特許 6018809 窒化物半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6018809

(24)【登録日】2016年10月7日

(45)【発行日】2016年11月2日

(54)【発明の名称】窒化物半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/28 20060101AFI20161020BHJP

   H01L 21/338 20060101ALI20161020BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20161020BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20161020BHJP

   H01L 21/285 20060101ALI20161020BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/28 301B

   H01L29/80 F

   H01L29/80 H

   H01L21/28 301R

   H01L21/285 S

【請求項の数】4

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-133008(P2012-133008)

(22)【出願日】2012年6月12日

(65)【公開番号】特開2013-258259(P2013-258259A)

(43)【公開日】2013年12月26日

【審査請求日】2015年4月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005049

【氏名又は名称】シャープ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100084146

【弁理士】

【氏名又は名称】山崎 宏

(74)【代理人】

【識別番号】100081422

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 光雄

(74)【代理人】

【識別番号】100122286

【弁理士】

【氏名又は名称】仲倉 幸典

(74)【代理人】

【識別番号】100176463

【弁理士】

【氏名又は名称】磯江 悦子

(72)【発明者】

【氏名】栗田 大佑

(72)【発明者】

【氏名】森下 敏

(72)【発明者】

【氏名】藤田 耕一郎

【審査官】 河合 俊英

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−０５３１８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１５５２２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／２８

Ｈ０１Ｌ ２１／２８５

Ｈ０１Ｌ ２１／３３８

Ｈ０１Ｌ ２９／７７８

Ｈ０１Ｌ ２９／８１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
上記基板上に形成されていると共にヘテロ界面を有する窒化物半導体積層体と、
上記窒化物半導体積層体内に少なくとも一部が形成されたＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極と
を備え、
上記窒化物半導体積層体は、
上記基板上に形成された第１の窒化物半導体層と、
上記第１の窒化物半導体層上に形成されていると共に上記第１の窒化物半導体層とヘテロ界面を形成する第２の窒化物半導体層と
を有し、
上記ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極から上記窒化物半導体積層体に亘る深さ方向の酸素濃度分布において、
上記オーミック電極と上記窒化物半導体積層体との界面よりも上記基板側の領域の上記界面近傍の位置に酸素濃度ピークを有し、
上記酸素濃度ピークの酸素濃度は、
１.１×１０^１８ｃｍ^−３以上かつ６.８×１０^１８ｃｍ^−３以下であり、
上記ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極から上記窒化物半導体積層体に亘る深さ方向の塩素濃度分布において、
上記オーミック電極と上記窒化物半導体積層体との界面よりも上記基板側の領域の上記界面近傍の位置に塩素濃度ピークを有し、
上記塩素濃度ピークの塩素濃度は、
５.０×１０^１６ｃｍ^−３以上かつ９.６×１０^１７ｃｍ^−３以下であることを特徴とする窒化物半導体装置。

【請求項2】

請求項１に記載の窒化物半導体装置において、
上記窒化物半導体積層体は、
上記第２の窒化物半導体層を貫通して上記ヘテロ界面近傍の２次元電子ガス層に達する凹部を有し、
上記凹部に上記オーミック電極の少なくとも一部が埋め込まれていることを特徴とする窒化物半導体装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の窒化物半導体装置において、
上記オーミック電極は４００℃以上かつ５００℃以下の温度でアニールされたものであることを特徴とする窒化物半導体装置。

【請求項4】

基板上に、ヘテロ界面を有する窒化物半導体積層体を形成し、
上記窒化物半導体積層体を塩素系のガスを用いてドライエッチングすることにより、上記ヘテロ界面近傍の２次元電子ガス層に達する凹部を形成し、
Ｔｉ成膜中またはＴｉ成膜前に、Ｔｉの酸化物が生成されない量の酸素を流し、上記凹部に少なくとも一部が埋め込まれたＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極を形成し、
上記オーミック電極を４００℃以上かつ５００℃以下でアニールすることにより、上記オーミック電極と上記窒化物半導体積層体との界面よりも上記基板側の領域の上記界面近傍の位置に酸素濃度ピークを得ると共に、上記オーミック電極と上記窒化物半導体積層体との界面よりも上記基板側の領域の上記界面近傍の位置に塩素濃度ピークを得、上記酸素濃度ピークの酸素濃度は、１.１×１０^１８ｃｍ^−３以上かつ６.８×１０^１８ｃｍ^−３以下であり、上記塩素濃度ピークの塩素濃度は、５.０×１０^１６ｃｍ^−３以上かつ９.６×１０^１７ｃｍ^−３以下であることを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、窒化物半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、窒化物半導体装置としては、ｎ型ＧａＮコンタクト層の表面に酸素プラズマ処理を行って酸素ドープ層を形成した後に、そのｎ型ＧａＮコンタクト層上にオーミック電極を形成することによって、ｎ型ＧａＮコンタクト層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減するというものがある(特許第２９６７７４３号公報(特許文献１)参照)。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第２９６７７４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところが、上記窒化物半導体装置について、本発明者が実際に実験を行ってＧａＮ層に酸素プラズマ処理を行った後にオーミック電極を形成した場合、オーミック電極のコンタクト抵抗が高く、十分に低いコンタクト抵抗を得ることはどうしてもできなかった。

【0005】

そこで、この発明の課題は、窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる窒化物半導体装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明者は、窒化物半導体層上に形成されたオーミック電極のコンタクト抵抗について鋭意検討した結果、ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極と窒化物半導体層との界面の基板側の領域において上記界面近傍に発生する酸素濃度ピークの酸素濃度と塩素濃度ピークの塩素濃度に応じて窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗の特性が変化することを発見した。

【0007】

さらに、本発明者は、上記界面より基板側の上記界面近傍の酸素濃度ピークの酸素濃度と塩素濃度ピークの塩素濃度が特定の範囲内であるときにコンタクト抵抗が大幅に減少することを実験により初めて見出した。

【0008】

上記発見に基づき、この発明の窒化物半導体装置は、
基板と、
上記基板上に形成されていると共にヘテロ界面を有する窒化物半導体積層体と、
上記窒化物半導体積層体内に少なくとも一部が形成されたＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極と
を備え、
上記窒化物半導体積層体は、
上記基板上に形成された第１の窒化物半導体層と、
上記第１の窒化物半導体層上に形成されていると共に上記第１の窒化物半導体層とヘテロ界面を形成する第２の窒化物半導体層と
を有し、
上記ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極から上記窒化物半導体積層体に亘る深さ方向の酸素濃度分布において、
上記オーミック電極と上記窒化物半導体積層体との界面よりも上記基板側の領域の上記界面近傍の位置に酸素濃度ピークを有し、
上記酸素濃度ピークの酸素濃度は、
１.１×１０^１８ｃｍ^−３以上かつ６.８×１０^１８ｃｍ^−３以下であり、
上記ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極から上記窒化物半導体積層体に亘る深さ方向の塩素濃度分布において、
上記オーミック電極と上記窒化物半導体積層体との界面よりも上記基板側の領域の上記界面近傍の位置に塩素濃度ピークを有し、
上記塩素濃度ピークの塩素濃度は、
５.０×１０^１６ｃｍ^−３以上かつ９.６×１０^１７ｃｍ^−３以下であることを特徴としている。

【0009】

この発明の窒化物半導体装置によれば、上記ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極と上記窒化物半導体積層体との界面の上記基板側の領域において、上記界面近傍の上記酸素濃度ピークの酸素濃度が、１.１×１０^１８ｃｍ^−３以上かつ６.８×１０^１８ｃｍ^−３以下であると共に、上記界面近傍の上記塩素濃度ピークの塩素濃度が、５.０×１０^１６ｃｍ^−３以上かつ９.６×１０^１７ｃｍ^−３以下であることによって、上記窒化物半導体積層体と上記オーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる。

【0010】

また、一実施形態の窒化物半導体装置では、上記窒化物半導体積層体は、
上記第２の窒化物半導体層を貫通して上記ヘテロ界面近傍の２次元電子ガス層に達する凹部を有し、
上記凹部に上記オーミック電極の少なくとも一部が埋め込まれている。

【0011】

この実施形態によれば、リセス構造の窒化物半導体装置において、上記ヘテロ界面近傍の２次元電子ガス層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる。

【発明の効果】

【0012】

この発明の窒化物半導体装置によれば、ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極と窒化物半導体積層体との界面の基板側の領域において、上記界面近傍の酸素濃度ピークの酸素濃度が、１.１×１０^１８ｃｍ^−３以上かつ６.８×１０^１８ｃｍ^−３以下であると共に、上記界面近傍の塩素濃度ピークの塩素濃度が、５.０×１０^１６ｃｍ^−３以上かつ９.６×１０^１７ｃｍ^−３以下であるので、上記窒化物半導体積層体と上記オーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】この発明の実施形態の窒化物半導体装置の断面図である。

【図2】上記窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。

【図3】図２に続く工程断面図である。

【図4】図３に続く工程断面図である。

【図5】図４に続く工程断面図である。

【図6】オーミック電極とＧａＮ層との界面のオーミック電極側からＧａＮ層側へ亘る深さ方向における酸素の濃度分布を示すグラフである。

【図7】オーミック電極とＧａＮ層との界面のオーミック電極側からＧａＮ層側へ亘る深さ方向における酸素,Ａｌ,Ｔｉ,Ｇａの濃度分布を示すグラフである。

【図8】上記実施形態のオーミック電極とＧａＮ層との界面のオーミック電極側からＧａＮ層側へ亘る深さ方向における塩素の濃度分布を示すグラフである。

【図9】オーミック電極とＧａＮ層との界面近傍の酸素濃度ピークの酸素濃度とオーミック電極のコンタクト抵抗との関係を示すグラフである。

【図10】オーミック電極とＧａＮ層との界面近傍の塩素濃度ピークの塩素濃度とオーミック電極のコンタクト抵抗との関係を示すグラフである。

【図11】上記酸素濃度ピークの酸素濃度および上記塩素濃度ピークの塩素濃度とオーミック電極のコンタクト抵抗との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

【0015】

図１は、この発明の実施形態の窒化物半導体装置の断面図を示しており、この窒化物半導体装置はＧａＮ系ＨＦＥＴ(Hetero-junction Field Effect Transistor；ヘテロ接合電界効果トランジスタ)である。

【0016】

この半導体装置は、図１に示すように、Ｓｉ基板１０上に、アンドープＡｌＧａＮバッファ層１５、第１の窒化物半導体層の一例としてのアンドープＧａＮ層１と、第２の窒化物半導体層の一例としてのアンドープＡｌＧａＮ層２からなる窒化物半導体積層体２０を形成している。このアンドープＧａＮ層１とアンドープＡｌＧａＮ層２との界面近傍に２ＤＥＧ層(２次元電子ガス層)３が発生する。

【0017】

なお、上記ＧａＮ層１に替えて、上記ＡｌＧａＮ層２よりもバンドギャップの小さい組成を有するＡｌＧａＮ層としてもよい。また、上記ＡｌＧａＮ層２上にキャップ層として例えばＧａＮからなる約１ｎｍの厚さの層を設けてもよい。

【0018】

また、ソース電極１１とドレイン電極１２とを、上記ＡｌＧａＮ層２と２ＤＥＧ層３を貫通してＧａＮ層１まで達する凹部１０６と凹部１０９に互いに間隔をあけて形成している。また、ＡｌＧａＮ層２上に、ソース電極１１とドレイン電極１２との間かつソース電極１１側にゲート電極１３を形成している。ソース電極１１とドレイン電極１２はオーミック電極であり、ゲート電極１３はショットキー電極である。上記ソース電極１１と、ドレイン電極１２と、ゲート電極１３と、そのソース電極１１,ドレイン電極１２,ゲート電極１３が形成されたＧａＮ層１,ＡｌＧａＮ層２の活性領域でＨＦＥＴを構成している。

【0019】

ここで、活性領域とは、ＡｌＧａＮ層２上のソース電極１１とドレイン電極１２との間に配置されたゲート電極１３に印加される電圧によって、ソース電極１１とドレイン電極１２との間でキャリアが流れる窒化物半導体積層体２０(ＧａＮ層１,ＡｌＧａＮ層２)の領域である。

【0020】

そして、ソース電極１１とドレイン電極１２とゲート電極１３が形成された領域を除くＡｌＧａＮ層２上に、ＡｌＧａＮ層２を保護するため、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜３０を形成している。また、ソース電極１１とドレイン電極１２とゲート電極１３とが形成されたＳｉ基板１０上に、ポリイミドからなる層間絶縁膜４０を形成している。また、図１において、４１はコンタクト部としてのビア、４２はドレイン電極パッドである。なお、絶縁膜は、ＳｉＯ_２に限らず、ＳｉＮやＡｌ_２Ｏ_３などを用いてもよい。特に、絶縁膜として、コラプス抑制のために半導体層表面にストイキオメトリックを崩したＳｉＮ膜と表面保護のためのＳｉＯ_２やＳｉＮの多層膜構造とするのが好ましい。また、層間絶縁膜は、ポリイミドに限らず、ｐ−ＣＶＤ(プラズマＣＶＤ)で製造したＳｉＯ_２膜やＳＯＧ(Spin On Glass)やＢＰＳＧ(ホウ素・リン・シリケート・ガラス)などの絶縁材料を用いてもよい。

【0021】

上記構成の窒化物半導体装置において、ＧａＮ層１とＡｌＧａＮ層２との界面近傍に発生した２次元電子ガス層(２ＤＥＧ層)３でチャネルが形成され、このチャネルをゲート電極１３に電圧を印加することにより制御して、ソース電極１１とドレイン電極１２とゲート電極１３を有するＨＦＥＴをオンオフさせる。このＨＦＥＴは、ゲート電極１３に負電圧が印加されているときにゲート電極１３下のＧａＮ層１に空乏層が形成されてオフ状態となる一方、ゲート電極１３の電圧がゼロのときにゲート電極１３下のＧａＮ層１に空乏層がなくなってオン状態となるノーマリーオンタイプのトランジスタである。

【0022】

次に、上記窒化物半導体装置の製造方法を図２〜図５に従って説明する。なお、図２〜図５では、図を見やすくするためにＳｉ基板やアンドープＡｌＧａＮバッファ層を図示せず、また、ソース電極とドレイン電極の大きさや間隔を変えている。

【0023】

まず、図２に示すように、Ｓｉ基板(図示せず)上に、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)法を用いて、アンドープＡｌＧａＮバッファ層(図示せず)、アンドープＧａＮ層１０１とアンドープＡｌＧａＮ層１０２を順に形成する。アンドープＧａＮ層１０１の厚さは例えば１μｍ、アンドープＡｌＧａＮ層１０２の厚さは例えば３０ｎｍとする。このＧａＮ層１０１とＡｌＧａＮ層１０２が窒化物半導体積層体１２０を構成している。

【0024】

次に、ＡｌＧａＮ層１０２上に絶縁膜１３０(例えばＳｉＯ_２)を例えばプラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長))法により２００ｎｍの厚さに成膜する。図２において、１０３は、ＧａＮ層１０１とＡｌＧａＮ層１０２とのヘテロ界面近傍に形成される２次元電子ガス層(２ＤＥＧ層)である。

【0025】

次に、絶縁膜１３０上にフォトレジスト(図示せず)を塗布してパターニングした後、ドライエッチングにより、図３に示すように、オーミック電極を形成すべき部分を除去して、ＡｌＧａＮ層１０２を貫通してＧａＮ層１０１の上側の一部に２ＤＥＧ層１０３よりも深い凹部１０６,１０９を形成する。上記ドライエッチングでは、塩素系のガスを用いる。この凹部１０６,１０９の深さはＡｌＧａＮ層１０２の表面から２ＤＥＧ層１０３までの深さ以上であればよく、例えば５０ｎｍとする。

【0026】

また、この実施形態では、上記ドライエッチングにおいて、ＲＩＥ(reactive ion etching：リアクティブイオンエッチング)装置の自己バイアス電位Ｖｄｃを１８０Ｖ以上かつ２４０Ｖ以下に設定した。

【0027】

次に、レジストを剥離後、上記ドライエッチングによるエッチングダメージを低減するためのアニールを行う(例えば５００〜８５０℃)。そして順次、Ｏ_２プラズマ処理、ＨＣｌ/Ｈ_２Ｏ_２による洗浄、ＢＨＦ(バッファードフッ酸)もしくは１％のＨＦ(フッ酸)による洗浄を行なう。

【0028】

次に、図４に示すように、絶縁膜１３０上および凹部１０６,１０９にスパッタリングにより、Ｔｉ,Ａｌ,ＴｉＮを順に積層することで、Ｔｉ/Ａｌ/ＴｉＮを積層して、オーミック電極となる積層金属膜１０７を形成する。ここで、ＴｉＮ層は、後工程からＴｉ/Ａｌ層を保護するためのキャップ層である。

【0029】

上記スパッタリングで上記積層金属膜１０７を形成する時に、Ｔｉ成膜中に少量(例えば５ｓｃｃｍ)の酸素をチャンバー内に流す。ここで、上記酸素の流量は、Ｔｉの酸化物が生成されない量とする。なお、上記Ｔｉ成膜中に少量の酸素をチャンバー内に流すことに替えて、上記Ｔｉ成膜前にチャンバー内に酸素を例えば５０ｓｃｃｍで５分間流してもよい。

【0030】

尚、上記スパッタリングにおいて、ＴｉとＡｌの両方を同時にスパッタリングしてもよい。また、スパッタリングに替えて上記Ｔｉ,Ａｌを蒸着してもよい。

【0031】

次に、図５に示すように、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて、オーミック電極１１１,１１２のパターンを形成する。

【0032】

そして、オーミック電極１１１,１１２が形成された基板を例えば４００℃以上かつ５００℃以下で１０分以上アニールすることによって、２次元電子ガス層(２ＤＥＧ層)１０３とオーミック電極１１１,１１２との間にオーミックコンタクトが得られる。この場合、５００℃を超える高温でアニールした場合に比べてコンタクト抵抗を大幅に低減できる。また、４００℃以上かつ５００℃以下の低温でアニールすることにより絶縁膜１３０への電極金属の拡散を抑制でき、絶縁膜１３０の特性に悪影響を与えることがない。また、上記低温のアニールにより、ＧａＮ層１０１からの窒素抜けによる電流コラプスの悪化や特性変動を防ぐことができる。なお、「電流コラプス」とは、低電圧動作でのトランジスタのオン抵抗と比べて高電圧動作でのトランジスタのオン抵抗が高くなってしまう現象である。

【0033】

このオーミック電極１１１,１１２がソース電極１１とドレイン電極１２となり、後の工程でオーミック電極１１１,１１２の間にＴｉＮまたはＷＮなどからなるゲート電極が形成される。

【0034】

上記実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、上記オーミック電極としてのソース電極１１,ドレイン電極１２から上記ＧａＮ層１に亘る深さ方向の酸素濃度分布において、上記ソース電極１１,ドレイン電極１２と上記ＧａＮ層１との界面Ｓ１,Ｓ２の上記アンドープＧａＮ層１側の上記界面Ｓ１,Ｓ２近傍の位置に第１の酸素濃度ピークＰ１が形成される。また、上記第１の酸素濃度ピークＰ１よりも深い位置に第２の酸素濃度ピークＰ２が形成される。なお、上記界面Ｓ１,Ｓ２近傍とは、図７を参照して後述するように、例えば、界面Ｓ１,Ｓ２よりも深い側へ約３３ｎｍの範囲であり、図６から分かるように、第２の酸素濃度ピークＰ２は、界面近傍よりも深い位置にある。

【0035】

また、上記製造方法により、上記第１の酸素濃度ピークの酸素濃度は、例えば、１.１×１０^１８ｃｍ^−３以上かつ６.８×１０^１８ｃｍ^−３以下にできる。この第１の酸素濃度ピークの酸素濃度は、上記第２の酸素濃度ピークの酸素濃度よりも高い。

【0036】

図６は、上記ソース電極１１とアンドープＧａＮ層１との界面Ｓ１のソース電極１１側から上記ＧａＮ層１側へ亘る深さ方向における酸素の濃度分布の一例を示すグラフである。図６において、縦軸目盛の１.Ｅ＋００、１.Ｅ＋０１、…、１.Ｅ＋０６は、それぞれ、１.０、１.０×１０、…、１.０×１０^６を表す。このグラフは、ＴＥＧ(テスト・エレメント・グループ)を用い、ＳＩＭＳ(２次イオン質量分析法)により測定した結果を表し、横軸に深さ(ｎｍ)を取り、縦軸に相対２次イオン強度(counts)を取ったものである。図６に示すように、上記界面Ｓ１の位置に凸状の酸素濃度分布を有し、一例として、上記界面Ｓ１から上記ＧａＮ層１側へ約８ｎｍの界面近傍の深さに、第１の酸素濃度ピークＰ１が位置し、上記界面Ｓ１から上記ＧａＮ層１側へ約１０８ｎｍの深さに、第２の酸素濃度ピークＰ２が位置している。図６の一例では、上記第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度は、２.６×１０^１８ｃｍ^−３であり、上記第２の酸素濃度ピークＰ２の酸素濃度は、６．４×１０^１７ｃｍ^−３であった。

【0037】

尚、上記界面Ｓ１は、カーボンＣの相対２次イオン強度(counts)のピークの位置に対応している。また、上記ドレイン電極１２とアンドープＧａＮ層１との界面Ｓ２のドレイン電極１２側から上記ＧａＮ層１側へ亘る深さ方向における酸素の濃度分布も、図６のグラフと同様であった。

【0038】

図７は、上記ソース電極１１とアンドープＧａＮ層１との界面Ｓ１のソース電極側から上記ＧａＮ層１側へ亘る深さ方向における酸素の濃度分布、およびＡｌ,Ｔｉ,Ｇａの濃度分布を示すグラフである。図７において、縦軸目盛の１.Ｅ＋００、１.Ｅ＋０１、…、１.Ｅ＋０７は、それぞれ、１.０、１.０×１０、…、１.０×１０^７を表す。このグラフは、図６と同様、ＴＥＧ(テスト・エレメント・グループ)を用い、ＳＩＭＳ(２次イオン質量分析法)により測定した結果を表し、横軸に深さ(ｎｍ)を取り、縦軸に相対２次イオン強度(counts)を取ったものである。上記界面Ｓ１は、カーボンＣの相対２次イオン強度(counts)のピークの位置に対応している。図７のグラフでは、一例として、深さ約３７８ｎｍから深さ約４３８ｎｍの領域が界面近傍の領域Ｒ１であり、界面Ｓ１よりも浅い側へ約２７ｎｍと界面Ｓ１よりも深い側へ約３３ｎｍの範囲が界面近傍の領域Ｒ１である。

【0039】

尚、上記ドレイン電極１２とアンドープＧａＮ層１との界面Ｓ２のドレイン電極１２側から上記ＧａＮ層１側へ亘る深さ方向におけるＡｌ,Ｔｉ,Ｇａの濃度分布も、図７のグラフと同様であった。

【0040】

また、上記実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、上記オーミック電極としてのソース電極１１,ドレイン電極１２から上記ＧａＮ層１に亘る深さ方向の塩素濃度分布において、上記ソース電極１１,ドレイン電極１２と上記アンドープＧａＮ層１との界面Ｓ１,Ｓ２の上記アンドープＧａＮ層１側の領域において、上記界面Ｓ１,Ｓ２近傍の位置に第１の塩素濃度ピークＰ１０が形成される。また、上記第１の塩素濃度ピークＰ１０よりも深い位置に、第２の塩素濃度ピークＰ２０が形成される。なお、上記界面Ｓ１,Ｓ２近傍とは、図７を参照して上述したように、例えば、界面Ｓ１,Ｓ２よりも深い側へ約３３ｎｍの範囲であり、図８から分かるように、第２の塩素濃度ピークＰ２０は、界面近傍よりも深い位置にある。

【0041】

また、上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度は、例えば、５．０×１０^１６ｃｍ^−３以上かつ９．６×１０^１７ｃｍ^−３以下になる。この第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度は、上記第２の塩素濃度ピークＰ２０の塩素濃度よりも高い。

【0042】

図８は、上記ソース電極１１から上記アンドープＧａＮ層１に亘る深さ方向の塩素濃度分布の一例を示すグラフである。図８において、縦軸目盛の１.Ｅ＋０１、１.Ｅ＋０２、…、１.Ｅ＋０４は、それぞれ、１.０×１０、１.０×１０^２、…、１.０×１０^４を表す。このグラフは、ＴＥＧ(テスト・エレメント・グループ)を用い、ＳＩＭＳ(２次イオン質量分析法)により測定した結果を表し、横軸に深さ(ｎｍ)を取り、縦軸に相対２次イオン強度(counts)を取ったものである。図８に示すように、上記界面Ｓ１の位置に凸状の塩素濃度分布を有し、一例として、上記界面Ｓ１から上記ＧａＮ層１側へ約１０ｎｍの深さの界面近傍に、第１の塩素濃度ピークＰ１０が位置し、上記界面Ｓ１から上記ＧａＮ層１側へ約９５ｎｍの深さに、第２の塩素濃度ピークＰ２０が位置している。図８に示す一例では、上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度が、１.６×１０^１７ｃｍ^−３であった。また、上記第２の塩素濃度ピークＰ２０の塩素濃度は、８.４×１０^１６ｃｍ^−３であった。

【0043】

尚、上記ドレイン電極１２とアンドープＧａＮ層１との界面Ｓ２のドレイン電極１２側から上記ＧａＮ層１側へ亘る深さ方向における塩素の濃度分布も、図８のグラフと同様であった。

【0044】

次に、図９に、上記窒化物半導体積層体２０の２ＤＥＧ層３と上記ソース電極１１,ドレイン電極１２とのコンタクト抵抗(Ωｍｍ)と、上記第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度(ｃｍ^−３)との関係を示す。図９において、横軸目盛のＥ＋１７、Ｅ＋１８、Ｅ＋１９、Ｅ＋２０は、それぞれ、×１０^１７、×１０^１８、×１０^１９、×１０^２０を表す。図９において、菱形印◇の各プロットの傍らに記載されている数値が上記各プロットにおけるコンタクト抵抗(Ωｍｍ)である。

【0045】

図９から分かるように、上記第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度(ｃｍ^−３)を、１.１×１０^１８ｃｍ^−３以上かつ６.８×１０^１８ｃｍ^−３以下の範囲内にすることで、上記第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度が上記範囲外である場合に比べて、上記コンタクト抵抗を格段に低減できる。

【0046】

なお、図９において、各プロットのサンプルは、上記第１の塩素濃度ピークの塩素濃度が、５．０×１０^１６(ｃｍ^−３)以上かつ９．６×１０^１７(ｃｍ^−３)以下である。

【0047】

次に、図１０に、上記窒化物半導体積層体２０の２ＤＥＧ層３と上記ソース電極１１,ドレイン電極１２とのコンタクト抵抗(Ωｍｍ)と、上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度(ｃｍ^−３)との関係を示す。図１０において、横軸目盛のＥ＋１６、Ｅ＋１７、Ｅ＋１８、Ｅ＋１９は、それぞれ、×１０^１６、×１０^１７、×１０^１８、×１０^１９を表す。図１０において、菱形印◇の各プロットの傍らに記載されている数値が上記各プロットにおけるコンタクト抵抗(Ωｍｍ)を表す。

【0048】

図１０から分かるように、上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度(ｃｍ^−３)を、５.０×１０^１６ｃｍ^−３以上かつ９.６×１０^１７ｃｍ^−３以下の範囲内にすることで、上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度が上記範囲外である場合に比べて、上記コンタクト抵抗を格段に低減できる。

【0049】

なお、図１０において、各プロットのサンプルは、上記第１の酸素濃度ピークの酸素濃度が、１．１×１０^１８(ｃｍ^−３)以上かつ６．８×１０^１８(ｃｍ^−３)以下である。

【0050】

次に、図１１に、上記第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度(ｃｍ^−３)および上記第１の塩素濃度ピークＰ１０とコンタクト抵抗(Ωｍｍ)との関係を表す。図１１では、縦軸に上記第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度(ｃｍ^−３)を取り、横軸に上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度(ｃｍ^−３)を取り、菱形印◇の各プロットの傍らに記載されている数値が上記各プロットにおけるコンタクト抵抗(Ωｍｍ)を表す。図１１において、横軸目盛のＥ＋１６、Ｅ＋１７、Ｅ＋１８、Ｅ＋１９は、それぞれ、×１０^１６、×１０^１７、×１０^１８、×１０^１９を表し、縦軸目盛のＥ＋１７、Ｅ＋１８、Ｅ＋１９、Ｅ＋２０は、それぞれ、×１０^１７、×１０^１８、×１０^１９、×１０^２０を表す。

【0051】

図１１から分かるように、第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度が、１.１×１０^１８ｃｍ^−３以上かつ６.８×１０^１８ｃｍ^−３以下の範囲内であると共に、上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度が、５.０×１０^１６ｃｍ^−３以上かつ９.６×１０^１７ｃｍ^−３以下の範囲内であることによって、上記第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度が上記範囲外である場合や上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度が上記範囲外である場合に比べて、上記コンタクト抵抗を格段に低減できる。

【0052】

上記実施形態では、一例として、上記第１の酸素濃度ピークの酸素濃度が２.６×１０^１８ｃｍ^−３であると共に、上記第１の塩素濃度ピークの塩素濃度が１.６×１０^１７ｃｍ^−３であることで、オーミック電極(ソース電極１１,ドレイン電極１２)とＧａＮ層１とのコンタクト抵抗を１.１Ωｍｍにできた。

【0053】

これに対して、上記第１の酸素濃度ピークの酸素濃度が１.１×１０^１８ｃｍ^−３を下回るとコンタクト抵抗が７０Ωｍｍに急増している。これは、オーミックコンタクトの形成に必要なＧａＮ層側の反応である酸素の活性化が不足するからであると考えられる。一方、上記第１の酸素濃度ピークの酸素濃度が６.８×１０^１８ｃｍ^−３を上回るとコンタクト抵抗が１００Ωｍｍに急増している。これは、上記第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度が高過ぎると、塩素濃度が低くても、過剰な酸素がＴｉと反応し、オーミックコンタクト形成に必要なＧａＮ層１側の反応であるＴｉによるＧａＮからのＮの引き抜き反応が十分に行なわれないからであると考えられる。

【0054】

また、上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度が９.６×１０^１７ｃｍ^−３を上回るとコンタクト抵抗が５０Ωｍｍまで急増したプロットが存在している。これは、上記第２の塩素濃度ピークＰ２０の塩素濃度が高過ぎると、酸素濃度が所定の範囲内(１.１×１０^１８ｃｍ^−３〜６.８×１０^１８ｃｍ^−３)でも、過剰な塩素がＧａやＴｉと反応し、オーミックコンタクト形成に必要なＧａＮ層１側の反応であるＴｉによるＧａＮからのＮの引き抜き反応や酸素の活性化が阻害されたためと考えられる。

【0055】

この実施形態によれば、第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度が１.１×１０^１８ｃｍ^−３〜６.８×１０^１８ｃｍ^−３の範囲内であり、かつ、第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度が５.０×１０^１６ｃｍ^−３〜９.６×１０^１７ｃｍ^−３の範囲内である。これにより、オーミックコンタクト形成に必要なＧａＮ層側の酸素の活性化,ＧａＮからのＮの引き抜き反応を促進でき、第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度が上記範囲外である場合や上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度が上記範囲外である場合に比べて、格段に低抵抗のオーミックコンタクトを形成できると考えられる。

【0056】

なお、上記実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、絶縁膜１３０、ＡｌＧａＮ層１０２、ＧａＮ層１０１をドライエッチングにより除去し、凹部１０６,１０９を形成したが、絶縁膜１３０をウェットエッチングにより除去し、その後ＡｌＧａＮ層１０２、ＧａＮ層１０１をドライエッチングにより除去することにより、凹部１０６,１０９を形成してもよい。

【0057】

また、上記実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、Ｔｉ/Ａｌ/ＴｉＮを積層してオーミック電極としたが、これに限らず、ＴｉＮはなくともよく、また、Ｔｉ/Ａｌを積層した後、その上にＡｕ,Ａｇ,Ｐｔなどを積層してもよい。

【0058】

また、上記実施形態では、Ｓｉ基板を用いた窒化物半導体装置について説明したが、Ｓｉ基板に限らず、サファイヤ基板やＳｉＣ基板を用いてもよく、サファイヤ基板やＳｉＣ基板上に窒化物半導体層を成長させてもよいし、ＧａＮ基板にＡｌＧａＮ層を成長させる等のように、窒化物半導体からなる基板上に窒化物半導体層を成長させてもよい。また、基板と窒化物半導体層との間にバッファ層を形成してもよいし、窒化物半導体積層体の第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との間にヘテロ改善層を形成してもよい。

【0059】

また、上記実施形態では、オーミック電極がＧａＮ層に達するリセス構造のＨＦＥＴについて説明したが、リセスを形成せずにアンドープＡｌＧａＮ層上にソース電極およびドレイン電極となるオーミック電極を形成したＨＦＥＴにこの発明を適用してもよい。また、この発明の窒化物半導体装置は、２ＤＥＧを利用するＨＦＥＴに限らず、他の構成の電界効果トランジスタであっても同様の効果が得られる。

【0060】

また、上記実施形態では、ノーマリーオンタイプのＨＦＥＴについて説明したが、ノーマリーオフタイプの窒化物半導体装置にこの発明を適用してもよい。また、ショットキー電極に限らず、絶縁ゲート構造の電界効果トランジスタにこの発明を適用してもよい。また、この発明は、電界効果トランジスタに限らず、ショットキーダイオードのオーミック電極に適用してもよい。

【0061】

この発明の窒化物半導体装置の窒化物半導体は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_１−x−yＮ(ｘ≦０、ｙ≦０、０≦ｘ＋ｙ≦１)で表されるものであればよい。

【0062】

この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。

【符号の説明】

【0063】

１,１０１ ＧａＮ層
２,１０２ ＡｌＧａＮ層
３,１０３ ２ＤＥＧ層
１０ Ｓｉ基板
１１ ソース電極
１２ ドレイン電極
１３ ゲート電極
１５ ＡｌＧａＮバッファ層
２０,１２０ 窒化物半導体積層体
３０,１３０ 絶縁膜
４０ 層間絶縁膜
４１ ビア
４２ ドレイン電極パッド
１０６,１０９ 凹部
１１１,１１２ オーミック電極
Ｐ１ 第１の酸素濃度ピーク
Ｐ２ 第２の酸素濃度ピーク
Ｐ１０ 第１の塩素濃度ピーク
Ｐ２０ 第２の塩素濃度ピーク
Ｓ１ 界面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】