JP2009054807A - ヘテロ接合型電界効果半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に従うヘテロ接合型電界効果半導体装置は、電子走行層4と、電子供給層5と、ソース電極6と、ドレイン電極7と、ゲート電極8と、シリコン酸化物から成る第1の絶縁膜9と、シリコン窒化物から成る第2の絶縁膜10とを有している。電子供給層5に凹部15が形成され、この凹部15の底面16の上にシリコン窒化物から成る第2の絶縁膜10を介してゲート電極8が配置されている。電子走行層4の上にシリコン酸化物から成る第1の絶縁膜9とシリコン窒化物から成る第2の絶縁膜10とが順次に配置されている。これにより、ノーマリオフ特性を有し且つオン抵抗が小さいヘテロ接合型電界効果半導体装置を得ることができる。
【選択図】図1
Description
(1) 電子供給層を薄く形成する方法、
(2) 例えば特開2004−273486号公報(特許文献1)に開示されているように、ゲート電極の下にp型半導体層を配置する方法、
(3)例えばWO2003/071607公開公報(特許文献2)に開示されているように、電子供給層の一部を除去し、ここに絶縁ゲート(MISゲートを設ける方法
が知られている。
第1の半導体層と、前記第1の半導体層にヘテロ接合され且つ前記ヘテロ接合に基づいて2次元キャリアガス層を形成することができる材料から成る第2の半導体層とを備えている主半導体領域と、
前記主半導体領域の一方の主面上に配置されたソース電極と、
前記主半導体領域の一方の主面上に前記ソース電極から離間して配置されたドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電流通路を制御するために前記主半導体領域の一方の主面上における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と
を備えているヘテロ接合型電界効果半導体装置であって、
前記主半導体領域の一方の主面の前記ゲート電極に対向する部分に凹部が形成され、
前記凹部の深さは、前記第2の半導体層の厚みに等しい値、又は前記第2の半導体層の厚みに前記第1の半導体層の厚みよりも小さい値を加算した値に設定され、
前記主半導体領域の一方の主面における前記凹部を除く前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の少なくとも一部上にシリコン酸化物から成る第1の絶縁膜が配置され、
前記凹部の底面及び側面にシリコン窒化物から成る第2の絶縁膜が配置され、
前記ゲート電極は前記第2の絶縁膜を介して前記凹部の上に配置されていることを特徴とするヘテロ接合型電界効果半導体装置に係わるものである。
また、請求項3に示すように、前記第2の半導体層に凹部(リセス)を設けない構成にすることもできる。この場合には、前記第2の半導体層及び前記第2の絶縁膜の厚みを、電流通路として機能する2次元キャリアガス層が前記第1の半導体層に生じないように決定する。
また、請求項4に示すように、前記第2の絶縁膜は、更に、前記ゲート電極の下から前記第1の絶縁膜の上に延在している部分を有していることが望ましい。
また、請求項5に示すように、更に、ゲートフィールドプレートを有し、該ゲートフィールドプレートは前記第2の絶縁膜の上に配置され且つ前記ゲート電極に接続されていることが望ましい。
また、請求項6に示すように、前記第1の絶縁膜は前記ゲート電極側に傾斜側面を有し、前記第2の絶縁膜は前記第1の絶縁膜の前記傾斜側面を覆っており、前記ゲートフィールドプレートは前記第2の絶縁膜を介して前記第1の絶縁膜の前記傾斜側面を覆っていることが望ましい。
なお、本願において、前記第1の半導体層及び前記第2の半導体層のそれぞれは単一層のみでなく、複数の層の積層体をも意味している。例えば前記第2の半導体層は電子供給層のみでも良いし、スペーサ層と電子供給層との積層体、又はスペーサ層と電子供給層とキャップ層との積層体でも良い。
本願の請求項4の発明によれば、シリコン窒化物から成る第2の絶縁膜がゲート電極の下のみでなく、シリコン酸化物から成る第1の絶縁膜の上にも配置され、シリコン酸化物から成る第1の絶縁膜を保護している。即ち、シリコン窒化物から成る第2の絶縁膜は、ゲート絶縁膜として機能すると共に、シリコン酸化物から成る第1の絶縁膜の保護膜として機能する。従って、一つの工程でゲート絶縁膜と保護膜とを得ることができ、ヘテロ接合型電界効果半導体装置のコストの低減を図ることができる。
請求項5及び6の発明によれば、ゲートフィールドプレートによって電界集中を良好に緩和することができる。
基板1は、一方の主面1aとこれに対向する他方の主面1bとを有し、且つバッファ層2及び主半導体領域3のための半導体材料をエピタキシャル成長させるための成長基板として機能し、且つこれ等を機械的に支持するための支持基板として機能する。本実施例では、コストの低減を図るために基板1がシリコンで形成されている。しかし、基板1をシリコン以外のシリコンカーバイト(SiC)等の半導体、又はサファイア、セラミック等の絶縁体で形成することもできる。
AlaInbGa1-a-bN,
ここで、aは0≦a<1、bは0≦b<1を満足する数値、
等の窒化物半導体、又は別の化合物半導体で形成することもできる。
AlxInyGa1-x-yN,
ここで、xは0<x<1、yは0≦y<1を満足する数値であり、xの好ましい値は0.1〜0.4であり、より好ましい値は0.3である。
この電子供給層5を、アンドープのAlxInyGa1-x-yNで形成する代りに、n型(第1導電型)の不純物を添加したAlxInyGa1-x-yNから成る窒化物半導体、又は別の組成の窒化物半導体、又は別の化合物半導体で形成することもできる。
なお、シリコン酸化物から成る第1の絶縁膜9を、スパッタリング等の別の方法で形成することもできる。しかし、主半導体領域3の一方の主面13の結晶ダメージを少なくし、表面準位(トラップ)を少なくし、電流コラプスを抑制するために、プラズマCVDが最も優れている。
なお、シリコン窒化物から成る第2の絶縁膜10を、プラズマCVD(化学気相成長法)等の別の方法で形成することもできる。しかし、絶縁破壊耐量を上げるために、マグネトロンスパッタが最も優れている。
ゲートフィールドプレート11はゲート電極8に電気的に接続され且つゲート電極8と連続的に形成され、電子供給層5の表面に第1及び第2の絶縁膜9、10を介して対向している。第1の絶縁膜9は傾斜側面18を有するので、ゲートフィールドプレート11と電子供給層5との間隔は、凹部15上のゲート電極8から離れるに従って徐々に増大し、その後一定になっている。これにより、ゲート電極8の端における電界集中の緩和を良好に達成できる。
(1)凹部15の底面16を覆うシリコン窒化物から成る第2の絶縁膜10がシリコン酸化物から成る第1の絶縁膜9の上にも配置され、シリコン酸化物から成る第1の絶縁膜9を保護している。即ち、シリコン窒化物から成る第2の絶縁膜10は、ゲート絶縁膜として機能すると共に、シリコン酸化物から成る第1の絶縁膜9の保護膜として機能する。従って、一つの工程でゲート絶縁膜と保護膜とを得ることができ、ヘテロ接合型電界効果半導体装置のコストの低減を図ることができる。
(2)主半導体領域3の一方の主面に形成されているシリコン酸化物から成る第1の絶縁膜9は、圧縮応力(例えば4.00×109dyn/cm2)を生じる性質を有する。このシリコン酸化物から成る第1の絶縁膜9の圧縮応力が主半導体領域3の一方の主面13即ち電子供給層5の主面に作用すると、電子供給層5のピエゾ分極に基づく2DEG層12におけるキャリア(電子)が多くなる。これにより、ヘテロ接合型電界効果半導体装置のオン抵抗が、主半導体領域3の一方の主面13にシリコン窒化膜を形成したHEMTに比較して低くなる。
(3)ノーマリオフ型であるにも拘らず電子供給層5の厚みを厚くすること、及びアルミニウムの割合を大きくすることができ、2DEG層12におけるキャリア(電子)濃度を高めるこおとができ、オン抵抗の小さいヘテロ接合型電界効果半導体装置を提供できる。
(4)ゲート電極8と主半導体領域3との間にシリコン窒化物から成る第2の絶縁膜10が配置されているので、電流コラプスを低減できる。また、ドレイン・ソース間に逆方向電圧が印加された時に表面準位にトラップされた電子をゲート電極8によって引き抜くことができ、電流コラプスを低減できる。また、ゲートフィールドプレート11が設けられているので、主半導体領域3の一方の主面の表面準位にトラップされた電子を、ゲートフィールドプレート11を介して効果的に引き抜くことができ、電流コラプスを低減できる。
(5)ゲートフィールドプレート11が設けられ、且つシリコン酸化物から成る第1の絶縁膜9に傾斜側面18が設けられているので、ゲート電極8の端部における電界集中を良好に緩和することができ、高耐圧化を図ることができる。
(6)絶縁ゲート構造を有するので、しきい値の大きいヘテロ接合型電界効果半導体装置を提供できる。
(7)絶縁ゲート構造を有するので、ゲート漏れ電流の小さいヘテロ接合型電界効果半導体装置を提供できる。
(8)シリコン酸化物から成る第1の絶縁膜9はシリコン窒化物から成る第2の絶縁膜10よりも厚く形成されているので、シリコン窒化物から成る第2の絶縁膜10の応力の電子供給層5に対する影響を除去又は軽減する。
AlxInyGa1-x-yN,
ここで、xは0<x<1、yは0≦y<1を満足する数値、から成る窒化物半導体等で形成することもできる。
また、図5では凹部(リセス)15がスペーサー層20を貫通するように形成されているが、この代りに図5の凹部(リセス)15の下にスペーサー層20が残存するように凹部(リセス)15の深さを決定することができる。また、図5においても図1と同様に電子走行層4の一部を除去するように凹部(リセス)15を形成することができる。また、図5のスペーサー層20と同様なものを図4の電界効果半導体装置に設けることもできる。
また、図5のn型不純物注入領域から成るコンタクト層21,22を図1及び図4の電界効果半導体装置に設けることもできる。
(1)主半導体領域3,3a、3bを、GaN、AlGaN以外のInGaN、AllnGaN、AlN、InAlN、AlP、GaP、AllnP、GalnP、AlGaP、AlGaAs、GaAs、AlAs、InAs、InP,InN、GaAsP等の別の3−5族化合物半導体、又はZnO等の2−6族化合物半導体、又は更に別の化合物半導体で形成することができる。
(2)周知のソースフィールドプレート、及びドレインフィールドプレートを設けることができる。
(3)主半導体領域3〜3bの最も上に、表面電荷のコントロールのため等の目的で例えばアンドープAlGaNから成るキャップ層を設けることができる。
(4)図1、図4、図5にそれぞれ1つのソース電極6、ドレイン電極7及びのゲート電極8が示されているが、それぞれを複数個設けることができる。即ち、1チップに微小FET(単位FET)を複数個設け、これらを並列に接続することができる。
(5)主半導体領域3の主面13に、2DEG層12を露出させるか又は電子供給層5の厚みを極めて薄くする掘り込みを形成し、この掘り込みにソース電極6及びドレイン電極7を形成し、ソース電極6及びドレイン電極7と2DEG層12との間の接続抵抗の低減を図ることができる。これにより電子供給層5のAlの組成にあまり影響されないでコンタクト抵抗を低減することができる。
(6)シリコン酸化物から成る第1の絶縁膜9と主半導体領域3の一方の主面13即ち電子供給層5の一方の主面との間に、極めて薄い絶縁膜、例えばシリコン窒化物から成る第2の絶縁膜10又はこれに近いものを介在させることができる。この介在させる絶縁膜の厚みは、シリコン酸化物から成る第1の絶縁膜9の効果を得ることができる範囲に設定される。
2 バッファ層
3 主半導体領域
4 電子走行層(第1の半導体層)
5 電子供給層(第2の半導体層)
6 ソース電極
7 ドレイン電極
8 ゲート電極
9 第1の絶縁膜
10 第2の絶縁膜
Claims (6)
- 第1の半導体層と、前記第1の半導体層にヘテロ接合され且つ前記ヘテロ接合に基づいて2次元キャリアガス層を形成することができる材料から成る第2の半導体層とを備えている主半導体領域と、
前記主半導体領域の一方の主面上に配置されたソース電極と、
前記主半導体領域の一方の主面上に前記ソース電極から離間して配置されたドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電流通路を制御するために前記主半導体領域の一方の主面上における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と
を備えているヘテロ接合型電界効果半導体装置であって、
前記主半導体領域の一方の主面の前記ゲート電極に対向する部分に凹部が形成され、
前記凹部の深さは、前記第2の半導体層の厚みに等しい値、又は前記第2の半導体層の厚みに前記第1の半導体層の厚みよりも小さい値を加算した値に設定され、
前記主半導体領域の一方の主面における前記凹部を除く前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の少なくとも一部上にシリコン酸化物から成る第1の絶縁膜が配置され、
前記凹部の底面及び側面にシリコン窒化物から成る第2の絶縁膜が配置され、
前記ゲート電極は前記第2の絶縁膜を介して前記凹部の上に配置されていることを特徴とするヘテロ接合型電界効果半導体装置。 - 第1の半導体層と、前記第1の半導体層にヘテロ接合され且つ前記ヘテロ接合に基づいて2次元キャリアガス層を形成することができる材料から成る第2の半導体層とを備えている主半導体領域と、
前記主半導体領域の一方の主面上に配置されたソース電極と、
前記主半導体領域の一方の主面上に前記ソース電極から離間して配置されたドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電流通路を制御するために前記主半導体領域の一方の主面上における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と
を備えているヘテロ接合型電界効果半導体装置であって、
前記主半導体領域の一方の主面の前記ゲート電極に対向する部分に凹部が形成され、
前記凹部の深さは前記凹部に隣接して前記第2の半導体層の残存部が生じるように前記第2の半導体層の厚みよりも浅く設定され、
前記主半導体領域の一方の主面における前記凹部を除く前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の少なくとも一部上にシリコン酸化物から成る第1の絶縁膜が配置され、
前記凹部の底面及び側面にシリコン窒化物から成る第2の絶縁膜が配置され、
前記第2の半導体層の残存部及び前記第2の絶縁膜の厚みは電流通路として機能する2次元キャリアガス層を前記第1の半導体層の前記凹部に対向する部分に生じさせることができない厚みに決定され、
前記ゲート電極は前記第2の絶縁膜を介して前記凹部の上に配置されていることを特徴とするヘテロ接合型電界効果半導体装置。 - 第1の半導体層と、前記第1の半導体層にヘテロ接合され且つ前記ヘテロ接合に基づいて2次元キャリアガス層を形成することができる材料から成る第2の半導体層とを備えている主半導体領域と、
前記主半導体領域の一方の主面上に配置されたソース電極と、
前記主半導体領域の一方の主面上に前記ソース電極から離間して配置されたドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電流通路を制御するために前記主半導体領域の一方の主面上における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と
を備えているヘテロ接合型電界効果半導体装置であって、
前記主半導体領域の一方の主面の前記ゲート電極が対向する部分を除く前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の少なくとも一部上にシリコン酸化物から成る第1の絶縁膜が配置され、
前記ゲート電極と前記主半導体領域の一方の主面との間にシリコン窒化物から成る第2の絶縁膜が配置され、
前記第2の半導体層及び前記第2の絶縁膜の厚みは、電流通路として機能する2次元キャリアガス層を前記第1の半導体層の前記ゲート電極に対向する部分に生じさせることができない厚みに決定されていることを特徴とするヘテロ接合型電界効果半導体装置。 - 前記第2の絶縁膜は、更に、前記ゲート電極の下から前記第1の絶縁膜の上に延在している部分を有していることを特徴とする請求項1又は2又は3記載のヘテロ接合型電界効果半導体装置。
- 更に、ゲートフィールドプレートを有し、該ゲートフィールドプレートは前記第2の絶縁膜の上に配置され且つ前記ゲート電極に接続されていることを特徴とする請求項4記載のヘテロ接合型電界効果半導体装置。
- 前記第1の絶縁膜は前記ゲート電極側に傾斜側面を有し、前記第2の絶縁膜は前記第1の絶縁膜の前記傾斜側面を覆っており、前記ゲートフィールドプレートは前記第2の絶縁膜を介して前記第1の絶縁膜の前記傾斜側面を覆っていることを特徴とする請求項5記載のヘテロ接合型電界効果半導体装置。
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