JP4912604B2

JP4912604B2 - 窒化物半導体ｈｅｍｔおよびその製造方法。

Info

Publication number: JP4912604B2
Application number: JP2005096902A
Authority: JP
Inventors: 俊介倉知; 務駒谷
Original assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Current assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: EP1708259B1; US20060220063A1; EP1708259A3; US8178900B2; EP1708259A2; JP2006278812A; EP1708259B8

Description

本発明は窒化物半導体ＨＥＭＴおよびその製造方法に関する。

窒化物半導体、特に窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた半導体装置は、高周波かつ高出力で動作するパワー素子として用いられている。特に、マイクロ波、準ミリ波、ミリ波等の高周波帯域において増幅を行うのに適した半導体装置として、高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：HEMT）が知られている。窒化物半導体ＨＥＭＴの高出力化のため、高ドレイン電圧で動作可能なＨＥＭＴの技術開発が進められている。

窒化物半導体は、Ｖ族元素である窒素（Ｎ）とIII族元素の化合物であり、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などがある。特許文献１、特許文献２および特許文献３にはＧａＮ層と、ＧａＮとＡｌＮの混晶であるＡｌＧａＮ層を含む窒化物半導体を用いたＨＥＭＴ（以下、窒化物半導体ＨＥＭＴ）が開示されている。

特許文献１には、ＧａＮチャネル層上に、ＡｌＧａＮ電子供給層が形成され、ＡｌＧａＮ電子供給層上にゲート電極、ソース電極およびドレイン電極が形成された窒化物半導体ＨＥＭＴが開示されている。ここでは、ゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面層はＡｌＧａＮ層である。

特許文献２には、ＡｌＧａＮ電子供給層上に、ＧａＮ電子蓄積層が形成され、ＧａＮ電子蓄積層上にゲート電極、ソース電極およびドレイン電極が形成された窒化物半導体ＨＥＭＴが開示されている。ここでは、ゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面層はＧａＮ層である。

特許文献３には、ＧａＮチャネル層上に、ＡｌＧａＮ電子供給層が形成され、ＡｌＧａＮ電子供給層上にゲート電極、ＡｌＧａＮ電子供給層上にＧａＮコンタクト層を介してソース電極およびドレイン電極が形成された窒化物半導体ＨＥＭＴが開示されている。ここでは、ゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面層はＧａＮ層とＡｌＧａＮ層である。
特開２００４−２００２４８号公報図1 特開２００３−２２９４３９号公報図１特開２００１−７７３５３号公報図１

しかしながら、従来の窒化物半導体ＨＥＭＴでは高いドレイン電圧を印加すると、ドレイン電流が減少してしまう現象（コラプス現象）が問題となっている。以下にコラプス現象につき説明する。図１は窒化物半導体ＨＥＭＴ（従来例）にドレイン電圧として順次１０V、２０V、５０Ｖを印加したときのドレイン電流（Ｉｄｓ）−ドレイン電圧（Ｖｄｓ）特性を示している。ドレイン電圧を２０Ｖ印加したときのドレイン電流は、ドレイン電圧を１０Ｖ印加したときのドレイン電流に比べ減少する。さらに、ドレイン電圧を５０Ｖ印加したときのドレイン電流は、ドレイン電圧１０Ｖ印加したときのドレイン電流の約半分となっている。このようなＨＥＭＴにおいては、ドレイン電圧を２０Ｖ以上印加することができず、高出力動作は難しい。

本発明の目的は、高ドレイン電圧を印加したときに生じるコラプス現象を抑制し、高出力動作可能な窒化物半導体ＨＥＭＴおよびその製造方法を提供することである。

本発明は、基板上に順に形成されたＧａＮ電子走行層、ＡｌＧａＮ電子供給層およびＧａＮキャップ層と、前記ＧａＮキャップ層上に形成されたゲート電極と、該ゲート電極を挟んで形成されたソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極と前記ゲート電極との間および前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の前記ＧａＮキャップ層の表面の全体に形成され、珪素の組成比が窒素に対し０．８５〜１．１２の窒化珪素からなる絶縁膜と、を具備することを特徴とする窒化物半導体ＨＥＭＴである。本発明によれば、コラプス現象の原因となるゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面層内に形成されるIII族元素の酸化物を減らすことができる。これによりコラプス現象を抑制することができる。よって、高出力動作可能な窒化物半導体ＨＥＭＴを提供することが可能となる。

本発明は前記基板は、ＳｉＣ、Ｓｉ、サファイアおよびＧａＮ系半導体のいずれかからなることを特徴とする窒化物半導体ＨＥＭＴとすることができる。

本発明は、基板上にＧａＮ電子走行層、ＡｌＧａＮ電子供給層およびＧａＮキャップ層を順に形成する工程と、前記ＧａＮキャップ層の表面にプラズマＣＶＤ法によって、珪素の組成比が窒素に対し０．８５〜１．１２の窒化珪素からなる絶縁膜を形成する工程と、前記ＧａＮキャップ層上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極を挟んでソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、を具備し、前記絶縁膜は、前記ソース電極と前記ゲート電極との間および前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の前記ＧａＮキャップ層の表面の全体に形成されることを特徴とする窒化物半導体ＨＥＭＴの製造方法である。本発明によれば、コラプス現象の原因となるゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面層内に形成されるIII族元素の酸化物を減らすことができる。これによりコラプス現象を抑制することができる。よって、高出力動作可能な窒化物半導体ＨＥＭＴの製造方法を提供することが可能となる。

本発明は、前記窒化珪素からなる絶縁膜は、ＳｉＨ４ガスの流量が４〜１５ｓｃｃｍ、ＮＨ３ガスの流量が０〜８ｓｃｃｍ、Ｎ２ガスの流量が２０〜２００ｓｃｃｍにより形成されることを特徴とずる窒化物半導体ＨＥＭＴの製造方法とすることができる。さらに、本発明は、前記絶縁膜は１０ｎｍ以上で形成されることを特徴とする窒化物半導体ＨＥＭＴの製造方法とすることができる。さらに、本発明は、前記ＧａＮ電子走行層、前記ＡｌＧａＮ電子供給層および前記ＧａＮキャップ層は、ＭＯＣＶＤ法で形成されることを特徴とする窒化物半導体ＨＥＭＴの製造方法とすることができる。

本発明によれば、半導体表面層上に形成された絶縁膜層が、半導体表面層内の絶縁膜層界面に形成されるIII族元素の酸化物を減らし、これにより、高ドレイン電圧を印加したときに生じるコラプス現象を抑制することができる。この結果、高出力動作可能な窒化物半導体ＨＥＭＴおよびその製造方法を提供することが可能となる。

本発明者は、コラプス現象の原因について、以下のように推論した。図２はコラプス現象の原因につき説明するための従来例にかかるＨＥＭＴの断面模式図である。サファイア基板またはＳｉＣ基板１１上に、ＧａＮ系半導体層１３として、ＧａＮチャネル層およびＡｌＧａＮ電子供給層を含む半導体層１０、半導体表面層１２であるＧａＮキャップ層が形成されている。ＧａＮ系半導体層１３の表面に絶縁膜２０が形成されている。さらに、絶縁膜２０の所定領域に開口部を設け、開口部にＧａＮ系半導体層１３上にゲート電極１８が形成されている。さらに、ゲート電極１８を挟んでソース電極１４およびドレイン電極１６が形成されている。

このとき、半導体表面層１２内の絶縁膜層２０界面には半導体表面層１２を構成するIII族元素の酸化物４０が存在する。ドレイン電流である電子４６の流れ４４は、ソース電極１４からドレイン電極１６に流れる。高ドレイン電圧を印加することにより、何らかの原因で、電子４６の一部が、ゲート電極１８とドレイン電極間の酸化物４０に捕獲される。これにより、ドレイン電流が減少する。ここで、高電界によって、電子が捕獲されるメカニズムは明確ではないが、例えば、高ドレイン電圧印加時の高電界により酸化物４０内に電子トラップ４２が誘発する。または、高電界によって、ホットになった電子が表面空乏層を通過し、酸化物４０内の電子トラップ４２に捕獲される、などが考えられる。いずれにしても、コラプス現象は半導体表面層１２内の絶縁膜層２０界面に存在する酸化物４０に起因するのではないかと推論した。そこで、本発明者は、半導体表面層内のIII族元素の酸化物を減らす手段として、標準生成自由エネルギーに着目した。

ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、珪素（Ｓｉ）の酸化物における標準生成自由エネルギーは以下である。Ｇａ_２Ｏ_３は−４９９ｋＪ／ｍｏｌｅ、Ａｌ_２Ｏ_３は−７９１ｋＪ／ｍｏｌｅ、Ｉｎ_２Ｏ_３は−４１９ｋＪ／ｍｏｌｅ、ＳｉＯ_２は−８５７ｋＪ／ｍｏｌｅである。標準生成自由エネルギーとは反応の進み易さを表し、負に大きくなれば、自発的にその組成になるように反応が進むことを表す。

ＳｉＯ_２が標準生成自由エネルギーが最も小さい。半導体表面層１２が例えばＧａＮ層であった場合、その酸化物としてはＧａ_２Ｏ_３が考えられる。半導体表面層１２であるＧａＮ層は、窒素抜けによりＧａが過剰な状態になる。そのため、大気中の酸素と反応し、例えばＧａ_２Ｏ_３のような酸化物が形成される。半導体表面層化学量論的な窒化珪素膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）より珪素（Ｓｉ）の含有量の多い窒化珪素膜がＧａＮ層上に形成されれば、窒化珪素膜中の余剰な珪素（余剰なボンドが水素と結合しＳｉ−Ｈ基となっている珪素）は、ＧａＮ層内の酸化物であるＧａ_２Ｏ_３の酸素と反応し、珪素自らが酸化する。その結果、酸化物であるＧａ_２Ｏ_３を減らすことができると考えた。

図３は、窒化珪素膜中の屈折率と、窒化珪素膜中の窒素に対する珪素の組成比（珪素／窒素組成比）との関係を示す図である。屈折率が２．０よりやや小さな値のとき、珪素と窒素は化学量論的な値である０．７５となる。よって、屈折率が２．０以上であれば、窒化珪素膜中の珪素は化学量論的な窒化珪素膜より珪素が余剰になる。

そこで、後述する実施例１と同じ構造を有する半導体装置において、絶縁膜層２５として窒化珪素膜層の屈折率を２．０５とした半導体装置と２．２０とした半導体装置を作製した。

表１は、絶縁膜層２５として窒化珪素膜層の屈折率を２．０５とした半導体装置と２．２０とした半導体装置における、半導体表面層１２と絶縁膜層２５界面付近のエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析（ＥＤＸ分析）の結果である。半導体表面層１２と絶縁膜層界面の絶縁膜層側の箇所３０と半導体表面層側の箇所３２の２箇所で分析を行っている。ここで、各元素の比率は組成比を示すものではなく、信号の強さを表している。

屈折率２．０５の窒化珪素膜層を有する半導体装置では、半導体表面層側の箇所３２において、絶縁膜層側の箇所３０に比べ、酸素とガリウムが多く検出される。これより、半導体表面層内にガリウム酸化物が形成されていることが考えられる。

一方、屈折率２．２０の窒化珪素膜層を有する半導体装置では、屈折率２．０５の窒化珪素膜層を有する半導体装置に比べ、半導体表面層側の箇所３２の酸素が減っている。また、絶縁膜層側の箇所３０の酸素が増えている。このことから、窒化珪素膜層の屈折率を２．２０としたことにより、窒化珪素膜層中の余剰な珪素（すなわちＳｉ−Ｈ基）が、半導体表面層内のガリウム酸化物中の酸素と反応し、その結果、ガリウム酸化物が減ったものと考えられる。

このように、屈折率が２．２以上、すなわち珪素／窒素組成比が０．８５以上の窒化珪素膜を半導体表面層１２上に形成することにより、半導体表面層１２内のIII族元素の酸化物を減ずることができる。ここで、屈折率が２．０５でなく２．２以上が好ましいのは、ガリウム酸化物を減らすためにはある程度の余剰な珪素（Ｓｉ−Ｈ基）が必要だからである。

実施例１は、絶縁膜層２５として屈折率２．２〜２．３、すなわち珪素／窒素組成比０．８５〜０．９の窒化珪素膜層を半導体表面層１２上に形成した窒化物半導体ＨＥＭＴの例である。

以下、窒化物半導体ＨＥＭＴの製造方法について説明する。図４において、例えばＳｉＣ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法を用い、ＧａＮ系半導体層１３として、不純物無添加のＧａＮ電子走行層、Ｓｉを添加したＮ型のＡｌＧａＮ電子供給層を含む半導体層１０、半導体表面層１２としてＧａＮキャップ層を形成する。これにより、エピタキシャル基板が完成する。半導体表面層１２の表面に、絶縁膜層２５として屈折率２．２〜２．３の窒化珪素膜層を形成する。この窒化珪素膜は、珪素／窒素組成比は０．８５〜０．９に相当する。以上により、半導体製造用基板が完成する。基板１１はＳｉＣ、Ｓｉ、サファイアまたはＧａＮ系半導体のいずれかからなる基板を用いることができる。これにより、結晶性のよいＧａＮ系半導体層１３を形成することができる。ＧａＮ系半導体１３とは、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮのいずれかからなる半導体である。実施例１においては、ＧａＮ系半導体層１３はＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層からなる。

絶縁膜層２５である窒化珪素膜の形成は、プラズマＣＶＤ装置を用い、例えば、ＳｉＨ_４（シラン）ガスの流量を４．０〜１５ｓｃｃｍ、ＮＨ_３（アンモニア）ガスの流量を０〜８％ｓｃｃｍ、Ｎ_２(窒素)ガスの流量を２０〜２００ｓｃｃｍ、高周波電力密度を０．０４〜０．２４W／ｃｍ２の条件で行った。ここで、例えば、ＮＨ_３ガスを低流量にすることで、珪素の含有量および屈折率を大きくすることができ、高周波電力密度を所定の値とすることで、珪素の含有量および所望の屈折率とすることができる。本実施例では、屈折率は２．２〜２．３、珪素／窒素組成比は０．８５〜０．９とした。プラズマＣＶＤ装置としては平行平板型プラズマＣＶＤ装置、ＩＣＰ型ＣＶＤ装置、ＥＣＲ型ＣＶＤ装置を用いることができる。また、絶縁膜層２５は、スパッタ装置を用い、例えば、Ａｒのガス流量比を２０〜８０％、高周波電力を５０〜５００Ｗの条件で形成することもできる。絶縁膜層２５の形成をＣＶＤ装置またはスパッタ装置を用いることにより、簡単に所望の絶縁膜層２５を成膜することができる。

絶縁膜層２５の膜厚は２００ｎｍから３００ｎｍを使用した。半導体表面層１２表面の酸化物を減らす効果を得るためには、絶縁膜層２５の膜厚は、１０ｎｍ以上であることが好ましい。

次に、図５において、所定領域の絶縁膜層２５をドライエッチング法で選択的にエッチングし、半導体表面層１２上にゲート電極１６を形成する。ゲート電極１８は、例えばＮｉ／ＡｌまたはＮｉ／Ａｕであり、蒸着法およびリフトオフ法により形成する。所定領域の絶縁膜層２５をドライエッチング法で選択的にエッチングし、ゲート電極１８を挟んでソース電極１４およびドレイン電極１６を形成する。ソース電極１４およびドレイン電極１６は、例えばＴｉ／ＡｌまたはＴｉ／Ａｕであり、蒸着法およびリフトオフ法により形成される。以上により、実施例１に係る窒化物半導体ＨＥＭＴが完成する。

図６は、このように作製されたＨＥＭＴに、ドレイン電圧として順次１０V、２０V、５０Ｖを印加したときのドレイン電流（Ｉｄｓ）−ドレイン電圧（Ｖｄｓ）特性を示している。いずれのドレイン電圧印加時も、ドレイン電流曲線はほぼ一致し、コラプス現象は生じていない。

このように、実施例１に係る窒化物半導体ＨＥＭＴにおいては、絶縁膜層２５として化学量論的な組成より珪素の多い窒化珪素膜層を、ゲート電極１８とドレイン電極１６間の半導体表面層１２上に形成することにより、半導体表面層１２内のIII族元素の酸化物を減ずることができた。これにより、コラプス現象を抑制させることができた。この結果、実施例１に係るＨＥＭＴにおいては、高出力動作可能な半導体装置の提供が可能となった。なお、実施例１においては、窒化物半導体ＨＥＭＴの例を示したが、ＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor FET）においても同様の効果が得られる。

また、図４に示した半導体装置製造用基板においては、絶縁膜層２５がエピタキシャル基板の表面保護として機能する。基板上に種々の半導体層を形成したエピタキシャル基板は、予め作りだめをしておき、製造の所要があった場合に残りの工程を行う。あるいは、エピタキシャル成長技術を持たないメーカが、外部から購入して使用することになるものである。以上のように、エピタキシャル基板は、その表面が長期にわたって外部雰囲気に曝されることになるが、その間、表面の酸化などが進行してしまう。このようなエピタキシャル基板の表面に絶縁膜層２５を形成しておくことにより、長期に外部雰囲気に曝されることがなくなる。その結果、ＧａＮ系半導体層１３の表面に半導体装置の特性を劣化させる酸化物が形成されることを防止できる。従来の化学量論的な組成の絶縁膜においては、酸化物を低減させる機能は存在しなかった。しかし、実施例１に係る半導体装置を製造するための半導体装置製造用基板においては、絶縁膜２５を設けることで、半導体表面層１２に形成された酸化物を低減できるのである。よって、ＧａＮ系半導体層１３の表面に半導体装置の特性を劣化させる酸化物が形成されることを防止できる。

本実施例において、絶縁膜層２５として屈折率２．１から２．２の窒化珪素膜層を使用した例を示した。絶縁膜層２５は、窒化珪素膜層の屈折率が大きい方、すなわち窒化珪素膜中に珪素の含有量は多い方が、半導体表面層１２内に形成された酸化物を減らす効果は大きい。言い換えると、屈折率の大きく、すなわち、窒素に対する珪素の組成比が大きい絶縁膜の効果が大きいと言える。しかし、珪素／窒素組成比が、例えば、３．０を越えると、大気中の酸素と反応してしまうため、窒化珪素膜下の酸化物との反応が低減されてしまう。さらに、珪素／窒素組成比が３．０を越える場合には、バンドギャップが急激に減少し、金属としての性質を帯び絶縁膜とはならず、アモルファス珪素となる。このため、珪素／窒素組成比は３．０以下とすることが
好ましい。

以上のように、窒化珪素膜の珪素／窒素組成比は（珪素の組成比が窒素に対し）、珪素の組成を化学量論的な組成より多くするため、０．８５以上であることが好ましい。０．８５より小さいと、例えばＧａ_２Ｏ_３を引き抜くためのＳｉ−Ｈ基の密度が足りないため、コラプス現象を抑制する効果が低くなるためである。また、上記より、珪素／窒素組成比は３．０以下が好ましい。さらに、１．０〜３．０がより好ましい。

本実施例において、半導体表面層１２としてＧａＮ層である場合の例を示した。しかし、前述の標準生成自由エネルギーを考慮すれば、例えば、ＧａＮとＡｌＮの混晶であるＡｌＧａＮ層であっても同様に考えることができる。ＡｌＧａＮ層の表面にはガリウム酸化物とアルミニウム酸化物が形成されている。アルミニウム酸化物であるＡｌ₂Ｏ₃の標準生成自由エネルギーよりＳｉＯ₂の標準生成自由エネルギーの方が小さい。よって、絶縁膜層２５内の余剰な珪素は、Ｇａ_２Ｏ_３およびＡｌ₂Ｏ₃の酸素と反応し、これら酸化物を減らすことができる。

上記のごとく、特許文献１のような、ゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面１２層がＡｌＧａＮ層である構造、特許文献２のような、ゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面層１２がＧａＮ層である構造、および特許文献３のような、ゲート電極とドレイン電極の間の半導体表面層１２がＡｌＧａＮ層とＧａＮ層である構造に対しても、半導体表面層１２上に絶縁膜層２５として化学量論的な組成より珪素が多く含まれた窒化珪素膜層を形成することにより、半導体表面層１２内のIII族元素の酸化物を減らし、コラプス現象を抑制できる。

また、絶縁膜層２５としては、窒化珪素膜層のみならず、珪素を含む酸化珪素膜や窒化酸化珪素膜であっても、珪素が化学量論的な組成より多い膜であれば、余剰な珪素が、Ｇａ_２Ｏ_３およびＡｌ₂Ｏ₃の酸素と反応し、これら酸化物を減らす効果がある。

酸化珪素膜を用いる場合は、酸化珪素膜の珪素／酸素組成比は（珪素の組成比が酸素に対し）、珪素の組成を化学量論的な組成比である０．５より多くするため、０．６以上であることが必要である。０．６より小さいと、例えばＧａ_２Ｏ_３を引き抜くためのＳｉ−Ｈ基の密度が足りないため、コラプス現象を抑制する効果が低くなるためである。また、珪素／酸素組成比が３．０を越えると、窒化珪素膜と同様、大気中の酸素と反応してしまう。また、金属的な性質を帯びたアモルファス珪素となってしまう。以上より、酸化珪素膜の珪素／酸素組成比は（珪素の組成比が酸素に対し）、０．６以上が好ましく、３．０以下が好ましい。さらに、１．０〜３．０がより好ましい。

酸化珪素膜の形成は、プラズマＣＶＤ装置を用い、例えば、ＳｉＨ_４ガスの流量を４〜１０ｓｃｃｍ、ＮＯ_２（二酸化窒素）ガスの流量を２〜１５ｓｃｃｍ、Ｎ_２ガスの流量を２０〜５００ｓｃｃｍ、電力密度を０．０３〜０．３Ｗ／ｃｍ^２の条件で行うことができる。

酸化窒化珪素膜を用いる場合は、酸化窒化珪素膜の珪素／窒素並びに酸素組成比が（珪素の組成比が窒素および酸素に対し）０．６以上であることが必要である。０．６より小さいと、例えばＧａ_２Ｏ_３を引き抜くためのＳｉ−Ｈ基の密度が足りないため、コラプス現象を抑制する効果が低くなるためである。また、珪素／窒素並びに酸素組成比が３．０を越えると、窒化珪素膜と同様、大気中の酸素と反応してしまう。また、金属的な性質を帯びたアモルファス珪素となってしまう。以上より、窒化酸化珪素膜の珪素／酸素および窒素組成比は（珪素の組成比が酸素および窒素に対し）、０．６以上が好ましく、３．０以下が好ましい。さらに、１．０〜３．０がより好ましい。

酸化窒化珪素膜の形成は、平行平板型プラズマＣＶＤ装置を用い、例えば、ＳｉＨ_４ガスの流量を４〜１０ｓｃｃｍ、ＮＯ_２（二酸化窒素）ガスの流量を２〜８ｓｃｃｍ、Ｎ_２ガスの流量を２０〜５００ｓｃｃｍ、高周波電力密度を０．０７〜０．２５Ｗ／ｃｍ^２の条件で行うことができる。

さらに、半導体表面層１２としてＧａＮ層の表面に形成されたＧａ_２Ｏ_３に対しては、絶縁膜層２５としてアルミニウムが化学量論的な組成より多く含まれる窒化アルミニウム膜層や酸化アルミニウム膜層を使用することもできる。Ａｌ₂Ｏ₃の標準生成自由エネルギーはＧａ_２Ｏ_３の標準生成自由エネルギーに対し小さいため、絶縁膜層２５中の余剰なアルミニウムがＧａ_２Ｏ_３の酸素と反応し、これら酸化物を減らす効果があるためである。

窒化アルミニウム膜を用いる場合は、窒化アルミニウム膜のアルミニウム／窒素組成比を化学量論的な組成である１．０より多くするため、１．２以上であることが必要である。１．２より小さいと、例えばＧａ_２Ｏ_３を引き抜くＡｌのダングリングボンドの密度が足りないため、コラプス現象を抑制する効果が低くなるためである。また、アルミニウム／窒素組成比が２．０を越えると、大気中の酸素と反応してしまうため、窒化アルミニウム膜下の酸化物との反応が低減されてしまう。以上より、窒化アルミニウム膜のアルミニウム／窒素組成比は（アルミニウムの組成比が窒素に対し）、１．２以上が好ましく
、２．０以下が好ましい。さらに、１．５〜２．０がより好ましい。

窒化アルミニウム膜の形成は、窒化アルミニウム膜からなるターゲット、スパッタ法を用い、例えば、Ａｒガスの流量が２０〜１００ｓｃｃｍ、高周波電力が１００〜２００Ｗの条件で行うことができる。

酸化アルミニウム膜を用いる場合は、酸化アルミニウムのアルミニウム／酸素組成比は（アルミニウムの組成比が酸素に対し）、化学量論的な組成である０．６７より多くするため、０．７以上であることが必要である。０．７より小さいと、例えばＧａ_２Ｏ_３を引き抜くＡｌのダングリングボンドの密度が足りないため、コラプス現象を抑制する効果が低くなるためである。また、アルミニウム／酸素組成比が２．０を越えると、大気中の酸素と反応してしまうため、窒化アルミニウム膜下の酸化物との反応が低減されてしまう。以上より、窒化アルミニウム膜のアルミニウム／窒素組成比は（アルミニウムの組成比が酸素に対し）、０．７以上が好ましく、２．０以下が好ましい。さらに、１．５〜２．０がより好ましい。

酸化アルミニウム膜の形成は、酸化アルミニウムからなるターゲット、スパッタ法を用い、例えば、Ａｒガスの流量２０〜１００ｓｃｃｍ、高周波電力１００〜２００Ｗの条件で行うことができる。

また、Ｉｎ_２Ｏ_３の標準生成自由エネルギーはＡｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ₂に対し大きいため。絶縁膜層２５が珪素またはアルミニウムを化学量論的な組成より余剰に含む膜であれば、半導体表面層１２として、ＧａＮ層の代わりにＩｎＧａＮ層であっても、インジウムの酸化物を減らす効果が得られる。

以上説明したように、半導体表面層１２上に形成された絶縁膜層２５が以下の要件を満たせば、半導体表面層１２内に形成されるIII族元素の酸化物を減らすことができる。この結果、コラプス現象を抑制でき、高出力動作可能な窒化物半導体ＨＥＭＴあるいはＭＥＳＦＥＴを提供することができる。

ここで、前述の絶縁膜層２５の要件としては、絶縁膜層２５を構成する金属元素の酸化物の標準生成自由エネルギーをＧ１、半導体表面層１２を構成するIII族元素の酸化物の標準生成自由エネルギーをＧ２としたとき、Ｇ１＜Ｇ２であって、かつ化学量論的な組成より前記金属元素を多く含む絶縁膜層であることである。

図1は従来例の電気的特性を示す図である。図２はコラプス現象の原因を説明するための図である。図３は窒化珪素膜の屈折率と珪素／窒素組成比を示す図である。図４は実施例１に係るＨＥＭＴの製造工程を示す断面図である。図５は実施例１に係るＨＥＭＴの断面図である。図６は実施例１の電気的特性を示す図である。

符号の説明

１０半導体層
１１基板
１２半導体表面層
１３ＧａＮ系半導体層
１４ソース電極
１６ドレイン電極
１８ゲート電極
２５絶縁膜層

Claims

基板上に順に形成されたＧａＮ電子走行層、ＡｌＧａＮ電子供給層およびＧａＮキャップ層と、
前記ＧａＮキャップ層上に形成されたゲート電極と、該ゲート電極を挟んで形成されたソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ゲート電極との間および前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の前記ＧａＮキャップ層の表面の全体に形成され、珪素の組成比が窒素に対し０．８５〜１．１２の窒化珪素からなる絶縁膜と、
を具備することを特徴とする窒化物半導体ＨＥＭＴ。
前記基板は、ＳｉＣ、Ｓｉ、サファイアおよびＧａＮ系半導体のいずれかからなることを特徴とする請求項１載の窒化物半導体ＨＥＭＴ。
基板上にＧａＮ電子走行層、ＡｌＧａＮ電子供給層およびＧａＮキャップ層を順に形成する工程と、
前記ＧａＮキャップ層の表面にプラズマＣＶＤ法によって、珪素の組成比が窒素に対し０．８５〜１．１２の窒化珪素からなる絶縁膜を形成する工程と、
前記ＧａＮキャップ層上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極を挟んでソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、を具備し、
前記絶縁膜は、前記ソース電極と前記ゲート電極との間および前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の前記ＧａＮキャップ層の表面の全体に形成されることを特徴とする窒化物半導体ＨＥＭＴの製造方法。
前記窒化珪素からなる絶縁膜は、ＳｉＨ_４ガスの流量が４〜１５ｓｃｃｍ、ＮＨ_３ガスの流量が０〜８ｓｃｃｍ、Ｎ_２ガスの流量が２０〜２００ｓｃｃｍにより形成されることを特徴とする請求項３記載の窒化物半導体ＨＥＭＴの製造方法。
前記絶縁膜は１０ｎｍ以上で形成されることを特徴とする請求項３記載の窒化物半導体ＨＥＭＴの製造方法。
前記ＧａＮ電子走行層、前記ＡｌＧａＮ電子供給層および前記ＧａＮキャップ層は、ＭＯＣＶＤ法で形成されることを特徴とする請求項３記載の窒化物半導体ＨＥＭＴの製造方法。