(57)【要約】      （修正有）【課題】リーク電流を制御する半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置は、基板１０、バッファ層２０および素子層３０を有する。バッファ層２０は、基板１０上に堆積され、且つ、少なくとも一つのガリウムナイトライド(ＧａＮ)エピタキシー層２２およびＧａＮエピタキシー層２２上に堆積される少なくとも一つの挿入層２３を有する。ＧａＮエピタキシー層２２中にＧａＮエピタキシー層２２とその上の挿入層２３との間の界面に隣接する領域にて、電子捕捉元素がドープされる。【選択図】図１
2016174153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置であって、
基板と、
前記基板上に堆積され、且つ、少なくとも一つのガリウムナイトライド(ＧａＮ)エピタキシー層、および、前記ＧａＮエピタキシー層上に堆積される少なくとも一つの挿入層を有し、前記ＧａＮエピタキシー層中に、前記ＧａＮエピタキシー層とその上の前記挿入層との間の界面に隣接する領域にて、電子捕捉元素がドープされるバッファ層、および、
前記バッファ層上に形成される素子層、
を有する半導体装置。
【請求項２】
前記挿入層中に、前記挿入層とその下方の前記ＧａＮエピタキシー層との間の界面に隣接する領域にて、前記電子捕捉元素がドープされる請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記バッファ層は、交錯方式で堆積される複数の前記ＧａＮエピタキシー層、および、前記挿入層を有し、且つ、各前記ＧａＮエピタキシー層中に、前記ＧａＮエピタキシー層とその上の前記挿入層との間の界面に隣接する領域にて、それぞれ、前記電子捕捉元素がドープされる請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記バッファ層は、交錯方式で堆積される複数の前記ＧａＮエピタキシー層、および、前記挿入層を有し、且つ、各前記挿入層中に、前記挿入層とその下方の前記ＧａＮエピタキシー層との間の界面に隣接する領域にて、それぞれ、前記電子捕捉元素がドープされる請求項１から３何れかの一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記バッファ層は、前記ＧａＮエピタキシー層、および、前記挿入層を含む複数の堆積層を有し、且つ、前記複数の堆積層は、それぞれ、前記電子捕捉元素がドープされる請求項１から４何れかの一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記電子捕捉元素がドープされる前記ＧａＮエピタキシー層の厚さは、５ｎｍより大きい請求項１から５何れかの一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記電子捕捉元素は、鉄、炭素、および、マグネシウムの少なくとも一つを有する請求項１から６何れかの一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記挿入層は、窒化アルミニウム(ＡｌＮ)、または、アルミニウムガリウムナイトライド(ＡｌＧａＮ)を有する請求項１から７何れかの一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記バッファ層は、さらに、前記基板上に堆積される初期層を有し、且つ、前記ＧａＮエピタキシー層が、前記初期層上に堆積される請求項１から８何れかの一項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記初期層は、窒化アルミニウム(ＡｌＮ)を有する請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記基板は、シリコン(Ｓｉ)基板、炭化ケイ素(ＳｉＣ)基板、または、サファイヤ基板である請求項１から１０何れかの一項に記載の半導体装置。
【請求項１２】
半導体装置の製造方法であって、
基板を提供する工程と、
バッファ層を前記基板上に形成し、前記バッファ層は、少なくとも一つのガリウムナイトライド(ＧａＮ)エピタキシー層、および、前記ＧａＮエピタキシー層上に堆積される少なくとも一つの挿入層を有し、且つ、前記ＧａＮエピタキシー層中に前記ＧａＮエピタキシー層とその上の前記挿入層との間の界面に隣接する領域にて、電子捕捉元素がドープされる工程、および、
素子層を前記バッファ層上に形成する工程、
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記挿入層中に前記挿入層とその下方の前記ＧａＮエピタキシー層との間の前記界面に隣接する領域にて、前記電子捕捉元素がドープされる請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記バッファ層は、交錯方式で堆積される複数の前記ＧａＮエピタキシー層、および、前記挿入層を有し、前記ＧａＮエピタキシー層中に前記ＧａＮエピタキシー層とその上の前記挿入層との間の前記界面に隣接する領域にて、それぞれ、前記電子捕捉元素がドープされる請求項１２又は１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記バッファ層は、交錯方式で堆積される複数の前記ＧａＮエピタキシー層、および、前記挿入層を有し、且つ、前記挿入層中に前記挿入層とその下方の前記ＧａＮエピタキシー層との間の前記界面に隣接する領域にて、それぞれ、前記電子捕捉元素がドープされる請求項１２から１４何れかの一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記バッファ層は、前記ＧａＮエピタキシー層、および、前記挿入層を含む複数の堆積層を有し、且つ、前記複数の堆積層は、それぞれ、前記電子捕捉元素がドープされる請求項１２から１５の何れかの一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記電子捕捉元素がドープされる前記ＧａＮエピタキシー層の厚さは、５ｎｍより大きい請求項１２から１６の何れかの一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記電子捕捉元素は、鉄、炭素、および、マグネシウムの少なくとも一つを有する請求項１２から１７の何れかの一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記挿入層は、窒化アルミニウム(ＡｌＮ)、または、アルミニウムガリウムナイトライド(ＡｌＧａＮ)を有する請求項１２から１８の何れかの一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
前記バッファ層は、さらに、前記基板上に堆積される初期層を有し、且つ、前記ＧａＮエピタキシー層が、前記初期層上に堆積される請求項１２から１９の何れかの一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
前記初期層は、窒化アルミニウム(ＡｌＮ)を有する請求項２０に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２２】
前記基板は、シリコン(Ｓｉ)基板、炭化ケイ素(ＳｉＣ)基板、または、サファイヤ基板である請求項１２から２１の何れかの一項に記載の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、半導体装置、および、その製造方法に関するものであって、特に、低リーク電流の半導体装置、および、その製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高性能、および、高周波数のデバイス応用において、高電子移動度トランジスタ(ＨＥＭＴ)は、よく見られる構造である。ＨＥＭＴ構造は、高電子移動度を有する領域を生成する。これらの高移動度電子は、非常に高い周波数性能を提供することができる。
【０００３】
アルミニウムガリウムナイトライド/ガリウムナイトライド(ＡｌＧａＮ／ＧａＮ)構造は、ＨＥＭＴ装置において、非常に普遍である。その理由は、まず、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ接合は、２次元電子ガス((2 Dimensional Electron Gas,  ２ＤＥＧ)を生成し、２次元電子ガス(２ＤＥＧ)は、高い移動度で自由に移動する電子ガスであるからである。ＡｌＧａＮがバリア層として用いられ、ＧａＮがチャネル層として用いられるからである。次に、ＧａＮは高バンドギャップ、高絶縁破壊電圧、高電子移動度、および、高熱伝導率等特性があるからである。
【０００４】
理解できることは、高電子移動度装置は、通常、相対的により高抵抗性の半絶縁基板を必要とし、且つ、電源デバイスは、厚いＧａＮエピタキシー層を必要とし、電源デバイスの破壊電圧を改善することである。シリコン(Ｓｉ)基板で、厚いＧａＮエピタキシー層を成長させる需要に基づいて、ＧａＮエピタキシー層とＳｉ基板間に、多種のバッファ層、たとえば、転移層（transition layer）、挿入層、または、超格子構造がある。しかし、これらのバッファ層は、電源デバイスに、深刻なリーク電流の問題を生成する。したがって、どのように、エピタキシー層中のリーク電流の現象を抑制するかが重要な課題である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、半導体装置、および、製造方法を提供し、基板と素子層との間のバッファ層中に、電子捕捉元素をドープして、バッファ層中で、予期せぬ２次元電子ガス(２ＤＥＧ)が生成されるのを防止し、これにより２ＤＥＧにより生成されるリーク電流を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施態様において、本発明の半導体装置は、基板、バッファ層、および、素子層を有する。バッファ層が、基板上に堆積され、且つ、少なくとも一つのガリウムナイトライド(ＧａＮ)エピタキシー層、および、ＧａＮエピタキシー層上に堆積される少なくとも一つの挿入層を有する。ＧａＮエピタキシー層中に、ＧａＮエピタキシー層とその上の挿入層との間の界面に隣接する領域にて、電子捕捉元素がドープされる。素子層がバッファ層上に形成される。
【０００７】
別の実施態様において、半導体装置の本発明の製造方法は、基板を提供する工程、バッファ層を基板上に形成し、バッファ層が、少なくとも一つのガリウムナイトライド(ＧａＮ)エピタキシー層、および、ＧａＮエピタキシー層上に堆積される少なくとも一つの挿入層を有し、ＧａＮエピタキシー層中に、ＧａＮエピタキシー層とその上の挿入層との間の界面に隣接する領域にて、電子捕捉元素がドープされる工程と、素子層をバッファ層上に形成する工程と、を有する。
【０００８】
上記及び他の目的及び本発明の特徴は、添付図面とともに以下の記載を参照することにより明らかとなる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の半導体装置、および、製造方法により、基板と素子層との間のバッファ層中に、電子捕捉元素をドープして、バッファ層中で、予期せぬ２次元電子ガス(２ＤＥＧ)が生成されるのを防止し、これにより２ＤＥＧにより生成されるリーク電流を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第一実施態様による半導体装置を示す図である。
【図２】本発明の第二実施態様による半導体装置を示す図である。
【図３】本発明の第三実施態様による半導体装置を示す図である。
【図４】本発明の第四実施態様による半導体装置を示す図である。
【図５】本発明の一実施態様による半導体装置の製造方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下で、本発明の各種実施態様を詳述するとともに、図面と合わせて説明する。これらの詳細な記述以外に、本発明は、幅広く、その他の実施態様中でも実行することができ、任意の実施態様の容易な代替、修正、および、相当の変化は、全て、本発明の範囲内に含まれ、本発明は、請求項の範囲に基づく。明細書の描写中、読み手に、本発明を完全に理解することができるようにするため、多くの特定の詳細が提供される。しかし、本発明は、一部、または、全ての特定の詳細の前提下でも、実施することができる。このほか、既知のステップ、または、素子は、詳細中で描写せず、本発明に対して生成される不要な制限を回避する。図面中の同じ、または、類似の素子は、同じ、または、類似の符号により表示される。注意すべきことは、図面は、素子の実際の数量や尺寸を示すものではなく、部分の詳細は完全には描かれておらず、図式を簡潔にしている。
【００１２】
図１を参照すると、本発明の一実施態様による半導体装置は、基板１０、バッファ層２０、および、素子層３０を有する。一実施態様において、基板１０は、シリコン(Ｓｉ)基板、炭化ケイ素(ＳｉＣ)基板、または、サファイヤ基板である。バッファ層２０が基板１０上に設置される。バッファ層２０は、基板１０と素子層３０間の格子構造のミスマッチの問題を改善することができる。よって、厚いエピタキシー層を、基板１０上で成長させるため、たとえば、厚いガリウムナイトライド(ＧａＮ)エピタキシー層を、Ｓｉ基板上で成長させるため、バッファ層２０が必要である。素子層３０がバッファ層２０上に形成されて、半導体装置の機能を実行する。たとえば、素子層３０は、チャネル層３１、バリア層３２、および、ソース電極、ゲート電極、および、ドレイン電極を含む電極層３３を有する。素子層３０の詳細な構造と材料は従来の技術により実現できるので、ここで詳述しない。
【００１３】
バッファ層２０は、少なくとも一つのＧａＮエピタキシー層２２、および、ＧａＮエピタキシー層２２上に堆積される少なくとも一つの挿入層２３を有する。図１の実施態様において、基板１０から素子層３０に順に、バッファ層２０は、初期層２１、複数のＧａＮエピタキシー層２２、および、複数の挿入層２３を有し、複数の挿入層２３と複数のＧａＮエピタキシー層２２は、交錯方式で堆積される。たとえば、初期層２１は窒化アルミニウム(ＡｌＮ)である。挿入層２３は、ＡｌＮ、または、アルミニウムガリウムナイトライド(ＡｌＧａＮ)である。
【００１４】
図１に示されるように、上述の構造によると、予期せぬ２次元電子ガス(２ＤＥＧ)が、ＧａＮエピタキシー層２２とその上の挿入層２３との間の界面で生成され、電源デバイスにおけるリーク電流の深刻な問題を生じる。よって、本発明において、ＧａＮエピタキシー層２２中に、ＧａＮエピタキシー層２２とその上の挿入層２３との間の界面に隣接する領域にて、電子捕捉元素２２１がドープされる。ＧａＮエピタキシー層２２中でドープされる電子捕捉元素２２１は、ＧａＮエピタキシー層２２中のＧａ原子を代替し、ディープアクセプタ(deep acceptor)を形成して、ＧａＮエピタキシー層２２中の電子を捕捉し、よって、予期せぬ２ＤＥＧが形成されず、その後、２ＤＥＧにより生成されるリーク電流が抑制される。一実施態様において、電子捕捉元素２２１は、鉄(Fe)、炭素(C)、および、マグネシウム(Mg)のすくなくともひとつである。このましくは、電子捕捉元素２２１は鉄である。ＧａＮエピタキシー層２２とその上の挿入層２３間の界面を基準とすると、電子捕捉元素２２１がドープされるＧａＮエピタキシー層２２の厚さは、５ｎｍより大きく、好ましくは、１０ｎｍより大きい。一実施態様において、ドーパント濃度は、約1016から1019cm-3である。
【００１５】
図１の実施態様において、ＧａＮエピタキシー層２２中に、ＧａＮエピタキシー層２２とその上の挿入層２３間の最上の界面に隣接する領域にて、電子捕捉元素２２１がドープされるが、この限りでない。図２中の一実施態様において、ＧａＮエピタキシー層２２中にＧａＮエピタキシー層２２とその上の挿入層２３間の界面に隣接する領域にて、それぞれ、電子捕捉元素２２１がドープされて、リーク電流の抑制効果を増加する。
【００１６】
図３を参照すると、一実施態様において、挿入層２３とその下のＧａＮエピタキシー層２２間の界面に隣接する挿入層２３も、電子捕捉元素２２１がドープされる。つまり、電子捕捉元素２２１がドープされる領域は、ＧａＮエピタキシー層２２とその上の挿入層２３間の界面を横切る。注意すべきことは、電子捕捉元素２２１が、最上の挿入層２３、または、各挿入層２３中にドープされることである。図４を参照すると、一実施態様において、電子捕捉元素２２１は、バッファ層２０の各堆積層でドープされる。たとえば、バッファ層２０の堆積層は、初期層２１、ＧａＮエピタキシー層２２、および、挿入層２３を有する。
【００１７】
上述の構造によると、バッファ層２０中でドープされる電子捕捉元素２２１は、電子を捕捉して、電子移動度を低下させ、よって、予期せぬ２ＤＥＧが、ＧａＮエピタキシー層２２とその上の挿入層２３よの間の界面で形成されず、これにより、バッファ層２０中のリーク電流現象も抑制され、半導体装置の性能も向上する。
【００１８】
図１と図５を参照して、本発明の一実施態様による半導体装置の製造方法を説明し、まず、Ｓ５１において、たとえば、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、または、サファイヤ基板等の基板１０を提供する。次に、Ｓ５２において、バッファ層２０を基板１０上に形成する。上述のように、バッファ層２０は、初期層２１、および、交錯方式で堆積される複数のＧａＮエピタキシー層２２、および、挿入層２３を有する。実施例中、ＡｌＮ層が形成されて、初期層２１とする。初期層２１は、結晶成長方法、たとえば、有機金属化学気相エピタキシー((Metal Organic Vapor Phase Epitaxy,ＭＯＶＰＥ)方法により形成され、ＧａＮアルミニウム元素ソースガス(たとえば、トリメチルアルミニウム(trimethylaluminum,ＴＭＡ)ガス)、および、窒素元素ガス(たとえば、アンモニア(ＮＨ３)ガス)を含む混合ガスを用いる。同様に、ＧａＮエピタキシー層２２は、ＭＯＶＰＥ方法により形成され、ガリウム元素ソースガス(たとえば、トリメチルガリウム(trimethylgallium,ＴＭＧ)ガス)、および、窒素元素ガス(たとえば、アンモニア(ＮＨ３)ガス)を含む混合ガスを用いる。理解できることは、ＧａＮエピタキシー層２２の成長中、ＧａＮエピタキシー層２２を、電子捕捉元素２２１に通過させることにより、電子捕捉元素２２１が、ＧａＮエピタキシー層２２中にドープされることである。たとえば、Cp2Fe(cyclopentadienyl iron, ferrocene)が、鉄のソースに用いられる。挿入層２３の形成方法は、初期層２１と同じである。最後に、Ｓ５３において、素子層３０を、バッファ層２０上に形成して、図１に示される半導体装置を完成する。素子層３０の製造プロセスは従来の技術により完成できるので、ここで詳述しない。
【００１９】
総合すると、本発明の半導体装置、および、製造方法により、電子捕捉元素が、基板と素子層との間のバッファ層中にドープされて、ＧａＮエピタキシー層中の電子が捕捉され、その後、電子移動度が低下する。つまり、予期せぬ２ＤＥＧが、ＧａＮエピタキシー層とその上の挿入層との間の界面で形成されず、すなわち、リーク電流の経路となる２ＤＥＧがないので、半導体装置のパフォーマンスが向上する。
【符号の説明】
【００２０】
１０  基板
２０  バッファ層
２１  初期層
２２  ＧａＮエピタキシー層
２２１  電子捕捉元素
２３  挿入層
３０  素子層
３１  チャネル層
３２  バリア層
３３  電極層
２ＤＥＧ  ２次元電子ガス
Ｓ５１，Ｓ５２、Ｓ５３  ステップ
【図１】
2016174153.tif 000003
【図２】
2016174153.tif 000004
【図３】
2016174153.tif 000005
【図４】
2016174153.tif 000006
【図５】
2016174153.tif 000007