JP2018116971A - 半導体基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、基板の一方側から前記一方側とは反対の側に原料ガスを供給し、前記基板上に第1窒化ガリウム層、第2窒化ガリウム層、窒化アルミニウムガリウム層の順にMOCVD法を用いて成長する半導体基板の製造方法であって、前記第1窒化ガリウム層を成長する工程において、前記基板の前記一方側の温度は前記基板の前記他方側の温度よりも高く、前記一方側の温度と前記他方側の温度の差は、前記第2窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度と前記他方側の温度の差より小さく、前記第2窒化ガリウム層を成長する工程及び前記窒化アルミニウムガリウム層を成長する工程において、前記基板の前記一方側の温度は前記他方側の温度よりも高い半導体基板の製造方法である。
【選択図】図9
Description
(2)前記第2窒化ガリウム層を成長する工程における、前記基板の前記一方側の温度と前記他方側の温度の平均温度は、前記第1窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度と前記基板の前記他方側の温度の平均温度より低くすることができる。これにより第2窒化ガリウム層の炭素濃度を高め、リーク電流を低減することができる。第1窒化ガリウム層の成長温度が高いため、炭素の濃度が過剰に高くなりにくい。したがって電流ドリフトを抑制することができ、またピットの発生を抑制することができる。
(3)前記第2窒化ガリウムを成長する工程における前記基板の前記一方側の温度を、前記第1窒化ガリウムを成長する工程における前記基板の前記一方側の温度に維持し、前記基板の前記他方側の温度を、前記第1窒化ガリウムを成長する工程における前記基板の前記他方側の温度より低くすることができる。これにより第2窒化ガリウム層の炭素濃度を高め、リーク電流を低減することができる。また電流ドリフトおよびピットの発生を抑制することができる。
(4)前記第2窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度を、前記第1窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度よりも高くし、前記基板の前記他方側の温度を、前記第1窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記他方側の温度に維持し、前記第2窒化ガリウム層を成長する工程における成長圧力を、前記第1窒化ガリウム層を成長する工程における成長圧力よりも低くてもよい。これにより第2窒化ガリウム層の炭素濃度を高め、リーク電流を低減することができる。また、第2窒化ガリウム層全体の成長温度は第1窒化ガリウム層全体の成長温度より高い。第2窒化ガリウム層への炭素の過剰な取り込みが抑制され、電流ドリフトが抑制される。
(5)前記窒化アルミニウムガリウム層を成長する工程は、前記基板の一方側の温度を、前記第2窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度に維持し、前記基板の前記他方側の温度を、前記第2窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記他方側の温度に維持してもよい。第2窒化ガリウム層と窒化アルミニウムガリウム層とを連続して成長することができるため、第2窒化ガリウム層の表面におけるピットの発生および不純物の付着を抑制することができる。この結果、結晶性のよい窒化アルミニウムガリウム層を成長することができる。
(6)前記第1窒化ガリウム層を成長する工程は、前記第2窒化ガリウム層の膜厚より厚くなるように成長する工程でもよい。炭素濃度の高い第2窒化ガリウム層が薄いため、電流ドリフトを抑制することができる。
(7)前記第2窒化ガリウム層を成長する工程および前記窒化アルミニウムガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度は、前記基板の前記他方側の温度より少なくとも5℃高くてもよい。これによりリーク電流を効果的に低減することができる。また窒化アルミニウムガリウム層のアルミニウム組成比および厚さをより均一に近づけることができる。
(8)前記第2窒化ガリウム層を成長する工程は、前記第1窒化ガリウム層の炭素濃度よりも高くなるように成長する工程でもよい。炭素濃度の高い第2窒化ガリウムを成長することで、リーク電流を効果的に低減することができる。
まず本願の課題を明らかにするために行った実験について説明する。
図1は半導体装置92を例示する断面図である。図1に示す半導体装置92は実験のサンプルとして用いたものであり、半導体基板90、ソース電極13、ドレイン電極15およびゲート電極17を備える高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)である。半導体基板100は、基板10、核生成層11および窒化物半導体層19を含む。窒化物半導体層19は窒化ガリウム(GaN)層12、電子供給層14および保護層16を含む。核生成層11は基板10の上面に接触し、GaN層12は核生成層11の上面に接触する。電子供給層14はGaN層12の上面に接触し、保護層16は電子供給層14の上面に接触する。保護層16の上に、ソース電極13、ドレイン電極15およびゲート電極17が設けられている。
図2(a)は半導体装置92の製造に用いるMOCVD装置のサセプタ20の平面図である。シャワーヘッドの図示は省略している。図2(a)に示すように、MOCVD装置のサセプタ20には複数のポケット22が設けられている。各ポケット22には、図2(a)中に斜線で示す基板10が配置される。各基板10は例えば4インチのウェハの状態であり、半導体層の成長後のウェハを切断することで複数の半導体装置が形成される。基板10のオリエンテーションフラット側の端部P2がサセプタ20の外側を向き、トップ側の端部P1が内側を向いている。
半導体装置92の製造方法について説明する。図2(a)および図2(b)に示したように、サセプタ20のポケット22にSiCの基板10を配置する。図3(a)および図3(b)は半導体装置92の製造方法を例示する断面図である。図3(a)および図3(b)に示すように、GaN層12の上に電子供給層14および保護層16を順にエピタキシャル成長する。
実験では電子供給層14の厚さおよびAl組成比、ならびにリーク電流の面内分布を測定した。以下に説明するように、実験から厚さおよびAl組成比の均一化とリーク電流の低減との両立が困難であることがわかった。
図6は実施例1に係る半導体装置110を例示する断面図である。半導体装置110は半導体基板100、ソース電極13、ドレイン電極15およびゲート電極17を備えるHEMTである。半導体基板100は基板10、核生成層11、および窒化物半導体層19(GaN層12、電子供給層14および保護層16)を含む。基板10は例えばSiCなどの絶縁体で形成された絶縁基板である。GaN層12は第1GaN層12cおよび第2GaN層12dを含む。第1GaN層12cは核生成層11の上面に接触し、第2GaN層12dは第1GaN層12cの上面に接触している。電子供給層14は第2GaN層12dの上面に接触している。保護層16は電子供給層14の上面に接触している。
次に実施例1に係る半導体装置110の製造方法について説明する。図2(a)および図2(b)に示したように、サセプタ20のポケット22にSiCの基板10を配置し、各層をエピタキシャル成長する。
電極を設けない状態(半導体基板90の状態)で電子供給層14の厚さおよびAl組成比を測定した。図8(a)は電子供給層14の厚さの測定結果を示す図である。図8(a)に示すように、下流側(P2側)に比べて上流側(P1側)がわずかに厚いが、位置−40mmと位置40mmとにおける厚さとの差は0.5nm未満である。すなわち実施例1によれば、図4(a)の例よりも電子供給層14の厚さが均一となる。
次にリーク電流について説明する。図9はリーク電流の測定結果を示す図である。図9の結果においては、図5(a)に比べて上流側(P1側)のリーク電流が大幅に低減し、位置25付近におけるリーク電流は位置0付近のリーク電流と同程度である。図8(a)から図9に示したように、実施例1によれば、電子供給層14の厚さおよびAl組成比の均一化とリーク電流の低減との両立が可能である。
11 核生成層
12 GaN層
12a バッファ層
12b チャネル層
12c 第1GaN層
12d 第2GaN層
13 ソース電極
14 電子供給層
15 ドレイン電極
16 保護層
17 ゲート電極
19 窒化物半導体層
20 サセプタ
22 ポケット
24 シャワーヘッド
25、26 孔
27 軸
30、32、34 ヒータ
90、100 半導体基板
92、110 半導体装置
Claims (8)
- 基板の一方側から前記一方側とは反対の側に原料ガスを供給し、前記基板上に第1窒化ガリウム層、第2窒化ガリウム層、窒化アルミニウムガリウム層の順にMOCVD法を用いて成長する半導体基板の製造方法であって、
前記第1窒化ガリウム層を成長する工程において、前記基板の前記一方側の温度は前記基板の前記他方側の温度よりも高く、前記一方側の温度と前記他方側の温度の差は、前記第2窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度と前記他方側の温度の差より小さく、
前記第2窒化ガリウム層を成長する工程及び前記窒化アルミニウムガリウム層を成長する工程において、前記基板の前記一方側の温度は前記他方側の温度よりも高い半導体基板の製造方法。 - 前記第2窒化ガリウム層を成長する工程における、前記基板の前記一方側の温度と前記他方側の温度の平均温度は、前記第1窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度と前記基板の前記他方側の温度の平均温度より低い請求項1に記載の半導体基板の製造方法。
- 前記第2窒化ガリウムを成長する工程における前記基板の前記一方側の温度を、前記第1窒化ガリウムを成長する工程における前記基板の前記一方側の温度に維持し、前記基板の前記他方側の温度を、前記第1窒化ガリウムを成長する工程における前記基板の前記他方側の温度より低くする請求項1または2に記載の半導体基板の製造方法。
- 前記第2窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度を、前記第1窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度よりも高くし、前記基板の前記他方側の温度を、前記第1窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記他方側の温度に維持し、
前記第2窒化ガリウム層を成長する工程における成長圧力を、前記第1窒化ガリウム層を成長する工程における成長圧力よりも低くする請求項1に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記窒化アルミニウムガリウム層を成長する工程は、前記基板の一方側の温度を、前記第2窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度に維持し、
前記基板の前記他方側の温度を、前記第2窒化ガリウム層を成長する工程における前記基板の前記他方側の温度に維持する請求項1から4のいずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。 - 前記第1窒化ガリウム層を成長する工程は、前記第2窒化ガリウム層の膜厚より厚くなるように成長する工程である請求項1から5のいずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。
- 前記第2窒化ガリウム層を成長する工程および前記窒化アルミニウムガリウム層を成長する工程における前記基板の前記一方側の温度は、前記基板の前記他方側の温度より少なくとも5℃高い請求項1から6のいずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。
- 前記第2窒化ガリウム層を成長する工程は、前記第1窒化ガリウム層の炭素濃度よりも高くなるように成長する工程である請求項1に記載の半導体基板の製造方法。
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