(57)【要約】【課題】クラックを低減した窒化物半導体電界効果トランジスタを実現できるようにする。【解決手段】電界効果トランジスタは、基板１０１の上に形成された半導体層積層体と、半導体層積層体の上に形成されたソース電極１０７及びドレイン電極１０８と、ソース電極とドレイン電極との間に形成されたゲート電極１０９とを備えている。半導体層積層体は、第１の凹部１０２ａを有する第１の窒化物半導体層１０２と、第１の凹部の底面上に形成された第２の窒化物半導体層１０５と、第１の凹部を除く領域の上及び第１の凹部の側面上に形成された第３の窒化物半導体層１０６とを有している。バンドギャップエネルギーの平均値が、第２の窒化物半導体層は第１の窒化物半導体層よりも大きく、第３の窒化物半導体層は第１の窒化物半導体層よりも大きく且つ第２の窒化物半導体層よりも小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された半導体層積層体と、
前記半導体層積層体の上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極とドレイン電極との間に形成されたゲート電極とを備え、
前記半導体層積層体は、
第１の凹部を有する第１の窒化物半導体層と、
前記第１の凹部の底面上に形成され、バンドギャップエネルギーの平均値が前記第１の窒化物半導体層よりも大きい第２の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層の前記第１の凹部を除く領域の上及び前記第１の凹部の側面上に形成され、バンドギャップエネルギーの平均値が前記第１の窒化物半導体層よりも大きく且つ前記第２の窒化物半導体層よりも小さい第３の窒化物半導体層とを有し、
前記ゲート電極は、前記第２の窒化物半導体層の上に形成されていることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記ソース電極及びドレイン電極は、前記第３の窒化物半導体層の上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項３】
前記ソース電極及びドレイン電極は、前記第１の凹部の側面を覆うように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記ソース電極及びドレイン電極は、前記第２の窒化物半導体層の上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項５】
前記基板は、前記第１の凹部と対応する位置に形成された第２の凹部を有していることを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項６】
前記半導体層積層体を複数の活性領域に分離する素子分離領域をさらに備え、
前記ゲート電極は、前記複数の活性領域のそれぞれに形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項７】
前記素子分離領域は、不純物イオンが注入されたイオン注入部であることを特徴とする請求項６に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項８】
前記素子分離領域は、溝部であることを特徴とする請求項６に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項９】
前記第１の凹部の平面形状は、方形状、多角形状、円形状、長円形状、楕円形状又は鋸刃状であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項１０】
前記第１の凹部の側面は、傾斜が連続的に変化していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項１１】
前記第１の凹部の側面は、傾斜が異なる複数の面を有していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項１２】
前記第１の凹部の側面は、段差を有していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果トランジスタに関し、特に窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）をはじめとする窒化物半導体は、シリコン（Ｓｉ）及び砒化ガリウム（ＧａＡｓ）よりも禁制帯幅や電子の飽和速度が大きく絶縁破壊電界が高い。このため、窒化物半導体を材料として用いた高周波大電力の電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：ＦＥＴ）等の開発が活発に行われている。
【０００３】
窒化物半導体ＦＥＴには結晶成長の容易さからウルツ鉱構造の結晶を用いる。ＧａＮ層と窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層とを積層してヘテロ接合界面を形成すると、圧電分極と自発分極とによって界面に電荷が形成される。このため、窒化物半導体層に不純物をドーピングしなくても、ヘテロ接合界面近傍に２次元電子ガスが形成される。形成された２次元電子ガスを、III族窒化物半導体ＦＥＴは電子の通り道であるチャネルとして利用する。
【０００４】
ＧａＮ層上にＡｌＧａＮ層を積層する場合、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が高いほどＧａＮ層とＡｌＧａＮ層との自発分極差及び格子定数差が大きくなり、圧電分極が増大する。このため、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が高いほどチャネルの２次元電子ガス密度が高くなる。２次元電子ガス密度が高いほど、ＦＥＴの出力が向上するので、大出力用途のＦＥＴにおいてはＡｌＧａＮ層のＡｌ組成をできるだけ高くすることが好ましい。しかし、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を高くすると、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層との格子定数差が大きくなる。このため、結晶成長の際に窒化物半導体層に歪みが生じ、クラックが発生しやすくなる。クラックが生じると、電流リークが生じたり、通電しなくなったりする。
【０００５】
歪みを低減してクラックの発生を回避する方法として、例えばＡｌ組成が低いＡｌＧａＮ層とＡｌ組成が高いＡｌＧａＮとを交互に堆積したＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造を用いることが検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。また、窒化物半導体を用いたレーザ装置において、溝部を形成することにより、ストライプ部に加わる歪みを制御することが検討されている（例えば、特許文献２を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１５８８０４号公報
【特許文献２】特開２００５−０６４４６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＧａＮ層の上に堆積するＡｌＧａＮ層の臨界膜厚はＡｌ組成によってある程度決まる。このため、超格子構造を用いてＧａＮ層に加わる歪みを低減したとしてもＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を増加させることは困難である。また、溝等をデバイス内の一部に局所的に形成しても、ＦＥＴの活性領域全域について均一に歪みを緩和させることは困難である。このため、面内に形成されたデバイスの特性が裏面研磨や実装などによって大きくばらついてしまうおそれがある。
【０００８】
本発明は、ヘテロ接合を形成するＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が高く且つクラックが発生しにくい電界効果トランジスタ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】
【０００９】
具体的に、本発明に係る電界効果トランジスタは、基板の上に形成された半導体層積層体と、半導体層積層体の上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極との間に形成されたゲート電極とを備えている。半導体層積層体は、第１の凹部を有する第１の窒化物半導体層と、第１の凹部の底面上に形成され、バンドギャップエネルギーの平均値が第１の窒化物半導体層よりも大きい第２の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層の第１の凹部を除く領域の上及び第１の凹部の側面上に形成され、バンドギャップエネルギーの平均値が第１の窒化物半導体層よりも大きく且つ第２の窒化物半導体層よりも小さい第３の窒化物半導体層とを有している。ゲート電極は、第２の窒化物半導体層の上に形成されている。
【００１０】
本発明の電界効果トランジスタは、第１の凹部の底面上に第２の窒化物半導体層が形成され、第１の窒化物半導体層の第１の凹部を除く領域の上及び第１の凹部の側面上に第３の窒化物半導体層が形成されている。第３の窒化物半導体層は、バンドギャップエネルギーの平均値が第１の窒化物半導体層よりも大きく且つ第２の窒化物半導体層よりも小さい。第２の窒化物半導体層に加わる歪みは、第２の窒化物半導体層を囲む第３の窒化物半導体層により緩和される。これにより、ウェハの面内において均一に歪みを緩和できる。これにより、第２の窒化物半導体層のＡｌ組成が高く且つクラックが発生しにくい電界効果トランジスタを実現できる。
【００１１】
本発明の電界効果トランジスタにおいて、ソース電極及びドレイン電極は、第３の窒化物半導体層の上に形成されていてもよく、ソース電極及びドレイン電極は、第１の凹部の側面を覆うように形成されていてもよい。また。ソース電極及びドレイン電極は、第２の窒化物半導体層の上に形成されていてもよい。
【００１２】
本発明の電界効果トランジスタにおいて、基板は第１の凹部と対応する位置に形成された第２の凹部を有していてもよい。
【００１３】
本発明の電界効果トランジスタは、半導体層積層体を複数の活性領域に分離する素子分離領域をさらに備え、ゲート電極は複数の活性領域のそれぞれに形成されていてもよい。この場合において、素子分離領域は、不純物イオンが注入されたイオン注入部であってもよく、溝部であってもよい。
【００１４】
本発明の電界効果トランジスタにおいて、第１の凹部の平面形状は、方形状、多角形状、円形状、長円形状、楕円形状又は鋸刃状としてもよい。
【００１５】
本発明の電界効果トランジスタにおいて、第１の凹部の側面は、傾斜が連続的に変化していてもよく、傾斜が異なる複数の面を有していてもよく、段差を有していてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る窒化物半導体電界効果トランジスタによれば、窒化物半導体電界効果トランジスタの活性領域に生じるクラックを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】一実施形態に係る電界効果トランジスタを示す断面図である。
【図２】一実施形態に係る電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す断面図である。
【図３】一実施形態に係る電界効果トランジスタの変形例を示す断面図である。
【図４】一実施形態に係る電界効果トランジスタの変形例を示す断面図である。
【図５】一実施形態に係る電界効果トランジスタの変形例を示す断面図である。
【図６】一実施形態に係る電界効果トランジスタの変形例を示す断面図である。
【図７】一実施形態に係る電界効果トランジスタの変形例を示す断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は凹部の平面形状を示す平面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は凹部の断面形状を示す断面図である。
【図１０】一実施形態に係る電界効果トランジスタの製造方法の変形例を工程順に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は一実施形態に係る電界効果トランジスタの断面構成を示している。本実施形態の電界効果トランジスタは、基板１０１の上に形成された半導体層積層体と、半導体層積層体の上に形成されたソース電極１０７及びドレイン電極１０８と、ソース電極とドレイン電極との間に形成されたゲート電極１０９とを備えている。半導体層積層体は、凹部１０２ａを有する第１の窒化物半導体層１０２と、第１の窒化物半導体層１０２の上に形成された第２の窒化物半導体層１０５及び第３の窒化物半導体層１０６とを有している。第２の窒化物半導体層１０５は、凹部１０２ａの底面の上に形成されている。第３の窒化物半導体層１０６は、凹部１０２ａを除く部分の上及び凹部１０２ａの側面上に形成されている。
【００１９】
第２の窒化物半導体層１０５のバンドギャップエネルギーの平均値は、第１の窒化物半導体層１０２よりも大きく、第３の窒化物半導体層１０６のバンドギャップエネルギーの平均値は、第１の窒化物半導体層１０２よりも大きく且つ第２の窒化物半導体層１０５よりも小さい。例えば、第１の窒化物半導体層１０２はＧａＮ層であり、第２の窒化物半導体層１０５及び第３の窒化物半導体層１０６はＡｌＧａＮ層である。また、第２の窒化物半導体層１０５の平均のＡｌ組成は０．３程度であり（Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ）、第３の窒化物半導体層１０６の平均のＡｌ組成は０．２５程度である（Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ）。
【００２０】
第２の窒化物半導体層１０５及び第３の窒化物半導体層１０６は、第１の窒化物半導体層１０２よりもバンドギャップエネルギーの平均値が大きい。このため、第１の窒化物半導体層１０２の第２の窒化物半導体層１０５及び第３の窒化物半導体層１０６との界面近傍にはチャネルである２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層１０４が形成される。第２の窒化物半導体層１０５をＡｌ組成が比較的高いＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎとすることにより、２ＤＥＧ層１０４の密度を高くすることができる。第２の窒化物半導体層１０５のＡｌ組成を高くすることにより、第２の窒化物半導体層１０５には比較的大きな歪みが加わる。しかし、第２の窒化物半導体層１０５は平均のＡｌ組成が小さい第３の窒化物半導体層１０６に囲まれている。このため、第２の窒化物半導体層１０５に加わる歪みは緩和され、クラックの発生を抑えることができる。
【００２１】
次に、一実施形態に係る電界効果トランジスタの製造方法について説明する。図２（ａ）に示すように、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、チャネル層となる第１の窒化物半導体層１０２を基板１０１の主面上に形成する。基板１０１は、シリコン（Ｓｉ）基板、窒化ＧａＮ基板、サファイア基板又はシリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板等とすればよい。第１の窒化物半導体層１０２は、膜厚が２μｍ程度のＧａＮ層とすればよい。
【００２２】
次に、図２（ｂ）に示すように、第１の窒化物半導体層１０２に凹部１０２ａを形成する。凹部１０２ａは、第１の窒化物半導体層１０２を選択的に覆うレジストマスクを用いてドライエッチングにより形成すればよい。凹部１０２ａの深さｄは５００ｎｍ〜２μｍ程度とすればよい。凹部１０２ａの平面寸法は、ゲート電極のフィンガー長及びソース−ドレイン間の耐圧等に応じて適宜決定すればよい。例えば、ゲート電極の長手方向と交差する方向の幅は５μｍ〜３０μｍ程度とすればよい。
【００２３】
次に、図２（ｃ）に示すように第１の窒化物半導体層１０２の上に、ＡｌＧａＮ層を再成長する。この際に、凹部１０２ａの底面上には、第２の窒化物半導体層１０５が形成され、凹部１０２ａ以外の領域の上及び凹部１０２ａの側面上には第３の窒化物半導体層１０６が形成される。
【００２４】
凹部１０２ａを有する第１の窒化物半導体層１０２の上に、ＡｌＧａＮ層を再成長しようとすると、Ａｌ原子及びＧａ原子のマイグレーションが凹部１０２ａによって阻害され、組成の変調が生じる。このため、凹部１０２ａの底面の上には、設定よりもＡｌ組成が高いＡｌＧａＮ層が形成される。凹部１０２ａの側面上には、ほぼ設定通りのＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ層が形成される。凹部１０２ａを除く領域では、凹部１０２ａの近傍には、設定よりもＡｌ組成が高いＡｌＧａＮ層が形成され、凹部１０２ａから離れるに従いＡｌ組成は次第に低くなりほぼ設定値通りのＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ層が形成される。
【００２５】
例えば、平坦なＧａＮ層の上に膜厚が２５ｎｍのＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層を成長する条件で、凹部を有するＧａＮ層の上にＡｌＧａＮ層を成長させると、凹部の底面の上には組成がほぼ均一なＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層が形成される。また、凹部の側面の上にはほぼ設定値通りのＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層が形成される。凹部を除くＧａＮ層の上には全体としてみるとほぼ設定値通りのＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層が形成される。但し、凹部の近傍にはＡｌ組成が高いＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層が形成される。このため、凹部１０２ａの底面の上にはＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層である第２の窒化物半導体層１０５が形成され、凹部１０２ａを除く領域の上及び凹部１０２ａの側面の上にはＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層である第３の窒化物半導体層１０６が形成される。
【００２６】
第２の窒化物半導体層１０５は、第３の窒化物半導体層１０６と比べてＡｌ組成が高いため、ＧａＮ層である第１の窒化物半導体層１０２との格子定数の差が大きくなる。このため、第２の窒化物半導体層１０５には第３の窒化物半導体層１０６よりも大きな歪みが加わる。しかし、第２の窒化物半導体層１０５は第３の窒化物半導体層１０６に囲まれているため、第２の窒化物半導体層１０５に加わる歪みは緩和され、クラックが発生しにくくなる。
【００２７】
次に、図２（ｄ）に示すように、第２の窒化物半導体層１０５の上に、ゲート電極１０９、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８を形成する。ゲート電極１０９は、例えば膜厚が１００ｎｍのニッケル（Ｎｉ）と膜厚が５００ｎｍの金（Ａｕ）との積層膜とすればよい。ソース電極１０７及びドレイン電極１０８は、例えば膜厚が２０ｎｍのチタン（Ｔｉ）と膜厚が２００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）との積層膜とすればよい。ＡｌＧａＮ層の組成変調は、結晶の方位にほとんど依存しない。このため、ゲート電極はどの様な向きに形成してもよい。ソース電極１０７及びドレイン電極１０８は、２ＤＥＧ層１０４とオーミック接触していればよい。このため、第２の窒化物半導体層１０５の上に形成されている必要はなく、図３に示すように、第３の窒化物半導体層１０６の上に形成されていてもよい。また、図４に示すように、第２の窒化物半導体層１０５の上及び第３の窒化物半導体層１０６の上に跨るように形成されていてもよい。
【００２８】
図５に示すように、第２の窒化物半導体層１０５と第１の窒化物半導体層１０２との界面よりも下側に達する溝部からなる素子分離領域１１１Ａを形成することにより、互いに分離された複数の活性領域１１２を形成してもよい。各活性領域１１２の上にそれぞれ、ゲート電極１０９、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８を形成すればよい。図６に示すように、溝部ではなく鉄等の不純物をイオン注入して形成した素子分離領域１１１Ｂにより活性領域１１２を互いに分離してもよい。この場合には、図７に示すように、素子分離領域１１１Ｂの両側のソース電極１０７を一体に形成してもよい。なお、配置を逆にして、ドレイン電極１０８を一体に形成してもよい。また、活性領域は２つに限らず３つ以上に分離してもよい。
【００２９】
凹部１０２ａの平面形状は、図８（ａ）に示すように方形状とすればよいが、他の形状としてもよい。例えば、図８（ｂ）に示すような長円形状、図８（ｃ）に示すような多角形状又は図８（ｄ）に示すような端部に複数の頂点を有する鋸刃状としてもよい。互いに対向する平行な２辺が存在している必要はなく、円形状、楕円形状、３角形状又は５角形状等であってもよい。凹部１０２ａの側面は、垂直に形成されている必要はない。凹部１０２ａの側面は、凹部１０２ａの上端部が下端部よりも大きくなるように傾斜していても、凹部１０２ａの上端部が下端部よりも小さくなるように傾斜していてもよい。また、図９（ａ）に示すように傾斜が連続的に変化する形状としても、図９（ｂ）に示すように傾斜が異なる複数の面を有する形状としてもよい。さらに、図９（ｃ）に示すように段差を有する形状としてもよい。
【００３０】
本実施形態においては、第１の窒化物半導体層１０２を選択的にエッチングすることにより凹部１０２ａを形成する例を示した。しかし、図１０（ａ）に示すように、凹部１０１ａを有する基板１０１Ａを準備し、図１０（ｂ）に示すように基板１０１Ａの上に第１の窒化物半導体層１０２を成長することにより、凹部１０２ａを形成してもよい。
【００３１】
第１の窒化物半導体層をＧａＮとし、第２の窒化物半導体層をＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎとし、第３の窒化物半導体層をＡｌ0.25Ｇａ0.7Ｎとする例を示した。しかし、バンドギャップエネルギーの平均値が、第２の窒化物半導体層は第１の窒化物半導体層よりも大きく、第３の窒化物半導体層は第１の窒化物半導体層よりも大きく且つ第２の窒化物半導体層よりも小さくなるようにすれば、組成は適宜変更してかまわない。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明に係る窒化物半導体電界効果トランジスタは、特に、高周波用のトランジスタ等として有用である。
【符号の説明】
【００３３】
１０１      基板
１０１Ａ    基板
１０１ａ    凹部
１０２      第１の窒化物半導体層
１０２ａ    凹部
１０４      ２次元電子ガス層
１０５      第２の窒化物半導体層
１０６      第３の窒化物半導体層
１０７      ソース電極
１０８      ドレイン電極
１０９      ゲート電極
１１１Ａ    素子分離領域
１１１Ｂ    素子分離領域
１１２      活性領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【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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