(57)【要約】【課題】  高ドレイン電圧を印加したときに生じるコラプス現象を抑制し、高出力動作可能な半導体装置およびその製造方法並びにその半導体装置製造用基板およびその製造方法を提供する。【解決手段】  基板（１１）上に形成されたＧａＮ系半導体層（１３）と、ＧａＮ系半導体層（１３）の表面に形成された、珪素またはアルミニウムが化学量論的な組成比より多い窒化珪素、酸化珪素、酸化窒化珪素、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムからなる絶縁膜（２５）と、ＧａＮ系半導体層（１３）上に形成されたゲート電極（１８）と、ゲート電極（１８）を挟んで形成されたソース電極（１４）およびドレイン電極（１６）と、を具備する半導体装置およびその製造方法並びにその半導体装置製造用基板およびその製造方法である。【選択図】  図５
2006278812.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたＧａＮ系半導体層と、
該ＧａＮ系半導体層の表面に形成された、珪素の組成比が窒素に対し０．８５〜３．０の窒化珪素、珪素の組成比が酸素に対し０．６〜３．０の酸化珪素、並びに珪素の組成比が窒素および酸素に対し０．６〜３．０の酸化窒化珪素、のいずれか1つからなる絶縁膜と、
前記ＧａＮ系半導体層上に形成されたゲート電極と、
該ゲート電極を挟んで形成されたソース電極およびドレイン電極と、を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
基板上に形成されたＧａＮ系半導体層と、
該ＧａＮ系半導体層の表面に形成された、アルミニウムの組成比が窒素に対し１．２〜２．０の窒化アルミニウム、並びにアルミニウムの組成比が酸素に対し０．７〜２．０の酸化アルミニウムのいずれか1つからなる絶縁膜と、
前記ＧａＮ系半導体層上に形成されたゲート電極と、
該ゲート電極を挟んで形成されたソース電極およびドレイン電極と、を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記基板は、ＳｉＣ、Ｓｉ、サファイアおよびＧａＮ系半導体のいずれかからなることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体装置はＨＥＭＴまたはＭＥＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ＧａＮ系半導体層はＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項６】
基板上にＧａＮ系半導体層を形成する工程と、
前記ＧａＮ系半導体層の表面にプラズマＣＶＤ法によって、珪素の組成比が窒素に対し０．８５〜３．０の窒化珪素、珪素の組成比が酸素に対し０．６〜３．０の酸化珪素、並びに珪素の組成比が窒素および酸素に対し０．６〜３．０の酸化窒化珪素、のいずれか1つからなる絶縁膜を形成する工程と、
前記ＧａＮ系半導体層上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極を挟んでソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
基板上にＧａＮ系半導体層を形成する工程と、
ＧａＮ系半導体層の表面に、アルミニウムの組成比が窒素に対し１．２〜２．０の窒化アルミニウム、並びにアルミニウムの組成比が酸素に対し０．７〜２．０の酸化アルミニウムのいずれか1つからなる絶縁膜を形成する工程と、
前記ＧａＮ系半導体層上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極を挟んでソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記窒化珪素からなる絶縁膜は、ＳｉＨ４ガスの流量が４〜１５ｓｃｃｍ、ＮＨ３ガスの流量が０〜８ｓｃｃｍ、Ｎ２ガスの流量が２０〜２００ｓｃｃｍにより形成されることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記窒化アルミニウムからなる絶縁膜は、窒化アルミニウムをターゲットに用い、Ａｒガスの流量が２０〜１００ｓｃｃｍのよりスパッタ法で形成されることを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記絶縁膜は１０ｎｍ以上で形成されることを特徴とする請求項６または７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記ＧａＮ系半導体層は、ＭＯＣＶＤ法で形成されることを特徴とする請求項６または７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
基板上に形成されたＧａＮ系半導体層と、
該ＧａＮ系半導体層の表面に形成された、珪素の組成比が窒素に対し０．８５〜３．０の窒化珪素、珪素の組成比が酸素に対し０．６〜３．０の酸化珪素、並びに珪素の組成比が窒素および酸素に対し０．６〜３．０の酸化窒化珪素、のいずれか1つからなる絶縁膜と、を具備することを特徴とする半導体装置製造用基板。
【請求項１３】
基板上に形成されたＧａＮ系半導体層と、
該ＧａＮ系半導体層の表面に形成された、アルミニウムの組成比が窒素に対し１．２〜２．０の窒化アルミニウム、並びにアルミニウムの組成比が酸素に対し０．７〜２．０の酸化アルミニウムのいずれか1つからなる絶縁膜と、を具備することを特徴とする半導体装置製造用基板。
【請求項１４】
前記基板は、ＳｉＣ、Ｓｉ、サファイアおよびＧａＮ系半導体のいずれかからなることを特徴とする請求項１２または１３記載の半導体装置製造用基板。
【請求項１５】
前記絶縁膜は、プラズマＣＶＤ法を用い形成されたことを特徴とする請求項１２または１３記載の半導体装置製造用基板。
【請求項１６】
前記ＧａＮ系半導体層はＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層であることを特徴とする請求項１２または１３記載の半導体装置製造用基板。
【請求項１７】
基板上にＧａＮ系半導体層を形成する工程と、
前記ＧａＮ系半導体層の表面にプラズマＣＶＤ法によって、珪素の組成比が窒素に対し０．８５〜３．０の窒化珪素、珪素の組成比が酸素に対し０．６〜３．０の酸化珪素、並びに珪素の組成比が窒素および酸素に対し０．６〜３．０の酸化窒化珪素、のいずれか1つからなる絶縁膜を形成する工程と、を具備することを特徴とする半導体装置製造用基板の製造方法。
【請求項１８】
ＧａＮ系半導体層の表面に、アルミニウムの組成比が窒素に対し１．２〜２．０の窒化アルミニウム、並びにアルミニウムの組成比が酸素に対し０．７〜２．０の酸化アルミニウムのいずれか1つからなる絶縁膜を形成する工程と、を具備することを特徴とする半導体装置製造用基板の製造方法。
【請求項１９】
前記絶縁膜は１０ｎｍ以上で形成されることを特徴とする請求項１７または１８記載の半導体装置製造用基板の製造方法。
【請求項２０】
前記ＧａＮ系半導体層は、ＭＯＣＶＤ法で形成されることを特徴とする請求項１７または１８記載の半導体装置製造用基板の製造方法。
【請求項２１】
前記基板は、ＳｉＣ、Ｓｉ、サファイアおよびＧａＮ系半導体のいずれかからなることを特徴とする請求項１７または１８記載の半導体装置製造用基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置およびその製造方法並びにその半導体装置製造用基板およびその製造方法、特に、窒化物半導体装置とその製造方法並びにその半導体装置製造用基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体、特に窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた半導体装置は、高周波かつ高出力で動作するパワー素子として用いられている。特に、マイクロ波、準ミリ波、ミリ波等の高周波帯域において増幅を行うのに適した半導体装置として、高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：HEMT）が知られている。窒化物半導体ＨＥＭＴの高出力化のため、高ドレイン電圧で動作可能なＨＥＭＴの技術開発が進められている。
【０００３】
窒化物半導体は、Ｖ族元素である窒素（Ｎ）とIII族元素の化合物であり、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などがある。特許文献１、特許文献２および特許文献３にはＧａＮ層と、ＧａＮとＡｌＮの混晶であるＡｌＧａＮ層を含む窒化物半導体を用いたＨＥＭＴ（以下、窒化物半導体ＨＥＭＴ）が開示されている。
【０００４】
特許文献１には、ＧａＮチャネル層上に、ＡｌＧａＮ電子供給層が形成され、ＡｌＧａＮ電子供給層上にゲート電極、ソース電極およびドレイン電極が形成された窒化物半導体ＨＥＭＴが開示されている。ここでは、ゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面層はＡｌＧａＮ層である。
【０００５】
特許文献２には、ＡｌＧａＮ電子供給層上に、ＧａＮ電子蓄積層が形成され、ＧａＮ電子蓄積層上にゲート電極、ソース電極およびドレイン電極が形成された窒化物半導体ＨＥＭＴが開示されている。ここでは、ゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面層はＧａＮ層である。
【０００６】
特許文献３には、ＧａＮチャネル層上に、ＡｌＧａＮ電子供給層が形成され、ＡｌＧａＮ電子供給層上にゲート電極、ＡｌＧａＮ電子供給層上にＧａＮコンタクト層を介してソース電極およびドレイン電極が形成された窒化物半導体ＨＥＭＴが開示されている。ここでは、ゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面層はＧａＮ層とＡｌＧａＮ層である。
【特許文献１】特開２００４−２００２４８号公報  図1
【特許文献２】特開２００３−２２９４３９号公報  図１
【特許文献３】特開２００１−７７３５３号公報  図１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の窒化物半導体ＨＥＭＴでは高いドレイン電圧を印加すると、ドレイン電流が減少してしまう現象（コラプス現象）が問題となっている。以下にコラプス現象につき説明する。図１は窒化物半導体ＨＥＭＴ（従来例）にドレイン電圧として順次１０V、２０V、５０Ｖを印加したときのドレイン電流（Ｉｄｓ）−ドレイン電圧（Ｖｄｓ）特性を示している。ドレイン電圧を２０Ｖ印加したときのドレイン電流は、ドレイン電圧を１０Ｖ印加したときのドレイン電流に比べ減少する。さらに、ドレイン電圧を５０Ｖ印加したときのドレイン電流は、ドレイン電圧１０Ｖ印加したときのドレイン電流の約半分となっている。このようなＨＥＭＴにおいては、ドレイン電圧を２０Ｖ以上印加することができず、高出力動作は難しい。
【０００８】
本発明の目的は、高ドレイン電圧を印加したときに生じるコラプス現象を抑制し、高出力動作可能な半導体装置およびその製造方法並びにその半導体装置製造用基板およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、基板上に形成されたＧａＮ系半導体層と、該ＧａＮ系半導体層の表面に形成された、珪素の組成比が窒素に対し０．８５〜３．０の窒化珪素、珪素の組成比が酸素に対し０．６〜３．０の酸化珪素、並びに珪素の組成比が窒素および酸素に対し０．６〜３．０の酸化窒化珪素、のいずれか1つからなる絶縁膜と、前記ＧａＮ系半導体層上に形成されたゲート電極と、該ゲート電極を挟んで形成されたソース電極およびドレイン電極と、を具備することを特徴とする半導体装置である。本発明によれば、コラプス現象の原因となるゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面層内に形成されるIII族元素の酸化物を減らすことができる。これによりコラプス現象を抑制することができる。よって、高出力動作可能な半導体装置を提供することが可能となる。
【００１０】
本発明は、基板上に形成されたＧａＮ系半導体層と、該ＧａＮ系半導体層の表面に形成された、アルミニウムの組成比が窒素に対し１．２〜２．０の窒化アルミニウム、並びにアルミニウムの組成比が酸素に対し０．７〜２．０の酸化アルミニウムのいずれか1つからなる絶縁膜と、前記ＧａＮ系半導体層上に形成されたゲート電極と、該ゲート電極を挟んで形成されたソース電極およびドレイン電極と、を具備することを特徴とする半導体装置である。本発明によれば、コラプス現象の原因となるゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面層内に形成されるIII族元素の酸化物を減らすことができる。これによりコラプス現象を抑制することができる。よって、高出力動作可能な半導体装置を提供することが可能となる。
【００１１】
本発明は前記基板は、ＳｉＣ、Ｓｉ、サファイアおよびＧａＮ系半導体のいずれかからなることを特徴とする半導体装置とすることができる。また、本発明は、前記半導体装置はＨＥＭＴまたはＭＥＳＦＥＴであることを特徴とする半導体装置とすることができる。さらに、本発明は、前記ＧａＮ系半導体層はＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層であることを特徴とする半導体装置とすることができる。
【００１２】
本発明は、基板上にＧａＮ系半導体層を形成する工程と、前記ＧａＮ系半導体層の表面にプラズマＣＶＤ法によって、珪素の組成比が窒素に対し０．８５〜３．０の窒化珪素、珪素の組成比が酸素に対し０．６〜３．０の酸化珪素、並びに珪素の組成比が窒素および酸素に対し０．６〜３．０の酸化窒化珪素、のいずれか1つからなる絶縁膜を形成する工程と、前記ＧａＮ系半導体層上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極を挟んでソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、コラプス現象の原因となるゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面層内に形成されるIII族元素の酸化物を減らすことができる。これによりコラプス現象を抑制することができる。よって、高出力動作可能な半導体装置の製造方法を提供することが可能となる。
【００１３】
本発明は、基板上にＧａＮ系半導体層を形成する工程と、ＧａＮ系半導体層の表面に、アルミニウムの組成比が窒素に対し１．２〜２．０の窒化アルミニウム、並びにアルミニウムの組成比が酸素に対し０．７〜２．０の酸化アルミニウムのいずれか1つからなる絶縁膜を形成する工程と、前記ＧａＮ系半導体層上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極を挟んでソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、コラプス現象の原因となるゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面層内に形成されるIII族元素の酸化物を減らすことができる。これによりコラプス現象を抑制することができる。よって、高出力動作可能な半導体装置の製造方法を提供することが可能となる。
【００１４】
本発明は、前記窒化珪素からなる絶縁膜は、ＳｉＨ４ガスの流量が４〜１５ｓｃｃｍ、ＮＨ３ガスの流量が０〜８ｓｃｃｍ、Ｎ２ガスの流量が２０〜２００ｓｃｃｍにより形成されることを特徴とずる半導体装置の製造方法とすることができる。また、本発明は、前記窒化アルミニウムからなる絶縁膜は、窒化アルミニウムをターゲットに用い、Ａｒガスの流量が２０〜１００ｓｃｃｍのよりスパッタ法で形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法とすることができる。さらに、本発明は、前記絶縁膜は１０ｎｍ以上で形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法とすることができる。さらに、本発明は、前記ＧａＮ系半導体層は、ＭＯＣＶＤ法で形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法とすることができる。
【００１５】
本発明は、基板上に形成されたＧａＮ系半導体層と、該ＧａＮ系半導体層の表面に形成された、珪素の組成比が窒素に対し０．８５〜３．０の窒化珪素、珪素の組成比が酸素に対し０．６〜３．０の酸化珪素、並びに珪素の組成比が窒素および酸素に対し０．６〜３．０の酸化窒化珪素、のいずれか1つからなる絶縁膜と、を具備することを特徴とする半導体装置製造用基板である。本発明によれば、コラプス現象の原因となるゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面層内に形成されるIII族元素の酸化物を減らすことができる。これによりコラプス現象を抑制することができる。よって、高出力動作可能な半導体装置の製造に用いるための半導体装置製造用基板を提供することが可能となる。さらに、保存に適した半導体装置製造用基板を提供することができる。
【００１６】
本発明は、基板上に形成されたＧａＮ系半導体層と、該ＧａＮ系半導体層の表面に形成された、アルミニウムの組成比が窒素に対し１．２〜２．０の窒化アルミニウム、並びにアルミニウムの組成比が酸素に対し０．７〜２．０の酸化アルミニウムのいずれか1つからなる絶縁膜と、を具備することを特徴とする半導体装置製造用基板である。本発明によれば、コラプス現象の原因となるゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面層内に形成されるIII族元素の酸化物を減らすことができる。これによりコラプス現象を抑制することができる。よって、高出力動作可能な半導体装置の製造に用いるための半導体装置製造用基板を提供することが可能となる。さらに、保存に適した半導体装置製造用基板を提供することができる。
【００１７】
本発明は、前記基板は、ＳｉＣ、Ｓｉ、サファイアおよびＧａＮ系半導体のいずれかからなることを特徴とする半導体装置製造用基板とすることができる。また、前記絶縁膜は、プラズマＣＶＤ法を用い形成されたことを特徴とする半導体装置製造用基板とすることができる。さらに、前記ＧａＮ系半導体層はＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層であることを特徴とする半導体装置製造用基板とすることができる。
【００１８】
本発明は、基板上にＧａＮ系半導体層を形成する工程と、前記ＧａＮ系半導体層の表面にプラズマＣＶＤ法によって、珪素の組成比が窒素に対し０．８５〜３．０の窒化珪素、珪素の組成比が酸素に対し０．６〜３．０の酸化珪素、並びに珪素の組成比が窒素および酸素に対し０．６〜３．０の酸化窒化珪素、のいずれか1つからなる絶縁膜を形成する工程と、を具備することを特徴とする半導体装置製造用基板の製造方法である。本発明によれば、コラプス現象の原因となるゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面層内に形成されるIII族元素の酸化物を減らすことができる。これによりコラプス現象を抑制することができる。よって、高出力動作可能な半導体装置の製造に用いるための半導体装置製造用基板の製造方法を提供することが可能となる。さらに、保存に適した半導体装置製造用基板の製造方法を提供することができる。
【００１９】
本発明は、ＧａＮ系半導体層の表面に、アルミニウムの組成比が窒素に対し１．２〜２．０の窒化アルミニウム、並びにアルミニウムの組成比が酸素に対し０．７〜２．０の酸化アルミニウムのいずれか1つからなる絶縁膜を形成する工程と、を具備することを特徴とする半導体装置製造用基板の製造方法である。本発明によれば、コラプス現象の原因となるゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面層内に形成されるIII族元素の酸化物を減らすことができる。これによりコラプス現象を抑制することができる。よって、高出力動作可能な半導体装置の製造に用いるための半導体装置製造用基板の製造方法を提供することが可能となる。さらに、保存に適した半導体装置製造用基板の製造方法を提供することができる。
【００２０】
本発明は、前記絶縁膜は１０ｎｍ以上で形成されることを特徴とする半導体装置製造用基板の製造方法とすることができる。また、本発明は、前記ＧａＮ系半導体層は、ＭＯＣＶＤ法で形成されることを特徴とする半導体装置製造用基板の製造方法とすることができる。また、本発明は、前記基板は、ＳｉＣ、Ｓｉ、サファイアおよびＧａＮ系半導体のいずれかからなることを特徴とする半導体装置製造用基板の製造方法とすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、半導体表面層上に形成された絶縁膜層が、半導体表面層内の絶縁膜層界面に形成されるIII族元素の酸化物を減らし、これにより、高ドレイン電圧を印加したときに生じるコラプス現象を抑制することができる。この結果、高出力動作可能な半導体装置およびその製造方法並びにその半導体装置製造用基板およびその製造方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明者は、コラプス現象の原因について、以下のように推論した。図２はコラプス現象の原因につき説明するための従来例にかかるＨＥＭＴの断面模式図である。サファイア基板またはＳｉＣ基板１１上に、ＧａＮ系半導体層１３として、ＧａＮチャネル層およびＡｌＧａＮ電子供給層を含む半導体層１０、半導体表面層１２であるＧａＮキャップ層が形成されている。ＧａＮ系半導体層１３の表面に絶縁膜２０が形成されている。さらに、絶縁膜２０の所定領域に開口部を設け、開口部にＧａＮ系半導体層１３上にゲート電極１８が形成されている。さらに、ゲート電極１８を挟んでソース電極１４およびドレイン電極１６が形成されている。
【００２３】
このとき、半導体表面層１２内の絶縁膜層２０界面には半導体表面層１２を構成するIII族元素の酸化物４０が存在する。ドレイン電流である電子４６の流れ４４は、ソース電極１４からドレイン電極１６に流れる。高ドレイン電圧を印加することにより、何らかの原因で、電子４６の一部が、ゲート電極１８とドレイン電極間の酸化物４０に捕獲される。これにより、ドレイン電流が減少する。ここで、高電界によって、電子が捕獲されるメカニズムは明確ではないが、例えば、高ドレイン電圧印加時の高電界により酸化物４０内に電子トラップ４２が誘発する。または、高電界によって、ホットになった電子が表面空乏層を通過し、酸化物４０内の電子トラップ４２に捕獲される、などが考えられる。いずれにしても、コラプス現象は半導体表面層１２内の絶縁膜層２０界面に存在する酸化物４０に起因するのではないかと推論した。そこで、本発明者は、半導体表面層内のIII族元素の酸化物を減らす手段として、標準生成自由エネルギーに着目した。
【００２４】
はガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、珪素（Ｓｉ）の酸化物における標準生成自由エネルギーは以下である。Ｇａ２Ｏ３は−４９９ｋＪ／ｍｏｌｅ、Ａｌ２Ｏ３は−７９１ｋＪ／ｍｏｌｅ、Ｉｎ２Ｏ３は−４１９ｋＪ／ｍｏｌｅ、ＳｉＯ２は−８５７ｋＪ／ｍｏｌｅである。標準生成自由エネルギーとは反応の進み易さを表し、負に大きくなれば、自発的にその組成になるように反応が進むことを表す。
【００２５】
ＳｉＯ２が標準生成自由エネルギーが最も小さい。半導体表面層１２が例えばＧａＮ層であった場合、その酸化物としてはＧａ２Ｏ３が考えられる。半導体表面層１２であるＧａＮ層は、窒素抜けによりＧａが過剰な状態になる。そのため、大気中の酸素と反応し、例えばＧａ２Ｏ３のような酸化物が形成される。半導体表面層化学量論的な窒化珪素膜（Ｓｉ３Ｎ４）より珪素（Ｓｉ）の含有量の多い窒化珪素膜がＧａＮ層上に形成されれば、窒化珪素膜中の余剰な珪素（余剰なボンドが水素と結合しＳｉ−Ｈ基となっている珪素）は、ＧａＮ層内の酸化物であるＧａ２Ｏ３の酸素と反応し、珪素自らが酸化する。その結果、酸化物であるＧａ２Ｏ３を減らすことができると考えた。
【００２６】
図３は、窒化珪素膜中の屈折率と、窒化珪素膜中の珪素に対する窒素の組成比（珪素／窒素組成比）との関係を示す図である。屈折率が２．０よりやや小さな値のとき、珪素と窒素は化学量論的な値である０．７５となる。よって、屈折率が２．０以上であれば、窒化珪素膜中の珪素は化学量論的な窒化珪素膜より珪素が余剰になる。
【００２７】
そこで、後述する実施例１と同じ構造を有する半導体装置において、絶縁膜層２５として窒化珪素膜層の屈折率を２．０５とした半導体装置と２．２０とした半導体装置を作製した。
【００２８】
表１は、絶縁膜層２５として窒化珪素膜層の屈折率を２．０５とした半導体装置と２．２０とした半導体装置における、半導体表面層１２と絶縁膜層２５界面付近のエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析（ＥＤＸ分析）の結果である。半導体表面層１２と絶縁膜層界面の絶縁膜層側の箇所３０と半導体表面層側の箇所３２の２箇所で分析を行っている。ここで、各元素の比率は組成比を示すものではなく、信号の強さを表している。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
屈折率２．０５の窒化珪素膜層を有する半導体装置では、半導体表面層側の箇所３２において、絶縁膜層側の箇所３０に比べ、酸素とガリウムが多く検出される。これより、半導体表面層内にガリウム酸化物が形成されていることが考えられる。
【００３１】
一方、屈折率２．０の窒化珪素膜層を有する半導体装置では、屈折率２．０５の窒化珪素膜層を有する半導体装置に比べ、半導体表面層側の箇所３２の酸素が減っている。また、絶縁膜層側の箇所３０の酸素が増えている。このことから、窒化珪素膜層の屈折率を２．２０としたことにより、窒化珪素膜層中の余剰な珪素（すなわちＳｉ−Ｈ基）が、半導体表面層内のガリウム酸化物中の酸素と反応し、その結果、ガリウム酸化物が減ったものと考えられる。
【００３２】
このように、屈折率が２．２以上、すなわち珪素／窒素組成比が０．８５以上の窒化珪素膜を半導体表面層１２上に形成することにより、半導体表面層１２内のIII族元素の酸化物を減ずることができる。ここで、屈折率が２．０でなく２．２以上が好ましいのは、ガリウム酸化物を減らすためにはある程度の余剰な珪素（Ｓｉ−Ｈ基）が必要だからである。
【実施例１】
【００３３】
実施例１は、絶縁膜層２５として屈折率２．２〜２．３、すなわち珪素／窒素組成比１．８５〜１．９の窒化珪素膜層を半導体表面層１２上に形成した窒化物半導体ＨＥＭＴの例である。
【００３４】
以下、窒化物半導体ＨＥＭＴの製造方法について説明する。図４において、例えばＳｉＣ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法を用い、ＧａＮ系半導体層１３として、不純物無添加のＧａＮ電子走行層、Ｓｉを添加したＮ型のＡｌＧａＮ電子供給層を含む半導体層１０、半導体表面層１２としてＧａＮキャップ層を形成する。これにより、エピタキシャル基板が完成する。半導体表面層１２の表面に、絶縁膜層２５として屈折率２．２〜２．３の窒化珪素膜層を形成する。この窒化珪素膜は、珪素／窒素組成比は０．８５〜０．９に相当する。以上により、半導体製造用基板が完成する。基板１１はＳｉＣ、Ｓｉ、サファイアまたはＧａＮ系半導体のいずれかからなる基板を用いることができる。これにより、結晶性のよいＧａＮ系半導体層１３を形成することができる。ＧａＮ系半導体１３とは、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮのいずれかからなる半導体である。実施例１においては、ＧａＮ系半導体層１３はＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層からなる。
【００３５】
絶縁膜層２５である窒化珪素膜の形成は、プラズマＣＶＤ装置を用い、例えば、ＳｉＨ４（シラン）ガスの流量を４．０〜１５ｓｃｃｍ、ＮＨ３（アンモニア）ガスの流量を０〜８％ｓｃｃｍ、Ｎ２(窒素)ガスの流量を２０〜２００ｓｃｃｍ、高周波電力密度を０．０４〜０．２４W／ｃｍ２の条件で行った。ここで、例えば、ＮＨ３ガスを低流量にすることで、珪素の含有量および屈折率を大きくすることができ、高周波電力密度を所定の値とすることで、珪素の含有量および所望の屈折率とすることができる。本実施例では、屈折率は２．２〜２．３、珪素／窒素組成比は０．８５〜０．９とした。プラズマＣＶＤ装置としては平行平板型プラズマＣＶＤ装置、ＩＣＰ型ＣＶＤ装置、ＥＣＲ型ＣＶＤ装置を用いることができる。また、絶縁膜層２５は、スパッタ装置を用い、例えば、Ａｒのガス流量比を２０〜８０％、高周波電力を５０〜５００Ｗの条件で形成することもできる。絶縁膜層２５の形成をＣＶＤ装置またはスパッタ装置を用いることにより、簡単に所望の絶縁膜層２５を成膜することができる。
【００３６】
絶縁膜層２５の膜厚は２００ｎｍから３００ｎｍを使用した。半導体表面層１２表面の酸化物を減らす効果を得るためには、絶縁膜層２５の膜厚は、１０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００３７】
次に、図５において、所定領域の絶縁膜層２５をドライエッチング法で選択的にエッチングし、半導体表面層１２上にゲート電極１６を形成する。ゲート電極１８は、例えばＮｉ／ＡｌまたはＮｉ／Ａｕであり、蒸着法およびリフトオフ法により形成する。所定領域の絶縁膜層２５をドライエッチング法で選択的にエッチングし、ゲート電極１８を挟んでソース電極１４およびドレイン電極１６を形成する。ソース電極１４およびドレイン電極１６は、例えばＴｉ／ＡｌまたはＴｉ／Ａｕであり、蒸着法およびリフトオフ法により形成される。以上により、実施例１に係る窒化物半導体ＨＥＭＴが完成する。
【００３８】
図６は、このように作製されたＨＥＭＴに、ドレイン電圧として順次１０V、２０V、５０Ｖを印加したときのドレイン電流（Ｉｄｓ）−ドレイン電圧（Ｖｄｓ）特性を示している。いずれのドレイン電圧印加時も、ドレイン電流曲線はほぼ一致し、コラプス現象は生じていない。
【００３９】
このように、実施例１に係る窒化物半導体ＨＥＭＴにおいては、絶縁膜層２５として化学量論的な組成より珪素の多い窒化珪素膜層を、ゲート電極１８とドレイン電極１６間の半導体表面層１２上に形成することにより、半導体表面層１２内のIII族元素の酸化物を減ずることができた。これにより、コラプス現象を抑制させることができた。この結果、実施例１に係るＨＥＭＴにおいては、高出力動作可能な半導体装置の提供が可能となった。なお、実施例１においては、窒化物半導体ＨＥＭＴの例を示したが、ＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor FET）においても同様の効果が得られる。
【００４０】
また、図４に示した半導体装置製造用基板においては、絶縁膜層２５がエピタキシャル基板の表面保護として機能する。基板上に種々の半導体層を形成したエピタキシャル基板は、予め作りだめをしておき、製造の所要があった場合に残りの工程を行う。あるいは、エピタキシャル成長技術を持たないメーカが、外部から購入して使用することになるものである。以上のように、エピタキシャル基板は、その表面が長期にわたって外部雰囲気に曝されることになるが、その間、表面の酸化などが進行してしまう。このようなエピタキシャル基板の表面に絶縁膜層２５を形成しておくことにより、長期に外部雰囲気に曝されることがなくなる。その結果、ＧａＮ系半導体層１３の表面に半導体装置の特性を劣化させる酸化物が形成されることを防止できる。従来の化学量論的な組成の絶縁膜においては、酸化物を低減させる機能は存在しなかった。しかし、実施例１に係る半導体装置を製造するための半導体装置製造用基板においては、絶縁膜２５を設けることで、半導体表面層１２に形成された酸化物を低減できるのである。よって、ＧａＮ系半導体層１３の表面に半導体装置の特性を劣化させる酸化物が形成されることを防止できる。
【００４１】
本実施例において、絶縁膜層２５として屈折率２．１から２．２の窒化珪素膜層を使用した例を示した。絶縁膜層２５は、窒化珪素膜層の屈折率が大きい方、すなわち窒化珪素膜中に珪素の含有量は多い方が、半導体表面層１２内に形成された酸化物を減らす効果は大きい。言い換えると、屈折率の大きく、すなわち、窒素に対する珪素の組成比が大きい絶縁膜の効果が大きいと言える。しかし、珪素／窒素組成比が、例えば、３．０を越えると、大気中の酸素と反応してしまうため、窒化珪素膜下の酸化物との反応が低減されてしまう。さらに、珪素／窒素組成比が３．０を越える場合には、バンドギャップが急激に減少し、金属としての性質を帯び絶縁膜とはならず、アモルファス珪素となる。このため、珪素／窒素組成比は３．０以下とすることが
好ましい。
【００４２】
以上のように、窒化珪素膜の珪素／窒素組成比は（珪素の組成比が窒素に対し）、珪素の組成を化学量論的な組成より多くするため、０．８５以上であることが好ましい。０．８５より小さいと、例えばＧａ２Ｏ３を引き抜くためのＳｉ−Ｈ基の密度が足りないため、コラプス現象を抑制する効果が低くなるためである。また、上記より、珪素／窒素組成比は３．０以下が好ましい。さらに、１．０〜３．０がより好ましい。
【００４３】
本実施例において、半導体表面層１２としてＧａＮ層である場合の例を示した。しかし、前述の標準生成自由エネルギーを考慮すれば、例えば、ＧａＮとＡｌＮの混晶であるＡｌＧａＮ層であっても同様に考えることができる。ＡｌＧａＮ層の表面にはガリウム酸化物とアルミニウム酸化物が形成されている。アルミニウム酸化物であるＡｌ2Ｏ3の標準生成自由エネルギーよりＳｉＯ2の標準生成自由エネルギーの方が小さい。よって、絶縁膜層２５内の余剰な珪素は、Ｇａ２Ｏ３およびＡｌ2Ｏ3の酸素と反応し、これら酸化物を減らすことができる。
【００４４】
上記のごとく、特許文献１のような、ゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面１２層がＡｌＧａＮ層である構造、特許文献２のような、ゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面層１２がＧａＮ層である構造、および特許文献３のような、ゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面層１２がＡｌＧａＮ層とＧａＮ層である構造に対しても、半導体表面層１２上に絶縁膜層２５として化学量論的な組成より珪素が多く含まれた窒化珪素膜層を形成することにより、半導体表面層１２内のIII族元素の酸化物を減らし、コラプス現象を抑制できる。
【００４５】
また、絶縁膜層２５としては、窒化珪素膜層のみならず、珪素を含む酸化珪素膜や窒化酸化珪素膜であっても、珪素が化学量論的な組成より多い膜であれば、余剰な珪素が、Ｇａ２Ｏ３およびＡｌ2Ｏ3の酸素と反応し、これら酸化物を減らす効果がある。
【００４６】
酸化珪素膜を用いる場合は、酸化珪素膜の珪素／酸素組成比は（珪素の組成比が酸素に対し）、珪素の組成を化学量論的な組成比である０．５より多くするため、０．６以上であることが必要である。０．６より小さいと、例えばＧａ２Ｏ３を引き抜くためのＳｉ−Ｈ基の密度が足りないため、コラプス現象を抑制する効果が低くなるためである。また、珪素／酸素組成比が３．０を越えると、窒化珪素膜と同様、大気中の酸素と反応してしまう。また、金属的な性質を帯びたアモルファス珪素となってしまう。以上より、酸化珪素膜の珪素／酸素組成比は（珪素の組成比が酸素に対し）、０．６以上が好ましく、３．０以下が好ましい。さらに、１．０〜３．０がより好ましい。
【００４７】
酸化珪素膜の形成は、プラズマＣＶＤ装置を用い、例えば、ＳｉＨ４ガスの流量を４〜１０ｓｃｃｍ、ＮＯ２（二酸化窒素）ガスの流量を２〜１５ｓｃｃｍ、Ｎ２ガスの流量を２０〜５００ｓｃｃｍ、電力密度を０．０３〜０．３Ｗ／ｃｍ２の条件で行うことができる。
【００４８】
酸化窒化珪素膜を用いる場合は、酸化窒化珪素膜の珪素／窒素並びに酸素組成比が（珪素の組成比が窒素および酸素に対し）０．６以上であることが必要である。０．６より小さいと、例えばＧａ２Ｏ３を引き抜くためのＳｉ−Ｈ基の密度が足りないため、コラプス現象を抑制する効果が低くなるためである。また、珪素／窒素並びに酸素組成比が３．０を越えると、窒化珪素膜と同様、大気中の酸素と反応してしまう。また、金属的な性質を帯びたアモルファス珪素となってしまう。以上より、窒化酸化珪素膜の珪素／酸素および窒素組成比は（珪素の組成比が酸素および窒素に対し）、０．６以上が好ましく、３．０以下が好ましい。さらに、１．０〜３．０がより好ましい。
【００４９】
酸化窒化珪素膜の形成は、平行平板型プラズマＣＶＤ装置を用い、例えば、ＳｉＨ４ガスの流量を４〜１０ｓｃｃｍ、ＮＯ２（二酸化窒素）ガスの流量を２〜８ｓｃｃｍ、Ｎ２ガスの流量を２０〜５００ｓｃｃｍ、高周波電力密度を０．０７〜０．２５Ｗ／ｃｍ２の条件で行うことができる。
【００５０】
さらに、半導体表面層１２としてＧａＮ層の表面に形成されたＧａ２Ｏ３に対しては、絶縁膜層２５としてアルミニウムが化学量論的な組成より多く含まれる窒化アルミニウム膜層や酸化アルミニウム膜層を使用することもできる。Ａｌ2Ｏ3の標準生成自由エネルギーはＧａ２Ｏ３の標準生成自由エネルギーに対し小さいため、絶縁膜層２５中の余剰なアルミニウムがＧａ２Ｏ３の酸素と反応し、これら酸化物を減らす効果があるためである。
【００５１】
窒化アルミニウム膜を用いる場合は、窒化アルミニウム膜のアルミニウム／窒素組成比を化学量論的な組成である１．０より多くするため、１．２以上であることが必要である。１．２より小さいと、例えばＧａ２Ｏ３を引き抜くＡｌのダングリングボンドの密度が足りないため、コラプス現象を抑制する効果が低くなるためである。また、アルミニウム／窒素組成比が２．０を越えると、大気中の酸素と反応してしまうため、窒化アルミニウム膜下の酸化物との反応が低減されてしまう。以上より、窒化アルミニウム膜のアルミニウム／窒素組成比は（アルミニウムの組成比が窒素に対し）、１．２以上が好ましく
、２．０以下が好ましい。さらに、１．５〜２．０がより好ましい。
【００５２】
窒化アルミニウム膜の形成は、窒化アルミニウム膜からなるターゲット、スパッタ法を用い、例えば、Ａｒガスの流量が２０〜１００ｓｃｃｍ、高周波電力が１００〜２００Ｗの条件で行うことができる。
【００５３】
酸化アルミニウム膜を用いる場合は、酸化アルミニウムのアルミニウム／酸素組成比は（アルミニウムの組成比が酸素に対し）、化学量論的な組成である０．６７より多くするため、０．７以上であることが必要である。０．７より小さいと、例えばＧａ２Ｏ３を引き抜くＡｌのダングリングボンドの密度が足りないため、コラプス現象を抑制する効果が低くなるためである。また、アルミニウム／酸素組成比が２．０を越えると、大気中の酸素と反応してしまうため、窒化アルミニウム膜下の酸化物との反応が低減されてしまう。以上より、窒化アルミニウム膜のアルミニウム／窒素組成比は（アルミニウムの組成比が酸素に対し）、０．７以上が好ましく、２．０以下が好ましい。さらに、１．５〜２．０がより好ましい。
【００５４】
酸化アルミニウム膜の形成は、酸化アルミニウムからなるターゲット、スパッタ法を用い、例えば、Ａｒガスの流量２０〜１００ｓｃｃｍ、高周波電力１００〜２００Ｗの条件で行うことができる。
【００５５】
また、Ｉｎ２Ｏ３の標準生成自由エネルギーはＡｌ２Ｏ３およびＳｉＯ2に対し大きいため。絶縁膜層２５が珪素またはアルミニウムを化学量論的な組成より余剰に含む膜であれば、半導体表面層１２として、ＧａＮ層の代わりにＩｎＧａＮ層であっても、インジウムの酸化物を減らす効果が得られる。
【００５６】
以上説明したように、半導体表面層１２上に形成された絶縁膜層２５が以下の要件を満たせば、半導体表面層１２内に形成されるIII族元素の酸化物を減らすことができる。この結果、コラプス現象を抑制でき、高出力動作可能な窒化物半導体ＨＥＭＴあるいはＭＥＳＦＥＴを提供することができる。
【００５７】
ここで、前述の絶縁膜層２５の要件としては、絶縁膜層２５を構成する金属元素の酸化物の標準生成自由エネルギーをＧ１、半導体表面層１２を構成するIII族元素の酸化物の標準生成自由エネルギーをＧ２としたとき、Ｇ１＜Ｇ２であって、かつ化学量論的な組成より前記金属元素を多く含む絶縁膜層であることである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】図1は従来例の電気的特性を示す図である。
【図２】図２はコラプス現象の原因を説明するための図である。
【図３】図３は窒化珪素膜の屈折率と珪素／窒素組成比を示す図である。
【図４】図４は実施例１に係るＨＥＮＴの製造工程を示す断面図である。
【図５】図５は実施例１に係るＨＥＭＴの断面図である。
【図６】図６は実施例１の電気的特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０            半導体層
１１            基板
１２            半導体表面層
１３            ＧａＮ系半導体層
１４            ソース電極
１６            ドレイン電極
１８            ゲート電極
２５            絶縁膜層
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006278812.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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