JP6861849B2 - 窒化物半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物を含む半導体からなる半導体装置（窒化物半導体装置）およびその製造方法に関するものである。
窒化物半導体装置としてのヘテロ接合電界効果型トランジスタは、バンドギャップが大きいという材料物性から、高周波増幅器の大出力化を支えてきた。しかし、増幅器の出力密度が高くなると増幅器の発熱が大きくなり、その熱によって増幅器の特性が劣化するおそれがある。そのため、トランジスタの発熱を効率的に放散する仕組みが求められている。
一方、非常に高い熱伝導率を誇るダイヤモンドの合成技術において、超高温・超高圧環境下での熱力学的平衡状態を必要とせず、一般的なＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法のような低圧環境下での非平衡状態において、ダイヤモンドを気相合成する技術が開発されている（例えば下記の特許文献１，２）。そこで、ヘテロ接合電界効果型トランジスタが発する熱の放散を目的として、トランジスタが形成された基板に気相合成ダイヤモンドを接合した構造が提案されている（特許文献３）。
特許文献３のように、窒化物半導体からなるヘテロ接合電界効果型トランジスタの発熱を放散する目的で、トランジスタが形成された基板に気相合成ダイヤモンドを接合する技術が知られている。しかし、特許文献３の技術では、窒化物半導体基板にダイヤモンドを気相合成して接合するための接合層として、Ｓｉウェハ、ガラス、多結晶Ｓｉ、窒化ケイ素等が用いられている。これらの接合層を構成する物質の熱伝導率はダイヤモンドと比較して１〜２桁低く、窒化物半導体基板からダイヤモンド放熱層への熱伝導の過程で大きな抵抗（熱抵抗）となる。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ヘテロ接合電界効果型トランジスタで生じた熱を効果的に放散可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る窒化物半導体装置は、ダイヤモンド放熱層と、前記ダイヤモンド放熱層上に形成された第１の窒化物半導体からなるチャネル層と、前記チャネル層上に形成された第２の窒化物半導体からなる電子供給層と、前記チャネル層の前記ダイヤモンド放熱層側の表層部に形成され、アクセプタ型不純物として高融点金属が拡散した拡散層と、前記電子供給層上に形成されたゲート電極と、前記電子供給層上に形成され、前記ゲート電極を挟むように配置されたソース電極およびドレイン電極と、前記チャネル層と前記ダイヤモンド放熱層との間に、複数の島状あるいは前記ゲート電極の延伸方向に平行なストライプ状に配設された高融点金属膜と、を備える。
本発明によれば、窒化物半導体層とダイヤモンド放熱層の界面に熱伝導率の低いその他材料を介さずに両者を接合する事が可能となるため、基板に対して鉛直方向への熱伝導に対して熱抵抗の上昇を抑制し、効率的な熱の放散が可能となる。また、同時に高融点金属の拡散層がヘテロ接合電界効果型トランジスタのソース・ドレイン電極間に亘って断続的に存在する事により、通常ｎ型寄りになる窒化物半導体のドナー準位を補償して電気的に高抵抗化するように働く。そのため、ドレインリーク電流（バッファリーク電流とも呼ばれる）が抑制される。
本発明の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体装置であるヘテロ接合電界効果型トランジスタの断面図であり、当該トランジスタの極めて理想的な状態を示している。
図１は、本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体装置であるヘテロ接合電界効果型トランジスタの断面図であり、当該トランジスタの極めて理想的な状態を示している。
図１のように、実施の形態１に係るヘテロ接合電界効果型トランジスタは、最下層に多結晶ダイヤモンドからなるダイヤモンド放熱層１１を備えている。ダイヤモンド放熱層１１の厚さは、例えば１００μｍである。ダイヤモンド放熱層１１の上には、第１の窒化物半導体としてのＧａＮからなるチャネル層３が形成されている。また、チャネル層３のダイヤモンド放熱層１１側の表層部には、アクセプタ型不純物として例えばＦｅなどの高融点金属元素が拡散した拡散層２が形成されている。
拡散層２は、チャネル層３のダイヤモンド放熱層１１側の面（以下、ダイヤモンド放熱層１１側の面を「下面」と称すこともある）から一定の深さに亘って形成されており、その厚さは例えば１００ｎｍである。また、拡散層２における高融点金属の濃度は均一であり、その濃度は例えば１×１０１８ｃｍ−３である。
チャネル層３の上には、第２の窒化物半導体としてのＡｌ０．１７Ｇａ０．８３Ｎからなる電子供給層４が形成されている。電子供給層４の厚さは例えば３２ｎｍである。
電子供給層４の上には、ＴｉとＡｌとの積層膜（以下「Ｔｉ／Ａｌ膜」と称す）からなるドレイン電極７およびソース電極８が互いに離間して形成されている。ドレイン電極７およびソース電極８それぞれの直下には、例えばＳｉなどのｎ型不純物が添加されたコンタクト注入領域５，６が形成されている。
また、電子供給層４上のドレイン電極７とソース電極８との間には、ＮｉとＡｕとの積層膜（以下「Ｎｉ／Ａｕ膜」と称す）からなるゲート電極９が、ドレイン電極７およびソース電極８から離間して設けられている。
電子供給層４の上面は、ドレイン電極７、ソース電極８およびゲート電極９が形成された部分を除いて、絶縁膜からなる表面保護膜１０で覆われている。表面保護膜１０は、例えばＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）−ＳｉＮから形成され、その厚さは例えば８０ｎｍである。
電子供給層４とチャネル層３との界面近傍におけるチャネル層３側（チャネル層３内における、電子供給層４との界面から一定深さの部分）には、電子供給層４の分極効果によって発生する分極電荷からなる２次元電子ガス１が誘起される。
本実施の形態に係るヘテロ接合電界効果型トランジスタでは、窒化物半導体層である拡散層２とダイヤモンド放熱層１１との間は、熱伝導率の低い材料を介さずに直接接合している。そのため、下方向への熱伝導における熱抵抗が低く、効率的な熱の放散が可能である。
ここで、窒化物半導体は、窒素空孔が結晶に導入されやすいことから基本的にｎ型寄りの特性を示す。そのため、窒化物半導体からなるヘテロ接合電界効果型トランジスタでは、バルク結晶を介してのドレインリーク電流（「バッファリーク電流」とも呼ばれる）が発生することが懸念される。それに対し、本実施の形態では、アクセプタ型不純物である高融点金属が拡散した拡散層２が、ドレイン電極７の下の領域とソース電極８の下の領域との間に亘って形成されているため、窒化物半導体のドナー準位が補償され、窒化物半導体が高抵抗化される。それにより、ドレインリーク電流が抑制されるという効果が得られる。
＜実施の形態２＞
図２は、本発明の実施の形態２に係る窒化物半導体装置であるヘテロ接合電界効果型トランジスタの断面図である。
図２は、本発明の実施の形態２に係る窒化物半導体装置であるヘテロ接合電界効果型トランジスタの断面図である。
実施の形態２に係るヘテロ接合電界効果型トランジスタは、最下層に多結晶ダイヤモンドからなるダイヤモンド放熱層１１を備えている。ダイヤモンド放熱層１１の厚さは、例えば１００μｍである。ダイヤモンド放熱層１１の上には、第１の窒化物半導体としてのＧａＮからなるチャネル層３が形成されている。また、チャネル層３のダイヤモンド放熱層１１側の表層部には、アクセプタ型不純物として、例えばＦｅなどの高融点金属が拡散した拡散層２が形成されている。ここまでの構成は、実施の形態１と同様である。
実施の形態２では、チャネル層３とダイヤモンド放熱層１１との間に、例えばＦｅなどの高融点金属からなる高融点金属膜１２が形成される。高融点金属膜１２は、横方向に不連続であり、拡散層２とダイヤモンド放熱層１１とは部分的に接している。また、拡散層２の厚さ（チャネル層３のダイヤモンド放熱層１１側の面からの深さ）は、高融点金属膜１２が存在する位置と呼応するように不均一となっている。すなわち、高融点金属膜１２が存在する位置では、高融点金属膜１２が存在しない位置よりも、拡散層２が浅く形成されている。
チャネル層３の上には、第２の窒化物半導体としてのＡｌ０．１７Ｇａ０．８３Ｎからなる電子供給層４が形成されている。電子供給層４の厚さは例えば３２ｎｍである。
電子供給層４の上には、Ｔｉ／Ａｌ膜からなるドレイン電極７およびソース電極８が互いに離間して形成されている。ドレイン電極７およびソース電極８それぞれの直下には、例えばＳｉなどのｎ型不純物が添加されたコンタクト注入領域５，６が形成されている。
また、電子供給層４上のドレイン電極７とソース電極８との間には、Ｎｉ／Ａｕ膜からなるゲート電極９が、ドレイン電極７およびソース電極８から離間して設けられている。
電子供給層４の上面は、ドレイン電極７、ソース電極８およびゲート電極９が形成された部分を除いて、絶縁膜からなる表面保護膜１０で覆われている。表面保護膜１０は、例えばＥＣＲ−ＳｉＮから形成され、その厚さは例えば８０ｎｍである。
電子供給層４とチャネル層３との界面近傍におけるチャネル層３側（チャネル層３内における、電子供給層４との界面から一定深さの部分）には、電子供給層４の分極効果によって発生する分極電荷からなる２次元電子ガス１が誘起される。
＜実施の形態１，２の変形例＞
（Ａ）拡散層２の厚さについて
実施の形態１において、チャネル層３内に形成される拡散層２の厚さ（深さ）は１００ｎｍに限られない。拡散層２の厚さを設定するにあたって重要な点は、チャネル層３の残し厚である。例えば、拡散層２の厚さを大きくしてチャネル層３の厚さを１０ｎｍ程度にまで減少させると、２次元電子ガス１が、活性化してアクセプタ不純物となった高融点金属による補償を受ける。その結果、２次元電子ガス１の濃度が減少して、ヘテロ接合電界効果型トランジスタの出力電流の低下を招いてしまう。
（Ａ）拡散層２の厚さについて
実施の形態１において、チャネル層３内に形成される拡散層２の厚さ（深さ）は１００ｎｍに限られない。拡散層２の厚さを設定するにあたって重要な点は、チャネル層３の残し厚である。例えば、拡散層２の厚さを大きくしてチャネル層３の厚さを１０ｎｍ程度にまで減少させると、２次元電子ガス１が、活性化してアクセプタ不純物となった高融点金属による補償を受ける。その結果、２次元電子ガス１の濃度が減少して、ヘテロ接合電界効果型トランジスタの出力電流の低下を招いてしまう。
チャネル層３の好ましい厚さは、アクセプタ不純物の濃度と拡散層２を形成する前のチャネル層３の厚さとに依存して変わるため、一概に規定するのは難しいが、本発明者らの経験から、チャネル層３の厚さは１００ｎｍ以上が好ましい。
（Ｂ）拡散層２における高融点金属の濃度について
実施の形態１において、拡散層２における高融点金属（アクセプタ型不純物）の濃度は均一でなくてもよく、高融点金属の拡散距離に応じて場所ごとに異なってもよい。むしろ、後述する製造方法（実施の形態３）のように拡散層２を熱拡散によって形成する場合には、拡散源から遠ざかるに従って濃度が低下するのが通常であるため、拡散層２の高融点金属の濃度を均一にすることは極めて難しい。
実施の形態１において、拡散層２における高融点金属（アクセプタ型不純物）の濃度は均一でなくてもよく、高融点金属の拡散距離に応じて場所ごとに異なってもよい。むしろ、後述する製造方法（実施の形態３）のように拡散層２を熱拡散によって形成する場合には、拡散源から遠ざかるに従って濃度が低下するのが通常であるため、拡散層２の高融点金属の濃度を均一にすることは極めて難しい。
また、拡散層２の高融点金属の濃度は、１×１０１８ｃｍ−３に限られず、ピーク濃度が１×１０１９ｃｍ−３以下であればよい。拡散層２のアクセプタ型不純物の濃度に上限を設ける理由は、半導体結晶に過剰な不純物を添加すると、バンドギャップ中に形成される不純物準位の濃度も上昇して「電流コラプス」と呼ばれる電気特性上の悪影響が顕著となるからである。
逆に、拡散層２の高融点金属の濃度が低い場合には、窒化物半導体のドナー準位を補償する効果が十分に得られず、窒化物半導体がｎ型寄りの特性を示すようになるため、ドレインリーク電流が増大する問題が生じる。本発明者らの経験上、拡散層２の高融点金属の濃度は、拡散層２の表面部（下面部）で、１×１０１６ｃｍ−３以上が好ましく、より好ましくは１×１０１７ｃｍ−３以上である。
（Ｃ）チャネル層３および電子供給層４の組成について
チャネル層３のバンドギャップの大きさをＥ３、電子供給層４のバンドギャップの大きさをＥ４とすると、Ｅ３＜Ｅ４の関係を満足すれば、ヘテロ接合電界効果型トランジスタを動作させるのに十分である。そのため、チャネル層３および電子供給層４の材料（第１および第２の窒化物半導体）は、それぞれＧａＮおよびＡｌ０．１７Ｇａ０．８３Ｎに限られない。すなわち、チャネル層３および電子供給層４は、Ａｌ、ＧａおよびＮの３元素のうち、Ｎを含む少なくとも２元素からなる化合物半導体であり、Ｅ３＜Ｅ４の関係が満たされるように、互いに組成が異なるものであればよい。例えば、チャネル層３の構成する化合物半導体をＡｌｘＧａ１−ｘＮとし、電子供給層４を構成する化合物半導体をＡｌｙＧａ１−ｙＮとすると、０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＜ｙという関係を満足する組み合わせであればよい。
チャネル層３のバンドギャップの大きさをＥ３、電子供給層４のバンドギャップの大きさをＥ４とすると、Ｅ３＜Ｅ４の関係を満足すれば、ヘテロ接合電界効果型トランジスタを動作させるのに十分である。そのため、チャネル層３および電子供給層４の材料（第１および第２の窒化物半導体）は、それぞれＧａＮおよびＡｌ０．１７Ｇａ０．８３Ｎに限られない。すなわち、チャネル層３および電子供給層４は、Ａｌ、ＧａおよびＮの３元素のうち、Ｎを含む少なくとも２元素からなる化合物半導体であり、Ｅ３＜Ｅ４の関係が満たされるように、互いに組成が異なるものであればよい。例えば、チャネル層３の構成する化合物半導体をＡｌｘＧａ１−ｘＮとし、電子供給層４を構成する化合物半導体をＡｌｙＧａ１−ｙＮとすると、０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＜ｙという関係を満足する組み合わせであればよい。
また、チャネル層３および電子供給層４は、必ずしもＡｌ、ＧａおよびＮの３元素のうちＮを含む少なくとも２元素からなる化合物半導体でなくてもよく、例えばＩｎ、Ａｌ、ＧａおよびＮの４元素のうちＮを含む少なくとも２元素からなる化合物半導体であってもよい。
（Ｄ）電子供給層４のＡｌ混晶比および厚さについて
実施の形態１，２では、電子供給層４におけるＡｌの混晶比を０．１７、厚さを３２ｎｍとしたが、それら値は、最終的にトランジスタに要求されるスペックに合わせて調整してもよい。電子供給層４におけるＡｌの混晶比が０．１７、厚さが３２ｎｍの場合、６．２×１０１２ｃｍ−２程度の２次元電子ガス１が誘起されるが、そのシートキャリア濃度をより少なく調整したければ、電子供給層４のＡｌ混晶比を下げるか、厚さを小さくするか、あるいはその両方を行えばよい。逆に、２次元電子ガス１のシートキャリア濃度をより高く調整したければ、電子供給層４のＡｌ混晶比を上げるか、厚さを大きくするか、あるいはその両方を行えばよい。
実施の形態１，２では、電子供給層４におけるＡｌの混晶比を０．１７、厚さを３２ｎｍとしたが、それら値は、最終的にトランジスタに要求されるスペックに合わせて調整してもよい。電子供給層４におけるＡｌの混晶比が０．１７、厚さが３２ｎｍの場合、６．２×１０１２ｃｍ−２程度の２次元電子ガス１が誘起されるが、そのシートキャリア濃度をより少なく調整したければ、電子供給層４のＡｌ混晶比を下げるか、厚さを小さくするか、あるいはその両方を行えばよい。逆に、２次元電子ガス１のシートキャリア濃度をより高く調整したければ、電子供給層４のＡｌ混晶比を上げるか、厚さを大きくするか、あるいはその両方を行えばよい。
チャネル層３および電子供給層４が、Ａｌ、ＧａおよびＮの３元素うち、Ｎを含む少なくとも２元素からなる化合物で構成される場合、電子供給層４に大きな分極効果が発生するため、高濃度の２次元電子ガス１を発生させることができる。２次元電子ガス１の濃度が高いと、トランジスタの大電流化、さらには高出力化に有利である。ただし、チャネル層３に限っては、ＡｌＮの２元結晶を採用することはできない。その理由は、窒化物半導体においてＡｌＮを超えるバンドギャップを持つ材料が無いため、電子供給層４に使用できる材料が存在しなくなるからである。
チャネル層３の絶縁破壊電界が高いほど、ヘテロ接合電界効果型トランジスタの耐圧は高くなる。ＡｌｘＧａ１−ｘＮは、Ａｌ組成が高いほど、バンドギャップが大きくなり、絶縁破壊電界が高くなるため、チャネル層３に用いるＡｌｘＧａ１−ｘＮは、Ａｌ組成がより高い（ｘが１に近い）方が好ましい。また、電子供給層４のバンドギャップが大きいほど、電子供給層４を介してゲート電極９からヘテロ界面へ流れるゲートリーク電流を抑制できるため、電子供給層４に用いるＡｌｙＧａ１−ｙＮも、Ａｌ組成がより高い（ｙが１に近い）方が好ましい。
チャネル層３および電子供給層４のそれぞれは、必ずしも単一組成の単層構造でなくてもよい。バンドギャップの大きさの条件（Ｅ３＜Ｅ４）を満たせば、例えば、チャネル層３および電子供給層４内でＩｎ組成、Ａｌ組成、Ｇａ組成が空間的に変化していてもよいし、チャネル層３および電子供給層４のそれぞれが、組成の異なる複数の層からなる多層構造であってもよい。また、チャネル層３および電子供給層４には、窒化物半導体中でｎ型またはｐ型を示す不純物が含まれていてもよい。
（Ｅ）ダイヤモンド放熱層１１の構成について
ダイヤモンド放熱層１１は結晶粒界の存在によって熱伝導は劣化するため、熱伝導の観点からは、ダイヤモンド放熱層１１は単結晶ダイヤモンドからなることが好ましい。しかし、後述する製造方法（実施の形態３）のようにダイヤモンド放熱層１１を気相合成で形成する場合、通常、得られるダイヤモンドの結晶は多結晶である。ダイヤモンド放熱層１１を単結晶ダイヤモンドで構成できない場合、結晶サイズ（結晶粒径）が大きい程、ダイヤモンド放熱層１１の放熱性向上が見込まれる。気相合成では種結晶を成長させる手法が用いられるため、成長時間を延ばすと結晶粒径を大きくでき、ダイヤモンド放熱層１１の放熱性を高めることができる。
ダイヤモンド放熱層１１は結晶粒界の存在によって熱伝導は劣化するため、熱伝導の観点からは、ダイヤモンド放熱層１１は単結晶ダイヤモンドからなることが好ましい。しかし、後述する製造方法（実施の形態３）のようにダイヤモンド放熱層１１を気相合成で形成する場合、通常、得られるダイヤモンドの結晶は多結晶である。ダイヤモンド放熱層１１を単結晶ダイヤモンドで構成できない場合、結晶サイズ（結晶粒径）が大きい程、ダイヤモンド放熱層１１の放熱性向上が見込まれる。気相合成では種結晶を成長させる手法が用いられるため、成長時間を延ばすと結晶粒径を大きくでき、ダイヤモンド放熱層１１の放熱性を高めることができる。
ダイヤモンド放熱層１１の厚さは１００μｍに限られない。ただし、気相合成の成長初期には結晶粒径が小さいため、良好な熱伝導を得るためには、ダイヤモンド放熱層１１を２０μｍ以上の厚さにすることが望ましい。
（Ｆ）ゲート電極９の形状について
ゲート電極９の断面形状は、図１および図２に示したような矩形である必要はなく、例えば、Ｔ字型、Ｙ字型、あるいはΓ型であってもよい。また、図３のように、ゲート電極９と電気的に接続し、表面保護膜１０上に延在するフィールドプレート電極１３を設けてもよい。図３では、フィールドプレート電極１３がゲート電極９からドレイン電極７側へと伸びる構成を示しているが、フィールドプレート電極１３は、ソース電極８側へ伸びるように設けられてもよいし、ドレイン電極７側とソース電極８側の両方へ伸びるように設けられてもよい。フィールドプレート電極１３が設けられることで、ゲート電極９の端部における電界集中を抑えることができ、電流コラプスの低減に効果的である。
ゲート電極９の断面形状は、図１および図２に示したような矩形である必要はなく、例えば、Ｔ字型、Ｙ字型、あるいはΓ型であってもよい。また、図３のように、ゲート電極９と電気的に接続し、表面保護膜１０上に延在するフィールドプレート電極１３を設けてもよい。図３では、フィールドプレート電極１３がゲート電極９からドレイン電極７側へと伸びる構成を示しているが、フィールドプレート電極１３は、ソース電極８側へ伸びるように設けられてもよいし、ドレイン電極７側とソース電極８側の両方へ伸びるように設けられてもよい。フィールドプレート電極１３が設けられることで、ゲート電極９の端部における電界集中を抑えることができ、電流コラプスの低減に効果的である。
また、図３は、実施の形態１（図１）のヘテロ接合電界効果型トランジスタに対してフィールドプレート電極１３を設けた例であるが、もちろん実施の形態２（図２）のヘテロ接合電界効果型トランジスタにフィールドプレート電極１３を設けてもよい。
（Ｇ）コンタクト注入領域５，６について
ドレイン電極７およびソース電極８と２次元電子ガス１とのオーミックコンタクトを構成できるのであれば、ドレイン電極７およびソース電極８の下にコンタクト注入領域５，６を設けなくてもよい。また、ドレイン電極７およびソース電極８は、電子供給層４の上面と接触するように設けられてもよいし、電子供給層４に形成されたリセス内で電子供給層４と接触するように設けられてもよい。
ドレイン電極７およびソース電極８と２次元電子ガス１とのオーミックコンタクトを構成できるのであれば、ドレイン電極７およびソース電極８の下にコンタクト注入領域５，６を設けなくてもよい。また、ドレイン電極７およびソース電極８は、電子供給層４の上面と接触するように設けられてもよいし、電子供給層４に形成されたリセス内で電子供給層４と接触するように設けられてもよい。
ただし、ドレイン電極７およびソース電極８の下にコンタクト注入領域５，６が形成されていた方が、ドレイン電極７およびソース電極８と２次元電子ガス１との間の抵抗を低減することができるため、トランジスタの大電流化および高出力化に有利である。なお、コンタクト注入領域５，６に添加するｎ型不純物は、Ｓｉに限られず、窒化物半導体中でｎ型の不純物準位を形成する他の材料（Ｏ、Ｇｅ、Ｎ空孔等）であってもよい。
（Ｈ）高融点金属について
拡散層２に拡散させる高融点金属、および、実施の形態２の高融点金属膜１２は、Ｆｅに限られず、ＧａＮ中でアクセプタ型不純物となり得る元素で、且つ、ダイヤモンド気相合成時の高温環境下でも固相を維持できる程度に融点の高い金属であればよい。そのような材料としては、Ｆｅの他に、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ等がある。
拡散層２に拡散させる高融点金属、および、実施の形態２の高融点金属膜１２は、Ｆｅに限られず、ＧａＮ中でアクセプタ型不純物となり得る元素で、且つ、ダイヤモンド気相合成時の高温環境下でも固相を維持できる程度に融点の高い金属であればよい。そのような材料としては、Ｆｅの他に、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ等がある。
（Ｉ）ドレイン電極７およびソース電極８について
ドレイン電極７およびソース電極８は、エピタキシャル成長層とのオーミック接触が得られれば、その材料はＴｉ／Ａｌ膜以外のものでもよく、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｒ、Ｎｉ、Ｔａ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｗ等の金属、もしくはそれらの２以上から構成される多層膜などでもよい。
ドレイン電極７およびソース電極８は、エピタキシャル成長層とのオーミック接触が得られれば、その材料はＴｉ／Ａｌ膜以外のものでもよく、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｒ、Ｎｉ、Ｔａ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｗ等の金属、もしくはそれらの２以上から構成される多層膜などでもよい。
（Ｊ）ゲート電極９について
ゲート電極９の材料は、Ｎｉ／Ａｕ膜以外のものでもよく、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｄ等の金属、ＩｒＳｉ、ＰｔＳｉ、ＮｉＳｉ２等のシリサイド、或いはＴｉＮ、ＷＮ等の窒化物金属、またはそれらを組み合わせた多層膜などでもよい。
ゲート電極９の材料は、Ｎｉ／Ａｕ膜以外のものでもよく、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｄ等の金属、ＩｒＳｉ、ＰｔＳｉ、ＮｉＳｉ２等のシリサイド、或いはＴｉＮ、ＷＮ等の窒化物金属、またはそれらを組み合わせた多層膜などでもよい。
（Ｋ）高融点金属膜１２のパターンについて
実施の形態２の高融点金属膜１２は、横方向に不連続なパターンであれば、任意のパターンでよい。図４〜図６は、高融点金属膜１２のパターンの例を示す平面図である。これらの図には、拡散層２およびその下面の高融点金属膜１２が示されている。高融点金属膜１２は、例えば図４のようにゲート電極９と平行に伸びるストライプ状のパターンであってもよいし、図５のように不連続な格子状（マトリクス状）に分布する複数の島状のパターンであってもよいし、図６のようにランダムに分布する複数の島状のパターンであってもよい。
実施の形態２の高融点金属膜１２は、横方向に不連続なパターンであれば、任意のパターンでよい。図４〜図６は、高融点金属膜１２のパターンの例を示す平面図である。これらの図には、拡散層２およびその下面の高融点金属膜１２が示されている。高融点金属膜１２は、例えば図４のようにゲート電極９と平行に伸びるストライプ状のパターンであってもよいし、図５のように不連続な格子状（マトリクス状）に分布する複数の島状のパターンであってもよいし、図６のようにランダムに分布する複数の島状のパターンであってもよい。
高融点金属膜１２のパターンに関して重要な点は、ドレイン電極７の下の領域とソース電極８の下の領域との間に、高融点金属膜１２が連接しないことである。これは、高融点金属膜１２がデバイスの形成面とは反対側に形成されているとはいえ、ドレイン電極７の下の領域とソース電極８の下の領域との間に高融点金属膜１２が連接していると、金属材料による電気伝導を誘発し、ドレインリーク電流が増大してしまうからである。
例えば、ドレイン電極７とソース電極８の間隔が４μｍであり、高融点金属膜１２が図４のようなストライプ状であると仮定する。このとき、高融点金属膜１２のストライプの幅（１つのライン状の高融点金属膜１２の幅）が４μｍよりも大きいと、前述のようにドレイン電極７とソース電極８との間で電気伝導を誘発する恐れがある。よって、高融点金属膜１２のストライプの幅は、ドレイン電極７とソース電極８との間隔以下であることが好ましい。高融点金属膜１２のストライプの幅の最小値には、特に制約は無い。
一方、高融点金属膜１２のストライプの間隔（隣り合うライン状の高融点金属膜１２の間隔）を詰め過ぎると金属同士が近接して好ましくない。そのため、高融点金属膜１２のストライプの間隔は１００ｎｍ以上が好ましい。高融点金属膜１２のストライプの間隔の最大値には、特に制約は無い。
高融点金属膜１２のストライプの幅を極小化していく、あるいは、ストライプ間隔を極大化していくと、最終的に図１の構造に近付く。
以上より、ドレイン電極７とソース電極８との間の距離をＬｓｄ、高融点金属膜１２のｎ番目のストライプの幅をＬｎ、ｎ番目のストライプの間隔をｄｎとすると、Ｌｓｄ＞Ｌｎ＞０、且つ、ｄｎ＞１００ｎｍを満たすことが好ましい。
このように、高融点金属膜１２にはゲート電極９の延伸方向と直交する軸で１次元の制約を受ける。高融点金属膜１２が島状の場合（図５および図６）も、これと同様の制約を受ける。
（Ｌ）変形例の組み合わせについて
上述した変形例は、自在に組み合わせることが可能である。
上述した変形例は、自在に組み合わせることが可能である。
＜実施の形態３＞
実施の形態３では、図１に示したヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造工程の例を示す。図７〜図１６はその製造方法を説明するための工程図である。これらの図において、図１に示したものと同一または対応する要素には、それと同一符号を付している。以下、図７〜図１６を参照しつつ、図１に示したヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造工程を説明する。
実施の形態３では、図１に示したヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造工程の例を示す。図７〜図１６はその製造方法を説明するための工程図である。これらの図において、図１に示したものと同一または対応する要素には、それと同一符号を付している。以下、図７〜図１６を参照しつつ、図１に示したヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造工程を説明する。
まず、半導体基板３１をエピタキシャル成長装置内に設置し、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などのエピタキシャル成長法を用いて、半導体基板３１上に、ＧａＮからなるバッファ層３２、ＧａＮからなるチャネル層３、およびＡｌ０．１７Ｇａ０．８３Ｎからなる電子供給層４を、この順にエピタキシャル成長させる（図７）。電子供給層４とチャネル層３との界面近傍には、２次元電子ガス１が誘起される。
次に、バッファ層３２、チャネル層３および電子供給層４が形成された半導体基板３１を、エピタキシャル成長装置から取り出し、半導体基板３１のエピタキシャル成長面側、すなわち電子供給層４の上に、Ｓｉからなる支持基板３４を、例えばアルミナフィラーを用いたセラミック系の接着層３３を用いて被着させる（図８）。接着層３３のフィラーはアルミナに限定されず、後の工程（図１１の工程）で行われるダイヤモンド気相合成の高温（１１００℃）環境下に耐えられるものであればよい。そのようなフィラーとしては、アルミナの他、シリカ、ジルコニア、ジルコン、マグネシア、窒化アルミニウム、グラファイト等が利用可能である。
続いて、電子供給層４に被着された支持基板３４を保持した状態で、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）技術を用いて半導体基板３１およびバッファ層３２を除去する（図９）。半導体基板３１およびバッファ層３２の除去手法は、化学機械研磨に限定されず、被加工材料に合わせたエッチャントを用いたウェットエッチング、ドライエッチング、あるいはこれらの手法を複数組み合わせたものでもよい。
そして、半導体基板３１およびバッファ層３２が除去されたことで露出したチャネル層３の下面に、例えばスパッタリング法などにより、Ｆｅからなる金属薄膜３６を数ｎｍ程度堆積させる（図１０）。
その後、金属薄膜３６が形成されたチャネル層３の下面に、ダイヤモンドの気相合成を実施することでダイヤモンド放熱層１１を形成する（図１１）。ダイヤモンドの気相合成は、例えばマイクロ波ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて、１１００℃環境下で、ＣＨ４／Ｈ２混合気の反応を利用して実施される。その際、金属薄膜３６は、高温環境に曝されるため、チャネル層３内に拡散して拡散層２を形成し、チャネル層３の下面には膜の形で存在しなくなる。
その結果、チャネル層３内にアクセプタとして機能する高融点金属を含む拡散層２が形成されると同時に、チャネル層３の下面（拡散層２の下面）に多結晶ダイヤモンドからなるダイヤモンド放熱層１１が形成される。
気相合成の手法は、マイクロ波ＣＶＤに限定されず、例えば、触媒化学気相成長（Ｃａｔ−ＣＶＤ：Catalytic Chemical Vapor Deposition）法や、マイクロ波以外によるプラズマ誘起を利用したプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition）法を用いてもよい。
次に、例えばフッ酸等のエッチャントを用いて、セラミック系の接着層３３を除去することにより、支持基板３４を電子供給層４から分離させる（図１２）。
続いて、例えばフォトリソグラフィ技術等を用いて、支持基板３４から分離された電子供給層４の上に、ドレイン電極７およびソース電極８の形成領域に開口を有するレジストマスク３５を形成する。そして、レジストマスク３５をマスクとして、例えばＳｉなどのｎ型の不純物を、注入ドーズ量１×１０１３〜１×１０１７（ｃｍ−２）、注入エネルギー１０〜１０００（ｋｅＶ）の条件で電子供給層４にイオン注入することで、コンタクト注入領域５，６を形成する（図１３）。
レジストマスク３５を除去した後、電子供給層４の上に、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｒ、Ｎｉ、Ｔａ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗなどの金属、もしくはこれらから構成される多層膜を、蒸着法やスパッタリング法を用いて堆積し、それをリフトオフ法などによってドレイン電極７およびソース電極８に加工する（図１４）。
さらに、電子供給層４の上に、例えば蒸着法またはスパッタリング法などを用いて、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｄ等の金属、ＩｒＳｉ、ＰｔＳｉ、ＮｉＳｉ２等のシリサイド、或いはＴｉＮ、ＷＮ等の窒化物金属を蒸着法により堆積し、それをリフトオフ法などによってゲート電極９に加工する（図１５）。ドレイン電極７、ソース電極８およびゲート電極９の材料となる金属の成膜方法は、蒸着法、スパッタ法以外の方法でもよい。
その後、例えばＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法などのように被覆性が高い成膜手法を用いて、ＳｉもしくはＡｌの酸化膜あるいは窒化膜からなる表面保護膜１０を、ドレイン電極７、ソース電極８およびゲート電極９が形成された領域以外の電子供給層４の表面が被覆されるように形成する（図１６）。表面保護膜１０の形成手法は、ＡＬＤ法に限られず、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法やスパッタリング法など他の手法を用いてもよいし、それらの組み合わせてもよい。
以上の工程により、図１に示したヘテロ接合電界効果型トランジスタの構成が得られる。この後、配線やバイアホール等の形成工程を経て、半導体デバイスとしてのヘテロ接合電界効果型トランジスタが完成する。
上の説明では、ヘテロ接合電界効果型トランジスタの代表的な形成条件を示したが、以下のような変形例が考えられる。
＜実施の形態３の変形例＞
（ａ）チャネル層３および電子供給層４の成長工程について
チャネル層３および電子供給層４の成長工程（図７）において、窒化物半導体の原料ガスであるトリメチルアンモニウム、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニア、あるいは、ｎ型ドーパントの原料ガスであるシラン等の圧力や流量、温度、導入時間は、チャネル層３および電子供給層４が所望の組成、膜厚、ドーピング濃度となるように適宜調整してもよい。それにより、実施の形態１，２の変形例（Ｃ）で示した種々のチャネル層３および電子供給層４の組成を実現できる。
（ａ）チャネル層３および電子供給層４の成長工程について
チャネル層３および電子供給層４の成長工程（図７）において、窒化物半導体の原料ガスであるトリメチルアンモニウム、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニア、あるいは、ｎ型ドーパントの原料ガスであるシラン等の圧力や流量、温度、導入時間は、チャネル層３および電子供給層４が所望の組成、膜厚、ドーピング濃度となるように適宜調整してもよい。それにより、実施の形態１，２の変形例（Ｃ）で示した種々のチャネル層３および電子供給層４の組成を実現できる。
（ｂ）半導体基板３１およびバッファ層３２の除去工程について
半導体基板３１およびバッファ層３２の除去工程（図９）の後に、パターニングされたレジスト等をマスクにして、チャネル層３の下面に例えばＡｒなどのドーパントとならない希ガス元素を、注入ドーズ量１×１０１３〜１×１０１７（ｃｍ−２）、注入エネルギー１０〜１００（ｋｅＶ）の条件でイオン注入してもよい。ドーパントとならない希ガス元素によってチャネル層３の表層部の結晶構造が破壊されるため、拡散層２の形成工程において金属の拡散係数に変化を付けることができる。これにより、実施の形態２のヘテロ接合電界効果型トランジスタ（図２）と同様に、拡散層２の厚さ（チャネル層３のダイヤモンド放熱層１１側の面からの深さ）を不均一にすることができる。
半導体基板３１およびバッファ層３２の除去工程（図９）の後に、パターニングされたレジスト等をマスクにして、チャネル層３の下面に例えばＡｒなどのドーパントとならない希ガス元素を、注入ドーズ量１×１０１３〜１×１０１７（ｃｍ−２）、注入エネルギー１０〜１００（ｋｅＶ）の条件でイオン注入してもよい。ドーパントとならない希ガス元素によってチャネル層３の表層部の結晶構造が破壊されるため、拡散層２の形成工程において金属の拡散係数に変化を付けることができる。これにより、実施の形態２のヘテロ接合電界効果型トランジスタ（図２）と同様に、拡散層２の厚さ（チャネル層３のダイヤモンド放熱層１１側の面からの深さ）を不均一にすることができる。
（ｃ）金属薄膜３６の形成工程について
金属薄膜３６の形成工程（図１０）において、レジストマスクを用いたパターニングによって金属薄膜３６のパターンを形成することで、ダイヤモンド気相合成工程における高融点金属の拡散距離を面内で不均一にすることができる。これにより、実施の形態２のヘテロ接合電界効果型トランジスタ（図２）のヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製することができる。
金属薄膜３６の形成工程（図１０）において、レジストマスクを用いたパターニングによって金属薄膜３６のパターンを形成することで、ダイヤモンド気相合成工程における高融点金属の拡散距離を面内で不均一にすることができる。これにより、実施の形態２のヘテロ接合電界効果型トランジスタ（図２）のヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製することができる。
上記の金属薄膜３６のパターンの形成にあたって、チャネル層３が露出した箇所があると、ダイヤモンド気相合成時に混合気の水素に起因した水素プラズマによって、ＧａＮが還元エッチングされてしまう。そのため、チャネル層３の下面全体が金属薄膜３６で被覆された上で、金属薄膜３６の表面にパターンに応じた凹凸が形成されている状態が好ましい。
また、金属薄膜３６自体に凹凸を形成せずとも、例えばＡｒ等の不活性元素のイオン注入をレジストマスクのパターン上から施すことによって、チャネル層３の結晶をある程度破壊できる。結晶が破壊された領域では原子同士の結合が切れているため、熱拡散時の拡散係数が増大する。よって、イオン注入を施した領域の金属薄膜３６が完全に拡散するまで、ダイヤモンド放熱層１１を形成するためのダイヤモンドの気相合成に時間を掛けても、イオン注入を施していない領域では、金属薄膜３６が高融点金属膜１２として残存することになる。これによって、実施の形態２（図２）のヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製することができる。
また、金属薄膜３６のパターンの形成にあたって、高融点金属膜１２となる金属薄膜３６のパターンを図６に示したような複数の島状する方法としては、次のような方法がある。例えば、金属薄膜３６に、高融点金属に加えてそれよりも融点の低い金属を配合するとよい。この場合、ダイヤモンド気相合成の際の蒸散により、融点の低い金属が除去され、金属薄膜３６は複数の島状に残ることになる。
また、金属薄膜３６に、高融点金属よりも水素プラズマ耐性の低い金属を配合してもよい。この場合、多結晶ダイヤモンドを気相合成する際の水素プラズマによるプラズマエッチングにより、水素プラズマ耐性の低い金属が除去され、金属薄膜３６が複数の島状に残ることになる。
（ｄ）ダイヤモンド放熱層１１の形成工程について
上の説明では、ダイヤモンド放熱層１１の形成工程（図１１）におけるダイヤモンドの気相合成が、１１００℃環境下でＣＨ４／Ｈ２混合気の反応を利用して行われるように説明したが、この組合せに限定されるものではない。例えば、混合気にＡｒ等の不活性ガスを添加してもよいし、７００℃以上の環境下であればダイヤモンド合成に至るのに必要なエネルギーは得られる。
上の説明では、ダイヤモンド放熱層１１の形成工程（図１１）におけるダイヤモンドの気相合成が、１１００℃環境下でＣＨ４／Ｈ２混合気の反応を利用して行われるように説明したが、この組合せに限定されるものではない。例えば、混合気にＡｒ等の不活性ガスを添加してもよいし、７００℃以上の環境下であればダイヤモンド合成に至るのに必要なエネルギーは得られる。
ただし、低温環境下ではグラファイト等の非ダイヤモンド相の形成が起こるため、温度を上げて、水素プラズマのエッチングにより非ダイヤモンド相を除去するのが一般的である。当然、ダイヤモンド相も水素プラズマによりエッチングを受けるが、選択比が十分に確保されるため、先に非ダイヤモンド相の除去が完了することになる。このため、ダイヤモンド成長における最適な温度は８００℃程度とされる。
（ｅ）フィールドプレート電極１３の形成について
図３に、ゲート電極９に接続したフィールドプレート電極１３を設ける変形例を示したが、フィールドプレート電極１３は次のような方法で形成することができる。すなわち、表面保護膜１０の形成工程（図１６）の後、蒸着法等により金属膜を形成し、レジストマスクを用いて金属膜をパターニングすることで、フィールドプレート電極１３を形成できる。それにより、図３のヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製することができる。
図３に、ゲート電極９に接続したフィールドプレート電極１３を設ける変形例を示したが、フィールドプレート電極１３は次のような方法で形成することができる。すなわち、表面保護膜１０の形成工程（図１６）の後、蒸着法等により金属膜を形成し、レジストマスクを用いて金属膜をパターニングすることで、フィールドプレート電極１３を形成できる。それにより、図３のヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製することができる。
（ｆ）変形例の組み合わせについて
上述した変形例は、自在に組み合わせることが可能である。
上述した変形例は、自在に組み合わせることが可能である。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
１ ２次元電子ガス、２ 拡散層、３ チャネル層、４ 電子供給層、５ コンタクト注入領域、６ コンタクト注入領域、７ ドレイン電極、８ ソース電極、９ ゲート電極、１０ 表面保護層、１１ ダイヤモンド放熱層、１２ 高融点金属膜、１３ フィールドプレート電極、３１ 半導体基板、３２ バッファ層、３３ 接着層、３４ 支持基板、３５ レジストマスク、３６ 金属薄膜。
Claims (7)
- ダイヤモンド放熱層（１１）と、
前記ダイヤモンド放熱層（１１）上に形成された第１の窒化物半導体からなるチャネル層（３）と、
前記チャネル層（３）上に形成された第２の窒化物半導体からなる電子供給層（４）と、
前記チャネル層（３）の前記ダイヤモンド放熱層（１１）側の表層部に形成され、アクセプタ型不純物として高融点金属が拡散した拡散層と、
前記電子供給層（４）上に形成されたゲート電極（９）と、
前記電子供給層（４）上に形成され、前記ゲート電極（９）を挟むように配置されたソース電極（８）およびドレイン電極（７）と、
前記チャネル層（３）と前記ダイヤモンド放熱層（１１）との間に、複数の島状あるいは前記ゲート電極（９）の延伸方向に平行なストライプ状に配設された高融点金属膜と、
を備える窒化物半導体装置。 - 前記高融点金属は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉのうちのいずれか１つ以上を含む
請求項１に記載の窒化物半導体装置。 - 前記拡散層の表面部における前記アクセプタ型不純物の濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下である
請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体装置。 - 半導体基板（３１）上に、第１の窒化物半導体からなるバッファ層（３２）と、第２の窒化物半導体からなるチャネル層（３）と、第３の窒化物半導体からなる電子供給層（４）とをこの順に成長させる工程と、
前記半導体基板（３１）および前記バッファ層（３２）を除去し、露出した前記チャネル層（３）上に高融点金属を含む金属薄膜（３６）を形成する工程と、
前記金属薄膜（３６）上に多結晶ダイヤモンドを気相合成させつつ、前記金属薄膜（３６）に含まれる前記高融点金属を前記チャネル層（３）内に拡散させる工程と、
前記電子供給層（４）上にソース電極（８）、ドレイン電極（７）およびゲート電極（９）を形成する工程と、
を備える窒化物半導体装置の製造方法。 - 前記高融点金属は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉのいずれか１つ以上を含む
請求項４に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 - 前記金属薄膜（３６）には、前記高融点金属よりも融点の低い金属が配合されており、
前記多結晶ダイヤモンドを気相合成する際、蒸散により前記金属が除去されることによって、前記金属薄膜（３６）が複数の島状に加工される、
請求項４または請求項５に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 - 前記金属薄膜（３６）には、前記高融点金属よりも水素プラズマ耐性の低い金属が配合されており、
前記多結晶ダイヤモンドを気相合成する際、水素プラズマによるプラズマエッチングにより前記金属が除去されることによって、前記金属薄膜（３６）が複数の島状に加工される、
請求項４または請求項５に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
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