JP2004214530A

JP2004214530A - Ｍｉｓ型化合物半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2004214530A
Application number: JP2003001989A
Authority: JP
Inventors: Kunio Saito; 國夫齋藤; Yoshito Jin; 好人神; Masaru Shimada; 勝嶋田; Naoteru Shigekawa; 直輝重川; Takatomo Enoki; 孝知榎木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-01-08
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2004-07-29

Abstract

【課題】ＭＩＳ界面特性の優れたゲート絶縁膜を低いプロセス温度でより短時間で形成できるようにし、ＩｎＰ系化合物半導体を用いた特性のよいＭＩＳ型デバイスを実現できるようにする。
【解決手段】ＩｎＰ系の化合物半導体からなる半導体層エピタキシャル層（半導体層）１０２を備えた基板１０１の上に、ＥＣＲスパッタ法により、ＩＩＩ族元素の窒化物であるＡｌＮ膜（ゲート絶縁膜）１０３を形成することで、ＭＩＳ型化合物半導体装置を製造する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属／絶縁膜／化合物半導体（ＭＩＳ）構造を有するＩｎＰ系化合物半導体を用いたＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）としては、金属ゲート電極（ＭＥｔａｌ）と半導体（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を接触させたＭＥＳＦＥＴが、実用化されている。このＭＥＳＦＥＴは、ショットキー接合で生ずる半導体側の空乏層を利用し、ゲート電極と半導体中に誘起するチャンネルとの電気的絶縁を得ている。
【０００３】
しかしながら、ショットキー接合で得られる電気的バリヤが低いため、上記ＭＥＳＦＥＴでは、ゲート電極と半導体間で大きなリーク電流（ゲートリーク）が生じていた。このため、耐圧の低下、相互コンダクタンス（ｇｍ）の低下、ドレインコンダクタンスの増加、オンオフ電流比の低下など、従来のＭＥＳＦＥＴでは様々な障害が発生していた。これらの障害は、化合物半導体による大規模集積回路（ＬＳＩ）の実現を阻害するものでもあった。
【０００４】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた電界効果トランジスタを実現する場合、ゲート電極と半導体の間に絶縁膜を設けたＭＩＳ型構造が理想的である。しかしながら、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いる場合、絶縁膜が挿入されることでＭＩＳ界面特性が悪化し、使用に耐えるＭＩＳデバイスの実現が困難であった。
【０００５】
最近、化合物半導体によるＭＩＳデバイスを実現するため、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板に絶縁膜を堆積してＭＩＳダイオードを作製する試みが行われている。例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＮ絶縁層／ゲート電極、あるいは、ＧａＡｓ／ＩｎＰ／ＡｌＮ絶縁層／ゲート電極の構成を有するＭＩＳ型半導体装置とその製造方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
上記製造方法では、ＩｎＰ層はＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により堆積され、ＡｌＮ膜はアンモニアガス雰囲気中でＧａＡｓ基板を約４５０〜５５０℃の範囲の温度で熱処理することによって形成されている。ただし、ＩｎＰ上へのＡｌＮ膜の形成法は、記載されていない。
【０００７】
また、ＧａＡｓチャンネル層／Ａｓ過剰ＧａＡｓ絶縁層／ゲート電極の構成を持つＭＩＳ型半導体装置とその製造方法が提案されている（特許文献２参照）。この製造方法では、まず、Ａｓが過剰とされたＧａＡｓ膜を分子線エピタキシャル法により４００℃で成長している。この膜には、１〜２％過剰のＡｓが含まれた状態となっている。このようなＧａＡｓ膜に、６００℃で１０分間の熱処理を加え、過剰に含まれているＡｓを析出させて絶縁化し、ゲート絶縁膜として用いるようにしている。
【０００８】
また、ＧａＮチャンネル層／ＡｌＮ／ゲート電極の構成を有するＭＩＳ型半導体装置とその製造方法が提案されている（特許文献３参照）。この製造方法では、ＡｌＮ膜は、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ_３）_３），水素ガス，および，窒素ガスを用いたＭＯＣＶＤ法により、１０００℃で堆積されている。
【０００９】
また、ＧａＡｓ／ＡｌＮ／ゲート絶縁膜、あるいは、ＩｎＰ／ＡｌＮ／ゲート絶縁膜の構成を有する半導体装置も提案されている（特許文献４参照）。ただし、この半導体装置の提案では、ＡｌＮ膜の形成方法は説明されていない。
上述したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたＭＩＳ型半導体装置に関する技術では、主としてＧａＡｓやＧａＮなどの高温のプロセス温度に耐える材料の上にゲート絶縁膜を堆積していた。この理由は、ゲート絶縁膜を低温で形成し、また低温で熱処理したのでは、使用に耐える良好な界面特性が得られていないためである。
【００１０】
つぎに、ＩｎＰ基板上に低温でＡｌＮ膜を形成し、ＭＩＳ特性を評価した従来の技術を示す（非特許文献１参照）。この評価では、ＩｎＰ基板上にＡｌを蒸着した後、ヘリコン波励起のＮ_２ガスプラズマまたはＮ_２＋Ａｒガスプラズマを照射してＡｌを窒化することでＡｌＮ／ＩｎＰ構造を形成し、これの構造の上下に電極を付け、Ｃ−Ｖ（容量−電圧）特性を評価している。これらの技術では、ＡｌＮ膜形成後のポストアニールは、３００℃以下に抑えられている。この評価の結果では、良好なＣ−Ｖ曲線が得られており、ヒステリシスも小さい。
しかしながら、この技術は、Ｎ_２ガスプラズマまたはＮ_２＋Ａｒガスプラズマ照射でＡｌを窒化するのに６時間ほどかかっており、スループットの面で実用化にはほど遠い。
【００１１】
ＩｎＰ基板の上にＩｎＧａＡｓチャンネル層をエピタキシャル成長させ、このチャンネル層の上にＡｌを蒸着してアルミニウム膜を形成し、９０分間のウェット酸化によってアルミニウム膜を絶縁膜とし、ＨＥＭＴ（高移動度トランジスタ）構造を作製して特性を評価した結果が報告されている（非特許文献２参照）。ここでは、比較的良好なトランジスタ静特性が得られている。しかしながら、この技術は、わずか２．５ｎｍの厚さのアルミニウム膜を酸化して絶縁膜とするのに９０分間を要しており、スループットの点で実用化は困難である。
【００１２】
また、ＩｎＰ基板上に薄いＳｉの界面制御層を堆積し、この表面を窒化した後、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によってＳｉ_３Ｎ_４膜を形成し、この上にゲート電極を形成してＣ−Ｖ特性を評価した実験が報告されている（非特許文献３参照）。この実験結果では、Ｃ−Ｖ曲線が理想曲線からかなりずれており、作製した素子には多量の電荷トラップが存在していることが示唆されている。
【００１３】
また、上記実験では、ＩｎＰ基板上にｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ層を形成し、この上にＳｉ界面制御層を堆積し、この表面を窒化した後、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によってＳｉ_３Ｎ_４膜を形成し、この上にゲート電極を形成し、ｎ−ＩｎＰ層上にソース／ドレイン電極を形成してＭＩＳＦＥＴ構造を作製し、この特性を評価した結果も記載されている。このトランジスタ静特性はほうき状であり、ｇ_ｍは１２３ｍＳ／ｍｍと小さく、良好な特性とは言い難く、実用には遠い。
【００１４】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を本件の出願時までに発見するには至らなかった。
【００１５】
【特許文献１】
特開平８−１５３８６７号公報
【特許文献２】
特開平９−２２９９８号公報
【特許文献３】
特開平１０−２２３９０１号公報
【特許文献４】
特開平５−６７７４１号公報
【非特許文献１】
Ｈ．Ｈａｙａｓｈｉ，Ｉ．Ｈａｔａｎａｋａ，Ｓ．Ｓａｔｏ，ａｎｄＨ．Ｉｋｏｍａ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｐａｒｔ１，Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．７Ａ，４２３５（１９９７）．
【非特許文献２】
中村、奈須野、太田、飯山、高宮、「Ａｌ酸化層を絶縁層とするＩｎＰ系ＭＩＳＨＥＭＴの試作・評価」、第４９回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、第３分冊、１４０１頁、講演番号：２８ａ−ＹＫ−７．
【非特許文献３】
Ｚ．Ｆｕ，Ｈ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｓ．Ｋａｓａｉ，ａｎｄＨ．Ｈａｓｅｇａｗａ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｐａｒｔ１，Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．２Ｂ，１０６２（２００２）．
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＩｎＰ系化合物半導体は、キャリヤ移動度が高く、環境負荷の低い半導体であり、高速に動作するＦＥＴを構成する材料として理想的である。しかしながら、ＩｎＰ系化合物半導体は、他の化合物半導体に比較して大変熱に弱い半導体であるため、この半導体を用いた素子を形成するときの許容プロセス温度が、他の半導体に比べて著しく低い。例えば、ＨＥＭＴなどのデバイスを製造する場合、ＩｎＰ系半導体のエピタキシャル層の形成以降は、２００〜３００℃のプロセス温度に制限される。
【００１７】
従って、ＩｎＰ系の半導体層の上にゲート絶縁膜を形成する場合、２００〜３００℃と低い温度で処理することになる。この結果、前述した従来の技術に示したように、従来では、絶縁膜を形成するのに長時間を必要とし、また、欠陥の多い膜あるいは欠陥の多い絶縁膜／半導体界面しか形成できていない。
【００１８】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＭＩＳ界面特性の優れたゲート絶縁膜を低いプロセス温度でより短時間で形成できるようにし、ＩｎＰ系化合物半導体を用いた特性のよいＭＩＳ型デバイスを実現できるようにすることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法は、磁場とマイクロ波による電子サイクロトロン共鳴により少なくとも窒素を含むプラズマを生成し、このプラズマが生成される領域と基板との間に配置されたＩＩＩ族元素を主原料とするターゲットに、プラズマにより発生した粒子を衝突させてスパッタ現象を起こし、ＩＩＩ族元素の窒化物からなるゲート絶縁膜を、ＩｎＰ系の化合物半導体からなる半導体層の表面に形成するようにしたものである。
この製造方法によれば、半導体層が許容する温度範囲内で、特性の良いゲート絶縁膜を形成することが可能となる。
【００２０】
上記ＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法において、ターゲットは、ＩＩＩ族元素の窒化物から構成されたものを用いるようにしても良い。また、プラズマは、不活性ガスと窒素ガスとから生成されるものであればよく、プラズマは、窒素ガスから生成されるものであってもよい。
また、上記ＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法において、半導体層は、ＩｎＰであればよく、また、基板は、ＩｎＰであり、半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル層であってもよい。
また、上記ＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法において、ＩＩＩ族元素は、アルミニウム，ホウ素，ガリウムのいずれかであればよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態におけるＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法を説明する工程図である。ここでは、ＭＩＳダイオードを例にして説明する。まず、図１（ａ）に示すように、面方位が（１００）で３×１０^１８ｃｍ^−３のキャリヤ濃度（ドーパント：Ｓ）を有するｎ形ＩｎＰからなる基板１０１に、ノンドープＩｎＰからなる膜厚３〜４μｍのエピタキシャル層（半導体層）１０２を形成する。エピタキシャル層１０２の抵抗率は、１〜１０Ωｃｍである。
【００２２】
つぎに、図１（ｂ）に示すように、ＥＣＲスパッタ法によりＡｌＮ（窒化アルミニウム）を堆積することで、エピタキシャル層１０２の上に、膜厚約２ｎｍのＡｌＮ膜（ゲート絶縁膜）１０３を形成する。ＥＣＲスパッタによるＡｌＮ膜の形成では、まず、Ａｌ（アルミニウム）ターゲットを用い、また、Ａｒ（アルゴン）のガス流量２０（ｍｌ／ｍｉｎ），Ｎ_２のガス流量２０／８（ｍｌ／ｍｉｎ）とし、また、マイクロ波およびＲＦ電力は、５００Ｗとした。また、このＡｌＮ膜１０３の形成では、基板の加熱は行わない。
【００２３】
つぎに、ステンシルマスクを用いた真空蒸着法により、Ａｌを選択的に堆積し、図１（ｃ）に示すように、ＡｌＮ膜１０３の上にＡｌ電極パターン１０４を形成する。また、基板１０１の裏面に、スパッタ法によりＴｉ（チタン）を堆積し、さらに、Ａｕ（金）を真空蒸着して電極膜１０５を形成する。
【００２４】
ここで、ＡｌＮ膜１０３の形成では、図２に示すようなＥＣＲスパッタ装置を用いればよい。このＥＣＲスパッタ装置について説明すると、まず、チャンバー２０１とこれに連通するプラズマ生成室２０２とを備えている。チャンバー２０１は、図示していない真空排気装置に連通し、真空排気装置によりプラズマ生成室２０２とともに内部が真空排気される。
【００２５】
チャンバー２０１には、膜形成対象の基板１０１が固定される試料台２０４が設けられている。試料台２０４は、図示しない回転機構により所望の角度に傾斜し、かつ回転可能とされている。試料台２０４を傾斜して回転させることで、堆積させる材料による膜の面内均一性と段差被覆性とを向上させることが可能となる。
また、チャンバー２０１内の、プラズマ生成室２０２からのプラズマが導入される開口領域において、開口領域を取り巻くようにリング状のターゲット２０５が備えられている。
【００２６】
ターゲット２０５は、絶縁体からなる容器２０５ａ内に載置され、内側の面がチャンバー２０１内に露出している。また、ターゲット２０５には、マッチングユニット２２１を介して高周波電源２２２が接続され、例えば、１３．５６ｋＨｚの高周波が印加可能とされている。ターゲット２０５が導電性材料の場合、直流を印加するようにしても良い。なお、ターゲット２０５は、上面から見た状態で、円形状だけでなく、多角形状態であっても良い。
【００２７】
プラズマ生成室２０２は、真空導波管２０６に連通し、真空導波管２０６は、石英窓２０７を介して導波管２０８に接続されている。導波管２０８は、図示していないマイクロ波発生部に連通している。また、プラズマ生成室２０２の周囲およびプラズマ生成室２０２の上部には、磁気コイル（磁場形成手段）２１０が備えられている。これら、マイクロ波発生部、導波管２０８，石英窓２０７，真空導波管２０６により、マイクロ波供給手段が構成されている。なお、導波管２０８の途中に、モード変換器を設けるようにする構成もある。
【００２８】
図２のＥＣＲスパッタ装置の動作例について説明すると、まず、チャンバー２０１およびプラズマ生成室２０２内を真空排気した後、不活性ガス導入部２１１より不活性ガスであるアルゴンガスを導入し、また、反応性ガス導入部２１２より窒素（Ｎ_２）ガスを導入し、プラズマ生成室２０２内を例えば１０^−５〜１０^−４Ｐａ程度の圧力にする。この状態で、磁気コイル２１０よりプラズマ生成室２０２内に０．０８７５Ｔの磁場を発生させた後、導波管２０８，石英窓２０７を介してプラズマ生成室２０２内に２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導入し、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマを発生させる。
【００２９】
ＥＣＲプラズマは、磁気コイル２１０からの発散磁場により、試料台２０４の方向にプラズマ流を形成する。生成されたＥＣＲプラズマのうち、電子は磁気コイル２１０で形成される発散磁場によりターゲット２０５の中を貫通して基板１０１の側に引き出され、基板１０１の表面、すなわちエピタキシャル層１０２の表面に照射される。このとき同時に、ＥＣＲプラズマ中のプラスイオンが、電子による負電荷を中和するように、すなわち、電界を弱めるように基板１０１側に引き出され、エピタキシャル層１０２の表面に照射される。このように各粒子が照射される間に、プラスイオンの一部は電子と結合して中性粒子となる。
【００３０】
なお、図２の薄膜形成装置では、図示していないマイクロ波発生部より供給されたマイクロ波電力を、導波管２０８においていったん分岐し、プラズマ生成室２０２上部の真空導波管２０６に、プラズマ生成室２０２の側方から石英窓２０７を介して結合させている。このようにすることで、石英窓２０７に対するターゲット２０５からの飛散粒子の付着が、防げるようになり、ランニングタイムを大幅に改善できるようになる。
【００３１】
以上のことによりプラズマを生成している状態で、プラズマ生成室２０２と試料台２０４との間に設けたリング状のターゲット２０５に、高周波電源２２２より高周波電圧を印加することで、ターゲット２０５の表面にプラズマを引き寄せてスパッタリングを行う。スパッタリングにより、ターゲット２０５の表面よりターゲット材料の粒子が飛び出し、プラズマ生成室２０２より放出されたプラズマとともに基板１０１の上に到達する。また、このとき、上記粒子とともに、プラズマにより活性化された窒素も基板１０１の上に到達する。この結果、基板１０１のエピタキシャル層１０２の上に、ターゲット材料（Ａｌ）の窒化膜（ＡｌＮ）が形成されることになる。
【００３２】
加えて、基板１０１の上には、発散磁界で引き出されたプラズマが照射されるので、照射されたプラズマのプラズマアシスト効果により、基板１０１の上に形成された膜はより強固で高品質なものとなる。また、ＥＣＲスパッタ装置では、他のスパッタ法と比較して低いガス圧でプラズマを生成してスパッタリングをし、また、ターゲットと基板とを対向させていない。このため、ＥＣＲスパッタ法による膜の形成では、基板に対して作用する高エネルギー粒子を著しく少なくできるため、形成した膜の欠陥を顕著に少ない状態とすることが可能となる。
【００３３】
これらＥＣＲスパッタによる膜の形成の特徴については、例えば、「ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦＰＤＷｏｒｌｄ」１０月号、平成１３年、株式会社プレスジャーナル発行、５７〜６１頁を参照されたい。この文献には、ＥＣＲスパッタ装置を用いてシリコン基板の上に酸化物ゲートを堆積したときの、ＭＯＳ界面特性が報告されている。
【００３４】
以上に説明したように、図２のＥＣＲスパッタ装置を用いて形成したＡｌＮ膜１０３は、断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像においては、膜厚よりも寸法の小さな格子縞が部分的に見られたが、反射高エネルギー電子線回折（ＲＨＥＥＤ）像はハローであり、ほぼアモルファスであると考えられる。
図３は、図１に示すＡｌ／ＡｌＮ／ｎ−ＩｎＰ／ｎ^＋−ＩｎＰ／Ｔｉ／Ａｕ構造ＭＩＳダイオードのＣ−Ｖ（容量−電圧）特性である。Ａｌ電極パターン１０４の膜厚は、堆積速度と堆積時間からの見積もりで２ｎｍ堆積された。横軸のバイアス電圧は、負，正，負の順に往復掃引した。測定周波数は、１ＭＨｚである。
【００３５】
図３から分かるように、立ち上がりの鋭い、ヒステリシスの少ない良好なＣ−Ｖカーブが得られた。熱処理なしでこのような良好なＣ−Ｖ特性が得られることは希有であり、ＥＣＲスパッタにより形成したＡｌＮ膜は、ＩｎＰのようなプロセス温度が２００〜３００℃に限られる材料に良く適応することが分かった。
図４は、図１に示したＭＩＳダイオードのＩ−Ｖ（電流−電圧）特性を示す特性図である。図４から明らかなように、図１に示したＭＩＳダイオードのリーク電流は、１Ｖのバイアス時に約１ｍＡ／ｃｍ^２であり、良好な特性が得られた。
以上のＣ−Ｖ，Ｉ−Ｖ特性は、ＩｎＰによるＭＩＳ型デバイスの実現が可能であることを示している。
【００３６】
ＩｎＰ基板を用いるＭＩＳ型デバイスの実現は、許容プロセス温度が極度に低いため困難視されてきた。
本実施の形態において、ＥＣＲスパッタ法でＩｎＰ基板を用いるＭＩＳ型デバイス実現の可能性が見えてきた理由は、膜堆積法の特徴にある。ＥＣＲスパッタにおいては、電子サイクロトロン共鳴によってつくり出された１０〜２０ｅＶといわれる低エネルギーかつ高密度のイオンが基板に照射される。一方、金属元素（Ａｌ）はターゲットのスパッタで基板に供給され、主に基板表面で金属が窒化される。ＥＣＲスパッタが他の膜形成法よりも優れたるのは、ＥＣＲプラズマ源でつくり出した低エネルギーで高密度のイオンが基板に照射されることに帰するものと考えられる。
【００３７】
通常のマグネトロンスパッタなどのように、生成しているプラズマによるイオンエネルギーが大きいと、膜にダメージが入り、多くの欠陥が形成されるため、熱処理など他の処理なしに堆積しただけの状態で良好なＣ−Ｖ特性は得られない。通常のマグネトロンスパッタ法で本実施例と同様にしてＭＩＳダイオードを形成し、評価しても、堆積しただけの状態ではＣ−Ｖ特性がカーブを描かないほど多くの欠陥が入り込む。通常、絶縁膜の欠陥を除去するには、少なくとも、５００℃以上の熱処理が必要である。従って、熱処理も必要とする膜形成法では、ＩｎＰに代表される厳しいプロセス温度の制約のある化合物半導体で良好なＭＩＳ特性を実現することはできない。
【００３８】
これに対し、上述したＥＣＲスパッタにより基板に照射される低エネルギー高密度イオンは、極めて優れた表面モフォロジーと緻密で化学量論的組成の優れた膜をもたらす。このイオンエネルギーは、熱エネルギーに比べてはるかに大きいため、基板加熱なしで高品質な絶縁膜が得られるものと考えられる。また、上記イオンエネルギーは、高品質絶縁膜を形成するのにほぼ適度なエネルギーであり、大きすぎないため欠陥の発生が少ないものと考えられる。なお、ＥＣＲプラズマ源から引き出されるイオンと電子の電荷の総数はほぼ等しいため、照射されたプラズマによって絶縁物がチャージアップすることはほとんどない。
【００３９】
ところで、ＥＣＲスパッタ法により、エピタキシャル層１０２（図１）の上にＡｌＮ膜１０３を形成するとき、Ａｒガス流量２０／ｍｉｎ，Ｎ_２ガス流量６ｃｃ／ｍｉｎ、マイクロ波およびＲＦ電力：５００Ｗとすると、堆積速度は約３．５ｎｍ／ｍｉｎであり、ＡｌＮ膜１０３は１分弱で堆積できる。従って、本実施の形態によるＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法によれば、極めて高いスループットが確保できる。
【００４０】
堆積速度は、Ｎ_２ガス流量の大小によって変化するが、５〜８ｃｃ／ｍｉｎのＮ_２ガス流量に対して、約４〜３ｎｍ／ｍｉｎの堆積速度である。リファレンスとしてＥＣＲスパッタ法でＩｎＰ基板上にＡｌ_２Ｏ_３膜を堆積した試料も作製した。Ａｌ_２Ｏ_３膜は、Ａｌターゲット、Ａｒ／Ｏ_２ガス流量：２０／５ｍｌ／ｍｉｎ（メタルモード）および２０／８ｍｌ／ｍｉｎ（オキサイドモード）、マイクロ波およびＲＦ電力：５００Ｗにて約５ｎｍ堆積した。基板加熱は行わなかった。ＥＣＲスパッタにおいては、基板加熱を行わない場合、基板への低エネルギーイオンの照射による基板表面温度の上昇は１５０℃程度以下であると推定される。
【００４１】
堆積した膜の表面をＡＦＭで観察すると、ＩｎＰの上に形成したＡｌＮ膜の表面にはほとんど荒れがみられず、元のＩｎＰ基板表面のラフネスと同等であった。これに対し、ＩｎＰの上に形成したＡｌ_２Ｏ_３膜の表面には、メタルモード堆積、オキサイドモード堆積を問わず、平面上で０．１μｍかそれ以下の大きさで深さが数ｎｍ以下の凹凸が、１×１０^８個／ｃｍ^２以上の密度で発生していた。これらの事実から、ＥＣＲスパッタ法によりＩｎＰ基板上に絶縁膜を堆積する場合には、ＩｎＰとＡｌ_２Ｏ_３膜の相性は悪いが、ＩｎＰとＡｌＮ膜の相性は良いことが分かった。
【００４２】
これら３つの材料間の違いは、酸素と窒素であるので、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＩＶ族の酸素との相性が悪く、Ｖ族の窒素との相性が良いものと考えられる。これは、ＡｌＮ膜が、ＧａＡｓ等の他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とも相性が良いことを示唆している。従って、ＩｎＰに他のＩＩＩ−Ｖ族元素を添加したＩｎＰ系化合物半導体にも、ＡｌＮ膜は相性が良いものと推定される。なお、ＥＣＲスパッタ法でＡｌＮ膜を堆積するにあたっては、メタルモードとオキサイドモードの境界は明瞭には現れない。
【００４３】
ここで、メタルモードとオキサイドモードについて説明する。
反応性スパッタにおける膜の堆積速度は、窒素などの反応性ガスの流量の増加に従って増加した後、反応性ガス流量がある値を最大に穏やかに減少し、反応性ガス流量がある値の付近で急激に減少し、最大値の約１０分の１程度の小さな堆積速度で落ち着く。反応性ガス流量の値により急激に堆積速度が減少するのは、ターゲット表面のＡｌが窒化されるなど化合物膜が形成されてスパッタリングされにくい状態になるためである。堆積速度は、スパッタ率が大きいほど速くなるので、ターゲット表面がスパッタリングされにくくなってスパッタ率が低下すれば、堆積速度も遅くなる。
【００４４】
反応性ガス流量が増えると、ターゲット表面の化合物層をスパッタリングで取り除く速度よりも、ターゲット表面に化合物層が形成される速度の方が大きくなるため、スパッタ率が低下するものと考えられる。この状態は反応性スパッタ法において広く一般に知られている現象である。
【００４５】
一方反応性ガス流量が少ない領域では、ターゲットの表面にあまり化合物層が形成されていないため、多くのＡｌがスパッタされＡｌリッチな粒子が基板に到達するものと考えられる。このような状態でも、ＥＣＲを用いた反応性スパッタの場合、Ａｒと反応性ガスのプラズマ流中のイオンが基板に降り注いでいるため、基板表面でＡｌリッチなスパッタ粒子の化合物化（窒化）がアシストまたは促進され、化学量論的組成（ＡｌＮ）に近い膜が堆積するものと考えられる。
【００４６】
以上説明したように、反応性ガスの流量が少ない領域で大きな堆積速度が得られる領域、言い換えるとスパッタ率が大きい領域が、メタルモードと呼ばれる成膜領域である。これに対し、反応性ガスの流量が多い領域で小さな堆積速度となる領域、言い換えると、スパッタ率が小さくなった領域が、オキサイドモードと呼ばれる成膜領域である。また、メタルモード領域とオキサイドモード領域との中間にあたり、堆積速度が大きく変化する領域が遷移領域である。この遷移領域では、ターゲット表面の化合物化が完全に進んでいないメタルモードと類似の状態といえる。従って、膜の形成モードを厳密に規定すると、反応性ガスの流量が多い領域で成膜速度が減少した後の領域がオキサイドモードであり、これ以下の反応性ガスの流量が小さい領域は、遷移領域を含めてメタルモードである。
【００４７】
ところで、上記実施例ではターゲットにＡｌを用いたが、ＡｌＮを用いることも可能である。また、ガスにはＡｒとＮ_２ガスを用いたが、これに限るものではない。例えば、Ｘｅ（キセノン）とＮ_２ガスなど、他の希ガス（不活性ガス）とＮ_２ガスとを用いたＥＣＲスパッタによりＡｌＮからなるゲート絶縁膜を形成するようにしても良い。ＸｅなどのＡｒよりも原子量の大きい希ガスは、より少ない流量でＥＣＲプラズマが得られる。また、希ガスを使わず、Ｎ_２ガスのみで、ＥＣＲスパッタによりＡｌＮ膜を形成するようにしても良い。また、Ｎ_２ガスの代わりに、アンモニア（ＮＨ_３）ガスなど、窒素を含む他のガスを用いるようにしても良い。
【００４８】
また、上記実施例では絶縁膜を構成するＩＩＩ族（３Ｂ属：長周期）元素としてＡｌを用いたが、前述のように、ＥＣＲスパッタで堆積したＡｌＮ膜のうち極く薄い膜は、明瞭な結晶性を持たないため、ＩｎＰ基板との格子整合などは界面特性にそれほどには関係しないものと考えられる。従って、絶縁膜の構成元素が他のＩＩＩ族元素であっても、ＥＣＲスパッタ法を用いれば、ＩｎＰ基板に対して優れたＭＩＳ界面特性が得られるものと推定できる。
【００４９】
他のＩＩＩ族元素の中でもＢ（ホウ素）は、ＢＮ（窒化ホウ素）というバンドギャップエネルギーの大きな（約８ｅＶ）絶縁膜を作るのでＭＩＳデバイスに好適である。この場合、ターゲットは、ＢＮから構成し、ＡｒとＮ_２の混合ガスを用いてスパッタを行えばよい。ＡｒとＮ_２の混合ガスを用いることにより、堆積する絶縁膜がＢリッチなることを防止できる。
【００５０】
他のＩＩＩ族元素の窒化物としてＧａＮ（窒化ガリウム）をゲート絶縁膜に用いることも可能である。ＧａＮのバンドギャップエネルギー（３．３ｅＶ）は、ＡｌＮ（３．８ｅＶ）のバンドギャップエネルギーに近く、従来のＭＥＳ構造のショットキー障壁（＜１ｅＶ）よりも大きな障壁が期待でき、ＧａＮを用いてＭＩＳ構造とした方が、ゲートリーク電流を低減できる。ＧａＮ膜は、ＥＣＲスパッタ法でＧａＮターゲットを用いて成膜することで形成できる。このように、ターゲットにＩＩＩ族元素の窒化物を用いるようにしても良い。
【００５１】
なお、上記実施例では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としてＩｎＰの場合を示したが、これに限るものではない。例えば、ＩｎＰ基板にエピタキシャル成長させたＩｎにＩＩＩ族およびＶ族の他の元素を添加して作ったＩｎＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体の上に、ＩＩＩ族元素の窒化物からなる絶縁膜を形成する場合においても有効であることは無論である。また、上記実施例では外部エネルギーによる基板加熱を行わなかったが、半導体の許容プロセス温度以下の温度に加熱してＩＩＩ族元素の窒化物膜を堆積しても良い。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、ＩｎＰ系の化合物半導体からなる半導体層を備えた基板の上に、ＥＣＲスパッタ法により、ＩＩＩ族元素の窒化物からなるゲート絶縁膜を形成することで、ＭＩＳ型化合物半導体装置を製造するようにした。この結果、本発明によれば、スパッタによる膜の形成だけで、加熱処理を必要としないなど半導体層が許容する温度範囲内で、特性の良いゲート絶縁膜が形成できるようになる。従って、本発明によれば、ＭＩＳ界面特性の優れたゲート絶縁膜を低いプロセス温度でより短時間で形成でき、ＩｎＰ系化合物半導体を用いた特性のよいＭＩＳ型デバイスが実現できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法を説明する工程図である。
【図２】ＡｌＮ膜１０３の形成に用いるＥＣＲスパッタ装置の概略的な構成例を示す構成図である。
【図３】図１に示すＡｌ／ＡｌＮ／ｎ−ＩｎＰ／ｎ^＋−ＩｎＰ／Ｔｉ／Ａｕ構造ＭＩＳダイオードのＣ−Ｖ（容量−電圧）特性を示す特性図である。
【図４】図１に示したＭＩＳダイオードのＩ−Ｖ（電流−電圧）特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１０１…基板、１０２…エピタキシャル層（半導体層）、１０３…ＡｌＮ膜（ゲート絶縁膜）、１０４…Ａｌ電極パターン、１０５…電極膜。

Claims

ＩｎＰ系の化合物半導体からなる半導体層を備えた基板の上にＩＩＩ族元素の窒化物からなるゲート絶縁膜を形成する工程を備えたＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法であって、
磁場とマイクロ波による電子サイクロトロン共鳴により少なくとも窒素を含むプラズマを生成し、このプラズマが生成される領域と前記基板との間に配置された前記ＩＩＩ族元素を主原料とするターゲットに、前記プラズマにより発生した粒子を衝突させてスパッタ現象を起こし、前記ＩＩＩ族元素の窒化物からなるゲート絶縁膜を半導体層の表面に形成する工程
を少なくとも備えたことを特徴とするＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法。
請求項１記載のＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法において、
前記ターゲットは、ＩＩＩ族元素の窒化物から構成されたものである
ことを特徴とするＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法。
請求項１または２記載のＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法において、
前記プラズマは、不活性ガスと窒素ガスとから生成されるものであることを特徴とするＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法。
請求項１または２記載のＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法において、
前記プラズマは、窒素ガスから生成されるものであることを特徴とするＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法において、
前記半導体層は、ＩｎＰであることを特徴とするＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法において、
前記基板は、ＩｎＰであり、前記半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル層であることを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
請求項１〜６のいずれか１項に記載のＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法において、
前記ＩＩＩ族元素は、アルミニウム，ホウ素，ガリウムのいずれかである
ことを特徴とするＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法。