WO2019069364A1 - 窒化物系電界効果トランジスタ - Google Patents

窒化物系電界効果トランジスタ Download PDF

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layer
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carbon
concentration
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木下　博之
奨 畠中
淳史 惠良
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三菱電機株式会社
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
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    • H01L29/80—Field effect transistors with field effect produced by a PN or other rectifying junction gate, i.e. potential-jump barrier
    • H01L29/812—Field effect transistors with field effect produced by a PN or other rectifying junction gate, i.e. potential-jump barrier with a Schottky gate

Definitions

  • the present invention relates to a nitride-based field effect transistor.
  • a nitride semiconductor is a wide band gap semiconductor, has a large dielectric breakdown electric field, and has a high electron saturation drift velocity. Furthermore, since a high concentration of two-dimensional electron gas is generated at the heterointerface between aluminum gallium nitride (AlGaN) and gallium nitride (GaN), a heterojunction field effect transistor with a large current density can be realized. Therefore, research and development of high frequency operation transistors using nitride semiconductors are actively being conducted at present.
  • Patent Document 1 discloses an example of an epitaxial structure of a nitride-based epitaxial wafer used for a field effect transistor such as a nitride-based high electron mobility transistor (HEMT).
  • Patent Document 1 comprises a silicon carbide (SiC) substrate, a nucleation layer made of aluminum nitride (AlN) formed on the SiC substrate, and gallium nitride (GaN) formed on the nucleation layer.
  • a wafer is disclosed comprising a buffer layer and a barrier layer of aluminum gallium nitride (AlGaN) formed on the buffer layer.
  • the leakage current when the current is off between the source and the drain flowing through the buffer layer made of gallium nitride is often a problem.
  • Addition of carbon to the buffer layer is effective to prevent this.
  • the current at the time of the high frequency operation is smaller than the current at the time of the DC conduction.
  • silicon and oxygen may be added to the barrier layer of aluminum gallium nitride, or silicon and carbon may be simultaneously added to the buffer layer of gallium nitride.
  • This phenomenon can be confirmed by the hysteresis of the current between the gate voltage and the source / drain in repetitive operation of the transistor, or the temporal analysis when the gate voltage is applied to turn off the source / drain current. This phenomenon is more pronounced as the concentration of residual carbon in the GaN buffer layer becomes higher, which impairs the current amplification function and the current blocking function of the transistor.
  • the residual carbon concentration of the GaN buffer layer be low.
  • residual carbon has the effect of increasing the resistance of the GaN-based semiconductor crystal and reducing the drain leak current when the current is off. That is, in the control of the residual carbon concentration in the buffer layer, the delay characteristics of the current and the reduction of the leak current have a trade-off relationship. For this reason, it is not always easy to improve both the problem of the current delay characteristics and the problem of the drain leakage characteristics simultaneously by satisfying the buffer layer with carbon only.
  • a nitride semiconductor that can satisfy both the problem of current delay characteristics and the problem of leakage characteristics while sufficiently satisfying high breakdown voltage characteristics even by doping Si and carbon into the buffer layer made of n-type GaN It was difficult to get the device.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a nitride-based field effect transistor having improved current delay characteristics while reducing the leak current.
  • the nitride-based field effect transistor according to the invention of this application is formed on a substrate, a nucleation layer having aluminum nitride formed on the substrate, and silicon, oxygen and carbon added on the nucleation layer.
  • a drain electrode formed directly or through an intermediate layer on the layer, and a gate electrode formed directly or through the intermediate layer on the barrier layer between the source electrode and the drain electrode;
  • the buffer layer is P-type.
  • a nitride-based field effect transistor having improved current delay characteristics while reducing leakage current by making the buffer layer having silicon, oxygen and carbon doped gallium nitride to be P-type Can be provided.
  • a nitride-based field effect transistor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the same or corresponding components may be assigned the same reference numerals and repetition of the description may be omitted.
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a wafer 10 to be a material of a nitride-based field effect transistor according to a first embodiment of the present invention.
  • the wafer 10 is a nitride semiconductor epitaxial wafer.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the transistor 20 according to the first embodiment of the present invention.
  • the transistor 20 is a nitride-based field effect transistor.
  • the wafer 10 is provided with a substrate 11.
  • the substrate 11 is a silicon carbide (SiC) substrate.
  • the material of the substrate 11 can be SiC, silicon, sapphire or the like.
  • a nucleation layer 12 mainly made of aluminum nitride (AlN) is provided on the substrate 11.
  • AlN aluminum nitride
  • a buffer layer 13 mainly made of gallium nitride (GaN) is provided on the nucleation layer 12.
  • the buffer layer and below are also referred to as a GaN buffer layer 13. Silicon, oxygen and carbon are added to the buffer layer 13.
  • a barrier layer 14 mainly made of aluminum gallium nitride (AlGaN) is provided on the buffer layer 13.
  • AlGaN aluminum gallium nitride
  • the wafer 10 is used, for example, as a material of an electronic device such as a high electron mobility transistor (HEMT).
  • HEMT high electron mobility transistor
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a transistor 20 manufactured using the wafer 10 described above.
  • the transistor 20 includes a substrate 11 and the above-described nucleation layer 12, the buffer layer 13, and the barrier layer 14 sequentially stacked on the substrate 11.
  • the transistor 20 includes a source electrode 15s, a drain electrode 15d, and a gate electrode 15g formed directly on the barrier layer 14.
  • the gate electrode 15g is formed on the barrier layer 14 between the source electrode 15s and the drain electrode 15d.
  • the source electrode 15s, the drain electrode 15d, and the gate electrode 15g may be provided on the barrier layer 14 via an intermediate layer.
  • the AlN nucleation layer 12 has a function as a nucleation layer when growing the GaN crystal forming the GaN buffer layer 13 and as a buffer layer that buffers the lattice constant difference between the substrate 11 and the GaN buffer layer 13. It has a function.
  • the AlN nucleation layer 12 can be formed by, for example, an epitaxial growth method using an Al-containing gas such as trimethylaluminum (TMA) gas and a nitrogen-containing gas (nitride gas) such as ammonia (NH 3 ) gas.
  • TMA trimethylaluminum
  • nitride gas nitrogen-containing gas
  • NH 3 ammonia
  • a two-dimensional electron gas layer is generated at the interface between the GaN buffer layer 13 and the AlGaN barrier layer 14 by the piezoelectric effect accompanying the lattice constant difference, and this two-dimensional electron gas layer functions as an electron transit layer.
  • the entire GaN buffer layer 13 needs to have a high resistance.
  • the level of the resistance increase of the GaN buffer layer 13 changes the leakage current between the source and the drain flowing through the GaN buffer layer 13 called buffer leak.
  • the GaN buffer layer 13 can be formed, for example, by an epitaxial growth method using a two-dimensional electron gas a containing gas such as trimethylgallium (TMG) gas and a nitrogen containing gas (nitride gas) such as NH 3 gas.
  • a containing gas such as trimethylgallium (TMG) gas
  • nitride gas such as NH 3 gas
  • the AlGaN barrier layer 14 may be formed, for example, by an epitaxial growth method using an Al-containing gas such as TMA gas, a Ga-containing gas such as TMG gas, and a nitrogen-containing gas (nitriding gas) such as NH 3 gas. it can.
  • an Al-containing gas such as TMA gas
  • a Ga-containing gas such as TMG gas
  • a nitrogen-containing gas such as NH 3 gas
  • the GaN buffer layer 13 is doped with oxygen according to epitaxial growth conditions such as temperature, pressure, gas species, flow rate, and film formation time.
  • carbon contained in the TMG gas is also doped in the GaN buffer layer 13 according to the epitaxial growth conditions.
  • O doped in the GaN buffer layer 13 functions as a donor that generates free electrons that are n-type carriers, and C functions as an acceptor that generates holes that are p-type carriers.
  • silicon (Si) is doped by performing epitaxial growth using a silicon-containing gas such as monosilane (SiH 4 ) gas in addition to the film-forming gas such as TMG gas, TMA gas, or NH 3 gas described above. It can also be done. Si doped in the GaN buffer layer 13 functions as a donor that generates free electrons that are n-type carriers.
  • a silicon-containing gas such as monosilane (SiH 4 ) gas in addition to the film-forming gas such as TMG gas, TMA gas, or NH 3 gas described above. It can also be done.
  • Si doped in the GaN buffer layer 13 functions as a donor that generates free electrons that are n-type carriers.
  • the source electrode 15s and the drain electrode 15d can each be formed of, for example, a multilayer structure of Ti and Al.
  • the gate electrode 15g can be formed, for example, by a multilayer structure of Ni and Au.
  • the buffer layer 13 which is gallium nitride to which silicon, oxygen and carbon are added is P-type.
  • the total concentration of silicon and oxygen in the GaN buffer layer 13 is preferably 1 to 70% of the concentration of carbon in the GaN buffer layer 13.
  • the total concentration of silicon and oxygen in the GaN buffer layer 13 is more preferably 20 to 70% of the concentration of carbon in the GaN buffer layer 13. The reason will be described below.
  • the GaN buffer layer 13 can be doped with carbon during epitaxial growth. According to the inventors' intensive studies, carbon doped in the GaN buffer layer 13 generates trap levels that trap free electrons. The trap levels have a function of capturing electrons that have entered the high-resistance GaN buffer layer 13. Therefore, depending on the amount of electrons entering the GaN buffer layer 13, the current flowing in the GaN buffer layer 13 is suppressed, and the gate is turned off in a state where a voltage is applied between the drain and source, that is, a transistor It is possible to suppress the leakage current between the drain and the source at the time of off of 20.
  • the band of the charged region is bent. In a HEMT transistor, this bending of the band changes the drain-source current set by the gate voltage. Furthermore, since the carbon doped in the GaN buffer layer 13 once captures electrons and emits electrons in a time corresponding to the trap level, the bent band returns to the original state again after a certain time. . Therefore, a phenomenon occurs in which the drain-source current set by the gate voltage changes.
  • the electron emission time is between 10 and 1000 milliseconds at room temperature. Then, if the transistor operation has a frequency that interferes with this time, a phenomenon occurs in which the current between the drain and the source, which should be set by the gate voltage, increases or decreases. As a result, there arises a problem that normal operation does not occur at the set voltage of the gate in the operating region of the transistor.
  • the inventor has conducted intensive studies on a method of suppressing the phenomenon in which the current between the drain and the source changes when the gate is off.
  • the inventor has conducted intensive studies on a method of suppressing the phenomenon in which the current between the drain and the source changes when the gate is off.
  • the total concentration of the silicon concentration and the oxygen concentration in the GaN buffer layer 13 to a concentration lower than the concentration of carbon in the GaN buffer layer 13, the above-mentioned problem can be solved. I got the knowledge.
  • Making the total concentration of silicon and oxygen in the buffer layer 13 lower than the concentration of carbon in the buffer layer 13 makes the buffer layer 13 a P-type conductivity type.
  • the concentrations of impurities such as silicon, oxygen and carbon in the GaN buffer layer 13 are adjusted to satisfy the above relationship, relatively large amounts of electrons generated from silicon and oxygen are already captured in the trap generated by carbon. Even if the Fermi level is maintained and the electrons newly introduced into the trap generated by carbon in the GaN buffer layer 13 are captured and released, the influence on the entire GaN buffer layer 13 is considered to be small. Therefore, it is considered that the bending of the band is reduced, and an abnormal change between the gate voltage and the current between the source and the drain can be suppressed.
  • the doping amount of carbon in the GaN buffer layer 13 is 5 ⁇ 10 19 cm ⁇
  • the doping amount of carbon is preferably 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less.
  • a trap that captures the electrons The number of electrons must be greater than the number of electrons supplied by donors such as silicon, oxygen and lattice defects.
  • the concentration of carbon in the GaN buffer layer 13 is assumed to be the amount of electrons entering the GaN buffer layer 13 when semiconductor devices are manufactured and used, and electrons sufficient to capture the entering electrons. It may be a concentration at which a trap is formed. For this reason, the concentration of carbon in the buffer layer 13 varies depending on the use conditions or the use method of the semiconductor device. The higher the voltage between the source and the drain of the semiconductor device and the higher the operating temperature, the more the amount of electrons entering the GaN buffer layer 13 is considered to be.
  • the carbon concentration in the GaN buffer layer 13 is preferably set to 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or more.
  • the carbon concentration in the GaN buffer layer 13 is preferably set to 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more. If the carbon concentration in the GaN buffer layer 13 falls below these values, it may lead to an increase in drain leakage current.
  • the total concentration which is the sum of the concentrations of silicon and oxygen in the GaN buffer layer 13, is preferably 70% or less of the concentration of carbon in the GaN buffer layer 13.
  • this value is made larger than 70%, electrons excited by the function of silicon and oxygen as donors fill most of the trap levels formed by carbon and the electrons having penetrated into the GaN buffer layer 13 The capture amount is greatly reduced. In this case, drain leak current may increase.
  • the total concentration of the silicon concentration and the oxygen concentration in the GaN buffer layer 13 is made lower than the carbon concentration in the GaN buffer layer 13 to obtain the GaN buffer.
  • the electrons that have penetrated into the layer 13 are captured by the trap order generated by carbon. This makes it possible to suppress the drain leak current flowing through the GaN buffer layer 13.
  • the number is small compared to the number of electrons excited by the function of silicon and oxygen as donors, so that the number in the GaN buffer layer 13 is small. It is possible to suppress the phenomenon that the bending of the band from the GaN buffer layer 13 to the barrier layer 14 changes due to the capture and emission of electrons by the trap, that is, the phenomenon that the Fermi level changes. As a result, it is possible to suppress the phenomenon that the current between the source and the drain set by the gate voltage changes.
  • a semi-insulating SiC substrate of polytype 4H or polytype 6H is prepared. Then, the above-described SiC substrate is accommodated in a reaction furnace provided in a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) apparatus. Then, the temperature in the reaction furnace is, for example, 1175 ° C., and the supply of the mixed gas of H 2 gas and N 2 gas into the reaction furnace is started. That is, a mixed gas containing no NH 3 gas is supplied to the reaction path.
  • MOVPE metal organic vapor phase epitaxy
  • the supply of TMA gas and NH 3 gas into the reactor is started while maintaining the temperature in the reactor at 1175 ° C. Then, by holding the SiC substrate for a predetermined time, the AlN nucleation layer 12 having a film thickness of 40 nm, for example, is epitaxially grown on the SiC substrate.
  • the temperature in the reactor is changed to, for example, 980 ° C., and the supply of TMG gas and NH 3 gas into the reactor is started. Then, by holding the SiC substrate for a predetermined time, the GaN buffer layer 13 having a film thickness of, for example, 2000 nm is epitaxially grown on the AlN nucleation layer 12.
  • the supply of TMA gas, TMG gas and NH 3 gas into the reactor is started while maintaining the temperature in the reactor at 980 ° C. Then, by holding the SiC substrate for a predetermined time, the AlGaN barrier layer 14 having a thickness of, for example, 20 nm is epitaxially grown on the GaN buffer layer 13.
  • the nitride semiconductor epitaxial wafer according to the present example was manufactured.
  • the silicon concentration in the GaN buffer layer 13 is optimized by optimizing the growth conditions such as the growth temperature, growth pressure, V / III ratio, growth rate, and each gas flow rate. It was made to grow so that the total concentration with the oxygen concentration was smaller than the carbon concentration.
  • the impurity concentration in the GaN buffer layer 13 was measured using secondary ion-microprobe mass spectrometry (SIMS). As a result, the silicon concentration in the GaN buffer layer 13 is 1.2 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 , the oxygen concentration is 2.2 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 , and the carbon concentration is 5.0 ⁇ 10 17 cm ⁇ It was three .
  • the concentration of silicon in the buffer layer 13 is preferably 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or more, and the concentration of oxygen in the buffer layer 13 is preferably 2 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or more.
  • the concentration of carbon in the buffer layer 13 in order to make the total concentration of silicon and oxygen in the buffer layer 13 lower than the concentration of carbon in the buffer layer 13, the concentration of carbon in the buffer layer 13 must be greater than 3 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3.
  • the upper limit of the concentration of oxygen is preferably 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less.
  • the concentration of carbon in the buffer layer 13 is continuous or not from the nucleation layer 12 side to the barrier layer 14 side. It is preferable to reduce the density continuously to 5 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less at the position in contact with the barrier layer 14.
  • the source electrode 15s, the drain electrode 15d, and the gate electrode 15g were formed on the barrier layer 14 by using the photolithography technology, and the nitride-based field effect transistor of the HEMT structure according to this example was manufactured.
  • a nitride-based field effect transistor was manufactured using a nitride-based semiconductor epitaxial wafer in which only a carbon was doped in a GaN buffer layer.
  • the GaN buffer layer was doped with carbon only, and silicon and oxygen were not doped.
  • the design of the transistor of the comparative example, the procedure at the time of manufacture, and the conditions were set in the same manner as in the example except for the setting of the impurity concentration in the GaN buffer layer.
  • FIG. 3 is a diagram showing the survey results. It was confirmed in FIG. 3 that in the device doped with silicon, oxygen and carbon of the present example, the change in current was extremely fast as compared with the device of the comparative example doped only with carbon.
  • the device of the example had no significant difference compared to the device of the comparative example, and was comparable to the device of the comparative example.

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Abstract

基板と、該基板の上に形成された窒化アルミニウムを有する核生成層と、該核生成層の上に形成され、シリコン、酸素および炭素が添加された窒化ガリウムを有するバッファ層と、該バッファ層の上に形成された窒化アルミニウムガリウムを有するバリア層と、該バリア層の上に直接または中間層を介して形成されたソース電極と、該バリア層の上に直接または中間層を介して形成されたドレイン電極と、該ソース電極と該ドレイン電極との間の該バリア層の上に直接または中間層を介して形成されたゲート電極と、を備え、該バッファ層がＰ型になっていることを特徴とする。

Description

窒化物系電界効果トランジスタ
　この発明は窒化物系電界効果トランジスタに関する。
  窒化物半導体は、ワイドバンドギャップ半導体であり、絶縁破壊電界が大きく、また、電子の飽和ドリフト速度が大きい。さらに、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）等のヘテロ界面には、高い濃度の２次元電子ガスが発生するため、電流密度が大きいヘテロ接合電界効果トランジスタを実現することができる。そこで、窒化物半導体を用いた高周波動作トランジスタの研究開発が現在活発に行われている。
　窒化物系高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等の電界効果型トランジスタに用いる窒化物系エピタキシャルウエハのエピ構造例が特許文献１に開示されている。特許文献１には、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板と、そのＳｉＣ基板上に形成された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる核生成層と、その核生成層上に形成された窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層と、そのバッファ層上に形成された窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるバリア層とからなるウエハが開示されている。
日本特開２０１１－０２３６７７号公報
　窒化物系ＨＥＭＴにおいて窒化ガリウムからなるバッファ層を流れるソースドレイン間の電流オフ時の漏れ電流がしばしば問題となる。これを防ぐためにバッファ層への炭素の添加が有効である。しかしながら、バッファ層への炭素の添加を用いた手法においては、高周波動作時のオン時の電流が、直流通電時のオン時の電流に比べ少なくなる現象が見られることがある。この高周波動作時の電流の減少を緩和するために、窒化アルミニウムガリウムからなるバリア層へシリコンと酸素を添加したり、窒化ガリウムからなるバッファ層へシリコンと炭素を同時に添加したりすることがある。
　しかしながら、ＧａＮバッファ層中の残留炭素は遅延特性を伴う。ＨＥＭＴ構造のトランジスタを作成した場合には、繰り返し動作させたとしても本来はソースドレイン間の電流はゲート電圧に従うべきである。これに対し、ＧａＮバッファ層中にＣが存在していると、想定したゲート電圧を印加しても、ソースドレイン間の電流は想定される電流値にはならず、その後に時間的に遅れて想定された値になる。
　この現象は、トランジスタの反復動作におけるゲート電圧とソースドレイン間の電流のヒステリシス、またはソースドレイン電流をオフするようにゲート電圧を加えたときの時間的解析により確認できる。この現象は、ＧａＮバッファ層中の残留炭素が高濃度になるほど顕著に現れ、トランジスタの電流増幅機能および電流遮断機能に障害を与える。
　すなわち、ドレインソース間の電流オフ時のオフ電流が設定した値に戻るまでの時間を短くするためには、ＧａＮバッファ層の残留炭素濃度は低い方が好ましい。その一方で、残留炭素は、ＧａＮ系半導体結晶を高抵抗化し、電流オフ時のドレインリーク電流を低減させる作用がある。すなわち、バッファ層中の残留炭素濃度の制御においては、電流の遅延特性とリーク電流低減がトレードオフの関係となる。このため、バッファ層に炭素をドープすることのみによって、電流の遅延特性の問題と、ドレインリーク特性の問題の両方を同時に満足させるように改善することは、必ずしも容易ではない。
　さらに、ｎ型ＧａＮからなるバッファ層にＳｉと炭素をドープする方法によっても、電流の遅延特性の問題及びリーク特性の問題の両方を満足しつつ、高耐圧特性をも十分に満足できる窒化物半導体デバイスを得ることは困難であった。
　加えて、ＨＥＭＴ構造のトランジスタを作成した場合、ＧａＮバッファ層中の残留炭素はソースドレイン間の電流の狭窄機能を持つ場合がある。この現象は残留炭素がデバイスの動作領域の近くにある場合に顕著となる。したがってこれらの問題のために、よりドレインリークを抑制した窒化物半導体デバイスを実現するためには、バッファ層中への炭素のドーピング濃度制御以外の方法で、ドレイン電流の遅延特性を抑制する必要がある。
　本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、リーク電流を低減しつつ、電流の遅延特性が改善された窒化物系電界効果トランジスタを提供することを目的とするものである。
　本願の発明にかかる窒化物系電界効果トランジスタは、基板と、該基板の上に形成された窒化アルミニウムを有する核生成層と、該核生成層の上に形成され、シリコン、酸素および炭素が添加された窒化ガリウムを有するバッファ層と、該バッファ層の上に形成された窒化アルミニウムガリウムを有するバリア層と、該バリア層の上に直接または中間層を介して形成されたソース電極と、該バリア層の上に直接または中間層を介して形成されたドレイン電極と、該ソース電極と該ドレイン電極との間の該バリア層の上に直接または中間層を介して形成されたゲート電極と、を備え、該バッファ層がＰ型になっていることを特徴とする。
　本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
　この発明によれば、シリコン、酸素および炭素が添加された窒化ガリウムを有するバッファ層をＰ型にすることで、リーク電流を低減しつつ、電流の遅延特性が改善された窒化物系電界効果トランジスタを提供することができる。
ウエハの一部断面図である。 トランジスタの断面図である。 ソースドレイン間の電流の変化を示す図である。
　本発明の実施の形態に係る窒化物系電界効果トランジスタについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１に係る窒化物系電界効果トランジスタの材料となるウエハ１０の一部断面図である。ウエハ１０は窒化物系半導体エピタキシャルウエハである。図２は、本発明の実施の形態１に係るトランジスタ２０の断面図である。トランジスタ２０は窒化物系電界効果トランジスタである。
（１）ウエハおよびトランジスタの構成
  図１に示すように、ウエハ１０は基板１１を備えている。本実施形態において基板１１は炭化珪素（ＳｉＣ）基板である。基板１１の材料は、ＳｉＣ、シリコンまたはサファイアなどとすることができる。基板１１の上には、主として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる核生成層１２が設けられている。以下、核生成層１２をＡｌＮ核生成層１２ともいう。核生成層１２の上には主として窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層１３が設けられている。以下、バッファ層以下をＧａＮバッファ層１３ともいう。バッファ層１３にはシリコン、酸素および炭素が添加されている。バッファ層１３の上には主として窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるバリア層１４が設けられている。以下、バリア層１４をＡｌＧａＮバリア層１４ともいう。ウエハ１０は、例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等の電子デバイスの材料として用いられる。
  図２は、上述のウエハ１０を用いて製造したトランジスタ２０の断面図である。 図２に示すように、トランジスタ２０は、基板１１と、基板１１の上に順に積層された上述の核生成層１２、バッファ層１３およびバリア層１４とを備えている。さらに、トランジスタ２０は、バリア層１４の上に直接形成されたソース電極１５ｓ、ドレイン電極１５ｄおよびゲート電極１５ｇを備えている。ゲート電極１５ｇは、ソース電極１５ｓとドレイン電極１５ｄとの間のバリア層１４上に形成されている。バリア層１４の上に中間層を介してソース電極１５ｓ、ドレイン電極１５ｄおよびゲート電極１５ｇを設けてもよい。
  以下に、上述のウエハ１０及びトランジスタ２０の各構成要素について、それぞれ詳しく説明する。
　寄生容量を低減させて高周波特性を向上させるために、基板１１として半絶縁性を有するＳｉＣ基板を用いることが好ましい。
　ＡｌＮ核生成層１２は、ＧａＮバッファ層１３を構成するＧａＮ結晶を成長させる際の核生成層としての機能を有するとともに、基板１１とＧａＮバッファ層１３との格子定数差を緩衝する緩衝層としての機能を有する。ＡｌＮ核生成層１２は、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス等のＡｌ含有ガスと、アンモニア（ＮＨ３）ガス等の窒素含有ガス（窒化ガス）とを用い、エピタキシャル成長法により形成することができる。
　ＧａＮバッファ層１３とＡｌＧａＮバリア層１４との界面に、格子定数差に伴うピエゾ効果によって２次元電子ガス層が発生し、この２次元電子ガス層が電子走行層として機能する。同時に、ＧａＮバッファ層１３は全体が高抵抗化されていることが必要である。ＧａＮバッファ層１３の高抵抗化のレベルによってバッファリークと呼ばれるＧａＮバッファ層１３を流れるソースドレイン間の漏れ電流が変化する。
　ＧａＮバッファ層１３は、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス等の二次元電子ガスａ含有ガスと、ＮＨ３ガス等の窒素含有ガス（窒化ガス）とを用いたエピタキシャル成長法により形成することができる。
　ＡｌＧａＮバリア層１４は、例えば、ＴＭＡガス等のＡｌ含有ガスと、ＴＭＧガス等のＧａ含有ガスと、ＮＨ３ガス等の窒素含有ガス（窒化ガス）と、を用いたエピタキシャル成長法により形成することができる。
  なお、ＧａＮバッファ層１３の中には、例えば温度、圧力、ガス種、流量、成膜時間等のエピタキシャル成長条件に応じて、酸素がドープされることとなる。また、ＧａＮバッファ層１３の中には、エピタキシャル成長条件に応じて、ＴＭＧガス中に含まれる炭素もドープされることとなる。ＧａＮバッファ層１３の中にドープされたＯはｎ型キャリアである自由電子を生成するドナーとして機能し、Ｃはｐ型キャリアである正孔を生成するアクセプタとして機能する。
　さらに、例えば上述のＴＭＧガス、ＴＭＡガス、ＮＨ３ガスなどの成膜ガスに加えて、モノシラン（ＳｉＨ４）ガス等のシリコン含有ガスを用いてエピタキシャル成長を行うことで、シリコン（Ｓｉ）をドーピングすることもできる。ＧａＮバッファ層１３中にドープされたＳｉは、ｎ型キャリアである自由電子を生成するドナーとして機能する。
　ソース電極１５ｓ及びドレイン電極１５ｄは、それぞれ、例えばＴｉとＡｌとの複層構造により形成することができる。ゲート電極１５ｇは、例えばＮｉとＡｕとの複層構造により形成することができる。
　なお、本実施形態に係るウエハ１０及びトランジスタ２０では、シリコン、酸素および炭素が添加された窒化ガリウムであるバッファ層１３がＰ型になっている。ＧａＮバッファ層１３におけるシリコンと酸素の合計濃度は、ＧａＮバッファ層１３における炭素の濃度の１～７０％であることが好ましい。ＧａＮバッファ層１３におけるシリコンと酸素の合計濃度は、ＧａＮバッファ層１３における炭素の濃度の２０～７０％であることがより好ましい。以下に、この理由について説明する。
　上述したように、ＧａＮバッファ層１３中には、エピタキシャル成長の際に炭素をドープすることができる。発明者の鋭意研究によれば、ＧａＮバッファ層１３中にドープされた炭素は、自由電子を捕獲するトラップ準位を生じさせる。このトラップ準位は、高抵抗化されたＧａＮバッファ層１３へ侵入した電子を捕獲する機能を持っている。そのため、ＧａＮバッファ層１３へ侵入してきた電子の量によっては、ＧａＮバッファ層１３内を流れる電流を抑制し、ドレインソース間に電圧を印加している状態でゲートをオフしている時、すなわちトランジスタ２０のオフ時のドレインソース間の漏れ電流を抑制することができる。
　一方、ＧａＮバッファ層１３中にドープされた炭素は電子を捕獲している状態では帯電しているため、帯電した領域のバンドを曲げてしまう。ＨＥＭＴ構造のトランジスタにおいては、このバンドの曲がりによって、ゲート電圧によって設定されたドレインソース電流が変わってしまう。さらに、ＧａＮバッファ層１３の中にドープされた炭素は電子を一旦捕獲しても捕獲準位に応じた時間で電子を放出するため、曲げられたバンドは一定時間後には再び元の状態に戻る。したがって、ゲート電圧によって設定されたドレインソース電流が変化するという現象が発生する。
　ＧａＮバッファ層１３の中にドープされた炭素の場合、電子の放出時間は室温で１０～１０００ミリ秒の間である。そして、トランジスタ動作がこの時間に干渉する周波数であった場合には、ゲート電圧によって設定されたはずのドレインソース間の電流が増減するという現象が発生してしまう。その結果、トランジスタの動作領域でのゲートの設定電圧において正常な動作をしなくなるという問題が起きる。
  発明者は、このゲートオフ時のドレインソース間の電流が変化する現象を抑制する手法について鋭意研究を行った。その結果、ＧａＮバッファ層１３中のシリコン濃度と酸素濃度との合計濃度を、ＧａＮバッファ層１３中の炭素の濃度よりも低い濃度となるようにドーピングすることで、上述の課題を解決できるとの知見を得た。バッファ層１３におけるシリコンと酸素の合計濃度を、バッファ層１３における炭素の濃度よりも低くすることは、バッファ層１３をＰ型の導電型にする。
　ＧａＮバッファ層１３の中の不純物であるシリコン、酸素、炭素の濃度を上記の関係を満たすように調整した場合、炭素が生じさせるトラップにはすでにシリコンと酸素から発生した電子が比較的多く捕獲されてフェルミレベルが維持されており、ＧａＮバッファ層１３中の炭素が生じさせるトラップに新たに侵入してきた電子が捕獲および放出されたとしても、ＧａＮバッファ層１３全体へ与える影響は小さいと考えられる。そのため、バンドの曲がり方が小さくなり、ゲート電圧とソースドレイン間の電流の間の異常な変化を抑制することができると考えられる。
　また、ＧａＮバッファ層１３の中のシリコン、酸素、炭素の濃度を上記の関係を満たすように調整した場合であっても、ＧａＮバッファ層１３の中の炭素のドーピング量が５×１０１９ｃｍ－３を超えると、炭素が生じさせるトラップによる電子の捕獲および放出作用が強くなり過ぎてしまう。その結果、ゲート電圧とソースドレイン間の電流の間の異常な変化が起こりやすくなってしまう。このような異常を防ぐためには、炭素のドーピング量は５×１０１７ｃｍ－３以下とすることが好ましい。
　ただし、ＧａＮバッファ層１３中の炭素のドーピング量が５×１０１９ｃｍ－３を超えない範囲で、ＧａＮバッファ層１３中へ侵入した電子を捕獲する機能を維持するために、電子を捕獲するトラップの数は、シリコン、酸素および格子欠陥などのドナーから供給される電子の数よりは多くなければならない。
  なお、ＧａＮバッファ層１３中の炭素濃度は、半導体デバイスを作製して使用したときに、ＧａＮバッファ層１３に侵入してくる電子の量を想定し、侵入してきた電子を十分に捕獲できるだけの電子トラップが形成される濃度であればよい。このため、バッファ層１３における炭素の濃度は、半導体デバイスの使用条件又は使用方法に応じて変わるものである。半導体デバイスのソースドレイン間の電圧が高電圧になるほど、また使用温度が高くなるほど、ＧａＮバッファ層１３に侵入してくる電子の量は多くなるものと考えられる。
　半導体デバイスの使用時のドレインソース間電圧を３００Ｖ程度とする場合、ＧａＮバッファ層１３における炭素濃度は１×１０１６ｃｍ－３以上とすることが好ましい。他方、半導体デバイスの使用時のドレインソース間電圧を６００Ｖ程度とする場合、ＧａＮバッファ層１３における炭素濃度は１×１０１７ｃｍ－３以上とすることが好ましい。ＧａＮバッファ層１３中の炭素濃度がこれらの値未満となると、ドレインリーク電流の増大につながる可能性がある。
　また、ＧａＮバッファ層１３におけるシリコンと酸素の濃度の和である合計濃度は、ＧａＮバッファ層１３における炭素の濃度の７０％以下とするのが好ましい。この値を７０％より大きくすると、シリコンおよび酸素のドナーとしての機能により励起されてくる電子が、炭素によって形成されるトラップ準位の大部分を埋めて、ＧａＮバッファ層１３に侵入してきた電子の捕獲量が大きく減ってしまう。この場合、ドレインリーク電流が増大する可能性がある。
（２）本実施形態に係る効果
　本実施形態によれば、ＧａＮバッファ層１３中のシリコン濃度と酸素濃度との合計濃度を、ＧａＮバッファ層１３中の炭素濃度よりも低くすることで、ＧａＮバッファ層１３中に侵入してきた電子は、炭素が生じさせるトラップ順位により捕獲される。これにより、ＧａＮバッファ層１３を流れるドレインリーク電流の抑制が可能となる。
　炭素が生じさせるトラップによる電子の捕獲および放出があったとしても、その数は、シリコンおよび酸素のドナーとしての機能により励起されてくる電子の数に比べて少ないために、ＧａＮバッファ層１３中のトラップによる電子の捕獲および放出によってＧａＮバッファ層１３からバリア層１４にかけてのバンドの曲がりが変化する現象、すなわち、フェルミレベルが変化する現象を抑制することができる。その結果、ゲート電圧によって設定されたソースドレイン間の電流が変化する現象を抑制することができる。
（３）本発明の他の実施形態
　以上、本発明の実施の形態を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、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記したウエハ１０又はトランジスタ２０の構成、およびこれらの製造方法の特徴について、発明の要旨を変更しない範囲内で任意の削除、追加および変更が可能である。
（４）実施例
　以下に、本発明に係る窒化物系半導体エピタキシャルウエハ、及び窒化物系電界効果トランジスタの製造方法の一実施例を説明する。
　まず、ポリタイプ４Ｈまたはポリタイプ６Ｈの半絶縁性のＳｉＣ基板を用意する。そして、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）装置が備える反応炉内に、上述のＳｉＣ基板を収容する。そして、反応炉内の温度を例えば１１７５℃とし、反応炉内へのＨ２ガスとＮ２ガスとの混合ガスの供給を開始する。つまり、ＮＨ３ガスを含まない混合ガスを反応路へ供給する。
  次に、反応炉内の温度を１１７５℃に保ったまま、反応炉内へのＨ２ガスとＮＨ３ガスとの混合ガスの供給を開始する。
　次に、反応炉内の温度を１１７５℃に保ったまま、反応炉内へのＴＭＡガスおよびＮＨ３ガスの供給を開始する。そして、ＳｉＣ基板を所定時間保持することで、ＳｉＣ基板上に、例えば膜厚４０ｎｍのＡｌＮ核生成層１２をエピタキシャル成長させる。
　ＡｌＮ核生成層１２の形成が完了したら、反応炉内の温度を例えば９８０℃に変更し、反応炉内へのＴＭＧガスおよびＮＨ３ガスの供給を開始する。そして、ＳｉＣ基板を所定時間保持することで、ＡｌＮ核生成層１２上に、例えば膜厚２０００ｎｍのＧａＮバッファ層１３をエピタキシャル成長させる。
　ＧａＮバッファ層１３の形成が完了したら、反応炉内の温度を９８０℃に保ったまま、反応炉内へのＴＭＡガス、ＴＭＧガスおよびＮＨ３ガスの供給を開始する。そして、ＳｉＣ基板を所定時間保持することで、ＧａＮバッファ層１３上に、例えば膜厚２０ｎｍのＡｌＧａＮバリア層１４をエピタキシャル成長させる。
　以上の工程を経て、本実施例に係る窒化物系半導体エピタキシャルウエハを製造した。なお、ＧａＮバッファ層１３の成長工程においては、例えば成長温度、成長圧力、Ｖ／III比、成長速度、各ガス流量などの成長条件を最適化することで、ＧａＮバッファ層１３中のシリコン濃度と酸素濃度との合計濃度が炭素濃度よりも小さくなるように成長させた。実施例に係るウエハの製造後、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometry）を用い、ＧａＮバッファ層１３中の不純物濃度を測定した。その結果、ＧａＮバッファ層１３中のシリコン濃度は１．２×１０１６ｃｍ－３であり、酸素濃度は２．２×１０１７ｃｍ－３であり、炭素濃度は５．０×１０１７ｃｍ－３であった。
　バッファ層１３のシリコンの濃度は１×１０１５ｃｍ－３以上とし、バッファ層１３の酸素の濃度は２×１０１５ｃｍ－３以上とすることが好ましい。この場合、バッファ層１３におけるシリコンと酸素の合計濃度を、バッファ層１３における炭素の濃度よりも低くするために、バッファ層１３における炭素の濃度を３×１０１５ｃｍ－３より大きくしなければならない。なお、炭素の濃度の下限値が高くなり過ぎることを防止するために、酸素の濃度の上限は５×１０１７ｃｍ－３以下とすることが好ましい。さらに、バッファ層１３とバリア層１４の界面に十分な密度の２次元電子ガスを生じさせるために、バッファ層１３の炭素の濃度を、核生成層１２側からバリア層１４側にかけて連続的もしくは不連続に減少させ、バリア層１４に接する位置では５×１０１６ｃｍ－３以下とすることが好ましい。
  続いて、フォトリソグラフィ技術を用いて、ソース電極１５ｓ、ドレイン電極１５ｄ及びゲート電極１５ｇを、バリア層１４上にそれぞれ形成し、本実施例に係るＨＥＭＴ構造の窒化物系電界効果トランジスタを製造した。
  また、比較例として、ＧａＮバッファ層中に炭素だけをドープした窒化物系半導体エピタキシャルウエハを用いて、窒化物系電界効果トランジスタを製造した。比較例では、ＧａＮバッファ層に炭素のみをドーピングし、シリコンと酸素はドーピングしなかった。なお、比較例のトランジスタの設計、製造時の手順、条件は、ＧａＮバッファ層中の不純物濃度の設定に関するものを除き、実施例と同様に設定した。
　そして、これらトランジスタのソースドレイン間にバイアス電圧を印加して通電した後に、ソースドレイン間の電流がアイドル値になるようゲート電圧を印加した。その後のソースドレイン間の電流の変化を調べた。図３は、その調査結果を示す図である。図３には、本実施例のシリコン、酸素および炭素をドーピングした素子では、炭素のみをドーピングした比較例の素子に比べて、電流の変化が極端に早くなっていることが確認された。
　更に、これらトランジスタのソースドレイン間にバイアス電圧を印加し、電流を遮断するようゲート電圧を印加した。ソースドレイン間の漏れ電流について調べたところ、実施例の素子は、比較例の素子に比べて有意差がなく、遜色のないものであった。
　１０　ウエハ、　１１　基板、　１２　核生成層、　１３　バッファ層、　１４　バリア層

Claims (7)

  1. 　基板と、
    　前記基板の上に形成された窒化アルミニウムを有する核生成層と、
    　前記核生成層の上に形成され、シリコン、酸素および炭素が添加された窒化ガリウムを有するバッファ層と、
    　前記バッファ層の上に形成された窒化アルミニウムガリウムを有するバリア層と、
    　前記バリア層の上に直接または中間層を介して形成されたソース電極と、
    　前記バリア層の上に直接または中間層を介して形成されたドレイン電極と、
    　前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記バリア層の上に直接または中間層を介して形成されたゲート電極と、を備え、
    　前記バッファ層がＰ型になっていることを特徴とする窒化物系電界効果トランジスタ。
  2. 　前記バッファ層における前記シリコンと前記酸素の合計濃度は、前記バッファ層における前記炭素の濃度よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の窒化物系電界効果トランジスタ。
  3. 　前記バッファ層における前記シリコンと前記酸素の合計濃度は、前記バッファ層における前記炭素の濃度の１～７０％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物系電界効果トランジスタ。
  4. 　前記バッファ層における前記シリコンと前記酸素の合計濃度は、前記バッファ層における前記炭素の濃度の２０～７０％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物系電界効果トランジスタ。
  5. 　前記バッファ層の前記炭素の濃度は、前記核生成層側から前記バリア層側にかけて連続的もしくは不連続に減少し、前記バリア層に接する位置では５×１０１６ｃｍ－３以下になっていることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の窒化物系電界効果トランジスタ。
  6. 　前記バッファ層の前記シリコンの濃度は１×１０１５ｃｍ－３以上であり、
    　前記バッファ層の前記酸素の濃度は２×１０１５ｃｍ－３以上であり、
    　前記バッファ層の前記炭素の濃度は３×１０１５ｃｍ－３より大きく５×１０１９ｃｍ－３以下であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物系電界効果トランジスタ。　
  7. 　前記バッファ層の前記炭素の濃度は５×１０１７ｃｍ－３以下であることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタ。
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