する。また、
HEMTを形成する場合には、サファイアから成る絶縁性基
板の上にGaNまたはAlNから成る低温バッファ層を介して
非ドープのGaNから成る電子走行層即ちチャネル層とn形
AlGaNから成る電子供給層を積層して形成し、電子供給
層の表面にソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を
形成する。
That is, when forming a MESFET, an operating layer or a channel layer made of an n-type GaN layer doped with Si is formed on an insulating substrate made of sapphire via a low temperature buffer layer made of GaN or AlN. Then, a source electrode, a drain electrode and a gate electrode are formed on the surface of the operating layer. Also,
When forming a HEMT, an electron transit layer or channel layer made of undoped GaN and an n-type are formed on an insulating substrate made of sapphire through a low-temperature buffer layer made of GaN or AlN.
An electron supply layer made of AlGaN is laminated to form a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode on the surface of the electron supply layer.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の窒
化ガリウム系又は窒化物系半導体装置は、周知のように
多数の素子の作りこまれたウエハをダイシング、スクラ
イビング、へき開(cleavage)等によって切り出して形成
される。このとき、サファイアから成る絶縁性基板は硬
度が高いため、このダイシング等を生産性良く行うこと
が困難であった。また、サファイアは高価であるため、
半導体デバイスのコストが高くなった。また、サファイ
ア基板上に窒化物系化合物半導体を結晶成長する場合、
平坦な窒化物系化合物半導体層を得るためには上述のよ
うに低温バッファ層を形成する必要がある。低温バッフ
ァ層を介して高温で窒化物系化合物半導体層を結晶成長
すれば、サファイア基板上に比較的平坦な窒化物系化合
物半導体膜を形成することができる。しかし、GaNまた
はAlNから成る低温バッファ層を形成した場合、低温で
は窒素源となるアンモニアは殆ど分解しない為、低温バ
ッファ層は金属状のGaやAlを含んだアモルファス層とな
る。チャネル層即ち動作層等はこのアモルファス状態の
バッファ層上に結晶成長されるため、低温バッファ層に
近い領域では結晶欠陥の密度が非常に高くなる。この欠
陥密度の高い領域は低抵抗のn形半導体層として機能す
るため、デバイスを動作させたときに動作層(チャネル
層)以外にこのn形半導体層にも電流がリークする。この
結果、良好なピンチオフ特性が得られなくなる。この問
題を解決する方法として、特開2000-299325号には、バ
ッファ層とチャネル層との間にAlGaN層を介在させて、
低抵抗n形半導体層への電流リークを抑制する手法が提
案されている。しかし、AlGaN層の介在はエピタキシャ
ル層内に格子不整に起因した歪を発生させるため、チャ
ネル層の電子移動度を低下させ、更にはチャネル層にク
ラックを発生させるなどの問題を招来する。このため、
AlGaN層のA1量や厚みが制約され、結果として十分にリ
ーク電流を抑制することは困難であった。
By the way, in this type of gallium nitride-based or nitride-based semiconductor device, as is well known, a wafer having a large number of elements is cut out by dicing, scribing, cleavage, or the like. Formed. At this time, since the insulating substrate made of sapphire has high hardness, it was difficult to perform the dicing with high productivity. Also, because sapphire is expensive,
The cost of semiconductor devices has increased. Also, when crystallizing a nitride compound semiconductor on a sapphire substrate,
In order to obtain a flat nitride-based compound semiconductor layer, it is necessary to form the low temperature buffer layer as described above. By crystal-growing the nitride-based compound semiconductor layer at a high temperature via the low-temperature buffer layer, a relatively flat nitride-based compound semiconductor film can be formed on the sapphire substrate. However, when a low-temperature buffer layer made of GaN or AlN is formed, ammonia, which is a nitrogen source, is hardly decomposed at low temperatures, so that the low-temperature buffer layer becomes an amorphous layer containing metallic Ga and Al. Since the channel layer, that is, the operation layer is crystal-grown on the buffer layer in the amorphous state, the density of crystal defects becomes very high in the region near the low temperature buffer layer. Since this region having a high defect density functions as a low-resistance n-type semiconductor layer, current leaks to this n-type semiconductor layer in addition to the operation layer (channel layer) when the device is operated. As a result, good pinch-off characteristics cannot be obtained. As a method for solving this problem, in JP-A-2000-299325, an AlGaN layer is interposed between a buffer layer and a channel layer,
A method for suppressing current leakage into a low resistance n-type semiconductor layer has been proposed. However, the interposition of the AlGaN layer causes strain in the epitaxial layer due to lattice misalignment, which lowers the electron mobility of the channel layer and further causes cracks in the channel layer. For this reason,
The amount of A1 and the thickness of the AlGaN layer were limited, and as a result, it was difficult to sufficiently suppress the leak current.

【0005】また、サファイア基板の熱伝導率は、0.12
6W/cm・Kと小さい為、デバイスの動作中に発生する熱
を十分に放出することができず、デバイスの耐圧や利得
などを低下させるなどトランジスタの諸特性の低下を招
いた。更に、GaN系HEMTでは、一般にGaN層の上にAlGaN
を積層したヘテロ構造が採用されているが、GaN層の上
にAlGaNを成長させた場合、格子不整によりAlGaN中の面
内方向に引っ張り歪を発生させる。この応力のため、界
面にはピエゾ分極電界が発生し、自発分極と併せるとヘ
テロ界面には数MV/cmという電界が発生する。この電界
によりチャネル中には1013cm-2オーダの2次元電子ガス
即ち2DEGが蓄積し、チャネルシート抵抗の低下が図られ
ドレイン電流を増加させることができる。このことはG
aN層の上にAlGaNを積層したヘテロ構造を採用し
たGaN系HEMTの利点である。
The thermal conductivity of the sapphire substrate is 0.12
Since it is as small as 6 W / cm · K, it is not possible to sufficiently release the heat generated during the operation of the device, resulting in deterioration of various characteristics of the transistor such as reduction of withstand voltage and gain of the device. Furthermore, in GaN-based HEMTs, AlGaN is generally formed on the GaN layer.
However, when AlGaN is grown on the GaN layer, lattice strain causes tensile strain in the in-plane direction in AlGaN. Due to this stress, a piezoelectric polarization electric field is generated at the interface, and when combined with spontaneous polarization, an electric field of several MV / cm is generated at the hetero interface. Due to this electric field, a two-dimensional electron gas on the order of 10 13 cm -2 or 2DEG is accumulated in the channel, the channel sheet resistance is reduced, and the drain current can be increased. This is G
This is an advantage of the GaN-based HEMT that employs a heterostructure in which AlGaN is laminated on the aN layer.

【0006】しかしながら、サファイア基板は窒化物系
化合物半導体よりも熱膨張係数が大きい為、熱不整によ
ってエピタキシャル層に圧縮歪を発生させる。この圧縮
歪は、格子不整に起因したAlGaN中の引っ張り歪をキャ
ンセルする方向に働く為、ピエゾ分極電界を減少させて
しまう。このため、2DEGの電子濃度も低下し、AlGaN/Ga
N系HEMTの性能を十分に発揮できない。
However, since the sapphire substrate has a larger coefficient of thermal expansion than the nitride-based compound semiconductor, thermal strain causes compressive strain in the epitaxial layer. This compressive strain acts in the direction of canceling the tensile strain in AlGaN due to the lattice misalignment, and therefore reduces the piezoelectric polarization electric field. As a result, the electron concentration of 2DEG also decreases, and AlGaN / Ga
The performance of N HEMT cannot be fully exerted.

【0007】そこで、本発明の目的は、上述の問題点を
解決できる窒化物系化合物半導体を用いたMESFETやHEMT
等の半導体装置及びその製造方法を提供することにあ
る。
Therefore, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems by using a nitride compound semiconductor such as MESFET or HEMT.
To provide a semiconductor device such as the above and a manufacturing method thereof.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し、上記
目的を達成するための本発明は、窒化物系化合物半導体
を有する半導体装置であって、シリコン又はシリコン化
合物から成る基板と、前記基板の一方の主面上に配置さ
れバッファ層と、前記バッファ層の上に配置された少な
くとも1つの窒化物系化合物半導体層を含んでいる半導
体素子用半導体領域と、前記半導体素子用半導体領域の
表面上に配置された第1の主電極、第2の主電極及び制
御電極とを備え、前記バッファ層は、 化学式 AlxyGa1-x-yN ここで、前記Mは、In(インジウム)とB(ボロン)
とから選択された少なくとも1種の元素、 を満足する数値、で示される材料から成る第1の層と、 化学式 AlabGa1-a-bN ここで、前記MはIn(インジウム)とB(ボロン)と
から選択された少なくとも1種の元素、 を満足させる数値、で示される材料から成る第2の層と
の複合層とから成ることを特徴とする半導体装置に係る
ものである。
The present invention for solving the above problems and achieving the above objects is a semiconductor device having a nitride compound semiconductor, and a substrate made of silicon or a silicon compound, and the substrate. A semiconductor layer for a semiconductor element, the buffer layer being disposed on one of the main surfaces, the semiconductor layer including at least one nitride compound semiconductor layer disposed on the buffer layer, and the surface of the semiconductor region for a semiconductor element. a first main electrode disposed on, and a second main electrode and a control electrode, the buffer layer, wherein the chemical formula Al x M y Ga 1-xy N, wherein M is an in (indium) B (boron)
At least one element selected from, And a chemical formula of Al a M b Ga 1 -ab N, wherein M is at least one selected from In (indium) and B (boron). Elements of The present invention relates to a semiconductor device characterized by comprising a composite layer with a second layer made of a material represented by

【0009】なお、請求項2に示すように、前記第1の
層をAlxGa1-xN、前記第2の層を、AlaGa1-a
Nとすることができる。また、請求項3に示すように、
前記第1の層をAlxInyGa1-x-yNとし、前記第2
の層を、AlaInbGa1-a-bNとし、前記第1及び第
2の層の少なくとも一方にIn(インジウム)を含める
ことができる。また、請求項4に示すように、前記第1
の層を、AlxyGa1-x-yNとし、前記第2の層を、
AlabGa1-a-bNとし、前記第1及び第2の層の少
なくとも一方にB(ボロン)を含めることができる。ま
た、請求項5に示すように、前記バッファ層は、複数の
前記第1及び第2の層から成り、前記第1の層と前記第
2の層とが交互に積層されていることが望ましい。ま
た、請求項6に示すように、前記バッファ層における前
記第1の層の厚みが0.5nm〜50nm及び前記第2
の層の厚みが0.5nm〜200nmであることが望ま
しい。請求項7に示すように、前記基板の前記バッファ
層が配置されている側の主面は、ミラー指数で示す結晶
の面方位において(111)ジャスト面又は(111)
面から−4度から+4度の範囲で傾いている面であるこ
とが望ましい。また、請求項8に示すように、前記窒化
物系化合物半導体層は、GaN(窒化ガリウム)層、A
lInN(窒化インジウム アルミニウム)層、AlG
aN(窒化ガリウム アルミニウム)層、InGaN
(窒化ガリウム インジウム)層、及びAlInGaN
(窒化ガリウム インジウム アルミニウム)層から選
択されたものであることが望ましい。また、請求項9に
示すように、前記半導体領域を、電界効果トランジスタ
を形成するための複数の半導体層とし、前記第1の主電
極をソース電極とし、前記第2の主電極をドレイン電極
とし、前記制御電極をゲート電極とすることができる。
また、請求項10に示すように、前記半導体領域を、高
電子移動度トランジスタ(HEMT)を形成するための
複数の半導体層とすることができる。また、請求項11
に示すように、前記半導体領域を、メタル・セミコンダ
クタ電界効果トランジスタ(MESFET)を形成する
ための複数の半導体層とすることができる。また、請求
項12に示すように、窒化物系化合物半導体を有する半
導体装置の製造方法において、シリコン又はシリコン化
合物から成る基板を用意する工程と、前記基板の上に、
気相成長法によって、 化学式 AlxyGa1-x-yN ここで、前記Mは、In(インジウム)とB(ボロン)
とから選択された少なくとも1種の元素、 を満足する数値、で示される材料から成る第1の層と、 化学式 AlabGa1-a-bN, ここで、前記MはIn(インジウム)とB(ボロン)と
から選択された少なくとも1種の元素、 を満足させる数値、で示される材料から成る第2の層と
を順次に形成してバッファ層を得る工程と、前記バッフ
ァ層の上に、少なくとも1つの窒化物系化合物半導体層
から成る半導体素子用半導体領域を気相成長法によって
形成する工程と、前記半導体素子用半導体領域の表面上
に第1及び第2の主電極と制御電極とを形成する工程と
を有することが望ましい。
As described in claim 2, the first layer is Al x Ga 1-x N and the second layer is AlaGa 1-a.
It can be N. Moreover, as shown in claim 3,
The first layer is Al x In y Ga 1-xy N, and the second layer is
Can be Al a In b Ga 1 -ab N, and In (indium) can be contained in at least one of the first and second layers. In addition, as described in claim 4, the first
Of the layer, the Al x B y Ga 1-xy N, said second layer,
Al a B b Ga 1 -ab N, and B (boron) can be contained in at least one of the first and second layers. Further, as described in claim 5, it is preferable that the buffer layer includes a plurality of the first and second layers, and the first layer and the second layer are alternately laminated. . The buffer layer may have a thickness of the first layer of 0.5 nm to 50 nm and a thickness of the second layer of the second layer.
The layer thickness is preferably 0.5 nm to 200 nm. As described in claim 7, the main surface of the substrate on the side where the buffer layer is arranged is a (111) just plane or a (111) plane in a crystal plane orientation indicated by a Miller index.
It is desirable that the surface is tilted within a range of -4 degrees to +4 degrees from the surface. Further, as described in claim 8, the nitride-based compound semiconductor layer is a GaN (gallium nitride) layer, A
lInN (Indium Aluminum Nitride) layer, AlG
aN (gallium aluminum nitride) layer, InGaN
(Indium gallium nitride) layer and AlInGaN
It is preferably selected from the (gallium indium aluminum nitride) layer. Further, as set forth in claim 9, the semiconductor region is a plurality of semiconductor layers for forming a field effect transistor, the first main electrode is a source electrode, and the second main electrode is a drain electrode. The control electrode can be a gate electrode.
Further, as described in claim 10, the semiconductor region can be a plurality of semiconductor layers for forming a high electron mobility transistor (HEMT). In addition, claim 11
As shown in, the semiconductor region can be a plurality of semiconductor layers for forming a metal semiconductor field effect transistor (MESFET). In a method of manufacturing a semiconductor device having a nitride-based compound semiconductor, a step of preparing a substrate made of silicon or a silicon compound, and a step of providing the substrate on the substrate,
By vapor deposition, wherein the chemical formula Al x M y Ga 1-xy N, wherein M is, an In (indium) and B (boron)
At least one element selected from And a chemical formula of Al a M b Ga 1 -ab N, wherein M is at least 1 selected from In (indium) and B (boron). Seed element, A step of sequentially forming a second layer made of a material represented by the following formula to obtain a buffer layer, and a semiconductor device comprising at least one nitride-based compound semiconductor layer on the buffer layer. It is desirable to have a step of forming a semiconductor region by a vapor phase epitaxy method and a step of forming first and second main electrodes and a control electrode on the surface of the semiconductor region for a semiconductor element.

【0010】[0010]

【発明の効果】各請求項の発明によれば次の効果が得ら
れる。 (1) 低コストであり且つ加工性も良いシリコン又は
シリコン化合物から成る基板を使用するので、材料コス
ト及び生産コストの削減が可能である。このため、半導
体装置のコスト低減が可能である。 (2) 基板の一方の主面に形成された格子定数がシリ
コンとGaNとの間の値を有する第1の層8と第2の層と
から成るバッファ層は、基板の結晶方位を良好に引き継
ぐことができる。この結果、バッファ層の一方の主面
に、窒化物系半導体領域を結晶方位を揃えて良好に形成
することができる。このため、半導体領域の平坦性が良
くなり、半導体装置の電気的特性も良くなる。もし、シ
リコンから成る基板の一方の主面に、GaN半導体のみ
によって低温でバッファ層を形成した場合、シリコンと
GaNとは格子定数の差が大きいため、このバッファ層
の上面に平坦性に優れた窒化物系半導体領域を形成する
ことはできない。 (3) 第1の層8と第2の層9との複合層から成るバ
ッファ層は、従来のGaNやAlNの単一層から構成さ
れる低温バッファ層に比較して高温で結晶成長させるこ
とができる。このため、窒素源となるアンモニアを良好
に分解させることができ、バッファ層はアモルファス層
とならない。このため、バッファ層の上に形成されるエ
ピタキシャル成長層即ち半導体領域の結晶欠陥の密度を
十分に小さくすることができ、リーク電流の発生を防止
することができる。 (4) 基板がサファイアに比較して熱伝導率に優れる
シリコン又はシリコン化合物から形成されるので、デバ
イスの動作中に発生する熱を基板を通じて良好に放熱さ
せることができ、デバイスの耐圧、利得等の諸特性が良
好に得られる。請求項3の発明では、バッファ層を構成
する第1の層と第2の層の内の少なくとも一方の層にイ
ンジウムが含まれている。第1及び第2の層の少なくと
も一方をインジウムを含む窒化物系化合物半導体(窒化
インジウム系化合物半導体)とすれば、基板と窒化物系
半導体領域との間の応力緩和効果が更に良好に得られ
る。即ち、第1及び第2の層の少なくとも一方を構成す
る窒化インジウム系化合物半導体、例えばInN、In
GaN、AlInN、AlInGaN等はInを構成元
素として含まない他の窒化物系化合物半導体、例えば、
GaN、AlN等に比較して、シリコン又はシリコン化
合物から成る基板と熱膨張係数がより近似する。このた
め、バッファ層を構成する第1の層と第2の層のうち少
なくとも一方の層にインジウムを含めることによって、
基板と窒化物系半導体領域との間の熱膨張係数の差に起
因する半導体領域の歪を良好に防止できる。請求項4の
発明においては、バッファ層を構成する第1の層と第2
の層の内の少なくとも一方の層にB(ボロン)が含まれ
ている。B(ボロン)を含むバッファ層は、B(ボロ
ン)がまないバッファ層よりもシリコン又はシリコン化
合物から成る基板の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有す
る。このため、B(ボロン)を含むバッファ層によれ
ば、シリコン又はシリコン化合物から成る基板と窒化物
系半導体領域との間の熱膨張係数差に起因する窒化物系
半導体領域の歪を良好に防止できる。請求項5の発明に
おいては、複数の第1の層と複数の第2の層とを交互に
積層してバッファ層を構成するので、複数の薄い第1の
層が分散配置される。この結果、バッファ層全体として
良好なバッファ機能を得ることができ、バッファ層の上
に形成される半導体領域の結晶性が良くなる。請求項6
の発明によれば、バッファ層のバッファ機能が向上し、
窒化物系半導体領域の平坦性を良くすることができる。
請求項7の発明によれば、基板の上にバッファ層及び半
導体領域を良好に形成することができる。即ち、基板の
主面の面方位を(111)ジャスト面又は(111)ジ
ャスト面からのオフ角度が小さい面とすることによっ
て、バッファ層及び半導体領域の結晶表面の原子ステッ
プ即ち原子レベルでのステップを無くすこと又は少なく
することができる。もし、(111)ジャスト面からの
オフ角度の大きい主面上にバッファ層及び半導体領域を
形成すると、これ等に原子レベルで見て比較的大きいス
テップが生じる。エピタキシャル成長層が比較的厚い場
合には多少のステップはさほど問題にならないが、厚み
の薄い層を有する半導体装置の場合には、特性の低下を
招く恐れがある。これに対して、基板の主面を(11
1)ジャスト面又はオフ角度の小さい面とすれば、ステ
ップが小さくなり、バッファ層及び半導体領域が良好に
形成される。請求項12の発明によれば、特性の良い半
導体装置を安価且つ容易に形成することができる。
According to the invention of each claim, the following effects can be obtained. (1) Since a substrate made of silicon or a silicon compound that is low in cost and excellent in workability is used, material cost and production cost can be reduced. Therefore, the cost of the semiconductor device can be reduced. (2) The buffer layer formed on the one main surface of the substrate and having the first layer 8 and the second layer having a lattice constant between silicon and GaN has a good crystal orientation of the substrate. You can take over. As a result, the nitride semiconductor region can be favorably formed on one main surface of the buffer layer with the crystal orientations aligned. Therefore, the flatness of the semiconductor region is improved, and the electrical characteristics of the semiconductor device are also improved. If a buffer layer is formed only on the GaN semiconductor at a low temperature on one main surface of a substrate made of silicon, the difference in lattice constant between silicon and GaN is large, and thus the upper surface of the buffer layer has excellent flatness. Nitride-based semiconductor regions cannot be formed. (3) The buffer layer composed of the composite layer of the first layer 8 and the second layer 9 can be crystal-grown at a higher temperature than a conventional low temperature buffer layer composed of a single layer of GaN or AlN. it can. For this reason, ammonia serving as a nitrogen source can be decomposed well, and the buffer layer does not become an amorphous layer. Therefore, the density of crystal defects in the epitaxial growth layer, that is, the semiconductor region, formed on the buffer layer can be sufficiently reduced, and the occurrence of leak current can be prevented. (4) Since the substrate is formed of silicon or a silicon compound, which has a higher thermal conductivity than sapphire, the heat generated during the operation of the device can be radiated satisfactorily through the substrate, and the device withstand voltage, gain, etc. The various characteristics of are obtained. According to the invention of claim 3, indium is contained in at least one of the first layer and the second layer forming the buffer layer. When at least one of the first and second layers is a nitride-based compound semiconductor containing indium (indium nitride-based compound semiconductor), the stress relaxation effect between the substrate and the nitride-based semiconductor region can be more excellently obtained. . That is, an indium nitride-based compound semiconductor, such as InN or In, forming at least one of the first and second layers.
GaN, AlInN, AlInGaN, etc. are other nitride-based compound semiconductors that do not contain In as a constituent element, for example,
The coefficient of thermal expansion is more similar to that of a substrate made of silicon or a silicon compound as compared with GaN, AlN, and the like. Therefore, by including indium in at least one of the first layer and the second layer forming the buffer layer,
Strain in the semiconductor region due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the nitride-based semiconductor region can be effectively prevented. According to the invention of claim 4, the first layer and the second layer constituting the buffer layer are provided.
B (boron) is contained in at least one of the layers. A buffer layer containing B (boron) has a thermal expansion coefficient closer to that of a substrate made of silicon or a silicon compound than a buffer layer containing no B (boron). Therefore, according to the buffer layer containing B (boron), the strain in the nitride-based semiconductor region due to the difference in the thermal expansion coefficient between the substrate made of silicon or a silicon compound and the nitride-based semiconductor region can be effectively prevented. it can. In the fifth aspect of the invention, the plurality of first layers and the plurality of second layers are alternately laminated to form the buffer layer, so that the plurality of thin first layers are dispersed. As a result, a good buffer function can be obtained as the entire buffer layer, and the crystallinity of the semiconductor region formed on the buffer layer is improved. Claim 6
According to the invention, the buffer function of the buffer layer is improved,
The flatness of the nitride semiconductor region can be improved.
According to the invention of claim 7, the buffer layer and the semiconductor region can be favorably formed on the substrate. That is, by making the plane orientation of the main surface of the substrate a (111) just plane or a plane having a small off-angle from the (111) just plane, atomic steps of the crystal surface of the buffer layer and the semiconductor region, that is, steps at the atomic level. Can be eliminated or reduced. If the buffer layer and the semiconductor region are formed on the main surface having a large off-angle from the (111) just plane, a relatively large step occurs at the atomic level. If the epitaxially grown layer is relatively thick, some steps are not a problem, but in the case of a semiconductor device having a thin layer, the characteristics may be deteriorated. On the other hand, if the main surface of the substrate is (11
1) If it is a just surface or a surface with a small off angle, the number of steps is small, and the buffer layer and the semiconductor region are well formed. According to the invention of claim 12, a semiconductor device having excellent characteristics can be formed inexpensively and easily.

【0011】[0011]

【第1の実施形態】次に、図1〜図3を参照して本発明
の第1の実施形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体を
用いたHEMTについて説明する。
First Embodiment Next, a HEMT using a gallium nitride-based compound semiconductor according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

【0012】図1に示す本発明の第1の実施形態に係るHE
MTは、シリコンから成るサブストレート即ち基板1とバ
ッファ層2とHEMT素子用半導体領域3と第1の電極とし
てのソース電極4と第2の電極としてのドレイン電極5
と制御電極としてのゲート電極6と絶縁膜7とから成
る。
The HE according to the first embodiment of the present invention shown in FIG.
MT is a substrate made of silicon, that is, a substrate 1, a buffer layer 2, a semiconductor region 3 for HEMT elements, a source electrode 4 as a first electrode, and a drain electrode 5 as a second electrode.
And a gate electrode 6 as a control electrode and an insulating film 7.

【0013】HEMT素子半導体領域3は、不純物非ドープ
のGaNから成る電子走行層10と、非ドープのAl0.2Ga
0.8Nから成るスペーサ層11と、n形不純物としてSiの
ドープされているn形Al0.2Ga0.8Nから成る電子供給層1
2とを有している。素子用半導体領域3の各層10,1
1、12は窒素とガリウムをベースとした窒化ガリウム
系化合物半導体から成る。バッファ層2の上に配置され
た電子走行層10はチャネル層とも呼ぶことができるも
のであり、例えば、500nmの厚みを有する。電子走
行層10の上に配置されたスペーサ層11は例えば7n
mの厚みを有し電子供給層12のn形不純物としてのシ
リコンが電子走行層10に拡散することを抑制する。ス
ペーサ層11の上に配置された電子供給層12は活性層
又は動作層又はチャネル層とも呼ぶことができるもので
あり、例えば10nmの厚みを有する。ソース電極4及
びドレイン電極5は電子供給層12にオーミック接触
し、ゲート電極6は電子供給層12にシヨットキー接触
している。なお、ソース電極4及びドレイン電極5と電
子供給層12との間にn形不純物濃度の高いコンタクト
層を設けることができる。SiO2から成る絶縁膜7は
半導体領域10の表面を覆っている。
The HEMT device semiconductor region 3 includes an electron transit layer 10 made of GaN which is not doped with impurities and an undoped Al 0.2 Ga layer.
0.8 a spacer layer 11 made of N, the electron supply layer 1 made of n-type Al 0.2 Ga 0.8 N which is doped with Si as n-type impurity
2 and. Each layer 10, 1 of the element semiconductor region 3
1 and 12 are composed of gallium nitride compound semiconductors based on nitrogen and gallium. The electron transit layer 10 disposed on the buffer layer 2 can also be called a channel layer, and has a thickness of 500 nm, for example. The spacer layer 11 disposed on the electron transit layer 10 is, for example, 7n
Silicon having a thickness of m and serving as an n-type impurity of the electron supply layer 12 is suppressed from diffusing into the electron transit layer 10. The electron supply layer 12 arranged on the spacer layer 11 can also be called an active layer, an operation layer, or a channel layer, and has a thickness of 10 nm, for example. The source electrode 4 and the drain electrode 5 are in ohmic contact with the electron supply layer 12, and the gate electrode 6 is in Schottky contact with the electron supply layer 12. A contact layer having a high n-type impurity concentration can be provided between the source electrode 4 and the drain electrode 5 and the electron supply layer 12. The insulating film 7 made of SiO 2 covers the surface of the semiconductor region 10.

【0014】電子供給層12及びスペーサ層11は極く
薄い膜であるので、横方向には絶縁物として機能し、縦
方向には導電体として機能する。従って、HEMTの動
作時には、ソース電極4、電子供給層12、スペーサ層
11、電子走行層10、スペーサ層11、電子供給層1
2、ドレイン電極5の経路で電子が流れる。この電子の
流れ即ち電流の流れはゲート電極6に印加される制御電
圧で調整される。
Since the electron supply layer 12 and the spacer layer 11 are extremely thin films, they function as an insulator in the horizontal direction and as a conductor in the vertical direction. Therefore, during operation of the HEMT, the source electrode 4, the electron supply layer 12, the spacer layer 11, the electron transit layer 10, the spacer layer 11, and the electron supply layer 1
2, electrons flow through the path of the drain electrode 5. The flow of electrons, that is, the flow of current is adjusted by the control voltage applied to the gate electrode 6.

【0015】基板1は、導電形決定不純物としてB(ボ
ロン)等の3族元素を含むp形シリコン単結晶から成
る。この基板1のバッファ層2が配置されている側の主
面1aは、ミラー指数で示す結晶の面方位において(1
11)ジャスト面である。この基板1の不純物濃度は、
基板1を通るリーク電流を低減させるために比較的低い
値、例えば1×1013cm-3〜1×1016cm-3程度で
あり、この基板1の抵抗率は比較的高い値、例えば1.
0Ω・cm〜500Ω・cm程度である。基板1は、比
較的厚い約350μmの厚みを有し、半導体領域3及び
バッファ層2の支持体として機能する。
The substrate 1 is made of a p-type silicon single crystal containing a group 3 element such as B (boron) as a conductivity determining impurity. The main surface 1a of the substrate 1 on the side where the buffer layer 2 is arranged is (1
11) Just surface. The impurity concentration of the substrate 1 is
The substrate 1 has a relatively low value, for example, about 1 × 10 13 cm −3 to 1 × 10 16 cm −3 in order to reduce the leak current passing through the substrate 1, and the resistivity of the substrate 1 is relatively high, for example, 1 .
It is about 0 Ω · cm to 500 Ω · cm. The substrate 1 has a relatively large thickness of about 350 μm and functions as a support for the semiconductor region 3 and the buffer layer 2.

【0016】基板1の一方の主面全体を被覆するように
配置されたバッファ層2は、複数の第1の層8と複数の
第2の層9とが交互に積層された複合層から成る。図1
では、図示の都合上、バッファ層2の一部のみが示され
ているが、実際には、バッファ層2は、20個の第1の
層8と20個の第2の層9とを有する。
The buffer layer 2 arranged so as to cover the whole one main surface of the substrate 1 is a composite layer in which a plurality of first layers 8 and a plurality of second layers 9 are alternately laminated. . Figure 1
Although only part of the buffer layer 2 is shown for convenience of illustration, in practice, the buffer layer 2 has 20 first layers 8 and 20 second layers 9. .

【0017】第1の層8は、 化学式 AlxGa1-xN ここで、xは0<x≦1を満足する任意の数値、で示す
ことができる材料で形成される。即ち、第1の層8は、
AlN(窒化アルミニウム)又はAlGaN(窒化ガリウ
ム アルミニウム)で形成される。図1及び図2の実施
形態では、前記式のxが1とされた材料に相当するAl
N(窒化アルミニウム)が第1の層8に使用されてい
る。第1の層8は、絶縁性を有する極薄い膜である。第
1の層8の格子定数及び熱膨張係数は第2の層9よりも
シリコン基板1に近い。
The first layer 8 is formed of a material which can be represented by the chemical formula Al x Ga 1-x N, where x is any numerical value satisfying 0 <x ≦ 1. That is, the first layer 8 is
It is formed of AlN (aluminum nitride) or AlGaN (gallium aluminum nitride). In the embodiment of FIGS. 1 and 2, Al corresponding to the material in which x in the above formula is 1.
N (aluminum nitride) is used for the first layer 8. The first layer 8 is an extremely thin film having an insulating property. The lattice constant and the thermal expansion coefficient of the first layer 8 are closer to the silicon substrate 1 than the second layer 9.

【0018】第2の層9は、GaN(窒化ガリウム)又
は 化学式 AlyGa1-yN ここで、yは、y<x、 0<y<1 を満足する任意の数値、で示すことができる材料から成
る極く薄い膜である。第2の層9としてAlyGa1-y
から成る導電形決定不純物を含まない半導体を使用する
場合には、Al(アルミニウム)の増大により発生する
恐れのあるクラックを防ぐためにyを0<y<0.8を
満足する値即ち0よりも大きく且つ0.8よりも小さく
することが望ましい。なお、この第1の実施形態の第2
の層9は、上記化学式におけるy=0に相当するGaN
から成る。前記第2の層を、化学式 AlyGa1-yNこ
こで、yはy<x及び0≦y<1を満足する数値、で表
すこともできる。
The second layer 9 may be represented by GaN (gallium nitride) or the chemical formula Al y Ga 1-y N, where y is any numerical value satisfying y <x and 0 <y <1. It is an extremely thin film made of a possible material. Al y Ga 1-y N as the second layer 9
In the case of using a semiconductor containing no conductivity determining impurities, the y is set to a value satisfying 0 <y <0.8, that is, a value greater than 0 in order to prevent cracks that may occur due to increase in Al (aluminum). It is desirable to be large and smaller than 0.8. The second embodiment of the first embodiment
Layer 9 is made of GaN corresponding to y = 0 in the above chemical formula.
Consists of. The second layer, wherein the chemical formula Al y Ga 1-y N, y can also be expressed by a numerical value, which satisfies y <x and 0 ≦ y <1.

【0019】バッファ層2の第1の層8の好ましい厚み
は、0.5nm〜50nm即ち5〜500オングストロ−ム
である。第1の層8の厚みが0.5nm未満の場合にはバ
ッファ層2の上面に形成される素子用半導体領域3の平
坦性が良好に保てなくなる。第1の層8の厚みが50n
mを超えると、第1の層8と第2の層9との格子不整
差、及び第1の層8と基板1との熱膨張係数差に起因し
て第1の層8内に発生する引っ張り歪みにより、第1の
層8内にクラックが発生する恐れがある。
The preferred thickness of the first layer 8 of the buffer layer 2 is 0.5 nm to 50 nm or 5 to 500 angstroms. If the thickness of the first layer 8 is less than 0.5 nm, the flatness of the element semiconductor region 3 formed on the upper surface of the buffer layer 2 cannot be maintained well. The thickness of the first layer 8 is 50 n
When it exceeds m, it occurs in the first layer 8 due to the lattice mismatch between the first layer 8 and the second layer 9 and the difference in thermal expansion coefficient between the first layer 8 and the substrate 1. The tensile strain may cause cracks in the first layer 8.

【0020】第2の層9の好ましい厚みは、0.5nm
〜200nm即ち5〜2000オングストロ−ムであ
る。第2の層9の厚みが0.5nm未満の場合には、第
1の層8、及びバッファ層2上に成長される素子用半導
体領域3を平坦に成長させることが困難になる。また、
第2の層9の厚みが200nmを超えると、第2の層9
と第1の層8との格子不整に起因して第2の層9内に発
生する圧縮応力により、チャネル層10の電子密度が低
下してHEMTの特性が劣化する。更に好ましくは、第
2の層9の厚みを第1の層8の厚みより大きくするのが
よい。このようにすれば、第1の層8と第2の層9との
格子不整差及び第1の層8と基板1との熱膨張係数差に
起因して第1の層8に発生する歪の大きさを第1の層9
にクラックが発生しない程度に抑えること、及びチャネ
ル層10の電子濃度高濃度に保つことにおいて有利にな
る。
The preferred thickness of the second layer 9 is 0.5 nm.
.About.200 nm or 5 to 2000 angstroms. When the thickness of the second layer 9 is less than 0.5 nm, it becomes difficult to grow the element semiconductor region 3 grown on the first layer 8 and the buffer layer 2 flat. Also,
When the thickness of the second layer 9 exceeds 200 nm, the second layer 9
Due to the compressive stress generated in the second layer 9 due to the lattice mismatch between the first layer 8 and the first layer 8, the electron density of the channel layer 10 is reduced and the characteristics of the HEMT are deteriorated. More preferably, the thickness of the second layer 9 should be larger than the thickness of the first layer 8. In this way, the strain generated in the first layer 8 due to the lattice mismatch between the first layer 8 and the second layer 9 and the difference in the thermal expansion coefficient between the first layer 8 and the substrate 1. The size of the first layer 9
It is advantageous in suppressing the occurrence of cracks and maintaining the electron concentration of the channel layer 10 at a high concentration.

【0021】次に、第1の層8がAIN、第2の層9が
GaNとされた半導体半導体装置の製造方法を説明す
る。
Next, a method of manufacturing a semiconductor semiconductor device in which the first layer 8 is AIN and the second layer 9 is GaN will be described.

【0022】まず、図3の(A)に示すp形不純物が導
入されたp形シリコン半導体から成る基板1を用意す
る。バッファ層2を形成するためのシリコン基板1の一
方の主面1aは、ミラー指数で示す結晶の面方位におい
て(111)ジャスト面、即ち正確な(111)面であ
る。しかし、図3において0で示す(111)ジャスト
面に対して−θ〜+θで示す範囲で基板1の主面1aを
傾斜させることができる。−θ〜+θの範囲は−4°〜+
4°であり、好ましくは−3°〜+3°であり、より好
ましくは−2°〜+2°である。シリコン基板1の主面
1aの結晶方位を、(111)ジャスト面又は(11
1)ジャスト面からのオフ角度が小さい面とすることに
よって、バッファ層2及び素子用半導体領域3をエピタ
キシャル成長させる際の原子レベルでのステップを無く
すこと又は小さくすることができる。
First, a substrate 1 made of a p-type silicon semiconductor having a p-type impurity introduced therein is prepared as shown in FIG. One main surface 1a of the silicon substrate 1 for forming the buffer layer 2 is a (111) just surface, that is, an exact (111) surface in the crystal plane orientation indicated by the Miller index. However, the main surface 1a of the substrate 1 can be tilted in the range shown by −θ to + θ with respect to the (111) just surface shown by 0 in FIG. The range of −θ to + θ is −4 ° to +
It is 4 °, preferably −3 ° to + 3 °, more preferably −2 ° to + 2 °. The crystal orientation of the main surface 1a of the silicon substrate 1 is set to (111) just plane or (11)
1) By using a surface having a small off angle from the just surface, it is possible to eliminate or reduce steps at the atomic level when epitaxially growing the buffer layer 2 and the device semiconductor region 3.

【0023】次に、図3(B)に示すように基板1の主
面1a上のバッファ層2は、周知のMOCVD(Metal
Organic Chemical Vapor Deposition)即ち有機金
属化学気相成長法によってAlNから成る第1の層8と
GaNから成る第2の層9とを繰返して積層することに
よって形成する。即ち、HF系エッチャントで前処理し
たp形シリコン単結晶の基板1をMOCVD装置の反応
室内に配置し、まず、950℃で約10分間のサーマル
アニーリングを施して表面の酸化膜を除去する。次に、
反応室内にTMA(トリメチルアルミニウム)ガスとN
3(アンモニア)ガスを約65秒間供給して、基板1
の一方の主面に厚さ約10nmのAlN層から成る第1
の層8を形成する。本実施例では基板1の加熱温度を1
120℃とした後に、TMAガスの流量即ちAlの供給
量を約63μmol/min、NH 3 ガスの流量即ちN
3 の供給量を約0.14mol/minとした。続い
て、基板1の加熱温度を1120℃とし、TMAガスの
供給を止めてから反応室内にTMG(トリメチルガリウ
ム)ガスとNH3 (アンモニア)ガスとを約90秒間供
給して、基板1の一方の主面に形成された上記AlNか
ら成る第1の層8の上面に、厚さ約30nmのn形のG
aNから成る第2の層9を形成する。本実施例では、T
MGガスの流量即ちGaの供給量を約60μmol/m
in、NH3 ガスの流量即ちNH3 の供給量を約0.1
4mol/minとした。本実施例では、上述のAlN
から成る第1の層8とGaNから成る第2の層9の形成
を20回繰り返してAlNから成る第1の層8とGaN
から成る第2の層9との合計で40層が積層されたバッ
ファ層2を得る。勿論AlNから成る第1の層8、Ga
Nから成る第2の層9をそれぞれ50層等の任意の数に
変えることもできる。
Next, as shown in FIG.
The buffer layer 2 on the surface 1a is formed by the well-known MOCVD (Metal).
  Organic Chemical Vapor Deposition)
A first layer 8 made of AlN by a chemical vapor deposition method;
To repeatedly stack the second layer 9 of GaN
Therefore, it is formed. That is, pretreatment with an HF-based etchant
Reaction of a p-type silicon single crystal substrate 1 in a MOCVD apparatus
First, place it indoors and run thermal at 950 ° C for about 10 minutes.
Annealing is applied to remove the oxide film on the surface. next,
TMA (trimethylaluminum) gas and N in the reaction chamber
H3(Ammonia) gas is supplied for about 65 seconds, and the substrate 1
A first AlN layer having a thickness of about 10 nm on one main surface of the first
Layer 8 is formed. In this embodiment, the heating temperature of the substrate 1 is set to 1
After the temperature is 120 ° C, the flow rate of TMA gas, that is, the supply of Al
About 63 μmol / min, NH 3 Gas flow rate N
H3 Was supplied at about 0.14 mol / min. Continued
The heating temperature of the substrate 1 to 1120 ° C.
After stopping the supply, TMG (Trimethylgalliu)
Mu) gas and NH3 Provide with (ammonia) gas for about 90 seconds
The AlN formed on one main surface of the substrate 1.
On the upper surface of the first layer 8 made of n-type G having a thickness of about 30 nm.
A second layer 9 made of aN is formed. In this embodiment, T
The flow rate of MG gas, that is, the supply amount of Ga is about 60 μmol / m
in, NH3 Gas flow rate, NH3 Supply of about 0.1
It was 4 mol / min. In the present embodiment, the above-mentioned AlN
Of a first layer 8 of GaN and a second layer 9 of GaN
The first layer 8 of AlN and GaN
And a second layer 9 consisting of 40 layers in total.
The fur layer 2 is obtained. Of course, the first layer 8 made of AlN, Ga
The second layer 9 made of N can be made into any number such as 50 layers.
You can change it.

【0024】次に、バッファ層2の上面に周知のMOC
VD法によってHEMT素子用形半導体領域3を形成す
る。即ち、上面にバッファ層2が形成された基板1をM
OCVD装置の反応室内に配置して、反応室内にまずト
リメチルガリウムガス即ちTMGガス及びNH3 (アン
モニア)ガスを15分間供給してバッファ層2の上面に
約500nmの厚みの非ドープGaN即ち導電形決定不
純物を含まないGaNから成る電子走行層10を形成す
る。本実施例ではTMGガスの流量即ちGaの供給量を
約62μmol/min、NH3 ガスの流量即ちNH3
供給量を約0.23mol /minとした。
Next, a well-known MOC is formed on the upper surface of the buffer layer 2.
The HEMT element-shaped semiconductor region 3 is formed by the VD method. That is, the substrate 1 on which the buffer layer 2 is formed is
It is placed in a reaction chamber of an OCVD apparatus, and trimethylgallium gas, that is, TMG gas and NH 3 (ammonia) gas are first supplied into the reaction chamber for 15 minutes, and undoped GaN having a thickness of about 500 nm, that is, conductivity type, is provided on the upper surface of the buffer layer 2. The electron transit layer 10 made of GaN that does not contain the determining impurities is formed. In this embodiment, the flow rate of TMG gas, that is, the supply amount of Ga is about 62 μmol / min, and the flow rate of NH 3 gas, that is, the supply amount of NH 3 is about 0.23 mol / min.

【0025】次に、反応室内TMAガスとにTMGガス
とアンモニアガスを85秒間供給して電子走行層10の
上面に非ドープ即ち導電形決定不純物を含まないAl
0.2Ga0.8Nから成るスペーサ層11を7nmの厚みに
形成する。本実施例では、TMAガスの流量即ちAlの
供給量を約8.4μmol/min、TMGガスの流量を
約15μmol /min、NH3ガスの流量を約0.23m
ol /minとした。
Next, TMG gas and ammonia gas are supplied to the TMA gas in the reaction chamber for 85 seconds so that the upper surface of the electron transit layer 10 is undoped, that is, Al containing no conductivity determining impurities.
A spacer layer 11 made of 0.2 Ga 0.8 N is formed with a thickness of 7 nm. In this embodiment, the flow rate of TMA gas, that is, the supply amount of Al is about 8.4 μmol / min, the flow rate of TMG gas is about 15 μmol / min, and the flow rate of NH 3 gas is about 0.23 m.
ol / min.

【0026】次に、約15秒間結晶成長を中断した後、
反応室内にTMAガスとTMGガスとアンモニアガスと
SiH4(シラン)ガスを約98秒間供給してスペーサ
層11の上面にAl0.2Ga0.8Nから成る電子供給層1
2を約10nmの厚みに形成する。本実施例では、この
時のTMAガスの流量を約8.4μmol/min、TM
Gガスの流量を約15μmol /min、アンモニアガス
の流量を約0.23mol /min、SiH4ガスの流量
を約21nmol /minとした。
Next, after interrupting the crystal growth for about 15 seconds,
An electron supply layer 1 made of Al 0.2 Ga 0.8 N is formed on the upper surface of the spacer layer 11 by supplying TMA gas, TMG gas, ammonia gas, and SiH 4 (silane) gas into the reaction chamber for about 98 seconds.
2 is formed to a thickness of about 10 nm. In this embodiment, the flow rate of the TMA gas at this time is about 8.4 μmol / min, TM
The flow rate of G gas was about 15 μmol / min, the flow rate of ammonia gas was about 0.23 mol / min, and the flow rate of SiH 4 gas was about 21 nmol / min.

【0027】その後、半導体領域3及びバッファ層2の
形成されたシリコン基板1をMOCVD装置から取り出
し、周知のプラズマCVDによって半導体領域3の全面
にシリコン酸化膜から成る絶縁膜7を形成する。絶縁膜
7の厚みは、約100nmとする。
After that, the silicon substrate 1 on which the semiconductor region 3 and the buffer layer 2 are formed is taken out from the MOCVD apparatus, and an insulating film 7 made of a silicon oxide film is formed on the entire surface of the semiconductor region 3 by well-known plasma CVD. The thickness of the insulating film 7 is about 100 nm.

【0028】図1には1個のHEMTが示されている
が、この製造時には1枚の半導体ウエハ即ち基板1を使
用して多数のHEMTを同時に作る。このため、フォト
リソグラフィーにより、3塩化ホウ素(BCI3)と水素
の混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、半
導体領域3及びバッファ層2の素子分離領域をシリコン
基板1までエッチングし、HEMTの素子分離を行う。
このように素子分離すると、各素子領域の電気的特性等
を他の素子の影響を受けることなしに良好に検査するこ
とができる。
Although one HEMT is shown in FIG. 1, a large number of HEMTs are simultaneously manufactured by using one semiconductor wafer, that is, the substrate 1 in this manufacturing. Therefore, the element isolation regions of the semiconductor region 3 and the buffer layer 2 are etched to the silicon substrate 1 by photolithography by reactive ion etching using a mixed gas of boron trichloride (BCI 3 ) and hydrogen, and the HEMT device Perform separation.
By separating the elements in this way, the electrical characteristics of each element region can be satisfactorily tested without being affected by other elements.

【0029】次に、フォトリソグラフィーとフッ酸系エ
ッチャントを使用して、絶縁膜7にソース電極及びドレ
イン電極形成用の開口を形成した後、電子ビーム蒸着等
を用いてTi(チタン)とAl(アルミニウム)を順次
積層形成し、リフトオフしてソース電極4、ドレイン電
極5を形成する。ゲート電極を形成する時も、同様な手
順で絶縁膜7に開口を形成し、電子ビーム蒸着によって
Pd(パラジウム),Ti(チタン),Au(金)を蒸
着し、リフトオフしてシヨットキバリア電極としての機
能を有するゲート電極6を形成する。その後、周知のダ
イシング工程等により、エピタキシャルウエハを素子分
離領域で切断分離して個別化した半導体装置(HEMT
チップ)を完成させる。
Next, after forming openings for forming the source electrode and the drain electrode in the insulating film 7 by using photolithography and a hydrofluoric acid-based etchant, Ti (titanium) and Al ( Aluminum) is sequentially laminated and lifted off to form the source electrode 4 and the drain electrode 5. Also when forming the gate electrode, an opening is formed in the insulating film 7 by the same procedure, Pd (palladium), Ti (titanium), and Au (gold) are vapor-deposited by electron beam vapor deposition, and lift-off is performed to form a shutter barrier electrode. The gate electrode 6 having the function as is formed. After that, the epitaxial wafer is cut and separated in the element isolation region by a well-known dicing process or the like to obtain a semiconductor device (HEMT).
Chip) to complete.

【0030】本実施形態のHEMTによれば、次の効果
が得られる。 (1) 低コストであり且つ加工性も良いシリコンから
成る基板1を使用するので、材料コスト及び生産コスト
の削減が可能である。このため、HEMTのコスト低減
が可能である。 (2) 基板1の一方の主面に形成された格子定数がシ
リコンとGaNとの間の値を有するAlNから成る第1の
層8と第2の層9とから成るバッファ層2は、シリコン
から成る基板1の結晶方位を良好に引き継ぐことができ
る。この結果、バッファ層2の一方の主面に、GaN系
半導体領域3を結晶方位を揃えて良好に形成することが
できる。このため、半導体領域3の平坦性が良くなり、
HEMTの電気的特性も良くなる。もし、シリコンから
成る基板1の一方の主面に、GaN半導体のみによって
低温でバッファ層を形成した場合、シリコンとGaNと
は格子定数の差が大きいため、このバッファ層の上面に
平坦性に優れたGaN系半導体領域を形成することはで
きない。 (3) AlNから成る第1の層8とGaNから成る第
2の層9との複合層から成るバッファ層2は、従来のG
aNやAlNの単一層から構成される低温バッファ層に
比較して高温で結晶成長させることができる。このた
め、窒素源となるアンモニアを良好に分解させることが
でき、バッファ層2はアモルファス層とならない。この
ため、バッファ層2の上に形成されるエピタキシャル成
長層即ち半導体領域3の結晶欠陥の密度を十分に小さく
することができ、リーク電流の発生を防止することがで
きる。この結果、ピンチオフ特性の良好なHEMTを提
供することができる。 (4) 基板1がサファイアに比較して熱伝導率に優れ
るシリコンから形成されるので、デバイスの動作中に発
生する熱を基板1を通じて良好に放熱させることがで
き、デバイスの耐圧、利得等の諸特性が良好に得られ
る。 (5) シリコン基板1は窒化物系化合物半導体に比べ
て熱膨張係数が小さい為、熱不整に起因した引っ張り歪
がエピタキシャル層に加わる。このため、スペース層1
1と電子走行層10との間のAlGaN/GaNの界面
の引っ張り応力を更に強めることができ、結果的にピエ
ゾ電界効果を高めることができる。このため、電子走行
層10即ちチャネルの電子密度をサファイア基板を使用
したHEMTに比較して高濃度にすることができ、電子
走行層10即ちチャネルのシート抵抗を減少してドレイ
ン電流を増大することが可能となる。
According to the HEMT of this embodiment, the following effects can be obtained. (1) Since the substrate 1 made of silicon is used at low cost and has good workability, the material cost and the production cost can be reduced. Therefore, the HEMT cost can be reduced. (2) The buffer layer 2 formed of the first layer 8 and the second layer 9 made of AlN having a lattice constant between one of silicon and GaN formed on one main surface of the substrate 1 is made of silicon. The crystal orientation of the substrate 1 made of can be favorably inherited. As a result, the GaN-based semiconductor region 3 can be favorably formed on one main surface of the buffer layer 2 with the crystal orientations aligned. Therefore, the flatness of the semiconductor region 3 is improved,
The electrical characteristics of HEMT are also improved. If a buffer layer is formed on only one main surface of the substrate 1 made of silicon at a low temperature by using only a GaN semiconductor, since the difference in lattice constant between silicon and GaN is large, the upper surface of the buffer layer has excellent flatness. It is impossible to form a GaN-based semiconductor region. (3) The buffer layer 2 made of a composite layer of the first layer 8 made of AlN and the second layer 9 made of GaN is the conventional G layer.
Crystals can be grown at a higher temperature than a low temperature buffer layer composed of a single layer of aN or AlN. For this reason, ammonia serving as a nitrogen source can be decomposed well, and the buffer layer 2 does not become an amorphous layer. Therefore, the density of crystal defects in the epitaxial growth layer formed on the buffer layer 2, that is, the semiconductor region 3 can be sufficiently reduced, and the generation of leak current can be prevented. As a result, it is possible to provide a HEMT having a good pinch-off characteristic. (4) Since the substrate 1 is made of silicon, which has a higher thermal conductivity than sapphire, the heat generated during the operation of the device can be radiated satisfactorily through the substrate 1, and the device withstand voltage, gain, etc. Various characteristics are satisfactorily obtained. (5) Since the silicon substrate 1 has a smaller coefficient of thermal expansion than the nitride-based compound semiconductor, tensile strain due to thermal imperfections is added to the epitaxial layer. Therefore, the space layer 1
The tensile stress at the AlGaN / GaN interface between the No. 1 and the electron transit layer 10 can be further strengthened, and as a result, the piezoelectric field effect can be enhanced. Therefore, the electron density of the electron transit layer 10, that is, the channel can be made higher than that of the HEMT using the sapphire substrate, and the sheet resistance of the electron transit layer 10, that is, the channel can be reduced to increase the drain current. Is possible.

【0031】[0031]

【第2の実施形態】次に、図4を参照して第2の実施形
態のMESFETを説明する。但し、図4において、図
1と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説
明を省略する。図4のMESFETは、図1のHEMT
の半導体領域3を、n形不純物としてSiがドープされ
たGaN化合物半導体層から成るn形半導体領域3aを
設け、この他は図1と同一に形成したものである。即
ち、図4のMESFETにおいて、シリコン基板1、バ
ッファ層2、ソース電極4、ドレイン電極5、ゲート電
極6、絶縁膜7は図1で同一符号で示すものと同様に形
成されている。n形半導体領域3aはチャネル層又は活
性層とも呼ぶことができるものであり、バッファ層2の
上に配置されている。ソース電極4及びゲート電極5は
n形半導体領域3aにオーミック接触し、ゲート電極6
はn形半導体領域3aにショットキバリア接触してい
る。
Second Embodiment Next, a MESFET of the second embodiment will be described with reference to FIG. However, in FIG. 4, parts that are substantially the same as those in FIG. 1 are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted. The MESFET of FIG. 4 is the HEMT of FIG.
The semiconductor region 3 is provided with an n-type semiconductor region 3a made of a GaN compound semiconductor layer doped with Si as an n-type impurity. That is, in the MESFET of FIG. 4, the silicon substrate 1, the buffer layer 2, the source electrode 4, the drain electrode 5, the gate electrode 6, and the insulating film 7 are formed in the same manner as those shown by the same reference numerals in FIG. The n-type semiconductor region 3 a, which can also be called a channel layer or an active layer, is arranged on the buffer layer 2. The source electrode 4 and the gate electrode 5 make ohmic contact with the n-type semiconductor region 3a, and the gate electrode 6
Is in Schottky barrier contact with the n-type semiconductor region 3a.

【0032】図4のMESFETのGaN半導体領域3
a以外の製造方法は、第1の実施形態と同一である。G
aN半導体領域3aを形成する時には、バッファ層2の
形成時に使用した反応室内にTMGガスとNH3ガスと
SiH4(シラン)ガスを約450秒間供給して、基板
1の一方の主面に形成されたバッファ層2の上面に、厚
さ約150nmのn形半導体領域3aを形成する。本実
施例では、TMGガスの流量、即ちGaの供給量を約6
0μmol/min,NH3ガスの流量即ちNH3の供給
量を0.23mol/min,SiH4ガスの流量、即
ちSiの供給量を21nmol/minとした。
GaN semiconductor region 3 of the MESFET of FIG.
The manufacturing method other than a is the same as that of the first embodiment. G
When forming the aN semiconductor region 3a, TMG gas, NH 3 gas, and SiH 4 (silane) gas are supplied to the reaction chamber used for forming the buffer layer 2 for about 450 seconds to form on the one main surface of the substrate 1. An n-type semiconductor region 3a having a thickness of about 150 nm is formed on the upper surface of the formed buffer layer 2. In this embodiment, the flow rate of TMG gas, that is, the supply amount of Ga is about 6
The flow rate of NH 3 gas was 0 μmol / min, that is, the supply amount of NH 3 was 0.23 mol / min, and the flow rate of SiH 4 gas, that is, the supply amount of Si was 21 nmol / min.

【0033】図4のMESFETは、図1のHEMTの
効果の説明の欄で述べた(1)(2)(3)(4)と同
一の効果を有する。即ち基板1を安価にすること、半導
体領域3aの平坦性及び結晶性を良くすること、MES
FETの特性を良くすること、及び半導体領域3aの熱
をシリコン基板1を介して良好に放散することが可能に
なる。
The MESFET of FIG. 4 has the same effects as (1), (2), (3) and (4) described in the section of the description of the effect of HEMT of FIG. That is, making the substrate 1 inexpensive, improving the flatness and crystallinity of the semiconductor region 3a, and
It is possible to improve the characteristics of the FET and to dissipate the heat of the semiconductor region 3a satisfactorily through the silicon substrate 1.

【0034】[0034]

【第3の実施形態】第1及び第2の実施形態のバッファ
層2の構成を変えることができる。図5は、HEMT及
びMESFET等に使用可能な第3の実施形態に従うバ
ッファ層2aの一部を示す。この図5のバッファ層2a
は、複数の第1の層8aと複数との第2の層9aとを交
互に積層したものから成る。第1の層8aは、 化学式 AlxInyGa1-x-yN ここで、x、yは、0<x≦1、 0≦y<1、 x+y≦1 を満足する任意の数値、で示すことができる材料で形成
される。即ち、第1の層8aは、AlN(窒化アルミニ
ウム)、AlGaN(窒化ガリウム アルミニウム)、
AlInN(窒化インジウム アルミニウム)、及びA
lGaInN(窒化ガリウム インジウムアルミニウ
ム)から選択されたもので形成される。図5の実施形態
では、前記式のxが0.5、yが0.01とされた材料
に相当するAl0.5In0.01Ga0.4 9Nが第1の層8a
に使用されている。第1の層8aは、絶縁性を有する極
く薄い膜である。アルミニウムを含む第1の層8aの格
子定数及び熱膨張係数はシリコン基板1の格子定数及び
熱膨張係数と半導体領域3aの格子定数及び熱膨張係数
との間の値を有する。
Third Embodiment The configuration of the buffer layer 2 of the first and second embodiments can be changed. FIG. 5 shows a part of the buffer layer 2a according to the third embodiment that can be used for HEMTs and MESFETs. The buffer layer 2a of FIG.
Comprises a plurality of first layers 8a and a plurality of second layers 9a alternately stacked. The first layer 8a is represented by the chemical formula Al x In y Ga 1-xy N, where x and y are represented by 0 <x ≦ 1, 0 ≦ y <1, and x + y ≦ 1. It is made of a material that can That is, the first layer 8a is made of AlN (aluminum nitride), AlGaN (gallium aluminum nitride),
AlInN (Indium Aluminum Nitride), and A
It is formed of a material selected from 1GaInN (gallium indium aluminum nitride). In the embodiment of FIG. 5, the formula of x is 0.5, y is equivalent to material which is a 0.01 Al 0.5 In 0.01 Ga 0.4 9 N first layer 8a
Is used for. The first layer 8a is an extremely thin film having an insulating property. The lattice constant and thermal expansion coefficient of the first layer 8a containing aluminum have values between the lattice constant and thermal expansion coefficient of the silicon substrate 1 and the lattice constant and thermal expansion coefficient of the semiconductor region 3a.

【0035】第2の層9aは 化学式 AlaInbGa1-a-bN ここで、a、bは、0≦a<1、 0≦b<1、 a+b≦1 を満足する任意の数値、で示すことができる材料から成
る半導体の薄い膜である。即ち、第2の層9aは例えば
GaN、AlN、InN、InGaN、AlGaN、A
lInN及びAlInGaNから選択されたもので形成
される。図5の実施形態では、前記式のaが0.05、
bが0.35とされた材料に相当するAl0.05In0.35
Ga0.6Nが第2の層9aに使用されている。第2の層
9aの価電子帯と伝導帯との間のギャップ即ちバンドギ
ャップが第1の層8aのバンドギャップよりも大きい。
The second layer 9a has a chemical formula of Al a In b Ga 1 -ab N, where a and b are arbitrary values satisfying 0≤a <1, 0≤b <1, a + b≤1. It is a thin film of semiconductor made of the materials that can be shown. That is, the second layer 9a is formed of, for example, GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, A.
It is formed of one selected from lInN and AlInGaN. In the embodiment of FIG. 5, a in the above equation is 0.05,
Al 0.05 In 0.35 corresponding to the material in which b is 0.35
Ga 0.6 N is used for the second layer 9a. The gap between the valence band and the conduction band of the second layer 9a, that is, the band gap, is larger than the band gap of the first layer 8a.

【0036】次に、第1の層8aがAl0.5In0.01
0.49N、第2の層9aがAl0.05In0.35Ga0.6
とされたバッファ層2aの製造方法を説明する。バッフ
ァ層2aは第1の実施形態と同様な基板1の主面1a上
に形成される。このバッファ層2aは、周知のMOCV
D(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)
即ち有機金属化学気相成長法によってAl0.5In0.01
Ga0.49Nから成る第1の層8aとAl0.05In0.35
0.6Nから成る第2の層9aとを繰返して積層するこ
とによって形成する。即ち、シリコン単結晶の基板1を
MOCVD装置の反応室内に配置し、まず、サーマルア
ニーリングを施して表面の酸化膜を除去する。次に、反
応室内にTMA(トリメチルアルミニウム)ガス、TM
G(トリメチルガリウム)ガス、TMIn(トリメチル
インジウム)ガスとNH3(アンモニア)ガスを約24
秒間供給して、基板1の一方の主面に厚さT1が約5n
m即ち約50オングストロームのAl0.5In0.01Ga
0.49Nから成る第1の層8aを形成する。本実施例では
基板1の加熱温度を800℃とした後に、TMAガスの
流量即ちAlの供給量を約14μmol/min、TM
Gガスの流量を31μmol/min、TMInガスの
流量を47μmol/min、NH3ガスの流量即ちN
3の供給量を約0.23mol/minとした。続い
て、TMAガス、TMGガス及びTMInガスの供給を
止め、基板1の加熱温度を750℃まで下げ、しかる
後、TMAガス、TMGガス、TMInガス、及びNH
3(アンモニア)ガスを約83秒間供給して、第1の層
8aの上面に、厚さT2が30nm即ち300オングス
トロームのAl0.05In0.35Ga0.6Nから成る第2の
層9aを形成する。なお、SiH4ガスを同時に供給し
て形成膜中に不純物としてのSiを導入することもでき
る。本実施例では、TMAガスの流量を2.8μmol
/min、TMGガスの流量を46μmol/min、
TMInガスの流量を59μmol/min、NH3
スの流量即ちNH3の供給量を約0.23mol/mi
nとした。本実施例では、上述のAl0.5In0.01Ga
0.49Nから成る第1の層8aとAl0.05In0.35Ga
0.6Nから成る第2の層9aの形成を10回繰り返して
Al0.5In0.01Ga0.49Nから成る第1の層8aとA
0.0 5In0.35Ga0.6Nから成る第2の層9aとが交
互に20層積層されたバッファ層2を形成する。勿論A
0.5In0.01Ga0.49Nから成る第1の層8a、Al0
.05In0.35Ga0.6Nから成る第2の層9aをそれぞれ
50層等の任意の数に変えることもできる。
Next, the first layer 8a is formed of Al 0.5 In 0.01 G.
a 0.49 N, the second layer 9a is Al 0.05 In 0.35 Ga 0.6 N
A method of manufacturing the buffer layer 2a that has been described will be described. The buffer layer 2a is formed on the main surface 1a of the substrate 1 similar to that of the first embodiment. This buffer layer 2a is a well-known MOCV.
D (Metal Organic Chemical Vapor Deposition)
That is, Al 0.5 In 0.01 is formed by metalorganic chemical vapor deposition.
First layer 8a made of Ga 0.49 N and Al 0.05 In 0.35 G
It is formed by repeatedly laminating the second layer 9a made of a 0.6 N. That is, the silicon single crystal substrate 1 is placed in the reaction chamber of the MOCVD apparatus, and first, thermal annealing is performed to remove the oxide film on the surface. Next, in the reaction chamber, TMA (trimethylaluminum) gas, TM
About 24 G (trimethylgallium) gas, TMIn (trimethylindium) gas and NH3 (ammonia) gas
It is supplied for 2 seconds, and the thickness T1 is about 5n on one main surface of the substrate 1.
m or about 50 Å of Al 0.5 In 0.01 Ga
A first layer 8a of 0.49 N is formed. In this embodiment, after the heating temperature of the substrate 1 is set to 800 ° C., the flow rate of TMA gas, that is, the supply amount of Al is about 14 μmol / min, TM
The G gas flow rate is 31 μmol / min, the TMIn gas flow rate is 47 μmol / min, and the NH 3 gas flow rate, that is, N
The supply amount of H 3 was set to about 0.23 mol / min. Subsequently, the supply of TMA gas, TMG gas, and TMIn gas is stopped, the heating temperature of the substrate 1 is lowered to 750 ° C., and thereafter, TMA gas, TMG gas, TMIn gas, and NH.
3 (ammonia) gas being fed about 83 seconds, the upper surface of the first layer 8a, the thickness T2 to form the second layer 9a made of 30nm i.e. 300 Å Al 0.05 In 0.35 Ga 0.6 N. Note that SiH 4 gas may be simultaneously supplied to introduce Si as an impurity into the formed film. In this embodiment, the flow rate of TMA gas is 2.8 μmol.
/ Min, the flow rate of TMG gas is 46 μmol / min,
The flow rate of TMIn gas is 59 μmol / min, the flow rate of NH 3 gas, that is, the supply amount of NH 3 is about 0.23 mol / mi.
It was set to n. In the present embodiment, the above-mentioned Al 0.5 In 0.01 Ga is used.
First layer 8a of 0.49 N and Al 0.05 In 0.35 Ga
The formation of the second layer 9a made of 0.6 N is repeated 10 times to form the first layer 8a made of Al 0.5 In 0.01 Ga 0.49 N and the layer A
l 0.0 5 In 0.35 Ga 0.6 and a second layer 9a made of N to form a buffer layer 2 which is 20 layers alternately stacked. Of course A
Al 0.5 In 0.01 Ga 0.49 N first layer 8a, Al 0
The second layers 9a made of .05 In 0.35 Ga 0.6 N can be changed to any number such as 50 layers.

【0037】図5の第3の実施形態のバッファ層2aは
図1の第1の実施形態と同一の効果を有し、更に、バッ
ファ層2aにインジウムが含まれているので、バッファ
層2aにインジウムを含めない場合よりもバッファ層2
aの熱膨張係数をシリコン基板1に近似させることがで
きるという効果を有する。
The buffer layer 2a of the third embodiment shown in FIG. 5 has the same effect as that of the first embodiment shown in FIG. 1, and since the buffer layer 2a contains indium, the buffer layer 2a has the same effect. Buffer layer 2 as compared to the case where indium is not included
It has an effect that the coefficient of thermal expansion of a can be approximated to that of the silicon substrate 1.

【0038】[0038]

【第4の実施形態】図6に示す第4の実施形態のバッフ
ァ層2bは、図1及び図4のバッファ層2を変形したも
のであり、第1及び第2の層8b、9bの交互積層体か
ら成る。第1の層8bは、 化学式 AlxyGa1-x-yN ここで、x、yは、0<x≦1、 0≦y<1、 x+y≦1 を満足する任意の数値、で示すことができる材料で形成
される。即ち、第1の層8bは、AlN(窒化アルミニ
ウム)、AlGaN(窒化ガリウム アルミニウム)、
AlBN(窒化ボロン アルミニウム)、及びAlBG
aN(窒化ガリウム ボロン アルミニウム)から選択
されたもので形成される。図6の実施形態では、前記式
のxが0.5、yが0とされた材料に相当するAl0.5
Ga0.5Nが第1の層8bに使用されている。第1の層
8bは、絶縁性を有する極薄い膜である。第1の層8b
の格子定数及び熱膨張係数は第2の層9bよりもシリコ
ン基板1に近い。
Fourth Embodiment A buffer layer 2b according to a fourth embodiment shown in FIG. 6 is a modification of the buffer layer 2 shown in FIGS. 1 and 4, in which first and second layers 8b and 9b are alternately arranged. It consists of a laminate. The first layer 8b is here formula Al x B y Ga 1-xy N, x, y are, 0 <x ≦ 1, 0 ≦ y <1, any numerical value satisfying x + y ≦ 1 be represented by, It is made of a material that can That is, the first layer 8b is formed of AlN (aluminum nitride), AlGaN (gallium aluminum nitride),
AlBN (Boron Nitride Aluminum) and AlBG
It is made of a material selected from aN (gallium boron aluminum nitride). In the embodiment of FIG. 6, Al 0.5 corresponding to a material in which x is 0.5 and y is 0 in the above formula.
Ga 0.5 N is used for the first layer 8b. The first layer 8b is an extremely thin film having an insulating property. First layer 8b
The lattice constant and the thermal expansion coefficient of are closer to those of the silicon substrate 1 than those of the second layer 9b.

【0039】第2の層9bは、 化学式 AlabGa1-a-bN ここで、a、bは、0≦a<1、 0≦b<1、 a+b≦1 を満足する任意の数値、で示すことができる材料から成
る半導体の薄い膜である。即ち、第2の層9bはAl、
B及びGaから選択された少なくとも1つの元素とNと
を含む層であり、例えばGaN、BN、AlN、BGa
N、AlGaN、AlBN及びAlBGaNから選択さ
れたもので形成される。図6の実施形態では、前記式の
aが0、bが0.3とされた材料に相当するB0.3Ga
0.7Nが第2の層9bに使用されている。第2の層9b
の価電子帯と伝導帯との間のギャップ即ちバンドギャッ
プが第1の層8bのバンドギャップよりも大きい。
The second layer 9b has a chemical formula of Al a B b Ga 1 -ab N, where a and b are any numerical values satisfying 0 ≦ a <1, 0 ≦ b <1, a + b ≦ 1, It is a thin film of semiconductor made of a material that can be represented by. That is, the second layer 9b is made of Al,
A layer containing at least one element selected from B and Ga and N, for example, GaN, BN, AlN, BGa
It is formed of one selected from N, AlGaN, AlBN, and AlBGaN. In the embodiment of FIG. 6, B 0.3 Ga corresponding to a material in which a is 0 and b is 0.3 in the above formula
0.7 N is used for the second layer 9b. Second layer 9b
The gap between the valence band and the conduction band, that is, the band gap is larger than the band gap of the first layer 8b.

【0040】バッファ層2bは基板1の(111)ジャ
スト面を有する主面1a上に周知のMOCVD(Metal
Organic Chemical Vapor Deposition)即ち有機金
属化学気相成長法によってAl0.5Ga0.5Nから成る第
1の層8bとB0.3Ga0.7Nから成る第2の層9bとを
繰返して積層することによって形成する。即ち、シリコ
ン単結晶の基板1をMOCVD装置の反応室内に配置
し、まず、サーマルアニーリングを施して表面の酸化膜
を除去する。次に、反応室内にTMA(トリメチルアル
ミニウム)ガス、TMG(トリメチルガリウム)ガス、
NH3(アンモニア)ガスを約27秒間供給して、基板
11の一方の主面に厚さT1が約5nm即ち約50オン
グストロームのAl0.5Ga0.5Nから成る第1の層8b
を形成する。本実施例では基板1の加熱温度を1080
℃とした後に、TMAガスの流量即ちAlの供給量を約
31μmol/min、TMGガスの流量を31μmo
l/min、NH3ガスの流量即ちNH3の供給量を約
0.14mol/minとした。続いて、TMAガスの
供給を止め、基板1の加熱温度を1120℃まで下げ、
しかる後、TEB(トリエチルボロン)ガス、TMGガ
ス、及びNH3(アンモニア)ガスを約85秒間供給し
て、第1の層8bの上面に、厚さT2が30nm即ち3
00オングストロームのn形のB0.3Ga0.7Nから成る
第2の層9bを形成する。なお、同時にSiH4ガスを
供給して形成膜中に不純物としてのSiを導入すること
もできる。本実施例では、TEBガスの流量即ちボロン
の供給量を75μmol/min、TMGガスの流量即
ちガリウムの供給量を63μmol/min、NH3
スの流量即ちNH3の供給量を約0.14mol/mi
nとした。本実施例では、上述のAl0.5Ga0.5Nから
成る第1の層8bとB0.3Ga0.7Nから成る第2の層9
bの形成を50回繰り返してAl0.5Ga0.5Nから成る
第1の層8bとB0.3Ga0.7Nから成る第2の層9bと
が交互に合計で100層積層されたバッファ層2bを形
成する。勿論Al0.5Ga0.5Nから成る第1の層8b
と、B0.3Ga0.7Nから成る第2の層9bをそれぞれ2
5層等の任意の数に変えることもできる。
The buffer layer 2b is formed on the main surface 1a of the substrate 1 having the (111) just surface by the well-known MOCVD (Metal) method.
Organic Chemical Vapor Deposition), that is, a first layer 8b made of Al 0.5 Ga 0.5 N and a second layer 9b made of B 0.3 Ga 0.7 N are repeatedly laminated by an organic metal chemical vapor deposition method. That is, the silicon single crystal substrate 1 is placed in the reaction chamber of the MOCVD apparatus, and first, thermal annealing is performed to remove the oxide film on the surface. Next, in the reaction chamber, TMA (trimethylaluminum) gas, TMG (trimethylgallium) gas,
NH 3 (ammonia) gas is supplied for about 27 seconds, and the first layer 8b made of Al 0.5 Ga 0.5 N having a thickness T1 of about 5 nm, that is, about 50 angstroms is formed on one main surface of the substrate 11.
To form. In this embodiment, the heating temperature of the substrate 1 is 1080
After the temperature is set to ℃, the flow rate of TMA gas, that is, the supply amount of Al is about 31 μmol / min, and the flow rate of TMG gas is 31 μmo.
The flow rate of NH 3 gas, that is, the supply amount of NH 3 was set to about 0.14 mol / min. Then, the supply of TMA gas is stopped, the heating temperature of the substrate 1 is lowered to 1120 ° C.,
Then, TEB (triethylboron) gas, TMG gas, and NH 3 (ammonia) gas are supplied for about 85 seconds, and the thickness T 2 is 30 nm, that is, 3 on the upper surface of the first layer 8b.
A second layer 9b of n-type B 0.3 Ga 0.7 N of 00 Å is formed. At the same time, SiH 4 gas may be supplied to introduce Si as an impurity into the formed film. In this embodiment, the flow rate of TEB gas, that is, the supply amount of boron is 75 μmol / min, the flow rate of TMG gas, that is, the supply amount of gallium is 63 μmol / min, and the flow rate of NH 3 gas, that is, the supply amount of NH 3 is about 0.14 mol / min. mi
It was set to n. In this embodiment, the first layer 8b made of Al 0.5 Ga 0.5 N and the second layer 9 made of B 0.3 Ga 0.7 N described above are used.
The formation of b is repeated 50 times to form a buffer layer 2b in which a first layer 8b made of Al 0.5 Ga 0.5 N and a second layer 9b made of B 0.3 Ga 0.7 N are alternately laminated in a total of 100 layers. . Of course, the first layer 8b made of Al 0.5 Ga 0.5 N
And a second layer 9b made of B 0.3 Ga 0.7 N, respectively.
It can be changed to an arbitrary number such as 5 layers.

【0041】図6のバッファ層2bは図1のバッファ層
2と同様な効果を有し、更に、第2の層9bにボロンが
含まれているので、第2の層9bがボロンを含まない場
合に比べて堅牢になり、クラックの発生を防いで第2の
層9bを比較的厚く形成することができるという効果を
有する。
The buffer layer 2b of FIG. 6 has the same effect as the buffer layer 2 of FIG. 1, and further, since the second layer 9b contains boron, the second layer 9b does not contain boron. As compared with the case, it is more robust, and has an effect that the second layer 9b can be formed relatively thick while preventing the occurrence of cracks.

【0042】[0042]

【変形例】本発明は上述の実施形態に限定されるもので
なく、例えば次の変形が可能なものである。 (1) 基板11を単結晶シリコン以外の多結晶シリコ
ン又はSiC等のシリコン化合物とすることができる。 (2) 半導体領域3、3aの各層の導電形を実施例と
逆にすることができる。 (3) 半導体領域3、3aの各層を、GaN(窒化ガ
リウム)、AlInN(窒化インジウム アルミニウ
ム)、AlGaN(窒化ガリウム アルミニウム)、I
nGaN(窒化ガリウム インジウム)、及びAlIn
GaN(窒化ガリウム インジウム アルミニウム)か
ら選択された窒化ガリウム系化合物半導体又は窒化イン
ジウム系化合物半導体とすることができる。 (4) 図1のHEMTにおいて、活性層即ち電子走行
層10とバッファ層2との間に電子供給層12と同様な
電子供給層を設けることができる。 (5) HEMT及びMESFETの代りに絶縁ゲート
型電量効果トランジスタを設けることができる。 (6) バッファ層2、2a、2bの第1の層8、8
a、8bの数を第2の層9、9a、9bよりも1層多く
してバッファ層2、2a、2bの最上層を第1の層8、
8a、8bとすることができる。また、逆に第2の層
9、9a、9bの数を第1の層8、8a、8bの数より
も1層多くすることもできる。 (7) 第1の層8、8a、8b及び第2の層9、9
a、9bは、これらの機能を阻害しない範囲で不純物を
含むものであってもよい。
[Modification] The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the following modifications are possible. (1) The substrate 11 can be made of polycrystalline silicon other than single crystal silicon or a silicon compound such as SiC. (2) The conductivity type of each layer of the semiconductor regions 3 and 3a can be reversed from that of the embodiment. (3) GaN (gallium nitride), AlInN (indium aluminum nitride), AlGaN (gallium aluminum nitride), I
nGaN (Indium gallium nitride), and AlIn
A gallium nitride-based compound semiconductor or an indium nitride-based compound semiconductor selected from GaN (gallium nitride indium aluminum) can be used. (4) In the HEMT of FIG. 1, an electron supply layer similar to the electron supply layer 12 can be provided between the active layer, that is, the electron transit layer 10 and the buffer layer 2. (5) An insulated gate coulombic effect transistor can be provided instead of the HEMT and MESFET. (6) First layers 8, 8 of the buffer layers 2, 2a, 2b
The number of a and 8b is one more than that of the second layers 9, 9a and 9b, and the uppermost layer of the buffer layers 2, 2a and 2b is the first layer 8,
8a, 8b. On the contrary, the number of the second layers 9, 9a and 9b can be increased by one layer more than the number of the first layers 8, 8a and 8b. (7) First layers 8, 8a, 8b and second layers 9, 9
a and 9b may contain impurities as long as they do not hinder these functions.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施形態に従うのHEMTを概
略的示す中央縦断面図である。
FIG. 1 is a central longitudinal sectional view schematically showing a HEMT according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1のHEMTの平面図である。FIG. 2 is a plan view of the HEMT shown in FIG.

【図3】図1のHEMTの構造を製造工程順に拡大して
示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the HEMT of FIG. 1 in an enlarged manner in the order of manufacturing steps.

【図4】第2の実施形態のMESFETを示す断面図で
ある。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a MESFET of the second embodiment.

【図5】第3の実施形態の基板とバッファ層の一部を示
す断面図である。
FIG. 5 is a sectional view showing a part of a substrate and a buffer layer according to a third embodiment.

【図6】第4の実施形態の基板とバッファ層の一部を示
す断面図である。
FIG. 6 is a sectional view showing a part of a substrate and a buffer layer according to a fourth embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン単結晶から成る基板 2、2a、2b バッファ層 8、8a、8b 第1の層 9、9a、9b 第2の層 3、3a 半導体領域 1 Substrate made of silicon single crystal 2, 2a, 2b buffer layer 8, 8a, 8b First layer 9, 9a, 9b Second layer 3, 3a Semiconductor region

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F045 AA04 AB14 AB17 AC01 AC08 AC12 AD12 AD14 AD15 AF03 BB08 BB12 BB16 CA06 CA07 DA53 DA54 5F102 GB01 GC01 GD01 GD10 GJ03 GJ10 GK04 GK08 GK09 GL04 GL08 GL09 GM04 GM06 GM08 GM09 GM10 GQ01 GR01 GT02 GT03 GV07 HC02 HC21 5F140 AA24 AA34 AB08 BA06 BA20   ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F-term (reference) 5F045 AA04 AB14 AB17 AC01 AC08                       AC12 AD12 AD14 AD15 AF03                       BB08 BB12 BB16 CA06 CA07                       DA53 DA54                 5F102 GB01 GC01 GD01 GD10 GJ03                       GJ10 GK04 GK08 GK09 GL04                       GL08 GL09 GM04 GM06 GM08                       GM09 GM10 GQ01 GR01 GT02                       GT03 GV07 HC02 HC21                 5F140 AA24 AA34 AB08 BA06 BA20

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒化物系化合物半導体を有する半導体装
置であって、 シリコン又はシリコン化合物から成る基板と、 前記基板の一方の主面上に配置されバッファ層と、 前記バッファ層の上に配置された少なくとも1つの窒化
物系化合物半導体層を含んでいる半導体素子用半導体領
域と、前記半導体素子用半導体領域の表面上に配置され
た第1の主電極、第2の主電極及び制御電極とを備え、 前記バッファ層は、 化学式 AlxyGa1-x-yN ここで、前記Mは、In(インジウム)とB(ボロン)
とから選択された少なくとも1種の元素、 を満足する数値、で示される材料から成る第1の層と、 化学式 AlabGa1-a-bN ここで、前記MはIn(インジウム)とB(ボロン)と
から選択された少なくとも1種の元素、 を満足させる数値、で示される材料から成る第2の層と
の複合層とから成ることを特徴とする半導体装置。
1. A semiconductor device having a nitride-based compound semiconductor, comprising: a substrate made of silicon or a silicon compound; a buffer layer disposed on one main surface of the substrate; and a buffer layer disposed on the buffer layer. A semiconductor region for a semiconductor device including at least one nitride compound semiconductor layer, and a first main electrode, a second main electrode and a control electrode arranged on the surface of the semiconductor region for a semiconductor device. wherein the buffer layer is herein formula Al x M y Ga 1-xy N, wherein M is an in (indium) B (boron)
At least one element selected from, And a chemical formula of Al a M b Ga 1 -ab N, wherein M is at least one selected from In (indium) and B (boron). Elements of And a second layer made of a material represented by a numerical value that satisfies
【請求項2】 前記第1の層はAlxGa1-xNから成
り、前記第2の層は、AlaGa1-aNから成ることを特
徴とする請求項1記載の半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first layer is made of Al x Ga 1-x N, and the second layer is made of Al a Ga 1-a N.
【請求項3】 前記第1の層はAlxInyGa1-x-y
から成り、前記第2の層は、AlaInbGa1-a-bNか
ら成り、前記第1及び第2の層の少なくとも一方にIn
(インジウム)が含まれていることを特徴とする請求項
1記載の半導体装置。
3. The first layer is Al x In y Ga 1-xy N
The second layer is made of Al a In b Ga 1 -ab N, and In is contained in at least one of the first and second layers.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device contains (indium).
【請求項4】 前記第1の層は、AlxyGa1-x-y
から成り、前記第2の層は、AlabGa1-a-bNから
成り、前記第1及び第2の層の少なくとも一方にB(ボ
ロン)が含まれていることを特徴とする請求項1記載の
半導体装置。
Wherein said first layer, Al x B y Ga 1- xy N
The second layer is made of Al a B b Ga 1 -ab N and at least one of the first and second layers contains B (boron). 1. The semiconductor device according to 1.
【請求項5】 前記バッファ層は、複数の前記第1及び
第2の層から成り、前記第1の層と前記第2の層とが交
互に積層されていることを特徴とする請求項1又は2又
は3又は4記載の半導体装置。
5. The buffer layer comprises a plurality of the first and second layers, and the first layers and the second layers are alternately laminated. Alternatively, the semiconductor device according to 2 or 3 or 4.
【請求項6】 前記バッファ層における前記第1の層の
厚みが0.5nm〜50nm及び前記第2の層の厚みが
0.5nm〜200nmであることを特徴とする請求項
1又は2又は3記載の半導体装置。
6. The buffer layer according to claim 1, wherein the first layer has a thickness of 0.5 nm to 50 nm, and the second layer has a thickness of 0.5 nm to 200 nm. The semiconductor device described.
【請求項7】 前記基板の前記バッファ層が配置されて
いる側の主面は、ミラー指数で示す結晶の面方位におい
て(111)ジャスト面又は(111)面から−4度か
ら+4度の範囲で傾いている面であることを特徴とする
請求項1記載の半導体装置。
7. The main surface of the substrate on the side where the buffer layer is arranged is in the (111) just plane or in the range of −4 degrees to +4 degrees from the (111) plane in the crystal plane orientation indicated by the Miller index. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a surface inclined at.
【請求項8】 前記窒化物系化合物半導体層は、GaN
(窒化ガリウム)層、AlInN(窒化インジウム ア
ルミニウム)層、AlGaN(窒化ガリウムアルミニウ
ム)層、InGaN(窒化ガリウム インジウム)層、
及びAlInGaN(窒化ガリウム インジウム アル
ミニウム)層から選択されたものであることを特徴とす
る請求項1記載の半導体装置。
8. The nitride-based compound semiconductor layer is GaN
(Gallium nitride) layer, AlInN (indium aluminum nitride) layer, AlGaN (gallium aluminum nitride) layer, InGaN (gallium indium nitride) layer,
2. The semiconductor device according to claim 1, which is selected from an AlInGaN (gallium indium aluminum nitride) layer.
【請求項9】 前記半導体領域は、電界効果トランジス
タを形成するための複数の半導体層から成り、前記第1
の主電極はソース電極であり、前記第2の主電極はドレ
イン電極であり、前記制御電極はゲート電極であること
を特徴とする請求項1記載の半導体装置。
9. The semiconductor region comprises a plurality of semiconductor layers for forming a field effect transistor,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the main electrode is a source electrode, the second main electrode is a drain electrode, and the control electrode is a gate electrode.
【請求項10】 前記半導体領域は、高電子移動度トラ
ンジスタ(HEMT)を形成するための複数の半導体層
から成ることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
10. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor region is composed of a plurality of semiconductor layers for forming a high electron mobility transistor (HEMT).
【請求項11】 前記半導体領域は、メタル・セミコン
ダクタ電界効果トランジスタ(MESFET)を形成す
るための複数の半導体層から成ることを特徴とする請求
項1記載の半導体装置。
11. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor region comprises a plurality of semiconductor layers for forming a metal semiconductor field effect transistor (MESFET).
【請求項12】 窒化物系化合物半導体を有する半導体
装置の製造方法であって、シリコン又はシリコン化合物
から成る基板を用意する工程と、前記基板の上に、気相
成長法によって、 化学式 AlxyGa1-x-yN ここで、前記Mは、In(インジウム)とB(ボロン)
とから選択された少なくとも1種の元素、 を満足する数値、で示される材料から成る第1の層と、 化学式 AlabGa1-a-bN, ここで、前記MはIn(インジウム)とB(ボロン)と
から選択された少なくとも1種の元素、 を満足させる数値、で示される材料から成る第2の層と
を順次に形成してバッファ層を得る工程と、前記バッフ
ァ層の上に、少なくとも1つの窒化物系化合物半導体層
から成る半導体素子用半導体領域を気相成長法によって
形成する工程と、前記半導体素子用半導体領域の表面上
に第1及び第2の主電極と制御電極とを形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
12. A method of manufacturing a semiconductor device having a nitride-based compound semiconductor, comprising: preparing a substrate made of silicon or a silicon compound; and forming a chemical formula Al x M on the substrate by vapor phase epitaxy. y Ga 1-xy N where M is In (indium) and B (boron)
At least one element selected from And a chemical formula of Al a M b Ga 1 -ab N, wherein M is at least 1 selected from In (indium) and B (boron). Seed element, A step of sequentially forming a second layer made of a material represented by the following formula to obtain a buffer layer, and a semiconductor device comprising at least one nitride-based compound semiconductor layer on the buffer layer. A semiconductor device comprising: a step of forming a semiconductor region by a vapor deposition method; and a step of forming first and second main electrodes and a control electrode on the surface of the semiconductor region for a semiconductor element. Production method.
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