(57)【要約】      （修正有）【課題】窒化物半導体からなる電子走行層と、電子走行層を形成する窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体からなる電子供給層がヘテロ接合し、ヘテロ接合界面に生じる二次元電子ガスを利用するＨＥＭＴにおいて、所望の閾値電圧を実現する。【解決手段】電子走行層１２の下面にバックバリア層１４を挿入し、電子供給層１０を貫通して電子走行層１２に達するリセス１８、２２にゲート電極４、４ａを充填する。バックバリア層１４と電子走行層１２に達するゲート電極４、４ａを併用する技術により、ゲート電極とバックバリア層１４を隔てる電子走行層１２の厚みによって閾値電圧が変化する。異なる閾値電圧を持つ複数個のＨＥＭＴを同一基板内に形成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体からなるバックバリア層と、
前記バックバリア層上に積層されている、窒化物半導体からなる電子走行層と、
前記電子走行層上に積層されている、前記電子走行層を形成する窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層上に積層されている、ソース電極とドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極を分断する位置において前記電子供給層を貫通して前記電子走行層に達しているリセスの壁面を覆っているゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜で囲繞された状態で前記リセスを充填しているゲート電極を備えている絶縁ゲート型窒化物半導体トランジスタにおいて、
少なくとも、第１ゲート電極と第２ゲート電極を備えており、
前記第１ゲート電極に接する前記ゲート絶縁膜と前記電子走行層の界面から前記バックバリア層までの距離と、前記第２ゲート電極に接する前記ゲート絶縁膜と前記電子走行層の界面から前記バックバリア層までの距離が相違することを特徴とする絶縁ゲート型窒化物半導体トランジスタ。
【請求項２】
前記バックバリア層と前記電子走行層の界面は平坦であり、
前記ゲート電極の形成範囲外における前記電子走行層と前記電子供給層の界面が平坦であり、
前記ゲート電極の形成範囲外における前記電子供給層の表面が平坦であり、
前記第１ゲート電極の深さと前記第２ゲート電極の深さが相違することを特徴とする請求項１に記載の絶縁ゲート型窒化物半導体トランジスタ。
【請求項３】
前記電子走行層を形成する窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体で前記バックバリア層が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁ゲート型窒化物半導体トランジスタ。
【請求項４】
前記電子走行層がＧａＮで形成されており、前記バックバリア層がＩｎ１−ｘ−ｙＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１，ｘ＋ｙ≦１）で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の絶縁ゲート型窒化物半導体トランジスタ。
【請求項５】
前記電子走行層がｉ型のＧａＮで形成されており、前記バックバリア層がｐ型のＧａＮで形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁ゲート型窒化物半導体トランジスタ。
【請求項６】
窒化物半導体からなるバックバリア層と、
前記バックバリア層上に積層されている、窒化物半導体からなる電子走行層と、
前記電子走行層上に積層されている、前記電子走行層を形成する窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層上に積層されている、ソース電極とドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極を分断する位置において前記電子供給層を貫通して前記電子走行層に達しているリセスの壁面を覆っているゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜で囲繞された状態で前記リセスを充填しているゲート電極を備えている絶縁ゲート型窒化物半導体トランジスタに対して、
前記ゲート電極に接する前記ゲート絶縁膜と前記電子走行層の界面から前記バックバリア層までの距離を増減調整して閾値電圧を調整することを特徴とする閾値電圧調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書では、窒化物半導体のヘテロ接合を利用する半導体装置であり、閾値電圧が異なる複数個の電界効果型トランジスタを備えている絶縁ゲート型窒化物半導体トランジスタを開示する。また本明細書では、前記の閾値電圧を調整する方法を開示する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体からなる電子走行層と、電子走行層を形成する窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体からなる電子供給層がヘテロ接合していると、ヘテロ接合面に沿って二次元電子ガスが形成される。電子供給層の表面にソース電極とドレイン電極を設け、ソース電極とドレイン電極を分断する位置（すなわちソース電極とドレイン電極に挟まれた位置）にゲート絶縁膜とゲート電極を形成すると、ゲート電極の電位によってソース電極とドレイン電極の間の抵抗が変化する現象が得られる。その現象を利用するトランジスタが知られている。本明細書では、上記のトランジスタを絶縁ゲート型窒化物半導体トランジスタという。
【０００３】
通常の絶縁ゲート型窒化物半導体トランジスタの閾値電圧はマイナス電圧となる。閾値電圧をプラス側に向けて引き上げる技術が提案されている。非特許文献１に、下記の技術が記載されている。
（１）ゲート電極と電子走行層の間に介在する電子供給層の膜厚を薄膜化することによって閾値電圧をプラス側に向けて引き上げる。
（２）電子供給層にリセスを形成し、そのリセスにゲート電極を充填することで、閾値電圧をプラス側に向けて引き上げる。リセスを深く形成すると、ゲート電極と電子走行層の間に介在する電子供給層の膜厚が薄膜化される。リセスを深くすることによって、閾値電圧をプラス側に大きく引き上げることができる。
（３）ゲート電極に向い合う範囲の電子走行層にフッ化物イオンを注入する。
（４）電子走行層の下側にバックバリア層を形成する。
非特許文献１は、前記（１）と（２）の技術の問題点を指摘し、前記（３）の技術を提案している。前記（４）の技術には言及していない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Yong Cai, Yugang Zhou, Kei May Lau, Kevin Chen, Control of Threshold Voltage of AlGaN/GaN HEMTs by Fluoride-Based Plasma Treatment: From Depletion Mode to Enhancement Mode, IEEE, TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, Vol. 53, No.9 September 2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記（１）と（２）の技術による場合、ゲート電極と電子走行層の間に介在する電子供給層の膜厚を極めて薄くすると、閾値電圧がプラス電位となる。閾値電圧がプラス電位となる電子供給層の膜厚は、例えば２ｎｍ程度であり、極めて薄い。電子供給層が２ｎｍ程度にまで薄くなると、電子供給層の膜厚のわずかな変化によって、閾値電圧が大きく変化する。前記（１）と（２）の技術による場合、閾値電圧を所望の電圧に調整することが難しい。
前記（３）の技術による場合、注入したフッ化物イオンが不安定であり、例えば注入後に熱処理等をすることによって、フッ化物イオンが拡散したり再分布したりする現象が生じる。閾値電圧が不安定に変動してしまうという問題が生じる。
本明細書では、閾値電圧を所望の電圧に調整しやすい技術を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記（２）に説明したリセス形成技術では、電子供給層の範囲内に留まるリセスを形成する。すなわち、ゲート電極と電子走行層の間に電子供給層が介在する条件を満たすなかでリセスを形成する。上記条件下でリセスを深くすると、閾値電圧が上昇する。リセスの底面が、電子供給層と電子走行層の界面に一致した場合に、閾値電圧は最大に上昇する。それ以上にリセスを深くしても閾値電圧は変化しない。閾値電圧が変化しなければリセスを深く形成する意味がない。従来の技術では、最も深いリセスを形成する場合でも、リセスの底面が、電子供給層と電子走行層の界面にほぼ一致していた。
【０００７】
前記（４）に記載したように、電子走行層の下側にバックバリア層を形成することで閾値電圧をプラス側に向けて引き上げる技術も提案されている。
今回の研究によって、バックバリア層を利用する場合は、電子供給層を貫通して電子走行層に達するリセスを設けることによって、閾値電圧を調整できることが見いだされた。上記したように、バックバリア層を利用しない場合には、電子走行層に達するリセスの深さを変えても閾値電圧を調整できないのに対し、バックバリア層を利用する場合には、電子走行層に達するリセスの深さを変えることによって閾値電圧を調整できることが見いだされた。
上記したように、電子供給層の範囲内に留まる条件下でリセスの深さを調整し、ゲート電極と電子走行層の間に介在する電子供給層の膜厚を調整することでも、閾値電圧を調整することができる。しかしながら、この技術によると、電子供給層の膜厚のわずかな変化によって閾値電圧が敏感に変動してしまう。所望の閾値電圧に調整することが難しい。それに対して、バックバリア層と、電子走行層に達するリセスを併用する技術によると、リセス深さの変化に対する閾値電圧の変化が鈍感化される。そのために、リセス深さを調整することで閾値電圧を所望の電圧に調整することが可能となる。
【０００８】
本明細書で開示する半導体装置は、窒化物半導体からなるバックバリア層と、バックバリア層上に積層されている電子走行層（窒化物半導体で形成されている）と、電子走行層上に積層されている電子供給層（電子走行層を形成する窒化物半導体よりバンドギャップが大きい窒化物半導体で形成されている）を備えている。電子供給層上にソース電極とドレイン電極が積層されている。ソース電極とドレイン電極を分断する位置（ソース電極とドレイン電極に挟まれた位置）にリセスが形成されており、そのリセスは電子供給層を貫通して電子走行層に達している。リセスの壁面はゲート絶縁膜で覆われている。壁面がゲート絶縁膜で覆われているリセスにゲート電極が充填されている。ゲート電極はゲート絶縁膜で囲繞されている。バックバリア層と、電子供給層を介することなく電子走行層に対向するゲート電極を併用する技術によると、ゲート電極とバックバリア層の間に介在する電子走行層の厚み（正確に言うと、ゲート電極に接するゲート絶縁膜と電子走行層の界面からバックバリア層までの距離）によって閾値電圧が変化する。その距離を増減調整することで閾値電圧を調整することができる。本明細書で開示する技術は、上記の閾値電圧調整方法に活用することができる。
【０００９】
本明細書で開示する技術によって、閾値電圧が異なる複数個のトランジスタを備えている半導体装置を実現することができる。その半導体装置は、少なくとも第１ゲート電極と第２ゲート電極を備えており、第１ゲート電極とバックバリア層の間に介在する電子走行層の厚みと、第２ゲート電極とバックバリア層の間に介在する電子走行層の厚みが相違する関係に置かれている。正確にいうと、第１ゲート電極に接するゲート絶縁膜と電子走行層の界面からバックバリア層までの距離と、第２ゲート電極に接するゲート絶縁膜と電子走行層の界面からバックバリア層までの距離が相違関係に置かれている。
上記によると、第１ゲート電極を利用するトランジスタと、第２ゲート電極を利用するトランジスタの閾値電圧が個々に調整され、それぞれを所望の電圧に調整することができる。
【００１０】
上記の構成を実現するのに、第１ゲート電極と第２ゲート電極の双方が、電子供給層の表面から電子供給層を貫通して電子走行層に達するリセスに充填されている構造を採用することができる。この場合、バックバリア層と電子走行層の界面は平坦であり、ゲート電極の形成範囲外では電子走行層と電子供給層の界面も平坦であり、ゲート電極の形成範囲外では電子供給層の表面も平坦とすることができる。上記の場合、第１ゲート電極が充填されている第１リセスの深さと、第２ゲート電極が充填されている第２リセスの深さが相違していると、第１ゲート電極とバックバリア層の間に介在する電子走行層の厚みと、第２ゲート電極とバックバリア層の間に介在する電子走行層の厚みが相違する関係を得ることができる。
【００１１】
バックバリア層は、ダブルヘテロ構造を形成するものであってもよい。この場合は、電子走行層を形成する窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体でバックバリア層を形成する。あるいは、電子走行層の中間深さにバックバリア層を挿入して電子走行層を上層と下層に分離したものであってもよい。この場合は、電子走行層を形成する窒化物半導体よりもバンドギャップが小さい窒化物半導体でバックバリア層を形成する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施例の半導体チップの断面図。
【図２】従来技術１の半導体チップの断面図。
【図３】従来技術２の半導体チップの断面図。
【図４】従来技術３の半導体チップの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本明細書で開示する技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
（第１特徴）ゲート電極は、電子供給層を貫通して電子走行層に達している。
（第２特徴）ゲート電極と電子供給層は絶縁膜で分離されており、ゲート電極と電子走行層も絶縁膜で分離されている。
（第３特徴）リセスの形成範囲外における電子走行層の厚みは、バックバリア層が二次元電子ガス濃度を低下させる効果が消失する程度に厚い。すなわち、バックバリア層の有無によって二次元電子ガスの濃度が変化しない厚みに設定されている。
【実施例】
【００１４】
（従来技術１）
実施例の理解を容易にするために、最初に従来技術を説明する。
図２は、電子供給層１０の範囲内に留まるリセス２４にゲート電極４を充填して、閾値電圧をプラス側に向けて引き上げる従来技術１を示している。前記した（１）と（２）の技術に相当する。参照番号１６は図示しない基板上に形成されているバッファ層であり、参照番号１２は電子走行層であり、参照番号１０は電子供給層である。電子走行層はｉ型のＧａＮで形成されており、電子供給層はｎ型のＡｌＧａＮで形成されており、電子供給層１０を形成する窒化物半導体（ＡｌＧａＮ）のバンドギャップは、電子走行層１２を形成する窒化物半導体（ＧａＮ）のバンドギャップより広い。そのために、電子供給層１０と電子走行層１２の界面の電子走行層１２側に、二次元電子ガスが形成される。
参照番号２はソース電極であり、参照番号８はドレイン電極であり、参照番号４はゲート電極である。ソース電極２とドレイン電極８とゲート電極４は、電子供給層１０の表面に形成されている。半導体装置を平面視したときに、ゲート電極４は、ソース電極２とドレイン電極８を分断する位置と範囲に形成されている。ゲート電極４と電子供給層１０の間には、ゲート絶縁膜２４が介在している。
電子供給層１０の範囲内に留まるリセス２４を形成する技術によると、リセス２４を深く形成するほど、ゲート電極４と電子走行層１２の間に介在する電子供給層１０の膜厚が薄くなる。その厚みが２ｎｍ程度となると、閾値電圧がプラス電位となる。電子供給層１０の範囲内に留まるリセス２４を形成する技術によると、ゲート電極４と電子走行層１２の間に介在する電子供給層１０の膜厚によって、閾値電圧が敏感に変化する。閾値電圧を所望の電圧に調整するためには、リセス２４の深さを極めて厳格に管理する必要があり、実現困難である。図２の構造では、後記する図１では存在するバックバリア層１４が存在しない。
【００１５】
(従来技術２)
以下の説明では、同一または類似の部材・部分には同一の参照番号を付して、重複説明を避ける。
図３は、ゲート電極４に対向する範囲の電子供給層１０にフッ化物イオンを注入する技術を示し、前記（３）の技術に相当する。フッ化物イオンの注入量あるいは注入エネルギを調整することで閾値電圧が調整される。この技術の場合、注入したフッ化物イオンが不安定であり、例えば注入後に熱処理等をすることによって、フッ化物イオンが拡散したり再分布したりする現象が生じ、閾値電圧が不安定に変動してしまうという問題が生じる。
【００１６】
(従来技術３)
図４は、電子走行層１２の下面にバックバリア層１４を追加した技術を示し、前記（４）の技術に相当する。バックバリア層１４を追加すると、閾値電圧がプラス側に向けて上昇する。バックバリア層１４による閾値電圧を正電圧に向けて引き上げる効果を得るためには、電子走行層１２の厚みを薄くするのが有利である。しかし、電子走行層１２の厚みを一様に薄くすると、二次元電子ガスの濃度が低下し、トランジスタのオン抵抗が増大する。
【００１７】
（実施例）
図１は、実施例の半導体装置の断面を示している。下記の特徴を備えている。
（ａ）電子走行層１２の下面にバックバリア層１４を追加している。
（ｂ）第１リセス１８と第２リセス２２の双方とも、電子供給層１０を貫通して電子走行層１２に達している。
（ｃ）第１リセス１８は深く、第２リセス２２は浅い。そのために、第１ゲート電極４とバックバリア層１４の間に介在する電子走行層１２の膜厚（正確にいうとゲート絶縁膜６と電子走行層１２の界面からバックバリア層１４までの距離）Ａは薄く、第２ゲート電極４ａとバックバリア層１４の間に介在する電子走行層１２の膜厚（ゲート絶縁膜６ａと電子走行層１２の界面からバックバリア層１４までの距離）Ｂは厚い。そのために、第１ゲート電極４を利用する電界効果型トランジスタの閾値電圧は高く、第２ゲート電極４ａを利用する電界効果型トランジスタの閾値電圧は低い。添え字ａが付されているものは、第２ゲート電極４ａを利用する電界効果型トランジスタを構成するソース電極、ゲート電極、絶縁膜、ドレイン電極を示している。なおトレンチ２０は、第１ゲート電極４を利用する絶縁ゲート型トランジスタと、第２ゲート電極４ａを利用する絶縁ゲート型トランジスタを分離する。
【００１８】
図１の実施例では、電子供給層１０を貫通して電子走行層１２に達する第１リセス１８と第２リセス２２によって、閾値電圧を上昇させる。閾値電圧を上昇させるために電子走行層１２の厚みＣを薄くする必要がない。
バックバリア層１４を追加すると、電子供給層１０とチャンネル層１２の界面に生じる二次元電子ガスの濃度が低下する。その効果は、電子走行層１２の厚みＣが薄いほど顕著である。本実施例では、バックバリア層１４の有無によって二次元電子ガスの濃度が変化しないほどに厚い電子走行層１２を利用する。そのために、バックバリア層１４を追加することでトランジスタのオン抵抗が増大することはない。電子走行層１２自体は厚くても、電子走行層１２に侵入するリセス１８，２２によって、ゲート電極４，４ａとバックバリア層１４を隔てる電子走行層１２の厚みＡ，Ｂが減じられるために、閾値電圧を必要な電圧に引き上げることができる。
【００１９】
上記では、電子走行層１２を形成する窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体でバックバリア層１４を形成する。電子走行層がＧａＮであれば、ＡｌＧａＮあるいはＩｎＧａＮ等によってバックバリア層１４とすることができる。一般にＩｎ１−ｘ−ｙＡｌｘＧａｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１，ｘ＋ｙ≦１）であれば、バックバリア層１４となる。電子走行層がｉ型のＧａＮであれば、ｐ型のＧａＮもバックバリア層となる。
電子走行層１２を形成する窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体を用いるのに代えて、電子走行層１２を形成する窒化物半導体よりもバンドギャップが小さい窒化物半導体でバックバリア層１４を形成してもよい。後者の場合は、バックバリア層１４の下側に電子走行層と同じ窒化物の下層を設ける。下層を設けることによって、バックバリア層１４によって閾値電圧をプラス側に引き上げる効果が得られ、ゲート電極とバックバリア層の間に介在する電子走行層の厚みによって閾値電圧が変化する現象が得られる。複数の層を積層することでバックバリア層とすることもできる。
本実施例では、電子走行層１２はｉ型のＧａＮで形成されており、電子供給層１０はｎ型のＡｌＧａＮで形成されており、電子供給層１０を形成する窒化物半導体（ＡｌＧａＮ）のバンドギャップは、電子走行層１２を形成する窒化物半導体（ＧａＮ）のバンドギャップより広い関係に置かれている。
【００２０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２１】
２，２ａ：ソース電極
４，４ａ：ゲート電極
６，６ａ：絶縁膜
８，８ａ：ドレイン電極
１０：電子供給層
１０ｂ：フッ化物イオン注入領域
１２：電子走行層
１４：バックバリア層
１６：バッファ層
１８：第１リセス
２０：分離用トレンチ
２２：第２リセス
２４：従来のリセス
【図１】
2015162641.tif 000003
【図２】
2015162641.tif 000004
【図３】
2015162641.tif 000005
【図４】
2015162641.tif 000006