专利名称：包括氮化物基半导体层的外延片的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括多层属于III-V族化合物半导体的氮化物基半导体的外延片，特别涉及能够使用于异质结场效应晶体管的外延片的翘曲和结晶性的改良。需要说明的是，已知在这种氮化物基半导体外延片的异质结界面上能够产生二维电子气。
背景技术：
例如，在制作能够使用于异质结场效应晶体管的、包括由GaN沟道层和AlGaN势垒层形成的异质结的外延片的情况下，由于GaN基板价格高，所以目前都是把所述氮化物半导体层结晶生长在蓝宝石或Si等不同材料的基板上。在Si基板上生长氮化物基半导体层的情况下，为了缓和基板与半导体层之间的结晶结构的差异、晶格失配、热膨胀系数之差等引起的变形，使用各种缓冲层结构。在这些
缓冲层结构中，将不同组成的两层结构重复层叠而形成的缓冲层结构(以下称为多层缓冲层结构)已公开在日本特开2010-225703号公报、日本特开2010-245504号公报及日本特开2010-251738号公报等多个专利文献中。而且，作为多层缓冲层结构以外的其他缓冲层结构，阶梯性地或连续性地改变Al组成比的缓冲层结构(以下称为组成梯度缓冲层结构)已公开在日本特开2000-277441号公报及日本特表2004-524250号公报等中。关于多层缓冲层结构，如果其结构层的重复次数增加而使从其上面的GaN沟道层上表面至基板上表面的总厚度增加，则如图2的曲线图所示，存在由于晶片的翘曲不是单纯的抛物线而是M形的翘曲，所以难以控制晶片的翘曲的课题。即图2的曲线图的横轴表示从晶片主面上的中心沿半径方向的距离(mm)，纵轴表示在与晶片主面正交的方向上的翘曲量(μ m)。另一方面，如图3的曲线图所示，随着多层缓冲层结构厚度的增加，该缓冲层结构上的GaN沟道层所含有的刃型位错密度降低。在此，曲线图的横轴表示从基板的上表面至GaN沟道层上表面的总厚度(μ m)(以下简单称之为总厚度)，GaN沟道层的厚度为一定。另夕卜，曲线图的纵轴表示GaN沟道层所含有的刃型位错密度(cm-2)。根据图3可知，随着多层缓冲层结构的厚度的增加，该缓冲层结构上的GaN沟道层所含有的刃型位错密度减小，但是存在如下课题即使是约5μπι的总厚度，也依然具有大于约IXlOicicnT2的刃型位错密度。需要说明的是，GaN沟道层内的螺旋位错的密度不受包括缓冲层结构在内的总厚度的影响，大致一定。而且，在本发明的说明中，对于GaN沟道层中的刃型位错密度，使用X射线衍射测量中的(1-100)面衍射的摇摆曲线的半峰全宽(FWHM)，并利用如下的公式(I)进行评价。基于(1-100)面的X射线衍射的FWHM主要受刃型位错密度的影响，基本不受螺
旋位错密度的影响。
刃型位错密度=(FWHM2/9.0 ) /3.189A2 ( I )
在此，FWHM与刃型位错密度是通过阴极发光(CL)的观察而相关的。公式(I)中的数值“9. O”是根据CL观察使FWHM与刃型位错密度相关的拟合参数，3.1 89人是GaN晶体中刃型位错的伯格斯矢量的长度。另一方面，当总厚度增大时，组成梯度缓冲层结构的情况与多层缓冲层结构的情况相比，能够得到GaN沟道层中的低刃型位错密度，但是如与图3基似的图4的曲线图所示，在约4μπι的总厚度中依然包含IO9 IOiciCnT2左右的高密度的刃型位错。而且，关于组成梯度缓冲层结构，如根据图4所预测到的那样，随着总厚度的增加，GaN沟道层中的刃型位错密度可能进一步减小，但是存在随着组成梯度缓冲层结构厚度的增加而晶片的翘曲增大，从而产生裂纹的课题。此外，即使在将多层缓冲层与组成梯度缓冲层组合的结构中，也根据如何将多层 缓冲与组成梯度缓冲层组合而有可能存在完全没有显现结晶性改良效果的课题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的主要目的在于改良能够使用于异质结场效应晶体管的外延片的翘曲和结晶性。本发明的发明人经过反复的专心研究发明了新的缓冲层结构，其与目前的包括多层缓冲层结构或组成梯度缓冲层结构的晶片相比具有相同程度的总厚度，但是大幅减小了刃型位错密度。根据本发明，能够提供一种使用于异质结场效应晶体管的、包括氮化物基半导体层的外延片，其特征在于，在Si基板上依次包括:Α1Ν或AlON的第一缓冲层、阶梯性地减少Al组成比的AlxGa1J的第二缓冲层、配置在该第二缓冲层上且AlaGa1J层/AlbGa1^3N层重复的多层所构成的第三缓冲层、GaN沟道层及电子供给层，该第二缓冲层最上部的Al组成比X在O彡X彡O. 3的范围内。通过使用本发明的缓冲层结构，能够得到与目前的使用多层缓冲层结构或组成梯度缓冲层结构的情况相比大幅减小刃型位错密度的氮化物基半导体外延片。
图I是表示本发明第一实施例的氮化物基半导体外延片结构的剖面示意图；图2是表示氮化物基半导体外延片包括多层缓冲层结构而具有较大总厚度的情况下的M形翘曲的曲线图；图3是表示从基板上表面至多层缓冲层结构上的GaN沟道层上表面的总厚度与该GaN沟道层内所含有的刃型位错密度之间关系的曲线图；图4是表示从基板上表面至组成梯度缓冲层结构上的GaN沟道层上表面的总厚度与该GaN沟道层内所含有的刃型位错密度之间关系的曲线图；图5是组成梯度缓冲层结构中的AlGaN层上形成的表面缺陷的SEM(扫描电子显微镜)像。
具体实施例方式如前所述，根据本发明，能够应用于异质结场效应晶体管的、包括氮化物基半导体层的外延片的特征在于，在Si基板上依次包括:A1N或AlON的第一缓冲层、阶梯性地减少Al组成比的AlxGa1J的第二缓冲层、配置在该第二缓冲层上且AlaGa1J层/AlbGa1^3N层重复的多层所构成的第三缓冲层、GaN沟道层及电子供给层，该第二缓冲层最上部的Al组成比X在O彡X彡O. 3的范围内。如前所述，图3的曲线图表示从基板上表面至多层缓冲层结构上的GaN沟道层上表面的总厚度与该GaN沟道层内的刃型位错密度之间的关系。根据该曲线图能够估计，在多层缓冲层结构的情况下，总厚度为4. 4 μ m时刃型位错密度约为I. 82X IOltlCm'而且，如前所述，图4的曲线图表示从基板上表面至组成梯度缓冲层结构上的GaN沟道层上表面的总厚度与该GaN沟道层内的刃型位错密度之间的关系。根据该曲线图能够估计，组成梯度缓冲层结构的总厚度为4. 4 μ m时刃型位错密度约为7. 74X 109cm_2。另一方面，根据本发明，通过在组成梯度缓冲层结构上组合多层缓冲层结构(以下将这种组合称之为组合缓冲层结构)，如后述的表I所示，在组成梯度缓冲层最上部的Al组成比X为O. I的情况下，能够使GaN沟道层内的刃型位错密度减小至2. 27X 109cm_2。·需要说明的是，在本发明的研究中，之所以将从基板上表面至缓冲层结构上的GaN沟道层上表面的总厚度固定为4. 4μπι来进行比较，是因为为了消除由缓冲层结构的厚度差异所带来的影响。这种大幅地减少刃型位错的改良效果是从以抑制晶片的翘曲为主要目的的多层缓冲层结构及组成梯度缓冲层结构各自给出的启示所不能预测的效果。另外，表I中一并表示了组成梯度缓冲层结构最上部的Al组成比X为O. 4时的结果，在梯度缓冲层最上层的Al组成比X为O. I的情况与X为O. 4的情况下，效果大为不同。该差异是由本发明第一次明确的结果。在本发明的外延片所包括的多层缓冲层结构中，优选AlaGa1J层的膜厚为AlbGagN层的膜厚的1/2以下，并且Al组成比的关系为a彡b+0. 7。为了充分减小刃型位错密度，两种AlGaN层的Al组成比及厚度的相互关系也是重要的。这是因为，如果两种AlGaN层的Al组成比的组合及厚度的组合不合适，则反而可能增加刃型位错。而且，从与缓冲层结构上所堆积的GaN沟道层的关系考虑，Al浓度比大的AlaGawN层的厚度优选为Al浓度比小的AlbGagN层的厚度的1/2以下。另一方面，从提高缓和多层缓冲层结构翘曲的效果的观点出发，优选增大Al浓度比之差，并且优选满足a > b+0. 7的条件。在本发明的外延片所包括的GaN沟道层中，优选碳浓度为5X IO16CnT3以下。换言之，能够应用于异质结场效应晶体管的外延片优选具有能够有助于抑制该晶体管的电流崩塌的特性。作为具有该用途的特性，优选晶片所含有的GaN沟道层的碳浓度为5X1016cm_3以下。另一方面，GaN沟道层也优选由具有I X IO18CnT3以上碳浓度的碳掺杂GaN层和具有5 X 1016cm_3以下碳浓度的非掺杂GaN层两层构成。作为应用于异质结场效应晶体管的外延片应该满足的特性，希望在厚度方向上也具有良好的耐压性。作为改善厚度方向的耐压性的方法，通过向GaN沟道层的下层部分掺杂碳使其浓度为I X IO18CnT3以上，能够改善厚度方向的耐压性，并且通过在GaN沟道层的上层部分设置碳浓度为5X1016cm_3以下的非掺杂GaN层，能够有助于抑制电流崩塌。本发明的外延片所包含的电子供给层优选依次包括具有四对以下的Al原子层和N原子层对的AlN特性改善层、AlGaN势垒层及GaN盖层。为了改善异质结结构的特性，希望抑制GaN沟道层和AlGaN势垒层的界面的载流子的合金散射。对此，通过在GaN沟道层和AlGaN势垒层的界面插入AlN特性改善层，能够抑制在该界面的合金散射，从而能够改善二维电子气的流动性(移動度)。需要说明的是，如果Al原子层和N原子层对具有超过四对的厚度，则由于结晶性的恶化而降低载流子流动性的改善效果。(第一实施例)图I是表示本发明第一实施例的、应用于异质结场效应晶体管的外延片的剖面示意图。 在该晶片的制作中，作为基板使用4英寸直径的Si基板I。在进行氮化物基半导体层的晶体生长之前，通过氢氟酸基的腐蚀剂除去Si基板I的表面氧化膜，然后在MOCVD(金属有机化学气相沉淀)装置的腔室内设置该基板。在MOCVD装置内将基板加热至1100°C，在腔室内压力为13. 3kPa的氢气环境中对
基板表面进行清洁。之后，通过维持基板温度和腔室内压力，并且流入NH3 (12. 5slm)，对Si基板表面进行氮化处理。接着，在TMA (三甲基铝)流量=117ymol/min与MV流量=12. 5slm的条件下，将AlN层2堆积至200nm的厚度。然后，使基板温度升高至1150°C，在TMG (三甲基镓)流量=57 μ mol/min、TMA流量=97 μ mol/min、NH3流量=12. 5slm的条件下，将Ala7Gaa3N层3堆积至400nm的厚度。接着，在 TMG 流量=99 μ mol/min、TMA 流量=55 μ mol/min、NH3 流量=12. 5slm 的条件下,将Al0 4GaQ.6N 层 4 堆积至 400nm 的厚度,进而,在 TMG 流量=137 μ mol/min>TMA 流量=18 μ mol/min、NH3流量=12. 5slm的条件下,将AlaiGaa9N层5堆积至400nm的厚度。由此，形成组成梯度缓冲层结构3-5。在相同的基板温度下，在AlaiGaa9N层5上堆积包含重复50次AlN层(5nm厚)/Al0. Aaa9N层(20nm厚)的多层缓冲层结构6。此时，AlN层在TMA流量=102 μ mol/min、NH3流量=12. 5slm 的条件下堆积，Al。. Aaa9N层在 TMG 流量=720 μ mol/min、TMA 流量=80 μ mol/min> NH3流量=12. 5slm的条件下堆积。之后，将基板温度降低至1100°C，在TMG流量=224 μ mol/min、NH3流量=12. 5slm的条件下，在13. 3kPa的压力下将GaN层7堆积至I. O μ m的厚度，在90kPa的压力下将GaN层8堆积至0.5μπι的厚度。在此，在堆积压力较低的情况下，TMG所含有的碳容易掺杂到GaN层内，而在堆积压力较高的情况下,难以从TMG向GaN层内掺杂碳。然后，在13. 3kPa的压力下，在GaN层8上堆积包括AlN特性改善层9 (Inm厚)、Ala2Gaa8N势垒层10 (20nm厚)及GaN盖层11 (Inm厚)的电子供给层。此时，在TMA流量=51 μ mol/min>NH3 流量=12. 5slm 的条件下堆积 AlN层 9,在 TMG 流量=46 μ mol/min>TMA 流量=7 μ mol/min>NH3流量=12. 5slm的条件下堆积AlGaN层10，然后在TMG流量=58 μ mol/min> NH3流量=12. 5slm的条件下堆积GaN层11。表I
权利要求
1.一种外延片，其包括能够使用于异质结场效应晶体管的氮化物基半导体层，其特征在于，在Si基板上依次包括:A1N或AlON的第一缓冲层、阶梯性地减小Al组成比的AlxGahN的第二缓冲层、配置于该第二缓冲层上且AlaG&1_aN层/AlbGa1^3N层重复的多层所构成的第三缓冲层、GaN沟道层及电子供给层，该第二缓冲层最上部的Al组成比X在O≥X≥O. 3的范围内。
2.如权利要求I所述的外延片，其特征在于，在所述第三缓冲层中，Al组成比为a≥b+0. 7的关系，并且各AlaGa1J层厚度为各AlbGaw3N层厚度的1/2以下。
3.如权利要求I所述的外延片，其特征在于，所述GaN沟道层含有浓度为5X1016cm_3以下的碳。
4.如权利要求I所述的外延片，其特征在于，所述GaN沟道层包括第一沟道层和在该第一沟道层上的非掺杂第二沟道层，该第一沟道层掺杂有浓度lX1018cm_3以上的碳，该非掺杂第二沟道层具有浓度5X IO16CnT3以下的碳。
5.如权利要求I所述的外延片，其特征在于，所述电子供给层依次包括具有四对以下Al原子层和N原子层对的AlN特性改善层、AlGaN势垒层及GaN盖层。
全文摘要
本发明提供一种包括氮化物基半导体层的外延片，其能够使用于异质结场效应晶体管，该外延片在Si基板上依次包括AlN或AlON的第一缓冲层、阶梯性地减小Al组成比的AlxGa1-xN的第二缓冲层、配置于该第二缓冲层上且AlaGa1-aN层/AlbGa1-bN层重复的多层所构成的第三缓冲层、GaN沟道层及电子供给层，该第二缓冲层最上部的Al组成比x在0≤x≤0.3的范围内。
文档编号H01L29/10GK102891174SQ20121024700
公开日2013年1月23日 申请日期2012年7月17日 优先权日2011年7月19日
发明者寺口信明, 本田大辅, 伊藤伸之, 矢仓基次 申请人:夏普株式会社