JP2013229499A5

JP2013229499A5 -

Info

Publication number: JP2013229499A5
Application number: JP2012101465A
Authority: JP
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2015-06-18
Anticipated expiration: 2032-04-26

Description

III族窒化物半導体とは、III-Ｖ族半導体においてＶ族元素として窒素を用いた半導体である。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）が代表例である。一般には、Ａｌ_ＸＩｎ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）と表わすことができる。
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、電子走行層に対向するように配置され、電子供給層にショットキ接合している。電子走行層内において、電子走行層と電子供給層とのヘテロ接合界面から数Åだけ内方の位置には、二次元電子ガスが形成される。窒化物半導体を用いたＨＥＭＴでは、ＧａＮとＡｌＧａＮとの格子不整合に起因する分極によるキャリヤも二次元電子ガスの形成に寄与する。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、ショットキ接合による空乏層を広げて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。

請求項８記載の発明は、前記ＡｌＮ層の厚さが１ｎｍ〜５ｎｍであり、前記電子供給層の厚さが１ｎｍ〜４０ｎｍである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置である。ＡｌＮ層の厚さが５ｎｍを超えると、オーミック電極を二次元電子ガスにオーミック接触させることが困難になる。また、電子供給層の全体の厚さが４０ｎｍを超えると、オーミック電極と二次元電子ガスとのオーミック接触が困難になるおそれがある。

請求項１１記載の発明は、窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、前記電子走行層に接するＡｌＮ層を有し、Ａｌを含むとともに前記電子走行層とはＡｌ組成が異なる窒化物半導体からなる電子供給層を前記電子走行層に積層して形成する工程と、前記電子供給層上に、Ｔｉ層、Ｓｉ層、Ａｌ層およびＭｏ層を順に積層して積層電極膜を形成する工程と、前記積層電極膜を熱処理して、ソース電極およびドレイン電極としてのオーミック電極を形成する工程と、前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に、前記電子走行層に対向するゲート電極を形成する工程とを含む、窒化物半導体装置の製造方法である。

前記積層電極膜を形成する工程は、前記電子供給層上に、Ｔｉ層、第１Ｓｉ層、Ａｌ層、第２Ｓｉ層およびＭｏ層を順に積層して前記積層電極膜を形成する工程であってもよい。すなわち、積層電極膜は、Ａｌ層とＭｏ層との間にもＳｉ層を有していてもよい。
前記ＡｌＮ層の厚さは、１ｎｍ〜５ｎｍとすることが好ましく、また、前記電子供給層の全体の厚さは１ｎｍ〜４０ｎｍとすることが好ましい。

請求項１５記載の発明は、前記電子供給層の表面を覆うパッシベーション膜を形成する工程をさらに含み、前記ゲート電極が、前記パッシベーション膜に形成された開口内に配置されたゲート本体部と、前記ゲート本体部に連続し前記開口外の前記パッシベーション膜の表面上において前記ドレイン電極に向かって所定のフィールドプレート長に渡って延びたフィールドプレート部とを有し、前記フィールドプレート長が前記ゲート本体部と前記ドレイン電極との間の距離の１／６以上１／２以下であるように形成される、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法である。この方法により、請求項１０に記載した構成の窒化物半導体装置を作製できる。
請求項１６記載の発明は、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、Ａｌを含むとともに前記電子走行層とはＡｌ組成が異なる窒化物半導体からなり、前記電子走行層に接するＡｌＮ層を有する電子供給層と、前記電子供給層上に互いに間隔を開けて形成されたソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に配置され、前記電子走行層に対向するゲート電極とを含み、前記ゲート電極が、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間を分離する一定幅の帯状パターンに形成されている、窒化物半導体装置である。
請求項１７記載の発明は、前記ゲート電極が、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間を分離するようにジグザグ形状に形成されている、請求項１６に記載の窒化物半導体装置である。
請求項１８記載の発明は、前記ゲート電極が、前記ドレイン電極よりも前記ソース電極に近い位置に形成されている、請求項１６または１７に記載の窒化物半導体装置である。
請求項１９記載の発明は、前記ソース電極および前記ドレイン電極が、長手方向が平行な一対の矩形領域にそれぞれ形成されている、請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置である。

電子走行層３と電子供給層４とは、Ａｌ組成の異なるIII族窒化物半導体（以下単に「窒化物半導体」という。）からなっている。たとえば、電子走行層３は、ＧａＮ層からなっていてもよく、その厚さは、０．５μｍ程度であってもよい。電子供給層４は、この実施形態では、電子走行層３に接する第１層４１と、第１層４１に接する第２層４２とを有している。第１層４１は、ＡｌＮ層からなっており、厚さは、たとえば、数原子厚程度（５ｎｍ以下。好ましくは１〜５ｎｍ、より好ましくは１〜３ｎｍ）である。第２層４２は、この実施形態では、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層（０＜ｘ＜１）からなっており、その厚さは、たとえば５−３５ｎｍ（より具体的には２０ｎｍ程度）である。電子供給層４の全体の厚さは、１−４０ｎｍ程度が好ましい。

Claims

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、Ａｌを含むとともに前記電子走行層とはＡｌ組成が異なる窒化物半導体からなり、前記電子走行層に接するＡｌＮ層を有する電子供給層と、
前記電子供給層上に互いに間隔を開けて形成され、Ｔｉ、Ａｌ、ＭｏおよびＳｉを含むオーミック電極からなるソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に配置され、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。
前記オーミック電極が、前記電子供給層側から順に、Ｔｉ組成のピーク、Ａｌ組成のピーク、Ｍｏ組成のピークが現れるように構成されている、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
前記オーミック電極が、前記Ｔｉ組成のピークと前記Ａｌ組成のピークとの間にＳｉ組成のピークが現れるように構成されている、請求項２に記載の窒化物半導体装置。
前記オーミック電極中におけるＴｉ、ＡｌおよびＭｏの各ピーク密度が１０^２０ｃｍ^−３以上であり、前記オーミック電極中におけるＳｉのピーク密度が１０^１８ｃｍ^−３以上である、請求項１〜３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、前記電子走行層と同じ組成の窒化物半導体からなるキャップ層を含み、前記キャップ層の上に前記オーミック電極からなるソース電極およびドレイン電極が形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
前記キャップ層の厚さが１６ｎｍ以下である、請求項５に記載の窒化物半導体装置。
前記ゲート電極直下の前記電子供給層が除去されており、前記ゲート電極が、前記電子供給層が除去された領域において前記電子走行層に接するゲート絶縁膜を介して前記電子走行層に対向している、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ＡｌＮ層の厚さが１ｎｍ〜５ｎｍであり、前記電子供給層の厚さが１ｎｍ〜４０ｎｍである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
前記オーミック電極が、Ａｕを含まない、請求項１〜８のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
前記電子供給層の表面を覆うパッシベーション膜をさらに含み、
前記ゲート電極が、前記パッシベーション膜に形成された開口内に配置されたゲート本体部と、前記ゲート本体部に連続し前記開口外の前記パッシベーション膜の表面上において前記ドレイン電極に向かって所定のフィールドプレート長に渡って延びたフィールドプレート部とを有しており、前記フィールドプレート長が前記ゲート本体部と前記ドレイン電極との間の距離の１／６以上１／２以下である、請求項１〜９のいずれか一項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、
前記電子走行層に接するＡｌＮ層を有し、Ａｌを含むとともに前記電子走行層とはＡｌ組成が異なる窒化物半導体からなる電子供給層を前記電子走行層に積層して形成する工程と、
前記電子供給層上に、Ｔｉ層、Ｓｉ層、Ａｌ層およびＭｏ層を順に積層して積層電極膜を形成する工程と、
前記積層電極膜を熱処理して、ソース電極およびドレイン電極としてのオーミック電極を形成する工程と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に、前記電子走行層に対向するゲート電極を形成する工程と
を含む、窒化物半導体装置の製造方法。
前記積層電極膜の形成および前記熱処理が、前記オーミック電極中におけるＴｉ、ＡｌおよびＭｏの各ピーク密度が１０^２０ｃｍ^−３以上となり、前記オーミック電極中におけるＳｉのピーク密度が１０^１８ｃｍ^−３以上となるように行われる、請求項１１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、前記電子走行層と同じ組成の窒化物半導体からなるキャップ層を形成する工程を含み、前記積層電極膜が前記キャップ層の上に形成される、請求項１１または１２に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
前記ゲート電極直下の前記電子供給層を除去する工程と、
前記電子供給層が除去された領域において前記電子走行層に接するゲート絶縁膜を形成する工程とをさらに含み、
前記ゲート電極が前記ゲート絶縁膜を挟んで前記電子走行層に対向するように形成される、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
前記電子供給層の表面を覆うパッシベーション膜を形成する工程をさらに含み、
前記ゲート電極が、前記パッシベーション膜に形成された開口内に配置されたゲート本体部と、前記ゲート本体部に連続し前記開口外の前記パッシベーション膜の表面上において前記ドレイン電極に向かって所定のフィールドプレート長に渡って延びたフィールドプレート部とを有し、前記フィールドプレート長が前記ゲート本体部と前記ドレイン電極との間の距離の１／６以上１／２以下であるように形成される、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
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、Ａｌを含むとともに前記電子走行層とはＡｌ組成が異なる窒化物半導体からなり、前記電子走行層に接するＡｌＮ層を有する電子供給層と、
前記電子供給層上に互いに間隔を開けて形成されたソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に配置され、前記電子走行層に対向するゲート電極とを含み、
前記ゲート電極が、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間を分離する一定幅の帯状パターンに形成されている、窒化物半導体装置。
前記ゲート電極が、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間を分離するようにジグザグ形状に形成されている、請求項１６に記載の窒化物半導体装置。
前記ゲート電極が、前記ドレイン電極よりも前記ソース電極に近い位置に形成されている、請求項１６または１７に記載の窒化物半導体装置。
前記ソース電極および前記ドレイン電極が、長手方向が平行な一対の矩形領域にそれぞれ形成されている、請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。