JPWO2016002157A1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

窒化物半導体にクラックを発生させることなく、所定の方向に十分に大きい引っ張り応力を付与し、電子移動度の向上を図ることができるようにする。半導体装置は、基板(101)と、該基板(101)の上に配置され、GaNにより構成された電子走行層(103)と、該電子走行層(103)の上に配置され、AlGaNにより構成された電子供給層(104)とを有している。基板(101)は、該基板(101)における主面内の第1の方向と、主面内で第1の方向と直交する第2の方向とにおいて互いの熱膨張係数が異なり、電子走行層(103)において、引っ張り応力が生じている。

Description

本開示は、半導体装置に関し、特に、高いキャリア移動度を持つ半導体装置に関する。
高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor、以下、HEMTと略称する。)は、ヘテロ接合界面に発生する高濃度の2次元ガスをチャネルとして利用するデバイスである。窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)若しくは窒化インジウム(InN)又はそれらの混晶である窒化物半導体からなるHEMTは、窒化物半導体の自発分極とピエゾ分極とによって、ヘテロ接合界面に、アンドープであっても、キャリア濃度が1×1019cm−3以上の高濃度で且つ電子移動度が高い2次元電子ガスを発生させることができるので、オン抵抗が低く大電流で動作するトランジスタを得ることができる。
HEMTにおける電子移動度を増大する方法として、チャネルに引っ張り応力を与える方法が知られている。これは、チャネルに引っ張り応力を与えると、当該引っ張り応力が生じた方向において伝導帯の縮退が解消されて、電子の有効質量が小さくなるためである。
窒化物半導体にシリコン(Si)からなる基板又は酸化ガリウム(β−Ga)からなる基板を用いると、窒化物半導体に引っ張り応力が生じる。これは、シリコン又は酸化ガリウムにおける熱膨張係数が、窒化物半導体の熱膨張係数よりも小さいからである。ここで、窒化物半導体の成長用基板として、酸化ガリウムを用いる構成は、例えば、特許文献1に記載されている。
特開2010−183026号公報
しかしながら、基板の構成材料と窒化物半導体との熱膨張係数の差が大きくなり過ぎると、結晶成長の後の冷却時に窒化物半導体にクラックが発生するという問題がある。
本開示は、上記の問題に鑑み、窒化物半導体にクラックを発生させることなく、所定の方向に十分に大きい引っ張り応力を付与し、電子移動度の向上を図ることができるようにすることを目的とする。
上記の目的を達成するため、本開示は、半導体装置を、半導体の成長用基板の面内における互いに交差する方向の熱膨張係数又は基板密度を異ならせる構成とする。
本開示の一態様に係る半導体装置は、基板と、基板の上に配置され、第1の窒化物半導体により構成された電子走行層と、電子走行層の上に配置され、第2の窒化物半導体により構成された電子供給層とを備え、基板は、該基板における主面内の第1の方向と、主面内で第1の方向と直交する第2の方向とにおいて互いの熱膨張係数が異なり、電子走行層において、引っ張り応力が生じている。
本開示の他の態様に係る半導体装置は、第1の密度を有する基板と、基板の上に配置され、第1の窒化物半導体により構成された電子走行層と、電子走行層の上に配置され、第2の窒化物半導体により構成された電子供給層とを備え、基板は第1の密度よりも小さい第2の密度を有する複数の領域を有している。
本開示によれば、窒化物半導体にクラックを発生させることなく、所定の方向に十分に大きい引っ張り応力が付与されるので、電子移動度の向上を図ることができる。
図1は第1の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 図2は第1の実施形態に係る半導体装置における基板材料のGaの面方位と半導体材料のGaNの面方位との関係を示す模式的な斜視図である。 図3Aは第1の実施形態に係る半導体装置におけるキャリア移動度を表すグラフである。 図3Bは第1の実施形態に係る半導体装置におけるシートキャリア密度を表すグラフである。 図4は第2の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 図5は図4のV−V線における断面図である。 図6は図4のVI−VI線における断面図である。 図7は第2の実施形態に係る半導体装置におけるキャリア移動度を表すグラフである。
(第1の実施形態)
まず、第1の実施形態で用いる酸化ガリウム(Ga)基板について説明する。単斜晶構造であるGaは、β相が安定相であり、a軸、b軸及びc軸の各格子定数がそれぞれ1.223nm、0.304nm、及び0.580nmと異なるのが特徴である。酸化ガリウムは、さらに熱膨張係数にも異方性を有している。具体的には、結晶軸における[100]方向は、1.9×10−6/K〜5.3×10−6/Kであり、[010]方向は、5.9×10−6/K〜8.6×10−6/Kであり、[001]方向は、5.9×10−6/K〜8.6×10−6/Kである。
一般に、半導体の組成と異なる異種基板の上に、該半導体を結晶成長する場合には、結晶成長後の降温過程(冷却時)において、基板と半導体との熱膨張係数の違いによって反りが生じる。半導体の熱膨張係数が基板の熱膨張係数よりも大きい場合は、半導体から基板の方向に凸状の反りが生じるため、該半導体には引っ張り応力が付与される。逆に、半導体の熱膨張係数が基板の熱膨張係数よりも小さい場合は、基板から半導体の方向に凸状の反りが生じるため、該半導体には圧縮応力が付与される。
主面の面方位が(−201)面であるβ−Ga基板(以下、単にGa基板と呼ぶ。)は、主面内の第1の方向と該第1の方向と直交する方向とにおいて、互いの熱膨張係数が異なる。例えば、Ga基板の上に、主面が(0001)面すなわちc面であるGaNを結晶成長した場合に、GaNのc軸に垂直な方向の熱膨張係数は、5.6×10−6/Kであり、Gaの結晶軸における[100]方向の熱膨張係数よりも大きく、且つ、Gaの[100]方向に垂直な方向である[010]方向の熱膨張係数よりも小さい。このため、Gaの上に成長したGaNには、c面内において引っ張り応力と圧縮応力とが混在する、いわゆる一軸性応力を生じることになる。なお、面方位又は結晶軸を表すミラー指数における負符号(−)は該符号に続く一の指数の反転を便宜的に表している。
図1は本実施形態に係る半導体装置である高電子移動度トランジスタ(HEMT)の断面構成を表している。
図1に示すように、本実施形態に係る半導体装置は、Ga基板101と、Ga基板101の主面上に配置されたGaNからなるバッファ層102と、バッファ層102の上に配置されたアンドープのGaNからなる電子走行層103と、電子走行層103の上に配置されたアンドープのAlGaNからなる電子供給層104と、電子供給層104の上に配置されたGaNからなるキャップ層105とを有している。以下、このような半導体の積層構造をHEMT構造と呼ぶことがある。また、Ga基板101の上方の、電子走行層103と電子走行層103の上に配置された電子供給層104とを含む構造を、AlGaN/GaN構造と呼ぶこともある。
ここで、Ga基板101の厚さは、例えば650μmであり、バッファ層102の厚さは、例えば30nmであり、電子走行層103の厚さは、例えば2μmであり、電子供給層104の厚さは、例えば50nmであり、キャップ層105の厚さは、例えば20nmである。また、電子供給層104を構成するAlGaNのAl組成は、例えば15%である。
電子供給層104の上には、ゲート電極106が配置されている。電子供給層104の上で、且つゲート電極106の両側には、それぞれゲート電極106と所定の間隔をおいてソース電極107及びドレイン電極108が配置されている。ゲート電極106は、チタン(Ti)、金(Au)及びパラジウム(Pd)からなる積層構造(図示せず)を有している。ここで、Tiの厚さは、例えば10nmであり、Auの厚さは、例えば100nmであり、Pdの厚さは、例えば100nmである。ソース電極107及びドレイン電極108は、Ti、Al及びTiの積層構造(図示せず)であり、それぞれの厚さは、例えば、Tiが20nmであり、Alが20nmである。
また、ゲート電極106、ソース電極107及びドレイン電極108は、電子走行層103において電子が走行する方向(ゲート長方向)が、Gaの結晶軸における[−102]方向と平行となるように配置されている。
直径が5.08cm(2インチ)のGa基板101の上に、図1に示す構造を有するHEMTを作製し、その反りを測定した。以下、Ga基板101から電子走行層103に向かう方向を「上方向」とし、電子走行層103からGa基板101に向かう方向を「下方向」とする。
Ga基板における[010]方向に対しては、上方向に凸状の反りが生じており、その大きさは25μmである。以下、上方向に凸状を正符号で+25μmのように記述する。一方、Ga基板における[010]方向と直交する[−102]方向に対しては、下方向に凸状の反りが生じており、その大きさは15μmである。以下、下方向に凸状を負符号で−15μmのように記述する。すなわち、電子走行層103には、Ga基板の[010]方向と平行な方向には圧縮応力が生じ、[−102]方向に平行な方向には引っ張り応力が生じる。つまり、電子走行層103を走行する電子の方向は、引っ張り応力が生じる方向と一致する。なお、「一致する」とは、製造上の誤差を含み、実質的に一致することを意味する。
Ga基板及びその上のHEMT構造における反り量をより詳細に調べたところ、上方向の反り量が最大となるのは[010]方向であり、下方向の反り量が最大となるのは[−102]方向である。以下、同一平面内において、引っ張り応力と圧縮応力との両方の応力が生じることを、「一軸性応力が生じる」と定義する。
なお、特許文献1のように、主面が(100)面、又は(100)面に対して2°以上且つ4°以下の角度で傾斜する面であるGa基板においては、主面内での熱膨張係数は方向によらず実質的に均一となる。従って、該主面上のGaN結晶においては、一軸性応力は生じない。
図2は、図1に示すGa基板101とGaNからなる電子走行層103との面方位の関係を示している。図2に示すように、窒化物半導体であるGaNは、六方晶系に属し、上述したようにGaは、単斜晶系に属する。
図3Aは、ホール測定により測定したAlGaN/GaN構造のキャリア移動度を表している。また、図3Bは、ホール測定により測定したAlGaN/GaN構造のシートキャリア密度を表している。図3Aには、比較例1として、Ga基板の[010]方向に電子が走行するように電極を形成したAlGaN/GaN構造のキャリア移動度と、比較例2として、面内方向で歪みが等方的なSi基板上におけるAlGaN/GaN構造のキャリア移動度をも併せて表している。また、図3Bには、比較例1として、Ga基板の[010]方向に電子が走行するように電極を形成したAlGaN/GaN構造のシートキャリア密度と、比較例2として、面内方向で歪みが等方的なSi基板上におけるAlGaN/GaN構造のシートキャリア密度をも併せて表している。
図3Aに示すように、Ga基板上に形成されたAlGaN/GaN構造において、[010]方向に電子が走行する場合(比較例1)は、Si基板上のAlGaN/GaN構造の場合(比較例2)よりもキャリア移動度が大きい。さらに、本実施形態であるGa基板の[−102]方向に電子が走行する場合のキャリア移動度は、Ga基板の[010]方向に電子が走行する場合(比較例1)のキャリア移動度よりも20%程度大きい。これは、電子走行層103において、特に電子が走行する方向に引っ張り応力が生じることにより、当該引っ張り応力が生じた方向において伝導帯の縮退が解消されて、電子の有効質量が小さくなったからと考えられる。
キャリア移動度はキャリアの有効質量に反比例するため、電子の有効質量が小さくなることによってその移動度が増大する。このとき、電子供給層104には、電子走行層103との格子不整合による引っ張り応力と、Ga基板101と電子供給層104との熱膨張係数の差による一軸性応力との両方の応力が生じている。このとき、2つの応力が合わさることによって、キャリア密度が変化する場合がある。なお、本実施形態に係る評価対象は、Ga基板101の主面における面内方向のシートキャリア密度であるため、図3Bに示すシートキャリア密度に、方位依存性が生じないのは妥当である。
電子走行層103に付与される応力の大きさは、Ga基板101の厚さと、該基板101の上に形成されるHEMT構造の厚さとの割合を変えることによって変更することができる。例えば、Ga基板101の厚さを一定として、HEMT構造におけるバッファ層102を、HVPE(hydride vapor phase epitaxy)法等により厚くすればするほど、電子走行層103における熱膨張係数が優勢となって、電子走行層103に付与される一軸性応力は小さくなる。同様に、Ga基板101の裏面を研磨する等、該基板101を薄くしても一軸性応力は小さくなる。逆に、HEMT構造を薄くするか、又はGa基板101を厚くすると、Ga基板101の熱膨張係数が優勢となるため、電子走行層103に付与される一軸性応力は大きくなる。
本実施形態においては、HEMT構造における電子走行層103を走行する電子の方向を、Ga基板101の結晶軸における[−102]方向と一致するようにしたが、この方向に限定されない。すなわち、電子の走行方向に引っ張り応力が加わっていれば、キャリア移動度が増大する。なお、引っ張り応力の効果が最も現れる方向は、反り量が最も大きい方向であるのはいうまでもない。但し、引っ張り応力はクラックの原因となるため、電子が走行する方向と異なる方向に生じる応力は、より小さい引っ張り応力又は圧縮応力である方が好ましい。
なお、本実施形態において説明した、主面の面方位が(−201)面であるβ−Ga基板以外の基板であっても、β−Ga基板と同様の特性を有する基板を用いれば、同等の効果を得ることができる。
このように、本実施形態によると、半導体装置における電子移動度を向上させることにより、該半導体装置の高速化及び低消費電力化を図ることができる。
(第2の実施形態)
以下、第2の実施形態で用いる応力付与部を有する基板が電子走行層に応力を付与する原理について説明する。
集光したフェムト秒レーザ等の高出力レーザ光を、サファイア(単結晶Al)又はシリコン(Si)等からなる基板に照射すると、レーザ光の焦点近傍において結晶が融解して、結晶におけるレーザ照射された領域の体積が膨張する。このような体積膨張領域を基板内に複数個形成すると、基板内に応力が発生して、該基板を反らせることが可能となる。なお、反りの形状及び反りの大きさは、レーザ照射の条件(出力、間隔及び深さ等)に依存する。従って、結晶成長用の基板から該基板上の結晶体である半導体に向かう方向(以下、上方向という。)に凸状の反りを持たせることにより、該半導体に対して圧縮応力を付与できる。逆に、基板上の半導体から基板に向かう方向(以下、下方向という。)に凸状の反りを持たせることにより、該半導体に対して引っ張り応力を付与することができる。
図4は本実施形態に係る半導体装置である高電子移動度トランジスタ(HEMT)の断面構成を示している。
図4に示すように、本実施形態に係る半導体装置は、面方位の(0001)面を主面とするサファイア基板201と、該サファイア基板201の主面上に配置されたGaNからなるバッファ層202と、該バッファ層202の上に配置されたアンドープのGaNからなる電子走行層203と、該電子走行層203の上に配置されたアンドープのAlGaNからなる電子供給層204と、該電子供給層204の上に配置されたGaNからなるキャップ層205とを有している。
本実施形態においては、サファイア基板201の厚さは、例えば650μmであり、バッファ層202の厚さは、例えば30nmであり、電子走行層203の厚さは、例えば2μmであり、電子供給層204の厚さは、例えば50nmであり、キャップ層205の厚さは、例えば20nmである。また、電子供給層204を構成するAlGaNのAl組成は、例えば15%である。
電子供給層204の上には、ゲート電極206が配置されている。電子供給層204の上で、且つゲート電極206の両側には、それぞれゲート電極206と所定の間隔をおいてソース電極207及びドレイン電極208が配置されている。ゲート電極206は、Ti、Au及びPdの積層構造(図示せず)を有している。ここで、Tiの厚さは、例えば10nmであり、Auの厚さは、例えば100nmであり、Pdの厚さは、例えば100nmである。ソース電極107及びドレイン電極108は、Ti、Al及びTiの積層構造(図示せず)であり、それぞれの厚さは、例えば、Tiが20nmであり、Alが20nmである。
サファイア基板201の上部及び下部には、レーザ照射により形成された複数の領域である応力付与部209が設けられている。複数の応力付与部209のうち、サファイア基板201の上部(表面側)に応力付与部209aが形成され、サファイア基板201の下部(裏面側)に応力付与部209bが形成されている。
複数の応力付与部209は、それぞれレーザ照射により体積膨張しているため、その密度は、サファイア基板201の密度よりも小さい。これら複数の応力付与部209により、直径が5.08cm(2インチ)のサファイア基板201において、a軸方向と、該a軸方向と直交するm軸方向に対して、それぞれの反りが−30μm及び+5μmとなるように設計されている。
このような構造は、例えば、図4及び図5に示す構成により得ることができる。図5は、サファイア基板201の表面側の面内の断面構成を示しており、図6はサファイア基板201の裏面側の面内の断面構成を示している。
図5に示すように、表面側の複数の応力付与部209aは、それぞれ互いに間隔をおくと共に、a軸方向よりもm軸方向により密に配置されたレーザ照射列として形成される。m軸方向においては、各応力付与部209aは互いに接するように、すなわち一体に形成されていてもよい。この構成により、サファイア基板201の表面近傍におけるm軸方向の体積膨張が優勢となり、m軸方向で且つ上方向の凸状に該基板201を反らせることができる。
さらに、図6に示すように、サファイア基板201の裏面側の複数の応力付与部209bは、それぞれ互いに間隔をおくと共に、m軸方向よりもa軸方向により密に配置されたレーザ照射列として形成される。a軸方向においては、各応力付与部209bは互いに接するように、すなわち一体に形成されていてもよい。この構成により、サファイア基板201の裏面近傍におけるa軸方向の体積膨張が優勢となり、a軸方向で且つ下方向の凸状に該基板201を反らせることができる。
このように、レーザ照射される複数の領域同士の間隔を結晶軸の方位によって変化させることにより、一軸性応力を生じさせることが可能となる。その上、サファイア基板201内の深さが異なる2層以上の領域にレーザ照射を行うことによって、2方向の反りの大きさ及びその方向を任意に変化させることが可能となる。
本実施形態においては、ゲート電極206、ソース電極207及びドレイン電極208を、上記のように応力を付与された電子走行層203において電子が走行する方向(ゲート長方向)がサファイア基板201のa軸と平行となるように配置している。この構成により、電子走行層203は下方向に凸状の反りによる引っ張り応力を受ける。すなわち、電子走行層203を走行する電子の方向が、引っ張り応力が付与される方向と一致する。なお、「一致する」とは、製造上の誤差を含み、実質的に一致することを意味する。
図7にホール測定により測定したキャリア移動度を示す。図7には、比較例として、サファイア基板201に応力付与部209を設けない場合のキャリア移動度も併せて表している。図7に示すように、a軸方向におけるキャリア移動度を測定したところ、本実施形態に係るHEMTのキャリア移動度は、応力付与部を設けない比較例に係るHEMTのキャリア移動度よりも20%程度高い値を示す。
これは、結晶体に引っ張り応力が付与されると、当該引っ張り応力が生じた方向において伝導帯の縮退が解消されて、電子の有効質量が小さくなることに起因する。キャリア移動度はキャリアの有効質量に反比例するため、電子の有効質量が小さくなることによってその移動度が増大する。
本実施形態においては、サファイア基板201のa軸方向に引っ張り応力が付与されるようにしたが、引っ張り応力の付与方向はa軸方向に限られず、電子の走行方向に引っ張り応力が付与される構成であれば、同等の効果を得ることができる。
また、サファイア基板201におけるa軸方向及びm軸方向の各方向に対して異なる応力を付与したが、共に引っ張り応力を付与してもよい。但し、引っ張り応力はクラックの原因となるため、電子が走行する方向と異なる方向に生じる応力は、より小さい引っ張り応力又は圧縮応力である方が好ましい。
また、レーザ照射による応力付与部209の形成は、HEMT構造を形成する結晶成長の前でもよく、結晶成長の後でもよいが、結晶成長の後が好ましい。結晶成長の前に応力付与部209を形成すると、その後の結晶成長において、応力が緩和される場合があるからである。さらには、電極の形成工程よりも後が好ましい。サファイア基板201に応力が付与された状態、すなわち基板201に反りが発生した状態では、微細プロセスは困難であり、歩留まりの低下等のリスクが高まるからである。
また、本実施形態においては、サファイア(単結晶Al)を結晶成長用の基板に用いたが、基板の構成材料はサファイアに限定されず、シリコン(Si)、窒化ガリウム(GaN)又は酸化ガリウム(Ga)であってもよい。これは、レーザ照射によって応力を生じさせる方法は、レーザ光が照射をされた部分の結晶が変性して、その部分の体積が膨張するという原理を用いているため、基板の熱膨張係数等にはよらず、レーザ光の照射密度、及びレーザ光を照射する深さ等の制御によって応力自体を制御することが可能なためである。
以上説明したように、本実施形態によると、半導体装置における電子移動度を向上させることにより、該半導体装置の高速化及び低消費電力化を図ることができる。
以上、本開示に係る半導体装置を上記の各実施形態に基づいて説明したが、本開示は上記の各実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々の形態において実施可能である。例えば、HEMT構造は、上記の各実施形態の構造に限られず、また、AlGaN/GaN構造における組成等は、上記の各実施形態の構成に限られない。また、第1の実施形態及び第2の実施形態を組み合わせることも可能である。
本開示に係る半導体装置は、高いキャリア移動度を有する半導体装置等として有用である。
101 β−Ga基板(Ga基板)
102 バッファ層
103 電子走行層
104 電子供給層
105 キャップ層
106 ゲート電極
107 ソース電極
108 ドレイン電極
201 サファイア基板
202 バッファ層
203 電子走行層
204 電子供給層
205 キャップ層
206 ゲート電極
207 ソース電極
208 ドレイン電極
209 応力付与部(複数の領域)
209a 応力付与部(第1の領域)
209b 応力付与部(第2の領域)

Claims (15)

  1. 基板と、
    前記基板の上に配置され、第1の窒化物半導体により構成された電子走行層と、
    前記電子走行層の上に配置され、第2の窒化物半導体により構成された電子供給層とを備え、
    前記基板は、該基板における主面内の第1の方向と、前記主面内で前記第1の方向と直交する第2の方向とにおいて互いの熱膨張係数が異なり、
    前記電子走行層において、引っ張り応力が生じている半導体装置。
  2. 前記電子走行層において電子が走行する方向には、前記引っ張り応力が生じている請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記基板は、酸化ガリウムにより構成されている請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記電子走行層において電子が走行する方向は、前記酸化ガリウムの結晶軸における[−102]方向と一致する請求項3に記載の半導体装置。
  5. 前記電子走行層において、前記引っ張り応力とは異なる方向には、前記引っ張り応力よりも小さい引っ張り応力又は圧縮応力が生じている請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体装置。
  6. 第1の密度を有する基板と、
    前記基板の上に配置され、第1の窒化物半導体により構成された電子走行層と、
    前記電子走行層の上に配置され、第2の窒化物半導体により構成された電子供給層とを備え、
    前記基板は、前記第1の密度よりも小さい第2の密度を有する複数の領域を有している半導体装置。
  7. 前記複数の領域は、それぞれが複数の第1の領域及び第2の領域を含み、
    前記第2の領域は、前記第1の領域よりも前記基板の裏面側に形成されている請求項6に記載の半導体装置。
  8. 前記複数の第1の領域は、前記基板における主面の第1の方向よりも、前記主面内で前記第1の方向と直交する第2の方向において、より密に形成されている請求項7に記載の半導体装置。
  9. 前記複数の第2の領域は、前記第2の方向よりも前記第1の方向において、より密に形成されている請求項8に記載の半導体装置。
  10. 前記電子走行層には、引っ張り応力が付与される請求項6から9のいずれか1項に記載の半導体装置。
  11. 前記電子走行層において電子が走行する方向には、引っ張り応力が生じている請求項6から10のいずれか1項に記載の半導体装置。
  12. 前記電子走行層において、前記引っ張り応力とは異なる方向には、前記引っ張り応力よりも小さい引っ張り応力又は圧縮応力が生じている請求項10又は11に記載の半導体装置。
  13. 前記複数の領域は、それぞれレーザ照射により形成された体積膨張領域である請求項6から12のいずれか1項に記載の半導体装置。
  14. 前記基板は、サファイア、シリコン、窒化ガリウム又は酸化ガリウムにより構成されている請求項6から13のいずれか1項に記載の半導体装置。
  15. 前記電子供給層の上方で、且つ引っ張り応力が付与される方向に互いに間隔をおいて配置された、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極をさらに備えている請求項1から14のいずれか1項に記載の半導体装置。
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