JP2003332356A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
を有する半導体装置において、電極・絶縁膜界面の電気
的特性を安定化させると共にゲートリーク電流の発生を
防止する。 【解決手段】 基板11上に、バッファ層12、チャネ
ル層13及びキャリア供給層14が順次形成されてい
る。キャリア供給層14の上に、窒化物半導体が酸化さ
れてなる絶縁性酸化物層16が形成されている。絶縁性
酸化物層16の上に、例えば錫をドープしたインジウム
酸化物よりなる金属酸化物電極17が形成されている。
金属酸化物電極17の上に、白金層と金層との積層体か
らなる金属電極18が形成されている。
Description
導体を用い且つ絶縁ゲートを有する半導体装置に関す
る。
は、能動層に III族窒化物半導体を用いたMOS型電界
効果トランジスタ(MOSFET)の断面構成を示して
いる。
基板1上に、窒化アルミニウム(AlN)からなるバッ
ファ層2、窒化ガリウム(GaN)からなるチャネル層
3、及びn型の窒化アルミニウムガリウム(AlGa
N)からなるキャリア供給層4が順次形成されている。
また、バッファ層2、チャネル層3及びキャリア供給層
4が形成された基板1上には素子分離絶縁膜5が形成さ
れており、それによってトランジスタ領域が区画されて
いる。トランジスタ領域のキャリア供給層4の上には、
窒化物半導体が酸化されてなる絶縁性酸化物層6が形成
されていると共に、絶縁性酸化物層6の上に金属ゲート
電極7が形成されている。また、キャリア供給層4上に
おける金属ゲート電極7の両側には、キャリア供給層4
とオーミック接触するソース・ドレイン電極8が形成さ
れている。
リア供給層4とのヘテロ界面の近傍には、ポテンシャル
井戸からなり且つ電子移動度が極めて大きい2次元電子
ガス層が形成される。これにより、図10に示すMOS
FETは、高速トランジスタ特性を有する高電子移動度
トランジスタ(HEMT)となる。
従来のMOSFETにおいては、窒化物半導体自体を酸
化することにより形成された絶縁性酸化物層6上に金属
膜を直接堆積して金属ゲート電極7を形成しているた
め、次のような問題が生じる。すなわち、金属ゲート電
極7と絶縁性酸化物層6との間で酸化還元反応が起きる
ため、金属ゲート電極7が酸化されると共に絶縁性酸化
物層6つまりゲート絶縁膜が還元される。その結果、ゲ
ート絶縁膜中に酸素空孔(酸素の脱離によって生じた空
孔)が発生するので、電極・絶縁膜界面の電気的特性が
不安定になると共にゲートリーク電流が増大するという
問題が起きる。
化されてなるゲート絶縁膜を有する半導体装置におい
て、電極・絶縁膜界面の電気的特性を安定化させると共
にゲートリーク電流の発生を防止することを目的とす
る。
めに、本発明に係る半導体装置は、窒化物半導体が酸化
されてなる絶縁性酸化物層と、絶縁性酸化物層の上に形
成されており、導電性金属酸化物よりなる電極とを備え
ている。
体自体を酸化することにより形成された絶縁性酸化物層
をゲート絶縁膜として用いた絶縁ゲート構造において、
ゲート電極を導電性金属酸化物により構成する。すなわ
ち、ゲート電極中の金属は既に酸化物となっているた
め、ゲート絶縁膜を構成する金属酸化物(Ga酸化物又
はAl酸化物等)が電極材料によって還元されることを
防止できる。その結果、ゲート絶縁膜となる絶縁性酸化
物層、つまりゲート絶縁酸化膜上に金属膜を直接堆積す
る場合に生じるようなゲート絶縁膜内の欠陥、例えば酸
素空孔等が生じることがない。従って、このような欠陥
に起因するリーク電流の発生を防止できると共に、電極
・絶縁膜界面の電気的特性を安定化させることができ、
それによりゲート絶縁膜の信頼性を向上させることがで
きる。
酸化物は、インジウム酸化物、インジウムと錫との合金
の酸化物、又はロジウム酸化物のいずれかであることが
好ましい。すなわち、これらの各金属酸化物は導電性で
あるため、電極材料として使用可能であると共に、金属
酸化物に含有されている金属は既に酸化されているた
め、ゲート電極の形成時にゲート絶縁酸化膜を還元する
ことがない。さらに、これらの金属酸化物内の金属の酸
化状態(酸化数)は、ゲート絶縁酸化膜内の金属(A
l、Ga又はIn等)と同じであるため、これらの金属
酸化物における結晶の単位セル構造もゲート絶縁酸化膜
と同じである。従って、これらの金属酸化物よりなるゲ
ート電極つまり金属酸化物電極とゲート絶縁酸化膜との
化学的親和性及び構造的親和性が高くなるため、ゲート
絶縁膜におけるゲート電極との界面近傍に酸素空孔又は
格子間金属原子等が発生しないので、化学的に安定であ
り、信頼性が高く、且つ、リーク電流の低いゲート構造
を実現できる。
酸化物は、イリジウム酸化物、ルテニウム酸化物、又は
錫酸化物のいずれかであることが好ましい。すなわち、
これらの各金属酸化物は導電性であるため、電極材料と
して使用可能であると共に、金属酸化物に含有されてい
る金属は既に酸化されているため、ゲート電極の形成時
にゲート絶縁酸化膜を還元することがない。尚、これら
の金属酸化物内の金属の酸化状態(酸化数)は、ゲート
絶縁酸化膜内の金属(Al、Ga又はIn等)と異なっ
ていると共に、これらの金属酸化物における結晶の単位
セル構造もゲート絶縁酸化膜と異なる。しかしながら、
これらの金属酸化物よりなるゲート電極は、耐酸化性に
優れていると共に、ゲート絶縁膜におけるゲート電極と
の界面近傍に発生しうる格子間金属原子に対する拡散障
壁として作用する。そのため、仮にゲート絶縁酸化膜内
で還元反応により格子間金属原子が生じた場合にも、該
金属原子は拡散することなくゲート絶縁酸化膜内にとど
まり、最終的に再酸化されるので、化学的に安定であ
り、信頼性が高く、且つ、リーク電流の低いゲート構造
を実現できる。
成された金属層をさらに備えていてもよい。このとき、
該金属層が、プラチナ、パラジウム、イリジウム、ルテ
ニウム又はロジウム等の貴金属よりなると、次のような
効果が得られる。すなわち、これらの貴金属は耐酸化性
を有するため、金属層つまり金属電極の形成時に、金属
電極と金属酸化物電極との間で酸化還元反応が起きるこ
とを防止できるので、両電極間に良好な界面が形成され
る。このため、金属酸化物電極が金属電極によって還元
され、その結果、還元された金属酸化物電極がゲート絶
縁酸化膜によって再び酸化されてしまう事態、つまり、
ゲート絶縁酸化膜が金属酸化物電極によって還元されて
しまう事態を回避できるので、リーク電流が小さく且つ
信頼性の高い積層ゲート構造を実現できる。
窒化物半導体層上に形成されており且つ第1の窒化物半
導体層と比べて酸化速度の大きい第2の窒化物半導体層
を酸化することによって絶縁性酸化物層を形成すること
が好ましい。このようにすると、第1の窒化物半導体層
上に、第2の窒化物半導体層自体の酸化によって絶縁性
酸化物層が形成されるため、絶縁性酸化物層つまりゲー
ト絶縁膜の膜質が良好になると共に、絶縁性酸化物層と
その下側の第1の窒化物半導体層との接触界面も極めて
清浄になる。また、ゲート絶縁酸化膜となる第2の窒化
物半導体層の酸化速度が、第2の窒化物半導体層の下側
に形成されている第1の窒化物半導体層の酸化速度より
も大きいため、言い換えると、第1の窒化物半導体層の
酸化速度が第2の窒化物半導体層よりも小さいため、第
2の窒化物半導体層の酸化時に第1の窒化物半導体層が
酸化されにくくなるので、絶縁性酸化物層を形成する際
に第2の窒化物半導体層のみを選択的に酸化することが
容易になる。
ム(Al)を含むことが好ましい。例えば、典型的な窒
化物半導体材料である窒化ガリウム(GaN)にアルミ
ニウムを添加した窒化アルミニウムガリウム(AlGa
N)は、その酸化速度が窒化ガリウムよりも小さい。そ
こで、第1の窒化物半導体層の材料としてAlGaNを
用いると共に第2の窒化物半導体層の材料としてGaN
を用いた場合、絶縁性酸化物層の形成時に第1の窒化物
半導体層が酸化されにくくなる。また、AlGaNのエ
ネルギーギャップがGaNよりも大きいため、第1の窒
化物半導体層をポテンシャル障壁層として機能させるこ
とができる。
り基板と第1の窒化物半導体層との間に、エネルギーギ
ャップが第1の窒化物半導体層よりも小さい第3の窒化
物半導体層をさらに備えていることが好ましい。このよ
うにすると、第1の窒化物半導体層がキャリア供給層と
なると共に第3の窒化物半導体層がチャネル層となるの
で、高電流駆動能力を持つ高耐圧の高電子移動度トラン
ジスタ(HEMT)を確実に実現できる。
物層(つまり第2の窒化物半導体層)との間に、酸化速
度が第2の窒化物半導体層よりも小さい第4の窒化物半
導体層をさらに備えていることことが好ましい。このよ
うにすると、第2の窒化物半導体層を酸化して絶縁性酸
化物層を形成する際に、第4の窒化物半導体層によって
酸化が実質的に停止するため、言い換えると、第4の窒
化物半導体層が酸化防止層として機能するため、ゲート
絶縁膜となる絶縁性酸化物層の膜厚の制御が容易にな
る。この場合、第4の窒化物半導体層の材料として、例
えば窒化アルミニウム等を用いてもよい。
の第1の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法に
ついて図面を参照しながら説明する。
置、具体的には、能動層に III族窒化物半導体を用いた
絶縁ゲート型の高電子移動度トランジスタ(HEMT)
の断面構成を示している。
iC)からなる基板11上に、基板11と該基板11上
に成長するエピタキシャル層との格子不整合を緩和する
ために、例えば窒化アルミニウム(AlN)からなるバ
ッファ層12が形成されている。また、基板11上にバ
ッファ層12を介して、例えば窒化ガリウム(GaN)
からなるチャネル層13、及び例えばn型の窒化アルミ
ニウムガリウム(AlGaN)からなるキャリア供給層
14が順次形成されている。ここで、チャネル層13の
上部におけるキャリア供給層14とのヘテロ界面の近傍
には2次元電子ガス層が形成される。また、キャリア供
給層14はチャネル層13にキャリア(電子)を供給す
る。
びキャリア供給層14が形成された基板11上に、バッ
ファ層12にまで達する素子分離絶縁膜15が形成され
ており、それによってトランジスタ領域が区画されてい
る。トランジスタ領域のキャリア供給層14の上に、窒
化物半導体が酸化されてなる絶縁性酸化物層16が選択
的に形成されている。具体的には、絶縁性酸化物層16
は、キャリア供給層14上に成長した窒化物半導体層、
例えば窒化ガリウム層を酸化することにより形成されて
いる。すなわち、絶縁性酸化物層16はガリウム酸化物
(Ga2O3)よりなる。
物層16の上に、例えば錫をドープしたインジウム酸化
物よりなる金属酸化物電極17が形成されている。これ
により、絶縁性酸化物層16における金属酸化物電極1
7との界面近傍が還元されることを防止できるので、電
極・絶縁膜界面の安定性を保つことができると共に、絶
縁性酸化物層16の絶縁性を良好に保つことができる。
また、金属酸化物電極17の上に、例えば下層の白金
(Pt)層と上層の金(Au)層との積層体からなる金
属電極18が形成されている。第1の実施形態において
は、金属酸化物電極17と金属電極18とからゲート電
極が構成されている。さらに、キャリア供給層14上に
おけるゲート電極のゲート長方向の両側に、キャリア供
給層14とオーミック接触する一対のソース・ドレイン
電極19が形成されている。ソース・ドレイン電極19
は、例えば下層のチタン(Ti)層と上層のアルミニウ
ム(Al)層との積層体からなる。
装置(HEMT)によると、キャリア供給層14上に成
長した窒化物半導体層が酸化されてなる絶縁性酸化物層
16、つまりゲート絶縁膜の上に、錫をドープしたイン
ジウム酸化物よりなる金属酸化物電極17が形成されて
いる。ここで、錫をドープしたインジウム酸化物は導電
性であるため、電極材料として使用可能である。また、
ゲート電極となる金属酸化物電極17内の金属(In及
びSn)は既に酸化されているので、絶縁性酸化物層1
6内の金属(Ga)を還元することはない。さらに、金
属酸化物電極17の主成分であるインジウム酸化物(I
n2O3)におけるInの酸化状態は、絶縁性酸化物層1
6を構成するガリウム酸化物(Ga2O3)におけるGa
の酸化状態と同じであると共に、インジウム酸化物の結
晶の基本単位セル構造はガリウム酸化物の結晶の基本単
位セル構造と同じである。従って、金属酸化物電極17
と絶縁性酸化物層16との化学的親和性及び構造的親和
性が高くなるため、金属酸化物電極17の形成時に、絶
縁性酸化物層16における金属酸化物電極17との界面
近傍に酸素空孔等の欠陥が発生しにくくなる。その結
果、該欠陥に起因するリーク電流が減少すると共に、電
極・絶縁膜界面が化学的に安定し、それにより信頼性が
高いゲート構造を実現できる。
流電圧特性を示している。ここで、ゲート電圧値(ゲー
ト・ソース間電圧値)VGSとして、順方向に(ゲート側
が正電位になるように)0V、+2V、+4V、逆方向
に(ゲート側が負電位になるように)ー2V、ー4V、
ー6V、ー8V、ー10V、ー12Vを印加した。ま
た、図2において、横軸にはドレイン電圧値(ソース・
ドレイン間電圧値)VDSを示しており、縦軸には単位ゲ
ート幅当たりのドレイン電流値(ソース・ドレイン間電
流値)IDSを示している。前述のように、第1の実施形
態に係るHEMTは、ゲート絶縁膜となる絶縁性酸化物
層16の絶縁特性が優れていると共に、金属酸化物電極
17と絶縁性酸化物層16との界面における電気的特性
及び化学的安定性が優れているため、図2に示すよう
に、ドレイン耐圧は200V以上にも達する。また、順
方向に4V以上のゲート・ソース間電圧VGSを印加した
場合にも、金属酸化物電極17つまりゲート電極からの
リーク電流は発生しておらず、良好な電流電圧特性が得
られていることが分かる。
(本発明のHEMT)のゲートリーク電流と、図10に
示す従来のMOSFET(ゲート絶縁膜上に直接金属電
極が形成されているMOSFET)のゲートリーク電流
とを、ゲートサイズ等を同一条件に揃えて比較した結果
を示している。図3において、横軸にはゲート電圧値
(ゲート・ソース間電圧値)VGSを示しており、縦軸に
はゲートリーク電流(任意単位)を示している。また、
図3において、本発明のHEMTのゲートリーク電流を
実線で示していると共に、従来のMOSFETのゲート
リーク電流を破線で示している。図3から明らかなよう
に、第1の実施形態に係るHEMTにおいては、ゲート
リーク電流が極めて低く抑制されている。
製造方法について図面を参照しながら説明する。
(b)は、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方
法、具体的には、図1に示す、絶縁ゲート型のHEMT
の製造方法の各工程を示す断面図である。
CVD(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor D
eposition )法を用いて、例えば炭化ケイ素からなる基
板11上に、例えば窒化アルミニウムからなる厚さ10
0nm程度のバッファ層12と、例えば窒化ガリウムか
らなる厚さ3μm(3000nm)程度のチャネル層1
3と、例えばシリコン(Si)をドーパントとするn型
の窒化アルミニウムガリウムからなる厚さ15nm程度
のキャリア供給層14と、例えば窒化ガリウムからなる
厚さ50〜100nm程度の絶縁膜形成層16Aとを順
次成長させる。すなわち、基板11上に、窒化物半導体
よりなるエピタキシャル積層体を形成する。
スタ領域をマスクする、シリコンよりなる保護膜(図示
省略)を形成した後、酸化雰囲気中で基板11に対して
1〜2時間程度の熱酸化処理を行なうことにより、図4
(b)に示すように、エピタキシャル積層体が形成され
た基板11上に素子分離絶縁膜15を選択的に形成す
る。
囲気中で基板11に対して数分間程度の熱酸化処理を行
なうことにより、図4(c)に示すように、エピタキシ
ャル積層体の上部にある絶縁膜形成層16Aから絶縁性
酸化物層16を形成する。
酸化物層16の上に、錫をドープしたインジウム酸化物
よりなる厚さ20nm程度の導電性金属酸化物膜を堆積
し、引き続いて、該導電性金属酸化物膜の上に、厚さ5
0nm程度の白金層と厚さ200nm程度の金層とから
構成される積層金属膜を堆積する。その後、リソグラフ
ィ法及びドライエッチング法を用いて、堆積された積層
金属膜及び導電性金属酸化物膜、つまりゲート電極形成
用導電膜をパターニングすることにより、図5(a)に
示すように、絶縁性酸化物層16の上に金属酸化物電極
17を形成すると共に金属酸化物電極17の上に金属電
極18を形成する。ここで、金属酸化物電極17と金属
電極18との積層構造からゲート電極が構成される。そ
の後、絶縁性酸化物層16におけるゲート電極のゲート
長方向の両側に対して選択的にエッチングを行なうこと
により、絶縁性酸化物層16に一対の開口部を設けて該
一対の開口部からキャリア供給層14を露出させた後、
キャリア供給層14における該一対の開口部からの露出
部分の上に、例えばスパッタ法を用いて、厚さ20nm
程度のチタン層と厚さ200nm程度のアルミニウム層
とからなる積層金属膜を堆積する。続いて、リソグラフ
ィ法及びドライエッチング法を用いて、堆積された積層
金属膜をパターニングすることにより、図5(b)に示
すように、キャリア供給層14と接続する一対のソース
・ドレイン電極19を形成する。
Tの製造方法においては、窒化ガリウムからなる絶縁膜
形成層16Aを熱酸化することにより、基板11上のエ
ピタキシャル積層体の上面に絶縁性酸化物層16を形成
した後、絶縁性酸化物層16つまりゲート絶縁膜の直上
に、インジウムと錫との合金の酸化物よりなる金属酸化
物電極17を形成し、その後、金属酸化物電極17の上
に金属電極18を形成する。
物半導体自体を酸化することにより形成された絶縁性酸
化物層16をゲート絶縁膜として用いていると共に、金
属酸化物電極17をゲート電極(正確にはその下層部
分)として用いている。すなわち、金属酸化物電極17
中の金属は既に酸化物となっているため、ゲート絶縁膜
となる絶縁性酸化物層16を構成する金属酸化物(Ga
酸化物)が電極材料によって還元されることを防止でき
る。その結果、絶縁性酸化物層16つまりゲート絶縁膜
上に金属膜を直接堆積する場合に生じるようなゲート絶
縁膜内の欠陥、例えば酸素空孔等が生じることがない。
従って、このような欠陥に起因するリーク電流の発生を
防止できると共に、電極・絶縁膜界面の電気的特性を安
定化させることができ、それによりゲート絶縁膜の信頼
性を向上させることができる。
電極17におけるインジウムと錫との組成比を調整する
ことによって、金属酸化物電極17つまりゲート電極の
導電率を所望値に設定することができる。
物電極17の構成材料として、錫をドープしたインジウ
ム酸化物を用いたが、これに代えて、インジウム酸化
物、インジウムと錫との合金の酸化物、又はロジウム酸
化物等を用いても同様の効果が得られる。例えばロジウ
ム酸化物の主成分である三酸化二ロジウム(Rh2O3)
におけるRhの酸化状態は、ガリウム酸化物(Ga
2O3)におけるGaの酸化状態と同じであると共に、三
酸化二ロジウム結晶の基本単位セル構造はガリウム酸化
物の結晶の基本単位セル構造と同じである。従って、金
属酸化物電極17の構成材料としてロジウム酸化物を用
いた場合も、インジウム酸化物を用いた本実施形態と同
様に、金属酸化物電極17と絶縁性酸化物層16との間
の化学的親和性及び構造的親和性が高くなるため、電気
的及び化学的に安定な電極・絶縁膜界面を実現できる。
(c)に示す工程で、基板11に対して熱酸化処理を行
なう時間、つまり絶縁膜形成層16Aを加熱する時間の
調節によって、絶縁性酸化物層16の厚さを調節するこ
とができる。例えば厚さ50〜100nm程度の絶縁膜
形成層16Aを全て酸化して、同程度の厚さを有する絶
縁性酸化物層16を形成してもよい。或いは、絶縁膜形
成層16Aの上部のみを酸化して絶縁性酸化物層16を
形成すると共に絶縁性酸化物層16の下側に未酸化の絶
縁膜形成層16A(つまり窒化ガリウム層)を残存させ
てもよい。或いは、絶縁膜形成層16Aの厚さを例えば
5〜10nm程度まで薄くし、該薄膜の絶縁膜形成層1
6Aを全て酸化して、同程度の厚さを有する絶縁性酸化
物層16を形成してもよい。いずれの場合であっても、
キャリア供給層14上に、絶縁膜形成層16Aの酸化に
よって絶縁性酸化物層16が形成されるため、絶縁性酸
化物層16つまりゲート絶縁膜の膜質が良好になると共
に、絶縁性酸化物層16とその下側のキャリア供給層1
4(又は未酸化の絶縁膜形成層16A)との接触界面も
極めて清浄になる。
化ガリウム(GaN)からなる絶縁膜形成層16Aの酸
化速度と、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)か
らなるキャリア供給層14の酸化速度とを比較すると、
窒化アルミニウムガリウムにおけるAlの組成が0.3
である場合、窒化ガリウムの酸化速度は窒化アルミニウ
ムガリウムの酸化速度と比べて2倍程度大きくなる。こ
れにより、絶縁性酸化物層16の下側に位置するキャリ
ア供給層14の酸化を抑制しながら、絶縁膜形成層16
Aを選択的に酸化して絶縁性酸化物層16を形成するこ
とができる。また、窒化アルミニウムガリウムのエネル
ギーギャップが窒化ガリウムよりも大きいため、キャリ
ア供給層14をポテンシャル障壁層として機能させるこ
とができる。
化物層16を形成するための絶縁膜形成層16Aつまり
被酸化層の材料として、窒化ガリウム(GaN)を用い
たが、これに限られず、良質な絶縁性酸化物層を形成で
きる他の窒化ガリウム系半導体、例えば窒化アルミニウ
ムガリウム、窒化インジウムガリウム(InGaN)又
は窒化インジウムアルミニウムガリウム(InAlGa
N)等を用いてもよい。
成層16Aに対して熱酸化を行なうことにより絶縁性酸
化物層16を形成したが、これに代えて、絶縁性に優れ
た良質な酸化膜を形成できる他の方法、例えばイオン注
入法又はプラズマドーピング法等を絶縁膜形成層16A
に対して用いることにより絶縁性酸化物層16を形成し
てもよい。
トを有する半導体装置として、窒化ガリウムよりなるチ
ャネル層13と、n型の窒化アルミニウムガリウムより
なるキャリア供給層14とを備えたHEMTを形成した
が、これに限られず、能動層に、例えば窒化ガリウム、
窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム又
は窒化インジウムアルミニウムガリウム等を用いたHE
MT又はFETを形成してもよい。但し、HEMTを形
成する場合、通常、キャリア供給層14のエネルギーギ
ャップがチャネル層13のエネルギーギャップよりも大
きくなるように、チャネル層13及びキャリア供給層1
4のそれぞれを構成する材料を選択する必要がある。
を構成する材料として炭化ケイ素を用いたが、これに代
えて、チャネル層13等の III族窒化物半導体層をエピ
タキシャル成長させることができる他の基板材料、例え
ば窒化ガリウム又はサファイア(Al2O3)等を用いて
もよい。
18を構成する金属材料、及びソース・ドレイン電極1
9を構成する金属材料はそれぞれ特に限定されるもので
はない。但し、金属酸化物電極17上に形成される金属
電極18が、本実施形態の様に、プラチナ、パラジウ
ム、イリジウム、ルテニウム又はロジウム等の貴金属よ
りなると、次のような効果が得られる(本実施形態で
は、白金層と金層との積層体からなる金属電極18を用
いている)。すなわち、これらの貴金属は耐酸化性を有
するため、金属電極18の形成時に、金属電極18と金
属酸化物電極17との間で酸化還元反応が起きることを
防止できるので、両電極間に良好な界面が形成される。
このため、金属酸化物電極17が金属電極18によって
還元され、その結果、還元された金属酸化物電極17が
絶縁性酸化物層16によって再び酸化されてしまう事
態、つまり、ゲート絶縁膜となる絶縁性酸化物層16が
金属酸化物電極17によって還元されてしまう事態を回
避できるので、リーク電流が小さく且つ信頼性の高い積
層ゲート構造を実現できる。
化物層16上に金属酸化物電極17及び金属電極18を
積層して形成した後、絶縁性酸化物層16に開口部を設
けてキャリア供給層14上にソース・ドレイン電極19
を設けたが、これに代えて、ソース・ドレイン電極19
を金属酸化物電極17及び金属電極18よりも先に形成
してもよい。
実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について図
面を参照しながら説明する。
置、具体的には、能動層に III族窒化物半導体を用いた
絶縁ゲート型のHEMTの断面構成を示している。尚、
図6において、図1に示す、第1の実施形態に係る半導
体装置と同一の構成部材には同一の符号を付している。
なる基板11上に、例えば窒化アルミニウムからなるバ
ッファ層12、例えば窒化ガリウムからなるチャネル層
13、例えばn型の窒化アルミニウムガリウムからなり
且つチャネル層13にキャリア(電子)を供給するキャ
リア供給層14、及び、窒化アルミニウムからなる酸化
防止層20が順次形成されている。
キャリア供給層14及び酸化防止層20が形成された基
板11上に、バッファ層12にまで達する素子分離絶縁
膜15が形成されており、それによってトランジスタ領
域が区画されている。トランジスタ領域の酸化防止層2
0の上に、窒化物半導体が酸化されてなる絶縁性酸化物
層16が選択的に形成されている。具体的には、絶縁性
酸化物層16は、酸化防止層20上に成長した窒化物半
導体層、例えば窒化ガリウム層を酸化することにより形
成されている。すなわち、絶縁性酸化物層16はガリウ
ム酸化物(Ga 2O3)よりなる。
物層16の上に、例えばイリジウム酸化物よりなる金属
酸化物電極17が形成されている。これにより、絶縁性
酸化物層16における金属酸化物電極17との界面近傍
が還元されることを防止できるので、電極・絶縁膜界面
の安定性を保つことができると共に、絶縁性酸化物層1
6の絶縁性を良好に保つことができる。また、金属酸化
物電極17の上に、例えば下層の白金層と上層の金層と
の積層体からなる金属電極18が形成されている。第2
の実施形態においては、金属酸化物電極17と金属電極
18とからゲート電極が構成されている。さらに、酸化
防止層20上におけるゲート電極のゲート長方向の両側
に、酸化防止層20とオーミック接触する一対のソース
・ドレイン電極19が形成されている。ソース・ドレイ
ン電極19は、例えば下層のチタン層と上層のアルミニ
ウム層との積層体からなる。
Tによると、窒化アルミニウムよりなる酸化防止層20
上に成長した窒化物半導体層が酸化されてなる絶縁性酸
化物層16、つまりゲート絶縁膜の上に、イリジウム酸
化物よりなる金属酸化物電極17が形成されている。こ
こで、イリジウム酸化物は導電性であるため、電極材料
として使用可能である。また、ゲート電極となる金属酸
化物電極17内の金属(Ir)は既に酸化されているの
で、絶縁性酸化物層16内の金属(Ga)を還元するこ
とはない。
rの酸化状態(酸化数)は、絶縁性酸化物層16内の金
属Gaの酸化状態と異なっていると共に、イリジウム酸
化物の結晶の基本単位セル構造はガリウム酸化物の結晶
の基本単位セル構造と異なる。このため、金属酸化物電
極17と絶縁性酸化物層16との構造的親和性は、第1
の実施形態の様に金属酸化物電極17の主成分としてイ
ンジウム酸化物又はロジウム酸化物等を用いた場合と比
べて劣るので、絶縁性酸化物層16内に、例えば酸素空
孔に起因する格子間ガリウム原子等の欠陥が発生する可
能性がある。
極17の材料として用いるイリジウム酸化物は、耐酸化
性に優れていると共に、格子間ガリウム原子に対する拡
散障壁として作用する。そのため、仮にゲート絶縁膜と
なる絶縁性酸化物層16内で還元反応により格子間ガリ
ウム原子が生じた場合にも、該ガリウム原子は拡散する
ことなく絶縁性酸化物層16内にとどまり、最終的に再
酸化される。従って、第1の実施形態と同様に第2の実
施形態においても、電気的及び化学的に安定な電極・絶
縁膜界面(金属酸化物電極17と絶縁性酸化物層16と
の界面)を実現できると共に、ゲートリーク電流が小さ
く且つ信頼性が高いゲート構造を実現できる。
流電圧特性を示している。ここで、ゲート電圧値(ゲー
ト・ソース間電圧値)VGSとして、順方向に(ゲート側
が正電位になるように)0V、+2V、+4V、逆方向
に(ゲート側が負電位になるように)ー2V、ー4V、
ー6V、ー8V、ー10V、ー12Vを印加した。ま
た、図7において、横軸にはドレイン電圧値(ソース・
ドレイン間電圧値)VDSを示しており、縦軸には単位ゲ
ート幅当たりのドレイン電流値(ソース・ドレイン間電
流値)IDSを示している。前述のように、第2の実施形
態に係るHEMTは、ゲート絶縁膜となる絶縁性酸化物
層16の絶縁特性が優れていると共に、金属酸化物電極
17と絶縁性酸化物層16との界面における電気的特性
及び化学的安定性が優れているため、図7に示すよう
に、ドレイン耐圧は200V以上にも達する。また、順
方向に4V以上のゲート・ソース間電圧VGSを印加した
場合にも、金属酸化物電極17つまりゲート電極からの
リーク電流は発生しておらず、良好な電流電圧特性が得
られていることが分かる。
製造方法について図面を参照しながら説明する。
(b)は、第2の実施形態に係る半導体装置の製造方
法、具体的には、図6に示す、絶縁ゲート型のHEMT
の製造方法の各工程を示す断面図である。
D法を用いて、例えば炭化ケイ素からなる基板11上
に、例えば窒化アルミニウムからなる厚さ100nm程
度のバッファ層12と、例えば窒化ガリウムからなる厚
さ3μm(3000nm)程度のチャネル層13と、例
えばシリコンをドーパントとするn型の窒化アルミニウ
ムガリウムからなる厚さ15nm程度のキャリア供給層
14と、例えば窒化アルミニウムからなる厚さ20〜5
0nm程度の酸化防止層20と、例えば窒化ガリウムか
らなる厚さ50〜100nm程度の絶縁膜形成層16A
とを順次成長させる。すなわち、基板11上に、窒化物
半導体よりなるエピタキシャル積層体を形成する。
スタ領域をマスクする、シリコンよりなる保護膜(図示
省略)を形成した後、酸化雰囲気中で基板11に対して
1〜2時間程度の熱酸化処理を行なうことにより、図8
(b)に示すように、エピタキシャル積層体が形成され
た基板11上に素子分離絶縁膜15を選択的に形成す
る。
囲気中で基板11に対して数分間程度の熱酸化処理を行
なうことにより、図8(c)に示すように、エピタキシ
ャル積層体の上部にある絶縁膜形成層16Aから絶縁性
酸化物層16を形成する。
1の実施形態と同様に、絶縁膜形成層16Aを加熱する
時間の調節によって、絶縁性酸化物層16の厚さを調節
することができる。ここで、酸化防止層20を構成する
窒化アルミニウムの酸化速度は、絶縁膜形成層16Aを
構成する窒化ガリウムの酸化速度と比べて50分の1程
度と極めて小さい。このため、絶縁膜形成層16Aに対
する熱酸化処理は、酸化防止層20で実質的に停止した
ものとみなすことができる。従って、絶縁膜形成層16
Aを全て酸化させた場合にも、キャリア供給層14まで
酸化されることがないので、絶縁性酸化物層16の厚さ
を絶縁膜形成層16Aの厚さによって実質的に調節でき
るようになる。その結果、絶縁ゲートを有する素子の動
作特性に大きな影響を与える、ゲート絶縁膜の膜厚つま
り絶縁性酸化物層16の厚さに対する制御性を大幅に向
上することができる。
酸化物層16の上に、イリジウム酸化物よりなる厚さ2
0nm程度の導電性金属酸化物膜を堆積し、引き続い
て、該導電性金属酸化物膜の上に、厚さ50nm程度の
白金層と厚さ200nm程度の金層とから構成される積
層金属膜を堆積する。その後、リソグラフィ法及びドラ
イエッチング法を用いて、堆積された積層金属膜及び導
電性金属酸化物膜、つまりゲート電極形成用導電膜をパ
ターニングすることにより、図9(a)に示すように、
絶縁性酸化物層16の上に金属酸化物電極17を形成す
ると共に金属酸化物電極17の上に金属電極18を形成
する。ここで、金属酸化物電極17と金属電極18との
積層構造からゲート電極が構成される。その後、絶縁性
酸化物層16におけるゲート電極のゲート長方向の両側
に対して選択的にエッチングを行なうことにより、絶縁
性酸化物層16に一対の開口部を設けて該一対の開口部
から酸化防止層20を露出させた後、酸化防止層20に
おける該一対の開口部からの露出部分の上に、例えばス
パッタ法を用いて、厚さ20nm程度のチタン層と厚さ
200nm程度のアルミニウム層とからなる積層金属膜
を堆積する。続いて、リソグラフィ法及びドライエッチ
ング法を用いて、堆積された積層金属膜をパターニング
することにより、図9(b)に示すように、酸化防止層
20と接続する一対のソース・ドレイン電極19を形成
する。
Tの製造方法においては、窒化ガリウムからなる絶縁膜
形成層16Aを熱酸化することにより、基板11上のエ
ピタキシャル積層体の上面に絶縁性酸化物層16を形成
した後、絶縁性酸化物層16つまりゲート絶縁膜の直上
に、イリジウム酸化物よりなる金属酸化物電極17を形
成し、その後、金属酸化物電極17の上に金属電極18
を形成する。
物半導体自体を酸化することにより形成された絶縁性酸
化物層16をゲート絶縁膜として用いていると共に、金
属酸化物電極17をゲート電極(正確にはその下層部
分)として用いている。すなわち、金属酸化物電極17
中の金属は既に酸化物となっているため、ゲート絶縁膜
となる絶縁性酸化物層16を構成する金属酸化物(Ga
酸化物)が電極材料によって還元されることを防止でき
る。その結果、絶縁性酸化物層16つまりゲート絶縁膜
上に金属膜を直接堆積する場合に生じるようなゲート絶
縁膜内の欠陥、例えば酸素空孔等が生じることがない。
従って、このような欠陥に起因するリーク電流の発生を
防止できると共に、電極・絶縁膜界面の電気的特性を安
定化させることができ、それによりゲート絶縁膜の信頼
性を向上させることができる。
電極17の構成材料としてイリジウム酸化物を用いた
が、これに代えて、ルテニウム(Ru)酸化物又は錫酸
化物等を用いても同様の効果が得られる。
(c)に示す工程で、絶縁膜形成層16Aを全て酸化し
て、同程度の厚さを有する絶縁性酸化物層16を形成し
たが、これに代えて、絶縁膜形成層16Aの上部のみを
酸化して絶縁性酸化物層16を形成すると共に絶縁性酸
化物層16の下側に未酸化の絶縁膜形成層16A(つま
り窒化ガリウム層)を残存させてもよい。また、絶縁膜
形成層16Aの厚さを50〜100nm程度としたが、
絶縁膜形成層16Aの厚さは特に限定されるものではな
く、例えば5〜10nm程度まで薄くしてもよい。いず
れの場合であっても、酸化防止層20上に、絶縁膜形成
層16Aの酸化によって絶縁性酸化物層16が形成され
るため、絶縁性酸化物層16つまりゲート絶縁膜の膜質
が良好になると共に、絶縁性酸化物層16とその下側の
酸化防止層20(又は未酸化の絶縁膜形成層16A)と
の接触界面も極めて清浄になる。
層20の構成材料として窒化アルミニウムを用いたが、
これに限られず、例えばガリウム又はインジウム等を含
む窒化アルミニウムを用いてもよい。但し、酸化防止層
20の酸化速度をより小さくするためには、酸化防止層
20におけるアルミニウムの組成を相対的に大きくする
ことが好ましい。
化物層16を形成するための絶縁膜形成層16Aつまり
被酸化層の材料として、窒化ガリウムを用いたが、これ
に限られず、良質な絶縁性酸化物層を形成できる他の窒
化ガリウム系半導体、例えば窒化アルミニウムガリウ
ム、窒化インジウムガリウム又は窒化インジウムアルミ
ニウムガリウム等を用いてもよい。
成層16Aに対して熱酸化を行なうことにより絶縁性酸
化物層16を形成したが、これに代えて、絶縁性に優れ
た良質な酸化膜を形成できる他の方法、例えばイオン注
入法又はプラズマドーピング法等を絶縁膜形成層16A
に対して用いることにより絶縁性酸化物層16を形成し
てもよい。
トを有する半導体装置として、窒化ガリウムよりなるチ
ャネル層13と、n型の窒化アルミニウムガリウムより
なるキャリア供給層14とを備えたHEMTを形成した
が、これに限られず、能動層に、例えば窒化ガリウム、
窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム又
は窒化インジウムアルミニウムガリウム等を用いたHE
MT又はFETを形成してもよい。但し、HEMTを形
成する場合、通常、キャリア供給層14のエネルギーギ
ャップがチャネル層13のエネルギーギャップよりも大
きくなるように、チャネル層13及びキャリア供給層1
4のそれぞれを構成する材料を選択する必要がある。
を構成する材料として炭化ケイ素を用いたが、これに代
えて、チャネル層13等の III族窒化物半導体層をエピ
タキシャル成長させることができる他の基板材料、例え
ば窒化ガリウム又はサファイア等を用いてもよい。
18を構成する金属材料、及びソース・ドレイン電極1
9を構成する金属材料はそれぞれ特に限定されるもので
はない。但し、金属酸化物電極17上に形成される金属
電極18が、本実施形態の様に、プラチナ、パラジウ
ム、イリジウム、ルテニウム又はロジウム等の貴金属よ
りなると、次のような効果が得られる(本実施形態で
は、白金層と金層との積層体からなる金属電極18を用
いている)。すなわち、これらの貴金属は耐酸化性を有
するため、金属電極18の形成時に、金属電極18と金
属酸化物電極17との間で酸化還元反応が起きることを
防止できるので、両電極間に良好な界面が形成される。
このため、金属酸化物電極17が金属電極18によって
還元され、その結果、還元された金属酸化物電極17が
絶縁性酸化物層16によって再び酸化されてしまう事
態、つまり、ゲート絶縁膜となる絶縁性酸化物層16が
金属酸化物電極17によって還元されてしまう事態を回
避できるので、リーク電流が小さく且つ信頼性の高い積
層ゲート構造を実現できる。
化物層16上に金属酸化物電極17及び金属電極18を
積層して形成した後、絶縁性酸化物層16に開口部を設
けて酸化防止層20上にソース・ドレイン電極19を設
けたが、これに代えて、ソース・ドレイン電極19を金
属酸化物電極17及び金属電極18よりも先に形成して
もよい。
化することにより形成されたゲート絶縁酸化膜の上に、
導電性金属酸化物よりなるゲート電極が形成されている
ため、ゲート絶縁酸化膜が電極材料によって還元される
ことを防止できる。その結果、ゲート絶縁酸化膜上に金
属膜を直接堆積する場合と比べて、酸素空孔等のゲート
絶縁膜内欠陥の発生を抑制できる。従って、このような
欠陥に起因するリーク電流の発生を防止できると共に、
電極・絶縁膜界面を電気的及び化学的に安定化させるこ
とができ、それにより信頼性に優れたゲート構造を実現
できる。
面図である。
流電圧特性を示す図である。
ートリーク電流と、従来のMOSFETのゲートリーク
電流とを比較した結果を示す図である。
る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図であ
る。
面図である。
流電圧特性を示す図である。
る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図であ
る。
Claims (7)
- 【請求項1】 窒化物半導体が酸化されてなる絶縁性酸
化物層と、 前記絶縁性酸化物層の上に形成されており、導電性金属
酸化物よりなる電極とを備えていることを特徴とする半
導体装置。 - 【請求項2】 前記導電性金属酸化物は、インジウム酸
化物、又はインジウムと錫との合金の酸化物であること
を特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 【請求項3】 前記導電性金属酸化物は、ロジウム酸化
物であ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4】 前記導電性金属酸化物は、イリジウム酸
化物、ルテニウム酸化物、又は錫酸化物であることを特
徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 【請求項5】 前記電極上に形成された金属層をさらに
備えてい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】 前記金属層は貴金属よりなることを特徴
とする請求項5に記載の半導体装置。 - 【請求項7】 前記貴金属は、プラチナ、パラジウム、
イリジウム、ルテニウム又はロジウムを含むことを特徴
とする請求項6に記載の半導体装置。
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