JP2011035065A

JP2011035065A - 半導体装置

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Publication number: JP2011035065A
Application number: JP2009178143A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Tanaka; 丈士田中; Michiko Matsuda; 三智子松田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2011-02-17

Abstract

【課題】ドレイン耐圧の向上、乃至素子間リーク電流の抑止を実現できる半導体装置を提供する。
【解決手段】基板２と、基板２上に形成された第一の窒化物半導体層４と、第一の窒化物半導体層４上に形成され、かつ第一の窒化物半導体層４よりも電子親和力の小さい第二の窒化物半導体層５と、第二の窒化物半導体層５上に、直接乃至は中間層６を介して形成されると共に、離間して配置されたソース電極７及びドレイン電極８と、第二の窒化物半導体層５上に、直接乃至は中間層６を介して形成されると共に、ソース電極７とドレイン電極８との間に配置されたゲート電極９と、を主な構成材としてなる半導体装置１において、第一の窒化物半導体層４内部での炭素濃度が深さ（厚さ）方向に対して、基板２側から第二の窒化物半導体層５側にかけて低くなっているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素ドープされた絶縁性の窒化物半導体層を有する半導体装置に関するものである。

インジウム、ガリウム、アルミニウム、及び窒素からなる窒化物半導体は、そのIII族元素の組成比を制御することにより、紫外から可視光の大部分の領域をカバーする革新的な高効率発光デバイスの材料として開発が進められ、実用化されている。

さらに、窒化物半導体は、高い飽和電子速度と高い絶縁破壊耐圧を有するため、将来的には高周波領域で桁違いの高効率・高出力を実現する夢の電子デバイス用材料としての応用も期待されている。

また、窒化物半導体は、基板との格子不整合による結晶欠陥の発生が指摘される。そのため、結晶成長の際に窒化物半導体に意図的に炭素をドーピングし、結晶欠陥を減らしてデバイス特性を向上させる試みがなされている（例えば、特許文献１参照）。

窒化物半導体を用いた従来の半導体装置としては、例えば、図５に示すような電界効果型窒化物トランジスタ１００がある。

電界効果型窒化物トランジスタ１００は、炭化ケイ素からなる半絶縁性の基板１０１と、基板１０１上に形成され、窒化アルミニウムからなる核生成層１０２と、核生成層１０２上に形成され、窒化ガリウムからなる第一の窒化物半導体層１０３と、第一の窒化物半導体層１０３上に形成され、第一の窒化物半導体層１０３よりも電子親和力が小さく、窒化アルミニウムガリウムからなる第二の窒化物半導体層１０４と、第二の窒化物半導体層１０４上に形成され、窒化ガリウムからなる中間層１０５と、中間層１０５上に互いに離間されて形成されたソース電極１０６及びドレイン電極１０７と、中間層１０５上に形成され、ソース電極１０６とドレイン電極１０７との間に形成されたゲート電極１０８とからなる。

第一の窒化物半導体層１０３と第二の窒化物半導体層１０４との界面付近には、第二の窒化物半導体層１０４に生じるピエゾ効果によって高移動度で高キャリア濃度の二次元電子ガス１０９がもたらされる。

電界効果型窒化物トランジスタ１００は、この二次元電子ガス１０９によって、高出力で高速スイッチング動作が可能な素子として開発が進められている。

特開２０００−３１５８８号公報特開２００５−３２８２３号公報

しかしながら、電界効果型窒化物トランジスタ１００では、蒸気圧の高い窒素が半導体層の構成原子であることから窒素空孔が形成されやすい、或いは同じ理由で半導体層の結晶成長時に高いＶ／III比（Ｖ族原料とIII族原料の供給量モル比）が要求されるためガス中の不純物が取り込まれやすい、といったことが原因で高抵抗であるべき箇所の窒化物半導体層（第一の窒化物半導体層１０３）が導電性となり、結果としてトランジスタのドレイン耐圧が低下する乃至は素子間リーク電流が増大して特性が劣化するという問題があった。

そこで、本発明の目的は、高抵抗であるべき箇所の窒化物半導体層を高抵抗化し、ドレイン耐圧の向上、乃至素子間リーク電流の抑止を実現できる半導体装置（電界効果型窒化物トランジスタ）を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、基板と、該基板上に形成された第一の窒化物半導体層と、該第一の窒化物半導体層上に形成され、かつ前記第一の窒化物半導体層よりも電子親和力の小さい第二の窒化物半導体層と、該第二の窒化物半導体層上に、直接乃至は中間層を介して形成されると共に、離間して配置されたソース電極及びドレイン電極と、前記第二の窒化物半導体層上に、直接乃至は中間層を介して形成されると共に、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と、を主な構成材としてなる半導体装置において、前記第一の窒化物半導体層内部での炭素濃度が深さ（厚さ）方向に対して、前記基板側よりも前記第二の窒化物半導体層側の方が低くなっており、かつ前記第一の窒化物半導体層内部における炭素の最小濃度と最大濃度の差が２×１０¹⁶ｃｍ^-3以上である半導体装置である。

請求項２の発明は、前記第一の窒化物半導体層が上層部と下層部とを有する多層構造であり、その上層部の炭素濃度が５．５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下、その下層部の炭素濃度が８．０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上とされる請求項１に記載の半導体装置である。

請求項３の発明は、前記上層部の厚さが２０ｎｍを超える厚さにされ、前記下層部の厚さが２８０ｎｍを超える厚さにされた請求項２に記載の半導体装置である。

請求項４の発明は、前記第一の窒化物半導体層のケイ素濃度が１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3未満である請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置である。

請求項５の発明は、前記第一の窒化物半導体層が窒化ガリウムであり、前記第二の窒化物半導体層が窒化アルミニウムガリウムであり、前記基板が炭化ケイ素基板である請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置である。

請求項６の発明は、前記第二の窒化物半導体層と前記ソース電極或いは前記ドレイン電極との間の前記中間層が窒化ガリウムである請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置である。

本発明によれば、高抵抗であるべき箇所の窒化物半導体層を高抵抗化し、ドレイン耐圧の向上、乃至素子間リーク電流の抑止を実現できる。

本発明の一実施の形態に係る半導体装置の構造図である。第一の窒化物半導体層中の最小炭素濃度と最大炭素濃度の差と、素子間リーク電流との関係を示す図である。図１の半導体装置の窒化物半導体構造中の原子濃度をＳＩＭＳにより分析した結果を示す測定図である。（ａ）は、図１の半導体装置における素子間電圧と素子間リーク電流の関係を示す測定図であり、（ｂ）は、従来の半導体装置における素子間電圧と素子間リーク電流の関係を示す測定図である。従来の半導体装置の構造図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適な実施の形態に係る半導体装置の構造図である。本明細書で言う半導体装置とは、基板上に窒化物半導体層を有する電界効果型窒化物トランジスタのことである。

図１に示すように、本発明の半導体装置１は、炭化ケイ素からなる半絶縁性の基板２と、基板２上に形成され、窒化アルミニウムからなる核生成層３と、核生成層３上に形成され、窒化ガリウムからなる第一の窒化物半導体層４と、第一の窒化物半導体層４上に形成され、第一の窒化物半導体層４よりも電子親和力が小さく、窒化アルミニウムガリウムからなる第二の窒化物半導体層５と、第二の窒化物半導体層５上に形成され、窒化ガリウムからなる中間層６と、中間層６上に形成されると共に、離間して配置されたソース電極７及びドレイン電極８と、同じく中間層１０５上に形成され、ソース電極７とドレイン電極８との間に配置されたゲート電極９とからなる。

基板２は、窒化物半導体層を成長させる土台であり、核生成層３は、基板２と第一の窒化物半導体層４との格子不整合を緩和するための層である。格子不整合を緩和することで、欠陥の発生を抑制しつつ第一の窒化物半導体層４を形成できる。

第一の窒化物半導体層４と第二の窒化物半導体層５との界面付近（正確には第一の窒化物半導体層４の上層部１０）には、第二の窒化物半導体層５に生じるピエゾ効果によって高移動度で高キャリア濃度の二次元電子ガス１１がもたらされる。つまり、第一の窒化物半導体層４の上層部１０は、電子が走行するキャリア部であり、第二の窒化物半導体層４は、そのキャリア部に電子を供給するための電子供給層（バリア層）である。

さて、本発明においては、第一の窒化物半導体層４内部での炭素濃度が深さ（厚さ）方向に対して、基板２側から第二の窒化物半導体層５側にかけて低くなっている点に特徴がある。具体的には、第一の窒化物半導体層４内部での炭素濃度が深さ（厚さ）方向に対して、基板２側から第二の窒化物半導体層５側にかけて段階的に低くなっている。

このとき、第一の窒化物半導体層４内部における炭素の最小濃度と最大濃度の差が２×１０¹⁶ｃｍ^-3以上、より好ましくは３．４×１０¹⁶ｃｍ^-3以上であるとよい。これは、炭素の最小濃度と最大濃度の差が２×１０¹⁶ｃｍ^-3より低いと素子間リーク電流が増大してしまう場合があるからである。素子間リーク電流とは、電子素子や電子回路上で本来電流が流れないはずの場所や経路に電流が漏れだしてしまうものであり、漏れ出す電流が増大していくと、素子の誤動作や消費電力・発熱量の増加、それに伴う素子の劣化等を生じさせる場合がある。

本実施の形態においては、第一の窒化物半導体層４の下層部１２は、８．０×１０¹⁶ｃｍ^-3の濃度で炭素ドープされており、第一の窒化物半導体層４の上層部１０は、意図的な炭素ドープはされておらず炭素濃度は５．５×１０¹⁶ｃｍ^-3である。つまり、第一の窒化物半導体層４内部における炭素の最小濃度と最大濃度の差は、２．５×１０¹⁶ｃｍ^-3である。

また、本実施の形態においては、第一の窒化物半導体層４の全体でケイ素（Ｓｉ）濃度を、１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3未満とした。

本発明者らの検討では、少なくとも第一の窒化物半導体層４の上層部１０の炭素濃度は、１．０×１０¹⁷ｃｍ^-3を超えないように、好ましくは５．５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下となるように形成される必要がある。これは、上層部１０の炭素濃度が１．０×１０¹⁷ｃｍ^-3を超えるとデバイス特性の劣化を生じるおそれがあるためである。さらに好ましくは、第一の窒化物半導体層４の上層部１０の炭素濃度が５．５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下、かつ上層部１０の厚さが２０ｎｍを超える厚さ、より好ましくは５０ｎｍを超える厚さに形成されるとよい。これは、上層部１０の厚さが２０ｎｍ以下ではデバイス特性に劣化が生じる場合があるからである。

また、本発明者らの検討では、高抵抗化・リーク電流軽減の効果を得るには、少なくとも第一の窒化物半導体層４の下層部１２の炭素濃度は、２．５×１０¹⁶ｃｍ^-3を超える濃度に形成される必要がある。より好ましくは８．０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上の濃度にするとよい。さらに好ましくは、第一の窒化物半導体層４の下層部１２の炭素濃度は８．０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上、かつ下層部１２の厚さは２８０ｎｍを超える厚さ、より好ましくは５５０ｎｍを超える厚さに形成されるとよい。また、第一の窒化物半導体層４の全体の厚さは、１．５μｍ未満に形成されるのが好ましい。

本発明者らの検討では、ケイ素濃度が１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3未満では、特性等に問題がなかったが、ケイ素濃度が１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3を超えると、炭素濃度を所定の範囲内としても、高電圧下における良好な耐圧性が安定的に得られない場合があった。つまり、第一の窒化物半導体層４のケイ素濃度を、１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3未満とすることで、上記炭素濃度・層厚としたときに、所望の比抵抗を安定的に得ることができる。本実施の形態においては、ケイ素濃度を所定値以下とするために、ガリウム原料に、高度に生成された原料ガス（ＴＭＧ）を用いた。

なお、本実施の形態では炭素濃度の変化を上層部１０と下層部１２による２段階としているが、上層部１０と下層部１２との間に介在層を備えた３段階以上の多段階であってもよい。介在層は、上層部１０と下層部１２の中間の炭素濃度としてもよく、下層部１２から上層部１０にかけて炭素濃度が徐々に変化するグレーデッド層としてもよい。

このような構造の半導体装置１によれば、ドレイン耐圧の向上、乃至素子間リーク電流の抑止を実現できる。

以下、第一の窒化物半導体層４内部での炭素濃度を基板２側から第二の窒化物半導体層５側にかけて低くすることにより、ドレイン耐圧の向上、乃至素子間リーク電流の抑止を実現できる理由を述べる。

本発明者らの考察では、炭素は窒化物半導体層中において点欠陥（例えば窒素空孔）、或いはｎ型不純物に起因するフリーのｎ型キャリアをトラッピングし、不活性化する役割を果たしている。

また、電界効果型窒化物トランジスタに用いる窒化物半導体エピタキシャルウェハでは、素子を良好にピンチオフさせドレイン耐圧を良好に保つために、第一の窒化物半導体層４を極力高抵抗とする必要がある。

そこで、電界効果型窒化物トランジスタに用いる窒化物半導体エピタキシャルウェハのチャネル部となる第一の窒化物半導体層４中において、炭素を意図的にドーピングすることにより、フリーのｎ型キャリアが不活性化されて高抵抗化され、結果として素子のドレイン耐圧特性を著しく向上させることができる。

ところで、第一の窒化物半導体層４の上層部１０にもたらされる二次元電子ガス１１は、電界効果型窒化物トランジスタに高電流を流す上で重要な役割を果たしている。

しかし、第一の窒化物半導体層４に均一に炭素をドーピングすると、二次元電子ガス１１の濃度が炭素の存在によって逆に劣化してしまう場合がある。すなわち、ドーピングされた炭素が二次元電子ガス１１のキャリアまでトラップしてしまい、二次元電子ガス１１のキャリア濃度が低下してデバイス特性が劣化してしまう場合がある。

そのため、第一の窒化物半導体層４中の第二の窒化物半導体層５側の炭素濃度は極力小さい方が望ましく、さらに言えば第一の窒化物半導体層４中の炭素の最小濃度と最大濃度の差が大きければ大きいほど好ましい。

図２は、第一の窒化物半導体層４中の炭素の最小濃度と最大濃度の差を横軸とし、素子間リーク電流を縦軸として、その関係をプロットした測定図である。

図２から分かるように、素子間リーク電流は第一の窒化物半導体層４中の炭素の最小濃度と最大濃度の差が大きければ大きいほど小さく、優れた値を示している。また、よく見ると、その効果は第一の窒化物半導体層４中の炭素の最小濃度と最大濃度の差が２×１０¹⁶ｃｍ^-3以上となったときに顕著に現れていることが分かる。

そのため、本発明の半導体装置１では、第一の窒化物半導体層４中において、二次元電子ガス１１が蓄積される界面近傍以外の領域に、炭素の最小濃度と最大濃度の差が２×１０¹⁶ｃｍ^-3以上となるように炭素を意図的にドーピングすることにより、チャネル部となる第一の窒化物半導体層４中の二次元電子ガス１１が蓄積される界面近傍以外の領域が極力高抵抗となるようにしている。

図３は、本発明の半導体装置１の窒化物半導体構造中の原子濃度をＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy）により分析した結果を示す測定図である。図３において、横軸は窒化物半導体層深さ（厚さ）を示し、左端は表面近傍、右端は窒化物半導体層と基板２との界面付近となっていて、特に１μｍより深い位置は核生成層３の存在を示している。また、ガリウム原子のカウント数について深さ０．９μｍ付近でグラフが下がっていることから、表面より０．１μｍから０．９μｍまでの領域は第一の窒化物半導体層４、これより深い領域は核生成層３であることを示している。

図３から分かるように、半導体装置１の窒化物半導体構造は、第一の窒化物半導体層４内部での炭素濃度が深さ（厚さ）方向に対して、基板２側から第二の窒化物半導体層５側にかけて段階的に低くなるように形成されている。より具体的には、表面からの深さ（厚さ）が０．２μｍの位置で炭素濃度に段差があり、第一の窒化物半導体層４中の炭素の最小濃度と最大濃度の差が約２．５×１０¹⁶ｃｍ^-3となっている。

なお、図３では、表面側の第二の窒化物半導体層５では、炭素濃度が急激に上昇しているように見えるが、これは大気等に曝露した表面汚染の影響によるものである。ＳＩＭＳによる測定では、測定直後の層において、表面を汚染しているＳｉやＣの影響が出てしまうものである。ここでは、深さ０．０８〜０．０９μｍ程度から正確に測定できているものと考えられる（第二の窒化物半導体層５は、その炭素濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3未満となるように形成される）。

図４（ａ）は、本発明の半導体装置１をウェハ上でアイソレーション処理した後の素子間電圧と素子間リーク電流との関係を示す測定図であり、図４（ｂ）は、従来の半導体装置（電界効果型窒化物トランジスタ１００）をウェハ上でアイソレーション処理した後の素子間電圧と素子間リーク電流の関係を示す測定図である。なお、従来の半導体装置の第一の窒化物半導体層の炭素濃度は５．５×１０¹⁶ｃｍ^-3で略均一ある。

図４から明らかなように、本発明の半導体装置１は、従来の半導体装置よりも素子間リーク電流が一桁以上小さく、優れた効果を示していることが分かる。また同様に、従来の半導体装置における素子間リーク電流は、高電圧で急激に劣化する、すなわちブレイクダウンしてしまうのに対し、本発明の半導体装置１は高電圧でも破壊せず、優れたドレイン耐圧を示していることが分かる。

以上要するに、本発明の半導体装置１によれば、第一の窒化物半導体層４内部での炭素濃度が深さ（厚さ）方向に対して、基板２側から第二の窒化物半導体層５側にかけて段階的に低くなっており、かつ第一の窒化物半導体層４中の炭素の最小濃度と最大濃度の差が２×１０¹⁶ｃｍ^-3以上であるため、高抵抗であるべき箇所の窒化物半導体層、すなわち第一の窒化物半導体層４を高抵抗化しつつもその上層部１０にもたらされる二次元電子ガス１１の濃度を劣化させることなく、ドレイン耐圧の向上、乃至素子間リーク電流の抑止を実現できる。

次に、本発明の半導体装置１の製造方法の一例を説明する。

先ず、基板２上に、例えばＭＯＶＰＥ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置により、原料としてアンモニアガスとＴＭＡ（Tri Methyl Aluminum）を用いて膜厚１５０ｎｍのアンドープの核生成層（窒化アルミニウム層）３を形成する。核生成層３を形成する際の反応温度は、特許文献２で示されるとおり、１２００℃が最も望ましい。

次いで、核生成層３上に同一のＭＯＶＰＥ装置を引き続き使用し、また原料としてアンモニアガスとＴＭＧ（Tri Methyl Gallium）を用いて、例えば膜厚９００ｎｍの高炭素濃度の第一の窒化物半導体層（窒化ガリウム層）４の下層部１２を形成する。このときの反応温度は１０２０℃以下、最も望ましくは９８０℃以下に設定する。さらにこの下層部１２を形成する際にはＭＯＶＰＥ反応炉の圧力を約６６６６Ｐａ（５０Ｔｏｒｒ）に制御することにより、高濃度の炭素を含有させる。

その後、下層部１２上に、同一のＭＯＶＰＥ装置を引き続き使用し、また原料としてアンモニアガスとＴＭＧを用いて、例えば膜厚１００ｎｍの低炭素濃度の第一の窒化物半導体層４の上層部１０を形成する。このときの反応温度は１０２０℃以上に設定する。さらにこの上層部１０を形成する際にはＭＯＶＰＥ反応炉の圧力を約１３３３２（１００Ｔｏｒｒ）に制御することにより、炭素の混入を抑制させる。

さらに、上層部１０上に、引き続いて同一のＭＯＶＰＥ装置を使用し、アンモニアガスとＴＭＡ、及びＴＭＧを用いて、例えば膜厚３０ｎｍの第二の窒化物半導体層（窒化アルミニウムガリウム層）５を形成する。

そして、第二の窒化物半導体層５上に、引き続いて同一のＭＯＶＰＥ装置を使用し、アンモニアガス及びＴＭＧを用いて、例えば膜厚８ｎｍの中間層（窒化ガリウム層）６を形成する。

最後に、公知のフォトリソグラフィ技術を用いてソース電極７、ドレイン電極８、及びゲート電極９を、それぞれ中間層６上に形成する。

以上の工程により、本発明の半導体装置１を作製することができる。

上述の実施の形態においては、第一の窒化物半導体層４内部での炭素濃度が深さ（厚さ）方向に対して、基板２側から第二の窒化物半導体層５側にかけて段階的に低くなっているとしたが、基板２側から第二の窒化物半導体層５側にかけて直線的（連続的）に低くなるように形成してもよい。

１半導体装置
２基板
４第一の窒化物半導体層
５第二の窒化物半導体層
６中間層
７ソース電極
８ドレイン電極
９ゲート電極

Claims

基板と、
該基板上に形成された第一の窒化物半導体層と、
該第一の窒化物半導体層上に形成され、かつ前記第一の窒化物半導体層よりも電子親和力の小さい第二の窒化物半導体層と、
該第二の窒化物半導体層上に、直接乃至は中間層を介して形成されると共に、離間して配置されたソース電極及びドレイン電極と、
前記第二の窒化物半導体層上に、直接乃至は中間層を介して形成されると共に、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と、
を主な構成材としてなる半導体装置において、
前記第一の窒化物半導体層内部での炭素濃度が深さ（厚さ）方向に対して、前記基板側よりも前記第二の窒化物半導体層側の方が低くなっており、かつ前記第一の窒化物半導体層内部における炭素の最小濃度と最大濃度の差が２×１０¹⁶ｃｍ^-3以上であることを特徴とする、
半導体装置。
前記第一の窒化物半導体層が上層部と下層部とを有する多層構造であり、その上層部の炭素濃度が５．５×１０¹⁶ｃｍ^-3以下、その下層部の炭素濃度が８．０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上とされる請求項１に記載の半導体装置。
前記上層部の厚さが２０ｎｍを超える厚さにされ、前記下層部の厚さが２８０ｎｍを超える厚さにされた請求項２に記載の半導体装置。
前記第一の窒化物半導体層のケイ素濃度が１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3未満である請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置。
前記第一の窒化物半導体層が窒化ガリウムであり、前記第二の窒化物半導体層が窒化アルミニウムガリウムであり、前記基板が炭化ケイ素基板である請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置。
前記第二の窒化物半導体層と前記ソース電極或いは前記ドレイン電極との間の前記中間層が窒化ガリウムである請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置。