JP2006004970A - 窒化物半導体薄膜の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サファイア基板や炭化珪素基板などの窒化物半導体とは格子不整合な材料からなる基板の上に、再現性よく品質の高い窒化物半導体の結晶層が形成できるようにする。
【解決手段】まず、サファイア基板１０１の上に、例えばスパッタ法により、Ａｌ₂Ｏ₃層１０２、ＡｌＯ_xＮ_y層１０３、ＡｌＮ層１０４が形成された状態とする。この後、ＡｌＮ層１０４の上に、亜鉛がドープ（２×１０¹⁸ｃｍ^-3）されたｐ形のＧａＮ（結晶）からなるバッファ層１０５が形成された状態とする。例えば、有機金属気相成長法によりバッファ層１０５が形成できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、サファイア基板などの上に高品質な窒化物半導体の薄膜が形成できる窒化物半導体薄膜の作製方法に関する。

窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（窒化物半導体）は、遠赤外から紫外領域のバンドギャップを有するため、遠赤外から紫外領域での受光や発光素子用の材料として有望である。また、窒化物半導体は、原子結合力が強く、絶縁破壊電界が高く、飽和電子速度が大きいことから、耐高温・高出力・高周波トランジスタなどの電子デバイスの材料としても有望である。加えて、窒化物半導体は、環境を害することがほとんど無く、取り扱いやすい材料としても注目されている。

上述したような優れた材料である窒化物半導体を用いて実用的な素子を形成するためには、窒化物半導体の薄膜を所定の基板上に形成し、所定の素子構造を形成する必要がある。上記基板としては、窒化物半導体を直接結晶成長させることが可能な、格子定数や熱膨張係数が等しい窒素化合物基板が最も適している。しかしながら、窒素化合物基板は、現状では基板の寸法が直径２インチ以下と小さく、また非常に高価であり、実用的ではない。

このため、現状では、サファイア、炭化珪素など、窒化物半導体とは格子不整合が大きな材料が、基板として用いられている。この中で、化学的に安定で、より大きな基板がより安価に容易に得られるサファイア基板が、最も一般的に用いられている。
サファイア基板と代表的な窒化物半導体である窒化ガリウム（ＧａＮ）との間には、１０〜２０％もの格子不整合や熱膨張係数差がある。このため、サファイア基板の上に直接ＧａＮを成長しようとすると、３次元的な成長が避けられず、平坦な状態のＧａＮ膜が得られない。

窒化物半導体などの化合物半導体を利用した素子として有望な高電子移動度トランジスタを例にすると、上述したように平坦な状態が得られていないと、素子の高性能化に必須となる原子レベルでの急峻なヘテロ界面が得られない。また、サファイア基板の上に直接形成した場合、形成した膜中には多くの欠陥が存在し、所望とする特性の素子が得られない。

上述した問題を解消するために、低温バッファ層を用いる技術が提案されている（非特許文献１参照）。この技術では、サファイア基板の上に有機金属気相成長法で窒化物半導体を結晶成長させようとするときに、低温バッファ層と呼ばれる窒化物半導体の薄い層を５００℃程度の低温領域で形成しておき、この後、１０００℃程度にまで昇温して、窒化物半導体の結晶層を形成する。この技術によれば、低温バッファ層としてＧａＮやＡｌＮなどを用い、ＧａＮ，ＡｌＮ，及びＡｌＧａＮなどの結晶層が形成可能とされている。

低温バッファ層は、昇温の過程において、サファイア基板の表面で３次元的に固相成長し、部分的に凝集して複数の島部分となる。この状態となった後、高温の状態で窒化物半導体を結晶成長させようとすると、島部分の部分が核となり、窒化物半導体の結晶層が成長し、各島部分から結晶成長した層が融合して平坦化がなされる。この結果、上述した技術によれば、サファイア基板の上に、素子を構成する窒化物半導体の結晶層（膜）が形成されるようになる。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
H.Amano, N.Sawaki, L.Akasaki, and Y.Yoyoda, "Metal organic vapor phase epitaxial growth of a high quality GaN film using an AlN buffer layer", Appl Phys. Lett. 48, 353(1986).

しかしながら、上述した従来の技術においては、形成（結晶成長）した窒化物半導体層における欠陥密度などの品質の再現性が低いという問題があった。低温バッファ層の形成条件（基板の実際の温度や原料ガスの供給量，供給比，成長炉内の圧力など）や、低温バッファ層形成後の昇温方法（昇温速度，炉内雰囲気，圧力など）によって、上述した島部分の大きさや密度などが各々異なり、これらが再現性の低下を招く一因となっている。

特に、ＡｌＮからなる低温バッファ層を用いる場合、原料ガスのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）と窒化のためのアンモニアとが、気相中において反応し易い。このため、ＡｌＮからなる低温バッファ層をより広い面積に形成しようとすると、低温バッファ層の膜厚の面内均一性や再現性が低下し、上述したように島部分の不均一を招き、この上に形成する結晶層の品質の再現性低下を招いているものと考えられる。

また、形成した窒化物半導体の結晶層における欠陥密度のバラツキは、この上に形成される素子の動作におけるリーク電流を抑制するための絶縁性にも影響する。欠陥密度のバラツキにより、基板と結晶層との界面の抵抗にバラツキが発生し、界面に抵抗の低い領域が存在するようになる。例えば、高電子移動度トランジスタや電界効果トランジスタなどでは、基板の平面方向となるソース・ドレインの間に流れる電流を、ゲート電極に印加して電圧により制御するようにしている。このような素子を形成した場合、基板と結晶層との界面付近にリーク電流が発生すると、界面部分にも電流が流れることになり、ゲート電圧を変化させても、所望のトランジスタ特性が得られなくなる。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、サファイア基板や炭化珪素基板などの窒化物半導体とは格子不整合な材料からなる基板の上に、再現性よく品質の高い窒化物半導体の結晶層が形成できるようにすることを目的とする。

本発明に係る窒化物半導体薄膜の作製方法は、基板の上に所定の酸素組成比ｘ及び所定の窒素組成比ｙとされた酸窒化アルミニウムからなるＡｌＯ_xＮ_y層が形成された状態とする工程と、ＡｌＯ_xＮ_y層の上にｐ形の不純物が導入された窒化物半導体からなるバッファ層が形成された状態とする工程とを少なくとも備えるようにしたものである。
ＡｌＯ_xＮ_y層により格子定数の差が小さくされ、バッファ層においては、導入されたｐ形の不純物により、ｐ形準位が形成されるようになり、バッファ層の基板側の界面に発生するｎ形の欠陥準位が補償されるようになる。

上記窒化物半導体薄膜の作製方法において、ＡｌＯ_xＮ_y層の酸素組成比ｘは、基板の側からバッファ層の側にかけて減少し、ＡｌＯ_xＮ_y層の窒素組成比ｙは、基板の側からバッファ層の側にかけて増加するようにすればよい。
また、上記窒化物半導体薄膜の作製方法において、基板は、例えば、サファイア基板である。

上記窒化物半導体薄膜の作製方法において、ｐ形の不純物は、亜鉛，マグネシウム，鉄，カーボンのいずれかを含んでいればよく、また、これらのうち少なくとも２つ以上を含むようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、ＡｌＯ_xＮ_y層により格子定数の差を小さくし、バッファ層においては、導入されたｐ形の不純物によりｐ形準位が形成されるようにし、バッファ層の基板側の界面に発生するｎ形の欠陥準位を補償するようにしたので、サファイア基板や炭化珪素基板などの窒化物半導体とは格子不整合な材料からなる基板の上に、再現性よく品質の高い窒化物半導体の結晶層が形成できるようなるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
以下では、窒化物半導体としてＧａＮ系の材料を対象とし、サファイアを基体とした基板の上にＧａＮ系の材料の結晶の層を形成する場合を例にして説明する。
図１は、本発明の実施の形態における窒化物半導体薄膜の作製方法例を示す工程図である。まず、図１（ａ）に示すように、例えば、直径３インチの円板状のサファイア基板１０１の上に、Ａｌ₂Ｏ₃層１０２、ＡｌＯ_xＮ_y層１０３、ＡｌＮ層１０４が形成された状態とする。

ＡｌＯ_xＮ_y層１０３は、Ａｌ₂Ｏ₃層１０２の側からＡｌＮ層１０４の側にかけて、酸素の組成比ｘが減少し、窒素の組成比ｙが増加している層である。この変化は、連続的であってもよく、段階的（非連続）であってもよい。ＡｌＯ_xＮ_y層１０３は、窒素の組成比ｙが０の場合、Ａｌ₂Ｏ₃層１０２と同様の構成となり、酸素の組成比ｘが０の場合、ＡｌＮ層１０４と同様の構成となる。なお、Ａｌ₂Ｏ₃層１０２は、化学量論的組成の酸化アルミニウムから構成され、ＡｌＮ層１０４は、化学量論的組成の窒化アルミニウムから構成されたものである。

上記各層は、次に示すようにスパッタ法により形成する。まず、Ａｌ₂Ｏ₃層１０２は、例えば、ＥＣＲ（Electro Cyclotron Resonance）プラズマを用いた反応性スパッタ法により、ターゲットにアルミニウムを用い、反応性ガスの酸素を用い、膜厚１０ｎｍ程度に形成すればよい。なお、スパッタガスにはＡｒを用いればよい。

また、ＡｌＯ_xＮ_y層１０３は、同様の反応性スパッタ法により、反応性ガスとして酸素及びＮを用い、供給する酸素ガスの量を変化させることで、Ａｌ₂Ｏ₃層１０２の上に膜厚１０ｎｍ程度に形成すればよい。
また、ＡｌＮ層１０４は、同様の反応性スパッタ法により、反応性ガスとして窒素ガスを用い、Ａｌ₂Ｏ₃層１０２の上に膜厚１０ｎｍ程度に形成すればよい。

上述したスパッタ法による各層の形成は、同じ装置内において連続して行うようにしてもよい。例えば、供給する反応性ガスを、酸素から徐々に窒素へと変えるようにすることで、同一装置により連続して各層を形成することができる。また、各層を個別の装置で形成するようにしてもよいことは、いうまでもない。

ここで、各層の格子定数は、Ａｌ₂Ｏ₃層１０２＞ＡｌＯ_xＮ_y層１０３＞ＡｌＮ層１０４となっている。特に、酸素の組成比ｘが減少して窒素の組成比ｙが増加しているＡｌＯ_xＮ_y層１０３は、Ａｌ₂Ｏ₃層１０２との界面近傍においては、ほぼ酸化アルミニウムの状態であり、ＡｌＮ層１０４との界面においては、ほぼ窒化アルミニウムの状態である。このため、Ａｌ₂Ｏ₃層１０２からＡｌＮ層１０４にかけて、各層間の格子定数の差が、ほぼない状態となる。

このように、サファイア基板１０１からＡｌＮ層１０４にかけて、ＡｌＯ_xＮ_yからなる層を用いることで、各層の間で格子定数の差が小さくなり、この上に形成する化合物半導体の層の転位密度を非常に小さくできる。なお、ＡｌＯ_xＮ_y層１０３は、所定の酸素組成比ｘ及び所定の窒素組成比ｙとされていてもよいが、酸素組成比ｘがＡｌＮ層１０４の側にかけて減少し、窒素組成比ｙがＡｌＮ層１０４の側にかけて増加する状態とすることで、各層間の格子定数の差がほぼない状態が得られる。

以上のようにすることで、Ａｌ₂Ｏ₃層１０２、ＡｌＯ_xＮ_y層１０３、ＡｌＮ層１０４からなる格子定数の差を緩和させるための層を形成した後、図１（ｂ）に示すように、ＡｌＮ層１０４の上に亜鉛がドープ（２×１０¹⁸ｃｍ^-3）されたｐ形のＧａＮ（結晶）からなるバッファ層１０５が形成された状態とする。バッファ層１０５は、有機金属気相成長法により、ソースガスとしてトリエチルガリウム及び亜鉛ドープ用にジエチルジンクを用い、基板温度を１０００℃程度とすることで結晶成長させればよい。

次に、図１（ｃ）に示すように、バッファ層１０５の上に、アンドープのＧａＮからなる能動層１０６が形成された状態とする。能動層１０６は、有機金属気相成長法により、ソースガスとしてトリエチルガリウムを用い、基板温度を１０００℃程度とすることで結晶成長させればよい。
次に、図１（ｄ）に示すように、能動層１０６の上に、アンドープのＡｌＧａＮからなるスペーサ層１０７，シリコンがドープされたｎ形のＡｌＧａＮからなる電子供給層１０８，アンドープのＡｌＧａＮからなるバリア層１０９が形成された状態とする。

このように各層を積層することで、電子供給層１０８にドープされているドナー不純物から供給された電子が、能動層１０６へ移動し、スペーサ層１０７と能動層１０６とのヘテロ接合界面近傍に蓄積してチャネル１１５が形成される。チャネル１１５の厚さは非常に薄く、２次元電子チャネルと称されている。
上述したバッファ層１０５以降の窒化物半導体からなる各層は、基板温度を１０００℃とした有機金属気相成長法により、同一の装置内で連続して結晶成長させることで形成すればよい。

以上に説明したことにより、バリア層１０９までを形成した後、図１（ｅ）に示すように、バリア層１０９の上に、ゲート電極１１０、及びこれを挾むように配置されたソース電極１１１とドレイン電極１１２が形成された状態とすれば、高電子移動度トランジスタが得られる。ゲート電極１１０は、例えば、ニッケル層とこの上に形成された金層とから構成した積層構造とすればよい。また、ソース電極１１１及びドレイン電極１１２は、チタン層／アルミニウム層／チタン層／金層の順に積層して形成し、加熱処理によるシンターで、チャネル１１５とのオーミック接続を得ればよい。

以上に説明したように、本実施の形態では、まず、ＡｌＯ_xＮ_y層１０３により、基板側と窒化物半導体薄膜側との格子定数の差が小さくなるようにした。加えて、図１に示した作製方法によれば、ｐ形不純物がドープされたバッファ層１０５によりｐ形の準位が存在する状態とした。格子定数が異なり熱膨張係数が異なる基板の上に窒化物半導体薄膜を結晶成長させると、窒化物半導体薄膜（バッファ層１０５）の界面で発生する転位密度が高いことに起因してｎ形の欠陥準位が生じるものと考えられている。このｎ形の欠陥準位が、上述したバッファ層１０５におけるｐ形の準位により補償されるようになる。
これらの結果、本実施の形態によれば、サファイア基板の上に、より高い品質の窒化物半導体薄膜が作製できるようになる。

次に、ｐ形不純物を添加することについて、より詳細に説明する。なお、図１において、バッファ層１０５からバリア層１０９までが窒化物半導体薄膜となる。
図２は、窒化物半導体薄膜（バッファ層１０５）と基板（ＡｌＮ層１０４）との界面におけるリーク電流の状態を示す特性図であり、電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性から評価した結果を示している。なお、同様の評価が、ホール効果測定やうず電流測定によっても可能である。

図２では、バッファ層１０５の膜厚を変化させたときの抵抗変化を示しており、膜厚２００ｎｍ程度において最も高い抵抗を示し、最もリーク電流が低減することが示されている。
バッファ層１０５の膜厚が薄い場合の低い抵抗の状態は、バッファ層１０５中のｐ形不純物濃度（ｐ形準位密度）が、前述したｎ形の欠陥準位密度を補償するだけの濃度に足りないために発生する。

一方、バッファ層１０５の膜厚が厚い場合の低い抵抗の状態は、バッファ層１０５中のｐ形不純物濃度（ｐ形準位密度）が、前述したｎ形の欠陥準位密度より多いために発生する。
亜鉛の添加量が２×１０¹⁸ｃｍ^-3の場合、バッファ層１０５の膜厚が２００ｎｍであれば、バッファ層１０５によるｐ形準位密度と、ｎ形の欠陥準位密度とがほぼ一致するものと考えられる。なお、この例の場合、バッファ層１０５の厚さが１５０ｎｍ以上であれば、所望の特性が得られることがわかる。

図３は、直径３インチの円形のサファイア基板の上に図１に示したバリア層１０９までを形成した試料における、前述したリーク電流の基準となる面内抵抗分布を示した特性図である。サファイア基板のオリエンテーションフラットに垂直方向への分布を示している。図３において、Ａは、亜鉛をドープした膜厚２００ｎｍのバッファ層１０５が形成されている試料の特性を示し、Ｂは、従来技術にように低温バッファ層を用いて能動層１０６〜バリア層１０９を同様に作製した試料の特性を示している。
図３から明らかなように、試料Ａは、基板の面内分布が均一であるが、試料Ｂは、面内の抵抗に分布が存在している。

ところで、上述では、ｐ形不純物として亜鉛を例にしたが、マグネシウム，鉄，カーボンなどをｐ形の不純物として用いるようにしてもよい。窒化物半導体層を結晶成長するときに、ソースガスと共にシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を同時に導入し、窒化物半導体層にマグネシウムがドープされた状態とした場合も、マグネシウムの添加量が５×１０¹⁸ｃｍ^-3までの範囲において、図２と同様の傾向が示される。

また、窒化物半導体層を結晶成長するときに、ソースガスと共にフェロセンを同時に導入し、窒化物半導体層に鉄がドープされた状態とした場合、鉄の添加量が５×１０¹⁹ｃｍ^-3までの範囲において、図２と同様の傾向が示される。同様に、窒化物半導体層を結晶成長するときに、ソースガスと共に四臭化炭素を同時に導入し、窒化物半導体層にカーボンがドープされた状態とした場合、カーボンの添加量が５×１０¹⁹ｃｍ^-3までの範囲において、図２と同様の傾向が示される。

鉄やカーボンにおいて添加量が約１桁多くなるのは、これらのドーパントが形成する不純物準位が、亜鉛やマグネシウムの場合よりも深いことに起因するものと考えられる。
また、上述した各ドーパントを、２つ以上組み合わせて添加するようにしても、上述と同様の効果が得られることが判明している。この場合、単独で用いる場合に比較して、不純物の添加量が低減できるようになることも判明している。

以上に説明したように、図１に例示する窒化物半導体薄膜の作製方法によれば、基板と窒化物半導体の結晶層との界面での高抵抗状態が、再現性よくかつ均一に得られるようになり、窒化物半導体を用いた素子作製における歩留り向上に大きく貢献するようになる。また、本作製方法によれば、欠陥準位密度が低下したより高い品質の窒化物半導体薄膜が得られるので、図１に示すような窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタや、窒化物半導体を用いた他の電界効果トランジスタを、設計通りに動作させることが可能となる。

なお、上述では、サファイア基板を用いるようにしたが、これに限るものではなく、炭化珪素基板においても、サファイア基板の場合と同様である。また、上述では、窒化物半導体の層を、有機金属気相成長法に形成するようにしたが、これに限るものではなく、ＭＢＥ，ＣＢＥ，ＭＯＭＢＥなどの他の結晶成長法を用いるようにしてもよいことはいうまでもない。

また、上述では、ｐ形不純物を導入するバッファ層をＧａＮから構成するようにしたが、これに限るものではなく、ＡｌＮなどの他の窒化物半導体から構成してもよい。また、作製対象の窒化物半導体薄膜としてＧａＮ，ＡｌＧａＮを例にしたが、ＩｎＮやＩｎＧａＮであっても同様である。

本発明の実施の形態における窒化物半導体薄膜の作製方法例を示す工程図である。 窒化物半導体薄膜（バッファ層１０５）と基板（ＡｌＮ層１０４）との界面におけるリーク電流の状態を示す特性図である。 直径３インチの円形のサファイア基板の上に図１に示したバリア層１０９までを形成した試料における、リーク電流の基準となる面内抵抗分布を示した特性図である。

符号の説明

１０１…サファイア基板、１０２…Ａｌ₂Ｏ₃層、１０３…ＡｌＯ_xＮ_y層、１０４…ＡｌＮ層、１０５…バッファ層、１０６…能動層、１０７…スペーサ層、１０８…電子供給層、１０９…バリア層、１１０…ゲート電極、１１１…ソース電極、１１２…ドレイン電極。

Claims (8)

1. 基板の上に所定の酸素組成比ｘ及び所定の窒素組成比ｙとされた酸窒化アルミニウムからなるＡｌＯ_xＮ_y層が形成された状態とする工程と、
   前記ＡｌＯ_xＮ_y層の上にｐ形の不純物が導入された窒化物半導体からなるバッファ層が形成された状態とする工程と
   を少なくとも備え、
   前記バッファ層の上に窒化物半導体薄膜が形成される
   ことを特徴とする窒化物半導体薄膜の作製方法。
2. 請求項１記載の窒化物半導体薄膜の作製方法において、
   前記ＡｌＯ_xＮ_y層の酸素組成比ｘは、前記基板の側から前記バッファ層の側にかけて減少し、
   前記ＡｌＯ_xＮ_y層の窒素組成比ｙは、前記基板の側から前記バッファ層の側にかけて増加する
   ことを特徴とする窒化物半導体薄膜の作製方法。
3. 請求項１又は２記載の窒化物半導体薄膜の作製方法において、
   前記基板は、サファイア基板である
   ことを特徴とする窒化物半導体薄膜の作製方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体薄膜の作製方法において、
   前記ｐ形の不純物は、亜鉛を含む
   ことを特徴とする窒化物半導体薄膜の作製方法。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体薄膜の作製方法において、
   前記ｐ形の不純物は、マグネシウムを含む
   ことを特徴とする窒化物半導体薄膜の作製方法。
6. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体薄膜の作製方法において、
   前記ｐ形の不純物は、鉄を含む
   ことを特徴とする窒化物半導体薄膜の作製方法。
7. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体薄膜の作製方法において、
   前記ｐ形の不純物は、カーボンを含む
   ことを特徴とする窒化物半導体薄膜の作製方法。
8. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体薄膜の作製方法において、
   前記ｐ形の不純物は、亜鉛，マグネシウム，鉄，及びカーボンのうち少なくとも２つ以上を含む
   ことを特徴とする窒化物半導体薄膜の作製方法。
   

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