(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガリウム、アルミニウム、ホウ素およびインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リンおよび砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、
基板上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、前記第１の窒化物半導体層より格子定数が大きく、前記第１の窒化物半導体層から圧縮応力を受けている第２の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層にオーミック接触し、離間して配置された２つのオーミック電極と、前記オーミック電極間に配置され、前記第２の窒化物半導体層に接触する制御電極と、前記制御電極と前記オーミック電極との間に露出する前記第２の窒化物半導体層表面にプラズマ処理領域とを備え、
前記制御電極に印加する電圧が０Ｖのとき、前記制御電極直下にキャリアが存在せず、前記プラズマ処理領域直下に前記プラズマ処理領域を形成することによって発生したキャリアが存在し、オン抵抗の増加を抑制しつつ、ゲートリーク電流およびドレインリーク電流を低減することを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
ガリウム、アルミニウム、ホウ素およびインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リンおよび砒素からなる群のうち少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成された前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置の製造方法において、
基板上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、前記第１の窒化物半導体層より格子定数が大きく、前記第１の窒化物半導体層から圧縮応力を受ける第２の窒化物半導体層とを積層形成する工程と、
前記第１の窒化物半導体層にオーミック接触し、離間して配置された２つのオーミック電極を形成する工程と、
前記オーミック電極間に、前記第２の窒化物半導体層に接触し、印加する電圧が０Ｖのとき、その直下にキャリアが存在しない制御電極を形成する工程と、
前記制御電極と前記オーミック電極との間に露出する前記第２の窒化物半導体層表面をプラズマ処理し、該プラズマ処理領域直下にプラズマ処理前に存在しなかったキャリアを発生させ、オン抵抗の増加を抑制しつつ、ゲートリーク電流およびドレインリーク電流を低減する工程と、を含むことを特徴とする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】
本発明は、能動層に窒化物半導体層を用いた窒化物半導体装置に関し、特に高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility
Transistor）のような、半導体装置に接触する制御電極を有し、インバーターやコンバーターなどのスイッチング装置に応用されるノーマリオフ型の窒化物半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来のIII−Ｖ族窒化物半導体からなる半導体装置の断面図を示している。図５に示す半導体装置は、いわゆるＨＥＭＴ構造を示しており、サファイア基板からなる基板１１上には、低温で成長した窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層１２、窒化ガリウムからなるチャネル層１３、ノンドープの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層１４、ノンドープの窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなるキャップ層１５が順次積層した構造となっており、ゲート電極１８（制御電極）の形成領域を除き、キャップ層１５が除去され、凹部２０が形成されている。ここで、キャップ層１５を構成する窒化インジウムガリウムは、下層のキャリア供給層１４を構成する窒化アルミニウムと比べて、格子定数が大きいため、圧縮応力が加わった状態となっている。
【０００３】
この種の半導体装置は、ゲート電極１８直下には、ゲート電極１８に印加する電圧０Ｖのとき、キャリアが存在せず、ゲート電極１８直下以外の領域のチャネル層１３とキャリア供給層１４とからなるヘテロ接合界面近傍に、ポテンシャル井戸からなる電子移動度が極めて大きい２次元電子ガス層１６が形成されている。このような構造の半導体装置では、ゲート電極１８に印加する電圧を制御することにより、ソース電極１７ａとドレイン電極１７ｂとの間を流れる２次元電子ガス層１６（チャネル）を制御している。即ち、ゲート電極１８に印加する制御電圧が０Ｖのとき、キャップ層１５に加わっている圧縮応力の影響により、ゲート電極１８直下のチャネルにはキャリアが存在せず、ゲート電極１８直下以外のチャネルにはキャリアが存在しているノーマリオフ型となっている。
【０００４】
図６は、従来の別のIII−Ｖ族窒化物半導体からなる半導体装置の断面図を示している。図６に示す半導体装置は、図５で説明したキャップ層１５を形成する代わりに、キャリア供給層１４の組成を窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）として、チャネル層１３と格子整合させ、さらにキャリア供給層１４のアルミニウムの組成を０．１程度まで下げて２次元電子ガス層１６のシートキャリア濃度を低減させることでピンチオフ電圧を浅くし、ノーマリオフ型としている。この種の半導体装置は、例えば非特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】林、他３名、「Sapphire 基板上AlInGaN/GaN ＨＥＭＴの特性評価」、２００５年（平成１７年）秋季第６６回応用物理学会学術講演会講演予稿集第３分冊、応用物理学会、平成１７年９月７日、１２５８頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図５に示す従来の窒化物半導体装置では、ゲート電極１８形成領域以外のキャップ層１５を、反応性エッチングガスを用いたドライエッチング法によりエッチング除去して凹部２０を形成するため、露出するキャリア供給層１４表面に、プラズマによる損傷や表面欠陥が発生してしまう。その結果、チャネル層１３とキャリア供給層１４の界面に形成される２次元電子ガス層１６が減少してしまい、ソース−ゲート間あるいはゲート−ドレイン間のチャネル抵抗が増加し、オン抵抗が高くなるという問題があった。
【０００７】
また図６に示す従来の別の窒化物半導体装置では、キャリア供給層１４をインジウムを含む組成としてチャネル層１３と格子整合させることでピエゾ分極を無くし、さらにアルミニウムの組成を０．１程度まで下げて２次元電子ガス層１６のシートキャリア濃度を低減させるため、動作時のチャネル抵抗が高く、オン抵抗も高いという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解消し、オン抵抗の増加を抑制でき、さらにオフ時のゲートリーク電流およびドレインリーク電流を低減できるノーマリオフ型の窒化物半導体装置およびその製造方法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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素およびインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リンおよび砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、基板上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、前記第１の窒化物半導体層より格子定数が大きく、前記第１の窒化物半導体層から圧縮応力を受けている第２の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層にオーミック接触し、離間して配置された２つのオーミック電極と、前記オーミック電極間に配置され、前記第２の窒化物半導体層に接触する制御電極と、前記制御電極と前記オーミック電極との間に露出する前記第２の窒化物半導体層表面にプラズマ処理領域とを備え、前記制御電極に印加する電圧が０Ｖのとき、前記制御電極直下にキャリアが存在せず、前記プラズマ処理領域直下に前記プラズマ処理領域を形成することによって発生したキャリアが存在し、オン抵抗の増加を抑制しつつ、ゲートリーク電流およびドレインリーク電流を低減することを特徴とする。
【００１０】
本願請求項２に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素およびインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リンおよび砒素からなる群のうち少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成された前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置の製造方法において、基板上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、前記第１の窒化物半導体層より格子定数が大きく、前記第１の窒化物半導体層から圧縮応力を受ける第２の窒化物半導体層とを積層形成する工程と、前記第１の窒化物半導体層にオーミック接触し、離間して配置された２つのオーミック電極を形成する工程と、前記オーミック電極間に、前記第２の窒化物半導体層に接触し、印加する電圧が０Ｖのとき、その直下にキャリアが存在しない制御電極を形成する工程と、前記制御電極と前記オーミック電極との間に露出する前記第２の窒化物半導体層表面をプラズマ処理し、該プラズマ処理領域直下にプラズマ処理前に存在しなかったキャリアを発生させ、オン抵抗の増加を抑制しつつ、ゲートリーク電流およびドレインリーク電流を低減する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の窒化物半導体装置は、制御電極形成領域の近傍の第２の窒化物半導体層表面に、不活性ガスのプラズマに晒されたプラズマ処理領域が形成されることで、制御電極形成領域の近傍にキャリアが生成する。そのため、従来の窒化物半導体装置と比べて、動作時のチャネル抵抗が低く、オン抵抗も低くなり、良好な特性の窒化物半導体装置を得ることができる。
【００１２】
特に、制御電極形成領域以外の第２の窒化物半導体層を完全に除去して第１の窒化物半導体層を露出させた構造の従来の窒化物半導体装置と比べて、オン電流の増大とオフ電流の低減を確認することができた。
【００１３】
また本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、通常の半導体装置の製造工程で使用する不活性ガスのプラズマ処理を施すのみで良く、特別な製造装置を必要とせず、簡便な製造方法である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る第１の実施例の窒化物半導体装置の断面図である。
【図２】本発明に係る第１の実施例である窒化物半導体装置の製造方法の説明図である。
【図３】本発明に係る第２の実施例である窒化物半導体装置の断面図である。
【図４】本発明の窒化物半導体装置の伝達特性を示す図である。
【図５】従来の窒化物半導体装置の断面図である。
【図６】従来の別の窒化物半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、下層の窒化物半導体層の格子定数が、上層の窒化物半導体層の格子定数より小さい材料からなるように選択された窒化物半導体層が積層形成されている窒化物半導体装置であって、上層の窒化物半導体層に制御電極（ゲート電極）が形成されている。さらに、上層の窒化物半導体層表面は、不活性ガスのプラズマに晒されたプラズマ処理領域となっている。以下、本発明の窒化物半導体装置について、III−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴを例にとり、製造工程に従い、詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は本発明の第１の実施例の窒化物半導体装置の断面図であり、図２はその製造方法の説明図である。従来例同様、サファイアからなる基板１１上に、厚さ３０ｎｍ程度の低温成長した窒化ガリウムからなるバッファ層１２、通常の成膜温度で後述するキャリア供給層１４のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ、厚さ２μｍのノンドープ窒化ガリウムからなるチャネル層１３、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガス層を形成する厚さ１０ｎｍのノンドープ窒化アルミニウムガリウムからなるキャリア供給層１４（第１の窒化物半導体層に相当）、厚さ１０ｎｍのノンドープ窒化インジウムガリウムからなるキャップ層１５（第２の窒化物半導体層に相当）を順次積層した基板を用意する（図２ａ）。ここで、図２（ａ）に示すように、キャップ層１５が積層されているため、チャネル層１３とキャリア供給層１４の界面には、２次元電子ガス層は形成されていない。
【００１７】
次に、通常のフォトリソグラフ法により、ソース電極およびドレイン電極形成予定領域を開口するホトレジストをキャップ層１５上にパターニングし、露出するキャップ層１５表面を塩素系のドライエッチング法によりエッチング除去する。その後、通常のリフトオフ法により、チタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／チタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）からなる積層膜を形成し、８５０℃３０秒のＲＴＡ処理で形成することで、キャリア供給層１４にオーミック接触するソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成する（図２ｂ）。ここで、キャップ層１５が除去されることにより、ソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂの直下のチャネル層１３とキャリア供給層１４の界面に、２次元電素ガス層１６が形成される。
【００１８】
次に、キャップ層１５上にニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層膜等からなるゲート電極１８を形成し、キャップ層１５との間にショットキー接触を形成する（図２ｃ）。
【００１９】
その後、ゲート電極１８、ソース電極１７ａおよびドレイン電極１７ｂをマスクとして使用し、露出するキャップ層１５表面を不活性ガスのプラズマに曝して窒化物半導体装置を完成する。ここで、不活性ガスとして窒素を用いた場合、キャップ層１５表面を窒素プラズマ処理する。その結果、ゲート電極１８形成領域以外のチャネル層１３とキャリア供給層１４の界面に２次元電子ガス層１６が生成する（図２ｄ）。ここで、キャップ層１５表面のプラズマ処理は、例えば、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）方式のドライエッチング装置を用い、ＲＦ電力３０Ｗ、ＲＦバイアス１０Ｗ、圧力０．５Ｐａ、窒素流量２０sccm、処理時間５分間等の条件で行う。なお、不活性ガスは、窒素ガスの他、ヘリウム、アルゴン、キセノン等を使用することができる。
【００２０】
このように形成した窒化物半導体装置の伝達特性（ドレイン電圧Ｖｄ＝５Ｖの場合における電流−電圧特性）を図４に示す。このグラフにおいて横軸はゲート−ソース電極間電圧Ｖｇ（Ｖ）を、縦軸はソース-ドレイン間の電流Ｉｄ（Ａ）を示している。なお、図４（ａ）を対数表示にしたものが図４（ｂ）である。また比較のため、従来例で説明した図６に示す構造の窒化物半導体装置の伝達特性を実線で、図４において第１の実施例（■）で示す。本実施例の窒化物半導体装置は、ゲート電圧０Ｖ以上におけるオン電流が、従来例に比べて２倍程度高くなっていることがわかる。さらに、オフ電流は約１桁低減した。このように本実施例では、特性の優れた窒化物半導体装置を提供できることが確認できた。
【００２１】
これは、キャップ層１５を窒素プラズマ処理することで、圧縮応力がかかったキャップ層１５にプラズマによる損傷や欠陥が発生し、圧縮応力が緩和し、あるいは表面準位が変化し、２次元電子ガス層１６が生成したためと考えられる。一方、プラズマ処理の条件によっては、例えば、印加するパワーが大きい場合やプラズマ処理の時間が長いと、キャップ層１５内やキャリア供給層１４にも新たな欠陥が生じてしまい、２次元電子ガスの生成量が低減してしまう場合がある。したがって、印加パワーや処理時間等は、２次元電子ガスを生成し、キャリア供給層１４に２次元電子ガスの生成量を低減させるほどの欠陥等を生じさせない程度に調整する必要がある。
【実施例２】
【００２２】
図３は本発明の第２の実施例の窒化物半導体装置の断面図である。本実施例では、実施例１で説明したゲート電極１８を形成する工程（図２ｃ）までは同じとなる。その後、本実施例では、ゲート電極１８、ソース電極１７ａおよびドレイン電極１７ｂをマスクとして使用し、キャップ層１５を四塩化硅素ガスで２ｎｍプラズマエッチングする。その後、露出したキャップ層１５表面を不活性ガスのプラズマ処理し、窒化物半導体装置を完成する（図３）。ここで、不活性ガスとして窒素を用いた場合、キャップ層１５表面を窒素プラズマ処理する。その結果、ゲート電極１８下部領域以外のチャネル層１３とキャリア供給層１４の界面に２次元電子ガス層１６が生成される。ここで、キャップ層１５表面のプラズマ処理は、例えば、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）方式のドライエッチング装置を用い、ＲＦ電力３０Ｗ、ＲＦバイアス１０Ｗ、圧力０．５Ｐａ、窒素流量２０sccm、処理時間５分間等の条件で行う。なお、不活性ガスは、窒素ガスの他、ヘリウム、アルゴン、キセノン等を使用することができる。
【００２３】
このように形成した窒化物半導体装置の伝達特性（ドレイン電圧Ｖｄ＝５Ｖの場合における電流−電圧特性）を図４に示す。図４において第２の実施例（▲）で示すように、本実施例に係る窒化物半導体装置は、ゲート電圧０Ｖ以上におけるオン電流が、比較例に比べて２倍程度高く、実施例１とほぼ同じ値になっていることがわかった。さらに、オフ電流は実施例１よりも低く、従来例よりも約３桁低減したことがわかる。このように本実施例でも、特性の優れた窒化物半導体装置を提供できることが確認できた。
【００２４】
これは、キャップ層１５表面をエッチングする工程を加えることによって、ゲートリーク電流の主要因であるエピ成長後の表面自然酸化膜やプロセス中の表面欠陥をエッチング除去できたためと考えられる。
【００２５】
なお、本実施例で用いた四塩化硅素プラズマのエッチングレートは、１．４ｎｍ／ｍｉｎと極めて低くすることができるので、本実施例のように浅いエッチングにおいても容易に制御できる。また、エッチングした表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって測定したところ、ＲＭＳ値はエッチング後でも０.５６ｎｍであり、平坦性は非常に優れている。
【００２６】
本実施例においても、プラズマエッチングや窒素プラズマ処理を行う際、その条件によっては、キャップ層１５内やキャリア供給層１４にも新たな欠陥が生じてしまい、２次元電子ガスの生成量が低減してしまう場合がある。したがって、印加パワーや処理時間等は、２次元電子ガスを生成し、キャリア供給層１４に２次元電子ガス生成量を低減させる程の欠陥等の影響が生じない程度に調整する必要がある。
【００２７】
なお、エッチング領域には、反応生成物が残るので、反応生成物を除去するために、電極表面を保護した上で、酸系、あるいはアルカリ系の処理液でエッチング領域を処理し、反応生成物を溶解除去するのが好ましい。この処理によって、反応生成物が除去され、エッチング領域表面を清浄化することができる。
【００２８】
以上説明したとおり本発明によれば、チャネル抵抗が低く、ドレイン電流のＯＮ／ＯＦＦ比が高いノーマリオフ型動作の窒化物半導体装置を提供できることが確認できた。
【００２９】
なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく種々変更可能である。例えば、制御電極の種類、キャップ層およびキャリア供給層の厚さやアルミニウムあるいはインジウムの組成比は、制御電極直下のチャネルにキャリアが存在せず、制御電極直下以外のチャネルにキャリアが存在するように適宜選択、設定することができる。
【００３０】
また、窒化物半導体層は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ系に限定されるものでなく、第１の窒化物半導体層（上記実施例ではキャリア供給層１４に相当）は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮあるいはこれらの混晶化合物を含み、かつ少なくともアルミニウムを含む層で形成することができる。また、制御電極が形成される第２の窒化物半導体層（上記実施例ではキャップ層１５に相当）は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮあるいはこれらの混晶化合物を含み、第１の窒化物半導体層上に製膜されることで、圧縮応力を受ける層で形成することができる。また第２の窒化物半導体層はｐ型の導電性を有する膜で形成することもできる。実施例において使用したサファイア基板の代わりに炭化珪素（ＳｉＣ）基板を用いてもかまわない。その場合は、バッファ層１２として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いる方が好ましい。またサファイア基板の代わりにシリコン（Ｓｉ）基板を用いてもかまわない。
【００３１】
また、第１の窒化物半導体層とオーミック接触する電極の組成は、使用する窒化物半導体層の種類等に応じて、適宜選択すればよい。
【符号の説明】
【００３２】
１１：基板、１２：バッファ層、１３：チャネル層、１４：キャリア供給層、１５：キャップ層、１６：２次元電子ガス層、１７ａ：ソース電極、１７ｂ：ドレイン電極、１８：ゲート電極、１９：凹部、２０：プラズマ処理領域
【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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