JP4984407B2

JP4984407B2 - 半導体ウェハー及びその製造方法

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Publication number: JP4984407B2
Application number: JP2005072587A
Authority: JP
Inventors: 丈士田中
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2025-03-15
Also published as: JP2006261179A

Description

本発明は半導体ウェハー及びその製造方法に係り、より詳細には窒化物化合物半導体を材料に用いた電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハー構造と、その製造プロセスに関するものである。

窒化物化合物半導体は、高い飽和電子速度と高い絶縁破壊耐圧を有する為、高周波・高出力の電子デバイス材料として利用される。特にＧａＮチャネル層とし、ＡｌＧａＮバリア層からなる層構造（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造）をもつ窒化物電界効果トランジスタ（以下、ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＥＭＴという）は、ひずみに起因するピエゾ電気分極の効果により高濃度の二次元電子ガスが得られるため、高い電力密度が得られる。

ＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造の窒化物半導体材料を用いて電界効果トランジスタを作成するうえでの問題点の一つとして、ソース電極及びドレイン電極における接触抵抗の高さが挙げられる。

この問題の解決策としては、例えば、ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＥＭＴにおいて、低抵抗が得られる電極金属がＡｌを含む材料に限られているという観点から、高温でのアニール工程を経ることなく低コンタクト抵抗のソース・ドレイン電極を得る構造として、オーミック電極をＡｌＧａＮ層上に形成する技術が提案されている（特許文献１）。
特開２００４−２２７７４号公報

しかしながら、上記特許文献１を含め従来の技術は、いずれも層構造から必然的に低コンタクト抵抗のソース・ドレイン電極が得られるというものではない。

上記したように、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造の窒化物半導体材料を用いて電界効果トランジスタを作成するうえでの問題点の一つとして、ソース電極及びドレイン電極における接触抵抗の高さが挙げられるが、これはＡｌを含んだ窒化物半導体材料の融点が高いこと、およびＡｌＧａＮ中に自発分極、およびピエゾ分極により電界が生じていることの二つに起因する。

例えば、従来のＧａＡｓなどの化合物半導体であれば、半導体材料表面にＡｕＧｅなどの金属を蒸着し、これを加熱処理することによって界面を合金化させ、電極の接触抵抗を下げることができる。しかしながら窒化物半導体材料、更に限定すればＡｌＧａＮのようなＡｌを含む窒化物材料は極めて融点が高い。このため特にＡｌを含んだ窒化物半導体材料では、加熱処理を行っても金属と半導体界面を合金化させることができず、接触抵抗は高いままである。

また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系半導体材料は従来のＧａＡｓ系化合物半導体材料と大きく異なって六方晶の結晶であり、結晶の対称性の低さとひずみ応力に起因して、ＡｌＧａＮ中には電界が生じている。例えば通常のＭＯＶＰＥ法で窒化物半導体を基板上に形成した場合、この窒化物半導体は（０００１）III族面が表面側に配向して成長するため、厚い第一の半導体層であるＧａＮの上に形成された第二の半導体層であるＡｌＧａＮの内部には基板側から表面側に向かう方向に電界がかかっている。この構造は、第一の半導体層であるＧａＮを走行する電子を電極側に引き抜く際、抵抗として寄与する。

今のところＡｌを含んだ窒化物半導体材料に対するオーミック電極としては、Ｔｉ／Ａｌが利用されている。これはＴｉ／Ａｌの仕事関数が小さく、ＡｌＧａＮに対する障壁高さを小さくすることができるためである。しかしながらこのコンタクト抵抗は１×１０^-5Ωcm^-2台であり、従来のＧａＡｓ系化合物半導体と比較して一桁以上も悪い値であった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、窒化物半導体側の層構造を工夫することにより、電界効果トランジスタにおけるソース電極及びドレイン電極のコンタクト抵抗を大きく低減させる半導体ウェハー及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る電界効果トランジスタの製造方法は、少なくとも、Ｓｉ基板上に、前記Ｓｉ基板側の面の反対側の面が（０００１）ＩＩＩ族面となるようＧａＮ下地層を成長し、前記ＧａＮ下地層の上に、前記ＧａＮ下地層側の面の反対側の面が（０００１）ＩＩＩ族面となるようＡｌ_xＧａ_1-xＮ層（ただし０＜ｘ≦１）を成長して窒化物半導体多層膜を形成する工程と、前記窒化物半導体多層膜上に貼り替え基板を設け、前記Ｓｉ基板及び前記ＧａＮ下地層を除去する工程と、前記ＧａＮ下地層を除去することで露出し、前記貼り替え基板側の面の反対側の面が（０００−１）窒素面であり電子供給層となる前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層上に、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層側の面の反対側の面が（０００−１）窒素面となるようチャネル層となるＧａＮ層を形成する工程と、前記ＧａＮ層上に電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の電界効果トランジスタの製造方法において、少なくとも前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層の一部にシリコンがドーピングされていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２記載の電界効果トランジスタの製造方法において、前記窒化物半導体多層膜の前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層上には、前記貼り替え基板を貼り付けるＧａＮ層が形成されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１、２又は３記載の電界効果トランジスタの製造方法において、前記Ｓｉ基板上には、ＩｎＧａＮからなる核生成層が形成され、前記核生成層上に前記ＧａＮ下地層が形成されることを特徴とする。

本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。

本発明の半導体ウェハーは、窒化アルミニウムガリウムの上側に接する窒化物半導体内へ二次元電子ガスを形成させる為の半導体ウェハー多層構造であって、少なくとも、第一の基板と、（０００−１）窒素面が表面側となるように形成されたウルツ鉱型の第一の窒化物半導体層と、該第一の窒化物半導体層の上に形成され、且つ該第一の窒化物半導体層よりも組成に占めるアルミニウムの割合が大きい第二の窒化物半導体層と、該第二の窒化物半導体層の上に形成され、且つ該第二の窒化物半導体層よりも電子親和力の大きい第三の窒化物半導体層とを有する。

本発明によるこの半導体ウェハーを材料として用いた電界効果トランジスタでは、窒化アルミニウムガリウムの上側に接する窒化物半導体内へ二次元電子ガスを形成させる構造となることから、二次元電子ガス成分とソース電極及びドレイン電極の間に、ＡｌＧａＮのようなＡｌを含む窒化物材料が存在しない。このためソース電極及びドレイン電極のコンタクト抵抗を大きく下げることが可能となり、結果として電界効果トランジスタデバイスのｏｎ抵抗を低減することができる。

上記構造の半導体ウェハーは、本発明に従い、まず第一の基板において、（０００−１）III族面が表面側となるように成長されたウルツ鉱型の第一の窒化物半導体層と、該第一の窒化物半導体層の上に形成され、該第一の窒化物半導体層よりも電子親和力の小さい第二の窒化物半導体層と、該第二の窒化物半導体層の上に形成され、第二の窒化物半導体層よりも組成に占めるアルミニウムの割合が小さい第三の窒化物半導体層とからなる半導体ウェハーを成長する工程と、この半導体ウェハーを第二の基板に貼り付ける工程と、この半導体ウェハーを残して第一の基板のみを除去する工程と、残った窒化物半導体多層膜上に保護膜及び電極を形成する工程とを実施することにより、製造することができる。

本発明の半導体ウェハー及びその製造方法の他の特徴によれば、少なくとも第二の窒化物の一部にシリコンをドーピングしているので、窒化アルミニウムガリウムの表面側に出現するマイナスのチャージを補償し、電子トラップの発生を抑止することができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は本発明の実施形態の一例である半導体ウェハーの断面図であり、１０１はサファイア基板、１０２はアンドープＧａＮ（窒化ガリウム）層、１０３はシリコンドープＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）層、１０４はアンドープＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）層、１０５はアンドープＧａＮ（窒化ガリウム）層であり、１０２から１０５までの窒化物半導体層は、全て（０００−１）窒素面となるよう配向している。

すなわち、（０００−１）窒素面が表面側となるように形成されたウルツ鉱型の第一の窒化物半導体層（Ｉ）としてアンドープＧａＮ層１０２、該第一の窒化物半導体層の上に形成され、且つ該第一の窒化物半導体層よりも組成に占めるアルミニウムの割合が大きい第二の窒化物半導体層（II）として、シリコンドープＡｌＧａＮ層１０３及びアンドープＡｌＧａＮ層１０４が形成され、そして該第二の窒化物半導体層の上に形成され、且つ該第二の窒化物半導体層よりも電子親和力の大きい第三の窒化物半導体層（III）として、アンドープＧａＮ層１０５が形成されている。

この半導体ウェハー構造では窒化物半導体層が（０００−１）窒素面に配向しているため、図８に示すように、ＡｌＧａＮ層１０３〜１０４に生じる分極の方向が従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＥＭＴ構造の場合と逆となり、結果として二次元電子ガス８０１はＡｌＧａＮ層１０３〜１０４の上方に現れる。このため、図９に例示するように、二次元電子ガス成分とソース電極９０２及びドレイン電極９０３の間には、接触抵抗を上げる要因となるＡｌＧａＮのようなＡｌを含む窒化物材料が存在しない。よって本発明の構造を用いることにより、ソース電極及びドレイン電極のコンタクト抵抗を１×１０^-6cm^-2台まで下げることが可能となる。

本発明の実施例を、図を用いて以下に説明する。

上記した図１のような構造の半導体ウェハーは、次のようなプロセスにより製造される。

第一の基板として結晶面方位が（１１１）であるＳｉを用い、これをＭＯＶＰＥ装置のリアクター部に搬入する。このＭＯＶＰＥ装置は２インチ、または３インチの基板を１枚だけチャージできる能力を持っており、ウェハーは駆動機構により回転する。本ＭＯＶＰＥ装置のリアクター内部では、水平方向にキャリアーガスが流れる仕組みになっている。リアクター内部のサセプターはサセプター下に配置されたヒータによって熱せられ、この熱がサセプターを介して、シリコン基板に与えられる。

成長プロセスでは、まずシリコン基板２０１を１１００℃まで水素雰囲気中で加熱して、いわゆるサーマルクリーニングと呼ばれる表面処理を１０分間行う。この後、ヒータパワーを制御することにより、基板温度を５００℃まで下げる。５００℃で基板温度が安定したところで、水素をキャリアーガスとして、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムとアンモニアガスをリアクターに供給する。このような方法により、アンドープＩｎＧａＮバッファ層（核生成層）２０２を基板上に形成できる。アンドープＩｎＧａＮバッファ層２０２の厚さは、具体的には２０nm程度が望ましいが、実際には１nm〜５０nm程度の厚さであってもバッファ層（核生成層）としての所望の働きをする。このアンドープＩｎＧａＮバッファ層２０２の成長が終ったら、基板温度を１０９０℃にまで上げる。基板温度が１０９０℃で安定したところで、水素をキャリアーガスとして、トリメチルガリウムとアンモニアガスを、Ｖ族とIII族のモル比Ｖ／III＝約５０００となるような割合で、より具体的には、ＮＨ₃：１０ＳＬＭ、ＴＭＧ：８．９×１０^-5ｍｏｌ／ｓｅｃの速度で、リアクターに供給する。このような方法により、約２μｍのアンドープＧａＮ層２０３をバッファ層（核生成層）２０２を介して、シリコン基板２０１上に形成する。このときアンドープＧａＮ層２０３は（０００１）III族面に配向しており、最表面には窒素原子ではなくガリウム原子が現れている。ここまでの工程の結果得られるウェハー構造を図２に示す。

アンドープＧａＮ層２０３の成長が終わったら、次に水素をキャリアーガスとして、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、及びアンモニアをリアクターに供給する。このような方法により、アンドープＡｌＧａＮ層１０４を形成する。アンドープＡｌＧａＮ層１０４の厚さは、意図するデバイス特性によって変える必要があるが、実際には２５nm〜４５nmが一般的である。

アンドープＡｌＧａＮ層１０４の成長が終わったら、前記の原料供給は続けた上で、更にモノシランをリアクターに供給する。このような方法により、シリコンドープＡｌＧａＮ層１０３を形成する。ここでシリコンドープＡｌＧａＮ層１０３を形成する理由は、結晶対称性の低さとひずみ応力に起因してＡｌＧａＮ層表面側に出現するマイナスのチャージを補償し、電子トラップの発生を抑止するためである。シリコンドープＡｌＧａＮ層１０３におけるドーピング濃度と厚さは、意図するデバイス特性によって変える必要があるが、例えば単位面積あたりのシリコン濃度が２×１０¹²cm^-2〜１×１０¹³cm^-2程度になるよう、調整すると良い。形成されたアンドープＡｌＧａＮ層１０４、及びシリコンドープＡｌＧａＮ層１０３は下地であるアンドープＧａＮ層２０３の影響を受ける為、引き続いて表面には（０００１）III族面が現れている。ここまでの工程で得られるウェハー構造を図３に示す。

シリコンドープＡｌＧａＮ層１０３の成長が終わったら、原料のうち、トリメチルアルミニウムとモノシランの供給を停止する。このような方法により、アンドープＧａＮ層１０２を形成する。このアンドープＧａＮ層１０２の厚さは１００nm〜１μｍ程度でよい。ここまでの工程で得られるウェハー構造を図４に示す。

次に新たな基板として単結晶サファイア基板１０１を用意し、工程で得られたウェハーの表面側が下になるようにして、これを単結晶サファイア基板１０１の上に乗せ、密着させる。この状態のウェハーを水素雰囲気で保たれた加熱用炉内に配置し、ウェハー上方から０．１ＭＰａ以上の荷重を加えつつ、ウェハー全体を加熱して二枚の基板を接着させる。ここまでの工程で得られるウェハー構造を図５に示す。

次にウエットエッチング法により、サファイア基板１０１と窒化物半導体層は残した状態で、シリコン基板２０１のみを完全に除去する。ここで表面にはアンドープＩｎＧａＮバッファ層（核生成層）２０２とアンドープＧａＮ層２０３の一部が露出するが、これらは前記工程で表裏が逆になっているため、表面側は（０００−１）窒素面になるように配向しており、最表面にはガリウム原子やインジウム原子ではなくて窒素原子が現れている。ここまでの工程で得られるウェハー構造を図６に示す。

次に得られたウェハーを再び水素雰囲気で保たれた加熱用炉内に配置し、約１０００℃の温度でこれを加熱する。すると表面に晒されたアンドープＩｎＧａＮバッファ層２０２やＧａＮ層２０３から窒素原子が離脱を開始し、アンドープＩｎＧａＮやＧａＮは分解し始める。分解したＩｎＧａＮとＧａＮのうち、窒素原子はそのまま気体となって放出され、また残された金属インジウムと金属ガリウムも高温の為に蒸発し、基板の表面から飛散する。この一方で融点の高いＡｌＧａＮは安定である為、アンドープＩｎＧａＮバッファ層２０２やＧａＮ層２０３が分解・消失した後でもアンドープＡｌＧａＮ層１０４はそのまま保持される。当然、このアンドープＡｌＧａＮ層１０４も表面側は（０００−１）窒素面になるように配向しており、最表面にはアルミニウム原子やガリウム原子ではなくて窒素原子が現れている。ここまでの工程で得られるウェハー構造を図７に示す。

次にウェハーを再度、ＭＯＶＰＥ装置のリアクター部に搬入する。リアクター部に水素をキャリアーガスとしてアンモニアを流した状態でサセプターの加熱を開始する。基板温度が１０９０℃で安定したところで、水素をキャリアーガスとして、トリメチルガリウムとアンモニアガスを、Ｖ族とIII族のモル比Ｖ／III＝約５０００となるような割合で、より具体的には、ＮＨ₃：１０ＳＬＭ、ＴＭＧ＝８．９×１０^-5ｍｏｌ／ｓｅｃの速度で、リアクターに供給する。このような方法により、アンドープＧａＮ層１０５を形成する。アンドープＧａＮ層１０５の厚さは、意図するデバイス特性によって精密に制御する必要があり、通常であれば４０nm以下とすることが好ましい。このＧａＮも表面側は（０００−１）窒素面になるように配向しており、最表面にはガリウム原子ではなくて窒素原子が現れている。

以上のような工程により、図８に示す本発明による半導体ウェハー構造を得ることができる。（この構造は図１と同じものである。）

この半導体ウェハー構造では窒化物半導体層が（０００−１）窒素面に配向しているため、ＡｌＧａＮ層１０３〜１０４に生じる分極の方向が従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＥＭＴ構造の場合と逆となり、結果として二次元電子ガスはＡｌＧａＮ層１０４の上方に現れる。このため、二次元電子ガス成分とソース電極９０２及びドレイン電極９０３（図９参照）の間には、接触抵抗を上げる要因となるＡｌＧａＮのようなＡｌを含む窒化物材料が存在しない。すると本発明の構造を用いることにより、ソース電極９０２及びドレイン電極９０３のコンタクト抵抗を１×１０^-6cm^-2台まで下げることが可能となる。

本発明による半導体ウェハー構造を利用した具体的な電界効果型トランジスタの例を、図９に示す。

この図において追加された９０１はイオン注入法により半絶縁化された領域、９０２はソース電極、９０３はドレイン電極、９０４はゲート電極である。このような電界効果トランジスタは次のようなプロセスで作製される。

すなわち、図８までで得られた本発明による半導体ウェハーにおいて、回路でデバイス部となる箇所を通常のフォトリソグラフィー法でマスクした後、それ以外の箇所にイオン注入及びアニールをおこない、デバイス部以外の箇所を高抵抗化する。次にトランジスタでソース、及びドレインとなるべき箇所に同様のフォトリソグラフィー法でチタンとアルミニウムを蒸着、および加熱によるアロイプロセスを実施する。更にトランジスタでゲート電極となるべき箇所に同様のフォトリソグラフィー法でニッケルと金を蒸着し、６６０℃以下の温度で熱処理する。すると、二次元電子ガス８０１を含むアンドープＧａＮ（窒化ガリウム）層１０５をチャネル層、アンドープＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）層１０４をキャリア供給層として、ニッケルと金からなるゲート電極９０４で動作が制御される電界効果形トランジスタ構造を形成することができる。なお、８０１は二次元電子ガス、８０２は結晶の対称性の低さ、及びひずみ応力に起因してＡｌＧａＮの表側に発生したプラスのチャージ、８０３は結晶の対称性の低さ、及びひずみ応力に起因してＡｌＧａＮの基板側に発生したマイナスのチャージ、８０４はドーピングされたシリコン原子を示す。

図９を見てわかる通り、この電界効果トランジスタ構造では、ソース電極９０２及びドレイン電極９０３と二次元電子ガス８０１の間には、接触抵抗を上げる要因となるＡｌＧａＮのようなＡｌを含む窒化物材料が存在しない。このため上記した通常のチタンとアルミニウム電極を用いたオーミック接触であっても、ソース電極及びドレイン電極のコンタクト抵抗を１×１０^-6Ωcm^-2台まで下げることが可能となるのである。

本発明の半導体ウェハーの断面構造を示す図である。本発明の半導体ウェハーを得る為の製造工程の一部（１／７）を示す図である。本発明の半導体ウェハーを得る為の製造工程の一部（２／７）を示す図である。本発明の半導体ウェハーを得る為の製造工程の一部（３／７）を示す図である。本発明の半導体ウェハーを得る為の製造工程の一部（４／７）を示す図である。本発明の半導体ウェハーを得る為の製造工程の一部（５／７）を示す図である。本発明の半導体ウェハーを得る為の製造工程の一部（６／７）を示す図である。本発明の半導体ウェハーを得る為の製造工程の最終部（７／７）を示す図である。本発明の半導体ウェハーを利用した電界効果型トランジスタの構造図である。

符号の説明

１０１サファイア基板
１０２アンドープＧａＮ層
１０３シリコンドープＡｌＧａＮ層
１０４アンドープＡｌＧａＮ層
１０５アンドープＧａＮ層
２０１シリコン基板
２０２アンドープＩｎＧａＮバッファ層（核生成層）
２０３アンドープＧａＮ層
８０１二次元電子ガス
８０２ＡｌＧａＮの表側に発生したプラスのチャージ
８０３ＡｌＧａＮの基板側に発生したマイナスのチャージ
８０４ドーピングされたシリコン原子
９０１イオン注入法により半絶縁化された領域
９０２ソース電極
９０３ドレイン電極
９０４ゲート電極

Claims

少なくとも、Ｓｉ基板上に、前記Ｓｉ基板側の面の反対側の面が（０００１）ＩＩＩ族面となるようＧａＮ下地層を成長し、前記ＧａＮ下地層の上に、前記ＧａＮ下地層側の面の反対側の面が（０００１）ＩＩＩ族面となるようＡｌ_xＧａ_1-xＮ層（ただし０＜ｘ≦１）を成長して窒化物半導体多層膜を形成する工程と、前記窒化物半導体多層膜上に貼り替え基板を設け、前記Ｓｉ基板及び前記ＧａＮ下地層を除去する工程と、前記ＧａＮ下地層を除去することで露出し、前記貼り替え基板側の面の反対側の面が（０００−１）窒素面であり電子供給層となる前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層上に、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層側の面の反対側の面が（０００−１）窒素面となるようチャネル層となるＧａＮ層を形成する工程と、前記ＧａＮ層上に電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
請求項１記載の電界効果トランジスタの製造方法において、少なくとも前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層の一部にシリコンがドーピングされていることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
請求項１又は２記載の電界効果トランジスタの製造方法において、前記窒化物半導体多層膜の前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層上には、前記貼り替え基板を貼り付けるＧａＮ層が形成されていることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
請求項１、２又は３記載の電界効果トランジスタの製造方法において、前記Ｓｉ基板上には、ＩｎＧａＮからなる核生成層が形成され、前記核生成層上に前記ＧａＮ下地層が形成されることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。