特許 5919703 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5919703

(24)【登録日】2016年4月22日

(45)【発行日】2016年5月18日

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/20 20060101AFI20160428BHJP

   H01L 21/338 20060101ALI20160428BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20160428BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20160428BHJP

   H01L 29/47 20060101ALI20160428BHJP

   H01L 29/872 20060101ALI20160428BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20160428BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/20

   H01L29/80 H

   H01L29/48 D

   H01L21/205

【請求項の数】10

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2011-213733(P2011-213733)

(22)【出願日】2011年9月29日

(65)【公開番号】特開2013-30725(P2013-30725A)

(43)【公開日】2013年2月7日

【審査請求日】2014年8月22日

(31)【優先権主張番号】特願2011-140256(P2011-140256)

(32)【優先日】2011年6月24日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000106276

【氏名又は名称】サンケン電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100100712

【弁理士】

【氏名又は名称】岩▲崎▼ 幸邦

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】柳原 将貴

(72)【発明者】

【氏名】松尾 哲二

【審査官】 桑原 清

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２５０７２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０５９９４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２２２３６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１２３８０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１４２７２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０３６１３４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／２０

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

Ｈ０１Ｌ ２１／３３８

Ｈ０１Ｌ ２９／４７

Ｈ０１Ｌ ２９／７７８

Ｈ０１Ｌ ２９／８１２

Ｈ０１Ｌ ２９／８７２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリコン基板と、
前記シリコン基板上に配置された、不純物としてシリコンが全面にドープされた領域を有する窒化アルミニウム層と、
前記窒化アルミニウム層上に配置された、複数の窒化物半導体膜が積層された構造のバッファ層と、
前記バッファ層上に配置された、窒化物半導体からなる半導体機能層と
を備え、
前記窒化アルミニウム層が、
シリコンがドープされた第１の窒化アルミニウム領域と、
前記第１の窒化アルミニウム領域よりもシリコン濃度が低い第２の窒化アルミニウム領域と
を積層した構造であって、複数の前記第１の窒化アルミニウム領域と複数の前記第２の窒化アルミニウム領域とが交互に積層された構造であることを特徴とする半導体装置。

【請求項2】

前記シリコン基板に接して前記第１の窒化アルミニウム領域が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記シリコン基板に接して前記第２の窒化アルミニウム領域が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記窒化アルミニウム層のシリコン濃度が最大の領域におけるシリコン濃度が、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上且つ１×１０²¹ｃｍ^-3以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記窒化アルミニウム層の膜厚が２０ｎｍ以上且つ３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記バッファ層が、互いに組成が異なる複数のＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０≦Ｘ≦１）膜が隣接して配置された多層膜が周期的に積層された構造を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項7】

前記半導体機能層上に互いに離間して配置された第１及び第２の主電極を更に備え、前記半導体機能層が、
キャリア走行層と、
前記キャリア走行層よりもバンドギャップが大きいキャリア供給層と
を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項8】

複数の前記第１の窒化アルミニウム領域にそれぞれドープされたシリコンの濃度が互いに異なることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項9】

複数の前記第２の窒化アルミニウム領域にそれぞれドープされたシリコンの濃度が互いに異なることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項10】

キャリアのトンネル効果によって前記第２の窒化アルミニウム領域の膜厚方向に前記キャリアが移動することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シリコン基板上に形成された窒化物半導体層を有する半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

高耐圧用窒化物半導体素子などでは、窒化物半導体層を安価なシリコン基板上に形成することによって低コスト化が図られている。しかし、シリコン基板の格子定数と窒化物半導体層の格子定数は大きく異なり、更に、熱膨張係数も異なる。このため、エピタキシャル成長によってシリコン基板上に形成された窒化物半導体層に、大きな歪みエネルギーが発生する。その結果、窒化物半導体層にクラックが発生したり、結晶品質が低下したりしやすい。

【0003】

この問題を回避するために、シリコン基板と窒化物半導体からなる機能層との間に、窒化物半導体のバッファ層が配置される。また、シリコン基板とバッファ層との間に窒化アルミニウム層を配置する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７−２５０７２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、シリコン基板直上に平坦性が良好な窒化アルミニウム層を形成することは困難である。従来、シリコン基板上に形成される窒化アルミニウム層の平坦性が半導体装置の信頼性に与える影響についての検討は十分には行われてこなかった。このため、半導体装置の信頼性が低下することが懸念される。

【0006】

本発明は、シリコン基板直上の窒化アルミニウム層の平坦性が低いことに起因する信頼性の低下が抑制された半導体装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様によれば、シリコン基板と、シリコン基板上に配置された、不純物としてシリコンが全面にドープされた領域を有する窒化アルミニウム層と、窒化アルミニウム層上に配置された、複数の窒化物半導体膜が積層された構造のバッファ層と、バッファ層上に配置された、窒化物半導体からなる半導体機能層とを備え、窒化アルミニウム層が、シリコンがドープされた第１の窒化アルミニウム領域と、第１の窒化アルミニウム領域よりもシリコン濃度が低い第２の窒化アルミニウム領域とを積層した構造であって、複数の第１の窒化アルミニウム領域と複数の第２の窒化アルミニウム領域とが交互に積層された構造である半導体装置が提供される。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、シリコン基板直上の窒化アルミニウム層の平坦性が低いことに起因する信頼性の低下が抑制された半導体装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。

【図2】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置のバッファ層の構造を示す模式的な断面図である。

【図3】比較例の半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。

【図4】比較例の半導体装置でＡｌＮ膜の平坦性が悪い例を示す模式的な断面図である。

【図5】比較例の半導体装置に電圧を印加した場合における半導体機能層の表面の状態を示す写真である。

【図6】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置に電圧を印加した場合における半導体機能層の表面の状態を示す写真である。

【図7】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置がＨＥＭＴである場合の構造を示す模式図である。

【図8】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置がＳＢＤである場合の構造を示す模式図である。

【図9】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。

【図10】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の他の構造を示す模式的な断面図である。

【図11】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の更に他の構造を示す模式的な断面図である。

【図12】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の更に他の構造を示す模式的な断面図である。

【図13】本発明の第２の実施形態の変形例に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。

【図14】本発明の第２の実施形態の他の変形例に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。

【図15】図１４に示した半導体装置の窒化アルミニウム層の不純物濃度を示すグラフである。

【図16】図９に示した半導体装置の窒化アルミニウム層の不純物濃度を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部の長さの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

【0011】

又、以下に示す第１及び第２の実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

【0012】

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る半導体装置１は、図１に示すように、シリコン基板１０と、シリコン基板１０上に隣接するように配置された、不純物としてシリコンがドープされた窒化アルミニウム層（以下において、「ＳｉドープＡｌＮ層」という。）２０と、ＳｉドープＡｌＮ層２０上に配置された、複数の窒化物半導体膜３１が積層された構造のバッファ層３０と、バッファ層３０上に配置された、窒化物半導体からなる半導体機能層４０とを備える。

【0013】

バッファ層３０は、互いに組成が異なる複数のＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０≦Ｘ≦１）膜が隣接して配置された多層膜が周期的に積層された構造を有する。複数の窒化物半導体膜３１は、例えばノンドープのＡｌ_XＧａ_1-XＮ膜であるが、不純物を添加してもよい。ここで「ノンドープ」とは、不純物が意図的に添加されていないことを意味する。なお、バッファ層３０を構成する窒化物半導体膜３１の繰り返し数や膜厚などには、特に制限はない。

【0014】

例えば、バッファ層３０は、Ａｌ_X1Ｇａ_1-X1Ｎ膜とＡｌ_X2Ｇａ_1-X2Ｎ膜とが交互に積層された構造を採用可能である（０≦Ｘ２＜１、Ｘ２＜Ｘ１≦１）。より具体的には、例えば図２（ａ）に示すように、膜厚５ｎｍ程度のＡｌＮ膜と膜厚２０ｎｍ程度のＧａＮ膜とを交互に積層してバッファ層３０を形成できる。

【0015】

或いは、Ａｌ_X1Ｇａ_1-X1Ｎ膜とＡｌ_X2Ｇａ_1-X2Ｎ膜のペアを積層した積層体上にＡｌＧａＮ膜を配置した構造をバッファ層３０に使用可能である。例えば、図２（ｂ）に示すような、ＡｌＮ膜とＧａＮ膜とが交互に積層されたペアを１０ペア程度重ねた積層体３００上にＧａＮ膜を配置した積層構造を構成し、この積層構造を周期的に繰り返すことによって、バッファ層３０を形成してもよい。ＡｌＮ膜とＧａＮ膜の膜厚は５ｎｍ程度であり、積層体３００上に配置されるＧａＮ膜の膜厚は２００ｎｍ程度である。図２（ｂ）に示した積層構造を採用することにより、バッファ層３０の膜厚をより厚くすることができる。

【0016】

シリコン基板１０上に形成される、ＳｉドープＡｌＮ層２０、バッファ層３０及び半導体機能層４０からなる窒化物半導体層の総膜厚は５μｍ程度以上であることが好ましい。これは、半導体装置１を、例えば耐圧が３００Ｖ以上の高耐圧デバイスにするためである。

【0017】

以下に、ＳｉドープＡｌＮ層２０の膜厚について説明する。

【0018】

窒化物半導体膜の成長は１０００℃以上の高温で行われるため、窒化物半導体膜を厚く成長させるためには、高温での熱処理を長く行う必要がある。この熱処理によって、バッファ層３０及び半導体機能層４０の形成時に、ＳｉドープＡｌＮ層２０中をバッファ層３０からのガリウム（Ｇａ）原子が拡散する。このため、熱処理を長く行うことによって、ＳｉドープＡｌＮ層２０中に拡散したＧａ原子がシリコン基板１０に到達し、Ｇａ原子とシリコン基板１０中のＳｉ原子が反応するメルトバックが生じる。

【0019】

ＳｉドープＡｌＮ層２０を厚くすることにより、メルトバックを生じさせずに窒化物半導体層の膜厚を厚くすることができる。しかし、膜厚を厚くすることによって、窒化物半導体層にクラックが生じる可能性が高くなる。このため、ＳｉドープＡｌＮ層２０の膜厚は、３００ｎｍ以下程度であることが好ましい。

【0020】

一方、メルトバックを生じさせずに膜厚が５μｍ程度の窒化物半導体層を形成するためには、ＳｉドープＡｌＮ層２０の膜厚は数十ｎｍ程度が必要である。

【0021】

したがって、高耐圧の半導体装置１を実現するためには、ＳｉドープＡｌＮ層２０の膜厚は、２０ｎｍ〜３００ｎｍ程度であることが好ましい。更に、メルトバックの発生及びクラックの発生をより確実に抑制するためには、ＳｉドープＡｌＮ層２０の膜厚が、１００ｎｍ〜１５０ｎｍ程度であることが好ましい。なお、ＳｉドープＡｌＮ層２０に加わる電界は、ＳｉをドープしないＡｌＮ層に比べて低くなる。このため、電界の面からのＳｉドープＡｌＮ層２０の膜厚に対する制限を考慮する必要はない。

【0022】

従来から、シリコン基板を用いて窒化物半導体からなる機能層を結晶性良く、且つ平坦性良く形成するために、シリコン基板と機能層間にバッファ層を配置することが行われている。Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＮ膜を複数組み合わせ、各膜を適切な膜厚に設計することによって、窒化物半導体からなる高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）やショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）といった半導体素子を形成可能な表面が平坦なバッファ層を実現できる。

【0023】

例えば、図３に示す比較例のように、シリコン基板１０上にＡｌＮ層２０Ａを配置し、ＡｌＮ層２０Ａ上にバッファ層３０及び半導体機能層４０を配置して、半導体装置が形成される。バッファ層３０の構造を工夫してバッファ層３０の膜厚を厚くすることにより、半導体装置の破壊耐圧も飛躍的に向上されてきた。

【0024】

高耐圧パワースイッチング素子などでは、リーク電流の低減と高耐圧化が求められている。これらを実現する手段の一つとして、ＡｌＮ層２０Ａの膜厚を厚くする方法がある。

【0025】

しかしながら、ＡｌＮ層２０Ａの膜厚を厚くした場合に、半導体装置の初期特性は良くても、信頼性が低下する問題が生じることを本発明者らは新たな知見として得た。本発明者らは、この信頼性の低下の原因として、シリコン基板１０上に最初に形成されるＡｌＮ層２０Ａの表面の平坦性が大きく影響することを、以下のように見出した。

【0026】

シリコン基板上に最初に形成するＡｌＮ層は、Ｓｉと窒化物半導体との格子定数の差に起因して、平坦に成長させることが困難である。一般的に、半導体装置の機能層の表面にピットが存在すると、特性が悪化する。このため、シリコン基板上に平坦な窒化物半導体層を形成する努力が行われている。

【0027】

しかし、シリコン基板上に最初に形成されるＡｌＮ層の平坦性については、これまで重要視されてこなかった。これは、図４に示すように、表面にピット２１が形成されてＡｌＮ層２０Ａの平坦性が悪くても、ＡｌＮ層２０Ａ上に形成されるバッファ層３０によって半導体機能層４０が形成される面を平坦化できるためである。更に、ＡｌＮ層２０Ａの平坦性が悪くても、ＡｌＮ層２０Ａを厚く形成することによって破壊耐圧を向上させることができると考えられてきたためである。

【0028】

しかしながら、その絶縁性に起因して、ＡｌＮ層２０Ａには高電界が加わる。そして、ＡｌＮ層２０Ａの平坦性が悪い場合には、薄くなっている箇所に更に電界が集中する。

【0029】

例えば、ＡｌＮ層２０Ａの平坦部分の膜厚が２５０ｎｍであるときに、部分的に膜厚が２００ｎｍの箇所があるとする。ＡｌＮ層２０Ａに６０Ｖの電圧が加わると、厚い箇所には２．４×１０⁶Ｖ／ｃｍ程度の電界が加わるのに対し、薄い箇所には３×１０⁶Ｖ／ｃｍ程度の電界が加わる。ここで、ＡｌＮ層２０Ａ上のバッファ層３０はＡｌＮ層２０Ａに比較すると低抵抗であるため、ＡｌＮ層２０Ａには均一に電圧が加わっていると考えられる。このとき、バッファ層３０及び半導体機能層４０に加わる電界は、１×１０⁶Ｖ／ｃｍ程度である。

【0030】

ＧａＮ膜の絶縁破壊電界は４×１０⁶Ｖ／ｃｍ程度、ＡｌＮ膜の絶縁破壊電界は２〜１１．７×１０⁶Ｖ／ｃｍ程度である。したがって、バッファ層３０及び半導体機能層４０に加わる電界は、絶縁破壊電界の１／４程度である。

【0031】

一方、シリコン基板１０上のＡｌＮ層２０Ａには、絶縁破壊電界である１１．７×１０⁶Ｖ／ｃｍの１／４程度の電界が加わると考えられるが、実際に形成されるＡｌＮ層２０Ａは欠陥密度の高い膜であり、ＡｌＮ層２０Ａの絶縁破壊電界は１１．７×１０⁶Ｖ／ｃｍよりも小さいと予想される。そのため、ＡｌＮ層２０Ａには絶縁破壊電界に近い電界が加わっていると推定される。

【0032】

ＡｌＮ層２０Ａの薄くなっている箇所に電界が更に集中するため、膜厚の薄い箇所にリーク電流が集中する。これは、バッファ層３０を構成する互いに組成が異なる窒化物半導体膜間にヘテロ界面が形成され、ヘテロ界面で発生するキャリアが界面と平行に移動できる程度の導電性をバッファ層３０が有するためである。絶縁破壊電界に近い電界が加わっている領域にリーク電流が集中することにより、ＡｌＮ層２０Ａの劣化が進行し、半導体装置は短時間で破壊され、このため、信頼性は低い。

【0033】

したがって、平坦性が高く、一部分にリーク電流が集中することのないＡｌＮ層２０Ａを形成することが望まれる。しかしながら、シリコン基板１０とＡｌＮ層２０Ａとに格子定数の差があることに加え、オン抵抗低減化に伴い素子サイズが数ｍｍ角と大きくなっているため、このような広い領域全体で平坦なＡｌＮ層２０Ａを形成することは困難である。

【0034】

一方、図１に示した半導体装置１によれば、ＳｉドープＡｌＮ層２０をシリコン基板１０上に形成することにより、一部分にリーク電流が集中して流れることに起因して半導体装置が短時間で破壊することを防止できる。

【0035】

既に述べたように、ＳｉがドープされていないＡｌＮ層２０Ａを用いた場合、部分的に高電界が加わっている箇所にリーク電流が集中する。これに対し、半導体装置１では、ＳｉがドープされていないＡｌＮ層２０Ａと比較して、ＳｉドープＡｌＮ層２０に加わる電界が緩和される。このため、リーク電流が特定の箇所に集中することはない。したがって、ＳｉドープＡｌＮ層２０が短時間で破壊されることが防止される。その結果、素子耐圧は低下するが、半導体装置１の寿命が改善される。

【0036】

ＳｉドープＡｌＮ層２０にドープされるＳｉ濃度は、１×１０¹⁸〜１×１０²¹ｃｍ^-3程度であることが好ましい。シリコン濃度が低すぎると、ＳｉドープＡｌＮ層２０に加わる電界の緩和が不十分になる。一方、シリコン濃度が高すぎると、ＳｉドープＡｌＮ層２０において結晶品質が低下する。ＳｉドープＡｌＮ層２０のＳｉ濃度は、半導体装置１に要求される特性に応じて、任意の分布を持たせてもよい。

【0037】

ＳｉをドープしていないＡｌＮ層２０Ａを用いた半導体装置の半導体機能層４０上にチタンアルミニウム（ＴｉＡｌ）電極を形成し、このＴｉＡｌ電極とシリコン基板１０間に電圧を印加した場合の発光状態を、図５に示す。ＳｉをドープしていないＡｌＮ層２０Ａを用いた場合には、図５に示すように局所的に光るドット光が多く発生しており、リーク電流がいくつかの箇所に集中して流れていることが分かる。なお、図５は半導体機能層４０の表面を観察した写真である。ＴｉＡｌ電極とシリコン基板１０間に印加した電圧は６００Ｖであり、ＴｉＡｌ電極とシリコン基板１０間に流れる電流は１００μＡである。

【0038】

一方、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置１の半導体機能層４０上にＴｉＡｌ電極を形成し、このＴｉＡｌ電極とシリコン基板１０間に電圧を印加した場合の発光状態の例を、図６に示す。図６は半導体機能層４０の表面を観察した写真である。ＴｉＡｌ電極とシリコン基板１０間に印加した電圧は６００Ｖである。なお、ＳｉドープＡｌＮ層２０にドープされたＳｉの濃度は１×１０¹⁹ｃｍ^-3である。

【0039】

図６に示すように、ＳｉをドープしたＳｉドープＡｌＮ層２０を用いた場合には、半導体機能層４０の表面にドット状の発光は見られない。したがって、ＳｉドープＡｌＮ層２０を用いた半導体装置１では、リーク電流が集中して流れないことが分かる。なお、図５と図６は、半導体機能層４０がＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とを積層したＨＥＭＴ構造である場合の例を示した。

【0040】

上記のように、シリコン基板１０とバッファ層３０との間にＳｉドープＡｌＮ層２０を配置することにより、部分的にリーク電流が集中して流れることが防止され、半導体装置１の寿命を改善することができる。

【0041】

シリコン基板１０上にＳｉドープＡｌＮ層２０及びバッファ層３０が形成された構造を有する半導体ウェハを用意し、バッファ層３０上に所定の半導体機能層４０を形成することによって、所望の機能を有する半導体装置１を実現できる。例えば、半導体装置１は、ＨＥＭＴやＳＢＤなどである。

【0042】

半導体装置１がＨＥＭＴである場合には、図７に示すように半導体装置１を構成する。即ち、キャリア走行層４１とキャリア供給層４２とによって半導体機能層４０を構成する。そして、半導体機能層４０上にソース電極５１とドレイン電極５２を互いに離間して配置し、ソース電極５１とドレイン電極５２間にゲート電極５３を配置する。図７に示す半導体装置１では、キャリア走行層４１とキャリア供給層４２間のヘテロ接合面近傍のキャリア走行層４１に、電流通路（チャネル）としての二次元キャリアガス層４３が形成される。

【0043】

キャリア走行層４１は、例えばノンドープ又は不純物を添加したＧａＮを２０００ｎｍ程度の厚みに、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等によりエピタキシャル成長させて形成する。

【0044】

キャリア供給層４２は、キャリア走行層４１よりもバンドギャップが大きく、且つキャリア走行層４１と格子定数の異なる窒化物半導体からなる。キャリア供給層４２は、例えばＡｌ_xＧａ_yＭ_1-x-yＮ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｘ＋ｙ≦１、Ｍはインジウム（Ｉｎ）或いはボロン（Ｂ）等）で表される窒化物半導体である。また、キャリア供給層４２としてノンドープのＡｌ_xＧａ_1-xＮも採用可能である。更に、ｎ型不純物又はｐ型不純物を添加したＡｌ_xＧａ_1-xＮからなる窒化物半導体もキャリア供給層４２に採用可能である。更に、キャリア走行層４１とキャリア供給層４２の格子定数を同一にしてもよい。キャリア供給層４２の膜厚は１０〜５０ｎｍ程度、例えば２０ｎｍ程度である。キャリア供給層４２上に、ソース電極５１、ドレイン電極５２、ゲート電極５３が配置されている。

【0045】

また、半導体装置１によってＳＢＤを実現するためには、図８に示す構造を採用できる。即ち、ＨＥＭＴの場合と同様に、例えばＧａＮ膜からなるキャリア走行層４１とＡｌＧａＮ膜からなるキャリア供給層４２とによって、半導体機能層４０を構成する。そして、半導体機能層４０上にアノード電極６１とカソード電極６２を互いに離間して配置する。アノード電極６１とキャリア供給層４２との間にショットキー接合が形成され、カソード電極６２とキャリア供給層４２との間にオーミック接合が形成される。図８に示した半導体装置１では、二次元キャリアガス層４３を介して、アノード電極６１とカソード電極６２間に電流が流れる。

【0046】

以上に説明したように、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置１では、シリコン基板１０とバッファ層３０との間にＳｉドープＡｌＮ層２０を配置することにより、ＳｉドープＡｌＮ層２０の平坦性の低さに起因してリーク電流が部分的に集中して流れることが抑制される。このため、半導体装置１によれば、シリコン基板１０直上の窒化物半導体層の平坦性が低いことによる信頼性の低下が抑制され、寿命が改善された半導体装置を提供できる。

【0047】

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置１は、例えば３００Ｖ以上の高耐圧用半導体素子として、ＨＥＭＴやＳＢＤなどに採用できる。

【0048】

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る半導体装置１では、図９に示すように、ＳｉドープＡｌＮ層２０が、第１の濃度でシリコンがドープされた第１の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）領域２０１と、第１の濃度よりも低い第２の濃度でシリコンがドープされた第２の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）領域２０２とを有する。即ち、ＳｉドープＡｌＮ層２０が、ドープされたＳｉの濃度が異なる複数の領域が積層された構造を有することが、図１に示した半導体装置１と異なる点である。その他の構成については、第１の実施形態と同様である。

【0049】

第１のＡｌＮ領域２０１にドープされるシリコンの濃度は、例えば１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上且つ１×１０²¹ｃｍ^-3以下である。一方、第２のＡｌＮ領域２０２にドープされるシリコンの濃度は、例えば１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下である。ただし、第１のＡｌＮ領域２０１にドープされるシリコンの濃度が、第２のＡｌＮ領域２０２にドープされるシリコンの濃度よりも高ければよい。例えば第１のＡｌＮ領域２０１にドープされるシリコンの濃度が１×１０²¹ｃｍ^-3である場合に、第２のＡｌＮ領域２０２にドープされるシリコンの濃度を１×１０¹⁹ｃｍ^-3にする。また、第２のＡｌＮ領域２０２にＳｉをドープしなくてもよい。

【0050】

図９に示した例は、ＳｉドープＡｌＮ層２０が、複数の第１のＡｌＮ領域２０１と複数の第２のＡｌＮ領域２０２とが交互に積層された構造である。積層する回数は、第１のＡｌＮ領域２０１と第２のＡｌＮ領域２０２の積層体のトータルの膜厚が、ＳｉドープＡｌＮ層２０の所定の膜厚を超えないように設定される。既に述べたように、ＳｉドープＡｌＮ層２０の膜厚は、２０ｎｍ以上且つ３００ｎｍ以下であることが好ましい。なお、第１のＡｌＮ領域２０１と第２のＡｌＮ領域２０２とが１層ずつでもよい。

【0051】

Ｓｉがドープされることによって、ＳｉドープＡｌＮ層２０は結晶が硬くなる。このため、クラックやピットを生じやすくなり、ＳｉドープＡｌＮ層２０の結晶品質が低下する。図９に示した構造を採用し、第１のＡｌＮ領域２０１と第２のＡｌＮ領域２０２を積層することによって、第１のＡｌＮ領域２０１内で低下した結晶品質が第２のＡｌＮ領域２０２内で改善される。そのため、ＳｉドープＡｌＮ層２０の膜厚方向にＳｉが均一にドープされた場合に比べて、図９に示した半導体装置１のＳｉドープＡｌＮ層２０の結晶品質がよい。これにより、バッファ層３０及び半導体機能層４０の結晶品質が改善される。その結果、より優れた移動度などの特性を備えた半導体装置１が得られる。

【0052】

図９に示した例では、シリコン基板１０に接して第１のＡｌＮ領域２０１が配置され、バッファ層３０に接して第２のＡｌＮ領域２０２が配置されている。Ｓｉ濃度が高くなるとＡｌＮ層の結晶品質が低下するが、電界緩和効果が高くなる。したがって、図９に示した半導体装置１では、シリコン基板１０に接する第１のＡｌＮ領域２０１の結晶品質は低いが、バッファ層３０に接する第２のＡｌＮ領域２０２を成長させることにより、ＳｉドープＡｌＮ層２０の結晶品質が改善される。このとき、第１のＡｌＮ領域２０１を形成することにより、ＳｉドープＡｌＮ層２０に発生する電界が緩和され、半導体装置１の耐圧信頼性が改善される。

【0053】

一方、図１０に示すように、シリコン基板１０に接して第２のＡｌＮ領域２０２を配置し、バッファ層３０に接して第１のＡｌＮ領域２０１を配置してもよい。図１０に示した構造を採用した場合、シリコン基板１０と第２のＡｌＮ領域２０２との界面における結晶品質がよく、第２のＡｌＮ領域２０２上の第１のＡｌＮ領域２０１を、比較的よい結晶品質で形成することができる。

【0054】

図１１に示すように、シリコン基板１０とバッファ層３０のそれぞれに接して第１のＡｌＮ領域２０１を配置してもよい。図１１に示した構造を採用することによって、ＳｉドープＡｌＮ層２０内部にＳｉ濃度が低く高抵抗な領域である第２のＡｌＮ領域２０２を備えつつ、ＳｉドープＡｌＮ層２０とシリコン基板１０との界面、及び、ＳｉドープＡｌＮ層２０とバッファ層３０との界面は、Ｓｉ濃度が高い第１のＡｌＮ領域２０１により形成される。その結果、界面におけるピット部分に電界が集中することを効果的に緩和することができる。

【0055】

また、図１２に示すように、シリコン基板１０とバッファ層３０のそれぞれに接して第２のＡｌＮ領域２０２を配置してもよい。図１２に示した構造を採用することによって、第１のＡｌＮ領域２０１内で低下した結晶品質を、バッファ層３０に接する第２のＡｌＮ領域２０２内で改善することができる。

【0056】

なお、ＳｉドープＡｌＮ層２０が複数の第１のＡｌＮ領域２０１を有する場合に、複数の第１のＡｌＮ領域２０１にそれぞれドープされるＳｉの濃度は同じであってもよいし、第１のＡｌＮ領域２０１毎にＳｉの濃度が異なっていてもよい。また、ＳｉドープＡｌＮ層２０が複数の第２のＡｌＮ領域２０２を有する場合に、複数の第２のＡｌＮ領域２０２にそれぞれドープされるＳｉの濃度は同じであってもよいし、第２のＡｌＮ領域２０２毎にＳｉの濃度が異なっていてもよい。つまり、ＳｉドープＡｌＮ層２０において、Ｓｉの濃度が高い領域と低い領域とが交互に配置されていればよい。

【0057】

Ｓｉの濃度が低い第２のＡｌＮ領域２０２は、それ自体の導電性は低い。このため、膜厚を薄く設計することが好ましい。例えば、第２のＡｌＮ領域２０２の膜厚を１０ｎｍ以下にする。この場合、キャリアのトンネル効果により、第２のＡｌＮ領域２０２の膜厚方向にキャリアが容易に移動できる。そのため、電界の集中によって破壊されない程度に良好な導電性を有するＳｉドープＡｌＮ層２０を実現することができる。

【0058】

また、第１のＡｌＮ領域２０１と第２のＡｌＮ領域２０２の膜厚をそれぞれ２ｎｍ〜５ｎｍ程度にすれば、キャリアのトンネル効果によって、良好な導電性を有するＳｉドープＡｌＮ層２０を実現できる。つまり、Ｓｉのドープ量を下げても良好な導電性を有し、且つＳｉのドープ量の低下によって結晶品質が改善された半導体装置１を実現できる。

【0059】

シリコン基板１０上に最初に成長されるＡｌＮ領域の不純物（Ｓｉ）のドープ量が少ない場合（或いはノンドープの場合）、成長初期の結晶品質と平坦性が向上する。その影響はその後の積層膜すべてに影響し、半導体装置１の特性向上につながる。ＳｉドープＡｌＮ層２０の途中に、不純物（Ｓｉ）のドープ量が少ない領域（或いはノンドープの領域）を形成することによっても、同様の効果が得られる。

【0060】

本発明の第２の実施形態に係る半導体装置１では、ＳｉドープＡｌＮ層２０におけるＳｉの濃度が膜厚方向に沿って変化する。これにより、膜厚方向にＳｉが均一にドープされた場合よりも、半導体装置１の特性や信頼性を向上させることができる。即ち、ＳｉドープＡｌＮ層２０内にＳｉのドープ量が少ない、或いはノンドープの領域を膜厚方向に沿って１箇所以上形成することにより、ＳｉドープＡｌＮ層２０全体の結晶品質を改善することができる。更に、Ｓｉのドープ量が多い領域によって、ＳｉドープＡｌＮ層２０に発生する電界が緩和される。その結果、半導体装置１の初期特性を改善させつつ、耐圧信頼性を向上できる。他は、第１の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。

【0061】

シリコン基板１０を化学気相成長（ＣＶＤ）装置内に設置して、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ₃）及びモノシラン（ＳｉＨ₄）やジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）の各気相供給量を適宜調整しながら、シリコン基板１０上にＳｉドープＡｌＮ層２０を形成できる。アンモニア（ＮＨ₃）の流量の切り替え、成長温度の切り替え、パルス成長と連続成長の切り替えなどによって、Ｓｉの濃度が異なる第１のＡｌＮ領域２０１と第２のＡｌＮ領域２０２を交互に積層することができる。なお、「パルス成長」とは、Ａｌ原料（ＴＭＡなど）や窒素原料（アンモニアなど）を断続的に供給する成長方法である。

【0062】

シリコン基板１０上に最初に形成されるＡｌＮ膜の不純物（Ｓｉ）のドープ量が多い場合は、シリコン基板１０の表面に島状のＡｌＮ膜が成長する「３次元成長」が生じる。しかし、この３次元成長したＡｌＮ膜を利用することにより、ＳｉドープＡｌＮ層２０の結晶品質を向上させることも可能である。３次元成長したＡｌＮ膜上に、横方向成長しやすい成膜条件でＡｌＮ膜を形成することにより、横方向成長を利用した転位密度低減効果が得られる。また、シリコン基板１０上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることにより生じる歪みを緩和する効果も同時に得られる。横方向成長しやすい成膜条件としては、不純物のドープ量を小さくする（または、ノンドープ）、成膜温度を上げる、水素ガス比率を上げる、Ａｌ原料や窒素原料を断続的に供給する、などがある。

【0063】

＜変形例＞
図１３に示すように、ＳｉドープＡｌＮ層２０が、第１のＡｌＮ領域２０１と第２のＡｌＮ領域２０２との間に配置された中間窒化アルミニウム（ＡｌＮ）領域２０３を備える構造であってもよい。中間ＡｌＮ領域２０３には、第１のＡｌＮ領域２０１のＳｉ濃度よりも低く、且つ第２のＡｌＮ領域２０２のＳｉ濃度よりも高い中間濃度でシリコンがドープされている。

【0064】

中間ＡｌＮ領域２０３が存在せず、第１のＡｌＮ領域２０１と第２のＡｌＮ領域２０２とが交互に配置されている場合には、第１のＡｌＮ領域２０１と第２のＡｌＮ領域２０２との界面でのみ、結晶の歪が緩和される。一方、図１３に示した構造を採用することによって、第１のＡｌＮ領域２０１と中間ＡｌＮ領域２０３との界面、及び、第２のＡｌＮ領域２０２と中間ＡｌＮ領域２０３との界面において、それぞれ結晶の歪みが緩和される。つまり、歪みを緩和する領域が増えることにより、半導体装置１の信頼性が向上する。

【0065】

なお、第１のＡｌＮ領域２０１と第２のＡｌＮ領域２０２との間に複数の中間ＡｌＮ領域２０３を配置してもよい。Ｓｉ濃度が異なる複数の中間ＡｌＮ領域２０３を、Ｓｉ濃度が膜厚方向に沿って徐々に変化するように第１のＡｌＮ領域２０１と第２のＡｌＮ領域２０２との間に配置することにより、ＳｉドープＡｌＮ層２０におけるＳｉ濃度の変化は緩やかになる。Ｓｉのドープ量に応じてＡｌＮ膜の硬度や結晶歪が変化する。このため、中間ＡｌＮ領域２０３によってＳｉ濃度の変化を緩やかにすることにより、ＳｉドープＡｌＮ層２０内に隣接して配置されたＳｉ濃度の異なる領域間の歪みが緩和され、クラックの発生を抑制できる。

【0066】

或いは、ＳｉドープＡｌＮ層２０内のＳｉ濃度を膜厚方向に沿って連続的に変化させてもよい。例えば、図１４に示すＳｉドープＡｌＮ層２０において、シリコン基板１０に接する領域２１０のＳｉ濃度が高く、バッファ層３０に接する領域２２０のＳｉ濃度が低いように、膜厚方向に沿ってＳｉ濃度を徐々に変化させる。例えば、Ｓｉ濃度が高い領域２１０のＳｉ濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3〜１×１０²¹ｃｍ^-3程度、Ｓｉ濃度が低い領域２２０のＳｉ濃度は１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下程度に設定される。

【0067】

図１４に示したＳｉドープＡｌＮ層２０においては、図１５に示すように、ＳｉドープＡｌＮ層２０のＳｉ濃度は傾斜をもって変化する。これに対し、例えば図９に示した構造のＳｉドープＡｌＮ層２０のＳｉ濃度は、図１６に示すように階段状に変化する。

【0068】

上記のようにＳｉ濃度を膜厚方向に沿って連続的に変化させる傾斜ドーピングによって、ＳｉドープＡｌＮ層２０内の歪みが緩和され、クラックの発生を抑制できる。

【0069】

なお、シリコン基板１０に接する領域２１０のＳｉ濃度が低く、バッファ層３０に接する領域２２０のＳｉ濃度が高いように、ＳｉドープＡｌＮ層２０内のＳｉ濃度を膜厚方向に沿って連続的に変化させてもよい。

【0070】

発明者らの実験において、良好な導電性を有し、且つ結晶品質が改善された半導体装置１を実現することについて効果的だったのは、不純物としてＳｉをドープした領域（第１のＡｌＮ領域２０１）とノンドープの領域（第２のＡｌＮ領域２０２）とを交互に積層した構造において、それぞれの領域の厚みを１０ｎｍ以下、更に好ましくは５ｎｍ以下にしたときである。各領域の厚みが１０ｎｍ以下のときに、トンネル効果によりキャリアの積層方向の移動が容易になり、導電性が向上する。そのため、Ｓｉのドープ量を少なくして結晶品質を向上させつつ、所望の導電性が得られる。各領域の厚みが５ｎｍ以下の場合に、より効果的である。

【0071】

また、この構造において、シリコン基板１０に近づくほどＳｉのドープ量を増やすことで、クラックの発生を抑制して良好な結晶品質が得られる。これは、先に述べたようにシリコン基板１０付近のドープ量が増えることによりＡｌＮ膜の３次元成長が助長され、それを利用した横方向成長による転位密度低減とクラック発生の抑制が可能だからである。

【0072】

上記のように、本発明は第１及び第２の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

【符号の説明】

【0073】

１…半導体装置
１０…シリコン基板
２０…ＳｉドープＡｌＮ層
２０Ａ…ＡｌＮ層
２１…ピット
３０…バッファ層
３１…窒化物半導体膜
４０…半導体機能層
４１…キャリア走行層
４２…キャリア供給層
４３…二次元キャリアガス層
５１…ソース電極
５２…ドレイン電極
５３…ゲート電極
６１…アノード電極
６２…カソード電極
２０１…第１のＡｌＮ領域
２０２…第２のＡｌＮ領域
２０３…中間ＡｌＮ領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】