(57)【要約】【課題】  コラプス現象を低減させ、かつ絶縁膜層が半導体層から剥離することなく、高出力動作可能で、信頼性の高い半導体装置とその製造方法を提供する。【解決手段】  基板（１０）上に形成されたＧａＮ系半導体層（１１）と、前記ＧａＮ系半導体層上に形成された珪素／窒素組成比が０．８から２．５の窒化珪素膜層またはアルミニウム／窒素組成比の比が１．０から２．５の窒化アルミニウム膜層（２０）とを具備する半導体装置。半導体層上に形成される窒化珪素層の組成を選択することにより、絶縁膜層と半導体層との密着性が向上し、半導体層表面から絶縁膜層が剥離することを防ぎ、さらにコラプス現象を低減させることができる。よって、信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することができる。【選択図】  図２
2006261252.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、
前記ＧａＮ系半導体層上に形成された珪素／窒素組成比が０．８から２．５の窒化珪素膜層と、
前記ＧａＮ系半導体層上に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極を挟んで設けられるソース電極およびドレイン電極と、を具備する半導体装置。
【請求項２】
基板上に形成されたＧａＮ系半導体層と、
前記ＧａＮ系半導体層上に形成されたアルミニウム／窒素組成比の比が１．０から２．５の窒化アルミニウム膜層と、
前記ＧａＮ系半導体層上に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極を挟んで設けられるソース電極およびドレイン電極と、を具備する半導体装置。
【請求項３】
前記基板はＳｉＣ基板またはサファイア基板である請求項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である請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項５】
前記窒化珪素膜層または前記窒化アルミニウム膜層は２０ｎｍ以上の膜厚を有する請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項６】
ＧａＮ系半導体層上に珪素／窒素組成比が０．８から２．５の窒化珪素膜層を形成する第１のステップと、
前記窒化珪素膜層上にレジストを塗布し露光する第２のステップと、
前記レジストを現像し、所定のパターンを形成する第３ステップと、
を具備する半導体装置の製造方法。
【請求項７】
ＧａＮ系半導体層上にアルミニウム／窒素組成比が１．０から１．５の窒化珪素膜層を形成する第１のステップと、
前記窒化珪素膜層上にレジストを塗布し露光する第２のステップと、
前記レジストを現像し、所定のパターンを形成する第３のステップと、
を具備する半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記窒化珪素膜層または前記窒化アルミニウム膜層は２０ｎｍ以上の膜厚を有する請求項６または７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記窒化珪素膜層は、ＳｉＨ４ガスのガス流量が１から１０ｓｃｃｍ、ＮＨ４ガスのガス流量が０から４ｓｃｃｍ、Ｎ２ガスの流量が２０から６００ｓｃｃｍにより、プラズマＣＶＤで形成される請求項６記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第１のステップの前に、第２の窒化珪素膜層を形成するステップを備える請求項６記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記窒化アルミニウム膜層は窒化アルミニウムをターゲットに用い、Ａｒガスのガス流量が１０から５０ｓｃｃｍによりスパッタリング法で形成される請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第１のステップの前に、第２の窒化アルミニウム膜層を形成するステップを備える請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
基板上にＧａＮ系活性層と、
該ＧａＮ系活性層を上下で挟むグラッド層と、
前記ＧａＮ系活性層または前記グラッド層の上面または側面に設けられた珪素／窒素組成比が０．８から２．５の窒化珪素膜層と、を具備し、
前記基板表面と垂直方向または平行方向に光出力を行う光半導体装置。
【請求項１４】
基板上にＧａＮ系活性層と、
該ＧａＮ系活性層を上下で挟むグラッド層と、
前記ＧａＮ系活性層または前記グラッド層の上面または側面に設けられたアルミニウム／窒素組成比が１．０から１．５の窒化アルミニウム膜層と、を具備し、
前記基板表面と垂直方向または平行方向に光出力を行う光半導体装置。
【請求項１５】
前記基板はＳｉＣ基板またはサファイア基板である請求項１３または１４記載の光半導体装置。
【請求項１６】
前記窒化珪素膜層または前記窒化アルミニウム膜層は２０ｎｍ以上の膜厚を有する請求項１３または１４記載の光半導体装置。
【請求項１７】
前記窒化珪素膜層と前記ＧａＮ系半導体層の間に第２の窒化珪素膜層を具備する請求項１３記載の光半導体装置。
【請求項１８】
前記窒化アルミニウム膜層と前記ＧａＮ系半導体層の間に第２の窒化アルミニウム膜層を具備する請求項１４記載の光半導体装置。
【請求項１９】
基板上にエピタキシャル成長されたＧａＮ系半導体層と、
該ＧａＮ系半導体層上に形成された珪素／窒素組成比が０．８から２．５の窒化珪素膜層と、を具備する基板。
【請求項２０】
基板上にエピタキシャル成長されたＧａＮ系半導体層と、
該ＧａＮ系半導体層上に形成されたアルミニウム／窒素組成比が１．０から１．５の窒化アルミニウム膜層と、を具備する基板。
【請求項２１】
前記基板はＳｉＣ基板またはサファイア基板である請求項１９または２０記載の基板。
【請求項２２】
前記窒化珪素膜層または前記窒化アルミニウム膜層は、プラズマＣＶＤ法で形成された請求項１９または２０記載の基板。
【請求項２３】
前記窒化珪素膜層または前記窒化アルミニウム膜層は２０ｎｍ以上の膜厚を有する請求項１９または２０記載の基板。
【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、特に、ＧａＮ系半導体装置とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ系半導体、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、短波長で発光する発光ダイオードやレーザーダイオードとして用いられている。これらの半導体装置のうち、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）や金属半導体電界効果トランジスタ（Metal Semiconductor Field Effect Transistor ：ＭＥＳＦＥＴ）、発光装置として、垂直共振器面発光レーザ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser：VCSEL）などの開発が進められている。なお、ＧａＮ系半導体とはＧａＮまたはＧａＮを含む混晶半導体のことであり、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮである。
【０００３】
ＧａＮ系半導体を用いたＨＥＭＴ（以下、ＧａＮ系半導体ＨＥＭＴ）においては、高出力動作のため、コラプス現象が小さく、ゲート−ドレイン間の逆方向リーク電流の小さなＨＥＭＴが求められている。また、信頼性向上も求められている。
【０００４】
ＧａＮ系半導体装置のＧａＮ系半導体層上には、ＧａＮ系半導体層の保護膜として、窒化珪素膜層を形成することが知られている。特許文献１には、サファイア基板上に、バッファ層、ＧａＮチャネル層、ＡｌＧａＮ電子供給層を形成し、電子供給層上にソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を有するＧａＮ系半導体ＨＥＭＴにおいて、窒化珪素膜層を保護膜として形成することが開示されている。かかる窒化珪素膜層の形成により、ドレイン電流の増加やドレイン電流のコラプス現象が低減できることが開示されている。コラプス現象は、ドレイン電圧の印加によりドレイン電流が減少する現象であり、高出力動作の障害となる。
【特許文献１】特開２００４−２００２４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＧａＮ系半導体からなる半導体層上に、保護膜である窒化珪素膜層を形成した窒化膜半導体において、保護膜とＧａＮ系半導体との密着性による高湿度状態での信頼性低下や、ＧａＮ系半導体に加わる応力(基板に発生する歪)によりコラプス現象が発生することがある。
【０００６】
本発明の目的は、基板の反り(歪み)を低減することにある。その結果、コラプス現象を低減させ、かつ稀に発生する信頼性低下の発生を抑え、高出力動作可能でかつ信頼性の高い半導体装置と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】
【０００７】
本発明は、基板上に形成されたＧａＮ系半導体層と、前記ＧａＮ系半導体層上に形成された珪素／窒素組成比が０．８から２．５の窒化珪素膜層と、前記ＧａＮ系半導体層上に設けられたゲート電極と、前記ゲート電極を挟んで設けられるソース電極およびドレイン電極と、を具備する半導体装置である。本発明によれば、半導体層上に形成される窒化珪素膜層の組成を選択することにより、絶縁膜層と半導体層との密着性が向上し、半導体層表面から絶縁膜層が剥離することを防ぎ、さらにコラプス現象を低減させることができる。よって、高出力動作可能でかつ信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０００８】
本発明は、基板上に形成されたＧａＮ系半導体層と、前記ＧａＮ系半導体層上に形成されたアルミニウム／窒素組成比の比が１．０から２．５の窒化アルミニウム膜層と、前記ＧａＮ系半導体層上に設けられたゲート電極と、前記ゲート電極を挟んで設けられるソース電極およびドレイン電極と、を具備する半導体装置である。本発明によれば、半導体層上に形成される窒化アルミニウム膜層の組成を選択することにより、絶縁膜層と半導体層との密着性が向上し、半導体層表面から絶縁膜層が剥離することを防ぎ、さらにコラプス現象を低減させることができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【０００９】
本発明は、前記基板をＳｉＣ基板またはサファイア基板とすることができる。
【００１０】
本発明は、前記半導体装置は、ＨＥＭＴまたはＭＥＳＦＥＴとすることができる。
【００１１】
本発明は、前記窒化珪素膜層または前記窒化アルミニウム膜層は２０ｎｍ以上の膜厚を有する半導体装置とすることができる。
【００１２】
本発明は、ＧａＮ系半導体層上に珪素／窒素組成比が０．８から２．５の窒化珪素膜層を形成する第１のステップと、前記窒化珪素膜層上にレジストを塗布し露光する第２のステップと、前記レジストを現像し、所定のパターンを形成する第３ステップと、を具備する半導体装置の製造方法とすることができる。本発明によれば、半導体層上に形成される窒化珪素層の組成を選択することにより、絶縁膜層と半導体層との密着性が向上し、半導体層表面から絶縁膜層が剥離することを防ぎ、さらにコラプス現象を低減させることができる。よって、信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００１３】
本発明は、ＧａＮ系半導体層上にアルミニウム／窒素組成比が１．０から１．５の窒化珪素膜層を形成する第１のステップと、前記窒化珪素膜層上にレジストを塗布し露光する第２のステップと、前記レジストを現像し、所定のパターンを形成する第３のステップと、を具備する半導体装置の製造方法である。本発明によれば、半導体層上に形成される窒化アルミニウム層の組成を選択することにより、絶縁膜層と半導体層との密着性が向上し、半導体層表面から絶縁膜層が剥離することを防ぎ、さらにコラプス現象を低減させることができる。よって、信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００１４】
本発明は、前記窒化珪素膜層または前記窒化アルミニウム膜層は２０ｎｍ以上の膜厚を有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、前記窒化珪素膜層は、ＳｉＨ４ガスのガス流量が１から１０ｓｃｃｍ、ＮＨ４ガスのガス流量が０から４ｓｃｃｍ、Ｎ２ガスの流量が２０から６００ｓｃｃｍにより、プラズマＣＶＤで形成される半導体装置の製造方法とすることができる。
【００１６】
本発明は、前記第１のステップの前に、第２の窒化珪素膜層を形成するステップを備える半導体装置の製造方法とすることができる。
【００１７】
本発明は、前記窒化アルミニウム膜層は窒化アルミニウムをターゲットに用い、Ａｒガスのガス流量が１０から５０ｓｃｃｍによりスパッタリング法で形成される半導体装置の製造方法とすることができる。
【００１８】
本発明は、前記第１のステップの前に、第２の窒化アルミニウム膜層を形成するステップを備える半導体装置の製造方法とすることができる。
【００１９】
本発明は、基板上にＧａＮ系活性層と、該ＧａＮ系活性層を上下で挟むグラッド層と、前記ＧａＮ系活性層または前記グラッド層の上面または側面に設けられた珪素／窒素組成比が０．８から２．５の窒化珪素膜層と、を具備し、前記基板表面と垂直方向または平行方向に光出力を行う光半導体装置である。本発明によれば、半導体層上に形成される窒化珪素膜層の組成を選択することにより、絶縁膜層と半導体層との密着性が向上し、半導体層表面から絶縁膜層が剥離することを防ぐことができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００２０】
本発明は、基板上にＧａＮ系活性層と、該ＧａＮ系活性層を上下で挟むグラッド層と、前記ＧａＮ系活性層または前記グラッド層の上面または側面に設けられたアルミニウム／窒素組成比が１．０から１．５の窒化アルミニウム膜層と、を具備し、前記基板表面と垂直方向または平行方向に光出力を行う光半導体装置である。本発明によれば、半導体層上に形成される窒化アルミニウム膜層の組成を選択することにより、絶縁膜層と半導体層との密着性が向上し、半導体層表面から絶縁膜層が剥離することを防ぐことができる。よって、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００２１】
本発明は、前記基板をＳｉＣ基板またはサファイア基板とすることもできる。
【００２２】
本発明は、前記窒化珪素膜層または前記窒化アルミニウム膜層は２０ｎｍ以上の膜厚を有する光半導体装置である。
【００２３】
本発明は、前記窒化珪素膜層と前記ＧａＮ系半導体層の間に第２の窒化珪素膜層を具備する光半導体装置とすることができる。
【００２４】
本発明は、前記窒化アルミニウム膜層と前記ＧａＮ系半導体層の間に第２の窒化アルミニウム膜層を具備する光半導体装置とすることができる。
【００２５】
本発明は、基板上にエピタキシャル成長されたＧａＮ系半導体層と、該ＧａＮ系半導体層上に形成された珪素／窒素組成比が０．８から２．５の窒化珪素膜層と、を具備する基板である。本発明によれば、半導体層上に形成される窒化珪素膜層の組成を選択することにより、絶縁膜層と半導体層との密着性が向上させることが、半導体層表面から絶縁膜層が剥離することを防ぐことができる。
【００２６】
本発明は、基板上にエピタキシャル成長されたＧａＮ系半導体層と、該ＧａＮ系半導体層上に形成されたアルミニウム／窒素組成比が１．０から１．５の窒化アルミニウム膜層と、を具備する基板である。本発明によれば、半導体層上に形成される窒化アルミニウム膜層の組成を選択することにより、絶縁膜層と半導体層との密着性が向上させることが、半導体層表面から絶縁膜層が剥離することを防ぐことができる。
【００２７】
本発明は、前記基板をＳｉＣ基板またはサファイア基板とすることができる。
【００２８】
本発明は、前記窒化珪素膜層または前記窒化アルミニウム膜層は、プラズマＣＶＤ法で形成された基板とすることができる。
【００２９】
本発明は、前記窒化珪素膜層または前記窒化アルミニウム膜層は２０ｎｍ以上の膜厚を有する基板とすることができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、半導体層上に形成される絶縁膜層の組成を選択することにより、絶縁膜層と半導体層との密着性が向上し、絶縁膜層の内部応力を選択することにより、コラプス現象を低減させることができる。さらに、絶縁膜層と半導体層表面での密着性向上により、半導体層表面から絶縁膜層が剥離することを防ぎ、かつコラプス現象の低減を図ることができる。よって、高出力動作可能でかつ信頼性の高い半導体装置とその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
従来のＧａＮ系半導体ＨＥＭＴにおいては、窒化珪素膜層が半導体層から剥離することが確認された。窒化珪素膜層が剥離すると、剥離箇所から水分が浸入し、各種電極を腐食させるといった問題が発生する。これにより、信頼性の低下が発生する。また、窒化珪素膜層が剥離すると、コラプス現象を抑制させるという目的に反し、コラプス現象が生じてしまう。もともと、基板上に、基板上とは異なる格子定数の半導体層を積層していく場合には、基板に歪みが発生してしまう。絶縁膜は、その歪みを緩和させる役割があるものの、半導体層との密着性が悪い場合には、歪みを緩和させることが不十分になり、コラプス現象を抑制できないと考えられる。本発明の膜は、基板との密着性を良くするため、十分に歪みを緩和することができるものである。
【００３２】
特許文献１にはＧａＮ系半導体からなる半導体層上に形成する窒化珪素層の組成は開示されていないが、通常は、化学量論的な組成を有する膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）が使用される。
【００３３】
本発明者は、絶縁膜層の組成に着目し、化学量論的な組成を有する膜であるＳｉ３Ｎ４膜では、ＧａＮ系半導体層と絶縁膜層の密着性が弱いのではないかと推論した。そこで、かかる窒化珪素膜層中の珪素の含有量を化学量論的な組成より多くすることにより、余剰な珪素原子が半導体層表面と結合し、密着性が向上するのではないかと考えた。また、コラプス現象については、ＳｉＣ基板またはサファイア基板上に、格子定数の異なるＧａＮ系半導体層を積層するため、基板に内部応力(歪み)が発生し、その応力が原因になるのではないかと考えた。もともと、基板の歪みの原因は、基板とその上の半導体層との格子定数の違いによるものである。
【実施例１】
【００３４】
実施例１はＧａＮ系半導体ＨＥＭＴの例である。図１は実施例1の上視図を、図２は、図１中Ａ−Ａ’断面の断面図を示す。
【００３５】
サファイア基板またはＳｉＣ基板である基板１０上にＧａＮ系半導体層１１としてＧａＮチャネル層、ＡｌＧａＮ電子供給層、ＧａＮキャップ層が形成されている。ＧａＮ系半導体層１１内にはトランジスタとして動作する活性領域２８と、不活性化された素子分離領域２６がある。ＧａＮ系半導体層１１上には第１の絶縁膜層２０（図１には図示せず）、ソース電極３０、ドレイン電極３２およびゲート電極３４が形成されている。
【００３６】
次に、実施例１の製造方法について説明する。まず、図３において、サファイアまたはＳｉＣからなる基板１０上に、例えばＭＯＣＶＤ法を用い、ＧａＮ系半導体層１１として、不純物を添加しないＧａＮチャネル層１２、Ｓｉを添加したＮ型のＡｌＧａＮ電子供給層１４、Ｓｉを添加したＮ型のＧａＮ層１６を形成する（エピタキシャル成長する）。ＧａＮ系半導体層１１はＭＯＣＶＤ法以外にもＭＢＥ法を用いエピタキシャル成長することができる。次に、イオン注入またはエッチングにより、活性領域２８（図３においては図示せず）以外を不活性化させ、素子分離領域２６を形成する。
【００３７】
次に、図４において、ＧａＮ系半導体層１１中のＧａＮキャップ層１６上に第１の絶縁膜層２０として窒化珪素膜層を形成する。該窒化珪素膜層の形成条件については後述する。これにより、ＧａＮ系半導体層１１と、その上に形成された第１の絶縁膜２０である窒化珪素層を具備する基板（すなわちウェーハ）が形成される。
【００３８】
次に、図５において、第１の絶縁膜層２０上にレジストを塗布し露光する。レジストを現像し、所定のパターンを形成する。所定のパターンで形成された領域の第１の絶縁膜層２０を選択的にドライエッチングし、ソース電極およびドレイン電極形成用の開口部４０および４２をそれぞれ形成する。
【００３９】
次に、図６において、第１の絶縁膜層２０の開口部４０および４２に、ソース電極３０およびドレイン電極３２を、蒸着法およびリフトオフ法を用い形成する。ソース電極３０およびドレイン電極３２は、例えば、Ｔｉ／ＡｌまたはＴｉ／Ａｕを用いる。すなわち、ソース電極およびドレイン電極はゲート電極を挟んで設けられる。
【００４０】
次に、図７において、所定領域の第１の絶縁膜層２０を選択的にドライエッチングし、ゲート電極形成用の開口部を形成する。次に、ゲート電極３４を、蒸着法およびリフトオフ法を用い形成する。ゲート電極３４は、例えば、Ｎｉ／ＡｌまたはＮｉ／Ａｕを用いる。さらに層間絶縁膜層および配線層（図示せず）を形成しＨＥＭＴが完成する。
【００４１】
実施例１において、第１の絶縁膜層２０である窒化珪素膜層の組成を変え、第１の絶縁膜層２０が、ＧａＮ系半導体層１１から剥離しているＨＥＭＴの個数を調査した。
【００４２】
図８はチップサイズが０．５ｘ２．０ｍｍ２のＨＥＭＴ５００個のうち、第１の絶縁膜層２０の剥離が確認されたＨＥＭＴの個数を示している。珪素／窒素組成比が０．８以上の窒化珪素膜層を用いることにより、第１の絶縁膜層２０の剥離は確認されなかった。
【００４３】
次に、珪素／窒素組成比が１．１〜１．２の窒化珪素膜層を第１の絶縁膜層２０に用い、窒化珪素膜層の内部応力を変えコラプス現象を調べた。ここで内部応力の符号は、図９に示すように、第１の絶縁膜層２０が拡張し、基板１０が圧縮するように加わる応力を圧縮応力とし、正とした。図１０はＩｄｓ／Ｉｄｓ１０と第１の絶縁膜層２０の膜厚と内部応力の積との関係を示している。ここで、Ｉｄｓ／Ｉｄｓ１０は、ドレイン電流５０Ｖを印加したときのドレイン電流Ｉｄｓを、ドレイン電圧として１０Ｖを印加したのときのドレイン電流Ｉｄｓ１０で、規格化した値である。Ｉｄｓ／Ｉｄｓ１０は、ＨＥＭＴの高出力動作のためには、０．９以上であることが好ましい。第１の絶縁膜層２０の膜厚と内部応力の積が０．５Ｐａ・ｍ以上であれば、Ｉｄｓ／Ｉｄｓ１０は０．９以上となることがわかる。
【００４４】
また、図１１に、ゲート電極にドレイン電極に対し、−１００Ｖ印加したときのゲート−ドレイン逆方向リーク電流Ｉｇを示す。ＨＥＭＴの高出力動作のためには、Ｉｇは−５０μＡ以上が好ましい。第１の絶縁膜層２０の膜厚と内部応力の積が０．５Ｐａ・ｍ以上であれば、Ｉｇは−５０μＡより大きくなり、リーク電流としては減ることがわかる。
【００４５】
上記のごとく、第１の絶縁膜層２０として用いる窒化珪素膜層の珪素／窒素組成比を０．８以上、製造のバラツキを考慮し、好ましくは１．０以上とすることで、第１の絶縁膜層２０がＧａＮ系半導体層１１から剥離することを防ぐことができた。窒化珪素膜層の珪素／窒素組成比は大きい方が絶縁膜２０とＧａＮ系半導体層１１の密着性が向上する。しかし、例えば、２．５より大きいと、リーク電流が大きくなる（例えば、抵抗率が１０１０Ωｃｍ程度となる）といった問題が生じるため、２．５以下とすることが好ましい。
【００４６】
さらに、第１の絶縁膜層２０の膜厚と内部応力の積を０．５Ｐａ・ｍ以上、製造のバラツキを考慮し好ましくは１．０Ｐａ・ｍ以上とすることにより、コラプス現象の抑制とゲート−ドレイン逆方向リーク電流の低減が可能となる。第１の絶縁膜層２０の膜厚と内部応力の積は大きい方がコラプス現象が抑制とゲート−ドレイン逆方向リーク電流の低減が可能となる。しかし、例えば、２．５より大きいと、膜中のリーク電流の発生といった問題が生じるため、２．５以下とすることが好ましい。また、窒化珪素膜層の膜厚は、前述の効果を得るため、２０ｎｍ以上が好ましく、４０〜１００ｎｍがより好ましい。
【００４７】
第１の絶縁膜層２０である窒化珪素膜層の形成例えば、平行平板型プラズマＣＶＤ装置を用い、ＳｉＨ４ガスのガス流量が２〜１０ｓｃｃｍ、ＮＨ３ガスのガス流量が０〜４ｓｃｃｍ、Ｎ２ガスのガス流量が２０〜６００ｓｃｃｍ、Ｈｅガスのガス流量が、４００〜１０００ｓｃｃｍ、全ガス圧力が、９．３〜２５０Ｐａ、成長温度が２５０〜３５０℃および高周波電力（周波数は１３．５６ＭＨｚ）が０．０３〜０．２Ｗ／ｃｍ２によって形成することができる。ここで、窒化珪素膜層の珪素／窒素組成比は、例えば、ＳｉＨ４ガスのガス流量を大きくすることにより、大きくすることができる。また、窒化珪素膜層の内部応力は、例えば、Ｎ２ガスのような不活性ガスのガス流量を大きくすることにより、大きくすることができる。これにより、ＳｉＨ４ガスと不活性ガスのガス流量を所定の値とすることにより、窒化珪素膜層の珪素／窒素組成比と内部応力を所望の値とすることができる。
【００４８】
さらに、例えば、誘電結合型高密度プラズマＣＶＤ装置または電子サイクロトロン共鳴型ＣＶＤ装置を用い、ＳｉＨ４ガスのガス流量が２〜１０ｓｃｃｍ、ＮＨ３ガスのガス流量が０〜４ｓｃｃｍ(好ましくは０．００１〜４ｓｃｃｍ)、Ｎ２ガスのガス流量が、２０〜６００ｓｃｃｍ、全ガス圧力が、０．１〜１０Ｐａ、成長温度が２５０〜３５０℃、誘電結合電力（周波数は２〜１３．５６ＭＨｚ）または電子サイクロトロン共鳴電力（周波数は２．４５ＧＨｚ）が１００〜８００Ｗ並びに高周波電力（周波数は１３．５６ＭＨｚ）が０．０１〜０．２Ｗ／ｃｍ２で形成することができる。
【００４９】
さらに、例えば、スパッタＣＶＤ装置およびＳｉＮｘターゲットを用い、Ａｒガスのガス流量が１０〜５０ｓｃｃｍ、全ガス圧力が、０．２〜５Ｐａ、成長温度が５０〜２００℃および高周波電力（周波数は２ＭＨｚ以上）が０．０３〜０．２Ｗ／ｃｍ２で形成することができる。
【００５０】
このように、実施例１においては、第１の絶縁膜２０の膜厚と内部応力の積を０．５Ｐａ・ｍ以上とすることでコラプス現象とゲート−ドレイン逆方向リーク電流を抑制し、さらに、珪素／窒素組成比を０．８から２．５の窒化珪素膜層を用いることで、第１の絶縁膜層２０がＧａＮ系半導体層１１から剥離することを防止できた。これにより、高出力動作可能で、信頼性の高い、ＧａＮ系半導体ＨＥＭＴを提供することができた。実施例１は、内部応力を緩和することにより、コラプス現象を抑制するものである。
【実施例２】
【００５１】
実施例２は第１の絶縁膜層２２とＧａＮ系半導体層１１の間に第２の絶縁膜層２０(第２の窒化珪素膜層)を形成した例である。図１２に実施例２の断面図を示す。
【００５２】
サファイアまたはＳｉＣからなる基板上１０に、例えば、ＭＯＣＶＤ法を用い、ＧａＮ系半導体層１１として、不純物を添加しないＧａＮチャネル層、Ｓｉを添加したＮ型のＡｌＧａＮ電子供給層、Ｓｉを添加したＮ型のＧａＮ層を形成する（エピタキシャル成長する）。ＧａＮ系半導体層１１はＭＯＣＶＤ法以外にもＭＢＥ法を用いエピタキシャル成長することができる。イオン注入またはエッチングにより、所定領域のＧａＮチャネル層に到達する部分を不活性化させ、素子分離領域２６を形成する。ＧａＮ系半導体層１１上に第２の絶縁膜層２２（第２の窒化珪素膜層）として化学量論的な組成を有する窒化珪素膜層を形成する。
【００５３】
所定領域の第２の絶縁膜層２２を選択的にドライエッチングし、ソース電極３０およびドレイン電極３２を、蒸着法およびリフトオフ法を用い形成する。ここで、ソース電極３０およびドレイン電極３２は、例えば、Ｔｉ／ＡｌまたはＴｉ／Ａｕを用いる。所定領域の第２の絶縁膜層２２を選択的にドライエッチングし、ゲート電極３４を、蒸着法およびリフトオフ法を用い形成する。ここで、ゲート電極３４は、例えば、Ｎｉ／ＡｌまたはＮｉ／Ａｕを用いる。第２の絶縁膜層２２、ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極上に第１の絶縁膜層２０を形成する。第１の絶縁膜層２０の形成条件は実施例１と同じである。第１の絶縁膜層２０上にレジストを塗布し露光する。レジストを現像し、所定のパターンを形成する。所定のパターンで形成された領域の第１の絶縁膜層２０をエッチングし、配線層３６を形成することにより、実施例２に係るＨＥＭＴが完成する。
【００５４】
実施例２において、実施例１同様、コラプス現象の内部応力依存、ゲート−ドレイン逆方向リーク電流の内部応力依存をそれぞれ図１３、図１４に示す。第１の絶縁層膜２０の膜厚と内部応力の積が０．５Ｐａ・ｍ以上でＩｄｓ／Ｉｄｓ１０は０．９以上となる。また、ゲート−ドレイン逆方向リーク電流Ｉｇは０．５Ｐａ・ｍ以上で−５０μＡ以下となる。このように、第１の絶縁膜層２０とＧａＮ系半導体層１１の間に第２の絶縁膜層２２を形成しても、コラプス現象を抑制できることがわる。これは、第１の絶縁膜層２０の内部応力が第２の絶縁膜２２を介し、ＧａＮ系半導体層１１および基板１０に伝わっているためである。
【００５５】
実施例２は実施例１にかかる以下の問題を解決することができる。窒化珪素膜層は珪素／窒素組成比が大きくなると、膜が緻密になり、ドライエッチングでの加工が難しくなる。特にこのような窒化珪素膜層に２μｍ以下の小さな開口部を形成しようとすると、開口寸法の制御性が悪くなる。実施例１においては、図５に示したように、第１の絶縁膜層２０の所定領域をエッチングし開口部４０および４２等を形成し、ソース電極３０、ドレイン電極３２およびゲート電極３４を形成する。そのため、開口寸法の制御性が悪くなると、これら電極の寸法精度が悪くなるという問題があった。
【００５６】
しかし、実施例２においては、半導体層１２上に、第２の絶縁膜層２２として化学量論的な組成の窒化珪素膜層を形成することにより、ソース電極３０、ドレイン電極３２およびゲート電極３４の寸法精度の悪化を防ぐことが出来た。化学量論的な組成の窒化珪素膜層はドライエッチングが容易なため、２μｍ以下の小さな開口であっても、開口寸法制御性が良いためである。
【００５７】
このように、実施例２においては、コラプス現象とゲート−ドレイン逆方向リーク電流を抑制し、かつ、ゲート幅の小さいＨＥＭＴにおいても寸法精度良く電極を形成することができる。これにより、高出力動作可能で信頼性が高く、ゲート幅の小さい、ＧａＮ系半導体ＨＥＭＴを提供することができた。
【実施例３】
【００５８】
実施例３は、第１の絶縁膜層２１を窒化アルミニウム膜層としたＨＥＭＴである。図１５に実施例３の断面図を示す。
【００５９】
例えばサファイアまたはＳｉＣからなる基板上１０に、ＭＯＣＶＤ法を用い、ＧａＮ系半導体層１１として、不純物を添加しないＧａＮチャネル層、Ｓｉを添加したＮ型のＡｌＧａＮ電子供給層、Ｓｉを添加したＮ型のＧａＮ層を形成する（エピタキシャル成長する）。ＧａＮ系半導体層１１はＭＯＣＶＤ法以外にもＭＢＥ法を用いエピタキシャル成長することができる。イオン注入またはエッチングにより、活性領域以外を不活性化させ、素子分離領域２６を形成する。ＧａＮ系半導体層１１上に第１の絶縁膜層２１として窒化アルミニウム膜を形成する。第１の絶縁膜２１の形成条件は後述する。これにより、ＧａＮ系半導体層１１と、その上に形成された第１の絶縁膜２１である窒化アルミニウム珪素層を具備する基板（すなわちウェーハ）が形成される。
【００６０】
第１の絶縁膜層２１上にレジストを塗布し露光する。レジストを現像し、所定のパターンを形成する。所定のパターンで形成された領域の第１の絶縁膜層２１を選択的にドライエッチングし、ソース電極３０およびドレイン電極３２を、蒸着法およびリフトオフ法を用い形成する。ここで、ソース電極３０およびドレイン電極３２は、例えば、Ｔｉ／ＡｌまたはＴｉ／Ａｕを用いる。所定領域の第１の絶縁膜層２１を選択的にドライエッチングし、ゲート電極３４を、蒸着法およびリフトオフ法を用い形成する。ここで、ゲート電極３４は、例えば、Ｎｉ／ＡｌまたはＮｉ／Ａｕを用いる。さらに層間絶縁膜層および配線層（図示せず）を形成しＨＥＭＴが完成する。
【００６１】
実施例１と同様に、第１の絶縁膜層２１として用いる窒化アルミニウム膜層の組成を変え、第１の絶縁膜層２１が、ＧａＮ系半導体層１１から剥離しているＨＥＭＴの個数を調査した。
【００６２】
図１６はチップサイズが０．５ｘ２．０ｍｍ２のＨＥＭＴ５００個のうち、第１の絶縁膜層２１の剥離が観測されたＨＥＭＴの個数を示している。アルミニウム／窒素組成比が１．０以上の窒化アルミニウム膜層を用いることにより、第１の絶縁膜層２１の剥離は観測されなかった。これは、窒化アルミニウム中の余剰なアルミニウムが半導体層表面と結合し、密着性が向上したためである。窒化アルミニウム層のアルミニウム／窒素組成比は大きい方が絶縁膜２０とＧａＮ系半導体層１１の密着性が向上する。しかし、例えば、１．５より大きいと、窒化アルミニウム層の酸化といった問題が生じるため、１．５以下とすることが好ましい。
【００６３】
また、第１の絶縁膜層２１の膜厚と内部応力の積を０．５Ｐａ・ｍ以上とすることにより、コラプス現象とゲート−ドレイン逆方向リーク電流を抑制することができる。第１の絶縁膜層２１の膜厚は、前述の効果を得るためには２０ｎｍ以上、好ましくは４０〜１００ｎｍである。
【００６４】
窒化アルミニウム膜の形成は、例えば、スパッタＣＶＤ装置においてＡｌＮｘターゲットを用い、Ａｒガスのガス流量が１０〜５０ｓｃｃｍ、全ガス圧力が、０．２〜５Ｐａ、成長温度が５０〜２００℃および高周波電力（周波数２ＭＨ以上）が０．０３〜０．２Ｗ／ｃｍ２で形成することができる。
【００６５】
このように、実施例３においては、第３の絶縁膜２０の膜厚と内部応力の積を０．５Ｐａ・ｍ以上とすることでコラプス現象とゲート−ドレイン逆方向リーク電流を抑制し、さらに、アルミニウム／窒素組成比を１．０以上の窒化アルミニウム膜層を用いることで、第１の絶縁膜層２１がＧａＮ系半導体層１１から剥離することを防止できた。これにより、高出力動作可能で信頼性の高い、ＧａＮ系半導体ＨＥＭＴを提供することができた。
【００６６】
本実施例１ないし３においては、第１の絶縁膜層２０および２１は活性領域２８および素子分離領域２６の表面に形成している。しかし、コラプス現象の抑制のためには、第１の絶縁膜層２０および２１は少なくとも活性領域２８上に形成されていれば十分である。第１の絶縁膜層２０および２１は大きな内部応力を有するため、第１の絶縁膜層２０および２１を形成する面積が小さければ、例えば、基板の歪により生じる製造工程の露光装置における焦点ずれといった問題を低減でき、製造工程を容易にすることができる。
【００６７】
実施例１ないし３はＨＥＭＴに係る実施例であるが、ＭＥＳＦＥＴであっても、同様の効果を有することはいうまでもない。さらに、第１の絶縁膜層２０および２１として、酸化珪素層膜層または酸化アルミニウム膜層を使用した場合であっても、これら膜層の膜厚と内部応力の積を０．５Ｐａ・ｍ以上とすることにより、コラプス現象を抑制できる。これらの膜中に余剰な珪素またはアルミニウムを含有させることにより、第１の絶縁膜層２０および２１がＧａＮ系半導体層１１から剥離されるのを防ぐことができる。
【００６８】
実施例２のように、ＧａＮ系半導体層１１と第１の絶縁膜層２１（窒化アルミニウム膜層）の間に、第２の窒化アルミニウム膜層を形成することもできる。この場合も、実施例２と同様の効果が得られる。
【実施例４】
【００６９】
実施例４はＧａＮ系ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）に係る例である。図１７は、実施例４の断面図である
【００７０】
図１７において、８０はＳｉＣ基板(図示せず)上に設けられたＧａＮ厚膜層、８１はＧａＮ系のバッファ層、８２はｎ型ＧａＮ層（グラッド層）、８３は量子井戸構造のＩｎＧａＮ層（ＧａＮ系活性層）、８４は電流制御層であるＡｌＧａＮ層(グラッド層)、８５はｐ型ＧａＮのコンタクト層、８６ａはｐ型オーミック電極、８６ｂはｎ型オーミック電極、８７は窒化珪素膜層である第１の絶縁膜層、８８はポリイミド膜、そして８９は配線材料である。ここで、第１の絶縁膜層８７の形成条件は実施例１とおなじである。
【００７１】
ｐ型オーミック電極８６ａとｎ型オーミック電極８６ｂに電圧が印加されｐ型オーミック電極８６ａからキャリアが注入されると、このキャリアはｐ型ＧａＮ層８５、ＡｌＧａＮ層８４、ＩｎＧａＮ層８３、ｎ型ＧａＮ層８２中をドリフトして基板８０裏面に形成されたｎ型オーミック電極８６ｂに流れ込む。このとき、量子井戸構造のＩｎＧａＮ層８３からは量子効果に基づく電子正孔対の再結合により発光が生じ、この光が上方向から取り出される。すなわち、基板表面と垂直方向に光出力される。
【００７２】
実施例４において、第１の絶縁膜層８７の珪素／窒素組成比を０．８から２．５、膜厚と内部応力の積を０．５Ｐａ・ｍ以上とすることにより、基板の歪みを抑制することができ、露光（アライメント）時の寸法バラツキを抑えることができる。実施例４の窒化珪素膜は密着性が高くなるので膜の剥離が防止され、半導体層と絶縁膜との界面への水の浸入を防ぐことができる。さらに、第１の絶縁膜層８７が半導体膜層から剥離することを抑えることができる。このように、実施例４によれば、信頼性の高いＶＣＳＥＬを提供することができた。また、実施例４は、面発光レーザについて説明されているが、基板表面と平行方向に光出力する端面発光レーザにおいても同様の効果を得ることができる。さらに、第１の絶縁膜８７はアルニミウム／窒素組成比を１．０から１．５の窒化アルミニウム膜層とすることにより同様の効果が得られる。実施例２のように第１の絶縁膜８７とＧａＮ系半導体層の間に窒化珪素膜または窒素アルミニウム膜を形成し、具備することもできる。この場合も同様の効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】図1は実施例１の上視図である。。
【図２】図２は実施例１の断面図である。
【図３】図３は実施例１の製造方法を示す断面図（その1）である。
【図４】図４は実施例１の製造方法を示す断面図（その２）である。
【図５】図５は実施例１の製造方法を示す断面図（その３）である。
【図６】図６は実施例１の製造方法を示す断面図（その４）である。
【図７】図７は実施例１の製造方法を示す断面図（その５）である。
【図８】図８は実施例１における、第１の絶縁膜層が剥離したＨＥＭＴの数を示す図である
【図９】図９は圧縮応力の方向を説明するための図である。
【図１０】図１０は実施例１におけるコラプス現象の内部応力依存を示した図である。
【図１１】図１１は実施例１におけるゲート−ドレイン逆方向リークの内部応力依存を示した図である。
【図１２】図１２は実施例２の断面図である。
【図１３】図１３は実施例２におけるコラプス現象の内部応力依存を示した図である。
【図１４】図１４は実施例２におけるゲート−ドレイン逆方向リークの内部応力依存を示した図である。
【図１５】図１５は実施例３の断面図である。
【図１６】図１６は実施例３における、第１の絶縁膜層が剥離したＨＥＭＴの数を示す図である。
【図１７】図１７は実施例４の断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１０              基板
１１              半導体層
１２              ＧａＮチャネル層
１４              ＡｌＧａＮ電子供給層
１６              ＧａＮキャップ層
２０、２１、８７  第１の絶縁膜層
２２              第２の絶縁膜層
２６              素子分離領域
２８              活性領域
３０              ソース電極
３２              ドレイン電極
３４              ゲート電極
３６              配線層
４０、４２        開口部
８０              ＧａＮ厚膜層
８１              ＧａＮ系のバッファ層
８２              ｎ型ＧａＮ層
８３              量子井戸構造のＩｎＧａＮ層
８４              電流制御層であるＡｌＧａＮ層
８５              ｐ型ＧａＮのコンタクト層
８６ａ            ｐ型オーミック電極
８６ｂ            ｎ型オーミック電極
８８              ポリイミド膜
８９              配線材料
【図１】
2006261252.tif 000003
【図２】
2006261252.tif 000004
【図３】
2006261252.tif 000005
【図４】
2006261252.tif 000006
【図５】
2006261252.tif 000007
【図６】
2006261252.tif 000008
【図７】
2006261252.tif 000009
【図８】
2006261252.tif 000010
【図９】
2006261252.tif 000011
【図１０】
2006261252.tif 000012
【図１１】
2006261252.tif 000013
【図１２】
2006261252.tif 000014
【図１３】
2006261252.tif 000015
【図１４】
2006261252.tif 000016
【図１５】
2006261252.tif 000017
【図１６】
2006261252.tif 000018
【図１７】
2006261252.tif 000019