(57)【要約】【課題】耐圧特性及び閾値特性を向上するゲート電極を備えた信頼性の高い高耐圧の化合物半導体装置を実現する。【解決手段】化合物半導体積層構造２の上方にゲート電極１１２が形成されており、ゲート電極１１２は、ＴａＮにＡｌが固溶したＴａＮ：Ａｌ層１１２ａと、ＴａＮとＡｌとの化合物からなるＴａＡｌＮ層１１２ｂと、Ａｌ層１１２ｃとが積層されて構成されている。【選択図】図２
2014072388.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体積層構造と、
前記化合物半導体積層構造の上方に形成された電極と
を含み、
前記電極は、
第１の低抵抗金属を有する第１の電極層と、
前記化合物半導体積層構造と前記第１の電極層との間に配されており、第２の低抵抗金属が固溶した第１の窒化物導電体を有する第２の電極層と
を備えることを特徴とする化合物半導体装置。
【請求項２】
前記電極は、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に、第２の窒化物導電体と第３の低抵抗金属との化合物を有する第３の電極層を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体装置。
【請求項３】
前記第１の低抵抗金属と前記第２の低抵抗金属とが同一であることを特徴とする請求項１又は２に記載の化合物半導体装置。
【請求項４】
前記第１の窒化物導電体と前記第２の窒化物導電体とが同一であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の化合物半導体装置。
【請求項５】
前記化合物半導体積層構造上に形成された、側面が順テーパ状の開口を有する保護絶縁膜を更に含み、
前記電極は、前記開口内を埋め込み前記保護絶縁膜上に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の化合物半導体装置。
【請求項６】
化合物半導体積層構造を形成する工程と、
前記化合物半導体積層構造の上方に電極を形成する工程と
を含み、
前記電極は、
第１の低抵抗金属を有する第１の電極層と、
前記化合物半導体積層構造と前記第１の電極層との間に配されており、第２の低抵抗金属が固溶した第１の窒化物導電体を有する第２の電極層と
を備えることを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記電極は、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に、第２の窒化物導電体と第３の低抵抗金属との化合物を有する第３の電極層を更に備えることを特徴とする請求項６に記載の化合物半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１の低抵抗金属と前記第２の低抵抗金属とが同一であることを特徴とする請求項６又は７に記載の化合物半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記第１の窒化物導電体と前記第２の窒化物導電体とが同一であることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記化合物半導体積層構造上に、側面が順テーパ状の開口を有する保護絶縁膜を形成する工程を更に含み、
前記電極は、前記開口内を埋め込み前記保護絶縁膜上に形成されることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の化合物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、化合物半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、高い飽和電子速度及びワイドバンドギャップ等の特徴を利用し、高耐圧及び高出力の半導体デバイスへの適用が検討されている。例えば、窒化物半導体であるＧａＮのバンドギャップは３．４ｅＶであり、Ｓｉのバンドギャップ（１．１ｅＶ）及びＧａＡｓのバンドギャップ（１．４ｅＶ）よりも大きく、高い破壊電界強度を有する。そのためＧａＮは、高電圧動作且つ高出力を得る電源用の半導体デバイスの材料として極めて有望である。
【０００３】
窒化物半導体を用いた半導体デバイスとしては、電界効果トランジスタ、特に高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：ＨＥＭＴ）についての報告が数多くなされている。例えばＧａＮ系のＨＥＭＴ（ＧａＮ−ＨＥＭＴ）では、ＧａＮを電子走行層として、ＡｌＧａＮを電子供給層として用いたＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴが注目されている。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴでは、ＧａＮとＡｌＧａＮとの格子定数差に起因した歪みがＡｌＧａＮに生じる。これにより発生したピエゾ分極及びＡｌＧａＮの自発分極により、高濃度の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が得られる。そのため、高効率のスイッチ素子、電気自動車用等の高耐圧電力デバイスとして期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３０２９９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、例えばＧａＮ層を電子走行層として用いる電子デバイスには、高電圧・高温環境下における安定動作への期待が大きいが、解決すべき課題がある。特に、実用化へ向けての一番重要な課題は、高温・高電圧下における高信頼性の確立である。高温・高電圧下では、トランジスタに含まれる各種電極の劣化が懸念される。特に、ゲート電極に劣化が生じた場合には、耐圧特性及び閾値特性に大きな影響を及ぼす。そのため、信頼性の高いゲート電極構造の開発が待たれる現況にある。
【０００６】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、耐圧特性及び閾値特性を向上する電極を備えた信頼性の高い高耐圧の化合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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
化合物半導体装置の一態様は、化合物半導体積層構造と、前記化合物半導体積層構造の上方に形成された電極とを含み、前記電極は、第１の低抵抗金属を有する第１の電極層と、前記化合物半導体積層構造と前記第１の電極層との間に配されており、第２の低抵抗金属が固溶した第１の窒化物導電体を有する第２の電極層とを備える。
【０００８】
化合物半導体装置の製造方法の一態様は、化合物半導体積層構造を形成する工程と、前記化合物半導体積層構造の上方に電極を形成する工程とを含み、前記電極は、第１の低抵抗金属を有する第１の電極層と、前記化合物半導体積層構造と前記第１の電極層との間に配されており、第２の低抵抗金属が固溶した第１の窒化物導電体を有する第２の電極層とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
上記の諸態様によれば、耐圧特性及び閾値特性を向上する電極を備えた信頼性の高い高耐圧の化合物半導体装置が実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴの比較例の概略構成を示す断面図である。
【図２】ＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴの諸態様例を示す概略断面図である。
【図３】第１の実施形態によるＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図４】図３に引き続き、第１の実施形態によるＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図５】図４に引き続き、第１の実施形態によるＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図６】ゲート電圧を−１０Ｖ、ドレイン電圧を２００Ｖとし、２００℃の環境下で通電試験を行った際の閾値電圧の変動を示す特性図である。
【図７】ゲート−ドレイン間電圧を２００Ｖとし、２００℃で通電試験を行った際のゲートリーク電流の変動を示す特性図である。
【図８】第２の実施形態によるＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴの製造方法の主要工程を示す概略断面図である。
【図９】第３の実施形態による電源装置の概略構成を示す結線図である。
【図１０】第４の実施形態による高周波増幅器の概略構成を示す結線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
先ず、比較例との比較に基づき、化合物半導体装置の諸態様例について説明する。化合物半導体装置として、窒化物半導体のＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴを開示する。
図１は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴの比較例の概略構成を示す断面図であり、（ａ）が通電前の状態を、（ｂ）が通電後の状態を示す。図２は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴの諸態様例を示す概略断面図であり、（ａ）が第１の態様例を、（ｂ）が第２の態様例を示す。図２において、図１と同一の構成部材等については同じ符号を付し、説明を省略する。
【００１２】
比較例によるＭＩＳ型のＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴは、図１（ａ）のように、Ｓｉ基板１０１上に化合物半導体積層構造２が形成され、その上にゲート絶縁膜１０３を介してゲート電極１０４が形成される。化合物半導体積層構造２は、後述の実施形態で説明するように、ＧａＮの電子走行層、ＡｌＧａＮの電子供給層等が積層されてなる構造体である。ゲート電極１０４は、例えば厚み４０ｎｍ程度のＴａＮ層１０４ａと、厚み４００ｎｍ程度のＡｌ層１０４ｂとが積層されて構成されている。化合物半導体積層構造２上には、ゲート電極１０４の両側にソース電極及びドレイン電極が形成されるが、図示を省略する。
【００１３】
比較例のＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴでは、高温・高電圧環境下における通電試験により、図１（ｂ）のように、ゲート電極１０４でＡｌ層１０４ｂのＡｌ原子がＴａＮ層１０４ａ内に下方拡散する。ＴａＮ層１０４ａは多結晶又はアモルファス状態に形成される。そのため、高温・高電圧環境下で通電することにより、ＴａＮ層１０４ａの結晶粒界にＡｌ原子が浸透して拡散が生じると考えられる。この場合、甚だしくはＡｌ原子がゲート絶縁膜１０３内にまで拡散する。これにより、閾値電圧の変動及びゲートリーク電流の増加が認められる。
【００１４】
上記の比較例では、ゲート電極と化合物半導体積層構造との間にゲート絶縁膜が設けられたＭＩＳ型構造を例示した。ゲート絶縁膜を有さずゲート電極が化合物半導体積層構造と接触するショットキー型のＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴでは、Ａｌ層のＡｌ原子がＴａＮ層を越えて化合物半導体積層構造に浸透する。そのため、閾値電圧の変動及びゲートリーク電流の増加がＭＩＳ型構造の場合よりも著しくなる。
【００１５】
第１の態様例によるＭＩＳ型のＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴでは、図２（ａ）のように、化合物半導体積層構造２上にゲート絶縁膜１０３を介してゲート電極１１１が形成される。ゲート電極１１１は、例えば厚み４０ｎｍ程度のＴａＮ：Ａｌ層１１１ａと、厚み４００ｎｍ程度のＡｌ層１１１ｂとが積層されて構成されている。Ａｌ層１１１ｂが第１の低抵抗金属を有する第１の電極層であり、ＴａＮ：Ａｌ層１１１ａが第２の低抵抗金属の固溶した第１の窒化物導電体を有する第２の電極層である。
【００１６】
第１及び第２の低抵抗金属は、夫々、Ａｌ及びＣｕから選ばれた少なくとも１種である。第１の窒化物導電体を構成する金属元素は、Ｔａ、Ｔｉ、及びＷから選ばれた少なくとも１種である。第１の態様例では、第１及び第２の低抵抗金属が共にＡｌであり、且つ第１の窒化物導電体がＴａＮである場合を例示する。この組み合わせ以外にも、第１及び第２の低抵抗金属については、一方がＡｌで他方がＣｕである場合、共にＣｕである場合等がある。第１の窒化物導電体については、ＴｉＮ又はＷＮである場合等がある。
【００１７】
第１の態様例では、ＴａＮ：Ａｌ層１１１ａは、ＴａＮ内にＡｌが固溶して結晶粒界をＡｌで埋めた構成を採る。この構成により、高温・高電圧環境下で通電しても、Ａｌ層１１１ａから下方拡散しようとするＡｌがＴａＮ：Ａｌ層１１１ａでブロックされ、Ａｌの下方拡散が抑止される。これにより、閾値電圧が安定化し、ゲートリーク電流が大幅に減少する。
【００１８】
第２の態様例によるＭＩＳ型のＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴでは、図２（ｂ）のように、化合物半導体積層構造２上にゲート絶縁膜１０３を介してゲート電極１１２が形成される。ゲート電極１１２は、例えば厚み４０ｎｍ程度のＴａＮ：Ａｌ層１１２ａと、厚み２０ｎｍ程度のＴａＡｌＮ層１１２ｂと、厚み４００ｎｍ程度のＡｌ層１１２ｃとが積層されて構成されている。Ａｌ層１１２ｃが第１の低抵抗金属を有する第１の電極層であり、ＴａＮ：Ａｌ層１１２ａが第２の低抵抗金属の固溶した第１の窒化物導電体を有する第２の電極層である。Ａｌ層１１２ａとＡｌ層１１２ｃとに挟持されたＴａＡｌＮ層１１２ｂが、第２の窒化物導電体と第３の低抵抗金属との化合物を有する第３の電極層である。
【００１９】
第１、第２、及び第３の低抵抗金属は、夫々、Ａｌ及びＣｕから選ばれた少なくとも１種である。第１及び第２の窒化物導電体を構成する金属元素は、夫々、Ｔａ、Ｔｉ、及びＷから選ばれた少なくとも１種である。第２の態様例では、第１、第２、及び第３の低抵抗金属が全てＡｌであり、且つ第１及び第２の窒化物導電体が共にＴａＮである場合を例示する。この組み合わせ以外にも、第１、第２、及び第３の低抵抗金属については、１つがＡｌで他の２つがＣｕである場合、１つがＣｕで他の２つがＡｌである場合、全てＣｕである場合等がある。第１及び第２の窒化物導電体については、双方が異なる場合では夫々ＴａＮ、ＴｉＮ、及びＷＮのうちから選ばれた１種とし、双方が同じ場合ではＴｉＮ又はＷＮとする等がある。
【００２０】
第２の態様例では、ＴａＮ：Ａｌ層１１２ａは、ＴａＮ内にＡｌが固溶して結晶粒界をＡｌで埋めた構成を採る。ＴａＡｌＮ層１１２ｂは、ＴａＮとＡｌとの化合物からなる構成を採る。この２層構造でＡｌの下方拡散をより確実に防止する。即ち、高温・高電圧環境下で通電しても、Ａｌ層１１１ａから下方拡散しようとするＡｌがＴａＡｌＮ層１１２ｂ及びＴａＮ：Ａｌ層１１１ａでブロックされ、Ａｌの下方拡散が抑止される。これにより、閾値電圧が安定化し、ゲートリーク電流が大幅に減少する。
【００２１】
（第１の実施形態）
本実施形態では、化合物半導体装置として、ＭＩＳ型のＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴを開示する。
図３〜図５は、第１の実施形態によるＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴの製造方法を工程順に示す概略断面図である。なお、図４（ｂ）以降では、保護絶縁膜の電極用リセスの近傍を拡大して示し、Ｓｉ基板、素子分離構造、ソース電極、及びドレイン電極の図示を省略する。
【００２２】
先ず、図３（ａ）に示すように、成長用基板として例えばＳｉ基板１上に、化合物半導体積層構造２を形成する。成長用基板としては、Ｓｉ基板の代わりに、ＳｉＣ基板、サファイア基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板等を用いても良い。また、基板の導電性としては、半絶縁性、導電性を問わない。
化合物半導体積層構造２は、バッファ層２ａ、電子走行層２ｂ、中間層２ｃ、電子供給層２ｄ、及びキャップ層２ｅを有して構成される。
【００２３】
完成したＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴでは、その動作時において、電子走行層２ｂの電子供給層２ｄ（正確には中間層２ｃ）との界面近傍に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が発生する。この２ＤＥＧは、電子走行層２ｂの化合物半導体（ここではＧａＮ）と電子供給層２ｄの化合物半導体（ここではＡｌＧａＮ）との格子定数の相違に基づいて生成される。
【００２４】
詳細には、Ｓｉ基板１上に、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法により、以下の各化合物半導体を成長する。ＭＯＶＰＥ法の代わりに、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法等を用いても良い。
Ｓｉ基板１上に、ＡｌＮを５ｎｍ程度の厚みに、ｉ（インテンショナリ・アンドープ）−ＧａＮを１μｍ程度の厚みに、ｉ−ＡｌＧａＮを５ｎｍ程度の厚みに、ｎ−ＡｌＧａＮを３０ｎｍ程度の厚みに、ｎ−ＧａＮを３ｎｍ程度の厚みに順次成長する。これにより、バッファ層２ａ、電子走行層２ｂ、中間層２ｃ、電子供給層２ｄ、及びキャップ層２ｅが形成される。バッファ層２ａとしては、ＡｌＮ単層の代わりに、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮから選ばれた材料の積層構造、超格子構造を用いても良い。
【００２５】
ＡｌＮの成長条件としては、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス及びアンモニア（ＮＨ3）ガスの混合ガスを用いる。ＧａＮの成長条件としては、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス及びＮＨ3ガスの混合ガスを用いる。ＡｌＧａＮの成長条件としては、原料ガスとしてＴＭＡガス、ＴＭＧガス、及びＮＨ3ガスの混合ガスを用いる。成長する化合物半導体層に応じて、Ａｌ源であるＴＭＡガス、Ｇａ源であるＴＭＧガスの供給の有無及び流量を適宜設定する。共通原料であるＮＨ3ガスの流量は、１００ｃｃｍ〜１０ＬＭ程度とする。また、成長圧力は５０Torr〜３００Torr程度、成長温度は１０００℃〜１２００℃程度とする。
【００２６】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮをｎ型として成長する際、即ちキャップ層２ｅのｎ−ＧａＮ、電子供給層２ｄのｎ−ＡｌＧａＮを成長する際には、ｎ型不純物として例えばＳｉを含む例えばＳｉＨ4ガスを所定の流量で原料ガスに添加する。これにより、ＧａＮ及びＡｌＧａＮにＳｉをドーピングする。Ｓｉのドーピング濃度は、１×１０18／ｃｍ3程度〜１×１０20／ｃｍ3程度、例えば５×１０18／ｃｍ3程度とする。
【００２７】
続いて、図３（ｂ）に示すように、素子分離構造３を形成する。図２（ａ）以降では、素子分離構造３の図示を省略する。
詳細には、化合物半導体積層構造２の素子分離領域に、例えばアルゴン（Ａｒ）を注入する。これにより、化合物半導体積層構造２に素子分離構造３が形成される。素子分離構造３により、化合物半導体積層構造２上で活性領域が画定される。
なお、素子分離は、上記の注入法の代わりに、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法を用いて行っても良い。このとき、化合物半導体積層構造２のドライエッチングには、例えば塩素系のエッチングガスを用いる。
【００２８】
続いて、図３（ｃ）に示すように、ソース電極４及びドレイン電極５を形成する。
詳細には、先ず、化合物半導体積層構造２の表面におけるソース電極及びドレイン電極の形成予定位置（電極形成予定位置）に電極用リセス２Ａ，２Ｂを形成する。
化合物半導体積層構造２の表面にレジストを塗布する。レジストをリソグラフィーにより加工し、レジストに、電極形成予定位置に相当する化合物半導体積層構造２の表面を露出する開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
【００２９】
このレジストマスクを用いて、電子供給層２ｄの表面が露出するまで、キャップ層２ｅの電極形成予定位置をドライエッチングして除去する。これにより、電子供給層２ｄの表面の電極形成予定位置を露出する電極用リセス２Ａ，２Ｂが形成される。エッチング条件としては、Ａｒ等の不活性ガス及びＣｌ2等の塩素系ガスをエッチングガスとして用い、例えばＣｌ2を流量３０ｓｃｃｍ、圧力を２Ｐａ、ＲＦ投入電力を２０Ｗとする。なお、電極用リセス２Ａ，２Ｂは、キャップ層２ｅの途中までエッチングして形成しても、また電子供給層２ｄ以降までエッチングして形成しても良い。
レジストマスクは、灰化処理等により除去される。
【００３０】
ソース電極及びドレイン電極を形成するためのレジストマスクを形成する。ここでは、蒸着法及びリフトオフ法に適した例えば庇構造２層レジストを用いる。このレジストを化合物半導体積層構造２上に塗布し、電極用リセス２Ａ，２Ｂを露出させる開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
このレジストマスクを用いて、電極材料として、例えばＴａ／Ａｌを、例えば蒸着法により、電極用リセス２Ａ，２Ｂを露出させる開口内を含むレジストマスク上に堆積する。Ｔａの厚みは２０ｎｍ程度、Ａｌの厚みは２００ｎｍ程度とする。リフトオフ法により、レジストマスク及びその上に堆積したＴａ／Ａｌを除去する。その後、Ｓｉ基板１を、例えば窒素雰囲気中において４００℃〜１０００℃程度の温度、例えば６００℃程度で熱処理し、残存したＴａ／Ａｌを電子供給層２ｄとオーミックコンタクトさせる。Ｔａ／Ａｌの電子供給層２ｄとのオーミックコンタクトが得られるのであれば、熱処理が不要な場合もある。以上により、電極用リセス２Ａ，２Ｂを電極材料の一部で埋め込むソース電極４及びドレイン電極５が形成される。
【００３１】
続いて、図４（ａ）に示すように、保護絶縁膜６を形成する。
詳細には、化合物半導体積層構造２上に、プラズマＣＶＤ法又はスパッタ法等により、窒化珪素（ＳｉＮ）を３０ｎｍ程度〜５００ｎｍ程度、例えば２００ｎｍ程度の厚みに堆積する。これにより、保護絶縁膜６が形成される。
ＳｉＮは、化合物半導体積層構造２を覆うパッシベーション膜に用いることにより、電流コラプスを低減することができる。
【００３２】
続いて、図４（ｂ）に示すように、保護絶縁膜６に電極用リセス６ａを形成する。
詳細には、先ず、保護絶縁膜６の表面にレジストを塗布する。レジストをリソグラフィーにより加工し、レジストに、ゲート電極の形成予定領域（電極形成予定領域）に相当する保護絶縁膜６の表面を露出する開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
【００３３】
このレジストマスクを用いて、キャップ層２ｅの表面が露出するまで、保護絶縁膜６の電極形成予定領域をドライエッチングして除去する。これにより、保護絶縁膜６には、キャップ層２ｅの表面の電極形成予定領域を露出する電極用リセス６ａが形成される。電極用リセス６ａは、側面が順テーパ状に形成され、図示のように断面が略Ｖ字状の形状となる。ドライエッチングには、例えばフッ素系のエッチングガスを用いる。このドライエッチングには、キャップ層２ｅに及ぼすエッチングダメージが可及的に小さいことが要求されるところ、フッ素系ガスを用いたドライエッチングは、電子供給層２ｄへのエッチングダメージが小さい。
【００３４】
ドライエッチングの代わりに、フッ素系溶液を用いたウェットエッチングにより、電極用リセスを形成しても良い。
その後、レジストマスクは、酸素プラズマを用いたアッシング処理、又は薬液を用いたウェット処理により除去される。
【００３５】
続いて、図４（ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜７を形成する。
詳細には、電極用リセス６ａの内壁面を覆うように、保護絶縁膜６上に絶縁材料として例えばＡｌ2Ｏ3を堆積する。Ａｌ2Ｏ3は、例えば原子層堆積法（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ法）により膜厚２ｎｍ〜２００ｎｍ程度、ここでは４０ｎｍ程度に堆積する。これにより、ゲート絶縁膜７が形成される。
【００３６】
なお、Ａｌ2Ｏ3の堆積は、ＡＬＤ法の代わりに、例えばプラズマＣＶＤ法又はスパッタ法等で行うようにしても良い。また、Ａｌ2Ｏ3を堆積する代わりに、Ａｌの窒化物又は酸窒化物を用いても良い。それ以外にも、Ｓｉ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｗの酸化物、窒化物又は酸窒化物、或いはこれらから適宜に選択して多層に堆積して、ゲート絶縁膜を形成しても良い。
【００３７】
続いて、図５（ａ）に示すように、ゲート電極の電極材料８Ａを堆積する。
詳細には、電極用リセス６ａ内をゲート絶縁膜７を介して埋め込むように、ゲート絶縁膜７上にＴａＮ：Ａｌ層８ａを厚み４０ｎｍ程度に、ＴａＡｌＮ層８ｂを厚み２０ｎｍ程度に、Ａｌ層８ｂを厚み４００ｎｍ程度に、スパッタ法等により順次堆積する。以上により、ＴａＮ：Ａｌ／ＴａＡｌＮ／Ａｌ構造の電極材料８Ａが形成される。ＴａＮ：Ａｌ層８ａを形成するためのスパッタリングターゲットは、例えば、ＴａＮにＡｌを接触させ、熱処理によりＡｌを固溶させたものである。ＴａＡｌＮ層８ｂを形成するためのスパッタリングターゲットは、ＴａＮとＡｌとの化合物からなるものである。電極材料８Ａが形成される。電極材料８ＡのＴａＮ：Ａｌ／ＴａＡｌＮ／Ａｌ構造は、必ずしも厳密に峻別された層構造となることは要さず、各層の界面近傍では一部が渾然一体の状態でも良い。また、ＴａＮ：Ａｌ／ＴａＡｌＮ／Ａｌ構造の代わりに、例えば、ＴａＮ：Ｃｕ／ＴａＡｌＮ／Ａｌ構造、ＴａＮ：Ｃｕ／ＴａＣｕＮ／Ａｌ構造、ＴａＮ：Ｃｕ／ＴａＣｕＮ／Ｃｕ構造等の電極材料を形成しても良い。
【００３８】
続いて、図５（ｂ）に示すように、ゲート電極８を形成する。
詳細には、電極材料８Ａ上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、電極材料８Ａ上のゲート電極の形成予定領域を覆うレジストマスクを形成する。
このレジストマスクを用い、電極材料８Ａの露出部分を例えばイオンミリング法で除去する。このとき、保護絶縁膜６を若干オーバーエッチングする。酸素プラズマを用いたアッシング処理、又は所定の薬液を用いたウェット処理により、レジストマスクを除去する。以上により、電極用リセス６ａ内を電極材料８Ａによりゲート絶縁膜７を介して埋め込み、保護絶縁膜６上に乗り上げる形状（ゲート長方向に沿った断面が所謂オーバーハング形状）に、ＴａＮ：Ａｌ／ＴａＡｌＮ／Ａｌ構造のゲート電極８が形成される。
【００３９】
しかる後、層間絶縁膜の形成、ソース電極４、ドレイン電極５、ゲート電極７と接続される配線の形成、上層の保護膜の形成、最表面に露出する接続電極の形成等の諸工程を経て、本実施形態によるＭＩＳ型のＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴが形成される。
【００４０】
本実施形態によるＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴについて、比較例との比較に基づき、通電試験を行った。その結果について、以下で説明する。比較例によるＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴは、本実施形態によるＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴのゲート電極を、図１（ａ）のように、ＴａＮ層及びＡｌ層の２層構造に形成したものである。
【００４１】
先ず、ゲート電圧を−１０Ｖ、ドレイン電圧を２００Ｖとし、２００℃の環境下で通電試験を行った際の閾値電圧の変動を調べた。その結果を図６に示す。
比較例では、通電時間が長くなるに連れて閾値電圧が負方向へ変動している。この変動は、ゲート電極において、Ａｌ層からＡｌ原子が下方に拡散し、ＴａＮ層内、更にはゲート絶縁膜まで到達し、ゲート絶縁膜に接する金属の仕事関数が変化したために生じたものと考えられる。これに対して本実施形態では、通電時間が長くなっても閾値電圧の変動は認められなかった。このように、本実施形態のゲート電極におけるＴａＮ：Ａｌ／ＴａＡｌＮ／Ａｌ構造が高信頼性を有することが確認された。
【００４２】
次に、ゲート−ドレイン間電圧を２００Ｖとし、２００℃で通電試験を行った際のゲートリーク電流の変動を調べた。その結果を図７に示す。
比較例では、通電時間が長くなるに連れてゲートリーク電流が増加している。これは、ゲート電極において、Ａｌ層からＡｌ原子が下方に拡散してゲート絶縁膜に到達し、リークパスが生成されたために生じたものと考えられる。これに対して本実施形態では、通電時間が長くなってもゲートリーク電流の変動は認められなかった。このように、本実施形態のゲート電極におけるＴａＮ：Ａｌ／ＴａＡｌＮ／Ａｌ構造が高信頼性を有することが確認された。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態によれば、耐圧特性及び閾値特性を向上するゲート電極８を備えた信頼性の高い高耐圧のＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴが実現する。
【００４４】
（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態と同様にＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴの構成及び製造方法を開示するが、ゲート絶縁膜を有さず、ゲート電極が化合物半導体積層構造の表面にショットキー接触するショットキー型のＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴを例示する。なお、第１の実施形態の構成部材等と同一のものについては、同符号を付して詳しい説明を省略する。
【００４５】
図８は、第２の実施形態によるＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴの製造方法の主要工程を示す概略断面図である。図８では、保護絶縁膜の電極用リセスの近傍を拡大して示し、Ｓｉ基板、素子分離構造、ソース電極、及びドレイン電極の図示を省略する。
【００４６】
本実施形態では、第１の実施形態と同様に、先ず図３（ａ）〜図４（ｂ）の諸工程を経る。このとき、図８（ａ）に示すように、化合物半導体積層構造２上の保護絶縁膜６に電極用リセス６ａが形成される。
【００４７】
続いて、図８（ｂ）に示すように、ゲート電極の電極材料１１Ａを堆積する。
詳細には、電極用リセス６ａ内を埋め込むように、保護絶縁膜６上にＴａＮ：Ａｌ層１１ａを厚み４０ｎｍ程度に、ＴａＡｌＮ層１１ｂを厚み２０ｎｍ程度に、Ａｌ層１１ｂを厚み４００ｎｍ程度に、スパッタ法等により順次堆積する。以上により、ＴａＮ：Ａｌ／ＴａＡｌＮ／Ａｌ構造の電極材料１１Ａが形成される。ＴａＮ：Ａｌ層１１ａを形成するためのスパッタリングターゲットは、例えば、ＴａＮにＡｌを接触させ、熱処理によりＡｌを固溶させたものである。ＴａＡｌＮ層１１ｂを形成するためのスパッタリングターゲットは、ＴａＮとＡｌとの化合物からなるものである。電極材料１１Ａが形成される。電極材料１１ＡのＴａＮ：Ａｌ／ＴａＡｌＮ／Ａｌ構造は、必ずしも厳密に峻別された層構造となることは要さず、各層の界面近傍では一部が渾然一体の状態でも良い。また、ＴａＮ：Ａｌ／ＴａＡｌＮ／Ａｌ構造の代わりに、例えば、ＴａＮ：Ｃｕ／ＴａＡｌＮ／Ａｌ構造、ＴａＮ：Ｃｕ／ＴａＣｕＮ／Ａｌ構造、ＴａＮ：Ｃｕ／ＴａＣｕＮ／Ｃｕ構造等の電極材料を形成しても良い。
【００４８】
続いて、図８（ｃ）に示すように、ゲート電極１１を形成する。
詳細には、電極材料１１Ａ上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、電極材料１１Ａ上のゲート電極の形成予定領域を覆うレジストマスクを形成する。
このレジストマスクを用い、電極材料１１Ａの露出部分を例えばイオンミリング法で除去する。このとき、保護絶縁膜６を若干オーバーエッチングする。酸素プラズマを用いたアッシング処理、又は所定の薬液を用いたウェット処理により、レジストマスクを除去する。以上により、電極用リセス６ａ内を電極材料１１Ａにより埋め込み、保護絶縁膜６上に乗り上げる形状（ゲート長方向に沿った断面が所謂オーバーハング形状）に、ＴａＮ：Ａｌ／ＴａＡｌＮ／Ａｌ構造のゲート電極１１が形成される。ゲート電極１１は、電極用リセス６ａの底面で化合物半導体積層構造２（キャップ層２ｅ）の表面とショットキー接触する。
【００４９】
しかる後、層間絶縁膜の形成、ソース電極４、ドレイン電極５、ゲート電極７と接続される配線の形成、上層の保護膜の形成、最表面に露出する接続電極の形成等の諸工程を経て、本実施形態によるショットキー型のＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴが形成される。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態によれば、耐圧特性及び閾値特性を向上するゲート電極１１を備えた信頼性の高い高耐圧のＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴが実現する。
【００５１】
（第３の実施形態）
本実施形態では、第１又は第２の実施形態のＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴを適用した電源装置を開示する。
図９は、第３の実施形態による電源装置の概略構成を示す結線図である。
【００５２】
本実施形態による電源装置は、高圧の一次側回路２１及び低圧の二次側回路２２と、一次側回路２１と二次側回路２２との間に配設されるトランス２３とを備えて構成される。
一次側回路２１は、交流電源２４と、いわゆるブリッジ整流回路２５と、複数（ここでは４つ）のスイッチング素子２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄとを備えて構成される。また、ブリッジ整流回路２５は、スイッチング素子２６ｅを有している。
二次側回路２２は、複数（ここでは３つ）のスイッチング素子２７ａ，２７ｂ，２７ｃを備えて構成される。
【００５３】
本実施形態では、一次側回路４１のスイッチング素子２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅが、第１又は第２の実施形態のＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴとされている。一方、二次側回路２２のスイッチング素子２７ａ，２７ｂ，２７ｃは、シリコンを用いた通常のＭＩＳ・ＦＥＴとされている。
【００５４】
本実施形態によれば、耐圧特性及び閾値特性を向上するゲート電極を備えた信頼性の高い高耐圧のＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴを、電源回路に適用する。これにより、信頼性の高い大電力の電源回路が実現する。
【００５５】
（第４の実施形態）
本実施形態では、第１又は第２の実施形態のＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴを適用した高周波増幅器を開示する。
図１０は、第４の実施形態による高周波増幅器の概略構成を示す結線図である。
【００５６】
本実施形態による高周波増幅器は、ディジタル・プレディストーション回路３１と、ミキサー３２ａ，３２ｂと、パワーアンプ３３とを備えて構成される。
ディジタル・プレディストーション回路３１は、入力信号の非線形歪みを補償するものである。ミキサー３２ａは、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号をミキシングするものである。パワーアンプ３３は、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅するものであり、第１又は第２の実施形態のＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴを有している。なお図１０では、例えばスイッチの切り替えにより、出力側の信号をミキサー３２ｂで交流信号とミキシングしてディジタル・プレディストーション回路３１に送出できる構成とされている。
【００５７】
本実施形態では、耐圧特性及び閾値特性を向上するゲート電極を備えた信頼性の高い高耐圧のＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴを、高周波増幅器に適用する。これにより、信頼性の高い高耐圧の高周波増幅器が実現する。
【００５８】
（他の実施形態）
第１〜第４の実施形態では、化合物半導体装置としてＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴを例示した。化合物半導体装置としては、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴ以外にも、以下のようなＨＥＭＴに適用できる。
【００５９】
・その他のＨＥＭＴ例１
本例では、化合物半導体装置として、ＩｎＡｌＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴを開示する。
ＩｎＡｌＮとＧａＮは、組成によって格子定数を近くすることが可能な化合物半導体である。この場合、上記した第１〜第４の実施形態では、電子走行層がｉ−ＧａＮ、中間層がｉ−ＩｎＡｌＮ、電子供給層がｎ−ＩｎＡｌＮ、キャップ層がｎ−ＧａＮで形成される。また、この場合のピエゾ分極がほとんど発生しないため、２次元電子ガスは主にＩｎＡｌＮの自発分極により発生する。
【００６０】
本例によれば、上述したＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴと同様に、耐圧特性及び閾値特性を向上するゲート電極を備えた信頼性の高い高耐圧のＩｎＡｌＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴが実現する。
【００６１】
・その他のＨＥＭＴ例２
本例では、化合物半導体装置として、ＩｎＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴを開示する。
ＧａＮとＩｎＡｌＧａＮは、後者の方が前者よりも組成によって格子定数を小さくすることができる化合物半導体である。この場合、上記した第１〜第４の実施形態では、電子走行層がｉ−ＧａＮ、中間層がｉ−ＩｎＡｌＧａＮ、電子供給層がｎ−ＩｎＡｌＧａＮ、キャップ層がｎ−ＧａＮで形成される。
【００６２】
本例によれば、上述したＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴと同様に、耐圧特性及び閾値特性を向上するゲート電極を備えた信頼性の高い高耐圧のＩｎＡｌＧａＮ／ＧａＮ・ＨＥＭＴが実現する。
【００６３】
以下、化合物半導体装置及びその製造方法、並びに電源装置及び高周波増幅器の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００６４】
（付記１）化合物半導体積層構造と、
前記化合物半導体積層構造の上方に形成された電極と
を含み、
前記電極は、
第１の低抵抗金属を有する第１の電極層と、
前記化合物半導体積層構造と前記第１の電極層との間に配されており、第２の低抵抗金属が固溶した第１の窒化物導電体を有する第２の電極層と
を備えることを特徴とする化合物半導体装置。
【００６５】
（付記２）前記電極は、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に、第２の窒化物導電体と第３の低抵抗金属との化合物を有する第３の電極層を更に備えることを特徴とする付記１に記載の化合物半導体装置。
【００６６】
（付記３）前記第１の低抵抗金属と前記第２の低抵抗金属とが同一であることを特徴とする付記１又は２に記載の化合物半導体装置。
【００６７】
（付記４）前記第１の窒化物導電体と前記第２の窒化物導電体とが同一であることを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の化合物半導体装置。
【００６８】
（付記５）前記化合物半導体積層構造上に形成された、側面が順テーパ状の開口を有する保護絶縁膜を更に含み、
前記電極は、前記開口内を埋め込み前記保護絶縁膜上に形成されていることを特徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載の化合物半導体装置。
【００６９】
（付記６）化合物半導体積層構造を形成する工程と、
前記化合物半導体積層構造の上方に電極を形成する工程と
を含み、
前記電極は、
第１の低抵抗金属を有する第１の電極層と、
前記化合物半導体積層構造と前記第１の電極層との間に配されており、第２の低抵抗金属が固溶した第１の窒化物導電体を有する第２の電極層と
を備えることを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
【００７０】
（付記７）前記電極は、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に、第２の窒化物導電体と第３の低抵抗金属との化合物を有する第３の電極層を更に備えることを特徴とする付記６に記載の化合物半導体装置の製造方法。
【００７１】
（付記８）前記第１の低抵抗金属と前記第２の低抵抗金属とが同一であることを特徴とする付記６又は７に記載の化合物半導体装置の製造方法。
【００７２】
（付記９）前記第１の窒化物導電体と前記第２の窒化物導電体とが同一であることを特徴とする付記６〜８のいずれか１項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
【００７３】
（付記１０）前記化合物半導体積層構造上に、側面が順テーパ状の開口を有する保護絶縁膜を形成する工程を更に含み、
前記電極は、前記開口内を埋め込み前記保護絶縁膜上に形成されることを特徴とする付記６〜９のいずれか１項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
【００７４】
（付記１１）変圧器と、前記変圧器を挟んで高圧回路及び低圧回路とを備えた電源回路であって、
前記高圧回路はトランジスタを有しており、
前記トランジスタは、
化合物半導体積層構造と、
前記化合物半導体積層構造の上方に形成された電極と
を含み、
前記電極は、
第１の低抵抗金属を有する第１の電極層と、
前記化合物半導体積層構造と前記第１の電極層との間に配されており、第２の低抵抗金属が固溶した第１の窒化物導電体を有する第２の電極層と
を備えることを特徴とする電源回路。
【００７５】
（付記１２）入力した高周波電圧を増幅して出力する高周波増幅器であって、
トランジスタを有しており、
前記トランジスタは、化合物半導体積層構造と、
前記化合物半導体積層構造の上方に形成された電極と
を含み、
前記電極は、
第１の低抵抗金属を有する第１の電極層と、
前記化合物半導体積層構造と前記第１の電極層との間に配されており、第２の低抵抗金属が固溶した第１の窒化物導電体を有する第２の電極層と
を備えることを特徴とする高周波増幅器。
【符号の説明】
【００７６】
１，１０１  Ｓｉ基板
２，１０２  化合物半導体積層構造
２ａ  バッファ層
２ｂ  電子走行層
２ｃ  中間層
２ｄ  電子供給層
２ｅ  キャップ層
２Ａ，２Ｂ  電極用リセス
３  素子分離構造
４  ソース電極
５  ドレイン電極
６  保護絶縁膜
６ａ  開口
７，１０３  ゲート絶縁膜
８，１１，１０４，１１１，１１２  ゲート電極
８ａ，１１ａ，１１１ａ，１１２ａ  ＴａＮ：Ａｌ層
８ｂ，１１ｂ，１１２ｂ  ＴａＡｌＮ層
８ｃ，１１ｃ，１１１ｂ，１１２ｃ  Ａｌ層
８Ａ，１１Ａ  電極材料
２１  一次側回路
２２  二次側回路
２３  トランス
２４  交流電源
２５  ブリッジ整流回路
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２７ａ，２７ｂ，２７ｃ  スイッチング素子
３１  ディジタル・プレディストーション回路
３２ａ，３２ｂ  ミキサー
３３  パワーアンプ
１０４ａ  ＴａＮ層
１０４ｂ  Ａｌ層
【図１】
2014072388.tif 000003
【図２】
2014072388.tif 000004
【図３】
2014072388.tif 000005
【図４】
2014072388.tif 000006
【図５】
2014072388.tif 000007
【図６】
2014072388.tif 000008
【図７】
2014072388.tif 000009
【図８】
2014072388.tif 000010
【図９】
2014072388.tif 000011
【図１０】
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