JP2013065612A - 窒化物半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】窒化物半導体装置は、窒化物半導体からなる電子走行層3と、電子走行層3に積層され、電子走行層3とはAl組成が異なり、Alを含む窒化物半導体からなる電子供給層4と、電子供給層4と電子走行層3との界面に連続する界面を有し、電子走行層3上に形成された酸化膜11と、酸化膜11を挟んで電子走行層3に対向するゲート電極8とを含む。
【選択図】図1
Description
このような窒化物半導体を用いたHEMT(高電子移動度トランジスタ)が提案されている。このようなHEMTは、たとえば、GaNからなる電子走行層と、この電子走行層上にエピタキシャル成長されたAlGaNからなる電子供給層とを含む。電子供給層に接するように一対のソース電極およびドレイン電極が形成され、それらの間にゲート電極が配置される。ゲート電極は、絶縁膜を挟んで電子供給層に対向するように配置される。GaNとAlGaNとの格子不整合に起因する分極のために、電子走行層内において、電子走行層と電子供給層との界面から数Åだけ内方の位置に、二次元電子ガスが形成される。この二次元電子ガスをチャネルとして、ソース・ドレイン間が接続される。ゲート電極に制御電圧を印加することで、二次元電子ガスを遮断すると、ソース・ドレイン間が遮断される。ゲート電極に制御電圧を印加していない状態では、ソース・ドレイン間が導通するので、ノーマリオン型のデバイスとなる。
しかし、パワーデバイスとして用いるためには、ゼロバイアス時に電流を遮断するノーマリオフ型のデバイスである必要があるため、前述のようなHEMTは、パワーデバイスには適用できない。
電子供給層/電子走行層の組み合わせは、AlGaN層/GaN層、AlGaN層/AlGaN層(ただしAl組成が異なるもの)、AlInN層/AlGaN層、AlInN層/GaN層、AlN層/GaN層、AlN層/AlGaN層のうちのいずれかであってもよい。より一般化すれば、電子供給層は、組成中にAlおよびNを含む。電子走行層は、組成中にGaおよびNを含み、Al組成が電子供給層とは異なる。電子供給層と電子走行層とでAl組成が異なることにより、それらの間の格子不整合が生じ、それによって、分極に起因する二次元電子ガスが界面に近い電子走行層内に生じる。
この構成により、ゲート電極と電子供給層との間に必要な厚さのゲート絶縁膜(酸化膜および絶縁層)を配置できる。
請求項3記載の発明は、前記電子供給層が、前記電子走行層に向かって窪んだ凹部を有しており、前記酸化膜が前記凹部の底部に形成されている、請求項1または2に記載の窒化物半導体装置である。
請求項4記載の発明は、前記絶縁層が前記凹部内に配置された部分を含む、請求項2に係る請求項3に記載の窒化物半導体装置である。
前記絶縁層は、凹部内だけでなく、凹部外にまで延びて形成されていてもよい。絶縁層が凹部外にまで延びて形成されていれば、絶縁破壊耐圧を高めることができる。
請求項5記載の発明は、前記酸化膜が前記凹部の底部および側壁に渡って形成されている、請求項3または4に記載の窒化物半導体装置である。
請求項6記載の発明は、前記酸化膜の膜厚が、5nm以下(好ましくは、1nm〜5nm)である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置である。
請求項7に記載されているように、前記酸化膜が5×1016cm−3以上の濃度で窒素を含んでいてもよい。
AlN層に対して熱酸化を行うと、加熱によって窒素原子(N)が抜けることにより、窒素原子(N)が酸素原子(O)に置換されて、AlxOyからなる酸化膜となる。したがって、電子供給層と電子走行層との界面にAlN層が配置されていれば、これを熱酸化膜に転換させて酸化膜を形成できる。しかも、電子走行層との界面にAlN層が形成されていることにより、電子の散乱が抑制されるので、電子移動度を高めることができる。
請求項10記載の発明は、前記酸化膜の膜厚が、前記絶縁層の層厚よりも小さい、請求項2または4に記載の窒化物半導体装置である。この構成では、絶縁層が酸化膜に積層されるので、酸化膜の膜厚が薄くても、酸化膜および絶縁層の全体で必要な膜厚のゲート絶縁膜を形成できる。酸化膜を薄くできることにより、ゲート電極直下における電子供給層を確実に消失させることができ、かつ酸化膜の形成の際に電子走行層との界面に与える損傷を最小限にとどめることができる。その一方で、ゲート絶縁膜を十分な厚さに形成することによって、絶縁破壊耐圧を向上できる。
この方法によれば、薄部の厚さが5nm以下となるまでエッチングされるので、その後の熱酸化によって、その薄部全体を確実に酸化膜に転換させることができる。
この方法によれば、凹部の底部だけでなく、その側壁にまで延びて酸化膜が形成されるので、リークパスをより少なくしてデバイス特性を向上できる。
この方法によれば、酸化膜上に絶縁層が形成され、その絶縁層上のゲート電極を形成できる。これにより、ゲート電極と電子走行層との間に、必要な厚さのゲート絶縁膜を配置できる。絶縁層は、たとえばALD(Atomic Layer Deposition)法で形成されてもよい。
この方法により、AlN層が電子走行層に接して形成されるので、熱酸化の際に、AlN層中の窒素原子(N)が酸素原子(O)に転換し、電子走行層との界面の電子供給層(AlN層)を確実に消失させることができる。
この方法では、酸化膜の膜厚が薄くても、酸化膜および絶縁層の積層膜からなるゲート絶縁膜は必要な厚さを有することができる。酸化膜を薄くできることにより、ゲート電極直下における電子供給層を確実に消失させることができ、かつ酸化膜の形成によって電子走行層との界面に与える損傷を最小限にとどめることができる。その一方で、ゲート絶縁膜を十分な厚さに形成することによって、絶縁破壊耐圧を向上できる。
図1は、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を説明するための断面図である。この窒化物半導体装置は、基板1(たとえばシリコン基板)と、基板1の表面に形成されたバッファ層2と、バッファ層2上にエピタキシャル成長された電子走行層3と、電子走行層3上にエピタキシャル成長された電子供給層4とを含む。さらに、この窒化物半導体装置は、電子供給層4の表面を覆うパッシベーション膜5と、パッシベーション膜5に形成されたコンタクト孔6a,7aを貫通して電子供給層4にオーミック接触しているソース電極6およびドレイン電極7とを含む。ソース電極6およびドレイン電極7は、間隔を開けて配置されており、それらの間に、ゲート電極8が配置されている。
バッファ層2は、たとえば、AlGaN層であってもよいし、AlN層およびGaN層を繰り返し積層した超格子構造を有する層であってもよい。
酸化膜11と電子走行層3との界面は、電子供給層4と電子走行層3との界面に連続していて、ゲート電極8の直下における電子走行層3の界面の状態は、電子供給層4と電子走行層3との界面の状態と同等である。そのため、ゲート電極8の直下の電子走行層3における電子移動度は高い状態に保持されている。また、ゲート部にpn接合を有する構成(特許文献2参照)に比較して、十分に高いオン電圧をゲート電極8に印加できる。よって、ゲート電極8にオン電圧を印加したときのデバイス特性も良好である。
図2A〜図2Fは、前述の窒化物半導体装置の製造工程の一例を説明するための断面図であり、製造工程における複数の段階における断面構造が示されている。
まず、図2Aに示すように、基板1上に、バッファ層2および電子走行層3が順にエピタキシャル成長させられ、さらに電子走行層3上に電子供給層4がエピタキシャル成長させられる。そして、さらに、電子供給層4上の全面を被覆するように、たとえば、CVD法(化学的気相成長法)によって、パッシベーション膜5が形成される。パッシベーション膜5は、窒化シリコン(SiN)からなっていてもよく、その膜厚は数百nm程度が適当である。電子供給層4のエピタキシャル成長は、電子走行層3上にAlNからなる第1層41をエピタキシャル成長させる工程と、第1層41上にAlGaNからなる第2層42をエピタキシャル成長させる工程とを含む。
熱酸化処理は、凹部9の底部9aだけでなく、酸素雰囲気に露出されている側壁9bにおいても進行するので、酸化膜11は、底部9aを覆い、さらに側壁9bにまで延びるように形成される。酸化膜11の底部被覆部11aは、AlN層からなる第1層41から転換された部分を含み、側壁被覆部11bはAlGaN層からなる第2層42から酸化膜に転換されている。そのため、酸化膜11は窒素を含んでおり、その底部被覆部11aの窒素濃度は、側壁被覆部11bの窒素濃度よりも高い。
次に、レジスト膜16とともに、当該レジスト膜16上の電極膜17(電極膜17の不要部分)がリフトオフされることによって、当該電極膜17がパターニングされて、ゲート電極8が得られる。さらに、電極6,7,8をマスクとしたエッチングを行って絶縁層12の露出部分をパッシベーション膜5が露出するまで除去することによって、図1に示す構造の窒化物半導体装置が得られる。
また、前述の実施形態では、基板1の材料例としてシリコンを例示したが、ほかにも、サファイア基板やGaN基板などの任意の基板材料を適用できる。
2 バッファ層
3 電子走行層(GaN層)
4 電子供給層(AlGaN層)
41 第1層(AlN層)
42 第2層(AlGaN層)
4t 薄部
5 パッシベーション膜
6 ソース電極
7 ドレイン電極
8 ゲート電極
9 凹部
9a 底部
9b 側壁
10 ゲート絶縁膜
11 酸化膜
11a 底部被覆部
11b 側壁被覆部
12 絶縁層
15 二次元電子ガス
16 レジスト膜
17 電極膜
Claims (19)
- 窒化物半導体からなる電子走行層と、
前記電子走行層に積層され、前記電子走行層とはAl組成が異なり、Alを含む窒化物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層と前記電子走行層との界面に連続する界面を有し、前記電子走行層上に形成された酸化膜と、
前記酸化膜を挟んで前記電子走行層に対向するゲート電極とを含む、窒化物半導体装置。 - 前記酸化膜と前記ゲート電極との間に介在するように配置された絶縁層をさらに含む、請求項1に記載の窒化物半導体装置。
- 前記電子供給層が、前記電子走行層に向かって窪んだ凹部を有しており、
前記酸化膜が前記凹部の底部に形成されている、請求項1または2に記載の窒化物半導体装置。 - 前記絶縁層が前記凹部内に配置された部分を含む、請求項2に係る請求項3に記載の窒化物半導体装置。
- 前記酸化膜が前記凹部の底部および側壁に渡って形成されている、請求項3または4に記載の窒化物半導体装置。
- 前記酸化膜の膜厚が、5nm以下である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
- 前記酸化膜が5×1016cm−3以上の濃度で窒素を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
- 前記電子供給層が、前記電子走行層との界面に、AlN層を有している、請求項1〜7のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
- 前記電子供給層が、前記電子走行層に接する第1層と、前記第1層に接するように積層され当該第1層とはAl組成が異なる第2層とを含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
- 前記酸化膜の膜厚が、前記絶縁層の層厚よりも小さい、請求項2または4に記載の窒化物半導体装置。
- 前記酸化膜中の窒素濃度が前記絶縁層中の窒素濃度よりも高い、請求項2、4または10に記載の窒化物半導体装置。
- 前記酸化膜中の窒素濃度が5×1016cm−3以上であり、前記絶縁層中の窒素濃度が5×1016cm−3未満である、請求項2、4、10または11に記載の窒化物半導体装置。
- 窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層上に、前記電子走行層とはAl組成が異なり、Alを含む窒化物半導体からなる電子供給層を形成する工程と、
前記電子供給層の一部をエッチングして凹部を形成し、前記凹部の底部に、当該凹部外の部分よりも薄く、前記電子走行層に接する薄部を形成する凹部形成工程と、
前記薄部を熱酸化することにより、前記薄部全体を酸化膜に転換させる熱酸化工程と、
前記酸化膜を挟んで前記電子走行層に対向するゲート電極を形成するゲート形成工程とを含む、窒化物半導体装置の製造方法。 - 前記凹部形成工程が、前記薄部の厚さが5nm以下となるように前記電子供給層の一部をエッチングする工程を含む、請求項13に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
- 前記熱酸化工程が、前記薄部から連続する前記凹部の側壁を併せて酸化し、前記酸化膜を前記側壁まで延びるように形成する工程を含む、請求項14に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
- 前記熱酸化工程の後に、前記酸化膜上に絶縁層を形成する工程をさらに含み、前記絶縁層の形成後に前記ゲート形成工程が行われる、請求項13〜15のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
- 前記電子供給層を形成する工程が、前記電子走行層との界面に、AlN層を形成する工程を含む、請求項13〜16のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
- 前記電子供給層を形成する工程が、前記電子走行層に接する第1層を形成する工程と、前記第1層に接するように前記第1層とはAl組成の異なる第2層を形成する工程とを含む、請求項13〜17のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
- 前記酸化膜の膜厚が、前記絶縁層の層厚よりも小さくなるように、前記酸化膜および絶縁層が形成される、請求項16に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
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