(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体からなる電子走行層と、
前記電子走行層に積層され、前記電子走行層とはＡｌ組成が異なり、Ａｌを含む窒化物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層と前記電子走行層との界面に連続する界面を有し、前記電子走行層上に形成された酸化膜と、
前記酸化膜を挟んで前記電子走行層に対向するゲート電極と、
前記酸化膜と前記ゲート電極との間に介在するように配置された絶縁層とを含み、
前記酸化膜の膜厚が、前記絶縁層の層厚よりも小さい、窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記酸化膜中の窒素濃度が前記絶縁層中の窒素濃度よりも高い、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項３】
窒化物半導体からなる電子走行層と、
前記電子走行層に積層され、前記電子走行層とはＡｌ組成が異なり、Ａｌを含む窒化物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層と前記電子走行層との界面に連続する界面を有し、前記電子走行層上に形成された酸化膜と、
前記酸化膜を挟んで前記電子走行層に対向するゲート電極と、
前記酸化膜と前記ゲート電極との間に介在するように配置された絶縁層とを含み、
前記酸化膜中の窒素濃度が前記絶縁層中の窒素濃度よりも高い、窒化物半導体装置。
【請求項４】
前記酸化膜中の窒素濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上であり、前記絶縁層中の窒素濃度が５×１０１６ｃｍ−３未満である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項５】
前記電子供給層が、前記電子走行層に向かって窪んだ凹部を有しており、
前記酸化膜が前記凹部の底部に形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項６】
前記絶縁層が前記凹部内に配置された部分を含む、請求項５に記載の窒化物半導体装置。
【請求項７】
前記酸化膜が前記凹部の底部および側壁に渡って形成されている、請求項５または６に記載の窒化物半導体装置。
【請求項８】
前記酸化膜の膜厚が、５ｎｍ以下である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項９】
前記酸化膜が５×１０１６ｃｍ−３以上の濃度で窒素を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１０】
前記電子供給層が、前記電子走行層との界面に、ＡｌＮ層を有している、請求項１〜９のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１１】
前記電子供給層が、前記電子走行層に接する第１層と、前記第１層に接するように積層され当該第１層とはＡｌ組成が異なる第２層とを含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１２】
窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層上に、前記電子走行層とはＡｌ組成が異なり、Ａｌを含む窒化物半導体からなる電子供給層を形成する工程と、
前記電子供給層の一部をエッチングして凹部を形成し、前記凹部の底部に、当該凹部外の部分よりも薄く、前記電子走行層に接する薄部を形成する凹部形成工程と、
前記薄部を熱酸化することにより、前記薄部全体を酸化膜に転換させる熱酸化工程と、
前記酸化膜を挟んで前記電子走行層に対向するゲート電極を形成するゲート形成工程とを含む、窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記凹部形成工程が、前記薄部の厚さが５ｎｍ以下となるように前記電子供給層の一部をエッチングする工程を含む、請求項１２に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記熱酸化工程が、前記薄部から連続する前記凹部の側壁を併せて酸化し、前記酸化膜を前記側壁まで延びるように形成する工程を含む、請求項１３に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記熱酸化工程の後に、前記酸化膜上に絶縁層を形成する工程をさらに含み、前記絶縁層の形成後に前記ゲート形成工程が行われる、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記電子供給層を形成する工程が、前記電子走行層との界面に、ＡｌＮ層を形成する工程を含む、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記電子供給層を形成する工程が、前記電子走行層に接する第１層を形成する工程と、前記第１層に接するように前記第１層とはＡｌ組成の異なる第２層を形成する工程とを含む、請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記酸化膜の膜厚が、前記絶縁層の層厚よりも小さくなるように、前記酸化膜および絶縁層が形成される、請求項１５に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、III族窒化物半導体（以下単に「窒化物半導体」という場合がある。）からなる半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物半導体とは、III-Ｖ族半導体においてＶ族元素として窒素を用いた半導体である。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）が代表例である。一般には、ＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）と表わすことができる。
このような窒化物半導体を用いたＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）が提案されている。このようなＨＥＭＴは、たとえば、ＧａＮからなる電子走行層と、この電子走行層上にエピタキシャル成長されたＡｌＧａＮからなる電子供給層とを含む。電子供給層に接するように一対のソース電極およびドレイン電極が形成され、それらの間にゲート電極が配置される。ゲート電極は、絶縁膜を挟んで電子供給層に対向するように配置される。ＧａＮとＡｌＧａＮとの格子不整合に起因する分極のために、電子走行層内において、電子走行層と電子供給層との界面から数Åだけ内方の位置に、二次元電子ガスが形成される。この二次元電子ガスをチャネルとして、ソース・ドレイン間が接続される。ゲート電極に制御電圧を印加することで、二次元電子ガスを遮断すると、ソース・ドレイン間が遮断される。ゲート電極に制御電圧を印加していない状態では、ソース・ドレイン間が導通するので、ノーマリオン型のデバイスとなる。
【０００３】
窒化物半導体を用いたデバイスは、高耐圧、高温動作、大電流密度、高速スイッチングおよび低オン抵抗といった特徴を有するため、パワーデバイスへの応用が検討されている。
しかし、パワーデバイスとして用いるためには、ゼロバイアス時に電流を遮断するノーマリオフ型のデバイスである必要があるため、前述のようなＨＥＭＴは、パワーデバイスには適用できない。
【０００４】
ノーマリオフ型の窒化物半導体ＨＥＭＴを実現するための構造は、たとえば、特許文献１および特許文献２において提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１７１４４０号公報
【特許文献２】特開２００６−３３９５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１は、ゲート電極直下の電子供給層の層厚を薄くする構造を開示している。しかし、電子供給層の層厚をエッチングで精密に制御することは困難であり、ゲート電極直下の電子供給層を完全になくすことはできない。そのため、電子供給層と電子走行層との間の格子不整合に起因する分極によって作られるチャネルを完全に消失させることができないから、現実的にはノーマリオフ型のデバイスにならない。また、電子供給層からのエッチングを、電子供給層／電子走行層の界面を超えて行うと、電子供給層／電子走行層の界面を傷付けることになるから、電子移動度が著しく低下し、デバイス特性が著しく悪化する。
【０００７】
一方、特許文献２は、ｎ型ＡｌＧａＮ電子供給層にｐ型ＧａＮ層を積層し、その上にゲート電極を配置し、前記ｐ型ＧａＮ層から広がる空乏層によってチャネルを消失させることで、ノーマリオフを達成する構成を開示している。しかし、この構成では、ｐｎ接合における順方向降下電圧（たとえば２Ｖ程度）のために、高いゲート電圧を印加することができない。たとえば、電源電圧が５Ｖの場合に、３Ｖ程度の電圧をチャネルに印加できるに過ぎない。そのため、オン特性があまり良くない。
【０００８】
そこで、この発明の目的は、ノーマリオフ型のＨＥＭＴ構造を有し、かつ優れたデバイス特性を有する窒化物半導体装置およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、この発明は、窒化物半導体からなる電子走行層と、前記電子走行層に積層され、前記電子走行層とはＡｌ組成が異なり、Ａｌを含む窒化物半導体からなる電子供給層と、前記電子供給層と前記電子走行層との界面に連続する界面を有し、前記電子走行層上に形成された酸化膜と、前記酸化膜を挟んで前記電子走行層に対向するゲート電極と、前記酸化膜と前記ゲート電極との間に介在するように配置された絶縁層とを含み、前記酸化膜の膜厚が、前記絶縁層の層厚よりも小さい、窒化物半導体装置を提供する。
【００１０】
この構成によれば、電子走行層上にＡｌ組成の異なる電子供給層が形成されてヘテロ接合が形成されている。したがって、電子走行層と電子供給層との界面付近の電子走行層内に二次元電子ガスが形成され、この二次元電子ガスをチャネルとして利用したＨＥＭＴが形成されている。ゲート電極は、酸化膜を挟んで電子走行層に対向している。その酸化膜と電子走行層との界面は、電子供給層と電子走行層との界面に連続している。すなわち、酸化膜の直下には電子供給層は存在せず、したがって、ゲート電極の直下には、電子供給層と電子走行層との格子不整合による分極に起因する二次元電子ガスが形成されない。よって、ゲート電極にバイアスを印加していないとき（ゼロバイアス時）には、二次元電子ガスによるチャネルはゲート電極直下で遮断されている。これにより、ノーマリオフ型のＨＥＭＴが実現されている。ゲート電極に適切なオン電圧を印加すると、ゲート電極直下の電子走行層内にチャネルが誘起され、ゲート電極の両側の二次元電子ガスが接続される。
【００１１】
一方、酸化膜と電子走行層との界面は、電子供給層と電子走行層との界面に連続していて、ゲート電極直下における電子走行層の界面の状態は、電子供給層と電子走行層との界面の状態と同等である。そのため、ゲート電極直下の電子走行層における電子移動度は高い状態に保持されている。また、ゲートにｐｎ接合を備えた特許文献２の構造とは異なり、十分に高いオン電圧をゲート電極に印加できる。よって、ゲート電極にオン電圧を印加したときのデバイス特性も良好である。
【００１２】
こうして、ノーマリオフ型のＨＥＭＴ構造を有し、かつ優れたデバイス特性を有する窒化物半導体装置を提供できる。
電子供給層／電子走行層の組み合わせは、ＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層（ただしＡｌ組成が異なるもの）、ＡｌＩｎＮ層／ＡｌＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層／ＧａＮ層、ＡｌＮ層／ＧａＮ層、ＡｌＮ層／ＡｌＧａＮ層のうちのいずれかであってもよい。より一般化すれば、電子供給層は、組成中にＡｌおよびＮを含む。電子走行層は、組成中にＧａおよびＮを含み、Ａｌ組成が電子供給層とは異なる。電子供給層と電子走行層とでＡｌ組成が異なることにより、それらの間の格子不整合が生じ、それによって、分極に起因する二次元電子ガスが界面に近い電子走行層内に生じる。
【００１３】
また、この発明では、前記酸化膜と前記ゲート電極との間に介在するように絶縁層が配置されているので、ゲート電極と電子供給層との間に必要な厚さのゲート絶縁膜（酸化膜および絶縁層）を配置できる。より具体的には、絶縁層が酸化膜に積層されるので、酸化膜の膜厚が絶縁層の層厚よりも薄くても、酸化膜および絶縁層の全体で必要な膜厚のゲート絶縁膜を形成できる。したがって、酸化膜を薄くできることにより、ゲート電極直下における電子供給層を確実に消失させることができ、かつ酸化膜の形成の際に電子走行層との界面に与える損傷を最小限にとどめることができる。その一方で、ゲート絶縁膜を十分な厚さに形成することによって、絶縁破壊耐圧を向上できる。
前記酸化膜中の窒素濃度が前記絶縁層中の窒素濃度よりも高くなっていてもよい。たとえば、電子供給層と電子走行層との界面にＡｌＮ層を形成し、これを熱酸化法によって酸化膜に転換させる場合には、酸化膜中の窒素濃度が絶縁層中の窒素濃度よりも高くなる。具体的には、前記酸化膜中の窒素濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上であり、前記絶縁層中の窒素濃度が５×１０１６ｃｍ−３未満であってもよい。
また、この発明は、窒化物半導体からなる電子走行層と、前記電子走行層に積層され、前記電子走行層とはＡｌ組成が異なり、Ａｌを含む窒化物半導体からなる電子供給層と、前記電子供給層と前記電子走行層との界面に連続する界面を有し、前記電子走行層上に形成された酸化膜と、前記酸化膜を挟んで前記電子走行層に対向するゲート電極と、前記酸化膜と前記ゲート電極との間に介在するように配置された絶縁層とを含み、前記酸化膜中の窒素濃度が前記絶縁層中の窒素濃度よりも高い、窒化物半導体装置を提供する。
上記のいずれの発明においても、前記電子供給層が、前記電子走行層に向かって窪んだ凹部を有しており、前記酸化膜が前記凹部の底部に形成されていてもよい。
【００１４】
この構成により、電子供給層に形成された凹部の直下において、電子走行層内のチャネル（二次元電子ガス）を遮断でき、その凹部を挟んだ領域において、電子走行層内にチャネル（二次元電子ガス）を形成できる。
また、前記絶縁層が前記凹部内に配置された部分を含んでいてもよい。
【００１５】
この構成により、絶縁層は凹部の底部に配置された酸化膜に接するので、ゲート電極との間に良好なゲート絶縁膜を形成できる。
前記絶縁層は、凹部内だけでなく、凹部外にまで延びて形成されていてもよい。絶縁層が凹部外にまで延びて形成されていれば、絶縁破壊耐圧を高めることができる。
また、前記酸化膜が前記凹部の底部および側壁に渡って形成されていてもよい。
【００１６】
この構成によれば、酸化膜が底部だけでなく側壁にも形成されているので、リーク電流を低減できる。たとえば、電子供給層に凹部を形成した後、熱酸化法によって酸化膜を形成すると、凹部の底部および側壁に渡って連続する酸化膜が形成される。
前記酸化膜の膜厚が、５ｎｍ以下（好ましくは、１ｎｍ〜５ｎｍ）であってもよい。
【００１７】
５ｎｍ以下の酸化膜は、熱酸化法によって形成することができる。したがって、電子供給層を部分的に５ｎｍ以下に薄型化（たとえば前記凹部を形成）した後に、熱酸化を行うことによって、電子供給層と電子走行層との界面に損傷を与えることなく、電子走行層に接する熱酸化膜を形成でき、その部分において電子供給層を消失させることができる。
前記酸化膜が５×１０１６ｃｍ−３以上の濃度で窒素を含んでいてもよい。
【００１８】
前記電子供給層が、前記電子走行層との界面に、ＡｌＮ層を有していてもよい。
ＡｌＮ層に対して熱酸化を行うと、加熱によって窒素原子（Ｎ）が抜けることにより、窒素原子（Ｎ）が酸素原子（Ｏ）に置換されて、ＡｌｘＯｙからなる酸化膜となる。したがって、電子供給層と電子走行層との界面にＡｌＮ層が配置されていれば、これを熱酸化膜に転換させて酸化膜を形成できる。しかも、電子走行層との界面にＡｌＮ層が形成されていることにより、電子の散乱が抑制されるので、電子移動度を高めることができる。
【００１９】
前記電子供給層が、前記電子走行層に接する第１層と、前記第１層に接するように積層され当該第１層とはＡｌ組成が異なる第２層とを含んでいてもよい。第１層が前記ＡｌＮ層であってもよい。この場合、第２層は、ＡｌＧａＮ層またはＡｌＩｎＮ層であってもよい。
【００２１】
この発明は、さらに、窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、前記電子走行層上に、前記電子走行層とはＡｌ組成が異なり、Ａｌを含む窒化物半導体からなる電子供給層を形成する工程と、前記電子供給層の一部をエッチングして凹部を形成し、前記凹部の底部に、当該凹部外の部分よりも薄く、前記電子走行層に接する薄部を形成する凹部形成工程と、前記薄部を熱酸化することにより、前記薄部全体を酸化膜に転換させる熱酸化工程と、前記酸化膜を挟んで前記電子走行層に対向するゲート電極を形成するゲート形成工程とを含む、窒化物半導体装置の製造方法を提供する。
【００２２】
この方法によれば、電子供給層の一部をエッチングして凹部が形成されて、その凹部の底部に電子供給層の薄部が形成される。この薄部が熱酸化されることによって、薄部全体が酸化膜に転換される。こうして、電子供給層と電子走行層との界面に損傷を与えることなく、凹部の底部において電子供給層を消失させることができる。これにより、ノーマリオフ型のＨＥＭＴ構造を有し、かつ優れたデバイス特性を有する窒化物半導体装置を製造できる。
【００２３】
前記凹部形成工程が、前記薄部の厚さが５ｎｍ以下（好ましくは１〜５ｎｍ）となるように前記電子供給層の一部をエッチングする工程を含むことが好ましい。
この方法によれば、薄部の厚さが５ｎｍ以下となるまでエッチングされるので、その後の熱酸化によって、その薄部全体を確実に酸化膜に転換させることができる。
【００２４】
前記熱酸化工程が、前記薄部から連続する前記凹部の側壁を併せて酸化し、前記酸化膜を前記側壁まで延びるように形成する工程を含むことが好ましい。
この方法によれば、凹部の底部だけでなく、その側壁にまで延びて酸化膜が形成されるので、リークパスをより少なくしてデバイス特性を向上できる。
【００２５】
前記熱酸化工程の後に、前記酸化膜上に絶縁層を形成する工程をさらに含むことが好ましく、この場合に、前記絶縁層の形成後に前記ゲート形成工程が行われることが好ましい。
この方法によれば、酸化膜上に絶縁層が形成され、その絶縁層上のゲート電極を形成できる。これにより、ゲート電極と電子走行層との間に、必要な厚さのゲート絶縁膜を配置できる。絶縁層は、たとえばＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)法で形成されてもよい。
【００２６】
前記電子供給層を形成する工程が、前記電子走行層との界面に、ＡｌＮ層を形成する工程を含むことが好ましい。
この方法により、ＡｌＮ層が電子走行層に接して形成されるので、熱酸化の際に、ＡｌＮ層中の窒素原子（Ｎ）が酸素原子（Ｏ）に転換し、電子走行層との界面の電子供給層（ＡｌＮ層）を確実に消失させることができる。
【００２７】
前記電子供給層を形成する工程が、前記電子走行層に接する第１層を形成する工程と、前記第１層に接するように前記第１層とはＡｌ組成の異なる第２層を形成する工程とを含むことが好ましい。前記第１層は、ＡｌＮ層であってもよい。この場合、前記第２層はＡｌＧａＮ層またはＡｌＩｎＮ層であってもよい。
【００２８】
前記酸化膜の膜厚が、前記絶縁層の層厚よりも小さくなるように、前記酸化膜および絶縁層が形成されることが好ましい。
この方法では、酸化膜の膜厚が薄くても、酸化膜および絶縁層の積層膜からなるゲート絶縁膜は必要な厚さを有することができる。酸化膜を薄くできることにより、ゲート電極直下における電子供給層を確実に消失させることができ、かつ酸化膜の形成によって電子走行層との界面に与える損傷を最小限にとどめることができる。その一方で、ゲート絶縁膜を十分な厚さに形成することによって、絶縁破壊耐圧を向上できる。 
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を説明するための断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１の窒化物半導体装置の製造工程の途中の段階における構成を示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａの後の段階における構成を示す断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２Ｂの後の段階における構成を示す断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、図２Ｃの後の段階における構成を示す断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、図２Ｄの後の段階における構成を示す断面図である。
【図２Ｆ】図２Ｆは、図２Ｅの後の段階における構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を説明するための断面図である。この窒化物半導体装置は、基板１（たとえばシリコン基板）と、基板１の表面に形成されたバッファ層２と、バッファ層２上にエピタキシャル成長された電子走行層３と、電子走行層３上にエピタキシャル成長された電子供給層４とを含む。さらに、この窒化物半導体装置は、電子供給層４の表面を覆うパッシベーション膜５と、パッシベーション膜５に形成されたコンタクト孔６ａ，７ａを貫通して電子供給層４にオーミック接触しているソース電極６およびドレイン電極７とを含む。ソース電極６およびドレイン電極７は、間隔を開けて配置されており、それらの間に、ゲート電極８が配置されている。
【００３１】
電子供給層４には、その表面から電子走行層３に向かって掘り込まれた凹部９が形成されている。この凹部９の底部９ａおよび側壁９ｂを覆うように、酸化膜１１が形成されている。この酸化膜１１に絶縁層１２が積層されており、これらの酸化膜１１および絶縁層１２によってゲート絶縁膜１０が構成されている。ゲート電極８は、ゲート絶縁膜１０を挟んで、凹部９の底部９ａにおいて、電子走行層３に対向している。酸化膜１１が凹部９の底部９ａだけでなく側壁９ｂをも覆うように延びていることにより、リークパスを少なくすることができる。
【００３２】
電子走行層３と電子供給層４とは、Ａｌ組成の異なるIII族窒化物半導体（以下単に「窒化物半導体」という。）からなっている。たとえば、電子走行層３は、ＧａＮ層からなっていてもよく、その厚さは、０．５μｍ程度であってもよい。電子供給層４は、この実施形態では、電子走行層３に接する第１層４１と、第１層４１に接する第２層４２とを有している。第１層４１は、この実施形態では、ＡｌＮ層からなっており、厚さは、たとえば、数原子厚程度（５ｎｍ以下。好ましくは１〜５ｎｍ、より好ましくは１〜３ｎｍ）である。第２層４２は、この実施形態では、ＡｌxＧａ1-xＮ層（０＜ｘ＜１）からなっており、その厚さは、たとえば２０ｎｍ程度である。
【００３３】
このように、電子走行層３と電子供給層４とは、Ａｌ組成の異なる窒化物半導体からなっており、それらの間には格子不整合が生じている。そして、この格子不整合に起因する分極のために、電子走行層３と電子供給層４との界面に近い位置（たとえば界面から数Å程度の距離の位置）には、その分極に起因する二次元電子ガス１５が広がっている。ＡｌＮからなる第１層４１は、電子の散乱を抑制して、電子移動度の向上に寄与する。
【００３４】
凹部９の底部９ａでは、酸化膜１１は、電子供給層４の第１層４１とほぼ等しい膜厚を有している。具体的には、酸化膜１１は、５ｎｍ以下、好ましくは１〜５ｎｍ、より好ましくは１〜３ｎｍの膜厚を有している。酸化膜１１は、電子走行層３に接しており、酸化膜１１と電子走行層３との界面は、電子供給層４と電子走行層３との界面と同一平面内に位置している。換言すれば、酸化膜１１と電子走行層３との界面は、電子供給層４と電子走行層３との界面に連続している。
【００３５】
酸化膜１１は、この実施形態では、熱酸化膜であり、電子走行層３との界面に損傷を与えることなく形成された酸化膜である。また、この酸化膜１１は、絶縁層１２中の窒素濃度よりも高い濃度で窒素を含有している。より具体的には、酸化膜１１中の窒素濃度は、５×１０１６ｃｍ−３以上であり、絶縁層１２中の窒素濃度は、５×１０１６ｃｍ−３未満である。より詳細には、酸化膜１１は、凹部９の底部９ａに接する底部被覆部１１ａにおいて、より高い窒素濃度を有しており、その底部被覆部１１ａにおける窒素濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上であり、凹部９の側壁９ｂを被覆する側壁被覆部１１ｂにおける窒素濃度よりも高い。
【００３６】
絶縁層１２は、たとえば、酸化アルミニウム（アルミナ）からなり、酸化膜１１よりも厚く（たとえば電子供給層４よりも厚くてもよい）形成されている。これにより、酸化膜１１が薄くとも、酸化膜１１とともに必要膜厚のゲート絶縁膜１０を形成していて、絶縁破壊電圧の向上に寄与している。絶縁層１２は、この実施形態では、凹部９内において酸化膜１１に接し、さらに凹部９外にまで延びて形成されている。これにより、一層の耐圧向上が図られている。
【００３７】
ゲート電極８は、絶縁層１２に接するように形成されている。ゲート電極８は、絶縁層１２に接する下層と、この下層上に積層される上層とを有する積層電極膜からなっていてもよい。下層はＮｉまたはＰｔからなっていてもよく、上層はＡｕまたはＡｌからなっていてもよい。ゲート電極８は、ソース電極６寄りに偏って配置され、これにより、ゲート−ソース間距離よりもゲート−ドレイン間距離の方を長くした非対称構造となっている。この非対称構造は、ゲート−ドレイン間に生じる高電界を緩和して耐圧向上に寄与する。
【００３８】
ソース電極６およびドレイン電極７は、たとえば、電子供給層４に接する下層と、この下層に積層された上層とを有していてもよい。下層はＴｉであってもよく、上層はＡｌ層であってもよい。
バッファ層２は、たとえば、ＡｌＧａＮ層であってもよいし、ＡｌＮ層およびＧａＮ層を繰り返し積層した超格子構造を有する層であってもよい。
【００３９】
この窒化物半導体装置では、電子走行層３上にＡｌ組成の異なる電子供給層４が形成されてヘテロ接合が形成されている。これにより、電子走行層３と電子供給層４との界面付近の電子走行層３内に二次元電子ガス１５が形成され、この二次元電子ガス１５をチャネルとして利用したＨＥＭＴが形成されている。ゲート電極８は、酸化膜１１および絶縁層１２の積層膜からなるゲート絶縁膜１０を挟んで電子走行層３に対向しており、ゲート電極８の直下には、電子供給層４は存在しない。したがって、ゲート電極８の直下では、電子供給層４と電子走行層３との格子不整合による分極に起因する二次元電子ガス１５が形成されない。よって、ゲート電極８にバイアスを印加していないとき（ゼロバイアス時）には、二次元電子ガス１５によるチャネルはゲート電極８の直下で遮断されている。こうして、ノーマリオフ型のＨＥＭＴが実現されている。ゲート電極８に適切なオン電圧（たとえば５Ｖ）を印加すると、ゲート電極８の直下の電子走行層３内にチャネルが誘起され、ゲート電極８の両側の二次元電子ガス１５が接続される。これにより、ソース−ドレイン間が導通する。
【００４０】
使用に際しては、たとえば、ソース電極６とドレイン電極７との間に、ドレイン電極７側が正となる所定の電圧（たとえば２００Ｖ〜４００Ｖ）が印加される。その状態で、ゲート電極８に対して、ソース電極６を基準電位（０Ｖ）として、オフ電圧（０Ｖ）またはオン電圧（５Ｖ）が印加される。
酸化膜１１と電子走行層３との界面は、電子供給層４と電子走行層３との界面に連続していて、ゲート電極８の直下における電子走行層３の界面の状態は、電子供給層４と電子走行層３との界面の状態と同等である。そのため、ゲート電極８の直下の電子走行層３における電子移動度は高い状態に保持されている。また、ゲート部にｐｎ接合を有する構成（特許文献２参照）に比較して、十分に高いオン電圧をゲート電極８に印加できる。よって、ゲート電極８にオン電圧を印加したときのデバイス特性も良好である。
【００４１】
こうして、この実施形態は、ノーマリオフ型のＨＥＭＴ構造を有し、かつ優れたデバイス特性を有する窒化物半導体装置を提供する。
図２Ａ〜図２Ｆは、前述の窒化物半導体装置の製造工程の一例を説明するための断面図であり、製造工程における複数の段階における断面構造が示されている。
まず、図２Ａに示すように、基板１上に、バッファ層２および電子走行層３が順にエピタキシャル成長させられ、さらに電子走行層３上に電子供給層４がエピタキシャル成長させられる。そして、さらに、電子供給層４上の全面を被覆するように、たとえば、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）によって、パッシベーション膜５が形成される。パッシベーション膜５は、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなっていてもよく、その膜厚は数百ｎｍ程度が適当である。電子供給層４のエピタキシャル成長は、電子走行層３上にＡｌＮからなる第１層４１をエピタキシャル成長させる工程と、第１層４１上にＡｌＧａＮからなる第２層４２をエピタキシャル成長させる工程とを含む。
【００４２】
次に、図２Ｂに示すように、ゲート電極８の形成位置に合わせて、電子供給層４に凹部９が形成される。具体的には、凹部９を形成すべき位置に開口を有するマスクが形成され、そのマスクを介するドライエッチングによって、パッシベーション膜５が開口され、さらに、電子供給層４の一部がエッチングされて、電子供給層４の表面から電子走行層３に向かって窪んだ凹部９が形成される。このとき、凹部９の底部９ａには、凹部９外の電子供給層４よりも薄く、５ｎｍ以下（好ましくは１〜５ｎｍ、より好ましくは１〜３ｎｍ）の厚さの薄部４ｔが残される。この薄部４ｔは、第１層４１（ＡｌＮ層）のみからなっていてもよいし、第１層４１に加えて第２層４２（ＡｌＧａＮ層）の一部が含まれていてもよい。
【００４３】
次いで、図２Ｃに示すように、熱酸化炉中で酸素ガスを流しながら行う熱酸化処理によって、酸化膜１１が形成される。この熱酸化処理は、薄部４ｔがその厚さ全体に渡って過不足無く酸化膜１１に転換されるように行われる。薄部４ｔに含まれる第１層（ＡｌＮ層）においては、熱酸化処理によって、窒素原子（Ｎ）が酸素原子（Ｏ）に置き換わり、ＡｌaＯb（ただしａ，ｂは正の実数）からなる酸化膜に転換する。これにより、凹部９の底部９ａにおいては、電子供給層４と電子走行層３との界面がなくなり、代わって、酸化膜１１と電子走行層３との界面となる。
【００４４】
この界面は、熱酸化によって形成された界面であり、製造工程中、一度も大気に晒されることなく形成された、極めて良好な界面である。そのため、その界面直下における電子走行層３中の電子移動度はその他の部分と同じ高い値を有する。これにより、低いオン抵抗および高スイッチング速度を実現できる。
熱酸化処理は、凹部９の底部９ａだけでなく、酸素雰囲気に露出されている側壁９ｂにおいても進行するので、酸化膜１１は、底部９ａを覆い、さらに側壁９ｂにまで延びるように形成される。酸化膜１１の底部被覆部１１ａは、ＡｌＮ層からなる第１層４１から転換された部分を含み、側壁被覆部１１ｂはＡｌＧａＮ層からなる第２層４２から酸化膜に転換されている。そのため、酸化膜１１は窒素を含んでおり、その底部被覆部１１ａの窒素濃度は、側壁被覆部１１ｂの窒素濃度よりも高い。
【００４５】
次に、図２Ｄに示すように、露出した表面全域を覆うように絶縁層１２が形成される。したがって、絶縁層１２は、凹部９内において酸化膜１１に接し、凹部９外の領域にまで延びて形成される。絶縁層１２は、酸化膜１１と同種の絶縁膜であることが好ましく、たとえば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなっていてもよい。このような絶縁層１２は、たとえば、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法によって形成することができる。
【００４６】
次に、図２Ｅに示すように、ソース電極６およびドレイン電極７が形成される。具体的には、それらの形成位置に整合するように、絶縁層１２およびパッシベーション膜５を貫通するコンタクト孔６ａ，７ａが形成され、次いで、電極膜が形成される。たとえば、電極膜は、下層としてのＴｉ層および上層としてのＡｌ層を積層した積層金属膜からなり、各層を順に蒸着して形成される。その電極膜がエッチングによってパターニングされ、さらに、シンター処理（たとえば５００℃〜６００℃）が施されることによって、電子供給層４にオーミック接触するソース電極６およびドレイン電極７が形成される。
【００４７】
次いで、図２Ｆに示すように、ゲート電極８の形成位置に開口を有するレジスト膜１６が形成され、その状態の表面全域を覆うように、電極膜１７が形成される。電極膜１７は、たとえば、ＮｉまたはＰｔからなる下層と、ＡｕまたはＡｌからなる上層とを積層した積層金属膜からなり、各層を順に蒸着して形成される。
次に、レジスト膜１６とともに、当該レジスト膜１６上の電極膜１７（電極膜１７の不要部分）がリフトオフされることによって、当該電極膜１７がパターニングされて、ゲート電極８が得られる。さらに、電極６，７，８をマスクとしたエッチングを行って絶縁層１２の露出部分をパッシベーション膜５が露出するまで除去することによって、図１に示す構造の窒化物半導体装置が得られる。
【００４８】
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、電子走行層３がＧａＮ層からなり、電子供給層４がＡｌＮからなる第１層４１およびＡｌＧａＮからなる第２層４２を含む例について説明したが、電子走行層３と電子供給層４とはＡｌ組成が異なっていればよく、他の組み合わせも可能である。たとえば、電子走行層３／第１層４１／第２層４２の組み合わせとしては、ＧａＮ／ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌmＧａ1-mＮ／ＡｌＮ／ＡｌnＧａ1-nＮ（ただし、ｍ≠ｎ）、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ／ＡｌＩｎＮ、ＧａＮ／ＡｌＮ／ＡｌＩｎＮ、ＧａＮ／ＡｌＮ／ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ／ＡｌＮなどを例示できる。むろん、第１層４１および第２層４２をいずれもＡｌＮ層とするときは、第１層４１および第２層４２を区別する必要はない。第２層４２をＡｌＮ以外とする場合でも、必ずしもＡｌＮからなる第１層を設けなくても、凹部９の底部９ａに酸化膜を形成することができる。ただし、電子走行層３に接するようにＡｌＮ層を設けることによって、電子の散乱が抑制され、電子移動度を高めることができるうえに、電子走行層３に接する酸化膜１１を熱酸化法によって確実に形成できる利点がある。
【００４９】
また、前述の実施形態では、ゲート絶縁膜１０を酸化膜１１および絶縁層１２の２層で構成してあるが、３層以上の絶縁膜を積層してゲート絶縁膜１０を形成し、絶縁破壊耐圧をより高めた構成としてもよい。
また、前述の実施形態では、基板１の材料例としてシリコンを例示したが、ほかにも、サファイア基板やＧａＮ基板などの任意の基板材料を適用できる。
【００５０】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１  基板
２  バッファ層
３  電子走行層（ＧａＮ層）
４  電子供給層（ＡｌＧａＮ層）
４１  第１層（ＡｌＮ層）
４２  第２層（ＡｌＧａＮ層）
４ｔ  薄部
５  パッシベーション膜
６  ソース電極
７  ドレイン電極
８  ゲート電極
９  凹部
９ａ  底部
９ｂ  側壁
１０  ゲート絶縁膜
１１  酸化膜
１１ａ  底部被覆部
１１ｂ  側壁被覆部
１２  絶縁層
１５  二次元電子ガス
１６  レジスト膜
１７  電極膜
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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