JP2007149985A - 窒化物半導体装置、エピタキシャル基板および窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成する方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ショットキーバリアダイオード41では、窒化ガリウム系エピタキシャル層45は、導電性を有するIII族窒化物基板45上に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層45には、ドナードーパント元素が添加されている。窒化ガリウム系エピタキシャル層45は2×1016cm−3未満の炭素濃度を有している。窒化ガリウム系エピタキシャル層45は1×108cm−2未満の転位密度を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層45は、5×1016cm−3未満の電子キャリア濃度を有する。電子キャリア濃度は、窒化ガリウム系エピタキシャル層45に添加されるドナードーパントによって変更可能である。
【選択図】図3
Description
"Improvement ofDC Characteristics of AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors ThermallyAnnealed Ni/Pt/Au Schottky Gate" Japanese Journal of Applied Physics Vol.43,No.4B, 2004, pp.1925-1929 Irokawa et al. APPLIED PHYSICS LETTERSVol. 83 15 September 2003 pp2271-2273
図1(A)および図1(B)は、エピタキシャル基板の作製を示す図面である。図1(A)に示されるように、III族窒化物ウエハ1を有機金属気相成長炉3に配置する。III族窒化物ウエハ1の転位密度は1×108cm−2未満である。III族窒化物ウエハ1が窒化ガリウムウエハであれば、1×108cm−2未満の転位密度の窒化ガリウムウエハを入手でき、この窒化ガリウムウエハをIII族窒化物ウエハ1として使用できる。III族窒化物ウエハ1の表面1aはIII族窒化物領域を提供する。有機金属気相成長装置3に第1の成膜ガスG1を供給して、窒化ガリウム系エピタキシャル膜5をIII族窒化物ウエハ1に表面1a上に形成する。窒化ガリウム系エピタキシャル膜5は、引き続く成膜工程のために窒化ガリウム系半導体表面5aを提供する。窒化ガリウム系エピタキシャル膜5は、例えばN+型窒化ガリウムからなることができる。第1の成膜ガスG1は、V族原料、III族原料およびドーパントガスを含む。第1の成膜ガスG1としては、例えばアンモニア、トリメチルガリウム、水素およびシランを用いる。この工程により、III族窒化物基板7が提供される。窒化ガリウム系エピタキシャル膜5は、1×108cm−2未満の転位密度を有する。
(1)窒化ガリウム系エピタキシャル膜9を形成するための成長圧力P
成長圧力Pは、50torr以上であることができる。成長圧力が低くなると、炭素の取り込みが増えるが、50torr未満の圧力でC濃度を2×1016cm−3未満にすることが困難だからである。好ましくは、成長圧力Pは200torr以上である。なお、1torrは、133.322Pa(パスカル)であり、この換算によりSI単位系に変換される。
(2)窒化ガリウム系エピタキシャル膜1を形成するための成長温度T
成長温度Tは、摂氏1000度以上であることができる。成長温度が1010度を下回ると急激に炭素の取り込みが増えるため、1000度未満でC濃度を2×1016cm−3未満にすることが困難だからである。また、成長温度Tは1200度以下であることができる。1200度より高い成長温度ではGaNの成長が困難であるからである。好ましくは、成長温度Tは1050℃付近、例えば摂氏1030度以上1070度以下である。
(3)成膜ガスG2に関して(V族原料の供給量)/(III族原料の供給量)単に、「V/III」と記す)は200以上であることができる。V/IIIが200未満になると炭素の取り込みが増え、C濃度を2×1016cm−3未満にすることが困難だからである。また、V/IIIは10000以下であることができる。V/IIIが高いほど成長速度が遅くなるため、V/IIIが10000以上では実用に適さないからである。好ましくは、V/IIIは400以上である。また、V/IIIは4000未満であることが好ましい。
有機金属気相成長炉のサセプタ上にGaNウエハ、およびサファイア基板上に窒化ガリウム領域が形成されたテンプレート(以下、Sapテンプレートとして参照する)を準備する。Sapテンプレートの転位密度は1×108cm−2である。窒化ガリウム表面の加熱清浄を行う。この条件として、NH3流量16slm、H2流量4slm、圧力200torr、温度摂氏1000度、処理時間約5分を用いる。次いで、GaNウエハおよびGaNテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。この条件として、NH3流量5slm、H2流量15slm、圧力200torr、温度摂氏1050度、V/III=500を用いる。
有機金属気相成長炉のサセプタ上にGaNウエハおよびSapテンプレートを準備する。実験例1と同様に、窒化ガリウム表面の加熱清浄を行う。次いで、GaNウエハおよびGaNテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。この条件として、NH3流量10slm、H2流量10slm、圧力200torr、温度摂氏1050度、V/III=1000を用いる。ドーパントはシリコン(Si)であり、ドーパント濃度1×1017cm−3となるようにドーパントガスの流量が決定される。
有機金属気相成長炉のサセプタ上にGaNウエハおよびSapテンプレートを準備する。実験例1と同様に、窒化ガリウム表面の加熱清浄を行う。次いで、GaNウエハおよびGaNテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。この条件として、NH3流量10slm、H2流量10slm、圧力200torr、温度摂氏1050度、V/III=1500、成長速度1μm/hを用いる。ドーパントはシリコン(Si)であり、ドーパント濃度2×1016cm−3となるようにドーパントガスの流量が決定される。成長後に、SIMS法を用いてSi濃度を測定する。Si濃度は例えば2.1×1016cm−3である。また、C−V法を用いて、Nd−Naを見積もる。見積りの結果、窒化ガリウムウエハ上のn−型窒化ガリウム膜におけるNd−Naは2.08×1016cm−3であり、SapテンプレートにおけるNd−Naは測定不能である。この理由として、ドナーの補償が著しいためドナーが補償され、窒化ガリウム膜がほぼ完全に空乏化したためと考えられる(Nd−Naは、1×1015cm−3未満と考えられる)。
有機金属気相成長炉のサセプタ上にGaNウエハおよびSapテンプレートを準備する。実験例1と同様に、窒化ガリウム表面の加熱清浄を行う。次いで、GaNウエハおよびSapテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。この条件として、NH3流量2slm、H2流量18slm、圧力200torr、温度摂氏1050度、V/III=200を用いる。ドーパントはシリコン(Si)であり、ドーパント濃度2×1016cm−3となるようにドーパントガスの流量が決定される。成長後に、SIMS法を用いてSi濃度を測定する。Si濃度は例えば2.1×1016cm−3である。また、C−V法を用いて、Nd−Naを見積もっている。見積りの結果、窒化ガリウムウエハ上のn−型窒化ガリウム膜におけるNd−Naは測定不能であり、SapテンプレートにおけるNd−Naは測定不能である。この理由として、ドナーの補償が著しいためドナーが補償され、窒化ガリウム膜がほぼ完全に空乏化したためと考えられる(Nd−Naは、1×1015cm−3未満と考えられる)。
異なる貫通転位密度の3種類のSapテンプレートA、B、CとGaNウエハを準備する。SapテンプレートAの貫通転位密度は2×109cm−3であり、SapテンプレートBの貫通転位密度は5×108cm−3であり、SapテンプレートCの貫通転位密度は1×108cm−3である。GaNウエハの貫通転位密度は1×106cm−3である。SapテンプレートA、B、CとGaNウエハを有機金属気相成長炉のサセプタ上に置く。NH3流量15slm、H2流量5slm、圧力200torr、摂氏1000度の温度、約5分の処理時間という条件で、窒化ガリウム表面の加熱清浄を行う。次いで、GaNウエハおよびSapテンプレート上に窒化ガリウムを成長する。この条件(成長条件1として参照される)として、NH3流量10slm、H2流量10slm、TMGaの流量80sccm、SiH410ppmドーパントガス1sccm、圧力200torr、温度摂氏1050度を用いる。
成長条件1
SapテンプレートA:0.8×1017cm−3
SapテンプレートB:2.1×1017cm−3
SapテンプレートC:2.8×1017cm−3
GaNウエハ: 3.2×1017cm−3
である。
成長条件2
SapテンプレートA:測定不能
SapテンプレートB:測定不能
SapテンプレートC:2.5×1015cm−3
GaNウエハ: 2.9×1016cm−3
である。なお、SapテンプレートA,BでNd−Naの測定不能の原因は、ドナーの補償が著しいためドナーが補償され、窒化ガリウム膜がほぼ完全に空乏化したためと考えられる(Nd−Naは、1×1015cm−3未満と考えられる)。
リーク電流(逆方向電圧10ボルト):成膜条件1:成膜条件2
SapテンプレートC: 1×10−4A/cm2:4×10−5A/cm2
GaNウエハ: 2×10−8A/cm2:1×10−9A/cm2
耐圧(逆方向電流1mA/cm−2):成膜条件1:成膜条件2
SapテンプレートC: 160ボルト:240ボルト
GaNウエハ: 240ボルト:520ボルト
N値: 成膜条件1:成膜条件2
SapテンプレートC:1.16:1.24
GaNウエハ: 1.03:1.04
立ち上がり電圧(200A/cm−2):成膜条件1:成膜条件2
SapテンプレートC: 2.4ボルト:3.5ボルト
GaNウエハ: 1.3ボルト:1.5ボルト
直列抵抗: 成膜条件1:成膜条件2
SapテンプレートC:0.2mΩcm2:2.5mΩcm2
GaNウエハ: 0.1mΩcm2:1.0mΩcm2
である。キャリア補償を小さくすることが、デバイス特性を向上させるために重要である。
図2は、有機金属気相成長炉の一例を示す図面である。図2を参照しながら、有機金属気相成長装置11を説明する。有機金属気相成長装置11は、チャンバ21内に設けられた第1、第2および第3のフローチャネル23、25、27を含む。第1、第2および第3のフローチャネル23、25、27は、所定の軸に沿って配置されている。第1のフローチャネル23は、原料ガスを第2のフローチャネル25に導く。第1のフローチャネル23は、例えば、窒素ガスおよび水素ガスを流す第1のライン23a、III族有機金属ガスおよびキャリアガスを流す第2のライン23b、アンモニアおよびキャリアガスを流す第3のライン23cを含む。第2のフローチャネル25は、サセプタ15といったウエハ支持具を受け入れる開口25aと、第1のフローチャネル23からのガスを供給する供給口25bとを有している。供給口25bからの原料ガスは、この開口25aに位置するサセプタ15上を流れる。原料ガスの反応によりIII族窒化物膜がウエハW上に成長される。原料ガスの残余および反応生成ガスは、排出口25cを介して第3のフローチャネル27に排気される。サセプタ15の背面には、ウエハの温度を調整するためのヒータ29が設けられている。ヒータ29からの熱はサセプタ15を伝搬してウエハWに到達する。必要な場合には、有機金属気相成長装置11は、サセプタ15を回転するための回転駆動機構を備える。
有機金属気相成長炉は、石英製のサセプタおよび石英製のフローチャネルを有する。低温バッファ層を有するSapテンプレートをサセプタ上に置く。アンドープ窒化ガリウムの数回の成長を行って、窒化ガリウムエピタキシャル領域を形成する。この条件として、NH3流量8slm、H2流量12slm、圧力200torr、温度摂氏1050度、トリメチルガリウム(TMGa)480μmol/minを用いる。ドーパントガスは供給しない。SIMS法を用いて窒化ガリウムエピタキシャル領域を分析すると、シリコン濃度は2×1016cm−3〜7×1016cm−3である。石英およびソーダガラスといったシリコン酸化物からなるサセプタ、フローチャネルを用いるので、バックグランドのシリコン濃度は16乗のオーダーである。
図3は、窒化物半導体装置の一例を示す図面である。図3を参照すると、ショットキーバリアダイオード41に好適な構造が窒化物半導体装置の一例として示されている。ショットキーバリアダイオード41は、III族窒化物支持基体43と、窒化ガリウム系エピタキシャル層45とを備える。III族窒化物支持基体43は導電性を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層45は、III族窒化物基板上に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層45は、ドナードーパントが添加されており、5×1016cm−3未満の電子キャリア濃度を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層45は2×1016cm−3未満の炭素濃度を有している。窒化ガリウム系エピタキシャル層45は1×108cm−2未満の転位密度を有する。
III族窒化物支持基体43:n型GaN(酸素ドープ)
厚さ400μm、キャリア濃度5×1018cm−3
窒化ガリウム系エピタキシャル層45:n−GaN(シリコンドープ)
厚さ12μm、キャリア濃度2×1016cm−3
窒化ガリウム系エピタキシャル層47:n+GaN(シリコンドープ)
厚さ2μm、キャリア濃度2×1018cm−3
ショット電極49:Pt
オーミック電極49b:Ti/Al/Ti/Au
絶縁耐圧:960V
オン抵抗:2mΩcm−2
ダイオードのN値:1.05
である。
図4は、pn接合ダイオードを示す図面である。pn接合ダイオード51は、III族窒化物支持基体53と、窒化ガリウム系エピタキシャル層55とを備える。III族窒化物支持基体53は導電性を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層55は、III族窒化物基板上に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層55は、ドナードーパント原子が添加されており、5×1016cm−3未満の電子キャリア濃度を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層55は2×1016cm−3未満の炭素濃度を有している。窒化ガリウム系エピタキシャル層55は1×108cm−2未満の転位密度を有する。pn接合ダイオード51は、アクセプタ原子を含む窒化ガリウム系エピタキシャル層59を更に備える。窒化ガリウム系エピタキシャル層55および窒化ガリウム系エピタキシャル層59はpn接合60を形成する。
III族窒化物支持基体53:n型GaN(酸素ドープ)
厚さ400μm、キャリア濃度1×1018cm−3
窒化ガリウム系エピタキシャル層55:n−GaN(シリコンドープ)
厚さ12μm、キャリア濃度2×1016cm−3
窒化ガリウム系エピタキシャル層57:n+GaN(シリコンドープ)
厚さ2μm、キャリア濃度2×1018cm−3
窒化ガリウム系エピタキシャル層59:p型GaN(マグネシウムドープ)
厚さ1μm、マグネシウム濃度5×1017cm−3
窒化ガリウム系エピタキシャル層61:p+GaN(マグネシウムドープ)
厚さ0.1μm、マグネシウム濃度1×1020cm−3
絶縁耐圧:1280V
オン抵抗:3.2mΩcm2
ダイオードのN値:1.20
である。
図5は、pin接合ダイオードを示す図面である。pin接合ダイオード71は、III族窒化物支持基体73と、窒化ガリウム系エピタキシャル層75とを備える。III族窒化物支持基体73は導電性を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層75は、III族窒化物基板上に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層75は、ドナードーパント原子が添加されており、5×1016cm−3未満の電子キャリア濃度を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層75は2×1016cm−3未満の炭素濃度を有している。窒化ガリウム系エピタキシャル層75は1×108cm−2未満の転位密度を有する。pin接合ダイオード71は、アクセプタ原子を含む窒化ガリウム系エピタキシャル層79と、i型窒化ガリウム系エピタキシャル層81とを更に備える。窒化ガリウム系エピタキシャル層75、i型窒化ガリウム系エピタキシャル層81および窒化ガリウム系エピタキシャル層79はpin構造を形成する。
III族窒化物支持基体73:n型GaN(酸素ドープ)
厚さ400μm、キャリア濃度5×1018cm−3
窒化ガリウム系エピタキシャル層75:n−GaN(シリコンドープ)
厚さ12μm、キャリア濃度2×1016cm−3
窒化ガリウム系エピタキシャル層77:n+GaN(シリコンドープ)
厚さ2μm、キャリア濃度2×1018cm−3
窒化ガリウム系エピタキシャル層79:p型GaN(マグネシウムドープ)
厚さ1μm、マグネシウム濃度5×1017cm−3
窒化ガリウム系エピタキシャル層81:i型GaN(ドープ無し)
厚さ0.5μm、キャリア濃度2×1015cm−3
窒化ガリウム系エピタキシャル層83:p+GaN(マグネシウムドープ)
厚さ0.1μm、マグネシウム濃度1×1020cm−3
絶縁耐圧:1410V
オン抵抗:3.8mΩcm2
ダイオードのN値:1.23
である。
図6は、窒化物半導体装置の一例を示す図面である。図6を参照すると、縦型トランジスタ91に好適な構造が窒化物半導体装置の一例として示されている。縦型トランジスタ91は、III族窒化物支持基体93と、窒化ガリウム系エピタキシャル層95とを備える。III族窒化物支持基体93は導電性を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層95は、III族窒化物基板上に設けられている。窒化ガリウム系エピタキシャル層95は、ドナードーパント原子が添加されており、5×1016cm−3未満の電子キャリア濃度を有する。窒化ガリウム系エピタキシャル層95は2×1016cm−3未満の炭素濃度を有している。窒化ガリウム系エピタキシャル層95は1×108cm−2未満の転位密度を有する。縦型トランジスタ91は、n型窒化ガリウム系半導体領域99と、p型窒化ガリウム系半導体領域101とをさらに含む。p型窒化ガリウム系半導体領域101は、n型窒化ガリウム系半導体領域99を窒化ガリウム系エピタキシャル層95から隔てている。n型窒化ガリウム系半導体領域99は縦型トランジスタ91のソース領域として働き、窒化ガリウム系エピタキシャル層95は縦型トランジスタ91のウエル領域として働き、窒化ガリウム系エピタキシャル層95は縦型トランジスタ91のドリフト領域として働く。
III族窒化物支持基体93:n型GaN(酸素ドープ)
厚さ400μm、キャリア濃度5×1018cm−3
窒化ガリウム系エピタキシャル層95:n−GaN(シリコンドープ)
厚さ12μm、キャリア濃度2×1016cm−3
窒化ガリウム系エピタキシャル層97:n+GaN(シリコンドープ)
厚さ2μm、キャリア濃度2×1018cm−3
窒化ガリウム系半導体領域99:n+GaN(シリコンドープ)
厚さ0.1μm、キャリア濃度1×1020cm−3
窒化ガリウム系エピタキシャル層101:p型GaN(マグネシウムドープ)
厚さ1μm、マグネシウム濃度5×1017cm−3
ゲート電極103a:Pt
オーミック電極(ソース電極)103b:Ti/Al/Ti/Au
オーミック電極(ドレイン電極)103c:Ti/Al/Ti/Au
絶縁膜105:SiN
絶縁耐圧:1130V
オン抵抗:3.6mΩcm2
である。
Claims (16)
- III族窒化物支持基体と、
5×1016cm−3未満の電子キャリア濃度を有しており前記III族窒化物基板上に設けられた第1の窒化ガリウム系エピタキシャル層と
を備え、
前記第1の窒化ガリウム系エピタキシャル層にはドナードーパントが添加されており、
前記第1の窒化ガリウム系エピタキシャル層は2×1016cm−3未満の炭素濃度を有しており、
前記第1の窒化ガリウム系エピタキシャル層は1×108cm−2未満の転位密度を有する、ことを特徴とする窒化物半導体装置。 - 前記III族窒化物支持基体は窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項1に記載された窒化物半導体装置。
- 前記第1の窒化ガリウム系エピタキシャル層は窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載された窒化物半導体装置。
- 前記III族窒化物支持基体上に設けられた第2の窒化ガリウム系エピタキシャル層を更に備え、
前記第2の窒化ガリウム系エピタキシャル層のドーパント濃度は、前記第1の窒化ガリウム系エピタキシャル層のドーパント濃度より大きい、ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載された窒化物半導体装置。 - 前記第2の窒化ガリウム系エピタキシャル層は窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項4に記載された窒化物半導体装置。
- 前記第1の窒化ガリウム系エピタキシャル層は、前記ドナードーパントとして少なくともシリコンを含む、ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載された窒化物半導体装置。
- 前記第1の窒化ガリウム系エピタキシャル層のドナー濃度はNdであり、
前記第1の窒化ガリウム系エピタキシャル層のアクセプタの働きをする不純物および欠陥の濃度はNaであり、
前記第1の窒化ガリウム系エピタキシャル層において、NaがNdより小さいことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載された窒化物半導体装置。 - III族窒化物基板と、
5×1016cm−3未満の電子キャリア濃度を有しており前記III族窒化物基板上に設けられた第1の窒化ガリウム系エピタキシャル膜と
を備え、
前記第1の窒化ガリウム系エピタキシャル膜にはドナーが添加されており、
前記第1の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、2×1016cm−3未満の炭素濃度を有しており、
前記第1の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、1×108cm−2未満の転位密度を有する、ことを特徴とするエピタキシャル基板。 - 前記III族窒化物基板は窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項8に記載されたエピタキシャル基板。
- 前記第1の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項8または請求項9に記載されたエピタキシャル基板。
- 前記III族窒化物基板上に設けられた第2の窒化ガリウム系エピタキシャル膜を更に備え、
前記第2の窒化ガリウム系エピタキシャル膜のドーパント濃度は、前記第1の窒化ガリウム系エピタキシャル膜のドーパント濃度より大きい、ことを特徴とする請求項8〜請求項10のいずれか一項に記載されたエピタキシャル基板。 - 前記第2の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項11に記載されたエピタキシャル基板。
- 前記第1の窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、前記ドナーとして少なくともシリコンを含む、ことを特徴とする請求項8〜請求項12のいずれか一項に記載されたエピタキシャル基板。
- 前記第1の窒化ガリウム系エピタキシャル膜のドナー濃度はNdであり、
前記第1の窒化ガリウム系エピタキシャル膜のアクセプタの働きをする不純物および欠陥の濃度はNaであり、
前記第1の窒化ガリウム系エピタキシャル膜において、NaがNdより小さいことを特徴とする請求項8〜請求項13のいずれか一項に記載されたエピタキシャル基板。 - 窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成する方法であって、
有機金属気相成長炉に成膜ガスを供給して、2×1016cm−3未満の炭素濃度および5×1016cm−3未満の電子キャリア濃度を有する窒化ガリウム系エピタキシャル膜をIII族窒化物領域上に形成する工程を含み、
前記窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成するための成長圧力は、50torr以上であり、
前記窒化ガリウム系エピタキシャル膜を形成するための成長温度は、摂氏1000度以上1200度以下であり、
前記成膜ガスは、V族原料、III族原料およびドーパントガスを含み、
V族原料/III族原料の供給モル比は200以上10000以下であり、
前記窒化ガリウム系エピタキシャル膜は、1×108cm−2未満の転位密度を有する、ことを特徴とする方法。 - 前記有機金属気相成長装置は、前記III族窒化物領域を支持するためのサセプタと、前記窒化ガリウム系エピタキシャル膜を成長するための成膜ガス供給用の供給口を有しており前記供給口からのガス流を前記サセプタ上に導くためのガイド部材とを含み、
前記サセプタは、シリコンを実質的に含有しない材料でコートされており、
前記ガイド部材は、シリコンを実質的に含有しない材料でコートされている、ことを特徴とする請求項15に記載された方法。
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