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JP6261437B2 - 半導体基板の製造方法、及び半導体素子の製造方法 - Google Patents

半導体基板の製造方法、及び半導体素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体基板の製造方法、半導体素子の製造方法、半導体基板、並びに半導体素子に関する。
窒化物半導体を用いた半導体基板は、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ものとして、例えば高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＥＭＴ）等が知られている。
窒化物半導体を用いた半導体基板として、Ｓｉ基板上に、初期層、ＧａＮ層、ＡｌＧａＮからなるバリア層が順次積層された半導体基板が知られている。
ＧａＮ層のうち下部の層（高抵抗層）は、縦方向及び横方向の電気抵抗を高めることで、トランジスタのオフ特性向上、縦方向リーク電流の抑制により高耐圧化が可能となる。そのため炭素をドープし、ＧａＮ結晶中に深い準位を形成し、ｎ型の伝導を抑制させる。
一方、ＧａＮ層のうち上部（１μｍ程度）の層は、チャネル層として機能し、キャリアをトラップさせる準位が形成されると電流コラプス（出力電流特性の再現性が劣化する現象）の要因となりうるため、炭素等の濃度を十分低下させている（特許文献１−３参照）。
特許第５０６４８２４号公報 特開２００６−３３２３６７号公報 特開２０１３−０７００５３号公報
上述のように、高抵抗層は炭素濃度を高くすることで、デバイスの縦方向（厚み方向）リーク電流を抑制し、トランジスタのオフ特性を向上させるために用いているが、逆に炭素濃度を高めすぎると図６に示すようにリーク電流が増加する。なお、図６は、ＶＤＳ＝８００Ｖでの縦方向リーク電流の炭素濃度依存性を示す図である。
図６からわかるように、リーク電流特性に関しては高抵抗層の炭素濃度には最適値がある。そのため高抵抗層の炭素濃度に濃度勾配があると、最適値からずれた炭素濃度の領域を部分的に用いることになる。
また、窒化物半導体の成長温度に対して炭素濃度及び結晶性は相関がある（図７−８を参照：成長温度が低くなると炭素濃度が増加し、結晶性が低下する）。
そこで、本発明者らは、窒化物半導体の成長温度に対して炭素濃度及び結晶性は相関があることに着目し、高抵抗層のＧａＮ成長中における炭素濃度の変化を抑えるべく図９のように設定温度を一定としているが、実際の基板温度は初期層側からチャネル層側に向かって２０℃程度低下している。
これは窒化物半導体の成長がすすむにつれて半導体基板の反りが負側（「反りが負」とは、基板が凸に反ることを意味する）に増加し、半導体基板の中央部がヒータとしても機能する基板保持台から離れてしまうことで、実際の基板温度の低下が起こっているものと考えられる。
上記で作製された半導体基板の深さ方向の濃度プロファイルを測定すると、高抵抗層の炭素濃度は初期層側からチャネル層側に向かって増加しており、これは基板温度が初期層側からチャネル層側に向かって低下していることによるものと考えられる。
このように、高抵抗層の炭素濃度が濃度勾配を有していると、上述したように所望の最適値からずれた炭素濃度の領域を少なからず部分的に用いることになり、このような半導体基板を用いて半導体素子を作製した場合に十分に低いリーク電流特性が得られないという問題があった。
そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、高抵抗層の炭素濃度の濃度勾配を低減できるとともに炭素濃度を所望の値とすることができる半導体基板の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、基板と、前記基板上の初期層と、前記初期層上の窒化物系半導体からなり、炭素を含む高抵抗層と、前記高抵抗層上の窒化物系半導体からなるチャネル層とを有する半導体基板の製造方法であって、前記高抵抗層を形成する工程において、前記半導体基板を加熱する設定温度に勾配を持たせて、高抵抗層形成開始時の前記設定温度と高抵抗層形成終了時の前記設定温度が異なるようにして前記高抵抗層を形成することを特徴とする半導体基板の製造方法を提供する。
このように、半導体基板を加熱する設定温度に勾配を持たせることで、半導体基板に反りが生じたとしても高抵抗層成長中の基板温度の変化を低減でき、高抵抗層の炭素濃度の濃度勾配を低減できるので、高抵抗層の炭素濃度として最適値となる最適な基板温度となるように半導体基板の設定温度を選択すれば、このようにして作製された半導体基板を用いて半導体素子を作製した場合に十分に低いリーク電流特性を得ることができる。
このとき、前記高抵抗層を形成する工程において、前記半導体基板の反りによる温度低下を相殺するように高抵抗層形成開始時の前記設定温度と高抵抗層形成終了時の前記設定温度が異なるようにすることが好ましい。
高抵抗層形成中の温度設定をこのようにして行うことで、高抵抗層成長中の基板温度の変化をより効果的に低減できる。
このとき、前記高抵抗層形成終了時の前記設定温度を、前記高抵抗層形成開始時の前記設定温度より高くすることが好ましい。
高抵抗層形成中の温度設定をこのようにして行うことで、高抵抗層成長中の基板温度の変化をより確実に低減できる。
このとき、前記高抵抗層の厚さを５００ｎｍ以上、３μｍ以下とすることが好ましい。
高抵抗層の厚さが５００ｎｍ以上であれば、リーク電流特性を低下させることを防止することができ、高抵抗層の厚さが３μｍ以下であれば、半導体基板が厚くなりすぎることを防止できる。
また、本発明は、上記の半導体基板の製造方法によって製造された半導体基板を用い、該半導体基板の前記チャネル層上に電極を形成する工程をさらに有することを特徴とする半導体素子の製造方法を提供する。
このような本発明の半導体基板の製造方法によって製造された半導体基板を用いた半導体素子の製造方法であれば、高抵抗層成長中の基板温度の変化を低減でき、高抵抗層の炭素濃度の濃度勾配を低減できるので、高抵抗層の炭素濃度として最適値を選択すれば、十分に低いリーク電流特性を得ることができる。
さらに、本発明は、基板と、前記基板上の初期層と、前記初期層上の窒化物系半導体からなり、炭素を含む高抵抗層と、前記高抵抗層上の窒化物系半導体からなるチャネル層とを有する半導体基板であって、前記高抵抗層において、｛（前記初期層側の炭素濃度）−（前記チャネル層側の炭素濃度）｝／（前記高抵抗層の膜厚）で定義される炭素濃度勾配が、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３・μｍ以上、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３・μｍ以下であることを特徴とする半導体基板を提供する。
高抵抗層における炭素濃度勾配が上記の範囲であれば、高抵抗層の炭素濃度として最適値を選択すれば、このような半導体基板を用いて半導体素子を作製した場合に十分に低いリーク電流特性を得ることができる。
このとき、前記高抵抗層の炭素濃度が１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のものとすることができる。
高抵抗層の炭素濃度として、このような濃度範囲を好適に用いることができる。
また、本発明は、上記の半導体基板を用いて作製された半導体素子であって、前記チャネル層上に電極が設けられているものであることを特徴とする半導体素子を提供する。
このような本発明の半導体基板を用いて作製された半導体素子であれば、高抵抗層の炭素濃度として最適値となる最適な基板温度となるように半導体基板の設定温度を選択すれば、十分に低いリーク電流特性を得ることができる。
以上のように、本発明の半導体基板の製造方法によれば、高抵抗層成長中の基板温度の変化を低減でき、高抵抗層の炭素濃度の濃度勾配を低減できるので、高抵抗層の炭素濃度として最適値となる最適な基板温度となるように半導体基板の設定温度を選択すれば、このようにして作製された半導体基板を用いて半導体素子を作製した場合に十分に低いリーク電流特性を得ることができる。
本発明の半導体基板の製造方法で用いられる高抵抗層を形成する工程における温度設定を示す図である。 実施例及び比較例の縦方向リーク電流特性を示す図である。 本発明の実施態様の一例を示す半導体基板の断面図である。 本発明の実施態様の一例を示す半導体基板の深さ方向の濃度分布を示した図である。 本発明の実施態様の一例を示す半導体素子の断面図である。 縦方向リーク電流の炭素濃度依存性を示す図である。 炭素濃度の成長温度依存性を示す図である。 高抵抗層の結晶性の成長温度依存性を示す図である。 半導体基板の作製中の設定温度、基板温度の推移を示す図である。
前述のように、高抵抗層は炭素濃度を高くすることで、デバイスのリーク電流を抑制し、トランジスタのオフ特性を向上させるために用いているが、図６に示すようにリーク電流特性に関しては高抵抗層の炭素濃度には最適値がある。そのため高抵抗層の炭素濃度に濃度勾配があると、所望の最適値からずれた炭素濃度の領域を少なからず部分的に用いることになり、このような半導体基板を用いて半導体素子を作製した場合に十分に低いリーク電流特性が得られないという問題があった。
そこで、本発明者らは、高抵抗層中の炭素濃度の濃度勾配を低減できるとともに炭素濃度を所望の値とすることができる半導体基板の製造方法について鋭意検討を重ねた。その結果、高抵抗層成長中に半導体基板を加熱する設定温度に勾配を持たせることで、高抵抗層成長中の基板温度の変化を低減でき、それにより高抵抗層の炭素濃度の濃度勾配を低減でき、高抵抗層の炭素濃度として最適値となる最適な基板温度となるように半導体基板の設定温度を選択すれば、このようにして作製された半導体基板を用いて半導体素子を作製した場合に十分に低い縦方向リーク電流特性が得られることを見出し、本発明をなすに至った。
以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
まず、本発明の一例の半導体基板について、図３−４を参照しながら説明する。
図３は本発明の一例の半導体基板の断面図であり、図４は本発明の一例の半導体基板の深さ方向の濃度分布を示した図である。
図３に示す半導体基板１０は、基板１２と、基板１２上に設けられた初期層（バッファ層）１４と、初期層１４上に設けられた窒化物系半導体（例えば、ＧａＮ）からなり、炭素を不純物として含む高抵抗層１５と、高抵抗層１５上に設けられた能動層２２を有している。
ここで、基板１２は、例えば、Ｓｉ又はＳｉＣからなる基板である。また、初期層１４は、例えば、窒化物系半導体からなる第一の層と、第一の層と組成の異なる窒化物系半導体からなる第二の層とが繰り返し積層された積層体で構成されるバッファ層である。
第一の層は例えば、ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなり、第二の層は例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜ｙ≦１）からなる。
具体的には、第一の層はＡｌＮとすることができ、第二の層はＧａＮとすることができる。
能動層２２は、窒化物系半導体からなるチャネル層１８と、チャネル層１８上に設けられた窒化物系半導体からなるバリア層２０とを有している。チャネル層１８は例えば、ＧａＮからなり、バリア層２０は例えば、ＡｌＧａＮからなる。
高抵抗層１５において、｛（初期層１４側の炭素濃度）−（チャネル層１８側の炭素濃度）｝／（高抵抗層１５の膜厚）で定義される炭素濃度勾配が、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３・μｍ以上、１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３・μｍ以下、好ましくは、１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３・μｍ以上、５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３・μｍ以下である。
なお、チャネル層１８の炭素濃度は、電子移動度を高くするとともに、電流コラプスを抑制するために、図４に示すように１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度以下にすることができる。
高抵抗層１５における炭素濃度勾配が上記の範囲であれば、高抵抗層１５の炭素濃度として最適値を選択すれば、このような半導体基板を用いて半導体素子を作製した場合に十分に低いリーク電流特性を得ることができる。
また、高抵抗層１５の炭素濃度を１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることができる。
高抵抗層の炭素濃度として、このような濃度範囲を好適に用いることができる。
次に、本発明の一例の半導体素子について、図５を参照しながら説明する。
図５は本発明の一例の半導体素子の断面図である。
半導体素子１１は、半導体基板１０を用いて作製されたものであり、能動層２２上に設けられた第一電極２６、第二電極２８、制御電極３０を有している。
半導体素子１１において、第一電極２６及び第二電極２８は、第一電極２６から、チャネル層１８内に形成された二次元電子ガス層２４を介して、第二電極２８に電流が流れるように配置されている。
第一電極２６と第二電極２８との間に流れる電流は、制御電極３０に印可される電位によってコントロールすることができる。
半導体素子１１は、本発明の半導体基板１０を用いて作製されたものであり、高抵抗層１５における炭素濃度勾配が十分小さくなるように調整されているため、高抵抗層１５の炭素濃度として最適値を選択すれば、十分に低い縦方向リーク電流特性を得ることができる。
次に本発明の一例の半導体基板の製造方法について、図１及び図３を参照しながら説明する。
本発明の一例の半導体基板の製造方法は、図３に示すような基板１２と、基板１２上の初期層１４と、初期層上の窒化物系半導体からなり、炭素を含む高抵抗層１５と、高抵抗層１５上の窒化物系半導体からなるチャネル層１８とを有する半導体基板１０を製造する方法であって、高抵抗層１５を形成する工程において、半導体基板１０を加熱する設定温度に勾配を持たせて、高抵抗層形成開始時の設定温度と高抵抗層形成終了時の設定温度が異なるようにして高抵抗層を形成している。
例えば、高抵抗層形成中の設定温度を一定にしている図９では高抵抗層形成中の基板温度が半導体基板の反りに応じて低下しているのに対して、高抵抗層形成終了時の設定温度が高抵抗層形成開始時の設定温度より高くなるように高抵抗層形成中の半導体基板を加熱する設定温度に温度勾配を持たせている図１では高抵抗層形成中の基板温度が一定になっている。
このように、高抵抗層形成中の半導体基板を加熱する設定温度に勾配を持たせることで、高抵抗層成長中の基板温度の変化を低減でき、これにより高抵抗層の炭素濃度の濃度勾配を低減できるので、高抵抗層１５の炭素濃度として最適値を選択すれば、このようにして作製された半導体基板を用いて半導体素子を作製した場合に十分に低いリーク電流特性を得ることができる。
高抵抗層１５を形成する工程において、半導体基板１０の反りによる温度低下を相殺するように高抵抗層形成開始時の設定温度と高抵抗層形成終了時の設定温度が異なるようにすることが好ましい。
高抵抗層形成中の温度設定をこのようにして行うことで、高抵抗層成長中の基板温度の変化をより効果的に低減できる。
高抵抗層形成終了時の設定温度を、高抵抗層形成開始時の設定温度より高くすることが好ましい。
高抵抗層形成中の温度設定をこのようにして行うことで、高抵抗層成長中の基板温度の変化をより確実に低減できる。
高抵抗層１５の厚さを５００ｎｍ以上、３μｍ以下とすることが好ましい。
高抵抗層の厚さが５００ｎｍ以上であれば、縦方向リーク電流特性を低下させることを防止することができ、高抵抗層の厚さが３μｍ以下であれば、半導体基板が厚くなりすぎることを防止できる。
次に本発明の一例の半導体素子の製造方法について、図５を参照しながら説明する。
本発明の半導体素子の製造方法は、上述した本発明の半導体基板の製造方法によって製造された半導体基板１０を用い、半導体基板１０のチャネル層１８上に電極２６、２８、３０を形成する工程をさらに有している。
このような本発明の半導体基板の製造方法によって製造された半導体基板を用いた半導体素子の製造方法であれば、高抵抗層成長中の基板温度の変化を低減でき、これにより高抵抗層の炭素濃度の濃度勾配を低減できるので、高抵抗層の炭素濃度として最適値を選択すれば、十分に低いリーク電流特性を得ることができる。
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
上記で説明した半導体基板の製造方法を用いて、図３に示すような半導体基板を作製した。すなわち、高抵抗層形成終了時の設定温度を高抵抗層形成開始時の設定温度より高くするように、設定温度に勾配を持たせた。
また、高抵抗層形成中の実際の基板温度を放射温度計で測定した。その結果を図１に示す。
さらに、作製された半導体基板を用いて、図５に示すような半導体素子を作製し、この半導体素子の縦方向リーク電流特性を測定した。その結果を図２に示す。
（比較例）
実施例と同様にして、半導体基板を作製した。ただし、高抵抗層形中の設定温度は一定とした。
また、高抵抗層形成中の実際の基板温度を放射温度計で測定した。その結果を図９に示す。
さらに、作製された半導体基板を用いて、図５に示すような半導体素子を作製し、この半導体素子の縦方向リーク電流特性を測定した。その結果を図２に示す。
図１、図９からわかるように、高抵抗層形中に半導体基板を加熱する設定温度に勾配を持たせた実施例は、高抵抗層形中に半導体基板を加熱する設定温度を一定にした比較例と比べて、高抵抗層形中の実際の基板温度の変化が減少している。
図２からわかるように、実施例の半導体素子は、比較例の半導体素子に比べて縦方向リーク電流が低くなっている。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
１０…半導体基板、 １１…半導体素子、 １２…基板、
１４…初期層（バッファ層）、 １５…高抵抗層、 １８…チャネル層、
２０…バリア層、 ２２…能動層、 ２４…二次元電子ガス層、 ２６…第一電極、
２８…第二電極、 ３０…制御電極。

Claims (4)

  1. 基板と、
    前記基板上の初期層と、
    前記初期層上の窒化物系半導体からなり、炭素を含む高抵抗層と、
    前記高抵抗層上の窒化物系半導体からなるチャネル層と
    を有する半導体基板の製造方法であって、
    前記高抵抗層を形成する工程において、前記半導体基板を加熱する設定温度に勾配を持たせて、前記半導体基板の反りによる温度低下を相殺するように高抵抗層形成開始時の前記設定温度と高抵抗層形成終了時の前記設定温度が異なるようにして前記高抵抗層を形成することを特徴とする半導体基板の製造方法。
  2. 前記高抵抗層形成終了時の前記設定温度を、前記高抵抗層形成開始時の前記設定温度より高くすることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
  3. 前記高抵抗層の厚さを５００ｎｍ以上、３μｍ以下とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体基板の製造方法。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体基板の製造方法によって製造された半導体基板を用い、該半導体基板の前記チャネル層上に電極を形成する工程をさらに有することを特徴とする半導体素子の製造方法。
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