(57)【要約】【課題】窒化物半導体を用いた半導体装置のオン抵抗を低減できるようにする。【解決手段】半導体装置は、アンドープのＡｌＧａＮ層１０４と、該ＡｌＧａＮ層１０４の上に形成され、ＡｌＧａＮ層１０４とオーミック接触するソース電極１０７及びドレイン電極１０８とを有している。ＡｌＧａＮ層１０４の上部における少なくとも各電極１０７、１０８と接触する部分には、不純物拡散層１１０が形成されている。不純物拡散層１１０は、ＡｌＧａＮ層１０４に対しアクセプタ性を示す不純物が拡散し、且つ、ＡｌＧａＮ層１０４における窒素空孔と不純物とが結合してなる不純物準位が、ＡｌＧａＮ層１０４の伝導帯端の近傍に形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層の上に形成され、前記第１の窒化物半導体層とオーミック接触する第１の電極とを備え、
前記第１の窒化物半導体層の上部における少なくとも前記第１の電極と接触する部分には、不純物拡散領域が形成されており、
前記不純物拡散領域は、前記第１の窒化物半導体層に対しアクセプタ性を示す不純物が拡散し、且つ、前記第１の窒化物半導体層における窒素空孔と前記不純物とが結合してなる不純物準位が、前記第１の窒化物半導体層の伝導帯端の近傍に形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１の窒化物半導体層の上における前記第１の電極を除く領域に選択的に形成された、ｐ型の第２の窒化物半導体層をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２の窒化物半導体層の上に形成され、前記第２の窒化物半導体層とオーミック接触する第２の電極をさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１の電極は、ソース電極又はドレイン電極であり、
前記第２の電極は、ゲート電極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】
前記不純物は、前記第１の窒化物半導体層の上部に欠陥を形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記不純物は、マグネシウムであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１の電極は、層状のマグネシウムと層状のアルミニウムとを含む積層膜、又はマグネシウムとアルミニウムとを含む合金層を含むことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第１の電極は、マグネシウムの含有量が、前記第１の窒化物半導体層に近い側で大きく、且つ前記第１の窒化物半導体から離れるにつれて小さくなることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第１の窒化物半導体層における組成は、前記不純物拡散領域においてストイキオメトリからずれていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記第１の窒化物半導体層は、III族元素が窒素と比べて高い比率で形成されていることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体との間に形成された第３の窒化物半導体層をさらに備え、
前記第３の窒化物半導体層は、前記不純物の前記第２の窒化物半導体層への拡散を防ぐことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の半導体装置
【請求項１２】
前記第３の窒化物半導体層は、窒化インジウムガリウムからなることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記第１の窒化物半導体層における前記第１の電極とは反対側の面上に形成され、前記第１の窒化物半導体層とは組成が異なる第４の窒化物半導体層をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばパワートランジスタに適用可能な、窒化物半導体を用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）を始めとするIII族窒化物半導体は、シリコン（Ｓｉ）又はガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等と比べて、バンドギャップ、絶縁破壊電界及び電子の飽和ドリフト速度が大きいことから、高耐圧、高温動作、高周波動作、高出力及び高電圧信号の入出力等が可能であり、盛んに研究されている。
【０００３】
従来のＳｉデバイスに対して、III族窒化物半導体は、シリコンの物性限界を上回る特性を得られるため、高周波動作が可能で高性能な電源装置を実現できるという期待が高まっている。特に、電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：ＦＥＴ）におけるオン抵抗（Ｒｏｎ）はＳｉ系のＦＥＴと比較して２桁以上も低くすることが可能である。従って、ＧａＮを用いた電子デバイスは、インバータ又はコンバータ等のスイッチング装置の損失が従来のＳｉ系の電子デバイスと比べて大幅に低減することにより、冷却部品の小型化及び削減等が可能となる。また、ＧａＮ系ＦＥＴは、高速スイッチング動作化又は高周波動作化によって、スイッチング回路の高効率化が可能となるため、回路の小型化及び高密度化を実現できる。
【０００４】
さらに、III族窒化物半導体は、ＧａＮを中心として同一結晶構造の化合物同士では三元又は四元混晶（一般式：ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ）の形成が可能であるという大きな特徴を持つ。多元混晶とすることにより、バンドギャップが窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の６．２ｅＶから窒化インジウム（ＩｎＮ）の０．７ｅＶまでに広範囲に設定でき、また、ヘテロ接合を形成することにより、多種多様なデバイスを構成することができる。
【０００５】
特に、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）／窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるヘテロ接合の形成は、高電流駆動能力及び高耐圧による高出力動作が可能な電子デバイスへの用途に極めて重要である。すなわち、結晶面の面方位における（０００１）面を主面とする基板上に形成されたＡｌＧａＮ／ＧａＮからなるヘテロ界面には、自発分極及びピエゾ分極によって２次元電子ガス層が生じる。この２次元電子ガス層によって、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの界面には、不純物をドープしなくても、１×１０１３ｃｍ−２以上のシートキャリア濃度が得られる。この高濃度の２次元電子ガスをキャリアとする高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：ＨＥＭＴ）を用いた種々のＨＥＭＴ構造が提案されている。
【０００６】
通常のＡｌＧａＮ／ＧａＮを用いたＨＥＭＴ構造は、シリコン又はサファイアからなる基板の上に、ＡｌＮからなる低温バッファ層、アンドープＧａＮ層及びアンドープＡｌＧａＮ層が順次形成される。アンドープＡｌＧａＮ層の上には、ソース電極及びドレイン電極が互いに間隔をおいて形成され、ゲート電極は、アンドープＡｌＧａＮ層の上のソース電極及びドレイン電極の間の領域に形成される。
【０００７】
ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とは、その格子定数の違いから、ＡｌＧａＮ層に生じるピエゾ分極ＰＰＥと、ＡｌＧａＮ層が本来有している自発分極ＰＳＰとの和、Ｐ＝ＰＰＥ＋ＰＳＰによって分極電荷σが生じる。このうち、ＡｌＧａＮ層のＧａＮ層との界面の近傍に生じた分極電荷を電気的に打ち消すように、ＧａＮ層のＡｌＧａＮ層との界面の近傍に２次元電子ガス層が誘起される。
【０００８】
ここで、ＨＥＭＴのソース−ドレイン間に所定の電圧を印加すると、チャネル内の電子がソース電極からドレイン電極に向かって移動する。このとき、ゲート電極に加える電圧を制御して、ＡｌＧａＮ層におけるゲート電極の直下の領域に生じる空乏層の厚さを変えることにより、ソース電極からドレイン電極へ移動する電子、すなわちドレイン電流を制御することが可能となる。
【０００９】
ところで、III族窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタを、高電圧に対するスイッチング素子として用いる場合には、ノーマリオフ型のトランジスタを実現することが不可欠である。その主な理由は、デバイスのオフ状態を得るために、新たに負電源を用意する必要がないこと、及びデバイスの故障時にソース−ドレイン間に電流が流れないことから、安全性が高まることが挙げられる。
【００１０】
ところで、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造を有するＨＥＭＴは、パワーデバイスの用途に適している。ゲートリーク電流を減少させるために、ゲート電極の直下に絶縁膜を設けたＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconductor)型ＨＥＭＴが有効とされている。特許文献１においては、ＭＩＳ−ＦＥＴにおいて、ゲート電極下の障壁層のみを薄くし、ソース電極及びドレイン電極下の障壁層は厚くすることにより、ノーマリオフ型のトランジスタを実現している。
【００１１】
特許文献２には、ｐ型ＧａＮ層又はｐ型ＡｌＧａＮ層をゲート電極に用いることにより、ノーマリオフ動作を実現することができると示されている。
【００１２】
一方、特許文献３、特許文献４及び特許文献５には、ゲート電極に強誘電体を用いることにより、ゲート電極の直下のチャネル部分のキャリアを空乏化させて、ノーマリオフ動作を実現する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−２２２４１４号公報
【特許文献２】特開２００７−２２０８９５号公報
【特許文献３】特開２００６−１５６８１６号公報
【特許文献４】特開２００６−３３２５９３号公報
【特許文献５】特開２００７−３１７７２９号公報
【特許文献６】特開２００８−２１１１７２号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】I. Gorczyca, A. Svane, and N. E. Christensen; "Mg-O and Mg-VN defect complexes in cubic GaN", PHYSICAL REVIEW B 15 MARCH 2000-I VOLUME 61, NUMBER 11(2000)．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、従来の構成においては、ノーマリオフ動作とチャネル抵抗の低減とを両立することは困難である。例えば、特許文献６においては、ゲートリセス構造とｐ型ＧａＮ層とを用いることにより、ノーマリオフ動作を実現可能な構造が記載されている。本構造の場合は、Ａｌの濃度を増大するか、又はＡｌＧａＮ層を厚くすることによって、チャネル抵抗を低減することができる。しかしながら、ノーマリオフ動作を実現するには、ゲートリセスによって、ゲート電極の下側のＡｌＧａＮ層を残すようにエッチングを行う必要がある。そのＡｌＧａＮ層の残した厚さ（残し膜厚）によって、トランジスタがオン状態となる閾値を制御するため、ナノメートルレベルでのエッチング深さの制御が必要となる。また、チャネル抵抗の低減のために、Ａｌ濃度を大きくする程、空乏化し難くなるため、ＡｌＧａＮ層を選択的エッチングにより薄層化する必要がある。これは原理的には可能であるものの、再現性を確保することは極めて困難である。
【００１６】
また、パワーデバイスで重要となる素子の耐圧は、ゲート電極とドレイン電極との距離により決定され、その距離を大きくすることにより耐圧は向上する。一方、ゲート−ドレイン間の距離を拡大すると、該ゲート−ドレイン間の寄生抵抗が増大して、オン抵抗の増大につながる。すなわち、オン抵抗と耐圧とはトレードオフの関係にある。デバイスの耐圧を大きくするために、ゲート−ドレイン間を拡げるとシート抵抗が大きくなり、シート抵抗Ｒｓｈとコンタクト抵抗Ｒｃとの和で表されるオン抵抗が増大してしまう。グラフの傾きはシート抵抗Ｒｓｈに関連し、ｙ切片はコンタクト抵抗Ｒｃとなる。耐圧が小さい領域においては、オン抵抗の線形性が失われてしまい、所定のコンタクト抵抗Ｒｃが残ってしまう。従って、オン抵抗の低減には、コンタクト抵抗を減らすことが極めて重要となる。
【００１７】
従来のIII族窒化物半導体を用いたＦＥＴは、オン抵抗が十分に低いとはいえず、さらなるオン抵抗の低減が求められている。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造を有するＨＥＭＴにおいて、オン抵抗は電極から２次元電子ガス層へのコンタクト抵抗（電極と半導体との間及びヘテロ接合とのコンタクト抵抗）、ソースとドレインとの間の抵抗、及びゲート電極下のチャネル抵抗の和で与えられる。ＡｌＧａＮのバンドギャップは４ｅＶ程度であるため、電極との電位障壁が大きく、オーミック電極のコンタクト抵抗が高いことが課題となっている。
【００１８】
この課題を解決するためのアプローチとして、ＡｌＧａＮ層の表面にシリコン（Ｓｉ）を拡散させる手法が挙げられる。電極とIII族窒化物半導体の表面との間を、ｎ型の導電性を示す不純物によって高濃度にドープするという手法である。しかしながら、この場合でも、達成される最高キャリア濃度は不純物の活性化率で規制されるため、得られるコンタクト抵抗の下限もこの値で規制されてしまう。
【００１９】
他のアプローチとして、低抵抗キャップ層を用いたリセス構造があり、本構造は有効とされている。しかし、本構造を実現するには、リセス構造及びゲート電極構造を形成する際に高精度のドライエッチ技術が必要となる。また、ドライエッチ工程におけるプラズマによるダメージの導入は、半導体層に新たなエネルギー準位が形成されるため、デバイスの直流特性及びショットキー特性の劣化を引き起こすなど、問題も多い。
【００２０】
パワーデバイスにおいて、高いオン抵抗は動作電圧の上昇を引き起こし、素子の発熱につながる。このため、高いオン抵抗は、デバイスの寿命の観点からも、大きな問題となり、デバイスの信頼性の低下につながる。従って、今後は、ＦＥＴの高性能化に向けて、さらなるオン抵抗の低減が必要である。
【００２１】
本発明は、前記の問題を解決し、窒化物半導体を用いた半導体装置（電界効果トランジスタ）のオン抵抗を低減できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体装置を、オーミック電極と接触する窒化物半導体層に、アクセプタ性を示す不純物が拡散し且つ第１の窒化物半導体層における窒素空孔と不純物とが結合してなる不純物準位が窒化物半導体層の伝導帯端の近傍に形成される不純物拡散領域を有する構成とする。
【００２３】
具体的に、本発明に係る半導体装置は、第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層の上に形成され、第１の窒化物半導体層とオーミック接触する第１の電極とを備え、第１の窒化物半導体層の上部における少なくとも第１の電極と接触する部分には、不純物拡散領域が形成されており、不純物拡散領域は、第１の窒化物半導体層に対しアクセプタ性を示す不純物が拡散し、且つ、第１の窒化物半導体層における窒素空孔と不純物とが結合してなる不純物準位が、第１の窒化物半導体層の伝導帯端の近傍に形成されている。
【００２４】
本発明の半導体装置によると、第１の窒化物半導体層の上部に拡散している不純物が、該第１の窒化物半導体層中に存在する窒素空孔（欠陥）と複合欠陥を形成する。この複合欠陥がドナーライクな性質を示すため、第１の窒化物半導体層の表面のポテンシャルバリアが薄層化してキャリアがトンネル効果により伝播しやすくなる。従って、第１の窒化物半導体層の上に形成した第１の電極とのコンタクト抵抗を低減することが可能となるので、オン抵抗を低減することができる。
【００２５】
本発明の半導体装置は、第１の窒化物半導体層の上における第１の電極を除く領域に選択的に形成された、ｐ型の第２の窒化物半導体層をさらに備えていてもよい。
【００２６】
このようにすると、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とがなすｐｎ接合により、空乏層が第１の窒化物半導体層に生じるチャネル層にまで達するので、ノーマリオフ型の電界効果トランジスタを得ることができる。
【００２７】
この場合に、本発明の半導体装置は、第２の窒化物半導体層の上に形成され、第２の窒化物半導体層とオーミック接触する第２の電極をさらに備えていてもよい。
【００２８】
この場合に、第１の電極は、ソース電極又はドレイン電極であり、第２の電極は、ゲート電極であってもよい。
【００２９】
このようにすると、半導体装置を窒化物半導体からなる電界効果トランジスタとすることができる。
【００３０】
本発明の半導体装置において、不純物は、第１の窒化物半導体層の上部に欠陥を形成することが好ましい。
【００３１】
このようにすると、第１の窒化物半導体層の上部の欠陥と不純物とが結合して不純物準位が容易に形成される。
【００３２】
この場合に、不純物は、マグネシウムであってもよい。
【００３３】
さらにこの場合に、第１の電極は、層状のマグネシウムと層状のアルミニウムとを含む積層膜、又はマグネシウムとアルミニウムとを含む合金層を含んでいてもよい。
【００３４】
このようにすると、第１の窒化物半導体にマグネシウムを選択的且つ高濃度に拡散することが可能となるので、複合欠陥の形成を促進させることができる。
【００３５】
この場合に、第１の電極は、マグネシウムの含有量が、第１の窒化物半導体層に近い側で大きく、且つ第１の窒化物半導体から離れるにつれて小さくなっていてもよい。
【００３６】
本発明の半導体装置において、第１の窒化物半導体層における組成は、不純物拡散領域においてストイキオメトリからずれていてもよい。
【００３７】
このように、ストイキオメトリがずれることにより窒素空孔が形成され、形成された窒素空孔と不純物とが結合して不純物準位が容易に形成される。
【００３８】
この場合に、第１の窒化物半導体層は、III族元素が窒素と比べて高い比率で形成されていることが好ましい。
【００３９】
このようにすると、III族元素が窒素がと比べて過多であるため、窒素空孔が容易に形成されるので、形成された窒素空孔と不純物とが結合して不純物準位が容易に形成される。
【００４０】
本発明の半導体装置は、ｐ型の第２の窒化物半導体層をさらに備えている場合に、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体との間に形成された第３の窒化物半導体層をさらに備え、第３の窒化物半導体層は、不純物の第２の窒化物半導体層への拡散を防ぐことが好ましい。
【００４１】
このように、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体との間に第３の窒化物半導体層を形成したことにより、第１の窒化物半導体層における第１の電極（オーミック電極）の形成領域以外の領域への不純物の拡散を抑制できる。従って、第１の半導体層におけるオーミック電極の形成領域以外の領域での表面ポテンシャル障壁の薄化を防ぐことができるので、リーク電流の増大を防ぐことが可能となる。
【００４２】
この場合に、第３の窒化物半導体層は、窒化インジウムガリウムからなっていてもよい。
【００４３】
本発明の半導体装置は、第１の窒化物半導体層における第１の電極とは反対側の面上に形成され、第１の窒化物半導体層とは組成が異なる第４の窒化物半導体層をさらに備えていてもよい。
【００４４】
このようにすると、第４の窒化物半導体層と第１の窒化物半導体層とからなるヘテロ接合を有するＨＦＥＴを形成することができる。
【発明の効果】
【００４５】
本発明に係る半導体装置によると、窒化物半導体を用いた半導体装置におけるオン抵抗を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図２】図２は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図３】図３は本発明の第３の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｄ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００４８】
ここでは、窒化物半導体であるＡｌＧａＮとは３元混晶ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（但し、０≦ｘ≦１である。)を表す。従って、３元混晶は、それぞれの構成元素の配列、例えばＡｌＩｎＮ又はＧａＩｎＮ等と略記する。また、４元混晶は、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）はＡｌＧａＩｎＮと略記する。
【００４９】
（第１の実施形態）
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体からなる半導体装置である電界効果トランジスタは、例えば、サファイアからなる基板１０１の上に、膜厚が１００ｎｍのＡｌＮからなるバッファ層１０２と、膜厚が２μｍのアンドープのＧａＮ層１０３と、膜厚が２５ｎｍのアンドープのＡｌＧａＮ層１０４と、膜厚が５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層１０５とが、順次エピタキシャル成長により形成されている。なお、アンドープとは、導電性を示す不純物が意図的に導入されていない状態をいう。ＡｌＧａＮ層１０４におけるＡｌ組成は２５％であり、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５におけるＡｌ組成は２５％であり、そのキャリア濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３である。
【００５０】
ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５の上には、ニッケル（Ｎｉ）からなるゲート電極１０６がｐ型ＡｌＧａＮ層１０５とオーミック接触するように形成されている。ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５におけるゲート長方向の両側の領域は選択的にエッチングされて、アンドープのＡｌＧａＮ層１０４が露出している。この露出部分の上には、下側からチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）からなるソース電極１０７及びドレイン電極１０８が、ＡｌＧａＮ層１０４とそれぞれオーミック接触するように形成されている。
【００５１】
以下に、第１の実施形態に係る電界効果トランジスタをより詳細に説明する。
【００５２】
まず、前述したように、２次元電子ガス層とは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に誘起される高密度のキャリア層である。ＡｌＧａＮ中に存在する自発分極及びピエゾ分極と、ＧａＮが持つ自発分極との差を補償するために、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に電荷が誘起されて、２次元電子ガス層が形成される。自発分極は、窒化物半導体の結晶構造に起因している。また、ピエゾ分極は、ＡｌＧａＮをＧａＮの上に成長する際に、ＧａＮとＡｌＧａＮとの格子定数の違いから、ＡｌＧａＮ層に引っ張り歪みが生じることにより発生する内部分極である。
【００５３】
従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面を有するヘテロ電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に誘起された２次元電子ガスによる電子走行層が一様に存在している。このため、ゲート電圧が０Ｖの場合は、該トランジスタは導通状態（オン状態）にある。しかしながら、省エネルギー化及び制御装置の安全性の観点から、スイッチング素子として用いられるパワーデバイスは、ゼロバイアス時には電流を遮断するノーマリオフ特性が不可欠である。ＡｌＧａＮ／ＧａＮを含むＨＦＥＴをノーマリオフ化するには、ゲート電極直下のキャリア濃度を減少させて閾値電圧値を正側にシフトし、ゼロバイアス時には電流を分断する必要がある。もっとも簡便な方法は、ＡｌＧａＮの分極効果によるキャリアの発生を抑制することである。これには、ＡｌＧａＮ層の薄膜化又はＡｌ組成の低減という手法を用いることができる。但し、これによりチャネルの抵抗が増し、オン抵抗が増大してしまうという、トレードオフが生じる。
【００５４】
第１の実施形態においては、通常のＡｌＧａＮ／ＧａＮを含むＨＦＥＴ構造に加えて、アンドープのＡｌＧａＮ層１０４の上に、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５を設けている。この構成により、ＡｌＧａＮ層１０４におけるｐ型ＡｌＧａＮ層１０５の下側部分のポテンシャルが持ち上がる。その結果、チャネルが空乏化して、ノーマリオフ特性を得ることができる。また、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５は、ゲート電極１０６の下側部分を除く領域を除去しているため、ゲート電極１０６の下側部分を除く領域のチャネルは維持される。さらに、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５からは、その下のＡｌＧａＮ層１０４にホールが注入されるため、チャネルに伝導度変調が生じる。その結果、ノーマリオフ特性と低オン抵抗とを両立するトランジスタを実現することができる。
【００５５】
なお、ＡｌＧａＮ層１０４におけるソース電極１０７及びドレイン電極１０８を除く上面と、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５におけるゲート電極１０６を除く上面及び側面には、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる保護膜１０９が形成されている。
【００５６】
また、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８のゲート電極１０６に対して外側の領域には、それぞれ、例えばアルゴン（Ａｒ）イオン等がＧａＮ層１０３にまで達するようにイオン注入されて、高抵抗化された素子分離領域１１１が形成されている。
【００５７】
第１の実施形態の特徴として、アンドープのＡｌＧａＮ層１０４の上部には、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５に含まれるアクセプタ不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）が拡散してなる不純物拡散層１１０が形成されている。不純物拡散層１１０は、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５を形成する際のエピタキシャル成長が高温で行われる際に、アクセプタであるｐ型ドーパントのマグネシウム（Ｍｇ）がその下地層であるアンドープのＡｌＧａＮ層１０４に拡散することによって形成される。
【００５８】
アンドープのＡｌＧａＮ層１０４に拡散したＭｇのうち、Ｇａサイトに置換されたＭｇ（以下、ＭｇＧａと略記する。）は、該ＡｌＧａＮ層１０４中に存在する窒素空孔（以下、ＶＮと略記する。）と結合して、ＭｇＧａ−ＶＮ複合欠陥（ＭｇＧａＶＮ）を形成する（例えば、非特許文献１を参照）。
【００５９】
ＭｇＧａＶＮは、ＶＮと同様に、ドナー型欠陥の性質を有していると考えられる。このため、ＡｌＧａＮ層１０４中のＭｇが拡散してなる不純物拡散層１１０は、ドナー型欠陥の欠陥濃度が上昇することになる。通常、キャリア濃度が高いほど空乏層は延びにくくなる。従って、ＡｌＧａＮ層１０４の不純物拡散層１１０とソース電極１０７と接する領域、及びドレイン電極１０８と接する領域においては、各電極１０７、１０８とＡｌＧａＮ層１０４との界面近傍のエネルギー障壁が薄化する。このため、電極に注入された電流は、この薄い三角ポテンシャルを通過してより流れやすくなる。その結果、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８と２次元電子ガス層との接触抵抗を低減することができる。
【００６０】
すなわち、不純物（ＭｇＧａ）と窒素空孔（ＶＮ）とが結合してなる複合欠陥（ＭｇＧａＶＮ）による不純物準位が、アンドープのＡｌＧａＮ層１０４の伝導帯端の近傍に形成される。
【００６１】
なお、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５をエピタキシャル成長する際に、ＡｌＧａＮ層１０４の表面の結晶性を意図的に劣化させる成長条件、又は表面ラフネスが増大する成長条件を採用してもよい。このようにすると、ＡｌＧａＮ層１０４の表面にＶＮがさらに誘起されて、Ｍｇの拡散が容易となる。但し、これらの成長条件は、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５が良好な結晶性を維持しながら成長できる範囲である必要がある。
【００６２】
ＡｌＧａＮ層１０４の結晶性を劣化させるに際し、例えばストイキオメトリ（stoichiometry）が通常値からずれた結晶成長条件により結晶成長を行うのが好ましい。ストイキオメトリとは、いわゆる化学量論比のことであり、III族元素と窒素との比のことである。ストイキオメトリがずれるとは、III族と窒素との比が１対１よりずれることである。ストイキオメトリがずれる方向としては、III族元素の窒素に対する比の値が１よりも大きい、すなわちIII族元素が窒素と比べて過多であることが好ましい。なぜなら、III族元素の窒素に対する比の値が１よりも大きければ、窒素空孔（ＶＮ）が生じやすいからである。
【００６３】
ところで、アンドープのＡｌＧａＮ層１０４と、該ＡｌＧａＮ層１０４の上に形成されるｐ型ＡｌＧａＮ層１０５との混晶の組み合わせは、これ以外にも、例えば、以下の［表１］に示す組み合わせを用いることができる。
【００６４】
【表１】
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【００６５】
［表１］において、ＩｎＧａＮは、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）を表し、ＩｎＡｌＧａＮは、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）を表す。
【００６６】
また、基板１０１は、窒化物半導体をエピタキシャル成長可能な基板であればよく、サファイアの他に、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）等を用いることができる。
【００６７】
なお、第１の実施形態において、アンドープのＡｌＧａＮ層１０４の上に形成されたｐ型ＡｌＧａＮ層１０５は、ノーマリオフ動作を必要としない場合は設ける必要がない。ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５を設けない構成の場合は、ＧａＮ層１０３におけるゲート電極１０６の下方に生じる２次元電子ガス層が空乏化しないため、トランジスタはノーマリオン動作をすることになる。
【００６８】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図２を参照しながら説明する。
【００６９】
図２に示すように、第２の実施形態に係る窒化物半導体装置である電界効果トランジスタは、アンドープのＡｌＧａＮ層１０４とソース電極１０７との間、及びＡｌＧａＮ層１０４とドレイン電極１０８との間に、それぞれＭｇＡｌ層２０９を形成している。なお、ＭｇＡｌ層２０９には、ＭｇとＡｌとが一様に混合された合金を用いることができる。
【００７０】
このようにすると、オーミック電極であるソース電極１０７及びドレイン電極１０８を形成する際の熱処理によって、ＡｌＧａＮ層１０４中にＭｇを選択的に拡散することが可能となる。
【００７１】
その上、第２の実施形態においては、ＡｌＧａＮ層１０４におけるソース電極１０７及びドレイン電極１０８の形成部分に、エピタキシャル成長時にｐ型ＡｌＧａＮ層１０５から拡散したＭｇに加えて、ＭｇＡｌ層２０９からもＭｇが拡散する。これにより、第１の実施形態で説明したメカニズムにより、ＡｌＧａＮ層１０４における各電極１０７、１０８の下側部分に、さらに多くの窒素空孔（ＶＮ）が形成される。その結果、ＡｌＧａＮ層１０４の上部、特にその表面付近におけるキャリア濃度を増大することができるため、ＡｌＧａＮ層１０４の低抵抗化を図ることができる。
【００７２】
また、ＭｇＡｌ層２０９は、Ｍｇが拡散した後に残るＡｌ層を、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８の構成材料としてそのまま用いることができる。すなわち、第２の実施形態に係るＭｇＡｌ層２０９は、拡散種を高い濃度で供給するという機能と、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８の構成材料となるという機能との双方を備えており、各電極１０７、１０８のコンタクト抵抗の低減にさらに有効である。
【００７３】
なお、第２の実施形態においても、アンドープのＡｌＧａＮ層１０４の上に形成されたｐ型ＡｌＧａＮ層１０５は、ノーマリオフ動作を必要としない場合は設ける必要がない。
【００７４】
また、ＡｌＧａＮ層１０４とその上に形成されるｐ型ＡｌＧａＮ層１０５との、他の混晶の組み合わせは、上記の［表１］を適用できる。
【００７５】
（第２の実施形態の一変形例）
以下に、本発明の第２の実施形態の一変形例を説明する。
【００７６】
本変形例の第２の実施形態と異なる点は、第２の実施形態においては、ＭｇＡｌ層２０９を、ＭｇとＡｌと一様に混合された合金を用いているのに対し、本変形例においては、ＭｇＡｌ層２０９の混合比を、ＡｌＧａＮ層１０４側からソース電極１０７及びドレイン電極１０８側に向けて徐々に変化する構造を採る。
【００７７】
ＭｇＡｌ層２０９は、Ｍｇ原子がＡｌＧａＮ層１０４により多く拡散し、且つ、Ａｌ原子がオーミック電極を構成するＡｌ層の純度を維持する目的で導入されている。従って、ＡｌＧａＮ層１０４に近い部分では、Ｍｇの割合がより大きい組成とし、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８に近い部分では、Ａｌの割合がより大きい組成とすることにより、その目的に対する効果がさらに顕著となる。
【００７８】
このような組成を持つＭｇＡｌ層２０９を形成するには、該ＭｇＡｌ層２０９の組成を連続的又は層状に段階的に変更可能な成膜方法を用いることができる。例えば、組成を変化させたＭｇＡｌ層２０９は、例えば電子ビーム蒸着法により、ＭｇソースとＡｌソースとの蒸着量を調整することにより形成可能である。
【００７９】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図３を参照しながら説明する。
【００８０】
図３に示すように、第３の実施形態に係る窒化物半導体装置である電界効果トランジスタは、アンドープのＡｌＧａＮ層１０４の上で且つソース電極１０７とドレイン電極１０８との間の領域に、厚さが約１０ｎｍのアンドープのＩｎＧａＮ層３０５がエピタキシャル成長により形成されている。従って、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５は、ＩｎＧａＮ層３０５の上に選択的に形成されている。
【００８１】
ＳｉＮからなる保護膜１０９は、アンドープのＩｎＧａＮ層３０５におけるソース電極１０７及びドレイン電極１０８を除く上面と、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５におけるゲート電極１０６を除く上面及び側面に形成されている。
【００８２】
また、本発明の特徴である、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５からＭｇが拡散してなる不純物拡散層１１０は、ＡｌＧａＮ層１０４におけるース電極１０７の直下の領域とドレイン電極１０８の直下の領域とに選択的に形成されている。
【００８３】
以下、前記のように構成された第３の実施形態に係る電界効果トランジスタの製造方法について図４（ａ）〜図４（ｄ）を参照しながら説明する。
【００８４】
まず、図４（ａ）に示すように、例えば、有機金属化学的気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法等により、サファイアからなる基板１０１の主面上に、膜厚が１００ｎｍのＡｌＮからなるバッファ層１０２と、膜厚が２μｍのアンドープのＧａＮ層１０３と、膜厚が２５ｎｍのアンドープのＡｌＧａＮ層１０４と、膜厚が１０ｎｍのアンドープのＩｎＧａＮ層３０５とを順次エピタキシャル成長する。続いて、形成された半導体積層体にＡｒイオンを選択的にイオン注入することにより、素子分離領域１１１を形成する。続いて、リソグラフィ法及びエッチング法により、ＩｎＧａＮ層３０５におけるソース電極及びドレイン電極の各形成領域を開口する開口部３０５ａを形成して、その下のＡｌＧａＮ層１０４をそれぞれ露出する。
【００８５】
次に、図４（ｂ）に示すように、再度、ＭＯＣＶＤ法等により、ＩｎＧａＮ層３０５及び該ＩｎＧａＮ層３０５の開口部３０５ａから露出するＡｌＧａＮ層１０４の上に、膜厚が５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層１０５Ａをエピタキシャル成長する。
【００８６】
次に、図４（ｃ）に示すように、リソグラフィ法及びエッチング法により、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５Ａにおけるゲート電極形成領域をマスクしてエッチングすることにより、ゲート電極形成領域となるｐ型ＡｌＧａＮ層１０５を形成する。
【００８７】
次に、図４（ｄ）に示すように、リソグラフィ法及びスパッタ法等により、ＩｎＧａＮ層３０５の開口部３０５ａに、Ｔｉ／Ａｌからなるソース電極１０７、１０８を選択的に形成する。続いて、再度、リソグラフィ法及びスパッタ法等により、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５の上に、Ｎｉからなるゲート電極１０６を選択的に形成する。
【００８８】
次に、ＣＶＤ法により、ＳｉＮからなる保護膜１０９を、各電極１０６、１０７及び１０８を除くｐ型ＡｌＧａＮ層１０５及びＩｎＧａＮ層３０５の露出部分に形成して、図３に示す電界効果トランジスタを得る。
【００８９】
第３の実施形態によると、図４（ｂ）に示すように、ＡｌＧａＮ層１０４におけるＩｎＧａＮ層３０５の開口部３０５ａからの露出部分には、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５ＡからＭｇが拡散する。しかしながら、アンドープのＡｌＧａＮ層１０４とアンドープのＩｎＧａＮ層３０５との界面にはＭｇの拡散が生じない。これは、ＩｎＧａＮ層３０５が、ＭｇのＡｌＧａＮ層１０４に対する拡散抑制層として働くためである。
【００９０】
このように、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０５Ａの成長工程において、Ｍｇの拡散は、ＡｌＧａＮ層１０４におけるＩｎＧａＮ層３０５の開口部３０５ａから露出した領域に留まる。すなわち、ＩｎＧａＮ層３０５の下側のＡｌＧａＮ層１０４にはＭｇが拡散しない。このため、ＡｌＧａＮ層１０４におけるソース電極１０７及びドレイン電極１０８の形成領域を除く領域においては、窒素空孔（ＶＮ）によるドナー型欠陥の濃度の増大を抑制することができる。従って、電子走行領域である２次元電子ガス層の上層に位置するＡｌＧａＮ層１０４への不純物（Ｍｇ）の導入が抑制されるので、２次元電子ガス層におけるキャリアの移動度の低下を防ぐことが可能となる。その上、アンドープのＡｌＧａＮ層１０４のエネルギーバリアの薄層化によるゲートリーク電流を抑制することが可能となる。
【００９１】
なお、第３の実施形態においても、アンドープのＩｎＧａＮ層３０５の上に形成されたｐ型ＡｌＧａＮ層１０５は、ノーマリオフ動作を必要としない場合は設ける必要がない。
【００９２】
また、ＡｌＧａＮ層１０４とその上方に形成されるｐ型ＡｌＧａＮ層１０５との、他の混晶の組み合わせは、上記の［表１］を適用できる。
【００９３】
また、第３の実施形態においては、ＩｎＧａＮ層３０５は、ＡｌＧａＮ層１０４におけるソース電極１０７及びドレイン電極１０８の各形成領域以外の領域に、Ｍｇが拡散しないようにするために設けている。従って、アンドープのＩｎＧａＮ層３０５以外の材料であっても、ＡｌＧａＮ層１０４へのＭｇの拡散を防止できるIII族窒化物半導体であれば、ＩｎＧａＮ層３０５に代えて適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明に係る半導体装置は、窒化物半導体を用いた半導体装置のオン抵抗を低減でき、例えば民生機器の電源回路等に用いられるパワートランジスタ等に適用可能な半導体装置に有用である。
【符号の説明】
【００９５】
１０１    基板
１０２    バッファ層
１０３    ＧａＮ層（第４の窒化物半導体層）
１０４    ＡｌＧａＮ層（第１の窒化物半導体層）
１０５    ｐ型ＡｌＧａＮ層（第２の窒化物半導体層）
１０５Ａ  ｐ型ＡｌＧａＮ層
１０６    ゲート電極（第２の電極）
１０７    ソース電極（第１の電極）
１０８    ドレイン電極（第１の電極）
１０９    保護膜
１１０    不純物拡散層（不純物拡散領域）
１１１    素子分離領域
２０９    ＭｇＡｌ層
３０５    ＩｎＧａＮ層（第３の窒化物半導体層）
３０５ａ  開口部
【図１】
2012227456.tif 000004
【図２】
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【図３】
2012227456.tif 000006
【図４】
2012227456.tif 000007