JP2005183597A - 窒化物半導体ｍｉｓ型電界効果トランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】 ゲートリーク電流が小さく、かつドレイン電流の時間的変動の無い高電圧動作高出力ＭＩＳ型窒化物半導体トランジスタを提供する。
【解決手段】 窒化物半導体３の表面とゲート電極２の間にゲート絶縁膜を有する窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタであって、ゲート絶縁膜が窒素を含むアルミニウムの酸化物７である。窒素を含むアルミの酸化物７をゲート絶縁膜に用いることにより、膜中のリークパスを無くし、また窒化物半導体３に対して十分な障壁高さを得ることによりゲートリーク電流を低減すると共に、ドレイン電流の時間的変動の主要因となる半導体界面に発生する界面準位を抑制する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタに関し、特に、素子のゲートリーク電流を低減して高電圧で動作できる窒化物半導体高出力素子に関する。

従来この種の絶縁膜をゲート電極と窒化物半導体の間に挟んだＭＩＳ型電界効果トランジスタは、例えば、特許文献１あるいは非特許文献１に掲載されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒと題するアシフ・カーン（Ｍ． Ａｓｉｆ Ｋｈａｎ）による論文に示されているように、窒化物半導体電界効果トランジスタのゲート入力電圧幅の増加およびゲートリーク電流低減を目的として用いられている。

図２に示すように、絶縁膜１をゲート電極２と窒化物半導体３の間に挟んだＭＩＳ型電界効果トランジスタは、ソース電極４とドレイン電極５間のＡｌＧａＮ半導体表面を被う絶縁膜１と、絶縁膜１上のゲート電極２とから構成されている。従来、絶縁膜１としてはＡｌＮ半導体結晶およびＡｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＳｉＮ等の酸化物および窒化物が用いられている。

特開平１０−２２３９０１号公報 アイイーイーイー エレクトロンデバイスレターズ（ＩＥＥＥ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥ ＬＥＴＴＥＲＳ）、２０００年発行、第６３頁乃至第６５頁

しかしながら、従来の絶縁膜１をゲート電極２と窒化物半導体３の間に挟んだＭＩＳ型電界効果トランジスタでは、図３に示すようにＡｌＮ結晶を絶縁膜１として用いた場合には、結晶の品質が悪いため、ゲートリーク電流の低減ができない問題があった。一方、ＳｉＮ膜を用いた場合には、ＳｉＮのエネルギーバンドギャップ値（５ｅＶ）とＡｌＧａＮのエネルギーバンドギャップ値（例えばＡｌ組成０．３で４．１ｅＶ）の差が小さいためゲート電圧に正の電圧を加えた時に窒化物半導体３であるＡｌＧａＮからＳｉＮに電子が流れ込みゲートリーク電流が増加する問題があった。

また、ＳｉＯ_２膜、Ａｌ_２Ｏ_３を用いた場合には、絶縁膜１と窒化物半導体３の界面に高い密度の界面準位が発生するため図４に示すように素子の特性が劣化するという問題が生じていた。

そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、ゲートリーク電流が小さく、かつ絶縁膜／窒化物半導体界面に発生する界面準位が小さい高電圧で動作して高い出力特性を示すＭＩＳ型電界効果トランジスタを提供することにある。

本発明では、窒化物半導体表面とゲート電極の間にゲート絶縁膜を有する窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタにおいて、上記ゲート絶縁膜が窒素を含むアルミニウムの酸化物であることを特徴とする。

ここで、前記ゲート絶縁膜の厚さが３ｎｍ以上で２０ｎｍ以下であることが好ましい。

また、前記ゲート絶縁膜の酸素原子数と窒素原子数の比（酸素原子数／（酸素原子数＋窒素原子数））が０．４より大きく０．９５以下であることが好ましい。

また、前記ゲート絶縁膜は、ソース電極端からドレイン電極端までの窒化物半導体表面を被っていることが好ましい。

また、前記ゲート絶縁膜は、ゲート電極直下およびその周辺の窒化物半導体表面を被い、ゲート絶縁膜端からドレイン電極端までの窒化物半導体表面は、窒素を含むアルミニウムの酸化物以外の第２の絶縁膜で被われていることが好ましい。

また、前記ゲート絶縁膜の寸法より前記ゲート電極の寸法が大きく、かつゲート絶縁膜端からドレイン電極端までの窒化物半導体表面は、窒素を含むアルミニウムの酸化物以外の第２の絶縁膜で被われていることが好ましい。

さらに、本発明では、窒化物半導体表面とゲート電極の間にゲート絶縁膜を有する窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタにおいて、上記ゲート絶縁膜は、ゲート電極側が窒素を含むアルミニウムの酸化物、窒化物半導体表面側がアルミニウムの窒化物の２層の絶縁膜で構成されていることを特徴とする。

ここで、前記窒素を含むアルミニウムの酸化物の厚さが３ｎｍ以上で１６ｎｍ以下であり、前記アルミニウムの窒化物の厚さが０ｎｍより厚く４ｎｍ以下であることが好ましい。

上述のように、本発明の窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタは、ソース電極とドレイン電極間の窒化物半導体表面を被う絶縁膜部と、絶縁膜上のゲート電極部とから構成される金属／絶縁膜／半導体構造（ＭＩＳ構造）において、絶縁膜として窒素を含むアルミニウムの酸化物（ＡｌＯＮ）を設けたことを特徴としている。

このように、絶縁膜としてアモルファス状の窒素を含むアルミニウムの酸化物（ＡｌＯ）を設けているため、ＡｌＮ結晶を用いた絶縁膜で問題となった絶縁膜を貫通する結晶欠陥を介したリーク電流は著しく低減する。

また、アルミの酸化物に準ずる高いエネルギーバンドギャップを有するため窒化物半導体から絶縁膜に流れ込むリーク電流も低減できる。さらに、窒素を含む絶縁膜であるため絶縁膜／半導体界面を形成する際、窒化物半導体からの窒素の脱離を抑制して、窒素抜けにより発生する界面準位密度も低く抑える。この結果、高電圧動作でもゲートリーク電流が発生せずまた界面準位が少ないため良好なパワー特性が得られる。

本発明によれば、絶縁膜として窒素を含むＡｌの酸化物を用いることで、ゲートリーク電流が小さく、界面準位による特性劣化のない高電圧動作可能なＭＩＳ型トランジスタを提供することができる。

本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１を参照すると、本発明の第１の実施の形態として窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタの断面図が示されている。

窒化物半導体３の表面にはソース電極４およびドレイン電極５が形成されている。このソース電極４とドレイン電極５間の窒化物半導体３の表面上には、アモルファス状態の、窒素を含むアルミニウムの酸化物７が設けられ、その上にゲート電極２が形成されている。

かかる窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタにおいては、アモルファス状態の、窒素を含むアルミニウムの酸化物７がゲートの絶縁膜となっているので、窒化アルムニウム（ＡｌＮ）結晶をゲート絶縁膜に用いた場合に問題となった結晶欠陥に起因するゲートリーク電流は発生しない。また、絶縁膜のエネルギーバンドギャップ値も７から９ｅＶの範囲にあり窒化物半導体のエネルギーバンドギャップ値（例えばＡｌ組成０．３のＡｌＧａＮで４．１ｅＶ）より十分高くＳｉＮ（エネルギーバンドギャップ値５ｅＶ）をゲート絶縁膜として用いた時に問題となった窒化物半導体の伝導帯からＳｉＮ絶縁膜の伝導帯へ電子が流れ込むゲートリーク電流の発生もない。更に、窒素を含むアルミニウムの酸化物７がゲートの絶縁膜となっているのでＳｉＯ_２あるいはＡｌ_２Ｏ_３等の絶縁膜と窒化物半導体３との界面に発生する界面準位も小さい。

従って、図３に示すように、ゲートリーク電流の小さく高電圧動作が可能であり、また、図４に示すようにドレイン電流の変動が少なくなるという効果がもたらされる。

本発明による窒素を含むアルミニウムの酸化物をゲート絶縁膜に用いることにより、ゲートリーク電流および絶縁膜／窒化物半導体界面準位が低減されている。従って、高電圧動作可能となり高周波の出力特性が格段に向上する。

このように第１の実施の形態の特徴は絶縁膜としてアモルファス状態の、窒素を含むアルミニウムの酸化物７を用いていることに有り、厚さとしては３ｎｍ以上２０ｎｍ以下とし、酸素原子数／（窒素原子数＋酸素原子数）の比率は０．４より大きく０．９８以下に設定する。特に、リーク電流とＦＥＴのしきい値電圧の関係から膜厚に関しては７ｎｍ以上１２ｎｍ以下が好ましい。

これは図５に示されるように、リーク電流が絶縁膜厚３ｎｍ以上で実用的に十分な２桁の低減があるからであり、２０ｎｍ以上ではトランジスタのしきい値電圧が−１２Ｖより深くなりバイアス電圧設定の点から実用的でなくなるからである。望ましくはリーク電流が１０^−７Ａ／ｍｍに抑えられる７ｎｍ以上しきい値電圧が−１０Ｖより浅くなる１２ｎｍ以下が好ましい。

酸素原子数／（窒素原子数＋酸素原子数）の比率は、図６に示すように、従来の窒化アルムニウム（ＡｌＮ）におけるリーク電流が急激に低減できる０．４より大きいが必要で、望ましくは低いゲートリーク電流安定して得られる０．６以上が好ましい。酸素原子数／（窒素原子数＋酸素原子数）の比率は界面準位の発生が少なくドレイン電流の変動の少ない０．９５以下が必要で安定して低い界面準位が得られる０．９０が望ましい。

次に、図７を参照して、第１の実施の形態に係る窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタの第１の製造方法について説明する。

始めに、基板６上に結晶成長により窒化物半導体３を形成した後、表面に窒化アルムニウム（ＡｌＮ）８を成長する（図７（ａ））。窒化アルムニウム（ＡｌＮ）８は連続的に成長される場合と一度大気中に取り出された後、別の成長装置で成長される場合がある。次に、窒化アルムニウム（ＡｌＮ）８を酸化して窒素を含むアルミニウムの酸化物７を形成する（図７（ｂ））。次に、窒素を含むアルミニウムの酸化物７の一部を開口して、窒化物半導体３とオーミック接触を形成するソース電極４及びドレイン電極５を形成する（図７（ｃ））。最後に、窒素を含むアルミニウムの酸化物７上にゲート電極２を形成する（図７（ｄ））。

本実施の形態の製造方法では結晶成長で成膜した窒化アルムニウム（ＡｌＮ）８を酸化して窒素を含むアルミニウムの酸化物７を形成しているため、絶縁膜／窒化物半導体界面がプロセス工程中に大気に暴露されておらず、表面汚染等影響が無いため界面準位の発生を特に制御性良く抑制できる。従って、ドレイン電流が動作中に変動することが無く安定して動作する利点が得られる（図３参照）。

次に、具体的な実施例を用いて本実施の形態を説明する。

基板６として高抵抗ＳｉＣ基板を用い、窒化物半導体３としてＡｌＮバッファ層４ｎｍ，ＧａＮ層２０００ｎｍ，ＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成比０．２５，厚さ３０ｎｍ）を形成した。窒素を含むアルミニウムの酸化物７としてＡｌＮを８ｎｍ成長し後、９５０℃の酸素雰囲気中で４０分間熱処理することによりＡｌＮを酸化してＡｌＯＮ膜（酸素原子数／（酸素原子数＋窒素原子数）の元素の比率０．９２）を形成した。その後、レジストをマスクにＡｌＯＮ膜を燐酸エッチング液にて除去してソース電極４、ドレイン電極５としてＴｉ，Ａｌを連続して蒸着した。その後、窒素雰囲気中６５０℃で熱処理することによりオーミックコンタクトを形成した。その後、ゲート電極２としてＮｉ，Ａｕを蒸着、リフトオフして形成した。

次に、図８を参照して、第１の実施の形態に係る窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタの第２の製造方法を説明する。

始めに、基板６上に結晶成長により窒化物半導体３を形成した後、窒素を含むアルミニウムの酸化物７をスパッタ、ＣＶＤ法等を用いて形成する（図８（ａ））。次に、窒素を含むアルミニウムの酸化物７の一部を開口して、窒化物半導体３とオーミック接触を形成するソース電極４及びドレイン電極５を形成する（図８（ｂ））。最後に、窒素を含むアルミニウムの酸化物７上にゲート電極２を形成する（図８（ｃ））。

本実施の形態の製造方法では、スパッタ法、気相成長法を用いて窒素を含むアルミニウムの酸化物７を形成しているため、成長温度（約１０００℃）に比較して電極等の劣化がない低い温度（４００℃）以下の一回の成膜で窒素を含むアルミニウムの酸化物７が形成できる。このため、プロセス工程およびプロセス設備が簡略化できる。本実施の形態では窒素を含むアルミニウムの酸化物７を成膜する前に、界面準位低減のため窒化物半導体表面の清浄化工程を取り入れることが望ましい。

具体的な実施例を用いて本実施の形態を説明する。基板６として高抵抗ＳｉＣ基板を用い、窒化物半導体３としてＡｌＮバッファ層４ｎｍ，ＧａＮ層２０００ｎｍ，ＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成比０．２５，厚さ３０ｎｍ）を形成した。窒素を含むアルミニウムの酸化物７としてスパッタ装置にてＡｌ_２Ｏ_３をアルゴン、窒素混合ガスでスパッタ蒸着することにより酸素原子数／（酸素原子数＋窒素原子数）の元素の比率０．８のＡｌＯＮ膜、厚さ１０ｎｍを形成した。その後、レジストをマスクにＡｌＯＮ膜を燐酸エッチング液にて除去してソース電極４、ドレイン電極５としてＴｉ，Ａｌを連続して蒸着した。その後、窒素雰囲気中６５０℃で熱処理することによりオーミックコンタクトを形成した。その後、ゲート電極２としてＮｉ，Ａｕを蒸着、リフトオフして形成した。

次に、図９を参照して、第１の実施の形態に係る窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタの第３の製造方法を説明する。

始めに、基板６上に結晶成長により窒化物半導体３を形成した後、窒化物半導体３とオーミック接触を形成するソース電極４、ドレイン電極５を形成する（図９（ａ））。次に、窒素を含むアルミニウムの酸化物７をスパッタ、ＣＶＤ法等を用いて形成する窒素を含むアルミニウムの酸化物７形成する（図９（ｂ））。次に、窒素を含むアルミニウムの酸化物７上にゲート電極２を形成する（図９（ｃ））。最後に、ソース電極４及びドレイン電極５の一部を開口して外部との電気的接続を可能とする（図９（ｄ））。

本実施の形態の製造方法では、ソース電極４及びドレイン電極５のゲート電極２側の端が窒素を含むアルミニウムの酸化物７で隙間無く保護されているので電極の長期的な劣化が無く信頼性が高いトランジスタが実現できる。

具体的な実施例を用いて本実施の形態を説明する。

基板６として高抵抗ＳｉＣ基板を用い、窒化物半導体３としてＡｌＮバッファ層４ｎｍ，ＧａＮ層２０００ｎｍ，ＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成比０．２５，厚さ３０ｎｍ）を形成した。次に、ソース電極４、ドレイン電極５としてＴｉ，Ａｌを連続して蒸着して、窒素雰囲気中６５０℃で熱処理することによりオーミックコンタクトを形成した。その後、窒素を含むアルミニウムの酸化物７としてスパッタ装置にてＡｌ_２Ｏ_３をアルゴン、窒素混合ガスでスパッタ蒸着することにより、厚さ１０ｎｍのＡｌＯＮ（酸素原子数／（酸素原子数＋窒素原子数）の原子の比率０．８５）を形成した。その後、ゲート電極２としてＮｉ，Ａｕを蒸着、リフトオフして形成した。

（第２の実施の形態）
上記実施の形態において、電極間の窒化物半導体表面を被う絶縁膜を窒素を含むアルミニウムの酸化物７と第２の絶縁膜で構成することができる。そのための構成を、第２の実施の形態として図１０（ａ）示す。

本第２の実施の形態では、界面準位が低いことを必要とするゲート電極２の直下とその周辺部分を界面準位が低いことを特徴とする窒素を含むアルミニウムの酸化物７で被い、ソース電極４及びドレイン電極５までの残りの窒化物半導体表面を高いドレイン耐圧特性を示す表面保護膜８で被う。

本実施の形態では、電極間の絶縁膜を窒素を含むアルミニウムの酸化物７単層にした場合より高い電圧まで電界効果トランジスタを動作させることが可能となり、第１の実施の形態よりさらに高い出力特性が得られるという格別な効果を奏する。

また、本実施の形態の電極間の絶縁膜の構成において、窒素を含むアルミニウムの酸化物７と表面保護膜８で構成する形態を、図１０（ｂ）に示すように、高い電圧が加わるゲート電極２とドレイン電極５の間のみに適用されるように変更してもよい。

次に、図１１を参照して、第２の実施の形態に係る窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタの製造方法について説明する。

始めに、基板６上に結晶成長により窒化物半導体３を形成した表面に窒素を含むアルミニウムの酸化物７を第１の実施の形態の第１あるいは第２の製造方法と同様な手法で形成する（図１１（ａ））。次に、窒素を含むアルミニウムの酸化物７をゲート電極７の直下とその周辺部に相当する領域のみ残してその他を除去する（図１１（ｂ））。

続いて、窒化物半導体３とオーミック接触を形成するソース電極４及びドレイン電極５を形成する（図１３（ｃ））。次に、窒素を含むアルミニウムの酸化物７上にゲート電極２を形成する（図１１（ｄ））。最後に表面保護膜８で表面を被い、ソース電極４、ドレイン電極５及びゲート電極２の電流取り出し領域の表面保護膜８を除去する。

具体的な実施例を用いて本実施の形態を説明する。

基板６として高抵抗ＳｉＣ基板を用い、窒化物半導体３としてＡｌＮバッファ層４ｎｍ，ＧａＮ層２０００ｎｍ，ＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成比０．２５，厚さ３０ｎｍ）を形成した。窒素を含むアルミニウムの酸化物７としてスパッタ装置にてＡｌ_２Ｏ_３をアルゴン、窒素混合ガスでスパッタ蒸着することにより厚さ１０ｎｍのＡｌＯＮ膜（酸素原子数／（酸素原子数＋窒素原子数）の原子の比率０．８）を形成した。その後、レジストをマスクとして使用して、ＡｌＯＮ膜のゲート電極２の周辺部以外を燐酸エッチング液にて除去した。

ＡｌＯＮ膜開口部中のソース電極４、ドレイン電極５部分にＴｉ，Ａｌを連続して蒸着し、窒素雰囲気中６５０℃で熱処理することによりオーミックコンタクトを形成した。ＡｌＯＮ膜上にはゲート電極２としてＮｉ，Ａｕを蒸着、リフトオフして形成した。最後に、全体に表面保護膜８としてＳｉＯ_２を２００ｎｍ形成し電流取り出し領域の電極部を開口した。本構造を用いることで、ＭＩＳＦＥＴは８０Ｖまで動作可能となった。

（第３の実施の形態）
上記の電極間の絶縁膜を窒素を含むアルミニウムの酸化物７と表面保護膜８で構成する実施の形態において、ゲート電極直下のみを窒素を含むアルミニウムの酸化物７で被うことができる。そのための構成を、第３の実施の形態として図１２に示す。

電極間の絶縁膜を窒素を含むアルミニウムの酸化物７と第２の絶縁膜で構成する本第３の実施の形態では、界面準位が低いことを必要とするゲート電極２の直下のみを窒素を含むアルミニウムの酸化物７で被い、ソース電極４及びドレイン電極５までの窒化物半導体表面を高い耐圧特性を示す表面保護膜８で被う。

本実施の形態では、電極間の絶縁膜を窒素を含むアルミニウムの酸化物７単層あるいは表面保護膜８との２層構造にした場合より、表面保護膜８単層のほうが、電界効果トランジスタとして高い電圧まで安定して動作してより高い出力を可能とするという格別な効果を奏する。

また、本実施の形態の電極間の絶縁膜の構成において、窒素を含むアルミニウムの酸化物７と第２の絶縁膜の２種類の膜で構成する形態を、高い電圧が加わるゲート電極２とドレイン電極５間のみに適用されるように変更してもよい。

次に、図１３を参照して、第３の実施の形態に係る窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタの製造方法について説明する。

始めに、基板６上に結晶成長により窒化物半導体３を形成した表面に窒素を含むアルミニウムの酸化物７を第１の実施の形態の第１あるいは第２の製造方法と同様な手法で形成する（図１２（ａ））。次に、ゲート電極２を蒸着あるいはスパッタ法を用いて形成する（図１２（ｂ））。続いて、窒素を含むアルミニウムの酸化物７をゲート電極をマスクとしてエッチング除去した後、ソース電極４及びドレイン電極５を窒化物半導体３の表面に形成する（図１２（ｃ））。最後に、表面保護膜８で表面を被い、ソース電極４、ドレイン電極５及びゲート電極２の電流取り出し領域の表面保護膜８を除去する（図１２（ｄ））。

具体的な実施例を用いて本実施の形態を説明する。

基板６として高抵抗ＳｉＣ基板を用い、窒化物半導体３としてＡｌＮバッファ層４ｎｍ，ＧａＮ層２０００ｎｍ，ＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成比０．２５，厚さ３０ｎｍ）を形成した。窒素を含むアルミニウムの酸化物７としてスパッタ装置にてＡｌ_２Ｏ_３をアルゴン、窒素混合ガスでスパッタ蒸着することにより厚さ１０ｎｍのＡｌＯＮ膜（酸素原子数／（酸素原子数＋窒素原子数）の原子の比率０．８）を形成した。ＡｌＯＮ膜上にはゲート電極２としてＮｉ，Ａｕを蒸着、リフトオフして形成した。その後、ゲート電極２をマスクとして使用して、ＡｌＯＮ膜を燐酸エッチング液にて除去した。ソース電極４、ドレイン電極５部分にＴｉ，Ａｌを連続して蒸着し、窒素雰囲気中６５０℃で熱処理することによりオーミックコンタクトを形成した。最後に、全体に表面保護膜８としてＳｉＯ_２を２００ｎｍ形成し電流取り出し領域の電極部を開口した。本構造を用いることでＭＩＳＦＥＴは１００Ｖまで動作可能となった。

（第４の実施の形態）
上記各実施の形態において、ゲート電極下に窒素を含むアルミニウムの酸化物７の単層を用いたが、窒素を含むアルミニウムの酸化物７と窒化物半導体３の間に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）８を挿入した構造によって構成することができる。そのための構成を、第４の実施の形態として図１４に示す。

窒化物半導体３の表面にはソース電極４及びドレイン電極５が形成されている。このソース電極４とドレイン電極５間の窒化物半導体３の表面上には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）９とアモルファス状態の、窒素を含むアルミニウムの酸化物７が積層して設けられ、その上にゲート電極２が形成されている。

かかる窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタにおいては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）９とアモルファス状態の、窒素を含むアルミニウムの酸化物７の２層膜がゲート２の絶縁膜となっているので、窒化アルムニウム（ＡｌＮ）８結晶を単層としてゲート絶縁膜に用いた場合に問題となった結晶欠陥に起因するゲートリーク電流は発生しない。

また、絶縁膜のエネルギーバンドギャップ値も７から９ｅＶの範囲にあり窒化物半導体のエネルギーバンドギャップ値（例えばＡｌ組成０．３のＡｌＧａＮで４．１ｅＶ）より十分高くＳｉＮ（エネルギーバンドギャップ値５ｅＶ）をゲート絶縁膜として用いた時に問題となった窒化物半導体の伝導帯からＳｉＮ絶縁膜の伝導帯へ電子が流れ込むゲートリーク電流の発生もない。

更に、窒化物半導体３，窒化アルミニウム９，窒素を含むアルミニウムの酸化物７が順次ヘテロ界面を形成しており，電流が流れる窒化物半導体３と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）９の界面準位は窒化物結晶で構成されているため界面準位密度は最も小さくなる。

更に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）９と窒素を含むアルミニウムの酸化物７の界面に発生する界面準位もＳｉＯ_２あるいはＡｌ_２Ｏ_３等の絶縁膜を窒素を含むアルミニウムの酸化物７の代わりに用いた場合よりも大幅に低減できる。これは絶縁膜／窒化アルミニウム（ＡｌＮ）９界面を形成する際、窒素を含むアルミニウムの酸化物７を用いることにより窒化アルミニウム（ＡｌＮ）９からの窒素の脱離を抑制して、窒素抜けにより発生する界面準位密度を低く抑えるからである。

従って、ゲートリーク電流の小さく（図２参照）、高電圧動作が可能でドレイン電流の変動が少なくなる（図３参照）という効果がもたらされる。

本発明による窒素を含むアルミニウムの酸化物のゲート絶縁膜の存在により、ゲートリーク電流および絶縁膜／窒化物半導体界面準位が低減されている。従って、高電圧動作可能となり高周波の出力特性が格段に向上する。

このように、第４の実施の形態の特徴は絶縁膜として、窒素を含むアルミニウムの酸化物７と窒化アルミニウム９の２層膜を用いていることにある。この場合、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）９の厚さは４ｎｍ以下であり、窒素を含むアルミニウムの酸化物７の厚さとしては３ｎｍ以上１６ｎｍ以下とし、酸素原子数／（酸素原子数＋窒素原子数）の比率は０．４より大きく０．９８以下に設定する。

特に、リーク電流とＦＥＴのしきい値電圧の関係から膜厚に関しては７ｎｍ以上１１ｎｍ以下が好ましい。これは図１６に示されるようにリーク電流が絶縁膜厚３ｎｍ以上で実用的に十分な２桁の低減があるからであり、１６ｎｍ以上ではトランジスタのしきい値電圧が−１２Ｖより深くなりバイアス電圧設定の点から実用的でなくなるからである。望ましくは、リーク電流が１０^−１０Ａ／ｍｍに抑えられる７ｎｍ以上しきい値電圧が−１０Ｖより浅くなる１１ｎｍ以下が好ましい。

酸素原子数／（酸素原子数＋窒素原子数）の比率は、第１の実施の形態の図５に示すように従来の窒化アルムニウム（ＡｌＮ）におけるリーク電流が急激に低減できる０．４より大きいことが必要で望ましくは低いゲートリーク電流安定して得られる０．６以上が望ましい。酸素原子数／（酸素原子数＋窒素原子数）の比率は界面準位の発生が少なくドレイン電流の変動の少ない０．９５以下が必要で安定して低い界面準位が得られるの０．９０が望ましい。

次に、図１５を参照して、第４の実施の形態に係る窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタの製造方法について説明する。

始めに、基板６上に結晶成長により窒化物半導体３を形成した後、表面に窒化アルムニウム（ＡｌＮ）９を成長する（図１５（ａ））。窒化アルムニウム（ＡｌＮ）９は連続的に成長される場合と一度大気中に取り出された後、別の成長装置で成長される場合がある。次に、窒化アルムニウム（ＡｌＮ）９の表面層を酸化して窒素を含むアルミニウムの酸化物７を形成する（図１５（ｂ））。このとき窒化アルムニウム（ＡｌＮ）９の層を厚さ４ｎｍ以下残して酸化を終了する。次に、窒素を含むアルミニウムの酸化物７及び窒化アルムニウム（ＡｌＮ）９の一部を開口して、窒化物半導体３とオーミック接触を形成するソース電極４及びドレイン電極５を形成する（図１５（ｃ））。最後に、窒素を含むアルミニウムの酸化物７上にゲート電極２を形成する（図１５（ｄ））。

本実施の形態の製造方法では、結晶成長で成膜した窒化アルムニウム（ＡｌＮ）９を４ｎｍ以下残して表面側を酸化して窒素を含むアルミニウムの酸化物７を形成しているため、絶縁膜／窒化物半導体界面がプロセス工程中に大気に暴露されておらず、表面汚染等影響が無いため界面準位の発生を特に制御性良く抑制できる。

また、従来のＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２等の酸化膜を用いず窒素を含むアルミニウムの酸化物７を用いることにより窒化アルミニウム（ＡｌＮ）８からの窒素の脱離を抑制して、窒素抜けにより発生する界面準位密度も低く抑える特徴がある。従って、ドレイン電流が動作中に変動することが無く安定して動作する利点が得られる（図１７参照）。

次に、具体的な実施例を用いて本実施の形態を説明する。

基板６として高抵抗ＳｉＣ基板を用い、窒化物半導体３としてＡｌＮバッファ層５ｎｍ，ＧａＮ層２０００ｎｍ，ＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成比０．２５，厚さ３０ｎｍ）を形成した。窒素を含むアルミニウムの酸化物７としてＡｌＮを８ｎｍ成長し後、９５０℃の酸素雰囲気中で３０分間熱処理することによりＡｌＮの上層を酸化してＡｌＯＮ（酸素原子濃度８５％，厚さ５ｎｍ）／ＡＮ（厚さ３ｎｍ）の２層膜を形成した。

その後、レジストをマスクとして使用して、ＡｌＯＮ／ＡｌＮの２層膜を燐酸エッチング液にて除去してソース電極４、ドレイン電極５としてＴｉ，Ａｌを連続して蒸着した。その後、窒素雰囲気中６５０℃で熱処理することによりオーミックコンタクトを形成した。その後、ゲート電極２としてＮｉ，Ａｕを蒸着、リフトオフして形成した。

なお、第４の実施の形態では窒素を含むアルミニウムの酸化物７と窒化物半導体３の間に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）９を挿入した層が、ソース電極４とドレイン電極５間の全領域を被った場合を説明したが、第２あるいは３の実施の形態と同様に、２層膜がゲート２の近傍のみに存在して第２の絶縁膜によってソース電極４とドレイン電極５間の残りの領域が被われる構造を用いれば、動作電圧をさらに高める効果がある。

本発明の第１の実施の形態係る窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタ構造を示す断面図である。 従来の窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタの構造を示す断面図である。 従来技術の課題を示すゲートリーク電流−ゲート電圧特性図である。 従来技術の課題を示すドレイン電流変動図である。 本発明の効果を示すＡｌＯＮ膜厚とデバイス特性の関係図である。 本発明の効果を示すＡｌＯＮ膜の酸素濃度とデバイス特性の関係図である。 本発明に係る窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタの製造方法を示す断面図である。 本発明に係る窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタの製造方法を示す断面図である。 本発明に係る窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタの製造方法を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタの構造を示す断面図である。 本発明の窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタの製造方法を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタの構造を示す断面図である。 本発明の窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタの製造方法を示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタの構造を示す断面図である。 本発明の窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタの製造方法を示す断面図である。 本発明の効果を示すＡｌＯＮ膜の厚さとデバイス特性の関係図である。 本発明の効果を示すドレイン電流変動図である。

符号の説明

１ ゲート絶縁膜
２ ゲート電極
３ 窒化物半導体
４ ソース電極
５ ドレイン電極
６ 基板
７ 窒素を含むアルミの酸化物（ＡｌＯＮ）
８ 表面保護膜
９ 窒化アルミニウム（ＡｌＮ）

Claims (12)

1. 窒化物半導体表面とゲート電極の間にゲート絶縁膜を有する窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタにおいて、
   上記ゲート絶縁膜が窒素を含むアルミニウムの酸化物であることを特徴とする窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタ。
2. 前記ゲート絶縁膜の厚さが３ｎｍ以上で２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタ。
3. 前記ゲート絶縁膜の酸素原子数と窒素原子数の比（酸素原子数／（酸素原子数＋窒素原子数））が０．４より大きく０．９５以下であることを特徴とする請求項１又２に記載の窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタ。
4. 前記ゲート絶縁膜は、ソース電極端からドレイン電極端までの窒化物半導体表面を被っていることを特徴とする請求項１乃至３に記載の窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタ。
5. 前記ゲート絶縁膜は、ゲート電極直下およびその周辺の窒化物半導体表面を被い、
   ゲート絶縁膜端からドレイン電極端までの窒化物半導体表面は、窒素を含むアルミニウムの酸化物以外の第２の絶縁膜で被われていることを特徴とする請求項１乃至３に記載の窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタ。
6. 前記ゲート絶縁膜の寸法より前記ゲート電極の寸法が大きく、かつゲート絶縁膜端からドレイン電極端までの窒化物半導体表面は、窒素を含むアルミニウムの酸化物以外の第２の絶縁膜で被われていることを特徴とする請求項１乃至３に記載の窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタ。
7. 窒化物半導体表面とゲート電極の間にゲート絶縁膜を有する窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタにおいて、
   上記ゲート絶縁膜は、ゲート電極側が窒素を含むアルミニウムの酸化物、窒化物半導体表面側がアルミニウムの窒化物の２層の絶縁膜で構成されていることを特徴とする窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタ。
8. 前記窒素を含むアルミニウムの酸化物の厚さが３ｎｍ以上で１６ｎｍ以下であり、前記アルミニウムの窒化物の厚さが０ｎｍより厚く４ｎｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタ。
9. 前記窒素を含むアルミニウムの酸化物で構成された前記ゲート絶縁膜の酸素原子数と窒素原子数の比（酸素原子数／（酸素原子数＋窒素原子数））が０．４より大きく０．９５以下であることを特徴とする請求項７又は８に記載の窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタ。
10. 前記ゲート絶縁膜が、ソース電極端からドレイン電極端までの窒化物半導体表面を被っていることを特徴とする請求項７乃至９に記載の窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタ。
11. 前記ゲート絶縁膜が、ゲート電極直下およびその周辺の窒化物半導体表面を被い、
    ゲート絶縁膜端からドレイン電極端までの窒化物半導体表面は、窒素を含むアルミニウムの酸化物以外の第２の絶縁膜で被われていることを特徴とする請求項７乃至９に記載の窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタ。
12. 前記ゲート絶縁膜の寸法よりゲート電極の寸法が大きく、かつゲート絶縁膜端からドレイン電極端までの窒化物半導体表面は、窒素を含むアルミニウムの酸化物以外の第２の絶縁膜で被われていることを特徴とする請求項７乃至９に記載の窒化物半導体ＭＩＳ型電界効果トランジスタ。
    
    
    
    

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