JP2006351762A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】窒化アルミニウムガリウム層と窒化ガリウム層とからなる積層膜をコンタクト層に用い、コンタクト抵抗が小さく且つ閾値電圧等の特性値のばらつきが小さい半導体装置を実現できるようにする。
【解決手段】サファイアからなる基板11の上に、AlNからなるバッファ層12を介在させてGaNからなる活性層13及びAlGaNからなる障壁層14を順次形成する。続いて、障壁層14の上面におけるゲート電極の形成領域に酸化シリコン等からなるマスク膜15を形成した後、MOCVD法により厚さが5.6nmのAl0.26Ga0.74N膜と厚さが1.4nmのGaN膜とを交互に7周期エピタキシャル成長させて、積層膜16を選択的に形成する。マスク膜15を除去した後、積層膜16の上にオーミック電極17を形成し、露出した障壁層14の上にゲート電極18を形成する。
【選択図】図1

Description

本発明は、窒化ガリウム系半導体装置及びその製造方法に関し、特に高周波デバイスに用いるトランジスタに関する。
窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)及び窒化インジウム(InN)並びに一般式が(InxAl1-xyGa1-yN(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される混晶物である窒化物半導体は、その物理的特長である広いバンドギャップ及び直接遷移型バンド構造を利用した光学素子への応用のみならず、破壊電界及び飽和電子速度が大きいという特長を利用した電子デバイスへの応用も検討されている。特に、半絶縁性基板の上にエピタキシャル成長したAlxGa1-xNとGaNとの界面に現れる二次元電子ガス(2 Dimensional Electron Gas; 以下2DEGと略す)を利用するヘテロ接合電界効果トランジスタ(Hetero-junction Field Effect Transistor; 以下HFETと略す)は、高出力高周波デバイスとして開発が進められている。
これらの窒化物半導体素子において、半導体素子内においてコンタクト抵抗やチャネル抵抗等の寄生抵抗成分を出来る限り低減させる必要がある。オーミック電極のコンタクト抵抗を低減する方法として、オーミック電極を、AlGaN層とGaN層とが積層された超格子層の上に形成する方法が提案されている(例えば、特許文献1を参照。)。
特開2005−26671号公報
しかしながら、AlGaN層とGaN層とからなる超格子層をコンタクト層に用いる場合には、ゲート電極の形成領域となるリセス構造の形成が非常に困難になるという問題がある。
通常のGaN層からなるコンタクト層の場合には、障壁層であるAlGaN層との選択エッチングを適用することにより、障壁層の表面においてエッチングを自動的に止めることが可能である。
しかし、超格子層はAlGaN層とGaN層とからなるため、選択エッチングを適用することができず、障壁層の表面においてエッチングを自動的に止めることは困難であり、時間制御によりコンタクト層をエッチングしなければならない。この場合には、ウェハー毎のエッチング速度のばらつき又はウェハー面内におけるエッチング速度のばらつきによってリセスの深さが変動するため、閾値電圧等の特性値がばらついてしまうという問題がある。
また、エッチング速度のばらつきが抑えられたとしても、結晶成長速度の変動等によりウェハー毎もしくはウェハー面内においてコンタクト層の膜厚が変動するとリセスの深さが変動するため、閾値電圧等の特性値がばらついてしまうという問題が生じる。
特に、コンタクト抵抗をさらに低減するためにn型ドープ層を障壁層とコンタクト層との界面近傍に挿入する場合において、リセスを形成する際のエッチングが不足すると高濃度のn型ドープ層がゲート電極の下に残存してしまい、ゲートリーク電流の増大が生じるという問題がある。
本発明は、前記従来の問題を解決し、窒化アルミニウムガリウム層と窒化ガリウム層とからなる積層膜をコンタクト層に用い、コンタクト抵抗が小さく且つ閾値電圧等の特性値のばらつきが小さい半導体装置及びその製造方法を実現できるようにすることを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明は積層膜からなるコンタクト層を、障壁層の上にマスクを選択的に形成した後に形成する構成とする。
具体的に本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板の上に第1の窒化物半導体からなる第1の半導体層を形成する工程(a)と、第1の半導体層の上に、該第1の半導体層の上面の一部を覆うマスク膜を選択的に形成する工程(b)と、第1の半導体層の上にマスク膜を形成マスクとして、互いにバンドギャップが異なる第2の窒化物半導体と第3の窒化物半導体とを積層した積層膜を選択的に形成する工程(c)と、積層膜の上にオーミック電極を形成する工程(d)とを備えていることを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、第1の半導体層の上にマスク膜を形成マスクとして、互いにバンドギャップが異なる第2の窒化物半導体と第3の窒化物半導体とを積層した積層膜を選択的に形成するため、ゲートリセス構造を形成するためにコンタクト層である積層膜をエッチングする必要がない。従って、リセスの深さを均一とすることができるので、閾値電圧等の特性値のばらつきが小さい半導体装置を製造することが可能となる。
本発明の半導体装置の製造方法において、マスク膜は酸化シリコン、酸窒化シリコン及び窒化シリコンのいずれか1つからなる単層膜又は2つ以上が積層された多層膜であることが好ましい。このような構成とすることにより、積層膜の成長を確実にマスクすることが可能となる。
本発明の半導体装置の製造方法は、工程(c)よりも後に、マスク膜を除去し、第1の半導体層の上面を露出する工程と、露出した第1の半導体層の上面にショットキー電極を形成する工程とをさらに備えていることが好ましい。
本発明の半導体装置の製造方法は、工程(b)と工程(c)との間に、第1の半導体層の上にマスク膜を形成マスクとして、n型にドープした第4の窒化物半導体からなる第2の半導体層を選択的に形成する工程をさらに備えていることが好ましい。このような構成とすることにより、オーミック電極のコンタクト抵抗をさらに低減することが可能となる。また、n型半導体層がゲート電極の形成領域に形成されることがないため、n型半導体層が残存してゲートリーク電流が増大することを防止できる。
本発明の半導体装置の製造方法は、工程(b)と工程(c)との間に、第1の半導体層にマスク膜を注入マスクとしてn型不純物イオンを選択的に注入する工程と、注入したn型不純物イオンを活性化する熱処理工程とをさらに備えていることを特徴とする。このような構成においても、オーミック電極のコンタクト抵抗をさらに低減することが可能となる。また、マスク膜を不純物イオンの注入マスクとして用いることができるので、工程の増加もほとんどない。この場合において、n型不純物は、シリコンであることが好ましい。
本発明の半導体装置の製造方法は、工程(b)と工程(c)との間に、マスク膜をエッチングマスクとして第1の半導体層を選択的にエッチングすることにより第1の半導体層の上部に凹部を形成する工程をさらに備え、工程(c)において、積層膜は凹部の底面上に形成することが好ましい。このような構成とすることにより、障壁層である第1の半導体層の厚さを薄くすることができるため、コンタクト抵抗をさらに低減できる。
本発明の半導体装置の製造方法は、工程(a)よりも前に、基板の上に第1の窒化物半導体と比べてバンドギャップが小さい第5の窒化物半導体からなる第3の半導体層を形成する工程をさらに備え、工程(a)において、第1の半導体層は、第3の半導体層の上に形成することが好ましい。このような構成とすることにより、第1の半導体層と第3の半導体層との間に2次元電子ガスを発生させることができるので、高速に動作する半導体装置を実現することができる。
本発明に係る第1の半導体装置は、基板と、基板の上に形成した第1の窒化物半導体からなる第1の半導体層と、第1の半導体層の上に形成されたショットキー電極と、第1の半導体層の上のショットキー電極が形成された領域とは異なる領域に形成され、互いにバンドギャップが異なる第2の窒化物半導体及び第3の窒化物半導体が積層された積層膜と、積層膜の上に形成されたオーミック電極とを備え、第1の半導体層と積層膜との界面におけるn型不純物濃度は、第1の半導体層とショットキー電極との接触面におけるn型不純物濃度よりも高いことを特徴とする。
第1の半導体装置によれば、第1の半導体層と積層膜との界面におけるn型不純物濃度は、第1の半導体層とショットキー電極との接触面におけるn型不純物濃度よりも高いため、ショットキー電極のリーク電流を増大させることなくオーミック電極のコンタクト抵抗を低減できる。従って、コンタクト抵抗が小さく且つ閾値電圧等の特性がそろった半導体装置を実現できる。
本発明に係る第2の半導体装置は、基板と、基板の上に形成した第1の窒化物半導体からなる第1の半導体層と、第1の半導体層の上に形成されたショットキー電極と、第1の半導体層の上のショットキー電極が形成された領域とは異なる領域に形成され、互いにバンドギャップが異なる第2の窒化物半導体及び第3の窒化物半導体が積層された積層膜と、積層膜の上に形成されたオーミック電極とを備え、第1の半導体層は、オーミック電極の下側部分の厚さが、ショットキー電極の下側部分の厚さよりも薄いことを特徴とする半導体装置。
第2の半導体装置によれば、第1の半導体層は、オーミック電極の下側部分の厚さが、ショットキー電極の下側部分の厚さよりも薄いため、オーミック電極のコンタクト抵抗を小さくすることができる。従って、コンタクト抵抗が小さく且つ閾値電圧等の特性がそろった半導体装置を実現できる。
本発明の半導体装置において、積層膜はショットキー電極の両側にそれぞれ形成され、オーミック電極はそれぞれの積層膜の上に形成され、電界効果トランジスタとして機能することが好ましい。
本発明の半導体装置において、第1の半導体層の下面と接して形成され、第1の窒化物半導体と比べてバンドギャップが小さい第4の窒化物半導体からなる第2の半導体層をさらに備えていることが好ましい。
本発明の半導体装置によれば、窒化アルミニウムガリウム層と窒化ガリウム層とからなる積層膜をコンタクト層に用い、コンタクト抵抗が小さく且つ閾値電圧等の特性値のばらつきが小さい半導体装置及びその製造方法を実現できる
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について図面を参照して説明する。図1は第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示している。
まず、図1(a)に示すようにサファイアからなる基板11の上に、AlNからなるバッファ層12を形成し、バッファ層12の上にGaNからなる活性層13及びAl0.26Ga0.74Nからなる障壁層14を有機金属化学気相成長(MOCVD)法により順次形成する。続いて、障壁層14の上に酸化シリコン(SiO2)からなるマスク膜15を堆積した後、ウェットエッチング又はドライエッチングを用いて、ゲート電極を形成する領域にマスク膜15が残るようにパターニングする。
次に、図1(b)に示すように、障壁層14の上にMOCVD法により厚さが5.6nmのAl0.26Ga0.74N膜と厚さが1.4nmのGaN膜とを交互に7周期エピタキシャル成長させて、積層膜16を形成する。
次に、図1(c)に示すようにウェットエッチングによりマスク膜15を除去した後、積層膜16の上にチタン(Ti)とアルミニウム(Al)とが順次積層されたオーミック電極17を形成する。
次に、図1(d)に示すように、障壁層14の上に例えばパラジウムとシリコンと合金(PdSi)、パラジウム(Pd)及び金(Au)を積層してゲート電極18を形成する。なお、ゲート電極の材質は、これに限らず、既知の材料を使用することができる。
本実施形態においては、オーミック電極17の形成領域のみに積層膜16を形成している。このため、積層膜16をエッチングする必要がなく、ゲート電極18の下側における障壁層14の膜厚の再現性が非常に高い。従って、閾値電圧等の特性値がそろった素子を形成することが可能となる。
なお、マスク膜15にはSiO2に代えて、窒化シリコン(SiN)膜又は酸窒化シリコン(SiON)膜を用いてもよく、また、SiO2、SiN及びSiONのうちの2つ以上からなる多層膜を用いてもよい。
また、積層膜16には、Al0.26Ga0.74N膜とGaN膜とを積層して用いたが、積層膜の界面に2DEGが発生するように互いにバンドギャップが互いに異なる窒化物半導体膜を積層すればよい。窒化物半導体膜の膜厚は必要に応じて変更してよく、積層回数も1周期以上あればよい。
さらに、例えば、AlGaN膜とGaN膜とを積層した超格子構造(AlGaN/GaN超格子という)と、GaN膜とInGaN膜とを積層した超格子構造(GaN/InGaN超格子という)とを組み合わせて積層して積層膜16を形成してもよい。
なお、本実施形態において、障壁層14と積層膜16の一部とが共にAl0.26Ga0.74Nからなる場合を示したが、Al組成が0.26以外のAlGaNにより構成されていてもよい。また、障壁層14と積層膜16に含まれるAlGaNのAl組成は互いに異なっていてもよく、AlGaN以外の窒化物半導体により形成されていてもよい。
(第2の実施の形態)
以下に、本発明の第2の実施形態について図面を参照して説明する。図2は第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示している。図2において図1と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
まず、図2(a)に示すように第1の実施形態と同様にして、基板11の上にバッファ層12、活性層13及び障壁層14を形成し、障壁層14の上のゲート電極形成領域にマスク膜15を形成する。
次に、図2(b)に示すように障壁層14の上にMOCVD法を用いてSiをドープしたn型GaN層21を形成する。
次に、図2(c)に示すように、n型GaN層21の上に、MOCVD法により、厚さが5.6nmのAl0.26Ga0.74N膜と厚さが1.4nmのGaN膜とを交互に7周期エピタキシャル成長させて、積層膜16を形成する。
次に、図2(d)に示すように第1の実施形態と同様にして、マスク膜15を除去し、オーミック電極17及びゲート電極18をそれぞれ形成する。
本実施形態の半導体装置の製造方法においては、積層膜16をオーミック電極17の形成領域にのみ選択的に形成でき、ゲート電極18の下側における障壁層14の膜厚のばらつきを抑えることができるだけでなく、積層膜16と障壁層14との間にのみn型GaN層21を形成できるため、オーミック電極17のコンタクト抵抗をさらに低減することができる。また、ゲート電極18の下にn型GaN層21が残存することがないため、ゲートリーク電流が増大することがない。
(第3の実施形態)
以下に、本発明の第3の実施形態について図面を参照して説明する。図3は第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示している。図3において図1と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
まず、図3(a)に示すように第1の実施形態と同様にして、基板11の上にバッファ層12、活性層13及び障壁層14を形成し、障壁層14の上のゲート電極形成領域にマスク膜15を形成する。
次に、図3(b)に示すように障壁層14の表面近傍にマスク膜15を注入マスクとしてSiイオンをイオン注入する。この際に、障壁層14の表面における不純物濃度が高くなるように、イオンの加速エネルギーは低く設定することが好ましい。その後、熱処理を行い、注入イオンを活性化してn型ドープ層31を形成する。なお、熱処理を省略し、後続のエピタキシャル成長の際の加熱処理により注入イオンを活性化してもよい。
次に、図3(c)に示すように、n型のGaN層21の上に、MOCVD法により、厚さが5.6nmのAl0.26Ga0.74N膜と厚さが1.4nmのGaN膜とを交互に7周期エピタキシャル成長させて、積層膜16を形成する。
次に、図3(d)に示すように第1の実施形態と同様にして、マスク膜15を除去し、オーミック電極17及びゲート電極18をそれぞれ形成する。
本実施形態の半導体装置の製造方法においては、積層膜16をオーミック電極17の形成領域にのみ選択的に形成でき、ゲート電極18の下側における障壁層14の膜厚のばらつきを抑えることができる。また、積層膜16と障壁層14との間にのみn型ドープ層31を形成できるため、ゲート電極18のリーク電流を増大させることなくオーミック電極17のコンタクト抵抗をさらに低減することができる。さらに、n型ドープ層31を形成する注入マスクにはマスク膜15を用いることができるため、工程の増加もほとんどない。
(第4の実施形態)
以下に本発明の第4の実施形態について図面を参照して説明する。図4は第4の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示している。図4において図1と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
まず、図4(a)に示すように第1の実施形態と同様にして、基板11の上にバッファ層12、活性層13及び障壁層14を形成し、障壁層14の上のゲート電極形成領域にマスク膜15を形成する。
次に、図4(b)に示すようにMOCVD装置内において、水素ガス雰囲気で1050℃程度の温度に加熱することにより障壁層14のマスク膜15に覆われていない部分を選択的にエッチングする。
次に、図4(c)に示すように、エッチングした障壁層14を大気に曝すことなく同一の装置内において、厚さが5.6nmのAl0.26Ga0.74N膜と厚さが1.4nmのGaN膜とを交互に7周期エピタキシャル成長させて、積層膜16を形成する。このように障壁層14のエッチングと積層膜16の再成長とを同一のチャンバ内において、大気開放することなく連続的に行うことにより、障壁層14と積層膜16との界面の状態を良好に保つことができる。なお、障壁層14のエッチングには、塩素系のガスを用いたプラズマエッチングを用いてもよい。
次に、図4(d)に示すように第1の実施形態と同様にして、バッファードフッ酸等を用いてマスク膜15を除去した後、オーミック電極17及びゲート電極18をそれぞれ形成する。
本実施形態の半導体装置の製造方法においては、積層膜16をオーミック電極17の形成領域にのみ選択的に形成できるだけでなく、オーミック電極17の形成領域における障壁層14の厚さを薄くしているため、オーミック電極17のコンタクト抵抗をさらに低減することができる。また、障壁層14のエッチングは、マスク膜15をマスクとしてMOCVD装置を用いて行うことができるため工程の増加もほとんどない。
なお、障壁層14をエッチングする際には、障壁層14を残存させ活性層13を露出させないようにすることが好ましい。障壁層14を残存させることにより、積層膜16の下側においても活性層13と障壁層14の界面に2DEGを発生させることができ、また、多層膜16と障壁層14界面のポテンシャル障壁を低減できるため、オーミック電極17を低抵抗でチャネルにコンタクトさせることが可能となる。
なお、本実施形態においては、障壁層14をエッチングすることにより、積層膜16の形成領域における障壁層14の膜厚を薄くしたが、活性層13の上に厚さが5nm程度又はそれ以下の厚さの薄いAlGaN層を形成した後、ゲート電極17の形成領域のみにAlGaN層を再成長させて障壁層14を形成してもよい。この場合には障壁層14にエッチングを行う必要がないため、結晶欠陥の導入がない障壁層14が得られ、特性劣化が生じる恐れがない。
本発明の半導体装置及びその製造方法は、窒化アルミニウムガリウム層と窒化ガリウム層とからなる積層膜をコンタクト層に用い、コンタクト抵抗が小さく且つ閾値電圧等の特性値のばらつきが小さい半導体装置を実現できるという効果を有し、窒化ガリウム系半導体装置、特に高周波デバイスに用いるトランジスタ及びその製造方法等として有用である。
本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造工程を工程順に示す断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造工程を工程順に示す断面図である。 本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造工程を工程順に示す断面図である。 本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の製造工程を工程順に示す断面図である。
符号の説明
11 基板
12 バッファ層
13 活性層
14 障壁層
15 マスク膜
16 積層膜
17 オーミック電極
18 ゲート電極
21 n型GaN層
31 n型ドープ層

Claims (12)

  1. 基板の上に第1の窒化物半導体からなる第1の半導体層を形成する工程(a)と、
    前記第1の半導体層の上に、該第1の半導体層の上面の一部を覆うマスク膜を選択的に形成する工程(b)と、
    前記第1の半導体層の上に前記マスク膜を形成マスクとして、互いにバンドギャップが異なる第2の窒化物半導体と第3の窒化物半導体とを積層した積層膜を選択的に形成する工程(c)と、
    前記積層膜の上にオーミック電極を形成する工程(d)とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記マスク膜は、酸化シリコン、酸窒化シリコン及び窒化シリコンのいずれか1つからなる単層膜又は2つ以上が積層された多層膜であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記工程(c)よりも後に、前記マスク膜を除去し、前記第1の半導体層の上面を露出する工程と、
    露出した前記第1の半導体層の上面にショットキー電極を形成する工程とを備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記工程(b)と前記工程(c)との間に、前記第1の半導体層の上に前記マスク膜を形成マスクとして、n型にドープした第4の窒化物半導体からなる第2の半導体層を選択的に形成する工程をさらに備えていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記工程(b)と前記工程(c)との間に、前記第1の半導体層に前記マスク膜を注入マスクとしてn型不純物イオンを選択的に注入する工程と、
    注入した前記n型不純物イオンを活性化する熱処理工程とをさらに備えていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記n型不純物は、シリコンであることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記工程(b)と前記工程(c)との間に、前記マスク膜をエッチングマスクとして前記第1の半導体層を選択的にエッチングすることにより前記第1の半導体層の上部に凹部を形成する工程をさらに備え、
    前記工程(c)において、前記積層膜は、前記凹部の底面上に形成することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記工程(a)よりも前に、前記基板の上に前記第1の窒化物半導体と比べてバンドギャップが小さい第5の窒化物半導体からなる第3の半導体層を形成する工程をさらに備え、
    前記工程(a)において、前記第1の半導体層は、前記第3の半導体層の上に形成することを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 基板と、
    前記基板の上に形成した第1の窒化物半導体からなる第1の半導体層と、
    前記第1の半導体層の上に形成されたショットキー電極と、
    前記第1の半導体層の上の前記ショットキー電極が形成された領域とは異なる領域に形成され、互いにバンドギャップが異なる第2の窒化物半導体及び第3の窒化物半導体が積層された積層膜と、
    前記積層膜の上に形成されたオーミック電極とを備え、
    前記第1の半導体層と前記積層膜との界面におけるn型不純物濃度は、前記第1の半導体層と前記ショットキー電極との接触面におけるn型不純物濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置。
  10. 基板と、
    前記基板の上に形成した第1の窒化物半導体からなる第1の半導体層と、
    前記第1の半導体層の上に形成されたショットキー電極と、
    前記第1の半導体層の上の前記ショットキー電極が形成された領域とは異なる領域に形成され、互いにバンドギャップが異なる第2の窒化物半導体及び第3の窒化物半導体が積層された積層膜と、
    前記積層膜の上に形成されたオーミック電極とを備え、
    前記第1の半導体層は、前記オーミック電極の下側部分の厚さが、前記ショットキー電極の下側部部分の厚さよりも薄いことを特徴とする半導体装置。
  11. 前記積層膜は、前記ショットキー電極の両側にそれぞれ形成され、
    前記オーミック電極は、それぞれの前記積層膜の上に形成され、
    電界効果トランジスタとして機能することを特徴とする請求項9又は10に記載の半導体装置。
  12. 前記第1の半導体層の下面と接して形成され、前記第1の窒化物半導体と比べてバンドギャップが小さい第5の窒化物半導体からなる第2の半導体層をさらに備えていることを特徴とする請求項9から11のいずれか1項に記載の半導体装置。
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