JP2007173426A - Semiconductor device - Google Patents

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Yasunobu Saito
泰伸 斉藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device assuring a lower ON resistance (R<SB>ON</SB>) and a higher OFF withstand voltage. <P>SOLUTION: The ON resistance (R<SB>ON</SB>) of an element is maintained small and withstand voltage thereof is maintained higher by giving a distortion characteristic to lower the threshold voltage to an insulating film formed between source and gate electrodes, and also giving a distortion characteristic to raise the threshold voltage to an insulating film 7 formed between drain and gate electrodes. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)/窒化ガリウム(GaN)ヘテロ構造などを用いたヘテロ接合電界効果トランジスタの構造を有する半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device having a heterojunction field effect transistor structure using an aluminum gallium nitride (AlGaN) / gallium nitride (GaN) heterostructure or the like.

スイッチング電源やインバータなどの回路には、スイッチング素子やダイオードなどのパワー半導体素子が用いられ、このパワー半導体素子には、高耐圧や、低オン抵抗(RON)などの特性が求められる。そして、これら耐圧とオン抵抗(RON)との間には、素子材料で決まるトレードオフの関係がある。技術開発の進歩により、パワー半導体は主な素子材料であるシリコン(以下、Si)の限界近くまで、低オン抵抗(RON)化が実現されるようになってきた。
オン抵抗(RON)をさらに低減させるためには、素子材料の変更が必要である。例えば、窒化ガリウム(以下、GaN)や窒化アルミニウムガリウム(以下、AlGaN)などの窒化物半導体をスイッチング素子材料として用いることにより、材料で決まるトレードオフ関係を改善して、飛躍的にオン抵抗(RON)を下げることが可能となる。
Circuits such as switching power supplies and inverters use power semiconductor elements such as switching elements and diodes, and the power semiconductor elements are required to have characteristics such as high breakdown voltage and low on-resistance (R ON ). There is a trade-off relationship determined by the element material between the breakdown voltage and the on-resistance (R ON ). Advances in technology development have made it possible to achieve low on-resistance (R ON ) near the limit of silicon (hereinafter referred to as Si), which is a main element material for power semiconductors.
In order to further reduce the on-resistance (R ON ), it is necessary to change the element material. For example, by using a nitride semiconductor such as gallium nitride (hereinafter referred to as GaN) or aluminum gallium nitride (hereinafter referred to as AlGaN) as a switching element material, the trade-off relationship determined by the material is improved and the on-resistance (R) is dramatically increased. ON ) can be lowered.

GaNやAlGaNなどの窒化物半導体を用いた素子として、AlGaN/GaNヘテロ構造を用いたヘテロ電界効果トランジスタ(以下、HFET:Heterojunction Field Effect Transistor)が挙げられる。このHFETは、ヘテロ界面チャネルの高移動度と、ヘテロ界面の歪によるピエゾ分極によって発生する高電子濃度により、低オン抵抗を実現している。このため、従来より高出力の高周波デバイスとして注目されていた。
一般的なHFETの構造は、例えば特許文献1の図25に表される。半導体基板上に形成されるGaN膜よりなるキャリア走行層(チャネル層)1と、この上に形成されるAlGaN膜よりなる障壁層(バリア層)2からなるヘテロ接合構造の窒化物半導体表面にゲート電極6が設けられ、これを挟んでソース電極5とドレイン電極4が設けられている。図25には図示されていないが、通常、窒化物半導体表面および各電極は表面保護のため絶縁膜で覆われている。
As an element using a nitride semiconductor such as GaN or AlGaN, there is a hetero field effect transistor (hereinafter referred to as HFET) using an AlGaN / GaN heterostructure. This HFET realizes a low on-resistance due to the high mobility of the heterointerface channel and the high electron concentration generated by the piezo polarization due to the strain at the heterointerface. For this reason, it has been attracting attention as a high-power high-frequency device.
A general HFET structure is shown in FIG. A gate is formed on the surface of a nitride semiconductor having a heterojunction structure including a carrier traveling layer (channel layer) 1 made of a GaN film formed on a semiconductor substrate and a barrier layer (barrier layer) 2 made of an AlGaN film formed thereon. An electrode 6 is provided, and a source electrode 5 and a drain electrode 4 are provided with the electrode 6 interposed therebetween. Although not shown in FIG. 25, the nitride semiconductor surface and each electrode are usually covered with an insulating film for surface protection.

このような窒化物半導体素子において、先に説明したオン抵抗(RON)の低減とオフ耐圧の向上というトレードオフ関係を改善するために、様々な試みがなされていた。例えば、オン抵抗(RON)の低減のためには、ソース電極のオーミック特性を向上させたり、ゲート電極化の半導体層を掘り込むリセスゲート構造を用いて、ゲート−ソース間の抵抗値を低くしていた。また、オフ耐圧の向上のためには、ゲート電極とドレイン電極間の距離を大きくとるオフセット電極構造を用いて、ゲート−ドレイン間の抵抗値を高くしていた。 しかしながら、AlGaN/GaNヘテロ構造の場合、リセスゲート構造を形成するために半導体表面を掘り込む工程は反応性プラズマエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)に限られるため、プラズマダメージが半導体層に入ってしまうという問題がある。さらに、オフセット電極構造のオフセット量は、レジスト塗布、マスク合わせ、露光、現像、エッチングといった一連の工程(以下、PEP工程:Photo Engraving Preocess)での合わせ精度によることが大きく、性能にばらつきが生じてしまうという問題がある。 In such a nitride semiconductor device, various attempts have been made to improve the trade-off relationship between the reduction in on-resistance (R ON ) and the improvement in off-breakdown voltage described above. For example, in order to reduce the on-resistance (R ON ), the resistance value between the gate and the source is lowered by using a recess gate structure that improves the ohmic characteristics of the source electrode or digs into a gate electrode semiconductor layer. It was. In order to improve the off breakdown voltage, the resistance value between the gate and the drain is increased by using an offset electrode structure that increases the distance between the gate electrode and the drain electrode. However, in the case of an AlGaN / GaN heterostructure, the process of digging a semiconductor surface to form a recess gate structure is limited to reactive plasma etching (RIE), and thus plasma damage enters the semiconductor layer. There's a problem. Furthermore, the offset amount of the offset electrode structure is largely due to alignment accuracy in a series of processes (hereinafter referred to as PEP process: Photo Engraving Preocess) such as resist coating, mask alignment, exposure, development, and etching, resulting in variations in performance. There is a problem of end.

一方、特許文献1には、ゲート電極端部の電界集中を緩和するためゲート電極下に歪み印加層3と呼ばれる半導体層を設けて、局所的にピエゾ効果を誘起させる技術が記載されている。
これとは別に、特許文献2には、ガリウムヒ素(GaAs)金属−半導体電界効果トランジスタ(MESFET:Metal Semiconductor Feild Effect Transistor)の電流経路上を被覆する絶縁膜より半導体基板に圧縮あるいは伸張の応力を与え、この応力によって電流経路を流れる電流値の変動を緩和する技術が記載されている。また、特許文献3には、ストレスによるピエゾ効果を用いて、トランジスタのしきい値の温度依存性を補償する技術が記載されている。このように、半導体基板上に形成される半導体もしくは絶縁膜に歪をもたせて応力を発生させ、この応力によってトランジスタに流れる電流値を変化させる技術については、様々な議論がなされている。
特開2005−79346号公報 特開平10−74776号公報 特開平8−222579号公報
On the other hand, Patent Document 1 describes a technique for locally inducing a piezo effect by providing a semiconductor layer called a strain applying layer 3 under a gate electrode in order to alleviate electric field concentration at the end of the gate electrode.
Separately, Patent Document 2 discloses that a compressive or tensile stress is applied to a semiconductor substrate from an insulating film covering a current path of a gallium arsenide (GaAs) metal-semiconductor field effect transistor (MESFET). A technique for mitigating fluctuations in the current value flowing through the current path due to the stress is described. Patent Document 3 describes a technique for compensating for the temperature dependence of the threshold value of a transistor by using a piezo effect caused by stress. As described above, various discussions have been made on a technique for generating a stress by applying a strain to a semiconductor or an insulating film formed over a semiconductor substrate and changing a current value flowing through the transistor by the stress.
JP 2005-79346 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-74776 JP-A-8-222579

本発明の目的は、オン抵抗(RON)が低く、オフ耐圧の高い半導体装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a low on-resistance (R ON ) and a high off-breakdown voltage.

本発明の一態様によれば、
窒化物半導体からなる第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に形成され、前記第1の半導体層よりもバンドギャップが大なるノンドープまたはn型の窒化物半導体からなる第2の半導体層と、
前記第2の半導体層上に、直接もしくは絶縁膜を介して形成された制御電極と、
前記第2の半導体層上に、前記制御電極を挟んで設けられた第1および第2の主電極と、
前記制御電極と前記第1の主電極との間に形成され前記第2の半導体層に圧縮性または伸張性の応力を与えることにより、前記第1の半導体層と前記第2の半導体層界面で発生するピエゾ効果を変化させる第1の絶縁膜と、
前記制御電極と前記第2の主電極との間に形成され前記第2の半導体層に圧縮性または伸張性の応力を与えることにより、前記第1の半導体層と前記第2の半導体層界面で発生するピエゾ効果を変化させる第2の絶縁膜と、
を備え、
前記第1の絶縁膜と前記第2の絶縁膜は、前記第2の半導体層に対してそれぞれ異なる値の応力を与える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 semiconductor layer made of a nitride semiconductor;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and made of a non-doped or n-type nitride semiconductor having a band gap larger than that of the first semiconductor layer;
A control electrode formed directly or via an insulating film on the second semiconductor layer;
First and second main electrodes provided on the second semiconductor layer with the control electrode interposed therebetween;
By applying compressive or extensible stress to the second semiconductor layer formed between the control electrode and the first main electrode, at the interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. A first insulating film for changing the generated piezo effect;
By applying compressive or extensible stress to the second semiconductor layer formed between the control electrode and the second main electrode, at the interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. A second insulating film for changing the generated piezo effect;
With
The semiconductor device is characterized in that the first insulating film and the second insulating film give different values of stress to the second semiconductor layer.

本発明によれば、半導体装置において、低オン抵抗(RON)および高オフ耐圧を実現することができる。 According to the present invention, a low on-resistance (R ON ) and a high off-breakdown voltage can be realized in a semiconductor device.

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態にかかるGaN−HFETの構造を表す、模式断面図である。
図1に表すHFETは、ノンドープの窒化物半導体からなるチャネル層1上に、厚みが略均一なノンドープまたはn型の窒化物半導体からなるバリア層2が形成された構造を有する。
なお、本願明細書において「窒化物半導体」とは、BInAlGa1−x−y−zN(0≦x≦1,0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z≦1)なる化学式において、組成比x、y及びz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。
バリア層2を構成する窒化物半導体のバンドギャップは、チャネル層1を構成する窒化物半導体のバンドギャップよりも大きい。具体的には、例えば、チャネル層1の材料としてGaNを用い、バリア層2の材料としてAlGaNを用いることができる。以下、チャネル層1及びバリア層2の材料として、これらの材料を用いた場合について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a GaN-HFET according to the first embodiment of the present invention.
The HFET shown in FIG. 1 has a structure in which a barrier layer 2 made of a non-doped or n-type nitride semiconductor having a substantially uniform thickness is formed on a channel layer 1 made of a non-doped nitride semiconductor.
In the present specification, “nitride semiconductor” means B x In y Al z Ga 1-xyz N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z ≦ In the chemical formula 1), it is assumed to include semiconductors having all compositions in which the composition ratios x, y, and z are changed within the respective ranges. In addition, the “nitride semiconductor” includes those further containing various impurities added to control the conductivity type.
The band gap of the nitride semiconductor constituting the barrier layer 2 is larger than the band gap of the nitride semiconductor constituting the channel layer 1. Specifically, for example, GaN can be used as the material of the channel layer 1, and AlGaN can be used as the material of the barrier layer 2. Hereinafter, the case where these materials are used as the material of the channel layer 1 and the barrier layer 2 will be described.

バリア層2上には、バリア層2とショットキー接合されるゲート電極3(制御電極)と、バリア層2とオーミック接合されるソース電極4(第1の主電極)と、ドレイン電極5(第2の主電極)と、がそれぞれ設けられている。ゲート電極3とソース電極4間の基板表面には第1の絶縁膜6が形成され、ゲート電極3とドレイン電極5間の基板表面には第2の絶縁膜7が形成されている。第1および第2の絶縁膜には、例えば窒化アルミニウム(AlN)等が用いられる。
GaN−HFETは、GaNチャネル層1とAlGaNバリア層2の接合界面付近にピエゾ効果によって発生する2次元電子ガス(以下、2DEG:2 Dimensional Electron Gas)をチャネルとし、これをゲート電極に印加する電圧によってオン/オフ制御して動作させる。そして、本実施形態によれば、このピエゾ効果を、HFET表面に形成される絶縁膜の膜応力によっても変化させることができる。また、この膜応力は、絶縁膜に歪みを持たせることで発生させることができる。
On the barrier layer 2, a gate electrode 3 (control electrode) that is Schottky-bonded to the barrier layer 2, a source electrode 4 (first main electrode) that is ohmic-bonded to the barrier layer 2, and a drain electrode 5 (first electrode) 2 main electrodes). A first insulating film 6 is formed on the substrate surface between the gate electrode 3 and the source electrode 4, and a second insulating film 7 is formed on the substrate surface between the gate electrode 3 and the drain electrode 5. For example, aluminum nitride (AlN) is used for the first and second insulating films.
The GaN-HFET uses a two-dimensional electron gas (hereinafter referred to as 2DEG: 2 Dimensional Electron Gas) generated by the piezo effect in the vicinity of the junction interface between the GaN channel layer 1 and the AlGaN barrier layer 2 as a channel, and a voltage applied to the gate electrode. Is operated with on / off control. According to the present embodiment, this piezo effect can be changed also by the film stress of the insulating film formed on the surface of the HFET. The film stress can be generated by giving strain to the insulating film.

図2は、GaN−HFETの半導体基板上に形成される絶縁膜の膜応力の大きさと電流値の関係を表した図表である。
同図において、膜応力が負の場合が圧縮応力、正の場合が引っ張り応力である。膜応力が正の領域において、単位面積あたりの電流値は膜応力に応じてほぼ直線的に変化しているのが分かる。すなわち、膜応力を大きくすることにより、トランジスタのしきい値電圧を低くすることが可能となる。膜応力を変化させる方法の一例を以下に説明する。
FIG. 2 is a chart showing the relationship between the magnitude of the film stress of the insulating film formed on the semiconductor substrate of the GaN-HFET and the current value.
In the figure, the case where the film stress is negative is the compressive stress, and the case where the film stress is positive is the tensile stress. It can be seen that in the region where the film stress is positive, the current value per unit area changes almost linearly according to the film stress. That is, by increasing the film stress, the threshold voltage of the transistor can be lowered. An example of a method for changing the film stress will be described below.

図3は、窒化アルミニウム膜(AlN)成膜時のスパッタ圧と膜応力の関係を表した図表である。
図より、スパッタ圧を高めることで膜応力は負から正へと変化し、その変化の様子はほぼ直線的であることが分かる。この特性はスパッタ装置への装置依存性も大きいが、一般的な傾向として、成膜時の反応圧を高くすると緻密な膜となり膜応力が正(引っ張り性)の膜が形成される。また、RF電力パワーを大きくすると膜質は緻密になる傾向があるので、RF電力パワーを変化させて所望の膜応力を得ることも可能である。
絶縁膜としてプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)で窒化シリコン(SiNx)を形成する場合は、アンモニア(NH)に対するシラン(SiH)の流量比を大きくすることで膜応力を緩和することが可能である。これは、シリコン(Si)と水素(H)との結合が増えるために、シリコンと窒素(N)との結合が弱くなるためであると考えられる。
このような方法を用いて、図1に表す第1の絶縁膜6、第2の絶縁膜7を形成することで、しきい値電圧を変化させることが可能となる。しきい値電圧を低くすることで、素子のオン抵抗(RON)は小さくすることができ、しきい値電圧を高くすることで、素子の耐圧を高く保つことができる。特に、第1の絶縁膜6の歪みをしきい値電圧が低くなるよう形成し、第2の絶縁膜7の歪みをしきい値電圧が高くなるように形成すれば、低オン抵抗(RON)特性と高耐圧を同時に実現することができる。また、第2の絶縁膜7のしきい値電圧を高くできるので、従来のオフセット構造を用いる必要がなくなり、図1に表されるゲート−ドレイン間距離(LGD)はゲート−ソース間距離(LGS)程度まで小さくすることが可能となる。
図4は、本発明の第2の実施の形態にかかるGaN−HFETの構造を表す、模式断面図である。図1に表すGaN−HFETと同様の要素には同一の番号を付し、その詳しい説明は省略する。
本図におけるGaN−HFETが図1に表されるGaN−HFETと異なる部分は、AlGaNバリア層2と第1の絶縁膜6、第2の絶縁膜7との間に、第3の絶縁膜8が形成されている点である。この第3の絶縁膜8は、例えば、光CVDで形成されたシリコン窒化膜(SiNx)等の歪みを有さない絶縁膜である。
FIG. 3 is a chart showing the relationship between sputtering pressure and film stress when forming an aluminum nitride film (AlN).
It can be seen from the figure that the film stress changes from negative to positive by increasing the sputtering pressure, and the state of the change is almost linear. Although this characteristic is highly dependent on the sputtering apparatus, as a general tendency, when the reaction pressure during film formation is increased, a dense film is formed and a film having a positive film stress (tensile property) is formed. Further, since the film quality tends to become denser when the RF power power is increased, it is possible to obtain a desired film stress by changing the RF power power.
When silicon nitride (SiNx) is formed as an insulating film by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition), it is possible to reduce the film stress by increasing the flow ratio of silane (SiH 4 ) to ammonia (NH 3 ). is there. This is considered to be because the bond between silicon and nitrogen (N) becomes weak because the bond between silicon (Si) and hydrogen (H) increases.
By using such a method, the threshold voltage can be changed by forming the first insulating film 6 and the second insulating film 7 shown in FIG. By reducing the threshold voltage, the on-resistance (R ON ) of the element can be reduced, and by increasing the threshold voltage, the breakdown voltage of the element can be kept high. In particular, if the distortion of the first insulating film 6 is formed so that the threshold voltage is low and the distortion of the second insulating film 7 is formed so that the threshold voltage is high, the low on-resistance (R ON). ) Characteristics and high breakdown voltage can be realized at the same time. Further, since the threshold voltage of the second insulating film 7 can be increased, it is not necessary to use a conventional offset structure, and the gate-drain distance (L GD ) shown in FIG. L GS ) or so can be reduced.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a GaN-HFET according to the second embodiment of the present invention. Elements similar to those of the GaN-HFET shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
The GaN-HFET in this figure is different from the GaN-HFET shown in FIG. 1 in that the third insulating film 8 is between the AlGaN barrier layer 2 and the first and second insulating films 6 and 7. Is formed. The third insulating film 8 is an insulating film having no distortion, such as a silicon nitride film (SiNx) formed by photo-CVD.

MOSFETの性能を維持するためには、成膜ダメージが半導体層に入らないことが望ましい。しかしながら、第1の絶縁膜6および第2の絶縁膜7のように歪みを有する絶縁膜を形成する場合のスパッタ工程は、半導体層に対するダメージが大きい。特に、大きな歪みの絶縁膜を得ようとするほど、このダメージは大きいものになってしまう。このため、本図に表すGaN−HFETにおいては、半導体層と歪みを有する絶縁膜との間に歪みのない第3の絶縁膜8が設けられている。先に、半導体層に対するダメージの少ない第3の半導体層8を形成し、その後、所望の歪みを有する第1の絶縁膜6および第2の絶縁膜7が形成される。このような構造とすることで、第1の絶縁膜6および第2の絶縁膜7形成時の成膜ダメージは第3の半導体層で抑制され、半導体層まで入り込まなくなる。したがって、低ダメージの半導体層を得ることができ、低オン抵抗(RON)特性と高耐圧特性を併せ持ったGaN−HFET品質を高めることができる。 In order to maintain the performance of the MOSFET, it is desirable that film formation damage does not enter the semiconductor layer. However, in the case of forming a strained insulating film such as the first insulating film 6 and the second insulating film 7, damage to the semiconductor layer is large. In particular, the more the insulating film having a large strain is obtained, the greater the damage becomes. For this reason, in the GaN-HFET shown in this figure, the third insulating film 8 having no strain is provided between the semiconductor layer and the insulating film having strain. First, the third semiconductor layer 8 with little damage to the semiconductor layer is formed, and then the first insulating film 6 and the second insulating film 7 having a desired strain are formed. With such a structure, film-forming damage at the time of forming the first insulating film 6 and the second insulating film 7 is suppressed by the third semiconductor layer and does not enter the semiconductor layer. Therefore, a low-damage semiconductor layer can be obtained, and GaN-HFET quality having both low on-resistance (R ON ) characteristics and high breakdown voltage characteristics can be improved.

図5は、本発明の第3の実施の形態にかかるGaN−HFETの構造を表す、模式断面図である。図1および図4に表すGaN−HFETと同様の要素には同一の番号を付し、その詳しい説明は省略する。
本図におけるGaN−HFETが図4に表わされるGaN−HFETと異なる部分は、第3の絶縁膜8がゲート電極3下部にも形成され、MIS(Metal Insulator Semiconductor)型のゲート構造を採用している点である。第3の絶縁膜8は歪みを有さないので、ある程度薄く形成すれば、ゲート絶縁膜として用いることも可能である。この場合でも、先に説明した第2の実施の形態にかかるGaN−HFETと同様の効果が得られる。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a GaN-HFET according to the third embodiment of the present invention. Elements similar to those of the GaN-HFET shown in FIGS. 1 and 4 are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof are omitted.
In the figure, the GaN-HFET differs from the GaN-HFET shown in FIG. 4 in that a third insulating film 8 is also formed below the gate electrode 3 and adopts a MIS (Metal Insulator Semiconductor) type gate structure. It is a point. Since the third insulating film 8 has no distortion, it can be used as a gate insulating film if it is formed to be thin to some extent. Even in this case, the same effect as the GaN-HFET according to the second embodiment described above can be obtained.

図6は、本発明の第4の実施の形態にかかるGaN−HFETの構造を表す、模式断面図である。図1に表すGaN−HFETと同様の要素には同一の番号を付し、その詳しい説明は省略する。
本図におけるGaN−HFETが図1に表されるGaN−HFETと異なる部分は、ゲート−ドレイン間距離(LGD)がゲート−ソース間距離(LGS)に比べて大きくなっている点である。ゲート−ドレイン間のしきい値電圧を第2の絶縁膜の歪みによって高くしたGaN−HFETに対して、さらにオフセット構造を採用することで、高耐圧特性を強化することができる。絶縁膜の歪による高耐圧化にも限界があるので、オフセット構造と組みあわせることで、高耐圧特性を促進することができる。
オフセット構造との組み合わせは、第2、第3の実施の形態にかかるGaN−HFETにおいても可能であり、本実施の形態と同様な効果が得られる。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a GaN-HFET according to the fourth embodiment of the present invention. Elements similar to those of the GaN-HFET shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
1 is different from the GaN-HFET shown in FIG. 1 in that the gate-drain distance (L GD ) is larger than the gate-source distance (L GS ). . By adopting an offset structure for the GaN-HFET in which the threshold voltage between the gate and the drain is increased by the distortion of the second insulating film, the high breakdown voltage characteristics can be enhanced. Since there is a limit to the high breakdown voltage due to the distortion of the insulating film, the high breakdown voltage characteristic can be promoted by combining with the offset structure.
Combination with the offset structure is also possible in the GaN-HFETs according to the second and third embodiments, and the same effects as those of the present embodiment can be obtained.

図7は、図1に表すGaN−HFETの上面図である。本図は、各電極とその間に形成される絶縁膜の配置を表している。ソース電極4、ドレイン電極5、ゲート電極3はストライプ状に形成され、ソース電極に対して対称な形で形成することができる。ソース電極4とゲート電極3間には第1の絶縁膜6が形成され、ドレイン電極5とゲート電極3間には第2の絶縁膜が形成される。   FIG. 7 is a top view of the GaN-HFET shown in FIG. This figure shows the arrangement of each electrode and the insulating film formed therebetween. The source electrode 4, the drain electrode 5, and the gate electrode 3 are formed in a stripe shape, and can be formed symmetrically with respect to the source electrode. A first insulating film 6 is formed between the source electrode 4 and the gate electrode 3, and a second insulating film is formed between the drain electrode 5 and the gate electrode 3.

これまで第1〜4の実施の形態にかかるGaN−HFETにおいて、第1の絶縁膜6と第2の絶縁膜7の歪特性は異なるものとして説明してきたが、この限りではなく、半導体素子の用途によっては同じ歪特性を有するものであってもよい。例えば、高電圧を扱わないスイッチング素子であれば、第1、第2の絶縁膜ともに、しきい値電圧を下げるような歪み特性を持つ絶縁膜を採用し、低オン抵抗(RON)特性を向上させればよい。 So far, in the GaN-HFETs according to the first to fourth embodiments, the first insulating film 6 and the second insulating film 7 have been described as having different strain characteristics. Depending on the application, they may have the same distortion characteristics. For example, in the case of a switching element that does not handle a high voltage, both the first and second insulating films employ an insulating film having a distortion characteristic that lowers the threshold voltage, and has a low on-resistance (R ON ) characteristic. What is necessary is just to improve.

また、第1、第2の絶縁膜の材料として、窒化アルミニウム(AlN)を例に説明したが、例えば、窒化シリコン(SiNx)、酸窒化シリコン(SiOxNy)を用いることもできる。窒化シリコン(SiNx)や酸窒化シリコン(SiOxNy)の場合は、プラズマCVD時にシラン(Si)と窒素(N)または、酸素(O)と窒素(N)の流量比を変化させることで、結晶の格子を歪ませて得られる。これ以外にも、酸化アルミニウム(AlxOy)、酸化シリコン(SiOx)等を用いることも可能である。   Further, although aluminum nitride (AlN) has been described as an example of the material of the first and second insulating films, for example, silicon nitride (SiNx) or silicon oxynitride (SiOxNy) can also be used. In the case of silicon nitride (SiNx) or silicon oxynitride (SiOxNy), by changing the flow ratio of silane (Si) and nitrogen (N) or oxygen (O) and nitrogen (N) during plasma CVD, Obtained by distorting the lattice. In addition, aluminum oxide (AlxOy), silicon oxide (SiOx), or the like can be used.

また、リセスゲート構造のGaN−HFETにも適用可能である。しきい値電圧を下げる歪み特性を有する絶縁膜を採用すれば、リセスの掘り込み量を少なくすることもできる。   Further, the present invention can be applied to a GaN-HFET having a recessed gate structure. If an insulating film having a distortion characteristic that lowers the threshold voltage is employed, the amount of recess digging can be reduced.

本発明の第1の実施の形態にかかるGaN−HFETの構造を表す、模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a structure of a GaN-HFET according to a first embodiment of the present invention. GaN−HFETの半導体基板上に形成される絶縁膜の膜応力の大きさと電流値の関係を表した図表である。It is the graph showing the relationship between the magnitude | size of the film stress of the insulating film formed on the semiconductor substrate of GaN-HFET, and an electric current value. 窒化アルミニウム膜(AlN)成膜時のスパッタ圧と膜応力の関係を表した図表である。4 is a chart showing the relationship between sputtering pressure and film stress when forming an aluminum nitride film (AlN). 本発明の第2の実施の形態にかかるGaN−HFETの構造を表す、模式断面図である。It is a schematic cross section showing the structure of the GaN-HFET concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態にかかるGaN−HFETの構造を表す、模式断面図である。It is a schematic cross section showing the structure of GaN-HFET concerning the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態にかかるGaN−HFETの構造を表す、模式断面図である。It is a schematic cross section showing the structure of GaN-HFET concerning the 4th Embodiment of this invention. 図1に表すGaN−HFETの上面図である。It is a top view of GaN-HFET represented in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 GaNチャネル層、2 AlGaNバリア層、3 ゲート電極、4 ソース電極、5 ドレイン電極、6 第1の絶縁膜、7 第2の絶縁膜、8 第3の絶縁膜 1 GaN channel layer, 2 AlGaN barrier layer, 3 gate electrode, 4 source electrode, 5 drain electrode, 6 first insulating film, 7 second insulating film, 8 third insulating film

Claims (5)

窒化物半導体からなる第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に形成され、前記第1の半導体層よりもバンドギャップが大なるノンドープまたはn型の窒化物半導体からなる第2の半導体層と、
前記第2の半導体層上に、直接もしくは絶縁膜を介して形成された制御電極と、
前記第2の半導体層上に、前記制御電極を挟んで設けられた第1および第2の主電極と、
前記制御電極と前記第1の主電極との間に形成され前記第2の半導体層に圧縮性または伸張性の応力を与えることにより、前記第1の半導体層と前記第2の半導体層界面で発生するピエゾ効果を変化させる第1の絶縁膜と、
前記制御電極と前記第2の主電極との間に形成され前記第2の半導体層に圧縮性または伸張性の応力を与えることにより、前記第1の半導体層と前記第2の半導体層界面で発生するピエゾ効果を変化させる第2の絶縁膜と、
を備え、
前記第1の絶縁膜と前記第2の絶縁膜は、前記第2の半導体層に対してそれぞれ異なる値の応力を与えることを特徴とする半導体装置。
A first semiconductor layer made of a nitride semiconductor;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and made of a non-doped or n-type nitride semiconductor having a band gap larger than that of the first semiconductor layer;
A control electrode formed directly or via an insulating film on the second semiconductor layer;
First and second main electrodes provided on the second semiconductor layer with the control electrode interposed therebetween;
By applying compressive or extensible stress to the second semiconductor layer formed between the control electrode and the first main electrode, at the interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. A first insulating film for changing the generated piezo effect;
By applying compressive or extensible stress to the second semiconductor layer formed between the control electrode and the second main electrode, at the interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. A second insulating film for changing the generated piezo effect;
With
The semiconductor device, wherein the first insulating film and the second insulating film give different values of stress to the second semiconductor layer.
前記第1の絶縁膜は、前記第2の半導体層に対して前記圧縮性または伸張性の応力のいずれか一方を与え、
前記第2の絶縁膜は、前記第2の半導体層に対して前記圧縮性または伸張性の応力のいずれか他方を与えることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
The first insulating film applies either the compressive or extensible stress to the second semiconductor layer,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second insulating film applies one of the compressive stress and the extensible stress to the second semiconductor layer.
前記第2の半導体層と前記第1の絶縁膜との間に設けられ前記第1の絶縁膜よりも応力が小さい第3の絶縁膜と、
前記第2の半導体層と前記第2の絶縁膜との間に設けられ前記第2の絶縁膜よりも応力が小さい第4の絶縁膜と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
A third insulating film provided between the second semiconductor layer and the first insulating film and having a stress lower than that of the first insulating film;
A fourth insulating film provided between the second semiconductor layer and the second insulating film and having a stress lower than that of the second insulating film;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising:
前記第1の絶縁膜から前記応力を与えることにより、前記第1の主電極と前記制御電極との間の下の前記第1の半導体層と前記第2の半導体層界面に形成されるチャネルの抵抗値を下げ、前記第2の絶縁膜から前記応力を与えることにより、前記第2の主電極と前記制御電極との間の下の前記第1の半導体層と前記第2の半導体層界面に形成されるチャネルの抵抗値を上げたことを特徴とする請求項2または3に記載の半導体装置。   By applying the stress from the first insulating film, a channel formed at the interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer between the first main electrode and the control electrode is formed. By reducing the resistance value and applying the stress from the second insulating film, the interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer between the second main electrode and the control electrode is applied. 4. The semiconductor device according to claim 2, wherein a resistance value of a channel to be formed is increased. 前記第1及び第2の絶縁膜は、窒化アルミニウム(AlN)、窒化シリコン(SiN)、酸窒化シリコン(SiON)、酸化アルミニウム(Al)及び酸化シリコン(SiO)よりなる群から選択されたいずれかからなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体装置。
The first and second insulating films are selected from the group consisting of aluminum nitride (AlN), silicon nitride (SiN), silicon oxynitride (SiON), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and silicon oxide (SiO 2 ). The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is any one of the above.
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