JP4920519B2 - Nitride semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体を用いた半導体装置と、その製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device using a nitride semiconductor and a manufacturing method thereof.
窒化物半導体を利用する半導体装置が知られている。窒化物半導体を利用する半導体装置では、一般的に、p型の不純物であるMgをドープすることによって、p型の窒化物半導体領域を形成する。
p型不純物を含む窒化物半導体基板の表面に、p型不純物を含まない窒化物半導体を結晶成長させることにより、半導体構造を形成することがある。その際には、本明細書に添付した図10に示すように、p型不純物を含む窒化物半導体基板を1050℃程度に加熱してからp型不純物を含まない窒化物半導体を結晶成長させる。図10では、時刻s11でp型不純物を含む窒化物半導体基板の温度Tが1050℃に達している。その後、時刻s12から時刻s13までの期間Lに、p型不純物を含まない窒化物半導体を構成する材料を含むガスを供給する。これにより、p型不純物を含む窒化物半導体基板の表面から、p型不純物を含まない窒化物半導体を結晶成長させる。なお、キャリアガスには、一般的に水素が用いられる。
A semiconductor device using a nitride semiconductor is known. In a semiconductor device using a nitride semiconductor, a p-type nitride semiconductor region is generally formed by doping Mg, which is a p-type impurity.
A semiconductor structure may be formed by crystal growth of a nitride semiconductor containing no p-type impurities on the surface of a nitride semiconductor substrate containing p-type impurities. At that time, as shown in FIG. 10 attached to the present specification, the nitride semiconductor substrate containing the p-type impurity is heated to about 1050 ° C., and then the nitride semiconductor containing no p-type impurity is crystal-grown. In FIG. 10, the temperature T of the nitride semiconductor substrate containing the p-type impurity reaches 1050 ° C. at time s11. Thereafter, in a period L from time s12 to time s13, a gas containing a material constituting the nitride semiconductor that does not contain p-type impurities is supplied. Thereby, a crystal of a nitride semiconductor not containing the p-type impurity is grown from the surface of the nitride semiconductor substrate containing the p-type impurity. In general, hydrogen is used as the carrier gas.
窒化物半導体(特に、GaN)では、注入するp型不純物(特に、Mg)の量に対する活性化率が低い。このため、p型の窒化物半導体領域を得ようとする場合には、注入したp型不純物を活性化するために大きいエネルギーが必要となる。また、p型不純物を多量に注入することが必要となる。
そのために、このようなp型不純物を多量に含む窒化物半導体基板の表面に、p型不純物を含まない窒化物半導体を構成する材料を含む原料ガスを供給しても、意図した結果が得られない。すなわち、p型不純物を含まない原料ガスを供給しても、p型不純物を含む基板からp型不純物が抜け出し、基板表面に成長する窒化物半導体内に侵入してしまう。p型不純物を含む窒化物半導体の表面に、p型不純物を含まない窒化物半導体を結晶成長させることは困難である。
A nitride semiconductor (particularly GaN) has a low activation rate relative to the amount of p-type impurity (particularly Mg) to be implanted. For this reason, when trying to obtain a p-type nitride semiconductor region, a large amount of energy is required to activate the implanted p-type impurity. In addition, it is necessary to implant a large amount of p-type impurities.
Therefore, even if a source gas containing a material constituting a nitride semiconductor not containing p-type impurities is supplied to the surface of the nitride semiconductor substrate containing a large amount of such p-type impurities, the intended result can be obtained. Absent. That is, even if a source gas containing no p-type impurity is supplied, the p-type impurity escapes from the substrate containing the p-type impurity and enters the nitride semiconductor growing on the substrate surface. It is difficult to grow a nitride semiconductor that does not contain a p-type impurity on the surface of the nitride semiconductor that contains a p-type impurity.
上記問題を解決するために、特許文献1に、キャリアガスに窒素を用いる技術が開示されている。キャリアガスに窒素を用いると、キャリアガスに水素を用いる場合と比較して基板の表面に結晶成長する窒化物半導体の結晶性が悪くなる。特許文献1では、結晶性が悪くなることを利用して、窒化物半導体基板に含まれていたMgが、基板表面に成長する窒化物半導体に侵入することを抑制する。
しかしながらキャリアガスに窒素を用いても、窒化物半導体基板に含まれていたp型不純物が、基板表面に成長する窒化物半導体に侵入することを充分に抑制することはできない。従来の技術では、p型不純物が結晶成長層に移動することを抑制する効果が不充分であった。更に効果的に、p型不純物が結晶成長層に移動することを抑制できる技術が必要とされている。
本発明は、上記の問題点を解決するために創案された。
However, even if nitrogen is used as the carrier gas, the p-type impurity contained in the nitride semiconductor substrate cannot be sufficiently prevented from entering the nitride semiconductor grown on the substrate surface. In the prior art, the effect of suppressing the migration of p-type impurities to the crystal growth layer has been insufficient. Further, there is a need for a technique that can effectively prevent the p-type impurity from moving to the crystal growth layer.
The present invention has been devised to solve the above problems.
本発明で創作された方法は、p型不純物を含む第1窒化物半導体の表面に、第2窒化物半導体を結晶成長させる工程を備えている半導体装置の製造方法に関する。本発明の製造方法では、第2窒化物半導体を結晶成長させる工程が、前半工程と後半工程に分割されている。前半工程では、第1温度範囲内で、第1窒化物半導体の表面に、第2窒化物半導体を結晶成長させる。後半工程では、第2温度範囲内で、前半工程で形成された第2窒化物半導体の表面に、第2窒化物半導体をさらに結晶成長させる。上記において、第2温度範囲は第1温度範囲よりも高温である。 The method created by the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, comprising a step of crystal-growing a second nitride semiconductor on the surface of a first nitride semiconductor containing a p-type impurity. In the manufacturing method of the present invention, the step of crystal growth of the second nitride semiconductor is divided into a first half step and a second half step. In the first half step, the second nitride semiconductor is crystal-grown on the surface of the first nitride semiconductor within the first temperature range. In the second half step, the second nitride semiconductor is further crystal-grown on the surface of the second nitride semiconductor formed in the first half step within the second temperature range. In the above, the second temperature range is higher than the first temperature range.
第2窒化物半導体が結晶成長する際の温度は、結晶成長した第2窒化物半導体の物性に大きな影響を与える。また、第2窒化物半導体が結晶成長する際の温度は、第2窒化物半導体の結晶成長速度に大きな影響を与える。従来の技術では、p型不純物を含む窒化物半導体基板を1050℃程度の温度にまで加熱し、1050℃程度にまで昇温したらその温度に維持し、1050℃程度に維持している状態で、窒化物半導体を構成する材料を含むとともにp型不純物を含まない原料ガスを供給し始める。一定温度に維持している状態で原料ガスを供給し始めるために、結晶成長する第2窒化物半導体の物性が安定する。また1050℃程度で結晶成長させるために、実用的な結晶成長速度を得ることができる。しかしながらこの方法によると、第2窒化物半導体にp型不純物が導入されてしまう。キャリアガスに窒素を用いても、第2窒化物半導体にp型不純物が導入されてしまうことを充分に抑制することができない。 The temperature at which the second nitride semiconductor grows greatly affects the physical properties of the grown second nitride semiconductor. In addition, the temperature at which the second nitride semiconductor grows greatly affects the crystal growth rate of the second nitride semiconductor. In the conventional technique, a nitride semiconductor substrate containing a p-type impurity is heated to a temperature of about 1050 ° C., heated to about 1050 ° C., maintained at that temperature, and maintained at about 1050 ° C. The supply of the source gas containing the material constituting the nitride semiconductor and not containing the p-type impurity is started. Since the supply of the source gas is started while the temperature is maintained at a constant temperature, the physical properties of the second nitride semiconductor in which the crystal grows are stabilized. Moreover, since the crystal is grown at about 1050 ° C., a practical crystal growth rate can be obtained. However, according to this method, p-type impurities are introduced into the second nitride semiconductor. Even if nitrogen is used as the carrier gas, the introduction of p-type impurities into the second nitride semiconductor cannot be sufficiently suppressed.
本発明者らの研究によって、従来の結晶成長温度よりも低温な環境温度でも、窒化物半導体が結晶成長することが判ってきた。ただし、低温な環境温度で高品質な窒化物半導体を結晶成長させるためには、結晶成長速度を遅くする必要があり、半導体構造を実現するのに必要な厚みを得ようとすると現実的に許容される時間内では結晶成長させることができない。そのために、従来の研究では、低温で窒化物半導体を結晶成長させることを研究対象としてこなかった。
しかしながら本発明者らの研究によって、低温で窒化物半導体を結晶成長させると、p型不純物を含む窒化物半導体基板の表面に結晶成長する窒化物半導体にp型不純物が導入されることを充分に抑制ができることが判明した。さらに、p型不純物を含む窒化物半導体の表面が、薄いとはいえp型不純物の導入量が少ない窒化物半導体で覆われると、その後は結晶成長温度を上昇させ、結晶成長速度を増大しても、実用的な速度で成長する窒化物半導体にp型不純物が導入されることを充分に抑制できることが判明した。
According to the researches of the present inventors, it has been found that a nitride semiconductor grows even at an ambient temperature lower than the conventional crystal growth temperature. However, in order to grow a high-quality nitride semiconductor crystal at a low ambient temperature, it is necessary to slow the crystal growth rate, and it is practically acceptable to obtain the thickness necessary to realize a semiconductor structure. The crystal cannot be grown within the given time. For this reason, conventional research has not focused on crystal growth of nitride semiconductors at low temperatures.
However, as a result of studies by the present inventors, it is sufficiently confirmed that when a nitride semiconductor crystal is grown at a low temperature, the p-type impurity is introduced into the nitride semiconductor crystal-grown on the surface of the nitride semiconductor substrate containing the p-type impurity. It was found that it can be suppressed. Furthermore, if the surface of the nitride semiconductor containing p-type impurities is covered with a nitride semiconductor with a small amount of introduced p-type impurities even though it is thin, then the crystal growth temperature is increased and the crystal growth rate is increased. However, it has been found that introduction of p-type impurities into a nitride semiconductor growing at a practical rate can be sufficiently suppressed.
本発明の方法は上記知見に基づいて創作された。本発明の方法では、結晶成長速度は遅いもののp型不純物が導入されることを充分に抑制ができる温度で、第1窒化物半導体の表面に第2窒化物半導体を結晶成長させる。こうして形成される低温結晶成長層は、薄いもののp型不純物の導入量が少なく、p型不純物の移動を効果的に抑制する。本発明の方法では、その後に結晶成長温度を高めて結晶成長速度を速める。結晶成長速度が速められるので、必要な厚み窒化物半導体を許容時間内に結晶成長させることができる。p型不純物の導入量が少ない低温結晶成長層の表面に高温結晶成長層を成長させることから、高温結晶成長層にp型不純物が導入されることを充分に抑制することできる。 The method of the present invention was created based on the above findings. In the method of the present invention, the second nitride semiconductor is grown on the surface of the first nitride semiconductor at a temperature at which the crystal growth rate is slow but the introduction of p-type impurities can be sufficiently suppressed. Although the low-temperature crystal growth layer formed in this way is thin, the amount of p-type impurities introduced is small, and the migration of p-type impurities is effectively suppressed. In the method of the present invention, the crystal growth temperature is subsequently increased to increase the crystal growth rate. Since the crystal growth rate is increased, the required thickness nitride semiconductor can be grown within an allowable time. Since the high-temperature crystal growth layer is grown on the surface of the low-temperature crystal growth layer with a small amount of p-type impurity introduced, the introduction of the p-type impurity into the high-temperature crystal growth layer can be sufficiently suppressed.
低温結晶成長層を成長する前半工程では、第1窒化物半導体を一定温度に維持することが好ましい。すなわち第1窒化物半導体を第1温度範囲内にある第1温度に維持しながら第2窒化物半導体を結晶成長させることが好ましい。
この場合、物性が安定した低温結晶成長層を得ることができる。また、前半工程で、安定した厚みの低温結晶成長層を得ることができる。
In the first half step of growing the low-temperature crystal growth layer, it is preferable to maintain the first nitride semiconductor at a constant temperature. That is, it is preferable to grow the second nitride semiconductor while maintaining the first nitride semiconductor at the first temperature within the first temperature range.
In this case, a low-temperature crystal growth layer with stable physical properties can be obtained. In addition, a low-temperature crystal growth layer having a stable thickness can be obtained in the first half step.
一定温度で結晶成長した低温結晶成長層を得るためには、第1窒化物半導体を第1温度に昇温する第1昇温工程を前半工程に先立って実施することが好ましい。一定温度で結晶成長した低温結晶成長層を得ることができる。
また、前半工程でp型不純物の移動を抑制する厚みを有する低温結晶成長層が結晶成長した後に、第1温度から第2温度に昇温する第2昇温工程を実施することも好ましい。低温結晶成長層が一定の厚みに達するまで、低温結晶成長層の結晶成長温度を一定に維持することができる。
In order to obtain a low-temperature crystal growth layer crystal-grown at a constant temperature, it is preferable to perform the first temperature raising step for raising the temperature of the first nitride semiconductor to the first temperature prior to the first half step. It is possible to obtain a low-temperature crystal growth layer in which crystals are grown at a constant temperature.
It is also preferable to perform a second temperature raising step of raising the temperature from the first temperature to the second temperature after the low-temperature crystal growth layer having a thickness that suppresses the movement of the p-type impurity in the first half step grows. The crystal growth temperature of the low-temperature crystal growth layer can be kept constant until the low-temperature crystal growth layer reaches a certain thickness.
高温結晶成長層を成長する後半工程でも、第1窒化物半導体と第2窒化物半導体(前半工程で形成されている)を一定温度に維持することが好ましい。すなわち第1窒化物半導体と第2窒化物半導体を第2温度範囲内にある第2温度に維持しながら第2窒化物半導体をさらに結晶成長させることが好ましい。
この場合、物性が安定した高温結晶成長層を得ることができる。また、後半工程で、安定した厚みの高温結晶成長層を得ることができる。
Even in the latter half of the process of growing the high-temperature crystal growth layer, it is preferable to maintain the first nitride semiconductor and the second nitride semiconductor (formed in the first half) at a constant temperature. That is, it is preferable that the second nitride semiconductor is further crystal grown while maintaining the first nitride semiconductor and the second nitride semiconductor at a second temperature within the second temperature range.
In this case, a high-temperature crystal growth layer with stable physical properties can be obtained. In addition, a high-temperature crystal growth layer having a stable thickness can be obtained in the latter half of the process.
一定温度で結晶成長した高温結晶成長層を得るためには、低温結晶成長層が結晶成長した後に、第1温度から第2温度に昇温する第2昇温工程を実施し、第2昇温工程の間は原料ガスの供給を一時停止することが好ましい。
一定温度で結晶成長したために物性が安定した高温結晶成長層を得ることができる。
In order to obtain a high-temperature crystal growth layer crystal-grown at a constant temperature, after the low-temperature crystal growth layer has grown, a second temperature raising step of raising the temperature from the first temperature to the second temperature is performed, and the second temperature rise It is preferable to temporarily stop the supply of the source gas during the process.
Since the crystal is grown at a constant temperature, a high-temperature crystal growth layer having stable physical properties can be obtained.
低温結晶成長層を成長する前半工程で、結晶成長温度を一定に維持することは、好ましいことではあっても、不可欠ではない。一定温度に維持する代わりに、第1温度範囲を通過して第2温度範囲に昇温するまでの時間が、前半工程でp型不純物の移動を抑制する厚みの第2窒化物半導体が結晶成長するのに要する時間よりも長い、という関係で、前半工程での昇温パターン(温度と時間の関係)を設定してもよい。
すなわち、低温結晶成長層がp型不純物の移動を抑制する厚みに成長した後に第2温度範囲に昇温するのであれば、低温結晶成長層の結晶成長温度が緩やかに変化してもよい。
Maintaining the crystal growth temperature constant in the first half step of growing the low-temperature crystal growth layer is preferable but not essential. Instead of maintaining a constant temperature, the time until the temperature rises to the second temperature range after passing through the first temperature range is such that the second nitride semiconductor having a thickness that suppresses the migration of the p-type impurity in the first half process The temperature rising pattern (relationship between temperature and time) in the first half process may be set because it is longer than the time required to do this.
That is, if the temperature is raised to the second temperature range after the low-temperature crystal growth layer is grown to a thickness that suppresses the migration of p-type impurities, the crystal growth temperature of the low-temperature crystal growth layer may change gradually.
上記第1温度範囲は、600℃〜1000℃であることが好ましい。600℃以上であれば、窒化物半導体が結晶成長し、1000℃以下であれば、結晶成長する窒化物半導体にp型不純物が導入されることを効果的に抑制する。
特に、800℃〜900℃であることが、さらに好ましい。800℃以上であれば、低温結晶成長層の結晶品質が向上し、900℃以下であれば、結晶成長する窒化物半導体にp型不純物が導入されることを顕著に抑制する。
The first temperature range is preferably 600 ° C to 1000 ° C. If the temperature is 600 ° C. or higher, the nitride semiconductor crystal grows. If the temperature is 1000 ° C. or lower, the introduction of p-type impurities into the crystal-grown nitride semiconductor is effectively suppressed.
In particular, the temperature is more preferably 800 ° C to 900 ° C. If it is 800 degreeC or more, the crystal quality of a low-temperature crystal growth layer will improve, and if it is 900 degrees C or less, it will suppress notably that p-type impurity is introduce | transduced into the nitride semiconductor which carries out crystal growth.
前半工程でも後半工程でも、有機金属気相法を用いて第2窒化物半導体を結晶成長させることが好ましい。
第1窒化物半導体と第2窒化物半導体を構成する不純物以外の材料は、同一材料で構成されていてもよいし、組成が異なっていてもよい。
第1窒化物半導体を構成する不純物以外の材料が、GaNで構成されている場合に、本発明は特に有用である。この場合、第2窒化物半導体もGaNであってもよいが、GaNでなくてもよい。AlxInyGa(1−x−y)Nであってもよい。ここで、0≦x≦1であり、0≦y≦1であり、0≦1−x−y≦1である。
In both the first half process and the second half process, it is preferable to grow the second nitride semiconductor using the metal organic vapor phase method.
The materials other than the impurities constituting the first nitride semiconductor and the second nitride semiconductor may be made of the same material or may have different compositions.
The present invention is particularly useful when the material other than the impurities constituting the first nitride semiconductor is composed of GaN. In this case, the second nitride semiconductor may also be GaN, but may not be GaN. A Al x In y Ga (1- x-y) N may be. Here, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, and 0 ≦ 1-xy ≦ 1.
第2窒化物半導体は、p型以外の窒化物半導体でありえる。例えば、p型の第1窒化物半導体の表面に接するn型またはi型(アンドープ)の窒化物半導体を形成することができる。あるいは第1窒化物半導体よりも低濃度のp型不純物を含んでいる第2窒化物半導体を積層するために適用することもできる。 The second nitride semiconductor can be a nitride semiconductor other than p-type. For example, an n-type or i-type (undoped) nitride semiconductor in contact with the surface of the p-type first nitride semiconductor can be formed. Alternatively, it can also be applied to stack a second nitride semiconductor containing a p-type impurity at a lower concentration than the first nitride semiconductor.
本発明は、新規な半導体装置をも実現する。本発明で実現された半導体装置は、p型不純物を含む第1窒化物半導体と、第1窒化物半導体の表面に接する第2窒化物半導体を備えている。第2窒化物半導体は、低温で結晶成長した低温結晶成長層と、高温で結晶成長した高温結晶成長層を含んでおり、第1窒化物半導体と低温結晶成長層と高温結晶成長層の順に積層されていることを特徴とする。
この半導体装置では、第1窒化物半導体と第2窒化物半導体の接合面から50nm以上離間した範囲の第2窒化物半導体内でのp型不純物濃度が、第1窒化物半導体内でのp型不純物濃度の1パーセント以下とすることができる。
The present invention also realizes a novel semiconductor device. The semiconductor device realized by the present invention includes a first nitride semiconductor containing a p-type impurity and a second nitride semiconductor in contact with the surface of the first nitride semiconductor. The second nitride semiconductor includes a low-temperature crystal growth layer grown at a low temperature and a high-temperature crystal growth layer grown at a high temperature, and the first nitride semiconductor, the low-temperature crystal growth layer, and the high-temperature crystal growth layer are stacked in this order. It is characterized by being.
In this semiconductor device, the p-type impurity concentration in the second nitride semiconductor in the range separated by 50 nm or more from the junction surface of the first nitride semiconductor and the second nitride semiconductor is p-type in the first nitride semiconductor. The impurity concentration can be 1 percent or less.
本発明によると、第1窒化物半導体に含まれるp型不純物が、第1窒化物半導体の表面に結晶成長する第2窒化物半導体に移動する現象を効果的に抑制することができる。第1窒化物半導体と第2窒化物半導体の接合面に所望の特性を実現し、特性のすぐれた半導体装置を製造することができる。 According to the present invention, it is possible to effectively suppress the phenomenon that the p-type impurity contained in the first nitride semiconductor moves to the second nitride semiconductor that is crystal-grown on the surface of the first nitride semiconductor. A desired characteristic can be realized on the bonding surface of the first nitride semiconductor and the second nitride semiconductor, and a semiconductor device having excellent characteristics can be manufactured.
以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。
(第1特徴) 第1温度範囲の下限温度は、p型不純物を含む第1窒化物半導体の表面にp型不純物を含まない第2窒化物半導体が結晶成長可能な下限温度である。
(第2特徴) 第1温度範囲の上限温度は、p型不純物を含む第1窒化物半導体の表面から、p型不純物を離脱させる現象が生じる下限温度よりも低い。
(第3特徴) 第1温度範囲内の第1窒化物半導体の表面に、原料ガスを提供する。原料ガスは、第1窒化物半導体の表面からp型不純物を離脱させる現象を発生させない。
(第4特徴) 第2温度範囲の下限温度は、p型不純物を含む第1窒化物半導体の表面から、p型不純物を離脱させる現象が生じる下限温度である。
(第5特徴) 仮に低温結晶成長層がなければ、すなわち第1窒化物半導体の表面に直接に高温結晶成長層を成長させれば、第1窒化物半導体に含まれていたp型不純物が高温結晶成長層に導入されてしまう温度で高温結晶成長層を成長させる。
(第6特徴) 窒化物半導体を利用して縦型のHEMTが形成されている。HEMTは、n型のGaN基板の裏面に形成されているドレイン電極と、そのGaN基板の表面に形成されているとともにn―型のGaNを主材料とする層と、そのn―型のGaN層の表面の一部に臨んで形成されているとともにp型のGaNを主材料とする第1窒化物半導体領域と、前記したn―型のGaN層と第1窒化物半導体領域の表面を覆っているとともにn型のGaNを主材料とする第2窒化物半導体と、第2窒化物半導体上に形成されているとともにAlGaNを主材料とする層を備えている。
(第7特徴) p型不純物は、マグネシウム、亜鉛、ベリリウム、またはカルシウムである。これらは、窒化物半導体が結晶成長する際に窒化物半導体中に導入されやすく、本発明の効果が高い。
The main features of the embodiments described below are listed.
(First Feature) The lower limit temperature of the first temperature range is a lower limit temperature at which a second nitride semiconductor not containing a p-type impurity can be crystal-grown on the surface of the first nitride semiconductor containing a p-type impurity.
(Second Feature) The upper limit temperature of the first temperature range is lower than the lower limit temperature at which the phenomenon of detaching the p-type impurity from the surface of the first nitride semiconductor containing the p-type impurity occurs.
(Third Feature) A source gas is provided on the surface of the first nitride semiconductor in the first temperature range. The source gas does not cause a phenomenon that the p-type impurities are separated from the surface of the first nitride semiconductor.
(Fourth Feature) The lower limit temperature of the second temperature range is a lower limit temperature at which a phenomenon that the p-type impurity is detached from the surface of the first nitride semiconductor containing the p-type impurity occurs.
(Fifth Feature) If there is no low-temperature crystal growth layer, that is, if a high-temperature crystal growth layer is grown directly on the surface of the first nitride semiconductor, the p-type impurity contained in the first nitride semiconductor is high-temperature. The high temperature crystal growth layer is grown at a temperature that would be introduced into the crystal growth layer.
(Sixth feature) A vertical HEMT is formed using a nitride semiconductor. The HEMT includes a drain electrode formed on the back surface of an n-type GaN substrate, a layer formed on the surface of the GaN substrate and mainly made of n − -type GaN, and an n − -type GaN layer thereof. A first nitride semiconductor region mainly formed of p-type GaN and covering the surfaces of the n − -type GaN layer and the first nitride semiconductor region. And a second nitride semiconductor mainly made of n-type GaN, and a layer formed on the second nitride semiconductor and made mainly of AlGaN.
(Seventh feature) The p-type impurity is magnesium, zinc, beryllium, or calcium. These are easily introduced into the nitride semiconductor when the nitride semiconductor is crystal-grown, and the effect of the present invention is high.
以下に、本実施例の半導体装置1の製造方法を、図1〜図9を参照して説明する。本実施例は、本発明を、GaN基板を利用して縦型のHEMTである半導体装置1を製造する方法に適用したものである。
図1は、本実施例の半導体装置1の断面図を示す。図2〜図7は、半導体装置1の製造過程を示す。図8は、後記するp型のGaN層40の表面にn型のGaN層50を形成するために半導体基板2を加熱するときの、半導体基板2の温度と時間の関係を示す。図9は、本実施例の製造方法によってp型のGaN層40の表面に結晶成長したn型のGaN層50には、p型のGaN層40から移動したp型不純物(Mg)の導入量が少ないことを説明する図である。
Below, the manufacturing method of the
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a
図1に示すように、半導体装置1は、n+型のGaN基板20を利用して製造されている。n+型のGaN基板20の裏面にドレイン電極10が形成されている。ドレイン電極10は、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)の積層で形成されている。n+型のGaN基板20の表面には、n−型のGaNを主材料とするn−型のGaN層30が形成されている。n−型のGaN層30の表面31の一部に臨む範囲に、p型のGaN層40(本発明のp型不純物を含む第1窒化物半導体の実施例)が形成されている。図1では、n−型のGaN層30の両端にp型のGaN層40が形成されている。p型のGaN層40は、n−型のGaN層30内において深さ方向に伸びているが、n+型のGaN基板20には達していない。p型のGaN層40,40のp型不純物にはマグネシウム(Mg)が用いられている。Mgの濃度は、約1×1019/cm3以上に調整されている。
n−型のGaN層30とp型のGaN層40,40の表面には、n型のGaN層50が形成されている(本発明の第2窒化物半導体の実施例)。n型のGaN層50は、p型のGaN層40の表面41と、n−型のGaN層30の表面31の両者に亘って形成されている。n型のGaN層50は、低温結晶成長層52と高温結晶成長層51を備えている。低温結晶成長層52と高温結晶成長層51については、それら詳細を後述する。
n型のGaN層50の上に、i型のAlGaN層60が形成されている。n型のGaN層50とi型のAlGaN層60によってヘテロ接合が構成されている。AlGaN層60の結晶構造にはアルミニウムが含まれているので、AlGaN層60のバンドギャップはn型のGaN層50のバンドギャップよりも広い。n型のGaN層50とi型のAlGaN層60の間のヘテロ接合面に、量子井戸が形成される。
As shown in FIG. 1, the
An n -
An i-
AlGaN層60とn型のGaN層50とp型のGaN層40の両端に、ソース電極70が形成されている。ソース電極70は、AlGaN層60とn型のGaN層50を貫通してp型のGaN層40内の深さ方向に伸びており、n−型のGaN層30には達していない。ソース電極70は、AlGaN層60の表面から突出している。ソース電極70はチタンとアルミニウムが積層されて形成されている。
i型のAlGaN層60の上に、ニッケル(Ni)を主材料とするゲート電極80が形成されている。ゲート電極80は、i型のAlGaN層60の表面の一部であり、ソース電極70に接しない範囲に形成される。ゲート電極80は、少なくとも、p型のGaN層40,40間にあるn−型のGaN層30の上方を覆う範囲に形成されている。
On the i-
このように構成された半導体装置1の動作を簡単に説明する。
ゲート電極80に閾値以上のゲート電圧を印加すると、n型のGaN層50とi型のAlGaN層60のヘテロ接合のうち、n型のGaN層50側に2次元電子ガス層が発生する。2次元電子ガス層は、ソース電極70,70間に伸びる。その電子が、n−型のGaN層30を介してドレイン電極10側に移動することで、ソース電極70とドレイン電極10間に電流が流れ、半導体装置1がオン状態となる。ゲート電極80に閾値以下の電圧を印加すると、上記した2次元電子ガス層のうち、その上方にゲート電極80が形成されている範囲の2次元電子ガス層が消失する。図1のp型のGaN層40,40とn−型のGaN層30との間の界面から空乏層が広がる。これによって半導体装置1がオフ状態となる。
The operation of the
When a gate voltage higher than the threshold is applied to the
半導体装置1の製造方法を、図2〜図8を用いて説明する。
まず、図2に示すように、n+型のGaN基板20の表面に、厚さ5μmのn−型のGaN層30を結晶成長させる。n−型のGaN層30に含めるn型不純物にはSiを用いる。
次に、図3に示すように、n−型のGaN層30の両端をエッチングして凸部32を形成する。凸部32は、幅が1μmとなり、深さが1.6μmとなるように形成する。エッチングして窪んだ部分を凹部34という。
次に、1050℃の温度下で、凸部32と凹部34が形成されているn−型のGaN層30の表面に、厚さ2μmのp型のGaN層40を結晶成長させる。この結果、凹部34をp型のGaN層40で完全に充填する。p型不純物にはMgを用いる。p型不純物の濃度は、約1×1019cm−3に調整する。
次に、図4に示すように、凸部32の表面31が露出するまでエッチングを行なう。n+型のGaN基板20と、n−型のGaN層30と、p型のGaN層40,40を備えている半導体基板2が形成される。
A method for manufacturing the
First, as shown in FIG. 2, an n −
Next, as shown in FIG. 3, both ends of the n − -
Next, at a temperature of 1050 ° C., a 2 μm-thick p-
Next, as shown in FIG. 4, etching is performed until the
次に、図5に示すように、半導体基板2の表面2a(p型のGaN層40の表面41と、n−型のGaN層30の表面31)に、有機金属気相エピタキシャル法(MOCVD法)を用いて、n型のGaN層50を結晶成長させる工程を実施する。n型のGaN層50を結晶成長させる工程は、p型のGaN層40,40の表面41とn−型のGaN層30の表面31に、n型のGaN層で形成される低温結晶成長層52を結晶成長させる低温結晶成長段階(前半工程)と、前半工程で形成された低温結晶成長層52の表面に、n型のGaN層で形成される高温結晶成長層51を結晶成長させる高温結晶成長段階(後半工程)を備えている。
Next, as shown in FIG. 5, metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD method) is applied to the
GaN層50を形成する工程の詳細を、図5と図8を参照して説明する。図8は、GaN層50を形成するときの半導体基板2の温度Tと時間Sの関係を示している。
まず、半導体基板2を、その温度が800℃に達するまで、NH3を含むキャリアガス中で加熱する。
図8の時刻s1で、GaN層50の材料(Gaを含むTMGaと、n型不純物であるSiを含むSiH4等)を含む原料ガスを供給し始める。なお、キャリアガスは、H2であってもよいし、N2であってもよい。これにより、半導体基板2の表面2aに、n型のGaNで形成される低温結晶成長層52が結晶成長する。結晶成長した低温結晶成長層52の厚みが、p型のGaN層40,40に含まれるp型不純物であるMgが原料ガスに取り込まれることを抑制できる厚み(本実施例では50nm)にまで成長した段階(図8の時刻s2)で原料ガスの供給を停止する。低温結晶成長層52のn型不純物の濃度は、1×1016cm−3に調整する。
低温結晶成長段階では、800℃の低温下で低温結晶成長層52を結晶成長させるので、結晶成長する過程で、p型のGaN層40の表面41がエッチングされ難い。p型のGaN層40に含まれているMgが離脱し難い。これにより、低温結晶成長層52に導入されるMgの量は非常に少ない。
Details of the process of forming the
First, the
At time s1 in FIG. 8, the supply of the source gas containing the material of the GaN layer 50 (TMGa containing Ga and SiH 4 containing Si as an n-type impurity) is started. The carrier gas may be H 2 or N 2 . As a result, the low-temperature
In the low-temperature crystal growth stage, since the low-temperature
次に、半導体基板2の温度が1050℃に達するまで加熱する。1050℃に達した後に、図8の時刻s3で、n型のGaN層50の材料を含む原料ガスの供給を再開する。原料ガスは、低温結晶成長段階で供給した原料ガスと同じでよい。これにより、低温結晶成長層52の上に、n型のGaNで形成される高温結晶成長層51が結晶成長する。高温結晶成長層51が半導体装置1に必要とされる厚みにまで成長したら(図8の時刻s4)で、原料ガスの供給を停止する。高温結晶成長段階では、1050℃という高温の一定温度で高温結晶成長層51を結晶成長させるので、高温結晶成長層51の結晶性が良好となり、物性が安定し、必要な厚みを短時間で結晶成長させることができる。
Next, the
その後、n型のGaN層50の材料を含む原料ガスを排気し、図6に示すように、i型のAlGaN層60の材料を含む原料ガスを供給して、高温結晶成長層51の上に、i型のAlGaN層60を成長させる。
次に、ソース電極70とゲート電極80とドレイン電極10(図1参照)を既知の方法で形成する。
Thereafter, the source gas containing the material of the n-
Next, the
図9を用いて、本実施例によると、p型のGaN層40に含まれているp型不純物(Mg)が、隣接するn型のGaN層50へ移動することが抑制されていることを説明する。
図9の横軸は、p型のGaN層40とn型のGaN層50の深さを示しており、p型のGaN層40とn型のGaN層50との界面(p型のGaN層40の表面41)の位置が基準位置とされ、基準位置が略中間位置に示されている。横軸は、基準位置からの距離を示している。基準位置よりも右側がp型のGaN層40であり、基準よりも左側がn型のGaN層50である。図9の縦軸は、Mgの濃度を示している。Mgの濃度は、上記界面での濃度を100パーセントとして割合で示している。
グラフM1は、本実施例の製造方法で形成したp型のGaN層40とn型のGaN層50中のMgの濃度プロファイルを示している。グラフM2は、従来技術の製造方法で形成したp型のGaN層とn型のGaN層中のMgの濃度プロファイルを示している。
グラフM2は、グラフM1よりも、n型のGaN層50中でのMgの濃度が高いことを示している。グラフM2では、界面から約150nmの位置で、Mg濃度が界面でのMg濃度の1パーセント程度であるのに対し、グラフM1では、上記界面から約50nmの位置で、Mg濃度が界面でのMg濃度の1パーセント未満に抑制されている。
With reference to FIG. 9, according to the present embodiment, it is suppressed that the p-type impurity (Mg) contained in the p-
9 represents the depth of the p-
The graph M1 shows the concentration profile of Mg in the p-
The graph M2 indicates that the Mg concentration in the n-
従来のように、半導体基板の温度を1050度に上げてからGaN層50を結晶成長させると、原料ガスによってp型のGaN層40の表面がエッチングされ、原料ガスにp型不純物が混入していた。その結果、p型のGaN層40の表面に結晶成長するn型のGaN層50に相当量のMgが混入していた。
本実施例で説明した方法では、低温結晶成長層52と高温結晶成長層51でGaN層50を形成する。低温結晶成長層52は低温で成長させるために、低温結晶成長層52の原料ガスによってp型のGaN層40の表面41がエッチングされる程度が抑制される。低温結晶成長層52に導入されるMgの量は、図9のグラフM1に示すように、従来技術の場合のグラフM2と比較して非常に少ない。低温結晶成長層52が、Mgの導入を抑制する。低温結晶成長層52が、GaN層50にMgが導入される現象を効果的に抑制することができる。
また本実施例では、低温結晶成長層52の上に高温結晶成長層51を形成している。高温結晶成長層51の方が、低温結晶成長層52と比較して欠陥が少なく、結晶性がよい。しかも、迅速に結晶成長させることができる。低温結晶成長層52を形成してから高温結晶成長層51を形成するので、高温結晶成長層51にMgが混入することも抑制できる。
As in the prior art, when the
In the method described in this embodiment, the
In this embodiment, the high temperature
また、本実施例では、低温結晶成長段階で、半導体基板2の温度を800℃の温度に維持している。一定の温度に維持している間は、結晶成長のスピードがほぼ同じスピードに維持される。安定した厚みの低温結晶成長層52を得ることができる。また、安定した物性の低温結晶成長層52を得ることができる。
低温結晶成長段階での半導体基板2の温度は、600℃から1000℃の間であることが好ましい。この温度は、800℃から900℃の間であることが、さらに好ましい。
また、本実施例では、高温結晶成長段階で、半導体基板2の温度を1050℃の温度に維持している。安定した厚みの高温結晶成長層51を得ることができる。また、安定した物性の高温結晶成長層51を得ることができる。
In this embodiment, the temperature of the
The temperature of the
In this embodiment, the temperature of the
本実施例では、低温結晶成長層52を結晶成長させる際に、半導体基板2の温度が600℃に達した後に、時刻s1で、半導体基板2にn型のGaN層50の原料ガスを供給し始めている。また、高温結晶成長層51を結晶成長させる際に、半導体基板2の温度が1050℃に達した後に、時刻s3で、半導体基板2にn型のGaN層50の原料ガスを供給し始めている。すなわち、半導体基板2を加熱している段階では、原料ガスを供給しない。低温結晶成長層52と高温結晶成長層51がそれぞれ所望の厚みに至るまで、結晶成長を実施する時間をコントロールすることが容易である。
In this embodiment, when the low-temperature
本実施例の方法では、p型のGaN層40の表面に、最初はn型のGaNの低温結晶成長層52を形成する低温結晶成長段階を行ない、その後に、低温結晶成長層52の表面にn型のGaNの高温結晶成長層51を形成する高温結晶成長段階を実施する。低温結晶成長層52と高温結晶成長層51の導電型はn型に限られない。i型であってもよい。あるいはp−型であることもある。
In the method of this embodiment, a low-temperature crystal growth step is first performed on the surface of the p-
本実施例の方法では、低温結晶成長段階で、半導体基板2の温度を800℃に維持して低温結晶成長層52を結晶成長させている。本発明のこの段階での温度は、一定の温度に維持していなくてもよく、例えば、徐々に上昇していてもよい。
また、本実施例の方法では、高温結晶成長段階で、半導体基板2の温度を1050℃に維持して高温結晶成長層51を結晶成長させている。本発明のこの段階での温度は、一定の温度に維持していなくてもよく、例えば、徐々に上昇していてもよい。
In the method of this embodiment, the temperature of the
In the method of this embodiment, the temperature of the
本実施例の方法では、p型のGaN層40の表面41に低温結晶成長層52を結晶成長する場合について説明した。本発明の低温結晶成長層52は、p型のGaN層40の表面41と高温結晶成長層51との間にあればよく、p型のGaN層40の表面41に接していなくても良い。
In the method of this embodiment, the case where the low-temperature
本実施例の方法では、Mgを含むp型のGaN層40の表面から、n型のGaN層50を結晶成長させる場合について説明した。p型のGaN層40に含まれているp型不純物は、Mgに限定されるものではない。例えば、p型不純物が、ベリリウムやカルシウムであってもよい。
また、本実施例では、p型のGaN層40の表面からn型のGaN層50を形成する場合について説明したが、双方が同じ材料の層ではなくてもよい。また、双方の層の材料はGaNに限定されるものではない。
また、本実施例では、本発明をHEMT型の半導体装置1に適用する場合について説明したが、本発明の方法は、移動し易いp型不純物を含んでいるp型窒化物半導体の表面に、n型やi型やp−型の窒化物半導体を結晶成長させる際に広く適用することができる。本発明の方法で製造する半導体装置は、HEMT型の半導体装置に限定されるものではない。
In the method of the present embodiment, the case where the n-
In the present embodiment, the case where the n-
In the present embodiment, the case where the present invention is applied to the HEMT
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
In addition, the technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
1;半導体装置
2;半導体基板
2a;表面
10;ドレイン電極
20;n+型のGaN層
30;n−型のGaN層
31;表面(n−型のGaN層の表面)
40;p型のGaN層
41;p型のGaN層の表面
50;n型のGaN層
51;高温結晶成長層
52;低温結晶成長層
60;i型のAlGaN層
70;ソース電極
80;ゲート電極
1;
40; p-
Claims (15)
第2窒化物半導体を結晶成長させる工程が、前半工程と後半工程を有しており、
前半工程では、第1温度範囲内で、第1窒化物半導体の表面に、第2窒化物半導体を結晶成長させ、
後半工程では、前記第1温度範囲よりも高温の第2温度範囲内で、第2窒化物半導体の表面に、第2窒化物半導体をさらに結晶成長させる、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device comprising a step of crystal-growing a second nitride semiconductor on a surface of a first nitride semiconductor containing a p-type impurity,
The step of crystal growth of the second nitride semiconductor has a first half step and a second half step,
In the first half step, the second nitride semiconductor is grown on the surface of the first nitride semiconductor within the first temperature range,
In the second half step, a second nitride semiconductor is further grown on the surface of the second nitride semiconductor in a second temperature range higher than the first temperature range.
A method for manufacturing a semiconductor device.
第1窒化物半導体の表面に接する第2窒化物半導体を備えている半導体装置であり、
第2窒化物半導体は、低温で結晶成長した低温結晶成長層と、高温で結晶成長した高温結晶成長層を含んでおり、
第1窒化物半導体と低温結晶成長層と高温結晶成長層の順に積層されていることを特徴とする半導体装置。 a first nitride semiconductor containing a p-type impurity;
A semiconductor device comprising a second nitride semiconductor in contact with the surface of the first nitride semiconductor;
The second nitride semiconductor includes a low-temperature crystal growth layer grown at a low temperature and a high-temperature crystal growth layer grown at a high temperature.
A semiconductor device, wherein a first nitride semiconductor, a low-temperature crystal growth layer, and a high-temperature crystal growth layer are stacked in this order.
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