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WO2013153927A1 - 窒化物半導体装置 - Google Patents

窒化物半導体装置 Download PDF

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WO2013153927A1
WO2013153927A1 PCT/JP2013/058024 JP2013058024W WO2013153927A1 WO 2013153927 A1 WO2013153927 A1 WO 2013153927A1 JP 2013058024 W JP2013058024 W JP 2013058024W WO 2013153927 A1 WO2013153927 A1 WO 2013153927A1
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WO
WIPO (PCT)
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nitride semiconductor
chlorine concentration
layer
concentration peak
interface
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2013/058024
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English (en)
French (fr)
Inventor
忠 安井
敏 森下
藤田　耕一郎
大佑 栗田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Priority claimed from JP2012133008A external-priority patent/JP6018809B2/ja
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Priority to CN201380016278.1A priority patent/CN104185899B/zh
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    • H10D64/411—Gate electrodes for field-effect devices for FETs

Definitions

  • the present invention relates to a nitride semiconductor device.
  • an oxygen plasma treatment is performed on the surface of an n-type GaN contact layer to form an oxygen-doped layer, and then an ohmic electrode is formed on the n-type GaN contact layer, thereby forming an n-type GaN
  • the ohmic electrode has a high contact resistance and a sufficiently low contact resistance. I just could't get it.
  • an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device capable of reducing the contact resistance between the nitride semiconductor layer and the ohmic electrode.
  • the inventor has found that the substrate side region near the interface between the ohmic electrode made of TiAl-based material and the nitride semiconductor layer is near the interface.
  • the nitride semiconductor layer and the ohmic contact are generated according to the chlorine concentration of the second chlorine concentration peak.
  • the present inventor has found for the first time by experiments that the contact resistance is greatly reduced when the chlorine concentration of the second chlorine concentration peak on the substrate side from the interface is within a specific range.
  • the nitride semiconductor device is: A substrate, A nitride semiconductor multilayer body formed on the substrate and having a heterointerface; An ohmic electrode made of a TiAl-based material formed at least partially on the nitride semiconductor multilayer body or in the nitride semiconductor multilayer body,
  • the nitride semiconductor laminate is A first nitride semiconductor layer formed on the substrate;
  • the first semiconductor near the interface is provided in the region on the substrate side of the interface between the ohmic electrode made of the TiAl-based material and the nitride semiconductor stacked body.
  • the first semiconductor near the interface is provided in the region on the substrate side of the interface between the ohmic electrode made of the TiAl-based material and the nitride semiconductor stacked body.
  • the position of the second oxygen concentration peak is a depth of 60 nm or more and 100 nm or less from the interface.
  • the second oxygen concentration peak is located at a depth of 60 nm or more and 100 nm or less from the interface, the contact resistance between the nitride semiconductor multilayer body and the ohmic electrode can be reduced.
  • the present inventor has found that the above-mentioned interface in the region on the substrate side of the interface between the ohmic electrode made of TiAl-based material and the nitride semiconductor layer It was discovered that the contact resistance characteristics of the nitride semiconductor layer and the ohmic electrode change according to the oxygen concentration of the oxygen concentration peak generated in the vicinity and the chlorine concentration of the chlorine concentration peak.
  • the inventor has experimentally demonstrated that contact resistance is greatly reduced when the oxygen concentration at the oxygen concentration peak near the interface on the substrate side from the interface and the chlorine concentration at the chlorine concentration peak are within a specific range. I found it for the first time.
  • the nitride semiconductor device of the second aspect of the present invention is: A substrate, A nitride semiconductor multilayer body formed on the substrate and having a heterointerface; An ohmic electrode made of a TiAl-based material at least partially formed in the nitride semiconductor laminate, The nitride semiconductor laminate is A first nitride semiconductor layer formed on the substrate; A second nitride semiconductor layer formed on the first nitride semiconductor layer and forming a heterointerface with the first nitride semiconductor layer;
  • In the oxygen concentration distribution in the depth direction from the ohmic electrode made of the TiAl-based material to the nitride semiconductor laminate It has an oxygen concentration peak at a position near the interface in a region closer to the substrate than the interface between the ohmic electrode and the nitride semiconductor laminate, The oxygen concentration at the oxygen concentration peak is 1.1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more and 6.8 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less, In the chlorine
  • the oxygen concentration peak in the vicinity of the interface in the region on the substrate side of the interface between the ohmic electrode made of the TiAl-based material and the nitride semiconductor stacked body, the oxygen concentration peak in the vicinity of the interface.
  • the oxygen concentration is 1.1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more and 6.8 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less, and the chlorine concentration at the chlorine concentration peak in the vicinity of the interface is 5.0 ⁇ 10 16 cm.
  • it is ⁇ 3 or more and 9.6 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less, the contact resistance between the nitride semiconductor multilayer body and the ohmic electrode can be greatly reduced.
  • the nitride semiconductor stack is Having a recess that penetrates the second nitride semiconductor layer and reaches the two-dimensional electron gas layer near the heterointerface; At least a part of the ohmic electrode is embedded in the recess.
  • the contact resistance between the two-dimensional electron gas layer near the heterointerface and the ohmic electrode can be reduced.
  • the first chlorine concentration peak in the vicinity of the interface is obtained in the region on the substrate side of the interface between the ohmic electrode made of a TiAl-based material and the nitride semiconductor multilayer body. Since the second chlorine concentration peak having a chlorine concentration of 1.3 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less is provided at a position deeper than the position, the contact resistance between the nitride semiconductor multilayer body and the ohmic electrode can be greatly reduced.
  • the oxygen concentration at the oxygen concentration peak near the interface is 1.1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more and 6.8 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less
  • the chlorine concentration at the chlorine concentration peak near the interface is 5.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or more and 9 or less. Since it is 0.6 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less, the contact resistance between the nitride semiconductor multilayer body and the ohmic electrode can be greatly reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. It is process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the said nitride semiconductor device.
  • FIG. 3 is a process cross-sectional view following FIG. 2.
  • FIG. 4 is a process cross-sectional view following FIG. 3.
  • FIG. 5 is a process cross-sectional view subsequent to FIG. 4. It is a graph which shows the density
  • 6 is a graph showing the relationship between the chlorine concentration (cm ⁇ 3 ) of the second chlorine concentration peak P22 of the first embodiment and the contact resistance of the ohmic electrode. It is a graph which shows the relationship between the depth of the 2nd chlorine concentration peak P22 of the said 1st Embodiment, and the contact resistance of an ohmic electrode. It is a graph which shows the relationship between the self-bias potential Vdc and the contact resistance of an ohmic electrode in the dry etching of the manufacturing process of the said 1st Embodiment.
  • FIG. 13 is a process cross-sectional view subsequent to FIG. 12.
  • FIG. 14 is a process cross-sectional view subsequent to FIG. 13.
  • FIG. 15 is a process cross-sectional view subsequent to FIG. 14.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a nitride semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, which is a GaN-based HFET (Hetero-junction Field Effect Transistor).
  • a nitride semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, which is a GaN-based HFET (Hetero-junction Field Effect Transistor).
  • the semiconductor device includes an undoped AlGaN buffer layer 15, an undoped GaN layer 1 as an example of a first nitride semiconductor layer, and an example of a second nitride semiconductor layer on a Si substrate 10.
  • a nitride semiconductor stacked body 20 composed of the undoped AlGaN layer 2 is formed.
  • the interface between the undoped GaN layer 1 and the undoped AlGaN layer 2 is a heterointerface.
  • a 2DEG layer (two-dimensional electron gas layer) 3 is generated in the vicinity of the interface between the undoped GaN layer 1 and the undoped AlGaN layer 2.
  • the GaN layer 1 may be replaced with an AlGaN layer having a composition having a smaller band gap than the AlGaN layer 2. Further, a layer having a thickness of about 1 nm made of GaN, for example, may be provided on the AlGaN layer 2 as a cap layer.
  • the source electrode 11 and the drain electrode 12 are formed in the recess 106 and the recess 109 that pass through the AlGaN layer 2 and the 2DEG layer 3 and reach the GaN layer 1 with a space therebetween.
  • a gate electrode 13 is formed on the AlGaN layer 2 between the source electrode 11 and the drain electrode 12 and on the source electrode 11 side.
  • the source electrode 11 and the drain electrode 12 are ohmic electrodes, and the gate electrode 13 is a Schottky electrode.
  • the source electrode 11, the drain electrode 12, the gate electrode 13, and the active regions of the GaN layer 1 and the AlGaN layer 2 on which the source electrode 11, the drain electrode 12, and the gate electrode 13 are formed constitute an HFET.
  • the active region means that carriers are generated between the source electrode 11 and the drain electrode 12 by the voltage applied to the gate electrode 13 disposed between the source electrode 11 and the drain electrode 12 on the AlGaN layer 2.
  • This is a region of the flowing nitride semiconductor stacked body 20 (GaN layer 1, AlGaN layer 2).
  • an insulating film 30 made of SiO 2 is formed on the AlGaN layer 2 excluding the region where the source electrode 11, the drain electrode 12, and the gate electrode 13 are formed in order to protect the AlGaN layer 2.
  • An interlayer insulating film 40 made of polyimide is formed on the Si substrate 10 on which the source electrode 11, the drain electrode 12, and the gate electrode 13 are formed.
  • reference numeral 41 denotes a via (VIA: Vertical Interconnect) as a contact portion
  • the insulating film is not limited to SiO 2 , and SiN, Al 2 O 3, or the like may be used.
  • the insulating film preferably has a multilayer structure of a SiN film having a stoichiometric collapse on the surface of the semiconductor layer to suppress collapse and a SiO 2 or SiN film structure for surface protection.
  • the interlayer insulating film is not limited to polyimide, and an insulating material such as SiO 2 film manufactured by p-CVD (plasma CVD), SOG (Spin On Glass), or BPSG (boron, phosphorus, silicate, glass) is used. Also good.
  • the source electrode 11 and the drain electrode 12 are made of a TiAl-based material, for example, Ti / Al / TiN formed by sequentially laminating Ti, Al, and TiN on the GaN layer 1.
  • the first chlorine is located at a position near the interfaces S1 and S2. It has a concentration peak, and the chlorine concentration of this first chlorine concentration peak is It is 1.0 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more and 2.2 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less.
  • the vicinity of the interfaces S1 and S2 is a range of about 33 nm deeper than the interfaces S1 and S2.
  • the GaN layer 1 has a second chlorine concentration peak at a position deeper than the above positions in the vicinity of the interfaces S1 and S2 having the first chlorine concentration peak.
  • the chlorine concentration at the second chlorine concentration peak is 3 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or more and 1.3 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less.
  • the chlorine concentration at the second chlorine concentration peak is lower than the chlorine concentration at the first chlorine concentration peak.
  • the second chlorine concentration peak is at a depth of 60 nm or more and 100 nm or less from the interfaces S1 and S2 to the substrate 10 side.
  • a channel is formed by the two-dimensional electron gas layer (2DEG layer) 3 generated at the interface between the GaN layer 1 and the AlGaN layer 2, and a voltage is applied to the gate electrode 13 through this channel.
  • the HFET having the source electrode 11, the drain electrode 12, and the gate electrode 13 is turned on / off.
  • a depletion layer is formed in the GaN layer 1 below the gate electrode 13, and the HFET is turned off.
  • the HFET 13 is a normally-on type transistor in which the depletion layer disappears in the lower GaN layer 1 and is turned on.
  • the interface S1 in the region on the substrate 10 side of the interfaces S1 and S2 between the source electrode 11 and the drain electrode 12 and the GaN layer 1 made of a TiAl-based material, the interface S1 , Having a second chlorine concentration peak at 3 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or more and 1.3 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less at a position deeper than the position of the first chlorine concentration peak in the vicinity of S2, and Since the second chlorine concentration peak is at a depth of 60 nm or more and 100 nm or less from the interfaces S1 and S2 to the substrate 10, the contact resistance between the GaN layer 1 and the source electrode 11 and drain electrode 12 is greatly increased. Can be reduced.
  • the Si substrate and the undoped AlGaN buffer layer are not shown in order to make the drawings easy to see, and the sizes and intervals of the source electrode and the drain electrode are changed.
  • an undoped AlGaN buffer layer (not shown), undoped GaN is formed on a Si substrate (not shown) using MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method.
  • a layer 101 and an undoped AlGaN layer 102 are formed in this order.
  • the thickness of the undoped GaN layer 101 is 1 ⁇ m, for example, and the thickness of the undoped AlGaN layer 102 is 30 nm, for example.
  • the GaN layer 101 and the AlGaN layer 102 constitute a nitride semiconductor stacked body 120.
  • an insulating film 130 (for example, SiO 2 ) is formed on the AlGaN layer 102 to a thickness of 200 nm by, for example, a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method.
  • reference numeral 103 denotes a two-dimensional electron gas layer (2DEG layer) formed in the vicinity of the heterointerface between the GaN layer 101 and the AlGaN layer 102.
  • a portion where an ohmic electrode is to be formed is removed by dry etching, as shown in FIG.
  • Recesses 106 and 109 deeper than the 2DEG layer 103 are formed in a part of the GaN layer 101 so as to penetrate therethrough.
  • a chlorine-based gas is used in the dry etching.
  • the depths of the recesses 106 and 109 may be equal to or greater than the depth from the surface of the AlGaN layer 102 to the 2DEG layer 103, for example, 50 nm.
  • the voltage Vdc applied between the electrodes in the chamber is set to 180 V or more and 240 V or less in the dry etching.
  • O 2 plasma treatment, cleaning with HCl / H 2 O 2 , and cleaning with BHF (buffered hydrofluoric acid) or 1% HF (hydrofluoric acid) are sequentially performed.
  • annealing for reducing the etching damage due to the dry etching is performed at 500 to 850 ° C., for example.
  • Ti, Al, and TiN are sequentially laminated on the insulating film 130 and the concave portions 106 and 109, and Ti / Al / TiN are laminated, thereby forming a laminated metal film that becomes an ohmic electrode. 107 is formed.
  • the TiN layer is a cap layer for protecting the Ti / Al layer from a subsequent process.
  • a small amount (for example, 5 sccm) of oxygen is allowed to flow into the chamber during the Ti film formation.
  • the flow rate of the oxygen is set so that Ti oxide is not generated. Instead of flowing a small amount of oxygen into the chamber during the Ti film formation, oxygen may be flowed into the chamber at 50 sccm for 5 minutes before the Ti film formation.
  • both Ti and Al may be sputtered simultaneously. Further, Ti and Al may be deposited instead of sputtering.
  • patterns of ohmic electrodes 111 and 112 are formed by using normal photolithography and dry etching.
  • the contact resistance can be greatly reduced as compared with the case where annealing is performed at a high temperature exceeding 500 ° C. (for example, 600 ° C. or more). Further, by annealing at a low temperature of 400 ° C. or more and 500 ° C.
  • the low temperature annealing can prevent deterioration of current collapse and characteristic fluctuation due to nitrogen desorption from the GaN layer 101.
  • current collapse is a phenomenon in which the on-resistance of a transistor in a high-voltage operation becomes higher than the on-resistance of the transistor in a low-voltage operation.
  • the ohmic electrodes 111 and 112 become the source electrode 11 and the drain electrode 12, and a gate electrode made of TiN or WN is formed between the ohmic electrodes 111 and 112 in a later step.
  • the undoped GaN at the interfaces S1 and S2 between the source electrode 11 and the drain electrode 12 and the undoped GaN layer 1 (only S1 is shown in FIG. 6, but the position of S2 is also at the same depth as S1).
  • the vicinity of the interfaces S1 and S2 (here, the vicinity of the interfaces S1 and S2 means a range of about 33 nm deeper than the interfaces S1 and S2). Chlorine concentration peak P11 is formed.
  • a second chlorine concentration peak P22 is formed at a position deeper than the first chlorine concentration peak P11.
  • the chlorine concentration of the second chlorine concentration peak P22 can be set to 2.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or more and 1.3 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less.
  • the chlorine concentration at the first chlorine concentration peak P11 is higher than the chlorine concentration at the second chlorine concentration peak P22, for example, 1.0 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more and 2.2 ⁇ 10 17 cm. -3 or less.
  • FIG. 6 is a graph showing an example of a chlorine concentration distribution in the depth direction from the source electrode 11 to the undoped GaN layer 1. 6, the vertical axis scale 1.E + 01,1.E + 02, ..., 1.E + 04 , respectively, 1.0 ⁇ 10,1.0 ⁇ 10 2, ..., representative of 1.0 ⁇ 10 4.
  • This graph shows the results measured by SIMS (secondary ion mass spectrometry) using TEG (test element group), with the horizontal axis representing depth (nm) and the vertical axis representing relative secondary ion intensity. (counts).
  • SIMS secondary ion mass spectrometry
  • the first chlorine concentration peak P11 is located at a depth of about 10 nm from the interface S1 to the GaN layer 1, and the depth of about 95 nm from the interface S1 to the GaN layer 1 side.
  • the second chlorine concentration peak P22 is located.
  • the oxygen concentration distribution in the depth direction from the drain electrode 12 side to the GaN layer 1 side of the interface S2 between the drain electrode 12 and the undoped GaN layer 1 was also the same as the graph of FIG.
  • the chlorine concentration of the second chlorine concentration peak P22 is 6 ⁇ 10 16 (cm ⁇ 3 ), and the contact resistance of 1.1 ⁇ mm of the ohmic electrodes (source electrode 11 and drain electrode 12) is obtained. It was.
  • the contact resistance between the two-dimensional electron gas (2DEG) layer 103 and the ohmic electrodes 111 and 112 in the vicinity of the heterointerface between the GaN layer 101 and the AlGaN layer 102 can be reduced.
  • Contact resistance ( ⁇ mm) can be 3 ( ⁇ mm) or less.
  • the contact resistance is about 1.1 ( ⁇ mm). ( ⁇ mm) was obtained.
  • the chlorine concentration (cm ⁇ 3 ) of the second chlorine concentration peak P22 is 3 ⁇ 10 16 (cm ⁇ 3 )
  • a contact resistance ( ⁇ mm) of about 1.0 ( ⁇ mm) was obtained.
  • the second 3 ⁇ 10 16 cm -3 which is the lower limit of the range of chlorine concentration of the chlorine concentration of the chlorine concentration peak P22 (3 ⁇ 10 16 cm -3 or more and 1.3 ⁇ 10 17 cm -3 or less) This is the lower limit value of the chlorine concentration for reliably forming the ohmic contact.
  • the contact resistance exceeds 3 ⁇ mm. This is because if the chlorine concentration of the second chlorine concentration peak P22 is too high, excess chlorine reacts with Ga and Ti, and N from GaN due to Ti, which is a reaction on the GaN layer 1 side necessary for ohmic contact formation. This is probably because the drawing reaction of oxygen and the activation of oxygen were inhibited.
  • the chlorine concentration of the second chlorine concentration peak P22 is set within the range of 3.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 to 1.3 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3. Since the activation of oxygen on the GaN layer side necessary for the formation of the ohmic contact and the N extraction reaction from GaN can be promoted, it is considered that an ohmic contact having a low resistance of 3 ⁇ mm or less could be obtained.
  • Such a nitride semiconductor device having a contact resistance of 3 ⁇ mm or less has a commercial value in terms of performance and cost as a product that can be driven with a larger current than a silicon element and is suitable for high-temperature operation.
  • the low-resistance ohmic contact as in the case of using the chlorine-based gas was not formed. Therefore, it is considered that not only physical damage to the GaN layer by dry etching but also the presence of chlorine during dry etching contributes to the formation of a low-resistance ohmic contact.
  • FIG. 10 is a graph showing the chlorine concentration distribution in the depth direction from the ohmic electrode (source electrode, drain electrode) to the undoped GaN layer in the comparative example of the nitride semiconductor device (GaN-based HFET) of the first embodiment.
  • the vertical scales 1.E + 01, 1.E + 02, 1.E + 03, 1.E + 04 are 1.0 ⁇ 10, 1.0 ⁇ 10 2 , 1.0 ⁇ 10 3 , 1.0, respectively.
  • ⁇ 10 4 is represented.
  • the cross-sectional structure of this comparative example is the same as the cross-sectional structure of the first embodiment shown in FIG. 1, but the chlorine concentration distribution shown in the graph is different from that of the first embodiment.
  • the graph of FIG. 10 shows the result of measurement by SIMS (secondary ion mass spectrometry) using TEG (test element group), with the horizontal axis representing depth (nm) and the vertical axis representing relative secondary. The ionic strength (counts) is taken.
  • SIMS secondary ion mass spectrometry
  • TEG test element group
  • the ionic strength (counts) is taken.
  • the first chlorine concentration peak P31 in the vicinity of the interface is present, but the second chlorine concentration peak is located deeper on the GaN layer side than the first chlorine concentration peak P31. Does not exist.
  • the contact resistance of the ohmic electrode exceeds 70 ⁇ mm, which is significantly larger than the contact resistance of 3 ⁇ mm or less of the ohmic electrode of the first embodiment, that is, About 23 times, and a low-resistance ohmic contact cannot be obtained.
  • the self-bias potential Vdc of the RIE (reactive ion etching) apparatus the source electrode 11, and the drain electrode
  • the relationship with the contact resistance ( ⁇ mm) of 12 will be described.
  • the self-bias potential Vdc at the time of the dry etching to 180 V or more and 240 V or less
  • the second chlorine concentration peak P22 is formed, and 2DEG of the nitride semiconductor stacked body 20 is formed.
  • the contact resistance ( ⁇ mm) between the layer 3 and the source electrode 11 and the drain electrode 12 can be 2 ⁇ mm or less.
  • the relationship between the depth (nm) of the second chlorine concentration peak P22 from the interface S1 and the contact resistance ( ⁇ mm) of the source electrode 11 and the drain electrode 12 will be described with reference to FIG.
  • the contact resistance ( ⁇ mm) is set to 2 ⁇ mm or less. it can.
  • the depth (nm) from the interface S1 of the second chlorine concentration peak P22 is less than 60 nm, the distinction between the first chlorine concentration peak P11 and the second chlorine concentration peak P22 becomes unclear.
  • the second chlorine concentration peak P22 When the depth (nm) of the second chlorine concentration peak P22 from the interface S1 exceeds 100 nm, the second chlorine concentration peak P22 is hardly formed. Therefore, the lower limit of 60 nm and the upper limit of 100 nm of the depth range (60 nm or more and 100 nm or less) from the interfaces S1 and S2 of the second chlorine concentration peak P22 are the second chlorine concentration peak. It is a numerical value having a critical significance for forming P22.
  • the depth of the second chlorine concentration peak P22 from the interface S1 is 60 nm to 100 nm, so that the ohmic formation on the substrate side can be performed in the low temperature (400 ° C. to 500 ° C.) ohmic annealing. It is considered that the depth at which necessary reactions (oxygen activation, N extraction by Ti, etc.) occur is optimized, and the ohmic formation reaction is promoted.
  • the chlorine concentration of the second chlorine concentration peak P22 is within the range of 3.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 to 1.3 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 .
  • the depth (nm) of the second chlorine concentration peak P22 from the interface S1 can be set to a depth of 60 nm or more and 100 nm or less (for example, 108 nm), and the contact resistance ( ⁇ mm) is set to 2 ⁇ mm or less. it can.
  • the insulating film 130, the AlGaN layer 102, and the GaN layer 101 are removed by dry etching to form the recesses 106 and 109.
  • the recesses 106 and 109 may be formed by removing by wet etching and then removing the AlGaN layer 102 and the GaN layer 101 by dry etching.
  • Ti / Al / TiN is laminated to form an ohmic electrode.
  • the present invention is not limited to this, and TiN may be omitted.
  • Au, Ag, Pt or the like may be laminated thereon.
  • the nitride semiconductor device using the Si substrate has been described.
  • the present invention is not limited to the Si substrate, and a sapphire substrate or an SiC substrate may be used.
  • a nitride semiconductor on the sapphire substrate or the SiC substrate may be used.
  • a layer may be grown, or a nitride semiconductor layer may be grown on a substrate made of a nitride semiconductor, such as growing an AlGaN layer on a GaN substrate.
  • a buffer layer may be formed between the substrate and the nitride semiconductor layer, or a hetero-improvement layer between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer of the nitride semiconductor stacked body. May be formed.
  • the HFET having the recess structure in which the ohmic electrode reaches the GaN layer has been described.
  • the HFET in which the ohmic electrode serving as the source electrode and the drain electrode is formed on the undoped AlGaN layer without forming the recess You may apply this invention.
  • the nitride semiconductor device of the present invention is not limited to the HFET using 2DEG, and the same effect can be obtained even if it is a field effect transistor having another configuration.
  • the normally-on type HFET has been described.
  • the present invention may be applied to a normally-off type nitride semiconductor device.
  • the present invention may be applied not only to a Schottky electrode but also to a field effect transistor having an insulated gate structure.
  • the present invention is not limited to a field effect transistor, and may be applied to an ohmic electrode of a Schottky diode.
  • FIG. 11 shows a cross-sectional view of a nitride semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, which is a GaN-based HFET (Hetero-junction Field Effect Transistor).
  • a GaN-based HFET Hetero-junction Field Effect Transistor
  • the same reference numerals as those of the components of the first embodiment are assigned to the same components as those of the nitride semiconductor device of the first embodiment. Therefore, a brief description will be given, and a detailed description will be omitted.
  • this semiconductor device includes an undoped AlGaN buffer layer 15, an undoped GaN layer 201 as an example of a first nitride semiconductor layer, and an example of a second nitride semiconductor layer on a Si substrate 10.
  • a nitride semiconductor stacked body 220 including the undoped AlGaN layer 202 is formed.
  • the interface between the undoped GaN layer 201 and the undoped AlGaN layer 202 is a heterointerface.
  • a 2DEG layer (two-dimensional electron gas layer) 203 is generated near the interface between the undoped GaN layer 201 and the undoped AlGaN layer 202.
  • the GaN layer 201 may be replaced with an AlGaN layer having a composition having a smaller band gap than the AlGaN layer 202. Further, a layer having a thickness of about 1 nm made of GaN, for example, may be provided on the AlGaN layer 202 as a cap layer.
  • the source electrode 11 and the drain electrode 12 are formed in the recess 106 and the recess 109 that pass through the AlGaN layer 202 and the 2DEG layer 203 and reach the GaN layer 201 with a space therebetween.
  • the gate electrode 13 is formed between the source electrode 11 and the drain electrode 12 and on the source electrode 11 side.
  • the source electrode 11 and the drain electrode 12 are ohmic electrodes, and the gate electrode 13 is a Schottky electrode.
  • An active region of the source electrode 11, the drain electrode 12, the gate electrode 13, and the GaN layer 201 and the AlGaN layer 202 on which the source electrode 11, the drain electrode 12, and the gate electrode 13 are formed constitutes an HFET.
  • the active region means that carriers are generated between the source electrode 11 and the drain electrode 12 by a voltage applied to the gate electrode 13 disposed between the source electrode 11 and the drain electrode 12 on the AlGaN layer 202.
  • This is a region of the flowing nitride semiconductor stacked body 220 (GaN layer 201, AlGaN layer 202).
  • An insulating film 30 made of SiO 2 is formed on the AlGaN layer 202 excluding the region where the source electrode 11, the drain electrode 12, and the gate electrode 13 are formed in order to protect the AlGaN layer 202.
  • An interlayer insulating film 40 made of polyimide is formed on the Si substrate 10 on which the source electrode 11, the drain electrode 12, and the gate electrode 13 are formed.
  • reference numeral 41 denotes a via as a contact portion
  • 42 denotes a drain electrode pad.
  • the insulating film is not limited to SiO 2 , and SiN, Al 2 O 3, or the like may be used.
  • the insulating film preferably has a multilayer structure of a SiN film having a stoichiometric collapse on the surface of the semiconductor layer to suppress collapse and a SiO 2 or SiN film structure for surface protection.
  • the interlayer insulating film is not limited to polyimide, and an insulating material such as SiO 2 film manufactured by p-CVD (plasma CVD), SOG (Spin On Glass), or BPSG (boron, phosphorus, silicate, glass) is used. Also good.
  • the source electrode 11 and the drain electrode 12 are made of a TiAl-based material, for example, Ti / Al / TiN obtained by sequentially stacking Ti, Al, and TiN on the GaN layer 201.
  • the first oxygen is located at a position near the interfaces S1 and S2. It has a concentration peak, and the oxygen concentration of this first oxygen concentration peak is It is 1.1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more and 6.8 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less.
  • the vicinity of the interfaces S1 and S2 is a range of about 33 nm deeper than the interfaces S1 and S2.
  • the GaN layer 201 has a second oxygen concentration peak at a deeper position than the positions near the interfaces S1 and S2 having the first oxygen concentration peak.
  • the oxygen concentration at the peak of the second oxygen concentration is, for example, a value that is about an order of magnitude smaller than the oxygen concentration at the first oxygen concentration peak.
  • the vicinity of the interfaces S1 and S2 (interfaces S1 and S2
  • the first chlorine concentration peak at a position of about 33 nm deeper) is It is 5.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or more and 9.6 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less.
  • the GaN layer 201 has a second chlorine concentration peak at a position deeper than the positions near the interfaces S1 and S2 having the first chlorine concentration peak.
  • the chlorine concentration at the peak of the second chlorine concentration is lower than the chlorine concentration at the first chlorine concentration peak.
  • a channel is formed by the two-dimensional electron gas layer (2DEG layer) 203 generated in the vicinity of the interface between the GaN layer 201 and the AlGaN layer 202, and a voltage is applied to the gate electrode 13 through this channel.
  • the HFET having the source electrode 11, the drain electrode 12, and the gate electrode 13 is turned on / off.
  • a depletion layer is formed in the GaN layer 201 under the gate electrode 13, and the HFET is turned off.
  • the voltage of the gate electrode 13 is zero, 13 is a normally-on type transistor in which the depletion layer disappears in the lower GaN layer 1 and is turned on.
  • the interface S1. , S2 in the vicinity of the first oxygen concentration peak is 1.1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more and 6.8 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less, and the first oxygen concentration in the vicinity of the interfaces S1 and S2 Since the chlorine concentration at the chlorine concentration peak is 5.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or more and 9.6 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less, the contact resistance between the GaN layer 201 and the source electrode 11 and drain electrode 12 is reduced. It can be greatly reduced.
  • an undoped AlGaN buffer layer (not shown), undoped GaN is formed on a Si substrate (not shown) by using MOCVD (Metal-Organic-Chemical-Vapor-Deposition) method.
  • MOCVD Metal-Organic-Chemical-Vapor-Deposition
  • a layer 301 and an undoped AlGaN layer 302 are formed in this order.
  • the thickness of the undoped GaN layer 301 is, for example, 1 ⁇ m
  • the thickness of the undoped AlGaN layer 302 is, for example, 30 nm.
  • the GaN layer 301 and the AlGaN layer 302 constitute a nitride semiconductor stacked body 320.
  • an insulating film 130 (for example, SiO 2 ) is formed on the AlGaN layer 302 to a thickness of 200 nm by, for example, a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method.
  • reference numeral 303 denotes a two-dimensional electron gas layer (2DEG layer) formed in the vicinity of the heterointerface between the GaN layer 301 and the AlGaN layer 302.
  • a portion where an ohmic electrode is to be formed is removed by dry etching, as shown in FIG.
  • Recesses 106 and 109 deeper than the 2DEG layer 303 are formed in a part of the upper side of the GaN layer 301 so as to penetrate therethrough.
  • a chlorine-based gas is used.
  • the depth of the recesses 106 and 109 may be equal to or greater than the depth from the surface of the AlGaN layer 302 to the 2DEG layer 303, for example, 50 nm.
  • the self-bias potential Vdc of the RIE (reactive ion etching) apparatus is set to 180 V or more and 240 V or less in the dry etching.
  • annealing is performed to reduce etching damage due to the dry etching (for example, 500 to 850 ° C.). Then, O 2 plasma treatment, cleaning with HCl / H 2 O 2 , cleaning with BHF (buffered hydrofluoric acid) or 1% HF (hydrofluoric acid) are sequentially performed.
  • Ti / Al / TiN are stacked by sequentially stacking Ti, Al, and TiN on the insulating film 130 and the recesses 106 and 109 to form an ohmic electrode.
  • a metal film 107 is formed.
  • the TiN layer is a cap layer for protecting the Ti / Al layer from a subsequent process.
  • a small amount (for example, 5 sccm) of oxygen is allowed to flow into the chamber during the Ti film formation.
  • the flow rate of the oxygen is set so that Ti oxide is not generated. Instead of flowing a small amount of oxygen into the chamber during the Ti film formation, oxygen may be flowed into the chamber at 50 sccm for 5 minutes before the Ti film formation.
  • both Ti and Al may be sputtered simultaneously. Further, Ti and Al may be deposited instead of sputtering.
  • the patterns of the ohmic electrodes 111 and 112 are formed by using normal photolithography and dry etching.
  • the substrate on which the ohmic electrodes 111 and 112 are formed for example, at 400 ° C. or more and 500 ° C. or less for 10 minutes or more, between the two-dimensional electron gas layer (2DEG layer) 303 and the ohmic electrodes 111 and 112 Ohmic contact is obtained.
  • the contact resistance can be greatly reduced as compared with the case where annealing is performed at a high temperature exceeding 500 ° C.
  • annealing at a low temperature of 400 ° C. or more and 500 ° C. or less the diffusion of the electrode metal into the insulating film 130 can be suppressed, and the characteristics of the insulating film 130 are not adversely affected.
  • the low temperature annealing can prevent deterioration of current collapse and characteristic fluctuation due to nitrogen depletion from the GaN layer 301.
  • “current collapse” is a phenomenon in which the on-resistance of a transistor in a high-voltage operation becomes higher than the on-resistance of the transistor in a low-voltage operation.
  • the ohmic electrodes 111 and 112 become the source electrode 11 and the drain electrode 12, and a gate electrode made of TiN or WN is formed between the ohmic electrodes 111 and 112 in a later step.
  • the oxygen concentration distribution in the depth direction from the source electrode 11 and the drain electrode 12 as the ohmic electrodes to the GaN layer 201 is obtained.
  • the undoped GaN layer at the interfaces S1 and S2 between the source electrode 11 and the drain electrode 12 and the GaN layer 201 (only S1 is shown in FIG. 16, but the position of S2 is at the same depth as S1).
  • a first oxygen concentration peak P1 is formed at a position near the interfaces S1 and S2 on the 201 side.
  • a second oxygen concentration peak P2 is formed at a position deeper than the first oxygen concentration peak P1.
  • the vicinity of the interfaces S1 and S2 is, for example, a range of about 33 nm deeper than the interfaces S1 and S2, as will be described later with reference to FIG.
  • the oxygen concentration peak P2 is deeper than the vicinity of the interface.
  • the oxygen concentration of the first oxygen concentration peak can be, for example, 1.1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more and 6.8 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less.
  • the oxygen concentration at the first oxygen concentration peak is higher than the oxygen concentration at the second oxygen concentration peak.
  • FIG. 16 is a graph showing an example of the oxygen concentration distribution in the depth direction from the source electrode 11 side to the GaN layer 201 side of the interface S1 between the source electrode 11 and the undoped GaN layer 201.
  • the vertical axis scale 1.E + 00,1.E + 01, ..., 1.E + 06 , respectively, 1.0,1.0 ⁇ 10, ..., representative of 1.0 ⁇ 10 6.
  • This graph shows the results measured by SIMS (secondary ion mass spectrometry) using TEG (test element group), with the horizontal axis representing depth (nm) and the vertical axis representing relative secondary ion intensity. (counts). As shown in FIG.
  • the oxygen concentration distribution has a convex shape at the position of the interface S1, and as an example, the first oxygen has a depth of about 8 nm from the interface S1 to the GaN layer 201 side.
  • a concentration peak P1 is located, and a second oxygen concentration peak P2 is located at a depth of about 108 nm from the interface S1 to the GaN layer 201 side.
  • the oxygen concentration of the first oxygen concentration peak P1 is 2.6 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3
  • the oxygen concentration of the second oxygen concentration peak P2 is 6.4 ⁇ 10 17. cm ⁇ 3 .
  • the interface S1 corresponds to the peak position of the relative secondary ion intensity (counts) of carbon C. Further, the oxygen concentration distribution in the depth direction from the drain electrode 12 side to the GaN layer 201 side at the interface S2 between the drain electrode 12 and the undoped GaN layer 201 was also the same as the graph of FIG.
  • FIG. 17 is a graph showing oxygen concentration distribution and Al, Ti, Ga concentration distribution in the depth direction from the source electrode side to the GaN layer 201 side of the interface S1 between the source electrode 11 and the undoped GaN layer 201. It is. 17, the vertical axis scale 1.E + 00,1.E + 01, ..., 1.E + 07 , respectively, 1.0,1.0 ⁇ 10, ..., representative of 1.0 ⁇ 10 7.
  • This graph like FIG. 16, shows the results measured by SIMS (secondary ion mass spectrometry) using TEG (test element group), with the horizontal axis representing depth (nm) and the vertical axis representing Relative secondary ionic strength (counts) is taken.
  • the interface S1 corresponds to the peak position of the relative secondary ion intensity (counts) of the carbon C.
  • a region having a depth of about 378 nm to a depth of about 438 nm is a region R1 in the vicinity of the interface, and a range of about 27 nm to the shallower side than the interface S1 and about 33 nm to the deeper side than the interface S1. Is the region R1 near the interface.
  • the concentration distribution of Al, Ti, and Ga in the depth direction from the drain electrode 12 side to the GaN layer 201 side of the interface S2 between the drain electrode 12 and the undoped GaN layer 201 is the same as the graph of FIG. It was.
  • the source electrode 11 in the chlorine concentration distribution in the depth direction from the source electrode 11 and the drain electrode 12 as the ohmic electrodes to the GaN layer 201, the source electrode 11.
  • a first chlorine concentration peak P10 is formed at a position near the interfaces S1, S2.
  • a second chlorine concentration peak P20 is formed at a position deeper than the first chlorine concentration peak P10.
  • the vicinity of the interfaces S1 and S2 is, for example, a range of about 33 nm deeper than the interfaces S1 and S2, as described above with reference to FIG.
  • the chlorine concentration peak P20 is deeper than the vicinity of the interface.
  • the chlorine concentration of the first chlorine concentration peak P10 is, for example, 5.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or more and 9.6 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less.
  • the chlorine concentration of the first chlorine concentration peak P10 is higher than the chlorine concentration of the second chlorine concentration peak P20.
  • FIG. 18 is a graph showing an example of a chlorine concentration distribution in the depth direction from the source electrode 11 to the undoped GaN layer 201. 18, the vertical axis scale 1.E + 01,1.E + 02, ..., 1.E + 04 , respectively, 1.0 ⁇ 10,1.0 ⁇ 10 2, ..., representative of 1.0 ⁇ 10 4.
  • This graph shows the results measured by SIMS (secondary ion mass spectrometry) using TEG (test element group), with the horizontal axis representing depth (nm) and the vertical axis representing relative secondary ion intensity. (counts). As shown in FIG.
  • the first chlorine has a convex chlorine concentration distribution at the position of the interface S1, as an example, in the vicinity of the interface having a depth of about 10 nm from the interface S1 to the GaN layer 201 side.
  • a concentration peak P10 is located, and a second chlorine concentration peak P20 is located at a depth of about 95 nm from the interface S1 to the GaN layer 201 side.
  • the chlorine concentration of the first chlorine concentration peak P10 was 1.6 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 .
  • the chlorine concentration at the second chlorine concentration peak P20 was 8.4 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 .
  • the oxygen concentration of the first oxygen concentration peak P1 shows the relationship.
  • the horizontal axis scale E + 17, E + 18, E + 19, E + 20 each represent ⁇ 10 17, ⁇ 10 18, ⁇ 10 19, ⁇ 10 20.
  • the numerical value indicated beside each plot of rhombus mark ⁇ is the contact resistance ( ⁇ mm) in each plot.
  • the oxygen concentration (cm ⁇ 3 ) of the first oxygen concentration peak P1 is within the range of 1.1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 to 6.8 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3.
  • the contact resistance can be remarkably reduced as compared with the case where the oxygen concentration of the first oxygen concentration peak P1 is outside the above range.
  • the oxygen concentrations of 1.1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 and 6.8 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 of the first oxygen concentration peak P1 have their values as boundaries and the contact resistance is It has a critical significance of abruptly changing 20 to 30 times.
  • the samples in each plot have a chlorine concentration of the first chlorine concentration peak of 5.0 ⁇ 10 16 (cm ⁇ 3 ) or more and 9.6 ⁇ 10 17 (cm ⁇ 3 ) or less. is there.
  • the chlorine concentration (cm ⁇ 3 ) of the first chlorine concentration peak P10 is within the range of 5.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 to 9.6 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3.
  • the contact resistance can be significantly reduced as compared with the case where the chlorine concentration of the first chlorine concentration peak P10 is outside the above range.
  • the chlorine concentration of 5.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 and 9.6 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 of the first chlorine concentration peak P10 is such that the contact resistance is It has a critical significance of rapidly decreasing by 10 to 50 times.
  • the samples in each plot have an oxygen concentration at the first oxygen concentration peak of 1.1 ⁇ 10 18 (cm ⁇ 3 ) or more and 6.8 ⁇ 10 18 (cm ⁇ 3 ) or less. is there.
  • FIG. 21 shows the oxygen concentration (cm ⁇ 3 ) of the first oxygen concentration peak P1 and the relationship between the first chlorine concentration peak P10 and the contact resistance ( ⁇ mm).
  • the vertical axis represents the oxygen concentration (cm ⁇ 3 ) of the first oxygen concentration peak P1 and the horizontal axis represents the chlorine concentration (cm ⁇ 3 ) of the first chlorine concentration peak P10.
  • the numerical value indicated beside each plot of ⁇ represents the contact resistance ( ⁇ mm) in each plot.
  • the horizontal axis scale E + 16, E + 17, E + 18, E + 19 respectively, ⁇ 10 16, ⁇ 10 17 , ⁇ 10 18, represent ⁇ 10 19
  • the vertical axis scale E + 17, E + 18, E + 19, E + 20 is These represent x10 17 , x10 18 , x10 19 , and x10 20 , respectively.
  • the oxygen concentration of the first oxygen concentration peak P1 is in the range of 1.1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more and 6.8 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less.
  • the chlorine concentration of the chlorine concentration peak P10 is within the range of 5.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 to 9.6 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 , the oxygen concentration of the first oxygen concentration peak P1
  • the contact resistance can be remarkably reduced as compared with the case where is outside the above range and the case where the chlorine concentration of the first chlorine concentration peak P10 is outside the above range.
  • the oxygen concentration of the first oxygen concentration peak P1 is in the range of 1.1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 to 6.8 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 .
  • the condition that the chlorine concentration of the chlorine concentration peak P10 is in the range of 5.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or more and 9.6 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less is satisfied as compared with the case where this condition is not satisfied.
  • the contact resistance with the oxygen concentration of 1.1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 and 6.8 ⁇ 10 18 cm and the chlorine concentration of 5.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 and 9.6 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 Decreases abruptly 10 to 50 times. Therefore, the oxygen concentration of 1.1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 and 6.8 ⁇ 10 18 cm and the chlorine concentration of 5.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 and 9.6 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 that define this condition are significant. It has critical significance.
  • the oxygen concentration of the first oxygen concentration peak is 2.6 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 and the chlorine concentration of the first chlorine concentration peak is 1.6 ⁇ 10 10.
  • the contact resistance between the ohmic electrode (the source electrode 11 and the drain electrode 12) and the GaN layer 201 can be 1.1 ⁇ mm by being 17 cm ⁇ 3 .
  • the contact resistance rapidly increases to 70 ⁇ mm. This is presumably because the activation of oxygen, which is a reaction on the GaN layer 201 side necessary for forming the ohmic contact, is insufficient.
  • the oxygen concentration at the first oxygen concentration peak exceeds 6.8 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , the contact resistance rapidly increases to 100 ⁇ mm. This is because when the oxygen concentration of the first oxygen concentration peak P1 is too high, excessive oxygen reacts with Ti even if the chlorine concentration is low, and Ti is a reaction on the GaN layer 201 side necessary for ohmic contact formation. This is considered to be because the N abstraction reaction from GaN by the above is not performed sufficiently.
  • the oxygen concentration of the first oxygen concentration peak P1 is in the range of 1.1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 to 6.8 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3
  • the first The chlorine concentration at the chlorine concentration peak P10 is in the range of 5.0 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 to 9.6 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 .
  • the insulating film 130, the AlGaN layer 302, and the GaN layer 301 are removed by dry etching to form the recesses 106 and 109.
  • the recesses 106 and 109 may be formed by removing by wet etching and then removing the AlGaN layer 302 and the GaN layer 301 by dry etching.
  • Ti / Al / TiN is laminated to form an ohmic electrode.
  • the present invention is not limited to this, and TiN may be omitted.
  • Au, Ag, Pt or the like may be laminated thereon.
  • the nitride semiconductor device using the Si substrate has been described.
  • the nitride semiconductor device is not limited to the Si substrate, and a sapphire substrate or SiC substrate may be used.
  • a layer may be grown, or a nitride semiconductor layer may be grown on a substrate made of a nitride semiconductor, such as growing an AlGaN layer on a GaN substrate.
  • a buffer layer may be formed between the substrate and the nitride semiconductor layer, or a hetero-improvement layer between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer of the nitride semiconductor stacked body. May be formed.
  • the HFET having the recess structure in which the ohmic electrode reaches the GaN layer has been described.
  • the HFET in which the ohmic electrode serving as the source electrode and the drain electrode is formed on the undoped AlGaN layer without forming the recess You may apply this invention.
  • the nitride semiconductor device of the present invention is not limited to the HFET using 2DEG, and the same effect can be obtained even if it is a field effect transistor having another configuration.
  • the normally-on type HFET has been described.
  • the present invention may be applied to a normally-off type nitride semiconductor device.
  • the present invention may be applied not only to a Schottky electrode but also to a field effect transistor having an insulated gate structure.
  • the present invention is not limited to a field effect transistor, and may be applied to an ohmic electrode of a Schottky diode.
  • the nitride semiconductor of the nitride semiconductor device of the present invention may be any material represented by Al x In y Ga 1-xy N (x ⁇ 0, y ⁇ 0, 0 ⁇ x + y ⁇ 1).

Landscapes

  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Description

窒化物半導体装置
　この発明は、窒化物半導体装置に関する。
　従来、窒化物半導体装置としては、ｎ型ＧａＮコンタクト層の表面に酸素プラズマ処理を行って酸素ドープ層を形成した後に、そのｎ型ＧａＮコンタクト層上にオーミック電極を形成することによって、ｎ型ＧａＮコンタクト層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減するものがある(特許第２９６７７４３号公報(特許文献１)参照)。
　ところが、上記窒化物半導体装置について、本発明者が実際に実験を行ってＧａＮ層に酸素プラズマ処理を行った後にオーミック電極を形成した場合、オーミック電極のコンタクト抵抗が高く、十分に低いコンタクト抵抗を得ることはどうしてもできなかった。
特許第２９６７７４３号公報
　そこで、この発明の課題は、窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる窒化物半導体装置を提供することにある。
　本発明者は、窒化物半導体層上に形成されたオーミック電極のコンタクト抵抗について鋭意検討した結果、ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極と窒化物半導体層との界面の基板側の領域において上記界面近傍に第１の塩素濃度ピークと第１の塩素濃度ピークよりも深い位置の第２の塩素濃度ピークを発生させた場合に、上記第２の塩素濃度ピークの塩素濃度に応じて窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗の特性が劇的に変化することを初めて発見した。
　さらに、本発明者は、上記界面より基板側の第２の塩素濃度ピークの塩素濃度が特定の範囲内であるときにコンタクト抵抗が大幅に減少することを実験により初めて見出した。
　上記発見に基づき、この発明の第１のアスペクトの窒化物半導体装置は、
　基板と、
　上記基板上に形成されていると共にヘテロ界面を有する窒化物半導体積層体と、
　上記窒化物半導体積層体上または上記窒化物半導体積層体内に少なくとも一部が形成されたＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極と
を備え、
　上記窒化物半導体積層体は、
　上記基板上に形成された第１の窒化物半導体層と、
　上記第１の窒化物半導体層上に形成されていると共に上記第１の窒化物半導体層とヘテロ界面を形成する第２の窒化物半導体層と
を有し、
　上記ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極から上記窒化物半導体積層体に亘る深さ方向の塩素濃度分布において、
　上記オーミック電極と上記窒化物半導体積層体との界面よりも上記基板側の領域の上記界面近傍の位置に第１の塩素濃度ピークを有し、
　上記第１の塩素濃度ピークの上記位置よりも深い位置に第２の塩素濃度ピークを有し、
　上記第２の塩素濃度ピークの塩素濃度は、３×１０１６ｃｍ－３以上かつ１.３×１０１７ｃｍ－３以下であることを特徴としている。
　この発明の第１のアスペクトの窒化物半導体装置によれば、上記ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極と上記窒化物半導体積層体との界面の上記基板側の領域において、上記界面近傍の上記第１の塩素濃度ピークの位置よりも深い位置に、３×１０１６ｃｍ－３以上かつ１.３×１０１７ｃｍ－３以下の第２の塩素濃度ピークを有することによって、上記窒化物半導体積層体と上記オーミック電極とのコンタクト抵抗を大幅に低減できる。
　また、一実施形態の窒化物半導体装置では、上記第２の酸素濃度ピークの位置が、上記界面から６０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下の深さである。
　この実施形態によれば、上記界面から６０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下の深さに上記第２の酸素濃度ピークが位置することによって、上記窒化物半導体積層体と上記オーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる。
　また、本発明者は、窒化物半導体層上に形成されたオーミック電極のコンタクト抵抗について鋭意検討した結果、ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極と窒化物半導体層との界面の基板側の領域において上記界面近傍に発生する酸素濃度ピークの酸素濃度と塩素濃度ピークの塩素濃度に応じて窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗の特性が変化することを発見した。
　さらに、本発明者は、上記界面より基板側の上記界面近傍の酸素濃度ピークの酸素濃度と塩素濃度ピークの塩素濃度が特定の範囲内であるときにコンタクト抵抗が大幅に減少することを実験により初めて見出した。
　上記発見に基づき、この発明の第２のアスペクトの窒化物半導体装置は、
　基板と、
　上記基板上に形成されていると共にヘテロ界面を有する窒化物半導体積層体と、
　上記窒化物半導体積層体内に少なくとも一部が形成されたＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極と
を備え、
　上記窒化物半導体積層体は、
　上記基板上に形成された第１の窒化物半導体層と、
　上記第１の窒化物半導体層上に形成されていると共に上記第１の窒化物半導体層とヘテロ界面を形成する第２の窒化物半導体層と
を有し、
　上記ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極から上記窒化物半導体積層体に亘る深さ方向の酸素濃度分布において、
　上記オーミック電極と上記窒化物半導体積層体との界面よりも上記基板側の領域の上記界面近傍の位置に酸素濃度ピークを有し、
　上記酸素濃度ピークの酸素濃度は、
　１.１×１０１８ｃｍ－３以上かつ６.８×１０１８ｃｍ－３以下であり、
　上記ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極から上記窒化物半導体積層体に亘る深さ方向の塩素濃度分布において、
　上記オーミック電極と上記窒化物半導体積層体との界面よりも上記基板側の領域の上記界面近傍の位置に塩素濃度ピークを有し、
　上記塩素濃度ピークの塩素濃度は、
　５.０×１０１６ｃｍ－３以上かつ９.６×１０１７ｃｍ－３以下であることを特徴としている。
　この発明の第２のアスペクトの窒化物半導体装置によれば、上記ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極と上記窒化物半導体積層体との界面の上記基板側の領域において、上記界面近傍の上記酸素濃度ピークの酸素濃度が、１.１×１０１８ｃｍ－３以上かつ６.８×１０１８ｃｍ－３以下であると共に、上記界面近傍の上記塩素濃度ピークの塩素濃度が、５.０×１０１６ｃｍ－３以上かつ９.６×１０１７ｃｍ－３以下であることによって、上記窒化物半導体積層体と上記オーミック電極とのコンタクト抵抗を大幅に低減できる。
　また、一実施形態の窒化物半導体装置では、上記窒化物半導体積層体は、
　上記第２の窒化物半導体層を貫通して上記ヘテロ界面近傍の２次元電子ガス層に達する凹部を有し、
　上記凹部に上記オーミック電極の少なくとも一部が埋め込まれている。
　この実施形態によれば、リセス構造の窒化物半導体装置において、上記ヘテロ界面近傍の２次元電子ガス層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる。
　この発明の第１のアスペクトの窒化物半導体装置によれば、ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極と窒化物半導体積層体との界面の基板側の領域において、上記界面近傍の第１の塩素濃度ピークの位置よりも深い位置に、塩素濃度が１.３×１０１７ｃｍ－３以下の第２の塩素濃度ピークを有するので、上記窒化物半導体積層体とオーミック電極とのコンタクト抵抗を大幅に低減できる。
　この発明の第２のアスペクトの窒化物半導体装置によれば、ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極と窒化物半導体積層体との界面の基板側の領域において、上記界面近傍の酸素濃度ピークの酸素濃度が、１.１×１０１８ｃｍ－３以上かつ６.８×１０１８ｃｍ－３以下であると共に、上記界面近傍の塩素濃度ピークの塩素濃度が、５.０×１０１６ｃｍ－３以上かつ９.６×１０１７ｃｍ－３以下であるので、上記窒化物半導体積層体と上記オーミック電極とのコンタクト抵抗を大幅に低減できる。
この発明の第１実施形態の窒化物半導体装置の断面図である。 上記窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 図２に続く工程断面図である。 図３に続く工程断面図である。 図４に続く工程断面図である。 上記第１実施形態のオーミック電極とＧａＮ層との界面のオーミック電極側からＧａＮ層側へ亘る深さ方向における塩素の濃度分布を示すグラフである。 上記第１実施形態の第２の塩素濃度ピークＰ２２の塩素濃度(ｃｍ－３)とオーミック電極のコンタクト抵抗との関係を示すグラフである。 上記第１実施形態の第２の塩素濃度ピークＰ２２の深さとオーミック電極のコンタクト抵抗との関係を示すグラフである。 上記第１実施形態の製造工程のドライエッチングにおける自己バイアス電位Ｖｄｃとオーミック電極のコンタクト抵抗との関係を示すグラフである。 比較例におけるオーミック電極とＧａＮ層との界面のオーミック電極側からＧａＮ層側へ亘る深さ方向における塩素の濃度分布を示すグラフである。 この発明の第２実施形態の窒化物半導体装置の断面図である。 上記窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。 図１２に続く工程断面図である。 図１３に続く工程断面図である。 図１４に続く工程断面図である。 オーミック電極とＧａＮ層との界面のオーミック電極側からＧａＮ層側へ亘る深さ方向における酸素の濃度分布を示すグラフである。 オーミック電極とＧａＮ層との界面のオーミック電極側からＧａＮ層側へ亘る深さ方向における酸素,Ａｌ,Ｔｉ,Ｇａの濃度分布を示すグラフである。 上記第２実施形態のオーミック電極とＧａＮ層との界面のオーミック電極側からＧａＮ層側へ亘る深さ方向における塩素の濃度分布を示すグラフである。 オーミック電極とＧａＮ層との界面近傍の酸素濃度ピークの酸素濃度とオーミック電極のコンタクト抵抗との関係を示すグラフである。 オーミック電極とＧａＮ層との界面近傍の塩素濃度ピークの塩素濃度とオーミック電極のコンタクト抵抗との関係を示すグラフである。 上記酸素濃度ピークの酸素濃度および上記塩素濃度ピークの塩素濃度とオーミック電極のコンタクト抵抗との関係を示すグラフである。
　以下、この発明を図示の実施形態により詳細に説明する。
　（第１実施形態）
　図１は、この発明の第１実施形態の窒化物半導体装置の断面図を示しており、この窒化物半導体装置はＧａＮ系ＨＦＥＴ(Hetero-junction Field Effect Transistor；ヘテロ接合電界効果トランジスタ)である。
　この半導体装置は、図１に示すように、Ｓｉ基板１０上に、アンドープＡｌＧａＮバッファ層１５、第１の窒化物半導体層の一例としてのアンドープＧａＮ層１と、第２の窒化物半導体層の一例としてのアンドープＡｌＧａＮ層２からなる窒化物半導体積層体２０を形成している。このアンドープＧａＮ層１とアンドープＡｌＧａＮ層２との界面は、ヘテロ界面である。このアンドープＧａＮ層１とアンドープＡｌＧａＮ層２との界面近傍に２ＤＥＧ層(２次元電子ガス層)３が発生する。
　なお、上記ＧａＮ層１に替えて、上記ＡｌＧａＮ層２よりもバンドギャップの小さい組成を有するＡｌＧａＮ層としてもよい。また、上記ＡｌＧａＮ層２上にキャップ層として例えばＧａＮからなる約１ｎｍの厚さの層を設けてもよい。
　また、ソース電極１１とドレイン電極１２とを、上記ＡｌＧａＮ層２と２ＤＥＧ層３を貫通してＧａＮ層１まで達する凹部１０６と凹部１０９に互いに間隔をあけて形成している。また、ＡｌＧａＮ層２上に、ソース電極１１とドレイン電極１２との間かつソース電極１１側にゲート電極１３を形成している。ソース電極１１とドレイン電極１２はオーミック電極であり、ゲート電極１３はショットキー電極である。上記ソース電極１１と、ドレイン電極１２と、ゲート電極１３と、そのソース電極１１,ドレイン電極１２,ゲート電極１３が形成されたＧａＮ層１,ＡｌＧａＮ層２の活性領域でＨＦＥＴを構成している。
　ここで、活性領域とは、ＡｌＧａＮ層２上のソース電極１１とドレイン電極１２との間に配置されたゲート電極１３に印加される電圧によって、ソース電極１１とドレイン電極１２との間でキャリアが流れる窒化物半導体積層体２０(ＧａＮ層１,ＡｌＧａＮ層２)の領域である。
　そして、ソース電極１１とドレイン電極１２とゲート電極１３が形成された領域を除くＡｌＧａＮ層２上に、ＡｌＧａＮ層２を保護するため、ＳｉＯ２からなる絶縁膜３０を形成している。また、ソース電極１１とドレイン電極１２とゲート電極１３とが形成されたＳｉ基板１０上に、ポリイミドからなる層間絶縁膜４０を形成している。また、図１において、４１はコンタクト部としてのビア（ＶＩＡ：Vertical Interconnect）、４２はドレイン電極パッドである。なお、絶縁膜は、ＳｉＯ２に限らず、ＳｉＮやＡｌ２Ｏ３などを用いてもよい。特に、絶縁膜として、コラプス抑制のために半導体層表面にストイキオメトリックを崩したＳｉＮ膜と表面保護のためのＳｉＯ２やＳｉＮの多層膜構造とするのが好ましい。また、層間絶縁膜は、ポリイミドに限らず、ｐ－ＣＶＤ(プラズマＣＶＤ)で製造したＳｉＯ２膜やＳＯＧ(Spin On Glass)やＢＰＳＧ(ホウ素・リン・シリケート・ガラス)などの絶縁材料を用いてもよい。
　上記ソース電極１１とドレイン電極１２は、ＴｉＡｌ系材料からなり、例えば、ＧａＮ層１上にＴｉ,Ａｌ,ＴｉＮを順に積層してなるＴｉ/Ａｌ/ＴｉＮからなる。
　上記ソース電極１１およびドレイン電極１２とＧａＮ層１との界面Ｓ１，Ｓ２から基板１０側への深さ方向のＧａＮ層１の塩素濃度分布において、上記界面Ｓ１，Ｓ２近傍の位置に第１の塩素濃度ピークを有し、この第１の塩素濃度ピークの塩素濃度は、
　１．０×１０１７ｃｍ－３以上かつ２．２×１０１７ｃｍ－３以下である。
　ここで、上記界面Ｓ１,Ｓ２近傍とは、界面Ｓ１,Ｓ２よりも深い側へ約３３ｎｍの範囲である。
　このＧａＮ層１においては、第１の塩素濃度ピークを有する界面Ｓ１，Ｓ２近傍の上記位置よりも深い位置に、第２の塩素濃度ピークを有する。この第２の塩素濃度ピークの塩素濃度は、３×１０１６ｃｍ－３以上かつ１.３×１０１７ｃｍ－３以下である。上記第２の塩素濃度ピークの塩素濃度は、上記第１の塩素濃度ピークの塩素濃度よりも低い値である。上記第２の塩素濃度ピークは、界面Ｓ１,Ｓ２から、基板１０側へ、６０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下の深さにある。
　上記構成の窒化物半導体装置において、ＧａＮ層１とＡｌＧａＮ層２との界面に発生した２次元電子ガス層(２ＤＥＧ層)３でチャネルが形成され、このチャネルをゲート電極１３に電圧を印加することにより制御して、ソース電極１１とドレイン電極１２とゲート電極１３を有するＨＦＥＴをオンオフさせる。このＨＦＥＴは、ゲート電極１３に負電圧が印加されているときにゲート電極１３下のＧａＮ層１に空乏層が形成されてオフ状態となる一方、ゲート電極１３の電圧がゼロのときにゲート電極１３下のＧａＮ層１に空乏層がなくなってオン状態となるノーマリーオンタイプのトランジスタである。
　この第１実施形態の窒化物半導体装置としてのＨＦＥＴによれば、ＴｉＡｌ系材料からなるソース電極１１およびドレイン電極１２とＧａＮ層１との界面Ｓ１，Ｓ２の基板１０側の領域において、上記界面Ｓ１，Ｓ２近傍の第１の塩素濃度ピークの位置よりも深い位置に、３×１０１６ｃｍ－３以上かつ１.３×１０１７ｃｍ－３以下の第２の塩素濃度ピークを有し、かつ、上記第２の塩素濃度ピークが、界面Ｓ１,Ｓ２から、基板１０側へ、６０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下の深さにあるので、ＧａＮ層１と、ソース電極１１およびドレイン電極１２とのコンタクト抵抗を大幅に低減できる。
　次に、上記窒化物半導体装置の製造方法を図２～図５に従って説明する。なお、図２～図５では、図を見やすくするためにＳｉ基板やアンドープＡｌＧａＮバッファ層を図示せず、また、ソース電極とドレイン電極の大きさや間隔を変えている。
　まず、図２に示すように、Ｓｉ基板(図示せず)上に、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)法を用いて、アンドープＡｌＧａＮバッファ層(図示せず)、アンドープＧａＮ層１０１とアンドープＡｌＧａＮ層１０２を順に形成する。アンドープＧａＮ層１０１の厚さは例えば１μｍ、アンドープＡｌＧａＮ層１０２の厚さは例えば３０ｎｍとする。このＧａＮ層１０１とＡｌＧａＮ層１０２が窒化物半導体積層体１２０を構成している。
　次に、ＡｌＧａＮ層１０２上に絶縁膜１３０(例えばＳｉＯ２)を例えばプラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長))法により２００ｎｍの厚さに成膜する。図２において、１０３は、ＧａＮ層１０１とＡｌＧａＮ層１０２とのヘテロ界面近傍に形成される２次元電子ガス層(２ＤＥＧ層)である。
　次に、絶縁膜１３０上にフォトレジスト(図示せず)を塗布してパターニングした後、ドライエッチングにより、図３に示すように、オーミック電極を形成すべき部分を除去して、ＡｌＧａＮ層１０２を貫通してＧａＮ層１０１の上側の一部に２ＤＥＧ層１０３よりも深い凹部１０６,１０９を形成する。上記ドライエッチングでは、塩素系のガスを用いる。この凹部１０６,１０９の深さは、ＡｌＧａＮ層１０２の表面から２ＤＥＧ層１０３までの深さ以上であればよく、例えば５０ｎｍとする。
　また、この第１実施形態では、上記ドライエッチングにおいて、チャンバー内の電極間に印加する電圧Ｖｄｃを１８０Ｖ以上かつ２４０Ｖ以下に設定した。
　次に、順次、Ｏ２プラズマ処理、ＨＣｌ/Ｈ２Ｏ２による洗浄、ＢＨＦ(バッファードフッ酸)もしくは１％のＨＦ(フッ酸)による洗浄を行なう。そして、上記ドライエッチングによるエッチングダメージを低減するためのアニールを、例えば５００～８５０℃で行う。
　次に、図４に示すように、絶縁膜１３０上および凹部１０６,１０９にスパッタリングにより、Ｔｉ,Ａｌ,ＴｉＮを順に積層して、Ｔｉ/Ａｌ/ＴｉＮを積層し、オーミック電極となる積層金属膜１０７を形成する。ここで、ＴｉＮ層は、後工程からＴｉ/Ａｌ層を保護するためのキャップ層である。
　上記スパッタリングで上記積層金属膜１０７を形成する時に、Ｔｉ成膜中に少量(例えば５ｓｃｃｍ)の酸素をチャンバー内に流す。ここで、上記酸素の流量は、Ｔｉの酸化物が生成されない量とする。なお、上記Ｔｉ成膜中に少量の酸素をチャンバー内に流すことに替えて、上記Ｔｉ成膜前にチャンバー内に酸素を例えば５０ｓｃｃｍで５分間流してもよい。
　尚、上記スパッタリングにおいて、ＴｉとＡｌの両方を同時にスパッタリングしてもよい。また、スパッタリングに替えて上記Ｔｉ,Ａｌを蒸着してもよい。
　次に、図５に示すように、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて、オーミック電極１１１,１１２のパターンを形成する。
　そして、オーミック電極１１１,１１２が形成された基板を例えば４００℃以上かつ５００℃以下で１０分以上アニールすることによって、２次元電子ガス層(２ＤＥＧ層)１０３とオーミック電極１１１,１１２との間にオーミックコンタクトが得られる。この場合、５００℃を超える高温(例えば６００℃以上)でアニールした場合に比べてコンタクト抵抗を大幅に低減できる。また、４００℃以上かつ５００℃以下の低温でアニールすることにより絶縁膜１３０への電極金属の拡散等を抑制でき絶縁膜１３０の特性に悪影響を与えることがない。また、上記低温のアニールにより、ＧａＮ層１０１からの窒素抜けによる電流コラプスの悪化や特性変動を防ぐことができる。なお、「電流コラプス」とは、低電圧動作でのトランジスタのオン抵抗と比べて高電圧動作でのトランジスタのオン抵抗が高くなってしまう現象である。
　このオーミック電極１１１,１１２がソース電極１１とドレイン電極１２となり、後の工程でオーミック電極１１１,１１２の間にＴｉＮまたはＷＮなどからなるゲート電極が形成される。
　上記第１実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、図６に示すように、上記オーミック電極としてのソース電極１１,ドレイン電極１２から上記ＧａＮ層１に亘る深さ方向の塩素濃度分布において、上記ソース電極１１,ドレイン電極１２と上記アンドープＧａＮ層１との界面Ｓ１,Ｓ２（図６では、Ｓ１のみを示すが、Ｓ２の位置もＳ１と同じ深さにある。）の上記アンドープＧａＮ層１側の領域において、上記界面Ｓ１,Ｓ２近傍（ここで、上記界面Ｓ１,Ｓ２近傍とは、界面Ｓ１,Ｓ２よりも深い側へ約３３ｎｍの範囲内を意味する。）の位置に第１の塩素濃度ピークＰ１１が形成される。また、上記第１の塩素濃度ピークＰ１１よりも深い位置に、第２の塩素濃度ピークＰ２２が形成される。また、上記第２の塩素濃度ピークＰ２２の塩素濃度を、２．０×１０１６ｃｍ－３以上かつ１.３×１０１７ｃｍ－３以下にできる。また、上記第１の塩素濃度ピークＰ１１の塩素濃度は、上記第２の塩素濃度ピークＰ２２の塩素濃度よりも高く、例えば、１．０×１０１７ｃｍ－３以上かつ２．２×１０１７ｃｍ－３以下である。
　図６は、上記ソース電極１１から上記アンドープＧａＮ層１に亘る深さ方向の塩素濃度分布の一例を示すグラフである。図６において、縦軸目盛の１.Ｅ＋０１、１.Ｅ＋０２、…、１.Ｅ＋０４は、それぞれ、１.０×１０、１.０×１０２、…、１.０×１０４を表す。このグラフは、ＴＥＧ(テスト・エレメント・グループ)を用い、ＳＩＭＳ(２次イオン質量分析法)により測定した結果を表し、横軸に深さ(ｎｍ)を取り、縦軸に相対２次イオン強度(counts)を取ったものである。図６では、一例として、上記界面Ｓ１から上記ＧａＮ層１側へ約１０ｎｍの深さに、第１の塩素濃度ピークＰ１１が位置し、上記界面Ｓ１から上記ＧａＮ層１側へ約９５ｎｍの深さに、第２の塩素濃度ピークＰ２２が位置している。
　尚、上記ドレイン電極１２とアンドープＧａＮ層１との界面Ｓ２のドレイン電極１２側から上記ＧａＮ層１側へ亘る深さ方向における酸素の濃度分布も、図６のグラフと同様であった。図６に示す一例では、上記第２の塩素濃度ピークＰ２２の塩素濃度が６×１０１６(ｃｍ－３)であり、オーミック電極(ソース電極１１,ドレイン電極１２)のコンタクト抵抗１.１Ωｍｍが得られた。
　図６に示すように、第１の塩素濃度ピークＰ１１だけでなく第２の塩素濃度ピークＰ２２が存在するようにするには、上記ドライエッチング時に基板側に相当量のダメージ(塩素の浸入、イオン衝撃やチャージによる欠陥の導入など)が入る必要があるが、本発明者らは、このような第２の塩素濃度ピークＰ２２が存在する塩素濃度分布により低抵抗のオーミックコンタクトを形成することができることを初めて見出した。
　すなわち、この第１実施形態によれば、ＡｌＧａＮ層１０２を貫通して２ＤＥＧ層３まで達するように形成された凹部１０６,１０９にオーミック電極１１１,１１２の一部が埋め込まれたリセス構造の窒化物半導体装置において、ＧａＮ層１０１とＡｌＧａＮ層１０２とのヘテロ界面近傍の２次元電子ガス(２ＤＥＧ)層１０３とオーミック電極１１１,１１２とのコンタクト抵抗を低減できる。
　次に、図７に、上記窒化物半導体積層体２０の２ＤＥＧ層３と上記ソース電極１１,ドレイン電極１２とのコンタクト抵抗(Ωｍｍ)と、上記第２の塩素濃度ピークＰ２２の塩素濃度(ｃｍ－３)との関係を示す。図７において、横軸目盛のＥ＋１６、Ｅ＋１７、Ｅ＋１８は、それぞれ、×１０１６、×１０１７、×１０１８を表す。
　図７から分かるように、上記第２の塩素濃度ピークＰ２２の塩素濃度(ｃｍ－３)を、１.３×１０１７ｃｍ－３以下かつ３×１０１６ｃｍ－３以上にすることで、上記コンタクト抵抗(Ωｍｍ)を３(Ωｍｍ)以下にできる。例えば、図７に示すように、上記第２の塩素濃度ピークＰ２２の塩素濃度(ｃｍ－３)を、６×１０１６(ｃｍ－３)とした場合、約１.１(Ωｍｍ)のコンタクト抵抗(Ωｍｍ)が得られた。また、上記第２の塩素濃度ピークＰ２２の塩素濃度(ｃｍ－３)を、３×１０１６(ｃｍ－３)とした場合、約１.０(Ωｍｍ)のコンタクト抵抗(Ωｍｍ)が得られた。上記第２の塩素濃度ピークＰ２２の塩素濃度の範囲（３×１０１６ｃｍ－３以上かつ１.３×１０１７ｃｍ－３以下）の上限値である１．３×１０１７ｃｍ－３は、図７から分かるように、その値（１.３×１０１７ｃｍ－３）を境界にして、コンタクト抵抗が急激に減少するから、臨界的な意義を有するものである。
　一方、上記ドライエッチング時に、塩素系のガスに替えて、フッ素系のガスを用いた場合のように、上記第２の塩素濃度ピークＰ２２の塩素濃度が零の場合は、オーミックコンタクトが形成されない。これは、上記第２の塩素濃度ピークＰ２２の塩素濃度が零の場合は、上記ドライエッチング時に基板側に与えられるダメージ(塩素の浸入、イオン衝撃やチャージによる欠陥の導入など)が不足して、低抵抗のオーミックコンタクトが形成されないからであると考えられる。上記第２の塩素濃度ピークＰ２２の塩素濃度の塩素濃度の範囲（３×１０１６ｃｍ－３以上かつ１.３×１０１７ｃｍ－３以下）の下限値である３×１０１６ｃｍ－３は、オーミックコンタクトが確実に形成されるための塩素濃度の下限値である。
　また、上記第２の塩素濃度ピークＰ２２の塩素濃度が、１.３×１０１７ｃｍ－３を上回ると、コンタクト抵抗が３Ωｍｍを越えている。これは、上記第２の塩素濃度ピークＰ２２の塩素濃度が高過ぎると、過剰な塩素がＧａやＴｉと反応し、オーミックコンタクト形成に必要なＧａＮ層１側の反応であるＴｉによるＧａＮからのＮの引き抜き反応や酸素の活性化が阻害されたためと考えられる。
　すなわち、この第１実施形態によれば、第２の塩素濃度ピークＰ２２の塩素濃度を、３．０×１０１６ｃｍ－３～１.３×１０１７ｃｍ－３の範囲内に設定することで、オーミックコンタクト形成に必要なＧａＮ層側の酸素の活性化,ＧａＮからのＮの引き抜き反応を促進できるので、３Ωｍｍ以下の低抵抗のオーミックコンタクトを得ることができたと考えられる。このようなコンタクト抵抗が３Ωｍｍ以下の窒化物半導体装置は、シリコン素子よりも大電流駆動が可能でかつ高温動作に適した製品として性能面およびコスト面で商業的価値を有する。
　さらに、上記ドライエッチング時に、塩素系のガスに替えて、フッ素系のガスを用いた場合、塩素系のガスを用いた場合のような低抵抗のオーミックコンタクトが形成されなかった。したがって、単に、ドライエッチングのＧａＮ層への物理的なダメージだけではなく、ドライエッチング時の塩素の存在が低抵抗のオーミックコンタクトの形成に寄与していると考えられる。
　図１０は、上記第１実施形態の窒化物半導体装置(ＧａＮ系ＨＦＥＴ)の比較例におけるオーミック電極(ソース電極,ドレイン電極)からアンドープＧａＮ層へ亘る深さ方向の塩素濃度分布を示すグラフである。図１０において、縦軸目盛の１.Ｅ＋０１、１.Ｅ＋０２、１.Ｅ＋０３、１.Ｅ＋０４は、それぞれ、１.０×１０、１.０×１０２、１.０×１０３、１.０×１０４を表す。この比較例の断面構造は、図１に示す上記第１実施形態の断面構造と同様であるが、上記グラフに示す塩素濃度分布が上記第１実施形態と異なる。
　図１０のグラフは、ＴＥＧ(テスト・エレメント・グループ)を用い、ＳＩＭＳ(２次イオン質量分析法)により測定した結果を表し、横軸に深さ(ｎｍ)を取り、縦軸に相対２次イオン強度(counts)を取ったものである。図１０に示すように、この比較例では、上記界面近傍の第１の塩素濃度ピークＰ３１が存在するが、第１の塩素濃度ピークＰ３１よりもＧａＮ層側の深い位置に第２の塩素濃度ピークが存在していない。この比較例のように、第２の塩素濃度ピークが存在しない場合、オーミック電極のコンタクト抵抗が７０Ωｍｍを超えており、上記第１実施形態のオーミック電極のコンタクト抵抗３Ωｍｍ以下に比べて大幅に、つまり、約２３倍も増大し、低抵抗のオーミックコンタクトを得ることができていない。
　次に、図９を参照して、上記凹部１０６,１０９を形成するためのドライエッチングにおいて、ＲＩＥ(reactive ion etching：リアクティブイオンエッチング)装置の自己バイアス電位Ｖｄｃと、上記ソース電極１１,ドレイン電極１２のコンタクト抵抗(Ωｍｍ)との関係を説明する。図９から分かるように、上記ドライエッチング時の自己バイアス電位Ｖｄｃを、１８０Ｖ以上かつ２４０Ｖ以下に設定することにより、上記第２の塩素濃度ピークＰ２２が形成され、上記窒化物半導体積層体２０の２ＤＥＧ層３と上記ソース電極１１,ドレイン電極１２とのコンタクト抵抗(Ωｍｍ)を、２Ωｍｍ以下にできる。
　一方、図９から分かるように、上記ドライエッチング時の自己バイアス電位Ｖｄｃが１８０Ｖを下回ると、上記第２の塩素濃度ピークが形成され難くなり、コンタクト抵抗(Ωｍｍ)が急増している。これは、上記ドライエッチング時の自己バイアス電位Ｖｄｃが小さすぎるドライエッチングにＧａＮ層に与えるダメージが少なくなり、アニールの際に電極とＧａＮ層のアロイが進み難いからであると考えられる。
　また、上記自己バイアス電位Ｖｄｃが２４０Ｖを上回ると、上記第２の塩素濃度ピークが形成され難くなり、上記コンタクト抵抗(Ωｍｍ)が急増している。これは、上記ドライエッチング時の自己バイアス電位Ｖｄｃが大き過ぎるとＧａＮ層１側にダメージが深く入り過ぎてアニールの際に電極とＧａＮ層のアロイが進み難いからであると考えられる。
　次に、図８に、上記界面Ｓ１からの第２の塩素濃度ピークＰ２２の深さ(ｎｍ)と、上記ソース電極１１,ドレイン電極１２のコンタクト抵抗(Ωｍｍ)との関係を説明する。図８から分かるように、上記第２の塩素濃度ピークＰ２２の界面Ｓ１からの深さ(ｎｍ)が、６０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下の深さであれば、上記コンタクト抵抗(Ωｍｍ)を、２Ωｍｍ以下にできる。上記第２の塩素濃度ピークＰ２２の界面Ｓ１からの深さ(ｎｍ)が６０ｎｍを下回ると、第１の塩素濃度ピークＰ１１と第２の塩素濃度ピークＰ２２との区別が明確でなくなる。また、上記第２の塩素濃度ピークＰ２２の界面Ｓ１からの深さ(ｎｍ)が１００ｎｍを上回ると、上記第２の塩素濃度ピークＰ２２が殆ど形成されなくなる。したがって、上記第２の塩素濃度ピークＰ２２の界面Ｓ１，Ｓ２からの深さの範囲（６０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下）の下限値である６０ｎｍと、上限値である１００ｎｍとは、第２の塩素濃度ピークＰ２２が形成されるための臨界的な意義を有する数値である。
　図８に示すように、上記第２の塩素濃度ピークＰ２２の界面Ｓ１からの深さが、６０ｎｍ～１００ｎｍである構成により、低温(４００℃～５００℃)のオーミックアニールにおける基板側のオーミック形成に必要な反応(酸素の活性化,ＴｉによるＮの引き抜き等)の起こる深さが最適化され、オーミック形成反応が促進されると考えられる。
　前述した上記第１実施形態の製造方法によれば、上記第２の塩素濃度ピークＰ２２の塩素濃度を、３．０×１０１６ｃｍ－３～１.３×１０１７ｃｍ－３の範囲内の値にできると共に、上記界面Ｓ１からの第２の塩素濃度ピークＰ２２の深さ(ｎｍ)を、６０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下の深さ(例えば１０８ｎｍ)にでき、上記コンタクト抵抗(Ωｍｍ)を２Ωｍｍ以下にできる。
　なお、上記第１実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、絶縁膜１３０、ＡｌＧａＮ層１０２、ＧａＮ層１０１をドライエッチングにより除去し、凹部１０６,１０９を形成したが、絶縁膜１３０をウェットエッチングにより除去し、その後ＡｌＧａＮ層１０２、ＧａＮ層１０１をドライエッチングにより除去することにより、凹部１０６,１０９を形成してもよい。
　また、上記第１実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、Ｔｉ/Ａｌ/ＴｉＮを積層してオーミック電極としたが、これに限らず、ＴｉＮはなくともよく、また、Ｔｉ/Ａｌを積層した後、その上にＡｕ,Ａｇ,Ｐｔなどを積層してもよい。
　また、上記第１実施形態では、Ｓｉ基板を用いた窒化物半導体装置について説明したが、Ｓｉ基板に限らず、サファイヤ基板やＳｉＣ基板を用いてもよく、サファイヤ基板やＳｉＣ基板上に窒化物半導体層を成長させてもよいし、ＧａＮ基板にＡｌＧａＮ層を成長させる等のように、窒化物半導体からなる基板上に窒化物半導体層を成長させてもよい。また、基板と窒化物半導体層との間にバッファ層を形成してもよいし、窒化物半導体積層体の第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との間にヘテロ改善層を形成してもよい。
　また、上記第１実施形態では、オーミック電極がＧａＮ層に達するリセス構造のＨＦＥＴについて説明したが、リセスを形成せずにアンドープＡｌＧａＮ層上にソース電極およびドレイン電極となるオーミック電極を形成したＨＦＥＴにこの発明を適用してもよい。また、この発明の窒化物半導体装置は、２ＤＥＧを利用するＨＦＥＴに限らず、他の構成の電界効果トランジスタであっても同様の効果が得られる。
　また、上記第１実施形態では、ノーマリーオンタイプのＨＦＥＴについて説明したが、ノーマリーオフタイプの窒化物半導体装置にこの発明を適用してもよい。また、ショットキー電極に限らず、絶縁ゲート構造の電界効果トランジスタにこの発明を適用してもよい。また、この発明は、電界効果トランジスタに限らず、ショットキーダイオードのオーミック電極に適用してもよい。
　（第２実施形態）
　図１１は、この発明の第２実施形態の窒化物半導体装置の断面図を示しており、この窒化物半導体装置はＧａＮ系ＨＦＥＴ(Hetero-junction Field Effect Transistor；ヘテロ接合電界効果トランジスタ)である。
　なお、第２実施形態の窒化物半導体装置の説明において、第１実施形態の窒化物半導体装置の構成要素と同一構成要素については、第１実施形態の構成要素の参照番号と同一参照番号を付して簡単に説明し、詳しい説明は省略する。
　この半導体装置は、図１１に示すように、Ｓｉ基板１０上に、アンドープＡｌＧａＮバッファ層１５、第１の窒化物半導体層の一例としてのアンドープＧａＮ層２０１と、第２の窒化物半導体層の一例としてのアンドープＡｌＧａＮ層２０２からなる窒化物半導体積層体２２０を形成している。このアンドープＧａＮ層２０１とアンドープＡｌＧａＮ層２０２との界面は、ヘテロ界面である。このアンドープＧａＮ層２０１とアンドープＡｌＧａＮ層２０２との界面近傍に２ＤＥＧ層(２次元電子ガス層)２０３が発生する。
　なお、上記ＧａＮ層２０１に替えて、上記ＡｌＧａＮ層２０２よりもバンドギャップの小さい組成を有するＡｌＧａＮ層としてもよい。また、上記ＡｌＧａＮ層２０２上にキャップ層として例えばＧａＮからなる約１ｎｍの厚さの層を設けてもよい。
　また、ソース電極１１とドレイン電極１２とを、上記ＡｌＧａＮ層２０２と２ＤＥＧ層２０３を貫通してＧａＮ層２０１まで達する凹部１０６と凹部１０９に互いに間隔をあけて形成している。また、ＡｌＧａＮ層２０２上に、ソース電極１１とドレイン電極１２との間かつソース電極１１側にゲート電極１３を形成している。ソース電極１１とドレイン電極１２はオーミック電極であり、ゲート電極１３はショットキー電極である。上記ソース電極１１と、ドレイン電極１２と、ゲート電極１３と、そのソース電極１１,ドレイン電極１２,ゲート電極１３が形成されたＧａＮ層２０１,ＡｌＧａＮ層２０２の活性領域でＨＦＥＴを構成している。
　ここで、活性領域とは、ＡｌＧａＮ層２０２上のソース電極１１とドレイン電極１２との間に配置されたゲート電極１３に印加される電圧によって、ソース電極１１とドレイン電極１２との間でキャリアが流れる窒化物半導体積層体２２０(ＧａＮ層２０１,ＡｌＧａＮ層２０２)の領域である。
　そして、ソース電極１１とドレイン電極１２とゲート電極１３が形成された領域を除くＡｌＧａＮ層２０２上に、ＡｌＧａＮ層２０２を保護するため、ＳｉＯ２からなる絶縁膜３０を形成している。また、ソース電極１１とドレイン電極１２とゲート電極１３とが形成されたＳｉ基板１０上に、ポリイミドからなる層間絶縁膜４０を形成している。また、図１１において、４１はコンタクト部としてのビア、４２はドレイン電極パッドである。なお、絶縁膜は、ＳｉＯ２に限らず、ＳｉＮやＡｌ２Ｏ３などを用いてもよい。特に、絶縁膜として、コラプス抑制のために半導体層表面にストイキオメトリックを崩したＳｉＮ膜と表面保護のためのＳｉＯ２やＳｉＮの多層膜構造とするのが好ましい。また、層間絶縁膜は、ポリイミドに限らず、ｐ－ＣＶＤ(プラズマＣＶＤ)で製造したＳｉＯ２膜やＳＯＧ(Spin On Glass)やＢＰＳＧ(ホウ素・リン・シリケート・ガラス)などの絶縁材料を用いてもよい。
　上記ソース電極１１とドレイン電極１２は、ＴｉＡｌ系材料からなり、例えば、ＧａＮ層２０１上にＴｉ,Ａｌ,ＴｉＮを順に積層してなるＴｉ/Ａｌ/ＴｉＮからなる。
　上記ソース電極１１およびドレイン電極１２とＧａＮ層２０１との界面Ｓ１，Ｓ２から基板１０側への深さ方向のＧａＮ層２０１の酸素濃度分布において、上記界面Ｓ１，Ｓ２近傍の位置に第１の酸素濃度ピークを有し、この第１の酸素濃度ピークの酸素濃度は、
　１.１×１０１８ｃｍ－３以上かつ６.８×１０１８ｃｍ－３以下である。
　ここで、上記界面Ｓ１,Ｓ２近傍とは、界面Ｓ１,Ｓ２よりも深い側へ約３３ｎｍの範囲である。
　このＧａＮ層２０１においては、第１の酸素濃度ピークを有する界面Ｓ１，Ｓ２近傍の位置よりもさらに深い位置に、第２の酸素濃度のピークを有する。この第２の酸素濃度のピークの酸素濃度は、第１の酸素濃度ピークの酸素濃度よりも、一例として、約一桁小さい値である。
　また、上記ソース電極１１およびドレイン電極１２とＧａＮ層２０１との界面Ｓ１，Ｓ２から基板１０側への深さ方向のＧａＮ層２０１の塩素濃度分布において、上記界面Ｓ１，Ｓ２近傍（界面Ｓ１,Ｓ２よりも深い側へ約３３ｎｍの範囲）の位置に第１の塩素濃度ピークを有し、この第１の塩素濃度ピークの塩素濃度は、
　５.０×１０１６ｃｍ－３以上かつ９.６×１０１７ｃｍ－３以下である。
　このＧａＮ層２０１においては、第１の塩素濃度ピークを有する界面Ｓ１，Ｓ２近傍の位置よりもさらに深い位置に、第２の塩素濃度のピークを有する。この第２の塩素濃度のピークの塩素濃度は、第１の塩素濃度ピークの塩素濃度よりも低い値である。
　上記構成の窒化物半導体装置において、ＧａＮ層２０１とＡｌＧａＮ層２０２との界面近傍に発生した２次元電子ガス層(２ＤＥＧ層)２０３でチャネルが形成され、このチャネルをゲート電極１３に電圧を印加することにより制御して、ソース電極１１とドレイン電極１２とゲート電極１３を有するＨＦＥＴをオンオフさせる。このＨＦＥＴは、ゲート電極１３に負電圧が印加されているときにゲート電極１３下のＧａＮ層２０１に空乏層が形成されてオフ状態となる一方、ゲート電極１３の電圧がゼロのときにゲート電極１３下のＧａＮ層１に空乏層がなくなってオン状態となるノーマリーオンタイプのトランジスタである。
　この第２実施形態の窒化物半導体装置としてのＨＦＥＴによれば、ＴｉＡｌ系材料からなるソース電極１１およびドレイン電極１２とＧａＮ層２０１との界面Ｓ１，Ｓ２の基板１０側の領域において、上記界面Ｓ１，Ｓ２近傍の第１の酸素濃度ピークの酸素濃度が、１.１×１０１８ｃｍ－３以上かつ６.８×１０１８ｃｍ－３以下であると共に、上記界面Ｓ１，Ｓ２近傍の第１の塩素濃度ピークの塩素濃度が、５.０×１０１６ｃｍ－３以上かつ９.６×１０１７ｃｍ－３以下であるので、ＧａＮ層２０１と、ソース電極１１およびドレイン電極１２とのコンタクト抵抗を大幅に低減できる。
　次に、上記窒化物半導体装置の製造方法を図１２～図１５に従って説明する。なお、図１２～図１５では、図を見やすくするためにＳｉ基板やアンドープＡｌＧａＮバッファ層を図示せず、また、ソース電極とドレイン電極の大きさや間隔を変えている。
　まず、図１２に示すように、Ｓｉ基板(図示せず)上に、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)法を用いて、アンドープＡｌＧａＮバッファ層(図示せず)、アンドープＧａＮ層３０１とアンドープＡｌＧａＮ層３０２を順に形成する。アンドープＧａＮ層３０１の厚さは例えば１μｍ、アンドープＡｌＧａＮ層３０２の厚さは例えば３０ｎｍとする。このＧａＮ層３０１とＡｌＧａＮ層３０２が窒化物半導体積層体３２０を構成している。
　次に、ＡｌＧａＮ層３０２上に絶縁膜１３０(例えばＳｉＯ２)を例えばプラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長))法により２００ｎｍの厚さに成膜する。図１２において、３０３は、ＧａＮ層３０１とＡｌＧａＮ層３０２とのヘテロ界面近傍に形成される２次元電子ガス層(２ＤＥＧ層)である。
　次に、絶縁膜１３０上にフォトレジスト(図示せず)を塗布してパターニングした後、ドライエッチングにより、図１３に示すように、オーミック電極を形成すべき部分を除去して、ＡｌＧａＮ層３０２を貫通してＧａＮ層３０１の上側の一部に２ＤＥＧ層３０３よりも深い凹部１０６,１０９を形成する。上記ドライエッチングでは、塩素系のガスを用いる。この凹部１０６,１０９の深さはＡｌＧａＮ層３０２の表面から２ＤＥＧ層３０３までの深さ以上であればよく、例えば５０ｎｍとする。
　また、この第２実施形態では、上記ドライエッチングにおいて、ＲＩＥ(reactive ion etching：リアクティブイオンエッチング)装置の自己バイアス電位Ｖｄｃを１８０Ｖ以上かつ２４０Ｖ以下に設定した。
　次に、レジストを剥離後、上記ドライエッチングによるエッチングダメージを低減するためのアニールを行う(例えば５００～８５０℃)。そして順次、Ｏ２プラズマ処理、ＨＣｌ/Ｈ２Ｏ２による洗浄、ＢＨＦ(バッファードフッ酸)もしくは１％のＨＦ(フッ酸)による洗浄を行なう。
　次に、図１４に示すように、絶縁膜１３０上および凹部１０６,１０９にスパッタリングにより、Ｔｉ,Ａｌ,ＴｉＮを順に積層することで、Ｔｉ/Ａｌ/ＴｉＮを積層して、オーミック電極となる積層金属膜１０７を形成する。ここで、ＴｉＮ層は、後工程からＴｉ/Ａｌ層を保護するためのキャップ層である。
　上記スパッタリングで上記積層金属膜１０７を形成する時に、Ｔｉ成膜中に少量(例えば５ｓｃｃｍ)の酸素をチャンバー内に流す。ここで、上記酸素の流量は、Ｔｉの酸化物が生成されない量とする。なお、上記Ｔｉ成膜中に少量の酸素をチャンバー内に流すことに替えて、上記Ｔｉ成膜前にチャンバー内に酸素を例えば５０ｓｃｃｍで５分間流してもよい。
　尚、上記スパッタリングにおいて、ＴｉとＡｌの両方を同時にスパッタリングしてもよい。また、スパッタリングに替えて上記Ｔｉ,Ａｌを蒸着してもよい。
　次に、図１５に示すように、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて、オーミック電極１１１,１１２のパターンを形成する。
　そして、オーミック電極１１１,１１２が形成された基板を例えば４００℃以上かつ５００℃以下で１０分以上アニールすることによって、２次元電子ガス層(２ＤＥＧ層)３０３とオーミック電極１１１,１１２との間にオーミックコンタクトが得られる。この場合、５００℃を超える高温でアニールした場合に比べてコンタクト抵抗を大幅に低減できる。また、４００℃以上かつ５００℃以下の低温でアニールすることにより絶縁膜１３０への電極金属の拡散を抑制でき、絶縁膜１３０の特性に悪影響を与えることがない。また、上記低温のアニールにより、ＧａＮ層３０１からの窒素抜けによる電流コラプスの悪化や特性変動を防ぐことができる。なお、「電流コラプス」とは、低電圧動作でのトランジスタのオン抵抗と比べて高電圧動作でのトランジスタのオン抵抗が高くなってしまう現象である。
　このオーミック電極１１１,１１２がソース電極１１とドレイン電極１２となり、後の工程でオーミック電極１１１,１１２の間にＴｉＮまたはＷＮなどからなるゲート電極が形成される。
　上記第２実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、図１６に示すように、上記オーミック電極としてのソース電極１１,ドレイン電極１２から上記ＧａＮ層２０１に亘る深さ方向の酸素濃度分布において、上記ソース電極１１,ドレイン電極１２と上記ＧａＮ層２０１との界面Ｓ１,Ｓ２（図１６では、Ｓ１のみを示すが、Ｓ２の位置もＳ１と同じ深さにある。）の上記アンドープＧａＮ層２０１側の上記界面Ｓ１,Ｓ２近傍の位置に第１の酸素濃度ピークＰ１が形成される。また、上記第１の酸素濃度ピークＰ１よりも深い位置に第２の酸素濃度ピークＰ２が形成される。なお、上記界面Ｓ１,Ｓ２近傍とは、図１７を参照して後述するように、例えば、界面Ｓ１,Ｓ２よりも深い側へ約３３ｎｍの範囲であり、図１６から分かるように、第２の酸素濃度ピークＰ２は、界面近傍よりも深い位置にある。
　また、上記製造方法により、上記第１の酸素濃度ピークの酸素濃度は、例えば、１.１×１０１８ｃｍ－３以上かつ６.８×１０１８ｃｍ－３以下にできる。この第１の酸素濃度ピークの酸素濃度は、上記第２の酸素濃度ピークの酸素濃度よりも高い。
　図１６は、上記ソース電極１１とアンドープＧａＮ層２０１との界面Ｓ１のソース電極１１側から上記ＧａＮ層２０１側へ亘る深さ方向における酸素の濃度分布の一例を示すグラフである。図１６において、縦軸目盛の１.Ｅ＋００、１.Ｅ＋０１、…、１.Ｅ＋０６は、それぞれ、１.０、１.０×１０、…、１.０×１０６を表す。このグラフは、ＴＥＧ(テスト・エレメント・グループ)を用い、ＳＩＭＳ(２次イオン質量分析法)により測定した結果を表し、横軸に深さ(ｎｍ)を取り、縦軸に相対２次イオン強度(counts)を取ったものである。図１６に示すように、上記界面Ｓ１の位置に凸状の酸素濃度分布を有し、一例として、上記界面Ｓ１から上記ＧａＮ層２０１側へ約８ｎｍの界面近傍の深さに、第１の酸素濃度ピークＰ１が位置し、上記界面Ｓ１から上記ＧａＮ層２０１側へ約１０８ｎｍの深さに、第２の酸素濃度ピークＰ２が位置している。図１６の一例では、上記第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度は、２.６×１０１８ｃｍ－３であり、上記第２の酸素濃度ピークＰ２の酸素濃度は、６．４×１０１７ｃｍ－３であった。
　尚、上記界面Ｓ１は、カーボンＣの相対２次イオン強度(counts)のピークの位置に対応している。また、上記ドレイン電極１２とアンドープＧａＮ層２０１との界面Ｓ２のドレイン電極１２側から上記ＧａＮ層２０１側へ亘る深さ方向における酸素の濃度分布も、図１６のグラフと同様であった。
　図１７は、上記ソース電極１１とアンドープＧａＮ層２０１との界面Ｓ１のソース電極側から上記ＧａＮ層２０１側へ亘る深さ方向における酸素の濃度分布、およびＡｌ,Ｔｉ,Ｇａの濃度分布を示すグラフである。図１７において、縦軸目盛の１.Ｅ＋００、１.Ｅ＋０１、…、１.Ｅ＋０７は、それぞれ、１.０、１.０×１０、…、１.０×１０７を表す。このグラフは、図１６と同様、ＴＥＧ(テスト・エレメント・グループ)を用い、ＳＩＭＳ(２次イオン質量分析法)により測定した結果を表し、横軸に深さ(ｎｍ)を取り、縦軸に相対２次イオン強度(counts)を取ったものである。上記界面Ｓ１は、カーボンＣの相対２次イオン強度(counts)のピークの位置に対応している。図１７のグラフでは、一例として、深さ約３７８ｎｍから深さ約４３８ｎｍの領域が界面近傍の領域Ｒ１であり、界面Ｓ１よりも浅い側へ約２７ｎｍと界面Ｓ１よりも深い側へ約３３ｎｍの範囲が界面近傍の領域Ｒ１である。
　尚、上記ドレイン電極１２とアンドープＧａＮ層２０１との界面Ｓ２のドレイン電極１２側から上記ＧａＮ層２０１側へ亘る深さ方向におけるＡｌ,Ｔｉ,Ｇａの濃度分布も、図１７のグラフと同様であった。
　また、上記第２実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、上記オーミック電極としてのソース電極１１,ドレイン電極１２から上記ＧａＮ層２０１に亘る深さ方向の塩素濃度分布において、上記ソース電極１１,ドレイン電極１２と上記アンドープＧａＮ層２０１との界面Ｓ１,Ｓ２の上記アンドープＧａＮ層２０１側の領域において、上記界面Ｓ１,Ｓ２近傍の位置に第１の塩素濃度ピークＰ１０が形成される。また、上記第１の塩素濃度ピークＰ１０よりも深い位置に、第２の塩素濃度ピークＰ２０が形成される。なお、上記界面Ｓ１,Ｓ２近傍とは、図１７を参照して上述したように、例えば、界面Ｓ１,Ｓ２よりも深い側へ約３３ｎｍの範囲であり、図１８から分かるように、第２の塩素濃度ピークＰ２０は、界面近傍よりも深い位置にある。
　また、上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度は、例えば、５．０×１０１６ｃｍ－３以上かつ９．６×１０１７ｃｍ－３以下になる。この第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度は、上記第２の塩素濃度ピークＰ２０の塩素濃度よりも高い。
　図１８は、上記ソース電極１１から上記アンドープＧａＮ層２０１に亘る深さ方向の塩素濃度分布の一例を示すグラフである。図１８において、縦軸目盛の１.Ｅ＋０１、１.Ｅ＋０２、…、１.Ｅ＋０４は、それぞれ、１.０×１０、１.０×１０２、…、１.０×１０４を表す。このグラフは、ＴＥＧ(テスト・エレメント・グループ)を用い、ＳＩＭＳ(２次イオン質量分析法)により測定した結果を表し、横軸に深さ(ｎｍ)を取り、縦軸に相対２次イオン強度(counts)を取ったものである。図１８に示すように、上記界面Ｓ１の位置に凸状の塩素濃度分布を有し、一例として、上記界面Ｓ１から上記ＧａＮ層２０１側へ約１０ｎｍの深さの界面近傍に、第１の塩素濃度ピークＰ１０が位置し、上記界面Ｓ１から上記ＧａＮ層２０１側へ約９５ｎｍの深さに、第２の塩素濃度ピークＰ２０が位置している。図１８に示す一例では、上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度が、１.６×１０１７ｃｍ－３であった。また、上記第２の塩素濃度ピークＰ２０の塩素濃度は、８.４×１０１６ｃｍ－３であった。
　尚、上記ドレイン電極１２とアンドープＧａＮ層２０１との界面Ｓ２のドレイン電極１２側から上記ＧａＮ層２０１側へ亘る深さ方向における塩素の濃度分布も、図１８のグラフと同様であった。
　次に、図１９に、上記窒化物半導体積層体２２０の２ＤＥＧ層２０３と上記ソース電極１１,ドレイン電極１２とのコンタクト抵抗(Ωｍｍ)と、上記第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度(ｃｍ－３)との関係を示す。図１９において、横軸目盛のＥ＋１７、Ｅ＋１８、Ｅ＋１９、Ｅ＋２０は、それぞれ、×１０１７、×１０１８、×１０１９、×１０２０を表す。図１９において、菱形印◇の各プロットの傍らに記載されている数値が上記各プロットにおけるコンタクト抵抗(Ωｍｍ)である。
　図１９から分かるように、上記第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度(ｃｍ－３)を、１.１×１０１８ｃｍ－３以上かつ６.８×１０１８ｃｍ－３以下の範囲内にすることで、上記第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度が上記範囲外である場合に比べて、上記コンタクト抵抗を格段に低減できる。図１９から分かるように、上記第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度１.１×１０１８ｃｍ－３、６.８×１０１８ｃｍ－３は、それらの値を境界にして、コンタクト抵抗が急激に２０～３０倍も変化する臨界的な意義を有するものである。
　なお、図１９において、各プロットのサンプルは、上記第１の塩素濃度ピークの塩素濃度が、５．０×１０１６(ｃｍ－３)以上かつ９．６×１０１７(ｃｍ－３)以下である。
　次に、図２０に、上記窒化物半導体積層体２２０の２ＤＥＧ層２０３と上記ソース電極１１,ドレイン電極１２とのコンタクト抵抗(Ωｍｍ)と、上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度(ｃｍ－３)との関係を示す。図２０において、横軸目盛のＥ＋１６、Ｅ＋１７、Ｅ＋１８、Ｅ＋１９は、それぞれ、×１０１６、×１０１７、×１０１８、×１０１９を表す。図２０において、菱形印◇の各プロットの傍らに記載されている数値が上記各プロットにおけるコンタクト抵抗(Ωｍｍ)を表す。
　図２０から分かるように、上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度(ｃｍ－３)を、５.０×１０１６ｃｍ－３以上かつ９.６×１０１７ｃｍ－３以下の範囲内にすることで、上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度が上記範囲外である場合に比べて、上記コンタクト抵抗を格段に低減できる。図２０から分かるように、上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度５.０×１０１６ｃｍ－３、９.６×１０１７ｃｍ－３は、それらの値を境界にして、コンタクト抵抗が急激に１０～５０倍も減少する臨界的な意義を有するものである。
　なお、図２０において、各プロットのサンプルは、上記第１の酸素濃度ピークの酸素濃度が、１．１×１０１８(ｃｍ－３)以上かつ６．８×１０１８(ｃｍ－３)以下である。
　次に、図２１に、上記第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度(ｃｍ－３)および上記第１の塩素濃度ピークＰ１０とコンタクト抵抗(Ωｍｍ)との関係を表す。図２１では、縦軸に上記第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度(ｃｍ－３)を取り、横軸に上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度(ｃｍ－３)を取り、菱形印◇の各プロットの傍らに記載されている数値が上記各プロットにおけるコンタクト抵抗(Ωｍｍ)を表す。図２１において、横軸目盛のＥ＋１６、Ｅ＋１７、Ｅ＋１８、Ｅ＋１９は、それぞれ、×１０１６、×１０１７、×１０１８、×１０１９を表し、縦軸目盛のＥ＋１７、Ｅ＋１８、Ｅ＋１９、Ｅ＋２０は、それぞれ、×１０１７、×１０１８、×１０１９、×１０２０を表す。
　図２１から分かるように、第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度が、１.１×１０１８ｃｍ－３以上かつ６.８×１０１８ｃｍ－３以下の範囲内であると共に、上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度が、５.０×１０１６ｃｍ－３以上かつ９.６×１０１７ｃｍ－３以下の範囲内であることによって、上記第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度が上記範囲外である場合や上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度が上記範囲外である場合に比べて、上記コンタクト抵抗を格段に低減できる。図２１から分かるように、第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度が、１.１×１０１８ｃｍ－３以上かつ６.８×１０１８ｃｍ－３以下の範囲内であると共に、第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度が、５.０×１０１６ｃｍ－３以上かつ９.６×１０１７ｃｍ－３以下の範囲内であるという条件を満たす場合、この条件を満たさない場合に比べて、それら酸素濃度１.１×１０１８ｃｍ－３、６.８×１０１８ｃｍおよび塩素濃度５.０×１０１６ｃｍ－３、９.６×１０１７ｃｍ－３を境界にして、コンタクト抵抗が急激に１０～５０倍も減少する。したがって、この条件を定める酸素濃度１.１×１０１８ｃｍ－３、６.８×１０１８ｃｍおよび塩素濃度５.０×１０１６ｃｍ－３、９.６×１０１７ｃｍ－３は、著しい臨界的な意義を有するものである。
　上記第２実施形態では、一例として、上記第１の酸素濃度ピークの酸素濃度が２.６×１０１８ｃｍ－３であると共に、上記第１の塩素濃度ピークの塩素濃度が１.６×１０１７ｃｍ－３であることで、オーミック電極(ソース電極１１,ドレイン電極１２)とＧａＮ層２０１とのコンタクト抵抗を１.１Ωｍｍにできた。
　これに対して、上記第１の酸素濃度ピークの酸素濃度が１.１×１０１８ｃｍ－３を下回るとコンタクト抵抗が７０Ωｍｍに急増している。これは、オーミックコンタクトの形成に必要なＧａＮ層２０１側の反応である酸素の活性化が不足するからであると考えられる。一方、上記第１の酸素濃度ピークの酸素濃度が６.８×１０１８ｃｍ－３を上回るとコンタクト抵抗が１００Ωｍｍに急増している。これは、上記第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度が高過ぎると、塩素濃度が低くても、過剰な酸素がＴｉと反応し、オーミックコンタクト形成に必要なＧａＮ層２０１側の反応であるＴｉによるＧａＮからのＮの引き抜き反応が十分に行なわれないからであると考えられる。
　また、上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度が９.６×１０１７ｃｍ－３を上回るとコンタクト抵抗が５０Ωｍｍまで急増したプロットが存在している。これは、上記第２の塩素濃度ピークＰ２０の塩素濃度が高過ぎると、酸素濃度が所定の範囲内(１.１×１０１８ｃｍ－３～６.８×１０１８ｃｍ－３)でも、過剰な塩素がＧａやＴｉと反応し、オーミックコンタクト形成に必要なＧａＮ層２０１側の反応であるＴｉによるＧａＮからのＮの引き抜き反応や酸素の活性化が阻害されたためと考えられる。
　この第２実施形態によれば、第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度が１.１×１０１８ｃｍ－３～６.８×１０１８ｃｍ－３の範囲内であり、かつ、第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度が５.０×１０１６ｃｍ－３～９.６×１０１７ｃｍ－３の範囲内である。これにより、オーミックコンタクト形成に必要なＧａＮ層２０１側の酸素の活性化,ＧａＮからのＮの引き抜き反応を促進でき、第１の酸素濃度ピークＰ１の酸素濃度が上記範囲外である場合や上記第１の塩素濃度ピークＰ１０の塩素濃度が上記範囲外である場合に比べて、格段に低抵抗のオーミックコンタクトを形成できたと考えられる。
　なお、上記第２実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、絶縁膜１３０、ＡｌＧａＮ層３０２、ＧａＮ層３０１をドライエッチングにより除去し、凹部１０６,１０９を形成したが、絶縁膜１３０をウェットエッチングにより除去し、その後ＡｌＧａＮ層３０２、ＧａＮ層３０１をドライエッチングにより除去することにより、凹部１０６,１０９を形成してもよい。
　また、上記第２実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、Ｔｉ/Ａｌ/ＴｉＮを積層してオーミック電極としたが、これに限らず、ＴｉＮはなくともよく、また、Ｔｉ/Ａｌを積層した後、その上にＡｕ,Ａｇ,Ｐｔなどを積層してもよい。
　また、上記第２実施形態では、Ｓｉ基板を用いた窒化物半導体装置について説明したが、Ｓｉ基板に限らず、サファイヤ基板やＳｉＣ基板を用いてもよく、サファイヤ基板やＳｉＣ基板上に窒化物半導体層を成長させてもよいし、ＧａＮ基板にＡｌＧａＮ層を成長させる等のように、窒化物半導体からなる基板上に窒化物半導体層を成長させてもよい。また、基板と窒化物半導体層との間にバッファ層を形成してもよいし、窒化物半導体積層体の第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との間にヘテロ改善層を形成してもよい。
　また、上記第２実施形態では、オーミック電極がＧａＮ層に達するリセス構造のＨＦＥＴについて説明したが、リセスを形成せずにアンドープＡｌＧａＮ層上にソース電極およびドレイン電極となるオーミック電極を形成したＨＦＥＴにこの発明を適用してもよい。また、この発明の窒化物半導体装置は、２ＤＥＧを利用するＨＦＥＴに限らず、他の構成の電界効果トランジスタであっても同様の効果が得られる。
　また、上記第２実施形態では、ノーマリーオンタイプのＨＦＥＴについて説明したが、ノーマリーオフタイプの窒化物半導体装置にこの発明を適用してもよい。また、ショットキー電極に限らず、絶縁ゲート構造の電界効果トランジスタにこの発明を適用してもよい。また、この発明は、電界効果トランジスタに限らず、ショットキーダイオードのオーミック電極に適用してもよい。
　この発明の窒化物半導体装置の窒化物半導体は、ＡｌxＩｎyＧａ１－x－yＮ(ｘ≧０、ｙ≧０、０≦ｘ＋ｙ≦１)で表されるものであればよい。
　この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
　１,１０１，２０１，３０１　ＧａＮ層
　２,１０２，２０２，３０２　ＡｌＧａＮ層
　３,１０３，２０３，３０３　２ＤＥＧ層
　１０　Ｓｉ基板
　１１　ソース電極
　１２　ドレイン電極
　１３　ゲート電極
　１５　ＡｌＧａＮバッファ層
　２０,１２０，２２０，３２０　窒化物半導体積層体
　３０,１３０　絶縁膜
　４０　層間絶縁膜
　４１　ビア
　４２　ドレイン電極パッド
　１０６,１０９　凹部
　１１１,１１２　オーミック電極
　Ｐ１　第１の酸素濃度ピーク
　Ｐ２　第２の酸素濃度ピーク
　Ｐ１０，Ｐ１１　第１の塩素濃度ピーク
　Ｐ２０，Ｐ２２　第２の塩素濃度ピーク
　Ｓ１，Ｓ２　界面

Claims (4)

  1. 　基板（１０）と、
    　上記基板（１０）上に形成されていると共にヘテロ界面を有する窒化物半導体積層体（２０）と、
    　上記窒化物半導体積層体（２０）上または上記窒化物半導体積層体（２０）内に少なくとも一部が形成されたＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極（１１，１２）と
    を備え、
    　上記窒化物半導体積層体（２０）は、
    　上記基板（１０）上に形成された第１の窒化物半導体層（１）と、
    　上記第１の窒化物半導体層（１）上に形成されていると共に上記第１の窒化物半導体層（１）とヘテロ界面を形成する第２の窒化物半導体層（２）と
    を有し、
    　上記ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極（１１，１２）から上記窒化物半導体積層体（２０）に亘る深さ方向の塩素濃度分布において、
    　上記オーミック電極（１１，１２）と上記窒化物半導体積層体（２０）との界面よりも上記基板（１０）側の領域の上記界面近傍の位置に第１の塩素濃度ピーク（Ｐ１１）を有し、
    　上記第１の塩素濃度ピーク（Ｐ１１）よりも深い位置に第２の塩素濃度ピーク（Ｐ２２）を有し、
    　上記第２の塩素濃度ピーク（Ｐ２２）の塩素濃度は、
    　３×１０１６ｃｍ－３以上かつ１.３×１０１７ｃｍ－３以下であることを特徴とする窒化物半導体装置。
  2. 　請求項１に記載の窒化物半導体装置において、
    　上記第２の塩素濃度ピーク（Ｐ２２）の位置が、上記界面から６０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ以下の深さであることを特徴とする窒化物半導体装置。
  3. 　基板（１０）と、
    　上記基板（１０）上に形成されていると共にヘテロ界面を有する窒化物半導体積層体（２２０）と、
    　上記窒化物半導体積層体（２２０）内に少なくとも一部が形成されたＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極（１１，１２）と
    を備え、
    　上記窒化物半導体積層体（２２０）は、
    　上記基板（１０）上に形成された第１の窒化物半導体層（２０１）と、
    　上記第１の窒化物半導体層（２０１）上に形成されていると共に上記第１の窒化物半導体層（２０１）とヘテロ界面を形成する第２の窒化物半導体層（２０２）と
    を有し、
    　上記ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極（１１，１２）から上記窒化物半導体積層体（２２０）に亘る深さ方向の酸素濃度分布において、
    　上記オーミック電極（１１，１２）と上記窒化物半導体積層体（２２０）との界面よりも上記基板（１０）側の領域の上記界面近傍の位置に酸素濃度ピーク（Ｐ１）を有し、
    　上記酸素濃度ピーク（Ｐ１）の酸素濃度は、
    　１.１×１０１８ｃｍ－３以上かつ６.８×１０１８ｃｍ－３以下であり、
    　上記ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極（１１，１２）から上記窒化物半導体積層体（２２０）に亘る深さ方向の塩素濃度分布において、
    　上記オーミック電極（１１，１２）と上記窒化物半導体積層体（２２０）との界面よりも上記基板（１０）側の領域の上記界面近傍の位置に塩素濃度ピーク（Ｐ１０）を有し、
    　上記塩素濃度ピーク（Ｐ１０）の塩素濃度は、
    　５.０×１０１６ｃｍ－３以上かつ９.６×１０１７ｃｍ－３以下であることを特徴とする窒化物半導体装置。
  4. 　請求項１から３のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置において、
    　上記窒化物半導体積層体（２０，２２０）は、
    　上記第２の窒化物半導体層（２，２０２）を貫通して上記ヘテロ界面近傍の２次元電子ガス層に達する凹部（１０６，１０９）を有し、
    　上記凹部（１０６，１０９）に上記オーミック電極（１１，１２）の少なくとも一部が埋め込まれていることを特徴とする窒化物半導体装置。
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