JP2009070935A

JP2009070935A - 窒化物半導体装置

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Publication number: JP2009070935A
Application number: JP2007236115A
Authority: JP
Inventors: Akikazu Yamashita; 明一山下; Tadayoshi Deguchi; 忠義出口; Atsushi Nakagawa; 敦中川
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2027-09-12
Also published as: JP5285252B2

Abstract

【課題】窒化物半導体層に形成されるゲート電極のリーク電流を低減し、窒化物半導体層内での衝突イオン化を抑制することにより高耐圧化を実現し、同時に電流コラプスを抑制することができる窒化物半導体装置を提供する。
【解決手段】基板上に、第１の窒化物半導体層と、アルミニウムを含まない微結晶構造の第２の窒化物半導体層とを備え、ゲート電極は、第２の窒化物半導体層の一部を切り欠き形成された凹部内に露出する前記第１の窒化物半導体層あるいはわずかに残した第２の窒化物半導体層にショットキ接触し、ドレイン側に延出するフィールドプレート部を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、能動層に窒化物半導体を用いた窒化物半導体装置に関し、特に高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）や電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）のような、半導体装置にショットキ接触する制御電極を有する窒化物半導体装置に関する。

図５は、従来のIII−Ｖ族窒化物半導体からなる半導体装置の断面図を示している。図５に示す半導体装置は、いわゆるＨＥＭＴ構造を示しており、サファイア基板からなる基板１１上には、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層１２、窒化ガリウムからなるチャネル層１３、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層１４、ノンドープの窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層１５が順次積層した構造となっており、チャネル層１３とキャリア供給層１４とからなるヘテロ接合界面近傍に、ポテンシャル井戸からなる電子移動度が極めて大きい２次元電子ガス層が形成されている。このような構造の半導体装置では、ショットキ層１５にショットキ接触するゲート電極１８に印加する電圧を制御することにより、ソース電極１７ａとドレイン電極１７ｂとの間を流れるキャリア（２次元電子ガス）を制御している。１６は、窒化硅素からなるキャップ層である。

このような構造の従来の窒化物半導体装置の耐圧は、ゲート金属と窒化物半導体層との接触で形成されるショットキ特性に大きく左右されている。一般的に窒化物半導体層、例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層や窒化ガリウム（ＧａＮ）層上に形成されるゲート金属のショットキ特性は、高いゲートリーク電流が見られ、これが衝突イオン化のトリガーとなり、高出力素子の窒化物半導体装置の重要なパラメータであるオフ耐圧（ＦＥＴがオフ状態でのドレイン耐圧）を予想される数値よりも低下させて、ワイドギャップ材料の高耐圧という特性を十分に引き出すことができないという問題点があった。一方窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層や窒化ガリウム（ＧａＮ）層などの窒化物半導体層上にゲート電極を形成した半導体装置においても、窒化物半導体層の表面準位にトラップされた電子により、表面のポテンシャルが揺らぎ、電流−電圧特性の周波数分散（電流コラプス）が生じるという問題があった。

このような問題を解消するため、本願出願人は、絶縁特性の優れた微結晶構造の窒化物半導体層を備えた窒化物半導体装置を提案している（特許文献１、特許文献２）。

一方、従来耐圧を改善するためには、図６のようなフィールドプレート構造を用いることが知られている。従来のフィールドプレート構造は、窒化物半導体層とゲート電極と接続する電極部との間には、窒化珪素や酸化珪素等からなるキャップ層１６が用いられている（例えば、特許文献３）。
特開２００５−３１１０２９号公報特開２００５−１８３９０６号公報特開２００４−２００２４８号公報

本願出願人が先に提案した絶縁特性の優れた微結晶構造の窒化物半導体層を備えた窒化物半導体装置は、表面順位にトラップされる電子の制御若しくは表面準位密度の低減により、電流コラプス減少が抑制され高周波特性が改善された。しかし、さらに高耐圧化が望まれている。

一方、従来のフィールドプレート構造を備える半導体装置では、キャップ層として窒化珪素または酸化珪素が用いられていたため、酸化珪素を用いると電流コラプスが発生し、窒化珪素を用いると酸化珪素を用いるときよりも耐圧が低下する問題があった。

本発明は、窒化物半導体層に形成されるゲート電極のショットキ特性におけるリーク電流を大幅に低減し、窒化物半導体層内での衝突イオン化を抑制することにより高耐圧化を実現し、また同時に電流コラプスを抑制することができる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、本願請求項１に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、基板上に積層した第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層の上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、アルミニウムを含まない第２の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層にオーミック接触するソース電極およびドレイン電極と、ゲート電極とを備え、前記第２の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層より成膜温度の低い微結晶構造からなり、
前記ゲート電極は、前記第２の窒化物半導体層の一部を切り欠き形成された凹部内で、露出する前記第１の窒化物半導体層にショットキ接触し、前記ドレイン側の前記第２の窒化物半導体層上に延出するフィールドプレート部を備えたことを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載の窒化物半導体装置において、前記ゲート電極は、前記第２の窒化物半導体層の一部を切り欠くとともに底部に前記第２の窒化物半導体層を残して形成した凹部内で、該凹部の底部に残る前記第２の窒化物半導体層にショットキ接触し、前記凹部の底部に残る前記第２の窒化物半導体層より厚い前記ドレイン側の前記第２の窒化物半導体層上に延出するフィールドプレート部を備えたことを特徴とする。

本発明の窒化物半導体装置は、ゲート−ドレイン電極間に絶縁性の高い微結晶構造からなる窒化物半導体層を備える構造とすることで、ゲート−ドレイン電極間の表面準位にトラップされる電子の抑制若しくは表面準位密度の低減により電流コラプス現象が抑制され、高周波特性も改善される。同時に、フィールドプレート部直下には、窒化珪素を用いる代わりに、耐圧の低下を抑制する低温成長で形成した絶縁性の高い微結晶構造の窒化物半導体層を備える構造となっているので、従来のフィールドプレート構造よりもさらに高い耐圧も持つ窒化物半導体装置を形成することができる。

また特に、ゲート電極を微結晶構造の薄い窒化物半導体層を介してショットキ接合を形成するように形成すると、さらに高い耐圧を持つ窒化物半導体装置を形成することができる。

以下、本発明の窒化物半導体装置について、III−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴを例にとり、詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施例の窒化物半導体装置の断面図を、図２はその製造工程の説明図を示している。図２（ａ）に示すように、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相堆積）法、ＭＢＥ（電子ビームエピタキシャル）法等により、厚さ２００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２、厚さ２．５μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層１４、ノンドープの窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層１５、ショットキ層１５の成膜温度よりも５００℃程度低い温度で形成された厚さ１００ｎｍの微結晶構造のノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる微結晶構造のキャップ層１９を積層形成している。微結晶構造のキャップ層１９は、ショットキ層１５の成膜温度より５００℃程度低い温度で成膜することにより、絶縁性の高い窒化物半導体層となる。具体的には、微結晶構造のキャップ層１９の比抵抗は、１０¹¹Ω・ｃｍ程度の高抵抗となっている。（チャネル層１３やショットキ層１５等の窒化物半導体層は、成膜温度１１３０℃でエピタキシャル成長している。）なお、この微結晶構造のキャップ層１９上には、後述するようにフィールドプレート部が形成されるため、窒化物半導体装置の動作条件に応じて所望の厚さに形成する必要がある。

微結晶構造のキャップ層１９は、成長条件を同一条件として成長した厚さ１μｍのＧａＮ層をＸ線回折で結晶性の評価を行った場合、（００４）面におけるＸ線回折ロッキングカーブの半値幅が１２０００秒となる。従って、微結晶構造のキャップ層１９は多結晶構造であることが確認されている。（なお、１１３０℃で結晶成長したＧａＮ層は、単結晶構造であり、その半値幅は３００〜６００秒となる。）

次に図２（ｂ）に示すように、ショットキ層１５上のソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂ形成領域にある微結晶構造のキャップ層１９を除去し、ショットキ層１５を露出させる。その後、図２（ｃ）に示すようにチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）からなるソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成し、８５０℃３０秒の急速加熱を行い、ショットキ層１５にオーミック接触を形成する。

次に図２（ｄ）に示すように、ソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂ間のゲート電極形成領域にある微結晶構造のキャップ層１９の一部を凹状に除去し、その底部にショットキ層１５を露出させる。その後、図２（ｅ）に示すようにニッケル（Ｎｉ）／（Ａｕ）の積層体等からなるゲート電極１８を凹状部分およびドレイン電極１７ｂ側の微結晶構造のキャップ層１９上に延出するように形成する。凹状部分の底部では、ゲート電極１８とショットキ層１５との間にショットキ接触が形成され、ドレイン電極１７ｂ側に延出するゲート電極１８は、フィールドプレート部を形成する。

本発明では、絶縁性の高い微結晶構造のキャップ層１９を備える構造となっているため、ゲートリーク電流が減少し、チャネルでの衝突イオン化が抑制できる。さらにフィールドプレート構造とすることにより、ゲート電極端の電界集中が緩和できる。その結果、オフ耐圧が従来の１００Ｖから１７０Ｖに改善された。窒化物半導体ＨＥＭＴのオフ耐圧は熱暴走ではなく、衝突イオン化が起因しており、ショットキ電極からチャネルに流れ込むトンネル電流に大きく支配されていることが報告されている（International Conference on Nitride Semiconductor , Nara , 2003 , Tu-P2.067)。

次に図３に示す第２の実施例について説明する。図１に示す第１の実施例と同様、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相堆積）法、ＭＢＥ（電子ビームエピタキシャル）法等により、厚さ２００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２、厚さ２．５μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層１４、ノンドープの窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層１５、ショットキ層１５の成膜温度よりも５００℃程度低い温度で形成された厚さ１００ｎｍの微結晶構造のキャップ層１９を積層形成している。さらに、第１の実施例で説明した工程に従い、ショットキ層１５上のソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂ形成領域にある微結晶構造のキャップ層１９を除去し、ショットキ層１５を露出させる。その後、露出するショットキ層１５上にチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）からなるソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成し、８５０℃３０秒の急速加熱を行い、ショットキ層１５にオーミック接触を形成する。

次にソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂ間のゲート電極形成領域にある微結晶構造のキャップ層１９の一部を凹状に除去する。ここで、本実施例では、微結晶構造のキャップ層１９を完全に除去せず、凹状部分の底部に微結晶構造のキャップ層１９を２０ｎｍ以下程度残す。その後、第１の実施例で説明した工程に従い、ニッケル（Ｎｉ）／（Ａｕ）の積層体等からなるゲート電極１８を凹状部分およびドレイン電極１７ｂ側の微結晶構造のキャップ層１９上に延出するように形成する。凹状部分の底部では、わずかに残った微結晶構造のキャップ層１９を介してゲート電極１８とショットキ層１５との間にショットキ接触が形成され、ドレイン電極１７ｂ側に延出するゲート電極１８は、フィールドプレート部を形成する。

本実施例によれば、絶縁特性に優れた微結晶のキャップ層１９がショットキ界面に存在するため、ゲート電極１８のショットキ障壁が高く、ゲートリークが低減し、チャネルでの衝突イオン化が抑制されるのに加え、第１の実施例よりもさらに高い耐圧特性を得ることができる。

次に第１の実施例で説明した窒化物半導体装置の別の製造方法について説明する。炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相堆積）法、ＭＢＥ（電子ビームエピタキシャル）法等により、図４（ａ）に示すように、厚さ２００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２、厚さ２．５μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層１４、ノンドープの窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層１５が順次積層した構造の半導体基板を用意する。

次に図４（ｂ）に示すように、ショットキ層１５上のソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂおよびゲート電極１８形成領域に、微結晶構造のキャップ層１９を選択成長させるため、酸化珪素（ＳｉＯ₂）からなるマスク材２０を形成する。その後図４（ｃ）に示すように、ショットキ層１５の成膜温度よりも５００℃程度低い温度で、厚さ１００ｎｍの微結晶構造のノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる微結晶構造のキャップ層１９を電極形成部以外に選択成長させる。その後図４（ｄ）に示すように、マスク材２０を除去し、以下第１の実施例で説明した工程に従い、図４（ｅ）に示すように、ソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂ、ゲート電極１８を形成する。

このようにエッチングを用いることなく微結晶構造のキャップ層１９を選択成長させた場合でも、第１の実施例同様、高い耐圧特性を持つ窒化物半導体装置を形成することができる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく変更が可能である。例えば、ゲート電極の種類、ショットキ層１５やキャリア供給層１４の厚さ及び不純物濃度は、制御電極直下のチャネルにキャリアが存在せず、制御電極直下以外のチャネルにキャリアが存在するように適宜選択、設定することができる。

また、ＨＥＭＴ構造の窒化物半導体装置の代わりに、不純物が添加された窒化物半導体層を能動層（チャネル層）とし、その上に上述のショットキ層１５が形成された構造のＦＥＴ構造とすることができる。また、窒化物半導体層は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ系に限定されるものではなく、ゲート電極が形成される第２の窒化物半導体層（上記実施例では微結晶構造のキャップ層１９に相当）は、ＧａＮ、ＩｎＮあるいはこれらの混晶半導体を含み、かつアルミニウムを含まない層で構成することができる。また第１の窒化物半導体層（上記実施例ではショットキ層１５に相当）は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮあるいはこれらの混晶半導体を含む層で形成することができる。さらに、炭化珪素（ＳｉＣ）基板の代わりにサファイア基板を用いてもかまわない。その場合はバッファ層として窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いるほうが好ましい。また炭化珪素（ＳｉＣ）基板の代わりにシリコン（Ｓｉ）基板を用いてもかまわない。

また第１の窒化物半導体層あるいは第２の窒化物半導体層とオーミック接触する電極の組成は、使用する窒化物半導体層の種類等に応じて、適宜選択すればよい。

なお第２の窒化物半導体層について微結晶構造と説明したが、これは微結晶粒の集合体あるいはそれらの再配列にした構造であり、成長温度、成長時の雰囲気のガス組成、成長させる基板の種類などによって、結晶粒の大きさや配列等は変わるものであり、所望のショットキ特性や絶縁特性等が得られる範囲で、成長温度を制御することによって得られるものである。第２の窒化物半導体層の成長温度は第１の窒化物半導体層の成長温度より４００度以上低い温度に設定すると、ＨＥＭＴあるいはＦＥＴの制御電極を形成する場合に好適である。

本発明の第１の実施例である窒化物半導体装置の断面図である。本発明の第１の実施例である窒化物半導体装置の製造工程の説明図である。本発明の第２の実施例である窒化物半導体装置の断面図である。本発明の第３の実施例である窒化物半導体装置の製造方法を説明する図である。従来のIII−Ｖ族窒化物半導体からなる半導体装置の断面図である。従来のフィールドプレート構造を備えた窒化物半導体装置の断面図である。

符号の説明

１１；基板、１２；バッファ層、１３；チャネル層、１４；キャリア供給層、１５；ショットキ層、１６；ＳｉＮキャップ層、１７ａ；ソース電極、１７ｂ；ドレイン電極、１８；ゲート電極、１９；微結晶構造のキャップ層、２０；マスク材

Claims

ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、
基板上に積層した第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層の上に積層した前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、アルミニウムを含まない第２の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層にオーミック接触するソース電極およびドレイン電極と、ゲート電極とを備え、
前記第２の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層より成膜温度の低い微結晶構造からなり、
前記ゲート電極は、前記第２の窒化物半導体層の一部を切り欠き形成された凹部内で、露出する前記第１の窒化物半導体層にショットキ接触し、前記ドレイン側の前記第２の窒化物半導体層上に延出するフィールドプレート部を備えたことを特徴とする窒化物半導体装置。
請求項１記載の窒化物半導体装置において、前記ゲート電極は、前記第２の窒化物半導体層の一部を切り欠くとともに底部に前記第２の窒化物半導体層を残して形成した凹部内で、該凹部の底部に残る前記第２の窒化物半導体層にショットキ接触し、前記凹部の底部に残る前記第２の窒化物半導体層より厚い前記ドレイン側の前記第２の窒化物半導体層上に延出するフィールドプレート部を備えたことを特徴とする窒化物半導体装置。