JP2005183906A - 窒化物半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

窒化物半導体装置及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 窒化物半導体層に形成される制御電極のショットキ特性におけるリーク電流を大幅に低減し、窒化物半導体層内での衝突イオン化を抑制することにより高耐圧化を実現し、また周波数分散を抑制することができる窒化物半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 基板上に積層した窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層の上に積層した窒化物半導体層からなり、アルミニウムを含まない第２の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層にショットキ接触する制御電極とを備えた窒化物半導体装置であり、第２の窒化物半導体層は、その成長温度を低く設定することにより、絶縁特性の優れた微結晶構造とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、能動層に窒化物半導体を用いた窒化物半導体装置及びその製造方法に関し、特に高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）や電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）のような、半導体装置にショットキ接触する制御電極を有する窒化物半導体装置及びその製造方法に関する。
図１０は、従来のIII−Ｖ族窒化物半導体からなる半導体装置の断面図を示している。図１０に示す半導体装置は、いわゆるＨＥＭＴ構造を示しており、サファイア基板からなる基板１０１上には、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層１０２、窒化ガリウムからなるチャネル層１０３、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層１０４、ノンドープの窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層１０５が順次積層した構造となっており、チャネル層１０３とキャリア供給層１０４とからなるヘテロ接合界面近傍に、ポテンシャル井戸からなる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ている。このような構造の半導体装置では、ショットキ層１０５にショットキ接触するゲート電極１０６（制御電極）に印加する電圧を制御することにより、ソース電極１０７ａとドレイン電極１０７ｂとの間を流れるキャリア（２次元電子ガス）を制御している。
この種の半導体装置は、上記構造の他、例えば特許文献１に開示されているような様々な構造が提案されている。
特開平１０−３３５６３７号公報
しかしながら従来の窒化物半導体装置の耐圧は、ゲート金属と窒化物半導体層との接触で形成されるショットキ特性に大きく左右されている。一般的に窒化物半導体層、例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層や窒化ガリウム（ＧａＮ）層上に形成されるゲート金属のショットキ特性は、高いゲートリーク電流が見られ、これが衝突イオン化のトリガーとなり、高出力素子の窒化物半導体装置の重要なパラメータであるオフ耐圧（ＦＥＴがオフ状態でのドレイン耐圧）を予想される数値よりも低下させて、ワイドギャップ材料の高耐圧という特性を十分に引き出すことができないという問題点があった。一方窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層や窒化ガリウム（ＧａＮ）層などの窒化物半導体層上にゲート電極を形成した半導体装置においても、窒化物半導体層の表面準位にトラップされた電子により、表面のポテンシャルが揺らぎ、電流−電圧特性の周波数分散が生じるという問題があった。本発明は、窒化物半導体層に形成される制御電極（ゲート電極）のショットキ特性におけるリーク電流を大幅に低減し、窒化物半導体層内での衝突イオン化を抑制することにより高耐圧化を実現し、また周波数分散を抑制することができる窒化物半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、基板上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層の上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、アルミニウムを含まない第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層にショットキ接触する制御電極とを備え、前記第２の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層より成膜温度の低い膜からなることを特徴とする。
本願請求項２に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、基板上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層の上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、アルミニウムを含まない第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層にショットキ接触する制御電極とを備え、前記第２の窒化物半導体層は、微結晶構造からなることを特徴とする。
本願請求項３に係る発明は、請求項１または２いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記第１の窒化物半導体層が、アルミニウムを含む前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなることを特徴とする。
本願請求項４に係る発明は、請求項１乃至３いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記基板と前記第１の窒化物半導体層との間に、前記第１の窒化物半導体層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層を備えたことを特徴とする。
本願請求項５に係る発明は、請求項１乃至４いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記第２の窒化物半導体層にショットキ接触する前記制御電極と、前記第１の窒化物半導体層にオーミック接触するソース電極及びドレイン電極とを備え、前記第１の窒化物半導体層からなるチャネル、あるいは前記第３の窒化物半導体層と前記第１の窒化物半導体層との間に形成されるチャネルを流れる電流を前記制御電極に印加する電圧により制御することを特徴とする。
本願請求項６に係る発明は、請求項５記載の窒化物半導体装置において、前記第１の窒化物半導体層がノンドープ若しくはｎ型の窒化物半導体層からなり、前記制御電極と前記ドレイン電極との間の前記第２の窒化物半導体層に、ｐ型の窒化物半導体領域を備えたことを特徴とする。
本願請求項７に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置の製造方法において、基板上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層を形成する工程と、該第１の窒化物半導体層の上に、該第１の窒化物半導体層を形成する際の成膜温度より低い温度で、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、かつアルミニウムを含まない微結晶構造からなる第２の窒化物半導体層を形成する工程と、該第２の窒化物半導体層の上に制御電極を形成する工程とを含むことを特徴とする。
本願請求項８に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置の製造方法において、基板上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、かつアルミニウムを含む第１の窒化物半導体層を形成する工程と、該第１の窒化物半導体層の上に、該第１の窒化物半導体層を形成する際の成膜温度より低い温度で、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、かつアルミニウムを含まない微結晶構造からなる第２の窒化物半導体層を形成する工程と、該第２の窒化物半導体層の上に制御電極を形成する工程とを含むことを特徴とする。
本願請求項９に係る発明は、請求項７または８いずれか記載の窒化物半導体装置の製造方法において、前記基板上に前記第１の窒化物半導体層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層を形成する工程を含み、該第３の窒化物半導体層上に、前記第１の窒化物半導体層を形成することを特徴とする。
本願請求項１０に係る発明は、請求項７乃至９いずれか記載の窒化物半導体装置の製造方法において、前記第２の窒化物半導体層を除去し、露出した前記第１の窒化物半導体層上に、あるいは前記第２の窒化物半導体層の一部にｎ型の窒化物半導体領域を形成して、該ｎ型の窒化物半導体領域上に、前記第１の窒化物半導体層にオーミック接触するソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、前記第２の窒化物半導体層にショットキ接触する前記制御電極を形成する工程とを含むことを特徴とする。
本願請求項１１に係る発明は、請求項７乃至１０いずれか記載の窒化物半導体装置の製造方法において、ノンドープ若しくはｎ型の窒化物半導体層からなる前記第１の窒化物半導体層上に積層された前記第２の窒化物半導体層の上に前記制御電極を形成する工程と、前記制御電極と前記ドレイン電極との間の前記第２の窒化物半導体層に、ｐ型の窒化物半導体領域を形成する工程とを含むことを特徴とする。
本願請求項１２に係る発明は、請求項１０または１１いずれか記載の窒化物半導体装置の製造方法において、前記ｎ型の窒化物半導体領域を形成する工程、あるいは前記ｐ型の窒化物半導体領域を形成する工程において行われる加熱処理は、前記第２の窒化物半導体層のシート抵抗を低下させない温度範囲で行うことを特徴とする。
本願発明による窒化物半導体装置は、制御電極を少なくともアルミニウムを含まない窒化物半導体層に接触させる構造とし、また、この窒化物半導体層を絶縁性の高い微結晶構造とするため、リーク電流を少なくすることができる。本発明の制御電極をＦＥＴあるいはＨＥＭＴ等のゲート電極とした場合、ゲートリーク電流が減少する。さらにチャネルでの衝突イオン化が抑制されることにより、高耐圧化を実現できる。またゲート−ドレイン電極の間に絶縁性の高い微結晶構造からなる窒化物半導体層が設けられている構造とするため、ゲート−ドレイン電極の間の表面準位にトラップされる電子の抑制若しくは表面準位密度の低減により電流コラプス現象が抑制され、高周波特性も改善される。
またゲート−ドレイン電極の間に、ｐ型の窒化物半導体領域を形成することにより、表面準位にトラップされるキャリアに対してスクリーニングの効果を持つことになり、表面のポテンシャルの揺らぎによる電流−電圧特性の周波数分散を抑制することができる。
さらに本発明による窒化物半導体装置の製造方法は、通常の窒化物半導体装置の製造工程によるエピタキシャル成長温度の制御や、イオン注入法の制御のみにより、所望の構造の窒化物半導体装置を形成することができるため、製造工程の制御性が良く、特性の優れた窒化物半導体装置を歩留まり良く製造することができる。
以下、本発明の窒化物半導体装置及び窒化物半導体装置の製造方法について、それぞれの実施例を順に説明する。
まず本発明の窒化物半導体装置について、III−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴを例にとり、詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施例であるIII−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴの断面図を示している。図１に示すように炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、厚さ１００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２、後述するキャリア供給層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持ち、厚さ２μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガス層を形成する厚さ１５ｎｍのｎ型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、厚さ１０ｎｍの微結晶構造のノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるショットキ層１５を積層形成している。ショットキ層１５上には、ニッケル（Ｎｉ）／（Ａｕ）の積層体等からなるゲート電極１６を形成し、ショットキ層１５との間にショットキ接触を形成している。更にショットキ層１５の一部が除去され、キャリア供給層１４にオーミック接触するチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）からなるソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成している。
微結晶構造からなるショットキ層１５は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相堆積）法、ＭＢＥ（電子ビームエピタキシャル）法等によりキャリア供給層１４の成膜温度より５００℃程度低い温度で成膜することにより、絶縁性の高い半導体層が形成される。具体的には、シート抵抗が１０９Ω／□以上の高抵抗となっている。図２は、ゲート−ソース電極間の電流−電圧特性を示している。このグラフにおいて横軸はゲート−ソース電圧Ｖｇｓ（Ｖ）を、縦軸はゲート電流Ｉｇ（Ａ）を示している。比較のため、ショットキ層１５をキャリア供給層１４と同じ温度、成膜条件で成膜させたノンドープ窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなる半導体層上に同じ構造のゲート電極を形成した場合の電流−電圧特性を示している。両者を比較した場合、本実施例に係る窒化物半導体装置の方が、絶縁特性が優れているため、２桁以上ゲート電流（ゲートリーク電流）が低減していることがわかる。ゲートリーク電流の低減に伴い、チャネルでの衝突イオン化が抑制でき、その結果、オフ耐圧が従来の１００Ｖから１７０Ｖに改善された。窒化物半導体ＨＥＭＴのオフ耐圧は熱暴走ではなく、衝突イオン化が起因しており、ショットキ電極からチャネルに流れ込むトンネル電流に大きく支配されていることが報告されている（International Conference on Nitride Semiconductor,Nara,2003,Tu-P2.067）。
図３、図４は、それぞれ本発明及び上述の従来構造のIII−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴのドレイン電流−電圧特性を示しており、ドレインのスイープ電圧が０Ｖ〜４０Ｖであり、ゲート電圧は−４Ｖから＋２Ｖまでステップ１Ｖで変化させている。測定周期は１０ｍｓ、ゲート電圧はパルス幅３００μｓｅｃで印加され、ドレイン電圧はステップ的に０Ｖから４０Ｖに昇圧されている。図３と図４の比較により、本発明の窒化物半導体装置が従来構造に較べて大幅に電流コラプスが抑制されていることが確認できた。
次に第２の実施例について説明する。図５は本発明の第２の実施例であるIII−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴの断面図を示している。図１に示す第１の実施例と同様、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、厚さ１００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２、厚さ２μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガス層を形成する厚さ１５ｎｍのｎ型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、厚さ１０ｎｍの微結晶構造のノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるショットキ層１５を積層形成する。ショットキ層１５上には、ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなるゲート電極１６を形成し、ショットキ層１５との間にショットキ接触を形成する。更にショットキ層１５の一部を除去し、キャリア供給層１４にオーミック接触するチタン（Ｔｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）からなるソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成する。本実施例では、第１の実施例と異なり、ゲート電極１６とドレイン電極１７ｂとの間に、キャリア供給層１４に達するｐ型半導体領域１８を形成している。このｐ型半導体領域１８は、ショットキ層１５の一部にｐ型不純物イオンを注入して形成した。
このようにｐ型半導体領域１８を備えることによって、ショットキ層１５表面に存在する表面準位にトラップされた電子により生じると考えられる表面のポテンシャルの揺らぎに起因するチャネルへの影響を除去することができるので、図３の示したドレイン電流−電圧特性と同様なレベルで、電流−電圧特性の周波数分散を抑制することができる。
図６は、本発明の第３の実施例であるIII−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴの断面図を示している。図１に示す第１の実施例と同様、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、厚さ１００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２、厚さ２μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガス層を形成する、厚さ１５ｎｍのｎ型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、厚さ１０ｎｍの微結晶構造のノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるショットキ層１５を積層形成する。ショットキ層１５上には、ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなるゲート電極１６を形成し、ショットキ層１５との間にショットキ接触を形成する。本実施例では、第１の実施例と異なり、ショットキ層１５の一部にキャリア供給層１４に達するｎ型半導体領域１９を形成している。このｎ型半導体領域１９は、ショットキ層１５の一部にｎ型不純物イオンを注入して形成した。このｎ型半導体領域１９にオーミック接触するチタン（Ｔｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）からなるソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成することによって、接触抵抗の低いオーミック接触を形成することができる。
このようにｎ型半導体領域１９を備えることによって、ショットキ層１５の一部を除去することなくソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成することができるので、プレーナー構造となり製造工程の歩留まりや信頼性が向上する。
図７は、本発明の第４の実施例であるIII−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴの断面図を示している。図１に示す第１の実施例と同様、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、厚さ１００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２、厚さ２μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガス層を形成する、厚さ１５ｎｍのｎ型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、厚さ１０ｎｍの微結晶構造のノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるショットキ層１５を積層形成する。ショットキ層１５上には、ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなるゲート電極１６を形成し、ショットキ層１５との間にショットキ接触を形成する。また第３の実施例同様、ショットキ層１５の一部にキャリア供給層１４に達するｎ型半導体領域１９を形成している。このｎ型半導体領域１９は、ショットキ層１５の一部にｎ型不純物イオンが注入して形成した。このｎ型半導体領域１９にオーミック接触するチタン（Ｔｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）からなるソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成している。更にゲート電極１６とドレイン電極１７ｂの間に、キャリア供給層１４に達するｐ型半導体領域１８を形成している。このｐ型半導体領域１８は、ショットキ層１５の一部に不純物イオンを注入して形成した。
このようにｎ型半導体領域１９を備えることによって、ショットキ層１５の一部を除去することなくソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成することができるので、プレーナー構造となり製造工程の歩留まりや信頼性が向上する。更にｐ型半導体領域１８を備えることによって、ショットキ層１５表面に存在する表面準位にトラップされた電子により生じると考えられる表面のポテンシャル準位の揺らぎに起因するチャネルへの影響を除去できるので、図３に示したドレイン−電圧特性と同様なレベルで電流−電圧特性の周波数分散を抑制することができる。
次に本願第２の発明の窒化物半導体装置の製造方法について、上記実施例１から実施例４に示した構造のIII−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴの製造方法を例にとり説明する。
まず第１の実施例に示すＨＥＭＴの製造方法について説明する。図８に示すように炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ１００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２を成長させ、次に厚さ２μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガス層を形成する厚さ１５ｎｍのｎ型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とを基板温度１０８０℃で順次積層成長させる。その後基板温度を５５０℃として、厚さ１０ｎｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるショットキ層１５を成長させる。このように基板温度を低くして成長させることにより、ショットキ層１５は、微結晶構造となり、絶縁特性の優れた層となる（図８ａ）。
次に、通常のリソグラフ法及びエッチング法により、ショットキ層１５の一部を除去し、キャリア供給層１４を露出する。ここで、ＡｌＧａＮとＧａＮは選択エッチングが可能であり、ショットキ層１５を制御性良く除去できる。露出したキャリア供給層１４に電子ビーム蒸着法などにより、厚さ２０ｎｍ程度のチタン（Ｔｉ）膜、厚さ２００ｎｍ程度のアルミニウム（Ａｌ）膜を堆積させ、熱処理を行うことにより、キャリア供給層１４にオーミック接触するソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成する（図８ｂ）。
その後、通常のリソグラフ法及ぶリフトオフ法により、ショットキ層１５上に、厚さ２０ｎｍのニッケル（Ｎｉ）／厚さ３００ｎｍの金（Ａｕ）の積層体等を積層してパターニングすることにより、ショットキ層１５との間にショットキ接触するゲート電極１６を形成する（図８ｃ）。以下、通常の半導体装置の製造工程に従い、ＨＥＭＴを完成させる。
本実施例では、絶縁特性の優れた微結晶構造のショットキ層１５を形成する方法として、成長温度（成膜温度）をチャネル層１３やキャリア供給層１４のエピタキシャル層の成長温度（１０８０℃）より低い温度（５５０℃）に設定することのみで形成するため、制御性が良い。また本発明の製造方法は、通常の半導体装置の製造工程に従うため、極めて制御性が良く、歩留まり良く製造することができる。
次に実施例２に示すＨＥＭＴの製造方法について説明する。第５の実施例同様、図８に示すように炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ１００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２を成長させ、次に厚さ２μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガス層を形成する厚さ１５ｎｍのｎ型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とを基板温度１０８０℃で順次積層成長させる。その後基板温度を５５０℃として、厚さ１０ｎｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるショットキ層１５を成長させる。このように基板温度を低くして成長させることにより、ショットキ層１５は、微結晶構造となり、絶縁特性の優れた層となる（図８ａ）。
次に、通常のリソグラフ法及びエッチング法により、ショットキ層１５の一部を除去し、キャリア供給層１４を露出する。ここで、ＡｌＧａＮとＧａＮは選択エッチングが可能であり、ショットキ層１５を制御性良く除去できる。露出したキャリア供給層１４に電子ビーム蒸着法などにより、厚さ２０ｎｍ程度のチタン（Ｔｉ）膜、厚さ２００ｎｍ程度のアルミニウム（Ａｌ）膜を堆積させ、熱処理を行うことにより、キャリア供給層１４にオーミック接触するソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成する（図８ｂ）。
その後、通常のリソグラフ法及ぶリフトオフ法により、ショットキ層１５上に、厚さ２０ｎｍのニッケル（Ｎｉ）／厚さ３００ｎｍの金（Ａｕ）の積層体等を積層してパターニングすることにより、ショットキ層１５との間にショットキ接触するゲート電極１６を形成する（図８ｃ）。以下、通常の半導体装置の製造工程に従い、ＨＥＭＴを完成させる。
次に本実施例では、ゲート電極１６とドレイン電極１７ｂとの間のショットキ層１５に、通常のイオン注入法により、マグネシウム（Ｍｇ）イオンを注入して、１１５０℃の熱処理で活性化させ、ｐ型半導体領域１８を形成する。ここで、成長温度を下げて形成したショットキ層１５は、ｐ型不純物イオンの活性化のために熱処理を行っても絶縁性が損なわれることはなく、先に説明したような特性の優れた窒化物半導体装置を提供することができる。本実施例の製造方法においても、絶縁特性の優れた微結晶構造のショットキ層１５を形成する方法として、成長温度をチャネル層１３やキャリア供給層１４のエピタキシャル層の成長温度（１０８０℃）より低い温度（５５０℃）に設定することのみで形成するため、制御性が良い。またｐ型半導体層１８の形成方法についても通常のイオン注入方法によるため、極めて制御性が良く、歩留まり良く製造することができる。
次に実施例３に示すＨＥＭＴの製造方法について説明する。第５の実施例同様、図９に示すように炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ１００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２を成長させ、次に厚さ２μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガス層を形成する厚さ１５ｎｍのｎ型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とを基板温度１０８０℃で順次積層成長させる。その後基板温度を５５０℃として、厚さ１０ｎｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるショットキ層１５を成長させる。このように基板温度を低くして成長させることにより、ショットキ層１５は、微結晶構造となり、絶縁特性の優れた層となる（図９ａ）。
次に通常のイオン注入法により、ショットキ層１５の一部に、シリコン（Ｓｉ）イオンを注入し、１１５０℃の熱処理で活性化させ、ｎ型半導体領域１９を形成する（図９ｂ）。この注入した不純物イオンの活性化のための熱処理によって、ショットキ層１５の絶縁性が損なわれることはない。ｎ型半導体領域１９上に電子ビーム蒸着法などにより、厚さ２０ｎｍ程度のチタン（Ｔｉ）膜、厚さ２００ｎｍ程度のアルミニウム（Ａｌ）膜を堆積させ、熱処理を行うことにより、キャリア供給層１４にオーミック接触するソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成する（図９ｃ）。
その後、通常のリソグラフ法及ぶリフトオフ法により、ショットキ層１５上に、厚さ２０ｎｍのニッケル（Ｎｉ）／厚さ３００ｎｍの金（Ａｕ）の積層体等を積層してパターニングすることにより、ショットキ層１５との間にショットキ接触するゲート電極１６を形成する（図９ｄ）。以下、通常の半導体装置の製造工程に従い、ＨＥＭＴを完成させる。
本実施例の製造方法においても、絶縁特性の優れた微結晶構造のショットキ層１５を形成する方法として、成長温度をチャネル層１３やキャリア供給層１４のエピタキシャル層の成長温度（１０８０℃）より低い温度（５５０℃）に設定することのみで形成するため、制御性が良い。またｎ型半導体領域１９の形成方法は、通常のイオン注入方法によるため、極めて制御性が良く、歩留まり良く製造することができる。更にｎ型半導体領域１９を形成することによって、ショットキ層１５の一部を除去することなくソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成することができるので、プレーナー構造となり製造工程の歩留まりや信頼性が向上する。
次に実施例４に示すＨＥＭＴの製造方法について説明する。第７の実施例同様、図９に示すように炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ１００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２を成長させ、次に厚さ２μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガス層を形成する厚さ１５ｎｍのｎ型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とを基板温度１０８０℃で順次積層成長させる。その後基板温度を５５０℃として、厚さ１０ｎｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるショットキ層１５を成長させる。このように基板温度を低くして成長させることにより、ショットキ層１５は、微結晶構造となり、絶縁特性の優れた層となる（図９ａ）。
次に通常のイオン注入法により、ショットキ層１５の一部に、シリコン（Ｓｉ）イオンを注入し、１１５０℃の熱処理で活性化させ、ｎ型半導体領域１９を形成する（図９ｂ）。この注入した不純物イオンの活性化のための熱処理によって、ショットキ層１５の絶縁性が損なわれることはない。ｎ型半導体領域１９上に電子ビーム蒸着法などにより、厚さ２０ｎｍ程度のチタン（Ｔｉ）膜、厚さ２００ｎｍ程度のアルミニウム（Ａｌ）膜を堆積させ、熱処理を行うことにより、キャリア供給層１４にオーミック接触するソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成する（図９ｃ）。
次に本実施例では、ゲート電極１６とドレイン電極１７ｂの間に、通常のイオン注入法により、マグネシウム（Ｍｇ）イオンを注入して、１１５０℃の熱処理で活性化させ、ｐ型半導体領域１８を形成する。この注入した不純物イオンの活性化のための熱処理によって、ショットキ層１５の絶縁性が損なわれることはなく、先に説明したような特性の優れた窒化物半導体装置を提供することができる。本実施例の製造方法においても、絶縁特性の優れた微結晶構造のショットキ層１５を形成する方法として、成長温度をチャネル層１３やキャリア供給層１４のエピタキシャル層の成長温度（１０８０℃）より低い温度（５５０℃）に設定することのみで形成するため、制御性が良い。またｎ型半導体層１９、ｐ型半導体層１８の形成方法は、通常のイオン注入方法によるため、極めて制御性が良く、歩留まり良く製造することができる。更にｎ型半導体領域１９を形成することによって、ショットキ層１５の一部を除去することなくソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成することができるので、プレーナー構造となり製造工程の歩留まりや信頼性が向上する。
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでなく種々変更可能である。例えば、ＨＥＭＴ構造の窒化物半導体の代わりに、不純物が添加された窒化物半導体層を能動層（チャネル層）とし、その上に上述のショットキ層１５が形成された構造のＦＥＴ構造とすることができる。また、窒化物半導体層は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ系に限定されるものでなく、制御電極が形成される第２の窒化物半導体層（上記実施例ではショットキ層１５に相当）は、ＧａＮ、ＩｎＮあるいはこれらの混晶化合物を含み、かつアルミニウムを含まない層で構成することができる。また第１の窒化物半導体層（上記実施例ではキャリア供給層１４に相当）は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮあるいはこれらの混晶半導体を含み、かつ少なくともアルミニウムを含む層で形成することができる。実施例において使用した炭化珪素（ＳｉＣ）基板の代わりにサファイア基板を用いてもかまわない。その場合は、バッファ層１２として窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いる方が好ましい。また炭化珪素（ＳｉＣ）基板の代わりにシリコン（Ｓｉ）基板を用いてもかまわない。
また第２の窒化物半導体層とショットキ接触を形成する制御電極、第１の窒化物半導体層あるいは第２の窒化物半導体層とオーミック接触する電極の組成は、使用する窒化物半導体層の種類等に応じて、適宜選択すればよい。
なお第２の窒化物半導体層について微結晶構造と説明したが、これは微結晶粒の集合体あるいはそれらの再配列化した構造であり、成長温度、成長時の雰囲気ガス組成、成長させる基板の種類などによって、結晶粒の大きさや配列等は変わるものであり、所望の絶縁特性（許容できるゲートリーク電流）が得られる範囲で、成長温度を制御することによって得られるものである。第２の窒化物半導体層の成長温度は、第１の窒化物半導体層の成長温度より４００℃程度以上低い温度に設定すると、ＨＥＭＴあるいはＦＥＴの制御電極を形成する場合に好適である。
本発明の第１の実施例である窒化物半導体装置の断面図である。 本発明の効果を説明する電流−電圧特性を示す図である。 本発明の効果を説明するドレイン電流−電圧特性を示す図である。 従来の窒化物半導体装置のドレイン電流−電圧特性を示す図である。 本発明の第２の実施例である窒化物半導体装置の断面図である。 本発明の第３の実施例である窒化物半導体装置の断面図である。 本発明の第４の実施例である窒化物半導体装置の断面図である。 本発明の第１の実施例である窒化物半導体装置の製造方法の説明図である。 本発明の第３の実施例である窒化物半導体装置の製造方法の説明図である。 従来のこの種の窒化物半導体装置の断面図である。
符号の説明
１１；基板、１２；バッファ層、１３；チャネル層、１４；キャリア供給層、１５；ショットキ層、１６；ゲート電極、１７ａ；ソース電極、１７ｂ；ドレイン電極、１８；ｐ型半導体領域、１９；ｎ型半導体領域

Claims (12)

  1. ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、基板上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層の上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、アルミニウムを含まない第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層にショットキ接触する制御電極とを備え、前記第２の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層より成膜温度の低い膜からなることを特徴とする窒化物半導体装置。
  2. ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、基板上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層の上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、アルミニウムを含まない第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層にショットキ接触する制御電極とを備え、前記第２の窒化物半導体層は、微結晶構造からなることを特徴とする窒化物半導体装置。
  3. 前記第１の窒化物半導体層が、アルミニウムを含む前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなることを特徴とする請求項１または２いずれか記載の窒化物半導体装置。
  4. 前記基板と前記第１の窒化物半導体層との間に、前記第１の窒化物半導体層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層を備えたことを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の窒化物半導体装置。
  5. 前記第２の窒化物半導体層にショットキ接触する前記制御電極と、前記第１の窒化物半導体層にオーミック接触するソース電極及びドレイン電極とを備え、前記第１の窒化物半導体層からなるチャネル、あるいは前記第３の窒化物半導体層と前記第１の窒化物半導体層との間に形成されるチャネルを流れる電流を前記制御電極に印加する電圧により制御することを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の窒化物半導体装置。
  6. 前記第１の窒化物半導体層がノンドープ若しくはｎ型の窒化物半導体層からなり、前記制御電極と前記ドレイン電極との間の前記第２の窒化物半導体層に、ｐ型の窒化物半導体領域を備えたことを特徴とする請求項５記載の窒化物半導体装置。
  7. ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置の製造方法において、
    基板上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層を形成する工程と、
    該第１の窒化物半導体層の上に、該第１の窒化物半導体層を形成する際の成膜温度より低い温度で、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、かつアルミニウムを含まない微結晶構造からなる第２の窒化物半導体層を形成する工程と、
    該第２の窒化物半導体層の上に制御電極を形成する工程とを含むことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
  8. ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置の製造方法において、
    基板上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、かつアルミニウムを含む第１の窒化物半導体層を形成する工程と、
    該第１の窒化物半導体層の上に、該第１の窒化物半導体層を形成する際の成膜温度より低い温度で、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、かつアルミニウムを含まない微結晶構造からなる第２の窒化物半導体層を形成する工程と、
    該第２の窒化物半導体層の上に制御電極を形成する工程とを含むことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
  9. 前記基板上に前記第１の窒化物半導体層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第３の窒化物半導体層を形成する工程を含み、該第３の窒化物半導体層上に、前記第１の窒化物半導体層を形成することを特徴とする請求項７または８いずれか記載の窒化物半導体装置の製造方法。
  10. 前記第２の窒化物半導体層を除去し、露出した前記第１の窒化物半導体層上に、あるいは前記第２の窒化物半導体層の一部にｎ型の窒化物半導体領域を形成して、該ｎ型の窒化物半導体領域上に、前記第１の窒化物半導体層にオーミック接触するソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
    前記第２の窒化物半導体層にショットキ接触する前記制御電極を形成する工程とを含む
    ことを特徴とする請求項７乃至９いずれか記載の窒化物半導体装置の製造方法。
  11. ノンドープ若しくはｎ型の窒化物半導体層からなる前記第１の窒化物半導体層上に積層された前記第２の窒化物半導体層の上に前記制御電極を形成する工程と、
    前記制御電極と前記ドレイン電極との間の前記第２の窒化物半導体層に、ｐ型の窒化物半導体領域を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項７乃至１０いずれか記載の窒化物半導体装置の製造方法。
  12. 前記ｎ型の窒化物半導体領域を形成する工程、あるいは前記ｐ型の窒化物半導体領域を形成する工程において行われる加熱処理は、前記第２の窒化物半導体層のシート抵抗を低下させない温度範囲で行うことを特徴とする請求項１０または１１いずれか記載の窒化物半導体装置の製造方法。
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