化合物半导体基板及化合物半导体装置的制作方法

本发明涉及化合物半导体基板及化合物半导体装置。更特定为涉及具备电子传输层和障壁层的化合物半导体基板及化合物半导体装置。

背景技术：

1、近年来，智能手机等通信设备正式地得到普及。伴随于此，提升移动无线通信系统中的通信设备间的通信容量及通信速度的需求增加。近年来的移动无线通信系统中，实施有作为移动电话的通信标准的lte(long term evolution)的服务。也研究了lte的次世代的通信标准的实用化。

2、在上述的移动通信系统中，作为关键的技术，gan(氮化镓)或algan(窒化铝镓)等的氮化物半导体所形成的hemt(high electron mobility transistor，高电子移动率晶体管)受到关注。氮化物半导体所形成的hemt的技术在近年来被快速地开发。

3、hemt包含电子传输层、和形成于电子传输层上的障壁层。构成障壁层的材料具有比构成电子传输层的材料的能带隙宽的能带隙。hemt中，在与电子传输层的障壁层的界面附近，形成2维电子气体。该2维电子气体被用于hemt的动作。氮化物半导体所形成的hemt与gaas(镓砷)系的半导体材料所形成的场效晶体管比较，能够产生大量的2维电子气体，电流密度为大。

4、作为一例，algan与gan的晶格常数的差比algaas(铝镓砷)与gaas的晶格常数差大。为此，algan/gan的层积构造中的algan层与algaas/gaas的层积构造中的algaa s层相比很大地扭曲。因此，algan/gan的层积构造中的algan层中，与algaas/gaas的层积构造中的algaas层相比，产生大的压电电场。在该大的压电电场的作用下，在algan/gan的层积构造中，激发与algaas/gaas的层积构造相比更多的2维电子气体。并且，algan层与algaas层不同，很大地自发极化。由于起因于algan层的自发极化的极化电场，在与algan层的边界附近的gan层中，激发大量的2维电子气体。其结果是，作为氮化物半导体的algan/gan所形成的hemt与gaas系的algaas/gaas所形成的场效晶体管比较，能够产生约10倍的2维电子气体。

5、因此，氮化物半导体所形成的hemt能够高输出及高效率的动作，因此被期待作为次世代的高输出增幅器。

6、作为上述移动通信系统的高频增幅器，为了使用氮化物半导体所形成的hemt，重要的是抑制对hemt的栅极电极施加高频电压时的高频信号的损失。此高频信号的损失的主要原因是半导体装置的寄生电容以及寄生阻抗。半导体装置的寄生电容大，且与寄生电容并列存在寄生阻抗成分时，这些寄生要素有助于高频信号的损失，妨碍半导体装置的高速动作。

7、为了抑制上述原因导致的高频信号的衰减，以绝缘性高的材料构成2维电子气体的周围的区域是有效的。作为hemt的基板，通过使用半绝缘性基板或高阻抗基板，能够减低上述寄生要素。另一方面，作为hemt的基板使用导电性基板时，通过在导电性基板与半导体装置的构成要素之间介在厚的半绝缘性乃至高阻抗的化合物半导体层，能够减低上述寄生要素。在此观点下，历来提案有各种的构造。例如，在下述专利文献1及非专利文献1的中，揭示有图22所示的构造。

8、图22是模式显示现有的hemt的构造的第1例的剖面图。

9、参照图22，第1例的hemt1010具备半绝缘性的sic(碳化硅)基板1051、氮化物缓冲层1052、gan所形成的电子传输层1053、algan所形成的障壁层1054、源极电极1055、漏极电极1056、和栅极电极1057。在半绝缘性的sic基板1051上形成有氮化物缓冲层1052。在氮化物缓冲层1052上形成有电子传输层1053。在电子传输层1053上形成有障壁层1054。在障壁层1054上形成有源极电极1055、漏极电极1056与栅极电极1057。源极电极1055、漏极电极1056与栅极电极1057的各个相互空出间隔而形成。

10、hemt1010中，在电子传输层1053的与障壁层1054的边界附近形成2维电子气体1053a。为了以绝缘性高的材料构成2维电子气体1053a的周围的区域，电子传输层1053、氮化物缓冲层1052、以及sic基板1051以绝缘性高的材料构成。但是，对于半绝缘性的sic基板，有难以入手大尺寸的基板的问题。这被推测为，是因为使半绝缘性的sic的结晶成长的难度较高。具体而言，难以入手超过4英寸直径的半绝缘性的sic基板。另外，半绝缘性的sic基板与其他基板相比为高价。

11、因此，作为不使用半绝缘性的sic基板的技术，提案有图23及图24所示的构造。图23所示的构造公开在下述非专利文献2中。图24所示构造公开在下述专利文献2及非专利文献3中。

12、图23是模式显示现有的hemt的构造的第2例的剖面图。

13、参照图23，作为第2例的hemt1020，作为基板，代替半绝缘性的sic基板，使用高阻抗的fz-si(硅)基板1061，在这一点与图22所示的构造不同。fz-si基板是由fz法(浮熔带法)制作的si基板。另外，hemt1020的氮化物缓冲层1052例如具有1μm的厚度。

14、图23所示的构造中，为了以绝缘性高的材料构成2维电子气体1053a的周围的区域，以绝缘性高的材料构成电子传输层1053、氮化物缓冲层1052、以及fz-si基板1061。并且，fz-si基板1061与半绝缘性的sic基板相比为低价。

15、图24是模式显示现有的hemt的构造的第3例的剖面图。

16、参照图24，作为第3例的hemt1030，作为基板，代替半绝缘性的sic基板，使用n型sic基板1062，且氮化物缓冲层1052厚，在这一点上与图22所示的构造不同。n型sic基板1062具有六方的结晶构造。氮化物缓冲层1052具有10μm以上的厚度。

17、图24所示的构造中，为了以绝缘性高的材料构成2维电子气体1053a的周围的区域，氮化物缓冲层1052及电子传输层1053以绝缘性高的材料构成。另外，氮化物缓冲层1052以超过10μm的厚度形成。并且，n型sic基板1062是容易入手的与半绝缘性的sic基板相比大尺寸的基板。具体而言，能够入手6英寸直径的n型sic基板1062。

18、现有技术文献

19、专利文献

20、专利文献1：日本特表2006-517726号公报(日本特许第4990496号)

21、专利文献2：国际公开第2007/116517号(日本特许第5274245号)

22、非专利文献

23、非专利文献1：s.t.sheppard et al.“high-power microwave gan/algan hemt’son semi-insulating silicon carbide substrates”,ieee electron device lett.,vol.20,no.4,pp.161-163,apr 1999.

24、非专利文献2：j.w.johnson et al.“12w/mm algan&#8211；gan hfets onsilicon substrates”,ieee electron device lett.,vol.25,no.7,pp.459-461,jul2004.

25、非专利文献3：toshihide kikkawa et al.“highly uniform al gan/gan p owerhemt on a 3-inch conductive n-sic substrate for wireless bas e stationapplication”,technical digest of ieee csic 2005symposium,vol.25,no.7,pp.77-80.

技术实现思路

1、发明所要解决的课题

2、但是，图23及图24所示的构造中，有品质低的问题。

3、图23所示的hemt1020中，作为基板使用绝缘性的fz-si基板1061。fz-si基板1061的弹性极限低。为此，在氮化物缓冲层1052的成长时，由于fz-si基板1061与氮化物缓冲层1052的晶格常数的差引起的从氮化物缓冲层1052承受的应力，基板容易发生塑性变形。其结果是，在hemt的制造工艺中，会有基板的翘曲增加到不恰当水平的问题。并且，si与sic相比能带隙为小，因此在高温下容易低阻抗化。为此，在由于hemt的增幅动作基板的温度上升时，基板所包含的si容易低阻抗化，有高频信号的损失变得显著的问题。

4、图24所示的hemt1030中，作为基板使用n型sic基板1062。此n型sic基板1062的导电性高。为此，为了以绝缘性高的材料构成2维电子气体1053a的周围的区域，需要使氮化物缓冲层1052变厚。使氮化物缓冲层1052变厚时，有在氮化物缓冲层1052容易产生裂纹的问题，或基板的翘曲变大的问题。并且，在制造成本的观点下，半绝缘性的sic基板置换成n型sic基板所得到的优点，会由于氮化物缓冲层很厚地形成所造成的缺点而抵消。为此，在制造成本的观点下，图24所示的hemt1030与图22所示的hemt1010相比并不优异。

5、本发明是为了解决上述课题，其目的在于提供具有高品质的化合物半导体基板及化合物半导体装置。

6、用于解决课题的手段

7、本发明的一个方面的化合物半导体基板，具备：具有3×1017个/cm3以上3×1018个/cm3以下的o浓度的si基板；形成于si基板上的sic层；形成于sic层上的第1氮化物半导体层，其中，包含绝缘性或半绝缘性的层，是由alxga1-xn(0.1≤x≤1)所形成的第1氮化物半导体层；形成于第1氮化物半导体层上的第2氮化物半导体层，其中，是包含绝缘性或半绝缘性的由alyga1-yn(0≤y<0.1)所形成的主层的第2氮化物半导体层；形成于第2氮化物半导体层上，由alzga1-zn(0≤z<0.1)所形成的电子传输层；和形成于电子传输层上，具有与电子传输层的能带隙相比宽的能带隙的障壁层，第1及第2氮化物半导体层、以及电子传输层的合计的厚度是6μm以上10μm以下。

8、在上述化合物半导体基板中，优选为第2氮化物半导体层还包含中间层，所述中间层是形成于主层的内部及主层上之中的至少任一方的1层以上的中间层，由alyga1-yn(0.5≤y≤1)所形成，主层具有与电子传输层的c浓度相比高的c浓度、以及与电子传输层的fe浓度相比高的fe浓度中的至少任意一方。

9、在上述化合物半导体基板中，优选为中间层为2层以上，2层以上的中间层的各个具有10nm以上30nm以下的厚度，以0.5μm以上10μm以下的间隔形成。

10、在上述化合物半导体基板中，优选为si基板包含b，具有p型的导电型，具有0.1mωcm以上100mωcm以下的电阻率。

11、在上述化合物半导体基板中，sic层具有0.5μm以上2μm以下的厚度。

12、在上述化合物半导体基板中，优选为电子传输层的si浓度、o浓度、mg浓度、c浓度、以及fe浓度均为大于0且在1×1017个/cm3以下。

13、在上述化合物半导体基板中，优选为第1氮化物半导体层包含由alxga1-xn(0.4<x≤1)所形成的第1区域、和由具有0.5μm以上的厚度的alxga1-xn(0.1≤x≤0.4)所形成的第2区域中的至少任意一方，第1区域具有0个/cm3以上5×1017个/cm3以下的si浓度、0个/cm3以上5×1017个/cm3以下的o浓度、以及0个/cm3以上5×1017个/cm3以下的mg浓度，第2区域具有0个/cm3以上2×1016个/cm3以下的si浓度、0个/cm3以上2×1016个/cm3以下的o浓度、以及0个/cm3以上2×1016个/cm3以下的mg浓度，第2区域的c浓度或fe浓度中的至少任意一方与第2区域的si浓度、o浓度、以及mg浓度的任意相比高，为5×1019个/cm3以下，主层具有0个/cm3以上2×1016个/cm3以下的si浓度、0个/cm3以上2×1016个/cm3以下的o浓度、以及0个/cm3以上2×1016个/cm3以下的mg浓度，第2氮化物半导体层的c浓度或fe浓度中的至少任意一方与第2氮化物半导体层的si浓度、o浓度、以及mg浓度的任意相比高，为5×1019个/cm3以下，主层包含活性化的供体离子的浓度为0个/cm3以上2×1014个/cm3以下的区域，电子传输层具有0个/cm3以上1×1016个/cm3以下的si浓度、0个/cm3以上1×1016个/cm3以下的o浓度、0个/cm3以上1×1016个/cm3以下的mg浓度、0个/cm3以上1×1017个/cm3以下的c浓度、以及0个/cm3以上1×1017个/cm3以下的fe浓度。

14、在上述化合物半导体基板中，优选为第1氮化物半导体层包含第1区域与第2区域的两者，第1区域与sic层的距离与第2区域与sic层的距离相比小。

15、在上述化合物半导体基板中，优选为第1氮化物半导体层具有第2氮化物半导体层的厚度以下的厚度。

16、在上述化合物半导体基板中，优选为电子传输层具有0.3μm以上的厚度。

17、在上述化合物半导体基板中，优选为规定化合物半导体基板的上表面的最小平方平面，在将从最小平方平面到化合物半导体基板的上表面的最高点的距离、和从最小平方平面到达化合物半导体基板的上表面的最低点的距离的合计量作为翘曲量时，翘曲量是0以上50μm以下。

18、在上述化合物半导体基板中，优选为化合物半导体基板的上表面中的距外周端部的距离为5mm以下的区域以外的区域，不含裂纹。

19、在上述化合物半导体基板中，优选为具有圆板形状，具有100mm以上200mm以下的直径。

20、在上述化合物半导体基板中，优选为化合物半导体基板的上表面不包含回熔蚀刻的痕迹。

21、本发明的其他方面的化合物半导体基板具备：具有0.1ωcm以上低于1×105ωcm的电阻率的导电性的sic基板；形成于sic基板上的第1氮化物半导体层，其中，包含绝缘性或半绝缘性的层，是由alxga1-xn(0.1≤x≤1)所形成的第1氮化物半导体层；形成于第1氮化物半导体层上的第2氮化物半导体层，是包含绝缘性或半绝缘性的由alyga1-yn(0≤y<0.1)所形成的主层的第2氮化物半导体层；形成于第2氮化物半导体层上，由alzga1-zn(0≤z<0.1)所形成的电子传输层；和形成于电子传输层上，具有与电子传输层的能带隙相比宽的能带隙的障壁层，第1及第2氮化物半导体层、以及电子传输层的合计的厚度是6μm以上10μm以下，第2氮化物半导体层还包括中间层，所述中间层为形成于主层的内部及主层上之中的至少任一方的1层以上的中间层中，由alyga1-yn(0.5≤y≤1)所形成，主层具有与电子传输层的c浓度相比高的c浓度、以及与电子传输层的fe浓度相比高的fe浓度中的至少任意一方。

22、本发明的另一个其他方面的化合物半导体装置具备：上述化合物半导体基板；形成于障壁层上的第1及第2电极；和形成于障壁层上，控制由于所施加的电压而流动于第1及第2电极间的电流的第3电极。

23、发明效果

24、根据本发明，可提供具有高品质的化合物半导体基板及化合物半导体装置。