半導体装置の製造方法
【課題】高周波数動作が可能な半導体装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明は、成長炉内に配置した基板１０上に、ＧａＮ電子走行層１６を成長する工程と、成長炉に導入する混合ガス中の窒素原料ガスの分圧比を０．１５以上０．３５以下として、ＧａＮ電子走行層１６上に、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する工程と、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に、ゲート電極２６と、ゲート電極２６を挟むソース電極２８およびドレイン電極３０と、を形成する工程と、を有する半導体装置の製造方法である。
【解決手段】本発明は、成長炉内に配置した基板１０上に、ＧａＮ電子走行層１６を成長する工程と、成長炉に導入する混合ガス中の窒素原料ガスの分圧比を０．１５以上０．３５以下として、ＧａＮ電子走行層１６上に、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する工程と、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に、ゲート電極２６と、ゲート電極２６を挟むソース電極２８およびドレイン電極３０と、を形成する工程と、を有する半導体装置の製造方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を用いた半導体装置は、高周波かつ高出力で動作するパワー素子などに用いられている。例えば、非特許文献１には、半絶縁性基板上に、バッファ層、ＧａＮ電子走行層、ＡｌＧａＮ電子供給層を順次積層し、ＡｌＧａＮ電子供給層との界面近傍でＧａＮ電子走行層に発生する２次元電子ガス（２ＤＥＧ：two dimensional electron gas）を利用して動作するＨＥＭＴ（High Electron Mobility transistor）構造の半導体装置が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】高橋清監修、「ワイドギャップ半導体光・電子デバイス」、森北出版、２００６年３月３１日、ｐ．２４２−２４３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１に係るＨＥＭＴ構造の半導体装置において、より高周波数での動作を求める要望が強い。より高周波数での動作を実現するには、相互コンダクタンスを高くすることが求められ、具体的には、ＡｌＧａＮ電子供給層を薄くした状態で２次元電子ガスのシート抵抗を低くすることが求められる。
【０００５】
２次元電子ガスのシート抵抗を低くするためには、ＡｌＧａＮ電子供給層のＡｌ組成比を上げて、より高濃度の２次元電子ガスを発生させることが考えられる。しかしながら、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ電子供給層はＧａＮ電子走行層との格子不整合が大きくなるため、２次元電子ガスの移動度が低下してしまう。２次元電子ガスの移動度の低下は、２次元電子ガスのシート抵抗の増大をもたらしてしまう。一方、Ａｌ組成比を上げずに単純にＡｌＧａＮ電子供給層を薄くした場合は、２次元電子ガスの濃度が低下し、２次元電子ガスのシート抵抗が高くなってしまう。このように、ＡｌＧａＮ電子供給層を用いたＨＥＭＴ構造の半導体装置では、高周波数動作の限界が生じている。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、高周波数動作が可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、成長炉内に配置した基板上に、窒化物半導体からなる電子走行層を成長する工程と、前記成長炉に導入する混合ガス中の窒素原料ガスの分圧比を０．１５以上０．３５以下として、前記電子走行層上に、ＩｎＡｌＮからなる電子供給層を成長する工程と、前記電子供給層上に、ゲート電極と、前記ゲート電極を挟むソース電極およびドレイン電極と、を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、ＩｎＡｌＮからなる電子供給層の表面平坦性を良好にすることができ、また、２次元電子ガスのシート抵抗を低くすることができるため、高周波数動作が可能となる。
【０００８】
本発明は、成長炉内に配置した基板上に、窒化物半導体からなる電子走行層を成長する工程と、前記電子走行層を成長する際よりも前記成長炉に導入する混合ガス中の窒素原料ガスの分圧比が低い条件で、前記電子走行層上に、ＩｎＡｌＮからなる電子供給層を成長する工程と、前記電子供給層上に、ゲート電極と、前記ゲート電極を挟むソース電極およびドレイン電極と、を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、２次元電子ガスのシート抵抗を低くすることができ、また、ＩｎＡｌＮからなる電子供給層の表面平坦性を良好にすることも可能となるため、高周波数動作が可能となる。
【０００９】
上記構成において、前記電子走行層を成長する際の前記窒素原料ガスの流量に比べて、前記電子供給層を成長する際の前記窒素原料ガスの流量が小さい構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記窒素原料ガスは、アンモニアガスである構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記電子供給層は、６００℃から８００℃の範囲で成長される構成とすることができる。この構成によれば、高品質のＩｎＡｌＮからなる電子供給層を得ることができる。
【００１２】
上記構成において、前記電子供給層の成長後、同じ成長炉内において前記電子供給層上にＧａＮ層を成長する工程を有する構成とすることができる。この構成によれば、ＩｎＡｌＮからなる電子供給層の表面の酸化を抑制することができる。
【００１３】
上記構成において、前記窒素原料ガスの分圧比は、前記成長炉内に導入される混合ガスのモル比によって制御される構成とすることができる。
【００１４】
上記構成において、前記成長された電子供給層のＩｎ組成比が１２％以上３５％以下である構成とすることができる。この構成によれば、ａ軸方向の格子歪みによるクラックの発生を抑制することができる。
【００１５】
上記構成において、前記成長された電子供給層のＩｎ組成比が１２％以上１８％以下である構成とすることができる。
【００１６】
上記構成において、前記成長された電子供給層のＩｎ組成比が１７％以上１８％以下である構成とすることができる。この構成によれば、電子走行層と電子供給層の格子歪みを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＩｎＡｌＮからなる電子供給層の表面平坦性を良好にすることができ、また、２次元電子ガスのシート抵抗を低くすることができるため、高周波数動作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、２次元電子ガスのシート抵抗とＩｎＡｌＮ電子供給層の表面平坦性を測定するために作製したエピタキシャル層の断面図の例である。
【図２】図２は、ＩｎＡｌＮ電子供給層を成長させる際のアンモニアガスの分圧比に対する２次元電子ガスのシート抵抗の測定結果を示す図である。
【図３】図３は、ＩｎＡｌＮ電子供給層を成長させる際のアンモニアガスの分圧比に対するＩｎＡｌＮ電子供給層の表面平坦性の測定結果を示す図である。
【図４】図４は、図２と図３を合わせたものである。
【図５】図５は、実施例１に係る半導体装置の断面図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
まず初めに、発明者が行った実験について説明する。図１は、２次元電子ガスのシート抵抗とＩｎＡｌＮ電子供給層の表面平坦性を測定するために作製したエピタキシャル層の断面図の例である。エピタキシャル層は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて成長される。図１を参照して、まず、Ｓｉからなる基板１０を、ＭＯＣＶＤ装置の成長炉内に配置する。そして、基板１０上に、以下の成長条件にて、ＡｌＮ層１２を成長させる。なお、以下に説明する結晶成長では、特に注釈しないかぎり、キャリアガスとして水素を用いる。
Ａｌ原料ガス：ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）
Ｎ原料ガス：アンモニアガス（ＮＨ３）
成長温度：１０００℃
膜厚 ：３００ｎｍ
【００２０】
ＡｌＮ層１２上に、以下の成長条件にて、ＡｌＧａＮ層１４を成長させる。ＡｌＮ層１２とＡｌＧａＮ層１４は、バッファ層として機能する。
Ａｌ原料ガス：ＴＭＡ
Ｇａ原料ガス：ＴＭＧ（トリメチルガリウム）
Ｎ原料ガス：アンモニアガス（ＮＨ３）
成長温度：１０００℃
ＩＩＩ族組成比（Ａｌ組成比）：５０％
膜厚 ：１５０ｎｍ
【００２１】
ＡｌＧａＮ層１４上に、以下の成長条件にて、ＧａＮ電子走行層１６を成長させる。なお、以下においてアンモニアガス（ＮＨ３）の分圧比とは、成長炉に導入される全てのガス（キャリアガス＋原料ガス）中におけるアンモニアガスの分圧比をいう（以下において同じ）。つまり、アンモニアガスの分圧比とは、成長炉に導入する混合ガス中のアンモニアガスの分圧比をいう。なお、この分圧比は成長炉内に導入される混合ガスのモル比と一致する。分圧比の設定は、混合ガスのモル比の制御によって行う。
Ｇａ原料ガス：ＴＭＧ
Ｎ原料ガス：アンモニアガス（ＮＨ３）
成長温度：１０００℃
アンモニアガス（ＮＨ３）の分圧比：０．５
膜厚 ：５００ｎｍ
【００２２】
キャリアガスを水素から窒素に変えた後、ＧａＮ電子走行層１６上に、以下の成長条件にて、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長させる。
Ｉｎ原料ガス：ＴＭＩ（トリメチルインジウム）
Ａｌ原料ガス：ＴＭＡ
Ｎ原料ガス：アンモニアガス（ＮＨ３）
成長温度：７５０℃
ＩＩＩ族組成比（Ｉｎ組成比）：１７％
アンモニアガス（ＮＨ３）の分圧比：０．１〜０．５
膜厚 ：１０ｎｍ
【００２３】
本実験で電子供給層として使用したＩｎＡｌＮは、ＧａＮと格子整合し、また、ＩｎＡｌＮとＧａＮの大きな自発分極差と、伝導帯の大きな不連続により、ＧａＮ電子走行層１６に高濃度の２次元電子ガスが得られることが期待できる。即ち、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を用いることで、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を薄層化させた状態でも、２次元電子ガスのシート抵抗が低くなることが期待できる。
【００２４】
ここで、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比を０．１〜０．５の間で振って作製した複数のエピタキシャル層それぞれについて、ＧａＮ電子走行層１６に生成される２次元電子ガスのシート抵抗と、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性を測定した。図２は、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比に対する２次元電子ガスのシート抵抗の測定結果を示す図である。図３は、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比に対するＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性の測定結果を示す図である。図４は、図２と図３を合わせたものであり、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比に対する２次元電子ガスのシート抵抗およびＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性の測定結果を示す図である。
【００２５】
図２を参照して、２次元電子ガスのシート抵抗は、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比に依存していることが分かる。具体的には、アンモニアガスの分圧比が０．３５以下では、アンモニアガスの分圧比が大きくなるに従い、２次元電子ガスのシート抵抗は徐々に増加していき、アンモニアガスの分圧比が０．３５を超えると急激に増加する。したがって、図２から、２次元電子ガスのシート抵抗を小さくするには、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比を０．３５以下とするのがよいことが分かる。
【００２６】
次に、図３を用いて、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性を説明する。ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面モフォロジーは、電子移動度に影響を与えるため、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面は平坦であることが求められる。つまり、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性が劣化すると、２次元電子ガスの移動度も低下してしまうことになる。２次元電子ガスの移動度の低下は、２次元電子ガスのシート抵抗の増大をもたらすため、相互コンダクタンスが小さくなり、高周波数特性が劣化してしまう。
【００２７】
図３を参照して、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性は、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比に依存していることが分かる。具体的には、アンモニアガスの分圧比が０．１５までは、アンモニアガスの分圧比が大きくなるに従い、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面のＨａｚｅ値は急激に低下していく。そして、アンモニアガスの分圧比が０．１５以上となると、アンモニアガスの分圧比が大きくなるに従い、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面のＨａｚｅ値は徐々に低下していく。例えば、アンモニアガスの分圧比が０．１５の場合の、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面におけるＨａｚｅ値は５０ｐｐｍであり、０．２の場合のＨａｚｅ値は４７ｐｐｍである。図３から、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性の観点からは、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比を０．１５以上とするのがよいことが分かる。
【００２８】
そこで、上記の実験結果を踏まえて、高周波数動作が可能な半導体装置の実施例について以下に説明する。
【実施例１】
【００２９】
図５は、実施例１に係る半導体装置の断面図の例である。実施例１に係る半導体装置のエピタキシャル層は、ＭＯＣＶＤ法を用いて成長される。図５を参照して、Ｓｉからなる基板１０を、ＭＯＣＶＤ装置の成長炉内に配置した後、基板１０上に、以下の成長条件にて、ＡｌＮ層１２を成長させる。なお、以下に説明する結晶成長では、特に注釈しないかぎり、キャリアガスとして水素を用いる。
Ａｌ原料ガス：ＴＭＡ
Ｎ原料ガス：アンモニアガス（ＮＨ３）
成長温度：１０００℃
膜厚 ：３００ｎｍ
【００３０】
ＡｌＮ層１２上に、以下の成長条件にて、ＡｌＧａＮ層１４を成長させる。ＡｌＮ層１２とＡｌＧａＮ層１４は、バッファ層として機能する。
Ａｌ原料ガス：ＴＭＡ
Ｇａ原料ガス：ＴＭＧ
Ｎ原料ガス：アンモニアガス（ＮＨ３）
成長温度：１０００℃
ＩＩＩ族組成比（Ａｌ組成比）：５０％
膜厚 ：１５０ｎｍ
【００３１】
ＡｌＧａＮ層１４上に、以下の成長条件にて、ＧａＮ電子走行層１６を成長させる。
Ｇａ原料ガス：ＴＭＧ
Ｎ原料ガス：アンモニアガス（ＮＨ３）
成長温度：１０００℃
アンモニアガス（ＮＨ３）の分圧比：０．５
膜厚 ：５００ｎｍ
【００３２】
ＧａＮ電子走行層１６上に、以下の成長条件にて、ＡｌＮスペーサ層２０を成長させる。ＧａＮ電子走行層１６とＩｎＡｌＮ電子供給層１８との間にＡｌＮスペーサ層２０を設けることで、２次元電子ガスの移動度の向上が期待できる。ＡｌＮスペーサ層２０は、例えばＧａＮ電子走行層１６の上面に接して成長される。
Ａｌ原料ガス：ＴＭＡ
Ｎ原料ガス：アンモニアガス（ＮＨ３）
成長温度：１０００℃
膜厚 ：１ｎｍ
【００３３】
キャリアガスを水素から窒素に変えた後、ＡｌＮスペーサ層２０上に、以下の成長条件にて、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長させる。ＩｎＡｌＮ電子供給層１８は、ＧａＮ電子走行層１６に２次元電子ガス２２を生成する。ＩｎＡｌＮ電子供給層１８は、例えばＡｌＮスペーサ層２０の上面に接して成長される。
Ｉｎ原料ガス：ＴＭＩ
Ａｌ原料ガス：ＴＭＡ
Ｎ原料ガス：アンモニアガス（ＮＨ３）
成長温度：７５０℃
ＩＩＩ族組成比（Ｉｎ組成比）：１７％
アンモニアガス（ＮＨ３）の分圧比：０．１５〜０．３５
膜厚 ：１０ｎｍ
【００３４】
キャリアガスを再度窒素から水素に変えた後、ＩｎＡｌＮ電子供給層1８上に、以下の成長条件にて、ＧａＮ層２４を成長させる。ＧａＮ層２４は、例えばＩｎＡｌＮ電子供給層１８の上面に接して成長される。
Ｇａ原料ガス：ＴＭＧ
Ｎ原料ガス：アンモニアガス（ＮＨ３）
成長温度：１０００℃
膜厚 ：５ｎｍ
【００３５】
ＧａＮ層２４上に、例えば蒸着法およびリフトオフ法を用いて、ゲート電極２６と、ゲート電極２６を挟むソース電極２８およびドレイン電極３０を形成する。ゲート電極２６は、例えばＧａＮ層２４側からＮｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）が順次積層された２層構造をしている。ソース電極２８およびドレイン電極３０は、例えばＧａＮ層２４側からＴｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）が順次積層された２層構造をしたオーミック電極である。
【００３６】
ＧａＮ層２４上であって、ゲート電極２６、ソース電極２８、およびドレイン電極３０が設けられていない領域に、例えばプラズマＣＶＤ（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition）法を用いて、例えばＳｉＮ（窒化シリコン）からなる保護膜３２を形成する。
【００３７】
以上説明してきたように、実施例１によれば、成長炉内に配置した基板１０上に、ＧａＮ電子走行層１６を成長し、その後、アンモニアガスの分圧比を０．１５以上且つ０．３５以下として、ＧａＮ電子走行層１６上にＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する。そして、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に、ゲート電極２６と、ゲート電極２６を挟むソース電極２８およびドレイン電極３０と、を形成する。図３で説明したように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性の劣化は、２次元電子ガスの移動度の低下による２次元電子ガスのシート抵抗の増大をもたらし、高周波数特性の劣化を引き起こしてしまう。しかしながら、実施例１では、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比を０．１５以上としているため、図３のように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性を良好にすることができる。また、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比を０．３５以下としているため、図２のように、２次元電子ガスのシート抵抗を低くすることができる。したがって、実施例１に係る半導体装置によれば、高周波数動作が可能となる。
【００３８】
図４のように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比が小さい程、２次元電子ガスのシート抵抗は小さくなり、アンモニアガスの分圧比が大きい程、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性は良好となる。このことを踏まえると、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比は、０．１８以上且つ０．３２以下である場合が好ましく、０．２以上且つ０．３以下である場合がより好ましい。
【００３９】
また、実施例１によれば、ＧａＮ電子走行層１６を成長する際のアンモニアガスの分圧比は０．５であり、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比は０．１５〜０．３５である。即ち、基板１０上にＧａＮ電子走行層１６を成長した後、ＧａＮ電子走行層１６を成長する際よりもアンモニアガスの分圧比が低い条件で、ＧａＮ電子走行層１６上にＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長している。図２のように、ＧａＮ電子走行層１６を成長する際のアンモニアガスの分圧比０．５でＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長すると、２次元電子ガスのシート抵抗は高くなってしまう。ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比が低くなるほど、２次元電子ガスのシート抵抗は低下することから、ＧａＮ電子走行層１６を成長する際のアンモニアガスの分圧比よりも低いアンモニアガスの分圧比でＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長することで、２次元電子ガスのシート抵抗を低くすることができる。また、図３のように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性を良好にすることも可能となる。よって、高周波数動作が可能となる。
【００４０】
ＧａＮ電子走行層１６を成長する際のアンモニアガスの分圧比を０．５、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比を０．１５〜０．３５とすることを、アンモニアガスの流量を調整することで行っている。即ち、ＧａＮ電子走行層１６を成長する際のアンモニアガスの流量に比べて、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの流量を小さくしている。例えば、ＧａＮ電子走行層１６を成長する際のＴＭＧの流量を２０ｍＬ／ｍｉｎ、アンモニアガスの流量を１０Ｌ／ｍｉｎとし、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のＴＭＩの流量を３０ｍＬ／ｍｉｎ、ＴＭＡの流量を４００ｍＬ／ｍｉｎ、アンモニアガスの流量を５Ｌ／ｍｉｎとすることができる。
【００４１】
実施例１では、ＧａＮ電子走行層１６およびＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際の窒素原料ガスとしてアンモニアガスの場合を例に説明してきたが、アンモニアガス以外の窒素原料ガスを用いて、ＧａＮ電子走行層１６およびＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する場合でもよい。
【００４２】
ＩｎＡｌＮ電子供給層１８は、６００℃から８００℃の範囲の成長温度で成長される場合が好ましい。ＩｎＡｌＮは高温で成長を行うと、Ｉｎが優先的に昇華してしまい、Ｉｎが欠損した結晶となり高品質のＩｎＡｌＮ電子供給層１８が得られない。よって、６００℃から８００℃の範囲の成長温度で成長をすることで、Ｉｎが優先的に昇華することを抑制でき、高品質のＩｎＡｌＮ電子供給層１８を得ることができる。
【００４３】
図５のように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長した後、同じ成長炉内においてＩｎＡｌＮ電子供給層１８上にＧａＮ層２４を成長している。ＩｎＡｌＮ電子供給層１８は、Ａｌを含んでいるため、大気に曝されると表面酸化が進み易く、酸化アルミニウムなどが形成され、大きな不良要因となってしまう。したがって、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上にＧａＮ層２４を成長させない場合でもよいが、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面酸化を抑制する点からは、ＧａＮ層２４を成長させる場合が好ましい。
【００４４】
上述したように、アンモニアガスの分圧比は、成長炉内に導入される混合ガスのモル比によって制御することができる。
【００４５】
図５のように、ＧａＮ層２４に凹部を設けず、ＧａＮ層２４の上面にゲート電極２６、ソース電極２８、およびドレイン電極３０を形成する場合を例に示したが、これに限られるわけではない。例えば、ＧａＮ層２４に凹部を設けて、この凹部にゲート電極２６を形成したゲートリセス構造の場合でもよく、またオーミックリセス構造の場合でもよい。
【００４６】
ＩｎＡｌＮ電子供給層１８のＩｎ組成比は１７％である場合を例に示したが、これに限られない。Ｉｎ組成比が１２％より小さいまたは３５％より大きい場合は、ａ軸方向の格子歪みが大きくクラックが生じてしまうため、成長されたＩｎＡｌＮ電子供給層１８のＩｎ組成比は１２％以上且つ３５％以下であることが好ましい。また、Ｉｎ組成比が１８％以下であると、２次元電子ガスのシート抵抗が下がっていく傾向にあるため、成長されたＩｎＡｌＮ電子供給層１８のＩｎ組成比は１２％以上且つ１８％以下であることがより好ましい。また、成長されたＩｎＡｌＮ電子供給層１８のＩｎ組成比が１７％以上且つ１８％以下の範囲内であることがさらに好ましい。Ｉｎ組成比が１７％以上且つ１８％以下である場合は、ＩｎＡｌＮはＧａＮと格子整合するので格子歪みが抑制されるためである。
【００４７】
ＧａＮ層２４は、ｉ型の場合でもｎ型の場合でもよい。ｎ型の場合は、表面電荷が安定し易く、また高温でｎ型のＧａＮを成長することでドーパントの活性化率が上がり、より表面電荷が安定されるため、デバイス全体のバンド構造が安定化し不良が低減する。なお、ｎドーパントとしてはＳｉＨ４（シラン）を用いることができる。
【００４８】
基板１０はＳｉ基板である場合を例に示したが、その他に、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板、Ｇａ２Ｏ３基板などを用いることができる。また、成長に用いる原料ガスは、上述した原料ガスの他に、Ａｌ原料ガスとしてＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｇａ原料ガスとしてＴＥＧ（トリエチルガリウム）を用いることができる。
【００４９】
スペーサ層は、ＡｌＮスペーサ層２０である場合を例に示したが、この場合に限られず、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなるスペーサ層を用いることができる。なお、製造容易性を考慮すると、スペーサ層はＡｌＮからなる場合が好ましい。また、電子走行層は、ＧａＮ電子走行層１６である場合を例に示したが、この場合に限られず、ＢαＡｌβＧａγＩｎ１−α−β−γＮからなる窒化物半導体であって、電子供給層のＩｎＸＡｌ１−ＸＮとａ軸格子定数が合うように下記の式を満たす材料を用いることができる。
２．５５α＋３．１１β＋３．１９γ＋３．５５（１−α−β−γ）＝３．５５Ｘ＋３．１１（１−Ｘ）
【００５０】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１０ 基板
１２ ＡｌＮ層
１４ ＡｌＧａＮ層
１６ ＧａＮ電子走行層
１８ ＩｎＡｌＮ電子供給層
２０ ＡｌＮスペーサ層
２２ ２次元電子ガス
２４ ＧａＮ層
２６ ゲート電極
２８ ソース電極
３０ ドレイン電極
３２ 保護膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を用いた半導体装置は、高周波かつ高出力で動作するパワー素子などに用いられている。例えば、非特許文献１には、半絶縁性基板上に、バッファ層、ＧａＮ電子走行層、ＡｌＧａＮ電子供給層を順次積層し、ＡｌＧａＮ電子供給層との界面近傍でＧａＮ電子走行層に発生する２次元電子ガス（２ＤＥＧ：two dimensional electron gas）を利用して動作するＨＥＭＴ（High Electron Mobility transistor）構造の半導体装置が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】高橋清監修、「ワイドギャップ半導体光・電子デバイス」、森北出版、２００６年３月３１日、ｐ．２４２−２４３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１に係るＨＥＭＴ構造の半導体装置において、より高周波数での動作を求める要望が強い。より高周波数での動作を実現するには、相互コンダクタンスを高くすることが求められ、具体的には、ＡｌＧａＮ電子供給層を薄くした状態で２次元電子ガスのシート抵抗を低くすることが求められる。
【０００５】
２次元電子ガスのシート抵抗を低くするためには、ＡｌＧａＮ電子供給層のＡｌ組成比を上げて、より高濃度の２次元電子ガスを発生させることが考えられる。しかしながら、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ電子供給層はＧａＮ電子走行層との格子不整合が大きくなるため、２次元電子ガスの移動度が低下してしまう。２次元電子ガスの移動度の低下は、２次元電子ガスのシート抵抗の増大をもたらしてしまう。一方、Ａｌ組成比を上げずに単純にＡｌＧａＮ電子供給層を薄くした場合は、２次元電子ガスの濃度が低下し、２次元電子ガスのシート抵抗が高くなってしまう。このように、ＡｌＧａＮ電子供給層を用いたＨＥＭＴ構造の半導体装置では、高周波数動作の限界が生じている。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、高周波数動作が可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、成長炉内に配置した基板上に、窒化物半導体からなる電子走行層を成長する工程と、前記成長炉に導入する混合ガス中の窒素原料ガスの分圧比を０．１５以上０．３５以下として、前記電子走行層上に、ＩｎＡｌＮからなる電子供給層を成長する工程と、前記電子供給層上に、ゲート電極と、前記ゲート電極を挟むソース電極およびドレイン電極と、を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、ＩｎＡｌＮからなる電子供給層の表面平坦性を良好にすることができ、また、２次元電子ガスのシート抵抗を低くすることができるため、高周波数動作が可能となる。
【０００８】
本発明は、成長炉内に配置した基板上に、窒化物半導体からなる電子走行層を成長する工程と、前記電子走行層を成長する際よりも前記成長炉に導入する混合ガス中の窒素原料ガスの分圧比が低い条件で、前記電子走行層上に、ＩｎＡｌＮからなる電子供給層を成長する工程と、前記電子供給層上に、ゲート電極と、前記ゲート電極を挟むソース電極およびドレイン電極と、を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、２次元電子ガスのシート抵抗を低くすることができ、また、ＩｎＡｌＮからなる電子供給層の表面平坦性を良好にすることも可能となるため、高周波数動作が可能となる。
【０００９】
上記構成において、前記電子走行層を成長する際の前記窒素原料ガスの流量に比べて、前記電子供給層を成長する際の前記窒素原料ガスの流量が小さい構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記窒素原料ガスは、アンモニアガスである構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記電子供給層は、６００℃から８００℃の範囲で成長される構成とすることができる。この構成によれば、高品質のＩｎＡｌＮからなる電子供給層を得ることができる。
【００１２】
上記構成において、前記電子供給層の成長後、同じ成長炉内において前記電子供給層上にＧａＮ層を成長する工程を有する構成とすることができる。この構成によれば、ＩｎＡｌＮからなる電子供給層の表面の酸化を抑制することができる。
【００１３】
上記構成において、前記窒素原料ガスの分圧比は、前記成長炉内に導入される混合ガスのモル比によって制御される構成とすることができる。
【００１４】
上記構成において、前記成長された電子供給層のＩｎ組成比が１２％以上３５％以下である構成とすることができる。この構成によれば、ａ軸方向の格子歪みによるクラックの発生を抑制することができる。
【００１５】
上記構成において、前記成長された電子供給層のＩｎ組成比が１２％以上１８％以下である構成とすることができる。
【００１６】
上記構成において、前記成長された電子供給層のＩｎ組成比が１７％以上１８％以下である構成とすることができる。この構成によれば、電子走行層と電子供給層の格子歪みを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＩｎＡｌＮからなる電子供給層の表面平坦性を良好にすることができ、また、２次元電子ガスのシート抵抗を低くすることができるため、高周波数動作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、２次元電子ガスのシート抵抗とＩｎＡｌＮ電子供給層の表面平坦性を測定するために作製したエピタキシャル層の断面図の例である。
【図２】図２は、ＩｎＡｌＮ電子供給層を成長させる際のアンモニアガスの分圧比に対する２次元電子ガスのシート抵抗の測定結果を示す図である。
【図３】図３は、ＩｎＡｌＮ電子供給層を成長させる際のアンモニアガスの分圧比に対するＩｎＡｌＮ電子供給層の表面平坦性の測定結果を示す図である。
【図４】図４は、図２と図３を合わせたものである。
【図５】図５は、実施例１に係る半導体装置の断面図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
まず初めに、発明者が行った実験について説明する。図１は、２次元電子ガスのシート抵抗とＩｎＡｌＮ電子供給層の表面平坦性を測定するために作製したエピタキシャル層の断面図の例である。エピタキシャル層は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて成長される。図１を参照して、まず、Ｓｉからなる基板１０を、ＭＯＣＶＤ装置の成長炉内に配置する。そして、基板１０上に、以下の成長条件にて、ＡｌＮ層１２を成長させる。なお、以下に説明する結晶成長では、特に注釈しないかぎり、キャリアガスとして水素を用いる。
Ａｌ原料ガス：ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）
Ｎ原料ガス：アンモニアガス（ＮＨ３）
成長温度：１０００℃
膜厚 ：３００ｎｍ
【００２０】
ＡｌＮ層１２上に、以下の成長条件にて、ＡｌＧａＮ層１４を成長させる。ＡｌＮ層１２とＡｌＧａＮ層１４は、バッファ層として機能する。
Ａｌ原料ガス：ＴＭＡ
Ｇａ原料ガス：ＴＭＧ（トリメチルガリウム）
Ｎ原料ガス：アンモニアガス（ＮＨ３）
成長温度：１０００℃
ＩＩＩ族組成比（Ａｌ組成比）：５０％
膜厚 ：１５０ｎｍ
【００２１】
ＡｌＧａＮ層１４上に、以下の成長条件にて、ＧａＮ電子走行層１６を成長させる。なお、以下においてアンモニアガス（ＮＨ３）の分圧比とは、成長炉に導入される全てのガス（キャリアガス＋原料ガス）中におけるアンモニアガスの分圧比をいう（以下において同じ）。つまり、アンモニアガスの分圧比とは、成長炉に導入する混合ガス中のアンモニアガスの分圧比をいう。なお、この分圧比は成長炉内に導入される混合ガスのモル比と一致する。分圧比の設定は、混合ガスのモル比の制御によって行う。
Ｇａ原料ガス：ＴＭＧ
Ｎ原料ガス：アンモニアガス（ＮＨ３）
成長温度：１０００℃
アンモニアガス（ＮＨ３）の分圧比：０．５
膜厚 ：５００ｎｍ
【００２２】
キャリアガスを水素から窒素に変えた後、ＧａＮ電子走行層１６上に、以下の成長条件にて、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長させる。
Ｉｎ原料ガス：ＴＭＩ（トリメチルインジウム）
Ａｌ原料ガス：ＴＭＡ
Ｎ原料ガス：アンモニアガス（ＮＨ３）
成長温度：７５０℃
ＩＩＩ族組成比（Ｉｎ組成比）：１７％
アンモニアガス（ＮＨ３）の分圧比：０．１〜０．５
膜厚 ：１０ｎｍ
【００２３】
本実験で電子供給層として使用したＩｎＡｌＮは、ＧａＮと格子整合し、また、ＩｎＡｌＮとＧａＮの大きな自発分極差と、伝導帯の大きな不連続により、ＧａＮ電子走行層１６に高濃度の２次元電子ガスが得られることが期待できる。即ち、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を用いることで、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を薄層化させた状態でも、２次元電子ガスのシート抵抗が低くなることが期待できる。
【００２４】
ここで、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比を０．１〜０．５の間で振って作製した複数のエピタキシャル層それぞれについて、ＧａＮ電子走行層１６に生成される２次元電子ガスのシート抵抗と、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性を測定した。図２は、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比に対する２次元電子ガスのシート抵抗の測定結果を示す図である。図３は、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比に対するＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性の測定結果を示す図である。図４は、図２と図３を合わせたものであり、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比に対する２次元電子ガスのシート抵抗およびＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性の測定結果を示す図である。
【００２５】
図２を参照して、２次元電子ガスのシート抵抗は、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比に依存していることが分かる。具体的には、アンモニアガスの分圧比が０．３５以下では、アンモニアガスの分圧比が大きくなるに従い、２次元電子ガスのシート抵抗は徐々に増加していき、アンモニアガスの分圧比が０．３５を超えると急激に増加する。したがって、図２から、２次元電子ガスのシート抵抗を小さくするには、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比を０．３５以下とするのがよいことが分かる。
【００２６】
次に、図３を用いて、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性を説明する。ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面モフォロジーは、電子移動度に影響を与えるため、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面は平坦であることが求められる。つまり、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性が劣化すると、２次元電子ガスの移動度も低下してしまうことになる。２次元電子ガスの移動度の低下は、２次元電子ガスのシート抵抗の増大をもたらすため、相互コンダクタンスが小さくなり、高周波数特性が劣化してしまう。
【００２７】
図３を参照して、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性は、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比に依存していることが分かる。具体的には、アンモニアガスの分圧比が０．１５までは、アンモニアガスの分圧比が大きくなるに従い、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面のＨａｚｅ値は急激に低下していく。そして、アンモニアガスの分圧比が０．１５以上となると、アンモニアガスの分圧比が大きくなるに従い、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面のＨａｚｅ値は徐々に低下していく。例えば、アンモニアガスの分圧比が０．１５の場合の、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面におけるＨａｚｅ値は５０ｐｐｍであり、０．２の場合のＨａｚｅ値は４７ｐｐｍである。図３から、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性の観点からは、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比を０．１５以上とするのがよいことが分かる。
【００２８】
そこで、上記の実験結果を踏まえて、高周波数動作が可能な半導体装置の実施例について以下に説明する。
【実施例１】
【００２９】
図５は、実施例１に係る半導体装置の断面図の例である。実施例１に係る半導体装置のエピタキシャル層は、ＭＯＣＶＤ法を用いて成長される。図５を参照して、Ｓｉからなる基板１０を、ＭＯＣＶＤ装置の成長炉内に配置した後、基板１０上に、以下の成長条件にて、ＡｌＮ層１２を成長させる。なお、以下に説明する結晶成長では、特に注釈しないかぎり、キャリアガスとして水素を用いる。
Ａｌ原料ガス：ＴＭＡ
Ｎ原料ガス：アンモニアガス（ＮＨ３）
成長温度：１０００℃
膜厚 ：３００ｎｍ
【００３０】
ＡｌＮ層１２上に、以下の成長条件にて、ＡｌＧａＮ層１４を成長させる。ＡｌＮ層１２とＡｌＧａＮ層１４は、バッファ層として機能する。
Ａｌ原料ガス：ＴＭＡ
Ｇａ原料ガス：ＴＭＧ
Ｎ原料ガス：アンモニアガス（ＮＨ３）
成長温度：１０００℃
ＩＩＩ族組成比（Ａｌ組成比）：５０％
膜厚 ：１５０ｎｍ
【００３１】
ＡｌＧａＮ層１４上に、以下の成長条件にて、ＧａＮ電子走行層１６を成長させる。
Ｇａ原料ガス：ＴＭＧ
Ｎ原料ガス：アンモニアガス（ＮＨ３）
成長温度：１０００℃
アンモニアガス（ＮＨ３）の分圧比：０．５
膜厚 ：５００ｎｍ
【００３２】
ＧａＮ電子走行層１６上に、以下の成長条件にて、ＡｌＮスペーサ層２０を成長させる。ＧａＮ電子走行層１６とＩｎＡｌＮ電子供給層１８との間にＡｌＮスペーサ層２０を設けることで、２次元電子ガスの移動度の向上が期待できる。ＡｌＮスペーサ層２０は、例えばＧａＮ電子走行層１６の上面に接して成長される。
Ａｌ原料ガス：ＴＭＡ
Ｎ原料ガス：アンモニアガス（ＮＨ３）
成長温度：１０００℃
膜厚 ：１ｎｍ
【００３３】
キャリアガスを水素から窒素に変えた後、ＡｌＮスペーサ層２０上に、以下の成長条件にて、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長させる。ＩｎＡｌＮ電子供給層１８は、ＧａＮ電子走行層１６に２次元電子ガス２２を生成する。ＩｎＡｌＮ電子供給層１８は、例えばＡｌＮスペーサ層２０の上面に接して成長される。
Ｉｎ原料ガス：ＴＭＩ
Ａｌ原料ガス：ＴＭＡ
Ｎ原料ガス：アンモニアガス（ＮＨ３）
成長温度：７５０℃
ＩＩＩ族組成比（Ｉｎ組成比）：１７％
アンモニアガス（ＮＨ３）の分圧比：０．１５〜０．３５
膜厚 ：１０ｎｍ
【００３４】
キャリアガスを再度窒素から水素に変えた後、ＩｎＡｌＮ電子供給層1８上に、以下の成長条件にて、ＧａＮ層２４を成長させる。ＧａＮ層２４は、例えばＩｎＡｌＮ電子供給層１８の上面に接して成長される。
Ｇａ原料ガス：ＴＭＧ
Ｎ原料ガス：アンモニアガス（ＮＨ３）
成長温度：１０００℃
膜厚 ：５ｎｍ
【００３５】
ＧａＮ層２４上に、例えば蒸着法およびリフトオフ法を用いて、ゲート電極２６と、ゲート電極２６を挟むソース電極２８およびドレイン電極３０を形成する。ゲート電極２６は、例えばＧａＮ層２４側からＮｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）が順次積層された２層構造をしている。ソース電極２８およびドレイン電極３０は、例えばＧａＮ層２４側からＴｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）が順次積層された２層構造をしたオーミック電極である。
【００３６】
ＧａＮ層２４上であって、ゲート電極２６、ソース電極２８、およびドレイン電極３０が設けられていない領域に、例えばプラズマＣＶＤ（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition）法を用いて、例えばＳｉＮ（窒化シリコン）からなる保護膜３２を形成する。
【００３７】
以上説明してきたように、実施例１によれば、成長炉内に配置した基板１０上に、ＧａＮ電子走行層１６を成長し、その後、アンモニアガスの分圧比を０．１５以上且つ０．３５以下として、ＧａＮ電子走行層１６上にＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する。そして、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上に、ゲート電極２６と、ゲート電極２６を挟むソース電極２８およびドレイン電極３０と、を形成する。図３で説明したように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性の劣化は、２次元電子ガスの移動度の低下による２次元電子ガスのシート抵抗の増大をもたらし、高周波数特性の劣化を引き起こしてしまう。しかしながら、実施例１では、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比を０．１５以上としているため、図３のように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性を良好にすることができる。また、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比を０．３５以下としているため、図２のように、２次元電子ガスのシート抵抗を低くすることができる。したがって、実施例１に係る半導体装置によれば、高周波数動作が可能となる。
【００３８】
図４のように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比が小さい程、２次元電子ガスのシート抵抗は小さくなり、アンモニアガスの分圧比が大きい程、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性は良好となる。このことを踏まえると、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比は、０．１８以上且つ０．３２以下である場合が好ましく、０．２以上且つ０．３以下である場合がより好ましい。
【００３９】
また、実施例１によれば、ＧａＮ電子走行層１６を成長する際のアンモニアガスの分圧比は０．５であり、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比は０．１５〜０．３５である。即ち、基板１０上にＧａＮ電子走行層１６を成長した後、ＧａＮ電子走行層１６を成長する際よりもアンモニアガスの分圧比が低い条件で、ＧａＮ電子走行層１６上にＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長している。図２のように、ＧａＮ電子走行層１６を成長する際のアンモニアガスの分圧比０．５でＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長すると、２次元電子ガスのシート抵抗は高くなってしまう。ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比が低くなるほど、２次元電子ガスのシート抵抗は低下することから、ＧａＮ電子走行層１６を成長する際のアンモニアガスの分圧比よりも低いアンモニアガスの分圧比でＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長することで、２次元電子ガスのシート抵抗を低くすることができる。また、図３のように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面平坦性を良好にすることも可能となる。よって、高周波数動作が可能となる。
【００４０】
ＧａＮ電子走行層１６を成長する際のアンモニアガスの分圧比を０．５、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの分圧比を０．１５〜０．３５とすることを、アンモニアガスの流量を調整することで行っている。即ち、ＧａＮ電子走行層１６を成長する際のアンモニアガスの流量に比べて、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のアンモニアガスの流量を小さくしている。例えば、ＧａＮ電子走行層１６を成長する際のＴＭＧの流量を２０ｍＬ／ｍｉｎ、アンモニアガスの流量を１０Ｌ／ｍｉｎとし、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際のＴＭＩの流量を３０ｍＬ／ｍｉｎ、ＴＭＡの流量を４００ｍＬ／ｍｉｎ、アンモニアガスの流量を５Ｌ／ｍｉｎとすることができる。
【００４１】
実施例１では、ＧａＮ電子走行層１６およびＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する際の窒素原料ガスとしてアンモニアガスの場合を例に説明してきたが、アンモニアガス以外の窒素原料ガスを用いて、ＧａＮ電子走行層１６およびＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長する場合でもよい。
【００４２】
ＩｎＡｌＮ電子供給層１８は、６００℃から８００℃の範囲の成長温度で成長される場合が好ましい。ＩｎＡｌＮは高温で成長を行うと、Ｉｎが優先的に昇華してしまい、Ｉｎが欠損した結晶となり高品質のＩｎＡｌＮ電子供給層１８が得られない。よって、６００℃から８００℃の範囲の成長温度で成長をすることで、Ｉｎが優先的に昇華することを抑制でき、高品質のＩｎＡｌＮ電子供給層１８を得ることができる。
【００４３】
図５のように、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８を成長した後、同じ成長炉内においてＩｎＡｌＮ電子供給層１８上にＧａＮ層２４を成長している。ＩｎＡｌＮ電子供給層１８は、Ａｌを含んでいるため、大気に曝されると表面酸化が進み易く、酸化アルミニウムなどが形成され、大きな不良要因となってしまう。したがって、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８上にＧａＮ層２４を成長させない場合でもよいが、ＩｎＡｌＮ電子供給層１８の表面酸化を抑制する点からは、ＧａＮ層２４を成長させる場合が好ましい。
【００４４】
上述したように、アンモニアガスの分圧比は、成長炉内に導入される混合ガスのモル比によって制御することができる。
【００４５】
図５のように、ＧａＮ層２４に凹部を設けず、ＧａＮ層２４の上面にゲート電極２６、ソース電極２８、およびドレイン電極３０を形成する場合を例に示したが、これに限られるわけではない。例えば、ＧａＮ層２４に凹部を設けて、この凹部にゲート電極２６を形成したゲートリセス構造の場合でもよく、またオーミックリセス構造の場合でもよい。
【００４６】
ＩｎＡｌＮ電子供給層１８のＩｎ組成比は１７％である場合を例に示したが、これに限られない。Ｉｎ組成比が１２％より小さいまたは３５％より大きい場合は、ａ軸方向の格子歪みが大きくクラックが生じてしまうため、成長されたＩｎＡｌＮ電子供給層１８のＩｎ組成比は１２％以上且つ３５％以下であることが好ましい。また、Ｉｎ組成比が１８％以下であると、２次元電子ガスのシート抵抗が下がっていく傾向にあるため、成長されたＩｎＡｌＮ電子供給層１８のＩｎ組成比は１２％以上且つ１８％以下であることがより好ましい。また、成長されたＩｎＡｌＮ電子供給層１８のＩｎ組成比が１７％以上且つ１８％以下の範囲内であることがさらに好ましい。Ｉｎ組成比が１７％以上且つ１８％以下である場合は、ＩｎＡｌＮはＧａＮと格子整合するので格子歪みが抑制されるためである。
【００４７】
ＧａＮ層２４は、ｉ型の場合でもｎ型の場合でもよい。ｎ型の場合は、表面電荷が安定し易く、また高温でｎ型のＧａＮを成長することでドーパントの活性化率が上がり、より表面電荷が安定されるため、デバイス全体のバンド構造が安定化し不良が低減する。なお、ｎドーパントとしてはＳｉＨ４（シラン）を用いることができる。
【００４８】
基板１０はＳｉ基板である場合を例に示したが、その他に、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板、Ｇａ２Ｏ３基板などを用いることができる。また、成長に用いる原料ガスは、上述した原料ガスの他に、Ａｌ原料ガスとしてＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｇａ原料ガスとしてＴＥＧ（トリエチルガリウム）を用いることができる。
【００４９】
スペーサ層は、ＡｌＮスペーサ層２０である場合を例に示したが、この場合に限られず、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなるスペーサ層を用いることができる。なお、製造容易性を考慮すると、スペーサ層はＡｌＮからなる場合が好ましい。また、電子走行層は、ＧａＮ電子走行層１６である場合を例に示したが、この場合に限られず、ＢαＡｌβＧａγＩｎ１−α−β−γＮからなる窒化物半導体であって、電子供給層のＩｎＸＡｌ１−ＸＮとａ軸格子定数が合うように下記の式を満たす材料を用いることができる。
２．５５α＋３．１１β＋３．１９γ＋３．５５（１−α−β−γ）＝３．５５Ｘ＋３．１１（１−Ｘ）
【００５０】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１０ 基板
１２ ＡｌＮ層
１４ ＡｌＧａＮ層
１６ ＧａＮ電子走行層
１８ ＩｎＡｌＮ電子供給層
２０ ＡｌＮスペーサ層
２２ ２次元電子ガス
２４ ＧａＮ層
２６ ゲート電極
２８ ソース電極
３０ ドレイン電極
３２ 保護膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長炉内に配置した基板上に、窒化物半導体からなる電子走行層を成長する工程と、
前記成長炉に導入する混合ガス中の窒素原料ガスの分圧比を０．１５以上０．３５以下として、前記電子走行層上に、ＩｎＡｌＮからなる電子供給層を成長する工程と、
前記電子供給層上に、ゲート電極と、前記ゲート電極を挟むソース電極およびドレイン電極と、を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
成長炉内に配置した基板上に、窒化物半導体からなる電子走行層を成長する工程と、
前記電子走行層を成長する際よりも前記成長炉に導入する混合ガス中の窒素原料ガスの分圧比が低い条件で、前記電子走行層上に、ＩｎＡｌＮからなる電子供給層を成長する工程と、
前記電子供給層上に、ゲート電極と、前記ゲート電極を挟むソース電極およびドレイン電極と、を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記電子走行層を成長する際の前記窒素原料ガスの流量に比べて、前記電子供給層を成長する際の前記窒素原料ガスの流量が小さいことを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記窒素原料ガスは、アンモニアガスであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記電子供給層は、６００℃から８００℃の範囲で成長されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記電子供給層の成長後、同じ成長炉内において前記電子供給層上にＧａＮ層を成長する工程を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記窒素原料ガスの分圧比は、前記成長炉内に導入される混合ガスのモル比によって制御されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記成長された電子供給層のＩｎ組成比が１２％以上３５％以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記成長された電子供給層のＩｎ組成比が１２％以上１８％以下であることを特徴とする請求項８記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記成長された電子供給層のＩｎ組成比が１７％以上１８％以下であることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
成長炉内に配置した基板上に、窒化物半導体からなる電子走行層を成長する工程と、
前記成長炉に導入する混合ガス中の窒素原料ガスの分圧比を０．１５以上０．３５以下として、前記電子走行層上に、ＩｎＡｌＮからなる電子供給層を成長する工程と、
前記電子供給層上に、ゲート電極と、前記ゲート電極を挟むソース電極およびドレイン電極と、を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
成長炉内に配置した基板上に、窒化物半導体からなる電子走行層を成長する工程と、
前記電子走行層を成長する際よりも前記成長炉に導入する混合ガス中の窒素原料ガスの分圧比が低い条件で、前記電子走行層上に、ＩｎＡｌＮからなる電子供給層を成長する工程と、
前記電子供給層上に、ゲート電極と、前記ゲート電極を挟むソース電極およびドレイン電極と、を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記電子走行層を成長する際の前記窒素原料ガスの流量に比べて、前記電子供給層を成長する際の前記窒素原料ガスの流量が小さいことを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記窒素原料ガスは、アンモニアガスであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記電子供給層は、６００℃から８００℃の範囲で成長されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記電子供給層の成長後、同じ成長炉内において前記電子供給層上にＧａＮ層を成長する工程を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記窒素原料ガスの分圧比は、前記成長炉内に導入される混合ガスのモル比によって制御されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記成長された電子供給層のＩｎ組成比が１２％以上３５％以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記成長された電子供給層のＩｎ組成比が１２％以上１８％以下であることを特徴とする請求項８記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記成長された電子供給層のＩｎ組成比が１７％以上１８％以下であることを特徴とする請求項９記載の半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−２６４１０（Ｐ２０１３−２６４１０Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５９２２９（Ｐ２０１１−１５９２２９）
【出願日】平成２３年７月２０日（２０１１．７．２０）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２０日（２０１１．７．２０）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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