(57)【要約】  【課題】  抵抗率の小さいオーミック電極を備えた窒化物半導体装置及びその製造方法を提供する。    【解決手段】  基板上に、III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層を形成し、この第１の窒化物半導体層の上に、第１の窒化物半導体層を形成する際の成膜温度より低い温度で、III−Ｖ属窒化物半導体層からなり、かつアルミニウムを含まない微結晶構造の第２の窒化物半導体層を形成する。その後、何ら加工を施さない微結晶構造からなる第２の窒化物半導体層の上に、オーミック接触する金属パターンを形成し、熱処理を行い、オーミック電極を形成する。  【選択図】  図２
2005311028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガリウム、アルミニウム、ホウ素及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、リン及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の窒化物半導体層の上に積層した、前記第１の窒化物半導体層より成膜温度が低い前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、アルミニウムを含まない第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層にオーミック接触する電極とを備え、該電極は、前記成膜状態の前記第２の窒化物半導体層上に接触してい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、ホウ素及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、リン及び砒素からなる群にうち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の窒化物半導体層の上に積層した、微結晶構造の前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、アルミニウムを含まない第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層にオーミック接触する電極とを備え、該電極は、前記成膜状態の微結晶構造からなる前記第２の窒化物半導体層上に接触していることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項３】
前記第１の窒化物半導体層が、アルミニウムを含む前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなることを特徴とする請求項１または２いずれか記載の窒化物半導体装置。
【請求項４】
前記基板と前記第１の窒化物半導体層との間に、前記第１の窒化物半導体層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、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層を備えたことを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の窒化物半導体装置。
【請求項５】
前記第２の窒化物半導体層あるいは前記第１の窒化物半導体層にショットキ接合する制御電極を備えたことを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の窒化物半導体装置。
【請求項６】
ガリウム、アルミニウム、ホウ素及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、リン及び砒素からなる群にうち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の窒化物半導体層を形成する工程と、
該第１の窒化物半導体層の上に、該第１の窒化物半導体層を形成する際の成膜温度より低い温度で、前記III−Ｖ属窒化物半導体層からなり、かつアルミニウムを含まない微結晶構造からなる第２の窒化物半導体層を形成する工程と、
成膜後の微結晶構造からなる前記第２の窒化物半導体層の上に、オーミック接触する金属パターンを形成し、熱処理を行い、オーミック電極を形成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を用いた窒化物半導体装置及びその製造方法に関し、特に高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）や電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）のような、半導体装置にオーミック接触するオーミック電極を有する窒化物半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４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４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１０１上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層１０２、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１０３、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層１０４、ノンドープの窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層１０５が順次積層した構造となっており、チャネル層１０３とキャリア供給層１０４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次元電子ガス形成され、ショットキ層１０５にショットキ接合するゲート電極１０６（制御電極）に印加する電圧を制御することにより、ソース電極１０７ａとドレイン電極１０７ｂ（オーミック電極）との間を流れるキャリア（２次元電子ガス）を制御している。このように従来の半導体装置では、ソース電極１０７ａ及びドレイン電極１０７ｂは、ノンドープの窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層１０５上に形成する。
【０００３】
この種の半導体装置は、上記構造の他、例えば特許文献１に開示されているような様々な構造が提案されている。
【特許文献１】特開平１０−３３５６３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の窒化物半導体装置では、オーミック電極は、ノンドープの窒化アルミニウムガリウム上に形成されるのが一般的であり、そのコンタクト抵抗率は、１×１０−５Ω・ｃｍ２程度であった。一方、ＧａＡｓ系の半導体装置では、オーミック電極のコンタクト抵抗率は、１０−６Ω・ｃｍ２台が一般的であり、窒化物半導体装置のコンタクト抵抗の方が、１桁程度特性が悪くなっている。窒化物半導体装置を用いた高周波用、高出力用デバイスの高性能化を図るためには、コンタクト抵抗率（コンタクト抵抗）の特性改善が求められている。本発明は、コンタクト抵抗率の小さいオーミック電極を備えた窒化物半導体装置及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】
【０００５】
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、ホウ素及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、リン及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の窒化物半導体層の上に積層した、前記第１の窒化物半導体層より成膜温度が低い前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、アルミニウムを含まない第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層にオーミック接触する電極とを備え、該電極は、前記成膜状態の前記第２の窒化物半導体層上に接触していることを特徴とする。
【０００６】
本願請求項２に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及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、リン及び砒素からなる群にうち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の窒化物半導体層の上に積層した、微結晶構造の前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、アルミニウムを含まない第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層にオーミック接触する電極とを備え、該電極は、前記成膜状態の微結晶構造からなる前記第２の窒化物半導体層上に接触していることを特徴とする。
【０００７】
本願請求項３に係る発明は、請求項１または２いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記第１の窒化物半導体層が、アルミニウムを含む前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなることを特徴とする。
【０００８】
本願請求項４に係る発明は、請求項１乃至３いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記基板と前記第１の窒化物半導体層との間に、前記第１の窒化物半導体層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、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本願請求項５に係る発明は、請求項１乃至４いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記第２の窒化物半導体層あるいは前記第１の窒化物半導体層にショットキ接合する制御電極を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本願請求項６に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及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、リン及び砒素からなる群にうち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の窒化物半導体層を形成する工程と、該第１の窒化物半導体層の上に、該第１の窒化物半導体層を形成する際の成膜温度より低い温度で、前記III−Ｖ属窒化物半導体層からなり、かつアルミニウムを含まない微結晶構造からなる第２の窒化物半導体層を形成する工程と、成膜後の微結晶構造からなる前記第２の窒化物半導体層の上に、オーミック接触する金属パターンを形成し、熱処理を行い、オーミック電極を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、アルミニウムを含まず、不純物イオンの注入等の加工を施さない成膜後の、微結晶構造のままの窒化物半導体層上にオーミック電極を形成することにより、窒化物半導体の微結晶粒界にオーミック電極を構成する金属が侵入し、コンタクト抵抗率の低い（１０−６Ω・ｃｍ２台）オーミック電極を備えた半導体装置を得ることができた。
【００１２】
またその微結晶構造の窒化物半導体層は、通常の半導体装置の製造工程によるエピタキシャル成長温度を制御するのみで、所望の窒化物半導体装置を形成することができるため、製造工程の制御性が良く、特性の優れた窒化物半導体装置を歩留まり良く製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の窒化物半導体装置について、詳細に説明する。  
【実施例１】
【００１４】
まず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、詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施例であるIII−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴの断面図を示している。図１に示すように炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、厚さ１００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２、後述するキャリア供給層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ち厚さ２μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）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１５ｎｍのｎ型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、厚さ１０ｎｍの微結晶構造からなるノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるショットキ層１５を積層形成している。ショットキ層１５上には、チタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／チタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなるソース電極１７ａ及びドレイン電極１７ｂ（オーミック電極）が形成されており、キャリア供給層１４にオーミック接触が形成されている。オーミック接触が形成されるショットキ層１５は、成膜後に不純物イオンの注入やエッチングなどの特別な加工を施さず、成膜後の微結晶構造がそのまま保持されている。更に、ショットキ層１５上には、ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなるゲート電極１６を形成し、ショットキ層１５との間にショットキ接合を形成している。
【００１５】
オーミック電極が形成されるショットキ層１５は、微結晶構造となっているため、微結晶粒界にオーミック電極を構成する金属が侵入し、コンタクト抵抗率の低いオーミック電極を得ることができる。
【実施例２】
【００１６】
図２は本発明の第２の実施例であるIII−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴの断面図を示している。図２に示すようにサファイアからなる基板１１上に、厚さ３０ｎｍ程度の低温成長の窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層１２、後述するキャリア供給層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ち厚さ２μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）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１５ｎｍのｎ型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、厚さ３ｎｍのノンドープ窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるショットキ層１５、厚さ１０ｎｍの微結晶構造からなるノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるキャップ層１５'を積層形成している。キャップ層１５'の一部をエッチング除去して凹部を形成し、凹部において表面に露出したショットキ層１５上には、チタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／（Ａｕ）の積層体あるいはニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなるゲート電極１６を形成し、ショットキ層１５との間にショットキ接触を形成している。キャップ層１５'上にオーミック接触するチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａl）からなるソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成している。
【実施例３】
【００１７】
次に図３に従い、図１に示した窒化物半導体装置の製造方法について詳細に説明する。まず、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上にＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相堆積）法あるいはＭＢＥ（電子ビームエピタキシャル）法等により、厚さ１００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２を成長させ、次に厚さ２μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）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１５ｎｍのｎ型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とを基板温度１０８０℃で順次積層成長させる。その後、基板温度を５５０℃として厚さ１０ｎｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるショットキ層１５を成長させる。このように基板温度を低くして成長させることにより、ショットキ層１５は、微結晶構造となる（図３ａ）。
【００１８】
成長後のショットキ層１５に、直接、通常のリソグラフ法及びリフトオフ法により、オーミック電極を形成する積層体を堆積させる。具体的には、厚さ２０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜、厚さ２００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）膜、厚さ５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜、厚さ３００ｎｍの金（Ａｕ）膜を堆積、パターニングし、窒素雰囲気、８００℃、３０秒間の熱処理を行い、ショットキ層１５及びキャリア供給層１４にオーミック接触するソース電極１７ａ及びドレイン電極１７ｂを形成する（図３ｂ）。ここで本発明では、オーミック接触を形成するために、ショットキ層１５表面に特別な加工を施すことはない。すなわち、ショットキ層１５表面は、半導体製造工程で通常行われる表面の清浄工程を除き、不純物イオンを注入したり、表面をエッチングしたりすることはなく、微結晶構造のショットキ層１５に直接オーミック電極を形成している。
【００１９】
次に、通常の通常のリソグラフ法及びリフトオフ法により、ショットキ層１５上に、厚さ２０ｎｍのニッケル（Ｎｉ）膜、厚さ５００ｎｍの金（Ａｕ）膜を堆積、パターニングすることにより、ショットキ層１５との間にショットキ接触するゲート電極１６を形成する（図３ｃ）。以下、通常の半導体装置の製造工程に従い、ＨＥＭＴを完成させる。    
【実施例４】
【００２０】
次に図２に示した窒化物半導体装置の製造方法について詳細に説明する。まず、サファイアからなる基板１１上にＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相堆積）法あるいはＭＢＥ（電子ビームエピタキシャル）法等により、厚さ１００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２を成長させ、次に厚さ２μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）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１５ｎｍのｎ型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と、厚さ３ｎｍのノンドープ窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるショットキ層１５を基板温度１０８０℃で順次積層成長させる。その後、基板温度を５５０℃として厚さ１０ｎｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるキャップ層１５’を成長させる。このように基板温度を低くして成長させることにより、キャップ層１５’は、微結晶構造となる。
【００２１】
成長後のキャップ層１５’に、直接、通常のリソグラフ法及びリフトオフ法により、オーミック電極を形成する積層体を堆積させる。具体的には、厚さ２０ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜、厚さ２００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）膜を堆積、パターニングし、窒素雰囲気、８００℃、３０秒間の熱処理を行い、ショットキ層１５及びキャリア供給層１４にオーミック接触するソース電極１７ａ及びドレイン電極１７ｂを形成する。ここで本発明では、オーミック接触を形成するために、キャップ層１５’表面に特別な加工を施すことはない。すなわち、キャップ層１５’表面は、半導体製造工程で通常行われる表面の清浄工程を除き、不純物イオンを注入したり、表面をエッチングしたりすることはなく、微結晶構造のキャップ層１５’に直接オーミック電極を形成している。
【００２２】
次に、通常のリソグラフ法及びリフトオフ法により、キャップ層１５’の一部をエッチング除去して凹部を形成し、その凹部内において表面に露出したショットキ層１５上に、チタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／（Ａｕ）の積層体あるいはニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなるゲート電極１６を形成し、ショットキ層１５との間にショットキ接触を形成する。以下、通常の半導体装置の製造工程に従い、ＨＥＭＴを完成させる。
【００２３】
上記のように形成した窒化物半導体装置のオーミック電極をＴＬＭ法により評価した。比較のため、図４に示す従来例の窒化物半導体装置のオーミック電極についても、同様に測定した。その結果、コンタクト抵抗は、従来例が０．０７Ω・ｃｍであったものが、本発明では０．０４Ω・ｃｍに、コンタクト抵抗率は、従来例が１．１×１０−５Ω・ｃｍ２であったものが、本発明では２．６×１０−６Ω・ｃｍ２に、それぞれ特性改善されることが確認された。
【００２４】
このように本発明によれば、微結晶構造の窒化物半導体層（第２の窒化物半導体層）にオーミック電極を形成することで、ＧａＡｓ系の半導体装置と同等の特性を備えたオーミック電極を形成することができることが確認された。
【００２５】
なお、本発明は上記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、ＨＥＭＴ構造の窒化物半導体の代わりに、不純物が添加された窒化物半導体層を能動層（チャネル層）とし、その上に上述のショットキ層１５が形成されたＦＥＴ構造とすることができる。また、窒化物半導体層は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ系に限定されるものではなく、オーミック電極が形成される第２の窒化物半導体層は、ＧａＮ、ＩｎＮあるいはこれらの混晶化合物を含み、かつアルミニウムを含む層で形成することができる。
【００２６】
また第２の窒化物半導体層とオーミック接触する電極の組成は、使用する半導体層の種類に応じて適宜選択すれば良い。また第２の窒化物半導体層は高い絶縁性を示すため、選択された金属の種類に応じて、その厚さは適宜選択される。
【００２７】
なお、第２の窒化物半導体層について微結晶構造と説明したが、これは微結晶粒の集合体あるいはそれらの再配列化した構造であり、成長温度、成長時の雰囲気ガス組成、成長させる基板の種類などによって、結晶粒の大きさや配列等は変わるものであり、所望の特性が得られる範囲で、成長温度を制御することによって得られるものである。  
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施例である窒化物半導体装置の説明図である。
【図２】本発明の第２の実施例である窒化物半導体装置の説明図である。
【図３】本発明の第３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４】従来のこの種の窒化物半導体装置の説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１１：基板、１２：バッファ層、１３：チャネル層、１４：キャリア供給層、１５：ショットキ層、１５'：キャップ層、１６：ゲート電極、１７ａ：ソース電極、１７ｂ：ドレイン電極
【図１】
2005311028.tif 000003
【図２】
2005311028.tif 000004
【図３】
2005311028.tif 000005
【図４】
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