JP2015073002A - Compound semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、化合物半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a compound semiconductor device and a manufacturing method thereof.
窒化物半導体は、高い飽和電子速度及びワイドバンドギャップ等の特徴を有している。このため、これらの特性を利用して窒化物半導体を高耐圧及び高出力の半導体デバイスに適用することについて種々の検討が行われている。窒化物半導体を用いた半導体デバイスとしては、電界効果トランジスタ、特に高電子移動度トランジスタ(HEMT:high electron mobility transistor)についての報告が数多くなされている。例えば、GaNを電子走行層、AlGaNを電子供給層として用いたGaN系HEMTが注目されている。 A nitride semiconductor has characteristics such as a high saturation electron velocity and a wide band gap. For this reason, various studies have been conducted on applying nitride semiconductors to high breakdown voltage and high output semiconductor devices using these characteristics. As semiconductor devices using nitride semiconductors, many reports have been made on field effect transistors, particularly high electron mobility transistors (HEMTs). For example, GaN-based HEMTs using GaN as an electron transit layer and AlGaN as an electron supply layer have attracted attention.
しかしながら、従来のGaN系HEMTには、ドレイン電極の下方における空乏化及びそれに伴う耐圧の低下という問題点がある。 However, the conventional GaN-based HEMT has a problem of depletion below the drain electrode and a reduction in breakdown voltage associated therewith.
本発明の目的は、耐圧を更に向上することができる化合物半導体装置及びその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a compound semiconductor device capable of further improving the breakdown voltage and a method for manufacturing the same.
化合物半導体装置の一態様には、チャネル層と、前記チャネル層の上方に形成された電子供給層と、前記電子供給層の上方に形成されたゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極と、が設けられている。前記ドレイン電極には、前記電子供給層にオーミック接合した第1の部分と、前記第1の部分よりも前記ゲート電極から離間する側で前記チャネル層の前記第1の部分の直下における上面よりも深い部分まで達する第2の部分と、が含まれている。 In one embodiment of the compound semiconductor device, a channel layer, an electron supply layer formed above the channel layer, and a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode formed above the electron supply layer are provided. It has been. The drain electrode includes a first portion that is in ohmic contact with the electron supply layer and an upper surface immediately below the first portion of the channel layer on a side farther from the gate electrode than the first portion. And a second portion reaching a deep portion.
化合物半導体装置の製造方法の一態様では、チャネル層の上方に電子供給層を形成し、前記電子供給層の上方にゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極を形成する。前記ドレイン電極には、前記電子供給層にオーミック接合した第1の部分と、前記第1の部分よりも前記ゲート電極から離間する側で前記チャネル層の前記第1の部分の直下における上面よりも深い部分まで達する第2の部分と、が含まれている。 In one embodiment of the method for manufacturing a compound semiconductor device, an electron supply layer is formed above the channel layer, and a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode are formed above the electron supply layer. The drain electrode includes a first portion that is in ohmic contact with the electron supply layer and an upper surface immediately below the first portion of the channel layer on a side farther from the gate electrode than the first portion. And a second portion reaching a deep portion.
上記の化合物半導体装置等によれば、コンタクト抵抗の上昇を回避しながら、耐圧を向上することができる。 According to the above compound semiconductor device or the like, the breakdown voltage can be improved while avoiding an increase in contact resistance.
以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
(第1の実施形態)
先ず、第1の実施形態について説明する。図1は、第1の実施形態に係る化合物半導体装置(GaN系HEMT)の構造を示す図である。図1(a)は断面図であり、図1(b)はレイアウト図である。図1(a)は図1(b)中のI−I線に沿った断面に相当する。
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described. FIG. 1 is a diagram illustrating a structure of a compound semiconductor device (GaN-based HEMT) according to the first embodiment. FIG. 1A is a cross-sectional view, and FIG. 1B is a layout diagram. FIG. 1A corresponds to a cross section taken along line I-I in FIG.
第1の実施形態では、図1に示すように、チャネル層11の上方に電子供給層12が形成され、電子供給層12の上方にゲート電極13、ソース電極14、及びドレイン電極15が形成されている。ドレイン電極15には、電子供給層12にオーミック接合した第1の部分15aと、第1の部分15aよりもゲート電極13から離間する側でチャネル層11の第1の部分15aの直下における上面よりも深い部分まで達する第2の部分15bと、が含まれる。
In the first embodiment, as shown in FIG. 1, the
このように構成された第1の実施形態では、第1の部分15aの直下に、チャネル層11と電子供給層12との界面が存在するため、チャネル層11のこの界面の近傍に2次元電子ガス(2DEG)が存在する。また、第1の部分15aは電子供給層12にオーミック接合している。従って、第1の部分15aと2次元電子ガスとの間の抵抗が低い。
In the first embodiment configured as described above, since the interface between the
また、第2の部分15bがチャネル層11に入り込むように形成されているため、図2(b)に示す第2の部分15bが形成されていない参考例と比較すると、図2(a)に示すように、チャネル層11の厚さ方向における電位勾配が緩やかになり、ドレイン電圧が増大しても電位勾配はほとんど変化しない。このため、ドレイン電極15の下方における空乏化が十分に抑制される。つまり、空乏層端16がドレイン電極15の下方まで移動しにくい。この結果、ドレイン電極15のゲート電極13側の端部近傍での電界集中が抑制され、アバランシェ降伏が抑制される。従って、耐圧を更に向上することができる。
Further, since the
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。図3は、第2の実施形態に係る化合物半導体装置(GaN系HEMT)の構造を示す断面図である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. FIG. 3 is a sectional view showing the structure of a compound semiconductor device (GaN-based HEMT) according to the second embodiment.
第2の実施形態では、図3に示すように、基板26の上方にバッファ層27が形成され、バッファ層27の上方にチャネル層21が形成され、チャネル層21の上方に電子供給層22が形成されている。電子供給層22のバンドギャップはチャネル層21のバンドギャップより大きい。基板26としては、例えば不純物としてBがドーピングされたp型シリコン基板又は意図的な不純物のドーピングがされていないシリコン基板が用いられる。p型シリコン基板の例として、厚さが645μm〜1mmでBが8×1019±8×1018cm-3の濃度でドーピングされたものが挙げられる。バッファ層27としては、例えばAl組成が20%〜100%のAlGaN層、又は、AlN層及びGaN層を交互に複数積層した積層体が用いられる。バッファ層27として、基板26との界面から離間するほどAl組成が減少するAlxGa(1-x)N(0<x≦1)層(基板26との界面ではAlN)が用いられてもよい。バッファ層27の厚さは、例えば100nm〜2μmである。チャネル層21としては、例えば意図的な不純物のドーピングがされていないGaN(i−GaN)層が用いられる。チャネル層21の厚さは、例えば100nm〜1.2μmである。電子供給層22としては、例えばAl組成が10%〜30%のAlGaN層が用いられる。電子供給層22の厚さは、例えば5nm〜40nmである。
In the second embodiment, as shown in FIG. 3, the
電子供給層22の上方に保護膜28が形成されており、保護膜28にゲート電極用の開口部29が形成されている。開口部29に入り込むようにしてゲート絶縁膜30が形成されており、ゲート絶縁膜30の上方にゲート電極23が形成されている。導電膜31及び導電膜32がゲート電極23に含まれる。保護膜28としては、例えばシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、又は、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜の積層体が用いられる。保護膜28の厚さは、例えば20nm〜500nmである。ゲート絶縁膜30としては、例えばAl2O3膜、SiO2膜、SiN膜、HfO2膜、及びAlN膜からなる群から選択された1種以上を含む膜が用いられる。開口部29のゲート長方向の長さは、例えば0.5μm〜4μmである。ゲート絶縁膜30の厚さは、例えば40nm±2nmである。導電膜31としては、例えばTiN膜が用いられ、導電膜32としては、例えばAl膜が用いられる。導電膜31の厚さは、例えば40nm±10nmであり、導電膜32の厚さは、例えば500nm±100nmである。
A
保護膜28の上方にゲート電極23を覆う層間絶縁膜33が形成されている。ソース電極用の開口部34及びドレイン電極用の開口部35が層間絶縁膜33及び保護膜28に形成されている。電子供給層22を貫通し、チャネル層21の途中まで達する開口部36が平面視で開口部35の内側に形成されている。開口部36の電子供給層22の上面を基準とした深さは、例えば0.3μm〜0.7μmである。また、開口部35のゲート電極23側の端部と開口部36のゲート電極23側の端部との距離は、例えば0.1μm〜0.8μmである。開口部34内にソース電極24が形成され、開口部35及び開口部36内にドレイン電極25が形成されている。ソース電極24の一部及びドレイン電極25の一部が層間絶縁膜33の上にある。導電膜37及び導電膜38が、ソース電極24及びドレイン電極25の双方に含まれる。層間絶縁膜33としては、例えばシリコン酸化膜が用いられる。導電膜37としては、例えば仕事関数が4.5eV未満の材料の膜が用いられる。仕事関数が4.5eV未満の材料としては、Al、Ti、TiN(メタルリッチ)、Ta、TaN(メタルリッチ)、Zr、TaC(メタルリッチ)、NiSi2及びAg等が挙げられる。導電膜37に仕事関数が低い材料を用いるのは、ソース電極24及びドレイン電極25の直下の半導体とのバリア障壁を減じることによって、低コンタクト抵抗を得るためである。導電膜38としては、例えばAlを主原料とする膜(例えばAl膜)が用いられる。導電膜37の厚さは、例えば1nm〜100nmであり、導電膜38の厚さは、例えば20nm〜500nmである。
An interlayer insulating
ドレイン電極25には、開口部36よりもゲート電極23側で電子供給層22にオーミック接合した第1の部分25aと、第1の部分25aよりもゲート電極23から離間する側でチャネル層21の第1の部分25aの直下における上面よりも深い部分まで達する第2の部分25bと、が含まれる。
The
このように構成された第2の実施形態では、第1の部分25aの直下に、チャネル層21と電子供給層22との界面が存在するため、チャネル層21のこの界面の近傍に2次元電子ガスが存在する。また、第1の部分25aは電子供給層22にオーミック接合している。従って、第1の部分25aと2次元電子ガスとの間の抵抗が低い。
In the second embodiment configured as described above, since the interface between the
また、第2の部分25bがチャネル層21に入り込むように形成されているため、ドレイン電極25の下方における空乏化が十分に抑制される。この結果、ドレイン電極25のゲート電極13側の端部近傍での電界集中が抑制され、アバランシェ降伏が抑制される。従って、耐圧を更に向上することができる。
Further, since the
なお、開口部36の深さ、つまり第2の部分25bの下端の電子供給層22の上面からの距離は、当該化合物半導体装置に要求される厚さ方向の耐圧に応じて決定することが好ましい。
The depth of the
次に、第2の実施形態に係る化合物半導体装置を製造する方法について説明する。図4A乃至図4Cは、第2の実施形態に係る化合物半導体装置を製造する方法を工程順に示す断面図である。 Next, a method for manufacturing the compound semiconductor device according to the second embodiment will be described. 4A to 4C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the compound semiconductor device according to the second embodiment in the order of steps.
先ず、図4A(a)に示すように、基板26上に、例えば有機金属気相成長(MOVPE:metal organic vapor phase epitaxy)法により、バッファ層27、チャネル層21、及び電子供給層22を形成する。次いで、電子供給層22上に、例えばプラズマ化学気相成長(CVD:chemical vapor deposition)法により保護膜28を形成する。保護膜28を熱CVD法又は原子層堆積(ALD:atomic layer deposition)法により形成してもよい。
First, as shown in FIG. 4A (a), a
その後、図4A(b)に示すように、保護膜28に開口部29を形成する。開口部29の形成では、開口部29を形成する予定の領域を露出し、他の領域を覆うレジストパターンを保護膜28上に形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ素系ガスを用いたドライエッチング法により保護膜28をエッチングする。そして、このレジストパターンを除去する。開口部29の形成後には、保護膜28上に、例えばプラズマCVD法によりゲート絶縁膜30を形成する。ゲート絶縁膜30は開口部29の内側にも形成する。次いで、ゲート絶縁膜30上に、例えばスパッタリング法により導電膜31及び導電膜32を形成する。
Thereafter, an
その後、図4A(c)に示すように、導電膜32、導電膜31、及びゲート絶縁膜30を加工してゲート電極23を形成する。ゲート電極23の形成では、ゲート電極23を形成する予定の領域を覆い、他の領域を露出するレジストパターンを導電膜32上に形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチング法により保護膜28が露出するまで導電膜32、導電膜31、及びゲート絶縁膜30をエッチングする。そして、このレジストパターンを除去する。
Thereafter, as shown in FIG. 4A (c), the
続いて、図4B(d)に示すように、保護膜28上に、例えばプラズマCVD法により、ゲート電極23及びゲート絶縁膜30を覆う層間絶縁膜33を形成する。層間絶縁膜33の材料としては、例えばテトラエトキシシラン(TEOS:tetraethylorthosilicate)を用いる。次いで、層間絶縁膜33上に、ソース電極用の開口部34を形成する予定の領域及びドレイン電極用の開口部35を形成する予定の領域を露出し、他の領域を覆うレジストパターン51を形成する。その後、レジストパターン51をマスクとして、例えばフッ素系ガスを用いたドライエッチング法により層間絶縁膜33及び保護膜28をエッチングして、電子供給層22の上面を露出させる。この結果、開口部34及び開口部35が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 4B (d), an
続いて、図4B(e)に示すように、レジストパターン51を除去し、層間絶縁膜33及び電子供給層22上に、ドレイン電極用の開口部36を形成する予定の領域を露出し、他の領域を覆うレジストパターン52を形成する。次いで、レジストパターン52をマスクとして電子供給層22及びチャネル層21をエッチングすることにより、開口部36を形成する。このエッチングでは、例えば、パワーを1200±300Wとし、圧力を1.3±0.3mmTorrとし、Cl2の流量を75±10sccmとし、時間を1分間〜3分間とする。
Subsequently, as shown in FIG. 4B (e), the resist pattern 51 is removed, and a region where a
その後、図4B(f)に示すように、レジストパターン52を除去し、層間絶縁膜33、電子供給層22、及びチャネル層21上に、例えば物理気相成長(PVD:physical vapor deposition)法により導電膜37及び導電膜38を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 4B (f), the resist
続いて、図4C(g)に示すように、導電膜38上に、ソース電極24を形成する予定の領域及びドレイン電極25を形成する予定の領域を覆い、他の領域を露出するレジストパターン53を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 4C (g), a resist
次いで、図4C(h)に示すように、レジストパターン53をマスクとして、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチング法により層間絶縁膜33が露出するまで導電膜38及び導電膜37をエッチングする。この結果、ソース電極24及びドレイン電極25が形成される。このとき、オーバーエッチングにより層間絶縁膜33の上層部をエッチングしてもよい。ソース電極24及びドレイン電極25の形成後には、レジストパターン53を除去し、アニール処理を行って導電膜38及び導電膜37をよりコンタクト抵抗が低い導電膜に変化させる。例えば、このアニール処理の雰囲気は、希ガス、窒素、酸素、アンモニア及び水素の1種又は2種以上を含有する雰囲気とし、時間は180秒間以下とし、温度は550℃〜650℃とする。導電膜38にAlが含有されている場合、このアニール処理によって、Alと導電膜37とが反応し、半導体部分(電子供給層22)に対して微少なAlスパイクが生じる。この結果、コンタクト抵抗が低下する。このとき、Alの低い仕事関数も低抵抗化に寄与する。
Next, as shown in FIG. 4C (h), using the resist
そして、必要に応じて保護膜及び配線等を形成して、化合物半導体装置(GaN系HEMT)を完成させる。 Then, a protective film, wiring, and the like are formed as necessary to complete the compound semiconductor device (GaN-based HEMT).
なお、図5に示すように、電子供給層22が、意図的な不純物のドーピングがされていないAlGaN(i−AlGaN)層22a、n型不純物がドーピングされたn型のAlGaN(n−AlGaN)層22b、及びn型不純物がドーピングされたn型のGaN(n−GaN)層22cを含んでいてもよい。i−AlGaN層22aはスペーサ層とよばれることがある。n−GaN層22cは保護層又はキャップ層とよばれることがある。
As shown in FIG. 5, the
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について説明する。図6は、第3の実施形態に係る化合物半導体装置(GaN系HEMT)の構造を示す断面図である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a compound semiconductor device (GaN-based HEMT) according to the third embodiment.
第3の実施形態では、図6に示すように、第2の実施形態と同様に、基板26の上方にバッファ層27が形成され、バッファ層27の上方にチャネル層21が形成され、チャネル層21の上方に電子供給層22が形成されている。電子供給層22の上方にp型化合物半導体層41が形成され、その上方に導電膜42が形成されている。p型化合物半導体層41としては、例えばp型GaN層が用いられる。このp型GaN層には、例えばMgが1×1019cm-3〜4×1019cm-3の濃度でドーピングされている。p型化合物半導体層41の厚さは、例えば10nm〜300nmである。導電膜42としては、例えばTiN膜が用いられる。導電膜42の厚さは、例えば20nm〜150nmである。p型化合物半導体層41及び導電膜42のゲート長方向の長さは、例えば0.5μm〜2μmである。
In the third embodiment, as shown in FIG. 6, the
電子供給層22の上方にp型化合物半導体層41及び導電膜42を覆う保護膜43が形成されており、導電膜42の一部を露出する開口部44が保護膜43に形成されている。開口部44を通じて導電膜42と接する導電膜45が保護膜43上に形成されている。保護膜43としては、例えば保護膜28と同様のものが用いられる。導電膜45としては、例えば仕事関数が4.5eV以上の材料の膜が用いられる。仕事関数が4.5eV以上の材料としては、Au、Ni、Co、TiN(窒素リッチ)、TaN(窒素リッチ)、TaC(カーボンリッチ)、Pt、W、Ru、Ni3Si、Pd等が挙げられる。導電膜45の厚さは、例えば10nm〜500nmである。導電膜42及び導電膜45がゲート電極23に含まれる。
A
他の構成は第2の実施形態と同様である。 Other configurations are the same as those of the second embodiment.
このように構成された第3の実施形態によっても第2の実施形態と同様の効果が得られる。更に、第3の実施形態によればノーマリーオフ動作が実現可能である。 According to the third embodiment configured as described above, the same effect as that of the second embodiment can be obtained. Furthermore, according to the third embodiment, a normally-off operation can be realized.
次に、第3の実施形態に係る化合物半導体装置を製造する方法について説明する。図7A乃至図7Dは、第3の実施形態に係る化合物半導体装置を製造する方法を工程順に示す断面図である。 Next, a method for manufacturing the compound semiconductor device according to the third embodiment will be described. 7A to 7D are cross-sectional views showing a method of manufacturing the compound semiconductor device according to the third embodiment in the order of steps.
先ず、図7A(a)に示すように、基板26上に、例えばMOVPE法により、バッファ層27、チャネル層21、電子供給層22、及びp型化合物半導体層41を形成する。次いで、p型化合物半導体層41上に、例えばスパッタリング法により導電膜42を形成する。
First, as shown in FIG. 7A (a), the
その後、図7A(b)に示すように、導電膜42上に、導電膜42及びp型化合物半導体層41の残存させる領域を覆い、他の領域を露出するレジストパターン54を形成する。続いて、レジストパターン54をマスクとして、例えば塩素系ガス又はSFx系ガスを用いたドライエッチング法により電子供給層22が露出するまで導電膜42及びp型化合物半導体層41をエッチングする。
Thereafter, as shown in FIG. 7A (b), a resist pattern 54 is formed on the
次いで、図7A(c)に示すように、レジストパターン54を除去し、例えばプラズマCVD法により、導電膜42及びp型化合物半導体層41を覆う保護膜43を形成する。保護膜43を熱CVD法又はALD法により形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 7A (c), the resist pattern 54 is removed, and a
その後、図7B(d)に示すように、保護膜43上に、開口部44を形成する予定の領域を露出し、他の領域を覆うレジストパターン55を形成する。続いて、レジストパターン55をマスクとして、例えばフッ酸を含む薬液を用いたウェットエッチングを行う。この結果、開口部44が形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 7B (d), a resist
次いで、図7B(e)に示すように、レジストパターン55を除去し、保護膜43及び導電膜42上に、例えばPVD法により導電膜45を形成する。
Next, as shown in FIG. 7B (e), the resist
その後、図7B(f)に示すように、導電膜45を加工してゲート電極23を形成する。ゲート電極23の形成では、導電膜45の残存させる領域を覆い、他の領域を露出するレジストパターンを導電膜45上に形成し、このレジストパターンをマスクとして、ドライエッチング法により保護膜43が露出するまで導電膜45をエッチングする。そして、このレジストパターンを除去する。
Thereafter, as shown in FIG. 7B (f), the
続いて、図7C(g)に示すように、保護膜43上に、例えばプラズマCVD法により、ゲート電極23を覆う層間絶縁膜33を形成する。次いで、層間絶縁膜33上に、ソース電極用の開口部34を形成する予定の領域及びドレイン電極用の開口部35を形成する予定の領域を露出し、他の領域を覆うレジストパターン51を形成する。その後、第2の実施形態と同様にして、開口部34及び開口部35を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 7C (g), an
続いて、図7C(h)に示すように、第2の実施形態と同様にして、レジストパターン52を形成し、開口部36を形成する。次いで、図7C(i)に示すように、レジストパターン52を除去し、導電膜37及び導電膜38を形成する。その後、図7D(j)に示すように、レジストパターン53を形成する。続いて、図7D(k)に示すように、導電膜38及び導電膜37をエッチングすることにより、ソース電極24及びドレイン電極25を形成する。次いで、レジストパターン53を除去し、アニール処理を行って導電膜38及び導電膜37をよりコンタクト抵抗が低い導電膜に変化させる。
Subsequently, as shown in FIG. 7C (h), a resist
そして、必要に応じて保護膜及び配線等を形成して、化合物半導体装置(GaN系HEMT)を完成させる。 Then, a protective film, wiring, and the like are formed as necessary to complete the compound semiconductor device (GaN-based HEMT).
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態について説明する。図8は、第4の実施形態に係る化合物半導体装置(GaN系HEMT)の構造を示す断面図である。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. FIG. 8 is a cross-sectional view showing the structure of a compound semiconductor device (GaN-based HEMT) according to the fourth embodiment.
第4の実施形態では、開口部36が形成されておらず、電子供給層22を貫通し、チャネル層21の途中まで達する不純物拡散層47が平面視で開口部35の内側に形成されている。開口部35のゲート電極23側の端部と不純物拡散層47のゲート電極23側の端部との距離は、例えば0.1μm〜0.8μmである。不純物拡散層47には、例えばn型不純物としてSiがドーピングされている。導電膜37及び導電膜38のドレイン電極25に含まれる部分は不純物拡散層47の上方に形成されている。不純物拡散層47はドレイン電極25の第2の部分25bに含まれる。他の構成は第2の実施形態と同様である。
In the fourth embodiment, the
このように構成された第4の実施形態によっても第2の実施形態と同様の効果が得られる。更に、後述のように、第2の実施形態と比較して少ない工程で製造することができる。 According to the fourth embodiment configured as described above, the same effect as in the second embodiment can be obtained. Furthermore, as will be described later, it can be manufactured with fewer steps compared to the second embodiment.
なお、不純物拡散層47の下端の電子供給層22の上面からの距離は、当該化合物半導体装置に要求される厚さ方向の耐圧に応じて決定することが好ましい。
The distance from the upper surface of the
次に、第4の実施形態に係る化合物半導体装置を製造する方法について説明する。図9A乃至図9Bは、第4の実施形態に係る化合物半導体装置を製造する方法を工程順に示す断面図である。 Next, a method for manufacturing the compound semiconductor device according to the fourth embodiment will be described. 9A to 9B are cross-sectional views showing a method of manufacturing the compound semiconductor device according to the fourth embodiment in the order of steps.
先ず、図9A(a)に示すように、第2の実施形態と同様にして、レジストパターン52の形成までの処理を行う。次いで、図9A(b)に示すように、電子供給層22及びチャネル層21のエッチングを行わずに、n型不純物のイオン注入を行い、電子供給層22を貫通し、チャネル層21の途中まで達する不純物注入領域46を形成する。このイオン注入では、例えば、注入エネルギを300keV〜800keVとし、ドーズ量を1×1013cm-2〜5×1013cm-2とし、傾斜角を0°〜7°とする。
First, as shown in FIG. 9A, processing up to the formation of the resist
その後、図9A(c)に示すように、レジストパターン52を除去し、不純物注入領域46中のn型不純物を活性化させて不純物拡散層47を形成する。n型不純物の活性化では、例えば1000℃〜1200℃の温度での熱処理を行う。
Thereafter, as shown in FIG. 9A (c), the resist
続いて、図9B(d)に示すように、第2の実施形態と同様にして、導電膜37及び導電膜38を形成する。次いで、図9B(e)に示すように、導電膜38及び導電膜37を加工することにより、ソース電極24及びドレイン電極25を形成する。その後、アニール処理を行って導電膜38及び導電膜37をよりコンタクト抵抗が低い導電膜に変化させる。
Subsequently, as shown in FIG. 9B (d), a
そして、必要に応じて保護膜及び配線等を形成して、化合物半導体装置(GaN系HEMT)を完成させる。 Then, a protective film, wiring, and the like are formed as necessary to complete the compound semiconductor device (GaN-based HEMT).
このように、第4の実施形態に係る化合物半導体装置は、第2の実施形態と比較して少ない工程で製造することができる。 Thus, the compound semiconductor device according to the fourth embodiment can be manufactured with fewer steps compared to the second embodiment.
(第5の実施形態)
次に、第5の実施形態について説明する。図10は、第5の実施形態に係る化合物半導体装置(GaN系HEMT)の構造を示す断面図である。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described. FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of a compound semiconductor device (GaN-based HEMT) according to the fifth embodiment.
第5の実施形態では、第4の実施形態と同様に、開口部36が形成されておらず、電子供給層22を貫通し、チャネル層21の途中まで達する不純物拡散層47が平面視で開口部35の内側に形成されている。他の構成は第3の実施形態と同様である。
In the fifth embodiment, as in the fourth embodiment, the
このように構成された第5の実施形態によっても第3の実施形態と同様の効果が得られる。更に、後述のように、第3の実施形態と比較して少ない工程で製造することができる。 According to the fifth embodiment configured as described above, the same effect as in the third embodiment can be obtained. Furthermore, as will be described later, it can be manufactured with fewer steps compared to the third embodiment.
次に、第5の実施形態に係る化合物半導体装置を製造する方法について説明する。図11A乃至図11Bは、第5の実施形態に係る化合物半導体装置を製造する方法を工程順に示す断面図である。 Next, a method for manufacturing the compound semiconductor device according to the fifth embodiment will be described. 11A to 11B are cross-sectional views showing a method of manufacturing the compound semiconductor device according to the fifth embodiment in the order of steps.
先ず、図11A(a)に示すように、第3の実施形態と同様にして、レジストパターン52の形成までの処理を行う。次いで、図11A(b)に示すように、第4の実施形態と同様にして不純物注入領域46を形成する。
First, as shown in FIG. 11A, processing up to the formation of the resist
その後、図11A(c)に示すように、第4の実施形態と同様にして、レジストパターン52を除去し、不純物注入領域46中のn型不純物を活性化させて不純物拡散層47を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 11A (c), the resist
続いて、図11B(d)に示すように、第2の実施形態と同様にして、導電膜37及び導電膜38を形成する。次いで、図11B(e)に示すように、導電膜38及び導電膜37を加工することにより、ソース電極24及びドレイン電極25を形成する。その後、アニール処理を行って導電膜38及び導電膜37をよりコンタクト抵抗が低い導電膜に変化させる。
Subsequently, as shown in FIG. 11B (d), a
そして、必要に応じて保護膜及び配線等を形成して、化合物半導体装置(GaN系HEMT)を完成させる。 Then, a protective film, wiring, and the like are formed as necessary to complete the compound semiconductor device (GaN-based HEMT).
このように、第5の実施形態に係る化合物半導体装置は、第3の実施形態と比較して少ない工程で製造することができる。 As described above, the compound semiconductor device according to the fifth embodiment can be manufactured with fewer steps compared with the third embodiment.
なお、第3の実施形態、第4の実施形態、第5の実施形態で図5に示す変形例のような電子供給層22を用いてもよい。
In addition, you may use the
次に、本願発明者が行った第1及び第2のシミュレーションについて説明する。図12は、第1及び第2のシミュレーションのモデルの概要を示す断面図である。第1のシミュレーションでは、第2の部分25bの電子供給層22の上面を基準とした深さを変化させたときの電界強度の変化を検証し、第2のシミュレーションでは、第1の部分25aの電流が流れる方向の長さLを変化させたときの電界強度の変化を検証した。つまり、第1のシミュレーションでは、第1の部分25aの長さLを0.5μmに固定し、第2の部分25bの深さDを変化させ、第2のシミュレーションでは、第2の部分25bの深さDを0.4μmに固定し、第1の部分25aの長さLを変化させた。また、ドレイン電圧は250Vとし、ゲート電圧は−8.2V(オフ)とした。第1のシミュレーションの結果を図13に示し、第2のシミュレーションの結果を図14に示す。
Next, the first and second simulations performed by the inventor will be described. FIG. 12 is a cross-sectional view showing an outline of the first and second simulation models. In the first simulation, the change in the electric field strength when the depth with respect to the upper surface of the
図13に示すように、第2の部分25bが深いほど、電界強度が緩和された。また、図14に示すように、第1の部分25aが短いほど、電界強度が緩和された。その一方で、第2の部分25aが短いほどオーミック接合の面積が減少するためコンタクト抵抗が高くなることは明らかである。従って、第2の部分25bの深さDは大きいほど好ましく、第1の部分25aの長さLは電界強度及びコンタクト抵抗に応じて決定することが好ましい。
As shown in FIG. 13, the deeper the
次に、本願発明者が行った第3のシミュレーションについて説明する。第3のシミュレーションでは、第2の実施形態と同様の第1のモデル、及び第1のモデルから第2の部分に相当する部分を除いて得られる第2のモデルの各々におけるドレイン電極近傍の電位分布を検証した。つまり、図15に示すように、基板126、バッファ層127、チャネル層121、電子供給層122、保護層128、層間絶縁膜133、及びドレイン電極125を備えたモデルにおけるドレイン電極125の近傍の電位分布を検証した。図15(a)に第1のモデルのシミュレーション結果を示し、図15(b)に第2のモデルのシミュレーション結果を示す。
Next, a third simulation performed by the inventor will be described. In the third simulation, the potential in the vicinity of the drain electrode in each of the first model similar to the second embodiment and the second model obtained by excluding the portion corresponding to the second portion from the first model. The distribution was verified. That is, as shown in FIG. 15, the potential in the vicinity of the drain electrode 125 in the model including the
図15に示すように、第2のモデルでは、チャネル層121中の等電位線が比較的平坦であり、第1のモデルでは、チャネル層121中の等電位線がドレイン電極125の下方で深い部分に向かって大きく曲がっていた。このことは、第1のモデルでは、第2のモデルと比較して、チャネル層121の深い部分でより高電位になっていることを意味する。このため、第1のモデルでは、第2のモデルと比較してドレイン電極端の近傍での空乏化を抑制することができ、ドレイン電極の角の電界を緩和することができるといえる。
As shown in FIG. 15, in the second model, the equipotential lines in the
なお、チャネル層及び電子供給層の材料はGaN系半導体に限定されず、AlN系半導体又はInN系半導体等の他の窒化物半導体が用いられてもよい。例えば、電子走行層としてInAlN層が用いられ、電子供給層としてAlN層が用いられてもよい。 The material of the channel layer and the electron supply layer is not limited to a GaN-based semiconductor, and other nitride semiconductors such as an AlN-based semiconductor or an InN-based semiconductor may be used. For example, an InAlN layer may be used as the electron transit layer, and an AlN layer may be used as the electron supply layer.
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。 Hereinafter, various aspects of the present invention will be collectively described as supplementary notes.
(付記1)
チャネル層と、
前記チャネル層の上方に形成された電子供給層と、
前記電子供給層の上方に形成されたゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極と、
を有し、
前記ドレイン電極は、
前記電子供給層にオーミック接合した第1の部分と、
前記第1の部分よりも前記ゲート電極から離間する側で前記チャネル層の前記第1の部分の直下における上面よりも深い部分まで達する第2の部分と、
を有することを特徴とする化合物半導体装置。
(Appendix 1)
A channel layer;
An electron supply layer formed above the channel layer;
A gate electrode, a source electrode, and a drain electrode formed above the electron supply layer;
Have
The drain electrode is
A first portion in ohmic contact with the electron supply layer;
A second portion reaching a portion deeper than an upper surface of the channel layer immediately below the first portion on a side farther from the gate electrode than the first portion;
A compound semiconductor device comprising:
(付記2)
前記電子供給層と前記ドレイン電極との間に形成されたp型化合物半導体層を有することを特徴とする付記1に記載の化合物半導体装置。
(Appendix 2)
The compound semiconductor device according to
(付記3)
前記第2の部分は、金属膜を含むことを特徴とする付記1又は2に記載の化合物半導体装置。
(Appendix 3)
The compound semiconductor device according to
(付記4)
前記第2の部分は、不純物拡散層を含むことを特徴とする付記1又は2に記載の化合物半導体装置。
(Appendix 4)
The compound semiconductor device according to
(付記5)
前記電子供給層を覆う保護膜を有することを特徴とする付記1乃至4のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
(Appendix 5)
The compound semiconductor device according to any one of
(付記6)
前記チャネル層及び前記電子供給層はそれぞれ、少なくとも窒素とガリウムを含む組成を有する化合物半導体層であることを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
(Appendix 6)
6. The compound semiconductor device according to any one of
(付記7)
チャネル層の上方に電子供給層を形成する工程と、
前記電子供給層の上方にゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極を形成する工程と、
を有し、
前記ドレイン電極は、
前記電子供給層にオーミック接合した第1の部分と、
前記第1の部分よりも前記ゲート電極から離間する側で前記チャネル層の前記第1の部分の直下における上面よりも深い部分まで達する第2の部分と、
を有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
(Appendix 7)
Forming an electron supply layer above the channel layer;
Forming a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode above the electron supply layer;
Have
The drain electrode is
A first portion in ohmic contact with the electron supply layer;
A second portion reaching a portion deeper than an upper surface of the channel layer immediately below the first portion on a side farther from the gate electrode than the first portion;
A method for producing a compound semiconductor device, comprising:
(付記8)
前記電子供給層と前記ドレイン電極との間にp型化合物半導体層を形成する工程を有することを特徴とする付記7に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(Appendix 8)
The method of manufacturing a compound semiconductor device according to appendix 7, further comprising a step of forming a p-type compound semiconductor layer between the electron supply layer and the drain electrode.
(付記9)
前記ドレイン電極を形成する工程は、
前記電子供給層及び前記チャネル層に、前記チャネル層の上面よりも深い部分まで達する開口部を形成する工程と、
前記電子供給層上及び前記開口部内に金属膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする付記7又は8に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(Appendix 9)
The step of forming the drain electrode includes:
Forming an opening reaching a portion deeper than the upper surface of the channel layer in the electron supply layer and the channel layer;
Forming a metal film on the electron supply layer and in the opening;
The method for producing a compound semiconductor device according to appendix 7 or 8, characterized by comprising:
(付記10)
前記ドレイン電極を形成する工程は、
前記電子供給層及び前記チャネル層に、前記チャネル層の上面よりも深い部分まで達する不純物拡散層を形成する工程と、
前記電子供給層上及び前記不純物拡散層上に金属膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする付記7又は8に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(Appendix 10)
The step of forming the drain electrode includes:
Forming an impurity diffusion layer reaching a portion deeper than the upper surface of the channel layer in the electron supply layer and the channel layer;
Forming a metal film on the electron supply layer and the impurity diffusion layer;
The method for producing a compound semiconductor device according to appendix 7 or 8, characterized by comprising:
(付記11)
前記電子供給層を覆う保護膜を形成する工程を有することを特徴とする付記7乃至10のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(Appendix 11)
11. The method of manufacturing a compound semiconductor device according to any one of appendices 7 to 10, further comprising a step of forming a protective film that covers the electron supply layer.
(付記12)
前記チャネル層及び前記電子供給層をそれぞれ、少なくとも窒素とガリウムを含む組成を有する化合物半導体層により形成することを特徴とする付記7乃至11のいずれか1項記載の化合物半導体装置の製造方法。
(Appendix 12)
12. The method of manufacturing a compound semiconductor device according to any one of appendices 7 to 11, wherein the channel layer and the electron supply layer are each formed of a compound semiconductor layer having a composition containing at least nitrogen and gallium.
11、21:チャネル層
12、22:電子供給層
13、23:ゲート電極
14、24:ソース電極
15、25:ドレイン電極
15a、25a:第1の部分
15b、25b:第2の部分
36:開口部
47:不純物拡散層
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記チャネル層の上方に形成された電子供給層と、
前記電子供給層の上方に形成されたゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極と、
を有し、
前記ドレイン電極は、
前記電子供給層にオーミック接合した第1の部分と、
前記第1の部分よりも前記ゲート電極から離間する側で前記チャネル層の前記第1の部分の直下における上面よりも深い部分まで達する第2の部分と、
を有することを特徴とする化合物半導体装置。 A channel layer;
An electron supply layer formed above the channel layer;
A gate electrode, a source electrode, and a drain electrode formed above the electron supply layer;
Have
The drain electrode is
A first portion in ohmic contact with the electron supply layer;
A second portion reaching a portion deeper than an upper surface of the channel layer immediately below the first portion on a side farther from the gate electrode than the first portion;
A compound semiconductor device comprising:
前記電子供給層の上方にゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極を形成する工程と、
を有し、
前記ドレイン電極は、
前記電子供給層にオーミック接合した第1の部分と、
前記第1の部分よりも前記ゲート電極から離間する側で前記チャネル層の前記第1の部分の直下における上面よりも深い部分まで達する第2の部分と、
を有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。 Forming an electron supply layer above the channel layer;
Forming a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode above the electron supply layer;
Have
The drain electrode is
A first portion in ohmic contact with the electron supply layer;
A second portion reaching a portion deeper than an upper surface of the channel layer immediately below the first portion on a side farther from the gate electrode than the first portion;
A method for producing a compound semiconductor device, comprising:
前記電子供給層及び前記チャネル層に、前記チャネル層の上面よりも深い部分まで達する開口部を形成する工程と、
前記電子供給層上及び前記開口部内に金属膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする請求項6又は7に記載の化合物半導体装置の製造方法。 The step of forming the drain electrode includes:
Forming an opening reaching a portion deeper than the upper surface of the channel layer in the electron supply layer and the channel layer;
Forming a metal film on the electron supply layer and in the opening;
The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 6 or 7, wherein:
前記電子供給層及び前記チャネル層に、前記チャネル層の上面よりも深い部分まで達する不純物拡散層を形成する工程と、
前記電子供給層上及び前記不純物拡散層上に金属膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする請求項6又は7に記載の化合物半導体装置の製造方法。 The step of forming the drain electrode includes:
Forming an impurity diffusion layer reaching a portion deeper than the upper surface of the channel layer in the electron supply layer and the channel layer;
Forming a metal film on the electron supply layer and the impurity diffusion layer;
The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 6 or 7, wherein:
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