(57)【要約】      （修正有）【課題】電圧が印加されたゲート電極から流入する電子を抑制し、窒化物半導体層との界面にトラップ準位の形成を抑制した表面保護層としての窒化珪素層を有する半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、基板１０と、基板１０の上に形成された窒化物半導体層２０と、窒化物半導体層２０の上に形成されたゲート電極３２と、窒化物半導体層２０の上に、ゲート電極３２を被覆して形成され、屈折率が１．９未満である窒化珪素層４０とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に形成された窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層の上に形成されたゲート電極と、
前記窒化物半導体層の上に、前記ゲート電極を被覆して形成され、屈折率が１．９未満である窒化珪素層と、
を具備する半導体装置。
【請求項２】
前記窒化珪素層は６００℃から９００℃の範囲内にて熱処理により形成された請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記窒化珪素層は、熱処理されていない窒化珪素と比較して不純物原子の含有量が少ない、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記窒化物半導体層は少なくとも２種類の窒化物半導体の層を有する請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体基板の半導体層上にゲート電極を接合させる工程と、
前記半導体層上に、シランガスとアンモニアガスとをプラズマ化して、屈折率を１．９未満とした窒化珪素層を形成させる工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項６】
半導体基板の半導体層上に、シランガスとアンモニアガスとをプラズマ化して、屈折率を１．９未満とした第１の窒化珪素層を形成させる工程と、
前記第１の窒化珪素層にエッチングにより孔部を形成させる工程と、
前記半導体層上の前記孔部にゲート電極を接合させる工程と、
前記ゲート電極上に、シランガスとアンモニアガスとをプラズマ化して、第２の窒化珪素層を形成させる工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１の窒化珪素層を形成させる工程の後に、
前記第１の窒化珪素層を６００℃から９００℃の範囲内により熱処理する工程をさらに有する、請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
通信装置等に用いられる大電力用の半導体装置には、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた窒化物半導体がある。大電力用の半導体装置には、窒化ガリウムの層（ＧａＮ層）を形成し、その上にアルミニウム元素（Ａｌ）を含有した窒化アルミニウムガリウムの層（ＡｌＧａＮ層）を形成したＨＥＭＴ構造の半導体装置が知られている。従来はＡｌＧａＮ層の上に表面保護層（パッシベーション層）として更に窒化珪素（ＳｉＮ）層を形成させることで、ＡｌＧａＮ層上の不純物の付着を抑制し、半導体装置の表面状態を安定させている。ＡｌＧａＮ層上に積層する窒化珪素層の屈折率を２．０以上とすると、窒化珪素層の応力低減やコラプス低減に効果があることが分かっている。
【０００３】
しかし、窒化珪素層の屈折率が大きくなると導電率が大きくなるため、表面保護層に屈折率の高い窒化珪素層を用いると、ゲート電極から電子が窒化珪素層に流入し、トラップ準位を形成し、半導体装置の特性を劣化、寿命の低下を招くという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２００３０６公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、ゲート電極から流入する電子を抑制し、窒化物半導体層との界面にトラップ準位の形成を抑制した表面保護層としての窒化珪素層を有する半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため実施形態の半導体装置は、基板と、前記基板の上に形成された窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層の上に形成されたゲート電極と、前記窒化物半導体層の上に、前記ゲート電極を被覆して形成され、屈折率が１．９未満である窒化珪素層と、を具備している。
【０００７】
また上記課題を解決するため、実施形態の半導体装置の製造方法は半導体基板の半導体層上に、シランガスとアンモニアガスとをプラズマ化して、屈折率が１．９未満とした第１の窒化珪素層を形成させる工程と、前記窒化珪素層にエッチングにより孔部を形成させる工程と、前記半導体層上の前記孔部にゲート電極を接合させる工程と、前記ゲート電極上に、シランガスとアンモニアガスとをプラズマ化して、第２の窒化珪素層を形成させる工程と、を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態の半導体装置の断面図。
【図２】第１の実施形態のゲート電極近傍の断面図。
【図３】第１の実施形態の時間経過における電流低下率の遷移図。
【図４】第１の実施形態の変形例の断面図。
【図５】基板に窒化物半導体層を積層する工程の図。
【図６】窒化珪素層の積層と、窒化珪素層に電極用の孔部を形成する工程の図。
【図７】第１の実施形態の各電極の配置工程および、窒化珪素の積層工程の図。
【図８】第１の実施形態の変形例の各電極の配置および、窒化珪素の積層工程の図。
【図９】第２の実施形態の半導体装置の断面図。
【図１０】第２の実施形態の半導体装置の各電極の配置および、窒化珪素の積層工程の図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態である半導体装置１００の断面図である。
【００１１】
基板１０の上にチャネル層としての窒化ガリウム層２１が形成されている。窒化ガリウム層２１の上にバリア層としての窒化アルミニウムガリウム層２２が形成されている。本実施形態では窒化ガリウム層２１と窒化アルミニウムガリウム層２２とを合わせて窒化物半導体層２０とする。半導体基板１はこれら基板１０と窒化物半導体層２０とを有している。
【００１２】
窒化アルミニウムガリウム層２２の上にはソース電極３１とゲート電極３２とドレイン電極３３とが設けられている。ソース電極３１とゲート電極３２とドレイン電極３３とはそれぞれ離間して設けられている。ソース電極３１とドレイン電極３３とはゲート電極３２を挟むように設けられている。
【００１３】
窒化アルミニウムガリウム層２２とソース電極３１とゲート電極３２とドレイン電極３３との上には表面保護層として窒化珪素層４０を設けている。窒化珪素層４０はゲート電極３２を被覆して形成されている。
【００１４】
基板１０の部材には珪素（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、サファイア、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド等がある。ただし、本実施形態において、基板１０の部材についてはこれらに限定されるものではない。
【００１５】
窒化ガリウム層２１と窒化アルミニウムガリウム層２２とは窒化物半導体である。本実施形態において、これらの層はアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）のＩＩＩ族の元素と、窒素（Ｎ）のＶ族の元素とを組み合わせたＩＩＩ‐Ｖ族半導体である。
【００１６】
窒化ガリウム層２１と窒化アルミニウムガリウム層２２とはそれぞれのバンドギャップが異なる。窒化ガリウム層２１と窒化アルミニウムガリウム層２２とが接合した際、接合面（ヘテロ界面）の近傍にてエネルギー準位の量子井戸が形成され、量子井戸に電子が高密度で蓄積され、２次元電子ガス５０（2 Dimensional Electron Gas、２ＤＥＧ）を形成する。
【００１７】
ソース電極３１とドレイン電極３３とは窒化アルミニウムガリウム層２２の上にオーミック接触により設けられている。窒化アルミニウムガリウム層２２の上にショットキー接触により設けられている。
【００１８】
窒化珪素層４０は窒化アルミニウムガリウム層２２の上端を被覆し、当該層の表面のダングリングボンドを終端する。即ち、窒化珪素層４０は、窒化アルミニウムガリウム層２２の表面にトラップ準位の形成を防止して、半導体装置１００の特性の劣化を抑制する。また、窒化珪素層４０は、ゲート電極３２等を被覆することで、水分等から各電極を保護する役割を持つ。
【００１９】
窒化珪素層４０が有する屈折率が１．９未満である。窒化珪素層４０の屈折率が高いと導電率が高くなる。Ｓｉ３Ｈ４の屈折率は２．０程度であり、Ｓｉの含有率が小さくなるにつれて、屈折率の値が小さくなることが知られている。このため本実施形態の窒化珪素層４０はＳｉの含有量が通常よりも少ないこととなる。
【００２０】
図２は本実施形態のゲート電極近傍の断面図である。ゲート電極３２に電圧が印加されると、ゲート電極３２内の電子が電極端から窒化珪素層４０に流入することがある。流入した電子はゲート電極端の内、ドレイン電極３３側に帯電することで、トラップ準位を形成する。
【００２１】
半導体装置内の電界強度の分布について、電界強度はゲート電極下が最も大きくなる。このため、ゲート電極下は発熱源となる。
【００２２】
ゲート電極端に形成されたトラップ準位はゲート電極下を通過する２次元電子ガス内の電子を引き寄せるため、飽和電子速度、移動度の劣化を引き起こす。また、電界強度による発熱は、電流低下を増大させる。
【００２３】
窒化珪素層４０の屈折率が１．９未満であると、導電率が小さくなり、ゲート電極３２から流入する電子が少なくなる。これにより、トラップ準位の形成が抑制され、飽和電子速度、移動度の劣化や、発熱による電流低下が抑制される。
【００２４】
図３は第１の実施形態の時間経過における電流低下率の遷移図である。図３の（ａ）は窒化珪素層４０の屈折率が２．０であり、チャネル温度が２５０℃と２８０℃の場合における電流低下率の遷移図である。また、図３の（ｂ）は窒化珪素層４０の屈折率が１．８５であり、チャネル温度が２５０℃と２８０℃の場合における電流低下率の遷移図である。
【００２５】
窒化珪素層４０の屈折率が２．０、１．８５のいずれについてもチャネル温度が２５０℃のときは時間の経過によらずに流れる電流量はほぼ一定である。
【００２６】
窒化珪素層４０の屈折率が２．０であり、チャネル温度が２８０℃のときは電流量の低下は時間の経過とともに大きくなり、電流量は５０％近くまで低下する（図３（ｂ））。
【００２７】
これに対して、窒化珪素層４０の屈折率が１．８５であり、チャネル温度が２８０℃のときは電流量の低下はあまり起きず、チャネル温度２５０℃とほぼ同一の電流量を維持することができる（図３（ａ））。
【００２８】
窒化物半導体を用いた半導体装置の場合、高電圧を印加することで、チャネル温度が２８０℃前後まで上昇することがある。このため、窒化珪素層４０の屈折率が１．９未満の場合、チャネル温度が上昇した場合であっても電流量を維持し、発熱による電流低下が抑制される。
【００２９】
（第１の実施形態の変形例）
図４は第１の実施形態の変形例の断面図である。変形例の半導体装置はゲート電極３２をフィールドプレート構造（３２ａ）とした半導体装置１０１である。
【００３０】
ゲート電極をフィールドプレート構造とすると、ゲート電極下の電界強度の集中は抑制され、発熱が抑制される。しかし、ゲート電極をフィールドプレート構造とすると、ゲート電極３２（３２ａ）と窒化珪素層４０との接触面積が増加し、トラップ準位が形成される面積が大きくなる。
【００３１】
本変形例では、窒化珪素層４０の屈折率を１．９未満とすることで、ゲート電極３２（３２ａ）から窒化珪素層４０に流入する電子を抑制する。これにより、トラップ準位の形成が抑制され、飽和電子速度、移動度の劣化や、発熱による電流低下が抑制される。
【００３２】
（第１の実施形態の製造方法）
本実施形態の半導体装置１００の製造方法について以下に説明する。
【００３３】
図５乃至図７は本実施形態の半導体装置１００の製造工程の図である。図５は半導体基板１の製造方法の図であり、基板１０に窒化物半導体層２０を積層する工程の図である。基板１０にＧａＮをＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等により結晶成長させ、窒化ガリウム層２１を積層させる（図５の（ａ））。ＭＯＣＶＤ法とは基板１０の上に有機金属とキャリアガスを基板上に供給し、加熱した基板上で気相による化学反応をすることによって、エピタキシャル成長をする方法である。
【００３４】
基板１０の上に窒化ガリウム層２１を積層させた後、有機金属原料のトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアンモニアガスをキャリアガス（窒素や水素）とともに供給し、反応させることによって窒化ガリウム層２１の上に窒化アルミニウムガリウム層２２が積層される（図５の（ｂ））。
【００３５】
ただし、ＭＯＣＶＤ法によるこれらの積層方法は一例であり、本実施形態において、ＭＯＣＶＤ法に限定されるものではない。
【００３６】
図６は半導体基板１の窒化アルミニウムガリウム層２２を積層した後に、その層上に屈折率が１．９未満の窒化珪素層４０を積層し（図６の（ａ））、各電極（３１〜３３）を配置するための孔部（６１〜６３）を形成する（図６の（ｂ））工程の図である。
【００３７】
窒化珪素層４０は２回に分けて、プラズマＣＶＤ（Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition）法により積層する。最初の積層は各電極（３１〜３３）を設ける前に行い、２回目の積層は各電極（３１〜３３）を設けた後に行う。
【００３８】
本実施形態では、プラズマＣＶＤ装置のチャンバ内に窒化ガリウム層２１と窒化アルミニウムガリウム層２２とを積層した基板１０を載置する。その後、チャンバ内に原料ガスのシランガス（ＳｉＨ４）とアンモニアガス（ＮＨ３）を注入し、高周波等を加えて原料ガスをプラズマ状態にする。ＳｉイオンやＮイオンを基板１０の窒化アルミニウムガリウム層２２の層上に蒸着させて窒化珪素層を形成させる。このときの窒化珪素層を４０ａ（第１の窒化珪素層）とする。
【００３９】
このとき、窒化珪素層４０ａの屈折率が１．９未満となるように注入する原料ガスのシランガス（ＳｉＨ４）とアンモニアガス（ＮＨ３）の量を調節する。一般にプラズマＣＶＤ法による蒸着で形成された窒化珪素層はＳｉ成分が多くなる傾向にある。Ｓｉ成分が多い窒化珪素層は屈折率が大きくなる。
【００４０】
屈折率が１．９未満の窒化珪素層４０ａを形成した後、ソース電極３１、ゲート電極３２、ドレイン電極３３を形成する位置に、イオンエッチングにより孔部（６１〜６３）を形成する。窒化珪素層４０ａの孔部（６１〜６３）を形成する箇所以外の部分にレジストを塗布し、イオンビームを照射する。レジストが塗布されていない箇所、即ち孔部（６１〜６３）を形成する箇所についてはエッチングが施される。これにより孔部６１〜６３が形成される。その後、レジストを除去する（図６の（ｂ））。
【００４１】
図７は屈折率が１．９未満の窒化珪素層４０ａに孔部（６１〜６３）を形成した後に、各電極（３１〜３３）を配置する工程（図７の（ａ））と、当該窒化珪素層４０ａの層上および各電極（３１〜３３）の上に第２の窒化珪素層（４０ｂ）を積層する工程（図７の（ｂ））である。
【００４２】
ソース電極３１およびドレイン電極３３は、孔部６１および６３にチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）を蒸着して形成し、熱処理により窒化アルミニウムガリウム層２２の上にオーミック接触させる。その後、ゲート電極３２を孔部６２にニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）を蒸着して形成し、窒化アルミニウムガリウム層２２の上にショットキー接触させる。
【００４３】
各電極（３１〜３３）を窒化アルミニウムガリウム層２２の層上に形成した後、窒化珪素をプラズマＣＶＤ法により、窒化珪素層４０ａの層上と各電極（３１〜３３）の上に窒化珪素層（第２の窒化珪素層４０ｂ）を形成させる。これにより窒化珪素層４０が形成される。
【００４４】
なお、屈折率が１．９未満の窒化珪素層４０ａを形成した後、孔部（６１〜６３）を形成する前に、窒化珪素層４０ａ内に含有される水素元素（Ｈ）を脱離するため、６００℃〜９００℃で熱処理をしても良い。
【００４５】
窒化珪素層４０ａの原料ガスとしてシランガス（ＳｉＨ４）とアンモニアガス（ＮＨ３）を使用した場合、水素元素（Ｈ）を含有した窒化珪素層４０ａが形成される。この水素元素（Ｈ）を多数含有している場合、水素元素（Ｈ）が窒化アルミニウムガリウム層２２と窒化珪素層４０ａの界面において、未終端の原子と結合し準位を形成し、これにより、半導体装置の特性が劣化することがある。このため、窒化珪素層４０ａに含有する水素元素（Ｈ）を脱離するため、熱処理をする。
【００４６】
窒化珪素層４０ａを６００℃以上で熱処理すると水素元素（Ｈ）の脱離が効果的である。しかし、熱処理を１０００℃以上で行った場合、窒化ガリウム層２１と窒化アルミニウムガリウム層２２の組成に影響を及ぼす可能性がある。このため、熱処理の温度として、６００℃〜９００℃の範囲が効果的である。
【００４７】
（第１の実施形態の変形例の製造方法）
第１の実施形態の変形例の製造方法について、基板１０に窒化物半導体層２０を積層する工程および、窒化珪素層４０ａの積層と電極用の孔部（６１〜６３）を形成する工程は、図５および図６と同様である。
【００４８】
図８は屈折率が１．９未満の窒化珪素層４０ａに孔部（６１〜６３）を形成した後に、各電極（３１〜３３）を配置する工程（図８の（ａ））と、当該窒化珪素層４０ａの層上および各電極（３１〜３３）の上に窒化珪素を積層する工程（図８の（ｂ））である。
【００４９】
ソース電極３１およびドレイン電極３３の形成方法は第１の変形例と同様である。ゲート電極３２はフィールドプレート構造（３２ａ）であり、孔部６２と窒化珪素層４０ａとにニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）を蒸着して形成してフィールドプレート構造のゲート電極３２（３２ａ）を形成する。その後、窒化アルミニウムガリウム層２２の上にショットキー接触させる。
【００５０】
各電極（３１〜３３）を窒化アルミニウムガリウム層２２の層上に形成した後、窒化珪素をプラズマＣＶＤ法により、窒化珪素層４０ａの層上と各電極（３１〜３３）の上に窒化珪素層（第２の窒化珪素層４０ｂ）を形成させる。これにより窒化珪素層４０が形成される。
【００５１】
以上により、本実施形態の半導体装置１００は、窒化珪素層４０（４０ａ）の屈折率が１．９未満であることから、ゲート電極３２（３２ａ）から電子が流入することを抑制する。これにより、窒化アルミニウムガリウム層２２の界面において、電子がたまることによるトラップ準位を抑制し、半導体装置の特性の劣化、寿命の劣化を抑制する効果を有する。
【００５２】
なお、本実施形態において、トラップ準位の形成はゲート電極３２の近傍にて発生するため、窒化珪素層４０はゲート電極３２のみを被覆するように形成してもよい。
【００５３】
（第２の実施形態）
第２の実施形態の半導体装置の１０２の断面図は図９である。第２の実施形態は第１の実施形態のゲート電極３２について矩形型（３２ｂ）のものとした構造である。
【００５４】
本実施形態のゲート電極は窒化珪素層４０の上には形成されていないため、ゲート電極下の電界強度分布については、第１の実施形態よりもピーク値が大きくなる。このため、第１の実施形態と比較して発熱しやすくなる。しかし、プラズマＣＶＤ法による窒化珪素層４０の形成は第１の実施形態のように２回に分けずに１回で形成が可能となる。
【００５５】
（第２の実施形態の製造方法）
本実施形態の半導体装置１０２の製造方法について以下に説明する。
【００５６】
第２の実施形態の製造方法について、半導体基板１の製造方法、即ち基板１０に窒化物半導体層２０を積層する工程は図５と同様である。
【００５７】
図１０は本実施形態の半導体装置の各電極（３１〜３２）の配置および、窒化珪素の積層工程の図である。
【００５８】
ソース電極３１およびドレイン電極３３は、半導体基板１の窒化アルミニウムガリウム層２２上にチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）を蒸着して形成し、熱処理によりオーミック接触させる。その後、ゲート電極３２（３２ｂ）を窒化アルミニウムガリウム層２２上にニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）を蒸着して形成し、熱処理によりショットキー接触させる（図１０の（ａ））。
【００５９】
その後プラズマＣＶＤ法により、屈折率が１．９未満となるように注入する原料ガスのシランガス（ＳｉＨ４）とアンモニアガス（ＮＨ３）の量を調節して窒化珪素層４０を各電極（３１〜３３）上および窒化アルミニウムガリウム層２２上に形成する（図１０の（ｂ））。
【００６０】
なお、本実施形態において、トラップ準位の形成はゲート電極３２（３２ｂ）の近傍にて発生するため、窒化珪素層４０はゲート電極３２（３２ｂ）のみを被覆するように形成してもよい。
【００６１】
以上により、本実施形態の半導体装置１００は、窒化珪素層４０の屈折率が１．９未満であることから、ゲート電極３２（３２ｂ）から電子が流入することを抑制する。これにより、窒化アルミニウムガリウム層２２の界面において、電子がたまることによるトラップ準位を抑制し、半導体装置の特性の劣化、寿命の劣化を抑制する効果を有する。
【００６２】
以上の実施形態において、窒化物半導体層２０は２種類の窒化物半導体層を有するＨＥＭT構造としているが、これに限られない。半導体装置はＭＯＳＦＥＴ構造としても良く、窒化物半導体層２０は３種類以上の窒化物半導体層を有していてもよい。
【００６３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、そのほかの様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６４】
１０‥‥基板、
２０‥‥窒化物半導体層、
２１‥‥窒化ガリウム層、
２２‥‥窒化アルミニウムガリウム層、
３１‥‥ソース電極、
３２‥‥ゲート電極、
３３‥‥ドレイン電極、
４０‥‥窒化珪素層、
５０‥‥２次元電子ガス（２ＤＥＧ）、
６１〜６３‥‥孔部、
１００〜１０２‥‥半導体装置。
【図１】
2017157702.tif 000003
【図２】
2017157702.tif 000004
【図３】
2017157702.tif 000005
【図４】
2017157702.tif 000006
【図５】
2017157702.tif 000007
【図６】
2017157702.tif 000008
【図７】
2017157702.tif 000009
【図８】
2017157702.tif 000010
【図９】
2017157702.tif 000011
【図１０】
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