JP2010021232A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子供給層について膜厚とＡｌ組成比率の最適化を図り、ノーマリオフとなる半導体装置を提供することである。
【解決手段】半導体装置１０は、基板１８上に電子走行層１７をエピタキシャル成長により形成し、さらに電子走行層１７上に電子供給層１５をエピタキシャル成長により形成する。電子走行層１７と電子供給層１５とはヘテロ接合構造とし、接合界面に二次元電子ガスチャネル１６を形成可能なＨＥＭＴとする。電子供給層１５上は絶縁膜１４で覆い、ソース電極１１，ゲート電極１２およびドレイン電極１３を設ける。電子供給層１５は、Ａｌ組成比率を１０〜１８[％]とし、膜厚を５〜１５[nm]として形成する。作製された半導体装置１０は、クラック等の発生が防止され、ノーマリオフになる。よって、この半導体装置１０はパワーデバイスとして利用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子供給層と電子走行層のヘテロ接合構造を有する半導体装置およびその製造方法に関する。

従来の半導体装置では、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）層におけるＡｌ（アルミニウム）の組成比率（以下では単に「Ａｌ組成比率」と呼ぶ。）をｘ％とし、ＡｌＧａＮ層の膜厚をｙnmとして、ｘとｙが式〔ｘ＋ｙ＜５５、２５≦ｘ≦４０、ｙ≧１０〕を満たし、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ（窒化ガリウム）層の接合界面に二次元電子ガスを形成するＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor；高電子移動度トランジスタ）とした技術の一例が開示されている（例えば特許文献１を参照）。この半導体装置によれば、ＡｌＧａＮ層の膜厚を臨界膜厚より薄くしてクラックの発生を防止するので、シート抵抗の経時変化を無くすことができる。
特開２００７−３２４３６３号公報

しかし、特許文献１の半導体装置では、ヘテロ境界面に発生する高濃度の二次元電子ガスの影響を受けてノーマリオンとなり、ゲート電圧をマイナスにしないとトランジスタがオフにならない。この半導体装置を用いて例えばインバータ回路を構成した場合には、インバータの運転中にゲート電圧の制御信号が無くなる（すなわち０になる）と直列に接続された二つのトランジスタが同時にオンとなって電源短絡が発生し、インバータ回路が破損するという問題がある。したがって、半導体装置をパワーデバイスとして利用するにはノーマリオフとなるように作製する必要がある。

一方、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層のヘテロ接合構造を有するＨＥＭＴでは、ゲートの閾値電圧がマイナスとなるが、ＡｌＧａＮ層の膜厚を薄くするに従ってゲートの閾値電圧はプラスの方向に線形的に変化する点が知られている。よってノーマリオフの半導体装置を作製するには、ＡｌＧａＮ層の膜厚をできるだけ薄くするほうが望ましい。ところが、膜厚が薄くなるほど逆にクラック等が生じやすくなるという問題がある。
また、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比率を変化させると、ＡｌＧａＮ層の膜厚が厚くなるほどゲート閾値電圧のＡｌ組成比率に対する感度が大きくなる点が知られている。よってノーマリオフの半導体装置を作製するには、Ａｌ組成比率をできるだけ低くするほうが望ましい。ところが、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比率が低くなるほどＡｌＧａＮ層の膜厚を薄くしなければならないという問題がある。
このようなことから、ノーマリオフの半導体装置を適切に作製するには、ＡｌＧａＮ層について膜厚とＡｌ組成比率との最適化を図る必要がある。

本発明はこのような点に鑑みてなしたものであり、電子供給層（例えば上述したＡｌＧａＮ層が該当する）について膜厚とＡｌ組成比率の最適化を図り、ノーマリオフとなる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

（１）課題を解決するための手段（以下では単に「解決手段」と呼ぶ。）１は、基板上に形成され、III族元素として少なくともアルミニウムを含む窒化物系III−V族化合物で形成される電子供給層と、窒化物系III−V族化合物で形成される電子走行層とをヘテロ接合構造とした半導体装置であって、前記電子供給層は、アルミニウムの組成比率（Ａｌ組成比率）を１０〜１８％とし、膜厚を５〜１５nmとして形成したことを要旨とする。

「電子供給層」はIII族元素として少なくともアルミニウムを含む窒化物系III−V族化合物で形成されていればよい。すなわち、III族元素はＧａ（ガリウム），Ａｌ（アルミニウム），Ｂ（ホウ素）およびＩｎ（インジウム）からなる群のうちの少なくとも一種を含み、Ａｌを必須元素とする。Ｖ族元素はＮ（窒素），Ｐ（リン）およびＡｓ（砒素）からなる群のうちの少なくとも一種を含む。
「電子走行層」は窒化物系III−V族化合物で形成されていればよい。すなわち、Ａｌが選択的な元素となる点を除いて、電子供給層と同様である。

解決手段１によれば、Ａｌ組成比率が１０〜１８％であって膜厚が５〜１５nmであれば、クラック等の発生が防止され、作製された半導体装置はノーマリオフになる。よって、この半導体装置をパワーデバイスとして利用することができる。

（２）解決手段２は、解決手段１に記載した半導体装置であって、電子供給層と電子走行層との接合界面に二次元電子ガスを形成するＨＥＭＴまたはＭＥＳＦＥＴ（Metal-Semiconductor Field Effect Transistor；金属−半導体電界効果トランジスタ）であることを要旨とする。

解決手段２によれば、ノーマリオフの半導体装置としてＨＥＭＴまたはＭＥＳＦＥＴを提供することができる。

（３）解決手段３は、基板上に形成され、III族元素として少なくともアルミニウムを含む窒化物系III−V族化合物で形成される電子供給層と、窒化物系III−V族化合物で形成される電子走行層とをヘテロ接合構造とした半導体装置の製造方法であって、前記電子走行層を形成する工程と、アルミニウムの組成比率が１０〜１８％になり、膜厚が５〜１５nmになるようにガスの供給量を制御しながら前記電子供給層を形成する工程とを有し、両工程におけるエピタキシャル成長をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；有機金属化学気相成長）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；分子線エピタキシャル成長）法またはＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy；ハイドライド気相成長）法のいずれかを用いて行うことを要旨とする。

解決手段３によれば、上述した解決手段１と同様に、クラック等の発生が防止され、作製された半導体装置はノーマリオフになる。また、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＨＶＰＥ法のいずれについても両工程を行うので、作製途中の基板を装置入れ替えのために空気中にさらすことが無くなる。よって界面の劣化が防止され、デバイスの信頼性が高まる。
なお、上述した方法以外、例えばＡＬＥ（Atomic Layer Epitaxy；原子層エピタキシャル成長）法などを用いてエピタキシャル成長させることも可能である。

本発明によれば、電子供給層（すなわちIII族元素として少なくともアルミニウムを含む窒化物系III−V族化合物層）について膜厚とＡｌ組成比率の最適化が図られ、ノーマリオフとなる半導体装置およびその製造方法を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

まず、図１には本発明にかかる半導体装置の構成例を断面図で表す。図１に表す半導体装置１０は、基板１８上に電子走行層１７をエピタキシャル成長により形成し、さらに電子走行層１７上に電子供給層１５をエピタキシャル成長により形成する。電子走行層１７と電子供給層１５とはヘテロ接合構造とし、接合界面に二次元電子ガスチャネル１６を形成可能なＨＥＭＴとする。電子供給層１５上は絶縁膜１４で覆い、ソース電極１１，ゲート電極１２およびドレイン電極１３を設ける。基板１８は例えばＳｉＣ（窒化珪素）で構成される。絶縁膜１４は例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成される。

電子走行層１７は窒化物系III−V族化合物で形成され、例えばＧａＮが該当する。この電子走行層１７は、本例ではＬＴ−ＧａＮ層（低温成長させたＧａＮ層）とＧａＮ層とからなる複数層で形成する。

電子供給層１５はIII族元素として少なくともアルミニウムを含む窒化物系III−V族化合物で形成され、例えばＡｌＧａＮが該当する。この電子供給層１５は、Ａｌ組成比率を１０〜１８[％]とし、膜厚を５〜１５[nm]として形成する。

上述した構成からなる半導体装置１０を製造する方法について、図２を参照しながら説明する。図２にはＭＯＣＶＤ装置の一例を模式的に断面図で表す。具体的には、水平断面を図２（Ａ）に表し、垂直断面を図２（Ｂ）に表す。図２に表すＭＯＣＶＤ装置２０は、供給口２１，反応部２２，排出口２３，回転台２５，ヒーター２６，駆動手段２８などを有する。供給口２１はエピタキシャル成長を行うのに必要な原料を含むガスが入る。本例では図２（Ｂ）に表すように、三種類のガスを供給するために三つの供給口２１ａ，２１ｂ，２１ｃを備える。図２（Ｂ）の例では、供給口２１ａからは窒素ガスを供給し、供給口２１ｂからはIII族元素とキャリア（例えば窒素ガスや水素ガス）を含むガスを供給し、供給口２１ｃからはＶ族元素とキャリアを含むガスを供給する。

反応部２２内は、図２（Ｂ）に表すように、供給口２１と回転台２５との間に層流領域と拡散領域を設けている。層流領域では、各供給口から供給されるガスを層流にして安定化させるため、供給口側に仕切板２２ａを備える。拡散領域は層流領域と回転台２５との間にあり、仕切板２２ａが無いために各供給口から供給されたガスが混合する。

回転台２５の上面は凹状に形成されており、この凹状部位にウエハ２４が置かれる。回転台２５は駆動手段２８の回転軸２７に固定等され、駆動手段２８の駆動制御を行うことで回転される。ヒーター２６は回転台２５の下方に備えられ、回転台２５を通じてウエハ２４を温める。駆動手段２８は、駆動源（例えばモータ等）や制御回路などを有する。ガスの種類や、各ガスの供給速度および回転台２５の回転速度を制御しながら、ウエハ２４上に電子走行層１７，電子供給層１５，絶縁膜１４等をエピタキシャル成長により形成する。以下では、各層を形成する工程の具体例について簡単に説明する。

（工程１）電子走行層１７に相当するＬＴ−ＧａＮ層の形成
反応部２２を低温（７００℃前後）に調整し、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスとＮＨ₃（アンモニア）ガスを反応させて基板１８上にＬＴ−ＧａＮ層を形成する。

（工程２）電子走行層１７に相当するＧａＮ層の形成
反応部２２を高温（約１１００℃）に調整し、ＴＭＧガスとＮＨ₃ガス、不純物としてＳｉＨ₄（モノシラン）ガスを反応させてＬＴ−ＧａＮ層上にＧａＮ層を形成する。

（工程３）電子供給層１５に相当するＡｌＧａＮ層の形成
反応部２２を高温（約１１００℃）に調整し、ＴＭＧガスとＮＨ₃ガス、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスを反応させてＡｌＧａＮ層を形成する。ただし、Ａｌ組成比率を１０〜１８[％]にするため、ＡｌとＧａとが所定の比率になるように各ガスの供給量を制御する。また膜厚が５〜１５[nm]となるようにガスの供給量や成長時間等を制御する。

（工程４）絶縁膜１４に相当するＡｌＮ層の形成
反応部２２を再び低温（７００℃前後）に調整し、Ａｌ材料ガスとＮＨ₃ガスを連続供給または断続供給することによりＡｌＮ層を形成する。

工程４まで行えば絶縁膜１４まで形成されるので、当該絶縁膜１４や電子供給層１５の一部を除去したうえでソース電極１１，ゲート電極１２，ドレイン電極１３を形成する。これらの電極の材料は例えばＴｉ（チタン）やＡｕ（金）等であり、蒸着法やリフトオフ法等により形成する。その後、適切にカットすると図１の半導体装置１０になる。

上述のようにして作製された半導体装置１０の特性について、図３と図４を参照しながら説明する。図３には、横軸をＡｌ組成比率[％]とし、縦軸をゲート電極１２の閾値電圧Ｖ_th[Ｖ]とした関係をグラフ図で表す。図４には、横軸をＡｌＧａＮ層の膜厚[nm]とし、縦軸をゲート電極１２の閾値電圧Ｖ_th[Ｖ]とした関係をグラフ図で表す。

図３は、ＡｌＧａＮ層の膜厚を５，１０，１５，２０，２６[nm]とし、各膜厚についてＡｌ組成比率を変化させた半導体装置１０をそれぞれ作製した場合の閾値電圧Ｖ_thを表す。図４は、Ａｌ組成比率を５，１０，１５，２０，２５，３５，４５，５５[％]とし、ＡｌＧａＮ層の膜厚を変化させた半導体装置１０をそれぞれ作製した場合の閾値電圧Ｖ_thを表す。作製した半導体装置１０がノーマリオフとなるには、図３と図４に表す閾値電圧Ｖ_thが０[Ｖ]以上でなければならない。この条件を満たすのは、ハッチで表すように、ＡｌＧａＮ層の膜厚が５〜１５[nm]の範囲であり、Ａｌ組成比率は１０〜１８[％]の範囲である。
なお、特許文献１の半導体装置はＡｌＧａＮ層の膜厚が１０[nm]以上かつＡｌ組成比率が２５[％]以上であるので、図３，図４に適用してみるといずれもノーマリオンになることが明らかである。

上述した実施の形態によれば、以下に表す各効果を得ることができる。
（１）電子供給層１５は、Ａｌ組成比率を１０〜１８[％]とし、膜厚を５〜１５[nm]としてエピタキシャル成長により形成した（図１を参照）。作製された半導体装置１０は、クラック等の発生が防止され、ノーマリオフになる（図３，図４を参照）。よって、この半導体装置１０をパワーデバイスとして利用することができる。

（２）電子供給層１５と電子走行層１７との接合界面に二次元電子ガスチャネル１６を形成するＨＥＭＴとして作製した（図１を参照）。よって、ＨＥＭＴの半導体装置１０をパワーデバイスとして利用することができる。

（３）電子走行層１７を形成する工程１，２と、Ａｌ組成比率が１０〜１８[％]で膜厚が５〜１５[nm]である電子供給層１５を形成する工程３とを有し、工程１〜４におけるエピタキシャル成長をＭＯＣＶＤ法を用いて行った。作製された半導体装置１０は、クラック等の発生が防止され、ノーマリオフになる（図３，図４を参照）。よって、この半導体装置１０はパワーデバイスとして利用することができる。
また、工程１〜４をＭＯＣＶＤ法で行う（すなわち同一のＭＯＣＶＤ装置２０内で行う）ので、作製途中の基板１８を装置入れ替えのために空気中にさらさなくてよくなる。よって界面の劣化が防止され、デバイスの信頼性が高まる。

〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することもできる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。

（１）上述した実施の形態では、電子供給層１５にＡｌＧａＮを適用した（図１等を参照）。この形態に代えて、少なくともアルミニウムを含むことが条件となるものの、他の窒化物系III−V族化合物を適用してもよい。すなわち、III族元素はＧａ（ガリウム），Ａｌ（アルミニウム），Ｂ（ホウ素）およびＩｎ（インジウム）からなる群のうちの少なくとも一種を含めばよく、Ｖ族元素はＮ（窒素），Ｐ（リン）およびＡｓ（砒素）からなる群のうちの少なくとも一種を含めばよい。例えば、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウム砒素）や、ＡｌＧａＰ（アルミニウムガリウムリン）等が該当する。
また、これらの化合物に含まれるガリウムの代わりにインジウムを適用した化合物、例えばＡｌＩｎＮ（窒化アルミニウムインジウム），ＡｌＩｎＡｓ（アルミニウムインジウム砒素），ＡｌＩｎＰ（アルミニウムインジウムリン）等を適用してもよい。
いずれの化合物にせよ、膜厚を５〜１５[nm]の範囲とし、Ａｌ組成比率は１０〜１８[％]の範囲とすることで、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

（２）上述した実施の形態では、電子走行層１７にＧａＮを適用した（図１等を参照）。この形態に代えて、他の窒化物系III−V族化合物を適用してもよい。III族元素とＶ族元素については上記（１）と同様である。例えば、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）や、ＧａＰ（ガリウムリン）等が該当する。また、これらの化合物に含まれるガリウムの代わりにインジウムを適用した化合物、例えばＩｎＮ（窒化インジウム），ＩｎＡｓ（インジウム砒素），ＩｎＰ（インジウムリン）等を適用してもよい。いずれの化合物にせよ、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、電子走行層１７はＬＴ−ＧａＮ層とＧａＮ層とからなる複数層で形成したが（図１および工程１，２を参照）。この形態に代えて、ＧａＮ層のみからなる単層で形成してもよい。この場合には工程１が不要になるので、半導体装置１０の作製にかかる手間やコストを少なく抑えることが可能になる。

（３）上述した実施の形態では、基板１８はＳｉＣで構成し、絶縁膜１４はＡｌＮで構成した（図１等を参照）。この形態に代えて、基板１８はＡｌ₂Ｏ₃（サファイア）やＳｉ（シリコン）等で構成してもよい。同様に絶縁膜１４にはＳｉＯ₂（二酸化珪素）、ＳｉＯＮ（窒酸化珪素）、ボラジン−珪素ポリマー（ボラジンと珪素化合物とが交互に連結されたネットワーク構造のポリマー）等のいずれかで構成してもよい。いずれの化合物にせよ、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

（４）上述した実施の形態では、エピタキシャル成長をＭＯＣＶＤ法で行った（図２および工程１〜４を参照）。この形態に代えて、他の方法によってエピタキシャル成長を行ってもよい。例えば、ＭＢＥ法やＨＶＰＥ法等が該当する。いずれの方法であっても、工程１〜４を同一の装置内で行うので、作製途中の基板１８を装置入れ替えのために空気中にさらさなくてよくなる。よって界面の劣化が防止され、デバイスの信頼性が高まる。

（５）上述した実施の形態では、半導体装置１０は電子供給層１５と電子走行層１７の接合界面に二次元電子ガスを形成するＨＥＭＴとした（図１等を参照）。この形態に代えて、半導体装置１０をＭＥＳＦＥＴとしてもよい。すなわち基板１８上に電子供給層１５や電子走行層１７をエピタキシャル成長させた後、電子供給層１５等をエッチングしてメサを形成し、このメサ上に金属電極（すなわちソース電極１１，ゲート電極１２，ドレイン電極１３）を形成して製作する。こうしてＭＥＳＦＥＴとした場合でも、ノーマリオフの半導体装置として、上述した実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

半導体装置の構成例を模式的に表す断面図である。 ＭＯＣＶＤ装置の一例を模式的に表す断面図である。 Ａｌ組成比率と閾値電圧との関係を表すグラフ図である。 電子供給層の膜厚と閾値電圧との関係を表すグラフ図である。

符号の説明

１０ 半導体装置
１１ ソース電極
１２ ゲート電極
１３ ドレイン電極
１４ 絶縁膜
１５ 電子供給層
１６ ２次元電子ガスチャネル
１７ 電子走行層
１８ 基板
２０ ＭＯＣＶＤ装置
２１（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ） 供給口
２２ 反応部
２２ａ 仕切板
２３ 排出口
２４ ウエハ
２５ 回転台
２６ ヒーター
２７ 回転軸
２８ 駆動手段

Claims (3)

1. 基板上に形成され、III族元素として少なくともアルミニウムを含む窒化物系III−V族化合物で形成される電子供給層と、窒化物系III−V族化合物で形成される電子走行層とをヘテロ接合構造とした半導体装置であって、
   前記電子供給層は、アルミニウムの組成比率を１０〜１８％とし、膜厚を５〜１５nmとして形成した半導体装置。
2. 請求項１に記載した半導体装置であって、
   電子供給層と電子走行層との接合界面に二次元電子ガスを形成するＨＥＭＴまたはＭＥＳＦＥＴである半導体装置。
3. 基板上に形成され、III族元素として少なくともアルミニウムを含む窒化物系III−V族化合物で形成される電子供給層と、窒化物系III−V族化合物で形成される電子走行層とをヘテロ接合構造とした半導体装置の製造方法であって、
   前記電子走行層を形成する工程と、
   アルミニウムの組成比率が１０〜１８％になり、膜厚が５〜１５nmになるようにガスの供給量を制御しながら前記電子供給層を形成する工程とを有し、
   両工程におけるエピタキシャル成長をＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法またはＨＶＰＥ法のいずれかを用いて行う半導体装置の製造方法。

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