JP2014241350A - 電界効果トランジスタおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】III族窒化物半導体の電界効果トランジスタのノーマリオフ特性を向上させる。【解決手段】基板１０１の上に窒化アルミニウムガリウムからなるバッファ層１０２と、窒化ガリウムからなるチャネル層１０３と、ＡｌＧａＮからなる電子供給層１０４が形成され、電子供給層１０４の上にゲート電極１０８が形成されている。ゲート電極１０８と電子供給層１０４の間には、フッ素含有Ａｌ２Ｏ３膜１１１が形成され、フッ素含有Ａｌ２Ｏ３膜１１１の下の領域の電子供給層１０４には、フッ素が拡散してなるアニオン拡散層１０９が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば民生機器の電源回路等に用いられるパワートランジスタに適用可能な窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタとその製造方法に関するものである。

窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）をはじめとする、一般式がＡｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表されるIII族窒化物半導体材料は、ワイドバンドギャップ、高移動度や高飽和ドリフト速度、高絶縁破壊電界などの優れた特長を有することから、高周波・高耐圧パワーデバイスへ向けた材料として非常に有望である。

特に、ＧａＮを電子走行層（チャネル層）としてその上部に電子供給層となるＡｌＧａＮを形成した構造では、自発およびピエゾ分極の効果から高濃度電子層である２次元電子ガス（２-dimensional electron gas、２ＤＥＧ）がＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に形成される。２次元電子ガスの形成は、窒化物半導体を用いたパワーデバイスの大電流・高速動作に欠かせない、窒化物半導体の最大の特長の一つである。そこで、ＡｌＧａＮ／ＧａＮなどのヘテロ接合を利用した、窒化物半導体へテロ接合電界効果トランジスタ（Heterojunction Field Effect Transistor、ＨＦＥＴ）が開発されている。

パワーデバイス用途の半導体デバイスでは、機器の安全性を確保する必要があることから、トランジスタのゲート電極に電圧を印加しないときには電流を遮断する、いわゆるノーマリオフ特性が必須である。しかしながら、従来のＨＦＥＴは、前述のようにＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に誘起された２ＤＥＧをチャネルとして利用するため、電子供給層上にゲート電極を形成するだけでは、ゲート電圧を０Ｖとしたときでも、ゲートの両端に形成したソース電極とドレイン電極との間に電流が流れてしまうノーマリオン型のトランジスタとなる。そこで、ノーマリオフ化のためにさまざまな手段が講じられている。

例えば、２ＤＥＧ層の電子濃度はＡｌＧａＮ層の膜厚と正の相関があるため、薄膜化により電子濃度を減少させて電流を流れにくくする手法が挙げられる。また、２ＤＥＧ層による低抵抗な電流経路を活用しながらノーマリオフを両立する手法として、ゲート領域の電子供給層のみドライエッチングなどを用いて除去し、２ＤＥＧ層を消失させる手法がある。別の手段として、特許文献１および非特許文献１に記載されるように、フッ素プラズマを用いたノーマリオフ化も可能である。この手法については、ゲート領域の電子供給層にフッ素プラズマを照射することにより、ゲート電極直下の領域に負に帯電したフッ素イオンを拡散させ、直下の２ＤＥＧ層の電子を空乏化させるという手法でノーマリオフ化を実現する。

特開２００９−１０２１１号公報

ディ・ソン他、アイ・イー・イー・イー エレクトロン デバイス レターズ第２８巻、第１８９ページ、２００７年（Di Song et al., IEEE Electron Device Letters, vol.28, p.189 (2007).）

しかしながら、先述の電子供給層を薄膜化する手法では、ソース電極とゲート電極との間やゲート電極とドレイン電極との間のチャネル領域の電子濃度も減少してしまうため、トランジスタのオン抵抗が上昇してしまうデメリットがある。

また、ドライエッチングを用いる手法では、電流経路にドライエッチングが与えるダメージや表面ラフネスの増大により、ゲート下のチャネル領域が高抵抗化してしまう。さらに、ドライエッチングのウェハ面内ばらつきによりしきい値電圧に面内不均一が生じるという課題がある。

さらに、先述の特許文献１および非特許文献１において導入されているフッ素は、基板導入時に高エネルギーのイオン注入を用いるため、基板へのダメージが生じる。ダメージによりゲート領域に界面準位や深い準位が形成されると、オン抵抗の増加やヒステリシス特性の出現、また電流コラプス現象を引き起こす可能性がある。

このように、低オン抵抗や大電流などデバイス特性の維持や向上を図りながら、高いしきい値電圧を達成しノーマリオフ動作を確保するのは難しいのが現状である。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、ノーマリオフ特性を有する半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の電界効果トランジスタは、基板と、前記基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層の上に形成された、III族窒化物半導体からなるチャネル層と、前記チャネル層の上に形成された、III族窒化物半導体からなる電子供給層と、前記電子供給層の上に形成されたソース電極、ドレイン電極およびゲート電極と、を有し、前記電子供給層は、前記ゲート電極の下方において上面側より拡散したアニオン元素を含有するものである。

この構成により、電子供給層はゲート電極の下方において上面側より拡散したアニオン元素を含有するので、ゲート電極にかかる電圧が０Ｖのときにゲート電極下方のチャネル層を空乏化でき、それによりノーマリオフ特性を有する電界効果トランジスタを得ることができる。

本発明の電界効果トランジスタは、さらに前記電子供給層と前記ゲート電極との間に形成された、前記アニオン元素が添加された絶縁層を有することが好ましい。

この好ましい構成によれば、絶縁層より電子供給層にアニオン元素が拡散することになるので、アニオン元素をイオン注入する場合と比べ電子供給層に与えるダメージが低減する。

本発明の電界効果トランジスタは、さらに前記絶縁層は、前記基板側より前記アニオン元素が添加された層と、前記アニオン元素が添加されない層とが順次形成されてなることが好ましい。

この好ましい構成によれば、絶縁層においてアニオン元素が添加されない層がゲート電極に近づくことになるので、ゲート電極と絶縁層との間におけるバリア高さがアニオン元素に左右されることがなく、安定した特性を有する電界効果トランジスタを得ることができる。

本発明の電界効果トランジスタは、さらに前記電子供給層は、前記ゲート電極が接する領域に拡散した前記アニオン元素を有することが好ましい。

この好ましい構成によれば、電子供給層のゲート電極が接する領域にアニオン元素を含むことにより、ゲート電極下のチャネル領域を容易に空乏化できる。

本発明の電界効果トランジスタは、さらに前記アニオン元素は、フッ素であることが好ましい。

この好ましい構成によれば、フッ素の高い電気陰性度によりチャネル領域を容易に空乏化できる。

本発明の電界効果トランジスタは、さらに前記電子供給層に設けられた凹部を有し、前記凹部の底面に接して前記ゲート電極が設けられたことが好ましい。

この好ましい構成によれば、電子供給層に凹部が設けられたことにより、アニオン元素を有する領域がチャネル層に近づくことになるのでゲート電極下のチャネル領域を容易に空乏化できる。

本発明の電界効果トランジスタは、さらに前記電子供給層に設けられた凹部を有し、前記凹部の底面に接して前記絶縁層が形成され、前記絶縁層の上かつ前記凹部の底に対応する位置に前記ゲート電極が設けられたことが好ましい。

この好ましい構成によれば、電子供給層に凹部が設けられたことにより、アニオン元素を有する領域がチャネル層に近づくことになるのでゲート電極下のチャネル領域を容易に空乏化できる。

本発明の電界効果トランジスタは、さらに前記絶縁層は、Ａｌ_２Ｏ_３またはＨｆＯ_２よりなることが好ましい。

この好ましい構成によれば、Ａｌ_２Ｏ_３やＨｆＯ_２はIII族窒化物半導体と格子定数や結晶型が近いので、良好な結晶性を有する絶縁層が得られる。

本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、基板の上にバッファ層、III族窒化物半導体からなるチャネル層、およびIII族窒化物半導体からなる電子供給層を順次形成する工程（ａ）と、前記工程（ａ）の後に前記電子供給層の上面側よりアニオン元素を拡散させる工程（ｂ）と、前記工程（ｂ）の後に、前記電子供給層の前記アニオン元素が拡散された領域の上にゲート電極を形成する工程（ｃ）と、を備えるものである。

この構成により、電子供給層に対しアニオン元素を拡散させているので、電子供給層に対し与えるダメージを小さくでき、それにより電子供給層の結晶性を良好にできる。

本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、前記工程（ａ）の後かつ前記工程（ｂ）の前に、前記アニオン元素を有する絶縁層を形成する工程（ｄ）を備えることが好ましい。

この好ましい構成によれば、アニオン元素を有する絶縁層よりアニオン元素を電子供給層に拡散させることができ、それにより電子供給層に対し与えるダメージをさらに低減させることができる。

本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、前記工程（ｄ）は、前記アニオン元素を含むガスと、水蒸気を含むガスとを供給し、原子層堆積法により行われることが好ましい。

この好ましい構成によれば、絶縁層の形成が原子層堆積法により行われるので、良好な結晶性を有する絶縁層を得ることができ、さらにアニオン元素を絶縁層に確実に添加することができる。

本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、前記工程（ｂ）の後に前記絶縁層を除去する工程（ｅ）を有することが好ましい。

この好ましい構成によれば、ダメージの少ない電子供給層の上に直接ゲート電極を形成することができる。

本発明に係る半導体装置によれば、ノーマリオフ特性を有する半導体装置を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る電界効果トランジスタの構成を示す断面図 同電界効果トランジスタのフッ素拡散の様子を説明する断面図 同電界効果トランジスタの製造方法を示す断面図 本発明の実施形態２に係る電界効果トランジスタの構成を示す断面図 本発明の実施形態３に係る電界効果トランジスタの構成を示す断面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。ここでＡｌＧａＮとは３元混晶Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）のことを表す。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態における電界効果トランジスタの断面図を図１に示す。図１に示すように、本実施形態の窒化物半導体デバイスでは、サファイアよりなる基板１０１の上に、膜厚５００ｎｍ、Ａｌ組成４０％の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるバッファ層１０２と、膜厚が１５０ｎｍのアンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１０３と、膜厚が２０ｎｍ、Ａｌ組成が２５％のＡｌＧａＮからなる電子供給層１０４が、順次エピタキシャル成長により形成されている。アンドープは、不純物が意図的に導入されていないことを意味する。電子供給層１０４とチャネル層１０３の間には、高純度の電子からなる２次元電子ガス層１０５が形成されている。

電子供給層１０４には、ニッケル（Ｎｉ）からなるゲート電極１０８がオーミック接触している。電子供給層１０４上のゲート電極１０８をはさんだ両側には、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）との積層構造（Ｔｉ／Ａｌ、電子供給層側がＴｉ）からなるソース電極１０６およびドレイン電極１０７が形成されており、電子供給層１０４とオーミック接触している。

ゲート電極１０８と電子供給層１０４の間には、フッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜１１１が形成されている。フッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜１１１の下の領域の電子供給層１０４には、フッ素が拡散してなるアニオン拡散層１０９が形成されている。電子供給層１０４の上面には、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる保護膜層１１０が形成されている。ソース電極１０６およびドレイン電極１０７におけるゲート電極１０８に対して外側の領域には、たとえばアルゴン（Ａｒ）イオン等がチャネル層１０３の上部にまで達するようにイオン注入され、高抵抗化された素子分離領域が形成されている。

上記構成により、本発明の電界効果トランジスタは、ノーマリオフ特性を示す。このことを、図２を用いて説明する。なお、図２においては、ゲート電極１０８近傍のみを図示している。

電子供給層１０４に拡散したフッ素によって電子供給層１０４には負の固定電荷が与えられるため、電子供給層１０４とチャネル層１０３の間に形成された２次元電子ガス層１０５において正電荷が生じる。この正電荷により２次元電子ガス層１０５中の電子が空乏化し、空乏化領域１１２が形成される。この状態でゲート電極１０８を０Ｖとした場合、ゲート電極１０８の下にはチャネルが形成されないため電流が流れず、電界効果トランジスタはノーマリオフ特性を示すのである。

なお、電子供給層１０４で用いるＡｌＧａＮ層は膜厚が２０ｎｍと厚く、Ａｌ組成が２５％と高いため、高濃度の２次元電子ガス層１０５が期待できる。そのため、シート抵抗の低減を図ることができる。フッ素を拡散させない場合に電界効果トランジスタをノーマリオフとするためには、電子供給層１０４を薄膜化させる必要があるため、結晶成長時に薄膜に成長するとソース−ゲート間やゲート−ドレイン間のシート抵抗が上昇してしまい電界効果トランジスタのオン抵抗増加を招き、あるいはゲート領域の電子供給層１０４のみ薄膜化しノーマリオフ化させるとなると精度の高いエッチング技術や低ダメージ技術が求められる。本発明では、次に述べるフッ素を拡散させることにより、トランジスタのオン抵抗低減を図りながらノーマリオフ化が可能となる。

次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について、図３を用いて説明する。なお、図３においては煩雑さを避けるため、基板１０１、バッファ層１０２および保護膜層１１０は省略している。

まず、図３（ａ）に示すように、サファイアよりなる基板１０１の上に、バッファ層１０２、チャネル層１０３、電子供給層１０４を、有機金属気相エピタキシャル成長法（Metalorganic Vapor Phase Epitaxy、ＭＯＶＰＥ）により結晶成長する。その後、フッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜１１１を形成する。なお、フッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜１１１の形成については後述する。

次に、図３（ｂ）に示すように、フッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜１１１を熱処理する。ここで熱処理は、例えば５００℃という条件下で行われる。この熱処理により、フッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜１１１の下の電子供給層１０４にフッ素が拡散する。

なお、ここで熱処理温度としては４５０℃〜７００℃であることが好ましい。このような温度領域において形成された半導体装置については、リーク電流が小さい。またこの温度条件のもとでは電子供給層１０４にフッ素を効率よく拡散させることができる。

次に、図３（ｃ）に示すように、電子供給層１０４及びチャネル層１０３を、２次元電子ガス層１０５に達するようにエッチングし、当該エッチングされた領域にソース電極１０６およびドレイン電極１０７を形成する。

次に、図３（ｄ）に示すように、フッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜１１１の上にゲート電極１０８を形成する。その後、保護膜層１１０を形成して電界効果トランジスタを形成する。

フッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜１１１の形成には、原子層堆積法（Atomic Layer Deposition、ＡＬＤ法）を用いる。真空チャンバー内で２００℃〜３００℃に加熱した基板に、パルス状のプリカーサーを噴射し、原料化合物であるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）と水（Ｈ_２Ｏ）を交互に供給・成膜・余剰分子の除去を繰り返す。このとき、フッ化水素（ＨＦ）をプリカーサーとして追加する。

ＡＬＤ法を用いることで、原子層１層ずつの成膜が可能となり、原子層レベルの均一で平坦な高膜質かつ段差被覆性の高い膜を、低ダメージプロセスで形成することが可能となる。

なお、上記実施形態においてフッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜１１１を用い、フッ素が拡散して負電荷を帯びることを利用したが、フッ素に限らず、III族窒化物半導体層に拡散して負電荷を帯びる元素の原子または分子、もしくは化合物を用いる、すなわちアニオン元素の原子または分子、もしくは化合物を用いてもよい。このようなアニオン元素としては、フッ素以外に例えば塩素がある。

また、基板１０１とは、窒化物半導体をエピタキシャル成長可能な基板のことであり、サファイアの他に、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ＧａＮなどでも良い。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態における電界効果トランジスタの断面構造を、図４に示す。図１では、ゲート電極下にフッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜１１１が形成されたＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）構造を示しているが、本発明におけるフッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜１１１の形成は負電荷を拡散させることを目的としていることから、図４に示すように、ゲート電極下に直接電子供給層１０４が接するショットキー型の構造をとっている。この場合は、フッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜１１１を形成し、フッ素を電子供給層１０４に拡散させアニオン拡散層１０９を形成したのち、フッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜１１１を除去して、電子供給層１０４に直接ゲート電極１０８をショットキー電極として形成する。また、ゲート電極下に挿入するフッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜１１１については、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）に限らず、例えば酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）などを用いることもできる。特に、酸化アルミニウムや酸化ハフニウムは、III族窒化物半導体と格子定数や結晶型が近いので、電子供給層１０４やチャネル層１０３、バッファ層１０２に与える歪を小さくすることができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態における電界効果トランジスタの断面構造を、図５に示す。チャネル層１０３より下層の構造は第１の実施形態と同様である。本実施形態の窒化物半導体デバイスでは、電子供給層１０４の一部に凹部が設けられ、フッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜１１１とゲート電極１０８が形成されている。電子供給層１０４の凹部はドライエッチにより形成され、この凹部を覆うようにフッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜１１１が形成されている。エッチングによる凹部の形成後、フッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜１１１を形成し、熱処理を加えることでこの形状に沿ってフッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜１１１に含まれるフッ素を拡散させ、２次元電子ガス層１０５を空乏化させる。ここで凹部を形成することより、ゲート領域下の電子供給層１０４が薄膜化し、２次元電子ガス層１０５の電子濃度が空乏化しやすくなる。ゲート絶縁膜による負電荷を含む原子の拡散と、凹部の形成により、よりゲート下領域の２次元電子ガス層１０５が空乏化する電子供給層１０４のＡｌ組成や膜厚の選択範囲が広がり、プロセスマージンの確保としきい値制御性向上の両立が可能となる。本発明におけるフッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜１１１の形成はフッ素を拡散させることを目的としていることから、ゲート電極下に直接電子供給層１０４が接するショットキー型の構造をとることもできる。この場合は、フッ素を拡散させアニオン拡散層１０９を形成した後、フッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜１１１を除去しゲート電極１０８を形成する。

本発明は、III族窒化物半導体を用いたノーマリオフ型電界効果トランジスタの特性改善に有効である。

１０１ 基板
１０２ バッファ層
１０３ チャネル層
１０４ 電子供給層
１０５ ２次元電子ガス層
１０６ ソース電極
１０７ ドレイン電極
１０８ ゲート電極
１１０ 保護膜層
１１１ フッ素含有Ａｌ_２Ｏ_３膜
１１２ 空乏化領域

Claims (12)

1. 基板と、
   前記基板上に形成されたバッファ層と、
   前記バッファ層の上に形成された、III族窒化物半導体からなるチャネル層と、
   前記チャネル層の上に形成された、III族窒化物半導体からなる電子供給層と、
   前記電子供給層の上に形成されたソース電極、ドレイン電極およびゲート電極と、
   を有し、
   前記電子供給層は、前記ゲート電極の下方において上面側より拡散したアニオン元素を含有することを特徴とする電界効果トランジスタ。
2. 前記電子供給層と前記ゲート電極との間に形成された、前記アニオン元素が添加された絶縁層を有することを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
3. 前記絶縁層は、前記基板側より前記アニオン元素が添加された層と、前記アニオン元素が添加されない層とが順次形成されてなることを特徴とする請求項２に記載の電界効果トランジスタ。
4. 前記電子供給層は、前記ゲート電極が接する領域に拡散した前記アニオン元素を有することを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
5. 前記アニオン元素は、フッ素であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタ。
6. 前記電子供給層に設けられた凹部を有し、前記凹部の底面に接して前記ゲート電極が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
7. 前記電子供給層に設けられた凹部を有し、前記凹部の底面に接して前記絶縁層が形成され、前記絶縁層の上かつ前記凹部の底に対応する位置に前記ゲート電極が設けられたことを特徴とする請求項２に記載の電界効果トランジスタ。
8. 前記絶縁層は、Ａｌ_２Ｏ_３またはＨｆＯ_２よりなることを特徴とする請求２、３または７のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタ。
9. 基板の上にバッファ層、III族窒化物半導体からなるチャネル層、およびIII族窒化物半導体からなる電子供給層を順次形成する工程（ａ）と、
   前記工程（ａ）の後に前記電子供給層の上面側よりアニオン元素を拡散させる工程（ｂ）と、
   前記工程（ｂ）の後に、前記電子供給層の前記アニオン元素が拡散された領域の上にゲート電極を形成する工程（ｃ）と、
   を備えることを特徴とする、電界効果トランジスタの製造方法。
10. 前記工程（ａ）の後かつ前記工程（ｂ）の前に、前記アニオン元素を有する絶縁層を形成する工程（ｄ）を備えることを特徴とする、請求項９に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
11. 前記工程（ｄ）は、前記アニオン元素を含むガスと、水蒸気を含むガスとを供給し、原子層堆積法により行われることを特徴とする、請求項１０に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
12. 前記工程（ｂ）の後に前記絶縁層を除去する工程（ｅ）を有することを特徴とする、請求項１０または１１に記載の電界効果トランジスタの製造方法。