特開 2023-65284 半導体基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023065284

(43)【公開日】2023-05-12

(54)【発明の名称】半導体基板

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/20 20060101AFI20230502BHJP

   H01L 21/338 20060101ALI20230502BHJP

【ＦＩ】

H01L21/20

H01L29/80 H

【審査請求】有

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021204503

(22)【出願日】2021-12-16

(31)【優先権主張番号】110139931

(32)【優先日】2021-10-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】TW

(71)【出願人】

【識別番号】390023582

【氏名又は名称】財團法人工業技術研究院

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．１９５，Ｓｅｃ．４，ＣｈｕｎｇＨｓｉｎｇＲｄ．，Ｃｈｕｔｕｎｇ，Ｈｓｉｎｃｈｕ，Ｔａｉｗａｎ ３１０４０

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100179903

【弁理士】

【氏名又は名称】福井 敏夫

(72)【発明者】

【氏名】劉 學興

【テーマコード（参考）】

5F102

5F152

【Ｆターム（参考）】

5F102GB01

5F102GC01

5F102GD01

5F102GJ02

5F102GJ03

5F102GJ04

5F102GJ10

5F102GK04

5F102GL04

5F102GM04

5F102GQ01

5F152LL04

5F152LL08

5F152LL10

5F152LM09

5F152LN10

5F152MM05

5F152MM18

5F152NN03

5F152NN05

5F152NN09

5F152NN13

5F152NN15

5F152NN29

5F152NP09

5F152NP12

5F152NP13

5F152NP14

5F152NP23

(57)【要約】

【課題】半導体基板およびトランジスタを提供する。
【解決手段】半導体基板は、基材と、絶縁層と、半導体層と、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層と、核形成層とを含む。絶縁層は、基材上に配置される。半導体層は、絶縁層上に配置される。ワイドバンドギャップ拡散バッファ層は、半導体層上に配置されており、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層のバンドギャップは、２．５ｅＶよりも高い。核形成層は、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層上に配置され、核形成層は、アルミニウム含有層を含む。
【選択図】図１Ｂ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板であって、
基材と、
前記基材上に配置された絶縁層と、
前記絶縁層上に配置された半導体層と、
前記半導体層上に配置されたワイドバンドギャップ拡散バッファ層であって、前記ワイドバンドギャップ拡散バッファ層のエネルギーギャップは、２．５ｅＶよりも高い、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層と、
前記ワイドバンドギャップ拡散バッファ層上に配置された核形成層であって、前記核形成層は、アルミニウム含有層を備える、核形成層と、
を備える、半導体基板。

【請求項2】

前記ワイドバンドギャップ拡散バッファ層は、窒化ケイ素層、酸化ケイ素層、酸化亜鉛層、酸化アルミニウム層、酸化ガリウム層またはこれらの組み合わせを備える、請求項１に記載の半導体基板。

【請求項3】

前記ワイドバンドギャップ拡散バッファ層の前記エネルギーギャップは、３．２ｅＶ～９．１ｅＶである、請求項１に記載の半導体基板。

【請求項4】

前記ワイドバンドギャップ拡散バッファ層の抵抗値は、１×１０^４Ω・ｃｍ～１×１０^１４Ω・ｃｍである、請求項１に記載の半導体基板。

【請求項5】

前記ワイドバンドギャップ拡散バッファ層の厚さは、３０ｎｍ～１２０ｎｍである、請求項１に記載の半導体基板。

【請求項6】

前記ワイドバンドギャップ拡散バッファ層は、アモルファス層である、請求項１に記載の半導体基板。

【請求項7】

前記基材の熱伝導率は、１．４Ｗ／ｃｍ・Ｋより大きい、請求項１に記載の半導体基板。

【請求項8】

前記基材の材料は、ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、サファイアまたはそれらの組み合わせを備える、請求項１に記載の半導体基板。

【請求項9】

前記半導体層は、ケイ素層、炭化ケイ素層、またはそれらの組み合わせを備える、請求項１に記載の半導体基板。

【請求項10】

前記アルミニウム含有層は、窒化アルミニウム層を備える、請求項１に記載の半導体基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、半導体デバイスに関し、特に、半導体基板および半導体基板を含むトランジスタに関する。

【背景技術】

【0002】

窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体デバイスは現在、パワーデバイスの低いオン抵抗、高いスイッチング周波数、高い破壊電圧、および高温動作を可能にするため、ハイパワーデバイスとして人気のある選択肢である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

高温プロセスにおいて半導体層上にアルミニウム含有核形成層を形成するとき、核形成層内に含有されるアルミニウムは、下層、すなわち半導体層に拡散し得る。半導体層の上面へのアルミニウムの拡散は、Ｐ型ドープ導電層を形成し得る。そのため、形成された半導体デバイスの動作の間、半導体層でのリーク電流が発生し得る。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本開示の一実施形態は、基材と、絶縁層と、半導体層と、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層と、核形成層と、を含む半導体基板を提供する。絶縁層は、基材上に配置される。半導体層は、絶縁層上に配置される。ワイドバンドギャップ拡散バッファ層は、半導体層上に配置され、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層のバンドギャップは、２．５ｅＶよりも高い。核形成層は、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層上に配置され、核形成層は、アルミニウム含有層を含む。

【0005】

本開示の一実施形態は、半導体基板と、チャネル層と、バリア層と、ゲートと、ソースと、ドレインとを含むトランジスタを提供する。半導体基板は、基材と、絶縁層と、半導体層と、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層と、核形成層とを含む。絶縁層は、基材上に配置される。半導体層は、絶縁層上に配置される。ワイドバンドギャップ拡散バッファ層は、半導体層上に配置されており、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層のバンドギャップは、２．５ｅＶよりも高い。核形成層は、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層上に配置され、核形成層は、アルミニウム含有層を含む。チャネル層は、核形成層上に配置される。バリア層は、チャネル層上に配置される。ゲートは、バリア層上に配置される。ソースおよびドレインは、バリア層上に配置され、それぞれゲートの反対側に位置する。

【発明の効果】

【0006】

上記に基づいて、本開示では、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層が半導体層と核形成層との間に配置されるため、高温処理の間に核形成層内に含有されるアルミニウムがワイドバンドギャップ拡散バッファ層に拡散し得る。ワイドバンドギャップ拡散バッファ層の厚さがアルミニウムの拡散の深さよりも大きいかそれに近いとき、核形成層内に含有されるアルミニウムが半導体層へ拡散するのを防止することができ、それにより、半導体デバイスの動作中のリーク電流を回避することができる。

【0007】

前述の内容をより理解しやすくするために、いくつかの実施形態を、図面を伴って以下に詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1A】本開示の一実施形態の半導体基板の製造プロセスの概略断面図である。

【図1B】本開示の一実施形態の半導体基板の製造プロセスの概略断面図である。

【図2】本開示の一実施形態の半導体基板におけるアルミニウム濃度とアルミニウムの拡散深さとの関係を示す図である。

【図3】本開示の一実施形態のトランジスタの概略断面図である。

【図4】本開示の一実施形態の発光ダイオード（ＬＥＤ）の概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

下記において、添付の図面を参照して実施形態を詳細に説明するが、実施形態は、本開示の範囲を限定することを意図してはいない。また、図面はただ説明目的のためのものであり、元の寸法に合わせて描かれているわけではない。また、理解を容易にするために、以下の説明において同じ要素は同じ参照番号で示される。

【0010】

本文中で言及されている「備える」、「含む」、「有する」などの用語は、すべてオープンエンドの用語であり、すなわち「それらを含むが、それらに限定されない」という意味である。

【0011】

デバイスの説明に「第１の」や「第２の」などの用語を使用するとき、これは、これらのデバイスを互いに区別するためにのみ使用され、これらのデバイスの順序または重要性を制限するものではない。それゆえ、いくつかの場合においては、第１のデバイスは、第２のデバイスとも呼ばれ得、第２のデバイスは、第１のデバイスとも呼ばれ得る。これは本開示の範囲を逸脱するものではない。

【0012】

加えて、本文中の「ある値から別の値まで」で表される範囲は、範囲内のすべての数値を１つずつ明細書に記載することを避けるための要約表現方法である。したがって、特定の数値範囲の記録は、その数値範囲内の任意の数値を対象とするとともに、その数値範囲内の任意の数値で定義されるより小さな数値範囲も対象とする。

【0013】

図１Ａおよび図１Ｂは、本開示の一実施形態の半導体基板製造プロセスを示す概略断面図である。図１Ａを参照すると、複合基材１００が準備される。本実施形態では、複合基材１００は、基材１００ａと、絶縁層１００ｂと、半導体層１００ｃとを含む。基材１００ａの材料は、例えば、ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サファイアまたはこれらの組み合わせである。絶縁層１００ｂは、基材１００ａ上に配置される。絶縁層１００ｂは、例えば、酸化ケイ素層であるが、本開示はこれに限定されない。絶縁層１００ｂの厚さは、例えば、１００ｎｍ～２００ｎｍである。半導体層１００ｃは、絶縁層１００ｂ上に配置される。半導体層１００ｃは、例えば、ケイ素層、炭化ケイ素層、またはこれらの組み合わせである。半導体層１００ｃの厚さは、例えば、３０ｎｍ～３μｍ、好ましくは７０ｎｍ～２００ｎｍである。すなわち、本実施形態では、複合基材１００は、既知のシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）複合基材または高抵抗で特に高周波デバイスに適したＱＳＴ複合基材であり得る。本実施形態では、基材１００ａは、１．４Ｗ／ｃｍ・Ｋより大きい熱伝導率を有し得る。その結果、複合基材１００は、支持基材として使用されることに加えて、放熱基材としても使用され得る。

【0014】

次に、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２が複合基材１００の半導体層１００ｃ上に形成される。本実施形態においては、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２のエネルギーギャップは、２．５ｅＶよりも高く、好ましくは３．２ｅＶ～９．１ｅＶ、より好ましくは４．５ｅＶ～５．５ｅＶである。ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２は、例えば、窒化ケイ素層、酸化ケイ素層、酸化亜鉛層、酸化アルミニウム層、酸化ガリウム層、またはこれらの組み合わせである。本実施形態において、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２は、アモルファス窒化ケイ素層などのアモルファス層であり得る。本実施形態では、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２の厚さは、３０ｎｍ～１２０ｎｍであり、好ましくは３５ｎｍ～１００ｎｍであり、より好ましくは４０ｎｍ～９０ｎｍである。本実施形態において、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２の形成方法は、例えば、ＰＥＣＶＤ（プラズマ励起化学気相成長）プロセス、電子銃蒸着プロセス、またはスパッタリング堆積プロセスである。加えて、本実施形態では、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２は、１×１０^４Ω・ｃｍ～１×１０^１４Ω・ｃｍの抵抗値を有し得る。

【0015】

図１Ｂを参照すると、核形成層１０４がワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２上に形成され、本実施形態の半導体基板１０を作製する。本実施形態では、核形成層１０４は、窒化アルミニウム層などのアルミニウム含有層であるが、本開示はこれに限定されない。

【0016】

一般的には、高温プロセスにおいて核形成層１０４が形成されると、核形成層１０４内に含有されるアルミニウムは、下層に拡散し得る。半導体層１００ｃへのアルミニウムの拡散は、Ｐ型ドープ導電層を形成し得る。また、本実施形態では、複合基材１００の半導体層１００ｃと核形成層１０４との間にワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２が形成されているため、高温プロセスにおいて、核形成層１０４内に含有されるアルミニウムは、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２に拡散し得る。ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２の厚さがアルミニウムの拡散の深さに近いとき、核形成層１０４内に含有されるアルミニウムが半導体層１００ｃに拡散してＰ型ドープ導電層を形成するのを防止し、それによって、形成された半導体デバイスの動作中に複合基材１００にリーク電流が流れることを回避することができる。また、本実施形態では、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２の厚さは、アルミニウムの拡散の深さよりも大きいため、核形成層１０４内に含有されるアルミニウムが半導体層１００ｃに拡散するのを確実に防止することができる。加えて、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２のエネルギーギャップが２．５ｅＶよりも高いため、アルミニウムがワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２に拡散しても、Ｐ型ドープ導電層が形成されないようにすることができる。

【0017】

加えて、本実施形態では、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２の材料は、アモルファスであり得る。単結晶材料と比較して、アモルファスのワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２は、核形成層１０４内に含有されるアルミニウムの半導体層１００ｃへの拡散速度を効果的に低下させることができ、また、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２へのアルミニウムの拡散の深さをも低下させることができる。一般的には、アルミニウムの拡散の深さは、５０ｎｍ～１００ｎｍである。ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２は、アルミニウムの拡散の速度および深さを低減することができ、こうして、アルミニウムの拡散の深さを４０ｎｍ～９０ｎｍに低減することができる。場合によっては、半導体層１００ｃにアルミニウムが拡散することを防ぐために、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２の厚さは、４０ｎｍ～９０ｎｍとなるように設計することができる。

【0018】

本実施形態では、核形成層１０４の形成の間またはその後の高温プロセスにおいて、核形成層１０４内に含有されるアルミニウムは、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２に拡散することができ、こうして拡散層１０４ａが形成される。図１Ｂに示すように、本実施形態では、核形成層１０４内に含有されるアルミニウムがワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２の上部にのみ拡散し、その結果、拡散層１０４ａがワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２の上面に隣接して形成されているが、本開示はこれに限定されない。他の実施形態では、核形成層１０４内に含有されるアルミニウムは、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２全体に拡散することができ、すなわち、拡散層１０４ａの厚さは、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２の厚さと実質的に等しい場合があり得る。

【0019】

図２は、本開示の実施形態の半導体基板におけるアルミニウム濃度とアルミニウムの拡散の深さとの関係を示す図である。図２を参照すると、例えばＡｌＧａＮ層などのバッファ層２００は、半導体基板１０の核形成層１０４上に形成され、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２および核形成層１０４は、半導体層１００ｃ上に順次配置される。高温プロセスにおいて、核形成層１０４内に含有されるアルミニウムは、上方に向かってバッファ層２００に拡散し、下方に向かってワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２に拡散する。核形成層１０４内に含有されるアルミニウムがワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２に拡散した後、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２におけるアルミニウム濃度は、勾配のある分布を有し得る。換言すると、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２において、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２の上面に隣接する部分に比較的多量のアルミニウムが蓄積され、拡散深さが増大するにつれてアルミニウム濃度が大きく低下するため、結果、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２の核形成層１０４に隣接する部分のアルミニウム濃度は、核形成層１０４から離れた部分のアルミニウム濃度よりも高い場合があり得る。加えて、ワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２は、核形成層１０４内に含有されるアルミニウムの半導体層１００ｃへの拡散を減少させることができる、または回避することもできるため、核形成層１０４内に含有されるアルミニウムがワイドバンドギャップ拡散バッファ層１０２を透過して半導体層１００ｃに拡散したときでさえも、半導体層１００ｃは、比較的少量のアルミニウムのみを含有する。このとき、半導体層１００ｃ中のアルミニウムの含有量は、例えば、１０^１７ａｔｏｍ／ｃｍ^３未満、あるいは、０に近い値となる。このようにして、半導体基板１０をトランジスタ、ＬＥＤまたは他の電子デバイスの基板として用いたとき、動作中のトランジスタまたはＬＥＤのリーク電流および電気信号の損失を効果的に低減または回避することができる。

【0020】

以下では、半導体基板１０を例に挙げて、本開示の半導体基板を含むトランジスタについて説明する。

【0021】

図３は、本開示の一実施形態のトランジスタを示す概略断面図である。図３を参照すると、トランジスタ２０の製造プロセスの間に、バッファ層２００は、半導体基板１０の核形成層１０４上に形成することができる。バッファ層２００は、例えば、ＡｌＧａＮ層であるが、本開示はこれに限定されない。複合基材１００とその上に成長したＧａＮ層との間には格子定数に違いがあるため、応力が生じ得、複合基材１００上のエピタキシャル層の品質に影響を与え得る。バッファ層２００は、複合基材１００とチャネル層２０２との間に追加され、複合基材１００とその上に続いて形成されるチャネル層２０２などのエピタキシャル層との間の応力の均衡をとる。本実施形態では、バッファ層２００の厚さは、例えば、１００ｎｍ～２．３μｍである。他の実施形態では、バッファ層２００を省略することができ、チャネル層２０２は、核形成層１０４に直接接触し得る。

【0022】

その後、チャネル層２０２、バリア層２０４が順に形成される。チャネル層２０２は、例えば、ＧａＮ層である。チャネル層２０２の厚さは、例えば、２０ｎｍ～１００ｎｍである。バリア層２０４は、例えば、ＡｌＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層、ＡｌＮ層、ＡｌＧａＩｎＮ層、またはこれらの組み合わせである。バリア層２０４の厚さは、例えば、５ｎｍ～５０ｎｍである。チャネル層２０２は、チャネル層２０２とバリア層２０４との界面の下方に位置する２次元電子ガス（ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｇａｓ、２ＤＥＧ）２０２ａを有する。その後、ゲート２０６、ソース２０８ｓおよびドレイン２０８ｄがバリア層２０４上に形成され、ゲート２０６は、ソース２０８ｓとドレイン２０８ｄとの間に位置する。ゲート２０６の材料は、例えば、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、ＴｉＮまたはこれらの組み合わせである。ソース２０８ｓおよびドレイン２０８ｄの材料は、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｕまたはこれらの合金であり、ＩＩＩ－Ｖ族化合物とオーミック接触を形成可能な他の材料とすることができる。

【0023】

トランジスタ２０においては、半導体基板１０が基板として用いられているため、トランジスタ２０の動作の間に、リーク電流を効果的に低減または回避することができ、電気信号の損失を低減または回避することができる。

【0024】

特に、本実施形態では、トランジスタ２０は、高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＨＥＭＴ）の一例であるが、本開示のトランジスタの構造は、ＨＥＭＴに限定されない。他の実施形態では、トランジスタは、その基板として本開示の半導体基板が用いられる限り、様々な既知の構造を有し得る。

【0025】

加えて、本開示の半導体基板をＬＥＤの基板として用いるとき、様々なＬＥＤ構造は、本開示の半導体基板上に形成され得るが、これに限定されない。例えば、図４に示すように、ＬＥＤ３０は、半導体基板１０と、バッファ層２００と、第１の導電型のＧａＮ層３００と、発光層３０２と、第２の導電型のＧａＮ層３０４と、第１の電極３０６と、第２の電極３０８とを含む。発光層３０２は、第１の導電型のＧａＮ層３００と第２の導電型のＧａＮ層３０４との間に配置される。第１の電極３０６は、第１の導電型のＧａＮ層３００上に配置される。第２の電極３０８は、第２の導電型のＧａＮ層３０４上に配置される。第１の導電型のＧａＮ層３００、発光層３０２、第２の導電型のＧａＮ層３０４、第１の電極３０６および第２の電極３０８の材料は、当業者には既知であるため、ここではこれ以上の説明はしない。

【0026】

本開示の範囲または精神から逸脱することなく、開示された実施形態に様々な修正および変形を加え得ることは、当業者には明らかであろう。前述の観点から、本開示は、以下の請求項およびその均等物の範囲内に収まることを条件として、修正および変形を含むことを意図している。

【産業上の利用可能性】

【0027】

本開示の半導体基板は、ＨＥＭＴまたはＬＥＤなどのトランジスタに適用され得る。

【符号の説明】

【0028】

１０ 半導体基板
２０ トランジスタ
３０ ＬＥＤ
１００ 複合基材
１００ａ 基材
１００ｂ 絶縁層
１００ｃ 半導体層
１０２ ワイドバンドギャップ拡散バッファ層
１０４ 核形成層
１０４ａ 拡散層
２００ バッファ層
２０２ チャネル層
２０４ バリア層
２０６ ゲート
２０８ｓ ソース
２０８ｄ ドレイン
３００ 第１の導電型のＧａＮ層
３０２ 発光層
３０４ 第２の導電型のＧａＮ層
３０６ 第１の電極
３０８ 第２の電極

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【外国語明細書】