JP2008172085A - 窒化物半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化物半導体装置においてリーク電流の低減が要求されている。
【解決手段】 本発明に従うSBDを形成する方法は、窒化物半導体２の上にチタン膜８及びアルミニウム膜９を電子ビーム蒸着法で形成する工程を有する。チタン膜８及びアルミニウム膜９を電子ビーム蒸着法で形成する時に自然発生的に極く薄いチタン酸化膜１０がチタン膜８と窒化物半導体２との間に生じる。この極く薄いチタン酸化膜１０を窒化物半導体２の上に残存させて表面安定化膜として使用し、リーク電流を低減させる。
【選択図】図１

Description

本発明は安定化した表面を有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）等の窒化物半導体装置及びその製造方法に関する。

結晶構造を有する半導体の表面には、周知の表面準位即ちトラップが存在する。この表面準位にキャリア（例えば電子）が捕獲されると、半導体領域の表面が電気的に不安定になり、且つリーク電流が増大する。一般的に半導体装置の耐圧はリーク電流に基づいて決定されるので、リーク電流の大きい半導体装置の耐圧は低くなる。

半導体領域の表面の帯電荷に基づく別の問題として２次元電子ガス層（２ＤＥＧ層）を電流通路として使用するSBD（ショットキーバリアダイオード）及びＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）における電流狭窄即ち電流コラプスがある。更に詳しく説明すると、ＨＥＭＴは周知のように電子走行層と電子供給層とを備えた主半導体領域と、この主半導体領域の表面上に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極とから成る。電子走行層と電子供給層とのヘテロ接合に基づくピエゾ分極と自発分極、又は自発分極に起因して電子走行層中に２次元電子ガス層（２ＤＥＧ層）が生じ、この２ＤＥＧ層が電流通路即ちチャネルとして機能する。ところで、例えば、特開２００４−２１４４７１号公報（特許文献１）に開示されているように、ＨＥＭＴを交流回路で使用すると、電子供給層の表面における表面準位（トラップ）に負電荷（電子）が捕獲され、この負電荷に起因して２ＤＥＧ層の電子濃度が減少し、交流動作時の最大ドレイン電流が直流動作時の最大ドレイン電流よりも低減する現象即ち電流コラプスが生じる。

半導体の表面を安定化させるために、シリコン半導体表面に二酸化チタン膜（ＴｉＯ₂）膜を形成することが特開昭５４−１５６６８号公報（特許文献２）に開示されている。また、特開２００１−２８４５７８号公報（特許文献３）及び特開２００３−３７１１７号公報（特許文献４）にＧａＡｓ半導体表面に二酸化チタン（ＴｉＯ₂）膜を形成することが開示されている。しかし、これ等の特許文献には、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ等の窒化物半導体の表面安定化に関する具体的な記載がない。

ワイドギャップを有する窒化物半導体は、高出力、高耐圧パワーデバイスを構成するために適する。しかし、窒化物半導体においても、Ｓｉ、ＧａＡｓ等と同様に半導体表面のリーク電流、及び電流コラプスの問題がある。従って、比較的容易且つ低コストに形成でき且つ比較的高い表面安定化性能を有する表面安定化膜が要求されている。
特開２００４−２１４４７１号公報 特開昭５４−１５６６８号公報 特開２００１−２８４５７８号公報 特開２００３−３７１１７号公報

本発明が解決しようとする課題は、窒化物半導体装置において比較的容易且つ低コストに形成でき且つ比較的高い表面安定化性能を有する表面安定化膜が要求されていることであり、本発明の目的は、上記要求に応えることができる窒化物半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決し、上記目的を達成するための本発明は、少なくとも１つのオーミック電極を有する窒化物半導体装置の製造方法であって、
窒化物半導体の一方の主面にチタン（Ｔｉ）と窒化物半導体に対してオーミック接触することが可能な金属とを順次に被着させてチタン膜と金属膜とを得ると同時に、前記チタン膜と前記窒化物半導体との界面にチタン酸化膜を得る工程と、
前記金属膜及び前記チタン膜を選択的に除去して電極を形成する同時に前記窒化物半導体の前記一方の主面上に表面安定化膜として前記チタン酸化膜を残存させる工程と
を備えていることを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法に係わるものである。
なお、本願において、窒化物半導体に対してオーミック接触することが可能な金属とは、当該金属が単体で或いはチタン（Ti）と共に熱処理されることによって窒化物半導体に対して低抵抗接触することが可能な金属を意味する。

なお、請求項２に示すように、更に、前記窒化物半導体の一方の主面に残存しているチタン酸化膜の少なくとも一部を覆うようにシリコン酸化膜を形成する工程であって、前記チタン膜と前記窒化物半導体との間にオーミック接触が得られる温度よりも低い温度状態で前記シリコン酸化膜を形成する工程と、次に、前記チタン膜と前記金属膜とから成る電極と前記窒化物半導体との間にオーミック接触を得るために、前記電極及び前記チタン酸化膜及び前記シリコン酸化膜を伴なった前記窒化物半導体に熱処理を施す工程とを備えていることが望ましい。
また、請求項３に示すように、更に、シリコン酸化膜を選択的に除去して前記チタン酸化膜の一部又は前記窒化物半導体の一部を露出させる工程と、前記露出された前記チタン酸化膜の一部又は窒化物半導体の一部の上にショットキーバリア電極を形成する工程とを備えていることが望ましい。
また、請求項４に示すように、更に、前記シリコン酸化膜及び前記ショットキーバリア電極を覆うように前記窒化物半導体の一方の主面に絶縁膜を形成する工程と、前記シリコン酸化膜及び前記絶縁膜を選択的に除去して前記オーミック電極の一部と前記ショットキーバリア電極の一部を露出させる工程と、前記オーミック電極及び前記ショットキーバリア電極の上にパッド電極層を形成する工程とを備えていることが望ましい。
また、請求項５及び１２に示すように、前記窒化物半導体は、第１の窒化物半導体から成る第１の半導体層と、前記第１の半導体層とのヘテロ接合に基づいて２次元キャリアガス層を前記第１の半導体層に生じさせることが可能な第２の窒化物半導体から成る第２の半導体層とを備えていることが望ましい。
また、請求項６及び１１に示すように、前記金属膜はアルミニウム（Ａｌ）膜であることが望ましい。
また、請求項７に示すように、一方及び他方の主面を有する窒化物半導体と、
前記窒化物半導体の一方の主面上に形成された少なくとも第１及び第２の電極と、前記窒化物半導体の前記一方の主面上の前記第１及び第２の電極間の少なくとも一部に配置され且つ前記窒化物半導体の前記一方の主面にチタンを被着した時に自然発生的に生じたチタン酸化膜と、前記チタン酸化膜の上のチタンを除去した後に配置されたシリコン酸化膜とを備えていることが望ましい。
また、請求項８に示すように、前記チタン酸化膜は、３ｎｍ以下の厚みを有していることが望ましい。
また、請求項９に示すように、前記第１の電極は前記窒化物半導体にオーミック接触しているオーミック電極であり、前記第２の電極は前記窒化物半導体にショットキー接触しているショットキー電極であることが望ましい。
また、請求項１０に示すように、前記チタン酸化膜は、前記ショットキー電極と前記窒化物半導体との間に配置されておらず、この間以外の前記窒化物半導体の表面の少なくとも一部に配置されていることが望ましい。
また、請求項１３に示すように、更に、前記窒化物半導体の前記一方の主面において前記第１の電極を基準にして前記第２の電極よりも遠い位置に配置されている第３の電極を備え、前記第３の電極は前記窒化物半導体の前記一方の主面にオーミック接触していることが望ましい。

窒化物半導体の一方の主面にチタン（Ｔｉ）を被着させてチタン膜を形成すると、チタン膜と窒化物半導体との界面にチタン酸化膜が自然発生的に生じることが確認された。ここで、自然発生的とは、特別な酸化処理工程を設けないでチタン酸化膜が得られることを意味する。特別な酸化処理工程を設けない場合であっても、チタン（Ｔｉ）を被着するための装置（例えば電子ビーム蒸着装置）のチャンバー内、窒化物半導体の主面、及び窒化物半導体の内部のいずれか１つ又は複数に存在する僅かな酸素とチタンとが反応してＴｉＯｘ（ｘは酸素の割合を示す２又は２よりも小さい数値である。）で示すことができる極めて薄いチタン酸化膜が得られる。この自然発生的に形成された極めて薄いチタン酸化膜は、特別な酸化処理工程によって形成した比較的厚いチタン酸化膜よりも窒化物半導体の表面安定化膜として好適であり、窒化物半導体の表面のリーク電流を良好に抑制する。従って、本発明は次の効果を有する。
（１）特別な酸化処理工程を設けないでチタン酸化膜を得るので、製造工程が簡略化され、製造コストの低減を図ることができる。
（２）自然発生的に形成された極めて薄いチタン酸化膜によって窒化物半導体の表面のリーク電流を良好に抑制することができる。
また、請求項５及び１２に示すように、窒化物半導体が第１の半導体層と該第１の半導体層とヘテロ接合している第２の半導体層とを備え、第１の半導体層に２次元キャリアガス層が生じる場合には、極めて薄いチタン酸化膜によって窒化物半導体の表面が安定化されるために電流コラプスを良好に抑制することができる。
また、請求項１０に示すように、チタン酸化膜をショットキー電極と窒化物半導体との間に配置しない構成にすることにより、電流コラプスによるオン抵抗の増大を良好に抑えられることができる。通常、リーク電流の低減と電流コラプスによるオン抵抗の増大抑制はトレードオフの関係にあるが、チタン酸化膜が非常に薄く且つショットキー電極の下にチタン酸化膜を設けない場合には、リーク電流の低減と電流コラプスによるオン抵抗の増大抑制とが両立可能となる。例えばＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合を有する本発明に従うＦＥＴやＳＢＤにおいては、チタン酸化膜によって表面安定化しない従来のこれらに比べてリーク電流が１桁以上低減した。また、本発明に従うＳＢＤの逆方向電圧印加後のオン抵抗はチタン酸化膜によって表面安定化しない従来のＳＢＤに比べて１／２以下に低減できた。

次に、本発明の実施形態に従う窒化物半導体装置及びその製造方法を図１〜図６を参照して説明する。

図１に窒化物半導体装置としての２次元電子ガス層（２ＤＥＧ層）を有するショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）が製造工程順に示されている。ＳＢＤを製造する時には、先ず図１（Ａ）に示す支持基板１の上に例えばMOCVD方法でエピタキシャル成長された窒化物半導体２を有する半導体ウエーハ（半導体基体）を用意する。支持基板１は例えば単結晶シリコン半導体から成る。窒化物半導体２は、支持基板１の上に順次に配置されたバッファ層３と、電子走行層と呼ぶこともできるＧａＮから成る第１の半導体層４と、電子供給層と呼ぶこともできるＡｌＧａＮから成る第２の半導体層５とを有している。次に、窒化物半導体２の各層３，４，５を更に詳しく説明する。

支持基板１上に形成されたバッファ層３は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）から成る第１のサブレイヤーとＧａＮ（窒化ガリウム）から成る第２のサブレイヤーとが交互に積層された多層構造バッファである。このバッファ層３はＳＢＤの動作に直接に関係していないので、これを省くこともできる。また、バッファ層３の半導体材料をＡｌＮ，ＧａＮ以外のものに置き換えること、又はバッファ層８を単層構造にすることもできる。

バッファ層３の上に形成された電子走行層としての第１の半導体層４は、チャネル層と呼ぶこともできるものであり、この実施例では不純物無添加のアンドープＧａＮ（窒化ガリウム）で形成されている。この第１の半導体層４は第２の半導体層５と異なる半導体材料から成り、隣接する第２の半導体層５との間にヘテロ接合が形成されている。このヘテロ接合に基づいて周知のピエゾ分極と自発分極、又は自発分極が第２の半導体層５に生じ、この分極に基づく電界によって第１の半導体層４のヘテロ接合の近傍領域に点線で示すように周知の２ＤＥＧ層６が生じる。

電子供給層としての第２の半導体層５は、第１の半導体層４の上に配置され、好ましくは次式で示される窒化物半導体から成る。
Ａｌ_xＧａ_1-xＮ，
ここで、ｘは０＜ｘ＜１を満足する数値であり、好ましくは０．２〜０．４であり、より好ましくは０．３である。
ＡｌＧａＮから成る第２の半導体層５には導電型決定不純物が添加されていないが、第２の半導体層５はｎ型半導体と同様な機能を有し、ｎライク半導体と呼ぶことができるものである。但し、第２の半導体層５をｎ型不純物が添加された窒化物半導体（例えばｎ型ＡｌＧａＮ）に置き換えることもできる。ＡｌＧａＮから成る第２の半導体層５の格子定数は、ＧａＮから成る第１の半導体層４よりも小さい格子定数を有する。従って、第１の半導体層４と第２の半導体層５とのヘテロ接合に基づいて周知のピエゾ分極及び自発分極が第２の半導体層５に生じる。また、第２の半導体層５が格子緩和されている場合には、自発分極のみが生じる。既に説明したように、この第２の半導体層５の分極の電界に基づいて第１の半導体層４の上部に点線で示す周知の２ＤＥＧ層６が生じる。この２ＤＥＧ層６は、窒化物半導体２の一方の主面７に対して平行な方向に自由度を有する電子（キャリア）を含み、電流通路として機能する。

第２の半導体層５は、比較的薄く形成されているので、窒化物半導体２の一方の主面７に対して垂直な方向の抵抗は無視できる程小さく、一方の主面７に平行な方向（横方向）の抵抗は垂直方向よりも大きい。このため、第２の半導体層５の横方向の電流は無視できる程小さい。

次に、ＳＢＤの第１の電極としてのオーミック電極を形成するために、窒化物半導体２の一方の主面７の上にチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とを周知の電子ビーム蒸着法によって順次に被着させ、例えば５〜５０ｎｍ厚みのチタン膜８と例えば１００〜１０００ｎｍ厚みのアルミニウム膜９と得る。更に詳しくは、電子ビーム蒸着装置の真空チャンバー（図示せず）内に支持基板１を伴った窒化物半導体２を配置し、蒸着源としてのチタンを電子ビームで加熱してチタンを蒸発させ、窒化物半導体２の一方の主面７上にチタン（Ｔｉ）を被着させる。この時、支持基板１を伴った窒化物半導体２を周知の加熱ホルダ（図示せず）で保持し且つ例えば１２０℃で加熱する。なお、この加熱温度を適当の範囲（例えば１００〜４００℃の範囲）で変えることができる。また、真空チャンバー内の真空度を例えば１×１０^-7〜１×１０^-5Ｐａ程度の高真空にする。ところで、電子ビーム蒸着装置のチャンバー内が高真空であってもチャンバー内に僅かに酸素が含まれている。また、支持基板１を伴った窒化物半導体２の内部及び表面に僅かに酸素が含まれている。チャンバー内の酸素、支持基板１を伴った窒化物半導体２の内部の酸素、及び支持基板１を伴った窒化物半導体２の表面の酸素の内の１つ又は複数は、電子ビーム蒸着法でチタンを窒化物半導体２の一方の主面７上に蒸着させることを開始すると同時にチタンの酸化に寄与する。これにより、図１（Ａ）に示すようにチタン膜８と窒化物半導体２との界面にチタン酸化膜１０が自然発生的に形成される。チャンバー内の酸素、支持基板１を伴った窒化物半導体２の内部の酸素、及び支持基板１を伴った窒化物半導体２の表面の酸素の合計量は極めて僅かであるので、チタン膜８の全体が酸化されない。チタン酸化膜１０はＴｉＯｘ（ｘは酸素の割合を示す２又は２よりも小さい数値である。）で示すことができ、１〜１０オングストローム、好ましくは１〜４オングストロームの厚みを有する。このチタン酸化膜１０の厚みはチタン（Ｔｉ）原子の数個の厚みに相当する。チタン酸化膜１０は自然発生的に形成されたものであるので、窒化物半導体２の表面に良好に密着しており、窒化物半導体の表面安定化膜として好適なものであり、窒化物半導体２の表面のリーク電流の抑制に寄与する。

次に、図１（Ａ）のチタン膜８及びアルミニウム膜９を周知の選択エッチング法によって選択的に除去し、図１（Ｂ）に示すようにチタン膜８及びアルミニウム膜９から成る第１の電極１１を形成する。この第１の電極１１を形成する時には、図１（Ａ）のアルミニウム膜９の上面の一部分、即ち図１（Ｂ）の第１の電極１１に対応する部分、のみに周知のレジストマスク（図示せず）を形成し、弗酸を主成分とする周知の弗酸系エッチング液を使用して第１の電極１１以外のチタン膜８及びアルミニウム膜９をエッチングで除去し、第１の電極１１以外の窒化物半導体２の表面及び第１の電極１１の下にチタン酸化膜１０を残存させる。チタン酸化膜１０は極薄いので第１の電極１１の機能をほとんど妨害しない。

次に、図１（Ｃ）に示すように第１の電極１１及び露出しているチタン酸化膜１０の上全体にシリコン酸化膜１２を周知のプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）で形成する。なお、このプラズマＣＶＤでシリコン酸化膜１２を形成する時の窒化物半導体２の温度を、窒化物半導体２におけるN（窒素）の離脱（解離）が生じない温度であって且つ第１の電極１１のオーミック接触を得るための熱処理温度よりも低い温度（例えば２０〜４００℃）に設定する。

次に、第１の電極１１のオーミック接触を得るために図１（Ｃ）に示すシリコン酸化膜１２を伴っている第１の電極１１及び窒化物半導体２を例えば５００℃で加熱する。これにより、チタン膜８及びアルミニウム膜９から成る第１の電極１１とチタン酸化膜１０と窒化物半導体２との合金化反応が生じ、第１の電極１１のオーミック接触が得られる。なお、図示を簡略化するために図１（Ｃ）〜（E）においては合金化層が特別に示めされていない。この加熱処理時において、第１の電極１１で覆われていない窒化物半導体２の表面がチタン酸化膜１０を介してシリコン酸化膜１２で覆われているので、シリコン酸化膜１２が窒化物半導体２におけるN（窒素）の離脱（解離）を防止する。もし、窒化物半導体２におけるN（窒素）の離脱（解離）が生じると、窒化物半導体２に表面準位（トラップ）が生じ、窒化物半導体２の上の２つの電極間におけるリーク電流の増大、電流コラプスの増大を招く。これに対し、本実施例ではシリコン酸化膜１２を形成した後にオーミック接触を得るための加熱処理を施すので、表面準位（トラップ）の発生を抑制し、リーク電流及び電流コラプスを抑制することができる。このオーミック接触を得るための加熱処理の温度は、第１の電極１１のオーミック接触が得られる範囲（例えば、４００〜６００℃）で任意に変えることができる。。

次に、図１（Ｄ）に示すショットキーバリア電極として機能する第２の電極１３を形成する。この第２の電極１３を形成する時には、先ず、シリコン酸化膜１２に開孔１４を形成し、且つチタン酸化膜１０にも開孔１５を形成する。開孔１４，１５は、シリコン酸化膜１２及びチタン酸化膜１０の第２の電極１３に対応する部分以外を周知のレジストマスク（図示せず）で覆い、シリコン酸化膜１２の第２の電極１３に対応する部分を例えばフッ酸とフッ化アンモニウムとエチレングリコールとからなるエッチング液を使用して選択的にエッチングで除去し、続いてチタン酸化膜１０も例えば選択的にフッ酸と水とからなるエッチング液を使用して選択的にエッチングで除去することによって得られる。なお、開孔１４，１５の形成に続いて窒化物半導体２の一部もエッチングで除去し、リセス（凹状）構造にすることもできる。次に、開孔１４，１５から露出している窒化物半導体２の上に窒化物半導体２にショットキー接触することが可能な金属（例えば、ロジウム）を周知のスパッタ法で被着させ、第２の電極１３を形成する。この実施例では第２の電極１３がシリコン酸化膜１２の上にも延在している。なお、第２の電極１３をロジウム以外の例えばＮｉ層とＡｕ層の積層体で形成することもできる。
なお、第１の電極１１のオーミック接触を得るための加熱処理を、開孔１４、１５の形成後に行ってもよい。

次に、図１（E）に示す開孔１８、１９を有する保護絶縁膜としての第２のシリコン酸化膜１６を形成する。この第２のシリコン酸化膜１２を形成する時には、まず、図１（D）のシリコン酸化膜１２及び第２の電極１３の上全体にプラズマCVD法でシリコン酸化膜を形成し、次に周知のレジストマスク（図示せず）を形成して第２のシリコン酸化膜を選択的にエッチングすることによって開孔１８、１９を得る。なお、開孔１８に露出する第１のシリコン酸化膜１２も連続的にエッチングして開孔１７を形成し、第１の電極１１を露出させる。

次に、開口１７、１８、１９を埋めるように例えば金（Au）をスパッタ法で被着させ、第１及び第２の電極１１、１３の上に残存するようにエッチングすることによって図１（E）に示す第１及び第２のパッド電極２０、２１を形成し、SBDを完成させる。

図１（E）に示す完成したSBDの第１及び第２の電極１１、１３間のリーク電流を測定したところ、１００Vの逆方向電圧印加時において約１×１０^-5A／mmであった。比較のためにチタン酸化膜１０を設けない他は、図１（E）と同一構造のSBDを作成し、同一条件でリーク電流を測定したところ、約１×１０^-4A／mmであった。

電流コラプス抑制を調べるために、図１（E）に示すSBDに逆方向電圧Vr（V）を印加し、その直後に順方向電圧を印加してオン抵抗Ron（Ω・mm）を測定したところ、図２の特性線Aに示す結果が得られた。比較のために、図１（E）からチタン酸化膜１０を省いた他は図１（E）と同一の構成のSBDを作り、これに逆方向電圧Vrを印加し、その後に順方向電圧を印加してオン抵抗Ronを測定したところ、図２の特性線Bに示す結果が得られた。図２の特性線A、Bの比較から明らかなように本実施例のSBDの逆方向電圧印加後のオン抵抗Ronは、従来のこれよりも１／２以上小さくなっている。

上述から明らかなように本実施例は次の効果を有する。
（１）チタン酸化膜１０を形成するために特別な酸化処理工程が要求されないので、製造工程が簡略化され、製造コストの低減を図ることができる。
（２）自然発生的に形成された極めて薄いチタン酸化膜１０は窒化物半導体２の表面のリーク電流を良好に抑制する。
（３）第１のシリコン酸化膜１２をプラズマＣＶＤで比較的低温で形成し、チタン酸化膜１０を介して第１のシリコン酸化膜１２で窒化物半導体２の表面を覆った後に第１の電極１１のオーミック接触を得るための加熱処理を施すので、窒化物半導体２におけるN（窒素）の離脱（解離）が防止され、窒化物半導体２の表面準位即ちトラップの発生が抑制される。これによりリーク電流及び電流コラプスが抑制される。
（４）ショットキーバリア電極として機能する第２の電極１３と窒化物半導体２との間にチタン酸化膜１０が介在しないので、電流コラプスが抑制される。即ち、もし、第２の電極１３と窒化物半導体２との間にチタン酸化膜１０が介在しても、チタン酸化膜１０は極めて薄いので、第２の電極１３はショットキーバリア電極として機能する。しかし、第２の電極１３の下にチタン酸化膜１０を残存させると、電流コラプスによるオン抵抗の増大を招く。ショットキーバリア電極の下にチタン酸化膜が配置されている特許文献３及び４等の従来のＨＥＭＴと同様な原理で構成した従来のＳＢＤよりも電流コラプスに起因するオン抵抗の増大が少ない。即ち、通常、リーク電流の低減と電流コラプスによるオン抵抗の増大抑制はトレードオフの関係にあるが、チタン酸化膜が非常に薄く且つショットキー電極の下にチタン酸化膜を設けない場合には、リーク電流の低減と電流コラプスによるオン抵抗の増大抑制とが両立可能となる。例えば本実施例に従うＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合を有するＳＢＤにおいては、チタン酸化膜によって表面安定化しない従来のこれらに比べてリーク電流が１桁以上低減し、また、ＳＢＤの逆方向電圧印加後のオン抵抗はチタン酸化膜によって表面安定化しない従来のＳＢＤに比べて１／２以下に低減する。

次に、図３を参照して実施例２のSBDを説明する。但し、図３において図１と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

図３のSBDは、図１のSBDの第２の電極１３と窒化物半導体２との間にチタン酸化膜１０を残存させ、この他は図１と同一に形成したものである。従って、図３のSBDの製造工程の大部分は図１のSBDの製造工程と同一である。図３においては、図１（C）の工程の後に、図３（A）に示すように第１のシリコン酸化膜１２に開孔１４を形成するが、チタン酸化膜１０には開孔を形成しない工程を設ける。第２の電極１３は、図３（B）に示すようにチタン酸化膜１０の上に形成する。チタン酸化膜１０は極めて薄いので、第２の電極１３と窒化物半導体２とのショットキー接合は可能である。

実施例１において既に説明したように第２の電極１３の下にチタン酸化膜１０を残存させると、電流コラプスの点で不利である。しかし、SBDが電流コラプスを問題としない回路に使用される場合には、SBDを図３の構造にすることができる。なお、図３のSBDによってもリーク電流低減効果は図１にSBDと同様に得られる。

次に、図４を参照して実施例３のHEMTを説明する。但し、図４において図１と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
図４のHEMTは図１のSBDに第３の電極３０と第３のパッド電極３２とを付加し、この他は図１と実質的に同一に形成されている。第３の電極３０は、窒化物半導体２にオーミック接触する電極であって、第１の電極２０と同一構造を有し、チタン酸化膜１０上に配置されたチタン層３１とアルミニウム層3２とから成る。第３の電極３０の下のチタン酸化膜１０は、図４（A）に示すようにチタン層８とアルミニウム層とを形成する時に自然発生的に形成された極く薄い膜である。第３の電極３０は、図４（B）に示すように第１の電極１１と同時に同一方法で形成される。

図４（C）から明らかなように、ショットキー電極として機能する第２の電極１３は、第１及び第３の電極１１、３０の間に配置されている。従って、本実施例では第１の電極１１がHEMTのドレイン電極、第２の電極１３がゲート電極、第３の電極３０がソース電極として使用される。

図４の実施例のHEMTはノーマリオン型であるので、ゲート電極としての第２の電極１３に電圧を印加しない状態でも２DEG層６が形成され、第１及び第３の電極１１、３０間がオン状態になる。HEMTをオフ状態にする時には、ソース電極としての第３の電極３０よりもゲート電極としての第２の電極１３の電位を低くする。これにより、第２の電極１３と窒化物半導体２との間のショットキー接合が逆バイアス状態となり、空乏層によって２DEG層６が分断され、第１及び第３の電極１１、３０間がオフ状態となる。

図４（C）に示すHEMTにおけるチタン酸化膜１０は、図１（E）のSBDにおけるチタン酸化膜１０と同一の機能を有し、第１及び第３の電極１１、３０間のリーク電流の抑制及び電流コラプスの抑制に寄与する。

図５の特性線Cは、図４のHEMTのオフ時におけるドレイン・ソース間電圧V_DSと対数で示すリーク電流Irとの関係を示す。特性線Dは、比較のために図４（C）からチタン酸化膜１０を省いた他は図４（C）と実質的に同一に形成した比較例のHEMTのドレイン・ソース間電圧V_DSとリーク電流Irとの関係を示す。特性線C、Dの比較から明らかなように、チタン酸化膜１０を設けることによりリーク電流Irが１桁以上低減する。

図４のHEMTにおいても電流コラプスが生じる。しかし、図１のSBDの場合と同様に電流コラプスを抑制することができる。従って、図４のHEMTの実施例によっても図１の実施例と同様な効果を得ることができる。

図４のHEMTの変形として、図３のSBDの場合と同様にゲート電極としての第２の電極１３と窒化物半導体２との間にチタン酸化膜１０を残存させることができる。

図６は実施例４に従うMESFET(Metal Semiconductor FET)を説明する。但し、図６において図４と実質的に同一の部分に同一の符号を付してその説明を省力する。

図６のMESFETは、図４の窒化物半導体２を、バッファ層3とｎ型半導体層４aとから成る窒化物半導体２aに変形し、この他は図４と実質的に同一に構成したものである。図６のMESFETにおいては、ｎ型GaNから成るｎ型半導体層４aが活性層即ち電流通路として機能する。第１及び第３の電極１１及び３０はｎ型半導体層４aにオーミック接触し、第２の電極１３はｎ型半導体層４aにショットキー接触している。なお、第１及び第３の電極１１、３０とｎ型半導体層４aとの間にｎ⁺型GaN等のコンタクト層を追加することができる。

図６のMESFETにおけるチタン酸化膜１０も図４のHEMTにおいて同一符号で示すものと同様に機能し、図４の実施例と同様な効果を得ることができる。

なお、図６のMESFETにおいても、第２の電極１３と窒化物半導体２aとの間にチタン酸化膜１０を残存させることができる。

本発明は上述の実施例に限定されるものでなく、例えば次の変形も可能なものである。
（１）各実施例における各半導体層４，４ａ、５の導電型を各実施例と逆にすることができる。例えば、ＨＥＭＴにおいてはｎ型として機能する第２の半導体層５の代わりにｐ型半導体層を設けると、このｐ型半導体層は正孔供給層として機能し、第１の半導体層４に二次元正孔ガス層が生じる。
（２）支持基板１をシリコン以外のシリコン化合物、又はサファイア、又は３−５族化合物半導体で形成することができる。
（３）チタン膜８及びアルミニウム膜９を電子ビーム蒸着法以外の方法、例えばスパッタリング法等で形成することもできる。
（４）アルミニウム膜９の代りに窒化物半導体２に対してオーミック接触することが可能な別な金属膜を設けることができる。
（４）本発明をＳＢＤ、ＨＥＭＴ，ＭＥＳＦＥＴ以外の窒化物半導体装置にも適用することができる。
（５）窒化物半導体２の第１及び第２の半導体層の間に周知のスペーサ層を配置すること、又は第２の半導体層の上に周知のキャップ層を配置することができる。
（６）第１及び第３の１１，３０と窒化物半導体２との間にオーミックコンタクト層を配置することもできる。
（７）窒化物半導体２にリセスを形成し、ここに第１及び第３の１１，３０を配置することもできる。

本発明の実施例１のSBDを製造工程順に示す断面図である。 図１のＳＢＤ及び比較例のＳＢＤの逆方向電圧と逆方向電圧印加後のオン抵抗との関係を示す図である。 本発明の実施例２のＳＢＤを製造工程順に示す断面図である。 本発明の実施例３のＨＥＭＴを製造工程順に示す断面図である。 図４のＨＥＭＴ及び比較例のＨＥＭＴのオフ時におけるドレイン・ソース間電圧V_DSとリーク電流Irとの関係を示す図である。 本発明の実施例４のMESFETを製造工程順に示す断面図である。

符号の説明

１ 支持基板
２ 窒化物半導体
８ チタン膜
９ アルミニウム膜
１０ チタン酸化膜
１１ 第１の電極
１３ 第２の電極
３０ 第３の電極

Claims (13)

1. 少なくとも１つのオーミック電極を有する窒化物半導体装置の製造方法であって、
   窒化物半導体の一方の主面にチタン（Ｔｉ）と窒化物半導体に対してオーミック接触することが可能な金属とを順次に被着させてチタン膜と金属膜とを得ると同時に、前記チタン膜と前記窒化物半導体との界面にチタン酸化膜を得る工程と、
   前記金属膜及び前記チタン膜を選択的に除去して電極を形成すると同時に前記窒化物半導体の前記一方の主面上に表面安定化膜として前記チタン酸化膜を残存させる工程と
   を備えていることを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
2. 更に、前記窒化物半導体の一方の主面に残存しているチタン酸化膜の少なくとも一部を覆うようにシリコン酸化膜を形成する工程であって、前記チタン膜と前記窒化物半導体との間にオーミック接触が得られる温度よりも低い温度状態で前記シリコン酸化膜を形成する工程と、
   次に、前記チタン膜と前記金属膜とから成る電極と前記窒化物半導体との間にオーミック接触を得るために、前記電極及び前記チタン酸化膜及び前記シリコン酸化膜を伴なった前記窒化物半導体に熱処理を施す工程と
   を備えていることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体装置の製造方法。
3. 更に、シリコン酸化膜を選択的に除去して前記チタン酸化膜の一部又は前記窒化物半導体の一部を露出させる工程と、
   前記露出された前記チタン酸化膜の一部又は窒化物半導体の一部の上にショットキーバリア電極を形成する工程と
   を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の窒化物半導体装置の製造方法。
4. 更に、前記シリコン酸化膜及び前記ショットキーバリア電極を覆うように前記窒化物半導体の一方の主面に絶縁膜を形成する工程と、
   前記シリコン酸化膜及び前記絶縁膜を選択的に除去して前記オーミック電極の一部と前記ショットキーバリア電極の一部を露出させる工程と、
   前記オーミック電極及び前記ショットキーバリア電極の上にパッド電極層を形成する工程と
   を備えていることを特徴とする請求項３記載の窒化物半導体装置の製造方法。
5. 前記窒化物半導体は、第１の窒化物半導体から成る第１の半導体層と、前記第１の半導体層とのヘテロ接合に基づいて２次元キャリアガス層を前記第１の半導体層に生じさせることが可能な第２の窒化物半導体から成る第２の半導体層とを備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置の製造方法。
6. 前記金属膜はアルミニウム（Ａｌ）膜であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置の製造方法。
7. 一方及び他方の主面を有する窒化物半導体と、
   前記窒化物半導体の一方の主面上に形成された少なくとも第１及び第２の電極と、
   前記窒化物半導体の前記一方の主面上の前記第１及び第２の電極間の少なくとも一部に配置され且つ前記窒化物半導体の前記一方の主面にチタンを被着した時に自然発生的に生じたチタン酸化膜と、
   前記チタン酸化膜の上のチタンを除去した後に配置されたシリコン酸化膜と
   を備えていることを特徴とする窒化物半導体装置。
8. 前記チタン酸化膜は、３ｎｍ以下の厚みを有していることを特徴とする請求項７記載の窒化物半導体装置。
9. 前記第１の電極は前記窒化物半導体にオーミック接触しているオーミック電極であり、前記第２の電極は前記窒化物半導体にショットキー接触しているショットキー電極であることを特徴とする請求項７又は８記載の窒化物半導体装置。
10. 前記チタン酸化膜は、前記ショットキー電極と前記窒化物半導体との間に配置されておらず、この間以外の前記窒化物半導体の表面の少なくとも一部に配置されていることを特徴とする請求項９記載の窒化物半導体装置。
11. 前記第１の電極は前記窒化物半導体にオーミック接触しているチタン膜と、前記チタン膜の上に形成されたアルミニウム膜とから成ることを特徴とする請求項９又は１０又は１１記載の窒化物半導体装置。
12. 前記窒化物半導体は、第１の窒化物半導体材料から成る第１の半導体層と、前記第１の半導体層とのヘテロ接合に基づいて２次元キャリアガス層を前記第１の半導体層に生じさせることが可能な第２の窒化物半導体材料から成る第２の半導体層とを備えていることを特徴とする請求項７乃至１１の何れか１つに記載の窒化物半導体装置。
13. 更に、前記窒化物半導体の前記一方の主面において前記第１の電極を基準にして前記第２の電極よりも遠い位置に配置されている第３の電極を備え、前記第３の電極は前記窒化物半導体の前記一方の主面にオーミック接触していることを特徴とする請求項１２記載の窒化物半導体装置。

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