JP6024075B2

JP6024075B2 - 半導体装置およびその製造方法

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Publication number: JP6024075B2
Application number: JP2010171914A
Authority: JP
Inventors: 勇夫眞壁; 圭一由比; 健中田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2030-07-30
Also published as: US20120025202A1; JP2012033703A

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、シリコン基板上にバッファ層を介してＧａＮ層が形成された半導体装置およびその製造方法に関する。

窒化物半導体を用いた半導体装置は、高周波かつ高出力で動作するパワー素子等に用いられている。特に、マイクロ波、準ミリ波、ミリ波等の高周波帯域において増幅を行うのに適した半導体装置として、例えば高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：ＨＥＭＴ）等のＦＥＴが知られている。

窒化物半導体を用いた半導体装置では、母材となる大口径・高品質なＧａＮ基板がないことから、異種基板へのヘテロエピ成長を行っている。例えば、特許文献１には、シリコン基板上に、ＡｌＮ層とＡｌＧａＮ層とからなるバッファ層を介し、ＧａＮ層とＡｌＧａＮからなる電子供給層とを順次積層した半導体装置が開示されている。

特開２００８−１６６３４９号公報

シリコン基板上にバッファ層を介してＧａＮ層を形成する構造では、ＧａＮ層の品質において改善の余地が残されている。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、シリコン基板上にバッファ層を介して形成されるＧａＮ層を高品質にすることが可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、シリコン基板上に、ＡｌＮ層と前記ＡｌＮ層上に設けられたＡｌＧａＮ層とからなるバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層上にＭＯＣＶＤ法によって第１のＧａＮ層を形成する工程と、前記第１のＧａＮ層の上面に接してＭＯＣＶＤ法によって第２のＧａＮ層を形成する工程と、前記第２のＧａＮ層上に、ＧａＮよりもバンドギャップが大きい電子供給層を形成する工程と、を有し、前記第１のＧａＮ層を形成する工程のＶ／ＩＩＩ比は、前記第２のＧａＮ層を形成する工程のＶ／ＩＩＩ比よりも低いことを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、シリコン基板上にバッファ層を介して形成されるＧａＮ層を高品質にすることができる。

上記構成において、前記第１のＧａＮ層と前記第２のＧａＮ層とを、ＮＨ _３とＴＭＧとを原料ガスに用いたＭＯＣＶＤ法によって形成する構成とすることができる。

上記構成において、前記第１のＧａＮ層を形成する工程のＮＨ _３分圧は、前記第２のＧａＮ層を形成する工程のＮＨ _３分圧よりも低い構成とすることができる。

上記構成において、前記第２のＧａＮ層に含まれる前記炭素の濃度は、１．０×１０^１７Ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である構成とすることができる。

上記構成において、前記第１のＧａＮ層の厚さは、５００ｎｍ以下である構成とすることができる。

本発明によれば、シリコン基板上にバッファ層を介して形成されるＧａＮ層を高品質にすることができる。

図１は、実施例１に係る半導体装置を示す断面模式図の例である。図２（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を示す断面模式図（その１）の例である。図３（ａ）および図３（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を示す断面模式図（その２）の例である。図４（ａ）から図４（ｃ）は、比較例１に係る半導体装置の製造方法を示す断面模式図の例である。図５は、実施例１のＧａＮ層についての発光スペクトルの測定結果である。図６は、比較例１のＧａＮ層についての発光スペクトルの測定結果である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。

図１は、実施例１に係る半導体装置の断面模式図の例である。実施例１では、窒化物半導体のＨＥＭＴの場合を例に説明する。なお、窒化物半導体とは、窒素を含んだ半導体のことであり、例えばＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等である。

図１のように、シリコン基板１０の上面に接して、ＡｌＮ層１２とＡｌＧａＮ層１４とからなるバッファ層１６が形成されている。バッファ層１６の上面は凹凸がなく、ほぼ平坦な面となっている。バッファ層１６上に、第１のＧａＮ層１８と第２のＧａＮ層２０とからなるＧａＮ層２２が形成されている。第１のＧａＮ層１８に含まれる炭素（Ｃ）の濃度は、第２のＧａＮ層２０に含まれるＣの濃度よりも高くなっている。第２のＧａＮ層２０に含まれるＣの濃度は、例えば１．０×１０^１７Ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である。第１のＧａＮ層１８および第２のＧａＮ層２０に含まれるＣの濃度は、例えばＳＩＭＳ分析（二次イオン質量分析）により計測することができる。

ＧａＮ層２２の上面に接してＡｌＧａＮ電子供給層２４が形成されている。ＧａＮ層２２とＡｌＧａＮ電子供給層２４との界面には２ＤＥＧ（２次元電子ガス）が生じてチャネル層２６が形成される。即ち、チャネル層２６は、第２のＧａＮ層２０に形成される。ＡｌＧａＮ電子供給層２４上にＧａＮキャップ層２８が形成されている。ＧａＮキャップ層２８上には、オーミック電極としてのソース電極３０とドレイン電極３２とが形成されている。ソース電極３０とドレイン電極３２との間のＧａＮキャップ層２８上にゲート電極３４が形成されている。

図２（ａ）から図３（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を示す断面模式図の例である。図２（ａ）のように、シリコン基板１０を、例えばＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）炉に導入し、シリコン基板１０上にＡｌＮ層１２を成膜する。成膜条件は以下である。
原料ガス：ＮＨ_３（アンモニア）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）
成長温度：１１００℃
膜厚：３００ｎｍ
次いで、ＡｌＮ層１２上にＡｌＧａＮ層１４を成膜する。成膜条件は以下である。ＡｌＮ層１２とＡｌＧａＮ層１４とによりバッファ層１６が形成される。
原料ガス：ＮＨ_３、ＴＭＡ、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）
成長温度：１１００℃
Ａｌ組成比：５０％
膜厚：１００ｎｍ

図２（ｂ）のように、バッファ層１６上に第１のＧａＮ層１８を成膜する。成膜条件は以下である。
原料ガス：ＮＨ_３、ＴＭＧ
成長温度：１０５０℃
成長圧力：１００ｔｏｒｒ
成長速度：１．０μｍ／ｈｏｕｒ
Ｖ／ＩＩＩ比：２０００
膜厚：３００ｎｍ

図２（ｃ）のように、第１のＧａＮ層１８上に第２のＧａＮ層２０を成膜する。成膜条件は以下である。第１のＧａＮ層１８と第２のＧａＮ層２０とによりＧａＮ層２２が形成される。
原料ガス：ＮＨ_３、ＴＭＧ
成長温度：１０５０℃
成長圧力：１００ｔｏｒｒ
成長速度：１．０μｍ／ｈｏｕｒ
Ｖ／ＩＩＩ比：１００００
膜厚：７００ｎｍ

第１のＧａＮ層１８のＶ／ＩＩＩ比と第２のＧａＮ層２０のＶ／ＩＩＩ比とを変更することは、ＮＨ_３ガスの流量を変更することで行う。つまり、第１のＧａＮ層１８を成膜する際のＮＨ_３分圧を、第２のＧａＮ層２０を成膜する際のＮＨ_３分圧よりも低くする。

図３（ａ）のように、第２のＧａＮ層２０上にＡｌＧａＮ電子供給層２４を成膜する。成膜条件は以下である。
原料ガス：ＮＨ_３、ＴＭＡ、ＴＭＧ
Ａｌ組成比：２０％
膜厚：２０ｎｍ
次いで、ＡｌＧａＮ電子供給層２４上にＧａＮキャップ層２８を成膜する。成膜条件は以下である。
原料ガス：ＮＨ_３、ＴＭＧ
膜厚：２ｎｍ

図３（ｂ）のように、ＧａＮキャップ層２８上に、例えば蒸着法およびリフトオフ法を用いて、ＧａＮキャップ層２８側からＴｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）が順次積層されたソース電極３０およびドレイン電極３２を形成する。その後、例えば５００℃〜８００℃でアニールを行い、ＡｌＧａＮ電子供給層２４にオーミック接触するオーミック電極としてのソース電極３０およびドレイン電極３２を形成する。次いで、ソース電極３０とドレイン電極３２との間のＧａＮキャップ層２８上に、例えば蒸着法およびリフトオフ法を用いて、ＧａＮキャップ層２８側からＮｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）が順次積層されたゲート電極３４を形成する。以上により、実施例１に係る半導体装置が完成する。

次に、比較例１に係る半導体装置の製造方法について説明する。図４（ａ）から図４（ｃ）は、比較例１に係る半導体装置の製造方法を示す断面模式図の例である。図４（ａ）のように、シリコン基板４０を、例えばＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）炉に導入し、シリコン基板４０上にＡｌＮ層４２を成膜する。成膜条件は以下である。
原料ガス：ＮＨ_３、ＴＭＡ
成長温度：１１００℃
膜厚：３００ｎｍ
次いで、ＡｌＮ層４２上にＡｌＧａＮ層４４を成膜する。成膜条件は以下である。ＡｌＮ層４２とＡｌＧａＮ層４４によりバッファ層４６が形成される。
原料ガス：ＮＨ_３、ＴＭＡ、ＴＭＧ
成長温度：１１００℃
Ａｌ組成比：５０％
膜厚：１００ｎｍ

図４（ｂ）のように、バッファ層４６上にＧａＮ層４８を成膜する。成膜条件は以下である。
原料ガス：ＮＨ_３、ＴＭＧ
成長温度：１０５０℃
成長圧力：１００ｔｏｒｒ
成長速度：１．０μｍ／ｈｏｕｒ
Ｖ／ＩＩＩ比：１００００
膜厚：１０００ｎｍ

図４（ｃ）のように、ＧａＮ層４８上にＡｌＧａＮ電子供給層５０を成膜する。成膜条件は以下である。ＧａＮ層４８とＡｌＧａＮ電子供給層５０との界面には２ＤＥＧ（２次元電子ガス）が生じてチャネル層５２が形成される。
原料ガス：ＮＨ_３、ＴＭＡ、ＴＭＧ
Ａｌ組成比：２０％
膜厚：２０ｎｍ
次いで、ＡｌＧａＮ電子供給層５０上にＧａＮキャップ層５４を成膜する。成膜条件は以下である。
原料ガス：ＮＨ_３、ＴＭＧ
膜厚：２ｎｍ
次いで、ＧａＮキャップ層５４上に、例えば蒸着法およびリフトオフ法を用いて、ソース電極５６、ドレイン電極５８、およびゲート電極６０を形成する。以上により、比較例１に係る半導体装置が完成する。

ここで、実施例１のＧａＮ層２２の結晶性を調査した。また、比較のために、比較例１のＧａＮ層４８の結晶性も調査した。結晶性の調査は、図２（ｃ）に示すようなＧａＮ層２２まで成膜したサンプルと図４（ｂ）に示すようなＧａＮ層４８まで成膜したサンプルとを用意し、それぞれのＧａＮ層の（００２）面および（１０２）面のＸ線解析におけるロッキングカーブの半値幅を調べることで行った。比較例１のＧａＮ層４８では、（００２）面のロッキングカーブの半値幅は５００ｓｅｃであり、（１０２）面のロッキングカーブの半値幅は９００ｓｅｃであった。これに対し、実施例１のＧａＮ層２２では、（００２）面のロッキングカーブの半値幅は５００ｓｅｃであり、（１０２）面のロッキングカーブの半値幅は６５０ｓｅｃであった。このように、実施例１のＧａＮ層２２は、比較例１のＧａＮ層４８に比べてロッキングカーブの半値幅が小さくなり、結晶性が改善されたことが分かる。つまり、転位密度が減少したことが分かる。

また、図２（ｃ）に示すようなＧａＮ層２２まで成膜したサンプルと図４（ｂ）に示すようなＧａＮ層４８まで成膜したサンプルとについてフォトルミネッセンス測定をすることで、実施例１のＧａＮ層２２と比較例１のＧａＮ層４８とのフォトルミネッセンス評価を行った。図５は、実施例１のＧａＮ層２２についての発光スペクトルの測定結果である。図６は、比較例１のＧａＮ層４８についての発光スペクトルの測定結果である。図５および図６の横軸は波長であり、縦軸は発光強度である。

図５および図６のように、比較例１のＧａＮ層４８ではバンド端発光強度が約１０（任意強度）であるのに対し、実施例１のＧａＮ層２２ではバンド端発光強度が約２５（任意強度）となり、比較例１に比べて約２．５倍のバンド端発光強度が得られた。なお、バンド端発光強度とは、３６０ｎｍ近傍における発光強度のことである。このことからも、実施例１のＧａＮ層２２は、転位密度が減少して結晶性が改善されたことが分かる。

このように、実施例１のＧａＮ層２２は、比較例１のＧａＮ層４８に比べて、結晶性が改善された理由は次のように考えられる。比較例１のＧａＮ層４８は、Ｖ／ＩＩＩ比を１００００とした高Ｖ／ＩＩＩ比条件で成膜を行っている。このような高Ｖ／ＩＩＩ比条件でＧａＮを成膜する場合、ＧａＮエピ自身の結晶性が悪くなり、ロッキングカーブの半値幅が大きく、バンド端発光強度が低くなってしまう。一方、実施例１のＧａＮ層２２は、まずＶ／ＩＩＩ比を２０００とした低Ｖ／ＩＩＩ比条件で第１のＧａＮ層１８を成膜し、その後、高Ｖ／ＩＩＩ比条件で第２のＧａＮ層２０を成膜している。これにより、実施例１のＧａＮ層２２は、比較例１のＧａＮ層４８に比べて、結晶性が改善されて、ロッキングカーブの半値幅が小さく、バンド端発光強度が大きい結果が得られたものと考えられる。

また、図５および図６のように、５００〜７００ｎｍ帯でのブロードな発光（Yellow Band：ＹＢ）の強度は、実施例１および比較例１共に、約５（任意強度）程度であった。ＹＢ強度はＧａＮ中のトラップに起因したものであることから、ＹＢ強度が大きいことはＧａＮ中にトラップが多いことを意味し、電流コラプスの原因となるが、実施例１のＧａＮ層２２のトラップは、比較例１のＧａＮ層４８と同程度に少ないことが分かる。

例えば、第１のＧａＮ層１８上に第２のＧａＮ層２０を設けず、第１のＧａＮ層１８のみでＧａＮ層２２を形成する場合を考える。この場合、ＧａＮ層２２は結晶性が改善されることとなり、ロッキングカーブの半値幅は小さく、バンド端発光強度は大きい結果が得られる。しかしながら、第１のＧａＮ層１８は、低Ｖ／ＩＩＩ比で成膜しているために、成膜に用いた原料ガスに含まれる炭素（Ｃ）をより多く取り込み、Ｃ濃度が高くなる。Ｃは、それ自身がトラップとして働く。このため、第１のＧａＮ層１８のみでＧａＮ層２２を形成した場合、ＧａＮ層２２のＹＢ強度は増大してしまう。また、低Ｖ／ＩＩＩ比で成膜した第１のＧａＮ層１８では、表面にクラックやピットが発生し易いことから、ＧａＮ層２２の上面にクラックやピットが生じてしまう。ＧａＮ層２２上にはＡｌＧａＮ電子供給層２４を成膜するため、上面にクラックやピットが生じている状態は好ましくない。

そこで、実施例１では、第１のＧａＮ層１８上に、Ｖ／ＩＩＩ比を１００００とした高Ｖ／ＩＩＩ比条件で第２のＧａＮ層２０を成膜している。第２のＧａＮ層２０は高Ｖ／ＩＩＩ比で成膜しているためＣ濃度が低い。このため、ＧａＮ層２２全体のＣ濃度を低く抑えることができ、比較例１のＧａＮ層４８と同程度のＹＢ強度とすることができる。また、第２のＧａＮ層２０は高Ｖ／ＩＩＩ比で成膜していることから表面にクラックやピットが発生し難く、その結果、ＧａＮ層２２の上面にクラックやピットが生じることを抑制できる。

以上のように、実施例１によれば、シリコン基板１０上に形成したバッファ層１６上に、第１のＧａＮ層１８と第１のＧａＮ層１８の上面に接して第２のＧａＮ層２０とを成膜する際に、第１のＧａＮ層１８のＶ／ＩＩＩ比を第２のＧａＮ層２０のＶ／ＩＩＩ比よりも低くする。Ｖ／ＩＩＩ比を下げてＧａＮを成膜する程、Ｃが取り込まれてＣ濃度が高くなることから、第１のＧａＮ層１８に含まれるＣの濃度は、第２のＧａＮ層２０に含まれるＣの濃度よりも高くなる。これにより、上述したように、第１のＧａＮ層１８と第２のＧａＮ層２０とからなるＧａＮ層２２は、ロッキングカーブの半値幅が小さく、バンド端発光強度が大きい結果となり、結晶性が改善される。また、第１のＧａＮ層１８の上面にＣ濃度がより低い第２のＧａＮ層２０を積層させることで、ＧａＮ層２２全体のＣ濃度を低く抑えることができ、ＹＢ強度の増加が抑制され、トラップの少ないＧａＮ層２２が得られる。さらに、高Ｖ／ＩＩＩ比で成膜された第２のＧａＮ層２０は表面にクラックやピットが発生し難いことから、ＧａＮ層２２の上面にクラックやピットが生じることを抑制できる。このように、実施例１によれば、シリコン基板１０上にバッファ層１６を介して形成されるＧａＮ層２２の品質を高品質にすることができる。

実施例１では、第１のＧａＮ層１８を成膜する際のＶ／ＩＩＩ比を、第２のＧａＮ層２０を成膜する際のＶ／ＩＩＩ比よりも低くするために、成膜に用いるＮＨ_３ガスの分圧を、第１のＧａＮ層１８の成膜では、第２のＧａＮ層２０の成膜に比べて低くしているが、その他の方法によりＶ／ＩＩＩ比を調整してもよい。例えば、ＭＯ（有機金属）原料の量を変更すること等で、Ｖ／ＩＩＩ比を調整する場合でもよい。この場合、第１のＧａＮ層１８を成膜する際のＭＯ原料の量を、第２のＧａＮ層２０を成膜する際のＭＯ原料の量よりも増やすこととなる。

第２のＧａＮ層２０に含まれるＣの濃度は、１．０×１０^１７Ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である場合が好ましく、７．０×１０^１６Ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である場合がより好ましく、５．０×１０^１６Ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である場合がさらに好ましい。第２のＧａＮ層２０に含まれるＣの濃度をこのような範囲内とすることで、ＧａＮ層２２の上面にクラックやピットが発生することを抑制できると共に、ＹＢ強度の増加を抑制できる。

第１のＧａＮ層１８の膜厚は、３００ｎｍの場合を例に示したがこれに限られない。しかしながら、第１のＧａＮ層１８の膜厚が厚くなりすぎると、第１のＧａＮ層１８上に第２のＧａＮ層２０を形成しても、第１のＧａＮ層１８の表面に生じたクラックやピットが埋まらずに、第２のＧａＮ層２０の表面にクラックやピットが生じる場合が起こり得る。つまり、ＧａＮ層２２の上面にクラックやピットが生じる場合が起こり得る。したがって、第１のＧａＮ層１８の膜厚は、５００ｎｍ以下の場合が好ましく、３００ｎｍ以下の場合がより好ましく、２００ｎｍ以下の場合がさらに好ましい。また、第１のＧａＮ層１８と第２のＧａＮ層２０との積層であるＧａＮ層２２の膜厚は、１０００ｎｍである場合を例に示したが、これに限られず、８００ｎｍ〜１５００ｎｍの場合が好ましく、１０００ｎｍ〜１３００ｎｍの場合がより好ましい。

実施例１では、シリコン基板１０と第１のＧａＮ層１８との間に設けられたバッファ層１６は、シリコン基板１０上に設けられたＡｌＮ層１２と、ＡｌＮ層１２上に設けられたＡｌＧａＮ層１４と、からなる場合を例に示したが、これに限られず、バッファ層１６はＧａＮよりも大きいバンドギャップを有していれば、その他の材料からなる場合でもよい。また、電子供給層は、ＡｌＧａＮからなる場合を例に示したが、ＧａＮよりも大きいバンドギャップを有していれば、その他の材料からなる場合でもよい。

実施例１では、ＧａＮ層２２の成膜にあたり、Ｖ／ＩＩＩ比を１回変更することで、第１のＧａＮ層１８と第２のＧａＮ層２０とからなるＧａＮ層２２を形成しているが、この場合に限られるわけではない。例えば、Ｖ／ＩＩＩ比を２回以上変更することで、３層以上からなるＧａＮ層２２を形成してもよい。この場合は、ＧａＮ層２２を構成する複数層のうち、下層から上層に向かうに連れて、各層に含まれるＣ濃度は低くなっていくことになる。また、例えば、Ｖ／ＩＩＩ比を徐々に高くしていくことで、ＧａＮ層２２に含まれるＣ濃度を、バッファ層１６側からＡｌＧａＮ電子供給層２４側に向かうに連れて徐々に減少させていく場合でもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０シリコン基板
１２ＡｌＮ層
１４ＡｌＧａＮ層
１６バッファ層
１８第１のＧａＮ層
２０第２のＧａＮ層
２２ＧａＮ層
２４ＡｌＧａＮ電子供給層
２６チャネル層
２８ＧａＮキャップ層
３０ソース電極
３２ドレイン電極
３４ゲート電極
４０シリコン基板
４２ＡｌＮ層
４４ＡｌＧａＮ層
４６バッファ層
４８ＧａＮ層
５０ＡｌＧａＮ電子供給層
５２チャネル層
５４ＧａＮキャップ層
５６ソース電極
５８ドレイン電極
６０ゲート電極

Claims

シリコン基板上に、ＡｌＮ層と前記ＡｌＮ層上に設けられたＡｌＧａＮ層とからなるバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層上にＭＯＣＶＤ法によって炭素がドーピングされた第１のＧａＮ層を形成する工程と、
前記第１のＧａＮ層の上面に接してＭＯＣＶＤ法によって第２のＧａＮ層を形成する工程と、
前記第２のＧａＮ層上に、ＧａＮよりもバンドギャップが大きい電子供給層を形成する工程と、を有し、
前記第１のＧａＮ層を形成する工程のＶ／ＩＩＩ比は、前記第２のＧａＮ層を形成する工程のＶ／ＩＩＩ比よりも低く、
前記第２のＧａＮ層の厚さは、前記第１のＧａＮ層の厚さよりも厚く、
前記第１のＧａＮ層の厚さは、５００ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第１のＧａＮ層と前記第２のＧａＮ層とを、ＮＨ_３とＴＭＧとを原料ガスに用いたＭＯＣＶＤ法によって形成することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記第１のＧａＮ層を形成する工程のＮＨ_３分圧は、前記第２のＧａＮ層を形成する工程のＮＨ_３分圧よりも低いことを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
前記第２のＧａＮ層に含まれる炭素の濃度は、１．０×１０^１７Ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。