(57)【要約】【課題】  ＡｌＧａＮ層上に容易に絶縁膜を形成することができる技術を提供する。【解決手段】  ＡｌＧａＮ層と、ＡｌＧａＮ層の表面に形成されたＡｌＧａＮ酸化膜とを備えている半導体装置の製造方法であって、アルカリ溶液４８中にＡｌＧａＮ層を有する基板４０と陰極４４とを浸した状態で、ＡｌＧａＮ層と陰極４４との間にＡｌＧａＮ層がプラスとなる電圧を印加するとともに、ＡｌＧａＮ層に紫外線を照射する酸化ステップを有している。【選択図】図３
2012060066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＧａＮ層と、ＡｌＧａＮ層の表面に形成されたＡｌＧａＮ酸化膜とを備えている半導体装置の製造方法であって、
アルカリ溶液中にＡｌＧａＮ層を有する基板と陰極とを浸した状態で、ＡｌＧａＮ層と陰極との間にＡｌＧａＮ層がプラスとなる電圧を印加するとともに、ＡｌＧａＮ層に紫外線を照射する酸化ステップを有していることを特徴とする製造方法。
【請求項２】
酸化ステップ中に、陰極から基板に向かって流れる電流を積分することを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
ＡｌＧａＮ層と、ＡｌＧａＮ層の表面に形成されたＡｌＧａＮ酸化膜とを備えている半導体装置。
【請求項４】
ＡｌＧａＮ酸化膜がゲート絶縁膜であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
ＡｌＧａＮ層に接するＧａＮ層をさらに有しており、
ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とＡｌＧａＮ酸化膜が、ＨＥＭＴの一部を構成していることを特徴とする請求項３または４に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ＡｌＧａＮ層を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ＡｌＧａＮ層と、ＡｌＧａＮ層上に形成されたＳｉＯ２からなるゲート絶縁膜を有する半導体装置が開示されている。ＳｉＯ２の他にも、ＡｌＧａＮ層の表面に形成することができる絶縁膜として、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ等が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０５０２８０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した材質の絶縁膜は、ＣＶＤ法によりＡｌＧａＮ層上に形成される。ＣＶＤ法では、チャンバ内を真空引きする等の処理に時間がかかるため、絶縁膜を形成するのに長時間を要する。また、ＣＶＤ法を行うためには大掛かりな装置が必要となる。このように、従来の方法では、ＡｌＧａＮ層上に絶縁膜を形成するのが容易ではなかった。したがって、本明細書では、ＡｌＧａＮ層上に容易に絶縁膜を形成することができる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書は、ＡｌＧａＮ層と、ＡｌＧａＮ層の表面に形成されたＡｌＧａＮ酸化膜とを備えている半導体装置の製造方法を提供する。この製造方法は、アルカリ溶液中にＡｌＧａＮ層を有する基板と陰極とを浸した状態で、ＡｌＧａＮ層と陰極との間にＡｌＧａＮ層がプラスとなる電圧を印加するとともに、ＡｌＧａＮ層に紫外線を照射する酸化ステップを有している。
【０００６】
ＡｌＧａＮ層に紫外線を照射すると、ＡｌＧａＮ層中にホールが生成される。すると、ホールと、アルカリ溶液中のＯＨ基と、ＡｌＧａＮ層とが反応して、ＡｌＧａＮ層が酸化する。これによって、絶縁膜であるＡｌＧａＮ酸化膜が形成される。この方法によれば、常温、常圧、またはこれに比較的近い条件下でＡｌＧａＮ層を酸化させることができる。ＡｌＧａＮ層を酸化させるのに、大掛かりな装置が不要であり、また、短時間でＡｌＧａＮ層を形成することができる。したがって、ＡｌＧａＮ層上に簡単に絶縁膜を形成することができる。
【０００７】
上述した製造方法においては、酸化ステップ中に、陰極から基板に向かって流れる電流を積分することが好ましい。積分することにより得られる積分値は、ＡｌＧａＮ酸化膜の厚さと略比例する。したがって、積分値を算出することで、ＡｌＧａＮ酸化膜の厚さを容易に管理することができる。
【０００８】
また、本明細書は、ＡｌＧａＮ層と、ＡｌＧａＮ層の表面に形成されたＡｌＧａＮ酸化膜とを備えている半導体装置を提供する。この半導体装置は、上述した方法により容易に製造することができる。
【０００９】
上述した半導体装置では、ＡｌＧａＮ酸化膜がゲート絶縁膜であってもよい。また、半導体装置がＡｌＧａＮ層に接するＧａＮ層をさらに有しており、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とＡｌＧａＮ酸化膜が、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）の一部を構成していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ＨＥＭＴ１０の断面図。
【図２】ＰＥＣ酸化処理前の半製品４０の断面図。
【図３】ＰＥＣ酸化処理の説明図。
【図４】ＰＥＣ酸化処理において、電源５２の印加電圧に応じた電流ＩＥの変化を示すグラフ。
【図５】ＰＥＣ酸化処理の時間を変更したときのドレイン電流−ドレイン電圧特性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１１】
図１に示すＨＥＭＴ１０は、半導体層１２を備えている。半導体層１２には、ＧａＮ層１６と、ＡｌＧａＮ層１８が形成されている。ＧａＮ層１６は、ｉ型のＧａＮにより構成されている。ＡｌＧａＮ層１８は、ＧａＮ層１６上に形成されている。ＡｌＧａＮ層１８は、ｎ型のＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎにより構成されている。ＡｌＧａＮ層１８とＧａＮ層１６との境界には、ヘテロ接合部２０が形成されている。ヘテロ接合部２０の近傍のＧａＮ層１６内には、ヘテロ接合部２０に沿って２次元電子ガスが形成されている。ＡｌＧａＮ層１８上には、ソース電極２２とドレイン電極２４が形成されている。ソース電極２２とドレイン電極２４は、ＡｌＧａＮ層１８と導通している。また、ＡｌＧａＮ層１８上には、ゲート絶縁膜２６が形成されている。ゲート絶縁膜２６は、ＡｌＧａＮ酸化膜により形成されている。ゲート絶縁膜２６は、ソース電極２２とドレイン電極２４の間の領域に形成されている。ゲート絶縁膜２６上には、ゲート電極２８が形成されている。
【００１２】
ゲート電極２８にゲート閾値電圧より高い電圧が印加されていると、ヘテロ接合部２０の全体に２次元電子ガスが存在しており、ソース電極２２とドレイン電極２４の間に電流が流れる。すなわち、ＨＥＭＴ１０はオン状態となっている。ゲート電極２８にゲート閾値電圧より低い電圧が印加されていると、ゲート電極２８の直下の２次元電子ガスが消失する。したがって、ソース電極２２とドレイン電極２４の間に電流が流れない。すなわち、ＨＥＭＴ１０はオフ状態となる。
【００１３】
次に、ＨＥＭＴ１０の製造方法について説明する。まず、従来公知の方法によりＧａＮ層１６、ＡｌＧａＮ層１８、ソース電極２２及びドレイン電極２４を形成することによって、図２に示す半製品４０を製造する。なお、ゲート絶縁膜２６を形成すべき範囲に開口部３２が形成されるように、ＡｌＧａＮ層１８、ソース電極２２及びドレイン電極２４上にフォトレジスト３０を形成しておく。
【００１４】
次に、ＰＥＣ（Photo Electro Chemical）酸化処理によって、ゲート絶縁膜２６を形成する。ＰＥＣ酸化処理では、図３に示すように、ガラス基板４２上に半製品４０が固定される。半製品４０は、ＧａＮ層１６がガラス基板４２に接触するように固定される。このとき、ＧａＮ層１６に配線が接続される。次に、電源５２のプラス端子に、半製品４０に接続した配線を接続する。また、Ｐｔ（プラチナ）からなる陰極４４を、電源５２のマイナス端子に接続する。次に、半製品４０と陰極４４を、容器内に貯められた溶液４８中に浸す。溶液４８は、３％酒石酸とプロピレングリコールとを約１：２の割合で混合した溶液である。次に、電源５２によって、半製品４０と陰極４４の間に半製品４０がプラスとなる電圧を印加する。さらに、ＵＶランプ５４によって、開口部３２内の半導体層に紫外線を照射する。紫外線はＡｌＧａＮ層１８及びＧａＮ層１６のバンドギャップより大きいエネルギーを有するので、紫外線によって励起されることによってＡｌＧａＮ層１８中及びＧａＮ層１６中にホールが生成される。生成されたホールは、ＡｌＧａＮ層１８と陰極４４の間に印加されている電圧によって、ＡｌＧａＮ層１８の表面側（開口部３２側）に移動する。すると、ＡｌＧａＮ層１８の表面で、以下の化１、化２に示す反応が生じる。
（化１）２ＧａＮ＋６ｈ＋→２Ｇａ３＋＋Ｎ２↑
（化２）２ＡｌＮ＋６ｈ＋→２Ａｌ３＋＋Ｎ２↑
すなわち、ＡｌＧａＮ層１８中のＧａＮがホール（ｈ＋）と反応することでＧａ３＋イオンが生成され、ＡｌＧａＮ層１８中のＡｌＮがホール（ｈ＋）と反応することでＡｌ３＋イオンが生成される。Ｇａ３＋イオンとＡｌ３＋イオンは、ＡｌＧａＮ層１８中のＡｌとＧａの比率と略等しい比率で生成される。生成されたＡｌ３＋イオンとＧａ３＋イオンは、以下の化３、化４に示すように、溶液４８中のＯＨ基と反応する。
（化３）２Ｇａ３＋＋６ＯＨ−→Ｇａ２Ｏ３＋３Ｈ２Ｏ
（化４）２Ａｌ３＋＋６ＯＨ−→Ａｌ２Ｏ３＋３Ｈ２Ｏ
すなわち、Ｇａ３＋イオンがＯＨ基と反応することでＧａ２Ｏ３が生成され、Ａｌ３＋イオンがＯＨ基と反応することでＡｌ２Ｏ３が生成される。これによって、ＡｌＧａＮ層１８の表面に、ＡｌＧａＮ層１８が酸化したＡｌＧａＮ酸化膜（すなわち、Ｇａ２Ｏ３とＡｌ２Ｏ３により構成される膜）が形成される。形成されたＡｌＧａＮ酸化膜が、図１のゲート絶縁膜２６となる。上述したように、Ｇａ３＋イオンとＡｌ３＋イオンはＡｌＧａＮ層１８中のＡｌとＧａの比率と略等しい比率で生成されるので、ゲート絶縁膜２６中におけるＧａとＡｌの比率はＡｌＧａＮ層１８中のＧａとＡｌの比率と略等しい。
【００１５】
なお、図３に示すように、半製品４０と電源５２の間には電流計６０が設置されている。電流計６０により、半製品４０から陰極４４に向かって流れる電流が検出される。電流計６０は、検出された電流値を積分して、陰極４４から半製品４０に供給された電荷量を算出する。この電荷量は、上述した化１及び化２に示す反応において使用されるホールの量と略等しい。すなわち、電流計６０で算出される電荷量は、形成中のゲート絶縁膜２６の膜厚と略比例する。したがって、電流計６０で算出される電荷量を基準としてＰＥＣ酸化処理を終了させることで、ゲート絶縁膜２６の膜厚を正確に制御することができる。
【００１６】
また、図３に示すように、溶液４８中には、参照電極４６が浸されている。参照電極４６は、電圧計５８を介して電源５２のプラス端子に接続されている。電圧計５８によって、溶液４８の電位が検出される。
【００１７】
ゲート絶縁膜２６を形成したら、半製品４０をガラス基板４２から取り外す。次に、エッチングによりフォトレジスト３０を除去する。これによって、図１に示すＨＥＭＴ１０が完成する。
【００１８】
図４は、ＰＥＣ酸化処理において、電源５２の印加電圧と、電流計６０で検出される電流ＩＥの関係を示している。図４の横軸はＰＥＣ酸化処理の開始時点からの経過時間を示しており、縦軸は電流ＩＥを示している。図４の横軸の０〜２４０ｓｅｃの期間内において電源５２の印加電圧は−１Ｖから５Ｖまで徐々に増加しており、２４０ｓｅｃ以降は電源５２の印加電圧は５Ｖに維持されている。電流ＩＥは、ゲート酸化膜２６の成長速度と略一致する。図４に示すように、２００ｓｅｃを過ぎたところ（電源５２の印加電圧が４．３Ｖを超えたところ）で、電流ＩＥが急激に増加する。これは、以下のような現象が生じるためだと考えられる。すなわち、水溶液４８中の電位は、陰極４４の電位と略等しい。したがって、電源５２の印加電圧が低い場合には、水溶液４８とＧａＮ層１６の間に電位差があまり生じない。このため、電源５２の印加電圧が低いと、ヘテロ接合部２０には２次元電子ガスが高濃度に存在していると考えられる。したがって、紫外線照射によりホールが生成されても、生成されたホールが即座に２次元電子ガスと再結合して消滅してしまい、ＡｌＧａＮ層１８の表面までホールが到達し難いと考えられる。このため、ＡｌＧａＮ層１８の表面で、上記化１〜化４の反応が生じ難く、ゲート絶縁膜２６の成長速度が遅いと考えられる。印加電圧が４．３Ｖを超えると、水溶液４８の電位がＧａＮ層１６の電位よりも十分に低くなる。これによって、開口部３２に近い位置の２次元電子ガスが減少し、ホールがＡｌＧａＮ層１８の表面に到達するようになり、ゲート絶縁膜２６の成長速度が急に速くなると考えられる。したがって、電源５２の印加電圧は４．３Ｖ以上であることが好ましい。
【００１９】
また、図５は、ＰＥＣ酸化処理の時間をそれぞれ異ならせてＨＥＭＴを製造したときの、各ＨＥＭＴのドレイン電圧−ドレイン電流特性を示している。なお、図５の特性は、ゲート電極２８を形成する前に測定されているので、ゲート電圧が印加されていないときの特性を示している。図５に示すように、ＰＥＣ酸化処理時間を変化させることで、ドレイン電圧−ドレイン電流特性が変化することがわかる。このようにドレイン電圧−ドレイン電流特性が変化する理由は、ＰＥＣ酸化処理時間に応じて、ＡｌＧａＮ層１８の厚さが変化し、２次元電子ガスの濃度が変化するためである（すなわち、ＰＥＣ酸化処理時間が長いほど、酸化されるＡｌＧａＮが多くなるので、ゲート絶縁膜２６の下方のＡｌＧａＮ層１８は薄くなる。ＡｌＧａＮ層１８が薄くなるほど、その下方の２次元電子ガスの濃度は低下する。）。この実験例では、ＰＥＣ酸化処理時間が３５０ｓｅｃを超えると、ＨＥＭＴがノーマリオフとなることが分かる。このように、本実施例のＰＥＣ酸化処理によれば、ゲート絶縁膜２６の厚さを細かく制御することができる。これにより、ＨＥＭＴの特性を細かく制御することができる。
【００２０】
以上に説明したように、実施例の技術によれば、ＡｌＧａＮ酸化膜からなるゲート絶縁膜２６を形成することができる。ＰＥＣ酸化処理は、常温常圧に近い環境で実施することができるので、大掛かりな装置を用いることなく容易に、しかも、短時間でゲート絶縁膜２６を形成することができる。なお、従来は、熱酸化法等によりＡｌＧａＮ層を酸化させることが試みられていたが、熱酸化法ではＡｌＧａＮ層全体が酸化してしまう。一方、ＰＥＣ酸化処理によれば、ＡｌＧａＮ層の表面だけを酸化させることができる。このため、この方法によれば、ＡｌＧａＮ層上にＡｌＧａＮ酸化層が形成された構造を実現することができる。そのうえ、ＰＥＣ酸化処理によれば、ＡｌＧａＮ酸化膜の厚さを細かく制御することができる。したがって、ＨＥＭＴの特性を制御することができる。
【００２１】
また、ＡｌＧａＮ層上にＳｉＯ２等のゲート絶縁膜が形成された従来のＨＥＭＴでは、ＡｌＧａＮ層とゲート絶縁膜との界面における界面準位密度を制御することが不可能であり、界面準位密度が極めて大きくばらつく。このため、従来のＨＥＭＴは、オン電圧のばらつきが大きいという問題を有していた。実施例の方法によれば、ＡｌＧａＮ層上に、ＡｌＧａＮ層と略同じ比率でＡｌとＧａを含有するＡｌＧａＮ酸化膜を形成することができる。すなわち、ＡｌＧａＮ層と近い組成の絶縁膜をＡｌＧａＮ層上に形成することができる。このため、ＡｌＧａＮ層と絶縁膜との界面における界面準位密度が低減されることが期待される。これにより、ＨＥＭＴのオン電圧やゲート閾値電圧のばらつきが抑制されることが期待される。
【００２２】
なお、上述した実施例では、ＰＥＣ酸化処理において、３％酒石酸とプロピレングリコールとを約１：２の割合で混合した溶液を用いたが、他のアルカリ溶液を用いてもよい。ＰＥＣ酸化処理に用いる溶液としては、ＰＥＣ酸化処理中にイオン濃度が変化し難いアルカリ溶液が適している。例えば、ＮａＯＨ水溶液やＫＯＨ水溶液等を用いてもよい。
【００２３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２４】
１０：ＨＥＭＴ
１２：半導体層
１６：ＧａＮ層
１８：ＡｌＧａＮ層
２０：ヘテロ接合部
２２：ソース電極
２４：ドレイン電極
２６：ゲート絶縁膜
２８：ゲート電極
３０：フォトレジスト
４０：半製品
４２：ガラス基板
４４：陰極
４６：参照電極
４８：溶液
５２：電源
５４：ＵＶランプ
【図１】
2012060066.tif 000003
【図２】
2012060066.tif 000004
【図３】
2012060066.tif 000005
【図４】
2012060066.tif 000006
【図５】
2012060066.tif 000007