(57)【要約】【課題】ＧａＮ系高移動度トランジスタの電流コラプスを低減する。【解決手段】先ず、下地基板１０上に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造層２０を形成する。次に、リフトオフ法を用いて、へテロ構造層２０の上側表面２１上に、ゲート電極５２、オーミック電極５４を形成する。次に、へテロ構造層の上側表面に対してＮＨ３プラズマ照射することにより、表面クリーニングを行う。ＮＨ３プラズマ照射に換えて、Ｎ２Ｏプラズマ、Ｏ２プラズマ、又はＳｉＨ４プラズマの各プラズマ照射を行っても良い。【選択図】図１
2007027276.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地上に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造層を形成する工程と、
リフトオフ法を用いて、前記へテロ構造層の上側表面上に、ゲート電極及びオーミック電極を形成する工程と、
前記へテロ構造層の上側表面に対してＮＨ３プラズマ照射することにより、表面クリーニングを行う工程と
を備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項２】
下地上に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造層を形成する工程と、
リフトオフ法を用いて、前記へテロ構造層の上側表面上に、ゲート電極及びオーミック電極を形成する工程と、
前記へテロ構造層の上側表面に対してＮ２Ｏプラズマ照射することにより、表面クリーニングを行う工程と
を備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項３】
下地上に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造層を形成する工程と、
リフトオフ法を用いて、前記へテロ構造層の上側表面上に、ゲート電極及びオーミック電極を形成する工程と、
前記へテロ構造層の上側表面に対してＯ２プラズマ照射することにより、表面クリーニングを行う工程と
を備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項４】
下地上に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造層を形成する工程と、
リフトオフ法を用いて、前記へテロ構造層の上側表面上に、ゲート電極及びオーミック電極を形成する工程と、
前記へテロ構造層の上側表面に対してＳｉＨ４プラズマ照射することにより、表面クリーニングを行うとともに、前記上側表面上に多結晶シリコン層を形成する工程と
を備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項５】
下地上に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造層を形成する工程と、
電極形成領域内に開口部が形成されたレジストパターンを、前記へテロ構造層の上側表面上に設ける工程と、
前記開口部内に露出した該へテロ構造層の上側表面上に、ゲート電極及びオーミック電極を形成する工程と、
Ｏ２アッシングにより、前記レジストパターンを除去するとともに、前記へテロ構造層の上側表面の表面クリーニングを行う工程と
を備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項６】
下地と、
該下地上に形成された、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造層と、
該へテロ構造層の上側表面上に形成された、ゲート電極及びオーミック電極と、
前記へテロ構造層の上側表面上に形成された多結晶シリコン層と
を備えることを特徴とする半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子の製造方法及び半導体素子、特に電流コラプス効果が小さいＧａＮ系高移動度トランジスタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮへテロ構造を備える高電子移動度電界効果トランジスタ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）デバイス（以下、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴと称することもある。）について、高周波パワーデバイスとしての実用化を目指した開発が進められている。ＧａＮ−ＨＥＭＴには、動作中にオン抵抗の変化が生じる電流コラプスやゲート漏れ電流などの、動作の不安定性の問題がある。この電流コラプスやゲートリーク電流は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造の表面状態に深く関連している。
【０００３】
図１３を参照して、従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴについて説明する。図１３は、従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴを概略的に示す断面図である。
【０００４】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴは、下地基板１１０上に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのへテロ構造層１２０を備えている。ヘテロ構造層１２０は、下地基板１１０上に、チャネル層１２２と障壁層１２４が順次に積層して構成されている。チャネル層１２２は、不純物がドープされていないＧａＮの半導体層として形成され、及び、障壁層１２４は、不純物がドープされていないＡｌＧａＮの半導体層として形成されている。ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造層１２０の上側表面１２１上に、ゲート電極１５２と、ソース電極及びドレイン電極として用いられるオーミック電極１５４が形成されている。
【０００５】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴのヘテロ構造１２０の上側表面１２１上にＳｉ３Ｎ４膜１３０を表面保護膜として設けると、電流コラプスを低減できることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
また、ＧａＮ又はＡｌＧａＮ表面の窒素空乏に起因した欠陥準位が、ＧａＮ又はＡｌＧａＮ表面の電流コラプスを引き起こすことがある。そのようなモデルに対しては、ＧａＮ又はＡｌＧａＮ表面をＮ２プラズマで改質した後、Ａｌ２Ｏ３保護膜を形成する技術も提案されている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００７】
さらに、ゲートからドレイン方向にフィールドプレート（ＦＰ）電極を引き出すことによって、表面準位をＦＰ電極で変調し、電流コラプスを抑制する技術がある（例えば、非特許文献３参照）。
【非特許文献１】橋詰保著「ＧａＮおよびＡｌＧａＮ表面の窒素空乏と接合特性」、信学技報、ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ  ＲＥＰＯＲＴ  ＯＦ  ＩＥＩＣＥ、ＥＤ２００３−１５３、ＣＰＭ２００３−１２３、ＬＱＥ２００３−７１（２００３−１０）
【非特許文献２】橋詰保著「ＧａＮ系電子デバイスにおける表面の影響」、信学技報、ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ  ＲＥＰＯＲＴ  ＯＦ  ＩＥＩＣＥ、ＥＤ２００３−２０４、ＭＷ２００３−２３２（２００４−１）
【非特許文献３】安藤裕二他著「フィールドプレート付き高耐圧ＡｌＧａＮ／ＧａＮへテロ接合ＦＥＴの評価」、信学技報、ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ  ＲＥＰＯＲＴ  ＯＦ  ＩＥＩＣＥ、ＥＤ２００４−２１４、ＣＰＭ２００２−１０５（２００２−１０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献１に開示されている、単にＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴのヘテロ構造の表面上にＳｉ３Ｎ４保護膜を形成するだけの技術では、電流コラプスが残存する割合が高いなど、このＨＥＭＴの動作の不安定要素が残る。
【０００９】
また、非特許文献２に開示されている、ＧａＮ又はＡｌＧａＮ表面をＮ２プラズマで改質した後、Ａｌ２Ｏ３保護膜を形成する技術では、Ａｌ２Ｏ３膜の形成に７００℃の高温プロセスが必要となる。そのために、この技術は、ゲートメタル形成後には適応できず、結果として、プロセスが複雑になるという欠点がある。
【００１０】
また、非特許文献３に開示されているＦＰ電極を用いる技術では、電流コラプスを低減することはできるものの、高周波特性が大幅に低下するという素子特性上の問題がある。
【００１１】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、電流コラプスを低減する半導体素子の製造方法及び半導体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した目的を達成するために、この発明の半導体素子の製造方法は、以下の過程を備えている。
【００１３】
先ず、下地上に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造層を形成する。次に、リフトオフ法を用いて、へテロ構造層の上側表面上に、ゲート電極及びオーミック電極を形成する。次に、へテロ構造層の上側表面に対してＮＨ３プラズマ照射することにより、表面クリーニングを行う。
【００１４】
また、この発明の半導体素子の製造方法の他の好適な実施形態によれば、ＮＨ３プラズマ照射に換えて、Ｎ２Ｏプラズマ照射又はＯ２プラズマ照射を行っても良い。
【００１５】
さらに、この発明の半導体素子の製造方法の実施にあたり、ＮＨ３プラズマ照射に換えて、ＳｉＨ４プラズマ照射することにより、ヘテロ構造層の上側表面の表面クリーニングを行うとともに、へテロ構造層の上側表面上に多結晶シリコン層を形成するのが良い。
【００１６】
また、この発明の半導体素子の製造方法の他の好適な実施形態によれば、以下の工程を備えている。先ず、下地上に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造層を形成する。次に、電極形成領域内に開口部が形成されたレジストパターンを、へテロ構造層の上側表面上に設ける。次に、レジストパターンに形成された開口部内に露出した、へテロ構造層の上側表面上に、ゲート電極及びオーミック電極を形成する。次に、Ｏ２アッシングすることにより、レジストパターンを除去するとともに、へテロ構造層の上側表面のクリーニングを行う。
【００１７】
上述した目的を達成するために、この発明の半導体素子は、下地と、下地上に形成されたＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造層と、へテロ構造層の上側表面上に形成されたゲート電極及びオーミック電極と、へテロ構造層の上側表面上に形成された多結晶シリコン層とを備えている。
【発明の効果】
【００１８】
この発明の半導体素子の製造方法によれば、へテロ構造層の上側表面にＮＨ３プラズマ照射することにより、ヘテロ構造層の上側表面のハイドロカーボン（ＨＣ）を除去することができ、さらに、表面準位の原因と考えられるヘテロ構造層表面付近のＮ空孔を補償できるため、電流コラプス抑制効果を高めることが可能になる。
【００１９】
また、ＮＨ３プラズマ照射に換えて、Ｎ２Ｏプラズマ照射、ＳｉＨ４プラズマ照射またはＯ２アッシングを行っても、ヘテロ構造層の上側表面のＨＣを除去することができるので、電流コラプス抑制効果を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の組成（材質）および数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されない。また、各図において各構成要素の形状、大きさ及び配置関係は、この発明が理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。
【００２１】
（第１実施形態）
図１を参照して、第１実施形態の半導体素子の製造方法について説明する。図１は、第１実施形態の半導体素子の製造方法を説明するための工程図である。
【００２２】
先ず、下地として、ＳｉＣ、Ｓｉ、またはサファイアなどの基板（以下、下地基板と称することもある。）１０を用意する。
【００２３】
次に、下地基板１０上に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのへテロ構造層２０を形成する。ヘテロ構造層２０は、下地基板１０上に、チャネル層２２と障壁層２４が順次に積層された積層構造として構成される。チャネル層２２は、不純物がドープされていないＧａＮの半導体層として形成され、及び、障壁層２４は、不純物がドープされていないＡｌＧａＮの半導体層として形成される。チャネル層２２及び障壁層２４は、例えば、任意好適な周知の有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、又は、分子線結晶成長法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）により、形成される。チャネル層２２及び障壁層２４間の接合はヘテロ接合であって、ポテンシャル井戸を持つエネルギーバンド構造を持つ。このポテンシャル井戸に閉じ込められた電子はヘテロ接合の接合面２３と垂直な方向には運動の自由度がなく、二次元電子ガスと呼ばれる。この二次元電子ガスは電子移動度が大きく、ソース−ドレイン間に流れる二次元電子ガスによる電流が、ゲートに印加される電圧で制御される（図１（Ａ））。
【００２４】
なお、下地基板１０とチャネル層２２との間で格子緩和効果を生じさせるために、下地基板１０とヘテロ構造層２０の間にバッファ層を設けても良い。また、ヘテロ構造層２０の上側表面２１上にゲートリーク電流低減のために、キャップ層としてＧａＮ層を設けても良い。
【００２５】
次に、リフトオフ法を用いて、へテロ構造層２０の上側表面２１上に、ゲート電極５２及びオーミック電極５４を形成する（図１（Ｂ））。
【００２６】
この工程では、先ず、ヘテロ構造層２０の上側表面２１に、オーミック電極形成領域４５及びゲート電極形成領域４７を設定する。次に、ヘテロ構造層２０の上側表面２１上にレジストパターンを形成する。ヘテロ構造層２０の上側表面２１上にフォトレジストを塗布する。その後、フォトレジストに対して、露光、現像等の従来周知のフォトリソグラフィ法を施すことにより加工を行って、オーミック電極形成領域４５のヘテロ構造層２０の上側表面２１を露出させるレジストパターンを形成する。次に、ヘテロ構造層２０の上側表面２１内に露出しているオーミック電極形成領域４５、及び、レジストパターン上に、金属を蒸着する。その後、例えば、任意好適な周知のレジスト剥離液により、レジストパターンを除去することにより、すなわち、リフトオフ法により、オーミック電極５４が形成される。オーミック電極５４の材料としては、公知の電極材料を用いれば良く、例えば、ニッケルを蒸着することで形成することができる。オーミック電極５４は、ソース電極及びドレイン電極として用いられる。
【００２７】
オーミック電極５４の形成後、ゲート電極５２を形成する。ゲート電極の形成は、オーミック電極５４の形成と同様の工程で行われる。先ず、ヘテロ構造層２０の上側表面２１上にレジストパターンを形成する。ヘテロ構造層２０の上側表面２１上にフォトレジストを塗布する。その後、フォトレジストに対して、露光、現像等の従来周知のフォトリソグラフィ法を施すことにより加工を行って、ゲート電極形成領域４７のヘテロ構造層２０の上側表面２１を露出させるレジストパターンを形成する。次に、ヘテロ構造層２０の上側表面２１内に露出しているゲート電極形成領域４７、及び、レジストパターン上に、金属を蒸着する。その後、例えば、任意好適な周知のレジスト剥離液により、レジストパターンを除去することにより、すなわち、リフトオフ法により、ゲート電極５２が形成される。ゲート電極５２の材料としては、公知の電極材料を用いれば良く、例えば、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、及びＡｌ等が用いられる。
【００２８】
その後、プラズマＣＶＤ装置内で、ヘテロ構造層２０の上側表面２１に対して、ＮＨ３プラズマ照射（図１（Ｃ）中、矢印Ｉで示す。）することにより表面クリーニングを行う。プラズマの発生条件は、装置の仕様等に応じて任意好適に設定すれば良く、ここでは、反応ガスのガス圧を約１２０Ｐａ（＝９００ｍＴｏｒｒ）として、１３．５６ＭＨｚの周波数及び４５Ｗの出力でプラズマを発生させている。ＮＨ３プラズマを照射するために、反応ガスとして、ＮＨ３とＮ２の混合ガスを用いる。電流コラプスの改善のためには、混合ガスのガス流量は、ＮＨ３のガス流量を５．５ｓｃｃｍとし、及びＮ２のガス流量を１５００ｓｃｃｍとするのが良いことが発明者らの測定によって知られている。ここで、ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ  ｃｕｂｉｃ  ｃｍ  ｐｅｒ  ｍｉｎｕｔｅ）は、０℃、１気圧（＝１０１３ｈＰａ）に換算した場合のガス流量を表す単位である。また、ＮＨ３プラズマの照射時間は５〜１２０秒とするのが良い。プラズマの照射時間が５秒未満ではクリーニング効果が少なく、また、１２０秒以上では、電流コラプスが悪化する惧れがあるからである（図１（Ｃ））。尚、このＮＨ３プラズマの照射の際、各電極は、プラズマ照射に曝されても、ＨＥＭＴの動作特性に実質的な障害はない。
【００２９】
ＮＨ３プラズマの照射後、ヘテロ構造層２０の上側表面２１を大気に曝すことなく連続的に、ヘテロ構造層２０上に保護膜としてＳｉ３Ｎ４膜３０を形成する。Ｓｉ３Ｎ４膜３０の形成は、プラズマＣＶＤ装置内で、プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により行われる（図１（Ｄ））。
【００３０】
図２（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、ＮＨ３プラズマを６０秒間照射した場合の、照射前後のヘテロ構造層２０の表面組成として、ＡｌＧａＮ層（障壁層）２４の表面組成について説明する。図２は、ＮＨ３プラズマ照射前後におけるＡｌＧａＮ層２４の表面組成の変化を説明するための特性図であって、オージェ電子分光法（Ａｕｇｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ:ＡＥＳ）による表面分析の結果を示す図である。図２（Ａ）は、ＮＨ３プラズマの照射前のＡｌＧａＮ層２４の表面組成を説明する図であり、及び、図２（Ｂ）は、ＮＨ３プラズマの照射後のＡｌＧａＮ層２４の表面組成を説明する図である。図２（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、横軸にオージェ電子の運動エネルギー（ｅＶ）を取って示し、一方、縦軸にオージェ電子のカウント数をエネルギーで微分した値ｄＮ／ｄＥを取って示している。ＡＥＳによる表面分析の深さは約１．５ｎｍであるため、表面の極表面（表面から数ｎｍの深さ）の組成変化を分析できる。図中、低運動エネルギー側から高運動エネルギー側に順に表されたエネルギー微分値の大きな変動は、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、ガリウム（Ｇａ）及びアルミニウム（Ａｌ）の各元素成分によるものである。
【００３１】
図２（Ａ）及び（Ｂ）を比較すると、ＮＨ３プラズマの照射前後で、炭素の組成は減少している。これは、ＮＨ３プラズマの照射によって発生するＨラジカルにより、ヘテロ構造層２０の上側表面２１のハイドロカーボン（ＨＣ）が除去されることによる。ＮＨ３プラズマ照射を行った場合の炭素の量は、ＮＨ３プラズマ照射を行う前と比較すると、およそ４２％減少している。一方、窒素は、８％程度増加している。この窒素の増加は、Ｈラジカルとともに発生するＮＨラジカルの影響と考えられる。
【００３２】
図３（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、ＮＨ３プラズマを６０秒間照射した場合の、照射前後の電流コラプスについて説明する。図３（Ａ）及び（Ｂ）は、ＮＨ３プラズマ照射による電流コラプスの改善効果を説明するための図であって、パルス電圧に対する電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）特性を示している。図３（Ａ）は、従来の方法、すなわち、ＮＨ３プラズマ照射を行わずに製造された半導体素子のＩ−Ｖ特性を示し、一方、図３（Ｂ）は、第１実施形態の方法、すなわち、ＮＨ３プラズマ照射を行って製造された半導体素子のＩ−Ｖ特性を示している。図３（Ａ）及び（Ｂ）では、ドレイン電圧Ｖｄ（Ｖ）を、横軸に取って示し、ドレイン電流Ｉｄ（Ａ）を、縦軸に取って示している。ここでは、ドレイン電圧Ｖｄとしてソース・ドレイン間電圧Ｖｄｓを示し、ゲート電圧Ｖｇとしてソース・ゲート間電圧Ｖｇｓを示し、また、ドレイン電流Ｉｄ（Ａ）としてソース・ドレイン間電流Ｉｄｓ（Ａ）を示している。また、ソースは接地されて、その電位が０Ｖであるものとしている。
【００３３】
図４（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、電流コラプスを評価するために印加されるパルス電圧について説明する。電流コラプスを評価するために、パルス周期６０ｍｓ及びパルス幅６ｍｓのパルス状のドレイン電圧Ｖｄ及びゲート電圧Ｖｇを同期して印加して、パルスの中央、すなわち、パルス電圧印加後３ｍｓ（図４中、Ａで示す。）におけるドレイン電流を測定する。図４（Ａ）は、パルス電圧として、基準のゲート電圧を０Ｖ、及び、基準のドレイン電圧を０Ｖとした通常パルスを示し、一方、図４（Ｂ）は、パルス電圧として、基準のゲート電圧を−５Ｖ、及び、基準のドレイン電圧を４０Ｖとした、ストレスパルスを示している。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、横軸に時間（ｍｓ）を取って示し、縦軸にゲート電圧Ｖｇ（Ｖ）又はドレイン電圧Ｖｄ（Ｖ）を取って示している。
【００３４】
図３（Ａ）及び（Ｂ）では、図４（Ａ）を参照して説明した通常パルスを印加した場合の、Ｉ−Ｖ特性の測定結果を白丸（○）で示し、一方、図４（Ｂ）を参照して説明したストレスパルスを印加した場合のＩ−Ｖ特性の測定結果を黒丸（●）で示す。Ｖｇ＝１Ｖ、０Ｖ、−１Ｖ、−２Ｖ及び−２．５Ｖの５通りのゲート電圧に対して、それぞれ、ドレイン電圧を変化させた測定を行っている。
【００３５】
電流コラプスの評価は、パルス電圧を印加した場合のＩ−Ｖ特性に対する、ストレスパルスを印加した場合のＩ−Ｖ特性について、ドレイン電流Ｉｄの低下率によって評価する。ここでは、ゲート電圧Ｖｇを１Ｖ、及び、ドレイン電圧Ｖｄを３Ｖとしたときのドレイン電流Ｉｄの低下率（図３中、ａ及びｂの差の百分率）を測定した。その結果、ＮＨ３プラズマ処理をしていない方法で製造された半導体素子では、ドレイン電流は４．７５ｍＡから４．１９ｍＡまで低下し、その低下率は約１２％（図３（Ａ）参照）である。これに対し、第１実施形態の方法で製造された半導体素子では、ドレイン電流は４．６６ｍＡから４．５１ｍＡまで低下し、その低下率は約３％（図３（Ｂ）参照）程度である。このように、ＮＨ３プラズマ処理によって、電流コラプスが大幅に改善できることが確かめられた。
【００３６】
これは、ＮＨ３プラズマ処理によって、ヘテロ構造層の上側表面のＨＣが除去され、Ｓｉ３Ｎ４膜による電流コラプス抑制効果が高められるとともに、ＡｌＧａＮ表面のＮ空孔を補償することで、欠陥準位による電流コラプスの発生を抑えることができるためと考えられる。
【００３７】
（第２実施形態）
第１実施形態の製造方法では、ＮＨ３プラズマ照射を行っていたのに対し、第２実施形態の半導体素子の製造方法は、Ｎ２Ｏプラズマ照射を行う点が異なっている。それ以外の点は、第１実施形態と同様なので、重複する説明は省略する。
【００３８】
リフトオフ法を行うことにより、ヘテロ構造の上側表面上にゲート電極５２が形成された後、プラズマＣＶＤ装置内で、ヘテロ構造層２０の上側表面２１に対して、Ｎ２Ｏプラズマ照射による表面クリーニングを行う。プラズマの発生条件は、装置の仕様等に応じて任意好適に設定すれば良く、ここでは、反応ガスのガス圧を約１２０Ｐａ（＝９００ｍＴｏｒｒ）として、１３．５６ＭＨｚの周波数及び４５Ｗの出力でプラズマを発生させている。Ｎ２Ｏプラズマを照射するために、反応ガスとして、Ｎ２ＯとＮ２の混合ガスを用いる。電流コラプスの改善のためには、混合ガスのガス流量は、Ｎ２Ｏのガス流量を９００ｓｃｃｍとし、及びＮ２のガス流量を４００ｓｃｃｍとするのが良いことが発明者らの測定によって知られている。また、Ｎ２Ｏプラズマの照射時間は５〜１２０秒とするのが良い。プラズマの照射時間が５秒未満ではクリーニング効果が少なく、また、１２０秒以上では、電流コラプスが悪化する場合があるからである。
【００３９】
Ｎ２Ｏプラズマの照射後、ヘテロ構造層２０の上側表面２１を大気に曝すことなく連続的に、ヘテロ構造層２０上にＳｉ３Ｎ４膜を形成する。Ｓｉ３Ｎ４膜の形成は、ＰＣＶＤ装置内で、プラズマＣＶＤ法により行われる。
【００４０】
図５（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、Ｎ２Ｏプラズマを６０秒間照射した場合の、照射前後のヘテロ構造層２０の表面組成として、ＡｌＧａＮ層２４の表面組成について説明する。図５は、Ｎ２Ｏプラズマ照射前後におけるＡｌＧａＮ層２４の表面組成の変化を説明するための特性図であって、ＡＥＳによる表面分析の結果を示している。図５（Ａ）は、Ｎ２Ｏプラズマの照射前のＡｌＧａＮ層２４の表面組成を説明する図であり、及び、図５（Ｂ）は、Ｎ２Ｏプラズマの照射後のＡｌＧａＮ層２４の表面組成を説明する図である。図５（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、横軸にオージェ電子の運動エネルギー（ｅＶ）を取って示し、及び、縦軸にオージェ電子のカウント数をエネルギーで微分した値ｄＮ／ｄＥを取って示している。
【００４１】
図５（Ａ）及び（Ｂ）を比較すると、Ｎ２Ｏプラズマの照射前後で、炭素の組成は減少している。これは、Ｎ２Ｏプラズマの照射によって発生するＯラジカルにより、ヘテロ構造の上側表面のハイドロカーボン（ＨＣ）が除去されることによる。また、Ｎ２Ｏプラズマの照射前後で、酸素（Ｏ）の組成が増加している。これは、Ｏラジカルによるヘテロ構造層の表面付近の酸化が促進され、酸化膜が形成されたためと考えられる。
【００４２】
図６（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、Ｎ２Ｏプラズマを６０秒間照射した場合の、照射前後の電流コラプスについて説明する。図６（Ａ）及び（Ｂ）は、Ｎ２Ｏプラズマ照射による電流コラプスの改善効果を説明するための図であって、パルス電圧に対するＩ−Ｖ特性を示している。図６（Ａ）は、Ｎ２Ｏプラズマ照射を行わない方法によって製造された半導体素子のＩ−Ｖ特性を示し、一方、図６（Ｂ）は、Ｎ２Ｏプラズマ照射を行う方法によって製造された半導体素子のＩ−Ｖ特性を示している。図６（Ａ）及び（Ｂ）では、ドレイン電圧Ｖｄ（Ｖ）を、横軸に取って示し、ドレイン電流Ｉｄ（Ａ）を、縦軸に取って示している。
【００４３】
図６（Ａ）及び（Ｂ）では、図４（Ａ）を参照して説明した通常パルスを印加した場合の、Ｉ−Ｖ特性の測定結果を白丸（○）で示し、一方、図４（Ｂ）を参照して説明したストレスパルスを印加した場合のＩ−Ｖ特性の測定結果を黒丸（●）で示す。Ｖｇ＝１Ｖ、０Ｖ、−１Ｖ、−２Ｖ及び−２．５Ｖの５通りのゲート電圧に対して、それぞれ、ドレイン電圧を変化させた測定を行っている。Ｉ−Ｖ特性の測定条件は、図３及び図４を参照して説明した、第１実施形態と同様なので、詳細な説明は省略する。
【００４４】
電流コラプスの評価は、通常パルスを印加した場合のＩ−Ｖ特性に対する、ストレスパルスを印加した場合のＩ−Ｖ特性のドレイン電流の低下率によって評価する。ここでは、ゲート電圧Ｖｇを１Ｖ、及び、ドレイン電圧Ｖｄを３Ｖとしたときのドレイン電流の低下率を測定した。その結果、Ｎ２Ｏプラズマ処理をしていない方法で製造された半導体素子では、ドレイン電流の低下率は約１２％である。これに対し、第２実施形態の方法で製造された半導体素子では、ドレイン電流は３．１４ｍＡから２．９２ｍＡまで低下し、その低下率は７％程度である。従って、Ｎ２Ｏプラズマを照射することにより、電流コラプスが改善でき、また、表面に形成された酸化膜による影響は、ＨＣの除去による電流コラプスの低減効果に比べて小さいことが確かめられた。
【００４５】
（第３実施形態）
第１実施形態の製造方法では、ＮＨ３プラズマ照射を行っていたのに対し、第３実施形態の半導体素子の製造方法は、Ｏ２プラズマ照射を行う点が異なっている。それ以外の点は、第１実施形態と同様なので、重複する説明は省略する。
【００４６】
リフトオフ法を行うことにより、ヘテロ構造の上側表面上にゲート電極５２が形成された後、プラズマＣＶＤ装置内で、ヘテロ構造層２０の上側表面２１に対してＯ２プラズマ照射による表面クリーニングを行う。プラズマの発生条件は、装置の仕様等に応じて任意好適に設定すれば良く、ここでは、反応ガスのガス圧を約１２０Ｐａ（＝９００ｍＴｏｒｒ）として、１３．５６ＭＨｚの周波数及び４５Ｗの出力でプラズマを発生させている。Ｏ２プラズマを照射するために、反応ガスとして、Ｏ２とＮ２の混合ガスを用いる。電流コラプスの改善のためには、混合ガスのガス流量は、Ｏ２のガス流量を５０ｓｃｃｍとし、及びＮ２のガス流量を１５００ｓｃｃｍとするのが良いことが発明者らの測定によって知られている。また、Ｏ２プラズマの照射時間は５〜１２０秒とするのが良い。プラズマの照射時間が５秒未満ではクリーニング効果が少なく、また、１２０秒以上では、電流コラプスが悪化する場合があるからである。
【００４７】
Ｏ２プラズマの照射後、ヘテロ構造層２０の上側表面２１を大気に曝すことなく連続的に、ヘテロ構造層２０上にＳｉ３Ｎ４膜を形成する。Ｓｉ３Ｎ４膜の形成は、ＰＣＶＤ装置内で、プラズマＣＶＤ法により行われる。
【００４８】
図７（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、Ｏ２プラズマを６０秒間照射した場合の、照射前後のヘテロ構造層２０の表面組成として、ＡｌＧａＮ層２４の表面組成について説明する。図７（Ａ）及び（Ｂ）は、Ｏ２プラズマ照射前後におけるＡｌＧａＮ層２４の表面組成の変化を説明するための特性図であって、ＡＥＳによる表面分析の結果を示している。図７（Ａ）は、Ｏ２プラズマの照射前のＡｌＧａＮ層２４の表面組成を説明する図であり、及び、図７（Ｂ）は、Ｏ２プラズマの照射後のＡｌＧａＮ層２４の表面組成を示す図である。図７（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、横軸にオージェ電子の運動エネルギー（ｅＶ）を取って示し、及び、縦軸にオージェ電子のカウント数をエネルギーで微分した値ｄＮ／ｄＥを取って示している。
【００４９】
図７（Ａ）及び（Ｂ）を比較すると、Ｏ２プラズマの照射前後で、炭素の組成は減少している。これは、Ｏ２プラズマの照射によって発生するＯラジカルにより、ヘテロ構造の上側表面のハイドロカーボン（ＨＣ）が除去されることによる。また、Ｏ２プラズマの照射前後で、酸素（Ｏ）の組成が増加している。これは、Ｏラジカルによるヘテロ構造層の表面付近の酸化が促進され、酸化膜が形成されたためである。
【００５０】
図８（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、Ｏ２プラズマを６０秒間照射した場合の、照射前後の電流コラプスについて説明する。図８（Ａ）及び（Ｂ）は、Ｏ２プラズマ照射による電流コラプスの改善効果を説明するための図であって、パルス電圧に対するＩ−Ｖ特性を示している。図８（Ａ）は、Ｏ２プラズマ照射を行わずに製造された半導体素子のＩ−Ｖ特性を示し、一方、図８（Ｂ）は、Ｏ２プラズマ照射を行って製造された半導体素子のＩ−Ｖ特性を示している。図８（Ａ）及び（Ｂ）では、ドレイン電圧Ｖｄ（Ｖ）を横軸に取って示し、ドレイン電流Ｉｄ（Ａ）を、縦軸に取って示している。
【００５１】
図８（Ａ）及び（Ｂ）では、図４（Ａ）を参照して説明した通常パルスを印加した場合の、Ｉ−Ｖ特性の測定結果を白丸（○）で示し、一方、図４（Ｂ）を参照して説明したストレスパルスを印加した場合のＩ−Ｖ特性の測定結果を黒丸（●）で示す。Ｖｇ＝１Ｖ、０Ｖ、−１Ｖ、−２Ｖ及び−２．５Ｖの５通りのゲート電圧に対して、それぞれ、ドレイン電圧を変化させた測定を行っている。Ｉ−Ｖ特性の測定条件は、図３及び図４を参照して説明した第１実施形態と同様なので、詳細な説明を省略する。
【００５２】
電流コラプスの評価は、通常パルスを印加した場合のＩ−Ｖ特性に対する、ストレスパルスを印加した場合のＩ−Ｖ特性のドレイン電流Ｉｄの低下率によって評価する。ここでは、ゲート電圧Ｖｇを１Ｖ、及び、ドレイン電圧Ｖｄを３Ｖとしたときのドレイン電流の低下率を測定した。その結果、Ｏ２プラズマ処理をしていない方法で製造された半導体素子では、ドレイン電流の低下率が１２％である。これに対し、第３実施形態の方法で製造された半導体素子では、ドレイン電流は４．００ｍＡから３．６０ｍＡまで低下し、その低下率は１０％程度である。従って、Ｏ２プラズマを照射することにより、電流コラプスが改善でき、また、表面に形成された酸化膜による影響は、ＨＣの除去による電流コラプスの低減効果に比べて小さいことが確かめられた。
【００５３】
（第４実施形態）
図９を参照して、第４実施形態の半導体素子の製造方法について説明する。図９は、第４実施形態の半導体素子の製造方法を説明するための工程図である。第１実施形態の製造方法では、ＮＨ３プラズマ照射を行っていたのに対し、第４実施形態の半導体素子の製造方法は、ＳｉＨ４プラズマ照射を行い、ヘテロ構造層２０の上側表面に多結晶シリコン層が形成される点が異なっている。それ以外の点は、第１実施形態と同様なので、重複する説明は省略する。
【００５４】
リフトオフ法を行うことにより、ヘテロ構造の上側表面上にゲート電極５２及びオーミック電極５４が形成された後、プラズマＣＶＤ装置内で、ヘテロ構造層２０の上側表面２１に対して、ＳｉＨ４プラズマ照射（図９（Ａ）中、矢印IIで示す。）による表面クリーニングを行う。プラズマの発生条件は、装置の仕様等に応じて任意好適に設定すれば良く、ここでは、反応ガスのガス圧を約１２０Ｐａ（＝９００ｍＴｏｒｒ）として、１３．５６ＭＨｚの周波数及び４５Ｗの出力でプラズマを発生させている。ＳｉＨ４プラズマを照射するために、反応ガスとして、ＳｉＨ４とＮ２の混合ガスを用いる。電流コラプスの改善のためには、混合ガスのガス流量は、ＳｉＨ４のガス流量を３３ｓｃｃｍとし、及びＮ２のガス流量を１５００ｓｃｃｍとするのが良いことが発明者らの測定によって知られている。また、ＳｉＨ４プラズマの照射時間は５〜１２０秒とするのが良い。プラズマの照射時間が５秒未満ではクリーニング効果が少なく、また、１２０秒以上では、電流コラプスが悪化する場合があるからである（図９（Ａ））。
【００５５】
第４実施形態では、ＳｉＨ４プラズマの照射による表面クリーニングが行われるとともに、ヘテロ構造層２０の上側表面２１上に多結晶シリコン層４０が形成される。このときの多結晶シリコン層４０の厚さは０．１〜１．５ｎｍであるのが好適である（図９（Ｂ））。
【００５６】
ＳｉＨ４プラズマの照射後、多結晶シリコン層４０上にＳｉ３Ｎ４膜３０を形成する。Ｓｉ３Ｎ４膜３０の形成は、ＰＣＶＤ装置内で、プラズマＣＶＤ法により行われる。
【００５７】
図１０（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、ＳｉＨ４プラズマを６０秒間照射した場合の、照射前後のヘテロ構造層２０の表面組成として、ＡｌＧａＮ層２４の表面組成について説明する。図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、ＳｉＨ４プラズマ照射前後におけるＡｌＧａＮ層２４の表面組成の変化を説明するための特性図であって、ＡＥＳによる表面分析の結果を示している。図１０（Ａ）は、ＳｉＨ４プラズマを照射する前の表面の組成を説明する図であり、及び、図１０（Ｂ）は、ＳｉＨ４プラズマを照射した後の表面の組成を説明する図である。図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、横軸にオージェ電子の運動エネルギー（ｅＶ）を取って示し、及び、縦軸にオージェ電子のカウント数をエネルギーで微分した値ｄＮ／ｄＥを取って示している。
【００５８】
図１０（Ａ）及び（Ｂ）を比較すると、ＳｉＨ４プラズマの照射前後で、炭素の組成は減少している。これは、ＳｉＨ４プラズマの照射によって発生するＨラジカルにより、ヘテロ構造表面のハイドロカーボン（ＨＣ）が除去されることによる。また、ＳｉＨ４プラズマの照射前後で、Ｓｉの組成が増加している。これは、ヘテロ構造層の上側表面上に多結晶シリコン層が堆積したためである。
【００５９】
図１１（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、ＳｉＨ４プラズマを６０秒間照射した場合の、照射前後の電流コラプスについて説明する。図１１（Ａ）及び（Ｂ）は、ＳｉＨ４プラズマ照射による電流コラプスの改善効果を説明するための図であって、パルス電圧に対するＩ−Ｖ特性を示している。図１１（Ａ）は、ＳｉＨ４プラズマ照射を行わずに製造された半導体素子のＩ−Ｖ特性を示し、一方、図１１（Ｂ）は、ＳｉＨ４プラズマ照射を行って製造された半導体素子のＩ−Ｖ特性を示している。図１１では、ドレイン電圧Ｖｄ（Ｖ）を、横軸に取って示し、ドレイン電流Ｉｄ（Ａ）を、縦軸に取って示している。
【００６０】
図１１（Ａ）及び（Ｂ）では、図４（Ａ）を参照して説明した通常パルスを印加した場合の、Ｉ−Ｖ特性の測定結果を白丸（○）で示し、一方、図４（Ｂ）を参照して説明したストレスパルスを印加した場合のＩ−Ｖ特性の測定結果を黒丸（●）で示す。Ｖｇ＝１Ｖ、０Ｖ、−１Ｖ、−２Ｖ及び−２．５Ｖの５通りのゲート電圧に対して、それぞれ、ドレイン電圧を変化させた測定を行っている。Ｉ−Ｖ特性の測定条件は、図３及び図４を参照して説明した第１実施形態と同様なので、詳細な説明を省略する。
【００６１】
電流コラプスの評価は、通常パルスを印加した場合のＩ−Ｖ特性に対する、ストレスパルスを印加した場合のＩ−Ｖ特性のドレイン電流Ｉｄの低下率によって評価する。ここでは、ゲート電圧Ｖｇを１Ｖ、及び、ドレイン電圧Ｖｄを３Ｖとしたときのドレイン電流の低下率を測定した。その結果、ＳｉＨ４プラズマ処理をしていない方法で製造された半導体素子では、ドレイン電流の低下率が１２％である。これに対し、第４実施形態の方法で製造された半導体素子では、ドレイン電流は４．６４ｍＡから４．２８ｍＡまで低下し、その低下率は８％程度である。従って、ＳｉＨ４プラズマを照射することにより、電流コラプスが改善できることが確かめられた。
【００６２】
（第５実施形態）
図１２を参照して、第５実施形態の半導体素子の製造方法について説明する。図１２は、第５実施形態の半導体素子の製造方法を説明するための工程図である。第１〜４実施形態の製造方法では、金属電極をリフトオフ法にて形成した後、プラズマ照射を行っているのに対し、第５実施形態の半導体素子の製造方法は、Ｏ２アッシングを行う点が異なっている。
【００６３】
へテロ構造層２０の上側表面２１上に、電極形成領域４５に開口部が形成されたレジストパターン４２を形成する（図１２（Ａ））。
【００６４】
次に、開口部内に露出したへテロ構造層２０の上側表面２１上に、金属電極として、ゲート電極５２及びオーミック電極５４を形成する。その後、Ｏ２アッシング（図１２（Ｂ）中、矢印IIIで示す。）することにより、へテロ構造層２０の上側表面２１に形成されたレジストパターン４２を除去するとともに、表面クリーニングを行う。ここでは反応ガスである酸素ガスのガス圧を約２７０Ｐａ（＝２Ｔｏｒｒ）として、２００Ｗの出力でアッシングを行っている（図１２（Ｂ））。
【００６５】
Ｏ２アッシングは、例えば、バレル型アッシング装置を用いて行われる。アッシング条件は、アッシング装置の仕様等に応じて任意好適に設定すれば良い。
【００６６】
Ｏ２アッシングを行う場合、第２実施形態のＯ２プラズマ照射と同様に、Ｏ２アッシングの際に発生するＯラジカルによるクリーニング効果により、電流コラプスが改善され、その効果は、第２実施形態と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】第１実施形態の半導体素子の製造方法を説明するための工程図である。
【図２】ＮＨ３プラズマ照射前後におけるＡｌＧａＮ層の表面組成の変化を説明するための特性図である。
【図３】ＮＨ３プラズマ照射による電流コラプスの改善効果を説明するための図である。
【図４】パルス電圧を説明するための図である。
【図５】Ｎ２Ｏプラズマ照射前後におけるＡｌＧａＮ層の表面組成の変化を説明するための特性図である。
【図６】Ｎ２Ｏプラズマ照射による電流コラプスの改善効果を説明するための図である。
【図７】Ｏ２プラズマ照射前後におけるＡｌＧａＮ層の表面組成の変化を説明するための特性図である。
【図８】Ｏ２プラズマ照射による電流コラプスの改善効果を説明するための図である。
【図９】第４実施形態の半導体素子の製造方法を説明するための工程図である。
【図１０】ＳｉＨ４プラズマ照射前後におけるＡｌＧａＮ層の表面組成の変化を説明するための特性図である。
【図１１】ＳｉＨ４プラズマ照射による電流コラプスの改善効果を説明するための図である。
【図１２】第５実施形態の半導体素子の製造方法を説明するための工程図である。
【図１３】従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ−ＨＥＭＴを概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０、１１０    下地基板
２０、１２０    へテロ構造層
２１、１２１    ヘテロ構造層の上側表面
２２、１２２    チャネル層（ＧａＮ層）
２３    ヘテロ接合の接合面
２４、１２４    障壁層（ＡｌＧａＮ層）
３０、１３０    Ｓｉ３Ｎ４膜
４０    多結晶シリコン層
４２    レジストパターン
４５    オーミック電極形成領域
４７    ゲート電極形成領域
５２    ゲート電極
５４    オーミック電極
【図１】
2007027276.tif 000003
【図２】
2007027276.tif 000004
【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】
2007027276.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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