JP2004311869A - 窒化物半導体系電界効果トランジスタとその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高速スイッチング動作可能な窒化物半導体系電界効果トランジスタを得る。
【解決手段】窒化物半導体系電界効果トランジスタを、基板１と、基板１上に形成され窒化物半導体からなるチャネル層３と、チャネル層３上に形成されチャネル層３よりバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体からなるキャリア供給層４と、キャリア供給層４上にそれぞれ設けられたソースおよびドレイン電極６，７と、ソースおよびドレイン電極間の前記キャリア供給層４に一部が表面に露出するように形成された絶縁膜領域８と、絶縁膜領域８上に設けられたゲート電極９と、で構成した。
【選択図】 図１
【解決手段】窒化物半導体系電界効果トランジスタを、基板１と、基板１上に形成され窒化物半導体からなるチャネル層３と、チャネル層３上に形成されチャネル層３よりバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体からなるキャリア供給層４と、キャリア供給層４上にそれぞれ設けられたソースおよびドレイン電極６，７と、ソースおよびドレイン電極間の前記キャリア供給層４に一部が表面に露出するように形成された絶縁膜領域８と、絶縁膜領域８上に設けられたゲート電極９と、で構成した。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体系電界効果トランジスタとその製造方法に関し、特に高速スイッチング動作可能な窒化物半導体系電界効果トランジスタとその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体系、特に窒化ガリウム系半導体は高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率、高い電子飽和速度を有しており高周波の高出力電界効果トランジスタの構成材料として期待されている。特に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタは、ＡｌＧａＮとＧａＮとのヘテロ接合界面付近に電子が高濃度で蓄積するいわゆる２次元電子ガスが形成されるが、かかる２次元電子ガスはＡｌＧａＮに添加されるドナー不純物とは空間的に分離されて存在するため高い電子移動度を有するので高周波で動作可能となる。さらに、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系へテロ構造における２次元電子は、現在高周波電界効果トランジスタとして普及しているＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の場合に比べて、高電界領域で２倍以上の電子速度を有し、高周波でスイッチング動作可能な高出力電界効果トランジスタへの応用が期待されている。
【０００３】
従来の窒化物半導体系電界効果トランジスタは、例えば、非特許文献１の図１に開示されているような素子構造を有している。非特許文献１の図１の素子構造では、均一なキャリア供給層上にソース、ゲートおよびドレイン電極が形成されている。
【０００４】
まず、従来の窒化物半導体系電界効果トランジスタの動作を説明する。以下、説明の便宜上、活性領域を３つの領域に分ける。すなわち、ソース電極近傍をソース領域１、ゲート電極近傍をゲート領域２、ドレイン電極近傍をドレイン領域３とする。ゲート電極に印加されるゲート電圧を制御することでゲート電極からＡｌＧａＮキャリア供給層、ＧａＮチャネル層に伸長する空乏層の長さを調節できる。空乏層がＡｌＧａＮキャリア供給層からＧａＮチャネル層に伸長すると２次元電子ガス濃度が減少する。この結果、ＧａＮチャネル層の抵抗が増加する。さらに、空乏層をＧａＮチャネル層内に伸長させると、最終的には２次元電子ガスが無くなる。この結果、抵抗が非常に高くなる。
【０００５】
以上の原理から、ゲート領域２ではゲート電圧制御によって電流をオン、オフするいわゆるスイッチとして機能する。ゲート電圧がゼロのときに、空乏層をＧａＮチャネル層内部に充分伸長させておくと、オンとオフが切り替わるしきい値電圧Ｖｔｈを正にすることができる。なお、しきい値電圧Ｖｔｈが負の場合、オフにした状態でゲート電極からＡｌＧａＮキャリア供給層へリーク電流が流れて余分な電力を消費するため、しきい値電圧Ｖｔｈは正にすることが望ましい。
【０００６】
活性領域でゲート領域２以外の部分はソース領域１とドレイン領域３である。ソース領域１とドレイン領域３はスイッチング動作には関与しない。しかし、ソース領域１ではソース電極とゲート電極とが互いに接触しないようにするため、両者の間隔を０．１〜１０μｍ程度に維持する必要がある。なお、かかる間隔はフォトリソグラフィ技術における転写精度や加工方法の精度等により決定される。また、ドレイン電圧は用途によって異なるが０〜１０ｋＶ程度の電圧値となる。よって、動作電圧が破壊耐圧を超えないようにするため、ゲート電極とドレイン電極の間隔を１〜１０００μｍ程度に設定する必要がある。したがって、ドレイン領域３の抵抗は２次元電子ガス濃度で決まる。高速でスイッチング動作する電界効果トランジスタにおいては、ソース／ドレイン電極間に電流が流れるオン状態ではドレイン領域３の抵抗値は低い方が望ましい。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｇ．Ｈａｎｉｎｇｔｏｎ 他，”Ｐ／Ｈｅ ｉｏｎ ｉｍｐｌａｎｔ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ、ＨＥＭＴ： Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ”， Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，イギリス，１９９８年，３４巻，２号， １９３−１９５ページ
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
電界効果トランジスタのしきい値電圧をＶｔｈとすると、
Ｖｔｈ＝φ−ΔＥｃ−ｑｄ１Ｎ２／（２ε）−ｑＰｄ２／ε （１）
となる。なお、（１）式中、φはショットキー障壁高さ、ΔＥｃは伝導帯側のバンド不連続、ｑは電荷量、Ｎはキャリア供給層のドーピング濃度、ｄ１はキャリア供給層中のドーピング膜厚、εは誘電率、Ｐは分極率、ｄ２はキャリア供給層の層厚をそれぞれ表す。（１）式中、第３項がキャリア供給層のドーピングによる項、第４項が分極による項を表す。第３項はＧａＡｓ系材料と共通の値となるが、第４項の分極による項がＧａＮ等の窒化物半導体系特有の大きな値となっている。よって、窒化物半導体系電界効果トランジスタではしきい値電圧Ｖｔｈに対する第３項の寄与は殆ど無い一方、第４項からの寄与が大半を占める。従って、窒化物半導体系電界効果トランジスタではしきい値電圧Ｖｔｈ制御のファクターとして、キャリア供給層の層厚ｄ２が非常に重要である。
【０００９】
しきい値電圧ＶｔｈとＧａＮチャネル層の抵抗をＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚の関数として図１２、１３に示す。なお、ＧａＮチャネル層の抵抗がＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚に依存する理由は、上述したようにＡｌＧａＮキャリア供給層側からＧａＮチャネル層へと供給される電子濃度がＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚に依存しているからである。しきい値電圧Ｖｔｈは図１２に示すようにＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚が増加することで比例的に減少する。したがって、しきい値電圧Ｖｔｈを正とするには、ＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚を小さくする方が良いことがわかる。図１２の例によると、しきい値電圧Ｖｔｈを正とするにはＡｌＧａＮキャリア供給層を６ｎｍ程度以下とする必要があることがわかる。また、シート抵抗は、図１３に示すようにＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚の増加とともに急激に減少した後、あまり変化しなくなる。図１３の例では、層厚９ｎｍ以下ではＧａＮチャネル層の抵抗が非常に高くなる。
【００１０】
従来の窒化物半導体系電界効果トランジスタでは、ＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚は各領域において一定である。したがって、図１２、１３からしきい値電圧Ｖｔｈを正とするためＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚を薄くすると、ゲート／ドレイン間抵抗、ソース／ゲート間抵抗はそれぞれ大きくなる。一方、ＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚を厚くして各抵抗を低減しようとすると、しきい値電圧Ｖｔｈは負となってしまう。要するに、しきい値電圧Ｖｔｈが正で、かつゲート／ドレイン間およびソース／ゲート間抵抗が低いという相反する両条件を満足しないと、高周波でスイッチング動作可能な電界効果トランジスタは得られなかった。
【００１１】
ゲート電極を構成する金属のショットキー障壁を一層高くして、しきい値電圧Ｖｔｈが正となるようなＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚を実効的に増加させることも可能であるが、ＡｌＧａＮキャリア供給層はその禁制帯幅が３．４ｅＶ以上と広いため、ショットキー障壁の高いゲート電極を構成する金属を形成するのは困難である。
【００１２】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、しきい値電圧Ｖｔｈを正にすると同時にゲート／ドレイン間およびゲート／ソース間抵抗が低減され高周波でスイッチング動作可能な窒化物半導体系電界効果トランジスタを得ることを目的とし、さらにかかる窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る窒化物半導体系電界効果トランジスタは、基板と、上記基板上に形成され窒化物半導体からなるチャネル層と、上記チャネル層上に形成され上記チャネル層よりバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体からなるキャリア供給層と、上記キャリア供給層上にそれぞれ設けられたソースおよびドレイン電極と、上記ソースおよびドレイン電極間の上記キャリア供給層に一部が表面に露出するように形成された絶縁膜領域と、上記絶縁膜領域上に設けられたゲート電極と、を備えた。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本実施の形態の窒化物半導体系電界効果トランジスタの素子構造を図１に示す。なお、図１は窒化物半導体系電界効果トランジスタのゲート長方向における素子断面図である。
【００１５】
基板１上に、バッファ層２、ＧａＮチャネル層３、ＡｌＧａＮキャリア供給層４が形成され、素子周辺部には素子分離領域５が設けられている。ＡｌＧａＮキャリア供給層４上にはソース電極６とドレイン電極７が形成され、さらに、ソースおよびドレイン電極間のＡｌＧａＮキャリア供給層４中に、一部がＡｌＧａＮキャリア供給層４表面に露出し、ＡｌＧａＮキャリア供給層４の構成原子の少なくとも一種類の原子および酸素からなる酸化物で構成された絶縁膜領域８が形成され、かかる絶縁膜領域８上にゲート電極９が設けられている。ＧａＮチャネル層３およびＡｌＧａＮキャリア供給層４の導電型は同一であり、Ｎ型あるいはＰ型のどちらの導電型でも同様に機能するが、以下、各層はＮ型として説明を進める。
【００１６】
本実施の形態の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造方法を図２ないし７の各工程における素子構造断面図に基づき説明する。まず、基板１上にバッファ層２、ＧａＮチャネル層３、ＡｌＧａＮキャリア供給層４を順次結晶成長する（図２）。基板１の材料としては、サファイア、シリコン（Ｓｉ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）等が適用可能である。また、結晶成長法としては、有機金属を用いた化学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ： Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ： Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）が好適であるが、他の結晶成長法を用いても良い。
【００１７】
バッファ層２は基板１と上層の窒化物半導体からなる各層の格子定数が大きく異なる場合に、高品質なＧａＮチャネル層３、ＡｌＧａＮキャリア供給層４を形成させるために必要となるが、結晶成長条件等によって高品質な窒化物半導体系結晶が得られる場合は無くてもかまわない。
【００１８】
なお、ピエゾ効果が発現する窒素化物半導体から構成され、かつ、バンドギャップエネルギーが異なる材料であればチャネル層３とキャリア供給層４は他の材料と置換可能である。例えばＧａＮチャネル層３とＡｌＧａＮキャリア供給層４を、それぞれＩｎＧａＮとＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮとＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮとＡｌＮ等の材料の組合せに置換可能である。また、ＧａＮチャネル層３とＡｌＧａＮキャリア供給層４は不純物が導入されていてもあるいはされていなくてもいずれでも良い。層厚はＧａＮチャネル層３で４０〜５０００ｎｍの範囲、ＡｌＧａＮキャリア供給層４で２〜１００ｎｍの範囲が好適である。
【００１９】
続いて、ＡｌＧａＮキャリア供給層４上で後工程において絶縁膜領域８を形成する部分以外の領域に窒化膜（酸化マスク用絶縁膜）１０を形成する（図３）。かかる窒化膜１０は後述の酸化工程において酸化マスク用絶縁膜として機能する。なお、絶縁膜領域８を形成する領域に相当する部位には、開口部１０ａが設けられている。かかる開口部１０ａは以下の方法で得られる。まず、窒化膜１０をウエハ全面に堆積した後、さらにレジストを被覆させ、フォトリソグラフィ技術によって開口部１０ａに相当する部分のレジストを除去し、ドライエッチング等の方法によりレジスト開口部底面の窒化膜１０を取り除いた後、レジストを除去する。この結果、図３に示すような開口部１０ａが形成される。上述の窒化膜１０はＡｌＧａＮキャリア供給層４の酸化防止を目的としているため、上記窒化膜１０の膜厚としては２〜１０００ｎｍ程度であれば良い。なお、酸化方法にも依存するが要するに後工程におけるＡｌＧａＮキャリア供給層４の酸化が防止できれば良く、上述の窒化膜１０以外に例えば酸化膜、レジスト、金属等の材料も同様に適用可能である。
【００２０】
次に、ソースおよびドレイン電極６，７間のＡｌＧａＮキャリア供給層４に一部が表面に露出し、ＡｌＧａＮキャリア供給層４の構成原子の少なくとも一種類の原子および酸素からなる酸化物で構成された絶縁膜領域８を形成する（図４）。絶縁膜領域８形成を目的としたＡｌＧａＮキャリア供給層４の酸化は、例えば酸素が０．１〜１０Ｌ／分程度で流れている石英管中にウエハを設置し、５００〜１５００℃の温度で５〜５００分間、熱酸化させる方法が好適である。かかる方法でＡｌＧａＮキャリア供給層４を約２５ｎｍ程度酸化する場合は、８００〜１１００℃の温度で１０〜６０分程度の熱処理時間の条件を適用すれば容易に実現できる。
【００２１】
ＡｌＧａＮキャリア供給層４の酸化を行うには雰囲気ガス中に酸素があれば良く、酸素以外にオゾン、水（水蒸気）、酸化窒素等の雰囲気ガスも使用可能である。熱酸化の際、ＡｌＧａＮキャリア供給層４表面から窒素が抜けるのを防止するために、雰囲気ガス中に窒素、アンモニアガス等を混合する方法も高品質な結晶を維持する上で有効である。また、雰囲気ガスをプラズマ励起し、ウエハに当てることでＡｌＧａＮキャリア供給層４の酸化が促進され、処理時間を短縮することが可能となる。
【００２２】
ＡｌＧａＮキャリア供給層４の酸化方法としては、上述のガスを用いる方法以外に溶液に浸漬させて酸化する方法もまた簡便かつ有効である。水酸化カリウム（ＫＯＨ）やリン酸（Ｈ３ＰＯ４）等のアルカリあるいは酸溶液中（水との混合液）にウエハと白金（Ｐｔ）電極を浸漬し、ウエハとＰｔ電極間に電流を流すことでＡｌＧａＮキャリア供給層４を酸化できる。酸化を促進させるためにウエハ表面にＨｇランプやＨｅＣｄレーザで紫外光を照射しても良い。ＫＯＨ溶液を８〜１２ｐＨとし、電流密度を０．１〜２０ｍＡ／ｃｍ２とすることで、１０秒から６０分程度でＡｌＧａＮキャリア供給層４中に２５ｎｍ程度の酸化膜が形成できる。
【００２３】
絶縁膜領域８の形成後、プラズマエッチングや熱リン酸等のウエットエッチングによって窒化膜１０を除去する（図５）。
【００２４】
続いて、ＡｌＧａＮキャリア供給層４上にソースおよびドレイン電極６，７を形成する（図６）。形成方法は以下の通りである。ソースおよびドレイン電極６，７となる以外の部分をレジストで被覆し、ソースおよびドレイン電極を構成する金属、つまり、オーミック特性が得られる金属を真空蒸着やスパッタ法等により成膜する。かかる金属材料としては、例えばＴｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ｍｏ／Ａｕ、Ｔｉ／ＷＳｉ等の組合せが挙げられる。レジストのパターニングは通常のリソグラフィ技術によって行う。ソースおよびドレイン電極６，７の膜厚は材料にも依存するものの、それぞれの金属材料において２〜１０００ｎｍの範囲が好適である。いわゆるリフトオフ法を用いれば、容易にソースとドレイン領域に金属パターンが形成される。
【００２５】
ソースおよびドレイン電極６，７において良好なオーミック特性を得るために、通常、リフトオフ後に熱処理を行う。熱処理はランプによる加熱、炉による加熱等が用いられ、窒素やアルゴンの不活性ガス、または水素や酸素雰囲気中で５００〜１０００℃、１０〜３００秒程度で熱処理される。これにより、ソース電極６からＡｌＧａＮキャリア供給層４直下のＧａＮチャネル層３、そしてドレイン電極７に達する電流の通路が確保される。
【００２６】
続いて、素子周辺部に素子分離領域５を形成する（図７）。まず、ソース電極６からドレイン電極７に通じる電流を流す領域（活性領域）をレジストで被覆する。この状態で結晶に損傷を与えるようなイオン、例えばＰ／Ｈｅ、Ｎ、Ｚｎ、Ａｒ等のイオンを注入する。イオンはＧａＮチャネル層３である低抵抗領域を越えるまで注入する必要がある。つまり、ウエハ表面から５〜５０００ｎｍ程度の深さ以上にイオン注入する必要がある。一方、ドーズ量としては１０１２〜１０１５ｃｍ−２の範囲が好適である。レジスト被覆領域へのイオン注入を防止するため、レジストの厚さは１〜１０μｍ程度とする。イオン注入後、レジストを除去するとウエハは図７に示すような断面形状を呈する。この後、素子分離領域５の抵抗を増大させるための熱処理を行っても良い。熱処理はオーミック電極形成の場合と同様、ランプ加熱や炉加熱で３００〜８００℃の温度で１〜１０分程度、不活性ガス、あるいは水素や酸素雰囲気中で行う。
【００２７】
続いて、ソースおよびドレイン電極６，７を形成した場合と同様のリフトオフ方法によって、絶縁膜領域８上にゲート電極９形成用の金属膜を形成する。すなわち、レジストでゲート領域以外にパターンを形成後、ゲート金属を蒸着し、レジストを除去する。ゲート電極９としてはショットキー特性を示す金属、例えばＮｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、ＰｔＳｉ等を適用する。かかる金属を１〜５００ｎｍ程度成膜する。また、ゲート金属上に、さらに金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）を積層しても良い。
【００２８】
ゲート電極９を形成することにより、本実施の形態の窒化物半導体系電界効果トランジスタの主要部分が完成する（図１）。なお、実際はこの後、表面を保護する保護膜、回路を作製する配線等の工程があるが、公知の構造および工程なので省略する。
【００２９】
以下、本実施の形態の窒化物半導体系電界効果トランジスタの動作を説明する。一般に、窒化物半導体系電界効果トランジスタではＧａＮチャネル層３のバンドギャップエネルギーがＡｌＧａＮキャリア供給層４より小さく、かつ窒化物半導体ではピエゾ効果が顕著であるため、ＧａＮチャネル層３とＡｌＧａＮキャリア供給層４の界面のＧａＮチャネル層３側に電子が蓄積され、低抵抗領域（２次元電子ガス領域）が形成される。
【００３０】
本実施の形態の窒化物半導体系電界効果トランジスタによれば、図１に示すようにゲート電極９直下では絶縁膜領域８が形成されている分、他の領域に比べてＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚は相対的に薄い。言い換えれば、ゲート領域以外のＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚はゲート電極９直下に比べて相対的に厚い。つまり、絶縁膜領域８の膜厚制御と結晶成長時に決まる結晶層厚の制御によって各領域のＡｌＧａＮキャリア供給層４の実効的な層厚を別個に設定できる。このように、本実施の形態の窒化物半導体系電界効果トランジスタではＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚をゲート領域とそれ以外の領域で変えることが可能となるので、スイッチング動作する部位に相当するゲート電極９直下のＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚を酸化による絶縁膜領域８の形成により実効的に薄層化してしきい値電圧Ｖｔｈを正に保ちつつ、ゲート電極９近傍以外の領域のＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚を予め厚くすることによりソース／ゲート間およびゲート／ドレイン間抵抗が低減される結果、高周波でスイッチング動作可能な窒化物半導体系電界効果トランジスタが容易に得られる。
【００３１】
また、本実施の形態の窒化物半導体系電界効果トランジスタではゲート電極９の直下に酸化膜（絶縁膜領域８）が形成される構成となっているため、ゲート電極９からＡｌＧａＮキャリア供給層４へのリーク電流が減少するので、消費電力も低減できる。
【００３２】
上述の製造方法では、ゲート電極９は従来の素子構造と同様の金属等が用いられるが、しきい値電圧Ｖｔｈを正にするにはショットキー障壁高さが大きい材料を用いる程有利であるため、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、イリジウム（Ｉｒ）等の金属がゲート電極９の構成材料として好適である。さらに、ＧａＮチャネル層３とＡｌＧａＮキャリア供給層４の導電型がＮ型の場合は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ等のｐ型半導体もゲート電極９の構成材料として適用可能である。一方、絶縁膜領域８を構成する酸化膜の膜厚はしきい値電圧Ｖｔｈが正となる程度であれば良い。すなわち、ＡｌＧａＮキャリア供給層４を１〜５０ｎｍ程度残存するように酸化膜で構成された絶縁膜領域８を形成する。よって、酸化膜厚としては２〜１００ｎｍ程度が好適である。
【００３３】
上述の製造方法以外に図５で示された工程において窒化膜１０を残存させた状態で絶縁膜領域８を形成しても良い。この場合、ゲート電極９のゲート長は窒化膜１０の開口部１０ａより広くしてもあるいは狭くしても良いが、広い方が好適である。ゲート電極９のゲート長を窒化膜１０の開口部１０ａより広くすれば、ゲート抵抗が一層低減され、動作周波数の改善が可能となるからである。また、窒化膜１０の開口部１０ａにテーパを形成した後、開口部１０ａより広いゲート長を有するゲート電極９を形成することでゲート電極９からドレイン電極７に伸長する電界が緩和され、耐圧の改善が図れる。この際、テーパはドレイン電極７側にのみ形成しておいても同様な効果が得られる。
【００３４】
実施の形態２．
実施の形態２の窒化物半導体系電界効果トランジスタの素子構造を図８に示す。実施の形態１では絶縁膜領域８を構成する酸化膜の膜厚はＡｌＧａＮキャリア供給層４中で酸化される部分の厚さで決定される。但し、この場合、酸化後の工程による酸化膜の目減りは考えない。酸化膜が厚い場合、ゲート容量が増加して動作周波数を制限するため、より一層動作周波数を向上させたい場合、かかるゲート容量の存在が動作特性向上の制限となるおそれがある。そこで、実施の形態２の窒化物半導体系電界効果トランジスタでは、ＡｌＧａＮキャリア供給層４で絶縁膜領域を形成する部分を予めエッチングで薄層化してＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚を減少させて、必要とされる酸化膜の膜厚、つまり絶縁膜領域の厚さを相対的に低減することを特徴とする。すなわち、図８の素子構造断面図に示すように、ゲート電極１０は絶縁膜領域１２を介してＡｌＧａＮキャリア供給層４上に形成されたエッチング溝１１上に設けられる。
【００３５】
以下、実施の形態２の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造方法を図９〜１１に基づき説明する。基板１上へバッファ層２、ＧａＮチャネル層３、ＡｌＧａＮキャリア供給層４を結晶成長する工程、ＡｌＧａＮキャリア供給層４上に窒化膜１０を形成した後、開口部１０ａを設ける工程までは実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００３６】
窒化膜１０をエッチングマスクとして開口部１０ａの底面のＡｌＧａＮキャリア供給層４をエッチングして、エッチング溝１１を形成する（図９）。ＡｌＧａＮキャリア供給層４中へのエッチング溝１１形成には、塩素ガスを含んだエッチングガスによるドライエッチングや紫外光照射下でのＫＯＨやＮａＯＨ溶液中でのウエットエッチングが好適である。エッチング量はＡｌＧａＮキャリア供給層４および酸化膜１９の厚さの総和によって決定され、１〜１００ｎｍ程度のエッチング深さが好適である。例えば、ＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚が２０〜４０ｎｍ程度であれば、ＡｌＧａＮキャリア供給層４を１０〜３０ｎｍ程度エッチングして、エッチング溝１１上に５〜１０ｎｍの酸化膜を成膜して絶縁膜領域１２を形成する。
【００３７】
この後、開口部１０ａを通してエッチング溝１１の内面を上述の膜厚程度に酸化する（図１１）。酸化方法は実施の形態１と同様の方法が適用可能である。この後、実施の形態１と同様にソースおよびドレイン電極６，７、素子分離領域５、ゲート電極９をそれぞれ形成して、実施の形態２の窒化物半導体系電界効果トランジスタの主要部が完成する（図８）。
【００３８】
窒化膜１０を残存させた状態でゲート電極９を形成することは実施の形態１と同様可能である。また、ソースおよびドレイン電極６，７を形成した後、図９から１１の工程により絶縁膜領域１２を構成する酸化膜を形成し、その後、素子分離領域５やゲート電極９を形成することもできる。同様に、図９〜１１の酸化膜形成の工程は素子分離領域５の形成後でも良い。この場合、ソースおよびドレイン電極６，７や素子分離領域５は絶縁膜領域１２を構成する酸化膜形成時の熱処理により特性が劣化する場合があるので、より低温での酸化方法、例えば、オゾンやプラズマを用いる方法や溶液中での酸化方法等が望ましい。
【００３９】
酸化は酸素がＡｌＧａＮキャリア供給層４中に侵入することで起きる反応であるため、絶縁膜領域１２は窒化膜１０の開口部１０ａより広がる。しかしながら、ゲート電極９からの電界もゲート端から周辺に広がっているため、結果的に、本実施の形態の窒化物半導体系電界効果トランジスタは正常に動作する。絶縁膜領域１２の広がりはほぼ酸化膜の膜厚と等しい。通常、ソース／ゲート電極間、ゲート／ドレイン電極間は０．１μｍ以上あるので、酸化膜の膜厚がかかる間隔以下であれば問題はない。また、この広がりを予め考慮し、各電極間の距離を決めておくことも可能である。
【００４０】
実施の形態２の窒化物半導体系電界効果トランジスタによれば、図８に示すようにゲート電極９直下ではエッチング溝１１が形成されている分、他の領域に比べてＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚は相対的に薄い。言い換えれば、ゲート領域以外のＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚はゲート電極９直下に比べて相対的に厚い。つまり、結晶成長時のＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚およびエッチング溝１１形成時のエッチング量で決まる厚さに任意かつ別個に設定できる。このように、実施の形態２の窒化物半導体系電界効果トランジスタでは実施の形態１と同様、ＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚をゲート領域とそれ以外の領域で変えることが可能となるので、スイッチング動作する部分のＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚をエッチングによって薄層化することによりしきい値電圧Ｖｔｈを正に保ちつつ、ＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚を予め厚くすることによりソース／ゲート間およびゲート／ドレイン間抵抗が低減され、またゲート容量を発生させる絶縁膜領域１２の膜厚も低減できる結果、しきい値電圧Ｖｔｈが正でかつ一層高周波でスイッチング動作可能な窒化物半導体系電界効果トランジスタが容易に得られる。
【００４１】
また、本実施の形態の窒化物半導体系電界効果トランジスタではゲート電極９の直下に酸化膜（絶縁膜領域１２）が形成される構成となっているため、ゲート電極９からＡｌＧａＮキャリア供給層４へのリーク電流が減少するので、消費電力も低減できる。さらに、ゲート電極９部分のＡｌＧａＮキャリア供給層４にエッチング溝１１を形成した後に酸化することで絶縁膜領域１２を構成する酸化膜の膜厚と、絶縁膜領域１２直下のＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚を別個に制御することができる利点もある。
【００４２】
なお、以上の各実施の形態の説明では、しきい値電圧Ｖｔｈは正が望ましいとしたが、上述の素子構造を適用した結果、しきい値電圧Ｖｔｈが負電圧でもゼロに近い場合は同様の効果、つまりリーク電流の低減効果を奏することは言うまでもない。
【００４３】
【発明の効果】
本発明に係る窒化物半導体系電界効果トランジスタは、基板と、上記基板上に形成され窒化物半導体からなるチャネル層と、上記チャネル層上に形成され上記チャネル層よりバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体からなるキャリア供給層と、上記キャリア供給層上にそれぞれ設けられたソースおよびドレイン電極と、上記ソースおよびドレイン電極間の上記キャリア供給層に一部が表面に露出するように形成された絶縁膜領域と、上記絶縁膜領域上に設けられたゲート電極と、を備えたので、しきい値電圧Ｖｔｈを正に保ちつつ高周波でスイッチング動作可能な窒化物半導体系電界効果トランジスタが容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の窒化物半導体系電界効果トランジスタの素子断面図である。
【図２】実施の形態１の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造工程の一部を示す図である。
【図３】実施の形態１の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造工程の一部を示す図である。
【図４】実施の形態１の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造工程の一部を示す図である。
【図５】実施の形態１の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造工程の一部を示す図である。
【図６】実施の形態１の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造工程の一部を示す図である。
【図７】実施の形態１の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造工程の一部を示す図である。
【図８】実施の形態２の窒化物半導体系電界効果トランジスタの素子断面図である。
【図９】実施の形態２の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造工程の一部を示す図である。
【図１０】実施の形態２の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造工程の一部を示す図である。
【図１１】実施の形態２の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造工程の一部を示す図である。
【図１２】しきい値電圧とＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚の関係を示すグラフである。
【図１３】シート抵抗とＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 基板、 ２ バッファ層、 ３ ＧａＮチャネル層、 ４ ＡｌＧａＮキャリア供給層、 ５ 素子分離領域、 ６ ソース電極、 ７ ドレイン電極、８ 絶縁膜領域、 ９ ゲート電極、 １０ 窒化膜（酸化マスク用絶縁膜）、 １０ａ 窒化膜の開口部、 １１ エッチング溝、 １２ 絶縁膜領域。
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体系電界効果トランジスタとその製造方法に関し、特に高速スイッチング動作可能な窒化物半導体系電界効果トランジスタとその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体系、特に窒化ガリウム系半導体は高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率、高い電子飽和速度を有しており高周波の高出力電界効果トランジスタの構成材料として期待されている。特に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタは、ＡｌＧａＮとＧａＮとのヘテロ接合界面付近に電子が高濃度で蓄積するいわゆる２次元電子ガスが形成されるが、かかる２次元電子ガスはＡｌＧａＮに添加されるドナー不純物とは空間的に分離されて存在するため高い電子移動度を有するので高周波で動作可能となる。さらに、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系へテロ構造における２次元電子は、現在高周波電界効果トランジスタとして普及しているＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の場合に比べて、高電界領域で２倍以上の電子速度を有し、高周波でスイッチング動作可能な高出力電界効果トランジスタへの応用が期待されている。
【０００３】
従来の窒化物半導体系電界効果トランジスタは、例えば、非特許文献１の図１に開示されているような素子構造を有している。非特許文献１の図１の素子構造では、均一なキャリア供給層上にソース、ゲートおよびドレイン電極が形成されている。
【０００４】
まず、従来の窒化物半導体系電界効果トランジスタの動作を説明する。以下、説明の便宜上、活性領域を３つの領域に分ける。すなわち、ソース電極近傍をソース領域１、ゲート電極近傍をゲート領域２、ドレイン電極近傍をドレイン領域３とする。ゲート電極に印加されるゲート電圧を制御することでゲート電極からＡｌＧａＮキャリア供給層、ＧａＮチャネル層に伸長する空乏層の長さを調節できる。空乏層がＡｌＧａＮキャリア供給層からＧａＮチャネル層に伸長すると２次元電子ガス濃度が減少する。この結果、ＧａＮチャネル層の抵抗が増加する。さらに、空乏層をＧａＮチャネル層内に伸長させると、最終的には２次元電子ガスが無くなる。この結果、抵抗が非常に高くなる。
【０００５】
以上の原理から、ゲート領域２ではゲート電圧制御によって電流をオン、オフするいわゆるスイッチとして機能する。ゲート電圧がゼロのときに、空乏層をＧａＮチャネル層内部に充分伸長させておくと、オンとオフが切り替わるしきい値電圧Ｖｔｈを正にすることができる。なお、しきい値電圧Ｖｔｈが負の場合、オフにした状態でゲート電極からＡｌＧａＮキャリア供給層へリーク電流が流れて余分な電力を消費するため、しきい値電圧Ｖｔｈは正にすることが望ましい。
【０００６】
活性領域でゲート領域２以外の部分はソース領域１とドレイン領域３である。ソース領域１とドレイン領域３はスイッチング動作には関与しない。しかし、ソース領域１ではソース電極とゲート電極とが互いに接触しないようにするため、両者の間隔を０．１〜１０μｍ程度に維持する必要がある。なお、かかる間隔はフォトリソグラフィ技術における転写精度や加工方法の精度等により決定される。また、ドレイン電圧は用途によって異なるが０〜１０ｋＶ程度の電圧値となる。よって、動作電圧が破壊耐圧を超えないようにするため、ゲート電極とドレイン電極の間隔を１〜１０００μｍ程度に設定する必要がある。したがって、ドレイン領域３の抵抗は２次元電子ガス濃度で決まる。高速でスイッチング動作する電界効果トランジスタにおいては、ソース／ドレイン電極間に電流が流れるオン状態ではドレイン領域３の抵抗値は低い方が望ましい。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｇ．Ｈａｎｉｎｇｔｏｎ 他，”Ｐ／Ｈｅ ｉｏｎ ｉｍｐｌａｎｔ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ、ＨＥＭＴ： Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ”， Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，イギリス，１９９８年，３４巻，２号， １９３−１９５ページ
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
電界効果トランジスタのしきい値電圧をＶｔｈとすると、
Ｖｔｈ＝φ−ΔＥｃ−ｑｄ１Ｎ２／（２ε）−ｑＰｄ２／ε （１）
となる。なお、（１）式中、φはショットキー障壁高さ、ΔＥｃは伝導帯側のバンド不連続、ｑは電荷量、Ｎはキャリア供給層のドーピング濃度、ｄ１はキャリア供給層中のドーピング膜厚、εは誘電率、Ｐは分極率、ｄ２はキャリア供給層の層厚をそれぞれ表す。（１）式中、第３項がキャリア供給層のドーピングによる項、第４項が分極による項を表す。第３項はＧａＡｓ系材料と共通の値となるが、第４項の分極による項がＧａＮ等の窒化物半導体系特有の大きな値となっている。よって、窒化物半導体系電界効果トランジスタではしきい値電圧Ｖｔｈに対する第３項の寄与は殆ど無い一方、第４項からの寄与が大半を占める。従って、窒化物半導体系電界効果トランジスタではしきい値電圧Ｖｔｈ制御のファクターとして、キャリア供給層の層厚ｄ２が非常に重要である。
【０００９】
しきい値電圧ＶｔｈとＧａＮチャネル層の抵抗をＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚の関数として図１２、１３に示す。なお、ＧａＮチャネル層の抵抗がＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚に依存する理由は、上述したようにＡｌＧａＮキャリア供給層側からＧａＮチャネル層へと供給される電子濃度がＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚に依存しているからである。しきい値電圧Ｖｔｈは図１２に示すようにＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚が増加することで比例的に減少する。したがって、しきい値電圧Ｖｔｈを正とするには、ＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚を小さくする方が良いことがわかる。図１２の例によると、しきい値電圧Ｖｔｈを正とするにはＡｌＧａＮキャリア供給層を６ｎｍ程度以下とする必要があることがわかる。また、シート抵抗は、図１３に示すようにＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚の増加とともに急激に減少した後、あまり変化しなくなる。図１３の例では、層厚９ｎｍ以下ではＧａＮチャネル層の抵抗が非常に高くなる。
【００１０】
従来の窒化物半導体系電界効果トランジスタでは、ＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚は各領域において一定である。したがって、図１２、１３からしきい値電圧Ｖｔｈを正とするためＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚を薄くすると、ゲート／ドレイン間抵抗、ソース／ゲート間抵抗はそれぞれ大きくなる。一方、ＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚を厚くして各抵抗を低減しようとすると、しきい値電圧Ｖｔｈは負となってしまう。要するに、しきい値電圧Ｖｔｈが正で、かつゲート／ドレイン間およびソース／ゲート間抵抗が低いという相反する両条件を満足しないと、高周波でスイッチング動作可能な電界効果トランジスタは得られなかった。
【００１１】
ゲート電極を構成する金属のショットキー障壁を一層高くして、しきい値電圧Ｖｔｈが正となるようなＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚を実効的に増加させることも可能であるが、ＡｌＧａＮキャリア供給層はその禁制帯幅が３．４ｅＶ以上と広いため、ショットキー障壁の高いゲート電極を構成する金属を形成するのは困難である。
【００１２】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、しきい値電圧Ｖｔｈを正にすると同時にゲート／ドレイン間およびゲート／ソース間抵抗が低減され高周波でスイッチング動作可能な窒化物半導体系電界効果トランジスタを得ることを目的とし、さらにかかる窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る窒化物半導体系電界効果トランジスタは、基板と、上記基板上に形成され窒化物半導体からなるチャネル層と、上記チャネル層上に形成され上記チャネル層よりバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体からなるキャリア供給層と、上記キャリア供給層上にそれぞれ設けられたソースおよびドレイン電極と、上記ソースおよびドレイン電極間の上記キャリア供給層に一部が表面に露出するように形成された絶縁膜領域と、上記絶縁膜領域上に設けられたゲート電極と、を備えた。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本実施の形態の窒化物半導体系電界効果トランジスタの素子構造を図１に示す。なお、図１は窒化物半導体系電界効果トランジスタのゲート長方向における素子断面図である。
【００１５】
基板１上に、バッファ層２、ＧａＮチャネル層３、ＡｌＧａＮキャリア供給層４が形成され、素子周辺部には素子分離領域５が設けられている。ＡｌＧａＮキャリア供給層４上にはソース電極６とドレイン電極７が形成され、さらに、ソースおよびドレイン電極間のＡｌＧａＮキャリア供給層４中に、一部がＡｌＧａＮキャリア供給層４表面に露出し、ＡｌＧａＮキャリア供給層４の構成原子の少なくとも一種類の原子および酸素からなる酸化物で構成された絶縁膜領域８が形成され、かかる絶縁膜領域８上にゲート電極９が設けられている。ＧａＮチャネル層３およびＡｌＧａＮキャリア供給層４の導電型は同一であり、Ｎ型あるいはＰ型のどちらの導電型でも同様に機能するが、以下、各層はＮ型として説明を進める。
【００１６】
本実施の形態の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造方法を図２ないし７の各工程における素子構造断面図に基づき説明する。まず、基板１上にバッファ層２、ＧａＮチャネル層３、ＡｌＧａＮキャリア供給層４を順次結晶成長する（図２）。基板１の材料としては、サファイア、シリコン（Ｓｉ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）等が適用可能である。また、結晶成長法としては、有機金属を用いた化学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ： Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ： Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）が好適であるが、他の結晶成長法を用いても良い。
【００１７】
バッファ層２は基板１と上層の窒化物半導体からなる各層の格子定数が大きく異なる場合に、高品質なＧａＮチャネル層３、ＡｌＧａＮキャリア供給層４を形成させるために必要となるが、結晶成長条件等によって高品質な窒化物半導体系結晶が得られる場合は無くてもかまわない。
【００１８】
なお、ピエゾ効果が発現する窒素化物半導体から構成され、かつ、バンドギャップエネルギーが異なる材料であればチャネル層３とキャリア供給層４は他の材料と置換可能である。例えばＧａＮチャネル層３とＡｌＧａＮキャリア供給層４を、それぞれＩｎＧａＮとＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮとＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮとＡｌＮ等の材料の組合せに置換可能である。また、ＧａＮチャネル層３とＡｌＧａＮキャリア供給層４は不純物が導入されていてもあるいはされていなくてもいずれでも良い。層厚はＧａＮチャネル層３で４０〜５０００ｎｍの範囲、ＡｌＧａＮキャリア供給層４で２〜１００ｎｍの範囲が好適である。
【００１９】
続いて、ＡｌＧａＮキャリア供給層４上で後工程において絶縁膜領域８を形成する部分以外の領域に窒化膜（酸化マスク用絶縁膜）１０を形成する（図３）。かかる窒化膜１０は後述の酸化工程において酸化マスク用絶縁膜として機能する。なお、絶縁膜領域８を形成する領域に相当する部位には、開口部１０ａが設けられている。かかる開口部１０ａは以下の方法で得られる。まず、窒化膜１０をウエハ全面に堆積した後、さらにレジストを被覆させ、フォトリソグラフィ技術によって開口部１０ａに相当する部分のレジストを除去し、ドライエッチング等の方法によりレジスト開口部底面の窒化膜１０を取り除いた後、レジストを除去する。この結果、図３に示すような開口部１０ａが形成される。上述の窒化膜１０はＡｌＧａＮキャリア供給層４の酸化防止を目的としているため、上記窒化膜１０の膜厚としては２〜１０００ｎｍ程度であれば良い。なお、酸化方法にも依存するが要するに後工程におけるＡｌＧａＮキャリア供給層４の酸化が防止できれば良く、上述の窒化膜１０以外に例えば酸化膜、レジスト、金属等の材料も同様に適用可能である。
【００２０】
次に、ソースおよびドレイン電極６，７間のＡｌＧａＮキャリア供給層４に一部が表面に露出し、ＡｌＧａＮキャリア供給層４の構成原子の少なくとも一種類の原子および酸素からなる酸化物で構成された絶縁膜領域８を形成する（図４）。絶縁膜領域８形成を目的としたＡｌＧａＮキャリア供給層４の酸化は、例えば酸素が０．１〜１０Ｌ／分程度で流れている石英管中にウエハを設置し、５００〜１５００℃の温度で５〜５００分間、熱酸化させる方法が好適である。かかる方法でＡｌＧａＮキャリア供給層４を約２５ｎｍ程度酸化する場合は、８００〜１１００℃の温度で１０〜６０分程度の熱処理時間の条件を適用すれば容易に実現できる。
【００２１】
ＡｌＧａＮキャリア供給層４の酸化を行うには雰囲気ガス中に酸素があれば良く、酸素以外にオゾン、水（水蒸気）、酸化窒素等の雰囲気ガスも使用可能である。熱酸化の際、ＡｌＧａＮキャリア供給層４表面から窒素が抜けるのを防止するために、雰囲気ガス中に窒素、アンモニアガス等を混合する方法も高品質な結晶を維持する上で有効である。また、雰囲気ガスをプラズマ励起し、ウエハに当てることでＡｌＧａＮキャリア供給層４の酸化が促進され、処理時間を短縮することが可能となる。
【００２２】
ＡｌＧａＮキャリア供給層４の酸化方法としては、上述のガスを用いる方法以外に溶液に浸漬させて酸化する方法もまた簡便かつ有効である。水酸化カリウム（ＫＯＨ）やリン酸（Ｈ３ＰＯ４）等のアルカリあるいは酸溶液中（水との混合液）にウエハと白金（Ｐｔ）電極を浸漬し、ウエハとＰｔ電極間に電流を流すことでＡｌＧａＮキャリア供給層４を酸化できる。酸化を促進させるためにウエハ表面にＨｇランプやＨｅＣｄレーザで紫外光を照射しても良い。ＫＯＨ溶液を８〜１２ｐＨとし、電流密度を０．１〜２０ｍＡ／ｃｍ２とすることで、１０秒から６０分程度でＡｌＧａＮキャリア供給層４中に２５ｎｍ程度の酸化膜が形成できる。
【００２３】
絶縁膜領域８の形成後、プラズマエッチングや熱リン酸等のウエットエッチングによって窒化膜１０を除去する（図５）。
【００２４】
続いて、ＡｌＧａＮキャリア供給層４上にソースおよびドレイン電極６，７を形成する（図６）。形成方法は以下の通りである。ソースおよびドレイン電極６，７となる以外の部分をレジストで被覆し、ソースおよびドレイン電極を構成する金属、つまり、オーミック特性が得られる金属を真空蒸着やスパッタ法等により成膜する。かかる金属材料としては、例えばＴｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ｍｏ／Ａｕ、Ｔｉ／ＷＳｉ等の組合せが挙げられる。レジストのパターニングは通常のリソグラフィ技術によって行う。ソースおよびドレイン電極６，７の膜厚は材料にも依存するものの、それぞれの金属材料において２〜１０００ｎｍの範囲が好適である。いわゆるリフトオフ法を用いれば、容易にソースとドレイン領域に金属パターンが形成される。
【００２５】
ソースおよびドレイン電極６，７において良好なオーミック特性を得るために、通常、リフトオフ後に熱処理を行う。熱処理はランプによる加熱、炉による加熱等が用いられ、窒素やアルゴンの不活性ガス、または水素や酸素雰囲気中で５００〜１０００℃、１０〜３００秒程度で熱処理される。これにより、ソース電極６からＡｌＧａＮキャリア供給層４直下のＧａＮチャネル層３、そしてドレイン電極７に達する電流の通路が確保される。
【００２６】
続いて、素子周辺部に素子分離領域５を形成する（図７）。まず、ソース電極６からドレイン電極７に通じる電流を流す領域（活性領域）をレジストで被覆する。この状態で結晶に損傷を与えるようなイオン、例えばＰ／Ｈｅ、Ｎ、Ｚｎ、Ａｒ等のイオンを注入する。イオンはＧａＮチャネル層３である低抵抗領域を越えるまで注入する必要がある。つまり、ウエハ表面から５〜５０００ｎｍ程度の深さ以上にイオン注入する必要がある。一方、ドーズ量としては１０１２〜１０１５ｃｍ−２の範囲が好適である。レジスト被覆領域へのイオン注入を防止するため、レジストの厚さは１〜１０μｍ程度とする。イオン注入後、レジストを除去するとウエハは図７に示すような断面形状を呈する。この後、素子分離領域５の抵抗を増大させるための熱処理を行っても良い。熱処理はオーミック電極形成の場合と同様、ランプ加熱や炉加熱で３００〜８００℃の温度で１〜１０分程度、不活性ガス、あるいは水素や酸素雰囲気中で行う。
【００２７】
続いて、ソースおよびドレイン電極６，７を形成した場合と同様のリフトオフ方法によって、絶縁膜領域８上にゲート電極９形成用の金属膜を形成する。すなわち、レジストでゲート領域以外にパターンを形成後、ゲート金属を蒸着し、レジストを除去する。ゲート電極９としてはショットキー特性を示す金属、例えばＮｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、ＰｔＳｉ等を適用する。かかる金属を１〜５００ｎｍ程度成膜する。また、ゲート金属上に、さらに金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）を積層しても良い。
【００２８】
ゲート電極９を形成することにより、本実施の形態の窒化物半導体系電界効果トランジスタの主要部分が完成する（図１）。なお、実際はこの後、表面を保護する保護膜、回路を作製する配線等の工程があるが、公知の構造および工程なので省略する。
【００２９】
以下、本実施の形態の窒化物半導体系電界効果トランジスタの動作を説明する。一般に、窒化物半導体系電界効果トランジスタではＧａＮチャネル層３のバンドギャップエネルギーがＡｌＧａＮキャリア供給層４より小さく、かつ窒化物半導体ではピエゾ効果が顕著であるため、ＧａＮチャネル層３とＡｌＧａＮキャリア供給層４の界面のＧａＮチャネル層３側に電子が蓄積され、低抵抗領域（２次元電子ガス領域）が形成される。
【００３０】
本実施の形態の窒化物半導体系電界効果トランジスタによれば、図１に示すようにゲート電極９直下では絶縁膜領域８が形成されている分、他の領域に比べてＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚は相対的に薄い。言い換えれば、ゲート領域以外のＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚はゲート電極９直下に比べて相対的に厚い。つまり、絶縁膜領域８の膜厚制御と結晶成長時に決まる結晶層厚の制御によって各領域のＡｌＧａＮキャリア供給層４の実効的な層厚を別個に設定できる。このように、本実施の形態の窒化物半導体系電界効果トランジスタではＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚をゲート領域とそれ以外の領域で変えることが可能となるので、スイッチング動作する部位に相当するゲート電極９直下のＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚を酸化による絶縁膜領域８の形成により実効的に薄層化してしきい値電圧Ｖｔｈを正に保ちつつ、ゲート電極９近傍以外の領域のＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚を予め厚くすることによりソース／ゲート間およびゲート／ドレイン間抵抗が低減される結果、高周波でスイッチング動作可能な窒化物半導体系電界効果トランジスタが容易に得られる。
【００３１】
また、本実施の形態の窒化物半導体系電界効果トランジスタではゲート電極９の直下に酸化膜（絶縁膜領域８）が形成される構成となっているため、ゲート電極９からＡｌＧａＮキャリア供給層４へのリーク電流が減少するので、消費電力も低減できる。
【００３２】
上述の製造方法では、ゲート電極９は従来の素子構造と同様の金属等が用いられるが、しきい値電圧Ｖｔｈを正にするにはショットキー障壁高さが大きい材料を用いる程有利であるため、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、イリジウム（Ｉｒ）等の金属がゲート電極９の構成材料として好適である。さらに、ＧａＮチャネル層３とＡｌＧａＮキャリア供給層４の導電型がＮ型の場合は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ等のｐ型半導体もゲート電極９の構成材料として適用可能である。一方、絶縁膜領域８を構成する酸化膜の膜厚はしきい値電圧Ｖｔｈが正となる程度であれば良い。すなわち、ＡｌＧａＮキャリア供給層４を１〜５０ｎｍ程度残存するように酸化膜で構成された絶縁膜領域８を形成する。よって、酸化膜厚としては２〜１００ｎｍ程度が好適である。
【００３３】
上述の製造方法以外に図５で示された工程において窒化膜１０を残存させた状態で絶縁膜領域８を形成しても良い。この場合、ゲート電極９のゲート長は窒化膜１０の開口部１０ａより広くしてもあるいは狭くしても良いが、広い方が好適である。ゲート電極９のゲート長を窒化膜１０の開口部１０ａより広くすれば、ゲート抵抗が一層低減され、動作周波数の改善が可能となるからである。また、窒化膜１０の開口部１０ａにテーパを形成した後、開口部１０ａより広いゲート長を有するゲート電極９を形成することでゲート電極９からドレイン電極７に伸長する電界が緩和され、耐圧の改善が図れる。この際、テーパはドレイン電極７側にのみ形成しておいても同様な効果が得られる。
【００３４】
実施の形態２．
実施の形態２の窒化物半導体系電界効果トランジスタの素子構造を図８に示す。実施の形態１では絶縁膜領域８を構成する酸化膜の膜厚はＡｌＧａＮキャリア供給層４中で酸化される部分の厚さで決定される。但し、この場合、酸化後の工程による酸化膜の目減りは考えない。酸化膜が厚い場合、ゲート容量が増加して動作周波数を制限するため、より一層動作周波数を向上させたい場合、かかるゲート容量の存在が動作特性向上の制限となるおそれがある。そこで、実施の形態２の窒化物半導体系電界効果トランジスタでは、ＡｌＧａＮキャリア供給層４で絶縁膜領域を形成する部分を予めエッチングで薄層化してＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚を減少させて、必要とされる酸化膜の膜厚、つまり絶縁膜領域の厚さを相対的に低減することを特徴とする。すなわち、図８の素子構造断面図に示すように、ゲート電極１０は絶縁膜領域１２を介してＡｌＧａＮキャリア供給層４上に形成されたエッチング溝１１上に設けられる。
【００３５】
以下、実施の形態２の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造方法を図９〜１１に基づき説明する。基板１上へバッファ層２、ＧａＮチャネル層３、ＡｌＧａＮキャリア供給層４を結晶成長する工程、ＡｌＧａＮキャリア供給層４上に窒化膜１０を形成した後、開口部１０ａを設ける工程までは実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００３６】
窒化膜１０をエッチングマスクとして開口部１０ａの底面のＡｌＧａＮキャリア供給層４をエッチングして、エッチング溝１１を形成する（図９）。ＡｌＧａＮキャリア供給層４中へのエッチング溝１１形成には、塩素ガスを含んだエッチングガスによるドライエッチングや紫外光照射下でのＫＯＨやＮａＯＨ溶液中でのウエットエッチングが好適である。エッチング量はＡｌＧａＮキャリア供給層４および酸化膜１９の厚さの総和によって決定され、１〜１００ｎｍ程度のエッチング深さが好適である。例えば、ＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚が２０〜４０ｎｍ程度であれば、ＡｌＧａＮキャリア供給層４を１０〜３０ｎｍ程度エッチングして、エッチング溝１１上に５〜１０ｎｍの酸化膜を成膜して絶縁膜領域１２を形成する。
【００３７】
この後、開口部１０ａを通してエッチング溝１１の内面を上述の膜厚程度に酸化する（図１１）。酸化方法は実施の形態１と同様の方法が適用可能である。この後、実施の形態１と同様にソースおよびドレイン電極６，７、素子分離領域５、ゲート電極９をそれぞれ形成して、実施の形態２の窒化物半導体系電界効果トランジスタの主要部が完成する（図８）。
【００３８】
窒化膜１０を残存させた状態でゲート電極９を形成することは実施の形態１と同様可能である。また、ソースおよびドレイン電極６，７を形成した後、図９から１１の工程により絶縁膜領域１２を構成する酸化膜を形成し、その後、素子分離領域５やゲート電極９を形成することもできる。同様に、図９〜１１の酸化膜形成の工程は素子分離領域５の形成後でも良い。この場合、ソースおよびドレイン電極６，７や素子分離領域５は絶縁膜領域１２を構成する酸化膜形成時の熱処理により特性が劣化する場合があるので、より低温での酸化方法、例えば、オゾンやプラズマを用いる方法や溶液中での酸化方法等が望ましい。
【００３９】
酸化は酸素がＡｌＧａＮキャリア供給層４中に侵入することで起きる反応であるため、絶縁膜領域１２は窒化膜１０の開口部１０ａより広がる。しかしながら、ゲート電極９からの電界もゲート端から周辺に広がっているため、結果的に、本実施の形態の窒化物半導体系電界効果トランジスタは正常に動作する。絶縁膜領域１２の広がりはほぼ酸化膜の膜厚と等しい。通常、ソース／ゲート電極間、ゲート／ドレイン電極間は０．１μｍ以上あるので、酸化膜の膜厚がかかる間隔以下であれば問題はない。また、この広がりを予め考慮し、各電極間の距離を決めておくことも可能である。
【００４０】
実施の形態２の窒化物半導体系電界効果トランジスタによれば、図８に示すようにゲート電極９直下ではエッチング溝１１が形成されている分、他の領域に比べてＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚は相対的に薄い。言い換えれば、ゲート領域以外のＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚はゲート電極９直下に比べて相対的に厚い。つまり、結晶成長時のＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚およびエッチング溝１１形成時のエッチング量で決まる厚さに任意かつ別個に設定できる。このように、実施の形態２の窒化物半導体系電界効果トランジスタでは実施の形態１と同様、ＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚をゲート領域とそれ以外の領域で変えることが可能となるので、スイッチング動作する部分のＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚をエッチングによって薄層化することによりしきい値電圧Ｖｔｈを正に保ちつつ、ＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚を予め厚くすることによりソース／ゲート間およびゲート／ドレイン間抵抗が低減され、またゲート容量を発生させる絶縁膜領域１２の膜厚も低減できる結果、しきい値電圧Ｖｔｈが正でかつ一層高周波でスイッチング動作可能な窒化物半導体系電界効果トランジスタが容易に得られる。
【００４１】
また、本実施の形態の窒化物半導体系電界効果トランジスタではゲート電極９の直下に酸化膜（絶縁膜領域１２）が形成される構成となっているため、ゲート電極９からＡｌＧａＮキャリア供給層４へのリーク電流が減少するので、消費電力も低減できる。さらに、ゲート電極９部分のＡｌＧａＮキャリア供給層４にエッチング溝１１を形成した後に酸化することで絶縁膜領域１２を構成する酸化膜の膜厚と、絶縁膜領域１２直下のＡｌＧａＮキャリア供給層４の層厚を別個に制御することができる利点もある。
【００４２】
なお、以上の各実施の形態の説明では、しきい値電圧Ｖｔｈは正が望ましいとしたが、上述の素子構造を適用した結果、しきい値電圧Ｖｔｈが負電圧でもゼロに近い場合は同様の効果、つまりリーク電流の低減効果を奏することは言うまでもない。
【００４３】
【発明の効果】
本発明に係る窒化物半導体系電界効果トランジスタは、基板と、上記基板上に形成され窒化物半導体からなるチャネル層と、上記チャネル層上に形成され上記チャネル層よりバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体からなるキャリア供給層と、上記キャリア供給層上にそれぞれ設けられたソースおよびドレイン電極と、上記ソースおよびドレイン電極間の上記キャリア供給層に一部が表面に露出するように形成された絶縁膜領域と、上記絶縁膜領域上に設けられたゲート電極と、を備えたので、しきい値電圧Ｖｔｈを正に保ちつつ高周波でスイッチング動作可能な窒化物半導体系電界効果トランジスタが容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の窒化物半導体系電界効果トランジスタの素子断面図である。
【図２】実施の形態１の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造工程の一部を示す図である。
【図３】実施の形態１の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造工程の一部を示す図である。
【図４】実施の形態１の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造工程の一部を示す図である。
【図５】実施の形態１の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造工程の一部を示す図である。
【図６】実施の形態１の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造工程の一部を示す図である。
【図７】実施の形態１の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造工程の一部を示す図である。
【図８】実施の形態２の窒化物半導体系電界効果トランジスタの素子断面図である。
【図９】実施の形態２の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造工程の一部を示す図である。
【図１０】実施の形態２の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造工程の一部を示す図である。
【図１１】実施の形態２の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造工程の一部を示す図である。
【図１２】しきい値電圧とＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚の関係を示すグラフである。
【図１３】シート抵抗とＡｌＧａＮキャリア供給層の層厚の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 基板、 ２ バッファ層、 ３ ＧａＮチャネル層、 ４ ＡｌＧａＮキャリア供給層、 ５ 素子分離領域、 ６ ソース電極、 ７ ドレイン電極、８ 絶縁膜領域、 ９ ゲート電極、 １０ 窒化膜（酸化マスク用絶縁膜）、 １０ａ 窒化膜の開口部、 １１ エッチング溝、 １２ 絶縁膜領域。
Claims (7)
- 基板と、
前記基板上に形成され窒化物半導体からなるチャネル層と、
前記チャネル層上に形成され前記チャネル層よりバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体からなるキャリア供給層と、
前記キャリア供給層上にそれぞれ設けられたソースおよびドレイン電極と、
前記ソースおよびドレイン電極間の前記キャリア供給層に一部が表面に露出するように形成された絶縁膜領域と、
前記絶縁膜領域上に設けられたゲート電極と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体系電界効果トランジスタ。 - 基板と、
前記基板上に形成され窒化物半導体からなるチャネル層と、
前記チャネル層上に形成され前記チャネル層よりバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体からなるキャリア供給層と、
前記キャリア供給層上にそれぞれ設けられたソースおよびドレイン電極と、
前記ソースおよびドレイン電極間における前記キャリア供給層表面の一部に設けられたエッチング溝と、
前記エッチング溝の内面を被覆するように設けられ前記キャリア供給層を構成する原子の少なくとも一種類の原子および酸素からなる酸化物で構成された絶縁膜領域と、
前記絶縁膜領域上に設けられたゲート電極と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体系電界効果トランジスタ。 - 前記絶縁膜領域の膜厚が、２ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の窒化物半導体系電界効果トランジスタ。
- 窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造方法であって、基板上に窒化物半導体からなるチャネル層および前記チャネル層よりバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体からなるキャリア供給層を順次結晶成長する工程と、
前記キャリア供給層上に酸化マスク用絶縁膜を成膜する工程と、
前記酸化マスク用絶縁膜の一部に開口部を形成する工程と、
酸化によって前記開口部底面の前記キャリア供給層中に酸化膜で構成された絶縁膜領域を形成する工程と、
前記酸化マスク用絶縁膜をエッチングにより除去する工程と、
前記キャリア供給層上にソースおよびドレイン電極を形成する工程と、
前記絶縁膜領域上にゲート電極を形成する工程と、
を含んでなる窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造方法。 - 窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造方法であって、基板上に窒化物半導体からなるチャネル層および前記チャネル層よりバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体からなるキャリア供給層を順次結晶成長する工程と、
前記キャリア供給層上に酸化マスク用絶縁膜を成膜する工程と、
前記酸化マスク用絶縁膜の一部に開口部を形成する工程と、
前記開口部底面の前記キャリア供給層にエッチング溝を形成する工程と、
酸化によって前記エッチング溝の内面に酸化膜で構成された絶縁膜領域を形成する工程と、
前記酸化マスク用絶縁膜をエッチングにより除去する工程と、
前記キャリア供給層上にソースおよびドレイン電極を形成する工程と、
前記絶縁膜領域上にゲート電極を形成する工程と、
を含んでなる窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造方法。 - 前記酸化が、酸素を含む雰囲気ガス中で８００℃以上１１００℃以下の温度範囲で１０分以上６０分以下の時間熱処理する熱酸化法でなされることを特徴とする請求項４または５記載の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造方法。
- 前記酸化が、アルカリ溶液中でウエハと溶液中に設けられた電極金属の間に電流を流して前記キャリア供給層を酸化する方法でなされることを特徴とする請求項４または５記載の窒化物半導体系電界効果トランジスタの製造方法。
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