JP2004273630A - 電界効果トランジスタの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体窒化物系化合物半導体を用いてリーク電流の少ない電界効果トランジスタを製造する。
【解決手段】基板１上に活性層３およびゲート絶縁層４を順次に形成する。ゲート絶縁層の表層部４ｃは、窒化物系化合物半導体から構成されている。ゲート絶縁層の上面には、ＡｌＮ層１５が被着される。その後、ＡｌＮ層から窒素を脱離してＡｌ層１６を形成し、続いて、Ａｌ層を酸化させてＡｌＯ_ｘからなる保護層５を形成する。ＡｌＮ層は、窒化物系化合物半導体から構成されるゲート絶縁層の表層部の形成後に連続して形成できる。これにより、ゲート絶縁層の上面が清浄に保たれる。このため、ＡｌＯ_ｘ保護層とゲート絶縁層との間に極めて良好な界面が形成される。この結果、ゲートリーク電流が低減される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電界効果トランジスタの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の窒化物系化合物半導体を用いた電界効果トランジスタが報告されている（例えば、特許文献１、２）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１５６０８１号公報
【特許文献２】
特開２０００−２２３６９７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物系化合物半導体は、禁制帯幅が広く、高耐圧高速で、かつ高い対環境特性を有するデバイスを製造できることから、近年注目を集めている材料である。しかし、窒化物系化合物半導体は、未だに結晶性の完成度が低い。窒化物系化合物半導体には、構成元素の空孔、元素位置の置換などの結晶欠陥に基づくエネルギー準位や、結晶外から不純物が導入された結果生じる不純物準位など、解明されていない点が多々存在する。
【０００５】
上記特許文献においても、得られたデバイスのリーク電流等は実用レベルには達していない。特に、窒化物系化合物半導体の表面を保護する層の界面特性とデバイス特性との関係は、未だに解明されていない。これまで製造されたデバイスで満足のいく特性が得られていない一つの理由は、表面保護層に起因するリーク電流の存在である。
【０００６】
この発明は、窒化物系化合物半導体を用いてリーク電流の少ない電界効果トランジスタを製造することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電界効果トランジスタの製造方法を提供する。この方法は、基板上に活性層を設けるとともに、窒化物系化合物半導体から構成される表層部を有するゲート絶縁層を活性層の上に設ける工程と、ゲート絶縁層の上面にＡｌＮ層を被着する工程と、ＡｌＮ層から窒素を脱離してＡｌ層を形成する工程と、Ａｌ層を酸化させてＡｌＯ_ｘからなる保護層を形成する工程とを備えている。ＡｌＮ層を被着する工程は、ゲート絶縁層の上面を大気にさらすことなくゲート絶縁層の上面にＡｌＮ層を形成することが好ましい。
【０００８】
ＡｌＮ層は、窒化物系化合物半導体から構成されるゲート絶縁層の表層部の形成後、連続して形成することができる。このため、ゲート絶縁層の上面を大気にさらすことなくゲート絶縁層の上面にＡｌＮ層を形成し、ゲート絶縁層の表層部を保護することが可能である。これにより、表層部の窒化物系化合物半導体が清浄に保たれる。ＡｌＮ層から窒素を脱離してＡｌ層を形成し、その後、Ａｌ層を酸化させれば、ＡｌＯ_ｘ保護層が得られる。元来ＡｌＯ_ｘは窒化物系化合物半導体と良好な界面を形成するうえに、窒化物系化合物半導体が清浄に保たれているので、ＡｌＯ_ｘ保護層とゲート絶縁層との間に極めて良好な界面が形成される。この結果、ゲートリーク電流が低減される。さらに、ＡｌＮを出発物質として使用し、ＡｌＮから窒素を脱離した後、酸化させる手順は、ＡｌＯ_ｘ保護層の体積膨張と、それに伴う応力の発生を抑える。このため、本発明の方法により製造される電界効果トランジスタは、安定した特性を有する。
【０００９】
ゲート絶縁層およびＡｌＮ層は、気相成長法を用いて同一の成長炉内で連続して成長させることが好ましい。この場合、ゲート絶縁層の表面と大気との接触を確実に防止しながらＡｌＮ層が形成される。したがって、ゲート絶縁層の表層部の窒化物系化合物半導体が確実に清浄に保たれる。
【００１０】
Ａｌ層を形成する工程は、ＡｌＮ層を水素プラズマにさらすことによりＡｌＮ層から窒素を脱離してもよい。この場合、ＡｌＮ層から窒素が効率良く脱離する。すべてのＡｌＮから窒素を完全に脱離することも可能である。
【００１１】
保護層を形成する工程は、Ａｌ層を酸素プラズマにさらすことによりＡｌ層を酸化させてもよい。この場合、Ａｌ層が効率良く酸化される。すべてのＡｌを酸化させることも可能である。
【００１２】
本発明の方法は、保護層を貫通して延在しゲート絶縁層の上面に接触するソース電極およびドレイン電極を設けるとともに、保護層の上にゲート電極を設ける工程をさらに備えていてもよい。ゲート電極は、ゲート絶縁層の上面に達する貫通孔を保護層に形成し、その貫通孔にゲート材料を充填することにより設けてもよい。保護層は、ゲート電極とゲート絶縁層との接触を妨げる必要は必ずしもない。ゲート電極がゲート絶縁層の上面と接触していても、製造されるデバイスは電界効果トランジスタとして動作する。この場合でも、ゲートリーク電流は十分に抑えられる。
【００１３】
本発明において窒化物系化合物半導体には、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＮおよびＩｎＮが含まれる。本発明では、これらの半導体から任意のものを選択して使用することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
まず、実施形態の背景および概要を説明する。特許文献２に開示されるようなＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎからなるゲート絶縁層を有するＧａＮ系電界効果トランジスタでは、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎの表面状態に起因するゲートリーク電流が問題となる。ゲート絶縁層の上面に保護層を設ければ、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎの表面状態の劣化を防止して、ゲートリーク電流を低減することは可能である。しかし、ゲート絶縁層と保護層との界面の状態が良好でないと、ゲートリーク電流を十分に低減することは難しい。そこで、本実施形態では、窒化物系化合物半導体であるＡｌＮをゲート絶縁層の上面に被着し、それをＡｌＯ_ｘに転換して保護層を形成する。ＡｌＮは、下地材料であるゲート絶縁層と同じく窒化物系化合物半導体であるので、気相成長法によるゲート絶縁層の成長後、連続して成長させることができる。このため、ゲート絶縁層の上面を清浄に保つことができる。これが、良好な界面の形成に役立ち、ゲートリーク電流の低減につながる。
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１６】
図１は、本実施形態のヘテロ接合電界効果トランジスタ１００の構造を示す概略断面図である。電界効果トランジスタ１００は、基板１上に順次に設けられたバッファ層２、活性層３およびゲート絶縁層４を有する。ゲート絶縁層４は、基板１側からバリア層４ａ、ｎ層４ｂおよびキャップ層４ｃが順次に積層された構造を有する。ゲート絶縁層４の上面、すなわちキャップ層４ｃの上面には、保護層５が被着されている。保護層５の上には、ソース電極６、ドレイン電極７およびゲート電極８が設けられている。これらの電極６〜８は、保護層５を貫通して延在し、ゲート絶縁層４の上面と接触している。これらの構成要素の材料および厚さを以下の表にまとめる。
【００１７】
【表１】

【００１８】
上記の表に示されるように、ゲート絶縁層４のうち保護層５と接触するキャップ層４ｃは、窒化物系化合物半導体であるｉ−ＡｌＧａＮから構成されている。また、保護層５は、ＡｌＯ_ｘ（ｘは組成比）から構成されている。
【００１９】
以下では、図２〜図７を参照しながら、電界効果トランジスタ１００の製造方法を説明する。まず、厚さ０．５ｍｍの単結晶サファイア基板１を用意し、基板１の（０００１）面上にＧａＮを厚さ５００ｎｍだけ成長させ、バッファ層２を形成する。次に、バッファ層２の上にＧａＮを厚さ２５００ｎｍだけ成長させる。このＧａＮ層３は、活性層（言い換えると、チャネル層または動作層）として機能する。このＧａＮ層３上にＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ＝０．３）を厚さ５ｎｍだけ成長させ、バリア層４ａを形成する。次いで、バリア層４ａ上にｎ−ＡｌＧａＮを厚さ１５ｎｍだけ成長させ、ｎ層４ｂを形成する。ｎ層４ｂにおけるキャリア濃度は、５×１０^１８ｃｍ^−３である。続いて、ｎ層４ｂ上にｉ−ＡｌＧａＮを厚さ５ｎｍだけ成長させ、キャップ層４ｃを形成する。こうして、バリア層４ａ、ｎ層４ｂおよびキャップ層４ｃからなるゲート絶縁層４が形成される（図２）。
【００２０】
以上の成長工程は、通常の気相成長装置においてＯＭＶＰＥなどの気相成長法を用いて実施できる。この気相成長法では、各層の構成元素の原料として、公知の原料を使用できる。例えば、Ａｌの原料としてＴＥＡｌまたはＴＭＡｌを、Ｇａの原料としてＴＥＧａを、Ｎの原料としてＮＨ_３をそれぞれ使用できる。
【００２１】
キャップ層４ｃの成長後、キャップ層４ｃの上にアンドープのＡｌＮを厚さ５ｎｍだけ成長させる（図３）。このＡｌＮ層１５は、後続のプロセスによってＡｌＯ_ｘに転換されるため、ＡｌＮ層１５における不純物濃度の範囲は規定されない。しかし、この不純物濃度は、可能な限り０に近いことが好ましい。つまり、ＡｌＮ層１５は、完全にアンドープであることが最も理想的である。
【００２２】
上述したサファイア基板１上へのバッファ層２からＡｌＮ層１５までの成長は、一つの成長炉内で連続して行われる。したがって、ＡｌＧａＮからなるゲート絶縁層４の表面を大気にさらすことなく、ゲート絶縁層４上にＡｌＮ層１５が形成される。
【００２３】
図３に示されるように、ＡｌＮ層１５の成長後、ＡｌＮ層１５を水素プラズマ３０にさらすことにより、ＡｌＮ層１５から窒素（Ｎ）を脱離する。窒化物系化合物半導体を水素プラズマにさらすことにより半導体内に窒素空孔を多量に形成できることは公知である。例えば、橋詰らは、第６３回応用物理学関連連合講演会 講演番号２６ｐ−ＺＢ−１（２００２年９月）において、ＧａＮ表面を水素プラズマにさらした後、ＧａＮの表面にシリコン窒化層を形成することにより両材料の界面に形成される界面準位について報告している。この報告では、水素プラズマにさらした後シリコン窒化層を形成した試料では、窒素の空孔に起因する多量の界面準位が形成され、その一方で窒素プラズマにさらした後シリコン窒化層を形成した試料では、界面準位の非常に少ない良好な界面が形成されることを確認したとされている。
【００２４】
本実施形態では、厚さ５ｎｍのＡｌＮ層１５を形成した後、このＡｌＮ層１５を水素プラズマ３０に１０分間さらすことにより、ＡｌＮ層１５からすべての窒素原子を脱離することが可能である。これにより、ＡｌＮは、金属であるＡｌに転換される。水素プラズマ３０は、ガス圧０．３Ｐａ、高周波周波数１４ＭＨｚ、高周波パワー密度０．２Ｗ／ｃｍ^２の条件下で発生させられる。全窒素を脱離するためのプラズマ照射時間は、ＡｌＮ層１５の厚さに依存する。しかし、層厚が５０ｎｍ以上の場合には、ＡｌＮ層１５の深部からの窒素原子の脱離に非常に時間を要し、好ましくない。一方、ＡｌＮ層１５が薄すぎると、後述する工程を経て得られるＡｌＧａＮの表面保護層としての機能を損なってしまう。したがって、ＡｌＮ層１５の厚さは、１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内にあることが好ましい。
【００２５】
この後、図４に示されるように、水素プラズマ３０の照射によって得られたＡｌ層１６に酸素プラズマ３２を照射し、Ａｌ層１６の全体を酸化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘ）に置換する。こうして、Ａｌ酸化膜１７が形成される（図５）。酸素プラズマ３２は、ガス圧０．３Ｐａ、高周波周波数１４ＭＨｚ、高周波パワー密度０．２Ｗ／ｃｍ^２の条件下で発生させられる。Ａｌ層１６に酸素プラズマを５分間照射することにより、ＡｌＮからの転換により得られたＡｌをすべてＡｌＯ_ｘに再転換することができる。酸素プラズマ３２の照射時間は、Ａｌ層１６の厚さおよびプラズマ発生条件に依存する。上記のプラズマ発生条件のもとでは、少なくとも０．５分間にわたってプラズマ照射を行うことが好ましい。
【００２６】
酸素プラズマ３２の照射後、Ａｌ酸化膜１７を７００℃の雰囲気中で１０分間アニールする。こうして、ＡｌＯ_ｘ保護層５が形成される。
【００２７】
ＡｌＯ_ｘ保護層５とその下地材料であるＡｌＧａＮ半導体とは良好な界面を形成する。というのも、ＡｌＧａＮの自然酸化膜はＧａＯもしくはＡｌＯであり、Ａｌ金属を酸化させたＡｌＯ_ｘは、この自然酸化膜に近い性質を有しているからである。さらに、ＡｌＧａＮキャップ層４ｃの表面には、大気にさらされることなく成長炉内で連続的にＡｌＮ層１５が形成される。その後も、ＡｌＧａＮ層の表面を大気にさらすことなく、ＡｌＧａＮ層上に形成されたＡｌＮを窒素離脱置換によってＡｌ金属に転換し、ついでプラズマ酸化によりＡｌ金属をＡｌＯ_ｘに転換する。したがって、ＡｌＧａＮキャップ層４ｃとＡｌＯ_ｘ保護層５との界面は、大気に一切さらされることなく形成される。このため、極めて良好な界面特性が得られる。
【００２８】
図６に示されるように、ＡｌＯ_ｘ保護層５の形成後、保護層５の所定の３箇所に開口２０、２１および２２を形成する。開口２０〜２２の底では、ＡｌＧａＮからなるゲート絶縁層４（キャップ層４ｃ）の表面が露出する。
【００２９】
次いで、Ｔｉ／Ａｌからなるオーミック金属で開口２０および２１を充填した後、６５０℃の雰囲気内で３０秒間にわたってオーミック金属をアニールする。こうして、ソース電極６およびドレイン電極７が形成される（図７）。ソース電極６およびゲート絶縁層４間、ならびにドレイン電極７およびゲート絶縁層４間には、それぞれオーミック接触が形成される。なお、Ｔｉ／Ａｌは、基板１側からＴｉおよびＡｌが順次に積層されていることを表す。
【００３０】
次に、Ｎｉ／Ａｕ金属で開口２２を充填した後、６５０℃の雰囲気内で３０秒間にわたってＮｉ／Ａｕ金属をアニールする。こうして、ゲート電極８が形成され、本実施形態に係る電界効果トランジスタ１００（図１）が完成する。なお、Ｎｉ／Ａｕは、基板１側からＮｉおよびＡｕが順次に積層されていることを表す。
【００３１】
以下では、本実施形態の利点を説明する。本実施形態の方法により形成される保護層５は、窒化物系化合物半導体であるＡｌＧａＮからなるゲート絶縁層４の表面を適切に保護するとともに、良好な界面準位特性を有する。このため、従来は表面準位にトラップされていたキャリアがトラップされることがなくなる。したがって、本実施形態の方法によれば、ゲートリーク電流が抑えられ、良好な高周波特性を有する電界効果トランジスタを製造できる。
【００３２】
また、本実施形態の方法は、ＡｌＯ_ｘ保護層５の体積膨張を抑えられるという利点も有している。つまり、ゲート絶縁層４の上面にＡｌＮ層１５ではなくＡｌ層を被着し、それを酸化してＡｌＯ_ｘ保護層５を形成する方法に比べて、ＡｌＮを出発物質とし、窒素を脱離してから酸化させることにより、保護層５の体積膨張、およびそれに伴う活性層３での応力の発生を抑えられる。このため、安定した特性を有する電界効果トランジスタが得られる。以下では、この点について説明する。
【００３３】
ゲート絶縁層４の上面にＡｌを蒸着し、それをＯ_２プラズマ処理で酸化させると、体積膨張が大きく、ゲート絶縁層４および活性層３に過剰な応力が加わる。ＧａＮ系ヘテロ構造電界効果トランジスタ１００では、バリア層４ａおよび活性層３間の格子定数の差に起因するピエゾ電界によって生成される２次元電子ガス１２（図１）をキャリアとすることがある。この場合、活性層３に加わる過剰な応力がキャリア濃度およびモビリティに影響を与え、デバイス特性を変えてしまう可能性がある。
【００３４】
これに対し、本実施形態では、ＡｌＮをゲート絶縁層４の上面に積層し、それをＡｌに転換させてからＡｌＯ_ｘに再度転換する。これにより、ＡｌＯ_ｘ保護層５の過剰な体積膨張を防ぐことができる。例えば、ゲート絶縁層４上に蒸着された金属Ａｌを酸化した場合、生成されるＡｌ_２Ｏ_３の体積は元の金属Ａｌの１．２８倍である。これに対し、本実施形態のようにＡｌＮを出発物質とした場合、生成されるＡｌ_２Ｏ_３の体積は元のＡｌＮの１．０１倍である。このように、ＡｌＮを出発物質としてＡｌＯ_ｘ保護層５を形成することにより、保護層５の体積膨張および活性層３中の応力の発生を抑制できる。この結果、安定したデバイス特性を有する電界効果トランジスタを製造できる。
【００３５】
なお、参考のため、Ａｌ、ＡｌＮおよびＡｌ_２Ｏ_３のモル重量および密度を以下に示す。
【００３６】
【表２】

【００３７】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００３８】
基板１、バッファ層２および活性層３の材料は、上記のものに限られない。例えば、基板１は、ＳｉＣ基板やＧａＮ基板、ＡｌＮ基板であってもよい。バッファ層２は、ＡｌＮから構成されていてもよい。活性層３は、ＩｎＧａＮとＧａＮの積層によって構成されていてもよい。
【００３９】
上記実施形態では、活性層３の材料としてＧａＮを使用し、キャップ層４ｃの材料としてＡｌＧａＮを使用する。しかし、本発明は、このような材料の組み合わせに限定されない。例えば、キャップ層４ｃ、さらにはゲート絶縁層４の全体をＩｎＡｌＧａＮから構成してもよい。より一般的には、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＮおよびＩｎＮから任意に選択された半導体またはそれらの積層構造半導体膜をゲート絶縁層４の材料として使用できる。
【００４０】
さらに、本実施形態の方法は、キャップ層４ｃを備えず、ＧａＮ層中に活性層をイオン注入方法により形成し、あるいはＧａＮ層中にＩｎＧａＮ−Ｓｉ層を活性層として形成し、アンドープのＧａＮ層がゲート絶縁層として機能する電界効果トランジスタにも同様に適用可能である。
【００４１】
上記実施形態では、ゲート電極８の材料としてＮｉ／Ａｕを使用している。しかし、本発明の電界効果トランジスタ製造方法は、このゲート金属の使用に限定されるわけではない。例えば、ＣｕやＳｉ−Ｐｄをゲート電極８の材料として使用してもよい。さらに、ソースおよびドレインを構成するオーミック金属もＴｉ／Ａｌに限られない。
【００４２】
上記実施形態では、ゲート電極８がゲート絶縁層４と接触している。しかし、保護層に貫通孔を設けることなく保護層の上面にゲート電極を被着してもよい。この場合、ゲート電極とゲート絶縁層とは接触しない。ゲート電極とゲート絶縁層との接触の有無にかかわらず、本発明の方法によって製造されるデバイスは電界効果トランジスタとして動作しうる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明では、窒化物系化合物半導体から構成されるゲート絶縁層の上面を清浄に保ちながらゲート絶縁層の上にＡｌＯ_ｘ保護層が設けられる。これにより、ＡｌＯ_ｘ保護層とゲート絶縁層との間に極めて良好な界面が形成される。したがって、本発明によれば、ゲートリーク電流の少ない電界効果トランジスタを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の電界効果トランジスタの構造を示す概略断面図である。
【図２】実施形態の電界効果トランジスタの製造方法を示す概略断面図である。
【図３】実施形態の電界効果トランジスタの製造方法を示す概略断面図である。
【図４】実施形態の電界効果トランジスタの製造方法を示す概略断面図である。
【図５】実施形態の電界効果トランジスタの製造方法を示す概略断面図である。
【図６】実施形態の電界効果トランジスタの製造方法を示す概略断面図である。
【図７】実施形態の電界効果トランジスタの製造方法を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１…基板、２…バッファ層、３…活性層、４…ゲート絶縁層、５…保護層、６…ドレイン電極、７…ソース電極、８…ゲート電極、１２…２次元電子ガス、１５…ＡｌＮ層、１６…Ａｌ層、１７…ＡｌＯ_ｘ層、２０〜２２…開口、３０…水素プラズマ、３２…酸素プラズマ、１００…電界効果トランジスタ

Claims (6)

1. 基板上に活性層を設けるとともに、窒化物系化合物半導体から構成される表層部を有するゲート絶縁層を前記活性層の上に設ける工程と、
   前記ゲート絶縁層の上面にＡｌＮ層を被着する工程と、
   前記ＡｌＮ層から窒素を脱離してＡｌ層を形成する工程と、
   前記Ａｌ層を酸化させてＡｌＯ_ｘからなる保護層を形成する工程と
   を備える電界効果トランジスタの製造方法。
2. 前記ＡｌＮ層を被着する工程は、前記ゲート絶縁層の上面を大気にさらすことなく前記ゲート絶縁層の上面に前記ＡｌＮ層を形成する、請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
3. 前記ゲート絶縁層および前記ＡｌＮ層が気相成長法を用いて同一の成長炉内で連続して成長させられる、請求項１または２に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
4. 前記Ａｌ層を形成する工程は、前記ＡｌＮ層を水素プラズマにさらすことにより前記ＡｌＮ層から窒素を脱離する、請求項１〜３のいずれかに記載の電界効果トランジスタの製造方法。
5. 前記保護層を形成する工程は、前記Ａｌ層を酸素プラズマにさらすことにより前記Ａｌ層を酸化させる、請求項１〜４のいずれかに記載の電界効果トランジスタの製造方法。
6. 前記保護層を貫通して延在し前記ゲート絶縁層の上面に接触するソース電極およびドレイン電極を設けるとともに、前記保護層の上にゲート電極を設ける工程をさらに備える請求項１〜５のいずれかに記載の電界効果トランジスタの製造方法であって、
   前記ゲート絶縁層の上面に達する貫通孔を前記保護層に形成し、前記貫通孔にゲート材料を充填することにより前記ゲート電極を設ける請求項１〜５のいずれかに記載の電界効果トランジスタの製造方法。

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