(57)【要約】【課題】  しきい値電圧を負電圧に維持した状態でかつ破壊耐圧が高くて高出力動作が可能な窒化物半導体装置を得る。【解決手段】  窒化物半導体装置を、基板１と、基板１上に形成され窒化物半導体からなるチャネル層２と、チャネル層２上に形成されチャネル層２よりバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体からなるバリア層３と、バリア層３上に形成されたゲート電極５と、バリア層３上でゲート電極５を介して対向する位置にそれぞれ形成されたソース電極４およびドレイン電極６と、を備え、ドレイン電極６とゲート電極５間のバリア層３の少なくとも一部の領域の層厚がゲート電極５直下のバリア層３の層厚より薄くなる構成とした。【選択図】        図１
2005203544.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され窒化物半導体からなるチャネル層と、
前記チャネル層上に形成され前記チャネル層よりバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体からなるバリア層と、
前記バリア層上に形成されたゲート電極と、
前記バリア層上で前記ゲート電極を介して対向する位置にそれぞれ形成されたソース電極およびドレイン電極と、を備え、
前記ドレイン電極と前記ゲート電極間の前記バリア層の少なくとも一部の領域の層厚が前記ゲート電極直下のバリア層の層厚より薄いことを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記ソース電極と前記ゲート電極間の前記バリア層の少なくとも一部の領域の層厚が前記ゲート電極直下のバリア層の層厚より薄いことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体装置。
【請求項３】
前記バリア層の層厚の薄い領域が、エッチングによって形成された溝であることを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体装置。
【請求項４】
前記チャネル層が、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなり、前記バリア層が窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体装置。
【請求項５】
前記バリア層の薄い部分の層厚が、前記ゲート電極直下における前記バリア層の層厚の２０％以上８０％以下であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体装置。
【請求項６】
前記ゲート電極とドレイン電極との距離に対する前記バリア層の薄い部分の領域の幅の比率が、２５％以上であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体装置。
【請求項７】
請求項１記載の窒化物半導体装置の製造方法であって、
基板上に、チャネル層およびバリア層をエピタキシャル結晶成長する工程と、
前記バリア層上にゲート電極、ソース電極およびドレイン電極をそれぞれ形成する工程と、
前記ゲート電極を含むバリア層上に金属膜もしくはレジスト膜を成膜する工程と、
リソグラフィ技術によって前記バリア層を薄層化する部分に該当する領域上の前記金属膜もしくはレジスト膜に開口を設ける工程と、
前記開口から前記バリア層を所定の層厚までエッチング除去する工程と、
前記金属膜もしくはレジスト膜を除去する工程と、
を含んでな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、窒化物半導体装置とその製造方法に関し、特にしきい値電圧を負電圧に維持した状態でかつ破壊耐圧が高く高出力動作可能な窒化物半導体装置とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体系、特に窒化ガリウム系半導体は高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率、高い電子飽和速度を有しており高周波の高出力高電子移動度トランジスタの構成材料として期待されている。特に、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）／窒化ガリウム（ＧａＮ）ヘテロ接合構造を有する高電子移動度トランジスタ（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  （ＨＥＭＴ））は、ＡｌＧａＮとＧａＮとのヘテロ接合界面付近に電子が高濃度で蓄積するいわゆる２次元電子ガスが形成されるが、かかる２次元電子ガスはＡｌＧａＮに添加されるドナー不純物とは空間的に分離されて存在する結果、高い電子移動度が実現できるので、高周波で動作可能である。さらに、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系へテロ構造における２次元電子は、現在ＨＥＭＴとして普及しているＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の場合に比べて、高電界領域で２倍以上の電子速度を有し、高周波でスイッチング動作可能でかつ高出力のＨＥＭＴへの応用が期待されている。
【０００３】
従来の窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  （ＨＥＭＴ））では、例えば非特許文献１の図１に示されるように、ＡｌＧａＮバリア層の層厚はソース／ドレイン電極間で一定である。つまり、ゲート電極直下のＡｌＧａＮバリア層厚とゲート／ドレイン電極間のＡｌＧａＮバリア層の層厚は等しい。なお、後述の実施の形態１における図１（ｂ）の素子断面図が従来技術による素子構造とほぼ同一である。
【０００４】
【非特許文献１】安藤  その他、”薄層化サファイア基板上の１１０Ｗ出力ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロＦＥＴ”、電子情報通信学会技術研究報告  ＥＤ２００１−１８５、７〜１２ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴを電力増幅器として使用する場合、出力電流（ドレイン電流）はなるべく大きくできる方が望ましい。ドレイン電流を増加するには、入力電圧（ゲート電圧）を増大する必要がある。しかし、ゲート電圧を増加しすぎて負電圧（マイナス電圧）から正電圧（プラス電圧）に転じると、ゲート電極におけるショットキー障壁に正電圧が印加されてしまう。この場合、ゲート電流が急激に増加するのでトランジスタ動作としては望ましくない。ゲート電流の増大はショットキー障壁の劣化を引き起こし、素子特性、特に信頼性の劣化を招くからである。よって、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴでは、しきい値電圧Ｖｔｈはマイナス数Ｖ以下の負電圧であることが望まれる。
【０００６】
しかしながら、従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴにでは、しきい値電圧Ｖｔｈをマイナス数Ｖ（例えば−５Ｖ以下）に保持した状態で、ゲート／ドレイン電極間破壊耐圧（以下、単に「破壊耐圧」と言う）を向上させることは難しい。破壊耐圧の向上を目的としてＡｌＧａＮバリア層厚を薄くすると、しきい値電圧Ｖｔｈが正バイアス側にシフトしてしまう不具合が生じるからである。
【０００７】
上述したように、従来の素子構造ではしきい値電圧Ｖｔｈと破壊耐圧にトレードオフの関係が存在するため、しきい値電圧Ｖｔｈをマイナス数Ｖ程度の負電圧に保持した状態で、かつ破壊耐圧を向上させるのは困難であるという問題があった。
【０００８】
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、しきい値電圧Ｖｔｈをマイナス数Ｖ程度の負電圧に保持した状態でかつ破壊耐圧が高く高出力動作が可能な窒化物半導体装置を得ることを目的とし、さらに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】
本発明に係る窒化物半導体装置は、基板と、上記基板上に形成され窒化物半導体からなるチャネル層と、上記チャネル層上に形成され上記チャネル層よりバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体からなるバリア層と、上記バリア層上に形成されたゲート電極と、上記バリア層上で上記ゲート電極を介して対向する位置にそれぞれ形成されたソース電極およびドレイン電極と、を備え、上記ドレイン電極と上記ゲート電極間の上記バリア層の少なくとも一部の領域の層厚が上記ゲート電極直下のバリア層の層厚より薄いこととした。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る窒化物半導体装置は、上述の構成を適用したので、しきい値電圧Ｖｔｈと破壊耐圧のトレードオフを緩和して、しきい値電圧Ｖｔｈを負電圧に維持した状態でかつ破壊耐圧が高くて高出力動作が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１による窒化物半導体装置、より具体的にはＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴの素子断面図を図１（ａ）に示す。基板１上に、ＧａＮチャネル層２、ＡｌＧａＮバリア層３が形成されている。なお、基板１は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）、ＧａＮ、シリコン（Ｓｉ）等の材料が使用できるが、炭化珪素基板が最も好適である。
【００１２】
ＡｌＧａＮバリア層３上には、ソース電極４、ゲート電極５、ドレイン電極６がそれぞれ形成されている。ソース電極４およびドレイン電極６はゲート電極５を介して互いに対向する位置に設けられている。
【００１３】
従来の窒化物半導体装置に対する本実施の形態の窒化物半導体装置の特徴的な点は、ソース電極４とゲート電極５間、ゲート電極５とドレイン電極６間のＡｌＧａＮバリア層３の層厚がゲート電極５直下のＡｌＧａＮバリア層厚より薄くなっている点にある。つまり、ドレイン電極６とゲート電極５間およびソース電極４とゲート電極５間のＡｌＧａＮバリア層３の少なくとも一部の領域の層厚がゲート電極５直下のＡｌＧａＮバリア層３の層厚より薄くなっている。具体的には、かかる領域のＡｌＧａＮバリア層３中にエッチングによる溝７が形成されている。なお、比較として、かかる特徴の無い従来の均一な層厚を有するＡｌＧａＮバリア層を具備した窒化物半導体装置の素子断面図を図１（ｂ）に示す。
【００１４】
以下、本実施の形態の窒化物半導体装置によって実現される素子特性上の特徴を説明する。しきい値電圧Ｖｔｈとゲート電極５直下のＡｌＧａＮバリア層３の層厚との関係を図２（ａ）に示す。図２（ａ）からわかるように、しきい値電圧Ｖｔｈはゲート電極５直下のＡｌＧａＮバリア層３の層厚が薄くなるにつれて正電圧側へ比例的に増加する。ＡｌＧａＮバリア層３の層厚が薄くなるほど、ゲート電極５下部のＧａＮチャネル層２全体を空乏化するのに必要なゲート電圧がわずかで済むようになるからである。以下、しきい値電圧ＶｔｈとＡｌＧａＮバリア層３の層厚の関係をさらに説明する。
【００１５】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴのしきい値電圧をＶｔｈとすると、
Ｖｔｈ=φ-ΔＥｃ-ｑｄ１Ｎ2／(２ε)-ｑＰｄ２／ε                    （１）
となる。なお、（１）式中、φはショットキー障壁高さ、ΔＥｃは伝導帯側のバンド不連続、ｑは電荷量、ＮはＡｌＧａＮバリア層のドーピング濃度、ｄ１はＡｌＧａＮバリア層中のドーピング膜厚、εは誘電率、Ｐは分極率、ｄ２はＡｌＧａＮバリア層の層厚をそれぞれ表す。（１）式中、第３項がＡｌＧａＮバリア層のドーピングによる項、第４項が分極による項を表す。第３項はＧａＡｓ半導体系材料と共通の値となるが、第４項の分極による項がＧａＮ等の窒化物半導体系材料特有の大きな値となっている。よって、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴではしきい値電圧Ｖｔｈに対する第３項の寄与は殆ど無い一方、第４項からの寄与が大半を占める。従って、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴではしきい値電圧Ｖｔｈ制御のファクターとして、ＡｌＧａＮバリア層の層厚ｄ２が非常に重要である。要するに、しきい値電圧ＶｔｈはＡｌＧａＮバリア層の層厚ｄ２に強く依存している。
【００１６】
一方、破壊耐圧に関しては、図２（ｂ）の破壊耐圧とゲート／ドレイン電極５，６間のＡｌＧａＮバリア層３の層厚との関係から分かるように、ゲート／ドレイン電極５，６間のＡｌＧａＮバリア層３の層厚が薄くなるにつれて破壊耐圧は急激に増加、すなわち向上する。ゲート電極５からドレイン電極６方向への空乏層の伸長の度合いはＡｌＧａＮバリア層３の層厚減少に伴い大きくなるからである。
【００１７】
図２からＡｌＧａＮバリア層３の層厚が均一な従来構造（図１（ｂ））では、しきい値電圧Ｖｔｈが−５Ｖ以下でかつ破壊耐圧が１５０Ｖを越えるＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴの作製は困難であることがわかる。つまり、図２（ａ）からしきい値電圧Ｖｔｈを−５Ｖ以下とするにはＡｌＧａＮバリア層３の層厚を２５ｎｍ以上に設定する必要があるが、図２（ｂ）によると破壊耐圧を１５０Ｖ以上にするには、ＡｌＧａＮバリア層３の層厚を２０ｎｍ以下に設定せねばならないからである。
【００１８】
一方、本実施の形態に係るＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴのように、ゲート電極５下のＡｌＧａＮバリア層３の層厚を保持して例えばしきい値電圧Ｖｔｈを−５Ｖに設定しながら、ゲート／ドレイン電極間５，６のＡｌＧａＮバリア層厚を２０ｎｍ以下に薄層化すれば、破壊耐圧を１５０Ｖ以上に維持できる。要するに、しきい値電圧Ｖｔｈと破壊耐圧を所定の範囲内において独立に制御できるようになる。
【００１９】
以上の説明から、本実施の形態に係るＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴでは、ソース／ゲート電極４、５間、ゲート／ドレイン電極５、６間のＡｌＧａＮバリア層３の層厚がゲート電極５直下のＡｌＧａＮバリア層厚に対して、どの程度薄くなっているかが、極めて重要であることがわかる。薄層化されたＡｌＧａＮバリア層３の層厚がゲート電極５直下のＡｌＧａＮバリア層厚に対して、２０％以上８０％以下の範囲が好適であり、３５％以上６５％以下の範囲がさらに好適である。なお、上記範囲の下限は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面においてピエゾ効果が充分発現する必要があるとの条件から決まっている。
【００２０】
本実施の形態に係るＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴでは、ＧａＮチャネル層２、ＡｌＧａＮバリア層３の層厚はそれぞれ、０．５〜３μｍ、５〜５０ｎｍ程度が好適である。またＡｌＧａＮバリア層３のＡｌ組成比は０．１〜０．５程度が好適である。
【００２１】
なお、ピエゾ効果が発現する窒素化物半導体から構成され、かつ、バンドギャップエネルギーが互いに異なる材料であればチャネル層２とバリア層３は他の材料と容易に置換可能である。例えば、上述のＧａＮチャネル層２とＡｌＧａＮバリア層３を、それぞれＩｎＧａＮとＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮとＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮとＡｌＮ等の材料の組合せに置換可能である。
【００２２】
以上、本実施の形態の窒化物半導体装置では、上述の素子構造を適用したので、しきい値電圧Ｖｔｈを負電圧に維持した状態でかつ破壊耐圧が高くて高出力動作が可能な窒化物半導体装置を容易に提供できる。
【００２３】
次に、本実施の形態の窒化物半導体装置の製造方法について、図３に基づき説明する。
先ず、基板１上に、ＧａＮチャネル層２、ＡｌＧａＮバリア層３を順次エピタキシャル結晶成長する。かかる結晶成長法としては、有機金属を用いた化学的気相成長法(ＭＯＣＶＤ: Metalorganic Chemical Vapor Deposition)、分子線エピタキシー法(ＭＢＥ: Molecular Beam Epitaxy)が好適であるが、他の結晶成長法を用いても良い（図３（ａ））。
【００２４】
続いて、ＡｌＧａＮバリア層３上にソースおよびドレイン電極４，６を形成する。各電極の形成方法は以下の通りである。ソースおよびドレイン電極４，６となる以外の部分をレジスト膜で被覆し、ソースおよびドレイン電極４，６を構成する金属、つまり、オーミック特性が得られる金属を真空蒸着やスパッタ法等により成膜する。かかる金属材料としては、例えばＴｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ｍｏ／Ａｕ、Ｔｉ／ＷＳｉ等の組合せが挙げられる。レジスト膜のパターニングは公知のリソグラフィ技術によって行う。ソースおよびドレイン電極４，６の膜厚は材料にも依存するものの、それぞれの金属材料において２〜１０００ｎｍの範囲が好適である。公知のいわゆるリフトオフ法を用いれば、容易にソース／ドレイン領域に金属パターンが形成される。
【００２５】
ソース／ドレイン電極４，６において良好なオーミック特性を得るために、通常、リフトオフ後に熱処理を行う。熱処理はランプによる加熱、炉による加熱等が用いられ、窒素やアルゴンの不活性ガス、または水素や酸素雰囲気中で５００〜１０００℃、１０〜３００秒程度で熱処理される。これにより、ソース電極４からＡｌＧａＮバリア層３直下のＧａＮチャネル層２、そしてドレイン電極６に達する電流の通路が確保される。
【００２６】
続いて、ソース／ドレイン電極４，６を形成した場合と同様のリフトオフ方法によって、ＡｌＧａＮバリア層３上にゲート電極５形成用の金属膜を形成する。すなわち、レジスト膜でゲート領域以外にパターンを形成後、ゲート金属を蒸着し、レジスト膜を除去する。ゲート電極５としてはショットキー特性を示す金属、例えばＮｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、ＰｔＳｉ等を適用する。かかる金属を１〜５００ｎｍ程度成膜する。また、ゲート金属上に、さらに金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）を積層しても良い。ゲート電極５形成後の素子断面図を（図３（ｂ））に示す。
【００２７】
さらに、上述の各電極が形成されたウエハ上にレジスト膜８を形成し、公知のリソグラフィ技術によってＡｌＧａＮバリア層３で溝７を形成する部位のみに開口を設ける（図３（ｃ））。かかる開口を通して、ＡｌＧａＮバリア層３を所望の深さまでエッチング除去する（図３（ｄ））。エッチング方法としては、ドライエッチングの場合、例えば塩素ガスと不活性ガス（アルゴン、窒素）の混合ガスのプラズマがエッチングガスとして利用できる。また、ウエットエッチングであれば光照射しながら水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液中でエッチングすることが可能である。
【００２８】
なお、上述の製造方法ではレジスト膜８をエッチングマスクとしてＡｌＧａＮバリア層３をエッチングする方法を挙げたが、他の製造方法、例えばソース電極４、ゲート電極５およびドレイン電極６の最表層を耐エッチング性を持つ金属（この場合はＡｕ）で構成し、電極をエッチングマスクとして上述の溝７を形成する方法も可能である。
【００２９】
かかる製造方法の適用により、しきい値電圧Ｖｔｈを負電圧に維持した状態でかつ破壊耐圧が高くて高出力動作が可能な窒化物半導体装置が容易に得られる。
【００３０】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２による窒化物半導体装置、具体的にはＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴの素子断面図を図４に示す。実施の形態１の窒化物半導体装置では、ソース／ゲート電極４、５間とゲート／ドレイン電極５、６間の双方のＡｌＧａＮバリア層３をエッチングして溝７を形成した。しかしながら、破壊耐圧はゲート／ドレイン電極５、６間のＡｌＧａＮバリア層３でほぼ決定される。ゲート電極５で生じた空乏層は主にドレイン電極６側に伸長するからである。そこで、図４に示すようにゲート電極５とドレイン電極６間のＡｌＧａＮバリア層３のみに溝７を形成しても良い。かかる素子構造は、実施の形態１におけるエッチング工程において、レジスト膜８の開口をゲート／ドレイン電極５、６間の所望の位置に設けるだけで実現できる。
【００３１】
リセス幅、つまりゲート電極５から測定したゲート／ドレイン電極５，６間における溝７の幅と破壊耐圧の関係を図５に示す。エッチング量、すなわちエッチング深さとリセス幅を調整することで破壊耐圧の向上が可能となる。図５によれば、ＡｌＧａＮバリア層３のエッチングによる溝形成前の層厚２５ｎｍに対して、エッチングによって深さ５ｎｍの溝７を形成した場合、リセス幅を５００ｎｍ以上とすることで、溝形成前の素子の破壊耐圧に対して２０Ｖ以上の破壊耐圧向上が見込めることが分かる。また、さらにエッチング量を増加すると、リセス幅は少なくても所望の破壊耐圧を実現できることがわかる。なお、上述のリセス幅は、ゲート／ドレイン電極５，６間の距離が２０００ｎｍの場合、５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の範囲内が好適である。さらに一般的には、ゲート／ドレイン電極５，６間の距離に対するリセス幅の比率は、２５％以上１００％以下が好適である。
【００３２】
さらに、図６に示すようにゲート電極５およびドレイン電極６端部近傍のＡｌＧａＮバリア層３に接しないように溝７を形成しても良い。かかる素子構造は、レジスト膜の開口をゲート／ドレイン電極５、６間の所望の位置に設けるだけで実現できる。溝７形成時における各電極の端部の影響による溝深さの不均一性等が緩和されるからである。
【００３３】
実施の形態２の窒化物半導体装置によると、ゲート／ドレイン電極間のＡｌＧａＮバリア層３のみに溝７を形成するので、しきい値電圧Ｖｔｈを負電圧に維持した状態でかつ破壊耐圧が高くて高出力動作が可能な窒化物半導体装置を一層容易に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】（ａ）は実施の形態１の窒化物半導体装置の素子断面図、（ｂ）は従来の窒化物半導体装置の素子断面図である。
【図２】（ａ）はしきい値電圧とゲート電極直下のＡｌＧａＮバリア層の層厚の関係を示す図、（ｂ）は破壊耐圧とゲート／ドレイン電極間のＡｌＧａＮバリア層の層厚との関係を示す図である。
【図３】実施の形態１の窒化物半導体装置の製造方法を示す図である。
【図４】実施の形態２の窒化物半導体装置の素子断面図である。
【図５】破壊耐圧とリセス幅の関係を示す図である。
【図６】実施の形態２の他の窒化物半導体装置の素子断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  基板、  ２  ＧａＮチャネル層、  ３  ＡｌＧａＮバリア層、  ４  ソース電極、  ５  ゲート電極、  ６  ドレイン電極、  ７  溝、  ８  レジスト膜。
【図１】
2005203544.tif 000003
【図２】
2005203544.tif 000004
【図３】
2005203544.tif 000005
【図４】
2005203544.tif 000006
【図５】
2005203544.tif 000007
【図６】
2005203544.tif 000008