(57)【要約】【課題】高抵抗バッファ層の結晶品質の劣化を避けることができる窒化物半導体装置の製造方法を得る。【解決手段】ＳｉＣ基板１上に、III族原料として有機金属原料を用い、Ｖ族原料としてヒドラジン誘導体の有機化合物を用いたＭＯＣＶＤ法により、炭素濃度が１０１８ｃｍ−３以上に制御された窒化物半導体からなるＡｌＮ高抵抗バッファ層２を形成する。ＡｌＮ高抵抗バッファ層２上に、ＡｌＮ高抵抗バッファ層２よりも低い抵抗値を持つＧａＮ電子走行層３とＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子供給層４を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、III族原料として有機金属原料を用い、Ｖ族原料としてヒドラジン誘導体の有機化合物を用いたＭＯＣＶＤ法により、炭素濃度が１０１８ｃｍ−３以上に制御された窒化物半導体からなる高抵抗バッファ層を形成する工程と、
前記高抵抗バッファ層上に、前記高抵抗バッファ層よりも低い抵抗値を持つ窒化物半導体層を形成する工程とを備えることを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記高抵抗バッファ層は、前記半導体基板よりも高い抵抗値を持つことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記高抵抗バッファ層を形成する際に、Ｖ族原料として前記ヒドラジン誘導体の有機化合物とアンモニアを用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記ヒドラジン誘導体の有機化合物に対する前記アンモニアの供給モル比が３０以下であることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記高抵抗バッファ層は、積層されたＡｌＮ高抵抗バッファ層及びＧａＮ高抵抗バッファ層を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記高抵抗バッファ層は、混晶比の異なる複数の層を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記高抵抗バッファ層は、異なる層を交互に積層した周期構造であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の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】
本発明は、基板上に窒化物半導体からなる高抵抗バッファ層を形成する窒化物半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタ（FET: Field Effect Transistor）ではバッファ層中のリーク電流の低減や耐圧向上のために、バッファ層を高抵抗化させる。窒化物半導体に不純物として炭素をドーピングすることで高抵抗化させる方法が提案されている（例えば特許文献１〜３参照）。ＭＯＣＶＤ法において成長温度、成長圧力、Ｖ／III比等を下げることでIII族原料のメチル基やエチル基等から炭素をドーピングさせる方法が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−６８４９８号公報
【特許文献２】特許第４４２９４５９号公報
【特許文献３】特開２００７−２５１１４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の炭素ドーピングの方法では成長温度、成長圧力、Ｖ／III比等を下げるため、最適な結晶成長条件から外れてしまう。これにより、窒素空孔が発生するなど、結晶品質の劣化が避けられず、リーク電流等を十分に低減させることができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は高抵抗バッファ層の結晶品質の劣化を避けることができる窒化物半導体装置の製造方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、III族原料として有機金属原料を用い、Ｖ族原料としてヒドラジン誘導体の有機化合物を用いたＭＯＣＶＤ法により、炭素濃度が１０１８ｃｍ−３以上に制御された窒化物半導体からなる高抵抗バッファ層を形成する工程と、前記高抵抗バッファ層上に、前記高抵抗バッファ層よりも低い抵抗値を持つ窒化物半導体層を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、高抵抗バッファ層の結晶品質の劣化を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体装置を示す断面図である。
【図２】炭素濃度のＮＨ３／ＵＤＭＨｙ供給モル比依存性を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態３に係る窒化物半導体装置を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態４に係る窒化物半導体装置を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態５に係る窒化物半導体装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施の形態に係る窒化物半導体装置の製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体装置を示す断面図である。ＳｉＣ基板１上に層厚３００ｎｍのＡｌＮ高抵抗バッファ層２が設けられている。ＡｌＮ高抵抗バッファ層２上に層厚１μｍのＧａＮ電子走行層３が設けられている。ＧａＮ電子走行層３の上に層厚２５ｎｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子供給層４が設けられている。Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子供給層４上にゲート電極５、ソース電極６、及びドレイン電極７が設けられている。ＡｌＮ高抵抗バッファ層２は、炭素濃度が１０１８ｃｍ−３以上で制御されており、ＧａＮ電子走行層３及びＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子供給層４よりも高い抵抗値を持つ。
【００１１】
続いて、本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体装置の製造方法を説明する。結晶成長方法としてＭＯＣＶＤ法を用いる。III族原料として、有機金属化合物であるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いる。Ｖ族原料として、アンモニア（ＮＨ３）ガス、ジメチルヒドラジン（ＵＤＭＨｙ）を用いる。これらの原料ガスのキャリアガスとして、水素（Ｈ２）ガス、窒素（Ｎ２）ガスを用いる。
【００１２】
まず、ＳｉＣ基板１上に、ＴＭＡとＵＤＭＨｙを用いてＡｌＮ高抵抗バッファ層２を形成する。次に、ＡｌＮ高抵抗バッファ層２上に、ＴＭＧとＮＨ３を用いてＧａＮ電子走行層３を形成する。次に、ＧａＮ電子走行層３上に、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子供給層４を形成する。次に、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子供給層４上にゲート電極５、ソース電極６、及びドレイン電極７を形成する。以上の工程により電界効果トランジスタが製造される。
【００１３】
本実施の形態では、ＡｌＮ高抵抗バッファ層２を形成する際に、Ｖ族原料としてＵＤＭＨｙを用いる。これにより、成長温度、成長圧力、Ｖ／III比等を下げることなく、下記の化学式のようにＴＭＡやＵＤＭＨｙから遊離されたメチル基が容易に結晶中に取り込まれるため、高抵抗でかつ窒素空孔の無い結晶を得ることができる。従って、ＡｌＮ高抵抗バッファ層２の結晶品質の劣化を避けることができる。また、ＡｌＮ高抵抗バッファ層２の炭素濃度を二次イオン質量分析（SIMS: Secondary Ion Mass Spectroscopy）により測定したところ、１×１０２０ｃｍ−３であり、ＡｌＮ高抵抗バッファ層２の比抵抗値をホール効果法により測定したところ、１×１０６Ωｃｍ以上の高抵抗値を示した。この結果、電界効果トランジスタのリーク電流を十分に低減でき、十分な耐圧を確保できる。さらに、ＡｌＮ高抵抗バッファ層２はＳｉＣ基板１よりも高い抵抗値を有するため、基板での損失を抑制することができ、高周波特性が良好な電界効果トランジスタを得ることができる。
【００１４】
【化１】
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【００１５】
なお、ＳｉＣ基板１の代わりにＳｉ基板、サファイア基板、ＧａＮ基板などを用いてもよい。
【００１６】
実施の形態２．
実施の形態２では、ＡｌＮ高抵抗バッファ層２を形成する際に、Ｖ族原料としてＵＤＭＨｙとＮＨ３を用いる。それ以外の製造方法は実施の形態１と同様である。
【００１７】
図２は、炭素濃度のＮＨ３／ＵＤＭＨｙ供給モル比依存性を示す図である。この図から分かるように、ＵＤＭＨｙに対するＮＨ３の供給モル比を３０以下とすることで、結晶品質に影響する成長温度や成長圧力を変えることなく、炭素濃度を１０１８ｃｍ−３以上で制御することができる。この結果、例えば１００Ωｃｍから１×１０７Ωｃｍの範囲で所望の抵抗率を有するＡｌＮ高抵抗バッファ層２を得ることができるため、構造設計が容易になる。なお、結晶成長中にＮＨ３／ＵＤＭＨｙ供給モル比を変化させることにより、膜厚方向に炭素濃度を変化させることもできる。
【００１８】
実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３に係る窒化物半導体装置を示す断面図である。ＳｉＣ基板１上に層厚３００ｎｍのＡｌＮ高抵抗バッファ層２が設けられている。ＡｌＮ高抵抗バッファ層２上に層厚０．５μｍのＧａＮ高抵抗バッファ層８が設けられている。ＧａＮ高抵抗バッファ層８上に層厚０．５μｍのＧａＮ電子走行層３が設けられている。ＧａＮ電子走行層３の上に層厚２５ｎｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子供給層４が設けられている。Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子供給層４上にゲート電極５、ソース電極６、及びドレイン電極７が設けられている。ＡｌＮ高抵抗バッファ層２及びＧａＮ高抵抗バッファ層８は、炭素濃度が１０１８ｃｍ−３以上で制御されており、ＧａＮ電子走行層３及びＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子供給層４よりも高い抵抗値を持つ。
【００１９】
続いて、本発明の実施の形態３に係る窒化物半導体装置の製造方法を説明する。まず、ＳｉＣ基板１上に、実施の形態１と同様にＴＭＡとＵＤＭＨｙを用いてＡｌＮ高抵抗バッファ層２を形成する。次に、ＡｌＮ高抵抗バッファ層２上に、ＴＭＧとＵＤＭＨｙを用いてＧａＮ高抵抗バッファ層８を形成する。
【００２０】
次に、実施の形態１と同様に、ＧａＮ電子走行層３、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子供給層４、ゲート電極５、ソース電極６、及びドレイン電極７を形成する。以上の工程により電界効果トランジスタが製造される。
【００２１】
本実施の形態では、ＧａＮ高抵抗バッファ層８を形成する際に、Ｖ族原料としてＵＤＭＨｙを用いる。これにより、成長温度、成長圧力、Ｖ／III比等を下げることなく、下記の化学式のようにＴＭＧやＵＤＭＨｙから遊離されたメチル基が容易に結晶中に取り込まれるため、高抵抗でかつ窒素空孔の無い結晶を得ることができる。従って、ＧａＮ高抵抗バッファ層８の結晶品質の劣化を避けることができる。また、ＧａＮ高抵抗バッファ層８の炭素濃度を二次イオン質量分析（SIMS: Secondary Ion Mass Spectroscopy）により測定したところ、１×１０２０ｃｍ−３であり、ＧａＮ高抵抗バッファ層８の比抵抗値をホール効果法により測定したところ、１×１０６Ωｃｍ以上の高抵抗値を示した。この結果、電界効果トランジスタのリーク電流を十分に低減でき、十分な耐圧を確保できる。
【００２２】
【化２】
2013004681.tif 000004
【００２３】
さらに、ＡｌＮ高抵抗バッファ層２及びＧａＮ高抵抗バッファ層８が積層されているため、ＳｉＣ基板１とＡｌＮ高抵抗バッファ層２との界面、及びＡｌＮ高抵抗バッファ層２とＧａＮ高抵抗バッファ層８との界面でのリークパスを低減することもできる。また、ＡｌＮ高抵抗バッファ層２やＧａＮ高抵抗バッファ層８は、ＳｉＣ基板１よりも高い抵抗値を有するため、基板での損失を抑制することができ、高周波特性が良好な電界効果トランジスタを得ることができる。
【００２４】
なお、ＧａＮ高抵抗バッファ層８を形成する際に、Ｖ族原料としてＵＤＭＨｙとＮＨ３を用いてもよい。ＵＤＭＨｙに対するＮＨ３の供給モル比を３０以下とすることで、結晶品質に影響する成長温度や成長圧力を変えることなく、炭素濃度を１０１８ｃｍ−３以上で制御することができる。この結果、例えば１００Ωｃｍから１×１０７Ωｃｍの範囲で所望の抵抗率を有するＧａＮ高抵抗バッファ層８を得ることができるため、構造設計が容易になる。
【００２５】
また、ＳｉＣ基板１の代わりにＳｉ基板、サファイア基板、ＧａＮ基板などを用いてもよい。ＡｌＮ高抵抗バッファ層２を例に挙げたが、これに限らず、半導体基板の構成物質に応じて最適な層を選択することができる。
【００２６】
また、ＧａＮ高抵抗バッファ層８の代わりに、ＧａＮとＡｌＮとＩｎＮとの混晶であるＩｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（０＜＝ｘ１，０＜＝ｙ１，ｘ１＋ｙ１＜１）層を用いてもよい。この層を形成する際に、III族原料としてＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩを用い、Ｖ族原料としてＵＤＭＨｙのみ又はＵＤＭＨｙとＮＨ３を用いる。
【００２７】
実施の形態４．
図４は、本発明の実施の形態４に係る窒化物半導体装置を示す断面図である。Ｓｉ基板９上に層厚２００ｎｍのＡｌＮ高抵抗バッファ層２が設けられている。ＡｌＮ高抵抗バッファ層２上に、混晶比の異なる複数のＡｌＧａＮ高抵抗バッファ層１０ａ，１０ｂ，１０ｃが設けられている。例えば、複数のＡｌＧａＮ高抵抗バッファ層１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、それぞれ層厚３００ｎｍのＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層、層厚５００ｎｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層、層厚５００ｎｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層である。
【００２８】
ＡｌＧａＮ高抵抗バッファ層１０ｃ上に層厚１．０μｍのＧａＮ電子走行層３が設けられている。ＧａＮ電子走行層３の上に層厚２５ｎｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子供給層４が設けられている。Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子供給層４上にゲート電極５、ソース電極６、及びドレイン電極７が設けられている。
【００２９】
ＡｌＮ高抵抗バッファ層２及び複数のＡｌＧａＮ高抵抗バッファ層１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、炭素濃度が１０１８ｃｍ−３以上で制御されており、ＧａＮ電子走行層３及びＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子供給層４よりも高い抵抗値を持つ。
【００３０】
続いて、本発明の実施の形態４に係る窒化物半導体装置の製造方法を説明する。まず、Ｓｉ基板９上に、実施の形態１と同様にＴＭＡとＵＤＭＨｙを用いてＡｌＮ高抵抗バッファ層２を形成する。次に、ＡｌＮ高抵抗バッファ層２上に、III族原料としてＴＭＧとＴＭＡを用い、Ｖ族原料としＵＤＭＨｙ単独又はＵＤＭＨｙ及びＮＨ３を用いて、混晶比の異なる複数のＡｌＧａＮ高抵抗バッファ層１０ａ，１０ｂ，１０ｃを形成する。
【００３１】
次に、実施の形態１と同様に、ＧａＮ電子走行層３、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子供給層４、ゲート電極５、ソース電極６、及びドレイン電極７を形成する。以上の工程により電界効果トランジスタが製造される。
【００３２】
Ｓｉ基板９上にＧａＮ電子走行層３やＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子供給層４などの窒化物層を形成すると、Ｓｉと窒化物半導体との格子定数差及び熱膨張率差により、窒化物半導体層に非常に大きな歪が発生する。その歪の大きさによっては、窒化物半導体層にクラックが発生し、大きな反りが起こる場合がある。これに対して、本実施の形態では、混晶比の異なる複数のＡｌＧａＮ高抵抗バッファ層１０ａ，１０ｂ，１０ｃが歪を緩和するため、クラックが無く反りが軽減された良好な電界効果トランジスタを得ることができる。また、半導体基板としてＳｉ基板９を用いることにより、安価で大口径化が可能であるが、Ｓｉ基板９の抵抗率がサファイア基板やＳｉＣ基板よりも低いために高周波特性で不利である。しかし、ＡｌＮ高抵抗バッファ層２やＡｌＧａＮ高抵抗バッファ層１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、Ｓｉ基板９よりも高い抵抗値を有するため、Ｓｉ基板９での損失を抑制することができ、高周波特性が良好な電界効果トランジスタを得ることができる。このことから、抵抗値の低い半導体基板上に電界効果トランジスタを作製する場合には、基板よりも抵抗率が高い、例えば１×１０６Ωｃｍ以上の高抵抗バッファ層を用いることが好ましい。
【００３３】
なお、混晶比の異なる複数のＡｌＧａＮ高抵抗バッファ層１０ａ，１０ｂ，１０ｃの代わりに、混晶比を連続的に変化させたＡｌＧａＮ高抵抗バッファ層を用いてもよい。
【００３４】
実施の形態５．
図５は、本発明の実施の形態５に係る窒化物半導体装置を示す断面図である。実施の形態４の複数のＡｌＧａＮ高抵抗バッファ層１０ａ，１０ｂ，１０ｃの代わりに、層厚５ｎｍのＡｌＮ層と層厚１５ｎｍのＧａＮ層を交互に４０周期積層した高抵抗バッファ層１１が設けられている。その他の構成は実施の形態４と同様である。
【００３５】
ＡｌＮ層は、III族原料としてＴＭＡを用い、Ｖ族原料としてＵＤＭＨｙ単独又はＵＤＭＨｙ及びＮＨ３を用いて形成される。ＧａＮ層は、III族原料としてＴＭＧを用い、Ｖ族原料としてＵＤＭＨｙ単独又はＵＤＭＨｙ及びＮＨ３を用いて形成される。その他の製造方法は実施形態４と同様である。
【００３６】
多層膜からなる高抵抗バッファ層１１が歪を緩和するため、クラックが無く反りが軽減された良好な電界効果トランジスタを得ることができる。なお、本実施の形態では、高抵抗バッファ層１１は、ＡｌＮ層とＧａＮ層を交互に積層した周期構造であるが、混晶比の異なるＩｎＡｌＧａＮ層の周期構造を用いてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１  ＳｉＣ基板（半導体基板）
２  ＡｌＮ高抵抗バッファ層（高抵抗バッファ層）
３  ＧａＮ電子走行層（窒化物半導体層）
４  Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ電子供給層（窒化物半導体層）
８  ＧａＮ高抵抗バッファ層（高抵抗バッファ層）
９  Ｓｉ基板（半導体基板）
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ  ＡｌＧａＮ高抵抗バッファ層（高抵抗バッファ層）
１１  高抵抗バッファ層（高抵抗バッファ層）
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013004681.tif 000007
【図４】
2013004681.tif 000008
【図５】
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