JP6995307B2 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
1.p型窒化物半導体層とn型窒化物半導体層と保護膜層を含み、
前記保護膜層が、Ga、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuから選ばれる1種類以上の元素及び酸素元素を含み、
前記p型窒化物半導体層と前記n型窒化物半導体層が接しており、
前記p型窒化物半導体層、前記n型窒化物半導体層及び前記保護膜層が互いに接する部分を有する半導体装置。
2.メサ構造を含む1に記載の半導体装置。
3.前記保護膜層の25℃での電気抵抗率が1×107Ωm以上である1又は2に記載の半導体装置
4.前記保護膜層の比誘電率が7.0~15である1~3のいずれかに記載の半導体装置。
5.前記保護膜層の、真空準位からの電子親和力が3.7eV以下であり、伝導帯下端と価電子帯上端間のバンドギャップが4.4eV以上である、1~4のいずれかに記載の半導体装置。
6.前記保護膜層の、25℃でのバッファードフッ化水素酸によるエッチングレートが0.01nm/s以上である1~5のいずれかに記載の半導体装置。
7.前記p型窒化物半導体層及び前記n型窒化物半導体層が、それぞれ独立に、GaNを含む、又はGaNからなる1~6のいずれかに記載の半導体装置。
8.pn接合ダイオードである1~7のいずれかに記載の半導体装置。
9.窒化物半導体層の上に、Ga、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuから選ばれる1種類以上の元素及び酸素元素を含む膜を成膜する半導体装置の製造方法であって、
前記成膜が、スパッタ成膜、原子層堆積成膜、熱化学気相成長成膜、平行平板型プラズマ化学気相成長成膜、有磁場マイクロ波プラズマ化学気相成長成膜、又は誘導結合プラズマ化学気相成長成膜である半導体装置の製造方法。
10.窒化物半導体層の上に、Ga元素及び酸素元素を含む膜をスパッタ成膜する半導体装置の製造方法。
11.窒化物半導体層の上に、Ga元素及び酸素元素を含む膜を原子層堆積法で成膜する半導体装置の製造方法。
12.前記スパッタ成膜が、Arガス、O2ガス及びN2ガスから選ばれる1種類以上のガスをスパッタガスとする9又は10に記載の半導体装置の製造方法。
13.前記原子層堆積成膜が、トリメチルガリウムと、O2ガス、オゾンガス及びH2Oガスから選ばれる1種類以上のガスを原料ガスとする9又は11に記載の半導体装置の製造方法。
14.前記平行平板型プラズマ化学気相成長成膜を、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリエチルガリウム、及びトリス(2,4-オクタンジオナート)ガリウムから選ばれる1種類以上のガスを供給ガスとし、RF電力密度0.02~0.1W/cm2、基板温度250~400℃の条件下で実施する9に記載の半導体装置の製造方法。
15.前記有磁場マイクロ波プラズマ化学気相成長成膜又は前記誘導結合プラズマ化学気相成長成膜が、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリエチルガリウム、及びトリス(2,4-オクタンジオナート)ガリウムから選ばれる1種類以上を供給ガスとする9に記載の半導体装置の製造方法。
16.基板温度250℃以上、成膜速度20nm/sec以下の条件で前記成膜を実施する9~15のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
17.前記膜の25℃での電気抵抗率が1×107Ωm以上である9~16のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
本発明の一態様に係る半導体装置は、p型窒化物半導体層とn型窒化物半導体層と保護膜層を含み、保護膜層は、Ga、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuから選ばれる1種類以上の元素及び酸素元素を含む。p型窒化物半導体層とn型窒化物半導体層は接しており、p型窒化物半導体層、n型窒化物半導体層及び保護膜層が互いに接する部分を有する。
保護膜層は、電圧がかかるp型窒化物半導体層とn型窒化物半導体層のpn接合部を保護するために設けられる。一般に、保護膜層を設けた場合、保護膜層とp型窒化物半導体層とn型窒化物半導体層とが同時に接する部分では、電界が弱くなる。本態様では、特定の金属元素と酸素元素含む保護膜層を用いることで、電界が弱くなることを防ぐことができる。
本態様に係る半導体装置は、メサ構造を有すると好ましく、図1の半導体装置1は、当該メサ構造を有する半導体装置である。「メサ構造」とは、平坦な頂面を有する凸構造を意味し、頂面の面積が基部よりも小さい順メサ構造や、頂面の面積が基部よりも大きい逆メサ構造も含む。
図1において、半導体装置1は、n型コンタクト電極10、成長基板20、n型窒化物半導体層30及びp型窒化物半導体層40がこの順に積層している。p型窒化物半導体層40は、積層方向の上面と側面とを有する台地状のメサ構造を形成しており、p型窒化物半導体層40のメサ構造の周囲面とn型窒化物半導体層30の一部は、保護膜層50で被覆されている。保護膜層50は、p型窒化物半導体層40の上面の一部に開口部を有しており、当該開口部にp型コンタクト電極60が形成されている。p型窒化物半導体層40は、保護膜層50及びp型コンタクト電極60によって、その表面が全て被覆されている。
図1では、n型窒化物半導体層30及びp型窒化物半導体層40が接する面(pn接合部)の端部に保護膜層50がさらに接している接合部100が存在している。半導体装置1は、当該接合部100における電界の低下が抑制された半導体装置である。
p型窒化物半導体層の周囲面の角度が20度未満の場合、単位面積あたりの素子数が少なくなり、経済性が悪くなるおそれがある。
メサ構造の端部が垂直よりも傾斜していることで、pn接合界面への電界集中の緩和効果をより大きくすることができる。半導体装置の断面形状は、例えば、断面SEM又は断面TEMにより観察することができる。
図2の半導体装置2は、p型コンタクト電極60及び保護膜層50上にさらにフィールドプレート電極70が積層している他は、図1の半導体装置1と同じ構造を有する半導体装置である。
図2のように、保護膜層50及びp型コンタクト電極60を覆うようにフィールドプレート電極70を形成することで、pn接合界面への電界集中を緩和し、ダイオードの耐圧を向上することができる。
半導体装置3は、意図的な不純物のドーピングがされていない窒化物半導体層(i型窒化物半導体層)をpn接合間に挿入したpinダイオードである。i型窒化物半導体層を挿入することにより、寄生容量を低減し、高周波特性を良くすることができる。
尚、i型窒化物半導体層80は、絶縁性(Intrisic)の窒化物半導体層であって、n型窒化物半導体層30よりも不純物濃度が低いn型窒化物半導体層である。従って、図3においては、i型窒化物半導体層80とp型窒化物半導体層40が接する部分がpn接合部となる。
また、保護膜層50は、成長基板20上にも開口部を有しており、当該開口部にn型コンタクト電極10が、n型窒化物半導体層30、p型窒化物半導体層40及びp型コンタクト電極60と並列するように形成されている。
半導体装置4のように、電極層は、他方の電極層と並列して形成してもよい。
p+型窒化物半導体層42は、p型窒化物半導体層40よりも不純物濃度が高いp型窒化物半導体層であり、p型コンタクト電極との接触抵抗を低減するために設けられる。図2~5の半導体装置のp型窒化物半導体層にも、p型コンタクト電極と接する部分にp+型窒化物半導体層を設けると好ましい。
保護膜層は、Ga、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuから選ばれる1種類以上の元素及び酸素元素を含む。
上記金属元素を含む金属酸化物は、絶縁破壊電界が高く、窒化物半導体層の保護膜層として好適である。
Ga、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuから選ばれる1種類以上の元素及び酸素元素を含む保護膜層としては、Ga2O3、Y2O3、La2O3、CeO2、Pr6O11、Nd2O3、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Tb2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3、又はこれらの混合物からなる保護膜層が好ましい。
保護膜層の25℃での電気抵抗率が1×107Ωm未満の場合、保護膜層が導電性を有してしまい、絶縁破壊性が低下してしまうおそれがある。
保護膜層の電気抵抗率は、実施例に記載の方法で測定することができる。
保護膜層の比誘電率が7.0~15であれば、当該保護膜層が接する窒化物半導体層の比誘電率に近い値となる。例えば窒化物半導体層が、GaN、InGaN、AlGaN、又はAlInGaNからなる窒化物半導体層である場合、当該窒化物半導体層の比誘電率は8.0~15である。
保護膜層の比誘電率は、静電容量法により求めることができる。尚、面積が規定された並行平板構造を用いて測定することが困難な場合は、走査型非線形誘電率顕微鏡(SNDM)を用いることで静電容量を測定し、比誘電率を求めることができる。
窒化物半導体層がGaNからなる窒化物半導体層である場合、真空準位を基準として、保護膜層の伝導帯下端は、GaNの伝導帯下端より0.5eV以下であり、保護膜層の価電子帯上端は、GaNの価電子帯上端より0.5eV以上であることが望ましい。
保護膜層の結晶性は、透過型電子顕微鏡(TEM)の格子像から判別できる。
保護膜層の厚みは、断面SEM又は断面TEMにより測定することができる。
成長基板は、これら構成材料のうちの1種単独で形成してもよく、又は2種類以上を組み合わせて形成してもよい。また、成長基板は1層単独でも、成長基板と支持基板からなる2層以上の積層体としてもよい。支持基板の構成材料は、成長基板の構成材料と同じものを用いることができる。
成長基板及び支持基板の厚さは、それぞれ目的に応じて適宜設定するとよい。
電極層は、1層単独でも2層以上の積層体でもよい。例えば、保護膜層に接する電極層にNiからなる電極を用い、酸化を防ぐために、Niからなる電極上にさらにAuからなる電極を積層することができる。
電極層の厚みは、所望の電気特性が得られるように適宜選択すればよく、例えば10nm~10μmの範囲で選択するとよい。
p型窒化物半導体層について、例えばp型不純物としては、ホウ素(B)、ベリリウム(Be)、又はマグネシウム(Mg)でドープした窒化ガリウム(p-GaN)を用いることができる。
n型窒化物半導体層について、例えばn型不純物として、例えば酸素(O)、シリコン(Si)、リン(P)、砒素(As)又はアンチモン(Sb)でドープした窒化ガリウム(n-GaN)を用いることができる。
窒化物半導体層の厚みは、所望の電気特性が得られるように適宜選択すればよく、例えば10nm~2mmの範囲で選択するとよい。
本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法では、窒化物半導体層上に保護膜層を、スパッタ成膜、原子層堆積(ALD)成膜、熱化学気相成長(CVD)成膜、平行平板型プラズマCVD成膜、有磁場マイクロ波プラズマCVD成膜、又は誘導結合プラズマCVD成膜のいずれかを用いて成膜する。
O2ガスを含む雰囲気下での金属ターゲットの反応性スパッタは、絶縁体ターゲットを用いるスパッタに比べて成膜レートが向上するため、好ましい。
保護膜層のエッチングレートは、実施例に記載の方法で評価できる。
尚、例えば保護膜層がAl2O3からなる場合、高いエッチングレートを示すことができず、高い生産性は得られない。
尚、本発明の半導体装置の保護膜層は、pn接合ダイオードの保護膜層に限定されず、ショットキーバリアダイオードの保護膜層としても好適に用いることができる。
抵抗率0.001Ω・cmのn型Si基板をスパッタリング装置(ULVAC社製:ACS-4000)にセットし、Ga2O3焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて、DC100W、Ar及びO2の混合ガス雰囲気の条件でスパッタリングし、膜厚100nmのGa2O3膜を得た。
得られた基板をエリアマクスとともに電子ビーム蒸着装置(アルバック社製)にセットした後、電極としてNi及びAuをそれぞれ膜厚20nm及び200nmで蒸着した。
得られたSi/Ga2O3(100nm)/Ni(20nm)/Au(200nm)積層体について、ソースメータ(KEITHLEY社製:2400)を使用し、25℃の電気抵抗率を測定したところ、Ga2O3膜の0.1MV/cm印加時における電気抵抗率は2×1012Ωmであった。また、得られた積層体について、LCRメータ(Agilent社製:E4980A)を使用し、Ga2O3膜の比誘電率(ε)を測定したところ、0.1MV/cm印加時における比誘電率は9であった。
Ga2O3焼結体からなるスパッタリングターゲットの代わりに、SiO2焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いた以外は参考例1と同様にして積層体(Si/SiO2(100nm)/Ni(20nm)/Au(200nm))を製造し、評価した。
その結果、SiO2膜の0.1MV/cm印加時における25℃の電気抵抗率は2×1012Ωmであった。また、SiO2膜の比誘電率(ε)は3.9であった。
抵抗率0.001Ω・cmのn型Si基板をALD装置(菅製作所社製:SAL-1500)にセットし、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム(TMA)とH2Oを用いて、膜厚100nmのAl2O3を得た。
得られた基板をエリアマクスとともに電子ビーム(EB)蒸着装置(アルバック社製)にセットした後、電極としてNi及びAuをそれぞれ膜厚20nm及び200nmで蒸着した。
このようにして得た積層体(Si/Al2O3(100nm)/Ni(20nm)/Au(200nm))について、参考例1と同様にして電気抵抗率を測定したところ、Al2O3膜の0.1MV/cm印加時における25℃の電気抵抗率は2×1012Ωmであった。また、Al2O3膜の比誘電率(ε)は7であった。
抵抗率0.001Ω・cmのn型Si基板をエリアマスクとともにスパッタリング装置(ULVAC社製:ACS-4000)にセットし、Ga2O3焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて、DC100W、Ar及びO2の混合ガス雰囲気の条件でスパッタリングし、膜厚100nmのGa2O3膜を得た。
得られた積層体(Si/Ga2O3(100nm))について、触針式表面形状測定装置(アルバック社製:Dektak150)を使用し、バッファードフッ酸(BHF)(ステラケミファ社製:50%HF水溶液と40%NH4F水溶液の混合液)浸漬前と浸漬後でGa2O3膜厚を測定し、エッチングレートを計算した。尚、浸漬は、積層体をBHFに10分間浸漬したのち、超純水でリンスすることで実施した。その結果、Ga2O3膜の25℃でのエッチングレートは0.03nm/sであった。
Ga2O3焼結体からなるスパッタリングターゲットの代わりに、SiO2焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いた以外は参考例2と同様にして、積層体(Si/SiO2(100nm))を得た。
得られた積層体(Si/SiO2(100nm))について、参考例2と同様の方法でエッチングレートを測定したところ、SiO2膜の25℃でのエッチングレートは0.1nm/s以上であった。
抵抗率0.001Ω・cmのn型Si基板をALD装置(菅製作所社製:SAL-1500)にエリアマスクとともにセットし、原料ガスとしてTMAとH2Oを用いて、膜厚100nmのAl2O3膜を成膜した。
このようにして得た積層体(Si/Al2O3(100nm))について、参考例2と同様の方法でエッチングレートを測定したところ、Al2O3膜の25℃でのエッチングレートは0.01nm/s未満であった。
低抵抗n型GaN基板を有機金属気相成長(MOCVD)装置(大陽日酸社製)にセットし、n型GaN層(電子濃度:2×1016cm-3)、p型GaN層(正孔濃度:5×1017cm-3)及びp+型GaN層(Mg濃度:~1×1020cm-3)を、それぞれ10μm、500nm及び10nmエピタキシャル成長した。これを、窒素雰囲気で700℃、5minの活性化アニールを行った。
得られた積層体を、フォトリソグラフィプロセスでレジストマスクを形成後、EB蒸着装置(アルバック社製)を用いて、Ni及びAuをそれぞれ膜厚20nm及び200nmで成膜し、リフトオフプロセスでp型コンタクト電極を形成した。
p型コンタクト電極形成後、フォトリソグラフィプロセスでレジストマスクを形成し、反応性イオンエッチング装置(アルバック社製)を用いて、GaN層を1.4μmエッチングして、メサ構造を形成した。図7は、走査型電子顕微鏡(SEM)(日本電子社製:SU70)を用いてメサ構造の形状を観察したものであり、メサ端の傾斜角度は30度であった。
さらに、コンタクトアニールとして、O2雰囲気で525℃、5minのアニールを行い、裏面にEB蒸着装置を用いて、Al及びAuをそれぞれ膜厚200nm及び200nmで成膜し、n型コンタクト電極を形成した。
n型コンタクト電極を形成後、スパッタリング装置(ULVAC社製:ACS-4000)にセットし、Ga2O3焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて、DC100W、Ar及びO2の混合ガス雰囲気の条件でスパッタリングし、膜厚800nmのGa2O3膜を成膜した。Ga2O3膜は保護膜層として機能する。
保護膜層形成後、フォトリソグラフィプロセスでレジストマスクを形成し、ウェットエッチングプロセスを用いて、保護膜層にコンタクトホールを形成した。
実施例1に記載の方法で素子(Au/Al/GaN/Ga2O3/Ni/Au)を作製し、さらに電界緩和構造として、フォトリソグラフィプロセスでレジストマスクを形成後、EB蒸着装置(アルバック社製)を用いて、Ti及びAuをそれぞれ膜厚50nm及び150nmで成膜し、リフトオフプロセスでフィールドプレート電極を形成した。
保護膜層(Ga2O3膜)を形成せず、コンタクトホール形成のプロセスが不要であった以外は、実施例1と同じ方法で素子(Au/Al/GaN/Ni/Au)を得た。
このようにして得た素子(Au/Al/GaN/Ni/Au)について、実施例1に記載の方法で逆方向破壊電圧を測定したところ、最大200Vであった。
10 n型コンタクト電極
20 成長基板
30 n型窒化物半導体層
40 p型窒化物半導体層
42 p+型窒化物半導体層
50 保護膜層
60 p型コンタクト電極
70 フィールドプレート電極
80 i型窒化物半導体層
90 支持基板
100 接触部
Claims (16)
- p型コンタクト電極とp型窒化物半導体層とn型窒化物半導体層と保護膜層を含み、
前記保護膜層が、Ga、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuから選ばれる1種類以上の元素及び酸素元素を含み、
前記保護膜層の25℃での電気抵抗率が1×10 7 Ωm以上であり、
前記p型コンタクト電極と前記p型窒化物半導体層が接しており、
前記p型窒化物半導体層と前記n型窒化物半導体層が接しており、
前記p型窒化物半導体層、前記n型窒化物半導体層及び前記保護膜層が互いに接する部分を有する半導体装置。 - メサ構造を含む請求項1に記載の半導体装置。
- 前記保護膜層の比誘電率が7.0~15である請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記保護膜層の、真空準位からの電子親和力が3.7eV以下であり、伝導帯下端と価電子帯上端間のバンドギャップが4.4eV以上である、請求項1~3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記保護膜層の、25℃でのバッファードフッ化水素酸によるエッチングレートが0.01nm/s以上である請求項1~4のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記p型窒化物半導体層及び前記n型窒化物半導体層が、それぞれ独立に、GaNを含む、又はGaNからなる請求項1~5のいずれかに記載の半導体装置。
- pn接合ダイオードである請求項1~6のいずれかに記載の半導体装置。
- 窒化物半導体層の上に、Ga、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuから選ばれる1種類以上の元素及び酸素元素を含む膜を成膜し、請求項1~7のいずれかに記載の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、
前記成膜が、スパッタ成膜、原子層堆積成膜、熱化学気相成長成膜、平行平板型プラズマ化学気相成長成膜、有磁場マイクロ波プラズマ化学気相成長成膜、又は誘導結合プラズマ化学気相成長成膜である半導体装置の製造方法。 - 窒化物半導体層の上に、Ga元素及び酸素元素を含む膜をスパッタ成膜し、請求項1~7のいずれかに記載の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法。
- 窒化物半導体層の上に、Ga元素及び酸素元素を含む膜を原子層堆積法で成膜し、請求項1~7のいずれかに記載の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法。
- 前記スパッタ成膜が、Arガス、O2ガス、及びN2ガスから選ばれる1種類以上のガスをスパッタガスとする請求項8又は9に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記原子層堆積成膜が、トリメチルガリウムと、O2ガス、オゾンガス及びH2Oガスから選ばれる1種類以上のガスを原料ガスとする請求項8又は10に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記平行平板型プラズマ化学気相成長成膜を、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリエチルガリウム、及びトリス(2,4-オクタンジオナート)ガリウムから選ばれる1種類以上のガスを供給ガスとし、RF電力密度0.02~0.1W/cm2、基板温度250~400℃の条件下で実施する請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記有磁場マイクロ波プラズマ化学気相成長成膜又は前記誘導結合プラズマ化学気相成長成膜が、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリエチルガリウム、及びトリス(2,4-オクタンジオナート)ガリウムから選ばれる1種類以上を供給ガスとする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
- 基板温度250℃以上、成膜速度20nm/sec以下の条件で前記成膜を実施する請求項8~14のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記膜の25℃での電気抵抗率が1×107Ωm以上である請求項8~15のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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