JP2008159842A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特により高い耐圧特性又は逆耐圧特性を実現できる構成を有する電界効果型半導体トランジスタ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a field effect semiconductor transistor having a configuration capable of realizing higher breakdown voltage characteristics or reverse breakdown voltage characteristics and a manufacturing method thereof.
従来、GaN−HEMTといったGaN系電界効果型半導体トランジスタの製造工程において、大口径のGaN単結晶基板の入手が困難であるといった種々の制約から、GaAs基板といったGaNとは異なる材料の単結晶基板表面上にバッファ層として例えばGaN単結晶層を形成し、このバッファ層上に、さらにGaN層をエピタキシャル成長させて積層している。 Conventionally, in the manufacturing process of a GaN-based field effect semiconductor transistor such as GaN-HEMT, the surface of a single crystal substrate made of a material different from GaN such as a GaAs substrate due to various restrictions such as difficulty in obtaining a large-diameter GaN single crystal substrate. On the buffer layer, for example, a GaN single crystal layer is formed, and a GaN layer is further epitaxially grown on the buffer layer.
しかしながら、このようなバッファ層には、格子不整合に起因する欠陥である、いわゆる貫通転位が発生してしまう。 However, in such a buffer layer, so-called threading dislocations, which are defects due to lattice mismatch, occur.
バッファ層に生じる貫通転位は、その直上に形成される例えばGaN層に不可避的に伝播してしまう。 The threading dislocation generated in the buffer layer inevitably propagates to, for example, the GaN layer formed immediately above it.
この貫通転位に起因する電界効果型半導体トランジスタの耐圧特性の低下を防止するために、GaN層を選択横方向成長(ELO:Epitaxial Lateral Over−growth)法により形成するGaN系電界効果型半導体トランジスタの製造方法が知られている(例えば特許文献1参照。)。 In order to prevent the breakdown voltage characteristics of the field-effect semiconductor transistor from being deteriorated due to the threading dislocation, a GaN-based field-effect semiconductor transistor in which the GaN layer is formed by a selective lateral growth (ELO) method is used. A manufacturing method is known (for example, refer to Patent Document 1).
また、保護膜形成に際してCat−CVD(Catalytic Chemical Vapor Deposition)法を適用することにより、半導体/保護膜界面のトラップを減少させて電流コラプスを抑制し高耐圧化を実現したいわゆるGaN−HEMT(高電子移動度トランジスタ)が知られている(例えば非特許文献1参照。)。 In addition, a Cat-CVD (Catalytic Chemical Vapor Deposition) method is applied when forming the protective film, so that a trap at the semiconductor / protective film interface is reduced, current collapse is suppressed, and a high breakdown voltage is realized. An electron mobility transistor) is known (for example, see Non-Patent Document 1).
さらに、フィールドモジュレーティングプレート(FP)を具えるGaAs MESFETが知られている(例えば非特許文献2参照。)。この非特許文献2には、ゲート電極とドレイン電極との間の電界集中分布は、よりドレイン側で密となり、ゲート電極直下にはさほど電界集中がみられないことが記載されている。 Furthermore, a GaAs MESFET having a field modulating plate (FP) is known (for example, see Non-Patent Document 2). This Non-Patent Document 2 describes that the electric field concentration distribution between the gate electrode and the drain electrode becomes denser on the drain side, and the electric field concentration is not so much directly under the gate electrode.
さらにまた、選択横方向成長法により、転位密度がより低減されたGaN膜を形成する成膜方法が知られている(例えば非特許文献3参照。)。この非特許文献3には、選択横方向成長により、異なる2方向から成長した膜が合わさって形成される境界面に、結晶のc軸が1°程度の傾きを持った小傾角粒界が形成されることが記載されている。
例えば、上述した特許文献1が開示する半導体装置の構成によれば、シリコン酸化膜からなるマスクの直上にトランジスタのゲート電極が設けられている。
For example, according to the configuration of the semiconductor device disclosed in
このようなマスク上にGaN層を選択横方向成長法により形成すれば、非特許文献3が開示するように異なる2方向から成長した膜が合わさって形成される境界面に、結晶のc軸が1°程度の傾きを持った小傾角粒界が形成されるため、この小傾角粒界を挟んでソース電極とドレイン電極が存在していると、これらの間のシートキャリアが存在している領域が小傾角領域に分断されて電子キャリアの走行が妨げられてしまう。 If a GaN layer is formed on such a mask by a selective lateral growth method, as disclosed in Non-Patent Document 3, the c-axis of the crystal is formed on the boundary surface formed by combining films grown from two different directions. Since a low-inclination grain boundary having an inclination of about 1 ° is formed, if a source electrode and a drain electrode are present across the small-inclination grain boundary, a region where a sheet carrier exists between them Is divided into small tilt regions, and the traveling of electron carriers is hindered.
また、この場合に、特に小傾角粒界上にゲート電極が設けられている場合には、リーク電流が増大してトランジスタの制御性が損なわれるおそれがある。 In this case, in particular, when the gate electrode is provided on the low-inclined grain boundary, the leakage current may increase and the controllability of the transistor may be impaired.
ここで、非特許文献2の開示によれば、電界集中分布はよりドレイン側で密になることが明らかであることからゲート電極の直下にマスクを存在させる必要はないことがわかる。 Here, according to the disclosure of Non-Patent Document 2, it is clear that the electric field concentration distribution is denser on the drain side, and thus it is understood that it is not necessary to have a mask directly under the gate electrode.
上述した問題点を解決するために、この発明の半導体装置は、下記のような構成上の特徴を有している。 In order to solve the above-described problems, the semiconductor device of the present invention has the following structural features.
すなわち、この発明の半導体装置は、第1主表面及びこの第1主表面と対向する第2主表面を有しており、第1主表面に素子形成領域が設けられている半絶縁性の単結晶基板と、第1主表面上に設けられているバッファ層と、バッファ層上に設けられている絶縁性マスクパターンと、絶縁性マスクパターン及びこの絶縁性マスクパターンから露出するバッファ層上を一体的に覆っている電子キャリア走行層であって、絶縁性マスクパターン上の領域内で境界面により区画される第1領域及びこの第1領域に隣接している第2領域を有している電子キャリア走行層と、電子キャリア走行層上に設けられているバリア層と、第1及び第2領域外であるバリア層上であって、ゲート幅の延在方向が第1領域の端縁に沿うように設けられているゲート電極と、ゲート電極と離間してバリア層上に設けられているドレイン電極であって、電子キャリア走行層の第2領域上から境界面上を越えて第1領域上にまたがって設けられているドレイン電極と、ゲート電極を挟んでドレイン電極と離間して設けられているソース電極とを具えている。 That is, the semiconductor device of the present invention has a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface, and a semi-insulating single unit in which an element formation region is provided on the first main surface. The crystal substrate, the buffer layer provided on the first main surface, the insulating mask pattern provided on the buffer layer, and the insulating mask pattern and the buffer layer exposed from the insulating mask pattern are integrated. An electron carrier traveling layer that covers the first region, the first region defined by the boundary surface within the region on the insulating mask pattern, and the second region adjacent to the first region The carrier traveling layer, the barrier layer provided on the electron carrier traveling layer, and the barrier layer outside the first and second regions, wherein the extending direction of the gate width is along the edge of the first region The gate is provided as A drain electrode provided on the barrier layer spaced apart from the electrode and the gate electrode, and provided over the first region from the second region of the electron carrier traveling layer to the boundary surface. A drain electrode and a source electrode provided apart from the drain electrode with the gate electrode interposed therebetween are provided.
ドレイン電極及びソース電極は、好ましくはバリア層を貫通して電子キャリア走行層の厚み内に至る溝部に設けるのがよい。 The drain electrode and the source electrode are preferably provided in a groove that penetrates the barrier layer and reaches the thickness of the electron carrier transit layer.
このようにすれば、ソース電極及びドレイン電極が、シートキャリアに直接的に接触することになるため、接触抵抗をより低減することができる。結果として、最高動作周波数をより大きくすることができる。 If it does in this way, since a source electrode and a drain electrode will contact a sheet carrier directly, contact resistance can be reduced more. As a result, the maximum operating frequency can be increased.
単結晶基板は、好ましくは例えばシリコンカーバイド基板とするのがよい。 The single crystal substrate is preferably a silicon carbide substrate, for example.
バッファ層は、好ましくは例えば窒化アルミニウム膜とするのがよい。 The buffer layer is preferably an aluminum nitride film, for example.
絶縁性マスクパターンは、好ましくは例えばシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜のいずれかとするのがよい。 The insulating mask pattern is preferably, for example, either a silicon oxide film or a silicon nitride film.
電子キャリア走行層は、好ましくは例えばガリウム窒化膜であり、かつバリア層は好ましくは例えばAlGaN膜とするのがよい。 The electron carrier transit layer is preferably a gallium nitride film, for example, and the barrier layer is preferably an AlGaN film, for example.
絶縁性マスクパターン直上の前記電子キャリア走行層の膜厚は、最大でも2μmとするのがよい。 The film thickness of the electron carrier transit layer immediately above the insulating mask pattern is preferably 2 μm at the maximum.
このようにすれば、抵抗値をより上げることができるため、半導体装置の耐圧をより向上させることができる。 In this way, since the resistance value can be further increased, the breakdown voltage of the semiconductor device can be further improved.
また、この発明の半導体装置の製造方法の主要工程は下記の通りである。 The main steps of the semiconductor device manufacturing method of the present invention are as follows.
すなわち製造方法は、第1主表面及び当該第1主表面と対向する第2主表面を有しており、第1主表面に複数の素子形成領域が設定されている半絶縁性の単結晶基板を準備する工程と、単結晶基板の前記第1主面上に、バッファ層を形成する工程と、バッファ層上に、絶縁性マスク層を形成する工程と、絶縁性マスク層をパターニングして、絶縁性マスクパターンを形成する工程と、絶縁性マスクパターン及びこの絶縁性マスクパターンから露出するバッファ層上を一体的に覆う電子キャリア走行層であって、選択横方向成長法により互いに異なる方向から成長させて、絶縁性マスクパターン上の領域内で境界面により区画される第1領域及びこの第1領域に隣接している第2領域を有する電子キャリア走行層を形成する工程と、電子キャリア走行層上に、バリア層を形成する工程と、素子分離領域を形成して、複数の素子形成領域同士を電気的に分離する工程と、第1及び第2領域外であるバリア層上であって、ゲート幅の延在方向が第1領域の端縁に沿うように、ゲート電極を形成する工程と、ゲート電極と離間してバリア層上に設けられているドレイン電極であって、電子キャリア走行層の第2領域上から境界面上を越えて第1領域上にまたがって設けられているドレイン電極、及びゲート電極を挟んでドレイン電極と離間して設けられているソース電極を形成する工程とを含んでいる。 That is, the manufacturing method has a first main surface and a second main surface facing the first main surface, and a semi-insulating single crystal substrate in which a plurality of element formation regions are set on the first main surface. Preparing a buffer layer on the first main surface of the single crystal substrate, forming an insulating mask layer on the buffer layer, patterning the insulating mask layer, A step of forming an insulating mask pattern, and an electron carrier traveling layer that integrally covers the insulating mask pattern and the buffer layer exposed from the insulating mask pattern, which are grown from different directions by a selective lateral growth method. A step of forming an electron carrier traveling layer having a first region partitioned by a boundary surface in a region on the insulating mask pattern and a second region adjacent to the first region; A step of forming a barrier layer on the traveling layer; a step of forming an element isolation region to electrically isolate a plurality of element formation regions; and a barrier layer outside the first and second regions. A step of forming a gate electrode so that the extending direction of the gate width is along the edge of the first region, and a drain electrode provided on the barrier layer apart from the gate electrode, the electron carrier A step of forming a drain electrode provided over the first region from the second region of the traveling layer over the boundary surface, and a source electrode provided apart from the drain electrode with the gate electrode interposed therebetween Including.
ドレイン電極及びソース電極を形成する工程は、バリア層を貫通して電子キャリア走行層の厚み内に至る溝部を形成し、この溝部内に形成する工程とするのがよい。 The step of forming the drain electrode and the source electrode is preferably a step of forming a groove portion that penetrates the barrier layer and reaches the thickness of the electron carrier traveling layer, and forms the groove portion in the groove portion.
バッファ層は、好ましくは例えば窒化アルミニウム膜として形成するのがよい。 The buffer layer is preferably formed as an aluminum nitride film, for example.
絶縁性マスクパターンは、好ましくは例えばシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜のいずれかとして形成するのがよい。 The insulating mask pattern is preferably formed, for example, as either a silicon oxide film or a silicon nitride film.
電子キャリア走行層は好ましくは例えばガリウム窒化膜とし、かつバリア層は好ましくは例えばAlGaN膜として形成するのがよい。 The electron carrier traveling layer is preferably formed of, for example, a gallium nitride film, and the barrier layer is preferably formed of, for example, an AlGaN film.
絶縁性マスクパターン直上の電子キャリア走行層の膜厚は、最大でも2μmとして形成するのがよい。 The film thickness of the electron carrier traveling layer immediately above the insulating mask pattern is preferably 2 μm at the maximum.
この発明の半導体装置の構成によれば、ゲート電極の配置を絶縁性マスクパターンの直上領域外としている、すなわちゲート電極が小傾角粒界上に存在しないため、リーク電流の増大といったトランジスタの電気的特性の低下を効果的に防止することができる。 According to the configuration of the semiconductor device of the present invention, the gate electrode is disposed outside the region immediately above the insulating mask pattern, that is, the gate electrode does not exist on the low-angle grain boundary, so that the transistor electrical characteristics such as an increase in leakage current are generated. It is possible to effectively prevent deterioration of characteristics.
また、この発明の半導体装置の構成によれば、ドレイン電極が小傾角粒界をまたいでゲート電極と対向しているため、シートキャリアの存在領域が小傾角粒界により分断されない。従って、電気的特性をより向上させることができる。 In addition, according to the configuration of the semiconductor device of the present invention, since the drain electrode faces the gate electrode across the low-angle grain boundary, the region where the sheet carrier exists is not divided by the low-angle grain boundary. Therefore, the electrical characteristics can be further improved.
この発明の半導体装置は、これらの構成が相俟って、極めて高い耐圧特性を実現することができる。 The semiconductor device of the present invention can realize extremely high breakdown voltage characteristics due to the combination of these configurations.
また、この発明の半導体装置の製造方法によれば、上述した構成を有し、及び上述した作用効果を奏する半導体装置をより効率的に製造することができる。 Moreover, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a semiconductor device having the above-described configuration and exhibiting the above-described effects can be manufactured more efficiently.
以下、図面を参照して、この発明の実施形態につき説明する。なお、図面には、この発明が理解できる程度に各構成成分の形状、大きさ及び配置関係が概略的に示されているに過ぎず、これによりこの発明が特に限定されるものではない。また、以下の説明において、特定の材料、条件及び数値条件等を用いることがあるが、これらは好適例の一つに過ぎず、従って、何らこれらに限定されない。また、以下の説明に用いる各図において同様の構成成分については、同一の符号を付して示し、その重複する説明を省略する場合もあることを理解されたい。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, only the shapes, sizes, and arrangement relationships of the respective constituent components are schematically shown to such an extent that the present invention can be understood, and the present invention is not particularly limited thereby. In the following description, specific materials, conditions, numerical conditions, and the like may be used. However, these are merely preferred examples, and are not limited to these. In addition, it should be understood that the same constituent components are denoted by the same reference numerals in the drawings used for the following description, and redundant description thereof may be omitted.
(第1の実施の形態)
1.半導体装置の構成例
図1を参照して、この例の半導体装置の実施形態につき説明する。
(First embodiment)
1. Configuration Example of Semiconductor Device With reference to FIG. 1, an embodiment of a semiconductor device of this example will be described.
図1(A)は半導体装置の構成を説明するための上面からみた概略的な平面図であり、図1(B)は図1(A)のI−I’一点鎖線に対応する位置で切断した切断面を示す概略図である。 FIG. 1A is a schematic plan view as viewed from the top for explaining the structure of the semiconductor device, and FIG. 1B is cut at a position corresponding to the dashed line II ′ in FIG. It is the schematic which shows the cut surface which carried out.
この発明の半導体装置、すなわちトランジスタは、ゲート電極が絶縁性マスクパターンの直上を避けて配置されている構成、及びドレイン電極がドレイン電極とソース電極との間に小傾角粒界が非存在となるよう配置されている点に特徴を有している。 The semiconductor device of the present invention, that is, the transistor, has a configuration in which the gate electrode is disposed so as not to be directly above the insulating mask pattern, and the drain electrode has no low-angle grain boundary between the drain electrode and the source electrode. It has the characteristic in the point arranged so.
以下に、この発明のトランジスタとして高電子移動度トランジスタの構成例を説明する。本発明はこれに限定されず、例えばMESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)、及びゲート電極がpn接合を有するJFET(Junction Field Effect Transistor)といったトランジスタに適用することもできる。 Hereinafter, a configuration example of a high electron mobility transistor will be described as the transistor of the present invention. The present invention is not limited to this, and can be applied to transistors such as MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) and JFET (Junction Field Effect Transistor) whose gate electrode has a pn junction.
図1(A)及び(B)に示すように、この発明の半導体装置10は、単結晶基板20を含んでいる。この単結晶基板20としては、好ましくは例えば半絶縁性のシリコンカーバイド(SiC)基板を用いるのがよい。
As shown in FIGS. 1A and 1B, a
単結晶基板20は、平行平板状であって、第1主表面20a及びこの第1主表面20aと対向する第2主表面20bを有している。
The
この第1主表面20a側には、この例では、トランジスタである機能素子が作り込まれる長方形状の素子形成領域11が設定されている。
On the first
この素子形成領域11を含む第1主表面全面上には、バッファ層30が設けられている。この例ではバッファ層30を窒化アルミニウム(AlN)膜としてある。
A
窒化アルミニウム膜は、例えば窒化ガリウム(GaN)のバンドギャップ(約3.4eV程度)と比較して、より大きなバンドギャップ(約6.2eV程度)を有している。 The aluminum nitride film has a larger band gap (about 6.2 eV) than that of gallium nitride (GaN), for example (about 3.4 eV).
従って、バッファ層30として窒化アルミニウム膜を用いれば、リーク電流の発生をより効果的に防止することができる。
Therefore, the use of an aluminum nitride film as the
このバッファ層30上には、絶縁性マスクパターン40が設けられている。絶縁性マスクパターン40は、素子形成領域11内に設けられている。この例では絶縁性マスクパターンは、長方形状のパターンとして設けられている。
An insulating
この絶縁性マスクパターン40としては、好ましくは例えばシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜のいずれかとするのがよい。
The insulating
絶縁性マスクパターン40及びこの絶縁性マスクパターン40から露出するバッファ層30上には、これらを一体的に覆っている電子キャリア走行層50が設けられている。
On the insulating
電子キャリア走行層50は、好ましくは例えば窒化ガリウム膜として構成するのがよい。
The electron
この電子キャリア走行層50は、絶縁性マスクパターン40直上の膜厚を、最大でも2μmとして設けるのがよい。
The electron
このように電子キャリア走行層50の膜厚をより薄く構成すれば、抵抗値をより上げることができるため、トランジスタの耐圧をより向上させることができる。
Thus, if the electron
詳細は後述するが、電子キャリア走行層50は、電子キャリア走行層50の製造方法に起因して、絶縁性マスクパターン40直上の領域内で少なくとも2つの領域、すなわち第1領域50a及びこの第1領域50aに隣接している第2領域50bに境界面52により不可避的に区画されることとなる。
Although the details will be described later, the electron
この境界面52は、電子キャリア走行層50の製造方法に起因して、GaNの単位格子のc軸が1°程度の小さい角度で傾いた、いわゆる小傾角粒界が生じている部分である。
This
すなわち、小傾角粒界は、絶縁性マスクパターン40上に線状に生じて境界面52を構成している。
That is, the low-inclination grain boundary is formed in a linear shape on the insulating
電子キャリア走行層50上には、露出面全面を覆っているバリア層60が設けられている。
On the electron
このバリア層60は、従来公知の任意好適な構成とすることができるが、好ましく例えばAlGaN膜として構成するのがよい。
The
このとき、AlGaN膜は、好ましくは例えばAl0.25Ga0.75N膜とすればよいが、Al組成は0.3以上とすることもできる。 At this time, the AlGaN film is preferably an Al 0.25 Ga 0.75 N film, for example, but the Al composition may be 0.3 or more.
また、このバリア層60は、例えばシリコン(Si)をドープしたドープ層とすることもできる。
The
この場合には、好ましくは例えばシリコンを1×1018ions/cm3程度の濃度でドーピングするのがよい。 In this case, for example, silicon is preferably doped at a concentration of about 1 × 10 18 ions / cm 3 .
さらに、バリア層60は、このようなドープ層とアンドープ層との積層構造としてもよい。
Furthermore, the
なお、既に説明した電子キャリア走行層50の境界面52は、バリア層60にも至っている。
Note that the
この発明の半導体装置10は、複数の素子形成領域11を含んでいる。複数の隣接する素子形成領域11同士は、素子形成領域11内に至ってこれを囲む素子分離領域80により、互いに電気的に分離されている。
The
バリア層60上には、ゲート電極72が設けられている。ゲート電極72は、この例では直線状に延在する棒状の形状を有していて、図面の紙面上下方向にゲート幅方向が延在している。
A
ゲート電極72は、電子キャリア走行層50の第1領域50a及び第2領域50bの直上外に設けられている。
The
ゲート電極72は、従来公知の任意好適な形状及び構成とすることができるが、好ましくは例えば、ニッケル(Ni)及び金(Au)をこの順に積層する積層構造とするのがよい。
The
ゲート電極72は、例えば窒化アルミニウム(AlN)といった絶縁膜を挟んで構成されるいわゆるMIS(Metal Insulator Semiconductor)とすることもできる。
The
この例では、ゲート電極72は、ゲート幅の延在方向が第1領域50aの端縁に沿った方向となるように、設けられている。
In this example, the
ゲート電極72は、絶縁性マスクパターン40と、上面側から見たときに全部はもとより部分的にも重ならない位置に、すなわちゲート電極72の真下の領域外に絶縁性マスクパターン40が存在するように設けられている。
The
よって、ゲート電極72の直下には、境界面52が存在していないため、境界面52に起因するリーク電流の増大を効果的に防止することができる。
Therefore, since the
バリア層60上には、このゲート電極72と離間して対向させて、ドレイン電極76が設けられている。
A
このドレイン電極76は、絶縁性マスクパターン40が存在する側、すなわち境界面52が存在する側に設けられている。
The
ドレイン電極76は、電子キャリア走行層50の第2領域50b上から境界面52上を越えて第1領域50a上に至って、すなわちこれら第1領域50a上及び第2領域50b上にまたがって設けられている。
The
ソース電極74は、ゲート電極72を挟んでドレイン電極76と離間させて設けられている。すなわち、ソース電極74はゲート電極72のドレイン電極76が対向するゲート幅を形成する側面とは反対側の側面に対向させて設けられている。
The
この発明のトランジスタは、同一基板上に複数が集積されている。これら複数のトランジスタは、素子分離領域80により、互いに電気的に分離されている。
A plurality of transistors of the present invention are integrated on the same substrate. The plurality of transistors are electrically isolated from each other by the
素子分離領域80は、従来公知の任意好適な構成とすることができるが、好ましくは例えば図示例のように、複数のトランジスタ同士を、例えばアルゴン(Ar)が注入されているイオン注入領域として互いに電気的に分離するのがよい。
The
この例では、素子分離領域80は、バリア層60の表面から電子キャリア走行層50の厚みの途中にまで至る深さで設けられている。
In this example, the
素子分離領域80は、例えばメサ構造により、構造的に分離する構成といった図示例とは異なる構成とすることもできる。
The
この発明の構成を適用して好適なトランジスタのサイズは、所期の電気的特性、適用されるテクノロジーノードに応じて任意好適なものとすることができる。 A suitable transistor size to which the structure of the present invention is applied can be arbitrarily determined depending on an intended electrical characteristic and an applied technology node.
ここで、図1(A)を参照して、上述したこの発明のトランジスタのサイズを現時点での一般的な技術水準として例示すると、ゲート電極長Lgは1μm程度である。ゲート電極−ドレイン電極間距離Lgdは5μm程度である。ソース電極−ゲート電極間距離Lsgは5μm程度である。ソース電極長Ls及びドレイン電極長Ldはいずれも5μm程度である。これら各電極の幅(図面の上下方向の長さ)は100μm程度である。 Here, referring to FIG. 1A, when the size of the above-described transistor of the present invention is exemplified as a general technical level at present, the gate electrode length Lg is about 1 μm. The gate electrode-drain electrode distance Lgd is about 5 μm. The distance Lsg between the source electrode and the gate electrode is about 5 μm. The source electrode length Ls and the drain electrode length Ld are both about 5 μm. The width of each electrode (length in the vertical direction in the drawing) is about 100 μm.
なお、ゲート電極長Lgは1μm以下としてもよい。また、各電極の幅、すなわち図面の上下方向に延在する長さの全長は200μm程度とすることもできる。 The gate electrode length Lg may be 1 μm or less. The width of each electrode, that is, the total length of the length extending in the vertical direction of the drawing can be about 200 μm.
上述した構成を具えるこの発明のトランジスタは、特に高い逆耐圧特性を有している。よって、この発明の半導体装置は、高耐圧特性が要求される、例えば電力用の高出力スイッチング素子又は大電力高周波素子といった用途に適用して好適である。 The transistor of the present invention having the above-described configuration has particularly high reverse breakdown voltage characteristics. Therefore, the semiconductor device of the present invention is suitable for use in applications where high breakdown voltage characteristics are required, such as high power switching elements for power or high power high frequency elements.
2.製造方法例
次に図2、図3、図4、図5、図6及び図7を参照して、この例の半導体装置の製造方法につき説明する。
2. Manufacturing Method Example Next, with reference to FIGS. 2, 3, 4, 5, 6, and 7, a manufacturing method of the semiconductor device of this example will be described.
図2は、既に説明した図1(A)及び(B)に対応する構成成分に着目した部分を概略的に示す製造工程図である。 FIG. 2 is a manufacturing process diagram schematically showing a part focused on the constituent components corresponding to FIGS. 1 (A) and 1 (B) already described.
図3から図7は、図2に続く、一連の製造工程を概略的に示す工程図である。 3 to 7 are process diagrams schematically showing a series of manufacturing steps subsequent to FIG.
以下に説明する各工程は、ウエハレベルで進行するが、特徴部分の理解を容易にするためにその一部分のみに注目して説明する。 Each process described below proceeds at the wafer level, but only a part of the process will be described in order to facilitate understanding of the characteristic part.
図2(A)及び(B)に示すように、まず、半絶縁性の単結晶基板20を準備する。単結晶基板20は、好ましくは例えばシリコンカーバイド基板とするのがよい。
As shown in FIGS. 2A and 2B, first, a semi-insulating
この単結晶基板20は、第1主表面20a及びこの第1主表面20aと対向する第2主表面20bを有している。
The
この第1主表面20aには、所望の半導体装置のレイアウト設計に応じて複数の素子形成領域11を予め設定しておく。図には1つの素子形成領域11のみを代表として示してある。
A plurality of
次に、単結晶基板20の第1主面上20a上に、バッファ層30を形成する。
Next,
バッファ層30は、好ましくは例えば窒化アルミニウム膜を、従来公知のMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法又はMBE(Molecular Beam Epitaxy)法により膜厚を100nm程度として成膜すればよい。
The
具体的には、MOCVD法を適用する場合には、成膜温度を1200℃程度とし、圧力を約6666パスカル(50Torr)程度とし、成長レートを200nm/時間(h)程度とする成膜条件で成膜を行うのがよい。 Specifically, when the MOCVD method is applied, the film formation temperature is about 1200 ° C., the pressure is about 6666 Pascal (50 Torr), and the growth rate is about 200 nm / hour (h). It is preferable to form a film.
図3(A)及び(B)に示すように、次いで、成膜されたバッファ層30上に、絶縁性マスク層40Xを形成する。
Next, as shown in FIGS. 3A and 3B, an insulating
絶縁性マスク層40Xとしては、好ましくは例えばシリコン酸化膜(SiO2)を、従来公知のプラズマCVD法により膜厚を100nm程度として形成すればよい。
As the insulating
図4(A)及び(B)に示すように、次に、常法に従うフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により、絶縁性マスク層40Xをパターニングして、絶縁性マスクパターン40を形成する。この絶縁性マスクパターン40は、素子形成領域11内に長方形状のパターンとして形成される。
Next, as shown in FIGS. 4A and 4B, the insulating
図5(A)及び(B)に示すように、電子キャリア走行層50を形成する。
As shown in FIGS. 5A and 5B, an electron
電子キャリア走行層50は、絶縁性マスクパターン40及びこの絶縁性マスクパターン40から露出するバッファ層30上を一体的に覆うように形成する。
The electron
電子キャリア走行層50は、エピタキシャルな選択横方向成長法により形成される。すなわち電子キャリア走行層50は、互いに異なる複数の方向から成長させ、これが合体することにより一体的に形成される。
The electron
このとき電子キャリア走行層50は、まずバッファ層30上で成長する。電子キャリア走行層50は、絶縁性マスクパターン40外のバッファ層30上にあっては、図5(A)の縦方向、すなわち白抜き矢印A方向又はB方向に成長する。
At this time, the electron
絶縁性マスクパターン40とほぼ同じ厚みにまで成長した電子キャリア走行層50は、絶縁性マスクパターン40上を横方向、すなわち第1領域50aは図面の白抜き矢印C方向から及び第2領域50bは白抜き矢印D方向から、絶縁性マスクパターン40を図面の縦方向に2分する中央線に向かって成長していく。
The electron
このようにして、電子キャリア走行層50は、絶縁性マスクパターン40上の領域内で、境界面52により図示例ではほぼ2分されて区画される第1領域50a及びこの第1領域50aに隣接している第2領域50bを有することになる。
In this manner, the electron
電子キャリア走行層50は、好ましくは例えばガリウム源としてトリメチルガリウムを用いて、成膜条件をトリメチルガリウム量を88μmol/分程度、濃度比率(V/III比率)を2500程度とし、圧力を約6666パスカル(50Torr)程度とし、かつ成長温度を1070℃程度として形成するのがよい。
The electron
このような成膜条件で電子キャリア走行層50を形成すると、基板に垂直な方向と水平方向との再成長速度比を5.7倍程度とすることができるので好適である。
Forming the electron
上述したように絶縁性マスクパターン40上の第1領域50aは、絶縁性マスクパターン40より外側、すなわちバッファ層30上から成長が始まったガリウム窒化膜(GaN)が、図中の絶縁性マスクパターン40の左側端縁から白抜き矢印C方向に成長して絶縁性マスクパターン40上を覆う。
As described above, the
絶縁性マスクパターン40上の第2領域50bは、図示された絶縁性マスクパターン40の右側端縁から白抜き矢印D方向に成長する膜により覆われる。
The
これら第1領域50a及び第2領域50bは、絶縁性マスクパターン40の表面積をほぼ等分する線に沿って互いに合わさって、小傾角粒界、すなわち境界面52を形成しつつ一体化する。
The
電子キャリア走行層50の絶縁性マスクパターン40の外側の第1領域50a及び第2領域50b外の領域にはいわゆる貫通転位が不可避的に生じてしまう。
So-called threading dislocations inevitably occur in the regions outside the
また、電子キャリア走行層50の第1領域50a及び第2領域50b内の領域では、この境界面52に沿って不可避的に貫通転位が集中してしまう。しかしながら、電子キャリア走行層50は横方向選択成長法により形成されるため、この境界面52を除く領域には貫通転位は極めて少ない。
Further, threading dislocations are inevitably concentrated along the
このとき、絶縁性マスクパターン40直上の電子キャリア走行層50、すなわち第1領域50a及び第2領域50bの膜厚は、上述したように最大でも2μmとして形成するのがよい。
At this time, the film thickness of the electron
次に、電子キャリア走行層50上に、バリア層60を形成する。このバリア層60は、好ましく例えばAlGaN膜を常法に従って形成すればよい。
Next, the
電子キャリア走行層50に生じた境界面52を構成する貫通転位は、バリア層60の形成時に同一の成長方位を維持してしまうため、その直上のバリア層60にも不可避的に伝播してしまう。
The threading dislocations forming the
図6(A)及び(B)に示すように、素子分離領域80を形成して、複数の素子形成領域11同士を電気的に分離する。
As shown in FIGS. 6A and 6B, an
この素子分離領域80の形成工程は、常法に従って、素子分離領域80の被形成領域を露出するパターンを有するシリコン酸化膜等でマスクして、例えばアルゴン(Ar)をイオン注入して形成すればよい。
The
図7(A)及び(B)に示すように、次に、ゲート電極72を形成する。ゲート電極72は、電子キャリア走行層50の第1領域50aの上側外及び第2領域50bの上側外であるバリア層60上、すなわち上側から見たときにゲート電極72が絶縁性マスクパターン40の形成位置と重ならない位置であって、ゲート幅Wgの延在方向が第1領域50aの端縁に沿うように形成する。
Next, as shown in FIGS. 7A and 7B, a
ゲート電極72の形成は、常法に従って、好ましくは例えば、フォトリソグラフィ工程によるゲート電極形成領域を開口するマスクパターン形成工程、電子ビーム蒸着工程による金属膜形成工程、マスクパターンを除去するリフトオフ工程、及び約400℃程度での加熱処理、すなわちアニール工程により形成することができる。
The formation of the
次いで、ソース電極74及びドレイン電極76を常法に従って形成する。ソース電極74及びドレイン電極76は同時に形成するのがよい。具体的には既に説明したゲート電極72と同様にして、好ましくは例えばフォトリソグラフィ工程による電極形成領域を開口するマスクパターン形成工程、電子ビーム蒸着工程による金属膜形成工程、及びマスクパターンを除去するリフトオフ工程を行う。次いで、約600℃程度の加熱処理、すなわちシンター工程によりオーミック特性を有する電極とする。
Next, the
ドレイン電極76は、ゲート電極72と離間して、バリア層60上に形成する。このとき、ドレイン電極76は、電子キャリア走行層50の第2領域50b上側から境界面52の真上を越えて第1領域50aの上側にまでまたがるように形成する。
The
ソース電極74は、ゲート電極72とは離間させ、ゲート電極72を挟んでドレイン電極76と対向するように形成する。
The
(第2の実施の形態)
1.半導体装置の構成例
図8を参照して、この例の半導体装置の実施形態につき説明する。
(Second Embodiment)
1. Configuration Example of Semiconductor Device With reference to FIG. 8, an embodiment of a semiconductor device of this example will be described.
図8(A)は半導体装置の構成を説明するための上面からみた概略的な平面図であり、図8(B)は図8(A)のI−I’一点鎖線に対応する位置で切断した切断面を示す概略図である。 FIG. 8A is a schematic plan view seen from the upper surface for explaining the structure of the semiconductor device, and FIG. 8B is cut at a position corresponding to the dashed line II ′ in FIG. It is the schematic which shows the cut surface which carried out.
図8(A)及び(B)に示すように、この例の半導体装置10は、ソース電極74及びドレイン電極76がいわゆるリセス構造を有している点に特徴を有している。
As shown in FIGS. 8A and 8B, the
これ以外の構成要素については、既に説明した第1の実施の形態の構成例と何ら変わるところがないので同一番号を付して、詳細な説明は省略する。 The other constituent elements are the same as those in the first embodiment described above, and are therefore assigned the same reference numerals and will not be described in detail.
すなわち、この例の半導体装置10は、既に説明した第1の実施の形態の構成例において、ソース電極74及びドレイン電極76が、バリア層60を貫通して電子キャリア走行層50の厚み内に至る溝部78内、すなわちリセス溝を埋め込んで設けられている。ソース電極74及びドレイン電極76は、コンタクト抵抗を考慮するとキャリア走行層50に接触するように形成するのが好ましいが、ソース電極74及びドレイン電極76の直下のバリア層60がより薄くなることによってもコンタクト抵抗をより低下させることができるため、ソース電極74及びドレイン電極76は、バリア層60の厚み内に収まる溝部78を埋め込んで設ける構成としてもよい。
That is, in the
この例では、ソース電極74及びドレイン電極76は、これらソース電極74及びドレイン電極76それぞれの厚みよりも浅い深さの溝部78内に、その厚みの一部がバリア層60から突出するように設けられている。
In this example, the
ソース電極74及びドレイン電極76は、これに限定されず、バリア層60から突出させることなく溝部78内に埋め込む構成とすることもできる。
The
このようにソース電極74及びドレイン電極76をリセス構造として形成すれば、ソース電極74及びドレイン電極76が、シートキャリアに直接接触することになるため、接触抵抗をより低減することができる。結果として、最高動作周波数をより大きくすることができる。
If the
2.製造方法例
次に図9を参照して、この例の半導体装置の製造方法につき説明する。
2. Manufacturing Method Example Next, with reference to FIG. 9, a manufacturing method of the semiconductor device of this example will be described.
図9(A)及び(B)は、既に説明した各図と同様の位置で切断した切断面を示す部分概略製造工程図である。 FIGS. 9A and 9B are partial schematic manufacturing process diagrams showing a cut surface cut at the same position as each of the drawings already described.
第1の実施の形態において既に説明した図2から図6及び図7のゲート電極形成工程までの工程は同一であるのでこれらの詳細な説明は省略する。 Since the steps from FIG. 2 to FIG. 6 and FIG. 7 which are already described in the first embodiment are the same, detailed description thereof will be omitted.
図9(A)及び(B)に示すように、素子分離領域80の形成後に、リセス溝である溝部78を、従来公知のフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程、好ましくは例えばICP−RIEエッチングにより形成する。
As shown in FIGS. 9A and 9B, after the
次に、既に説明したように、フォトリソグラフィ工程による電極形成領域を開口するマスクパターン形成工程、電子ビーム蒸着工程による金属膜形成工程、マスクパターンを除去するリフトオフ工程、及び加熱処理(シンター)工程により溝部78を埋め込むソース電極74及びドレイン電極76を形成する。
Next, as already described, the mask pattern forming step for opening the electrode forming region by the photolithography step, the metal film forming step by the electron beam vapor deposition step, the lift-off step for removing the mask pattern, and the heat treatment (sinter) step
10:半導体装置
11:素子形成領域
20:単結晶基板
20a:第1主表面
20b:第2主表面
30:バッファ層
40:絶縁性マスクパターン
40X:絶縁性マスク層
50:電子キャリア走行層
50a:第1領域
50b:第2領域
52:境界面
60:バリア層
72:ゲート電極
74:ソース電極
76:ドレイン電極
78:溝部
80:素子分離領域
10: Semiconductor device 11: Element formation region 20:
Claims (13)
前記第1主表面上に設けられているバッファ層と、
前記バッファ層上に設けられている絶縁性マスクパターンと、
前記絶縁性マスクパターン及び当該絶縁性マスクパターンから露出するバッファ層上を一体的に覆っている電子キャリア走行層であって、前記絶縁性マスクパターン上の領域内で境界面により区画される第1領域及び当該第1領域に隣接している第2領域を有している前記電子キャリア走行層と、
前記電子キャリア走行層上に設けられているバリア層と、
前記第1及び第2領域外である前記バリア層上であって、ゲート幅の延在方向が前記第1領域の端縁に沿うように設けられているゲート電極と、
前記ゲート電極と離間して前記バリア層上に設けられているドレイン電極であって、前記電子キャリア走行層の前記第2領域上から前記境界面上を越えて前記第1領域上にまたがって設けられている前記ドレイン電極と、
前記ゲート電極を挟んで前記ドレイン電極と離間して設けられているソース電極と
を具えていることを特徴とする半導体装置。 A semi-insulating single crystal substrate having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface, wherein an element formation region is provided on the first main surface;
A buffer layer provided on the first main surface;
An insulating mask pattern provided on the buffer layer;
An electron carrier traveling layer that integrally covers the insulating mask pattern and a buffer layer exposed from the insulating mask pattern, and is defined by a boundary surface in a region on the insulating mask pattern. The electron carrier transit layer having a region and a second region adjacent to the first region;
A barrier layer provided on the electron carrier transit layer;
A gate electrode provided on the barrier layer outside the first and second regions, the gate electrode extending in a direction along the edge of the first region; and
A drain electrode provided on the barrier layer apart from the gate electrode, and provided over the first region from the second region of the electron carrier transit layer to beyond the boundary surface; Said drain electrode, and
A semiconductor device comprising a source electrode spaced apart from the drain electrode with the gate electrode interposed therebetween.
前記単結晶基板の前記第1主面上に、バッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層上に、絶縁性マスク層を形成する工程と、
前記絶縁性マスク層をパターニングして、絶縁性マスクパターンを形成する工程と、
前記絶縁性マスクパターン及び当該絶縁性マスクパターンから露出するバッファ層上を一体的に覆う電子キャリア走行層であって、選択横方向成長法により互いに異なる方向から成長させて、前記絶縁性マスクパターン上の領域内で境界面により区画される第1領域及び当該第1領域に隣接している第2領域を有する前記電子キャリア走行層を形成する工程と、
前記電子キャリア走行層上に、バリア層を形成する工程と、
素子分離領域を形成して、複数の前記素子形成領域同士を電気的に分離する工程と、
前記第1及び第2領域外である前記バリア層上であって、ゲート幅の延在方向が前記第1領域の端縁に沿うように、ゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極と離間して前記バリア層上に設けられているドレイン電極であって、前記電子キャリア走行層の前記第2領域上から前記境界面上を越えて前記第1領域上にまたがって設けられている前記ドレイン電極、及び前記ゲート電極を挟んで前記ドレイン電極と離間して設けられているソース電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A step of preparing a semi-insulating single crystal substrate having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface, wherein a plurality of element formation regions are set on the first main surface. When,
Forming a buffer layer on the first main surface of the single crystal substrate;
Forming an insulating mask layer on the buffer layer;
Patterning the insulating mask layer to form an insulating mask pattern;
An electron carrier traveling layer that integrally covers the insulating mask pattern and a buffer layer exposed from the insulating mask pattern, and is grown from different directions by a selective lateral growth method, and is formed on the insulating mask pattern. Forming the electron carrier traveling layer having a first region partitioned by a boundary surface in the region and a second region adjacent to the first region;
Forming a barrier layer on the electron carrier transit layer;
Forming an element isolation region to electrically isolate a plurality of the element formation regions;
Forming a gate electrode on the barrier layer outside the first and second regions so that the extending direction of the gate width is along the edge of the first region;
A drain electrode provided on the barrier layer apart from the gate electrode, and provided over the first region from the second region of the electron carrier transit layer to beyond the boundary surface; Forming a drain electrode, and forming a source electrode spaced apart from the drain electrode with the gate electrode interposed therebetween.
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