JP2013008836A - 窒化物半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リーク電流を低減でき、かつ、良好な電流コラプス特性が得られる窒化物半導体装置を提供する。
【解決手段】Ｓi基板１上に順に積層されたチャネルＧaＮ層５およびそのチャネルＧaＮ層５とヘテロ界面を形成するバリアＡlＧaＮ層６を含む窒化物半導体層を備える。上記バリアＡlＧaＮ層６は、炭素濃度を５×１０^１７／ｃｍ^３以上とする。また、チャネルＧaＮ層５は、炭素濃度を６×１０^１６／ｃｍ^３未満とし、かつ、膜厚を５００ｎｍ以上とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、窒化物半導体装置に関する。

従来、窒化物半導体装置としては、ＧaＮ層とＡlＧaＮ層とのヘテロ界面で発生する２次元電子ガス(２ＤＥＧ)をキャリアとして用いたものがある(例えば、特開２０１０−１７１４１６号公報(特許文献１)参照)。この窒化物半導体装置は、ＡlＧaＮ層中の炭素濃度を高くすることによって、耐圧特性を向上すると共に、リーク電流を低減している。

ところが、上記窒化物半導体装置では、リーク電流を低減するためにＡlＧaＮ層中の炭素濃度を高くすると、低電圧動作でのオン抵抗と比べて高電圧動作でのオン抵抗が高くなってしまい、良好な電流コラプス特性を得ることができないという問題がある。

特開２０１０−１７１４１６号公報

そこで、この発明の課題は、リーク電流を低減でき、かつ、良好な電流コラプス特性が得られる窒化物半導体装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の窒化物半導体装置は、
基板上に順に積層された第１半導体層およびその第１半導体層とヘテロ界面を形成する第２半導体層を含む窒化物半導体層を備え、
上記第２半導体層は、炭素濃度が５×１０^１７／ｃｍ^３以上であり、
上記第１半導体層は、炭素濃度が６×１０^１６／ｃｍ^３未満であり、かつ、膜厚が５００ｎｍ以上であることを特徴とする。

上記構成によれば、基板上に順に積層された第１半導体層およびその第１半導体層とヘテロ界面を形成する第２半導体層を含む窒化物半導体層を備えた窒化物半導体装置において、第２半導体層中の炭素濃度を５×１０^１７／ｃｍ^３以上とすることによって、リーク電流を抑えつつ、第１半導体層中の炭素濃度を６×１０^１６／ｃｍ^３未満とし、その第１半導体層の膜厚を５００ｎｍ以上とすることによって、電流コラプスを抑制することができる。したがって、リーク電流を低減でき、かつ、良好な電流コラプス特性が得られる窒化物半導体装置を実現できる。

ここで、「電流コラプス」とは、低電圧動作でのトランジスタのオン抵抗と比べて高電圧動作でのトランジスタのオン抵抗が高くなってしまう現象である。

また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記第２半導体層は、炭素濃度が５×１０^１７／ｃｍ^３以上かつ８×１０^１７／ｃｍ^３以下である。

上記実施形態によれば、第２半導体層中の炭素濃度を５×１０^１７／ｃｍ^３以上かつ８×１０^１７／ｃｍ^３以下とすることによって、リーク電流を抑えつつ、電流コラプスをより効果的に抑制できる。

また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記第１半導体層と上記第２半導体層との間に形成されたヘテロ改善層を備えた。

上記実施形態によれば、第１半導体層と第２半導体層との間にヘテロ改善層を形成することによって、第１半導体層と第２半導体層とのヘテロ界面に生じる２次元電子ガスのキャリア濃度を大きくでき、電気的特性を向上できる。

また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記第２半導体層上に形成されたキャップ層と、
上記キャップ層上に形成されたソース電極とドレイン電極およびゲート電極と
を備えた。

上記実施形態によれば、第２半導体層上にキャップ層を形成することによって、窒化物半導体層の窒素抜けをキャップ層により防いで、窒化物半導体層の窒素抜けによって生じる移動度の低下を抑制できる。

また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記第１半導体層は、ＧaＮ層であり、
上記第２半導体層は、ＡlＧaＮ層である。

上記実施形態によれば、ＧaＮ層とＡlＧaＮ層とでヘテロ界面を形成することによって、ヘテロ界面に２次元電子ガスが容易に発生するので、ヘテロ接合電界効果トランジスタとして機能する窒化物半導体装置を実現できる。

以上より明らかなように、この発明の窒化物半導体装置によれば、リーク電流を低減でき、かつ、良好な電流コラプス特性が得られる窒化物半導体装置を実現することができる。

図１はこの発明の第１実施形態の窒化物半導体装置の断面図である。 図２は上記窒化物半導体装置のバリアＡlＧaＮ層中の炭素濃度とコラプス値との関係を示す図である。 図３は上記窒化物半導体装置のバリアＡlＧaＮ層中の炭素濃度とリーク電流との関係を示す図である。 図４は上記窒化物半導体装置のチャネルＧaＮ層の膜厚とコラプス値との関係を示す図である。 図５は上記窒化物半導体装置のチャネルＧaＮ層中の炭素濃度とコラプス値との関係を示す図である。 図６はこの発明の第２実施形態の窒化物半導体装置の断面図である。 図７はこの発明の第３実施形態の窒化物半導体装置の断面図である。

以下、この発明の窒化物半導体装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１はこの発明の第１実施形態の窒化物半導体装置の断面図を示している。この窒化物半導体装置はＧaＮ系ＨＦＥＴ(Hetero-junction Field Effect Transistor；ヘテロ接合電界効果トランジスタ)である。

この実施の形態の窒化物半導体装置は、図１に示すように、Ｓi基板１上に、ＡlＮ層２と、超格子層３と、カーボンドープ層４と、第１半導体層の一例としてのチャネルＧaＮ層５と、第２半導体層の一例としてのバリアＡlＧaＮ層６とが順に形成された窒化物半導体層を備えている。上記ＡlＮ層２と超格子層３とカーボンドープ層４でバッファ層２０を構成している。

上記バリアＡlＧaＮ層６上にソース電極７とドレイン電極８を所定の間隔をあけて形成している。このソース電極７とドレイン電極８はオーミック電極である。また、バリアＡlＧaＮ層６上かつソース電極７とドレイン電極８との間にゲート電極９を形成している。このゲート電極９はショットキー電極である。ソース電極７とドレイン電極８は、Ｈf／Ａl／Ｈf／ＡuやＴi／Ａl／ＴiＮなどからなる。また、ゲート電極９は、ＷＮ／Ｗ／Ａuなどからなる。

上記バリアＡlＧaＮ層６上かつソース電極７とドレイン電極８とゲート電極９を除く領域にＳiＮからなる絶縁膜１０を形成している。

ここで、上記バッファ層２０の膜厚は、３μｍ以上７μｍ以下とし、バリアＡlＧaＮ層６の膜厚は、３０ｎｍとしている。また、バリアＡlＧaＮ層６中の炭素濃度を５×１０^１７／ｃｍ^３以上かつ８×１０^１７／ｃｍ^３以下とし、チャネルＧaＮ層５中の炭素濃度を６×１０^１６／ｃｍ^３未満とし、チャネルＧaＮ層５の膜厚を５００ｎｍ以上としている。

上記構成の窒化物半導体装置において、チャネルＧaＮ層５とバリアＡlＧaＮ層６との界面に形成された２次元電子ガス(２ＤＥＧ)が発生してチャネル層が形成される。このチャネル層をゲート電極９に電圧を印加することにより制御して、ソース電極７とドレイン電極８とゲート電極９を有するＨＦＥＴをオンオフさせる。このＨＦＥＴは、ゲート電極９に負電圧が印加されているときにゲート電極９下のチャネルＧaＮ層５に空乏層が形成されてオフ状態となる一方、ゲート電極９の電圧がゼロのときにゲート電極９下のチャネルＧaＮ層５に空乏層がなくなってオン状態となるノーマリーオンタイプのトランジスタである。

次に、この実施の形態の窒化物半導体装置の製造方法について説明する。

Ｓi基板１を１０％ＨＦ(フッ酸)溶液で洗浄した後、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)装置に導入する。Ｓi基板１は、流量が１０ｓｌｍ(Standard Liter per Minute：Ｌ／ｍｉｎ)の水素雰囲気中で基板温度１１００℃に加熱されて表面のクリーニングが行われる。

そして、Ｓi基板１の上に、バッファ層２０とチャネルＧaＮ層５とバリアＡlＧaＮ層６を順に積層する。

このとき、ＡlＮ層２は、成長圧力を１３.３ｋＰａとし、基板温度を１１００℃で成膜した。ここで、ＡlＮ層２であるＡlＮの原料として、流量を１００μｍｏｌ／ｍｉｎとしたＴＭＡ(トリメチルアルミニウム)と、流量を１２.５ｓｌｍとしたＮＨ_３(アンモニア)とを供給した。

また、超格子層３は、ＡlＮ層２と同様にして、成長圧力を１３.３ｋＰａとし、基板温度を１１００℃で成膜した。超格子層３を形成するときは、供給する原料を交互に切り替えて、ＡlＮとＡl_０.１Ｇa_０.９Ｎとを積層する。Ａl_０.１Ｇa_０.９Ｎの原料として、流量を８０μｍｏｌ／ｍｉｎとしたＴＭＡと、流量を７２０μｍｏｌ／ｍｉｎとしたＴＭＧ(トリメチルガリウム)と、流量を１２.５ｓｌｍとしたＮＨ_３とを供給する。なお、超格子層３のＡlＮの原料は、ＡlＮ層２と同様にして供給した。

また、カーボンドープ層４は、ＡlＮ層２と同様にして、成長圧力を１３.３ｋＰａとし、基板温度を１１００℃で成膜した。ここで、カーボンドープ層４であるＧaＮの原料として、流量を７２０μｍｏｌ／ｍｉｎとしたＴＭＧと、流量を１２.５ｓｌｍとしたＮＨ_３とを供給する。なお、カーボンドープ層４には、ＴＭＧに含まれる炭素が自動的にドーピングされ、成長圧力やＴＭＧの流量を変更することにより炭素濃度を調整する。

また、チャネルＧaＮ層５は、成長圧力を１００ｋＰａとし、基板温度を１１００℃で成膜した。ここで、チャネルＧaＮ層５であるＧaＮの原料として、流量を１００μｍｏｌ／ｍｉｎとしたＴＭＧと、流量を１２.５ｓｌｍとしたＮＨ_３とを供給する。なお、チャネルＧaＮ層５には、カーボンドープ層４と同様に、ＴＭＧに含まれる炭素が自動的にドーピングされる。また、ＴＭＧの流量を下げることで、チャネルＧaＮ層５中の炭素濃度を下げることができる。

また、バリアＡlＧaＮ層６は、ＡlＮ層２と同様にして、成長圧力を１３.３ｋＰａとし、基板温度を１１００℃で成膜する。ここで、バリアＡlＧaＮ層６であるＡl_０.１７Ｇa_０.８３Ｎの原料として、流量を８μｍｏｌ／ｍｉｎとしたＴＭＡと、流量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎとしたＴＭＧと、流量を１２.５ｓｌｍとしたＮＨ_３とを供給する。なお、バリアＡlＧaＮ層６には、ＴＭＧに含まれる炭素が自動的にドーピングされ、ＴＭＧの流量を上げることで、バリアＡlＧaＮ層６中の炭素濃度を上げることができる。

次に、ソース電極７とドレイン電極８とゲート電極９を形成する。このソース電極７とドレイン電極８とゲート電極９の製造方法は、特に限定されず、例えば蒸着等の公知の方法を使用する。このソース電極７とドレイン電極８との間隔は、電界効果トランジスタの所望する性能に応じて調整する。また、ソース電極７とドレイン電極８を形成した後、窒素雰囲気中で８００℃の熱処理を１分間施すことによって、バリアＡlＧaＮ層６とソース電極７とのオーミック接触およびバリアＡlＧaＮ層６とドレイン電極８とのオーミック接触が得られる。

次に、バリアＡlＧaＮ層６上に、プラズマＣＶＤ等の公知の方法でＳiＮからなる絶縁膜１０を形成する。なお、ソース電極７、ドレイン電極８、ゲート電極９および絶縁膜１０を形成する順番は、特に限定されず、絶縁膜１０を先に形成してもよい。

図２は上記窒化物半導体装置のバリアＡlＧaＮ層６中の炭素濃度とコラプス値との関係を示し、図３は上記窒化物半導体装置のバリアＡlＧaＮ層６中の炭素濃度とリーク電流との関係を示している。ここでは、チャネルＧaＮ層５中の炭素濃度を６×１０^１６／ｃｍ^３とし、チャネルＧaＮ層５の膜厚を１００ｎｍとし、バリアＡlＧaＮ層６の炭素濃度が異なる複数のサンプルを用意した。

そして、サンプル毎に、ソース電極７とドレイン電極８との間に１Ｖの電圧を印加したときのオン抵抗と、ゲート電極９に負電圧が加えられたオフ状態のときにソース電極７とドレイン電極８との間に４００Ｖの電圧を印加した後、ゲート電極９の電圧をゼロとしてオン状態のときにソース電極７とドレイン電極８との間に１Ｖの電圧を印加した状態において、オフ状態からオン状態に切り替わってから５マイクロ秒後のオン抵抗との比で表されるコラプス値を測定した。なお、オン抵抗は、素子のサイズ(例えば、ソース電極７とドレイン電極８との間の距離、電極の面積)によって規定される。

図２から明らかなように、バリアＡlＧaＮ層６中の炭素濃度が８×１０^１７／ｃｍ^３を越えると、コラプス値が急激に増大するのに対して、バリアＡlＧaＮ層６中の炭素濃度が８×１０^１７／ｃｍ^３以下では、コラプス値が５以下となり、バリアＡlＧaＮ層６中の炭素濃度が低くなるほどコラプス値が小さくなっている。

一方、図３から明らかなように、バリアＡlＧaＮ層６中の炭素濃度が５×１０^１７／ｃｍ^３未満になると、リーク電流が急激に増大するのに対して、バリアＡlＧaＮ層６中の炭素濃度が５×１０^１７／ｃｍ^３以上では、リーク電流が２.Ｅ−０５[Ａ](２×１０^−５[Ａ])未満となり、バリアＡlＧaＮ層６中の炭素濃度が高くなるほどリーク電流が小さくなっている。

また、図４は上記窒化物半導体装置のチャネルＧaＮ層５の膜厚とコラプス値との関係を示している。ここでは、バリアＡlＧaＮ層６中の炭素濃度を８×１０^１７／ｃｍ^３、チャネルＧaＮ層５中の炭素濃度を６×１０^１６／ｃｍ^３とし、チャネルＧaＮ層５の膜厚の異なる複数のサンプルを用意した。

そして、サンプル毎に、ソース電極７とドレイン電極８との間に１Ｖの電圧を印加したときのオン抵抗と、ゲート電極９に負電圧が加えられたオフ状態のときにソース電極７とドレイン電極８との間に４００Ｖの電圧を印加した後、ゲート電極９の電圧をゼロとしてオン状態のときにソース電極７とドレイン電極８との間に１Ｖの電圧を印加した状態において、オフ状態からオン状態に切り替わってから５マイクロ秒後のオン抵抗との比で表されるコラプス値を測定した。

図４から明らかなように、チャネルＧaＮ層５の膜厚を５００ｎｍ以上とすることによって、コラプス値を１.５以下にすることが可能となり、膜厚が厚くなるほどコラプス値が小さくなっている。このコラプス値が１.５以下であれば、窒化物半導体装置の性能を低下させることはない。

また、図５は上記窒化物半導体装置のチャネルＧaＮ層５中の炭素濃度とコラプス値との関係を示している。ここで、膜厚が１００ｎｍ、２００ｎｍ、５００ｎｍ、８００ｎｍ、１４５０ｎｍのチャネルＧaＮ層５について、それぞれ炭素濃度が異なる複数のサンプルを用意した(ただし、膜厚が１００ｎｍのサンプルは１つのみ)。

そして、サンプル毎に、ソース電極７とドレイン電極８との間に１Ｖの電圧を印加したときのオン抵抗と、ゲート電極９に負電圧が加えられたオフ状態のときにソース電極７とドレイン電極８との間に４００Ｖの電圧を印加した後、ゲート電極９の電圧をゼロとしてオン状態のときにソース電極７とドレイン電極８との間に１Ｖの電圧を印加した状態において、オフ状態からオン状態に切り替わってから５マイクロ秒後のオン抵抗との比で表されるコラプス値を測定した。

図５に示すように、チャネルＧaＮ層５の膜厚が５００ｎｍ以下で、かつ、チャネルＧaＮ層５中の炭素濃度が６×１０^１６／ｃｍ^３以下のとき、コラプス値が１.５以下となり、チャネルＧaＮ層５中の炭素濃度が低くなるほど、コラプス値は小さくなる。

上記構成の窒化物半導体装置によれば、バリアＡlＧaＮ層６中の炭素濃度を５×１０^１７／ｃｍ^３以上とすることによって、リーク電流を抑えると共に、チャネルＧaＮ層５中の炭素濃度を６×１０^１６／ｃｍ^３未満とし、そのチャネルＧaＮ層５の膜厚を５００ｎｍ以上とすることによって、電流コラプスを抑制することができる。したがって、リーク電流を低減でき、かつ、良好な電流コラプス特性が得られる窒化物半導体装置を実現することができる。

また、バリアＡlＧaＮ層６中の炭素濃度を５×１０^１７／ｃｍ^３以上かつ８×１０^１７／ｃｍ^３以下とすることによって、リーク電流を抑えつつ、電流コラプスをより効果的に抑制することができる。

また、チャネルＧaＮ層５とバリアＡlＧaＮ層６とでヘテロ界面を形成することによって、ヘテロ界面に２次元電子ガスが容易に発生するので、ヘテロ接合電界効果トランジスタとして機能する窒化物半導体装置を実現できる。

〔第２実施形態〕
図６はこの発明の第２実施形態の窒化物半導体装置の断面図を示している。この第２実施形態の窒化物半導体装置は、ヘテロ改善層３０を除いて第１実施形態の窒化物半導体装置と同一の構成をしており、同一構成部には同一参照番号を付して説明を省略する。

この第２実施形態の窒化物半導体装置は、図６に示すように、チャネルＧaＮ層５とバリアＡlＧaＮ層６との間に、ＡlＮからなるヘテロ改善層３０を形成している。このヘテロ改善層３０を形成するＡlＮのエネルギーバンドギャップは６.２ｅＶという極めて大きなバンドギャップを有しているので、膜厚が厚くなり過ぎるとヘテロ接合として機能しなくなる。このため、チャネルＧaＮ層５とバリアＡlＧaＮ層６との界面急峻性を維持しつつ、トンネル効果によって十分なキャリア輸送ができる厚さにしている。このため、ヘテロ改善層３０の膜厚は、１分子層〜４分子層にすることが好ましい。

上記第２実施形態の窒化物半導体装置は、第１実施形態の窒化物半導体装置と同様の効果を有する。

また、上記窒化物半導体装置は、チャネルＧaＮ層５とバリアＡlＧaＮ層６との間にヘテロ改善層３０を形成することによって、チャネルＧaＮ層５とバリアＡlＧaＮ層６との界面急峻性が改善されるので、ヘテロ界面に生じる２次元電子ガスのキャリア濃度を大きくでき、電気的特性を向上できる。

また、チャネルＧaＮ層５とバリアＡlＧaＮ層６との間にヘテロ改善層３０を介在させることによって、リーク電流を低減することが可能になる。例えば、ヘテロ改善層３０の膜厚を１０Å〜３０Åにすると、リーク電流が低減した。

〔第３実施形態〕
図７はこの発明の第３実施形態の窒化物半導体装置の断面図を示している。この第３実施形態の窒化物半導体装置は、キャップ層４０を除いて第２実施形態の窒化物半導体装置と同一の構成をしており、同一構成部には同一参照番号を付して説明を省略する。

この第３実施形態の窒化物半導体装置は、図６に示すように、バリアＡlＧaＮ層６上にノンドープＧaＮからなるキャップ層４０を形成している。そして、そのキャップ層４０上にソース電極７とドレイン電極８９およびゲート電極８９を形成している。

上記第３実施形態の窒化物半導体装置は、第２実施形態の窒化物半導体装置と同様の効果を有する。

また、上記窒化物半導体装置は、バリアＡlＧaＮ層６上にキャップ層４０を形成することによって、窒化物半導体層(チャネルＧaＮ層５,バリアＡlＧaＮ層６)の窒素抜けをキャップ層４０により防いで、窒化物半導体層の窒素抜けによって生じる移動度の低下を抑制することができる。

上記第１〜第３実施形態では、Ｓi基板を用いた窒化物半導体装置について説明したが、Ｓi基板に限らず、サファイヤ基板やＳiＣ基板を用いてもよく、サファイヤ基板やＳiＣ基板上に窒化物半導体層を成長させてもよいし、ＧaＮ基板にＡlＧaＮ層を成長させる等のように、窒化物半導体からなる基板上に窒化物半導体層を成長させてもよい。また、基板と窒化物半導体層との間にバッファ層はなくともよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、ノーマリーオンタイプのＨＦＥＴについて説明したが、ノーマリーオフタイプの窒化物半導体装置にこの発明を適用してもよい。また、ゲート電極がショットキー電極の窒化物半導体装置に限らず、絶縁ゲート構造の電界効果トランジスタにこの発明を適用してもよい。

また、この発明の窒化物半導体装置は、２ＤＥＧを利用するＨＦＥＴに限らず、他の構成の電界効果トランジスタであっても同様の効果が得られる。

また、この発明の窒化物半導体装置の窒化物半導体は、Ａl_xＩn_yＧa_１−x−yＮ(ｘ≦０、ｙ≦０、０≦ｘ＋ｙ≦１)で表されるものであればよい。

この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記第１〜第３実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。

１…Ｓi基板
２…ＡlＮ層
３…超格子層
４…カーボンドープ層
５…チャネルＧaＮ層
６…バリアＡlＧaＮ層
７…ソース電極
８…ドレイン電極
９…ゲート電極
１０…絶縁膜
２０…バッファ層
３０…ヘテロ改善層
４０…キャップ層

Claims (5)

1. 基板上に順に積層された第１半導体層およびその第１半導体層とヘテロ界面を形成する第２半導体層を含む窒化物半導体層を備え、
   上記第２半導体層は、炭素濃度が５×１０^１７／ｃｍ^３以上であり、
   上記第１半導体層は、炭素濃度が６×１０^１６／ｃｍ^３未満であり、かつ、膜厚が５００ｎｍ以上であることを特徴とする窒化物半導体装置。
2. 請求項１に記載の窒化物半導体装置において、
   上記第２半導体層は、炭素濃度が５×１０^１７／ｃｍ^３以上かつ８×１０^１７／ｃｍ^３以下であることを特徴とする窒化物半導体装置。
3. 請求項１または２に記載の窒化物半導体装置において、
   上記第１半導体層と上記第２半導体層との間に形成されたヘテロ改善層を備えたことを特徴とする窒化物半導体装置。
4. 請求項１から３までのいずれか１つに記載の窒化物半導体装置において、
   上記第２半導体層上に形成されたキャップ層と、
   上記キャップ層上に形成されたソース電極とドレイン電極およびゲート電極と
   を備えたことを特徴とする窒化物半導体装置。
5. 請求項１から４までのいずれか１つに記載の窒化物半導体装置において、
   上記第１半導体層は、ＧaＮ層であり、
   上記第２半導体層は、ＡlＧaＮ層であることを特徴とする窒化物半導体装置。

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