JP2009231302A - 窒化物半導体結晶薄膜およびその作製方法、半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板を用いた場合であっても、窒化物半導体を用いた高耐圧の素子が形成できるようにする。
【解決手段】シリコン基板１０１と、シリコン基板１０１の上にエピタキシャル成長されたＡｌＮ結晶からなる緩衝層１０２と、緩衝層１０２の上にエピタキシャルにより形成されたＧａＮからなるチャネル層１０３と、チャネル層１０３の上にエピタキシャルにより形成されたＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなるキャリア供給層１０４とを備える。緩衝層１０２は、酸素が添加された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の結晶から構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光・電子デバイス用として用いられる窒化物半導体薄膜の結晶成長に関し、特に、電子デバイス応用において、その耐圧向上などの高性能化に資する窒化物半導体結晶薄膜およびその作製方法、半導体装置およびその製造方法に関するものである。

窒化物半導体を用いた代表的な電子デバイスとして、高電子移動度電界効果トランジスタ（ＨＥＭＴ）が知られている。ＨＥＭＴデバイス用の窒化物半導体薄膜結晶としては、一般に、ＨＥＭＴのバリア層（キャリア供給層）に用いるＡｌＧａＮや、チャネルに用いるＧａＮが用いられている。窒化物半導体を用いたこれらの素子の形成では、窒化物半導体の結晶薄膜を、炭化珪素（ＳｉＣ）基板，サファイア基板，およびシリコン基板の上に成長させる手法が用いられている。

一般に、このような窒化物系ＨＥＭＴデバイスの応用分野として、高出力・高耐圧化が要求され、デバイス動作時には大量の熱を発生しやすい。これがデバイス特性の劣化につながることから、熱伝導性の良好なＳｉＣやシリコン基板が使用されている。しかしながら、現在入手可能なＳｉＣ基板は、非常に高価（シリコン基板の約１００倍）であるため、応用分野が限定されるという欠点も有している。これに対し、シリコン基板は、安価であり、シリコンＬＳＩプロセスでの製造技術が活かせることで、窒化物系デバイスへの適用が期待されている（非特許文献１参照）。

町田 修他、「Ｓｉ基板上 ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＦＥＴの高耐圧化」、電子情報学会、信学技報、２００３年。

これらデバイスは、従来使用されている砒素や燐系化合物半導体材料に比較して、エネルギーギャップが大きい（ワイドギャップ）窒化物半導体材料を用いていることで、より高耐圧化が図れるという特徴を有する。しかしながら、前述したように、窒化物半導体成長基板が異種材料であるため、格子定数差、および熱膨張係数差のため、窒化物半導体成長層には、多くの点欠陥や線欠陥（転位など）が形成されることになる。

特に、シリコン基板の上に窒化物系材料をエピタキシャル成長させる場合、サファイアやＳｉＣなどの他の基板種に比較し、基板と結晶成長層との間の格子定数差が大きく、かつ熱膨張係数差も大きいため、品質良好なエピタキシャル成長が容易ではない。また、シリコン基板を用いた場合、デバイスの高耐圧化に有用なエピタキシャル成長層の厚膜化は、結晶成長上、非常に困難である。このエピタキシャル成長の困難度に起因したエピタキシャル成長層の品質の不完全性により、本来、窒化物半導体として有している物性から生じる高耐圧化に対して悪影響を及ぼし、本来の耐圧を低下させるという問題があった。

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、シリコン基板を用いた場合であっても、窒化物半導体を用いた高耐圧の素子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結晶薄膜は、基板の上に形成されたアルミニウムを含む窒化物半導体からなる結晶の薄膜であって、薄膜は酸素が添加されているようにしたものである。この窒化物半導体結晶薄膜において、薄膜の基板の平面の法線方向の一部領域に酸素が添加されているようにしてもよい。なお、基板は、シリコンから構成されたものである。

本発明に係る半導体装置は、基板の上に形成されて、酸素が添加されたアルミニウムを含む窒化物半導体の結晶からなる緩衝層と、この緩衝層の上に形成された窒化物半導体からなる素子とを少なくとも備えるものである。この半導体装置において、緩衝層のシリコン基板の平面の法線方向の一部領域に酸素が添加されているようにしてもよい。ここで、素子は、例えば、緩衝層の上に形成されたキャリア供給層と、このキャリア供給層の下の緩衝層の上に形成され、キャリア供給層より供給された電子によるチャネルが形成されるキャリア走行層と、キャリア供給層の上に形成されたゲート電極と、このゲート電極を挟むようにキャリア供給層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極とを少なくとも備えるものである。なお、基板は、シリコンから構成されたものである。

本発明に係る窒化物半導体結晶薄膜の作製方法は、基板の上に酸素が添加されたアルミニウムを含む窒化物半導体の層をエピタキシャル成長させる工程を少なくとも備えるものである。なお、基板は、シリコンから構成されたものである。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、酸素が添加されたアルミニウムを含む窒化物半導体をエピタキシャル成長させることでシリコン基板の上に緩衝層が形成された状態とする工程と、緩衝層の上に窒化物半導体からなる素子が形成された状態とする工程とを少なくとも備える。なお、基板は、シリコンから構成されたものである。

以上説明したように、本発明によれば、酸素が添加されたアルミニウムを含む窒化物半導体からなる結晶の薄膜が基板の上に形成されているようにしたので、シリコン基板を用いた場合であっても、窒化物半導体を用いた高耐圧の素子が形成できるように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。図１は、本発明の実施の形態における半導体装置の構成例を模式的に示す断面図である。この半導体装置は、シリコン基板１０１と、シリコン基板１０１の上にエピタキシャル成長されたＡｌＮ結晶からなる緩衝層１０２と、緩衝層１０２の上にエピタキシャル成長されたＧａＮからなるチャネル層１０３と、チャネル層１０３の上にエピタキシャル成長されたＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなるキャリア供給層１０４とを備える。また、キャリア供給層１０４の上には、例えばＴｉ／Ａｕからなるゲート電極１０５が形成され、ゲート電極１０５を挟むように、Ａｕ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｌからなるソース電極１０６およびドレイン電極１０７が形成されている。

ここで、本実施の形態では、緩衝層１０２が、酸素が添加されたアルミニウムを含む窒化物半導体の結晶から構成されているようにしたところに特徴がある。このように、本実施の形態では、酸素が添加された例えばＡｌＮの結晶より構成された緩衝層１０２を備えているので、この上に形成する窒化物半導体よりなる素子の耐圧が向上する。言い換えると、酸素が添加されたＡｌを含む窒化物半導体結晶の薄膜が形成されているシリコン基板を用いれば、高耐圧の窒化物半導体素子が形成可能となる。

次に、酸素が添加されたＡｌＮ結晶の層（緩衝層）を用いることによる耐圧向上について説明する。まず、図２に示すような素子を形成する。この素子の形成について説明すると、シリコン基板２０１の上に、公知のＭＯＶＰＥ（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法を用いて８×１０¹⁸ｃｍ^-3の酸素をドープしたＡｌＮをエピタキシャル成長させ、緩衝層２０２が形成された状態とする。例えば、Ａｌのソースガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｎのソースガスとしてアンモニア（ＮＨ₃）を用い、加えて、キャリアガスとしての窒素で０．１％に希釈した酸素ガスを用いることで、酸素が添加された状態とすることができる。なお、成長温度は１０００℃程度とすればよい。

次に、ＧａＮのエピタキシャル成長およびＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎのエピタキシャル成長を順次行い、緩衝層２０２の上に、ＧａＮ層２０３およびＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層２０４が積層された状態とする。なお、Ｇａのソースガスとしては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いればよい。次に、これらの積層構造を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により所定の形状に加工し、また、電極形成工程によりＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層２０４の上に、電極２０５が形成された状態とする。電極２０５は、膜厚２０ｎｍのＴｉ層，膜厚２００ｎｍのＡｌ層，膜厚１０ｎｍのＮｉ層，および膜厚３００ｎｍのＡｕ層がこの順に積層した積層構造から構成され、いわゆるオーミック接続している。

このようにして作製した素子を、グランド電極２０６を備えた基板ステージ２０７の上に配置し、電極２０５とグランド電極２０６との間に電圧を印加し、素子内の縦方向（膜厚方向）に流れる電流値を測定する。この測定により、素子の縦方向耐圧が評価できる。

上述した電流値の測定結果を図３に示す。なお、図３において、（ａ）は、上述した本実施の形態における酸素添加ＡｌＮによる緩衝層２０２を用いた素子の結果を示し、（ｂ）は、酸素を添加していないＡｌＮによる緩衝層を用いた素子の結果を示している。図３より明らかなように、酸素添加ＡｌＮによる緩衝層２０２を用いた素子の方が、明確にリーク電流が低減されていることがわかる。この結果より、酸素添加ＡｌＮによる緩衝層２０２を用いることで、耐圧特性の向上が実現されることがわかる。

なお、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の酸素ドープ量においても、上述同様の効果が得られることが確認されている。また、ＡｌＮに限らず、ＡＩＧａＮ系などのＡｌを含む窒化物半導体を用いた緩衝層においても同様の効果が得られることが確認されている。

ところで、酸素は、緩衝層の厚さ方向全域に形成されている必要はなく、後述するように、例えば原子層程度など、緩衝層の厚さ方向の一部に酸素が添加されているようにしても、上述同様に、緩衝層の上に形成される素子の耐圧を向上させることができる。

まず、図４に示すような素子を形成し、この耐圧を前述同様に測定する。この素子の形成について説明すると、シリコン基板４０１の上に、公知のＭＯＶＰＥ法を用いてＡｌＮをエピタキシャル成長させ、厚さ方向の中央部に酸素が導入された酸素導入層４０５を備える緩衝層４０２が形成された状態とする。酸素導入層４０５の形成について簡単に説明すると、このエピタキシャル成長の途中において、Ａｌのソースガス（ＴＭＡ）の供給を停止し、代わりに酸素を供給する。例えば、酸素流量を１０sccmとして約１分間供給する。なお、sccmは流量の単位であり、０℃・１気圧の流体が１分間に１ｃｍ³流れることを示す。

この酸素の供給を行った後、酸素の供給を停止して再度Ａｌのソースガスの供給を開始する。これらのことにより、緩衝層４０２の厚さ方向の中央部に、スパイク状に酸素（１×１０¹⁸ｃｍ^-3）が添加された原子層レベルの厚さの酸素導入層４０５が形成された状態が得られる。

次に、ＧａＮのエピタキシャル成長およびＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎのエピタキシャル成長を順次行い、緩衝層４０２の上に、ＧａＮ層４０３およびＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４０４が積層された状態とする。ここで、ＳＩＭＳ（Secandary Ion Mass Spectrometry）分析により、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４０４の表面より酸素およびＡｌの分布を測定すると、図５に示すようになる。図５に示すように、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４０４の表面より深さ１．７〜１．８μｍのところより緩衝層４０２となり、この中で、より狭い領域で酸素の濃度のピークがある。このことより、緩衝層４０２の中の一部に、約１×１０²⁰ｃｍ^-3の酸素濃度ピークを有する領域を備える結晶成長が実現されていることがわかる。

以上のようにして各層を積層した後、前述同様に、これらの積層構造を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により所定の形状に加工し、また、電極形成工程によりＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４０４の上に、電極（不図示）が形成された状態とし、この電極を用いて素子内の縦方向（膜厚方向）に流れる電流値を測定する。

上述した電流値の測定結果を図６に示す。なお、図６において。（ａ）は、上述した本実施の形態における酸素添加ＡｌＮによる酸素導入層４０５を用いた素子の結果を示し、（ｂ）は、酸素を添加していないＡｌＮによる緩衝層を用いた素子の結果を示している。図６より明らかなように、酸素導入層４０５を用いた素子の方が、明確にリーク電流が低減されていることがわかる。この結果より、原子層程度の薄い酸素導入層４０５であっても、これを用いることで耐圧特性の向上が実現されることがわかる。

また、上述では、緩衝層４０２のエピタキシャル成長の途中で、Ａｌソースガスの供給を停止して酸素ガスの供給を行うことで、酸素導入層４０５を形成したが、これに限るものではない。例えば、Ａｌを含む窒化物半導体である緩衝層のエピタキシャル成長の途中でこのＭＯＶＰＥによるエピタキシャル成長を停止し、基板温度が室温程度にまで冷却された後、成長装置より成長を中断した基板を取り出して空気中で保管する。次いで、再度、試料を成長装置に搬入し、緩衝層のエピタキシャル成長を再開し、この後、前述同様に、順次ＧａＮおよびＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎの層を積層し、前述同様の素子を作製する。このようにして作製した素子においても、緩衝層の中に１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度の酸素が導入された原子層レベルの酸素導入層の存在が確認される。また、前述同様の電流値の測定結果より、耐圧の向上が確認される。

また、本実施の形態における酸素を添加した緩衝層を備えるシリコン基板の上に、窒化物半導体よりなるＨＥＭＴデバイスを作製し、このＨＥＭＴデバイスのドレイン電極とソース電極との間の印加電圧に対する電流の関係を測定すると、図７に黒丸で示すように、飽和電流が抑制された状態となる。

図７において、黒丸は、上述したように、原子層レベルで緩衝層の一部に酸素導入層を形成し、緩衝層の上に、ＧａＮからなるチャネル層，Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなるキャリア供給層を形成し、また、キャリア供給層の上にゲート電極およびソース・ドレイン電極を形成した素子の結果である。これに対し、黒四角は、酸素を導入（添加）していない緩衝層を用いて上記同様に形成した素子の結果である。

なお、ソース・ドレイン電極は、膜厚２０ｎｍのＴｉ層，膜厚２００ｎｍのＡｌ層，膜厚１０ｎｍのＮｉ層，および膜厚３００ｎｍのＡｕ層がこの順に積層した積層構造から構成され、いわゆるオーミック接続している。また、ゲート電極は、Ａｕ層およびＴｉ層がこの順に積層した積層構造から構成されたいわゆるショットキーゲートであり、ゲート長１．５μｍ，ゲート幅１００μｍとしている。

これらの測定結果より明らかなように、黒四角の結果より黒丸の結果の方が明らかに飽和電流が抑制されており、酸素を添加した部分を備える緩衝層による耐圧向上の効果が、素子（高電子移動度トランジスタ）を構成した状態においても確認される。

以上に説明したように、酸素を添加したＡｌを含む窒化物半導体結晶の緩衝層が形成されているシリコン基板を用いることで、酸素を添加していない従来構造に比較して、大幅な耐圧向上が図られ、シリコン基板上の窒化物半導体を用いた高耐圧デバイスを実現することができる。

これは、シリコン基板を用いて窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる場合に、最も高密度の欠陥が導入される「エピタキシャル成長層／基板界面」近傍において、添加した酸素が、欠陥の発生を抑制する働きがあるものと考えられる。このため、結果的に耐圧劣化をもたらす「欠陥」密度の減少につながり、高耐圧化が実現されるものと思われる。また、酸素を添加した緩衝層を用いるという本発明の技術は、シリコン基板上のみでなく、他の窒化物半導体成長用基板（シリコンカーバイドやサファイアなど）の上に、窒化物半導体をエピタキシャル成長させる場合や、この成長層により素子を形成する場合にも応用が可能である。

なお、上述では、素子がいわゆる高電子移動度トランジスタの場合について示したが、これに限るものではない。窒化物半導体を用いた他の形態の素子についても、酸素が添加されたＡｌを含む窒化物半導体結晶よりなる緩衝層を用いることで、リーク電流の低減による耐圧の向上という効果が得られることは、言うまでもない。

本発明の実施の形態における半導体装置の構成例を模式的に示す断面図である。 縦方向耐圧の測定を行うための素子の構成を模式的に示す構成図である。 縦方向耐圧測定の結果を示す特性図である。 耐圧確認の測定を行うための他の素子の構成を模式的に示す構成図である。 縦方向耐圧の測定を行うための他の素子の厚さ方向の酸素およびＡｌの分布測定結果を示す測定図である。 縦方向耐圧測定の結果を示す特性図である。 ＨＥＭＴデバイスのドレイン電極とソース電極との間の印加電圧に対する電流の関係を示す特性図である。

符号の説明

１０１…シリコン基板、１０２…緩衝層、１０３…チャネル層、１０４…キャリア供給層、１０５…ゲート電極、１０６…ソース電極、１０７…ドレイン電極。

Claims (11)

1. 基板の上に形成されたアルミニウムを含む窒化物半導体からなる結晶の薄膜であって、
   前記薄膜は酸素が添加されていることを特徴とする窒化物半導体結晶薄膜。
2. 請求項１記載の窒化物半導体結晶薄膜において、
   前記薄膜の前記基板の平面の法線方向の一部領域に酸素が添加されている
   ことを特徴とする窒化物半導体結晶薄膜。
3. 請求項１または２記載の窒化物半導体結晶薄膜において、
   前記基板は、シリコンから構成されたものであることを特徴とする窒化物半導体結晶薄膜。
4. 基板の上に形成され、酸素が添加されたアルミニウムを含む窒化物半導体の結晶からなる緩衝層と、
   この緩衝層の上に形成された窒化物半導体からなる素子と
   を少なくとも備えることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項４記載の半導体装置において、
   前記緩衝層の前記基板の平面の法線方向の一部領域に酸素が添加されている
   ことを特徴とする半導体装置。
6. 請求項４または５記載の半導体装置において、
   前記素子は、
   前記緩衝層の上に形成されたキャリア供給層と、
   このキャリア供給層の下の前記緩衝層の上に形成され、前記キャリア供給層より供給された電子によるチャネルが形成されるキャリア走行層と、
   前記キャリア供給層の上に形成されたゲート電極と、
   このゲート電極を挟むように前記キャリア供給層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極と
   を少なくとも備えることを特徴とする半導体装置。
7. 請求項４〜６のいずれか１項に記載の半導体装置において、
   前記基板は、シリコンから構成されたものであることを特徴とする半導体装置。
8. 基板の上に酸素が添加されたアルミニウムを含む窒化物半導体の層をエピタキシャル成長させる工程を少なくとも備えることを特徴とする窒化物半導体結晶薄膜の作製方法。
9. 請求項８記載の窒化物半導体結晶薄膜の作製方法において、
   前記基板は、シリコンから構成されたものであることを特徴とする窒化物半導体結晶薄膜の作製方法。
10. 酸素が添加されたアルミニウムを含む窒化物半導体をエピタキシャル成長させることで基板の上に緩衝層が形成された状態とする工程と、
    前記緩衝層の上に窒化物半導体からなる素子が形成された状態とする工程と
    を少なくとも備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
11. 請求項１０記載の半導体装置の製造方法において、
    前記基板は、シリコンから構成されたものであることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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