專利名稱：包括氮化物基半導體層的外延片的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及包括多層屬于III-V族化合物半導體的氮化物基半導體的外延片，特別涉及能夠使用于異質結場效應晶體管的外延片的翹曲和結晶性的改良。需要說明的是，已知在這種氮化物基半導體外延片的異質結界面上能夠產(chǎn)生二維電子氣。
背景技術：
例如，在制作能夠使用于異質結場效應晶體管的、包括由GaN溝道層和AlGaN勢壘層形成的異質結的外延片的情況下，由于GaN基板價格高，所以目前都是把所述氮化物半導體層結晶生長在藍寶石或Si等不同材料的基板上。在Si基板上生長氮化物基半導體層的情況下，為了緩和基板與半導體層之間的結晶結構的差異、晶格失配、熱膨脹系數(shù)之差等引起的變形，使用各種緩沖層結構。在這些
緩沖層結構中，將不同組成的兩層結構重復層疊而形成的緩沖層結構(以下稱為多層緩沖層結構)已公開在日本特開2010-225703號公報、日本特開2010-245504號公報及日本特開2010-251738號公報等多個專利文獻中。而且，作為多層緩沖層結構以外的其他緩沖層結構，階梯性地或連續(xù)性地改變Al組成比的緩沖層結構(以下稱為組成梯度緩沖層結構)已公開在日本特開2000-277441號公報及日本特表2004-524250號公報等中。關于多層緩沖層結構，如果其結構層的重復次數(shù)增加而使從其上面的GaN溝道層上表面至基板上表面的總厚度增加，則如圖2的曲線圖所示，存在由于晶片的翹曲不是單純的拋物線而是M形的翹曲，所以難以控制晶片的翹曲的課題。即圖2的曲線圖的橫軸表示從晶片主面上的中心沿半徑方向的距離(mm)，縱軸表示在與晶片主面正交的方向上的翹曲量(μ m)。另一方面，如圖3的曲線圖所示，隨著多層緩沖層結構厚度的增加，該緩沖層結構上的GaN溝道層所含有的刃型位錯密度降低。在此，曲線圖的橫軸表示從基板的上表面至GaN溝道層上表面的總厚度(μ m)(以下簡單稱之為總厚度)，GaN溝道層的厚度為一定。另夕卜，曲線圖的縱軸表示GaN溝道層所含有的刃型位錯密度(cm-2)。根據(jù)圖3可知，隨著多層緩沖層結構的厚度的增加，該緩沖層結構上的GaN溝道層所含有的刃型位錯密度減小，但是存在如下課題即使是約5μπι的總厚度，也依然具有大于約IXlOicicnT2的刃型位錯密度。需要說明的是，GaN溝道層內的螺旋位錯的密度不受包括緩沖層結構在內的總厚度的影響，大致一定。而且，在本發(fā)明的說明中，對于GaN溝道層中的刃型位錯密度，使用X射線衍射測量中的(1-100)面衍射的搖擺曲線的半峰全寬(FWHM)，并利用如下的公式(I)進行評價?；?1-100)面的X射線衍射的FWHM主要受刃型位錯密度的影響，基本不受螺
旋位錯密度的影響。
刃型位錯密度=(FWHM2/9.0 ) /3.189A2 ( I )
在此，F(xiàn)WHM與刃型位錯密度是通過陰極發(fā)光(CL)的觀察而相關的。公式(I)中的數(shù)值“9. O”是根據(jù)CL觀察使FWHM與刃型位錯密度相關的擬合參數(shù)，3.1 89人是GaN晶體中刃型位錯的伯格斯矢量的長度。另一方面，當總厚度增大時，組成梯度緩沖層結構的情況與多層緩沖層結構的情況相比，能夠得到GaN溝道層中的低刃型位錯密度，但是如與圖3基似的圖4的曲線圖所示，在約4μπι的總厚度中依然包含IO9 IOiciCnT2左右的高密度的刃型位錯。而且，關于組成梯度緩沖層結構，如根據(jù)圖4所預測到的那樣，隨著總厚度的增加，GaN溝道層中的刃型位錯密度可能進一步減小，但是存在隨著組成梯度緩沖層結構厚度的增加而晶片的翹曲增大，從而產(chǎn)生裂紋的課題。此外，即使在將多層緩沖層與組成梯度緩沖層組合的結構中，也根據(jù)如何將多層 緩沖與組成梯度緩沖層組合而有可能存在完全沒有顯現(xiàn)結晶性改良效果的課題。

發(fā)明內容
鑒于上述問題，本發(fā)明的主要目的在于改良能夠使用于異質結場效應晶體管的外延片的翹曲和結晶性。本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過反復的專心研究發(fā)明了新的緩沖層結構，其與目前的包括多層緩沖層結構或組成梯度緩沖層結構的晶片相比具有相同程度的總厚度，但是大幅減小了刃型位錯密度。根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種使用于異質結場效應晶體管的、包括氮化物基半導體層的外延片，其特征在于，在Si基板上依次包括:Α1Ν或AlON的第一緩沖層、階梯性地減少Al組成比的AlxGa1J的第二緩沖層、配置在該第二緩沖層上且AlaGa1J層/AlbGa1^3N層重復的多層所構成的第三緩沖層、GaN溝道層及電子供給層，該第二緩沖層最上部的Al組成比X在O彡X彡O. 3的范圍內。通過使用本發(fā)明的緩沖層結構，能夠得到與目前的使用多層緩沖層結構或組成梯度緩沖層結構的情況相比大幅減小刃型位錯密度的氮化物基半導體外延片。


圖I是表示本發(fā)明第一實施例的氮化物基半導體外延片結構的剖面示意圖；圖2是表示氮化物基半導體外延片包括多層緩沖層結構而具有較大總厚度的情況下的M形翹曲的曲線圖；圖3是表示從基板上表面至多層緩沖層結構上的GaN溝道層上表面的總厚度與該GaN溝道層內所含有的刃型位錯密度之間關系的曲線圖；圖4是表示從基板上表面至組成梯度緩沖層結構上的GaN溝道層上表面的總厚度與該GaN溝道層內所含有的刃型位錯密度之間關系的曲線圖；圖5是組成梯度緩沖層結構中的AlGaN層上形成的表面缺陷的SEM(掃描電子顯微鏡)像。
具體實施例方式如前所述，根據(jù)本發(fā)明，能夠應用于異質結場效應晶體管的、包括氮化物基半導體層的外延片的特征在于，在Si基板上依次包括:A1N或AlON的第一緩沖層、階梯性地減少Al組成比的AlxGa1J的第二緩沖層、配置在該第二緩沖層上且AlaGa1J層/AlbGa1^3N層重復的多層所構成的第三緩沖層、GaN溝道層及電子供給層，該第二緩沖層最上部的Al組成比X在O彡X彡O. 3的范圍內。如前所述，圖3的曲線圖表示從基板上表面至多層緩沖層結構上的GaN溝道層上表面的總厚度與該GaN溝道層內的刃型位錯密度之間的關系。根據(jù)該曲線圖能夠估計，在多層緩沖層結構的情況下，總厚度為4. 4 μ m時刃型位錯密度約為I. 82X IOltlCm'而且，如前所述，圖4的曲線圖表示從基板上表面至組成梯度緩沖層結構上的GaN溝道層上表面的總厚度與該GaN溝道層內的刃型位錯密度之間的關系。根據(jù)該曲線圖能夠估計，組成梯度緩沖層結構的總厚度為4. 4 μ m時刃型位錯密度約為7. 74X 109cm_2。另一方面，根據(jù)本發(fā)明，通過在組成梯度緩沖層結構上組合多層緩沖層結構(以下將這種組合稱之為組合緩沖層結構)，如后述的表I所示，在組成梯度緩沖層最上部的Al組成比X為O. I的情況下，能夠使GaN溝道層內的刃型位錯密度減小至2. 27X 109cm_2?！ば枰f明的是，在本發(fā)明的研究中，之所以將從基板上表面至緩沖層結構上的GaN溝道層上表面的總厚度固定為4. 4μπι來進行比較，是因為為了消除由緩沖層結構的厚度差異所帶來的影響。這種大幅地減少刃型位錯的改良效果是從以抑制晶片的翹曲為主要目的的多層緩沖層結構及組成梯度緩沖層結構各自給出的啟示所不能預測的效果。另外，表I中一并表示了組成梯度緩沖層結構最上部的Al組成比X為O. 4時的結果，在梯度緩沖層最上層的Al組成比X為O. I的情況與X為O. 4的情況下，效果大為不同。該差異是由本發(fā)明第一次明確的結果。在本發(fā)明的外延片所包括的多層緩沖層結構中，優(yōu)選AlaGa1J層的膜厚為AlbGagN層的膜厚的1/2以下，并且Al組成比的關系為a彡b+0. 7。為了充分減小刃型位錯密度，兩種AlGaN層的Al組成比及厚度的相互關系也是重要的。這是因為，如果兩種AlGaN層的Al組成比的組合及厚度的組合不合適，則反而可能增加刃型位錯。而且，從與緩沖層結構上所堆積的GaN溝道層的關系考慮，Al濃度比大的AlaGawN層的厚度優(yōu)選為Al濃度比小的AlbGagN層的厚度的1/2以下。另一方面，從提高緩和多層緩沖層結構翹曲的效果的觀點出發(fā)，優(yōu)選增大Al濃度比之差，并且優(yōu)選滿足a > b+0. 7的條件。在本發(fā)明的外延片所包括的GaN溝道層中，優(yōu)選碳濃度為5X IO16CnT3以下。換言之，能夠應用于異質結場效應晶體管的外延片優(yōu)選具有能夠有助于抑制該晶體管的電流崩塌的特性。作為具有該用途的特性，優(yōu)選晶片所含有的GaN溝道層的碳濃度為5X1016cm_3以下。另一方面，GaN溝道層也優(yōu)選由具有I X IO18CnT3以上碳濃度的碳摻雜GaN層和具有5 X 1016cm_3以下碳濃度的非摻雜GaN層兩層構成。作為應用于異質結場效應晶體管的外延片應該滿足的特性，希望在厚度方向上也具有良好的耐壓性。作為改善厚度方向的耐壓性的方法，通過向GaN溝道層的下層部分摻雜碳使其濃度為I X IO18CnT3以上，能夠改善厚度方向的耐壓性，并且通過在GaN溝道層的上層部分設置碳濃度為5X1016cm_3以下的非摻雜GaN層，能夠有助于抑制電流崩塌。本發(fā)明的外延片所包含的電子供給層優(yōu)選依次包括具有四對以下的Al原子層和N原子層對的AlN特性改善層、AlGaN勢壘層及GaN蓋層。為了改善異質結結構的特性，希望抑制GaN溝道層和AlGaN勢壘層的界面的載流子的合金散射。對此，通過在GaN溝道層和AlGaN勢壘層的界面插入AlN特性改善層，能夠抑制在該界面的合金散射，從而能夠改善二維電子氣的流動性(移動度)。需要說明的是，如果Al原子層和N原子層對具有超過四對的厚度，則由于結晶性的惡化而降低載流子流動性的改善效果。(第一實施例)圖I是表示本發(fā)明第一實施例的、應用于異質結場效應晶體管的外延片的剖面示意圖。 在該晶片的制作中，作為基板使用4英寸直徑的Si基板I。在進行氮化物基半導體層的晶體生長之前，通過氫氟酸基的腐蝕劑除去Si基板I的表面氧化膜，然后在MOCVD(金屬有機化學氣相沉淀)裝置的腔室內設置該基板。在MOCVD裝置內將基板加熱至1100°C，在腔室內壓力為13. 3kPa的氫氣環(huán)境中對
基板表面進行清潔。之后，通過維持基板溫度和腔室內壓力，并且流入NH3 (12. 5slm)，對Si基板表面進行氮化處理。接著，在TMA (三甲基鋁)流量=117ymol/min與MV流量=12. 5slm的條件下，將AlN層2堆積至200nm的厚度。然后，使基板溫度升高至1150°C，在TMG (三甲基鎵)流量=57 μ mol/min、TMA流量=97 μ mol/min、NH3流量=12. 5slm的條件下，將Ala7Gaa3N層3堆積至400nm的厚度。接著，在 TMG 流量=99 μ mol/min、TMA 流量=55 μ mol/min、NH3 流量=12. 5slm 的條件下,將Al0 4GaQ.6N 層 4 堆積至 400nm 的厚度,進而,在 TMG 流量=137 μ mol/min>TMA 流量=18 μ mol/min、NH3流量=12. 5slm的條件下,將AlaiGaa9N層5堆積至400nm的厚度。由此，形成組成梯度緩沖層結構3-5。在相同的基板溫度下，在AlaiGaa9N層5上堆積包含重復50次AlN層(5nm厚)/Al0. Aaa9N層(20nm厚)的多層緩沖層結構6。此時，AlN層在TMA流量=102 μ mol/min、NH3流量=12. 5slm 的條件下堆積，Al。. Aaa9N層在 TMG 流量=720 μ mol/min、TMA 流量=80 μ mol/min> NH3流量=12. 5slm的條件下堆積。之后，將基板溫度降低至1100°C，在TMG流量=224 μ mol/min、NH3流量=12. 5slm的條件下，在13. 3kPa的壓力下將GaN層7堆積至I. O μ m的厚度，在90kPa的壓力下將GaN層8堆積至0.5μπι的厚度。在此，在堆積壓力較低的情況下，TMG所含有的碳容易摻雜到GaN層內，而在堆積壓力較高的情況下,難以從TMG向GaN層內摻雜碳。然后，在13. 3kPa的壓力下，在GaN層8上堆積包括AlN特性改善層9 (Inm厚)、Ala2Gaa8N勢壘層10 (20nm厚)及GaN蓋層11 (Inm厚)的電子供給層。此時，在TMA流量=51 μ mol/min>NH3 流量=12. 5slm 的條件下堆積 AlN層 9,在 TMG 流量=46 μ mol/min>TMA 流量=7 μ mol/min>NH3流量=12. 5slm的條件下堆積AlGaN層10，然后在TMG流量=58 μ mol/min> NH3流量=12. 5slm的條件下堆積GaN層11。表I
權利要求
1.一種外延片，其包括能夠使用于異質結場效應晶體管的氮化物基半導體層，其特征在于，在Si基板上依次包括:A1N或AlON的第一緩沖層、階梯性地減小Al組成比的AlxGahN的第二緩沖層、配置于該第二緩沖層上且AlaG&1_aN層/AlbGa1^3N層重復的多層所構成的第三緩沖層、GaN溝道層及電子供給層，該第二緩沖層最上部的Al組成比X在O≥X≥O. 3的范圍內。
2.如權利要求I所述的外延片，其特征在于，在所述第三緩沖層中，Al組成比為a≥b+0. 7的關系，并且各AlaGa1J層厚度為各AlbGaw3N層厚度的1/2以下。
3.如權利要求I所述的外延片，其特征在于，所述GaN溝道層含有濃度為5X1016cm_3以下的碳。
4.如權利要求I所述的外延片，其特征在于，所述GaN溝道層包括第一溝道層和在該第一溝道層上的非摻雜第二溝道層，該第一溝道層摻雜有濃度lX1018cm_3以上的碳，該非摻雜第二溝道層具有濃度5X IO16CnT3以下的碳。
5.如權利要求I所述的外延片，其特征在于，所述電子供給層依次包括具有四對以下Al原子層和N原子層對的AlN特性改善層、AlGaN勢壘層及GaN蓋層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種包括氮化物基半導體層的外延片，其能夠使用于異質結場效應晶體管，該外延片在Si基板上依次包括AlN或AlON的第一緩沖層、階梯性地減小Al組成比的AlxGa1-xN的第二緩沖層、配置于該第二緩沖層上且AlaGa1-aN層/AlbGa1-bN層重復的多層所構成的第三緩沖層、GaN溝道層及電子供給層，該第二緩沖層最上部的Al組成比x在0≤x≤0.3的范圍內。
文檔編號H01L29/10GK102891174SQ20121024700
公開日2013年1月23日 申請日期2012年7月17日 優(yōu)先權日2011年7月19日
發(fā)明者寺口信明, 本田大輔, 伊藤伸之, 矢倉基次 申請人:夏普株式會社