氮化物系化合物半導體元件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種漏電流低、且減少了電流崩塌現(xiàn)象的氮化物系化合物半導體元件。其具備：基板；在所述基板上隔著緩沖層而形成的第1氮化物系化合物半導體層；形成于所述第1氮化物系化合物半導體層上的、具有比該第1氮化物系化合物半導體的帶隙大的帶隙的第2氮化物系化合物半導體層；形成于所述第2氮化物系化合物半導體層上的電極。所述第2氮化物系化合物半導體層在表面附近具有摻雜了碳的區(qū)域。
【專利說明】氮化物系化合物半導體元件
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及氮化物系化合物半導體元件。
【背景技術】
[0002]氮化物系化合物半導體、例如氮化鎵(GaN)系半導體與硅系材料相比，因為帶隙能量大，擊穿耐壓大，所以，使用該氮化鎵(GaN)系半導體，可以制作即使在高溫環(huán)境下也進行工作的電阻低的半導體元件。因此，期待GaN系半導體代替硅系材料而作為變換器或換流器等功率裝置的材料。尤其是期待采用AlGaN/GaN異型構造的電場效應晶體管即AlGaN/GaN-HFET(Heterojunction Field Effect Transistor)作為高頻裝置。
[0003]就功率裝置而言，高的阻斷耐壓例如是決定晶體管的最大輸出的重要的參數(shù)。要獲得高的阻斷耐壓，需要實現(xiàn)高的緩沖耐壓、即減小漏電流(漏電電流)。
[0004]氮化物系化合物半導體表面上的肖特基漏電用所謂表面施主模型來說明(參照非專利文獻I)。根據(jù)表面施主模型，在外延生長的氮化物系化合物半導體表面，形成有氮消失形成的氮空穴(Vn)存在于表面10?30nm的區(qū)域且淺的施主能級，氮化物系化合物半導體表面的施主濃度增高。因此，減少肖特基漏電比較困難。
[0005]作為減少肖特基漏電的實施對策，已提出例如在AlGaN/GaN-HFET構造中，在作為阻擋(電子供給)層的AlGaN層中摻雜碳，補償AlGaN層中的殘留載流子的方法(參照專利文獻I)。需要說明的是，作為氮化物系化合物半導體層的外延生長時的碳摻雜法法，有自動摻雜法(參照專利文獻2)、使用烴的摻雜法(參照專利文獻3)等。
[0006][以往技術文獻]
[0007][專利文獻]
[0008][專利文獻I](日本)特開2010-171416號公報
[0009][專利文獻2](日本)特開2007-251144號公報
[0010][專利文獻3](日本)特開2OlO-239OM號公報
[0011][專利文獻4](日本)特開2012-104722號公報
[0012][非專利文獻]
[0013][非專利文獻 I] J.Kotani, H.Hasegawa, and T.Hashizume, Applied SurfaceScience2004 年、第 237 卷、第 213 頁
[0014][非專利文獻2]T.Roy, Y.S.Puzyrev,B.R.Tuttle,D.M.Fleetwood,R.D.Schrimpf,D.F.Brown,U.K.Mishra, and S.T.Pantelides, Applied Physics Letter.2010年、第96卷、第133503頁
[0015]但是，專利文獻I中，碳被均勻地摻雜在AlGaN層中。因此，碳成為電子傳輸層(GaN層)中存在的二維電子氣(2DEG)濃度降低或雜質(zhì)紛亂造成的遷移率降低的原因，存在例如通態(tài)電阻增大之類的問題。另外，因為碳形成的深的能級的密度增大，所以還存在電流崩塌現(xiàn)象惡化的問題。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明是鑒于上述問題而設立的，目的在于，提供一種漏電流低、減少了電流崩塌現(xiàn)象的氮化物系化合物半導體元件。
[0017]為了解決上述課題、實現(xiàn)目的，本發(fā)明的氮化物系化合物半導體元件的特征為，具備:基板；在所述基板上隔著緩沖層形成的第I氮化物系化合物半導體層；形成于所述第I氮化物系化合物半導體層上的、具有比該第I氮化物系化合物半導體層的帶隙大的帶隙的第2氮化物系化合物半導體層；以及，形成于所述第2氮化物系化合物半導體層上的電極，所述第2氮化物系化合物半導體層在表面附近具有摻雜了碳的區(qū)域。
[0018]另外，本發(fā)明的氮化物系化合物半導體元件，在上述發(fā)明的基礎上，其特征為，所述摻雜了碳的區(qū)域距所述第2氮化物系化合物半導體層的表面為IOnm以內(nèi)的深度。
[0019]另外，本發(fā)明的氮化物系化合物半導體元件，在上述發(fā)明的基礎上，其特征為，所述碳是利用氫共振核反應被摻雜的。
[0020]另外，本發(fā)明的氮化物系化合物半導體元件，在上述發(fā)明的基礎上，其特征為，所述碳是利用離子注入被摻雜的。
[0021 ] 另外，本發(fā)明的氮化物系化合物半導體元件，在上述發(fā)明的基礎上，其特征為，在距所述第2氮化物系化合物半導體層的表面3~4 μ m的區(qū)域形成有照射缺陷。
[0022]另外，本發(fā)明的氮化物系化合物半導體元件，在上述發(fā)明的基礎上，其特征為，所述緩沖層或所述第2氮化物系化合物半導體層，含有由鎵空穴和氫構成的復合缺陷分解而形成的鎵空穴。
[0023]另外，本發(fā)明的氮化物系化合物半導體元件，在上述發(fā)明的基礎上，其特征為，所述第I氮化物系化合物半導體層含有GaN，所述第2氮化物系化合物半導體層含有AlxGahN (O < X ≤ I)。
[0024]另外，本發(fā)明的氮化物系化合物半導體元件，在上述發(fā)明的基礎上，其特征為，所述氮化物系化合物半導體元件是場效應晶體管或肖特基勢壘二極管。
[0025][發(fā)明效果]
[0026]根據(jù)本發(fā)明，表面形成有電極的第2氮化物系化合物半導體層，由于在表面附近具有摻雜了碳的區(qū)域，因此，不會對2DEG帶來影響，具有可實現(xiàn)漏電流低、且減少了電流崩塌現(xiàn)象的氮化物系化合物半導體元件的效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是表示原子模型的示意圖；
[0028]圖2是表示表面無缺陷的模型的電子態(tài)密度的圖；
[0029]圖3是表示將氮原子置換為空穴后的模型的電子態(tài)密度的圖；
[0030]圖4是表示將空穴置換為碳原子的模型的電子態(tài)密度的圖；
[0031]圖5是表示各模型中的表面能級數(shù)和每原子數(shù)的凝聚能量的圖；
[0032]圖6是實施方式I的氮化物系化合物半導體元件即HFET的示意性截面圖；
[0033]圖7是說明圖6所示的HFET的制造工序的圖；
[0034]圖8是說明圖6所示的HFET的制造工序的圖；
[0035]圖9是說明外延層的表面的反應的圖；[0036]圖10是表示實施例及比較例的柵漏特性的圖；
[0037]圖11是表示實施例及比較例的通態(tài)特性的圖；
[0038]圖12是實施方式2的氮化物系化合物半導體元件即MOSFET的示意性的截面圖；
[0039]圖13是說明圖12所示的MOSFET的制造工序的圖；
[0040]圖14是說明圖12所示的MOSFET的制造工序的圖；
[0041]圖15是實施方式3的氮化物系化合物半導體元件即SBD的示意性的截面圖；
[0042]圖16是圖15所示的SBD的俯視圖；
[0043]圖17是說明圖15所示的SBD的制造工序的圖；
[0044]圖18是說明圖15所示的SBD的制造工序的圖；
[0045]圖19是表示被注入的碳原子的分布的圖。
[0046]符號說明
[0047]1、21 硅基板
[0048]2氮化硅層
[0049]3、22 晶種層
[0050]4、23、32 緩沖層
[0051]5，24高電阻層
[0052]4aa、4ba、4ca、4da、4ea、4fa、6、26、33 GaN 層
[0053]4ab、4bb、4cb、4db、4eb、4fb AlN層
[0054]7、27、34 AlGaN層
[0055]8、28、35 外延層
[0056]9G.30G 柵極
[0057]9S、30S 源極
[0058]9D、30D 漏極
[0059]25 P-GaN 層
[0060]29柵極氧化膜
[0061]31藍寶石基板
[0062]36A陽極電極
[0063]36C陰極電極
[0064]100 HFET
[0065]200 MOSFET
[0066]300 SBD
[0067]Arl> Ar 2 > Ar 3 箭頭
[0068]B1、B2、B3 射束
[0069]NAl氮原子
[0070]R 凹部
【具體實施方式】
[0071]<基于第一原理電子態(tài)計算的特性評價>
[0072]首先，為了確認GaN晶體的表面上的、氮空穴(Vn)對電特性的影響和基于碳摻雜產(chǎn)生的效果，對進行了第一原理電子態(tài)計算(模擬)結(jié)果進行說明。
[0073]作為該模擬,使用advancesoft株式會社制的Advance/PHASE。另外，作為計算，使用Vanderbilt型超軟贗勢。另外，交換相互作用在廣義梯度近似的范圍進行了計算。
[0074]主要計算條件如下。
[0075].原子模型:由84原子(鎵40個、氮40個(將其中一個置換為空穴或碳原子)、氫原子4個)和10埃的真空層構成的板狀模型
[0076].截止能:波動函數(shù)及電荷密度分布分別為25Ry及230Ry
[0077].k 點取樣:3X3X1
[0078].計算的頻帶數(shù):364
[0079]圖1表示模擬使用的原子模型。原子的上方為10埃真空層。在圖1中，將表面附近存在的氮原子NAl置換為空穴或碳原子而進行計算。
[0080]圖2、圖3、圖4分別是表示表面無缺陷的模型、將氮原子置換為空穴的模型、將空穴置換為碳原子的模型的電子態(tài)密度(D0S;Density Of States)的圖。圖2?4中，為了比較將塊狀GaN晶體的DOS重疊起來并用虛線表示。另外，能量的原點設定為價電子帶的最大能量(VBM)。Ef表示費米能級。
[0081 ] 如圖2所示，可知在無缺陷的GaN表面，從Ef附近和中間間隙(S F' # Y ” 7° )一直到傳導帶的最小能量(CBM)形成有表面態(tài)。
[0082]如圖3所示，可知在表面導入了 Vn的情況下，CBM下的施主能級數(shù)增加。該施主能級成為肖特基漏電的原因。另外，Ef附近的能級成為電流崩塌現(xiàn)象的主要原因。
[0083]另一方面，如圖4所示，將Vn置換為碳原子的情況下，CBM下的能級和Ef附近的能級都減少(下面，將與Vn置換的碳原子表示為Cn)。另外，因為在VBM上形成淺的受主能級E，所以能夠補償殘余載流子。這樣，通過Cn的導入，可期待肖特基漏電的減少效果、及電流崩塌現(xiàn)象的抑制效果。
[0084]圖5是表示各模型的表面能級數(shù)和平均原子數(shù)的凝聚能量的圖。如圖5所示，因?qū)隫n而增加的表面能級數(shù)，通過置換為Cn減少約30%，與無缺陷的GaN表面達到同程度。另外，通過Cn置換，系統(tǒng)的凝聚能量降低，所以，導入表面的碳原子能夠容易地形成CN。
[0085]以上表不了 GaN表面的模擬結(jié)果,在AlGaN表面也可獲得同樣的結(jié)果。
[0086]<實施方式>
[0087]接著，參照附圖，詳細地說明本發(fā)明的氮化物系化合物半導體元件的實施方式。需要說明的是，該發(fā)明不被該實施方式所限定。另外，在附圖中，作為相同或相對應的要素，適當附加相同符號。另外，附圖是示意性的圖，應注意到各層的厚度或厚度的比率等與實際的情況是不同的。另外，在附圖相互間也包含彼此的尺寸的關系或比率不同的部分。
[0088](實施方式I)
[0089]圖6是作為本發(fā)明的實施方式I的氮化物系化合物半導體元件的異質(zhì)結(jié)場效應晶體管(HFET)的示意性的截面圖。
[0090]該HFET100具備:主表面為(111)面的硅基板I ;外延層8，其包括依次形成于硅基板I上的氮化硅層2、含有AlN的晶種層3、將GaN層4aa、4ba、4ca、4da、4ea、4fa和AlN層4ab、4bb、4cb、4db、4eb、4fb交替6周期層疊而成的緩沖層4、含有GaN的高電阻層5、作為以電子傳輸(溝道)層發(fā)揮作用的第I氮化物系化合物半導體層的GaN層6、及作為以電子供給層發(fā)揮作用的第2氮化物系化合物半導體層的AlGaN層7 ;形成于AlGaN層7的表面的源極9S、柵極9G、漏極9D。S卩，該HFET100為具有AlGaN/GaN的異型接合的AlGaN/GaN-HFET。GaN層6在其與AlGaN層7的界面附近產(chǎn)生二維電子氣。
[0091]該HFET100中，AlGaN層7在表面附近具有摻雜了碳的區(qū)域，所以，表面附近的氮空穴由碳原子置換，肖特基漏電電流低、且減少了電流崩塌現(xiàn)象。
[0092]對HFET100的制造方法的一個例子進行說明。圖7是說明圖6所示的HFET100的制造工序中、外延基板制作工序的圖。
[0093]1.外延基板制作:
[0094]最初,在娃基板I上形成外延層8,制作外延基板。
[0095]具體地說，首先，在設置有用CZ (柴式拉晶法)法生長的4英寸(約100mm)直徑、厚度1_的硅基板I (面方位(111))的有機金屬氣相沉積(MOCVD)裝置內(nèi)，在1000°C的溫度下以35L/min的流量導入氨氣(NH3)0.3分鐘，形成氮化硅層2。
[0096]接著，分別以175ymol/min、35L/min的流量導入三甲基鋁(TMAl)和NH3，在沉積溫度1000°C下，使層厚40nm的含有AlN的晶種層3在氮化硅層2上進行外延生長。
[0097]繼續(xù)在晶種層3上形成緩沖層4。GaN層4aa、4ba、4ca、4da、4ea、4fa的層厚分別為 290nm、340nm、390nm、450nm、560nm、720nm。AlN 層 4ab、4bb、4cb、4db、4eb、4fb 的層厚均為 50nmo
[0098]通過將緩沖層4進行層疊，抑制外延層8產(chǎn)生的裂紋，還可以控制曲率數(shù)量。另外，通過從硅基板I側(cè)逐漸地增厚GaN層的層厚，可以增大裂紋的抑制效果和曲率數(shù)量的抑制效果，更厚地層疊外延層8。
[0099]需要說明的是，AlN層及GaN層生長時的TMA1、三甲基鎵(TMGa)及NH3的流量分另Ij為 195 μ mol/min、58 μ mol/min 及 12L/min。
[0100]接著，在緩沖層4上，在生長溫度1050°C、生長壓力50Torr的條件下，以600nm的層厚層疊含有GaN的高電阻層5。形成高電阻層5時，TMGa及NH3的流量為58 μ mol/min及12L/min。只要高電阻層5中的碳濃度為IXlO18cnT3以上，就具有使緩沖泄漏減少的效果，因此優(yōu)選。
[0101]接著，分別以19 μ mol/min、12L/min的流量導入TMGa和NH3，在高電阻層5上使GaN層6以IOOnm的層厚進行外延生長。GaN層6的生長溫度為1050°C、生長壓力為200Torr。如果GaN層6中的碳濃度為I X IO18Cm-3以下,在該濃度下,就不會給二維電子氣濃度或電子遷移率帶來不利影響，因此優(yōu)選。
[0102]接著，分別以100 μ mol/min、19 μ mol/min、12L/min 的流量導入 TMAl 和 TMGa 和NH3,在生長溫度1060°C下，使層厚25nm的AlGaN層7在GaN層6上進行外延生長。AlGaN層7的鋁成分為0.22。鋁成分例如可根據(jù)X射線衍射進行評價。
[0103]用以上的制造工序制作外延基板。
[0104]2.串聯(lián)式加速器進行的碳摻雜:
[0105]接著，向按照1.制作的外延基板照射氮離子。
[0106]圖8是說明圖6所示的HFET的制造工序中的碳摻雜工序的圖。如圖8所示，以射束電流50nA照射加速到了 6.385MeV的N離子的射束BI。射束BI的射束直徑為5mmcp左右。[0107]通過N離子的射束BI的照射，利用氫共振核反應，使處于氮化物系化合物半導體表面附近(AlGaN層7的表面附近)的氫核變換為碳。
[0108]在此，對共振核反應進行說明。所謂共振核反應，是僅具有規(guī)定的能量的粒子共振地進行核反應的現(xiàn)象，氮原子和氫原子中，僅在加速能量為6.385MeV時產(chǎn)生
[0109]15N+1!! — 12C+α + Y (式 I)
[0110]的反應。在此，a為a粒子(氦原子核)、Y表不y射線。
[0111]氫共振核反應例如利用串聯(lián)式加速器(范德格臘夫氏加速裝置的改良形)即可實現(xiàn)。需要說明的是，串聯(lián)式加速器例如利用JAEA(日本原子力研究開發(fā)機構)的設備即可。
[0112]圖9是說明外延層8的表面的反應的圖。將用串聯(lián)式加速器等加速到6.385MeV的15N照射氮化物系化合物半導體表面時，反應的半值寬度非常窄，為1.5KeV，所以，只有在距外延層8的表面(AlGaN層7的表面)IOnm程度以內(nèi)的深度的區(qū)域存在的氫原子發(fā)生共振性核反應，在表面產(chǎn)生12c。
[0113]該12C與在表面附近存在的氮空穴Vn進行反應，置換為氮位(CN)。如圖4所示，Cn形成淺的受主能級，能夠補償AlGaN層7中的殘余載流子。另外，能夠降低表面的施主能級。因此，可以減少用表面施主能級說明的肖特基漏電。
[0114]需要說明的是，如式I所示，在核反應時放出Y射線。該Y射線的能量為
4.43MeV,照射在氮化物系化合物半導體層整體上。
[0115]通過該Y射線，能夠切斷緩沖層4、5及GaN層6中存在的、含有鎵空穴和氫的復合缺陷Vea-H的結(jié)合。這時，復合缺陷分解成Vea和H。通過該分解，半導體中的殘余載流子受到調(diào)制，因此光致發(fā)光(PL)譜中的2.2eV附近的寬闊的發(fā)光(所謂黃色發(fā)光)的強度減少。因此，可以用PL測定確認Vea-H分解。由此，可以抑制非專利文獻2及本申請發(fā)明人等在專利文獻4中指出的長期通電時的特性變動。需要說明的是，氮化物系化合物半導體中的氦原子為電中性，對其電特性不會帶來任何影響。
[0116]在氮化物系化合物半導體表面，氫原子為原子狀或作為水(OH)而存在。以體積密度換算，其濃度為IO18CnT3~1019cm_3，為了供給應置換碳而存在足夠量的氫原子。
[0117]如上所述，能夠在AlGaN層7的表面附近形成摻雜了碳的區(qū)域。另外，如圖5所示，通過Vn的Cn置換，系統(tǒng)的凝聚能量降低，所以共振核反應中所生成的碳原子能夠容易地形成Q。
[0118]需要說明的是，在專利文獻2、3所公開的方法中，想要摻雜碳時，僅在表面附近摻雜碳，因此需要在外延生長中途變更生長條件、或者使生長暫時中斷，所以產(chǎn)生氮空穴或鎵空穴，漏電流的增加及電流崩塌現(xiàn)象有可能惡化。另外，由于碳原子在生長時進行擴散，有可能會減少電子傳輸層的二維電子氣濃度。但是，使用氫共振核反應的方法可防止這些問題的發(fā)生。
[0119]返回到圖8，在射束電流50nA、射束直徑5rnm(p左右的條件下，射束BI成為I X IO12CnT2s-1的流束，通過進行10秒左右照射，能夠在距AlGaN層7表面IOnm以內(nèi)的深度的區(qū)域摻雜5X IO18CnT3以上的碳。需要說明的是，通過用閃爍檢測器監(jiān)控核反應時所放出的Y射線量，能夠?qū)νㄟ^核反應而生成的碳濃度進行就地觀察。
[0120]圖8中，為了向外延基板均勻地照射N離子，使用xy背景使射束BI像箭頭Arl那樣對外延基板進行相對掃描。[0121]需要說明的是，由于所照射的N離子大部分與AlGaN層7的表面附近存在的氫進行核反應，因此不會給AlGaN層7以下的構造帶來影響。另外，根據(jù)使用TRIM (Transportof 1ns in Matter)代碼的蒙特卡羅模擬,未進行核反應而侵入AlGaN層7內(nèi)的、能量為?
6.385MeV的N離子，在AlGaN層7、GaN層6不會失去能量。即，在AlGaN層7及GaN層6不會形成照射缺陷。因此，未進行核反應的N離子不會給HFET100的電特性帶來不利影響。
[0122]所照射的N離子的數(shù)比氫的量多等有一部分未進行核反應的N離子的情況下，未進行核反應的、能量為?6.385MeV的N離子，在距外延層8的表面3?4 μ m的區(qū)域(在此為緩沖層4的內(nèi)部)失去能量的大部分而停止。在該區(qū)域雖然留下照射缺陷，但由于照射缺陷形成的深的能級有補償緩沖層4內(nèi)的殘余載流子的效果，因此倒不如說對元件的高耐壓化、低漏電流化有利。
[0123]需要說明的是，通過調(diào)查距外延層8的表面3?4μ m的晶格間原子等照射缺陷的有無，能夠探測摻雜在距表面IOnm程度以內(nèi)的深度區(qū)域的碳是氫核共振反應產(chǎn)生的碳還是其它摻雜法產(chǎn)生的碳。
[0124]3.元件制作:
[0125]接著，制作HFET100的元件。元件可按照公知的工序，使用光刻工序進行濺射而制作。
[0126]需要說明的是，就電極形成而言，在AlGaN層7上依次蒸鍍Ti(膜厚25nm)及Al (膜厚300nm)，作為歐姆電極形成源極9S及漏極9D。另外，在該電極間依次蒸鍍Ni (膜厚IOOnm)及Au (膜厚200nm)，作為肖特基電極形成柵極9G。蒸鍍源極9S及漏極9D后，在700°C進行30分的熱處理，由此獲得良好的歐姆特性。
[0127]就HFET100的形狀而言,例如按照柵極長2 μ m、柵極寬0.2mm、源極-漏極間距離15 μ m的形狀制作即可。按照以上的工序制造的HFET100可以具有1000V以上的耐壓。
[0128]在此，對通過上述的制造方法制造的HFET(實施例)和除不進行基于共振核反應的碳摻雜以外通過上述的制造方法所制造的HFET(比較例)的電特性進行說明。
[0129]圖10是表示將柵極電壓外加至-5V時的、實施例及比較例的柵(肖特基)_漏特性的圖。需要說明的是，橫軸為源極-漏極間電壓。縱軸的漏電流值標準化為每柵極寬的電流值。如圖10所示，實施例的HFET與比較例的HFET相比，漏電流值降低兩個數(shù)量級以上。
[0130]圖11是表示將柵極電壓設定為0V、在源極-漏極間外加電壓時的實施例及比較例的通態(tài)特性的圖。需要說明的是，橫軸所示的源極-漏極間電壓從O增加到15V，其后，再從15減少至Ij OV。
[0131]在圖11中，曲線的上升表示元件的通態(tài)電阻。另外，雖然因源極-漏極間電壓的增加、減少而產(chǎn)生了磁滯，但該磁滯是電流崩塌現(xiàn)象引起的。由圖11可了解，在實施例中，曲線的上升陡，通態(tài)電阻低。另外，還可了解，實施例中，磁滯也小，電流崩塌現(xiàn)象也被抑制。
[0132]這些特性改善是在AlGaN層7的表面附近摻雜碳，補償由Vn引起的表面施主的效果。認為通態(tài)電阻不會因碳摻雜而變差，因此，碳僅在距表面IOnm程度以內(nèi)的深度存在，不會到達GaN層6的二維電子氣存在的區(qū)域。
[0133]另外，利用共振核反應時放出來的Y射線，GaN層6及緩沖層4中的Vea-H發(fā)生分解，所以，還可抑制HFET100因長期通電造成的特性變動。[0134](實施方式2)
[0135]圖12是作為本發(fā)明的實施方式2的氮化物系化合物半導體元件的MOSFET的示意性的截面圖。
[0136]該M0SFET200具備:主表面為(110)面的硅基板21 ;外延層28，其包括:依次形成于硅基板21上的、含有AlN的晶種層22、由將GaN層和AlN層交替層疊120次而形成的緩沖層23、含有GaN的高電阻層24、形成有反轉(zhuǎn)層(溝道層)的p_GaN層25、作為以電子傳輸層發(fā)揮作用的第I氮化物系化合物半導體層的GaN層26、及作為以電子供給層發(fā)揮作用的第2氮化物系化合物半導體層的AlGaN層27 ;將形成為GaN層26和AlGaN層27的凹部R的凹面及AlGaN層27的表面覆蓋的柵極氧化膜29 ;形成于AlGaN層27上的源電極30S、漏電極30D ;形成于開口部R的柵極氧化膜29上的柵電極30G。
[0137]M0SFET200中，在p-GaN層25形成有反轉(zhuǎn)層(信道層)，作為MOSFET進行工作。另外，在P-GaN層25上的GaN層26/AlGaN層27界面產(chǎn)生的二維電子氣，作為電場緩和層(降低表面電場層(U寸一 7層))及漂移層起作用。該構造中，二維電子氣層作為漂移層其作用，所以，具有可減小通態(tài)電阻的優(yōu)點。
[0138]另外，M0SFET200中，由于AlGaN層27在表面附近具有摻雜了碳的區(qū)域，因此表面附近的氮空穴被碳原子置換，以AlGaN表面為通路的漏電流低、且減少了電流崩塌現(xiàn)象。
[0139]對M0SFET200的制造方法的一個例子進行說明。圖13是說明圖12所示的M0SFET200的制造工序中的外延基板制作工序的圖。
[0140]1.外延基板制造方法:
[0141]最初,在娃基板21上形成外延層28,制作外延基板。
[0142]具體地說，首先，在設置有用CZ法生長的厚度為Imm的硅基板21(面方位(110))的MOCVD裝置內(nèi)，分別以175 μ mol/min、35L/min的流量導入TMAl和NH3,在生長溫度1000°C下，使層厚40nm的含有AlN的晶種層22在硅基板21上進行外延生長。
[0143]在此，通過使用面方位為(110)的硅基板21，與面方位使用(111)的硅基板的情況相比較，能夠獲得轉(zhuǎn)位密度的降低效果。
[0144]接著，例如，將層厚7nm的AlN層和層厚2Inm的GaN層作為一對，在生長溫度1050°C、生長壓力200Torr的條件下，使上述一對層反復生長120周期，形成緩沖層23。通過形成緩沖層23，抑制外延層28產(chǎn)生的裂紋，還可以控制曲率數(shù)量。
[0145]需要說明的是，AlN層及GaN層生長時的TMA1、TMGa及NH3的流量分別為195 μ mol/min、58 μ mol/min 及 12L/min。
[0146]接著，在生長溫度1050°C、生長壓力50Torr的條件下，以IOOnm的層厚層疊含有GaN的高電阻層24。形成高電阻層24時的TMGa及NH3的流量為58 μ mol/min及12L/min。如果高電阻層24中的碳濃度為I X IO18CnT3以上，則具有使緩沖泄漏減少的效果，所以優(yōu)選。
[0147]接著，分別以19 μ mol/min、12L/min的流量導入TMGa和NH3,以450nm的層厚生長P-GaN層25。生長溫度為1050°C、生長壓力為200Torr。p-GaN層25作為p型摻雜劑以受主濃度成為lX1017cm_3的方式摻雜Mg。Mg可將雙環(huán)戊二烯基鎂(Cp2Mg)作為原料氣體進行摻雜。需要說明的是，P型摻雜劑也可以是Zn或Be。
[0148]另外,通過在p-GaN層25中與作為P型摻雜劑的Mg同時摻雜過渡金屬，能夠補償N型的殘余載流子，可提高元件耐壓。這時，理想的是，過渡金屬的濃度與P-GaN層25的受主濃度為同程度或更低。過渡金屬的濃度高的情況下，有時元件的通態(tài)電阻變差。
[0149]作為過渡金屬的例子摻雜Fe的情況，在p-GaN層25的生長時，作為Fe的有機原料使雙環(huán)戊二烯基鐵(Cp2Fe)以流量5SCCm流動。由此，5 X IO16CnT3的Fe被摻雜在p_GaN層25中。
[0150]需要說明的是，作為Fe的有機原料，也可以使用雙乙基戊烯基鐵(EtCp2Fe)。
[0151]另外，過渡金屬摻雜Ni的情況，可以使用烯丙基(環(huán)戊烯基)鎳(AllylCpNi)、雙(環(huán)戊二烯基)鎳(Cp2Ni)或四(三氟化磷)Ni (Ni (PF3)4)等作為有機原料。
[0152]接著，分別以19 μ mol/min、12L/min的流量導入TMGa和NH3，在生長溫度1050°C、生長壓力200Torr的條件下，以50nm的層厚層疊作為電子傳輸層發(fā)揮作用的GaN層26。
[0153]另外，分別以100 μ mol/min、19 μ mol/min、12L/min 的流量導入 TMAl 和 TMGa 和NH3,在生長溫度1050°C下，以20nm的層厚層疊作為電子供給層發(fā)揮作用的AlGaN層27。AlGaN層27的鋁成分為0.22。鋁成分例如可根據(jù)X射線衍射進行評價。
[0154]用以上的制造工序制作外延基板。
[0155]2.基于串聯(lián)式加速器的碳摻雜:
[0156]接著，向按照1.制作的外延基板照射氮離子，進行利用了氫共振核反應的碳摻雜。圖14是說明圖12所示的MOSFET的制造工序中的碳摻雜工序的圖。如圖14所示，以射束電流50nA照射加速到了 6.385MeV的N離子的射束B2，使射束B2像箭頭Ar2那樣進行相對掃描。照射條件等和實施方式I的情況是一樣的。由此，向距AlGaN層27的表面IOnm左右以內(nèi)的深度的區(qū)域摻雜了碳。
[0157]3.元件制作:
[0158]接著，制作M0SFET200的元件。
[0159]首先，在AlGaN層27上通過等離子CVD形成SiO2膜。接著，在SiO2膜上涂布光致抗蝕劑，使用光刻工序進行圖案化，使用氫氟酸系溶液進行腐蝕，在應形成柵極30G的位置的SiO2膜形成開口部。
[0160]接著，使用干腐蝕裝置對AlGaN層27、GaN層26及ρ-GaN層25進行腐蝕，形成凹部R。凹部R的腐蝕深度設定為距GaN層/p-GaN層界面20nm。干腐蝕后，使用氫氟酸系溶液除去SiO2膜。
[0161]接著，通過等離子CVD，以60nm的厚度且以覆蓋凹部R的凹面及AlGaN層27的表面的方式層疊作為柵極氧化膜29發(fā)揮作用的SiO2膜。
[0162]繼續(xù)，通過基于氫氟酸系溶液的腐蝕而除去柵極氧化膜29的一部分，在除去后的區(qū)域的AlGaN層27表面，形成源極30S、漏極30D。源極30S及漏極30D設定為與AlGaN層27/GaN層26界面的二維電子氣層進行歐姆接觸，例如設定為Ti (膜厚25nm)/Al (膜厚300nm)構造。構成電極的各金屬膜的形成可以使用濺射法或真空蒸鍍法而進行。制作了源極30S及漏極30D后，通過在700°C下進行30分的熱處理，獲得良好的歐姆特性。
[0163]最后，作為柵極30G，通過低壓CVD在凹部R的柵極氧化膜29上形成由磷(P)摻雜為P型的多晶硅。
[0164]就M0SFET200的形狀而言，例如，柵-源電極間距離、柵極-漏極間距離分別為5 μ m及20 μ m,柵極長2 μ m、柵極寬0.2mm。
[0165]按照以上的工序制造的M0SFET200能夠具有600V以上的耐壓。另外，AlGaN層27的表面附近的Vn被Cn置換，所以，能夠降低以柵、漏電極間的AlGaN表面為通路的漏電流，且能夠抑制電流崩塌現(xiàn)象。
[0166]另外，利用共振核反應時放出的Y射線，緩沖層23中的Vea-H發(fā)生分解，因此，也未看到因長期通電造成的特性變動。另外，除這些效果以外，上述Y射線還可以切斷P-GaN層24中的Mg和氫形成的復合缺陷(Mg-H)的結(jié)合，提高了摻雜了的受主的活化率。由此，可獲得抑制了 M0SFET200的元件各自的閾值偏差的優(yōu)點。
[0167](實施方式3)
[0168]圖15是作為本發(fā)明的實施方式3的氮化物系化合物半導體元件的肖特基勢壘二極管(Schottky Barrier Diode:SBD)的示意性的截面圖。圖16是圖15所示的SBD的俯視圖。
[0169]該SBD300具備:藍寶石基板31 ;外延層35，其包括:在藍寶石基板31上依次形成的、含有GaN的緩沖層32、作為以電子傳輸層發(fā)揮作用的第I氮化物系化合物半導體層的GaN層33、及作為以電子供給層發(fā)揮作用的第2氮化物系化合物半導體層的AlGaN層34 ；形成于AlGaN層34上的陽極電極36A、陰極電極36C。陽極電極36A為球型電極，陰極電極36C以包圍陽極電極36A的方式形成。
[0170]SBD300中，AlGaN層34具有在表面附近摻雜了碳的區(qū)域，所以，表面附近的氮空穴被碳原子置換，肖特基漏電電流低，且減少了電流崩塌現(xiàn)象。
[0171]對SBD300的制造方法的一個例子進行說明。圖17是說明圖15所示的SBD300的制造工序中的外延基板制作工序的圖。
[0172]1.外延基板制作:
[0173]最初,在藍寶石基板31上形成外延層35,制作外延基板。
[0174]具體地說，首先，在設置有厚度為500 μ m的2英寸(約50mm)直徑藍寶石基板31的MOCVD裝置內(nèi)，分別以14 μ mol/min、12L/min的流量導入TMGa和NH3,在生長溫度550°C下，使層厚30nm的含有GaN的緩沖層32進行外延生長。
[0175]接著，分別以19ymol/min、12L/min的流量導入TMGa和NH3，以3μπι的層厚生長作為電子傳輸層發(fā)揮作用的GaN層33。生長溫度為1050°C、生長壓力為lOOTorr。
[0176]接著，分別以100 μ mol/min、19 μ mol/min、12L/min 的流量導入 TMAl 和 TMGa 和NH3,在生長溫度1050°C下，使層厚30nm的作為電子供給層發(fā)揮作用的AlGaN層34在GaN層33上進行外延生長。AlGaN層34的鋁成分為0.24。
[0177]用以上的制造工序制作外延基板。
[0178]需要說明的是，外延基板也可以通過在基板上，用HVPE(氫氣相外延生長法)、MBE (分子線外延生長法)或激光沉積法形成氮化物系化合物半導體層而進行制作。
[0179]2.基于離子注入的碳摻雜:
[0180]接著，在按照1.制作的外延基板上，通過下面的工序進行基于離子注入的碳摻雜。由此，向AlGaN層34的表面附近的區(qū)域摻雜碳。
[0181]首先，在AlGaN層34上，通過等離子CVD以膜厚IOnm層疊作為表面保護膜的SiO2膜。
[0182]接著，注射碳離子。圖18是說明圖15所示的SBD300的制造工序中的碳摻雜工序的圖。如圖18所示，向外延層35的表面以低于5kV的低加速電壓注射碳離子，使碳離子的射束B3像箭頭Ar3那樣進行相對掃描。碳濃度以濃度的峰值變?yōu)镮 X IO19CnT3的方式，調(diào)節(jié)照射時間或射束電流(流束)。需要說明的是，離子注入后，用氫氟酸系溶液除去作為表面保護膜的SiO2膜。
[0183]圖19是表示使用TRIM代碼計算的、所注射的碳原子的分布的圖。在圖18中，深度Onm為AlGaN層34的表面的位置。如圖19所示，在5kV的加速電壓下，碳原子侵入到距表面20nm左右的深度，因此有時會給AlGaN層34/GaN層33界面的二維電子氣帶來不利影響。因此，作為加速電壓優(yōu)選低于5kV，理想的是3kV以下。但是，加速電壓根據(jù)AlGaN層34的層厚適當?shù)卦O定為不會給二維電子氣帶來不利影響的程度即可。
[0184]3.元件制作:
[0185]接著，制作SBD300的元件。元件可以按照公知的工序，使用光刻工序進行圖案化而制作。
[0186]需要說明的是，就電極形成而言，在AlGaN層34上，依次蒸鍍Ti (膜厚25nm)及Al (膜厚300nm)，作為歐姆電極形成陰極電極36C。另外，在包圍該電極的區(qū)域依次蒸鍍Ni(膜厚IOOnm)及Au (膜厚200nm)，作為肖特基電極形成陽極電極36A。需要說明的是，陽極電極36A為直徑160 μ m的球型電極，陽極電極36A和陰極電極36C的間隔為10 μ m。需要說明的是，蒸鍍陰極電極36C后，通過在700°C下進行30分的熱處理，獲得良好的歐姆特性。
[0187]按照以上的工序制造的SBD300，因為AlGaN層27的表面附近的Vn被Cn置換，與未進行碳摻雜的SBD相比，肖特基漏電電流減少，抑制了電流崩塌現(xiàn)象。
[0188]另外，為了使SBD300的緩沖層32中的Vea-H分解，抑制因長期通電造成的特性變動，也可以在制作外延基板后，向外延層35照射硬X射線區(qū)域的同步加速器放射光或熱中子束。
[0189]需要說明的是，在上述的實施方式中，作為肖特基電極的陽極電極及柵電極的材料，也可以使用功函數(shù)大的Pt或Pd。
[0190]另外，在上述實施方式中，作為基板，可以適當使用硅基板、GaN基板、SiC基板、藍寶石基板、ZnO基板或β -Ga2O3基板等基板。
[0191]另外，在上述實施方式中，作為第2氮化物系化合物半導體層的AlGaN層的成分也可以設定為AlxGa1J (O < X≤I)。鋁成分χ優(yōu)選0.5以下，例如0.20~0.25的范圍。另外，AlGaN層的層厚也可以設定為20nm~30nm。
[0192]另外，第I氮化物系化合物半導體層、第2氮化物系化合物半導體層各自不限定于GaN層、AlGaN層。第I氮化物系化合物半導體層為任意成分的氮化物系化合物半導體即可，例如含有AlxGkxN (O≤χ≤I)。第2氮化物系化合物半導體層為帶隙比第I氮化物系化合物半導體層的帶隙大的成分的氮化物系化合物半導體即可。
[0193]另外，本發(fā)明的氮化物系化合物半導體元件包括場效應晶體管或肖特基勢壘二極管等各種半導體元件，元件的種類沒有特別限定。
[0194]另外，本發(fā)明不被上述實施方式所限定。將上述各構成要素適宜組合而構成的方式也包含在本發(fā)明中。另外，更進一步的效果及變形例可以由本領域技術人員容易地導出。因此，本發(fā)明的更廣泛的方式不限定于上述的實施方式，可以進行各種各樣的變更。
【權利要求】
1.一種氮化物系化合物半導體元件，其特征在于， 具備:基板；在所述基板上隔著緩沖層形成的第I氮化物系化合物半導體層；形成于所述第I氮化物系化合物半導體層上的、具有比該第I氮化物系化合物半導體層的帶隙大的帶隙的第2氮化物系化合物半導體層；以及形成于所述第2氮化物系化合物半導體層上的電極， 所述第2氮化物系化合物半導體層在表面附近具有摻雜了碳的區(qū)域。
2.根據(jù)權利要求1所述的氮化物系化合物半導體元件，其特征在于，所述摻雜了碳的區(qū)域距所述第2氮化物系化合物半導體層的表面為IOnm以內(nèi)的深度。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的氮化物系化合物半導體元件，其特征在于，所述碳是利用氫共振核反應被摻雜的。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的氮化物系化合物半導體元件，其特征在于，所述碳是通過離子注入被摻雜的。
5.根據(jù)權利要求3所述的氮化物系化合物半導體元件，其特征在于，在距所述第2氮化物系化合物半導體層的表面3~4μ m的區(qū)域形成有照射缺陷。
6.根據(jù)權利要求3所述的氮化物系化合物半導體元件，其特征在于，所述緩沖層或所述第2氮化物系化合物半導體層含有由復合缺陷分解而形成的鎵空穴，所述復合缺陷含有鎵空穴和氫。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的氮化物系化合物半導體元件，其特征在于，所述第I氮化物系化合物半導體層含有GaN，所述第2氮化物系化合物半導體層含有AlxGai_xN，其中，O< X ^ 10`
8.根據(jù)權利要求1或2所述的氮化物系化合物半導體元件，其特征在于，其是場效應晶體管或肖特基勢壘二極管。
【文檔編號】H01L29/06GK103531625SQ201310278096
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年7月4日 優(yōu)先權日:2012年7月5日
【發(fā)明者】巖見正之, 古川拓也 申請人:先進動力設備技術研究協(xié)會