JP6035721B2

JP6035721B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP6035721B2
Application number: JP2011211096A
Authority: JP
Inventors: 文生山田; 毅荒谷
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2031-09-27
Also published as: US20130075753A1; US8653563B2; JP2013074045A

Description

本発明は半導体装置の製造方法に関する。

窒化物半導体を用いたＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ）は、高周波用出力増幅用素子として用いられる。ＨＥＭＴでは、チャネル層と電子供給層との界面に生じる二次元電子ガス（２ＤＥＧ）をキャリアとして利用する。ＨＥＭＴのなかには半導体基板を用いるものがある。２ＤＥＧの電子が基板中のトラップに捕獲されることで電流の減少が発生することがある。また、基板の導電性に起因してリーク電流が発生することがある。電流の減少及びリーク電流を抑制するためにバッファ層を設けることがある。特許文献１には、バッファ層のアルミニウム（Ａｌ）組成比を調節する発明が記載されている。

特開２０１０−２３２３７７号公報

半導体基板の材料に窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いると、基板はｎ−ＧａＮ基板となる。ｎ−ＧａＮ基板のコンダクションバンドのエネルギーは低いため、リーク電流が発生しやすくなる。そこで基板とチャネル層との間に、高い障壁を有するバッファ層を形成することが求められる。バッファ層の材料に窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）等を用いた場合、ＧａＮとＡｌＧａＮとの格子不整合によりチャネル層の結晶性が悪化し、トラップが形成される可能性がある。また、バッファ層とチャネル層との接合界面の平坦性が低下することがある。本願発明は上記課題に鑑み、格子整合したバッファ層、及び高い平坦性を有する接合界面を得ることが可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、ｎ型窒化ガリウムからなる基板と、前記基板上に設けられ、窒化物インジウムアルミニウム（Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ、０．１５≦ｘ≦０．２）からなる第１バッファ層と、前記第１バッファ層上に設けられ、厚さ１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の窒化アルミニウムからなるスペーサ層と、前記スペーサ層上に設けられた能動層と、を具備する半導体装置である。本発明によれば、格子整合したバッファ層、及び高い平坦性を有する接合界面を得ることが可能である。

上記構成において、前記能動層は、チャネル層と、前記チャネル層上に設けられた電子供給層とを備える構成とすることができる。

上記構成において、前記基板と前記第１バッファ層との間に設けられた、ｉ型窒化ガリウム又は半絶縁性窒化ガリウムからなる第２バッファ層を具備する構成とすることができる。

上記構成において、前記第２バッファ層の厚さは１０μｍ以上、１００μｍ以下である構成とすることができる。

上記構成において、前記基板の不純物濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３以上、１×１０^１９ｃｍ^−３以下である構成とすることができる。

上記構成において、前記電子供給層は、窒化アルミニウムガリウム又は窒化インジウムアルミニウムからなる構成とすることができる。

本発明は、ｎ型窒化ガリウムからなる基板と、前記基板上に設けられ、ｉ型窒化ガリウム又は半絶縁性窒化ガリウムからなる第２バッファ層と、前記第２バッファ層上に設けられ、窒化物インジウムアルミニウム（Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ、０．１５≦ｘ≦０．２）からなる第１バッファ層と、前記第１バッファ層上に設けられた能動層と、を具備する半導体装置である。本発明によれば、格子整合したバッファ層、及び高い平坦性を有する接合界面を得ることが可能である。

上記構成において、前記能動層は、チャネル層と、前記チャネル層上に設けられた電子供給層とを備える構成とすることすることができる。

上記構成において、前記第１バッファ層上に設けられ、厚さ１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の窒化アルミニウムからなるスペーサ層を具備する構成とすることができる。

本発明によれば、格子整合したバッファ層、及び高い平坦性を有する接合界面を得ることが可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。

図１（ａ）は比較例に係るＨＥＭＴを例示する断面図である。図１（ｂ）は比較例に係るＨＥＭＴのエネルギーバンド図である。図２（ａ）は実施例１に係るＨＥＭＴを例示する断面図である。図２（ｂ）は実施例１に係るＨＥＭＴのエネルギーバンド図である。図３は実施例２に係るＨＥＭＴを例示する断面図である。

比較例について説明する。比較例はバッファ層が設けられていない例である。図１（ａ）は比較例に係るＨＥＭＴを例示する断面図である。

図１（ａ）に示すように、比較例に係るＨＥＭＴ１００Ｒにおいて、基板１１０上にチャネル層１１６が設けられている。チャネル層１１６上に電子供給層１１８が設けられている。電子供給層１１８上にキャップ層１２０が設けられている。キャップ層１２０に形成されたリセス１２１から露出した電子供給層１１８上にソース電極１２４、及びドレイン電極１２６が設けられている。キャップ層１２０上にはゲート電極１２８が設けられている。保護層１２２は、電子供給層１１８及びゲート電極１２８上に設けられている。

基板１１０は、例えば不純物濃度１×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ１００μｍのｎ型ＧａＮ（ｎ−ＧａＮ）からなり、導電性を有する。ドーパントは例えばシリコン（Ｓｉ）である。チャネル層１１６はｉ−ＧａＮからなる。電子供給層１１８は、例えば厚さ２２ｎｍ、アルミニウム（Ａｌ）組成比２５％の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなる。キャップ層１２０は、例えば厚さ５ｎｍ、キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３のｎ−ＧａＮからなる。保護層１２２は例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）等の絶縁体からなる。ソース電極１２４及びドレイン電極１２６は、電子供給層１１８に近い方から例えばチタン層及びアルミニウム層（Ｔｉ／Ａｌ）を積層したオーミック電極である。ゲート電極１２８は、キャップ層１２０に近い方から例えばニッケル層及び金層（Ｎｉ／Ａｕ）を積層した電極である。

図１（ｂ）は比較例に係るＨＥＭＴのエネルギーバンド図である。横軸はＨＥＭＴの積層方向における深さを表し、右端は基板１１０の下面、左端はキャップ層１２０の上面を表す。縦軸はエネルギーを表す。点線はフェルミエネルギーＥｆを表す。実線はコンダクションバンドのエネルギーＥｃを表す。図１（ｂ）において、ＨＥＭＴ１００Ｒの各部位に対応する領域は、破線で区切り、図１（ａ）と同じ符号で示す。また格子斜線の領域は２ＤＥＧを示す。

図１（ｂ）に示すように、基板１１０とチャネル層１１６との間においてエネルギーＥｃは連続的に変化し、かつ基板１１０のエネルギーＥｃは低い。このため、２ＤＥＧの電子は基板１１０側に移動しやすい。従ってリーク電流が大きくなる。また基板１１０には不純物等によりトラップが形成される。２ＤＥＧの電子が基板１１０中のトラップに捕獲されることにより、２ＤＥＧ付近のＥｃが上昇し、２ＤＥＧの電子濃度が低下する。この結果、ドレイン電流が減少する。

実施例１はバッファ層を設ける例である。図２（ａ）は実施例１に係るＨＥＭＴを例示する断面図である。図２（ｂ）は実施例１に係るＨＥＭＴのエネルギーバンド図である。図１（ａ）と同じ構成については説明を省略する。

図２（ａ）に示すように、実施例１に係るＨＥＭＴ１００（半導体装置）において、基板１０上に第１バッファ層１２が設けられている。第１バッファ層１２上にスペーサ層１４が設けられている。スペーサ層１４上には下から順にチャネル層１６及び電子供給層１８からなる能動層が積層され、電子供給層１８上には下から順にキャップ層２０、及び保護層２２が積層されている。第１バッファ層１２は基板１０の上面に、スペーサ層１４は第１バッファ層１２の上面に、チャネル層１６はスペーサ層１４の上面に、それぞれ接触している。電子供給層１８はチャネル層１６の上面に、キャップ層２０は電子供給層１８の上面に、それぞれ接触している。ソース電極２４及びドレイン電極２６は電子供給層１８の上面に接触している。ゲート電極２８はキャップ層２０の上面に接触している。ソース電極２４及びドレイン電極２６は、キャップ層２０に近いほうからＴｉ／Ａｌを積層した電極であり、ゲート電極２８は、キャップ層２０に近いほうからＮｉ／Ａｕを積層した電極である。

基板１０は、例えば不純物濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ１００μｍのｎ−ＧａＮからなり、ドーパントはシリコン（Ｓｉ）である。基板１０にはｎ−ＧａＮ以外に、ｉ−ＧａＮを用いてもよい。第１バッファ層１２は、例えば厚さ０．３μｍ、インジウム組成比１８％の窒化インジウムアルミニウム（Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ、ｘ＝０．１８）からなる。スペーサ層１４は、例えば厚さ５ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる。チャネル層１６は、例えば厚さ０．３μｍのｉ−ＧａＮからなる。他の構成は比較例と同じである。

図２（ｂ）に示すように、第１バッファ層１２により、基板１０とチャネル層１６との間に高い障壁が形成される。これにより２ＤＥＧの電子が障壁を越えて基板１０に移動することは困難となる。従って、リーク電流は抑制される。また２ＤＥＧの電子が基板１０中のトラップに捕獲されることが抑制されるため、２ＤＥＧ付近のＥｃの上昇による電子濃度の低下も抑制される。この結果、ドレイン電流の減少が抑制される。

第１バッファ層１２には、ＧａＮからなるチャネル層１６よりバンドギャップが大きい材料を用いる。例えばＡｌＧａＮを用いた場合、格子不整合によりトラップが生じる。そこでバンドギャップが大きく、かつＧａＮからなるチャネル層１６と格子整合をとることができるＩｎＡｌＮを用いる。第１バッファ層１２とチャネル層１６との格子整合を得ることにより、チャネル層１６の結晶性が良好になり、トラップが生じにくい。その結果、ＨＥＭＴ１００の特性が改善する。格子整合を得るためには、第１バッファ層１２を形成するＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮのＩｎの組成比は１５％以上２０％以下（０．１５≦ｘ≦０．２）が好ましい。またＩｎの組成比を１６％以上１９％以下、１７％以上１８％以下としてもよいし、１５％より大きく２０％未満としてもよい。Ｉｎ組成比を１５％未満、又は２０％より大きくした場合、格子整合を得るのが困難となるためである。有効な障壁を形成するためには、第１バッファ層１２の厚さを０．１μｍ以上１μｍ以下とすることが好ましい。第１バッファ層１２は、厚さが１μｍより厚い場合、表面に荒れが発生し、結晶性が低下するためである。

上記条件のＩｎＡｌＮを設けることで、ＧａＮからなるチャネル層１６と格子整合を得られるが、第１バッファ層１２と接触するようにチャネル層１６を設けた場合、第１バッファ層１２のチャネル層１６との接合界面に荒れが生じ、チャネル層１６の結晶性が低下する。接合界面の荒れは、成長温度の低い第１バッファ層１２と成長温度の高いチャネル層１６との成長温度の違いによって生じる、第１バッファ層１２の結晶の不均一性に起因する。これは、成長温度の高いチャネル層１６を成長する際に、第１バッファ層１２のＩｎが蒸発することでＩｎＡｌＮ表面が荒れてしまうからである。実施例１では、第１バッファ層１２とチャネル層１６との間にスペーサ層１４を設け、第１バッファ層１２とチャネル層１６との接合界面の荒れを抑制する。第１バッファ層１２とスペーサ層１４との間、及びスペーサ層１４とチャネル層１６との間において、高い平坦性を有する接合界面が形成される。この結果、チャネル層１６の結晶性が向上する。ただし、スペーサ層１４が厚すぎるとスペーサ層１４とチャネル層１６との格子不整合が生じ、トラップが形成される。スペーサ層１４が薄すぎると平坦な接合界面を得ることが難しくなる。従って、スペーサ層１４の厚さは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることが好ましく、２ｎｍ以上８ｎｍ以下、３ｎｍ以上７ｎｍ以下、１ｎｍより大きく１０ｎｍ未満としてもよい。

基板１０を形成するｎ−ＧａＮ中の不純物濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３以上１×１０^１９ｃｍ^−３以下、１×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^１８ｃｍ ^−３以下、又は１×１０^１６ｃｍ^−３より大きく１×１０^１９ｃｍ^−３未満等とすることもできる。キャップ層２０は設けてもよいし、設けなくてもよい。キャップ層２０を設けない場合、ソース電極２４、ドレイン電極２６及びゲート電極２８は電子供給層１８上面に接触するように設けられる。キャップ層２０を設ける場合、図２（ａ）の例以外に、ソース電極２４及びドレイン電極２６がキャップ層２０の上面に接触するように設けられてもよい（不図示）。

電極は単層、又は三層以上の構造でもよいし、上記の材料以外の金属により形成してもよい。電子供給層１８はＩｎＡｌＧａＮ以外の窒化物半導体からなるとしてもよい。キャップ層２０はｎ−ＧａＮ以外の窒化物半導体からなるとしてもよい。窒化物半導体とは、窒素（Ｎ）を含む半導体であり、例えば窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、及び窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）等がある。電子供給層１８は、窒化物半導体のうちＩｎＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等からなるとしてもよい。

実施例１に係るＨＥＭＴ１００の製造方法について説明する。ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長）法により、基板１０上に第１バッファ層１２を形成する。成長条件は以下の通りである。
原料：トリメチルアルミニウム（Tri Methyl Aluminum：ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（Tri Methyl Indium：ＴＭＩ）、アンモニア（ＮＨ_３）
キャリアガス：窒素（Ｎ_２）、水素（Ｈ_２）
ＴＭＡの流量：１０〜５００ｓｃｃｍ（１．６９×１０^−２〜８．４５×１０^−１Ｐａ・ｍ^３／ｓ）
ＴＭＩの流量：１０〜５００ｓｃｃｍ
ＮＨ_３の流量：０．１〜１００ｓｌｍ（１．６９×１０^−１〜１．６９×１０^２Ｐａ・ｍ^３／ｓ）
炉内圧力：大気圧（１０１．３ｋＰａ）〜１００Ｔｏｒｒ（１３．３ＭＰａ）
成長温度（成長時の基板の温度）：５００〜１０００℃

第１バッファ層１２に上にスペーサ層１４を形成する。以下に示す成長条件を使用する。上記と共通する成長条件は省略する。
原料：ＴＭＡ、ＮＨ_３
成長温度：５００〜１２００℃
スペーサ層１４上にチャネル層１６を形成する。
原料：トリメチルガリウム（Tri Methyl Gallium：ＴＭＧ）、ＮＨ_３
ＴＭＧの流量：２０〜１０００ｓｃｃｍ（３．３８×１０^−２〜１．６９Ｐａ・ｍ^３／ｓ）
成長温度：８００〜１２００℃
チャネル層１６上に電子供給層１８を形成する。
原料：ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ_３
成長温度：７００〜１４００℃
電子供給層１８上にキャップ層２０を形成する。
原料：ＴＭＧ、ＮＨ_３
成長温度：８００〜１２００℃

キャップ層２０上に、例えば第１ＳｉＮ層を形成する。第１ＳｉＮ層をパターニングして、電子供給層１８を露出させる。露出した電子供給層１８上に、例えば蒸着法を用いてオーミック電極を形成する。オーミック電極はソース電極２４及びドレイン電極２６として機能する。その後、アニール処理を行う。第１ＳｉＮ層をさらにパターニングして、電子供給層１８を露出させる。例えば蒸着法を用いて、電子供給層１８上にショットキー電極を形成する。ショットキー電極はゲート電極２８として機能する。ショットキー電極の形成後、アニール処理を行う。第１ＳｉＮ層、電子供給層１８及びゲート電極２８上に、第２ＳｉＮ層を設ける。第１ＳｉＮ層と第２ＳｉＮ層とで、保護層２２が形成される。以上によりＨＥＭＴ１００が形成される。

実施例２は第２バッファ層を設けた例である。図３は実施例２に係るＨＥＭＴを例示する断面図である。

図３に示すように、実施例２に係るＨＥＭＴ２００においては、基板１０と第１バッファ層１２との間に第２バッファ層３０が設けられている。第２バッファ層３０は基板１０の上面に接触し、第１バッファ層１２は第２バッファ層３０の上面に接触する。第２バッファ層３０は、例えば厚さ１０μｍ以上１００μｍ以下のｉ−ＧａＮからなる。第１バッファ層１２の上のエピタキシャル構造は図２（ａ）と同様であるため、説明は省略する。

実施例２によれば、第２バッファ層３０が設けられているため、基板１０とチャネル層１６との間の絶縁性が向上する。また、基板１０とチャネル層１６との距離が大きくなる。このため高周波動作、高出力時のＨＥＭＴ２００の特性が改善する。第１バッファ層１２を厚くすることも可能である。しかし第１バッファ層１２を形成するＩｎＡｌＮの成長速度は例えば１μｍ／ｈ程度と遅いため、ＨＥＭＴを効率的に製造することが困難である。これに対し、第２バッファ層３０を形成するｉ−ＧａＮの成長速度は例えば１０μｍ／ｈ程度と速い。このため、ＨＥＭＴの製造工程が効率的になり、ＨＥＭＴの低コスト化が可能となる。第２バッファ層３０の厚さは２０μｍ以上９０μｍ以下、３０μｍ以上８０μｍ以下、又は１０μｍより大きく１００μｍ未満としてもよい。第２バッファ層３０は、例えば半絶縁性窒化ガリウム（Semi insulating-GaN：ＳＩ−ＧａＮ）からなるとしてもよい。ＳＩ−ＧａＮとはＧａＮに例えば鉄（Ｆｅ）をドープしたものである。またスペーサ層１４を設けてもよいし、設けなくてもよい。実施例２において、実施例１と同様にスペーサ層１４を設けることで、第１バッファ層１２とチャネル層１６との接合界面の荒れを抑制することができ、結晶性の良いチャネル層１６を形成することができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０基板
１２第１バッファ層
１４スペーサ層
１６チャネル層
１８電子供給層
２０キャップ層
２４ソース電極
２６ドレイン電極
２８ゲート電極
３０第２バッファ層
１００、２００ＨＥＭＴ

Claims

ｎ型窒化ガリウムからなる基板の上に、窒化物インジウムアルミニウム（Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ、０．１５≦ｘ≦０．２）からなる第１バッファ層を設ける工程と、
前記第１バッファ層の上面に接触する、厚さ１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の窒化アルミニウムからなるスペーサ層を設ける工程と、
前記スペーサ層の上面に接触する能動層を設ける工程と、を具備し、
前記スペーサ層の成長温度は、前記能動層の成長温度より低く、
前記能動層の成長温度は前記第１バッファ層の成長温度より高い半導体装置の製造方法。
前記能動層を設ける工程は、チャネル層を設ける工程と、前記チャネル層上に電子供給層を設ける工程とを含む請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記チャネル層は窒化ガリウムにより形成され、
前記電子供給層は、窒化アルミニウムガリウム又は窒化インジウムアルミニウムにより形成される請求項２記載の半導体装置の製造方法。
前記基板と前記第１バッファ層との間に、ｉ型窒化ガリウム又は半絶縁性窒化ガリウムからなる第２バッファ層を形成する工程を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
前記能動層の上にソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を設ける工程を有する請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。