(57)【要約】【課題】半導体装置を構成する半導体層の表面上にＡｌＯｘ層を安価に形成でき、且つＡｌＯｘ層を厚膜化できる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板１と、前記半導体基板１上に形成された窒化物系化合物半導体層２、３、４と、前記窒化物系化合物半導体層２、３、４上に隣接して形成された酸化アルミニウム層７と、を備える半導体装置の製造方法であって、前記窒化物系化合物半導体層２、３、４上に多結晶又は非晶質の窒化アルミニウム層６を形成する第１の工程と、前記多結晶又は非晶質の窒化アルミニウム層６を熱酸化して前記酸化アルミニウム層７を得る第２の工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。【選択図】図１
2011258781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質又は多結晶
半導体基板と、前記半導体基板上に形成された窒化物系化合物半導体層と、前記窒化物系化合物半導体層上に隣接して形成された酸化アルミニウム層と、を備える半導体装置の製造方法であって、
前記窒化物系化合物半導体層上に多結晶又は非晶質の窒化アルミニウム層を形成する第１の工程と、前記多結晶又は非晶質の窒化アルミニウム層を熱酸化して前記酸化アルミニウム層を得る第２の工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
ＡｌＮ成長は７００℃以下で行う
前記第１の工程は、７００℃以下の雰囲気中で行われることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
半導体層成長とＡｌＮ成長は同一チャンバで行う
前記半導体基板上に前記窒化物系化合物半導体層を形成する第３の工程を備え、前記第１の工程と前記第３の工程とは同一のチャンバ内で連続して行われ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の製造方法。
【請求項４】
パターニング
前記第１の工程と前記第２の工程との間に前記窒化アルミニウム層をパターニングする第４の工程を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項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】
本発明は、窒化物系化合物半導体を用いた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系化合物半導体は、その物性から、高電圧及び大電流を高速でスイッチングするパワー半導体への応用が検討されている。窒化物系化合物半導体を用いた半導体装置として、ショットキバリアダイオード（ＳＢＤ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、金属半導体型電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）、金属絶縁半導体型電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）等が周知である。
【０００３】
上記の半導体装置を実用化する上で、リーク電流と電流コラプスの問題がある。これらの問題は、上記の半導体装置を構成する半導体層に含まれる結晶欠陥及びこれに起因する表面準位によるものと考えられている。特許文献１は、窒化物系化合物半導体層の表面準位を低減させるために、半導体層の表面上に絶縁膜を形成することを開示する。また、特許文献２は、絶縁膜として酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）を形成する方法を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−９８４５５号公報
【特許文献２】特開２００４−２７３６３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２によれば、半導体層上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を形成した後、窒素を脱離してＡｌ層を形成し、Ａｌ層を酸化させることでＡｌＯｘ層を得ることができる。しかしながら、従来の製造方法は、水素プラズマ処理による窒素脱離工程を行うことで半導体装置の製造工程が複雑になり、半導体装置の高コスト化を招来する。さらに、従来の製造方法は、特許文献２の００２４段落に記載されるようにＡｌＯｘ層の膜厚に制約があるため、比較的厚い絶縁膜が求められるパワー半導体装置の製造に適用することが困難である。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。従って、本発明は、半導体装置を構成する半導体層の表面上にＡｌＯｘ層を安価に形成でき、且つＡｌＯｘ層を厚膜化できる半導体装置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】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板１と、前記半導体基板１上に形成された窒化物系化合物半導体層２、３、４と、前記窒化物系化合物半導体層２、３、４上に隣接して形成された酸化アルミニウム層７と、を備える半導体装置の製造方法であって、
前記窒化物系化合物半導体層２、３、４上に多結晶又は非晶質の窒化アルミニウム層６を形成する第１の工程と、前記多結晶又は非晶質の窒化アルミニウム層６を熱酸化して前記酸化アルミニウム層７を得る第２の工程と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、半導体装置を構成する半導体層の表面上にＡｌＯｘ層を安価に形成でき、且つＡｌＯｘ層を厚膜化できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図２】本発明の実施例２に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
【実施例１】
【００１１】
図面を参照して本発明の実施例に係る半導体装置及びその製造方法について説明する。
図１は、本発明の実施例１に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。本実施例に係る半導体装置１００はＭＩＳＦＥＴであって、半導体基板１とバッファ層２と窒化物半導体層３、４と酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）層７とを備える。また、本実施例に係る半導体装置１００の製造方法は、窒化物半導体層３、４上に多結晶又は非晶質の窒化アルミニウム層６を形成する第１の工程と、窒化アルミニウム層６を熱酸化して酸化アルミニウム層７を得る第２の工程と、を備える。
【００１２】
まず、図１（ｄ）を参照して本実施例に係る半導体装置の構造について説明する。
半導体基板１は、半導体装置１００を機械的に支持する支持基板とも呼ぶことができるものであって、例えば単結晶シリコン、炭化シリコン、サファイア又はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体等の材料を含む。本実施例における半導体基板１は、単結晶シリコンから構成される。
【００１３】
半導体基板１上に形成されたバッファ層２は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る第１のサブレイヤーと窒化ガリウム（ＧａＮ）から成る第２のサブレイヤーとが交互に積層された多層構造バッファである。なお、バッファ層２は、半導体基板１と窒化物半導体層との間の格子不整合を緩和するものであり、ＭＩＳＦＥＴの動作に直接に関係しないので、これを省くこともできる。また、バッファ層２の半導体材料をＡｌＮ、ＧａＮ以外のものに置き換えること、又は単層構造にすることもできる。
【００１４】
バッファ層２上に形成された第１の窒化物半導体層３は、電子走行層又はチャネル層とも呼ぶことができるものであって、例えばノンドープのＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＩｎＧａＮ等の窒化物系化合物半導体材料を含む。ここで、ノンドープとは、意図的に不純物が添加されていないことを意味する。第１の窒化物半導体層３は、第２の窒化物半導体層４とは異なる半導体材料から成り、隣接する第２の窒化物半導体層４との間にヘテロ接合を形成する。このヘテロ接合に基づいて周知のピエゾ分極及び自発分極が生じ、これらの分極に基づく電界によって第１の窒化物半導体層３のヘテロ接合面付近には周知の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）層５が生じる。
【００１５】
第１の窒化物半導体層３上に隣接して形成された第２の窒化物半導体層４は、電子供給層とも呼ぶことができるものであって、例えばノンドープのＡｌＧａＮ又はｎ型のＡｌＧａＮで形成される。第２の窒化物半導体層４は、第１の窒化物半導体層３よりも大きいバンドギャップと小さい格子定数とを有するため、上記のように２ＤＥＧ層５が生じる。
【００１６】
第２の窒化物半導体層４上に隣接して形成されたＡｌＯｘ層７は、ゲート絶縁膜並びにパッシベーション層とも呼ぶことができるものであって、例えばＡｌ２Ｏ３から成る。第２の窒化物半導体層４の表面準位を低減（不活性化）させるものである。ＡｌＯｘ層７は、ソース電極８及びドレイン電極９が形成される位置に開孔を有し、それ以外の領域にわたって第２の窒化物半導体層４を被覆するように形成される。
【００１７】
第２の窒化物半導体層４上に隣接して形成されたソース電極８及びドレイン電極９は、互いに所定の間隔を有して配置され、例えばチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）との積層構造を有し、第２の窒化物半導体層４に低抵抗性接触している。なお、第２の窒化物半導体層４は、数十ｎｍ程度と薄く形成されているので、ソース電極８及びドレイン電極９と２ＤＥＧ層５との間の抵抗は無視できる。
【００１８】
ＡｌＯｘ層７上に形成されたゲート電極１０は、ゲート電極１０の直下における２ＤＥＧ層５のキャリア濃度を制御し、ソース電極８及びドレイン電極９の間を流れる電流を導通及び遮断させる。ゲート電極１０は、例えばＴｉとＡｌとの積層構造を有する。
【００１９】
次に、図１（ａ）〜（ｄ）を参照して本実施例に係る半導体装置の製造方法について説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、半導体基板１上に各窒化物半導体層を形成する（第３の工程）。まず、単結晶Ｓｉから成る半導体基板１を用意し、化学気相成長（ＣＶＤ）装置のチャンバ内に設置する。チャンバ内の温度を約１０００℃に保ちながらチャンバ内に周知の原料ガス及びキャリアガスを適宜供給し、半導体基板１上に５ｎｍのＡｌＮから成る第１のサブレイヤーと２０ｎｍのＧａＮから成る第２のサブレイヤーとを交互に成長させる。第１及び第２のサブレイヤーを例えば１０層ずつ交互に成長させた後、続けてノンドープＧａＮから成る第１の窒化物半導体層３を１０００ｎｍ程度の厚みに成長させる。さらに、続けて第１の窒化物半導体層３上にノンドープＡｌＧａＮから成る第２の窒化物半導体層４を５〜２５ｎｍの厚みに成長させる。なお、第１の窒化物半導体層３と第２の窒化物半導体層４との間にＡｌＮから成るスペーサ層を成長させるステップを設けても良い。
【００２０】
次に、図１（ｂ）に示すように、第２の窒化物半導体層４上にＡｌＮ層６を１０ｎｍの厚みに成長させる（第１の工程）。この工程において、ＣＶＤ装置のチャンバ内の温度は、７００℃以下、例えば６００℃に保ちながらＡｌＮ層６を成長させることで、非晶質（アモルファス）なＡｌＮ層６が得られる。なお、成長条件を変更することで、数十ｎｍのＡｌＮ層６を形成しても良く、多結晶等の低結晶性を有するＡｌＮ層６を形成しても良い。
【００２１】
次に、図１（ｃ）に示すように、ＡｌＮ層６を熱酸化することでＡｌＯｘ層７が得られる（第２の工程）。各窒化物系半導体層が形成された単結晶基板１を９５０℃の酸素雰囲気中で４０分間熱処理することで、ＡｌＮ層６を酸化させ、ＡｌＯｘ層７を得ることができる。
【００２２】
次に、図１（ｄ）に示すように、ＡｌＯｘ層７に開孔を設け、露出した第２の窒化物半導体層４上にソース電極８及びドレイン電極９を周知の蒸着、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成する。さらに、同様の工程によりＡｌＯｘ層７上にゲート電極１０を形成することで半導体装置１００が得られる。
【００２３】
本実施例に係る半導体装置の製造方法では、第１の工程において低結晶性を有するＡｌＮ層６が形成され、第２の工程においてＡｌＮ層６を熱酸化することでＡｌＯｘ層７が形成される。低結晶層は、単結晶層に比べ酸化速度が速く、ＡｌＯｘ層７が容易に得られ、さらに、ＡｌＮ層６を厚膜化することで数十ｎｍのＡｌＯｘ層７を得ることができる。
【００２４】
また、第１の工程に続けて第２の工程を行うことで、第２の窒化物半導体層４の表面を大気暴露することなくＡｌＮ層６を形成することができる。そのため、第２の窒化物半導体層４上に表面準位が生じることを抑制し、半導体装置１００のリーク電流及び電流コラプスを低減することができる。
【実施例２】
【００２５】
次に、図２を参照して本発明の実施例に係る半導体装置及びその製造方法について説明する。但し、図２及び後述する図３において図１と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２６】
図２は、本発明の実施例２に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。本実施例に係る半導体装置２００はＭＥＳＦＥＴであって、半導体基板１とバッファ層２と窒化物半導体層３、４と酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）層７ａとを備える。また、本実施例に係る半導体装置２００の製造方法は、多結晶又は非晶質の窒化アルミニウム層６をパターニングする第４の工程を備える。
【００２７】
図２（ｄ）に示すように、半導体装置２００を構成するＡｌＯｘ層７ａは、ソース電極８、ドレイン電極９及びゲート電極１０が形成される位置に開孔を有し、それ以外の領域にわたって第２の窒化物半導体層４を被覆するように形成される。
【００２８】
第２の窒化物半導体層４上に形成されたゲート電極１０は、例えばニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）との積層構造を有し、第２の窒化物半導体層４にショットキ接続する。
【００２９】
次に、図２（ａ）〜（ｄ）を参照して本実施例に係る半導体装置の製造方法について説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、実施例１と同様に半導体基板１上に各窒化物半導体層を形成する（第３の工程）。さらに、実施例１と同様に、第２の窒化物半導体層４上にＡｌＮ層６を連続的に形成する（第１の工程）。
【００３０】
次に、図２（ｂ）に示すように、ＡｌＮ層６に周知のフォトリソグラフィ及びエッチングを施し、ゲート電極１０が形成される位置に開孔１１を有するＡｌＮ層６ａを形成する（第４の工程）。このとき、同時にソース電極８及びドレイン電極９が形成される位置にも開孔を設けても良い。また、ＡｌＮ層６ａのエッチングに続けて、第２の窒化物半導体層４を薄くするエッチングを行っても良い。
【００３１】
次に、図２（ｃ）に示すように、実施例１と同様にＡｌＮ層６ａを熱酸化することでＡｌＯｘ層７ａが得られる（第２の工程）。
【００３２】
次に、図２（ｄ）に示すように、実施例１と同様に第２の窒化物半導体層４上にソース電極８、ドレイン電極９及びゲート電極１０を形成することで半導体装置２００が得られる。
【００３３】
本実施例に係る半導体装置の製造方法では、実施例１と同様の効果が得られ、さらに、ＡｌＮはＡｌＯｘよりもパターニングが容易であるため、各電極を精度よく配置でき、半導体装置の特性バラツキを低減することができる。
【００３４】
以上、本発明の実施例の一例について説明したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。例えば、各窒化物半導体層及びＡｌＮ層の成長を分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によって行っても良い。また、本発明をショットキバリアダイオード（ＳＢＤ）或いは双方向スイッチ（ＡＣ−ＳＷ）等の半導体装置の表面絶縁膜に適用することができる。また、第２の窒化物半導体層４を多層構造にしても良く、第２の窒化物半導体層４上に周知のキャップ層を設けても良い。また、ＡｌＯｘ層７上に酸化シリコン（ＳｉＯｘ）層又は窒化シリコン（ＳｉＮｘ）層を形成しても良い。また、２ＤＥＧ層５に換わりホール（正孔）をキャリアとする二次元ホールガス層が生成されるように、第１及び第２の窒化物半導体層の組成変更及び不純物の添加を行っても良い。
【符号の説明】
【００３５】
１    半導体基板
２    バッファ層
３    第１の窒化物半導体層
４    第２の窒化物半導体層
５    ２次元電子ガス層
６、６ａ  ＡｌＮ層
７、７ａ  ＡｌＯｘ層
８    ソース電極
９    ドレイン電極
１０  ゲート電極
１１  開孔
【図１】
2011258781.tif 000003
【図２】
2011258781.tif 000004