JP2004247709A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ショットキー接合を介して流れるリーク電流を低く抑えると共に、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることを目的とする。
【解決手段】半導体装置は、ＧａＮ層１３と、ＧａＮ層１３の上に形成されたゲート電極１６とを備える。ゲート電極１６はＳｉを含んでおり、ＧａＮ層１３とゲート電極１６との間にＡｌ₂Ｏ₃ 膜が介在している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般的に（Ｉｎ_xＡｌ_1-x）_yＧａ₁―_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表されるIII族窒化物半導体層、いわゆる窒化ガリウム系の化合物半導体層よりなる半導体装置及びその製造方法に関する。

III族窒化物半導体、すなわちＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ又はその混晶物よりなる半導体は、短波長発光デバイスのみならず電子デバイスへの応用が検討されている。特に、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１) とＧａＮとのへテロ界面に形成される高濃度の二次元電子ガスを利用したヘテロ接合電界効果デバイス（Heterojunction Field Effect Transistor、以下ＨＦＥＴと略す）においては、窒化物半導体が有する本来の物性の特長である高い絶縁耐圧及び高い飽和速度を十分活用できる可能性が高いので、ヘテロ接合電界効果デバイスは高出力高周波デバイスとして開発が進められている。

以下、III族窒化物半導体層を有する従来の半導体装置について、図１３を参照しながら説明する。

図１３に示すように、基板１０１の上にはバッファ層１０２が形成されており、該バッファ層１０２の上にはＧａＮ層１０３が形成されている。ＧａＮ層１０３の上にはＡｌ_xＧａ_1-xＮ層１０４が形成されており、該Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層１０４にはオーミック・コンタクト１０５が形成されている。Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層１０４の上にはゲート電極１０６が形成されている。

ところで、ＨＦＥＴにおいて、チャネル領域を流れる二次元電子ガスの流量は、通常、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層１０４の表面バリア層にショットキー接合を形成するゲート電極１０６に加える電圧によって制御される。このように、窒化物半導体層の表面に形成されるショットキー接合を有するゲート電極は、一般に、金属性のゲート電極材料を窒化物半導体層の表面に直接堆積することにより形成されている。この場合、ゲート電極材料と窒化物半導体層との間の密着性を高めるために、ゲート電極材料と窒化物半導体層との反応性を高める必要がある。

しかしながら、ゲート電極材料と窒化物半導体層との反応性を高めると、最終的に形成されるショットキー接合におけるリーク特性を最小に抑える上で大きな問題になる。すなわち、リーク電流をより小さく抑えるためには、一般的に窒化物半導体層に対して反応性が低い材料（例えばＡｕ、Ｐｔ、又はＰｄ等）をゲート電極に用いればよいが、これらの材料は窒化物半導体層に対する反応性が低いために窒化物半導体層の表面に対する密着性が低いので、これらの材料を用いたゲート電極は窒化物半導体層の表面から容易に剥がれてしまう。

窒化物半導体層に対して反応性が低いＡｕ、Ｐｔ、又はＰｄ等の材料を用いたゲート電極が窒化物半導体層の表面から容易に剥がれるという問題に対しては、通常、Ｔｉ、Ｎｉ、又はＳｉ等をＡｕ、Ｐｔ、又はＰｄ等と共に蒸着することにより、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を高めるという方法が採用されている。

しかしながら、Ｔｉ、Ｎｉ、又はＳｉはそれぞれ窒化物半導体層に対する反応性が高い金属であるので、窒化物半導体層と化学反応を起こして窒化物半導体層内に窒素空孔等の欠陥を誘起する。このため、形成されたショットキー接合を介して流れるリーク電流は極めて高くなる。
特開平１０−２２３９０１号公報 特開２０００−１５０７９２号公報 E.H.RHODERICK and R.H.WILLIAM.,"Metal-Semiconductor Contacts",2nd Ed.Claredon Press. Oxford 1988 Chap1〜3 橋詰 保、大友 晋哉 「ＧａＮおよびＡｌＧａＮの表面評価と絶縁ゲート構造」 TECHNICAL REPORT OF IEICE.ED2002-87,LQ2002-62(2002-06) Hori,Iwasaki,"Ultra−thin Re−oxidized Nitride−oxides Prepared by Thermal Processing",Technical Digest,1987,IEDM,pp.570-573,(1987). Kusunoki,Inuishi,Yamaguchi,Tsukamoto,Akasaka,"Hot−career−resistivity Structure by Re−oxydized Nitrided Oxide Sidewall for Highly Rliable and High Performance LDD MOSFET",Tecnical Digest, 1991,IEDM,pp649-652,(1991).

ところで、リーク電流の発生を低減できるショットキー接合を形成する目的で、窒化物半導体層の表面に、ゲート電極の材料として微量のＳｉが含有されたＰｄよりなるゲート電極を形成することにより、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性が向上することは確認された。しかしながら、ゲート電極の材料として添加されるＳｉの添加量を極限まで下げると、ゲート電極を形成した後の半導体装置を製造するプロセスにおける機械的外乱作用を抑制する要求（例えば、過度の超音波洗浄を避ける等）が極めて高くなる。さらに、ゲート電極の材料として添加されるＳｉの添加量を極限まで下げると、表面に大きな凹凸を有する不完全な結晶性のエピタキシャル層の上にゲート電極を形成する場合又は高温の熱処理工程に曝される等の場合には、通常、窒化物半導体層の表面に一旦付着したゲート電極が剥がれるという新たな問題が生じる。

前記に鑑み、本発明の目的は、ショットキー接合を介して流れるリーク電流を低く抑えると共に、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることである。

前記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、III族窒化物半導体層と、III族窒化物半導体層の上に形成されたゲート電極とを備え、ゲート電極は密着性促進元素を含んでおり、III族窒化物半導体層とゲート電極との間に熱酸化絶縁膜が介在していることを特徴とする。

本発明に係る半導体装置によると、ゲート電極とIII族窒化物半導体層との間に熱酸化絶縁膜が介在しているため、ゲート電極は熱酸化絶縁膜と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を抑えることができる。さらに、ゲート電極は熱酸化絶縁膜と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間で直接化学反応を起こさないので、ゲート電極における密着性促進元素の含有量を必要な量まで高めることができる。したがって、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、ゲート電極が外的な要因によって剥がれることを防止することができる。

なお、密着性促進元素とは、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を促進させる元素のことであって、特に、酸化し易い元素であることが望ましく、例えばＴｉ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｄ、Ｇａ、Ｉｎ等の元素のことである。また、熱酸化絶縁膜とは、純粋の熱酸化膜と、窒素を含んだ熱酸化膜すなわち熱酸窒化膜を含む概念である。

本発明に係る半導体装置において、熱酸化絶縁膜が、酸化アルミニウム又は酸化珪素よりなる場合には、ゲート電極は熱酸化絶縁膜と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を確実に抑えることができる。さらに、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性が向上することにより、ゲート電極が外的な要因によって窒化物半導体層から剥がれることをより確実に防止することができる。

本発明に係る半導体装置において、熱酸化絶縁膜の厚さは、０．５ｎｍ以上で且つ３ｎｍ以下であることが好ましい。

このようにすると、熱酸化絶縁膜の厚さが０．５ｎｍ未満である場合には、ゲート電極がIII族窒化物半導体層に直接接合される場合と同様に、リーク電流の発生を抑制することができない。また、熱酸化絶縁膜の厚さが３ｎｍよりも厚い場合には、絶縁膜としての機能が発現しショットキー接合を実現することができない。このため、熱酸化絶縁膜の厚さを０．５ｎｍ以上且つ３ｎｍ以下の範囲にすることにより、ショットキー接合を実現できると共にリーク電流を低く抑えることができ、さらには、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができる。

本発明に係る半導体装置において、ゲート電極は、Ｐｄを含有していることが好ましい。

このようにすると、リーク電流の発生を効果的に抑制できると共に、熱酸化絶縁膜との密着性を向上させることができる。さらには、Ｐｄを含有してなるゲート電極は熱に対する耐性に優れている。

本発明に係る半導体装置において、密着性促進元素が、Ｔｉ、Ｎｉ又はＳｉである場合には、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性が向上する。

本発明に係る半導体装置において、密着性促進元素は、酸化し易い性質を有する元素である場合には、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性が向上する。

本発明に係る半導体装置において、熱酸化絶縁膜は、III族窒化物半導体層が熱酸化されてなる絶縁膜であることが好ましい。

本発明に係る半導体装置において、密着性促進元素はＳｉであり、ゲート電極を構成する金属のうちＳｉが占める重量比は、３％以上で且つ１０％以下であることが好ましい。

このようにすると、ウェハ全面においてゲート電極が剥がれることは全く見られないか又はほとんど見られないので、ゲート電極は窒化物半導体層に対して優れた密着性を有する。またこの場合、リーク電流は非常に小さいか又は小さい値に抑えることができるので、ゲート電極は優れた電気的特性を有する。

本発明に係る半導体装置において、密着性促進元素はＳｉであり、ゲート電極を構成する金属のうちＳｉが占める重量比は、４％以上で且つ７％以下であることがより好ましい。

このようにすると、ウェハ全面においてゲート電極が剥がれることは全く見られないので、ゲート電極は窒化物半導体層に対して非常に優れた密着性を有する。またこの場合、リーク電流は非常に小さい値に抑えることができるので、ゲート電極は非常に優れた電気的特性を有する。

前記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、III族窒化物半導体層を熱酸化させて、III族窒化物半導体層の表面に熱酸化絶縁膜を形成する工程と、熱酸化絶縁膜の上に、密着性促進元素を含むゲート電極を形成する工程とを備えることを特徴とする。

本発明に係る半導体装置の製造方法によると、ゲート電極とIII族窒化物半導体層との間に熱酸化絶縁膜が介在しているため、ゲート電極は熱酸化絶縁膜と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を抑えることができる。さらに、ゲート電極は熱酸化絶縁膜と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間で直接化学反応を起こさないので、ゲート電極における密着性促進元素の含有量を必要な量まで高めることができる。したがって、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、ゲート電極が外的な要因によって剥がれることを防止することができる。

なお、密着性促進元素とは、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を促進させる元素のことであって、特に、酸化し易い元素であることが望ましく、例えばＴｉ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｄ、Ｇａ、Ｉｎ等の元素のことである。また、熱酸化絶縁膜とは、純粋の熱酸化膜と、窒素を含んだ熱酸化膜すなわち熱酸窒化膜を含む概念である。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、熱酸化絶縁膜を形成する工程は、記III族窒化物半導体層の上に窒化アルミニウム層を形成した後、窒化アルミニウム層を熱酸化させて酸化アルミニウム層に変化させることにより、該酸化アルミニウム層よりなる熱酸化絶縁膜を形成する工程を含むことが好ましい。

このようにすると、ゲート電極と窒化アルミニウム層との間に酸化アルミニウム層が介在しているため、ゲート電極は酸化アルミニウム層と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を抑えることができる。さらに、ゲート電極は酸化アルミニウム層と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間で直接化学反応を起こさないので、ゲート電極における密着性促進元素の含有量を必要な量まで高めることができる。したがって、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、ゲート電極が外的な要因によって剥がれることを防止することができる。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、酸化アルミニウム層の厚さは、０．５ｎｍ以上で且つ３ｎｍ以下であることが好ましい。

このようにすると、酸化アルミニウム層の厚さが０．５ｎｍ未満である場合には、ゲート電極がIII族窒化物半導体層に直接接合される場合と同様に、リーク電流の発生を抑制することができない。また、酸化アルミニウム層の厚さが３ｎｍよりも厚い場合には、絶縁膜としての機能が発現しショットキー接合ができない。このため、酸化アルミニウム層の厚さを０．５ｎｍ以上で且つ３ｎｍ以下の範囲にすることにより、ショットキー接合を実現できると共にリーク電流の発生を低く抑えることができ、さらには、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができる。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、熱酸化絶縁膜を形成する工程は、III族窒化物半導体層の表面にシリコン層を形成した後、シリコン層を熱酸化させて酸化珪素層に変化させることにより、該酸化珪素層よりなる熱酸化絶縁膜を形成する工程を含むことが好ましい。

このようにすると、ゲート電極と窒化物半導体層との間に酸化珪素層が介在しているため、ゲート電極は酸化珪素層と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を抑えることができる。さらに、ゲート電極は酸化珪素層と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間で直接化学反応を起こさないので、ゲート電極における密着性促進元素の含有量を必要な量まで高めることができる。したがって、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、ゲート電極が外的な要因によって剥がれることを防止することができる。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、酸化珪素層の厚さは、０．５ｎｍ以上で且つ３ｎｍ以下であることが好ましい。

このようにすると、酸化珪素層の厚さが０．５ｎｍ未満である場合には、ゲート電極がIII族窒化物半導体層に直接接合される場合と同様に、リーク電流の派生を抑制することができない。また、酸化珪素層の厚さが３ｎｍよりも厚い場合には、絶縁膜としての機能が発現しショットキー接合を実現することができない。このため、酸化珪素層の厚さを０．５ｎｍ以上で且つ３ｎｍ以下の範囲にすることにより、ショットキー接合を実現できると共にリーク電流の発生を低く抑えることができ、さらには、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができる。

本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極とIII族窒化物半導体層との間に熱酸化絶縁膜が介在しているため、ゲート電極は熱酸化絶縁膜と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を抑えることができる。さらに、ゲート電極は熱酸化絶縁膜と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間で直接化学反応を起こさないので、ゲート電極における密着性促進元素の含有量を必要な量まで高めることができる。したがって、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、ゲート電極が外的な要因によって剥がれることを防止することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図１(a)〜(c)及び図２を参照しながら説明する。

図１(a)〜(c)は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。

まず、図１(a) に示すように、ＳｉＣ基板１１の上にバッファ層１２を堆積した後、有機化学気相堆積法(Metal organic chemical vapor deposition：以下ＭＯＣＶＤ法という）又は分子線エピタキシー法（Molecular beam epitaxy：以下ＭＢＥ法という）により、バッファ層１２の上にｎ^- 型のＧａＮ層１３を形成する。次に、同様に、ＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法により、ＧａＮ層１３の上に１．５ｎｍの極めて薄い膜厚を有するＡｌＮ層１４を形成する。

次に、図１(b) に示すように、酸素流量が５ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）である酸素雰囲気下において、９００℃で５分間、図１(a) に示した試料の表面を熱により酸化させて熱酸化絶縁膜を形成する。すなわち、ＧａＮ層１３の上に形成されているＡｌＮ層１４は熱酸化されて極めて薄いＡｌ₂Ｏ₃膜（熱酸化絶縁膜）１５に変化する。

次に、図１(c) に示すように、Ａｌ₂Ｏ₃ 膜１５の上に、密着性促進元素としてＳｉが重量比１０％の割合で混合されたＰｄを蒸着した後、リフトオフにより、Ｓｉが重量比１０％の割合で混合されたＰｄよりなるゲート電極１６を形成する。このようにして、ダイオードが完成する。

ここで、密着性促進元素について、［表１］を参照しながら説明する
密着性促進元素とは、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を促進させる元素のことであり、下記［表１］に示すように、例えばＴｉ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ等の密着性の高い元素を密着性元素として用いることができる。

また、密着性促進元素は、酸化し易い性質を有する元素であることが好ましい。これは、酸化し易い性質を有する元素を含有するゲート電極は、窒化物半導体層に対する密着性に優れるからである。

下記［表２］は、金属元素及びＳｉについての酸化物、酸化性及び酸化生成熱を示している。

［表２］に示すように、Ａｌ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｄ、Ｓｉ、Ｇａ、及びＩｎは、酸化生成熱として高い値を有しており、酸化性が高いことが明らかである。このように、Ａｌ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｄ、Ｓｉ、Ｇａ、及びＩｎのそれぞれは、容易に酸化されて、それぞれＡｌ₂Ｏ₃、ＨｆＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｎｄ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、Ｇａ₂Ｏ₃、Ｉｎ₂Ｏ₃となる。一方、Ａｕ、Ｐｄ及びＰｔは酸化性が低く、密着性促進元素として相応しくないことが分かる。従って、密着性促進元素として、［表２］に示すように、Ａｌ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｄ、Ｓｉ、Ｇａ、及びＩｎを用いることが望ましい。

また、ゲート電極１６とＧａＮ層１３との間に形成されたＡｌ₂Ｏ₃膜１５の膜厚は、０．５ｎｍ以上で且つ３ｎｍ以下であることが好ましい。

下記［表３］は、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５の膜厚と、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５の上に形成されるゲート電極１６のショットキー特性及びＡｌ₂Ｏ₃膜１５の表面のモフォロジーとＡｌ₂Ｏ₃膜１５の膜厚との関係を示している。

［表３］から明らかなように、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５の膜厚が０．５ｎｍ以上で３ｎｍ以下である場合、ショットキー特性が良好であることが分かる。これは、膜厚が０．５ｎｍ未満である場合には、ゲート電極１６がＧａＮ層１３の上に直接接合される場合と同様に、リーク電流を抑制することができない一方、膜厚が３ｎｍよりも厚い場合には、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５の絶縁膜としての機能が発現しショットキー接合ができなくなるからである。すなわち、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５の膜厚が０．５ｎｍ以上で且つ３ｎｍ以下であれば、良好なショットキー特性を実現すると共にゲート電極の機能を損なうことはない。また、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５の膜厚が０．５ｎｍ以上で３ｎｍ以下である場合、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５の表面のモフォロジーについても良好であることが分かる。尚、より好ましくは、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５の膜厚が０．８ｎ〜３ｎｍであれば、ショットキー特性により優れると共に、リーク電流をより効果的に抑制することができる。

以上のように、第１の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極１６とＧａＮ層１３との間にＡｌ₂Ｏ₃膜１５が介在しているため、ゲート電極１６はＡｌ₂Ｏ₃膜１５と化学反応を起こす一方、ＧａＮ層１３との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を抑えることができる。さらに、ゲート電極１６はＡｌ₂Ｏ₃膜１５と化学反応を起こす一方、ＧａＮ層１３との間で直接化学反応を起こさないので、ゲート電極１６に混合されるＳｉの含有量を必要な量まで高めることができる。したがって、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、ゲート電極１６が外的な要因によって剥がれることを防止することができる。その結果として、ゲート電極１６の形成において、リフトオフ時の過度の超音波洗浄を施した場合であっても、ゲート電極１６は全く剥がれなかった。すなわち、第１の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極１６を構成するＰｄが本来有する非常に低いリーク特性を実現すると共に、ゲート電極１６が剥がれることを防止することができる。

また、ゲート電極１６とＧａＮ層１３との間に介在させるＡｌ₂Ｏ₃膜１５は熱酸化絶縁膜であるため、ダングリングボンド等に由来する表面準位が少ないので、熱酸化絶縁膜を形成する際に電気的な安定性を得ることができる。このため、ゲート電極１６とＧａＮ層１３との間に熱酸化絶縁膜を介在させることにより、通常のＣＶＤ法等による堆積によって形成される絶縁膜であれば、ダングリングボンド等に由来する表面準位が多く電気的に活性化することにより発生するリーク電流を防ぐことができる。

図２は、本発明の第１の実施形態に係るゲート電極１６のＩ−Ｖ特性を示しており、図２から明らかなように、第１の実施形態に係る半導体装置が良好なショットキー特性を実現していることが分かる。

尚、第１の実施形態において、熱酸化絶縁膜とは、純粋の熱酸化絶縁膜と熱酸窒化絶縁膜とを含む概念である。すなわち、Ａｌ₂Ｏ₃膜よりなる純粋の熱酸化絶縁膜と、窒素が含まれたＡｌＯＮ_x 膜よりなる熱酸窒化絶縁膜とを含む概念である。

（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図３(a)〜(d)を参照しながら説明する。

図３(a)〜(d)は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。

まず、図３(a) に示すように、ＳｉＣ基板２１の上にＡｌＮよりなるバッファ層２２をＭＯＣＶＤ法によって堆積した後、該バッファ層２２の上に１μｍの膜厚を有するＧａＮ層２３を堆積する。次に、ＧａＮ層２３の上に、表面バリア層として２５ｎｍの膜厚を有するＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層２４を堆積した後、ＭＯＣＶＤ法により、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層２４の上に、１ｎｍの極めて薄い膜厚を有するＡｌＮ層２５を堆積する。

次に、図３(b) に示すように、酸素流量が５ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）である酸素雰囲気下において、９００℃で１０分間、図３(a) に示した試料の表面を熱により酸化させて熱酸化絶縁膜を形成する。すなわち、最表面に形成されたＡｌＮ層２５は熱酸化されて１．３ｎｍの膜厚を有するＡｌ₂Ｏ₃膜（熱酸化絶縁膜）２６に変化する。

次に、図３(c) に示すように、レジストパターンをマスクにエッチングを行なうことにより、Ａｌ₂Ｏ₃膜２６等の所望の領域を除去してソース・ドレイン形成領域を形成する。次に、金属蒸着を行なった後に、レジストパターンのリフトオフを行ない、さらに、金属が蒸着されたソース・ドレイン領域に対してアニールを行なうことによりソース・ドレイン電極２７を形成する。

次に、図３(d) に示すように、Ａｌ₂Ｏ₃膜２６の上に、密着性促進元素としてＳｉが重量比５％の割合で混合されたＰｄを蒸着した後、リフトオフにより、Ｓｉが重量比５％の割合で混合されたＰｄよりなるゲート電極２８を形成する、このようにして、トランジスタが完成する。

ここで、密着性促進元素とは、第１の実施形態と同様に、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を促進させる元素のことであり、前記［表１］に示したように、例えばＴｉ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ等の密着性の高い元素を密着性元素として用いることができる。

また、密着性促進元素は、第１の実施形態と同様に、酸化し易い性質を有する元素であることが好ましい。これは、酸化し易い性質を有する元素を含有するゲート電極は、窒化物半導体層に対する密着性に優れるからである。具体的には、前記［表２］に示すように、Ａｌ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｄ、Ｓｉ、Ｇａ、及びＩｎを密着性促進元素として用いることが望ましい。

また、ゲート電極２８とＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層２４との間に形成されたＡｌ₂Ｏ₃ 膜２６の膜厚は、第１の実施形態と同様に、０．５ｎｍ以上で且つ３ｎｍ以下であることが好ましい。

これは、前記［表３］から明らかなように、Ａｌ₂Ｏ₃膜２６の膜厚が０．５ｎｍ以上で３ｎｍ以下である場合、ショットキー特性が良好であるからである。すなわち、膜厚が０．５ｎｍ未満である場合には、ゲート電極２８がＧａＮ層２３の上に直接接合される場合と同様に、リーク電流を抑制することができない一方、膜厚が３ｎｍよりも厚い場合には、Ａｌ₂Ｏ₃膜２６の絶縁膜としての機能が発現しショットキー接合ができなくなるからである。すなわち、Ａｌ₂Ｏ₃膜２６の膜厚が０．５ｎｍ以上で且つ３ｎｍ以下であれば、良好なショットキー特性を実現すると共にゲート電極の機能を損なうことはない。また、Ａｌ₂Ｏ₃膜２６の膜厚が０．５ｎｍ以上で且つ３ｎｍ以下である場合、Ａｌ₂Ｏ₃膜２６の表面のモフォロジーについても良好である。尚、より好ましくは、Ａｌ₂Ｏ₃膜２６の膜厚が０．８ｎ〜３ｎｍであれば、ショットキー特性により優れると共に、リーク電流をより効果的に抑制することができる。

以上のように、第２の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極２８とＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層２４との間にＡｌ₂Ｏ₃膜２６が介在しているため、ゲート電極２８はＡｌ₂Ｏ₃膜２６と化学反応を起こす一方、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層２４との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を抑えることができる。さらに、ゲート電極２８はＡｌ₂Ｏ₃膜２６と化学反応を起こす一方、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層２４との間で直接化学反応を起こさないので、ゲート電極２８に混合されるＳｉの含有量を必要な量まで高めることができる。したがって、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、ゲート電極が外的な要因によって剥がれることを防止することができる。その結果として、ゲート電極２８の形成において、リフトオフ時の過度の超音波洗浄を施した場合であっても、ゲート電極２８は全く剥がれなかった。すなわち、第２の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極２８を構成するＰｄが本来有する非常に低いリーク特性を実現すると共に、ゲート電極２８が剥がれることを防止することができる。

また、ゲート電極２８とＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層２４との間に介在させるＡｌ₂Ｏ₃膜２６は熱酸化絶縁膜であるため、ダングリングボンド等に由来する表面準位が少ないので、熱酸化絶縁膜を形成する際に電気的な安定性を得ることができる。このため、ゲート電極２８とＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層２４との間に熱酸化絶縁膜を介在させることにより、通常のＣＶＤ法等による堆積によって形成される絶縁膜であれば、ダングリングボンド等に由来する表面準位が多く電気的に活性化することにより発生するリーク電流を防ぐことができる。

図４は、第２の実施形態に係るゲート電極２８のＩ−Ｖ特性を示す図であり、図４から明らかなように、逆バイアス５０Ｖまでリーク電流が３ｎＡ以下であるという特性を示しており、第２の実施形態に係る半導体装置が良好なショットキー特性を実現していることが分かる。

尚、第２の実施形態において、熱酸化絶縁膜とは、純粋の熱酸化絶縁膜と熱酸窒化絶縁膜とを含む概念である。すなわち、Ａｌ₂Ｏ₃膜よりなる純粋の熱酸化絶縁膜と、窒素が含まれたＡｌＯＮ_x 膜よりなる熱酸窒化絶縁膜とを含む概念である。

（第３の実施形態）
以下に、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図５(a)〜(c)を参照しながら説明する。

図５(a)〜(c)は、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。

まず、図５(a) に示すように、ＳｉＣ基板３１の上に５０ｎｍの膜厚を有するバッファ層３２を堆積した後、該バッファ層３２の上に１μｍの膜厚を有するｎ^- 型のＧａＮ層３３を堆積する。

次に、図５(b) に示すように、酸素流量が５ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態）である酸素雰囲気下において、９００℃で３分間、図５(a) に示した試料の表面を熱により酸化させて熱酸化絶縁膜を形成する。すなわち、ＧａＮ層３３の最表面が酸化されて１．５ｎｍの極めて薄い膜厚を有するＧａ₂Ｏ₃膜（熱酸化絶縁膜）３４に変化する。

次に、図５(c) に示すように、Ｇａ₂Ｏ₃膜３４の上に、密着性促進元素としてＳｉが重量比５％の割合で混合されたＰｄを蒸着した後、リフトオフにより、Ｓｉが重量比５％の割合で混合されたＰｄよりなるゲート電極３５を形成する。このようにして、ダイオードが完成する。

ここで、密着性促進元素とは、第１の実施形態と同様に、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を促進させる元素のことであり、前記［表１］に示したように、例えばＴｉ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ等の密着性の高い元素を密着性元素として用いることができる。

また、密着性促進元素は、第１の実施形態と同様に、酸化し易い性質を有する元素であることが好ましい。これは、酸化し易い性質を有する元素を含有するゲート電極は、窒化物半導体層に対する密着性に優れるからである。具体的には、前記［表２］に示すように、Ａｌ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｄ、Ｓｉ、Ｇａ、及びＩｎを密着性促進元素として用いることが望ましい。

また、ここで、密着性促進元素としてＳｉを用いた場合において、ゲート電極３５を構成する金属のうちＳｉが占める濃度（重量比％）とＧａ₂Ｏ₃膜に対するゲート電極３５の密着性及びゲート電極３５の電気的特性との関係について、下記［表４］を参照しながら説明する。

［表４］に示すように、まず、Ｇａ₂Ｏ₃膜３４に対するゲート電極３５の密着性については、ゲート電極３５を構成する金属のうちＳｉが占める重量比が４％以上で且つ１３％未満の範囲であれば、ウェハ全面においてゲート電極が剥がれることは全く見られない。また、ゲート電極３５を構成する金属のうちＳｉが占める重量比が３％以上で且つ４％未満の範囲であれば、ウェハ全面においてゲート電極が剥がれることはほとんど見られない。尚、ゲート電極３５を構成する金属のうちＳｉが占める重量比が２％以上で且つ３％未満の範囲であれば、ウェハ全面におけるところどころでゲート電極３５が剥がれる。

また、Ｇａ₂Ｏ₃膜３４に対するゲート電極３５の電気的特性については、ゲート電極３５を構成する金属のうちＳｉが占める重量比が４％以上で且つ８％未満の範囲であれば、リーク電流は非常に小さい。また、ゲート電極３５を構成する金属のうちＳｉが占める重量比が３％以上で且つ４％未満の範囲と８％以上で且つ１１％未満の範囲であれば、リーク電流は小さい。尚、ゲート電極３５を構成する金属のうちＳｉが占める重量比が２％以上で且つ３％未満の範囲と８％以上で且つ１１％未満の範囲であれば、リーク電流はやや高いがアプリケーションによっては使用可能である。

従って、密着性促進元素としてＳｉを用いた場合、ゲート電極３５を構成する金属のうちＳｉが占める重量比は、３％以上で且つ１０％以下であることが好ましい。このようにすると、ウェハ全面においてゲート電極３５が剥がれることは全く見られないか又はほとんど見られないので、ゲート電極３５はＧａ₂Ｏ₃膜３４に対して優れた密着性を有する。またこの場合、リーク電流は非常に小さいか又は小さい値に抑えることができるので、ゲート電極３５は優れた電気的特性を有する。

さらに、より好ましくは、ゲート電極３５を構成する金属のうちＳｉが占める重量比は、４％以上で且つ７％以下であればよい。このようにすると、ウェハ全面においてゲート電極３５が剥がれることは全く見られないので、ゲート電極３５はＧａ₂Ｏ₃膜３４に対して非常に優れた密着性を有する。またこの場合、リーク電流は非常に小さい値に抑えることができるので、ゲート電極３５は非常に優れた電気的特性を有する。

尚、前記［表４］は、密着性促進元素としてＳｉを用いた場合において、ゲート電極３５を構成する金属のうちＳｉが占める濃度（重量比％）とＧａ₂Ｏ₃膜に対するゲート電極３５の密着性及びゲート電極３５の電気的特性との関係を示しているが、Ｇａ₂Ｏ₃膜の他にも、前記［表２］おける酸化性が高い元素についての酸化物等に代表される熱酸化絶縁膜の場合であっても同様の関係が得られることは明らかである。

以上のように、第３の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極３５とＧａＮ層３３との間にＧａ₂Ｏ₃膜３４が介在しているため、ゲート電極３５はＧａ₂Ｏ₃膜３４と化学反応を起こす一方、ＧａＮ層３３との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を抑えることができる。さらに、ゲート電極３５はＧａ₂Ｏ₃膜３４と化学反応を起こす一方、ＧａＮ層３３との間で直接化学反応を起こさないので、ゲート電極３５に混合されるＳｉの含有量を必要な量まで高めることができる。したがって、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、ゲート電極３５が外的な要因によって剥がれることを防止することができる。その結果として、ゲート電極３５の形成において、リフトオフ時の過度の超音波洗浄を施した場合であっても、ゲート電極３５は全く剥がれなかった。すなわち、第３の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極３５を構成するＰｄが本来有する非常に低いリーク特性を実現すると共に、ゲート電極３５が剥がれることを防止することができる。

尚、第３の実施形態において、熱酸化絶縁膜とは、純粋の熱酸化絶縁膜と熱酸窒化絶縁膜とを含む概念である。すなわち、Ｇａ₂Ｏ₃膜よりなる純粋の熱酸化絶縁膜と、窒素が含まれたＧａＯＮ_x 膜よりなる熱酸窒化絶縁膜とを含む概念である。

（第４の実施形態）
以下に、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図６(a)〜(d)及び図７を参照しながら説明する。

図６(a)〜(d)は、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法を示す工程断面図である。

まず、図６(a) に示すように、ＭＯＣＶＤ法より、ＳｉＣ基板４１の上に５０ｎｍの膜厚を有するバッファ層４２を形成した後、該バッファ層４２の上に２μｍの膜厚を有するノンドープ型のＧａＮ層４３を積層する。ＧａＮ層４３の上に表面バリア層として２０ｎｍの膜厚を有するＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４４を堆積する。また、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４４は、ＨＦＥＴに通常用いられるＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの変調ドープ構造と同様に、Ｓｉがドーピングされている。

次に、図６(b) に示すように、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４４の上に、ドーパントに用いたＳｉを５〜７原子層分積層してＳｉ層４５を形成する。また、このように膜厚が極めて薄いＳｉ層４５は、ＭＯＣＶＤ法を用いることによって形成することが可能である。

次に、Ｓｉ層４５の最表面の２〜３原子層は、大気中の移動時に自然酸化しているので、ＨＦにより、自然酸化された２〜３原子層を除去する。

次に、図６(c) に示すように、酸化炉において、酸素が２０％（酸素流量は５ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態））、窒素が８０％である雰囲気下、７５０℃で１０分間、図６(b) に示した試料に対して熱処理を行なうことによって熱酸化絶縁膜を形成する。この場合、酸化する温度が７５０℃で極めて低いので、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４４は酸化されることなく、Ｓｉ層４５のみが酸化されて、膜厚が１ｎｍという極めて薄いＳｉ０₂ 膜（熱酸化絶縁膜）４６に変化する。

次に、図６(d) に示すように、ＳｉＯ₂ 膜４６等に対して、レジストパターンをマスクとしてエッチングを行なうことにより、ＳｉＯ₂ 膜４６等の所望の領域を除去してソース・ドレイン形成領域を形成する。次に、ソース・ドレイン形成領域に金属を蒸着した後に、レジストパターンのリフトオフを行ない、ソース・ドレイン領域に対してアニールを行なうことによりソース・ドレイン電極４７を形成する。

次に、Ｓｉ０₂ 膜４６の上に、密着性促進元素としてＳｉが重量比３０％の割合で混合されたＰｄを蒸着した後、リフトオフにより、Ｓｉが重量比３０％の割合で混合されたＰｄよりなるゲート電極４８を形成する。このようにして、トランジスタが完成する。

ここで、密着性促進元素とは、第１の実施形態と同様に、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を促進させる元素のことであり、前記［表１］に示したように、例えばＴｉ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ等の密着性の高い元素を密着性元素として用いることができる。

また、密着性促進元素は、第１の実施形態と同様に、酸化し易い性質を有する元素であることが好ましい。これは、酸化し易い性質を有する元素を含有するゲート電極は、窒化物半導体層に対する密着性に優れるからである。具体的には、前記［表２］に示すように、Ａｌ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｄ、Ｓｉ、Ｇａ、及びＩｎを密着性促進元素として用いることが望ましい。

また、ゲート電極４８とＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ 層４４との間に形成されたＳｉ０₂ 膜４６の膜厚は、第１の実施形態と同様に、０．５ｎｍ以上で且つ３ｎｍ以下であることが好ましい。

下記［表５］は、Ｓｉ０₂ 膜４６の膜厚と、Ｓｉ０₂ 膜４６の上に形成されるゲート電極４８のショットキー特性及びＳｉ０₂ 膜４６の膜厚の表面のモフォロジーとＳｉ０₂ 膜４６の膜厚との関係を示している。

［表５］から明らかなように、Ｓｉ０₂ 膜４６の膜厚が０．５ｎｍ以上で３ｎｍ以下である場合、ショットキー特性が良好であることが分かる。これは、膜厚が０．５ｎｍ未満である場合には、ゲート電極４８がＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４４の上に直接接合される場合と同様に、リーク電流を抑制することができない一方、膜厚が３ｎｍよりも厚い場合には、Ｓｉ０₂ 膜４６の絶縁膜としての機能が発現しショットキー接合ができなくなるからである。すなわち、Ｓｉ０₂ 膜４６の膜厚が０．５ｎｍ以上で且つ３ｎｍ以下であれば、良好なショットキー特性を実現すると共にゲート電極の機能を損なうことはない。また、Ｓｉ０₂ 膜４６の膜厚が０．５ｎｍ以上で３ｎｍ以下である場合、Ｓｉ０₂ 膜４６の表面のモフォロジーについても良好であることが分かる。尚、より好ましくは、Ｓｉ０₂ 膜４６の膜厚が０．５ｎ〜１．５ｎｍであれば、ショットキー特性により優れると共に、リーク電流をより効果的に抑制することができる。

以上のように、第４の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極４８とＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４４との間にＳｉ０₂ 膜４６が介在しているため、ゲート電極４８はＳｉ０₂ 膜４６と化学反応を起こす一方、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４４との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を抑えることができる。さらに、ゲート電極４８はＳｉ０₂ 膜４６と化学反応を起こす一方、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４４との間で直接化学反応を起こさないので、ゲート電極４８に混合されるＳｉの含有量を必要な量まで高めることができる。したがって、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、ゲート電極が外的な要因によって剥がれることを防止することができる。その結果として、ゲート電極４８の形成において、リフトオフ時の過度の超音波洗浄を施した場合であっても、ゲート電極４８は全く剥がれなかった。すなわち、第４の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極４８を構成するＰｄが本来有する非常に低いリーク特性を実現すると共に、ゲート電極４８が剥がれることを防止することができる。

また、ゲート電極４８とＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４４との間に介在させるＳｉ０₂ 膜４６は熱酸化絶縁膜であるため、ダングリングボンド等に由来する表面準位が少ないので、熱酸化絶縁膜を形成する際に電気的な安定性を得ることができる。このため、ゲート電極４８とＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４４との間に熱酸化絶縁膜を介在させることにより、通常のＣＶＤ法等による堆積によって形成される絶縁膜であれば、ダングリングボンド等に由来する表面準位が多く電気的に活性化することにより発生するリーク電流を防ぐことができる。

尚、第４の実施形態において、熱酸化絶縁膜とは、純粋の熱酸化絶縁膜と熱酸窒化絶縁膜とを含む概念である。すなわち、ＳｉＯ₂ 膜よりなる純粋の熱酸化絶縁膜と、窒素が含まれたＳｉＯＮ_x 膜よりなる熱酸窒化絶縁膜とを含む概念である。

また、第４の実施形態において、Ｓｉ層４５はドーピングにより形成したが、Ｓｉ層を蒸着してもかまわない。

また、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４４には、Ｓｉがドーピングされている場合について説明したが、Ｓｉがドーピングされていない場合であっても、同様の効果を奏することができる。

ここで、第４の実施形態の変形例に係る半導体装置について、図７を参照しながら説明する。

図７は第４の実施形態の変形例に係る半導体装置の構造を示す断面図である。

図７に示す半導体装置において、ＳｉＣ基板４１、バッファ層４２、ＧａＮ層４３、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４４は、前記図６(a) を用いた説明と同様にして形成されている。また、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４４の上に形成されているＳｉＯＮ膜８１は、前記図６(b) を用いた説明の手順により形成されたＳｉ層４５に対して、Ｎ₂Ｏ 又はＮＯの雰囲気下で熱処理を行なって、Ｓｉ層４５の最表面を極めて薄いシリコン酸窒化膜に変化させることにより形成されている。尚、ソース・ドレイン電極４７及びゲート電極４８は、前記図６(d）を用いた説明と同様の手順により形成される。このようにして、トランジスタが完成する。

この第４の実施形態の変形例によると、ゲート電極４８とＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４４との間にＳｉＯＮ膜８１が介在しているため、ゲート電極４８はＳｉＯＮ膜８１と化学反応を起こす一方、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４４との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を抑えることができる。さらに、ゲート電極４８はＳｉＯＮ膜８１と化学反応を起こす一方、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層４４との間で直接化学反応を起こさないので、ゲート電極４８に混合されるＳｉの含有量を必要な量まで高めることができる。したがって、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、ゲート電極が外的な要因によって剥がれることを防止することができる。その結果として、ゲート電極４８の形成において、リフトオフ時の過度の超音波洗浄を施した場合であっても、ゲート電極４８は全く剥がれなかった。すなわち、第４の実施形態の変形例に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極４８を構成するＰｄが本来有する非常に低いリーク特性を実現すると共に、ゲート電極４８が剥がれることを防止することができる。

このように、熱酸化絶縁膜として、窒素が含まれたＳｉＯＮ_x 膜よりなる熱酸窒化絶縁膜を用いても、前述の純粋の熱酸化絶縁膜が用いられる場合と同様の効果を得ることができる。

また、前述の第１〜第４の実施形態において、熱酸化絶縁膜として、Ａｌ₂Ｏ₃膜、Ｇａ₂Ｏ₃膜及びＳｉＯ₂膜を用いた場合について説明したが、例えば、前記［表２］に示した酸化物のうち、ＨｆＯ₂膜、ＺｒＯ₂膜、Ｎｂ₂Ｏ₅膜、Ｔａ₂Ｏ₅膜、Ｎｄ₂Ｏ₃膜、又はＩｎ₂Ｏ₃膜を熱酸化絶縁膜に用いた場合であっても、熱酸化絶縁膜がＡｌ₂Ｏ₃膜、Ｇａ₂Ｏ₃膜又はＳｉＯ₂膜である場合と同様の効果を得ることができる。

また、前述の第１〜第４の各実施形態において、基板としてＳｉＣを用いた場合について説明したが、これに限定されるものでなく、サファイア、Ｓｉ、又はＧａＮ等を用いてもかまわない。

また、前述の第１〜第４の各実施形態において、熱酸化絶縁膜の下地膜がＧａＮ膜又はＡｌＧａＮ膜である場合について説明したが、ＡｌＮ膜、ＩｎＮ膜又はその混晶物等、一般的に（Ｉｎ_xＡｌ_1-x）_yＧａ₁―_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表されるIII族窒化物半導体層の上に、前述の第１〜第４の実施形態で説明した熱酸化絶縁膜を形成する場合であっても、同様の効果を得ることができる。

−本発明の作用効果に関する考察−
ここで、以上の各実施形態で述べたように、ゲートの金属電極と窒化物半導体層の間に絶縁膜が介在しても、絶縁膜の膜厚を約１ｎｍ〜約３ｎｍに保つことによって、各実施形態におけるゲート電極が、窒化物半導体層の表面に直接金属を堆積した場合と同様のショットキー特性を有することを以下に説明する。

図８(a) は、金属電極を直接窒化物半導体層の表面に形成したショットキー接合のバンド・ダイアグラムである。

図８(a) に示すように、ショットキー障壁の高さを決める金属と窒化物半導体層のフェルミレベルのアラインメントは金属のフェルミレベル近傍の電子の波動関数２０１が窒化物半導体層と金属界面の界面準位２０２に重なることで実現する。この接合におけるＩ−Ｖ特性は、図８(b) に示すように、近似的に熱電子放出モデルに従う次式で表される。

Ｊ＝Ａ^**Ｔ²（−ｑφ／ｋ_BＴ）｛exp（ｑＶ／ｋ_BＴ）−１｝
ここで、Ｊは電流密度、Ａ^**はリチャードソン定数、ｑは素電荷、φはショットキー障壁の高さ、ｋ_BＴはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｖは印加電圧を表す。

図９〜図１１は、金属電極と窒化物半導体層との間に極薄の絶縁膜が介在する場合のバンドダイアグラムである。

図９〜図１１に示すように、絶縁膜の膜厚が徐々に厚くなった場合、金属のフェルミレベル近傍の電子の波動関数３０１と窒化物半導体層の表面準位３０２との重なりの度合いは絶縁膜の膜厚の増加に従って少なくなり、両者は最終的には無相関状態（デカップリング）となる。絶縁膜の膜厚が極度に薄い３ｎｍ以下の場合には、波動関数３０１と窒化物半導体層の表面準位３０２との重なりの度合いは十分に大きく、金属と半導体表面とのフェルミレベルのアラインメントは金属を直接窒化物半導体層に堆積したショットキー接合の場合と同様となり、得られるＩ−Ｖ特性についてもそれに対応してほぼ同様である。

図１２は図９〜図１１に対応するＩ−Ｖ特性を示す図であり、図９〜図１１に対応するＩ−Ｖ特性を曲線ａ〜ｃを用いて示している。

絶縁膜の膜厚が３ｎｍを超える場合は、曲線ｃに示すように、金属と窒化物半導体層とのフェルミレベルは無相関状態となり、ショットキー接合ではなくトンネル接合を形成する。この領域では、ゲート電極に印加する電圧によって、金属のフェルミレベルを窒化物半導体層に対して独立に制御することが可能となり、特に逆バイアス時にはゲートからのトンネリングによって注入される電子に起因するリーク電流の増大を招く。また、絶縁膜の膜厚の増加に伴って絶縁膜中の電圧降下も増大し、窒化物半導体層の中の電荷量の制御性は劣化し、例えばＨＦＥＴにおいては相互コンダクタンス（ｇｍ）の低下を招く。

一方、絶縁膜の膜厚が極度に薄く、原子層１〜２層程度の膜厚になると、窒化物半導体層の表面には絶縁膜の不均一性に起因する表面準位が増大し、ショットキー特性にはリーク電流の増大等の悪影響が生じる（以上、参考文献「E.H.RHODERICK and R.H.WILLIAM.,"Metal-Semiconductor Contacts",2nd Ed.Claredon Press. Oxford 1988 Chap1〜3」）。

ここで、絶縁膜としてＡｌ₂Ｏ₃ 膜又はＳｉＯ₂ 膜を用いると、前述の元素Ｔｉ、Ｎｉ、又はＳｉは極めて反応性が高いのでＰｄの密着性が向上する。ただし、反応時に絶縁膜中に過度に拡散する場合があるＴｉ、ＮｉよりはＳｉの方がより電気的にも所望の特性を得ることができる。従って、ゲート電極材料としてＰｄを主成分とし、これにＳｉを適量混合したものを用いれば、Ｐｄが本来有する低いリーク特性を活かしながら、Ａｌ₂Ｏ₃膜又はＳｉＯ₂膜に対して極めて密着性が高いゲート電極を形成することが可能になるので、これは本発明においても特に望ましい材料の組み合わせである。

以上のように本発明によると、ゲート電極とIII族窒化物半導体層との間に熱酸化絶縁膜が介在しているため、リーク電流の発生を抑えることができると共に、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、III族窒化物半導体層の上にゲート電極を形成する場合に有用である。

(a)〜(c) は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 第１の実施形態に係るゲート電極のＩ−Ｖ特性を示す図である。 (a)〜(d) は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 第２の実施形態に係るゲート電極のＩ−Ｖ特性を示す図である。 (a)〜(c) は、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 (a)〜(d) は、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の第４の実施形態の変形例に係る半導体装置の構造を示す断面図である。 (a) は、金属電極を窒化物半導体層の表面に直接形成したショットキー接合のバンド・ダイアグラムであり、(b) は、Ｉ−Ｖ特性を示す図である。 金属電極と窒化物半導体層との間に極めて薄い絶縁膜が介在する場合のバンドダイアグラムである。 金属電極と窒化物半導体層との間に極めて薄い絶縁膜が介在する場合のバンドダイアグラムである。 金属電極と窒化物半導体層との間に極めて薄い絶縁膜が介在する場合のバンドダイアグラムである。 金属電極と窒化物半導体層との間に極めて薄い絶縁膜が介在する場合のＩ−Ｖ特性を示す図である。 従来の半導体装置の構造を示す断面図である。

符号の説明

１１、２１、３１、４１ ＳｉＣ基板
１２、２２、３２、４２ バッファ層
１３、２３、３３、４３ ＧａＮ層
１４、２５ ＡｌＮ層
１５、２６ Ａｌ₂Ｏ₃膜
１６、２８、３５、４８ ゲート電極
２４、４４ Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層
２７、４７ ソース・ドレイン電極
３４ Ｇａ₂Ｏ₃膜
４５ Ｓｉ層
４６ ＳｉＯ₂膜
８１ ＳｉＯＮ膜
２０１、３０１ 金属フェルミ準位近傍波動関数模式図
２０２、３０２ 金属／半導体界面準位

Claims (14)

1. III族窒化物半導体層と、
   前記III族窒化物半導体層の上に形成されたゲート電極とを備え、
   前記ゲート電極は密着性促進元素を含んでおり、
   前記III族窒化物半導体層と前記ゲート電極との間に熱酸化絶縁膜が介在していることを特徴とする半導体装置。
2. 前記熱酸化絶縁膜は、酸化アルミニウム又は酸化珪素よりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記熱酸化絶縁膜の厚さは、０．５ｎｍ以上で且つ３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記ゲート電極は、Ｐｄを含有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記密着性促進元素は、Ｔｉ、Ｎｉ又はＳｉであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
6. 前記密着性促進元素は、酸化し易い性質を有する元素であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
7. 前記熱酸化絶縁膜は、前記III族窒化物半導体層が熱酸化されてなる絶縁膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
8. 前記密着性促進元素はＳｉであり、
   前記ゲート電極を構成する金属のうち前記Ｓｉが占める重量比は、３％以上で且つ１０％以下であることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記密着性促進元素はＳｉであり、
   前記ゲート電極を構成する金属のうち前記Ｓｉが占める重量比は、４％以上で且つ７％以下であることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
10. III族窒化物半導体層を熱酸化させて、前記III族窒化物半導体層の表面に熱酸化絶縁膜を形成する工程と、
    前記熱酸化絶縁膜の上に、密着性促進元素を含むゲート電極を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
11. 前記熱酸化絶縁膜を形成する工程は、
    前記III族窒化物半導体層の上に窒化アルミニウム層を形成した後、前記窒化アルミニウム層を熱酸化させて酸化アルミニウム層に変化させることにより、該酸化アルミニウム層よりなる前記熱酸化絶縁膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
12. 前記酸化アルミニウム層の厚さは、０．５ｎｍ以上で且つ３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
13. 前記熱酸化絶縁膜を形成する工程は、
    前記III族窒化物半導体層の表面にシリコン層を形成した後、前記シリコン層を熱酸化させて酸化珪素層に変化させることにより、該酸化珪素層よりなる前記熱酸化絶縁膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
14. 前記酸化珪素層の厚さは、０．５ｎｍ以上で且つ３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
    

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