TWI535060B - A method for manufacturing a nitride semiconductor device - Google Patents

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TWI535060B
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Ken Sato
Hirokazu Goto
Hiroshi Shikauchi
Keitaro Tsuchiya
Masaru Shinomiya
Kazunori Hagimoto
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Sanken Electric Co Ltd
Shinetsu Handotai Kk
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Description

氮化物半導體裝置的製造方法
本發明是關於一種氮化物半導體裝置的製造方法，該方法使III-V族氮化物半導體的多層膜生長。
氮化物半導體層通常形成於低價的矽基板上或藍寶石基板上。但是，這些半導體基板的晶格常數與氮化物半導體層的晶格常數差別較大，並且熱膨脹係數亦不同。因此，於藉由在半導體基板上進行磊晶生長而形成之氮化物半導體層，將產生較大的應變能。其結果為，氮化物半導體層容易產生裂縫或結晶品質降低。
為了解決上述問題，提出以下方法：於由矽基板與由氮化物半導體所構成之功能層之間，配置已積層有氮化物半導體層之緩衝層(例如參照專利文獻1)。為了形成該緩衝層，採用以下方法：固定V族元素的原料也就是氨(NH3)氣的流量，並切換III族元素的原料氣體的流量。因此，V族元素與III族元素之比，是取決於III族元素的原料氣體的供給量。
[先行技術文獻] (專利文獻)
專利文獻1：日本特開2008-218479號公報
於通常的製造條件下，在緩衝層的現今的主流也就是氮化鎵(GaN)層與氮化鋁(AlN)層的積層體的形成、或氮化鋁鎵(AlGaN)層與AlN層的積層體的形成中，鋁(Al)的原料也就是三甲基鋁(trimethylaluminum，TMA)氣體的蒸氣壓，小於鎵(Ga)的原料也就是三甲基鎵(trimethylgallium，TMG)氣體的蒸氣壓。因此，AlN層生長時的V族元素原料氣體相對於III族元素原料氣體之比例(以下稱作「V/III比」)，大於GaN層生長時的V/III比。此處，AlN層生長時的V/III比，是將氨氣的供給莫耳數除以TMA氣體的供給莫耳數所得之值。GaN層生長時的V/III比，是將氨氣的供給莫耳數除以TMG氣體的供給莫耳數所得之值。
為了減低在GaN層的氮空位(nitrogen vacancy)，要求GaN層具有高V/III比。另一方面，若提高AlN層的V/III比，則無助於成膜之寄生反應的影響會增大。
本發明的目的在於提供一種氮化物半導體裝置的製造方法，其使III-V族氮化物半導體層的積層結構體，以適合各層之V/III比來生長。
根據本發明的一態樣，提供一種氮化物半導體裝置的製造方法，其於導入有III族元素原料氣體和V族元素原料氣體之反應爐內，使III-V族氮化物半導體的多層膜生長，其中，該氮化物半導體裝置的製造方法包括以下步驟：(a)以V 族元素原料氣體的第1原料氣體流量和第1載氣(載體氣體，carrier gas)流量，使第1氮化物半導體層生長之步驟；及，(b)以少於V族元素原科氣體的第1原料氣體流量之第2原料氣體流量和多於第1載氣流量之第2載氣流量，使第2氮化物半導體層生長之步驟並且，積層第1氮化物半導體層與第2氮化物半導體層。
根據本發明，可提供一種氮化物半導體裝置的製造方法，其使III-V族氮化物半導體層的積層結構體以適合各層的V/III比來生長。
1‧‧‧氮化物半導體裝置
10‧‧‧半導體基板
20‧‧‧積層體
21‧‧‧第1氮化物半導體層
22‧‧‧第2氮化物半導體層
30‧‧‧功能層
31‧‧‧載子輸運層
32‧‧‧載子供給層
33‧‧‧二維載氣層
35‧‧‧n型包覆層
36‧‧‧活性層
37‧‧‧p型包覆層
41‧‧‧源極電極
42‧‧‧汲極電極
43‧‧‧閘極電極
45‧‧‧n側電極
47‧‧‧p側電極
100‧‧‧反應爐
第1圖是表示藉由本發明的實施形態的氮化物半導體裝置的製造方法製造而成的積層體的結構之示意剖面圖。
第2圖是表示用以說明本發明的實施形態的氮化物半導體裝置的製造方法的氣體流量之圖表。
第3圖是表示用以說明比較例的製造方法的氣體流量之圖表。
第4圖是表示分別藉由本發明的實施形態的製造方法與比較例的製造方法製造而成的氮化物半導體裝置的特性的比較結果之圖表。
第5圖是表示藉由本發明的實施形態的製造方法製造而成的氮化物半導體裝置的一例之示意剖面圖。
第6圖是表示藉由本發明的實施形態的製造方法製造而 成的氮化物半導體裝置的其他例之示意剖面圖。
第7圖是表示用以說明本發明的實施形態的其他氮化物半導體裝置的製造方法的氣體流量之圖表。
繼而，參照圖式，說明本發明的實施形態。在以下圖式的記載中，對相同或相似的部分，附加相同或相似的符號。但應注意圖式為示意，厚度與平面尺寸的關係、各部分長度的比率等與實物不同。因此，具體的尺寸應參考以下說明來判斷。又，在圖式相互之間，當然亦包含尺寸的關係或比率互不相同的部分。
又，以下所示的實施形態，例示出用於將本發明的技術思想具體化的裝置或方法，本發明的技術思想的構成零件的形狀、結構及配置等，並非特定於下述構成零件的形狀、結構、及配置等。在申請專利範圍中，本發明的實施形態可施加各種變更。
藉由本發明的實施形態的製造方法製造而成的氮化物半導體裝置1的結構，例示於第1圖中。氮化物半導體裝置1，具備半導體基板10、及配置於半導體基板10上之積層體20。積層體20為III-V族氮化物半導體的多層膜，具體而言，是將第1氮化物半導體層21與第2氮化物半導體層22交替積層而成之結構。半導體基板10具有與積層體20不同的晶格常數，例如為矽基板。
為了形成積層體20，將半導體基板10容置於有機金屬氣相沉積(metalorganic chemical vapor deposition， MOCVD)裝置等成膜裝置的反應爐100內。並且，重複以下步驟：向反應爐100內供給III族元素原料氣體、V族元素原料氣體及載氣，使第1氮化物半導體層21與第2氮化物半導體層22生長。載氣是使用氮與氫的混合氣體等。
此處，相較於第2氮化物半導體層22，第1氮化物半導體層21更容易脫落氮，而容易產生氮空位。以下，針對下述情況例示說明：第1氮化物半導體層21是由GaN所構成，第2氮化物半導體層22是由AlN所構成。由於相較於Ga，Al與氮的鍵結力更強，因此，相較於AlN層，GaN層更容易脫落氮。
在使GaN層生長之步驟中，利用載氣，將III族元素也就是Ga的原料氣體、及V族元素也就是氮的原料氣體，供給至反應爐100內。在使AlN層生長之步驟中，利用載氣，將III族元素也就是Al的原料氣體、及氮的原料氣體，供給至反應爐100內。例如，氮的原料氣體可採用氨(NH3)氣。又，Ga的原料氣體可採用三甲基鎵(TMG)氣體，Al的原料氣體可採用三甲基鋁(TMA)氣體。
參照第2圖，說明氮化物半導體裝置1的積層體20的製造方法的一例。第2圖所示之圖表的縱軸為各氣體的流量，橫軸為時間。
時刻t1~t2為條件變更期間，將殘留於反應爐100內之原料氣體，自反應爐100排出。藉此，於後續成膜步驟中，可使V/III比急劇變化。
於時刻t2~t3中，使由GaN所構成之第1氮化物半 導體層21生長。具體而言，將V族元素原料氣體也就是氨氣，以第1原料氣體流量N1，與III族元素原料氣體也就是TMG氣體一同供給至反應爐100。此時，載氣的流量為第1載氣流量C1。在第1氮化物半導體層21的成膜中，不供給TMA氣體。
於時刻t3~t4中，使由AlN所構成之第2氮化物半導體層22生長。具體而言，將V族元素原料氣體也就是氨氣，以少於第1原料氣體流量N1之第2原料氣體流量N2，與III族元素原料氣體也就是TMA氣體一同供給至反應爐100。此時，載氣的流量為多於第1載氣流量C1之第2載氣流量C2。在第2氮化物半導體層22的成膜中，不供給TMG氣體。
如上所述，關於供給至反應爐100內之氨氣，第2原料氣體流量N2被設定為少於第1原料氣體流量N1。氨氣的流量調整的詳細見後述。再者，以使第2氮化物半導體層22於生長時供給至反應爐100之總氣體流量與第1氮化物半導體層21於生長時的總氣體流量實質上相同之方式，來設定第2載氣流量C2。因此，以多於第1載氣流量C1之第2載氣流量C2，來供給載氣。
然後，於時刻t4~t5中，與時刻t2~t3同樣地，使由GaN所構成之第1氮化物半導體層21生長。進而，於時刻t5~t6中，與時刻t3~t4同樣地，使由AlN所構成之第2氮化物半導體層22生長。之後，使第1氮化物半導體層21與第2氮化物半導體層22交替生長，來形成積層體20。
再者，第2圖示出以下一例：於時刻t0~t1中，向 反應爐100中供給TMA氣體及氨氣，以於半導體基板10上形成AlN初始層。AlN初始層是作為緩衝層的一部份而接觸半導體基板10之氮化物半導體層，形成的厚度大於第1氮化物半導體層21和第2氮化物半導體層22。用以形成AlN初始層之原料氣體的種類和流量等，與由AlN所構成之第2氮化物半導體層22的原料氣體的種類和流量等相同。但是，亦可不形成AlN初始層。
繼而，對氨氣的流量調整進行說明。如上所述，第2原料氣體流量N2，設定為少於第1原料氣體流量N1。其原因在於：在由GaN所構成之第1氮化物半導體層21與由AlN所構成之第2氮化物半導體層22中，生長時的V族元素的原料氣體的莫耳數相對於III族元素的原料氣體的莫耳數之比例(V/III比)的最適值不同。
如上所述，相較於AlN層，GaN層更容易脫落氮，而容易產生氮空位。因此，在GaN層的生長中要求較高的V/III比，以提高結晶性。具體而言，適合GaN層的生長之V/III比為500~2500左右。
通常，以使V/III比適合GaN層的生長之方式，來設定氨氣的流量，以便抑制GaN層中的氮空位的產生。因此，例如第3圖所示，使V族元素原料氣體也就是氨氣的流量為一定，且僅進行所供給的III族元素原料氣體的種類的切換，此時，由AlN所構成之第2氮化物半導體層22於生長時的V/III比，會變成高於由GaN所構成之第1氮化物半導體層21生長時的V/III比。這是因為TMA的蒸氣壓低於TMG的 蒸氣壓。
如第3圖所示，若直接以適合GaN層的生長之氨氣的流量，流入TMA氣體以使AlN層生長，則AlN層生長時的V/III比高於GaN層生長時的V/III，而為2000~7500。此V/III比，對於AlN層的最適條件而言過高。當提高AlN層的V/III比時，無助於成膜之寄生反應的影響增大。其結果為，生長率的降低和材料效率的惡化等會變得顯著。
另一方面，以使V/III比適合AlN層之方式，來設定氨氣的流量，此時，以該設定之氨氣流量生長而成的GaN層的V/III比過低，特性劣化。
但是，在第2圖所示之製造方法中，是如下設定：使由AlN所構成之第2氮化物半導體層22於生長時的氨氣的流量(第2原料氣體流量N2)，小於由GaN所構成之第1氮化物半導體層21於生長時的氨氣的流量(第1原料氣體流量N1)。藉此，能以接近AlN層生長的最適條件之生長條件，來使第2氮化物半導體層22生長。例如，利用使第2原料氣體流量N2為第1原料氣體流量N1的一半，可使第2氮化物半導體層22於生長時的V/III比，低於直接以適合GaN層的生長之氨氣的流量之情況，而為1000~4000左右。
如上所述，根據本發明的實施形態的製造方法，以使各V/III比成為最佳之方式，來分別設定第1氮化物半導體層21生長時與第2氮化物半導體層22生長時的氨氣的流量。其結果為，可獲得高結晶品質的積層體20。
進而，配合第1氮化物半導體層21生長時與第2氮 化物半導體層22生長時的氨氣流量的變化，來調整載氣的流量。具體而言，當減少氨氣的流量時，則增大載氣的流量；當增加氨氣的流量時，則減少載氣的流量。藉此，調整成當第1氮化物半導體層21生長時與第2氮化物半導體層22生長時，供給至反應爐100之總氣體流量實質上成為一定。其結果為，可於製造裝置的壓力控制範圍內切換氣體，且由於容易將反應爐100內的氣體分佈保持為一定，因此生長率的變動得以被抑制。
藉由第2圖所示之本發明的實施形態的製造方法、及第3圖所示之比較例的製造方法，分別製造氮化物半導體裝置，將特性的比較結果表示如下。再者，使氮化物半導體裝置於矽基板上生長出膜厚約6μm的氮化物半導體層。詳細而言，於矽基板上生長約3μm的AlN初始層和緩衝層，並於緩衝層上生長約3μm的GaN層。緩衝層是積層有AlN層與GaN層之結構。相較於比較例的製造條件，在實施形態的製造方法中，增加GaN層生長時的氨氣的流量，且減少載氣的流量。藉此，在實施形態的製造方法與比較例的製造方法中，使流入反應爐內的氣體流量為實質上一定。
於第4圖中，示出藉由實施形態的製造方法與比較例的製造方法製造而成的氮化物半導體裝置的縱向漏電流的測定結果。第4圖的縱軸為漏電流Isub，橫軸為施加電壓Vds。於第4圖中，將藉由實施形態的製造方法製造而成的氮化物半導體措施的漏電流表示為Ia，將藉由比較例的製造方法製造而成的氮化物半導體措施的漏電流表示為Ib。
如第4圖所示，相較於比較例的製造方法中的漏電流Ib，實施形態的製造方法中的漏電流Ia，於施加800V時為1/10以下。也就是說，根據實施形態的製造方法，可實現氮化物半導體裝置的高耐電壓化。
將使用積層有GaN層與AlN層之積層體20來作為緩衝層之一例，示於第5圖。第5圖所示之氮化物半導體裝置，是將積層體20用於緩衝層以形成高電子遷移率電晶體(high electron mobility transistor，HEMT)之一例。亦即，第5圖所示之氮化物半導體裝置具有功能層30，該功能層30為積層有載子供給層32、及與載子供給層32形成異質接合(hetero junction)之載子輸運層31之結構。在由能帶隙能量(band gap energy)互不相同的氮化物半導體所構成之載子輸運層31與載子供給層32之間的界面上，形成有異質接合面，且在異質接合面附近的載子輸運層31上，形成有作為電流路徑(通道)之二維載氣層33。
進而，於功能層30上，形成有源極電極41、汲極電極42及閘極電極43。源極電極41和汲極電極42，是藉由可與功能層30低電阻接觸(歐姆接觸)之金屬形成。源極電極41和汲極電極42可採用例如Al、鈦(Ti)等。或以Ti與Al的積層體之形式，來形成源極電極41和汲極電極42。配置於源極電極41與汲極電極42之間的閘極電極43，可採用例如鎳金(NiAu)等。
在上述中，示出使用積層體20之氮化物半導體裝置為HEMT之一例，但亦可使用積層體20，來形成場效電晶體 (field effect transistor，FET)等其他結構的電晶體。
於以上中，舉例說明積層GaN層與AlN層之情況，但積層體20為其他構成時亦相同。如由化學式AlxGa1-xN、AlyGa1-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x<y)所表示之氮化鋁鎵層等，使由複數個III族元素所構成之氮化物半導體層生長，此時，根據該層的構成，來調節氨氣及載氣的流量。當AlGaN層的Al的組成比率較低時，與GaN層同樣地，使生長時的氨氣的流量增大。另一方面，當AlGaN層的Al的組成比率較高時，與AlN層同樣地，使氨氣的流量減少。可將例如積層有第1氮化物半導體層21與第2氮化物半導體層22之結構的積層體20，作為緩衝層使用；其中，第1氮化物半導體層21是由AlN所構成，膜厚為5nm左右；第2氮化物半導體層22是由AlGaN所構成，膜厚為30nm左右。
又，對由化學式InxGa1-xN、InyGa1-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x<y)所表示之氮化銦鎵層，進行說明。關於將GaN層與氮化銦(InN)層積層時，相較於GaN層，氮化銦(InN)層更容易產生氮空位。其原因在於，相較於銦(In)，Ga與氮的鍵結更強。因此，需要提高InN層生長時的V/III比，並降低GaN層生長時的V/III比。因此，可增大InN層生長時的氨氣的流量，並減少GaN層生長時的氨氣的流量。藉此，可獲得一積層體20，該積層體20是形成InN層來作為第1氮化物半導體層21，並形成GaN層來作為第2氮化物半導體層22。此時，配合氨氣流量的增減，來增減載氣的流量。如此一來，只要依據積層之層的組合，來調節氨氣和載氣的流量即可。
積層體20不僅可用作緩衝層，亦可用作超晶格層。於第6圖中，示出發光裝置的活性層36是使用積層體20之一例。亦即，第6圖所示之活性層36具有多量子阱(multiple quantum well，MQW)結構，所述MQW結構是由障壁層與能帶間隙小於該障壁層之阱層交替配置而成，且MQW結構可採用由氮化銦鎵(InGaN)所構成之第1氮化物半導體層21、及由GaN所構成之第2氮化物半導體層22之積層結構。由n型包覆層35所供給之電子與由p型包覆層37所供給之正電洞，於活性層36上再結合，並產生光。再者，於第6圖中，省略半導體基板的圖示。
n型包覆層35，例如是摻雜有n型雜質之GaN層等。如第6圖所示，於n型包覆層35上，連接有n側電極45，電子自發光裝置外部的負電源供給至n側電極45。藉此，電子自n型包覆層35供給至活性層36。p型包覆層37，例如是摻雜有p型雜質之AlGaN層。於p型包覆層37上，連接有p側電極47，正電洞(hole)自發光裝置外部的正電源供給至p側電極47。藉此，正電洞自p型包覆層37供給至活性層36。
於第7圖中，示出用以作為活性層36的形成積層體20之氣體流量的一例，積層體20積層有由InGaN所構形成之第1氮化物半導體層21與由GaN所構成之第2氮化物半導體層22。第7圖的時刻t1~t2為條件變更的期間。於時刻t2~t3中形成InGaN層，於時刻t3~t4中形成GaN層。之後，於時刻t4~t5中形成InGaN層，進而於時刻t5~t6中形成GaN層。之後，交替形成InGaN層與GaN層，來形成由InGaN 層與GaN層的積層體所構成之活性層36。
生長InGaN層時的V/III比，亦即，「氨氣的莫耳數/(TMG氣體的莫耳數+三甲基銦(trimethylindium，TMI)氣體的莫耳數)」的值，設定為5000~25000左右。若直接以該條件下的氨氣的流量，僅流入TMG氣體來使GaN層生長，則GaN層生長時的V/III比，將會增高與TMI氣的減少相應的分量。具體而言，GaN層生長時的V/III比，變成InGaN層生長時的約2倍，為10000~50000。
該V/III比的條件過高，與GaN層的最適生長條件相差甚遠。因此，如第7圖所示，藉由減少氨氣的流量來降低V/III比，以接近GaN層的最適生長條件。舉例而言，使GaN層生長時的氨氣流量(第2原料氣體流量N2)，為InGaN層生長時的氨氣流量(第1原料氣體流量N1)的一半。藉此，相較於直接為適合InGaN層生長之氨氣流量的情況，可使GaN層生長時的V/III比成為一半，為5000~25000左右。
此時，以使供給至GaN層生長時的反應爐100之總氣體流量是與InGaN層生長時的總氣體流量相同之方式，來設定第2載氣流量C2。亦即，以多於第1載氣流量C1之第2載氣流量C2來供給載氣。
再者，亦可使n型包覆層35或p型包覆層37，為使用積層體20之超晶格層。
如以上說明，在本發明的實施形態的氮化物半導體裝置的製造方法中，當積層體20中的第1氮化物半導體層21與第2氮化物半導體層22的生長切換時，切換III族元素的 原料氣體的種類，並一併切換V族元素的原料氣體及其載氣的流量。藉此，可分別以合適的V/III比，使第1氮化物半導體層21與第2氮化物半導體層22生長。其結果為，形成高結晶品質的積層體20。
再者，雖然亦考慮在GaN層與AlN層的生長中，使氨氣的流量為一定，並增加TMA氣體的流量，藉此，來實現適合AlN層之V/III比，但難以實現。其原因在於，最適宜成膜之原料氣體的流量的範圍已經是確定的了，藉此即便增加流量，亦無法有效地成膜。
如上所述，本發明已藉由實施形態加以記載，然而不應理解為構成部分本揭示之論述及圖式是用以限定本發明。根據本揭示，本發明所屬技術領域中熟習此技術者應當明白各種代替實施形態、實施例及運用技術。亦即，本發明當然包含本文中未記載之各種實施形態等。因此，根據上述說明，本發明的技術範圍僅受妥當的申請專利範圍的發明特定事項之規定。
1‧‧‧氮化物半導體裝置
10‧‧‧半導體基板
20‧‧‧積層體
21‧‧‧第1氮化物半導體層
22‧‧‧第2氮化物半導體層
100‧‧‧反應爐

Claims (5)

  1. 一種氮化物半導體裝置的製造方法，其於導入有III族元素原料氣體和V族元素原料氣體之反應爐內，使III-V族氮化物半導體的多層膜生長，該氮化物半導體裝置的製造方法的特徵在於包括以下步驟：以前述V族元素原料氣體的第1原料氣體流量和第1載氣流量，使第1氮化物半導體層生長之步驟；及，以少於前述V族元素原料氣體的前述第1原料氣體流量之第2原料氣體流量、和多於前述第1載氣流量之第2載氣流量，使第2氮化物半導體層生長之步驟；並且，積層前述第1氮化物半導體層與前述第2氮化物半導體層，以使供給至前述反應爐之總氣體流量與前述第1氮化物半導體層於生長時的總氣體流量實質上相同之方式，來使前述第2氮化物半導體層生長。
  2. 如請求項1所述之氮化物半導體裝置的製造方法，其中，以前述V族元素原料氣體相對於前述III族元素原料氣體之比例分別適合前述第1氮化物半導體層和前述第2氮化物半導體層之方式，來設定前述第1原料氣體流量和前述第2原料氣體流量。
  3. 如請求項1所述之氮化物半導體裝置的製造方法，其中，前述V族元素原料氣體為氨氣。
  4. 如請求項2所述之氮化物半導體裝置的製造方法，其中，前述V族元素原料氣體為氨氣。
  5. 如請求項1至請求項4中的任一項所述之氮化物半導體裝置的製造方法，其中，在使前述第1氮化物半導體層生長之步驟中的V/III比，高於使前述第2氮化物半導體層生長之步驟中的V/III比。
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