JP2013084951A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶欠陥の発生を抑え、デバイスのリーク電流の発生、耐圧低下、しきい値電圧の継時変化、およびショートチャネル効果を抑制することが可能な半導体装置を提供すること。
【解決手段】単結晶ＡｌＮからなる基板を準備するステップと、前記単結晶ＡｌＮからなる基板の表面を酸素プラズマによって酸化し、単結晶ＡｌＮからなる基板上に酸化アルミニウムまたはアルミニウムオキシナイトライドからなる絶縁膜を形成するステップとを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、窒化物半導体基板上に形成される半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。具体的には、本発明は、高耐圧もしくは高温動作可能な電界効果トランジスタおよび電界効果トランジスタの製造方法に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）等の窒化物半導体結晶は、ワイドギャップ半導体である。これらのワイドギャップ半導体は、高耐圧、高電子移動度といった優れた特性を持っている。特にアルミニウム組成比の高いＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（１≧ｘ≧０．７）は、高耐圧電界効果トランジスタもしくは高温動作向け電界効果トランジスタのチャネル材料として適当である。

窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の窒化物系半導体はバルクの単結晶を成長させることが困難であった。従って、窒化物系半導体デバイスは、通常サファイヤ基板上に形成されている。窒化物系半導体デバイスは、ＳｉＣ基板上またはＳｉ基板上に形成される場合もある。サファイヤ基板上、ＳｉＣ基板上、またはＳｉ基板上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）もしくはＭＢＥ（分子線エピタキシー）によって、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）等の窒化物半導体結晶が形成されている（特許文献１を参照）。

ところで、公知の通りＳｉ上に形成されるＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）においては、Ｓｉを酸化してなるＳｉＯ_２がゲート絶縁膜として利用されている。これはＳｉが容易に熱酸化される材料であり、ＳｉＯ_２が極めて良好な絶縁体であることに由来している。しかしながら、窒化物半導体基板上に電界効果トランジスタを形成する場合、従来の熱酸化では良好なゲート絶縁膜を形成することができない。このため、窒化物半導体電界効果トランジスタのゲート絶縁膜としては、プラズマＣＶＤ法によって形成されたＳｉＯ_２やＳｉＮ（シリコン・ナイトライド）が使われている（特許文献１、特許文献２を参照）。

特開２０１０−１４１２０５号公報 特開２０１０−２０６１１０号公報

従来の窒化物半導体電界効果トランジスタの製造方法においては、サファイヤ、ＳｉＣ、またはＳｉが窒化物半導体デバイスの基板として用いられていた。これらの基板は何れも、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）等の窒化物半導体結晶との格子定数が大きく異なる。従って、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）もしくはＭＢＥ（分子線エピタキシー）によって、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）等の窒化物半導体結晶をこれらの基板上に成長させた場合、結晶欠陥が極めて多くなり、リーク電流の増加、長期信頼性の不足、および耐圧の低下といった問題があった。

また、従来の窒化物半導体電界効果トランジスタの製造方法においては、ゲート絶縁膜としてプラズマＣＶＤ法により形成されたＳｉＮないしはＳｉＯ_２が用いられていた。このようにプラズマＣＶＤ法を用いて窒化物半導体上にゲート絶縁膜を形成する場合、半導体装置の応用例として電界効果トランジスタを考えたときに、ゲート絶縁膜と窒化物半導体結晶との界面に界面準位が多く発生し、しきい値電圧の継時変化およびゲートリーク電流の発生といった問題があった。

さらに、プラズマＣＶＤ法では膜厚１０ｎｍ未満の絶縁膜を形成させることは困難である。よって、プラズマＣＶＤ法によるゲート絶縁膜は膜厚１０ｎｍ以上に形成される場合が多かった。しかしながら、ゲート絶縁膜を１０ｎｍ以上とした場合、ゲート電極の寸法が小さいときに発生するショートチャネル効果を抑制することができず、ゲート寸法を小さくすることができない。このため、高速動作可能な電界効果トランジスタを形成することができないという問題もあった。

窒化物半導体上に膜厚１０ｎｍ未満のゲート絶縁膜を形成させる方法としてＡＬＤ（アトミック・レイヤー・デポジション）の適用も考えられるが、ＡＬＤによるゲート絶縁膜と窒化物半導体結晶との界面には界面準位が多く発生し、しきい値電圧の継時変化およびゲートリーク電流の発生といった問題は解消できなかった。

他にも、基板としてサファイヤ基板を用いる場合、サファイヤの熱伝導率が著しく小さいため半導体装置が発熱しやすく、信頼性を確保できないという問題もあった。

本発明は、上記のような問題を鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、結晶欠陥の発生を抑え、デバイスのリーク電流の発生、耐圧低下、しきい値電圧の継時変化、およびショートチャネル効果を抑制することが可能な半導体装置、該半導体装置を一部に用いた電界効果トランジスタ、およびそれらの製造方法を提供することである。

第一の発明は、絶縁膜を備える半導体装置の製造方法であって、単結晶ＡｌＮからなる基板の表面を酸素プラズマによって酸化し、前記単結晶ＡｌＮからなる基板上に酸化アルミニウムまたはアルミニウムオキシナイトライドからなる絶縁膜を形成するステップを備えたことを特徴とする。

第二の発明は、半導体装置であって、単結晶ＡｌＮからなる基板と、前記単結晶ＡｌＮからなる基板の表面に形成された酸化アルミニウムまたはアルミニウムオキシナイトライドからなる絶縁膜とを備えたことを特徴とする。

第三の発明は、半導体基板と、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、半導体基板上に形成されたソース電極およびドレイン電極とを備えた電界効果トランジスタであって、半導体基板は単結晶ＡｌＮ基板であり、かつ、ゲート絶縁膜は単結晶ＡｌＮ基板の酸化物であることを特徴とする。

第三の発明の一実施形態において、ゲート絶縁膜の主成分は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）および／またはアルミニウムオキシナイトライド（ＡｌＯＮ）であることを特徴とする。

第三の発明の一実施形態において、ゲート絶縁膜は、単結晶ＡｌＮ基板を酸素プラズマにより酸化することによって得られた膜であることを特徴とする。

第三の発明の一実施形態において、ゲート絶縁膜の膜厚は、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ未満であることを特徴とする。

第三の発明の一実施形態において、単結晶ＡｌＮ基板は、ドーズ量１×１０^１６ｃｍ^−３乃至１×１０^２０ｃｍ^−３のＮ型またはＰ型不純物がドープされた領域を有することを特徴とする。

第四の発明は、ゲート絶縁膜を備える電界効果トランジスタの製造方法であって、単結晶ＡｌＮ基板を酸化してゲート絶縁膜を形成するステップと、形成したゲート絶縁膜の一部を除去するステップと、単結晶ＡｌＮ基板上かつゲート絶縁膜の一部が除去された領域に、ソース電極およびドレイン電極を形成するステップと、単結晶ＡｌＮ基板上にゲート電極を形成するステップとを備え、ゲート絶縁膜は、単結晶ＡｌＮ基板を酸素プラズマにより酸化することによって形成された膜であることを特徴とする。

本発明による半導体装置の製造方法および該方法によって得られた半導体装置においては、絶縁膜が単結晶ＡｌＮからなる基板の酸化物であるため、結晶欠陥の発生を抑えることができている。従って、本発明による半導体装置により、リーク電流の増加、長期信頼性の不足、および耐圧の低下といった問題を解決することができる。

また、本発明による半導体装置の製造方法および該方法によって得られた半導体装置においては、単結晶ＡｌＮからなる基板の表面をプラズマ酸化して形成した絶縁膜を用いるため、ゲート絶縁膜を１０ｎｍ未満に薄く形成することができる。従って、本発明に係る半導体装置により、ショートチャネル効果を抑制でき、高速動作が可能となる。

さらに、本発明による半導体装置の製造方法および該方法によって得られた半導体装置は、単結晶ＡｌＮ基板上に形成されているので、サファイヤ基板を使用した場合のようなトランジスタの発熱に起因する信頼性低下の問題も解決されている。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の断面ＴＥＭ画像である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の各層におけるＥＤＸ分析による構成元素解析の結果を示すグラフである。 図４は、本発明の第２の実施形態を示す電界効果トランジスタの断面図である。 図５は、本発明の第２の実施形態を示す電界効果トランジスタの製造方法を示す図である。 図６は、正のゲート電圧印加により反転層が形成される様子を表す説明図である。 図７は、図６のＡ−Ａ’線に沿って反転層が形成される様子を説明するための半導体バンドダイヤグラムである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置および半導体装置の製造方法について、図１〜３を参照しながら説明する。

図１（ａ）は、単結晶ＡｌＮ基板１を示す断面図である。単結晶ＡｌＮ基板１の厚さは、４３４ｕｍとし、単結晶ＡｌＮ基板１として、ｃ軸配向したものを使用した。単結晶ＡｌＮ基板の製造方法は特に制限されないが、高品質な単結晶ＡｌＮ基板を得る観点から窒化アルミニウムセラミックスを原料とする昇華法により製造することが好ましい。単結晶ＡｌＮ基板の転位密度は１０^７ｃｍ^−３未満であることが好ましく、特に１０^５ｃｍ^−２未満であることが好ましい。

図１（ｂ）は、単結晶ＡｌＮ基板１をプラズマ酸化することにより、単結晶ＡｌＮ基板１の上に絶縁膜２が形成された構造を示す断面図である。プラズマ酸化は、ＲＦパワー３００Ｗ、圧力２２Ｐａ、ガス組成１００％Ｏ_２、時間５分の条件で行った。プラズマ酸化を行う装置は特に制限されないが、例えば周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電源を備えた半導体エッチング装置またはアッシング装置で行えばよい。

図２は、プラズマ酸化後の単結晶ＡｌＮ基板１を［１０−１０］方向に切断し観察した断面ＴＥＭ像である。断面ＴＥＭ像から、単結晶ＡｌＮ基板１上に絶縁体２が膜厚約３ｎｍで形成されていたことが分かる。

また、図３に、単結晶ＡｌＮ基板１と絶縁体２の各々の部分をＥＤＸ分析した結果を示す。図３に示すように、絶縁体２は、単結晶ＡｌＮ基板１と比べ、Ｏに相当するピークが明瞭に表れている。絶縁体２は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）および／またはアルミニウムオキシナイトライド（ＡｌＯＮ）であった。

［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４〜７を参照しながら説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態を示す電界効果トランジスタの断面図である。

図４に示すように、本発明の第２の実施形態に係る電界効果トランジスタは、半導体基板１と、半導体基板１上に形成されたゲート絶縁膜２と、ゲート絶縁膜２上に形成されたゲート電極７と、半導体基板１上に形成されたソース電極３およびドレイン電極４とを備える。ここで、本発明の第２の実施形態に係る電界効果トランジスタは、半導体基板１が単結晶ＡｌＮ基板であり、かつ、ゲート絶縁膜２が単結晶ＡｌＮ基板の酸化物であることを特徴とする。

本発明の第２の実施形態を示す電界効果トランジスタを製造する方法を、図５を参照しながら説明する。

図５（ａ）は、単結晶ＡｌＮ基板１を表す断面図である。単結晶ＡｌＮ基板の製造方法は特に制限されないが、高品質な単結晶ＡｌＮ基板を得る観点から窒化アルミニウムセラミックスを原料とする昇華法により製造することが好ましい。単結晶ＡｌＮ基板の転位密度は１０^７ｃｍ^−３未満であることが好ましく、特に１０^５ｃｍ^−２未満であることが好ましい。また、電界効果トランジスタのしきい値電圧を調整する目的で、単結晶ＡｌＮ基板に、ドーズ量１×１０^１６ｃｍ^−３乃至１×１０^２０ｃｍ^−３のＮ型またはＰ型不純物をドープしてもよい。Ｎ型またはＰ型の不純物をドープする方法は特に限定されないが、Ｎ型の場合例えばＳｉ、Ｐ型の場合例えばＭｇを昇華法により単結晶ＡｌＮの結晶成長の原料に添加する方法をとってもよい。

図５（ｂ）は、単結晶ＡｌＮ基板１を酸化してゲート絶縁膜２を形成する工程を示す。単結晶ＡｌＮ基板の酸化物層の主成分は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）および／またはアルミニウムオキシナイトライド（ＡｌＯＮ）となる。ここで主成分とは全体の半数以上の成分であることを意味し、好ましくは７０ｍｏｌ％以上であり、より好ましくは９０ｍｏｌ％以上である。

単結晶ＡｌＮ基板を酸化する方法は特に制限されないが、プロセス容易性や素子へのダメージ低減の観点から、プラズマ酸化を用いることが好ましい。プラズマ酸化は、例えば周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電源を備えた半導体エッチング装置またはアッシング装置で行えばよい。プラズマ酸化の条件は、例えばＲＦパワー３００Ｗ、圧力２０Ｐａ、ガス組成１００％Ｏ_２、時間５分であり、このとき単結晶ＡｌＮ基板の酸化物層の膜厚は２ｎｍから６ｎｍ程度となるが、これは一例であり、本発明の第２の実施形態において、ゲート絶縁膜の膜厚は、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ未満であればよい。

単結晶ＡｌＮ基板１を酸化することでゲート絶縁膜２を形成することにより、従来のプラズマＣＶＤ法を用いた場合のようにゲート絶縁膜を厚く形成する必要がなくなるので、ショートチャネル効果を抑制することができる。

図５（ｃ）は、ソース電極３、ドレイン電極４を形成する領域の単結晶ＡｌＮ基板の酸化物を、公知のリソグラフィー、エッチング技術を用いて除去する工程を示す。エッチングは、例えば希フッ酸を用いたウエットエッチであってもよく、塩素系エッチングガスを用いたドライエッチであってもよい。

なお、この時開口した領域のみにＳｉイオン等のドーパントを注入し、その後、例えば９００℃以上の温度でアニールすることにより、次の工程でソース、ドレインを形成する領域のみを選択的にＮ型化またはＰ型化してもよい（図示しない）。

図５（ｄ）は、ソース電極３、ドレイン電極４を形成する工程を示す。ソース電極、ドレイン電極は、例えばＴｉを３０ｎｍ、Ａｌを１５０ｎｍを積層した金属膜からなる。斯かる金属膜を形成したのち、例えば７００℃以上のアニールを行うことにより金属拡散領域５を形成する。金属拡散領域５は、ソース・ドレイン領域からＡｌＮ半導体基板内部下方向及び内部横方向に金属を拡散させることにより形成される。このように横方向に金属拡散領域５を形成させることにより、次の工程で形成するゲート電極７に所定のゲート電圧を印加して形成される反転層６にキャリアが供給され、電界効果トランジスタのソースと、ドレインとの間に電流が流れるようになる。

図５（ｅ）は、ゲート絶縁膜２の上に、ゲート電極７を形成する工程を示す。ゲート電極は、例えばＡｕのような金属であってもよい。

以上の工程により図４に示す本発明の第２の実施形態に係る電界効果トランジスタが形成される。

次に、図６および図７を参照しながら、本実施形態に係る電界効果トランジスタの動作原理を説明する。

図６に示す通り本実施形態による電界効果トランジスタは、ＡｌＮ基板１上に、主成分が酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）および／またはアルミニウムオキシナイトライド（ＡｌＯＮ）からなるゲート酸化膜２が形成されており、ゲート酸化膜２の上に金属からなるゲート電極７が形成されている。

図７は、図６のＡ−Ａ’断面に相当する半導体バンドダイヤグラムである。図７に示す例では、ゲート電極に正のゲート電圧を印加しているので、ゲート酸化膜を介してゲート電極と接しているＡｌＮ基板表面にキャリア電子からなる反転層が形成される。このとき反転層を形成させるためのゲート電圧は、例えば３Ｖである。このようにゲート電圧に依存して反転層が形成されれば、例えばソース電極に０Ｖ、ドレイン電極に５００Ｖを印加することにより、ソースと、ドレインとの間にドレイン電流が流れる。

なお上述の例では、便宜的にゲートに正の電圧をかけて電流の担い手である反転層を形成する例、すなわちエンハンスメント・モード動作の例で説明した。しかし昇華法ＡｌＮ結晶からなるＡｌＮ基板にドープするＮ型もしくはＰ型のドーパントの種類、ドーズ量を適宜調整することにより、逆にゲート電圧が０Ｖの状態ではドレイン電流が流れており、ゲート電極に負の電圧を印加することによって電流が止められる、いわゆるディプリーション・モード動作の電界効果トランジスタとして製造してもよい。

１ 半導体基板（単結晶ＡｌＮ基板）
２ ゲート絶縁膜
３ ソース電極
４ ドレイン電極
５ 金属拡散領域
６ 反転層
７ ゲート電極

Claims (9)

1. 絶縁膜を備える半導体装置の製造方法であって、
   単結晶ＡｌＮからなる基板の表面を酸素プラズマによって酸化し、前記単結晶ＡｌＮからなる基板上に酸化アルミニウムまたはアルミニウムオキシナイトライドからなる絶縁膜を形成するステップを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記絶縁膜の膜厚は、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ未満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. 前記絶縁膜の一部を除去するステップと、
   前記絶縁膜の一部が除去されることにより露出した、前記単結晶ＡｌＮからなる基板の一部の領域上に、ソース電極およびドレイン電極を形成するステップと、
   前記単結晶ＡｌＮからなる基板上の絶縁膜上にゲート電極を形成するステップと
   をさらに備え、
   前記半導体装置は、電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記単結晶ＡｌＮからなる基板は、ドーズ量１×１０^１６ｃｍ^−３乃至１×１０^２０ｃｍ^−３のＮ型またはＰ型不純物がドープされた領域を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
5. 単結晶ＡｌＮからなる基板と、
   前記単結晶ＡｌＮからなる基板の表面に形成された酸化アルミニウムまたはアルミニウムオキシナイトライドからなる絶縁膜と
   を備えたことを特徴とする半導体装置。
6. 前記絶縁膜の膜厚は、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ未満であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記絶縁膜は、前記単結晶ＡｌＮからなる基板を酸素プラズマにより酸化することによって得られた膜であることを特徴とする請求項５または６に記載の半導体装置。
8. 前記単結晶ＡｌＮからなる基板上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、
   前記絶縁膜上に形成されたゲート電極と
   をさらに備えたことを特徴とする請求項５乃至７の何れか一項に記載の半導体装置。
9. 前記単結晶ＡｌＮからなる基板は、ドーズ量１×１０^１６ｃｍ^−３乃至１×１０^２０ｃｍ^−３のＮ型またはＰ型不純物がドープされた領域を有することを特徴とする請求項５乃至８の何れか一項に記載の半導体装置。