JP6534993B2 - Nitride semiconductor device, method of manufacturing the same, diode and field effect transistor - Google Patents

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Description

本発明は、窒化物半導体装置およびその製造方法、ならびにダイオードおよび電界効果トランジスタに関する。   The present invention relates to a nitride semiconductor device and a method of manufacturing the same, and a diode and a field effect transistor.

窒化物系半導体に代表されるワイドバンドギャップ半導体は、高い絶縁破壊耐圧、良好な電子輸送特性、良好な熱伝導度を持つので、高温環境用、大パワー用、あるいは高周波用半導体デバイスの材料として非常に魅力的である。代表的なワイドバンドギャップ半導体として、GaN、AlN、InN、BNまたはこれらのうち2以上の混晶である窒化物半導体がある。また、たとえばAlGaN/GaNヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)は、ピエゾ分極および自発分極によって、ヘテロ接合界面に2次元電子ガスが発生している。この2次元電子ガスは、高い電子移動度とキャリア密度を有している。そのため、このようなAlGaN/GaNヘテロ接合構造を用いたショットキーバリアダイオード(Schottky Barrier Diode:SBD)やヘテロ接合電界効果トランジスタ(Heterojunction Field Effect Transistor:HFET)は、高耐圧、低いオン抵抗、および速いスイッチング速度を有し、パワースイッチング応用に非常に好適である。   Wide band gap semiconductors represented by nitride semiconductors have high dielectric breakdown voltage, good electron transport characteristics, and good thermal conductivity, and therefore they are used as materials for high temperature environment, high power, or high frequency semiconductor devices. Very attractive. Typical wide band gap semiconductors include nitride semiconductors of GaN, AlN, InN, BN or mixed crystals of two or more of them. Also, for example, in a field effect transistor (FET) having an AlGaN / GaN heterojunction structure, a two-dimensional electron gas is generated at the heterojunction interface due to piezoelectric polarization and spontaneous polarization. This two-dimensional electron gas has high electron mobility and carrier density. Therefore, a Schottky barrier diode (Schottky Barrier Diode: SBD) and a heterojunction field effect transistor (HFET) using such an AlGaN / GaN heterojunction structure have high breakdown voltage, low on resistance, and high speed. It has a switching speed and is very suitable for power switching applications.

また、特許文献1には、電子供給層上に選択的に窒化ガリウムからなるフィールドプレート層(GaNFP層)を設けることによって、電流コラプスを抑制するとともに、リークを低減した構成が記載されている。   Patent Document 1 describes a configuration in which current collapse is suppressed and leakage is reduced by selectively providing a field plate layer (GaNFP layer) made of gallium nitride on the electron supply layer.

特開2011−54845号公報JP, 2011-54845, A 特開2010−199441号公報JP, 2010-199441, A 米国特許公開2011/0244663号公報U.S. Patent Publication 20110244663

APPLIED PHYSICS LETTERS 98,252105 (2011)APPLIED PHYSICS LETTERS 98, 252105 (2011)

しかしながら、本発明者が、たとえば特許文献1に記載されたような窒化物半導体装置を試作したところ、設計から予想される値よりもリーク電流が大きく、耐圧が低くなる場合があるという問題を見出した。   However, when the inventor of the present invention made a trial manufacture of a nitride semiconductor device as described in, for example, Patent Document 1, the inventors found a problem that the leak current may be larger than the value expected from the design and the withstand voltage may be lowered. The

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、窒化物半導体装置におけるリーク電流を抑制するとともに耐圧の低下を抑制することができる窒化物半導体装置およびその製造方法、ならびにダイオードおよび電界効果トランジスタを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to suppress a leakage current in a nitride semiconductor device and to suppress a reduction in breakdown voltage, a method of manufacturing the same, and a diode And providing a field effect transistor.

上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体装置は、基板と、基板の上層に設けられ炭素がドープされたバッファ層と、バッファ層の上層に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、および第1半導体層の上層に設けられ第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い第2半導体層を有する半導体積層体と、半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第1電極と、半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に、第1電極と離間して設けられる第2電極と、を備え、基板とバッファ層との間に、炭素が1.0×1018cm-3以下の濃度で含有した第3半導体層が設けられ、第3半導体層の膜厚が500nm以上3000nm未満であることを特徴とする。In order to solve the problems described above and achieve the above object, a nitride semiconductor device according to the present invention is provided on a substrate, a buffer layer provided on the upper layer of the substrate and doped with carbon, and an upper layer on the buffer layer. A semiconductor laminate comprising: a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor; a second semiconductor layer provided on the first semiconductor layer and having a band gap wider on average than the first semiconductor layer; A first electrode provided on at least a part of the layers, and a second electrode provided on at least a part of the layers constituting the semiconductor stack, separately from the first electrode; And a third semiconductor layer containing carbon at a concentration of 1.0 × 10 18 cm −3 or less is provided between the substrate and the buffer layer, and the third semiconductor layer has a thickness of 500 nm or more. Characterized by less than 3000 nm That.

本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第3半導体層は、Al組成比XのAlXGa1-XN層(0≦X≦1)からなることを特徴とする。The nitride semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the third semiconductor layer is made of an Al x Ga 1 -xN layer (0 ≦ x ≦ 1) with an Al composition ratio x.

本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第3半導体層の膜厚が1000nm以上3000nm未満であることを特徴とする。   The nitride semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the film thickness of the third semiconductor layer is 1000 nm or more and less than 3000 nm.

本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、バッファ層の炭素濃度が、5.0×1018cm-3以上5.0×1019cm-3以下であることを特徴とする。The nitride semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the carbon concentration of the buffer layer is 5.0 × 10 18 cm −3 or more and 5.0 × 10 19 cm −3 or less.

本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第3半導体層は、Al組成比xが異なる複数のAlxGa1-xN層(0≦x≦1)から構成されていることを特徴とする。また、この構成において、AlxGa1-xN層のAl組成比xが積層方向の上方に向かって減少していることを特徴とする。In the nitride semiconductor device according to the present invention, in the above invention, the third semiconductor layer is composed of a plurality of Al x Ga 1-x N layers (0 ≦ x ≦ 1) having different Al composition ratios x. It is characterized by Further, in this configuration, the Al composition ratio x of the Al x Ga 1 -xN layer is characterized by decreasing toward the upper side in the stacking direction.

本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第3半導体層は、窒化アルミニウム層と窒化ガリウム層とが複数積層されたものであることを特徴とする。また、この構成において、第3半導体層は、膜厚が100nm以上700nm以下の窒化ガリウム層と膜厚が20nm以上60nm以下の窒化アルミニウム層とを複数回繰り返し積層して構成されていることを特徴とする。   The nitride semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the third semiconductor layer is a stack of a plurality of aluminum nitride layers and gallium nitride layers. Further, in this configuration, the third semiconductor layer is characterized by being formed by repeatedly laminating a gallium nitride layer having a thickness of 100 nm to 700 nm and an aluminum nitride layer having a thickness of 20 nm to 60 nm a plurality of times. I assume.

本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第2半導体層の上層に、第2半導体層よりも平均的にバンドギャップが狭い窒化物半導体からなる第4半導体層が選択的に設けられていることを特徴とする。   In the nitride semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the fourth semiconductor layer made of a nitride semiconductor having an average band gap narrower than that of the second semiconductor layer is selectively provided in the upper layer of the second semiconductor layer. It is characterized by

本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、第3半導体層は、サーファクタント原子を不純物として含有し、サーファクタント原子の濃度が、1.0×1016cm-3以上1.0×1018cm-3以下であることを特徴とする。In the nitride semiconductor device according to the present invention, in the above-mentioned invention, the third semiconductor layer contains surfactant atoms as an impurity, and the concentration of surfactant atoms is 1.0 × 10 16 cm −3 or more and 1.0 × 10 10 It is characterized by being 18 cm -3 or less.

本発明に係る窒化物半導体装置は、基板と、基板の上層に設けられ炭素がドープされたバッファ層と、バッファ層の上層に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、および第1半導体層の上層に設けられ第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い第2半導体層を有する半導体積層体と、半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第1電極と、半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に、第1電極と離間して設けられる第2電極と、を備え、基板とバッファ層との間に、サーファクタント原子を不純物として含有するとともに炭素を5.0×1018cm-3以下の濃度で含有した、膜厚が500nm以上3000nm未満の第3半導体層が設けられ、サーファクタント原子の不純物濃度が1.0×1016cm-3以上1.0×1018cm-3以下であることを特徴とする。A nitride semiconductor device according to the present invention comprises a substrate, a buffer layer provided in the upper layer of the substrate and doped with carbon, a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided in the upper layer of the buffer layer, and a first semiconductor It is provided on at least a part of the semiconductor stack including the second semiconductor layer provided in the upper layer of the layers and having an average band gap larger than that of the first semiconductor layer, and a layer constituting the semiconductor stack. A first electrode and a second electrode provided spaced apart from the first electrode on at least a part of layers of the layers forming the semiconductor stack, and between the substrate and the buffer layer, the surfactant atom contained at a concentration of 5.0 × 10 18 cm -3 or less carbon atoms with containing as impurities, thickness is provided a third semiconductor layer of less than 500 nm 3000 nm, impure surfactant atoms Wherein the concentration is 1.0 × 10 16 cm -3 or more 1.0 × 10 18 cm -3 or less.

本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に、第1電極および第2電極と離間して設けられた第3電極をさらに備えることを特徴とする。   In the nitride semiconductor device according to the present invention, in the above-mentioned invention, the nitride semiconductor device according to the third aspect of the present invention is provided on at least a portion of layers of the layers forming the semiconductor stack, spaced apart from the first electrode and the second electrode. The method further comprises an electrode.

本発明に係る電界効果トランジスタは、上記の発明による窒化物半導体装置の構成を有し、第1電極がゲート電極、第2電極がドレイン電極、および第3電極がソース電極であることを特徴とする。   A field effect transistor according to the present invention has the configuration of the nitride semiconductor device according to the above invention, characterized in that the first electrode is a gate electrode, the second electrode is a drain electrode, and the third electrode is a source electrode. Do.

本発明に係るダイオードは、上記の発明による窒化物半導体装置の構成を有し、第1電極がアノード電極、および第2電極がカソード電極であることを特徴とする。   A diode according to the present invention is characterized by having the configuration of the nitride semiconductor device according to the above invention, wherein the first electrode is an anode electrode and the second electrode is a cathode electrode.

本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、基板と、基板の上層に設けられ炭素がドープされたバッファ層と、バッファ層の上層に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、および第1半導体層の上層に設けられ第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い第2半導体層を有する半導体積層体と、半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第1電極と、半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に、第1電極と離間して設けられる第2電極と、を備える窒化物半導体装置の製造方法において、基板の上層に、1.0×1018cm-3以下の濃度で炭素がドープされる成長条件によって、窒化物半導体からなる第3半導体層を500nm以上3000nm未満の膜厚に成長させた後、第3半導体層の上層にバッファ層を成長させることを特徴とする。A method of manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention includes a substrate, a buffer layer provided in the upper layer of the substrate and doped with carbon, a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided in the upper layer of the buffer layer, A semiconductor laminate having a second semiconductor layer provided in the upper layer of the first semiconductor layer and having an average band gap wider than that of the first semiconductor layer, and at least a part of the layers constituting the semiconductor laminate Method of manufacturing a nitride semiconductor device comprising: a first electrode provided in the first layer; and a second electrode provided on at least a part of layers of the layers forming the semiconductor stack, spaced apart from the first electrode. In the upper layer of the substrate, the third semiconductor layer made of a nitride semiconductor is grown to a thickness of 500 nm or more and less than 3000 nm under growth conditions in which carbon is doped at a concentration of 1.0 × 10 18 cm −3 or less. rear Wherein the growing the buffer layer on the upper layer of the third semiconductor layer.

本発明に係る窒化物半導体装置およびその製造方法、ならびにダイオードおよび電界効果トランジスタによれば、窒化物半導体装置におけるリーク電流を抑制するとともに耐圧の低下を抑制することが可能となる。   According to the nitride semiconductor device and the method of manufacturing the same, and the diode and the field effect transistor according to the present invention, it is possible to suppress the leak current in the nitride semiconductor device and to suppress the decrease in withstand voltage.

図1は、本発明の第1の実施形態による窒化物半導体装置を製造するための半導体積層基板を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor multilayer substrate for manufacturing a nitride semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 図2は、AlXGa1-XN層によって1μm径のピットを埋めるために必要な膜厚のAl組成比依存性の一例を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing an example of the Al composition ratio dependency of the film thickness necessary for filling a pit of 1 μm in diameter by the Al x Ga 1 -xN layer. 図3は、本発明の第1の実施形態による半導体積層基板を用いて製造されるショットキーバリアダイオードを示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a Schottky barrier diode manufactured using the semiconductor multilayer substrate according to the first embodiment of the present invention. 図4は、本発明の第1の実施形態による平坦化層の炭素濃度を1×1017cm-3に固定した場合における基準耐圧以上となる装置の割合の、平坦化層の膜厚依存性を示すグラフである。FIG. 4 shows the film thickness dependency of the ratio of the ratio of the device which becomes the reference withstand voltage or more in the case where the carbon concentration of the planarization layer according to the first embodiment of the present invention is fixed to 1 × 10 17 cm −3 . Is a graph showing 図5は、本発明の第1の実施形態による平坦化層の膜厚を2000nmとした場合における基準耐圧以上となる装置の割合の、平坦化層の炭素濃度依存性を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the carbon concentration dependency of the planarizing layer of the ratio of the device which is equal to or higher than the reference withstand voltage when the film thickness of the planarizing layer according to the first embodiment of the present invention is 2000 nm. 図6は、本発明の第2の実施形態による高移動度電界効果トランジスタを示す模式的な断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a high mobility field effect transistor according to a second embodiment of the present invention. 図7は、窒化物半導体装置の基準耐圧以上となる装置の割合におけるサーファクタント濃度依存性を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the surfactant concentration dependency in the ratio of the device which is equal to or higher than the reference withstand voltage of the nitride semiconductor device. 図8は、本発明者による鋭意検討を説明するための、SBDの異常成長領域の部分を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a portion of an anomalous growth region of the SBD, for explaining the intensive study by the inventor. 図9は、本発明者による鋭意検討を説明するための、実験例1による半導体積層基板の異常成長領域が生じた部分の断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view of a portion of the semiconductor multilayer substrate according to Experimental Example 1 in which an abnormal growth region is formed, for illustrating the intensive study by the inventor. 図10は、本発明者による鋭意検討を説明するための、実験例2による半導体積層基板の異常成長領域が生じた部分の断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of a portion of the semiconductor multilayer substrate according to Experimental Example 2 in which an anomalous growth region is formed, for illustrating the intensive studies by the inventor.

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複した説明を適宜省略する。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、以下の実施形態の説明に用いる「上」、「上部」または「上方」、ならびに「下」、「下部」または「下方」はそれぞれ、半導体装置の基板の主面に対して直角に遠ざかる向き、ならびに基板の主面に近づく向きを示す。すなわち、実施形態の説明に用いる「上」、「上部」、「上方」、「下」、「下部」、および「下方」はそれぞれ、半導体装置の実装状態における上下方向とは必ずしも一致しない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited by the following embodiments. Further, in the drawings, the same or corresponding elements are given the same reference numerals as appropriate, and redundant description will be appropriately omitted. Furthermore, it should be noted that the drawings are schematic, and dimensional relationships among elements may differ from actual ones. Even between the drawings, there may be a case where the dimensional relationships and ratios differ from one another. In addition, “upper”, “upper” or “upper”, and “lower”, “lower” or “lower” used in the description of the following embodiments are far apart at right angles to the main surface of the substrate of the semiconductor device. It shows the orientation as well as the orientation towards the main surface of the substrate. That is, “upper”, “upper”, “upper”, “lower”, “lower”, and “lower” used in the description of the embodiment do not necessarily coincide with the vertical direction in the mounted state of the semiconductor device.

まず、本発明の実施形態について説明するにあたり、本発明の理解を容易にするために、上述した課題を解決すべく本発明者が行った鋭意検討について説明する。まず、本発明者が鋭意検討を行う対象となった従来の窒化物半導体積層基板と、それらが有する問題点について説明する。なお、以下の図および表において、αE+βは、α×10βを示す。First, in describing the embodiments of the present invention, in order to facilitate the understanding of the present invention, earnest studies conducted by the present inventors in order to solve the problems described above will be described. First, the conventional nitride semiconductor multilayer substrates which the present inventors have been intensively studied, and the problems they have will be described. In the following figures and tables, αE + β indicates α × 10 β .

まず、本発明者は、従来の窒化物半導体装置において、リーク電流が大きく、装置の耐圧が所望の耐圧以上になる割合、具体的にたとえば耐圧が600V以上になる割合が低い原因について種々検討を行った。その検討過程において本発明者は、正常なSBDやHEMTなどの窒化物半導体装置に比して、特異的にリーク電流が大きく不良と判断された窒化物半導体装置に着目した。そして、本発明者は、種々の原因によって、窒化物半導体装置における半導体積層構造中に、非成長領域が生じることを知見した。すなわち、窒化物半導体層におけるシリコン(Si)基板と、基板上にエピタキシャル成長させた窒化アルミニウム(AlN)からなる介在層との界面に異物が混入する場合がある。また、介在層と窒化ガリウム(GaN)や窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなるエピタキシャル成長層との界面にも異物が混入する場合がある。このような異物の混入は、たとえば基板表面を清浄処理する過程や、基板を搬送させる過程などにおいて生じると考えられる。さらに、介在層に何らかの理由で疎な場所があった場合、メルトバックエッチング(Si基板とGaとの反応)が生じる場合がある。そして、これらの原因に起因して、窒化物半導体装置における半導体積層構造中に非成長領域が生じる。このような非成長領域は、その上層に半導体層をエピタキシャル成長させただけでは、埋め込むことが困難である。特に、高抵抗バッファ層などを形成するために、炭素(C)が高濃度にドープされる成長条件に従ってエピタキシャル成長させた窒化物半導体層においては、非成長領域を埋め込むことは極めて困難であった。これにより、非成長領域が異常成長領域として半導体積層構造における表面近傍にまで残存することは避けられなかった。   First, in the conventional nitride semiconductor device, the inventor variously examines the reason why the leak current is large and the ratio that the withstand voltage of the device is equal to or higher than the desired withstand voltage, specifically, the ratio that the withstand voltage is 600 V or more is low. went. In the process of the study, the inventor focused on a nitride semiconductor device which has been determined to have a large leak current specifically and defectively as compared to a normal nitride semiconductor device such as SBD or HEMT. Then, the inventor has found that a non-growth region is generated in the semiconductor laminated structure in the nitride semiconductor device due to various causes. That is, foreign matter may be mixed in the interface between the silicon (Si) substrate in the nitride semiconductor layer and the intervening layer made of aluminum nitride (AlN) epitaxially grown on the substrate. In addition, foreign matter may be mixed into the interface between the intervening layer and the epitaxial growth layer made of gallium nitride (GaN) or aluminum gallium nitride (AlGaN). Such contamination of foreign matter is considered to occur, for example, in the process of cleaning the surface of the substrate, the process of transporting the substrate, and the like. Furthermore, if there is a sparse place in the intervening layer for some reason, melt back etching (reaction between Si substrate and Ga) may occur. Then, due to these causes, a non-growth region is generated in the semiconductor multilayer structure in the nitride semiconductor device. Such a non-growth region is difficult to embed only by epitaxially growing the semiconductor layer on the upper layer. In particular, in a nitride semiconductor layer epitaxially grown according to growth conditions in which carbon (C) is heavily doped to form a high resistance buffer layer or the like, it has been extremely difficult to embed the non-growth region. As a result, it is inevitable that the non-growth region remains as the abnormal growth region even in the vicinity of the surface of the semiconductor multilayer structure.

このように異常成長領域がピットとして残った場合、窒化物半導体装置においては、異常成長領域がリーク源となってリークパスが発生することが知られている(非特許文献1参照)。そこで、本発明者が実験および鋭意検討を行ったところ、異常成長領域は、電子走行層を構成するu−GaN層を上層に形成する際に、その成長条件によっては埋まる場合もあることを知見した。ところが、本発明者がさらに検討を行ったところ、異常成長領域がu−GaN層により埋め込まれたとしても、この埋め込まれた領域がリーク源になり、窒化物半導体装置におけるリークパスの発生原因の1つになることが判明した。リークパスが発生すると、リーク電流が増大するとともに窒化物半導体装置の耐圧が低下する。   As described above, when the abnormal growth region remains as a pit, it is known that in the nitride semiconductor device, the abnormal growth region serves as a leak source and a leak path is generated (see Non-Patent Document 1). Therefore, when the inventors conducted experiments and intensive studies, it was found that the anomalous growth region may be buried depending on the growth conditions when the u-GaN layer constituting the electron transit layer is formed on the upper layer. did. However, according to the inventors of the present invention, even if the abnormal growth region is buried by the u-GaN layer, the buried region becomes a leak source, which is one of the causes of the occurrence of the leak path in the nitride semiconductor device. It turned out to be one. When a leak path occurs, the leak current increases and the withstand voltage of the nitride semiconductor device decreases.

そこで、本発明者は、以上の発見に基づき、リーク電流の低減および耐圧の向上のために、SBDやHEMTなどの600V以上の電圧に対して耐圧を有する窒化物半導体装置に着目して、改めて鋭意検討を行った。図8は、この検討対象となった、介在層上に異物が付着した窒化物半導体装置としてのショットキーバリアダイオード(SBD)を示す模式的な断面図である。   Therefore, based on the above findings, the inventor focused on a nitride semiconductor device having a withstand voltage against a voltage of 600 V or more, such as SBD or HEMT, in order to reduce the leakage current and improve the withstand voltage. I made a careful study. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a Schottky barrier diode (SBD) as a nitride semiconductor device in which foreign matter adheres to the intervening layer, which has been the subject of this examination.

図8に示すように、従来のSBD90においては、基板91上に、介在層92、高抵抗バッファ層93、電子走行層94、および電子供給層95が順次積層されて設けられている。また、電子供給層95上に選択的にフィールドプレート層96aが設けられている。また、電子供給層95上に選択的に、アノード電極97Aと、アノード電極97Aと離間したカソード電極97Cとが設けられている。これらの電子供給層95およびフィールドプレート層96aと、アノード電極97Aおよびカソード電極97Cの少なくとも一部とを覆うように、絶縁膜98が設けられている。そして、電子走行層94と電子供給層95との界面には、2DEG層A,aが生じている。2DEG層aは、フィールドプレート層96aによって2DEG濃度が2DEG層Aに比して低減された領域である。また、図8においては、介在層92の上層の部分にパーティクルなどの異物110が存在している状態を示す。   As shown in FIG. 8, in the conventional SBD 90, an intervening layer 92, a high resistance buffer layer 93, an electron transit layer 94, and an electron supply layer 95 are sequentially stacked on a substrate 91. In addition, a field plate layer 96 a is selectively provided on the electron supply layer 95. Further, on the electron supply layer 95, an anode electrode 97A and a cathode electrode 97C separated from the anode electrode 97A are selectively provided. An insulating film 98 is provided to cover the electron supply layer 95 and the field plate layer 96a and at least a part of the anode electrode 97A and the cathode electrode 97C. Then, 2DEG layers A and a are generated at the interface between the electron transit layer 94 and the electron supply layer 95. The 2DEG layer a is a region where the 2DEG concentration is reduced by the field plate layer 96a as compared to the 2DEG layer A. Further, FIG. 8 shows a state in which a foreign matter 110 such as a particle is present in the upper layer portion of the intervening layer 92.

図8に示すように、Si基板などの基板91の上層には、GaとSiとの反応を抑制するための窒化アルミニウム(AlN)からなる介在層92が積層されている。そして、介在層92の上層に、GaNを含む窒化物半導体層としての高抵抗バッファ層93が積層されている。ところが、基板91上または介在層92上にパーティクル等の異物110が存在すると、その異物110の存在部分において結晶成長が進行しないため、高抵抗バッファ層93の成長が遅くなり、異常成長領域となる欠陥93aが生じる可能性がある。このような欠陥93aが存在すると、さらに上層に積層される窒化物半導体層においても欠陥93aに起因した異常成長領域が反映されてしまう。この異常成長領域の存在は、たとえそれらが電子走行層94を構成する材料によって埋め込まれたとしても、高抵抗バッファ層93が部分的に薄くなるため、最終製品としての窒化物半導体装置において、リークが増大したり耐圧が低下したりする原因になることが分かった。これらのリークの増大や耐圧の低下は、SBDやHEMTなどの種々の窒化物半導体装置に共通の現象である。   As shown in FIG. 8, on the upper layer of a substrate 91 such as a Si substrate, an intervening layer 92 made of aluminum nitride (AlN) for suppressing the reaction between Ga and Si is stacked. Then, a high resistance buffer layer 93 as a nitride semiconductor layer containing GaN is stacked on the intervening layer 92. However, if foreign matter 110 such as particles is present on substrate 91 or intervening layer 92, crystal growth does not proceed in the portion where foreign matter 110 is present, so the growth of high-resistance buffer layer 93 is delayed and becomes an abnormal growth region. Defects 93a may occur. If such a defect 93a exists, an abnormal growth region caused by the defect 93a is reflected also in the nitride semiconductor layer stacked further on the upper layer. The existence of this abnormal growth region is a leak in the nitride semiconductor device as a final product because the high resistance buffer layer 93 becomes partially thin even if they are embedded by the material constituting the electron transit layer 94. Was found to be the cause of an increase in pressure or a decrease in pressure resistance. The increase of the leak and the decrease of the breakdown voltage are phenomena common to various nitride semiconductor devices such as SBD and HEMT.

そこで、本発明者は、欠陥93aに起因するリークを低減する方法について改めて検討を行った。そして、本発明者は、高抵抗バッファ層93の表面の欠陥93aを抑制するために、高抵抗バッファ層93の下層に、表面形状が平坦化された平坦化層を設けることを想起した。バッファ層の下層に平坦化層を設けると、バッファ層を平坦化層上に平坦性を維持しつつ積層できるので、バッファ層に流れるリーク電流を低減でき、耐圧の低下も抑制できる。そのため、最終製品としての窒化物半導体装置においてリークを低減でき、耐圧も向上できる。また、平坦化層が低抵抗であっても、バッファ層を高抵抗化することによって平坦化層の上面より下の窒化物半導体層に生じる電界を小さくできるので、平坦化層の耐圧に対する影響も極めて低い。   Therefore, the present inventor has re-examined a method for reducing the leak caused by the defect 93a. Then, the inventor recalled that in order to suppress the defects 93 a on the surface of the high resistance buffer layer 93, a planarization layer whose surface shape is planarized is provided below the high resistance buffer layer 93. When the planarizing layer is provided below the buffer layer, the buffer layer can be stacked on the planarizing layer while maintaining the flatness, so that the leak current flowing in the buffer layer can be reduced, and the reduction in withstand voltage can be suppressed. Therefore, the leak can be reduced in the nitride semiconductor device as the final product, and the withstand voltage can also be improved. In addition, even if the planarizing layer has a low resistance, by increasing the resistance of the buffer layer, the electric field generated in the nitride semiconductor layer below the upper surface of the planarizing layer can be reduced. Extremely low.

そして、本発明者は、上述したバッファ層の下層における半導体層の表面平坦化を実現するために、種々実験を行った。図9は、本発明者が検討を行うために、有機金属化学気相成長(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)法によって窒化物半導体層を複数積層させた実験例1による半導体積層基板における異常成長領域部分を示す模式的な断面図である。図9に示すように、実験例1による半導体積層基板100においては、基板101上に、介在層を想定したAlN層102が設けられている。AlN層102上には、GaNからなる窒化物半導体層103が形成されている。窒化物半導体層103には、異物110の存在によって欠陥103aが生じている。そして、本発明者は、窒化物半導体層103上に、窒化物半導体層104,105,106,107,108,109をそれぞれ、成長条件を種々変化させて順次エピタキシャル成長させる実験を行った。なお、図9中においては図示省略したが、各窒化物半導体層103〜109の界面には薄いAlN層が挟み込まれている。表1は、これらの窒化物半導体層104〜109の成長条件を示す表である。   Then, the inventor conducted various experiments to realize the surface planarization of the semiconductor layer in the lower layer of the buffer layer described above. FIG. 9 shows anomalous growth in a semiconductor multilayer substrate according to Experimental Example 1 in which a plurality of nitride semiconductor layers are stacked by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) for the present inventor to study. It is a typical sectional view showing a field part. As shown in FIG. 9, in the semiconductor multilayer substrate 100 according to Experimental Example 1, an AlN layer 102 assuming an intervening layer is provided on the substrate 101. A nitride semiconductor layer 103 made of GaN is formed on the AlN layer 102. The nitride semiconductor layer 103 has a defect 103 a due to the presence of the foreign matter 110. Then, the inventor conducted an experiment of sequentially performing epitaxial growth on the nitride semiconductor layer 103 by changing various growth conditions of the nitride semiconductor layers 104, 105, 106, 107, 108, and 109, respectively. Although not shown in FIG. 9, a thin AlN layer is sandwiched between the interfaces of the nitride semiconductor layers 103 to 109. Table 1 is a table showing growth conditions of these nitride semiconductor layers 104 to 109.

Figure 0006534993
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表1において、層104〜層109はそれぞれ、窒化物半導体層104〜109を示す。そして、表1においては、それぞれの窒化物半導体層104〜109の成長における、成長温度、成長圧力、およびV族(窒素:N)とIII族(ガリウム:Ga)との比(V/III比)と、それらの条件で結晶成長させた場合の炭素濃度とを示す。ここで、炭素濃度の測定方法としては、たとえば二次イオン質量分析法(SIMS)が用いられる。具体的に炭素濃度の測定においては、フィジカルエレクトロニクス社製の四重極型SIMSを用い、1次イオン種としてセシウムを用いて加速電圧を5keVにするとともに、ビーム電流を100nA、2次イオン極性をネガティブとした。さらに、スパッタ領域は200μm×400μm、ゲート領域はスパッタ領域中心部の約12%である。そして、炭素濃度を5回計測して、これらの5つの炭素濃度の計測値の算術平均を表1における炭素濃度とした。なお、以下の実験例および実施形態における炭素濃度の測定方法も同様である。   In Table 1, layers 104 to 109 indicate nitride semiconductor layers 104 to 109, respectively. Then, in Table 1, the growth temperature, the growth pressure, and the ratio of group V (nitrogen: N) to group III (gallium: Ga) (V / III ratio) in the growth of the respective nitride semiconductor layers 104 to 109. And the carbon concentration when crystal growth is performed under those conditions. Here, secondary ion mass spectrometry (SIMS), for example, is used as a method of measuring the carbon concentration. Specifically, in the measurement of carbon concentration, using quadrupole SIMS manufactured by Physical Electronics Co., Ltd. and using cesium as a primary ion species, the acceleration voltage is 5 keV, the beam current is 100 nA, and the secondary ion polarity is It was negative. Furthermore, the sputtered area is 200 μm × 400 μm, and the gate area is about 12% of the central area of the sputtered area. Then, the carbon concentration was measured five times, and the arithmetic average of the measured values of these five carbon concentrations was taken as the carbon concentration in Table 1. In addition, the measuring method of the carbon concentration in the following experimental example and embodiment is the same.

表1に示すように、窒化物半導体層104の成長条件においては、他の窒化物半導体層105〜109の成長条件に比してV/III比を3〜6倍、たとえば約4倍に増加させて、成長レートを1/6〜1/3の1/4程度とした。この状態で窒化物半導体層104を成長させると、窒化物半導体層104には炭素がオートドープされて炭素濃度は3×1018cm-3程度になる。また、窒化物半導体層105の成長条件においては、他の窒化物半導体層104,106〜109の成長条件に比して、V/III比を減少させる。この場合、窒化物半導体層105の炭素濃度は2×1019cm-3程度に増加する。窒化物半導体層106の成長条件においては、成長温度を他の窒化物半導体層104,105,107〜109に比して降下させる。この場合、窒化物半導体層106の炭素濃度は2×1019cm-3程度になる。窒化物半導体層107の成長条件においては、成長圧力を他の窒化物半導体層104〜106,108,109に比して増加させる。この場合、窒化物半導体層107の炭素濃度は2×1018cm-3程度と、窒化物半導体層105,106の炭素濃度に比して減少する。窒化物半導体層108の成長条件においては、成長温度を他の窒化物半導体層104〜107,109に比して増加させる。この場合、窒化物半導体層108の炭素濃度は2×1018cm-3程度と、窒化物半導体層105,106に比して減少している。さらに、窒化物半導体層109の成長条件は、従来のバッファ層を構成するGaN層を成長させる成長条件であり、炭素濃度は1×1019cm-3程度と高濃度である。これらの窒化物半導体層104〜109におけるそれぞれの表面側は、欠陥103aの形状が反映されている。As shown in Table 1, under the growth conditions of the nitride semiconductor layer 104, the V / III ratio is increased by 3 to 6 times, for example, about 4 times, as compared with the growth conditions of the other nitride semiconductor layers 105 to 109. The growth rate is set to about 1⁄4 of 1⁄6 to 1⁄3. When the nitride semiconductor layer 104 is grown in this state, carbon is auto-doped in the nitride semiconductor layer 104 and the carbon concentration becomes about 3 × 10 18 cm −3 . Further, under the growth conditions of the nitride semiconductor layer 105, the V / III ratio is reduced as compared with the growth conditions of the other nitride semiconductor layers 104 and 106-109. In this case, the carbon concentration of the nitride semiconductor layer 105 is increased to about 2 × 10 19 cm −3 . Under the growth conditions of the nitride semiconductor layer 106, the growth temperature is lowered relative to the other nitride semiconductor layers 104, 105, 107-109. In this case, the carbon concentration of the nitride semiconductor layer 106 is approximately 2 × 10 19 cm −3 . Under the growth conditions of the nitride semiconductor layer 107, the growth pressure is increased relative to the other nitride semiconductor layers 104 to 106, 108, and 109. In this case, the carbon concentration of the nitride semiconductor layer 107 is approximately 2 × 10 18 cm −3, which is lower than the carbon concentration of the nitride semiconductor layers 105 and 106. Under the growth conditions of the nitride semiconductor layer 108, the growth temperature is increased as compared to the other nitride semiconductor layers 104 to 107 and 109. In this case, the carbon concentration of the nitride semiconductor layer 108 is about 2 × 10 18 cm −3 , which is lower than that of the nitride semiconductor layers 105 and 106. Furthermore, the growth conditions of the nitride semiconductor layer 109 are growth conditions for growing a GaN layer constituting a conventional buffer layer, and the carbon concentration is as high as about 1 × 10 19 cm −3 . The shape of the defect 103 a is reflected on the surface side of each of the nitride semiconductor layers 104 to 109.

さらに、本発明者は、以上の検討に基づいて、欠陥103aの上層において平坦化しやすい材料や成長条件について検討を行った。そして、本発明者は、上述した実験例1において平坦化しやすい成長条件として、異物110によって生じる非成長領域に対しても材料が成長する条件、すなわち、基板101の表面に略平行な方向(以下、横方向)にも窒化物半導体が成長する必要があることに着目した。そこで、本発明者は、図9に示す半導体積層基板100において、窒化物半導体層103〜109の中で比較的横方向に成長している窒化物半導体層104,107,108の成長条件に着目した。すなわち、本発明者は実験例1から、窒化物半導体の成長において半導体層の炭素濃度が、比較的高い場合に横方向に成長しにくく、比較的低い場合には横方向に成長しやすいことを見出した。   Furthermore, based on the above examination, the inventor examined materials and growth conditions that are easily planarized in the upper layer of the defect 103a. Then, the inventor of the present invention is a growth condition in which the material grows even with respect to the non-growth region generated by the foreign matter 110 as the growth condition which is easily planarized in the above-mentioned experimental example 1; In the lateral direction, attention is focused on the need to grow nitride semiconductors. Therefore, in the semiconductor multilayer substrate 100 shown in FIG. 9, the present inventor pays attention to the growth conditions of the nitride semiconductor layers 104, 107 and 108 which are grown relatively in the lateral direction among the nitride semiconductor layers 103 to 109. did. That is, the inventor found from Experimental Example 1 that the carbon concentration of the semiconductor layer in the growth of the nitride semiconductor is difficult to grow laterally when it is relatively high, and it is likely to grow laterally when it is relatively low. I found it.

そこで、本発明者は、実験例2として、平坦化が可能な成長条件の検討のために、窒化物半導体層の成長実験を行った。図10は、本発明者の検討に基づいて窒化物半導体層を積層させた半導体積層基板の欠陥部周辺を示す断面図である。図10に示すように、実験例2による半導体積層基板200は、基板201上に、介在層を想定したAlN層202が設けられている。また、AlN層202上に、異物210の存在によって欠陥203aが生じているGaNからなる窒化物半導体層203が形成されている。そして、本発明者は、平坦化を実現するための成長条件を検討するために、窒化物半導体層203上に、窒化物半導体層204,205,206,207,208,209をそれぞれ、成長条件を種々変えて順次エピタキシャル成長させた。なお、図10中、図示省略したが、各窒化物半導体層203〜209の界面には薄いAlN層が挟み込まれている。これらの窒化物半導体層204〜209の成長条件を表2に示す。   Therefore, the present inventors conducted, as Experimental Example 2, a growth experiment of a nitride semiconductor layer in order to study growth conditions capable of planarization. FIG. 10 is a cross-sectional view showing the vicinity of a defect in a semiconductor multilayer substrate in which nitride semiconductor layers are stacked based on the study of the inventor. As shown in FIG. 10, in the semiconductor multilayer substrate 200 according to Experimental Example 2, an AlN layer 202 assuming an intervening layer is provided on a substrate 201. Further, on the AlN layer 202, a nitride semiconductor layer 203 made of GaN is formed in which a defect 203a is generated due to the presence of the foreign matter 210. Then, in order to examine growth conditions for achieving planarization, the present inventors have grown nitride semiconductor layers 204, 205, 206, 207, 208, and 209 on the nitride semiconductor layer 203, respectively. The epitaxial growth was made sequentially by changing the Although not shown in FIG. 10, a thin AlN layer is sandwiched between the interfaces of the nitride semiconductor layers 203 to 209. The growth conditions of these nitride semiconductor layers 204 to 209 are shown in Table 2.

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表2において、層204〜層209はそれぞれ、窒化物半導体層204〜209を示す。そして、表2においては、それぞれの窒化物半導体層204〜209の成長における、成長温度、成長圧力、およびV族(窒素:N)とIII族(ガリウム:Ga)との比(V/III比)と、これらの条件で結晶成長させた場合の炭素濃度とを示す。   In Table 2, the layers 204 to 209 indicate the nitride semiconductor layers 204 to 209, respectively. Then, in Table 2, the growth temperature, the growth pressure, and the ratio of group V (nitrogen: N) to group III (gallium: Ga) (V / III ratio) in the growth of the respective nitride semiconductor layers 204 to 209. And a carbon concentration when crystal growth is performed under these conditions.

表2に示すように、実験例2においては、窒化物半導体層204〜207,209の成長条件を、実験例1における従来のバッファ層を構成する窒化物半導体層109の成長条件と同様にする。一方、窒化物半導体層208の成長条件を、上述した窒化物半導体層104,107,108における他の窒化物半導体層の成長条件とは異なる成長条件の要素を抽出した条件とする。すなわち、窒化物半導体層208の成長においては、成長温度および成長圧力を比較的高くするとともにIII族元素の流量を減少させてV/III比を高くする。これによって、窒化物半導体層208の炭素濃度は、2.0×1017cm-3程度になる。そして、本発明者が、上述した成長条件によって窒化物半導体層208を成長させたところ、図10に示すように、窒化物半導体層208において、横方向に沿った成長レートが積層方向に沿った成長レートと同等、または同等以上に促進された。その結果、欠陥203aに起因して形状が反映された窒化物半導体層207に存在する凹部が窒化物半導体層208により埋め込まれ、その表面も平坦化できることが確認された。As shown in Table 2, in Experimental Example 2, the growth conditions of nitride semiconductor layers 204 to 207 and 209 are set to be the same as the growth conditions of nitride semiconductor layer 109 constituting the conventional buffer layer in Experimental Example 1. . On the other hand, the growth conditions of the nitride semiconductor layer 208 are set to conditions in which the growth conditions different from the growth conditions of the other nitride semiconductor layers in the nitride semiconductor layers 104, 107 and 108 described above are extracted. That is, in the growth of nitride semiconductor layer 208, the growth temperature and the growth pressure are made relatively high, and the flow rate of the group III element is decreased to increase the V / III ratio. As a result, the carbon concentration of the nitride semiconductor layer 208 is approximately 2.0 × 10 17 cm −3 . Then, when the inventor causes the nitride semiconductor layer 208 to grow under the above-described growth conditions, as shown in FIG. 10, in the nitride semiconductor layer 208, the growth rate along the lateral direction is along the stacking direction. Promoted equal to or better than growth rate. As a result, it has been confirmed that the concave portion present in the nitride semiconductor layer 207 whose shape is reflected due to the defect 203a is buried by the nitride semiconductor layer 208, and the surface thereof can be planarized.

以上により、本発明者は、オートドープされる炭素濃度が低くなるように窒化物半導体を成長させることにより、異物に起因して生じた欠陥(凹部)を埋め込んで平坦化層を形成でき、その上層に平坦性が確保されたバッファ層を形成できることを知見するに至った。そこで、本発明者は、窒化物半導体層にオートドープされる炭素の炭素濃度が種々の濃度になるように条件を変更して検討を行った。その結果、本発明者は、炭素濃度を、上層に積層させるバッファ層における炭素濃度(1.0×1019cm-3程度)未満、具体的には2.0×1018cm-3未満になるように成長させると、欠陥203aに起因した凹部が埋まり始めることを知見した。さらに本発明者は、炭素濃度が1×1018cm-3以下になるように窒化物半導体を成長させると、横方向に成長しやすくなって凹部がさらに埋まりやすくなることも知見した。これにより、窒化物半導体装置を構成するバッファ層に欠陥などに起因する異常成長領域が残存しないようにできるので、窒化物半導体装置におけるリークパスの発生を抑制できるとともに、耐圧の低下を抑制できる。したがって、最終製品としての窒化物半導体装置において、製造した装置の個数に対して耐圧が基準耐圧以上となった個数の割合(以下、基準耐圧以上となる装置の割合)を向上させることができる。なお、基準耐圧とは、所望とされる窒化物半導体装置の定格値や規格値に基づいて得られる耐圧である。以下に説明する実施形態は、以上の鋭意検討に基づいて案出されたものである。As described above, the present inventor can form a planarizing layer by embedding a defect (concave portion) caused by a foreign substance by growing a nitride semiconductor so that the concentration of carbon to be auto-doped becomes low. It has come to be found that a buffer layer in which flatness is ensured can be formed in the upper layer. Therefore, the present inventors examined the conditions by changing the carbon concentration of carbon automatically doped to the nitride semiconductor layer to various concentrations. As a result, the inventor made the carbon concentration less than the carbon concentration (about 1.0 × 10 19 cm −3 ), specifically less than 2.0 × 10 18 cm −3, in the buffer layer to be stacked on the upper layer. It was found that when grown to be as described above, the recess caused by the defect 203a began to be filled. Furthermore, the present inventor also found that when the nitride semiconductor is grown to have a carbon concentration of 1 × 10 18 cm −3 or less, the nitride semiconductor is easily grown in the lateral direction and the recess is further easily filled. As a result, an abnormal growth region caused by a defect or the like can be prevented from remaining in the buffer layer constituting the nitride semiconductor device, so that the generation of a leak path in the nitride semiconductor device can be suppressed, and a reduction in breakdown voltage can be suppressed. Therefore, in the nitride semiconductor device as the final product, it is possible to improve the ratio of the number of devices whose withstand voltage is equal to or higher than the reference withstand voltage with respect to the number of manufactured devices (hereinafter, the ratio of devices which become equal to or higher than the reference withstand voltage). The reference breakdown voltage is a breakdown voltage obtained based on the desired rated value or standard value of the nitride semiconductor device. The embodiments described below are devised based on the above intensive studies.

(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態による窒化物半導体装置を製造するための半導体積層基板の構成を示す模式的な断面図である。すなわち、この第1の実施形態における半導体積層基板10は、基板11上に、介在層12、第3半導体層としての平坦化層13、高抵抗のバッファ層14、電子走行層15、電子供給層16、および半導体層17が順次積層されて構成されている。また、基板11上や介在層12の上層の部分には、パーティクルなどの異物20が存在している場合がある。図1は、異物20が介在層12上に存在している部分の断面図である。
First Embodiment
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a semiconductor multilayer substrate for manufacturing a nitride semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. That is, in the semiconductor multilayer substrate 10 in the first embodiment, the intervening layer 12, the planarization layer 13 as the third semiconductor layer, the high resistance buffer layer 14, the electron transit layer 15, and the electron supply layer on the substrate 11. 16 and the semiconductor layer 17 are sequentially laminated. In addition, foreign matter 20 such as particles may be present on the substrate 11 or in the upper layer portion of the intervening layer 12. FIG. 1 is a cross-sectional view of a portion where foreign matter 20 is present on intervening layer 12.

基板11は、たとえばシリコン(Si)基板、ガリウム砒素(GaAs)基板、ガリウムリン(GaP)基板、GaN基板、AlN基板、炭化ケイ素(SiC)基板、炭素(C)基板、またはサファイア(Al23)基板などからなる。この第1の実施形態においては、基板11はたとえばSi基板からなる。The substrate 11 is, for example, a silicon (Si) substrate, a gallium arsenide (GaAs) substrate, a gallium phosphorus (GaP) substrate, a GaN substrate, an AlN substrate, an AlN substrate, a silicon carbide (SiC) substrate, a carbon (C) substrate, or sapphire (Al 2 O) 3 ) It consists of a board etc. In the first embodiment, the substrate 11 is made of, for example, a Si substrate.

介在層12は、SiとGaNとの間の格子定数を有するたとえばAlNによって構成される。この介在層12は、GaとSiとの反応を抑制するための層であり、基板11とGaを含む層との間に介在する。そして、介在層12は、基板11とGaN等の窒化物系化合物半導体層との格子定数差を緩和し、基板11上にバッファ層14および半導体積層体等を積層可能にする。なお、基板11をGaなどと反応しない材料から構成した場合には介在層12を必ずしも設けなくても良く、この場合には異物20は基板11上に存在する可能性がある。ここで、この第1の実施形態においては、介在層12の膜厚はたとえば25nmである。   The intervening layer 12 is made of, for example, AlN having a lattice constant between Si and GaN. The intervening layer 12 is a layer for suppressing the reaction between Ga and Si, and is interposed between the substrate 11 and the layer containing Ga. The intervening layer 12 reduces the difference in lattice constant between the substrate 11 and the nitride-based compound semiconductor layer such as GaN, and enables the buffer layer 14 and the semiconductor stack to be stacked on the substrate 11. When the substrate 11 is made of a material that does not react with Ga or the like, the intervening layer 12 may not necessarily be provided. In this case, the foreign matter 20 may be present on the substrate 11. Here, in the first embodiment, the thickness of the intervening layer 12 is, for example, 25 nm.

第3半導体層としての平坦化層13は、たとえば炭素(C)が、上層のバッファ層14より比較的低濃度にドープされた、Al組成比XのAlXGa1-XN(0≦X≦1)からなる。平坦化層13にドープされる炭素濃度は、異物20などに起因する上述した欠陥などの発生を抑制するために、基板11の面に平行な方向(横方向)に成長しやすい、1×1018cm-3以下、好適には、1×1017cm-3以下にするのが望ましい。In the planarization layer 13 as the third semiconductor layer, for example, Al X Ga 1 -X N (0 ≦ X) with an Al composition ratio X, in which carbon (C) is doped at a relatively lower concentration than the buffer layer 14 in the upper layer. It consists of <= 1). The concentration of carbon doped in the planarizing layer 13 is likely to grow in a direction (lateral direction) parallel to the surface of the substrate 11 in order to suppress the occurrence of the above-mentioned defects and the like caused by the foreign matter 20 and the like. Preferably, it is 18 cm −3 or less, preferably 1 × 10 17 cm −3 or less.

また、平坦化層13は、GaN層およびAlN層を積層させた構成としても、Al組成比xが異なる複数のAlxGa1-xN層(0≦x≦1)を複数回積層させた構成としても良い。また、平坦化層13は、Al組成比xが異なる複数のAlxGa1-xN層(0≦x≦1)を、Al組成比xが積層方向の上方に向かって減少するように複数回積層させた構成としても良い。そして、平坦化層13を、これらの構成にした場合、平均の炭素濃度を1.0×1018cm-3以下にするのが好ましく、好適には1.0×1017cm-3以下にするのが好ましい。Further, the planarization layer 13 is formed by laminating a plurality of Al x Ga 1 -x N layers (0 ≦ x ≦ 1) different in Al composition ratio x even when the GaN layer and the AlN layer are laminated. It is good also as composition. In addition, the planarization layer 13 includes a plurality of Al x Ga 1-x N layers (0 ≦ x ≦ 1) having different Al composition ratios x such that the Al composition ratio x decreases toward the upper side in the stacking direction. It is also possible to have a structure in which the layers are stacked. Then, a planarization layer 13, when these configurations, it is preferable to a carbon concentration of average 1.0 × 10 18 cm -3 or less, preferably to 1.0 × 10 17 cm -3 or less It is preferable to do.

また、平坦化層13は、介在層12上に、量子サイズ効果を生じない程度に厚い、膜厚が100nm〜700nmであって炭素が低濃度にドープされたGaN層と、量子サイズ効果を生じない程度に厚い、膜厚が20nm〜60nmのAlN層とを複数回繰り返し積層したものから構成することも可能である。そして、平坦化層13を、この構成にした場合、積層膜におけるGaN層における炭素濃度を1.0×1018cm-3以下にするのが好ましく、好適には1.0×1017cm-3以下にするのが好ましい。なお、平坦化層13を構成するGaN層の膜厚について、複数のGaN層のそれぞれの膜厚は、それぞれ同じ膜厚でなくても良い。同様に、平坦化層13を構成する複数のAlN層のそれぞれの膜厚も、それぞれ同じ膜厚でなくても良い。すなわち、平坦化層13に生じる応力の増加を抑制するために、平坦化層13を構成する複数のGaN層のそれぞれの膜厚を、それぞれ異なる膜厚としても良く、AlN層の膜厚についても同様である。具体的には、下層側のGaN層を膜厚がたとえば200nm程度に薄くし、上層側のGaN層を膜厚がたとえば700nm程度に厚くしても良い。In addition, the planarizing layer 13 produces a quantum size effect on the intervening layer 12 and a GaN layer having a thickness of 100 nm to 700 nm and a low carbon concentration, which is thick enough to cause no quantum size effect. It is also possible to constitute from a laminate of an AlN layer having a film thickness of 20 nm to 60 nm that is not thick enough and repeatedly stacked several times. When the planarizing layer 13 has this configuration, the carbon concentration in the GaN layer in the laminated film is preferably 1.0 × 10 18 cm −3 or less, preferably 1.0 × 10 17 cm −. It is preferable to make it 3 or less. Note that with respect to the film thickness of the GaN layer constituting the planarization layer 13, the film thicknesses of the plurality of GaN layers may not be the same. Similarly, the film thickness of each of the plurality of AlN layers constituting the planarization layer 13 may not be the same. That is, in order to suppress an increase in stress generated in the planarizing layer 13, the film thicknesses of the plurality of GaN layers constituting the planarizing layer 13 may be different from each other, and the film thickness of the AlN layer may be different. It is similar. Specifically, the thickness of the lower GaN layer may be reduced to, for example, about 200 nm, and the thickness of the upper GaN layer may be increased to, for example, about 700 nm.

また、平坦化層13の膜厚は、詳細は後述するが、その表面の平坦性を確保するために、500nm以上3000nm未満が好ましく、500nm以上2500nm以下がより好ましく、1000nm以上2200nm以下がさらに好ましい。なお、平坦化層13内に他の半導体層が形成されていても良く、この場合の平坦化層13の膜厚は、それぞれの平坦化層の膜厚の総和である。そして、以上のように平坦化層13を構成することにより、平坦化層13の上面は、さらに上層に形成されるバッファ層14において平坦性を維持しつつ積層できる程度に平坦化される。   The thickness of the planarizing layer 13 will be described in detail later, but is preferably 500 nm to less than 3000 nm, more preferably 500 nm to 2500 nm, and still more preferably 1000 nm to 2200 nm, in order to secure the surface flatness. . Note that another semiconductor layer may be formed in the planarization layer 13, and the film thickness of the planarization layer 13 in this case is the total of the film thicknesses of the respective planarization layers. Then, by forming the planarizing layer 13 as described above, the upper surface of the planarizing layer 13 is planarized to such an extent that the buffer layer 14 formed in the upper layer can be laminated while maintaining the planarity.

バッファ層14は、量子サイズ効果を生ずる程度に薄い、膜厚が1〜10nmのAluGa1-uN層と膜厚が15〜25nmのAlvGa1-vN層(v<u)とを複数回繰り返し積層した超格子構造から構成される。これらの膜厚とする理由は、バッファ層14の構造内に、ピエゾ分極と自発分極による意図しないキャリア(2次元電子ガス:2DEG)が発生して電界遮蔽層を生じさせないためである。また、バッファ層14にCなどの不純物を添加することによって、バッファ層14を高抵抗化または半絶縁化させることができる。ここで、バッファ層14の炭素濃度は、高抵抗化のために、平坦化層13の炭素濃度の1.0×1018cm-3より大きい5.0×1018cm-3以上5.0×1019cm-3以下が好ましく、この第1の実施形態においては、たとえば1.0×1019cm-3程度である。また、バッファ層14は、炭素が比較的高濃度にドープされたGaN層(C−GaN層)やAlN層などから構成しても良い。さらに、必要に応じて、バッファ層14に窒化物半導体装置の構成に必要な種々の層を設けても良い。The buffer layer 14 is an Al u Ga 1-u N layer having a thickness of 1 to 10 nm and an Al v Ga 1-v N layer having a thickness of 15 to 25 nm (v <u), which is thin enough to cause quantum size effect And a superlattice structure in which the layers are repeatedly stacked several times. The reason for using these film thicknesses is that unintended carriers (two-dimensional electron gas: 2 DEG) are generated in the structure of the buffer layer 14 due to piezoelectric polarization and spontaneous polarization, and no electric field shielding layer is generated. Also, by adding an impurity such as C to the buffer layer 14, the buffer layer 14 can be made to have a high resistance or a semi-insulation. Here, the carbon concentration of the buffer layer 14 is 5.0 × 10 18 cm −3 or more, which is greater than 1.0 × 10 18 cm −3 of the carbon concentration of the planarizing layer 13, in order to increase resistance. It is preferably not more than 10 19 cm -3 and , in the first embodiment, for example, about 1.0 10 19 cm -3 or so. The buffer layer 14 may be formed of a GaN layer (C-GaN layer), an AlN layer, or the like in which carbon is relatively heavily doped. Furthermore, various layers necessary for the configuration of the nitride semiconductor device may be provided in the buffer layer 14 as necessary.

第1半導体層としての電子走行層15は、たとえば膜厚が700nm(0.7μm)のアンドープの窒化ガリウム(u−GaN)から構成される。なお、電子走行層15を構成する材料としてはGaN以外の窒化物半導体材料を用いても良く、AlGaNを用いる場合、そのAl組成比は5%以下とするのが好ましい。   The electron transit layer 15 as the first semiconductor layer is made of, for example, undoped gallium nitride (u-GaN) having a film thickness of 700 nm (0.7 μm). Note that a nitride semiconductor material other than GaN may be used as the material forming the electron transit layer 15, and in the case of using AlGaN, the Al composition ratio is preferably 5% or less.

第2半導体層としての電子供給層16は、たとえばAlXGa1-XN層の単層、Al組成比が異なりバンドギャップが異なる少なくとも2種類の窒化物半導体からなる擬似混晶層、またはAl組成比が異なりバンドギャップが異なる少なくとも2種類の窒化物半導体を複数積層した超格子層から構成される。この第1の実施形態において電子供給層16は、たとえば平均Al組成比YのAlYGa1-YNの擬似混晶構造を有し、少なくとも2種類の互いに異なる極大Al組成比y1または極小Al組成比y2の種々の値をとるAl組成比yのAlyGa1-yN層が複数積層されたAlGaN超格子層から構成される。なお、Al組成比について、y2<Y<y1である。そして、電子供給層16は、平均Al組成比Yや、AlyGa1-yN層の層数などによって、電子走行層15の電子供給層16との界面に生じる2DEGのキャリア濃度(2DEG濃度)を所望の濃度に制御する。この第1の実施形態においては、電子走行層15に生じる2DEGの2DEG濃度がたとえば3×1013cm-2未満になるように調整される。具体的に電子供給層16の平均Al組成比Yは、0<Y<1を前提として、10%以上40%以下(0.1≦Y≦0.4)が好ましく、15%以上35%以下(0.15≦Y≦0.35)がより好ましく、20%以上30%以下(0.2≦Y≦0.3)がさらに好ましい。また、電子供給層16のバンドギャップは平均のバンドギャップであり、具体的には積層構造を構成する各AlyGa1-yN層の膜厚比によって重み付け(積分)をしたバンドギャップの値である。そして、電子供給層16は、その平均バンドギャップが、電子走行層15のバンドギャップよりも大きくなるように構成される。また、電子供給層16においては、各AlyGa1-yN層の膜厚、ならびに層数または組数は、2DEG濃度の設定濃度や窒化物半導体装置の設計に応じて適宜最適な値が選択される。The electron supply layer 16 as the second semiconductor layer is, for example, a single layer of an Al x Ga 1 -xN layer, a pseudo mixed crystal layer made of at least two kinds of nitride semiconductors having different Al composition ratios and different band gaps, or Al It is composed of a superlattice layer in which a plurality of nitride semiconductors having different composition ratios and different band gaps are stacked. In the first embodiment, the electron supply layer 16 has a pseudo mixed crystal structure of, for example, Al Y Ga 1 -Y N having an average Al composition ratio Y, and at least two different maximum Al composition ratios y1 or minimum Al. The layer is composed of an AlGaN super lattice layer in which a plurality of Al y Ga 1-y N layers having an Al composition ratio y having various values of the composition ratio y2 are stacked. In addition, it is y2 <Y <y1 about Al composition ratio. Then, the electron supply layer 16, and an average Al composition ratio Y, Al y Ga by such as a layer number of 1-y N layer, the carrier concentration (2DEG concentration of the 2DEG at the interface between the electron supply layer 16 of the electron transit layer 15 ) To the desired concentration. In the first embodiment, the 2DEG concentration of the 2DEG generated in the electron transit layer 15 is adjusted to be, for example, less than 3 × 10 13 cm −2 . Specifically, the average Al composition ratio Y of the electron supply layer 16 is preferably 10% to 40% (0.1 ≦ Y ≦ 0.4) on the premise of 0 <Y <1, and is preferably 15% to 35%. (0.15 ≦ Y ≦ 0.35) is more preferable, and 20% to 30% (0.2 ≦ Y ≦ 0.3) is more preferable. Further, the band gap of the electron supply layer 16 is a band gap of the average, specifically the value of the band gap is weighted (integrated) by the thickness ratio of each Al y Ga 1-y N layer constituting the laminate structure It is. The electron supply layer 16 is configured such that its average band gap is larger than the band gap of the electron transit layer 15. In the electron supply layer 16, the thickness of each Al y Ga 1-y N layer, and a layer number or number of sets, the most suitable values depending on the design of the set concentration and the nitride semiconductor device of the 2DEG concentration It is selected.

また、電子供給層16の膜厚の下限としては、電子供給層16を極大Al組成比y1のAly1Ga1-y1N層と極小Al組成比y2のAly2Ga1-y2N層とが1組積層されたAly1Ga1-y1N/Aly2Ga1-y2N超格子層から構成することを考慮すると、2nm以上にするのが好ましく、2DEG濃度を増加させることを考慮すると、5nm以上がより好ましく、10nm以上がさらに好ましい。また、電子供給層16の膜厚の上限としては、ミスフィット転位が生じない臨界膜厚以下が好ましく、オーミック接触の限界を考慮すると、100nm以下、好適には50nm以下、より好適には30nm以下が好ましい。そして、この第1の実施形態においては、たとえば20nmである。Further, as the lower limit of the film thickness of the electron supply layer 16, the electron supply layer 16 is composed of an Al y1 Ga 1-y 1 N layer with the maximum Al composition ratio y1 and an Al y2 Ga 1-y2 N layer with the minimum Al composition ratio y2. In consideration of the constitution of one pair of laminated Aly1Ga1 -y1N / Aly2Ga1 -y2N superlattice layer, the thickness is preferably 2 nm or more, and in consideration of increasing the 2DEG concentration, 5 nm. The above is more preferable, and 10 nm or more is more preferable. The upper limit of the film thickness of the electron supply layer 16 is preferably a critical film thickness or less at which misfit dislocations do not occur, and considering the limit of ohmic contact, 100 nm or less, preferably 50 nm or less, more preferably 30 nm or less Is preferred. And in this 1st embodiment, it is 20 nm, for example.

また、半導体積層基板10から製造する窒化物半導体装置の構造に応じて、電子供給層16の上層には、第4半導体層としての半導体層17が設けられる。半導体層17は、電子走行層15に生じる2DEGの2DEG濃度を少なくとも2水準で変化させるために、電子供給層16の平均バンドギャップより狭いIII族窒化物系化合物半導体、具体的にはAl組成比zのAlzGa1-zN層(0≦z≦1)、好適には、GaN層からなる。なお、半導体層17の膜厚については、後述する。Further, in accordance with the structure of the nitride semiconductor device manufactured from the semiconductor multilayer substrate 10, the semiconductor layer 17 as the fourth semiconductor layer is provided on the electron supply layer 16. The semiconductor layer 17 has a group III nitride compound semiconductor narrower than the average band gap of the electron supply layer 16, specifically, an Al composition ratio, in order to change the 2DEG concentration of 2DEG generated in the electron transit layer 15 by at least two levels. It consists of az Al z Ga 1-z N layer (0 ≦ z ≦ 1), preferably a GaN layer. The film thickness of the semiconductor layer 17 will be described later.

そして、上述した電子走行層15、電子供給層16、および半導体層17により、この第1の実施形態における半導体積層体が構成される。なお、半導体積層基板10から製造される窒化物半導体装置の構成によって、半導体積層体を電子走行層15および電子供給層16から構成しても良い。また、電子供給層16と半導体層17との間にエッチング犠牲層を設けることも可能である。エッチング犠牲層を設ける場合、エッチング犠牲層の材料としては、上層の半導体層17がエッチング犠牲層に対して高いエッチング選択比を有するような材料にするのが好ましい。エッチング犠牲層の平均Al組成比は、電子供給層16の平均Al組成比Yより大きく、40%以上とするのが好ましい。この場合、電子走行層15、電子供給層16、エッチング犠牲層、および半導体層17により半導体積層体が構成される。以上により、この第1の実施形態による窒化物半導体装置を製造するための半導体積層基板10が構成されている。   The electron transit layer 15, the electron supply layer 16 and the semiconductor layer 17 described above constitute the semiconductor laminate in the first embodiment. Note that, depending on the configuration of the nitride semiconductor device manufactured from the semiconductor multilayer substrate 10, the semiconductor multilayer may be configured from the electron transit layer 15 and the electron supply layer 16. It is also possible to provide an etching sacrificial layer between the electron supply layer 16 and the semiconductor layer 17. When the etching sacrificial layer is provided, it is preferable that the material of the etching sacrificial layer be a material such that the upper semiconductor layer 17 has a high etching selectivity to the etching sacrificial layer. The average Al composition ratio of the etching sacrificial layer is preferably 40% or more, which is larger than the average Al composition ratio Y of the electron supply layer 16. In this case, the electron transit layer 15, the electron supply layer 16, the etching sacrificial layer, and the semiconductor layer 17 constitute a semiconductor laminate. Thus, the semiconductor multilayer substrate 10 for manufacturing the nitride semiconductor device according to the first embodiment is configured.

(半導体積層基板の製造方法)
次に、この第1の実施形態における半導体積層基板10の製造方法について説明する。この第1の実施形態による半導体積層基板10の製造方法においては、基板11上に、MOCVD法により各層を成長させる。表3は、半導体積層基板10を製造する際の成長条件を示す表である。表3においては、第1の実施形態における、介在層12、平坦化層13、バッファ層14、電子走行層15、電子供給層16、および半導体層17のそれぞれの成長条件を示す。具体的には、成長温度、成長圧力、V族(窒素:N)とIII族(AlおよびGaの少なくとも一方の元素)との比(V/III比)、および、これらの成長条件によって成長させた層の炭素濃度および膜厚を示す。なお、表3に記載した各種成長条件はあくまで一例であり、必ずしもこれらの条件に限定されるものではない。
(Method of manufacturing semiconductor multilayer substrate)
Next, a method of manufacturing the semiconductor multilayer substrate 10 in the first embodiment will be described. In the method of manufacturing the semiconductor multilayer substrate 10 according to the first embodiment, each layer is grown on the substrate 11 by the MOCVD method. Table 3 is a table showing growth conditions when manufacturing the semiconductor multilayer substrate 10. Table 3 shows growth conditions of the intervening layer 12, the planarization layer 13, the buffer layer 14, the electron transit layer 15, the electron supply layer 16, and the semiconductor layer 17 in the first embodiment. Specifically, growth temperature, growth pressure, ratio of group V (nitrogen: N) to group III (element of at least one of Al and Ga) (V / III ratio), and growth according to these growth conditions It shows the carbon concentration and film thickness of the different layers. The various growth conditions described in Table 3 are merely examples, and the present invention is not necessarily limited to these conditions.

Figure 0006534993
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そして、この第1の実施形態における半導体積層基板10の製造方法においては、まず、図1に示す基板11を搬入したMOCVD反応炉(図示せず)内に、原料ガスとキャリアガスとをそれぞれ供給する。具体的にたとえば、III族原料ガスとしてはトリメチルアルミニウム(TMAl)、V族原料ガスとしてはアンモニア(NH3)、キャリアガスとしては水素(H2)および窒素(N2)を用いる。これにより、基板11上にAlNを成長させて介在層12を形成する。このとき、介在層12には炭素(C)がオートドープされる。なお、AlNからなる介在層12の成長条件の一例および炭素濃度は表3に示す通りであり、圧力において1torrは、133.3Paとする。Then, in the method of manufacturing the semiconductor multilayer substrate 10 in the first embodiment, first, the source gas and the carrier gas are respectively supplied into the MOCVD reaction furnace (not shown) into which the substrate 11 shown in FIG. 1 is carried. Do. Specifically, for example, trimethylaluminum (TMAl) is used as the group III source gas, ammonia (NH 3 ) as the group V source gas, and hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ) as the carrier gas. Thus, AlN is grown on the substrate 11 to form the intervening layer 12. At this time, carbon (C) is auto-doped in the intervening layer 12. Note that one example of growth conditions and carbon concentration of the intervening layer 12 made of AlN are as shown in Table 3, and 1 torr is 133.3 Pa in pressure.

次に、介在層12上に500nm以上3000nm未満の膜厚の平坦化層13を形成する。ここで、平坦化層13の形成において、具体的にたとえば、III族原料ガスとしてはトリメチルガリウム(TMGa)およびトリメチルアルミニウム(TMAl)の少なくとも一方を用い、V族原料ガスとしてはアンモニア(NH3)を用いる。また、キャリアガスとしては、たとえば水素(H2)および窒素(N2)を用いる。これにより、介在層12上にAlXGa1-XN層(0≦X≦1)を成長させて炭素(C)がドープされたAlXGa1-XN層(0≦X≦1)からなる平坦化層13が形成される。Next, the planarizing layer 13 having a thickness of 500 nm or more and less than 3000 nm is formed on the intervening layer 12. Here, in the formation of the planarizing layer 13, specifically, for example, at least one of trimethylgallium (TMGa) and trimethylaluminum (TMAl) is used as a Group III source gas, and ammonia (NH 3 ) is used as a Group V source gas. Use Also, as the carrier gas, for example, hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ) are used. Thus, Al X Ga 1-X N layer on the intermediate layer 12 (0 ≦ X ≦ 1) Al X Ga 1-X N layer is grown carbon (C) is doped (0 ≦ X ≦ 1) A planarization layer 13 is formed.

ここで、平坦化層13を、GaN層に限定せずに平均のAl組成比XのAlXGa1-XN層(0<X≦1)から構成する場合について説明する。図2は、炭素濃度をたとえば1×1017cm-3に固定した場合の、1μm径のピット(凹部)を埋めるために必要なAlXGa1-XN層の膜厚のAl組成比依存性の一例を示すグラフである。図2に示すように、Al組成比Xが0の場合、すなわちGaN層によって1μm径のピットを埋める場合に必要な膜厚は、たとえば0.5μm(500nm)程度である。これに対し、Al組成比Xがたとえば0.1のAlXGa1-XN層においては、ピットを埋めるのに必要な膜厚はたとえば0.7μm(700nm)程度にまで増加する。さらに、Al組成比Xが増加するのに伴って1μm径のピットを埋めるのに必要な膜厚は増加し、Al組成比Xが1の場合、すなわちAlN層の場合にはたとえば2μm程度、すなわちGaN層の場合に比して4倍程度の膜厚が必要になる。これにより、AlXGa1-XN層(0<X≦1)のAl組成比Xが大きくなるほど、表面が平坦化された平坦化層13を形成するために必要な膜厚が大きくなることが分かる。すなわち、AlXGa1-XN層(0<X≦1)からなる平坦化層13においては、Al組成比Xは小さい方が好ましく、平坦化層13の表面の平坦性を確保するために、Al組成比Xの増加に伴って設計膜厚を増加させるようにする。そして、平坦化層13をAl組成比Xに応じた設計膜厚とすることによって、表面の平坦化を確保する。Here, the case where the planarizing layer 13 is not limited to the GaN layer but is formed of an Al x Ga 1 -xN layer (0 <x ≦ 1) with an average Al composition ratio X will be described. FIG. 2 shows the Al composition ratio dependence of the film thickness of the Al x Ga 1 -x N layer necessary to fill a pit (recess) of 1 μm diameter when the carbon concentration is fixed at 1 × 10 17 cm -3 , for example. It is a graph which shows an example of sex. As shown in FIG. 2, when the Al composition ratio X is 0, that is, when the 1 μm diameter pit is filled with the GaN layer, the film thickness required is, for example, about 0.5 μm (500 nm). In contrast, in the Al X Ga 1-X N layer of Al composition ratio X is for example 0.1, the required thickness to fill the pits increases to the extent for example 0.7 [mu] m (700 nm). Furthermore, as the Al composition ratio X increases, the film thickness necessary to fill pits of 1 μm diameter increases, and in the case of an Al composition ratio X of 1, ie, in the case of an AlN layer, for example, about 2 μm A film thickness of about four times that of the GaN layer is required. As a result, as the Al composition ratio X of the Al x Ga 1 -xN layer (0 <x ≦ 1) increases, the film thickness necessary to form the planarized layer 13 whose surface is flattened becomes larger. I understand. That is, in the planarizing layer 13 made of the Al x Ga 1 -xN layer (0 <X ≦ 1), the Al composition ratio X is preferably smaller, and in order to ensure the planarity of the surface of the planarizing layer 13 The designed film thickness is made to increase as the Al composition ratio X increases. Then, by setting the planarization layer 13 to a designed film thickness according to the Al composition ratio X, planarization of the surface is secured.

また、図1に示すように、平坦化層13を形成した後、平坦化層13上に、Al組成比uのAluGa1-uN層と、Al組成比uより低いAl組成比vのAlvGa1-vN層(v<u)とを複数回繰り返し積層した超格子構造からなる、バッファ層14を形成する。具体的には、膜厚が20nmのGaN層と膜厚が5nmのAlN層とを複数回繰り返し積層してバッファ層14を形成する。このバッファ層14は、添加する炭素の炭素濃度を増加させて高抵抗化させる点を考慮すると、成長温度および成長圧力は他の半導体層の成長条件に比して比較的低くし、III族原料ガス(TMGa、TMAl)の供給量(III族流量)を他の半導体層の成長条件に比して比較的大きくする。このバッファ層14の成長条件の一例および炭素濃度は表3に示す通りである。なお、バッファ層14の炭素濃度については、バッファ層14を構成する各層の膜厚が非常に小さいことから、各層を区別することなく測定した。Further, as shown in FIG. 1, after forming the planarization layer 13, an Al u Ga 1-u N layer having an Al composition ratio u and an Al composition ratio v lower than the Al composition ratio u are formed on the planarization layer 13. The buffer layer 14 is formed of a superlattice structure in which an Al v Ga 1-v N layer (v <u) is repeatedly stacked several times. Specifically, the buffer layer 14 is formed by repeatedly laminating the GaN layer having a thickness of 20 nm and the AlN layer having a thickness of 5 nm plural times. Considering that the buffer layer 14 increases the carbon concentration of added carbon to increase resistance, the growth temperature and the growth pressure are relatively lower than the growth conditions of other semiconductor layers, and the group III raw material The supply amounts (group III flow rates) of the gases (TMGa, TMAl) are made relatively larger than the growth conditions of the other semiconductor layers. An example of growth conditions of this buffer layer 14 and the carbon concentration are as shown in Table 3. In addition, about the carbon concentration of the buffer layer 14, since the film thickness of each layer which comprises the buffer layer 14 is very small, it measured without distinguishing each layer.

次に、バッファ層14上にGaNを成長させてu−GaN層からなる電子走行層15を形成する。その後、たとえばIII族原料ガスとしてTMAlを用いて、電子走行層15上にAlGaN層からなる電子供給層16を成長させる。続けて、III族原料ガスとしてTMGaを用いて、電子供給層16上にたとえばGaN層からなる半導体層17を形成する。これらの電子走行層15、電子供給層16、および半導体層17の成長条件の一例および炭素濃度は表3に示す通りである。以上により、図1に示す半導体積層基板10が形成される。   Next, GaN is grown on the buffer layer 14 to form an electron transit layer 15 composed of a u-GaN layer. Thereafter, for example, TMAl is used as a group III source gas, and an electron supply layer 16 made of an AlGaN layer is grown on the electron transit layer 15. Subsequently, using TMGa as a group III source gas, a semiconductor layer 17 made of, for example, a GaN layer is formed on the electron supply layer 16. An example of the growth conditions of these electron transit layer 15, the electron supply layer 16, and the semiconductor layer 17 and the carbon concentration are as shown in Table 3. Thus, the semiconductor multilayer substrate 10 shown in FIG. 1 is formed.

(窒化物半導体装置)
次に、以上のように構成された第1の実施形態による半導体積層基板から製造される平坦化層を有する窒化物半導体装置としてのショットキーバリアダイオード(SBD)について説明する。図3は、第1の実施形態による窒化物半導体装置としてのSBDの模式的な断面図である。
(Nitride semiconductor device)
Next, a Schottky barrier diode (SBD) as a nitride semiconductor device having a planarization layer manufactured from the semiconductor laminated substrate according to the first embodiment configured as described above will be described. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the SBD as the nitride semiconductor device according to the first embodiment.

図3に示すように、この第1の実施形態によるSBD1は、上述した半導体積層基板10の構造に加えて、電子供給層16上に選択的に、ショットキー電極としてのアノード電極18Aと、このアノード電極18Aと離間したオーミック電極としてのカソード電極18Cとが設けられている。さらに、電子供給層16上には、カソード電極18Cと離間して、半導体層17の一部からなるフィールドプレート層17aがアノード電極18A側に設けられている。そして、これらの電子供給層16およびフィールドプレート層17aと、アノード電極18Aおよびカソード電極18Cの少なくとも一部とを覆うようにして、絶縁膜19が設けられている。ここで、SBD1の寸法の一例を挙げると、複数のSBD1を集積させた場合における窒化物半導体装置の幅は、基板11の表面に平行で幅方向に沿って、たとえば150mmである。また、基板11の表面に平行で幅方向に沿って、アノード電極18Aの幅LAは、たとえば20μm、カソード電極18Cの幅LCは、たとえば20μm、およびアノード電極18Aとカソード電極18Cとの間隔lACは、たとえば20μmである。As shown in FIG. 3, the SBD 1 according to the first embodiment has an anode electrode 18A as a Schottky electrode selectively on the electron supply layer 16, in addition to the structure of the semiconductor multilayer substrate 10 described above, and An anode electrode 18A and a cathode electrode 18C as an ohmic electrode separated from each other are provided. Further, on the electron supply layer 16, a field plate layer 17a formed of a part of the semiconductor layer 17 is provided on the anode electrode 18A side so as to be separated from the cathode electrode 18C. An insulating film 19 is provided to cover the electron supply layer 16 and the field plate layer 17a and at least a part of the anode electrode 18A and the cathode electrode 18C. Here, as an example of the dimensions of the SBD 1, the width of the nitride semiconductor device in the case where a plurality of SBDs 1 are integrated is, for example, 150 mm parallel to the surface of the substrate 11 and in the width direction. Further, along parallel width direction on the surface of the substrate 11, the spacing of the width L A of the anode electrode 18A, for example 20 [mu] m, the width L C of the cathode electrode 18C, for example 20 [mu] m, and the anode electrode 18A and cathode electrode 18C l AC is, for example, 20 μm.

SBD1においては、フィールドプレート層17aが設けられていることによって、2DEG層aの2DEG濃度が、2DEG層a以外の2DEG層Aの2DEG濃度より低濃度化されている。これにより、フィールドプレート層17aが設けられた部分の電界強度を低減して電界集中を抑制できる。また、上述したように、電子走行層15における2DEG層aの2DEG濃度は、フィールドプレート層17aの膜厚が大きいほど低下する。そのため、この第1の実施形態においてフィールドプレート層17a(半導体層17)の膜厚は、20nm以上200nm以下、好適には、成長とエッチングを用いた膜厚制御により2DEG濃度の制御が容易になる20nm以上100nm以下、より好適には、膜厚のばらつきによる2DEG濃度のばらつきを受けにくくなる25nm以上80nm以下とする。この第1の実施形態においてフィールドプレート層17a、すなわち半導体層17はたとえば膜厚が30nmのGaN層からなる。   In the SBD 1, the 2DEG concentration of the 2DEG layer a is made lower than the 2DEG concentration of the 2DEG layer A other than the 2DEG layer a by providing the field plate layer 17a. Thereby, the electric field intensity of the portion provided with the field plate layer 17a can be reduced to suppress the electric field concentration. Further, as described above, the 2DEG concentration of the 2DEG layer a in the electron transit layer 15 decreases as the film thickness of the field plate layer 17a increases. Therefore, in the first embodiment, the film thickness of the field plate layer 17a (semiconductor layer 17) is 20 nm or more and 200 nm or less, preferably, control of the 2DEG concentration is facilitated by film thickness control using growth and etching. More preferably, the thickness is 25 nm to 80 nm which is less likely to be affected by variations in 2DEG concentration due to variations in film thickness. In the first embodiment, the field plate layer 17a, that is, the semiconductor layer 17 is made of, for example, a GaN layer having a thickness of 30 nm.

また、第1電極としてのアノード電極18Aは、たとえば、下部電極層がNi層で上部電極層がAu層のNi/Auの積層構造を有する。これにより、アノード電極18Aは、電子供給層16を介して電子走行層15に発生した2DEG層Aとショットキー接触する。なお、アノード電極18Aは、電子供給層16におけるアノード電極18Aの形成領域をリセスエッチングによって除去し、フィールドプレート層17aの下層に存在する2DEGに対して側面からショットキー接触させても良い。   The anode electrode 18A as the first electrode has, for example, a layered structure of Ni / Au in which the lower electrode layer is a Ni layer and the upper electrode layer is an Au layer. Thereby, the anode electrode 18A is in Schottky contact with the 2DEG layer A generated in the electron transit layer 15 via the electron supply layer 16. The anode electrode 18A may be removed by recess etching the formation region of the anode electrode 18A in the electron supply layer 16, and may be in Schottky contact with the 2DEG present under the field plate layer 17a from the side surface.

また、このアノード電極18Aは、フィールドプレート層17a上に乗り上げて少なくとも1段の段差を形成しているとともに、カソード電極18C側に向かってせり出すように延伸している。この第1の実施形態においてアノード電極18Aは、フィールドプレート層17aの側面および上面の一部に接触して設けられている。なお、アノード電極18Aとフィールドプレート層17aとの間に他の半導体膜や誘電体膜を介在させて互いに非接触としても良い。さらに、この第1の実施形態においては、アノード電極18Aに多段の段差を有する形状、たとえば2段の段差状にフィールドプレート部を設ける。   The anode electrode 18A runs on the field plate layer 17a to form at least one step, and extends so as to protrude toward the cathode electrode 18C. In the first embodiment, the anode electrode 18A is provided in contact with part of the side surface and the upper surface of the field plate layer 17a. Another semiconductor film or dielectric film may be interposed between the anode electrode 18A and the field plate layer 17a so as not to be in contact with each other. Furthermore, in the first embodiment, the field plate portion is provided in the anode electrode 18A in a shape having multiple steps, for example, two steps.

第2電極としてのカソード電極18Cは、たとえば、下部電極層がTi層で上部電極層がAl層のTi/Alの積層構造を有する。これにより、カソード電極18Cは、電子供給層16を介して電子走行層15に発生した2DEG層Aとオーミック接触する。   The cathode electrode 18C as the second electrode has, for example, a laminated structure of Ti / Al in which the lower electrode layer is a Ti layer and the upper electrode layer is an Al layer. As a result, the cathode electrode 18 C makes ohmic contact with the 2DEG layer A generated in the electron transit layer 15 via the electron supply layer 16.

絶縁膜19は、たとえばSiO2から構成されるが、その他の材料、具体的には窒化シリコン(SiN)や酸化アルミニウム(アルミナ:Al23)などから構成しても良く、複数種類の材料を適宜組み合せたり、順次積層させたりして構成しても良い。絶縁膜19は、主に、フィールドプレート層17a、アノード電極18A、カソード電極18C、および電子供給層16の表面を保護する。以上により、第1の実施形態によるSBD1が構成されている。Insulating film 19 is made of, for example, SiO 2 , but may be made of other materials, specifically silicon nitride (SiN), aluminum oxide (alumina: Al 2 O 3 ), etc. May be appropriately combined or sequentially laminated. The insulating film 19 mainly protects the surfaces of the field plate layer 17 a, the anode electrode 18 A, the cathode electrode 18 C, and the electron supply layer 16. The SBD 1 according to the first embodiment is configured as described above.

本発明者は、以上のように構成された窒化物半導体装置としてのSBD1において、平坦化層13を、AlN層(x=1)とAlxGa1-xN層(0≦x<1)とを複数積層させて構成した。AlxGa1-xN層は、積層方向の上方に向かって、膜厚を200nmから100nmずつ大きくする。また、AlN層は、積層方向の上方に向かって、膜厚を20nmから10nmずつ大きくする。なお、平坦化層13の炭素濃度は1×1017cm-3とした。その上で、平坦化層13を構成する上述したAlxGa1-xN層のAl組成比xを種々の値にして、SBD1の平坦化層13の膜厚ごとに耐圧を測定した。具体的にAlxGa1-xN層を、Al組成比xを0としたGaN層、Al組成比xを0.4としたAl0.4Ga0.6N層、またはAl組成比xを0.8としたAl0.8Ga0.2N層から構成した場合におけるSBD1の耐圧を、平坦化層13の膜厚ごとに測定した。なお、この第1の実施形態において、基準耐圧は600Vである。図4は、この基準耐圧以上となる装置の割合の平坦化層13の膜厚依存性を示すグラフである。ここで、SBD1の耐圧測定は、次のように行った。すなわち、まず基板11およびアノード電極18Aを接地する。そして、アノード電極18Aとカソード電極18Cとの間に、アノード電極18Aが負およびカソード電極18Cが正になるように、600Vの電圧を印加して、耐圧を測定する。The inventor of the present invention, in the SBD 1 as a nitride semiconductor device configured as described above, includes the planarization layer 13 including an AlN layer (x = 1) and an Al x Ga 1 -x N layer (0 ≦ x <1). And a plurality of stacked layers. The Al x Ga 1 -xN layer increases the film thickness by 200 nm to 100 nm in the upward direction of the stacking direction. Further, the thickness of the AlN layer is increased by 20 nm to 10 nm in the upward direction of the stacking direction. The carbon concentration of the planarization layer 13 was 1 × 10 17 cm −3 . In addition, the breakdown voltage was measured for each film thickness of the planarization layer 13 of the SBD 1 by setting the Al composition ratio x of the Al x Ga 1 -xN layer described above constituting the planarization layer 13 to various values. Specifically, the Al x Ga 1-x N layer is a GaN layer with an Al composition ratio x of 0, an Al 0.4 Ga 0.6 N layer with an Al composition ratio x of 0.4, or an Al composition ratio x of 0.8 The breakdown voltage of the SBD 1 was measured for each film thickness of the planarizing layer 13 in the case of the configuration from the Al 0.8 Ga 0.2 N layer. In the first embodiment, the reference withstand voltage is 600V. FIG. 4 is a graph showing the film thickness dependency of the level of the planarizing layer 13 of the ratio of the device which is equal to or higher than the reference withstand voltage. Here, the pressure resistance measurement of SBD 1 was performed as follows. That is, first, the substrate 11 and the anode electrode 18A are grounded. Then, a voltage of 600 V is applied between the anode electrode 18A and the cathode electrode 18C so that the anode electrode 18A is negative and the cathode electrode 18C is positive, and the breakdown voltage is measured.

図4から、Al組成比xにかかわらず平坦化層13の膜厚を0nmとした場合、すなわち平坦化層13を設けない従来構成の場合においては、基準耐圧以上となる装置の割合が30%程度であることが分かる。これに対し、平坦化層13のAlxGa1-xN層(0≦x<1)をGaN層から構成し、膜厚を500nm以上にすることによって、基準耐圧以上となる装置の割合を製造上好ましい割合である70%以上にできることが分かる。さらに、平坦化層13の膜厚を750nmおよび1000nm(1μm)にした場合には、基準耐圧以上となる装置の割合が80%以上になることが分かる。また、平坦化層13の膜厚を2000nm(2μm)以上にした場合には、基準耐圧以上となる装置の割合が90%以上にまで増加することが分かる。From FIG. 4, regardless of the Al composition ratio x, when the film thickness of the planarization layer 13 is 0 nm, that is, in the case of the conventional configuration in which the planarization layer 13 is not provided, the ratio of devices having the withstand voltage or more is 30% It turns out that it is an extent. On the other hand, by forming the Al x Ga 1 -xN layer (0 ≦ x <1) of the planarizing layer 13 from the GaN layer and setting the film thickness to 500 nm or more, the ratio of the device having the reference withstand voltage or more is It can be seen that it can be 70% or more, which is a preferable ratio for manufacturing. Furthermore, when the film thickness of the planarizing layer 13 is set to 750 nm and 1000 nm (1 μm), it can be seen that the ratio of the device having the reference withstand voltage or more is 80% or more. In addition, when the film thickness of the planarizing layer 13 is 2000 nm (2 μm) or more, it can be seen that the ratio of the device which is equal to or higher than the reference withstand voltage increases to 90% or more.

また、図4から、平坦化層13のAlxGa1-xN層(0≦x<1)をAl0.4Ga0.6N層とした場合、膜厚を500nmとした場合では基準耐圧以上となる装置の割合が40%程度であるのに対し、膜厚を1200nm以上にすることによって、基準耐圧以上となる装置の割合を70%以上にできることが分かる。さらに、平坦化層13のAlxGa1-xN層(0≦x<1)をAl0.8Ga0.2N層とした場合、膜厚を1000nmにすると基準耐圧以上となる装置の割合が50%程度であるのに対し、膜厚を2000nm以上にすることによって、基準耐圧以上となる装置の割合を70%以上にできることが分かる。すなわち、平坦化層13の炭素濃度を1×1017cm-3とした上で、AlxGa1-xN層(0≦x<1)を含む平坦化層13において、基準耐圧以上となる装置の割合を70%以上にするために必要な膜厚Dmin(nm)は、たとえば下記の(1)式で近似できることが分かる。また、必要な膜厚DminのAl組成比依存性は、図2に示す1μm径を埋めるために必要な膜厚のAl組成比依存性と同様の傾向を示すことが分かる。
min≒2000x+500 … (1)
なお、(1)式はあくまで平坦化層13として必要な膜厚DminのAl組成比依存性の傾向を示す一例であり、数値はこれらに限定されるものではない。
Further, from FIG. 4, when the Al x Ga 1 -x N layer (0 ≦ x <1) of the planarization layer 13 is an Al 0.4 Ga 0.6 N layer, the reference withstand voltage is obtained when the film thickness is 500 nm. While the ratio of the devices is about 40%, it can be seen that by setting the film thickness to 1200 nm or more, the ratio of the devices having the reference withstand voltage or more can be 70% or more. Furthermore, in the case where the Al x Ga 1 -x N layer (0 ≦ x <1) of the planarizing layer 13 is an Al 0.8 Ga 0.2 N layer, 50% of the devices have a standard withstand voltage or more when the film thickness is 1000 nm. On the other hand, it can be seen that, by setting the film thickness to 2000 nm or more, the ratio of the device having the reference withstand voltage or more can be 70% or more. That is, after setting the carbon concentration of the planarization layer 13 to 1 × 10 17 cm −3 , in the planarization layer 13 including the Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1), the reference withstand voltage or more is obtained. It can be seen that the film thickness D min (nm) required to make the ratio of the device 70% or more can be approximated by, for example, the following equation (1). In addition, it can be seen that the Al composition ratio dependency of the required film thickness D min exhibits the same tendency as the Al composition ratio dependency of the film thickness necessary for filling the 1 μm diameter shown in FIG.
D min 2000 2000 x + 500 (1)
The equation (1) is merely an example showing the tendency of the Al composition ratio dependency of the film thickness D min necessary for the planarization layer 13, and the numerical values are not limited to these.

また、本発明者は、以上のように構成された窒化物半導体装置としてのSBD1において、平坦化層13として、その膜厚をたとえば2000nmとした。その上で、平坦化層13のAlxGa1-xN層(0≦x<1)を、Al組成比xが0のGaN層、Al組成比xが0.4のAl0.4Ga0.6N層、またはAl組成比xが0.8のAl0.8Ga0.2N層から構成した場合において、SBD1のAlxGa1-xN層の炭素濃度ごとの基準耐圧以上となる装置の割合を算出した。図5は、この基準耐圧以上となる装置の割合の平坦化層13の炭素濃度依存性を示すグラフである。Further, in the SBD 1 as the nitride semiconductor device configured as described above, the inventor set the film thickness of the planarization layer 13 to, for example, 2000 nm. Then, the Al x Ga 1 -xN layer (0 ≦ x <1) of the planarizing layer 13 is used as a GaN layer with an Al composition ratio x of 0, Al 0.4 Ga 0.6 N with an Al composition ratio x of 0.4. Layer or the ratio of the device which is equal to or higher than the reference breakdown voltage for each carbon concentration of the Al x Ga 1 -x N layer of the SBD 1 when the layer is composed of an Al 0.8 Ga 0.2 N layer having an Al composition ratio x of 0.8. . FIG. 5 is a graph showing the carbon concentration dependency of the planarizing layer 13 of the ratio of the device which is equal to or higher than the reference withstand voltage.

図5から、Al組成比xにかかわらず平坦化層13の炭素濃度が1.0×1019cm-3の場合、すなわち従来構成のバッファ層と同様の構成の場合においては、基準耐圧以上となる装置の割合が30%以下であることが分かる。これに対し、平坦化層13のAlxGa1-xN層(0≦x<1)をGaN層から構成し、炭素濃度を1.0×1018cm-3以下にすることによって、基準耐圧以上となる装置の割合を製造上好ましい割合である70%以上にできることが分かる。さらに、平坦化層13の炭素濃度を7.0×1017cm-3以下にした場合には基準耐圧以上となる装置の割合が80%以上、1.0×1016cm-3以下にした場合には基準耐圧以上となる装置の割合が90%以上にまで増加することが分かる。From FIG. 5, regardless of the Al composition ratio x, when the carbon concentration of the planarizing layer 13 is 1.0 × 10 19 cm −3 , ie, in the case of the same configuration as the buffer layer of the conventional configuration, The ratio of the devices is less than 30%. On the other hand, by forming the Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x <1) of the planarizing layer 13 from the GaN layer and setting the carbon concentration to 1.0 × 10 18 cm −3 or less, the standard is achieved. It turns out that the ratio of the apparatus which becomes more than withstand pressure can be made into 70% or more which is a preferable ratio on manufacture. Furthermore, when the carbon concentration of the planarizing layer 13 is 7.0 × 10 17 cm −3 or less, the ratio of the device which exceeds the standard withstand voltage is 80% or more and 1.0 × 10 16 cm −3 or less. In this case, it can be seen that the proportion of the devices which is equal to or higher than the reference withstand voltage is increased to 90% or more.

また、図5から、平坦化層13のAlxGa1-xN層(0≦x<1)をAl0.4Ga0.6N層から構成した場合、炭素濃度を1.0×1018cm-3とした場合では基準耐圧以上となる装置の割合が50%程度であるのに対し、炭素濃度を5.0×1017cm-3以下にすることによって、基準耐圧以上となる装置の割合を70%以上にできることが分かる。さらに、平坦化層13のAlxGa1-xN層(0≦x<1)をAl0.8Ga0.2N層から構成した場合、炭素濃度を1.0×1018cm-3とした場合では基準耐圧以上となる装置の割合が40%程度であるのに対し、炭素濃度を1.0×1017cm-3以下にすることによって、基準耐圧以上となる装置の割合を70%以上にできることが分かる。すなわち、平坦化層13を、膜厚を2000nmとしたAl組成比xのAlxGa1-xN層(0≦x≦1)から構成する場合、基準耐圧以上となる装置の割合を70%以上にするための上限の炭素濃度は、少なくとも1.0×1018cm-3以下が好ましく、1.0×1017cm-3以下がより好ましいことが分かる。以上の点から、平坦化層13を所定の膜厚にする場合、平坦化層13のAlxGa1-xN層のAl組成比xが大きくなるのに従って、平坦化層13における設計上の炭素濃度を低減させることによって、平坦化層13の表面の平坦性を確保することが可能になる。Further, from FIG. 5, when the Al x Ga 1 -xN layer (0 ≦ x <1) of the planarization layer 13 is composed of the Al 0.4 Ga 0.6 N layer, the carbon concentration is 1.0 × 10 18 cm −3. In this case, while the proportion of devices that achieve the standard withstand pressure or higher is about 50%, the proportion of devices that achieve the standard withstand pressure or higher by setting the carbon concentration to 5.0 × 10 17 cm -3 or less is 70%. It can be seen that it can be made more than%. Furthermore, in the case where the Al x Ga 1 -x N layer (0 ≦ x <1) of the planarizing layer 13 is formed of the Al 0.8 Ga 0.2 N layer, in the case where the carbon concentration is 1.0 × 10 18 cm −3 While the percentage of devices that achieve the standard withstand pressure or higher is about 40%, the percentage of devices that achieve the standard withstand pressure or higher can be 70% or higher by setting the carbon concentration to 1.0 × 10 17 cm -3 or less. I understand. That is, when the planarizing layer 13 is formed of an Al x Ga 1 -x N layer (0 x x 1 1) with an Al composition ratio x with a film thickness of 2000 nm, the ratio of devices having the withstand voltage or more is 70%. It is understood that at least 1.0 × 10 18 cm −3 or less is preferable, and 1.0 × 10 17 cm −3 or less is more preferable as the upper limit carbon concentration for making the above. From the above points, in the case where the planarizing layer 13 has a predetermined film thickness, as the Al composition ratio x of the Al x Ga 1 -xN layer of the planarizing layer 13 becomes larger, the design in the planarizing layer 13 By reducing the carbon concentration, it is possible to ensure the flatness of the surface of the planarization layer 13.

以上から、平坦化層13を、AlxGa1-xN層(0≦x≦1)を含んだ構成にする場合、平坦化層13の膜厚の設計自由度が向上する観点からは、Al組成比xは小さい方が好ましいことが分かる。具体的に平坦化層13のAlxGa1-xN層(0≦x≦1)のAl組成比xとしては、0以上0.4以下(0≦x≦0.4)が好ましく、0以上0.05以下(0≦x≦0.05)がより好ましい。ここで、本発明者が実験から得た知見によれば、Al組成比xが0以上0.05以下の範囲内であれば、基準耐圧以上となる装置の割合の平坦化層13の膜厚依存性の傾向は、図4に示すAl組成比xが0の場合の傾向とほぼ同様の傾向を示す。From the above, when the planarizing layer 13 includes the Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x ≦ 1), from the viewpoint of improving the design freedom of the film thickness of the planarizing layer 13, It is understood that the smaller the Al composition ratio x, the better. Specifically, the Al composition ratio x of the Al x Ga 1-x N layer (0 ≦ x ≦ 1) of the planarizing layer 13 is preferably 0 or more and 0.4 or less (0 ≦ x ≦ 0.4), and 0 More preferably, it is not less than 0.05 (0 ≦ x ≦ 0.05). Here, according to the knowledge obtained by the present inventor from the experiment, the film thickness of the planarizing layer 13 of the ratio of the device having the reference withstand voltage or more if the Al composition ratio x is in the range of 0 to 0.05. The tendency of dependence shows almost the same tendency as the tendency when the Al composition ratio x is 0 shown in FIG.

さらに、平坦化層13の表面の平坦性を確保するために、Al組成比xの増加に伴って設計膜厚の下限を増加させるのが好ましいことが分かる。同様に、平坦化層13の炭素濃度は低い方が好ましく、平坦化層13の表面の平坦性を確保するために、Al組成比xの増加に伴って炭素濃度を低減させるのが好ましいことが分かる。そして、以上の条件によって、基板11や介在層12の表面に存在する異物20に起因した欠陥の発生を抑制できることが確認された。   Furthermore, it is understood that it is preferable to increase the lower limit of the designed film thickness as the Al composition ratio x increases in order to ensure the flatness of the surface of the planarizing layer 13. Similarly, it is preferable that the carbon concentration of the planarization layer 13 be lower, and in order to ensure the flatness of the surface of the planarization layer 13, it is preferable to reduce the carbon concentration with the increase of the Al composition ratio x. I understand. And it was confirmed that generation | occurrence | production of the defect resulting from the foreign material 20 which exists on the surface of the board | substrate 11 or the intervening layer 12 can be suppressed according to the above conditions.

以上説明したように、本発明の第1の実施形態によれば、バッファ層14の下層に炭素濃度を1.0×1018cm-3以下として、表面が平坦化された平坦化層13を設けることにより、基板11や介在層12の表面などに存在する異物20に起因した欠陥の発生を抑制することができる。これにより、平坦化層13の上層に形成されるバッファ層14および電子走行層15に欠陥が生じるのを抑制できるので、窒化物半導体装置におけるリーク電流を抑制できるとともに、耐圧の低下を抑制できる。As described above, according to the first embodiment of the present invention, the lower layer of the buffer layer 14 has the carbon concentration of 1.0 × 10 18 cm −3 or less, and the planarized layer 13 is planarized. By providing them, it is possible to suppress the occurrence of defects caused by the foreign matter 20 present on the surface of the substrate 11 or the intervening layer 12 or the like. As a result, the occurrence of defects in the buffer layer 14 and the electron transit layer 15 formed in the upper layer of the planarization layer 13 can be suppressed, so that the leak current in the nitride semiconductor device can be suppressed, and the reduction in breakdown voltage can be suppressed.

(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態による窒化物半導体装置としてのHEMT型電界効果トランジスタについて説明する。図6は、この第2の実施形態による窒化物半導体装置としてのHEMTを示す模式的な断面図である。
Second Embodiment
Next, a HEMT field effect transistor as a nitride semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a HEMT as a nitride semiconductor device according to the second embodiment.

図6に示すように、第2の実施形態によるHEMT2は、第1の実施形態における半導体積層基板10における構造に加えて、電子供給層16上に選択的に、フィールドプレート層17bと、互いに離間したソース電極21S、ゲート電極21Gおよびドレイン電極21Dと、絶縁膜22とを備える。このHEMT2は、負のしきい値電圧で動作するデプレッション・モード(Depletion mode:D-mode)のHEMT(D-mode HEMT)である。   As shown in FIG. 6, the HEMT 2 according to the second embodiment is selectively separated from the field plate layer 17b on the electron supply layer 16 in addition to the structure in the semiconductor multilayer substrate 10 in the first embodiment. A source electrode 21S, a gate electrode 21G, a drain electrode 21D, and an insulating film 22 are provided. The HEMT 2 is a depletion mode (D-mode) HEMT (D-mode HEMT) operating at a negative threshold voltage.

ここで、このHEMT2の寸法の一例を挙げると、複数のHEMT2を集積させた窒化物半導体装置の幅方向に沿った幅は、たとえば150mmである。また、ソース電極21Sにおける基板11の表面に平行で幅方向に沿った幅LSは、たとえば20μmである。ゲート電極21Gの同様の幅LGは、たとえば5μmである。ドレイン電極21Dの同様の幅LDは、たとえば20μmである。そして、基板11の表面に平行で幅方向に沿って、ソース電極21Sとゲート電極21Gとの間隔lSGは、たとえば5μm、ゲート電極21Gとドレイン電極21Dとの間隔lGDは、たとえば15μmである。Here, as an example of the dimensions of the HEMT 2, the width along the width direction of the nitride semiconductor device in which the plurality of HEMTs 2 are integrated is, for example, 150 mm. The width L S of the source electrode 21S parallel to the surface of the substrate 11 and along the width direction is, for example, 20 μm. Similar width L G of the gate electrode 21G is, for example, 5 [mu] m. Similar width L D of the drain electrode 21D is, for example, 20 [mu] m. Then, along parallel width direction on the surface of the substrate 11, the interval l SG of the source electrode 21S and the gate electrode 21G, for example 5 [mu] m, distance l GD between the gate electrode 21G and the drain electrode 21D is, for example, at 15μm .

また、電子走行層15に生じる2DEGの2DEG濃度は、半導体層17の一部からなるフィールドプレート層17bの膜厚が大きいほど低下する。そのため、この第2の実施形態において、フィールドプレート層17bの膜厚は、第1の実施形態における理由と同様の理由から、20nm以上200nm以下が好ましく、好適には20nm以上100nm以下、より好適には25nm以上80nm以下である。   The 2DEG concentration of 2DEG generated in the electron transit layer 15 decreases as the film thickness of the field plate layer 17 b formed of a part of the semiconductor layer 17 increases. Therefore, in the second embodiment, the film thickness of the field plate layer 17b is preferably 20 nm or more and 200 nm or less, preferably 20 nm or more and 100 nm or less, for the same reason as the reason in the first embodiment. Is 25 nm or more and 80 nm or less.

また、この第2の実施形態においては、電子走行層15、電子供給層16、およびフィールドプレート層17bによって半導体積層体が構成される。そして、フィールドプレート層17bにより半導体積層体の内部の2DEG濃度が低減される。すなわち、フィールドプレート層17bの下方領域に、2DEG濃度が低い2DEG層aが生成される。ここで、HEMT2の高耐圧化の観点からは、2DEG層aの2DEG濃度は、7×1012cm-2以下にするのが好ましい。また、HEMT2のオン抵抗を低減する観点から、2DEG濃度が比較的高い2DEG層Aの2DEG濃度は、7×1012cm-2よりも高くするのが好ましい。なお、上述したように、電子供給層16における平均Al組成比Yおよび積層層数を調整することにより、2DEG濃度がたとえば3×1013cm-2未満になるように設定される。また、第1の実施形態と同様に、半導体積層体を電子走行層15および電子供給層16から構成しても良く、電子供給層16と半導体層17の間にエッチング犠牲層を設けることも可能である。この場合、電子走行層15、電子供給層16、エッチング犠牲層、および半導体層17を所定形状にエッチングしたフィールドプレート層17bによって半導体積層体が構成される。In the second embodiment, the electron transit layer 15, the electron supply layer 16, and the field plate layer 17b constitute a semiconductor laminate. Then, the 2DEG concentration inside the semiconductor laminate is reduced by the field plate layer 17b. That is, the 2DEG layer a having a low 2DEG concentration is generated in the lower region of the field plate layer 17b. Here, from the viewpoint of increasing the breakdown voltage of the HEMT 2 , the 2DEG concentration of the 2DEG layer a is preferably 7 × 10 12 cm −2 or less. Further, from the viewpoint of reducing the on-resistance of the HEMT 2, the 2DEG concentration of the 2DEG layer A having a relatively high 2DEG concentration is preferably higher than 7 × 10 12 cm −2 . As described above, by adjusting the average Al composition ratio Y in the electron supply layer 16 and the number of laminated layers, the 2DEG concentration is set to, for example, less than 3 × 10 13 cm −2 . Further, as in the first embodiment, the semiconductor laminate may be formed of the electron transit layer 15 and the electron supply layer 16, and an etching sacrificial layer may be provided between the electron supply layer 16 and the semiconductor layer 17. It is. In this case, the semiconductor laminated body is constituted by the field plate layer 17 b obtained by etching the electron transit layer 15, the electron supply layer 16, the etching sacrificial layer, and the semiconductor layer 17 into a predetermined shape.

また、第2電極としてのドレイン電極21Dおよび第3電極としてのソース電極21Sは、電子供給層16上に設けられ、たとえばTi/Alの積層構造から構成される。これにより、ドレイン電極21Dおよびソース電極21Sは、電子供給層16を介して2DEG層Aとオーミック接触する。   Further, the drain electrode 21D as the second electrode and the source electrode 21S as the third electrode are provided on the electron supply layer 16, and are formed of, for example, a laminated structure of Ti / Al. Thus, the drain electrode 21D and the source electrode 21S make ohmic contact with the 2DEG layer A via the electron supply layer 16.

また、第1電極としてのゲート電極21Gは、ドレイン電極21Dとソース電極21Sとの間に配置され、フィールドプレート層17b上、および絶縁膜22にせり出して設けられている。このゲート電極21Gは、たとえばNi/Auの積層構造から構成される。これによって、ゲート電極21Gは、電子供給層16を介して電子走行層15における2DEG層Aとショットキー接触する。また、ゲート電極21Gは、多段の段差状、たとえばソース電極21Sおよびドレイン電極21Dの両側に向かって段差状にフィールドプレート部がせり出すように延伸して設けられている。なお、第2の実施形態においては、ゲート電極21Gの一部分が電子供給層16と接触するように形成されているが、電子供給層16とゲート電極21Gとの間にフィールドプレート層17bを介するように構成することも可能である。   Further, the gate electrode 21G as the first electrode is disposed between the drain electrode 21D and the source electrode 21S, and provided so as to protrude on the field plate layer 17b and the insulating film 22. Gate electrode 21G is formed of, for example, a laminated structure of Ni / Au. As a result, the gate electrode 21 G comes into Schottky contact with the 2DEG layer A in the electron transit layer 15 via the electron supply layer 16. The gate electrode 21G is extended so that the field plate portion protrudes in a step-like shape toward multiple sides of the source electrode 21S and the drain electrode 21D, for example. In the second embodiment, a part of the gate electrode 21G is formed to be in contact with the electron supply layer 16, but the field plate layer 17b is interposed between the electron supply layer 16 and the gate electrode 21G. It is also possible to configure.

また、絶縁膜22は第1の実施形態における絶縁膜19と同様の材料、たとえばSiO2から構成される。絶縁膜22は、主に、フィールドプレート層17bと、ゲート電極21Gと、ドレイン電極21Dと、ソース電極21Sと、電子供給層16の表面とを保護する。以上により、第2の実施形態によるHEMT2が構成されている。The insulating film 22 is made of the same material as the insulating film 19 in the first embodiment, for example, SiO 2 . The insulating film 22 mainly protects the field plate layer 17 b, the gate electrode 21 G, the drain electrode 21 D, the source electrode 21 S, and the surface of the electron supply layer 16. Thus, the HEMT 2 according to the second embodiment is configured.

また、この第2の実施形態によるHEMT2の耐圧測定は次のように行う。すなわち、まず基板11とソース電極21Sとを接地する。そして、ソース電極21Sとゲート電極21Gとの間に、ゲート電極21Gが−10Vの負の電位、かつソース電極21Sが0の電位になるように電圧を印加してHEMT2をオフ状態にする。このHEMT2のオフ状態において、ソース電極21Sとドレイン電極21Dとの間に、ドレイン電極21Dが基準耐圧である600Vの正の電位になるように電圧を印加して、耐圧を測定する。   The breakdown voltage of the HEMT 2 according to the second embodiment is measured as follows. That is, first, the substrate 11 and the source electrode 21S are grounded. Then, a voltage is applied between the source electrode 21S and the gate electrode 21G so that the gate electrode 21G has a negative potential of -10 V and the source electrode 21S has a potential of 0, thereby turning the HEMT 2 into the OFF state. In the OFF state of the HEMT 2, a voltage is applied between the source electrode 21S and the drain electrode 21D so that the drain electrode 21D has a positive potential of 600 V which is a reference withstand voltage, and the withstand voltage is measured.

この第2の実施形態においては、第1の実施形態と同様の半導体積層基板10を用いていることにより、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。   In the second embodiment, by using the semiconductor multilayer substrate 10 similar to that of the first embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。すなわち、上述した第1および第2の実施形態においては、図1および図3に示す平坦化層13として、炭素が低濃度にドープされた単層または積層構造のAlXGa1-XN層(0≦X≦1)が用いられている。この第3の実施形態においては、この平坦化層13にさらにサーファクタント原子からなる不純物をドーピングする。ここで、サーファクタント原子としては、マグネシウム(Mg)、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、酸素(O)、およびアンチモン(Sb)などを挙げることができる。
Third Embodiment
Next, a third embodiment of the present invention will be described. That is, in the first and second embodiments described above, a single layer or laminated structure Al x Ga 1 -x N layer doped with low concentration of carbon is used as the planarization layer 13 shown in FIGS. 1 and 3. (0 ≦ X ≦ 1) is used. In the third embodiment, the planarization layer 13 is further doped with an impurity of surfactant atoms. Here, examples of surfactant atoms include magnesium (Mg), indium (In), zinc (Zn), silicon (Si), germanium (Ge), oxygen (O), and antimony (Sb).

そして、本発明者は、上述した平坦化層13にドープするサーファクタント原子としてのMg、In、Zn、Si、Ge、O、およびSbのドーピング濃度を、1.0×1015cm-3以上7.0×1018cm-3以下の間で種々変化させ、SBD1の耐圧を測定した。なお、平坦化層13を、Al組成比Xが0のGaN層から構成して膜厚をたとえば2900nmとし、GaN層の膜厚が700nmになるごとに20nmの膜厚のAlN層を介在させて、炭素濃度を5.0×1018cm-3とした。図7は、その測定結果を示す、SBD1の基準耐圧以上となる装置の割合におけるサーファクタント濃度依存性を示すグラフである。Then, the inventor has made the doping concentration of Mg, In, Zn, Si, Ge, O, and Sb as surfactant atoms to be doped into the above-described planarizing layer 13 be 1.0 × 10 15 cm −3 or more 7 .0 × 10 18 cm -3 while varying between follows, to measure the withstand voltage of the SBD 1. The flattening layer 13 is formed of a GaN layer having an Al composition ratio X of 0 and has a thickness of, for example, 2900 nm, and an AlN layer having a thickness of 20 nm is interposed whenever the thickness of the GaN layer becomes 700 nm. The carbon concentration was 5.0 × 10 18 cm −3 . FIG. 7 is a graph showing the surfactant concentration dependency in the ratio of the device which is equal to or higher than the reference withstand voltage of SBD 1, showing the measurement result.

図7から、サーファクタント濃度を1.0×1016cm-3以上にすると、基準耐圧以上となる装置の割合を製造上好ましい割合である70%にできることが分かる。また、基準耐圧以上となる装置の割合を70%以上にするためには、サーファクタント濃度を1.0×1018cm-3以下にするのが好ましいことが分かる。From FIG. 7, it can be seen that, when the surfactant concentration is 1.0 × 10 16 cm −3 or more, the ratio of the device which is equal to or higher than the reference withstand voltage can be made 70% which is a preferable ratio in manufacturing. Further, it is understood that it is preferable to set the surfactant concentration to 1.0 × 10 18 cm −3 or less in order to set the ratio of the devices which are equal to or higher than the reference withstand voltage to 70% or more.

この第3の実施形態によれば、サーファクタント原子を不純物として半導体層にドーピングしていることにより、AlxGa1-xN層などの窒化物半導体層が積層方向に対して直角の方向(横方向)に成長しやすくなる。そのため、サーファクタント原子がドーピングされた窒化物半導体層の表面は、平坦化しやすくなるので、上述した平坦化層13の形成をより一層効率的に行うことができる。さらに、サーファクタント原子のドーピングによって平坦化層13の炭素濃度の上限を低下させることも可能になる。すなわち、平坦化層13の炭素濃度を5.0×1018cm-3以下の低濃度にするとともに、サーファクタント濃度を1.0×1016cm-3以上1.0×1018cm-3以下にすることによって、窒化物半導体装置における基準耐圧以上となる装置の割合を70%以上にできる。これは、平坦化層13の炭素濃度を1.0×1018cm-3以上として第1および第2の実施形態における炭素濃度より高濃度にした場合であっても同様である。すなわち、窒化物半導体装置において基準耐圧以上となる装置の割合を70%以上にでき、基準耐圧以上となる装置の割合を向上できる。According to the third embodiment, by doping the semiconductor layer with a surfactant atom as an impurity, the nitride semiconductor layer such as the Al x Ga 1 -xN layer is perpendicular to the stacking direction (horizontal direction). Growth direction). Therefore, the surface of the nitride semiconductor layer doped with surfactant atoms is easily planarized, so that the formation of the planarizing layer 13 described above can be performed more efficiently. Furthermore, it is also possible to lower the upper limit of the carbon concentration of the planarization layer 13 by the doping of surfactant atoms. That is, the carbon concentration of the planarizing layer 13 is set to a low concentration of 5.0 × 10 18 cm −3 or less, and the surfactant concentration is 1.0 × 10 16 cm −3 or more and 1.0 × 10 18 cm −3 or less By setting the ratio to 70% or more of the nitride semiconductor device, the ratio of the device to be equal to or higher than the reference withstand voltage can be increased. This is the same as in the case where the carbon concentration of the planarizing layer 13 is set to 1.0 × 10 18 cm −3 or more and higher than the carbon concentration in the first and second embodiments. That is, in the nitride semiconductor device, the ratio of devices having the reference withstand voltage or more can be 70% or more, and the ratio of the devices having the reference withstand voltage or more can be improved.

以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。たとえば、上述の実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いても良い。また、上述の実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described concretely, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, Various deformation | transformation based on the technical idea of this invention are possible. For example, the numerical values listed in the above-described embodiment are merely examples, and different numerical values may be used as needed. Further, the present invention is not limited by the above-described embodiment. The present invention also includes those configured by appropriately combining the above-described components. Further, further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art.

また、たとえば、上述の実施形態においては、電子供給層16をAlGaN超格子層としているが、AlGaN超格子層以外にも、複数のInpAlqGa1-p-qN層(0≦p<1、0<q≦1、0<p+q<1)を積層させて超格子層としたInAlGaN超格子層を採用することも可能である。Further, for example, in the above-described embodiment, the electron supply layer 16 is an AlGaN super lattice layer, but in addition to the AlGaN super lattice layer, a plurality of In p Al q Ga 1 -p q N layers (0 ≦ p <1 It is also possible to adopt an InAlGaN super lattice layer in which 0 <q ≦ 1, 0 <p + q <1) is stacked to form a super lattice layer.

また、ダイオードのアノード電極およびトランジスタのゲート電極の下部電極層は、電子供給層とショットキー接触する電極である。そのため、上述したニッケル(Ni)やチタン(Ti)以外にも、たとえば白金(Pt)、パラジウム(Pd)、タングステン(W)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、タンタル(Ta)、アルミニウム(Al)のうち少なくとも1つを含む金属膜、または、Ti、Ni、Pt、Pd、W、Au、Ag、Cu、Ta、Alのうち少なくとも1つを含む合金よりなる金属膜のうち、少なくとも1つを含む金属膜、または、Ti、W、Taのうち少なくとも1つを含む窒化物合金からなる金属膜など、上記条件を満たす金属材料であれば種々のものを用いても良い。   The anode electrode of the diode and the lower electrode layer of the gate electrode of the transistor are electrodes in Schottky contact with the electron supply layer. Therefore, other than nickel (Ni) and titanium (Ti) described above, platinum (Pt), palladium (Pd), tungsten (W), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), tantalum (for example) Ta), a metal film containing at least one of aluminum (Al), or a metal film consisting of an alloy containing at least one of Ti, Ni, Pt, Pd, W, Au, Ag, Cu, Ta, Al Even if it is a metal material which satisfies the above conditions, such as a metal film containing at least one or a metal film consisting of a nitride alloy containing at least one of Ti, W, and Ta good.

また、ダイオードのアノード電極およびトランジスタのゲート電極の上部電極層は、下部電極層より仕事関数の小さい金属からなり、この条件を満たす金属材料であれば種々のものを用いても良い。   In addition, the anode electrode of the diode and the upper electrode layer of the gate electrode of the transistor are made of a metal having a work function smaller than that of the lower electrode layer, and various metal materials that satisfy this condition may be used.

また、ダイオードのカソード電極およびトランジスタのソース電極およびドレイン電極は、電子供給層とオーミック接触する、または、接触抵抗が十分に小さい状態で接触する電極である。ただし、本発明ではこれに限定されず、たとえばTi、Al、シリコン(Si)、鉛(Pb)、クロム(Cr)、In、Taのうち少なくとも1つを含む金属膜、Ti、Al、Si、Pb、Cr、In、Taのうち少なくとも1つを含む合金よりなる金属膜、または、Ti、Al、Si、Taのうち少なくとも1つを含むシリサイド合金よりなる金属膜、または、Ti、W、Taのうち少なくとも1つを含む窒化物合金よりなる金属膜などのうち、少なくとも1つを含む金属膜など、上記条件を満たす金属材料であれば如何なるものを用いても良い。   In addition, the cathode electrode of the diode and the source electrode and the drain electrode of the transistor are in ohmic contact with the electron supply layer, or in contact with the electron supply layer with sufficiently small contact resistance. However, the present invention is not limited to this, and for example, a metal film containing at least one of Ti, Al, silicon (Si), lead (Pb), chromium (Cr), In, and Ta, Ti, Al, Si, A metal film made of an alloy containing at least one of Pb, Cr, In and Ta, or a metal film made of a silicide alloy containing at least one of Ti, Al, Si and Ta, or Ti, W, Ta Any metal material that satisfies the above conditions, such as a metal film containing at least one of metal films made of a nitride alloy containing at least one of the foregoing, may be used.

また、上述の実施形態においては、本発明による半導体装置として、SBDおよびHEMTを例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、電子供給層とゲート電極との間にゲート絶縁膜を設けて構成したMIS−HEMT(Metal Insulator Semiconductor HEMT)、電子供給層を電子走行層に至らない深さにエッチングして形成したリセス部にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられたリセスMIS−HEMT(Recessed MIS-HEMT)、電子走行層にまで至る深さのエッチングを行って形成したリセス部に酸化アルミニウム(AlO)などからなるゲート酸化膜を介してゲート電極が設けられたMOS−HEMT(Metal Oxide Semiconductor HEMT)、電子走行層にまで至る深さのエッチングを行って形成したリセス部に窒化アルミニウム(AlN)などからなるゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられた、E−mode MIS−HEMT(Enhancement-mode MIS-HEMT)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)、MISFET(Metal Insulator Semiconductor FET)、およびMESFET(Metal Semiconductor FET)などの、種々の半導体装置に対して適用することができる。そして、本発明をこれらのトランジスタに適用する場合、ゲート電極とフィールドプレート層との間に酸化膜などの絶縁膜を設けることも可能である。また、本発明は、HEMTとMOSFET等とを組み合わせてカスコード接続したトランジスタなどの、複数の半導体素子を備えた半導体装置のうちの、少なくとも一方の半導体素子に対して適用することも可能である。   Moreover, in the above-mentioned embodiment, although SBD and HEMT were mentioned as an example as a semiconductor device by the present invention, the present invention is not limited to this. That is, a MIS-HEMT (Metal Insulator Semiconductor HEMT) configured by providing a gate insulating film between the electron supply layer and the gate electrode, and a recess portion formed by etching the electron supply layer to a depth not reaching the electron transit layer And a recess MIS-HEMT (Recessed MIS-HEMT) provided with a gate electrode through a gate insulating film, and a recess formed by performing etching to a depth up to the electron travel layer is made of aluminum oxide (AlO) or the like. A MOS-HEMT (Metal Oxide Semiconductor HEMT) provided with a gate electrode through a gate oxide film, and a gate insulation made of aluminum nitride (AlN) or the like in a recess formed by etching to a depth up to the electron transit layer E-mode MIS-HEMT (Enhanced-mode MIS-HEMT), MOSFET (Metal) provided with a gate electrode through a film The present invention can be applied to various semiconductor devices such as an oxide semiconductor FET), a MISFET (metal insulator semiconductor FET), and a MESFET (metal semiconductor FET). When the present invention is applied to these transistors, it is also possible to provide an insulating film such as an oxide film between the gate electrode and the field plate layer. The present invention can also be applied to at least one of semiconductor devices including a plurality of semiconductor elements such as a transistor in which a HEMT and a MOSFET are combined to form a cascode connection.

また、上述の実施形態においては、電子供給層やエッチング犠牲層の表面に電極を形成しているが、必ずしもこれらに限定されるものではなく、電子走行層、電子供給層、エッチング犠牲層、および半導体層やフィールドプレート層を含み、必要に応じてその他の層を含む半導体積層体のうちの少なくとも1層の上に電極を設けることが可能である。すなわち、半導体積層体を構成するその他の層の上に電極を設けても良い。具体的には、電子供給層の表面に、絶縁層、フィールドプレート層などの窒化物系半導体層、またはこれらの積層膜を介して、アノード電極、カソード電極、ゲート電極、ドレイン電極、またはソース電極を設けることも可能である。また、電子供給層の電極の形成領域の一部を電子走行層に達するまでエッチング除去してリセス部を形成し、このリセス部の表面、またはリセス部表面に所定の膜を介して、アノード電極、カソード電極、ゲート電極、ドレイン電極、またはソース電極を設けることも可能である。   Moreover, in the above-mentioned embodiment, although the electrode is formed on the surface of the electron supply layer and the etching sacrificial layer, it is not necessarily limited to these, and the electron transit layer, the electron supply layer, the etching sacrificial layer, and It is possible to provide an electrode on at least one of the semiconductor stack including the semiconductor layer and the field plate layer, and optionally other layers. That is, an electrode may be provided on the other layers constituting the semiconductor laminate. Specifically, an anode electrode, a cathode electrode, a gate electrode, a drain electrode, or a source electrode is formed on the surface of the electron supply layer via a nitride-based semiconductor layer such as an insulating layer or a field plate layer, or a laminated film thereof. It is also possible to provide Further, a recess is formed by etching away a part of the electrode formation region of the electron supply layer until reaching the electron transit layer, and the anode electrode is formed on the surface of the recess or the surface of the recess through a predetermined film. It is also possible to provide a cathode electrode, a gate electrode, a drain electrode or a source electrode.

1 SBD
2 HEMT
10 半導体積層基板
11 基板
12 介在層
13 平坦化層
14 バッファ層
15 電子走行層
16 電子供給層
17 半導体層
17a,17b フィールドプレート層
18A アノード電極
18C カソード電極
19,22 絶縁膜
20 異物
21D ドレイン電極
21G ゲート電極
21S ソース電極
1 SBD
2 HEMT
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 semiconductor lamination substrate 11 substrate 12 intervening layer 13 planarization layer 14 buffer layer 15 electron traveling layer 16 electron supply layer 17 semiconductor layer 17a, 17b field plate layer 18A anode electrode 18C cathode electrode 19, 22 insulating film 20 foreign matter 21D drain electrode 21G Gate electrode 21S Source electrode

Claims (11)

基板と、
前記基板の上層に設けられ、量子サイズ効果を生ずる程度に薄い複数の半導体層が繰り返し積層された超格子構造から構成され、炭素がドープされたバッファ層と、
前記バッファ層の上層に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、および前記第1半導体層の上層に設けられ前記第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い第2半導体層を有する半導体積層体と、
前記半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第1電極と、
前記半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に、前記第1電極と離間して設けられる第2電極と、を備え、
前記基板と前記バッファ層との間に、炭素が1.0×1018cm-3以下の濃度で含有した第3半導体層が設けられ、
前記基板と前記第3半導体層との間に、前記基板の材料と前記第3半導体層の材料との反応を抑制する介在層が設けられ、
前記介在層上には異物が存在した状態であって、
前記第3半導体層の膜厚が500nm以上3000nm未満であり、
前記第3半導体層は、窒化アルミニウム層と窒化ガリウム層とが複数積層されたものであ
ことを特徴とする窒化物半導体装置。
A substrate,
A carbon-doped buffer layer comprising a superlattice structure provided on an upper layer of the substrate and having a plurality of semiconductor layers repeatedly stacked so as to produce a quantum size effect;
A first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided in the upper layer of the buffer layer, and a second semiconductor layer provided in the upper layer of the first semiconductor layer and having a wider band gap on average than the first semiconductor layer A semiconductor laminate,
A first electrode provided on at least a part of layers of the layers forming the semiconductor laminate;
And a second electrode provided apart from the first electrode on at least a part of layers of the layers forming the semiconductor laminate.
Between the substrate and the buffer layer, a third semiconductor layer containing carbon at a concentration of 1.0 × 10 18 cm −3 or less is provided.
An intervening layer is provided between the substrate and the third semiconductor layer to suppress the reaction between the material of the substrate and the material of the third semiconductor layer,
Foreign matter is present on the intervening layer, and
The thickness of the third semiconductor layer is Ri 3000nm less der than 500 nm,
It said third semiconductor layer, a nitride semiconductor device, wherein the Ru der those aluminum nitride layer and the gallium nitride layer are stacked.
前記第3半導体層の膜厚が1000nm以上3000nm未満であることを特徴とする請求項に記載の窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 1 , wherein a film thickness of the third semiconductor layer is 1000 nm or more and less than 3000 nm. 前記バッファ層の平均の炭素濃度が、5.0×1018cm-3以上5.0×1019cm-3以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物半導体装置。 Carbon concentration of the average of the buffer layer, a nitride semiconductor device according to claim 1 or 2, characterized in that 5.0 × 10 18 cm -3 or more 5.0 × 10 19 cm -3 or less. 前記第3半導体層は、膜厚が100nm以上700nm以下の窒化ガリウム層と膜厚が20nm以上60nm以下の窒化アルミニウム層とを複数回繰り返し積層して構成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。 It said third semiconductor layer, claim, characterized in that the thickness is made following the gallium nitride layer and the thickness of 700nm or more 100nm are laminated a plurality of times and less aluminum nitride layer 60nm or 20 nm 1 The nitride semiconductor device of any one of -3 . 前記第2半導体層の上層に、前記第2半導体層よりも平均的にバンドギャップが狭い窒化物半導体からなる第4半導体層が選択的に設けられていることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。 An upper layer of the second semiconductor layer, according to claim 1-4, characterized in that the fourth semiconductor layer in which the average, a band gap than the second semiconductor layer is made of a narrow nitride semiconductor is selectively provided The nitride semiconductor device according to any one of the above. 前記第3半導体層は、サーファクタント原子を不純物として含有し、前記サーファクタント原子の濃度が、1.0×1016cm-3以上1.0×1018cm-3以下であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。 The third semiconductor layer contains a surfactant atom as an impurity, and the concentration of the surfactant atom is 1.0 × 10 16 cm −3 or more and 1.0 × 10 18 cm −3 or less. The nitride semiconductor device according to any one of items 1 to 5 . 基板と、
前記基板の上層に設けられ、量子サイズ効果を生ずる程度に薄い複数の半導体層が繰り返し積層された超格子構造から構成され、炭素がドープされたバッファ層と、
前記バッファ層の上層に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、および前記第1半導体層の上層に設けられ前記第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い第2半導体層を有する半導体積層体と、
前記半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第1電極と、
前記半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に、前記第1電極と離間して設けられる第2電極と、を備え、
前記基板と前記バッファ層との間に、サーファクタント原子を不純物として含有するとともに炭素を5.0×1018cm-3以下の濃度で含有し、膜厚が500nm以上3000nm未満の第3半導体層が設けられ、
前記基板と前記第3半導体層との間に、前記基板の材料と前記第3半導体層の材料との反応を抑制する介在層が設けられ、
前記介在層上には異物が存在した状態であって、
前記サーファクタント原子の不純物濃度が1.0×1016cm-3以上1.0×1018cm-3以下であり、
前記第3半導体層は、窒化アルミニウム層と窒化ガリウム層とが複数積層されたものであ
ことを特徴とする窒化物半導体装置。
A substrate,
A carbon-doped buffer layer comprising a superlattice structure provided on an upper layer of the substrate and having a plurality of semiconductor layers repeatedly stacked so as to produce a quantum size effect;
A first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided in the upper layer of the buffer layer, and a second semiconductor layer provided in the upper layer of the first semiconductor layer and having a wider band gap on average than the first semiconductor layer A semiconductor laminate,
A first electrode provided on at least a part of layers of the layers forming the semiconductor laminate;
And a second electrode provided apart from the first electrode on at least a part of layers of the layers forming the semiconductor laminate.
A third semiconductor layer containing a surfactant atom as an impurity and containing carbon at a concentration of 5.0 × 10 18 cm −3 or less between the substrate and the buffer layer, and having a thickness of 500 nm or more and less than 3000 nm is Provided
An intervening layer is provided between the substrate and the third semiconductor layer to suppress the reaction between the material of the substrate and the material of the third semiconductor layer,
Foreign matter is present on the intervening layer, and
Ri 1.0 × 10 18 cm -3 der less impurity concentration of 1.0 × 10 16 cm -3 or more of the surfactant atoms,
It said third semiconductor layer, a nitride semiconductor device, wherein the Ru der those aluminum nitride layer and the gallium nitride layer are stacked.
前記半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に、前記第1電極および前記第2電極と離間して設けられた第3電極をさらに備えることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, further comprising: a third electrode provided on at least a part of layers of the layers of the semiconductor stack, the third electrode being separated from the first electrode and the second electrode. the nitride semiconductor device according to any one of 1-7. 請求項に記載の窒化物半導体装置の構成を有し、
前記第1電極がゲート電極、前記第2電極がドレイン電極、および前記第3電極がソース電極である
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
A structure of the nitride semiconductor device according to claim 8 ;
A field effect transistor, wherein the first electrode is a gate electrode, the second electrode is a drain electrode, and the third electrode is a source electrode.
請求項1〜のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置の構成を有し、
前記第1電極がアノード電極、および前記第2電極がカソード電極である
ことを特徴とするダイオード。
It has the structure of a nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 7
A diode, wherein the first electrode is an anode electrode, and the second electrode is a cathode electrode.
基板と、
前記基板の上層に設けられ、量子サイズ効果を生ずる程度に薄い複数の半導体層を繰り返し積層した超格子構造から構成され、炭素がドープされたバッファ層と、
前記バッファ層の上層に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、および前記第1半導体層の上層に設けられ前記第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い第2半導体層を有する半導体積層体と、
前記半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第1電極と、
前記半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に、前記第1電極と離間して設けられる第2電極と、
を備える窒化物半導体装置の製造方法において、
前記基板上に前記基板の材料と上層の窒化物系半導体からなる第3半導体層の材料との反応を抑制する介在層を成長させ、
前記介在層上に異物が存在した状態であって、前記介在層上に、1.0×1018cm-3以下の濃度で炭素がドープされる成長条件によって、前記第3半導体層を500nm以上3000nm未満の膜厚に成長させた後、前記第3半導体層の上層に前記バッファ層を成長させ
前記第3半導体層は、窒化アルミニウム層と窒化ガリウム層とが複数積層されたものであ
ことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
A substrate,
A carbon-doped buffer layer comprising a superlattice structure provided on an upper layer of the substrate and having a plurality of semiconductor layers repeatedly stacked so as to produce a quantum size effect;
A first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided in the upper layer of the buffer layer, and a second semiconductor layer provided in the upper layer of the first semiconductor layer and having a wider band gap on average than the first semiconductor layer A semiconductor laminate,
A first electrode provided on at least a part of layers of the layers forming the semiconductor laminate;
A second electrode provided on at least a part of layers of the layers of the semiconductor stack, the second electrode being separated from the first electrode;
In a method of manufacturing a nitride semiconductor device comprising
An intervening layer is grown on the substrate, which suppresses the reaction between the material of the substrate and the material of the third semiconductor layer composed of the nitride semiconductor in the upper layer,
The third semiconductor layer has a thickness of 500 nm or more depending on growth conditions in which foreign matter is present on the intervening layer and carbon is doped at a concentration of 1.0 × 10 18 cm −3 or less on the intervening layer. After the growth to a film thickness of less than 3000 nm, the buffer layer is grown on the upper layer of the third semiconductor layer ,
It said third semiconductor layer, the manufacturing method of the nitride semiconductor device, characterized in that the aluminum nitride layer and the gallium nitride layer is Ru der those stacked.
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JP2003218127A (en) * 2002-01-22 2003-07-31 Hitachi Cable Ltd Epitaxial wafer for field effect transistor, field effect transistor, and its manufacturing method
JP4449357B2 (en) * 2003-07-08 2010-04-14 日立電線株式会社 Method for manufacturing epitaxial wafer for field effect transistor
JP4592742B2 (en) * 2007-12-27 2010-12-08 Dowaエレクトロニクス株式会社 Semiconductor material, method for manufacturing semiconductor material, and semiconductor element
JP5287406B2 (en) * 2009-03-24 2013-09-11 豊田合成株式会社 Method for producing group III nitride semiconductor
JP2010258441A (en) * 2009-03-31 2010-11-11 Furukawa Electric Co Ltd:The Field effect transistor
JP5530682B2 (en) * 2009-09-03 2014-06-25 パナソニック株式会社 Nitride semiconductor device
JP2012243886A (en) * 2011-05-18 2012-12-10 Sharp Corp Semiconductor device
JP2013143402A (en) * 2012-01-06 2013-07-22 Sharp Corp Semiconductor element
JP6151487B2 (en) * 2012-07-10 2017-06-21 富士通株式会社 Compound semiconductor device and manufacturing method thereof

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