(57)【要約】【課題】本発明が解決しようとする課題は、通信やレーダ用途などに使用される大電力用の窒化ガリウム系半導体デバイスにおいて、高性能な素子を提供することである。【解決手段】基板と、前記基板の上に形成された第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層の上に形成され、ガリウム元素を含有する第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層の上に、前記第２の窒化物半導体層と接触して形成されるソース電極及びドレイン電極と、前記第２の窒化物半導体層の上に形成され、インジウム元素とアルミニウム元素を含有する第３の窒化物半導体層と、前記第３の窒化物半導体層の上に、前記ソース電極及びドレイン電極の間に形成されるゲート電極と、を具備する半導体装置。【選択図】図１
2019114747.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に形成された第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層の上に形成され、ガリウム元素を含有する第２の窒化物半導体
層と、
前記第２の窒化物半導体層の上に、前記第２の窒化物半導体層と接触して形成されるソー
ス電極及びドレイン電極と、
前記第２の窒化物半導体層の上に形成され、インジウム元素とアルミニウム元素を含有す
る第３の窒化物半導体層と、
前記第３の窒化物半導体層の上に、前記ソース電極及びドレイン電極の間に形成されるゲ
ート電極と、
を具備する半導体装置。
【請求項２】
前記ソース電極或いは前記ドレイン電極の側面の少なくとも一部は、前記第３の窒化物半
導体層と接触していることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ソース電極或いは前記ドレイン電極の側面が前記第３の窒化物半導体層と非接触であ
ることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ソース電極或いは前記ドレイン電極の一部が、前記第３の窒化物半導体層の少なくと
も一部を覆っていることを特徴とする請求項１，２，３のいずれか１項に記載の半導体装
置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
通信やレーダ用途などに使用される大電力用の窒化ガリウム系半導体デバイスにおいて
、ＳｉやＳｉＣやサファイア基板上に形成されたＧａＮバリア層およびＡｌＧａＮバリア
層の上に、ＩｎＡｌＮキャップ層やＩｎＡｌＧａＮキャップ層と呼ばれる層を形成するこ
とで表面状態を安定させ電流コラプスの抑制など素子特性を向上させることができる（特
開２０１７−４１５４２）。しかし、このＩｎＡｌＮキャップ層やＩｎＡｌＧａＮキャ
ップ層があるとオーミック電極の形成の際、コンタクト抵抗を下げることが困難であった
。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−４１５４２号公報
【特許文献２】特開２００６−２６１６４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
通信やレーダ用途などに使用される大電力用の窒化ガリウム系半導体デバイスにおいて、
高性能な素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
基板と、前記基板の上に形成された第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層
の上に形成され、ガリウム元素を含有する第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半
導体層の上に、前記第２の窒化物半導体層と接触して形成されるソース電極及びドレイン
電極と、前記第２の窒化物半導体層の上に形成され、インジウム元素とアルミニウム元素
を含有する第３の窒化物半導体層と、前記第３の窒化物半導体層の上に、前記ソース電極
及びドレイン電極の間に形成されるゲート電極と、を具備することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る半導体装置の断面を示す図。
【図２】第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図。
【図３】第２の実施形態に係る半導体装置の断面を示す図。
【図４】第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図。
【図５】第３の実施形態に係る半導体装置の断面を示す図。
【図６】第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
（第１の実施形態）
以下、図面を参照して本実施形態に係る半導体装置を説明する。
【０００８】
図１は第１の実施形態である半導体装置１００の断面図である。基板１０の上にチャネ
ル層としての窒化ガリウム層（ＧａＮ層、第１の窒化物半導体層）２０が形成されている
。ＧａＮ層２０の上にバリア層としての窒化アルミニウムガリウム層（ＡｌＧａＮ層、第
２の窒化物半導体層）３０が形成されている。さらにＡｌＧａＮ層３０の上にキャップ層
としての窒化インジウムアルミニウムガリウム層（ＩｎＡｌＧａＮ層、第３の窒化物半導
体層）４０が形成されている。キャップ層はＩｎＡｌＮ層であっても良い。
【０００９】
ＡｌＧａＮ層３０の上にはソース電極５０とドレイン電極５１が形成されている。また、
このソース電極５０とドレイン電極５１の間にゲート電極５２が形成されている。ソース
電極５０とドレイン電極５１はＡｌＧａＮ層３０上に、ゲート電極５２はＩｎＡｌＧａＮ
層４０上に、形成されており、それぞれ一定の間隔を離間させて設けられている。
【００１０】
さらに、ＩｎＡｌＧａＮ層４０、ソース電極５０、ドレイン電極５１、及びゲート電極
５２の上には、全体を覆うように保護層６０が形成されている。
【００１１】
基板１０には、珪素（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、サファイア、窒化ガリウム（Ｇａ
Ｎ）、ダイヤモンド等が用いられる。ただし、本実施形態において、これらに限定される
ものではない。
【００１２】
ＧａＮ層２０とＡｌＧａＮ層３０、ＩｎＡｌＧａＮ層４０は窒化物半導体である。本実
施形態において、これらの層はアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（
Ｉｎ）等のＩＩＩ族の元素と、窒素（Ｎ）のＶ族の元素とを組み合わせたＩＩＩ‐Ｖ族半
導体である。
【００１３】
ＧａＮはＳｉと比べてバンドギャップが大きく、電圧の耐圧性に優れているため、高電
圧の印加が可能な大電力用のパワーデバイスとして用いられている。さらに、ＧａＮの飽
和電子速度はＳｉよりも大きく、電子移動度はＳｉと同等であることから、ＧａＮはマイ
クロ波用の高周波半導体装置としても用いられている。
【００１４】
ＧａＮ層２０（第１の窒化物半導体層）と、ＡｌＧａＮ層３０（第２の窒化物半導体層
）とは格子間距離の近いものを組合せて形成させる。
【００１５】
ＧａＮ層２０とＡｌＧａＮ層３０とはそれぞれのバンドギャップが異なる。ＧａＮ層２
０とＡｌＧａＮ層３０とが接合した際、接合面（ヘテロ界面）の近傍にてエネルギー準位
の量子井戸が形成され、量子井戸に電子が高密度で蓄積され、２次元電子ガス（２Ｄｉｍ
ｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｇａｓ、２ＤＥＧ）３１を形成する。
【００１６】
ＩｎＡｌＧａＮ層４０は、ＡｌＧａＮ層３０の上端を被覆し、当該層の表面のダングリ
ングボンドを終端する。即ち、ＩｎＡｌＧａＮ層４０は、ＡｌＧａＮ層３０の表面にトラ
ップ準位の形成を防止して、半導体装置１００の特性の劣化を抑制する。
【００１７】
ソース電極５０とドレイン電極５１はＡｌＧａＮ層３０の上にオーミック接触により設
けられている。ゲート電極５２はＩｎＡｌＧａＮ層４０の上にショットキー接触により設
けられている。  オーミック電極であるソース電極５０とドレイン電極５１を形成する際
、バンドギャップの大きいＩｎＡｌＧａＮ層４０をエッチングし、ＡｌＧａＮ層３０の上
にソース電極５０とドレイン電極５１を設けることで、良好なオーミックコンタクトを形
成することが可能となる。
【００１８】
保護層６０は窒化膜などで構成される。窒化膜として、例えば窒化珪素（ＳｉＮ）等が
あげられる。保護層６０は、各電極を被覆することで、水分等から各電極を保護する役割
を持つ。
【００１９】
本実施形態の半導体装置１００の製造方法について、図２を用いて説明する。半導体装
置１００は、基板１０にＧａＮをＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉ
ｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により結晶成長させ、ＧａＮ層２０を
積層させる。ＭＯＣＶＤ法とは基板１０の上に有機金属とキャリアガスを基板１０上に供
給し、加熱した基板１０上で気相による化学反応をさせることによって、ＧａＮにエピタ
キシャル成長をさせる方法である。
【００２０】
基板１０の上にＧａＮ層２０を積層させた後、有機金属原料のトリメチルアルミニウム
（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアンモニアガスをキャリアガス（窒素
や水素）とともに供給し、反応させることによってＧａＮ層２０の上にＡｌＧａＮ層３０
を積層させる。
【００２１】
ＧａＮ層２０の上にＡｌＧａＮ層３０を積層させた後、同様にＴＭＡ、ＴＭＧ、トリメ
チルインジウム（ＴＭＩ）とアンモニアガス、キャリアガスを供給し、反応させることに
よってＡｌＧａＮ層３０の上にＩｎＡｌＧａＮ層４０が積層される。（図２（ａ））
【００２２】
ただし、ＭＯＣＶＤ法によるこれらの積層方法は一例であり、本実施形態において、Ｍ
ＯＣＶＤ法に限定されるものではない。
【００２３】
ＩｎＡｌＧａＮ層４０を積層した後、エッチング処理により、積層したＩｎＡｌＧａＮ
層４０を除去する（図２（ｂ））。ＡｌＧａＮ層３０上の、ＩｎＡｌＧａＮ層４０を除去
した部分にソース電極５０とドレイン電極５１を、ＩｎＡｌＧａＮ層４０上にゲート電極
５２を、熱処理（アロイ処理）により形成する（図２（ｃ））。
【００２４】
その後、ＩｎＡｌＧａＮ層４０、各電極の上にプラズマＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈ
ａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等で保護層６０
を積層する（図２（ｄ））。ただし、プラズマＣＶＤ法による保護層６０の積層方法は一
例であり、本実施形態において、プラズマＣＶＤ法に限定されるものではない。
【００２５】
（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態である半導体装置２００を示した図である。
【００２６】
第１の実施形態では、ソース電極５０及びドレイン電極５１は、その側面がＩｎＡｌＧ
ａＮ層４０と接していたが、第２の実施形態は、ソース電極５０とドレイン電極５１は、
ＩｎＡｌＧａＮ層４０と接触しないように（非接触で）設けられている。
【００２７】
第２の実施形態の製造方法について、図４を用いて説明する。まず、基板１０上にＧａ
Ｎ層２０、ＡｌＧａＮ層３０、ＩｎＡｌＧａＮ層４０を積層する。各層を積層する工程（
図４（ａ））は第１の実施形態と同様のため、説明を省略する。
【００２８】
次に、ソース電極５０及びドレイン電極５１を形成するためにエッチング処理によりＩ
ｎＡｌＧａＮ層を一部除去する（図４（ｂ））。
【００２９】
続いて、ソース電極５０、ドレイン電極５１、及びゲート電極５２を形成する。ソース
電極５０とドレイン電極５１はＡｌＧａＮ層３０上に、ゲート電極５２はＩｎＡｌＧａＮ
層４０上に形成される（図４（ｃ））。ソース電極５０とドレイン電極５１はＩｎＡｌＧ
ａＮ層４０と接触しないように、形成される。
【００３０】
最後に、ＩｎＡｌＧａＮ層４０、ＡｌＧａＮ層３０、ソース電極５０、ドレイン電極５
１、ゲート電極５２を覆うように、保護層６０を積層する（図４（ｄ））。
なお、エッチングの方法および保護層６０を積層する方法は、第１の実施形態と同様であ
る。
【００３１】
第２の実施形態においては、ソース電極５０とドレイン電極５１はエッチングを施した
部分よりも狭い範囲で形成されればよく、製造しやすい構造となっており、第１の実施形
態と比較して製造性が向上するという利点がある。
【００３２】
なお、図３及び図４はソース電極５０とドレイン電極５１は、ＩｎＡｌＧａＮ層４０と
接することのないように設けられているが、本実施形態においては、完全に非接触とせず
、一部接しているものも含む。
【００３３】
（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態である半導体装置３００を示した図である。
【００３４】
第３の実施形態においては、ソース電極５０とドレイン電極５１がＩｎＡｌＧａＮ層４
０の一部を覆っている。
【００３５】
第３の実施形態の製造方法について、図６を用いて説明する。まず、基板１０上にＧａ
Ｎ層２０、ＡｌＧａＮ層３０、ＩｎＡｌＧａＮ層４０を積層する。各層を積層する工程（
図６（ａ））は第１の実施形態と同じであるので、説明を省略する。
【００３６】
次に、ソース電極５０及びドレイン電極５１を形成するためにソース電極５０及びドレ
イン電極５１を形成する部分のみ、エッチング処理によりＩｎＡｌＧａＮ層４０を一部除
去する（図６（ｂ））。
【００３７】
続いて、ソース電極５０、ドレイン電極５１、及びゲート電極５２を形成する。ソース
電極５０とドレイン電極５１はＡｌＧａＮ層３０上に、ゲート電極５２はＩｎＡｌＧａＮ
層４０上に形成される。この時、ソース電極５０とドレイン電極５１は、ＩｎＡｌＧａＮ
層４０の一部を覆うような形で形成される（図６（ｃ））。
【００３８】
最後に、ＩｎＡｌＧａＮ層４０、ソース電極５０、ドレイン電極５１、ゲート電極５２
を覆うように、保護層６０を積層する（図６（ｄ））。
【００３９】
なお、エッチング処理の方法および保護層６０を積層する方法については、第１の実施
形態と同様である。
【００４０】
第３の実施形態は、第１の実施形態と比較して製造しやすい構造となっている。また、
ソース電極５０とドレイン電極５１がＩｎＡｌＧａＮ層４０と接して形成されており、電
流コラプスの発生を抑制するため、第１の実施形態と同等の性能が期待できる。
【００４１】
なお図５及び図６では、ソース電極５０とドレイン電極５１の先端の形状は、図５及び
図６と同様である必要はない。
【００４２】
なお、いくつかの実施形態を説明したが、ＩｎＡｌＧａＮ層４０に対する、ソース電極
５０とドレイン電極５１の位置や形状はこれに限ったものではなく、例えばソース電極５
０とドレイン電極５１で異なる実施形態であっても良いし、一つの電極が異なる実施形態
の組み合わせであっても良い。
【００４３】
また、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したもの
であり、発明の範囲を限定する事は意図していない。これら新規な実施形態は、その他の
様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略
、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨
に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４４】
１０  基板
２０  ＧａＮ層（第１の窒化物半導体層）
３０  ＡｌＧａＮ層（第２の窒化物半導体層）
３１  ２次元電子ガス（２Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｇａｓ、２ＤＥ
Ｇ）
４０  ＩｎＡｌＧａＮ層（第３の窒化物半導体層）
５０  ソース電極
５１  ドレイン電極
５２  ゲート電極
１００  第１の実施形態における半導体装置
２００  第２の実施形態における半導体装置
３００  第３の実施形態における半導体装置
【図１】
2019114747.tif 000003
【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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