JP2006114802A - Iii−v族半導体層に上部層が積層されている構造体とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 GaN層24の表面に酸化シリコンからなるSiO2層26が積層されている構造体を製造する方法であり、GaN層24の表面を非プラズマ状態のアンモニアを含むガスに曝す曝露工程と、そのアンモニアガスに曝露されたGaN層24の表面にSiO2層26を積層する積層工程を備えていることを特徴としている。
【選択図】 図1
Description
例えば、半導体装置を製造する場合、GaN層の表面に酸化シリコン層(SiO2)からなる絶縁層を形成し、その絶縁層の表面にMOSFETのためのゲート電極を形成したい場合がある。ところが、GaN層と絶縁層の間に自然酸化膜が存在していると、GaN層と絶縁層との界面における界面電荷密度や界面準位密度等が大きくなってしまう。このためにGaN層と絶縁層の界面を移動するキャリアの移動度が低下するという問題が生じる。あるいは、半導体装置を製造する場合、GaN層の表面に不純物を含有するポリシリコン層からなる電極を形成したいことがある。ところが、GaN層と電極の間に自然酸化膜が存在していると、オーミック性が低下してしまう。このため、オーミック性に優れた半導体装置を得ることが困難となる。
特許文献1は、プラズマ状態のアンモニアガスを用いて、GaN層の表面をエッチングする技術を開示している。特許文献1の技術では、アンモニアガスを用いてプラズマエッチングすることによって、GaN層の表面に形成されている自然酸化膜を除去する。
本発明は、III-V族半導体層の表面を荒らさないで、表面に形成されている自然酸化膜を除去する技術に関する。この技術を用いると、従来の技術では製造することができなかったIII-V族半導体層を含む構造体を実現することが可能となる。
ところが本発明者らは、非プラズマ状態にあるアンモニアを含むガスにIII-V族半導体層の表面を曝すことによって、III-V族半導体層の表面に形成されている自然酸化膜を除去できることを見出した。しかもこの方法によると、III-V族半導体層の表面の荒れを抑制できることも見出した。本発明は、従来常識から逸脱した現象を見出したことによって創作された。
本発明は、III-V族半導体層の表面に上部層が積層されている構造体を製造する方法に関する。この方法は、上部層積層前のIII-V族半導体層の表面を非プラズマ状態のアンモニアを含むガスに曝す曝露工程と、前記ガスに曝露されたIII-V族半導体層の表面に上部層を積層する積層工程とを備えている。
曝露工程では、非プラズマ状態のアンモニアのみを単独で用いることが好ましいが、アンモニアの還元作用が無くならない限り、他の種類のガスが混在していてもよい。上部層には様々な材料を用いることができる。典型的には半導体、絶縁体、あるいは金属等を用いることができる。III-V族半導体層の裏面には、他の材料からなる基板等が形成されていてもよい。
上記の製造方法によると、III-V族半導体層の表面を非プラズマ状態のアンモニアを含むガスに曝すことによって、その表面に形成されている自然酸化膜を除去することができる。この際にIII-V族半導体層の表面が荒れることが抑制される。清浄で平坦なIII-V族半導体層の表面に上部層を積層形成することができる。
800℃以上で曝露工程を実施すると、自然酸化膜を除去するのに要する時間をおよそ1時間以内に短縮することができる。曝露工程に要する時間を短くすることができる。
GaN系半導体層である場合、800℃以上で1000℃以下の温度で曝露工程を実施することが好ましい。この範囲であると、量産に適用可能な時間内に、表面を荒らすことなく、また表面から窒素を解離させることなく、GaN系半導体層の表面から自然酸化膜を除去することができる。
アニール処理を実施することによって、アモルファス状態のシリコンは多結晶状態に変化し、導電性を得る。このときに、上部のシリコン層からIII-V族半導体層内に向けてシリコン原子が拡散するという現象が生じる。これにより、多結晶シリコン層に接するIII-V族半導体層にシリコンが高濃度に拡散した領域が形成される。III-V族半導体層と多結晶シリコン層からなる電極のオーミック特性が改善される。
上部に酸化シリコン層を積層する場合には、CVD(Chemical Vapor Deposition)装置のチャンバー内に上部層積層前のIII-V族半導体層を収容する工程と、そのチャンバー内において上部層積層前のIII-V族半導体層の表面を非プラズマ状態のアンモニアを含むガスに曝す工程と、その後にそのチャンバー内においてCVD法を実施して前記ガスに曝されたIII-V族半導体層の表面に酸化シリコン層を積層する工程を備えている製造方法を採用することができる。
上記の製造方法によると、CVD装置のチャンバー内において、曝露工程と上部層の積層工程を連続して実施することができる。したがって、曝露工程で自然酸化膜を除去したIII-V族半導体層を酸素に曝さないうちに、酸化シリコン層を積層することができる。
一般的に、III-V族半導体層に不純物が拡散されている領域を製造する場合には、イオン注入法によってIII-V族半導体層内にイオンを注入し、その後に活性化をする。しかしながら、活性化させようとしても、III-V族半導体層内に注入されたイオンは非常に高温でなければ活性化しないことが知られている。このために、III-V族半導体層の場合には、不純物が高濃度に拡散している領域を形成することが不可能であった。
本発明の製造方法を利用すると、アモルファスシリコン層からIII-V族半導体層内に向けてシリコン原子を拡散させることができ、n型不純物が高濃度に拡散した領域を形成することができる。すなわち、n型不純物高濃度拡散領域を備えているIII-V族半導体層を得るができる。上記のIII-V族半導体層を含む構造体は、本発明によって始めて製造可能となったものである。
(形態1) 上部層は絶縁層である。
(形態2) 形態1の絶縁層は、CVD法によって形成可能であるのが好ましい。
(形態3) 絶縁層には、例えば酸化シリコン層(SiO2)を好適に利用することができる。
(形態4) 上部層は導電層である。
(形態5) 形態5の導電層は、CVD法によって形成可能であるのが好ましい。
(形態6) 導電層には、例えばポリシリコン層(Poly−Si)を好適に利用することができる。
第1実施例では、GaN層の表面に酸化シリコン層(SiO2)からなる上部層を形成する例を説明する。図1に、製造手順のうちの主要な手順を示す。図2に、製造する構造体の要部断面図を模式的に示す。
まず、サファイア基板22上に不純物濃度が約3×1017cm−3のn型のGaN層24が形成されている半導体層を用意する。この段階では、GaN層24の表面に、他の工程で使用した有機物が残留している汚染や、ごみ、ちり等が付着している粒子状の汚染や、金属等の無機物の汚染が存在している。さらに、GaN層24の表面には、酸化ガリウム(典型的にはGa2O3である)からなる自然酸化膜が形成されている。
まず、図1に示すように、これら汚染物質を取り除くために洗浄工程を実施する。第1に、GaN層24の表面に対して、キャロス洗浄処理を約10分間実施する。キャロス洗浄処理では、硫酸(H2SO4)と過酸化水素水(H2O2)が4:1の組成比の薬品を使用する。キャロス洗浄処理では、硫酸と過酸化水素水の強力な酸化力によって、残留している有機物汚染等を除去することができる。
次に、GaN層24の表面に対して、SC−1洗浄処理を約10分間実施する。SC−1洗浄処理では、水酸化アンモニウム(NH4OH)と過酸化水素水と水(H2O)が1:1:5と組成比の薬品を使用する。SC−1洗浄処理では、付着している粒子状汚染等を除去することができる。
次に、GaN層24の表面に対して、SC−2洗浄処理を約10分間実施する。SC−2洗浄処理では、塩酸(HCl)と過酸化水素水と水が1:1:5の組成比の薬品を使用する。SC−2洗浄処理では、金属等の無機物汚染等を除去することができる。
次に、DHF洗浄処理を約20分間実施する。DHF洗浄処理では、フッ酸(HF)の濃度が約1%の水溶液を使用する。DHF洗浄処理では、前記各洗浄処理で形成された化学的な酸化膜を除去することができる。
次に、純水を用いて、前記各洗浄処理において使用した薬品等の残留物を洗い流す。
まず、チャンバー内を約30分間真空引きして略真空状態にする。
次に、チャンバー内の圧力が約50Paの状態に維持して、チャンバー内にアンモニアガス(NH3)を500sccmの流量で約20分間供給する。アンモニアガスはプラズマ化されていない。これにより、GaN層24の表面は、非プラズマ状態のアンモニアガスに曝されることになる。本明細書では、この処理を曝露工程という。このときのチャンバー内の雰囲気温度は約830℃である。この温度は、GaN層24の表面の温度と略一致する。後述の特性評価において詳細するように、このアンモニアガスによる曝露工程によって、GaN層24の表面に形成されている酸化ガリウム(自然酸化膜)が除去される。
次に、チャンバー内を約2分間真空引きして、略真空状態にする。
次に、チャンバー内の圧力が約45Paの状態に維持して、チャンバー内に一酸化窒素ガス(N2O)を約800sccmの流量で約3分間供給する。
次に、チャンバー内の圧力が約50Paの状態を維持して、チャンバー内にシランガス(SiH4)が約25sccmの流量であり、且つ一酸化窒素ガス(N2O)が約800sccmの流量である状態で供給する。これによって、SiO2層26(High Temperature Oxide:高温酸化シリコン層:HTO)を堆積する。このときのチャンバー内の雰囲気温度は約830℃であり、SiO2(HTO)層26の成膜速度は1.59nm/minである。
次に、チャンバー内の圧力が約50Paの状態を維持して、チャンバー内に一酸化窒素ガス(N2O)を約800sccmの流量で約2分間供給する。
次に、チャンバー内を約30分間真空引きして、略真空状態にする。
次に、チャンバーを開放して、SiO2(HTO)成膜工程を終了する。
次に、メタルマスクの矩形状のパターンに沿って、SiO2(HTO)層26上に面積が2.2×10−3cm2のアルミニウム(Al)からなる第1電極32を50nmの厚みで形成する。
次に、SiO2(HTO)層26の一部を剥離して、インジウム(In)からなる第2電極34を形成する。
これらの工程を経て、図2に示す構造体を得ることができる。
図3(b)に示すように、曝露工程を実施しなかった場合は、理論カーブに対して大きな正のフラットバンドシフトが生じており、そのフラットバンドシフト電圧(Vfb)は約11.7Vであった。このフラットバンドシフト電圧から界面電荷密度(Qss)を計算すると、その値は約3.4×1012cm−2である。この界面電荷密度の大きさは、例えば半導体装置のMOS構造に利用しようとした場合、ゲート絶縁膜として利用するには大きすぎる値である。一方、図3(a)に示すように、曝露工程を実施している場合は、理論カーブに近い結果が得られており、正のフラットバンドシフトは極めて小さい。フラットバンドシフト電圧(Vfb)は約1.6Vであった。このフラットバンドシフト電圧から界面電荷密度(Qss)を計算すると、その値は約1.6×1011cm−2である。この界面電荷密度の大きさは、例えば半導体装置のMOS構造に利用しようとした場合、ゲート絶縁膜として利用することが可能な値である。
図中14の比較対象の構造体では、界面準位密度分布が約0.7eVでピークを示し、その最大値は約1.9×1012cm−2eV−1であった。この界面準位密度の大きさは、例えば半導体装置のMOS構造に利用しようとした場合、ゲート絶縁膜として利用するには大きすぎる値である。一方、図中12の本実施例の構造体では、界面準位密度分布が約0.3eVと約0.7eVでピークを示し、その最大値はいずれも1.8×1011cm−2eV−1であった。この界面準位密度の大きさは、例えば半導体装置のMOS構造に利用しようとした場合、ゲート絶縁膜として利用することが可能な値である。
この結果から、GaN層24の表面にSiO2(HTO)層26を形成するのに先立って、アンモニアガスを用いる曝露工程を実施することによって、GaN層24とSiO2(HTO)層26の界面の界面電荷密度や界面準位密度を小さくできることが判明した。これにより。例えばGaN層24をチャネル層とし、SiO2(HTO)層26をゲート絶縁膜とし、第1電極32をゲート電極とするMOS構造を備える半導体装置を形成した場合、チャネル層とゲート絶縁膜の界面特性が優れていることから、チャネル抵抗の小さい半導体装置を得ることができることが判明する。
第2実施例では、GaN層の表面にポリシリコン層からなる上部層を形成する例を説明する。図5に、製造手順のうち主要な手順を示す。図6に、製造する構造体の要部断面図を模式的に示す。
まず、サファイア基板122上に不純物濃度が3×10−17cm−3のn型のGaN層124が形成されている半導体層を用意する。次に洗浄工程を実施する。図5に示すように、洗浄工程は第1実施例のそれと同一なので、ここでは説明を省略する。
洗浄工程が終了すると、次に電極形成工程へと移る。洗浄工程を経たサファイア層122とGaN層124の半導体層を、CVD(Chemical Vapor Deposition)処理装置のチャンバー内に収容する。
まず、チャンバー内を約30分間真空引きして、略真空状態にする。
次に、チャンバー内の圧力が約50Paの状態を維持して、チャンバー内にアンモニアガス(NH3)を約500sccmの流量で約20分間供給する。これにより、GaN層124の表面は非プラズマ状態のアンモニアガスに曝される。本明細書では、この処理を曝露工程という。このときのチャンバー内の雰囲気温度は約830℃である。この温度は、GaN層124の表面の温度と略一致する。後述の特性評価において詳細するように、このアンモニアガスによる曝露工程によって、GaN層124の表面に形成されている酸化ガリウムの自然酸化膜が除去される。
次に、チャンバー内を約2分間真空引きして、略真空状態にする。
次に、チャンバー内の圧力が約6Paの状態を維持して、チャンバー内にジシランガス(Si2H6)が約300sccmの流量であり、且つホスフィンガス(PH3)を約250sccmの流量である状態で供給する。これにより、不純物が含有するアモルファス状態のシリコン層132(Doped Amorphous Si)が堆積する。このときのチャンバー内の雰囲気温度は530℃である。
次に、チャンバー内を約2分間真空引きして、略真空状態にする。
次に、約830℃で約20分間アニール処理を実施する。このアニール処理を実施することによって、アモルファス状態のシリコン層132は多結晶状態に変化して、ポリシリコン層132(Doped Poly Si)となる。このアニール処理のときに、シリコン層132からGaN層124に向けて、シリコン原子が拡散するという現象が生じる。これにより、GaN層124とポリシリコン層132が接する領域のGaN層124の表面に、高濃度にシリコンが拡散したn型の不純物高濃度拡散半導体領域が形成される。したがって、GaN層124とポリシリコン層132の電気的な接触性が向上する。
次に、露出しているGaN層124の表面の一部に、インジウム(In)からなる電極134を形成する。
これらの工程を経て、図6に示す構造体を得ることができる。
図7に、ポリシリコン層132に印加する電圧の大きさと、そのときにポリシリコン層132と電極134間に流れる電流の大きさの関係を測定した結果を示す。図7(a)は、本実施例の構造体の結果であり、図7(b)が比較対象の構造体の結果である。
図7(b)に示すように、比較対象の構造体では、ポリシリコン層132に印加する電圧と、流れる電流との間に直線性が見られない。非オーミックな関係であるといえる。これは、GaN層124とポリシリコン層132の間に自然酸化膜である酸化ガリウムが存在しているからだと考えられる。一方、図7(a)に示すように、本実施例の構造体では、ポリシリコン層132に印加する電圧と流れる電流との間に直線性の関係が見られる。オーミックな関係であるといえる。
図8(a)に示すように、曝露工程を実施した本実施例の構造体では、その表面のモホロジー(凹凸の形状のことをいう)が劣化しているのが分かる。これは、曝露工程を実施することによって、GaN層124の表面に形成されている酸化ガリウムが還元除去され、GaN−Si合金層が形成されたため考えられる。このモホロジーの劣化によって、ポリシリコン層132からGaN層124に向けて、シリコン原子が拡散するという現象が生じていると考えられる。これにより、GaN層124とポリシリコン層132が接するGaN層124の領域において、高濃度にシリコンが拡散したn型の不純物高濃度拡散半導体領域が形成される。したがって、GaN層124とポリシリコン層132のオーミック性が向上したのだと考えられる。
この結果から、GaN層124の表面にポリシリコン層132を形成するのに先立って、アンモニアガスを用いる曝露工程を実施することによって、GaN層124とポリシリコン層132のオーミック性を向上できることが判明した。これにより。例えばポリシリコン層132を電極とする半導体装置を形成した場合、オーミック性に優れた半導体装置を得ることができることが判明する。
図9から図16を用いて、MOSFETを製造する手順を説明する。
まず、図9に示すように、CVD処理装置のチャンバー内に、p型のGaN層252を収容する。なお、GaN層252をチャンバー内に収容するのに先立って、前記の実施例と同一条件の洗浄工程により、GaN層252の表面を洗浄し、汚染物質を取り除いておく。
次に、第2実施例と同一条件によるアンモニアガスを用いた曝露工程を実施して、GaN層252の表面の酸化ガリウムの自然酸化膜を除去する。
次に、図10に示すように、GaN層252の表面に不純物を含有するアモルファスシリコン層254を堆積する。なお、このアモルファスシリコン層254を堆積する条件は、第2実施例のそれと同一である。
次に、図11に示すように、RIE(Reactive Ion Etching)法等を利用して、アモルファスシリコン層254の一部を除去することによって、アモルファスシリコン層254を分断する。なお、分断されたアモルファスシリコン層254は、後に一対の主電極となる(例えば、紙面左側のアモルファスシリコン層254がソース電極となり、紙面右側のアモルファスシリコン層254がドレイン電極となる)。
次に、図12に示すように、830℃で約20分間アニール処理を実施する。このアニール処理によって、アモルファスシリコン層254はポリシリコン層254に変化する。このときに、アモルファスシリコン層254からGaN層252内に向けて、シリコン原子が拡散するという現象が生じる。図12に示すように、GaN層252とポリシリコン層254が接するGaN層252側の領域に、高濃度にシリコンが拡散したn型不純物高濃度拡散半導体領域256が形成される。
次に、図13に示すように、第1実施例と同一条件によって、GaN層252とポリシリコン層254の表面に、SiO2層262を堆積する。
次に、図14に示すように、不純物を含有するポリシリコンからなるゲート電極264をSiO2層262上に成膜した後に、一対の主電極254上に位置するSiO2層262及びゲート電極264を、RIE法を利用して除去する。
次に、図15に示すように、酸化シリコンからなる絶縁層266を成膜した後に、その絶縁層266の表面から紙面左右の一対の主電極254と紙面中央のゲート電極264まで到達するコンタクトホール266a、266b、266cを形成する。
次に、図16に示すように、このコンタクトホール266、266b、266cを充填するアルミニウムからなるコンタクト電極272、273、274を形成する。形成されるコンタクト電極272、273、274のそれぞれは絶縁分離されており、紙面左側のコンタクト電極272は紙面左側の主電極254に接続され、紙面中央のコンタクト電極273は紙面中央のゲート電極264に接続され、紙面右側のコンタクト電極274は紙面右側の主電極254に接続される。
これらの工程を経て、MOSFETを得ることができる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
24、124:GaN層
26:SiO2層
32:第1電極
34:第2電極
132:ポリシリコン層
134:電極
Claims (9)
- III-V族半導体層の表面に上部層が積層されている構造体を製造する方法であり、
上部層積層前のIII-V族半導体層の表面を非プラズマ状態のアンモニアを含むガスに曝す曝露工程と、
前記ガスに曝露されたIII-V族半導体層の表面に上部層を積層する積層工程と、
を備えていることを特徴とする製造方法。 - 曝露工程を、800℃以上で行うことを特徴とする請求項1の製造方法。
- III-V族半導体層が、GaN系半導体層であることを特徴とする請求項1又は2の製造方法。
- 曝露工程を、1000℃以下で行うことを特徴とする請求項3の製造方法。
- 積層工程では、III-V族半導体層の表面に酸化シリコン層を積層することを特徴とする請求項1〜4のいずれかの製造方法。
- 積層工程では、III-V族半導体層の表面に不純物を含有するアモルファスシリコン層を積層し、
その後に、アニール処理する工程が付加されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかの製造方法。 - III-V族半導体層の表面に酸化シリコン層が積層されている構造体を製造する方法であり、
CVD装置のチャンバー内に、上部層積層前のIII-V族半導体層を収容する工程と、
前記チャンバー内において、上部層積層前のIII-V族半導体層の表面を非プラズマ状態のアンモニアを含むガスに曝す工程と、
その後に、前記チャンバー内において、CVD法によって、前記ガスに曝されたIII-V族半導体層の表面に酸化シリコン層を積層する工程と、
を備えていることを特徴とする製造方法。 - III-V族半導体層の表面に多結晶シリコン層が積層されている構造体を製造する方法であり、
CVD装置のチャンバー内に上部層積層前のIII-V族半導体層を収容する工程と、
前記チャンバー内において、上部層積層前のIII-V族半導体層の表面を非プラズマ状態のアンモニアを含むガスに曝す工程と、
CVD法によって、前記ガスに曝されたIII-V族半導体層の表面に不純物を含有するアモルファスシリコン層の上部層を積層する工程と、
その後に、アニール処理する工程と、
を備えていることを特徴とする製造方法。 - III-V族半導体層と、
そのIII-V族半導体層の表面に積層されているシリコンを含有する上部層を備え、
上部層と接するIII-V族半導体層の表面に、シリコンが高濃度で拡散しているn型の不純物高濃度拡散領域が形成されていることを特徴とする構造体。
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