特許 6594272 半導体装置及びその製造方法

(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】6594272

(24)【登録日】2019年10月4日

(45)【発行日】2019年10月23日

(54)【発明の名称】半導体装置及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/338 20060101AFI20191010BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20191010BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20191010BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20191010BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20191010BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/80 H

   H01L29/78 301B

【請求項の数】6

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-171415(P2016-171415)

(22)【出願日】2016年9月2日

(65)【公開番号】特開2018-37600(P2018-37600A)

(43)【公開日】2018年3月8日

【審査請求日】2018年8月30日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317011920

【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100119035

【弁理士】

【氏名又は名称】池上 徹真

(74)【代理人】

【識別番号】100141036

【弁理士】

【氏名又は名称】須藤 章

(74)【代理人】

【識別番号】100088487

【弁理士】

【氏名又は名称】松山 允之

(72)【発明者】

【氏名】犬宮 誠治

【審査官】 棚田 一也

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／００５３９２１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１６−１４３８４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０１４４９５５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／１７２７５３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−１８３５９７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３３８

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

Ｈ０１Ｌ ２９／７７８

Ｈ０１Ｌ ２９／７８

Ｈ０１Ｌ ２９／８１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層の上に設けられ、前記第１の窒化物半導体層よりも電子親和力の小さい第２の窒化物半導体層と、
ゲート電極と、
前記ゲート電極と前記第２の窒化物半導体層との間に設けられた酸窒化アルミニウム層と、
前記第１の窒化物半導体層に電気的に接続された第１の電極と、
前記第１の電極との間に前記ゲート電極が設けられ、前記第１の窒化物半導体層に電気的に接続された第２の電極と、
前記第１の電極と前記酸窒化アルミニウム層との間の、前記第２の窒化物半導体層の上に設けられた第１の窒化アルミニウム層と、
前記酸窒化アルミニウム層と前記第２の電極との間の、前記第２の窒化物半導体層の上に設けられた第２の窒化アルミニウム層と、
を備え、
前記第１の窒化アルミニウム層が前記第２の窒化物半導体層に接し、前記第２の窒化アルミニウム層が前記第２の窒化物半導体層に接し、
前記酸窒化アルミニウム層が前記第２の窒化物半導体層に接し、
前記酸窒化アルミニウム層と前記第１の窒化物半導体層との距離をｄ１、前記第１の窒化アルミニウム層と前記第１の窒化物半導体層との距離をｄ２とした場合に、ｄ１とｄ２との差が−１ｎｍ以上１ｎｍ以下である半導体装置。

【請求項2】

前記第１の窒化アルミニウム層が結晶質であり、前記第２の窒化アルミニウム層が結晶質である請求項１記載の半導体装置。

【請求項3】

前記第１の電極が前記第２の窒化物半導体層に接し、前記第２の電極が前記第２の窒化物半導体層に接する請求項１又は請求項２記載の半導体装置。

【請求項4】

前記酸窒化アルミニウム層中の酸素と窒素の和に対する窒素の原子比が、０．００１以上０．１以下である請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の半導体装置。

【請求項5】

前記ゲート電極と前記酸窒化アルミニウム層との間に設けられた絶縁層を、更に備える請求項１ないし請求項４いずれか一項記載の半導体装置。

【請求項6】

第１の窒化物半導体層の上に前記第１の窒化物半導体層よりも電子親和力の小さい第２の窒化物半導体層を形成し、
前記第２の窒化物半導体層の上に窒化アルミニウム層を形成し、
前記窒化アルミニウム層の一部を選択的に酸化して、前記第２の窒化物半導体層に接する酸窒化アルミニウム層を形成し、
前記酸窒化アルミニウム層の上にゲート電極を形成する半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、半導体装置及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いた高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＥＭＴ）は、チャネル層に形成される２次元電子ガス（２ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｇａｓ：２ＤＥＧ）により、デバイス動作中の低いオン抵抗と速いスイッチング速度を実現する。しかし、通常のＨＥＭＴでは、ゲート電極下のチャネル層に２ＤＥＧが存在する。このため、ゲート電極に電圧を印加しない状態でソース・ドレイン間に電流が流れるノーマリー・オン特性を備える。

【0003】

ＨＥＭＴが組み込まれた機器の起動時に、ＨＥＭＴのソース・ドレイン間に電流が流れてしまう構成は、多くのアプリケーションにとって好ましい構成ではない。したがって、ゲート電極に電圧を印加しない状態では、ソース・ドレイン間に電流が流れないノーマリー・オフ特性をＨＥＭＴが備えることが望ましい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６−７２３５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、ノーマリー・オフ特性の実現が可能な半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様の半導体装置は、第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層の上に設けられ、前記第１の窒化物半導体層よりも電子親和力の小さい第２の窒化物半導体層と、ゲート電極と、前記ゲート電極と前記第２の窒化物半導体層との間に設けられた酸窒化アルミニウム層と、前記第１の窒化物半導体層に電気的に接続された第１の電極と、前記第１の電極との間に前記ゲート電極が設けられ、前記第１の窒化物半導体層に電気的に接続された第２の電極と、前記第１の電極と前記酸窒化アルミニウム層との間の、前記第２の窒化物半導体層の上に設けられた第１の窒化アルミニウム層と、前記酸窒化アルミニウム層と前記第２の電極との間の、前記第２の窒化物半導体層の上に設けられた第２の窒化アルミニウム層と、を備え、前記第１の窒化アルミニウム層が前記第２の窒化物半導体層に接し、前記第２の窒化アルミニウム層が前記第２の窒化物半導体層に接し、前記酸窒化アルミニウム層が前記第２の窒化物半導体層に接し、前記酸窒化アルミニウム層と前記第１の窒化物半導体層との距離をｄ１、前記第１の窒化アルミニウム層と前記第１の窒化物半導体層との距離をｄ２とした場合に、ｄ１とｄ２との差が−１ｎｍ以上１ｎｍ以下である。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１の実施形態の半導体装置の模式断面図。

【図2】第１の実施形態の製造途中の半導体装置の模式断面図。

【図3】第１の実施形態の製造途中の半導体装置の模式断面図。

【図4】第１の実施形態の製造途中の半導体装置の模式断面図。

【図5】第１の実施形態の製造途中の半導体装置の模式断面図。

【図6】第１の実施形態の製造途中の半導体装置の模式断面図。

【図7】第１の実施形態の製造途中の半導体装置の模式断面図。

【図8】第１の実施形態の製造途中の半導体装置の模式断面図。

【図9】第２の実施形態の半導体装置の模式断面図。

【図10】第２の実施形態の製造途中の半導体装置の模式断面図。

【図11】第２の実施形態の製造途中の半導体装置の模式断面図。

【図12】第２の実施形態の製造途中の半導体装置の模式断面図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

本明細書中、同一又は類似する部材については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。

【0009】

本明細書中、「アンドープ」とは、不純物濃度が１×１０^１５ｃｍ^−３以下であることを意味する。

【0010】

本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。

【0011】

（第１の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層の上に設けられ、第１の窒化物半導体層よりも電子親和力の小さい第２の窒化物半導体層と、ゲート電極と、ゲート電極と第２の窒化物半導体層との間に設けられた酸窒化アルミニウム層と、第１の窒化物半導体層に電気的に接続された第１の電極と、第１の電極との間にゲート電極が設けられ、第１の窒化物半導体層に電気的に接続された第２の電極と、第１の電極と酸窒化アルミニウム層との間の、第２の窒化物半導体層の上に設けられた第１の窒化アルミニウム層と、酸窒化アルミニウム層と第２の電極との間の、第２の窒化物半導体層の上に設けられた第２の窒化アルミニウム層と、を備える。

【0012】

図１は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いたＨＥＭＴである。

【0013】

図１に示すように、ＨＥＭＴ１００（半導体装置）は、基板１０、バッファ層１２、チャネル層１４（第１の窒化物半導体層）、バリア層１６（第２の窒化物半導体層）、第１の窒化アルミニウム層１８ａ、第２の窒化アルミニウム層１８ｂ、第１のキャップ層２０ａ、第２のキャップ層２０ｂ、酸窒化アルミニウム層２２、ゲート電極２４、ソース電極２６（第１の電極）、及び、ドレイン電極２８（第２の電極）を備える。

【0014】

基板１０は、例えば、表面の面方位が（１１１）のシリコンである。シリコン以外にも、例えば、サファイアや炭化珪素を適用することも可能である。

【0015】

バッファ層１２は、基板１０上に設けられる。バッファ層１２は、基板１０とチャネル層１４との間の格子不整合を緩和する機能を備える。バッファ層１２は、例えば、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウムで形成される。

【0016】

チャネル層１４は、バッファ層１２上に設けられる。チャネル層１４は電子走行層とも称される。

【0017】

チャネル層１４は、例えば、アンドープのＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）である。より具体的には、例えば、アンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）である。チャネル層１４の厚さは、例えば、０．１μｍ以上１０μｍ以下である。

【0018】

バリア層１６は、チャネル層１４上に設けられる。バリア層１６は電子供給層とも称される。バリア層１６の電子親和力は、チャネル層１４の電子親和力よりも小さい。

【0019】

電子親和力は、伝導体の下端と真空準位のエネルギー差である。バリア層１６の電子親和力がチャネル層１４の電子親和力よりも小さいことで、チャネル層１４に２ＤＥＧが形成される。バリア層１６のバンドギャップは、チャネル層１４のバンドギャップよりも大きい。

【0020】

バリア層１６は、例えば、アンドープのＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１、Ｘ＜Ｙ）である。バリア層１６は、例えば、アンドープの窒化アルミニウムガリウムである。より具体的には、例えば、アンドープのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎである。バリア層１６の厚さは、例えば、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。

【0021】

チャネル層１４とバリア層１６との間は、ヘテロ接合界面となる。チャネル層１４とバリア層１６との間の界面は、実質的に平坦である。言い換えれば、チャネル層１４の表面は、実質的に平坦である。

【0022】

チャネル層１４には、ヘテロ接合界面の分極電荷によって、２ＤＥＧが形成される。２ＤＥＧは高い電子移動度を有し、デバイス動作中の低オン抵抗と高速スイッチングを可能にする。

【0023】

ソース電極２６とドレイン電極２８は、バリア層１６上に設けられる。ソース電極２６とドレイン電極２８は、例えば、金属電極である。ソース電極２６とドレイン電極２８は、例えば、チタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層構造である。チタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の厚さは、例えば、２５ｎｍ／３００ｎｍ／５０ｎｍ／５０ｎｍである。

【0024】

ソース電極２６及びドレイン電極２８は、例えば、バリア層１６に接する。ソース電極２６及びドレイン電極２８とバリア層１６との間は、オーミックコンタクトであることが望ましい。ソース電極２６及びドレイン電極２８は、バリア層１６を介してチャネル層１４に電気的に接続される。ソース電極２６及びドレイン電極２８が、チャネル層１４に接する構造とすることも可能である。

【0025】

ソース電極２６とドレイン電極２８との距離は、例えば、５μｍ以上３０μｍ以下である。

【0026】

酸窒化アルミニウム層２２は、ソース電極２６とドレイン電極２８の間のバリア層１６上に設けられる。酸窒化アルミニウム層２２は、バリア層１６とゲート電極２４との間に設けられる。酸窒化アルミニウム層２２は、バリア層１６に接して設けられる。酸窒化アルミニウム層２２は、ＨＥＭＴ１００のゲート絶縁膜として機能する。

【0027】

酸窒化アルミニウム層２２は、非晶質である。酸窒化アルミニウム層２２中の酸素と窒素の和に対する窒素の原子比（Ｎ／（Ｏ＋Ｎ））は、例えば、０．００１以上０．１以下である。酸窒化アルミニウム層２２中の原子比は、例えば、電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）により測定することが可能である。

【0028】

酸窒化アルミニウム層２２は、酸窒化アルミニウムを主成分とする材料であり、副成分としてその他の材料を含んでいても構わない。酸窒化アルミニウム層２２の厚さは、例えば、４ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。

【0029】

ゲート電極２４は、ソース電極２６とドレイン電極２８との間に設けられる。ゲート電極２４とバリア層１６との間に酸窒化アルミニウム層２２が設けられる。

【0030】

ゲート電極２４は、例えば、金属電極である。ゲート電極２４は、例えば、白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）の積層構造である。白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）の厚さは、例えば、５０ｎｍ／５００ｎｍである。

【0031】

第１の窒化アルミニウム層１８ａは、バリア層１６上に設けられる。第１の窒化アルミニウム層１８ａは、バリア層１６に接する。第１の窒化アルミニウム層１８ａは、ソース電極２６と酸窒化アルミニウム層２２との間に設けられる。第１の窒化アルミニウム層１８ａは、ソース電極２６とゲート電極２４との間に設けられる。第１の窒化アルミニウム層１８ａは、第１の窒化アルミニウム層１８ａの下のチャネル層１４表面の２ＤＥＧ密度を増大させる。

【0032】

第１の窒化アルミニウム層１８ａは、結晶質である。第１の窒化アルミニウム層１８ａは、例えば、単結晶層である。第１の窒化アルミニウム層１８ａは、窒化アルミニウムを主成分とする材料であり、副成分としてその他の材料を含んでいても構わない。第１の窒化アルミニウム層１８ａの厚さは、例えば、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。

【0033】

第２の窒化アルミニウム層１８ｂは、バリア層１６上に設けられる。第２の窒化アルミニウム層１８ｂは、酸窒化アルミニウム層２２とドレイン電極２８との間に設けられる。第２の窒化アルミニウム層１８ｂは、バリア層１６に接する。第２の窒化アルミニウム層１８ｂは、ゲート電極２４とドレイン電極２８との間に設けられる。第２の窒化アルミニウム層１８ｂは、第２の窒化アルミニウム層１８ｂの下のチャネル層１４表面の２ＤＥＧ密度を増大させる。

【0034】

第２の窒化アルミニウム層１８ｂは、結晶質である。第２の窒化アルミニウム層１８ｂは、例えば、単結晶層である。第２の窒化アルミニウム層１８ｂは、窒化アルミニウムを主成分とする材料であり、副成分としてその他の材料を含んでいても構わない。第２の窒化アルミニウム層１８ｂの厚さは、例えば、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。

【0035】

酸窒化アルミニウム層２２とバリア層１６との距離をｄ１、第１の窒化アルミニウム層１８ａとバリア層１６との距離をｄ２、第２の窒化アルミニウム層１８ｂとバリア層１６との距離をｄ３とした場合に、例えば、ｄ１とｄ２との差が−１ｎｍ以上１ｎｍ以下であり、ｄ１とｄ３との差が−１ｎｍ以上１ｎｍ以下である。バリア層１６の表面は、例えば、実質的に平坦である。

【0036】

第１のキャップ層２０ａは、第１の窒化アルミニウム層１８ａ上に設けられる。第１のキャップ層２０ａは、絶縁層である。第１の窒化アルミニウム層１８ａは、第１の窒化アルミニウム層１８ａの酸化を防止する。

【0037】

第１のキャップ層２０ａは、例えば、非晶質の酸化アルミニウムである。第１のキャップ層２０ａの厚さは、例えば、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。

【0038】

第２のキャップ層２０ｂは、第２の窒化アルミニウム層１８ｂ上に設けられる。第２のキャップ層２０ｂは、絶縁層である。第２の窒化アルミニウム層１８ｂは、第２の窒化アルミニウム層１８ｂの酸化を防止する。

【0039】

第２のキャップ層２０ｂは、例えば、非晶質の酸化アルミニウムである。第２のキャップ層２０ｂの厚さは、例えば、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。

【0040】

次に、本実施形態の半導体装置の製造方法の一例について説明する。図２〜図８は、本実施形態の製造途中の半導体装置の模式断面図である。

【0041】

本実施形態の半導体装置の製造方法は、第１の窒化物半導体層上に第１の窒化物半導体層よりも電子親和力の小さい第２の窒化物半導体層を形成し、第２の窒化物半導体層上に窒化アルミニウム層を形成し、窒化アルミニウム層の一部を選択的に酸化して酸窒化アルミニウム層を形成し、酸窒化アルミニウム層上にゲート電極を形成する。

【0042】

最初に、基板１０、例えば、表面の面方位が（１１１）のシリコン基板を準備する（図２）。次に、例えば、シリコン基板上にエピタキシャル成長により、バッファ層１２を成長させる。バッファ層１２は、例えば、窒化アルミニウムである。例えば、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によりバッファ層１２を成長させる。

【0043】

次に、バッファ層１２上に、例えば、チャネル層１４となるアンドープのＧａＮ、バリア層１６となるアンドープのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎをエピタキシャル成長により形成する。例えば、ＭＯＣＶＤ法により、チャネル層１４、バリア層１６を成長させる（図３）。バリア層１６の厚さは、例えば、５ｎｍである。

【0044】

次に、バリア層１６上に、窒化アルミニウム層１８及びキャップ層２０となる酸化アルミニウムを、例えば、プラズマ原子層成長（ＰＥ−ＡＬＤ）法により、大気中に曝露することなく連続堆積する（図４）。窒化アルミニウム層１８の堆積にはトリメチルアルミニウムとアンモニアガスを原料ガスとして用いる。酸化アルミニウムの堆積にはトリメチルアルミニウムと水蒸気を原料ガスとして用いる。

【0045】

窒化アルミニウム層１８は結晶質であり、キャップ層２０となる酸化アルミニウムは非晶質である。窒化アルミニウム層１８の厚さは、例えば、１０ｎｍである。キャップ層２０となる酸化アルミニウムの厚さは、例えば、１０ｎｍである。

【0046】

ＰＥ−ＡＬＤ法により成長させる窒化アルミニウム層１８は大気中で酸化されやすい。キャップ層２０は、窒化アルミニウム層１８の酸化を防止する。

【0047】

窒化アルミニウム層１８は、成長初期に下地の窒化アルミニウムガリウムの結晶性を引き継いでエピタキシャル成長する。窒化アルミニウム層１８を、ＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させても構わない。

【0048】

次に、キャップ層２０の一部を除去する（図５）。後にゲート電極２４が形成される領域のキャップ層２０を選択的に除去する。キャップ層２０は、例えば、リソグラフィ法とウェットエッチング法により選択的に除去する。ウェットエッチング法には、例えば、緩衝弗酸水溶液を用いる。

【0049】

次に、窒化アルミニウム層１８の一部を選択的に酸化して、酸窒化アルミニウム層２２を形成する（図６）。キャップ層２０の開口部に露出した窒化アルミニウム層１８を、例えば、プラズマ酸化法を用いて酸化する。例えば、酸窒化アルミニウム層２２がバリア層１６に接するように酸化する。

【0050】

次に、例えば、リソグラフィ法とウェットエッチング法を用いて、キャップ層２０及び窒化アルミニウム層１８の一部を除去する。後にソース電極２６とドレイン電極２８が形成される領域のキャップ層２０及び窒化アルミニウム層１８を除去する。

【0051】

次に、例えば、電子ビーム蒸着法とリフトオフ法を用いて、バリア層１６上に、ソース電極２６及びドレイン電極２８を形成する（図７）。ソース電極２６及びドレイン電極２８は、例えば、チタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層構造であり、厚さは２５ｎｍ／３００ｎｍ／５０ｎｍ／５０ｎｍである。

【0052】

例えば、６７５℃、１０分間の窒素雰囲気アニールを行うことにより、ソース電極２６及びドレイン電極２８とチャネル層１４の表面の２ＤＥＧとの間にオーミックコンタクトが形成される。

【0053】

次に、例えば、電子ビーム蒸着法とリフトオフ法を用いて、酸窒化アルミニウム層２２上にゲート電極２４を形成する（図８）。ゲート電極２４は、例えば、白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）の積層構造であり、厚さは５０ｎｍ／５００ｎｍである。

【0054】

その後、図示しないパッシベーション層形成工程、ビア開口工程、フィールドプレート形成工程、ビア開口工程、パッドメタル形成工程などを経て、図１のＨＥＭＴ１００が製造される。

【0055】

次に、本実施形態の半導体装置の作用及び効果について説明する。

【0056】

本実施形態のＨＥＭＴ１００は、ゲート電極２４の下のバリア層１６の厚さを薄くすることにより、ゲート電極２４の下のチャネル層１４の表面を、ゲート電極２４に電圧を印加しない状態で空乏化させることが可能である。したがって、ゲート電極２４に電圧を印加しない状態でＨＥＭＴ１００をオフ状態にすることが可能である。

【0057】

一方、ゲート電極２４に閾値電圧よりも高い電圧を印加すると、ゲート電極２４の下のチャネル層１４の表面に２ＤＥＧが誘起される。したがって、ソース電極２６とドレイン電極２８間に電流が流れ、ＨＥＭＴ１００はオン状態となる。

【0058】

よって、ＨＥＭＴ１００はノーマリー・オフ特性を備えることになる。

【0059】

更に、本実施形態のＨＥＭＴ１００では、酸窒化アルミニウム層２２をゲート絶縁膜として備える。窒素を含む酸窒化アルミニウム層２２は負の固定電荷を備える。酸窒化アルミニウム層２２中の負の固定電荷により、ＨＥＭＴ１００の閾値電圧が正の方向にシフトする。言い換えれば、酸窒化アルミニウム層２２中の負の固定電荷により、ＨＥＭＴ１００の閾値電圧が上昇する。したがって、ＨＥＭＴ１００のノーマリー・オフ特性が安定する。

【0060】

一般に、酸窒化アルミニウムは酸化ガリウムよりもリーク電流が小さい。本実施形態のＨＥＭＴ１００は、酸窒化アルミニウム層２２をゲート絶縁膜として用いることで、低いゲートリーク電流の実現が可能である。

【0061】

また、本実施形態のＨＥＭＴ１００のチャネル層１４の表面及びバリア層１６の表面は、ソース電極２６からドレイン電極２８に至るまでの間で、実質的に平坦である。したがって、ソース電極２６からドレイン電極２８に向けて、チャネル層１４の表面を流れる電子の散乱が抑制される。よって、オン抵抗の低い高性能なＨＥＭＴ１００が実現する。

【0062】

また、本実施形態のＨＥＭＴ１００は、ソース電極２６とゲート電極２４との間に第１の窒化アルミニウム層１８ａ、ゲート電極２４とドレイン電極２８との間に第２の窒化アルミニウム層１８ｂを備える。第１の窒化アルミニウム層１８ａにより、第１の窒化アルミニウム層１８ａの下のチャネル層１４表面に誘起される分極電荷の量が増大する。よって、第１の窒化アルミニウム層１８ａの下のチャネル層１４表面の２ＤＥＧ密度が増大する。

【0063】

同様に、第２の窒化アルミニウム層１８ｂの下のチャネル層１４表面の２ＤＥＧ密度が増大する。したがって、ノーマリー・オフ特性の実現のために、バリア層１６の厚さを薄くした場合であっても、全体として低いオン抵抗を維持することが可能となる。

【0064】

本実施形態の製造方法では、ゲート絶縁膜である酸窒化アルミニウム層２２を窒化アルミニウム層１８の酸化により形成する。酸窒化アルミニウム層２２を酸化により形成することで、バリア層１６と酸窒化アルミニウム層２２との界面の界面準位密度が低下する。また、酸化により形成される膜は、堆積膜よりも膜中のトラップ密度が低い。したがって、デバイス動作中の閾値変動が抑制され、信頼性の高いＨＥＭＴ１００が製造される。

【0065】

また、本実施形態の製造方法では、酸窒化アルミニウム層２２を窒化アルミニウム層１８の酸化により形成する際に、酸化される窒化アルミニウム層１８から窒素ラジカルがバリア層１６に供給される。したがって、バリア層１６内の窒素欠損密度が低減される。よって、デバイス動作中の窒素欠損による電子の散乱が抑制され、オン抵抗が低い高性能なＨＥＭＴ１００が製造される。

【0066】

また、本実施形態の製造方法では、酸窒化アルミニウム層２２を窒化アルミニウム層１８の酸化により形成する。このため、ゲート電極２４の下のバリア層１６の厚さのばらつきは、酸窒化アルミニウム層２２の酸化量のばらつきに依存する。ゲート電極２４の下のバリア層１６の厚さのばらつきは、ＨＥＭＴ１００の閾値電圧のばらつきにつながる。

【0067】

例えば、バリア層をドライエッチングしてゲート電極下のバリア層の膜厚を制御し、ノーマリー・オフ特性を実現する方法がある。いわゆるゲート・リセス構造のＨＥＭＴである。

【0068】

一般に、酸化量のウェハ間ばらつき、ウェハ面内ばらつきは、ドライエッチング量のウェハ間ばらつき、ウェハ面内ばらつきと比較して小さい。したがって、本実施形態によれば、閾値電圧のばらつきの小さい安定したＨＥＭＴ１００が製造される。

【0069】

本実施形態のＨＥＭＴ１００は、上記の構造を備えることにより、本実施形態の製造方法により製造することが可能である、したがって、本実施形態のＨＥＭＴ１００によれば、高信頼性、高性能、且つ、閾値電圧の安定が実現できる。

【0070】

ノーマリー・オフ特性を実現する観点から、バリア層１６の厚さは、１０ｎｍ以下であることが望ましく、５ｎｍ以下であることがより望ましい。

【0071】

また、チャネル層１４の表面を流れる電子の散乱を抑制する観点から、酸窒化アルミニウム層２２とバリア層１６との距離をｄ１、第１の窒化アルミニウム層１８ａとバリア層１６との距離をｄ２、第２の窒化アルミニウム層１８ｂとバリア層１６との距離をｄ３とした場合に、例えば、ｄ１とｄ２との差が−１ｎｍ以上１ｎｍ以下であり、ｄ１とｄ３との差が−１ｎｍ以上１ｎｍ以下であることが望ましい。

【0072】

また、酸窒化アルミニウム層２２中の酸素と窒素の和に対する窒素の原子比（Ｎ／（Ｏ＋Ｎ））は、０．００１以上０．１以下であることが望ましく、０．０１以上０．１以下であることがより望ましい。上記範囲を下回ると、閾値電圧が低くなりすぎるおそれがある。上記範囲を上回るとリーク電流が過大になるおそれがある。

【0073】

以上、本実施形態によれば、高信頼性、高性能、且つ、閾値電圧の安定したノーマリー・オフ特性のＨＥＭＴ及びその製造方法が提供される。

【0074】

（第２の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、ゲート電極と酸窒化アルミニウム層との間に設けられた絶縁層を、更に備える以外は第１の実施形態と同様である。以下、第１の実施形態と共通する内容については、記述を省略する場合がある。

【0075】

図９は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いたＨＥＭＴである。

【0076】

図９に示すように、ＨＥＭＴ２００（半導体装置）は、基板１０、バッファ層１２、チャネル層１４（第１の窒化物半導体層）、バリア層１６（第２の窒化物半導体層）、第１の窒化アルミニウム層１８ａ、第２の窒化アルミニウム層１８ｂ、第１のキャップ層２０ａ、第２のキャップ層２０ｂ、酸窒化アルミニウム層２２、ゲート電極２４、ソース電極２６（第１の電極）、及び、ドレイン電極２８（第２の電極）、絶縁層３０を備える。

【0077】

絶縁層３０は、ゲート電極２４と酸窒化アルミニウム層２２との間に設けられる。酸窒化アルミニウム層２２と絶縁層３０とが、ＨＥＭＴ２００のゲート絶縁膜として機能する。

【0078】

絶縁層３０は、非晶質である。絶縁層３０は、酸窒化アルミニウムとは異なる材質である。絶縁層３０は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸窒化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸窒化ハフニウム、酸化ランタン、酸窒化ランタン、酸化プラセオジニウム、酸窒化プラセオジニウムである。絶縁層３０は、上記材料の積層又は混合物であっても構わない。

【0079】

絶縁層３０の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。

【0080】

次に、本実施形態の半導体装置の製造方法の一例について説明する。図１０〜図１２は、本実施形態の製造途中の半導体装置の模式断面図である。

【0081】

まず、基板１０上にバッファ層１２、チャネル層１４、バリア層１６、窒化アルミニウム層１８、キャップ層２０を堆積し、酸窒化アルミニウム層２２を形成するまでは、第１の実施形態の製造方法と同様である。

【0082】

次に、酸窒化アルミニウム層２２及びキャップ層２０上に絶縁層３０を形成する（図１０）。絶縁層３０は、例えば、厚さ２０ｎｍの酸化シリコンである。

【0083】

次に、例えば、リソグラフィ法とウェットエッチング法を用いて、絶縁層３０、キャップ層２０及び窒化アルミニウム層１８の一部を除去する。後にソース電極２６とドレイン電極２８が形成される領域の絶縁層３０、キャップ層２０及び窒化アルミニウム層１８を除去する。

【0084】

次に、例えば、電子ビーム蒸着法とリフトオフ法を用いて、バリア層１６上に、ソース電極２６及びドレイン電極２８を形成する（図１１）。ソース電極２６及びドレイン電極２８は、例えば、チタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）の積層構造であり、厚さは２５ｎｍ／３００ｎｍ／５０ｎｍ／５０ｎｍである。

【0085】

例えば、６７５℃、１０分間の窒素雰囲気アニールを行うことにより、ソース電極２６及びドレイン電極２８とチャネル層１４の表面の２ＤＥＧとの間にオーミックコンタクトが形成される。

【0086】

次に、例えば、電子ビーム蒸着法とリフトオフ法を用いて、絶縁層３０上にゲート電極２４を形成する（図１２）。ゲート電極２４は、例えば、白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）の積層構造であり、厚さは５０ｎｍ／５００ｎｍである。

【0087】

その後、図示しないパッシベーション層形成工程、ビア開口工程、フィールドプレート形成工程、ビア開口工程、パッドメタル形成工程などを経て、図９のＨＥＭＴ２００が製造される。

【0088】

本実施形態のＨＥＭＴ２００は、ゲート絶縁膜として絶縁層３０を備えることで、ゲート絶縁膜が厚くなる。したがって、ゲート絶縁膜に印加される電界強度が低減される。よって、ゲート絶縁膜の耐圧が向上し、信頼性の高いＨＥＭＴ２００が実現される。

【0089】

以上、本実施形態によれば、第１の実施形態同様、高信頼性、高性能、且つ、閾値電圧の安定したノーマリー・オフ特性のＨＥＭＴ及びその製造方法が提供される。また、ゲート絶縁膜の耐圧が向上することにより、第１の実施形態よりも更に信頼性の高いＨＥＭＴ及びその製造方法が提供される。

【0090】

実施形態では、窒化物半導体層の材料として窒化ガリウムや窒化アルミニウムガリウムを例に説明したが、例えば、インジウム（Ｉｎ）を含有する窒化インジウムガリウム、窒化インジウムアルミニウム、窒化インジウムアルミニウムガリウムを適用することも可能である。また、窒化物半導体層の材料として窒化アルミニウムを適用することも可能である。

【0091】

また、実施形態では、バリア層１６として、アンドープの窒化アルミニウムガリウムを例に説明したが、例えば、ｎ型の窒化アルミニウムガリウムを適用することも可能である。

【0092】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0093】

１４ チャネル層（第１の窒化物半導体層）
１６ バリア層（第２の窒化物半導体層）
１８ａ 第１の窒化アルミニウム層
１８ｂ 第２の窒化アルミニウム層
２２ 酸窒化アルミニウム層
２４ ゲート電極
２６ ソース電極
２８ ドレイン電極
３０ 絶縁層
１００ ＨＥＭＴ（半導体装置）
２００ ＨＥＭＴ（半導体装置）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】