WO2005015642A1 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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WO2005015642A1
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semiconductor
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nitride
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Koji Otsuka
Emiko Chino
Masataka Yanagihara
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Sanken Electric Co., Ltd.
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    • H01L29/20—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L29/2003—Nitride compounds

Definitions

  • the present invention relates to a nitride semiconductor device such as a MESFET or a HEMT having a small leakage current and a method for manufacturing the same.
  • a gallium nitride-based compound semiconductor such as a metal semiconductor field effect transistor, ie, a MESFET (Metal Semiconductor Filed Effect Transistor) and a high electron mobility transistor, ie, a HEMT (High Electron Mobility Transistor), are known.
  • a metal semiconductor field effect transistor ie, a MESFET (Metal Semiconductor Filed Effect Transistor)
  • a high electron mobility transistor ie, a HEMT (High Electron Mobility Transistor
  • Patent Document 1 discloses that a substrate made of silicon or silicon nitride is used to solve the disadvantage of the sapphire substrate.
  • a substrate made of silicon or a silicon compound has a higher thermal conductivity than a sapphire substrate, it can sufficiently release heat generated during operation of the device, and various characteristics such as device gain and the like can be obtained. Can be improved.
  • the first layer in the buffer region consists of, for example, AlGa ⁇ , (0 ⁇ 1) force
  • the second layer consists of, for example, GaN.
  • the buffer region has a lattice constant between the substrate and the gallium nitride-based compound semiconductor, the crystal orientation of the substrate can be favorably inherited.
  • the A gallium nitride-based compound semiconductor region can be favorably formed on the surface with the crystal orientation aligned. For this reason, the flatness of the semiconductor region on the buffer region is improved, and the electrical characteristics of the semiconductor element can be obtained well.
  • the low temperature buffer region consisting of a single layer of AlGaN or GaN.
  • the crystal can be grown at a high temperature, and the buffer area becomes difficult to become amorphous. Therefore, it is possible to reduce the crystal defect density of the epitaxy layer formed on the buffer region, that is, the main semiconductor region for the semiconductor element, and it is possible to suppress the generation of a leak current.
  • Patent Document 1 JP 2003-59948 A
  • the substrate made of silicon or silicon compound is a low-resistance substrate
  • the nitride-based compound is formed on the low-resistance substrate via the buffer region having a multilayer structure as described above.
  • a leak current is likely to flow toward the buffer region. That is, even when the ON voltage is not applied to the gate electrode of the HEMT, a leak current flows between the drain and the source through the buffer region or both the buffer region and the low-resistance substrate, and the power based on the leak current flows. Loss or deterioration of device characteristics occurs. In some cases, it is determined based on the magnitude of the withstand voltage S leak current of the semiconductor device, and in this case, the withstand voltage of the device necessarily decreases.
  • AlGaN constituting the buffer region is insulative.
  • an object of the present invention is to provide a semiconductor device such as a MESFET or HEMT and a method of manufacturing the same, which can solve the above-mentioned problems.
  • the present invention provides a substrate made of silicon or a silicon compound such as SiC and polycrystalline silicon, and a substrate which is disposed on one main surface of the substrate and nitrided.
  • a buffer region made of a semiconductor material, and at least one nitride semiconductor layer disposed on the buffer region, for constituting a main part of a nitride semiconductor device such as a HEMT, a MESFET, and a field effect transistor.
  • a main semiconductor region including at least a first main electrode and a second main electrode disposed on a surface of the main semiconductor region.
  • the present invention relates to a semiconductor device characterized in that a pn junction is formed between a region and both regions.
  • Another invention of the present application for achieving the same object as the above invention includes a substrate made of silicon or a silicon compound, and a buffer region made of a nitride semiconductor disposed on one main surface of the substrate.
  • a main semiconductor region including at least one nitride semiconductor layer disposed on the buffer region; and at least first and second main electrodes disposed on a surface of the main semiconductor region.
  • a p-type impurity is introduced into at least a part of the buffer region, and the buffer region is in an impurity-doped n-type nitride semiconductor in a state before the p-type impurity is introduced.
  • the present invention relates to a semiconductor device characterized in that the nitride semiconductor device has a function similar to that of an n-type semiconductor doped with an impurity.
  • At least a part of the buffer region into which the P-type impurity is introduced in the semiconductor device according to another aspect of the present invention may be a p-type semiconductor, or the n-type impurity included in the buffer region is offset by the p-type impurity. Or a high-resistance semiconductor.
  • the buffer region includes a plurality of first layers made of a nitride semiconductor containing aluminum at a predetermined ratio, and a nitride semiconductor containing no aluminum or containing aluminum in a smaller percentage than the first layer. It is preferable that the first layer and the second layer are alternately laminated.
  • a preferable material of the first layer is represented by the following chemical formula.
  • M is a small number selected from In (indium) and B (boron).
  • At least one element, X and y are numerical values satisfying 0 ⁇ x ⁇ l, 0 ⁇ y ⁇ l, x + y ⁇ l It is.
  • a preferable material of the second layer is represented by the following chemical formula.
  • AI M Ga N where M is a number selected from In (indium), B (boron) and power a b 1-a-b
  • Both a and b are numerical values satisfying 0 ⁇ a ⁇ l, 0 ⁇ b ⁇ l, a + b ⁇ l, a ⁇ x.
  • a more preferable material of the first layer is AlGaN, and a more preferable material of the second layer is
  • the material is AlGaN.
  • At least one of the first and second layers may contain In (indium).
  • At least one of the first and second layers are provided.
  • B (boron) can be included.
  • p-type impurities can be introduced into some or all of the plurality of second layers in the buffer region.
  • p-type impurities can be introduced into some or all of the plurality of first layers in the buffer region.
  • the plurality of first layers and the plurality of first layers of the buffer region are used.
  • a p-type impurity can be introduced into all of the two layers.
  • the thickness of the first layer in the buffer region is 0.5 nm to 50 nm, and the thickness of the second layer is 0.5 nm to 200 nm.
  • the nitride semiconductor layer in the main semiconductor region includes a GaN (gallium nitride) layer, a ⁇ (indium aluminum nitride) layer, an AlGaN (gallium aluminum nitride) layer, an InGaN (gallium indium nitride) layer, and AlInGaN (gallium indium aluminum nitride) layer strength It is desirable that the selected layer be a gallium nitride-based compound semiconductor layer or an indium nitride-based compound semiconductor layer.
  • the semiconductor device further has a control electrode for controlling a current between the first main electrode and the second main electrode, and the main semiconductor region is controlled by the control electrode. It is preferable that the region is for forming a semiconductor switch element.
  • the method for manufacturing the semiconductor device is as follows.
  • the current flowing through the buffer region or the buffer region and the substrate can be reduced based on the voltage applied between the first and second main electrodes. . That is, since a pn junction is formed in the buffer region, between the buffer region and the main semiconductor region, or both, the leakage current is reduced by the pn junction. In addition, even if the amount of p-type impurity introduced into the buffer region is small, so that a pn junction does not occur, the n-type impurity is offset by the p-type impurity to increase the resistance of the buffer region. The leakage current can be reduced.
  • the buffer region When the buffer region is formed in a multilayer structure, leakage current can be reduced while preventing cracks in the main semiconductor region, improving flatness, and the like.
  • FIG. 1 is a central longitudinal sectional view schematically showing a part of an HEMT according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the HEMT of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a part of the structure of the HEMT in FIG.
  • FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between a drain-source voltage and a leakage current of the HEMTs of Example 1 and the conventional example.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a part of a buffer region according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a part of a buffer region according to a third embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a part of a buffer area according to a fourth embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a part of a buffer region according to a fifth embodiment.
  • FIG. 9 is a central longitudinal sectional view schematically showing a part of a MESFET according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a part of a buffer region according to a seventh embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a part of a buffer area according to an eighth embodiment.
  • the HEMT as a semiconductor device using a gallium nitride-based compound semiconductor according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 is a substrate made of silicon, ie, a substrate 1, a buffer region 2, and a semiconductor device.
  • a main semiconductor region 3 for forming a main part of the HEMT element 3 a source electrode 4 as a first main electrode, a drain electrode 5 as a second main electrode, a gate electrode 6 as a control electrode 6, and an insulating film 7 Consisting of
  • the substrate 1 has a p-type silicon single crystal force containing a group 3 element such as B (boron) as a conductivity type determining impurity.
  • the main surface la of the substrate 1 on the side where the buffer region 2 is arranged is a (111) just surface in the crystal orientation indicated by the Miller index.
  • the impurity concentration of the substrate 1 is a relatively low value, for example, about 1 ⁇ 10 12 cm 3 —1 ⁇ 10 14 cm— 3 in order to reduce the leak current passing through the substrate 1, and the resistivity of the substrate 1 is It is a relatively high value, for example, about 100 ⁇ 'cm—about 10,000 ⁇ 'cm.
  • the substrate 1 has a thickness of about 500 zm, which is larger than the total thickness of the buffer region 2 and the main semiconductor region 3 for forming the HEMT element, and functions as a support for the main semiconductor region 3 and the buffer region 2. .
  • an n-type impurity can be introduced into the substrate 1 instead of the p-type impurity, or the impurity can be undoped.
  • the buffer region 2 arranged so as to cover one main surface of the substrate 1 has a composite layer strength in which a plurality of first layers 8 and a plurality of second layers 9 are stacked.
  • buffer region 2 has 20 first layers 8 and 20 second layers 9.
  • the number of each of the first and second layers 8 and 9 can be determined to an arbitrary number selected from preferably 2 to 200, more preferably 20 to 80.
  • the first layer 8 of the buffer region 2 is made of a nitride semiconductor containing at least A1 (aluminum) at a predetermined ratio.
  • a preferable composition of the first layer 8 ignoring impurities is represented by the following chemical formula.
  • M is at least one element selected from In (indium) and B (boron), and X and y are 0 ⁇ x ⁇ l, 0 ⁇ y ⁇ l, x + y ⁇ 1. It is a satisfactory numerical value.
  • Preferred materials for the first layer 8 according to the above formula include, for example, A1N (aluminum nitride), or AlGaN (gallium aluminum nitride), or AlInGaN (gallium indium aluminum nitride), or AlBGaN (gallium boron aluminum nitride), or AlInBGaN ( Gallium boron indium aluminum nitride, or ⁇ (indium aluminum nitride), or A1BN (boron aluminum nitride), or ⁇ (boron indium aluminum nitride).
  • the composition of the first layer 8 is represented by the following chemical formula.
  • the first layer 8 where X is 1 in this formula consists of A1N (aluminum nitride).
  • the first layer 8 is an n-type semiconductor layer or an n-like semiconductor layer having an action similar to that of an n-type even though n-type impurities are not introduced, and has a relatively high insulating property.
  • the lattice constant and coefficient of thermal expansion of the first layer 8 are closer to the silicon substrate 1 than the second layer 9. It is desirable that the lattice constant of the first layer 8 is smaller than the lattice constant of the second layer 9.
  • a p-type impurity is also introduced into the first layer 8. You.
  • the preferred thickness of the first layer 8 of the buffer region 2 is 0.5 nm 50 nm, that is, 5-500 angstrom. If the thickness of the first layer 8 is less than 0.5 nm, the flatness of the main semiconductor region 3 formed on the upper surface of the buffer region 2 cannot be maintained well. The thickness of the first layer 8 is 50 nm Is exceeded, the lattice mismatch between the first layer 8 and the second layer 9 and the difference in the coefficient of thermal expansion between the first layer 8 and the substrate 1 cause Cracks may occur in the first layer 8 due to the tensile strain generated in the first layer 8.
  • the second layer 9 is made of a p-type nitride semiconductor that does not contain A1 or contains A1 at a lower ratio than the first layer 8.
  • a preferable composition of the second layer 9 ignoring impurities is represented by the following chemical formula.
  • M is at least one element selected from In (indium) and B (boron), and a and b are 0 ⁇ a ⁇ l, 0 ⁇ b ⁇ l, a + b ⁇ l, It is a numerical value that satisfies a x.
  • Preferred materials for the second layer 9 according to the above chemical formula are, for example, GaN (gallium nitride) or A1G aN (gallium aluminum nitride), or AlInGaN (gallium indium aluminum nitride), or AlBGaN (gallium boron aluminum nitride).
  • AlInBGaN Gadium Boron Indium Aluminum Nitride
  • AlInN Indium Aluminum Nitride
  • A1BN Boron Aluminum Nitride
  • AlInBN AlInBN
  • InGaN GaN
  • BGaN gallium boron nitride
  • InBGaN gallium boron indium nitride
  • InN indium nitride
  • BN boron nitride
  • InBN boron indium nitride
  • a p-type impurity is introduced into the second layer 9 of the first embodiment in Figs. 1 and 2. This p-type impurity is introduced to form a pn junction between the second layer 9 and an n-like electron transit layer 11 described later, and between the first and second layers 8 and 9. Let's do it.
  • the composition of the second layer 9 is represented by the following chemical formula.
  • y is any numerical value that satisfies y ⁇ x, 0 ⁇ y ⁇ 1.
  • the second layer 9 consists of GaN.
  • the value of y indicating the ratio of A1 (aluminum) is set to 0 to prevent cracks that may occur due to an increase in A1 (aluminum). It is desirable that the value satisfy 0.8, that is, larger than 0 and smaller than 0.8. Further, the ratio of A1 in the second layer 9 is preferably smaller than the ratio of A1 in the first layer 8. [0040]
  • the preferred thickness of the second layer 9 is 0.5 nm to 200 nm, that is, 5 to 2000 ⁇ . If the thickness of the second layer 9 is less than 0.5 nm, it becomes difficult to grow the first layer 8 and the main semiconductor region 3 grown on the buffer region 2 flat. If the thickness of the second layer 9 exceeds 200 nm, the stress relaxation effect of the combination of the second layer 9 and the first layer 8 may be impaired, and cracks may occur.
  • the thickness T2 of the second layer 9 is larger than the thickness T1 of the first layer 8.
  • the first layer 8 and the second layer 9 may have the first layer due to the lattice mismatch and the first layer 8 and the substrate 1 having a different coefficient of thermal expansion. This is advantageous in that the magnitude of the strain generated in the first layer 9 is suppressed to a level that does not cause cracks in the first layer 9 and that the electron concentration of the electron transit layer 11 described later is kept high.
  • the main semiconductor region 3 for forming a well-known HEMT includes, for example, an electron transit layer 10 made of undoped GaN and a spacer layer 11 made of, for example, undoped AlGaN. And an electron supply layer 12 of n-type AlGaN doped with Si as a type impurity.
  • Each of the layers 10, 11, and 12 of the main semiconductor region 3 is preferably made of a gallium nitride-based compound semiconductor based on nitrogen and gallium.
  • the electron transit layer 10 disposed on the buffer region 2 can be called a channel layer, and has a thickness of, for example, 500 nm.
  • the electron transit layer 10 preferably functions as an n-like semiconductor layer having an n-type action and made of undoped GaN. Since the n-like electron transit layer 10 is adjacent to the second layer 9 into which the p-type impurity has been introduced, a pn junction for suppressing leakage current is generated between the two.
  • the spacer layer 11 disposed on the electron transit layer 10 has a thickness of, for example, 7 nm, and suppresses diffusion of silicon as an n-type impurity of the electron supply layer 12 into the electron transit layer 10.
  • the n-type electron supply layer 12 disposed on the spacer layer 11 supplies donor electrons (n-type impurities) generated electrons to the electron transit layer 10 and has a thickness of, for example, 30 nm. It has.
  • the source electrode 4 and the drain electrode 5 are in ohmic contact with the electron supply layer 12, and the gate electrode 6 is in Schottky contact with the electron supply layer 12.
  • the source electrode 4 and the drain electrode 5 A contact layer having a high n-type impurity concentration can be provided between the contact layer and the electron supply layer 12.
  • the insulating film 7 made of Si 2 O 4 covers the surface of the main semiconductor region 3. Note that buffer area 2
  • An electron supply layer having the same function as that of the electron supply layer 12 can be provided between the electron supply layer 10 and the electron transit layer 10.
  • the electron supply layer 12 and the spacer layer 11 are extremely thin films, they function as insulators in the horizontal direction and function as conductors in the vertical direction. Therefore, when a voltage higher than that of the source electrode 4 is applied to the drain electrode 5 of the HEMT and a control voltage for turning on the HEMT is applied to the gate electrode 6, the source electrode 4, the electron supply layer 12, the spacer Electrons flow through the path of the layer 11, the electron transit layer 10, the spacer layer 11, the electron supply layer 12, and the drain electrode 5. The flow of electrons, that is, the flow of current is adjusted by the control voltage applied to the gate electrode 6. A leak current flows between the source electrode 4 and the drain electrode 5 during an off period in which no control voltage for turning on the HEMT is applied to the good electrode 6. Leakage current is reduced by the present invention.
  • a substrate 1 made of a p-type silicon semiconductor into which a p-type impurity is introduced as shown in FIG. 3A is prepared.
  • One main surface la of the silicon substrate 1 on which the buffer layer 2 is formed is a (111) just plane, that is, an accurate (111) plane in the plane orientation of the crystal indicated by the Miller index.
  • the main surface la of the substrate 1 can be inclined in the range indicated by - ⁇ - + ⁇ with respect to the (111) just surface indicated by 0 in FIG.
  • the preferred range of - ⁇ - + ⁇ is -4 °-+ 4 °, more preferably -3 °-+ 3 °, and the most preferred range is 1-2 °-+ 2 °.
  • a well-known MOCVD Metal Organic Chemical Vapor D mark osition
  • MOCVD Metal Organic Chemical Vapor D mark osition
  • a buffer region 2 is formed by repeatedly stacking a first layer 8 made of A1N and a second layer 9 made of p-type GaN by a vapor phase growth method.
  • foreword with HF-based etchant The processed p-type silicon single crystal substrate 1 is placed in a reaction chamber of a MOCVD apparatus, and first, thermal annealing is performed at 1120 ° C. for about 10 minutes to remove an oxide film on the surface.
  • TMA trimethylaluminum
  • NH ammonia
  • TMA gas trimethylgallium
  • TMG trimethylgallium
  • biscyclopentadenylmagnesium gas ie, Cp Mg gas and NH (ammonia) gas
  • a second layer 9 made of p-type GaN having a thickness of about 30 nm is formed on an upper surface of the first layer 8 made of the A1N force formed on one main surface of the first element 1.
  • the flow rate of the TMG gas that is, the supply amount of Ga
  • the flow rate of the Cp Mg gas that is, the supply amount of Mg, is about 0.3 ⁇ .
  • the flow rate of NH gas was set at about 0.14 mol / min.
  • the first layer 8 made of A1N and the second layer 9 made of p-type GaN are repeated 20 times to form the first layer 8 made of A1N and the p-type GaN.
  • the buffer layer 2 in which 40 layers are laminated in total with the second layer 9 is obtained.
  • the first layer 8 made of A1N and the second layer 9 made of GaN can be changed to any number such as 50 layers.
  • the p-type impurities are not limited to Mg.
  • the elements of group 2 other than Mg, such as Zn, Sr, Ca, Be, Ba, Cd, and Ra, can be selected.
  • the main semiconductor region 3 is formed on the upper surface of the buffer region 2 by a well-known MOCVD method. That is, the substrate 1 having the buffer region 2 formed on the upper surface is placed in the reaction chamber of the MOCVD apparatus, and trimethylgallium gas, that is, TMG gas and NH (ammonia) gas are first supplied into the reaction chamber for 10 minutes.
  • the electron transit layer 10 is an n-like semiconductor layer having the same function as the n-type.
  • the flow rate of TMG gas, that is, the supply amount of Ga was about 70 x mol / min
  • the flow rate of NH gas, that is, the supply amount of NH was about 0.1 lmol Zmin.
  • a TMA gas, a TMG gas, and an ammonia gas are supplied into the reaction chamber for 32 seconds, and the upper surface of the electron transport layer 10 is made of AlGaN which is undoped, ie, does not contain any conductivity-type-determining impurities.
  • the spacer layer 11 is formed to a thickness of 7 nm.
  • the flow rate of TMA gas that is, the supply rate of A1
  • the flow rate of TMG gas was about 17 ⁇ mol / min
  • the flow rate of NH gas was about 0.11 mol / min.
  • TMA gas, TMG gas, ammonia gas and SiH (silane) gas are supplied into the reaction chamber for about 138 seconds, and the n-type An electron supply layer 12 made of AlGaN containing impurities is formed to a thickness of about 30 nm.
  • the flow rate of TMA gas at this time is about 5.8 ⁇ mol / min
  • the flow rate of TMG gas is about 17 ⁇ mol / min
  • the flow rate of ammonia gas is about 0.11 mol / min
  • SiH gas is It was about 21 nmol / min.
  • the silicon substrate 1 on which the semiconductor region 3 and the buffer region 2 are formed is taken out of the MOCVD apparatus, and an insulating film 7 made of a silicon oxide film is formed on the entire surface of the main semiconductor region 3 by well-known plasma CVD.
  • the thickness of the insulating film 7 is about 250 nm.
  • FIG. 1 shows one HEMT.
  • one semiconductor wafer or substrate 1 is used to simultaneously produce a large number of HEMTs. For this reason, the main semiconductor area is formed by reactive ion etching using chlorine (C1) and chlorine-based mixed gas by photolithography.
  • the element isolation regions of 3 and the buffer layer 2 are etched down to the silicon substrate 1 to perform element isolation of the HEMT.
  • the elements are separated while the silicon substrate 1 is left in this way, it is possible to satisfactorily inspect the electrical characteristics and the like of each element region without being affected by other elements.
  • an opening for forming a source electrode and a drain electrode is formed in the insulating film 7 using photolithography and a hydrofluoric acid-based etchant, and then Ti (titanium) is formed using electron beam evaporation or the like.
  • A1 (aluminum) is sequentially laminated and lifted off to form a source electrode 4 and a drain electrode 5.
  • Pd palladium
  • Ti titanium
  • Au gold
  • the semiconductor device (HEMT chip) is obtained by cutting and separating the epitaxial wafer at the element isolation region by a known dicing process or the like.
  • the following effects can be obtained. (1) Since Mg as a p-type impurity is introduced into the second layer 9 of the buffer region 2, a pn junction is formed between the n-like first layer 8 and the p-type second layer 9. Occurs. Also, a pn junction is generated between the n-like electron transit layer 10 and the p-type second layer 9. Therefore, the leak current Id flowing between the source electrode 4 and the drain electrode 5 due to the voltage applied between the source electrode 4 and the drain electrode 5 during the period in which the HEMT is turned off is reduced.
  • the drain electrode 5 when the drain electrode 5 is positive and the source electrode 4 is negative, the drain electrode 5, the electron supply layer 12, the spacer layer 11, the electron transit layer 10, the buffer region 2 or the buffer region 2 and the substrate 1, the electron
  • the leakage current flowing through the path including the traveling layer 10, the spacer layer 11, the electron supply layer 12, and the source electrode 4 is suppressed by the pn junction and is reduced.
  • Fig. 4 shows the relationship between the drain-source voltage Vds and the leakage current Id during the HEMT off control.
  • the characteristic line A indicated by the solid line is that according to the first embodiment, and the characteristic line B indicated by the dotted line is the same as that of the first embodiment.
  • the leakage current Id sharply increases at about 40 V, but such an increase in the leakage current does not occur in the characteristic line A of the present embodiment.
  • the withstand voltage of the semiconductor device is determined based on the leakage current, so that the HEMT on the characteristic line B is a low withstand voltage element and the HEMT on the characteristic line A is a high withstand voltage element.
  • the buffer layer 2 including the first layer 8 made of A1N having a lattice constant between the values of silicon and GaN can satisfactorily inherit the crystal orientation of the silicon substrate 1.
  • a main semiconductor region 3 made of a nitride semiconductor containing at least Ga can be satisfactorily formed on one main surface of the buffer layer 2 with a uniform crystal orientation.
  • the flatness of the main semiconductor region 3 is improved, and the electrical characteristics of the HEMT are also improved.
  • a buffer layer is formed only on one main surface of the silicon substrate 1 at a low temperature using only a GaN semiconductor, the difference in lattice constant between silicon and GaN is large, and the upper surface of this buffer layer has excellent flatness.
  • the main semiconductor region 3 cannot be formed.
  • the buffer layer 2 including the first layer 8 composed of A1N and the second layer 9 composed of GaN has a higher crystal temperature than the low-temperature buffer layer composed of the conventional single layer of GaN or A1N. S ability to grow. For this reason, it is possible to satisfactorily decompose ammonia serving as a nitrogen source, and the buffer layer 2 becomes an amorphous layer. For this reason, the layer formed on the buffer layer 2 It is possible to sufficiently reduce the density of crystal defects in the epitaxial growth layer, that is, the main semiconductor region 3, and to prevent generation of a leak current. As a result, a HEMT with good pinch-off characteristics can be provided.
  • FIG. 5 and FIGS. 6 and 11 to be described later substantially the same parts as those in FIGS. 1 and 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • the buffer region 2a in FIG. 5 corresponds to the first layer 8 of the first embodiment in which the p-type impurity is also introduced, and the p-type first layer 8a in which the p-type impurity (Mg) is introduced. And a p-type second layer 9 into which p-type impurities have been introduced.
  • the buffer region 2a has an overall force type, and when the main semiconductor region 3 similar to FIG. 1 is formed on the buffer region 2a of FIG. 5, the buffer region 2a and the main region of FIG. A pn junction is generated between the electron transit layer 10 made of the n-like semiconductor in the semiconductor region 3 and the same as that of the electron transit layer 10, and a leak current is suppressed, and the same effect as in the first embodiment is obtained. Note that a pn junction can be obtained between the substrate 1 and the buffer region 2a by using the substrate 1 of the second embodiment as n-type silicon.
  • the lower plurality (for example, 18) of the plurality of second layers 9 containing the p-type impurity of the first embodiment do not contain the p-type impurity.
  • the upper two second layers 9 contain a p-type impurity
  • the lower second layer 9a does not contain a p-type impurity.
  • the first layer 8 does not contain a p-type impurity as in the first embodiment.
  • the main components of the first and second layers 8, 9, and 9a in FIG. 6 are the same as those in the first embodiment.
  • the second layer 9 containing a p-type impurity is disposed on the lower side, and the second layer 9a containing no p-type impurity is disposed on the upper side.
  • the main components of the first and second layers 8, 9, and 9a are the same as those in the first embodiment.
  • the crystallinity of the main semiconductor region 3 is improved.
  • the substrate 1 in FIG. 7 has been transformed into an n-type. Therefore, in Example 4 of FIG. 7, the leakage current is suppressed by the pn junction between the second layer 9 below the buffer region 2c and the first layer 8 adjacent thereto. In addition, the leakage current is also suppressed by the pn junction between the n-type substrate 1 and the buffer region 2c.
  • the second layer 9 containing a p-type impurity is disposed on the upper side and the lower side, and the second layer 9 containing no p-type impurity is provided therebetween.
  • Layer 9a is disposed. According to the fifth embodiment, the effect of suppressing the leakage current can be obtained as in the first embodiment. Note that, also in FIG. 8, since the substrate 1 is n-type, a pn junction also occurs between the n-type substrate 1 and the buffer region 2d.
  • FIG. 9 a MESFET of Example 6 will be described with reference to FIG. However, in FIG. 9, the substantially same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • an n-type main semiconductor region 3a for a MESFET which is composed of a GaN compound semiconductor layer doped with Si as an n-type impurity, is provided.
  • Other parts are the same as those shown in FIG. That is, in the MESFET of FIG. 9, the silicon substrate 1, the buffer layer 2, the source electrode 4, the drain electrode 5, the gate electrode 6, and the insulating film 7 have the same reference numerals in FIG. It is formed in the same manner as shown.
  • the n-type main semiconductor region 3a can be called a channel layer or an active layer, and is arranged on the buffer region 2.
  • the source electrode 4 and the drain electrode 5 are in ohmic contact with the n-type main semiconductor region 3a, and the gate electrode 6 is in Schottky barrier contact with the n-type main semiconductor region 3a.
  • the manufacturing method other than the main semiconductor region 3a composed of the GaN force for the MESFET of FIG. 9 is the same as that of the first embodiment.
  • the main semiconductor region 3a made of GaN, TMG gas, NH gas, and SiH (silane) gas were introduced into the reaction chamber used for forming the buffer region 2 for about 5 minutes.
  • the flow rate of the TMG gas that is, the supply amount of Ga is about 70 x mol / min
  • the flow rate of the NH gas that is, the supply amount of NH is 0.1 lmol / min.
  • the flow rate of the SiH gas that is, the supply amount of Si was set to 21 nmolZmin.
  • the MESFET of FIG. 9 has the same effect as the HEMT of FIG. That is, by using the configuration of FIG. 9 for the MESFET, the leakage current passing through the buffer region 2 can be reduced, the flatness and crystallinity of the main semiconductor region 3a can be improved, and the characteristics of the MESFET can be improved. Yes.
  • FIG. 10 shows a part of the buffer area 2e including In according to the seventh embodiment which can be used for devices such as HEMT and MESFET.
  • In (indium) is added to one or both of the first layer 8 'and the second layer 9' of the buffer region 2e.
  • composition of the first layer 8 ' is represented by the following chemical formula.
  • the first layer 8 ' according to the above chemical formula is, for example, ⁇ (indium aluminum nitride), AlGalnN (gallium indium aluminum nitride), A1N (aluminum nitride), or AlGaN (gallium aluminum nitride).
  • the first layer 8 of the embodiment 7 in FIG. 10 is made of AlInGaN corresponding to a material in which X is 0.5 and y is 0.01 in the above formula.
  • the lattice constant and the coefficient of thermal expansion of the first layer 8 ′ containing aluminum are the same as those of the silicon substrate 1 and the semiconductor. It has a value between the lattice constant and the coefficient of thermal expansion of region 3 or 3a.
  • the second layer 9 ′ of the buffer region 2 e in FIG. 10 is made of a p-type semiconductor doped with a p-type impurity.
  • the composition of the second layer 9 ' is represented by the following chemical formula.
  • the second layer 9 ′ according to the above chemical formula is, for example, AlInGaN, or InGaN, or InN, or ⁇ , or GaN, or AlGaN.
  • the second layer 9 'of the embodiment 7 in FIG. 10 is made of Al In GaN corresponding to the material in the above formula where a is 0.05 and b is 0.35.
  • the gap between the valence band and the conduction band of the second layer 9 ′, that is, the band gap is smaller than the band gap of the first layer 8.
  • the first layer 8 ′ made of an n-like semiconductor is made of Al In Ga N and contains p-type impurities.
  • a silicon single crystal substrate 1 is placed in a reaction chamber of a MOCVD apparatus, and thermal oxidizing is performed to remove an oxide film on the surface.
  • TMA trimethylal
  • a first layer 8 'of about 50 angstroms of Al In GaN is formed.
  • TMA gas, TMG gas, and TMIn gas are stopped, and the heating temperature of substrate 1 is reduced to 750 ° C. Thereafter, TMA gas, TMG gas, TMIn gas, CP Mg gas, and NH (ammonia)
  • a gas is supplied for about 83 seconds to form a second layer 9 'having an Al In GaN force having a thickness T2 of 30 nm, or 300 ⁇ , on the upper surface of the first layer 8'.
  • T2 thickness of 30 nm, or 300 ⁇
  • the formation of the layer 9 'of 0.5 0.01 0.49 0.05 0.35 0.6 is repeated 10 times to form a buffer region 2e in which 20 layers of the first layer 8' and the second layer 9 'are alternately laminated.
  • the first layer 8 ′ and the second layer 9 ′ can be changed to any number such as 50 layers.
  • the buffer region 2e of the seventh embodiment shown in FIG. 10 has a pn junction between the first layer 8 'made of an n-like semiconductor and the second layer 9' made of a p-type semiconductor, Since the buffer region 2e contains indium, the buffer region 2e does not include indium, and the thermal expansion coefficient of the buffer region 2e is smaller than that of the silicon substrate. Approximate to 1 It has the effect of being able to give S.
  • the force S in which both the first layer 8 'and the second layer 9' of the buffer region 2e contain an indium, the first layer 8 'and the second layer Indium can also be included in only one of the above.
  • FIG. 11 shows a part of a buffer region 2f including B (boron) according to the eighth embodiment that can be used for devices such as HEMTs and MESFETs.
  • the buffer region 2f in FIG. 11 is composed of an alternate layered structure of a first layer 8 "made of n-like semiconductor and a second layer 9" made of p-type semiconductor. B (boron) is added to one or both of the first layer 8 "and the second layer 9".
  • the composition of the first layer 8 is represented by the following chemical formula:
  • the first layer 8 ′′ according to the above chemical formula is, for example, A1N (aluminum nitride), AlGaN (gallium aluminum nitride), A1BN (boron aluminum nitride), or AlBGaN (gallium boron aluminum nitride).
  • the first layer 8 ′′ of the eighth embodiment is made of AlGaN with the X force 5 and the y force SO in the above formula. Lattice constant and thermal expansion of the first layer 8 "
  • the tension coefficient is closer to the silicon substrate 1 than to the second layer 9 ".
  • composition of the second layer 9 is represented by the following chemical formula.
  • the second layer 9 "according to the above chemical formula is, for example, AlBGaN (gallium boron nitride aluminum), or BN (boron nitride), or GaN (gallium nitride), or AlGaN (gallium aluminum nitride), or A1BN (nitride nitride).
  • the second layer 9 "in the embodiment of FIG. 11 is a BGa layer corresponding to a material in which a is 0 and b is 0.3 in the above formula. Consists of N.
  • the band gap is smaller than the band gap of the first layer 8 ".
  • a silicon single crystal substrate 1 is placed in a reaction chamber of a MOCVD apparatus, and thermal annealing is performed to remove an oxide film on the surface.
  • TMA trimethylaluminum
  • TMG trimethylgallium
  • NH ammonia
  • TMA gas is stopped, the heating temperature of the substrate 1 is reduced to 1120 ° C, and then TEB (triethylporone) gas is supplied.
  • TMG gas, CP Mg gas and NH (ammonia) gas for about 85 seconds
  • an n-type BGa having a thickness T2 of 30 nm or 300 angstroms is formed on the top surface of the first layer 8 ".
  • the second layer 9 "made of N is formed.
  • the formation of the first layer 8" made of AlGaN and the second layer 9 "made of BGaN are repeated 50 times.
  • the first layer 8 "b and the second layer 9" b alternately form a buffer layer 2b in which a total of 100 layers are laminated.
  • the first layer 8 "b and the second layer 9" The number can be changed to any number such as 25 layers.
  • the buffer region 2f in FIG. 11 has a pn junction between the n-like first layer 8 ′′ and the p-type second layer 9 ′′, the buffer region 2f has the same effect as the buffer region 2 in FIG.
  • the second layer 9 "contains boron
  • the second layer 9" is more robust than the case where it does not contain boron, preventing the occurrence of cracks and preventing the second layer 9 ". Can be formed relatively thick.
  • the buffer region thereunder can be an n-type.
  • the main semiconductor region in contact with the p-type buffer region can be an n-type region doped with an n-type impurity.
  • the first layers 8, 8 ', 8 "adjacent to the p-type second layers 9, 9', 9" of the buffer region 2-2f are formed as n-type semiconductor layers doped with n-type impurities. can do
  • a second layer doped with a smaller amount of p-type impurities than the level that converts to p-type can be provided.
  • the first layer 8 of the buffer region 2-2f can also be doped with a p-type impurity, and thus the first and second layers made of an n-like semiconductor material are slightly doped with a p-type impurity. Then, to p-type Although the conversion is not performed, the resistance values of the first and second layers are increased, and the effect of suppressing the leakage current is obtained.
  • the present invention can be used for semiconductor devices such as HEMTs, MESFETs, and insulated gate field effect transistors.

Abstract

シリコンから成る基板（１）の上にＡｌＮから成る第１の層（８）とＧａＮから成る第２の層（９）とを交互に複数積層した構造のバッファ領域（２）が設けられている。バッファ領域（２）の第１の層（８）はｎ型半導体としての機能をする。バッファ領域（２）の第２の層（９）にｐ型不純物が導入されている。バッファ領域（２）の第１の層（８）と第２の層（９）との間にｐｎ接合が生じている。バッファ領域（２）の上にＨＥＭＴ素子用の窒化ガリウム系半導体領域３が形成されている。バッファ領域（２）ｐ型半導体として機能する第２の層（９）とｎ型半導体として機能する半導体領域３との間にｐｎ接合が生じる。ｐｎ接合はＨＥＭＴのリーク電流の低減に寄与する。

Description

明 細 書
半導体装置及びその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、リーク電流の小さい MESFETや HEMT等の窒化物半導体装置及びその製 造方法に関する。
背景技術
[0002] 窒化ガリウム系化合物半導体を用いたメタル ·セミコンダクタ電界効トランジスタ即ち MESFET (Metal Semiconductor Filed Effect Transistor)や高電子移動度トランジスタ 即ち HEMT (High Electron Mobility Transistor)等の半導体デバイスは公知である。
[0003] 従来の典型的な窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体デバイスにおいては、 サファイア基板の上にバッファ領域を介して窒化ガリウム系化合物半導体が形成され ている。しかし、サファイア基板は硬度が高いため、このダイシング等を生産性良く行 うことが困難であり、且つ高価である。サファイア基板の欠点を解決すためにシリコン 又はシリコンィ匕合物から成る基板を使用することが日本の特開 2003-59948号公報 (以下特許文献 1と言う）に開示されている。
[0004] シリコン又はシリコン化合物から成る基板は、サファイア基板に比べて熱伝導率が高 いので、デバイスの動作中に発生する熱を十分に放出することができ、デバイスの利 得等の諸特性を向上させることができる。前記特許文献 1には、シリコン又はシリコン 化合物から成る基板の上に複数の第 1及び第 2の層から成り、第 1の層と第 2の層と が交互に積層されたバッファ領域を形成し、このバッファ領域の上に半導体素子の 主要部分としての窒化物半導体層を形成することが開示されている。上記バッファ領 域の第 1の層は、例えば Al Ga Ν、（0 < χ≤1)力 成り、第 2の層は例えば GaNか
1
ら成る。
[0005] 前記特許文献 1に示すようにバッファ領域を多層構造にすると、次の効果が得られる
(1) バッファ領域は、基板と窒化ガリウム系化合物半導体との間の格子定数を有す るので、基板の結晶方位を良好に引き継ぐことができる。この結果、ノくッファ領域の上 面に窒化ガリウム系化合物半導体領域を結晶方位を揃えて良好に形成することがで きる。このため、バッファ領域上の半導体領域の平坦性が良くなり、半導体素子の電 気的特性が良好に得られる。
(2)バッファ領域を Al Ga Ν (0 < χ≤1)と GaNとを交互に積層して形成した場合に
1- は、 Al Ga Nや GaNの単一層から構成される低温バッファ領域に比較して比較的
1
高温で結晶成長させることができ、ノ ッファ領域がアモルファス状になり難レ、。このた め、バッファ領域上に形成されるェピタキシャル層即ち半導体素子用の主半導体領 域の結晶欠陥密度を減少することができ、リーク電流の発生を抑制できる。
特許文献 1 :特開 2003 - 59948号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] し力、しながら、シリコン又はシリコン化合物力、ら成る基板は低抵抗性基板であるため、 上述のように低抵抗性基板の上に多層構造のバッファ領域を介して窒化物系化合 物半導体領域を形成した HEMT等のデバイスにおいては、ノ ッファ領域側にリーク 電流が流れ易いという問題があった。即ち、 HEMTのゲート電極にオン電圧を印加 しない状態においても、ドレイン 'ソース間にバッファ領域、又はバッファ領域と低抵 抗性基板との両方を介してリーク電流が流れ、このリーク電流に基づく電力損失又は デバイス特性低下が生じる。また、半導体デバイスの耐圧力 Sリーク電流の大きさを基 準にして決定される場合があり、この場合には必然的にデバイスの耐圧が低くなる。
[0007] このリーク電流を低減する方法として、バッファ領域を構成する Al Ga Nを絶縁性の
1
大きい A1N層とし、この厚みを増加することが考えられる。しかし、 A1N層の厚みを増 大すると、 A1N層と GaN層との間の格子の不整合、及び A1N層と基板との間の熱膨 張係数の差に起因して A1N層内に発生する引っ張り歪によってバッファ領域やその 上に形成されるェピタキシャル層にクラックが発生する虞がある。上述のような問題は HEMTに限らず、これに類似の半導体装置にぉレ、てもある。
[0008] そこで、本発明の目的は、上述の問題点を解決できる MESFETや HEMT等の半導体 装置及びその製造方法を提供することにある。
課題を解決するための手段 [0009] 上記課題を解決し、上記目的を達成するための本発明は、シリコン、又は例えば SiC 及び多結晶シリコン等のシリコン化合物から成る基板と、前記基板の一方の主面上 に配置され窒化物半導体から成るバッファ領域と、 HEMT、 MESFET及び電界効果 トランジスタ等の窒化物半導体素子の主要部を構成するためのものであって、前記 バッファ領域の上に配置された少なくとも 1つの窒化物半導体層を含んでいる主半導 体領域と、前記主半導体領域の表面上に配置された少なくとも第 1及び第 2の主電 極とを備え、前記バッファ領域の中、又は前記バッファ領域と前記主半導体領域との 間、又はこれ等の両方に pn接合が形成されていることを特徴とする半導体装置に係 るものである。
[0010] 上記発明と同一の目的を達成するための本願の別な発明は、 シリコン又はシリコン 化合物から成る基板と、前記基板の一方の主面上に配置された窒化物半導体から 成るバッファ領域と、前記バッファ領域の上に配置された少なくとも 1つの窒化物半導 体層を含んでいる主半導体領域と、前記主半導体領域の表面上に配置された少なく とも第 1及び第 2の主電極とを備え、前記バッファ領域の少なくとも一部に p型不純物 が導入されており、且つ前記バッファ領域は p型不純物が導入される前の状態にお いて、不純物がドーピングされた n型窒化物半導体、又は不純物がドーピングされて レ、ないが n型と同様な作用を有する窒化物半導体力 成ることを特徴とする半導体装 置に係るものである。
この別な発明の半導体装置の P型不純物が導入された前記バッファ領域の少なくとも 一部は、 p型半導体であっても良いし、前記バッファ領域に含まれる n型不純物が p型 不純物で相殺された高抵抗半導体であっても良い。
[0011] 前記バッファ領域は、アルミニウムを所定の割合で含む窒化物半導体から成る複数 の第 1の層と、アルミニウムを含まない又はアルミニウムを前記第 1の層よりも小さい割 合で含む窒化物半導体力 成る複数の第 2の層とから成り、前記第 1の層と前記第 2 の層とが交互に積層されていることが望ましい。
[0012] 前記第 1の層の好ましい材料は次の化学式で示される。
Al M Ga N ここで、前記 Mは、 In (インジウム）と B (ボロン）とから選択された少
1
なくとも 1種の元素、前記 X及び yは、 0< x≤l、 0≤y< l、 x +y≤lを満足する数値 である。
[0013] 前記第 2の層の好ましい材料は次の化学式で示される。
AI M Ga N ここで、前記 Mは In (インジウム）と B (ボロン）と力ら選択された少なく a b 1-a-b
とも 1種の元素、前記 a及び bは、 0≤a< l , 0≤b< l , a + b≤l, a<xを満足させる 数値である。
[0014] 前記第 1の層のより好ましい材料は、 Al Ga Nであり、前記第 2の層のより好ましレ、
1—
材料は、 Al Ga Nである。
a 1- a
[0015] 前記バッファ領域の熱膨張係数を前記基板の熱膨張係数に近づけるために、前記 第 1及び第 2の層の少なくとも一方に In (インジウム）を含めることができる。
[0016] 前記バッファ領域のクラックを防ぐために、前記第 1及び第 2の層の少なくとも一方に
B (ボロン）を含めること力できる。
[0017] pn接合の形成のため又はバッファ領域の高抵抗化のために、前記バッファ領域の複 数の前記第 2の層の一部又は全部に p型不純物を導入することができる。
[0018] pn接合の形成のため又はバッファ領域の高抵抗化のために、前記バッファ領域の複 数の前記第 1の層の一部又は全部に p型不純物を導入することができる。
[0019] 前記主半導体領域と前記バッファ領域との間に pn接合を形成するため又はバッファ 領域の高抵抗化のために、前記バッファ領域の複数の前記第 1の層と複数の前記第
2の層との全てに p型不純物を導入することができる。
[0020] 前記バッファ領域における前記第 1の層の厚みが 0. 5nm— 50nm、及び前記第 2の 層の厚みが 0. 5nm— 200nmであることが望ましい。
[0021] 前記主半導体領域の前記窒化物半導体層は、 GaN (窒化ガリウム)層、 ΑΠηΝ (窒 ィ匕インジウム アルミニウム）層、 AlGaN (窒化ガリウム アルミニウム）層、 InGaN (窒 化ガリウム インジウム）層、及び AlInGaN (窒化ガリウム インジウム アルミニウム） 層力 選択された窒化ガリウム系化合物半導体層又は窒化インジウム系化合物半導 体層であることが望ましい。
[0022] 前記半導体装置は、更に、前記第 1の主電極と前記第 2の主電極との間の電流を制 御する制御電極を有し、前記主半導体領域は、前記制御電極で制御される半導体 スィッチ素子を形成するための領域であることが望ましい。 [0023] 前記半導体装置を製造する方法は
シリコン又はシリコン化合物から成る基板を用意する工程と、前記基板の上に気相成 長法によって窒化物半導体から成るバッファ領域を成長させると共に、前記バッファ 領域の少なくとも 1部に P型不純物を導入する工程と、 前記バッファ領域の上に少な くとも 1つの窒化物半導体層を含んでいる主半導体領域を気相成長法によって形成 する工程とを有することが望ましレ、。
発明の効果
[0024] 各請求項の発明によれば、第 1及び第 2の主電極間に印加された電圧に基づいて、 バッファ領域、又はバッファ領域及び基板を通って流れる電流を低減することができ る。即ち、バッファ領域の中、又はバッファ領域と主半導体領域との間、又はこれ等の 両方に pn接合が形成されているので、 pn接合によってリーク電流が低減される。 また、バッファ領域への p型不純物の導入量が少なレ、ために pn接合が生じなレ、場 合であっても、 p型不純物によって n型不純物を相殺してバッファ領域を高抵抗化す ること力 Sでき、リーク電流が低減される。
バッファ領域を多層構造に形成すると、主半導体領域のクラックの防止、平坦性の 改善等を良好に維持しつつリーク電流を低減できる。
本願の方法の発明によれば、リーク電流の小さい半導体装置を安価且つ容易に形 成すること力 Sできる。
図面の簡単な説明
[0025] [図 1]図 1は本発明の実施例 1に従う HEMTの一部を概略的示す中央縦断面図で ある。
[図 2]図 2は図 1の HEMTの平面図である。
[図 3]図 3は図 1の HEMTの構造の一部を製造工程順に拡大して示す断面図である
[図 4]図 4は実施例 1及び従来例の HEMTのドレン'ソース間電圧とリーク電流の関 係を示す特性図である。
[図 5]図 5は実施例 2のバッファ領域の一部を示す断面図である。
[図 6]図 6は実施例 3のバッファ領域の一部を示す断面図である。 [図 7]図 7は実施例 4のバッファ領域の一部を示す断面図である。
[図 8]図 8は実施例 5のバッファ領域の一部を示す断面図である。
[図 9]図 9は本発明の実施例 6に従う MESFETの一部を概略的示す中央縦断面図 である。
[図 10]図 10は実施例 7のバッファ領域の一部を示す断面図である。
[図 11]図 11は実施例 8のバッファ領域の一部を示す断面図である。
符号の説明
[0026] 1 シリコン単結晶から成る基板、 2— 2f バッファ領域、 8、8a、8，、8" 第 1の層、
9、9a、9'、9" 第 2の層、 3、 3a 半導体領域
発明を実施するための最良の形態
[0027] 次に、図 1一図 11を参照して本発明の実施形態を説明する。
実施例 1
[0028] 図 1に示す本発明の実施例 1に係る窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体装 置としての HEMTは、シリコンから成るサブストレート即ち基板 1とバッファ領域 2と半導 体素子としての HEMT素子の主要部を形成するための主半導体領域 3と第 1の主電 極としてのソース電極 4と第 2の主電極としてのドレイン電極 5と制御電極としてのゲー ト電極 6と絶縁膜 7とから成る。
[0029] 基板 1は、導電型決定不純物として B (ボロン)等の 3族元素を含む p型シリコン単結 晶力 成る。この基板 1のバッファ領域 2が配置されている側の主面 laは、ミラー指数 で示す結晶の面方位において（111)ジャスト面である。この基板 1の不純物濃度は、 基板 1を通るリーク電流を低減させるために比較的低い値、例えば 1 X 1012cm 3— 1 X 1014cm— 3程度であり、この基板 1の抵抗率は比較的高い値、例えば 100 Ω ' cm— 10000 Ω ' cm程度である。基板 1は、バッファ領域 2と HEMT素子を形成するための主 半導体領域 3との合計の厚みよりも厚い約 500 z mの厚みを有し、主半導体領域 3 及びバッファ領域 2の支持体として機能する。なお、基板 1に p型不純物の代わりに n 型不純物を導入すること、又は不純物非ドープとすることができる。
[0030] 基板 1の一方の主面全体を被覆するように配置されたバッファ領域 2は、複数の第 1 の層 8と複数の第 2の層 9とが積層された複合層力 成る。図 1では、図示の都合上、 バッファ層 2の一部のみが示されている力 実際には、バッファ領域 2は、 20個の第 1 の層 8と 20個の第 2の層 9とを有する。なお、第 1及び第 2の層 8、 9のそれぞれの数を 好ましくは 2— 200、より好ましくは 20— 80から選択された任意の数に決定できる。
[0031] バッファ領域 2の第 1の層 8は、少なくとも A1 (アルミニウム）を所定の割合で含む窒化 物半導体から成る。不純物を無視した第 1の層 8の好ましい組成は次の化学式で示 される。
Al M Ga N
1
ここで、前記 Mは、 In (インジウム）と B (ボロン）とから選択された少なくとも 1種の元素 、前記 X及び yは 0< x≤l、 0≤y< l、 x + y≤ 1を満足する数値である。
上記化学式に従う第 1の層 8の好ましい材料は、例えば A1N (窒化アルミニウム)、又 は AlGaN (窒化ガリウム アルミニウム）、又は AlInGaN (窒化ガリウム インジウム アルミニウム）、又は AlBGaN (窒化ガリウム ボロン アルミニウム）、又は AlInBGaN (窒化ガリウム ボロン インジウム アルミニウム）、又は ΑΠηΝ (窒化 インジウム ァ ルミ二ゥム）、又は A1BN (窒化ボロン アルミニウム）、又は ΑΙΙηΒΝ (窒化ボロン イン ジゥム アルミニウム）である。
[0032] 第 1の層 8が B (ボロン）及び In (インジウム）を含まない場合の第 1の層 8の組成は次の 化学式で示される。
Al Ga N ここで、 Xは 0< χ≤1を満足する任意の数値である。
1- この式で Xが 1の場合の第 1の層 8は、 A1N (窒化アルミニウム）から成る。
[0033] 第 1の層 8は、 n型半導体層、又は n型不純物が導入されていないにも拘わらず n型と 同様な作用を有する nライク半導体層であり、且つ比較的高い絶縁性を有する。第 1 の層 8の格子定数及び熱膨張係数は第 2の層 9よりもシリコン基板 1に近レ、。この第 1 の層 8の格子定数は第 2の層 9の格子定数よりも小さいことが望ましい。この実施例 1 の変形例として、リーク電流の抑制を目的としてバッファ領域 2と主半導体領域 3との 間に pn接合を形成する場合には、第 1の層 8にも p型不純物が導入される。
[0034] バッファ領域 2の第 1の層 8の好ましい厚みは、 0.5nm 50nm即ち 5— 500オングス トロ—ムである。第 1の層 8の厚みが 0.5nm未満の場合にはバッファ領域 2の上面に形 成される主半導体領域 3の平坦性が良好に保てなくなる。第 1の層 8の厚みが 50nm を超えると、第 1の層 8と第 2の層 9との格子の不整合、及び第 1の層 8と基板 1との間 の熱膨張係数の差に起因して第 1の層 8内に発生する引っ張り歪みにより、第 1の層 8内にクラックが発生する恐れがある。
[0035] 第 2の層 9は、 A1を含まないか又は A1を第 1の層 8よりも少ない割合で含む p型窒化 物半導体から成る。不純物を無視した第 2の層 9の好ましい組成は次の化学式で示 される。
AI M Ga
a b 1-a-bN
ここで、前記 Mは In (インジウム）と B (ボロン）とから選択された少なくとも 1種の元素、 前記 a及び bは、 0≤a< l、 0≤b< l、 a + b≤l、 aく xを満足させる数値である。
[0036] 上記化学式に従う第 2の層 9の好ましい材料は、例えば GaN (窒化ガリウム)又は A1G aN (窒化ガリウム アルミニウム）、又は AlInGaN (窒化ガリウム インジウム アルミ二 ゥム）、又は AlBGaN (窒化ガリウム ボロン アルミニウム）又は AlInBGaN (窒化ガリ ゥム ボロン インジウム アルミニウム）、又は AlInN (窒化 インジウム アルミニウム )、又は A1BN (窒化ボロン アルミニウム）、又は AlInBN (窒化ボロン インジウム ァ ルミ二ゥム）、又は InGaN (窒化ガリウム インジウム）、又は BGaN (窒化ガリウム ボ ロン）、又は InBGaN (窒化ガリウム ボロン インジウム）、又は InN (窒化 インジウム )、又は BN (窒化ボロン）又は InBN (窒化ボロン インジウム）ある。
[0037] 図 1及び図 2の実施例 1の第 2の層 9には、 p型不純物が導入されている。この p型不 純物は、第 2の層 9と後述する nライクの電子走行層 11との間、及び第 1及び第 2の層 8、 9間に pn接合を生じさせるために導入されてレ、る。
[0038] 第 2の層 9が B (ボロン）及び In (インジウム）を含まない場合の第 2の層 9の組成は次の 化学式で示される。
Al Ga N ここで、 yは、 yく x、 0≤y< 1を満足する任意の数値である。上記化学 y i-y
式においてる y = 0の場合には、第 2の層 9は GaNから成る。
[0039] 第 2の層 9が A1 (アルミニウム）を含む場合には、 A1 (アルミニウム）の増大により発生 する恐れのあるクラックを防ぐために A1 (アルミニウム）の割合を示す yの値を 0く yく 0. 8を満足する値即ち 0よりも大きく且つ 0. 8よりも小さくすることが望ましい。また、 第 2の層 9の A1の割合は、第 1の層 8の A1の割合よりも小さいことが望ましい。 [0040] 第 2の層 9の好ましい厚みは、 0· 5nm— 200nm即ち 5— 2000オングスト口—ムであ る。第 2の層 9の厚みが 0. 5nm未満の場合には、第 1の層 8、及びバッファ領域 2上 に成長される主半導体領域 3を平坦に成長させることが困難になる。また、第 2の層 9 の厚みが 200nmを超えると、第 2の層 9と第 1の層 8との組合せによる応力緩和効果 が損なわれ、クラックが発生するおそれがある。
更に好ましくは、第 2の層 9の厚み T2を第 1の層 8の厚み T1より大きくするのがよい。 このようにすれば、第 1の層 8と第 2の層 9との間の格子の不整合及び第 1の層 8と基 板 1との間の熱膨張係数の差に起因して第 1の層 8に発生する歪の大きさを第 1の層 9にクラックが発生しない程度に抑えること、及び後述する電子走行層 11の電子濃度 を高濃度に保つことにおいて有利になる。
[0041] 周知の HEMTを形成するための主半導体領域 3は、例えば不純物非ドープの GaN 力 成る電子走行層 10と、例えば非ドープの Al Ga Nから成るスぺーサ層 11と、例 えば n型不純物として Siがドープされている n型 Al Ga Nから成る電子供給層 12とを 有している。この主半導体領域 3の各層 10、 11、 12は窒素とガリウムをベースとした 窒化ガリウム系化合物半導体から成ることが望ましい。バッファ領域 2の上に配置され た電子走行層 10はチャネル層とも呼ぶことができるものであり、例えば、 500nmの厚 みを有する。この電子走行層 10は好ましくは不純物非ドープの GaNから成る力 n型 の作用を有する nライク半導体層として機能する。この nライクの電子走行層 10は p型 不純物が導入された第 2の層 9に隣接しているので、両者の間にリーク電流抑制の p n接合が生じている。
[0042] 電子走行層 10の上に配置されたスぺーサ層 11は例えば 7nmの厚みを有し、電子 供給層 12の n型不純物としてのシリコンが電子走行層 10に拡散することを抑制する
。なお、このスぺーサ層 11を省いた構成にすることもできる。
[0043] スぺーサ層 11の上に配置された n型の電子供給層 12はドナー不純物（n型不純物） 力 発生した電子を電子走行層 10に供給するものであって、例えば 30nmの厚みを 有する。
[0044] ソース電極 4及びドレイン電極 5は電子供給層 12にォーミック接触し、ゲート電極 6は 電子供給層 12にショットキー接触している。なお、ソース電極 4及びドレイン電極 5と 電子供給層 12との間に n型不純物濃度の高いコンタクト層を設けることができる。 Si O力 成る絶縁膜 7は主半導体領域 3の表面を覆っている。なお、バッファ領域 2と
2
電子走行層 10との間に電子供給層 12と同様な機能を有する電子供給層を設けるこ とができる。
[0045] 電子供給層 12及びスぺーサ層 11は極く薄い膜であるので、横方向には絶縁物とし て機能し、縦方向には導電体として機能する。従って、 HEMTのドレイン電極 5にソ ース電極 4よりも高い電圧が印加され且つゲート電極 6に HEMTをオンにする制御 電圧が印加された時に、ソース電極 4、電子供給層 12、スぺーサ層 11、電子走行層 10、スぺーサ層 11、電子供給層 12、ドレイン電極 5の経路で電子が流れる。この電 子の流れ即ち電流の流れはゲート電極 6に印加される制御電圧で調整される。グー ト電極 6に HEMTをオンにする制御電圧が印加されていないオフ期間にはソース電 極 4とドレイン電極 5との間にリーク電流が流れる。リーク電流は本発明によって低減 される。
[0046] 次に、バッファ層 2における第 1の層 8が AIN、第 2の層 9が p型不純物を含む GaNと された HEMTの製造方法を説明する。まず、図 3 (A)に示す p型不純物が導入され た p型シリコン半導体力 成る基板 1を用意する。バッファ層 2を形成する側のシリコン 基板 1の一方の主面 laは、ミラー指数で示す結晶の面方位において（111)ジャスト 面、即ち正確な（111)面である。し力し、図 3において 0で示す（111)ジャスト面に対 して- θ—+ Θで示す範囲で基板 1の主面 laを傾斜させることができる。 - Θ— + Θの 好ましく範囲は- 4° 一 +4° であり、より好ましくは- 3° — +3° であり、最も好ましい 範囲は一 2° — +2° である。シリコン基板 1の主面 laの結晶方位を、（111)ジャスト 面又は（111)ジャスト面からのオフ角度が小さい面とすることによって、バッファ領域 2及び主半導体領域 3をェピタキシャル成長させる際の原子レベルでのステップを無 くすこと又は小さくすることができる。
[0047] 次に、図 3 (B)に示すように基板 1の主面 la上に、ェピタキシャル成長法の一種であ る周知の MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor D印 osition)即ち有機金属化 学気相成長法によって A1Nから成る第 1の層 8と p型 GaNから成る第 2の層 9とを繰返 して積層することによってバッファ領域 2を形成する。即ち、 HF系エツチャントで前処 理した p型シリコン単結晶基板 1を MOCVD装置の反応室内に配置し、まず、 1120 °Cで約 10分間のサーマルアニーリングを施して表面の酸化膜を除去する。次に、反 応室内に TMA (トリメチルアルミニウム）ガスと NH (アンモニア）ガスを約 65秒間供 給して、基板 1の一方の主面に厚さ約 10nmの A1N層から成る第 1の層 8を形成する 。本実施例では TMAガスの流量即ち A1の供給量を約 63 x molZmin、 NH ガス の流量即ち NH の供給量を約 0. 14molZminとした。続いて、 TMAガスの供給を 止めてから反応室内に TMG (トリメチルガリウム）ガスとビスシクロペンタジェ二ルマグ ネシゥムガス即ち Cp Mgガスと NH (アンモニア）ガスとを約 90秒間供給して、基板
1の一方の主面に形成された上記 A1N力、ら成る第 1の層 8の上面に、厚さ約 30nmの p型の GaNから成る第 2の層 9を形成する。本実施例では、 TMGガスの流量即ち Ga の供給量を約 60 μ mol/min、 Cp Mgガスの流量即ち Mgの供給量を約 0. Ι μ τηο
1/min, NH ガスの流量即ち NH の供給量を約 0. 14mol/minとした。本実施例 では、上述の A1Nから成る第 1の層 8と p型の GaNから成る第 2の層 9の形成を 20回 繰り返して A1Nから成る第 1の層 8と p型の GaNから成る第 2の層 9との合計で 40層が 積層されたバッファ層 2を得る。勿論 A1Nから成る第 1の層 8、 GaNから成る第 2の層 9をそれぞれ 50層等の任意の数に変えることもできる。 p型不純物は Mgに限定され るものでなぐ Mg以外の 2族の元素、例えば Zn, Sr, Ca, Be, Ba, Cd, Ra等力ら選 択すること力 Sできる。
[0048] 次に、バッファ領域 2の上面に周知の MOCVD法によって主半導体領域 3を形成す る。即ち、上面にバッファ領域 2が形成された基板 1を MOCVD装置の反応室内に 配置して、反応室内にまずトリメチルガリウムガス即ち TMGガス及び NH (アンモニ ァ）ガスを 10分間供給してバッファ領域 2の上面に約 500nmの厚みの非ドープ GaN 即ち導電型決定不純物を含まない GaNから成る電子走行層 10を形成する。この電 子走行層 10は n型と同様な作用を有する nライク半導体層である。本実施例では TM Gガスの流量即ち Gaの供給量を約 70 x mol /min、 NH ガスの流量即ち NH の 供給量を約 0. l lmol Zminとした。
[0049] 次に、反応室内に TMAガスと TMGガスとアンモニアガスを 32秒間供給して電子走 行層 10の上面に非ドープ即ち導電型決定不純物を含まない Al Ga Nから成るス ぺーサ層 11を 7nmの厚みに形成する。本実施例では、 TMAガスの流量即ち A1の 供給量を約 5.8 μ mol/min、 TMGガスの流量を約 17 μ mol /min、 NHガスの流 量を約 0· 11 mol /minとした。
[0050] 次に、約 15秒間結晶成長を中断した後、反応室内に TMAガスと TMGガスとアンモ ユアガスと SiH (シラン）ガスを約 138秒間供給してスぺーサ層 11の上面に n型不純 物を含む Al Ga Nから成る電子供給層 12を約 30nmの厚みに形成する。本実施 例では、この時の TMAガスの流量を約 5.8 μ mol/min、 TMGガスの流量を約 17 μ mol /min,アンモニアガスの流量を約 0. 11 mol /min, SiHガスの流量を約 21 nmol / minとした。
[0051] その後、半導体領域 3及びバッファ領域 2の形成されたシリコン基板 1を MOCVD装 置から取り出し、周知のプラズマ CVDによって主半導体領域 3の全面にシリコン酸化 膜から成る絶縁膜 7を形成する。絶縁膜 7の厚みは、約 250nmとする。
[0052] 図 1には 1個の HEMTが示されている力 この製造時には 1枚の半導体ウェハ即ち 基板 1を使用して多数の HEMTを同時に作る。このため、フォトリソグラフィ一により、 塩素（C1 )と塩素系混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、主半導体領域
3及びバッファ層 2の素子分離領域をシリコン基板 1に至るまでエッチングし、 HEMT の素子分離を行う。このようにシリコン基板 1を残した状態に素子分離すると、各素子 領域の電気的特性等を他の素子の影響を受けることなしに良好に検査することがで きる。
[0053] 次に、フォトリソグラフィ一とフッ酸系エツチャントを使用して、絶縁膜 7にソース電極及 びドレイン電極形成用の開口を形成した後、電子ビーム蒸着等を用いて Ti (チタン） と A1 (アルミニウム）を順次積層形成し、リフトオフしてソース電極 4、ドレイン電極 5を 形成する。ゲート電極を形成する時も、同様な手順で絶縁膜 7に開口を形成し、電子 ビーム蒸着によって Pd (パラジウム）， Ti (チタン）， Au (金）を蒸着し、リフトオフしてシ ヨットキバリア電極としての機能を有するゲート電極 6を形成する。
その後、周知のダイシング工程等により、ェピタキシャルウェハを素子分離領域で切 断分離して個別化した半導体装置 (HEMTチップ)を完成させる。
[0054] 本実施形態の HEMTによれば、次の効果が得られる。 (1) バッファ領域 2の第 2の層 9に p型不純物としての Mgが導入されているので、 n ライクの第 1の層 8と p型の第 2の層 9との間に pn接合が生じる。また、 nライクの電子 走行層 10と p型の第 2の層 9との間にも pn接合が生じる。従って、 HEMTがオフ制御 されている期間にソース電極 4とドレイン電極 5との間に印加される電圧によってソー ス電極 4とドレイン電極 5の間に流れるリーク電流 Idが小さくなる。即ち、例えばドレイ ン電極 5が正、ソース電極 4が負の時に、ドレイン電極 5、電子供給層 12、スぺーサ層 11、電子走行層 10、バッファ領域 2又はバッファ領域 2と基板 1、電子走行層 10、ス ぺーサ層 11、電子供給層 12及びソース電極 4から成る経路に流れるリーク電流が p n接合によって抑制されて小さくなる。
図 4は HEMTのオフ制御時におけるドレイン 'ソース間電圧 Vdsとリーク電流 Idとの 関係を示し、実線で示す特性線 Aは実施例 1に従うもの、点線で示す特性線 Bは実 施例 1と同一の構造においてバッファ領域 2に p型不純物を導入しなかったものを示 す。従来装置の特性線 Bでは、約 40Vでリーク電流 Idが急激に大きくなつているが本 実施例の特性線 Aではこのようなリーク電流の増大が生じない。一般に半導体装置 の耐圧はリーク電流を基準にして決定されるので、特性線 Bの HEMTは低耐圧素子 となり、特性線 Aの HEMTは高耐圧素子となる。
(2) 格子定数がシリコンと GaNとの間の値を有する A1Nから成る第 1の層 8を含むバ ッファ層 2は、シリコン基板 1の結晶方位を良好に引き継ぐことができる。この結果、バ ッファ層 2の一方の主面に、少なくとも Gaを含む窒化物半導体から成る主半導体領 域 3を結晶方位を揃えて良好に形成することができる。このため、主半導体領域 3の 平坦性が良くなり、 HEMTの電気的特性も良くなる。もし、シリコン力 成る基板 1の 一方の主面に、 GaN半導体のみによって低温でバッファ層を形成した場合、シリコン と GaNとは格子定数の差が大きいため、このバッファ層の上面に平坦性に優れた主 半導体領域 3を形成することはできない。
(3) A1Nから成る第 1の層 8と GaNから成る第 2の層 9とを含むバッファ層 2は、従来 の GaNや A1Nの単一層から構成される低温バッファ層に比較して高温で結晶成長さ せること力 Sできる。このため、窒素源となるアンモニアを良好に分解させることができ、 バッファ層 2はアモルファス層とならなレ、。このため、バッファ層 2の上に形成されるェ ピタキシャル成長層即ち主半導体領域 3の結晶欠陥の密度を十分に小さくすること ができ、リーク電流の発生を防止することができる。この結果、ピンチオフ特性の良好 な HEMTを提供することができる。
実施例 2
[0055] 次に、図 5を参照して実施例 1のバッファ領域 2を変形したバッファ領域 2aを有する実 施例 2を説明する。なお、図 5及び後述する図 6 図 11において図 1一図 3と実質的 に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
[0056] 図 5のバッファ領域 2aは実施例 1の第 1の層 8にも p型不純物を導入したものに相当 し、 p型不純物（Mg)が導入された p型の第 1の層 8aと p型不純物が導入された p型の 第 2の層 9とが交互に積層されたもの力 成る。図 5の第 1及び第 2の層 8a、 9の p型 不純物以外の材料は実施例 1と同一である。
[0057] 実施例 2の場合は、バッファ領域 2aの全体力 型となり、図 1と同様な主半導体領域 3 を図 5のバッファ領域 2aの上に形成した時には、バッファ領域 2aと図 1の主半導体領 域 3の nライク半導体から成る電子走行層 10と同様なものとの間に pn接合が生じ、リ ーク電流が抑制され、実施例 1と同一の効果が得られる。なお、実施例 2の基板 1を n 型シリコンとして、基板 1とバッファ領域 2aとの間に pn接合を得ることもできる。
実施例 3
[0058] 図 6の実施例 3のバッファ領域 2bは、実施例 1の p型不純物を含む複数の第 2の層 9 の中の下側の複数 (例えば 18個）を p型不純物を含まない第 2の層 9aに置き換えた ものに相当する。即ち。図 6では上側の 2つの第 2の層 9が p型不純物を含み、これよ りも下側の第 2の層 9aは p型不純物を含んでいなレ、。また、第 1の層 8は実施例 1と同 様に p型不純物を含んでいない。図 6の第 1及び第 2の層 8、 9、 9aの主成分は実施 例 1と同一である。
[0059] 図 6の実施例 3でもバッファ領域 2bの上に図 1の主半導体領域 3と同様なものを形成 した時に、バッファ領域 2bと図 1の主半導体領域 3の nライク半導体から成る電子走 行層 10と同様なものとの間に pn接合が生じ、且つ nライク半導体から成る第 1の層 8 とここに隣接する p型不純物を含む第 2の層 9との間にも pn接合が生じ、実施例 1と同 様にリーク電流抑制効果を得ることができる。なお、図 6において p型不純物を含む 第 2の層 9に隣接する第 1の層 8に p型不純物を導入することができる。この場合であ つて、 nライク半導体力 成る電子走行層とバッファ領域 2bとの間に pn接合が生じ、リ ーク電流が抑制される。
実施例 4
[0060] 図 7の実施例 4のバッファ領域 2cでは、下側に p型不純物を含む第 2の層 9が配置さ れ、上側に p型不純物を含まない第 2の層 9aが配置されている。第 1及び第 2の層 8、 9、 9aの主成分は実施例 1と同一である。バッファ領域 2cの上側に p型不純物を含ま ない第 2の層 9aを配置すると、主半導体領域 3のェピタキシャル成長を p型不純物の 妨害を受けずに進めることができる。即ち、 p型不純物をバッファ領域に導入すると、 この結晶性が劣化する力 S、バッファ領域の上側に p型不純物を導入しないことによつ てバッファ領域の上側の結晶性を良好に保つことができ、主半導体領域 3の結晶性 も良くなる。なお、図 7の基板 1は n型に変形されている。従って、図 7の実施例 4にお いては、バッファ領域 2cの下側の第 2の層 9とここに隣接する第 1の層 8との間の pn接 合によってリーク電流が抑制される他に、 n型基板 1とバッファ領域 2cとの間の pn接 合によってもリーク電流が抑制される。
実施例 5
[0061] 図 8の実施例 5のバッファ領域 2dは、上側と下側とに分散して p型不純物を含む第 2 の層 9が配置され、両者の間に p型不純物を含まない第 2の層 9aが配置されている。 この実施例 5によっても実施例 1と同様にリーク電流の抑制効果を得ることができる。 なお、図 8においても基板 1が n型とされているので、 n型基板 1とバッファ領域 2dとの 間にも pn接合が生じている。
実施例 6
[0062] 次に、図 9を参照して実施例 6の MESFETを説明する。但し、図 9において、図 1と 実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。 図 9の MESF ETは、図 1の主半導体領域 3の代わりに、 n型不純物として Siがドープされた GaN化 合物半導体層力、ら成る MESFET用の n型の主半導体領域 3aを設け、この他は図 1 と同一に形成したものである。即ち、図 9の MESFETにおいて、シリコン基板 1、バッ ファ層 2、ソース電極 4、ドレイン電極 5、ゲート電極 6、絶縁膜 7は図 1で同一符号で 示すものと同様に形成されている。 n型の主半導体領域 3aはチャネル層又は活性層 とも呼ぶことができるものであり、バッファ領域 2の上に配置されている。ソース電極 4 及びドレイン電極 5は n型の主半導体領域 3aにォーミック接触し、ゲート電極 6は n型 の主半導体領域 3aにショットキバリア接触している。
[0063] 図 9の MESFETのための GaN力、ら成る主半導体領域 3a以外の製造方法は、実施 例 1と同一である。 GaNから成る主半導体領域 3aを形成する時には、バッファ領域 2 の形成時に使用した反応室内に TMGガスと NHガスと SiH (シラン）ガスを約 5分間
3 4
供給して、基板 1の一方の主面に形成されたバッファ領域 2の上面に、厚さ約 250η mの η型の主半導体領域 3aを形成する。本実施例 6では、 TMGガスの流量、即ち G aの供給量を約 70 x mol/min, NHガスの流量即ち NHの供給量を 0. l lmol/
3 3
min, SiHガスの流量、即ち Siの供給量を 21nmolZminとした。
4
[0064] 図 9の MESFETは、図 1の HEMTと同様な効果を有する。即ち、 MESFETを図 9 の構成にすることによって、バッファ領域 2を通るリーク電流を低減すること、主半導 体領域 3aの平坦性及び結晶性を良くすること、 MESFETの特性を良くすることが可 肯 になる。
実施例 7
[0065] 図 10は、 HEMT及び MESFET等のデバイスに使用可能な実施例 7に従う In (イン ジゥム）を含むバッファ領域 2eの一部を示す。 In (インジウム）はバッファ領域 2eの第 1の層 8 'と第 2の層 9'とのいずれか一方又は両方に添加される。
第 1の層 8 'の組成は次の化学式で示される。
Al In Ga N ここで、 x、 yは、 0<x≤ 1、 0≤y< l、 x + y≤lを満足する任意
1
の数 ϋである。
[0066] 上記化学式に従う第 1の層 8 'は、例えば ΑΠηΝ (窒化インジウム アルミニウム）、又 は AlGalnN (窒化ガリウム インジウム アルミニウム）、又は A1N (窒化アルミニウム） 、又は AlGaN (窒化ガリウム アルミニウム）である。 図 10の実施例 7の第 1の層 8， は、前記式の Xが 0. 5、 yが 0. 01とされた材料に相当する Al In Ga Nから成り
0.5 0.01 0.49 且つ不純物を含んでいない nライク半導体から成る。アルミニウムを含む第 1の層 8 ' の格子定数及び熱膨張係数はシリコン基板 1の格子定数及び熱膨張係数と半導体 領域 3又は 3aの格子定数及び熱膨張係数との間の値を有する。
[0067] この図 10のバッファ領域 2eの第 2の層 9 'は p型不純物がドープされた p型半導体か ら成る。この第 2の層 9 'の組成は次の化学式で示される。
Al In Ga N ここで、 a、 bは、 0≤a< 1、 0≤b< 1、 a + b≤ 1、 aく xを満足する a b 1 - a - b
任意の数値である。上記化学式に従う第 2の層 9'は例えば AlInGaN、又は InGaN 、又は InN、又は ΑΠηΝ、又は GaN、又は AlGaNである。図 10の実施例 7の第 2の 層 9'は、前記式の aが 0. 05、 bが 0. 35とされた材料に相当する Al In Ga Nか
0.05 0.35 0.6 ら成る。第 2の層 9 'の価電子帯と伝導帯との間のギャップ即ちバンドギャップが第 1の 層 8，のバンドギャップよりも小さレ、。
[0068] 次に、 nライク半導体から成る第 1の層 8'が Al In Ga Nとされ、 p型不純物を含
0.5 0.01 0.49
む第 2の層 9 'が Al In Ga Nとされたバッファ領域 2eの製造方法を説明する。
0.05 0.35 0.6
まず、シリコン単結晶の基板 1を MOCVD装置の反応室内に配置し、サーマルア二 一リングを施して表面の酸化膜を除去する。次に、反応室内に TMA (トリメチルアル
(アンモニア）ガスを約 24秒間供給して、基板 1の一方の主面に厚さ T1が約 5nm即
3
ち約 50オングストロームの Al In Ga Nから成る第 1の層 8'を形成する。 続いて
0.5 0.01 0.49
、 TMAガス、 TMGガス及び TMInガスの供給を止め、基板 1の加熱温度を 750°Cま で下げ、しかる後、 TMAガス、 TMGガス、 TMInガス、 CP Mgガス及び NH (アンモ
2 3 ニァ）ガスを約 83秒間供給して、第 1の層 8 'の上面に、厚さ T2が 30nm即ち 300オン ダストロームの Al In Ga N力 成る第 2の層 9'を形成する。本実施例では、上
0.05 0.35 0.6
述の Al In Ga Nから成る第 1の層 8'と Mgを含む Al In Ga Nから成る第 2
0.5 0.01 0.49 0.05 0.35 0.6 の層 9 'の形成を 10回繰り返して第 1の層 8'と第 2の層 9'とが交互に 20層積層され たバッファ領域 2eを形成する。勿論第 1の層 8 '、第 2の層 9 'をそれぞれ 50層等の任 意の数に変えることもできる。
[0069] 図 10の実施例 7のバッファ領域 2eは nライク半導体から成る第 1の層 8 'と p型半導体 力 成るの第 2の層 9'との間に pn接合を有するので、図 1の実施例 1と同一の効果を 有し、更に、バッファ領域 2eにインジウムが含まれているので、バッファ領域 2eにイン ジゥムを含めなレ、場合よりもバッファ領域 2eの熱膨張係数をシリコン基板 1に近似さ せること力 Sできるとレ、う効果を有する。
図 10の実施例 7では、バッファ領域 2eの第 1の層 8 'と第 2の層 9'との両方にインジゥ ムが含まれている力 S、第 1の層 8 'と第 2の層 9，とのいずれか一方のみにインジウムを 含めることもできる。
実施例 8
[0070] 図 11は、 HEMT及び MESFET等のデバイスに使用可能な実施例 8に従う B (ボロ ン）を含むバッファ領域 2fの一部を示す。この図 11のバッファ領域 2fは nライク半導 体力ら成る第 1の層 8"と p型半導体から成る第 2の層 9"との交互積層体から成る。 B ( ボロン）は第 1の層 8"と第 2の層 9"とのいずれか一方又は両方に添加される。 第 1 の層 8"の組成は次の化学式で示される。
Al B Ga N ここで、 x、 yは、 0<x≤ 1、 0≤y< 1、 x + y≤ 1を満足する任意の y Ι -y
数値である。
[0071] 上記化学式に従う第 1の層 8"は、例えば A1N (窒化アルミニウム）、又は AlGaN (窒 化ガリウム アルミニウム）、 A1BN (窒化ボロン アルミニウム）、又は AlBGaN (窒化 ガリウム ボロン アルミニウム）である。図 11の実施例 8の第 1の層 8"は、前記式の X 力 5とされ、 y力 SOとされた Al Ga Nから成る。 第 1の層 8"の格子定数及び熱膨
0.5 0.5
張係数は第 2の層 9"よりもシリコン基板 1に近レ、。
[0072] 第 2の層 9"の組成は次の化学式で示される。
Al B Ga N ここで、 a、 bは、 0≤a< 1、 0≤b< 1、 a + b≤ 1、 aく x を満足する任 a b 1- a- b
意の数値である。
[0073] 上記化学式に従う第 2の層 9"は、例えば AlBGaN (窒化ガリウム ボロン アルミユウ ム）、又は BN (窒化ボロン）、又は GaN (窒化ガリウム）、又は AlGaN (窒化ガリウム アルミニウム）、又は A1BN (窒化ボロン アルミニウム）、又は BGaN (窒化ガリウム ボ ロン）である。図 11の実施例の第 2の層 9"は、前記式の aが 0、 bが 0. 3とされた材料 に相当する B Ga Nから成る。第 2の層 9"の価電子帯と伝導帯との間のギャップ即
0.3 0.7
ちバンドギャップが第 1の層 8"のバンドギャップよりも小さい。
[0074] 次に、図 11に示す n型不純物を含まない nライク半導体としての Al Ga Nから成る
0.5 0.5 第 1の層 8"と p型不純物を含む B Ga Nから成る第 2の層 9"とから成るバッファ領域 2fの製造方法を説明する。 まず、シリコン単結晶の基板 1を MOCVD装置の反応 室内に配置し、サーマルアニーリングを施して表面の酸化膜を除去する。次に、反応 室内に TMA (トリメチルアルミニウム）ガス、 TMG (トリメチルガリウム）ガス、 NH (アン モニァ)ガスを約 27秒間供給して、基板 1の一方の主面に厚さ T1が約 5nm即ち約 5 0オングストロームの Al Ga Nから成る第 1の層 8"を形成する。 次に、 TMAガス の供給を止め、基板 1の加熱温度を 1120°Cまで下げ、しかる後、 TEB (トリェチルポ ロン）ガス、 TMGガス、 CP Mgガス及び NH (アンモニア）ガスを約 85秒間供給して
、第 1の層 8"の上面に、厚さ T2が 30nm即ち 300オングストロームの n型の B Ga
Nから成る第 2の層 9"を形成する。 本実施例では、上述の Al Ga Nから成る第 1 の層 8"と B Ga Nから成る第 2の層 9"の形成を 50回繰り返して第 1の層 8"bと第 2 の層 9"bとが交互に合計で 100層積層されたバッファ層 2bを形成する。勿論第 1の 層 8"bと第 2の層 9"とをそれぞれ 25層等の任意の数に変えることもできる。
[0075] 図 11のバッファ領域 2fは nライクの第 1の層 8"と p型の第 2の層 9"との間に pn接合を 有するので図 1のバッファ領域 2と同様な効果を有し、更に、第 2の層 9"にボロンが含 まれているので、第 2の層 9"がボロンを含まない場合に比べて堅牢になり、クラックの 発生を防いで第 2の層 9"を比較的厚く形成することができるという効果を有する。
[0076] 本発明は上述の実施例に限定されるものでなぐ例えば次の変形が可能なものであ る。
(1)半導体体素子を形成するための主半導体領域が p型を有する場合には、この下 のバッファ領域を n型にすることができる。
(2) p型バッファ領域に接する主半導体領域を n型不純物をドーピングされた n型領 域とすることができる。また、バッファ領域 2— 2fの p型の第 2の層 9、 9'、 9"に隣接す る第 1の層 8、 8 '、 8"を n型不純物がドーピングされた n型半導体層とすることができる
(3) バッファ領域 2 2fの第 2の層 9、 9，、 9"の代りに、 p型に転換するレベルよりも 少ない量の p型不純物をドーピングした第 2の層を設けることができる。また、ノ ッファ 領域 2— 2fの第 1の層 8にも p型不純物をドーピングすることができる。このように nライ ク半導体材料力 成る第 1及び第 2の層に p型不純物を少しドーピングすると、 p型に 転換はしないが、第 1及び第 2の層の抵抗値が大きくなり、リーク電流の抑制効果が 得られる。
産業上の利用可能性
本発明は、 HEMT、 MESFET、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ等の半導体装 置に利用することができる。

Claims

請求の範囲
[1] シリコン又はシリコン化合物から成る基板と、
前記基板の一方の主面上に配置され窒化物半導体力も成るバッファ領域と、 前記バッファ領域の上に配置された少なくとも 1つの窒化物半導体層を含んでいる 主半導体領域と、
前記主半導体領域の表面上に配置された少なくとも第 1及び第 2の主電極とを備え、 前記バッファ領域の中、又は前記バッファ領域と前記主半導体領域との間、又はこれ 等の両方に pn接合が形成されていることを特徴とする半導体装置。
[2] シリコン又はシリコン化合物から成る基板と、
前記基板の一方の主面上に配置された窒化物半導体から成るバッファ領域と、 前記バッファ領域の上に配置された少なくとも 1つの窒化物半導体層を含んでいる 主半導体領域と、
前記主半導体領域の表面上に配置された少なくとも第 1及び第 2の主電極とを備え、 前記バッファ領域の少なくとも一部に p型不純物が導入されており、且つ前記バッフ ァ領域は p型不純物が導入される前の状態において、不純物がドーピングされた n型 窒化物半導体、又は不純物がドーピングされていないが n型と同様な作用を有する 窒化物半導体から成ることを特徴とする半導体装置。
[3] 前記バッファ領域は、アルミニウムを所定の割合で含む窒化物半導体から成る複数 の第 1の層と、アルミニウムを含まない又はアルミニウムを前記第 1の層よりも小さい割 合で含む窒化物半導体力 成る複数の第 2の層とから成り、前記第 1の層と前記第 2 の層とが交互に積層されていることを特徴とする請求項 1又は 2記載の半導体装置。
[4] 前記第 1の層は、
Al M Ga N
1
ここで、前記 Mは、 In (インジウム）と B (ボロン）とから選択された少なくとも 1種の元素 前記 X及び yは、 0< χ≤1、
0≤y< l、
x + y≤l を満足する数値、
を含み、
前記第 2の層は、
AI M Ga N
a b 1-a-b
ここで、前記 Mは In (インジウム）と B (ボロン）とから選択された少なくとも 1種 の元素、
前記 a及び bは、 0≤a< l、
0≤b< l、
a + b≤l、 を満足させる数値、
を含むことを特徴とする請求項 3記載の半導体装置。
[5] 前記第 1の層は Al Ga Nを含み、
1
前記第 2の層は、 Al Ga Nを含むことを特徴とする請求項 4記載の半導体装置。
a 丄_&
[6] 前記第 1の層は Al In Ga Nを含み、前記第 2の層は、 Al In Ga Nを含み、前
Ι a l—a - 記第 1及び第 2の層の少なくとも一方に In (インジウム）が含まれていることを特徴とす る請求項 4記載の半導体装置。
[7] 前記第 1の層は、 Al B Ga Nを含み、前記第 2の層は、 Al B Ga Nを含み、
y Ι -y a b 1 a - b
前記第 1及び第 2の層の少なくとも一方に B (ボロン）が含まれていることを特徴とする 請求項 4記載の半導体装置。
[8] 前記バッファ領域の複数の前記第 1の層は、不純物がドーピングされた n型窒化物半 導体、又は不純物がドーピングされていないが n型と同様な作用を有する窒化物半 導体から成り、
前記バッファ領域の複数の前記第 2の層の一部又は全部に p型不純物が導入される ことを特徴とする請求項 3乃至 7のいずれかに記載の半導体装置。
[9] 前記バッファ領域の複数の前記第 2の層は、不純物がドーピングされた n型窒化物半 導体、又は不純物がドーピングされていないが n型と同様な作用を有する窒化物半 導体から成り、 前記バッファ領域の複数の前記第 1の層の一部又は全部に p型不純物が導入されて いることを特徴とする請求項項 3乃至 7記載のいずれかに記載の半導体装置。
[10] 前記バッファ領域の複数の前記第 1の層と複数の前記第 2の層との全てに p型不純 物が導入されることを特徴とする請求項請求項項 3乃至 7いずれかに記載の半導体 装置。
[11] 前記バッファ領域における前記第 1の層の厚みが 0. 5nm— 50nm、及び前記第 2 の層の厚みが 0. 5nm— 200nmであることを特徴とする請求項 1乃至 14のいずれか に記載の半導体装置。
[12] 前記主半導体領域の前記窒化物半導体層は、 GaN (窒化ガリウム)層、 ΑΠηΝ (窒 ィ匕インジウム アルミニウム）層、 AlGaN (窒化ガリウム アルミニウム）層、 InGaN (窒 化ガリウム インジウム）層、及び AlInGaN (窒化ガリウム インジウム アルミニウム） 層から選択されたものであることを特徴とする請求項 1乃至 11のいずれかに記載の 半導体装置。
[13] 更に、前記第 1の主電極と前記第 2の主電極との間の電流を制御する制御電極を有 し、
前記主半導体領域は、前記制御電極で制御される半導体スィッチ素子を形成する ための領域であることを特徴とする請求項 1乃至 12のいずれかに記載の半導体装置
[14] シリコン又はシリコン化合物から成る基板を用意する工程と、 前記基板の上に気相 成長法によって窒化物半導体から成るバッファ領域を成長させると共に前記バッファ 領域の少なくとも一部に P型不純物を導入する工程と、 前記バッファ領域の上に少 なくとも 1つの窒化物半導体層を含んでいる主半導体領域を気相成長法によって形 成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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