半導体装置及びその製造方法
【課題】 窒化アルミニウムあるいは窒化アルミニウムガリウムを含む窒化物半導体層を用い、緩やかに傾斜したフィールドプレートの形成が容易に形成ができ、電界集中を緩和して高耐圧化が実現できる窒化物半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 窒化アルミニウムあるいは窒化アルミニウムガリウムを含む窒化物半導体層に形成した側壁が斜めに傾斜した凹部内に、ゲート電極を形成する。側壁が斜めの凹部は、アルミニウムを含む窒化物半導体層の結晶性を劣化させながら成長させ、その後、結晶性の違いに応じてエッチングレートが異なるエッチング液を使用してエッチングして形成する。あるいはアルミニウムの組成比を変化させて形成することも可能である。
【解決手段】 窒化アルミニウムあるいは窒化アルミニウムガリウムを含む窒化物半導体層に形成した側壁が斜めに傾斜した凹部内に、ゲート電極を形成する。側壁が斜めの凹部は、アルミニウムを含む窒化物半導体層の結晶性を劣化させながら成長させ、その後、結晶性の違いに応じてエッチングレートが異なるエッチング液を使用してエッチングして形成する。あるいはアルミニウムの組成比を変化させて形成することも可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、能動層に半導体を用いた半導体装置及びその製造方法に関し、特に窒化ガリウム系材料のようなワイドギャップ半導体を用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）やショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）のような半導体装置にショットキ接触する電極を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、低温成長の窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層１２、ノンドープ窒化ガリウムからなるチャネル層１３、ノンドープの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるショットキ層１４が順次積層した構造となっており、チャネル層１３とショットキ層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１４にショットキ接触するゲート電極１９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。
【０００３】
このような構造の従来の半導体装置の耐圧は、ゲート金属と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層や窒化ガリウム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層や窒化ガリウム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。
【０００４】
一方、従来耐圧を改善するためには、図６のようなΓ型の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が用いられていた（例えば、特許文献１）。しかし、キャップ層として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。
【０００５】
このように従来の半導体装置では、ドレインに高電圧を印加すると、ゲート端におけるデバイスの表面とフィールドプレートの間には、強い電界が発生し、この電界強度に耐えるためには、より大きな絶縁破壊電界強度を有するキャップ膜が必要となる。しかしながら、一般的に使用されている窒化硅素膜や酸化硅素膜では絶縁破壊強度が不足するため、高電圧を印加すると絶縁破壊してしまい、高耐圧化に限界がある問題があった。また、従来のΓ型のフィールドプレート構造でも、電界が緩和しきれていないという問題があった。
【特許文献１】特開２００４−２００２４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、緩やかに傾斜したフィールドプレートの形成が容易に形成ができ、電界集中を緩和して高耐圧化が実現できる半導体装置及びそ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】
上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、基板上に積層した第１の半導体層と、該第１の半導体層上に積層した第２の半導体層と、前記第１の半導体層にオーミック接触する第１の電極と、前記第２の半導体層の一部が除去され、表面側の開口幅が広くなる傾斜した側壁を有する凹部と、該凹部内に露出する前記第１の半導体層、あるいは前記凹部内に残る前記第２の半導体層にショットキ接触し、少なくとも前記第１の電極側の前記側壁を覆う第２の電極とを備えた半導体装置において、前記第２の半導体層が、絶縁性であって、少なくとも窒化アルミニウムあるいは窒化アルミニウムガリウムを含む半導体層であることを特徴とするものである。
【０００８】
本願請求項２に係る発明は、基板上に第１の半導体層を形成する工程と、該第１の半導体層の上に、第２の半導体層を形成する工程と、前記第１の半導体層にオーミック接触する第１の電極を形成する工程と、前記第２の半導体層の一部をエッチング除去し、表面側の開口幅が広くなる傾斜した側壁を有する凹部を形成する工程と、該凹部内に露出する前記第１の半導体層、あるいは前記凹部内に残る前記第２の半導体層にショットキ接触し、少なくとも前記第１の電極側の前記側壁を覆う第２の電極を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、前記第１の半導体層上に、表面ほどエッチングレートが大きく、かつ絶縁性である、窒化アルミニウムあるいは窒化アルミニウムガリウムを含む前記第２の半導体層を形成する工程を含むことを特徴とするものである。
【０００９】
本願請求項３に係る発明は、請求項２記載の半導体装置の製造方法において、前記第２の半導体層を形成する工程は、成膜温度を徐々に低下させることで、表面側ほど結晶性が劣化するように形成する工程を含み、前記凹部を形成する工程は、前記第２の半導体層の結晶性が劣化するほどエッチングレートが大きくなるエッチング液を用いてエッチングする工程を含むことを特徴とするものである。
【００１０】
本願請求項４に係る発明は、請求項２記載の半導体装置の製造方法において、前記第２の半導体層を形成する工程は、前記第１の半導体層上に、絶縁性であって、窒化アルミニウムガリウムを含む前記第２の半導体層を形成する工程であって、表面側ほどアルミニウムの組成比が大きくなるように形成する工程を含み、前記凹部を形成する工程は、前記アルミニウムの組成比が大きいほどエッチングレートが大きくなるエッチング液を用いてエッチングする工程を含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の半導体装置は、ショットキ電極−オーミック電極間に絶縁性の高い窒化アルミニウムあるいは窒化アルミニウムガリウムを備える構造とすることで、ショットキ電極−オーミック電極間の表面準位にトラップされる電子の抑制あるい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た半導体装置を形成することができる。同時に、ショットキ電極が緩やかに傾斜する側壁を覆う構造とすることで、電界集中が緩和され、従来の側壁部がほぼ垂直な構造よりもさらに高い耐圧の半導体装置となる。
【００１２】
また本発明の半導体装置の製造方法によれば、絶縁性の高い窒化アルミニウム層あるいは窒化アルミニウムガリウム層を、表面ほど成膜温度を低く設定し、成膜温度による結晶性の違いに応じたエッチングレートの異なるエッチング液を用いてエッチングすることにより、簡便に表面側の開口幅が広くなる傾斜した側壁を形成することができる。この傾斜した形状のコントロールは、成膜温度の制御により行うことができるので、非常に簡便で、制御性の良い方法である。またウエットエッチング法によりショットキ電極を形成する凹部を形成するため、ダメージフリーとなる利点もある。
【００１３】
なお、窒化アルミニウム層あるいは窒化アルミニウムガリウム層を成長させる際、成長初期において、相対的に結晶性の良い半導体層を形成し、その上に結晶性の悪い半導体層を形成した後、エッチングを行い凹部を形成する方法とすると、凹部内に窒化アルミニウム層あるいは窒化アルミニウムガリウム層を制御性よく残すことが可能となる。この薄い窒化アルミニウム層あるいは窒化アルミニウムガリウム層を介してショットキ接合するように形成すると、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。
【００１４】
さらにまた本発明の半導体装置の製造方法によれば、絶縁性の高い窒化アルミニウムガリウム層を、表面ほどアルミニウムの組成比を大きく設定し、アルミニウムの組成の違いに応じたエッチングレートの異なるエッチング液を用いてエッチングすることにより、簡便に表面側の開口幅が広くなる傾斜した側壁を形成することができる。この傾斜した形状のコントロールは、成長ガスの供給量を制御することにより行うことができるので、非常に簡便で、制御性の良い方法である。また前述同様、ウエットエッチング法によりショットキ電極を形成する凹部を形成するため、ダメージフリーとなる利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、基板上に、第１の半導体層及び窒化アルミニウム層あるいは窒化アルミニウムガリウム層からなる第２の半導体層と、第１の半導体層にオーミック接触するオーミック電極と、第２の半導体層の一部が除去され、表面側の開口幅が広くなるように傾斜した凹部と、凹部内でショットキ接触するショットキ電極とを備える構造の半導体装置及びその製造方法である。
【００１６】
以下、本発明の半導体装置及びその製造方法について、III−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴ及びその製造方法を例にとり、詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の第１の実施例の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、サファイア基板からなる基板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３０ｎｍ程度の低温成長窒化ガリウムからなるバッファ層１２、後述するキャリア供給層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ厚さ３.０μｍのノンドープ窒化ガリウムからなるチャネル層１３、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガスを形成する厚さ２５ｎｍのノンドープ窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層１４（第１の半導体層に相当）、厚さ１μｍの高絶縁性の窒化アルミニウム層１５ａ（第２の半導体層に相当）を積層形成している。
【００１８】
ここで、この窒化アルミニウム層１５ａは、成膜温度を表面ほど低く設定して成膜し、単結晶構造または多結晶構造から結晶性が、より劣化した結晶構造の半導体層が形成される。一例として、ショットキ層１４上に、１１２５℃で成長を開始し、徐々に成長温度を下げていき、７００℃程度までの温度範囲で成長させると、好適な窒化アルミニウム層１５ａを形成することができる。
【００１９】
次に、ショットキ層１４上のソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂ形成予定領域にある窒化アルミニウム層１５ａを、塩素ガス等を用いたドライエッチング法により除去し、ショットキ層１４を露出させる。その後、図２（ｂ）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、６００℃３０秒の急速加熱を行い、ショットキ層１４にオーミック接触を形成する。なお、窒化アルミニウム層１５ａは、低抵抗のオーミック接触が形成できる範囲で、ショットキ層１４上に残すことも可能である。
【００２０】
次に図２（ｃ）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予定領域にある窒化アルミニウム層１５ａの一部を露出するように開口したフォトレジストからなるマスク材料１８をパターン形成し、窒化アルミニウム層１５ａを凹状に除去して、その底部にショットキ層１４を露出させる。ここで、凹部を形成するウエットエッチングには、水酸化カリウムを含むエッチング液を用いることができる。簡便な方法としては、フォトレジストの現像液を用いる。フォトレジストの現像液は、室温で窒化アルミニウムをウエットエッチングでき、窒化アルミニウムの結晶性の違いによりエッチングレートを数ｎｍ／ｍｉｎ程度から１０００ｎｍ／ｍｉｎに制御可能であることが知られている（Appl. Phys. Lett., Vol.67, 1995 p-1119）。その結果、図２（ｃ）に示すように、側壁が斜めになった凹部を形成することができる。
【００２１】
その後、１０００℃の窒素雰囲気内で１０分程度の熱処理（アニール）を行うことで窒化アルミニウム層１５ａを全て単結晶化させる。この単結晶化の工程は、必ずしも必要ではないが、単結晶化することで絶縁破壊電界強度を従来の窒化アルミニウムと同等に大きくできる利点がある。
【００２２】
その後、図２（ｄ）に示すようにニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなるゲート電極１９を凹部およびドレイン電極１７ｂ側のＡｌＮ層１５ａ上に延出するように形成する。凹部の底部では、ゲート電極１９とショットキ層１４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１９は、フィールドプレート部を構成する。このように、斜めに傾斜した側壁にゲート電極１９が形成すると、電界集中が緩和される構造となる。なお、ソース側の側壁には、ゲート電極を形成しない方が好ましい。本実施例のＨＥＭＴにおいては、ゲート−ソース間容量Ｃｇｓの増大は、高周波特性の劣化の原因となるからである。
【００２３】
本実施例では、絶縁性の高い窒化アルミニウム層１５ａ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。さらに斜め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１５０Ｖから３００Ｖに改善された。また、ショットキ電極−オーミック電極間の表面準位にトラップされる電子の抑制あるいは表面準位密度が低減し、電流コラプス現象が抑制された。
【実施例２】
【００２４】
次に第２の実施例について図３を用いて説明する。図１に示す第１の実施例と同様、サファイア基板からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法等により、厚さ３０ｎｍ程度の低温成長窒化ガリウムからなるバッファ層１２、後述するキャリア供給層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ厚さ３．０μｍのノンドープ窒化ガリウムからなるチャネル層１３、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガスを形成する厚さ２５ｎｍのノンドープ窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層１４（第１の半導体層に相当）、厚さ１μｍの高絶縁性の窒化アルミニウム層１５ａ（第２の半導体層に相当）を積層形成している。
【００２５】
ここで、この窒化アルミニウム層１５ａは、成膜温度を表面ほど低く設定して成膜し、単結晶構造または多結晶構造から結晶性が劣化した結晶構造の半導体層が形成される。一例として、ショットキ層１４上に、１１２５℃で成長を開始し、徐々に成長温度を下げていき、７００℃程度までの温度範囲で成長させると、好適な窒化アルミニウム層１５ａを形成することができる。
【００２６】
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１４上のソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂ形成予定領域にある窒化アルミニウム層１５ａを除去し、ショットキ層１４を露出させる。その後、露出するショットキ層１４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、６００℃３０秒の急速加熱を行い、ショットキ層１４にオーミック接触を形成する。なお、窒化アルミニウム層１５ａは、低抵抗のオーミック接触が形成できる範囲で、ショットキ層１４上に残すことも可能である。
【００２７】
次にソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂ間のゲート電極形成予定領域にある窒化アルミニウム層１５ａの一部を凹状に除去する。ここで、本実施例では、窒化アルミニウム層１５ａを完全に除去せず、凹部の底部に５ｎｍ程度の厚さで残しておく。なお、窒化アルミニウム層１５ａを形成する際、成長初期の成長温度を１１００℃以上とすることで、凹部の底部に残す５ｎｍ程度の窒化アルミニウム層を成長させておくと、この窒化アルミニウム層のエッチングレートが非常に遅くなり、制御性良く、５ｎｍ程度の厚さで残すことが可能となる。凹部を形成するエッチング液は、第１の実施例で説明したエッチング液を用いる。その結果、表面側のエッチングが早く進み、側壁が斜めになった凹部を形成することができる。
【００２８】
その後、窒化アルミニウム層の単結晶化を行い、あるいは行わずに、第１の実施例で説明した工程に従い、Ｎｉ／Ａｕの積層体等からなるゲート電極１９を凹部およびドレイン電極１７ｂ側のＡｌＮ層１５ａ上に延出するように形成する。凹部の底部では、わずかに残った窒化アルミニウム層１５ａを介してゲート電極１９とショットキ層１４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１９は、フィールドプレート部を構成する。前述の通り、斜めに傾斜した側壁にゲート電極１９が形成されるため、電界集中が緩和される構造となる。なお、ゲート−ソース間容量Ｃｇｓの増大は高周波特性の劣化の原因となるので、ソース側の側壁には、ゲート電極を形成しない方が好ましい。
【００２９】
本実施例によれば、絶縁破壊電界強度の大きい窒化アルミニウム層１５ａがショットキ界面に存在するため、ゲート電極１９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、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た。また、第１の実施例と同様に、ショットキ電極−オーミック電極間の表面準位にトラップされる電子の抑制あるいは表面準位密度が低減し、電流コラプス現象が抑制された。
【実施例３】
【００３０】
次に第３の実施例について図４を用いて説明する。図４（ａ）に示すように、サファイア基板からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法等により、厚さ３０ｎｍ程度の低温成長窒化ガリウムからなるバッファ層１２、後述するキャリア供給層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ厚さ３.０μｍのノンドープ窒化ガリウムからなるチャネル層１３、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガスを形成する厚さ２５ｎｍのノンドープ窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層１４、厚さ１μｍの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌxＧａ1-xＮ）層１５ｂを積層形成している。窒化アルミニウムガリウム層１５ｂは、表面側ほどアルミニウム（Ａｌ）組成比が段階的あるいは連続的に大きくなるように変化している層が形成される。一例として、成長温度を１０５０℃一定とし、成長時にＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）の比率を徐々に大きくすることでＡｌ組成が徐々に大きくなる。窒化アルミニウムガリウム層１５ｂを形成することができる。
【００３１】
次に、ショットキ層１４上のソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂ形成領域にある窒化アルミニウムガリウム層１５ｂを、塩素ガス等を用いたドライエッチング法により除去し、ショットキ層１４を露出させる。その後、図４（ｂ）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、６００℃３０秒の急速加熱を行い、ショットキ層１４にオーミック接触を形成する。なお、窒化アルミニウムガリウム層１５ｂは、低抵抗のオーミック接触が形成できる範囲で、ショットキ層１４上に残すことも可能である。
【００３２】
次に図４（ｃ）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窒化アルミニウムガリウム層１５ｂの一部を開口するようにフォトレジストからなるマスク材料１８をパターン形成し、窒化アルミニウムガリウム層１５ｂを凹状に除去してその底部にショットキ層１４を露出させる。ここで、凹部を形成するウエットエッチングには、現像液ＡＺ４００Ｋ（Ｃｌａｒｉａｎｔ社製）を用いる。このエッチング液は、水酸化カリウムを含有しているため室温で窒化アルミニウムガリウム層をウエットエッチングでき、そのＡｌ組成の違いによりエッチングレートを制御することが可能な特性を有している。このエッチング液を用いて、前述の通り、表面側ほどＡｌ組成の大きい窒化アルミニウムガリウム層１５ｂをエッチングすると、表面側のエッチングが早く進み、図４（ｄ）に示すように、側壁が斜めになった凹部を形成することができる。
【００３３】
その後、図４（ｄ）に示すようにニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなるゲート電極１９を凹部およびドレイン電極１７ｂ側の窒化アルミニウムガリウム層１５ｂ上に延出するように形成する。凹部の底部では、ゲート電極１９とショットキ層１４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１９は、フィールドプレート部を形成する。特に斜めに傾斜した側壁にゲート電極１９が形成されるため、電界集中が緩和される構造となっている。なお、ソース側の側壁には、ゲート電極を形成しない方が好ましい。ゲート−ソース間容量Ｃｇｓの増大は、高周波特性の劣化の原因となるからである。
【００３４】
本発明では、絶縁性の高い窒化アルミニウムガリウム層１５ｂ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。さらに斜め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１５０Ｖから３００Ｖに改善された。また、ショットキ電極−オーミック電極間の表面準位にトラップされる電子の抑制あるいは表面準位密度が低減し、電流コラプス現象が抑制された。
【００３５】
なお、本実施例においても、前述の実施例同様、結晶性が表面ほど劣化するように、成長温度を低く設定することも可能である。
【００３６】
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、オーミック電極の種類は、使用する窒化物半導体層の種類に応じて適宜選択、設定することができる。
【００３７】
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１４が形成された構造のＦＥＴ構造やショットキーバリアダイオード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い。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１４に相当）は、例えば、ＧａＮ、ＢＮ、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、サファイア基板の代わりに炭化珪素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アルミニウムを用いるほうが好ましい。また炭化珪素基板の代わりにシリコン基板を用いてもかまわない。さらにまた、本発明は上記実施例で挙げた窒化ガリウム系材料以外にも適用が可能であり、例えばワイドギャップ半導体であるＳｉＣを用いたＦＥＴやＳＢＤのような半導体装置にも適用することができる。
【００３８】
また、窒化アルミニウム層１５ａはＭＯＣＶＤ法に限らず、例えばターゲットを第２の窒化物半導体としたスパッタリング法を用いて堆積することもできる。この場合、成膜時の条件を単結晶または多結晶から徐々にまたは段階的に結晶性を劣化するように変化させるようにすればよい。スパッタリング法を用いて堆積した多結晶ＡｌＮ膜を用いても、高い絶縁破壊電界強度を有するため高耐圧化のために好適である。なお、スパッタリング法を用いる場合、堆積により半導体層にダメージが加わり、能動層におけるチャネルシート抵抗が増大することがあるので、例えば窒素雰囲気中の５００℃５分程度のアニールをすることで回復すればよい。
【００３９】
さらにまた、凹部を形成するため、第２の窒化物半導体層をエッチングするエッチング液は、酸系溶液でもアルカリ系溶液でもよく、その組成も、使用する窒化物半導体層の結晶性とエッチングレートに応じて、適宜選択すればよい。
【００４０】
凹部の形状は、第２の窒化物半導体層の成長条件とエッチング液の組合せによって、斜めの側壁の形状を制御することができる。また、側壁が斜めに傾斜する代わりに、階段状に開口幅が広がるような形状とすることも可能である。この場合、第２の窒化物半導体層の成長条件を一定に保ち、所定の時間成長させた後、成長条件を変え、所定の時間成長させることを繰り返す。このように成長させた第２の窒化物半導体層を、結晶性に応じてエッチングレートの異なるエッチング液を用いてエッチングすると、階段状に開口幅が広がる凹部を形成することができる。
【００４１】
凹部内に第２の窒化物半導体層を残す場合、第２の実施例で説明したように、第２の窒化物半導体層の成長条件を一定に保つことなく、第１の実施例で説明したように徐々に成長条件を変えていくこともできる。
【００４２】
また、本発明は上記実施例で挙げた窒化ガリウム系材料以外にも適用が可能であり、例えばワイドギャップ半導体であるＳｉＣを用いたＦＥＴやＳＢＤのような半導体装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施例である半導体装置の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例である半導体装置の製造工程の説明図である
【図３】本発明の第２の実施例である半導体装置の断面図である。
【図４】本発明の第３の実施例である半導体装置の製造工程の説明図である
【図５】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。
【図６】従来のフィールドプレート構造を備えた半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１１；基板、１２；バッファ層、１３；チャネル層、１４；ショットキ層、１５ａ；窒化アルミニウム層、１５ｂ；窒化アルミニウムガリウム層、１６；キャップ層、１７ａ；ソース電極、１７ｂ；ドレイン電極、１８；マスク材料、１９；ゲート電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、能動層に半導体を用いた半導体装置及びその製造方法に関し、特に窒化ガリウム系材料のようなワイドギャップ半導体を用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）やショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）のような半導体装置にショットキ接触する電極を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、低温成長の窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層１２、ノンドープ窒化ガリウムからなるチャネル層１３、ノンドープの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるショットキ層１４が順次積層した構造となっており、チャネル層１３とショットキ層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１４にショットキ接触するゲート電極１９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。
【０００３】
このような構造の従来の半導体装置の耐圧は、ゲート金属と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層や窒化ガリウム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層や窒化ガリウム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。
【０００４】
一方、従来耐圧を改善するためには、図６のようなΓ型の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が用いられていた（例えば、特許文献１）。しかし、キャップ層として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。
【０００５】
このように従来の半導体装置では、ドレインに高電圧を印加すると、ゲート端におけるデバイスの表面とフィールドプレートの間には、強い電界が発生し、この電界強度に耐えるためには、より大きな絶縁破壊電界強度を有するキャップ膜が必要となる。しかしながら、一般的に使用されている窒化硅素膜や酸化硅素膜では絶縁破壊強度が不足するため、高電圧を印加すると絶縁破壊してしまい、高耐圧化に限界がある問題があった。また、従来のΓ型のフィールドプレート構造でも、電界が緩和しきれていないという問題があった。
【特許文献１】特開２００４−２００２４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、緩やかに傾斜したフィールドプレートの形成が容易に形成ができ、電界集中を緩和して高耐圧化が実現できる半導体装置及びそ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】
上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、基板上に積層した第１の半導体層と、該第１の半導体層上に積層した第２の半導体層と、前記第１の半導体層にオーミック接触する第１の電極と、前記第２の半導体層の一部が除去され、表面側の開口幅が広くなる傾斜した側壁を有する凹部と、該凹部内に露出する前記第１の半導体層、あるいは前記凹部内に残る前記第２の半導体層にショットキ接触し、少なくとも前記第１の電極側の前記側壁を覆う第２の電極とを備えた半導体装置において、前記第２の半導体層が、絶縁性であって、少なくとも窒化アルミニウムあるいは窒化アルミニウムガリウムを含む半導体層であることを特徴とするものである。
【０００８】
本願請求項２に係る発明は、基板上に第１の半導体層を形成する工程と、該第１の半導体層の上に、第２の半導体層を形成する工程と、前記第１の半導体層にオーミック接触する第１の電極を形成する工程と、前記第２の半導体層の一部をエッチング除去し、表面側の開口幅が広くなる傾斜した側壁を有する凹部を形成する工程と、該凹部内に露出する前記第１の半導体層、あるいは前記凹部内に残る前記第２の半導体層にショットキ接触し、少なくとも前記第１の電極側の前記側壁を覆う第２の電極を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、前記第１の半導体層上に、表面ほどエッチングレートが大きく、かつ絶縁性である、窒化アルミニウムあるいは窒化アルミニウムガリウムを含む前記第２の半導体層を形成する工程を含むことを特徴とするものである。
【０００９】
本願請求項３に係る発明は、請求項２記載の半導体装置の製造方法において、前記第２の半導体層を形成する工程は、成膜温度を徐々に低下させることで、表面側ほど結晶性が劣化するように形成する工程を含み、前記凹部を形成する工程は、前記第２の半導体層の結晶性が劣化するほどエッチングレートが大きくなるエッチング液を用いてエッチングする工程を含むことを特徴とするものである。
【００１０】
本願請求項４に係る発明は、請求項２記載の半導体装置の製造方法において、前記第２の半導体層を形成する工程は、前記第１の半導体層上に、絶縁性であって、窒化アルミニウムガリウムを含む前記第２の半導体層を形成する工程であって、表面側ほどアルミニウムの組成比が大きくなるように形成する工程を含み、前記凹部を形成する工程は、前記アルミニウムの組成比が大きいほどエッチングレートが大きくなるエッチング液を用いてエッチングする工程を含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の半導体装置は、ショットキ電極−オーミック電極間に絶縁性の高い窒化アルミニウムあるいは窒化アルミニウムガリウムを備える構造とすることで、ショットキ電極−オーミック電極間の表面準位にトラップされる電子の抑制あるい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た半導体装置を形成することができる。同時に、ショットキ電極が緩やかに傾斜する側壁を覆う構造とすることで、電界集中が緩和され、従来の側壁部がほぼ垂直な構造よりもさらに高い耐圧の半導体装置となる。
【００１２】
また本発明の半導体装置の製造方法によれば、絶縁性の高い窒化アルミニウム層あるいは窒化アルミニウムガリウム層を、表面ほど成膜温度を低く設定し、成膜温度による結晶性の違いに応じたエッチングレートの異なるエッチング液を用いてエッチングすることにより、簡便に表面側の開口幅が広くなる傾斜した側壁を形成することができる。この傾斜した形状のコントロールは、成膜温度の制御により行うことができるので、非常に簡便で、制御性の良い方法である。またウエットエッチング法によりショットキ電極を形成する凹部を形成するため、ダメージフリーとなる利点もある。
【００１３】
なお、窒化アルミニウム層あるいは窒化アルミニウムガリウム層を成長させる際、成長初期において、相対的に結晶性の良い半導体層を形成し、その上に結晶性の悪い半導体層を形成した後、エッチングを行い凹部を形成する方法とすると、凹部内に窒化アルミニウム層あるいは窒化アルミニウムガリウム層を制御性よく残すことが可能となる。この薄い窒化アルミニウム層あるいは窒化アルミニウムガリウム層を介してショットキ接合するように形成すると、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。
【００１４】
さらにまた本発明の半導体装置の製造方法によれば、絶縁性の高い窒化アルミニウムガリウム層を、表面ほどアルミニウムの組成比を大きく設定し、アルミニウムの組成の違いに応じたエッチングレートの異なるエッチング液を用いてエッチングすることにより、簡便に表面側の開口幅が広くなる傾斜した側壁を形成することができる。この傾斜した形状のコントロールは、成長ガスの供給量を制御することにより行うことができるので、非常に簡便で、制御性の良い方法である。また前述同様、ウエットエッチング法によりショットキ電極を形成する凹部を形成するため、ダメージフリーとなる利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、基板上に、第１の半導体層及び窒化アルミニウム層あるいは窒化アルミニウムガリウム層からなる第２の半導体層と、第１の半導体層にオーミック接触するオーミック電極と、第２の半導体層の一部が除去され、表面側の開口幅が広くなるように傾斜した凹部と、凹部内でショットキ接触するショットキ電極とを備える構造の半導体装置及びその製造方法である。
【００１６】
以下、本発明の半導体装置及びその製造方法について、III−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴ及びその製造方法を例にとり、詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の第１の実施例の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、サファイア基板からなる基板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３０ｎｍ程度の低温成長窒化ガリウムからなるバッファ層１２、後述するキャリア供給層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ厚さ３.０μｍのノンドープ窒化ガリウムからなるチャネル層１３、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガスを形成する厚さ２５ｎｍのノンドープ窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層１４（第１の半導体層に相当）、厚さ１μｍの高絶縁性の窒化アルミニウム層１５ａ（第２の半導体層に相当）を積層形成している。
【００１８】
ここで、この窒化アルミニウム層１５ａは、成膜温度を表面ほど低く設定して成膜し、単結晶構造または多結晶構造から結晶性が、より劣化した結晶構造の半導体層が形成される。一例として、ショットキ層１４上に、１１２５℃で成長を開始し、徐々に成長温度を下げていき、７００℃程度までの温度範囲で成長させると、好適な窒化アルミニウム層１５ａを形成することができる。
【００１９】
次に、ショットキ層１４上のソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂ形成予定領域にある窒化アルミニウム層１５ａを、塩素ガス等を用いたドライエッチング法により除去し、ショットキ層１４を露出させる。その後、図２（ｂ）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、６００℃３０秒の急速加熱を行い、ショットキ層１４にオーミック接触を形成する。なお、窒化アルミニウム層１５ａは、低抵抗のオーミック接触が形成できる範囲で、ショットキ層１４上に残すことも可能である。
【００２０】
次に図２（ｃ）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予定領域にある窒化アルミニウム層１５ａの一部を露出するように開口したフォトレジストからなるマスク材料１８をパターン形成し、窒化アルミニウム層１５ａを凹状に除去して、その底部にショットキ層１４を露出させる。ここで、凹部を形成するウエットエッチングには、水酸化カリウムを含むエッチング液を用いることができる。簡便な方法としては、フォトレジストの現像液を用いる。フォトレジストの現像液は、室温で窒化アルミニウムをウエットエッチングでき、窒化アルミニウムの結晶性の違いによりエッチングレートを数ｎｍ／ｍｉｎ程度から１０００ｎｍ／ｍｉｎに制御可能であることが知られている（Appl. Phys. Lett., Vol.67, 1995 p-1119）。その結果、図２（ｃ）に示すように、側壁が斜めになった凹部を形成することができる。
【００２１】
その後、１０００℃の窒素雰囲気内で１０分程度の熱処理（アニール）を行うことで窒化アルミニウム層１５ａを全て単結晶化させる。この単結晶化の工程は、必ずしも必要ではないが、単結晶化することで絶縁破壊電界強度を従来の窒化アルミニウムと同等に大きくできる利点がある。
【００２２】
その後、図２（ｄ）に示すようにニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなるゲート電極１９を凹部およびドレイン電極１７ｂ側のＡｌＮ層１５ａ上に延出するように形成する。凹部の底部では、ゲート電極１９とショットキ層１４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１９は、フィールドプレート部を構成する。このように、斜めに傾斜した側壁にゲート電極１９が形成すると、電界集中が緩和される構造となる。なお、ソース側の側壁には、ゲート電極を形成しない方が好ましい。本実施例のＨＥＭＴにおいては、ゲート−ソース間容量Ｃｇｓの増大は、高周波特性の劣化の原因となるからである。
【００２３】
本実施例では、絶縁性の高い窒化アルミニウム層１５ａ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。さらに斜め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１５０Ｖから３００Ｖに改善された。また、ショットキ電極−オーミック電極間の表面準位にトラップされる電子の抑制あるいは表面準位密度が低減し、電流コラプス現象が抑制された。
【実施例２】
【００２４】
次に第２の実施例について図３を用いて説明する。図１に示す第１の実施例と同様、サファイア基板からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法等により、厚さ３０ｎｍ程度の低温成長窒化ガリウムからなるバッファ層１２、後述するキャリア供給層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ厚さ３．０μｍのノンドープ窒化ガリウムからなるチャネル層１３、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガスを形成する厚さ２５ｎｍのノンドープ窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層１４（第１の半導体層に相当）、厚さ１μｍの高絶縁性の窒化アルミニウム層１５ａ（第２の半導体層に相当）を積層形成している。
【００２５】
ここで、この窒化アルミニウム層１５ａは、成膜温度を表面ほど低く設定して成膜し、単結晶構造または多結晶構造から結晶性が劣化した結晶構造の半導体層が形成される。一例として、ショットキ層１４上に、１１２５℃で成長を開始し、徐々に成長温度を下げていき、７００℃程度までの温度範囲で成長させると、好適な窒化アルミニウム層１５ａを形成することができる。
【００２６】
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１４上のソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂ形成予定領域にある窒化アルミニウム層１５ａを除去し、ショットキ層１４を露出させる。その後、露出するショットキ層１４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、６００℃３０秒の急速加熱を行い、ショットキ層１４にオーミック接触を形成する。なお、窒化アルミニウム層１５ａは、低抵抗のオーミック接触が形成できる範囲で、ショットキ層１４上に残すことも可能である。
【００２７】
次にソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂ間のゲート電極形成予定領域にある窒化アルミニウム層１５ａの一部を凹状に除去する。ここで、本実施例では、窒化アルミニウム層１５ａを完全に除去せず、凹部の底部に５ｎｍ程度の厚さで残しておく。なお、窒化アルミニウム層１５ａを形成する際、成長初期の成長温度を１１００℃以上とすることで、凹部の底部に残す５ｎｍ程度の窒化アルミニウム層を成長させておくと、この窒化アルミニウム層のエッチングレートが非常に遅くなり、制御性良く、５ｎｍ程度の厚さで残すことが可能となる。凹部を形成するエッチング液は、第１の実施例で説明したエッチング液を用いる。その結果、表面側のエッチングが早く進み、側壁が斜めになった凹部を形成することができる。
【００２８】
その後、窒化アルミニウム層の単結晶化を行い、あるいは行わずに、第１の実施例で説明した工程に従い、Ｎｉ／Ａｕの積層体等からなるゲート電極１９を凹部およびドレイン電極１７ｂ側のＡｌＮ層１５ａ上に延出するように形成する。凹部の底部では、わずかに残った窒化アルミニウム層１５ａを介してゲート電極１９とショットキ層１４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１９は、フィールドプレート部を構成する。前述の通り、斜めに傾斜した側壁にゲート電極１９が形成されるため、電界集中が緩和される構造となる。なお、ゲート−ソース間容量Ｃｇｓの増大は高周波特性の劣化の原因となるので、ソース側の側壁には、ゲート電極を形成しない方が好ましい。
【００２９】
本実施例によれば、絶縁破壊電界強度の大きい窒化アルミニウム層１５ａがショットキ界面に存在するため、ゲート電極１９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、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た。また、第１の実施例と同様に、ショットキ電極−オーミック電極間の表面準位にトラップされる電子の抑制あるいは表面準位密度が低減し、電流コラプス現象が抑制された。
【実施例３】
【００３０】
次に第３の実施例について図４を用いて説明する。図４（ａ）に示すように、サファイア基板からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法等により、厚さ３０ｎｍ程度の低温成長窒化ガリウムからなるバッファ層１２、後述するキャリア供給層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ厚さ３.０μｍのノンドープ窒化ガリウムからなるチャネル層１３、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガスを形成する厚さ２５ｎｍのノンドープ窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層１４、厚さ１μｍの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌxＧａ1-xＮ）層１５ｂを積層形成している。窒化アルミニウムガリウム層１５ｂは、表面側ほどアルミニウム（Ａｌ）組成比が段階的あるいは連続的に大きくなるように変化している層が形成される。一例として、成長温度を１０５０℃一定とし、成長時にＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）の比率を徐々に大きくすることでＡｌ組成が徐々に大きくなる。窒化アルミニウムガリウム層１５ｂを形成することができる。
【００３１】
次に、ショットキ層１４上のソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂ形成領域にある窒化アルミニウムガリウム層１５ｂを、塩素ガス等を用いたドライエッチング法により除去し、ショットキ層１４を露出させる。その後、図４（ｂ）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、６００℃３０秒の急速加熱を行い、ショットキ層１４にオーミック接触を形成する。なお、窒化アルミニウムガリウム層１５ｂは、低抵抗のオーミック接触が形成できる範囲で、ショットキ層１４上に残すことも可能である。
【００３２】
次に図４（ｃ）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窒化アルミニウムガリウム層１５ｂの一部を開口するようにフォトレジストからなるマスク材料１８をパターン形成し、窒化アルミニウムガリウム層１５ｂを凹状に除去してその底部にショットキ層１４を露出させる。ここで、凹部を形成するウエットエッチングには、現像液ＡＺ４００Ｋ（Ｃｌａｒｉａｎｔ社製）を用いる。このエッチング液は、水酸化カリウムを含有しているため室温で窒化アルミニウムガリウム層をウエットエッチングでき、そのＡｌ組成の違いによりエッチングレートを制御することが可能な特性を有している。このエッチング液を用いて、前述の通り、表面側ほどＡｌ組成の大きい窒化アルミニウムガリウム層１５ｂをエッチングすると、表面側のエッチングが早く進み、図４（ｄ）に示すように、側壁が斜めになった凹部を形成することができる。
【００３３】
その後、図４（ｄ）に示すようにニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層体等からなるゲート電極１９を凹部およびドレイン電極１７ｂ側の窒化アルミニウムガリウム層１５ｂ上に延出するように形成する。凹部の底部では、ゲート電極１９とショットキ層１４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１９は、フィールドプレート部を形成する。特に斜めに傾斜した側壁にゲート電極１９が形成されるため、電界集中が緩和される構造となっている。なお、ソース側の側壁には、ゲート電極を形成しない方が好ましい。ゲート−ソース間容量Ｃｇｓの増大は、高周波特性の劣化の原因となるからである。
【００３４】
本発明では、絶縁性の高い窒化アルミニウムガリウム層１５ｂ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。さらに斜め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１５０Ｖから３００Ｖに改善された。また、ショットキ電極−オーミック電極間の表面準位にトラップされる電子の抑制あるいは表面準位密度が低減し、電流コラプス現象が抑制された。
【００３５】
なお、本実施例においても、前述の実施例同様、結晶性が表面ほど劣化するように、成長温度を低く設定することも可能である。
【００３６】
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、オーミック電極の種類は、使用する窒化物半導体層の種類に応じて適宜選択、設定することができる。
【００３７】
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１４が形成された構造のＦＥＴ構造やショットキーバリアダイオード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い。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１４に相当）は、例えば、ＧａＮ、ＢＮ、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、サファイア基板の代わりに炭化珪素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アルミニウムを用いるほうが好ましい。また炭化珪素基板の代わりにシリコン基板を用いてもかまわない。さらにまた、本発明は上記実施例で挙げた窒化ガリウム系材料以外にも適用が可能であり、例えばワイドギャップ半導体であるＳｉＣを用いたＦＥＴやＳＢＤのような半導体装置にも適用することができる。
【００３８】
また、窒化アルミニウム層１５ａはＭＯＣＶＤ法に限らず、例えばターゲットを第２の窒化物半導体としたスパッタリング法を用いて堆積することもできる。この場合、成膜時の条件を単結晶または多結晶から徐々にまたは段階的に結晶性を劣化するように変化させるようにすればよい。スパッタリング法を用いて堆積した多結晶ＡｌＮ膜を用いても、高い絶縁破壊電界強度を有するため高耐圧化のために好適である。なお、スパッタリング法を用いる場合、堆積により半導体層にダメージが加わり、能動層におけるチャネルシート抵抗が増大することがあるので、例えば窒素雰囲気中の５００℃５分程度のアニールをすることで回復すればよい。
【００３９】
さらにまた、凹部を形成するため、第２の窒化物半導体層をエッチングするエッチング液は、酸系溶液でもアルカリ系溶液でもよく、その組成も、使用する窒化物半導体層の結晶性とエッチングレートに応じて、適宜選択すればよい。
【００４０】
凹部の形状は、第２の窒化物半導体層の成長条件とエッチング液の組合せによって、斜めの側壁の形状を制御することができる。また、側壁が斜めに傾斜する代わりに、階段状に開口幅が広がるような形状とすることも可能である。この場合、第２の窒化物半導体層の成長条件を一定に保ち、所定の時間成長させた後、成長条件を変え、所定の時間成長させることを繰り返す。このように成長させた第２の窒化物半導体層を、結晶性に応じてエッチングレートの異なるエッチング液を用いてエッチングすると、階段状に開口幅が広がる凹部を形成することができる。
【００４１】
凹部内に第２の窒化物半導体層を残す場合、第２の実施例で説明したように、第２の窒化物半導体層の成長条件を一定に保つことなく、第１の実施例で説明したように徐々に成長条件を変えていくこともできる。
【００４２】
また、本発明は上記実施例で挙げた窒化ガリウム系材料以外にも適用が可能であり、例えばワイドギャップ半導体であるＳｉＣを用いたＦＥＴやＳＢＤのような半導体装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施例である半導体装置の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例である半導体装置の製造工程の説明図である
【図３】本発明の第２の実施例である半導体装置の断面図である。
【図４】本発明の第３の実施例である半導体装置の製造工程の説明図である
【図５】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。
【図６】従来のフィールドプレート構造を備えた半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１１；基板、１２；バッファ層、１３；チャネル層、１４；ショットキ層、１５ａ；窒化アルミニウム層、１５ｂ；窒化アルミニウムガリウム層、１６；キャップ層、１７ａ；ソース電極、１７ｂ；ドレイン電極、１８；マスク材料、１９；ゲート電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に積層した第１の半導体層と、
該第１の半導体層上に積層した第２の半導体層と、
前記第１の半導体層にオーミック接触する第１の電極と、
前記第２の半導体層の一部が除去され、表面側の開口幅が広くなる傾斜した側壁を有する凹部と、
該凹部内に露出する前記第１の半導体層、あるいは前記凹部内に残る前記第２の半導体層にショットキ接触し、少なくとも前記第１の電極側の前記側壁を覆う第２の電極とを備えた半導体装置において、
前記第２の半導体層が、絶縁性であって、少なくとも窒化アルミニウムあるいは窒化アルミニウムガリウムを含む半導体層であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
基板上に第１の半導体層を形成する工程と、
該第１の半導体層の上に、第２の半導体層を形成する工程と、
前記第１の半導体層にオーミック接触する第１の電極を形成する工程と、
前記第２の半導体層の一部をエッチング除去し、表面側の開口幅が広くなる傾斜した側壁を有する凹部を形成する工程と、
該凹部内に露出する前記第１の半導体層、あるいは前記凹部内に残る前記第２の半導体層にショットキ接触し、少なくとも前記第１の電極側の前記側壁を覆う第２の電極を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、
前記第１の半導体層上に、表面ほどエッチングレートが大きく、かつ絶縁性である、窒化アルミニウムあるいは窒化アルミニウムガリウムを含む前記第２の半導体層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２の半導体層を形成する工程は、成膜温度を徐々に低下させることで、表面側ほど結晶性が劣化するように形成する工程を含み、
前記凹部を形成する工程は、前記第２の半導体層の結晶性が劣化するほどエッチングレートが大きくなるエッチング液を用いてエッチングする工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項２記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２の半導体層を形成する工程は、前記第１の半導体層上に、絶縁性であって、窒化アルミニウムガリウムを含む前記第２の半導体層を形成する工程であって、表面側ほどアルミニウムの組成比が大きくなるように形成する工程を含み、
前記凹部を形成する工程は、前記アルミニウムの組成比が大きいほどエッチングレートが大きくなるエッチング液を用いてエッチングする工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１】
基板上に積層した第１の半導体層と、
該第１の半導体層上に積層した第２の半導体層と、
前記第１の半導体層にオーミック接触する第１の電極と、
前記第２の半導体層の一部が除去され、表面側の開口幅が広くなる傾斜した側壁を有する凹部と、
該凹部内に露出する前記第１の半導体層、あるいは前記凹部内に残る前記第２の半導体層にショットキ接触し、少なくとも前記第１の電極側の前記側壁を覆う第２の電極とを備えた半導体装置において、
前記第２の半導体層が、絶縁性であって、少なくとも窒化アルミニウムあるいは窒化アルミニウムガリウムを含む半導体層であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
基板上に第１の半導体層を形成する工程と、
該第１の半導体層の上に、第２の半導体層を形成する工程と、
前記第１の半導体層にオーミック接触する第１の電極を形成する工程と、
前記第２の半導体層の一部をエッチング除去し、表面側の開口幅が広くなる傾斜した側壁を有する凹部を形成する工程と、
該凹部内に露出する前記第１の半導体層、あるいは前記凹部内に残る前記第２の半導体層にショットキ接触し、少なくとも前記第１の電極側の前記側壁を覆う第２の電極を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法において、
前記第１の半導体層上に、表面ほどエッチングレートが大きく、かつ絶縁性である、窒化アルミニウムあるいは窒化アルミニウムガリウムを含む前記第２の半導体層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２の半導体層を形成する工程は、成膜温度を徐々に低下させることで、表面側ほど結晶性が劣化するように形成する工程を含み、
前記凹部を形成する工程は、前記第２の半導体層の結晶性が劣化するほどエッチングレートが大きくなるエッチング液を用いてエッチングする工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項２記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２の半導体層を形成する工程は、前記第１の半導体層上に、絶縁性であって、窒化アルミニウムガリウムを含む前記第２の半導体層を形成する工程であって、表面側ほどアルミニウムの組成比が大きくなるように形成する工程を含み、
前記凹部を形成する工程は、前記アルミニウムの組成比が大きいほどエッチングレートが大きくなるエッチング液を用いてエッチングする工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１０９１１７（Ｐ２０１０−１０９１１７Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７９１３５（Ｐ２００８−２７９１３５）
【出願日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【出願人】（０００１９１２３８）新日本無線株式会社 (569)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【出願人】（０００１９１２３８）新日本無線株式会社 (569)
【Ｆターム（参考）】
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