JP4911751B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は，III族窒化物半導体層を有する半導体装置の製造方法に関する。さらに詳細には，III族窒化物半導体層上にショットキ電極を有し，高耐圧，高周波動作，高温動作等の特性を備えた半導体装置の製造方法に関するものである。

従来から，ヘテロ接合の特徴を生かした半導体デバイスとして，高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）が実用化されている。ＨＥＭＴは，例えば，サファイア等の基板上にＧａＡｓ層を成長させ，さらにその上にＡｌＧａＡｓ層を成長させ，さらにその上にショットキゲート電極が形成された構造を有している。そして，ＨＥＭＴでは，ショットキゲート電極への印加電圧によってドレイン電流が制御され，ＭＯＳＦＥＴと同様な電流制御が行われる。

また近年，ＧａＡｓに代えてＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造を有するＨＥＭＴが次世代型の半導体デバイスとして研究されている（例えば，特許文献１）。ＧａＮに代表されるIII族窒化物半導体は，ＧａＡｓやＳｉと比較して，広いバンドギャップ，高い破壊電界強度，大きい飽和電子速度を持つことが知られており，高電圧動作，高出力のデバイス材料として注目されている。
特開２００２−１６０８７号公報

しかしながら，前記した従来の半導体デバイス（ＨＥＭＴ）には，次のような問題があった。すなわち，ＨＥＭＴのゲート電極はショットキ接合であるため，III族窒化物半導体層にゲート電極が接している。そのため，ＭＯＳＦＥＴと比較してゲートリーク電流が大きい。特に，ＧａＮ系のＨＥＭＴは，ＧａＡｓ系のＨＥＭＴと比較してゲートリーク電流が大きいことが知られている。

本発明では，ＧａＮ系に代表されるIII族窒化物半導体のゲートリーク電流が大きい原因として，ショットキゲート電極と接するIII族窒化物半導体層の空孔欠陥とIII族窒化物半導体層に含まれる酸素との２点に着目している。つまり，III族窒化物半導体層の表層付近に存在する窒素が気化し易い。そのため，ＧａＡｓ系と比較して空孔欠陥となりやすい。また，III族窒化物半導体層は，ＭＯＣＶＤ法（MetalOrganic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相成長法）などの公知の手法によって形成されるが，形成時に大気中の酸素を取り込んでしまう。また，空孔欠陥となっている表層から酸素が取り込まれることもある。

この窒素欠乏や酸素に起因するＴＳＢ（Thin Surface Barrier）層が表面にあると，この部分のエネルギバンドの傾きが急峻になる。そのため，特にショットキゲート電極に負の電圧を印加した際，トンネル効果によりリーク電流が増大していると考えられる。

なお，特許文献１には，ゲートリーク電流を低減する半導体装置が開示されている。この半導体装置では，ショットキゲート電極とＡｌＧａＮ層との間にＩｎＧａＮ層を設けることで障壁を高くし，結果としてリーク電流を防止できるとしている。しかし，この半導体装置であっても，ゲート電極に負の電圧を印加した際，トンネル効果によって生じるリーク電流は十分に改善されない。

本発明は，前記した従来の半導体装置が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，III族窒化物半導体層上にショットキゲート電極を形成するとともに，ショットキゲート電極のゲートリーク電流の低減が図られた半導体装置の製造方法を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた半導体装置の製造方法は，III族窒化物半導体層上にショットキ電極を有する半導体装置の製造方法であって，主基板上にIII族窒化物半導体層を形成する半導体層形成ステップと，III族窒化物半導体層の直上にＡｌの薄膜を形成する酸素吸着膜形成ステップと，Ａｌの薄膜を形成した後に，アニール処理を行うアニールステップと，アニール処理後に薄膜を除去する酸素吸着膜除去ステップと，薄膜を除去した後に，III族窒化物半導体層の直上にショットキ電極を形成するショットキ電極形成ステップとを含むことを特徴としている。

本発明の半導体装置の製造方法では，まず，主基板上にIII族窒化物半導体層を形成する（半導体層形成ステップ）。III族窒化物半導体層としては，例えば，ＧａＮ，ＡｌＮがある。また，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ等の複合窒化物であってもよい。また，III族窒化物半導体層は，単層構造であっても多層構造であってもよい。例えば，ＨＥＭＴを構成する際には，少なくともＡｌＧａＮの電子供給層とＧａＮのチャネル層とを積層した多層構造とする。III族窒化物半導体層の形成方法としては，例えば，ＭＯＣＶＤ法によって気相成長させる方法がある。このIII族窒化物半導体層の形成過程において，III族窒化物半導体層内には多くの酸素が取り込まれる。

次に，III族窒化物半導体層の直上にＡｌの薄膜を形成する（酸素吸着膜形成ステップ）。Ａｌの薄膜の形成方法としては，例えば，ＭＢＥ法によってエピタキシャル成長させる方法がある。Ａｌの薄膜は非常に酸化しやすいため，ＭＢＥ法のように超高真空中（１．３３×１０^-8Ｐａ以下）で成膜することが好ましい。

次に，超高真空中でアニール処理を行う（アニールステップ）。より具体的には，１．３３×１０^-8Ｐａ以下の気圧条件でアニール処理を行うことで，III族窒化物半導体層の上面付近の領域内に存在する酸素がＡｌの薄層に吸着される。すなわち，III族窒化物半導体層中の酸素がＡｌの薄層に奪われ，Ａｌの薄層が酸化される。なお，１．３３×１０^-8Ｐａ以下の気圧中でアニール処理が行われるため，Ａｌの薄層は大気中の酸素によって酸化されることは殆ど無い。なお，III族窒化物半導体層中の酸素を確実に吸着するためには，Ａｌの薄層の厚さを少なくとも１ｎｍとする。

次に，酸素を吸着した薄膜を除去する（酸素吸着膜除去ステップ）。これにより，III族窒化物半導体層の表層には，低酸素濃度の領域が形成される。その後，速やかに，その低酸素濃度の領域上にショットキ電極を形成する（ショットキ電極形成ステップ）。これにより，III族窒化物半導体層中の酸素の影響を受けることが少ないショットキ電極が形成される。そして，酸素の影響が少ないことから，本発明による半導体装置，例えばＧａＮ系のＨＥＭＴのゲートリーク電流は少ない。

また，本発明の半導体装置の製造方法は，III族窒化物半導体層を形成した後であってＡｌの薄膜を形成する前に，あるいはＡｌの薄膜を除去した後であってショットキ電極を形成する前に，窒素ラジカル中で熱処理を行う窒素補完ステップを含むこととするとよりよい。すなわち，III族窒化物半導体層では，一部の窒素が気化し，表層付近に窒素空孔欠陥が生じる。そこで，窒素ラジカル中で熱処理を行うことでIII族窒化物半導体層の表層に窒素を導入する。これにより，窒素空孔欠陥となっている部位に窒素が補完され，欠陥が回復する。従って，欠陥の影響によるリーク電流を低減することができる。

本発明によれば，ショットキ電極を形成する前にＡｌの薄膜を形成することによってIII族窒化物半導体層中の酸素の低減が図られている。よって，III族窒化物半導体層上にショットキゲート電極を形成するとともに，ショットキゲート電極のゲートリーク電流の低減が図られた半導体装置の製造方法が実現されている。

以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお，本実施の形態は，ゲート電極への電圧印加によりソース−ドレイン間の導通をコントロールするＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）に本発明を適用したものである。すなわち，本実施の形態のIII族窒化物半導体層は，ＡｌＧａＮ／ＧａＮの多層構造である。

［半導体装置］
実施の形態に係る半導体装置１００は，図１の断面図に示す構造を有している。半導体装置１００は，サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）の基板１１と，基板１１上に位置し，膜厚が５０ｎｍのＡｌＮのバッファ層１２と，ＡｌＮバッファ層１２上に位置し，膜厚が３μｍのＧａＮのチャネル層１３と，ＧａＮチャネル層１３上に位置し，膜厚が２５ｎｍのＡｌＧａＮの電子供給層１４とを有している。また，ＡｌＧａＮ電子供給層１４上には，Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕの多層構造からなりオーミックコンタクト特性を有するオーミック電極１５Ｓ（ソース電極），１５Ｄ（ドレイン電極）と，オーミック電極１５Ｓ，１５Ｄ間に位置し，Ｎｉ／Ａｕの多層構造からなり，ショットキ接合特性を有するショットキ電極１５Ｇ（ゲート電極）が設けられている。

このような構造を持つ半導体装置１００では，ＧａＮチャネル層１３とＡｌＧａＮ電子供給層１４とのヘテロ接合界面の直下に２次元電子ガス層が形成される。そして，ソース電極１５Ｓおよびドレイン電極１５Ｄを作動すると，ＡｌＧａＮ電子供給層１４は電子の供給層として機能し，ＧａＮチャネル層１３に電子を供給する。供給された電子はＧａＮチャネル層１３中の２次元電子ガス層内を高速移動する。このとき，ゲート電極１５Ｇを作動して，ソース電極１５Ｓとドレイン電極１５Ｄとの間の導通をコントロールすることができる。

［半導体装置の製造方法］
続いて，半導体装置１００の製造プロセスについて説明する。本形態の製造プロセスでは，サファイアの基板１１を出発材とする。

まず，基板１１上にＡｌＮのバッファ層１２を形成する。バッファ層１２は，例えば，ＭＯＣＶＤ法（MetalOrganic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相成長法）などの公知の手法によって形成される。次に，バッファ層１２上にＧａＮチャネル層１３を形成する。ＧａＮチャネル層１３は，ＭＯＣＶＤ法などの公知の手法によって形成される。さらに，ＧａＮチャネル層１３を形成した後，ＧａＮチャネル層１３上にＡｌＧａＮ電子供給層１４を形成する（図２）。ＡｌＧａＮ電子供給層１４は，ＭＯＣＶＤ法など，ＧａＮチャネル層１３の形成と同じ手法により，ＧａＮチャネル層１３の形成後に速やかに形成される。

ＡｌＧａＮ電子供給層１４の形成直後は，その表層に窒素の気化等による結晶欠陥（窒素空孔欠陥）が存在する。また，ＭＯＣＶＤ法によるＡｌＧａＮ電子供給層１４の堆積中に反応ガス中あるいは大気中の酸素が取り込まれる。それらの要因から，ＡｌＧａＮ電子供給層１４中，特にＡｌＧａＮ電子供給層１４の表層付近の領域（表面からの距離が１０ｎｍ程度までの領域。以下，「界面領域」とする）中には，意図しない酸素や結晶欠陥が存在する。

次に，窒素ラジカル中で，３００℃以上の温度条件で５分程度の熱処理を行う。この熱処理により，ＡｌＧａＮ電子供給層１４の表面に窒素が取り込まれる。これにより，ＡｌＧａＮ電子供給層１４の界面領域中の窒素空孔欠陥が回復する（図３）。

次に，ＡｌＧａＮ電子供給層１４上に極薄（１ｎｍ以上）のＡｌの薄膜９（Ａｌ膜９）を形成する（図４）。Ａｌ膜９は，１．３３×１０^-8Ｐａ以下の気圧で，ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などの公知の手法によって形成される。すなわち，Ａｌ膜９を酸化させないように，非加熱かつ超高真空中で所望の厚さのＡｌ膜９を形成する。

次に，１．３３×１０^-8Ｐａ以下の気圧で，７００℃以上の温度条件で５分程度のアニール処理を行う。すなわち，Ａｌ膜９の大気中の酸素による酸化を抑制しつつ，超高真空中でアニール処理を行う。このアニール処理により，ＡｌＧａＮ電子供給層１４の界面領域中に存在する酸素がＡｌ膜９に吸着され，Ａｌ膜９の一部が酸化される（図５）。よって，ＡｌＧａＮ電子供給層１４中の酸素が取り除かれ，ＡｌＧａＮ電子供給層１４の界面領域が低酸素濃度の領域となる。

次に，アニール処理によって酸素が取り込まれた薄膜９を，緩衝フッ化水素液（ＢＨＦ）等によって除去する（図６）。そして，低酸素濃度のＡｌＧａＮ電子供給層１４の界面領域上に，オーミック電極（ソース電極１５Ｓ，ドレイン電極１５Ｄ）を形成し，アニール処理を行う（図７）。その後，ショットキ電極（ゲート電極１５Ｇ）を形成する。これにより，図１に示した半導体装置１００が形成される。

なお，界面領域中の酸素を確実に吸着するためには，Ａｌ膜９の厚さを１ｎｍ以上とするとよい。ただし，Ａｌ膜９が厚くなりすぎると，超高真空中でのアニール処理後もＡｌが残る。そのため，Ａｌを除去するために，まず燐酸溶液等によるＡｌの除去が必要となる。また，Ａｌ膜９を超高真空中で厚く形成するには時間がかかる。よって，Ａｌ膜９は，界面領域中の酸素含有量によって最適な厚さが決まる。

［半導体装置の評価］
続いて，Ａｌの薄膜を利用してＡｌＧａＮ層中の酸素の低減が図られた半導体装置（実施の形態）と，酸素の低減が図られていない半導体装置（従来の形態）とについて，各半導体装置のゲートリーク電流を計測した結果について述べる。本評価では，可変直流電源をゲート電圧に接続し，ゲート電圧を変化させてゲート電流（リーク電流）を計測した。さらに，温度条件（１５０Ｋ，３００Ｋ）別にゲート電流を計測した。

図８は，従来の形態の半導体装置（表面処理無し）におけるゲート電圧とゲート電流との関係を示している。一方，図９は，実施の形態の半導体装置（表面処理有り）におけるゲート電圧とゲート電流との関係を示している。図１０は，ゲートリーク電流の測定回路を示している。

図８に示したように，従来の形態の半導体装置は，図９と比較して，温度条件に依存せず，負のバイアスの印加時においてゲート電流の絶対値が大きい。すなわち，特に負のバイアスの印加時に，過大なゲートリーク電流が生じていることがわかる。具体的には，ゲート電圧が−１Ｖでは１０^-6Ａ／ｍｍ程度のリーク電流が生じ，負方向にバイアスを大きくするとゲートリーク電流も大きくなる。そして，ゲート電圧が−５Ｖでは１０^-4Ａ／ｍｍ程度のゲートリーク電流が生じている。

一方，図９に示したように，実施の形態の半導体装置では，従来の形態の半導体装置と比較してゲートリーク電流が大幅に少ない。また，温度条件によって明確に違いがある。まず，常温（３００Ｋ）条件においては，従来の形態の半導体装置と異なり，負方向にバイアスを大きくしてもゲートリーク電流の増大は生じない。すなわち，ゲート電圧が−５Ｖであっても１０^-6Ａ／ｍｍ程度のゲートリーク電流しか生じていない。また，低温（１５０Ｋ）条件においては，ゲート電圧が−１Ｖではゲート電流が１０^-11Ａ／ｍｍ〜１０^-12Ａ／ｍｍ程度と極めて少ない。そして，ゲート電圧を−１Ｖから負方向に大きくするとゲート電流も増大するが，−３Ｖあたりで増加幅も緩やかになり，ゲート電圧が−５Ｖであっても１０^-7Ａ／ｍｍ程度のゲートリーク電流しか生じていない。これにより，酸素の低減が図られていない半導体装置と比較してゲートリーク電流が大幅に改善されたことがわかる。

この評価結果から，Ａｌの薄膜を利用してショットキ電極の近傍を低酸素濃度領域とすることにより，トンネル漏れ成分が大幅に減少し，ゲートリーク電流の低減を図ることができることがわかる。言い換えると，ＡｌＧａＮ層の酸素がゲートリーク電流に悪影響を与えていたことがわかる。

以上詳細に説明したように本発明の半導体装置の製造方法では，まず，サファイアの基板１１上にＡｌＧａＮ（電子供給層１４）／ＧａＮ（チャネル層１３）の多層構造を有するIII族窒化物半導体層を形成することとしている。そして，ＡｌＧａＮ電子供給層１４の直上にＡｌの薄膜９を形成することとしている。そして，超高真空中でアニール処理を行うこととしている。このアニール処理によって，ＡｌＧａＮ電子供給層１４の界面領域内に存在する酸素がＡｌの薄層９に取り込まれ，薄層９が酸化される。その後，薄膜９を除去し，その後，速やかに，ショットキゲート電極１５Ｇを形成する。これにより，酸素の影響を受けることが少ないショットキゲート電極１５Ｇが形成される。そして，表面処理（Ａｌ膜による酸素の吸着）が行われた本発明の半導体装置１００は，実験結果からゲートリーク電流が少ないことがわかった。従って，III族窒化物半導体層上にショットキゲート電極を形成するとともに，ショットキゲート電極のゲートリーク電流の低減が図られた半導体装置の製造方法が実現している。

また，ショットキゲート電極１５Ｇを形成する前に，窒素ラジカル中で熱処理を行うこととするとよりよい。すなわち，窒素ラジカル中で熱処理を行うことでＡｌＧａＮ電子供給層１４の界面領域に窒素を導入することができる。よって，空孔欠陥となっている部位に窒素が補完され，欠陥を回復させることができる。従って，トンネル漏れ成分をより低減することができる。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，実施の形態は，ＧａＮ系のＨＥＭＴであるが，これに限るものではない。すなわち，ＡｌＮ系，ＩｎＧａＮ系等のＨＥＭＴであってもよいと考えられる。

また，実施の形態中の基板１１は，サファイアに限らず，ＳｉＣであってもよい。また，バッファ層１２は，ＡｌＮに限らず，低温条件（５００℃程度）で形成されたＧａＮであってもよい。バッファ層１２の有無，形成温度，膜厚は，基板１１の種類によって好適なものが選択される。

また，実施の形態では，Ａｌの薄膜９を形成する前における窒素ラジカル中の熱処理によって窒素空孔欠陥を除去しているが，これに限るものではない。すなわち，Ａｌの薄膜９を除去した後に窒素ラジカル中の熱処理を行ってもよい。すなわち，ショットキゲート電極１５Ｇを形成する前であればよい。

実施の形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造工程（半導体層形成）を示す図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造工程（窒素空孔欠陥回復）を示す図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造工程（極薄のＡｌ膜形成）を示す図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造工程（アニール処理）を示す図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造工程（極薄のＡｌ膜除去）を示す図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造工程（オーミック電極形成）を示す図である。 従来の形態の半導体装置（表面処理無し）について，ゲートリーク量を示すグラフである。 実施の形態の半導体装置（表面処理有り）について，ゲートリーク量を示すグラフである。 ＨＥＭＴのゲートリーク電流の測定回路を示す図である。

符号の説明

９ Ａｌの薄膜
１１ 基板（主基板）
１２ バッファ層
１３ ＧａＮチャネル層（III族窒化物半導体層）
１４ ＡｌＧａＮ電子供給層（III族窒化物半導体層）
１５Ｓ ソース電極（オーミック電極）
１５Ｄ ドレイン電極（オーミック電極）
１５Ｇ ゲート電極（ショットキ電極）
１００ 半導体装置

Claims (4)

1. III族窒化物半導体層上にショットキ電極を有する半導体装置の製造方法において，
   主基板上にIII族窒化物半導体層を形成する半導体層形成ステップと，
   前記III族窒化物半導体層の直上にＡｌの薄膜を形成する酸素吸着膜形成ステップと，
   前記薄膜を形成した後に，アニール処理を行うアニールステップと，
   アニール処理後に前記薄膜を除去する酸素吸着膜除去ステップと，
   前記薄膜を除去した後に，前記III族窒化物半導体層の直上にショットキ電極を形成するショットキ電極形成ステップとを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載する半導体装置の製造方法において，
   前記III族窒化物半導体層を形成した後であって前記薄膜を形成する前に，あるいは前記薄膜を除去した後であって前記ショットキ電極を形成する前に，窒素ラジカル中で熱処理を行う窒素補完ステップを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載する半導体装置の製造方法において，
   前記半導体層形成ステップでは，ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とを積層してなる多層構造のIII族窒化物半導体層を形成し，
   前記ショットキ電極形成ステップでは，前記ＡｌＧａＮ層上にショットキ電極を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１つに記載する半導体装置の製造方法において，
   前記アニールステップでは，１．３３×１０^-8Ｐａ以下の気圧中でアニール処理を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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