(57)【要約】【課題】高電圧を印加しても短絡破壊を生じないトランジスタとして動作する半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１は、基板１０（シリコン基板１０ａ）の上に形成されたバッファ層２１と、バッファ層２１の上に形成されたチャネル層２２と、チャネル層２２の上に形成され、チャネル層２２とヘテロ接合を構成する障壁層２３とを備える。バッファ層２１およびチャネル層２２は、窒化物半導体で形成されている。チャネル層２２は、膜厚を１μｍ以上２μｍ以下とされ、炭素濃度を５×１０16ｃｍ-3以下とされている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の上に形成されたチャネル層と、
前記チャネル層の上に形成され、前記チャネル層とヘテロ接合を構成する障壁層とを備える半導体装置であって、
前記バッファ層および前記チャネル層は、窒化物半導体で形成されており、
前記チャネル層は、膜厚が１μｍ以上２μｍ以下であって、炭素濃度が５×１０16ｃｍ-3以下であること
を特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記バッファ層は、膜厚が３μｍ以上７μｍ以下であって、炭素濃度が３．４×１０18ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下であること
を特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体装置であって、
前記バッファ層は、貫通転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上１×１０6ｃｍ-2以下であること
を特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の半導体装置であって、
前記チャネル層は、窒化ガリウムで形成され、
前記障壁層は、窒化アルミニウムガリウムで形成されていること
を特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体装置であって、
前記バッファ層は、窒化ガリウムで形成されていること
を特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項４に記載の半導体装置であって、
前記バッファ層は、窒化ガリウムで形成され前記チャネル層と接するカーボンドープ層と、窒化アルミニウムで形成された層と窒化アルミニウムガリウムで形成された層とが交互に積層された超格子層と、を含む構成であること
を特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の半導体装置であって、
前記基板は、シリコン、サファイア、炭化珪素、窒化ガリウム、またはホウ化ジルコニウムで形成されていること
を特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘテロ構造を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トランジスタに対する高耐圧化、大電流化への要求が高まっており、窒化物半導体を用いたヘテロ構造を有する電界効果トランジスタは、次世代のパワーエレクトロニクスのキーデバイスとして注目されている。従来から用いられているシリコンに対して、窒化物半導体は、物性定数が優れているため、トランジスタに適用した場合でも、優れた特性が得られると考えられている。窒化物半導体を用いたトランジスタについて、様々な研究が進められているが、実用化のためには、解決しなければならない課題が存在する。
【０００３】
解決すべき課題として、例えば、電流コラプスの発生が挙げられる。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値と比べて、高電圧動作でのオン抵抗値が高くなってしまう現象である。電流コラプスが発生する原因として様々な推論がなされており、例えば、伝導電子が高電圧動作時にチャネル層から飛び出して、半導体と半導体の表面を保護するパッシベーション膜との界面準位に捕獲されることなどが考えられている。このような電流コラプスを抑制する方法として、窒化物半導体の表面に水素を添加した窒化珪素（ＳｉＮ）膜を堆積することが挙げられる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
また、優れた特性のトランジスタを実用化するためには、直流耐圧の向上とリーク電流の低減を検討する必要がある。そこで、トランジスタの直流耐圧とリーク電流とを改善する方法として、窒化物半導体に炭素（カーボン）をドーピングすることが考えられている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
上述した窒化物半導体を用いたトランジスタは、高耐圧であることからスイッチング電源回路に適用することが検討されている。スイッチング電源回路では、雷によるサージなどによって、トランジスタに想定以上の高電圧が印加される虞があるため、トランジスタには高い直流耐圧が要求されている。具体的には、トランジスタの直流耐圧を６００Ｖ程度に改善することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２８６１３５号公報
【特許文献２】特開２０１０−２４５５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電流コラプスの抑制には、窒化珪素などで形成されたパッシベーション膜の堆積が有効であるが、パッシベーション膜の堆積だけで電流コラプスを完全に抑制することは困難であった。
【０００８】
また、トランジスタの特性は、複数の要素によって決定されるため、カーボンドープによって直流耐圧が改善されたとしても、電流コラプスが発生する虞があった。
【０００９】
ところで、トランジスタのスイッチング特性を評価する指標として、さらに短絡耐量が挙げられる。従来、トランジスタは、オン状態の際に負荷が短絡して高電力を印加されたとき、高電力を印加された時間が極めて短い時間であれば、素子の破壊には至らない。上述した短絡耐量は、高電力を印加されてから素子の破壊に至るまでの時間であって、ソース電極−ドレイン電極間に印加された電圧が大きくなるにつれて短くなる。なお、以下では、このときにソース電極−ドレイン電極間に印加された電圧を、オン状態破壊電圧と呼ぶこととする。
【００１０】
そして、窒化物半導体を用いたトランジスタにおける短絡耐量を調べた際、オン状態破壊電圧に着目したところ、直流耐圧に対してオン状態破壊電圧が想定以上に低いことがわかった。つまり、直流耐圧が改善されていれば、高いオン状態破壊電圧が得られると思われていた。しかしながら、従来の窒化物半導体を用いたトランジスタでは、直流耐圧を６００Ｖ程度に改善させたとき、オン状態破壊電圧は２４０〜３２０Ｖであり、オン状態破壊電圧が低いため、高電圧を印加したときに短絡破壊を生じる虞があった。
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、チャネル層の炭素濃度と膜厚とを規定することによって、高電圧を印加しても短絡破壊を生じないトランジスタとして動作する半導体装置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】
【００１２】
本発明に係る半導体装置は、基板の上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層の上に形成されたチャネル層と、前記チャネル層の上に形成され、前記チャネル層とヘテロ接合を構成する障壁層とを備える半導体装置であって、前記バッファ層および前記チャネル層は、窒化物半導体で形成されており、前記チャネル層は、膜厚が１μｍ以上２μｍ以下であって、炭素濃度が５×１０16ｃｍ-3以下であることを特徴とする。
【００１３】
この構成によると、チャネル層の炭素濃度と膜厚とを規定することによって、高電圧を印加しても短絡破壊を生じないトランジスタとして、半導体装置を動作させることができる。つまり、チャネル層の膜厚を１μｍ以上とすることで、オン状態破壊電圧を向上させることができる。また、チャネル層を流れる横リーク電流を抑制するために、チャネル層の膜厚を２μｍ以下とすることが望ましい。チャネル層の炭素濃度を５×１０16ｃｍ-3以下として電流導通部分に存在する不純物を低減させることで、電流コラプスの発生を抑制し、オン抵抗を低下させることができる。
【００１４】
本発明に係る半導体装置では、前記バッファ層は、膜厚が３μｍ以上７μｍ以下であって、炭素濃度が３．４×１０18ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下であることを特徴とする。
【００１５】
この構成によると、バッファ層の膜厚および炭素濃度を規定することによって、直流耐圧の高い半導体装置を実現することができる。つまり、バッファ層の炭素濃度を３．４×１０18ｃｍ-3以上とすることで、バッファ層の絶縁破壊電界が増大し、半導体装置の直流耐圧を向上させることができる。なお、バッファ層の炭素濃度を増加させると、バッファ層の結晶性が悪くなり、転位が増加するため、バッファ層の炭素濃度を１×１０20ｃｍ-3以下とすることが望ましい。また、バッファ層の膜厚を３μｍ以上とすることで、半導体装置の直流耐圧を向上させることができる。なお、膜厚を増加させると、基板の反りやクラックなどが発生するため、バッファ層の膜厚は、７μｍ以下とすることが望ましい。
【００１６】
本発明に係る半導体装置では、前記バッファ層は、貫通転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上１×１０6ｃｍ-2以下であることを特徴とする。
【００１７】
この構成によると、バッファ層の貫通転位密度を１×１０6ｃｍ-2以下に低下させることで、転位によって形成された深い準位を介しての電界破壊を防ぐことができる。なお、バッファ層の貫通転位密度が低下すると、バッファ層へのリーク電流が増加するため、バッファ層の貫通転位密度は、１×１０4ｃｍ-2以上とすることが望ましい。
【００１８】
本発明に係る半導体装置では、前記チャネル層は、窒化ガリウムで形成され、前記障壁層は、窒化アルミニウムガリウムで形成されていることを特徴とする。
【００１９】
この構成によると、チャネル層に２次元電子ガス層を容易に形成することができ、半導体装置を高電子移動度トランジスタとして構成することができる。
【００２０】
本発明に係る半導体装置では、前記バッファ層は、窒化ガリウムで形成されていることを特徴とする。
【００２１】
この構成によると、窒化ガリウムは絶縁破壊電圧が高く、耐熱性に優れていることから、高耐圧で大電流容量の電子デバイスを提供することができる。
【００２２】
本発明に係る半導体装置では、前記バッファ層は、窒化ガリウムで形成され前記チャネル層と接するカーボンドープ層と、窒化アルミニウムで形成された層と窒化アルミニウムガリウムで形成された層とが交互に積層された超格子層と、を含む構成であることを特徴とする。
【００２３】
この構成によると、超格子構造を適用することによって、基板の材質にかかわらず、適切なバンド構造を有する窒化物半導体を積層することができる。
【００２４】
本発明に係る半導体装置では、前記基板は、シリコン、サファイア、炭化珪素、窒化ガリウム、またはホウ化ジルコニウムで形成されていることを特徴とする。
【００２５】
この構成によると、基板の上に窒化物半導体で形成されたバッファ層を結晶成長させることができる。例えば、シリコンを用いると、安価で大口径の基板とすることができる。サファイア、炭化珪素、または窒化ガリウムを用いると、窒化物半導体の結晶性を向上させることができる。また、シリコンやホウ化ジルコニウムは、高い導電性を有するため、基板を電極として用いることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によると、チャネル層の炭素濃度と膜厚とを規定することによって、高電圧を印加しても短絡破壊を生じないトランジスタとして、半導体装置を動作させることができる。つまり、チャネル層の膜厚を１μｍ以上とすることで、チャネル層の耐圧を向上させることができる。また、チャネル層を流れる横リーク電流を抑制するために、チャネル層の膜厚を２μｍ以下とすることが望ましい。チャネル層の炭素濃度を５×１０16ｃｍ-3以下として電流導通部分に存在する不純物を低減させることで、電流コラプスの発生を抑制し、オン抵抗を低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の概略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る半導体装置の概略断面図である。
【図３】図３は、チャネル層の膜厚とオン状態破壊電圧との関係を示す特性図である。
【図４】図３のグラフの具体的な数値を示す特性図表である。
【図５】チャネル層の炭素濃度とオン抵抗との関係を示す特性図である。
【図６】図５のグラフの具体的な数値を示す特性図表である。
【図７】チャネル層の膜厚と横リーク電流との関係を示す特性図である。
【図８】図７のグラフの具体的な数値を示す特性図表である。
【図９】バッファ層の炭素濃度と破壊電界強度との関係を示す特性図である。
【図１０】図９のグラフの具体的な数値を示す特性図表である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の概略断面図である。なお、図の見易さを考慮して、ハッチングは省略する。
【００２９】
本発明の実施の形態１に係る半導体装置１は、基板１０（シリコン基板１０ａ）の上に形成されたバッファ層２１と、バッファ層２１の上に形成されたチャネル層２２と、チャネル層２２の上に形成され、チャネル層２２とヘテロ接合を構成する障壁層２３とを備える。バッファ層２１およびチャネル層２２は、窒化物半導体で形成されている。チャネル層２２は、膜厚を１μｍ以上２μｍ以下とされ、炭素濃度を５×１０16ｃｍ-3以下とされている。なお、チャネル層２２の詳細については後述する。
【００３０】
この構成によると、チャネル層２２の炭素濃度と膜厚とを規定することによって、高電圧を印加しても短絡破壊を生じないトランジスタとして、半導体装置１を動作させることができる。つまり、チャネル層２２の膜厚を１μｍ以上とすることで、オン状態破壊電圧を向上させることができる。また、チャネル層２２を流れる横リーク電流を抑制するために、チャネル層２２の膜厚を２μｍ以下とすることが望ましい。チャネル層２２の炭素濃度を５×１０16ｃｍ-3以下として電流導通部分に存在する不純物を低減させることで、電流コラプスの発生を抑制し、オン抵抗を低下させることができる。
【００３１】
バッファ層２１は、膜厚が３μｍ以上７μｍ以下であって、炭素濃度が３．４×１０18ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下であることが望ましい。なお、バッファ層２１の詳細については後述する。この構成によると、バッファ層２１の膜厚および炭素濃度を規定することによって、直流耐圧の高い半導体装置１を実現することができる。つまり、バッファ層２１の炭素濃度を３．４×１０18ｃｍ-3以上とすることで、バッファ層２１の絶縁破壊電界が増大し、半導体装置の直流耐圧を向上させることができる。なお、バッファ層２１の炭素濃度を増加させると、バッファ層２１の結晶性が悪くなり、転位が増加するため、バッファ層２１の炭素濃度を１×１０20ｃｍ-3以下とすることが望ましい。また、バッファ層２１の膜厚を３μｍ以上とすることで、半導体装置１の直流耐圧を向上させることができる。なお、膜厚を増加させると、基板１０の反りやクラックなどが発生するため、バッファ層２１の膜厚は、７μｍ以下とすることが望ましい。
【００３２】
実施の形態１に係る半導体装置１は、基板１０の上にバッファ層２１、チャネル層２２、および障壁層２３が積層されており、障壁層２３の上に、ソース電極３１、ドレイン電極３２、およびゲート電極３３がそれぞれ離間して形成されている。また、障壁層２３の表面には、障壁層２３の表面を保護するパッシベーション膜３４が設けられている。なお、パッシベーション膜３４は、ソース電極３１、ドレイン電極３２、およびゲート電極３３が配置されている部分には形成されていない。
【００３３】
基板１０は、シリコン（Ｓｉ）で形成されたシリコン基板１０ａである。なお、本発明はこれに限定されず、基板１０は、シリコン、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、またはホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ2）で形成されていればよい。この構成によると、基板１０の上に窒化物半導体で形成されたバッファ層２１を結晶成長させることができる。例えば、シリコンを用いると、安価で大口径の基板とすることができる。サファイア、炭化珪素、または窒化ガリウムを用いると、窒化物半導体の結晶性を向上させることができる。また、シリコンやホウ化ジルコニウムは、高い導電性を有するため、基板１０を介して電流を流すのに適している。
【００３４】
バッファ層２１として、シード層２１ａ、超格子層２１ｂ、およびカーボンドープ層２１ｃが、順に基板１０の上に積層されている。つまり、バッファ層２１の膜厚は、シード層２１ａ、超格子層２１ｂ、およびカーボンドープ層２１ｃの膜厚を足し合わせたものであって、約３．４μｍである。本実施の形態では、バッファ層２１の転位密度は、螺旋転位密度が２×１０9ｃｍ-2であり、刃状転位密度が５×１０9ｃｍ-2であって、貫通転位密度は、螺旋転位密度と刃状転位密度とを足し合わせた７×１０9ｃｍ-2であった。なお、転位密度は、Ｘ線回折等で測定することができる。
【００３５】
シード層２１ａは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成され、膜厚が０．１μｍである。
【００３６】
超格子層２１ｂは、窒化アルミニウムで形成され、膜厚が３ｎｍの第１層と、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ）で形成され、膜厚が２０ｎｍの第２層とが、交互に積層された構造である。本実施の形態では、超格子層２１ｂは、第１層と第２層とが、それぞれ１２０回積層されており、第１層と第２層とを合計した膜厚が約２．８μｍである。
【００３７】
カーボンドープ層２１ｃは、窒化ガリウムで形成され、膜厚が０．５μｍであり、炭素（Ｃ）濃度が１×１０19ｃｍ-3である。
【００３８】
上述したように、バッファ層２１は、窒化ガリウムで形成されチャネル層２２と接するカーボンドープ層２１ｃと、窒化アルミニウムで形成された層と窒化アルミニウムガリウムで形成された層とが交互に積層された超格子層２１ｂとを含む構成である。この構成によると、超格子構造を適用することによって、基板の材質にかかわらず、適切なバンド構造を有する窒化物半導体を積層することができる。
【００３９】
チャネル層２２は、窒化ガリウムで形成され、膜厚が１．０μｍであり、炭素濃度が５×１０16ｃｍ-3である。
【００４０】
障壁層２３は、Ａｌ組成１７％の窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ0.17Ｇａ0.83Ｎ）で形成され、膜厚が３０ｎｍである。
【００４１】
チャネル層２２と障壁層２３との界面には、ソース電極３１とドレイン電極３２との間に電子を流すチャネルとして、２次元電子ガス層４０が形成される。
【００４２】
上述したように、チャネル層２２は、窒化ガリウムで形成され、障壁層２３は、窒化アルミニウムガリウムで形成されている。この構成によると、チャネル層２２に２次元電子ガス層４０を容易に形成することができ、半導体装置１を高電子移動度トランジスタとして構成することができる。
【００４３】
ソース電極３１およびドレイン電極３２は、Ｈｆ／Ａｌ／Ｈｆ／Ａｕで形成され、膜厚が１３／８５／１３／６０ｎｍである。なお、ソース電極３１およびドレイン電極３２に用いられる材料は、導電性を示す金属であり、障壁層２３とオーミック接合を形成する物質であればよく、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕといった組み合わせでもよい。
【００４４】
ゲート電極３３は、ＷＮ／Ｗ／Ａｕで形成され、膜厚が１０／１０／１００ｎｍである。なお、ゲート電極３３に用いられる材料は、導電性を示す金属であり、障壁層２３とショットキー接合を形成する物質であればよい。なお、ゲート電極３３は、ソース電極３１とドレイン電極３２との間に配置されている。
【００４５】
パッシベーション膜３４は、窒化珪素（ＳｉＮ）で形成され、膜厚が２０ｎｍである。障壁層２３の表面をパッシベーション膜３４で保護することによって、電流コラプスの発生を抑制することができる。
【００４６】
次に、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１の製造方法について説明する。
【００４７】
基板１０を１０％ＨＦ（フッ酸）溶液で洗浄した後、有機金属気相成長装置（ＭＯＣＶＤ）に導入する。基板１０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。
【００４８】
そして、基板１０の上に、バッファ層２１、チャネル層２２、および障壁層２３を積層して結晶成長を行う。次に、各層の成長条件について説明する。
【００４９】
シード層２１ａは、成長圧力を１３．３ｋＰａとし、基板温度を１１００℃で成膜した。ここで、シード層２１ａ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ＮＨ3（アンモニア）とを供給した。
【００５０】
超格子層２１ｂは、シード層２１ａ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２１ｂを形成する際は、供給する原料を交互に切り替えて、ＡｌＮとＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎとを積層した。Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ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ＮＨ3とを供給した。なお、超格子層２１ｂのＡｌＮの原料は、シード層２１ａと同様にして供給した。
【００５１】
カーボンドープ層２１ｃは、シード層２１ａ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２１ｃ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ＮＨ3とを供給した。なお、カーボンドープ層２１ｃ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で、炭素濃度を調整することができる。
【００５２】
チャネル層２２は、成長圧力を１００ｋＰａとし、基板温度を１１００℃で成膜した。ここで、チャネル層２２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ＮＨ3とを供給した。なお、チャネル層２２には、カーボンドープ層２１ｃ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、チャネル層２２の炭素濃度を下げることができる。なお、チャネル層２２の炭素濃度を低減させても電流コラプスの発生を抑制することができ、成長圧力を低下させることで５×１０14ｃｍ-3程度の炭素濃度を実現することができる。つまり、チャネル層２２の炭素濃度は、５×１０14ｃｍ-3以上とするのが好ましい。
【００５３】
障壁層２３は、シード層２１ａ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、障壁層２３であるＡｌ0.17Ｇａ0.83Ｎ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ＮＨ3とを供給した。
【００５４】
次に、ソース電極３１、ドレイン電極３２、およびゲート電極３３を形成する。ソース電極３１、ドレイン電極３２、およびゲート電極３３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できる。ソース電極３１およびドレイン電極３２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される。また、ソース電極３１およびドレイン電極３２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、オーミック接触が得られる。
【００５５】
また、障壁層２３の上に、プラズマＣＶＤ等の公知の方法でパッシベーション膜３４を形成する。なお、ソース電極３１、ドレイン電極３２、ゲート電極３３、およびパッシベーション膜３４を形成する順番は、特に限定されず、パッシベーション膜３４を先に形成してもよい。
【００５６】
＜実施の形態２＞
図２は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の概略断面図である。なお、図の見易さを考慮して、ハッチングは省略する。なお、実施の形態１と同様の機能を有する構成要素については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００５７】
本発明の実施の形態２に係る半導体装置２は、基板１０（窒化ガリウム基板１０ｂ）の上に形成されたバッファ層２１と、バッファ層２１の上に形成されたチャネル層２２と、チャネル層２２の上に形成され、チャネル層２２とヘテロ接合を構成する障壁層２３とを備える。バッファ層２１およびチャネル層２２は、窒化物半導体で形成されている。チャネル層２２は、膜厚を１μｍ以上２μｍ以下とされ、炭素濃度を５×１０16ｃｍ-3以下とされている。
【００５８】
バッファ層２１は、膜厚が３μｍ以上７μｍ以下であって、炭素濃度が３．４×１０18ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下であることが望ましい。
【００５９】
バッファ層２１は、貫通転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上１×１０6ｃｍ-2以下であることが望ましい。この構成によると、バッファ層２１の貫通転位密度を１×１０6ｃｍ-2以下に低下させることで、転位によって形成された深い準位を介しての電界破壊を防ぐことができる。なお、バッファ層２１の貫通転位密度が低下すると、バッファ層２１へのリーク電流が増加するため、バッファ層２１の貫通転位密度は、１×１０4ｃｍ-2以上とすることが望ましい。
【００６０】
実施の形態２に係る半導体装置２の構造は、基板１０の上にバッファ層２１、チャネル層２２、および障壁層２３が積層されており、障壁層２３の上に、ソース電極３１、ドレイン電極３２、およびゲート電極３３がそれぞれ離間して形成されている。また、障壁層２３の表面には、障壁層２３の表面を保護するパッシベーション膜３４が設けられている。なお、パッシベーション膜３４は、ソース電極３１、ドレイン電極３２、およびゲート電極３３が配置されている部分には形成されていない。つまり、半導体装置２の構成は、実施の形態１と同様の構成であって、基板１０の材質が異なっており、バッファ層２１が超格子構造を含まない構成とされているため、カーボンドープ層２１ｃの膜厚が異なる点で実施の形態１と異なる。
【００６１】
基板１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）で形成された窒化ガリウム基板１０ｂである。
【００６２】
バッファ層２１は、カーボンドープ層２１ｃだけで構成されている。つまり、窒化ガリウム基板１０ｂを用いることによって、格子定数の差が小さくなり、基板１０に直接カーボンドープ層２１ｃを積層することができる。
【００６３】
カーボンドープ層２１ｃは、窒化ガリウムで形成され、膜厚が３μｍであり、炭素濃度が１×１０19ｃｍ-3であり、貫通転位密度が５×１０5ｃｍ-2である。
【００６４】
チャネル層２２は、窒化ガリウムで形成され、膜厚が１．０μｍであり、炭素濃度が５×１０16ｃｍ-3である。
【００６５】
障壁層２３は、Ａｌ組成１７％の窒化アルミニウムガリウムで形成され、膜厚が３０ｎｍである。
【００６６】
チャネル層２２と障壁層２３との界面には、ソース電極３１とドレイン電極３２との間に電子を流すチャネルとして、２次元電子ガス層４０が形成される。
【００６７】
ソース電極３１およびドレイン電極３２は、Ｈｆ／Ａｌ／Ｈｆ／Ａｕで形成され、膜厚が１３／８５／１３／６０ｎｍである。なお、ソース電極３１およびドレイン電極３２に用いられる材料は、導電性を示す金属であり、障壁層２３とオーミック接合を形成する物質であればよい。
【００６８】
ゲート電極３３は、ＷＮ／Ｗ／Ａｕで形成され、膜厚が１０／１０／１００ｎｍである。なお、ゲート電極３３に用いられる材料は、導電性を示す金属であり、障壁層２３とショットキー接合を形成する物質であればよい。なお、ゲート電極３３は、ソース電極３１とドレイン電極３２との間に配置されている。
【００６９】
パッシベーション膜３４は、窒化珪素（ＳｉＮ）で形成され、膜厚が２０ｎｍである。障壁層２３の表面をパッシベーション膜３４で保護することによって、電流コラプスの発生を抑制することができる。
【００７０】
次に、本発明の実施の形態２に係る半導体装置２の製造方法について説明する。半導体装置２の製造方法は、実施の形態１と略同様であり、バッファ層２１の成長条件が異なる。
【００７１】
基板１０を１０％ＨＦ（フッ酸）溶液で洗浄した後、有機金属気相成長装置（ＭＯＣＶＤ）に導入する。基板１０は、流量が１０ｓｌｍ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。
【００７２】
そして、基板１０の上に、バッファ層２１、チャネル層２２、および障壁層２３を積層して結晶成長を行う。次に、各層の成長条件について説明する。
【００７３】
バッファ層２１（カーボンドープ層２１ｃ）は、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２１ｃ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ＮＨ3とを供給した。なお、カーボンドープ層２１ｃ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で、炭素濃度を調整することができる。また、原料を供給する時間を変更することで、カーボンドープ層２１ｃの膜厚を調整することができる。
【００７４】
チャネル層２２は、成長圧力を１００ｋＰａとし、基板温度を１１００℃で成膜した。ここで、チャネル層２２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ＮＨ3とを供給した。なお、チャネル層２２には、カーボンドープ層２１ｃ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、チャネル層２２の炭素濃度を下げることができる。
【００７５】
障壁層２３は、カーボンドープ層２１ｃ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、障壁層２３であるＡｌ0.17Ｇａ0.83Ｎ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ＮＨ3とを供給した。
【００７６】
次に、ソース電極３１、ドレイン電極３２、およびゲート電極３３を形成する。ソース電極３１、ドレイン電極３２、およびゲート電極３３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できる。
【００７７】
また、障壁層２３の上に、プラズマＣＶＤ等の公知の方法でパッシベーション膜３４を形成する。
【００７８】
＜測定結果＞
次に、実施の形態１または実施の形態２に係る半導体装置の特性について説明する。なお、比較のため、実施の形態１と一部の構成要素の異なるサンプルを略同様の方法で製造し、特性を測定したので、併せて説明する。
【００７９】
図３は、チャネル層の膜厚とオン状態破壊電圧との関係を示す特性図であって、図４は、図３のグラフの具体的な数値を示す特性図表である。
【００８０】
実施の形態１および実施の形態２に係る半導体装置１（２）は、ノーマリーオンのトランジスタであって、ゲート電極３３に−５Ｖの電圧を印加したときにオフ状態となる。オン状態破壊電圧を測定する際は、ソース電極３１−ドレイン電極３２間に所定の直流電圧を印加した状態で、ゲート電極３３に０Ｖのパルス電圧（方形波）を印加して３μ秒間トランジスタをオンにして、トランジスタが破壊されるか否かを確認する。トランジスタが破壊されていないときは、ソース電極３１−ドレイン電極３２間に印加する電圧を上昇させて作業を繰り返し、トランジスタが破壊される限度の電圧をオン状態破壊電圧とする。
【００８１】
オン状態破壊電圧を評価するため、チャネル層２２の膜厚が異なるサンプルを用意し、それぞれ複数回測定した。チャネル層２２の膜厚が０．５μｍの場合、オン状態破壊電圧は２４０〜３２０Ｖであった。チャネル層２２の膜厚が０．８μｍの場合、オン状態破壊電圧は３１０〜３４０Ｖであった。チャネル層２２の膜厚が１．０μｍの場合、オン状態破壊電圧は４００〜４２０Ｖであった。チャネル層２２の膜厚が１．５μｍの場合、オン状態破壊電圧は４５０〜４８０Ｖであった。チャネル層２２の膜厚が２．０μｍの場合、オン状態破壊電圧は４８０〜５４０Ｖであった。上述した結果によると、チャネル層２２の膜厚が増加するとオン状態破壊電圧が増大し、膜厚が１．０μｍを越えると、オン状態破壊電圧は４００Ｖを超えた。なお、図３のグラフには、複数回測定した平均値が示されている。
【００８２】
本発明に係る半導体装置は、民生用の電源回路におけるトランジスタとして適用できる。電源回路は、２００Ｖの電圧を出力できることが要求されており、回路内のトランジスタには、４００Ｖ程度の電圧が印加されると想定されている。ここで、オン状態破壊電圧が４００Ｖを超えていない場合、トランジスタの短絡破壊を生じる虞がある。つまり、チャネル層２２の膜厚を１μｍ以上とすることで、民生用の電源回路を動作させるのに必要なオン状態破壊電圧とすることができる。
【００８３】
なお、チャネル層２２の膜厚は、１μｍ以上１．５μｍ以下とするのがさらに好ましい。この構成によると、横リーク電流をさらに抑制することができる。
【００８４】
図５は、チャネル層の炭素濃度とオン抵抗との関係を示す特性図であって、図６は、図５のグラフの具体的な数値を示す特性図表である。
【００８５】
オン抵抗を評価するため、チャネル層２２の炭素濃度が異なるサンプルを用意した。ソース電極３１−ドレイン電極３２間に１Ｖの電圧を印加したときのオン抵抗は、それぞれ２０Ωであった。そして、ソース電極３１−ドレイン電極３２間に４００Ｖの電圧を印加して、オン抵抗を測定した。つまり、ソース電極３１−ドレイン電極３２間に印加する電圧を、低電圧にした場合と高電圧にした場合とのオン抵抗を比較することで、電流コラプスの発生を確認する。なお、オン抵抗は、素子のサイズ（例えば、ソース電極３１−ドレイン電極３２間の距離、電極の面積）によって規定され、本実施の形態では、２０Ωが最小値である。
【００８６】
チャネル層２２の炭素濃度が５．０×１０16ｃｍ-3の場合、オン抵抗は２０Ωであった。チャネル層２２の炭素濃度が８．０×１０16ｃｍ-3の場合、オン抵抗は４０Ωであった。チャネル層２２の炭素濃度が１．２×１０17ｃｍ-3の場合、オン抵抗は４０Ωであった。上述した結果によると、チャネル層２２の炭素濃度が５×１０16ｃｍ-3以下のとき、オン抵抗は増加しないことがわかる。つまり、オン抵抗が増加していないことから、電流コラプスが抑制されていることがわかる。
【００８７】
図７は、チャネル層の膜厚と横リーク電流との関係を示す特性図であって、図８は、図７のグラフの具体的な数値を示す特性図表である。
【００８８】
横リーク電流は、ドレイン電極３２に電圧を印加した状態で、トランジスタをオフにしたとき（ゲート電極３３に印加する電圧を−５Ｖとしたとき）にソース電極３１からドレイン電極３２に流れる電流を示す。
【００８９】
横リーク電流を評価するため、チャネル層２２の膜厚が異なるサンプルを用意し、ドレイン電極３２に電圧を６００Ｖ印加した。チャネル層２２の膜厚が１．０μｍの場合、横リーク電流は１．０×１０-7Ａ／ｃｍであった。チャネル層２２の膜厚が２．０μｍの場合、横リーク電流は２．８×１０-7Ａ／ｃｍであった。チャネル層２２の膜厚が２．５μｍの場合、横リーク電流は５．０×１０-6Ａ／ｃｍであった。ソース電極３１−ドレイン電極３２間に電圧を６００Ｖ印加したときに流れる横リーク電流が、３．０×１０-7Ａ／ｃｍより小さければ、トランジスタをオンにしたとき（ゲート電極３３に印加する電圧を０Ｖとしたとき）にソース電極３１からドレイン電極３２に流れる電流（０．１Ａ／ｃｍ）に比べて充分小さいため、横リーク電流による損失を無視できる。
【００９０】
図９は、バッファ層の炭素濃度と破壊電界強度との関係を示す特性図であって、図１０は、図９のグラフの具体的な数値を示す特性図表である。
【００９１】
破壊電界強度を評価するため、バッファ層２１の炭素濃度が異なるサンプルを用意した。なお、バッファ層２１の膜厚は３μｍである。バッファ層２１の炭素濃度が５．０×１０16ｃｍ-3の場合、破壊電界強度は１．０５ＭＶ／ｃｍであった。バッファ層２１の炭素濃度が３．０×１０17ｃｍ-3の場合、破壊電界強度は１．５５ＭＶ／ｃｍであった。バッファ層２１の炭素濃度が２．０×１０18ｃｍ-3の場合、破壊電界強度は１．８５ＭＶ／ｃｍであった。バッファ層２１の炭素濃度が３．４×１０18ｃｍ-3の場合、破壊電界強度は２．２０ＭＶ／ｃｍであった。バッファ層２１の炭素濃度が２．１×１０19ｃｍ-3の場合、破壊電界強度は２．４３ＭＶ／ｃｍであった。上述した結果によると、バッファ層２１の炭素濃度を増加させると、破壊電界強度が増大し、炭素濃度が３．４×１０18ｃｍ-3以上のとき、破壊電界強度は２ＭＶ／ｃｍを越える。
【００９２】
ところで、電源回路におけるトランジスタには、雷によるサージなどによって、想定以上の高電圧が印加される虞があるため、高い直流耐圧が要求されており、民生用の電源回路においては、６００Ｖ程度の直流耐圧が必要とされている。ここで、バッファ層２１の破壊電界強度が２ＭＶ／ｃｍであるならば、バッファ層２１の膜厚を３μｍ以上とすることで、半導体装置の直流耐圧を６００Ｖとすることができる。
【符号の説明】
【００９３】
１、２半導体装置
１０  基板
１０ａ  シリコン基板
１０ｂ  窒化ガリウム基板
２１  バッファ層
２１ａ  シード層
２１ｂ  超格子層
２１ｃ  カーボンドープ層
２２  チャネル層
２３  障壁層
３１  ソース電極
３２  ドレイン電極
３３  ゲート電極
３４  パッシベーション膜
４０  ２次元電子ガス層
【図１】
2012243886.tif 000003
【図２】
2012243886.tif 000004
【図３】
2012243886.tif 000005
【図４】
2012243886.tif 000006
【図５】
2012243886.tif 000007
【図６】
2012243886.tif 000008
【図７】
2012243886.tif 000009
【図８】
2012243886.tif 000010
【図９】
2012243886.tif 000011
【図１０】
2012243886.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成24年7月9日(2012.7.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の上に形成されたチャネル層と、
前記チャネル層の上に形成され、前記チャネル層とヘテロ接合を構成する障壁層とを備える半導体装置であって、
前記バッファ層および前記チャネル層は、窒化物半導体で形成されており、
前記チャネル層は、膜厚が１μｍ以上２μｍ以下であって、炭素濃度が５×１０16ｃｍ-3以下であり、
前記バッファ層は、膜厚が３μｍ以上７μｍ以下であって、炭素濃度が３．４×１０18ｃｍ-3以上１×１０20ｃｍ-3以下であること
を特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記バッファ層は、貫通転位密度が１×１０4ｃｍ-2以上１×１０6ｃｍ-2以下であること
を特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体装置であって、
前記チャネル層は、窒化ガリウムで形成され、
前記障壁層は、窒化アルミニウムガリウムで形成されていること
を特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体装置であって、
前記バッファ層は、窒化ガリウムで形成されていること
を特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項３に記載の半導体装置であって、
前記バッファ層は、窒化ガリウムで形成され前記チャネル層と接するカーボンドープ層と、窒化アルミニウムで形成された層と窒化アルミニウムガリウムで形成された層とが交互に積層された超格子層と、を含む構成であること
を特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の半導体装置であって、
前記基板は、シリコン、サファイア、炭化珪素、窒化ガリウム、またはホウ化ジルコニウムで形成されていること
を特徴とする半導体装置。