半導体装置の製造方法
【課題】ＩｎＡｌＮ電子供給層上にＧａＮ層を形成する場合でも、ＩｎＡｌＮ電子供給層の品質の悪化を抑制することが可能な半導体装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明は、基板１０上にＧａＮ電子走行層１４を形成する工程と、ＧａＮ電子走行層１４上にＩｎＡｌＮ電子供給層１８を形成する工程と、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を形成した後、Ｉｎ含有ガスを供給しつつ、基板１０を昇温させる工程と、昇温が終了した後、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上にＧａＮ層２０を形成する工程と、を有する半導体装置の製造方法である。
【解決手段】本発明は、基板１０上にＧａＮ電子走行層１４を形成する工程と、ＧａＮ電子走行層１４上にＩｎＡｌＮ電子供給層１８を形成する工程と、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を形成した後、Ｉｎ含有ガスを供給しつつ、基板１０を昇温させる工程と、昇温が終了した後、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上にＧａＮ層２０を形成する工程と、を有する半導体装置の製造方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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半導体装置は、高周波かつ高出力で動作するパワー素子などに用いられている。例えば、非特許文献１には、半絶縁性基板上に、バッファ層、ＧａＮ電子走行層、ＡｌＧａＮ電子供給層を順次積層し、ＡｌＧａＮ電子供給層との界面近傍でＧａＮ電子走行層に発生する２次元電子ガスを利用して動作するＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）構造の半導体装置が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】高橋清監修、「ワイドギャップ半導体光・電子デバイス」、森北出版、２００６年３月３１日、ｐ．２４２−２４３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１に開示された半導体装置では、２次元電子ガスを発生させるために、ＧａＮ電子走行層とＡｌＧａＮ電子供給層との間の自発分極とピエゾ分極を利用している。ここで、より高濃度の２次元電子ガスを発生させるには、ＡｌＧａＮ電子供給層のＡｌ組成比を上げることが考えられる。しかしながら、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮはＧａＮに対して格子歪みが大きいため、高結晶品質で、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮとＧａＮの積層構造を形成することは難しい。
【０００５】
そこで、ＡｌＧａＮ電子供給層の代わりに、ＧａＮと格子整合をするＩｎＡｌＮからなる電子供給層を用いることを検討した。ＩｎＡｌＮ電子供給層を用いると、ＩｎＡｌＮとＧａＮの大きな自発分極差と、伝導帯の大きな不連続により、２×１０１３ｃｍ−２のシートキャリア濃度が理論上得られる。
【０００６】
しかしながら本発明者の検討によると、ＩｎＡｌＮは、高温で成長を行うと、Ｉｎが優先的に昇華してしまい、Ｉｎが欠損した結晶となるため、高品質のＩｎＡｌＮ電子供給層が得られない。したがって、ＩｎＡｌＮ電子供給層は、例えば６００℃から８００℃の低温で形成することが重要であるという結論に至った。
【０００７】
また、ＩｎＡｌＮ電子供給層がデバイスの最表面となる場合、Ａｌを含んでいるために、大気中で表面酸化が進み易く、部分的かつ経時的に酸化アルミニウムなどが形成されてしまう。これは、デバイス全体のバンド構造に影響を与えることになるため、大きな不良要因となってしまう。そこで、ＩｎＡｌＮ電子供給層上に、ＧａＮ層を設けることが考えられる。しかしながら、ＧａＮ層は通常１０００℃程度の高温で形成されるため、ＩｎＡｌＮ電子供給層を形成した後、ＧａＮ層の形成温度まで昇温させると、ＩｎＡｌＮ電子供給層の表面からＩｎＮが優先的に昇華してしまい、ＩｎＡｌＮ電子供給層の品質が悪化してしまう。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、ＩｎＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成する場合でも、ＩｎＡｌＮ層の品質の悪化を抑制することが可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、基板上に窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、前記電子走行層上にＩｎＡｌＮ層を形成する工程と、前記ＩｎＡｌＮ層を形成した後、Ｉｎ含有ガスを供給しつつ、前記基板を昇温させる工程と、前記昇温が終了した後、前記ＩｎＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、ＩｎＡｌＮ層を形成した後の基板の昇温過程において、基板はＩｎ含有ガス中に置かれるため、ＩｎＡｌＮ層の表面からＩｎＮが昇華することを抑制でき、ＩｎＡｌＮ層の品質の悪化を抑制することができる。
【００１０】
上記構成において、前記基板の温度の上昇に従い、前記Ｉｎ含有ガスの供給量を増やす構成とすることができる。基板の温度が高くなるに従い、ＩｎＡｌＮ層の表面からのＩｎＮの昇華の進行速度が速くなるが、この構成によれば、ＩｎＡｌＮ層の表面からＩｎＮが昇華することをより抑制できる。
【００１１】
上記構成において、前記Ｉｎ含有ガスとともに、Ａｌ含有ガスを供給しつつ、前記基板を昇温させる構成とすることができる。この構成によれば、ＩｎＡｌＮ層を形成した後における基板の昇温過程において、基板はＩｎ含有ガスおよびＡｌ含有ガス中に置かれるため、ＩｎＡｌＮ層の表面からＩｎＮとＡｌＮが昇華することを抑制でき、ＩｎＡｌＮ層の品質の悪化をより抑制することができる。
【００１２】
上記構成において、前記基板の温度の上昇に従い、前記Ｉｎ含有ガスと前記Ａｌ含有ガスの供給量を増やす構成とすることができる。基板の温度が高くなるに従い、ＩｎＡｌＮ層の表面からのＩｎＮやＡｌＮの昇華の進行速度が速くなるが、この構成によれば、ＩｎＡｌＮ層の表面からＩｎＮやＡｌＮが昇華することをより抑制できる。
【００１３】
上記構成において、前記基板の昇温は、９００℃以上である構成とすることができる。この構成によれば、より高品質のＩｎＡｌＮ層を得ることができると共に、デバイスの電気特性の悪化を抑制することができる。
【００１４】
上記構成において、前記ＩｎＡｌＮ層は、６００℃から８００℃の範囲で成長される構成とすることができる。この構成によれば、ＩｎＡｌＮ層の成長においてＩｎが優先的に昇華してしまうことを抑制でき、高品質のＩｎＡｌＮ層を得ることができる。
【００１５】
上記構成において、前記Ｉｎ含有ガスは、トリメチルインジウムである構成とすることができる。
【００１６】
上記構成において、前記Ａｌ含有ガスは、トリメチルアルミニウムまたはトリエチルアルミニウムである構成とすることができる。
【００１７】
本発明は、基板上にＩｎＡｌＮ層を成長する工程と、Ｉｎ含有ガスを供給しつつ、前記基板を９００℃以上に昇温する工程と、前記ＩｎＡｌＮ層上に半導体層を成長する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、ＩｎＡｌＮ層を形成した後の基板の昇温過程において、基板はＩｎ含有ガス中に置かれるため、ＩｎＡｌＮ層の表面からＩｎＮが昇華することを抑制でき、ＩｎＡｌＮ層の品質の悪化を抑制することができる。
【００１８】
上記構成において、前記半導体層は、ＧａＮ層である構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ＩｎＡｌＮ層を形成した後の基板の昇温過程において、基板はＩｎ含有ガス中に置かれるため、ＩｎＡｌＮ層の表面からＩｎＮが昇華することを抑制でき、ＩｎＡｌＮ層の品質の悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、実施例１に係る半導体装置のエピタキシャル層を示す断面図の例である。
【図２】図２は、各層の成長温度および供給ガスを示す模式図の例である。
【図３】図３（ａ）は、ＩｎＡｌＮ電子供給層の成長終了時におけるＯ濃度プロファイル、図３（ｂ）は、ＧａＮ層の上面からＩｎＡｌＮ電子供給層までのＯ濃度プロファイル、図３（ｃ）は、低温で成長させたＧａＮ層の上面からＩｎＡｌＮ電子供給層までのＯ濃度プロファイルの模式図の例である。
【図４】図４は、実施例１に係る半導体装置の断面図の例である。
【図５】図５は、各層の成長温度および供給ガスを示す模式図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は、実施例１に係る半導体装置のエピタキシャル層を示す断面図の例である。図２は、図１に示すエピタキシャル層の製造において、各層の成長温度および供給ガスを示す模式図の例であり、経過時間に対して成長温度を示している。エピタキシャル層は、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いて成長される。図１および図２を参照して、まず、ＳｉＣ基板である基板１０をＭＯＣＶＤ装置の水素雰囲気中の成長炉内に装着する。その後、基板１０を１０５０℃まで昇温した後、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）とＮＨ３（アンモニア）を成長炉内に供給して、基板１０上に、ＡｌＮからなるシード層１２を成長させる。シード層１２の膜厚は、例えば２０ｎｍである。
【００２３】
基板１０の温度を１０５０℃で維持したまま、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ３を成長炉内に供給して、シード層１２上に、ＧａＮ電子走行層１４を成長させる。ＧａＮ電子走行層１４の膜厚は、例えば１μｍである。
【００２４】
基板１０の温度を１０５０℃で維持したまま、ＴＭＡとＮＨ３を成長炉内に供給して、ＧａＮ電子走行層１４上に、ＡｌＮからなるスペーサ層１６を成長させる。スペーサ層１６の膜厚は、例えば１ｎｍである。
【００２５】
基板１０の温度を１０５０℃から７００℃に下げた後、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）とＴＭＡとＮＨ３を成長炉内に供給して、スペーサ層１６上に、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長させる。ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の膜厚は、例えば５ｎｍであり、Ｉｎ組成比は、例えば１７％である。
【００２６】
次に、ＴＭＩを成長炉内に供給したまま、基板１０の温度を７００℃から１０５０℃に昇温させる。このように、基板１０を１０５０℃の高温に昇温する過程において、Ｉｎ含有ガスのＴＭＩを供給して成長炉内をＩｎ含有ガス雰囲気とすることで、圧力などの条件を適切にすると、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からＩｎＮが昇華することを抑制できると共に、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上にＩｎＮが成長することを抑制できる。
【００２７】
基板１０の温度が１０５０℃に到達した後、ＴＭＩの供給を停止し、ＴＭＧとＮＨ３を成長炉内に供給して、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に、ＧａＮ層２０を成長させる。ＧａＮ層２０の膜厚は、例えば５ｎｍである。以上により、実施例１に係る半導体装置のエピタキシャル層が完成する。
【００２８】
ＭＯＣＶＤ法による成長では、供給ガスに含まれるＯ（酸素）が、成長層に取り込まれる。そこで、図３（ａ）に、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の成長が終了した時点でのＩｎＡｌＮ電子供給層１８のＯ濃度プロファイルの模式図の例を、図３（ｂ）に、図１に示したエピタキシャル層の表面（ＧａＮ層２０の上面）からＩｎＡｌＮ電子供給層１８までのＯ濃度プロファイルの模式図の例を示す。また、比較のために、図３（ｃ）に、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の成長温度から±１００℃以内の低温でＧａＮ層を成長させた場合の、ＧａＮ層の上面からＩｎＡｌＮ電子供給層１８までのＯ濃度プロファイルの模式図の例を示す。
【００２９】
図３（ａ）を参照して、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の成長終了時点でのＩｎＡｌＮ電子供給層１８のＯ濃度は、例えば７×１０１８ｃｍ−３と高い。これは、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８は、Ａｌを含んでいるためＯを取り込み易いことと、低温で成長されているため取り込まれたＯが抜け難いことによるものである。図３（ｂ）を参照して、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に、１０５０℃の高温でＧａＮ層２０を成長させることで、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８に取り込まれていたＯが拡散し、ＧａＮ層２０の成長終了後には、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８のＯ濃度は、例えば１×１０１７ｃｍ−３に低下する。また、ＧａＮ層２０を１０５０℃の高温で成長しているため、ＧａＮ層２０のＯ濃度は低くなり、例えば１×１０１５ｃｍ−３となる。一方、図３（ｃ）を参照して、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の成長温度から±１００℃以内のような低温でＧａＮ層を成長させた場合は、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８に取り込まれていたＯは拡散し難く、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８のＯ濃度はあまり低下しない。また、ＧａＮ層を低温で成長しているため、ＧａＮ層のＯ濃度はあまり低くならず、例えば１×１０１７ｃｍ−３となる。
【００３０】
このように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８はＯを取り込み易いが、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に、高温でＧａＮ層２０を成長させることで、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８に取り込まれたＯを拡散させて、Ｏ濃度を低下させることができる。なお、図３（ａ）から図３（ｃ）では、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８にＯが取り込まれる場合を例に説明したが、ＭＯＣＶＤ法による成長では、Ｏの他にＣ（炭素）も成長層に取り込まれる。したがって、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に、高温でＧａＮ層２０を成長させることで、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８に取り込まれたＣを拡散させて、Ｃ濃度を低下させることもできる。
【００３１】
また、ＧａＮ層２０を成長させる工程で、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８から拡散するＯやＣは、ＧａＮ層２０側に拡散される。これは、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８下にスペーサ層１６が設けられているため、ＧａＮ電子走行層１４側には拡散され難いためである。
【００３２】
図４は、実施例１に係る半導体装置の断面図の例である。図４を参照して、図１で説明したエピタキシャル層の最上層であるＧａＮ層２０上に、ゲート電極２２と、ゲート電極２２を挟むソース電極２４およびドレイン電極２６と、が設けられている。ゲート電極２２、ソース電極２４、およびドレイン電極２６が設けられていない領域のＧａＮ層２０上には、例えばＳｉＮ（窒化シリコン）からなる保護膜２８が設けられている。ゲート電極２２は、例えばＧａＮ層２０側からＮｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）が順次積層された２層構造をしている。ソース電極２４およびドレイン電極２６は、例えばＧａＮ層２０側からＴｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）が順次積層された２層構造をしている。
【００３３】
即ち、実施例１に係る半導体装置は以下のＨＥＭＴ構造を有している。ＳｉＣ基板からなる基板１０上に、ＡｌＮからなり、膜厚が２０ｎｍのシード層１２が設けられている。シード層１２上に、膜厚が１μｍのＧａＮ電子走行層１４が設けられている。ＧａＮ電子走行層１４上に、ＡｌＮからなり、膜厚が１ｎｍのスペーサ層１６が設けられている。スペーサ層１６上に、膜厚が５ｎｍ、Ｉｎ組成比が１７％で、ＧａＮ電子走行層１４に２次元電子ガス３０を生成するＩｎＡｌＮ電子供給層１８が設けられている。ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に膜厚が５ｎｍのＧａＮ層２０が設けられている。ＧａＮ層２０上に、ゲート電極２２、ソース電極２４、およびドレイン電極２６が設けられ、且つゲート電極２２、ソース電極２４、およびドレイン電極２６が設けられていない領域には保護膜２８が設けられている。
【００３４】
ゲート電極２２、ソース電極２４、ドレイン電極２６、および保護膜２８は以下の方法により形成される。まず、ＧａＮ層２０上に、例えば蒸着法およびリフトオフ法を用いて、ゲート電極２２と、ゲート電極２２を挟むソース電極２４およびドレイン電極２６と、を形成する。次いで、例えばプラズマＣＶＤ法（プラズマ化学気相成長法）を用いて、ゲート電極２２、ソース電極２４、およびドレイン電極２６が形成された領域を除いたＧａＮ層２０上に、保護膜２８を形成する。
【００３５】
以上説明してきたように、実施例１によれば、基板１０上にＧａＮ電子走行層１４を形成した後、ＧａＮ電子走行層１４上にＩｎＡｌＮ電子供給層１８を形成する。そして、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の形成が終了した後、Ｉｎ含有ガスを供給しつつ、基板１０を昇温させる。昇温が終了した後、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上にＧａＮ層２０を形成する。これにより、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を形成した後の基板１０の昇温過程において、基板１０はＩｎ含有ガス中に置かれるため、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からＩｎＮが昇華することを抑制できる。よって、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の品質の悪化を抑制することができる。
【００３６】
ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の形成が終了した後の基板１０の昇温は、Ｉｎ含有ガスを供給しつつ、ＧａＮ層２０の成長温度まで昇温させることが好ましい。ＧａＮ層２０は通常高温で形成されるが、高温で形成されるＧａＮ層２０の温度まで昇温させる場合でも、Ｉｎ含有ガスを供給することで、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からＩｎＮが昇華することを抑制できる。
【００３７】
基板１０の昇温過程において、供給量を一定にして、Ｉｎ含有ガスを供給する場合でもよいが、基板１０の温度の上昇に従い、Ｉｎ含有ガスの供給量を増やすことが好ましい。これは、基板１０の温度が高くなるに従い、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からのＩｎＮの昇華の進行速度が速くなるためである。したがって、基板１０の温度が上昇するに従い、Ｉｎ含有ガスの供給量を増やすことで、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からＩｎＮが昇華することをより抑制できる。例えば、実施例１において、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の成長工程では、ＴＭＩを３５μｍｏｌ／ｍｉｎ供給する。その後、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の成長が終了した後の昇温工程（７００℃から１０５０℃への昇温）において、昇温開始時はＴＭＩを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、基板１０の温度の上昇に従い、ＴＭＩの供給量を増やしていき、昇温終了時ではＴＭＩを５０μｍｏｌ／ｍｉｎ供給するようにすることができる。
【００３８】
なお、Ｉｎ含有ガスの供給量は、基板１０の温度の上昇に従い、線形的に増やしていく場合でもよいし、階段状に増やしていく場合でもよいし、その他の方法で増やしていく場合でもよい。
【００３９】
図３で説明したように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に、高温でＧａＮ層２０を形成することで、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８のＯ濃度やＣ濃度を低下させることができる。これにより、より高品質のＩｎＡｌＮ電子供給層１８を得ることができる。また、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８とゲート電極２２などとの間のＧａＮ層２０のＯ濃度やＣ濃度が高いと、デバイスの電気特性が悪化するが、高温でＧａＮ層２０を形成することで、ＧａＮ層２０のＯ濃度やＣ濃度を低くすることができ、デバイスの電気特性の悪化を抑制することができる。このように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の品質およびデバイスの電気特性を考慮すると、ＧａＮ層２０は高温で形成する場合が好ましい。例えば、ＧａＮ層２０は、９００℃以上で形成する場合が好ましく、１０００℃以上で形成する場合がより好ましく、１０５０℃以上で形成する場合がさらに好ましい。即ち、基板１０の昇温は、９００℃以上である場合が好ましく、１０００℃以上である場合がより好ましく、１０５０℃以上である場合がさらに好ましい。また、表面異常の一種であるヒロックの発生を防ぐために、ＧａＮ層２０は１１００℃以下で形成することが好ましい。
【００４０】
ＩｎＡｌＮ電子供給層１８は、６００℃から８００℃の範囲の成長温度で成長される場合が好ましい。ＩｎＡｌＮは高温で成長を行うと、Ｉｎが優先的に昇華してしまい、Ｉｎが欠損した結晶となり高品質のＩｎＡｌＮ電子供給層が得られない。よって、６００℃から８００℃の範囲で成長をすることで、Ｉｎが優先的に昇華することを抑制でき、高品質のＩｎＡｌＮ電子供給層を得ることができる。
【００４１】
実施例１では、図２のように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を形成した後、Ｉｎ含有ガスを供給し続けたまま、基板１０を昇温させる場合を例に示したが、これに限られる訳ではない。ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の形成が終了した後、Ｉｎ含有ガスの供給を一旦止め、基板１０を昇温させる工程で、再度Ｉｎ含有ガスの供給を再開する場合でもよい。しかしながら、成長炉内の雰囲気を考慮すると、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を形成した後、Ｉｎ含有ガスの供給を停止することなく、供給をし続けたまま、基板１０を昇温させることが好ましい。
【００４２】
また、図２のように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の形成が終了した後、Ｉｎ含有ガスを供給して基板１０を昇温させ、昇温が終了した後においても、一定時間Ｉｎ含有ガスを供給する場合が好ましい。昇温が終了した後は、温度が安定するための安定時間を設けた後にＧａＮ層２０を形成することが好ましいことから、この安定時間中はＩｎ含有ガスを供給し続けて、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からのＩｎＮの昇華を抑制することが好ましい。
【実施例２】
【００４３】
実施例２は、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の形成が終了した後、Ｉｎ含有ガスに加えてＡｌ含有ガスも供給して、基板１０を昇温させる場合の例である。実施例２に係る半導体装置のエピタキシャル層の構造は、実施例１と同じであるため、図１を参照しながら説明をする。図５は、実施例２に係る半導体装置のエピタキシャル層の製造において、各層の成長温度および供給ガスを示す模式図の例であり、経過時間に対して成長温度を示している。エピタキシャル層は、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いて成長される。
【００４４】
図１および図５を参照して、まず、ＳｉＣ基板である基板１０をＭＯＣＶＤ装置の水素雰囲気中の成長炉内に装着する。その後、基板１０を１０５０℃まで昇温した後、ＴＭＡとＮＨ３を成長炉内に供給して、基板１０上に、ＡｌＮからなるシード層１２を成長させる。シード層１２の膜厚は、例えば２０ｎｍである。
【００４５】
基板１０の温度を１０５０℃で維持したまま、ＴＭＧとＮＨ３を成長炉内に供給して、シード層１２上に、ＧａＮ電子走行層１４を成長させる。ＧａＮ電子走行層１４の膜厚は、例えば１μｍである。
【００４６】
基板１０の温度を１０５０℃で維持したまま、ＴＭＡとＮＨ３を成長炉内に供給して、ＧａＮ電子走行層１４上に、ＡｌＮからなるスペーサ層１６を成長させる。スペーサ層１６の膜厚は、例えば１ｎｍである。
【００４７】
基板１０の温度を１０５０℃から７００℃に下げた後、ＴＭＩとＴＭＡとＮＨ３を成長炉内に供給して、スペーサ層１６上に、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長させる。ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の膜厚は、例えば５ｎｍであり、Ｉｎ組成比は、例えば１７％である。
【００４８】
次に、ＴＭＩとＴＭＡを成長炉内に供給したまま、基板１０の温度を７００℃から１０５０℃に昇温させる。このように、基板１０の温度を１０５０℃の高温に上昇させる昇温過程において、Ｉｎ含有ガスのＴＭＩとＡｌ含有ガスのＴＭＡを供給して成長炉内をＩｎ含有ガスおよびＡｌ含有ガス雰囲気とすることで、圧力などの条件を適切にすると、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からＩｎＮとＡｌＮが昇華することを抑制できると共に、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上にＩｎＡｌＮが成長することを抑制できる。
【００４９】
基板１０の温度が１０５０℃に到達した後、ＴＭＩとＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧとＮＨ３を成長炉内に供給して、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に、ＧａＮ層２０を成長させる。ＧａＮ層２０の膜厚は、例えば５ｎｍである。以上により、実施例２に係る半導体装置のエピタキシャル層が完成する。
【００５０】
実施例２に係る半導体装置のＨＥＭＴ構造は、実施例１と同じであり、図４で説明しているため、ここでは説明を省略する。
【００５１】
以上説明してきたように、実施例２によれば、ＧａＮ電子走行層１４上にＩｎＡｌＮ電子供給層１８を形成した後、Ｉｎ含有ガスとともに、Ａｌ含有ガスを供給しつつ、基板１０を昇温させる。基板１０の温度が高くなると、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からＩｎＮが昇華するが、ＡｌＮも若干ではあるが昇華する。したがって、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を形成した後における基板１０の昇温過程において、Ｉｎ含有ガスとＡｌ含有ガスを供給することで、基板１０はＩｎ含有ガスおよびＡｌ含有ガス中に置かれるため、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からＩｎＮとＡｌＮが昇華することを抑制できる。これにより、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の品質の悪化をより抑制することができる。
【００５２】
基板１０の昇温過程において、供給量を一定にして、Ｉｎ含有ガスとＡｌ含有ガスを供給する場合でもよいが、基板１０の温度が高くなるに従い、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からのＩｎＮやＡｌＮの昇華の進行速度が速くなることから、基板１０の温度の上昇に従い、Ｉｎ含有ガスとＡｌ含有ガスの供給量を増やすことが好ましい。これにより、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からＩｎＮやＡｌＮが昇華することをより抑制できる。例えば、実施例２において、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の成長工程では、ＴＭＩを３５μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、ＴＭＡを２５μｍｏｌ／ｍｉｎ供給する。その後、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の成長が終了した後の昇温工程（７００℃から１０５０℃への昇温）において、昇温開始時はＴＭＩを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを５μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、昇温終了時ではＴＭＩを５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを７μｍｏｌ／ｍｉｎ供給するようにすることができる。
【００５３】
なお、Ｉｎ含有ガスおよびＡｌ含有ガスの供給量は、基板１０の温度の上昇に従い、線形的に増やしていく場合でもよいし、階段状に増やしていく場合でもよいし、その他の方法で増やしていく場合でもよい。
【００５４】
実施例２では、図５のように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を形成した後、Ｉｎ含有ガスとＡｌ含有ガスを供給し続けたまま、基板１０を昇温させる場合を例に示したが、これに限られる訳ではない。ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の形成が終了した後、Ｉｎ含有ガスとＡｌ含有ガスの供給を一旦止め、基板１０を昇温させる工程で、再度Ｉｎ含有ガスとＡｌ含有ガスの供給を再開する場合でもよい。しかしながら、成長炉内の雰囲気を考慮すると、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を形成した後、Ｉｎ含有ガスとＡｌ含有ガスの供給を停止することなく、供給をし続けたまま、基板１０を昇温させることが好ましい。
【００５５】
また、図５のように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の形成が終了した後、Ｉｎ含有ガスとＡｌ含有ガスを供給して基板１０を昇温させ、昇温が終了した後においても、一定時間Ｉｎ含有ガスとＡｌ含有ガスを供給する場合が好ましい、昇温が終了した後は、温度が安定するための安定時間を設けた後にＧａＮ層２０を形成することが好ましいことから、この安定時間中はＩｎ含有ガスとＡｌ含有ガスを供給し続けて、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からのＩｎＮとＡｌＮの昇華を抑制することが好ましい。
【００５６】
実施例１および実施例２では、図４のように、ＧａＮ層２０に凹部を設けず、ＧａＮ層２０の上面にゲート電極２２、ソース電極２４、およびドレイン電極２６を設ける場合を例に示したが、これに限られる訳ではない。例えば、ＧａＮ層２０に凹部を設けて、この凹部にゲート電極２２を設けるゲートリセス構造の場合でもよく、またオーミックリセス構造の場合でもよい。
【００５７】
実施例１および実施例２では、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８のＩｎ組成比が１７％である場合を例に示したが、これに限られない。Ｉｎ組成比は、１２％以上３５％以下の範囲内であることが好ましく、１７％以上１８％以下の範囲内であることがより好ましい。Ｉｎ組成比が１７％以上１８％以下である場合は、ＩｎＡｌＮはＧａＮと格子整合するため格子歪みが発生しないためである。また、Ｉｎ組成比が１２％より小さいまたは３５％より大きい場合は、ａ軸方向の格子歪みが大きくクラックが生じてしまうためである。
【００５８】
ＧａＮ層２０は、ｉ型の場合でもｎ型の場合でもよい。ｎ型の場合は、表面電荷が安定し易く、さらに高温でｎ型のＧａＮを成長することでドーパントの活性化率が上がり、より表面電荷が安定されるため、デバイス全体のバンド構造が安定化し不良が低減する。なお、ｎドーパントとしてはＳｉＨ４（シラン）を用いることができる。
【００５９】
実施例１および実施例２では、基板１０はＳｉＣ基板である場合を例に示したが、その他に、Ｓｉ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板、Ｇａ２Ｏ３基板を用いることができる。また、供給ガスは、上述したガスの他に、Ａｌ含有ガスとしてＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｇａ含有ガスとしてＴＥＧ（トリエチルガリウム）を用いることができる。
【００６０】
さらに、スペーサ層１６は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）を用いることができる。また、電子走行層は、ＢαＡｌβＧａγＩｎ１−α−β−γＮからなる窒化物半導体であって、電子供給層のＩｎｘＡｌ１−ｘＮとａ軸格子定数が合うように下記の式を満たす材料を用いることができる。
２．５５α＋３．１１β＋３．１９γ＋３．５５（１−α−β−γ）＝３．５５ｘ＋３．１１（１−ｘ）
【００６１】
実施例１および実施例２では、ＩｎＡｌＮ層からなる電子供給層の場合を例に示したが、この場合に限らず、ＩｎＡｌＮ層を含む電子供給層であれば、ＩｎＡｌＮ層と他の層とで構成される電子供給層の場合でもよい。また、ＩｎＡｌＮ層が電子供給層でない場合でも、ＩｎＡｌＮ層上に高温で半導体層を形成する場合であれば、本発明を適用することができる。つまり、基板上にＩｎＡｌＮ層を成長させた後、Ｉｎ含有ガスを供給しつつ基板を９００℃以上に昇温させ、その後、ＩｎＡｌＮ層上に半導体層を形成する場合であってもよい。この場合でも、ＩｎＡｌＮ層の表面からＩｎＮが昇華することを抑制でき、ＩｎＡｌＮ層の品質の悪化を抑制することができる。ＩｎＡｌＮ層上に形成する半導体層の例としては、通常９００℃以上で成長されるＧａＮ層が挙げられるが、９００℃以上で成長する半導体層であればＧａＮ層に限られない。
【００６２】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１０ 基板
１２ シード層
１４ ＧａＮ電子走行層
１６ スペーサ層
１８ ＩｎＡｌＮ電子供給層
２０ ＧａＮ層
２２ ゲート電極
２４ ソース電極
２６ ドレイン電極
２８ 保護膜
３０ ２次元電子ガス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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半導体装置は、高周波かつ高出力で動作するパワー素子などに用いられている。例えば、非特許文献１には、半絶縁性基板上に、バッファ層、ＧａＮ電子走行層、ＡｌＧａＮ電子供給層を順次積層し、ＡｌＧａＮ電子供給層との界面近傍でＧａＮ電子走行層に発生する２次元電子ガスを利用して動作するＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）構造の半導体装置が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】高橋清監修、「ワイドギャップ半導体光・電子デバイス」、森北出版、２００６年３月３１日、ｐ．２４２−２４３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１に開示された半導体装置では、２次元電子ガスを発生させるために、ＧａＮ電子走行層とＡｌＧａＮ電子供給層との間の自発分極とピエゾ分極を利用している。ここで、より高濃度の２次元電子ガスを発生させるには、ＡｌＧａＮ電子供給層のＡｌ組成比を上げることが考えられる。しかしながら、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮはＧａＮに対して格子歪みが大きいため、高結晶品質で、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮとＧａＮの積層構造を形成することは難しい。
【０００５】
そこで、ＡｌＧａＮ電子供給層の代わりに、ＧａＮと格子整合をするＩｎＡｌＮからなる電子供給層を用いることを検討した。ＩｎＡｌＮ電子供給層を用いると、ＩｎＡｌＮとＧａＮの大きな自発分極差と、伝導帯の大きな不連続により、２×１０１３ｃｍ−２のシートキャリア濃度が理論上得られる。
【０００６】
しかしながら本発明者の検討によると、ＩｎＡｌＮは、高温で成長を行うと、Ｉｎが優先的に昇華してしまい、Ｉｎが欠損した結晶となるため、高品質のＩｎＡｌＮ電子供給層が得られない。したがって、ＩｎＡｌＮ電子供給層は、例えば６００℃から８００℃の低温で形成することが重要であるという結論に至った。
【０００７】
また、ＩｎＡｌＮ電子供給層がデバイスの最表面となる場合、Ａｌを含んでいるために、大気中で表面酸化が進み易く、部分的かつ経時的に酸化アルミニウムなどが形成されてしまう。これは、デバイス全体のバンド構造に影響を与えることになるため、大きな不良要因となってしまう。そこで、ＩｎＡｌＮ電子供給層上に、ＧａＮ層を設けることが考えられる。しかしながら、ＧａＮ層は通常１０００℃程度の高温で形成されるため、ＩｎＡｌＮ電子供給層を形成した後、ＧａＮ層の形成温度まで昇温させると、ＩｎＡｌＮ電子供給層の表面からＩｎＮが優先的に昇華してしまい、ＩｎＡｌＮ電子供給層の品質が悪化してしまう。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、ＩｎＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成する場合でも、ＩｎＡｌＮ層の品質の悪化を抑制することが可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、基板上に窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、前記電子走行層上にＩｎＡｌＮ層を形成する工程と、前記ＩｎＡｌＮ層を形成した後、Ｉｎ含有ガスを供給しつつ、前記基板を昇温させる工程と、前記昇温が終了した後、前記ＩｎＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、ＩｎＡｌＮ層を形成した後の基板の昇温過程において、基板はＩｎ含有ガス中に置かれるため、ＩｎＡｌＮ層の表面からＩｎＮが昇華することを抑制でき、ＩｎＡｌＮ層の品質の悪化を抑制することができる。
【００１０】
上記構成において、前記基板の温度の上昇に従い、前記Ｉｎ含有ガスの供給量を増やす構成とすることができる。基板の温度が高くなるに従い、ＩｎＡｌＮ層の表面からのＩｎＮの昇華の進行速度が速くなるが、この構成によれば、ＩｎＡｌＮ層の表面からＩｎＮが昇華することをより抑制できる。
【００１１】
上記構成において、前記Ｉｎ含有ガスとともに、Ａｌ含有ガスを供給しつつ、前記基板を昇温させる構成とすることができる。この構成によれば、ＩｎＡｌＮ層を形成した後における基板の昇温過程において、基板はＩｎ含有ガスおよびＡｌ含有ガス中に置かれるため、ＩｎＡｌＮ層の表面からＩｎＮとＡｌＮが昇華することを抑制でき、ＩｎＡｌＮ層の品質の悪化をより抑制することができる。
【００１２】
上記構成において、前記基板の温度の上昇に従い、前記Ｉｎ含有ガスと前記Ａｌ含有ガスの供給量を増やす構成とすることができる。基板の温度が高くなるに従い、ＩｎＡｌＮ層の表面からのＩｎＮやＡｌＮの昇華の進行速度が速くなるが、この構成によれば、ＩｎＡｌＮ層の表面からＩｎＮやＡｌＮが昇華することをより抑制できる。
【００１３】
上記構成において、前記基板の昇温は、９００℃以上である構成とすることができる。この構成によれば、より高品質のＩｎＡｌＮ層を得ることができると共に、デバイスの電気特性の悪化を抑制することができる。
【００１４】
上記構成において、前記ＩｎＡｌＮ層は、６００℃から８００℃の範囲で成長される構成とすることができる。この構成によれば、ＩｎＡｌＮ層の成長においてＩｎが優先的に昇華してしまうことを抑制でき、高品質のＩｎＡｌＮ層を得ることができる。
【００１５】
上記構成において、前記Ｉｎ含有ガスは、トリメチルインジウムである構成とすることができる。
【００１６】
上記構成において、前記Ａｌ含有ガスは、トリメチルアルミニウムまたはトリエチルアルミニウムである構成とすることができる。
【００１７】
本発明は、基板上にＩｎＡｌＮ層を成長する工程と、Ｉｎ含有ガスを供給しつつ、前記基板を９００℃以上に昇温する工程と、前記ＩｎＡｌＮ層上に半導体層を成長する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、ＩｎＡｌＮ層を形成した後の基板の昇温過程において、基板はＩｎ含有ガス中に置かれるため、ＩｎＡｌＮ層の表面からＩｎＮが昇華することを抑制でき、ＩｎＡｌＮ層の品質の悪化を抑制することができる。
【００１８】
上記構成において、前記半導体層は、ＧａＮ層である構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ＩｎＡｌＮ層を形成した後の基板の昇温過程において、基板はＩｎ含有ガス中に置かれるため、ＩｎＡｌＮ層の表面からＩｎＮが昇華することを抑制でき、ＩｎＡｌＮ層の品質の悪化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、実施例１に係る半導体装置のエピタキシャル層を示す断面図の例である。
【図２】図２は、各層の成長温度および供給ガスを示す模式図の例である。
【図３】図３（ａ）は、ＩｎＡｌＮ電子供給層の成長終了時におけるＯ濃度プロファイル、図３（ｂ）は、ＧａＮ層の上面からＩｎＡｌＮ電子供給層までのＯ濃度プロファイル、図３（ｃ）は、低温で成長させたＧａＮ層の上面からＩｎＡｌＮ電子供給層までのＯ濃度プロファイルの模式図の例である。
【図４】図４は、実施例１に係る半導体装置の断面図の例である。
【図５】図５は、各層の成長温度および供給ガスを示す模式図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は、実施例１に係る半導体装置のエピタキシャル層を示す断面図の例である。図２は、図１に示すエピタキシャル層の製造において、各層の成長温度および供給ガスを示す模式図の例であり、経過時間に対して成長温度を示している。エピタキシャル層は、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いて成長される。図１および図２を参照して、まず、ＳｉＣ基板である基板１０をＭＯＣＶＤ装置の水素雰囲気中の成長炉内に装着する。その後、基板１０を１０５０℃まで昇温した後、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）とＮＨ３（アンモニア）を成長炉内に供給して、基板１０上に、ＡｌＮからなるシード層１２を成長させる。シード層１２の膜厚は、例えば２０ｎｍである。
【００２３】
基板１０の温度を１０５０℃で維持したまま、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ３を成長炉内に供給して、シード層１２上に、ＧａＮ電子走行層１４を成長させる。ＧａＮ電子走行層１４の膜厚は、例えば１μｍである。
【００２４】
基板１０の温度を１０５０℃で維持したまま、ＴＭＡとＮＨ３を成長炉内に供給して、ＧａＮ電子走行層１４上に、ＡｌＮからなるスペーサ層１６を成長させる。スペーサ層１６の膜厚は、例えば１ｎｍである。
【００２５】
基板１０の温度を１０５０℃から７００℃に下げた後、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）とＴＭＡとＮＨ３を成長炉内に供給して、スペーサ層１６上に、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長させる。ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の膜厚は、例えば５ｎｍであり、Ｉｎ組成比は、例えば１７％である。
【００２６】
次に、ＴＭＩを成長炉内に供給したまま、基板１０の温度を７００℃から１０５０℃に昇温させる。このように、基板１０を１０５０℃の高温に昇温する過程において、Ｉｎ含有ガスのＴＭＩを供給して成長炉内をＩｎ含有ガス雰囲気とすることで、圧力などの条件を適切にすると、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からＩｎＮが昇華することを抑制できると共に、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上にＩｎＮが成長することを抑制できる。
【００２７】
基板１０の温度が１０５０℃に到達した後、ＴＭＩの供給を停止し、ＴＭＧとＮＨ３を成長炉内に供給して、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に、ＧａＮ層２０を成長させる。ＧａＮ層２０の膜厚は、例えば５ｎｍである。以上により、実施例１に係る半導体装置のエピタキシャル層が完成する。
【００２８】
ＭＯＣＶＤ法による成長では、供給ガスに含まれるＯ（酸素）が、成長層に取り込まれる。そこで、図３（ａ）に、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の成長が終了した時点でのＩｎＡｌＮ電子供給層１８のＯ濃度プロファイルの模式図の例を、図３（ｂ）に、図１に示したエピタキシャル層の表面（ＧａＮ層２０の上面）からＩｎＡｌＮ電子供給層１８までのＯ濃度プロファイルの模式図の例を示す。また、比較のために、図３（ｃ）に、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の成長温度から±１００℃以内の低温でＧａＮ層を成長させた場合の、ＧａＮ層の上面からＩｎＡｌＮ電子供給層１８までのＯ濃度プロファイルの模式図の例を示す。
【００２９】
図３（ａ）を参照して、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の成長終了時点でのＩｎＡｌＮ電子供給層１８のＯ濃度は、例えば７×１０１８ｃｍ−３と高い。これは、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８は、Ａｌを含んでいるためＯを取り込み易いことと、低温で成長されているため取り込まれたＯが抜け難いことによるものである。図３（ｂ）を参照して、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に、１０５０℃の高温でＧａＮ層２０を成長させることで、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８に取り込まれていたＯが拡散し、ＧａＮ層２０の成長終了後には、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８のＯ濃度は、例えば１×１０１７ｃｍ−３に低下する。また、ＧａＮ層２０を１０５０℃の高温で成長しているため、ＧａＮ層２０のＯ濃度は低くなり、例えば１×１０１５ｃｍ−３となる。一方、図３（ｃ）を参照して、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の成長温度から±１００℃以内のような低温でＧａＮ層を成長させた場合は、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８に取り込まれていたＯは拡散し難く、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８のＯ濃度はあまり低下しない。また、ＧａＮ層を低温で成長しているため、ＧａＮ層のＯ濃度はあまり低くならず、例えば１×１０１７ｃｍ−３となる。
【００３０】
このように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８はＯを取り込み易いが、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に、高温でＧａＮ層２０を成長させることで、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８に取り込まれたＯを拡散させて、Ｏ濃度を低下させることができる。なお、図３（ａ）から図３（ｃ）では、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８にＯが取り込まれる場合を例に説明したが、ＭＯＣＶＤ法による成長では、Ｏの他にＣ（炭素）も成長層に取り込まれる。したがって、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に、高温でＧａＮ層２０を成長させることで、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８に取り込まれたＣを拡散させて、Ｃ濃度を低下させることもできる。
【００３１】
また、ＧａＮ層２０を成長させる工程で、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８から拡散するＯやＣは、ＧａＮ層２０側に拡散される。これは、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８下にスペーサ層１６が設けられているため、ＧａＮ電子走行層１４側には拡散され難いためである。
【００３２】
図４は、実施例１に係る半導体装置の断面図の例である。図４を参照して、図１で説明したエピタキシャル層の最上層であるＧａＮ層２０上に、ゲート電極２２と、ゲート電極２２を挟むソース電極２４およびドレイン電極２６と、が設けられている。ゲート電極２２、ソース電極２４、およびドレイン電極２６が設けられていない領域のＧａＮ層２０上には、例えばＳｉＮ（窒化シリコン）からなる保護膜２８が設けられている。ゲート電極２２は、例えばＧａＮ層２０側からＮｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）が順次積層された２層構造をしている。ソース電極２４およびドレイン電極２６は、例えばＧａＮ層２０側からＴｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）が順次積層された２層構造をしている。
【００３３】
即ち、実施例１に係る半導体装置は以下のＨＥＭＴ構造を有している。ＳｉＣ基板からなる基板１０上に、ＡｌＮからなり、膜厚が２０ｎｍのシード層１２が設けられている。シード層１２上に、膜厚が１μｍのＧａＮ電子走行層１４が設けられている。ＧａＮ電子走行層１４上に、ＡｌＮからなり、膜厚が１ｎｍのスペーサ層１６が設けられている。スペーサ層１６上に、膜厚が５ｎｍ、Ｉｎ組成比が１７％で、ＧａＮ電子走行層１４に２次元電子ガス３０を生成するＩｎＡｌＮ電子供給層１８が設けられている。ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に膜厚が５ｎｍのＧａＮ層２０が設けられている。ＧａＮ層２０上に、ゲート電極２２、ソース電極２４、およびドレイン電極２６が設けられ、且つゲート電極２２、ソース電極２４、およびドレイン電極２６が設けられていない領域には保護膜２８が設けられている。
【００３４】
ゲート電極２２、ソース電極２４、ドレイン電極２６、および保護膜２８は以下の方法により形成される。まず、ＧａＮ層２０上に、例えば蒸着法およびリフトオフ法を用いて、ゲート電極２２と、ゲート電極２２を挟むソース電極２４およびドレイン電極２６と、を形成する。次いで、例えばプラズマＣＶＤ法（プラズマ化学気相成長法）を用いて、ゲート電極２２、ソース電極２４、およびドレイン電極２６が形成された領域を除いたＧａＮ層２０上に、保護膜２８を形成する。
【００３５】
以上説明してきたように、実施例１によれば、基板１０上にＧａＮ電子走行層１４を形成した後、ＧａＮ電子走行層１４上にＩｎＡｌＮ電子供給層１８を形成する。そして、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の形成が終了した後、Ｉｎ含有ガスを供給しつつ、基板１０を昇温させる。昇温が終了した後、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上にＧａＮ層２０を形成する。これにより、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を形成した後の基板１０の昇温過程において、基板１０はＩｎ含有ガス中に置かれるため、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からＩｎＮが昇華することを抑制できる。よって、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の品質の悪化を抑制することができる。
【００３６】
ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の形成が終了した後の基板１０の昇温は、Ｉｎ含有ガスを供給しつつ、ＧａＮ層２０の成長温度まで昇温させることが好ましい。ＧａＮ層２０は通常高温で形成されるが、高温で形成されるＧａＮ層２０の温度まで昇温させる場合でも、Ｉｎ含有ガスを供給することで、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からＩｎＮが昇華することを抑制できる。
【００３７】
基板１０の昇温過程において、供給量を一定にして、Ｉｎ含有ガスを供給する場合でもよいが、基板１０の温度の上昇に従い、Ｉｎ含有ガスの供給量を増やすことが好ましい。これは、基板１０の温度が高くなるに従い、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からのＩｎＮの昇華の進行速度が速くなるためである。したがって、基板１０の温度が上昇するに従い、Ｉｎ含有ガスの供給量を増やすことで、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からＩｎＮが昇華することをより抑制できる。例えば、実施例１において、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の成長工程では、ＴＭＩを３５μｍｏｌ／ｍｉｎ供給する。その後、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の成長が終了した後の昇温工程（７００℃から１０５０℃への昇温）において、昇温開始時はＴＭＩを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、基板１０の温度の上昇に従い、ＴＭＩの供給量を増やしていき、昇温終了時ではＴＭＩを５０μｍｏｌ／ｍｉｎ供給するようにすることができる。
【００３８】
なお、Ｉｎ含有ガスの供給量は、基板１０の温度の上昇に従い、線形的に増やしていく場合でもよいし、階段状に増やしていく場合でもよいし、その他の方法で増やしていく場合でもよい。
【００３９】
図３で説明したように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に、高温でＧａＮ層２０を形成することで、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８のＯ濃度やＣ濃度を低下させることができる。これにより、より高品質のＩｎＡｌＮ電子供給層１８を得ることができる。また、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８とゲート電極２２などとの間のＧａＮ層２０のＯ濃度やＣ濃度が高いと、デバイスの電気特性が悪化するが、高温でＧａＮ層２０を形成することで、ＧａＮ層２０のＯ濃度やＣ濃度を低くすることができ、デバイスの電気特性の悪化を抑制することができる。このように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の品質およびデバイスの電気特性を考慮すると、ＧａＮ層２０は高温で形成する場合が好ましい。例えば、ＧａＮ層２０は、９００℃以上で形成する場合が好ましく、１０００℃以上で形成する場合がより好ましく、１０５０℃以上で形成する場合がさらに好ましい。即ち、基板１０の昇温は、９００℃以上である場合が好ましく、１０００℃以上である場合がより好ましく、１０５０℃以上である場合がさらに好ましい。また、表面異常の一種であるヒロックの発生を防ぐために、ＧａＮ層２０は１１００℃以下で形成することが好ましい。
【００４０】
ＩｎＡｌＮ電子供給層１８は、６００℃から８００℃の範囲の成長温度で成長される場合が好ましい。ＩｎＡｌＮは高温で成長を行うと、Ｉｎが優先的に昇華してしまい、Ｉｎが欠損した結晶となり高品質のＩｎＡｌＮ電子供給層が得られない。よって、６００℃から８００℃の範囲で成長をすることで、Ｉｎが優先的に昇華することを抑制でき、高品質のＩｎＡｌＮ電子供給層を得ることができる。
【００４１】
実施例１では、図２のように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を形成した後、Ｉｎ含有ガスを供給し続けたまま、基板１０を昇温させる場合を例に示したが、これに限られる訳ではない。ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の形成が終了した後、Ｉｎ含有ガスの供給を一旦止め、基板１０を昇温させる工程で、再度Ｉｎ含有ガスの供給を再開する場合でもよい。しかしながら、成長炉内の雰囲気を考慮すると、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を形成した後、Ｉｎ含有ガスの供給を停止することなく、供給をし続けたまま、基板１０を昇温させることが好ましい。
【００４２】
また、図２のように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の形成が終了した後、Ｉｎ含有ガスを供給して基板１０を昇温させ、昇温が終了した後においても、一定時間Ｉｎ含有ガスを供給する場合が好ましい。昇温が終了した後は、温度が安定するための安定時間を設けた後にＧａＮ層２０を形成することが好ましいことから、この安定時間中はＩｎ含有ガスを供給し続けて、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からのＩｎＮの昇華を抑制することが好ましい。
【実施例２】
【００４３】
実施例２は、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の形成が終了した後、Ｉｎ含有ガスに加えてＡｌ含有ガスも供給して、基板１０を昇温させる場合の例である。実施例２に係る半導体装置のエピタキシャル層の構造は、実施例１と同じであるため、図１を参照しながら説明をする。図５は、実施例２に係る半導体装置のエピタキシャル層の製造において、各層の成長温度および供給ガスを示す模式図の例であり、経過時間に対して成長温度を示している。エピタキシャル層は、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いて成長される。
【００４４】
図１および図５を参照して、まず、ＳｉＣ基板である基板１０をＭＯＣＶＤ装置の水素雰囲気中の成長炉内に装着する。その後、基板１０を１０５０℃まで昇温した後、ＴＭＡとＮＨ３を成長炉内に供給して、基板１０上に、ＡｌＮからなるシード層１２を成長させる。シード層１２の膜厚は、例えば２０ｎｍである。
【００４５】
基板１０の温度を１０５０℃で維持したまま、ＴＭＧとＮＨ３を成長炉内に供給して、シード層１２上に、ＧａＮ電子走行層１４を成長させる。ＧａＮ電子走行層１４の膜厚は、例えば１μｍである。
【００４６】
基板１０の温度を１０５０℃で維持したまま、ＴＭＡとＮＨ３を成長炉内に供給して、ＧａＮ電子走行層１４上に、ＡｌＮからなるスペーサ層１６を成長させる。スペーサ層１６の膜厚は、例えば１ｎｍである。
【００４７】
基板１０の温度を１０５０℃から７００℃に下げた後、ＴＭＩとＴＭＡとＮＨ３を成長炉内に供給して、スペーサ層１６上に、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長させる。ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の膜厚は、例えば５ｎｍであり、Ｉｎ組成比は、例えば１７％である。
【００４８】
次に、ＴＭＩとＴＭＡを成長炉内に供給したまま、基板１０の温度を７００℃から１０５０℃に昇温させる。このように、基板１０の温度を１０５０℃の高温に上昇させる昇温過程において、Ｉｎ含有ガスのＴＭＩとＡｌ含有ガスのＴＭＡを供給して成長炉内をＩｎ含有ガスおよびＡｌ含有ガス雰囲気とすることで、圧力などの条件を適切にすると、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からＩｎＮとＡｌＮが昇華することを抑制できると共に、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上にＩｎＡｌＮが成長することを抑制できる。
【００４９】
基板１０の温度が１０５０℃に到達した後、ＴＭＩとＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧとＮＨ３を成長炉内に供給して、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に、ＧａＮ層２０を成長させる。ＧａＮ層２０の膜厚は、例えば５ｎｍである。以上により、実施例２に係る半導体装置のエピタキシャル層が完成する。
【００５０】
実施例２に係る半導体装置のＨＥＭＴ構造は、実施例１と同じであり、図４で説明しているため、ここでは説明を省略する。
【００５１】
以上説明してきたように、実施例２によれば、ＧａＮ電子走行層１４上にＩｎＡｌＮ電子供給層１８を形成した後、Ｉｎ含有ガスとともに、Ａｌ含有ガスを供給しつつ、基板１０を昇温させる。基板１０の温度が高くなると、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からＩｎＮが昇華するが、ＡｌＮも若干ではあるが昇華する。したがって、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を形成した後における基板１０の昇温過程において、Ｉｎ含有ガスとＡｌ含有ガスを供給することで、基板１０はＩｎ含有ガスおよびＡｌ含有ガス中に置かれるため、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からＩｎＮとＡｌＮが昇華することを抑制できる。これにより、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の品質の悪化をより抑制することができる。
【００５２】
基板１０の昇温過程において、供給量を一定にして、Ｉｎ含有ガスとＡｌ含有ガスを供給する場合でもよいが、基板１０の温度が高くなるに従い、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からのＩｎＮやＡｌＮの昇華の進行速度が速くなることから、基板１０の温度の上昇に従い、Ｉｎ含有ガスとＡｌ含有ガスの供給量を増やすことが好ましい。これにより、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からＩｎＮやＡｌＮが昇華することをより抑制できる。例えば、実施例２において、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の成長工程では、ＴＭＩを３５μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、ＴＭＡを２５μｍｏｌ／ｍｉｎ供給する。その後、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の成長が終了した後の昇温工程（７００℃から１０５０℃への昇温）において、昇温開始時はＴＭＩを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを５μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、昇温終了時ではＴＭＩを５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを７μｍｏｌ／ｍｉｎ供給するようにすることができる。
【００５３】
なお、Ｉｎ含有ガスおよびＡｌ含有ガスの供給量は、基板１０の温度の上昇に従い、線形的に増やしていく場合でもよいし、階段状に増やしていく場合でもよいし、その他の方法で増やしていく場合でもよい。
【００５４】
実施例２では、図５のように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を形成した後、Ｉｎ含有ガスとＡｌ含有ガスを供給し続けたまま、基板１０を昇温させる場合を例に示したが、これに限られる訳ではない。ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の形成が終了した後、Ｉｎ含有ガスとＡｌ含有ガスの供給を一旦止め、基板１０を昇温させる工程で、再度Ｉｎ含有ガスとＡｌ含有ガスの供給を再開する場合でもよい。しかしながら、成長炉内の雰囲気を考慮すると、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を形成した後、Ｉｎ含有ガスとＡｌ含有ガスの供給を停止することなく、供給をし続けたまま、基板１０を昇温させることが好ましい。
【００５５】
また、図５のように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の形成が終了した後、Ｉｎ含有ガスとＡｌ含有ガスを供給して基板１０を昇温させ、昇温が終了した後においても、一定時間Ｉｎ含有ガスとＡｌ含有ガスを供給する場合が好ましい、昇温が終了した後は、温度が安定するための安定時間を設けた後にＧａＮ層２０を形成することが好ましいことから、この安定時間中はＩｎ含有ガスとＡｌ含有ガスを供給し続けて、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面からのＩｎＮとＡｌＮの昇華を抑制することが好ましい。
【００５６】
実施例１および実施例２では、図４のように、ＧａＮ層２０に凹部を設けず、ＧａＮ層２０の上面にゲート電極２２、ソース電極２４、およびドレイン電極２６を設ける場合を例に示したが、これに限られる訳ではない。例えば、ＧａＮ層２０に凹部を設けて、この凹部にゲート電極２２を設けるゲートリセス構造の場合でもよく、またオーミックリセス構造の場合でもよい。
【００５７】
実施例１および実施例２では、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８のＩｎ組成比が１７％である場合を例に示したが、これに限られない。Ｉｎ組成比は、１２％以上３５％以下の範囲内であることが好ましく、１７％以上１８％以下の範囲内であることがより好ましい。Ｉｎ組成比が１７％以上１８％以下である場合は、ＩｎＡｌＮはＧａＮと格子整合するため格子歪みが発生しないためである。また、Ｉｎ組成比が１２％より小さいまたは３５％より大きい場合は、ａ軸方向の格子歪みが大きくクラックが生じてしまうためである。
【００５８】
ＧａＮ層２０は、ｉ型の場合でもｎ型の場合でもよい。ｎ型の場合は、表面電荷が安定し易く、さらに高温でｎ型のＧａＮを成長することでドーパントの活性化率が上がり、より表面電荷が安定されるため、デバイス全体のバンド構造が安定化し不良が低減する。なお、ｎドーパントとしてはＳｉＨ４（シラン）を用いることができる。
【００５９】
実施例１および実施例２では、基板１０はＳｉＣ基板である場合を例に示したが、その他に、Ｓｉ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板、Ｇａ２Ｏ３基板を用いることができる。また、供給ガスは、上述したガスの他に、Ａｌ含有ガスとしてＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｇａ含有ガスとしてＴＥＧ（トリエチルガリウム）を用いることができる。
【００６０】
さらに、スペーサ層１６は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）を用いることができる。また、電子走行層は、ＢαＡｌβＧａγＩｎ１−α−β−γＮからなる窒化物半導体であって、電子供給層のＩｎｘＡｌ１−ｘＮとａ軸格子定数が合うように下記の式を満たす材料を用いることができる。
２．５５α＋３．１１β＋３．１９γ＋３．５５（１−α−β−γ）＝３．５５ｘ＋３．１１（１−ｘ）
【００６１】
実施例１および実施例２では、ＩｎＡｌＮ層からなる電子供給層の場合を例に示したが、この場合に限らず、ＩｎＡｌＮ層を含む電子供給層であれば、ＩｎＡｌＮ層と他の層とで構成される電子供給層の場合でもよい。また、ＩｎＡｌＮ層が電子供給層でない場合でも、ＩｎＡｌＮ層上に高温で半導体層を形成する場合であれば、本発明を適用することができる。つまり、基板上にＩｎＡｌＮ層を成長させた後、Ｉｎ含有ガスを供給しつつ基板を９００℃以上に昇温させ、その後、ＩｎＡｌＮ層上に半導体層を形成する場合であってもよい。この場合でも、ＩｎＡｌＮ層の表面からＩｎＮが昇華することを抑制でき、ＩｎＡｌＮ層の品質の悪化を抑制することができる。ＩｎＡｌＮ層上に形成する半導体層の例としては、通常９００℃以上で成長されるＧａＮ層が挙げられるが、９００℃以上で成長する半導体層であればＧａＮ層に限られない。
【００６２】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１０ 基板
１２ シード層
１４ ＧａＮ電子走行層
１６ スペーサ層
１８ ＩｎＡｌＮ電子供給層
２０ ＧａＮ層
２２ ゲート電極
２４ ソース電極
２６ ドレイン電極
２８ 保護膜
３０ ２次元電子ガス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層上にＩｎＡｌＮ層を形成する工程と、
前記ＩｎＡｌＮ層を形成した後、Ｉｎ含有ガスを供給しつつ、前記基板を昇温させる工程と、
前記昇温が終了した後、前記ＩｎＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記基板の温度の上昇に従い、前記Ｉｎ含有ガスの供給量を増やすことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記Ｉｎ含有ガスとともに、Ａｌ含有ガスを供給しつつ、前記基板を昇温させることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記基板の温度の上昇に従い、前記Ｉｎ含有ガスと前記Ａｌ含有ガスの供給量を増やすことを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記基板の昇温は、９００℃以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記ＩｎＡｌＮ層は、６００℃から８００℃の範囲で成長されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記Ｉｎ含有ガスは、トリメチルインジウムであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記Ａｌ含有ガスは、トリメチルアルミニウムまたはトリエチルアルミニウムであることを特徴とする請求項３または４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
基板上にＩｎＡｌＮ層を成長する工程と、
Ｉｎ含有ガスを供給しつつ、前記基板を９００℃以上に昇温する工程と、
前記ＩｎＡｌＮ層上に半導体層を成長する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記半導体層は、ＧａＮ層であることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
基板上に窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層上にＩｎＡｌＮ層を形成する工程と、
前記ＩｎＡｌＮ層を形成した後、Ｉｎ含有ガスを供給しつつ、前記基板を昇温させる工程と、
前記昇温が終了した後、前記ＩｎＡｌＮ層上にＧａＮ層を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記基板の温度の上昇に従い、前記Ｉｎ含有ガスの供給量を増やすことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記Ｉｎ含有ガスとともに、Ａｌ含有ガスを供給しつつ、前記基板を昇温させることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記基板の温度の上昇に従い、前記Ｉｎ含有ガスと前記Ａｌ含有ガスの供給量を増やすことを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記基板の昇温は、９００℃以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記ＩｎＡｌＮ層は、６００℃から８００℃の範囲で成長されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記Ｉｎ含有ガスは、トリメチルインジウムであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記Ａｌ含有ガスは、トリメチルアルミニウムまたはトリエチルアルミニウムであることを特徴とする請求項３または４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
基板上にＩｎＡｌＮ層を成長する工程と、
Ｉｎ含有ガスを供給しつつ、前記基板を９００℃以上に昇温する工程と、
前記ＩｎＡｌＮ層上に半導体層を成長する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記半導体層は、ＧａＮ層であることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２５６７０５（Ｐ２０１２−２５６７０５Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２８６４９（Ｐ２０１１−１２８６４９）
【出願日】平成２３年６月８日（２０１１．６．８）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月８日（２０１１．６．８）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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