JP2012174697A

JP2012174697A - 窒化物半導体装置およびその製造方法

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Publication number: JP2012174697A
Application number: JP2011031665A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Fukai; 雅之深井; Hiroshi Fushimi; 浩伏見
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2012-09-10
Anticipated expiration: 2031-02-17
Also published as: JP5711001B2

Abstract

【課題】簡便な方法で形成することが可能な高抵抗のバッファ層を備えた窒化物半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】基板上に、原料ガスとして有機金属ガリウムを供給しながら、エピタキシャル成長温度とｎ型不純物のドーピングガスの供給量を制御することにより、有機金属ガリウムに起因する炭素がドーピングされて所望の抵抗率となる窒化ガリウム層をバッファ層としてエピタキシャル成長する。
【選択図】なし

Description

本発明は、窒化物半導体装置およびその製造方法に関し、特に、窒化ガリウムからなる高抵抗のバッファ層を備えた窒化物半導体装置およびその製造方法に関する。

図８は、窒化物半導体装置の一例である高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）の断面図である。図８に示すように、サファイア基板１１上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる低温堆積層１２と、ＧａＮからなるバッファ層１３を順次積層し、さらにＧａＮからなる電子走行層１４、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなる電子供給層１５が積層したヘテロ構造となっている。このヘテロ界面直下には、二次元電子ガスが形成されている。電子供給層１５上には、ソース電極１６、ドレイン電極１７およびゲート電極１８が形成されている。

この種の窒化物半導体装置では、バッファ層１３のリーク電流を抑制するために、バッファ層１３を高抵抗化する必要がある。一般的に、ＧａＮはドーピングなしでｎ型の伝導型となるため、高抵抗のためにはｐ型不純物をドーピングする方法が採用される。例えば、特許文献１には、ＧａＮからなるバッファ層に炭素をドーピングすることで、高抵抗化する技術が開示されている。特許文献１では、炭素濃度が所定の範囲となるように成長速度等を調整し、ｐ型不純物をドーピングすることでＧａＮ層の高抵抗化を図っている。

特開２００７−２５１１４４号公報

特許文献１に開示されているように、炭素をドーピングして、キャリアを補償することで、高抵抗のバッファ層を形成することができる。しかしながら、IV族である炭素は、ＧａＮ中では両性不純物であるため、ドナ型不純物あるいはアクセプタ型不純物のいずれにもなり得る。そのため、ＧａＮ中に炭素のみをドーピングしても高抵抗のバッファ層を形成することができないという問題があった。本発明は、簡便な方法で形成することが可能な高抵抗のバッファ層を備えた窒化物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。

本願請求項１に係る発明は、基板上に、窒化ガリウムからなるバッファ層を介して窒化物半導体層が積層された窒化物半導体装置であって、前記バッファ層は、ｎ型窒化ガリウムに炭素がドープされ、前記炭素がキャリア補償していることを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載の窒化物半導体装置において、前記炭素は、前記バッファ層をエピタキシャル成長する際に原料ガスとして用いられる有機金属ガリウムに起因していることを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、請求項１または２いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記炭素は、前記窒化ガリウム結晶の窒素位置、あるいは格子間位置に配置していることを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は、請求項１乃至３いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記バッファ層上に積層された窒化物半導体層に、半導体素子が形成されていることを特徴とする。

本願請求項５に係る発明は、基板上に、窒化ガリウムからなるバッファ層を介して窒化物半導体層を積層する工程を含む窒化物半導体装置の製造方法において、原料ガスとして有機金属ガリウムを供給しながら、エピタキシャル成長温度とｎ型不純物のドーピングガスの供給量を制御することにより、ｎ型不純物がドーピングされると共に、前記有機金属ガリウムに起因する炭素がドーピングされて所望の抵抗率となる窒化ガリウム層を、バッファ層としてエピタキシャル成長させる工程を含むことを特徴とする。

本発明の窒化物半導体装置は、ｎ型ＧａＮからなるバッファ層のエピタキシャル成長中に、炭素がドーピングされているため、ドーピングされた炭素は、窒素位置だけでなく、格子間位置を占める確率が高くなっている。その結果、効果的にキャリアが補償され、高抵抗のバッファ層を形成することが可能となる。

本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、通常のＭＯＶＰＥ法により、成長温度を８５０℃〜１０００℃の範囲に設定し、ドーピングガスの供給量を所望の範囲に調整することで、簡便に高抵抗のバッファ層を形成することができ、非常に簡便である。

本発明の原理を説明する図である。本発明のバッファ層の特徴を説明する図である。ＳｉＨ₄流量と抵抗率の関係を説明する図である。ＳｉＨ₄流量とＳｉ濃度およびキャリア濃度の関係を説明する図である。本発明のバッファ層が熱的に安定であることを説明する図である。本発明のバッファ層が熱的に安定であることを説明する図である。本発明のバッファ層を備えたＨＥＭＴのＩｄ−Ｖｇ特性を説明する図である。窒化物半導体装置の一例であるＨＥＭＴの断面図である。

まず、本発明の原理について説明する。ＧａＮ中に炭素をドーピングする場合、IV族元素である炭素は、両性不純物となるため、ドナ型あるいはアクセプタ型のどちらにもなり得る。ドーピングされた炭素が、ガリウム位置、窒素位置、あるいは格子間位置を占める際、形成エネルギーと荷電状態は、フェルミレベルに依存するため、フェルミレベルの位置によって、その形成され易さが異なってくる。図１は、Seagerらが第一原理計算により、各位置を占める炭素の形成エネルギーと荷電状態について、フェルミレベル依存性を求めた結果を示す（C. H. Seager et al, J.Appl.Phys., 92, 2002年，p6553）。

図１では、左端のフェルミレベル０．０ｅVの位置が価電子帯（VB)上端、右端のフェルミレベル３．５ｅVの位置が伝導帯（CB)下端を表している。例えば、窒素位置を占める炭素（C_Nと示す）は、伝導帯側に近づくに従い形成エネルギーが減少し、荷電状態は１−となる。同様に、格子間位置を占める炭素（C_iと示す）は、価電子帯あるいは伝導帯に近づくに従い形成エネルギーが減少し、荷電状態は価電子帯付近では４＋、伝導帯付近では２−と変化する。また、ガリウム位置を占める炭素（C_Gaと示す）は、価電子帯に近づくに従い形成エネルギーが減少し、荷電状態は１＋となることを表している。

本発明は、フェルミレベルの位置を伝導帯側へ移動させ、炭素が窒素位置あるいは格子間位置を占めるように構成する。即ち、ｎ型ＧａＮに炭素をドーピングすることで、荷電状態が１−、あるいは２−となる炭素により効果的にエピタキシャル層を高抵抗化するものである。

このような状態の制御は、エピタキシャル成長の成長条件を調整することにより実現できる。以下、製造工程を詳細に説明する。

本発明の主要な構成であるバッファ層の特徴を詳細に説明するため、図２に示す構造の半導体基板を形成する場合を例にとり、説明する。図２に示すように、サファイア基板２１上に、ＧａＮからなる低温堆積膜２２を介してＳｉドープＧａＮ層２３（本発明のバッファ層に相当）を積層形成する。具体的には、ＭＯＶＰＥ法によりサファイア基板２１上に、厚さ２５ｎｍの低温堆積膜２２を、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とアンモニア（ＮＨ₃）を原料ガスとして用い、成長温度５００℃で成長させる。引き続き、低温堆積膜２２上に、成長温度およびドーピングガスの供給量を調整して、７００ｎｍのＳｉドープＧａＮ層２３を成長させる。

まず、エピタキシャル成長温度とドーピングガスの供給量により、抵抗率が変化することを示す。なお以下の説明において、ドーピングガスの供給量は、ＳｉＨ₄ガスを希釈ガスである窒素ガスで１０ｐｐｍに希釈させたガスを「ＳｉＨ₄」とする。図３は、ＳｉドープＧａＮ層２３の成長温度を９５０℃とした場合（○印で表示）と、通常のエピタキシャル成長温度である１１２５℃とした場合（▲印で表示）において、ドーピングガスとして用いるＳｉＨ₄流量を変化させた結果を示す。図３に示すように、エピタキシャル成長温度を９５０℃とした場合に、１１２５℃で成長させた場合と比較して、抵抗率の高いＳｉドープＧａＮ層２３が形成できることが確認できた。特に、エピタキシャル成長温度を９５０℃とし、ＳｉＨ₄流量が１ｓｃｃｍ以上３ｓｃｃｍ以下では、１０⁴Ω・ｃｍから１０⁵Ω・ｃｍ台の抵抗率となり、窒化物半導体装置を形成する場合のバッファ層として用いるのに好適となることが確認できた。なお、エピタキシャル成長温度は、９５０℃に限らず、８５０℃以上１０００℃以下の範囲で、同様の結果を得ることができた。ここで、エピタキシャル成長温度が８５０℃未満では、良好なエピタキシャル成長を行うことができず、１０００℃を越えると、炭素の取り込みが困難となり、本発明の効果が得られないことが確認されているため、上記温度範囲に設定する必要がある。

次に、ドーピングガスの供給量により、キャリア濃度が変化することを示す。図４は、エピタキシャル成長温度を９５０℃とし、ＳｉＨ₄流量を変化させた場合のキャリア濃度の測定結果を示す。比較のため、ＳＩＭＳ分析によるＳｉ濃度を○印で示した。図４に示すように、ドーピングガスとして用いるＳｉＨ₄流量を１０ｓｃｃｍとすると急激にキャリア濃度が減少しており、３ｓｃｃｍ以下では、測定限界以下となった。また、ＳＩＭＳ分析によるＳｉ濃度とキャリア濃度から算出された不活性Ｓｉ濃度は、炭素濃度より高い結果となった。したがって、Ｓｉをドーピングすることにより、キャリア濃度が炭素濃度以上に補償される結果が得られた。これは、炭素が窒素位置を占めるだけでなく、格子間位置を占め、キャリアを補償し、高抵抗のＧａＮ層が形成できたことを示していることがわかる。この結果も、エピタキシャル成長温度が９５０℃に限らず、８５０℃以上１０００℃以下の範囲で、同様の結果を得ることができた。

エピタキシャル成長層中に導入される炭素は、成長温度を下げることで、原料である有機金属ガリウムに含まれるメチル基から取り込まれやすくなるため、エピタキシャル成長の原料ガスに起因している。このように原料ガスから導入する方法とすると、ｎ型不純物をドーピングすると共に、炭素を取り込むことが可能となる。

次に、本発明のバッファ層は、通常のエピタキシャル成長温度より低い温度で成長させているが、通常の窒化物半導体装置のバッファ層として用いる温度範囲で、熱的に安定であることを説明する。図５は、９５０℃でエピタキシャル成長させた本発明のバッファ層（ＳｉＨ₄流量＝１０ｓｃｃｍ：●印で表示）を熱処理温度１１２５℃で、所定の時間熱処理した後のキャリア濃度の変化を示している。また、図６は、熱処理時間３００秒で、所定の時間熱処理した後のキャリア濃度の変化を示している。いずれも比較のため、ＳｉＨ₄流量が２０ｓｃｃｍと１００ｓｃｃｍの場合も示している。図５、図６いずれの場合も、熱処理時間、熱処理温度を変化させても、キャリア濃度に変化はなく、熱的に安定であることが確認できた。なお、本発明のバッファ層は、図５、図６に示すＳｉＨ₄流量より少ない流量で成長させる場合も含まれるが、抵抗率の変化においても、熱的に安定であることは確認されている。

以上説明したように、本発明では、エピタキシャル成長温度と、ドーピングガスの流量を調整することで、熱的に安定な高抵抗のバッファ層を形成することができることが確認できた。なお、エピタキシャル成長温度、ドーピングガスの流量の最適値は、その他のエピタキシャル成長条件によっても変動するので、適宜設定される。以下、窒化物半導体装置の製造工程に従い、本発明の実施例を説明する。

本発明の実施例について、ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＥＭＴを例に取り説明する。図８に示す従来例同様、サファイア基板１１上に、厚さ２５ｎｍのＧａＮからなる低温堆積層１２をエピタキシャル成長温度５００℃で形成した後、厚さ７００ｎｍのＧａＮからなるバッファ層１３を順次積層形成する。ここでバッファ層１３は、ＳｉＨ₄を希釈ガスである窒素と混合したガスをドーピングガスとして用い、流量１ｓｃｃｍで供給しながら、９５０℃で、所定の厚さエピタキシャル成長させる。その後、基板温度を１１２５℃まで上げ、ノンドープＧａＮからなる電子走行層１４を厚さ３００ｎｍ成長させた後、基板温度を１０５０℃に下げ、ＡｌＧａＮからなる電子供給層１５を厚さ２５ｎｍで成長させる。電子供給層１５上に、オーミック電極（チタン／アルミニウム／チタン／金の積層膜）を蒸着形成した後、８５０℃で熱処理することにより、電子供給層１５上にソース電極１６とドレイン電極１７を形成する。さらにソース電極１６とドレイン電極１７間に、ショットキー電極（ニッケル／金の積層膜）を蒸着形成することで、ゲート電極１８を形成する。

このように形成したＨＥＭＴのＩｄ−Ｖｇ特性の測定結果を図７に示す。比較のため、ＳｉＨ₄流量を変化させた場合も示している。図７に示すように、ＳｉＨ₄流量が１ｓｃｃｍの場合、ドレイン電流（リーク電流）が１０^-4ｍＡ／ｍｍとなり、ＳｉＨ₄流量が０ｓｃｃｍに比べて２桁のピンチオフ特性の改善が図られた。一方、ＳｉＨ₄流量が１０ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍでは、図３で説明したとおり、バッファ層１３の抵抗率が低下するため、バッファ層１３を流れるリーク電流が増加し、ピンチオフ動作しない結果となった。

以上、ＨＥＭＴを例にとり説明したが、バッファ層１３上に形成する窒化物半導体層に形成する半導体装置によっては、リーク電流の許容値が異なるため、所望の抵抗率となる条件を設定することで、本発明を適用できる。

また、ｎ型不純物としてシリコンを導入する場合について説明したが、シリコンに限らず、スズ、イオウ、セレン等その他のｎ型不純物をドーパントとして用いることができる。

１１、２１：サファイア基板、１２、２２：低温堆積膜、１３：バッファ層、１４：電子走行層、１５：電子供給層、１６：ソース電極、１７：ドレイン電極、１８：ゲート電極、２３：ＳｉドープＧａＮ層

Claims

基板上に、窒化ガリウムからなるバッファ層を介して窒化物半導体層が積層された窒化物半導体装置であって、
前記バッファ層は、ｎ型窒化ガリウムに炭素がドーピングされ、前記炭素がキャリア補償していることを特徴とする窒化物半導体装置。
請求項１記載の窒化物半導体装置において、
前記炭素は、前記バッファ層をエピタキシャル成長する際に原料ガスとして用いられる有機金属ガリウムに起因していることを特徴とする窒化物半導体装置。
請求項１または２いずれか記載の窒化物半導体装置において、
前記炭素は、前記窒化ガリウム結晶の窒素位置、あるいは格子間位置に配置していることを特徴とする窒化物半導体装置。
請求項１乃至３いずれか記載の窒化物半導体装置において、
前記バッファ層上に積層された窒化物半導体層に、半導体素子が形成されていることを特徴とする窒化物半導体装置。
基板上に、窒化ガリウムからなるバッファ層を介して窒化物半導体層を積層する工程を含む窒化物半導体装置の製造方法において、
原料ガスとして有機金属ガリウムを供給しながら、エピタキシャル成長温度とｎ型不純物のドーピングガスの供給量を制御することにより、ｎ型不純物がドーピングされると共に、前記有機金属ガリウムに起因する炭素がドーピングされて所望の抵抗率となる窒化ガリウム層を、バッファ層としてエピタキシャル成長させる工程を含むことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。