(57)【要約】【課題】閾値電圧の高い良好なノーマリオフ特性を有する化合物半導体装置を提供する。【解決手段】キャリア走行層２１とキャリア供給層２２を有し、二次元キャリアガス層２１１が形成される化合物半導体層２と、化合物半導体層２上に互いに離間して配置され、二次元キャリアガス層２１１とオーミック接続する第１の主電極３及び第２の主電極４と、第１の主電極３と第２の主電極４間で、化合物半導体層２上に配置された金属酸化物半導体膜８と、金属酸化物半導体膜８上に配置された、金属酸化物半導体膜８に接するチタン膜又はチタンを含む化合物膜を有する制御電極５とを備える。【選択図】図１
2011204717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリア走行層とキャリア供給層を有し、二次元キャリアガス層が形成される化合物半導体層と、
前記化合物半導体層上に互いに離間して配置され、前記二次元キャリアガス層とオーミック接続する第１及び第２の主電極と、
前記第１の主電極と前記第２の主電極間で、前記化合物半導体層上に配置された金属酸化物半導体膜と、
前記金属酸化物半導体膜上に配置された、前記金属酸化物半導体膜に接するチタン膜又はチタンを含む化合物膜を有する制御電極と
を備えることを特徴とする化合物半導体装置。
【請求項２】
前記化合物膜が窒化チタン膜又は酸窒化チタン膜であることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体装置。
【請求項３】
前記ゲート電極が、前記キャリア走行層に達しない深さで前記化合物半導体層の上面に形成された凹部の内部に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の化合物半導体装置。
【請求項４】
前記制御電極と前記第１及び第２の主電極との間において、前記化合物半導体層の上面に絶縁膜が配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の化合物半導体装置。
【請求項５】
前記制御電極と前記第１及び第２の主電極間の少なくとも一部で前記絶縁膜上に配置されたフィールドプレートを更に備えることを特徴とする請求項４に記載の化合物半導体装置。
【請求項６】
前記キャリア走行層と前記キャリア供給層が、III族窒化物系化合物半導体からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の化合物半導体装置。
【請求項７】
前記金属酸化物半導体膜が、酸化ニッケル膜、酸化鉄膜、酸化コバルト膜、酸化マンガン膜、酸化銅膜のいずれか、又はこれら酸化膜の積層体であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の化合物半導体装置。
【請求項８】
前記二次元キャリアガス層が電子ガス層であり、前記金属酸化物半導体膜がｐ型金属酸化物半導体膜であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の化合物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体装置に係り、特に二次元キャリアガス層を有する化合物半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物半導体からなるキャリア走行層及びキャリア供給層を積層して、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は形成される。ＨＥＭＴでは、キャリア走行層とキャリア供給層との間のヘテロ接合面の近傍付近のキャリア走行層に二次元キャリアガス層が形成される。この二次元キャリアガス層がソース電極とドレイン電極間の電流通路（チャネル）として機能し、チャネルを流れる電流はゲート電極に印加されるゲート制御電圧によって制御される。
【０００３】
一般的に、ＨＥＭＴは、ゲート電極にゲート制御電圧が印加されていない状態（ノーマリ状態）でソース電極とドレイン電極間に電流が流れる特性、即ちノーマリオン特性を有する。したがって、ＨＥＭＴをオフ状態にするためには、ゲート電極を負電位にする必要がある。つまり、ゲート電極に印加する負電圧を供給する電源が必要であり、電気回路が高価になる。
【０００４】
このため、ノーマリ状態でソース電極とドレイン電極間に電流が流れない特性、即ちノーマリオフ特性を有するＨＥＭＴを実現するために、種々の方法が提案されている。例えば、ゲート構造をリセス型にする方法や、Ｎｉ／Ａｕ／Ｔｉ構造のゲート電極と二次元キャリアガス層との間に金属酸化物半導体膜を配置する方法等が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−７６８４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電気回路を構成するパワー半導体としてＨＥＭＴを用いる場合、外来ノイズ等によるＨＥＭＴの誤動作を防止するため、より高い閾値電圧が求められる。
【０００７】
上記要求に応えるために、本発明は、閾値電圧の高い良好なノーマリオフ特性を有する化合物半導体装置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】
本発明の一態様によれば、（イ）キャリア走行層とキャリア供給層を有し、二次元キャリアガス層が形成される化合物半導体層と、（ロ）化合物半導体層上に互いに離間して配置され、二次元キャリアガス層とオーミック接続する第１及び第２の主電極と、（ハ）第１の主電極と第２の主電極間で、化合物半導体層上に配置された金属酸化物半導体膜と、（ニ）金属酸化物半導体膜上に配置された、金属酸化物半導体膜に接するチタン膜又はチタンを含む化合物膜を有する制御電極とを備える化合物半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、閾値電圧の高い良好なノーマリオフ特性を有する化合物半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る化合物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る化合物半導体装置の化合物半導体層の構成例を示す模式的な断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る化合物半導体装置の特性を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図４】本発明の実施形態に係る化合物半導体装置の特性を説明するためのＶｄｓ−Ｉｇ特性である。
【図５】本発明の実施形態に係る化合物半導体装置の他の構成を示す模式的な断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る化合物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その１）。
【図７】本発明の実施形態に係る化合物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その２）。
【図８】本発明の実施形態に係る化合物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その３）。
【図９】本発明の実施形態に係る化合物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その４）。
【図１０】本発明の実施形態に係る化合物半導体装置の他の構成を示す模式的な断面図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る化合物半導体装置の特性を示す実験に用いたゲート電極構造の模式的な断面図である。
【図１２】図１１に示したゲート電極構造を用いた化合物半導体装置のＶｇｓ−Ｉｄｓ特性である。
【図１３】図１１に示したゲート電極構造を用いた化合物半導体装置のＶｇｓ−Ｉｇ特性である。
【図１４】本発明の実施形態の変形例に係る化合物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。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、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、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ことはもちろんである。
【００１２】
又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１３】
本発明の実施形態に係る化合物半導体装置１は、図１に示すように、キャリア走行層２１とキャリア供給層２２を有し、二次元キャリアガス層２１１が形成される化合物半導体層２と、化合物半導体層２上に互いに離間して配置され、二次元キャリアガス層２１１とオーミック接続する第１の主電極３及び第２の主電極４と、第１の主電極３と第２の主電極４間で、化合物半導体層２上に配置された金属酸化物半導体膜８と、金属酸化物半導体膜８上に配置された、金属酸化物半導体膜８に接するチタン膜又はチタンを含む化合物膜を有する制御電極５とを備える。
【００１４】
以下では、第１の主電極３がソース電極、第２の主電極４がドレイン電極、制御電極５がゲート電極である化合物半導体装置１について説明する。
【００１５】
図１に示す基板１０には、シリコン（Ｓｉ）基板、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）基板、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板等の半導体基板や、サファイア基板、セラミック基板等の絶縁体基板を採用可能である。例えば、基板１０に大口径化が容易なシリコン基板を採用することにより、化合物半導体装置１の製造コストを低減できる。
【００１６】
バッファ層１１は、周知の有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等のエピタキシャル成長法で形成できる。図１では、バッファ層１１を１つの層として図示しているが、バッファ層１１を複数の層で形成してもよい。例えば、バッファ層１１を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる第１のサブレイヤー（第１の副層）と窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる第２のサブレイヤー（第２の副層）とを交互に積層した多層構造バッファとしてもよい。また、化合物半導体装置１がＨＥＭＴとして動作する場合、バッファ層１１はＨＥＭＴの動作に直接には関係しないため、バッファ層１１を省いてもよい。また、バッファ層１１の材料として、ＡｌＮ、ＧａＮ以外の窒化物半導体、又はIII−Ｖ族化合物半導体を採用してもよい。基板１０とバッファ層１１とを組み合わせた構造を基板とみなすこともできる。バッファ層１１の構造、配置は、基板１０の材料等に応じて決定される。
【００１７】
化合物半導体層２は、それぞれが窒化物系化合物半導体からなるキャリア走行層２１及びキャリア供給層２２がこの順に積層された構造である。図１に示すように、キャリア走行層２１とキャリア供給層２２間のヘテロ接合面近傍のキャリア走行層２１に、電流通路（チャネル）としての二次元キャリアガス層２１１が形成される。
【００１８】
以下では、キャリア供給層２２がキャリア走行層２１に供給するキャリアが電子である場合について例示的に説明する。つまり、二次元キャリアガス層２１１は二次元電子ガス（２ＤＥＧ）層であり、化合物半導体装置１がオンしたときにソース電極３から２ＤＥＧ層２１１を介してドレイン電極４に電子が供給される。
【００１９】
バッファ層１１上に配置されたキャリア走行層２１は、例えば不純物が添加されていないアンドープＧａＮを０．３〜１０μｍ程度の厚みに、ＭＯＣＶＤ法等によりエピタキシャル成長させて形成する。
【００２０】
キャリア走行層２１上に配置されたキャリア供給層２２は、キャリア走行層２１よりもバンドギャップが大きく、且つキャリア走行層２１と格子定数の異なる窒化物半導体からなる。キャリア供給層２２は、例えばＡｌxＭyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｘ＋ｙ≦１、Ｍはインジウム（Ｉｎ）或いはボロン（Ｂ）等）で表される窒化物半導体、或いは他の化合物半導体である。キャリア供給層２２がＡｌxＭyＧａ1-x-yＮである場合、組成比ｘは０．１〜０．４が好ましく、より好ましくは０．３である。また、キャリア供給層２２としてアンドープのＡｌxＧａ1-xＮも採用可能である。更に、ｎ型不純物を添加したＡｌxＧａ1-xＮからなる窒化物半導体もキャリア供給層２２に採用可能である。
【００２１】
キャリア供給層２２は、ＭＯＣＶＤ法等によるエピタキシャル成長によってキャリア走行層２１上に形成される。キャリア供給層２２とキャリア走行層２１は格子定数が異なるため、格子歪みによるピエゾ分極が生じる。このピエゾ分極とキャリア供給層２２の結晶が有する自発分極によりヘテロ接合付近に高密度のキャリアが生じ、２ＤＥＧ層２１１が形成される。キャリア供給層２２の膜厚は、キャリア走行層２１とキャリア供給層２２との間のヘテロ接合により２ＤＥＧ層２１１が生じるように設定される。具体的には、キャリア供給層２２の膜厚は、キャリア走行層２１よりも薄く、１０〜５０ｎｍ程度、例えば２５ｎｍ程度である。
【００２２】
なお、キャリア供給層２２としてｎ型不純物を添加したＡｌxＧａ1-xＮを採用し、このキャリア供給層２２とＧａＮからなるキャリア走行層２１との間にアンドープＡｌＮからなるスペーサ層を配置し、且つソース電極３及びドレイン電極４とキャリア供給層２２との間に例えばｎ型ＧａＮからなるコンタクト層を配置してもよい。図２に例示したスペーサ層２３は、キャリア供給層２２からキャリア走行層２１に不純物や元素が拡散することを抑制する効果がある。これにより、２ＤＥＧ層２１１におけるキャリア移動度の低下が抑制される。コンタクト層は、ソース電極３及びドレイン電極４と化合物半導体層２との接触抵抗の低減に寄与する。
【００２３】
図１に示すように、キャリア供給層２２の上面の一部がエッチングされて、凹部（リセス）７が形成されている。凹部７の深さはキャリア供給層２２の厚みより浅く形成されている。このため、凹部７の底面とキャリア走行層２１との間に、キャリア供給層２２の一部が残存している。したがって、凹部７下方のキャリア供給層２２の領域（以下において「残存領域」という。）２２０の厚みｔは、キャリア供給層２２の他の領域よりも薄い。残存領域２２０の厚みｔは５〜２０ｎｍ程度である。
【００２４】
ゲート電極５とソース電極３間、及びゲート電極５とドレイン電極４間において、化合物半導体層２の上面に絶縁膜６が配置されている。金属酸化物半導体膜８、ソース電極３及びドレイン電極４は、絶縁膜６にそれぞれ形成された開口部において、化合物半導体層２に接している。
【００２５】
絶縁膜６は、３００〜７００ｎｍ程度（例えば５００ｎｍ）の厚みの酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜、若しくはこれらの膜を積層した構造が採用可能である。絶縁膜６は凹部７の中には配置されておらず、絶縁膜６は凹部７に対応した開口部を有する。絶縁膜６によって化合物半導体層２の表面をパッシベーションコーティングすることにより表面準位（トラップ）が低減され、電流コラプス現象の影響を緩和することができる。
【００２６】
なお、絶縁膜６は、プラズマ化学気相成長（ｐ−ＣＶＤ）法で形成することが好ましい。ｐ−ＣＶＤ法以外のスパッタ法等によって絶縁膜６を形成することも可能ではある。しかし、化合物半導体層２の表面準位を低減して電流コラプス現象の影響を緩和するためには、化合物半導体層２の表面の結晶ダメージを抑制できるｐ−ＣＶＤ法が好適である。
【００２７】
金属酸化物半導体膜８は、キャリア供給層２２の表面に形成された凹部７の内壁を覆うように配置されている。図１に示した例では、金属酸化物半導体膜８が凹部７の周囲の絶縁膜６も覆って配置されている。金属酸化物半導体膜８が絶縁膜６上に延在しないように、凹部７の内部のみに金属酸化物半導体膜８を配置してもよい。
【００２８】
金属酸化物半導体膜８は、キャリア供給層２２よりも大きい電気抵抗率を持ち、二次元キャリアガス層２１１が２ＤＥＧ層である場合には、ｐ極性を有する金属酸化物半導体材料で形成される。金属酸化物半導体膜８の厚みは、３〜１０００ｎｍ、好ましくは１０〜５００ｎｍである。金属酸化物半導体膜８が３ｎｍより薄い場合は、ノーマリオフ特性が良好に得られない。一方、金属酸化物半導体膜８が１０００ｎｍより厚い場合は、ゲート電極５によるターンオン特性が悪くなる。
【００２９】
例えば、金属酸化物半導体膜８は、厚み２００ｎｍの酸化ニッケル（ＮｉＯ）により形成される。酸素を含む雰囲気中でＮｉＯをスパッタリングすることによって形成される金属酸化物半導体膜８は、ｐ型不純物が添加されたＧａＮ膜よりも高い正孔濃度を有し、且つ比較的大きな抵抗率を有する。このため、ｐ型の金属酸化物半導体膜８は、ゲート電極５下方の化合物半導体層２のポテンシャルを高く引き上げて、ゲート電極５下方のキャリア走行層２１に２ＤＥＧ層２１１が形成されることを阻止する。これにより、化合物半導体装置１について、良好なノーマリオフ特性を実現できる。また、金属酸化物半導体膜８は、化合物半導体装置１のＨＥＭＴ動作時におけるゲートリーク電流（漏れ電流）の低減に寄与する。
【００３０】
なお、ＮｉＯ以外に、酸化鉄（ＦｅＯx）、酸化コバルト（ＣｏＯｘ）、酸化マンガン（ＭｎＯｘ）、酸化銅（ＣｕＯｘ）等のいずれかにより、金属酸化物半導体膜８を形成してもよい（ｘ：任意の数値）。また、これらの金属酸化膜を積層して金属酸化物半導体膜８を形成してもよい。
【００３１】
絶縁膜６に形成された開口部において、ソース電極３及びドレイン電極４が化合物半導体層２上に配置されている。ソース電極３及びドレイン電極４は、化合物半導体層２と低抵抗接触（オーミック接触）可能な金属により形成される。例えばチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）の積層体等として、ソース電極３及びドレイン電極４は形成される。
【００３２】
化合物半導体層２のキャリア供給層２２は極めて薄いため、キャリア供給層２２の厚み方向の抵抗は無視できるほど小さい。したがって、ソース電極３及びドレイン電極４は、２ＤＥＧ層２１１にオーミック接続している。
【００３３】
ゲート電極５は、凹部７の内部で金属酸化物半導体膜８上に配置されている。ゲート電極５は、例えばチタン（Ｔｉ）膜とアルミニウム（Ａｌ）膜との積層構造からなる。即ち、金属酸化物半導体膜８に接してＴｉ膜が配置され、Ｔｉ膜上にＡｌ膜が配置されてゲート電極５が形成される。
【００３４】
なお、ゲート電極５の金属酸化物半導体膜８に接する部分は、Ｔｉ膜の代わりに、窒化チタン（ＴｉＮ）膜、酸窒化チタン（ＴｉＯＮ）等のＴｉを含む化合物であってもよい。
【００３５】
上記に説明した化合物半導体装置１において、ゲート電極５にゲート制御電圧が印加されていないノーマリ時（ゲート制御電圧が０Ｖの時）には、たとえドレイン電極４の電位がソース電極３の電位より高くても、ソース電極３とドレイン電極４との間に電流は流れない。つまり、化合物半導体装置１はオフ状態である。以下に、化合物半導体装置１がノーマリオフ特性を有することを説明する。
【００３６】
図３（ａ）〜図３（ｃ）に、二次元キャリアガス層が形成される化合物半導体層とゲート電極とを有するＨＥＭＴのエネルギーバンド図の例を示す。図３（ａ）は、図１に示した化合物半導体装置１と同様の構造を有するＨＥＭＴの凹部のエネルギーバンド図である。つまり、図３（ａ）は、化合物半導体層と凹部内に配置されたゲート電極との間に金属酸化物半導体膜を配置したＨＥＭＴ（以下において、「ＨＥＭＴ−ａ」という。）のエネルギーバンド図である。図３（ｂ）は、化合物半導体層上にゲート電極が配置されたショットキー構造のＨＥＭＴ（以下において、「ＨＥＭＴ−ｂ」という。）のエネルギーバンド図である。図３（ｃ）は、化合物半導体層の表面に形成された凹部内にゲート電極が配置された、ショットキー構造のＨＥＭＴ（以下において、「ＨＥＭＴ−ｃ」という。）のエネルギーバンド図である。つまり、図３（ｃ）は、化合物半導体装置１から金属酸化物半導体膜８を除いた構造のＨＥＭＴのエネルギーバンド図である。
【００３７】
図３（ａ）〜図３（ｃ）において、ＥFはフェルミ準位を示し、ＥCは伝導帯と禁止帯との境界レベルを示す。また、Ｎｉはゲート電極、ＮｉＯは金属酸化物半導体膜、ＡｌＧａＮは電子供給層、ＧａＮは電子走行層を示す。
【００３８】
ＨＥＭＴ−ａ及びＨＥＭＴ−ｃでは、化合物半導体層の表面に凹部が形成されているため、ゲート電極下方の電子供給層が薄い（例えば５ｎｍ以下。）。このため、ゲート電極下方の電子供給層に格子緩和が生じ、ピエゾ分極に起因する電荷が減少すると共に、バルクの特性が薄れて自発分極に起因する電荷も減少する。電子供給層におけるこれら電荷の減少により、フェルミレベルは低下する。このため、図３（ａ）、図３（ｃ）に示すように、ゲート電極下方のポテンシャルが、図３（ｂ）と比較して相対的に上昇する。
【００３９】
ＨＥＭＴ−ａでは、金属酸化物半導体膜８が配置されているため、ゲート電極下方のポテンシャルが、図３（ａ）に示すように更に引き上げられる。その結果、ゲート電極下方の電子走行層には２ＤＥＧ層が形成されず、ノーマリオフ特性を有するＨＥＭＴが得られる。換言すれば、化合物半導体装置１のオフ時において、キャリア供給層２２の凹部７下方の残存領域２２０における分極が、金属酸化物半導体膜８によって打ち消され、ゲート電極５下方のキャリア走行層２１に２ＤＥＧ層２１１が形成されない。つまり、２ＤＥＧ層２１１が分断されているために、ソース電極３とドレイン電極４間に電流は流れない。
【００４０】
一方、ドレイン電極４の電位がソース電極３の電位より高い状態で、ゲート電極５とソース電極３との間に閾値電圧より高い正のゲート制御電圧が印加されると、周知のＭＯＳゲート構造におけるチャネル（電流通路）の形成と同様な原理で、ゲート電極５下方のキャリア走行層２１にチャネルが形成される。即ち、ゲート電極５に所定のゲート制御電圧が印加されると、金属酸化物半導体膜８に分極が生じ、金属酸化物半導体膜８のキャリア供給層２２側に正孔が集まる。このため、キャリア走行層２１のキャリア供給層２２に接する側に電子が誘起され、チャネルが形成される。これにより、化合物半導体装置１はオン状態になり、ソース電極３、キャリア供給層２２、２ＤＥＧ層２１１、チャネル、２ＤＥＧ層２１１、キャリア供給層２２、ドレイン電極４の経路で電子が流れる。
【００４１】
図４に、ＨＥＭＴ−ａ、ＨＥＭＴ−ｂ及びＨＥＭＴ−ｃの、ドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓとゲートリーク電流（漏れ電流）Ｉｇの関係を示す。特性線ＡはＨＥＭＴ−ａのＶｄｓ−Ｉｇ特性、特性線ＢはＨＥＭＴ−ｂのＶｄｓ−Ｉｇ特性、特性線ＣはＨＥＭＴ−ｃのＶｄｓ−Ｉｇ特性を示す。特性線Ａ〜Ｃにおけるゲートリーク電流Ｉｇは、ゲート電極とソース電極とが等電位の場合のゲートリーク電流である。
【００４２】
特性線Ａ〜Ｃの比較から明らかなように、金属酸化物半導体膜８が配置されたＨＥＭＴ−ａのゲートリーク電流Ｉｇは、金属酸化物半導体膜８がないＨＥＭＴ−ｂ及びＨＥＭＴ−ｃのゲートリーク電流Ｉｇよりも大幅に少ない。
【００４３】
以上に説明したように、リセス型のゲート構造を有し、化合物半導体層２とゲート電極５との間に金属酸化物半導体膜８が配置された化合物半導体装置１によれば、閾値電圧の高い良好なノーマリオフ特性を実現すると同時に、ゲートリーク電流を低減できる。
【００４４】
また、図５に示すように、絶縁膜６上にフィールドプレート９を配置してもよい。フィールドプレート９はゲート電極５と電気的に接続され、且つ、ゲート電極５と連続的に形成されている。図５に示すように、フィールドプレート９は、絶縁膜６及び金属酸化物半導体膜８を挟んで、キャリア供給層２２の表面と対向している。
【００４５】
凹部７周辺の絶縁膜６の開口部は、壁面が化合物半導体層２の表面に対して５０〜６０°程度の傾斜を有する。このため、フィールドプレート９とキャリア供給層２２との間隔は、凹部７内に配置されたゲート電極５から離れるに従って、徐々に増大する。これにより、ゲート電極５の端部における電界集中を良好に緩和できる。これにより、化合物半導体装置１の耐圧を向上することができる。
【００４６】
更に、ドレイン電極４とソース電極３間に逆方向電圧が印加されたときに化合物半導体層２の表面準位にトラップされた電子を、フィールドプレート９を介してゲート電極５に引き抜くことができる。これにより、電流コラプス現象の影響を緩和できる。
【００４７】
以下に、図６〜図９を用いて、本発明の実施形態に係る化合物半導体装置の製造方法を説明する。なお、以下に述べる化合物半導体装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。以下では、図５に示した化合物半導体装置１を製造する場合を例示的に説明する。
【００４８】
（イ）図６に示すように、基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法等によりバッファ層１１、キャリア走行層２１及びキャリア供給層２２をこの順にエピタキシャル成長させる。バッファ層１１は、例えばＡｌＮ層とＧａＮ層を交互に積層した構造である。キャリア走行層２１は、例えばアンドープＧａＮ膜である。キャリア供給層２２は、キャリア走行層２１よりもバンドギャップが大きく、且つ格子定数の異なる窒化物半導体からなり、例えばアンドープのＡｌＧａＮ膜が採用可能である。
【００４９】
（ロ）キャリア供給層２２上に、例えばＳｉＯ2膜、ＳｉＮ膜、又はこれらの膜を積層した絶縁膜６を、プラズマ化学気相成長（ｐ−ＣＶＤ）法等により形成する。なお、表面電荷をコントロールするためのキャップ層として、キャリア供給層２２と絶縁膜６との間に、ノンドープ若しくはｎ型のＧａＮ膜を形成してもよい。
【００５０】
（ハ）フォトリソグラフィ技術を用いて、図７に示すように、絶縁膜６の所定の位置に開口部６ｓ、６ｄを形成する。具体的には、ソース電極３、ドレイン電極４を配置する位置の絶縁膜６を、フォトレジスト膜２００をマスクにしてエッチング除去する。このとき、キャリア走行層２１の表面が露出するまで、絶縁膜６の開口部６ｓ、６ｄのキャリア供給層２２をエッチングしてもよい。
【００５１】
（ニ）フォトレジスト膜２００を除去した後、スパッタ法により、膜厚２５ｎｍ程度のＴｉ膜と膜厚３００ｎｍ程度のＡｌ膜の積層膜を、開口部６ｓ、６ｄを埋め込むようにして絶縁膜６上に形成する。その後、フォトリソグラフィ技術を用いてＴｉ膜とＡｌ膜の積層膜の一部をエッチング除去する。これにより、Ｔｉ膜とＡｌ膜を積層した構造のソース電極３及びドレイン電極４が形成される。
【００５２】
（ホ）ソース電極３及びドレイン電極４が２ＤＥＧ層２１１と低抵抗接触するように、オーミックシンターを行なう。
【００５３】
（ヘ）フォトリソグラフィ技術を用いて、絶縁膜６及びキャリア供給層２２の上部の一部を選択的にエッチング除去し、図８に示すように、凹部７を形成する。このとき、残存領域２２０の厚みｔが５〜２０ｎｍになるように、キャリア供給層２２のエッチング量を調整する。
【００５４】
（ト）スパッタ法により、凹部７の内壁を覆うようにして、キャリア供給層２２及び絶縁膜６上に膜厚２００ｎｍ程度のＮｉＯ膜８０を形成する。ＮｉＯ膜８０は、ｐ型の金属酸化物半導体膜８の材料である。ＮｉＯ膜８０を形成した後、更に酸素（Ｏ2）をＮｉＯ膜８０にイオン注入してもよい。
【００５５】
（チ）ＮｉＯ膜８０上に、膜厚１００ｎｍ程度のＴｉＮ膜５１をスパッタ法により形成する。更に、ＴｉＮ膜上に膜厚２００ｎｍ程度のＡｌ膜５２をスパッタ法により形成する。これにより、図９に示すように、ＴｉＮ膜５１とＡｌ膜５２を積層した導電体層５０がＮｉＯ膜８０上に形成される。なお、Ａｌ膜の代わりにＡｌＣｕ膜を使用してもよい。
【００５６】
（リ）フォトリソグラフィ技術を用いて、導電体層５０及びＮｉＯ膜８０の一部を除去し、ＴｉＮ膜５１とＡｌ膜５２を積層した構造のゲート電極５、フィールドプレート９、及びＮｉＯ膜からなる金属酸化物半導体膜８を形成する。
【００５７】
（ヌ）図５では図示を省略しているが、絶縁膜６、ソース電極３、ドレイン電極４及びゲート電極５上に、保護膜をＣＶＤ法等により形成してもよい。保護膜は、例えばＳｉＯ2膜である。以上により、図５に示した化合物半導体装置１が得られる。
【００５８】
ｐ型の金属酸化物半導体膜８は、例えばマグネトロンスパッタリングで形成されたＮｉＯ膜からなる。具体的には、化合物半導体層２及び絶縁膜６が形成された基板１０をマグネトロンスパッタリング装置に格納する。そして、マグネトロンスパッタリング装置内を酸素を含む雰囲気（好ましくはアルゴンと酸素の混合ガスを含む雰囲気）にしてＮｉＯをスパッタリングすることで、金属酸化物半導体膜８が形成される。酸素を含む雰囲気中でＮｉＯをスパッタリングすることにより、正孔濃度の高いｐ型の金属酸化物半導体膜８を容易に形成することができる。
【００５９】
上記では、金属酸化物半導体膜８のパターニングをフィールドプレート９及びゲート電極５のパターニングと同時に行なう例を説明した。しかし、金属酸化物半導体膜８を独立した工程でパターニングしてもよい。また、これらの構造をリフトオフ工程で形成してもよい。
【００６０】
既に説明したように、ＮｉＯ以外に、酸化鉄、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化銅等のいずれかにより、或いはこれらの金属酸化膜を積層して、金属酸化物半導体膜８を形成してもよい。これらの金属酸化物からなる金属酸化物半導体膜８も、酸素を含む雰囲気中で金属材料をスパッタリングすることによって形成することが好ましい。
【００６１】
また、酸素を含む雰囲気中で金属材料をスパッタリングする方法以外に、スパッタリング等で金属膜を形成し、その後に金属膜を酸化して金属酸化物半導体膜８を形成してもよい。
【００６２】
なお、金属酸化物半導体膜８のｐ型特性を強めるために、金属酸化物半導体膜８に熱処理を施すこと、オゾンアッシング（ozone ashing）処理を施すこと、又は酸素アッシングを施すことができる。
【００６３】
図１に示した化合物半導体装置１では、キャリア供給層２２の上面に凹部７が形成されている。しかし、凹部７を形成しなくても良好なノーマリオフ特性が得られる場合には、図１０に示すように、凹部７を形成せずに平坦なキャリア供給層２２の表面に金属酸化物半導体膜８を形成してもよい。図１０に示したリセス型のゲート構造を採用しない化合物半導体装置１においても、ゲート電極５とキャリア供給層２２間に金属酸化物半導体膜８が配置されていることにより、閾値電圧を高くできる。凹部７を形成しないことにより、製造プロセスが短縮され、且つ、ゲートリーク電流を更に低減できる。
【００６４】
以下に、化合物半導体装置１の特性上の利点を説明するために、図１１（ａ）〜図１１（ｄ）に示した構造のゲート電極をそれぞれ有する、ＨＥＭＴ構造の化合物半導体装置を用いて行なった実験の結果を示す。図１１（ａ）は、金属酸化物半導体膜８上に、Ｎｉ／Ａｕ／Ｔｉを積層した構造のゲート電極を配置した例（以下において「比較例」という。）である。図１１（ｂ）は、金属酸化物半導体膜８上に、Ｔｉ膜とＡｌ膜を積層した構造のゲート電極５を配置した例（以下において「実施例１」という。）である。図１１（ｃ）は、金属酸化物半導体膜８上に、ＴｉＮ膜とＡｌ膜を積層した構造のゲート電極５を配置した例（以下において「実施例２」という。）である。図１１（ｄ）は、金属酸化物半導体膜８上に、ＴｉＯＮ膜とＡｌ膜を積層した構造のゲート電極５を配置した例（以下において「実施例３」という。）である。つまり、実施例１〜３は本発明の実施形態に係る化合物半導体装置１のゲート電極５の構造を有し、ゲート電極５のＴｉ膜、ＴｉＮ膜、ＴｉＯＮ膜がそれぞれ金属酸化物半導体膜８と接することが、比較例と異なる。
【００６５】
なお、図１１（ａ）〜図１１（ｄ）において、金属酸化物半導体膜８はＮｉＯ膜である。また、キャリア供給層２２に凹部７は形成されていない。
【００６６】
図１２に、比較例及び実施例１〜３のＶｇｓ−Ｉｄｓ特性を示す。図１２において、特性線Ｒは比較例の特性、特性線Ｓ１〜Ｓ３は実施例１〜３の特性をそれぞれ示す（以下において同様）。
【００６７】
図１２から、実施例１〜３のいずれもが、比較例よりも閾値電圧が大きく、比較例の場合よりも高いゲート制御電圧を印加しなければドレイン電極−ソース電極間に電流が流れないことが分かる。つまり、ゲート電極５のＴｉ膜、ＴｉＮ膜、ＴｉＯＮ膜が金属酸化物半導体膜８にそれぞれ接する実施例１〜３は、比較例よりも良好なノーマリオフ特性を有する。
【００６８】
図１３に、比較例及び実施例１〜３のＶｇｓ−Ｉｇ特性を示す。図１３から、実施例１〜３のいずれもが、比較例と同等なゲートリーク電流値である。つまり、ゲート電極５のＴｉ膜、ＴｉＮ膜、ＴｉＯＮ膜が金属酸化物半導体膜８にそれぞれ接する実施例１〜３は、比較例と同様にゲートリーク電流を抑制できる。
【００６９】
したがって、ゲート電極５のＴｉ膜又はＴｉを含む化合物膜が金属酸化物半導体膜８と接する本発明の実施形態に係る化合物半導体装置は、金属酸化物半導体膜８上にＮｉ／Ａｕ／Ｔｉを積層した構造のゲート電極を配置した化合物半導体装置と比べて、ゲートリーク電流を抑制する効果を維持しつつ、閾値電圧がより高い良好なノーマリオフ特性を有することが確認された。
【００７０】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る化合物半導体装置１では、ｐ型不純物が添加されたＧａＮ膜よりも高い正孔濃度を有する金属酸化物半導体膜８が形成される。例えば、酸素を含む雰囲気中でのスパッタリングによりｐ型の金属酸化物半導体膜８が形成される。このため、既に説明したように、金属酸化物半導体膜８を配置することによってゲート電極５下方のポテンシャルが引き上げられる。これにより、化合物半導体装置１においては、ノーマリ時にゲート電極５下方のキャリア走行層２１に２ＤＥＧ層２１１が形成されることが有効に抑制される。更に、ゲート電極５の金属酸化物半導体膜８に接する部分をＴｉ膜又はＴｉを含む化合物膜（例えばＴｉＮ膜、ＴｉＯＮ膜）にすることで、閾値電圧を更に高くできる。
【００７１】
したがって、化合物半導体装置１によれば、良好なノーマリオフ特性を有する化合物半導体装置を実現できる。なお、金属酸化物半導体膜８は化学的に安定した物質からなり、且つ酸素を含む雰囲気中で形成されるので、製造が容易である。
【００７２】
また、金属酸化物半導体膜８は、比較的高い抵抗率を有し、且つ比較的厚く形成される（例えば１０〜５００ｎｍ）。このため、化合物半導体装置１のゲートリーク電流が低減され、化合物半導体装置１の耐圧が向上する。これにより、化合物半導体装置１の信頼性が高まる。なお、金属酸化物半導体膜８を比較的厚く形成しても、閾値電圧が負側にシフトすることはない。
【００７３】
上記のように、化合物半導体装置１のノーマリオフ特性は、リセス型のゲート構造を採用することのみによって得られるのではなく、金属酸化物半導体膜８を配置することと併せて得られる。したがって、ゲート電極５下方の残存領域２２０の厚みｔを、例えば３〜８ｎｍ程度に比較的厚くできる。この結果、化合物半導体装置１をオン状態にするゲート制御電圧がゲート電極５に印加されたときに、キャリア走行層２１のゲート電極５に対向する領域の電子濃度を比較的高くできる。このため、オン抵抗が低くなり、化合物半導体装置１の最大許容電流値を増大させることができる。
【００７４】
また、ソース電極３とゲート電極５間、及びドレイン電極４とゲート電極５間における、キャリア供給層２２の厚みを比較的厚く形成できる（例えば、１０ｎｍ以上）。且つ、キャリア供給層２２におけるＡｌの割合は０．１以上であり、比較的大きい。このため、化合物半導体装置１がノーマリオフ特性を有しているにもかかわらず、２ＤＥＧ層２１１の電子濃度は比較的大きく、オン抵抗を低くできる。
【００７５】
＜変形例＞
図１４に、本発明の実施形態の変形例に係る化合物半導体装置１Ａを示す。化合物半導体装置１Ａは、ゲート電極５と同様の構造の補助電極５０１を有することが図１に示した化合物半導体装置１と異なる。その他の構成については、図１に示す実施形態と同様である。
【００７６】
補助電極５０１は、ゲート電極５と同様に、金属酸化物半導体膜８に接するＴｉ膜、又はＴｉを含む化合物膜（例えば、ＴｉＮ膜、ＴｉＯＮ膜）を有する構造である。例えば、ゲート電極５と同時に補助電極５０１を形成できる。図１４に示した例では、補助電極５０１は、ゲート電極５とドレイン電極４間で、キャリア供給層２２上に形成された金属酸化物半導体膜８上に配置される。補助電極５０１に適宜電圧を印加することにより、ゲート電極５とドレイン電極４間における電界集中を良好に緩和できる。また、補助電極５０１とフィールドプレート９を電気的に接続してもよい。
【００７７】
（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００７８】
既に述べた実施形態の説明においては、キャリア供給層２２が電子を供給する例を示したが、キャリア供給層２２をｐ型半導体からなる正孔（ホール）供給層に置き換えることができる。この場合、２ＤＥＧ層２１１に対応する領域に２次元キャリアガス層として２次元正孔ガス層が生じる。そして、金属酸化物半導体膜８にｎ型の金属酸化物半導体材料を使用することにより、ゲート電極５下方のキャリア走行層２１に２次元キャリアガス層が形成されない。これにより、化合物半導体装置１について良好なノーマリオフ特性が得られる。
【００７９】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明の化合物半導体装置は、二次元キャリアガス層を有する化合物半導体装置を製造する製造業を含む電子機器産業に利用可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１…化合物半導体装置
２…化合物半導体層
３…ソース電極
４…ドレイン電極
５…ゲート電極
６…絶縁膜
６ｓ、６ｄ…開口部
７…凹部
８…金属酸化物半導体膜
９…フィールドプレート
１０…基板
１１…バッファ層
２１…キャリア走行層
２２…キャリア供給層
２３…スペーサ層
５０…導電体層
５１…ＴｉＮ膜
５２…Ａｌ膜
８０…ＮｉＯ膜
２００…フォトレジスト膜
２１１…２ＤＥＧ層
２２０…残存領域
５０１…補助電極
【図１】
2011204717.tif 000003
【図２】
2011204717.tif 000004
【図３】
2011204717.tif 000005
【図４】
2011204717.tif 000006
【図５】
2011204717.tif 000007
【図６】
2011204717.tif 000008
【図７】
2011204717.tif 000009
【図８】
2011204717.tif 000010
【図９】
2011204717.tif 000011
【図１０】
2011204717.tif 000012
【図１１】
2011204717.tif 000013
【図１２】
2011204717.tif 000014
【図１３】
2011204717.tif 000015
【図１４】
2011204717.tif 000016