JP2010212495A - Ｉｉｉ族窒化物半導体からなるｈｆｅｔの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノーマリオン型ＨＦＥＴの閾値電圧の簡易な調整方法を提供すること。
【解決手段】ｉ−ＡｌＧａＮ層１２のゲート電極１５を形成する領域のみを開口させたパターンのマスク１７を形成する。開口されたｉ−ＡｌＧａＮ層１２の領域に、ＣＦ₄ ガスプラズマを照射し、ダメージ層１６を形成する（図２（ｃ））。ＣＦ₄ ガスプラズマの照射時間によってダメージ層１６の厚さを調整することで、実質的なｉ−ＡｌＧａＮ層１２の厚さを調整することができ、これにより閾値電圧を調整することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、III 族窒化物半導体からなるノーマリオン型のＨＦＥＴの製造方法に関するものであり、特に閾値電圧の調整方法に特徴を有するものである。

ＧａＮなどのIII 族窒化物半導体は、近年、ＬＥＤなどの発光デバイスのみならず、パワーデバイスや高周波デバイスの材料としても注目されている。そのようなＧａＮ系ＨＦＥＴでは、閾値電圧は、障壁層のIII 族元素の組成比や、障壁層の膜厚などに依存している。そこで障壁層形成後に閾値電圧を調整する場合、従来は障壁層をドライエッチングして障壁層の膜厚を調整することによって、閾値電圧を調整することが検討されてきた。

また、特許文献１には、閾値電圧を正にシフトさせることでＨＦＥＴをノーマリオフ化する技術が示されている。この特許文献１によると、フッ素系ガスプラズマ照射によるチャネルへのフッ素の導入によって閾値電圧が正にシフトし、ノーマリオフ化できるとの記載がある。また、このプラズマ照射によると半導体層にダメージが生じるため、フッ素の離脱を防止するための保護膜を形成した後に熱処理によるダメージの回復を行う旨の記載がある。

特開２００９−１０２１１

しかしながら、障壁層のドライエッチングによって閾値電圧を調整する方法では、工程数が多くて複雑であるため、不具合を生じる原因となった。後のゲート電極形成において、電極材が段切れを起こすなどの不具合を生じる可能性があった。

また、フッ素系ガスプラズマ照射によるチャネルへのフッ素の導入による方法では、ダメージの回復のための熱処理工程や、フッ素の離脱を防止するための保護膜形成工程が必要であり、工程数が多く複雑であった。

そこで本発明の目的は、III 族窒化物半導体からなるノーマリオン型のＨＦＥＴの製造方法において、容易に閾値電圧を調整することができる方法を提供することにある。

第１の発明は、III 族窒化物半導体からなり、障壁層とチャネル層との接合構造を有したノーマリオン型のＨＦＥＴの製造方法において、障壁層へのフッ素系ガスプラズマの照射によりダメージ層を形成し、フッ素系ガスプラズマの照射時間によってダメージ層の厚さを調整することで、ＨＦＥＴの閾値電圧を調整する、ことを特徴とするＨＦＥＴの製造方法である。

ここでIII 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_z Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される化合物半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。通常は、Ｇａを必須とするＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。

フッ素系ガスには、ＣＦ₄ 、ＣＨＦ₃ 、ＣＨ₂ Ｆ₂ 、Ｃ₂ Ｆ₆ 、ＳｉＦ₄ などを用いることができる。照射強度は、障壁層をエッチングしない程度であればよい。

障壁層やチャネル層は、単層であってもよいし、複数の層で構成されていてもよい。また、障壁層およびチャネル層は、障壁層のバンドギャップがチャネル層のバンドギャップよりも大きなIII 族窒化物半導体材料であればよい。たとえばチャネル層にＧａＮ、障壁層にＡｌＧａＮを用いたり、チャネル層にＩｎＧａＮ、障壁層にＧａＮまたはＡｌＧａＮを用いたりすることができる。

第２の発明は、第１の発明において、フッ素系ガスは、ＣＦ₄ であることを特徴とするＨＦＥＴの製造方法である。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、障壁層はＡｌＧａＮであり、チャネル層はＧａＮであることを特徴とするＨＦＥＴの製造方法である。

本発明では、フッ素系ガスプラズマの照射時間によって障壁層に生じるダメージ層の厚さを調整することで、実質的な障壁層の膜厚を調整し、これによってIII 族窒化物半導体からなるノーマリオン型のＨＦＥＴの閾値電圧を調整している。そのため、障壁層をドライエッチングする方法や、フッ素系ガスプラズマによるチャネルへのフッ素の導入による方法に比べて簡易に閾値電圧を調整することができる。また、プラズマ照射時間は細かく制御することができるため、障壁層に生じるダメージ層の厚さも細かく調整することができ、その結果、閾値電圧も細かに調整することができる。

実施例１のＨＦＥＴ１の構成を示した図。 ＨＦＥＴ１の製造工程を示した図。 Ｃ−Ｖ特性を示したグラフ。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のＨＦＥＴ１の構成を示した図である。ＨＦＥＴ１は、ＳＩ−ＳｉＣからなる基板１０と、サファイア基板１０上にバッファ層（図示しない）を介して積層されたｉ−ＧａＮ層１１（本発明のチャネル層に相当）、ｉ−ＡｌＧａＮ層１２（本発明の障壁層に相当）と、ｉ−ＡｌＧａＮ層１２上の所定の領域に離間して形成されたソース電極１３、ドレイン電極１４と、ｉ−ＡｌＧａＮ層１２上のソース電極１３とドレイン電極１４とに挟まれた領域に形成されたゲート電極１５と、によって構成されている。ｉ−ＧａＮ層１１の厚さは１μｍ、ｉ−ＡｌＧａＮ層１２の厚さは４５ｎｍでＡｌ組成比は２０％である。

ゲート電極１５下部のｉ−ＡｌＧａＮ層１２の領域には、そのｉ−ＡｌＧａＮ層１２表面から所定の深さまでダメージ層１６が形成されている。このダメージ層１６は、ＣＦ₄ ガスプラズマの照射によりｉ−ＡｌＧａＮ層１２の結晶性を悪化させて形成したものである。

なお、基板１０にはＳＩ−ＳｉＣ以外にも、サファイア、Ｓｉ、ＧａＮなどを用いることができる。また、ソース電極１３、ドレイン電極１４の材料としてはｉ−ＡｌＧａＮ層１２に対してオーミック接合する材料であればよく、たとえばＴｉ／Ａｌなどを用いることができる。また、ゲート電極１５の材料としてはｉ−ＡｌＧａＮ層１２に対してショットキー接合する材料であればよく、たとえばＮｉ、Ｗなどを用いることができる。

このＨＦＥＴ１は、閾値電圧が負のノーマリオン型であり、ｉ−ＧａＮ層１１とｉ−ＡｌＧａＮ層１２との界面のｉ−ＧａＮ層１１側をチャネルとして動作する。

実施例１のＨＦＥＴ１は、以下の製造方法により作製した。まず、基板１０上に、バッファ層を介してＭＯＣＶＤ法によってｉ−ＧａＮ層１１、ｉ−ＡｌＧａＮ層１２を積層する（図２（ａ））。キャリアガスには水素と窒素、窒素源にはアンモニア、Ｇａ源にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｌ源にはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、を用いた。

次に、フォトリソグラフィ、蒸着、リフトオフによってｉ−ＡｌＧａＮ層１２上の所定の領域に、ソース電極１３、ドレイン電極１４を形成する。そしてその後、ｉ−ＡｌＧａＮ層１２、ソース電極１３、ドレイン電極１４を覆い、ｉ−ＡｌＧａＮ層１２のゲート電極１５を形成する領域のみを開口させたパターンのマスク１７を形成する（図２（ｂ））。マスク１７にはたとえばレジストなどを用いることができる。

次に、ＲＩＥ装置を用いてＣＦ₄ ガスプラズマを発生させ、開口されたｉ−ＡｌＧａＮ層１２の領域に、ＣＦ₄ ガスプラズマを照射する。出力はｉ−ＡｌＧａＮ層１２がエッチングされない程度とする。これによりｉ−ＡｌＧａＮ層１２のプラズマが照射された領域は結晶性が悪化し、ｉ−ＡｌＧａＮ層１２表面から所定の深さのダメージ層１６が形成される（図２（ｃ））。ダメージ層１６が形成されたことにより、ｉ−ＡｌＧａＮ層１２のゲート電極１５を形成する領域において結晶性が良好な領域の厚さが減少する。つまり、ｉ−ＡｌＧａＮ層１２のゲート電極１５を形成する領域において、ｉ−ＡｌＧａＮ層１２の実質的な厚さが減少する。このとき、プラズマ照射後に、そのプラズマ照射された領域を熱処理していない。その結果、プラズマ照射を行わない場合に比べて閾値電圧が正にシフトする。このダメージ層１６の厚さは、ＣＦ₄ ガスプラズマの照射時間によって細かに制御することができる。したがって、ＣＦ₄ ガスプラズマの照射時間によって、プラズマ照射後に熱処理をすることなくＨＦＥＴ１の閾値電圧を細かに調整することができる。

次に、マスク１７を除去し、フォトリソグラフィ、蒸着、リフトオフによってダメージ層１６上にゲート電極１５を形成することで、図１に示すＨＦＥＴ１が作製される。

図３は、ＣＦ₄ ガスプラズマ照射時間を変えてＣ−Ｖ特性を測定した結果を示すグラフである。プラズマ照射時間は、２２５秒、４５０秒、６７５秒、９００秒、としてそれぞれの照射時間におけるＣ−Ｖ特性を測定した。また、プラズマ照射を行わない場合のＣ−Ｖ特性も測定した。図３のように、プラズマ照射時間を増やすほど閾値電圧が正に大きくシフトすることがわかり、プラズマ照射時間を調整することでＨＦＥＴ１の閾値電圧を調整できることがわかる。

なお、実施例１ではプラズマ照射するガスとしてＣＦ₄ を用いたが、ＣＨＦ₃ 、ＣＨ₂ Ｆ₂ 、Ｃ₂ Ｆ₆ 、ＳｉＦ₄ などのフッ素系ガスを用いることもできる。

また、本発明のＨＦＥＴは実施例１に示した構成に限るものではなく、障壁層とチャネル層の接合構造を有したノーマリオン型のＨＦＥＴであればよい。たとえば、実施例１のＨＦＥＴはショットキーゲート型であるが、絶縁ゲート型であってもよい。また、障壁層やチャネル層を複数の層で構成してもよい。
また、実施例ではチャネル層にＧａＮ、障壁層にＡｌＧａＮを用いているが、障壁層のバンドギャップがチャネル層のバンドギャップよりも大きい材料であればよい。たとえば、チャネル層にＩｎＧａＮを用い、障壁層にＧａＮやＡｌＧａＮを用いてもよい。

本発明のＨＦＥＴは、増幅器などに利用することができる。

１０：基板
１１：ｉ−ＧａＮ層
１２：ｉ−ＡｌＧａＮ層
１３：ソース電極
１４：ドレイン電極
１５：ゲート電極
１６：ダメージ層

Claims (3)

1. III 族窒化物半導体からなり、障壁層とチャネル層との接合構造を有したノーマリオン型のＨＦＥＴの製造方法において、
   前記障壁層へのフッ素系ガスプラズマの照射によりダメージ層を形成し、フッ素系ガスプラズマの照射時間によって前記ダメージ層の厚さを調整することで、前記ＨＦＥＴの閾値電圧を調整する、
   ことを特徴とするＨＦＥＴの製造方法。
2. 前記フッ素系ガスは、ＣＦ₄ であることを特徴とする請求項１に記載のＨＦＥＴの製造方法。
3. 前記障壁層はＡｌＧａＮであり、前記チャネル層はＧａＮであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＨＦＥＴの製造方法。

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