(57)【要約】【課題】  量産に適しているとともにＩｎ濃度の高いIII 族窒化物半導体層を有するIII 族窒化物半導体装置とその製造方法を提供することである。【解決手段】  ＨＥＭＴ１００は、基板１１０と、バッファ層１２０と、チャネル層１３０と、バリア層１４０と、ゲート電極Ｇ１と、ソース電極Ｓ１と、ドレイン電極Ｄ１と、を有する。チャネル層１３０は、基板１１０とバリア層１４０との間の位置に配置されている。バリア層１４０からみてチャネル層１３０の反対側の位置に、ゲート電極Ｇ１と、ソース電極Ｓ１と、ドレイン電極Ｄ１と、が配置されている。チャネル層１３０は、ＡｌY ＩｎX Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層である。チャネル層１３０のＩｎ濃度Ｘは、０．３≦Ｘ≦１．０であり、チャネル層１３０のＡｌ濃度Ｙは、０≦Ｙ≦０．０５である。【選択図】図１
2015122482.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
第１のIII 族窒化物半導体層と、
前記第１のIII 族窒化物半導体層の上に位置する第２のIII 族窒化物半導体層と、
ゲート電極とソース電極とドレイン電極と、
を有するIII 族窒化物半導体装置において、
前記第１のIII 族窒化物半導体層は、
前記基板と前記第２のIII 族窒化物半導体層との間の位置に配置されており、
前記第２のIII 族窒化物半導体層からみて前記第１のIII 族窒化物半導体層の反対側の位置に、前記ゲート電極と前記ソース電極と前記ドレイン電極とが配置されており、
前記第１のIII 族窒化物半導体層は、
ＡｌY ＩｎX Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層であり、
前記第１のIII 族窒化物半導体層のＩｎ濃度Ｘは、
０．３≦Ｘ≦１．０
であり、
前記第１のIII 族窒化物半導体層のＡｌ濃度Ｙは、
０≦Ｙ≦０．０５
であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載のIII 族窒化物半導体装置において、
前記第１のIII 族窒化物半導体層は、
ＩｎX Ｇａ(1-X) Ｎ層であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載のIII 族窒化物半導体装置において、
前記第１のIII 族窒化物半導体層のＩｎ濃度Ｘは、
０．５≦Ｘ≦１．０
であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載のIII 族窒化物半導体装置において、
前記第１のIII 族窒化物半導体層のＩｎ濃度Ｘは、
０．８≦Ｘ≦１．０
であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置。
【請求項５】
請求項４に記載のIII 族窒化物半導体装置において、
前記第１のIII 族窒化物半導体層は、
ＩｎＮ層であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体装置において、
前記第１のIII 族窒化物半導体層は、
チャネル層であり、
前記第２のIII 族窒化物半導体層は、
前記第１のIII 族窒化物半導体層の上に形成されたバリア層であり、
前記第１のIII 族窒化物半導体層の格子定数に対する前記第２のIII 族窒化物半導体層の格子定数の比は、
０．９５以上１．０５以下の範囲内であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体装置において、
第３のIII 族窒化物半導体層を有し、
前記第１のIII 族窒化物半導体層は、
前記第３のIII 族窒化物半導体層の上に形成されたチャネル層であり、
前記第２のIII 族窒化物半導体層は、
前記第１のIII 族窒化物半導体層の上に形成されたバリア層であり、
前記第３のIII 族窒化物半導体層の格子定数に対する前記第１のIII 族窒化物半導体層の格子定数の比は、
０．９５以上１．０５以下の範囲内であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体装置において、
第３のIII 族窒化物半導体層を有し、
前記第１のIII 族窒化物半導体層は、
前記第３のIII 族窒化物半導体層の上に形成されたチャネル層であり、
前記第２のIII 族窒化物半導体層は、
前記第１のIII 族窒化物半導体層の上に形成されたバリア層であり、
前記第３のIII 族窒化物半導体層の格子定数に対する前記第２のIII 族窒化物半導体層の格子定数の比は、
０．９５以上１．０５以下の範囲内であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体装置において、
前記第２のIII 族窒化物半導体層は、
ＡｌＧａＮ層もしくはＡｌＩｎＮ層もしくはＡｌＩｎＧａＮ層であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置。
【請求項１０】
請求項５に記載のIII 族窒化物半導体装置において、
ＧａＮから成るＧａＮ層を有し、
前記第１のIII 族窒化物半導体層は、
前記ＧａＮ層の上に形成されており、
前記第２のIII 族窒化物半導体層は、
前記第１のIII 族窒化物半導体層の上に形成されたＡｌＩｎＮ層を有し、
前記ＧａＮ層の格子定数に対する前記ＡｌＩｎＮ層の格子定数の比は、
０．９５以上１．０５以下の範囲内であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置。
【請求項１１】
成長基板の主面にIII 族窒化物半導体から成る半導体層を形成する半導体層形成工程を有するIII 族窒化物半導体装置の製造方法において、
前記半導体層形成工程は、
窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスをプラズマ化し、
プラズマ化した前記混合ガスを前記成長基板に供給するとともに、
III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで前記成長基板に供給して第１のIII 族窒化物半導体層を形成する第１の半導体層形成工程を有し、
前記第１の半導体層形成工程では、
前記第１のIII 族窒化物半導体層としてＡｌY ＩｎX Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層を形成し、
前記第１のIII 族窒化物半導体層のＩｎ濃度Ｘは、
０．３≦Ｘ≦１．０
であり、
前記第１のIII 族窒化物半導体層のＡｌ濃度Ｙは、
０≦Ｙ≦０．０５
であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第１のIII 族窒化物半導体層は、
ＩｎX Ｇａ(1-X) Ｎ層であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１または請求項１２に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第１のIII 族窒化物半導体層の上に第２のIII 族窒化物半導体層を形成する第２の半導体層形成工程を有し、
前記第２の半導体層形成工程では、
前記第１のIII 族窒化物半導体層の格子定数に対する前記第２のIII 族窒化物半導体層の格子定数の比を、０．９５以上１．０５以下の範囲内として前記第２のIII 族窒化物半導体層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項１１から請求項１３までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第１のIII 族窒化物半導体層を形成する前に前記第１のIII 族窒化物半導体層の下地となる下地層を形成する工程を有し、
前記第１の半導体層形成工程では、
前記下地層の格子定数に対する前記第１のIII 族窒化物半導体層の格子定数の比を、０．９５以上１．０５以下の範囲内として前記第１のIII 族窒化物半導体層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項１１から請求項１４までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第１のIII 族窒化物半導体層を形成する前に前記第１のIII 族窒化物半導体層の下地となる下地層を形成する工程と、
前記第１のIII 族窒化物半導体層の上に第２のIII 族窒化物半導体層を形成する第２の半導体層形成工程と、
を有し、
前記第２の半導体層形成工程では、
前記下地層の格子定数に対する前記第２のIII 族窒化物半導体層の格子定数の比を、０．９５以上１．０５以下の範囲内として前記第２のIII 族窒化物半導体層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の技術分野は、電子移動度の高いIII 族窒化物半導体装置とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮに代表されるIII 族窒化物半導体では、絶縁破壊電界の強度が高く、かつ融点が高い。そのため、III 族窒化物半導体は、ＧａＡｓ系半導体に代わる、高出力、高周波、高温用の半導体デバイスの材料として期待されている。そのため、ＨＥＭＴ素子などが研究開発されている。
【０００３】
例えば、電子走行層としてＧａＮを用い、電子供給層としてｎ−ＡｌＧａＮを用いるＨＥＭＴ素子が開発されている（特許文献１の段落［０００２］および図２等参照）。
【０００４】
ところで、ＧａＮの電子移動度の理論値は３０００ｃｍ2 ／Ｖｓ程度である。そのため、ＧａＮの電子移動度は、Ｓｉの電子移動度よりも速いが、Ｇｅの電子移動度と同等である。さらには、ＧａＮの電子移動度は、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂの電子移動度よりも遅い。また、実験で得られるＧａＮの電子移動度は２０００ｃｍ2 ／Ｖｓにとどまっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１７９０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、ＩｎＮの電子移動度の理論値が１４０００ｃｍ2 ／Ｖｓであるとする最近の研究結果がある。これは、Ｉｎ濃度の高いIII 族窒化物半導体層が、高速高周波デバイスのチャネル層として有望であることを示唆している。
【０００７】
しかし、通常のＧａＮ結晶を成長させる高温下では、Ｉｎは、III 族窒化物半導体層から離脱しやすい。つまり、Ｉｎ濃度が高く結晶性に優れたIII 族窒化物半導体を成長させることは、非常に困難である。
【０００８】
また、ＩｎＮは、表面アキュミュレーションを起こすと考えられており、半導体装置のチャネル層として、現状では想定されていない。
【０００９】
本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。その課題とは、量産に適しているとともにＩｎ濃度の高いIII 族窒化物半導体層を有するIII 族窒化物半導体装置とその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体装置は、基板と、第１のIII 族窒化物半導体層と、第１のIII 族窒化物半導体層の上に位置する第２のIII 族窒化物半導体層と、ゲート電極とソース電極とドレイン電極と、を有する。第１のIII 族窒化物半導体層は、基板と第２のIII 族窒化物半導体層との間の位置に配置されている。第２のIII 族窒化物半導体層からみて第１のIII 族窒化物半導体層の反対側の位置に、ゲート電極とソース電極とドレイン電極とが配置されている。そして、第１のIII 族窒化物半導体層は、ＡｌY ＩｎX Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層である。第１のIII 族窒化物半導体層のＩｎ濃度Ｘは、０．３≦Ｘ≦１．０であり、第１のIII 族窒化物半導体層のＡｌ濃度Ｙは、０≦Ｙ≦０．０５である。
【００１１】
このIII 族窒化物半導体装置では、チャネル層のＩｎ濃度が高い。そのため、このIII 族窒化物半導体装置のチャネル層の電子電導度は高い。したがって、このIII 族窒化物半導体装置は、高速高周波用のデバイスに好適である。
【００１２】
第２の態様におけるIII 族窒化物半導体装置では、第１のIII 族窒化物半導体層は、ＩｎX Ｇａ(1-X) Ｎ層である。
【００１３】
第３の態様におけるIII 族窒化物半導体装置では、第１のIII 族窒化物半導体層のＩｎ濃度Ｘは、０．５≦Ｘ≦１．０である。
【００１４】
第４の態様におけるIII 族窒化物半導体装置では、第１のIII 族窒化物半導体層のＩｎ濃度Ｘは、０．８≦Ｘ≦１．０である。
【００１５】
第５の態様におけるIII 族窒化物半導体装置では、第１のIII 族窒化物半導体層は、ＩｎＮ層である。
【００１６】
第６の態様におけるIII 族窒化物半導体装置では、第１のIII 族窒化物半導体層は、チャネル層である。第２のIII 族窒化物半導体層は、第１のIII 族窒化物半導体層の上に形成されたバリア層である。そして、第１のIII 族窒化物半導体層の格子定数に対する第２のIII 族窒化物半導体層の格子定数の比は、０．９５以上１．０５以下の範囲内である。
【００１７】
第７の態様におけるIII 族窒化物半導体装置は、第３のIII 族窒化物半導体層を有する。第１のIII 族窒化物半導体層は、第３のIII 族窒化物半導体層の上に形成されたチャネル層である。第２のIII 族窒化物半導体層は、第１のIII 族窒化物半導体層の上に形成されたバリア層である。そして、第３のIII 族窒化物半導体層の格子定数に対する第１のIII 族窒化物半導体層の格子定数の比は、０．９５以上１．０５以下の範囲内である。
【００１８】
第８の態様におけるIII 族窒化物半導体装置は、第３のIII 族窒化物半導体層を有する。第１のIII 族窒化物半導体層は、第３のIII 族窒化物半導体層の上に形成されたチャネル層である。第２のIII 族窒化物半導体層は、第１のIII 族窒化物半導体層の上に形成されたバリア層である。そして、第３のIII 族窒化物半導体層の格子定数に対する第２のIII 族窒化物半導体層の格子定数の比は、０．９５以上１．０５以下の範囲内である。
【００１９】
第９の態様におけるIII 族窒化物半導体装置では、第２のIII 族窒化物半導体層は、ＡｌＧａＮ層もしくはＡｌＩｎＮ層もしくはＡｌＩｎＧａＮ層である。
【００２０】
第１０の態様におけるIII 族窒化物半導体装置は、ＧａＮから成るＧａＮ層を有する。第１のIII 族窒化物半導体層は、ＧａＮ層の上に形成されている。第２のIII 族窒化物半導体層は、第１のIII 族窒化物半導体層の上に形成されたＡｌＩｎＮ層を有する。そして、ＧａＮ層の格子定数に対するＡｌＩｎＮ層の格子定数の比は、０．９５以上１．０５以下の範囲内である。
【００２１】
第１１の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造方法は、成長基板の主面にIII 族窒化物半導体から成る半導体層を形成する半導体層形成工程を有する。半導体層形成工程は、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスをプラズマ化し、プラズマ化した混合ガスを成長基板に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給して第１のIII 族窒化物半導体層を形成する第１の半導体層形成工程を有する。第１の半導体層形成工程では、第１のIII 族窒化物半導体層としてＡｌY ＩｎX Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層を形成する。第１のIII 族窒化物半導体層のＩｎ濃度Ｘは、０．３≦Ｘ≦１．０であり、第１のIII 族窒化物半導体層のＡｌ濃度Ｙは、０≦Ｙ≦０．０５である。
【００２２】
第１２の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造方法では、第１のIII 族窒化物半導体層は、ＩｎX Ｇａ(1-X) Ｎ層である。
【００２３】
第１３の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造方法は、第１のIII 族窒化物半導体層の上に第２のIII 族窒化物半導体層を形成する第２の半導体層形成工程を有する。第２の半導体層形成工程では、第１のIII 族窒化物半導体層の格子定数に対する第２のIII 族窒化物半導体層の格子定数の比を、０．９５以上１．０５以下の範囲内として第２のIII 族窒化物半導体層を形成する。
【００２４】
第１４の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造方法は、第１のIII 族窒化物半導体層を形成する前に第１のIII 族窒化物半導体層の下地となる下地層を形成する工程を有する。第１の半導体層形成工程では、下地層の格子定数に対する第１のIII 族窒化物半導体層の格子定数の比を、０．９５以上１．０５以下の範囲内として第１のIII 族窒化物半導体層を形成する。
【００２５】
第１５の態様におけるIII 族窒化物半導体装置の製造方法は、第１のIII 族窒化物半導体層を形成する前に第１のIII 族窒化物半導体層の下地となる下地層を形成する工程と、第１のIII 族窒化物半導体層の上に第２のIII 族窒化物半導体層を形成する第２の半導体層形成工程と、を有する。第２の半導体層形成工程では、下地層の格子定数に対する第２のIII 族窒化物半導体層の格子定数の比を、０．９５以上１．０５以下の範囲内として第２のIII 族窒化物半導体層を形成する。
【発明の効果】
【００２６】
本明細書では、量産に適しているとともにＩｎ濃度の高いIII 族窒化物半導体層を有するIII 族窒化物半導体装置とその製造方法が提供されている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１の実施形態に係るＨＥＭＴ素子の概略構成を示す図である。
【図２】実施形態に係る製造装置の概略構成を示す図である。
【図３】第１の実施形態の変形例に係るＨＥＭＴ素子の概略構成を示す図である。
【図４】第２の実施形態に係るＨＥＭＴ素子の概略構成を示す図（その１）である。
【図５】第２の実施形態に係るＨＥＭＴ素子の概略構成を示す図（その２）である。
【図６】第２の実施形態に係るＨＥＭＴ素子の概略構成を示す図（その３）である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、具体的な実施形態について、量産に適しているとともにＩｎ濃度の高いIII 族窒化物半導体層を有するIII 族窒化物半導体装置とその製造方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。
【００２９】
（第１の実施形態）
第１の実施形態について説明する。本実施形態の半導体装置は、III 族窒化物半導体層を有する。
【００３０】
１．III 族窒化物半導体装置
図１に、本実施形態のＨＥＭＴ１００を示す。ＨＥＭＴ１００は、高電子移動度トランジスタである。図１に示すように、ＨＥＭＴ１００は、基板１１０と、バッファ層１２０と、チャネル層１３０と、バリア層１４０と、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、ドレイン電極Ｄ１と、を有している。ソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１は、バリア層１４０の上に形成されている。このように、チャネル層１３０は、基板１１０とバリア層１４０との間の位置に配置されている。バリア層１４０からみてチャネル層１３０の反対側の位置に、ゲート電極Ｇ１と、ソース電極Ｓ１と、ドレイン電極Ｄ１と、が配置されている。
【００３１】
ここで、チャネル層１３０は、単一層であっても複数層であってもよい。バリア層１４０は、単一層であっても複数層であってもよい。バリア層１４０のバンドギャップは、チャネル層１３０のバンドギャップに比べて大きい。
【００３２】
バッファ層１２０は、ＧａＮから成るＧａＮ層である。チャネル層１３０は、ＩｎＧａＮから成るＩｎＧａＮ層である。バリア層１４０は、ＡｌＧａＮから成るＡｌＧａＮ層である。または、ＡｌＩｎＮ層であってもよい。チャネル層１３０のＩｎＧａＮにおけるＩｎ濃度は高い。また、チャネル層１３０の結晶性はよい。チャネル層１３０におけるＩｎX Ｇａ(1-X) Ｎ層のＩｎ濃度Ｘは、０．３以上１．０以下の範囲内である。また、Ｉｎ濃度Ｘは、０．５以上１．０以下の範囲内であってもよい。Ｉｎ濃度Ｘは、０．８以上１．０以下の範囲内であるとなおよい。さらには、Ｉｎ濃度Ｘを１．０とすることもできる。この場合、チャネル層１３０は、ＩｎＮである。
【００３３】
このように、本実施形態のＨＥＭＴ１００は、Ｉｎ濃度Ｘの高いチャネル層１３０を有している。Ｉｎ濃度Ｘが高いほど、その半導体層の電子電導度は高い。そのため、このチャネル層１３０の電子電導度は、従来のＨＥＭＴの電子電導度に比べて十分に高い。したがって、高速高周波のデバイスに好適である。
【００３４】
２．III 族窒化物半導体装置の製造装置
２−１．製造装置の構成
図２は、本実施形態におけるIII 族窒化物半導体装置の製造装置１０００の概略構成図である。製造装置１０００は、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスをプラズマ化して、そのプラズマ化したプラズマ生成物を成長基板に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給する装置である。
【００３５】
製造装置１０００は、炉本体１００１と、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００と、加熱器１２１０と、第１のガス供給管１３００と、ガス導入室１４１０と、第２のガス供給管１４２０と、金属メッシュ１５００と、ＲＦ電源１６００と、マッチングボックス１６１０と、第１のガス供給部１７１０と、第２のガス供給部１８１０と、ガス容器１９１０、１９２０、１９３０と、恒温槽１９１１、１９２１、１９３１と、マスフローコントローラー１７２０、１８２０、１８３０、１８４０と、を有している。また、製造装置１０００は、排気口（図示せず）を有している。
【００３６】
シャワーヘッド電極１１００は、周期的な電位を付与される第１の電極である。シャワーヘッド電極１１００は、例えば、ステンレス製である。もちろん、これ以外の金属であってもよい。シャワーヘッド電極１１００は、平板形状の電極である。そして、シャワーヘッド電極１１００には、表面から裏面に貫通する複数の貫通孔（図示せず）が設けられている。そして、これらの複数の貫通孔は、ガス導入室１４１０および第２のガス供給管１４２０と連通している。このため、ガス導入室１４１０から炉本体１００１の内部に供給される第２のガスは、好適にプラズマ化される。ＲＦ電源１６００は、シャワーヘッド電極１１００に高周波電位を付与する電位付与部である。
【００３７】
サセプター１２００は、基板Ｓａ１を支持するための基板支持部である。サセプター１２００の材質は、例えば、グラファイトである。また、これ以外の導電体であってもよい。ここで、基板Ｓａ１は、III 族窒化物半導体を成長させるための成長基板である。
【００３８】
第１のガス供給管１３００は、サセプター１２００に第１のガスを供給するためのものである。実際には、サセプター１２００に支持された基板Ｓａ１に第１のガスを供給することとなる。ここで、第１のガスとは、III 族金属を含む有機金属ガスである。また、その他のキャリアガスを含んでいてもよい。第１のガス供給管１３００は、リング状のリング部１３１０を有している。そして、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０には、１２個の貫通孔（図示せず）がリング部１３１０の内側に設けられている。これらの貫通孔は、第１のガスが噴出する噴出口である。そのため、第１のガスは、リング部１３１０の内側に向けて、噴出することとなる。第１のガス供給管１３００は、後述するように、プラズマ発生領域から離れた位置に位置している。
【００３９】
第２のガス供給管１４２０は、サセプター１２００に第２のガスを供給するためのものである。実際には、第２のガスをガス導入室１４１０および炉本体１００１の内部に導入するとともに、サセプター１２００に支持された基板Ｓａ１に第２のガスを供給することとなる。そして、第２のガス供給管１４２０は、第２のガスを炉本体１００１の内部に供給する。ここで、第２のガス供給管１４２０が供給する第２のガスは、少なくとも窒素ガスを含むガスである。第２のガス供給管１４２０は、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを第２のガスとして供給するとよい。ガス導入室１４１０は、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを一旦収容するとともに、シャワーヘッド電極１１００の貫通孔にこの混合ガスを供給するためのものである。
【００４０】
金属メッシュ１５００は、荷電粒子を捕獲するためのものである。金属メッシュ１５００は、例えば、ステンレス製である。もちろん、これ以外の金属であってもよい。金属メッシュ１５００は、シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の位置に配置されている。そのため、後述するようにプラズマ発生領域で発生した荷電粒子が、サセプター１２００に支持されている成長基板Ｓａ１に向かうのを抑制することができる。また、金属メッシュ１５００は、シャワーヘッド電極と第１のガス供給管１３００のリング部１３１０との間の位置に配置されている。そのため、荷電粒子が、第１のガス供給管１３００から噴出されるIII 族金属を含む有機金属分子に衝突するのを抑制することができる。
【００４１】
炉本体１００１は、少なくとも、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００と、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０と、金属メッシュ１５００と、を内部に収容している。炉本体１００１は、例えば、ステンレス製である。炉本体１００１は、上記以外の導電体であってもよい。
【００４２】
炉本体１００１と、金属メッシュ１５００と、第１のガス供給管１３００とは、導電性の部材であり、いずれも接地されている。そのため、シャワーヘッド電極１１００に電位が付与されると、シャワーヘッド電極１１００と、炉本体１００１および金属メッシュ１５００および第１のガス供給管１３００と、の間に電圧が印加されることとなる。そして、炉本体１００１および金属メッシュ１５００および第１のガス供給管１３００の少なくとも１つ以上と、シャワーヘッド電極１１００と、の間に放電が生じると考えられる。シャワーヘッド電極１１００の直下では、高周波かつ高強度の電界が形成される。そのため、シャワーヘッド電極１１００の直下の位置は、プラズマ発生領域である。
【００４３】
ここで、第２のガス、すなわち、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスは、このプラズマ発生領域においてプラズマ化されることとなる。そして、プラズマ発生領域でプラズマ生成物が発生する。この場合におけるプラズマ生成物とは、窒素ラジカルと、水素ラジカルと、窒化水素系の化合物と、電子と、その他のイオン等である。ここで、窒化水素系の化合物とは、ＮＨと、ＮＨ2 と、ＮＨ3 と、これらの励起状態と、その他のものとを含む。
【００４４】
また、シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００とは、十分に離れている。シャワーヘッド電極１１００と、サセプター１２００との間の距離は、４０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である。より好ましくは、４０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である。シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が短いと、プラズマ発生領域がサセプター１２００の箇所にまで広がるおそれがある。シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が４０ｍｍ以上であれば、プラズマ発生領域がサセプター１２００の箇所にまで広がるおそれがほとんどない。そのため、荷電粒子が基板Ｓａ１に到達することを抑制できる。また、シャワーヘッド電極１１００とサセプター１２００との間の距離が大きいと、窒素ラジカルや、窒化水素系の化合物等が、サセプター１２００の保持する基板Ｓａ１に到達しにくくなるからである。なお、これらの距離は、プラズマ発生領域の大きさと、その他のプラズマ条件にも依存する。
【００４５】
シャワーヘッド電極１１００は、サセプター１２００からみて第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔よりも遠い位置に配置されている。シャワーヘッド電極１１００と、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０の貫通孔との間の距離は、３０ｍｍ以上１９０ｍｍ以下である。より好ましくは、３０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下である。荷電粒子が、第１のガスに混入することを抑制するとともに、窒素ラジカルや、窒化水素系の化合物等が、第１のガスに混入しやすくするためである。このため、プラズマ化された第２のガスと、プラズマ化されない第１のガスとにより、基板Ｓａ１に半導体層が積層されることとなる。なお、これらの距離は、プラズマ発生領域の大きさと、その他のプラズマ条件にも依存する。
【００４６】
加熱器１２１０は、サセプター１２００を介して、サセプター１２００に支持される基板Ｓａ１を加熱するためのものである。
【００４７】
マスフローコントローラー１７２０、１８２０、１８３０、１８４０は、各々のガスの流量を制御するためのものである。恒温槽１９１１、１９２１、１９３１には、不凍液１９１２、１９２２、１９３２が満たされている。また、ガス容器１９１０、１９２０、１９３０は、III 族金属を含む有機金属ガスを収容するための容器である。ガス容器１９１０、１９２０、１９３０には、それぞれ、トリメチルガリウムと、トリメチルインジウムと、トリメチルアルミニウムとが、収容されている。もちろん、トリエチルガリウム等、その他のIII 族金属を含む有機金属ガスであってもよい。
【００４８】
２−２．製造装置の製造条件
製造装置１０００における製造条件を表１に示す。表１で挙げた数値範囲は、あくまで目安であり、必ずしもこの数値範囲である必要はない。ＲＦパワーは、１００Ｗ以上１０００Ｗ以下の範囲内である。ＲＦ電源１６００がシャワーヘッド電極１１００に付与する周期的な電位の周波数は、３０ＭＨｚ以上３００ＭＨｚ以下の範囲内である。基板温度は、室温以上９００℃以下の範囲内である。製造装置１０００の内圧は、１Ｐａ以上１００００Ｐａ以下の範囲内である。
【００４９】
［表１］
ＲＦパワー        １００Ｗ以上      １０００Ｗ以下
周波数          ３０ＭＨｚ以上    ３００ＭＨｚ以下
基板温度              室温以上        ９００℃以下
内圧                １Ｐａ以上  １００００Ｐａ以下
【００５０】
２−３．製造装置の効果
この製造装置１０００は、Ｉｎ組成比Ｘが０．３以上というＩｎ濃度の高いIII 族窒化物層を比較的速い成長速度で成長させることができる。つまり、Ｉｎ濃度の高いIII 族窒化物層を有する半導体素子を量産することができる。また、窒素ガスおよび水素ガスをプラズマ化するため、従来のＭＯＣＶＤ法に比べて、低い温度で半導体層を成長させることができる。例えば、基板温度を１００℃〜２００℃程度として成膜することができる。また、ＭＯＣＶＤ炉のように大量のアンモニアを用いる必要がない。そのため、大規模な除害装置を設ける必要がない。そして、この製造装置１０００の製造コストおよびランニングコストは、従来の装置よりも低い。
【００５１】
３．III 族窒化物半導体装置の製造方法
ここで、本実施形態の製造装置１０００を用いたＨＥＭＴ１００の製造方法について説明する。発明者らは、製造装置１０００を用いた半導体装置の製造方法について、Ｒａｄｉｃａｌ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＲＥＭＯＣＶＤ法）と名付けた。
【００５２】
３−１．基板のクリーニング
まず、基板Ｓａ１を準備する。基板Ｓａ１として、例えば、ｃ面サファイア基板を用いることができる。また、その他の基板を用いてもよい。基板Ｓａ１を、製造装置１０００の内部に配置し、水素ガスを供給しながら基板温度を４００℃程度まで上昇させる。これにより、基板Ｓａ１の表面を還元するとともに、基板Ｓａ１の表面をクリーニングする。基板温度については、より高い温度にしてもよい。
【００５３】
３−２．半導体層形成工程
次に、ＲＦ電源１６１０をＯＮにする。そして、第２のガス供給管１４２０から、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを供給する。そして、シャワーヘッド電極１１００の貫通孔から炉本体１００１の内部に供給された混合ガスは、シャワーヘッド電極１１００の直下でプラズマ化する。そのため、シャワーヘッド電極１１００の直下にプラズマ発生領域が生成される。この際に、窒素ラジカルと水素ラジカルとが生成される。そして、窒素ラジカルと水素ラジカルとが反応して、窒化水素系の化合物が生成されると考えられる。また、電子やその他の荷電粒子も生成される。
【００５４】
そして、これらの窒素ラジカルと水素ラジカルと窒化水素系の化合物と電子とその他の荷電粒子を含んだラジカル混合気体は、基板Ｓａ１に向けて送出される。このラジカル混合ガスの発生箇所は、シャワーヘッド電極１１００の直下である。シャワーヘッド電極１１００から基板Ｓａ１までの距離は十分に広いため、ラジカル混合気体のうち、電子やイオン等の荷電粒子は、基板Ｓａ１まで到達しにくい。また、荷電粒子は、金属メッシュ１５００に捕獲されやすい。そのため、基板Ｓａ１に向けて供給されるのは、窒素ラジカルと水素ラジカルの他、窒化水素系の化合物であると考えられる。これらの窒素ラジカルや窒化水素系の化合物は、通常のアンモニアに比べて、反応性が高い。そのため、従来に比べて低い温度で半導体層をエピタキシャル成長させることができる。
【００５５】
一方、第１のガス供給管１３００のリング部１３１０から、III 族金属の有機金属ガスを供給する。例えば、トリメチルガリウムと、トリメチルインジウムと、トリメチルアルミニウムとが、挙げられる。本実施形態では、Ｉｎ濃度の高い半導体層を形成するため、インジウム元素を含む有機金属ガスの供給量は、従来に比べて多い。これらのガスは、基板Ｓａ１に向かうラジカル混合気体に巻き込まれて、基板Ｓａ１に供給されることとなる。III 族金属の有機金属ガスは、プラズマ化されないで、基板Ｓａ１に供給される。
【００５６】
このように、本実施形態のＨＥＭＴ１００の製造方法では、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスをプラズマ化して、そのプラズマ化したプラズマ生成物を成長基板に供給するとともに、III 族金属を含む有機金属ガスをプラズマ化しないで成長基板に供給する。
【００５７】
このようにして、基板Ｓａ１の上に、バッファ層１２０と、チャネル層１３０と、バリア層１４０と、を形成する。上記の各半導体層を形成するために、適宜原料ガスを切り替えればよい。
【００５８】
なお、製造装置１０００の内部の圧力は、例えば、１０Ｐａ以上１０００Ｐａ以下の範囲内である。ＲＦパワーは、例えば、１００Ｗ以上１０００Ｗ以下の範囲内である。III 族金属の有機金属ガスについては、例えば、０．０２５ｓｃｃｍ以上２．０ｓｃｃｍである。基板温度は、例えば、５００℃以上８５０℃以下の範囲内である。これらの数値範囲は例示であり、これ以外の数値を用いてもよい。
【００５９】
３−３．電極形成工程
次に、バリア層１４０の上にソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１を形成する。また、バリア層１４０の上にゲート電極Ｇ１を形成する。以上により、ＨＥＭＴ１００が製造される。
【００６０】
３−４．素子分離工程
次に、ウエハ状の基板Ｓａ１を分割して、複数のＨＥＭＴ１００に切り出す。もしくは、基板Ｓａ１から余剰な部分を除去する。そのためには、レーザー装置や、ブレーキング装置等を用いればよい。
【００６１】
３−５．その他工程
また、上記の他に、熱処理工程と、保護膜形成工程と、その他の工程と、を実施してもよい。
【００６２】
４．従来のＨＥＭＴとの違い
本実施形態のＨＥＭＴ１００は、従来のＨＥＭＴと比較して、Ｉｎ濃度の高いチャネル層１３０を有する。チャネル層１３０のＩｎ濃度が高いため、電子移動度が、従来のＧａＮ系のＨＥＭＴに比べて高い。つまり、高速高周波の半導体デバイスとして、優れている。
【００６３】
５．変形例
５−１．ＡｌＩｎＧａＮ層
本実施形態では、チャネル層１３０をＩｎＧａＮ層として形成した。しかし、少量のＡｌ元素を含有していてもよい。その場合、チャネル層１３０は、ＡｌY ＩｎX Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層である。この場合において、チャネル層１３０のＩｎ濃度Ｘは、０．３≦Ｘ≦１．０であり、チャネル層１３０のＡｌ濃度Ｙは、０≦Ｙ≦０．０５である。
【００６４】
５−２．絶縁ゲート型ＨＥＭＴ
図３に示すように、絶縁ゲート型のＨＥＭＴ２００に対しても、適用することができる。ＨＥＭＴ２００は、基板１１０と、バッファ層１２０と、チャネル層１３０と、バリア層２４０と、絶縁膜２５０と、ソース電極Ｓ２と、ゲート電極Ｇ２と、ドレイン電極Ｄ２と、を有している。ゲート電極Ｇ２は、溝２４１の位置に、絶縁膜２５０をはさんでバリア層２４０と対面する位置に形成されている。また、図１や図３に示した半導体構造に限らない。チャネル層２３０として、Ｉｎ濃度の高いIII 族窒化物半導体を適用すれば、その他の半導体層の構成は、自由に選んでよい。
【００６５】
５−３．積層構造
本実施形態では、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、ドレイン電極Ｄ１とを、バリア層１４０の上に形成した。しかし、バリア層１４０の上に他の半導体層を形成し、その半導体層の上にこれらの電極を形成してもよい。もちろん、その場合であっても、絶縁ゲート型の半導体装置であってもよい。また、チャネル層１３０と基板１１０との間に、バッファ層１２０以外の下地層を有していてもよい。
【００６６】
５−４．合金散乱防止層
チャネル層１３０とバリア層１４０との間に、バリア層１４０よりもバンドギャップの大きい合金散乱防止層を形成してもよい。
【００６７】
５−５．組み合わせ
上記の変形例について、自由に組み合わせてもよい。
【００６８】
６．本実施形態のまとめ
本実施形態のＨＥＭＴ１００は、Ｉｎ濃度の高いチャネル層１３０を有している。そのため、チャネル層１３０における電子移動度は、従来のＧａＮ系ＨＥＭＴに比べて高い。したがって、高速高周波用の電子デバイスに好適である。また、本実施形態のＨＥＭＴ１００の製造方法は、量産可能である。
【００６９】
（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。前述したように、第１の実施形態では、Ｉｎ濃度の高いIII 族窒化物半導体を適用することができる。第２の実施形態のIII 族窒化物半導体装置は、Ｉｎ濃度の高いIII 族窒化物半導体を用いるとともに、格子整合を好適化したものである。
【００７０】
１．III 族窒化物半導体装置
１−１．チャネル層とバリア層との間の格子整合
本実施形態の第１の場合におけるＨＥＭＴ３００は、図４に示すように、チャネル層３３０として、ＩｎＧａＮを用いるとともに、バリア層３４０としてＡｌＩｎＮを用いる。本実施形態では、チャネル層３３０の格子定数と、バリア層３４０の格子定数と、を同じ値とする。これにより、チャネル層３３０とバリア層３４０との間の境界面で、格子定数の差異に起因する応力は発生しない。そして、この場合において、ＩｎＧａＮのＩｎ濃度とＡｌＩｎＮのＩｎ濃度とは、ともに高い値とすることができる。
【００７１】
１−２．バッファ層とチャネル層との間の格子整合
本実施形態の第２の場合におけるＨＥＭＴ４００は、図５に示すように、バッファ層４２０としてＧａＮ層もしくはＩｎＧａＮ層を用い、チャネル層４３０としてＩｎＧａＮ層もしくはＡｌＩｎＧａＮ層を用いる。この場合、バッファ層４２０の格子定数とチャネル層４３０の格子定数とを等しくするように、ＩｎＧａＮ層もしくはＡｌＩｎＧａＮ層のＩｎ濃度を選択することができる。もちろん、Ａｌ濃度についても好適な濃度を選択すればよい。
【００７２】
１−３．バッファ層とバリア層との間の格子整合
本実施形態の第３の場合におけるＨＥＭＴ５００は、図６に示すように、バッファ層５２０としてＧａＮを用い、バリア層５４０としてＡｌＩｎＮを用い、チャネル層５３０としてＩｎＮを用いる。ここで、バリア層５４０の格子定数とバッファ層５２０の格子定数とを同じにするように、バリア層５４０のＡｌＩｎＮ層のＩｎ濃度を調整する。
【００７３】
例えば、バッファ層５２０としてＧａＮ層を形成するに際して、炭素濃度が５×１０16ｃｍ-3、残留ドナー濃度が２×１０16ｃｍ-3、残留アクセプター濃度が５×１０15ｃｍ-3、となるようにする。ＧａＮ層の膜厚は、例えば、２．０μｍである。ＩｎＮ層の膜厚は、例えば、５ｎｍである。また、バリア層５４０として、例えば、Ａｌ0.8 Ｉｎ0.2 Ｎ層を形成する。ＡｌＩｎＮ層の膜厚は、例えば、２０ｎｍである。
【００７４】
チャネル層５３０の格子定数とバッファ層５２０の格子定数とは、異なっている。また、チャネル層５３０の格子定数とバリア層５４０の格子定数とは、異なっている。このように、チャネル層５３０の格子定数と、チャネル層５３０に隣接するバッファ層５２０およびバリア層５４０の格子定数とは異なっている。しかし、チャネル層５３０に接するとともにチャネル層５３０を挟むバッファ層５２０とバリア層５４０とでは、格子定数は等しい。
【００７５】
そのため、チャネル層５３０の両側の境界面での応力の発生を抑制するとともに、電子電導度の高いＩｎＮをチャネル層５３０にもつ半導体装置が実現される。そして、チャネル層５３０を適切な厚みで形成するとなおよい。
【００７６】
２．III 族窒化物半導体装置の製造方法
本実施形態の半導体装置の製造方法は、バッファ層を形成する工程と、チャネル層を形成する工程と、バリア層を形成する工程と、を有する。これらの各工程は、第１の実施形態で説明した半導体形成工程とほぼ同じである。また、製造装置１０００を用いるため、本実施形態における基板温度は、従来のＭＯＣＶＤ法における基板温度に比べて十分に低い。
【００７７】
そのため、Ｉｎ濃度の高いIII 族窒化物半導体を成長させることができる。これにより、Ｉｎ濃度が高く、チャネル層に加わる応力が緩和されているIII 族窒化物半導体装置が実現されている。
【００７８】
３．予想される性能
第１の実施形態および第２の実施形態のＨＥＭＴ素子は、次に示す性能を備えていることが予想される。電子移動度は、８０００ｃｍ2 ／Ｖｓである。電流密度は１５００ｍＡ／ｍｍである。閾値電圧は−１．５Ｖである。ゲート長は２μｍとした場合の室温下でのトランスコンダクタンスは２００ｍＳ／ｍｍである。ピンチオフ特性であるｇｍコンブレッションとして、０．３−０．６が挙げられる。これらの数値は、理論計算により予想される値である。
【００７９】
４．変形例
４−１．チャネル層とバリア層との間の格子整合
本実施形態では、チャネル層３３０の格子定数とバリア層３４０の格子定数とを同じ値とした。しかし、チャネル層３３０の格子定数に対するバリア層３４０の格子定数の比Ｚ１が、０．９５以上１．０５以下の範囲内であってもよい。また、この比Ｚ１が、０．９８以上１．０２以下の範囲内であるとなおよい。このような場合であっても、格子定数の差に起因する応力を抑制することができるからである。これにより、ＨＥＭＴの電気的特性は向上すると考えられる。
【００８０】
４−２．バッファ層とチャネル層との間の格子整合
また、バッファ層４２０の格子定数に対するチャネル層４３０の格子定数の比Ｚ２が、０．９５以上１．０５以下の範囲内であってもよい。また、この比Ｚ２が、０．９８以上１．０２以下の範囲内であるとなおよい。その場合には、チャネル層４３０としてＩｎＧａＮ層もしくはＡｌＩｎＧａＮ層の代わりに、ＩｎＮ層を用いることができる。
【００８１】
４−３．バッファ層とバリア層との間の格子整合
また、バッファ層５２０の格子定数に対するバリア層５４０の格子定数の比Ｚ３が、０．９５以上１．０５以下の範囲内であってもよい。また、この比Ｚ３が、０．９８以上１．０２以下の範囲内であるとなおよい。この場合には、バッファ層５２０もしくはチャネル層５３０の下地層としてＩｎＧａＮ層を用いてもよい。また、バリア層５４０として、ＡｌＩｎＧａＮ層を用いてもよい。
【００８２】
４−４．積層構造
なお、ここでは、チャネル層３３０、４３０、５３０の下の下地層をバッファ層３２０、４２０、５２０であるとして説明した。しかし、バッファ層３２０、４２０、５２０以外のその他のIII 族窒化物半導体層を下地層として設けることとしてもよい。その場合であっても、格子定数に関しては、上記の関係にあればよい。また、バリア層３４０と電極との間にその他の半導体層を形成してもよい。
【００８３】
４−５．半導体装置の種類
本実施形態では、図１のＨＥＭＴ１００を用いた。しかし、図３に示す絶縁ゲート型の半導体装置や、これ以外のその他の高速高周波用の半導体装置にも適用することができる。
【００８４】
４−６．組み合わせ
上記の変形例について、自由に組み合わせてもよい。例えば、バッファ層とチャネル層とバリア層とで、格子定数を同じ値にしてもよい。その場合には、チャネル層としてＩｎＮを用いることはできない。
【００８５】
５．その他
なお、結晶性に優れたＩｎ濃度の高い窒化物半導体を成長させることは、一般に困難である。本実施例では、ＩｎＮを成長させることができる。そのため、Ｉｎ濃度の高いＩｎＧａＮ層を形成することは、当然可能である。
【００８６】
このように、結晶性に優れたＡｌY ＩｎX Ｇａ(1-X-Y) Ｎ層（０．３≦Ｘ≦１．０、０≦Ｙ≦０．０５）を形成することができる。もちろん、ＩｎＮ層を形成することもできる。
【符号の説明】
【００８７】
１００、２００、３００、４００、５００…ＨＥＭＴ
１１０…基板
１２０、３２０、４２０、５２０…バッファ層
１３０、３３０、４３０、５３０…チャネル層
１４０、２４０、３４０、４４０、５４０…バリア層
Ｇ１、Ｇ２…ゲート電極
Ｓ１、Ｓ２…ソース電極
Ｄ１、Ｄ２…ドレイン電極
１０００…製造装置
１００１…炉本体
１１００…シャワーヘッド電極
１２００…サセプター
１３００…第１のガス供給管
１４２０…第２のガス供給管
１６００…ＲＦ電源
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図２】
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