(57)【要約】【課題】コンタクト層における不純物活性化率及び電子の移動度が高く、コンタクト抵抗及び寄生抵抗が小さいオーミック電極を備えた半導体装置を実現できるようにする。【解決手段】半導体装置は、基板１１の上に形成された活性層１３と、活性層１３の上に形成された超格子層１４と、超格子層１４の上に形成されたオーミック電極１５とを備えている。超格子層１４は、第１の薄膜及び該第１の薄膜と分極特性が異なり且つ第１の薄膜と比べてバンドギャップが大きい半導体からなる第２の薄膜とが交互に積層されている。第１の薄膜の上面と第２の薄膜の下面とが接する界面領域又は第１の薄膜の下面と第２の薄膜の上面とが接する界面領域には、不純物がドープされている。【選択図】図１
2006190988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、第１の薄膜及び該第１の薄膜と分極特性が異なり且つ該第１の薄膜と比べてバンドギャップが大きい第２の薄膜とが交互に積層されてなる超格子層と、
前記超格子層の上に形成された電極とを備え、
前記第１の薄膜の上面と前記第２の薄膜の下面とが接する界面領域又は前記第１の薄膜の下面と前記第２の薄膜の上面とが接する界面領域には、不純物がドープされたドープ領域が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ドープ領域が形成された界面領域には、負の分極電荷が発生することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記超格子層と前記電極との間に形成され、不純物がドープされた第２の窒化物半導体層をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第２の薄膜の膜厚と前記第１の薄膜の膜厚との比の値は、前記超格子層の上部と下部とでは異なっていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記超格子層の上部においては、前記第１の薄膜の膜厚が前記第２の薄膜の膜厚よりも厚く、前記超格子層の下部においては、前記第２の薄膜の膜厚が前記第１の薄膜の膜厚よりも厚いことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第２の薄膜の膜厚は、前記第１の薄膜の膜厚よりも厚いことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第２の薄膜の膜厚と前記第１の薄膜の膜厚との比の値は、１より大きく且つ６以下であることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第１の薄膜の膜厚と前記第２の薄膜の膜厚との和の値は、２ｎｍ以上且つ１５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記ドープ領域の不純物濃度は、１×１０17ｃｍ-3以上且つ１×１０21ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記ドープ領域は、第１のデルタドープ領域であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記第１の窒化物半導体層における前記第１の窒化物半導体層と前記超格子層との界面からの距離が０．１ｎｍ以上且つ１μｍ以下の領域には、第２のデルタドープ領域が形成されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記第１の薄膜は窒化ガリウムからなり、前記第２の薄膜は窒化アルミニウムガリウムからなることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記第１の窒化物半導体層は、複数の半導体膜が積層されて形成されており、
前記複数の半導体膜のうち最上層に形成された半導体膜は、窒化アルミニウムガリウムからなることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記第１の窒化物半導体層の上に形成されたゲート電極をさらに備え、
前記第１の窒化物半導体層は、互いに積層されたチャネル層と該チャネル層と比べてバンドギャップが大きいバリア層とを含み、
前記超格子層は、前記第１の窒化物半導体層の上における前記ゲート電極を挟んで両側の領域に選択的に形成されており、
前記電極は、前記ゲート電極を挟む超格子層のうちの一方の超格子層の上に形成されたソース電極と、他方の超格子層の上に形成されたドレイン電極とであることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記各超格子層と前記バリア層との間に形成され、前記バリア層と組成が等しく且つ前記バリア層と比べて不純物濃度が高い高濃度不純物層をさらに備えていることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記各超格子層は、前記第１の窒化物半導体層を露出する開口部を有し、
前記ソース電極及びドレイン電極は、前記開口部の側壁と接してそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記各超格子層は、その一部が掘り込まれた凹部を有し、
前記ソース電極及びドレイン電極は、前記凹部の側壁と接して形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III−Ｖ族窒化物半導体を用いた半導体装置、特に高周波デバイスに用いるトランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
III−Ｖ族窒化物半導体、すなわち窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）及び一般式が（ＩｎxＡｌ1-x）yＧａ1-yＮ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である。）で表される混晶物は、広いバンドギャップと直接遷移型バンド構造を有している。このような物理的特徴を利用した光学素子への応用のみならず、破壊電界と飽和電子速度が大きいという特長を利用した電子デバイスへの応用も検討されている。特に、半絶縁性基板上にエピタキシャル成長したＡｌxＧａ1-xＮとＧａＮとの界面に現れる二次元電子ガス（2 Dimantional Electron Gas；以下、２ＤＥＧと略す。）を利用するヘテロ接合電界効果トランジスタ（Hetero-junction Field Effect Transistor；以下、ＨＦＥＴと略す。）は、高出力高周波デバイスとして開発が進められている。
【０００３】
これらの窒化物半導体素子において、素子特性を高めるためには、半導体素子内におけるコンタクト抵抗及びチャネル抵抗等の寄生抵抗成分を出来る限り低減させる必要がある。電流を電子によって搬送する場合、電子が伝導する領域に外部からオーミックコンタクトを形成する必要がある。
【０００４】
従来のオーミックコンタクトとしては、例えば、ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体層の上に形成された、チタン（Ｔｉ）を最下層として、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）及び金（Ａｕ）等が積層された多層金属薄膜が用いられている。
【０００５】
窒化物半導体層の上にＴｉを最下層とする多層金属薄膜を形成した後、５００℃〜９００℃程度の熱処理を行うことにより、窒化物半導体層の上面近傍において多層金属薄膜中のＴｉと窒素（Ｎ）とが反応する。反応によりＮが引き抜かれて、窒化物半導体層の上面近傍の領域に空孔が形成されるため、窒化物半導体層の上面近傍の領域の金属性が上昇する。また、Ｔｉと窒化物半導体との反応によりＧａ、Ａｌ、Ｔｉ及びＴｉＮ等の化合物が生成され、これらの生成物と多層金属薄膜中のＡｌ、Ｎｉ及びＡｕ等とがさらに反応することにより安定な金属化合物が形成される。その結果、低抵抗のオーミックコンタクトが得られる。
【０００６】
オーミック電極を形成する窒化物半導体層に、可能な限り高くｎ型にドープしたＧａＮ等からなるコンタクト層を用いることにより、さらにコンタクトをより低減することができる。
【０００７】
また、コンタクト層をｎ型にドープされたＡｌＧａＮとＧａＮとからなる超格子構造とすることにより電子濃度を向上させる方法も提案されている（例えば、特許文献１〜３を参照。）。
【特許文献１】特開２００５−２６６７１号公報
【特許文献２】特開平９−１７２１６４号公報
【特許文献３】特開平１１−１２１４７２号公報
【非特許文献１】西澤潤一  編、御子柴宣夫  著、「半導体の物理［改訂版］」、培風館、１９９１年、ｐ．１０９〜１１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来のオーミックコンタクトにおいて、ｎ型にドープしたＧａＮ等をコンタクト層とする場合には、コンタクト抵抗の下限が、コンタクト層における不純物の活性化率（５×１０18ｃｍ-3〜３×１０19ｃｍ-3）によって規定されてしまうという問題がある。これは、コンタクト層における最高キャリア濃度が、不純物の活性化率によって規定されてしまうことによる。
【０００９】
また、ｎ型にドープされたＡｌＧａＮとＧａＮとからなる超格子をコンタクト層とする場合には、電子が蓄積されるＡｌＧａＮとＧａＮとの界面にも不純物がドープされているため、不純物に起因した電子の散乱が生じ、電子の移動度が低下してしまう。その結果、コンタクト抵抗及び寄生抵抗が十分に低減できないという問題がある。
【００１０】
また、この手法を用いて形成したｎ型のオーミック電極をＨＦＥＴのソース電極及びドレイン電極として用いた場合、ＡｌＧａＮ等からなるＨＦＥＴの電子走行層と超格子との境界に負のピエゾ電荷が現れる。超格子の高濃度ドープＧａＮ層と電子走行層であるＡｌＧａＮとの界面における電子に対するポテンシャル障壁がピエゾ電荷により上昇し、コンタクト抵抗及び寄生抵抗が上昇してしまうという問題もある。
【００１１】
本発明は、前記従来の問題を解決し、コンタクト層における不純物活性化率及び電子の移動度が高く、コンタクト抵抗及び寄生抵抗が小さいオーミック電極を備えた半導体装置を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するため、本発明は半導体装置を、一部の界面のみがドープされた超格子層を備える構成とする。
【００１３】
本発明に係る半導体装置は、基板の上に形成された第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、第１の薄膜及び該第１の薄膜と分極特性が異なり且つ該第１の薄膜と比べてバンドギャップが大きい第２の薄膜とが交互に積層されてなる超格子層と、超格子層の上に形成された電極とを備え、第１の薄膜の上面と第２の薄膜の下面とが接する界面領域又は第１の薄膜の下面と第２の薄膜の上面とが接する界面領域には、不純物がドープされたドープ領域が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の半導体装置によれば、第１の薄膜の上面と第２の薄膜の下面とが接する界面領域又は第１の薄膜の下面と第２の薄膜の上面とが接する界面領域には、不純物がドープされたドープ領域が形成されているため、超格子層全体が不純物によりドープされている場合と異なり、不純物による電子の散乱が生じにくい。従って、電子の移動度を低下させることなく、コンタクト抵抗及び寄生抵抗を大きく低減することが可能となる。
【００１５】
本発明の半導体装置においてドープ領域が形成された界面領域には、負の分極電荷が発生することが好ましい。このような構成とすることにより、分極電荷により高濃度の電子を発生させることができと共に、不純物による電子の散乱に由来する電子の移動度の低下を防止できる。
【００１６】
本発明の半導体装置において、超格子層と電極との間に形成され、不純物がドープされた第２の窒化物半導体層をさらに備えていることが好ましい。このような構成とすることにより、電極と超格子層との界面における電子のポテンシャル障壁を低減できる。また、第２の窒化物半導体層と超格子層との界面近傍に電子を誘起することができ、界面近傍の空乏化を防ぐことができる。従って、コンタクト抵抗をさらに低減できる。
【００１７】
本発明の半導体装置において、第２の薄膜の膜厚と第１の薄膜の膜厚との比の値は、超格子層の上部と下部とでは互いに異なっていることが好ましい。この場合において、超格子層の上部においては、第１の薄膜の膜厚が第２の薄膜の膜厚よりも厚く、超格子層の下部においては、第２の薄膜の膜厚が第１の薄膜の膜厚よりも厚いことが好ましい。
このような構成とすることにより、電極と超格子層との界面における電子に対するポテンシャル障壁を低減できると共に、超格子層と第１の窒化物半導体層との界面における電子に対するポテンシャル障壁を低減することができるので、さらにコンタクト抵抗を低減できる。
【００１８】
本発明の半導体装置において２の薄膜の膜厚は、第１の薄膜の膜厚よりも厚いことが好ましい。この場合において、第２の薄膜の膜厚と第１の薄膜の膜厚との比の値は、１より大きく且つ６以下であることが好ましい。
【００１９】
本発明の半導体装置において、第１の薄膜の膜厚と第２の薄膜の膜厚との和の値は、２ｎｍ以上且つ１５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２０】
本発明の半導体装置において、ドープ領域の不純物濃度は、１×１０17ｃｍ-3以上且つ１×１０21ｃｍ-3以下であることが好ましい。
【００２１】
本発明の半導体装置において、ドープ領域は、第１のデルタドープ領域であることが好ましい。このような構成とすることにより、超格子層と第１の窒化物半導体層との界面における電子に対するポテンシャル障壁を低減することができるので、コンタクト抵抗をさらに低減することが可能となる。
【００２２】
本発明の半導体装置において、第１の窒化物半導体層における第１の窒化物半導体層と超格子層との界面からの距離が０．１ｎｍ以上且つ１μｍ以下の領域には、第２のデルタドープ領域が形成されていることが好ましい。このような構成とすることにより、超格子層と第１の窒化物半導体層との界面における電子に対するポテンシャル障壁を低減することができるので、コンタクト抵抗をさらに低減することが可能となる。
【００２３】
本発明の半導体装置において、第１の薄膜は窒化ガリウムからなり、第２の薄膜は窒化アルミニウムガリウムからなることが好ましい。
【００２４】
本発明の半導体装置において、第１の窒化物半導体層は、複数の半導体膜が積層されてなり、複数の半導体膜のうちの最上層に形成された半導体膜は、窒化アルミニウムガリウムからなることが好ましい。このような構成とすることにより、超格子層と第１の窒化物半導体層との界面における電子に対するポテンシャル障壁を低減することができるため、コンタクト抵抗をさらに低減することが可能となる。
【００２５】
本発明の半導体装置において、第１の窒化物半導体層の上に形成されたゲート電極をさらに備え、第１の窒化物半導体層は、互いに積層されたチャネル層と該チャネル層と比べてバンドギャップが大きいバリア層とを含み、超格子層は、第１の窒化物半導体層の上におけるゲート電極を挟んで両側の領域に選択的に形成されており、電極はゲート電極を挟む超格子層のうちの一方の超格子層の上に形成されたソース電極と、他方の超格子層の上に形成されたドレイン電極とであることが好ましい。
【００２６】
この場合において、半導体装置は、各超格子層とバリア層との間に形成され、バリア層と組成が等しく且つバリア層と比べて不純物濃度が高い高濃度不純物層をさらに備えていることが好ましい。このような構成とすることにより、ゲート電極のリセス構造を形成することが容易となる。
【００２７】
この場合において、各超格子層は、第１の窒化物半導体層を露出する開口部を有し、ソース電極及びドレイン電極は、開口部の側壁と接して形成されていることが好ましい。また、各超格子層は、その一部が掘り込まれた凹部を有し、ソース電極及びドレイン電極は、凹部の側壁と接して形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る半導体装置によれば、コンタクト層における不純物活性化率及び電子の移動度が高く、コンタクト抵抗及び寄生抵抗が小さいオーミック電極を備えた半導体装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
（第１の実施形態）
本発明に係る第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１は第１の実施形態に係る半導体装置の断面構成を示している。図１に示すように第１の実施形態の半導体装置は、サファイアからなる基板１１の上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２を介在させて形成された窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる活性層１３と、活性層１３の上に形成され、コンタクト層として機能する超格子層１４と、超格子層１４の上に形成されたオーミック電極１５とを備えている。
【００３０】
超格子層１４は、図２に示すように厚さが２．３ｎｍのＧａＮからなる第１の薄膜１４Ａと、厚さが４．７ｎｍの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌxＧａ1-xＮ、本実施形態においてはｘ＝０．２６）からなる第２の薄膜１４Ｂとが交互に７周期積層された多層膜である。図２に示すように超格子層１４において、第１の薄膜１４Ａの上面と第２の薄膜１４Ｂの下面とが接する界面領域には、ｎ型の不純物であるＳｉが１×１０19ｃｍ-3の濃度でドープされたｎ型ドープ領域２２が形成されている。
【００３１】
図３は超格子層１４における伝導帯の底Ｅｃとフェルミ準位ＥFを示している。図３に示すように、ＧａＮからなる第１の薄膜１４Ａと、ＧａＮと比べてバンドギャップが大きいＡｌ0.26Ｇａ0.74Ｎからなる第２の薄膜１４Ｂとの界面には、第１の薄膜１４Ａと第２の薄膜１４Ｂとの自発分極差及びピエゾ分極差に伴い分極電荷が発生する。本実施形態においては、第１の薄膜１４Ａの上面と第２の薄膜１４Ｂの下面とが接する界面２１Ａに、正の分極電荷＋ａが生じ、第２の薄膜１４Ｂの上面と第１の薄膜１４Ａの下面とが接する界面２１Ｂに、負の分極電荷−ａが生じている。
【００３２】
超格子層１４の内部においては、分極電荷に誘起されて電子からなる自由電荷が多数発生している。発生した自由電荷は、第１の薄膜１４Ａの上面と第２の薄膜１４Ｂの下面とが接する界面２１Ａに蓄積される。本実施形態においては、負の分極電荷−ａが生じる界面２１Ｂを含む領域がｎ型の不純物であるＳｉによりドープされている。Ｓｉによりドープされた領域は、ドナー準位ＥDとフェルミ準位ＥFとのエネルギー差が大きいのでドナー活性化率を特に高くすることができる。これにより、界面２１Ａに蓄積される電荷の濃度は１×１０13ｃｍ-2となる。これは、体積濃度に換算すると、５×１０19ｃｍ-3に相当し、通常のｎ型ドープで達成される電荷の上限濃度である２×１０19ｃｍ-3〜３×１０19ｃｍ-3を上回っている。
【００３３】
一方、本実施形態においては正の分極電荷＋ａが発生する界面２１Ａを含む領域はドープされていない。このため、エピタキシャル成長した層における水平面内の電子移動度が不純物により散乱されて低下することがなく、不純物による電気抵抗の上昇が生じない。またエピタキシャル成長した層に対して垂直方向の電子の移動についても、第２の薄膜１４Ｂは４．７ｎｍと薄い上に第２の薄膜１４Ｂ内に生じるピエゾ電界が実効ポテンシャル障壁をさらに薄くする。従って、第１の薄膜１４Ａ内において伝導に寄与する電子は、第２の薄膜１４Ｂのポテンシャル障壁を容易にトンネルするので、電気抵抗の上昇が生じない。
【００３４】
以下に電子の非常に高い活性化率が得られる理由を説明する。一般に不純物半導体における電子統計を考慮すると、ドナー準位を占めている電子の濃度ｎＤは数１で表される。
【００３５】
【数１】
2006190988.tif 000003
【００３６】
但し、ＮＤは不純物濃度、ｆＤは電子の分布関数、ＥＤはドナー準位、ＥＦはフェルミ準位、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である（非特許文献１を参照。）。数１を用いると、自由電子を放出して活性化しているドナーの濃度はＮＤ−ｎＤで表されることから、ドナー不純物の活性化率ηは数２で表される。
【００３７】
【数２】
2006190988.tif 000004
【００３８】
数２より、ドナー準位とフェルミ準位の差が大きくなると最右辺の分母第２項は０へと漸近し、活性化率は１（すなわち１００％活性化）に近づくことが分かる。従って、ドナー準位とフェルミ準位の差を大きくすることにより、高い活性化率を得ることができる。このことは符号を変更することにより、アクセプタ不純物についても適用できる。
【００３９】
図３に示すように負の分極電荷−ａが現れる界面２１Ｂにおいては、ドナー準位ＥDとフェルミ準位ＥFとの差が超格子層１４の他のどの部分よりも大きい。ドナー準位ＥDとフェルミ準位ＥFとの差が最も大きい界面２１Ｂを含むように不純物をドープすることにより、ドナー不純物の活性化率を高くすることができる。その結果、電子濃度を高くすることが可能となり、寄生抵抗を低減することが可能となる。
【００４０】
以下に、界面２１Ｂを含む領域のみがドープされ、界面２１Ａを含む領域がドープされていない超格子層１４の製造方法を説明する。サファイアからなる基板１１の上に、チャンバー内において、既知の方法により厚さが２００ｎｍのＡｌＮからなるバッファ層１２を形成した後、厚さが３０００ｎｍのＧａＮからなる活性層１３をエピタキシャル成長させる。
【００４１】
次に、活性層１３の上にトリメチルアルミニウムをアルミニウム原料として供給し、トリメチルガリウムをガリウム原料として供給し、アンモニアを窒素原料として供給することによりＡｌ0.26Ｇａ0.74Ｎをエピタキシャル成長させる。Ａｌ0.26Ｇａ0.74Ｎをエピタキシャル成長させた後、さらにシラン（ＳｉＨ4）を供給することによりＡｌ0.26Ｇａ0.74ＮにＳｉを１×１０19ｃｍ-3程度ドープする。その後、トリメチルアルミニウムの供給を停止し、続いてＳｉＨ4の供給を停止して、ＧａＮを成長させる。
【００４２】
これにより、活性層１３の上に厚さが４．７ｎｍのＡｌ0.26Ｇａ0.74Ｎからなる第２の薄膜１４Ｂと、厚さが２．３ｎｍのＧａＮからなる第１の薄膜１４Ａとが形成される。次に、再びＡｌ原料の供給を行いＡｌ0.26Ｇａ0.74Ｎの成長を開始する。Ａｌ0.26Ｇａ0.74Ｎの成長とＧａＮの成長とを交互に７回繰り返すことにより超格子層１４が得られる。
【００４３】
本実施形態の超格子層１４の製造方法においては、第２の薄膜１４Ｂの成長の途中からＳｉの供給を行い、第１の薄膜１４Ａを成長中にＳｉの供給を停止している。このため、第２の薄膜１４Ｂから第１の薄膜１４Ａに切り替わる界面近傍の領域は、Ｓｉによりドープされるが、第１の薄膜１４Ａから第２の薄膜１４Ｂに切り替わる界面近傍の領域は、ドープされない。
【００４４】
第１の薄膜１４Ａの膜厚と第２の薄膜１４Ｂの膜厚とは、薄くしすぎても、厚くしすぎてもコンタクト抵抗を低減する効果が低下する。これは以下の理由による。第１の薄膜１４Ａを薄くしすぎると電子を蓄積する領域が狭くなり、電子濃度が低下してしまう。また、第２の薄膜１４Ｂを薄くしすぎるとｎ型のＡｌ0.26Ｇａ0.74Ｎ層の体積が小さくなり電子供給量が低下する。一方、第２の薄膜を厚くしすぎると、第２の薄膜を電子がトンネルできなくなり、超格子層１４の上下方向における抵抗が増加してしまう。
【００４５】
図４は本実施形態の超格子層１４を備えたＨＦＥＴについて、第１の薄膜１４Ａの膜厚及び第２の薄膜１４Ｂの膜厚の和の値と、ソース抵抗との関係を測定した結果を示している。図４において横軸は、第１の薄膜１４Ａの膜厚と第２の薄膜１４Ｂの膜厚との和の値を示している。なお、第１の薄膜１４Ａの膜厚と第２の薄膜１４Ｂの膜厚との比の値（１４Ｂ／１４Ａ）は２とした。図４に示すように、膜厚の和の値が７ｎｍ付近においてソース抵抗が最も小さくなった。これは、第１の薄膜１４Ａ及び第２の薄膜１４Ｂの膜厚が薄すぎると、電子の供給及び蓄積を十分行うことができなくなり、膜厚が厚すぎると電子が第２の薄膜１４Ｂによって形成されるポテンシャル障壁をトンネルできなくなるためである。従って、第１の薄膜１４Ａの膜厚と第２の薄膜１４Ｂの膜厚との和の値は２ｎｍ以上且つ１５ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００４６】
図５は本実施形態の超格子層１４を備えたＨＦＥＴにおいて、第１の薄膜１４Ａの膜厚と第２の薄膜１４Ｂの膜厚との和の値を一定として、第２の薄膜１４Ｂの膜厚を変化させた場合のソース抵抗の変化を測定した結果を示している。図５において、第１の薄膜１４Ａの膜厚と第２の薄膜１４Ｂの膜厚との和の値は７ｎｍに固定している。図５に示すように第２の薄膜１４Ｂの膜厚が厚くなるに従い、ソース抵抗の値が小さくなった。これは、ＡｌＧａＮ層を厚くすることにより、電子供給層であるｎ型ＡｌＧａＮ層が増加し、電子濃度が増加したためであると考えられる。しかし、第２の薄膜１４Ｂの膜厚が７ｎｍに近づくと、第１の薄膜１４Ａの膜厚が薄くなりすぎ、ソース抵抗の値が上昇した。これは電子を蓄積する領域が狭くなり、電子濃度が低下したためであると考えられる。
【００４７】
以上の結果から、第２の薄膜１４Ｂの膜厚を第１の薄膜１４Ａの膜厚よりも厚くすることが好ましく、膜厚の比（１４Ｂ／１４Ａ）の値は１より大きく且つ６以下とすることが好ましい。また、第１の薄膜の膜厚は１ｎｍ以上とすることが好ましい。
【００４８】
第１の薄膜１４Ａ及び第２の薄膜１４ＢがそれぞれＧａＮ及びＡｌＧａＮであり、活性層１３が第２の薄膜１４Ｂと同じＡｌ組成のＡｌＧａＮ又は第２の薄膜１４Ｂと異なるＡｌ組成のＡｌＧａＮを含んでおり且つこの膜が超格子層１４と接している場合等において、特に抵抗を低減する効果が大きい。
【００４９】
さらに、超格子層１４中において第１の薄膜１４Ａの膜厚及び第２の薄膜１４Ｂの膜厚をそれぞれ変化させてもよい。例えば、オーミック電極１５の直下においては、第１の薄膜１４Ａの膜厚を厚くすれば、超格子層１４の上部において実効的なバンドギャップを低減することができる。これにより、オーミック電極１５と超格子層１４との間のコンタクト抵抗を低減することが可能となる。この場合においても、超格子層１４の下部において、第２の薄膜１４Ｂの膜厚を第１の薄膜１４Ａの膜厚よりも厚くすることにより、超格子層１４と活性層との界面におけるポテンシャル障壁を低減できる。
【００５０】
第１の薄膜１４ＡがＧａＮであり、超格子層１４とオーミック電極１５との間にｎ型にドープしたＧａＮ層を設けた場合には、超格子層１４の上部において第１の薄膜１４Ａの膜厚を第２の薄膜１４Ｂの膜厚よりも厚くする効果が大きい。
【００５１】
本実施形態においては、第１の薄膜１４Ａ及び第２の薄膜１４Ｂとしてエピタキシャル成長したスードモーフィックな結晶構造を有するＡｌＧａＮ及びＧａＮを用いているため、第１の薄膜１４Ａと第２の薄膜１４Ｂとの間にピエゾ分極差が生じた。リラックスした結晶を用いた場合においても、第１の薄膜１４Ａと第２の薄膜１４Ｂとの間には自発分極の差があるので、第１の薄膜１４Ａと第２の薄膜１４Ｂとの界面には自発分極に相当する自由電荷が誘起される。この場合、電荷量が５×１０12ｃｍ-2程度となるが、各薄膜の膜厚を半分程度とすることにより、本実施形態と同等の効果が得られる。
【００５２】
第１の薄膜１４Ａと第２の薄膜１４Ｂとの組成は、第１の薄膜１４Ａと第２の薄膜１４Ｂとの分極特性が異なり且つ第２の薄膜１４Ｂのバンドギャップが第１の薄膜１４Ａのバンドギャップと比べて大きくなるようにすればよい。例えば、第１の薄膜１４ＡにＧａＮを用い、第２の薄膜１４ＢにＡｌxＧａ1-xＮを用いる場合には、ｘの値を０．０１〜１程度とすることにより電子閉じ込め効果が期待できるので好ましい。
【００５３】
また、ＧａＮとＡｌＧａＮとの組み合わせに限らず、一般式が（ＩｎxＡｌ1-x）yＧａ1-yＮ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である。）で表される化合物から選択したバンドギャップが異なる２つの化合物を組み合わせて使用することができる。また、ピエゾ分極のみが支配的となる一般式がＰｂxＺｙＴｉzＯ2-x-y-z（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１である。）化合物から選択したバンドギャップが異なる２つの化合物を組み合わせて使用することも可能である。
【００５４】
なお、超格子層１４におけるｎ型ドープの方法は、ドープ濃度を極限まで高めると同時にドープ層の厚みを極限まで薄くできるデルタドープとしてもよい。このデルタドープ層の位置を負のピエゾ分極電荷が現れるＡｌＧａＮ層とＧａＮ層の界面近傍とすることにより、同様の作用効果が得られ、コンタクト抵抗を低減できる。
【００５５】
また、図６に示すように超格子層１４と活性層１３との界面の下側にデルタドープ層１８を設けてもよい。このような構成とすることにより、超格子層１４と活性層１３との界面における電子に対するポテンシャル障壁を低減できコンタクト抵抗を低減することが可能となる。デルタドープ層１８を設ける位置は、活性層１３における超格子層１４と活性層１３との界面からの距離が０．１ｎｍ以上且つ１μｍ以下の位置とすることが好ましい。
【００５６】
本実施形態においては、活性層１３をＧａＮ層として説明したが、他の窒化物半導体であってもよく、複数の半導体膜の積層体であってもよい。また、超格子層１４の最下層を第２の薄膜１４Ｂとし、最上層を第１の薄膜１４Ａとする例を示したが、積層の順序を逆にしてもよい。さらに、交互に積層されていれば最上層及び最下層が共に第１の薄膜１４Ａであっても、第２の薄膜１４Ｂであってもよい。
【００５７】
本実施形態においては、第２の薄膜１４Ｂの上面と第１の薄膜１４Ａの下面とが接する界面２１Ｂに負の分極電荷が生じるため、界面２１Ｂの近傍の領域をドープした。しかし、半導体装置の構成によっては、第１の薄膜１４Ａの上面と第２の薄膜１４Ｂの下面とが接する界面２１Ａに負の分極電荷が生じる。この場合には、界面２１Ａの近傍の領域をドープする。
【００５８】
（第１の実施形態の第１変形例）
以下に、本発明に係る第１の実施形態の第１変形例について図面を参照して説明する。図７は第１の実施形態の第１変形例に係る半導体装置の断面構成を示している。図７において図１と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
【００５９】
図７に示すように本実施形態の半導体装置は、超格子層１４とオーミック電極１５との間に厚さが２０ｎｍのＧａＮからなるｎ型ドープ層１６をさらに備えていることを特徴とする。
【００６０】
ｎ型ドープ層１６は１×１０19ｃｍ-3の濃度のＳｉによりドープされた高濃度ドープ層である。ｎ型ドープ層１６を設けることによりオーミック電極１５と超格子層１４との界面におけるポテンシャル障壁を低減できるので、コンタクト抵抗を小さくすることが可能となる。
【００６１】
この場合、ｎ型ドープ層１６がＧａＮからなるため、超格子層１４の最上層をＧａＮからなる薄膜とすることにより、コンタクト抵抗をさらに低減することができる。また、超格子層１４の構成を上部においては、第１の薄膜１４Ａの膜厚が第２の薄膜１４Ｂの膜厚よりも厚い構成とすることにより、ｎ型ドープ層１６と超格子層１４との界面におけるバンドギャップの差を小さくすることができる。これにより、コンタクト抵抗をさらに低減することが可能となる。超格子層１４の下部においては、第２の薄膜１４Ｂの膜厚を第１の薄膜１４Ａの膜厚よりも厚くすることにより、超格子層１４と活性層１３とのコンタクト抵抗が上昇することを抑えられる。
【００６２】
（第１の実施形態の第２変形例）
以下に、本発明に係る第１の実施形態の第２変形例について図面を参照して説明する。図８は第１の実施形態の第２変形例に係る半導体装置の断面構成を示している。図８において図１と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
【００６３】
図８に示すように本実施形態の半導体装置は、活性層１３がＧａＮからなるチャネル層１３Ａと、Ａｌ0.26Ｇａ0.74Ｎからなる障壁層１３Ｂとにより構成されていることを特徴とする。
【００６４】
本実施形態の半導体装置は、チャネル層１３Ａと障壁層１３Ｂとの界面に生じる高濃度で且つ高移動度の２ＤＥＧを利用することができるので、高速に動作させることができる。
【００６５】
（第１の実施形態の第３変形例）
以下に、本発明に係る第１の実施形態の第３変形例について図面を参照して説明する。図９は第１の実施形態の第３変形例に係る半導体装置の断面構成を示している。図９において図１と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
【００６６】
図９に示すように本実施形態の半導体装置は、超格子層１４とオーミック電極との間にＧａＮからなるｎ型ドープ層１６をさらに備えている。また、活性層１３がＧａＮからなるチャネル層１３Ａと、Ａｌ0.26Ｇａ0.74Ｎからなる障壁層１３Ｂとにより構成されていることを特徴とする。
【００６７】
第１の実施形態及び各変形例においては、半導体装置のオーミック電極部分のみを示している。第１の窒化物半導体層の上にショットキー電極を設けることにより、ショットキーバリアダイオードを形成したり、ＨＦＥＴを形成したりすることができる。また、オーミック電極をベース電極としてヘテロ接合バイポーラトランジスタを形成することも可能である。
【００６８】
（第２の実施形態）
以下に、本発明に係る第２の実施形態について図面を参照して説明する。図１０は第２の実施形態に係る半導体装置の断面構成を示している。図１０に示すように本実施形態の半導体装置は、ＨＦＥＴである。サファイアからなる基板３１の上には、ＡｌＮからなるバッファ層３２を介在させて、活性層３３が形成されている。活性層３３は厚さが３μｍのＧａＮからなるチャネル層３３Ａと、チャネル層３３Ａの上に形成された厚さが２５ｎｍのＡｌ0.26Ｇａ0.74Ｎからなるバリア層３３Ｂとからなる。
【００６９】
バリア層３３Ｂの上には、パラジウムシリコン合金（ＰｄＳｉ）、パラジウム（Ｐｄ）又は金（Ａｕ）等からなるゲート電極３７が形成されており、ゲート電極３７を挟んで両側の領域には、高濃度ｎ型ドープ層３９と超格子層３４とｎ型ドープ層３６とを介在させてチタンとアルミニウムとの積層体等からなるソース電極３５Ａ及びドレイン電極３５Ｂが形成されている。
【００７０】
高濃度ｎ型ドープ層３９は、厚さが２０ｎｍのＡｌ0.26Ｇａ0.74Ｎからなり、Ｓｉが７×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされている。
【００７１】
超格子層１４は、厚さが２．４ｎｍのＧａＮからなる第１の薄膜３４Ａと、厚さが４．６ｎｍのＡｌ0.26Ｇａ0.74Ｎからなる第２の薄膜３４Ｂとが交互に７周期積層された多層膜である。第２の薄膜３４Ｂの上面と第１の薄膜３４Ａの下面とが接する界面近傍の領域はｎ型不純物であるＳｉが１×１０19ｃｍ-3程度の濃度でドープされている。
【００７２】
ｎ型ドープ層３６は、厚さが２０ｎｍのＧａＮからなり、Ｓｉが１×１０19ｃｍ-3の濃度でドープされている。
【００７３】
本実施形態の半導体装置は、負のピエゾ分極電荷が生じる界面を含む領域がｎ型の不純物であるＳｉによりドープされている。Ｓｉによりドープされた領域は、ドナー準位とフェルミ準位のエネルギー差が大きいのでドナー活性化率を特に高くすることができる。これにより、正の分極電荷が生じる界面に高濃度の電荷を蓄積することができる。また、正の分極電荷が生じる界面近傍の領域は、ドープされていないため、エピに対して水平面内の電子移動度が不純物により散乱されて低下することがなく、不純物による電気抵抗の上昇が生じない。その結果、ソース電極３５Ａ及びドレイン電極３５Ｂのコンタクト抵抗を大幅に低減することが可能である。
【００７４】
また、本実施形態の半導体装置は、チャネル層３３Ａをキャップ層と見なすことも可能である。超格子層１４を構成するＡｌ0.26Ｇａ0.74ＮとＧａＮとの積層構造は、従来よりも遙かに高濃度のチャネルに平行な方向に輸送可能な電子層を有している。従って、従来の半導体装置と比べ寄生抵抗を大幅に低減することができる。
【００７５】
以下に、本実施形態の半導体装置の製造方法について図面を参照して説明する。図１１は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示している。図１１（ａ）に示すようにまず、既知の方法によりサファイアからなる基板３１の上に、ＡｌＮからなるバッファ層３２を形成した後、厚さが３μｍのＧａＮからなるチャネル層３３Ａと厚さが２５ｎｍＡｌ0.26Ｇａ0.74Ｎからなるバリア層３３Ｂとを順次形成する。続いて、バリア層３３Ｂの上にシリコンをドープしながらＡｌ0.26Ｇａ0.74Ｎを２０ｎｍ堆積し高濃度ｎ型ドープ層３９を形成する。
【００７６】
次に、高濃度ｎ型ドープ層３９の上に厚さが４．７ｎｍのＡｌ0.26Ｇａ0.74Ｎからなる第２の薄膜３４Ｂと、厚さが２．４ｎｍのＧａＮからなる第１の薄膜３４Ａとを交互に７周期エピタキシャル成長させて、超格子層３４を形成する。この際に、第２の薄膜３４Ｂの上面と第１の薄膜３４Ａの下面とが接する界面近傍の領域にＳｉをドープする。続いて、厚さが２０ｎｍのＧａＮからなるｎ型ドープ層３６を有機金属化学成長（ＭＯＣＶＤ）法等により形成する。
【００７７】
次に、図１１（ｂ）に示すようにｎ型ドープ層３６の上に、ＴｉとＡｌとを順次蒸着し、リフトオフすることによりソース電極３５Ａ及びドレイン電極３５Ｂを形成する。ソース電極３５Ａ及びドレイン電極３５Ｂは、熱処理を行うことにより合金化する。
【００７８】
次に、図１１（ｃ）に示すようにレジストにより開口部を有するマスク４１を形成し、誘導結合性プラズマを用いた反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）等の手法により、ゲートリセスを形成する。続いて、パラジウムシリコン合金（ＰｄＳｉ）、パラジウム（Ｐｄ）又は金（Ａｕ）等からなるゲート電極３７を形成する。
【００７９】
ゲートリセスを形成する際に、超格子層３４の最下層に形成された高濃度にドープされたｎ型にドープ層３９と、比較的低濃度にドープされたバリア層３３Ｂとでは、高濃度ｎ型ドープ層３９の方がエッチ速度が速い。従って、高濃度ｎ型ドープ層３９とバリア層３３Ｂとの界面においてエッチングが自動的にストップする。その結果、ゲート電極の形成領域に高濃度ｎ型ドープ層３９が残らないので、リーク電流の少ないゲート電極を再現よく形成することが可能となる。また、ゲートリセス深さを基板面内で均一にできるので閾値電圧など特性の面内均一性が向上する。
【００８０】
なお、本実施形態の半導体装置は、ソース電極３５Ａ及びドレイン電極３５Ｂと超格子層３４との間に、ｎ型ドープ層３６を備えているが、ソース電極３５Ａ及びドレン電極３５Ｂが超格子層３４の上に直接形成されていてもよい。また、エッチング条件によっては高濃度ｎ型ドープ層３９を設けなくてもよい。
【００８１】
（第２の実施形態の一変形例）
以下に、本発明に係る第２の実施形態の一変形例について図面を参照して説明する。図１２は第２の実施形態の一変形例に係る半導体装置の断面構成を示している。図１２において図１０と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
【００８２】
図１２に示すように本変形例の半導体装置は、ｎ型ドープ層３６、超格子層３４及び高濃度ｎ型ドープ層３９が開口部を有しており、ソース電極３５Ａ及びドレン電極３５Ｂが開口部に埋め込まれていることを特徴とする。ソース電極３５Ａ及びドレン電極３５Ｂは、開口部の側壁において超格子層３４と接している。これにより、超格子層３４が有する、チャネルに平行な方向に輸送可能な高濃度の電子層を利用することが可能となるので、寄生抵抗を低減することができる。
【００８３】
なお、ソース電極３５Ａ及びドレイン電極３５Ｂが超格子層３４を貫通し、バリア層３３Ｂと接している例を示したが、必ずしもソース電極３５Ａ及びドレイン電極３５Ｂがバリア層３３Ｂと接している必要はなく、ソース電極３５Ａ及びドレイン電極３５Ｂの下側に超格子層３４を一部残した構造としてもよい。
【００８４】
各実施形態及びその変形例において、ｎ型の半導体について説明したが、ｐ型の半導体についても同様の方法により形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明に係る半導体装置は、コンタクト層における不純物活性化率及び電子の移動度が高く、コンタクト抵抗及び寄生抵抗が小さいオーミック電極を備えた半導体装置を実現でき、III−Ｖ族窒化物半導体を用いた半導体装置、特に高周波回路に用いるトランジスタ等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の超格子層部分を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の超格子層部分におけるポテンシャルの状態を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る超格子層の構成とソース抵抗との相関を示すグラフである。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る超格子層の構成とソース抵抗との相関を示すグラフである。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の別の例を示す断面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態の第２変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
【図９】本発明の第１の実施形態の第３変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態の第１変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８７】
１１    基板
１２    バッファ層
１３    活性層
１３Ａ  チャネル層
１３Ｂ  バリア層
１４    超格子層
１４Ａ  第１の薄膜
１４Ｂ  第２の薄膜
１５    オーミック電極
１６    ｎ型ドープ層
１７    ゲート電極
１８    デルタドープ層
２１Ａ  界面
２１Ｂ  界面
２２    ドープ領域
３１    基板
３２    バッファ層
３３    活性層
３３Ａ  チャネル層
３３Ｂ  バリア層
３４    超格子層
３４Ａ  第１の薄膜
３４Ｂ  第２の薄膜
３５Ａ  ソース電極
３５Ｂ  ドレイン電極
３６    ｎ型ドープ層
３７    ゲート電極
３９    高濃度ｎ型ドープ層
４１    マスク
【図１】
2006190988.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006190988.tif 000009
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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