JP5732228B2

JP5732228B2 - 窒化物半導体装置の製造方法

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Publication number: JP5732228B2
Application number: JP2010241967A
Authority: JP
Inventors: 義道深澤; 浩伏見
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: JP2012094746A

Description

本発明は、窒化物半導体装置の製造方法に関し、特に、ノーマリオフ型動作が可能で、ゲートリーク電流や電流コラプスを抑制し、さらにオン抵抗を低減できる高電子移動度トランジスタを構成する窒化物半導体装置の製造方法に関する。

ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどの窒化物半導体は、絶縁破壊電界および電子飽和速度が高いという特長を有している。この特長により、窒化物半導体は高出力・高周波デバイスを実現できる半導体材料として有望であり、近年、窒化物半導体材料を用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の実用化開発が進められている。

図４に、従来のＨＥＭＴ構造の窒化物半導体装置の断面図を示す。図４に示すように、従来の窒化物半導体装置は、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはシリコン（Ｓｉ）等の基板１の上に、バッファ層２を介して形成されたアンドープＧａＮ等からなる電子走行層３と、ｎ型不純物がドープされた、あるいはアンドープのＡｌＧａＮ等からなる電子供給層４とが形成されている。そして電子供給層４上には、オーミック接触したソース電極５およびドレイン電極６と、ソース電極５とドレイン電極６間の電流を制御するゲート電極７が形成されている。

電子供給層４は、電子走行層３よりバンドギャップが大きく、かつ、格子定数の小さい材料で構成されている。図４に示すように電子走行層３と電子供給層４がヘテロ接合すると、引っ張り応力によるピエゾ分極および自発分極が生じ、ヘテロ接合近傍の電子走行層３側に電子移動度が極めて大きい二次元電子ガス１０が発生する。この二次元電子ガス１０は、ＨＥＭＴ構造の窒化物半導体装置のチャネルとなり、ゲート電極７に印加されるバイアス電圧を制御することで、ソース電極５とドレイン電極６間に流れる電流を制御することができる。

ところで、図４に示すような従来の窒化物半導体装置は、ゲート電極７に制御電圧を印加しない状態で、ソース電極５とドレイン電極６との間に電流が流れるノーマリオン（デプレッション）型となる。このようなノーマリオン型の窒化物半導体装置をオフ状態（二次元電子ガス１０にキャリアが流れない状態）に保つためには、ゲート電極７に負のバイアス電圧を印加する必要がある。

これに対し、ゲート電極７にバイアス電圧を印加しない状態で、ソース電極５とドレイン電極６間に電流が流れないノーマリオフ（エンハンスメント）型の窒化物半導体装置の開発が進められている。ノーマリオフ型の窒化物半導体装置は、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている窒化物半導体装置は、電子供給層４の一部をエッチング除去してゲートリセス構造とし、ゲート電極７とチャネルとなる二次元電子ガス１０との距離を短くしている。これにより、ショットキー障壁に基づく電界がヘテロ接合に対して作用しやすくなり、ゲート電極７にバイアス電圧を印加しないときに、ゲート電極７直下の二次元電子ガス１０が消失する構成となっている。

特開２００８−１４１０４０号公報

上記のような従来の窒化物半導体装置では、ゲートリセス構造の採用によりノーマリオフ動作を実現することができるが、ゲートリセス工程は、非常に制御が難しく、歩留りが低下するという問題があった。本発明は、上記問題点を解消し、高周波数動作が可能なノーマリオフ型の窒化物半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願第１の発明の窒化物半導体装置は、基板上に、バッファ層を介して、アンドープの第一の窒化物半導体からなる電子走行層と、該電子走行層とヘテロ接合を形成し、該ヘテロ接合によって二次元電子ガスを形成する、前記第一の窒化物半導体よりバンドギャップが大きいｎ型もしくはアンドープの第二の窒化物半導体からなる電子供給層を積層形成する工程と、前記電子供給層に電気的に接続するソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に流れる電流を制御するゲート電極とを形成する工程とを含む窒化物半導体装置に製造方法において、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記電子供給層表面に、該電子供給層とショットキー接触する浮遊電極を形成する工程と、前記浮遊電極と前記ドレイン電極との間、前記浮遊電極と前記ソース電極との間の前記電子供給層を珪素膜で被覆する工程と、前記浮遊電極表面を絶縁膜で被覆する工程と、前記浮遊電極上に、前記絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、該ゲート電極に正バイアスを印加し、前記浮遊電極に電子を蓄積させて閉じこめるとともに、前記二次元電子ガスを消失させる工程とを備えたことを特徴とする。

本発明の窒化物半導体装置の製造方法による窒化物半導体装置は、ゲート電極に正バイアスが印加することで、浮遊電極に電子を蓄積させ、その電子は閉じこめられた構造となるため、浮遊電極の電位を上げることができる。このとき、通常のチャネルを構成する２次元電子ガスは消失する。これにより、ゲート電極に制御電圧を印加しない状態で、窒化物半導体装置のチャネルを消失させることができる。つまり、ノーマリオフ動作が可能となる。

さらに本発明の窒化物半導体装置の製造方法による窒化物半導体装置は、電流コラプスの発生起因となるIII−Ｖ族窒化物半導体層表面を珪素膜で被覆することで、電流コラプスを抑制でき、高出力動作可能な窒化物半導体装置を提供することが可能となる。

本発明の窒化物半導体装置の製造方法による窒化物半導体装置は、通常の窒化物半導体装置の製造工程に、浮遊電極を形成する工程と、浮遊電極に正バイアスを印加する工程を追加するだけで良く、制御性の悪いゲートリセス工程が不要となるため、歩留り良く、窒化物半導体装置を形成することができるという利点がある。

本発明の窒化物半導体装置の製造方法による窒化物半導体装置の断面図である。本発明の窒化物半導体装置の製造方法による窒化物半導体装置のエネルギーバンド図である。本発明の窒化物半導体装置の製造方法による窒化物半導体装置の伝達特性の説明図である。従来の窒化物半導体装置の断面図である。

本発明の窒化物半導体装置の製造方法による窒化物半導体装置は、電子供給層上に浮遊電極を形成し、さらに絶縁膜を介してゲート電極が形成するとともに、ソース電極とドレイン電極との間の窒化物半導体層表面を珪素膜で被覆する構成となっている。そして、浮遊電極に正バイアスを印加することで、浮遊電極に電子（負電荷）を蓄積させることを大きな特徴としている。以下、本発明の実施例について、製造工程に従い、詳細に説明する。

まず、本発明の窒化物半導体装置の製造方法による窒化物半導体装置について、製造工程に従い、説明する。図１は、本発明の窒化物半導体装置の製造方法による窒化物半導体装置の断面図である。図１に示すように、基板１上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相エピタキシャル成長）法もしくはＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長）法等により、バッファ層２を介して、第一の窒化物半導体からなる電子走行層３と、第二の窒化物半導体からなる電子供給層４が順に積層されている。電子供給層４上には、ソース電極５、ドレイン電極６および浮遊電極８が形成され、ソース電極５とドレイン電極６間の電子供給層４表面と浮遊電極８上に、珪素膜１１が形成されている。そして珪素膜１１と浮遊電極８上に、絶縁膜９が全面に形成されている。ゲート電極７は、浮遊電極８直上に、絶縁膜９を介して形成されている。

基板１は、半導体材料をエピタキシャル成長させるための成長基板として機能し、かつ機械的に支持するための支持基板として機能する。基板１は、一般にサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）あるいはシリコン（Ｓｉ）が用いられ、格子定数の整合性、熱伝導率、熱膨張係数等を考慮し、基板１上に成長させる窒化物半導体層に応じて選択することができる。本実施例では、後述する窒化物半導体層との格子定数の整合性等を考慮し、サファイアを使用した。

バッファ層２は、基板１とその上にエピタキシャル成長される第一の窒化物半導体との緩衝層として用いられる。本実施例では、基板１として用いるサファイアと窒化物半導体との格子不整合が大きいため、バッファ層２として、低温成長のＧａＮを厚く成長させた。なお、このバッファ層２は窒化物半導体装置の動作に直接的には関係しないので、バッファ層２の半導体材料をＡｌＮ、ＧａＮ以外の窒化物半導体またはIII−Ｖ族化合物半導体に置き換えたり、多層構造のバッファ層にすることもできる。

電子走行層３は、厚さ２．５μｍのアンドープＧａＮ層で構成する。この電子走行層３は、後述する電子供給層４で用いる窒化物半導体よりも小さいバンドギャップを有する窒化物半導体で構成され、電子供給層４とのヘテロ接合近傍に二次元電子ガス１０を生成する。また、アンドープＧａＮ層とすることで、イオン不純物散乱による二次元電子ガス１０の移動度低下を防ぐことができる。なお、電子走行層３はＧａＮ以外に、例えば、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮで構成することもできる。ここで、ａは０≦ａ＜１を満足する数値である。

電子供給層４は、厚さ２５ｎｍのｎ型あるいはアンドープのＡｌ_0.35Ｇａ_0.65Ｎ層で構成する。また、電子供給層４は、ｎ型あるいはアンドープのＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮで構成することもできる。ここで、ｘは０＜ｘ≦１、ｙは０≦ｙ＜１、およびｘ＋ｙはｘ＋ｙ≦１を満足する数値であり、ｘの好ましい値は０.１〜０.４である。

ソース電極５およびドレイン電極６は、電子供給層４にオーミック接触している。なお、ソース電極５およびドレイン電極６は、図１に示すように電極を形成する部分の電子供給層４の一部もしくは全部をドライエッチング法などにより除去し、オーミックリセス構造とした後に、電極を形成することもできる。オーミックリセス構造とすることにより、二次元電子ガス１０とソース電極５あるいはドレイン電極６との距離が近くなり、コンタクト抵抗の低いオーミック接触を形成することができる。

浮遊電極８は、電子供給層４にショットキー接触するような金属材料で構成する。本実施例では、Ｔｉ（３０ｎｍ）およびＡｌ（２００ｎｍ）を順に積層させ、熱処理せずに使用している。浮遊電極８の長さ（浮遊電極長）Ｌ_fは６μｍである。

珪素膜１１は、表面保護層となる。本実施例では、ＥＣＲスパッタリング法を用い、５ｎｍの厚さに形成する。ＥＣＲスパッタリング法は、圧力などの条件を変えることによって、試料表面に入射される粒子のエネルギーを変えることが可能である。たとえば、０．０１Ｐａ台の低圧力で安定な高密度プラズマを維持することが可能で、１０〜３０ｅＶ程度のエネルギーで試料表面に入射される。この程度のエネルギーでは試料表面に与えるダメージは小さく、成膜に適したエネルギーを試料表面に入射する粒子に与えることで、エネルギー制御された高密度の粒子が試料表面に入射した状態で薄膜形成が進行する。その結果、ＡｌＧａＮからなる電子供給層４表面からの窒素抜けを低減し、反応生成物などによる汚染を発生させず、化学的に安定した高い結合力を有する良質な薄膜を形成することができる。

絶縁膜９は、厚さ５０ｎｍのＳｉ₃Ｎ₄で構成され、ソース電極５、ドレイン電極６間の電子供給層４表面および浮遊電極８上を被覆するように形成される。この絶縁膜９は、Ｓｉ₃Ｎ₄以外の絶縁膜材料、例えばＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＨｆＯ₂などを用いることもできる。また、絶縁膜の厚さは、絶縁膜材料固有の誘電率、あるいはターゲットとする周波数帯およびシステムなどによって変更することもできる。例えば、絶縁膜９の厚さを薄くすると、ｇmおよびＣ_gsは同じ割合で増加する。一方、ｆ_Tは、ｇmに比例し、Ｃ_gsに反比例する。つまり、絶縁膜９の厚さを変えることで、ｆ_Tを変えないで、任意のｇmを得ることが可能となる。

ゲート電極７は、浮遊電極８の直上に、絶縁膜９を介して形成される。本実施例のゲート長Ｌ_gは２μｍである。本実施例におけるゲート長Ｌ_gと浮遊電極長Ｌ_fとの関係は、Ｌ_g＜Ｌ_fであるが、Ｌ_g≧Ｌ_fにすることもできる。

このような構造として、ゲート電極７に＋５Ｖ程度の正バイアスを印加すると、浮遊電極８に電子が蓄積し、閉じ込められる。この浮遊電極８への負電荷の蓄積により、ゲート電極７に制御電圧を印加しない状態にしたときに浮遊電極８の電位が上昇し、窒化物半導体装置のチャネルを消失させることができる。つまり、ノーマリオフ動作が可能となる。

浮遊電極８に負電荷が蓄積させ、チャネルを消失させる機構について、図２に示すエネルギーバンド図を用いて説明する。なお、図２のエネルギーバンド図は、ゲート電極７直下の絶縁膜９、浮遊電極８、電子供給層４および電子走行層３のエネルギーバンド図であり、バッファ層２および基板１は省略している。また、本発明の窒化物半導体装置は多数キャリア（電子）のみを考慮すればよいため価電子帯についても省略して示している。

まず、図２（ａ）は定常状態におけるエネルギーバンド図である。図２（ａ）に示すように、定常状態では、ゲート電極７に電圧が印加されていないため、ゲート電極７および浮遊電極８の電位はフェルミレベルと同じである。この場合、電子走行層３と電子供給層４とのヘテロ接合近傍には、自発分極およびピエゾ分極による大きな分極電荷を生じ、電子走行層の伝導帯がフェルミレベルより下側に位置する。いわゆる二次元電子ガス１０である。この二次元電子ガス１０は、高い電子移動度を有し、チャネルとなる。つまり、定常状態ではチャネルが形成されてしまい、ノーマリオン（デプレッション）動作となる。

次に、ゲート電極７に＋５Ｖ程度のバイアス電圧を印加したときのエネルギーバンド図を図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）に示すように、ゲート電極７に正バイアス電圧を印加すると、ゲート電極７の電位はフェルミレベルより下がり、浮遊電極８の電位もゲート電極７の電位に追随して下がることになる。このとき内蔵電位Ｖbiが低くなるため、電子供給層４内の電子が、浮遊電極８中に流れ、蓄積する。その後、ゲート電極７に電圧を印加しない定常状態に戻すと、図２（ｃ）に示すように、浮遊電極８の電位がフェルミレベルより上側に位置し、チャネルとなる二次元電子ガス１０を消失する。つまり、ノーマリオフ（エンハンスメント）動作の本発明の窒化物半導体装置の製造方法による窒化物半導体装置となる。

以上のように形成した本実施例の窒化物半導体装置において、浮遊電極８中への電子の蓄積前および後の伝達特性を図３に示す。浮遊電極８への電子蓄積により、しきい値電圧Ｖ_thを正方向にシフトさせることが可能となる。

次に、本発明の窒化物半導体装置の製造方法による窒化物半導体装置の動作について説明する。本発明の窒化物半導体装置の製造方法による窒化物半導体装置は、定常状態において浮遊電極８直下に二次元電子ガス１０が発生しない。そこで、ゲート電極７に正バイアス電圧を印加すると、ゲート電極７の電位が下がり、浮遊電極８の電位もゲート電極７の電位に追随して下がる。このとき、浮遊電極８直下に二次元電子ガスが発生し、チャネルとして動作する。このように、本発明の窒化物半導体装置の製造方法による窒化物半導体装置は、ノーマリーオフ動作となり、ゲート電極７に負電圧を印加せず、正電圧のみで、ドレイン電流を制御することが可能となる。また、本発明の窒窒化物半導体装置の製造方法による化物半導体装置は、珪素膜１１を備える構成であるため、ゲートリーク電流を十分に抑制することもできる。

さらに本発明の窒化物半導体装置の製造方法による窒化物半導体装置のＤＣ測定およびパルス測定のドレイン電流−ドレイン電圧特性は、特性変動が少ないことが確認されている。本発明では、珪素膜１１を備える構造とすることによって、絶縁膜９と窒化物半導体層との界面状態の不安定さが解消され、電流コラプスを抑制する効果が大きいことが確認された。

さらにオン抵抗についても、特性改善されることが確認されている。これは、珪素膜１１が、電子供給層４の表面ポテンシャルを下げ、その結果、二次元電子ガス濃度が高くなったためと考えられる。このようにオン抵抗が低減することで、ドレイン電流を大きくできるという効果もある。

１：基板、２：バッファ層、３：電子走行層、４：電子供給層、５：ソース電極、６：ドレイン電極、７：ゲート電極、８：浮遊電極、９：絶縁膜、１０：二次元電子ガス、１１：珪素膜

Claims

基板上に、バッファ層を介して、アンドープの第一の窒化物半導体からなる電子走行層と、該電子走行層とヘテロ接合を形成し、該ヘテロ接合によって二次元電子ガスを形成する、前記第一の窒化物半導体よりバンドギャップが大きいｎ型もしくはアンドープの第二の窒化物半導体からなる電子供給層を積層形成する工程と、前記電子供給層に電気的に接続するソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に流れる電流を制御するゲート電極とを形成する工程とを含む窒化物半導体装置に製造方法において、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記電子供給層表面に、該電子供給層とショットキー接触する浮遊電極を形成する工程と、
前記浮遊電極と前記ドレイン電極との間、前記浮遊電極と前記ソース電極との間の前記電子供給層を珪素膜で被覆する工程と、
前記浮遊電極表面を絶縁膜で被覆する工程と、
前記浮遊電極上に、前記絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
該ゲート電極に正バイアスを印加し、前記浮遊電極に電子を蓄積させて閉じこめるとともに、前記二次元電子ガスを消失させる工程とを備えたことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。