(57)【要約】  【課題】  プレーナー構造で、かつ高抵抗の素子分離が可能な窒化物半導体装置及びその製造方法を提供する。    【解決手段】  基板上にIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とが積層した窒化物半導体装置であって、素子分離領域を、低温で成長させた微結晶構造のIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層で充填する構造とする。素子分離領域に凹部を形成した後、第３の半導体層を選択再成長させることで形成することができる。  【選択図】  図２
2006080341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、
基板上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層の上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第２の窒化物半導体層と、少なくとも該第２の窒化物半導体層及び前記第１の窒化物半導体層により形成される窒化物半導体装置形成領域を素子分離するため、該窒化物半導体装置形成領域を区画する領域の前記第２の窒化物半導体層及び前記第１の窒化物半導体層の代わりに、少なくとも前記第１の窒化物半導体層より成膜温度の低い、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層が積層していることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、
基板上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層の上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第２の窒化物半導体層と、少なくとも該第２の窒化物半導体層及び前記第１の窒化物半導体層により形成される窒化物半導体装置形成領域を素子分離するため、該窒化物半導体装置形成領域を区画する領域に、微結晶構造の前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層を備えていることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項３】
ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置の製造方法において、
基板上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層を形成する工程と、
該第１の窒化物半導体層上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第２の窒化物半導体層を形成する工程と、
窒化物半導体装置形成領域の前記第２の窒化物半導体層表面に、マスク材をパターニングし、前記窒化物半導体装置形成領域を被覆し、該窒化物半導体装置形成領域を区画する領域の前記第２の窒化物半導体層表面を露出する工程と、
パターニングした前記マスク材をエッチングマスクとして使用し、前記第２の窒化物半導体層及び前記第１の窒化物半導体層により形成される前記窒化物半導体装置形成領域を素子分離するため、前記第２の窒化物半導体層及び前記第１の窒化物半導体層からなる領域に凹部を形成する工程と、
少なくとも前記第１の窒化物半導体層の成膜温度より低い温度で、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層を形成し、前記凹部を前記第３の窒化物半導体層で充填する工程と、
前記マスク材を除去し、前記窒化物半導体装置形成領域を露出する工程とを含むことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の窒化物半導体装置の製造方法において、前記マスク材は、酸化シリコンからなり、前記凹部を前記第３の窒化物半導体層で充填する工程は、ＭＯＣＶＤ法により、前記凹部内に選択的に前記第３の窒化物半導体層を堆積させることを特徴とする窒化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、能動層に窒化物半導体を用いた窒化物半導体装置及びその製造方法に関し、特にリーク電流が少なく、プレーナー構造の素子分離を行うことができる窒化物半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３は、従来のIII−Ｖ族窒化物半導体からなる窒化物半導体装置の平面図（ａ）及び断面図（図３ａのＡ−Ａ’面の断面図を図３ｂに示し、図３ａのＢ−Ｂ’面の断面図を図３ｃに示す）である。図３に示す窒化物半導体装置は、いわゆるＨＥＭＴ構造であり、ＳｉＣ基板１１上には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２、窒化ガリウムからなるチャネル層１３、ノンドープの窒化アルミニウムガリウムからなるスペーサ層１４、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層１５、ノンドープの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるショットキ層１６が順次積層した構造となっており、チャネル層１３とスペーサ層１４とからなるヘテロ接合界面近傍には、ポテンシャル井戸からなる電子移動度が極めて大きい２次元電子ガス層が形成される。このような構造の窒化物半導体装置では、ショットキ層１６にショットキ接触するゲート電極２１（制御電極）に印加する電圧を制御することにより、ソース電極２０ａとドレイン電極２０ｂとの間を流れるキャリア（２次元電子ガス）を制御している。
【０００３】
このような窒化物半導体装置の素子分離は、窒化物半導体装置形成領域を区画する領域の半導体層をドライエッチング法による除去し、凹部１８を形成することで行われる（図３ａ、図３ｂ）。このような構造では、ゲート電極２１は凹部１８の段差を横切り、パッド等の引き出し部は、凹部１８の底面部に形成される構造となっていた（図３ｃ）。このように凹部１８を形成する構造の素子分離方法は、メサ構造と呼ばれるもので、この種の半導体装置の製造工程において、慣用的に行われている方法である。
【０００４】
また、エッチングの代わりに、例えば窒素イオンを加速エネルギー２０ｋｅＶ、１００ｋｅＶ、ドーズ量がいずれも１×１０14ｃｍ-2として、二重にイオン注入することにより、シート抵抗が１×１０8Ω／□の素子分離領域を形成することにより、プレーナー構造の素子分離を行う方法が報告されている（非特許文献１）。
【非特許文献１】中山他、「フィールドプレートを有する高耐圧・高出力ＡｌＧａＮ／ＧａＮリセスゲートＦＥＴ」、電子情報通信学会技術研究報告、社団法人電子通信学会、２００４年１月１２日、Ｖｏｌ．１０３、Ｎｏ．５５８、ｐ．５７〜６２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような従来のメサ構造の素子分離では、ゲート電極(制御電極)をリフトオフ法で形成する場合、少なくとも凹部１８の段差以上の膜厚のホトレジストを形成する必要があり、ゲート長の短いゲート電極を形成することができないという問題があった。
【０００６】
また、従来報告されているプレーナー構造の素子分離において、さらにゲート電極のリーク電流を低減するため、シート抵抗の大きい素子分離領域を形成する必要があった。
【０００７】
本発明は上記問題を解消し、プレーナー構造で、かつ高抵抗の素子分離が可能な窒化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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、基板上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層の上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第２の窒化物半導体層と、少なくとも該第２の窒化物半導体層及び前記第１の窒化物半導体層により形成される窒化物半導体装置形成領域を素子分離するため、該窒化物半導体装置形成領域を区画する領域の前記第２の窒化物半導体層及び前記第１の窒化物半導体層の代わりに、少なくとも前記第１の窒化物半導体層より成膜温度の低い、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層が積層していることを特徴とする。
【０００９】
また本願請求項２に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、基板上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層の上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第２の窒化物半導体層と、少なくとも該第２の窒化物半導体層及び前記第１の窒化物半導体層により形成される窒化物半導体装置形成領域を素子分離するため、該窒化物半導体装置形成領域を区画する領域に、微結晶構造の前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層を備えていることを特徴とする。
【００１０】
また本願請求項３に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置の製造方法において、基板上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層を形成する工程と、該第１の窒化物半導体層上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第２の窒化物半導体層を形成する工程と、窒化物半導体装置形成領域の前記第２の窒化物半導体層表面に、マスク材をパターニングし、前記窒化物半導体装置形成領域を被覆し、該窒化物半導体装置形成領域を区画する領域の前記第２の窒化物半導体層表面を露出する工程と、パターニングした前記マスク材をエッチングマスクとして使用し、前記第２の窒化物半導体層及び前記第１の窒化物半導体層により形成される前記窒化物半導体装置形成領域を素子分離するため、前記第２の窒化物半導体層及び前記第１の窒化物半導体層からなる領域に凹部を形成する工程と、少なくとも前記第１の窒化物半導体層の成膜温度より低い温度で、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層を形成し、前記凹部を前記第３の窒化物半導体層で充填する工程と、前記マスク材を除去し、前記窒化物半導体装置形成領域を露出する工程とを含むことを特徴とする。
【００１１】
さらに請求項４に係る発明は、請求項３記載の窒化物半導体装置の製造方法において、前記マスク材は、酸化シリコンからなり、前記凹部を前記第３の窒化物半導体層で充填する工程は、ＭＯＣＶＤ法により、前記凹部内に選択的に前記第３の窒化物半導体層を堆積させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による窒化物半導体装置は、低温で成長させた微結晶構造の半導体層を素子分離領域とすることで、素子分離領域のシート抵抗が１×１０9Ω／□以上となり、従来よりリーク電流を低減することができる。特に、微結晶構造の素子分離領域にあるゲート電極からのリーク電流を少なくすることができる。
【００１３】
また本発明による窒化物半導体装置の製造方法は、通常の選択再成長を行う際、エピタキシャル成長温度を制御するのみで、所望の特性、構造の窒化物半導体装置を形成することができるため、製造工程の制御性が良く、素子分離特性の優れた窒化物半導体装置を歩留まり良く製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の窒化物半導体装置について、その製造工程に従い説明する。
【実施例１】
【００１５】
まず本発明について、III−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置であるＨＥＭＴを例にとり、製造工程に従い、詳細に説明する。図１は本発明の実施例である窒化物半導体装置の平面図（図１ａ）及び断面図（図１ａのＡ−Ａ’面の断面図を図１ｂに示し、図１ａのＢ−Ｂ’面の断面図を図１ｃに示す）である。図２は、本発明の窒化物半導体装置の製造工程を示している。
【００１６】
まず、図２（ａ）に示すように炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、厚さ２００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２、厚さ２.５μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３、厚さ７ｎｍのノンドープの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるスペーサ層１４、厚さ１５ｎｍのｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層１５、厚さ３ｎｍのノンドープの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるショットキ層１６が順次積層した構造のエピウエハを用意する。ここで、半導体層の成膜温度は、通常のＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法では、１０８０℃程度となる。なおこの場合、チャネル層１３が第１の窒化物半導体層、スペーサ層１４、キャリア供給層１５、ショットキ層１６が第２の窒化物半導体層に相当する。
【００１７】
次に窒化物半導体装置の形成予定領域を覆うように、選択再成長のマスク材となる酸化シリコン膜１７をパターニングした後、露出する窒化物半導体装置の形成予定領域を区画する領域を、塩素系ガスを用いたＲＩＥ法等のドライエッチング法により、エッチング除去し、凹部１８を形成する（図２ｂ）。凹部１８の深さは、窒化物半導体装置の素子分離のために必要な深さとする。図２ｂでは、チャネル層１３（第１の窒化物半導体層）の一部をエッチング除去する深さとなる。
【００１８】
その後、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相堆積）法により、チャネル層１３等の成膜温度より５００℃程度低い温度（例えば５５０℃）で窒化ガリウムをエピタキシャル成長させる。その結果、酸化シリコン膜１７表面にはエピタキシャル成長層が形成されず、凹部１８内に選択的に低温成長層１９（第３の窒化物半導体層に相当）を成長（選択再成長）させることができる。この低温成長層１９は、高い絶縁性（シート抵抗が１×１０9Ω／□以上）を示し、その表面は、ＨＥＭＴ形成領域と同一面となるように堆積させることができる（図２ｃ）。また、この低温成長層１９は、微結晶構造となる。
【００１９】
次に、酸化シリコン膜１７を除去し、露出したショットキ層１６上にチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）の積層体等からなるソース電極２０ａ、ドレイン電極２０ｂをパターン形成し、８００℃、３０秒の急速加熱処理によりオーミック接触を形成した後、ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなるゲート電極２１をパターン形成し、ショットキ層１６との間にショットキ接触を形成する（図２ｄ）。以下、通常の製造工程により、ＨＥＭＴを完成することができる。
【００２０】
このように形成した窒化物半導体装置は、ドライエッチングにより形成された凹部１８内に高い絶縁性の低温成長層１９を備えることによってプレーナー構造となり（図１ｃ）、ゲート電極の段間切れを心配することがないので、製造工程の歩留まりや信頼性が向上する。
【００２１】
また、そのシート抵抗は、１×１０9Ω／□以上となり、従来提案されていたイオン注入法より、１０倍以上大きなシート抵抗の素子分離領域を形成することができる。
【００２２】
本実施例では、絶縁特性の優れた微結晶構造の低温成長層１９として、成長温度をチャネル層１３やスペーサ層１４、キャリア供給層１５、ショットキ層１６のエピタキシャル層の成長温度（１０８０℃）より低い温度（例えば５５０℃）に設定することのみで形成するため、制御性が良い。また本発明の製造方法は、通常の半導体装置の製造工程に従うため、極めて制御性が良く、歩留まり良く製造することができる。
【００２３】
なお、実施例として使用した炭化珪素（ＳｉＣ）基板の代りに、サファイア基板やシリコン基板を用いてもよい。その場合は、バッファ層１２として、低温成長の窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いる方が望ましい。また低温成長層１９を形成した後、オーミック電極を形成したが、オーミック電極を形成した後、酸化シリコン膜１７をパターン形成し、低温成長層１９を形成してもよい。オーミック電極のコンタクト抵抗はこの場合においてほとんど劣化しないからである。
【実施例２】
【００２４】
実施例１では、ＨＥＭＴの製造方法に関して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、高抵抗の素子分離領域を備えた窒化物半導体装置に適用することができる。例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板上に、厚さ２００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層、厚さ２．０μｍのｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなる能動層を形成し、能動層上にショットキ接触するゲート電極と、オーミック接触するソース電極及びドレイン電極を形成した電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）とすることもできる。この場合、バッファ層が第１の窒化物半導体層、能動層が第２の窒化物半導体層に相当する。
【００２５】
バッファ層に達する凹部に微結晶構造の窒化物半導体層（第３の窒化物半導体層）を選択的に堆積させることで、プレーナー構造の素子分離を行うことが可能となる。
【実施例３】
【００２６】
更に別の実施例として、窒化物半導体装置を構成する半導体層の少なくとも最表面の窒化物半導体層（最表面の半導体層が、本発明の第２の窒化物半導体層である場合を含む）を、上述した素子分離を形成するための微結晶構造の窒化物半導体層の製造方法と同じように、成長温度を下げて形成しても良い。具体的には、本願出願人が既に出願している（特願２００４−１２５３２１号、特願２００４−１２５３２２号、特願２００４−１２５３２３号）第２の窒化物半導体層の成長温度を第１の窒化物半導体層の成長温度より４００℃程度以上低い温度に設定し、ＨＥＭＴあるいはＦＥＴの制御電極を形成する窒化物半導体装置及び窒化物半導体装置の製造方法に適用することも可能であることは言うまでもない。この場合、成長温度を下げて形成した窒化物半導体層は、絶縁性の高い微結晶構造となるため、表面準位にトラップされた電子の制御若しくは表面準位密度の低減により、電流コラプス現象が抑制され、高周波特性が改善され、好ましい。
【００２７】
また本発明は、窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウムに限らず、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置に適用することができる。
【００２８】
また、凹部内に選択再成長を行う際に使用するマスク材は、酸化シリコンに限らず、窒化物半導体装置及びその成長方法に適した材料を選択すればよいが、実施例１で説明したように窒化ガリウムをＭＯＣＶＤ法で形成する場合には、酸化シリコンを選択するのが好ましい。
【００２９】
以上本発明において、低温成長層１９を微結晶構と説明したが、これは微結晶粒の集合体あるいはそれらの再配列化した構造であり、成長温度、成長時の雰囲気ガス組成、成長させる基板の種類などによって、結晶粒の大きさや配列等は変わるものであり、所望の絶縁特性が得られる範囲で、成長温度を制御することによって得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の窒化物半導体装置の説明図で、（ａ）は平面図を、（ｂ）及び（ｃ）は断面図を示している。
【図２】本発明の窒化物半導体装置の製造方法の説明図である。
【図３】従来のこの種の窒化物半導体装置の説明図で、（ａ）は平面図を、（ｂ）及び（ｃ）は断面図を示している。
【符号の説明】
【００３１】
１１；基板、１２；バッファ層、１３；チャネル層、１４；スペーサ層、１５；キャリア供給層、１６；ショットキ層、１７；酸化シリコン膜、１８；凹部、１９；低温成長層、２０ａ；ソース電極、２０ｂ；ドレイン電極、２１；ゲート電極
【図１】
2006080341.tif 000003
【図２】
2006080341.tif 000004
【図３】
2006080341.tif 000005