JP2012004486A - Nitride semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体装置及びその製造方法に関し、特に、シリコン基板の上に窒化物半導体が形成された窒化物半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a nitride semiconductor device in which a nitride semiconductor is formed on a silicon substrate and a manufacturing method thereof.
窒化物半導体は、ワイドバンドギャップ半導体であり、絶縁破壊電界が大きいという優れた特性を有する。また、窒化物半導体は、シリコン系半導体又はガリウム砒素(GaAs)等の化合物半導体と比べて、電子の飽和ドリフト速度が大きいという特性も有する。 Nitride semiconductors are wide band gap semiconductors and have excellent characteristics such as a large dielectric breakdown electric field. A nitride semiconductor also has a characteristic that the saturation drift velocity of electrons is higher than that of a compound semiconductor such as a silicon-based semiconductor or gallium arsenide (GaAs).
さらに、窒化物半導体装置を構成する窒化物半導体として窒化アルミニウム(AlGaN)と窒化ガリウム(GaN)とを用いた場合、(0001)面を主面とするAlGaNとGaNとのヘテロ界面には、自発分極及びピエゾ分極によって電荷が生じる。これにより、ヘテロ界面におけるシートキャリア濃度は、アンドープの場合であっても、1×1013cm-2以上となる。このため、ヘテロ界面には2次元電子ガス(2DEG:2 Dimensional Electron Gas)が発生する。この2次元電子を利用することにより、電流密度が大きいヘテロ接合電界効果トランジスタ(HFET: Hetero−junction Field Effect Transistor)を実現することができる。 Further, when aluminum nitride (AlGaN) and gallium nitride (GaN) are used as the nitride semiconductor constituting the nitride semiconductor device, the heterointerface between AlGaN and GaN having the (0001) plane as a main surface is spontaneously generated. Electric charges are generated by polarization and piezo polarization. Thereby, the sheet carrier concentration at the heterointerface is 1 × 10 13 cm −2 or more even in the case of undoped. For this reason, a two-dimensional electron gas (2 DEG: 2 Dimensional Electron Gas) is generated at the heterointerface. By utilizing these two-dimensional electrons, a heterojunction field effect transistor (HFET) having a large current density can be realized.
現在、このような窒化物半導体を結晶成長させる基板としては、結晶成長材料と同じ窒化物半導体からなる基板ではなく、サファイア基板、炭化シリコン基板又はシリコン基板といった、窒化物半導体との格子不整合が大きい結晶成長材料とは異なる異種基板が用いられている。これは、窒化物半導体からなる基板を作製する場合であっても異種基板上に気相成長法により形成して作製する必要があり、窒化物半導体からなる基板を作製するには、現状ではコストが高く、大口径の基板が得られないからである。一方、シリコン基板は、大口径の基板を量産することができ、コスト面でも優位である。 Currently, a substrate for growing such a nitride semiconductor crystal is not a substrate made of the same nitride semiconductor as the crystal growth material, but has a lattice mismatch with a nitride semiconductor such as a sapphire substrate, a silicon carbide substrate, or a silicon substrate. Different substrates are used that are different from large crystal growth materials. This is because even when a substrate made of a nitride semiconductor is manufactured, it must be formed by vapor phase growth on a heterogeneous substrate. This is because a large-diameter substrate cannot be obtained. On the other hand, the silicon substrate can mass-produce a large-diameter substrate, which is advantageous in terms of cost.
しかしながら、シリコン基板上に窒化物半導体を形成する場合、以下のような欠点を有する。 However, when a nitride semiconductor is formed on a silicon substrate, it has the following drawbacks.
まず、窒化物半導体は、シリコンと比べて熱膨張係数が大きく、その差も大きい。また、窒化物半導体の結晶成長は、一般に1000℃程度の高温で行う。このため、高温で窒化物半導体をシリコン基板の上に成膜し、その後、基板温度を室温まで下げたときに、窒化物半導体とシリコン基板との熱膨張係数の差によって窒化物半導体に引っ張り応力が発生しやすい。このため、シリコン基板の上に形成した窒化物半導体に高密度の欠陥が発生したりクラックが発生したりするという問題がある。 First, nitride semiconductors have a larger coefficient of thermal expansion than silicon, and the difference between them is also large. The crystal growth of the nitride semiconductor is generally performed at a high temperature of about 1000 ° C. For this reason, when a nitride semiconductor is deposited on a silicon substrate at a high temperature and then the substrate temperature is lowered to room temperature, tensile stress is applied to the nitride semiconductor due to the difference in thermal expansion coefficient between the nitride semiconductor and the silicon substrate. Is likely to occur. For this reason, there exists a problem that a high density defect generate | occur | produces or a crack generate | occur | produces in the nitride semiconductor formed on the silicon substrate.
また、ガリウム(Ga)を含む窒化物半導体を形成する場合、その原料がシリコンとの化合物を形成しやすい。このため、窒化物半導体がシリコン基板上に平坦に成長しにくいという問題もある。 Further, when forming a nitride semiconductor containing gallium (Ga), the raw material tends to form a compound with silicon. For this reason, the nitride semiconductor also has a problem that it is difficult to grow flat on the silicon substrate.
さらに、シリコン基板等の異種基板上に成長した窒化物半導体は、基板との格子不整合の影響を受けて、転位密度が非常に高くなるという問題もある。 Furthermore, a nitride semiconductor grown on a different substrate such as a silicon substrate has a problem that the dislocation density becomes very high due to the effect of lattice mismatch with the substrate.
従来、このような問題に対しては、窒化物半導体を選択成長させることによって、高品質の窒化物半導体を形成する技術が検討されている。この技術は、酸化シリコン層、窒化シリコン層、又は酸化アルミニウム層上には成長しにくく選択成長するという窒化物半導体の性質を利用したものである。 Conventionally, a technique for forming a high-quality nitride semiconductor by selectively growing a nitride semiconductor has been studied for such a problem. This technique utilizes the property of a nitride semiconductor that it is difficult to grow on a silicon oxide layer, a silicon nitride layer, or an aluminum oxide layer and grows selectively.
このような窒化物半導体を選択成長させる従来技術として、例えば、特許文献1には、サファイア基板の異種基板上に、GaNからなる窒化物半導体層を下地結晶膜として成長させた後、下地結晶膜を部分的に覆うように選択成長マスクを形成し、選択成長マスクで覆われていない成長領域から窒化物半導体を形成するという技術が開示されている。 As a conventional technique for selectively growing such a nitride semiconductor, for example, in Patent Document 1, after a nitride semiconductor layer made of GaN is grown as a base crystal film on a heterogeneous substrate of a sapphire substrate, the base crystal film A technique is disclosed in which a selective growth mask is formed so as to partially cover the substrate, and a nitride semiconductor is formed from a growth region that is not covered with the selective growth mask.
また、特許文献2には、サファイア基板の異種基板上に、GaNからなる種結晶層を成長させた後、当該種結晶層の一部をエッチングにより除去し、残した部分から窒化物半導体を形成するという技術が開示されている。 In Patent Document 2, after growing a seed crystal layer made of GaN on a different substrate of a sapphire substrate, a part of the seed crystal layer is removed by etching, and a nitride semiconductor is formed from the remaining portion. The technique of doing is disclosed.
また、特許文献3には、シリコン基板上に直接マスク層を形成し、マスク層の一部を除去して開口部を形成し、マスクの開口部から窒化物半導体を形成するという技術が開示されている。 Patent Document 3 discloses a technique in which a mask layer is formed directly on a silicon substrate, a part of the mask layer is removed to form an opening, and a nitride semiconductor is formed from the opening of the mask. ing.
しかしながら、特許文献1及び特許文献2に開示された従来技術は、窒化物半導体を形成する前に、下地結晶膜又は種結晶層としての窒化物半導体を別途形成する必要がある。従って、高コストであるとともに、結晶成長装置の占有時間が長くなるという問題がある。 However, according to the prior art disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2, it is necessary to separately form a nitride semiconductor as a base crystal film or a seed crystal layer before forming the nitride semiconductor. Therefore, there is a problem that the cost is high and the occupation time of the crystal growth apparatus becomes long.
また、特許文献3に開示された従来技術は、マスク層を形成する際のスパッタ工程又は蒸着工程が必要となり、さらには、マスク層に開口部を形成する際のフォトリソグラフィ法によるエッチング工程も必要となる。この場合、スパッタ工程等又はエッチング工程によってマスク層の開口部分における下地の結晶性が劣化する。窒化物半導体は、結晶成長する部分の下地の結晶性を引き継ぐという性質を有するので、結晶性が劣化した下地の上に形成される窒化物半導体も結晶性が悪くなるという問題がある。 Further, the prior art disclosed in Patent Document 3 requires a sputtering process or a vapor deposition process when forming a mask layer, and further requires an etching process using a photolithography method when forming an opening in the mask layer. It becomes. In this case, the crystallinity of the base in the opening portion of the mask layer is deteriorated by the sputtering process or the etching process. Since the nitride semiconductor has the property of taking over the crystallinity of the base of the portion where the crystal grows, the nitride semiconductor formed on the base with deteriorated crystallinity also has a problem that the crystallinity deteriorates.
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、シリコン基板の上に形成され、優れた結晶性の窒化物半導体層を有する窒化物半導体装置及び窒化物半導体の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and provides a nitride semiconductor device formed on a silicon substrate and having an excellent crystalline nitride semiconductor layer and a method for manufacturing the nitride semiconductor. The purpose is to provide.
上記目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体装置の一態様は、シリコン基板と、前記シリコン基板に接するとともに前記シリコン基板上の一部分に形成された窒化シリコンからなる選択成長マスク層とを備え、前記選択成長マスク層が形成されていない前記シリコン基板上に、当該シリコン基板に接するように窒化物半導体層が形成されている。 In order to achieve the above object, an aspect of a nitride semiconductor device according to the present invention includes a silicon substrate, and a selective growth mask layer made of silicon nitride that is in contact with the silicon substrate and is formed on a portion of the silicon substrate. A nitride semiconductor layer is formed on the silicon substrate on which the selective growth mask layer is not formed so as to be in contact with the silicon substrate.
本態様によれば、窒化シリコンからなる選択成長マスク層を用いることにより、結晶性に優れた窒化物半導体層を形成することができる。 According to this aspect, the nitride semiconductor layer having excellent crystallinity can be formed by using the selective growth mask layer made of silicon nitride.
さらに、本発明に係る窒化物半導体装置の一態様において、前記シリコン基板は凹部を有し、前記選択成長マスク層は、前記凹部のみに形成されていることが好ましい。 Furthermore, in one aspect of the nitride semiconductor device according to the present invention, it is preferable that the silicon substrate has a recess, and the selective growth mask layer is formed only in the recess.
これにより、選択成長マスク層と窒化物半導体層との間に空隙を形成することができるので、窒化物半導体層とシリコン基板との間に発生する応力を緩和することができる。 Thereby, since a gap can be formed between the selective growth mask layer and the nitride semiconductor layer, the stress generated between the nitride semiconductor layer and the silicon substrate can be relieved.
さらに、本発明に係る窒化物半導体装置の一態様において、前記窒化物半導体層は、前記選択成長マスク層上にも形成されていることが好ましい。 Furthermore, in one aspect of the nitride semiconductor device according to the present invention, it is preferable that the nitride semiconductor layer is also formed on the selective growth mask layer.
これにより、面積の大きい窒化物半導体層を形成することができる。
さらに、本発明に係る窒化物半導体装置の一態様において、前記選択成長マスク層の表面は、前記シリコン基板と前記窒化物半導体層とが接する接触面よりも、前記窒化物半導体層側に存在しないことが好ましい。
Thereby, a nitride semiconductor layer having a large area can be formed.
Furthermore, in one aspect of the nitride semiconductor device according to the present invention, the surface of the selective growth mask layer does not exist on the nitride semiconductor layer side than a contact surface where the silicon substrate and the nitride semiconductor layer are in contact with each other. It is preferable.
これにより、窒化物半導体層の形成時において選択成長マスク層の開口部領域が最も高い位置に位置することになるので、選択成長マスク層の形成時や窒化物半導体層の形成時において、窒化物半導体の欠陥の原因であるパーティクルやウォーターマーク等が窒化物半導体層の形成領域に残留しにくくなる。 As a result, the opening region of the selective growth mask layer is positioned at the highest position when forming the nitride semiconductor layer, so that the nitride is formed when forming the selective growth mask layer or forming the nitride semiconductor layer. Particles, watermarks, and the like that cause semiconductor defects are less likely to remain in the nitride semiconductor layer formation region.
さらに、本発明に係る窒化物半導体装置の一態様において、前記選択成長マスク層と前記シリコン基板との界面を境界として、前記選択成長マスク層と前記シリコン基板との間の炭素原子濃度は一定であることが好ましい。 Furthermore, in one aspect of the nitride semiconductor device according to the present invention, a carbon atom concentration between the selective growth mask layer and the silicon substrate is constant with an interface between the selective growth mask layer and the silicon substrate as a boundary. Preferably there is.
これにより、選択成長マスク層とシリコン基板との界面は露出することなく形成される。 Thereby, the interface between the selective growth mask layer and the silicon substrate is formed without being exposed.
さらに、本発明に係る窒化物半導体装置の一態様において、前記選択成長マスク層は、前記シリコン基板の表面の一部分を窒化することによって形成されていることが好ましい。 Furthermore, in one aspect of the nitride semiconductor device according to the present invention, the selective growth mask layer is preferably formed by nitriding a part of the surface of the silicon substrate.
これにより、容易に選択成長マスク層を形成することができる。
さらに、本発明に係る窒化物半導体装置の一態様において、前記窒化物半導体層上に、窒化物半導体からなる能動層が形成されていることが好ましい。
Thereby, the selective growth mask layer can be easily formed.
Furthermore, in one aspect of the nitride semiconductor device according to the present invention, an active layer made of a nitride semiconductor is preferably formed on the nitride semiconductor layer.
これにより、電界効果型トランジスタを構成することができる。
また、本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法の一態様は、シリコン基板の表面を酸化して、酸化シリコンからなる第1の層を形成する工程と、前記第1の層をパターニングして前記シリコン基板の表面を露出させる工程と、パターニングした前記第1の層をマスクとして、露出させた前記シリコン基板の表面を窒化して、窒化シリコンからなる第2の層を形成する工程と、前記第1の層を除去して前記シリコン基板を露出させる工程と、前記第1の層を除去して露出させた前記シリコン基板上に、窒化物半導体層を形成する工程と、を含むものである。
Thereby, a field effect transistor can be constituted.
According to another aspect of the method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention, a surface of a silicon substrate is oxidized to form a first layer made of silicon oxide, and the first layer is patterned. Exposing the surface of the silicon substrate; nitriding the exposed surface of the silicon substrate using the patterned first layer as a mask; and forming a second layer made of silicon nitride; Removing the first layer to expose the silicon substrate; and removing the first layer to form a nitride semiconductor layer on the exposed silicon substrate.
これにより、シリコン基板を酸化させて形成される酸化シリコンが、シリコン基板上の窒化物半導体層を形成する部分を、窒化物半導体の結晶成長直前まで保護することができる。すなわち、シリコン基板上の窒化物半導体層を形成する部分は、第2の層を形成する工程における当該第2の層の成膜時やドライエッチング時等において、ダメージを受けることが無い。このため、窒化物半導体の結晶成長直前まで、窒化物半導体層を形成するシリコン基板の表面を劣化させることなく清浄な表面を維持することができる。従って、結晶性に優れた窒化物半導体層を形成することができる。 Thereby, the silicon oxide formed by oxidizing the silicon substrate can protect the portion where the nitride semiconductor layer on the silicon substrate is formed until just before the crystal growth of the nitride semiconductor. In other words, the portion where the nitride semiconductor layer is formed on the silicon substrate is not damaged during the formation of the second layer in the step of forming the second layer or during dry etching. Therefore, it is possible to maintain a clean surface without deteriorating the surface of the silicon substrate on which the nitride semiconductor layer is formed until just before crystal growth of the nitride semiconductor. Therefore, a nitride semiconductor layer having excellent crystallinity can be formed.
さらに、第2の層として窒化シリコンを用いることにより、第2の層を選択成長マスクとして機能させて、シリコン基板上に窒化物半導体を選択成長させることができ、且つ、フッ酸によって酸化シリコンを選択的に除去することもできる。 Furthermore, by using silicon nitride as the second layer, the second layer can function as a selective growth mask, and a nitride semiconductor can be selectively grown on the silicon substrate, and silicon oxide can be formed by hydrofluoric acid. It can also be selectively removed.
さらに、本態様による製造方法によれば、第2の層の表面が、第1の層を除去して露出させた部分(第2の層の開口部)におけるシリコン基板と窒化物半導体層とが接する接触面よりも、窒化物半導体層側に存在しないこととなる。これにより、窒化物半導体層の形成時において第2の層の開口部分が最も高い位置に位置することになるので、第2の層の形成時や窒化物半導体層の形成時において、窒化物半導体の欠陥の原因であるパーティクルやウォーターマーク等が窒化物半導体層の形成領域に残留しにくくなる。 Furthermore, according to the manufacturing method according to this aspect, the silicon substrate and the nitride semiconductor layer in the portion where the surface of the second layer is exposed by removing the first layer (the opening of the second layer) are It is not present on the nitride semiconductor layer side than the contact surface in contact therewith. As a result, when the nitride semiconductor layer is formed, the opening of the second layer is positioned at the highest position. Therefore, the nitride semiconductor is formed when the second layer is formed or when the nitride semiconductor layer is formed. Particles, watermarks, and the like that are the cause of the defects are less likely to remain in the nitride semiconductor layer formation region.
さらに、本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法の一態様において、前記第2の層を形成する工程の前に、前記シリコン基板に凹部形成する工程を含み、前記第2の層を形成する工程において、前記第2の層を前記凹部のみに形成することが好ましい。 Furthermore, in one aspect of the method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention, a step of forming a recess in the silicon substrate is formed before the step of forming the second layer, and the second layer is formed. In the step, it is preferable that the second layer is formed only in the concave portion.
これにより、第2の層と窒化物半導体層との間に空隙を形成することができるので、窒化物半導体層とシリコン基板との間に発生する応力を緩和することができる。 Thereby, since a space | gap can be formed between a 2nd layer and a nitride semiconductor layer, the stress which generate | occur | produces between a nitride semiconductor layer and a silicon substrate can be relieved.
さらに、本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法の一態様において、前記窒化物半導体層を形成する工程において、前記窒化物半導体層を前記第2の層上にも形成することが好ましい。 Furthermore, in one aspect of the method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention, in the step of forming the nitride semiconductor layer, the nitride semiconductor layer is preferably formed also on the second layer.
これにより、面積の大きい窒化物半導体層を形成することができる。
さらに、本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法の一態様において、さらに、前記窒化物半導体層上に、窒化物半導体からなる能動層を形成する工程を含むことが好ましい。
Thereby, a nitride semiconductor layer having a large area can be formed.
Furthermore, in one aspect of the method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention, it is preferable that the method further includes a step of forming an active layer made of a nitride semiconductor on the nitride semiconductor layer.
これにより、窒化物半導体層を備える電界効果型トランジスタを製造することができる。 Thereby, a field effect transistor provided with a nitride semiconductor layer can be manufactured.
本発明に係る窒化物半導体装置及びその製造方法によれば、シリコン基板上に優れた結晶性を有する窒化物半導体層を容易に形成することができる。 According to the nitride semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, a nitride semiconductor layer having excellent crystallinity can be easily formed on a silicon substrate.
以下、本発明に係る窒化物半導体装置及び窒化物半導体装置の製造方法について、実施形態に基づいて図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a nitride semiconductor device and a method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention will be described based on embodiments with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
まず、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置について、図1を用いて説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を示す断面図である。
(First embodiment)
First, a nitride semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a nitride semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置1は、シリコン基板10と、選択成長マスク層20と、窒化物半導体層30とを有する。 As shown in FIG. 1, the nitride semiconductor device 1 according to the first embodiment of the present invention includes a silicon substrate 10, a selective growth mask layer 20, and a nitride semiconductor layer 30.
シリコン基板10としては、(111)面を主面とするシリコン基板を用いることができる。なお、シリコンの(111)面上には、窒化物半導体の(0001)面が成長されやすい。 As the silicon substrate 10, a silicon substrate having a (111) plane as a main surface can be used. Note that a (0001) plane of a nitride semiconductor is easily grown on the (111) plane of silicon.
選択成長マスク層20は、シリコン基板10の表面の一部分を窒化させることによって形成された窒化シリコン(SiN)からなるマスク層である。選択成長マスク層20は、シリコン基板10を露出させるように形成された開口部を有する。 The selective growth mask layer 20 is a mask layer made of silicon nitride (SiN) formed by nitriding a part of the surface of the silicon substrate 10. The selective growth mask layer 20 has an opening formed to expose the silicon substrate 10.
窒化物半導体層30は、選択成長マスク層20が形成されていないシリコン基板10上、すなわち、選択成長マスク層20の開口部におけるシリコン基板10上に形成されている。また、窒化物半導体層30は、開口部領域のシリコン基板10に接するようにして形成されている。窒化物半導体層30は、例えば、窒化ガリウムで構成することができる。 The nitride semiconductor layer 30 is formed on the silicon substrate 10 on which the selective growth mask layer 20 is not formed, that is, on the silicon substrate 10 in the opening of the selective growth mask layer 20. The nitride semiconductor layer 30 is formed in contact with the silicon substrate 10 in the opening region. The nitride semiconductor layer 30 can be composed of, for example, gallium nitride.
次に、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置1の製造方法について、図2を用いて説明する。図2は、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法における各工程の断面図である。 Next, a method for manufacturing the nitride semiconductor device 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of each step in the method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
図2(a)に示すように、まず、シリコン基板10を、例えば酸化炉を用いて酸素ガスを含む雰囲気において1000℃程度の温度でアニールすることによって、シリコン基板10の表面を酸化して、シリコン基板10の表面に酸化シリコンマスク層(第1の層)40を形成する(第1の工程)。 As shown in FIG. 2A, first, the surface of the silicon substrate 10 is oxidized by annealing the silicon substrate 10 at a temperature of about 1000 ° C. in an atmosphere containing oxygen gas using an oxidation furnace, for example. A silicon oxide mask layer (first layer) 40 is formed on the surface of the silicon substrate 10 (first step).
次に、図2(b)に示すように、フォトリソグラフィを用いて、酸化シリコンマスク層40上に所定形状にパターニングされたレジストマスク層50を形成する(第2の工程)。なお、レジストマスク層50が形成されない領域においては、酸化シリコンマスク層40が露出されている。 Next, as shown in FIG. 2B, a resist mask layer 50 patterned in a predetermined shape is formed on the silicon oxide mask layer 40 by using photolithography (second step). In the region where the resist mask layer 50 is not formed, the silicon oxide mask layer 40 is exposed.
次に、図2(c)に示すように、例えば希フッ酸によるエッチングを行うことによって、レジストマスク層50をマスクとして酸化シリコンマスク層40を除去する(第3の工程)。すなわち、レジストマスク層50が形成されていない領域(レジストマスク層50の開口部分)において露出する酸化シリコンマスク層40を除去して、これにより酸化シリコンマスク層40に開口部を設ける。これにより、酸化シリコンマスク層40が除去された部分において、シリコン基板10が露出する。 Next, as shown in FIG. 2C, the silicon oxide mask layer 40 is removed using the resist mask layer 50 as a mask, for example, by etching with dilute hydrofluoric acid (third step). That is, the silicon oxide mask layer 40 exposed in a region where the resist mask layer 50 is not formed (an opening portion of the resist mask layer 50) is removed, thereby providing an opening in the silicon oxide mask layer 40. Thereby, the silicon substrate 10 is exposed in the portion where the silicon oxide mask layer 40 is removed.
次に、レジストマスク層50を所定の方法によって除去した後、酸化シリコンマスク層40が形成されたシリコン基板10をアニール炉に投入し、例えばアンモニア雰囲気において700℃程度以上の温度でアニールを行ってシリコン基板10の表面を窒化する(第4工程)。これにより、図4(d)に示すように、酸化シリコンマスク層40をマスクとして、露出するシリコン基板10の表面が窒化され、シリコン基板10の表面の一部分に窒化シリコンからなる選択成長マスク層20を形成することができる。なお、酸化シリコンマスク層40で覆われるシリコン基板10上には選択成長マスク層20は形成されず、この部分が選択成長マスク層20の開口部となる。 Next, after removing the resist mask layer 50 by a predetermined method, the silicon substrate 10 on which the silicon oxide mask layer 40 is formed is put into an annealing furnace and annealed at a temperature of about 700 ° C. or higher in an ammonia atmosphere, for example. The surface of the silicon substrate 10 is nitrided (fourth step). As a result, as shown in FIG. 4D, the exposed surface of the silicon substrate 10 is nitrided using the silicon oxide mask layer 40 as a mask, and the selective growth mask layer 20 made of silicon nitride is partially formed on the surface of the silicon substrate 10. Can be formed. Note that the selective growth mask layer 20 is not formed on the silicon substrate 10 covered with the silicon oxide mask layer 40, and this portion becomes an opening of the selective growth mask layer 20.
次に、図2(e)に示すように、過酸化水素水を含む洗浄(例えばRCA洗浄)や希フッ酸洗浄により、シリコン基板10の洗浄を兼ねて、酸化シリコンマスク層40を除去する(第5の工程)。これにより、酸化シリコンマスク層40の下に存在するシリコン基板10が露出する。 Next, as shown in FIG. 2E, the silicon oxide mask layer 40 is also removed by cleaning including hydrogen peroxide (for example, RCA cleaning) or cleaning with dilute hydrofluoric acid and also cleaning of the silicon substrate 10 (see FIG. 2E). Fifth step). Thereby, the silicon substrate 10 existing under the silicon oxide mask layer 40 is exposed.
次に、図2(f)に示すように、表面を露出させたシリコン基板10を結晶成長炉に投入し、選択成長マスク層20の開口部分におけるシリコン基板10上、すなわち、露出させたシリコン基板10上に、窒化物半導体層30を結晶成長する(第6の工程)。 Next, as shown in FIG. 2F, the silicon substrate 10 whose surface is exposed is put into a crystal growth furnace, and the silicon substrate 10 in the opening portion of the selective growth mask layer 20, that is, the exposed silicon substrate. The nitride semiconductor layer 30 is crystal-grown on the silicon 10 (sixth step).
以上により、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置1を製造することができる。 As described above, the nitride semiconductor device 1 according to the first embodiment of the present invention can be manufactured.
次に、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置1の具体例について、図3(a)及び図3(b)を用いて説明する。図3(a)は、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置の断面を部分的に拡大した模式図であり、図3(b)は、図3(a)の断面における断面SEM写真である。なお、図3(b)に示す窒化物半導体装置1のサンプルは、結晶成長炉としてMOCVD(有機金属気相成長法:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)を用い、窒化物半導体層30として、膜厚が50nmの窒化アルミニウム層(AlN)30aと膜厚が2800nmの窒化ガリウム層(GaN)30bとを成膜した。また、シリコン基板10としては、(111)面を主面とするシリコン基板を用いた。なお、六方晶系に属するGaN系結晶の面方位を、c面、a面、m面で示し、結晶軸方向をc軸、a軸、m軸で示す。c面は(0001)面であり、c軸はc面の法線ベクトルを示す。a面は(11−20)面であり、a軸はa面の法線ベクトルを示す。また、m面は(10−10)面であり、m軸はm面の法線ベクトルを示す。なお、一般に窒化物半導体のMOCVD法による結晶成長においては、m軸方向よりもa面軸方向の方が、結晶成長の制御が容易である。このため、図3(a)及び図3(b)では、c軸を中心として90度回転した方向にストライプを形成することとした。また、このようにすることにより、選択成長を制御しやすい他、劈開面であるm面を効率的に使用できるといった利点がある。 Next, a specific example of the nitride semiconductor device 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 (a) and 3 (b). FIG. 3A is a schematic diagram in which a section of the nitride semiconductor device according to the first embodiment of the present invention is partially enlarged, and FIG. 3B is a section in the section of FIG. It is a SEM photograph. Note that the sample of the nitride semiconductor device 1 shown in FIG. 3B uses MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) as a crystal growth furnace, and the nitride semiconductor layer 30 has a film thickness. A 50 nm aluminum nitride layer (AlN) 30a and a 2800 nm gallium nitride layer (GaN) 30b were formed. Further, as the silicon substrate 10, a silicon substrate having a (111) plane as a main surface was used. The plane orientation of a GaN-based crystal belonging to the hexagonal system is indicated by the c-plane, a-plane, and m-plane, and the crystal axis directions are indicated by the c-axis, a-axis, and m-axis. The c-plane is the (0001) plane, and the c-axis indicates the normal vector of the c-plane. The a-plane is the (11-20) plane, and the a-axis indicates the normal vector of the a-plane. The m-plane is a (10-10) plane, and the m-axis indicates a normal vector of the m-plane. In general, in crystal growth of nitride semiconductors by MOCVD, it is easier to control crystal growth in the a-plane axis direction than in the m-axis direction. For this reason, in FIGS. 3A and 3B, stripes are formed in a direction rotated 90 degrees around the c-axis. In addition, by doing so, there are advantages that the selective growth can be easily controlled and the m-plane which is a cleavage plane can be used efficiently.
図3(a)及び図3(b)に示すように、SiNからなる選択成長マスク層20が形成されていないシリコン基板10上(選択成長マスク層20の開口部)には、窒化アルミニウム層30a及び窒化ガリウム層30bが積層された窒化物半導体層30が形成されている。一方、選択成長マスク層20上には、窒化アルミニウム層30a及び窒化ガリウム層30bは成膜されていない。このように、選択成長マスク層20によって窒化物半導体層30の選択成長が実現できていることが分かる。 As shown in FIGS. 3A and 3B, an aluminum nitride layer 30a is formed on the silicon substrate 10 where the selective growth mask layer 20 made of SiN is not formed (the opening of the selective growth mask layer 20). And the nitride semiconductor layer 30 in which the gallium nitride layer 30b is laminated is formed. On the other hand, the aluminum nitride layer 30 a and the gallium nitride layer 30 b are not formed on the selective growth mask layer 20. Thus, it can be seen that selective growth of the nitride semiconductor layer 30 can be realized by the selective growth mask layer 20.
このとき、窒化アルミニウム層30aを成膜するときの成膜条件によっては、SiNからなる選択成長マスク層20上にも窒化アルミニウム層が堆積する。この場合、選択成長マスク層20上に堆積した窒化アルミニウムは、シリコン基板10の結晶性を引き継ぐことができないので、多結晶膜となる。従って、窒化アルミニウム層を成膜した後に窒化ガリウム層30bを成膜する場合、多結晶の窒化アルミニウム層上には窒化ガリウムは成長できず、選択成長マスク層20の開口部における窒化アルミニウム層30a上に選択的に窒化ガリウム層30bが成長する。このようにして、窒化物半導体層の選択成長を実現することができる。 At this time, an aluminum nitride layer is also deposited on the selective growth mask layer 20 made of SiN depending on the film forming conditions for forming the aluminum nitride layer 30a. In this case, since the aluminum nitride deposited on the selective growth mask layer 20 cannot take over the crystallinity of the silicon substrate 10, it becomes a polycrystalline film. Therefore, when the gallium nitride layer 30b is formed after forming the aluminum nitride layer, gallium nitride cannot grow on the polycrystalline aluminum nitride layer, and the aluminum nitride layer 30a on the opening of the selective growth mask layer 20 is not formed. Then, the gallium nitride layer 30b is selectively grown. In this way, selective growth of the nitride semiconductor layer can be realized.
なお、本実施形態では、シリコン基板10として(111)面を主面とする基板を用いているので、当該シリコン基板10の(111)面上には(0001)面の窒化物半導体層30が結晶成長する。また、図3(a)及び図3(b)に示すように、窒化ガリウム層30bには、(10−12)面も形成されているが、窒化ガリウム層30bの成長条件を変化させることによって、(10−10)面や(11−20)面を安定的に結晶成長させることができ、窒化ガリウム層30b等の窒化物半導体層30の側面を垂直に成長させることも可能である。 In the present embodiment, since the substrate having the (111) plane as the main surface is used as the silicon substrate 10, the (0001) plane nitride semiconductor layer 30 is formed on the (111) plane of the silicon substrate 10. Crystal grows. Further, as shown in FIGS. 3A and 3B, the (10-12) plane is also formed in the gallium nitride layer 30b, but by changing the growth conditions of the gallium nitride layer 30b. The (10-10) plane and (11-20) plane can be stably grown, and the side surfaces of the nitride semiconductor layer 30 such as the gallium nitride layer 30b can be grown vertically.
また、窒化物半導体層30の成長時に、シリコン基板10に対して水平方向(横方向)の結晶成長速度を上げる場合には、選択成長マスク層20のマスクパターンは窒化物半導体層30の(11−20)面が露出しやすいように形成することが望ましい。具体的には、選択成長マスク層20のマスクパターンは、窒化物半導体層30のm軸に平行な方向に延びる直線状に形成すればよい。 When the growth rate of the crystal in the horizontal direction (lateral direction) with respect to the silicon substrate 10 is increased during the growth of the nitride semiconductor layer 30, the mask pattern of the selective growth mask layer 20 is (11 −20) It is desirable that the surface be formed so as to be easily exposed. Specifically, the mask pattern of the selective growth mask layer 20 may be formed in a straight line extending in a direction parallel to the m-axis of the nitride semiconductor layer 30.
なお、シリコン基板10の(111)面上に結晶成長した(0001)面の窒化物半導体層30の各面方位は、次のようになる。(0001)面の窒化物半導体層30における(11−20)面は、(111)面のシリコン基板10の(112)面と平行となり、(0001)面の窒化物半導体層30における(10−10)面は、同シリコン基板10の(1−10)面と平行となる。 The plane orientations of the (0001) plane nitride semiconductor layer 30 grown on the (111) plane of the silicon substrate 10 are as follows. The (11-20) plane in the (0001) plane nitride semiconductor layer 30 is parallel to the (112) plane of the (111) plane silicon substrate 10 and (10−) in the (0001) plane nitride semiconductor layer 30. 10) The plane is parallel to the (1-10) plane of the silicon substrate 10.
以上、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置1によれば、選択成長マスク層20としての窒化シリコン層は、シリコン基板10のシリコンの一部を窒化することによって形成される。これにより、選択成長マスク層20の開口部領域における窒化物半導体層30の下地となるシリコン基板10の表面の結晶性は劣化しない。従って、選択成長マスク層20の開口部領域におけるシリコン基板10上において、結晶性に優れた窒化物半導体層30を形成することができる。 As described above, according to the nitride semiconductor device 1 according to the first embodiment of the present invention, the silicon nitride layer as the selective growth mask layer 20 is formed by nitriding a part of silicon of the silicon substrate 10. Thereby, the crystallinity of the surface of the silicon substrate 10 which is the base of the nitride semiconductor layer 30 in the opening region of the selective growth mask layer 20 is not deteriorated. Therefore, the nitride semiconductor layer 30 having excellent crystallinity can be formed on the silicon substrate 10 in the opening region of the selective growth mask layer 20.
また、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置1の製造方法によれば、シリコン基板10上における窒化物半導体層30の形成領域を、酸化シリコンマスク層40によって窒化物半導体の結晶成長直前まで保護することができる。すなわち、シリコン基板10上の窒化物半導体層30の形成領域は、第1の工程以降、第2〜第5の工程において、各種層の成膜時やエッチング時等におけるダメージを受けることが無い。このため、第6の工程における窒化物半導体層30の結晶成長直前まで、窒化物半導体層30の形成領域であるシリコン基板10の表面を何ら劣化させることなく清浄な状態に保つことができる。従って、低コスト及び短いタクトタイムで、結晶性に優れた窒化物半導体層30を形成することができる。なお、本実施形態に係る製造方法によれば、従来のように窒化物半導体層30を形成するためだけの下地の半導体層を別途形成する工程もない。 Further, according to the method for manufacturing the nitride semiconductor device 1 according to the first embodiment of the present invention, the nitride semiconductor layer 30 is formed on the silicon substrate 10 by using the silicon oxide mask layer 40 to form a nitride semiconductor crystal. Can be protected until just before growth. That is, the formation region of the nitride semiconductor layer 30 on the silicon substrate 10 is not damaged at the time of film formation or etching of various layers in the second to fifth steps after the first step. Therefore, the surface of the silicon substrate 10 that is the formation region of the nitride semiconductor layer 30 can be kept clean without any deterioration until just before crystal growth of the nitride semiconductor layer 30 in the sixth step. Therefore, the nitride semiconductor layer 30 having excellent crystallinity can be formed at a low cost and a short tact time. In addition, according to the manufacturing method according to the present embodiment, there is no step of separately forming a base semiconductor layer only for forming the nitride semiconductor layer 30 as in the prior art.
さらに、本実施形態に係る製造方法によれば、選択成長マスク層20として窒化シリコンを用いているので、選択成長マスク層20を窒化物半導体層30の選択成長マスクとして機能させるだけではなく、第5の工程において、フッ酸によって酸化シリコンマスク層40を選択的に除去するためのマスクとしても機能させることができる。 Furthermore, according to the manufacturing method according to the present embodiment, since silicon nitride is used as the selective growth mask layer 20, not only the selective growth mask layer 20 functions as a selective growth mask for the nitride semiconductor layer 30, but also the first In step 5, the silicon oxide mask layer 40 can be made to function as a mask for selectively removing with hydrofluoric acid.
また、本実施形態では、選択成長マスク層20はシリコン基板10の表面の一部を窒化させるものであるので、選択成長マスク層20は、シリコン基板10の表面に埋め込まれた形となって形成される。このため、選択成長マスク層20の表面は、シリコン基板10と窒化物半導体層30とが接する接触面よりも、シリコン基板10寄りにのみ存在し、窒化物半導体層30側には存在しないことになる。すなわち、選択成長マスク層20の表面は、シリコン基板10と窒化物半導体層30との接触面と同一面か、当該接触面よりもシリコン基板10寄りに存在することになる。 In this embodiment, since the selective growth mask layer 20 is for nitriding a part of the surface of the silicon substrate 10, the selective growth mask layer 20 is formed so as to be embedded in the surface of the silicon substrate 10. Is done. For this reason, the surface of the selective growth mask layer 20 exists only closer to the silicon substrate 10 than the contact surface where the silicon substrate 10 and the nitride semiconductor layer 30 are in contact, and does not exist on the nitride semiconductor layer 30 side. Become. That is, the surface of the selective growth mask layer 20 is on the same plane as the contact surface between the silicon substrate 10 and the nitride semiconductor layer 30 or closer to the silicon substrate 10 than the contact surface.
これにより、窒化物半導体層30の形成時において選択成長マスク層20の開口部領域が最も高い位置に位置することになるので、選択成長マスク層20の形成時や窒化物半導体層30の形成時において、窒化物半導体の欠陥の原因であるパーティクルやウォーターマーク等が窒化物半導体層30の形成領域に残留しにくくなる。従って、結晶性に優れた高品質の窒化物半導体層30を形成することができる。 As a result, when the nitride semiconductor layer 30 is formed, the opening region of the selective growth mask layer 20 is positioned at the highest position. Therefore, when the selective growth mask layer 20 is formed or when the nitride semiconductor layer 30 is formed. In this case, particles, watermarks, and the like that cause the defects of the nitride semiconductor are less likely to remain in the formation region of the nitride semiconductor layer 30. Therefore, a high quality nitride semiconductor layer 30 with excellent crystallinity can be formed.
また、上述のように本実施形態では、選択成長マスク層20はシリコン基板10の一部を窒化させるものであるので、選択成長マスク層20とシリコン基板10との界面は一度も露出することがない。従って、選択成長マスク層20とシリコン基板10との界面近傍においては、炭素原子といった不純物は、シリコン基板10の内部にもともと内在するもの以外のものについては存在しない。従って、選択成長マスク層20からシリコン基板10に向かって深さ方向に連続的に炭素濃度を測定すると、選択成長マスク層20とシリコン基板10との界面を境界として、選択成長マスク層20とシリコン基板10との間の炭素原子濃度は一定となり、選択成長マスク層20とシリコン基板10との界面近傍における炭素原子濃度は変化しない。 Further, as described above, in this embodiment, the selective growth mask layer 20 nitrides a part of the silicon substrate 10, and therefore the interface between the selective growth mask layer 20 and the silicon substrate 10 may be exposed even once. Absent. Therefore, in the vicinity of the interface between the selective growth mask layer 20 and the silicon substrate 10, impurities such as carbon atoms do not exist other than those originally present inside the silicon substrate 10. Accordingly, when the carbon concentration is continuously measured in the depth direction from the selective growth mask layer 20 toward the silicon substrate 10, the selective growth mask layer 20 and the silicon are separated from each other with the interface between the selective growth mask layer 20 and the silicon substrate 10 as a boundary. The carbon atom concentration between the substrate 10 and the substrate 10 is constant, and the carbon atom concentration in the vicinity of the interface between the selective growth mask layer 20 and the silicon substrate 10 does not change.
なお、シリコン基板上に優れた結晶性の窒化物半導体層を結晶成長させる場合は、酸化シリコンは選択成長マスク層となってしまうため、窒化物半導体層の形成領域におけるシリコン基板上の自然酸化膜は十分に除去する必要がある。しかし、本実施形態に係る製造方法によれば、窒化物半導体層30の結晶成長直前まで、窒化物半導体層30の形成領域は酸化シリコンマスク層40で覆われているとともに、当該酸化シリコンマスク層40は窒化物半導体層30の結晶成長直前に除去される。これにより、窒化物半導体層30の形成領域におけるシリコン基板10の表面は窒化物半導体層30の結晶成長直前まで何ら劣化させることなく清浄な状態に保つことができる。これにより、優れた結晶性を有する窒化物半導体層30を選択的に結晶成長することができる。 When an excellent crystalline nitride semiconductor layer is grown on a silicon substrate, silicon oxide becomes a selective growth mask layer, so that a natural oxide film on the silicon substrate in the region where the nitride semiconductor layer is formed Should be removed sufficiently. However, according to the manufacturing method according to the present embodiment, the formation region of the nitride semiconductor layer 30 is covered with the silicon oxide mask layer 40 until immediately before the crystal growth of the nitride semiconductor layer 30, and the silicon oxide mask layer 40 is removed immediately before crystal growth of the nitride semiconductor layer 30. Thereby, the surface of the silicon substrate 10 in the region where the nitride semiconductor layer 30 is formed can be kept clean without any deterioration until immediately before the crystal growth of the nitride semiconductor layer 30. Thereby, the nitride semiconductor layer 30 having excellent crystallinity can be selectively crystal-grown.
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体装置2について、図4を用いて説明する。図4は、本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を示す断面図である。なお、図4において、図1に示す構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付している。
(Second Embodiment)
Next, a nitride semiconductor device 2 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a nitride semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 4, the same components as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
図4に示すように、本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体装置2は、シリコン基板10と、選択成長マスク層20と、窒化物半導体層31とを有する。 As shown in FIG. 4, the nitride semiconductor device 2 according to the second embodiment of the present invention includes a silicon substrate 10, a selective growth mask layer 20, and a nitride semiconductor layer 31.
本実施形態に係る選択成長マスク層20は、第1の実施形態と同様の選択成長マスク層20であるが、シリコン基板10を露出させる開口部が複数個形成されている。つまり、シリコン基板10と窒化物半導体層31とが接する箇所が複数個存在する。 The selective growth mask layer 20 according to the present embodiment is the same as the selective growth mask layer 20 as in the first embodiment, but a plurality of openings for exposing the silicon substrate 10 are formed. That is, there are a plurality of locations where the silicon substrate 10 and the nitride semiconductor layer 31 are in contact.
さらに、本実施形態に係る窒化物半導体層31は、選択成長マスク層20の開口部におけるシリコン基板10上だけではなく、選択成長マスク層20の上にも直接形成されている。すなわち、本実施形態では、複数の開口部におけるシリコン基板10から窒化物半導体の結晶成長が始まり、結晶成長が進むに従って窒化物半導体が横方向(シリコン基板10の水平方向)にも選択成長されて、横方向に成長する窒化物半導体同士を結合させることにより窒化物半導体層31が形成される。 Furthermore, the nitride semiconductor layer 31 according to the present embodiment is directly formed not only on the silicon substrate 10 in the opening of the selective growth mask layer 20 but also on the selective growth mask layer 20. That is, in this embodiment, crystal growth of the nitride semiconductor starts from the silicon substrate 10 in the plurality of openings, and the nitride semiconductor is selectively grown in the lateral direction (horizontal direction of the silicon substrate 10) as the crystal growth proceeds. The nitride semiconductor layers 31 are formed by bonding the nitride semiconductors grown in the lateral direction.
以上、本実施形態に係る窒化物半導体装置2は、第1の実施形態に係る窒化物半導体装置1と同様の効果を奏することができる。さらに、本実施形態に窒化物半導体装置2は、上記構成により、高品質で優れた結晶性でありながら、面積の大きい窒化物半導体層31を形成することができる。 As described above, the nitride semiconductor device 2 according to the present embodiment can achieve the same effects as the nitride semiconductor device 1 according to the first embodiment. Furthermore, according to the present embodiment, the nitride semiconductor device 2 can form the nitride semiconductor layer 31 having a large area while having high quality and excellent crystallinity.
また、本実施形態において、選択成長マスク層20の開口部は、窒化物半導体層31のm軸に平行な方向に沿った直線状に形成することが好ましい。これにより、窒化物半導体層31のa軸方向における結晶成長速度を速くすることができ、上記横方向における選択成長を容易に行うことができる。さらに、成長初期における窒化物半導体層31の結晶成長面を、(11−22)面等のシリコン基板10に対して鋭角をなす面となるように、窒化物半導体層31の成長条件を調整することが好ましい。これにより、シリコン基板10の下地層より垂直方向に伸びている貫通転位を、シリコン基板10に対して水平方向へと曲げることができる。これにより、窒化物半導体層31の横方向における選択成長をさらに容易に行うことができる。なお、貫通転位とは、転位欠陥が伝搬されて結晶成長面を貫通する転位のことである。 In the present embodiment, the opening of the selective growth mask layer 20 is preferably formed in a linear shape along a direction parallel to the m-axis of the nitride semiconductor layer 31. Thereby, the crystal growth rate in the a-axis direction of the nitride semiconductor layer 31 can be increased, and the selective growth in the lateral direction can be easily performed. Furthermore, the growth conditions of the nitride semiconductor layer 31 are adjusted so that the crystal growth surface of the nitride semiconductor layer 31 in the initial stage of growth becomes a surface that forms an acute angle with respect to the silicon substrate 10 such as the (11-22) plane. It is preferable. Thereby, threading dislocations extending in the vertical direction from the underlying layer of the silicon substrate 10 can be bent in the horizontal direction with respect to the silicon substrate 10. Thereby, selective growth in the lateral direction of the nitride semiconductor layer 31 can be performed more easily. The threading dislocation is a dislocation that propagates a dislocation defect and penetrates the crystal growth surface.
なお、本実施形態に係る窒化物半導体装置2は、第1の実施形態に係る窒化物半導体装置1の製造方法と同様の方法で製造することができる。 The nitride semiconductor device 2 according to this embodiment can be manufactured by the same method as the method for manufacturing the nitride semiconductor device 1 according to the first embodiment.
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体装置3について、図5を用いて説明する。図5は、本発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を示す断面図である。
(Third embodiment)
Next, a nitride semiconductor device 3 according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a nitride semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
図5に示すように、本発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体装置3は、シリコン基板11と、選択成長マスク層21と、窒化物半導体層32とを有する。 As shown in FIG. 5, the nitride semiconductor device 3 according to the third embodiment of the present invention includes a silicon substrate 11, a selective growth mask layer 21, and a nitride semiconductor layer 32.
本実施形態に係るシリコン基板11は、第1の実施形態と同様に、(111)面を主面とするシリコン基板であるが、本実施形態では、第1の実施形態とは異なり、シリコン基板11の上に凹部11aが形成されている。つまり、隣接する凹部11aに挟まれるようにしてシリコン基板11の上に凸部11bが形成されるようにして構成されている。 Similar to the first embodiment, the silicon substrate 11 according to the present embodiment is a silicon substrate having a (111) plane as a main surface. However, in the present embodiment, unlike the first embodiment, the silicon substrate 11 is a silicon substrate. A recess 11 a is formed on 11. That is, the convex portion 11b is formed on the silicon substrate 11 so as to be sandwiched between the adjacent concave portions 11a.
また、本実施形態に係る選択成長マスク層21は、第1の実施形態と同様に、シリコン基板11の一部を窒化させて形成されるものであるが、本実施形態では、第1の実施形態とは異なり、シリコン基板11の凹部11aの表面にのみ形成されており、凸部11bの上面には選択成長マスク層21は形成されていない。すなわち、凹部11a以外のシリコン基板11上には選択成長マスク層21が存在しない。 The selective growth mask layer 21 according to this embodiment is formed by nitriding a part of the silicon substrate 11 as in the first embodiment. In this embodiment, the selective growth mask layer 21 is the first embodiment. Unlike the form, it is formed only on the surface of the concave portion 11a of the silicon substrate 11, and the selective growth mask layer 21 is not formed on the upper surface of the convex portion 11b. That is, the selective growth mask layer 21 does not exist on the silicon substrate 11 other than the recess 11a.
また、凹部11a以外のシリコン基板11上、すなわち凸部11b上には、シリコン基板11に接するようにして窒化物半導体層32が形成されている。また、窒化物半導体層32は、凹部11aにおける選択成長マスク層21上には直接形成されていないが、シリコン基板11の横方向に形成されており、選択成長マスク層21とは空隙60を介して選択成長マスク層21の上方にまで形成されている。 A nitride semiconductor layer 32 is formed on the silicon substrate 11 other than the recesses 11a, that is, on the projections 11b so as to be in contact with the silicon substrate 11. The nitride semiconductor layer 32 is not directly formed on the selective growth mask layer 21 in the recess 11 a, but is formed in the lateral direction of the silicon substrate 11 and is separated from the selective growth mask layer 21 via the gap 60. Thus, it is formed even above the selective growth mask layer 21.
このように構成される本発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体装置3は、例えば第1の実施形態に係る窒化物半導体装置1の製造方法に準じて製造することができる。 The nitride semiconductor device 3 according to the third embodiment of the present invention configured as described above can be manufactured, for example, according to the method for manufacturing the nitride semiconductor device 1 according to the first embodiment.
例えば、図2(c)に示す第1の実施形態の製造方法における第3の工程において、希フッ酸によって酸化シリコンマスク層40をエッチング除去したが、希フッ酸の代わりにRIE(Reactive Ion Etching)などの装置を用いたドライエッチングにより、酸化シリコンマスク層40を除去した後において、あるいは酸化シリコンマスク層40の除去工程と同じ工程において、酸化シリコンマスク層40を除去した部分におけるシリコン基板をエッチングすればよい。これにより、シリコン基板11に凹部11aを形成して凸部11bを構成することができる。 For example, in the third step of the manufacturing method of the first embodiment shown in FIG. 2C, the silicon oxide mask layer 40 is removed by etching with dilute hydrofluoric acid, but RIE (Reactive Ion Etching) is used instead of dilute hydrofluoric acid. After the silicon oxide mask layer 40 is removed by dry etching using an apparatus such as), or in the same process as the silicon oxide mask layer 40 removal process, the silicon substrate in the portion where the silicon oxide mask layer 40 is removed is etched. do it. Thereby, the recessed part 11a can be formed in the silicon substrate 11, and the convex part 11b can be comprised.
さらに、ドライエッチングで凹部11aを形成した後に、当該凹部11aに対してさらに希フッ酸によるエッチングを行って、シリコン基板に残留するドライエッチングによるダメージを除去する工程を追加してもよい。これにより、高品質の選択成長マスク層21を形成することができる。 Further, after the recess 11a is formed by dry etching, a process may be added in which the recess 11a is further etched with dilute hydrofluoric acid to remove damage caused by dry etching remaining on the silicon substrate. Thereby, a high quality selective growth mask layer 21 can be formed.
なお、これ以外の工程は、第1の実施形態と同様の工程を行うことにより、本実施形態に係る窒化物半導体装置3を製造することができる。但し、窒化物半導体層32が選択成長マスク層20の上方にも形成されるように、窒化物半導体層32の成長条件を調整することが好ましい。 In addition, the nitride semiconductor device 3 which concerns on this embodiment can be manufactured by performing the process other than this by the same process as 1st Embodiment. However, it is preferable to adjust the growth conditions of the nitride semiconductor layer 32 so that the nitride semiconductor layer 32 is also formed above the selective growth mask layer 20.
以上、本発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体装置3は、第1の実施形態に係る窒化物半導体装置1と同様の効果を奏することができる。さらに、本実施形態に係る窒化物半導体装置3によれば、選択成長マスク層21の表面が、シリコン基板11と窒化物半導体層32との接触面よりも低い位置に存在することになり、選択成長マスク層21と窒化物半導体層32との間に空隙60が存在する。これにより、窒化物半導体層32とシリコン基板11との間に発生する応力を緩和することができるという効果も得ることができる。 As described above, the nitride semiconductor device 3 according to the third embodiment of the present invention can achieve the same effects as the nitride semiconductor device 1 according to the first embodiment. Furthermore, according to the nitride semiconductor device 3 according to the present embodiment, the surface of the selective growth mask layer 21 is present at a position lower than the contact surface between the silicon substrate 11 and the nitride semiconductor layer 32. A gap 60 exists between the growth mask layer 21 and the nitride semiconductor layer 32. Thereby, the effect that the stress which generate | occur | produces between the nitride semiconductor layer 32 and the silicon substrate 11 can be relieved can also be acquired.
(第4の実施形態)
次に、本発明の第4の実施形態に係る窒化物半導体装置4について、図6を用いて説明する。図6は、本発明の第4の実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を示す断面図である。なお、図6において、図5に示す構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付している。
(Fourth embodiment)
Next, a nitride semiconductor device 4 according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a nitride semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 6, the same components as those shown in FIG.
図6に示すように、本発明の第4の実施形態に係る窒化物半導体装置4は、シリコン基板11と、選択成長マスク層21と、窒化物半導体層33とを有する。 As shown in FIG. 6, the nitride semiconductor device 4 according to the fourth embodiment of the present invention includes a silicon substrate 11, a selective growth mask layer 21, and a nitride semiconductor layer 33.
本実施形態に係るシリコン基板11は、第3の実施形態と同様のシリコン基板11であるが、本実施形態では、凸部11bが複数個形成されている。つまり、シリコン基板11と窒化物半導体層33とが接する箇所が複数個存在する。 The silicon substrate 11 according to this embodiment is the same silicon substrate 11 as in the third embodiment, but in this embodiment, a plurality of convex portions 11b are formed. That is, there are a plurality of locations where the silicon substrate 11 and the nitride semiconductor layer 33 are in contact.
さらに、本実施形態に係る窒化物半導体層33は、シリコン基板11の凸部11bの上面だけではなく、選択成長マスク層20の上方にも形成されている。すなわち、本実施形態では、複数の凸部11bにおけるシリコン基板11から窒化物半導体の結晶成長が始まり、結晶成長が進むに従って窒化物半導体が横方向(シリコン基板11の水平方向)にも選択成長されて、横方向に成長する窒化物半導体同士を結合させることによって窒化物半導体層33が形成される。 Furthermore, the nitride semiconductor layer 33 according to the present embodiment is formed not only on the upper surface of the convex portion 11 b of the silicon substrate 11 but also on the selective growth mask layer 20. That is, in this embodiment, crystal growth of a nitride semiconductor starts from the silicon substrate 11 at the plurality of protrusions 11b, and the nitride semiconductor is selectively grown in the lateral direction (horizontal direction of the silicon substrate 11) as the crystal growth proceeds. Thus, the nitride semiconductor layer 33 is formed by bonding the nitride semiconductors grown in the lateral direction.
以上、本実施形態に係る窒化物半導体装置4は、第3の実施形態に係る窒化物半導体装置3と同様の効果を奏することができる。さらに、本実施形態に窒化物半導体装置4は、上記構成により、高品質で優れた結晶性でありながら、面積の大きい窒化物半導体層33を形成することができる。 As described above, the nitride semiconductor device 4 according to the present embodiment can achieve the same effects as the nitride semiconductor device 3 according to the third embodiment. Furthermore, the nitride semiconductor device 4 according to the present embodiment can form the nitride semiconductor layer 33 having a large area while having high quality and excellent crystallinity due to the above configuration.
特に、本実施形態に係る窒化物半導体装置4は、第3の実施形態に係る窒化物半導体装置3と同様に、選択成長マスク層21と窒化物半導体層33との間に空隙60が存在するが、本実施形態では、空隙60が窒化物半導体層33の内部に封止される構成となる。従って、窒化物半導体層33を劣化させることなく窒化物半導体装置4の内部に発生する応力を緩和することができる。 In particular, in the nitride semiconductor device 4 according to the present embodiment, the gap 60 exists between the selective growth mask layer 21 and the nitride semiconductor layer 33 as in the nitride semiconductor device 3 according to the third embodiment. However, in the present embodiment, the gap 60 is sealed inside the nitride semiconductor layer 33. Therefore, the stress generated inside the nitride semiconductor device 4 can be relaxed without deteriorating the nitride semiconductor layer 33.
また、本実施形態において、選択成長マスク層21の開口部は、第2の実施形態における選択成長マスク層20と同様に、窒化物半導体層33のm軸に平行な方向に沿った直線状に形成することが好ましい。これにより、窒化物半導体層33のa軸方向における結晶成長速度を速くすることができ、上記横方向における選択成長を容易に行うことができる。 In the present embodiment, the opening of the selective growth mask layer 21 is linear along the direction parallel to the m-axis of the nitride semiconductor layer 33, as in the selective growth mask layer 20 in the second embodiment. It is preferable to form. Thereby, the crystal growth rate in the a-axis direction of the nitride semiconductor layer 33 can be increased, and the selective growth in the lateral direction can be easily performed.
(第5の実施形態)
次に、本発明の第5の実施形態に係る窒化物半導体装置5について、図7を用いて説明する。図7は、本発明の第5の実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を示す断面図である。なお、図7において、図1に示す構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付している。
(Fifth embodiment)
Next, a nitride semiconductor device 5 according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of a nitride semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention. In FIG. 7, the same components as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
図7に示すように、本発明の第5の実施形態に係る窒化物半導体装置5は、高電子移動度トランジスタ(HEMT: High Electron Mobility Transistor)であって、シリコン基板10と、選択成長マスク層20と、窒化物半導体層であるバッファ層71とを有し、さらに、バッファ層71上に、緩衝層72、電子走行層73、電子供給層74が順次形成されたものである。また、電子供給層74上には、ソース電極75S、ゲート電極75G及びドレイン電極75Dが形成されている。 As shown in FIG. 7, the nitride semiconductor device 5 according to the fifth embodiment of the present invention is a high electron mobility transistor (HEMT), which includes a silicon substrate 10 and a selective growth mask layer. 20 and a buffer layer 71 that is a nitride semiconductor layer, and a buffer layer 72, an electron transit layer 73, and an electron supply layer 74 are sequentially formed on the buffer layer 71. On the electron supply layer 74, a source electrode 75S, a gate electrode 75G, and a drain electrode 75D are formed.
バッファ層71は、選択成長マスク層20が形成されていない領域、すなわち、選択成長マスク層20の開口部分において、シリコン基板10と接するように形成されている。さらに、バッファ層71は、選択成長マスク層20の上にも形成されており、第2の実施形態と同様に、選択成長マスク層20の開口部分におけるシリコン基板10から窒化物半導体の成長が始まり、結晶成長が進むに従って窒化物半導体が横方向にも選択成長されて形成される。 The buffer layer 71 is formed in contact with the silicon substrate 10 in a region where the selective growth mask layer 20 is not formed, that is, in an opening portion of the selective growth mask layer 20. Further, the buffer layer 71 is also formed on the selective growth mask layer 20, and the growth of the nitride semiconductor starts from the silicon substrate 10 in the opening portion of the selective growth mask layer 20, as in the second embodiment. As the crystal growth proceeds, a nitride semiconductor is selectively grown in the lateral direction.
本実施形態において、バッファ層71は、窒化物半導体からなり、複数の層で構成されていてもよい。なお、バッファ層71のシリコン基板10に接する層は、例えばAlxGa(1-x)N(0≦x≦1)からなる層であればよい。本実施形態では、シリコン基板10に接する層として、窒化アルミニウム(x=1)を用いている。また、横方向に選択成長を促進させる層としては、AlxGa(1-x)N(0≦x≦1)からなる層であればよい。本実施形態では、横方向に選択成長を促進させる層として、窒化ガリウム(x=0)を用いている。このように本実施形態では、バッファ層71としては、図3(a)に示すような窒化アルミニウム層と窒化ガリウムからなる複数の層で構成した。 In the present embodiment, the buffer layer 71 is made of a nitride semiconductor and may be composed of a plurality of layers. The layer in contact with the silicon substrate 10 of the buffer layer 71 may be a layer made of, for example, Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x ≦ 1). In this embodiment, aluminum nitride (x = 1) is used as a layer in contact with the silicon substrate 10. The layer that promotes selective growth in the lateral direction may be a layer made of Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x ≦ 1). In this embodiment, gallium nitride (x = 0) is used as a layer that promotes selective growth in the lateral direction. Thus, in this embodiment, the buffer layer 71 is composed of a plurality of layers made of an aluminum nitride layer and gallium nitride as shown in FIG.
緩衝層72は、窒化物半導体を成膜した後において、シリコン基板の反りやクラックを緩和するための層である。従って、緩衝層72は、挿入することが望ましいが、省略しても構わない。 The buffer layer 72 is a layer for alleviating warpage and cracks of the silicon substrate after the nitride semiconductor is formed. Therefore, the buffer layer 72 is preferably inserted, but may be omitted.
本実施形態において、緩衝層72は、膜厚が500nm程度のAlxGa(1-x)N(0≦x≦1)の単膜を用いることができる。その他、緩衝層72としては、AlxGa(1-x)N(0≦x<y)とAlyGa(1-y)N(x<y≦1)とで構成された超格子構造としても良い。さらに、上記のAlxGa(1-x)N(0≦x≦1)の単膜と上記の超格子構造とを複合化して構成しても良い。なお、緩衝層72を厚く成膜することができれば、緩衝層72上の窒化物半導体は高結晶化することができる他に、素子の高耐圧化に優位となるが、厚膜化によって上記の反りやクラックが発生しやすくなってしまうため、緩衝層72の膜厚は適切に設計することが好ましい。 In the present embodiment, the buffer layer 72 may be a single film of Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x ≦ 1) having a thickness of about 500 nm. In addition, the buffer layer 72 has a superlattice structure composed of Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x <y) and Al y Ga (1-y) N (x <y ≦ 1). Also good. Further, the Al x Ga (1-x) N (0 ≦ x ≦ 1) single film and the superlattice structure may be combined. If the buffer layer 72 can be formed thick, the nitride semiconductor on the buffer layer 72 can be highly crystallized and is advantageous for increasing the breakdown voltage of the element. Since a warp or a crack is likely to occur, it is preferable to design the thickness of the buffer layer 72 appropriately.
電子走行層73は、例えばアンドープGaNからなる層である。なお、本実施形態においてアンドープとは、意図して不純物を導入していないことを示す。電子走行層73としては、キャリアをトラップする炭素原子等の不純物の混入が少ないことが望ましい。 The electron transit layer 73 is a layer made of, for example, undoped GaN. In the present embodiment, undoped means that no impurity is intentionally introduced. As the electron transit layer 73, it is desirable that impurities such as carbon atoms trapping carriers are less mixed.
電子供給層74は、電子走行層73よりもバンドギャップの大きな材料で構成されており、電子走行層73との界面に2次元電子ガスを発生させる。例えば、電子供給層74を、アンドープAlGaNとし、上記のように電子走行層73をアンドープGaNとすると、自発分極及びピエゾ分極の影響により、電子走行層73と電子供給層74とのヘテロ界面に2次元電子ガスが発生する。 The electron supply layer 74 is made of a material having a larger band gap than the electron transit layer 73 and generates a two-dimensional electron gas at the interface with the electron transit layer 73. For example, if the electron supply layer 74 is undoped AlGaN and the electron transit layer 73 is undoped GaN as described above, the heterogeneous interface between the electron transit layer 73 and the electron supply layer 74 is 2 due to the influence of spontaneous polarization and piezoelectric polarization. Dimensional electron gas is generated.
ソース電極75S及びドレイン電極75Dは、これらの電極と接する窒化物半導体とオーミック接合しており、例えば、TiとAlとの積層構造の電極である。 The source electrode 75S and the drain electrode 75D are in ohmic contact with the nitride semiconductor in contact with these electrodes, and are, for example, electrodes having a laminated structure of Ti and Al.
ゲート電極75Gは、当該ゲート電極75Gと接する層とショットキー接合をしており、例えば、Ni層とPt層とAu層の積層構造の電極である。 The gate electrode 75G has a Schottky junction with a layer in contact with the gate electrode 75G, and is, for example, an electrode having a stacked structure of a Ni layer, a Pt layer, and an Au layer.
このように、本発明の第5の実施形態に係る窒化物半導体装置5は、窒化物半導体層(バッファ層71)上に、電子走行層73や電子供給層74の能動層が形成されたものであり、ソース電極75S及びドレイン電極75Dを動作させることにより、電子走行層73と電子供給層74との界面に発生する2次元電子ガス中を電子が高速走行して、ドレイン電流が流れる。そして、ゲート電極75Gの電圧を制御することにより、ゲート電極75G直下の空乏層を制御することができ、2次電子ガス中を走行するドレイン電流を制御することができる。 Thus, in the nitride semiconductor device 5 according to the fifth embodiment of the present invention, the active layer of the electron transit layer 73 and the electron supply layer 74 is formed on the nitride semiconductor layer (buffer layer 71). By operating the source electrode 75S and the drain electrode 75D, electrons run at high speed in the two-dimensional electron gas generated at the interface between the electron transit layer 73 and the electron supply layer 74, and a drain current flows. Then, by controlling the voltage of the gate electrode 75G, the depletion layer immediately below the gate electrode 75G can be controlled, and the drain current traveling in the secondary electron gas can be controlled.
以上、本実施形態に係る窒化物半導体装置5によれば、上記構成によって、素子の能動部位における貫通転位の密度は、選択成長マスク層20の開口部分における貫通転位80の密度と比較すると小さくなる。これにより、素子の能動部位の結晶性を向上させることができるので、素子のリーク電流を低減することができるとともに、高耐圧化を可能とすることができる。 As described above, according to the nitride semiconductor device 5 according to the present embodiment, the density of threading dislocations in the active portion of the element is smaller than the density of threading dislocations 80 in the opening portion of the selective growth mask layer 20 due to the above configuration. . Thereby, the crystallinity of the active part of the element can be improved, so that the leakage current of the element can be reduced and a high breakdown voltage can be achieved.
次に、本発明の第5の実施形態に係る窒化物半導体装置5の製造方法について、図8を用いて説明する。図8は、本発明の第5の実施形態に係る窒化物半導体装置5の製造方法における各工程の構成を示した断面図である。 Next, a method for manufacturing the nitride semiconductor device 5 according to the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration of each step in the method for manufacturing the nitride semiconductor device 5 according to the fifth embodiment of the present invention.
まず、図8(a)に示すように、第1の実施形態に係る窒化物半導体装置1と同様の工程(第1〜第5の工程)によって、シリコン基板10上に、所定のパターンの選択成長マスク層20を形成する。なお、本実施形態では、シリコン基板10は、(111)面を表面に持つ基板であって、選択成長マスク層20は、m軸に平行、すなわちシリコン基板の(1−10)面の法線に平行なストライプ状のパターンとする。 First, as shown in FIG. 8A, a predetermined pattern is selected on the silicon substrate 10 by the same processes (first to fifth processes) as the nitride semiconductor device 1 according to the first embodiment. A growth mask layer 20 is formed. In the present embodiment, the silicon substrate 10 is a substrate having a (111) plane on the surface, and the selective growth mask layer 20 is parallel to the m-axis, that is, the normal line of the (1-10) plane of the silicon substrate. A stripe pattern parallel to
次に、選択成長マスク層20が形成されたシリコン基板10を結晶成長炉に投入し、図8(a)に示すように、シリコン基板10に接するようにして窒化物半導体層からなるバッファ層71を結晶成長させる。また、バッファ層71は、選択成長マスク層20上にも形成されるように、シリコン基板10の主面に対して水平方向にも結晶成長させる。 Next, the silicon substrate 10 on which the selective growth mask layer 20 is formed is put into a crystal growth furnace, and as shown in FIG. 8A, the buffer layer 71 made of a nitride semiconductor layer is in contact with the silicon substrate 10. Crystal growth. The buffer layer 71 is also grown in the horizontal direction with respect to the main surface of the silicon substrate 10 so as to be formed also on the selective growth mask layer 20.
なお、結晶成長炉は、窒化物半導体が成膜できる炉であればよく、MBE法(分子線エピタキシー法)やHVPE法(ハイドライド気相エピタキシー法)等も用いることができるが、量産性が高く薄膜制御が行いやすいMOCVD法を用いることが望ましい。本実施形態では、以下、MOCVDを用いた場合について説明する。 The crystal growth furnace may be any furnace that can form a nitride semiconductor, and MBE (molecular beam epitaxy), HVPE (hydride vapor phase epitaxy), etc. can be used, but mass productivity is high. It is desirable to use the MOCVD method that facilitates thin film control. In the present embodiment, the case where MOCVD is used will be described below.
結晶成長炉にシリコン基板10を投入後、H2及びN2の混合ガス雰囲気において、1200℃程度の高温でアニールを行う。次に、900℃程度まで温度を下げて、トリメチルアルミニウム(TMA)及びアンモニアガスを供給することにより、高炭素濃度の窒化アルミニウムからなる第1のバッファ層を20nmの膜厚で成膜する。次に、高炭素濃度の窒化アルミニウムを成膜した後、成長温度を1100℃に再び上昇させて、上記と同様にして、TMA及びアンモニアガスを供給し、低炭素濃度の窒化アルミニウムからなる第2のバッファ層を150nmの膜厚で成膜する。次に、横方向の選択成長を促進させるために、TMG及びアンモニアガスを供給することにより、窒化ガリウムからなる第3のバッファ層を成膜する。これにより、3層構造のバッファ層71を形成することができる。 After putting the silicon substrate 10 into the crystal growth furnace, annealing is performed at a high temperature of about 1200 ° C. in a mixed gas atmosphere of H 2 and N 2 . Next, the temperature is lowered to about 900 ° C. and trimethylaluminum (TMA) and ammonia gas are supplied to form a first buffer layer made of aluminum nitride having a high carbon concentration with a thickness of 20 nm. Next, after a high carbon concentration aluminum nitride film is formed, the growth temperature is raised again to 1100 ° C., and TMA and ammonia gas are supplied in the same manner as described above, so that a second carbon nitride made of low carbon concentration is formed. The buffer layer is formed with a film thickness of 150 nm. Next, in order to promote lateral selective growth, a third buffer layer made of gallium nitride is formed by supplying TMG and ammonia gas. Thereby, the buffer layer 71 having a three-layer structure can be formed.
次に、図8(b)に示すように、バッファ層71上に、緩衝層72を形成する。本実施形態では、緩衝層72として、Al0.2Ga0.8N層とAlN層からなる超格子構造の緩衝層72を膜厚が500nm程度で成膜した。 Next, as shown in FIG. 8B, the buffer layer 72 is formed on the buffer layer 71. In this embodiment, as the buffer layer 72, a buffer layer 72 having a superlattice structure composed of an Al 0.2 Ga 0.8 N layer and an AlN layer is formed with a film thickness of about 500 nm.
次に、図8(c)に示すように、緩衝層72上に、電子走行層73を形成する。本実施形態では、電子走行層73として、1050℃程度の温度によって膜厚が2μm程度のアンドープ窒化ガリウム層を成膜した。 Next, as shown in FIG. 8C, the electron transit layer 73 is formed on the buffer layer 72. In this embodiment, an undoped gallium nitride layer having a thickness of about 2 μm is formed as the electron transit layer 73 at a temperature of about 1050 ° C.
次に、図8(d)に示すように、電子走行層73上に、電子供給層74を形成する。本実施形態では、電子供給層74として、1100℃程度の温度によって膜厚が50nm程度のアンドープ窒化アルミニウムガリウム層を成膜した。 Next, as shown in FIG. 8D, the electron supply layer 74 is formed on the electron transit layer 73. In this embodiment, as the electron supply layer 74, an undoped aluminum gallium nitride layer having a thickness of about 50 nm is formed at a temperature of about 1100 ° C.
以上の層を連続して成膜した後に、各層が形成されたシリコン基板10を結晶成長炉から取り出す。 After the above layers are continuously formed, the silicon substrate 10 on which each layer is formed is taken out from the crystal growth furnace.
次に、EB(電子ビーム)蒸着装置を用いて電子供給層74上にTiとAlを順に成膜し、リフトオフ法によって不要部分を除去することにより、図8(e)に示すように、オーミック電極としてのソース電極75S及びドレイン電極75Dを所定のパターンで形成する。 Next, Ti and Al are sequentially formed on the electron supply layer 74 by using an EB (electron beam) vapor deposition apparatus, and unnecessary portions are removed by a lift-off method, thereby forming an ohmic as shown in FIG. A source electrode 75S and a drain electrode 75D as electrodes are formed in a predetermined pattern.
次に、ソース電極75S及びドレイン電極75Dと同様の方法で、EB蒸着装置を用いて電子供給層74上にPtとAuを順に成膜し、リフトオフ法によって不要部分を除去する。これにより、図8(f)に示すように、ソース電極75Sとドレイン電極75Dとの間に、ゲート電極75Gを所定のパターンで形成する。 Next, in the same manner as the source electrode 75S and the drain electrode 75D, Pt and Au are sequentially formed on the electron supply layer 74 using an EB vapor deposition apparatus, and unnecessary portions are removed by a lift-off method. Thus, as shown in FIG. 8F, the gate electrode 75G is formed in a predetermined pattern between the source electrode 75S and the drain electrode 75D.
以上のようにして、本発明の第5の実施形態に係る窒化物半導体装置を製造することができる。 As described above, the nitride semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention can be manufactured.
以上、本発明に係る窒化物半導体装置およびその製造方法について、実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。 As described above, the nitride semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention have been described based on the embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments. For example, it is realized by arbitrarily combining the components and functions in each embodiment without departing from the scope of the present invention, or the form obtained by subjecting each embodiment to various modifications conceived by those skilled in the art. Forms are also included in the present invention.
本発明に係る窒化物半導体装置及びその製造方法は、窒化物半導体層を有する電界効果トランジスタ等、窒化物半導体を備えた電子デバイスに有用である。 The nitride semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention are useful for electronic devices including a nitride semiconductor, such as a field effect transistor having a nitride semiconductor layer.
1、2、3、4、5 窒化物半導体装置
10、11 シリコン基板
11a 凹部
11b 凸部
20、21 選択成長マスク層
30、31、32、33:窒化物半導体層
30a 窒化アルミニウム層
30b 窒化ガリウム層
40 酸化シリコンマスク層
50 レジストマスク層
60 空隙
71 バッファ層
72 緩衝層
73 電子走行層
74 電子供給層
75S ソース電極
75D ドレイン電極
75G ゲート電極
80 貫通転位
1, 2, 3, 4, 5 Nitride semiconductor device 10, 11 Silicon substrate 11a Recess 11b Protrusion 20, 21 Selective growth mask layer 30, 31, 32, 33: Nitride semiconductor layer 30a Aluminum nitride layer 30b Gallium nitride layer 40 silicon oxide mask layer 50 resist mask layer 60 void 71 buffer layer 72 buffer layer 73 electron transit layer 74 electron supply layer 75S source electrode 75D drain electrode 75G gate electrode 80 threading dislocation
Claims (11)
前記シリコン基板に接するとともに前記シリコン基板上の一部分に形成された窒化シリコンからなる選択成長マスク層とを備え、
前記選択成長マスク層が形成されていない前記シリコン基板上に、当該シリコン基板に接するように窒化物半導体層が形成されている
窒化物半導体装置。 A silicon substrate;
A selective growth mask layer made of silicon nitride formed on a part of the silicon substrate and in contact with the silicon substrate;
A nitride semiconductor device, wherein a nitride semiconductor layer is formed on the silicon substrate on which the selective growth mask layer is not formed so as to be in contact with the silicon substrate.
前記選択成長マスク層は、前記凹部のみに形成されている
請求項1に記載の窒化物半導体装置。 The silicon substrate has a recess;
The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the selective growth mask layer is formed only in the recess.
請求項1又は請求項2に記載の窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the nitride semiconductor layer is also formed on the selective growth mask layer.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。 4. The nitride according to claim 1, wherein a surface of the selective growth mask layer does not exist on the nitride semiconductor layer side with respect to a contact surface where the silicon substrate and the nitride semiconductor layer are in contact with each other. Semiconductor device.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。 The nitridation according to claim 1, wherein a carbon atom concentration between the selective growth mask layer and the silicon substrate is constant with an interface between the selective growth mask layer and the silicon substrate as a boundary. Semiconductor device.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the selective growth mask layer is formed by nitriding a part of a surface of the silicon substrate.
請求項1〜6のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein an active layer made of a nitride semiconductor is formed on the nitride semiconductor layer.
前記第1の層をパターニングして前記シリコン基板の表面を露出させる工程と、
パターニングした前記第1の層をマスクとして、露出させた前記シリコン基板の表面を窒化して、窒化シリコンからなる第2の層を形成する工程と、
前記第1の層を除去して前記シリコン基板を露出させる工程と、
前記第1の層を除去して露出させた前記シリコン基板上に、窒化物半導体層を形成する工程と、を含む
窒化物半導体装置の製造方法。 Oxidizing the surface of the silicon substrate to form a first layer made of silicon oxide;
Patterning the first layer to expose the surface of the silicon substrate;
Nitriding the exposed surface of the silicon substrate using the patterned first layer as a mask to form a second layer made of silicon nitride;
Removing the first layer to expose the silicon substrate;
Forming a nitride semiconductor layer on the silicon substrate exposed by removing the first layer. A method for manufacturing a nitride semiconductor device.
前記第2の層を形成する工程において、前記第2の層を前記凹部のみに形成する
請求項8に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 Furthermore, before the step of forming the second layer, including a step of forming a recess in the silicon substrate,
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 8, wherein in the step of forming the second layer, the second layer is formed only in the recess.
前記窒化物半導体層を前記第2の層上にも形成する
請求項8又は請求項9に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 In the step of forming the nitride semiconductor layer,
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 8, wherein the nitride semiconductor layer is also formed on the second layer.
請求項8〜10のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 8, further comprising a step of forming an active layer made of a nitride semiconductor on the nitride semiconductor layer.
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013142057A (en) * | 2012-01-10 | 2013-07-22 | Samsung Electronics Co Ltd | Method for growing nitride semiconductor layer |
JP2015002341A (en) * | 2013-06-18 | 2015-01-05 | 富士通株式会社 | Compound semiconductor device and method for manufacturing the same |
US20160293844A1 (en) * | 2013-11-14 | 2016-10-06 | Dai Nippon Printing Co., Ltd. | Vapor deposition mask, frame-equipped vapor deposition mask, and method for producing organic semiconductor element |
JP2022100366A (en) * | 2018-07-23 | 2022-07-05 | 株式会社東芝 | Semiconductor device |
JP7231122B1 (en) * | 2022-01-24 | 2023-03-01 | 三菱電機株式会社 | Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device |
-
2010
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Cited By (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018087128A (en) * | 2012-01-10 | 2018-06-07 | 三星電子株式会社Samsung Electronics Co.,Ltd. | Method for growing nitride semiconductor layer |
JP2013142057A (en) * | 2012-01-10 | 2013-07-22 | Samsung Electronics Co Ltd | Method for growing nitride semiconductor layer |
US9741560B2 (en) | 2012-01-10 | 2017-08-22 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method of growing nitride semiconductor layer |
JP2015002341A (en) * | 2013-06-18 | 2015-01-05 | 富士通株式会社 | Compound semiconductor device and method for manufacturing the same |
US10355209B2 (en) | 2013-11-14 | 2019-07-16 | Dai Nippon Printing Co., Ltd. | Vapor deposition mask, frame-equipped vapor deposition mask, and method for producing organic semiconductor element |
US9806257B2 (en) * | 2013-11-14 | 2017-10-31 | Dai Nippon Printing Co., Ltd. | Vapor deposition mask, frame-equipped vapor deposition mask, and method for producing organic semiconductor element |
US20160293844A1 (en) * | 2013-11-14 | 2016-10-06 | Dai Nippon Printing Co., Ltd. | Vapor deposition mask, frame-equipped vapor deposition mask, and method for producing organic semiconductor element |
US10825989B2 (en) | 2013-11-14 | 2020-11-03 | Dai Nippon Printing Co., Ltd. | Vapor deposition mask, frame-equipped vapor deposition mask, and method for producing organic semiconductor element |
US11404640B2 (en) | 2013-11-14 | 2022-08-02 | Dai Nippon Printing Co., Ltd. | Vapor deposition mask, frame-equipped vapor deposition mask, and method for producing organic semiconductor element |
JP2022100366A (en) * | 2018-07-23 | 2022-07-05 | 株式会社東芝 | Semiconductor device |
JP7368537B2 (en) | 2018-07-23 | 2023-10-24 | 株式会社東芝 | semiconductor equipment |
JP7231122B1 (en) * | 2022-01-24 | 2023-03-01 | 三菱電機株式会社 | Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device |
WO2023139788A1 (en) * | 2022-01-24 | 2023-07-27 | 三菱電機株式会社 | Semiconductor device and manufacturing method for semiconductor device |
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