(57)【要約】  半導体装置１００は、アンドープＧａＮ電子走行層１０５と、アンドープＧａＮ電子走行層１０５上に接して設けられたＡｌＧａＮ電子供給層１０６と、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６上に設けられたアンドープＧａＮ層１０７と、アンドープＧａＮ層１０７上に離間して設けられたソース電極１０１およびドレイン電極１０３と、ソース電極１０１とドレイン電極１０３との間の領域に設けられ、アンドープＧａＮ層１０７を貫通する凹部１１１と、凹部１１１に埋設されるとともに、底面においてＡｌＧａＮ電子供給層１０６に接して設けられたゲート電極１０２と、ゲート電極１０２とドレイン電極１０３との間の領域において、アンドープＧａＮ層１０７上に設けられたＳｉＮ膜１０８と、を含む。
2007069601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一アンドープＧａＮ層により構成される電子走行層と、
前記電子走行層上に接して設けられ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）により構成される電子供給層と、
前記電子供給層上に設けられた第二アンドープＧａＮ層と、
前記第二アンドープＧａＮ層上に離間して設けられたソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の領域に設けられ、前記第二アンドープＧａＮ層を貫通する凹部と、
前記凹部の前記ドレイン電極側の側壁に接触するように前記凹部に埋設されるとともに、底面において前記電子供給層に接して設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の領域において、前記第二アンドープＧａＮ層上に設けられた絶縁膜と、
を含む電界効果トランジスタ。
【請求項２】
請求項１に記載の電界効果トランジスタにおいて、
ゲート長方向の断面視において、
前記凹部の側壁と前記ゲート電極の前記ソース電極側および前記ドレイン電極側の両方の側壁とが直接接している電界効果トランジスタ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電界効果トランジスタにおいて、前記凹部がリセスエッチングにより形成された電界効果トランジスタ。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記ゲート電極が、前記ドレイン電極側に庇状に張り出して前記絶縁膜の上部に形成されたフィールドプレート部を備える電界効果トランジスタ。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の電界効果トランジスタにおいて、前記絶縁膜が、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜およびＳｉＣＮ膜のいずれかである電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＡｌＧａＮ（上層）／ＧａＮ（下層（基板側））構造を備える電子デバイス開発が活発になっている。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造は、そのワイドバンドギャップ特性により高耐圧特性を有し、特に、高電圧で動作する高周波・高出力デバイスや、インバータ電源への適用が検討されている。【０００３】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造のヘテロ接合トランジスタとして、従来、特許文献１に記載のものがある。図２は、同文献記載のトランジスタの基本構成を示す断面図である。【０００４】
図２に示したトランジスタは、以下の手順で製造される。
まず、高抵抗ＳｉＣ基板２４上に、ＭＯＣＶＤ法によりチャネル層であるアンドープＧａＮ（ｉ−ＧａＮ）電子走行層２５およびｎ型ＡｌＧａＮからなるＡｌＧａＮ電子供給層２６を順次堆積させる。そして、ＣＶＤ法にて、ＳｉＮ膜２７を堆積させる。その後、ゲート電極２２、ドレイン電極２３およびソース電極２１が形成される領域のＳｉＮ膜２７を除去して開口部を形成し、電極形成を行う。これにより、図２に示した基本構造が得られる。この構造において、ゲート電極２２は、ＡｌＧａＮ電子供給層２６上に接して形成される。【０００５】
図３は、図２に示したトランジスタのゲート電極２２直下の領域のバンド図を示す図である。
図３に示したように、ゲート電極２２の直下において、ＡｌＧａＮ電子供給層２６とアンドープＧａＮ電子走行層２５との間には、格子不整合に起因した大きなピエゾ分極が発生している。その結果、ＡｌＧａＮ電子供給層２６とアンドープＧａＮ電子走行層２５との界面において、ＡｌＧａＮ電子供給層２６に、正の分極電荷が発生し、アンドープＧａＮ電子走行層中２５に負の二次元電子ガスが誘起される。また、ＡｌＧａＮ電子供給層２６の表面側、つまりゲート電極側の界面において、ＡｌＧａＮ電子供給層２６にピエゾ及び自発分極で発生した正の電荷に釣り合うための負の電荷が誘起される。【０００６】
ＡｌＧａＮ電子供給層２６のＡｌ組成比を高めると、より大きな分極電荷が発生し、シートキャリア濃度が増大するため、トランジスタを高電流化することができる。たとえば、二次元電子ガスのシートキャリア濃度は、ＧａＡｓ系の約１０倍である。さらに、この構成では、ワイドバンドギャップ特性を併せて持っているという特長により、ＧａＡｓ系をはるかに超える電力密度が報告されている。【０００７】
ここで、表面のＳｉＮ膜２７は外部影響を軽減し、安定動作を得るために導入される。ＳｉＮ膜２７は、ＡｌＧａＮ電子供給層２６の表面側近辺の深い準位や負の分極電荷に密接な影響を与える。【０００８】
ＳｉＮ膜２７の膜厚が厚い場合、分極電荷やドナー準位が補償される。このため、ＡｌＧａＮ電子供給層２６とＳｉＮ膜２７との界面は、準位が無い（影響が排除された）理想界面のように振舞う。逆に、ＳｉＮ膜２７が設けられていない場合や、ＳｉＮ膜２７の膜厚が薄い場合、分極電荷やドナー準位の補償が不完全となり、表面準位が残留した状態になる。この結果、ＳｉＮ膜２７の膜厚によってトランジスタ特性が大きく変化する。【０００９】
ＳｉＮ膜２７が設けられていない場合や、ＳｉＮ膜２７の膜厚が薄い場合の問題として、具体的には、電流コラプスという現象がある。コラプスとは、トランジスタが大信号動作する際に、表面準位の応答によって負電荷の放出捕獲状態から捕獲状態が維持された状態になり、最大ドレイン電流が抑制される現象である。コラプスが顕著になると、大信号動作時のドレイン電流が抑制されるため、飽和出力が低下してしまう。また、コラプスによりＩ−Ｖ特性にヒステリシスが発生し、安定動作が困難になる場合がある。【００１０】
図４は、ＳｉＮ膜２７を設けない構成について、実際にＩＶ特性を実測した結果を示す図である。図４に示したように、ＳｉＮ膜が設けられていない構成においては、ＩＶ特性に大きなヒステリシスが発生している。【００１１】
以上のように、コラプスを充分に低減するためには、ＳｉＮ膜２７の厚みを一定程度厚くすることが必要となる。しかしながら、ＳｉＮ膜２７を厚くした場合、表面負電荷が打ち消され、ゲート−ドレイン間の電界集中が顕著になり、ゲート耐圧が低下する。すなわち、コラプスとゲート耐圧の間にトレードオフが存在する。【００１２】
なお、本明細書において、ゲート耐圧とは、ゲート−ドレイン間に逆電圧を印加したときに、ゲート−ドレイン逆方向にゲートリーク電流が流れ始める電圧のことである。【００１３】
ところで、トランジスタのＩＶ特性を改善する技術として、従来、特許文献２に記載のものがある。特許文献２には、ｎ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層をキャリア供給層とし、ｉ型ＧａＮ層をキャリア走行層としたＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）が記載されている。同文献では、キャリア供給層の上部に、表面層として、走行キャリアと同導電のＧａＮ層、つまりｎ型ＧａＮ層を導入した構造が示されている。【００１４】
図５は、同文献記載のトランジスタの基本構成を示す断面図である。
図５に示したトランジスタにおいては、基板３４上に、ＧａＮ電子走行層３５、ＡｌＧａＮ電子供給層３６およびｎ型のＧａＮ層３７がこの順に積層されている。ＧａＮ層３７上に、ソース電極３１、ドレイン電極３３およびゲート電極３２が設けられている。ソース電極３１とゲート電極３２との間の領域およびゲート電極３２とドレイン電極３３との間の領域にＳｉＮ膜３８が設けられている。
【特許文献１】特開２００４−３４２８１０号公報
【特許文献２】特開２００２−３５９２５６号公報
【発明の開示】
【００１５】
本発明者は、図５を参照して前述した基本構成を有するトランジスタについて鋭意検討を行った。以下、検討内容を説明する。
図５に示した構成では、表面層として設けられたＧａＮ層３７によりＡｌＧａＮ電子供給層３６に起因した深い準位や酸化の問題を改善させる効果がある。その結果、安定動作が得られる。この点について、図６を参照して説明する。図６は、図５に示したトランジスタのゲート電極３２の直下の領域のバンド図を示す図である。図６中の「ＧａＮ表面層」は、ＧａＮ層３７に対応する。
【００１６】
図６に示したように、表面のＧａＮ層３７の導入により、ＧａＮ層３７とＡｌＧａＮ電子供給層３６との界面におけるＡｌＧａＮ電子供給層３６の実効ショットキー障壁高さを向上させることができる。このため、ゲート耐圧を向上させることができる。
また、表面のＧａＮ層３７の導入により、表面側のＡｌＧａＮ電子供給層３６の界面、つまりＧａＮ層３７とＡｌＧａＮ電子供給層３６との界面におけるＡｌＧａＮ電子供給層３６中に存在する負の分極電荷をＡｌＧａＮ電子供給層３６の表面から遠ざけることができる。このため、ＳｉＮ膜３８を成膜した時の影響を著しく軽減できる。この結果、コラプスが軽減され、安定動作を実現できる。
【００１７】
ところが、従来の図５に記載の構成を採用した場合、従来知られていなかった以下の新たな課題が生じることが本発明者の検討により明らかになった。
【００１８】
まず、図５に示した構成では、ＧａＮ層３７をドーピングし、実効障壁高さを減少させ、界面ポテンシャルを下げることにより、シートキャリア濃度を増加させている。具体的には、背景技術の項で前述した特許文献２において、ドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ−３であるｎ型ＧａＮ保護層を形成することが記載されている。
【００１９】
ところが、本発明者の検討によれば、ＧａＮ層３７のドーピング濃度を高めると、ゲート電極３２のドレイン側端部における電界集中が増大する懸念があった。また、ゲート−ドレイン間のアンゲート領域の電界強度が増大し、ゲート耐圧が劣化する場合があった。
【００２０】
一方、図５に示した構成において、表面ＧａＮ層３７がドーピングされていない場合（ｉ−ＧａＮ）、ゲート電極３２の直下のチャネル中のシートキャリア（二次元電子ガス）濃度が低下しチャネル電流が充分発生しない懸念があった。
【００２１】
また、図５に示したトランジスタにおいては、表面のＧａＮ層３７上に、ショットキー電極であるゲート電極３２が形成されている。このとき、ゲート電極３２の直下の領域における空乏層は、ＧａＮ層３７の表面に存在する深い準位により発生する表面空乏層と同位置に存在する。このことは、ゲート電極３２の直下の空乏層は、アンゲート領域の空乏層の影響を完全に排除できていないことを示す。その結果、特に、ドレイン側ゲート端近辺において、アンゲート領域のＧａＮ層３７の表面近傍に発生した表面準位によるキャリアの捕獲放出が、ゲート電極３２に大信号が入力した場合の高周波に追従できない場合があった。また、上述した表面準位が、新たな電流コラプスの原因となり、充分な高周波出力を引き出せなくなる場合があった。また、これらの結果、電力密度を充分大きくできない懸念があった。
【００２２】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、コラプスとゲート耐圧とのバランスに優れるトランジスタを提供する。
【００２３】
本発明者は、上述した点を踏まえ、さらに鋭意検討を進めた。その結果、ＡｌＧａＮ層中の深い準位の影響を軽減させて、高いゲート耐圧を維持しつつ、表面準位によるコラプスが抑制される以下の構造を見出し、本発明に至った。
【００２４】
本発明によれば、第一アンドープＧａＮ層により構成される電子走行層と、前記電子走行層上に接して設けられ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）により構成される電子供給層と、前記電子供給層上に設けられた第二アンドープＧａＮ層と、前記第二アンドープＧａＮ層上に離間して設けられたソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の領域に設けられ、前記第二アンドープＧａＮ層を貫通する凹部と、前記凹部の前記ドレイン電極側の側壁に接触するように前記凹部に埋設されるとともに、底面において前記電子供給層に接して設けられたゲート電極と、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の領域において、前記第二アンドープＧａＮ層上に設けられた絶縁膜と、を含む電界効果トランジスタが提供される。
【００２５】
本発明の電界効果トランジスタにおいては、ゲート電極が底面において電子供給層に接しているとともに、ゲート電極とドレイン電極との間において、電子供給層上に第二アンドープＧａＮ層が設けられている。このため、電子供給層中に存在する負の分極電荷を電子供給層の表面から遠ざけることができる。よって、コラプスの発生を効果的に抑制することができる。
【００２６】
また、ゲート電極が、凹部のドレイン電極側の側壁に接触するように凹部に埋設されている。つまり、ゲート電極とドレイン電極との間の領域において、第二アンドープＧａＮ層が、ゲート電極の側面からドレイン電極に向かって設けられている。ゲート電極のドレイン電極側端部の領域の電子供給層が、完全に第二アンドープＧａＮ層で被覆されているため、アンゲート領域の表面ポテンシャルとゲート電極直下の表面ポテンシャルとを完全に分離することができる。このため、ゲート電極のドレイン電極側端部近傍のアンゲート領域に、高周波に追従できず、ゲート電極直下の領域の高周波特性に影響を及ぼす領域が形成されない構成となっている。よって、この構成によれば、コラプスの発生を実質的に完全に防ぐことができる。従って、この構成によれば、高周波特性を向上させて、動作安定性を向上させることができる。
【００２７】
また、本発明においては、電子供給層と絶縁膜との間に第二アンドープＧａＮ層が設けられているため、ゲート電極のドレイン側端部における電界集中を緩和し、ゲート耐圧を向上させることができる。
【００２８】
また、本発明においては、ゲート電極が凹部に埋設されているため、第二アンドープＧａＮ層が、ゲート電極のドレイン側の側面の近傍に配置された構成となっている。このため、ゲート電極のドレイン側端部における電界集中をさらに効果的に抑制可能な構成となっている。
【００２９】
また、本発明においては、ゲート電極とドレイン電極との間において、電子供給層上にアンドープのＧａＮ層が設けられているため、ゲート−ドレイン間のアンゲート領域の電界強度を低下させることができる。このため、ゲート耐圧を向上させることができる。
【００３０】
また、本発明においては、第二アンドープＧａＮ層を貫通する凹部が設けられている。凹部は、たとえばリセスエッチングにより形成することができる。そして、ゲート電極は凹部に埋設されているとともに、底面において電子供給層に接している。このような構成とすることにより、電子供給層上にアンドープのＧａＮ層を設けた場合においても、ゲート電極直下のチャネル中のシートキャリア濃度を充分に確保することができる。このため、チャネル電流を充分に発生させることができる。
【００３１】
このように、本発明の電界効果トランジスタによれば、コラプスとゲート耐圧とのトレードオフを改善し、ゲート耐圧を向上させるとともに、コラプスの発生を抑制することができる。
【００３２】
本発明の電界効果トランジスタにおいて、ゲート長方向の断面視において、前記凹部の側壁と前記ゲート電極の前記ソース電極側および前記ドレイン電極側の両方の側壁とが直接接していてもよい。このようにすれば、さらにソース抵抗を低減することができるので、デバイス特性を向上させることができる。
【００３３】
また、本発明の電界効果トランジスタにおいて、前記ゲート電極が前記凹部を完全に埋め込んでいてもよい。
【００３４】
本発明の電界効果トランジスタにおいて、前記ゲート電極が、前記ドレイン電極側に庇状に張り出して前記絶縁膜の上部に形成されたフィールドプレート部を備えていてもよい。こうすることにより、ゲート電極のドレイン電極側端部における電界集中をより一層効果的に緩和することができる。このため、ゲート耐圧をより一層向上させることができる。
【００３５】
本発明において、ゲート電極近傍以外の第二アンドープＧａＮ層上に設けられた絶縁膜として、界面準位密度の低い絶縁膜を用いることができる。こうすることで、ゲート電極と前記ドレイン電極間で生じるコラプスをさらに効果的に抑制できる。このような絶縁膜として、具体的には、窒素を含んだ絶縁膜、さらに具体的にはＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜およびＳｉＣＮ膜が挙げられる。こうすることによって、電流コラプス低減とゲートリーク電流の少ない高出力化により優れたトランジスタが得られる。
【００３６】
本発明において、前記ゲート電極がＴ字型またはＹ字型になっていてもよい。こうすることによって、ゲート抵抗の低減が図られ、利得を増大させることができるので、高周波特性をさらに向上させることができる。
【００３７】
以上説明したように本発明によれば、コラプスとゲート耐圧とのバランスに優れたトランジスタが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。【００３９】
【図１】実施形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】従来の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図３】図２の半導体装置のゲート電極直下の領域のバンド図を示す図である。
【図４】半導体装置のＩＶ特性の測定結果を示す図である。
【図５】従来の半導体装置の構成を示す断面図である。
【図６】図５の半導体装置のゲート電極直下の領域のバンド図を示す図である。
【図７】実施形態における半導体装置のゲート電極の直下の領域およびアンゲート領域のバンド図を示す図である。
【図８】実施形態における半導体装置のアンドープＧａＮ層の膜厚と実効障壁高さとの関係を示す図である。
【図９】実施形態における半導体装置のアンドープＧａＮ層の膜厚とシートキャリア濃度との関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、共通の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。なお、本明細書においては、積層構造を「上層／下層（基板側）」と表記する。【００４１】
図１は、化合物半導体装置の構成を示す断面図である。半導体装置１００は、チャネル層に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体を用いたヘテロ接合電界効果トランジスタである。【００４２】
半導体装置１００は、アンドープＧａＮ（ｉ−ＧａＮ）電子走行層１０５、アンドープＧａＮ電子走行層１０５上に接して設けられたＡｌＧａＮ電子供給層１０６、およびＡｌＧａＮ電子供給層１０６上に接して設けられたアンドープＧａＮ（ｉ−ＧａＮ）層１０７からなるＩＩＩ族窒化物半導体構造を有する。
半導体装置１００において、チャネルすなわち二次元電子ガスは、分極電荷およびＡｌＧａＮ電子供給層１０６のドナー層から誘起される。【００４３】
アンドープＧａＮ電子走行層１０５は、基板１０４に接して設けられ、電子走行層として機能する第一アンドープＧａＮ層である。アンドープＧａＮ電子走行層１０５は、チャネル層として機能する。また、基板１０４は、たとえば高抵抗ＳｉＣ基板とする。【００４４】
ＡｌＧａＮ電子供給層１０６は、アンドープＧａＮ電子走行層１０５上に接して設けられ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）により構成される。ＡｌＧａＮ電子供給層１０６は、電子供給層として機能する。ＡｌＧａＮ電子供給層１０６は、たとえばドーピングされたｎ−ＡｌＧａＮ層により構成される。【００４５】
アンドープＧａＮ層１０７は、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６上に設けられた第二アンドープＧａＮ層である。アンドープＧａＮ（ｉ−ＧａＮ）層１０７は、表面層として機能する。アンドープＧａＮ層１０７の表面には、窒素を含む絶縁膜であるＳｉＮ膜１０８による表面保護が施されている。【００４６】
アンドープＧａＮ層１０７上の所定の領域に、ソース電極１０１およびドレイン電極１０３が互いに離間して設けられている。【００４７】
ソース電極１０１とドレイン電極１０３との間の領域に、アンドープＧａＮ層１０７を貫通する凹部１１１が設けられている。凹部１１１の底面は、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６によって構成されている。また、凹部１１１の側面は、アンドープＧａＮ層１０７およびＳｉＮ膜１０８を貫通する貫通孔の内壁によって構成されている。このような凹部１１１は、リセスエッチングにより形成することができる。【００４８】
ソース電極１０１とドレイン電極１０３との間の領域において、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６の上面に接してゲート電極１０２が設けられている。ゲート電極１０２は、凹部１１１に埋設されているとともに、底面においてＡｌＧａＮ電子供給層１０６とショットキー接触している。【００４９】
また、半導体装置１００においては、ゲート電極１０２が凹部１１１を完全に埋め込んでおり、ゲート長方向の断面視において、凹部１１１の側壁とゲート電極１０２のドレイン電極１０３側の側壁とが直接接している。また、半導体装置１００においては、凹部１１１の側壁とゲート電極１０２のソース電極１０１側の側壁とが直接接している。【００５０】
なお、図１では、ゲート電極１０２の底面の位置とＡｌＧａＮ電子供給層１０６の上面の位置とが一致している構成を例示したが、ゲート電極１０２のドレイン側端部における電界集中が充分に抑制される構成であれば、図示した構成には限られず、たとえば、ゲート電極１０２の底部近傍の領域がＡｌＧａＮ電子供給層１０６中に陥入している構成とすることもできる。【００５１】
また、ゲート電極１０２の直下のシートキャリア濃度が充分に確保されている構成であれば、ゲート電極１０２の直下の領域において、ゲート電極１０２とＡｌＧａＮ電子供給層１０６との間に介在層が存在していてもよい。【００５２】
また、ゲート電極１０２の直下の領域の表面ポテンシャルとアンゲート領域の表面ポテンシャルとを確実に分離できる構成であれば、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６とアンドープＧａＮ層１０７との間に介在層が存在していてもよい。【００５３】
ゲート電極１０２は、ドレイン電極１０３側に庇状に張り出してＳｉＮ膜１０８の上部に形成されたフィールドプレート部（張出部１１０）を備える。半導体装置１００では、ゲート電極１０２のソース電極１０１の側にもフィールドプレートとして機能する張出部１０９が設けられている。【００５４】
ゲート電極１０２とドレイン電極１０３との間の領域において、アンドープＧａＮ層１０７上に接して絶縁膜（ＳｉＮ膜１０８）が設けられている。ＳｉＮ膜１０８は、表面保護膜（以下、単に「保護膜」とも呼ぶ。）として機能する。【００５５】
次に、半導体装置１００の製造方法を説明する。
まず、高抵抗ＳｉＣからなる基板１０４上に、ＭＯＣＶＤ法により、チャネル層であるアンドープＧａＮ電子走行層１０５、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６および表面層として機能するアンドープＧａＮ層１０７を順次堆積させる。そして、ＣＶＤ法により、アンドープＧａＮ層１０７上にＳｉＮ膜１０８を堆積させる。ゲート電極１０２、ドレイン電極１０３およびソース電極１０１が形成される領域について、ＳｉＮ膜１０８を選択的に除去し、開口部を形成する。【００５６】
つづいて、開口部中に各電極を形成する。このとき、ソース電極１０１およびドレイン電極１０３を形成した後、たとえば６５０℃でアニールを行うことにより、オーム性接触させる。また、ゲート電極１０２については、その形成領域において、ＳｉＮ膜１０８の開口部から露出するアンドープＧａＮ層１０７をエッチングにより除去し、Ｎｉ（上層）／Ａｕ（下層（基板側））などの金属を蒸着し、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６上にゲート電極１０２を形成する。アンドープＧａＮ層１０７のエッチングは、ドライエッチングとするとよい。ドライエッチング法を用いることにより、ゲート電極１０２の側壁とアンドープＧａＮ層１０７の側壁との間に隙間ができないようにすることができるため、これらが側面において直接接触した構成を高い歩留まりで安定的に得ることができる。以上の手順により、図１に示した半導体装置１００が得られる。【００５７】
以上により得られた半導体装置１００においては、ソース電極１０１とドレイン電極１０３との間の所定の領域に、ＳｉＮ膜１０８およびアンドープＧａＮ層１０７を貫通する凹部１１１が形成されている。そして、ゲート電極１０２が凹部１１１を完全に埋め込んでおり、ゲート電極１０２が底面においてＡｌＧａＮ電子供給層１０６に接するとともに側面においてアンドープＧａＮ層１０７に接している。【００５８】
ここで、従来の半導体装置においては、図２を参照して前述したように、ゲート電極２２とドレイン電極２３との間の領域において、ＡｌＧａＮ電子供給層２６上に直接接してＳｉＮ膜２７が設けられていた。このため、コラプスの発生を抑制しようとしてＳｉＮ膜２７の膜厚を大きくすると、ゲート電極２２のドレイン側端部における電界集中により、ゲート耐圧が低下してしまう構成となっていた。【００５９】
これに対し、図１に示した半導体装置１００においては、ゲート電極１０２とドレイン電極１０３との間の領域において、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６とＳｉＮ膜１０８との間にアンドープＧａＮ層１０７が介在している。このため、ＳｉＮ膜１０８の膜厚を大きくした場合でも、ゲート電極１０２のドレイン側端部における電界集中を抑制し、ゲート耐圧を向上させることができる。この効果は、図１に示したように、ゲート電極１０２の底面の位置と、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６とアンドープＧａＮ層１０７との界面の位置が一致している場合に顕著に発揮される。また、この効果は、図１に示したように、ゲート電極１０２のドレイン側側面に接してアンドープＧａＮ層１０７が設けられている場合に顕著に発揮される。また、この効果は、ゲート電極１０２のドレイン側端部とドレイン電極１０３のゲート側端部との間の領域、つまりアンゲート領域の全体にわたってアンドープＧａＮ層１０７が設けられている場合に顕著に発揮される。【００６０】
また、電子供給層とＳｉＮ膜との間にＧａＮ層を介在させる技術として、背景技術の項で図５を参照して前述したものがある。図５に示した装置では、ＡｌＧａＮ電子供給層３６上のＧａＮ層３７にドーピングして実効障壁高さを減少させることにより、シートキャリア濃度を向上させていた。ところが、この方法では、ＧａＮ層３７のドーピング濃度を高めると、ゲート電極３２のドレイン端での電界集中が増大したり、アンゲート領域の電界強度が増大したりして、ゲート耐圧が劣化したりする懸念があった。【００６１】
これに対し、半導体装置１００においては、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６とＳｉＮ膜１０８との間に、介在層としてアンドープＧａＮ層１０７を設けている。このため、アンゲート領域における実効障壁を充分に確保して、ゲート耐圧の劣化を抑制することができる。具体的には、ゲート電極１０２のドレイン側端部における電界集中を抑制するとともに、アンゲート領域の電界強度を効果的に低下させることができる。【００６２】
さらに、半導体装置１００においては、ゲート電極１０２が、アンドープＧａＮ層１０７中に埋設されており、ゲート電極１０２の底面とＡｌＧａＮ電子供給層１０６とが接している。このため、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６上にアンドープＧａＮ層１０７を設けた構成でありながら、ゲート電極１０２直下の領域におけるシートキャリア濃度を充分に高めることができる。【００６３】
このように、半導体装置１００においては、チャネル電流の増加とゲート耐圧の向上とを両立させることができる。具体的には、アンドープＧａＮ層１０７上にＳｉＮ膜１０８が設けられているため、ＩＶ特性に優れた構成となっており、図４を参照して前述したＩＶ曲線におけるヒステリシスの発生を抑制することができる。【００６４】
なお、半導体装置１００において、ゲート電極１０２のドレイン側端部における電界集中の緩和効果は、ゲート長方向におけるゲート電極１０２の断面形状によらず発揮される。このため、図１に示した場合のようにゲート電極１０２にフィールドプレート部として機能する張出部１１０が設けられた場合には限られず、たとえばゲート電極１０２の断面形状が図２や図５の場合のように矩形である場合にも、ゲート耐圧を効果的に向上させることができる。【００６５】
図１に示した構成においては、ゲート電極１０２に張出部１０９および張出部１１０が設けられたフィールドプレート構造となっている。このため、ゲート電極１０２のドレイン電極側端部等における電界集中をより一層効果的に緩和することができる。よって、ゲート逆耐圧のより一層の高耐圧化が可能になる。【００６６】
また、半導体装置１００では、ゲート電極１０２が凹部１１１に埋め込まれており、ゲート電極１０２のソース電極１０１側およびドレイン電極１０３側の両方の側において、凹部１１１の側壁とゲート電極１０２の側壁とが直接接触している。ドレイン電極１０３側に加えて、ソース電極１０１側においても、アンドープＧａＮ層１０７とゲート電極１０２とが接触しているため、半導体装置１００は、ソース抵抗が効果的に低減される構成となっている。このため、半導体装置１００によれば、電流利得特性および高速性というデバイス特性を向上させることができる。【００６７】
また、半導体装置１００においては、ゲート電極１０２とドレイン電極１０３との間において、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６上にアンドープＧａＮ層１０７が設けられている。これにより、アンゲート領域のうち、アンドープＧａＮ層１０７が設けられている領域の表面ポテンシャルと、ゲート電極１０２直下の領域の表面ポテンシャルとを分離することができる。また、ゲート電極１０２が凹部１１１に埋設されているため、アンドープＧａＮ層１０７が、ゲート電極１０２のドレイン側端部まで延びており、アンゲート領域の空乏層がゲート電極１０２の直下の領域の空乏層に影響を及ぼさないように構成されている。よって、新たなコラプスが発生しないようにすることができる。この効果は、図１に示したように、凹部１１１をゲート電極１０２が完全に埋め込んだ構成である場合に顕著に発揮され、この構成においては、コラプスの発生を実質的に完全に防止することができる。【００６８】
すなわち、半導体装置１００においては、凹部１１１をゲート電極１０２が完全に埋め込んだ構成となっており、アンドープＧａＮ層１０７がドレイン電極１０３の直下からゲート電極１０２の側面にわたって形成されている。そして、ゲート電極１０２が側面においてアンドープＧａＮ層１０７と接している。そして、ゲート電極１０２は、側面の一部において、アンドープＧａＮ層１０７の上部に設けられたＳｉＮ膜１０８と接している。このため、半導体装置１００においては、ゲート電極１０２の直下の領域の表面ポテンシャルと、ゲート電極１０２とドレイン電極１０３との間の領域、つまりアンゲート領域の表面ポテンシャルとが完全に分離されるように構成されている。よって、半導体装置１００においては、ゲート電極１０２の直下の領域における表面ポテンシャルとアンゲート領域における表面ポテンシャルとをそれぞれ任意に独立に設計し、これらを意図的に異ならせることが可能な構成となっている。【００６９】
図２および図５を参照して前述した半導体装置においては、ゲート電極１０２とドレイン電極１０３とが同層上に設けられており、アンゲート領域の表面ポテンシャルとゲート電極の直下の領域の表面ポテンシャルとが分離されない構成となっていた。このため、アンゲート領域の空乏層が、ゲート電極直下の領域の空乏層に影響を及ぼし、高周波特性を劣化させていた。【００７０】
これに対し、半導体装置１００では、ゲート電極１０２の側面がアンドープＧａＮ層１０７に直接接しているため、ゲート電極１０２の直下の領域の表面ポテンシャルとアンゲート領域の表面ポテンシャルとが完全に分離されている。ゲート電極１０２直下の空乏層が、アンドープＧａＮ層１０７の表面準位と完全に分離されているため、ゲート電極１０２のドレイン側端部近傍のアンゲート領域に、高周波に追従できず、ゲート電極１０２直下の領域の高周波特性に影響を及ぼす領域が形成されない。【００７１】
このため、半導体装置１００によれば、アンゲート領域の表面準位に起因するコラプスの影響を完全に排除することができる。よって、キャリアの捕獲および放出が、ゲート電極１０２に大信号が入力した場合の高周波に影響を及ばさず、充分な高周波出力を引き出すことができる。【００７２】
ここで、ゲート電極１０２を完全にアンドープＧａＮ層１０７中に埋め込んだ場合の影響について、以下、さらに具体的に説明する。【００７３】
半導体装置１００において、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６中には分極電荷が発生し、特に表面に近い側においては、ポテンシャルが持ち上げられる。
アンドープＧａＮ層１０７をＡｌＧａＮ電子供給層１０６の表面に導入し、ゲート電極１０２をアンドープＧａＮ層１０７中に完全に埋込んだ場合、ゲート電極１０２の形成部（ゲート領域）とアンゲート領域のバンド構造が変わる。【００７４】
このとき、ゲート埋込みにより発生する、ゲート領域とアンゲート領域の実効ショットキー障壁高さを、それぞれ、ｅφｂ（ＡｌＧａＮ）およびｅφｂ（ｅｆｆ）とする。そうすると、これらは、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６のドーピング量（Ｎd）とＡｌＧａＮ電子供給層１０６の膜厚（ｔAlGaN）、アンドープＧａＮ層１０７の膜厚（ｔGaN）およびシートキャリア濃度（ｎs）およびΔＥｃ（障壁高さ）より決定される。【００７５】
また、ｅφｂ（ＡｌＧａＮ）とｅφｂ（ｅｆｆ）との大小関係は、以下の式（１）〜（３）のように場合分けして表すことができる。【００７６】
Ｎd＊ｔAlGaN＞ｎs＋ｔGaN＊（∂ｎs／∂ｔGaN）、ｎs＝ｎs（ｔAlGaN、ｔGaN、Ｎd）  （１）
上記式（１）は、ゲート電極１０２の直下のショットキー障壁高さが、アンゲート領域より低くなることを示し、アンゲート領域のシートキャリア濃度がゲート領域よりも多いことを示す。【００７７】
Ｎd＊ｔAlGaN＝ｎs＋ｔGaN＊（∂ｎs／∂ｔGaN）、ｎs＝ｎs（ｔAlGaN、ｔGaN、Ｎd）  （２）
上記式（２）は、ゲート電極１０２の直下のショットキー障壁高さと、アンゲート領域の障壁高さが同じになることを示し、アンドープのＧａＮ層が電気的に表面層に存在しないことと等価になる。【００７８】
Ｎd＊ｔAlGaN＜ｎs＋ｔGaN＊（∂ｎs／∂ｔGaN）、ｎs＝ｎs（ｔAlGaN、ｔGaN、Ｎd）  （３）
上記式（３）は、ゲート電極１０２の直下のショットキー障壁高さが、アンゲート領域の障壁高さより高くなることを示し、アンゲート領域のシートキャリア濃度がゲート領域よりも少ないことを示す。【００７９】
上記式（１）〜式（３）に示した関係を図７（ａ）〜図７（ｄ）を参照して説明する。図７（ａ）〜図７（ｄ）は、半導体装置１００のゲート電極１０２の直下とアンゲート領域のバンド図を示す図である。【００８０】
図７（ａ）は、ゲート電極１０２の直下の領域のバンド図である。図１を参照して前述したように、ゲート電極１０２の直下においては、アンドープＧａＮ層１０７がリセスエッチングにより除去されているため、図示したバンド図となる。【００８１】
また、図７（ｂ）〜図７（ｄ）には、アンドープＧａＮ層１０７が設けられているアンゲート領域について、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６の厚さを３種類に異ならせた場合が示されている。【００８２】
ＡｌＧａＮ電子供給層１０６の膜厚が薄い場合（図７（ｂ））、アンドープＧａＮ層１０７によりポテンシャルが持ち上げられる。その結果、ゲート電極１０２の直下の領域よりも、実効障壁が上昇する。これは、上記式（１）で示される関係に対応する。
逆に、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６の膜厚が厚い場合（図７（ｄ））、アンゲート領域の実効障壁高さが、ゲート領域よりも低下することが示唆される。これは、上記式（３）で示される関係に対応する。
さらに、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６の膜厚によっては、ゲート領域とアンゲート領域の実効障壁高さが等しくなる条件も存在する（図７（ｃ））。これは、上記式（２）で示される関係に対応する。【００８３】
図８および図９は、上記式（１）〜（３）を用いて、ゲート領域とアンゲート領域のポテンシャル分布を計算した結果を示す図である。図８および図９において、横軸つまりアンドープＧａＮ層１０７の層厚がゼロである場合がゲート領域に対応し、アンドープＧａＮ層１０７の層厚が正の領域が、アンゲート領域に対応する。【００８４】
まず、図８は、アンドープＧａＮ層１０７の膜厚と実効ショットキー障壁高さｅφｂ（ｅｆｆ）との関係を示す図である。なお、図８においては、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６中のキャリア濃度を１．５×１０18ｃｍ−3とし、分極電荷密度を５×１０12ｃｍ−2とした場合についてバンド計算した結果が示されている。【００８５】
図８より、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６の膜厚が１００オングストローム（１０ｎｍ）の時、アンゲート領域では、アンドープＧａＮ層１０７の膜厚の増加に伴い、ｅφｂ（ｅｆｆ）が増加する。これに対し、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６の膜厚が２００オングストロームの場合には、逆に、アンドープＧａＮ層１０７の膜厚の増加に伴い、ｅφｂ（ｅｆｆ）が低下する。【００８６】
さらに、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６の膜厚が１２５オングストロームの場合には、アンドープＧａＮ層１０７の膜厚によらず、ｅφｂ（ｅｆｆ）が一定で、アンドープＧａＮ層１０７の層厚がゼロの場合に等しい。このとき、アンゲート領域のｅφｂ（ｅｆｆ）が、ゲート領域におけるｅφｂ（ＡｌＧａＮ）と等しい構造となる。【００８７】
図８に示したように、半導体装置１００においては、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６の層厚を設定することにより、ゲート領域およびアンゲート領域の表面特性を設計することができる。【００８８】
特に、上記式（１）および図７（ｂ）に示したように、アンゲート領域のポテンシャルがゲート直下のポテンシャルよりも高い構成とした場合、ゲート電極１０２からドレイン電極１０３に向かって移動する電子は、ポテンシャル障壁高さの差を越えなければアンゲート領域を通過することができない。このため、ゲート−ドレイン間に逆電圧を印加した際のリーク電流を著しく低減させることができる。このことは、非常に高いゲート耐圧が得られることを意味する。【００８９】
また、半導体装置１００において、チャネル電流を充分に発生させる観点では、シートキャリア濃度を大きくすることが好ましい。また、ドレイン電極直下の領域の抵抗を低下させる観点では、アンドープＧａＮ層１０７の層厚をたとえば２００オングストローム以下、好ましくは１００オングストローム以下とすることが好ましい。【００９０】
そこで、本発明者は、アンドープＧａＮ層１０７の層厚を小さくしつつシートキャリア濃度の高い構成を実現するため、さらに検討した。計算結果を図９に示す。図９は、図８と同じ条件下でのシートキャリア濃度のアンドープＧａＮ層１０７の膜厚依存性を示す図である。また、図９においても、図８の場合と同様に、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６の層厚が、１００オングストローム、１２５オングストロームおよび２００オングストロームである場合について計算した。【００９１】
図９より、アンドープＧａＮ層１０７の膜厚が１００オングストローム以下である場合には、シートキャリア濃度が１Ｅ１２／ｃｍ2程度となる。ＡｌＧａＮ電子供給層１０６の濃度変化による大きな増加および減少はみられない。【００９２】
また、アンドープＧａＮ層１０７の膜厚が１２５オングストロームおよび２００オングストロームである場合、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６の膜厚が１００オングストローム以下程度と比較的小さい範囲においても、シートキャリア濃度をさらに高めることができる。このため、アンドープＧａＮ層１０７の膜厚が１２５オングストロームおよび２００オングストロームとすれば、シートキャリア濃度の変化を考慮せずに、ゲート電極部およびアンゲート領域のそれぞれについて、高い自由度でさらに優れたポテンシャル設計ができることがわかる。【００９３】
図８および図９に示した結果は、ゲート電極１０２をアンドープＧａＮ層１０７に埋め込むことで実現される特性である。【００９４】
以上のように、チャネル層に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体を用いたヘテロ接合電界効果トランジスタである半導体装置１００は、コラプスおよび高いゲート耐圧の性能のバランスに優れた構成となっており、このため、半導体装置１００は、高周波動作が可能であるとともに、高耐圧特性を確保しつつ、高電力密度で安定的に動作することができる。また、半導体装置１００は、信頼性および動作安定性に優れた構成となっている。【００９５】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。【００９６】
たとえば、以上においては、アンドープＧａＮ電子走行層１０５上のＡｌＧａＮ層が、ドーピングされたｎ−ＡｌＧａＮ層により構成されるＡｌＧａＮ電子供給層１０６からなる場合を例に説明したが、アンドープＧａＮ電子走行層１０５上のＡｌＧａＮ電子供給層１０６は、アンドープ（ｉ−ＡｌＧａＮ）であってもよいし、ドーピング（ｎ−ＡｌＧａＮ）されていてもよい。また、ＡｌＧａＮ電子供給層１０６は、ｉ−ＡｌＧａＮとｎ−ＡｌＧａＮとがこの順に積層した構成であってもよい。【００９７】
また、以上においては、アンドープＧａＮ層１０７上にＳｉＮ膜１０８を設ける場合を例示したが、アンドープＧａＮ層１０７上の絶縁膜は、電流コラプスを抑制する表面保護膜として機能するものであればＳｉＮ膜１０８には限られない。たとえば、ＳｉＮ膜１０８に代えて、ＳｉＯＮ膜やＳｉＣＮ膜等の、構成元素として窒素を含む他の膜を用いることもできる。【００９８】
また、以上においては、基板１０４の材料として高抵抗ＳｉＣを用いる場合を例に説明したが、低抵抗基板を用いることもできる。また、基板１０４として、サファイア等他の異種基板材料やＧａＮ、ＡｌＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体基板等を用いてもよい。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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