TWI669820B - 氮化物半導體基板以及氮化物半導體基板的製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種構造，不使遷移率降低而提高二維電子氣體之濃度。亦即，本發明提供一種氮化物半導體基板，包含：第一層，具有Ina1Alb1Gac1N(0≦a1≦1、0≦b1≦1、0≦c1≦1、a1+b1+c1=1)之組成；第二層，形成於前述第一層上，具有Ina2Alb2Gac2N(0≦a2≦1、0≦b2≦1、0≦c2≦1、a2+b2+c2=1)之組成，且具有與前述第一層不同之帶隙；及第三層，形成於前述第二層上，具有AjB1-jN(A為13族元素，B為13族元素或14族元素，A≠B，0<j<1)之組成。
Description
本發明尤其係關於一種用於高電子遷移率電晶體(HEMT；High Electron Mobility Transistor)之氮化物半導體基板以及氮化物半導體基板的製造方法。
由氮化物半導體所構成之HEMT中，已知有於電子供給層(或障壁層)上形成各種層(保護層或帽層(cap layer))而提高電特性之技術。
日本特開2008-227501號公報中，揭示有一種III族氮化物高電子遷移率電晶體(HEMT)，包含：III族氮化物基底之通道層；前述通道層上之III族氮化物基底之障壁層；前述障壁層上之多層帽層，該多層帽層係於前述障壁層上具有包含氮化鋁(AlN)之層，且於該包含AlN之層上具有氮化鎵(GaN)層；及前述GaN層上之SiN鈍態層。
日本特開2015-177069號公報中，揭示有一種半導體
裝置，包括：GaN系半導體層；源極電極，設置於前述GaN系半導體層上；汲極電極，設置於前述GaN系半導體層上；閘極電極，於前述源極電極與前述汲極電極之間，設置於前述GaN系半導體層上；第1保護膜，於前述閘極電極與前述汲極電極之間，接觸前述GaN系半導體層而設置；及第2保護膜，設置於前述第1保護膜上，且電阻率高於前述第1保護膜；並且前述第1保護膜為含有1×1018cm-3以上之鎵(Ga)、鐵(Fe)、鉻(Cr)或鎳(Ni)作為雜質之氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或氧化鋁。
日本特開2008-227501號公報或日本特開2015-177069號公報中所記載之發明中，使用以下構造，該構造係於由GaN系半導體所構成之電子供給層(或障壁層)上，根據需要進而介隔各種層而使氮化矽(SiN)形成為保護膜。
但是，於如上述般使用SiN膜作為保護層之情形時，發現二維電子氣體(2DEG)之濃度不夠高。可認為此情況起因於保護膜之絕緣性高。
關於此方面，日本特開2015-177069號公報中所記載之半導體裝置具備接觸GaN系半導體層而設置之第1保護膜、及設置於第1保護膜上且電阻高於第1保護膜之第2保護膜，且第1保護膜具備一定以上之導電性，藉此發揮將GaN系半導體層中所產生之電荷自GaN系半導體層中去除，或者抑制GaN系半導體層中所產生之電荷於半導體裝置中偏集存在之功能，GaN系半導體層內之無用電荷經由第1保護膜逃脫，或者分散於第1保護膜內，從而防止電荷之非意圖之局部存在化或偏集存在化。因此，可抑制電流崩塌(current collapse)等電晶體特性之變動。
然而，上述之方法中，就使二維電子氣體之濃度足夠高之觀點而言，可謂未必獲得理想的效果。
本發明係鑒於上述課題，其目的在於提供一種氮化物半導體基板，於在電子供給層上具有保護膜之HEMT中，可維持遷移率，並且進一步提高二維電子氣體之濃度。
本發明之氮化物半導體基板之特徵在於包含：第一層，具有Ina1Alb1Gac1N(0≦a1≦1、0≦b1≦1、0≦c1≦1、a1+b1+c1=1)之組成；第二層，形成於前述第一層上，具有Ina2Alb2Gac2N(0≦a2≦1、0≦b2≦1、0≦c2≦1、a2+b2+c2=1)之組成，且具有與前述第一層不同之帶隙；及第三層，形成於前述第二層上，具有AjB1-jN(A為任意之13族元素，B為任意之13族元素或14族元素，A≠B，0<j<1)之組成。
藉由具有上述構成，可維持遷移率，並且進一步提高二維電子氣體之濃度。
另外，本發明之氮化物半導體基板較佳為於第二層與第三層之間，具有由13族氮化物所構成之帽層。
本發明之較佳的一態樣係前述第一層為由GaN所構成之電子輸送層，前述第二層為具有Ina2Alb2Gac2N(a2=0、0<b2≦1、0≦c2<1、b2+c2=1)之組成之電子供給層，前述帽層為GaN層，前述第三層為GajSihN(0<j<1)層。
本發明之氮化物半導體基板的製造方法係藉由有機金屬氣相生長法製造氮化物半導體基板，該氮化物半導體基板依序包含：第一層，作為電子輸送層之GaN層；第二層，作為電子供給層之Ina2Alb2Gac2N(a2=0、0<b2≦1、0≦c2<1、b2+c2=1)層；帽層，為GaN層；及第三層，為GajSi1-jN(0<j<1)層；且該氮化物半導體基板的製造方法包括：第1步驟，在積層第一層之後，於前述第一層上連續積層第二層；第2步驟，在第1步驟之後，於前述第二層上形成帽層；第3步驟，在第2步驟結束之後，即刻以3秒以下之時間供給Ga原料氣體、Si原料氣體及N原料氣體，而積層第三層；及第4步驟，在第3步驟之後，停止前述Ga原料氣體之供給，而供給前述Si原料氣
體及前述N原料氣體。
根據本發明，可提供一種氮化物半導體基板以及氮化物半導體基板的製造方法，於在電子供給層上具有保護膜之HEMT中，可不降低遷移率，而提高二維電子氣體之濃度，亦即提高電子濃度。
1‧‧‧基底基板
2‧‧‧緩衝層
3‧‧‧第一層
4‧‧‧第二層
5‧‧‧電極
6‧‧‧SiN保護層
C‧‧‧帽層
X‧‧‧第三層
Z‧‧‧氮化物半導體基板
圖1係表示本發明之氮化物半導體基板的一態樣之剖面概略圖。
圖2係表示本發明之氮化物半導體基板的較佳的一態樣之剖面概略圖。
圖3係以示意方式表示本發明之氮化物半導體基板的另一態樣中，層中的Ga組成比的形態之概略圖。
圖4係以示意方式表示本發明之氮化物半導體基板的較佳的另一態樣中，層中的Ga組成比的形態之概略圖。
以下，一面參照圖式，一面詳細地說明本發明。本發明之氮化物半導體基板包含：第一層，具有Ina1Alb1Gac1N(0≦a1≦1、0≦b1≦1、0≦c1≦1、a1+b1
+c1=1)之組成；第二層，形成於前述第一層上，具有Ina2Alb2Gac2N(0≦a2≦1、0≦b2≦1、0≦c2≦1、a2+b2+c2=1)之組成，且具有與前述第一層不同之帶隙；及第三層，形成於前述第二層上，具有AjB1-jN(A為任意之13族元素，B為任意之13族元素或14族元素，A≠B，0<j<1)之組成。
圖1係表示本發明之氮化物半導體基板Z的一態樣之剖面概略圖，包含基底基板1、緩衝層2、第一層3、第二層4、第三層X及電極5。具體而言，第一層3為電子輸送層，第二層4為電子供給層。
圖2所示之氮化物半導體基板Z係本發明之較佳的一態樣，包含基底基板1、緩衝層2、第一層(電子輸送層)3、帽層C、第二層(電子供給層)4、第三層X及電極5。
再者，本發明中所示之圖全部係為了說明而以示意方式簡化且強調形狀之圖，細節部分之形狀、尺寸及比率與實際不同。另外，關於被認為對於說明本發明而言不需要之其他構成，省略記載。
作為基底基板1，可列舉：矽單晶、碳化矽、藍寶石、GaN。該等材料中，與絕緣性更高之碳化矽、藍寶石等相比，矽單晶於縱向之耐壓之方面常常不利，但本發明中，
即便於基底基板1使用矽單晶之情形時，亦可更顯著地發揮出該矽單晶之效果，故而可謂尤佳。
作為緩衝層2，例如可應用日本第5159858號公報或日本第5188545號公報中所揭示之緩衝層構造。亦即，例如由AlGaN系之初始緩衝層及週期生長層所構成，該AlGaN系之初始緩衝層係第一層由厚度50nm至200nm之AlN所構成，第二層由厚度100nm至300nm之AlGaN所構成，該週期生長層係第三層為厚度1nm至50nm之GaN，第四層為厚度1nm至50nm之AlN，第五層為厚度200nm以上之GaN，且係將第三層及第四層依序重複積層多次，最後積層第五層而成；並且可應用將氮化物合計重複積層5次至100次而成之AlGaN系之多層緩衝層、或者將AlxGa1-xN單晶層(0.6≦x≦1.0)及AlyGa1-yN單晶層(0≦y≦0.5)重複積層5組至100組而成之多層緩衝層。進而，於電子輸送層3下存在高電阻之緩衝層，作為一例，存在碳濃度為1×1018atoms/cm3至3×1020atoms/cm3、具體而言為1×1018atoms/cm3至3×1018atoms/cm3，厚度為100nm以上、較佳為100nm至200nm左右之GaN層時，可相輔相成地發揮出該GaN層之縱向之耐壓提高效果與本發明之縱向之耐壓提高效果，故而尤佳。
圖1表示將第一層3(電子輸送層)與第二層4(電子供給層)依序積層而成之構造，該第一層3(電子輸送層)具有
Ina1Alb1Gac1N(0≦a1≦1、0≦b1≦1、0≦c1≦1、a1+b1+c1=1)之組成，該第二層4(電子供給層)具有與該第一層3不同之帶隙，具有Ina2Alb2Gac2N(0≦a2≦1、0≦b2≦1、0≦c2≦1、a2+b2+c2=1)之組成。
具體而言，構成電子輸送層之Ina1Alb1Gac1N(0≦a1≦1、0≦b1≦1、0≦c1≦1、a1+b1+c1=1)可列舉：InN、AlN、GaN、InAlN、InGaN、AlGaN及InAlGaN。該等氮化物中，較佳為GaN、AlGaN及InGaN等，更佳為GaN。再者，InAlN、InGaN、AlGaN及InAlGaN之構成元素可具有各種組成比。
具體而言，構成電子供給層之Ina2Alb2Gac2N(0≦a2≦1、0≦b2≦1、0≦c2≦1、a2+b2+c2=1)可列舉：InN、AlN、GaN、InAlN、InGaN、AlGaN及InAlGaN。該等氮化物中，較佳為AlN、AlGaN及InGaN等，更佳為AlN、AlGaN，尤佳為AlGaN。再者，InAlN、InGaN、AlGaN及InAlGaN之構成元素可具有各種組成比。
電子輸送層及電子供給層的層厚並無限制，通常，電子輸送層為10nm以上，較佳為300nm至2500nm，電子供給層為1nm至100nm，較佳為10nm至100nm。
另外，第一層3及第二層4中所含之雜質的容許量亦
無界限。再者，雜質例如為碳、磷、鎂、矽、鐵、氧及氫等。
另外，亦可於電子輸送層與電子供給層之間介置間隔層。間隔層藉由提高二維電子之封入效果而具有如下作用：使形成於與電子輸送層或電子供給層之界面之二維電子受到散射，而抑制遷移率降低。間隔層係以該間隔層的厚度為數分子層左右，例如使用帶隙大之AlN等材料而形成。
本發明之氮化物半導體基板Z包含第三層X，該第三層X形成於第二層4上，具有AjB1-jN(A為任意之13族元素，B為任意之13族元素或14族元素，A≠B，0<j<1)之組成。
該第三層X廣義上擔負作為保護層之作用，本發明中，尤其亦具備避免由電子供給層暴露於大氣氛圍中引起之不良情況之作用。
通常，作為此種保護層，先前應用SiN等絕緣膜，但於電子供給層上具有絕緣膜之情形時，若欲提高電子濃度，則可見遷移率降低之傾向。
本發明者等人對作為此種保護層最適宜之材料或構
造進行努力研究，結果發現，較佳為以下材料，該材料基本上為絕緣體，但該材料的一部分具有些許導電性，而且該材料中之具有導電性之部位為結晶性高之構造。此種材料具有AjB1-jN(A為任意之13族元素，B為任意之13族元素或14族元素，A≠B，0<j<1)之組成。
作為構成第三層X之AjB1-jN(A為任意之13族元素，B為任意之13族元素或14族元素，A≠B，0<j<1)之例，可列舉具有以下組合之氮化物，該組合係A自Ga、In及Al中任意選擇，B自Si及Ge中任意選擇。該等之中，具體而言，可列舉GaSiN、GaGeN、或AlSiN等，更佳為GaSiN。再者，先前之SiN層依照本發明記為AjB1-jN(A為13族元素，B為作為14族元素之Si，A≠B，j=0)。
第三層X藉由具有AjB1-jN之組成，不僅為單純之絕緣膜，而且保持與作為電子供給層之第二層4相同程度之結晶性。因此，第二層4與第三層X之界面處之晶格失配亦小。此情形與形成電阻之差及晶格失配之程度之任一者均變大之絕緣層之情形相比，界面處之電子行為之惡化得到抑制。
就該方面而言，日本特開2015-177069號公報中所記載之發明中，第1保護膜為含有Ga作為雜質之氮化矽
膜，因此可謂本發明藉由為具有AjB1-jN之組成之構成，出於上述之高結晶性及界面處之穩定性之理由，而呈現出顯著的效果差異。
第三層X的厚度較佳為1nm以上且10nm以下，進而較佳為5nm以下。
如上所述，第三層X係對與第二層4之界面處之電子行為造成影響之層，若該第三層X本身過厚，則無法忽視因晶格常數之差所產生之應力之影響。但是，若未達1nm，則不僅無法獲得充分的本發明之效果，而且本身難以形成。
第三層X之AjB1-jN中之j若至少0.01以上，則可獲得本發明之效果，若至多0.95，則不會損及本發明之效果。較佳為j為0.3以上且0.6以下。
另外，本發明中，亦可於第二層4與第三層X之間包含由13族氮化物所構成之帽層C。圖2係表示本發明之氮化物半導體基板的較佳的一態樣，亦即於第二層4上進而包含帽層C之構造之剖面概略圖。例如，若為厚度1nm至3nm左右且非絕緣層之帽層，則不會損及本發明之效果。
本發明之較佳的一實施態樣係第一層3為作為電子輸送層之GaN，第二層4為作為電子供給層之Ina2Alb2Gac2N(a2=0、0<b2≦1、0≦c2<1、b2+c2=1)，帽層C為GaN，第三層X為GajSi1-jN(0<j<1)之情形。該情形時，可謂更佳為j為0.4至0.5左右。
圖3係以示意方式表示本發明之另一態樣中，層中的Ga組成比的形態之概略圖。如此，亦可於第三層X上形成SiN保護層6。另外，圖4係以示意方式表示本發明之較佳的一態樣，插入帽層C之情形時，層中的Ga組成比的形態之概略圖。
圖3所示之一態樣中，於SiN保護層6與第二層4(電子供給層)之間，設置成為第三層X之由Ga及Si所構成之混晶之氮化物化合物之層，藉此不會使遷移率降低，而可提升電子濃度，結果可抑制片電阻。進而，如圖4所示之較佳的一態樣，於第二層4(電子供給層)與第三層X之間設置帽層，藉此Ga組成比之降低更少，本發明之效果變得顯著。
本發明的製造方法的一態樣包括：第1步驟，使用有機金屬氣相生長法(MOCVD；metal organic chemical vapor deposition)，連續積層第一層及第二層；第2步驟，緊接著形成帽層；第3步驟，自第2步驟結束之後，即刻僅以
超過0秒且為3秒以下之時間，供給Ga原料氣體、Si原料氣體及N原料氣體；及第4步驟，在第3步驟之後，停止Ga原料氣體之供給，而僅供給Si原料氣體及N原料氣體。
亦即，本發明中，尤其是於第3步驟及第4步驟中，於如上述之結晶生長條件下，將第三層X中之元素A(例如Ga)之原料氣體與元素B(例如Si)之原料氣體及氮原料氣體一起供給，藉此可獲得具有本發明之效果之構造。
另外，MOCVD法中，停止原料氣體之供給後具有時滯(time lag)而引起結晶生長。本發明中，藉由將元素A之原料氣體之供給時間抑制為最長3秒以下，可於第二層4上形成薄且j為0.01以上之GajSi1-jN。
再者，薄且j為0.01以上之GajSi1-jN之形成例如亦可藉由分子束磊晶(MBE；Molecular Beam Epitaxy)法進行，但MBE法與利用MOCVD法製作第一層3及第二層4之情形相比，生產效率顯著較差。
如上所述，本發明之氮化物半導體基板藉由於該氮化矽膜中添加Ga，不會使遷移率降低，而可提高電子濃度，結果可抑制片電阻。因此，本發明之氮化物半導體基板適合作為電特性更優異之HEMT用之氮化物半導體基板。
以下，基於實施例具體地說明本發明，但本發明並不受下述實施例之限制。
準備直徑6吋、厚度675μm、p型且比電阻0.002Ωcm、面方位(111)之矽單晶基板。將該矽單晶基板利用公知的基板洗淨方法清潔後，設置於MOCVD裝置內，進行升溫，以載氣對裝置內進行置換後，於1000℃×15分鐘、氫100%氛圍下進行熱處理，去除矽單晶表面之自然氧化膜。
其次，使用三甲基鋁(TMA；Trimethyl aluminum)、氨(NH3)作為原料氣體，使厚度70nm之由AlN單晶所構成之初始層於生長溫度1000℃下進行氣相生長。
於前述初始層上，使用三甲基鎵(TMG；Trimethyl gallium)、TMA、NH3作為原料氣體，使碳濃度5×1019atoms/cm3且厚度300nm之Al0.1Ga0.9N單層進行氣相生長。其次，使碳濃度5×1019atoms/cm3且厚度5nm之AlN薄層與厚度30nm之Al0.1Ga0.9N薄層交替形成各8層之積層體，繼而，使碳濃度5×1019atoms/cm3之Al0.1Ga0.9N單層生長厚度125nm。將該積層體及單層依序進而重複4次。進而，積層碳濃度1×1018atoms/cm3且厚度500nm之GaN單層，形成包括作為初始層之厚度300nm之Al0.1Ga0.9N單層在內之一系列之緩衝層。其後，以相同之方式積層碳濃度1×1016atoms/cm3且厚度700nm之GaN單層作為電子輸送層後，將AlxGa1-xN(x=1)成膜2nm作為電子供給層。再者，初始層之形成以後，緩衝層、電子輸送層及電子供給層之形成全部藉由下述方式進行：以生長溫度1000℃作為基準，在此基礎上於1℃至15℃之範圍內加以微調整。
[實施例1]
於電子供給層上，將作為帽層之GaN層成膜1nm，繼而將第三層成膜4nm。第三層之成膜中，將矽烷(SiH4)、NH3及TMGa同時供給3秒後，僅停止TMGa之供給，進而將SiH4及NH3供給5秒，形成GajSi1-jN(0<j<1)層。GajSi1-jN的厚度為約1nm，j值為約0.5。
[比較例1]
不進行TMGa之供給，調整第三層之成膜時間，除此以外，以與實施例1相同之方式，進行帽層之形成及厚度約4nm之SiN層之形成。
[評價]
針對實施例1及比較例1之氮化物半導體基板，評價遷移率及載子濃度。亦即，於該等氮化物半導體基板的表面形成電極，測定Hall效應。Hall效應之測定係採用Van der Pauw法，測定裝置使用ACCENT製造之HL5500PC而實施。另外，亦使用該電極測定片電阻。
結果示於以下。
根據表1，關於遷移率，實施例1、比較例1中均為與1250sq.cm/Vs程度相同程度，但比較例1之氮化物半導體基板中，載子濃度為0.92E+13/sq.cm，相對於此，實施例1之氮化物半導體基板中，載子濃度為1.45E+13/sq.cm。藉此，關於片電阻，比較例1中成為544Ohm/sq.，實施例1中成為345Ohm/sq.。
根據上述內容，可知本發明之氮化物半導體基板具有
與先前之間隔層構造同等之遷移率，並且電子密度提高。
Claims (4)
- 一種氮化物半導體基板，包含：第一層，具有Ina1Alb1Gac1N之組成，其中0≦a1≦1、0≦b1≦1、0≦c1≦1、a1+b1+c1=1；第二層，形成於前述第一層上，具有Ina2Alb2Gac2N之組成，且具有與前述第一層不同之帶隙，其中0≦a2≦1、0≦b2≦1、0≦c2≦1、a2+b2+c2=1；及第三層，形成於前述第二層上，厚度為1nm以上10nm以下，具有GajSi1-jN之組成，其中0<j<1。
- 如請求項1所記載之氮化物半導體基板，其中於前述第二層與前述第三層之間，具有由13族氮化物所構成之帽層。
- 如請求項2所記載之氮化物半導體基板，其中前述第一層為由GaN所構成之電子輸送層；前述第二層為具有Ina2Alb2Gac2N之組成之電子供給層，其中a2=0、0<b2≦1、0≦c2<1、b2+c2=1；前述帽層為GaN層。
- 一種氮化物半導體基板的製造方法，藉由有機金屬氣相生長法製造氮化物半導體基板，前述氮化物半導體基板依序包含：第一層，作為電子輸送層之GaN層；第二層，作為電子供給層之Ina2Alb2Gac2N層， 其中a2=0、0<b2≦1、0≦c2<1、b2+c2=1；帽層，為GaN層；及第三層，厚度為1nm以上10nm以下，為GajSi1-jN層，其中0<j<1；前述氮化物半導體基板的製造方法包括：第1步驟，在積層第一層之後，於前述第一層上連續積層第二層；第2步驟，在第1步驟之後，於前述第二層上形成帽層；第3步驟，在第2步驟結束之後，即刻以3秒以下之時間供給Ga原料氣體、Si原料氣體及N原料氣體，而積層第三層；及第4步驟，在第3步驟之後，停止前述Ga原料氣體之供給，而供給前述Si原料氣體及前述N原料氣體。
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