特表 2023-519637 半導体装置のエピタキシャル構造、装置及びエピタキシャル構造の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-05-11

(54)【発明の名称】半導体装置のエピタキシャル構造、装置及びエピタキシャル構造の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/20 20060101AFI20230501BHJP

   H01L 21/338 20060101ALI20230501BHJP

【ＦＩ】

H01L21/20

H01L29/80 H

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022560393

(86)(22)【出願日】2021-12-21

(85)【翻訳文提出日】2022-10-03

(86)【国際出願番号】 CN2021140112

(87)【国際公開番号】W WO2022135403

(87)【国際公開日】2022-06-30

(31)【優先権主張番号】202011573138.2

(32)【優先日】2020-12-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】515295706

【氏名又は名称】蘇州能訊高能半導体有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＤＹＮＡＸ ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ，ＩＮＣ．

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．１８ Ｃｈｅｎｆｅｎｇ Ｒｏａｄ，Ｙｕｓｈａｎ Ｔｏｗｎ，Ｋｕｎｓｈａｎ Ｃｉｔｙ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ ２１５３００，Ｃｈｉｎａ

(74)【代理人】

【識別番号】110002262

【氏名又は名称】ＴＲＹ国際弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】張 暉

(72)【発明者】

【氏名】談 科偉

(72)【発明者】

【氏名】孔 蘇蘇

(72)【発明者】

【氏名】李 仕強

(72)【発明者】

【氏名】周 文龍

(72)【発明者】

【氏名】杜 小青

【テーマコード（参考）】

5F102

5F152

【Ｆターム（参考）】

5F102GJ02

5F102GJ03

5F102GJ04

5F102GJ05

5F102GJ06

5F102GJ10

5F102GK04

5F102GK08

5F102GM04

5F102GQ01

5F102HC01

5F152LM09

5F152LN19

5F152MM03

5F152NN02

5F152NN03

5F152NN07

5F152NN08

5F152NN09

5F152NN13

5F152NP09

5F152NQ09

(57)【要約】

本発明は、半導体装置のエピタキシャル構造、装置及びエピタキシャル構造の製造方法に関する。前記エピタキシャル構造は、基板と、前記基板上に位置してバッファ層を含む第１半導体層と、を含む。バッファ層は、積層して設置される第１バッファ層、第２バッファ層及び第３バッファ層を少なくとも含む。第２バッファ層は、第１バッファ層と第３バッファ層との間に位置する。前記第２バッファ層に鉄不純物がドープされるとともに、前記第１バッファ層及び前記第３バッファ層に鉄不純物が積極的にドープされない。前記第２バッファ層の鉄不純物の濃度は、第１所定範囲を満たす。上記エピタキシャル構造によれば、高抵抗のバッファ層を実現するとともに、結晶品質と装置のサブスレッショルド特性とを両立させることができる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体装置のエピタキシャル構造であって、
基板と、
前記基板上に位置し、バッファ層を含む第１半導体層と、を含み、
前記バッファ層は、積層して設置される第１バッファ層、第２バッファ層及び第３バッファ層を少なくとも含み、
前記第２バッファ層は、前記第１バッファ層と前記第３バッファ層との間に位置し、
前記第２バッファ層に鉄不純物がドープされるとともに、前記第１バッファ層及び前記第３バッファ層に鉄不純物が積極的にドープされないことを特徴とするエピタキシャル構造。

【請求項2】

前記第２バッファ層には、炭素不純物がさらにドープされ、
前記第２バッファ層の炭素不純物は、前記第２バッファ層の鉄不純物よりも濃度が低いことを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャル構造。

【請求項3】

前記第２バッファ層の鉄不純物の濃度は、第１所定範囲を満たし、
前記第１所定範囲は、１０^１６ｃｍ^－３～５×１０^１８ｃｍ^－３を含み、
前記第２バッファ層の炭素不純物の濃度は、第２所定範囲を満たし、
前記第２所定範囲は、１０^１６ｃｍ^－３～１０^１７ｃｍ^－３を含むことを特徴とする請求項２に記載のエピタキシャル構造。

【請求項4】

前記第２バッファ層の厚さは、ｄ_２であり、
ここでは、２００ｎｍ≦ｄ_２≦８００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャル構造。

【請求項5】

前記第１バッファ層は、前記第２バッファ層の前記基板に近接する一側に位置し、
前記第３バッファ層は、前記第２バッファ層の第２半導体層に近接する一側に位置し、
前記第１バッファ層は、炭素不純物を有し、
前記第１バッファ層の炭素不純物の濃度は、前記第２バッファ層の炭素不純物の濃度以下であり、
前記第３バッファ層は、炭素不純物を有し、
前記第３バッファ層の炭素不純物の濃度は、前記第２バッファ層の炭素不純物の濃度よりも低いことを特徴とする請求項２に記載のエピタキシャル構造。

【請求項6】

前記第１バッファ層の炭素不純物の濃度は、１０^１７ｃｍ^－３以下であり、
前記第２バッファ層の炭素不純物の濃度は、１０^１６ｃｍ^－３以上かつ１０^１７ｃｍ^－３以下であり、
前記第３バッファ層の炭素不純物の濃度は、５×１０^１６ｃｍ^－３以下であることを特徴とする請求項５に記載のエピタキシャル構造。

【請求項7】

前記第３バッファ層の厚さは、ｄ_３であり、
ここでは、２００ｎｍ≦ｄ_３≦５００ｎｍであり、
前記第１バッファ層の厚さは、ｄ_１であり、
ここでは、２００ｎｍ≦ｄ_１≦８００ｎｍであることを特徴とする請求項５に記載のエピタキシャル構造。

【請求項8】

前記第１バッファ層における鉄不純物の濃度は、ほぼゼロであり、
前記第３バッファ層における鉄不純物の濃度は、１０^１６ｃｍ^－３よりも低いことを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャル構造。

【請求項9】

前記第３バッファ層における鉄不純物の濃度は、ほぼゼロであることを特徴とする請求項８に記載のエピタキシャル構造。

【請求項10】

半導体装置であって、
請求項１～９のいずれか一項に記載のエピタキシャル構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

【請求項11】

半導体装置のエピタキシャル構造の製造方法であって、
基板を提供するステップと、
前記基板上に第１半導体装置を製造するステップと、
第１半導体層の前記基板から離れる一側には、導電チャンネルが形成される第２半導体層を製造するステップと、を含み、
前記第１半導体層は、バッファ層を含み、
前記バッファ層は、積層して設置される第１バッファ層、第２バッファ層及び第３バッファ層を少なくとも含み、
前記第２バッファ層は、前記第１バッファ層と前記第３バッファ層との間に位置し、
前記第２バッファ層に鉄不純物がドープされるとともに、前記第１バッファ層及び前記第３バッファ層に鉄不純物が積極的にドープされず、
前記第２バッファ層の鉄不純物の濃度は、第１所定範囲を満たすことを特徴とする半導体装置のエピタキシャル構造の製造方法。

【請求項12】

前記基板上に第１半導体装置を製造するステップは、
前記基板上には、核生成層をエピタキシャル成長させるステップと、
前記核生成層の前記基板から離れる一側には、前記第１バッファ層をエピタキシャル成長させるステップと、
前記第１バッファ層の前記核生成層から離れる一側には、前記第２バッファ層をエピタキシャル成長させるとともに、鉄不純物を炭素不純物と共に前記第２バッファ層にドープし、前記第２バッファ層の炭素不純物の濃度を、前記第２バッファ層の鉄不純物の濃度よりも低くするステップと、
前記第２バッファ層の前記第１バッファ層から離れる一側には、前記第３バッファ層をエピタキシャル成長させるステップと、を含むことを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。

【請求項13】

前記バッファ層を製造するステップは、
前記第１バッファ層を形成する場合、鉄源をオフにして前記第１バッファ層における鉄不純物の濃度をほぼゼロにするステップと、
前記第２バッファ層を形成する場合、前記鉄源をオンにして流量を制御することで、前記第２バッファ層における鉄不純物の濃度を１０^１６ｃｍ^－３～５×１０^１８ｃｍ^－３にするステップと、
前記第３バッファ層を形成する場合、前記鉄源をオフにして前記第３バッファ層における鉄不純物の濃度を１０^１６ｃｍ^－３よりも低くするステップと、を含むことを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。

【請求項14】

前記第３バッファ層における鉄不純物の濃度はほぼゼロであることを特徴とする請求項１３に記載の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体技術領域に関し、特に、半導体装置のエピタキシャル構造、装置及びエピタキシャル構造の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体材料としての窒化ガリウム（ＧａＮ）は、バンドギャップが大きくて電子移動度が高く、絶縁破壊電界強度が高く、熱伝導性が優れる等の特徴を有するとともに、大きな自発分極効果とピエゾ分極効果を有するため、第１世代の半導体材料及び第２世代の半導体材料に比べて、高周波、高電圧、耐高温のハイパワー電子デバイスの製造に適し、特に、無線周波数及び電源領域において優位性が明らかである。

【0003】

窒化ガリウムの高電子移動度トランジスタ（ＧａＮ ＨＥＭＴ）構造では、より優れた装置のリーク特性及びピンチオフ特性を得るために、通常、バッファ層を高抵抗に設置する必要がある。プロセスで真性ＧａＮ材料の高抵抗を実現することは非常に困難であるが、バッファ層の成長の途中でアクセプタ不純物を導入してバッファ層の高抵抗を実現することができる。慣用のアクセプタ不純物は、炭素（Ｃ）原子または鉄（Ｆｅ）原子を含む。

【0004】

ドープで形成された深いエネルギー準位は、バッファ層の電子をキャッチして高抵抗を取得するとともにバッファ層の結晶品質及び装置のサブスレッショルド特性に影響を及ぼす。そのため、バッファ層の高抵抗特性を確保するとともに、装置のサブスレッショルド特性を配慮可能なエピタキシャル構造が必要となる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

そのため、従来の半導体材料の高抵抗のバッファ層を製造する場合、結晶品質と装置のサブスレッショルド特性とを両立させることが困難であるという問題に対して、改善される半導体装置のエピタキシャル構造を提供する必要がある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

半導体装置のエピタキシャル構造は、基板と、前記基板上に位置し、バッファ層を含む第１半導体層と、を含む。前記バッファ層は、積層して設置される第１バッファ層、第２バッファ層及び第３バッファ層を少なくとも含む。前記第２バッファ層は、前記第１バッファ層と前記第３バッファ層との間に位置する。前記第２バッファ層に鉄不純物がドープされるとともに、前記第１バッファ層及び前記第３バッファ層に鉄不純物が積極的にドープされない。前記第２バッファ層の鉄不純物の濃度は、第１所定範囲を満たす。

【0007】

上記の半導体装置のエピタキシャル構造では、バッファ層は、第１バッファ層，第２バッファ層及び第３バッファ層を少なくとも含み、前記第２バッファ層に鉄不純物がドープされるとともに、前記第１バッファ層及び前記第３バッファ層に鉄不純物が積極的にドープされず、第２バッファ層の鉄不純物の濃度は、第１所定範囲を満たす。こうすることで、バッファ層の高抵抗の実現に寄与し、装置に優れたリーク特性及びピンチオフ特性を与える。一方、上記のエピタキシャル構造では、鉄不純物は適切な濃度範囲で中部のバッファ層に分布するが、基板及び第２半導体層に近接するバッファ層は鉄不純物をほとんど有していないか、または極めて少なく有する。具体的には、例えば、前記第１バッファ層における鉄不純物の濃度はほぼゼロであり、かつ、前記第３バッファ層における鉄不純物の濃度は１０^１６ｃｍ^－３よりも低く、ほぼゼロであることが好ましい。これにより、バッファ層の結晶品質の向上に寄与するとともに、装置のドレイン誘起障壁低下(ＤＩＢＬ）現象及び鉄不純物の尾引き現象の改善に寄与し、さらに、装置のサブスレッショルド特性を向上させて装置の信頼性を確保することができる。

【0008】

一実施例では、前記第２バッファ層には、炭素不純物がさらにドープされる。前記第２バッファ層の炭素不純物の濃度は、第２所定範囲を満たすとともに、前記第２バッファ層の鉄不純物の濃度よりも低い。

【0009】

一実施例では、前記第１所定範囲は、１０^１６ｃｍ^－３～５×１０^１８ｃｍ^－３を含み、前記第２所定範囲は、１０^１６ｃｍ^－３～１０^１７ｃｍ^－３を含む。

【0010】

一実施例では、前記第２バッファ層の厚さは、ｄ_２である。なお、２００ｎｍ≦ｄ_２≦８００ｎｍである。

【0011】

一実施例では、前記第１バッファ層は、前記第２バッファ層の前記基板に近接する一側に位置する。前記第３バッファ層は、前記第２バッファ層の前記第２半導体層に近接する一側に位置する。前記第１バッファ層は、炭素不純物を有する。前記第１バッファ層の炭素不純物の濃度は、前記第２バッファ層の炭素不純物の濃度以下である。前記第３バッファ層は、炭素不純物を有する。前記第３バッファ層の炭素不純物の濃度は、前記第２バッファ層の炭素不純物の濃度よりも低い。

【0012】

一実施例では、前記第１バッファ層の炭素不純物の濃度は、１０^１７ｃｍ^－３以下であり、前記第２バッファ層の炭素不純物の濃度は、１０^１６ｃｍ^－３以上かつ１０^１７ｃｍ^－３以下であり、前記第３バッファ層の炭素不純物の濃度は、５×１０^１６ｃｍ^－３以下である。

【0013】

一実施形態では、前記第３バッファ層の厚さは、ｄ_３である。なお、２００ｎｍ≦ｄ_３≦５００ｎｍである。

【0014】

一実施形態では、前記第１バッファ層の厚さは、ｄ_１である。なお、２００ｎｍ≦ｄ_１≦８００ｎｍである。

【0015】

一実施例では、前記第１半導体層は、前記基板上に位置する核生成層をさらに含む。前記バッファ層は、前記核生成層の前記基板から離れる一側に位置する。

【0016】

一実施例では、前記第２半導体層は、前記第１半導体層の前記基板から離れる一側に位置するチャンネル層と、前記チャンネル層の前記第１半導体層から離れる一側に位置し、前記チャンネル層と共にヘテロ接合構造を形成するとともに、ヘテロ界面に導電チャンネルを形成する障壁層と、前記障壁層の前記チャンネル層から離れる一側に位置するキャップ層と、を含む。

【0017】

本発明は、半導体装置をさらに提供する。

【0018】

半導体装置は、上述したエピタキシャル構造を含む。

【0019】

上記の半導体装置は、上述したエピタキシャル構造によって製造され、より優れた装置のリーク特性及びピンチオフ特性を得ることに繋がるとともに、装置のサブスレッショルド特性を向上させて装置の信頼性を確保する。

【0020】

本発明は、半導体装置のエピタキシャル構造の製造方法をさらに提供する。

【0021】

半導体装置のエピタキシャル構造の製造方法は、基板を提供するステップと、前記基板上に第１半導体装置を製造するステップと、前記第１半導体層の前記基板から離れる一側には、導電チャンネルが形成される第２半導体層を製造するステップと、を含む。前記第１半導体層は、バッファ層を含む。前記バッファ層は、積層して設置される第１バッファ層、第２バッファ層及び第３バッファ層を少なくとも含む。前記第２バッファ層は、前記第１バッファ層と前記第３バッファ層との間に位置する。前記第２バッファ層に鉄不純物がドープされるとともに、前記第１バッファ層及び前記第３バッファ層に鉄不純物が積極的にドープされない。前記第２バッファ層の鉄不純物の濃度は、第１所定範囲を満たす。

【0022】

上記製造方法では、バッファ層を製造する場合、３つの段階により第１バッファ層、第２バッファ層及び第３バッファ層をそれぞれ形成し、第２バッファ層内に鉄不純物をドープして第２バッファ層の鉄不純物の濃度を第１所定範囲にすることで、バッファ層の高抵抗の実現に寄与し、装置に優れたリーク特性及びピンチオフ特性を与える。一方、鉄不純物を適切な濃度範囲で中部のバッファ層に分布させることで、基板及び第２半導体層に近接するバッファ層が鉄不純物をほとんど有していないか、または極めて少なく有する。具体的には、例えば、前記第１バッファ層における鉄不純物の濃度はほぼゼロであり、かつ、前記第３バッファ層における鉄不純物の濃度は１０^１６ｃｍ^－３よりも低く、ほぼゼロであることが好ましい。これにより、バッファ層の結晶品質の向上に寄与するとともに、装置のドレイン誘起障壁低下(ＤＩＢＬ）現象及び鉄不純物の尾引き現象の改善に寄与し、さらに、装置のサブスレッショルド特性を向上させて装置の信頼性を確保することができる。

【0023】

一実施例では、前記基板上に第１半導体装置を製造するステップは、前記基板上には、核生成層をエピタキシャル成長させるステップと、前記核生成層の前記基板から離れる一側には、前記第１バッファ層をエピタキシャル成長させるステップと、前記第１バッファ層の前記核生成層から離れる一側には、前記第２バッファ層をエピタキシャル成長させるとともに、鉄不純物を炭素不純物と共に前記第２バッファ層にドープするステップと、前記第２バッファ層の前記第１バッファ層から離れる一側には、前記第３バッファ層をエピタキシャル成長させるステップと、を含む。前記第２バッファ層の炭素不純物の濃度は、第２所定範囲を満たすとともに、前記第２バッファ層の鉄不純物の濃度よりも低い。

【0024】

一実施例では、前記第１バッファ層は炭素不純物を有し、前記第１バッファ層の前記核生成層から離れる一側には、前記第２バッファ層をエピタキシャル成長させるステップは、エピタキシャルプロセスにより前記第２バッファ層を形成するとともに、前記第２バッファ層の炭素不純物の濃度を前記第１バッファ層の炭素不純物の濃度以上にするステップを含む。前記第３バッファ層は炭素不純物を有し、前記第２バッファ層の前記第１バッファ層から離れる一側には、前記第３バッファ層をエピタキシャル成長させるステップは、エピタキシャルプロセスにより前記第３バッファ層を形成するとともに、前記第３バッファ層の炭素不純物の濃度を前記第２バッファ層の炭素不純物の濃度よりも低くするステップを含む。

【0025】

一実施例では、前記バッファ層を製造するステップは、前記第１バッファ層を形成する場合、鉄源をオフにして前記第１バッファ層における鉄不純物の濃度をほぼゼロにするステップと、前記第２バッファ層を形成する場合、前記鉄源をオンにして流量を制御することで、前記第２バッファ層における鉄不純物の濃度を１０^１６ｃｍ^－３～５×１０^１８ｃｍ^－３にするステップと、前記第３バッファ層を形成する場合、前記鉄源をオフにして前記第３バッファ層における鉄不純物の濃度を１０^１６ｃｍ^－３よりも低くするステップと、を含む。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明の一実施例の構成を示す図である。

【図2】本発明に係るエピタキシャル構造における炭素不純物及び鉄不純物の濃度分布を示す図である。

【図3】本発明の他の実施例のバッファ層の構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

本発明を容易に理解するために、以下、関連図面を参照しながら本発明をより全面的に説明する。図面には、本発明の好ましい実施形態が示されているが、本発明は、本明細書に記載された実施形態に限定されず、多くの異なる態様で実現されてもよい。逆に、これらの実施形態は、本発明の開示内容をより完全かつ全面的に理解するために提供される。

【0028】

なお、ある要素が他の要素に「固定される」場合、当該要素は他の要素に直接固定されてもよいし、中間要素を介して固定されてもよい。ある要素が他の要素に「連結される」場合、当該要素は他の要素に直接連結されてもよいし、中間要素を介して連結されてもよい。本明細書で用いられる「垂直」、「水平」、「左」、「右」、「上」、「下」、「前」、「後」、「周方向」との用語及び類似の記述は、図面に示される方向又は位置の関係に基づいており、示した機器又は構成要素が特定の方向を有する又は特定の方向に構成及び操作される必要があること示す又は暗示するのではなく、単に本発明の説明を容易かつ簡略化することを目的としていることを理解すべきであり、従って、本発明に対する制限として理解すべきではない。

【0029】

別途に定義されない限り、本明細書で用いられる全ての技術及び科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本発明の明細書内で用いられる用語は、特定の実施例を説明することだけを目的とし、本発明を限定することを目的としない。本明細書で用いられる用語「及び／又は」は、関連する列挙された項目のうちの１つ又は複数のいずれか又は全ての組合せを含む。

【0030】

より優れた装置のリーク特性及びピンチオフ特性を得るために、半導体装置におけるバッファ層を高抵抗にする必要がある。従来のプロセスでは、バッファ層の成長の途中でアクセプタ不純物を導入してバッファ層を高抵抗にすることが可能である。しかしながら、バッファ層の比較的高いアクセプタ不純物の濃度は、バッファ層の結晶品質と装置のサブスレッショルド特性に影響を及ぼし、その結果、装置の信頼性が低下し、装置の適用範囲が制限される。

【0031】

そのため、本発明は、従来技術の問題を解決し、バッファ層の高抵抗を満たすことを実現するとともに、ドーピングによるバッファ層の結晶品質と装置のサブスレッショルド特性への影響を低減する新型の半導体装置のエピタキシャル構造を提供する。以下、具体的な実施形態により、本発明の技術案を詳細に説明する。

【0032】

図１を参照し、本発明に係る半導体装置のエピタキシャル構造１００は、基板１０と、基板１０上に位置する第１半導体層２０とを含む。基板１１０は、窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム、窒化アルミニウムインジウムガリウム、インジウムリン、ガリウム砒素、炭化珪素、ダイヤモンド、サファイア、ゲルマニウム及びシリコンのうちの一種類または複数種類の組み合わせであってもよいし、ＩＩＩ族窒化物を成長させることが可能な他の材料であってもよい。

【0033】

具体的には、第１半導体層２０は、バッファ層２２を含む。バッファ層２２は、積層して設置される第１バッファ層２２１、第２バッファ層２２２及び第３バッファ層２２３を少なくとも含む。第２バッファ層２２２は、第１バッファ層２２１と第３バッファ層２２３との間に位置する。なお、第１バッファ層２２１は、基板１０と第２バッファ層２２２との間に位置してもよいし、第２バッファ層２２２の基板１０から離れる一側に位置してもよい。図１に例示するように、第１バッファ層２２１は、基板１０と第２バッファ層２２２との間に位置し、第３バッファ層２２３は、第２バッファ層２２２の基板１０から離れる一側に位置する。バッファ層２２は、次に成長が必要な半導体材料層に粘着する作用を有するとともに、基板１０への金属イオンの侵入を防止することができる。このバッファ層２２は、ＡｌＧａＮやＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどのＩＩＩ族窒化物材料であってもよい。

【0034】

さらに、第２バッファ層２２２に鉄不純物がドープされるとともに、第１バッファ層２２１及び第３バッファ層２２３に鉄不純物が積極的にドープされない。好ましくは、図１に例示されるように、バッファ層２２の鉄不純物は、第２バッファ層２２２内に分布し、第１バッファ層２２１における鉄不純物の含有量がほぼゼロであり、第３バッファ層２２３における鉄不純物の含有量がほぼゼロであることが好ましい。しかしながら、第２バッファ層の鉄不純物の尾引き現象のため、第３バッファ層内に鉄不純物がわずかに分布することになるが、その含有量が極めて少なく、１０^１６ｃｍ^－３よりも少ない。また、技術の発展に伴って、この尾引き現象を解消できるようになったら、第３バッファ層における鉄不純物がほぼゼロであることが好ましい。本発明では、鉄不純物の含有量がほぼゼロであることは、積極的に鉄がドープされないことを指し、論理的に鉄不純物の含有量がゼロであることが好ましいが、実際に鉄の存在が必然的である。

【0035】

バッファ層２２の鉄不純物は、中間層に位置する第２バッファ層２２２内に分布するとともに、鉄不純物が分布する第２バッファ層２２２に接触する隣接層ホストは、第２バッファ層２２２ホストと同じである。すなわち、バッファ層２２の鉄不純物は、基板や核生成層、チャネル層等の、ホストの異なる半導体層に直接接触しない。

【0036】

好ましくは、半導体のエピタキシャル構造は、第１半導体層２０の前記基板から離れる一側に位置する第２半導体層３０をさらに含んでもよい。図１に示すように、第２半導体層３０内には、太い破線で示される導電チャンネルが形成される。具体的には、第２半導体層３０は、チャンネル層３１、障壁層３２を含んでもよい。チャンネル層３１は、バッファ層２２と障壁層３２との間に形成されてもよく、その上方の障壁層３２と共にヘテロ接合構造を形成するとともに、界面において２次元電子ガスチャネル（すなわち、導電チャンネル）を形成してもよい。チャンネル層３１は、２次元電子ガス移動のチャネルを与え、障壁層３２は、障壁の役割を果たす。障壁層３２は、Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ材料であってもよく、そのＡｌ含有量ｘは、０～１に制御されてもよい。

【0037】

具体的には、第１バッファ層２２１、第２バッファ層２２２及び第３バッファ層２２３は、エピタキシャル成長プロセスによって段階的に順次に形成される。第１バッファ層２２１を形成する過程において、成長条件を制御して鉄源をオフにすることで、第１バッファ層２２１における鉄不純物の含有量をゼロにすることができる。第２バッファ層２２２を形成する過程において、成長条件を調整して鉄源をオンにし、流量を制御して鉄不純物を第２バッファ層２２２にドープする。第３バッファ層２２３を形成する場合、成長条件を続けて調整して鉄源をオフにすることで、導電チャンネルに減衰する鉄不純物の濃度を減らすことができ、第３バッファ層２２３の鉄不純物の濃度を比較的低い範囲内、例えば、１０^１６ｃｍ^－３よりも低く維持する。上記の方法により、第２バッファ層２２２における鉄不純物の分布を実現することができるが、他の成長プロセスにより所望の第１バッファ層２２１、第２バッファ層２２２及び第３バッファ層２２３を形成してもよい。本発明では、バッファ層２２の具体的な製造プロセスは限定されない。

【0038】

上記の半導体装置のエピタキシャル構造１００では、バッファ層２２は、第１バッファ層２２１，第２バッファ層２２２及び第３バッファ層２２３を少なくとも含み、バッファ層２２に鉄不純物がドープされるとともに、鉄不純物が第２バッファ層２２２内に分布し、第２バッファ層２２２の鉄不純物の濃度が第１所定範囲を満たすことで、バッファ層２２の高抵抗の実現に寄与し、装置に優れたリーク特性及びピンチオフ特性を与える。一方、上記のエピタキシャル構造１００では、鉄不純物は適切な濃度範囲で中部のバッファ層に分布するが、基板及び第２半導体層に近接するバッファ層は鉄不純物をほとんど有していないか、または極めて少なく有する。具体的には、例えば、前記第１バッファ層における鉄不純物の濃度はほぼゼロであり、かつ、前記第３バッファ層における鉄不純物の濃度は１０^１６ｃｍ^－３よりも低く、ほぼゼロであることが好ましい。これにより、バッファ層２２の結晶品質の向上に寄与するとともに、装置のドレイン誘起障壁低下(ＤＩＢＬ）現象及び鉄不純物の尾引き現象の改善に寄与し、さらに、装置のサブスレッショルド特性を向上させて装置の信頼性を確保することができる。図１に示されるエピタキシャル構造を例として、第１バッファ層２２１には、鉄不純物がほとんどなくて、バッファ層２２の結晶成長品質を向上させるとともに、装置のドレイン誘起障壁低下現象を効果的に改善する。また、第２バッファ層２２２と第２半導体層３０との間には、一層の第３バッファ層２２３がさらに挟まれる。第３バッファ層２２３における鉄不純物の濃度も極めて少なくて、チャンネルに減衰する鉄含有量の減少に寄与するほか、鉄不純物がチャンネルに進入して不純物散乱を引き起こして２次元電子ガス濃度と電子移動度を低下させ、装置の飽和電流と出力に影響を与えることを回避する。

【0039】

例示的な実施形態では、第２バッファ層２２２には、炭素不純物がさらにドープされる。第２バッファ層２２２の炭素不純物の濃度は、第２所定範囲を満たし、第２バッファ層２２２の鉄不純物の濃度よりも低い。

【0040】

具体的には、優れた結晶品質を得るために、高温高圧のエピタキシャル成長プロセスにより結晶を成長させ、この成長条件では、第２バッファ層２２２における炭素不純物の濃度は高くないが、鉄不純物は流量制御によってドープされ、その濃度が温度圧力による影響を受けにくいため、バッファ層２２の高抵抗を実現するための主なアクセプタ不純物とされてもよい。一方、炭素不純物の濃度が温度圧力による影響を受けやすいことを考慮すると、第２バッファ層２２２内に適切な濃度の炭素不純物を続けてドープし、鉄不純物の高抵抗効果を補償し、さらに必要なバッファ層の高抵抗を得ることができる。

【0041】

さらに、第２バッファ層２２２における鉄不純物の濃度の第１所定範囲は、１０^１６ｃｍ^－３～５×１０^１８ｃｍ^－３を含み、第２バッファ層２２２における炭素不純物の濃度の第２所定範囲は、１０^１６ｃｍ^－３～１０^１７ｃｍ^－３を含む。鉄不純物及び炭素不純物は、深い順位のアクセプタとして、両者ともに適切な濃度で第２バッファ層２２２内にドープされ、高抵抗及びバッファ層２２全体のリークの低減作用を果たす。鉄不純物の濃度が低すぎる場合は、必要なバッファ層の高抵抗を実現することができない。鉄不純物の濃度が高すぎて炭素不純物の濃度が低すぎる場合は、バッファ層２２の結晶品質及び表面形状に影響を及ぼす。炭素不純物の濃度が高すぎる場合は、バッファ層の結晶成長の品質を悪化させる。

【0042】

例示的な実施形態では、図１に示すように、第１バッファ層２２１は、第２バッファ層２２２の基板１０に近接する一側に位置し、第３バッファ層２２３は、第２バッファ層２２２の第２半導体層３０に近接する一側に位置する。さらに、図２に示すように、第１バッファ層２２１は、炭素不純物を有し、第１バッファ層２２１の炭素不純物の濃度は、第２バッファ層２２２の炭素不純物の濃度以下である。また、第３バッファ層２２３は、炭素不純物を有し、第３バッファ層２２３の炭素不純物の濃度は、第２バッファ層２２２の炭素不純物の濃度よりも低い。第１バッファ層２２１及び第３バッファ層２２３の炭素不純物の濃度をいずれも第２バッファ層２２２の炭素不純物の濃度よりも低くすることで、高抵抗を実現するとともに、バッファ層２２の結晶品質を効果的に向上させることができる。一方、第３バッファ層２２３の炭素不純物の濃度をより調整しやすいため、第３バッファ層２２３の炭素不純物の濃度を第２バッファ層２２２の炭素不純物の濃度よりも低くすることで、バッファ層２２の結晶品質をより向上させる。

【0043】

さらに、第１バッファ層２２１の炭素不純物の濃度は、１０^１７ｃｍ^－３以下であり、第２バッファ層２２２の炭素不純物の濃度は、１０^１６ｃｍ^－３以上かつ１０^１７ｃｍ^－３以下であり、第３バッファ層２２３の炭素不純物の濃度は、５×１０^１６ｃｍ^－３以下である。第１バッファ層２２１、第２バッファ層２２２及び第３バッファ層２２３の炭素不純物の濃度を制御してそれぞれ上記の範囲内にすることで、バッファ層２２の高抵抗の実現に寄与するとともに、バッファ層２２の結晶品質を向上させる。各バッファ層の炭素不純物の濃度が高すぎると、バッファ層２２の結晶品質を明らかに低下させるが、第２バッファ層２２２の炭素不純物の濃度が低すぎると、鉄不純物による高抵抗効果を十分に補償することができない。

【0044】

例示的な実施形態では、図１を続けて参照し、第３バッファ層２２３の厚さは、ｄ_３である。なお、２００ｎｍ≦ｄ_３≦５００ｎｍである。上記の関係を満たすように第３バッファ層２２３の厚さを制御することで、第２バッファ層２２２における鉄不純物が導電チャネルから適切な距離を有するようにし、ドープされる鉄不純物による導電チャンネルにおける２次元電子ガスへの影響を低減させることができる。第３バッファ層２２３が薄すぎると、第２バッファ層２２２における鉄不純物から導電チャンネルまでの距離が短すぎ、導電チャンネルに減衰される鉄不純物の過剰を招きやすくて、さらに、装置の飽和電流及び出力に影響を及ぼし、装置の信頼性を確保しにくい。第３バッファ層２２３の厚さが厚すぎると、バッファ層２２の成長効率に影響を及ぼす。

【0045】

例示的な実施形態では、第２バッファ層２２２の厚さは、ｄ_２である。なお、２００ｎｍ≦ｄ_２≦８００ｎｍである。上記の関係を満たすように第２バッファ層２２２の厚さを制御することで、バッファ層２２の高抵抗を良好に実現するとともに、バッファ層２２の結晶品質を向上させる。第２バッファ層２２２が薄すぎると、バッファ層２２全体の高抵抗の実現に影響を及ぼす。第２バッファ層２２２の厚さが厚すぎると、バッファ層２２の成長効率に影響を及ぼす。さらに、第２バッファ層２２２には、比較的高い濃度の鉄不純物がさらにドープされる。第２バッファ層２２２の厚さが厚すぎると、第２バッファ層２２２の結晶品質及び表面形状にも影響を及ぼす。

【0046】

例示的な実施形態では、第１バッファ層の厚さは、ｄ_１である。なお、２００ｎｍ≦ｄ_１≦８００ｎｍである。上記の関係を満たすように第１バッファ層２２１の厚さを制御することで、第１バッファ層２２１の結晶が３次元成長から２次元成長に可及的に変換することに寄与し、後続のバッファ層の結晶成長品質を保証するとともに、バッファ層２２の成長効率に影響を及ぼさない。第１バッファ層２２１が薄すぎると、第１バッファ層２２１は３次元成長から２次元成長に即座に変換しない可能性が高くなり、後続のバッファ層の成長品質を悪化させる。第１バッファ層２２１の厚さが厚すぎると、バッファ層２２の成長効率に影響を及ぼす。

【0047】

例示的な実施形態では、図３を参照し、バッファ層２２は、第４バッファ層２２４及び第５バッファ層２２５をさらに含んでもよい。具体的には、第４バッファ層２２４は、第１バッファ層２２１と第２バッファ層２２２との間に位置し、第５バッファ層２２５は、第２バッファ層２２２と第３バッファ層２２３との間に位置する。第１バッファ層２２１が薄すぎると、第４バッファ層２２４は、第１バッファ層２２１の厚さの補償に用いられてもよい。第３バッファ層２２１が薄すぎると、第５バッファ層２２５は、第３バッファ層２２３の厚さの補償に用いられてもよい。第２バッファ層２２２が薄すぎると、第４バッファ層２２４及び／又は第５バッファ層２２５は、第２バッファ層２２２の厚さの補償に用いられてもよい。バッファ層２２内の層数が多ければ、バッファ層２２の成長効率に影響を及ぼしやすくなるため、バッファ層２２の層数は３層や４層、５層であることが好ましい。

【0048】

例示的な実施形態では、図１を続けて参照し、第１半導体層２０は、基板１０上に位置する核生成層２１をさらに含んでもよい。バッファ層２２は、核生成層２１の基板１０から離れる一側に位置する。核生成層２１は、その上方のヘテロ接合材料の結晶品質、表面形状及び電気学性質などのパラメータに影響を及ぼすことが可能である。核生成層２１は、基板１０の材料によって変わり、主に基板１０及びヘテロ接合構造における半導体材料層に合わせる作用を果たす。本発明では、核生成層２１は、高温ＡｌＮまたは低温ＧａＮによって形成されてもよく、主に、バッファ層２２を初期の３次元成長モードから２次元成長モードに変換させる。

【0049】

本発明は、上述したエピタキシャル構造１００を含む半導体装置をさらに提供する。上記半導体装置は、上述したエピタキシャル構造１００によって製造されてもよく、より優れる装置のリーク特性及びピンチオフ特性を得ることに繋がるとともに、装置のサブスレッショルド特性を向上させて装置の信頼性を確保する。例えば、上記のエピタキシャル構造１００には、ソース、ゲート及びドレインを続けて製造することで、性能が優れた電界効果型トランジスタを得ることができる。

【0050】

本発明は、半導体装置のエピタキシャル構造１００の製造方法をさらに提供する。なお、エピタキシャル構造１００の構造は、図１に示される。当該製造方法は、基板１０を提供するステップＳ１と、基板１０上に第１半導体層２０を製造するステップＳ２とを含む。第１半導体層２０は、バッファ層２２を含む。バッファ層２２は、積層して設置される第１バッファ層２２１、第２バッファ層２２２及び第３バッファ層２２３を少なくとも含む。第２バッファ層２２２は、第１バッファ層２２１と第３バッファ層２２３との間に位置する。バッファ層２２には、鉄不純物がドープされるとともに、前記鉄不純物は、第２バッファ層２２２内にドープされる。

【0051】

上記製造方法では、バッファ層２２を製造する場合、３つの段階により第１バッファ層２２１、第２バッファ層２２２及び第３バッファ層２２３をそれぞれ形成し、第２バッファ層２２２内に鉄不純物をドープして第２バッファ層２２２の鉄不純物の濃度を第１所定範囲にすることで、バッファ層２２の高抵抗の実現に寄与し、装置に優れたリーク特性及びピンチオフ特性を与える。一方、鉄不純物を適切な濃度範囲で中部のバッファ層に分布させることで、基板１０及び第２半導体層３０に近接するバッファ層が鉄不純物をほとんど有していないか、または極めて少なく有し、バッファ層２２の結晶品質の向上に寄与するとともに、装置のドレイン誘起障壁低下(ＤＩＢＬ）現象及び鉄不純物の尾引き現象の改善に寄与し、さらに、装置のサブスレッショルド特性を向上させて装置の信頼性を確保することができる。

【0052】

例示的な実施形態では、ステップＳ２は、具体的に、以下のステップを含む。
Ｓ２１０：基板１０上に核生成層２１をエピタキシャル成長させる。核生成層２１は、高温ＡｌＮまたは低温ＧａＮによって形成され、主に、バッファ層２２を初期の３次元成長モードから２次元成長モードに変換させる。

【0053】

Ｓ２２０：核生成層２１の基板１０から離れる一側に第１バッファ層２２１をエピタキシャル成長させる。
具体的には、エピタキシャル成長プロセスにより、第１バッファ層２２１における炭素不純物を低い範囲内にすることで、バッファ層の後続の結晶の成長品質の向上に寄与する。

【0054】

Ｓ２３０：第１バッファ層２２１の核生成層２１から離れる一側に第２バッファ層２２２をエピタキシャル成長させるとともに、鉄不純物を炭素不純物と共に第２バッファ層２２２にドープする。第２バッファ層２２２の炭素不純物の濃度を第２所定範囲にするとともに、第２バッファ層２２２の炭素不純物の濃度を第２バッファ層２２２の鉄不純物の濃度よりも低くする。
具体的には、鉄不純物と炭素不純物の組み合わせにより、バッファ層２２に必要な高抵抗の実現により寄与する。

【0055】

Ｓ２４０：第２バッファ層２２２の第１バッファ層２２１から離れる一側に第３バッファ層２２３をエピタキシャル成長させる。

【0056】

具体的には、エピタキシャル成長プロセスにより、第３バッファ層２２３における炭素不純物の濃度を低い範囲内にすることで、バッファ層２２の結晶品質の向上に寄与する。

【0057】

さらに、ステップＳ２３０は、エピタキシャル成長プロセスにより第２バッファ層２２２を形成するとともに、第２バッファ層２２２の炭素不純物の濃度を第１バッファ層２２１の炭素不純物の濃度以上にするステップをさらに含む。ステップＳ２４０は、エピタキシャル成長プロセスにより第３バッファ層２２３を形成するとともに、第３バッファ層２２３の炭素不純物の濃度を第２バッファ層２２２の炭素不純物の濃度よりも低くするステップをさらに含む。第１バッファ層２２１、第２バッファ層２２２及び第３バッファ層２２３の炭素不純物の濃度が上記の関係を満たすことで、バッファ層２２の高抵抗の実現に寄与するとともに、バッファ層２２の結晶品質を効果的に向上させて装置の物性の信頼性を確保する。

【0058】

上述した実施例の各技術的特徴を任意に組み合わせることができる。説明の簡潔化のために、上述した実施例における各技術的特徴のあらゆる組合せについて説明していないが、これらの技術的特徴の組合せは矛盾しない限り、本明細書に記載されている範囲内であると考えられるべきである。

【0059】

上述した実施例は、本発明の複数の実施形態を示したものにすぎず、その説明が具体的かつ詳細であるが、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。なお、当業者にとって、本発明の趣旨から逸脱しないかぎり、若干の変形および改良を行うことができ、これら変形や改良もすべて本発明の保護範囲内に含まれる。本発明の保護範囲は、特許請求の範囲に準ずるものとする。

【符号の説明】

【0060】

１００ エピタキシャル構造
１０ 基板
２０ 第１半導体層
３０ 第２半導体層
２１ 核生成層
２２ バッファ層
２２１ 第１バッファ層
２２２ 第２バッファ層
２２３ 第３バッファ層
２２４ 第４バッファ層
２２５ 第５バッファ層
３１ チャンネル層
３２ 障壁層

【図1】

【図2】

【図3】

【国際調査報告】