(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子走行層を構成する第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層上に形成され、前記第１窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きく、電子供給層を構成する第２窒化物半導体層と、
前記第２窒化物半導体層上に形成され、前記第１窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きくかつ前記第２窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さい第３窒化物半導体層と、
前記第３窒化物半導体層の一部である第１部分の上面に形成されたゲート部とを含み、
前記ゲート部は、前記第３窒化物半導体層の前記第１部分の上面に接触して形成されかつアクセプタ型不純物を含む第４窒化物半導体層と、前記第４窒化物半導体層上に形成されたゲート電極とを含み、
前記第３窒化物半導体層は、前記第２窒化物半導体層の上面に接して形成されかつ前記第２窒化物半導体層よりもＡｌ組成が低く、
前記第４窒化物半導体層は、前記第３窒化物半導体層の上面に接して形成されかつ前記第３窒化物半導体層よりもＡｌ組成が低く、
前記ゲート電極は、前記第４窒化物半導体層の上面に接して形成されており、
前記第３窒化物半導体層は、上面に前記ゲート部が形成された前記第１部分と、上面に前記ゲート部が形成されておらずかつ前記第１部分とＡｌ組成が等しい第２部分とからなる、窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記第３窒化物半導体層は、エピタキシャル成長により形成されている、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項３】
前記第２部分の厚さは、前記第１部分の厚さよりも薄い、請求項１または２に記載の窒化物半導体装置。
【請求項４】
前記第１窒化物半導体層はＧａＮ層からなり、前記第２窒化物半導体層はＡｌＧａＮ層からなり、前記第３窒化物半導体層は、前記第２窒化物半導体層よりもＡｌ組成が低いＡｌＧａＮ層からなり、前記第４窒化物半導体層はｐ型ＧａＮ層からなる、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】
前記第１窒化物半導体層はＧａＮ層からなり、前記第２窒化物半導体層はＡｌＧａＮ層からなり、前記第３窒化物半導体層はＡｌＩｎＧａＮ層からなり、前記第４窒化物半導体層はｐ型ＧａＮ層からなる、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６】
前記第３窒化物半導体層、前記第４窒化物半導体層および前記ゲート電極を覆う絶縁膜をさらに有し、前記絶縁膜は、構成元素にＳｉを含みかつ前記第３窒化物半導体層に接する層を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項７】
前記第１窒化物半導体層は、濃度が４×１０１６ｃｍ−３  以上の第１アクセプタ型不純物を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項８】
前記第１アクセプタ型不純物は炭素である、請求項７に記載の窒化物半導体装置。
【請求項９】
前記第４窒化物半導体層は、濃度が３×１０１７ｃｍ−３  以上の第２アクセプタ型不純物を含む、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】
前記第２アクセプタ型不純物は、炭素またはマグネシウムである、請求項９に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１１】
前記ゲート電極上に形成され、比誘電率が５以下の誘電体からなるｌｏｗ−ｋ膜をさらに含む、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】
前記第２窒化物半導体層はＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）層からなり、
前記第３窒化物半導体層はＡｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ層からなり、
前記ｘ２は、ｘ１／３≦ｘ２≦２・ｘ１／３の範囲内の値である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１３】
前記第２窒化物半導体層はＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ層からなり、
前記第３窒化物半導体層はＡｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ層からなり、
前記ｘ１は、０．１５≦ｘ１≦０．３の範囲内の値であり、前記ｘ２は、０．０５≦ｘ２≦０．２の範囲内の値である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１４】
前記第２窒化物半導体層の膜厚は、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、
前記第３窒化物半導体層の膜厚は、２０ｎｍ以下である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１５】
電子走行層を構成する第１窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第１窒化物半導体層上に、電子供給層を構成しかつ前記第１窒化物半導体層よりもバンドギヤップが大きい第２窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第１窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きくかつ前記第２窒化物半導体層よりもＡｌ組成が低くてバンドギャップが小さい第３窒化物半導体層を、前記第２窒化物半導体層の上面に接するように形成する工程と、
アクセプタ型不純物を含みかつ前記第３窒化物半導体層よりもＡｌ組成が低い第４窒化物半導体層を、前記第３窒化物半導体層の上面に接するように形成する工程と、
前記第４窒化物半導体層の上面に接するようにゲート電極膜を形成する工程と、
前記ゲート電極膜、前記第４窒化物半導体層および前記第３窒化物半導体層を選択的にエッチングすることにより、前記第３窒化物半導体層上に、前記第４窒化物半導体層およびゲート電極を含むゲート部を形成するゲート部形成工程とを含み、
前記ゲート部形成工程によって、上面に前記ゲート部が形成された第１部分と、上面に前記ゲート部が形成されておらずかつ前記第１部分とＡｌ組成が等しい第２部分とからなる第３窒化物半導体層が形成される、窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記ゲート部形成工程においては、前記ゲート電極膜の表面から前記第３窒化物半導体層の厚さ方向途中までエッチングが行われる、請求項１５に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記ゲート部形成工程後に、前記第３窒化物半導体層および前記ゲート部を覆う絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜にソース電極用コンタクト孔およびドレイン電極用コンタクト孔を形成する工程と、
前記ソース電極用コンタクト孔およびドレイン電極用コンタクト孔の内部ならびに前記絶縁膜上に、ソース・ドレイン電極膜を形成する工程と、
前記ソース・ドレイン電極膜を選択的にエッチングすることにより、ソース電極およびドレイン電極を形成する工程とをさらに含む、請求項１５または１６に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記第３窒化物半導体層上に前記ゲート電極を挟む配置されたソース電極およびドレイン電極をさらに含み、
前記ソース電極は、前記ゲート電極を覆うように形成されている、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項１９】
前記第３窒化物半導体層上に前記ゲート電極を挟む配置されたソース電極およびドレイン電極をさらに含み、
前記ゲート電極は、前記ソース電極および前記ドレイン電極の間位置であって、前記ソース電極寄りの位置に配置されている、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【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】
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（High Electron Mobility Transistor;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、ノーマリー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ー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】
ノーマリー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、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、ノーマリーオフを達成する構成を開示している。
特許文献１に記載の半導体装置を製造する際には、ＡｌＧａＮ電子供給層上にｐ型ＧａＮ層が形成され、ｐ型ＧａＮ層上にゲート電極膜が形成される。この後、ｐ型ＧａＮ層およびゲート電極膜が選択的にエッチングされることにより、ｐ型ＧａＮ層およびゲート電極からなるゲート部が形成される。特許文献１に記載の半導体装置では、ゲート部形成工程において、エッチング深さに高い精度が要求される。
【０００７】
この理由について説明する。ｐ型ＧａＮ層およびゲート電極膜を選択的にエッチングする際に、ＡｌＧａＮ電子供給層までエッチングしてしまうと、電子供給層の厚さが減少するので、電子供給層の分極量が減少し、二次元電子ガス密度が減少する。一方、ゲート部直下以外の領域にｐ型ＧａＮ層が残った場合にも、二次元電子ガス密度が減少する。つまり、ゲート部形成工程におけるエッチング深さによって、二次元電子ガス密度が大きく変動する。このため、ゲート部形成工程において、エッチング深さに高い精度が要求される。
【０００８】
この発明の目的は、ゲート部形成工程において要求されるエッチング深さ精度を緩和することができる、窒化物半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態は、電子走行層を構成する第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層上に形成され、前記第１窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きく、電子供給層を構成する第２窒化物半導体層と、前記第２窒化物半導体層上に形成され、前記第１窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きくかつ前記第２窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さい第３窒化物半導体層と、第３窒化物半導体層上に形成されたゲート部とを含み、前記ゲート部は、前記第３窒化物半導体層上に形成されかつアクセプタ型不純物を含む第４窒化物半導体層と、前記第４窒化物半導体層上に形成されたゲート電極とを含む、窒化物半導体装置である。
【００１０】
この構成では、電子供給層を構成する第２窒化物半導体層上に、第１窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きくかつ第２窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さい第３窒化物半導体層が形成され、その上にゲート部が形成されている。このため、ゲート部形成工程において要求されるエッチング深さ精度を緩和することができる。
本発明の一実施形態では、前記第２窒化物半導体層上の前記ゲート部の直下の領域に前記第３窒化物半導体層が形成されているとともに、前記第２窒化物半導体層上の前記ゲート部の直下以外の領域の少なくとも一部に前記第３窒化物半導体層が形成されている。
【００１１】
本発明の一実施形態では、前記ゲート部の直下以外の領域の少なくとも一部に形成された前記第３窒化物半導体層の厚さは、前記ゲート部の直下以外の領域に形成された前記第３窒化物半導体層の厚さよりも薄い。
本発明の一実施形態では、前記第２窒化物半導体層上の前記ゲート部の直下の領域にのみ前記第３窒化物半導体層が形成されている。
【００１２】
本発明の一実施形態では、前記第１窒化物半導体層はＧａＮ層からなり、前記第２窒化物半導体層はＡｌＧａＮ層からなり、前記第３窒化物半導体層は、前記第２窒化物半導体層よりもＡｌ組成が高いＡｌＧａＮ層からなり、前記第４窒化物半導体層はｐ型ＧａＮ層からなる。
本発明の一実施形態では、前記第１窒化物半導体層はＧａＮ層からなり、前記第２窒化物半導体層はＡｌＧａＮ層からなり、前記第３窒化物半導体層はＡｌＩｎＧａＮ層からなり、前記第４窒化物半導体層はｐ型ＧａＮ層からなる。
【００１３】
本発明の一実施形態では、前記第３窒化物半導体層、前記第４窒化物半導体層および前記ゲート電極を覆う絶縁膜をさらに有し、前記絶縁膜は、構成元素にＳｉを含みかつ前記第３窒化物半導体層に接する層を含む。
本発明の一実施形態では、前記第１窒化物半導体層は、濃度が４×１０１６ｃｍ−３  以上の第１アクセプタ型不純物を含む。本発明の一実施形態では、前記第１アクセプタ型不純物は炭素である。
【００１４】
本発明の一実施形態では、前記第４窒化物半導体層は、濃度が３×１０１７ｃｍ−３  以上の第２アクセプタ型不純物を含む。本発明の一実施形態では、前記第２アクセプタ型不純物は、炭素またはマグネシウムである。
本発明の一実施形態では、前記ゲート電極上に形成され、比誘電率が５以下の誘電体からなるｌｏｗ−ｋ膜をさらに含む。
【００１５】
本発明の一実施形態では、前記第２窒化物半導体層はＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）層からなり、前記第３窒化物半導体層はＡｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ層からなり、前記ｘ２は、ｘ１／３≦ｘ２≦２・ｘ１／３の範囲内の値である。
本発明の一実施形態では、前記第２窒化物半導体層はＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ層からなり、前記第３窒化物半導体層はＡｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ層からなり、前記ｘ１は、０．１５≦ｘ１≦０．３の範囲内の値であり、前記ｘ２は、０．０５≦ｘ２≦０．２の範囲内の値である。
【００１６】
本発明の一実施形態では、前記第２窒化物半導体層の膜厚は１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、前記第３窒化物半導体層の膜厚は２０ｎｍ以下である。
本発明の一実施形態では、電子走行層を構成する第１窒化物半導体層を形成する工程と、前記第１窒化物半導体層上に、電子供給層を構成しかつ前記第１窒化物半導体層よりもバンドギヤップが大きい第２窒化物半導体層を形成する工程と、前記第２窒化物半導体層上に、前記第１窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きくかつ前記第２窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さい第３窒化物半導体層を形成する工程と、前記第３窒化物半導体層上に、アクセプタ型不純物を含む第４窒化物半導体層を形成する工程と、前記第４窒化物半導体層上に、ゲート電極膜を形成する工程と、前記ゲート電極膜、前記第４窒化物半導体層および前記第３窒化物半導体層を選択的にエッチングすることにより、前記第３窒化物半導体層上に、前記第４窒化物半導体層および前記ゲート電極からなるゲート部を形成するゲート部形成工程とを含む、窒化物半導体装置の製造方法である。
【００１７】
この構成では、ゲート電極膜、第４窒化物半導体層および第３窒化物半導体層を選択的にエッチングすることによってゲート部が形成されるので、ゲート部形成工程において要求されるエッチング深さ精度を緩和することができる。
本発明の一実施形態では、前記ゲート部形成工程においては、前記電極膜の表面から前記第３窒化物半導体層の厚さ方向途中までエッチングが行われる。
【００１８】
本発明の一実施形態では、前記ゲート部形成工程後に、前記第３窒化物半導体層および前記ゲート部を覆う絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜にソース電極用コンタクト孔およびドレイン電極用コンタクト孔を形成する工程と、前記ソース電極用コンタクト孔およびドレイン電極用コンタクト孔の内部ならびに前記絶縁膜上に、ソース・ドレイン電極膜を形成する工程と、前記ソース・ドレイン電極膜を選択的にエッチングすることにより、ソース電極およびドレイン電極を形成する工程とをさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、この発明の第１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、前記窒化物半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａの次の工程を示す断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２Ｂの次の工程を示す断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、図２Ｃの次の工程を示す断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、図２Ｄの次の工程を示す断面図である。
【図２Ｆ】図２Ｆは、図２Ｅの次の工程を示す断面図である。
【図２Ｇ】図２Ｇは、図２Ｆの次の工程を示す断面図である。
【図３】図３は、この発明の第２実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を示す断面図である。
【図４】図４は、比較例に係る窒化物半導体装置の構成を示す断面図である。
【図５】図５は、比較例のゲート部形成工程時に、ゲート部直下以外の領域において第２窒化物半導体層の厚さ方向途中までエッチングが行われた場合のエネルギー分布を示すエネルギーバンド図である。
【図６】図６は、表面ドナー順位ＥＤＤをパラメータとして、比較例のゲート部直下以外の領域での第２窒化物半導体層の膜厚に対する二次元電子ガス密度（シートキャリア密度）ＮＳの特性を示すグラフである。
【図７】図７は、比較例のゲート部形成工程時に、ゲート部直下以外の領域において、第２窒化物半導体層上に第４窒化物半導体層が残ってしまった場合のエネルギー分布を示すエネルギーバンド図である。
【図８】図８は、表面ドナー順位ＥＤＤをパラメータとして、比較例のゲート部直下以外の領域での第２窒化物半導体層上に残った第４窒化物半導体層の膜厚（残りｐ−ＧａＮ膜厚）に対する二次元電子ガス密度（シートキャリア密度）ＮＳの特性を示すグラフである。
【図９】図９は、第１実施形態のゲート部形成工程によって、ゲート部直下以外の領域において、第２窒化物半導体層上に第３窒化物半導体層が残ったときの、エネルギー分布を示すエネルギーバンド図である。
【図１０】図１０は、表面ドナー順位ＥＤＤをパラメータとして、第１実施形態のゲート部直下以外の領域において第２窒化物半導体層上に残った第３窒化物半導体層の膜厚（残り低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ膜厚）に対する二次元電子ガス密度（シートキャリア密度）ＮＳの特性を示すグラフである。
【図１１】図１１は、この発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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、この発明の第１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。
窒化物半導体装置１は、基板２と、基板２の表面に形成されたバッファ層３と、バッファ層３上にエピタキシャル成長された第１窒化物半導体層４と、第１窒化物半導体層４上にエピタキシャル成長された第２窒化物半導体層５とを含む。さらに、この窒化物半導体装置１は、第２窒化物半導体層５上にエピタキシャル成長された第３窒化物半導体層６と、第３窒化物半導体層上に形成されたゲート部２０とを含む。ゲート部２０は、第３窒化物半導体層６上にエピタキシャル成長された第４窒化物半導体層７と、第４窒化物半導体層７上に形成されたゲート電極８とを含む。
【００２１】
さらに、この窒化物半導体装置１は、第３窒化物半導体層６およびゲート部２０を覆うパッシベーション膜９と、パッシベーション膜９上に積層されたバリアメタル膜１０とを含む。さらに、この窒化物半導体装置１は、パッシベーション膜９とバリアメタル膜１０との積層膜に形成されたソース電極用コンタクト孔１１ａおよびドレイン電極用コンタクト孔１２ａを貫通して第３窒化物半導体層６にオーミック接触しているソース電極１１およびドレイン電極１２とを含む。ソース電極１１およびドレイン電極１２は、間隔を開けて配置されている。ソース電極１１は、ゲート部２０を覆うように形成されている。
【００２２】
基板２は、たとえば、低抵抗のシリコン基板であってもよい。低抵抗のシリコン基板は、たとえば、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３（より具体的には１×１０１８ｃｍ−３程度）の不純物濃度を有していてもよい。また、基板２は、低抵抗のシリコン基板の他、低抵抗のＧａＮ基板、低抵抗のＳｉＣ基板等であってもよい。
バッファ層３は、複数の窒化物半導体膜を積層した多層バッファ層から構成されており、その膜厚は０．２μｍ程度であってもよい。この実施形態では、バッファ層３は、基板２の表面に接するＡｌＮ膜からなる第１バッファ層３１と、この第１バッファ層３１の表面（基板２とは反対側の表面）に積層されたＡｌＧａＮ膜からなる第２バッファ層３２とから構成されている。バッファ層３は、たとえば、ＡｌＮの単膜から構成されていてもよい。
【００２３】
第１窒化物半導体層４は、電子走行層を構成している。この実施形態では、第１窒化物半導体層４は、アクセプタ型不純物がドーピングされたＧａＮ層からなり、その厚さは１．０μｍ程度である。アクセプタ型不純物の濃度は、４×１０１６ｃｍ−３以上であることが好ましい。この実施形態では、アクセプタ型不純物は、Ｃ（炭素）である。
第２窒化物半導体層５は、電子供給層を構成している。第２窒化物半導体層５は、第１窒化物半導体層４よりもバンドギャップの大きい窒化物半導体からなっている。具体的には、第２窒化物半導体層５は、第１窒化物半導体層４よりもＡｌ組成の高い窒化物半導体からなっている。窒化物半導体においては、Ａｌ組成が高いほどバッドギャップは大きくなる。この実施形態では、第２窒化物半導体層５は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ層（０＜ｘ１＜１）からなり、その厚さは１０ｎｍ程度である。第２窒化物半導体層５の膜厚は、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
このように第１窒化物半導体層４（電子走行層）と第２窒化物半導体層５（電子供給層）とは、バンドギャップ（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、第１窒化物半導体層４および第２窒化物半導体層５の自発分極ならびにそれらの間の格子不整合に起因するピエゾ分極によって、第１窒化物半導体層４と第２窒化物半導体層５との界面における第１窒化物半導体層４の伝導帯のエネルギーレベルはフェルミ準位よりも低くなる。これにより、第１窒化物半導体層４と第２窒化物半導体層５との界面に近い位置（たとえば界面から数Å程度の距離）には、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）１５が広がっている。
【００２５】
第３窒化物半導体層（エッチング精度緩和層）６は、第１窒化物半導体層４のバンドギャップよりも大きく、かつ第２窒化物半導体層５のバンドギャップよりも小さい窒化物半導体からなる。この実施形態では、第３窒化物半導体層６は、第２窒化物半導体層５よりもＡｌ組成が低いＡｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ層（０＜ｘ２＜１，ｘ２＜ｘ１）からなる。ｘ２は、ｘ１／３≦ｘ２≦２・ｘ１／３の範囲内の値であることが好ましい。また、ｘ１は、０．１５≦ｘ１≦０．３の範囲内の値であり、ｘ２は、０．０５≦ｘ２≦０．２の範囲内の値であることが好ましい。
【００２６】
この実施形態では、第３窒化物半導体層６におけるゲート部２０の直下部分の膜厚は、第３窒化物半導体層６におけるゲート部２０の直下以外の部分の膜厚よりも厚い。以下の説明において、第３窒化物半導体層６におけるゲート部直下の部分を厚部６１といい、第３窒化物半導体層６における厚部６１以外の部分を薄部６２という場合がある。第３窒化物半導体層６の厚部６１の厚さは１０ｎｍ以下であることが好ましい。この実施形態では、第３窒化物半導体層６の厚部６１の厚さは１０ｎｍ程度である。第３窒化物半導体層６は、窒化物半導体装置１の製造時において、ゲート部２０の形成時に要求されるエッチング深さ精度を緩和するために設けられている。
【００２７】
第４窒化物半導体層７は、第３窒化物半導体層６の厚部６１上に形成されている。第４窒化物半導体層７は、アクセプタ型不純物がドーピングされた窒化物半導体からなる。この実施形態では、第４窒化物半導体層７は、アクセプタ型不純物がドーピングされたＧａＮ層（ｐ型ＧａＮ層）からなっており、その厚さは６０ｎｍ程度である。アクセプタ型不純物の濃度は、３×１０１７ｃｍ−３以上であることが好ましい。この実施形態では、アクセプタ型不純物は、Ｍｇ（マグネシウム）である。アクセプタ型不純物は、Ｃ（炭素）等のＭｇ以外のアクセプタ型不純物であってもよい。第４窒化物半導体層７は、ゲート部２０の直下の領域において、第１窒化物半導体層４（電子走行層）と第２窒化物半導体層５（電子供給層）との界面に生じる二次元電子ガス１５を相殺するために設けられている。
【００２８】
ゲート電極８は、第４窒化物半導体層７に接するように形成されている。ゲート電極８は、この実施形態では、ＴｉＮ層から構成されており、その厚さは１００ｎｍ程度である。ゲート電極８は、ソース電極用コンタクト孔１１ａ寄りに偏って配置されている。
パッシベーション膜９は、第３窒化物半導体層６の薄部６２の表面（コンタクト孔１１ａ，１２ａが臨んでいる領域を除く）、第３窒化物半導体層６の厚部６１および第４窒化物半導体層７の側面ならびにゲート電極８の側面および表面を覆っている。この実施形態では、パッシベーション膜９はＳｉＮ膜からなり、その厚さは１００ｎｍ程度である。
【００２９】
パッシベーション膜９上には、バリアメタル膜１０が積層されている。この実施形態では、バリアメタル膜１０はＴｉＮ膜からなり、その厚さは５０ｎｍ程度である。
ソース電極１１およびドレイン電極１２は、たとえば、第３窒化物半導体層６に接する下層と、下層に積層された中間層と、中間層に積層された上層とを有していてもよい。下層は厚さが２０ｎｍ程度のＴｉであってよく、中間層は２００ｎｍのＡｌであってよく、上層は厚さが５０ｎｍ程度のＴｉＮであってもよい。
【００３０】
この窒化物半導体装置１では、第１窒化物半導体層４（電子走行層）上にバンドギャップ（Ａｌ組成）の異なる第２窒化物半導体層５（電子供給層）が形成されてヘテロ接合が形成されている。これにより、第１窒化物半導体層４と第２窒化物半導体層５との界面付近の第１窒化物半導体層４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、ｐ型ＧａＮ層からなる第４窒化物半導体層７および第３窒化物半導体層６の厚部６１を挟んで第２窒化物半導体層５に対向している。ゲート電極８の下方においては、ｐ型ＧａＮ層からなる第４窒化物半導体層７に含まれるイオン化アクセプタによって、第１窒化物半導体層４および第２窒化物半導体層５のエネルギーレベルが引き上げられるため、ヘテロ接合界面における伝導帯のエネルギーレベルはフェルミ順位よりも高くなる。したがって、ゲート電極８（ゲート部２０）の直下では、第１窒化物半導体層４および第２窒化物半導体層５の自発分極ならびにそれらの格子不整合によるピエゾ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、ノーマリーオフ型の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３Ｖ）を印加すると、ゲート電極８の直下の第１窒化物半導体層４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。
【００３１】
使用に際しては、たとえば、ソース電極１１とドレイン電極１２との間に、ドレイン電極１２側が正となる所定の電圧（たとえば２００Ｖ〜３００Ｖ）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１１を基準電位（０Ｖ）として、オフ電圧（０Ｖ）またはオン電圧（３Ｖ）が印加される。
図２Ａ〜図２Ｇは、前述の窒化物半導体装置１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。
【００３２】
まず、図２Ａに示すように、基板２上に、バッファ層３および第１窒化物半導体層（電子走行層）４が順にエピタキシャル成長される。さらに、第１窒化物半導体層４上に第２窒化物半導体層（電子供給層）５がエピタキシャル成長される。さらに、第２窒化物半導体層５上に、第３窒化物半導体層６および第４窒化物半導体層７が順にエピタキシャル成長される。
【００３３】
次に、図２Ｂに示すように、第４窒化物半導体層７上にゲート電極膜２１が形成される。ゲート電極膜２１は、たとえば、ＴｉＮの金属膜からなる。
次に、図２Ｃに示すように、ゲート電極膜２１表面におけるゲート電極作成予定領域を覆うレジスト膜２２が形成される。そして、レジスト膜２２をマスクとして、ゲート電極膜２１、第４窒化物半導体層７および第３窒化物半導体層６が選択的にエッチングされる。このエッチングは、第３窒化物半導体層６の厚さ方向途中まで行われる。つまり、第３窒化物半導体層６がその厚さ方向途中まで除去され、第２窒化物半導体層５の表面が露出する前にエッチングが停止される。
【００３４】
これにより、ゲート電極膜２１がパターニングされてゲート電極８が得られる。また、第４窒化物半導体層７と第３窒化物半導体層６の一部とが、ゲート電極８と同じパターンにパターニングされる。第３窒化物半導体層６におけるゲート電極８の直下以外の部分の厚さは、ゲート電極８の直下部分の厚さよりも薄くなる。これにより、第３窒化物半導体層６は、ゲート電極８の直下の厚部６１とそれ以外の薄部６２とから構成されることになる。このようにして、第３窒化物半導体層６上に、第４窒化物半導体層７およびゲート電極８からなるゲート部２０が形成される。
【００３５】
次に、レジスト膜２２が除去される。この後、図２Ｄに示すように、露出した表面全域を覆うように、パッシベーション膜９が形成される。そして、パッシベーション膜９の表面にバリアメタル膜１０が形成される。パッシベーション膜９は、たとえばＳｉＮ層からなる。バリアメタル膜１０は、たとえばＴｉＮ層からなる。
次に、図２Ｅに示すように、パッシベーション膜９に、ソース電極用コンタクト孔１１ａおよびドレイン電極用コンタクト孔１２ａが形成される。
【００３６】
次に、図２Ｆに示すように、露出した表面全域を覆うようにソース・ドレイン電極膜２３が形成される。ソース・ドレイン電極膜２３は、下層としてのＴｉ層、中間層としてのＡｌ層および上層としてのＴｉＮ層を積層した積層金属膜からなり、各層を順に蒸着することによって形成される。
次に、図２Ｇに示すように、ソース・ドレイン電極膜２３がエッチングによってパターニングされ、さらにアニール処理が施されることによって、第３窒化物半導体層６にオーミック接触するソース電極１１およびドレイン電極１２が形成される。こうして、図１に示すような構造の窒化物半導体装置１が得られる。
【００３７】
前述の図２Ｃに示すゲート部２０の形成工程においては、ゲート電極膜２１、第４窒化物半導体層７および第３窒化物半導体層６のエッチングは、第３窒化物半導体層６がその厚さ方向途中まで選択的に除去されるまで行われている。しかしながら、このエッチングを、第２窒化物半導体層５の表面が露出するまで行ってもよい。
図３は、この発明の第２実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を示す断面図である。図３において、前述の図１の各部に対応する部分には、図１と同じ符号を付して示す。
【００３８】
図３に示す窒化物半導体装置１Ａは、前述したゲート部２０の形成工程において、第２窒化物半導体層５の表面が露出するまでエッチングを行った場合に得られる窒化物半導体装置である。図３においては、説明の便宜上、ゲート部２０の形成工程において、第２窒化物半導体層５の表面がエッチングされることなく、第２窒化物半導体層５の表面が露出されるまで、第３窒化物半導体層６が選択的にエッチングされたと仮定した場合に得られる窒化物半導体装置１Ａを示している。この窒化物半導体装置１Ａでは、ゲート部２０の直下においては第３窒化物半導体層６が存在するが、ゲート部２０の直下以外の領域においては第３窒化物半導体層６は存在していない。
【００３９】
前述の第１または第２実施形態に係る窒化物半導体装置１，１Ａでは、第２窒化物半導体層（電子供給層）５上に、第１窒化物半導体層（電子走行層）４よりもバンドギャップが大きく（Ａｌ組成が高く）、第２窒化物半導体層５よりもバンドギャップが小さい（Ａｌ組成が低い）第３窒化物半導体層６が形成されている。そして、第３窒化物半導体層６上に第４窒化物半導体層７を介してゲート電極８が設けられている。これにより、ゲート部２０を形成する際に要求されるエッチング深さ精度を緩和することができる。以下、この理由について詳しく説明する。
【００４０】
図１の窒化物半導体装置１に対して、第３窒化物半導体層６が設けられていない構成の窒化物半導体装置を比較例ということにする。図４は、比較例に係る窒化物半導体装置１０１の構成を示す断面図である。比較例に係る窒化物半導体装置１０１では、第２窒化物半導体層５の一部の上に第４窒化物半導体層７が形成され、その上にゲート電極８が設けられている。したがって、比較例に係る窒化物半導体装置１０１では、第２窒化物半導体層５上に、第４窒化物半導体層７とゲート電極８とからなるゲート部２０が形成されている。このゲート部２０は、第２窒化物半導体層５上に第４窒化物半導体層７およびゲート電極膜を形成した後、ゲート電極膜および第４窒化物半導体層７を選択的にエッチングすることにより形成される。
【００４１】
まず、第３窒化物半導体層６が設けられていない比較例においては、ゲート部２０の形成工程において、エッチング深さに高い精度が要求される理由について説明する。
比較例では、ゲート部２０の形成工程において、ゲート部２０の直下以外の領域において、第２窒化物半導体層５の厚さ方向途中までエッチングが行われてしまうおそれがある。そうすると、第２窒化物半導体層５の膜厚が本来の膜厚よりも薄くなるので、第２窒化物半導体層５の分極量が減少する。この結果、二次元電子ガス密度（シートキャリア密度）が減少する。
【００４２】
図５は、比較例のゲート部形成工程時に、ゲート部直下以外の領域において第２窒化物半導体層の厚さ方向途中までエッチングが行われた場合のエネルギー分布を示すエネルギーバンド図である。図５において、ＧａＮは第１窒化物半導体層４を示し、ＡｌＧａＮは第２窒化物半導体層５を示している。図５において、ＥはＡｌＧａＮの内部電界を示している。
【００４３】
ゲート部２０の直下以外の領域においては、図５に示すように、第１窒化物半導体層４と第２窒化物半導体層５との界面における第１窒化物半導体層４の伝導帯のエネルギーレベルＥＣはフェルミ準位ＥＦよりも低くなり、第１窒化物半導体層４内に二次元電子ガスが発生する。
この場合、表面ドナー順位ＥＤＤは次式(1)で表されるので、二次元電子ガス密度（シートキャリア密度）ＮＳは次式(2)で表される。
【００４４】
【数１】
0006767741.tif 000002
【００４５】
前記式(1)における各符号の定義は次の通りである。
ｑ：素電荷量
ＮＳ：二次元電子ガス密度
ＥＤＤ：表面ドナー順位
ΔＥＣ：ＡｌＮとＧａＮの伝導帯エネルギー差
ｄ：ＡｌＧａＮの膜厚
ε０：真空の誘電率
εＡｌＧａＮ：ＡｌＧａＮの比誘電率
εＧａＮ：ＧａＮの比誘電率
ＮＴ：ＧａＮの深いアクセプタ密度
ＥＤＡ：ＧａＮの深いアクセプタ準位
ＮＤ：ＧａＮのドナー密度
Ｗ：ＡｌＧａＮの分極によってＧａＮ中の深いアクセプタが正孔放出する幅
Ｐ：ＡｌＧａＮとＧａＮの分極量の差（ＡｌＧａＮ／ＧａＮの界面での総分極量）
Ｐ＝Ｐｓｐ（ＡｌＧａＮ）＋Ｐｐｚ（ＡｌＧａＮ）−Ｐｓｐ（ＧａＮ）
Ｐｓｐ（ＡｌＧａＮ）：ＡｌＧａＮの自発分極量
Ｐｐｚ（ＡｌＧａＮ）：ＡｌＧａＮのピエゾ分極量
Ｐｓｐ（ＧａＮ）：ＧａＮの自発分極量
前記式(2)から、第２窒化物半導体層（ＡｌＧａＮ層）５の膜厚ｄが薄くなると、二次元電子ガス密度が減少することがわかる。
【００４６】
図６は、表面ドナー順位ＥＤＤをパラメータとして、比較例のゲート部直下以外の領域での第２窒化物半導体層の膜厚に対する二次元電子ガス密度（シートキャリア密度）ＮＳの特性を示すグラフである。表面ドナー順位ＥＤＤは、０．７ｅＶから１．３ｅＶまで０．１ｅＶずつ変化させている。第２窒化物半導体層（ＡｌＧａＮ層）５のＡｌ組成は２０％である。
【００４７】
図６から、ゲート部２０の直下以外の領域において、第２窒化物半導体層５の厚さ方向途中までエッチングが行われた場合、第２窒化物半導体層５の膜厚に応じて二次元電子ガス密度ＮＳが大きく変動することがわかる。
また、比較例では、ゲート部２０の形成工程において、ゲート部２０の直下以外の領域において、第２窒化物半導体層５上に第４窒化物半導体層７が残ってしまうおそれがある。
【００４８】
図７は、比較例のゲート部形成工程時に、ゲート部直下以外の領域において、第２窒化物半導体層上に第４窒化物半導体層が残ってしまった場合のエネルギー分布を示すエネルギーバンド図である。図７において、ＧａＮは第１窒化物半導体層４を示し、ＡｌＧａＮは第２窒化物半導体層５を示し、ｐ−ＧａＮは第４窒化物半導体層７を示している。図７において、ＥはＡｌＧａＮの内部電界を示している。
【００４９】
ゲート部２０の直下以外の領域において、第２窒化物半導体層５上に第４窒化物半導体層７が残った場合にも、第１窒化物半導体層４内に二次元電子ガスは発生する。この二次元電子ガスによって、第４窒化物半導体層（ｐ−ＧａＮ層）７内には、第４窒化物半導体層７における第２窒化物半導体層（ＡｌＧａＮ層）５側とは反対側の表面から第２窒化物半導体層５側の表面に向かう方向の電界が発生する。言い換えれば、第４窒化物半導体層（ｐ−ＧａＮ層）７内には、傾きが図７の右斜め上方向となる電界が発生する。この電界によって、第１窒化物半導体層４および第２窒化物半導体層５の伝導帯のエネルギーレベルＥＣが引き上げられるため、二次元電子ガスが減少する。
【００５０】
この場合、二次元電子ガス密度（シートキャリア密度）ＮＳは次式(3)で表される。
【００５１】
【数２】
0006767741.tif 000003
【００５２】
前記式(3)における各符号の定義は次の通りである。
ｑ：素電荷量
ＮＳ：二次元電子ガス密度
ＥＤＤ：表面ドナー順位
ΔＥＣ：ＡｌＧａＮとＧａＮの伝導帯エネルギー差
ε０：真空の誘電率
εＡｌＧａＮ：ＡｌＧａＮの比誘電率
εＧａＮ：ＧａＮの比誘電率
ｄＡｌＧａＮ：ＡｌＧａＮの膜厚
ｄＧａＮ：ｐ−ＧａＮの膜厚
ＮＴ：ＧａＮの深いアクセプタ密度
ＥＤＡ：ＧａＮの深いアクセプタ準位
ＮＤ：ＧａＮのドナー密度
Ｗ：ＡｌＧａＮの分極によってＧａＮ中の深いアクセプタが正孔放出する幅
Ｐ：ＡｌＧａＮとＧａＮの分極量の差（ＡｌＧａＮ／ＧａＮの界面での総分極量）
Ｐ＝Ｐｓｐ（ＡｌＧａＮ）＋Ｐｐｚ（ＡｌＧａＮ）−Ｐｓｐ（ＧａＮ）
Ｐｓｐ（ＡｌＧａＮ）：ＡｌＧａＮの自発分極量
Ｐｐｚ（ＡｌＧａＮ）：ＡｌＧａＮのピエゾ分極量
Ｐｓｐ（ＧａＮ）：ＧａＮの自発分極量
ＮＡ：ｐ−ＧａＮのアクセプタ濃度
前記式(3)から、ゲート部直下以外の領域において第２窒化物半導体層５上に残った第４窒化物半導体層（ｐ−ＧａＮ層）７の膜厚ｄＧａＮが厚くなると、二次元電子ガス密度が減少することがわかる。
【００５３】
図８は、表面ドナー順位ＥＤＤをパラメータとして、比較例のゲート部直下以外の領域での第２窒化物半導体層上に残った第４窒化物半導体層の膜厚（残りｐ−ＧａＮ膜厚）に対する二次元電子ガス密度（シートキャリア密度）ＮＳの特性を示すグラフである。表面ドナー順位ＥＤＤは、０．５ｅＶから１．１ｅＶまで０．１ｅＶずつ変化させている。第２窒化物半導体層（ＡｌＧａＮ層）５のＡｌ組成は２０％であり、その膜厚は１０ｎｍである。
【００５４】
図８から、ゲート部２０の直下以外の領域において、第２窒化物半導体層５上に第４窒化物半導体層７が残った場合、残った第４窒化物半導体層７の膜厚に応じて二次元電子ガス密度ＮＳが大きく変動することがわかる。
つまり、比較例では、ゲート部２０の形成工程において、ゲート部２０の直下以外の領域において、第２窒化物半導体層５の厚さ方向途中までエッチングが行われた場合または第２窒化物半導体層５上に第４窒化物半導体層７が残った場合のいずれの場合でも、二次元電子ガス密度ＮＳが大きく変動する。このため、比較例では、ゲート部２０の形成工程において、エッチング深さに高い精度が要求される。
【００５５】
これに対して、第１または第２実施形態では、第２窒化物半導体層（ＡｌＧａＮ層）５上に第３窒化物半導体層（低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層）６が形成されている。このため、ゲート部２０の形成工程時には、第３窒化物半導体層６の膜厚方向の途中までエッチングを行えば、ゲート部２０の直下以外の領域において、第２窒化物半導体層５の表層部がエッチングされたり、第４窒化物半導体層７が残ったりしなくなる。このため、ゲート部２０の形成工程時に、少なくとも第３窒化物半導体層６の膜厚分だけ、エッチングの深さ精度が緩和される。
【００５６】
このように第２窒化物半導体層５上に第３窒化物半導体層６が形成されているので、ゲート部２０の直下に第３窒化物半導体層６が存在する。しかし、第３窒化物半導体層６のＡｌ組成は、第２窒化物半導体層５のＡｌ組成よりも低いため、ゼロバイアス時の第４窒化物半導体層７による二次元電子ガスの打消し効果への影響は小さい。
また、ゲート部２０の形成工程によって、ゲート部２０の直下以外の領域において、第２窒化物半導体層５上に第３窒化物半導体層６が残ったとしても、第１窒化物半導体層４内の二次元電子ガス密度への影響は小さい。
【００５７】
図９は、第１実施形態のゲート部形成工程によって、ゲート部下以外の領域において、第２窒化物半導体層上に第３窒化物半導体層が残ったときの、エネルギー分布を示すエネルギーバンド図である。図９において、ＧａＮは第１窒化物半導体層４を示し、ＡｌＧａＮは第２窒化物半導体層５を示し、低Ａｌ組成ＡｌＧａＮは第３窒化物半導体層６を示している。図９において、ＥはＡｌＧａＮの内部電界を示している。
【００５８】
ゲート部２０の直下以外の領域において、第２窒化物半導体層５上に第３窒化物半導体層６が残った場合には、その第３窒化物半導体層（低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層）６内に、第１窒化物半導体層４内の二次元電子ガスに基づく電界と、第３窒化物半導体層６の分極に基づく電界とが発生する。二次元電子ガスに基づく電界の方向は、第３窒化物半導体層６における第２窒化物半導体層５（ＡｌＧａＮ層）側とは反対側の表面から第２窒化物半導体層５側の表面に向かう方向である。つまり、二次元電子ガスに基づく電界の傾きは、図９において右斜め上方となる。
【００５９】
これに対し、第３窒化物半導体層６の分極に基づく電界の方向は、第３窒化物半導体層６における第２窒化物半導体層（ＡｌＧａＮ層）５側の表面から第２窒化物半導体層５側とは反対側の表面に向かう方向である。つまり、第３窒化物半導体層６の分極に基づく電界の傾きは、図９において左斜め上方となる。したがって、これらの電界が相殺されるので、第３窒化物半導体層６内における電界は厚さ方向にフラットとなる。このため、ゲート部２０の直下以外の領域において、第２窒化物半導体層５上に第３窒化物半導体層６が残ったとしても、第１窒化物半導体層４および第２窒化物半導体層５の伝導帯のエネルギーレベルＥＣはほとんど変化しないので、二次元電子ガス密度の変動は小さい。
【００６０】
この場合、二次元電子ガス密度（シートキャリア密度）ＮＳは次式(4)で表される。
【００６１】
【数３】
0006767741.tif 000004
【００６２】
前記式(4)における各符号の定義は次の通りである。
ｑ：素電荷量
ＮＳ：二次元電子ガス密度
ＥＤＤ：表面ドナー順位
ΔＥＣｂ：ＡｌＧａＮ（電子供給層）とＧａＮの伝導帯エネルギー差
ΔＥＣｓ：低Ａｌ組成ＡｌＧａＮとＡｌＧａＮ（電子供給層）の伝導帯エネルギー差
ε０：真空の誘電率
εｓ：低Ａｌ組成ＡｌＧａＮの比誘電率
εｂ：ＡｌＧａＮ（電子供給層）の比誘電率
ｄｓ：低Ａｌ組成ＡｌＧａＮの膜厚
ｄｂ：ＡｌＧａＮ（電子供給層）の膜厚
ＮＴ：ＧａＮの深いアクセプタ密度
ＥＤＡ：ＧａＮの深いアクセプタ準位
ＮＤ：ＧａＮのドナー密度
Ｗ：ＡｌＧａＮの分極によってＧａＮ中の深いアクセプタが正孔放出する幅
Ｐｂ：ＡｌＧａＮ（電子供給層）とＧａＮの分極量の差（ＡｌＧａＮ／ＧａＮの界面での総分極量）
Ｐｂ＝Ｐｓｐ（ＡｌＧａＮ）＋Ｐｐｚ（ＡｌＧａＮ）−Ｐｓｐ（ＧａＮ）
Ｐｓｐ（ＡｌＧａＮ）：ＡｌＧａＮ（電子供給層）の自発分極量
Ｐｐｚ（ＡｌＧａＮ）：ＡｌＧａＮ（電子供給層）のピエゾ分極量
Ｐｓｐ（ＧａＮ）：ＧａＮの自発分極量
Ｐｓ：低Ａｌ組成ＡｌＧａＮとＧａＮの分極量の差
図１０は、表面ドナー順位ＥＤＤをパラメータとして、第１実施形態のゲート部直下以外の領域において第２窒化物半導体層上に残った第３窒化物半導体層の膜厚（残り低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ膜厚）に対する二次元電子ガス密度（シートキャリア密度）ＮＳの特性を示すグラフである。表面ドナー順位ＥＤＤは、０．５ｅＶから１．１ｅＶまで０．１ｅＶずつ変化させている。第２窒化物半導体層（ＡｌＧａＮ）５のＡｌ組成は２０％であり、その膜厚は１０ｎｍである。
【００６３】
図１０から、ゲート部２０の直下以外の領域において、第２窒化物半導体層５上に第３窒化物半導体層６が残ったとしても、残った第３窒化物半導体層６の膜厚にかかわらず、二次元電子ガス密度ＮＳの変動が小さいことがわかる。
図１１は、この発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体装置を示す断面図である。図１１において、前述の図１の各部に対応する部分には、図１と同じ符号を付して示す。
【００６４】
図１１に示す窒化物半導体装置１Ｂでは、ゲート電極８上にＬｏｗ−ｋ膜１４が設けられている点で、図１に示す窒化物半導体装置１と異なっている。Ｌｏｗ−ｋ膜１４は、例えば、比誘電率が５以下の誘電体からなる。この実施形態では、Ｌｏｗ−ｋ膜１４は、ＳｉＯ２膜である。Ｌｏｗ−ｋ膜１４の表面および側面は、パッシベーション膜９によって覆われている。この窒化物半導体装置１Ｂでは、ソース電極１１とゲート電極８との間にＬｏｗ−ｋ膜１４が設けられているので、ソース電極１１とゲート電極８との間の容量を低減することができる。
【００６５】
この窒化物半導体装置１Ｂは、図１に示す窒化物半導体装置１とほぼ同様な方法によって製造される。ただし、前述した図２Ｃのゲート部２０の形成および図２Ｄのパッシベーション膜９の形成工程が少し異なる。
図１に示す窒化物半導体装置１では、図２Ｃに示すように、ゲート電極膜２１上のゲート作成予定領域を覆うレジスト膜２２が形成される。この後、レジスト膜２２をマスクとして、ゲート電極膜２１、第４窒化物半導体層７および第３窒化物半導体層６が選択的にエッチングされる。そして、レジスト膜２２が除去された後、図２Ｄに示すように、露出した表面全域を覆うように、パッシベーション膜９が形成される。
【００６６】
これに対して、この窒化物半導体装置１Ｂでは、ゲート電極膜２１上にＬｏｗ−ｋ膜１４の材料膜（Ｌｏｗ−ｋ材料膜）が形成される。Ｌｏｗ−ｋ材料膜は、例えばＳｉＯ２膜である。次に、Ｌｏｗ−ｋ材料膜が選択的にエッチングされ、Ｌｏｗ−ｋ材料膜のうちゲート電極膜２１上のゲート作成予定領域を覆う部分（Ｌｏｗ−ｋ膜１４）のみが残される。この後、残ったＬｏｗ−ｋ材料膜（Ｌｏｗ−ｋ膜１４）をマスクとして、ゲート電極膜２１、第４窒化物半導体層７および第３窒化物半導体層６がエッチングされる。そして、Ｌｏｗ−ｋ膜１４を残したまま、露出した表面全域を覆うように、パッシベーション膜９が形成される。
【００６７】
低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層を持たない従来技術においてはＬｏｗ−ｋ膜を形成することは、総エッチング深さが増加し、エッチング深さ制御が更に困難となり歩留まりが低下する。しかしながら、低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層（第３窒化物半導体層６）が形成されている本実施形態においては、Ｌｏｗ−ｋ膜１４が形成された場合においても、エッチング深さ誤差が許容されるため、歩留まりを低下させずに安定的に窒化物半導体装置を製造することができる。
【００６８】
以上、この発明の第１、第２および第３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、前述の第１〜第３実施形態では、第１窒化物半導体層（電子走行層）４がＧａＮ層からなり、第２窒化物半導体層（電子供給層）５がＡｌＧａＮ層からなる例について説明したが、第１窒化物半導体層４と第２窒化物半導体層５とはバンドギャップ（例えば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、第１窒化物半導体層４／第２窒化物半導体層５の組み合わせとしては、ＧａＮ／ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮなどを例示できる。
【００６９】
また、前述の第１〜第３実施形態では、第３窒化物半導体層６は第２窒化物半導体層５よりもＡｌ組成の低い低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層からなる例について説明したが、第３窒化物半導体層６は、バンドギャップが第１窒化物半導体層４のバンドギャップよりも大きくかつ第２窒化物半導体層５のバンドギャップよりも小さければ、他の窒化物半導体から構成されていてもよい。例えば、第２窒化物半導体層５がＡｌＧａＮ層からなる場合には、第３窒化物半導体層６は、ＡｌＩｎＧａＮ層からなっていてもよい。また、第２窒化物半導体層５がＡｌＮからなる場合には、第３窒化物半導体層６は、第２窒化物半導体層５よりもＡｌ組成の低いＡｌＮ層からなっていてもよい。
【００７０】
また、前述の第１〜第３実施形態では、基板２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。
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】
【００７１】
１，１Ａ，１Ｂ  窒化物半導体装置
２  基板
３  バッファ層
３１  第１バッファ層（ＡｌＮ層）
３２  第２バッファ層（ＡｌＧａＮ層）
４  第１窒化物半導体層（電子走行層；ＧａＮ層）
５  第２窒化物半導体層（電子供給層；ＡｌＧａＮ層）
６  第３窒化物半導体層（低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層）
６１  厚部
６２  薄部
７  第４窒化物半導体層（ｐ型ＧａＮ層）
８  ゲート電極
９  パッシベーション膜（ＳｉＮ層）
１０  パリアメタル層（ＴｉＮ層）
１１  ソース電極
１１ａ  ソース電極用コンタクト孔
１２  ドレイン電極
１２ａ  ドレイン電極用コンタクト孔
１４  Ｌｏｗ−ｋ層
１５  二次元電子ガス
２１  ゲート電極膜
２２  レジスト膜
２３  ソース・ドレイン電極膜
【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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【図２Ｇ】
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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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【図１１】
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