JP2007088185A - Semiconductor device and its fabrication process - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device in which normally off type is achieved while suppressing increase in on resistance, and to provide its fabrication process. <P>SOLUTION: The semiconductor device comprises a first layer of a first nitride semiconductor having a step on the upper surface, a second layer of a second nitride semiconductor having a band gap larger than that of the first nitride semiconductor formed on the first layer while covering the step where the thickness of the step above the side face is smaller than the thickness above the major surfaces on the upper and lower sides of the side face, a gate electrode provided on the second layer above the side face of the step, a source electrode provided on the second layer above any one of the major surfaces on the upper and lower sides of the side face, and a drain electrode provided on the second layer above the other of the major surfaces on the upper and lower sides of the side face. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、窒化物半導体を用いた半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device using a nitride semiconductor and a method for manufacturing the same.

近年、発光デバイスの材料として開発が進められてきた窒化ガリウム(GaN)は、その高耐圧特性・高熱伝導度・高電子移動度特性などから、高出力の電子デバイスへの適用が検討されている。不純物(ドナー)が添加された窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)と、ノンドープ型の窒化ガリウム(GaN)とのヘテロ接合構造においては、GaN上のAlGaNに、格子不整合による格子歪が発生し、それによりピエゾ分極効果が発生し、その結果、AlGaN/GaNのヘテロ接合界面におけるGaN側に2次元電子ガスが発生する。GaN中の不純物が少ない場合、2次元電子ガスにおいては電子が移動する際の不純物散乱が減少するため、高移動度となる。この特色を活かしたものがGaN系HEMT(High Electron Mobility Transistor)であり、その高移動度特性から高周波用途からパワーエレクトロニクス用途など幅広い分野での活躍が期待されている。   In recent years, gallium nitride (GaN), which has been developed as a material for light-emitting devices, is being considered for application to high-power electronic devices due to its high breakdown voltage characteristics, high thermal conductivity, and high electron mobility characteristics. . In the heterojunction structure of aluminum gallium nitride (AlGaN) doped with impurities (donor) and non-doped gallium nitride (GaN), lattice distortion due to lattice mismatch occurs in AlGaN on GaN, thereby A piezoelectric polarization effect is generated, and as a result, a two-dimensional electron gas is generated on the GaN side at the heterojunction interface of AlGaN / GaN. When there are few impurities in GaN, in a two-dimensional electron gas, since the impurity scattering at the time of an electron movement reduces, it becomes a high mobility. A GaN-based HEMT (High Electron Mobility Transistor) that takes advantage of this feature is expected to play an active role in a wide range of fields such as high frequency applications and power electronics applications due to its high mobility characteristics.

そのGaN系HEMTをパワーデバイスとして用いるには、低消費電力化のためにノーマリオフ型が好ましい。AlGaN/GaN系HEMTにてノーマリオフ型を実現する方法として、ショットキー層であるAlGaN層にエッチングによりリセスを形成し、ゲート電極直下のAlGaNの膜厚を薄くすることで、ピエゾ分極効果を減少させ、ゲート電極や界面準位によるピニングを利用し、チャネルのキャリアを空乏化させる方法が考えられる。AlGaN層におけるAl組成が0.25程度の場合、ノーマリオフとするためのAlGaN層の厚さは5nm以下が要求される。しかし、現在のエッチング技術では、エッチング後のAlGaNの厚さを数nmに、精度良くかつ再現性良く制御するのが困難である。   In order to use the GaN-based HEMT as a power device, a normally-off type is preferable in order to reduce power consumption. As a method for realizing a normally-off type in an AlGaN / GaN HEMT, a recess is formed in the AlGaN layer, which is a Schottky layer, by etching, and the thickness of the AlGaN film just below the gate electrode is reduced, thereby reducing the piezoelectric polarization effect. A method of depleting channel carriers by using pinning by a gate electrode or an interface state can be considered. When the Al composition in the AlGaN layer is about 0.25, the thickness of the AlGaN layer for normally-off is required to be 5 nm or less. However, with the current etching technology, it is difficult to control the thickness of AlGaN after etching to several nanometers with high accuracy and reproducibility.

また、エッチングを使わずに、AlGaN層の膜厚を結晶成長段階で数nmに制御する方法も考えられる。MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などの結晶成長技術を用いれば制御可能な厚さではあるが、この場合、ソースからドレインにかけてすべてチャネルが空乏化するため、デバイスのオン抵抗は大幅に増加してしまう。電源用デバイスなどのスイッチングデバイスとして使用する場合、オン抵抗は最も重要な特性であるため、この方法は現実的ではない。   Another possible method is to control the thickness of the AlGaN layer to several nanometers at the crystal growth stage without using etching. Although the thickness can be controlled by using a crystal growth technique such as MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), in this case, the channel is depleted from the source to the drain. End up. When used as a switching device such as a power supply device, this method is not practical because on-resistance is the most important characteristic.

また、特許文献1では、(0001)面上に選択的な成長により面方位が(1−101)のファセットを形成し、電子走行層と障壁層との界面の面方位が(1−101)となるようにするとともに、そのファセット上にゲート、ソース、ドレインを形成している。電子走行層と障壁層との界面の面方位を(1−101)とすることで、その界面の面方位が(0001)の場合に比べて、界面に発生する分極電荷が低下され、2次元電子ガスの濃度が低減されるので、このことによって、特許文献1ではノーマリオフ型の実現を図らんとしている。   Further, in Patent Document 1, a facet having a plane orientation of (1-101) is formed by selective growth on the (0001) plane, and the plane orientation of the interface between the electron transit layer and the barrier layer is (1-101). And a gate, a source, and a drain are formed on the facet. By setting the plane orientation of the interface between the electron transit layer and the barrier layer to (1-101), the polarization charge generated at the interface is reduced as compared with the case where the plane orientation of the interface is (0001). Since the concentration of the electron gas is reduced, Patent Document 1 aims to realize a normally-off type.

しかし、特許文献1の構成では、ソース・ゲート間、およびゲート・ドレイン間も、2次元電子ガス濃度の小さい(1−101)面上に存在するため、オン抵抗が高くなってしまう。また、(0001)面上に、実用的なデバイスを作製できるだけの面積を持った(1−101)のファセットを成長させることは多大な成長コストを必要とし、現実的でない。
特開2003−347315号公報
However, in the configuration of Patent Document 1, since the source-gate and the gate-drain also exist on the (1-101) plane having a low two-dimensional electron gas concentration, the on-resistance becomes high. In addition, it is not practical to grow a facet of (1-101) having an area enough to produce a practical device on the (0001) plane, which requires a large growth cost.
JP 2003-347315 A

本発明は、オン抵抗の増大を抑えつつノーマリオフ型を実現する半導体装置及びその製造方法を提供する。   The present invention provides a semiconductor device that realizes a normally-off type while suppressing an increase in on-resistance, and a method for manufacturing the same.

本発明の一態様によれば、
第1の窒化物半導体からなり、上面に段部を有する第1の層と、
前記第1の窒化物半導体よりもバンドギャップが大なる第2の窒化物半導体からなり、前記段部を覆って前記第1の層の上に積層され、前記段部の側面上の厚さが、前記側面の上側及び下側の主面上の厚さよりも小さい第2の層と、
前記段部の前記側面の上において、前記第2の層の上に設けられたゲート電極と、
前記側面の上側及び下側の主面のいずれか一方の上において、前記第2の層の上に設けられたソース電極と、
前記側面の上側及び下側の主面のいずれか他方の上において、前記第2の層の上に設けられたドレイン電極と、
を備えたことを特徴とする半導体装置が提供される。
According to one aspect of the invention,
A first layer made of a first nitride semiconductor and having a step on the upper surface;
The second nitride semiconductor has a band gap larger than that of the first nitride semiconductor, is stacked on the first layer so as to cover the step portion, and has a thickness on a side surface of the step portion. A second layer smaller than the thickness on the upper and lower main surfaces of the side surface;
A gate electrode provided on the second layer on the side surface of the step;
A source electrode provided on the second layer on one of the upper and lower main surfaces of the side surface;
A drain electrode provided on the second layer on the other of the upper and lower main surfaces of the side surface;
A semiconductor device is provided.

また、本発明の他の一態様によれば、
第1の窒化物半導体からなり、主面上に、前記主面に対して傾斜したファセットが設けられた第1の層と、
前記第1の窒化物半導体よりもバンドギャップが大なる第2の窒化物半導体からなり、前記第1の層の前記主面及び前記ファセット上に積層され、前記ファセット上における厚さが前記主面上における厚さよりも小さい第2の層と、
前記第1の層の前記ファセットとの間で、前記第2の層を挟んで設けられたゲート電極と、
前記第2の層の上において前記ファセットの側方の主面上に設けられたソース電極と、
前記第2の層の上において前記ファセットを挟んで前記ソース電極の反対側の主面上に設けられたドレイン電極と、
を備えたことを特徴とする半導体装置が提供される。
According to another aspect of the present invention,
A first layer made of a first nitride semiconductor and provided on the main surface with a facet inclined with respect to the main surface;
The first nitride semiconductor is made of a second nitride semiconductor having a band gap larger than that of the first nitride semiconductor, and is stacked on the main surface and the facet of the first layer, and the thickness on the facet has a thickness on the main surface. A second layer smaller than the thickness above,
A gate electrode provided with the second layer sandwiched between the facets of the first layer;
A source electrode provided on a main surface lateral to the facet on the second layer;
A drain electrode provided on a main surface opposite to the source electrode on the second layer across the facet;
A semiconductor device is provided.

また、本発明のさらに他の一態様によれば、
下地結晶上に、第1の窒化物半導体からなり、主面よりも結晶成長速度が小さい面方位のファセットを有する第1の層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記第1の層の前記主面及び前記ファセット上に、前記第1の窒化物半導体よりもバンドギャップが大なる第2の窒化物半導体からなる第2の層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記第1の層の前記ファセットの上において、前記第2の層の上にゲート電極を形成する工程と、
前記第2の層の上における、前記ファセットの側方の主面上にソース電極を形成する工程と、
前記第2の層の上における、前記ファセットを挟んで前記ソース電極の反対側の主面上にドレイン電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
According to yet another aspect of the present invention,
Epitaxially growing a first layer comprising a first nitride semiconductor and having a face orientation with a plane orientation having a crystal growth rate smaller than that of the main surface on the underlying crystal;
Epitaxially growing a second layer made of a second nitride semiconductor having a larger band gap than the first nitride semiconductor on the main surface and the facet of the first layer;
Forming a gate electrode on the second layer over the facet of the first layer;
Forming a source electrode on a main surface on the side of the facet on the second layer;
Forming a drain electrode on a main surface on the opposite side of the source electrode across the facet on the second layer;
A method of manufacturing a semiconductor device is provided.

本発明によれば、オン抵抗の増大を抑えつつノーマリオフ型が実現できるので低消費電力化が図れる。   According to the present invention, a normally-off type can be realized while suppressing an increase in on-resistance, so that power consumption can be reduced.

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.

[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置1の要部断面図である。
また、図2は、その半導体装置1の要部斜視図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor device 1 according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a main part of the semiconductor device 1.

本実施形態に係る半導体装置1は、主として、第1の窒化物半導体層8と、第1の窒化物半導体層8の上に積層された第2の窒化物半導体層9と、第2の窒化物半導体層9の上に形成されたゲート、ソース、ドレインの各電極12〜14と、を備える。   The semiconductor device 1 according to the present embodiment mainly includes a first nitride semiconductor layer 8, a second nitride semiconductor layer 9 stacked on the first nitride semiconductor layer 8, and a second nitride. And gate, source, and drain electrodes 12 to 14 formed on the physical semiconductor layer 9.

第2の窒化物半導体層9は、第1の窒化物半導体層8よりもバンドギャップが大きい。本具体例においては、第1の窒化物半導体層8は、ノンドープ型のGaN層である。第1の窒化物半導体層8は、下地結晶(またはバッファ層)であるノンドープ型のGaN層4、6の上にエピタキシャル成長により形成される。GaN層4は、例えばサファイア基板2上にAlN層3を介して積層されている。第1の窒化物半導体層8の上面には段部11が設けられ、その段部11の側面(以下、単に「ファセット」とも称する)8aは主面に対して傾斜している。例えば、主面の面方位は(0001)であり、ファセット8aの面方位は(1−101)である。   The second nitride semiconductor layer 9 has a larger band gap than the first nitride semiconductor layer 8. In this specific example, the first nitride semiconductor layer 8 is a non-doped GaN layer. The first nitride semiconductor layer 8 is formed by epitaxial growth on the non-doped GaN layers 4 and 6 which are base crystals (or buffer layers). For example, the GaN layer 4 is stacked on the sapphire substrate 2 via the AlN layer 3. A step portion 11 is provided on the upper surface of the first nitride semiconductor layer 8, and a side surface (hereinafter also simply referred to as “facet”) 8 a of the step portion 11 is inclined with respect to the main surface. For example, the surface orientation of the main surface is (0001), and the surface orientation of the facet 8a is (1-101).

第2の窒化物半導体層9は、第1の窒化物半導体層8上にエピタキシャル成長されたAlGaN層中に不純物(ドナー)を添加して得られたn型のAlGaN層である。第1の窒化物半導体層8におけるファセット8aの上段側及び下段側にある主面8c、8b(面方位が(0001))上への結晶成長速度よりも、ファセット8a(面方位が(1−101))上への結晶成長速度の方が小さい。したがって、第2の窒化物半導体層9は結晶成長の過程で自然に厚さに差が生じ、ファセット8a上における厚さの方が、主面8b、8c上における厚さよりも小さくなる。   The second nitride semiconductor layer 9 is an n-type AlGaN layer obtained by adding an impurity (donor) to the AlGaN layer epitaxially grown on the first nitride semiconductor layer 8. The facet 8a (face orientation is (1--) than the crystal growth rate on the main faces 8c, 8b (face orientation is (0001)) on the upper and lower faces of the facet 8a in the first nitride semiconductor layer 8. 101)) The upward crystal growth rate is smaller. Therefore, the second nitride semiconductor layer 9 naturally has a thickness difference in the course of crystal growth, and the thickness on the facet 8a is smaller than the thickness on the main surfaces 8b and 8c.

ゲート電極12は、第1の窒化物半導体層8のファセット8aの上において、第2の窒化物半導体層9の上に設けられている。すなわち、ゲート電極12は、第1の窒化物半導体層8のファセット8aとの間で、第2の窒化物半導体層9を挟んで設けられている。ゲート電極12は、ファセット8aの上だけでなく、ファセット8aの上段側の主面及び下段側の主面にも少しはみ出るように設けることが望ましい。ゲート電極12は、第2の窒化物半導体層9とショットキー接触している。   The gate electrode 12 is provided on the second nitride semiconductor layer 9 on the facet 8 a of the first nitride semiconductor layer 8. That is, the gate electrode 12 is provided between the facet 8 a of the first nitride semiconductor layer 8 and the second nitride semiconductor layer 9 interposed therebetween. It is desirable that the gate electrode 12 is provided not only on the facet 8a but also slightly protrudes from the upper main surface and the lower main surface of the facet 8a. The gate electrode 12 is in Schottky contact with the second nitride semiconductor layer 9.

ソース電極13は、第2の窒化物半導体層9上においてファセット8aの下段側の側方に設けられている。ドレイン電極14は、第2の窒化物半導体層9上においてファセット8aの上段側の側方に設けられている。すなわち、ソース電極13及びドレイン電極14は、ファセット8aを間に挟んで、第2窒化物半導体層9の主面上に形成されている。ソース電極13及びドレイン電極14は、第2窒化物半導体層9とオーミック接触している。   The source electrode 13 is provided on the lower side of the facet 8 a on the second nitride semiconductor layer 9. The drain electrode 14 is provided on the upper side of the facet 8 a on the second nitride semiconductor layer 9. That is, the source electrode 13 and the drain electrode 14 are formed on the main surface of the second nitride semiconductor layer 9 with the facet 8a interposed therebetween. The source electrode 13 and the drain electrode 14 are in ohmic contact with the second nitride semiconductor layer 9.

本実施形態に係る半導体装置1は、第1の窒化物半導体層8と第2の窒化物半導体層9とのヘテロ接合界面に発生する2次元電子ガスを利用したHEMT(High Electron Mobility Transistor)である。n型AlGaN層からなる第2の窒化物半導体層9は電子供給層(または障壁層)として機能し、不純物の添加がないノンドープ型GaN層からなる第1の窒化物半導体層8は、電子走行層として機能する。第2の窒化物半導体層9は空乏化され、第1の窒化物半導体層8において第2の窒化物半導体層9との界面付近の非常に薄い領域に2次元電子ガスが蓄積される。ゲート電極12に加えるゲート電圧を変えると、その2次元電子ガスの濃度が増減し、その結果、ソース電極13−ドレイン電極14間に流れるドレイン電流が変化する。   The semiconductor device 1 according to the present embodiment is a HEMT (High Electron Mobility Transistor) using a two-dimensional electron gas generated at a heterojunction interface between a first nitride semiconductor layer 8 and a second nitride semiconductor layer 9. is there. The second nitride semiconductor layer 9 made of an n-type AlGaN layer functions as an electron supply layer (or barrier layer), and the first nitride semiconductor layer 8 made of a non-doped GaN layer without addition of impurities is used for electron travel. Acts as a layer. The second nitride semiconductor layer 9 is depleted, and a two-dimensional electron gas is accumulated in a very thin region of the first nitride semiconductor layer 8 near the interface with the second nitride semiconductor layer 9. When the gate voltage applied to the gate electrode 12 is changed, the concentration of the two-dimensional electron gas increases or decreases, and as a result, the drain current flowing between the source electrode 13 and the drain electrode 14 changes.

ゲート電極12の下の第2窒化物半導体層9の厚さを十分に薄くしておけば、ゲート電圧がゼロボルト(0V)でも空乏層は第2の窒化物半導体層9のみならず、その下の第1の窒化物半導体層8にも広がって形成される。2次元電子ガス蓄積層はきわめて薄いので、空乏層が少しでも第1の窒化物半導体層8に広がって形成されれば、ゲート電圧が0Vでドレイン電流が流れないノーマリオフ型の半導体装置となる。   If the thickness of the second nitride semiconductor layer 9 under the gate electrode 12 is sufficiently reduced, the depletion layer is not limited to the second nitride semiconductor layer 9 even if the gate voltage is zero volts (0 V). The first nitride semiconductor layer 8 is also spread and formed. Since the two-dimensional electron gas storage layer is extremely thin, if the depletion layer is formed to extend even a little over the first nitride semiconductor layer 8, a normally-off type semiconductor device in which the gate voltage is 0 V and the drain current does not flow is obtained.

本実施形態では、第2の窒化物半導体層(AlGaN層)9におけるAl組成は0.25程度であり、この場合ノーマリオフとするためのゲート電極12の下の厚さは5nm以下であることが要求される。本実施形態では、第2の窒化物半導体層9の厚さを、エッチングを利用することなく、エピタキシャル成長の制御により決めることができるので、5nm以下という非常に薄い膜厚も精度良く、かつ再現性良く形成できる。この結果、ピンチオフ電圧等の特性ばらつきを抑えたノーマリオフ型の半導体装置を安定して得られる。   In the present embodiment, the Al composition in the second nitride semiconductor layer (AlGaN layer) 9 is about 0.25, and in this case, the thickness under the gate electrode 12 for normally-off is 5 nm or less. Required. In the present embodiment, since the thickness of the second nitride semiconductor layer 9 can be determined by controlling the epitaxial growth without using etching, a very thin film thickness of 5 nm or less can be accurately and reproducibly. Can be formed well. As a result, a normally-off type semiconductor device in which variation in characteristics such as pinch-off voltage is suppressed can be stably obtained.

さらに、第2の窒化物半導体層9においてゲート電極12とソース電極13との間の部分の厚さ及びゲート電極12とドレイン電極14との間の部分の厚さは50nm程度であり、ゲート電極12の下の部分の厚さ(5nm以下)に比べて十分に厚い。このため、大きなピエゾ分極効果が得られ、十分に高い濃度の2次元電子ガス蓄積層を形成することにより、オン抵抗の低減が図れる。   Further, in the second nitride semiconductor layer 9, the thickness of the portion between the gate electrode 12 and the source electrode 13 and the thickness of the portion between the gate electrode 12 and the drain electrode 14 are about 50 nm. It is sufficiently thicker than the thickness of the lower part of 12 (5 nm or less). For this reason, a large piezoelectric polarization effect is obtained, and the on-resistance can be reduced by forming a two-dimensional electron gas accumulation layer having a sufficiently high concentration.

以上のように、本実施形態によれば、オン抵抗の増大を抑えることとノーマリオフ型とすることの両立が図れ、半導体装置1の低消費電力化が図れる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to achieve both the suppression of an increase in on-resistance and the normally-off type, and the power consumption of the semiconductor device 1 can be reduced.

また、本実施形態では、ゲート電極12の下における第1の窒化物半導体層8と第2の窒化物半導体層9との界面(ファセット)8aの面方位は(1−101)であり、ゲート電極12とソース電極13との間及びゲート電極12とドレイン電極14との間における第1の窒化物半導体層8と第2の窒化物半導体層9との界面(ファセット)8aの面方位は(0001)となっている。HEMT構造の半導体装置において、面方位が(0001)の界面に比べて、面方位が(1−101)の界面に生じる2次元電子ガスの方が濃度が大きくなる。したがって、本実施形態の半導体装置1が上述した界面の面方位を有していることも、オン抵抗の増大を抑えつつノーマリオフ型を実現することに貢献している。   In the present embodiment, the plane orientation of the interface (facet) 8a between the first nitride semiconductor layer 8 and the second nitride semiconductor layer 9 under the gate electrode 12 is (1-101), and the gate The plane orientation of the interface (facet) 8a between the first nitride semiconductor layer 8 and the second nitride semiconductor layer 9 between the electrode 12 and the source electrode 13 and between the gate electrode 12 and the drain electrode 14 is ( 0001). In a semiconductor device having a HEMT structure, the concentration of a two-dimensional electron gas generated at an interface having a plane orientation of (1-101) is higher than that of an interface having a plane orientation of (0001). Therefore, the fact that the semiconductor device 1 of this embodiment has the above-described interface orientation of the interface also contributes to realizing a normally-off type while suppressing an increase in on-resistance.

次に、本実施形態に係る半導体装置1の製造方法の一例について説明する。
図3乃至図7は、本実施形態にかかる半導体装置1の製造工程の要部を例示する工程断面図である。
Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor device 1 according to this embodiment will be described.
3 to 7 are process cross-sectional views illustrating the main part of the manufacturing process of the semiconductor device 1 according to this embodiment.

先ず、図3に表したように、基板2上にAlN層3を例えば10nm積層し、さらにAlN層3上にGaN層4を例えば1μm積層する。基板2は、面方位が(0001)である主面を有するサファイア基板である。AlN層3は、そのサファイア基板2の主面上に、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によりエピタキシャル成長される。GaN層4は、AlN層3上に同じくMOCVD法によりエピタキシャル成長される。基板2とGaN層4とは格子定数が大きく異なるため、これら両者の間にAlN層3が中間層(バッファ層)として介在されている。なお、基板2としてはサファイア基板に限らず、例えばSiC基板などを用いてもよい。   First, as shown in FIG. 3, the AlN layer 3 is laminated on the substrate 2 by 10 nm, for example, and the GaN layer 4 is laminated on the AlN layer 3 by 1 μm, for example. The substrate 2 is a sapphire substrate having a main surface with a plane orientation of (0001). The AlN layer 3 is epitaxially grown on the main surface of the sapphire substrate 2 by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). The GaN layer 4 is epitaxially grown on the AlN layer 3 by the MOCVD method. Since the lattice constants of the substrate 2 and the GaN layer 4 are greatly different, the AlN layer 3 is interposed as an intermediate layer (buffer layer) between them. The substrate 2 is not limited to a sapphire substrate, and for example, a SiC substrate may be used.

続いて、GaN層4の上に、例えば厚さ50nmの二酸化シリコン(SiO)膜をCVD(Chemical Vapor Deposition)法により積層した後、リソグラフィー及びエッチングにより、例えば、幅(図3における横方向寸法)が20μm、長さ(図3において紙面を貫く方向)が2mmのストライプ状のマスク5を形成する。このとき、マスク5の長辺方向(図3において紙面を貫く方向)が、GaN層4上において<11−20>方向に向くように形成する。 Subsequently, after a silicon dioxide (SiO 2 ) film having a thickness of 50 nm, for example, is laminated on the GaN layer 4 by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, the width (the lateral dimension in FIG. 3) is obtained by lithography and etching. ) Is 20 μm and the length (in the direction penetrating the paper surface in FIG. 3) is 2 mm. At this time, the mask 5 is formed so that the long side direction (the direction penetrating the paper surface in FIG. 3) faces the <11-20> direction on the GaN layer 4.

続いて、適切な前処理を施した後、GaN層4上に、MOCVD法により例えば厚さ500nmのGaN層6をエピタキシャル成長させる。このとき、結晶成長の下地となるGaN層4の表面(面方位が(0001))においてマスク5で覆われた部分でのエピタキシャル成長は阻止され、マスク5で覆われていない部分にGaN層6がエピタキシャル成長していく。GaN層6は(0001)面に垂直な方向だけでなく横方向にも成長し、図4に表したように、マスク5の長辺方向の縁部上に約25nm程せり出すようにしてかかる。また、マスク5の長辺方向は<11−20>方向を向いているため、マスク5の長辺の脇に、面方位が(1−101)であるファセット6aが形成される。ファセット6aにおいてその傾斜方向に沿った長さは約500nmである。   Subsequently, after performing an appropriate pretreatment, a GaN layer 6 having a thickness of, for example, 500 nm is epitaxially grown on the GaN layer 4 by MOCVD. At this time, the epitaxial growth in the portion covered with the mask 5 on the surface (plane orientation (0001)) of the GaN layer 4 serving as the base for crystal growth is blocked, and the GaN layer 6 is formed in the portion not covered with the mask 5. Epitaxial growth. The GaN layer 6 grows not only in the direction perpendicular to the (0001) plane but also in the lateral direction, and is projected so as to protrude about 25 nm on the edge of the long side direction of the mask 5 as shown in FIG. Further, since the long side direction of the mask 5 is oriented in the <11-20> direction, a facet 6 a having a plane orientation of (1-101) is formed on the side of the long side of the mask 5. In the facet 6a, the length along the inclination direction is about 500 nm.

続いて、例えばウェットエッチングにてマスク5を除去する。これにより、図5に表したように、GaN層4の表面(面方位が(0001))の一部4bが露出される。GaN層6には、GaN層4の露出された表面4bを底面として、ファセット(面方位が(1−101))6aを側面として有する谷部7が形成される。   Subsequently, the mask 5 is removed by wet etching, for example. Thereby, as shown in FIG. 5, a part 4 b of the surface (plane orientation is (0001)) of the GaN layer 4 is exposed. The GaN layer 6 is formed with a valley 7 having the exposed surface 4b of the GaN layer 4 as a bottom surface and a facet (plane orientation (1-101)) 6a as a side surface.

続いて、適切な前処理を施した後、図6に表したように、GaN層8をMOCVD法にてエピタキシャル成長させる。GaN層8のエピタキシャル成長により谷部7は埋められ、さらに、GaN層8にも、下地のGaN層6に形成されていたファセット6aと略同じ面方位(1−101)のファセット8aが形成される。GaN層8において、GaN層4の主面4b及びGaN層6の主面6b上の厚さは約500nmである。本実施形態では、GaN層8から第1の窒化物半導体層が構成される。   Subsequently, after performing an appropriate pretreatment, as shown in FIG. 6, the GaN layer 8 is epitaxially grown by the MOCVD method. The valley portion 7 is filled by the epitaxial growth of the GaN layer 8, and the facet 8 a having substantially the same plane orientation (1-101) as the facet 6 a formed in the underlying GaN layer 6 is formed in the GaN layer 8. . In the GaN layer 8, the thickness on the main surface 4b of the GaN layer 4 and the main surface 6b of the GaN layer 6 is about 500 nm. In the present embodiment, the GaN layer 8 constitutes a first nitride semiconductor layer.

続いて、図7に表したように、GaN層(第1の窒化物半導体層)8上に、第2の窒化物半導体層としてAlGaN層9をエピタキシャル成長させる。ここで、窒化物半導体において、(1−101)面は(0001)面に比べて表面エネルギーが小さく、核生成が抑制され結晶成長速度が小さい。(0001)面上への結晶成長速度に対する、(1−101)面上への結晶成長速度の比は約0.05である。したがって、GaN層8のファセット8a上におけるAlGaN層9の厚さは、GaN層8の主面8b、8c上における厚さよりも小さくなる。本実施形態の場合、AlGaN層9の厚さは、GaN層8の主面8b、8c上で約50nmであり、ファセット8a上で2〜2.5nmである。   Subsequently, as shown in FIG. 7, an AlGaN layer 9 is epitaxially grown as a second nitride semiconductor layer on the GaN layer (first nitride semiconductor layer) 8. Here, in the nitride semiconductor, the (1-101) plane has a smaller surface energy than the (0001) plane, nucleation is suppressed, and the crystal growth rate is low. The ratio of the crystal growth rate on the (1-101) plane to the crystal growth rate on the (0001) plane is about 0.05. Therefore, the thickness of the AlGaN layer 9 on the facet 8 a of the GaN layer 8 is smaller than the thickness on the main surfaces 8 b and 8 c of the GaN layer 8. In the present embodiment, the thickness of the AlGaN layer 9 is about 50 nm on the main surfaces 8b and 8c of the GaN layer 8, and is 2 to 2.5 nm on the facet 8a.

続いて、図1、2に表したようにソース、ドレイン、ゲートの各電極13、14、12を形成する。第2の窒化物半導体層9において、ファセット8aの下段側に位置する主面上にソース電極13が、ファセット8aの上段側に位置する主面上にドレイン電極14が、真空蒸着及びリフトオフ法により形成される。ソース電極13はその長辺方向が、ファセット8aの長辺方向<11−20>に沿ったストライプ状を呈し、ドレイン電極14も同様にその長辺方向が<11−20>方向に沿ったストライプ状を呈する。ソース電極13、ドレイン電極14は、それぞれ、第2の窒化物半導体層9側から順に例えばTiとAlを形成して構成され、第2の窒化物半導体層9とオーミック接触している。ソース電極13においてその長辺方向<11−20>に沿った長さは、ファセット8aの長辺方向長さより小さい。   Subsequently, as shown in FIGS. 1 and 2, source, drain, and gate electrodes 13, 14, and 12 are formed. In the second nitride semiconductor layer 9, the source electrode 13 is formed on the main surface located on the lower side of the facet 8 a, and the drain electrode 14 is formed on the main surface located on the upper side of the facet 8 a by vacuum evaporation and lift-off methods. It is formed. The source electrode 13 has a stripe shape whose long side direction is along the long side direction <11-20> of the facet 8a, and the drain electrode 14 is also a stripe whose long side direction is along the <11-20> direction. Present. Each of the source electrode 13 and the drain electrode 14 is configured by, for example, forming Ti and Al sequentially from the second nitride semiconductor layer 9 side, and is in ohmic contact with the second nitride semiconductor layer 9. The length of the source electrode 13 along the long side direction <11-20> is smaller than the long side direction length of the facet 8a.

ゲート電極12は、第2の窒化物半導体層9における段部11に、真空蒸着及びリフトオフ法により形成される。ゲート電極12は、ファセット8aの上だけでなく、ファセット8aの上段側の主面及び下段側の主面にも少しはみ出るようにして形成される。ゲート電極12はその長辺方向が、ファセット8aの長辺方向<11−20>に沿っており、また、その長辺方向<11−20>に沿った長さは、ファセット8aの長辺方向長さより小さい。ゲート電極12は、第2の窒化物半導体層9側から順に例えばNiとAuを形成して構成され、第2の窒化物半導体層9とショットキー接触している。   The gate electrode 12 is formed on the step portion 11 in the second nitride semiconductor layer 9 by vacuum deposition and a lift-off method. The gate electrode 12 is formed not only on the facet 8a but also slightly protruding from the upper main surface and the lower main surface of the facet 8a. The long side direction of the gate electrode 12 is along the long side direction <11-20> of the facet 8a, and the length along the long side direction <11-20> is the long side direction of the facet 8a. Less than length. The gate electrode 12 is configured by, for example, forming Ni and Au sequentially from the second nitride semiconductor layer 9 side, and is in Schottky contact with the second nitride semiconductor layer 9.

ソース、ドレイン、ゲートの各電極13、14、12の形成後には、図示しないが、各電極13、14、12を覆うように全面にCVD法にて窒化シリコンからなるパッシベーション膜を形成し、さらにその上にポリイミドなどからなる保護膜を形成した後、各電極13、14、12の一部を露出させるパッド開口や配線層の形成などが行われる。   After the formation of the source, drain, and gate electrodes 13, 14, and 12, although not shown, a passivation film made of silicon nitride is formed on the entire surface by CVD to cover the electrodes 13, 14, and 12, and After a protective film made of polyimide or the like is formed thereon, a pad opening for exposing a part of each electrode 13, 14, 12 or a wiring layer is formed.

以上述べたように本実施形態によれば、膜厚制御性の悪いエッチング技術を用いることなく、面方位の違いによる結晶成長速度の差を利用することで、ゲート電極12の下の第2の窒化物半導体層9の厚さはノーマリオフを実現すべく薄くし、ゲート電極12とソース電極13との間およびゲート電極12とドレイン電極14との間の第2の窒化物半導体層9の厚さはオン抵抗を小さくすべく十分に厚くしている。これにより、第2の窒化物半導体層9の膜厚を精度良く、かつ再現性良く制御でき、所望の特性の半導体装置1を製造ばらつきを抑えて製造できる。   As described above, according to the present embodiment, the second difference under the gate electrode 12 is obtained by using the difference in crystal growth rate due to the difference in the plane orientation without using the etching technique with poor film thickness controllability. The thickness of the nitride semiconductor layer 9 is made thin so as to realize normally-off, and the thickness of the second nitride semiconductor layer 9 between the gate electrode 12 and the source electrode 13 and between the gate electrode 12 and the drain electrode 14. Is thick enough to reduce on-resistance. Thereby, the film thickness of the second nitride semiconductor layer 9 can be controlled with high accuracy and reproducibility, and the semiconductor device 1 having desired characteristics can be manufactured while suppressing manufacturing variations.

なお、比較例として、厚さが数nmの第2の窒化物半導体層(AlGaN層)9をMOCVD法などで制御性良く成長させた後、ゲート電極12の形成部にSiO膜などを形成し、このSiO膜をマスクとして第2の窒化物半導体層9を再成長させることで、ゲート電極12の下のみ第2の窒化物半導体層9を薄くできる方法が挙げられる。しかし、再成長界面はシリコン、炭素、酸素などの不純物が高濃度に堆積しており、これがキャリアのトラップやゲートリーク損失をもたらす可能性があり、結果として半導体装置の性能を低下させてしまうおそれがある。 As a comparative example, after a second nitride semiconductor layer (AlGaN layer) 9 having a thickness of several nanometers is grown with good controllability by the MOCVD method or the like, an SiO 2 film or the like is formed in the formation portion of the gate electrode 12 Then, there is a method in which the second nitride semiconductor layer 9 can be thinned only under the gate electrode 12 by re-growing the second nitride semiconductor layer 9 using the SiO 2 film as a mask. However, impurities such as silicon, carbon and oxygen are deposited at a high concentration on the regrowth interface, which may lead to carrier trapping and gate leak loss, which may result in deterioration of the performance of the semiconductor device. There is.

これに対して、本実施形態では、再成長界面は実質的に動作に寄与しない部分(バッファ層であるGaN層4、6の表面)に存在し、上記比較例のように第2の窒化物半導体層(AlGaN層)9中には存在しないため、再成長界面の不純物による性能の低下を防ぐことができる。   On the other hand, in this embodiment, the regrowth interface is present in a portion that does not substantially contribute to the operation (the surface of the GaN layers 4 and 6 that are buffer layers), and the second nitride as in the comparative example described above. Since it does not exist in the semiconductor layer (AlGaN layer) 9, it is possible to prevent a decrease in performance due to impurities at the regrowth interface.

また、GaN層4、6を結晶欠陥を少なくして基板2上に形成できれば、GaN層8を形成せずに、GaN層4における露出された表面及びGaN層6に、第2の窒化物半導体層(AlGaN層)9をエピタキシャル成長させてもよい。すなわち、この場合、GaN層4、6が第1の窒化物半導体層として機能する。   If the GaN layers 4 and 6 can be formed on the substrate 2 with few crystal defects, the second nitride semiconductor is formed on the exposed surface of the GaN layer 4 and the GaN layer 6 without forming the GaN layer 8. The layer (AlGaN layer) 9 may be epitaxially grown. That is, in this case, the GaN layers 4 and 6 function as the first nitride semiconductor layer.

以上述べた本実施形態に係る半導体装置1の各種評価を行うため、例えば、ゲート電極12の長手方向長さaを1.5mm、短手方向長さbを1μmとしたものを用意した。ゲート電極12において、ファセット8aの上にある部分の短手方向長さcは500nmである。実質的にゲートとして機能するのはファセット8aの上にある部分なので、ゲート長は500nmと言える。ソース、ドレインの各電極13、14の短手方向長さは5μm、ソース電極13とゲート電極12間の長さは1μm、ゲート電極12とドレイン電極14間の長さは10μmとした。   In order to perform various evaluations of the semiconductor device 1 according to this embodiment described above, for example, a gate electrode 12 having a longitudinal length a of 1.5 mm and a lateral length b of 1 μm was prepared. In the gate electrode 12, the length c in the short direction of the portion on the facet 8a is 500 nm. It can be said that the gate length is 500 nm because the portion that substantially functions as the gate is on the facet 8a. The lengths in the short direction of the source and drain electrodes 13 and 14 were 5 μm, the length between the source electrode 13 and the gate electrode 12 was 1 μm, and the length between the gate electrode 12 and the drain electrode 14 was 10 μm.

このようなサイズの半導体装置の各種評価を行ったところ、最大相互コンダクタンスは420[mS/mm]、最大ドレイン電流は400[mA/mm]であった。単位面積あたりのオン抵抗は2.1[mmΩcm]が得られた。ピンチオフ電圧Vpは1.34[V]となり、ノーマリオフ型であることが確認できた。また、直径3インチの基板上に作り込まれた同仕様の複数の半導体装置のピンチオフ電圧Vpを評価したところ、平均値である1.34[V]に対して、標準偏差は0.12Vであり、ノーマリオフ型としてはきわめて面内均一性の良い結果が得られた。 When various evaluations of the semiconductor device having such a size were performed, the maximum transconductance was 420 [mS / mm] and the maximum drain current was 400 [mA / mm]. The on-resistance per unit area was 2.1 [mmΩcm 2 ]. The pinch-off voltage Vp was 1.34 [V], confirming the normally-off type. In addition, when the pinch-off voltage Vp of a plurality of semiconductor devices of the same specification built on a substrate having a diameter of 3 inches was evaluated, the standard deviation was 0.12 V with respect to the average value of 1.34 [V]. As a normally-off type, extremely good in-plane uniformity was obtained.

[第2の実施形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。
図8は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置21の要部断面図である。
また、図9は、その半導体装置21の要部斜視図である。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 8 is a cross-sectional view of main parts of a semiconductor device 21 according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view of a main part of the semiconductor device 21.

第2の実施形態に係る半導体装置21は、主として、第1の窒化物半導体層27と、第1の窒化物半導体層27の上に積層された第2の窒化物半導体層28と、第2の窒化物半導体層28の上に形成されたゲート、ソース、ドレインの各電極32〜34と、を備える。   The semiconductor device 21 according to the second embodiment mainly includes a first nitride semiconductor layer 27, a second nitride semiconductor layer 28 stacked on the first nitride semiconductor layer 27, and a second And the gate, source, and drain electrodes 32 to 34 formed on the nitride semiconductor layer 28.

第1の窒化物半導体層27は、ノンドープ型のGaN層である。第1の窒化物半導体層27は、下地結晶(またはバッファ層)であるノンドープ型のGaN層24及び図11に示されるノンドープ型のGaN層26の上にエピタキシャル成長により形成される。GaN層24は、例えばSiC基板22上にAlM層23を介して積層されている。第1の窒化物半導体層27の主面27c上には、断面三角形状の段部31が設けられ、その段部31の側面(以下、単に「ファセット」とも称する)27a、27bは主面27cに対して傾斜している。例えば、主面27cの面方位は(0001)であり、ファセット27aの面方位は(1−101)であり、ファセット27bの面方位はファセット27aに等価である。   The first nitride semiconductor layer 27 is a non-doped GaN layer. The first nitride semiconductor layer 27 is formed by epitaxial growth on the non-doped GaN layer 24 which is a base crystal (or buffer layer) and the non-doped GaN layer 26 shown in FIG. The GaN layer 24 is stacked on the SiC substrate 22 via the AlM layer 23, for example. On the main surface 27c of the first nitride semiconductor layer 27, a step portion 31 having a triangular cross section is provided. It is inclined with respect to. For example, the surface orientation of the main surface 27c is (0001), the surface orientation of the facet 27a is (1-101), and the surface orientation of the facet 27b is equivalent to the facet 27a.

第2の窒化物半導体層28は、第1の窒化物半導体層27上にエピタキシャル成長されたAlGaN層中に不純物(ドナー)を添加して得られたn型のAlGaN層である。第1実施形態に関して前述したように、第1の窒化物半導体層27の主面27c上への結晶成長速度よりも、ファセット27a、27b上への結晶成長速度の方が小さい。したがって、第2の窒化物半導体層28は結晶成長の過程で自然に厚さに差が生じ、ファセット27a、27b上における厚さの方が、主面27c上における厚さよりも小さくされる。   The second nitride semiconductor layer 28 is an n-type AlGaN layer obtained by adding an impurity (donor) to the AlGaN layer epitaxially grown on the first nitride semiconductor layer 27. As described above with respect to the first embodiment, the crystal growth rate on the facets 27a and 27b is lower than the crystal growth rate on the main surface 27c of the first nitride semiconductor layer 27. Therefore, the second nitride semiconductor layer 28 naturally has a thickness difference in the course of crystal growth, and the thickness on the facets 27a and 27b is made smaller than the thickness on the main surface 27c.

ゲート電極32は、第1の窒化物半導体層27のファセット27a、27bの上において、第2の窒化物半導体層28の上に設けれている。すなわち、ゲート電極32は、第1の窒化物半導体層27のファセット27a、27bとの間で、第2の窒化物半導体層28を挟んで設けられている。また、ゲート電極32は、ファセット27a、27bの上だけでなく、ファセット27a、27bの根元の主面27c上にも少し延在するように設けることが望ましい。ゲート電極32は、第2の窒化物半導体層28とショットキー接触している。   The gate electrode 32 is provided on the second nitride semiconductor layer 28 on the facets 27 a and 27 b of the first nitride semiconductor layer 27. That is, the gate electrode 32 is provided between the facets 27 a and 27 b of the first nitride semiconductor layer 27 with the second nitride semiconductor layer 28 interposed therebetween. Further, it is desirable that the gate electrode 32 is provided not only on the facets 27a and 27b but also slightly on the principal surface 27c at the base of the facets 27a and 27b. The gate electrode 32 is in Schottky contact with the second nitride semiconductor layer 28.

ソース電極33は、第2の窒化物半導体層28上においてファセット27aの側方に設けられている。ドレイン電極34は、第2の窒化物半導体層28上においてファセット27bの側方に設けられている。ソース電極33及びドレイン電極34は、ファセット27a、27bを間に挟んで、第2窒化物半導体層28の主面上に形成されている。ソース電極33及びドレイン電極34は、第2窒化物半導体層28とオーミック接触している。   The source electrode 33 is provided on the side of the facet 27 a on the second nitride semiconductor layer 28. The drain electrode 34 is provided on the side of the facet 27 b on the second nitride semiconductor layer 28. The source electrode 33 and the drain electrode 34 are formed on the main surface of the second nitride semiconductor layer 28 with the facets 27a and 27b interposed therebetween. The source electrode 33 and the drain electrode 34 are in ohmic contact with the second nitride semiconductor layer 28.

第2の実施形態に係る半導体装置21も、第1の実施形態と同様、第1の窒化物半導体層27と第2の窒化物半導体層28とのヘテロ接合界面に発生する2次元電子ガスを利用したHEMTである。n型AlGaN層からなる第2の窒化物半導体層28は電子供給層(または障壁層)として機能し、不純物の添加がないノンドープ型GaN層からなる第1の窒化物半導体層27は電子走行層として機能する。   Similarly to the first embodiment, the semiconductor device 21 according to the second embodiment also generates a two-dimensional electron gas generated at the heterojunction interface between the first nitride semiconductor layer 27 and the second nitride semiconductor layer 28. This is the HEMT used. The second nitride semiconductor layer 28 made of an n-type AlGaN layer functions as an electron supply layer (or barrier layer), and the first nitride semiconductor layer 27 made of a non-doped GaN layer without addition of impurities is an electron transit layer. Function as.

第2の実施形態においても、第2の窒化物半導体層28の厚さを、エッチングを利用することなく、エピタキシャル成長の制御により決めることができるので、ゲート下において5nm以下という非常に薄い膜厚も精度良く、かつ再現性良く形成できる。この結果、ピンチオフ電圧等の特性ばらつきを抑えたノーマリオフ型の半導体装置を安定して得られる。   Also in the second embodiment, since the thickness of the second nitride semiconductor layer 28 can be determined by controlling the epitaxial growth without using etching, a very thin film thickness of 5 nm or less under the gate is also possible. It can be formed with high accuracy and good reproducibility. As a result, a normally-off type semiconductor device in which variation in characteristics such as pinch-off voltage is suppressed can be stably obtained.

さらに、第2の窒化物半導体層28においてゲート電極32とソース電極33との間の部分の厚さ及びゲート電極32とドレイン電極34との間の部分の厚さは50nm程度であり、ゲート電極32の下の部分の厚さ(5nm以下)に比べて十分に厚い。このため、おおきなピエゾ分極効果が得られ、十分に高い濃度の2次元電子ガス蓄積層を形成することにより、オン抵抗の低減が図れる。   Further, in the second nitride semiconductor layer 28, the thickness of the portion between the gate electrode 32 and the source electrode 33 and the thickness of the portion between the gate electrode 32 and the drain electrode 34 are about 50 nm. It is sufficiently thicker than the thickness of the lower part of 32 (5 nm or less). For this reason, a large piezoelectric polarization effect can be obtained, and the on-resistance can be reduced by forming a two-dimensional electron gas accumulation layer having a sufficiently high concentration.

以上のように、第2の本実施形態においても、オン抵抗の増大を抑えることとノーマリオフ型とすることの両立が図れ、半導体装置21の低消費電力化が図れる。   As described above, also in the second embodiment, it is possible to achieve both the suppression of an increase in on-resistance and the normally-off type, and the power consumption of the semiconductor device 21 can be reduced.

次に、第2の実施形態に係る半導体装置21の製造方法の一例について説明する。
図9乃至図13は、本実施形態の半導体装置21の製造工程の要部を例示する工程断面図である。
Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor device 21 according to the second embodiment will be described.
9 to 13 are process cross-sectional views illustrating the main part of the manufacturing process of the semiconductor device 21 of this embodiment.

先ず、図10に表したように、基板22上にAlN層23を例えば10nm積層し、さらにAlN層23上にGaN層24を例えば1μm積層する。基板22は、面方位が(0001)である主面を有するSiC基板である。AlN層23は、その基板22の主面上に、MOCVD法によりエピタキシャル成長される。GaN層24は、AlN層23上に同じくMOCVD法によりエピタキシャル成長される。なお、基板22としてサファイア基板を用いてもよい。   First, as illustrated in FIG. 10, an AlN layer 23 is stacked on the substrate 22 by, for example, 10 nm, and a GaN layer 24 is stacked on the AlN layer 23 by, for example, 1 μm. The substrate 22 is a SiC substrate having a main surface with a plane orientation of (0001). The AlN layer 23 is epitaxially grown on the main surface of the substrate 22 by MOCVD. The GaN layer 24 is epitaxially grown on the AlN layer 23 by the MOCVD method. A sapphire substrate may be used as the substrate 22.

続いて、GaN層24の上に、例えば厚さ100nmの二酸化シリコン(SiO)膜をCVD法により積層した後、リソグラフィー及びウェットエッチングにより、例えば、幅(図10における横方向寸法)が1μm、長さが2mmのストライプ状の開口部25aが形成されたマスク25を形成する。このとき、開口部25aの長辺方向(図10において紙面を貫く方向)が、GaN層24上において<11−20>方向に向くように形成する。 Subsequently, after a silicon dioxide (SiO 2 ) film having a thickness of 100 nm, for example, is stacked on the GaN layer 24 by a CVD method, the width (lateral dimension in FIG. 10) is, for example, 1 μm by lithography and wet etching. A mask 25 having a stripe-shaped opening 25a having a length of 2 mm is formed. At this time, the opening 25 a is formed so that the long side direction (the direction penetrating the paper surface in FIG. 10) is directed to the <11-20> direction on the GaN layer 24.

続いて、適切な前処理を施した後、MOCVD法によりGaN層26をエピタキシャル成長させる。このとき、GaN層24の表面(面方位が(0001))においてマスク25で覆われた部分でのエピタキシャル成長は阻止され、開口部25aから露出する表面のみにGaN層26が選択的にエピタキシャル成長していく。GaN層26は(0001)面に垂直な方向だけでなく横方向にも成長する。その結果、図11に表したように、GaN層26の断面形状は、底部の2つの角が、マスク25の開口部25aに臨む面に沿って、GaN層24表面に対して垂直にされた略正三角形状を呈する。この略正三角形の一辺の長さは約1μmである。また、開口部25aの長辺方向は<11−20>方向を向いているため、GaN層26には、面方位が(1−101)の側面(ファセット)26aと、これに等価な側面(ファセット)26bが形成される。   Subsequently, after performing an appropriate pretreatment, the GaN layer 26 is epitaxially grown by MOCVD. At this time, epitaxial growth at the portion covered with the mask 25 on the surface of the GaN layer 24 (plane orientation (0001)) is blocked, and the GaN layer 26 is selectively epitaxially grown only on the surface exposed from the opening 25a. Go. The GaN layer 26 grows not only in the direction perpendicular to the (0001) plane but also in the lateral direction. As a result, as shown in FIG. 11, the cross-sectional shape of the GaN layer 26 is such that the two corners at the bottom are perpendicular to the surface of the GaN layer 24 along the surface facing the opening 25a of the mask 25. Presents a substantially equilateral triangle shape. The length of one side of the substantially equilateral triangle is about 1 μm. Further, since the long side direction of the opening 25a faces the <11-20> direction, the GaN layer 26 has a side surface (facet) 26a having a plane orientation of (1-101) and a side surface equivalent thereto (facet) 26a. Facet) 26b is formed.

続いて、例えばウェットエッチングにてマスク25を除去した後、適切な前処理を施して、図12に表したように、GaN層27をMOCVD法にてエピタキシャル成長させる。このとき、GaN層26において底部の欠けていた部分が埋められ2つの角が形成される。さらに、GaN層27にも、下地結晶であるGaN層26のファセット26a、26bと同様なファセット27a、27bが形成される。すなわち、GaN層27のファセット27aの面方位は(1−101)であり、ファセット27bの面方位は(1−101)と等価である。主面27cの面方位は(0001)である。GaN層27において、GaN層24の主面上の厚さは約500nmである。第2の実施形態では、GaN層27が第1の窒化物半導体層となる。   Subsequently, after removing the mask 25 by, for example, wet etching, an appropriate pretreatment is performed, and the GaN layer 27 is epitaxially grown by MOCVD as shown in FIG. At this time, the missing portion of the bottom of the GaN layer 26 is filled to form two corners. Furthermore, facets 27a and 27b similar to the facets 26a and 26b of the GaN layer 26, which is the base crystal, are also formed on the GaN layer 27. That is, the face orientation of the facet 27a of the GaN layer 27 is (1-101), and the face orientation of the facet 27b is equivalent to (1-101). The plane orientation of the main surface 27c is (0001). In the GaN layer 27, the thickness on the main surface of the GaN layer 24 is about 500 nm. In the second embodiment, the GaN layer 27 is the first nitride semiconductor layer.

続いて、図13に表したように、GaN層(第1の窒化物半導体層)27上に、第2の窒化物半導体層としてAlGaN層28をエピタキシャル成長させる。ここで、(0001)面上への結晶成長速度に対する、(1−101)面上への結晶成長速度の比は約0.05である。したがって、GaN層27のファセット27a、27b上におけるAlGaN層28の厚さは、GaN層27の主面27c上における厚さよりも小さくなる。本実施形態の場合、AlGaN層28の厚さは、GaN層27の主面27c上で約50nmであり、ファセット27a、27b上で2〜2.5nmである。   Subsequently, as illustrated in FIG. 13, an AlGaN layer 28 is epitaxially grown on the GaN layer (first nitride semiconductor layer) 27 as a second nitride semiconductor layer. Here, the ratio of the crystal growth rate on the (1-101) plane to the crystal growth rate on the (0001) plane is about 0.05. Therefore, the thickness of the AlGaN layer 28 on the facets 27 a and 27 b of the GaN layer 27 is smaller than the thickness on the main surface 27 c of the GaN layer 27. In the present embodiment, the thickness of the AlGaN layer 28 is about 50 nm on the main surface 27c of the GaN layer 27 and 2 to 2.5 nm on the facets 27a and 27b.

続いて、図8、9に表したように、ソース、ドレイン、ゲートの各電極33、34、32を形成する。第2の窒化物半導体層28において、第1の窒化物半導体層27の主面27cの上に位置する部分に、段部31を挟むようにして、ソース電極33とドレイン電極34が、真空蒸着及びリフトオフ法により形成される。ソース電極33はその長辺方向が、ファセット27a、27bの長辺方向<11−20>に沿ったストライプ状を呈し、ドレイン電極34も同様にその長辺方向が<11−20>方向に沿ったストライプ状を呈する。ソース電極33、ドレイン電極34は、それぞれ、第2の窒化物半導体層28側から順に例えばTiとAlを形成して構成され、第2の窒化物半導体層28とオーミック接触している。   Subsequently, as shown in FIGS. 8 and 9, source, drain, and gate electrodes 33, 34, and 32 are formed. In the second nitride semiconductor layer 28, the source electrode 33 and the drain electrode 34 are vacuum deposited and lifted off with the step portion 31 sandwiched between the portions of the first nitride semiconductor layer 27 located on the major surface 27 c. Formed by law. The long side direction of the source electrode 33 has a stripe shape along the long side direction <11-20> of the facets 27a and 27b, and the long side direction of the drain electrode 34 also extends along the <11-20> direction. Exhibits a striped shape. The source electrode 33 and the drain electrode 34 are each configured by, for example, forming Ti and Al sequentially from the second nitride semiconductor layer 28 side, and are in ohmic contact with the second nitride semiconductor layer 28.

ゲート電極32は、第2の窒化物半導体層28において、ファセット27a、27bの上に位置する部分に、真空蒸着及びリフトオフ法により形成される。ゲート電極32は、ファセット27a、27bの上だけでなく、ファセット27a、27bの根元付近の主面上にも少しかかって形成される。ゲート電極32はその長辺方向が、ファセット27a、27bの長辺方向<11−20>に沿っている。ゲート電極32は、第2の窒化物半導体層28側から順に例えばNiとAuを形成して構成され、第2の窒化物半導体層28とショットキー接触している。   The gate electrode 32 is formed in a portion of the second nitride semiconductor layer 28 located on the facets 27a and 27b by vacuum deposition and a lift-off method. The gate electrode 32 is formed not only on the facets 27a and 27b but also on the main surface near the roots of the facets 27a and 27b. The long side direction of the gate electrode 32 is along the long side direction <11-20> of the facets 27a and 27b. The gate electrode 32 is configured by, for example, forming Ni and Au sequentially from the second nitride semiconductor layer 28 side, and is in Schottky contact with the second nitride semiconductor layer 28.

ソース、ドレイン、ゲートの各電極33、34、32の形成後には、図示しないが、各電極33、34、32を覆うように全面にCVD法にて窒化シリコンからなるパッシベーション膜を形成し、さらにその上にポリイミドなどからなる保護膜を形成した後、各電極33、34、32の一部を露出させるパッド開口や配線層の形成などが行われる。   After the formation of the source, drain, and gate electrodes 33, 34, and 32, although not shown, a passivation film made of silicon nitride is formed on the entire surface by CVD to cover the electrodes 33, 34, and 32. After a protective film made of polyimide or the like is formed thereon, a pad opening for exposing a part of each electrode 33, 34, 32 or a wiring layer is formed.

以上述べたように第2の実施形態においても、膜厚制御性の悪いエッチング技術を用いることなく、面方位の違いによる結晶成長速度の差を利用することで、ゲート電極32の下の第2の窒化物半導体層28の厚さはノーマリオフを実現すべく薄くし、ゲート電極32とソース電極33との間およびゲート電極32とドレイン電極34との間の第2の窒化物半導体層28の厚さはオン抵抗を小さくすべく十分に厚くしている。これにより、第2の窒化物半導体層28の膜厚を精度良く、かつ再現性良く制御でき、所望の特性の半導体装置21を製造ばらつきを抑えて製造できる。   As described above, also in the second embodiment, the second growth under the gate electrode 32 is obtained by using the difference in crystal growth rate due to the difference in the plane orientation without using the etching technique with poor film thickness controllability. The thickness of the nitride semiconductor layer 28 is made thin so as to realize normally-off, and the thickness of the second nitride semiconductor layer 28 between the gate electrode 32 and the source electrode 33 and between the gate electrode 32 and the drain electrode 34. The thickness is sufficiently thick to reduce the on-resistance. Thereby, the film thickness of the second nitride semiconductor layer 28 can be controlled with high accuracy and reproducibility, and the semiconductor device 21 having desired characteristics can be manufactured while suppressing manufacturing variations.

さらに、再成長界面は実質的に動作に寄与しない部分(バッファ層であるGaN層24、26の表面)に存在し、第2の窒化物半導体層28中には存在しないため、再成長界面の不純物による性能の低下を防ぐことができる。   Furthermore, since the regrowth interface exists in a portion that does not substantially contribute to the operation (the surfaces of the GaN layers 24 and 26 that are buffer layers) and does not exist in the second nitride semiconductor layer 28, It is possible to prevent a decrease in performance due to impurities.

また、GaN層24、26を、結晶欠陥を少なくしてエピタキシャル成長させることができれば、GaN層27を形成せずに、GaN層24、26に、第2の窒化物半導体層28をエピタキシャル成長させてもよい。すなわち、この場合、GaN層24、26が第1の窒化物半導体層として機能する。   Further, if the GaN layers 24 and 26 can be epitaxially grown with few crystal defects, the second nitride semiconductor layer 28 can be epitaxially grown on the GaN layers 24 and 26 without forming the GaN layer 27. Good. That is, in this case, the GaN layers 24 and 26 function as the first nitride semiconductor layer.

以上述べた第2の実施形態に係る半導体装置21の各種評価を行うため、例えば、ゲート電極32の長手方向長さを1.5mm、その長手方向に直行する短手方向長さを1μmとしたものを用意した。ゲート電極32において、ファセット27a、27bの上にある部分の短手方向長さは500nmである。実質的にゲートとして機能するのはファセット27a、27bの上にある部分なので、ゲート長は500nmと言える。ソース、ドレインの各電極33、34の短手方向長さは5μm、ソース電極33とゲート電極32間の長さは1μm、ゲート電極32とドレイン電極34間の長さは10μmとした。   In order to perform various evaluations of the semiconductor device 21 according to the second embodiment described above, for example, the longitudinal length of the gate electrode 32 is 1.5 mm, and the lateral length perpendicular to the longitudinal direction is 1 μm. I prepared something. In the gate electrode 32, the length in the short direction of the portion on the facets 27a and 27b is 500 nm. It can be said that the gate length is 500 nm because the portion that substantially functions as the gate is above the facets 27a and 27b. The length in the short direction of the source and drain electrodes 33 and 34 was 5 μm, the length between the source electrode 33 and the gate electrode 32 was 1 μm, and the length between the gate electrode 32 and the drain electrode 34 was 10 μm.

このようなサイズの半導体装置の各種評価を行ったところ、最大相互コンダクタンスは380[mS/mm]、最大ドレイン電流は350[mA/mm]であった。単位面積あたりのオン抵抗は2.8[mmΩcm]が得られた。ピンチオフ電圧Vpは0.61[V]となり、ノーマリオフ型であることが確認できた。また、直径3インチの基板上に作り込まれた同仕様の複数の半導体装置のピンチオフ電圧Vpを評価したところ、平均値である0.61[V]に対して、標準偏差は0.04Vであり、ノーマリオフ型としてはきわめて面内均一性の良い結果が得られた。 When various evaluations of the semiconductor device having such a size were performed, the maximum transconductance was 380 [mS / mm] and the maximum drain current was 350 [mA / mm]. The on-resistance per unit area was 2.8 [mmΩcm 2 ]. The pinch-off voltage Vp was 0.61 [V], confirming the normally-off type. Further, when the pinch-off voltage Vp of a plurality of semiconductor devices of the same specification built on a substrate having a diameter of 3 inches was evaluated, the standard deviation was 0.04 V with respect to 0.61 [V] which is an average value. As a normally-off type, extremely good in-plane uniformity was obtained.

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明はそれら実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made based on the technical idea of the present invention.

本発明は、図14に表したように、ゲート電極12と第2の窒化物半導体層9との間にゲート絶縁膜40を介在させた、MIS(metal-insulator-semiconductor)構造の半導体装置にも適用可能である。ゲート絶縁膜40の材料としては、SiN、AlN、SiOなどが一例として挙げられる。もちろん、図8に表した半導体装置21においてもゲート電極32と第2の窒化物半導体層28との間に同様なゲート絶縁膜を介在させてもよい。 As shown in FIG. 14, the present invention is a semiconductor device having a MIS (metal-insulator-semiconductor) structure in which a gate insulating film 40 is interposed between the gate electrode 12 and the second nitride semiconductor layer 9. Is also applicable. Examples of the material of the gate insulating film 40 include SiN, AlN, and SiO 2 . Of course, a similar gate insulating film may be interposed between the gate electrode 32 and the second nitride semiconductor layer 28 in the semiconductor device 21 shown in FIG.

第1、第2の窒化物半導体層の材料としては、GaN、AlGaN、InGaN、InGaNAs、InGaNP、AlInGaNPなどが一例として挙げられる。また、第1、第2の窒化物半導体層は、異種の窒化物半導体層を複数積層させた構造であってもよい。   Examples of the material of the first and second nitride semiconductor layers include GaN, AlGaN, InGaN, InGaNAs, InGaNP, and AlInGaNP. Further, the first and second nitride semiconductor layers may have a structure in which a plurality of different types of nitride semiconductor layers are stacked.

また、上記実施形態では、(1−101)面と(0001)面とにおける結晶成長速度の違いを利用して第2の窒化物半導体層に膜厚の違いを生じさせたが、これら面方位に限らず、結晶成長速度に差が出て膜厚に違いが生じるような関係を有するその他の面方位を利用してもよい。
なお、本願明細書において「窒化物半導体」とは、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1,0≦y≦1、x+y≦1)なる化学式において、組成比x及びyをそれぞれの範囲内で変化させたすべての組成の半導体を含むものとする。また、導電型を制御するために添加される各種の不純物をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
Moreover, in the said embodiment, although the difference in film thickness was produced in the 2nd nitride semiconductor layer using the difference in the crystal growth rate in (1-101) plane and (0001) plane, these plane orientations Not limited to this, other plane orientations having such a relationship that a difference in the crystal growth rate and a difference in the film thickness may be used.
In the specification of the present application, “nitride semiconductor” refers to a chemical formula of InxAlyGa1-xyN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1), and the composition ratios x and y are within the respective ranges. It includes semiconductors of all compositions changed in In addition, the “nitride semiconductor” includes those further containing various impurities added to control the conductivity type.

本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の要部断面図である。1 is a cross-sectional view of main parts of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 同第1の実施形態に係る半導体装置の要部斜視図である。It is a principal part perspective view of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment. 同第1の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment. 図3に続く工程を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a step that follows FIG. 3. 図4に続く工程を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a step that follows FIG. 4. 図5に続く工程を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a step that follows FIG. 5. 図6に続く工程を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a step that follows FIG. 6. 本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 同第2の実施形態に係る半導体装置の要部斜視図である。It is a principal part perspective view of the semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment. 同第2の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment. 図10に続く工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the process following FIG. 図11に続く工程を示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view showing a step that follows FIG. 11. 図12に続く工程を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing a step that follows FIG. 12. 本発明の変形例に係る半導体装置の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor device which concerns on the modification of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体装置
2 基板
3 AlN層
4 ノンドープ型GaN層
5 マスク
6 ノンドープ型GaN層
8 第1の窒化物半導体層(ノンドープ型GaN層)
8a ファセット
8b,8c 主面
9 第2の窒化物半導体層(n型AlGaN層)
11 段部
12 ゲート電極
13 ソース電極
14 ドレイン電極
21 半導体装置
22 基板
23 AlN層
24 ノンドープ型GaN層
25 マスク
26 ノンドープ型GaN層
27 第1の窒化物半導体層(ノンドープ型GaN層)
27a,27b ファセット
27c 主面
28 第2の窒化物半導体層(n型AlGaN層)
31 段部
32 ゲート電極
33 ソース電極
34 ドレイン電極
40 ゲート絶縁膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor device 2 Substrate 3 AlN layer 4 Non-doped GaN layer 5 Mask 6 Non-doped GaN layer 8 First nitride semiconductor layer (non-doped GaN layer)
8a Facet 8b, 8c Main surface 9 Second nitride semiconductor layer (n-type AlGaN layer)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Step part 12 Gate electrode 13 Source electrode 14 Drain electrode 21 Semiconductor device 22 Substrate 23 AlN layer 24 Non-doped GaN layer 25 Mask 26 Non-doped GaN layer 27 First nitride semiconductor layer (non-doped GaN layer)
27a, 27b Facet 27c Main surface 28 Second nitride semiconductor layer (n-type AlGaN layer)
31 Step 32 Gate electrode 33 Source electrode 34 Drain electrode 40 Gate insulating film

Claims (5)

第1の窒化物半導体からなり、上面に段部を有する第1の層と、
前記第1の窒化物半導体よりもバンドギャップが大なる第2の窒化物半導体からなり、前記段部を覆って前記第1の層の上に積層され、前記段部の側面上の厚さが、前記側面の上側及び下側の主面上の厚さよりも小さい第2の層と、
前記段部の前記側面の上において、前記第2の層の上に設けられたゲート電極と、
前記側面の上側及び下側の主面のいずれか一方の上において、前記第2の層の上に設けられたソース電極と、
前記側面の上側及び下側の主面のいずれか他方の上において、前記第2の層の上に設けられたドレイン電極と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
A first layer made of a first nitride semiconductor and having a step on the upper surface;
The second nitride semiconductor has a band gap larger than that of the first nitride semiconductor, is stacked on the first layer so as to cover the step portion, and has a thickness on a side surface of the step portion. A second layer smaller than the thickness on the upper and lower main surfaces of the side surface;
A gate electrode provided on the second layer on the side surface of the step;
A source electrode provided on the second layer on one of the upper and lower main surfaces of the side surface;
A drain electrode provided on the second layer on the other of the upper and lower main surfaces of the side surface;
A semiconductor device comprising:
前記主面の面方位は(0001)であり、
前記段部の前記側面の面方位は(1−101)である
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
The plane orientation of the main surface is (0001),
The semiconductor device according to claim 1, wherein a surface orientation of the side surface of the stepped portion is (1-101).
第1の窒化物半導体からなり、主面上に、前記主面に対して傾斜したファセットが設けられた第1の層と、
前記第1の窒化物半導体よりもバンドギャップが大なる第2の窒化物半導体からなり、前記第1の層の前記主面及び前記ファセット上に積層され、前記ファセット上における厚さが前記主面上における厚さよりも小さい第2の層と、
前記第1の層の前記ファセットとの間で、前記第2の層を挟んで設けられたゲート電極と、
前記第2の層の上において前記ファセットの側方の主面上に設けられたソース電極と、
前記第2の層の上において前記ファセットを挟んで前記ソース電極の反対側の主面上に設けられたドレイン電極と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
A first layer made of a first nitride semiconductor and provided on the main surface with a facet inclined with respect to the main surface;
The first nitride semiconductor is made of a second nitride semiconductor having a band gap larger than that of the first nitride semiconductor, and is stacked on the main surface and the facet of the first layer, and the thickness on the facet has a thickness on the main surface. A second layer smaller than the thickness above,
A gate electrode provided with the second layer sandwiched between the facets of the first layer;
A source electrode provided on a main surface lateral to the facet on the second layer;
A drain electrode provided on a main surface opposite to the source electrode on the second layer across the facet;
A semiconductor device comprising:
前記主面の面方位は(0001)であり、
前記ファセットの面方位は(1−101)である
ことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
The plane orientation of the main surface is (0001),
The semiconductor device according to claim 3, wherein the face orientation of the facet is (1-101).
下地結晶上に、第1の窒化物半導体からなり、主面よりも結晶成長速度が小さい面方位のファセットを有する第1の層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記第1の層の前記主面及び前記ファセット上に、前記第1の窒化物半導体よりもバンドギャップが大なる第2の窒化物半導体からなる第2の層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記第1の層の前記ファセットの上において、前記第2の層の上にゲート電極を形成する工程と、
前記第2の層の上における、前記ファセットの側方の主面上にソース電極を形成する工程と、
前記第2の層の上における、前記ファセットを挟んで前記ソース電極の反対側の主面上にドレイン電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。

Epitaxially growing a first layer comprising a first nitride semiconductor and having a face orientation with a plane orientation having a crystal growth rate smaller than that of the main surface on the underlying crystal;
Epitaxially growing a second layer made of a second nitride semiconductor having a larger band gap than the first nitride semiconductor on the main surface and the facet of the first layer;
Forming a gate electrode on the second layer over the facet of the first layer;
Forming a source electrode on a main surface on the side of the facet on the second layer;
Forming a drain electrode on the main surface of the second layer on the opposite side of the source electrode across the facet;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:

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