JP2016004948A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高耐圧化された半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】実施形態の半導体装置は、第１の窒化物半導体層と、イントリンシック窒化物半導体層と、Ａｌを有する第２の窒化物半導体層とを持つ。前記イントリンシック窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層の第1の側に設けられる。前記第２の窒化物半導体層は、前記イントリンシック窒化物半導体層の前記第１の窒化物半導体層に対向する側に設けられる。前記第１の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層、前記イントリンシック窒化物半導体層および前記第２の窒化物半導体層が積層される方向に、第１の濃度と、前記第１の濃度よりも低い第２の濃度とが繰り返す炭素分布を有する。【選択図】図２Ｃ

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。

窒化物半導体は、発光デバイスの他、その臨界電界強度の高さからパワーデバイスにも使用され、近年、より一層の高耐圧化が求められている。

特開２００７−２５１１４４号公報

本発明が解決しようとする課題は、高耐圧化された半導体装置を提供することである。

実施形態の半導体装置は、第１の窒化物半導体層と、イントリンシック窒化物半導体層と、Ａｌを有する第２の窒化物半導体層とを持つ。前記イントリンシック窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層の第1の側に設けられる。前記第２の窒化物半導体層は、前記イントリンシック窒化物半導体層の前記第１の窒化物半導体層に対向する側に設けられる。前記第１の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層、前記イントリンシック窒化物半導体層および前記第２の窒化物半導体層が積層される方向に、第１の濃度と、前記第１の濃度よりも低い第２の濃度とが繰り返す炭素分布を有する。

実施形態１による半導体装置を示す略示断面図の一例。 図1に示す半導体装置が含むＣ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層中の炭素[Ｃ]の濃度分布の具体例を示す図の一例。 図1に示す半導体装置が含むＣ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層中の炭素[Ｃ]の濃度分布の他の具体例を示す図の一例。 図1に示す半導体装置が含むＣ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層中の炭素[Ｃ]の濃度分布のさらに他の具体例を示す図の一例。 図1に示す半導体装置が含むＣ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層中の炭素[Ｃ]およびアルミニウム[Ａｌ]の濃度分布の具体例を示す図の一例。 図1に示す半導体装置が含むＣ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層中の炭素[Ｃ]およびアルミニウム[Ａｌ]の濃度分布の他の具体例を示す図の一例。 図1に示す半導体装置が含むＣ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層中の炭素[Ｃ]およびアルミニウム[Ａｌ]の濃度分布のさらに他の具体例を示す図の一例。 実施形態２による半導体装置を示す略示断面図の一例。 図４に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図の一例。 図４に示す半導体装置の製造方法を説明する略示断面図の一例。

以下、実施形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。図面において、同一の部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は適宜省略する。また、添付の図面は、それぞれ発明の説明とその理解を促すためのものであり、各図における形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所がある点に留意されたい。

本願明細書において、「積層」は、互いに接して重ねられる場合の他、間に他の層が介挿されて重ねられる場合をも含む。また、「上に設けられる」とは、直接接して設けられる場合の他、間に他の層が介挿されて設けられる場合をも含む。

（１）半導体装置
図１は、実施形態１による半導体装置を示す略示断面図の一例である。本実施形態の半導体装置は、基板Ｓと、バッファ層１０と、Ｃ−ＡＬ_ｘＧＡ_１−ｘＮ層１３と、ｉ（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）−ＧａＮ層１４と、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１５と、を含む。

基板Ｓは、本実施形態において、（１１１）面からなるＳｉ基板である。Ｓｉ基板の厚さは、例えば５００μｍ以上２ｍｍ以内であり、より望ましくは７００μｍ以上、１.５ｍｍ以内である。また、基板Ｓは薄層Ｓｉが積層された基体であってもよい。薄層Ｓｉが積層された基体を用いる場合は、薄層Ｓｉの層厚は例えば５ｎｍ以上５００ｎｍである。しかしながら、基板ＳはＳｉ基板に限ることなく、例えば、ＳｉＣ基板、サファイア基板またはＧａＮ基板等も使用可能である。

バッファ層１０は、本実施形態において、基板Ｓの上に基板Ｓに接して設けられたＡｌＮ層である。ＡｌＮ層１０の層厚は、例えば５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、望ましくは１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。なお、バッファ層１０に代えて超格子構造の多層膜を使用してもよい。ここで、「超格子構造」とは、例えば層厚５ｎｍのＡｌＮ層と層厚２０ｎｍのＧａＮ層とを１ペアとして、これを複数ペア、例えば２０ペア交互に積層した構造をいう。

また、半導体装置全体の層厚や半導体装置の設計によっては、ＡｌＮ層１０の基板Ｓに対向する側でＡｌＮ層１０に接してＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層（０＜ｙ＜１）を介挿してもよい。その場合、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層（０＜ｙ＜１）の層厚は、例えば１００ｎｍ以上１０００ｎｍである。

Ｃ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３は、バッファ層１０の基板Ｓに対向する側に設けられた、炭素[Ｃ]を含むＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層（０≦ｘ＜０．０１）である。Ｃ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３の層厚は、例えば１００ｎｍ以上１０μｍ以下であり、Ｃ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３に含まれる炭素[Ｃ]の平均濃度は例えば１×１０^１６cm^−３以上３×１０^１９cm^−３以下であり、炭素[Ｃ]の最小濃度は１×１０^１０cm^−３、最大濃度は5×１０^１９cm^−３である。Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層中に炭素[Ｃ]を添加することにより、リーク電流を低減することができるので、半導体装置全体としての絶縁耐量が増加し、高耐圧化が可能になる。Ｃ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３は、本実施形態において例えば第１の窒化物半導体層に対応する。Ｃ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３の詳細構成については後に詳述する。

ｉ−ＧａＮ層１４は、Ｃ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３のバッファ層１０に対向する側に設けられる。ｉ−ＧａＮ層１４の層厚は例えば０．５μｍ以上３μｍ以下であり、ｉ−ＧａＮ層１４の不純物濃度は、炭素[Ｃ]、酸素[Ｏ]およびシリコン[Ｓｉ]のいずれもが３×１０^１７cm^−３未満である。本実施形態において、ｉ−ＧａＮ層１４は、例えばイントリンシック窒化物半導体層に対応し、バッファ層１０に対向する側は例えば第１の側に対応する。

Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１５は、ｉ−ＧａＮ層１４のＣ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３に対向する側に形成され、ノンドープまたはｎ型のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）を含む。ｉ−ＧａＮ層１４内のｉ−ＧａＮ層１４とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１５との界面付近には二次元電子系３０ｅが発生する。これにより、ｉ−ＧａＮ層１４はチャネルとして機能する。本実施形態において、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１５は、例えば第２の窒化物半導体層に対応する。

Ｃ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３の具体的な構成について図２Ａ乃至図３Ｃを参照して詳述する。
本実施形態の半導体装置に設けられたＣ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３において、添加された炭素[Ｃ]の濃度分布は一様ではなく、その厚さ方向、すなわち基板Ｓ上でバッファ層１０、Ｃ−ＡＬ_ｘＧＡ_１−ｘＮ層１３、ｉ−ＧａＮ層１４、およびＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１５が積層される方向において、変化している。

Ｃ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３における[Ｃ]濃度変化のいくつかの具体例を図２Ａ乃至図２Ｃに示す。図２Ａの例では、Ｃ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３のバッファ層１０側からｉ−ＧａＮ層１４側へ向かって炭素[Ｃ]濃度が所定割合で変化している。図２Ｂの例では、Ｃ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３のバッファ層１０側からｉ−ＧａＮ層１４側へ向かって炭素[Ｃ]濃度が階段状に変化している。

炭素[Ｃ]濃度の変化態様として、図２Ａおよび図２Ｂでは、Ｃ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３のバッファ層１０側からｉ−ＧａＮ層１４側へ炭素[Ｃ]濃度が逓減する例を示した。これは、エピタキシャル成長層が十分に厚い場合、炭素［Ｃ］の濃度分布を一様にすると、上層側になるに従い、すなわち基板から離隔するに従ってＧａＮ結晶の品質が低下してしまうからである。ＧａＮ結晶の品質低下はデバイス動作時に抵抗が増加する現象（電流コラプス）を誘発してしまう。

また、本実施形態では、基板ＳとしてＳｉ基板を使用するため、炭素[Ｃ]濃度を一定にすると、エピタキシャル成長中に圧縮応力が掛かりにくくなる。そこで、Ｃ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３のバッファ層１０側からｉ−ＧａＮ層１４側へ炭素[Ｃ]濃度が逓減することにより圧縮応力が掛かり易くなり、その結果、クラックフリーで、且つ、上に凸形状のウェーハを得ることができる。

しかしながら、Ｃ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３における[Ｃ]濃度の変化は、これらの例に限ることなく、例えば図２Ｃの櫛の歯形状に示すように、バッファ層１０側からｉ−ＧａＮ層１４側へ向けて高濃度の領域と（例えば炭素[Ｃ]の添加が意図的に止められた）低濃度の領域とが繰り返す態様でもよい。この場合は、例えばＣ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３の膜厚は１００ｎｍ以上１０μｍ以下であり、炭素[Ｃ]の最小濃度は１×１０^１０cm^−３、最大濃度は５×１０^１９cm^−３であり、高濃度領域と低濃度領域を繰り返す数（振幅数）の最小回数は５回であり、Ｃ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３の膜厚をＹμｍとしたとき、振幅数は１０Ｙ以上１０００Ｙ以下である。この図２Ｃの実施形態においても、高濃度領域の炭素[Ｃ]は低濃度領域側へ拡散するため、平均炭素濃度としては、例えば１×１０^１６cm^−３以上３×１０^１９cm^−３以下となり、高耐圧化されたデバイスを実現できる。さらに、上記したように、炭素［Ｃ］を一様に添加した窒化物半導体エピタキシャル成長層が十分厚い場合、結晶品質が低下してしまうが、低濃度領域層を設けることで結晶品質の低下を抑制することができ、電流コラプス現象も抑制することができる。

また、Ｃ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３については炭素[Ｃ]濃度のみならず、アルミニウム[Ａｌ]の組成比（すなわち、Ｃ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ中のｘの値）を変化させてもよい。アルミニウム[Ａｌ]組成比の変化態様は、例えば図３Ａ乃至図３Ｃに示すように、炭素[Ｃ]濃度の変化態様と同様でもよいが、これらの例に限るものではない。このように積層方向、例えばバッファ層１０側からｉ−ＧａＮ層１４側へ向かってアルミニウム[Ａｌ]濃度が変化することにより、炭素［Ｃ］濃度のコントロールを容易にし、高品質な結晶を得ることができる。

図４は、実施形態２による半導体装置の概略構造を示す略示断面図の一例である。

図１との対比により明らかなように、本実施形態の半導体装置は、図１に示す半導体装置に電極３１乃至３３をさらに設けることにより、横型ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を実現したものである。

具体的には、図４に示す半導体装置は、基板Ｓ、バッファ層１０、Ｃ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３、ｉ−ＧａＮ層１４、およびＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１５がこの順で積層された半導体装置に加え、ソース（またはドレイン）電極３１、ドレイン（またはソース）電極３２およびゲート電極３３を含む。

ソース（またはドレイン）電極３１、および、ドレイン（またはソース）電極３２は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１５のｉ−ＧａＮ層１４に対向する側に互いに離隔して設けられ、それぞれＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１５にオーミック接合されるように形成される。本実施形態において、ソース（またはドレイン）電極３１、および、ドレイン（またはソース）電極３２は、例えば第１および第２の電極にそれぞれ対応する。

ゲート電極３３は、ソース（またはドレイン）電極３１、および、ドレイン（またはソース）電極３２に挟まれるようにＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１５のｉ−ＧａＮ層１４に対向する側に形成される。本実施形態において、ゲート電極３３は例えば制御電極に対応する。

図４では特に図示しないが、これらの電極３１〜３３間のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１５上の領域に絶縁膜を成膜してもよい。また、ゲート電極３３とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１５との間にゲート絶縁膜（図示せず）を介挿してＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造としてもよい。

上述した少なくとも一つの実施形態による半導体装置によれば、積層方向に炭素[Ｃ]の濃度または炭素[Ｃ]およびアルミニウム[Ａｌ]の濃度が変化するＣ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３を含むので、高耐圧化されえた半導体装置が提供される。

（２）半導体装置の製造方法
図４に記載の半導体装置を製造する方法の一例について図５Ａおよび図５Ｂを参照しながら説明する。

まず、図５Ａに示すように、既知の方法を用いた低温成長により基板Ｓ上にバッファ層１０を形成する。

次に、有機金属気相堆積（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、炭素[Ｃ]をドープしながらバッファ層１０の基板Ｓに対向する側にＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させる。ドーピングガスとしては例えばアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）もしくは四臭化炭素（ＣＢｒ４）を使用する。

エピタキシャル成長中のＧａＮ結晶内の炭素[Ｃ]濃度を高めるためには、（ａ）成長圧力を下げる、（ｂ）Ｖ属元素材料／III属元素（本例ではＮ／Ｇａ）の比を下げる、（ｃ）成長温度を下げる、などの方法もがある。

ここで、一定濃度の炭素［Ｃ］を含むドーパントガスを供給しながらＧａＮ結晶をエピタキシャル成長させる場合、炭素［Ｃ］が瞬間的に過剰に供給された場合、炭素［Ｃ］が適切なエピタキシャル成長を阻害してしまうため、ＧａＮ結晶の品質が低下する可能性があるという問題がある。特に、ＧａＮのエピタキシャル成長層を厚く形成する場合は、上層側になるに従い、すなわち基板から離隔するに従ってＧａＮ結晶の品質が低下する可能性があるという問題もある。また、本例のように、Ｓｉ基板上にＧａＮ結晶を成長させる場合、高濃度の炭素［Ｃ］を添加したＧａＮは、格子定数が理想的な値ではないことにより、成長中で圧縮応力が掛かりにくいため、クラックフリー且つ上に凸形状のウェーハを得ることが困難であるという問題もある。

これらの問題に対処するため、例えば図２Ａ乃至図２Ｃに示したように、狙いの炭素[Ｃ]濃度分布に応じてドーピングガス量、成長温度および圧力を制御する。ただし、これらのパラメータの組み合わせを最適化してもＧａＮ層の結晶品質には問題が残る。

そこで、本例では、Ａｌを含む窒化物半導体は他の不純物を取り込みやすくなるという特性を利用し、ＧａＮ結晶のエピタキシャル成長中にアルミニウム[Ａｌ]をドーピングする。アルミニウム[Ａｌ]のドーピング量は、組成比で１％未満が望ましい。これにより、ＧａＮの格子定数、結晶品質、および成長速度に強い影響を与えることなく、炭素［Ｃ］の取り込みを増加させることができる。その結果、図５Ｂに示すように炭素［Ｃ］が添加されたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３が形成される。本例のようにアルミニウム[Ａｌ]をドーピングした場合は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ中のｘの値は、０＜ｘ＜０．０１となる。

本例では、炭素［Ｃ］の取り込みをより一層増加させるため、トリメチルアルミニウムＡｌ(ＣＨ_３)_３(以下、単に「ＴＭＡｌ」という）を用いて以下の反応式（１）により炭素[Ｃ]の供給量を増やす。

Ｇａ(ＣＨ_３)_３ ＋ Ａｌ(ＣＨ_３)_３ ＋ ＮＨ_３＝ＧａＮ，ＡｌＮ ＋ Ｈ，Ｃ …反応式（１）
このようにIII族原料を増やすことで炭素[Ｃ]の供給量を増大させることができる。

また、例えば図３Ａ乃至図３Ｃに示したように、炭素[Ｃ]のみならずアルミニウム[Ａｌ]のドープ量を変化させることもできる。これにより、ＡｌＧａＮ中の原料組成の組み合わせやドープする炭素[Ｃ]濃度分布の選択肢を増やすことが可能となる。

その後は、既知の方法により、Ｃ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３のバッファ層１０に対向する側にｉ−ＧａＮ層１４とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１５とを順次に形成し、さらに、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１５にオーミック接合されるようにソースまたはドレインとなる電極３１，３２を形成し、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１５のｉ−ＧａＮ層１４と対向する側で電極３１，３２間にゲート電極３３を形成すれば、図４に示す半導体装置が提供される。

上述した半導体装置の製造方法によれば、ＧａＮ結晶のエピタキシャル成長中に炭素［Ｃ］の濃度または炭素［Ｃ］およびアルミニウム[Ａｌ]の濃度を変化させるので、一定濃度で炭素［Ｃ］をドーピングし続ける場合と同様のリーク電流低減効果が得られると共に、良好な結晶品質を得ることができる。さらに、Ｓｉ基板上にＣ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層１３を形成する場合は上に凸の形状を得ることができる。これにより、高耐圧化された半導体装置を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…バッファ層、１３…Ｃ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層、１４…ｉ−ＧａＮ層、１５…Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層、３１，３２…ドレイン電極またはソース電極、３３…ゲート電極、Ｓ…基板。

Claims (10)

1. 第１の窒化物半導体層と、
   前記第１の窒化物半導体層の第1の側に設けられたイントリンシック窒化物半導体層と、
   前記イントリンシック窒化物半導体層の前記第１の窒化物半導体層に対向する側に設けられたＡｌを有する第２の窒化物半導体層と、
   を備え、
   前記第１の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層、前記イントリンシック窒化物半導体層および前記第２の窒化物半導体層が積層される方向に、第1の濃度と前記第1の濃度よりも低い第２の濃度とが繰り返す炭素分布を有することを特徴とする半導体装置。
2. Ａｌを有する第１の窒化物半導体層と、
   前記第１の窒化物半導体層の第1の側に設けられたイントリンシック窒化物半導体層と、
   前記イントリンシック窒化物半導体層の前記第１の窒化物半導体層に対向する側に設けられたＡｌを有する第２の窒化物半導体層と、
   を備え、
   前記第１の窒化物半導体層は、濃度が変化する炭素分布を有することを特徴とする半導体装置。
3. 前記第１の窒化物半導体層中のＡｌ濃度は、前記第１の窒化物半導体層、前記イントリンシック窒化物半導体層および前記第２の窒化物半導体層が積層される方向に逓減することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記Ａｌ濃度は、階段状に逓減することを特徴とする請求項２または３に記載の半導体装置。
5. 前記第１の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層、前記イントリンシック窒化物半導体層および前記第２の窒化物半導体層が積層される方向に、第1の濃度と前記第1の濃度よりも低い第２の濃度とが繰り返すＡｌ分布を有することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
6. 前記第1の濃度の最大値は５×１０^１９cm^−３であることを特徴とする請求項１または５に記載の半導体装置。
7. 前記第２の濃度の最小値は１×１０^１０cm^−３であることを特徴とする請求項１、５および６のいずれか一項に記載の半導体装置。
8. 前記第1の濃度と前記第２の濃度とが繰り返す数は５以上であることを特徴とする請求項１、５乃至７のいずれか一項に記載の半導体装置。
9. 前記第１の窒化物半導体層の厚さをＹμｍとすると、前記第1の濃度と前記第２の濃度とが繰り返す数は１０Ｙ以上１０００Ｙ以下であることを特徴とする請求項１、５乃至８のいずれか一項に記載の半導体装置。
10. 前記第２の窒化物半導体層の前記イントリンシック窒化物半導体層に対向する側に、互いに離隔して設けられた第１および第２の電極と、
    前記第２の窒化物半導体層の前記イントリンシック窒化物半導体層に対向する側で前記第１および第２の電極の間に設けられた制御電極と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の半導体装置。

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