JP2017041542A

JP2017041542A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2017041542A
Application number: JP2015162585A
Authority: JP
Inventors: 景一松下; Keiichi Matsushita
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2015-08-20
Filing date: 2015-08-20
Publication date: 2017-02-23
Also published as: US20170054013A1

Abstract

【課題】
保護層を被覆した際に生成される不純物の生成を抑制したキャップ層を有する半導体装置を提供する。
【解決手段】
実施形態の半導体装置は、基板と、前記基板の上に形成された第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層の上に形成され、ガリウム元素を含有する第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層の上に形成され、インジウム元素とアルミニウム元素とガリウム元素とを含有し、ガリウム元素の組成比が前記第２の窒化物半導体層よりも小さい割合である第３の窒化物半導体層とを具備している。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。

通信装置等に用いられる大電力用の半導体装置には、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた窒化物半導体がある。大電力用の半導体装置には、窒化ガリウムの層（ＧａＮ層）を形成し、その上にアルミニウム元素（Ａｌ）を含有した窒化アルミニウムガリウムの層（ＡｌＧａＮ層）を形成したＨＥＭＴ構造の半導体装置が知られている。従来はＡｌＧａＮ層の上にキャップ層として更にＧａＮ層を形成させることで、ＡｌＧａＮ層上の不純物の付着を抑制し、半導体装置の表面状態を安定させている。

しかし、キャップ層にＧａＮ層を用いると、その上に窒化膜等の保護層を被覆した場合、ガリウム元素（Ｇａ）が保護層中に含有されている酸素元素（Ｏ）や水分（Ｈ_２Ｏ）と結合して、ＧａＯ等の不純物を生成する。ＧａＯは半導体装置のゲート電極近傍において電流コラプス等を発生させ、半導体装置の特性を劣化、寿命の低下を招くという問題があった。

特開２０１４−２４１３７９号公報

本発明が解決しようとする課題は、保護層を被覆した際に生成される不純物の生成を抑制したキャップ層を有する半導体装置を提供する。

上記課題を解決するため、実施形態の半導体装置は、基板と、前記基板の上に形成された第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層の上に形成され、ガリウム元素を含有する第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層の上に形成され、インジウム元素とアルミニウム元素とガリウム元素とを含有し、ガリウム元素の組成比が前記第２の窒化物半導体層よりも小さい割合である第３の窒化物半導体層とを具備している。

第１の実施形態である半導体装置の断面図。窒化物半導体の格子間距離とバンドギャップの相関図。窒化物半導体ＡｌＧａＮの格子間距離とバンドギャップの相関図。

以下、半導体装置の実施形態を図面に基づき説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態である半導体装置１００の断面図である。

基板１０の上にチャネル層としての窒化ガリウム層（ＧａＮ層、第１の窒化物半導体層）２０が形成されている。窒化ガリウム層２０の上にバリア層としての窒化アルミニウムガリウム層（ＡｌＧａＮ層、第２の窒化物半導体層）３０が形成されている。さらに窒化アルミニウムガリウム層３０の上にキャップ層としての窒化インジウムアルミニウムガリウム層（ＩｎＡｌＧａＮ層、第３の窒化物半導体層）４０が形成されている。

窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０の上にはソース電極５０とゲート電極５１とドレイン電極５２とが設けられている。ソース電極５０とゲート電極５１とドレイン電極５２とはそれぞれ離間して設けられている。ソース電極５０とドレイン電極５２とはゲート電極５１を挟むように設けられている。

窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０とソース電極５０とゲート電極５１とドレイン電極５２との上には保護層６０を設けている。

基板１０の部材には珪素（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、サファイア、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド等がある。ただし、本実施形態において、基板１０の部材についてはこれらに限定されるものではない。

窒化ガリウム層２０と窒化アルミニウムガリウム層３０と窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０とは窒化物半導体である。本実施形態において、これらの層はアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等のＩＩＩ族の元素と、窒素（Ｎ）のＶ族の元素とを組み合わせたＩＩＩ‐Ｖ族半導体である。

ＧａＮはＳｉと比べてバンドギャップが大きく、電圧の耐圧性に優れているため、高電圧の印加が可能な大電力用のパワーデバイスとして用いられている。さらに、ＧａＮの飽和電子速度はＳｉよりも大きく、電子移動度はＳｉと同等であることから、ＧａＮはマイクロ波用の高周波半導体装置としても用いられている。

窒化ガリウム層２０（第１の窒化物半導体層）と、窒化アルミニウムガリウム層３０（第２の窒化物半導体層）とは格子間距離の近いものを組合せて形成させる。

窒化ガリウム層２０と窒化アルミニウムガリウム層３０とはそれぞれのバンドギャップが異なる。窒化ガリウム層２０と窒化アルミニウムガリウム層３０とが接合した際、接合面（ヘテロ界面）の近傍にてエネルギー準位の量子井戸が形成され、量子井戸に電子が高密度で蓄積され、２次元電子ガス（2 Dimensional Electron Gas、２ＤＥＧ）を形成する。

窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０は半導体装置１００のキャップ層である。窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０は窒化アルミニウムガリウム層３０の上端を被覆し、当該層の表面のダングリングボンドを終端する。即ち、窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０は、窒化アルミニウムガリウム層３０の表面にトラップ準位の形成を防止して、半導体装置１００の特性の劣化を抑制する。

ソース電極５０とドレイン電極５２とは窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０の上にオーミック接触により設けられている。ゲート電極５１は窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０の上にショットキー接触により設けられている。

保護層６０は窒化膜などで構成され、窒化膜として窒化珪素（ＳｉＮ）等がある。保護層６０は、各電極を被覆することで、水分等から各電極を保護する役割を持つ。

ＳｉＮには酸素元素（Ｏ）を含有していることがあり、酸素元素（Ｏ）とキャップ層中のガリウム元素（Ｇａ）とが結合しキャップ層表面上に不純物（ＧａＯ）が発生する。従来は半導体装置１００のキャップ層としてＧａＮ層を用い、その上に保護層６０としてＳｉＮを用いていたため、不純物（ＧａＯ）が多く発生していた。

キャップ層と保護層６０の界面に不純物（ＧａＯ）が多く発生すると、当該界面にエネルギー順位が形成され、電流コラプスによる影響が大きくなる。

本実施形態の半導体装置１００はキャップ層のガリウム元素（Ｇａ）の含有量をインジウム元素（Ｉｎ）に置き換えた窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０を用いている。これにより、キャップ層中のガリウム元素（Ｇａ）の含有量が減るため、キャップ層と保護層６０との界面に発生する不純物（ＧａＯ）の形成を抑制することができる。これにより、不純物（ＧａＯ）による電流コラプス等による影響を抑制することができる。

図２は窒化物半導体の格子間距離とバンドギャップの相関図である。ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮそれぞれの格子間距離の値とバンドギャップの値とをプロットし、各プロットを線で結んだものである。破線はＧａＮの格子間距離の値である。

ＧａＮとＡｌＮを結ぶ線はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮの特性となる。ｙはアルミニウム元素（Ａｌ）の組成比であり、０≦ｙ≦１となる。即ちアルミニウム元素（Ａｌ）の組成比を大きくし、ガリウム元素（Ｇａ）の組成比を小さくすると、ＡｌＮに近づいていき、ＧａＮとの格子間距離の差が大きくなっていく。これによりＧａＮとの格子間距離の整合性が失われていく。

ＧａＮとＩｎＮを結ぶ線はＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの特性となる。ｘはインジウム元素（Ｉｎ）の組成比であり、０≦ｘ≦１となる。即ちインジウム元素（Ｉｎ）の組成比を大きくし、ガリウム元素（Ｇａ）の組成比を小さくすると、ＩｎＮに近づいていき、ＧａＮとの格子間距離の差が大きくなっていく。これによりＧａＮとの格子間距離の整合性が失われていく。

本実施形態の半導体装置１００の窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０の構成をＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）とする。Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎは図２のＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮそれぞれのプロットを結んだ三角形の中に位置する。

窒化アルミニウムガリウム層３０（第２の窒化物半導体層、ＡｌＧａＮ層）のガリウム元素（Ｇａ）の組成比は、ＩＩＩ族元素（Ａｌ、Ｇａ）の組成に対して８０％程度であり、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎである。ガリウム元素（Ｇａ）の組成比をこれよりも減少させると、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮの特性は図２のＡｌＮの特性へと近づいていき、ＧａＮとの格子間距離の差が大きくなる。格子間距離の差が大きくなると、欠陥等が生じ、半導体装置１００の結晶性の低下、特性の劣化が生じる。

本実施形態の半導体装置はキャップ層と保護層６０との界面に発生する不純物（ＧａＯ）の形成を抑制するため、キャップ層のガリウム元素（Ｇａ）の組成比をバリア層であるＡｌＧａＮ層のガリウム元素（Ｇａ）の組成比よりも少なくし、更にＧａＮとの格子間距離の整合をとるため、インジウム元素（Ｉｎ）を含有した窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０を用いる。

本実施形態の半導体装置の窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０のガリウム元素（Ｇａ）の組成比ｙは窒化アルミニウムガリウム層３０のガリウム元素（Ｇａ）の組成比ｙよりも小さいものを用いる。窒化アルミニウムガリウム層３０のガリウム元素（Ｇａ）の組成比はＩＩＩ族元素（Ａｌ、Ｇａ）の組成に対して８０％程度のため、窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０のガリウム元素（Ｇａ）の組成比はＩＩＩ族元素（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ）の組成に対して８０％未満となる。

本実施形態の半導体装置のキャップ層のガリウム元素（Ｇａ）の組成比を下げ、インジウム元素（Ｉｎ）を含有した、ＧａＮの格子間距離の値である破線の近傍の特性を有するＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎを用いることで、不純物（ＧａＯ）の発生を抑制した結晶性の良い半導体装置を形成することができる。

窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０のガリウム元素（Ｇａ）の組成比がＩＩＩ族元素（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ）の組成に対して８０％未満、とは以下の式（１）となる。

１−ｘ−ｙ＜０．８‥‥式（１）
図２の破線の近傍の特性を有するＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎについて、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮそれぞれのプロットを結んだ三角形の各辺の傾きから、Ｇａの組成比を０．８から０．０まで０．１刻みで変化させた時における、インジウム元素（Ｉｎ）の組成比ｘとアルミニウム元素（Ａｌ）の組成比ｙとの値を算出した表が表１となる。

インジウム元素（Ｉｎ）の組成比ｘとアルミニウム元素（Ａｌ）の組成比ｙとの相関関係について、インジウム元素（Ｉｎ）の組成比ｘはアルミニウム元素（Ａｌ）の組成比ｙに対して、およそ２２％程度のときに、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎの格子間距離が破線上に位置し、第１の半導体層の窒化ガリウム層（ＧａＮ）の格子間距離と整合が取れる。即ち、インジウム元素（Ｉｎ）の組成比ｘ、アルミニウム元素（Ａｌ）の組成比ｙの相関関係は以下の式（２）となる。

ｘ≒０．２２ｙ‥‥式（２）
インジウム元素（Ｉｎ）の組成比ｘがアルミニウム元素（Ａｌ）の組成比ｙの２２％とした場合、窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０を組成比ｙに基づいて表すと、Ｉｎ_{０．２２ｙ}Ａｌ_ｙＧａ_{１−１．２２ｙ}Ｎ（０≦ｙ≦（１／１．２２））となる。

本実施形態の半導体装置１００の製造方法について以下に説明する。半導体装置１００は、基板１０にＧａＮをＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等により結晶成長させ、窒化ガリウム層２０を積層させる。ＭＯＣＶＤ法とは基板１０の上に有機金属とキャリアガスを基板上に供給し、加熱した基板上で気相による化学反応をすることによって、エピタキシャル成長をする方法である。

基板１０の上に窒化ガリウム層２０を積層させた後、有機金属原料のトリメチルアルミニウム（TMA）、トリメチルガリウム（TMG）およびアンモニアガスをキャリアガス（窒素や水素）とともに供給し、反応させることによって窒化ガリウム層２０の上に窒化アルミニウムガリウム層３０が積層される。

窒化ガリウム層２０の上に窒化アルミニウムガリウム層３０を積層させた後、同様にTMA、TMG、トリメチルインジウム（TMI）とアンモニアガス、キャリアガスを供給し、反応させることによって窒化アルミニウムガリウム層３０の上に窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０が積層される。このときに加えるインジウム元素（Ｉｎ）とアルミニウム元素（Ａｌ）との組成比については式（２）となる。

ただし、ＭＯＣＶＤ法によるこれらの積層方法は一例であり、本実施形態において、ＭＯＣＶＤ法に限定されるものではない。

窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０を積層した後、ソース電極５０とゲート電極５１とドレイン電極５２とを熱処理（アロイ処理）により窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０の上に設置する。

その後、窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０、各電極の上にプラズマＣＶＤ（Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition）法等で保護層６０を積層する。ただし、プラズマＣＶＤ法による保護層６０の積層方法は一例であり、本実施形態において、プラズマＣＶＤ法に限定されるものではない。

以上により、本実施形態の半導体装置１００は、保護層６０に含有されている酸素元素（Ｏ）と、キャップ層に含有されているガリウム元素（Ｇａ）との結合により生成される不純物を抑制する。これにより、本実施形態の半導体装置１００は電流コラプス等が抑制され、半導体装置の特性の劣化、寿命の劣化を抑制する効果を有する。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の半導体装置の１００の断面図は図１と同様である。

本実施形態のキャップ層の窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０の格子間距離は第２の半導体層である、窒化アルミニウムガリウム層３０と整合を取ったものでる。

図３は窒化物半導体ＡｌＧａＮの格子間距離とバンドギャップの相関図である。図の破線は第２の半導体層において、アルミニウム元素（Ａｌ）の組成比ｙが所定の割合のときのＡｌＧａＮの格子間距離の値である。

本実施形態の窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０（Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ）はこの破線部に位置することで、第２の半導体層の窒化アルミニウムガリウム層３０と第３の半導体層の窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０との欠陥を抑制することが可能となる。

窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０は窒化アルミニウムガリウム層３０のガリウム元素の組成比ｙを小さくすることで、保護層６０に含有されている酸素元素（Ｏ）と、キャップ層に含有されているガリウム元素（Ｇａ）との結合により生成される不純物（ＧａＯ）を抑制する。この組成比ｙは第１の実施形態と同様に８０％未満となる。

また、本実施形態の半導体装置１００の製造方法は、窒化インジウムアルミニウムガリウム層４０の積層について、加えるトリメチルアルミニウムとトリメチルインジウムとの量を第１の実施形態から変更する。第１の実施形態の製造方法よりもアルミニウム元素（Ａｌ）を多く加える必要がある。そのほかの工程は第１の実施形態と同様である。

以上により本実施形態の半導体装置１００は第１の実施形態と同様に、保護層６０に含有されている酸素元素（Ｏ）と、キャップ層に含有されているガリウム元素（Ｇａ）との結合により生成される不純物を抑制する。これにより、本実施形態の半導体装置１００は電流コラプス等が抑制され、半導体装置の特性の劣化、寿命の劣化を抑制する効果を有する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、そのほかの様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０‥‥基板、
２０‥‥窒化ガリウム層（ＧａＮ層、第１の窒化物半導体層）、
３０‥‥窒化アルミニウムガリウム層（ＡｌＧａＮ層、第２の窒化物半導体層）、
４０‥‥窒化インジウムアルミニウムガリウム層（ＩｎＡｌＧａＮ層、第３の窒化物半導体層）、
５０‥‥ソース電極、
５１‥‥ゲート電極、
５２‥‥ドレイン電極、
６０‥‥保護層。

Claims

基板と、
前記基板の上に形成された第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層の上に形成され、ガリウム元素を含有する第２の窒化物半導体層と、
前記第２の窒化物半導体層の上に形成され、インジウム元素とアルミニウム元素とガリウム元素とを含有し、ガリウム元素の組成比が前記第２の窒化物半導体層よりも小さい割合である第３の窒化物半導体層と、
を具備する半導体装置。
前記第３の窒化物半導体層のガリウム元素の組成比は、インジウム元素とアルミニウム元素とガリウム元素との組成において８０％未満である、
請求項１に記載の半導体装置。
前記第３の窒化物半導体層は、インジウム元素の組成比とアルミニウム元素の組成比とに基づいて、前記第１の窒化物半導体層と略同一の格子間距離特性を有する、
請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
前記第３の窒化物半導体層は、インジウム元素の組成比とアルミニウム元素の組成比とに基づいて、前記第２の窒化物半導体層と略同一の格子間距離特性を有する、
請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
前記第３の窒化物半導体層は、インジウム元素の組成比がアルミニウム元素の組成比に対して２２％程度である、
請求項１または請求項２に記載の半導体装置。