JP6436720B2 - Iii族窒化物半導体装置とその製造方法 - Google Patents
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Description
第1の実施形態について説明する。本実施形態の半導体装置は、III 族窒化物半導体層を有する。
図1に、本実施形態のHEMT100を示す。HEMT100は、高電子移動度トランジスタである。図1に示すように、HEMT100は、基板110と、バッファ層120と、チャネル層130と、バリア層140と、ソース電極S1と、ゲート電極G1と、ドレイン電極D1と、を有している。ソース電極S1およびドレイン電極D1は、バリア層140の上に形成されている。このように、チャネル層130は、基板110とバリア層140との間の位置に配置されている。バリア層140からみてチャネル層130の反対側の位置に、ゲート電極G1と、ソース電極S1と、ドレイン電極D1と、が配置されている。
2−1.製造装置の構成
図2は、本実施形態におけるIII 族窒化物半導体装置の製造装置1000の概略構成図である。製造装置1000は、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスをプラズマ化して、そのプラズマ化したプラズマ生成物を成長基板に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給する装置である。
製造装置1000における製造条件を表1に示す。表1で挙げた数値範囲は、あくまで目安であり、必ずしもこの数値範囲である必要はない。RFパワーは、100W以上1000W以下の範囲内である。RF電源1600がシャワーヘッド電極1100に付与する周期的な電位の周波数は、30MHz以上300MHz以下の範囲内である。基板温度は、室温以上900℃以下の範囲内である。製造装置1000の内圧は、1Pa以上10000Pa以下の範囲内である。
RFパワー 100W以上 1000W以下
周波数 30MHz以上 300MHz以下
基板温度 室温以上 900℃以下
内圧 1Pa以上 10000Pa以下
この製造装置1000は、In組成比Xが0.3以上というIn濃度の高いIII 族窒化物層を比較的速い成長速度で成長させることができる。つまり、In濃度の高いIII 族窒化物層を有する半導体素子を量産することができる。また、窒素ガスおよび水素ガスをプラズマ化するため、従来のMOCVD法に比べて、低い温度で半導体層を成長させることができる。例えば、基板温度を100℃〜200℃程度として成膜することができる。また、MOCVD炉のように大量のアンモニアを用いる必要がない。そのため、大規模な除害装置を設ける必要がない。そして、この製造装置1000の製造コストおよびランニングコストは、従来の装置よりも低い。
ここで、本実施形態の製造装置1000を用いたHEMT100の製造方法について説明する。発明者らは、製造装置1000を用いた半導体装置の製造方法について、Radical Enhanced Metal Organic Chemical Vapor Deposition(REMOCVD法)と名付けた。
まず、基板Sa1を準備する。基板Sa1として、例えば、c面サファイア基板を用いることができる。また、その他の基板を用いてもよい。基板Sa1を、製造装置1000の内部に配置し、水素ガスを供給しながら基板温度を400℃程度まで上昇させる。これにより、基板Sa1の表面を還元するとともに、基板Sa1の表面をクリーニングする。基板温度については、より高い温度にしてもよい。
次に、RF電源1610をONにする。そして、第2のガス供給管1420から、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを供給する。そして、シャワーヘッド電極1100の貫通孔から炉本体1001の内部に供給された混合ガスは、シャワーヘッド電極1100の直下でプラズマ化する。そのため、シャワーヘッド電極1100の直下にプラズマ発生領域が生成される。この際に、窒素ラジカルと水素ラジカルとが生成される。そして、窒素ラジカルと水素ラジカルとが反応して、窒化水素系の化合物が生成されると考えられる。また、電子やその他の荷電粒子も生成される。
次に、バリア層140の上にソース電極S1およびドレイン電極D1を形成する。また、バリア層140の上にゲート電極G1を形成する。以上により、HEMT100が製造される。
次に、ウエハ状の基板Sa1を分割して、複数のHEMT100に切り出す。もしくは、基板Sa1から余剰な部分を除去する。そのためには、レーザー装置や、ブレーキング装置等を用いればよい。
また、上記の他に、熱処理工程と、保護膜形成工程と、その他の工程と、を実施してもよい。
本実施形態のHEMT100は、従来のHEMTと比較して、In濃度の高いチャネル層130を有する。チャネル層130のIn濃度が高いため、電子移動度が、従来のGaN系のHEMTに比べて高い。つまり、高速高周波の半導体デバイスとして、優れている。
5−1.AlInGaN層
本実施形態では、チャネル層130をInGaN層として形成した。しかし、少量のAl元素を含有していてもよい。その場合、チャネル層130は、AlY InX Ga(1-X-Y) N層である。この場合において、チャネル層130のIn濃度Xは、0.3≦X≦1.0であり、チャネル層130のAl濃度Yは、0≦Y≦0.05である。
図3に示すように、絶縁ゲート型のHEMT200に対しても、適用することができる。HEMT200は、基板110と、バッファ層120と、チャネル層130と、バリア層240と、絶縁膜250と、ソース電極S2と、ゲート電極G2と、ドレイン電極D2と、を有している。ゲート電極G2は、溝241の位置に、絶縁膜250をはさんでバリア層240と対面する位置に形成されている。また、図1や図3に示した半導体構造に限らない。チャネル層230として、In濃度の高いIII 族窒化物半導体を適用すれば、その他の半導体層の構成は、自由に選んでよい。
本実施形態では、ソース電極S1と、ゲート電極G1と、ドレイン電極D1とを、バリア層140の上に形成した。しかし、バリア層140の上に他の半導体層を形成し、その半導体層の上にこれらの電極を形成してもよい。もちろん、その場合であっても、絶縁ゲート型の半導体装置であってもよい。また、チャネル層130と基板110との間に、バッファ層120以外の下地層を有していてもよい。
チャネル層130とバリア層140との間に、バリア層140よりもバンドギャップの大きい合金散乱防止層を形成してもよい。
上記の変形例について、自由に組み合わせてもよい。
本実施形態のHEMT100は、In濃度の高いチャネル層130を有している。そのため、チャネル層130における電子移動度は、従来のGaN系HEMTに比べて高い。したがって、高速高周波用の電子デバイスに好適である。また、本実施形態のHEMT100の製造方法は、量産可能である。
第2の実施形態について説明する。前述したように、第1の実施形態では、In濃度の高いIII 族窒化物半導体を適用することができる。第2の実施形態のIII 族窒化物半導体装置は、In濃度の高いIII 族窒化物半導体を用いるとともに、格子整合を好適化したものである。
1−1.チャネル層とバリア層との間の格子整合
本実施形態の第1の場合におけるHEMT300は、図4に示すように、チャネル層330として、InGaNを用いるとともに、バリア層340としてAlInNを用いる。本実施形態では、チャネル層330の格子定数と、バリア層340の格子定数と、を同じ値とする。これにより、チャネル層330とバリア層340との間の境界面で、格子定数の差異に起因する応力は発生しない。そして、この場合において、InGaNのIn濃度とAlInNのIn濃度とは、ともに高い値とすることができる。
本実施形態の第2の場合におけるHEMT400は、図5に示すように、バッファ層420としてGaN層もしくはInGaN層を用い、チャネル層430としてInGaN層もしくはAlInGaN層を用いる。この場合、バッファ層420の格子定数とチャネル層430の格子定数とを等しくするように、InGaN層もしくはAlInGaN層のIn濃度を選択することができる。もちろん、Al濃度についても好適な濃度を選択すればよい。
本実施形態の第3の場合におけるHEMT500は、図6に示すように、バッファ層520としてGaNを用い、バリア層540としてAlInNを用い、チャネル層530としてInNを用いる。ここで、バリア層540の格子定数とバッファ層520の格子定数とを同じにするように、バリア層540のAlInN層のIn濃度を調整する。
本実施形態の半導体装置の製造方法は、バッファ層を形成する工程と、チャネル層を形成する工程と、バリア層を形成する工程と、を有する。これらの各工程は、第1の実施形態で説明した半導体形成工程とほぼ同じである。また、製造装置1000を用いるため、本実施形態における基板温度は、従来のMOCVD法における基板温度に比べて十分に低い。
第1の実施形態および第2の実施形態のHEMT素子は、次に示す性能を備えていることが予想される。電子移動度は、8000cm2 /Vsである。電流密度は1500mA/mmである。閾値電圧は−1.5Vである。ゲート長は2μmとした場合の室温下でのトランスコンダクタンスは200mS/mmである。ピンチオフ特性であるgmコンブレッションとして、0.3−0.6が挙げられる。これらの数値は、理論計算により予想される値である。
4−1.チャネル層とバリア層との間の格子整合
本実施形態では、チャネル層330の格子定数とバリア層340の格子定数とを同じ値とした。しかし、チャネル層330の格子定数に対するバリア層340の格子定数の比Z1が、0.95以上1.05以下の範囲内であってもよい。また、この比Z1が、0.98以上1.02以下の範囲内であるとなおよい。このような場合であっても、格子定数の差に起因する応力を抑制することができるからである。これにより、HEMTの電気的特性は向上すると考えられる。
また、バッファ層420の格子定数に対するチャネル層430の格子定数の比Z2が、0.95以上1.05以下の範囲内であってもよい。また、この比Z2が、0.98以上1.02以下の範囲内であるとなおよい。その場合には、チャネル層430としてInGaN層もしくはAlInGaN層の代わりに、InN層を用いることができる。
また、バッファ層520の格子定数に対するバリア層540の格子定数の比Z3が、0.95以上1.05以下の範囲内であってもよい。また、この比Z3が、0.98以上1.02以下の範囲内であるとなおよい。この場合には、バッファ層520もしくはチャネル層530の下地層としてInGaN層を用いてもよい。また、バリア層540として、AlInGaN層を用いてもよい。
なお、ここでは、チャネル層330、430、530の下の下地層をバッファ層320、420、520であるとして説明した。しかし、バッファ層320、420、520以外のその他のIII 族窒化物半導体層を下地層として設けることとしてもよい。その場合であっても、格子定数に関しては、上記の関係にあればよい。また、バリア層340と電極との間にその他の半導体層を形成してもよい。
本実施形態では、図1のHEMT100を用いた。しかし、図3に示す絶縁ゲート型の半導体装置や、これ以外のその他の高速高周波用の半導体装置にも適用することができる。
上記の変形例について、自由に組み合わせてもよい。例えば、バッファ層とチャネル層とバリア層とで、格子定数を同じ値にしてもよい。その場合には、チャネル層としてInNを用いることはできない。
なお、結晶性に優れたIn濃度の高い窒化物半導体を成長させることは、一般に困難である。本実施例では、InNを成長させることができる。そのため、In濃度の高いInGaN層を形成することは、当然可能である。
110…基板
120、320、420、520…バッファ層
130、330、430、530…チャネル層
140、240、340、440、540…バリア層
G1、G2…ゲート電極
S1、S2…ソース電極
D1、D2…ドレイン電極
1000…製造装置
1001…炉本体
1100…シャワーヘッド電極
1200…サセプター
1300…第1のガス供給管
1420…第2のガス供給管
1600…RF電源
Claims (6)
- 製造装置を用いるIII 族窒化物半導体装置の製造方法において、
成長基板の主面にIII 族窒化物半導体から成る半導体層を形成する半導体層形成工程を有し、
前記半導体層形成工程は、
第1のIII 族窒化物半導体層を形成する第1の半導体層形成工程を有し、
前記製造装置は、
第1の電極と、
前記成長基板を支持する基板支持部と、
III 族金属を含む有機金属ガスを前記基板支持部に供給する第1のガス供給管と、
窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスを前記基板支持部に供給する第2のガス供給管と、
接地された炉本体と、
を有し、
前記第1のガス供給管は、
少なくとも1以上の第1のガス噴出口を有し、
前記第1の電極は、
前記基板支持部からみて前記第1のガス供給管の前記第1のガス噴出口よりも遠い位置に配置されており、
前記第1の半導体層形成工程では、
前記炉本体と前記第1の電極との間に放電を生じさせてプラズマ発生領域にプラズマを発生させ、
前記プラズマ発生領域は、前記第1の電極と前記第1のガス供給管との間の領域のうち前記第1の電極の直下であって前記第1のガス供給管から離れた位置に位置しており、
前記第2のガス供給管から前記混合ガスを前記プラズマ発生領域に供給してプラズマ化し、プラズマ化した前記混合ガスを前記成長基板に供給するとともに、
前記有機金属ガスをプラズマ化しないで前記第1のガス供給管から前記成長基板に供給して、
前記第1のIII 族窒化物半導体層としてAlY InX Ga(1-X-Y) N層を形成し、
前記第1のIII 族窒化物半導体層のIn濃度Xは、
0.3≦X≦1.0
であり、
前記第1のIII 族窒化物半導体層のAl濃度Yは、
0≦Y≦0.05
であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造方法。 - 請求項1に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第1のIII 族窒化物半導体層は、
InX Ga(1-X) N層であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造方法。 - 請求項1に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第1のIII 族窒化物半導体層は、
InN層であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造方法。 - 請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第1のIII 族窒化物半導体層の上に第2のIII 族窒化物半導体層を形成する第2の半導体層形成工程を有し、
前記第2の半導体層形成工程では、
前記第1のIII 族窒化物半導体層の格子定数に対する前記第2のIII 族窒化物半導体層の格子定数の比を、0.95以上1.05以下の範囲内として前記第2のIII 族窒化物半導体層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造方法。 - 請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第1のIII 族窒化物半導体層を形成する前に前記第1のIII 族窒化物半導体層の下地となる下地層を形成する工程を有し、
前記第1の半導体層形成工程では、
前記下地層の格子定数に対する前記第1のIII 族窒化物半導体層の格子定数の比を、0.95以上1.05以下の範囲内として前記第1のIII 族窒化物半導体層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造方法。 - 請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第1のIII 族窒化物半導体層を形成する前に前記第1のIII 族窒化物半導体層の下地となる下地層を形成する工程と、
前記第1のIII 族窒化物半導体層の上に第2のIII 族窒化物半導体層を形成する第2の半導体層形成工程と、
を有し、
前記第2の半導体層形成工程では、
前記下地層の格子定数に対する前記第2のIII 族窒化物半導体層の格子定数の比を、0.95以上1.05以下の範囲内として前記第2のIII 族窒化物半導体層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造方法。
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