特許 7558632 窒化物半導体装置、および、窒化物半導体装置の製造方法

(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】

(24)【登録日】2024-09-20

(45)【発行日】2024-10-01

(54)【発明の名称】窒化物半導体装置、および、窒化物半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/338 20060101AFI20240924BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20240924BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20240924BHJP

   H01L 29/41 20060101ALI20240924BHJP

   H01L 29/423 20060101ALI20240924BHJP

   H01L 29/47 20060101ALI20240924BHJP

   H01L 29/872 20060101ALI20240924BHJP

   H01L 21/768 20060101ALI20240924BHJP

   H01L 23/532 20060101ALI20240924BHJP

   H01L 21/28 20060101ALI20240924BHJP

   H01L 29/49 20060101ALI20240924BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20240924BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20240924BHJP

【ＦＩ】

H01L29/80 H

H01L29/80 F

H01L29/44 P

H01L29/58 Z

H01L29/48 D

H01L21/90 N

H01L21/28 A

H01L29/58 G

H01L29/78 301G

H01L29/78 301V

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2023533676

(86)(22)【出願日】2022-06-29

(86)【国際出願番号】 JP2022025969

(87)【国際公開番号】W WO2024004079

(87)【国際公開日】2024-01-04

【審査請求日】2023-06-01

【早期審査対象出願】

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】滝口 雄貴

(72)【発明者】

【氏名】西村 邦彦

(72)【発明者】

【氏名】吹田 宗義

(72)【発明者】

【氏名】山田 高寛

【審査官】恩田 和彦

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１４－５３４６３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１５６４５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１１０３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３２７７６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１７６１９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２０－５２６９２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１６９４７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１０８８４４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３３８

Ｈ０１Ｌ ２９／４１

Ｈ０１Ｌ ２９／４２３

Ｈ０１Ｌ ２９／４７

Ｈ０１Ｌ ２１／７６８

Ｈ０１Ｌ ２１／２８

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板の上面に設けられる第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層の上面に設けられる第２の窒化物半導体層と、
前記第２の窒化物半導体層の上面に設けられるソース電極と、
前記第２の窒化物半導体層の上面に、前記ソース電極と離間して設けられるドレイン電極と、
平面視で前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に位置し、かつ、前記第２の窒化物半導体層の上面から前記第１の窒化物半導体層の内部まで達する複数の止まり穴と、
それぞれの前記止まり穴内に設けられる埋め込みゲート電極と、
前記埋め込みゲート電極の上面および前記第２の窒化物半導体層の上面に跨って設けられるゲートフィンガー電極を備え、
それぞれの前記止まり穴の側面が、前記第１の窒化物半導体層の｛１ －１ ０ ０｝面に沿い、
複数の前記止まり穴が、前記第１の窒化物半導体層の主面であるｃ面に沿って並んで設けられ、
前記止まり穴が、平面視で六角形状である、
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であり、
前記第１の窒化物半導体層が、ウルツ鉱構造の結晶構造を有する、
窒化物半導体装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載の窒化物半導体装置であり、
前記第２の窒化物半導体層の少なくとも一部を覆って設けられる絶縁膜をさらに備え、
前記絶縁膜が、前記第２の窒化物半導体層と前記埋め込みゲート電極との間と、前記第１の窒化物半導体層と前記埋め込みゲート電極との間、および、前記第２の窒化物半導体層と前記ゲートフィンガー電極との間に設けられる、
窒化物半導体装置。

【請求項4】

請求項１または２に記載の窒化物半導体装置であり、
それぞれの前記止まり穴の全側面が、前記第１の窒化物半導体層の｛１ －１ ０ ０｝面に沿う、
窒化物半導体装置。

【請求項5】

基板の上面に第１の窒化物半導体層を設け、
前記第１の窒化物半導体層の上面に、第２の窒化物半導体層を設け、
前記第２の窒化物半導体層の上面から前記第１の窒化物半導体層の内部まで達する複数の止まり穴を形成し、
前記第２の窒化物半導体層の上面にソース電極を設け、
前記第２の窒化物半導体層の上面に、前記ソース電極と離間してドレイン電極を設け、
それぞれの前記止まり穴内に埋め込みゲート電極を設け、
前記埋め込みゲート電極の上面および前記第２の窒化物半導体層の上面に跨ってゲートフィンガー電極を設け、
それぞれの前記止まり穴が、平面視で前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に位置し、
それぞれの前記止まり穴の側面が、前記第１の窒化物半導体層の｛１ －１ ０ ０｝面に沿い、
複数の前記止まり穴が、前記第１の窒化物半導体層の主面であるｃ面に沿って並んで設けられ、
前記止まり穴が、平面視で六角形状である、
窒化物半導体装置の製造方法。

【請求項6】

請求項５に記載の窒化物半導体装置の製造方法であり、
前記止まり穴内の少なくとも側面に、絶縁膜をさらに設け、
前記埋め込みゲート電極が、前記絶縁膜を介して、前記止まり穴内に設けられる、
窒化物半導体装置の製造方法。

【請求項7】

請求項５または６に記載の窒化物半導体装置の製造方法であり、
それぞれの前記止まり穴の全側面が、前記第１の窒化物半導体層の｛１ －１ ０ ０｝面に沿う、
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】

本願明細書に開示される技術は、窒化物半導体に関するものである。

【背景技術】

【0002】

高周波領域で動作可能なトランジスタとして、ウルツ鉱構造の結晶構造を有する窒化物半導体のヘテロ接合界面に生じる２次元電子ガス（２－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｇａｓ、すなわち、２ＤＥＧ）を用いる、高電子移動度トランジスタ（ｈｉｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、すなわち、ＨＥＭＴ）がある。

【0003】

このような窒化物半導体ＨＥＭＴは、高い２ＤＥＧ密度と、２ＤＥＧの高い移動度とによって、高速かつ、高出力動作が可能なトランジスタである。

【0004】

窒化物半導体を用いるＨＥＭＴの高出力化または高速動作のためには、ゲート電極を縮小し、チャネル長を短くすることが有効である。一方で、チャネル長を短くすることで、ゲート電圧でのドレイン電流の制御性が悪化する短チャネル効果が顕著になる。

【0005】

この短チャネル効果を抑制する構造として、ゲート電極を埋め込み構造とし、チャネルを２方向または３方向から制御することでドレイン電流を制御する半導体装置が、たとえば、特許文献１または非特許文献１に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特表２０２０－５２６９２１号公報

【非特許文献】

【0007】

【文献】Ｑ．Ｄａｉ ｅｔ ａｌ、“Ｄｅｅｐ Ｓｕｂ－６０ｍＶ／ｄｅｃａｄｅ Ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｓｗｉｎｇ ｉｎ ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＦｉｎＭＩＳＨＦＥＴｓ ｗｉｔｈ Ｍ－Ｐｌａｎｅ Ｓｉｄｅｗａｌｌ Ｃｈａｎｎｅｌ”、２０１９、Ｐ１６９９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

窒化物半導体ＨＥＭＴは、主面をｃ面（（０ ０ ０ １）面）として形成され、チャネルはｃ面に沿って形成される。したがって、埋め込みゲート電極を形成する際は、主面に垂直にゲート電極が埋め込まれる。

【0009】

ウルツ鉱構造の結晶構造を有する窒化物半導体においては、主面と垂直な結晶面であるａ面（｛１ １ －２ ０｝面）またはｍ面（｛１ －１ ０ ０｝面）は６０°の回転対称を有する。また、ウルツ鉱構造の結晶構造を有する窒化物半導体では、ｍ面と比較して、ａ面は化学耐性に低い。よってａ面は、溶液によるエッチング速度が速く、化学気相成長時に表面平坦性の悪化が生じる。

【0010】

特許文献１または非特許文献１に開示されている半導体装置では、埋め込みゲート電極が平面視で円形または矩形となっている。このような構造である場合、埋め込みゲート電極を形成するために窒化物半導体に設けられた穴の側面の結晶面が一致していない。すなわち、埋め込みゲート電極を矩形とする場合、１つの側面をｍ面とすると、その面と対向する面はｍ面であるが、対向しない２面はａ面となる。

【0011】

窒化物半導体に設ける穴の側面の結晶面が一致していない場合、ゲート電極埋め込み用の穴加工時に、加工ばらつきまたは表面平坦性の悪化が生じる可能性がある。また、穴加工後の工程において表面平坦性の悪化が生じる可能性がある。これらの加工ばらつきは、チャネル制御にとって重要な埋め込みゲート電極の寸法ばらつきを引き起こす。

【0012】

ゲート電極の寸法のばらつきは、それぞれの埋め込みゲート電極間のしきい値ばらつきにつながり、結果として、トランジスタ特性のばらつきを引き起こす。また、表面平坦性の低下は、埋め込みゲート電極と窒化物半導体との間の界面特性の低下を引き起こし、実効移動度を低下させる。加えて、埋め込みゲート電極と窒化物半導体との間の密着性の低下によって、半導体素子の信頼性の低下につながる。

【0013】

本願明細書に開示される技術は、以上に記載されたような問題を鑑みてなされたものであり、埋め込みゲート電極に起因する装置の特性ばらつきを抑制するための技術である。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本願明細書に開示される技術の第１の態様である窒化物半導体装置は、基板と、前記基板の上面に設けられる第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層の上面に設けられる第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層の上面に設けられるソース電極と、前記第２の窒化物半導体層の上面に、前記ソース電極と離間して設けられるドレイン電極と、平面視で前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に位置し、かつ、前記第２の窒化物半導体層の上面から前記第１の窒化物半導体層の内部まで達する複数の止まり穴と、それぞれの前記止まり穴内に設けられる埋め込みゲート電極と、前記埋め込みゲート電極の上面および前記第２の窒化物半導体層の上面に跨って設けられるゲートフィンガー電極を備え、それぞれの前記止まり穴の側面が、前記第１の窒化物半導体層の｛１ －１ ０ ０｝面に沿い、複数の前記止まり穴が、前記第１の窒化物半導体層の主面であるｃ面に沿って並んで設けられ、前記止まり穴が、平面視で六角形状である。

【発明の効果】

【0015】

本願明細書に開示される技術の少なくとも第１の態様によれば、止まり穴の側面が｛１ －１ ０ ０｝面に沿うことで、平坦で均質な窒化物半導体層の側面を得ることができる。よって、埋め込みゲート電極と窒化物半導体層の側面との間の界面特性を均一にすることができ、穴加工の精度ばらつきに起因する装置の特性ばらつきを抑制することができる。

【0016】

また、本願明細書に開示される技術に関連する目的と、特徴と、局面と、利点とは、以下に示される詳細な説明と添付図面とによって、さらに明白となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】実施の形態に関する窒化物半導体装置の構成の例を示す斜視図である。

【図2】図１に示された窒化物半導体装置のＡ－Ａ’断面に対応する断面図である。

【図3】図１に示された窒化物半導体装置のＢ－Ｂ’断面に対応する断面図である。

【図4】図１に示された窒化物半導体装置のＣ－Ｃ’断面に対応する断面図である。

【図5】図１に示された窒化物半導体装置のＣ－Ｃ’断面に対応する変形例を示す断面図である。

【図6】図１に示された窒化物半導体装置のＣ－Ｃ’断面に対応する変形例を示す断面図である。

【図7】実施の形態に関する窒化物半導体装置の製造方法の例を示すフローチャートである。

【図8】基板の主面上に、窒化物半導体層と窒化物半導体層とを形成する工程の例を示す斜視図である。

【図9】窒化物半導体層の上面にマスクを形成する工程の例を示す斜視図である。

【図10】埋め込みゲート電極の形成領域を形成する工程の例を示す斜視図である。

【図11】ソース電極とドレイン電極とを形成する工程の例を示す斜視図である。

【図12】埋め込みゲート電極およびゲートフィンガー電極を形成する工程の例を示す斜視図である。

【図13】実施の形態に関する窒化物半導体装置の構成の例を示す斜視図である。

【図14】図１３に示された窒化物半導体装置のＡ－Ａ’断面に対応する断面図である。

【図15】図１３に示された窒化物半導体装置のＢ－Ｂ’断面に対応する断面図である。

【図16】図１３に示された窒化物半導体装置のＣ－Ｃ’断面に対応する断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、添付される図面を参照しながら実施の形態について説明する。以下の実施の形態では、技術の説明のために詳細な特徴なども示されるが、それらは例示であり、実施の形態が実施可能となるためにそれらすべてが必ずしも必須の特徴ではない。

【0019】

なお、図面は概略的に示されるものであり、説明の便宜のため、適宜、構成の省略、または、構成の簡略化などが図面においてなされるものである。また、異なる図面にそれぞれ示される構成などの大きさ（水平方向、垂直方向の寸法など）および位置の相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得るものである。また、断面図ではない平面図などの図面においても、実施の形態の内容を理解することを容易にするために、ハッチングが付される場合がある。

【0020】

また、以下に示される説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称と機能とについても同様のものとする。したがって、それらについての詳細な説明を、重複を避けるために省略する場合がある。

【0021】

また、本願明細書に記載される説明において、ある構成要素を「備える」、「含む」または「有する」などと記載される場合、特に断らない限りは、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

【0022】

また、本願明細書に記載される説明において、「第１の」または「第２の」などの序数が使われる場合があっても、これらの用語は、実施の形態の内容を理解することを容易にするために便宜上使われるものであり、実施の形態の内容はこれらの序数によって生じ得る順序などに限定されるものではない。

【0023】

また、本願明細書に記載される説明において、等しい状態であることを示す表現、たとえば、「同一」、「等しい」、「均一」または「均質」などは、特に断らない限りは、厳密に等しい状態であることを示す場合と、公差または同程度の機能が得られる範囲において差が生じている場合とを含むものとする。

【0024】

また、本願明細書に記載される説明において、「上」、「下」、「左」、「右」、「側」、「底」、「表」または「裏」などの特定の位置または方向を意味する用語が使われる場合があっても、これらの用語は、実施の形態の内容を理解することを容易にするために便宜上使われるものであり、実施の形態が実際に実施される際の位置または方向とは関係しないものである。

【0025】

また、本願明細書に記載される説明において、「…の上面」または「…の下面」などと記載される場合、対象となる構成要素の上面自体または下面自体に加えて、対象となる構成要素の上面または下面に他の構成要素が形成された状態も含むものとする。すなわち、たとえば、「Ａの上面に設けられるＢ」と記載される場合、ＡとＢとの間に別の構成要素「Ｃ」が介在することを妨げるものではない。

【0026】

本願明細書において、「窒化物系半導体」とは、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびそれらの中間組成を備える半導体の総称である。

【0027】

＜第１の実施の形態＞
以下、本実施の形態に関する窒化物半導体装置、および、窒化物半導体装置の製造方法について説明する。

【0028】

＜窒化物半導体装置の構成について＞
図１は、本実施の形態に関する窒化物半導体装置１００の構成の例を示す斜視図である。また、図２は、図１に示された窒化物半導体装置１００のＡ－Ａ’断面に対応する断面図である。また、図３は、図１に示された窒化物半導体装置１００のＢ－Ｂ’断面に対応する断面図である。また、図４は、図１に示された窒化物半導体装置１００のＣ－Ｃ’断面に対応する断面図である。

【0029】

図１、図２、図３および図４に例が示されるように、本実施の形態に関する窒化物半導体装置１００は、基板１０と、基板１０の上面に設けられた窒化物半導体層２０と、窒化物半導体層２０の上面に設けられた窒化物半導体層３０と、窒化物半導体層３０の上面に設けられたソース電極４０と、窒化物半導体層３０の上面にソース電極４０と離間するように設けられたドレイン電極５０と、ソース電極４０およびドレイン電極５０の間で、窒化物半導体層３０を貫通し、窒化物半導体層２０に底面が接触するように形成された複数の埋め込みゲート電極６０と、複数の埋め込みゲート電極６０の上面および窒化物半導体層３０の上面に跨って設けられたゲートフィンガー電極７０とを備える。

【0030】

埋め込みゲート電極６０を形成するために、窒化物半導体層３０の上面から窒化物半導体層２０の内部に達して、少なくとも１つの止まり穴１１０が設けられている。本実施の形態においては、複数の止まり穴１１０が設けられている。埋め込みゲート電極６０は、止まり穴１１０を充填して形成される。

【0031】

この窒化物半導体層２０に設けられた止まり穴１１０の側面（すなわち、図２に示される面２１ａ、図３に示される面２１）が、窒化物半導体層２０のｍ面（｛１ －１ ０ ０｝面）沿う面となっている。ｍ面（｛１ －１ ０ ０｝面）とは、（１ －１ ０ ０）と等価な面の総称である。すなわち、ｍ面（｛１ －１ ０ ０｝面）とは、（１ －１ ０ ０）面、（－１ １ ０ ０）面、（１ ０ －１ ０）面、（－１ ０ １ ０）面、（０ １ －１ ０）面および（０ －１ １ ０）面の６つの面を含む。

【0032】

基板１０には、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＰ、α－Ｇａ_２Ｏ_３などの半導体材料、または、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ダイヤモンドなどの絶縁材料を用いることができる。

【0033】

窒化物半導体層２０は、ウルツ鉱構造の結晶構造を有する窒化物半導体材料であり、たとえば、ＧａＮである。窒化物半導体層２０の膜厚は、たとえば、１μｍである。

【0034】

窒化物半導体層３０は、たとえば、Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＮである。窒化物半導体層２０の膜厚は、たとえば、２０ｎｍである。窒化物半導体層３０として、窒化物半導体層２０よりも禁制帯幅の大きな材料を用いてヘテロ接合を形成することができる。たとえば、窒化物半導体層２０をＧａＮとし、窒化物半導体層３０をＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＮとすることで、窒化物半導体層２０と窒化物半導体層３０との間の界面に高密度の２次元電子ガスを生じさせることができ、２次元電子ガスをチャネルとする窒化物半導体装置を形成することができる。

【0035】

窒化物半導体層３０の上面から窒化物半導体層２０の内部にかけて、埋め込みゲート電極６０を形成するための止まり穴１１０が設けられている。

【0036】

図４では、上記の止まり穴１１０の平面視の断面形状の一例として六角形の断面形状が示されているが、面２１および面２１ａが窒化物半導体層２０のｍ面であれば、断面形状は必ずしも六角形でなくてもよい。

【0037】

図５および図６は、図１に示された窒化物半導体装置１００のＣ－Ｃ’断面に対応する変形例を示す断面図である。

【0038】

図４では、面２１同士が角面（すなわち、平面視で角形状）を形成しているが、図５に示される止まり穴３１０、または図６に示される止まり穴４１０のような形状であってもよい。具体的には、図５に例が示されるように、止まり穴３１０における複数の埋め込みゲート電極６０同士に挟まれた面が面３１ａのように平面形状であり、複数の埋め込みゲート電極６０同士に挟まれていない面が面３１のように角部を有する平面形状である場合に、面３１ａと面３１とが交差する部分（すなわち、角部）、および、面３１内の角部が、それぞれ平面視で丸みを帯びる曲形状であってもよい。また、図６に例が示されるように、止まり穴４１０における複数の埋め込みゲート電極６０同士に挟まれた面が面４１ａのように角部を有する平面形状であり、複数の埋め込みゲート電極６０同士に挟まれていない面が面４１のように平面形状である場合に、面４１ａと面４１とが交差する部分（すなわち、角部）、および、面４１ａ内の角部が、それぞれ平面視で丸みを帯びる曲形状であってもよい。

【0039】

埋め込みゲート電極６０は、窒化物半導体層２０の止まり穴１１０を充填するように、窒化物半導体層３０を貫通し、窒化物半導体層２０の途中まで存在する。埋め込みゲート電極６０の底面は、窒化物半導体層２０と窒化物半導体層３０との間の界面よりも、たとえば、５０ｎｍだけ基板１０側に存在する。

【0040】

図４では、一例として、埋め込みゲート電極６０が面２１および面２１ａのすべての面に接触している場合が示されているが、複数の埋め込みゲート電極６０同士に挟まれた面に埋め込みゲート電極６０が接触していればよく、複数の埋め込みゲート電極６０同士に挟まれていない面（たとえば、図４に示される面２１）とは接触していなくてもよい。

【0041】

また、図４では、一例として複数の埋め込みゲート電極６０が等間隔に配置されているが、複数の埋め込みゲート電極６０同士の間隔は一定でなくてもよい。なお、図４に示される埋め込みゲート電極６０同士の間隔は、たとえば、２００ｎｍである。

【0042】

埋め込みゲート電極６０は、窒化物半導体層２０および窒化物半導体層３０と、それぞれショットキー接合を形成している。埋め込みゲート電極６０は、金属、合金、金属および半導体を含む化合物、または、不純物がドーピングされた半導体材料などで形成される。埋め込みゲート電極６０に使われる金属は、たとえば、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｔなどである。

【0043】

ゲートフィンガー電極７０は、図２に示されるように複数の埋め込みゲート電極６０を接続するように設けられる。また、図３に示されるように、ゲートフィンガー電極７０は、窒化物半導体層３０の上面に接触するように設けられている。この場合、窒化物半導体装置１００のチャネルは窒化物半導体層２０と窒化物半導体層３０との間の界面に形成される。そして、当該チャネルは、埋め込みゲート電極６０からのＹ軸方向に沿う電界と、ゲートフィンガー電極７０からのＺ軸方向に沿う電界とによって制御される。

【0044】

なお、ゲートフィンガー電極７０と窒化物半導体層３０との間に空隙が設けられていてもよい。この場合、窒化物半導体装置１００のチャネルは、埋め込みゲート電極６０からのＹ軸方向に沿う電界のみによって制御される。ゲートフィンガー電極７０は、埋め込みゲート電極６０とオーミック接触を形成する金属、合金、金属および半導体を含む化合物、または、不純物がドーピングされた半導体材料などで形成される。金属は、たとえば、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｔなどである。

【0045】

ソース電極４０とドレイン電極５０は、ゲートフィンガー電極７０と離間するように、窒化物半導体層３０上に設けられる。ソース電極４０およびドレイン電極５０は、金属、合金、金属および半導体を含む化合物、不純物がドーピングされた半導体材料などで形成される。ソース電極４０およびドレイン電極５０に使われる金属は、たとえば、Ａｌ、Ｎｂ、Ｐｄなどである。

【0046】

＜窒化物半導体装置の製造方法について＞
図７は、本実施の形態に関する窒化物半導体装置１００の製造方法の例を示すフローチャートである。

【0047】

図７に例が示されるように、まず、ステップＳＴ１において、基板１０を準備する。たとえば、基板１０はウルツ鉱構造を有する４Ｈ－ＳｉＣ基板であり、主面は（０ ０ ０ １）面である。

【0048】

次に、ステップＳＴ２において、基板１０の主面上に窒化物半導体層２０および窒化物半導体層３０を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などによって形成する。

【0049】

図８は、基板１０の主面上に、窒化物半導体層２０と窒化物半導体層３０とを形成する工程の例を示す斜視図である。ウルツ鉱構造を有する窒化物半導体層２０は、同じくウルツ鉱構造を有する基板１０の主面上にエピタキシャル成長するため、窒化物半導体層２０の主面も（０ ０ ０ １）面となる。

【0050】

次に、ステップＳＴ３において、窒化物半導体層３０の上面にマスク８０を形成する。

【0051】

図９は、窒化物半導体層３０の上面にマスク８０を形成する工程の例を示す斜視図である。マスク８０は、たとえば、以下の工程で形成される。

【0052】

まず、窒化物半導体層３０の上面にマスク材料が形成される。マスク材料として、たとえば、感光性樹脂などのレジストが窒化物半導体層３０の上面に塗布される。塗布方法は、たとえば、スピンコート法である。

【0053】

次に、光学露光または電子線露光などのリソグラフィー技術によって、埋め込みゲート電極６０を形成する領域に対応する部分のレジストを開口することで、マスク８０が形成される。

【0054】

マスク８０には、たとえば、ＳｉＯ、ＳｉＮなどの絶縁物、または、Ｔｉ、Ｎｉなどの金属が使用されてもよい。この場合、絶縁物または金属などのマスク材料上を、レジストを用いてパターニングを行うことによってマスク８０を形成する。

【0055】

絶縁物または金属マスク材料の形成方法は、プラズマ支援化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ法）、または、蒸着、スパッタリングなどの物理気相成長法などである。次に、マスク材料上に、感光性樹脂などのレジストが塗布される。レジストの塗布方法は、たとえば、スピンコート法である。そして、光学露光または電子線露光などのリソグラフィー技術によって、埋め込みゲート電極６０を形成する領域上のレジストを開口する。次に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などによって、埋め込みゲート電極６０の形成領域上のハードマスク材料を開口する。次に、酸素プラズマによるアッシング、有機溶剤などによる溶液処理によってレジストを除去することによって、マスク８０を形成する。

【0056】

次に、ステップＳＴ４において、窒化物半導体層３０および窒化物半導体層２０をエッチングし、埋め込みゲート電極６０を形成する領域（埋め込みゲート電極６０の形成領域）を形成する。

【0057】

図１０は、埋め込みゲート電極６０の形成領域を形成する工程の例を示す斜視図である。図１０に例が示されるように、マスク８０を介して窒化物半導体層がエッチングされる。エッチング方法は、たとえば、塩素ガスを含む反応性イオンエッチング（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ、すなわち、ＲＩＥ）、または、ペルオキソ二硫酸イオンを含む溶液と紫外光とを用いる光電気化学（ＰＥＣ）エッチングである。

【0058】

マスク８０の開口形状としては、たとえば、六角形などである。窒化物半導体層２０のエッチング後に、止まり穴１１０内の側面に窒化物半導体層２０のｍ面が露出するようにする。

【0059】

一方、マスク８０の開口形状として矩形または円形とした場合、開口内の側面には、ｍ面ではない面が露出する。この場合、エッチング後に８０℃に加熱した水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液などを用いるウェットエッチングによって、窒化物半導体層２０のｍ面を露出させることができる。これは、ウルツ鉱構造を有する窒化物半導体においては、強アルカリの水溶液に対して化学耐性の異方性が存在し、ｍ面が最もエッチング速度が遅くなるからである。

【0060】

次に、ステップＳＴ５において、ソース電極４０とドレイン電極５０とを形成する。図１１は、ソース電極４０とドレイン電極５０とを形成する工程の例を示す斜視図である。図１１に例が示されるように、ソース電極４０およびドレイン電極５０が形成される領域に対応する開口を有するマスク８１が、窒化物半導体層３０の上面に形成される。そして、マスク８１を介して、ソース電極４０およびドレイン電極５０となる金属膜が形成される。金属膜は、たとえば、蒸着法によって形成される。

【0061】

次に、ステップＳＴ６において、埋め込みゲート電極６０およびゲートフィンガー電極７０を形成する。図１２は、埋め込みゲート電極６０およびゲートフィンガー電極７０を形成する工程の例を示す斜視図である。図１２に例が示されるように、埋め込みゲート電極６０およびゲートフィンガー電極７０が形成される領域に応じた開口を有するマスク８２が、窒化物半導体層３０の上面に形成される。そして、マスク８２を介して、埋め込みゲート電極６０およびゲートフィンガー電極７０となる金属膜が形成される。金属膜は、たとえば、蒸着法によって形成される。

【0062】

このような埋め込みゲート電極６０を有する窒化物半導体装置１００においては、チャネルとなる窒化物半導体層３０が、ゲートフィンガー電極７０と上面で接触するだけでなく、埋め込みゲート電極６０と側面でも接触している。また、チャネルとなる窒化物半導体層２０が、埋め込みゲート電極６０と側面で接触している。

【0063】

すなわち、窒化物半導体装置１００では、窒化物半導体層２０と窒化物半導体層３０との間の界面に形成されるチャネルが、チャネルの上面に位置するゲートフィンガー電極７０からの電界だけでなく、チャネルの側面に位置する埋め込みゲート電極６０からの電界によっても制御されている。

【0064】

チャネルが上面に位置するゲート電極の電界によってのみ制御される場合、チャネルが上面に位置するゲート電極が縮小する際にチャネルの制御性が低下し、ソース電極とドレイン電極との間のリーク電流の増加、サブスレッショルド特性の低下、または、ドレイン電圧によるしきい値電圧の変化などの、短チャネル効果の影響が顕著になる。

【0065】

一方で、本実施の形態に関する窒化物半導体装置１００のように、チャネルの側面に位置する埋め込みゲート電極６０の電界によるチャネル制御が加わることによって、チャネルに対する３方向からの電界によって制御することが可能となる。よって、チャネルの制御性が向上し、短チャネル効果の影響を低減することができる。

【0066】

半導体装置においては、半導体層とゲート電極との間の界面の特性は、しきい値電圧またはサブスレッショルド特性などの半導体装置の特性に影響を与える。

【0067】

埋め込みゲート電極６０を備える窒化物半導体装置では、ゲートフィンガー電極７０が窒化物半導体層３０の上面に接触し、かつ、埋め込みゲート電極６０が窒化物半導体層２０の側面および窒化物半導体層３０の側面に接触する。すなわち、窒化物半導体層３０の上面とゲートフィンガー電極７０との間の界面特性だけでなく、窒化物半導体層３０（窒化物半導体層２０）の側面と埋め込みゲート電極６０との間の界面特性を制御することも、埋め込みゲート電極６０を備える窒化物半導体装置では重要である。

【0068】

半導体材料のエッチングプロセスは、半導体材料表面の化学的および物理的性質に依存する。半導体材料の化学的および物理的性質は、表面の原子配列によって変化し、その表面の原子配列は結晶面によって異なる。

【0069】

埋め込みゲート電極６０を有する窒化物半導体装置では、埋め込みゲート電極６０の構造を形成するために、上記のステップＳＴ４で示されたように、窒化物半導体層２０および窒化物半導体層３０の主面であるｃ面に対して垂直に穴加工する。この際、窒化物半導体の結晶面の化学的な性質の差によって、窒化物半導体層２０のｍ面が露出するように穴加工することで、平坦で均質な窒化物半導体層の側面を得ることができる。加えて、上記のステップＳＴ４で示されたように、穴加工後にウェットエッチングを行う際も、窒化物半導体層２０のｍ面が露出するようにウェットエッチングすることで、平坦で均質な窒化物半導体層の側面を得ることができる。

【0070】

窒化物半導体層の側面を平坦で均質なものとすることで、埋め込みゲート電極６０と窒化物半導体層の側面との間の界面特性を均一にすることができる。

【0071】

また、窒化物半導体装置１００では、複数の埋め込みゲート電極６０を備えるため、窒化物半導体層３０（窒化物半導体層２０）の側面と埋め込みゲート電極６０との間の界面を複数有している。よって、窒化物半導体層の側面と個々の埋め込みゲート電極６０との間の界面特性を均一にすることで窒化物半導体装置の特性を均一化し、特性ばらつきを抑制することができる。

【0072】

ここで、窒化物半導体層３０（窒化物半導体層２０）の側面に凹凸が存在すると、埋め込みゲート電極６０と窒化物半導体層３０（窒化物半導体層２０）の側面との間に微小な空隙が発生しやすくなる。このような空隙は、半導体装置の製造時または使用時における埋め込みゲート電極６０の剥離を生じさせる可能性がある。

【0073】

窒化物半導体装置１００では、平坦な窒化物半導体層３０（窒化物半導体層２０）の側面を得ることが可能であるため、埋め込みゲート電極６０と窒化物半導体層３０（窒化物半導体層２０）の側面との間の密着性を向上させ、微小な空隙の発生を抑制することができる。よって、窒化物半導体装置の製造ばらつきも抑制することができる。

【0074】

＜第２の実施の形態＞
本実施の形態に関する窒化物半導体装置、および、窒化物半導体装置の製造方法について説明する。なお、以下の説明においては、以上に記載された実施の形態で説明された構成要素と同様の構成要素については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略するものとする。

【0075】

＜窒化物半導体装置の構成について＞
図１３は、本実施の形態に関する窒化物半導体装置２００の構成の例を示す斜視図である。また、図１４は、図１３に示された窒化物半導体装置２００のＡ－Ａ’断面に対応する断面図である。また、図１５は、図１３に示された窒化物半導体装置２００のＢ－Ｂ’断面に対応する断面図である。また、図１６は、図１３に示された窒化物半導体装置２００のＣ－Ｃ’断面に対応する断面図である。

【0076】

図１３、図１４、図１５および図１６に例が示されるように、本実施の形態に関する窒化物半導体装置２００は、基板１０と、基板１０の上面に設けられた窒化物半導体層２０と、窒化物半導体層２０の上面に設けられた窒化物半導体層３０と、窒化物半導体層３０の上面に設けられたソース電極４０と、窒化物半導体層３０の上面にソース電極４０と離間するように設けられたドレイン電極５０と、ソース電極４０およびドレイン電極５０の間で、窒化物半導体層３０を貫通し、窒化物半導体層２０に底面が接触するように形成された複数の埋め込みゲート電極６０と、複数の埋め込みゲート電極６０の上面に跨って設けられたゲートフィンガー電極７０とを備える。

【0077】

さらに、本実施の形態では、窒化物半導体装置２００は、窒化物半導体層３０の上面のうち、ソース電極４０およびドレイン電極５０が設けられていない面に、絶縁膜９０が設けられる。絶縁膜９０は、埋め込みゲート電極６０と窒化物半導体層３０の側面との間の界面（止まり穴１１０内の側面）、埋め込みゲート電極６０と窒化物半導体層２０の上面および側面との間の界面（止まり穴１１０内の側面）、ゲートフィンガー電極７０と窒化物半導体層３０の上面との間の界面に、それぞれ設けられる。埋め込みゲート電極６０は、絶縁膜９０を介して、それぞれの止まり穴１１０内に充填される。

【0078】

絶縁膜９０は、窒化物半導体層３０と埋め込みゲート電極６０との間（すなわち、止まり穴１１０内の側面）、窒化物半導体層２０と埋め込みゲート電極６０との間（すなわち、止まり穴１１０内の底面）、および、窒化物半導体層３０とゲートフィンガー電極７０との間に存在していればよく、必ずしも窒化物半導体層３０の表面全体を覆わなくてもよい。絶縁膜９０の厚みは、たとえば、５ｎｍである。絶縁膜９０には、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２などの金属酸化物材料、ＳｉＮ、ＡｌＮなどの金属窒化物材料、または、金属酸化物と金属窒化物との混晶材料などを用いることができる。

【0079】

絶縁膜９０は、たとえば、以下の方法で形成される。まず、図７に示された窒化物半導体装置の製造方法のフローチャートのうち、ステップＳＴ５の後に、埋め込みゲート電極６０の形成領域に露出している窒化物半導体層２０の上面および側面、埋め込みゲート電極６０の形成領域に露出している窒化物半導体層３０の側面、窒化物半導体層３０の上面、ソース電極４０の上面、および、ドレイン電極５０の上面に、原子層堆積（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、すなわち、ＡＬＤ）法などの化学気相堆積（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、すなわち、ＣＶＤ）法によって絶縁材料の膜を形成する。

【0080】

その後、マスクパターンの形成および当該マスクを用いるエッチングによって、ソース電極４０の上面およびドレイン電極５０の上面における絶縁材料の膜が選択的に除去する。

【0081】

窒化物半導体装置２００では、チャネルとなる窒化物半導体層３０および窒化物半導体層２０と、埋め込みゲート電極６０との間に、絶縁膜９０が設けられている。

【0082】

絶縁膜９０が設けられていない場合、窒化物半導体層と埋め込みゲート電極６０とはショットキー接触を形成し、チャネルの遮断時にはショットキー障壁を通過する逆方向リーク電流が、チャネルの開通時には順方向電流がそれぞれ流れる。

【0083】

ここで、窒化物半導体層と埋め込みゲート電極６０との間に高抵抗の絶縁膜９０を設けることで、窒化物半導体層と埋め込みゲート電極６０との間の抵抗が増加し、窒化物半導体層と埋め込みゲート電極６０との間を流れる電流を低減させることができる。

【0084】

窒化物半導体層と埋め込みゲート電極６０との間を流れる電流を低減させることで、半導体装置の損失を低減し、電力効率を向上させることができる。

【0085】

＜以上に記載された複数の実施の形態によって生じる効果について＞
次に、以上に記載された複数の実施の形態によって生じる効果の例を示す。なお、以下の説明においては、以上に記載された複数の実施の形態に例が示された具体的な構成に基づいて当該効果が記載されるが、同様の効果が生じる範囲で、本願明細書に例が示される他の具体的な構成と置き換えられてもよい。すなわち、以下では便宜上、対応づけられる具体的な構成のうちのいずれか１つのみが代表して記載される場合があるが、代表して記載された具体的な構成が対応づけられる他の具体的な構成に置き換えられてもよい。

【0086】

また、当該置き換えは、複数の実施の形態に跨ってなされてもよい。すなわち、異なる実施の形態において例が示されたそれぞれの構成が組み合わされて、同様の効果が生じる場合であってもよい。

【0087】

以上に記載された実施の形態によれば、窒化物半導体装置は、基板１０と、第１の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層と、ソース電極４０と、ドレイン電極５０と、少なくとも１つの止まり穴１１０（または、止まり穴３１０、止まり穴４１０）と、埋め込みゲート電極６０と、ゲートフィンガー電極７０を備える。ここで、第１の窒化物半導体層は、たとえば、窒化物半導体層２０などに対応するものである。また、第２の窒化物半導体層は、たとえば、窒化物半導体層３０などに対応するものである。窒化物半導体層２０は、基板１０の上面に設けられる。窒化物半導体層３０は、窒化物半導体層２０の上面に設けられる。ソース電極４０は、窒化物半導体層３０の上面に設けられる。ドレイン電極５０は、窒化物半導体層３０の上面に、ソース電極４０と離間して設けられる。止まり穴１１０は、平面視でソース電極４０とドレイン電極５０との間に位置する。また、止まり穴１１０は、窒化物半導体層３０の上面から窒化物半導体層２０の内部まで達する。埋め込みゲート電極６０は、止まり穴１１０内に設けられる。ゲートフィンガー電極７０は、埋め込みゲート電極６０の上面および窒化物半導体層３０の上面に跨って設けられる。そして、止まり穴１１０の側面が、窒化物半導体層２０の｛１ －１ ０ ０｝面に沿う。

【0088】

このような構成によれば、止まり穴１１０の側面が｛１ －１ ０ ０｝面に沿うことで、平坦で均質な窒化物半導体層の側面を得ることができる。よって、埋め込みゲート電極６０と窒化物半導体層の側面との間の界面特性を均一にすることができ、穴加工の精度ばらつきに起因する装置の特性ばらつきを抑制することができる。

【0089】

なお、上記の構成に本願明細書に例が示された他の構成を適宜追加した場合、すなわち、上記の構成としては言及されなかった本願明細書中の他の構成が適宜追加された場合であっても、同様の効果を生じさせることができる。

【0090】

また、以上に記載された実施の形態によれば、窒化物半導体層２０が、ウルツ鉱構造の結晶構造を有する。このような構成によれば、ウルツ鉱構造を有する窒化物半導体においては、強アルカリの水溶液に対して化学耐性の異方性が存在し、ｍ面が最もエッチング速度が遅くなるため、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液などを用いるウェットエッチングによって、窒化物半導体層２０のｍ面を露出させることができる。

【0091】

また、以上に記載された実施の形態によれば、止まり穴１１０が、平面視で六角形状である。このような構成によれば、止まり穴１１０の側面をｍ面として、平坦で均質な窒化物半導体層の側面を得ることができる。よって、埋め込みゲート電極６０と窒化物半導体層の側面との間の界面特性を均一にすることができる。

【0092】

また、以上に記載された実施の形態によれば、止まり穴３１０（または、止まり穴４１０）が、平面視で曲形状である。このような構成によれば、止まり穴の形状の自由度を高めることができる。

【0093】

また、以上に記載された実施の形態によれば、窒化物半導体装置は、窒化物半導体層３０の少なくとも一部を覆って設けられる絶縁膜９０を備える。そして、絶縁膜９０が、窒化物半導体層３０と埋め込みゲート電極６０との間に設けられる。また、絶縁膜９０が、窒化物半導体層２０と埋め込みゲート電極６０との間に設けられる。また、絶縁膜９０が、窒化物半導体層３０とゲートフィンガー電極７０との間に設けられる。このような構成によれば、窒化物半導体層と埋め込みゲート電極６０との間の抵抗が増加し、窒化物半導体層と埋め込みゲート電極６０との間を流れる電流を低減させることができる。そして、窒化物半導体層と埋め込みゲート電極６０との間を流れる電流を低減させることで、半導体装置の損失を低減し、電力効率を向上させることができる。

【0094】

以上に記載された実施の形態によれば、窒化物半導体装置の製造方法において、基板１０の上面に窒化物半導体層２０を設ける。そして、窒化物半導体層２０の上面に、窒化物半導体層３０を設ける。そして、窒化物半導体層３０の上面から窒化物半導体層２０の内部まで達する少なくとも１つの止まり穴１１０を形成する。そして、窒化物半導体層３０の上面にソース電極４０を設ける。そして、窒化物半導体層３０の上面に、ソース電極４０と離間してドレイン電極５０を設ける。そして、止まり穴１１０内に埋め込みゲート電極６０を設ける。そして、埋め込みゲート電極６０の上面および窒化物半導体層３０の上面に跨ってゲートフィンガー電極７０を設ける。ここで、止まり穴１１０が、平面視でソース電極４０とドレイン電極５０との間に位置する。また、止まり穴１１０の側面が、窒化物半導体層２０の｛１ －１ ０ ０｝面に沿う。

【0095】

このような構成によれば、止まり穴１１０の側面が｛１ －１ ０ ０｝面に沿うことで、平坦で均質な窒化物半導体層の側面を得ることができる。よって、埋め込みゲート電極６０と窒化物半導体層の側面との間の界面特性を均一にすることができ、穴加工の精度ばらつきに起因する装置の特性ばらつきを抑制することができる。

【0096】

なお、特段の制限がない場合には、それぞれの処理が行われる順序は変更することができる。

【0097】

また、上記の構成に本願明細書に例が示された他の構成を適宜追加した場合、すなわち、上記の構成としては言及されなかった本願明細書中の他の構成が適宜追加された場合であっても、同様の効果を生じさせることができる。

【0098】

また、以上に記載された実施の形態によれば、窒化物半導体装置の製造方法において、止まり穴１１０内の少なくとも側面に、絶縁膜９０を設ける。そして、埋め込みゲート電極６０は、絶縁膜９０を介して、止まり穴１１０内に設けられる。このような構成によれば、窒化物半導体層と埋め込みゲート電極６０との間の抵抗が増加し、窒化物半導体層と埋め込みゲート電極６０との間を流れる電流を低減させることができる。そして、窒化物半導体層と埋め込みゲート電極６０との間を流れる電流を低減させることで、半導体装置の損失を低減し、電力効率を向上させることができる。

【0099】

＜以上に記載された複数の実施の形態の変形例について＞
以上に記載された複数の実施の形態では、それぞれの構成要素の材質、材料、寸法、形状、相対的配置関係または実施の条件などについても記載する場合があるが、これらはすべての局面においてひとつの例であって、限定的なものではないものとする。

【0100】

したがって、例が示されていない無数の変形例と均等物とが、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。たとえば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの実施の形態における少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態における構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

【0101】

また、以上に記載された少なくとも１つの実施の形態において、特に指定されずに材料名などが記載された場合は、矛盾が生じない限り、当該材料に他の添加物が含まれた、たとえば、合金などが含まれるものとする。

【0102】

また、矛盾が生じない限り、以上に記載された実施の形態において「１つ」の構成要素が備えられる、と記載された場合に、当該構成要素が「１つ以上」備えられていてもよいものとする。

【0103】

さらに、以上に記載された実施の形態におけるそれぞれの構成要素は概念的な単位であって、本願明細書に開示される技術の範囲内には、１つの構成要素が複数の構造物から成る場合と、１つの構成要素がある構造物の一部に対応する場合と、さらには、複数の構成要素が１つの構造物に備えられる場合とを含むものとする。

【0104】

また、以上に記載された実施の形態におけるそれぞれの構成要素には、同一の機能を発揮する限り、他の構造または形状を有する構造物が含まれるものとする。

【0105】

また、本願明細書における説明は、本技術に関連するすべての目的のために参照され、いずれも、従来技術であると認めるものではない。

【符号の説明】

【0106】

１０ 基板、２０ 窒化物半導体層、２１ 面、２１ａ 面、３０ 窒化物半導体層、３１ 面、３１ａ 面、４０ ソース電極、４１ 面、４１ａ 面、５０ ドレイン電極、６０ 埋め込みゲート電極、７０ ゲートフィンガー電極、９０ 絶縁膜、１００ 窒化物半導体装置、１１０ 止まり穴、２００ 窒化物半導体装置、３１０ 止まり穴、４１０ 止まり穴、ＨＥＭＴ 窒化物半導体。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】