JP2014090065A - 窒化物系半導体エピタキシャルウエハ及び窒化物系電界効果型トランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】 電流コラプスの発生を抑制する。
【解決手段】 基板と、基板上に形成された窒化アルミニウムからなる核生成層と、核生成層上に形成された窒化ガリウムからなるバッファ層と、バッファ層上に形成された窒化アルミニウムガリウムからなるバリア層と、を備え、バリア層中のシリコン濃度と酸素濃度との合計濃度が、バリア層中の炭素濃度より高い。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物系半導体エピタキシャルウエハ及び窒化物系電界効果型トランジスタに関する。

窒化物系半導体は、高い飽和電子速度と高い絶縁破壊耐圧とを有するため、将来的には、高周波領域で桁違いの高効率、高出力を実現する高周波デバイス用材料としての応用が期待されている。

高周波デバイス、具体的には、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）等の電界効果型トランジスタの材料に用いる窒化物系半導体エピタキシャルウエハとして、例えば特許文献１には、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板と、そのＳｉＣ基板上に形成された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる核生成層と、その核生成層上に形成された窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層と、そのバッファ層上に形成された窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるバリア層と、からなるウエハが開示されている。

また、特許文献２には、低転位密度の半絶縁性ＧａＮ基板を用いて、ＡｌＧａＮからなるバリア層中の炭素（Ｃ）濃度と転位密度や、ＡｌＧａＮからなるバリア層中のシリコン（Ｓｉ）濃度と転位密度を規定した窒化物電子デバイスが開示されている。

特開２０１１−０２３６７７号公報 特開２００９−１１７４８２号公報

窒化物系電界効果型トランジスタ（以下、単にトランジスタともいう）では、電流コラプスが発生することがある。電流コラプスとは、窒化物系電界効果型トランジスタで顕著に見られ、高電圧動作時にドレイン電流が大幅に減少する現象である。

電流コラプスは、トランジスタをバイアスすることによってキャリアがデバイス構造中のトラップ準位にトラップ（捕獲）され、このトラップされたキャリアが負の電界を形成することにより、結果として二次元電子ガスの濃度が低下し、トランジスタのドレイン電流の減少あるいはオン抵抗の増加が引き起こされる現象として理解されている。なお、電流コラプスを引き起こすトラップ準位は、ＡｌＧａＮバリア層中に存在するものと考えられている。

電流コラプスが発生すると、トランジスタの出力が低下してしまうため、電流コラプスの発生を抑制することが大きな課題となっている。しかしながら、従来の窒化物系電界効果型トランジスタでは、電流コラプスの発生を十分に抑制することは困難であった。

そこで、本発明の目的は、電流コラプスの発生を抑制することができる窒化物系半導体エピタキシャルウエハ及び窒化物系電界効果型トランジスタを提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、
基板と、
前記基板上に形成された窒化アルミニウムからなる核生成層と、
前記核生成層上に形成された窒化ガリウムからなるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された窒化アルミニウムガリウムからなるバリア層と、を備え、
前記バリア層中のシリコン濃度と酸素濃度との合計濃度が、前記バリア層中の炭素濃度より高い窒化物系半導体エピタキシャルウエハが提供される。

本発明の第２の態様によれば、
前記基板は、ポリタイプ４Ｈまたはポリタイプ６Ｈの炭化ケイ素基板である第１の態様に記載の窒化物系半導体エピタキシャルウエハが提供される。

本発明の第３の態様によれば、
前記バリア層中のシリコン濃度は２×１０^１７ｃｍ^−３以上であり、
前記バリア層中の酸素濃度は５×１０^１６ｃｍ^−３以上であり、
前記バリア層中の炭素濃度は１×１０^１７ｃｍ^−３以上である第１又は第２の態様に記載の窒化物系半導体エピタキシャルウエハが提供される。

本発明の第４の態様によれば、
基板と、
前記基板上に形成された窒化アルミニウムからなる核生成層と、
前記核生成層上に形成された窒化ガリウムからなるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された窒化アルミニウムガリウムからなるバリア層と、
前記バリア層上に直接または中間層を介してそれぞれ形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記バリア層上に直接または中間層を介して形成されたゲート電極と、
を備え、
前記バリア層中のシリコン濃度と酸素濃度との合計濃度が、前記バリア層中の炭素濃度より高い窒化物系電界効果型トランジスタが提供される。

本発明の第５の態様によれば、
前記基板は、ポリタイプ４Ｈまたはポリタイプ６Ｈの炭化ケイ素基板である第４の態様に記載の窒化物系電界効果型トランジスタが提供される。

本発明の第６の態様によれば、
前記バリア層中のシリコン濃度は２×１０^１７ｃｍ^−３以上であり、
前記バリア層中の酸素濃度は５×１０^１６ｃｍ^−３以上であり、
前記バリア層中の炭素濃度は１×１０^１７ｃｍ^−３以上である第４又は第５の態様に記載の窒化物系電界効果型トランジスタが提供される。

本発明によれば、電流コラプスの発生を抑制することができる窒化物系半導体エピタキシャルウエハ及び窒化物系電界効果型トランジスタを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る窒化物系半導体エピタキシャルウエハの断面構造を示す部分拡大図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る窒化物系電界効果型トランジスタの断面構造を示す部分拡大図であり、（ｂ）は、その変形例に係る窒化物系電界効果型トランジスタの断面構造を示す部分拡大図である。

＜本発明の一実施形態＞
以下に、本実施形態に係る窒化物系半導体エピタキシャルウエハ（以下、単にウエハともいう）１０、及びこのウエハ１０を用いて製造した窒化物系電界効果型トランジスタ（以下、単にトランジスタともいう）１００の構成及び効果について説明する。

（１）ウエハおよびトランジスタの構成
図１は、本実施形態に係るウエハ１０の断面構造を示す部分拡大図である。

図１に示すように、ウエハ１０は、基板としての炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板１１を備えている。ＳｉＣ基板１１上には、主として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる核生成層１２（以下、ＡｌＮ核生成層１２ともいう）と、主として窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層１３（以下、ＧａＮバッファ層１３ともいう）と、主として窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるバリア層１４（ＡｌＧａＮバリア層１４ともいう）と、がこの順に積層されている。窒化物系半導体エピタキシャルウエハ１０は、例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等の電子デバイスの材料として好適に用いられる。

図２（ａ）は、上述のウエハ１０を用いて製造したトランジスタ１００の断面構造を示す部分拡大図である。

図２（ａ）に示すように、トランジスタ１００は、上述のＳｉＣ基板１１と、このＳｉＣ基板１１上に順に積層された上述の核生成層１２、バッファ層１３およびバリア層１４と、をそれぞれ備えている。さらに、トランジスタ１００は、バリア層１４上に中間層１５ｍを介して形成されたソース電極１５ｓ及びドレイン電極１５ｄと、このソース電極１５ｓとドレイン電極１５ｄとの間のバリア層１４上に中間層１５ｍを介して形成されたゲート電極１５ｇと、を備えている。なお、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すトランジスタ１００の変形例の断面構造を示す部分拡大図であり、ソース電極１５ｓ、ドレイン電極１５ｄおよびゲート電極１５ｇが、それぞれ、中間層１５ｍを介さずにバリア層１４上に直接形成されている例を示している。

以下に、上述のウエハ１０及びトランジスタ１００の各構成要素について、それぞれ詳しく説明する。

上述したように、基板としては、例えば、ポリタイプ４Ｈまたはポリタイプ６Ｈの半絶縁性を有するＳｉＣ基板１１を好適に用いることができる。なお、ここで示した「ポリタイプ」とは多結晶を示しており、また、「４Ｈ」や「６Ｈ」のうち、数字部分（４や６）はｃ軸方向の繰り返し周期を、Ｈは六方晶をそれぞれ示している。基板として、半絶縁性を有するこのようなＳｉＣ基板を用いることで、寄生容量を低減することができ、これにより、高周波特性を向上させることが可能となる。

ＡｌＮ核生成層１２は、ＧａＮバッファ層１３を構成するＧａＮ結晶を成長させる際の核生成層としての機能を有するとともに、ＳｉＣ基板１１とＧａＮバッファ層１３との格子定数差を緩衝する緩衝層（バッファ層）としての機能を有する。ＡｌＮ核生成層１２は、例えば、トリメチルアルミニウム（略称：ＴＭＡ）ガス等のＡｌ含有ガスと、アンモニア（ＮＨ_３）ガス等の窒素含有ガス（窒化ガス）とを用い、エピタキシャル成長法により形成することができる。

ＧａＮバッファ層１３は、ＡｌＮ核生成層１２とＡｌＧａＮバリア層１４との格子定数差を緩衝する緩衝層（バッファ層）としての機能を有するとともに、電子走行層としての機能を有する。バッファ層１３は、例えばトリメチルガリウム（略称：ＴＭＧ）ガス等のＧａ含有ガスと、ＮＨ_３ガス等の窒素含有ガス（窒化ガス）とを用い、エピタキシャル成長法により形成することができる。

なお、ＧａＮバッファ層１３内のＡｌＧａＮバリア層１４側には、ＧａＮバッファ層１３とＡｌＧａＮバリア層１４との格子定数差によって引き起こされるＡｌＧａＮバリア層１４内のピエゾ効果（結晶が歪むことで電界が生じる効果）によって、二次元電子ガスが発生するよう構成されている。

ＡｌＧａＮバリア層１４は、電子供給層として機能するとともに、上述したようにＡｌＧａＮバリア層１４内に生じたピエゾ効果によって、ＧａＮバッファ層１３内のＡｌＧａＮバリア層１４側に、二次元電子ガスを発生させる機能を有する。ＡｌＧａＮバリア層１４は、例えば、ＴＭＡガス等のＡｌ含有ガスと、ＴＭＧガス等のＧａ含有ガスと、ＮＨ_３ガス等の窒素含有ガス（窒化ガス）と、を用い、エピタキシャル成長法により形成することができる。

なお、ＡｌＧａＮバリア層１４中には、上述の成膜ガス（ＴＭＧガス、ＴＭＡガス、ＮＨ_３ガス）に加えて、例えばモノシラン（ＳｉＨ_４）ガス等のシリコン含有ガスを用いてエピタキシャル成長が行われることで、シリコン（Ｓｉ）がドーピングされている。ＡｌＧａＮバリア層１４中にドープされたＳｉは、ｎ型キャリア（自由電子）を生成するドナー（不純物）として機能する。さらに、ＡｌＧａＮバリア層１４中には、エピタキシャル成長条件（例えば温度、圧力、ガス種、流量、成膜時間等）に応じて、酸素（Ｏ）がオートドープされることとなる。また、ＡｌＧａＮバリア層１４中には、エピタキシャル成長条件に応じて、ＴＭＧガスやＴＭＡガス中に含まれる炭素（Ｃ）もオートドープされることとなる。ＡｌＧａＮバリア層１４中にオートドープされたＯは、ｎ型キャリア（自由電子）を生成するドナー（不純物）として機能し、Ｃは、ｐ型キャリア（正孔）を生成するアクセプタ（不純物）として機能する。

ソース電極１５ｓ及びドレイン電極１５ｄは、それぞれ、例えば、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）との複層構造により形成されている。ゲート電極１５ｇは、例えば、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）との複層構造により形成されている。また、ソース電極１５ｓ、ドレイン電極１５ｄおよびゲート電極１５ｇとＡｌＧａＮバリア層１４との間に設けられた中間層（コンタクト層）１５ｍは、例えばＧａＮ等により形成することができる。

なお、本実施形態に係るウエハ１０及びトランジスタ１００では、ＡｌＧａＮバリア層１４中のＳｉ濃度とＯ濃度との合計濃度が、ＡｌＧａＮバリア層１４中のＣ濃度よりも高くなるように構成されている。以下に、この理由について説明する。

上述したように、ＡｌＧａＮバリア層１４中には、エピタキシャル成長の際に炭素（Ｃ）がオートドープされている。発明者の鋭意研究によれば、ＡｌＧａＮバリア層１４中にオートドープされたＣは、ｎ型キャリア（自由電子）をトラップ（捕獲）するトラップ準位を生じさせる。そして、このトラップ準位にトラップされたｎ型キャリアが負の電界を形成することによって、ＧａＮバッファ層１３中に生成される二次元電子ガスの濃度が減少してしまい、トランジスタ１００のドレイン電流の減少あるいはオン抵抗の増加を引き起こしてしまうことがある。すなわち、ＡｌＧａＮバリア層１４中にオートドープされたＣは、電流コラプスの発生を促してしまう一要因となることがある。

発明者は、電流コラプスの発生を抑制する手法について鋭意研究を行った。その結果、ＡｌＧａＮバリア層１４中のＳｉ濃度とＯ濃度との合計濃度を、ＡｌＧａＮバリア層１４中のＣ濃度よりも高くすることで、上述の課題を解決できるとの知見を得た。ＡｌＧａＮバリア層１４中の不純物（Ｓｉ、Ｏ、Ｃ）濃度を上述の関係を満たすようにそれぞれ調整した場合、ＡｌＧａＮバリア層１４中に、Ｃが生じさせるトラップ（トラップ順位）の数よりも、さらに多くのｎ型キャリア（自由電子）を存在させることができるようになり、その結果、トランジスタ１００のドレイン電流を増加させたり、オン抵抗を低下させたりすることが可能となる。

なお、ＡｌＧａＮバリア層１４中のＣ濃度は、例えば１×１０^１７ｃｍ^−３以上の濃度とすることが好ましい。ＡｌＧａＮバリア層１４中のＣ濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３未満の濃度となると、電流コラプスの発生は抑制できるようになるものの、それとトレードオフの関係であるゲートリーク電流の増大につながる可能性があるためである。

また、ＡｌＧａＮバリア層１４中のＳｉ濃度は、ＡｌＧａＮバリア層１４中のＣ濃度以上の濃度とするのが好ましく、例えば２×１０^１７ｃｍ^−３以上とすることが好ましい。

また、ＡｌＧａＮバリア層１４中のＯ濃度は、ＡｌＧａＮバリア層１４の結晶純度を向上させるという点では、可能な限り低い方が好ましい。但し、ＡｌＧａＮバリア層１４中のＣ濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以上の濃度となるようなエピタキシャル成長条件下では、ＡｌＧａＮバリア層１４中にオートドープされるＯの量も増加し易くなる。そのため、ＡｌＧａＮバリア層１４中のＯ濃度は、例えば５×１０^１６ｃｍ^−３以上の濃度としてもよい。

（２）本実施形態に係る効果
本実施形態によれば、ＡｌＧａＮバリア層１４中のＳｉ濃度とＯ濃度との合計濃度を、ＡｌＧａＮバリア層１４中のＣ濃度よりも高くすることで、ＡｌＧａＮバリア層１４中に、Ｃが生じさせるトラップ（トラップ順位）の数よりも多くのｎ型キャリアを存在させることができるようになり、その結果、トランジスタ１００のドレイン電流を増加させたり、オン抵抗を低下させたりすることが可能となる。すなわち、電流コラプスの発生を抑制することが可能となる。

＜本発明の他の実施形態＞
以上、本発明の実施の形態を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記したウエハやトランジスタの構成、およびこれらの製造方法は、発明の要旨を変更しない範囲内で構成の削除、追加、変更を任意に行ってもよい。

以下に、本発明に係る窒化物系半導体エピタキシャルウエハ、及び窒化物系電界効果型トランジスタの製造方法の一実施例を説明する。

まず、ポリタイプ４Ｈまたはポリタイプ６Ｈの半絶縁性のＳｉＣ基板を用意する。そして、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）装置が備える反応炉（リアクタ）内に、上述のＳｉＣ基板を収容する。そして、反応炉内の温度を例えば１１７５℃とし、反応炉内への水素（Ｈ_２）ガスと窒素（Ｎ_２）ガスとの混合ガス（ＮＨ_３ガスを含まない混合ガス）の供給を開始する。混合ガス雰囲気中でＳｉＣ基板を例えば５分間加熱処理することで、ＳｉＣ基板の表面が清浄化される。

次に、反応炉内の温度を１１７５℃に保ったまま、反応炉内へのＨ_２ガスとＮＨ_３ガスとの混合ガスの供給を開始する。混合ガス雰囲気中でＳｉＣ基板を例えば２５秒間加熱処理することで、引き続き行われるＡｌＮ核生成層の成長ステップにおいて、ＡｌＮ核生成層中からの窒素原子の脱離を防ぐことができるようになり、高品質なＡｌＮ核生成層を形成することが可能となる。

次に、反応炉内の温度を１１７５℃に保ったまま、反応炉内へのＴＭＡガスおよびＮＨ_３ガスの供給を開始する。そして、ＳｉＣ基板を所定時間保持することで、ＳｉＣ基板上に、例えば膜厚１２ｎｍのＡｌＮ核生成層をエピタキシャル成長させる。

ＡｌＮ核生成層の形成が完了したら、反応炉内の温度を例えば１０００℃に変更し、反応炉内へのＴＭＧガスおよびＮＨ_３ガスの供給を開始する。そして、ＳｉＣ基板を所定時間保持することで、ＡｌＮ核生成層上に、例えば膜厚５００ｎｍのＧａＮバッファ層をエピタキシャル成長させる。

ＧａＮバッファ層の形成が完了したら、反応炉内の温度を１０００℃に保ったまま、反応炉内へのＴＭＡガス、ＴＭＧガス、ＮＨ_３ガスおよびＳｉＨ_４ガスの供給を開始する。そして、ＳｉＣ基板を所定時間保持することで、ＧａＮバッファ層上に、例えば膜厚３０ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮバリア層をエピタキシャル成長させる。

以上の工程を経て、本実施例に係る窒化物系半導体エピタキシャルウエハを製造した。なお、ｎ型ＡｌＧａＮバリア層の成長工程においては、成長条件（例えば成長温度、成長圧力、Ｖ／III比、成長速度、各ガス流量など）を最適化することで、ｎ型ＡｌＧａＮバリア層中のＳｉ濃度とＯ濃度との合計濃度がＣ濃度よりも大きくなるように成長させた。なお、実施例に係るウエハの製造後、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion-microprobe Mass Spectometry）を用い、ｎ型ＡｌＧａＮバリア層中の不純物濃度を測定した。その結果、ｎ型ＡｌＧａＮバリア層中のＳｉ濃度は１．２×１０^１８ｃｍ^−３であり、Ｏ濃度は１．１×１０^１７ｃｍ^−３であり、Ｃ濃度は２．３×１０^１７ｃｍ^−３であった。

続いて、フォトリソグラフィ技術を用いて、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を、ｎ型ＡｌＧａＮバリア層上にそれぞれ形成する工程を行い、本実施例に係る窒化物系電界効果型トランジスタを製造した。そして、このトランジスタに生じる電流コラプスを、例えばパルスＩ−Ｖ法を用いて測定した。その結果、本実施例のトランジスタに係る電流コラプスの測定結果は１．１４（ａ．ｕ．）と低く、電流コラプスの発生を抑制できていることが確認できた。

また、比較例として、ｎ型ＡｌＧａＮバリア層中のＳｉ濃度とＯ濃度との合計濃度がＣ濃度よりも大きくない窒化物系半導体エピタキシャルウエハを用いて、窒化物系電界効果型トランジスタを製造した。製造時の手順、条件は、ｎ型ＡｌＧａＮバリア層中の不純物濃度の設定に関するものを除き、実施例と同様に設定した。そして、比較例に係るトランジスタに生じる電流コラプスを、実施例と同様の手順、条件で測定した。その結果、比較例におけるトランジスタに係る電流コラプスの測定結果は１．８９（ａ．ｕ．）と比較的高く、実施例に較べて電流コラプスの発生を十分に抑制できていないことが確認できた。

１０ 窒化物系半導体エピタキシャルウエハ
１１ 炭化ケイ素基板
１２ 核生成層
１３ バッファ層
１４ バリア層
１５ｄ ドレイン電極
１５ｇ ゲート電極
１５ｍ 中間層
１５ｓ ソース電極
１００ 窒化物系電界効果型トランジスタ

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された窒化アルミニウムからなる核生成層と、
   前記核生成層上に形成された窒化ガリウムからなるバッファ層と、
   前記バッファ層上に形成された窒化アルミニウムガリウムからなるバリア層と、を備え、
   前記バリア層中のシリコン濃度と酸素濃度との合計濃度が、前記バリア層中の炭素濃度より高い
   ことを特徴とする窒化物系半導体エピタキシャルウエハ。
2. 前記基板は、ポリタイプ４Ｈまたはポリタイプ６Ｈの炭化ケイ素基板である
   ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体エピタキシャルウエハ。
3. 前記バリア層中のシリコン濃度は２×１０^１７ｃｍ^−３以上であり、
   前記バリア層中の酸素濃度は５×１０^１６ｃｍ^−３以上であり、
   前記バリア層中の炭素濃度は１×１０^１７ｃｍ^−３以上である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物系半導体エピタキシャルウエハ。
4. 基板と、
   前記基板上に形成された窒化アルミニウムからなる核生成層と、
   前記核生成層上に形成された窒化ガリウムからなるバッファ層と、
   前記バッファ層上に形成された窒化アルミニウムガリウムからなるバリア層と、
   前記バリア層上に直接または中間層を介してそれぞれ形成されたソース電極及びドレイン電極と、
   前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記バリア層上に直接または中間層を介して形成されたゲート電極と、
   を備え、
   前記バリア層中のシリコン濃度と酸素濃度との合計濃度が、前記バリア層中の炭素濃度より高い
   ことを特徴とする窒化物系電界効果型トランジスタ。
5. 前記基板は、ポリタイプ４Ｈまたはポリタイプ６Ｈの炭化ケイ素基板である
   ことを特徴とする請求項４に記載の窒化物系電界効果型トランジスタ。
6. 前記バリア層中のシリコン濃度は２×１０^１７ｃｍ^−３以上であり、
   前記バリア層中の酸素濃度は５×１０^１６ｃｍ^−３以上であり、
   前記バリア層中の炭素濃度は１×１０^１７ｃｍ^−３以上である
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載の窒化物系電界効果型トランジスタ。

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