(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ基板、ＩｎＰ基板又はＧａＡｓ基板と、
前記基板上に形成された化合物半導体層と、
前記基板と前記化合物半導体層との界面及びその近傍に形成されたＧａが混入した層とを備え、
前記基板に対してドーパントにならない不純物が、前記Ｇａが混入した層と前記化合物半導体層と前記基板を含む領域に存在することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
ＧａＮ基板又はサファイア基板と、
前記基板上に形成された化合物半導体層と、
前記基板と前記化合物半導体層との界面及びその近傍に形成されたＳｉが混入した層とを備え、
前記基板に対してドーパントにならない不純物が、前記Ｓｉが混入した層と前記化合物半導体層と前記基板を含む領域に存在することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記基板に対してドーパントにならない不純物が、Ａｒ，Ｎ，Ｏ，Ｈ，Ｐ，Ｈｅ，Ｂの中の少なくとも一つであることを特徴とする、請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記化合物半導体層が、Ｇａ又はＡｌを含む窒化物層であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記基板が、高抵抗Ｓｉ基板であることを特徴とする、請求項１、３、４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記基板が、高抵抗ＧａＮ基板であることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
Ｓｉ基板、ＩｎＰ基板又はＧａＡｓ基板上に、少なくとも１層の化合物半導体層を成長させ、
前記基板に対してドーパントにならない不純物を、前記化合物半導体層の表面側から、前記基板と前記化合物半導体層との界面及びその近傍に形成されたＧａが混入した層と前記化合物半導体層と前記基板を含む領域に導入し、
前記化合物半導体層上に、残りの結晶層を成長させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
ＧａＮ基板又はサファイア基板上に、少なくとも１層の化合物半導体層を成長させ、
前記基板に対してドーパントにならない不純物を、前記化合物半導体層の表面側から、前記基板と前記化合物半導体層との界面及びその近傍に形成されたＳｉが混入した層と前記化合物半導体層と前記基板を含む領域に導入し、
前記化合物半導体層上に、残りの結晶層を成長させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば窒化物を用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）に用いて好適の半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、基板上に、ＡｌＧａＮ層やＧａＮ層を結晶成長させ、ＧａＮ層を電子走行層として用いるＧａＮ−ＨＥＭＴの開発が活発に行なわれている。
ＧａＮ−ＨＥＭＴは、ＧａＮのバンドギャップは３．４ｅＶであり、バンドギャップが１．４ｅＶであるＧａＡｓに比べて大きいため、高耐圧での動作が期待されている。
例えば、高耐圧のＧａＮ−ＨＥＭＴを増幅器として用いると、電流電圧特性を示すグラフ上において、大きな負荷インピーダンスに対応する負荷線上での動作が可能となる。この結果、高効率動作が可能になる。
【０００３】
また、例えば熱伝導率の高いＳｉＣ基板を使用すると、移動度が高いＨＥＭＴを実現することが可能となり、パッケージに搭載してもデバイスの熱抵抗を小さくすることができる。
【特許文献１】特開２００６−１６５２０７号公報
【非特許文献１】Pradeeo Rajagopal et al., “ MOCVD AlGaN/GaN HEMTs on Si: Challenges and Issues”, Material Research Society Symposium Proceedings, vol. 798, pp.61-66 (2003).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＧａＮ−ＨＥＭＴを例えば高周波デバイスとして用いる場合、半絶縁性ＳｉＣ基板を用いることになるが、半絶縁性ＳｉＣ基板（高抵抗ＳｉＣ基板）は非常に高価である。
このため、代替の基板として、例えば高抵抗Ｓｉ基板を用いることが考えられる。
しかしながら、高抵抗Ｓｉ基板を用いると、その上に成長させる結晶層との界面及びその近傍にＧａが混入し、ｐ型導電性を有するものとなる場合がある。
【０００５】
これは、高抵抗Ｓｉ基板上に形成されたＧａＮ層から高抵抗Ｓｉ基板にＧａが拡散してしまったり、以前の結晶成長工程において成長装置に付着したＧａが、結晶成長前に高抵抗Ｓｉ基板の表面に再付着し、高抵抗Ｓｉ基板内に拡散してしまったりするためである。
このように、高抵抗Ｓｉ基板と結晶層との界面及びその近傍にＧａが混入し、ｐ型導電性を有するものとなると、寄生容量の原因となり、この結果、利得が低下し、帯域が狭くなり、効率が低下することになる。なお、高抵抗ＩｎＰ基板や高抵抗ＧａＡｓ基板を用いる場合も同様である。
【０００６】
また、代替の基板として、例えば高抵抗ＧａＮ基板を用いることも考えられる。
しかしながら、高抵抗ＧａＮ基板を用いると、空気内に存在するＳｉが表面に付着し、これが結晶成長の前処理で取り除けずに残留してしまうため、高抵抗ＧａＮ基板とその上に成長させる結晶層（成長層）との界面及びその近傍がｎ型導電性を有するものとなる場合がある。
【０００７】
このように、高抵抗ＧａＮ基板と結晶層との界面及びその近傍にＳｉが混入し、ｎ型導電性を有するものとなると、寄生容量の原因となり、この結果、利得が低下し、帯域が狭くなり、効率が低下することになる。なお、高抵抗サファイア基板を用いる場合も同様である。
そこで、例えば高抵抗半導体基板を用いて高周波デバイスを実現する場合などに、コストを低く抑えながら、寄生容量が増加しないようにし、利得及び効率を十分に高め、帯域を十分に広くしたい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このため、本半導体装置は、Ｓｉ基板、ＩｎＰ基板又はＧａＡｓ基板と、基板上に形成された化合物半導体層と、基板と化合物半導体層との界面及びその近傍に形成されたＧａが混入した層とを備え、基板に対してドーパントにならない不純物が、Ｇａが混入した層と化合物半導体層と基板を含む領域に存在することを要件とする。
また、本半導体装置は、ＧａＮ基板又はサファイア基板と、基板上に形成された化合物半導体層と、基板と化合物半導体層との界面及びその近傍に形成されたＳｉが混入した層とを備え、基板に対してドーパントにならない不純物が、Ｓｉが混入した層と化合物半導体層と基板を含む領域に存在することを要件とする。
本半導体装置の製造方法は、Ｓｉ基板、ＩｎＰ基板又はＧａＡｓ基板上に、少なくとも１層の化合物半導体層を成長させ、基板に対してドーパントにならない不純物を、化合物半導体層の表面側から、基板と化合物半導体層との界面及びその近傍に形成されたＧａが混入した層と化合物半導体層と基板を含む領域に導入し、化合物半導体層上に、残りの結晶層を成長させることを要件とする。
また、本半導体装置の製造方法は、ＧａＮ基板又はサファイア基板上に、少なくとも１層の化合物半導体層を成長させ、基板に対してドーパントにならない不純物を、化合物半導体層の表面側から、基板と化合物半導体層との界面及びその近傍に形成されたＳｉが混入した層と化合物半導体層と基板を含む領域に導入し、化合物半導体層上に、残りの結晶層を成長させることを要件とする。
【発明の効果】
【０００９】
したがって、本半導体装置及びその製造方法によれば、例えば高抵抗半導体基板を用いて高周波デバイスを実現する場合などに、コストを低く抑えながら、寄生容量が増加しないようにし、利得及び効率を十分に高め、帯域を十分に広くすることができるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面により、本実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法について説明する。
［第１実施形態］
まず、第１実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法について、図１〜図４を参照しながら説明する。
【００１１】
本実施形態にかかる半導体装置は、高抵抗半導体基板を用いた高周波デバイス（高周波用途の電子素子）である。
以下、本発明を、窒化物を用いた高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor；ＨＥＭＴ；ＧａＮ−ＨＥＭＴ；化合物半導体を用いた電界効果型半導体装置）に適用した場合を例に挙げて説明する。
【００１２】
本ＧａＮ−ＨＥＭＴは、高抵抗Ｓｉ基板（高抵抗半導体基板）上に、窒素を含む複数の半導体結晶層（化合物半導体層；ＩＩＩ族窒化物層；ここではＧａ又はＡｌを含む窒化物層；窒素含有層）を積層させてなるＨＥＭＴ構造を備える。
具体的には、本ＧａＮ−ＨＥＭＴは、図１に示すように、（１１１）面の単結晶Ｓｉ（シリコン）からなる高抵抗Ｓｉ基板１上に、ＡｌＮ下地層２（例えば厚さ０．１μｍ）、ｉ−ＧａＮバッファ層（ノンドープバッファ層）３、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層４、ｉ−ＧａＮ電子走行層５、ｉ−ＡｌＧａＮ層（ノンドープ層）６、ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層７、ｎ−ＧａＮ保護層（キャップ層）８がこの順番に積層された半導体積層構造を備える。ここでは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層４、ｉ−ＧａＮ電子走行層５、ｉ−ＡｌＧａＮ層６、ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層７、ｎ−ＧａＮ保護層８によって、ＧａＮ−ＨＥＭＴ構造が構成される。
【００１３】
ここで、高抵抗Ｓｉ基板１は、抵抗率が例えば１００Ω・ｃｍ以上のＳｉ基板である。なお、高抵抗Ｓｉ基板は、少なくとも、その上に形成される結晶層（ここではＡｌＮ下地層２）との界面近傍［例えば界面（表面）から１０μｍ程度］の抵抗率が１００Ω・ｃｍ以上であれば良い。このように、Ｓｉ基板１を用いることでコストを低く抑えることができる。
【００１４】
ノンドープバッファ層３は、ノンドープの高抵抗ＧａＮで形成されており、その厚さは０．１μｍである。
電子走行層５は、ノンドープの高移動度ＧａＮで形成されており、その厚さは２μｍである。
ノンドープ層６は、ノンドープのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎで形成されており、その厚さは５ｎｍである。
【００１５】
電子供給層７は、電子走行層５よりも電子親和力の小さな化合物半導体材料、具体的には、Ｓｉが４×１０１８ｃｍ−３だけドープされたｎ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎで形成されており、その厚さは１０ｎｍである。
そして、図１に示すように、電子供給層７の一部の領域上に、ソース電極９及びドレイン電極１０が、相互に離隔して設けられている。
【００１６】
ソース電極９及びドレイン電極１０は、電子供給層７に接するＴａ層と、その上に配置されたＡｌ層からなる層構造を有し、電子供給層７にオーミックに接続されている。なお、ここでは、Ｔａ層とＡｌ層との界面に相互拡散によってＴａＡｌ３層が形成されている。
また、ソース電極９とドレイン電極１０との間の電子供給層７の表面は、保護層８で覆われている。
【００１７】
保護層８は、Ｓｉが５×１０１８ｃｍ−３だけドープされたｎ型のＧａＮで形成されており、その厚さは７ｎｍである。
さらに、図１に示すように、保護層８の一部の領域上に、ソース電極９及びドレイン電極１０のいずれからも離隔して、ゲート電極１１が設けられている。
ゲート電極１１は、保護層８に接するＮｉ層と、その上に配置されたＡｕ層との２層構造を有する。ここでは、ゲート長は０．５μｍ、ユニットゲート幅は３００μｍである。なお、ユニットゲート幅とは、１個当たりのゲート幅であって、ゲート電極１１によって二次元電子ガス（２ＤＥＧ；two dimensional electron gas）の濃度が制御される領域の幅である。
【００１８】
なお、ゲート長及びユニットゲート幅はこれに限られるものではない。
例えば高効率増幅器として使用する場合、ゲート長は、０．３μｍ〜０．７μｍの範囲内とすることが好ましく、０．５μｍ〜０．６μｍの範囲内とすることがより好ましい。ゲート長を長くすると、利得が低下し、歪特性も劣化する。ゲート長が０．３μｍよりも短くなると、耐圧が例えば２００Ｖ以下まで低下し、ピンチオフ特性の劣化によって効率が低下し、素子の信頼性が低下する。また、ユニットゲート幅は、２００μｍ〜３５０μｍの範囲内とすることが好ましく、２５０μｍ〜３００μｍの範囲内とすることがより好ましい。ユニットゲート幅を広くすると、ドハティ増幅器の利得が低下し、ユニットゲート幅を狭くすると、取り出せる最大出力が低下する。
【００１９】
また、図１に示すように、ゲート電極１１とソース電極９との間の保護層８の表面、及び、ゲート電極１１とドレイン電極１０との間の保護層８の表面は、絶縁膜（ここではＳｉＮ膜）１２で覆われている。
ところで、高抵抗Ｓｉ基板１を用いる場合、高抵抗Ｓｉ基板１とその上に成長させる結晶層（ここではＡｌＮ下地層２）との界面及びその近傍にＧａが混入し、ｐ型導電性を有するものとなり、電気的に活性化してしまう。つまり、高抵抗Ｓｉ基板１と結晶層（ここではＡｌＮ下地層２）との界面及びその近傍に、Ｇａが混入した層、即ち、ドーパント（Ｇａ）を有するのに抵抗率が例えば１００Ω・ｃｍ以上の高抵抗になっている層が形成されてしまう。これが寄生容量の原因となる。
【００２０】
そこで、本実施形態では、図１に示すように、高抵抗Ｓｉ基板１、ＡｌＮ下地層２、ｉ−ＧａＮバッファ層３に、Ａｒがイオン注入によって導入されている。これにより、高抵抗Ｓｉ基板１と結晶層（ここではＡｌＮ下地層２）との界面及びその近傍（高抵抗Ｓｉ基板１の表面及びその近傍）のｐ型導電性を有する部分を含む領域を不活性化している。
なお、ここでは、高抵抗Ｓｉ基板１、ＡｌＮ下地層２及びｉ−ＧａＮバッファ層３に、半導体基板１に対してドーパントにならない不純物を導入するようにしているが、これに限られるものではない。例えば、高抵抗Ｓｉ基板１及びＡｌＮ下地層２に、半導体基板１に対してドーパントにならない不純物を導入するようにしても良い。
【００２１】
このように、本実施形態では、高抵抗Ｓｉ基板１と結晶層（ここではＡｌＮ下地層２）との界面及びその近傍を含む領域にＡｒが存在することになる。なお、Ａｒが注入されている領域を不活性領域という。
なお、本実施形態では、Ａｒをイオン注入しているが、これに限られるものではない。
例えば、半導体基板に対してドーパントにならない不純物を、半導体基板と結晶層との界面及びその近傍を含む領域に導入すれば良い。
【００２２】
具体的には、高抵抗Ｓｉ基板１に対してドーパントにならない不純物として、Ａｒ，Ｏ，Ｈ，Ｈｅ，Ｂの中の少なくとも一つを導入すれば良い。例えば、この中の一つだけを導入しても良いし、２つ以上のものを導入するようにしても良い。また、イオン注入の際の注入エネルギを段階的に変えるようにしても良い。これらの方法によって不活性領域を深くすることができる。
【００２３】
また、例えば、熱拡散や電子線照射等の方法によって不純物を導入するようにしても良い。
このように、高抵抗Ｓｉ基板１と結晶層（ここではＡｌＮ下地層２）との界面及びその近傍を含む領域に、高抵抗Ｓｉ基板１に対してドーパントにならない不純物（ここではＡｒ）を導入することで寄生容量、特に出力容量が増加しないようにすることができる。つまり、高抵抗Ｓｉ基板１の高抵抗性を維持しながら、寄生容量成分を持たないようにすることができる。
【００２４】
次に、本実施形態にかかる半導体装置（ＧａＮ−ＨＥＭＴ）の製造方法について、図２を参照しながら説明する。
まず、図２（Ａ）に示すように、高抵抗Ｓｉ基板１（ここでは単結晶Ｓｉ基板）上に、ＡｌＮ下地層２、ｉ−ＧａＮバッファ層３を、例えば有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）法によって順に成長させる（１回目の成長）。例えば、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム、Ｇａ原料としてトリメチルガリウム、Ｎ原料としてアンモニアを用いれば良い。
【００２５】
ここで、一旦、成長装置から取り出し、図２（Ｂ）に示すように、高抵抗Ｓｉ基板１に対してドーパントにならない不純物を、表面側から高抵抗Ｓｉ基板１の内部［少なくとも高抵抗Ｓｉ基板１と結晶層（ここではＡｌＮ下地層２）との界面及びその近傍を含む領域］まで達するように、イオン注入する。ここでは、イオン注入種はＡｒであり、エネルギは１００ｋｅＶである。
【００２６】
なお、本実施形態では、ｉ−ＧａＮバッファ層３を成長させた後に成長装置から取り出して、半導体基板に対してドーパントにならない不純物を導入するようにしているが、これに限られるものではない。例えば、ＡｌＮ下地層２を成長させた後、ｉ−ＧａＮバッファ層３を成長させる前に、成長装置から取り出し、半導体基板に対してドーパントにならない不純物を導入するようにしても良い。つまり、半導体基板に対してドーパントにならない不純物を導入する前に、半導体基板上に少なくとも１層の結晶層を成長させ、半導体基板に対してドーパントにならない不純物を導入した後に、その結晶層上に残りの結晶層（ここではＧａＮ−ＨＥＭＴ構造、又は、ｉ−ＧａＮバッファ層及びＧａＮ−ＨＥＭＴ構造）を成長させれば良い。
【００２７】
ここで、図３は、高抵抗Ｓｉ基板１上にＡｌＮ下地層２を成長させた後、このＡｌＮ下地層２の表面からＡｒを注入した場合の注入量と注入表面からの距離との関係を示す図である。
図３に示すように、イオン注入されたＡｒの注入量のピークは、高抵抗Ｓｉ基板１とＡｌＮ下地層２との界面にあり、約３×１０２０ｃｍ−３である。また、高抵抗Ｓｉ基板１の内部にも注入表面から３００ｎｍの深さまでＡｒが注入される。つまり、Ａｒ注入量のプロファイルは、注入表面から３００ｎｍ（基板表面から２００ｎｍ）の深さまでテールをひいたプロファイルとなっている。なお、このようにしてＡｒが注入された領域が不活性領域となる。
【００２８】
このようにして不純物（ここではＡｒ）を注入することによって、高抵抗Ｓｉ基板１と結晶層（ここではＡｌＮ下地層２）との界面及びその近傍の活性化を防ぐことができるため、後述のようにＨＥＭＴ（トランジスタ）を作製した後も寄生容量が増加することはない。
その後、再び成長装置に戻して、図２（Ｃ）に示すように、ｉ−ＧａＮバッファ層３上に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層４、ｉ−ＧａＮ電子走行層５、ｉ−ＡｌＧａＮ層６、ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層７、ｎ−ＧａＮ保護層８を、例えば有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）法によって順に成長させる（２回目の成長）。例えば、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム、Ｇａ原料としてトリメチルガリウム、Ｎ原料としてアンモニアを用いれば良い。また、例えば、Ｓｉドーパント原料としてシランを用いれば良い。
【００２９】
次いで、図示しないが、ｎ−ＧａＮ保護層８上にレジスト膜を形成した後、素子分離パターンを形成し、例えば窒素をイオン注入することによって素子分離を行なう。その後、レジスト膜を除去する。
次に、図２（Ｄ）に示すように、ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層７上にソース電極９及びドレイン電極１０を形成する。
【００３０】
つまり、まず、ｎ−ＧａＮ保護層８上に、新たなレジスト膜を形成し、露光及び現像を行なって、ソース電極９及びドレイン電極１０を形成する領域に開口を形成する。
次いで、全面に、例えば厚さ１０ｎｍのＴａ膜、及び、例えば厚さ２８０ｎｍのＡｌ膜を、例えば蒸着によって順番に堆積させる。
次に、レジスト膜を剥離することによって、ソース電極９及びドレイン電極１０を形成する領域以外の領域のＴａ膜及びＡｌ膜を除去する。
【００３１】
続いて、例えば、ラピッドサーマルアニール（ＲＴＡ）装置を用いて、窒素雰囲気の下で、５５０℃で１分間の熱処理を行なう。この熱処理によって、Ｔａ膜とＡｌ膜との界面にＴａＡｌ３膜が形成される。
このようにして、ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層７上に、ソース電極９及びドレイン電極１０が形成される。
【００３２】
次いで、図２（Ｄ）に示すように、例えばプラズマ化学気相成長（ＰＥ−ＣＶＤ）によって、全面にＳｉＮ膜（絶縁膜）１２を形成する。
次に、図２（Ｄ）に示すように、ｎ−ＧａＮ保護層８上にゲート電極１１を形成する。
つまり、まず、ＳｉＮ膜１２上に、新たなレジスト膜を形成し、露光及び現像を行なって、ゲート電極１１を形成する領域に開口を形成する。
【００３３】
次いで、全面に、例えば厚さ１０ｎｍのＮｉ膜、例えば厚さ２００ｎｍのＡｕ膜を、例えば蒸着によって順番に堆積させる。
次に、レジスト膜を、その上に堆積しているＮｉ膜及びＡｕ膜とともに剥離する。
このようにして、ｎ−ＧａＮ保護層８上に、Ｎｉ膜とＡｕ膜との２層構造を有するゲート電極１１が形成される。
【００３４】
その後、図示しないが、全面にＳｉＮ膜（絶縁膜）を形成した後、ソース電極９、ドレイン電極１０、ゲート電極１１に対応する領域に開口を形成して、ソース電極９、ドレイン電極１０、ゲート電極１１の上面を露出させる。
したがって、本実施形態にかかる半導体装置（ＧａＮ−ＨＥＭＴ）及びその製造方法によれば、例えば高抵抗半導体基板を用いて高周波デバイスを実現する場合などに、コストを低く抑えながら、寄生容量が増加しないようにし、利得及び効率を十分に高め、帯域を十分に広くすることができるという利点がある。
【００３５】
ここで、図４は、上述のようにして、Ｓｉ基板１上に作製したＧａＮ−ＨＥＭＴにおける利得（ｄＢ）、効率（％）、出力（Ｗ／ｍｍ）、帯域（ＭＨｚ）、出力容量（ｆＦ／ｍｍ）を、Ｓｉ基板を用いるがイオン注入を行なっていないもの、ＳｉＣ（炭化シリコン）基板を用いたものと比較して示している。
図４に示すように、Ｓｉ基板１を用いるがイオン注入を行なっていないものは、利得が低く、効率及び出力も低下しているのに対し、上述のように、Ｓｉ基板１を用いてイオン注入を行なったものでは、利得、効率及び出力のいずれも向上し、ＳｉＣ基板を用いたものと同等の特性を得ることができることがわかる。これは、図４に示すように、寄生容量、特に出力容量が低下したためである。また、出力容量の低下によって、利得の帯域の広い整合をとることが可能となる。Ｓｉ基板１を用いるがイオン注入を行なっていないものに対し、Ｓｉ基板１を用いてイオン注入を行なったものでは、図４に示すように、利得が±０．２ｄＢの領域内となる帯域が広がっていることがわかる。
【００３６】
なお、上述の実施形態では、高抵抗Ｓｉ基板１を用い、このＳｉ基板１に対してドーパントにならない不純物としてＡｒを導入するようにしているが、これに限られるものではない。例えば、高抵抗半導体基板として、高抵抗ＩｎＰ基板や高抵抗ＧａＡｓ基板を用い、その上に上述の実施形態と同様の結晶層（ＧａＮ層を含むＨＥＭＴ構造を含む）を形成し、半導体基板に対してドーパントにならない不純物として、Ａｒ，Ｏ，Ｈ，Ｈｅ，Ｂの中の少なくとも一つを導入するようにしても良い。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法について、図５を参照しながら説明する。
【００３７】
本実施形態にかかる半導体装置（ＧａＮ−ＨＥＭＴ）及びその製造方法は、上述の第１実施形態のものが高抵抗Ｓｉ基板を用いているのに対し、高抵抗ＧａＮ基板を用いている点が異なる。
つまり、本ＧａＮ−ＨＥＭＴは、図５に示すように、高抵抗ＧａＮ基板（高抵抗半導体基板）１Ａ上に、窒素を含む複数の半導体結晶層（化合物半導体層；ＩＩＩ族窒化物層；ここではＧａ又はＡｌを含む窒化物層；窒素含有層）を積層させてなるＨＥＭＴ構造を備える。
【００３８】
具体的には、本ＧａＮ−ＨＥＭＴは、図５に示すように、単結晶ＧａＮ（窒化ガリウム）からなる高抵抗ＧａＮ基板１Ａ上に、ＡｌＮ下地層２（例えば厚さ０．１μｍ）、ｉ−ＧａＮバッファ層（ノンドープバッファ層）３、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層４、ｉ−ＧａＮ電子走行層５、ｉ−ＡｌＧａＮ層（ノンドープ層）６、ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層７、ｎ−ＧａＮ保護層（キャップ層）８がこの順番に積層された半導体積層構造を備える。なお、図５では、上述の第１実施形態のもの（図１参照）と同一のものには同一の符号を付している。
【００３９】
ここで、高抵抗ＧａＮ基板１Ａは、抵抗率が例えば１００Ω・ｃｍ以上のＧａＮ基板である。なお、高抵抗ＧａＮ基板１Ａは、少なくとも、その上に形成される結晶層（ここではＡｌＮ下地層）との界面近傍［例えば界面（表面）から１０μｍ程度］の抵抗率が１００Ω・ｃｍ以上であれば良い。このように、ＧａＮ基板１Ａを用いることでコストを低く抑えることができる。
【００４０】
ところで、高抵抗ＧａＮ基板１Ａを用いる場合、高抵抗ＧａＮ基板１Ａとその上に成長させる結晶層（ここではＡｌＮ下地層２）との界面及びその近傍にＳｉ（残留Ｓｉ）が混入し、ｎ型導電性を有するものとなってしまう。つまり、高抵抗ＧａＮ基板１Ａと結晶層（ここではＡｌＮ下地層２）との界面及びその近傍に、Ｓｉが混入した層（Ｓｉ−ＧａＮ層）、即ち、ドーパント（Ｓｉ）を有するのに抵抗率が例えば１００Ω・ｃｍ以上の高抵抗になっている層が形成されてしまう。これが寄生容量の原因となる。
【００４１】
そこで、本実施形態では、図５に示すように、高抵抗ＧａＮ基板１Ａ、ＡｌＮ下地層２、ｉ−ＧａＮバッファ層３に、Ａｒがイオン注入によって導入されている。これにより、高抵抗ＧａＮ基板１Ａと結晶層（ここではＡｌＮ下地層２）との界面及びその近傍（高抵抗ＧａＮ基板１Ａの表面及びその近傍）のｎ型導電性を有する部分を含む領域を不活性化している。
【００４２】
なお、ここでは、高抵抗ＧａＮ基板１Ａ、ＡｌＮ下地層２及びｉ−ＧａＮバッファ層３に、半導体基板１Ａに対してドーパントにならない不純物を導入するようにしているが、これに限られるものではない。例えば、高抵抗ＧａＮ基板１Ａ及びＡｌＮ下地層２に、半導体基板１Ａに対してドーパントにならない不純物を導入するようにしても良い。
このように、本実施形態では、高抵抗ＧａＮ基板１Ａと結晶層（ここではＡｌＮ下地層２）との界面及びその近傍を含む領域にＡｒが存在することになる。なお、Ａｒが注入されている領域を不活性領域という。
【００４３】
なお、本実施形態では、Ａｒをイオン注入しているが、これに限られるものではない。
例えば、半導体基板に対してドーパントにならない不純物を、半導体基板と結晶層との界面及びその近傍を含む領域に導入すれば良い。
具体的には、半導体基板に対してドーパントにならない不純物として、Ａｒ，Ｎ，Ｏ，Ｈ，Ｐ，Ｈｅ，Ｂの中の少なくとも一つを導入すれば良い。例えば、この中の一つだけを導入しても良いし、２つ以上のものを導入するようにしても良い。また、イオン注入の際の注入エネルギを段階的に変えるようにしても良い。これらの方法によって不活性領域を深くすることができる。
【００４４】
また、例えば、熱拡散や電子線照射等の方法によって不純物を導入するようにしても良い。
このように、高抵抗ＧａＮ基板１Ａと結晶層（ここではＡｌＮ下地層２）との界面及びその近傍を含む領域に、高抵抗ＧａＮ基板１Ａに対してドーパントにならない不純物（ここではＡｒ）を導入することで寄生容量が増加しないようにすることができる。つまり、高抵抗ＧａＮ基板１Ａの高抵抗性を維持しながら、寄生容量成分を持たないようにすることができる。
【００４５】
なお、その他の構成の詳細は、上述の第１実施形態のものと同様であるため、ここでは説明を省略する。
次に、本実施形態にかかる半導体装置（ＧａＮ−ＨＥＭＴ）の製造方法について説明する。
まず、上述の第１実施形態の場合［図２（Ａ）参照］と同様に、高抵抗ＧａＮ基板１Ａ上に、ＡｌＮ下地層２、ｉ−ＧａＮバッファ層３を、例えば有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）法によって順に成長させる（１回目の成長）。
【００４６】
次に、上述の第１実施形態の場合［図２（Ｂ）参照］と同様に、一旦、成長装置から取り出し、高抵抗ＧａＮ基板１Ａに対してドーパントにならない不純物を、表面側から高抵抗ＧａＮ基板１Ａの内部［少なくとも高抵抗ＧａＮ基板１Ａと結晶層（ここではＡｌＮ下地層２）との界面及びその近傍を含む領域］まで達するように、イオン注入する。
このようにして不純物（ここではＡｒ）を注入することによって、高抵抗ＧａＮ基板１Ａと結晶層（ここではＡｌＮ下地層２）との界面及びその近傍の活性化を防ぐことができるため、後述のようにＨＥＭＴ（トランジスタ）を作製した後も寄生容量が増加することはない。
【００４７】
その後、上述の第１実施形態の場合［図２（Ｃ）参照］と同様に、再び成長装置に戻して、ｉ−ＧａＮバッファ層３上に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層４、ｉ−ＧａＮ電子走行層５、ｉ−ＡｌＧａＮ層６、ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層７、ｎ−ＧａＮ保護層８を、例えば有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）法によって順に成長させる（２回目の成長）。
なお、その他の製造方法の詳細は、上述の第１実施形態のものと同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００４８】
したがって、本実施形態にかかる半導体装置（ＧａＮ−ＨＥＭＴ）及びその製造方法によれば、例えば高抵抗半導体基板を用いて高周波デバイスを実現する場合などに、コストを低く抑えながら、寄生容量が増加しないようにし、利得及び効率を十分に高め、帯域を十分に広くすることができるという利点がある。
なお、上述の実施形態では、高抵抗ＧａＮ基板１Ａを用い、このＧａＮ基板１Ａに対してドーパントにならない不純物としてＡｒを導入するようにしているが、これに限られるものではない。例えば、高抵抗半導体基板として、高抵抗サファイア基板を用い、その上に上述の実施形態と同様の結晶層（ＧａＮ層を含むＨＥＭＴ構造を含む）を形成し、半導体基板に対してドーパントにならない不純物として、Ａｒ，Ｎ，Ｏ，Ｈ，Ｐ，Ｈｅ，Ｂの中の少なくとも一つを導入するようにしても良い。
［その他］
なお、本発明は、上述した各実施形態及びその変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更、改良、組み合わせ等が可能である。
【００４９】
例えば、半導体基板上に形成される結晶層（化合物半導体層；半導体積層構造；ＨＥＭＴ構造）は、上述の各実施形態のものに限られるものではない。
例えば図６に示すように、高抵抗半導体基板１（１Ａ）上に、ＡｌＮ下地層２、ｉ−ＧａＮ電子走行層５、ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層７、ｎ−ＧａＮ保護層８を順に積層させた半導体積層構造を備えるものとしても良い。なお、図６では、上述の各実施形態（図１、図５参照）のものと同一のものには同一の符号を付している。また、例えば、電子供給層を、ＡｌＧａＮに代えて、ＡｌＧａＩｎＮによって形成しても良い。また、例えば、Ｉｎの組成比を制御して、電子供給層のバンドギャップを調整することによって、ＨＥＭＴのしきい値を変化させることができる。また、例えば、電子走行層、電子供給層等の各層を、他の化合物半導体材料（例えばＡｌＩｎＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮなど）によって形成しても良い。
【００５０】
また、例えば、上述の各実施形態では、高抵抗半導体基板を用いたＨＥＭＴ（高周波デバイス）を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、本発明は半導体基板を用いた半導体装置に広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる半導体装置（ＧａＮ−ＨＥＭＴ）の構成を示す模式的断面図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第１実施形態にかかる半導体装置（ＧａＮ−ＨＥＭＴ）の製造方法を説明するための模式的断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる半導体装置（ＧａＮ−ＨＥＭＴ）におけるＡｒ注入量と注入表面からの距離の関係を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかる半導体装置（ＧａＮ−ＨＥＭＴ）の効果を説明するための図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかる半導体装置（ＧａＮ−ＨＥＭＴ）の構成を示す模式的断面図である。
【図６】本発明の各実施形態にかかる半導体装置（ＧａＮ−ＨＥＭＴ）の変形例の構成を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  高抵抗Ｓｉ基板
１Ａ  高抵抗ＧａＮ基板
２  ＡｌＮ下地層
３  ｉ−ＧａＮバッファ層（ノンドープバッファ層）
４  ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層
５  ｉ−ＧａＮ電子走行層
６  ｉ−ＡｌＧａＮ層（ノンドープ層）
７  ｎ−ＡｌＧａＮ電子供給層
８  ｎ−ＧａＮ保護層
９  ソース電極
１０  ドレイン電極
１１  ゲート電極
１２  絶縁膜（ＳｉＮ膜）
【図１】
0005509544.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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