專利名稱：氮化物半導(dǎo)體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用了 III族氮化物半導(dǎo)體的氮化物半導(dǎo)體元件。
背景技術(shù)：
作為使用于功率放大電路、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等的功率器件，使用了 III族氮化物半導(dǎo)體的HEMT (High Electron Mobility Transistor 高電子遷移率晶體管)和 MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field EffectiTransistor :MIS 型場(chǎng)效應(yīng)晶體管)等氮化物半導(dǎo)體器件是公知。氮化物半導(dǎo)體器件，例如，使用外延生長(zhǎng)晶片(印itaxial wafer)來制造，該外延生長(zhǎng)晶片具有基板、和在基板上使III族氮化物半導(dǎo)體進(jìn)行外延生長(zhǎng)而形成的外延層。所使用的基板，考慮到基板與外延層之間的線膨脹系數(shù)的差的減小，優(yōu)選為同種基板，即III 族氮化物半導(dǎo)體基板。但是，因?yàn)镮II族氮化物半導(dǎo)體基板價(jià)格高，所以近年，不斷取代III族氮化物半導(dǎo)體基板，而使用Si基板和SiC基板等其它種類基板。在此情況下，在其它種類基板與外延層之間，設(shè)有緩沖層。緩沖層由比外延層平均晶格常數(shù)小的組合物構(gòu)成，緩和在外延生長(zhǎng)后的冷卻中起因于內(nèi)部應(yīng)力的外延生長(zhǎng)晶片的翹曲，該內(nèi)部應(yīng)力由于其它種類基板與外延層之間的線膨脹系數(shù)的差而產(chǎn)生。例如，專利文獻(xiàn)1(日本國(guó)特開2003-59948號(hào)公報(bào))，公開了一種HEMT，其具備Si 基板；緩沖層，其以覆蓋Si基板的整個(gè)主面的方式形成，由交替地層疊了多個(gè)AlxGai_xN(0 < χ彡1)層和多個(gè)Aly(iai_yN(0 < y彡1)層的復(fù)合層構(gòu)成；和HEMT元件用半導(dǎo)體區(qū)域，其包含形成于緩沖層上的GaN電子渡越層。緩沖層若為某固定的厚度(臨界膜厚)以下，則能夠緩沖Si基板與GaN電子渡越層之間的線膨脹系數(shù)的差，但若超過臨界膜厚，則為了緩和應(yīng)變能而產(chǎn)生失配位錯(cuò)從而發(fā)生晶格弛豫，接近緩沖層的原本的晶格常數(shù)的值。其結(jié)果，有可能會(huì)有情況緩沖層無法起到原本的作用(緩沖作用)，較大的拉伸應(yīng)力作用于GaN電子渡越層，從而產(chǎn)生裂紋。因此，以往需要限制緩沖層的厚度(緩沖層的周期數(shù))，但是這成為了在加厚緩沖層從而提高器件的耐壓上的障礙。這種障礙優(yōu)選在不對(duì)漏電流值等元件特性產(chǎn)生不良影響的范圍內(nèi)進(jìn)行改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種氮化物半導(dǎo)體元件，其能夠抑制漏電流的增加，并且即使在增加了基板上的III族氮化物半導(dǎo)體的超晶格構(gòu)造的周期數(shù)的情況下，也能夠抑制裂紋的產(chǎn)生。本發(fā)明中的上述或其他目的、特征和效果，參照附圖，通過后述的實(shí)施方式的說明來明確。本發(fā)明的一個(gè)形態(tài)所涉及的氮化物半導(dǎo)體元件，包含基板 ’第1緩沖層，其形成于所述基板上，由交替地層疊了多對(duì)相互組成不同的2種III族氮化物半導(dǎo)體層的超晶格構(gòu)造構(gòu)成；第2緩沖層，其在所述第1緩沖層上，與該第1緩沖層相接地被層疊，由交替地層疊了多對(duì)相互組成不同的2種III族氮化物半導(dǎo)體層的超晶格構(gòu)造構(gòu)成；和元件動(dòng)作層， 其形成于所述第2緩沖層上，由III族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，所述第1緩沖層的平均晶格常數(shù) LC1、所述第2緩沖層的平均晶格常數(shù)LC2、和所述元件動(dòng)作層的平均晶格常數(shù)LC3，滿足下式⑴。式(1):LC1 < LC2 < LC3由于介于第1緩沖層與元件動(dòng)作層之間的第2緩沖層具有作為它們的平均晶格常數(shù)LCl和LC3的中間值的平均晶格常數(shù)LC2，因此能夠起到如下作用緩沖具有平均晶格常數(shù)LC1( < LC2)的第1緩沖層、與具備平均晶格常數(shù)LC3( > LC2)的元件動(dòng)作層之間的線膨脹系數(shù)的差。因此，通過使第2緩沖層介于第1緩沖層與元件動(dòng)作層之間，能夠維持緩沖基板與元件動(dòng)作層之間的線膨脹系數(shù)的差的功能，并且即使使緩沖層整體的超晶格周期數(shù)增加也能夠?qū)⒌?和第2緩沖層各自的厚度抑制在臨界膜厚以下，因此能夠抑制晶格弛豫。 其結(jié)果，通過使第1和第2緩沖層在各自的臨界膜厚以下的范圍內(nèi)加厚，能夠提高元件的耐壓。此外，在第1緩沖層與第2緩沖層之間沒有夾著它們之外的III族氮化物半導(dǎo)體層，并且第2緩沖層在第1緩沖層上與該第1緩沖層相接地被層疊，因此也能夠抑制漏電流的增加。此外，所述第1緩沖層也可以包含交替地層疊了多對(duì)AlxlGaN層和AlylGaN層的 AlxlGaN/AlylGaN超晶格構(gòu)造(0彡xl < 1、0 < yl彡l、xl < yl)，所述第2緩沖層也可以包含交替地層疊了多對(duì)Alx2GaN層和Aly2GaN層的Alx2GaN/Aly2GaN超晶格構(gòu)造(0彡x2 < 1、 0 < y2 彡 1、χ2 < y2)。在此情況下，優(yōu)選所述第2緩沖層的所述Alx2GaN層比所述第1緩沖層的所述 AlxlGaN層厚，優(yōu)選所述AlxlGaN層的Al組成xl比所述Alx2GaN層的Al組成x2大。此外，優(yōu)選所述第1緩沖層的平均Al組成比所述第2緩沖層的平均Al組成大，優(yōu)選所述第1緩沖層的超晶格周期數(shù)比所述第2緩沖層的超晶格周期數(shù)多。此外，所述基板也可以為Si基板、SiC基板或藍(lán)寶石基板。此外，所述元件動(dòng)作層也可以包含GaN層。因?yàn)镚aN層容易產(chǎn)生漏電流，所以應(yīng)用于本發(fā)明時(shí)的效果較大。此外，優(yōu)選在所述基板與所述第1緩沖層之間，夾著AlN層。例如，在基板為Si基板，第1緩沖層由GaN/AIN超晶格構(gòu)造構(gòu)成的情況下，若GaN層與Si基板相接，則( 和Si 有可能發(fā)生反應(yīng)從而在Si基板上產(chǎn)生晶體缺陷。但是，通過使AlN層介于第1緩沖層與基板之間，能夠防止這種晶體缺陷。


圖1是用于說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式所涉及的HEMT的結(jié)構(gòu)的示意剖面圖。圖2是用于說明用于使構(gòu)成III族氮化物半導(dǎo)體層疊構(gòu)造的各層生長(zhǎng)的處理裝置的結(jié)構(gòu)的圖解圖。圖3是用于說明本發(fā)明的其他實(shí)施方式所涉及的MISFET的結(jié)構(gòu)的示意剖面圖。
圖4是表示實(shí)施例1和比較例1的HEMT的結(jié)構(gòu)的示意剖面圖。圖5是用于證明晶格弛豫的抑制效果的坐標(biāo)圖，表示了 c軸變形量與超晶格周期數(shù)的關(guān)系。圖6是用于證明耐壓的提高效果的坐標(biāo)圖，表示了破壞電壓與超晶格周期數(shù)的關(guān)系。圖7是表示實(shí)施例2和比較例2 3的HEMT的結(jié)構(gòu)的示意剖面圖。圖8是用于證明漏電流的抑制效果的坐標(biāo)圖，表示了漏電流值與施加電壓的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式以下，參照附圖，詳細(xì)地說明本發(fā)明的實(shí)施方式。圖1是用于說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式所涉及的HEMT的結(jié)構(gòu)的示意剖面圖。該HEMTl具備基板2、和在基板2上通過外延生長(zhǎng)(晶體生長(zhǎng))而形成的III族氮化物半導(dǎo)體層疊構(gòu)造3。基板2，在本實(shí)施方式中，由Si單晶基板(線膨脹系數(shù)α 1 :2.55Χ10_\293Κ)左右)構(gòu)成。該基板2將(111)面作為主面21，與構(gòu)成沿著該主面21的方向(后述的a軸方向)的氮化物半導(dǎo)體的原子耦合的Si原子的晶格間距LCO例如為0.3840nm左右。并且， 通過在該主面21上的晶體生長(zhǎng)，形成了 III族氮化物半導(dǎo)體層疊構(gòu)造3。III族氮化物半導(dǎo)體層疊構(gòu)造3，例如，由將m面作為晶體生長(zhǎng)主面的III族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成。形成III族氮化物半導(dǎo)體層疊構(gòu)造3的各層，相對(duì)基板2共格(coherent)地生長(zhǎng)。共格生長(zhǎng)是指，在保持了來自基底層的晶格的連續(xù)性的狀態(tài)下的晶體生長(zhǎng)。與基底層之間的晶格不匹配，通過進(jìn)行晶體生長(zhǎng)的層的晶格的變形而被吸收，與基底層之間的界面上的晶格的連續(xù)性被保持。例如，在分別使InGaN層和AWaN層從GaN層的m面生長(zhǎng)的情況下，在無變形的狀態(tài)下的hGaN的a軸方向的平均晶格常數(shù)(a軸平均晶格常數(shù))比f(wàn)eiN 的a軸平均晶格常數(shù)大，因此在InGaN層產(chǎn)生向a軸方向的壓縮應(yīng)力(壓縮變形)。與此相對(duì)，在無變形的狀態(tài)下的AlGaN的a軸平均晶格常數(shù)比GaN的a軸平均晶格常數(shù)小，因此在 AlGaN層產(chǎn)生向a軸方向的拉伸應(yīng)力(拉伸變形)。III族氮化物半導(dǎo)體層疊構(gòu)造3從基板2側(cè)開始依次層疊如下層而構(gòu)成A1N層 4(5nm 500nm 厚。例如，IOOnm 厚)；緩沖層 5 (0. 1 μ m 5. 0 μ m 厚。例如，1·6μπι厚)； 作為元件動(dòng)作層的GaN電子渡越層6 (IOOnm 5000nm厚。例如，2. 5 μ m厚)；和AlGaN電子提供層7 (5nm IOOnm厚。例如，25nm厚)。AlN層4是用于阻止Si單晶基板2與第IGaN/AIN超晶格層8的最下層的GaN層 10 (后述)之間的接觸的層。AlN的a軸平均晶格常數(shù)LCO'，例如，為0. 3112nm左右，線膨脹系數(shù)0 2，例如，為4.15\10、2931()左右。緩沖層5包含第IGaN/AIN超晶格層8，其作為在AlN層4上，與AlN層4相接而形成的第1緩沖層；和第2GaN/AlN超晶格層9，其作為在該第IGaN/AIN超晶格層8上，與第IGaN/AIN超晶格層8相接而形成的第2緩沖層。第IGaN/AIN超晶格層8由交替地層疊了多次(10 200周期。例如，50周期)GaN 層10 (4nm 40nm厚。例如，20nm厚)和AlN層11 Qnm IOnm厚。例如，5nm厚)的超晶
5格構(gòu)造構(gòu)成。即，在本實(shí)施方式中，將相對(duì)較厚的GaN層10、和相對(duì)較薄的AlN層11，從基板2側(cè)開始按照該順序交替地層疊多對(duì)，而構(gòu)成了第IGaN/AIN超晶格層8。包含AlN層11 的第IGaN/AIN超晶格層8的平均Al組成是15 75% (例如，20% )。此外，第IGaN/AIN 超晶格層8的a軸平均晶格常數(shù)LC1，例如，為3. 177nm 3. 131nm，線膨脹系數(shù)α 3，例如， 為 5. 374X10— 4. 510Χ10_6(293Κ)。第2GaN/AlN超晶格層9由交替地層疊了多次(5 60周期。例如，10周期)GaN 層12 (4nm 40nm厚。例如，30nm厚)和AlN層13 (2nm IOnm厚。例如，5nm厚)的超晶格構(gòu)造構(gòu)成。即，在本實(shí)施方式中，將相對(duì)較厚的GaN層12、和相對(duì)較薄的AlN層13，從基板2側(cè)開始按照該順序交替地層疊多對(duì)，而構(gòu)成第2GaN/AlN超晶格層9，該第2GaN/AlN超晶格層9的超晶格周期數(shù)比第IGaN/AIN超晶格層8的超晶格周期數(shù)少。最下層的GaN層 12與第IGaN/AIN超晶格層8的最上層的AlN層13相接。包含AlN層13的第2GaN/AlN超晶格層9的平均Al組成是4 50% (例如，14% )0此外，第2GaN/AlN超晶格層9的a軸平均晶格常數(shù)LC2，例如，為3. 186nm 3. 151nm,線膨脹系數(shù)α 4，例如，為5. 532 X IO"6 4. 870Χ10_6(293Κ)。GaN電子渡越層6，在本實(shí)施方式中，作為沒有有意地添加雜質(zhì)的未摻雜 (Undoped)GaN層(即，有時(shí)含有微量的雜質(zhì)。)而構(gòu)成。GaN電子渡越層6的a軸平均晶格常數(shù)LC3，例如，為0. 3157nm 0. 3221nm，線膨脹系數(shù)α 5，例如，為5. 59 X IO"6 (293Κ)左右οAWaN電子提供層7，在本實(shí)施方式中，作為未摻雜MGaN層而構(gòu)成。AWaN電子提供層7的a軸平均晶格常數(shù)LC4，例如，為0. 3157nm 0. 3221·。此外，AWaN電子提供層7的平均Al組成是10 40% (例如，25%)。此外，AKiaN電子提供層7的線膨脹系數(shù) α 6，例如，為 4. 294X10— 4. 726 X IO-6 (293Κ)。這樣，因?yàn)楸舜私M成不同的GaN層和AlGaN層的接合成為異質(zhì)結(jié)，所以在GaN電子渡越層6中，在與AKiaN電子提供層7的接合界面附近，產(chǎn)生二維電子氣(未作圖示)。二維電子氣存在于GaN電子渡越層6中的與AWaN電子提供層7的接合界面附近的幾乎整個(gè)區(qū)域，其濃度，例如，為5 X IO12 1 X 1014cm_2。在HEMTl中，通過使用該二維電子氣在源極-漏極間流通電流來執(zhí)行元件動(dòng)作。在AlGaN電子提供層7上，以與該AlGaN電子提供層7相接的方式，彼此留有間隔地設(shè)置有柵電極14、源電極15和漏電極16。柵電極14可以由能夠在與AlGaN電子提供層7之間形成肖特基結(jié)的電極材料，例如，Ni/Au (鎳/金的合金)等構(gòu)成。源電極15和漏電極16都可以由能夠?qū)KiaN電子提供層7進(jìn)行歐姆接觸的電極材料，例如，Ti/Al (鈦/鋁的合金)、Ti/Al/Ni/Au (鈦/鋁/鎳/金的合金)、Ti/Al/Nb/ Au (鈦/鋁/鈮/金的合金)、Ti/Al/Mo/Au (鈦/鋁/鉬/金的合金)等構(gòu)成。另外，在AlGaN電子提供層7的表面，也可以形成覆蓋該表面的表面保護(hù)膜(未作圖示)。表面保護(hù)膜，例如，也可以由SiN、SiO2等絕緣材料構(gòu)成。圖2是用于說明用于使構(gòu)成III族氮化物半導(dǎo)體層疊構(gòu)造的各層生長(zhǎng)的處理裝置的結(jié)構(gòu)的圖解圖。在處理室30內(nèi)，配置有內(nèi)置了加熱器31的晶座(sus(^pt0r)32。晶座32與旋轉(zhuǎn)軸33結(jié)合，該旋轉(zhuǎn)軸33通過配置于處理室30外的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)34來旋轉(zhuǎn)。由此，通過使處理對(duì)象的晶片35保持在晶座32上，能夠在處理室30內(nèi)將晶片35升溫至規(guī)定溫度，并且， 能夠使其旋轉(zhuǎn)。晶片35是構(gòu)成前述Si單晶基板2的Si單晶片。處理室30連接有排氣配管36。排氣配管36連接有回轉(zhuǎn)泵(rotarypump)等排氣設(shè)備。由此，處理室30內(nèi)的壓力被置為1/10氣壓 常壓，處理室30內(nèi)的環(huán)境氣體不斷被排出。另一方面，在處理室30中，導(dǎo)入了用于向著保持在晶座32上的晶片35的表面提供原料氣體的原料氣體提供路徑40。該原料氣體提供路徑40連接有氮原料配管41，其提供作為氮原料氣體的氨；鎵原料配管42，其提供作為鎵原料氣體的三甲基鎵(TMG)；鋁原料配管43，其提供作為鋁原料氣體的三甲基鋁(TMAl)；銦原料配管44，其提供作為銦原料氣體的三甲基銦(TMh)；鎂原料配管45，其提供作為鎂原料氣體的乙烯環(huán)戊二烯基鎂 (EtCp2Mg)；硅原料配管46，其提供作為硅的原料氣體的硅烷(SiH4)；和載氣配管47，其提供載氣。在這些原料配管41 47中，分別插裝有閥51 57。各原料氣體都與氫或氮、或者由這兩者構(gòu)成的載氣一起被提供。例如，使將(111)面作為主面的Si單晶片作為晶片35保持在晶座32上。在此狀態(tài)下，閥52 56關(guān)閉，打開載氣閥57，對(duì)處理室30內(nèi)提供載氣。并且，進(jìn)行對(duì)加熱器31的通電，將晶片溫度升溫至900°C 1300°C (例如，1050°C)。由此，能夠不產(chǎn)生表面的龜裂地使III族氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)。等到晶片溫度達(dá)到900°C 1300°C之后，氮原料閥51和鋁原料閥53被打開。由此，氨和三甲基鋁從原料氣體提供路徑40與載氣一起被提供。其結(jié)果，在晶片35的表面， 外延生長(zhǎng)了 AlN層4。接下來，進(jìn)行第IGaN/AIN超晶格層8(第1緩沖層)的生長(zhǎng)。第IGaN/AIN超晶格層8的生長(zhǎng)，能夠通過交替地執(zhí)行如下步驟來進(jìn)行通過打開氮原料閥51和鎵原料閥52， 將氨和三甲基鎵提供給晶片35，來使GaN層10生長(zhǎng)的步驟；和通過關(guān)閉鎵原料閥52，打開氮原料閥51和鋁原料閥53，將氨和三甲基鋁提供給晶片35，來使AlN層11生長(zhǎng)的步驟。具體來說，首先形成GaN層10，在其上形成AlN層11。將此反復(fù)進(jìn)行例如50次。在第IGaN/ AlN超晶格層8的形成時(shí)，晶片35的溫度優(yōu)選設(shè)定為例如900°C 1100°C (例如970°C )。在第IGaN/AIN超晶格層8的生長(zhǎng)后，接著進(jìn)行第2GaN/AlN超晶格層9 (第2緩沖層)的生長(zhǎng)。第2GaN/AlN超晶格層9的生長(zhǎng)，能夠通過交替地執(zhí)行如下步驟來進(jìn)行通過打開氮原料閥51和鎵原料閥52，將氨和三甲基鎵提供給晶片35，來使GaN層12生長(zhǎng)的步驟；和通過關(guān)閉鎵原料閥52，打開氮原料閥51和鋁原料閥53，將氨和三甲基鋁提供給晶片 35，來使AlN層13生長(zhǎng)的步驟。具體來說，在第IGaN/AIN超晶格層8的最上層的AlN層11 形成后，關(guān)閉鋁原料閥53并且打開鎵原料閥52，首先形成GaN層12，并在其上形成AlN層 13。將此反復(fù)進(jìn)行例如10次。在第2GaN/AlN超晶格層9形成時(shí)，晶片35的溫度優(yōu)選例如設(shè)定為 900°C 1100°C (例如 970°C )。在第2GaN/AlN超晶格層9的最上層的AlN層13形成后，關(guān)閉鋁原料閥53并且打開鎵原料閥52。由此，氨和三甲基鎵從原料氣體提供路徑40與載氣一起被提供。其結(jié)果， 在第2GaN/AlN超晶格層9的最上層的AlN層13上，外延生長(zhǎng)了未摻雜GaN電子渡越層6。接下來，形成η型AlGaN電子提供層7。即，打開氮原料閥51、鎵原料閥52、鋁原料閥53和硅原料閥56，并關(guān)閉其他閥M、55。由此，向著晶片35提供氨、三甲基鎵、三甲基鋁和硅烷，形成由摻雜了硅的AlGaN構(gòu)成的η型AlGaN電子提供層7。在該η型AlGaN電子提供層7形成時(shí)，晶片35的溫度優(yōu)選設(shè)定為900°C 1100°C (例如970°C )。通過本實(shí)施方式，介于第IGaN/AIN超晶格層8和GaN電子渡越層6之間的第2GaN/ AlN超晶格層9，具有作為它們的a軸平均晶格常數(shù)LCl和LC3的中間值的a軸平均晶格常數(shù)LC2。因此，能夠起到如下效果緩沖具有a軸平均晶格常數(shù)LCl ( < LC2)的第IGaN/AIN 超晶格層8、和具有a軸平均晶格常數(shù)LC3 ( > LC2)的GaN電子渡越層6之間的線膨脹系數(shù)的差(α 3- α 5)。因此，如圖1所示，通過使第2GaN/AlN超晶格層9介于第IGaN/AIN超晶格層8和 GaN電子渡越層6之間，能夠維持緩沖基板2與GaN電子渡越層6之間的線膨脹系數(shù)的差 (al-αδ)的功能，并且即使增加緩沖層整體5的超晶格周期數(shù)，也能夠?qū)⒌?和第2GaN/ AlN超晶格層8、9各自的厚度抑制為臨界膜厚以下，因此能夠抑制晶格弛豫。其結(jié)果，通過將第1和第2GaN/AlN超晶格層8、9在各自的臨界膜厚以下的范圍內(nèi)加厚，能夠提高HEMTl 的耐壓。此外，由于在第IGaN/AIN超晶格層8與第2GaN/AlN超晶格層9之間，沒有夾著它們之外的III族氮化物半導(dǎo)體層(例如，GaN層)，第2GaN/AlN超晶格層9與第IGaN/AIN 超晶格層8相接地層疊于第IGaN/AIN超晶格層8上，因此也能夠抑制漏電流的增加。該漏電流的增加抑制的效果，在包含由比較容易產(chǎn)生漏電流的GaN構(gòu)成的電子渡越層6的HEMTl 中效果較大。此外，若第IGaN/AIN超晶格層8的最下層的GaN層10與Si單晶基板2相接，則 ( 和Si有可能發(fā)生反應(yīng)從而在Si單晶基板2上產(chǎn)生晶體缺陷，在該HEMTl中，在第IGaN/ AlN超晶格層8與基板2之間夾著AlN層4，因此能夠防止這種晶體缺陷。以上，對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式進(jìn)行了說明，但本發(fā)明還能夠以其他的方式實(shí)施。例如，在前述的實(shí)施方式中，作為本發(fā)明的實(shí)施方式的一個(gè)例子，舉例了 HEMTlJfi 作為其他實(shí)施方式，可以舉例說明圖3所示的MISFET20。該MISFET20的III族氮化物半導(dǎo)體層疊構(gòu)造22，從基板2側(cè)開始依次層疊如下層而構(gòu)成A1N層4 ；緩沖層5 ；和作為元件動(dòng)作層的ρ型GaN溝道層23 (300 3000nm厚。例如，1. 5 μ m厚)。在ρ型GaN溝道層23的表層部，彼此隔著間隔地形成有η型GaN源極區(qū)域M和η型GaN漏極區(qū)域25。在這些區(qū)域?qū)Α?5中，源電極沈和漏電極27分別進(jìn)行了歐姆接觸。此外，在P型GaN溝道層23的表面的η型GaN源極區(qū)域M與η型GaN漏極區(qū)域 25之間，柵電極四隔著柵極絕緣膜觀相對(duì)配置。另外，在圖3中，對(duì)與圖1所示的各部對(duì)應(yīng)的部分，付與了與這些各部相同的參照符號(hào)。此外，也可以取代Si單晶基板，用SiC基板(例如，將m面作為主面的SiC基板) 或藍(lán)寶石基板(例如，將m面作為主面的藍(lán)寶石基板)來構(gòu)成基板2。此外，緩沖層5中的基板2側(cè)的超晶格層，不限于GaN/AIN超晶格構(gòu)造，只要是用交替地層疊了多對(duì)AlxlGaN層和AlylGaN層的AlxlGaN/AlylGaN超晶格構(gòu)造(0彡xl < 1、0 <yl ^ Uxl < yl)表示的組合物即可，具體來說，可以舉例AKiaN/AKiaN超晶格層等。另外，緩沖層5中的基板2側(cè)的超晶格層也可以是AIN/AKiaN超晶格層。此外，緩沖層5中的電子渡越層6側(cè)的超晶格層也同樣不限于GaN/AIN超晶格構(gòu)造，只要為由交替地層疊了多對(duì) Alx2GaN 層和 Aly2^iN 層的 Alx2GaN/Aly2GaN 超晶格構(gòu)造(0 彡 x2 < 1、0 < y2 彡 1、x2 <y2)表示的組合物即可，具體來說，可以舉例AKiaN/AKiaN超晶格層等。另外，緩沖層5 中的電子渡越層6側(cè)的超晶格層也可以是AIN/AKiaN超晶格層。雖然對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式詳細(xì)地進(jìn)行了說明，但這些不過是為了明確本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容而使用的具體例，本發(fā)明不應(yīng)限定于這些具體例地來解釋，本發(fā)明的思想和范圍只通過附帶的權(quán)利要求書來限定。本申請(qǐng)對(duì)應(yīng)于2010年5月7日對(duì)日本專利局提出的JP特愿2010-107296號(hào)，本申請(qǐng)的全部公開通過引用嵌入于此。實(shí)施例接下來，根據(jù)實(shí)施例和比較例來對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明，但本發(fā)明不被下述實(shí)施例限定。1.實(shí)施例1和比較例1實(shí)施例1和比較例1為了證明本發(fā)明的晶格弛豫的抑制效果和耐壓的提高效果而進(jìn)行。(1)實(shí)施例 1首先，在將(111)面作為主面的Si基板的表面，使AlN層(40nm厚)進(jìn)行了外延生長(zhǎng)。接下來，通過反復(fù)進(jìn)行60次形成AlN層(5nm厚)，并在其上形成AKiaN層(25nm厚) 的步驟，而形成了 AIN/AKiaN超晶格層(60周期)。在AlGaN層形成時(shí)，將AlGaN層的Al組成調(diào)整為20%。由此得到的AIN/AWaN超晶格層整體的平均Al組成為33. 3%。接下來，通過反復(fù)進(jìn)行20次形成AlN層(5nm厚)，并在其上形成AlGaN層
厚)的步驟，而形成了 AIN/AKiaN超晶格層(20周期)。另外，在AKiaN層形成時(shí)，將AKiaN 層的Al組成調(diào)整為8%。由此得到的AIN/AWaN超晶格層整體的平均Al組成為23. 3%。之后，通過在上側(cè)的AIN/AlGaN超晶格層上，依次形成GaN層(1 μ m厚)和AlGaN 層(Al組成25%、25nm厚)，而制作出了 III族氮化物半導(dǎo)體層疊構(gòu)造。(2)比較例 1首先，在將(111)面作為主面的Si基板的表面，使AlN層(40nm厚)進(jìn)行了外延生長(zhǎng)。接下來，通過反復(fù)進(jìn)行80次形成AlN層(5nm厚)，并在其上形成AKiaN層(25nm厚) 的步驟，而形成了 AIN/AKiaN超晶格層(80周期)。另外，在AlGaN層的形成時(shí)，將AlGaN層的Al組成調(diào)成為21 %。由此得到的AIN/AWaN超晶格層整體的平均Al組成為34. 2%。之后，通過在該AIN/AlGaN超晶格層上，依次形成GaN層(1 μ m厚)和AlGaN層 (Al組成25%、25nm厚)，而制作出了 III族氮化物半導(dǎo)體層疊構(gòu)造。(3) c軸變形量的測(cè)量使用I^hilips公司制的“X’PertMRD”測(cè)量了沿著c軸方向作用于由實(shí)施例1和比較例1得到的III族氮化物半導(dǎo)體層疊構(gòu)造中的超晶格層上的GaN層上的變形量。結(jié)果在圖5中表示。如圖5所示，在實(shí)施例1中，c軸變形量為-0.01% (沿著c軸方向產(chǎn)生了-0.01% 變形應(yīng)力，作為a軸方向，產(chǎn)生了拉伸應(yīng)力。)，與此相對(duì)，在比較例1中，c軸變形量為-0.05% (沿著c軸方向產(chǎn)生了-0.05%變形應(yīng)力，作為a軸方向，產(chǎn)生了拉伸應(yīng)力。)， 并確認(rèn)了在GaN層產(chǎn)生了裂紋。CN 102237403 A
說明書
8/9頁(yè)S卩，在比較例1中，可以認(rèn)為由于將AIN/AKkiN單位連續(xù)地層疊80周期，從而AlN/ AlGaN超晶格層超過臨界膜厚，發(fā)生了晶格弛豫。與此相對(duì)，在實(shí)施例1中，可以認(rèn)為由于將彼此平均Al組成不同的AIN/AKiaN超晶格層分別分為60周期和20周期來形成，從而雖然緩沖層整體的超晶格周期數(shù)與比較例 1相等，但因?yàn)槟軌驅(qū)⒏鱾€(gè)AIN/AWaN超晶格層的厚度抑制為臨界膜厚以下，所以能夠抑制晶格弛豫。(4)破壞電壓的測(cè)量接下來，制作了使緩沖層整體的周期數(shù)為20周期、60周期和80周期的III族氮化物半導(dǎo)體層疊構(gòu)造。另外，層結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同。然后，對(duì)得到的III族氮化物半導(dǎo)體層疊構(gòu)造的AKiaN層施加了電壓，并調(diào)查了 AIN/AKkiN超晶格層絕緣破壞時(shí)的電壓值。結(jié)果在圖6中表示。如圖6所示，確認(rèn)了緩沖層(AIN/AWaN超晶格層)的周期數(shù)越多，則越能夠抑制對(duì)AIN/AKiaN超晶格層的電場(chǎng)集中，其結(jié)果，能夠提高III族氮化物半導(dǎo)體層疊構(gòu)造的耐壓。2.實(shí)施例2和比較例2 3實(shí)施例2和比較例2 3為了證明本發(fā)明的漏電流的抑制效果而進(jìn)行。(1)實(shí)施例 2首先，在將(111)面作為主面的Si基板(300μπι厚)的表面，使AlN層(IOOnm厚) 進(jìn)行了外延生長(zhǎng)。接下來，通過反復(fù)進(jìn)行53次形成GaN層(20nm厚)，并在其上形成AlN層 (5nm厚)的步驟，而形成了 GaN/AIN超晶格層(53周期)。由此得到的GaN/AIN超晶格層整體的平均Al組成為20%。接下來，通過反復(fù)進(jìn)行11次形成GaN層(30nm厚)，并在其上形成AlN層(5nm厚) 的步驟，而形成了 GaN/AIN超晶格層(11周期)。由此得到的GaN/AIN超晶格層整體的平均 Al組成為14%。之后，通過在上側(cè)的GaN/AIN超晶格層上，依次形成GaN層(2. 5 μ m厚)和AlGaN 層(Al組成25%、25nm厚)，而制作出了 III族氮化物半導(dǎo)體層疊構(gòu)造。接下來，在AKiaN層的表面，分別形成了由Ti/Al/Ni/Au構(gòu)成的源電極和漏電極。(2)比較例 2首先，在將(111)面作為主面的Si基板(300μπι厚)的表面，使AlN層(IOOnm厚) 進(jìn)行了外延生長(zhǎng)。接著，通過反復(fù)進(jìn)行64次形成GaN層(20nm厚)，并在其上形成AlN層 (5nm厚)的步驟，而形成了 GaN/AIN超晶格層(64周期)。由此得到的GaN/AIN超晶格層整體的平均Al組成為20%。之后，通過在GaN/AIN超晶格層上，依次形成GaN層O. 5 μ m厚)和AWaN層(Al 組成25%、25nm厚)，而制作出了 III族氮化物半導(dǎo)體層疊構(gòu)造。接下來，在AKiaN層的表面，分別形成了由Ti/Al/Ni/Au構(gòu)成的源電極和漏電極。(3)比較例 3首先，在將(111)面作為主面的Si基板(300μπι厚)的表面，使AlN層(IOOnm厚) 進(jìn)行了外延生長(zhǎng)。接下來，通過反復(fù)進(jìn)行20次形成GaN層(20nm厚)，并在其上形成AlN層 (5nm厚)的步驟，而形成了 GaN/AIN超晶格層(20周期)。由此得到的GaN/AIN超晶格層整體的平均Al組成為20%。接下來，形成GaN層單層QOOnm)，并在其上與上述相同地形成了 10個(gè)周期的 GaN/AIN超晶格層^)nm/5nm、平均Al組成20% )。反復(fù)了 3次形成由該GaN層單層和GaN/ AlN超晶格層構(gòu)成的單元的步驟。之后，進(jìn)一步形成了 GaN層單層QOOnm)。接下來，通過反復(fù)進(jìn)行10次形成GaN層(30nm厚)，并在其上形成AlN層(5nm厚)的步驟，而形成了 GaN/ AlN超晶格層(10周期)。由此得到的GaN/AIN超晶格層整體的平均Al組成為14%。之后，通過在GaN/AIN超晶格層(30nm/5nm、平均Al組成14% )上，依次形成GaN 層O. 5 μ m厚)和AKkiN層(Al組成25%、25nm厚)，而制作出了 III族氮化物半導(dǎo)體層疊構(gòu)造。接下來，在AKiaN層的表面，分別形成了由Ti/Al/Ni/Au構(gòu)成的源電極和漏電極。(4)漏電流的測(cè)量在由實(shí)施例2以及比較例2、3得到的III族氮化物半導(dǎo)體層疊構(gòu)造的源極-漏極間施加電壓，并使施加電壓逐漸上升。在上升的過程中流通的漏電流的變化在圖8中表示。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體元件，其包含 基板；第1緩沖層，其形成于所述基板上，由交替地層疊了多對(duì)相互組成不同的2種III族氮化物半導(dǎo)體層的超晶格構(gòu)造構(gòu)成；第2緩沖層，其在所述第1緩沖層上，與該第1緩沖層相接地被層疊，由交替地層疊了多對(duì)相互組成不同的2種III族氮化物半導(dǎo)體層的超晶格構(gòu)造構(gòu)成；和元件動(dòng)作層，其形成于所述第2緩沖層上，由III族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成， 所述第1緩沖層的平均晶格常數(shù)LC1、所述第2緩沖層的平均晶格常數(shù)LC2、和所述元件動(dòng)作層的平均晶格常數(shù)LC3，滿足下式(1)，其中，式(1)為L(zhǎng)C1 < LC2 < LC3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第1緩沖層包含交替地層疊了多對(duì)AlxlGaN層和AlylGaN層的AlxlGaN/AlylGaN超晶格構(gòu)造，其中，0彡xl < 1、0 < yl ^ Uxl < yl,所述第2緩沖層包含交替地層疊了多對(duì)Alx2GaN層和Aly2GaN層的Alx2GaN/AIy2GaN超晶格構(gòu)造，其中，0彡x2 < 1、0 < y2彡l、x2 < y2。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第2緩沖層的所述Alx2GaN層比所述第1緩沖層的所述AlxlGaN層厚。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于， 所述AlxlGaN層的Al組成xl比所述Alx2GaN層的Al組成x2大。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第1緩沖層的平均Al組成比所述第2緩沖層的平均Al組成大。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述第1緩沖層的超晶格周期數(shù)比所述第2緩沖層的超晶格周期數(shù)多。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于， 所述基板是Si基板、SiC基板或藍(lán)寶石基板。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述元件動(dòng)作層包含GaN層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，在所述基板與所述第1緩沖層之間夾著AlN層。全文摘要
本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體元件，包含基板；第1緩沖層，其形成于所述基板上，由交替地層疊了多對(duì)相互組成不同的2種III族氮化物半導(dǎo)體層的超晶格構(gòu)造構(gòu)成；第2緩沖層，其在所述第1緩沖層上，與該第1緩沖層相接地被層疊，由交替地層疊了多對(duì)相互組成不同的2種III族氮化物半導(dǎo)體層的超晶格構(gòu)造構(gòu)成；和元件動(dòng)作層，其形成于所述第2緩沖層上，由III族氮化物半導(dǎo)體構(gòu)成，所述第1緩沖層的平均晶格常數(shù)LC1、所述第2緩沖層的平均晶格常數(shù)LC2、和所述元件動(dòng)作層的平均晶格常數(shù)LC3，滿足下式(1)。式(1)LC1＜LC2＜LC3。
文檔編號(hào)H01L29/778GK102237403SQ20111011299
公開日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2011年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者伊藤范和, 山口敦司, 高堂真也 申請(qǐng)人:羅姆股份有限公司