JP2013038218A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化物半導体層をチャネルとして用いたトランジスタにおいて、閾値電圧を高くする。
【解決手段】第２窒化物半導体層２００は、Ａｌの組成比が互いに異なる複数の窒化物半導体層を順次積層した構造を有するため、Ａｌ組成が階段状に変化している。第２窒化物半導体層２００を形成する複数の半導体層は、それぞれが同一方向に分極している。そしてゲート電極４２０に近い半導体層は、ゲート電極４２０から遠い半導体層よりも、分極の強度が強く（又は弱く）なっている。すなわち複数の半導体層は、ゲート電極４２０に近づくにつれて、分極の強度が一方向に変化している。この分極の方向は、複数の半導体層内の界面において負の電荷が正の電荷よりも多くなる方向である。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体層を有する半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

ＧａＮなどの窒化物半導体層を用いた電界効果トランジスタは、高耐圧及び低抵抗という特徴を有しているため、電力制御用の素子として用いられることが期待されている。電力制御用の素子は、ノーマリーオフ型であることが求められる。しかし、窒化物半導体層を用いた電界効果トランジスタは、ノーマリーオフ型にすることが難しい。

特許文献１には、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層のヘテロ接合の界面に蓄積される２次元電子ガスをキャリアとして用いるトランジスタが記載されている。このトランジスタでは、ゲート電極の下にはヘテロ接合が存在しないようにすることで、ゲート電極の下では２次元電子ガスが発生しないようにしている。これにより、ノーマリーオフ型のトランジスタが実現できる、とされている。

特許文献２には、以下の構造を有するトランジスタが開示されている。まず、第１窒化物半導体層、第２窒化物半導体層、及び第３窒化物半導体層を積層し、第２窒化物半導体層と第３窒化物半導体層の界面に２次元電子ガスを発生させている。そして第３窒化物半導体層及び第２窒化物半導体層に、第３窒化物半導体層に達する凹部を形成し、この凹部内にゲート絶縁膜及びゲート電極を埋め込んでいる。特許文献２において、凹部は、第２窒化物半導体層を貫通している。なお、特許文献２には、第２窒化物半導体層を、Ａｌ濃度が互いに異なる複数のＡｌＧａＮ層を積層した構造にすることが記載されている。

国際公開第０３／０７１６０７号パンフレット 特開２０１１−０４４６４７号公報

電力制御用のトランジスタには、閾値電圧が高いことも求められる。しかし、窒化物半導体層をチャネルとして用いたトランジスタは、閾値電圧を高くすることが難しかった。

本発明によれば、第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層上に形成された第２窒化物半導体層と、
前記第２窒化物半導体層に接しているゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記第２窒化物半導体層に面するゲート電極と、
を備え、
前記第２窒化物半導体層は、複数の半導体層を積層して形成されており、
少なくとも前記ゲート電極の下方に位置する領域において、
前記複数の半導体層は、それぞれが同一方向に分極しており、かつ組成を互いに異ならせることにより、前記複数の半導体層内の界面において負の電荷が正の電荷よりも多くなっている半導体装置が提供される。

本発明によれば、第２窒化物半導体層は、複数の半導体層を積層した構造を有している。これら複数の半導体層は、少なくともゲート電極の下方に位置する領域において、それぞれ、複数の半導体層内の界面において負の電荷が正の電荷よりも多くなる方向に、分極している。すなわち第２窒化物半導体層のうちチャネルが形成される領域には、見かけ上、負の電荷が予め存在することになる。従って、トランジスタの閾値電圧は高くなる。

本発明によれば、Ａｌ_ｘα_１−ｘＮ層（αは、Ｇａ又はＩｎであり、０＜ｘ＜１）からなる第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層上に形成され、Ａｌ_ｙα_１−ｙＮ層（０≦ｙ＜１）からなる第２窒化物半導体層と、
前記第２窒化物半導体層に接しているゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記第２窒化物半導体層に面するゲート電極と、
を備え、
少なくとも前記ゲート電極の下方に位置する領域において、前記第２窒化物半導体層は、前記第１窒化物半導体層に近づくにつれてｙが増加する半導体装置が提供される。

本発明によれば、第２窒化物半導体層は、Ａｌ_ｙα_１−ｙＮ層（０≦ｙ＜１）からなる。そして、ｙは、第１窒化物半導体層に近づくにつれて増加する。このため、第２窒化物半導体層のうちチャネルが形成される領域には、見かけ上、負の電荷が予め存在することになる。従って、トランジスタの閾値電圧は高くなる。

本発明によれば、第１窒化物半導体層上に第２窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第２窒化物半導体層に接しているゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記第２窒化物半導体層に面するゲート電極を形成する工程と、
を備え、
前記第２窒化物半導体層を形成する工程において、
前記第２窒化物半導体層を、組成が互いに異なる複数の半導体層を積層することにより形成し、
少なくとも前記ゲート電極の下方に位置する領域において、
前記複数の半導体層は、それぞれが同一方向に分極しており、かつ組成を互いに異ならせることにより、前記ゲート電極に近づくにつれて、分極の強度が強く又は弱くなり、
前記複数の半導体層は、前記複数の半導体層内の界面において負の電荷が正の電荷よりも多くなる方向に、分極している半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、Ａｌ_ｘα_１−ｘＮ層（αはＧａ又はＩｎであり、０＜ｘ＜１）からなる第１窒化物半導体層上に、Ａｌ_ｙα_１−ｙＮ層（０≦ｙ＜１）からなる第２窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第２窒化物半導体層に接しているゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記第２窒化物半導体層に面するゲート電極を形成する工程と、
を備え、
前記第２窒化物半導体層を形成する工程において、少なくとも前記ゲート電極の下方に位置する領域において、前記第１窒化物半導体層に近づくにつれてｙが増加するように前記第２窒化物半導体層を形成する半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、窒化物半導体層をチャネルとして用いたトランジスタにおいて、閾値電圧を高くすることができる。

第１の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 第２窒化物半導体層の構成を説明するための模式図である。 第２窒化物半導体層が実施形態に係る構造を有する場合と、第２窒化物半導体層がＧａＮの単層構造を有する場合（比較例）それぞれの伝導帯のポテンシャルのシミュレーション結果を示す図である。 図３のシミュレーションで用いた構造において、２次元のデバイスシミュレーションを行った結果を示す図である。 図１に示した半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図１に示した半導体装置の製造方法を示す断面図である。 第２の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 第３の実施形態に係る電界効果トランジスタを有する半導体装置の断面図である。 第４の実施形態に係る電子装置の回路構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。この半導体装置は、電界効果トランジスタ１０を有している。この半導体装置は、第１窒化物半導体層１００、第２窒化物半導体層２００、第３窒化物半導体層３００、ゲート絶縁膜４１０、及びゲート電極４２０を有している。第２窒化物半導体層２００は、電界効果トランジスタ１０のチャネル層である。本実施形態において、電界効果トランジスタ１０は、第２窒化物半導体層２００と第３窒化物半導体層３００の界面に形成された２次元電子ガス２０２を用いることにより、低抵抗化されている。

第１窒化物半導体層１００は、第２窒化物半導体層２００をエピタキシャル成長させるためのバッファ層として機能する。第１窒化物半導体層１００は、例えばＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層（０＜ｘ＜１）、又はＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ層（０＜ｘ＜１）である。第１窒化物半導体層１００の膜厚は、例えば１μｍ以上であるが、３μｍ以上であっても良い。第１窒化物半導体層１００を厚くすることにより、電界効果トランジスタ１０の耐圧を高くすることができる。例えば第１窒化物半導体層１００を３μｍにすると、電界効果トランジスタ１０の耐圧を５００Ｖ以上にすることができる。

第２窒化物半導体層２００は、チャネル層として機能する層である。このため、第２窒化物半導体層２００には、ゲート絶縁膜４１０が接している。第２窒化物半導体層２００は、例えば第１窒化物半導体層１００がＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層である場合はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層（０≦ｙ＜１）であり、第１窒化物半導体層１００がＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＮ層である場合はＡｌ_ｙＩｎ_１−ｙＮ層（０≦ｙ＜１）である。

第２窒化物半導体層２００の膜厚は、例えば１０ｎｍ以上１０μｍ以下である。第２窒化物半導体層２００を厚くしても、電界効果トランジスタ１０の耐圧を高くすることができる。例えば第１窒化物半導体層１００を１μｍとして、第２窒化物半導体層２００を２μｍとしても、電界効果トランジスタ１０の耐圧は５００Ｖ以上になる。

第２窒化物半導体層２００上には第３窒化物半導体層３００がエピタキシャル成長している。第３窒化物半導体層３００は、電子供給層であり、第２窒化物半導体層２００に２次元電子ガス２０２を形成するために設けられている。２次元電子ガス２０２を形成するために、第２窒化物半導体層２００と第３窒化物半導体層３００との界面には伝導帯不連続が存在する必要がある。つまり、第２窒化物半導体層２００と第３窒化物半導体層３００との界面において、第３窒化物半導体層３００のほうが第２窒化物半導体層２００よりも電子親和力が小さい。第３窒化物半導体層３００は、例えば第２窒化物半導体層２００がＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層である場合はＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ層（０≦ｚ＜１）であり、第２窒化物半導体層２００がＡｌ_ｙＩｎ_１−ｙＮ層である場合はＡｌ_ｚＩｎ_１−ｚＮ層（０≦ｚ＜１）である。

なお、第２窒化物半導体層２００と第３窒化物半導体層３００の界面において、ｚ＞ｙである。ここで、界面において、第２窒化物半導体層２００よりも第３窒化物半導体層３００のＡｌ組成比を高くするのは、第２窒化物半導体層２００と第３窒化物半導体層３００との間に伝導帯不連続を形成し、２次元電子ガス２０２を形成させるためである。この界面において、好ましくは、ｚ＞ｙ＋０．０５であり、さらに好ましくはｚ＞ｙ＋０．１０である。このようにすると、第２窒化物半導体層２００と第３窒化物半導体層３００の界面で、十分な濃度の２次元電子ガス２０２が発生する。

第３窒化物半導体層３００には、凹部３１０が形成されている。凹部３１０の内壁及び底面には、ゲート絶縁膜４１０が形成されている。ゲート絶縁膜４１０は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）であるが、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ハフニウム（Ｈｆ０_２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であってもよい。ゲート絶縁膜４１０の厚さは、例えば３０ｎｍ以上であるが、好ましくは５０ｎｍ以上、さらに好ましくは７０ｎｍ以上である。ゲート絶縁膜４１０を厚くすると、電界効果トランジスタ１０のゲート耐圧を高くすることができる。特にゲート絶縁膜４１０を７０ｎｍ以上にすると、電界効果トランジスタ１０の長期信頼性を大きく改善することができる。

凹部３１０のうちゲート絶縁膜４１０が形成されていない空間には、ゲート電極４２０が埋め込まれている。すなわちゲート電極４２０は、ゲート絶縁膜４１０を介して第２窒化物半導体層２００に面している。ゲート電極４２０は、例えばＡｕであるが、ＮｉもしくはＰｔなどの金属単層膜、Ｎｉ層とＡｕ層を積層した多層膜、これら以外の複数種類の金属を複数層積層した金属多層膜、ＷＳｉもしくはＴｉＮなどの金属化合物膜、又はポリシリコンなどの半導体材料であってもよい。

本実施形態において、ゲート絶縁膜４１０及びゲート電極４２０の上部は、張出部４２５を有している。張出部４２５は、凹部３１０から、凹部３１０の周囲に位置する第３窒化物半導体層３００の上に張り出した部分である。張出部４２５を設けることにより、ゲート絶縁膜４１０のうち凹部３１０の底部の角に位置する部分のほかに、張出部４２５の端部に位置する部分にも電界が集中する。このため、ゲート絶縁膜４１０のうち凹部３１０の底部の角に位置する部分における電界が緩和され、電界効果トランジスタ１０の耐圧が向上する。

凹部３１０は、下端が第２窒化物半導体層２００に達しており、かつ第１窒化物半導体層１００には達していない。本図に示す例では、凹部３１０は、下端が第２窒化物半導体層２００の内部に入り込んでいる。このため、２次元電子ガス２０２は、凹部３１０によって遮断されている。これにより、電界効果トランジスタ１０は、ノーマリーオフ型になる。

本実施形態において、第２窒化物半導体層２００は、少なくともゲート電極４２０の下方に位置する領域において、第１窒化物半導体層１００に近づくにつれてＡｌの含有量（Ａｌ組成比）が増加している（すなわちｙが増加している）。言い換えると、第２窒化物半導体層２００は、厚さ方向にＡｌの組成比が傾斜している。ここで、Ａｌの組成比は連続的に変化していても良いし、複数のＡｌ組成比の異なる窒化物半導体層が積層されるようにＡｌ組成比が断続的（すなわち階段状）に変化しても良い。例えば第２窒化物半導体層２００は、Ａｌの組成比が互いに異なる複数の窒化物半導体層２０４（図２に図示）を順次積層した構造を有することにより、Ａｌの組成が傾斜している。ここでの窒化物半導体層２０４には、モノレイヤーも含まれる。一つの窒化物半導体層２０４が複数の原子層を積層した構造を有している場合、第２窒化物半導体層２００のＡｌ組成は、階段状に変化している。

そして第２窒化物半導体層２００を形成する複数の半導体層は、それぞれが同一方向に分極している。複数の半導体層内の界面において負の電荷が正の電荷よりも多くなっている。そしてこれにより、電界効果トランジスタ１０の閾値電圧は高くなる。この理由については、図２、図３、及び図４を用いて後述する。なお、ゲート電極４２０に近い半導体層は、ゲート電極４２０から遠い半導体層よりも、分極の強度が強く（又は弱く）なっていてもよい。また、複数の半導体層は、ゲート電極４２０に近づくにつれて、分極の強度が一方向に変化していてもよい。

なお、電界効果トランジスタ１０の閾値電圧を高くするためには、第１窒化物半導体層１００と第２窒化物半導体層２００の界面におけるｙをｙ_１として、第２窒化物半導体層２００の上面（すなわち第２窒化物半導体層２００と第３窒化物半導体層３００の界面）におけるｙをｙ_２とした場合、０．０５＜ｙ_１−ｙ_２＜０．１２であるのが好ましい。

第３窒化物半導体層３００上には、ドレイン電極４３０及びソース電極４４０が形成されている。ドレイン電極４３０及びソース電極４４０は、第３窒化物半導体層３００に対してオーミック接続している。ドレイン電極４３０及びソース電極４４０は、例えばＴｉの上にＡｌを積層した積層膜である。本図に示す例では、ドレイン耐圧を高くするために、ドレイン電極４３０からゲート電極４２０までの距離を、ソース電極４４０からゲート電極４２０までの距離よりも長くしている。

第３窒化物半導体層３００の上面のうちドレイン電極４３０及びソース電極４４０が形成されていない領域は、保護絶縁膜４５０によって覆われている。保護絶縁膜４５０は、例えばＳｉＮ膜である。なお、ゲート絶縁膜４１０及びゲート電極４２０の張出部４２５は、保護絶縁膜４５０上に形成されている。またドレイン電極４３０及びソース電極４４０のうち張出部４２５に近い領域も、保護絶縁膜４５０によって覆われている。

図２は、第２窒化物半導体層２００の構成を説明するための模式図である。上記したように、第２窒化物半導体層２００は、複数の窒化物半導体層２０４を順次積層した構造を有している。窒化物半導体層２０４は、それぞれ厚さ方向に分極している。本図に示す例では、窒化物半導体層２０４は、いずれも下面が正となる方向に分極している。そして、窒化物半導体層２０４の分極の強さは、上に行くほど弱くなっている。ここで、分極の強さとは、窒化物半導体２０４の各層における分極電荷量のことを示す。つまり、窒化物半導体層２０４の各層（２０４−１〜２０４−ｎ）における分極電荷量は、上方に行く（すなわち図１におけるゲート電極４２０に近づく）ほど減少する傾向にある。このため、２つの窒化物半導体層２０４の界面において、下側の窒化物半導体層２０４の上面における負の分極の強さは、上側の窒化物半導体層２０４の下面における正の分極の強さよりも大きくなる。言い換えれば、窒化物半導体層２０４の、隣接する２つの層（例えば上層、下層をそれぞれ半導体層２０４−ｎと、半導体層２０４−（ｎ−１）とすると）の界面では、下層のほうが、上層よりも分極電荷量が多い。また、Ａｌ組成比の高い下層に接する上層の界面近傍では正に、また逆に、Ａｌ組成比の低い上層に接する下層の界面近傍では負に分極する。つまり隣接する２つの層の界面の下層側では負の分極電荷が励起され、界面の上層側では正の分極電荷が励起される。このため、各層の界面近傍での分極電荷は、負の電荷の方が多くなる。この結果、窒化物半導体層２０４の界面では、見かけ上、負の電荷が存在することになる。
ここで、第２窒化物半導体層２００としては、Ａｌを含む窒化物半導体であれば良く、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、等が例示される。
以上の説明では、分極の向きが、下側が正で上側が負になる場合を示した。分極の向きが逆の場合は、上にいくに従って分極電荷量が増加するように組成等を変更すればよい。この場合でも、各層の界面における分極電荷は、負になるので、閾値電圧を高くすることができる。

図３は、第２窒化物半導体層２００が実施形態に係る構造を有する場合と、第２窒化物半導体層２００がＧａＮの単層構造を有する場合（比較例）それぞれの伝導帯のポテンシャルのシミュレーション結果を示している。図３は、図１におけるゲート電極４２０の中心を通る縦の断面における伝導帯のポテンシャル図を示している。本図に示す例においては、ゲート電極４２０の電圧Ｖｇを０Ｖとしている。

このシミュレーションにおいて、実施形態の構造は、以下のようにした。第３窒化物半導体層３００におけるＡｌ組成比ｚ＝０．２とした。また、第２窒化物半導体層２００におけるＡｌ組成比ｙを、第３窒化物半導体層３００との界面において０として、第１窒化物半導体層１００との界面において０．０２とした。また、第１窒化物半導体層１００におけるＡｌ組成比ｘ＝０．０２とした。さらに、第１窒化物半導体層１００の厚さを１μｍ、第２窒化物半導体層２００の厚さを１００ｎｍ、第３窒化物半導体層３００の厚さを３０ｎｍとした。また、ゲート絶縁膜４１０を、厚さが３０ｎｍのＳｉＯ_２とした。

また比較例の構造は、以下の点を除いて、実施形態の構造と同じにした。まず、第１窒化物半導体層１００を設けない。そして、第２窒化物半導体層２００を、厚さが１μｍのＧａＮとした。さらに、第３窒化物半導体層３００におけるＡｌ組成比ｚ＝０．１５として、第３窒化物半導体層３００の厚さを４５ｎｍとした。

電界効果トランジスタ１０の閾値電圧は、ゲート絶縁膜４１０と第２窒化物半導体層２００の界面における伝導帯とフェルミレベルとの差（ΔＶ)に依存する。比較例において、ゲート電圧が印加されていない条件では、ゲート絶縁膜４１０には電界がかかっておらず、ほぼフラットな状態である。そしてΔＶは、約１ｅＶであった。

これに対し、実施形態に係る構造では、第２窒化物半導体層２００のＡｌ組成を厚さ方向に変化させることで、第２窒化物半導体層２００に分極による負電荷を分布させている。このため、第２窒化物半導体層２００に分布した負電荷に応じた電界がゲート絶縁膜４１０に印加されるため、ゲート絶縁膜４１０と第２窒化物半導体層２００の界面における伝導帯は上に持ち上げられる。これにより、ΔＶは比較例より大きな値となる。すなわち、電界効果トランジスタ１０の閾値電圧が高くなる。本実施形態では、ΔＶは、約２ｅＶである。

また実施形態に係る構造では、第２窒化物半導体層２００のＡｌ組成の傾斜の大きさを変えることで、第２窒化物半導体層２００に分布する負電荷の量を変えることができる。このため、第２窒化物半導体層２００のＡｌ組成の傾斜の大きさを制御することにより、電界効果トランジスタ１０の閾値電圧を制御することができる。

図４は、図３のシミュレーションで用いた構造において、２次元のデバイスシミュレーションを行った結果を示す。ドレイン電流が１ｍＡ／ｍｍとなるゲート電圧を閾値電圧と定義すると、実施形態に係る閾値電圧は２．１Ｖであったのに対し、比較例に係る閾値電圧は０．７Ｖであった。このことからも、第２窒化物半導体層２００が実施形態に係る構造を有する場合、電界効果トランジスタ１０の閾値電圧が高くなることが示された。

ここで、第２窒化物半導体層２００が実施形態に示した構造を有することにより、電界効果トランジスタ１０の閾値電圧が高くなることを、理論的に説明する。

ここでは、第２窒化物半導体層２００のＡｌ組成比ｙは、最下部から最上部に亘ってＫ段階で変化するものとする（ここで、Ｋは、２以上の整数）。第２窒化物半導体層２００を構成する窒化物半導体層２０４のうち、ｋ番目の窒化物半導体層２０４のＡｌ組成比をｙ_ｋとする（ｋ＝０，１，・・・，Ｋ）。なお、Ｋの値を十分に大きくとると、Ａｌ組成比ｘは連続的に変化するものとみなすことができる。

非特許文献１（Ｏ． Ａｍｂａｃｈｅｒ， ｅｔ ａｌ．， Ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＮ／ＧａＮ ｈｅｔｅｒｏ− ａｎｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｃ：Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ Ｍａｔｔｅｒ， Ｖｏｌ． １４， ｐｐ． ３３９９−３４３４ （２００２））によれば、Ａｌ組成比ｙｋを有するＡｌＧａＮ層に生じる自発分極電荷Ｐ_ＳＰ（単位：Ｃ／ｍ^２＝Ｃｍ^−２）は、次式（１）で与えられる。

ここで、ｋ番目のＡｌＧａＮ層の歪ε_ｋを次式（２）のように定義する。

上式（２）中、ａ_０：ＡｌＧａＮバッファ層の格子定数、ａ_ｋ：Ａｌ組成比ｙ_ｋを有するｋ番目のＡｌＧａＮ層の格子定数、である。

第２窒化物半導体層２００は、下方から上方に向かうにつれてＡｌ組成比が下がるので、格子定数は上方に行くほど大きくなる。よって、ε_ｋ＜０、である。このとき、第２窒化物半導体層２００を構成する窒化物半導体層２０４に発生するピエゾ分極電荷Ｐ_ＰＺ（単位：Ｃ／ｍ^２＝Ｃｍ^−２）は、次式（２Ｂ）で与えられる。

なお、窒化物半導体層２０４中の分極電荷Ｐ_ＰＯＬは、次式（３）で与えられる。

ｋ−１番目の窒化物半導体層２０４とｋ番目の窒化物半導体層２０４との間には分極電荷の差分が生じ、両層間の界面に当該差分の負電荷Δσ_ｋが存在する。負電荷Δσ_ｋは、次式（４）で表現される。

２つの窒化物半導体層２０４の界面に発生した負電荷の体積密度をＮ_ＰＯＬ、ｋ番目の窒化物半導体層２０４の厚みをｔ_ｋとすると、体積密度Ｎ_ＰＯＬは次式（５）で与えられる。

また、最上層の窒化物半導体層２０４の面電荷Ｑｃｈは（６）式で表される。

熱平衡状態でゲート絶縁膜４１０に印加される電界Ｅ_ＯＸ０は、（７）式で表される。

ここでε_ｒ：ゲート絶縁膜４１０の比誘電率、ε_０：真空誘電率である。

ゲート電極４２０の仕事関数をΦ_ＧＡＴＥ、第２窒化物半導体層２００の最上層での電子親和力をχ_ＳＥＭＩ、ゲート絶縁膜４１０の厚さをｔ_ＯＸとすると、ゲート絶縁膜４１０と第２窒化物半導体層２００の界面の伝導帯とフェルミレベルとの差ΔＶは、（８）式で近似できる。

図３及び図４のシミュレーションに用いた構造を例にして具体的に説明する。ε_ｒ＝３．９、ε_０＝８．８５ｘ１０^−１４Ｆ／ｃｍ、Φ_ＧＡＴＥ＝４．８ｅＶ（Ａｕ）、χ_ＳＥＭＩ＝４．１ｅＶ（ＧａＮ）である。このため、比較例においてはΔＶ＝０．７０ｅＶとなり、実施形態の場合、ΔＶ＝１．７５ｅＶとなる。これらの値は、図３に示したシミュレーション結果とほぼ一致する。

図５及び図６は、図１に示した半導体装置の製造方法を示す断面図である。まず図５（ａ）に示すように、Ｓｉ、サファイア、又はＳｉＣなどの基板（図示せず）上に、第１窒化物半導体層１００、第２窒化物半導体層２００、及び第３窒化物半導体層３００を、ＭＯＣＶＤ法を用いてこの順に形成する。ＭＯＣＶＤ法における原料ガスには、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、及びアンモニアガスを用いる。第１窒化物半導体層１００、第２窒化物半導体層２００、及び３００においてＡｌの組成比を変えるには、トリメチルアルミニウム及びアンモニアガスの供給量を一定に保ちながら、トリメチルガリウムの供給量を変化させる。例えば第２窒化物半導体層２００においてＡｌの組成比を徐々に少なくするときには、トリメチルアルミニウム及びアンモニアガスの供給量を一定に保ちながら、トリメチルガリウムの供給量を徐々に増やす。

次いで、第３窒化物半導体層３００及び第２窒化物半導体層２００を、第１窒化物半導体層１００が露出するまで部分的に除去することによりメサを形成し、素子分離を行う。

次いで、第３窒化物半導体層３００上に、金属膜（例えばＴｉ及びＡｌをこの順に積層した積層膜）をスパッタリング法により形成し、この金属膜を選択的に除去する。これにより、第３窒化物半導体層３００上にはドレイン電極４３０及びソース電極４４０が形成される。そしてドレイン電極４３０及びソース電極４４０をアニール処理する。これにより、ドレイン電極４３０及びソース電極４４０は、第３窒化物半導体層３００とオーミック接触する。

次いで図５（ｂ）に示すように、第３窒化物半導体層３００上及びドレイン電極４３０上に、保護絶縁膜４５０を、プラズマＣＶＤ法を用いて形成する。そして、保護絶縁膜４５０のうちドレイン電極４３０及びソース電極４４０上に位置する部分を除去する。

次いで図６に示すように、保護絶縁膜４５０のうち、凹部３１０が形成される領域に位置する部分を選択的に除去する。次いで、ドレイン電極４３０、ソース電極４４０、及び保護絶縁膜４５０をマスクとして、第３窒化物半導体層３００（必要に応じて第２窒化物半導体層２００の一部も）をエッチングする。これにより、凹部３１０が形成される。

次いで、凹部３１０の底面及び側面、保護絶縁膜４５０上、ドレイン電極４３０上、及びソース電極４４０上に、ゲート絶縁膜４１０を、例えばＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法を用いて形成する。次いで、ゲート絶縁膜４１０上にゲート電極４２０を、例えばスパッタリング法を用いて形成する。次いで、ゲート絶縁膜４１０及びゲート電極４２０のうち不要な部分を除去する。これにより、図１に示した電界効果トランジスタ１０を有する半導体装置が形成される。

以上、本実施形態によれば、第２窒化物半導体層２００を形成する複数の半導体層は、それぞれが同一方向に分極している。そしてゲート電極４２０に近い半導体層は、ゲート電極４２０から遠い半導体層よりも、分極の強度が強く（又は弱く）なっている。この分極の方向は、複数の半導体層内の界面において負の電荷が正の電荷よりも多くなる方向である。このため、電界効果トランジスタ１０の閾値電圧は高くなる。

（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。この半導体装置は、電界効果トランジスタ１０がプレーナ型のトランジスタである点を除いて、第１の実施形態に係る半導体装置と同様である。

詳細には、第２窒化物半導体層２００上には第３窒化物半導体層３００が形成されていない。そして、ゲート絶縁膜４１０、ドレイン電極４３０、及びソース電極４４０は、第２窒化物半導体層２００上に直接形成されている。ゲート電極４２０は、ゲート絶縁膜４１０上に形成されている。

第２窒化物半導体層２００の表層には、ドレイン領域４３２及びソース領域４４２が形成されている。ドレイン領域４３２及びソース領域４４２は、いずれもｎ型の不純物領域である。また、平面視において、ドレイン領域４３２とゲート電極４２０の間には、エクステンション領域４３４が形成されている。エクステンション領域４３４も、ｎ型の不純物領域である。ただし、ソース領域４４２にはエクステンション領域が設けられていない。ドレイン領域４３２、ソース領域４４２、及びエクステンション領域４３４は、例えば第２窒化物半導体層２００にＳｉなどの不純物をイオン注入することにより、形成される。エクステンション領域４３４を設けることにより、ゲート電極４２０とドレイン電極４３０の間の耐圧が向上する。ただし、ゲート電極４２０とドレイン電極４３０の間に要求される耐圧がそれほど大きくない場合は、エクステンション領域４３４となっている領域をドレイン領域４３２にしても良い。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また第１の実施形態に示した第３窒化物半導体層３００は、第２窒化物半導体層２００に２次元電子ガス２０２を発生させるために、歪が与えられている。このため、第３窒化物半導体層３００に逆ピエゾ効果が生じると、電界効果トランジスタ１０の特性が劣化する。これに対して本実施形態では、第３窒化物半導体層３００を有していない。このため、逆ピエゾ効果に起因して電界効果トランジスタ１０の特性が劣化する可能性は低い。

また、凹部３１０を形成する必要がないため、製造コストが低くなる。

（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態に係る電界効果トランジスタ１０を有する半導体装置の断面図である。本実施形態に係る電界効果トランジスタ１０は、以下の点を除いて、第１の実施形態に係る半導体装置と同様の構成である。

まず、第３窒化物半導体層３００はｎ型の不純物を含んでいる。すなわち本実施形態に係る半導体装置は、第１の実施形態とは異なり、２次元電子ガス２０２を用いるものではない。このため、第３窒化物半導体層３００に歪を与える必要がない。

さらに、第３窒化物半導体層３００とドレイン電極４３０の間、及び第３窒化物半導体層３００とソース電極４４０の間には、それぞれ第４窒化物半導体層５００が形成されている。第４窒化物半導体層５００は、ｎ型のＡｌＧａＮ層であり、第３窒化物半導体層３００よりも不純物濃度が高い。第４窒化物半導体層５００におけるＡｌとＧａの組成比は、第３窒化物半導体層３００と同様であるのが好ましい。

また本実施形態では、第２窒化物半導体層２００と第３窒化物半導体層３００の接続抵抗を下げるために、第２窒化物半導体層２００の最上層におけるＡｌの組成比を、第３窒化物半導体層３００のＡｌの組成比と等しくするのが好ましい。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第３窒化物半導体層３００に歪を与える必要がないため、第２の実施形態と同様に、逆ピエゾ効果に起因して電界効果トランジスタ１０の特性が劣化する可能性は低い。

また、第３窒化物半導体層３００をエピタキシャル成長させる際に、第３窒化物半導体層３００にｎ型の不純物を含ませることができる。従って、第２の実施形態と比較して、プロセス温度を低くすることができる。また、第３窒化物半導体層３００の不純物濃度の制御性は、第２の実施形態におけるドレイン領域４３２及びソース領域４４２の不純物濃度の制御性より、高い。

また、第３窒化物半導体層３００とドレイン電極４３０の間、及び第３窒化物半導体層３００とソース電極４４０の間に第４窒化物半導体層５００を設けている。このため、第３窒化物半導体層３００の不純物濃度を低くして、電界効果トランジスタ１０の耐圧を高くすることができる。

なお本実施形態において、電界効果トランジスタ１０の耐圧が要求されない場合は、第４窒化物半導体層５００を設けずに、第３窒化物半導体層３００を第４窒化物半導体層５００と同様の不純物濃度にしても良い。

（第４の実施形態）
図９は、第４の実施形態に係る電子装置２の回路構成を示す図である。この電子装置２は、第１〜第３の実施形態のいずれかに示した半導体装置（すなわち電界効果トランジスタ１０）を有している。この電子装置は、例えば車両に用いられており、電子装置２、電源４、及び負荷６を有している。電源４は例えば車両に搭載されているバッテリーである。負荷６は、例えば車両に搭載されている電子部品、例えばヘッドランプ、パワーウインドウの動力源、車両の動力源となるモータである。そして電子装置２は、電源４から負荷６に供給する電力を制御している。

電子装置２は、回路基板（例えばプリント配線基板）上に、電界効果トランジスタ１０を有する半導体装置、半導体装置２０、及び制御回路３０を有する半導体装置を搭載したものである。半導体装置２０は、マイコンを有しており、回路基板の配線を介して電界効果トランジスタ１０に接続している。半導体装置２０は、電界効果トランジスタ１０を制御している。詳細には、半導体装置２０は、制御回路３０に制御信号を入力する。そして制御回路３０は、半導体装置２０から入力された制御信号に従って、電界効果トランジスタ１０のゲート電極４２０に信号を入力する。すなわち制御回路３０は、電界効果トランジスタ１０を制御する。電界効果トランジスタ１０が制御されることにより、電源４からの電力が、適宜負荷６に供給される。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。例えば上記した各実施形態では、窒化物半導体層の例として、ＡｌＧａＮ又はＡｌＩｎＮを示したが、図２を用いて説明した分極に関する条件を満たすのであれば、４元系の窒化物半導体を用いても良い。

２ 電子装置
４ 電源
６ 負荷
１０ 電界効果トランジスタ
２０ 半導体装置
３０ 制御回路
１００ 第１窒化物半導体層
２００ 第２窒化物半導体層
２０２ ２次元電子ガス
２０４ 窒化物半導体層
３００ 第３窒化物半導体層
３１０ 凹部
４１０ ゲート絶縁膜
４２０ ゲート電極
４２５ 張出部
４３０ ドレイン電極
４３２ ドレイン領域
４３４ エクステンション領域
４４０ ソース電極
４４２ ソース領域
４５０ 保護絶縁膜
５００ 第４窒化物半導体層

Claims (15)

1. 第１窒化物半導体層と、
   前記第１窒化物半導体層上に形成された第２窒化物半導体層と、
   前記第２窒化物半導体層に接しているゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜を介して前記第２窒化物半導体層に面しているゲート電極と、
   を備え、
   前記第２窒化物半導体層は、複数の半導体層を積層して形成されており、
   少なくとも前記ゲート電極の下方に位置する領域において、
   前記複数の半導体層は、それぞれが同一方向に分極しており、かつ組成を互いに異ならせることにより、前記複数の半導体層内の界面において負の電荷が正の電荷よりも多くなっている半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記第２窒化物半導体層は、Ａｌを含有しており、
   前記複数の半導体層は、Ａｌの組成比が互いに異なる半導体装置。
3. 請求項２に記載の半導体装置において、
   前記第１窒化物半導体層はＡｌ_ｘα_１−ｘＮ層（αは、Ｇａ又はＩｎであり、かつ０＜ｘ＜１）であり、
   前記第２窒化物半導体層は、Ａｌ_ｙα_１−ｙＮ層（０≦ｙ＜１）である半導体装置。
4. Ａｌ_ｘα_１−ｘＮ層（αは、Ｇａ又はＩｎであり、０＜ｘ＜１）からなる第１窒化物半導体層と、
   前記第１窒化物半導体層上に形成され、Ａｌ_ｙα_１−ｙＮ層（０≦ｙ＜１）からなる第２窒化物半導体層と、
   前記第２窒化物半導体層に接しているゲート絶縁膜と、
   前記ゲート絶縁膜を介して前記第２窒化物半導体層に面しているゲート電極と、
   を備え、
   少なくとも前記ゲート電極の下方に位置する領域において、前記第２窒化物半導体層は、前記第１窒化物半導体層に近づくにつれてｙが増加する半導体装置。
5. 請求項４に記載の半導体装置において、前記第２窒化物半導体層は、Ａｌの組成比が階段状に変化している半導体装置。
6. 請求項３〜５のいずれか一項に記載の半導体装置において、
   前記第２窒化物半導体層上に形成され、Ａｌ_ｚα_１−ｚＮ層（０≦ｚ＜１）からなる第３窒化物半導体層と、
   前記第３窒化物半導体層に形成され、下端が前記第２窒化物半導体層に達しており、かつ前記第１窒化物半導体層に達していない凹部と、
   を備え、
   前記ゲート絶縁膜は、前記凹部の底面及び側面に形成されており、
   前記ゲート電極は、前記凹部に埋め込まれている半導体装置。
7. 請求項６に記載の半導体装置において、
   前記第２窒化物半導体層と前記第３窒化物半導体層の界面において、ｚ＞ｙである半導体装置。
8. 請求項７に記載の半導体装置において、
   前記第２窒化物半導体層と前記第３窒化物半導体層の界面において、ｚ＞ｙ＋０．０５である半導体装置。
9. 請求項８に記載の半導体装置において、
   前記第２窒化物半導体層と前記第３窒化物半導体層の界面において、ｚ＞ｙ＋０．１である半導体装置。
10. 請求項６〜８のいずれか一項に記載の半導体装置において、
    前記第３窒化物半導体層は、ｎ型の不純物を有しており、
    前記第３窒化物半導体層上に形成され、前記第３窒化物半導体層よりも不純物濃度が高いｎ型の第４窒化物半導体層と、
    前記第４窒化物半導体層上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
    を備える半導体装置。
11. 請求項３〜５のいずれか一項に記載の半導体装置において、
    前記ゲート絶縁膜は、前記第２窒化物半導体層上に形成されている半導体装置。
12. 請求項３〜１１のいずれか一項に記載の半導体装置において、
    前記第１窒化物半導体層と前記第２窒化物半導体層の界面において、ｘ＝ｙである半導体装置。
13. 請求項３〜１２のいずれか一項に記載の半導体装置において、
    前記第１窒化物半導体層と前記第２窒化物半導体層の界面におけるｙをｙ_１として、前記第２窒化物半導体層と前記第３窒化物半導体層の界面におけるｙをｙ_２とした場合、０．０５＜ｙ_１−ｙ_２＜０．１２である半導体装置。
14. 第１窒化物半導体層上に第２窒化物半導体層を形成する工程と、
    前記第２窒化物半導体層に接しているゲート絶縁膜を形成する工程と、
    前記ゲート絶縁膜を介して前記第２窒化物半導体層に面するゲート電極を形成する工程と、
    を備え、
    前記第２窒化物半導体層を形成する工程において、
    前記第２窒化物半導体層を、組成が互いに異なる複数の半導体層を積層することにより形成し、
    少なくとも前記ゲート電極の下方に位置する領域において、
    前記複数の半導体層は、それぞれが同一方向に分極しており、かつ組成を互いに異ならせることにより、前記ゲート電極に近づくにつれて、分極の強度が強く又は弱くなり、
    前記複数の半導体層は、前記複数の半導体層内の界面において負の電荷が正の電荷よりも多くなる方向に、分極している半導体装置の製造方法。
15. Ａｌ_ｘα_１−ｘＮ層（αは、Ｇａ又はＩｎであり、０＜ｘ＜１）からなる第１窒化物半導体層上に、Ａｌ_ｙα_１−ｙＮ層（０≦ｙ＜１）からなる第２窒化物半導体層を形成する工程と、
    前記第２窒化物半導体層に接しているゲート絶縁膜を形成する工程と、
    前記ゲート絶縁膜を介して前記第２窒化物半導体層に面するゲート電極を形成する工程と、
    を備え、
    前記第２窒化物半導体層を形成する工程において、少なくとも前記ゲート電極の下方に位置する領域において、前記第１窒化物半導体層に近づくにつれてｙが増加するように前記第２窒化物半導体層を形成する半導体装置の製造方法。

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