JP2008270794A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】III族窒化物半導体からなるトランジスタにおける相互コンダクタンスを向上しながら、ソース抵抗を小さくできるようにする。
【解決手段】半導体装置は、AlGaNからなる障壁層104と、該障壁層104の上に形成され、AlGaN/GaNの超格子層105を含み且つ障壁層104を露出するゲートリセス108を有するキャップ層107と、該キャップ層107の上にゲートリセス108を挟んで対向するように形成されたソース電極110及びドレイン電極111とを有している。少なくとも障壁層104におけるゲートリセス108からの露出部分の上には絶縁膜109が形成され、ゲートリセス108の底面上には、絶縁膜109を介在させてゲート電極112が形成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、III族窒化物半導体からなる半導体装置及びその製造方法に関し、特にMIS(metal insulator semiconductor)型ゲート電極を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
窒化ガリウム(GaN)に代表され、一般式が(InAl1−xGa1−yN(但し、x,yは、0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1である。)の混晶である窒化物半導体は、その物理的特徴である広いバンドギャップと直接遷移型バンド構造とを利用した可視域又は紫外域の発光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徴を利用した電子デバイスへの応用が期待されている。
特に、エピタキシャル成長したAlGa1−xNとGaNとの界面に現われる2次元電子ガス(2 Dimensional Electron Gas;以下、2DEGと略称する。)を利用するヘテロ接合電界効果トランジスタ(Heterojunction Field Effect Transistor;以下、HFETと略称する。)は、GaNが、大きなバンドギャップを有することにより、高耐圧化が可能となり、また、大きなシートキャリア濃度及び大きなキャリア移動度を有することにより、大電流化が容易であることから、高出力高周波デバイスとして期待され、研究開発が盛んに行なわれている。
例えば、図18に示すように、サファイアからなる基板1の上に、AlNからなるバッファ層2を介在させてGaN層3が形成され、該GaN層3の上には厚さが1.3nmのスペーサ層4を介在させて、厚さが8nmのAlGaNからなる障壁層5が形成されている。障壁層5の上には互いに間隔をおいてソース電極6とドレイン電極7とが形成され、障壁層5の上におけるソース電極6とドレイン電極7との間の領域には、窒化シリコン(SiN)からなる絶縁膜8を介在させたゲート電極9が形成されている。
このように、従来例に係るAlGaN/GaNからなるへテロ接合を含むMIS型のHFETは、障壁層5を8nmにまで薄くし且つAl組成を40%にまで高めることにより、最大発振周波数fmaxとして192GHzを得られることが報告されている(例えば、非特許文献1を参照。)。
前記従来の半導体装置によると、AlGaNからなる障壁層5を8nmにまで薄くすることにより、高い相互コンダクタンス(g)を実現しながら、窒化シリコンからなる絶縁膜8を障壁層5の上におけるソース電極6とドレイン電極7との間の領域に形成し、2DEGチャネル近傍のポテンシャルを変調して電子濃度を増大させている。これにより、ソース抵抗が低減され、その結果、高い高周波性能を実現している。
M.Higashiwaki, T. Matsui and T. Mimura, "AlGaN/GaN MIS-FETs With fT of 163 GHz Using Cat-CVD SiN Gate-Insulating and Passivation Layers", IEEE Electron Dev. Lett. Vol.27 (2006) pp.16-18 T. Murata, M. Hikita, Y. Hirose, Y. Uemoto, K. Inoue, T. Tanaka, D. Ueda, "Source Resistance Reduction of AlGaN-GaN HFETs with Novel Superlattice Cap Layer," IEEE Trans. Electron Devices, vol.52, pp.1042-1047, 2005 特開2002−289837号公報
しかしながら、前記従来のMIS型HFETからなる半導体装置には以下のような問題がある。
前述したように、高周波特性を向上するには、相互コンダクタンスの向上とソース抵抗の低減とが重要である。しかし、相互コンダクタンスの向上を図るために障壁層5を薄膜化すると、ゲート電極9からソース電極6までのチャネル内電子濃度が下がってしまい、ソース抵抗を含む寄生抵抗が高くなる。ソース電極6とゲート電極9との間隔を近づけることによりソース抵抗を低減することは可能ではあるが、電極形成プロセス上の制約からソース電極6とゲート電極9との間隔を狭くするには限界がある。
従って、前記従来の半導体装置では、ソース抵抗の低減が不十分であるという問題がある。
また、本願発明者らは、ソース電極と障壁層との間にソース抵抗を低減するキャップ層を設ける構成に対して、相互コンダクタンスの向上を図るべく種々の検討を行なった。トランジスタの相互コンダクタンスを向上させるには、障壁層をできる限り薄くすることが望まれる。従って、障壁層の上に形成したキャップ層には、障壁層を露出する開口部を設け、該障壁層における開口部からの露出部分の厚さ(すなわち、リセスエッチ後の障壁層の残存膜厚)を薄くする構成が考えられる。
しかしながら、本願発明者らは、障壁層の開口部からの露出部分の厚さを薄くすると、とりわけ開口部におけるソース電極側の端部からゲート電極までの領域の直下に存在するチャネル領域の電子濃度と、開口部におけるドレイン電極側の端部からゲート電極までの領域の直下に存在するチャネル領域の電子濃度とが、開口部から露出する障壁層の膜厚を薄くすると低下してしまうという問題があることを突き止めた。
本発明は、前記従来の問題及び新たな問題を解決し、III族窒化物半導体からなるトランジスタにおける相互コンダクタンスを向上しながら、ソース抵抗を小さく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、半導体装置を、少なくともソース電極と障壁層との間に低抵抗なキャップ層を設けると共に、障壁層におけるゲート電極の形成領域であって、キャップ層からの露出部分の上に絶縁膜を設ける構成とする。
具体的に、本発明に係る半導体装置は、第1のIII族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、第2のIII族窒化物半導体からなり且つ第1の半導体層を露出する開口部を有するキャップ層と、キャップ層の上に開口部を挟んで対向するように形成されたソース電極及びドレイン電極と、少なくとも第1の半導体層における開口部からの露出部分の上に形成された絶縁膜と、開口部の底面上に絶縁膜を介在させて形成されたゲート電極とを備えていることを特徴とする。
本発明の半導体装置によると、キャップ層に低抵抗な半導体材料を用いた場合に、低抵抗なキャップ層によりソース電極をゲート電極に近づけたことと等価となるため、ソース抵抗を低減することができる。その上、障壁層におけるゲート電極の形成領域であって、キャップ層の開口部からの露出部分の上に絶縁膜を設けるため、開口部におけるソース電極側の端部からゲート電極までの領域の直下に存在するチャネル領域の電子濃度と、開口部におけるドレイン電極側の端部からゲート電極までの領域の直下に存在するチャネル領域の電子濃度とが増大する。これにより、半導体装置の相互コンダンスを向上させることができる。
本発明の半導体装置において、絶縁膜はキャップ層における開口部から露出する壁面上にも形成されていることが好ましい。
本発明の半導体装置において、キャップ層は、第3のIII族窒化物半導体からなる第3の半導体層と、第3のIII族窒化物半導体よりも大きいバンドギャップを持つ第4のIII族窒化物半導体からなる第4の半導体層とを積層してなる積層構造を含むことが好ましい。
この場合に、第3の半導体層は窒化ガリウムであり、第4の半導体層は窒化アルミニウムガリウムであることが好ましい。
このようにすると、上記の非特許文献2に記載されているように、例えばAlGaNとGaNとの積層構造中に発生する多重2次元電子ガスの効果により、第1の半導体層の主面に沿う方向の抵抗を下げることができる。これと同時に、第1の半導体層とキャップ層との界面に発生する負の分極電荷に起因したポテンシャル障壁を積層構造の内部に蓄積した高濃度の電子の効果により低減することができるため、第1の半導体層の主面に垂直な方向の抵抗を下げることができるので、ソース抵抗を低減することができる。
また、本発明の半導体装置において、キャップ層は、窒化インジウムアルミニウムガリウム(InAlGaN)からなる半導体層を含むことが好ましい。
このようにすると、上記の特許文献1に記載されているように、InAlGaNからなる4元混晶の各組成を適当に調整することにより、InAlGaNの格子定数をGaNの格子定数と整合させることができる。これと同時に、InAlGaNに発生する分極の大きさを、第1の半導体層の表面に発生する分極電荷の大きさと等しいか、それよりも大きくすることができる。その結果、ソース電極から第1の半導体層までの間に電子に対するポテンシャル障壁が発生しないため、ソース抵抗を低減することができる。
本発明の半導体装置において、第1の半導体層は、AlGa1−xN層(但し、xは0<x≦1である。)と該AlGa1−xN層と接するGaN層とを含むことが好ましい。
このようにすると、AlGa1−xN層とGaN層との界面に発生する高濃度の2DEGをチャネルとして利用できるため、ソース抵抗を低減することができる。
本発明の半導体装置において、絶縁膜は窒化シリコンからなることが好ましい。
このようにすると、2DEGチャネル内のポテンシャルを変調して電子濃度が向上するため、ソース抵抗を低減することができる。
本発明の半導体装置において、絶縁膜は結晶化した窒化シリコンからなることが好ましい。
このようにすると、絶縁膜として、膜厚が薄くても緻密なゲート絶縁膜を形成できるため、ゲート絶縁性を確保しながら、相互コンダクタンス(g)が大きいトランジスタを実現できる。
本発明の半導体装置において、ゲート電極は絶縁膜と接する下部がその上部よりも細く形成されていることが好ましい。
このようにすると、絶縁膜と接する下部の寸法であるゲート長の微細化を図りながら、ゲート断面積を大きくすることができるため、ゲート抵抗の増大を防ぐことができるので高周波特性を改善することができる。
本発明の半導体装置において、絶縁膜は2層以上の積層膜であることが好ましい。
この場合に、積層膜は上層膜の誘電率が下層膜の誘電率よりも小さいことが好ましい。
この場合に、下層膜は窒化シリコン(SiN)からなり、前記上層膜は酸化シリコン(SiO)からなることが好ましい。
このようにすると、以下の2つの効果がある。第1に、絶縁膜(ゲート絶縁膜)の絶縁性能が強化される。一般にゲート絶縁膜は数nm程度と極めて薄いため、絶縁膜にピンホール状の穴が開いてしまうことがある。この絶縁膜の上に形成されるゲート電極の材料にチタン(Ti)等の、GaNに対してオーミック接触が可能な金属を用いた場合には、この穴を通してリーク電流が流れ、絶縁性能を低下させる原因となる。そこで、1層目の絶縁膜の上に2層目の絶縁膜を形成して絶縁膜全体を補強することにより、絶縁膜における絶縁性能の低下を防ぐことができる。第2に、寄生ゲート容量を低減することが可能となる。窒化シリコンは、第1の半導体層(障壁層)の表面のポテンシャルを変調してチャネルとなる2DEGの電子濃度を向上させる効果や、電流コラプスの抑制効果を期待できるものの、比誘電率kが7から8と比較的に高いことから、ゲート容量が高くなってしまうという問題がある。そこで、窒化シリコンの上層膜として窒化シリコンよりも比誘電率が小さい酸化シリコン(k=4)を堆積することにより、窒化シリコンを厚膜化して本発明の2層の絶縁膜と同一の膜厚とした場合と比べて、ゲート容量を低減することができる。
また、この場合に、絶縁膜を構成する積層膜は、ゲート電極の下部と接する領域が第1の半導体層を露出しない程度に掘り込まれてなる凹部を有していることが好ましい。
このようにすると、ゲート長がゲート電極自体の寸法ではなく、ゲート電極の下側に掘り込まれてなる凹部の幅寸法で決定されるため、微細化が困難であるゲート電極自体を縮小化することなく、実効ゲート長を微細化することができる。
本発明の半導体装置において、キャップ層における前記開口部に対して外側の領域は、第1の半導体層に達する深さにまで掘り込まれていることが好ましい。
このように、オーミック電極であるソース電極及びドレイン電極を、チャネルとなる第1の半導体層と直接に接触させることによりコンタクト抵抗を低減できるため、ソース抵抗をより一層低減することができる。
本発明の半導体装置において、開口部におけるドレイン電極側の端部からゲート電極までの距離は、開口部におけるソース電極側の端部からゲート電極までの距離よりも大きいことが好ましい。
このようにすると、キャップ層をゲート電極に近づけることによりソース抵抗が低減するという効果に加え、ゲート電極とドレイン電極との間の耐圧を向上できるため、さらなる高出力動作を実現することができる。
本発明の半導体装置において、開口部の壁面からゲート電極の下端部の側面までの距離は、100nm以下であることが好ましい。
このようにすると、ゲート電極とオーミック電極との間の寄生抵抗を大幅に低減することができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板上に第1のIII族窒化物半導体からなる第1の半導体層を形成する工程と、第1の半導体層の上に、第2のIII族窒化物半導体からなるキャップ層を形成する工程と、キャップ層の上にエッチングマスク層を形成し、形成したエッチングマスク層にキャップ層を露出する第1の開口部を形成する工程と、第1の開口部を有するエッチングマスク層をマスクとしてキャップ層に対してエッチングを行うことにより、第1の開口部よりも開口幅が大きい第2の開口部を形成すると共に、第1の半導体層を露出する工程と、第1の開口部を通して、少なくとも第1の半導体層における第2の開口部からの露出部分の上に絶縁膜を形成する工程と、第1の開口部を通して、第2の開口部の底面に形成された絶縁膜の上に、ゲート電極を形成する工程とを備え、第2の開口部の壁面からゲート電極の下端部の側面までの距離は100nm以下であ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ると、第1の開口部を有するエッチングマスク層をマスクとしてキャップ層に対してエッチングを行うことにより、第1の半導体層を露出すると共に、第1の開口部よりも開口幅が大きい第2の開口部を形成する。その後、第1の開口部を通して第2の開口部の底面に形成された絶縁膜の上にゲート電極を形成する。これにより、ゲートリセスである第2の開口部とゲート電極とを自己整合的に形成することができる。すなわち、ゲート電極とキャップ層とをリソグラフィにおけるマスクの合わせ精度に規制されることなく近づけることができるため、ゲート電極とオーミック電極との間の寄生抵抗を極限にまで低減することができる。
本発明の半導体装置の製造方法において、キャップ層は、第3のIII族窒化物半導体からなる第3の半導体層と、第3のIII族窒化物半導体よりも大きいバンドギャップを持つ第4のIII族窒化物半導体からなる第4の半導体層とを積層してなる積層構造を含むことが好ましい。
本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、III族窒化物半導体からなるトランジスタにおける相互コンダクタンスを向上しながら、ソース抵抗を小さくできるため、より高い高周波帯域でのトランジスタ動作が可能となる。
(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ながら説明する。
図1は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置であって、MIS型HFETの断面構成を示している。
図1に示すように、サファイア(単結晶Al)からなる基板101の主面上には、窒化アルミニウム(AlN)又は低温成長した窒化ガリウム(GaN)からなるバッファ層102と、GaNからなる活性層103と、窒化アルミニウムガリウム(Al0.26Ga0.74N)からなる障壁層104と、厚さが5.6nmのn型のAl0.26Ga0.74N層及び厚さが1.4nmのn型GaN層を7周期分繰り返して積層された超格子層105と、厚さが20nmのn型GaN層106とが順次エピタキシャル成長により形成されている。ここで、超格子層105とn型GaN層106とによりキャップ層107が構成される。なお、2DEGチャネルの電子移動度の向上を図るために、活性層103及び障壁層104の間に、厚さが1nm程度のAlNからなるスペーサ層を形成してもよい。
キャップ層107には、障壁層104を露出するゲート電極形成領域であるゲートリセス108が選択的に形成されている。ゲートリセス108の底面及び壁面上並びにキャップ層107の上面の一部には、厚さが4nm程度の窒化シリコンからなる絶縁膜109が形成されている。ここで、障壁層104の上でゲート絶縁膜となる絶縁膜109を極めて薄くしているのは、100nmを超える程に厚すぎると相互コンダクタンス(g)が低下したり、トランジスタの閾値電圧が深くなる、すなわち閾値電圧の負の絶対値が大きくなる等の性能の低下が起こるためである。従って、絶縁膜109の膜厚は、1nm以上且つ100nm以下が好ましい。1nm未満では、絶縁膜109にピンホール等が生じやすくなる等の膜の均一性に問題が生じるからである。より好ましくは、絶縁膜109の膜厚は、1nm以上且つ10nm以下である。また、絶縁膜109は、ゲートリセス108の壁面上及びキャップ層107の上ではパッシベーション膜として機能する。
キャップ層107における絶縁膜109からの露出部分の上には、ゲートリセス108を挟んで対向するように、それぞれチタン(Ti)とアルミニウム(Al)との積層膜からなるソース電極110及びドレイン電極111が形成されている。
絶縁膜109におけるゲートリセス108の底面上には、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)からなるゲート電極112が形成されている。ゲート電極112の断面形状は、ゲートリセス108内に収まる下部は、ゲートリセス108の両壁面からそれぞれ間隔をおくように細く形成され、ゲートリセス108に収まらない上部は、その下部よりも大きい、いわゆるT字型ゲートである。このようにすると、ゲート長が短くなることによりゲート容量を低減できると共に、ゲート電極112の上部が大きくなることによりゲート直列抵抗を低減できる。その結果、半導体装置における最大発振周波数fmaxを向上できるので好ましい。
図2に第1の実施形態に係る半導体装置における電流電圧(IV)特性を示し、図3に第1の実施形態に係る半導体装置における電流利得(the current gain)と最大安定利得(the maximum stable gain)/最大有効利得(the maximum available gain)との周波数依存性を示す。図3において、|h21は電流利得を表わし、MSGは最大安定利得を表わし、MAGは最大有能利得を表す。
図2からは、本実施形態に係る半導体装置が優れたIV特性を示すことが分かり、図3からは、第1の実施形態に係る半導体装置の最大発振周波数fmaxが130GHzであり、電流利得遮断周波数fが105GHzであることが分かる。
以上説明したように、第1の実施形態においては、n型GaN層106及び超格子層105からなる低抵抗なキャップ層107を、リソグラフィの精度でゲート電極112の近傍にまで近づけることができるため、ソース抵抗を低減することができる。
また、本実施形態において、キャップ層107として、n型GaN層106及びAlGaN/GaNからなる超格子層105を用いている。この構成により、以下に示すような低抵抗化の効果を有する。
すなわち、非特許文献2に記載されているように、超格子層105を含むキャップ層107は、超格子層105の内部に発生する多重2次元電子ガスの効果により、基板面に平行な方向の抵抗を下げることができる。これと同時に、障壁層104とキャップ層107との界面に発生する負の分極電荷に起因するポテンシャル障壁を、超格子層105の内部に蓄積された高濃度の電子の効果によって低減することができるため、基板面に垂直な方向の抵抗をも下げることができる。この結果、ソース抵抗を低減することができる。
以下、前記のように構成された半導体装置(MIS型HFET)の製造方法について図面を参照しながら説明する。
図4(a)〜図4(d)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。
まず、図4(a)に示すように、例えば有機金属化学気相成長(MOCVD:metal organic chemical vapor deposition)法により、サファイアからなる基板101の主面上に、AlN又は低温成長したGaNからなるバッファ層102、GaNからなる活性層103、Al0.26Ga0.74Nからなる障壁層104、n型にドープしたAl0.26Ga0.74N層とn型にドープしたGaN層とを7周期分繰り返して積層した超格子層105及びn型にドープしたn型GaN層106を順次エピタキシャル成長して形成する。
次に、図4(b)に示すように、リソグラフィ法、及び塩素(Cl)ガスをエッチングガスの主成分とするドライエッチング法により、n型GaN層106、超格子層105及び障壁層104の一部を選択的に掘り込んでゲートリセス108を形成することにより、障壁層104におけるゲート電極形成領域を露出する。その後、図示はしていないが、イオン注入法等により、ソース電極及びドレイン電極の各形成領域の外側部分に対して素子間分離を行なう。
次に、図4(c)に示すように、例えばMOCVD法又はプラズマ化学気相成長(p−CVD)法により、ゲートリセス108の底面及び壁面上を含めn型GaN層106上の全面に、例えば膜厚が4nm程度の窒化シリコンからなる絶縁膜109を堆積する。その後、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、絶縁膜109におけるゲートリセス108を挟んで対向する領域であって、ソース電極及びドレイン電極の各オーミック電極形成領域を除去してn型GaN層106を選択的に露出する。その後、各オーミック電極形成領域を露出するレジストマスク(図示せず)の上に、真空蒸着法等により、それぞれTiとAlとを蒸着する。続いて、レジストマスクを除去する、いわゆるリフトオフ法により、TiとAlとからなるソース電極110及びドレイン電極111を形成する。その後、所定の加熱処理により、ソース電極110及びドレイン電極111とその下側のn型GaN層106とをそれぞれ合金化する。
次に、図4(d)に示すように、ゲートリセス108内に細い開口部と、その上に続く太い開口部とを有する複数層からなるマスクパターンを形成し、その後、マスクパターンの開口部にTiとAlとが充填されるように蒸着する。続いてリフトオフ法により、マスクパターンを除去することにより、TiとAlとからなり、下部が細く上部が太い断面T字型状のゲート電極112が形成される。
なお、図5に示すように、第1の実施形態の一変形例であって、素子分離領域として、図4(b)に示すゲートリセス108を形成する工程において、オーミック電極形成領域の一部をn型GaN層106から活性層103にまで達するオーミックリセス113を形成することが好ましい。
このようにすると、本変形例に係る半導体装置は、n型GaN層106の表面及び側面、超格子層105の側面、並びに障壁層104と活性層103との界面に発生する2DEGチャネルの側面に、オーミック電極がそれぞれ直接に接するため、コンタクト抵抗をさらに低減することができる。また、n型GaN層106及び超格子層105からなる低抵抗のキャップ層107と、活性層103に形成される2DEGチャネル層とが、素子分離領域には存在しなくなるため、半導体装置に接続される配線の配線容量を低減することができる。
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図6は本発明の第2の実施形態に係る半導体装置であって、MIS型HFETの断面構成を示している。図6において、図1に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付与することにより説明を省略する。
図6に示すように、第2の実施形態に係る半導体装置は、ゲート電極112と障壁層104との間に形成する絶縁膜109が、例えばMOCVD法により形成され、厚さが3nm程度の窒化シリコン(SiN)からなる下部絶縁膜109Aと、例えばp−CVD法により形成され、厚さが4nm程度の窒化シリコン(SiN)からなる上部絶縁膜109Bとから構成されていることを特徴とする。
このように、ゲート絶縁膜となる絶縁膜109を2重構造とすることにより、以下のような効果を奏する。
まず、絶縁膜109の絶縁性能が強化されるという効果がある。一般にゲート絶縁膜は数nm程度と極めて薄く形成されることから、絶縁膜109にピンホール状の穴が生じてしまうことがある。ゲート電極112の材料にチタン(Ti)等の、窒化ガリウム(GaN)に対してオーミック接触が可能な金属を用いた場合には、この穴を通してリーク電流が流れるため、絶縁性能を低下させる原因となる。そこで、2層目の上部絶縁膜109Bを形成して、絶縁膜109を補強することにより、該絶縁膜109の絶縁性能の低下を防ぐことができる。
また、図6に示す上部絶縁膜109Bには、例えばp−CVD法により成膜した、厚さが4nmの酸化シリコン(SiO)を用いてもよい。このような構成とすることにより、前述した絶縁膜全体を強化する効果に加えて、以下に示す寄生容量を低減する効果をも期待できる。
窒化シリコンからなる下部絶縁膜109Aは、AlGaNからなる障壁層104の表面のポテンシャルを変調してチャネルとなる2次元電子ガス(2DEG)の濃度を向上させる効果や、電流コラプスの抑制効果を期待できる。しかしながら、窒化シリコンは比誘電率kが7から8程度と比較的に高いことから、ゲート容量が高くなってしまうという問題がある。従って、2層目の上部絶縁膜109Bに比誘電率kが4程度の酸化シリコンを用いることにより、ゲート電極112と障壁層104との寄生ゲート容量を低減することができる。このため、上部絶縁膜109Bには、下部絶縁膜109Aよりも小さい誘電率を持つ絶縁膜を用いることが望ましい。
また、図7に示すように、第2の実施形態の一変形例であって、素子分離領域として、オーミック電極形成領域の一部をn型GaN層106から活性層103に達するオーミックリセス113を形成することが好ましい。
(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図8は本発明の第3の実施形態に係る半導体装置であって、MIS型HFETの断面構成を示している。図8において、図6に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付与することにより説明を省略する。
図8に示すように、第3の実施形態に係る半導体装置は、絶縁膜109を構成する上部絶縁膜109Bにおけるゲートリセス108の底面上に、下部絶縁膜109Aを露出する凹部109bが形成されている。この上部絶縁膜109Bに形成された凹部109bにゲート電極112の下端部112aが嵌め込まれている。ここで、凹部109bのゲート長方向の開口幅は、ゲート電極112における上部絶縁膜109Bの上側部分の幅よりも小さくなるように形成されている。
このような構成とすることにより、ゲート電極112として実効的に機能する凹部109b内の下端部112aの下側の絶縁膜109が薄くなるため、相互コンダクタンス(g)の低下を防ぐことができる。
その上、ゲート電極112を、上部絶縁膜109Bの凹部109bを埋めるように形成することにより、ゲート電極112の上部絶縁膜109Bに対する接触面積を大きくできるため、ゲート電極112の上部絶縁膜109Bに対する密着性を向上することができる。さらには、凹部109bに充填されたゲート電極112の下端部112aが実効的なゲート電極して機能するため、実効的なゲート長の微細化をも実現することができる。
また、ゲート電極112における凹部109bの外側で且つ上部絶縁膜109Bの上に被さる部分による寄生ゲート容量は、上部絶縁膜109Bの誘電率が下部絶縁膜109Aの誘電率に比べて小さい場合、すなわち本実施形態のように、上部絶縁膜109Bを構成する酸化シリコンの比誘電率が下部絶縁膜109Aを構成する窒化シリコンと比べて小さいことから、低く抑えることができる。
以下、上部絶縁膜109B及びその凹部109bの形成方法を図面を参照しながら説明する。ここでは、第2の実施形態との相違点のみを説明する。
図9に示すように、キャップ層107に障壁層104を露出するゲートリセス108を形成した後、MOCVD法により、ゲートリセス108の底面及び壁面上並びにキャップ層107の上に、窒化シリコンからなる下部絶縁膜109Aを堆積する。続いて、p−CVD法により、下部絶縁膜109Aの上に酸化シリコンからなる上部絶縁膜109Bを堆積する。その後、フルオロカーボンを主成分とするドライエッチングにより、上部絶縁膜109Bにゲート電極112の下端部を嵌め込む凹部109bを形成する。ここで、凹部109bの底面は必ずしも下部絶縁膜109Aの表面で止まる必要はなく、障壁層104が露出しない限り下部絶縁膜109Aの内部にまで達してもよい。また、下部絶縁膜109Aの表面に達することなく、上部絶縁膜109Bの内部で止まってもよい。なお、凹部109bの形成には、ドライエッチングに限られず、フッ酸(HF)又はその混合液を用いたウェットエッチングにより行なうことも可能である。この場合、MOCVD法により形成した窒化シリコンからなる下部絶縁膜109Bは、ウェットエッチングで侵されにくい性質を有しているため、上部絶縁膜109Bのみを選択的に開口することができる。その後は、ゲートリセス108内の凹部109bにゲート電極112の下端部112aが埋め込まれるように、下部が細く上部が太い断面T字型状のゲート電極を形成して、図8に示す半導体装置を得る。
なお、下部絶縁膜109Aは、MOCVD法により成膜したSiN膜に限られず、p−CVD法により成膜したSiN膜でもよい。
また、上部絶縁膜109Bは、SiO膜に限られずSiN膜でもよい。
また、図10に示すように、第3の実施形態の一変形例であって、素子分離領域として、オーミック電極形成領域の一部をn型GaN層106から活性層103に達するオーミックリセス113を形成することが好ましい。
(第4の実施形態)
以下、本発明の第4の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図11は本発明の第4の実施形態に係る半導体装置であって、MIS型HFETの断面構成を示している。図11において、図1に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付与することにより説明を省略する。
図11に示すように、第4の実施形態に係る半導体装置は、ゲートリセス108におけるドレイン電極111側の端部からゲート電極112の側面までの距離d1が、ゲートリセス108におけるソース電極110側の端部からゲート電極の側面までの距離d2よりも大きいことを特徴とする
このような構成とすることにより、第4の実施形態に係る半導体装置は、キャップ層107がゲート電極112に近づくことによりソース抵抗が低減される上に、ゲート電極112とドレイン電極111との間の耐圧を向上できるため、さらなる高出力動作を実現することができる。
なお、図12に示すように、第4の実施形態の一変形例であって、素子分離領域として、オーミック電極形成領域の一部をn型GaN層106から活性層103に達するオーミックリセス113を形成することが好ましい。
なお、第1〜第4の各実施形態及びその変形例において、キャップ層107として、特許文献1に記載されているような、窒化インジウムアルミニウムガリウム(InAlGaN)からなる4元混晶を用いてもよい。ここでは、InAlGaNからなる4元混晶からなるキャップ層107を4元キャップ層と呼ぶ。4元キャップ層は4元の各組成を適当に制御して該キャップ層107の分極電荷量を調節することにより、AlGaNからなる障壁層104とキャップ層107との界面に発生する負の固定電荷を抑止することができる。その結果、半導体装置(MIS型HFET)のソース抵抗を低減することができる。
また、各実施形態及びその変形例におけるキャップ層107として、超格子層105と4元キャップ層とを組み合わせてもよい。
また、各実施形態及びその変形例において、窒化シリコンからなる絶縁膜109又は下部絶縁膜109Aは結晶化していてもよい。結晶化された窒化シリコンは、例えばMOCVD法により、温度が900℃で且つ圧力が約1.33×10Pa(=100Torr)のシラン(SiH)及びアンモニア(NH)の雰囲気下で成膜することができる。
(第5の実施形態)
以下、本発明の第5の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図13は本発明の第5の実施形態に係る半導体装置であって、MIS型HFETの断面構成を示している。図13において、図1に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付与することにより説明を省略する。
図13に示すように、第5の実施形態に係る半導体装置には、n型GaN層106の上に例えば酸化シリコン(SiO)からなるエッチングマスク層114が形成されており、ゲート電極112は、エッチングマスク層114におけるゲートリセス(第2の開口部)108の上側部分に設けられたスリット(第1の開口部)114aを通して自己整合的に形成されている。
このように、第5の実施形態においては、ゲート電極112とゲートリセス108とを自己整合的に形成することにより、ゲート電極112とキャップ層107とを、リソグラフィにおけるマスクの合わせ精度に制限されることなく近づけることができる。これにより、ゲート電極112とオーミック電極であるソース電極110及びドレイン電極111との間の寄生抵抗を極限にまで低減することができる。
以下、前記のように構成された半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。
図14(a)〜図14(d)、図15(a)及び図15(b)は本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。
まず、図14(a)に示すように、第1の実施形態と同様に、例えばMOCVD法により、サファイアからなる基板101の主面上に、バッファ層102、活性層103、障壁層104、n型AlGaN層とn型GaN層とを7周期分繰り返して積層した超格子層105、及びn型GaN層106を順次エピタキシャル成長して形成する。
次に、図14(b)に示すように、リソグラフィ法及び塩素(Cl)ガスをエッチングガスの主成分とするドライエッチング法により、n型GaN層106、超格子層105、障壁層104及び活性層103におけるオーミック電極形成領域を選択的に掘り込んでオーミックリセス113を形成する。その後、例えばp−CVD法により、オーミックリセス113が形成されたエピタキシャル半導体層の上に、例えば厚さが100nmの酸化シリコンからなるエッチングマスク層114を形成する。なお、オーミックリセス113は必ずしも設ける必要はない。
次に、図14(c)に示すように、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、エッチングマスク層114におけるゲートリセス形成領域に含まれる部分にスリット114aを選択的に形成する。続いて、スリット114aが形成されたエッチングマスク層114をマスクとして、例えば塩素(Cl)ガスをエッチングガスの主成分とするドライエッチング法と、続いて、例えば水酸化カリウム(KOH)をエッチャントとするウェットエッチング法により、n型GaN層106、超格子層105及び障壁層104の一部を選択的に掘り込んで、障壁層104を露出するゲートリセス108を形成する。
次に、図14(d)に示すように、エッチングマスク層114における各オーミック電極形成領域の上側部分を選択的に除去する。その後、各オーミック電極形成領域を露出するレジストマスク(図示せず)の上に、真空蒸着法等により、それぞれTiとAlとを蒸着する。続いて、リフトオフ及び所定の合金化処理を行うことにより、Ti/Alからなるオーミック電極であるソース電極110及びドレイン電極111を形成する。
次に、図15(a)に示すように、p−CVD法等により、例えば膜厚が4nm程度の窒化シリコン(SiN)からなる絶縁膜(ゲート絶縁膜)109を、エッチングマスク層114のスリット114aを通して、ゲートリセス108の底面及び壁面上に形成する。
次に、図15(b)に示すように、リソグラフィ法、真空蒸着法及びリフトオフ法により、エッチングマスク層114のスリット114aを通して、Ti/Al/Tiからなるゲート電極112を形成する。これにより、下部が細く上部が太い断面T字型状のゲート電極112が自己整合的に形成される。
なお、図15(b)に示す工程よりも後に、エッチングマスク層114及び絶縁膜109におけるゲート電極112の外側部分、より好ましくは、エッチングマスク層114及び絶縁膜109におけるゲートリセス108の上側部分は、寄生容量を低減する上で除去することが好ましい。この場合のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでも構わない。但し、ドライエッチングの場合は、例えば絶縁膜109のエッチングマスク層114に対するエッチレートを小さくする等のエッチング条件の設定が必要となり、また、ウェットエッチングの場合は、ゲート電極112がエッチングされないように、例えば金(Au)による被膜処理等が必要となる。
図6に第5の実施形態に係る製造方法により作製した半導体装置におけるゲート電極112の断面SEM(走査型電子顕微鏡)写真を示す。図6に示すように、ゲートリセス内において、ゲート電極112とキャップ層107との間隔が30nmまで近づけることができている。なお、絶縁膜109は膜厚が薄いため写っていない。
なお、絶縁膜109は、p−CVD法に代えてMOCVD法により形成してもよい。但し、この場合の絶縁膜109の形成は、図14(d)の工程の前、すなわちオーミック電極を形成するより前に行うことが望ましい。
以上説明したように、第5の実施形態によると、キャップ層107の上にスリット114aを設けたエッチングマスク層114を形成し、形成したエッチングマスク層114を用いてキャップ層107にゲートリセス108を形成することにより、ゲートリセス108とゲート電極112とを自己整合的に形成することができる。これにより、ゲート電極112とキャップ層107とをリソグラフィにおけるマスクの合わせ精度に制限されることなく近づけることができるため、ゲート電極112とソース電極110及びドレイン電極111との間の寄生抵抗を極限にまで低減することができる。
図17に第5の実施形態に係る半導体装置のドレイン電流とドレイン電圧との関係を示す。ここでは、ゲート長Lを0.12μmとしている。図17から分かるように、トランジスタ動作及びピンチオフ特性は良好であり、最大ドレイン電流は1.75A/mmが得られており、従って、最大相互コンダクタンスは440mS/mmが得られている。
なお、エッチングマスク層114は、酸化シリコンに限られず、ドライエッチング耐性及びウェットエッチング耐性がある材料であればよい。
本発明に係る半導体装置及びその製造方法は、トランジスタにおける相互コンダクタンスを向上しながらソース抵抗を小さくでき、特に、MIS型ゲート電極を有する高周波用の窒化ガリウム系半導体装置及びその製造方法等に有用である。
本発明の第1の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置における電流電圧(IV)特性を示すグラフである。 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置における高周波(RF)特性を示すグラフである。 (a)〜(d)は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の断面図である。 本発明の第1の実施形態の一変形例に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態の一変形例に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の第3の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す一工程の断面図である。 本発明の第3の実施形態の一変形例に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の第4の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の第4の実施形態の一変形例に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の第5の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 (a)〜(d)は本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の断面図である。 (a)及び(b)は本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の断面図である。 本発明の第5の実施形態に係る半導体装置におけるゲート電極及びその近傍の断面SEM(走査型電子顕微鏡)写真である。 本発明の第5の実施形態に係る半導体装置における電流電圧(IV)特性を示すグラフである。 従来のMIS型HFETを示す断面図である。
符号の説明
101 基板
102 バッファ層
103 活性層
104 障壁層
105 超格子層
106 n型GaN層
107 キャップ層
108 ゲートリセス(開口部/第2の開口部)
109 絶縁膜
109A 下部絶縁膜
109B 上部絶縁膜
109b 凹部
110 ソース電極
111 ドレイン電極
112 ゲート電極
112a 下端部
113 オーミックリセス
114 エッチングマスク層
114a スリット(第1の開口部)

Claims (18)

  1. 第1のIII族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、第2のIII族窒化物半導体からなり且つ前記第1の半導体層を露出する開口部を有するキャップ層と、
    前記キャップ層の上に前記開口部を挟んで対向するように形成されたソース電極及びドレイン電極と、
    少なくとも前記第1の半導体層における前記開口部からの露出部分の上に形成された絶縁膜と、
    前記開口部の底面上に前記絶縁膜を介在させて形成されたゲート電極とを備えていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記絶縁膜は、前記キャップ層における前記開口部から露出する壁面上にも形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記キャップ層は、第3のIII族窒化物半導体からなる第3の半導体層と、前記第3のIII族窒化物半導体よりも大きいバンドギャップを持つ第4のIII族窒化物半導体からなる第4の半導体層とを積層してなる積層構造を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記第3の半導体層は窒化ガリウムであり、前記第4の半導体層は窒化アルミニウムガリウムであることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
  5. 前記キャップ層は、窒化インジウムアルミニウムガリウムからなる半導体層を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  6. 前記第1の半導体層は、AlGa1−xN層(但し、xは0<x≦1である。)と該AlGa1−xN層と接するGaN層とを含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  7. 前記絶縁膜は、窒化シリコンからな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。
  8. 前記絶縁膜は、結晶化した窒化シリコンからなることを特徴とする請求項1、2及び7のいずれか1項に記載の半導体装置。
  9. 前記ゲート電極は、前記絶縁膜と接する下部がその上部よりも細く形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  10. 前記絶縁膜は、2層以上の積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。
  11. 前記積層膜は、上層膜の誘電率が下層膜の誘電率よりも小さいことを特徴とする請求項10に記載の半導体装置。
  12. 前記積層膜は、前記ゲート電極の下部と接する領域が前記第1の半導体層を露出しない程度に掘り込まれていることを特徴とする請求項10又は11に記載の半導体装置。
  13. 前記下層膜は窒化シリコンからなり、前記上層膜は酸化シリコンからなることを特徴とする請求項11又は12に記載の半導体装置。
  14. 前記キャップ層における前記開口部に対して外側の領域は、前記第1の半導体層に達する深さにまで掘り込まれてなる凹部を有していることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載の半導体装置。
  15. 前記開口部における前記ドレイン電極側の端部から前記ゲート電極までの距離は、前記開口部における前記ソース電極側の端部から前記ゲート電極までの距離よりも大きいことを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載の半導体装置。
  16. 前記開口部の壁面から前記ゲート電極の下端部の側面までの距離は、100nm以下であることを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載の半導体装置。
  17. 基板上に第1のIII族窒化物半導体からなる第1の半導体層を形成する工程と、
    前記第1の半導体層の上に、第2のIII族窒化物半導体からなるキャップ層を形成する工程と、
    前記キャップ層の上にエッチングマスク層を形成し、形成した前記エッチングマスク層に前記キャップ層を露出する第1の開口部を形成する工程と、
    前記第1の開口部を有する前記エッチングマスク層をマスクとして前記キャップ層に対してエッチングを行うことにより、前記第1の開口部よりも開口幅が大きい第2の開口部を形成すると共に、前記第1の半導体層を露出する工程と、
    前記第1の開口部を通して、少なくとも前記第1の半導体層における前記第2の開口部からの露出部分の上に絶縁膜を形成する工程と、
    前記第1の開口部を通して、前記第2の開口部の底面に形成された前記絶縁膜の上に、ゲート電極を形成する工程とを備え、
    前記第2の開口部の壁面から前記ゲート電極の下端部の側面までの距離は、100nm以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  18. 前記キャップ層は、第3のIII族窒化物半導体からなる第3の半導体層と、前記第3のIII族窒化物半導体よりも大きいバンドギャップを持つ第4のIII族窒化物半導体からなる第4の半導体層とを積層してなる積層構造を含むことを特徴とする請求項17に記載の半導体装置の製造方法。
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