JP5024307B2 - 電界効果型トランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化ガリウム系の電界効果型トランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法に係り、特に、ヘキサゴナル欠陥の発生を抑制する電界効果型トランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法に関するものである。

インジウム、ガリウム、アルミニウム、および窒素からなる窒化物半導体は、そのIII族元素の組成比を制御することにより、紫外から可視光の大部分の領域をカバーする革新的な高効率発光デバイスの材料として開発が進められ、実用化されている。

また、窒化物半導体は、高い飽和電子速度と高い絶縁破壊耐圧を有するため、将来的には高周波領域で桁違いの高効率・高出力を実現する夢の電子デバイス用材料としての応用も期待されている。

従来、特許文献１に示されるように、発光デバイスの材料として、窒化物半導体を成長させる際には、基板と窒化物半導体層との間の格子不整合を緩和する目的で、特に基板上に直接形成する核生成層を低温（４００〜９００℃）で堆積する技術が用いられている。

特許文献１に示されるように、発光デバイスの材料に用いる窒化物半導体エピタキシャルウェハは、例えば、サファイア基板と、そのサファイア基板上に形成されたＡｌＮからなる核生成層と、その核生成層上に形成されたＧａＮからなる発光層とからなる。

一方、電子デバイス、具体的には電界効果トランジスタの材料に用いる窒化物半導体エピタキシャルウェハは、例えば、ＳｉＣ基板と、そのＳｉＣ基板上に形成されたＡｌＮからなる核生成層と、その核生成層上に形成されたＧａＮからなるチャネル層と、そのチャネル層上に形成されたＡｌＧａＮからなるバリア層（電子供給層）とからなる。

この電界効果トランジスタの窒化物半導体エピタキシャルウェハを、特許文献１に示された方法で製造すると、トラッピング現象が生じる。すなわち、電界効果トランジスタには、発光デバイスと異なり、表面にバリア層を形成するため、このバリア層にトラッピング現象が生じる。

特許文献２で示されるように、最表面に近く、かつ厚みがナノメートルレベルで制御されるバリア層の表面トラップが、電子をトラップすることによって電界効果トランジスタの特性を低下させるトラッピング現象が指摘されている。

一般に、窒化物半導体エピタキシャルウェハを材料に用いる電界効果トランジスタでトラッピング現象を抑制するためには、バリア層を、モフォロジを適切に平坦に保てる範囲内で、極力高い成長温度で形成するとよいことが知られている。

このような理由から、電界効果トランジスタに用いる窒化物半導体エピタキシャルウェハは、基板上に核生成層を低温で形成し、その後核生成層上に窒化物半導体層を一律に高温で形成している。

特開平２−２２９４７６号公報 特開２００４−５１７４６１号公報

しかしながら、高温で窒化物半導体層、特にガリウム成分の高い層を形成すると、ウェハ上に付着したパーティクルあるいは基板のもつ欠陥が起点となり、六角形状すなわちヘキサゴナル状の欠陥（ヘキサゴナル欠陥）が発生する。このヘキサゴナル欠陥には、窒化物半導体エピタキシャルウェハを材料に用いた電界効果トランジスタの歩留を低下させる問題がある。

そこで、本発明の目的は、電子のトラッピング現象を緩和すると共に、ヘキサゴナル欠陥の発生を抑制可能な電界効果型トランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、炭化ケイ素、サファイア、シリコンのいずれかからなる基板上に核生成層を形成し、前記核生成層上に窒化ガリウムからなる第一の窒化物半導体層を形成し、前記第一の窒化物半導体層上に、前記第一の窒化物半導体層よりも電子親和力の小さい、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ _1-x Ｇａ _x Ｎ（０．９≦ｘ＜１）からなる第二の窒化物半導体層を形成する窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、前記第二の窒化物半導体層を形成する際の成長温度を９８０℃以上１１００℃以下とし、かつ、前記第一の窒化物半導体層を形成する際の成長温度を、前記第二の窒化物半導体層を形成する際の成長温度よりも２０℃以上低くする電界効果型トランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法である。

請求項２の発明は、前記核生成層は、成長温度１１５０℃以上１２３０℃以下で形成された窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項１に記載の電界効果型トランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法である。

請求項３の発明は、ヘキサゴナル欠陥の起因となるパーティクルが付着した前記基板上に、前記核生成層と前記第一の窒化物半導体層と前記第二の窒化物半導体層とを形成することを特徴とする請求項１または２に記載の電界効果型トランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法である。

本発明によれば、電子のトラッピング現象を緩和すると共に、ヘキサゴナル欠陥の発生を抑制可能な電界効果型トランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウェハが得られる。

本発明により製造された窒化ガリウム系の窒化物半導体エピタキシャルウェハの断面図である。 図２（ａ）〜（ｃ）は、第一の窒化物半導体層をそれぞれ異なる成長温度で形成した場合のヘキサゴナル欠陥の発生状況を示す図である。 従来の窒化物半導体エピタキシャルウェハにおけるヘキサゴナル欠陥の発生状況を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明により製造された窒化ガリウム系の窒化物半導体エピタキシャルウェハの断面図である。

図１に示すように、窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０は、炭化ケイ素からなる半絶縁性の基板１と、その基板１上に形成され、窒化アルミニウムからなる核生成層２と、その核生成層２上に形成され、窒化ガリウムからなる第一の窒化物半導体層３と、その第一の窒化物半導体層３上に形成され、窒化ガリウムよりも電子親和力の小さい窒化物半導体であるガリウム成分が９０％以上の窒化アルミニウムガリウムからなる第二の窒化物半導体層４とで構成される。

基板１は、窒化物半導体を成長させる土台である。基板１としては、炭化ケイ素以外にも、サファイア、シリコンを用いることができる。

核生成層２は、基板１と第一の窒化物半導体層３との格子不整合を緩和するためのものである。格子不整合を緩和することで欠陥を生じさせることなく、第一の窒化物半導体層３を形成できる。また、第一の窒化物半導体層３は、電子が走行するキャリア層であり、第二の窒化物半導体層４は、キャリア層に電子を供給するための電子供給層（バリア層）である。

本発明においては、第二の窒化物半導体層４を形成する際には、成長温度９８０℃以上１１００℃以下で形成し、第一の窒化物半導体層３を形成する際には、その成長温度を第二の窒化物半導体層４の成長温度よりも２０℃以上、好ましくは４０℃以上、より好ましくは６０℃以上低くしたものである。

この本発明の窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０によれば、第一の窒化物半導体層３を形成する際の成長温度を低くすることで、ヘキサゴナル欠陥の発生を抑制し、第二の窒化物半導体層４を形成する際の成長温度を高くすることで、電子のトラッピング現象を緩和できるので、窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０を材料に用いた半導体デバイスの歩留を大幅に向上することができる。

次に、本発明のより具体的な窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０の製造方法をさらに説明する。

窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０は、炭化ケイ素からなる半絶縁性の基板１上に、窒化アルミニウムからなる核生成層２を成長温度１１５０℃以上１２３０℃以下で形成し、その核生成層２上に、窒化ガリウムからなる第一の窒化物半導体層３を形成し、その第一の窒化物半導体層３上に、第一の窒化物半導体層３よりも電子親和力の小さい窒化物半導体であるガリウム成分が９０％以上の窒化アルミニウムガリウムからなる第二の窒化物半導体層４を成長温度９８０℃以上１１００℃以下で形成すると得られる。各層の形成には例えば、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いるとよい。

このとき、第一の窒化物半導体層３を形成する際の成長温度を、第二の窒化物半導体層４を形成する際の成長温度よりも２０℃以上、好ましくは４０℃以上、より好ましくは６０℃以上低くするとよい。

この理由について説明する。

上述したように、窒化物半導体エピタキシャルウェハを材料として用いる電界効果トランジスタで電子のトラッピング現象を抑制するためには、最表面に近く、かつ厚みがナノメートルレベルで制御されるバリア層、すなわち本実施の形態における第二の窒化物半導体層４が、モフォロジを適切に平坦に保てる範囲内で、極力高い成長温度で形成されることが望ましい。ここで、平坦とは、Ｒｍｓ（二乗平均粗さ）が１ｎｍ以下であることをいう。

しかしながら、極力高い成長温度で窒化物半導体層、特にガリウム成分の高い層（具体的には、ガリウム成分が９０％以上、好ましくは９５％以上の層）を形成すると、ウェハ上に付着したパーティクルあるいは基板のもつ欠陥が起点となり、図３に示すような六角形状すなわちヘキサゴナル状の欠陥（ヘキサゴナル欠陥）が発生することが分かっている。

本発明者等は、詳細な実験と研究を行い、このヘキサゴナル欠陥の発生確率およびその径は、窒化物半導体エピタキシャルウェハを材料として用いる電界効果トランジスタの層構造においてバリア層の下部にあたる、第一の窒化物半導体層の成長温度に大きく依存することを突き止めた。

図２，３は、窒化ガリウムからなる第一の窒化物半導体層を異なる成長温度で形成した場合のヘキサゴナル欠陥の発生状況を示す図である。

図２（ａ）は、核生成層を成長温度１２００℃で、第一の窒化物半導体層を成長温度１０２０℃で、第二の窒化物半導体層を成長温度１０４０℃で形成した窒化物半導体エピタキシャルウェハにおけるヘキサゴナル欠陥の図である。

図２（ｂ）は、核生成層を成長温度１２００℃で、第一の窒化物半導体層を成長温度１０００℃で、第二の窒化物半導体層を成長温度１０４０℃で形成した窒化物半導体エピタキシャルウェハにおけるヘキサゴナル欠陥の図である。

図２（ｃ）は、核生成層を成長温度１２００℃で、第一の窒化物半導体層を成長温度９８０℃で、第二の窒化物半導体層を成長温度１０４０℃で形成した窒化物半導体エピタキシャルウェハにおけるヘキサゴナル欠陥の図である。

図３は、核生成層を成長温度１２００℃で、第一の窒化物半導体層を成長温度１０４０℃で、第二の窒化物半導体層も成長温度１０４０℃で形成した従来の窒化物半導体エピタキシャルウェハにおけるヘキサゴナル欠陥の図である。

すなわち、これらのサンプルでは、第一の窒化物半導体層の成長温度のみが変更されている。

電子のトラッピング現象を抑制するため、電界効果トランジスタの材料となる従来の窒化物半導体層（本実施の形態で言う第一の窒化物半導体層）は１０４０℃で形成するが、この温度では、図３に示す通り、基板上にパーティクルがある場合には、これが起点となってヘキサゴナル欠陥が形成され、広い面積がピット状の不良領域で侵食される。

これに対して、発明者等の実験によって明らかにされる通り、図２（ａ），（ｂ）あるいは（ｃ）に示すように、第一の窒化物半導体層３を第二の窒化物半導体層４よりも低い成長温度で形成した場合には、発生するヘキサゴナル欠陥の径が明確に小さくなっていることが分かる。

この効果は、第一の窒化物半導体層３を形成する際の成長温度を第二の窒化物半導体層４を形成する際の成長温度よりも２０℃下げることにより、図３のヘキサゴナル欠陥に比べ図２（ａ）のヘキサゴナル欠陥の径が若干減少していることから確認できる。

また、この効果は、第一の窒化物半導体層３を形成する際の成長温度を第二の窒化物半導体層４を形成する際の成長温度よりも４０℃下げることにより、図３のヘキサゴナル欠陥に比べ図２（ｂ）のヘキサゴナル欠陥の径が大幅に減少していることから確認できる。

さらに、この効果は、第一の窒化物半導体層３を形成する際の成長温度を第二の窒化物半導体層４を形成する際の成長温度よりも６０℃下げることにより、図２（ｃ）に示すように、ヘキサゴナル欠陥が完全に抑止できることから確認できる。

従って、第二の窒化物半導体層４を形成する際の成長温度を９８０℃以上１１００℃以下とし、かつ、第一の窒化物半導体層３を形成する際の成長温度を、第二の窒化物半導体層４を形成する際の成長温度よりも２０℃以上、好ましくは４０℃以上、より好ましくは６０℃以上低くするとよい。ただし、第一の窒化物半導体層３を形成する際の成長温度の下限値は９２０℃とする。

以上要するに本発明の窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０の製造方法によれば、第二の窒化物半導体層４を形成する際の成長温度を９８０℃以上１１００℃以下とし、かつ、第一の窒化物半導体層３を形成する際の成長温度を、第二の窒化物半導体層４を形成する際の成長温度よりも２０℃以上、好ましくは４０℃以上、より好ましくは６０℃以上低くすることで、電子のトラッピング現象を緩和すると共に、ヘキサゴナル欠陥の発生を抑制可能な窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０を得られる。

本発明の実施例を以下に説明する。

先ず、炭化ケイ素基板（基板１）上に、例えばＭＯＣＶＤ装置により、原料としてアンモニアガスとＴＭＡ（Ｔｒｉ Ｍｅｔｈｙｌ Ａｌｕｍｉｎｕｍ）を用いて膜厚１５０ｎｍのアンドープ窒化アルミニウム層（核生成層２）を成長温度１１５０℃以上１２３０℃以下で形成する。

窒化アルミニウム層（核生成層２）を形成する際の成長温度は、特開２００５−３２８２３（Ｐ２００５−３２８２３Ａ）で示される通り、１２００℃が最も望ましい、
その後に、窒化アルミニウム層（核生成層２）上に、同一のＭＯＣＶＤ装置を引き続き使用し、また原料としてアンモニアガスとＴＭＧ（Ｔｒｉ Ｍｅｔｈｙｌ Ｇａｌｌｉｕｍ）を用いて、例えば膜厚１０００ｎｍの窒化ガリウム層（第一の窒化物半導体層３）を形成することができる。

このときの成長温度は前述の検討結果にしたがい、１０２０℃以下、最も望ましくは９８０℃以下に設定するのが望ましい。

その後、窒化ガリウム層（第一の窒化物半導体層３）上に、引き続き同一のＭＯＣＶＤ装置を使用し、アンモニアガスとＴＭＡ、およびＴＭＧを用いて、ガリウム成分が９０％以上の窒化アルミニウムガリウム層（第二の窒化物半導体層４）を成長温度１０４０℃で形成する。この窒化アルミニウムガリウム層の膜厚は、例えば膜厚４０ｎｍとする。

以上の工程により、電子のトラッピング現象を緩和すると共に、従来の形成条件で問題であったヘキサゴナル欠陥の発生を抑制可能な窒化物半導体エピタキシャルウェハ１０を得られる。

１ 基板
２ 核生成層
３ 第一の窒化物半導体層
４ 第二の窒化物半導体層
１０ 窒化物半導体エピタキシャルウェハ

Claims (3)

1. 炭化ケイ素、サファイア、シリコンのいずれかからなる基板上に核生成層を形成し、
   前記核生成層上に窒化ガリウムからなる第一の窒化物半導体層を形成し、
   前記第一の窒化物半導体層上に、前記第一の窒化物半導体層よりも電子親和力の小さい、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ _1-x Ｇａ _x Ｎ（０．９≦ｘ＜１）からなる第二の窒化物半導体層を形成する窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、
   前記第二の窒化物半導体層を形成する際の成長温度を９８０℃以上１１００℃以下とし、かつ、前記第一の窒化物半導体層を形成する際の成長温度を、前記第二の窒化物半導体層を形成する際の成長温度よりも２０℃以上低くすることを特徴とする電界効果型トランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法。
2. 前記核生成層は、成長温度１１５０℃以上１２３０℃以下で形成された窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項１に記載の電界効果型トランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法。
3. ヘキサゴナル欠陥の起因となるパーティクルが付着した前記基板上に、前記核生成層と前記第一の窒化物半導体層と前記第二の窒化物半導体層とを形成することを特徴とする請求項１または２に記載の電界効果型トランジスタ用窒化物半導体エピタキシャルウェハの製造方法。

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