JP4850410B2

JP4850410B2 - 窒化物半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP4850410B2
Application number: JP2004355367A
Authority: JP
Inventors: 英司脇; 敦中川; 忠義出口
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-12-08
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2024-12-08
Also published as: JP2006128586A

Description

本発明は、能動層に窒化物半導体を用いた窒化物半導体装置及びその製造方法に関し、特に高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）や電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）のような、窒化物半導体層にショットキ接触する制御電極を有する窒化物半導体装置及びその製造方法に関する。

図４は、従来のIII−Ｖ族窒化物半導体からなる半導体装置の断面図を示している。図４に示す半導体装置は、いわゆるＨＥＭＴ構造を示しており、サファイアからなる基板１０１上には、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層１０２、窒化ガリウムからなるチャネル層１０３、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層１０４、ノンドープの窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層１０５が順次積層している。チャネル層１０３とキャリア供給層１０４とからなるヘテロ接合界面近傍には、ポテンシャル井戸からなる電子移動度が極めて大きい２次元電子ガス層が形成されている。このような構造の半導体装置では、ショットキ層１０５にショットキ接触するゲート電極１０６（制御電極）に印加する電圧を制御することにより、ソース電極１０７ａとドレイン電極１０７ｂとの間を流れるキャリア（２次元電子ガス）を制御している。

この種の半導体装置は、上記構造の他、例えば特許文献１に開示されているような様々な構造が提案されている。
特開平１０−３３５６３７号公報

しかしながら従来の窒化物半導体装置の耐圧は、ゲート金属と窒化物半導体層との接触で形成されるショットキ特性に大きく左右されていた。一般的に窒化物半導体層、例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層や窒化ガリウム（ＧａＮ）層上に形成されるゲート金属のショットキ特性は、高いゲートリーク電流が見られ、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）系ＨＥＭＴに比べ、ゲートリーク電流は２桁程度大きくなる傾向がある。このリーク電流が衝突イオン化のトリガーとなり、高出力素子の窒化物半導体装置の重要なパラメータであるオフ耐圧（ＦＥＴがオフ状態でのドレイン耐圧）を予想される数値よりも低下させ、ワイドギャップ材料の高耐圧という性能を十分に引き出すことができないという問題があった。本発明は、窒化物半導体層に形成されるゲート電極（制御電極）のショットキ特性におけるリーク電流を大幅に低減し、窒化物半導体層内での衝突イオン化を抑制することにより、高耐圧化を実現することができる窒化物半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、基板上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層の上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、かつアルミニウムを含まない、不純物として鉄を含む絶縁性を有し、電流コラプスを抑制する第２の窒化物半導体層と、前記基板と前記第１の窒化物半導体層との間に積層した前記第１の窒化物半導体層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層の一部を除去し、露出する前記第１の窒化物半導体層に、ショットキ接触する制御電極と、前記第２の窒化物半導体層の一部を除去し、露出する前記第１の窒化物半導体層に、オーミック接触するソース電極及びドレイン電極とを備え、前記第３の窒化物半導体層と前記第１の窒化物半導体層との間に形成されるチャネルを流れる電流を前記制御電極に印加する電圧により制御することを特徴とするものである。

本願請求項２に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置の製造方法において、基板上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層を形成する工程と、該第１の窒化物半導体層の上に、不純物として鉄をドーピングした、アルミニウムを含まない前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる絶縁性を有し、電流コラプスを抑制する第２の窒化物半導体層を形成する工程と、該第２の窒化物半導体層の一部を除去した後、露出する前記第１の窒化物半導体層の上に、該第１の窒化物半導体層にショットキ接触する制御電極を形成する工程と、前記第２の窒化物半導体層の一部を除去した後、露出する前記第１の窒化物半導体層の上に、該第１の窒化物半導体層にオーミック接触するソース電極及びドレイン電極を形成する工程とを含み、前記基板上に、前記第１の窒化物半導体層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層を形成し、該第３の窒化物半導体層の上に、前記第１の窒化物半導体層を形成することを特徴とするものである。

本願請求項３に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置の製造方法において、基板上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層を形成する工程と、該第１の窒化物半導体層の上に、アルミニウムを含まない前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第２の窒化物半導体層を形成する工程と、該第２の窒化物半導体層に、鉄を不純物としてドーピングし、前記第２の窒化物半導体層を絶縁化し、電流コラプスを抑制する工程と、該第２の窒化物半導体層の一部を除去した後、露出する前記第１の窒化物半導体層の上に、該第１の窒化物半導体層にショットキ接触する制御電極を形成する工程と、該第２の窒化物半導体層の一部を除去した後、露出する前記第１の窒化物半導体層の上に、該第１の窒化物半導体層にオーミック接触するソース電極及びドレイン電極を形成する工程とを含み、前記基板上に、前記第１の窒化物半導体層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層を形成し、該第３の窒化物半導体層の上に、前記第１の窒化物半導体層を形成することを特徴とするものである。

本発明の窒化物半導体装置は、制御電極を接触させる第１の窒化物半導体層上に、鉄を不純物としてドーピングした絶縁性の高い第２の窒化物半導体層を設ける構造とするため、表面準位にトラップされる電子の制御若しくは表面準位密度の低減により、電流コラプス現象が抑制され、高周波特性が改善される。

さらに本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、通常の窒化物半導体装置の製造工程に従い形成することができ、特に第２の窒化物半導体層は、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法により、あるいはＳＯＧ（スピンオングラス）膜を形成する等の方法により、鉄を不純物としてドーピングして形成することができ、製造工程の制御性が良く、特性の優れた窒化物半導体装置を歩留まり良く製造することができる。

以下、本発明の窒化物半導体装置及び窒化物半導体装置の製造方法について説明する。

参考例１

まず本発明の参考例となる窒化物半導体装置について、III−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴを例にとり、詳細に説明する。図１は本発明の参考例であるIII−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴの断面図を示している。図１に示すように炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、厚さ１００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２、後述するキャリア供給層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持ち厚さ２μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３（第３の窒化物半導体層）、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガス層を形成する厚さ１５ｎｍのｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層１４（第１の窒化物半導体層）、厚さ１０ｎｍの鉄（Ｆｅ）をドーピングした窒化ガリウムからなるショットキ層１５（第２の窒化物半導体層）が積層形成している。ショットキ層１５上には、ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなるゲート電極１６（制御電極）を備え、ショットキ層１５との間にショットキ接触を形成している。更にショットキ層１５の一部が除去され、キャリア供給層１４にオーミック接触するチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／チタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなるソース電極１７ａ及びドレイン電極１７ｂを備えている。

次にその製造方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相堆積）法により、厚さ１００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２を成長させ、次に厚さ２μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガス層を形成する厚さ１５ｎｍのｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層１４を順次積層成長させる。その後、ドーピングソースとして二シクロペンタジエニール鉄（bis（cyclopentadienyl）iron、Ｃｐ₂Ｆｅ）を原料ガスと共に供給し、厚さ１０ｎｍの鉄（Ｆｅ）をドーピングした窒化ガリウムからなるショットキ層１５を成長させる。このように鉄（Ｆｅ）をドーピングすることによりショットキ層１５は、シート抵抗が１０⁹Ω／□以上の絶縁特性の優れた層となる。

次に、図２（ｂ）に示すように、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）法などのドライエッチングにより、オーミック電極形成領域のショットキ層１５を除去し、電子ビーム蒸着法などにより、露出したキャリア供給層１４上に、厚さ１０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜、厚さ２００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）膜、厚さ５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜、厚さ３００ｎｍの金（Ａｕ）膜を堆積させ、窒素ガス雰囲気で８００℃、３０秒の熱処理を行なう。熱処理を行なうことによって、キャリア供給層１４上にオーミック接触するソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように、電子ビーム蒸着法などにより、ショットキ層１５上の所望の領域に厚さ２０ｎｍのニッケル（Ｎｉ）、厚さ５００ｎｍの金（Ａｕ）を堆積させることにより、ショットキ層１５との間にショットキ接触するゲート電極１６（制御電極）を形成する。以下、通常の製造工程に従い、ＨＥＭＴを完成させる。

本参考例により作製したＨＥＭＴのゲート−ドレイン電極間の電流−電圧特性は、従来例の窒化物半導体装置の電流−電圧特性と比較し、ゲート電極が接触するショットキ層１５が高い絶縁性を示すため、順方向、逆方向とも、２桁以上ゲート−ドレイン間電流（ゲートリーク電流）が低減することが確認された。

参考例２

次にショットキ層１５の別の製造方法について説明する。参考例１同様、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル）法により、厚さ１００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２を成長させ、次に厚さ２μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガス層を形成する厚さ１５ｎｍのｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層１４を順次積層成長させる。その後、連続して、金属鉄（Ｆｅ）をドーパントとして用いて、窒化ガリウムからなるショットキ層１５を成長させる。ＭＢＥ法による鉄（Ｆｅ）のドーピング方法は、周知の方法による。このように鉄（Ｆｅ）をドーピングすることによりショットキ層１５は、シート抵抗が１０⁹Ω／□以上の絶縁特性の優れた層となる。

以下、上述の参考例１同様、ＲＩＥ法などのドライエッチングにより、オーミック電極形成領域のショットキ層１５を除去し、電子ビーム蒸着法などにより、キャリア供給層１４上に、厚さ１０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜、厚さ２００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）膜、厚さ５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜、厚さ３００ｎｍの金（Ａｕ）膜を堆積させ、窒素ガス雰囲気で８００℃、３０秒の熱処理を行なう。熱処理を行なうことによって、キャリア供給層１４上にオーミック接触するソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成し、図１に示す構造の窒化物半導体装置を形成することができる。

本参考例の窒化物半導体装置においても、参考例１同様、ゲート−ドレイン電極間の電流−電圧特性は、従来例の窒化物半導体装置の電流−電圧特性と比較して、ゲート電極が接触するショットキ層１５が高に絶縁性を示すため、順方向、逆方向とも、２桁以上ゲート−ドレイン間電流（ゲートリーク電流）が低減することが確認された。

参考例３

次にショットキ層１５の更に別に製造方法について説明する。参考例１あるいは参考例２同様、ＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法により、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、厚さ１００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２を成長させ、次に厚さ２μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガス層を形成する厚さ１５ｎｍのｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層１４（第１の窒化物半導体層）とを順次積層成長させる。その後、本参考例では、連続して厚さ１０ｎｍのノンドープ窒化ガリウムからなる半導体層を形成する。

次にこの半導体層表面に、鉄化合物を添加したＳＯＧ（スピンオングラス）膜を形成する。具体的には、半導体層上にシラノール化合物（Ｒ_nＳｉ（ＯＨ）_4-n）を含む有機溶剤（例えば東京応化社製ＯＣＤｔｙｐｅ−１）１００ｍｌに対し、鉄化合物（Ｆｅ（ＮＯ₃）₃・９Ｈ₂Ｏ）を１ｇ添加した溶液を用意し、半導体層上に回転塗布する。これを焼成してＳＯＧ膜を形成する。その後加熱することで、ＳＯＧ膜に添加されている鉄（Ｆｅ）をノンドープ窒化ガリウムからなる半導体層中に拡散させ、鉄（Ｆｅ）が拡散したショットキ層１５（第２の窒化物半導体層）を形成する。

ショットキ層１５上に残るＳＯＧ膜を除去した後、参考例１及び参考例２同様、ＲＩＥ法などのドライエッチングにより、オーミック電極形成領域のショットキ層１５を除去し、電子ビーム蒸着法などにより、キャリア供給層１４上に、厚さ１０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜、厚さ２００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）膜、厚さ５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜、厚さ３００ｎｍの金（Ａｕ）膜を堆積させ、窒素ガス雰囲気で８００℃、３０秒の熱処理を行なう。熱処理を行なうことによって、キャリア供給層１４上にオーミック接触するソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成し、図１に示す窒化物半導体装置を形成することができる。

本参考例により作製したＨＥＭＴについても、参考例１、参考例２同様、ゲート−ドレイン電極間の電流−電圧特性は、従来例の窒化物半導体装置の電流−電圧特性と比較して、ゲート電極が接触するショットキ層１５が高い絶縁性を示すため、順方向、逆方向とも、２桁以上ゲート−ドレイン間電流（ゲートリーク電流）が低減していることが確認された。

本発明の実施例について説明する。鉄（Ｆｅ）をドーピングした窒化物半導体層は、ショットキ層１５として用いられるとは限らない。例えば図３に示すように、鉄（Ｆｅ）をドーピングした窒化物半導体層をキャップ層として用いることもできる。即ち、図３に示す窒化物半導体装置は、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、厚さ１００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２、後述するキャリア供給層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持ち厚さ２μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３（第３の窒化物半導体層）、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガス層を形成する厚さ１５ｎｍのｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層１４、厚さ３ｎｍのノンドープ窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層（第１の窒化物半導体層、キャリア供給層１４とショットキ層１５を第１の窒化物半導体層としても良い）、厚さ１０ｎｍの鉄（Ｆｅ）をドーピングした窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるキャップ層１９（第２の窒化物半導体層）が積層形成している。キャップ層１９の一部が除去され、ショットキ層１５上に、ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなるゲート電極１６を形成し、ショットキ層１５との間にショットキ接触を形成している。更にキャップ層１９の一部が除去され、キャリア供給層１４にオーミック接触するチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／チタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなるソース電極１７ａ及びドレイン電極１７ｂを備えている。

キャップ層１９は、上述の参考例１乃至参考例３で説明したショットキ層１５と同様の方法で形成することができる。このように形成したキャップ層１９は、そのシート抵抗が１０⁹Ω／□以上の高抵抗となっており、電流コラプスを抑制する効果が大きくなる。

なお窒化物半導体層は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ系に限定されるものではなく、第２の窒化物半導体層は、ＧａＮ、ＩｎＮあるいはこれらの混晶化合物で形成することができる。また第１の窒化物半導体層は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮあるいはこれらの混晶化合物を含む半導体で形成することができる。炭化珪素基板の代わりにサファイヤ基板を用いることもできる。

また窒化物半導体層とショットキ接触、あるいはオーミック接触する電極の組成は、使用する窒化物半導体層の種類に応じて適宜選択されることは言うまでもない。

本発明の参考例である窒化物半導体装置の説明図である。本発明の参考例である窒化物半導体装置の製造方法の説明図である。本発明の実施例である窒化物半導体装置の説明図である。従来のこの種の窒化物半導体装置の説明図である。

１１；基板、１２；バッファ層、１３；チャネル層、１４；キャリア供給層、
１５；ショットキ層、１６；ゲート電極、１７ａ；ソース電極、１７ｂ；ドレイン電極、
１９；キャップ層

Claims

ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、
基板上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、
該第１の窒化物半導体層の上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、かつアルミニウムを含まない、不純物として鉄を含む絶縁性を有し、電流コラプスを抑制する第２の窒化物半導体層と、
前記基板と前記第１の窒化物半導体層との間に積層した前記第１の窒化物半導体層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層と、
前記第２の窒化物半導体層の一部を除去し、露出する前記第１の窒化物半導体層に、ショットキ接触する制御電極と、
前記第２の窒化物半導体層の一部を除去し、露出する前記第１の窒化物半導体層に、オーミック接触するソース電極及びドレイン電極とを備え、
前記第３の窒化物半導体層と前記第１の窒化物半導体層との間に形成されるチャネルを流れる電流を前記制御電極に印加する電圧により制御することを特徴とする窒化物半導体装置。
ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置の製造方法において、
基板上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層を形成する工程と、
該第１の窒化物半導体層の上に、不純物として鉄をドーピングした、アルミニウムを含まない前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる絶縁性を有し、電流コラプスを抑制する第２の窒化物半導体層を形成する工程と、
該第２の窒化物半導体層の一部を除去した後、露出する前記第１の窒化物半導体層の上に、該第１の窒化物半導体層にショットキ接触する制御電極を形成する工程と、
前記第２の窒化物半導体層の一部を除去した後、露出する前記第１の窒化物半導体層の上に、該第１の窒化物半導体層にオーミック接触するソース電極及びドレイン電極を形成する工程とを含み、
前記基板上に、前記第１の窒化物半導体層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層を形成し、該第３の窒化物半導体層の上に、前記第１の窒化物半導体層を形成することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置の製造方法において、
基板上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層を形成する工程と、
該第１の窒化物半導体層の上に、アルミニウムを含まない前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第２の窒化物半導体層を形成する工程と、
該第２の窒化物半導体層に、鉄を不純物としてドーピングし、前記第２の窒化物半導体層を絶縁化し、電流コラプスを抑制する工程と、
該第２の窒化物半導体層の一部を除去した後、露出する前記第１の窒化物半導体層の上に、該第１の窒化物半導体層にショットキ接触する制御電極を形成する工程と、
該第２の窒化物半導体層の一部を除去した後、露出する前記第１の窒化物半導体層の上に、該第１の窒化物半導体層にオーミック接触するソース電極及びドレイン電極を形成する工程とを含み、
前記基板上に、前記第１の窒化物半導体層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層を形成し、該第３の窒化物半導体層の上に、前記第１の窒化物半導体層を形成することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。