JP6301863B2

JP6301863B2 - 窒化物半導体装置およびその製造方法

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Publication number: JP6301863B2
Application number: JP2015044710A
Authority: JP
Inventors: 則之渡邉
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Filing date: 2015-03-06
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Description

本発明は、窒化物半導体を用いて製造された窒化物半導体装置およびその製造方法に関する。

ＧａＮをはじめとした窒化物半導体は、高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率および高い電子飽和速度などの特性を有しており、高周波のハイパワーデバイス向けの材料として優れている。例えば、主表面をＣ面としたサファイア基板上に、主表面をＩＩＩ族極性面（Ｃ面）としたＧａＮバッファ層を介して形成された、ＡｌＧａＮバリア層を有するヘテロ接合構造は、分極効果によりヘテロ接合界面近傍に電子が高濃度に蓄積され、いわゆる２次元電子ガス（２ＤＥＧ）を形成する（非特許文献１参照）。

この２次元電子ガスは、散乱要因となる導電性不純物が存在しないアンドープＧａＮ層内に形成されるために高い電子移動度を示す。従って、２次元電子ガスをチャネルとして用いることで、いわゆる高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）として動作させることが可能である。窒化物系ＨＥＭＴにおいては、上記分極効果によって発生する２次元電子ガス濃度が非常に高いことから高電流密度でのトランジスタ動作が可能となり、この点でもハイパワーデバイス向けとして有利である。

ところで、ＡｌＧａＮとＧａＮのヘテロ構造を用いたＨＥＭＴを、例えばミリ波帯のパワーアンプ（ＰＡ）やモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）へ応用する場合、遮断周波数ｆ_Tや最大発振周波数ｆ_maxを数百ＧＨｚにする必要がある。ＧａＮなどによるＨＥＭＴの高速性を向上させるためには、他のトランジスタと同様に、スケーリング則に則った微細化や寄生抵抗などの削減が有効である。

非特許文献２には、ゲート長をより短くすることなどの微細化、および、オーミックアクセス領域への低抵抗ｎ型層の再成長による寄生抵抗低減により、４５０ＧＨｚを超えるｆ_Tや、６００ＧＨｚ近いｆ_maxの値が報告されている。このＨＥＭＴは、図５に示すように、ＳｉＣ基板５０１の上に、ＡｌＧａＮ層５０２が形成され、この上にＧａＮ層５０３，ＡｌＮ層５０４が積層され、この両脇をエッチング除去した後でｎ⁺−ＧａＮ層５０５を再成長させている。ＡｌＮ層５０４の上には、断面Ｔ字のＴ型ゲート電極５０６が形成され、再成長させたｎ⁺−ＧａＮ層５０５には、ソース電極５０７およびドレイン電極５０８が形成されている。また、素子の表面は、窒化シリコン層５０９で保護されている。

上記ＨＥＭＴでは、Ｔ型ゲート電極５０６の採用により、短ゲート長化しつつゲート抵抗を低減している。また、ソース・ドレインのコンタクト領域では、エッチング除去した後再成長させた低抵抗なｎ⁺−ＧａＮ層５０５により、ソース電極５０７，ドレイン電極５０８と、２次元電子ガス５２１とのコンタクトを取り、アクセス抵抗を低減している。

O. Ambacher et al., "Two-dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization charges in N- and Ga-face AlGaN/GaN heterostructures", Journal of Applied Physics, vol.85, No.6, pp.3222-3233, 2006. K. Shinohara et al., "Scaling of GaN HEMTs and Schottky Diodes for Submillimeter-Wave MMIC Applications", IEEE Transactions on Electron Devices, vol.60, No.10, pp.2982-2996, 2013. K. Hiramatsu et al., "Fabrication and characterization of low defect density GaN using facet-controlled epitaxial lateral overgrowth (FACELO)", Journal of Crystal Growth, vol.221, pp.316-326, 2000.

しかしながら、上述したＨＥＭＴには、次に示す問題がある。Ｔ型ゲート電極は、短ゲートトランジスタにおいて広く用いられている技術ではあるが、Ｔ字の足の部分が頭部に比べて非常に細くなっているため、プロセス中にゲート電極が倒れやすく、歩留まりを低下させてしまうという問題がある。この問題は、ゲート寄生容量を低減させるために足の長さを長くし、かつ、ゲート長を極限的に短くするために半導体層と接する面積が小さくしようとすると、より顕著になる。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、プロセス歩留まりを低下させることなく、ゲート長をより短くできるようにすることを目的とする。

本発明に係る窒化物半導体装置は、基板の上に形成された窒化物半導体からなる絶縁層と、アンドープの窒化物半導体から構成され、絶縁層の上のゲート領域のみに結晶成長することで形成されたチャネル層と、窒化物半導体から構成されてチャネル層の上のみに結晶成長することで形成されたバリア層と、ｎ型の窒化物半導体から構成され、チャネル層およびバリア層の周囲の絶縁層の上に結晶成長することで形成されたコンタクト層と、バリア層の上に形成されたゲート電極と、ゲート電極を挟んで形成されて、コンタクト層に接続するソース電極およびドレイン電極とを備える。

上記窒化物半導体装置において、コンタクト層は、バリア層までの高さより厚く形成され、ゲート電極は、リセスゲート構造とされているようにしても良い。

上記窒化物半導体装置において、チャネル層およびバリア層は、主表面をＩＩＩ族極性面とされ、かつ成長側面が（１−１０１）面とされている。

また、本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、基板の上に窒化物半導体からなる絶縁層を結晶成長する第１工程と、絶縁層の上にゲート領域が開口した選択成長マスクを形成する第２工程と、選択成長マスクの開口部の絶縁層の上に選択的にアンドープの窒化物半導体を結晶成長して絶縁層の上のゲート領域のみにチャネル層を形成する第３工程と、チャネル層の上のみに窒化物半導体を結晶成長してバリア層を形成する第４工程と、選択成長マスクを除去してからチャネル層およびバリア層の周囲の絶縁層の上にｎ型の窒化物半導体を結晶成長してコンタクト層を形成する第５工程と、バリア層の上にゲート電極を形成する第６工程と、ゲート電極を挟んでコンタクト層に接続するソース電極およびドレイン電極を形成する第７工程とを備える。

上記窒化物半導体装置の製造方法において、第４工程では、コンタクト層をバリア層までの高さより厚く形成し、ゲート電極は、リセスゲート構造としてもよい。

上記窒化物半導体装置の製造方法において、第３工程および第４工程では、チャネル層およびバリア層を、主表面をＩＩＩ族極性面とし、かつ成長側面を（１−１０１）面とした状態で結晶成長する。なお、第４工程では、絶縁層，チャネル層，バリア層に対して選択的に選択成長マスクをエッチングするウエットエッチングにより選択成長マスクを除去するとよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、プロセス歩留まりを低下させることなく、ゲート長をより短くできるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１における窒化物半導体装置の構成を示す断面図である。図２Ａは、本発明の実施の形態１における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図２Ｂは、本発明の実施の形態１における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図２Ｃは、本発明の実施の形態１における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図２Ｄは、本発明の実施の形態１における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図２Ｅは、本発明の実施の形態１における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図２Ｆは、本発明の実施の形態１における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図２Ｇは、本発明の実施の形態１における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図２Ｈは、本発明の実施の形態１における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図３は、本発明の実施の形態２における窒化物半導体装置の構成を示す断面図である。図４Ａは、本発明の実施の形態２における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図４Ｂは、本発明の実施の形態２における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図４Ｃは、本発明の実施の形態２における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図４Ｄは、本発明の実施の形態２における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図４Ｅは、本発明の実施の形態２における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図４Ｆは、本発明の実施の形態２における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図４Ｇは、本発明の実施の形態２における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図４Ｈは、本発明の実施の形態２における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図４Ｉは、本発明の実施の形態２における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。図５は、非特許文献２のＦｉｇ．４（ｃ）に示されたＨＥＭＴの構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１，図２Ａ〜図２Ｈを用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における窒化物半導体装置の構成を示す断面図である。図２Ａ〜図２Ｈは、本発明の実施の形態１における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。

実施の形態１における窒化物半導体装置は、例えば、半絶縁性のＳｉ−ｆａｃｅ（０００１）ＳｉＣからなる基板１０１の上に形成された窒化物半導体からなるバッファ層１０２を備える。バッファ層１０２は、例えば、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮから構成されていれば良い。また、バッファ層１０２の上に形成された窒化物半導体からなる絶縁層１０３を備える。絶縁層１０３は、ＦｅあるいはＣをドープしたＧａＮから構成すれば良い。また、ゲート長の短い電界効果トランジスタでしばしば観測される短チャネル効果を抑制させる目的で、後述するチャネル層１０４の材料よりもワイドバンドギャップな材料を用いてバックバリア構造としてもよい。例えば、チャネル層１０４をＧａＮから構成した場合、絶縁層１０３は、ＡｌＧａＮなどから構成すればよい。

また、この窒化物半導体装置は、アンドープの窒化物半導体から構成され、絶縁層１０３の上のゲート領域１２１のみに結晶成長することで形成されたチャネル層１０４と、窒化物半導体から構成されてチャネル層１０４の上のみに結晶成長することで形成されたバリア層１０５とを備える。ゲート領域１２１は、例えば、図１の紙面手前より奥に向かって延在する短冊状の領域である。チャネル層１０４は、アンドープのＧａＮから構成し、バリア層１０５は、アンドープのＡｌＧａＮから構成すれば良い。

ここで、チャネル層１０４およびバリア層１０５は、主表面をＩＩＩ族極性面とした状態で結晶成長（エピタキシャル成長）する、言い換えると、ＩＩＩ族極性の（０００１）面方向に結晶成長することで形成されていると良い。窒化物半導体は、主表面がＩＩＩ族極性面（Ｃ＋面）の上に、一般的に用いられる有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により結晶成長させると、ＩＩＩ族極性で結晶成長する。この場合、成長側面が（１−１０１）となる条件で結晶成長させると、成長に伴い表面の面積が小さくなっていく。この結果、チャネル層１０４とバリア層１０５との界面の基板平面方向（ゲート長方向）の寸法を、チャネル層１０４の底面より小さくする状態に形成することが可能となる。

また、実施の形態１における窒化物半導体装置は、ｎ型の窒化物半導体から構成され、チャネル層１０４およびバリア層１０５の周囲の絶縁層１０３の上に結晶成長することで形成されたコンタクト層１０６と、バリア層１０５の上に絶縁層１０７を介して形成されたゲート電極１０８と、ゲート電極１０８を挟んで形成されて、コンタクト層１０６に接続するソース電極１０９およびドレイン電極１１０とを備える。コンタクト層１０６は、例えば、例えば、高濃度にＳｉをドープしたＧａＮから構成すれば良い。また、絶縁層１０７は、窒化シリコンから構成すれば良い。なお、ゲート電極１０８は、バリア層１０５にショットキー接続する構成としても良い。

次に、本発明の実施の形態１における窒化物半導体装置の製造方法について、図２Ａ〜図２Ｈを用いて説明する。

まず、図２Ａに示すように、半絶縁性のＳｉ−ｆａｃｅ（０００１）ＳｉＣからなる基板１０１を用意し、図２Ｂに示すように、用意した基板１０１の上にＡｌＮまたはＡｌＧａＮを堆積してバッファ層１０２を形成する。次に、図２Ｃに示すように、窒化物半導体である例えばＦｅあるいはＣをドープしたＧａＮを結晶成長させて絶縁層１０３を形成する（第１工程）。この結晶成長では、ＭＯＶＰＥ装置により、窒化物半導体をＩＩＩ族極性の（０００１）面方向に成長させる。

次に、図２Ｄに示すように、絶縁層１０３の上にゲート領域１２１に開口部１５１ａを備える選択成長マスク１５１を形成する（第２工程）。例えば、前述した窒化物半導体の成長に用いたＭＯＶＰＥ装置より基板１０１を取り出し、絶縁層１０３の上に、プラズマ援用化学気相堆積（ＰＥ−ＣＶＤ）装置やスパッタ装置などにより窒化シリコンを堆積して窒化シリコン膜を形成する。次いで、形成した窒化シリコン膜を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングし、開口部１５１ａを備える選択成長マスク１５１を形成すればよい。

次に、図２Ｅに示すように、選択成長マスク１５１の開口部１５１ａの絶縁層１０３の上に選択的にアンドープの窒化物半導体を結晶成長し、絶縁層１０３の上のゲート領域１２１のみにチャネル層１０４を形成する（第３工程）。引き続いて、チャネル層１０４の上のみに窒化物半導体を結晶成長してバリア層１０５を形成する（第４工程）。例えば、絶縁層１０３までの形成に用いたＭＯＶＰＥ装置により、アンドープのＧａＮを所定の厚さにまで結晶成長させ、引き続いてアンドープのＡｌＧａＮを結晶成長させれば良い。

ここで、チャネル層１０４およびバリア層１０５は、ＩＩＩ族極性の（０００１）面方向に結晶成長する。また、成長側面が（１−１０１）となる条件で結晶成長させる（非特許文献３参照）。この条件により、チャネル層１０４は、ゲート長方向の寸法が、成長とともに小さくなる。このように成長させたチャネル層１０４を所定の厚さにまで成長させると、形成されたチャネル層１０４の上面は、開口部１５１ａの面積より小さくなり、チャネル層１０４のゲート両方向の断面は、台形となる。

また、上述したように成長させたチャネル層１０４の上に、バリア層１０５を成長させると、同様に、ゲート長方向の寸法が、成長とともに小さくなる。この結果、バリア層１０５は、（０００１）面である上面がこれ以上小さくなることができなくなるところまで成長すると、自動的に成長が停止する。結果として、バリア層１０５は、ゲート両方向の断面が三角形となる。

チャネル層１０４とバリア層１０５との界面がチャネル長となるため、上述したことより分かるように、チャネル長は、開口部１５１ａのゲート長幅により規定され、開口部１５１ａのゲート長幅より小さくすることができる。このように、実施の形態１によれば、後述するように形成するゲート電極１０８のゲート長寸法に依存せずに短チャネル化を図ることが可能となる。

次に、選択成長マスク１５１を除去してから、図２Ｆに示すように、チャネル層１０４およびバリア層１０５の周囲の絶縁層１０３の上にｎ型の窒化物半導体を結晶成長してコンタクト層１０６を形成する（第５工程）。例えば、バリア層１０５を形成した後、ＭＯＶＰＥ装置より基板１０１を搬出し、フッ酸などを用いたウエットエッチングにより、選択成長マスク１５１のみを選択的にエッチング除去する。これは、絶縁層１０３，チャネル層１０４，バリア層１０５に対して選択的に選択成長マスク１５１をエッチングするウエットエッチングである。次いで、ＭＯＶＰＥ装置に再度基板を搬入し、露出している絶縁層１０３の上に高濃度にＳｉをドープしたＧａＮを再成長させれば良い。

ところで、コンタクト層１０６の再成長時間を長くしすぎると、既に形成されているチャネル層１０４・バリア層１０５が完全にコンタクト層１０６で覆われてしまう。これを防ぐために、光学的手法を用い、成長しながら基板表面の反射率を測定するとよい。チャネル層１０４・バリア層１０５が成長層の表面に出現している間は、この凹凸によって反射率が低下するが、完全に覆われて表面が平坦化すると反射率が増大する。この反射率の変化を成長中にモニターすることで、コンタクト層１０６の埋め込み再成長時間を制御することができる。

次に、図２Ｇに示すように、コンタクト層１０６およびこの上に露出しているバリア層１０５を覆うように、絶縁層１０７を形成する。例えば、ＭＯＶＰＥ装置より基板１０１を取り出し、ＰＥ−ＣＶＤ装置やスパッタ装置などにより窒化シリコンを堆積すれば、絶縁層１０７が形成できる。

次に、図２Ｈに示すように、バリア層１０５の上にゲート電極１０８を形成し（第６工程）、ゲート電極１０８を挟んでコンタクト層１０６にオーミック接続するソース電極１０９およびドレイン電極１１０を形成する（第７工程）。例えば、よく知られたリフトオフ法などにより、各電極を形成すれば良い。また、ソース電極１０９およびドレイン電極１１０の形成では、リフトオフマスクを用いた選択的なエッチングにより、絶縁層１０７の電極形成箇所に開口部を形成した後、電極材料を堆積し、リフトオフマスクを除去することで、コンタクト層１０６に接続するソース電極１０９を形成すれば良い。

以上に説明したように、実施の形態１によれば、ゲート領域１２１のみに成長させたチャネル層１０４とバリア層１０５との界面によりチャネル長が規定できるので、足の部分を非常に小さくした破損しやすいＴ型ゲート電極を用いる必要が無いので、プロセスも歩留まりを低下させることなく、ゲート長をより短くできるようになる。

また、コンタクト層１０６を再成長させるときに、選択成長マスク１５１をウエットエッチングにより除去できるので、ドライエッチングにより除去で発生するエッチングダメージが抑制できるようになる。この結果、チャネル層１０４に形成される２次元電子ガスと、コンタクト層１０６とのコンタクト寄生抵抗を増大させることがなく、十分にアクセス抵抗を下げることができる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図３，図４Ａ〜図４Ｉを用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態２における窒化物半導体装置の構成を示す断面図である。図４Ａ〜図４Ｉは、本発明の実施の形態２における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための途中工程の状態を示す断面図である。

実施の形態２における窒化物半導体装置は、例えば、半絶縁性のＳｉ−ｆａｃｅ（０００１）ＳｉＣからなる基板２０１の上に形成された窒化物半導体からなるバッファ層２０２を備える。バッファ層２０２は、例えば、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮから構成されていれば良い。また、バッファ層２０２の上に形成された窒化物半導体からなる絶縁層２０３を備える。絶縁層２０３は、ＦｅあるいはＣをドープしたＧａＮから構成すれば良い。また、ゲート長の短い電界効果トランジスタでしばしば観測される短チャネル効果を抑制させる目的で、後述するチャネル層２０４の材料よりもワイドバンドギャップな材料を用いてバックバリア構造としてもよい。例えば、チャネル層２０４をＧａＮから構成した場合、絶縁層２０３は、ＡｌＧａＮなどから構成すればよい。

また、この窒化物半導体装置は、アンドープの窒化物半導体から構成され、絶縁層２０３の上のゲート領域２２１のみに結晶成長することで形成されたチャネル層２０４と、窒化物半導体から構成されてチャネル層２０４の上のみに結晶成長することで形成されたバリア層２０５とを備える。ゲート領域２２１は、例えば、図３の紙面手前より奥に向かって延在する短冊状の領域である。チャネル層２０４は、アンドープのＧａＮから構成し、バリア層２０５は、アンドープのＡｌＧａＮから構成すれば良い。上記構成は、前述した実施の形態１と同様である。

ここで、チャネル層２０４およびバリア層２０５は、主表面をＩＩＩ族極性面とした状態で結晶成長（エピタキシャル成長）する、言い換えると、ＩＩＩ族極性の（０００１）面方向に結晶成長することで形成されていると良い。窒化物半導体は、主表面がＩＩＩ族極性面（Ｃ＋面）の上に、一般的に用いられる有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により結晶成長させると、ＩＩＩ族極性で結晶成長する。この場合、成長側面が（１−１０１）となる条件で結晶成長させると、成長に伴い表面の面積が小さくなっていく。この結果、チャネル層２０４とバリア層２０５との界面の基板平面方向（ゲート長方向）の寸法を、チャネル層２０４の底面より小さくする状態に形成することが可能となる。

また、実施の形態２における窒化物半導体装置は、ｎ型の窒化物半導体から構成され、チャネル層２０４およびバリア層２０５の周囲の絶縁層２０３の上に結晶成長することで形成されたコンタクト層２０６と、バリア層２０５の上に絶縁層２０７を介して形成されたゲート電極２０８と、ゲート電極２０８を挟んで形成されて、コンタクト層２０６に接続するソース電極２０９およびドレイン電極２１０とを備える。コンタクト層２０６は、例えば、例えば、高濃度にＳｉをドープしたＧａＮから構成すれば良い。また、絶縁層２０７は、窒化シリコンから構成すれば良い。

ここで、実施の形態２では、コンタクト層２０６は、バリア層２０５までの高さより厚く形成され、ゲート電極２０８は、リセスゲート構造とされている。コンタクト層２０６は、チャネル層２０４，バリア層２０５を埋める状態に厚く形成されている。厚く形成したコンタクト層２０６のゲート領域２２１において、ゲート長方向に所定の溝幅としてバリア層２０５の上面にまで貫通する溝２２２が形成されている。また、側面や底面に絶縁層２０７が形成されている溝２２２の内部に充填するように、ゲート電極２０８が形成され、リセスゲート構造とされている。なお、ゲート電極２０８は、バリア層２０５にショットキー接続する構成としても良い。

次に、本発明の実施の形態２における窒化物半導体装置の製造方法について、図４Ａ〜図４Ｉを用いて説明する。

まず、図４Ａに示すように、半絶縁性のＳｉ−ｆａｃｅ（０００１）ＳｉＣからなる基板２０１を用意し、図４Ｂに示すように、用意した基板２０１の上にＡｌＮまたはＡｌＧａＮを堆積してバッファ層２０２を形成する。次に、図４Ｃに示すように、窒化物半導体である例えばＦｅあるいはＣをドープしたＧａＮを結晶成長させて絶縁層２０３を形成する（第１工程）。この結晶成長では、ＭＯＶＰＥ装置により、窒化物半導体をＩＩＩ族極性の（０００１）面方向に成長させる。

次に、図４Ｄに示すように、絶縁層２０３の上にゲート領域２２１に開口部２５１ａを備える選択成長マスク２５１を形成する（第２工程）。例えば、前述した窒化物半導体の成長に用いたＭＯＶＰＥ装置より基板２０１を取り出し、絶縁層２０３の上に、ＰＥ−ＣＶＤ装置やスパッタ装置などにより窒化シリコンを堆積して窒化シリコン膜を形成する。次いで、形成した窒化シリコン膜を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングし、開口部２５１ａを備える選択成長マスク２５１を形成すればよい。

次に、図４Ｅに示すように、選択成長マスク２５１の開口部２５１ａの絶縁層２０３の上に選択的にアンドープの窒化物半導体を結晶成長し、絶縁層２０３の上のゲート領域２２１のみにチャネル層２０４を形成する（第３工程）。引き続いて、チャネル層２０４の上のみに窒化物半導体を結晶成長してバリア層２０５を形成する（第４工程）。例えば、絶縁層２０３までの形成に用いたＭＯＶＰＥ装置により、アンドープのＧａＮを所定の厚さにまで結晶成長させ、引き続いてアンドープのＡｌＧａＮを結晶成長させれば良い。

ここで、チャネル層２０４およびバリア層２０５は、ＩＩＩ族極性の（０００１）面方向に結晶成長する。また、成長側面が（１−１０１）となる条件で結晶成長させる（非特許文献３参照）。この条件により、チャネル層２０４は、ゲート長方向の寸法が、成長とともに小さくなる。このように成長させたチャネル層２０４を所定の厚さにまで成長させると、形成されたチャネル層２０４の上面は、開口部２５１ａの面積より小さくなり、チャネル層２０４のゲート両方向の断面は、台形となる。

また、上述したように成長させたチャネル層２０４の上に、バリア層２０５を成長させると、同様に、ゲート長方向の寸法が、成長とともに小さくなる。この結果、バリア層２０５は、（０００１）面である上面がこれ以上小さくなることができなくなるところまで成長すると、自動的に成長が停止する。結果として、バリア層２０５は、ゲート両方向の断面が三角形となる。

次に、選択成長マスク２５１を除去してから、図４Ｆ，図４Ｇに示すように、チャネル層２０４およびバリア層２０５の周囲の絶縁層２０３の上にｎ型の窒化物半導体を結晶成長してコンタクト層２０６を形成する（第５工程）。コンタクト層２０６の再成長では、チャネル層２０４およびバリア層２０５を完全に埋め込み、図４Ｇに示すように、上面（表面）がほぼ平坦化されるまで厚く形成する。

例えば、バリア層２０５を形成した後、ＭＯＶＰＥ装置より基板２０１を搬出し、フッ酸などを用いたウエットエッチングにより、選択成長マスク２５１のみを選択的にエッチング除去する。これは、絶縁層２０３，チャネル層２０４，バリア層２０５に対して選択的に選択成長マスク２５１をエッチングするウエットエッチングである。次いで、ＭＯＶＰＥ装置に再度基板を搬入し、露出している絶縁層２０３の上に高濃度にＳｉをドープしたＧａＮを再成長させれば良い。チャネル層２０４周囲の絶縁層２０３表面より再成長するコンタクト層２０６は、成長の過程で、図４Ｆに示すようにバリア層２０５上部で一体となり、更に成長を続けることで、図４Ｇに示すように、やがて平坦化する。

チャネル層２０４・バリア層２０５を挟んで両側からコンタクト層２０６が会合するところは転位が発生し、コンタクト層２０６の表面部にはドットのような欠陥が観測されることになる。この位置が、ゲート領域２２１のゲート長方向の中心位置となる。平坦化するところまで成長した後、上記のドットを目印にゲート形成部を決定し、公知のリソグラフ工程によりマスクパターンを形成した後、ゲート形成部をエッチングすることで、図４Ｈに示すように、溝２２２を形成する。この時、バリア層２０５に達するまでエッチングし、バリア層２０５上面が出現する状態とする。このように、実施の形態２によれば、ゲート領域２２１の中心部が自動的に決定できるようになり、ゲート電極２０８の中心位置を、高い精度で決定することができる。

なお、図４Ｈでは簡略化するため、バリア層２０５表面の（０００１）面が出現するように示しているが、この面方位についてはどの面が出てもトランジスタ動作には大きな影響はない。次いで、溝２２２の側面，底面を含めてコンタクト層２０６の上に絶縁層２０７を形成する。例えば、ＭＯＶＰＥ装置より基板２０１を取り出し、ＰＥ−ＣＶＤ装置やスパッタ装置などにより窒化シリコンを堆積すれば、絶縁層２０７が形成できる。

次に、図４Ｉに示すように、絶縁層２０７が形成されている溝２２２内部に充填する状態で、バリア層２０５の上にゲート電極２０８を形成し（第６工程）、ゲート電極２０８を挟んでコンタクト層２０６にオーミック接続するソース電極２０９およびドレイン電極２１０を形成する（第７工程）。例えば、よく知られたリフトオフ法などにより、各電極を形成すれば良い。また、ソース電極２０９およびドレイン電極２１０の形成では、リフトオフマスクを用いた選択的なエッチングにより、絶縁層２０７の電極形成箇所に開口部を形成した後、電極材料を堆積し、リフトオフマスクを除去することで、コンタクト層２０６に接続するソース電極２０９を形成すれば良い。

以上に説明した実施の形態２によれば、溝２２２のゲート長方向の幅によってゲート長が決定されるようになる。実施の形態２では、チャネル層２０４とバリア層２０５との界面のゲート長方向の長さより、ゲート長を小さくすることができる。また、非常に小さなゲート長としても、ゲート電極２０８のゲート長幅とされた細い足は、両脇が絶縁層２０７を介してコンタクト層２０６に支えられた状態となる。このため、一般的なＴ型ゲート電極構造のように倒れてしまうことはない。また、実施の形態２におけるゲート電極２０８は、Ｔ型として頭部をより大きくすることが可能であり、ゲート抵抗をきわめて小さくすることも可能である。

また、チャネル層２０４・バリア層２０５を挟んで両側からコンタクト層２０６が会合するところに発生する転位によるドット状の欠陥を基準としてゲート電極２０８の中心位置を決定できるので、非常に細い足の部分を、高い精度で位置決めして微細な幅としたバリア層２０５の上に配置させることができる。

このように、実施の形態２によれば、高周波動作に必要な短ゲート長を保持しつつ、十分に機械的強度を持った低抵抗なゲート電極を形成することが容易となる。一方、アクセス領域に関しては、実施の形態１と同様に、コンタクト層２０６を再成長させるときに、選択成長マスク２５１をウエットエッチングにより除去できるので、ドライエッチングにより除去で発生するエッチングダメージが抑制できるようになる。この結果、チャネル層２０４に形成される２次元電子ガスと、コンタクト層２０６とのコンタクト寄生抵抗を増大させることがなく、十分にアクセス抵抗を下げることができる。

以上に説明したように、本発明によれば、ゲート領域のみに結晶成長することで、窒化物半導体からなるチャネル層およびバリア層を成長させるようにしたので、プロセス歩留まりを低下させることなく、ゲート長をより短くできるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…基板、１０２…バッファ層、１０３…絶縁層、１０４…チャネル層、１０５…バリア層、１０６…コンタクト層、１０７…絶縁層、１０８…ゲート電極、１０９…ソース電極、１１０…ドレイン電極、１２１…ゲート領域。

Claims

基板の上に形成された窒化物半導体からなる絶縁層と、
アンドープの窒化物半導体から構成され、前記絶縁層の上のゲート領域のみに結晶成長することで形成されたチャネル層と、
窒化物半導体から構成されて前記チャネル層の上のみに結晶成長することで形成されたバリア層と、
ｎ型の窒化物半導体から構成され、前記チャネル層および前記バリア層の周囲の前記絶縁層の上に結晶成長することで形成されたコンタクト層と、
前記バリア層の上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を挟んで形成されて、前記コンタクト層に接続するソース電極およびドレイン電極と
を備え、
前記チャネル層および前記バリア層は、主表面をＩＩＩ族極性面とされ、かつ成長側面が（１−１０１）面とされていることを特徴とする窒化物半導体装置。
請求項１記載の窒化物半導体装置において、
前記コンタクト層は、前記バリア層までの高さより厚く形成され、
前記ゲート電極は、リセスゲート構造とされている
ことを特徴とする窒化物半導体装置。
基板の上に窒化物半導体からなる絶縁層を結晶成長する第１工程と、
前記絶縁層の上にゲート領域が開口した選択成長マスクを形成する第２工程と、
前記選択成長マスクの開口部の前記絶縁層の上に選択的にアンドープの窒化物半導体を結晶成長して前記絶縁層の上のゲート領域のみにチャネル層を形成する第３工程と、
前記チャネル層の上のみに窒化物半導体を結晶成長してバリア層を形成する第４工程と、
前記選択成長マスクを除去してから前記チャネル層および前記バリア層の周囲の前記絶縁層の上にｎ型の窒化物半導体を結晶成長してコンタクト層を形成する第５工程と、
前記バリア層の上にゲート電極を形成する第６工程と、
前記ゲート電極を挟んで前記コンタクト層に接続するソース電極およびドレイン電極を形成する第７工程と
を備え、
前記第３工程および前記第４工程では、前記チャネル層および前記バリア層を、主表面をＩＩＩ族極性面とし、かつ成長側面を（１−１０１）面とした状態で結晶成長して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。
請求項３記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第４工程では、前記コンタクト層を前記バリア層までの高さより厚く形成し、
前記ゲート電極は、リセスゲート構造とする
ことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
請求項３または４記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第４工程では、前記絶縁層，チャネル層，バリア層に対して選択的に前記選択成長マスクをエッチングするウエットエッチングにより前記選択成長マスクを除去する
ことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。