JP2016035949A - Nitride semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体によるヘテロ構造を有する窒化物半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor device having a heterostructure made of a nitride semiconductor.
GaNをはじめとした窒化物半導体は、高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率および高い電子飽和速度等の特性を有しており、高周波のハイパワーデバイス向けの材料として優れている。例えば、主表面をC面としたサファイア基板上に、主表面をIII族極性面(C面)としたGaNバッファ層を介して形成された、AlGaNバリア層を有するヘテロ接合構造は、分極効果によりヘテロ接合界面近傍に電子が高濃度に蓄積され、いわゆる2次元電子ガス(2DEG)を形成する。 Nitride semiconductors such as GaN have characteristics such as high breakdown field strength, high thermal conductivity, and high electron saturation speed, and are excellent materials for high-frequency high-power devices. For example, a heterojunction structure having an AlGaN barrier layer formed on a sapphire substrate whose main surface is a C-plane via a GaN buffer layer whose main surface is a group III polar surface (C-plane) is Electrons are accumulated at a high concentration in the vicinity of the heterojunction interface to form a so-called two-dimensional electron gas (2DEG).
この2次元電子ガスは、散乱要因となる導電性不純物が存在しないアンドープGaN層内に形成されるために高い電子移動度を示す。従って、2次元電子ガスをチャネルとして用いることで、いわゆる高電子移動度トランジスタ(HEMT)として動作させることが可能である。窒化物系HEMTにおいては、上記分極効果によって発生する2次元電子ガス濃度が非常に高いことから高電流密度でのトランジスタ動作が可能となり、この点でもハイパワーデバイス向けとして有利である。 This two-dimensional electron gas exhibits high electron mobility because it is formed in an undoped GaN layer that does not have conductive impurities that cause scattering. Therefore, by using a two-dimensional electron gas as a channel, it can be operated as a so-called high electron mobility transistor (HEMT). In the nitride-based HEMT, since the two-dimensional electron gas concentration generated by the polarization effect is very high, transistor operation at a high current density is possible, which is also advantageous for high power devices.
上に述べた例をはじめ、窒化物半導体から構成されるトランジスタでは、バリア層としてAlGaN層が用いられることが多い。これは、AlGaN層の形成が比較的容易であること、AlGaN層のAl組成・層厚を変化させることにより2次元電子ガスのシートキャリア濃度を制御できること、など、デバイス製造上・設計上のフレキシビリティがあるためである。 In a transistor composed of a nitride semiconductor, including the example described above, an AlGaN layer is often used as a barrier layer. This is because it is relatively easy to form an AlGaN layer, and the sheet carrier concentration of the two-dimensional electron gas can be controlled by changing the Al composition and thickness of the AlGaN layer. This is because there is a possibility.
ところで、AlGaNとGaNのヘテロ構造を用いたトランジスタにおいては、上で述べたように2次元電子ガスをチャネルとして用いているため、電流は基板に対し水平方向に流れる。チャネルは、AlGaNバリア層直下の数十〜数百nmの領域に形成され、ソース電極・ドレイン電極およびゲート電極は、基板の同じ側に形成されるのが一般的である。また、トランジスタの耐圧は、ソースあるいはゲート電極とドレインとの電極間隔で決まり、特に電界が集中するゲート・ドレイン間の距離を大きくとることが、高耐圧化のためには必要とされる。 By the way, in the transistor using the heterostructure of AlGaN and GaN, since the two-dimensional electron gas is used as the channel as described above, the current flows in the horizontal direction with respect to the substrate. The channel is generally formed in a region of several tens to several hundreds of nanometers immediately below the AlGaN barrier layer, and the source / drain electrodes and the gate electrode are generally formed on the same side of the substrate. The breakdown voltage of the transistor is determined by the electrode spacing between the source or the gate electrode and the drain. In particular, it is necessary to increase the distance between the gate and the drain where the electric field is concentrated in order to increase the breakdown voltage.
ところで、AlGaN/GaNヘテロ構造を利用した窒化物半導体系デバイスを構成する窒化物半導体の積層構造は、様々な基板の上に堆積されるが、コスト上の観点からSi基板が広く用いられている。この構成は、特に高耐圧動作が必要となるパワーエレクトロニクス分野への応用が期待されており、各社で活発に開発が進められている(非特許文献1参照)。 By the way, the nitride semiconductor laminated structure constituting the nitride semiconductor device utilizing the AlGaN / GaN heterostructure is deposited on various substrates, but Si substrates are widely used from the viewpoint of cost. . This configuration is expected to be applied to the field of power electronics, which requires a particularly high withstand voltage operation, and each company is actively developing it (see Non-Patent Document 1).
パワーエレクトロニクス応用のSi基板上AlGaN/GaNトランジスタ構造の製造では、接地安定性の観点から抵抗率の小さいSi基板を用いる。上述したように、ゲート・ドレイン電極間距離を大きく取ることで高耐圧性を確保するが、この際、各電極、特にソース電極やドレイン電極からSi基板へ流れるリーク電流を抑制することも高耐圧性を確保するためには必要である。また、窒化物半導体層の総堆積厚を厚くすることによってSi基板へのリーク電流を抑制し、破壊耐圧を確保する手法が一般的である。 In the manufacture of an AlGaN / GaN transistor structure on a Si substrate for power electronics applications, a Si substrate having a low resistivity is used from the viewpoint of ground stability. As described above, a high voltage resistance is ensured by increasing the distance between the gate and drain electrodes. At this time, it is also possible to suppress the leakage current flowing from each electrode, particularly the source electrode and the drain electrode, to the Si substrate. It is necessary to secure the sex. In general, a method of suppressing the leakage current to the Si substrate and increasing the breakdown voltage is ensured by increasing the total deposited thickness of the nitride semiconductor layer.
例えば、非特許文献1においては、5μmを超える総堆積厚により、1,700V程度の破壊耐圧を得ている。基板へのリーク電流を抑制することは、良好なトランジスタ特性実現において重要であるオフ状態におけるリーク電流値を十分低い値に抑えることに対しても必要である。
For example, in
上述したことにより、非動作時の電力消費を抑制することが可能となる。例えば、600V級耐圧素子として使われるような素子の場合、600V印加時のリーク電流値が1×10-5A/cm2以下であることが要求される。 As described above, power consumption during non-operation can be suppressed. For example, in the case of an element used as a 600V class withstand voltage element, it is required that the leak current value when applying 600V is 1 × 10 −5 A / cm 2 or less.
以上に述べたように、破壊耐圧が高く、かつ基板側へ流れるリーク電流を抑制するために、組成の異なる2種類以上のAlGaN層(AlNやGaNを含む)を繰り返し堆積する超格子構造のバッファ層(超格子バッファ層)を用いる技術がある(非特許文献2参照)。超格子バッファ層により、基板上に形成される窒化物半導体の総堆積厚を厚くし、破壊耐圧の向上と、基板側へ流れるリーク電流の抑制とを実現している。 As described above, a buffer having a superlattice structure in which two or more types of AlGaN layers (including AlN and GaN) having different compositions are repeatedly deposited in order to suppress a leakage current flowing to the substrate side with a high breakdown voltage. There is a technique using a layer (superlattice buffer layer) (see Non-Patent Document 2). The superlattice buffer layer increases the total deposited thickness of the nitride semiconductor formed on the substrate, thereby improving the breakdown voltage and suppressing the leakage current flowing to the substrate side.
ところで、破壊耐圧の向上と、基板側へ流れるリーク電流の抑制のためには、超格子バッファ層をより厚く形成すればよいが、実際の製造プロセスを考慮した場合、むだに厚くすることは、プロセス時間の増大を招き、また、材料・製造コストの上昇を招くなど、好ましくなく、問題が大きい。 By the way, in order to improve the breakdown voltage and to suppress the leakage current flowing to the substrate side, it is sufficient to form the superlattice buffer layer thicker. The process time is increased, and the material / manufacturing cost is increased.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、破壊耐圧および基板側へのリーク電流の抑制などの所望とする特性に応じて、最適な厚さの超格子バッファ層が形成できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and a superlattice buffer having an optimum thickness according to desired characteristics such as breakdown voltage and suppression of leakage current to the substrate side. The purpose is to allow a layer to be formed.
本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、基板の上に、AlxGa1-xN(0≦x≦1)からなる各々xの値が異なる複数の層を繰り返して堆積することで超格子構造としたバッファ層を形成する第1製造工程と、バッファ層の上に窒化物半導体からなるチャネル層を形成する第2製造工程と、チャネル層の上に接して窒化物半導体からなるバリア層を形成する第3製造工程とを備え、第1製造工程では、以下の層厚決定式(A)で決定される厚さにバッファ層を形成する。 In the method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention, a plurality of layers each made of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) and having different values of x are repeatedly deposited on a substrate. A first manufacturing process for forming a buffer layer having a superlattice structure, a second manufacturing process for forming a channel layer made of a nitride semiconductor on the buffer layer, and a barrier made of a nitride semiconductor in contact with the channel layer And a third manufacturing process for forming a layer. In the first manufacturing process, the buffer layer is formed to a thickness determined by the following layer thickness determination formula (A).
上記窒化物半導体装置の製造方法において、基板と同一材料から構成された試料基板の上にAlxGa1-xN(0≦x≦1)からなる各々xの値が異なる複数の層を繰り返して堆積することで超格子構造とした試料バッファ層を形成する第1試料作製工程と、試料バッファ層の上にチャネル層と同一の窒化物半導体からなる試料チャネル層を形成する第2試料作製工程と、バリア層と同じ窒化物半導体からなる試料バリア層を試料チャネル層の上に接して形成する第3試料作製工程と、試料バッファ層の側と試料バリア層との側との間におけるリーク電流特性を測定する第1特性測定工程と、リーク電流特性における電圧変化に対してリーク電流が急激に増加し始める電圧Vcを決定し、決定した電圧Vcを試料バッファ層の層厚で除した値をEとする第1定数決定工程と、リーク電流特性における電圧Vcのリーク電流値をIL0とする第2定数決定工程と、リーク電流特性における電圧変化に対してリーク電流が急激に増加した後のリーク電流特性の電流の1桁増加に対応する電圧の増分をνとする第3定数決定工程とを備え、第1製造工程では、第1定数決定工程,第2定数決定工程,第3定数決定工程で決定したE,IL0,νを用いた層厚決定式(A)で決定される厚さにバッファ層を形成するようにすればよい。 In the method for manufacturing a nitride semiconductor device, a plurality of layers each made of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) each having a different value of x are repeatedly formed on a sample substrate made of the same material as the substrate. A first sample preparation step of forming a sample buffer layer having a superlattice structure by depositing and a second sample preparation step of forming a sample channel layer made of the same nitride semiconductor as the channel layer on the sample buffer layer And a third sample preparation step of forming a sample barrier layer made of the same nitride semiconductor as the barrier layer on the sample channel layer, and a leakage current between the sample buffer layer side and the sample barrier layer side A first characteristic measuring step for measuring characteristics, and a voltage V c at which the leakage current starts to increase rapidly with respect to a voltage change in the leakage current characteristics, and the determined voltage V c is divided by the thickness of the sample buffer layer The value And the first constant determining step of a second constant determining step of the leakage current value of the voltage V c at the leakage current characteristics and I L0, after the leakage current with respect to the voltage change in the leakage current characteristic rapidly increases And a third constant determining step in which the voltage increment corresponding to an increase of one digit in the leakage current characteristic is set to ν. In the first manufacturing process, the first constant determining step, the second constant determining step, and the third constant determining The buffer layer may be formed to a thickness determined by the layer thickness determination formula (A) using E, I L0 , and ν determined in the process.
上記窒化物半導体装置の製造方法において、第2試料作製工程では、主表面をC面として試料チャネル層を形成し、第3試料作製工程では、主表面をC面として試料バリア層を形成する。また、第2製造工程では、主表面をC面としてバッファ層を形成し、第3製造工程では、主表面をC面としてチャネル層を形成する。 In the nitride semiconductor device manufacturing method, in the second sample manufacturing step, the sample channel layer is formed with the main surface as the C plane, and in the third sample manufacturing step, the sample barrier layer is formed with the main surface as the C plane. In the second manufacturing process, the buffer layer is formed with the main surface as the C plane, and in the third manufacturing process, the channel layer is formed with the main surface as the C plane.
以上説明したことにより、本発明によれば、破壊耐圧および基板側へのリーク電流の抑制などの所望とする特性に応じて、最適な厚さの超格子バッファ層が形成できるとい優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, there is an excellent effect that a superlattice buffer layer having an optimum thickness can be formed according to desired characteristics such as a breakdown voltage and suppression of a leakage current to the substrate side. can get.
以下、本発明の実施の形態について図1を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における窒化物半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a flowchart for explaining a method of manufacturing a nitride semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
この製造法は、まず、ステップS101で、製造しようとしている窒化物半導体装置で用いる基板と同一材料から構成された試料基板の上に、AlxGa1-xN(0≦x≦1)からなる各々xの値が異なる複数の層を繰り返して堆積することで超格子構造とした試料バッファ層を形成する(第1試料作製工程)。例えば、Si基板の上に、AlGaNの層とAlNの層とを交互に重ねて堆積した試料バッファ層を形成する。試料バッファ層の材料や層構成も、製造しようとしている窒化物半導体装置と同様にする。交互に積層する各層は、1nm〜40nm程度の範囲で設定されていればよい。 In this manufacturing method, first, in step S101, Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) is formed on a sample substrate made of the same material as the substrate used in the nitride semiconductor device to be manufactured. A plurality of layers each having a different value of x are repeatedly deposited to form a sample buffer layer having a superlattice structure (first sample preparation step). For example, a sample buffer layer in which AlGaN layers and AlN layers are alternately stacked on a Si substrate is formed. The material and layer structure of the sample buffer layer are the same as those of the nitride semiconductor device to be manufactured. Each layer to be stacked alternately may be set in a range of about 1 nm to 40 nm.
次に、ステップS102で、製造しようとしている窒化物半導体装置のチャネル層と同一の窒化物半導体からなる試料チャネル層を、試料バッファ層の上に形成する(第2試料作製工程)。次いで、製造しようとしている窒化物半導体装置のバリア層と同じ窒化物半導体からなる試料バリア層を、試料チャネル層の上に接して形成する(第3試料作製工程)。ここで、各層は、主表面をC面としてエピタキシャル成長する。このことにより、試料チャネル層と試料バリア層とのヘテロ接合構造においては、分極効果により接合界面近傍に電子が高濃度に蓄積されて2次元電子ガスを形成する状態となる。 Next, in step S102, a sample channel layer made of the same nitride semiconductor as the channel layer of the nitride semiconductor device to be manufactured is formed on the sample buffer layer (second sample preparation step). Next, a sample barrier layer made of the same nitride semiconductor as the barrier layer of the nitride semiconductor device to be manufactured is formed on and in contact with the sample channel layer (third sample preparation step). Here, each layer is epitaxially grown with the main surface as the C-plane. As a result, in the heterojunction structure of the sample channel layer and the sample barrier layer, electrons are accumulated in the vicinity of the junction interface due to the polarization effect to form a two-dimensional electron gas.
次に、ステップS104で、試料バッファ層の側と試料バリア層との側との間におけるリーク電流特性を測定する(第1特性測定工程)。例えば、基板の裏面側および試料チャネル層の上の各々に電極を形成し、2つの電極間に電圧を印加し、個の印加電圧を変化させた状態における電流の変化を測定する。 Next, in step S104, a leakage current characteristic between the sample buffer layer side and the sample barrier layer side is measured (first characteristic measurement step). For example, an electrode is formed on each of the back side of the substrate and the sample channel layer, a voltage is applied between the two electrodes, and a change in current in a state where the applied voltage is changed is measured.
次に、ステップS105で、リーク電流特性における電圧変化に対してリーク電流が急激に増加し始める電圧Vcを決定し、決定した電圧Vcを試料バッファ層の層厚で除した値をEとする(第1定数決定工程)。また、ステップS106で、リーク電流特性における電圧Vcのリーク電流値をIL0とする(第2定数決定工程)。また、ステップS107で、リーク電流特性における電圧変化に対してリーク電流が急激に増加した後のリーク電流特性の電流の1桁増加に対応する電圧の増分をνとする(第3定数決定工程)。 Next, in step S105, a voltage V c at which the leakage current starts to increase rapidly with respect to a voltage change in the leakage current characteristics is determined, and a value obtained by dividing the determined voltage V c by the layer thickness of the sample buffer layer is E. (First constant determination step). In step S106, the leakage current value of the voltage V c in the leakage current characteristic is set to I L0 (second constant determination step). Further, in step S107, the voltage increment corresponding to an increase of one digit in the current of the leakage current characteristic after the leakage current rapidly increases with respect to the voltage change in the leakage current characteristic is set to ν (third constant determination step). .
次に、ステップS108で、決定したE,IL0,νを用い、以下に示す層厚決定式(1)により、バッファ層の厚さdSLSを決定する。層厚決定式(1)において、VLは、作製する窒化物半導体装置の動作時認可される電圧である。また、ILは、所望とする(要求される)基板方向へのリーク電流である。なお、E,IL0,νは、素子(トランジスタ)を構成するチャネル層とバリア層とによるヘテロ構造を備える窒化物半導体層の積層構造に依存した定数である。 Next, in step S108, using the determined E, I L0 , ν, the buffer layer thickness d SLS is determined by the following layer thickness determination formula (1). In the layer thickness determination formula (1), V L is a voltage approved at the time of operation of the nitride semiconductor device to be manufactured. Further, I L is a leak current in a desired (required) substrate direction. E, I L0 , and ν are constants depending on the laminated structure of the nitride semiconductor layer having a heterostructure including a channel layer and a barrier layer constituting the element (transistor).
次に、ステップS109で、基板の上に、AlxGa1-xN(0≦x≦1)からなる各々xの値が異なる複数の層を繰り返して堆積することで超格子構造としたバッファ層を形成する(第1製造工程)。このとき、ステップS108で決定した厚さdSLSとなるように、バッファ層を形成する。例えば、Si基板の上に、AlGaNの層とAlNの層とを交互に重ねて堆積したバッファ層を、決定した厚さdSLSに形成する。 Next, in step S109, a buffer having a superlattice structure is formed by repeatedly depositing a plurality of layers each made of Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) having different values of x on the substrate. A layer is formed (first manufacturing process). At this time, the buffer layer is formed so as to have the thickness d SLS determined in step S108. For example, a buffer layer in which AlGaN layers and AlN layers are alternately stacked on a Si substrate is formed to a determined thickness d SLS .
次に、ステップS110で、バッファ層の上に窒化物半導体からなるチャネル層を形成する(第2製造工程)。次いで、ステップS111で、チャネル層の上に接して窒化物半導体からなるバリア層を形成する(第3製造工程)。この後、所望とする素子形状へのパターニングを実施し、また、ゲート電極、ソース電極,ドレイン電極などの必要な電極を形成すればよい。 Next, in step S110, a channel layer made of a nitride semiconductor is formed on the buffer layer (second manufacturing process). Next, in step S111, a barrier layer made of a nitride semiconductor is formed in contact with the channel layer (third manufacturing process). Thereafter, patterning into a desired element shape may be performed, and necessary electrodes such as a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode may be formed.
以下、本発明に至った経緯について説明する。超格子構造のバッファ層を、破壊耐圧および基板側へのリーク電流の抑制などの所望とする特性(要求)に応じて最適とするためには、要求される仕様に応じて必要最小限の層厚とすることが重要となる。要求仕様1つの破壊耐圧とは、それ以上の電圧を印加することによってバッファ領域の絶縁性が完全に失われてしまう電圧値のことであり、原理的には窒化物半導体の絶縁破壊電界強度と窒化物半導体層の総層厚の積で与えられる。 Hereinafter, the background to the present invention will be described. In order to optimize the buffer layer with a superlattice structure according to desired characteristics (requests) such as breakdown voltage and suppression of leakage current to the substrate side, the minimum necessary layer according to the required specifications Thickness is important. The required breakdown voltage is a voltage value at which the insulation of the buffer region is completely lost by applying a voltage higher than that. In principle, the breakdown electric field strength of the nitride semiconductor It is given by the product of the total thickness of the nitride semiconductor layers.
バッファ領域の層厚のなかで、どのくらいの割合で超格子構造のバッファ層を形成すればよいかに関して、発明者らは注意深く検討を進めたところ、以下の関係を見いだした。所望のリーク電流の値として、印加電圧VL(V)においてリーク電流をIL(A/cm2)としたい場合、超格子構造のバッファ層の層厚dSLS(μm)が、上記層厚決定式(1)を満たすようにすればよいことを見いだした。層厚決定式(1)を用いることにより、所望のリーク電流値から超格子構造としたバッファ層の必要最低限の厚さを決定することができる。 As a result of careful investigation on the ratio of the buffer layer thickness to be formed in the buffer region, the inventors have found the following relationship. When it is desired to set the leakage current to I L (A / cm 2 ) at the applied voltage V L (V) as a desired leakage current value, the layer thickness d SLS (μm) of the buffer layer having a superlattice structure is the above layer thickness. It has been found that the decision formula (1) should be satisfied. By using the layer thickness determination formula (1), the minimum necessary thickness of the buffer layer having a superlattice structure can be determined from a desired leakage current value.
ただし、ILの値の範囲は、下限はIL0であり、上限は100×IL0もしくは10(VL/ν)×IL0のいずれか小さい値となる。ILの値が100×IL0を超えると、後述するアバランシェ現象など、キャリア増倍効果が加速度的に強くなり、層厚決定式(1)を適用する前提が成り立たない領域となる。前提として、このような高い電流値をバッファリーク電流の仕様とするのは、実用上ふさわしい値とは言えない。また、10(VL/ν)×IL0 を超えると、層厚決定式(1)の右辺が負の値となり、層厚決定式(1)を満たす超格子構造のバッファ層を実現することが不可能となる。また、ILの電流範囲の下限を下回る領域では、後述のホッピング伝導が支配的となり、やはり層厚決定式(1)を適用する前提が成り立たない領域となる。 However, the range of the value of I L is the lower limit is I L0 , and the upper limit is 100 × I L0 or 10 (VL / ν) × I L0 , whichever is smaller. When the value of I L exceeds 100 × I L0 , the carrier multiplication effect such as an avalanche phenomenon described later becomes accelerated in an accelerated manner, and this is a region where the premise for applying the layer thickness determination formula (1) is not satisfied. As a premise, it is not practically appropriate to use such a high current value as the buffer leakage current specification. If 10 (VL / ν) × I L0 is exceeded, the right side of the layer thickness determination formula (1) becomes a negative value, and a buffer layer having a superlattice structure that satisfies the layer thickness determination formula (1) can be realized. It becomes impossible. Further, in a region below the lower limit of the current range of I L, becomes dominant hopping conduction below, the region assumes does not hold to apply also the layer thickness determination expression (1).
以下、より詳細に説明する。まず、発明者らが検討に用いた窒化物半導体装置について説明する。この窒化物半導体装置は、Si基板の上にAlGaN/GaNのヘテロ接合構造を備えるトランジスタである。 This will be described in more detail below. First, the nitride semiconductor device used by the inventors for study will be described. This nitride semiconductor device is a transistor having an AlGaN / GaN heterojunction structure on a Si substrate.
はじめに、トランジスタの作製について説明する。図2に示すように、Si基板201の上に、AlNからなる核形成層202,炭素をドープしたAlwGa1-wNからなるAlGaNバッファ層203,超格子バッファ層204,炭素を5×1018cm-3ドープしたAlyGa1-yNからなるバックバリア層205,アンドープのGaNからなるチャネル層206,アンドープのAlzGa1-zNからなるバリア層207を、よく知られた有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長した。各窒化物半導体層は、主表面をC面とした状態で形成している。核形成層202は層厚0.1μm,AlGaNバッファ層203は層厚0.1μm,チャネル層206は層厚0.5μm,バリア層207は25nmに形成した。
First, manufacture of a transistor is described. As shown in FIG. 2, on a
また、超格子バッファ層204は、炭素を5×1018cm-3ドープしたAlxGa1-xNの層と、炭素を5×1018cm-3ドープしたAlNの層とを交互に積層して形成した。超格子バッファ層204の層厚は、dSLSμmとする。また、バックバリア層205は、層厚dBBμmとする。なお、上記層構成は、検討に用いた構成であり、AlGaNバッファ層203およびバックバリア層205は、なくてもよい。
Further, the
以上のように各窒化物半導体層を堆積した後、図3に示すように、バリア層207の上にオーミック接続する電極208を形成し、また、素子形状を形成した。ここでは、公知のフォトリソグラフィーにより電極208形成領域に開口部を備えるマスクパターンを形成し、このマスクパターンの上より電極材料を堆積し、この後、マスクパターンをリフトオフすることで、電極208を形成した。また、電極208をマスクとしてバリア層207,チャネル層206、および厚さ方向に一部のバックバリア層205をエッチング加工し、所定のメサ形状とした。
After depositing each nitride semiconductor layer as described above, as shown in FIG. 3, an
リーク電流特性(電流・電圧特性)の測定では、Si基板201を金属製のステージ211上に接触させる状態に窒化物半導体装置を載置し、ステージ211と電極208との間に印加する電圧を変化させて電流を測定した。
In the measurement of leakage current characteristics (current / voltage characteristics), the nitride semiconductor device is placed in a state where the
この検討では、上記構成とした窒化物半導体装置による各々異なるdSLSとした、試料A,試料B,試料C,試料Dの4つの試料を作製した。各試料における超格子バッファ層204の層厚dSLS、バックバリア層205の層厚dBBを以下の表1に示す。
In this examination, four samples, Sample A, Sample B, Sample C, and Sample D, each having different d SLS by the nitride semiconductor device having the above-described configuration were produced. Table 1 below shows the layer thickness d SLS of the
ここで、試料A,試料B,試料Cは、超格子バッファ層204の層厚dSLSとバックバリア層205の層厚dBBの合計層厚は3.7μm共通とした状態で、超格子バッファ層204の層厚dSLSを変化させた。また、試料Dは、dSLSとdBBとの比が、試料Bと同じ(2.7:1.0)となるように、dSLSを設定した。
Here, Sample A, Sample B, and Sample C are the superlattice buffer in a state where the total thickness d SLS of the
試料A,試料B,試料C,試料Dの各々について電流・電圧特性を測定した結果について図4に示す。図4において、(a)が試料Aの結果を示し、(b)が試料Bの結果を示し、(c)が試料Cの結果を示し、(d)が試料Dの結果を示している。 FIG. 4 shows the results of measuring current / voltage characteristics for each of Sample A, Sample B, Sample C, and Sample D. FIG. In FIG. 4, (a) shows the result of sample A, (b) shows the result of sample B, (c) shows the result of sample C, and (d) shows the result of sample D.
図4に示されているように、いずれの試料においても、300〜500V付近までは10-8A/cm2台の低いリーク電流値を示し、ある電圧VCを超えると電圧に対するリーク電流の依存性が変化し、リーク電流が電圧に対して急激に増える(変化率が大きくなる)振る舞いを示した。低いリーク電流値を示す電圧範囲を電圧領域I401とし、リーク電流が電圧に対して急激に増える電圧範囲を電圧領域II402とする。電圧領域I401に比較して電圧領域II402の方が、変化率が大きい。電圧領域I401を近似する直線と、電圧領域II402を近似する直線との交点の電圧を、VCとすることができる。 As shown in FIG. 4, in any sample, the leakage current value is as low as 10 −8 A / cm 2 in the vicinity of 300 to 500 V, and when the voltage exceeds a certain voltage V C , The dependence changed and the leakage current increased rapidly with respect to the voltage (the rate of change increased). A voltage range indicating a low leakage current value is defined as a voltage region I401, and a voltage range in which the leakage current increases rapidly with respect to the voltage is defined as a voltage region II402. The rate of change is larger in the voltage region II402 than in the voltage region I401. The voltage at the intersection of a straight line approximating the voltage region I401 and a straight line approximating the voltage region II402 can be set to V C.
電圧領域I401での電気伝導は、いわゆるホッピング伝導のメカニズムに支配され、電圧領域II402では,アバランシェ現象等に起因した降伏電流によるものと推測される。これらの結果を注意深く解析すると、VCにおけるリーク電流値は、試料によらずおよそ1×10-7A/cm2であり、dSLSとdBBとの合計層厚に関わらず、dSLSに対して比例の関係にあることがわかった。 The electric conduction in the voltage region I401 is governed by a so-called hopping conduction mechanism, and in the voltage region II402, it is presumed to be caused by a breakdown current caused by an avalanche phenomenon or the like. When these results are carefully analyzed, the leakage current value at V C is approximately 1 × 10 -7 A / cm 2 regardless of the sample, regardless of the total layer thickness of d SLS and d BB, the d SLS It was found that there is a proportional relationship.
さらに、電圧領域II402において、あるリーク電流値を与える電圧値VLがdSLSに対して線型の関係にあることがわかった。これらの関係を図5に示す。VCのdSLSへの依存性は、ちょうど原点を通る直線で表され、この直線の傾きは150V/μmである。また、ILのdSLS依存性も同じ傾きで与えられており、かつ、ILが一桁変わるとVLが100V変わる関係にあることがわかった。以上の関係は、層厚決定式(1)により表現することができ、この検討においては、E=150(V/μm)、ν=100(V)、IL0=1×10-7(A/cm2)と与えられる。 Furthermore, in the voltage region II402, it has been found that the voltage value V L giving a certain leakage current value has a linear relationship with respect to d SLS . These relationships are shown in FIG. The dependence of V C on d SLS is represented by a straight line passing through the origin, and the slope of this straight line is 150 V / μm. Further, d SLS dependence of I L are also given in the same inclination, and was found to be in the V L is changed 100V relationship when I L is changed by one digit. The above relationship can be expressed by the layer thickness determination formula (1). In this study, E = 150 (V / μm), ν = 100 (V), I L0 = 1 × 10 −7 (A / Cm 2 ).
上述した検討において、E、ν、およびIL0の値は4つの試料の電流・電圧特性から導き出したが、実用上は1つの試料の電流・電圧特性から、E、ν、およびIL0の値を決定することができたほうが効率的である。この決定方法について、以下に説明する。まず、Eについては、VCのdSLS依存性から導き出せるが、上述したように、VCはdSLSに対して比例することから、単純に電流・電圧特性で得られたVCをdSLSで除することにより得られる。 In study described above, E, [nu, and the value of I L0 is derived from the current-voltage characteristics of the four samples, practically the current-voltage characteristics of one sample, E, [nu, and I L0 values It is more efficient to be able to determine This determination method will be described below. First, E can be derived from the dependence of V C on d SLS, but as described above, V C is proportional to d SLS , so that V C obtained simply by the current / voltage characteristics is d SLS. Is obtained by dividing by.
また、IL0の値は、VCにおけるリーク電流値として得られる。またνは、電圧領域II402におけるリーク電流の電圧依存性から、1桁リーク電流が増大するのに要する電圧の増分として与えられる。このように、ある構造を有する窒化物半導体積層構造に対して図3に示す構成によって電流・電圧特性を調べることにより、E、ν、およびIL0の値を決定し、決定した各定数の値を基に層厚決定式(1)を用い、要求される仕様に応じて超格子バッファ層204の厚さを決定することが可能となる。
Further, the value of I L0 is obtained as a leakage current value at V C. Further, ν is given as an increase in voltage required to increase the single digit leakage current from the voltage dependence of the leakage current in the voltage region II402. Thus, by examining the current / voltage characteristics of the nitride semiconductor multilayer structure having a certain structure with the configuration shown in FIG. 3, the values of E, ν, and I L0 are determined, and the values of the determined constants are determined. Based on the above, it is possible to determine the thickness of the
次に、超格子バッファ層204の層厚を2.7μmとし、バックバリア層205の層厚を1.2μmとした上記同様の構成で作製した窒化物半導体装置について、まず、層厚決定式(1)におけるE、νおよびIL0を決定する。この窒化物半導体装置の電流・電圧特性を評価した結果を図6に示す。この電流・電圧特性から、リーク電流が急激に増加し始める電圧Vcは、430V程度となる。また、430Vにおけるリーク電流値から、IL0は1.4×10-8A/cm2となる。また、VCの値と超格子バッファ層204の層厚dSLSの値(2.7μm)から、E=VC/dSLS=160V/μmと見積もられる。
Next, for a nitride semiconductor device manufactured with the same configuration as described above in which the
次に、ILとVLの関係を調べるため、1×10-7〜1×10-5A/cm2の電流値を与えるVLを調べると、1桁のILの変化に対し、前述した検討の場合と同様に、VLが100V変化していることから、ν=100Vと見積もられる。
Next, in order to examine the relationship between I L and V L, examining the V L that gives a current value of 1 × 10 -7 ~1 × 10 -5 A /
このようにして決定された定数により、例えば、850V印加時のリーク電流が1×10-5A/cm2となる、Si基板201上のバリア層(AlGaN)/チャネル層(GaN)によるトランジスタを設計する。決定したE、ν、IL0を用い、層厚決定式(1)においてVL=850、IL=1×10-5を代入すると、dSLS=3.5μmという値が得られる。この値を基に、超格子バッファ層204を3.5μmとしたトランジスタ(窒化物半導体装置)を製造し、このトランジスタの電流・電圧特性を評価した。評価した結果を図7の(a)に示す。図7の(a)に示すように、850V印加時のリーク電流密度はおよそ8.5×10-6A/cm2となった。
Based on the constants determined in this way, for example, a transistor with a barrier layer (AlGaN) / channel layer (GaN) on the
また、600V印加時のリーク電流が1×10-5A/cm2となる、Si基板201上のバリア層(AlGaN)/チャネル層(GaN)によるトランジスタを設計する。決定したE、ν、IL0を用い、層厚決定式(1)においてVL=600、IL=1×10-5を代入すると、dSLS=2.1μmという値が得られる。この値を基に、超格子バッファ層204を2.1μmとしたトランジスタ(窒化物半導体装置)を製造し、このトランジスタの電流・電圧特性を評価した。評価した結果を図7の(b)に示す。図7の(b)に示すように、600V印加時のリーク電流密度はおよそ1×10-5A/cm2となった。なお、図7において、(c)は、各定数を決定するために測定したdSLS=2.7μmのトランジスタの特性である。
In addition, a transistor by a barrier layer (AlGaN) / channel layer (GaN) on the
以上の結果より、層厚決定式(1)による超格子バッファ層の層厚設計手法は妥当であり、本発明を用いることにより、チャネル層とバリア層とによるヘテロ構造を備える窒化物半導体装置で用いる超格子バッファ層を、最適な厚さとすることができることが分かる。 From the above results, the layer thickness design method of the superlattice buffer layer based on the layer thickness determination formula (1) is reasonable, and by using the present invention, a nitride semiconductor device having a heterostructure of a channel layer and a barrier layer can be used. It can be seen that the superlattice buffer layer used can have an optimum thickness.
ところで、上述したようにSi基板を用いる場合、次に示す問題もある。Si基板と窒化物半導体には、格子定数や熱膨張係数といった物性上の特性に相違がある。これに起因して、上述したような窒化物半導体装置を構成する窒化物半導体層をSi基板上に積層していくと、製造の過程でそりが発生し、窒化物半導体層に亀裂(クラック)が入る等の欠点がある。 By the way, when using a Si substrate as mentioned above, there also exists the problem shown next. Si substrates and nitride semiconductors have different physical properties such as lattice constants and thermal expansion coefficients. Due to this, when the nitride semiconductor layer constituting the nitride semiconductor device as described above is stacked on the Si substrate, warpage occurs in the manufacturing process, and the nitride semiconductor layer is cracked. There are disadvantages such as entering.
バッファ層は、上述したようなクラックの発生を回避するためにも用いられている。特に、超格子バッファ層は、クラックの発生回避には好適であり、例えば、非特許文献2にあるように、超格子バッファを採用することにより、クラックフリーの7μmを超える総堆積厚の窒化物半導体層をSi基板上に堆積することも可能となっている。しかしながら、超格子バッファ層を用いても、そりが完全には解消できず、また、リーク抑制のために超格子バッファ層の層厚を増加させることは、そりを増大させることになる。これに対し、本発明によれば、超格子バッファ層の層厚を最適化することで、リーク電流を抑制した上で、そりの発生が抑制できるようになる。
The buffer layer is also used to avoid the occurrence of cracks as described above. In particular, the superlattice buffer layer is suitable for avoiding the occurrence of cracks. For example, as described in
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、Si基板を用いた例を示しているが、これに限るものではなく、窒化物半導体積層構造を堆積するための基板として通常用いられるSiC基板やGaN基板のうち、導電性を有する基板を用いる場合であっても本発明の手法が適用可能であることは言うまでもない。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, in the above description, an example using a Si substrate is shown, but the present invention is not limited to this. Among SiC substrates and GaN substrates that are usually used as a substrate for depositing a nitride semiconductor multilayer structure, conductivity is improved. It goes without saying that the method of the present invention can be applied even when a substrate having the same is used.
また、導電性を有しない半絶縁性や絶縁性の基板を用いる場合、窒化物半導体の積層構造から基板へのリーク電流は存在しないが、基板と窒化物半導体層の界面を介して横方向に流れていくバッファリーク電流は存在する。この、バッファリーク電流を抑制するためにも超格子バッファ構造は有効である。この観点から、例えば、半絶縁性SiC基板やサファイア基板などの絶縁基板であっても、本発明の効果は有効である。さらに、近年窒化物半導体堆積用の基板として用いられるようになっている、酸化ガリウム基板や酸化亜鉛基板などなどの種々の酸化物基板であっても、本発明の効果が有効であることは言うまでもない。 In addition, when using a semi-insulating or insulating substrate that does not have conductivity, there is no leakage current from the nitride semiconductor multilayer structure to the substrate, but the lateral direction through the interface between the substrate and the nitride semiconductor layer. There is a buffer leak current that flows. The superlattice buffer structure is also effective for suppressing the buffer leakage current. From this viewpoint, the effect of the present invention is effective even for an insulating substrate such as a semi-insulating SiC substrate or a sapphire substrate. Furthermore, it goes without saying that the effects of the present invention are effective even for various oxide substrates such as gallium oxide substrates and zinc oxide substrates that have recently been used as substrates for nitride semiconductor deposition. Yes.
201…Si基板、202…核形成層、203…AlGaNバッファ層、204…超格子バッファ層、205…バックバリア層、206…チャネル層、207…バリア層、208…電極、211…電極。 201 ... Si substrate, 202 ... nucleation layer, 203 ... AlGaN buffer layer, 204 ... superlattice buffer layer, 205 ... back barrier layer, 206 ... channel layer, 207 ... barrier layer, 208 ... electrode, 211 ... electrode.
Claims (4)
前記バッファ層の上に窒化物半導体からなるチャネル層を形成する第2製造工程と、
前記チャネル層の上に接して窒化物半導体からなるバリア層を形成する第3製造工程と
を備え、
前記第1製造工程では、以下の層厚決定式(A)で決定される厚さに前記バッファ層を形成する
ことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
A second manufacturing step of forming a channel layer made of a nitride semiconductor on the buffer layer;
And a third manufacturing step of forming a barrier layer made of a nitride semiconductor in contact with the channel layer,
In the first manufacturing process, the buffer layer is formed to a thickness determined by the following layer thickness determination formula (A). A method for manufacturing a nitride semiconductor device, comprising:
前記基板と同一材料から構成された試料基板の上にAlxGa1-xN(0≦x≦1)からなる各々xの値が異なる複数の層を繰り返して堆積することで超格子構造とした試料バッファ層を形成する第1試料作製工程と、
前記試料バッファ層の上に前記チャネル層と同一の窒化物半導体からなる試料チャネル層を形成する第2試料作製工程と、
前記バリア層と同じ窒化物半導体からなる試料バリア層を前記試料チャネル層の上に接して形成する第3試料作製工程と、
前記試料バッファ層の側と前記試料バリア層との側との間におけるリーク電流特性を測定する第1特性測定工程と、
前記リーク電流特性における電圧変化に対してリーク電流が急激に増加し始める電圧Vcを決定し、決定した電圧Vcを前記試料バッファ層の層厚で除した値をEとする第1定数決定工程と、
前記リーク電流特性における前記電圧Vcのリーク電流値をIL0とする第2定数決定工程と、
前記リーク電流特性における電圧変化に対してリーク電流が急激に増加した後の前記リーク電流特性の電流の1桁増加に対応する電圧の増分をνとする第3定数決定工程と
を備え、
前記第1製造工程では、前記第1定数決定工程,前記第2定数決定工程,前記第3定数決定工程で決定したE,IL0,νを用いた層厚決定式(A)で決定される厚さに前記バッファ層を形成する
ことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the nitride semiconductor device according to claim 1,
A superlattice structure is obtained by repeatedly depositing a plurality of layers each having a different value of x on Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) on a sample substrate made of the same material as the substrate. A first sample preparation step of forming the sample buffer layer,
Forming a sample channel layer made of the same nitride semiconductor as the channel layer on the sample buffer layer;
A third sample preparation step of forming a sample barrier layer made of the same nitride semiconductor as the barrier layer in contact with the sample channel layer;
A first characteristic measuring step of measuring a leakage current characteristic between the sample buffer layer side and the sample barrier layer side;
A voltage V c at which the leakage current begins to increase rapidly with respect to a voltage change in the leakage current characteristic is determined, and a first constant is determined by E, which is a value obtained by dividing the determined voltage V c by the layer thickness of the sample buffer layer. Process,
A second constant determining step in which the leakage current value of the voltage V c in the leakage current characteristic is I L0 ;
A third constant determining step, wherein ν is an increment of voltage corresponding to an increase of one digit in the current of the leak current characteristic after the leak current has rapidly increased with respect to a voltage change in the leak current characteristic,
In the first manufacturing process, the thickness is determined by the layer thickness determination formula (A) using E, I L0 , and ν determined in the first constant determination process, the second constant determination process, and the third constant determination process. Forming the buffer layer in a thickness;
前記第2試料作製工程では、主表面をC面として前記試料チャネル層を形成し、
前記第3試料作製工程では、主表面をC面として前記試料バリア層を形成する
ことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the nitride semiconductor device according to claim 2,
In the second sample preparation step, the sample channel layer is formed with a main surface as a C-plane,
In the third sample manufacturing step, the sample barrier layer is formed with a main surface as a C-plane. A method for manufacturing a nitride semiconductor device, comprising:
前記第2製造工程では、主表面をC面として前記バッファ層を形成し、
前記第3製造工程では、主表面をC面として前記チャネル層を形成する
ことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
In the second manufacturing step, the buffer layer is formed with a main surface as a C-plane,
In the third manufacturing step, the channel layer is formed with a main surface as a C plane. A method for manufacturing a nitride semiconductor device, comprising:
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