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WO2018123664A1 - 半導体基板および電子デバイス - Google Patents

半導体基板および電子デバイス Download PDF

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WO2018123664A1
WO2018123664A1 PCT/JP2017/045166 JP2017045166W WO2018123664A1 WO 2018123664 A1 WO2018123664 A1 WO 2018123664A1 JP 2017045166 W JP2017045166 W JP 2017045166W WO 2018123664 A1 WO2018123664 A1 WO 2018123664A1
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WO
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layer
substrate
crystal layer
cap
nitride
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PCT/JP2017/045166
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English (en)
French (fr)
Inventor
大貴 山本
剛規 長田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Chemical Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Chemical Co Ltd
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Publication date
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Priority to EP17888472.2A priority patent/EP3564987A4/en
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    • H10D62/85Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials being Group III-V materials, e.g. GaAs
    • H10D62/8503Nitride Group III-V materials, e.g. AlN or GaN

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor substrate and an electronic device.
  • Patent Document 1 discloses a method for manufacturing a semiconductor device that aims to perform heat treatment stably and effectively at a high temperature while preventing nitrogen from being removed from a nitride-based semiconductor layer.
  • n-Al x Ga1 -x N layer 12 after the formation of the n-Al x Ga1 -x N layer 12 on the n-GaN substrate 11, an impurity doped n-Al x Ga 1-x N layer 12 by MOCVD, n-Al A first cap layer 2a made of Al y Ga 1-y N and a second cap layer 2b made of Al z Ga 1-z N are sequentially formed on the surface of the x Ga 1-x N layer 12, It describes that the substrate 2 to be processed is formed.
  • the Al composition ratio y is larger than the Al composition ratio x and larger than the Al composition ratio z.
  • Patent Document 2 discloses a semiconductor device having a heterojunction with excellent characteristics that achieves both a high breakdown voltage and a high current, and a method for manufacturing the semiconductor device.
  • a first cap layer 5 made of an undoped semiconductor having an opening opened to surround, and provided only on the first cap layer 5 and opening at least downstream of the gate electrode in the traveling direction of 2DEG electrons
  • a second cap made of an n-type semiconductor having an opening having a larger opening width than the opening of the front first cap layer 5 in the 2DEG electron traveling direction. 6
  • an electron transit layer made of GaN, an electron supply layer made of AlGaN, a first cap layer, and a second cap layer are generated by a continuous epitaxial growth process. It is described.
  • Patent Documents 1 and 2 reduction in defects generated by annealing or the like in a manufacturing process of a semiconductor device, or for the adjustment of the band potential in the semiconductor device, n-Al x Ga 1 in the electron supply layer (references 1 A cap layer made of AlGaN is formed on the -xN layer 12 and the electron supply layer 4) in the cited document 2.
  • a group III nitride crystal layer of GaN, AlGaN, AlN or the like is crystal-grown with defect repair by hydrogen etching when epitaxially grown by MOCVD (Metal Organic-Chemical-Vapor-Deposition) method.
  • MOCVD Metal Organic-Chemical-Vapor-Deposition
  • the growth temperature of epitaxial growth is usually about 1000 ° C., and after the epitaxial growth is completed, the temperature of the epitaxial growth is lowered to about 600 ° C., and the epitaxial growth surface is exposed to a hydrogen atmosphere. Etching in the atmosphere causes defects in the epitaxial substrate. May occur. From the viewpoint of preventing the occurrence of defects due to such etching, it is meaningful to form a cap layer on the outermost surface of the epitaxial growth layer.
  • measures such as forming a cap layer thicker than a desired thickness in advance can be considered in consideration of the thickness that decreases by etching.
  • the thickness and composition affect the characteristics of the semiconductor device such as a transistor formed thereafter. For this reason, it is preferable to control the thickness and composition of the cap layer as precisely as possible.
  • the uniformity of the thickness within the substrate surface is an important factor for increasing the yield of the semiconductor device.
  • the degree of design freedom is high.
  • An object of the present invention is to provide a technique for a cap layer that is not affected by etching due to a hydrogen atmosphere at the end of epitaxial growth or has a slight effect. Moreover, the objective of this invention is providing the technique of the cap layer which can respond to the request
  • a substrate, a nitride crystal layer composed of a single or a plurality of crystal layers of group III nitride, and a cap layer The substrate, the nitride crystal layer, and the cap layer are positioned in the order of the substrate, the nitride crystal layer, and the cap layer, the cap layer is a crystalline silicon nitride layer, and has a thickness of 5 nm or more A semiconductor substrate having a thickness is provided.
  • the substrate, the nitride crystal layer composed of a single or a plurality of crystal layers of group III nitride, and a cap layer the substrate, the nitride crystal
  • the layer and the cap layer are positioned in the order of the substrate, the nitride crystal layer, and the cap layer, and a layer in contact with the cap layer of the nitride crystal layer and a layer in the vicinity thereof serve as an active layer of the field effect transistor
  • a semiconductor substrate that functions and the cap layer is a crystalline silicon nitride layer and has a thickness greater than or equal to a thickness in which the gate of the field effect transistor is embedded.
  • the thickness of the cap layer can be in the range of 5 nm to 550 nm, preferably 10 nm or more, more preferably 20 nm or more, and even more preferably 40 nm or more.
  • the concept of “having crystallinity” includes not only cases where atoms or molecules have strict periodicity in three-dimensional space, but also cases where strict periodicity does not exist, such as single crystals and polycrystals. Also includes a case where a certain degree of periodicity is exhibited. For example, a case where a spot pattern (ordering of spatial structure) is observed in an electron diffraction image is included. Conversely, a disordered state (amorphous state) in which only a halo pattern is observed in an electron beam diffraction image is not included in the concept of “having crystallinity”.
  • the nitride crystal layer has an element formation layer in contact with the cap layer, the element formation layer has a first crystal layer and a second crystal layer having a larger band gap than the first crystal layer, Two-dimensional carrier gas may be generated in the vicinity of the heterointerface between the one crystal layer and the second crystal layer.
  • the nitride crystal layer has a buffer layer positioned closer to the substrate than the element formation layer, and the buffer layer generates a stress that cancels a stress between the element formation layer and the substrate. May be.
  • the substrate may be a silicon substrate, and the nitride crystal layer may include a reaction suppression layer that suppresses a reaction between a silicon atom and a group III atom.
  • an electronic device using the semiconductor substrate described above wherein the electronic device has a gate structure of a field effect transistor or a wiring structure connected to the nitride crystal layer, An electronic device in which a height of the gate structure or the wiring structure is smaller than a thickness of the cap layer is provided.
  • Examples of the substrate include a silicon substrate, a sapphire substrate, and a GaAs substrate
  • examples of the electronic device include HEMT (High Electron Mobility Transistor), HBT (Heterojunction Bipolar Transistor), and LED (Light Emitting Diode).
  • HEMT High Electron Mobility Transistor
  • HBT Heterojunction Bipolar Transistor
  • LED Light Emitting Diode
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate 100.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an electronic device 200.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of electronic device 200.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of electronic device 200.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of electronic device 200.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate 100 used in the inspection method of the present embodiment.
  • the semiconductor substrate 100 includes a substrate 102, a nitride crystal layer 120, and a cap layer 140.
  • the substrate 102, the nitride crystal layer 120, and the cap layer 140 are the substrate 102, the nitride crystal layer 120, and the cap layer. It is located in the order of 140.
  • the nitride crystal layer 120 includes a single or a plurality of crystal layers of group III nitride.
  • the nitride crystal layer 120 includes, for example, a reaction suppression layer 104, a buffer layer 106, and an element formation layer 108.
  • the substrate 102 is a support substrate that supports the nitride crystal layer 120 and the cap layer 140.
  • the material of the substrate 102 is preferably silicon, but is not limited thereto. Examples of the material of the substrate 102 include sapphire and GaAs crystals.
  • a silicon substrate is used as the substrate 102, the material cost can be reduced and a semiconductor manufacturing apparatus used in a conventional silicon process can be used. Thereby, cost competitiveness can be improved. Further, by using a silicon substrate as the substrate 102, a large substrate having a diameter of 150 mm or more can be used at low cost and industrially.
  • the reaction suppression layer 104 suppresses the reaction between silicon atoms contained in the silicon substrate and group III atoms contained in the buffer layer 106 and the like.
  • the nitride crystal layer on the reaction suppression layer 104 is a GaN-based semiconductor layer such as AlGaN or GaN, alloying of Ga atoms and silicon atoms contained in the GaN-based semiconductor layer can be prevented.
  • the reaction suppression layer 104 include Al z Ga 1-z N (0.9 ⁇ z ⁇ 1), and typically include an AlN layer.
  • the reaction suppression layer 104 can protect the surface of the substrate 102 and ensure the support of the upper layer.
  • the reaction suppression layer 104 can form initial nuclei of a crystal layer formed on the substrate 102.
  • the thickness of the reaction suppression layer 104 can be greater than or equal to 30 nm and less than or equal to 300 nm.
  • the buffer layer 106 is located closer to the substrate 102 than the element formation layer 108, and generates a stress that cancels the stress between the element formation layer 108 and the substrate 102.
  • the buffer layer 106 has a multilayer stacked structure in which, for example, a two-layer stack 106c composed of a first layer 106a and a second layer 106b is repeatedly stacked. A compressive stress is generated by such a multilayer stacked structure, and as a result, the buffer layer 106 functions as a stress generating layer that reduces the warpage of the entire semiconductor substrate 100.
  • the buffer layer 106 also functions as an insulating layer that electrically insulates between the substrate 102 and the element formation layer 108.
  • the first layer 106a is made of, for example, a group III nitride crystal having a lattice constant of a1 in the bulk crystal
  • the second layer 106b is made of, for example, a group III nitride crystal having a lattice constant of a2 (a1 ⁇ a2) in the bulk crystal. Consists of.
  • the number of repetitions of the two-layer stack 106c can be 2 to 500, for example.
  • the compressive stress generated by the buffer layer 106 can be increased.
  • the magnitude of the compressive stress generated by the buffer layer 106 can be easily controlled by the number of stacked layers 106c.
  • the withstand voltage can be further improved by the first layer 106a.
  • the buffer layer 106 having a configuration in which a plurality of two-layer stacks 106c are repeatedly stacked is illustrated, but the two-layer stack 106c may not be stacked repeatedly, and in this case, a single layer
  • the buffer layer 106 may have a three-layer structure including a first crystal layer 106a and a second layer 106b and a third crystal layer having a lattice constant a3 (a2 ⁇ a3) in the bulk crystal.
  • a graded crystal layer in which the lattice constant of the bulk crystal increases continuously or stepwise as it moves away from the vicinity of the substrate 102 may be used. Furthermore, it is good also as a multilayer laminated structure in which the three-layer lamination
  • Examples of the first layer 106a include Al q Ga 1-q N (0.9 ⁇ q ⁇ 1), and examples of the second layer 106b include Al p Ga 1-p N (0 ⁇ p ⁇ 0.3).
  • the thickness of the first layer 106a can be 1 nm or more and 20 nm or less, preferably more than 5.0 nm and less than 20 nm.
  • the thickness of the second layer 106b can be 5 nm to 300 nm, preferably 10 nm to 300 nm.
  • the element formation layer 108 is in contact with the cap layer 140 and includes, for example, a first crystal layer 112 and a second crystal layer 114.
  • Arbitrary devices such as transistors and LEDs (light emitting diodes) can be formed on the element formation layer 108.
  • the band gap of the second crystal layer 114 may be larger than the band gap of the first crystal layer 112.
  • a two-dimensional carrier gas is generated in the vicinity of the heterointerface between the first crystal layer 112 and the second crystal layer 114.
  • a HEMT (High Electron Mobility Mobility) using the two-dimensional carrier (electron) gas at the heterointerface as a channel can be formed.
  • the second crystal layer 114 may be in contact with the first crystal layer 112 and may be lattice-matched or pseudo-lattice-matched to the first crystal layer 112.
  • the first crystal layer 112 is, for example, an Al x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1) layer, and can be specifically exemplified by a GaN layer.
  • the thickness of the first crystal layer 112 can be selected in the range of 200 to 2000 nm, and can be set to 800 nm, for example.
  • the second crystal layer 114 is, for example, an Al y Ga 1-y N (0 ⁇ y ⁇ 1, x ⁇ y) layer, specifically, Al y Ga 1-y N (0.1 ⁇ y ⁇ 0. 3) A layer, for example, Al 0.25 Ga 0.75 N can be exemplified.
  • the thickness of the second crystal layer 114 can be selected in the range of 10 to 100 nm, and can be, for example, 25 nm.
  • the cap layer 140 is a crystalline silicon nitride layer and has a thickness of 5 nm or more.
  • the thickness of the cap layer 140 can be in the range of 5 to 550 nm, preferably 10 nm or more, more preferably 20 nm or more, and even more preferably 40 nm or more.
  • the silicon nitride layer as the cap layer 140, the influence of the hydrogen atmosphere etching at the end of the epitaxial growth is not affected, or the influence can be minor. Further, by using the silicon nitride layer as the cap layer 140, various cap layers can be provided in addition to the GaN-based cap layer, and the degree of freedom in device design can be increased. In addition, by making the cap layer 140 have crystallinity and a thickness of 5 nm or more, the in-plane uniformity of the thickness of the cap layer 140 can be improved.
  • the presence of crystallinity in the cap layer 140 means that the crystal structure of the cap layer 140 is ordered, which suggests that the film growth process of the cap layer 140 is in a thermal equilibrium state. Unlike an amorphous film grown in a thermal non-equilibrium state, film growth in a thermal equilibrium state is insensitive to growth parameters, and uniformity of film growth is easily maintained. Therefore, in-plane uniformity of the thickness of the cap layer 140 is increased, and as a result, favorable effects such as an increase in yield in device fabrication can be expected.
  • the concept of “having crystallinity” includes not only cases where atoms or molecules have strict periodicity in three-dimensional space, but also cases where strict periodicity does not exist, such as single crystals and polycrystals. However, the case where a certain degree of periodicity is exhibited is also included. For example, a case where a spot pattern (ordering of spatial structure) is observed in an electron diffraction image is included. Conversely, a disordered state (amorphous state) in which only a halo pattern is observed in an electron beam diffraction image is not included in the concept of “having crystallinity”.
  • the nitride crystal layers 120 such as the reaction suppression layer 104, the buffer layer 106, and the element formation layer 108 can be formed using a general MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method.
  • MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition
  • the layers formed by the MOCVD method are an AlN layer, an AlGaN layer, and a GaN layer
  • trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 ) and trimethylgallium (Ga (CH 3 ) 3 ) are used as the group III source gas.
  • Ammonia (NH 3 ) can be used as the nitrogen source gas.
  • the growth temperature can be selected in the range of 1100 ° C.
  • the flow rate ratio V / III ratio of the group V source gas to the group III source gas can be selected in the range of 160 to 5000.
  • a growth time corresponding to the design thickness is calculated from the growth rate obtained in the preliminary experiment, and the thickness can be controlled by the growth time.
  • the cap layer 140 can be formed using, for example, a thermal CVD (Thermal Chemical Vapor Deposition) method.
  • a thermal CVD Thermal Chemical Vapor Deposition
  • SiH 4 silane
  • disilane Si 2 H 6
  • ammonia NH 3
  • the growth temperature can be selected in the range of 1000 to 1260 ° C.
  • a growth time corresponding to the design thickness is calculated from the growth rate obtained in the preliminary experiment, and the thickness can be controlled by the growth time.
  • a carrier gas can be used in addition to the source gas, and examples of the carrier gas include hydrogen gas and nitrogen gas.
  • the cap layer 140 is a silicon nitride layer having crystallinity and can have a thickness greater than or equal to the thickness in which the gate of the field effect transistor is embedded.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of an electronic device 200 in which a field effect transistor is formed on the semiconductor substrate 100 described in the first embodiment.
  • the electronic device 200 is formed on a semiconductor substrate having a substrate 102, a buffer layer 106, a first crystal layer 112, a second crystal layer 114, and a cap layer 140, and has a gate structure of a field effect transistor or a nitride crystal layer 120 (particularly 2 A wiring structure connected to the first crystal layer 112 and the second crystal layer 114 on which the dimensional electron gas 202 is formed and an interface thereof, and the height of the gate structure or the wiring structure is smaller than the thickness of the cap layer 140 Is.
  • the connection includes not only mechanical connection and physical connection but also electrical connection.
  • the field effect transistor of the electronic device 200 includes the gate insulating film 204, the gate electrode 206, the gate cap layer 208, the sidewall 210, and the source / drain region 212, and the gate insulating film 204 and the gate electrode 206 having a gate structure.
  • the total height h is smaller than the thickness d of the cap layer 140. This is because the thickness of the cap layer 140 is relatively defined in comparison with the gate structure, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.
  • the thickness d of the cap layer 140 is set to be equal to or higher than the height h of the gate structure, so that the cap layer 140 functions as an interlayer insulating layer and the interlayer film after transistor formation is planarized. Can be made easier.
  • an effect of facilitating formation of the wiring layer, the second interlayer insulating layer, the third wiring layer When miniaturization advances, the effect is considered to be more significant and the importance increases.
  • FIG. 3 to 5 are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the electronic device 200.
  • FIG. 3 a semiconductor substrate having a substrate 102, a buffer layer 106, a first crystal layer 112, a second crystal layer 114, and a cap layer 140 is formed by a method similar to that described in Embodiment Mode 1.
  • the thickness of the cap layer 140 is d.
  • a two-dimensional electron gas 202 is formed at the interface between the first crystal layer 112 and the second crystal layer 114.
  • the groove 300 is formed in the cap layer 140, and a film to be the gate electrode 206 and the gate cap layer 208 is formed, followed by patterning to form the gate electrode 206 and the gate cap layer 208.
  • the cap layer 140 at the bottom of the groove 300 is etched to form a film to be the sidewall 210, and then anisotropically etched to form the sidewall 210. Form.
  • the source / drain regions 212 are formed in the first crystal layer 112 and the second crystal layer 114 at the bottom of the trench 300 by, for example, ion implantation. As described above, the electronic device 200 of FIG. 2 is formed.
  • a Si wafer having a (111) plane as a main surface and a diameter of 150 mm was used to form the reaction suppression layer 104, the buffer layer 106, and the element formation layer 108.
  • the reaction suppression layer 104 an AlN layer having a designed thickness of 150 to 160 nm was formed.
  • the buffer layer 106 an AlN / AlGaN stacked structure (two-layer stack 106c) composed of an AlN layer (first layer 106a) having a design thickness of 5 nm and an AlGaN layer (second layer 106b) having a design thickness of 28 nm is repeatedly stacked. Formed.
  • a GaN layer (first crystal layer 112) having a designed thickness of 800 nm and an AlGaN layer (second crystal layer 114) having a designed thickness of 25 nm were formed.
  • the Al composition of the AlGaN layer (second crystal layer 114) was 0.25.
  • a Si 3 N 4 layer having a thickness of 110 nm was formed as the cap layer 140.
  • the MOCVD method is used to form the reaction suppression layer 104, the buffer layer 106, and the element formation layer 108 (AlN layer, AlGaN layer, and GaN layer), trimethylaluminum and trimethylgallium are used as the group III source gas, and ammonia is used as the nitrogen source gas.
  • the growth temperature was in the range of 1100 to 1260 ° C.
  • the flow rate ratio V / III ratio of the group V source gas to the group III source gas was selected in the range of 160 to 3700. Since the thickness of each layer is controlled by the growth time calculated from the growth rate obtained in the preliminary experiment, the actual thickness and the design thickness of each layer are different.
  • the cap layer 140 (Si 3 N 4 layer) was formed by thermal CVD, using silane as the Si source gas and ammonia as the nitrogen source gas.
  • the growth temperature was in the range of 1000 to 1260 ° C.
  • FIG. 6 is a diagram showing a film thickness distribution of the cap layer 140 in the substrate plane. It can be seen that the thickness is in the range of 108.6 ⁇ 10.9 nm over the entire surface of the substrate having a diameter of 150 mm, and the film thickness uniformity is good.
  • FIG. 7 is a view showing an electron diffraction image of the cap layer 140. Since the halo pattern is not observed and many spots (bright spots) are observed, the periodicity of the structure can be seen and ordering is progressing.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Semiconductor substrate, 102 ... Substrate, 104 ... Reaction suppression layer, 106 ... Buffer layer, 106a ... First layer, 106b ... Second layer, 106c ... Two-layer lamination, 108 ... Element formation layer, 112 ... First crystal layer , 114 ... second crystal layer, 120 ... nitride crystal layer, 140 ... cap layer, 200 ... electronic device, 202 ... two-dimensional electron gas, 204 ... gate insulating film, 206 ... gate electrode, 208 ... gate cap layer, 210 ... sidewalls, 212 ... source / drain regions, 300 ... grooves.

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Abstract

基板と、III族窒化物の単一または複数の結晶層からなる窒化物結晶層と、キャップ層と、を有し、前記基板、前記窒化物結晶層および前記キャップ層が、前記基板、前記窒化物結晶層、前記キャップ層の順に位置し、前記キャップ層が、結晶性を有する窒化シリコン層であり、かつ、5nm以上の厚さを有する半導体基板を提供する。また、前記窒化物結晶層の前記キャップ層と接する層およびその近傍の層が、電界効果トランジスタの活性層として機能するものであり、前記キャップ層が、結晶性を有する窒化シリコン層であり、かつ、前記電界効果トランジスタのゲートを埋め込む厚さ以上の厚さを有する半導体基板を提供する。

Description

半導体基板および電子デバイス
 本発明は、半導体基板および電子デバイスに関する。
 たとえば、特許文献1には、窒化物系半導体層からの窒素抜けを防止しつつ高温で、安定してかつ効果的に熱処理を行うことを目的とする半導体装置の製造方法が開示されている。当該文献において、n-GaN基板11上にn-AlGa1-xN層12を形成した後、n-AlGa1-xN層12に不純物をドープし、MOCVD法により、n-AlGa1-xN層12の表面に、エピタキシャル膜のAlGa1-yNからなる第1キャップ層2aおよびAlGa1-zNからなる第2キャップ層2bを順次形成して、被処理基板2を形成することが記載されている。ただし、Al組成比yは、Al組成比xより大きく、かつ、Al組成比zよりも大きい。
 たとえば、特許文献2には、高耐圧と高電流を両立した、優れた特性のヘテロ接合を有する半導体装置を得ることを目的とする半導体装置およびその製造方法が開示され、当該文献において、半導体装置は、GaNからなる電子走行層3と、電子走行層3の上に設けられ、2DEGに電子を供給する、AlGaNからなる電子供給層4と、電子供給層4上に設けられ、ゲート電極11を囲むように開口した開口部を有する、アンドープ半導体からなる第一のキャップ層5と、第一のキャップ層5上のみに設けられ、2DEGの電子の走行方向において少なくともゲート電極よりも下流側で開口し、2DEGの電子の走行方向において前第一のキャップ層5の開口部よりも開口幅が大きい開口部を有する、n型半導体からなる第二のキャップ層6と、を備えたものとされており、GaNからなる電子走行層と、AlGaNからなる電子供給層と、第一のキャップ層と、第二のキャップ層と、を連続したエピタキシャル成長工程により生成することが記載されている。
 これら特許文献1、2においては、半導体装置の製造過程におけるアニール等により発生する欠陥の軽減、あるいは、半導体装置におけるバンドポテンシャルの調整のため、電子供給層(引用文献1におけるn-AlGa1-xN層12、引用文献2における電子供給層4)の上にAlGaNからなるキャップ層が形成されている。
特開2015-46441号公報 特開2013-225621号公報
解決しようとする課題
 上記したキャップ層の存在は、特許文献1、2に記載の目的を超え、エピタキシャル成長過程におけるチャネル形成層(引用文献1におけるn-GaN基板11およびn-AlGa1-xN層12、引用文献2におけるGaNからなる電子走行層3およびAlGaNからなる電子供給層4)の保護に寄与していることを本願発明者は認識している。
 すなわち、GaN、AlGaN、AlN等のIII族窒化物結晶層は、MOCVD(MetalOrganic Chemical Vapor Deposition)法によりエピタキシャル成長される際、水素エッチングによる欠陥修復を伴って結晶成長されている。エピタキシャル成長の成長温度は通常1000℃程度の高温であり、エピタキシャル成長の終了後、これを600℃程度に降温する段階で、エピタキシャル成長表面が水素雰囲気に曝され、当該雰囲気によるエッチングにより、エピタキシャル基板に欠陥を発生する場合がある。このようなエッチングによる欠陥の発生を防止する観点から、エピタキシャル成長層の最表面にキャップ層を形成する意義がある。キャップ層がGaNやAlGaNである場合、エッチングにより減少する厚さを見込んで、予め所望の厚さより厚くキャップ層を形成しておく等の方策が考えられる。
 ところが、キャップ層がGaNやAlGaNである場合、特許文献1等にも記載されているように、その厚さや組成がその後形成されるトランジスタ等半導体装置の特性に影響する。このため、キャップ層の厚さや組成等はでき得る限り精密に制御することが好ましい。しかし、エピタキシャル成長終了後のエッチングを見越して予め厚めにキャップ層を形成しておく方法では、キャップ層の精密な厚さの制御は困難になる。
 また、キャップ層をトランジスタ等半導体装置におけるバンドポテンシャルの制御に用いるためには、その厚さの基板面内均一性は、半導体装置の歩留まりを高める重要な要素になる。
 さらに、トランジスタ等半導体装置の開発においてはその設計自由度が高い方が好ましく、そのためには、多様なキャップ層が提供され、設計多様性の要請に応えることが望ましい。
 本発明の目的は、エピタキシャル成長の終了段階において、水素雰囲気によるエッチングの影響を受けない、あるいは当該影響が軽微なキャップ層の技術を提供することにある。また、本発明の目的は、高い設計自由度の要請に応え得るキャップ層の技術を提供することにある。さらに、本発明の目的は、基板面内における高い膜厚均一性が実現可能なキャップ層の技術を提供することにある。
一般的開示
 上記課題を解決するために、本発明の第1の態様においては、基板と、III族窒化物の単一または複数の結晶層からなる窒化物結晶層と、キャップ層と、を有し、前記基板、前記窒化物結晶層および前記キャップ層が、前記基板、前記窒化物結晶層、前記キャップ層の順に位置し、前記キャップ層が、結晶性を有する窒化シリコン層であり、かつ、5nm以上の厚さを有する半導体基板を提供する。
 また、本発明の第2の態様においては、基板と、III族窒化物の単一または複数の結晶層からなる窒化物結晶層と、キャップ層と、を有し、前記基板、前記窒化物結晶層および前記キャップ層が、前記基板、前記窒化物結晶層、前記キャップ層の順に位置し、前記窒化物結晶層の前記キャップ層と接する層およびその近傍の層が、電界効果トランジスタの活性層として機能するものであり、前記キャップ層が、結晶性を有する窒化シリコン層であり、かつ、前記電界効果トランジスタのゲートを埋め込む厚さ以上の厚さを有する、半導体基板を提供する。
 キャップ層の厚さは、5nm~550nmの範囲とすることができ、好ましくは10nm以上、より好ましくは20nm以上、さらに好ましくは40nm以上とすることができる.「結晶性を有する」の概念には、単結晶や多結晶のように、原子または分子が三次元空間において厳密な周期性を有する場合はもとより、厳密な周期性を有さない場合であっても、ある程度の周期性を示すような場合も含む。たとえば電子線回折像においてスポットパターン(空間構造の秩序化)が観察されるような場合を含む。逆に、電子線回折像においてハローパターンしか観察されないような、無秩序状態(アモルファス状態)は「結晶性を有する」の概念には含まれない。
 前記窒化物結晶層が、前記キャップ層と接する素子形成層を有し、前記素子形成層が、第1結晶層および前記第1結晶層よりバンドギャップが大きい第2結晶層を有し、前記第1結晶層および前記第2結晶層のヘテロ界面近傍に2次元キャリアガスを生成するものとしても良い。前記窒化物結晶層が、前記素子形成層より前記基板側に位置するバッファ層を有し、前記バッファ層が、前記素子形成層と前記基板との間の応力を打ち消す応力を発生するものであっても良い。前記基板がシリコン基板であり、前記窒化物結晶層が、シリコン原子とIII族原子との反応を抑制する反応抑制層を有しても良い。
 本発明の第3の態様においては、前記した半導体基板を用いた電子デバイスであって、前記電子デバイスが、電界効果トランジスタのゲート構造または前記窒化物結晶層に接続される配線構造を有し、前記ゲート構造または前記配線構造の高さが、前記キャップ層の厚さより小さい電子デバイスを提供する。
 前記した基板として、シリコン基板、サファイア基板、GaAs基板等を挙げることができ、電子デバイスとして、HEMT(High Electron Mobility Transistor)、HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)、LED(Light Emitting Diode)等が例示できる。
半導体基板100の断面図である。 電子デバイス200の断面図である。 電子デバイス200の製造工程を説明する断面図である。 電子デバイス200の製造工程を説明する断面図である。 電子デバイス200の製造工程を説明する断面図である。 基板面内におけるキャップ層140(SiN膜)の膜厚分布を示す図である。 キャップ層140(SiN膜)の電子線回折像を示す図である。
(実施の形態1)
 図1は、本実施の形態の検査方法で用いる半導体基板100の断面図である。半導体基板100は、基板102と、窒化物結晶層120と、キャップ層140と、を有し、基板102、窒化物結晶層120およびキャップ層140が、基板102、窒化物結晶層120、キャップ層140の順に位置する。窒化物結晶層120は、III族窒化物の単一または複数の結晶層からなる。窒化物結晶層120は、たとえば反応抑制層104、バッファ層106および素子形成層108を有する。
 基板102は、窒化物結晶層120およびキャップ層140を支持する支持基板である。基板102の材料はシリコンとすることが好ましいが、これに限られない。基板102の材料として、サファイア、GaAs結晶等を例示することができる。基板102としてシリコン基板を用いる場合い、材料価格を下げることができ、従来のシリコンプロセスで用いられている半導体製造装置を利用することができる。これにより、コスト競争力を高めることができる。さらに、基板102としてシリコン基板を用いることにより、直径150mm以上の大型の基板を安価にかつ工業的に利用することができるようになる。
 反応抑制層104は、基板102がシリコン基板である場合、当該シリコン基板に含まれるシリコン原子とバッファ層106等に含まれるIII族原子との反応を抑制する。反応抑制層104の上層にある窒化物結晶層が、AlGaN、GaN等のGaN系半導体層である場合、当該GaN系半導体層に含まれるGa原子とシリコン原子との合金化を防止することができる。反応抑制層104として、AlGa1-zN(0.9≦z≦1)を挙げることができ、代表的にはAlN層を挙げることができる。反応抑制層104により、基板102の表面を保護し、上層の支持を確実にすることができる。また、反応抑制層104は、基板102上に形成される結晶層の初期核を形成することができる。反応抑制層104の厚さは、30nm以上300nm以下とすることができる。
 バッファ層106は、素子形成層108より基板102側に位置し、素子形成層108と基板102との間の応力を打ち消す応力を発生する。バッファ層106は、たとえば第1層106aおよび第2層106bからなる二層積層106cが繰り返し積層された多層積層構造を有する。このような多層積層構造により圧縮応力を発生し、その結果バッファ層106は、半導体基板100全体の反りを低減する応力発生層として機能する。バッファ層106は、また、基板102と素子形成層108の間を電気的に絶縁する絶縁層としても機能する。
 第1層106aは、たとえばバルク結晶における格子定数がa1であるIII族窒化物結晶からなり、第2層106bは、たとえばバルク結晶における格子定数がa2(a1<a2)であるIII族窒化物結晶からなる。二層積層106cの繰り返し数は、たとえば2~500とすることができる。二層積層106cを多数積層することにより、バッファ層106が発生する圧縮応力を大きくすることができる。また、二層積層106cの積層数によりバッファ層106が発生する圧縮応力の大きさを容易に制御することができる。さらに、二層積層106cを多数積層することで、第1層106aによる耐電圧の向上をより高めることができる。
 本実施の形態では、二層積層106cが複数繰り返して積層された構成のバッファ層106を例示しているが、二層積層106cは複数繰り返して積層されなくてもよく、この場合、単一の二層積層106cがバッファ層106を構成する。バッファ層106は、第1層106aおよび第2層106bに加え、バルク結晶における格子定数がa3(a2<a3)である第3結晶層を含む三層積層からなる構造としてもよい。あるいは、バルク結晶における格子定数が、基板102の近くから遠ざかるに従い連続的またはステップ状に大きくなるグレーディッド結晶層としてもよい。さらに、三層積層またはグレーディッド結晶層が複数繰り返して積層された多層積層構造としてもよい。
 第1層106aとしてAlGa1-qN(0.9≦q≦1)が例示でき、第2層106bとしてAlGa1-pN(0≦p≦0.3)が例示できる。第1層106aの厚さは、1nm以上20nm以下、好ましくは5.0nmを超え20nm未満とすることができる。第2層106bの厚さは、5nm以上300nm以下、好ましくは10nm以上300nm以下とすることができる。
 素子形成層108は、キャップ層140と接するものであり、たとえば第1結晶層112および第2結晶層114を有する。素子形成層108には、トランジスタやLED(light emitting diode)等任意のデバイスが形成できる。第2結晶層114のバンドギャプが、第1結晶層112のバンドギャップより大きくてもよく、この場合、第1結晶層112および第2結晶層114のヘテロ界面近傍には2次元キャリアガスが生成される。この場合当該ヘテロ界面の2次元キャリア(電子)ガスをチャネルとするHEMT(High Electron Mobility Transistor)が形成できる。第2結晶層114は、第1結晶層112に接するとともに第1結晶層112に対し格子整合または擬格子整合してもよい。
 第1結晶層112は、たとえばAlGa1-xN(0≦x<1)層であり、具体的にはGaN層が例示できる。第1結晶層112の厚さは、200~2000nmの範囲で選択することができ、たとえば800nmとすることができる。
 第2結晶層114は、たとえばAlGa1-yN(0<y≦1、x<y)層であり、具体的にはAlGa1-yN(0.1<y≦0.3)層、たとえばAl0.25Ga0.75Nが例示できる。第2結晶層114の厚さは、10~100nmの範囲で選択することができ、たとえば25nmとすることができる。
 キャップ層140は、結晶性を有する窒化シリコン層であり、かつ、5nm以上の厚さを有する。キャップ層140の厚さは、5~550nmの範囲とすることができ、好ましくは10nm以上、より好ましくは20nm以上、さらに好ましくは40nm以上とすることができる。
 キャップ層140を窒化シリコン層とすることにより、エピタキシャル成長の終了段階における水素雰囲気エッチングの影響を受けない、または、当該影響が軽微なものとすることができる。また、キャップ層140を窒化シリコン層とすることにより、GaN系のキャップ層に加えて多様なキャップ層を提供可能にし、デバイス設計の自由度を高めることができる。また、キャップ層140を、結晶性を有し、かつ、5nm以上の厚さを有するものとすることにより、キャップ層140の厚さの基板面内均一性を高めることができる。
 なお、キャップ層140における結晶性の存在は、キャップ層140の結晶構造が秩序化していることを意味し、これは、キャップ層140の膜成長過程が熱平衡状態にあることを推認させる。熱平衡状態での膜成長は、熱非平衡状態で成長するアモルファス膜とは異なり、成長パラメータに鈍感であり、膜成長の均一性が保たれやすい。そのため、キャップ層140の厚さの面内均一性が高まり、結果としてデバイス作製における歩留まりを高める等好ましい効果が期待できる。
 ここで、「結晶性を有する」の概念には、単結晶や多結晶のように、原子または分子が三次元空間において厳密な周期性を有する場合はもとより、厳密な周期性を有さない場合であっても、ある程度の周期性を示すような場合も含むものとする。たとえば電子線回折像においてスポットパターン(空間構造の秩序化)が観察されるような場合を含む。逆に、電子線回折像においてハローパターンしか観察されないような、無秩序状態(アモルファス状態)は「結晶性を有する」の概念には含まれない。
 反応抑制層104、バッファ層106、素子形成層108等の窒化物結晶層120は、一般的なMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いて形成できる。たとえば、MOCVD法により形成する層がAlN層、AlGaN層およびGaN層である場合、III族原料ガスとしてトリメチルアルミニウム(Al(CH)およびトリメチルガリウム(Ga(CH)を用いることができ、窒素原料ガスとしてアンモニア(NH)を用いることができる。成長温度は1100℃~1260℃の範囲で選択可能であり、III族原料ガスに対するV族原料ガスの流量比V/III比は、160~5000の範囲で選択可能である。形成する層の厚さは、たとえば予備実験で得た成長速度から設計厚さに対応する成長時間を算出し、成長時間により厚さを制御できる。
 キャップ層140は、たとえば熱CVD(Thermal Chemical Vapor Deposition)法を用いて形成できる。Si原料ガスとして、たとえばシラン(SiH)またはジシラン(Si)を用いることができ、窒素原料ガスとしてアンモニア(NH)を用いることができる。成長温度は1000~1260℃の範囲で選択可能である。形成する層の厚さは、たとえば予備実験で得た成長速度から設計厚さに対応する成長時間を算出し、成長時間により厚さを制御できる。上記したMOCVDまたは熱CVDにおいて、原料ガスに加えてキャリアガスを用いることができ、キャリアガスとして水素ガス、窒素ガスを例示することができる。
 キャップ層140に接する素子形成層108に電界効果トランジスタが形成される場合、すなわち、第1結晶層112および第2結晶層114のヘテロ界面に2次元キャリアガスが形成され、これら結晶層がトランジスタの活性層として機能する場合、キャップ層140は、結晶性を有する窒化シリコン層であり、かつ、電界効果トランジスタのゲートを埋め込む厚さ以上の厚さを有するものとすることができる。
(実施の形態2)
 図2は、実施の形態1で説明した半導体基板100に電界効果トランジスタを形成した電子デバイス200の断面図である。電子デバイス200は、基板102、バッファ層106、第1結晶層112、第2結晶層114およびキャップ層140を有する半導体基板に形成され、電界効果トランジスタのゲート構造または窒化物結晶層120(特に2次元電子ガス202が形成される第1結晶層112および第2結晶層114とその界面)に接続される配線構造を有し、ゲート構造または配線構造の高さが、キャップ層140の厚さより小さいものである。なお、接続は機械的接続、物理的接続のみならず電気的接続を含む。
 すなわち、電子デバイス200の電界効果トランジスタは、ゲート絶縁膜204、ゲート電極206、ゲートキャップ層208、サイドウォール210、ソース・ドレイン領域212を有し、ゲート構造であるゲート絶縁膜204およびゲート電極206の合計の高さhが、キャップ層140の厚さdより小さい。これは、キャップ層140の厚さをゲート構造との対比で相対的に規定したものであり、実施の形態1と同様な効果を奏する。また、本実施の形態では、キャップ層140の厚さdをゲート構造の高さh以上にすることで、キャップ層140を層間絶縁層として機能させ、かつ、トランジスタ形成後の層間膜の平坦化を容易にすることができる。この結果、上層に形成する配線層、第2層間絶縁層、第3配線層・・・等の形成が容易になる効果が期待できる。微細化が進んだ場合、その効果はより顕著なものとして重要度が増すと考えられる。
 図3~図5は、電子デバイス200の製造工程を説明する断面図である。図3に示すように、実施の形態1で説明したと同様な方法で、基板102、バッファ層106、第1結晶層112、第2結晶層114およびキャップ層140を有する半導体基板を形成する。ここで、キャップ層140の厚さはdとする。第1結晶層112と第2結晶層114の界面には、2次元電子ガス202が形成される。
 図4に示すように、キャップ層140に溝300を形成し、ゲート電極206およびゲートキャップ層208となる被膜を形成後、これをパターニングしてゲート電極206およびゲートキャップ層208を形成する。
 図5に示すように、ゲートキャップ層208をマスクに用いて溝300の底部のキャップ層140をエッチングし、サイドウォール210となる被膜を形成後、これを異方性エッチングし、サイドウォール210を形成する。
 ゲートキャップ層208およびサイドウォール210をマスクに用い、たとえばイオン注入法により、溝300の底部の第1結晶層112および第2結晶層114にソース・ドレイン領域212を形成する。以上のようにして、図2の電子デバイス200が形成される。
 (実施例)
 基板102として(111)面を主面とする直径150mmのSiウェハを用い、反応抑制層104、バッファ層106および素子形成層108を形成した。反応抑制層104として、設計厚さ150~160nmのAlN層を形成した。バッファ層106として、設計厚さ5nmのAlN層(第1層106a)および設計厚さ28nmのAlGaN層(第2層106b)からなるAlN/AlGaN積層構造(二層積層106c)を繰り返し積層して形成した。素子形成層108として、設計厚さ800nmのGaN層(第1結晶層112)および設計厚さ25nmのAlGaN層(第2結晶層114)を形成した。AlGaN層(第2結晶層114)のAl組成は0.25とした。さらに、キャップ層140として、厚さ110nmのSi層を形成した。
 反応抑制層104、バッファ層106および素子形成層108(AlN層、AlGaN層およびGaN層)の形成にはMOCVD法を用い、III族原料ガスとしてトリメチルアルミニウムおよびトリメチルガリウムを用い、窒素原料ガスとしてアンモニアを用いた。成長温度は1100~1260℃の範囲とした。III族原料ガスに対するV族原料ガスの流量比V/III比は、160~3700の範囲で選択した。予備実験で得た成長速度から算出した成長時間により各層の厚さを制御したため、各層の実際の厚さと設計厚さとは異なる。
 キャップ層140(Si層)の形成には熱CVD法を用い、Si原料ガスとしてシランを用い、窒素原料ガスとしてアンモニアを用いた。成長温度は1000~1260℃の範囲とした。
 図6は、基板面内におけるキャップ層140の膜厚分布を示す図である。直径150mmの基板全面に渡り、厚さが108.6± 10.9nmの範囲にあり、膜厚均一性が良好であることがわかる。
 図7は、キャップ層140の電子線回折像を示す図である。ハローパターンが観測されず、多数のスポット(明るい点)が観測されていることから、構造の周期性が見られ、秩序化が進んでいることが伺える。
 100…半導体基板、102…基板、104…反応抑制層、106…バッファ層、106a…第1層、106b…第2層、106c…二層積層、108…素子形成層、112…第1結晶層、114…第2結晶層、120…窒化物結晶層、140…キャップ層、200…電子デバイス、202…2次元電子ガス、204…ゲート絶縁膜、206…ゲート電極、208…ゲートキャップ層、210…サイドウォール、212…ソース・ドレイン領域、300…溝。

Claims (6)

  1.  基板と、III族窒化物の単一または複数の結晶層からなる窒化物結晶層と、キャップ層と、を有し、
     前記基板、前記窒化物結晶層および前記キャップ層が、前記基板、前記窒化物結晶層、前記キャップ層の順に位置し、
     前記キャップ層が、結晶性を有する窒化シリコン層であり、かつ、5nm以上の厚さを有する
     半導体基板。
  2.  基板と、III族窒化物の単一または複数の結晶層からなる窒化物結晶層と、キャップ層と、を有し、
     前記基板、前記窒化物結晶層および前記キャップ層が、前記基板、前記窒化物結晶層、前記キャップ層の順に位置し、
     前記窒化物結晶層の前記キャップ層と接する層およびその近傍の層が、電界効果トランジスタの活性層として機能するものであり、
     前記キャップ層が、結晶性を有する窒化シリコン層であり、かつ、前記電界効果トランジスタのゲートを埋め込む厚さ以上の厚さを有する
     半導体基板。
  3.  前記窒化物結晶層が、前記キャップ層と接する素子形成層を有し、
     前記素子形成層が、第1結晶層および前記第1結晶層よりバンドギャップが大きい第2結晶層を有し、
     前記第1結晶層および前記第2結晶層のヘテロ界面近傍に2次元キャリアガスを生成する
     請求項1または請求項2に記載の半導体基板。
  4.  前記窒化物結晶層が、前記素子形成層より前記基板側に位置するバッファ層を有し、
     前記バッファ層が、前記素子形成層と前記基板との間の応力を打ち消す応力を発生する
     請求項3に記載の半導体基板。
  5.  前記基板がシリコン基板であり、
     前記窒化物結晶層が、シリコン原子とIII族原子との反応を抑制する反応抑制層を有する
     請求項4に記載の半導体基板。
  6.  請求項1から請求項5の何れか一項に記載の半導体基板を用いた電子デバイスであって、
     前記電子デバイスが、電界効果トランジスタのゲート構造または前記窒化物結晶層に接続される配線構造を有し、
     前記ゲート構造または前記配線構造の高さが、前記キャップ層の厚さより小さい
     電子デバイス。
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