JP2008198947A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】MIS型のGaN−FETにおいて、少なくともゲート電極12直下におけるTa2O5からなるゲート絶縁膜11の下面を覆うように、窒化物半導体層である表面層5上に酸素を含有しない導電性窒化物、ここではTaNからなる下地層9を配する。
【選択図】図2
Description
サファイア基板101上に、通常のMOVPE法を用いて、インテンショナリーアンドープGaNからなる電子走行層102を膜厚3μm程度に、インテンショナリーアンドープAlGaN(例えばAl0.25Ga0.75N)からなる電子供給層103を膜厚20nm程度に順次堆積する。
サファイア基板101上に、通常のMOVPE法を用いて、インテンショナリーアンドープGaNからなる電子走行層102を膜厚3μm程度に、インテンショナリーアンドープAlGaN(例えばAl0.25Ga0.75N)からなる電子供給層103を膜厚20nm程度に順次堆積する。
本発明者は、以下の(1),(2)の事項を併せて考察し、できる限り製造工程を増加・複雑化させることなく上記の課題を一挙に解決すべく鋭意検討した結果、以下に示す本発明に想到した。
以下、本発明を適用した具体的な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に設明する。本発明では、III−V族の窒化物半導体層を備えたMISFETを対象とする。ここで、III−V族の窒化物半導体としては、
(InxAlyGaz)N x≧0,y≧0,z≧0,且つx+y+z=1
の形で記述される化合物半導体を主な対象とし、以下の各実施形態では、
AlXGa1-XN 0<X≦1
の組成の窒化物半導体層を有するMIS型のGaN−FETを例示し、その装置構成を製造方法と共に説明する。
図1及び図2は、第1の実施形態によるMIS型のGaN−FETの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
先ず、図1(a)に示すように、SiC基板1上に、通常のMOVPE法を用いて、インテンショナリーアンドープGaNからなる電子走行層2を膜厚3μm程度に、インテンショナリーアンドープAlGaN(例えばAl0.25Ga0.75N)からなる中間層3を膜厚3nm程度に、低濃度N型(N-:例えばSiのドーピング濃度2×1018/cm3程度)のAlGaN(例えばAl0.25Ga0.75N)の電子供給層4を膜厚20nm程度に、低濃度N型(N-:例えばSiのドーピング濃度2×1018/cm3程度)のGaN(例えばAl0.25Ga0.75N)の表面層5を膜厚10nm以下(例えば5nm程度)に、順次堆積する。
詳細には、先ず、表面層5上にレジストを塗布し、リソグラフィーにより当該レジストのソース電極6及びドレイン電極7の形成予定領域にそれぞれ開口部を形成し、レジストマスク(不図示)を形成する。
詳細には、先ず、SiC基板1の全面に絶縁材料、例えばSi3N4をCVD法等により膜厚100nm程度に堆積し、保護絶縁膜8を形成する。Si3N4は、GaN等と相性に優れており、GaNに悪影響を与えることがなく、従って保護絶縁膜8は表面層5の十分な保護機能を果たす。
次に、レジストマスク10を用いて、例えばフッ素系ガスをエッチングガスとして用いて、保護絶縁膜8のレジストマスク10の開口部10aから露出する部分を、表面層5の表面が露出するまでドライエッチングする。これにより、保護絶縁膜8におけるゲート電極の形成予定領域に、レジストマスク10の開口10aに倣った貫通溝8aが形成される。
詳細には、引き続きレジストマスク10を用い、スパッタ法又は蒸着法等により、貫通溝8aの内壁面を含むレジストマスク10の全面に導電性窒化物、ここではタンタル窒化物(例えばTaN)を膜厚2nm程度に堆積する。そして、リフトオフ法によりレジストマスク10及びその上のTaNを除去することにより、貫通溝8aの内壁面のみをTaNで覆う下地層9を形成する。
詳細には、スパッタ法等により、貫通溝8a内を含む保護絶縁膜8上に高誘電率材料、ここでは高誘電率酸化物である例えばTa2O5を膜厚20nm程度に堆積する。これにより、貫通溝8a内を下地層9を介して埋め込み、保護絶縁膜8上を覆うゲート絶縁膜11が形成される。
また、下地層9の導電性窒化物としては、タンタル窒化物(例えばTaN)、ハフニウム窒化物(例えばHfN)、ジルコニウム窒化物(例えばZrN)、ランタン窒化物(例えばLaN)、及びチタン窒化物(例えばTaN)等から選ばれた1種とする。
詳細には、先ず、ゲート絶縁膜11上にレジストを塗布し、リソグラフィーにより当該レジストのゲート電極12の形成予定領域に相当する部分、即ちゲート絶縁膜11における下地層9の形成された貫通溝8a上に相当する部分(貫通溝8aに依存して窪んだ形とされている)を含む領域に開口部(例えば約1.2μm幅)を形成して、レジストマスク(不図示)を形成する。
図3及び図4は、第2の実施形態によるMIS型のGaN−FETの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
先ず、図3(a)に示すように、図1(a)と同様に、SiC基板1上にインテンショナリーアンドープGaNからなる電子走行層2、インテンショナリーアンドープAlGaN(例えばAl0.25Ga0.75N)からなる中間層3、低濃度N型(N-:例えばSiのドーピング濃度2×1018/cm3程度)のAlGaN(例えばAl0.25Ga0.75N)の電子供給層4、低濃度N型(N-:例えばSiのドーピング濃度2×1018/cm3程度)のGaN(例えばAl0.25Ga0.75N)の表面層5を、順次堆積する。
続いて、図3(b)に示すように、図1(b)と同様に、ソース電極6及びドレイン電極7を形成する。
詳細には、先ず、表面層5を含む全面にレジストを塗布し、リソグラフィーにより当該レジストのゲート電極の形成予定領域に相当する部分に開口部(例えば約0.8μm幅)を形成し、レジストマスク(不図示)を形成する。
詳細には、スパッタ法等により、表面層5上を含む全面に高誘電率材料、ここでは高誘電率酸化物である例えばTa2O5を膜厚20nm程度に堆積する。これにより、下地層21を覆うゲート絶縁膜22が形成される。
また、下地層21の導電性窒化物としては、タンタル窒化物(例えばTaN)、ハフニウム窒化物(例えばHfN)、ジルコニウム窒化物(例えばZrN)、ランタン窒化物(例えばLaN)、及びチタン窒化物(例えばTaN)等から選ばれた1種とする。
詳細には、先ず、ゲート絶縁膜22上にレジストを塗布し、リソグラフィーにより当該レジストのゲート電極の形成予定領域に相当する部分(下地層21上に相当する部分)に開口部(例えば約1.2μm幅)を形成し、レジストマスク(不図示)を形成する。
レジストマスクは、灰化処理又は剥離処理により除去される。
詳細には、先ず、ゲート絶縁膜22上にレジストを塗布し、リソグラフィーにより当該レジストのゲート電極12の形成予定領域に相当する部分、即ちゲート絶縁膜22の溝22a上に相当する部分を含む領域に開口部(例えば約1.2μm幅)を形成して、レジストマスク(不図示)を形成する。
ここで、下地層31は、ゲート電極12直下におけるゲート絶縁膜22の下面の部分のみならず、ソース電極6及びドレイン電極7と接触(電気的に接続)されない状態で、当該部分を含むゲート絶縁膜22の下面の広域を含むように、下地層21よりも広く形成されている。このように下地層31を広く形成することにより、上記の界面準位の発生が可及的に防止されるとともに、表面層5から離脱した窒素が可及的に補充される。
前記窒化物半導体層の上方に形成された、高誘電率材料からなるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と
を含み、
少なくとも前記ゲート電極直下における前記ゲート絶縁膜の下面を覆うように、導電性窒化物からなる下地層が設けられていることを特徴とする半導体装置。
前記保護絶縁膜の前記ゲート電極の形成領域に、当該保護絶縁膜を開口する貫通溝が形成され、少なくとも前記貫通溝の底面を覆うように前記下地膜が形成されており、前記貫通溝内を前記下地膜を介して埋め込むように前記保護絶縁膜上に前記ゲート絶縁膜が形成されていることを特徴とする付記1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。
前記保護絶縁膜のゲート電極の形成領域に、当該保護絶縁膜を開口する貫通溝を形成する工程と、
少なくとも前記貫通溝の底面を覆うように、導電性窒化物からなる下地層を形成する工程と、
前記下地層を介して前記貫通溝内を埋め込むように、前記保護絶縁膜上に高誘電率材料からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上の前記下地層の上方に整合する領域を含む部位に、前記ゲート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。
前記下地層を覆うように、高誘電率材料からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上の前記下地層に整合する位置に、前記ゲート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。
前記ゲート絶縁膜の前記下地膜の上方に相当する前記ゲート電極の形成領域に、当該ゲート絶縁膜を所定厚みに残すように窪みを形成する工程を更に含み、
前記ゲート電極を形成する工程において、前記窪み内を埋め込むように、前記ゲート絶縁膜上に前記ゲート電極を形成することを特徴とすることを特徴とする付記14〜18のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
2 電子走行層
3 中間層
4 電子供給層
5 表面層
6 ソース電極
7 ドレイン電極
8 保護絶縁膜
8a 貫通溝
9,21,31 下地層
10 レジストマスク
10a 開口
11,22 ゲート絶縁膜
12 ゲート電極
Claims (10)
- III−V族窒化物半導体からなる窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層の上方に形成された、高誘電率材料からなるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と
を含み、
少なくとも前記ゲート電極直下における前記ゲート絶縁膜の下面を覆うように、導電性窒化物からなる下地層が設けられていることを特徴とする半導体装置。 - 前記下地層は、前記ゲート絶縁膜の前記高誘電率材料を構成する金属の窒化物からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記窒化物半導体層の上方に形成された、前記ゲート絶縁膜よりも低い誘電率材料からなる保護絶縁膜を更に含み、
前記保護絶縁膜の前記ゲート電極の形成領域に、当該保護絶縁膜を開口する貫通溝が形成され、少なくとも前記貫通溝の底面を覆うように前記下地膜が形成されており、前記貫通溝内を前記下地膜を介して埋め込むように前記保護絶縁膜上に前記ゲート絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 - 少なくとも前記ゲート電極の形成領域を含むように前記下地膜が形成され、前記下地膜を覆うように前記ゲート絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記ゲート絶縁膜の前記下地膜の上方に相当する前記ゲート電極の形成領域に、当該ゲート絶縁膜を所定厚みに残す窪みが形成されており、前記窪み内を埋め込むように、前記ゲート絶縁膜上に前記ゲート電極が形成されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
- III−V族窒化物半導体からなる窒化物半導体層の上方に、保護絶縁膜を形成する工程と、
前記保護絶縁膜のゲート電極の形成領域に、当該保護絶縁膜を開口する貫通溝を形成する工程と、
少なくとも前記貫通溝の底面を覆うように、導電性窒化物からなる下地層を形成する工程と、
前記下地層を介して前記貫通溝内を埋め込むように、前記保護絶縁膜上に高誘電率材料からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上の前記下地層の上方に整合する領域を含む部位に、前記ゲート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。 - 前記下地層は、前記ゲート絶縁膜の前記高誘電率材料を構成する金属の窒化物からなることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
- III−V族窒化物半導体からなる窒化物半導体層の上方において、少なくともゲート電極の形成部位を含む領域に、導電性窒化物からなる下地層を形成する工程と、
前記下地層を覆うように、高誘電率材料からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上の前記下地層に整合する位置に、前記ゲート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。 - 前記下地層は、前記ゲート絶縁膜の前記高誘電率材料を構成する金属の窒化物からなることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ゲート絶縁膜を形成する工程の後、前記ゲート電極を形成する工程の前に、
前記ゲート絶縁膜の前記下地膜の上方に相当する前記ゲート電極の形成領域に、当該ゲート絶縁膜を所定厚みに残すように窪みを形成する工程を更に含み、
前記ゲート電極を形成する工程において、前記窪み内を埋め込むように、前記ゲート絶縁膜上に前記ゲート電極を形成することを特徴とすることを特徴とする請求項8又は9に記載の半導体装置の製造方法。
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