(57)【要約】【課題】ｐ型層を有する窒化物半導体基板の特性を向上させる。【解決手段】本発明は、基板上に１３族窒化物半導体からなるバッファー層および１３族窒化物半導体からなる動作層がこの順で積層する窒化物半導体基板であって、前記動作層は、電子走行層と電子供給層とｐ型層がこの順で積層する層構造を含み、前記ｐ型層の表層から前記電子走行層に向かう厚さ方向に形成されるｐ型ドーパントによる濃度プロファイルが、前記表層から漸減して極小値を取って漸増してピークを形成後再び漸減する形態をとり、前記ピークの頂点が前記ｐ型層と前記電子供給層の界面近傍に存在することを特徴とするものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、１３族窒化物半導体からなるバッファー層および１３族窒化物半導体からなる動作層がこの順で積層する窒化物半導体基板であって、前記動作層は、電子走行層と電子供給層とｐ型層とがこの順で積層する層構造を含み、前記ｐ型層の表層から前記電子走行層に向かう厚さ方向に形成されるｐ型ドーパントによる濃度プロファイルが、前記表層から漸減して極小値を取って漸増してピークを形成後、再び漸減する形態をとり、前記ピークの頂点が前記ｐ型層と前記電子供給層との界面近傍に存在することを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項２】
前記界面近傍は、前記ｐ型層と前記電子供給層との界面を基準として、前記界面から前記電子走行層に向かう厚さ方向を−とし、前記界面からｐ型層に向かう厚さ方向を＋としたときに、−１ｎｍから＋６ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、ノーマリオフ型電界効果トランジスタとして好適に用いることのできる窒化物半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体からなる電子走行層と電子供給層とｐ型層とがこの順に積層した構造が、ノーマリオフ型電界効果トランジスタとして好適に用いることができる。
【０００３】
例えば、特許文献１に、基板上に形成された窒化物を含む半導体からなるヘテロ接合電界効果型トランジスタにおいて、前記基板の上に位置するチャネル層と、前記チャネル層に接してそのチャネル層上に位置するバリア層と、前記バリア層の上に位置するゲート電極とを備え、少なくとも前記ゲート電極下の、そのゲート電極と前記チャネル層との間のいずれかの位置に、ｐ型不純物を含む半導体であるｐ型半導体層が位置する半導体装置が記載されている。
【０００４】
ここで、上記ｐ型層に含まれるｐ型ドーパント、一例としてマグネシウム（Ｍｇ）の濃度および深さ方向の分布は、デバイスの性能を大きく左右する。この点、特許文献２に、Ｍｇをドープして積層した第１の部分および第２の部分からなるＡｌｘＧａｙＩｎｚＮゲート層を有し、第１部分中の平均Ｍｇ濃度は３×１０19原子／ｃｍ3で、表層から下方に向って低減し、第２部分の平均Ｍｇ濃度は、第１部分の平均Ｍｇ濃度より高く、上部表面は６×１０19原子／ｃｍ3より高いＭｇ濃度を有するエンハンスメントモードトランジスタという技術の開示がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４-２７３４８６号公報
【特許文献２】特開２０１９-３６７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記トランジスタでは、Ｍｇ濃度の閾値が約３×１０19原子／ｃｍ3であり、この閾値より下では、Ｍｇ濃度が増加すると正孔濃度が増加するが、閾値より上では、最初は正孔濃度が停滞し、少なくとも６×１０19原子／ｃｍ3になると急激に減少する。特許文献２に記載の発明では、バリア層上に形成されるＭｇがドープされた層においてＭｇ濃度が閾値より下では、Ｍｇ濃度が高いと正孔濃度が増加するにもかかわらず、Ｍｇ濃度が閾値より上では、Ｍｇ濃度がある濃度に達したときに、急激に正孔濃度が減少するという、相反する特性を両立することで、電流リークを低減している。このように、Ｍｇの濃度分布を制御することは、ノーマリオフ型電界効果トランジスタの性能向上に重要であるといえる。
【０００７】
しかしながら、電子供給層に接して設けられたＭｇドープ層のＭｇ濃度は、やはりある程度高くしないと閾値電圧を高くできない。この点、特許文献２に記載の技術は、必ずしも満足のいくものではない。
【０００８】
本発明は、上記に鑑み、特に、ノーマリオフ型電界効果トランジスタとして好適に用いることのできる窒化物半導体基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、基板上に１３族窒化物半導体からなるバッファー層および１３族窒化物半導体からなる動作層がこの順で積層する窒化物半導体基板であって、前記動作層は、電子走行層と電子供給層とｐ型層とがこの順で積層する層構造を含み、前記ｐ型層の表層から前記電子走行層に向かう厚さ方向に形成されるｐ型ドーパントによる濃度プロファイルが、前記表層から漸減して極小値を取って漸増してピークを形成後再び漸減する形態をとり、前記ピークの頂点が前記ｐ型層と前記電子供給層の界面近傍に存在することを特徴とする。
【００１０】
かかる構成を有することで、特に、ノーマリオフ型電界効果トランジスタとして好適に用いることのできる窒化物半導体基板とすることができる。
【００１１】
また本発明は、前記界面近傍が、前記ｐ型層と前記電子供給層との界面を基準として、前記界面から前記電子走行層に向かう厚さ方向を−とし、前記界面からｐ型層に向かう厚さ方向を＋としたときに、−１ｎｍから＋６ｎｍの範囲内であると、より好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、格別特殊で高コストになる製造方法を適用しなくても、従来になく性能の向上したノーマリオフ型電界効果トランジスタとして好適に用いることのできる窒化物半導体基板の提供を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一態様に係る窒化物半導体基板を示す断面概略図
【図２】本発明の一態様に係るｐ型ドーパントの濃度プロファイルを示す概略図
【図３】ｐ型ドーパントの濃度プロファイルの好ましくない形態を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面も参照して本発明を詳細に説明する。本発明の窒化物半導体基板は、基板上に１３族窒化物半導体からなるバッファー層および１３族窒化物半導体からなる動作層がこの順で積層し、前記動作層は、電子走行層と電子供給層とｐ型層とがこの順で積層する層構造を含み、前記ｐ型層の表層から前記電子走行層に向かう厚さ方向に形成されるｐ型ドーパントによる濃度プロファイルが、前記表層から漸減して極小値を取って漸増してピークを形成後再び漸減する形態をとり、前記ピークの頂点が前記ｐ型層と前記電子供給層の界面近傍に存在するものである。
【００１５】
図１は、本発明の一態様に係る窒化物半導体の層構造を示す断面概略図である。なお、本発明で示す概略図は、説明のために形状を模式的に簡素化かつ強調したものであり、細部の形状、寸法、および比率は実際と異なる。また、同一の構成については符号を省略、さらに、説明に不要なその他の構成は記載していない。
【００１６】
図１に示す通り、窒化物半導体基板Ｚは、下地となる基板Ｗの一主面上にバッファー層Ｂと動作層Ｇが順次積層されたものである。半導体素子として利用する場合は、さらに電極Ｅが付与される。
【００１７】
本発明における窒化物半導体は、ガリウム、アルミニウム、インジウム等の１３族元素のうち少なくとも一つと、窒素からなる。必要に応じて、酸素、珪素、炭素等の各種元素がドーピングされていてもよい。また、基板Ｗの仕様およびバッファー層Ｂの層構造や組成は、本発明では格別限定されることなく、公知の技術を広く適用できる。
【００１８】
動作層Ｇは、まずは、１３族窒化物半導体からなる電子走行層１と、これよりバンドギャップの大きい同じく１３族窒化物半導体からなる電子供給層２が、この順で積層されている。一例として、電子走行層１はＧａＮ、電子供給層２はＡｌＧａＮであるが、このＡｌＧａＮは、ＡｌxＧａ1-xＮ(０<ｘ<１)を意味するものである。
【００１９】
ここで、電子供給層２はｎ型ドーパントを含んでいてもよい。必要に応じて、電子走行層１と電子供給層２の界面（図示せず）に、ＡｌＮ等のスペーサー層が形成されていてもよい。なお、スペーサー層が介在する場合、本発明の「電子走行層１と電子供給層２の界面」は、電子走行層１とスペーサー層の界面と読み替える。すなわち、本発明では、スペーサー層は電子供給層２の一部として扱われる。
【００２０】
電子供給層２の上には、ｐ型層３が形成されている。ｐ型層３は、好適にはＧａＮからなり、ｐ型ドーパントはＭｇである。本発明の好ましいｐ型ドーパントはＭｇであるが、Ｍｇと同様の効果が得られる元素であれば、その他の元素を用いることを妨げない。
【００２１】
本発明のような、電子走行層と電子供給層とｐ型層がこの順で積層する層構造は、基本的には、特許文献１または２に記載されている構造で得られる作用効果と同様に、いわゆるノーマリオフを発現するものである。
【００２２】
そして、本発明の主たる構成は、ｐ型層３の表層から電子走行層１に向かう厚さ方向に形成されるｐ型層３のｐ型ドーパントによる濃度プロファイル１０が、表層から漸減して極小値を取って漸増してピーク１２を形成後再び漸減する形態をとり、ピーク１２の頂点がｐ型層３と電子供給層２の界面１３を含む界面近傍に存在する、というものである。
【００２３】
図２は、本発明の一態様に係るｐ型ドーパントの濃度プロファイルを示す概略図である。すなわち、濃度プロファイル１０は、ｐ型層３の表層から電子走行層１に向かう厚さ方向に形成されている。なお、この図２も、本発明の特徴的な濃度プロファイル形状をわかりやすく説明するために特徴を強調したものであり、各層の厚さや濃度の絶対値、相対的な大小関係は現実の物とは、必ずしも正確に一致するものではない。
【００２４】
そして、本発明と対比して説明するために、図３に、本発明に属さない、すなわち、好ましくないｐ型ドーパントの濃度プロファイルを示す概略図を示す。以後、これも用いて説明する。
【００２５】
濃度プロファイル１０は、具体的には、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）で測定することで確認できるが、ＳＩＭＳ以外の他の手段を用いることを妨げるものではない。
【００２６】
まず濃度プロファイル１０は、ｐ型層３の表層で最も高いｐ型ドーパント濃度を有する。一般的に、電子供給層に接して設けられるｐ型層においては、含まれるｐ型ドーパント濃度が高いほどデバイスのゲートしきい値電圧が高くなり、実用上好適である。ただし、あまり高くても、ｐ型層３の結晶性低下、ｐ型ドーパント濃度均一性の悪化が懸念される。
【００２７】
上記を考慮して、ｐ型層３の表層においては、ｐ型ドーパント濃度は０．８×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上２×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下が好ましい。
【００２８】
次に、濃度プロファイル１０は、前記表層から漸減後、図２に示すように、極小部１１で極小値を取ってから漸増する。ここで極小値とは、ｐ型層３の内部において、ｐ型ドーパント濃度が最小であることを意味する。
【００２９】
図３は、ｐ型ドーパントの濃度プロファイルの好ましくない形態を示す概略図である。ここで、図２に示す本発明のｐ型層３と電子供給層２との界面１３に相当する界面を、本発明の界面１３と区別するため、図３では界面１３’と表記した。すなわち、図３に示すような各濃度プロファイルでは、本発明の効果が十分に得られないといえる。
【００３０】
まず、図３の濃度プロファイル２０は、ｐ型層３の厚さ方向全域に亘って均一な濃度分布を有し、電子供給層２の厚さ方向全域に亘って濃度が漸減するものである。
【００３１】
このような形態では、ｐ型層３の厚さ方向全域に亘って均一かつ高濃度でｐ型ドーパントが存在するので、ＡｌＧａＮからなる電子供給層２中でもｐ型ドーパント濃度が高く、この領域でのｐ型ドーパントの偏析に起因した欠陥導入によるデバイス特性への影響が懸念される。
【００３２】
また、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法で製造する場合、ｐ型層３のｐ型ドーパントが高濃度かつ大量に存在すると、成長中の熱拡散により、界面１３’と電子供給層２を通り越して、電子走行層１と電子供給層２との界面にｐ型ドーパントが多く存在することになり、電子走行層１の移動度が著しく低下する、という問題が生じることになる。
【００３３】
したがって、上記した不具合を抑制するには、本発明の濃度プロファイル１０、あるいは、図３の濃度プロファイル２１のような態様が好適である。
【００３４】
しかしながら、濃度プロファイル２１では、ｐ型層３と電子供給層２との界面１３’でのｐ型ドーパントの濃度差が十分確保できないので、ｐ型層の主たる効果である、しきい値電圧向上効果が十分得られない。
【００３５】
そこで、しきい値電圧向上効果と電子走行層１における移動度確保、という観点から、図３の濃度プロファイル２２の態様が考えられる。これは、ｐ型層３と電子供給層２の界面１３’でのみ、ｐ型ドーパントの濃度差が十分確保できていれば、それ以外の領域では、ｐ型ドーパントの濃度は低くてもよい、とする考えである。
【００３６】
ところが、濃度プロファイル２２のような形状のプロファイルを、ＭＯＣＶＤ法で形成することは、メモリ効果の存在により、実際には容易ではない。特に、表層側に向かって濃度を急激に下げることは、かなり困難であるといえる。
【００３７】
これらをまとめると、ｐ型ドーパント濃度の向上によるしきい値電圧向上と電子走行層の移動度向上には、トレードオフの関係があり、単純にｐ型ドーパント濃度を増減するのみでは、このような窒化物半導体基板を用いて製造されたデバイスの、前記した２つの特性を両立させることは困難であった。
【００３８】
そこで、本発明では、濃度プロファイル２０，２１，２２の各プロファイルが有する問題点をまとめて解決する方法として、図２に示すように、濃度プロファイル１０が、表層から漸減して極小部１１で極小値を取ってから漸増して、ピーク１２を形成後再び漸減する形態をとり、ピーク１２の頂点がｐ型層３と電子供給層２との界面１３の近傍に存在するようにした。
【００３９】
まず、濃度プロファイル１０が、ｐ型層３の表層では十分高い濃度を有することで、デバイスのゲートしきい値電圧を高くする効果を、この領域で一部担保させる。
【００４０】
次に、濃度プロファイル１０が、表層から漸減する形態をとることで、ＡｌＧａＮからなる電子供給層２中の、特に、電子走行層１近傍のｐ型ドーパント濃度を、欠陥が導入されない程度に抑えることが出来る。
【００４１】
そして、ｐ型層３と電子供給層２の界面１３でのｐ型ドーパントの濃度差を十分確保するために、濃度プロファイル１０は、そのまま厚さ方向に漸減するのではなく、いったん極小部１１で極小値を取ってから、再び漸増してピーク１２を形成後、再度漸減する形態をとる。
【００４２】
このようにすれば、ｐ型層３内に存在するｐ型ドーパントの総量を大きくすることなく、ｐ型層３と電子供給層２との界面１３に濃度の高い領域を形成することができ、前述の問題を解決することができる。
【００４３】
そして、本発明では、ピーク１２の頂点がｐ型層３と電子供給層２の界面１３の近傍に存在する。ここで、界面１３の近傍とは、ｐ型層３と電子供給層２との界面を基準として、前記界面から電子走行層１に向かう厚さ方向を−とし、前記界面からｐ型層に向かう厚さ方向を＋としたときに、−１ｎｍ（電子走行層１側）から＋６ｎｍ（ｐ型層３側）の範囲内とする。
【００４４】
ところで、図３の濃度プロファイル２３のように、本発明のピーク１２の頂点が、電子供給層２内に存在すると、電子供給層２と電子走行層１との界面に存在する、電子走行層1側のｐ型ドーパント濃度も必然的に高くなってしまい、そこでのｐ型ドーパントがキャリアの散乱体となってしまい、電子走行層１の移動度が低下するという不具合が顕在化してしまい、本発明の効果がその分損なわれる。
【００４５】
ここで、ＭＯＣＶＤ法では、ピーク１２の位置を界面１３上に正確に位置するように制御することは実用上困難であり、ＳＩＭＳによるピーク位置の特定もいくらかの誤差を含む。よって、電子供給層２内に界面１３から１ｎｍの範囲内にピークが存在している態様は、本発明の効果が損なわれる懸念は少ないので、本発明の範囲内とする。
【００４６】
一方、ピークの頂点が界面１３から離れすぎると、前記した通り、閾値電圧向上効果が低下する。本発明では、界面１３から＋６ｎｍの範囲内であれば、この効果が著しく損なわれることがないので、これも、本発明の範囲内とする。
【００４７】
本発明を実施する一態様としては、ｐ型層３の成長開始前に、適切な成長中断、または、ｐ型ドーパントとなる原料のプリフロー、という工程を、単独であるいは組み合わせることにより、本発明の濃度プロファイルを得ることができる。ピークや極小値の位置や濃度は、これらの工程の時間、温度、原料の供給量を適時調整することで決められる。
【実施例】
【００４８】
以下、本発明を実験例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、これらにより制限されるものではない。
【００４９】
［実施例1］
以下に、実施例、及び比較例の全てに共通する構造の製造条件を示す。各実施例及び比較例は、その後に形成されるｐ型層３の製造条件を適時変更することで、各々造り分けられる。
【００５０】
（基板Ｗ）
基板Ｗとして、口径６インチ、厚さ６７５μｍ、面方位（１１１）、比抵抗０．００３Ω・ｃｍのＣＺシリコンウェハを準備した。これを、ＭＯＣＶＤ装置の反応容器内にセットして、まず、水素１００％雰囲気下１０００℃で１０分の熱処理を行い、自然酸化膜を除去した。
【００５１】
（バッファー層Ｂ）
次に、原料として、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡＩ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、アンモニア（ＮＨ3）を用いて、ＡｌＮ層１００ｎｍ上にＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層１５０ｎｍを積層した初期層、ＡｌＮ層５ｎｍとＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層３０ｎｍの２層を８０回繰り返し積層した多層、ＧａＮ層１５００ｎｍの単層を、上記した順で気相成長させて積層したものをバッファー層Ｂとした。ここで、バッファー層Ｂの層厚は４５５０ｎｍである。
【００５２】
（電子走行層１と電子供給層２）
次に、電子走行層１をＧａＮ層１００ｎｍ、電子供給層２をＡｌ0.22Ｇａ0.78Ｎ層２０ｎｍとして、この順で積層した。
バッファー層Ｂ、および、電子走行層１と電子供給層２の成長条件は、成長温度１０５０℃、成長圧力６０ｈＰａをおよその基準値として、各層を成長させる時に適時変更した。
【００５３】
（ｐ型層３）
電子供給層２を成長させた後、ＮＨ3と水素のみそのままの条件で流して２００秒間キープした。その後、製膜温度は１０５０℃のままで、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）とＴＭＧａ、そしてＮＨ3を用いて、厚さ１００ｎｍ、表層Ｍｇ濃度３Ｅ１９／ｃｍ３、界面１３からのピーク位置０ｎｍ、のｐ型層３を得た。
【００５４】
［実施例２，３］
ｐ型層３の製膜工程で実施したキープ時間の変更と、Ｍｇ原料の導入タイミングを変更して、ピーク位置を調整した。すなわち、ｐ型層３の成長開始前のキープ時間を３０秒とし、キープ開始と同時にＭｇ原料を導入開始し、ピーク位置（−１ｎｍ）とした実施例２、成長開始前のキープ時間を１０秒、キープ時間の経過後、成長を開始して６０秒後にＭｇ原料を導入開始し、ピーク位置（＋６ｎｍ）とした実施例３、をそれぞれ作製した。これ以外の条件は、実施例１に準じた。
【００５５】
［比較例１］
ｐ型層３の製膜工程で実施したキープ時間を変更して、ピーク位置を調整した。すなわち、キープ時間０秒でピーク１２のない比較例１を作製した。これ以外の条件は、実施例１に準じた。なお、比較例１は、図３の濃度プロファイル２１に相当する。
【００５６】
（濃度プロファイルの取得）
ＳＩＭＳを用いて、ｐ型層３の表層からバッファー層Ｂの一部まで、Ｍｇ濃度プロファイルを取得した。
【００５７】
（評価１〜しきい値電圧）
それぞれ作製した評価サンプルの、ゲート領域を除く部分のｐ−ＧａＮ層をドライエッチングで除去した後、ｐ型層３上に、接合型ゲートのオーミック電極（Ｎｉ／Ａｕ）を、ソース・ドレイン領域にオーミック電極（Ｔｉ／Ａｌ）の電極形成及び素子分離を行い、ノーマリオフの電界効果型トランジスタのデバイスを形成後、室温にてソース・メジャーユニットによるＩｇ−Ｖｇｓ測定を行うことで実施した。そして、しきい値電圧については、比較例１の閾値電圧を基準とし、これから何ボルト、プラス方向にシフトしたかを、しきい値電圧の指標とした。すなわち、＋１．０Ｖ以上を〇、０．３Ｖ超〜＋１．０Ｖ未満を△、＋０．３Ｖ以下を×とした。
【００５８】
（評価２〜移動度）
各評価サンプルの表層ｐ−ＧａＮ層をドライエッチングで除去した後、７ｍｍ角のチップにダイシングし、個々のチップの表層上の４隅に、径０．２５ｍｍのＴｉ／Ａｌ電極を、真空蒸着により形成した。次にＮ２雰囲気で６００℃、５分間の合金化熱処理を行った。そして、ＡＣＣＥＮＴ製ＨＬ５５００ＰＣを用いて、ホール効果測定を行った。そして、比較例１との比で、移動度のレベルを表し、１．０以下を×、１．０超〜１．１以下を△、１．２以上を〇とし、△と〇を実施例とした。
【００５９】
総合評価は、上記２つの評価項目で、一つでも△があれば、△、一つでも×があれば×、とし、それ以外は〇、として、△以上を合格とした。
【００６０】
上記した実施例１〜３、及び比較例１の評価結果を、まとめて表１に示す。
【００６１】
【表１】
2022003671.tif 000003
【００６２】
表１の結果から明らかなように、本発明の範囲内にあるものは、しきい値電圧、移動度の双方において、従来技術より良好であることが見て取れるものである。
【符号の説明】
【００６３】
Ｗ          基板
Ｂ          バッファー層
Ｇ          動作層
１      電子走行層
２      電子供給層
３      ｐ型層
１０        ｐ型ドーパント濃度プロファイル
１１    極小部
１２    ピーク
１３    ｐ型層と電子供給層との界面
１３’  ｐ型層と電子供給層との界面
２０        ｐ型ドーパント濃度プロファイルの好ましくない形態
２１        ｐ型ドーパント濃度プロファイルの好ましくない形態
２２        ｐ型ドーパント濃度プロファイルの好ましくない形態
２３        ｐ型ドーパント濃度プロファイルの好ましくない形態
【図１】
2022003671.tif 000004
【図２】
2022003671.tif 000005
【図３】
2022003671.tif 000006