(57)【要約】  半導体装置（１００）は、基板（１０１）と、基板（１０１）の上方に形成された第１の窒化物半導体層（１０３）と、第１の窒化物半導体層（１０３）の上に形成された第２の窒化物半導体層（１０４）と、基板（１０１）の上方に形成されたオーミック電極（１０６）と、少なくともオーミック電極（１０６）の一部に接し、ケイ素および塩素を含むコンタクト層（１０５）とを備え、第２の窒化物半導体層（１０４）のバンドギャップは、第１の窒化物半導体層（１０３）のバンドギャップより大きく、第１の窒化物半導体層（１０３）と第２の窒化物半導体層（１０４）とのヘテロ界面の第１の窒化物半導体層（１０３）側には、２次元電子ガスチャネルが形成され、コンタクト層（１０５）において、少なくともケイ素濃度のピーク値は、塩素濃度のピーク値よりも高い。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上方に形成された第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層の上に形成された第２の窒化物半導体層と、
前記基板の上方に形成されたオーミック電極と、
少なくとも前記オーミック電極の一部に接し、ケイ素および塩素を含むコンタクト層とを備え、
前記第２の窒化物半導体層のバンドギャップは、前記第１の窒化物半導体層のバンドギャップより大きく、
前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層とのヘテロ界面の前記第１の窒化物半導体層側には、２次元電子ガスチャネルが形成され、
前記コンタクト層において、少なくともケイ素濃度のピーク値は、塩素濃度のピーク値よりも高い、
半導体装置。
【請求項２】
前記コンタクト層は、前記オーミック電極と前記コンタクト層の界面から深さ３０ｎｍの範囲に設けられおり、
前記コンタクト層において、ケイ素濃度は、塩素濃度よりも高い、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記コンタクト層の塩素濃度のピーク値は、１×１０１８ｃｍ−３以上である、
請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第２の窒化物半導体層内に前記コンタクト層の下面があり、
前記コンタクト層の下面と前記ヘテロ界面との間の塩素濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以下である、
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】
前記コンタクト層の下面は、前記へテロ界面に到達している、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記オーミック電極の下面の全部または一部は、前記第２の窒化物半導体層の一部を除去したリセスの上に形成されている、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記オーミック電極の下面の全部または一部は、前記オーミック電極の下方における前記第２の窒化物半導体層の全部と前記第１の窒化物半導体層の一部とを除去したリセスの上に形成されている、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記オーミック電極の端部は、平面視で前記コンタクト層の端部と同一または前記コンタクト層の端部から突出して形成されており、
平面視で前記コンタクト層の端部から３０ｎｍまでの範囲において、ケイ素濃度は、塩素濃度よりも高い、
請求項２に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記オーミック電極との間で電圧が印加される対向電極を備え、
前記オーミック電極は、平面視で前記コンタクト層から前記対向電極の方向に突出している、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記第２の窒化物半導体層の上に形成され、開口部を有する絶縁膜を備え、
前記オーミック電極は、前記開口部を覆うように形成されており、
前記絶縁膜は、塩素を含む絶縁層を有し、
前記絶縁層の塩素濃度のピーク値は、１×１０１８ｃｍ−３以上である、
請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記絶縁層において、前記オーミック電極の下以外の一部の塩素濃度は、前記オーミック電極の下の塩素濃度よりも低い、
請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
基板の上に第１の窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第１の窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体層を前記第１の窒化物半導体層の上に形成する工程と、
前記第２の窒化物半導体層にＳｉＣｌ４ガスを含んだプラズマ処理を施すことによりケイ素と塩素とを含んだコンタクト層を形成する工程と、
前記コンタクト層を形成した後に４５０℃以上９００℃以下で第１の熱処理を行う工程と、
前記第１の熱処理を行った後に前記コンタクト層の上にオーミック電極を形成する工程と、
前記オーミック電極を形成した後に９００℃以下で第２の熱処理を行う工程とを含む、
半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記第２の窒化物半導体層を形成する工程の後に、前記第２の窒化物半導体層の上に開口部を有する絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜をマスクとしてＳｉＣｌ４ガスを含んだプラズマ処理を施す工程とを含み、
前記オーミック電極を形成する工程では、前記絶縁膜の前記開口部を覆うように前記オーミック電極を形成する、
請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記プラズマ処理を施す工程では、前記コンタクト層の塩素濃度のピーク値が１×１０１８ｃｍ−３以上となるように、ＳｉＣｌ４ガスを含んだプラズマ処理の条件を調整する、
請求項１２または１３に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、III族窒化物半導体を用いたIII族窒化物半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物半導体、特に、ＧａＮ（ガリウム窒化物）またはＡｌＧａＮ（アルミニウムガリウム窒化物）を用いたIII族窒化物半導体装置は、材料のバンドギャップの広さから、高い絶縁破壊電圧を有する。また、III族窒化物半導体装置では、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ等のヘテロ構造を容易に形成できる。【０００３】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造では、材料間での格子定数差から発生するピエゾ分極とＡｌＧａＮおよびＧａＮの自発分極との差により、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面のＧａＮ層側に高濃度の電子（２次元電子ガス：Ｔｗｏ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｇａｓ（以下「２ＤＥＧ」と称する））によるチャネル（以下「２ＤＥＧチャネル」と称する）が形成される。この２ＤＥＧチャネルを利用したIII族窒化物半導体装置は、電子飽和速度が高く、かつ、耐絶縁性が高く、熱伝導率も高いことから、高周波パワーデバイスに応用されている。【０００４】
これらのIII族窒化物半導体装置において特性を高めるためには、III族窒化物半導体装置内のオーミック電極と２ＤＥＧとのコンタクト（以下、オーミックコンタクトと称する）や２ＤＥＧチャネルの抵抗等の寄生抵抗成分を出来る限り低減させるとよい。【０００５】
従来、オーミック電極と２ＤＥＧとのオーミックコンタクト抵抗を低減する方法が特許文献１および特許文献２に開示されている。【０００６】
特許文献１には、オーミック電極を、ＡｌＧａＮとＧａＮとが積層された超格子層の上に形成し、超格子層とその超格子層と接しているＡｌＧａＮ表面とにケイ素イオンを注入することにより、超格子層に生じた分極電荷に誘起されて電子を多数発生させることが記載されている。これにより、ＡｌＧａＮの電子に対するポテンシャルが低くなるので、オーミックコンタクト抵抗を低減できるとされている。【０００７】
一方、特許文献２には、Ｔｉ膜とＡｌ膜を順に積層したオーミック電極と接するＡｌＧａＮ表面に酸素イオンと塩素イオンとを注入して、酸素濃度のピーク値と塩素濃度のピーク値とを特定の範囲にすることが記載されている。これにより、オーミックコンタクト抵抗を低減できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−３５１７６２号公報
【特許文献２】特許第６０１８８０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１に記載された方法によれば、ＡｌＧａＮとＧａＮのヘテロ構造によって達成される最高の電子濃度は、体積濃度に換算すると、通常のイオン注入装置を用いてケイ素イオンを注入した場合のケイ素イオンの活性化率（５×１０１８ｃｍ−３〜３×１０１９ｃｍ−３）を越える５×１０１９ｃｍ−３となる。しかしながら、この方法を用いたとしてもオーミックコンタクト抵抗は０．４Ωｍｍ程度が限界であり、これよりもさらにオーミックコンタクト抵抗を低減することができない。【００１０】
また、上記特許文献２に記載された方法でも、オーミックコンタクト抵抗を低減することが難しい。例えば、Ｔｉ膜とＡｌ膜を順に積層したオーミック電極と接するＡｌＧａＮ表面において、酸素濃度ピーク値が１．１×１０１８ｃｍ−３〜６．８×１０１８ｃｍ−３で、塩素濃度ピーク値が５．０×１０１６ｃｍ−３〜９．６×１０１７ｃｍ−３である低濃度かつ狭い特定の範囲であっても、オーミックコンタクト抵抗は１．０Ωｍｍ程度が限界である。しかも、特許文献２に記載された方法では、低濃度かつ狭い特定の範囲以外では、オーミックコンタクト抵抗が上昇してしまうという不具合がある。特に、塩素においては、ＡｌＧａＮ中で塩素イオンとして存在すると負の固定電荷として作用する。すなわち、ＡｌＧａＮが負に帯電して、ＡｌＧａＮの電子に対するポテンシャルが高くなってしまい、オーミックコンタクト抵抗が高くなるという不具合がある。【００１１】
このように、従来の技術では、オーミックコンタクト抵抗の低減には限界があり、オーミックコンタクト抵抗を十分に低減することができないという課題がある。【００１２】
本開示は、このような課題を鑑みてなされたものであり、オーミックコンタクト抵抗を十分に低減することができる半導体装置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】
【００１３】
上記目的を達成するために、本開示に係る半導体装置の一態様は、基板と、基板の上方に形成された第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層の上に形成された第２の窒化物半導体層と、基板の上方に形成されたオーミック電極と、少なくともオーミック電極の一部に接し、ケイ素および塩素を含むコンタクト層とを備え、第２の窒化物半導体層のバンドギャップは、第１の窒化物半導体層のバンドギャップより大きく、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とのヘテロ界面の第１の窒化物半導体層側には、２次元電子ガスが形成され、コンタクト層において、少なくともケイ素濃度のピーク値は、塩素濃度のピーク値よりも高くなっている。【００１４】
この構成により、ケイ素イオンを活性化する熱処理を行った時に、コンタクト層の塩素が第１の窒化物半導体層および第２の窒化物半導体層のIII族原子を適度にエッチングするので、ケイ素イオンがIII族原子のサイトに入り易くなり、ケイ素の活性化が促進される。しかも、コンタクト層において、ケイ素濃度のピーク値が塩素濃度のピーク値よりも高くなっているので、相対的に負の固定電荷として作用する塩素イオンよりも正の固定電荷である活性化したケイ素イオンが多くなるため、第１の窒化物半導体層および第２の窒化物半導体層のポテンシャルが低くなる。これにより、特許文献１または特許文献２等の従来の技術と比べて、オーミックコンタクト抵抗を十分に低減することができる。【００１５】
さらに、本開示に係る半導体装置の一態様において、コンタクト層は、オーミック電極とコンタクト層の界面から深さ３０ｎｍの範囲に設けられており、コンタクト層において、ケイ素濃度は、塩素濃度よりも高くなっているとよい。【００１６】
このように、オーミック電極とコンタクト層の界面から深さ３０ｎｍという狭い領域にコンタクト層を形成することにより、ケイ素と塩素とによる電子の散乱を抑制することができる。しかも、この深さ３０ｎｍの範囲のコンタクト層においてケイ素濃度を塩素濃度よりも高くすることにより、コンタクト層内の全域でポテンシャルが低くなるため、オーミックコンタクト抵抗を十分に低減することができる。【００１７】
さらに、本開示に係る半導体装置の一態様において、コンタクト層の塩素濃度のピーク値は、１×１０１８ｃｍ−３以上であってもよい。【００１８】
この構成により、コンタクト層には塩素が１×１０１８ｃｍ−３以上含まれることになるので、ケイ素の活性化がより促進する。これにより、オーミックコンタクト抵抗をさらに低減することができる。【００１９】
さらに、本開示に係る半導体装置の一態様において、第２の窒化物半導体層内にコンタクト層の下面があり、コンタクト層の下面とヘテロ界面との間の塩素濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以下であってもよい。【００２０】
この構成によれば、第２の窒化物半導体層のコンタクト層の下面とヘテロ界面との間のポテンシャルの上昇を抑制することができるので、オーミックコンタクト抵抗を十分に低減することができる。【００２１】
また、本開示に係る半導体装置の一態様において、コンタクト層の下面は、へテロ界面に到達していてもよい。【００２２】
この構成によれば、２ＤＥＧのキャリア濃度が増加するため、オーミックコンタクト抵抗を十分に低減することができる。【００２３】
また、本開示に係る半導体装置の一態様において、オーミック電極の下面の全部または一部は、第２の窒化物半導体層の一部を除去したリセスの上に形成されていてもよい。【００２４】
この構成によれば、第２の窒化物半導体層の形成工程における表面のダメージを除去できるとともに第２の窒化物半導体層の厚さが薄くなるため、オーミックコンタクト抵抗を十分に低減することができる。【００２５】
あるいは、本開示に係る半導体装置の一態様において、オーミック電極の下面の全部または一部は、オーミック電極の下方における第２の窒化物半導体層の全部と第１の窒化物半導体層の一部を除去したリセスの上に形成されていてもよい。【００２６】
この構成によれば、オーミック電極の側面においてもオーミック電極と２ＤＥＧチャネルとが電気的に接続するため、第２の窒化物半導体層を介さないまたは電流経路における実効的な第２の窒化物半導体層の厚さが薄くなり、オーミックコンタクト抵抗をより一層低減することができる。【００２７】
また、本開示に係る半導体装置の一態様において、オーミック電極の端部は、平面視でコンタクト層の端部と同一またはコンタクト層の端部から突出して形成されており、平面視でコンタクト層の端部から３０ｎｍまでの範囲において、ケイ素濃度は、塩素濃度よりも高くなっていてもよい。【００２８】
この構成により、コンタクト層の端部の斜め方向の電流経路に対しても、第２の窒化物半導体層のポテンシャルを低くできるため、オーミックコンタクト抵抗を十分に低減することができる。【００２９】
また、本開示に係る半導体装置の一態様は、さらに、オーミック電極との間で高電圧が印加される対向電極を備え、オーミック電極は平面視でコンタクト層から対向電極の方向に突出していてもよい。【００３０】
この構成によれば、オーミック電極の端部に集中する電界を緩和することができるので、デバイスの破壊を防ぐことができる。【００３１】
また、本開示に係る半導体装置の一態様は、さらに、第２の窒化物半導体層に形成され、開口部を有する絶縁膜を備え、オーミック電極は、開口部を覆うように形成されており、絶縁膜は塩素を含む絶縁層を有し、絶縁層の塩素濃度のピーク値は、１×１０１８ｃｍ−３以上であってもよい。【００３２】
このように、絶縁膜に塩素を含ませて塩素を含む絶縁層を形成することにより、絶縁層の電子のトラップを抑制して電流コラプスを抑制することができる。【００３３】
この場合、絶縁層において、オーミック電極の下以外の一部の塩素濃度は、オーミック電極の下の塩素濃度よりも低くてもよい。【００３４】
塩素を含んだ絶縁層は、当該絶縁層が接する膜との密着性の低下を引き起こす懸念があるが、この構成により、このような膜の密着性が低下することを抑制できる。また、塩素を含んだ絶縁層により絶縁膜の耐圧が低下してリークが発生する懸念があるが、オーミック電極の下以外の一部の塩素濃度をオーミック電極の下の塩素濃度よりも低くすることによって、絶縁膜の耐圧が低下することを抑制できる。これにより、リークの発生を抑制することができる。【００３５】
また、本開示に係る半導体装置の製造方法の一態様は、基板の上に第１の窒化物半導体層を形成する工程と、第１の窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体層を第１の窒化物半導体層の上に形成する工程と、第２の窒化物半導体層にＳｉＣｌ４ガスを含んだプラズマ処理を施すことによりケイ素と塩素とを含んだコンタクト層を形成する工程と、コンタクト層を形成した後に４５０℃以上９００℃以下で第１の熱処理を行う工程と、第１の熱処理を行った後にコンタクト層の上にオーミック電極を形成する工程と、オーミック電極を形成した後に９００℃以下で第２の熱処理を行う工程とを含む。【００３６】
この構成により、塩素の拡散を抑制しつつ、塩素が第１の窒化物半導体層もしくは第２の窒化物半導体層のIII族原子を適度にエッチングしてケイ素を活性化するため、オーミックコンタクト抵抗を十分に低減することができる。【００３７】
また、本開示に係る半導体装置の製造方法の一態様において、第２の窒化物半導体層を形成する工程の後に、第２の窒化物半導体層の上に開口部を有する絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜をマスクとしてＳｉＣｌ４ガスを含んだプラズマ処理を施す工程とを含み、オーミック電極を形成する工程では、絶縁膜の開口部を覆うようにオーミック電極を形成するとよい。【００３８】
この構成によれば、絶縁膜をマスクとしてコンタクト層を形成するとともに、絶縁膜に塩素を含ませることにより絶縁膜の電子のトラップを抑制して電流コラプスを抑制することができる。【００３９】
また、本開示に係る半導体装置の製造方法の一態様において、プラズマ処理を施す工程では、コンタクト層の塩素濃度のピーク値が１×１０１８ｃｍ−３以上となるように、ＳｉＣｌ４ガスを含んだプラズマ処理の条件を調整するとよい。【００４０】
この構成によれば、塩素を高濃度に含むことになるのでケイ素の活性化がより促進されるので、さらにオーミックコンタクト抵抗を十分に低減することができる。
【発明の効果】
【００４１】
本開示によれば、オーミックコンタクト抵抗を十分に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、第１の実施形態に係る半導体装置におけるオーミック電極の下（コンタクト層）の深さ方向の不純物濃度分布を示す図である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図４】図４は、第１の実施形態の変形例１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図５】図５は、第１の実施形態の変形例１に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図６】図６は、第１の実施形態の変形例２に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図７】図７は、第１の実施形態の変形例２に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図８】図８は、第２の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図９】図９は、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、並びに、ステップ（工程）およびステップの順序などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００４４】
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺などは必ずしも一致していない。各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
【００４５】
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係る半導体装置１００について、図１を用いて説明する。図１は、第１の実施形態に係る半導体装置１００の構成を示す断面図である。
【００４６】
図１に示すように、半導体装置１００は、基板１０１と、バッファ層１０２と、第１の窒化物半導体層１０３と、第２の窒化物半導体層１０４と、コンタクト層１０５と、オーミック電極１０６とを備える。
【００４７】
基板１０１は、例えば、Ｓｉからなる基板である。基板１０１は、Ｓｉからなる基板に限らず、サファイア（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）、ＳｉＣ、ＧａＮ、または、ＡｌＮ等からなる基板であってもよい。
【００４８】
バッファ層１０２は、基板１０１の上に形成される。バッファ層１０２は、例えば厚さ２μｍのＡｌＮおよびＡｌＧａＮの複数の積層構造からなる窒化物半導体層である。バッファ層１０２は、その他に、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等のIII族窒化物半導体の単層もしくは複数層によって構成されていてもよい。
【００４９】
第１の窒化物半導体層１０３は、基板１０１の上方に形成される。本実施形態において、第１の窒化物半導体層１０３は、バッファ層１０２の上に形成される。第１の窒化物半導体層１０３は、例えば、厚さ２μｍのアンドープ（ｉ型）ＧａＮによって構成することができる。アンドープ（ｉ型）とは、エピタキシャル成長時に不純物が意図的にドーピングされていないことを意味する。
【００５０】
なお、第１の窒化物半導体層１０３は、ＧａＮに限らず、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等のIII族窒化物半導体によって構成されていてもよく、また、第１の窒化物半導体層１０３には、ｎ型の不純物が含まれていてもよい。
【００５１】
第２の窒化物半導体層１０４は、第１の窒化物半導体層１０３の上に形成される。第２の窒化物半導体層１０４は、例えば厚さ６０ｎｍでＡｌ組成比が１５％のアンドープ（ｉ型）ＡｌＧａＮによって構成されている。
【００５２】
なお、第２の窒化物半導体層１０４は、ＡｌＧａＮに限らず、ＡｌＩｎＧａＮ等のIII族窒化物半導体によって構成されていてもよく、また、第２の窒化物半導体層１０４には、ｎ型の不純物が含まれていてもよい。
【００５３】
本実施形態において、第２の窒化物半導体層１０４のバンドギャップは、第１の窒化物半導体層１０３のバンドギャップより大きい。また、アンドープＡｌＧａＮからなる第２の窒化物半導体層１０４とアンドープＧａＮからなる第１の窒化物半導体層１０３とはヘテロ構造となっている。つまり、第２の窒化物半導体層１０４と第１の窒化物半導体層１０３との界面はヘテロ接合されており、第２の窒化物半導体層１０４と第１の窒化物半導体層１０３との界面にはヘテロ障壁が形成されている。
【００５４】
この結果、第２の窒化物半導体層１０４と第１の窒化物半導体層１０３とのヘテロ界面の第１の窒化物半導体層１０３側には２ＤＥＧ１０７が発生し、２ＤＥＧチャネルが形成される。つまり、第１の窒化物半導体層１０３は、２ＤＥＧ１０７を有する２次元電子ガス層である。
【００５５】
なお、第２の窒化物半導体層１０４上にはキャップ層として例えばＧａＮからなる約１〜２ｎｍの厚さの半導体層を設けてもよい。
【００５６】
第２の窒化物半導体層１０４のオーミック電極１０６に対応する部分には、コンタクト層１０５（コンタクト領域）が形成されている。コンタクト層１０５は、第２の窒化物半導体層１０４の上層部分に形成されている。コンタクト層１０５は、少なくともオーミック電極１０６の一部に接している。本実施形態において、コンタクト層１０５は、オーミック電極１０６の直下に形成されている。また、コンタクト層１０５は、ケイ素および塩素を含んでいる。
【００５７】
オーミック電極１０６は、基板１０１の上方に形成されている。具体的には、オーミック電極１０６は、コンタクト層１０５の上に形成されている。本実施形態において、オーミック電極１０６は、例えばＴｉ膜とＡｌ膜とを順に積層した積層構造からなる多層電極膜である。オーミック電極１０６は、ＴｉおよびＡｌの組み合わせに限らず、Ｔｉ、Ａｕ、Ｔａ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｚｒ等の１つの金属からなる単層電極膜であってもよいし、これらの金属を２つ以上組み合わせることによって構成された多層電極膜であってもよい。
【００５８】
また、オーミック電極１０６は、２ＤＥＧ１０７と電気的に接続されている。具体的には、オーミック電極１０６は、オーミック電極１０６の底面からコンタクト層１０５を経由して２ＤＥＧ１０７と電気的に接続されている。
【００５９】
図２は、本実施形態におけるコンタクト層１０５の深さ方向（オーミック電極１０６とコンタクト層１０５との界面から下に向かう方向）の不純物濃度分布を示す図である。
【００６０】
図２に示すように、コンタクト層１０５において、ケイ素濃度のピーク値は、塩素濃度のピーク値よりも高くなっている。
【００６１】
また、コンタクト層１０５は、オーミック電極１０６とコンタクト層１０５との界面から深さ３０ｎｍの範囲に設けられている。コンタクト層１０５の不純物濃度については、コンタクト層１０５の深さ３０ｎｍの範囲内ではケイ素濃度が塩素濃度より高くなっている。また、コンタクト層１０５の塩素濃度のピーク値は、１×１０１８ｃｍ−３以上である。なお、コンタクト層１０５の下面とヘテロ界面との間における塩素濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以下である。
【００６２】
このような構造の半導体装置１００にすることで、第２の窒化物半導体層１０４のポテンシャルが低くなるため、オーミックコンタクト抵抗を低減することができる。以下、その理由について説明する。
【００６３】
後述するように、本実施形態では、コンタクト層１０５のケイ素イオンを活性化する熱処理を行うが、この熱処理を行った時に、コンタクト層１０５の塩素が第２の窒化物半導体層１０４のＧａ原子を適度にエッチングするので、ケイ素イオンがＧａ原子のサイトに入り易くなり、ケイ素の活性化が促進される。また、コンタクト層１０５において、ケイ素濃度のピーク値を塩素濃度のピーク値よりも高くすることにより、相対的に負の固定電荷として作用する塩素イオンよりも正の固定電荷である活性化したケイ素イオンが多くなるため、第２の窒化物半導体層１０４のポテンシャルを低くすることができる。これにより、特許文献１または特許文献２等の従来の技術と比べて、オーミックコンタクト抵抗を十分に低減することができる。
【００６４】
さらには、コンタクト層１０５の深さ３０ｎｍという狭い領域において、ケイ素濃度を塩素濃度よりも高くすることで、ケイ素と塩素とによる電子の散乱を抑制しつつ、この深さ３０ｎｍの範囲において、コンタクト層１０５内の全域でポテンシャルを低くすることができる。これにより、オーミックコンタクト抵抗を一層低減することができる。
【００６５】
さらに、コンタクト層１０５の塩素濃度のピーク値を１×１０１８ｃｍ−３以上にすることで、ケイ素の活性化をより促進することができる。また、コンタクト層１０５の下面とヘテロ界面との間の塩素濃度を１×１０１７ｃｍ−３以下にすることで、第２の窒化物半導体層１０４のポテンシャルの上昇を抑制できる。これにより、オーミックコンタクト抵抗を一層低減することができる。
【００６６】
以下、図３を参照しながら、本実施形態における半導体装置１００の製造方法を説明する。図３は、本実施形態における半導体装置１００の製造方法の各工程を示す断面図である。
【００６７】
まず、図３の（ａ）に示すように、Ｓｉからなる基板１０１上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて、厚さが２μｍでＡｌＮおよびＡｌＧａＮの積層構造からなるバッファ層１０２と、厚さが２μｍでｉ型ＧａＮからなる第１の窒化物半導体層１０３と、厚さが６０ｎｍでＡｌ組成比１５％のｉ型ＡｌＧａＮからなる第２の窒化物半導体層１０４とを順次エピタキシャル成長させる。この結果、第１の窒化物半導体層１０３と第２の窒化物半導体層１０４とのヘテロ界面には、２ＤＥＧ１０７が発生する。
【００６８】
次に、図３の（ｂ）に示すように、第２の窒化物半導体層１０４の上に、厚さ１００ｎｍのＳｉＮからなる絶縁膜１０８をプラズマＣＶＤ法により堆積させて、その後、コンタクト層１０５を形成する領域に、リソグラフィーおよびフッ酸水溶液を用いたウェットエッチングを順に適用することにより、第２の窒化物半導体層１０４に到達する開口部を絶縁膜１０８に形成する。これにより、コンタクト層１０５形成するためのマスクとして、所定形状にパターニングされた絶縁膜１０８を形成することができる。なお、本実施形態では、ＳｉＮをマスクとして形成したが、ＳｉＯ２またはレジストをマスクとして形成してもよい。
【００６９】
次に、図３の（ｃ）に示すように、開口部が形成された絶縁膜１０８をマスクとして、誘導結合型（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）ドライエッチング装置を用いてＳｉＣｌ４ガスを含んだプラズマ処理を行うことで、第２の窒化物半導体層１０４の上層部分に、ケイ素および塩素を含むコンタクト領域としてコンタクト層１０５（コンタクト領域）を形成する。プラズマ処理の具体例として、本実施形態では、ＩＣＰドライエッチング装置によるプラズマ処理について説明するが、容量結合型（ＣＣＰ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）または電子サイクロン共鳴（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）ドライエッチング装置によるプラズマ処理を用いてもよい。
【００７０】
ＩＣＰドライエッチング装置によるプラズマ処理は、例えば、ガス原料としてＳｉＣｌ４を用いて、１０〜３０ｓｃｃｍのガス流量でＳｉＣｌ４ガスを導入することで行う。このとき、ＳｉＣｌ４の他に、ケイ素（Ｓｉ）を含む材料としてＳｉＨ４および／または塩素を含む材料としてＣｌ２、ＢＣｌ３またはＣＣｌを添加してもよい。また、不活性ガスであるＡｒ（アルゴン）またはＨｅ（ヘリウム）を導入して、ＳｉＣｌ４を全体の５％程度まで希釈してもよい。プラズマ処理の設定条件としては、例えば、プラズマ処理雰囲気の圧力は０．５〜３Ｐａで、１３．５６ＭＨｚ電源による上部電極への印加電力を５０〜２００Ｗで、１３．５６ＭＨｚ電源による下部電極への印加電力を２０〜５０Ｗで、基板温度は０〜２０℃で、処理時間は３０〜１２０秒である。
【００７１】
本実施形態におけるＳｉＣｌ４ガスを含んだプラズマ処理は、超低加速電圧でのイオン注入に相当する処理であり、当該プラズマ処理を施すことで、第２の窒化物半導体層１０４の表面３０ｎｍ以内の浅い領域に高濃度のケイ素イオンと塩素イオンとを注入し、コンタクト層１０５の下面とヘテロ界面との間の塩素濃度を１×１０１７ｃｍ−３以下に抑えることができる。
【００７２】
ここで、ケイ素原子の質量数１４は塩素原子の質量数１７より小さいため、ケイ素イオンを塩素イオンよりも深く注入させることが可能であり、かつ、ケイ素に対して塩素はＧａＣｌ４等の反応性生成物となって揮発するため、コンタクト層１０５内の深さ方向の不純物濃度分布においてケイ素濃度を塩素濃度よりも確実に高くすることができる。
【００７３】
また、プラズマ処理によるイオンは垂直方向だけでなく斜め方向からも入射することから、平面視においてもコンタクト層１０５のケイ素濃度は塩素濃度よりも高くなっている。プラズマ処理をする際、塩素濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上となるようにプラズマ処理の条件を調整するとよい。
【００７４】
なお、本実施形態では、ＳｉＣｌ４ガスを含んだプラズマ処理により第２の窒化物半導体層１０４にコンタクト層１０５を形成したが、低加速電圧のイオン注入装置により第２の窒化物半導体層１０４にコンタクト層１０５を形成してもよい。
【００７５】
次に、ポリマー洗浄液にてコンタクト層１０５の形成により堆積したポリマーを除去した後、窒素雰囲気下で８００℃の第１の熱処理を１分間行うことにより、コンタクト層１０５のケイ素イオンを活性化させる。
【００７６】
ここで、一般的にはケイ素イオンの活性化には１０００℃以上の熱処理を行うが、本実施形態のように、第１の熱処理の温度を９００℃以下にしている。これにより、コンタクト層１０５内で塩素が拡散することを抑制できるので、コンタクト層１０５の下面とヘテロ界面との間の塩素濃度を１×１０１７ｃｍ−３以下にすることができる。なお、第１の熱処理の温度は、４５０℃以上９００℃以下であるとよい。また、第１の熱処理は、ケイ素を活性化するのに必要十分な時間であってかつ出来るだけ短時間に設定されているとよい。
【００７７】
次に、図３の（ｄ）に示すように、フッ酸水溶液を用いたウェットエッチングにより絶縁膜１０８を全て除去する。本実施形態では、第１の熱処理を行った後にフッ酸水溶液を用いたウェットエッチングにより絶縁膜１０８を全て除去しているが、第１の熱処理を行う前に絶縁膜１０８を除去してもよい。
【００７８】
次に、図３の（ｅ）に示すように、塩酸による前洗浄をして、スパッタ法によりＴｉ膜およびＡｌ膜を順に堆積させた後、リソグラフィー法およびドライエッチング法を順に適用してＴｉ膜およびＡｌ膜の積層膜をパターニングすることにより、所定形状のオーミック電極１０６をコンタクト層１０５の上に形成する。なお、スパッタ法ではなく蒸着法によりＴｉ膜およびＡｌ膜を順に堆積した後に、リソグラフィー法およびリフトオフ法を順に適用することにより、所定形状のオーミック電極１０６を形成してもよい。
【００７９】
次に、窒素雰囲気下で５００℃の第２の熱処理を１分間行うことにより、オーミック電極１０６と２ＤＥＧ１０７とのオーミックコンタクトを形成する。このとき、本実施形態のように、第２の熱処理の温度を９００℃以下にすることで、コンタクト層１０５内の塩素の拡散が抑制され、コンタクト層１０５の下面とヘテロ界面との間の塩素濃度を１×１０１７ｃｍ−３以下にすることができる。なお、塩素の拡散を抑制するとの観点では、第２の熱処理は、第１の熱処理よりも低温で、オーミック電極１０６の合金化するのに必要十分な時間であって出来るだけ短時間に設定されているとよい。
【００８０】
以上の一連の工程を経ることで、図１に示した構造の半導体装置１００が完成する。以上のように形成された半導体装置１００は、オーミックコンタクト抵抗を１．０Ωｍｍ程度から０．３Ωｍｍ以下へと低減することができる。
【００８１】
なお、本実施形態では、第２の窒化物半導体層１０４の厚さが６０ｎｍである場合を説明したが、例えば、第２の窒化物半導体層１０４の厚さが２０ｎｍである場合は、第１の窒化物半導体層１０３と第２の窒化物半導体層１０４とのヘテロ界面までコンタクト層１０５が到達するようにしてもよい。このようにすることで、２ＤＥＧ１０７のキャリア濃度が増加するため、オーミックコンタクト抵抗を一層低減することができる。
【００８２】
また、本実施形態において、オーミック電極１０６の端部は、平面視でコンタクト層１０５の端部と同一またはコンタクト層１０５の端部から突出して形成した場合、平面視でコンタクト層１０５の端部から３０ｎｍまでの範囲においても、ケイ素濃度は、塩素濃度よりも高くするとよい。このようにすることで、コンタクト層１０５の端部の斜め方向の電流経路に対しても、第２の窒化物半導体層１０４中のポテンシャルを低くすることができるため、オーミックコンタクト抵抗を一層低減することができる。
【００８３】
なお、本実施形態で、オーミック電極１０６との間で高電圧が印加される対向電極が存在した場合は、オーミック電極１０６は平面視でコンタクト層１０５から対向電極の方向に突出しているとよい。このようにすることで、オーミック電極の端部に集中する電界を緩和することができるので、デバイスが破壊してしまうことを抑制できる。
【００８４】
（第１の実施形態の変形例１）
次に、第１の実施形態の変形例１に係る半導体装置１００Ａの構成について、図４を用いて説明する。図４は、第１の実施形態の変形例１に係る半導体装置１００Ａの構成を示す断面図である。
【００８５】
本変形例における半導体装置１００Ａと上記第１の実施形態における半導体装置１００とが異なっている点は、図４に示すように、本変形例における半導体装置１００Ａでは、オーミック電極１０６の下面の少なくとも一部が、第２の窒化物半導体層１０４の一部を除去したリセス１０９（リセス領域）の上に形成されていることである。
【００８６】
具体的には、リセス１０９は、第２の窒化物半導体層１０４を深さ方向の途中までを掘り込むことで形成される。リセス１０９の深さは、例えば１０ｎｍである。
【００８７】
オーミック電極１０６は、オーミック電極１０６の下面の一部がこのリセス１０９の上に位置し、かつ、オーミック電極１０６の下面の他の一部（図４では両端部）がリセス１０９以外の第２の窒化物半導体層１０４の上に位置するように形成されている。本変形例でも、オーミック電極１０６は、オーミック電極１０６の底面からコンタクト層１０５を経由して２ＤＥＧ１０７に電気的に接続される。
【００８８】
このように、本変形例における半導体装置１００Ａの構造によれば、第２の窒化物半導体層１０４の形成工程における表面のダメージを除去できるとともに第２の窒化物半導体層１０４の厚さが薄くなるため、第１の実施形態に係る半導体装置１００と比較して、オーミックコンタクト抵抗をさらに低減することができる。
【００８９】
以下、図５を参照しながら、本変形例における半導体装置１００Ａの製造方法を説明する。図５は、本変形例に係る半導体装置１００Ａの製造方法の各工程を示す断面図である。なお、本変形例における半導体装置１００Ａの製造方法は、上記第１の実施形態における半導体装置１００の製造方法に準じて行うことができる。
【００９０】
まず、図５の（ａ）に示すように、Ｓｉからなる基板１０１上に、有機金属気相成長法を用いて、厚さが２μｍでＡｌＮおよびＡｌＧａＮの積層構造からなるバッファ層１０２と、厚さが２μｍでｉ型ＧａＮからなる第１の窒化物半導体層１０３と、厚さが６０ｎｍでＡｌ組成比１５％のｉ型ＡｌＧａＮからなる第２の窒化物半導体層１０４とを順次エピタキシャル成長させる。この結果、第１の窒化物半導体層１０３と第２の窒化物半導体層１０４とのヘテロ界面には、２ＤＥＧ１０７が発生する。
【００９１】
次に、図５の（ｂ）に示すように、第２の窒化物半導体層１０４の上に、厚さ１００ｎｍのＳｉＮからなる絶縁膜１０８をプラズマＣＶＤ法により堆積させて、その後、コンタクト層１０５を形成する領域に、リソグラフィーおよびフッ酸水溶液を用いたウェットエッチングを順に適用することにより、第２の窒化物半導体層１０４に到達する開口部を絶縁膜１０８に形成する。これにより、コンタクト層１０５形成するためのマスクとして、所定形状にパターニングされた絶縁膜１０８を形成することができる。なお、本変形例でも、ＳｉＮではなく、ＳｉＯ２またはレジストをマスクとして形成してもよい。
【００９２】
次に、図５の（ｃ）に示すように、開口部が形成された絶縁膜１０８をマスクとして、ＩＣＰドライエッチング装置を用いてドライエッチングを行い、第２の窒化物半導体層１０４を１０ｎｍエッチングすることで第２の窒化物半導体層１０４に深さ１０ｎｍのリセス１０９を形成する。ドライエッチング処理は、例えば、Ｃｌ２をエッチングガスとして用いて、１０〜５０ｓｃｃｍのガス流量でＣｌ２ガスを供給することで行う。このとき、Ｃｌ２の他に、塩素を含む材料として、ＢＣｌ３、ＣＣｌまたはＳｉＣｌ４を添加してもよい。また、ドライエッチング処理の設定条件としては、プラズマ処理雰囲気の圧力は０．５〜１Ｐａで、１３．５６ＭＨｚ電源による上部電極への印加電力は５０〜２００Ｗで、１３．５６ＭＨｚ電源による下部電極への印加電力は１０〜５０Ｗで、基板温度は０〜２０℃である。
【００９３】
次に、図５の（ｄ）に示すように、引き続き絶縁膜１０８をマスクとして用いて、ＩＣＰドライエッチング装置を用いてＳｉＣｌ４ガスを含んだプラズマ処理を行うことで、第２の窒化物半導体層１０４の上層部分にコンタクト層１０５を形成する。プラズマ処理の具体例として、本実施形態では、ＩＣＰドライエッチング装置によるプラズマ処理について説明するが、ＣＣＰまたはＥＣＲドライエッチング装置によるプラズマ処理を用いてもよい。
【００９４】
ＩＣＰドライエッチング装置によるプラズマ処理は、例えば、ガス原料としてＳｉＣｌ４を用いて、１０〜３０ｓｃｃｍのガス流量でＳｉＣｌ４ガスを導入することで行う。このとき、ＳｉＣｌ４の他に、ケイ素を含む材料としてＳｉＨ４および／または塩素を含む材料としてＣｌ２、ＢＣｌ３、ＣＣｌを添加してもよい。また、不活性ガスであるＡｒ（アルゴン）またはＨｅ（ヘリウム）を導入して、ＳｉＣｌ４を全体の５％程度まで希釈してもよい。プラズマ処理の設定条件としては、例えば、プラズマ処理雰囲気の圧力は０．５〜３Ｐａであり、１３．５６ＭＨｚ電源による上部電極への印加電力は５０〜２００Ｗであり、１３．５６ＭＨｚ電源による下部電極への印加電力は１０〜５０Ｗであり、基板温度は０〜２０℃であり、処理時間は３０〜１２０秒である。
【００９５】
なお、本実施形態では、リセス１０９を形成した後にＳｉＣｌ４ガスを含んだプラズマ処理でコンタクト層１０５を形成したが、ＳｉＣｌ４ガスを含んだプラズマ処理でコンタクト層１０５を形成した後にリセス１０９を形成してもよいし、ＳｉＣｌ４ガスを含んだプラズマ処理時と同時にリセス１０９を形成してもよく、リセス１０９を形成する方法は特に限定されるものではない。
【００９６】
次に、ポリマー洗浄液にて、リセス１０９の形成およびコンタクト層１０５の形成により堆積したポリマーを除去した後、窒素雰囲気下で８００℃の第１の熱処理を１分間行うことにより、コンタクト層１０５のケイ素イオンを活性化させる。本実施形態では、第１の熱処理の温度を９００℃以下にしている。これにより、コンタクト層１０５内での塩素の拡散が抑制されるので、コンタクト層１０５の下面とヘテロ界面との間の塩素濃度を１×１０１７ｃｍ−３以下にすることができる。
【００９７】
次に、図５の（ｅ）に示すように、フッ酸水溶液を用いたウェットエッチングにより絶縁膜１０８を全て除去する。
【００９８】
次に、図５の（ｆ）に示すように、塩酸による前洗浄をして、スパッタ法によりＴｉ膜およびＡｌ膜を順に堆積させた後、リソグラフィー法およびドライエッチング法を順に適用してＴｉ膜およびＡｌ膜の積層膜をパターニングすることにより、所定形状のオーミック電極１０６をコンタクト層１０５の上に形成する。
【００９９】
次に、窒素雰囲気下で５００℃の第２の熱処理を１分間行うことにより、オーミック電極１０６と２ＤＥＧ１０７とのオーミックコンタクトを形成する。このとき、本実施形態のように、第２の熱処理の温度を９００℃以下にすることで、コンタクト層１０５内での塩素の拡散を抑制し、コンタクト層１０５の下面とヘテロ界面との間の塩素濃度を１×１０１７ｃｍ−３以下とすることができる。
【０１００】
以上の一連の工程を経ることで、図４に示した構造の半導体装置１００Ａが完成する。以上のように形成された半導体装置１００Ａは、オーミックコンタクト抵抗を１．０Ωｍｍ程度から０．３Ωｍｍ以下へと低減することができる。
【０１０１】
なお、本実施形態では、オーミック電極１０６の下面の一部がリセス１０９の上に位置し、かつ、オーミック電極１０６の下面の他の一部がリセス１０９以外に位置するように、オーミック電極１０６を形成したが、オーミック電極１０６の下面の全部がリセス１０９の上に形成されていてもよい。
【０１０２】
また、本実施形態では、第２の窒化物半導体層１０４を１０ｎｍ除去してリセス１０９を形成する場合を説明したが、第２の窒化物半導体層１０４を例えば４０ｎｍ除去してリセス１０９を形成して、第１の窒化物半導体層１０３と第２の窒化物半導体層１０４とのヘテロ界面までコンタクト層１０５が到達するようにしてもよい。このようにすることで、２ＤＥＧ１０７のキャリア濃度が増加するため、オーミックコンタクト抵抗を一層低減することができる。
【０１０３】
（第１の実施形態の変形例２）
次に、第１の実施形態の変形例２に係る半導体装置１００Ｂの構成について、図６を用いて説明する。図６は、第１の実施形態の変形例２に係る半導体装置１００Ｂの構成を示す断面図である。
【０１０４】
本変形例における半導体装置１００Ｂと上記第１の実施形態における半導体装置１００とが異なっている点は、図６に示すように、本変形例における半導体装置１００Ｂでは、オーミック電極１０６の下面の少なくとも一部が、オーミック電極１０６の下方における第２の窒化物半導体層１０４の全部と第１の窒化物半導体層１０３の一部とを除去したリセス１０９（リセス領域）の上に形成されていることである。このような構造とすることにより、オーミック電極１０６の底面だけではなく、オーミック電極１０６は、オーミック電極１０６の側面からもコンタクト層１０５を経由して２ＤＥＧ１０７に電気的に接続される。
【０１０５】
リセス１０９は、第２の窒化物半導体層１０４から第１の窒化物半導体層１０３に至るまで形成されている。具体的には、リセス１０９は、第２の窒化物半導体層１０４を深さ方向に全部に掘り込むとともに第１の窒化物半導体層１０３を深さ方向の途中までを掘り込むことで形成される。リセス１０９の深さは、例えば８０ｎｍである。
【０１０６】
オーミック電極１０６は、オーミック電極１０６の下面の一部がこのリセス１０９の上に位置し、かつ、オーミック電極１０６の下面の他の一部（図４では両端部）がリセス１０９以外の第２の窒化物半導体層１０４の上に位置するように形成されている。
【０１０７】
このように、本変形例における半導体装置１００Ｂの構造によれば、第２の窒化物半導体層１０４を介さずに、または電流経路における実効的な第２の窒化物半導体層１０４の厚さが薄くなるため、上記第１の実施形態の変形例１に係る半導体装置１００Ａと比較して、さらにオーミックコンタクト抵抗を低減することができる。
【０１０８】
以下、図７を参照しながら、本変形例における半導体装置１００Ｂの製造方法を説明する。図７は、本変形例に係る半導体装置１００Ｂの製造方法の各工程を示す断面図である。なお、本変形例における半導体装置１００Ｂの製造方法でも、上記第１の実施形態の変形例１における半導体装置１００Ａの製造方法に準じて行うことができる。
【０１０９】
まず、図７の（ａ）に示すように、Ｓｉからなる基板１０１上に、有機金属気相成長法を用いて、厚さが２μｍでＡｌＮおよびＡｌＧａＮの積層構造からなるバッファ層１０２と、厚さが２μｍでｉ型ＧａＮからなる第１の窒化物半導体層１０３と、厚さが６０ｎｍでＡｌ組成比１５％のｉ型ＡｌＧａＮからなる第２の窒化物半導体層１０４を順次エピタキシャル成長させる。この結果、第１の窒化物半導体層１０３と第２の窒化物半導体層１０４のヘテロ界面には、２ＤＥＧ１０７が発生する。
【０１１０】
次に、図７の（ｂ）に示すように、第２の窒化物半導体層１０４の上に、厚さ１００ｎｍのＳｉＮからなる絶縁膜１０８をプラズマＣＶＤ法により堆積させて、その後、コンタクト層１０５を形成する領域に、リソグラフィーおよびフッ酸水溶液を用いたウェットエッチングを順に適用することにより、第２の窒化物半導体層１０４に到達する開口部を絶縁膜１０８に形成する。これにより、コンタクト層１０５形成するためのマスクとして、所定形状にパターニングされた絶縁膜１０８を形成することができる。なお、本変形例でも、ＳｉＮではなく、ＳｉＯ２またはレジストをマスクとして形成してもよい。
【０１１１】
次に、図７の（ｃ）に示すように、開口部が形成された絶縁膜１０８をマスクとして、ＩＣＰドライエッチング装置を用いてドライエッチングを行い、第２の窒化物半導体層１０４の全部と第１の窒化物半導体層１０３の一部とをエッチングすることで、深さ８０ｎｍのリセス１０９を形成する。ドライエッチング処理は、例えば、Ｃｌ２をエッチングガスとして用いて、１０〜５０ｓｃｃｍのガス流量でＣｌ２ガスを供給することで行う。このとき、Ｃｌ２の他に、塩素を含む材料として、ＢＣｌ３、ＣＣｌ、ＳｉＣｌ４を添加してもよい。また、ドライエッチング処理の設定条件としては、プラズマ処理雰囲気の圧力は０．５〜１Ｐａで、１３．５６ＭＨｚ電源による上部電極への印加電力は５０〜２００Ｗで、１３．５６ＭＨｚ電源による下部電極への印加電力は１０〜５０Ｗで、基板温度は０〜２０℃である。
【０１１２】
次に、図７の（ｄ）に示すように、引き続き絶縁膜１０８をマスクとして用いて、ＩＣＰドライエッチング装置を用いてＳｉＣｌ４ガスを含んだプラズマ処理を行うことで、第１の窒化物半導体層１０３の上層部分および第２の窒化物半導体層１０４の側面部分にコンタクト層１０５を形成する。プラズマ処理の具体例として、本実施形態では、ＩＣＰドライエッチング装置によるプラズマ処理について説明するが、ＣＣＰまたはＥＣＲドライエッチング装置によるプラズマ処理を用いてもよい。
【０１１３】
ＩＣＰドライエッチング装置によるプラズマ処理は、例えば、ガス原料としてＳｉＣｌ４を用いて、１０〜３０ｓｃｃｍのガス流量でＳｉＣｌ４ガスを導入することで行う。このとき、ＳｉＣｌ４の他に、ケイ素を含む材料としてＳｉＨ４および／または塩素を含む材料としてＣｌ２、ＢＣｌ３、ＣＣｌを添加してもよい。また、不活性ガスであるＡｒ（アルゴン）またはＨｅ（ヘリウム）を導入して、ＳｉＣｌ４を全体の５％程度まで希釈してもよい。プラズマ処理の設定条件としては、例えば、プラズマ処理雰囲気の圧力は０．５〜３Ｐａで、１３．５６ＭＨｚ電源による上部電極への印加電力は５０〜２００Ｗで、１３．５６ＭＨｚ電源による下部電極への印加電力は１０〜５０Ｗで、基板温度は０〜２０℃で、処理時間は３０〜１２０秒である。
【０１１４】
なお、本実施形態では、リセス１０９を形成した後にＳｉＣｌ４ガスを含んだプラズマ処理でコンタクト層１０５を形成したが、ＳｉＣｌ４ガスを含んだプラズマ処理でコンタクト層１０５を形成した後にリセス１０９を形成してもよいし、ＳｉＣｌ４ガスを含んだプラズマ処理時と同時にリセス１０９を形成してもよく、リセス１０９を形成する方法は特に限定されるものではない。
【０１１５】
次に、ポリマー洗浄液にて、リセス１０９の形成およびコンタクト層１０５の形成により堆積したポリマーを除去した後、窒素雰囲気下で８００℃の第１の熱処理を１分間行うことにより、コンタクト層１０５のケイ素イオンを活性化させる。本実施形態では、第１の熱処理の温度を９００℃以下にしている。これにより、コンタクト層１０５内での塩素の拡散を抑制できる。
【０１１６】
次に、図７の（ｅ）に示すように、フッ酸水溶液を用いたウェットエッチングにより絶縁膜１０８を全て除去する。
【０１１７】
次に、図７の（ｆ）に示すように、塩酸による前洗浄をして、スパッタ法によりＴｉ膜およびＡｌ膜を順に堆積させた後、リソグラフィー法およびドライエッチング法を順に適用してＴｉ膜およびＡｌ膜の積層膜をパターニングすることにより、所定形状のオーミック電極１０６をコンタクト層１０５の上に形成する。
【０１１８】
次に、窒素雰囲気下で５００℃の第２の熱処理を１分間行うことにより、オーミック電極１０６を２ＤＥＧ１０７とのオーミックコンタクトを形成する。このとき、本実施形態のように、第２の熱処理の温度を９００℃以下にすることで、コンタクト層１０５内での塩素の拡散を抑制できる。
【０１１９】
以上の一連工程を経ることで、図６に示した構造の半導体装置１００Ｂが完成する。以上のように形成された半導体装置１００Ｂは、オーミックコンタクト抵抗を１．０Ωｍｍ程度から０．３Ωｍｍ以下へと低減することができる。
【０１２０】
なお、本実施形態では、オーミック電極１０６の下面の一部がリセス１０９の上に位置し、かつ、オーミック電極１０６の下面の他の一部がリセス１０９以外に位置するようにオーミック電極１０６を形成したが、オーミック電極１０６下面の全部がリセス１０９の上に形成されていてもよい。
【０１２１】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る半導体装置２００の構成について、図８を用いて説明する。図８は、第２の実施形態に係る半導体装置２００の構成を示す断面図である。本実施形態では、半導体装置２００がヘテロ接合型電界効果トランジスタ（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＦＥＴ）である場合について説明する。
【０１２２】
図８に示すように、半導体装置２００は、基板２０１と、バッファ層２０２と、第１の窒化物半導体層２０３と、第２の窒化物半導体層２０４と、コンタクト層２０５Ｓおよび２０５Ｄと、ソース電極２０６Ｓ、ドレイン電極２０６Ｄおよびゲート電極２０６Ｇと、絶縁膜２０８と、絶縁層２０９とを備える。
【０１２３】
基板２０１は、第１の実施形態における基板１０１と同様に、例えば、Ｓｉからなる基板であるが、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、または、ＡｌＮ等からなる基板であってもよい。
【０１２４】
バッファ層２０２は、基板２０１の上に形成される。バッファ層２０２は、第１の実施形態におけるバッファ層１０２と同様に、例えば厚さ２μｍのＡｌＮおよびＡｌＧａＮの複数の積層構造からなる窒化物半導体層であるが、他のIII族窒化物半導体によって構成されていてもよい。
【０１２５】
第１の窒化物半導体層２０３は、基板２０１の上方に形成される。具体的には、第１の窒化物半導体層２０３は、バッファ層２０２の上に形成される。第１の窒化物半導体層２０３は、第１の実施形態における第１の窒化物半導体層２０３と同様に、例えば、厚さ２μｍのアンドープ（ｉ型）ＧａＮによって構成することができるが、他のIII族窒化物半導体によって構成されていてもよい。
【０１２６】
第２の窒化物半導体層２０４は、第１の窒化物半導体層２０３の上に形成される。第２の窒化物半導体層２０４は、第１の実施形態における第２の窒化物半導体層２０４と同様に、例えば厚さ６０ｎｍでＡｌ組成比が１５％のアンドープ（ｉ型）ＡｌＧａＮによって構成されているが、他のIII族窒化物半導体によって構成されていてもよい。
【０１２７】
本実施形態においても、第２の窒化物半導体層２０４のバンドギャップは、第１の窒化物半導体層２０３のバンドギャップより大きい。また、第２の窒化物半導体層２０４と第１の窒化物半導体層２０３とはヘテロ構造となっている。つまり、第２の窒化物半導体層２０４と第１の窒化物半導体層２０３との界面はヘテロ接合されており、第２の窒化物半導体層２０４と第１の窒化物半導体層２０３とのヘテロ界面の第１の窒化物半導体層２０３側には２ＤＥＧ２０７が発生し、２ＤＥＧチャネルが形成される。
【０１２８】
第２の窒化物半導体層２０４の上には絶縁膜２０８が形成されている。絶縁膜２０８は、例えばＳｉＮによって構成される。また、絶縁膜２０８には、第２の窒化物半導体層２０４に到達するソース電極開口部２０８Ｓおよびドレイン電極開口部２０８Ｄが設けられている。
【０１２９】
ソース電極開口部２０８Ｓに対応する位置の第２の窒化物半導体層２０４には、コンタクト領域としてコンタクト層２０５Ｓ（第１のコンタクト層）が形成されている。コンタクト層２０５Ｓは、第２の窒化物半導体層２０４の上層部分に形成されており、少なくともソース電極２０６Ｓの一部に接している。本実施形態において、コンタクト層２０５Ｓは、ソース電極２０６Ｓの直下に形成されている。
【０１３０】
一方、ドレイン電極開口部２０８Ｄに対応する位置の第２の窒化物半導体層２０４には、コンタクト領域としてコンタクト層２０５Ｄ（第２のコンタクト層）が形成されている。コンタクト層２０５Ｄは、第２の窒化物半導体層２０４の上層部分に形成されており、少なくともドレイン電極２０６Ｄの一部に接している。本実施形態において、コンタクト層２０５Ｄは、ドレイン電極２０６Ｄの直下に形成されている。
【０１３１】
コンタクト層２０５Ｓおよびコンタクト層２０５Ｄの各々は、ケイ素および塩素を含んでいる。コンタクト層２０５Ｓおよびコンタクト層２０５Ｄにおいて、ケイ素および塩素の濃度および分布は、上記第１の実施形態におけるコンタクト層１０５のケイ素および塩素の濃度および分布と同様である。
【０１３２】
また、ソース電極開口部２０８Ｓに対応する位置にはソース電極２０６Ｓが形成されており、ドレイン電極開口部２０８Ｄに対応する位置にはドレイン電極２０６Ｄが形成されている。ソース電極２０６Ｓおよびドレイン電極２０６Ｄは、オーミック電極であり、基板２０１の上方に形成されている。具体的には、ソース電極２０６Ｓは、ソース電極開口部２０８Ｓを覆うようにコンタクト層２０５Ｓの上に形成されている。また、ドレイン電極２０６Ｄは、ドレイン電極開口部２０８Ｄを覆うようにコンタクト層２０５Ｄの上に形成されている。
【０１３３】
本実施形態において、ソース電極２０６Ｓおよびドレイン電極２０６Ｄは、第１の実施形態におけるオーミック電極１０６と同様に、例えばＴｉ膜とＡｌ膜とを順に積層した積層構造からなる多層電極膜であるが、これに限らない。
【０１３４】
また、ソース電極２０６Ｓおよびドレイン電極２０６Ｄは、２ＤＥＧ２０７と電気的に接続されている。具体的には、ソース電極２０６Ｓは、ソース電極２０６Ｓの底面からコンタクト層２０５Ｓを経由して２ＤＥＧ２０７と電気的に接続されており、ドレイン電極２０６Ｄは、ドレイン電極２０６Ｄの底面からコンタクト層２０５Ｄを経由して２ＤＥＧ２０７と電気的に接続されている。
【０１３５】
また、ソース電極２０６Ｓおよびドレイン電極２０６Ｄの各々と絶縁膜２０８との間には、絶縁層２０９が形成されている。絶縁層２０９は、絶縁膜２０８の上層部分に形成されている。つまり、絶縁膜２０８は、絶縁膜２０８の一部として、塩素を含む絶縁層２０９を有する。本実施の形態において、絶縁層２０９の塩素濃度のピーク値は、１×１０１８ｃｍ−３以上であるとよい。
【０１３６】
なお、絶縁膜２０８には、さらに、第２の窒化物半導体層２０４に到達するゲート電極開口部２０８Ｇが形成されている。ゲート電極開口部２０８Ｇに対応する位置には、ゲート電極２０６Ｇが形成されている。具体的には、ゲート電極２０６Ｇは、ゲート電極開口部２０８Ｇを覆うように形成されている。ゲート電極２０６Ｇは、コンタクト層を介することなく、第２の窒化物半導体層２０４と接触しており、ゲート電極２０６Ｇと第２の窒化物半導体層２０４とはショットキーコンタクトしている。ゲート電極２０６Ｇは、例えば、Ｎｉ膜とＡｕ膜とを順に積層した多層膜構造となっているが、これに限らない。
【０１３７】
このような構造の半導体装置２００にすることで、オーミックコンタクト抵抗を低減しつつ、電流コラプスを抑制することができる。以下、その理由について説明する。
【０１３８】
塩素を含んだ絶縁層２０９は、イオン注入されて元素が打ち込まれたときの衝撃によって界面準位が破壊される。また、塩素は塩素イオンとなると負の固定電荷として作用するため、界面のポテンシャルを上昇させる。これにより、ソース電極２０６Ｓおよびドレイン電極２０６Ｄの各々と塩素を含んだ絶縁層２０９との界面における電子のトラップを抑制することができるので、ソース電極２０６Ｓとドレイン電極２０６Ｄとの間に高電圧が印加された時の電流コラプスを抑制することができる。
【０１３９】
また、塩素を含んだ絶縁層２０９を導入すると、絶縁層２０９とその他の膜との密着性が低下したり耐圧が低下したりする懸念がある。そこで、ソース電極２０６Ｓおよびドレイン電極２０６Ｄの下以外の一部の塩素濃度は、ソース電極２０６Ｓおよびドレイン電極２０６Ｄの下の塩素濃度よりも低い方がよい。
【０１４０】
以下、図９を参照しながら、本実施形態における半導体装置２００の製造方法を説明する。図９は、本実施形態における半導体装置２００の製造方法の各工程を示す断面図である。
【０１４１】
まず、図９の（ａ）に示すように、上記第１の実施形態と同様に、Ｓｉからなる基板２０１上に、有機金属気相成長法を用いて、厚さが２μｍでＡｌＮおよびＡｌＧａＮの積層構造からなるバッファ層２０２と、厚さが２μｍでｉ型ＧａＮからなる第１の窒化物半導体層２０３と、厚さが６０ｎｍでＡｌ組成比１５％のｉ型ＡｌＧａＮからなる第２の窒化物半導体層２０４とを順次エピタキシャル成長させる。この結果、第１の窒化物半導体層２０３と第２の窒化物半導体層２０４とのヘテロ界面には、２ＤＥＧ２０７が発生する。
【０１４２】
次に、図９の（ｂ）に示すように、第２の窒化物半導体層２０４の上に、厚さ１００ｎｍのＳｉＮからなる絶縁膜２０８をプラズマＣＶＤ法により堆積させて、その後、コンタクト層２０５Ｓおよび２０５Ｄを形成する領域に、リソグラフィーおよびフッ酸水溶液を用いたウェットエッチングを順に適用することにより、第２の窒化物半導体層２０４に到達する開口部としてソース電極開口部２０８Ｓおよびドレイン電極開口部２０８Ｄを絶縁膜２０８に形成する。
【０１４３】
次に、図９の（ｃ）に示すように、ソース電極開口部２０８Ｓおよびドレイン電極開口部２０８Ｄを有する絶縁膜２０８をマスクとしてＩＣＰドライエッチング装置を用いてＳｉＣｌ４ガスを含んだプラズマ処理を行うことで、第２の窒化物半導体層２０４の上層部分に、ケイ素および塩素を含むコンタクト領域としてコンタクト層２０５Ｓおよび２０５Ｄを形成するとともに、絶縁膜２０８の上層部分に、塩素を含んだ領域として絶縁層２０９を形成する。
【０１４４】
このプラズマ処理は、例えば、ガス原料としてＳｉＣｌ４を用いて、１０〜３０ｓｃｃｍのガス流量でＳｉＣｌ４ガスを導入することで行う。このとき、ＳｉＣｌ４の他に、ケイ素を含む材料としてＳｉＨ４および／または塩素を含む材料としてＣｌ２、ＢＣｌ３、ＣＣｌを添加してもよい。また、不活性ガスであるＡｒ（アルゴン）またはＨｅ（ヘリウム）を導入して、ＳｉＣｌ４を全体の５％程度まで希釈してもよい。プラズマ処理の設定条件としては、例えば、プラズマ処理雰囲気の圧力は０．５〜３Ｐａで、１３．５６ＭＨｚ電源による上部電極への印加電力は５０〜２００Ｗで、１３．５６ＭＨｚ電源による下部電極への印加電力は２０〜５０Ｗで、基板温度は０〜２０℃で、処理時間は３０〜１２０秒である。
【０１４５】
なお、本実施形態では、ＳｉＣｌ４ガスを含んだプラズマ処理によりコンタクト層２０５Ｓおよび２０５Ｄと塩素を含んだ絶縁層２０９とを第２の窒化物半導体層２０４に形成したが、低加速電圧のイオン注入装置によりコンタクト層２０５Ｓおよび２０５Ｄと塩素を含んだ絶縁層２０９とを第２の窒化物半導体層２０４に形成してもよい。また、プラズマ処理を施す工程では、コンタクト層２０５Ｓおよび２０６Ｄの塩素濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上となるようにプラズマ処理の条件を調整するとよい。
【０１４６】
次に、ポリマー洗浄液にて、コンタクト層２０５Ｓおよび２０５Ｄと塩素を含んだ絶縁層２０９との形成により堆積したポリマーを除去した後、窒素雰囲気下で８００℃の第１の熱処理を１分間行うことにより、コンタクト層２０５Ｓおよび２０５Ｄのケイ素イオンを活性化させる。
【０１４７】
このとき、本実施形態では、第１の熱処理の温度を９００℃以下にしている。これにより、コンタクト層２０５Ｓおよび２０５Ｄ内での塩素の拡散が抑制され、コンタクト層２０５Ｓおよび２０５Ｄの下面とヘテロ界面との間の塩素濃度を１×１０１７ｃｍ−３以下にすることができる。なお、第１の熱処理の温度は、４５０℃以上９００℃以下であるとよい。また、第１の熱処理は、ケイ素を活性化する必要十分な時間であってかつ出来るだけ短時間に設定されているとよい。また、本実施形態のように、絶縁膜２０８を熱処理することによって、第２の熱処理を行う時に絶縁膜２０８および塩素を含んだ絶縁層２０９とソース電極２０６Ｓおよびドレイン電極２０６Ｄとの反応を抑制することができる。
【０１４８】
次に、図９の（ｄ）に示すように、塩酸による前洗浄をして、スパッタ法によりＴｉ膜およびＡｌ膜を順に堆積させた後、リソグラフィー法およびドライエッチング法を順に適用してＴｉ膜およびＡｌ膜の積層膜をパターニングすることにより、オーミック電極として所定形状のソース電極２０６Ｓおよびドレイン電極２０６Ｄをコンタクト層２０５Ｓおよび２０５Ｄの上に形成する。このとき、ドライエッチングにより、ソース電極２０６Ｓとドレイン電極２０６Ｄの下以外の部分においては絶縁層２０９を除去する。
【０１４９】
次に、窒素雰囲気下で５００℃の第２の熱処理を１分間行うことにより、ソース電極２０６Ｓとドレイン電極２０６Ｄと２ＤＥＧ２０７とのオーミックコンタクトを形成する。このとき、本実施の形態のように、第２の熱処理の温度を９００℃以下にすることで、コンタクト層２０５Ｄおよび２０５Ｓ内の塩素の拡散を抑制することができる。
【０１５０】
次に、図９の（ｅ）に示すように、リソグラフィーおよびフッ酸水溶液を用いたウェットエッチングを順に適用することにより第２の窒化物半導体層２０４に到達する開口部としてゲート電極開口部２０８Ｇを絶縁膜２０８に形成し、その後、スパッタ法によりＮｉ膜およびＡｕ膜を順に堆積させた後にリソグラフィー法およびドライエッチング法を順に適用してＮｉ膜およびＡｕ膜の積層膜をパターニングすることにより、オーミック電極として所定形状のゲート電極２０６Ｇを第２の窒化物半導体層２０４の上に形成する。
【０１５１】
以上の一連の工程を経ることで、図８に示した構造の半導体装置２００が完成する。なお、その後、必要に応じて、半導体装置２００には、パッシベーション膜、多層配線およびボンディングパッド等が形成されていてもよい。以上のように形成された半導体装置２００は、オーミックコンタクト抵抗を１．０Ωｍｍ程度から０．３Ωｍｍ以下へと低減しつつ、膜の密着性が低下したり耐圧が低下したりすることなく電流コラプスを抑制することができる。
【０１５２】
（その他の変形例）
以上、本開示に係る半導体装置について、実施形態および変形例に基づいて説明したが、本開示は、上記実施形態および変形例に限定されるものではない。
【０１５３】
例えば、各実施形態および変形例に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で実施形態における構成要素および機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１５４】
本開示に係る半導体装置は、高速動作が要求される通信機器やインバータ、および、電源回路等に用いられるパワースイッチング素子等に有用である。
【符号の説明】
【０１５５】
１００、１００Ａ、１００Ｂ、２００  半導体装置
１０１、２０１  基板
１０２、２０２  バッファ層
１０３、２０３  第１の窒化物半導体層
１０４、２０４  第２の窒化物半導体層
１０５、２０５Ｓ、２０５Ｄ  コンタクト層
１０６  オーミック電極
１０７、２０７  ２ＤＥＧ
１０８、２０８  絶縁膜
１０９  リセス
２０６Ｓ  ソース電極
２０６Ｄ  ドレイン電極
２０６Ｇ  ゲート電極
２０８Ｓ  ソース電極開口部
２０８Ｄ  ドレイン電極開口部
２０８Ｇ  ゲート電極開口部
２０９  絶縁層
【図１】
2019009111.tif 000003
【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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【図７】
2019009111.tif 000009
【図８】
2019009111.tif 000010
【図９】
2019009111.tif 000011
【国際調査報告】
2019009111.tif 000012
2019009111.tif 000013
2019009111.tif 000014
2019009111.tif 000015