JP2009123932A - Semiconductor device, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特にゲート長が短く高周波数で動作する半導体装置に関するものである。 The present invention particularly relates to a semiconductor device having a short gate length and operating at a high frequency.
電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor; FET)や高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor; HEMT)において、数十GHz以上の高い周波数での動作を実現するにはゲート電極のゲート長を短くすること、特に1μm以下にすることが有効である。 In the field effect transistor (FET) and high electron mobility transistor (HEMT), the gate length of the gate electrode should be shortened in order to realize operation at a high frequency of several tens of GHz or more. In particular, it is effective to make it 1 μm or less.
しかし、ゲート長の微細化に伴いゲート抵抗が増大する。そのため、半導体装置の高周波特性が劣化する。 However, the gate resistance increases as the gate length is reduced. Therefore, the high frequency characteristics of the semiconductor device are deteriorated.
そこで、ゲート抵抗を低減させるために、ゲート電極の表面積を増加させる方法が用いられている。例えば、ゲート電極の形状を、T型、Y型、マッシュルーム形状等とし、ショットキー接合部におけるゲート長を短くしつつ、ショットキー接合部より上層の電極表面積を広くする方法である。例えば、特許文献1にはT型のゲート電極について記載されている。
Therefore, a method of increasing the surface area of the gate electrode is used to reduce the gate resistance. For example, the shape of the gate electrode may be T-type, Y-type, mushroom shape, etc., and the electrode surface area higher than the Schottky junction may be increased while shortening the gate length at the Schottky junction. For example,
しかしながら、この方法には次に述べるような問題がある。まず、ゲート電極の上層の厚さがレジスト膜厚に制限されてしまうため、ゲート抵抗の低減には限界がある。さらに、特許文献1に記載されているように、ゲートを微細化するに従い電極形成時のレジスト開口寸法wとレジスト高さdの比(w/d)が小さくなる。そのため、ゲート電極を形成する際に電子線蒸着などによる断線等を引き起こしやすくなる。
However, this method has the following problems. First, since the thickness of the upper layer of the gate electrode is limited by the resist film thickness, there is a limit in reducing the gate resistance. Furthermore, as described in
そこで、上記問題を解決するための方法として、エアブリッジ構造のゲート電極を用いる方法が特許文献2に開示されている。これは、ゲート電極のショットキー接合部より上層を、チャネル層表面と平行方向に広がるように設けられた構造である。特許文献2のゲート電極の下にはソース電極やドレイン電極が配置され、ゲート電極はソース電極やドレイン電極を跨ぐように形成されている。ゲート電極をこのような構造にすることによって、ゲート電極におけるショットキー接合部より上層の電極表面積が広くなり、ゲート抵抗を低減することができる。
Therefore, as a method for solving the above problem,
特許文献2に開示されているエアブリッジ構造のゲート電極について図10を用いてさらに説明する。図10は特許文献2に記載されているFETの構造を示す。図10に示されるFETは、半導体基板100と半導体基板100に設けられたソース電極1、ドレイン電極3、及びゲート電極2を有する。ゲート電極2は、ソース電極1とドレイン電極3の間の中央に配置された狭いゲートフィンガー部302と、一対のウィング304と、端部が垂れ下がったT字に似た両側エアブリッジ部303を含む一体型構造であり、ゲート電極2はソース電極1及びドレイン電極3を跨いでいる。ゲート電極のエアブリッジ部の端部が接合するゲートパッド301は導電性材料から成り、基板100上に形成される。
The gate electrode of the air bridge structure disclosed in
このように、図10のFETでは、ゲート電極をエアブリッジ構造にすることによって、ゲート電極2におけるショットキー接合部より上層の電極表面積を大きくしている。このため、ゲート抵抗を低減することができる。さらに、ゲートパッド301がゲート電極2を受け止めることによって、ゲートフィンガー部302にかかる応力を減少できる。このため、ゲート電極を安定して基板上に設置することができる。
As described above, in the FET of FIG. 10, the gate electrode has an air bridge structure so that the surface area of the upper layer of the
しかしながら上述の関連技術には下記に示す問題がある。 However, the related art described above has the following problems.
特許文献1および2に記載のT型、Y型、マッシュルーム形状等やエアブリッジ構造のゲート電極を用いて、ゲート電極におけるショットキー接合部より上層の電極表面積を増やすことによって、ゲート抵抗は低減される。しかし、前述した形状又は構造のゲート電極を用いても、得られる高周波利得劣化の改善効果は不十分である。これは、ゲート抵抗以外の要因が高周波利得を劣化させるからである。
The gate resistance is reduced by increasing the electrode surface area above the Schottky junction in the gate electrode by using the gate electrode of the T-type, Y-type, mushroom shape, etc. described in
ゲート電極を前述した形状又は構造にすると、ドレイン電極上層近傍にゲート電極の一部が位置し、両電極間に絶縁膜が存在するため、ドレイン電極とゲート電極の間に寄生容量(Cgd)が生じる。さらに、ゲート電極とソース電極の間にも寄生容量(Cgs)が生じており、ドレイン電極とソース電極の間にも寄生容量(Cds)が生じている。このうち、ドレイン電極とゲート電極の間に生じる寄生容量(Cgd)が高周波利得を実現する上で特に問題となる。 If the gate electrode has the shape or structure described above, a part of the gate electrode is located in the vicinity of the upper layer of the drain electrode, and an insulating film exists between the two electrodes. Therefore, there is a parasitic capacitance (Cgd) between the drain electrode and the gate electrode. Arise. Further, parasitic capacitance (Cgs) is also generated between the gate electrode and the source electrode, and parasitic capacitance (Cds) is also generated between the drain electrode and the source electrode. Among these, the parasitic capacitance (Cgd) generated between the drain electrode and the gate electrode is particularly problematic in realizing a high frequency gain.
周波数と高周波利得の理想的な関係について図12を用いて説明する。図12の横軸は周波数、縦軸は所定の周波数に対する高周波利得を表している。通常、高周波装置では周波数が高くなるにしたがって高周波利得は下がる。周波数と高周波利得の理想的な関係とは、図12に示すように周波数の上昇に応じて高周波利得が常に一定の傾きで下がり続ける関係である。 An ideal relationship between frequency and high frequency gain will be described with reference to FIG. In FIG. 12, the horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents high frequency gain with respect to a predetermined frequency. Usually, in a high-frequency device, the high-frequency gain decreases as the frequency increases. The ideal relationship between the frequency and the high-frequency gain is a relationship in which the high-frequency gain always decreases with a constant slope as the frequency increases, as shown in FIG.
しかし、実際の高周波装置では様々な容量が電極間で発生しており、それら容量による影響によって高周波利得は低くなる。 However, in an actual high frequency device, various capacitances are generated between the electrodes, and the high frequency gain is lowered due to the influence of these capacitances.
高周波利得には最大安定化利得(Maximum Stable Gain; MSG)領域と最大有能利得(Maximum Available Gain; MAG)領域がある。MSG領域とは、周波数の上昇に応じて一定の傾きで高周波利得が下がる範囲を指す。一方、MAG領域とはMSG領域よりも高周波の範囲を指し、その始まりは高周波利得が急激に下がり始める点である。一般に、高周波利得はMSG領域では3 dB/oct、MAG領域では6 dB/octの割合で下がる。前述した周波数と高周波利得の理想的な関係とは、MSGに従って利得が低下するものであるとも言える。理想的でない場合は、ある周波数でMSGからMAGに切り替わる。 The high-frequency gain has a maximum stable gain (MSG) region and a maximum available gain (MAG) region. The MSG region refers to a range where the high frequency gain decreases with a certain slope as the frequency increases. On the other hand, the MAG region refers to a higher frequency range than the MSG region, and its beginning is the point at which the high frequency gain begins to drop sharply. In general, the high-frequency gain decreases at a rate of 3 dB / oct in the MSG region and 6 dB / oct in the MAG region. It can be said that the ideal relationship between the frequency and the high-frequency gain described above is that the gain decreases according to MSG. If not ideal, switch from MSG to MAG at a certain frequency.
CgdとCgsが高周波利得に与える影響について図13を用いて説明する。図13のCgdは、Cgdが存在する場合の高周波利得特性を示している。図13のCgsはCgsが存在する場合の高周波利得特性を示している。図13に示すように、CgdはMSGの範囲で高周波利得を劣化させ、さらにMSGからMAGに切り替わる周波数を下げる。一方、CgsはMSGの範囲では高周波利得にほとんど影響を与えず、MSGからMAGに切り替わる周波数のみを下げる。したがって、Cgdの方がCgsよりも高周波利得に対して悪影響を与える。なお、Cdsは高周波利得にほとんど影響を与えないため、グラフ中には示してない。 The effect of Cgd and Cgs on high frequency gain will be described with reference to FIG. Cgd in FIG. 13 indicates a high-frequency gain characteristic when Cgd is present. Cgs in FIG. 13 indicates the high frequency gain characteristic when Cgs is present. As shown in FIG. 13, Cgd degrades the high frequency gain in the range of MSG, and further lowers the frequency at which switching from MSG to MAG. On the other hand, Cgs has little effect on high-frequency gain in the MSG range, and only reduces the frequency at which MSG switches to MAG. Therefore, Cgd has an adverse effect on high frequency gain than Cgs. Note that Cds has little influence on the high-frequency gain and is not shown in the graph.
以上のとおり、特許文献1、2に記載のようなゲート電極を用いると、ゲート電極及びゲート電極のエアブリッジ部と、ドレイン電極との間に存在するCgdにより、MSG領域で高周波利得が劣化し、さらにMSGからMAGに切り替わる周波数が下がる。そのため、半導体装置の高周波特性を十分に改善できないという問題点がある。
As described above, when the gate electrode as described in
加えて、特許文献2記載のエアブリッジ構造のゲート電極に関しては、高出力化と高集積化の両方を実現する上でさらなる問題がある。これは高出力化を実現するためにゲート電極の本数を増加させる場合、エアブリッジ構造のゲート電極が占める面積が大きいためトランジスタ全体の面積が増大し、高集積化が図れないという問題である。
In addition, the gate electrode of the air bridge structure described in
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、半導体装置の高周波利得の劣化を防止することである。加えて、高出力で高集積化が可能な半導体装置を実現することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to prevent deterioration of high-frequency gain of a semiconductor device. In addition, a semiconductor device capable of high output and high integration is realized.
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面に設けられたチャネル層と、前記チャネル層上に形成されたドレイン電極と、前記チャネル層上に前記ドレイン電極とは離間して形成されたソース電極と、前記チャネル層上で前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に配置されたゲート電極と、前記ドレイン電極の表面に形成された第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜上の少なくとも一部に設けられたガード電極と、前記ガード電極の表面を覆うように形成された第2の絶縁膜と、を備え、前記ガード電極は、前記ドレイン電極を挟んで配置された前記ゲート電極同士を接続する金属配線の少なくとも一部と前記ゲート電極の少なくとも一部のいずれか少なくとも一方と、前記ドレイン電極との間に位置し、前記ガード電極と前記ソース電極が電気的に接続されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a semiconductor device of the present invention includes a semiconductor substrate, a channel layer provided on a surface of the semiconductor substrate, a drain electrode formed on the channel layer, and the channel layer on the channel layer. A source electrode formed apart from the drain electrode; a gate electrode disposed between the drain electrode and the source electrode on the channel layer; and a first insulation formed on a surface of the drain electrode. A film, a guard electrode provided on at least a part of the first insulating film, and a second insulating film formed so as to cover a surface of the guard electrode. Between at least one part of the metal wiring which connects the said gate electrodes arrange | positioned on both sides of a drain electrode, at least one of at least one part of the said gate electrode, and the said drain electrode Position, and the source electrode and the guard electrode is characterized by being electrically connected.
加えて、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板表面上に、ソース電極を形成する工程と、ドレイン電極を形成する工程と、前記ドレイン電極上に第1の絶縁膜を成膜する工程と、前記第1の絶縁膜上で、前記ドレイン電極の少なくとも一部を覆う部分にガード電極を形成する工程と、前記ソース電極と前記ドレイン電極の間にゲート電極を形成する工程と、前記ガード電極上に第2の絶縁膜を成膜する工程と、前記ガード電極上の前記第2の絶縁膜に開口部を設け、前記ガード電極と前記ソース電極とを電気的に接続する導体を形成する工程と、を備えることを特徴とする。 In addition, the semiconductor device manufacturing method of the present invention includes a step of forming a source electrode on the surface of a semiconductor substrate, a step of forming a drain electrode, and a step of forming a first insulating film on the drain electrode. A step of forming a guard electrode on the first insulating film so as to cover at least a part of the drain electrode, a step of forming a gate electrode between the source electrode and the drain electrode, and the guard Forming a second insulating film on the electrode; and providing an opening in the second insulating film on the guard electrode to form a conductor that electrically connects the guard electrode and the source electrode. And a process.
本発明によれば、ゲート電極とドレイン電極の間に発生する寄生容量による影響を減らすことにより、高周波利得の優れた半導体装置を実現する。加えて、高出力で高集積化が可能な半導体装置を実現することである。 According to the present invention, a semiconductor device having an excellent high frequency gain is realized by reducing the influence of parasitic capacitance generated between the gate electrode and the drain electrode. In addition, a semiconductor device capable of high output and high integration is realized.
以下に、本発明に係る半導体装置及びその製造方法について、図1乃至図9を参照して説明する。 Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described with reference to FIGS.
[第1の実施形態]第1の実施形態では、本発明に係る半導体装置について説明する。ここでいう半導体装置とは、半導体基板上に形成されたFETである。 [First Embodiment] In the first embodiment, a semiconductor device according to the present invention will be described. The semiconductor device here is an FET formed on a semiconductor substrate.
本実施形態のFETの断面構造を図1に示す。本実施形態におけるFETは、半導体基板100上に形成される。基板100上にはチャネル層101が形成されている。チャネル層101上にはソース電極1及びドレイン電極3及びゲート電極2が形成されている。ソース電極1とドレイン電極3は離間していて、それらの間にゲート電極2が配置されている。絶縁膜201はドレイン電極3の表面に形成されている。ガード電極4は絶縁膜201上の少なくとも一部に設けられている。ガード電極4は、ゲート電極2の少なくとも一部とドレイン電極3の間に位置している。さらに、ガード電極4とゲート電極2の短絡を防ぐために、第2の絶縁膜202がガード電極4の表面を覆うように形成されている。絶縁膜201は、ソース電極1及びドレイン電極3及びゲート電極2が形成されている部分以外のチャネル層101上にも形成されている。図中には示されていないが、ガード電極4はソース電極1と電気的に接続されている。
A cross-sectional structure of the FET of this embodiment is shown in FIG. The FET in this embodiment is formed on the
上述の構造において、ゲート電極2の一部とドレイン電極3の間にガード電極4が配置されている。そのため、ゲート電極2とドレイン電極3の間に生じていた寄生容量(Cgd)は、ゲート電極2とガード電極4の間に生じる寄生容量(Cgg')と、ガード電極4とドレイン電極3の間に生じる寄生容量(Cg'd)に置き換えられる。加えて、ガード電極4はソース電極1と接続されている。したがって、Cgg'はCgs、Cg'dはCdsに置き換えることができる。
In the above-described structure, the
通常、寄生容量は高周波利得を劣化させる。図13を用いて前述したとおり、CgdはMSGを劣化させ、MSGからMAGに切り替わる周波数を下げる。対して、CgsはMSGからMAGに切り替わる周波数を下げるのみである。Cdsにいたっては利得にほとんど影響を与えない。したがって、CgdをCgsとCdsに変換することによって、MSGの劣化を防ぐことができ、良好な高周波特性が得られる。 Usually, parasitic capacitance degrades high frequency gain. As described above with reference to FIG. 13, Cgd degrades MSG and lowers the frequency at which MSG switches to MAG. In contrast, Cgs only lowers the frequency at which MSG switches to MAG. Cds has little effect on gain. Therefore, by converting Cgd to Cgs and Cds, it is possible to prevent the deterioration of MSG and to obtain good high frequency characteristics.
加えて、一般に、高周波用半導体装置はその目的としている高周波数がMSGの範囲内になるよう設計される。そして、本発明による半導体装置では、前述したとおりMSGにおける劣化を防ぐことができるため、高周波での動作において、十分な利得特性を得ることができる。 In addition, in general, a high-frequency semiconductor device is designed so that its intended high frequency falls within the MSG range. Since the semiconductor device according to the present invention can prevent the MSG from being deteriorated as described above, a sufficient gain characteristic can be obtained in the operation at a high frequency.
本実施形態のFETで、ガード電極4が、ドレイン電極3とゲート電極2の間に、ドレイン電極3の少なくとも一部を覆うように、絶縁膜201上に設けられている。一般に、FETの高周波動作及び高集積化を実現させるためには、ドレイン電極3とゲート電極2の基板上での間隔は短い方が望ましい。ただし、この場合、両電極間の僅かな隙間にガード電極を設置することは製造技術上困難である。本実施形態のFETでは、ドレイン電極3を覆うようにガード電極4を形成することによって、ドレイン電極3とゲート電極2の基板上での間隔に関係なく、ガード電極4をドレイン電極3とゲート電極2の間に配置させることができる。
In the FET of this embodiment, the
さらに、本実施形態のFETでは、チャネル層101とゲート電極2との接合面に対して垂直方向でドレイン電極3からガード電極4に向かう延長上に、ゲート電極2の一部である、T型ゲート電極2の張り出し部が存在している。この場合、ドレイン電極3の、チャネル層101との接合面と対向する面であるドレイン電極3の上面と、T型ゲート電極2の張り出し部の間でCgdが発生している。したがって、ガード電極をドレイン電極の上面に絶縁膜を介して形成することによって、効率的にCgdをCgsとCdsに変換して、高周波利得の劣化を防ぐことができる。
Furthermore, in the FET of the present embodiment, a T-type that is a part of the
本実施形態のFETで用いる半導体基板は、半導体基板に用いられる一般的な材料であれば良い。例えば、GaAs等III-V族半導体基板やGaN等窒化物半導体に広く用いられるSiCがある。また、Si基板も一般的に利用されている。 The semiconductor substrate used in the FET of this embodiment may be a general material used for a semiconductor substrate. For example, there is SiC widely used for III-V group semiconductor substrates such as GaAs and nitride semiconductors such as GaN. Si substrates are also commonly used.
本実施形態のFETで用いる絶縁膜は、低誘電材料から作られる膜で良く、特にその素材は限定しない。絶縁膜の素材の例として、SiN、SiO2、Al2O3が挙げられ、特に誘電率が低い方が好ましい。 The insulating film used in the FET of this embodiment may be a film made of a low dielectric material, and the material is not particularly limited. Examples of the material for the insulating film include SiN, SiO 2 , and Al 2 O 3. It is particularly preferable that the dielectric constant is low.
絶縁膜の厚さについては、薄すぎると後述するゲート電極とソース電極の間に生じる寄生容量(Cgs)が大きくなり、その結果、高周波利得が低減する。そこで、例えばSiO2膜を用いた場合は、少なくとも50 nm、より好ましくは100 nm程度の厚さがあることが望ましい。なお、絶縁膜の最適な厚さは誘電率によって決定されるため、絶縁膜素材に応じて変わる。 If the insulating film is too thin, a parasitic capacitance (Cgs) generated between a gate electrode and a source electrode, which will be described later, increases, and as a result, the high-frequency gain is reduced. Therefore, for example, when a SiO2 film is used, it is desirable that the thickness be at least 50 nm, more preferably about 100 nm. Note that since the optimum thickness of the insulating film is determined by the dielectric constant, it varies depending on the insulating film material.
本実施形態のFETで用いるソース電極とドレイン電極は、基板に用いる材料とオーミック性を示す金属であれば良い。ゲート電極は基板に用いる材料とショットキー性を示す金属であれば良い。例えば、窒化物半導体を基板として用いた場合は、ドレイン電極及びソース電極としてTi/Al系の合金、ゲート電極としてニッケルと金を用いることができる。図1においては、ソース電極1及びドレイン電極3の形状が長方形であるが、形状はこれらに限らず、他の形状でも良い。
The source electrode and the drain electrode used in the FET of the present embodiment may be any metal that exhibits ohmic properties with the material used for the substrate. The gate electrode may be a material used for the substrate and a metal exhibiting Schottky properties. For example, when a nitride semiconductor is used as the substrate, a Ti / Al alloy can be used as the drain electrode and the source electrode, and nickel and gold can be used as the gate electrode. In FIG. 1, the shape of the
ゲート電極2の形状は、図1ではT型であるが、その形状はこれに限るものではなく、T型ゲート電極の張り出し部のように、ゲート電極の一部がチャネル層に対して平行方向に広がり、ゲート電極2とドレイン電極3の間にガード電極4が存在していれば良い。したがって、チャネル層とゲート電極との接合面に対して垂直方向におけるゲート電極とドレイン電極を含む断面でのゲート電極の形状が、Y型、マッシュルーム形状、エアブリッジ構造等でも良い。前述したような形状又は構造のゲート電極を用いることによって、ゲート電極の上層の表面積が拡大するため、ゲート抵抗の低減が期待できる。
The shape of the
図1ではソース電極1、ドレイン電極3、ゲート電極2はそれぞれ1本ずつしかないが、ゲート電極が、ソース電極とドレイン電極に間に配置されていれば、各電極は複数あってもよい。
In FIG. 1, there is only one
基板上でのゲート電極とドレイン電極の間隔及びゲート電極とソース電極の間隔は、目的としている周波数や動作電圧によって変わる。例えば、30GHz以上の高周波数で用いる場合、各間隔は1μm以下が望ましい。 The distance between the gate electrode and the drain electrode and the distance between the gate electrode and the source electrode on the substrate vary depending on the intended frequency and operating voltage. For example, when used at a high frequency of 30 GHz or more, each interval is desirably 1 μm or less.
なお、図1では、ゲート電極2は絶縁膜202に接しているが、ゲート電極2と絶縁膜202が接している必要はなく、間に空気等が存在していても良い。間に空気を挟むことによって、ゲート電極とガード電極の間に生じる寄生容量(Cg'g)を減らすことができる。
In FIG. 1, the
本実施形態のFETで用いるガード電極は、一般的な導電性材料から作られていれば良い。ガード電極には、例えば、チタンと金を用いることができる。 The guard electrode used in the FET of this embodiment may be made of a general conductive material. For example, titanium and gold can be used for the guard electrode.
第1の実施形態を表す図1では、ドレイン電極3の、チャネル層101との接合面と対向する面である、ドレイン電極3の上面の全面を、ガード電極4が絶縁膜201を介して覆っている。ガード電極は、CgdをCgsとCdsに置き換える役割を担っているため、Cgdが生じている領域に設ける。Cgdは、通常、ゲート電極とドレイン電極の間の至る箇所で生じている。したがって、Cgdが生じている、ゲート電極とドレイン電極の間に設ければ、ガード電極の大きさがドレイン電極の大きさと比べて小さい場合でも、一定のCgdをCgsとCdsに置き換えることは可能である。しかし、より多くのCgdをCgsとCdsに置き換えるためには、図1で示すように、ドレイン電極の上面の全面をガード電極で覆うのが望ましい。
In FIG. 1 representing the first embodiment, the
図1では、ガード電極を1つ設けているが、その数は1つに限定されない。複数のガード電極を、ゲート電極とドレイン電極の間に設けても良い。 Although one guard electrode is provided in FIG. 1, the number is not limited to one. A plurality of guard electrodes may be provided between the gate electrode and the drain electrode.
ガード電極の厚さは、CgdをCgsとCdsに置き換えられるだけの厚さがあれば良く、その厚さは特に限定されない。 The guard electrode need only be thick enough to replace Cgd with Cgs and Cds, and the thickness is not particularly limited.
ドレイン電極の上面と、ドレイン電極のチャネル層との接合面以外の表面を、ガード電極が絶縁膜を介して覆うのも有効である。例えば、図1の場合、ドレイン電極3上面と、ドレイン電極3のチャネル層101との接合面以外の面である、ドレイン電極3の側面のうち、ゲート電極2に近い方の側面は、ゲート電極2に対向している。そのため、そのドレイン電極3側面とゲート電極2の間にもCgdが発生している。したがって、特にガード電極が厚い場合、ドレイン電極3側面を絶縁膜201を介してガード電極で覆うことによって、Cgdによる影響を減らすことができる。
It is also effective for the guard electrode to cover the surface other than the junction surface between the upper surface of the drain electrode and the channel layer of the drain electrode through an insulating film. For example, in the case of FIG. 1, the side surface closer to the
ガード電極4は、ドレイン電極3とゲート電極2の間に形成された絶縁膜201上まで延在しても良い。このようにガード電極4が延在することによって、FETにおけるゲート電極2とドレイン電極3の間に生じる真性容量を減少させ、MSGの劣化を防ぐことができる。また、ゲート電極2とドレイン電極3の間の耐圧も上げることができる。ただし、ガード電極とゲート電極は接続しないようにすることが望ましい。
The
ソース電極1とガード電極4は電気的に接続されていれば良く、接続に用いる導体の材料は、電流が流れる一般的な金属であれば良い。接続方法は、例えば、ガード電極4を覆う絶縁膜にスルーホールを設けてエアブリッジ構造の導体で接続する方法などが挙げられる。この場合、導体とゲート電極の間に空隙が存在することとなる。
The
本実施形態ではFETを用いて本発明について説明した。しかし、本発明において、本発明の効果が得られる半導体装置はこれに限るものでなく、HEMTなど各種半導体のいずれでも構わない。 In the present embodiment, the present invention has been described using the FET. However, in the present invention, the semiconductor device that can obtain the effects of the present invention is not limited to this, and any of various semiconductors such as HEMT may be used.
次に図1に示したFETの製造方法について、図2(a)乃至図2(e)を参照して説明する。図2(a)乃至図2(e)は、上述の半導体装置の製造方法の第1工程、第2工程、第3工程、第4工程、第5工程をそれぞれ工程順に示した断面図である。 Next, a method for manufacturing the FET shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 2 (a) to 2 (e). 2A to 2E are cross-sectional views showing the first step, the second step, the third step, the fourth step, and the fifth step of the semiconductor device manufacturing method in the order of steps. .
第1工程では、図2(a)に示すように、半導体基板100上の上に形成されたバッファー層を含むチャネル層101の表面上に、フォトレジストを用いて所望のパターニングを行う。そして、電子線蒸着法等を用いてチャネル層101の表面上にオーミック接合のソース電極1とドレイン電極3を形成する。本実施形態においては、電極成分としてTi/Al系金属を用いている。
In the first step, as shown in FIG. 2A, desired patterning is performed using a photoresist on the surface of the
第2工程では、図2(b)に示すように、プラズマCVD法等を用いてドレイン電極3上、チャネル層102上、ソース電極1上に絶縁膜201を成膜する。絶縁膜201は少なくともドレイン電極3上に形成すれば良い。本実施形態においては、絶縁膜201をSiNとし、膜厚を200 nmとしている。
In the second step, as shown in FIG. 2B, an insulating
第3工程では、図2(c)に示すように、絶縁膜201の表面上にフォトレジストを用いてパターニングを行い電子線蒸着法等を用いて、絶縁膜201上でドレイン電極の少なくとも一部を覆う部分にガード電極4を形成する。本実施形態においては、ガード電極4の成分としてTi/Al系金属を用いている。
In the third step, as shown in FIG. 2C, patterning is performed using a photoresist on the surface of the insulating
第4工程では、図2(d)に示すように、絶縁膜201とガード電極4上にプラズマCVD法等を用いてさらに絶縁膜202を成膜する。絶縁膜202は少なくともガード電極4上に形成すれば良い。本実施形態においては、絶縁膜202を例えばSiNとし、膜厚を60 nmとしている。
In the fourth step, as shown in FIG. 2D, an insulating
第5工程では、図2(e)に示すように、絶縁膜202の表面上に電子線露光とエッチング技術を用いて絶縁膜202に開口を形成する。さらに電子線蒸着法等を用いてゲート電極2を形成する。本実施形態においては、ゲート電極2の成分としてNi/Au金属を用いている。パターニングはフォトレジストなどを用いて行う。
In the fifth step, as shown in FIG. 2E, an opening is formed in the insulating
第6工程では、ウェットまたはドライエッチングなどによってソース電極1上の絶縁膜201と絶縁膜202を除去する。さらに、ガード電極4上の絶縁膜202をウェットまたはドライエッチングなどによって除去し、スルーホールを設ける。その後、ガード電極4とソース電極1を接続する導体を形成する。これら一連の工程によって図1に示した半導体装置が完成される。
In the sixth step, the insulating
なお、図1と図2(a)〜(e)を用いて本実施形態におけるFETの製造方法を説明したが、製造方法はこれに限定するものではない。本発明においては、ドレイン電極3とゲート電極2の間で、ドレイン電極3の少なくとも一部を覆うように、ドレイン電極3上に絶縁膜201を介してガード電極4を形成されるものであれば、各工程が他の方法により行われるものであっても良い。
In addition, although the manufacturing method of FET in this embodiment was demonstrated using FIG. 1 and FIG. 2 (a)-(e), a manufacturing method is not limited to this. In the present invention, as long as the
以上、説明したとおり、第1の実施形態におけるFETでは、図1に示すとおり、ゲート電極2の少なくとも一部とドレイン電極3の間に、ドレイン電極3の少なくとも一部を覆うように、絶縁膜201上に設けられたガード電極4を形成することによって、CgdをCgsとCdsに置き換えることができる。従って、高周波利得の劣化を抑えることが可能となる。
As described above, in the FET according to the first embodiment, as shown in FIG. 1, the insulating film covers at least part of the
〔第2の実施形態〕第2の実施形態では、本発明に係る、ガード電極とゲート電極の間隔が、ガード電極とドレイン電極の間隔よりも大きいことを特徴とする半導体装置について説明する。本実施形態は、第1の実施形態の応用であるため、第1の実施形態と同様な点については説明を省略する。 [Second Embodiment] In the second embodiment, a semiconductor device according to the present invention, characterized in that the distance between the guard electrode and the gate electrode is larger than the distance between the guard electrode and the drain electrode, will be described. Since this embodiment is an application of the first embodiment, the description of the same points as the first embodiment will be omitted.
本実施形態と第1の実施形態の異なる点について図3を用いて説明する。図3は本実施形態のFETの断面図を示す。 Differences between the present embodiment and the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows a cross-sectional view of the FET of this embodiment.
本実施形態におけるFETでは、第2の絶縁膜202が第1の絶縁膜201よりも厚い。そのため、ガード電極4とゲート電極2の間隔が、ガード電極4とドレイン電極3の間隔よりも大きい。
In the FET in this embodiment, the second
一般に、電極の間隔が大きくなるほど電極間に生じる寄生容量は小さくなる。したがって、ガード電極4とゲート電極2の間隔を大きくすることによってCgg'(Cgs)が小さくなり、その結果、良好な高周波利得を得ることができる。
In general, the parasitic capacitance generated between the electrodes decreases as the distance between the electrodes increases. Therefore, by increasing the distance between the
ここで、ガード電極とゲート電極の間隔及びガード電極とドレイン電極の間隔とは、各々の電極間における最小間隔のことを指す。最小間隔とは、一方の電極のあらゆる箇所を起点とし、もう一方の電極を終点として延ばした間隔のうち、最も短くなる間隔を指す。 Here, the distance between the guard electrode and the gate electrode and the distance between the guard electrode and the drain electrode refer to the minimum distance between the electrodes. The minimum interval refers to the interval that is the shortest of the intervals that start from every point on one electrode and extend from the other electrode.
例えば図3のような場合、ガード電極4とゲート電極2の間隔は第2の絶縁膜202の厚さと等しい。
For example, in the case of FIG. 3, the distance between the
〔第3の実施形態〕第3の実施形態では、本発明に係る、ゲート電極を2本備え、ゲート電極同士が金属配線によって接続されている半導体装置について説明する。本実施形態は、第1の実施形態の応用であるため、第1の実施形態と同様な点については説明を省略する。 [Third Embodiment] In a third embodiment, a semiconductor device according to the present invention having two gate electrodes and the gate electrodes connected to each other by metal wiring will be described. Since this embodiment is an application of the first embodiment, the description of the same points as the first embodiment will be omitted.
本実施形態と第1の実施形態の異なる点について図4、図5を使って説明する。図4は、本実施形態のFETの断面図を示す。図5は図4に示したFETの平面図である。本実施形態のFETを図5に示す点線で切断した際の断面図が図4である。 Differences between the present embodiment and the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 4 shows a cross-sectional view of the FET of this embodiment. FIG. 5 is a plan view of the FET shown in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of the FET of this embodiment taken along the dotted line shown in FIG.
本実施形態における基板100上には半導体層からなるバッファー層領域を含んだチャネル層101が形成されている。チャネル層101の上には、電子供給層102が形成されている。この電子供給層102上に、ソース電極1が2本、ドレイン電極3が1本、ゲート電極2が形成されている。ドレイン電極3を挟んで配置されたゲート電極2同士は金属配線5によって接続されている。ガード電極4は、金属配線5の少なくとも一部とドレイン電極3との間に位置している。
A
本実施形態におけるFETでは、ガード電極5は、ドレイン電極3と金属配線5の間で、絶縁膜201上にドレイン電極の少なくとも一部を覆うように形成されている。金属配線5はゲート電極2同士を接続しているため、金属配線5とドレイン電極3の間には寄生容量Cgdが生じている。ガード電極5を、ドレイン電極3と金属配線5の間に設置することによって、CgdをCgsとCdsに置き換えることができ、その結果、高周波利得の劣化を抑えることができる。
In the FET in the present embodiment, the
本実施形態におけるFETには、図4、図5に示すように、ゲート電極2が2本ある。さらに、図4に示すように、ソース電極1、ゲート電極2、ドレイン電極3が並列している。このような構造を用いることによって、高出力化が可能となる。
As shown in FIGS. 4 and 5, the FET in this embodiment has two
なお、ガード電極は、金属配線で接続されたゲート電極とドレイン電極との間に配置されても良い。 Note that the guard electrode may be disposed between the gate electrode and the drain electrode connected by metal wiring.
本実施形態におけるFETでは、ゲート電極2同士が金属配線5によって電気的に接続されている。ゲート電極同士を金属配線で接続することによって、各ゲート電極の動作が均一化できるため、半導体装置の高出力化と高利得化が可能となる。
In the FET in the present embodiment, the
ゲート電極の数は特に2本に限定されない。半導体装置の出力はゲート電極の数に応じて増えるので、より高い出力を得たい場合は、ゲート電極の数を増やしても良い。ただし、ゲート電極はソース電極とドレイン電極の間に配置されるのが望ましい。 The number of gate electrodes is not particularly limited to two. Since the output of the semiconductor device increases according to the number of gate electrodes, the number of gate electrodes may be increased in order to obtain a higher output. However, the gate electrode is preferably disposed between the source electrode and the drain electrode.
ソース電極とドレイン電極の数は、ゲート電極がソース電極とドレイン電極の間に配置されている限り、その数は限定されるものではない。例えば、本実施形態におけるFETの場合は、図4に示すとおり、ソース電極1が2本、ドレイン電極3が1本、ゲート電極2が2本ある。そして、ドレイン電極3は、2本のゲート電極2に挟まれている。さらに、2本のゲート電極2は、2本のソース電極1に挟まれている。このような構造にすることによって、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極の数はそれぞれ異なるが、ゲート電極がソース電極とドレイン電極に挟まれるという配置が実現できる。
The number of source electrodes and drain electrodes is not limited as long as the gate electrode is disposed between the source electrode and the drain electrode. For example, in the case of the FET in this embodiment, as shown in FIG. 4, there are two
本実施形態におけるFETでは、図5に示すように、ゲート電極2同士を接続する金属配線5が4本あるが、その数は4本に限定されるものではない。ゲート電極同士が電気的に接続されていれば、各ゲート電極の動作は均一化されるので、金属配線の数は1本でも良い。
In the FET according to the present embodiment, as shown in FIG. 5, there are four
図5で示す金属配線5のゲート電極における長手方向の長さである、金属配線5の幅はより広い方が望ましい。金属配線5の幅を広くすることによって、ゲート電極2のショットキー接合部よりも上層の表面積を増やすことができ、ゲート抵抗を低減できる。
The width of the
金属配線5の材料は、電流が流れる一般的な導体であれば良く、その素材は特に限定しない。
The material of the
本実施形態におけるFETでは、複数の層からなる半導体基板を用いている。複数の層からなる基板の例として、GaNバッファー層・チャネル層とAlGaN電子供給層で構成されるようなIII-V族窒化物半導体による基板が挙げられる。このように、複数の層にすることで高速化、高周波化など優れた特性を示すFETを作成することできる。 The FET in this embodiment uses a semiconductor substrate composed of a plurality of layers. An example of a substrate composed of a plurality of layers is a substrate made of a group III-V nitride semiconductor composed of a GaN buffer layer / channel layer and an AlGaN electron supply layer. As described above, by forming a plurality of layers, an FET having excellent characteristics such as high speed and high frequency can be produced.
本発明は、特許文献2に示されたエアブリッジ構造のゲート電極にも適用可能である。本発明を適用することによって、特許文献2記載の構造を採用した半導体装置における高周波利得の劣化を低減できる。
The present invention is also applicable to a gate electrode having an air bridge structure disclosed in
本発明による半導体装置を利用すると、省スペースでの高出力化、集積化を容易に実現できる。特許文献2の構造を示した図10では、ゲート電極2のエアブリッジ端部に接続されたゲートパッド301がソース電極1及びドレイン電極3の隣に配置されている。この構造でゲート電極の数を増やす場合、図10の半導体装置を電極幅方向に並べることになるため、半導体装置が肥大化してしまう。対して、本発明では図4に示すように、各々のゲート電極2がソース電極1及びドレイン電極3の隣に配置されるため、限られた空間に効率良くソース電極及びドレイン電極及びゲート電極を配置することができる。
When the semiconductor device according to the present invention is used, high output and integration in a small space can be easily realized. In FIG. 10 showing the structure of
次に図4に示したFETの製造方法について、図6(a)乃至図6(e)を参照して説明する。図6(a)乃至図6(e)は、上述の半導体装置の製造方法の第1工程、第2工程、第3工程、第4工程、第5工程をそれぞれ工程順に示した断面図である。 Next, a method of manufacturing the FET shown in FIG. 4 will be described with reference to FIGS. 6 (a) to 6 (e). 6A to 6E are cross-sectional views showing the first step, the second step, the third step, the fourth step, and the fifth step of the semiconductor device manufacturing method described above in the order of steps. .
第1工程では、図6(a)に示すように、半導体基板100上に形成されたバッファー層を含むチャネル層101、電子供給層102からならなる複層の表面上に、フォトレジストを用いて所望のパターニングを行う。そして、電子線蒸着法等を用いて複層の表面上にソース電極1とドレイン電極3を形成する。本実施形態においては、電極成分としてTi/Al系金属を用いている。
In the first step, as shown in FIG. 6A, a photoresist is used on the surface of a multilayer formed by a
第2工程では、図6(b)に示すように、プラズマCVD法等を用いてドレイン電極3上、電子供給層102上、ソース電極1上に絶縁膜201を成膜する。絶縁膜201は少なくともドレイン電極3上に形成すれば良い。本実施形態においては、絶縁膜201を窒化シリコン(SiN)とし、膜厚を200 nmとしている。
In the second step, as shown in FIG. 6B, an insulating
第3工程では、図6(c)に示すように、絶縁膜201の表面上にフォトレジストを用いてパターニングを行い電子線蒸着法等を用いて、絶縁膜201上でドレイン電極の少なくとも一部を覆う部分に形成する。本実施形態においては、ガード電極4の成分としてTi/Al系金属を用いている。パターニングはフォトレジストなどを用いて行う。
In the third step, as shown in FIG. 6C, at least a part of the drain electrode is formed on the insulating
第4工程では、図6(d)に示すように、絶縁膜201の表面上に電子線露光とエッチング技術を用いて絶縁膜に開口を形成する。さらに電子線蒸着法等を用いてゲート電極2を形成する。本実施形態においては、ゲート電極2の成分としてNi/Au金属を用いている。パターニングはフォトレジストなどを用いて行う。
In the fourth step, as shown in FIG. 6D, an opening is formed in the insulating film on the surface of the insulating
第5工程では、図6(e)に示すように、ガード電極4上、絶縁膜201上、ゲート電極2上にプラズマCVD法等を用いてさらに絶縁膜202を成膜する。本実施形態においては、絶縁膜202を例えばSiNとし、膜厚を60 nmとしている。絶縁膜202は少なくともガード電極4上に形成すれば良い。
In the fifth step, as shown in FIG. 6E, an insulating
第6工程では、ウェットまたはドライエッチングなどによってソース電極1上部の絶縁膜201と絶縁膜202、ゲート電極2上部の絶縁膜202を除去する。その後、スパッタとメッキ技術を用いて、ゲート電極2同士を接続する金属配線5を絶縁膜202上に形成する。さらに、ガード電極4上の絶縁膜202をウェットまたはドライエッチングなどによって除去し、スルーホールを設ける。その後、ガード電極4とソース電極1を接続する導体を形成する。これら一連の工程によって図4に示した半導体装置が完成される。
In the sixth step, the insulating
なお、図4と図6(a)〜(e)を用いて本実施形態におけるFETの製造方法を説明したが、製造方法はこれに限定するものではない。本発明においては、ゲート電極2同士を接続した金属配線5とドレイン電極3の間で、ドレイン電極3の少なくとも一部を覆うように、ドレイン電極3上に絶縁膜201を介してガード電極4を形成されるものであれば、各工程が他の方法により行われるものであっても良い。
In addition, although the manufacturing method of FET in this embodiment was demonstrated using FIG. 4 and FIG. 6 (a)-(e), a manufacturing method is not limited to this. In the present invention, the
以上、説明したとおり、第3の実施形態におけるFETでは、ゲート電極2同士を接続した金属配線5とドレイン電極3の間で、ドレイン電極3の少なくとも一部を覆うように、ドレイン電極3上に絶縁膜201を介してガード電極4を形成することによって、CgdをCgsとCdsに置き換えることができる。従って、高周波利得の劣化を抑えることが可能となる。
As described above, in the FET according to the third embodiment, the
〔第4の実施形態〕第4の実施形態では、本発明に係る、低誘電率素材を使った絶縁膜を用いたことを特徴とする半導体装置について説明する。本実施形態は、第1の実施形態と第3の実施形態の応用であるため、第1と第3の実施形態と同様な点については説明を省略する。 [Fourth Embodiment] In a fourth embodiment, a semiconductor device according to the present invention using an insulating film using a low dielectric constant material will be described. Since the present embodiment is an application of the first embodiment and the third embodiment, the description of the same points as the first and third embodiments will be omitted.
本実施形態と、第1と第3の実施形態の異なる点について図7を使って説明する。図7は、本実施形態のFETの断面図を示す。 Differences between this embodiment and the first and third embodiments will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows a cross-sectional view of the FET of this embodiment.
本実施形態におけるFETでは、絶縁膜201上に、さらに絶縁膜201よりも誘電率の低い絶縁膜203が形成されている。そして、ガード電極4は、絶縁膜203上にドレイン電極の少なくとも一部を覆うように形成されている。さらに、絶縁膜203と同一素材からなる、絶縁膜204がガード電極4の表面を覆っている。
In the FET in this embodiment, an insulating
本実施形態におけるFETでは、ドレイン電極3及びガード電極4は、絶縁膜201よりも低い誘電率素材を用いた絶縁膜203及び絶縁膜204に覆われている。これによって、ゲート電極2とソース電極1(ガード電極4)の間に生じる寄生容量(Cgs)を減らすことができる。従って、図4で示した第3の実施形態の半導体装置に比べ、MSGからMAGに切り替わる周波数が伸び、さらに高周波利得の劣化が抑えられる。
In the FET according to this embodiment, the
絶縁膜203及び絶縁膜204は絶縁膜201よりも低誘電率なものが望ましい。例えば、絶縁膜203及び絶縁膜204としてSiO2、絶縁膜201としてSiNを用いることができる。
The insulating
次に図7を用いて本実施形態におけるFETの製造方法について説明する。なお、本実施形態は、第3の実施形態の応用であるため、第3の実施形態におけるFETの製造方法と相違する第2工程と第5工程についてにのみ説明する。 Next, the manufacturing method of the FET in this embodiment will be described with reference to FIG. Since the present embodiment is an application of the third embodiment, only the second step and the fifth step that are different from the FET manufacturing method in the third embodiment will be described.
本実施形態におけるFETの製造方法の第2工程では、プラズマCVD法等を用いて複層表面に絶縁膜201を成膜する。そして、再びプラズマCVD法等を用いて、絶縁膜201上に絶縁膜203を成膜する。例えば、絶縁膜201としてSiNを用いて膜厚を20 nm、絶縁膜203としてSiO2を用いて膜厚を100 nmとしている。
In the second step of the FET manufacturing method in the present embodiment, the insulating
本実施形態におけるFETの製造方法の第5工程では、絶縁膜とゲート電極2の上前面にプラズマCVD法等を用いて絶縁膜204を成膜する。ここで、絶縁膜204は、絶縁膜203と同様に絶縁膜201よりも低い低誘電率素材を用いて作られる。例えば、絶縁膜204がSiO2の場合には、膜厚を100 nmとしている。
In the fifth step of the FET manufacturing method in this embodiment, the insulating
なお、本実施形態におけるFETの製造方法の第3工程と第5工程を上で説明したが、製造方法はこれに限定するものではない。 In addition, although the 3rd process and the 5th process of the manufacturing method of FET in this embodiment were demonstrated above, a manufacturing method is not limited to this.
以上、説明したとおり、本実施形態におけるFETでは、ドレイン電極3及びガード電極4が、絶縁膜201よりも低い誘電率素材を用いた絶縁膜203及び絶縁膜204に覆われている。これによって、ゲート電極2とソース電極1(ガード電極4)の間に生じる寄生容量(Cgs)を減らすことができる。従って、高周波利得の劣化を抑えることが可能となる。
As described above, in the FET according to this embodiment, the
〔第5の実施形態〕第5の実施形態では、本発明に係る、ゲート電極同士を接続する金属配線がエアブリッジ状である半導体装置について説明する。本実施形態は、第1の実施形態と第3の実施形態の応用であるため、第1と第3の実施形態と同様な点については説明を省略する。 [Fifth Embodiment] In the fifth embodiment, a semiconductor device according to the present invention in which the metal wiring for connecting the gate electrodes to each other is in the form of an air bridge will be described. Since the present embodiment is an application of the first embodiment and the third embodiment, the description of the same points as the first and third embodiments will be omitted.
本実施形態と、第1と第3の実施形態の異なる点について図8を使って説明する。図8は、本実施形態のFETの断面図を示す。 Differences between the present embodiment and the first and third embodiments will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows a cross-sectional view of the FET of this embodiment.
本実施形態におけるFETでは、エアブリッジ状の金属配線5によってゲート電極2同士が接続されており、金属配線5と絶縁膜202の間には空隙が存在している。これによって、金属配線5とソース電極1(ガード電極4)の間に発生する寄生容量(Cgs)を減らすことができる。従って、図4で示した第3の実施形態の半導体装置に比べ、MSGからMAGに切り替わる周波数が伸び、さらに高周波利得の劣化が抑えられる。
In the FET according to the present embodiment, the
次に本実施形態におけるFETの製造方法について図8を用いて説明する。なお、本実施形態は、第3の実施形態の応用であるため、第3の実施形態におけるFETの製造方法と相違する第6工程についてにのみ説明する。 Next, the manufacturing method of the FET in this embodiment will be described with reference to FIG. Since the present embodiment is an application of the third embodiment, only the sixth step that is different from the FET manufacturing method in the third embodiment will be described.
第5の実施形態におけるFETの製造方法の第6工程では、ウェットまたはドライエッチングなどによってソース電極1上の絶縁膜201と絶縁膜202、ゲート電極2上部の絶縁膜202を除去する。次に、レジストを用いて、ゲート電極2同士の間に位置するガード電極4やドレイン電極3を覆う形状の保護パターンを形成する。ここで、保護パターンは、ゲート電極2同士を接続するエアブリッジ状の金属配線5を露出するように形成される。その後、スパッタとメッキ技術及びミリング技術を用いて、ゲート電極2上部に金属配線5を形成する。そして、オゾンプラズマを用いたアッシング処理を用いて、保護パターンを選択的にエッチング除去することによって、エアブリッジ構造の金属配線5が形成される。更に、ガード電極4上の絶縁膜202をウェットまたはドライエッチングなどによって除去し、スルーホールを設ける。その後、ガード電極4とソース電極1を接続する導体を形成する。これら一連の工程によって図8に示した半導体装置が完成される。
In the sixth step of the FET manufacturing method in the fifth embodiment, the insulating
なお、本実施形態におけるFETの製造方法の第6工程を上で説明したが、製造方法はこれに限定するものではない。本実施形態におけるFETの製造方法の第6工程においては、ゲート電極2同士を接続した金属配線5をエアブリッジ状に形成できるものであれば、本工程が他の方法により行われるものであっても良い。
Although the sixth step of the FET manufacturing method in the present embodiment has been described above, the manufacturing method is not limited to this. In the sixth step of the FET manufacturing method in this embodiment, if the
以上、説明したとおり、本実施形態におけるFETでは、エアブリッジ状の金属配線5を用いてゲート電極2同士を接続している。これによって、金属配線5とソース電極1(ガード電極4)の間に発生する寄生容量(Cgs)を減らすことができる。従って、高周波利得の劣化を抑えることが可能となる。
As described above, in the FET according to this embodiment, the
〔第6の実施形態〕第6の実施形態に係る半導体装置について説明する。本実施形態は、第1の実施形態と第3の実施形態の応用であるため、第1と第3の実施形態と同様な点については説明を省略する。 [Sixth Embodiment] A semiconductor device according to a sixth embodiment will be described. Since the present embodiment is an application of the first embodiment and the third embodiment, the description of the same points as the first and third embodiments will be omitted.
本実施形態と、第1と第3の実施形態の異なる点について図9を使って説明する。図9は、本実施形態のFETの平面図を示す。 Differences between this embodiment and the first and third embodiments will be described with reference to FIG. FIG. 9 shows a plan view of the FET of this embodiment.
本実施形態におけるFETでは、ソース電極1とガード電極4を接続する導体が、金属配線5によって挟まれている。このような構造にすることによって、図9で示すゲート電極5の長手方向の長さであるゲートフィンガー長は、図5で示すFETのゲートフィンガー長と同じ長さを維持しつつ、図5で示すFETよりも小型化できる。
In the FET in the present embodiment, a conductor connecting the
〔実施例1〕本実施例では、本発明に係るFETにおける高周波利得特性と、それ以外のFETにおける高周波利得特性を比較した。 [Example 1] In this example, the high-frequency gain characteristics of the FET according to the present invention were compared with the high-frequency gain characteristics of other FETs.
本実施例で使用した本発明に係るFETは、図4、図5に示した構造で、ゲート電極を10本備えたものを用いた。本実施例では、基板100としてSiC、チャネル層101としてGaN、電子供給層102としてAlGaN、ドレイン電極3及びソース電極1としてTi/Al系金属材料、ゲート電極2としてNi/Au、ガード電極としてTi/Au、金属配線5としてAu、絶縁膜201としてSiN、絶縁膜202としてSiNを用いる。ゲート長は0.25μm、ゲートフィンガー長は75μmとした。
The FET according to the present invention used in this example was the one shown in FIGS. 4 and 5 and having 10 gate electrodes. In this embodiment, SiC as the
本発明以外のFETとして、T型ゲート電極を1本備えたFET(比較例1)とエアブリッジ構造のゲート電極2本を備えたFET(比較例2)を用いた。なお、比較例1、比較例2ともにガード電極がないFETである。 As FETs other than the present invention, an FET provided with one T-type gate electrode (Comparative Example 1) and an FET provided with two gate electrodes having an air bridge structure (Comparative Example 2) were used. Note that both Comparative Example 1 and Comparative Example 2 are FETs having no guard electrode.
各々のFETにおける高周波利得特性を図11のグラフに示す。グラフの横軸は周波数、縦軸は所定の周波数に対する高周波利得を表している。グラフ中の、本発明とは、本発明のFETの高周波利得特性を表す。比較例1、比較例2は、それぞれ前述した比較例1のFET、比較例2のFETの高周波利得特性を表す。 The graph of FIG. 11 shows the high frequency gain characteristics in each FET. The horizontal axis of the graph represents frequency, and the vertical axis represents high-frequency gain with respect to a predetermined frequency. In the graph, the present invention represents the high frequency gain characteristic of the FET of the present invention. Comparative Example 1 and Comparative Example 2 represent the high frequency gain characteristics of the FET of Comparative Example 1 and the FET of Comparative Example 2, respectively.
図11に示すとおり、本発明におけるFET、比較例1におけるFET、比較例2におけるFETの高周波利得特性を比較したところ、本発明におけるFETの高周波利得特性が最も優れていた。比較例1の高周波利得特性は、本発明の高周波利得特性よりも、MSGからMAGに切り替わる周波数が低かった。比較例2の高周波利得特性では、本発明の高周波利得特性よりも、MSG領域において高周波利得が劣化し、さらにMSGからMAGに切り替わる周波数が低くなった。 As shown in FIG. 11, when the high frequency gain characteristics of the FET according to the present invention, the FET according to Comparative Example 1, and the FET according to Comparative Example 2 were compared, the high frequency gain characteristics of the FET according to the present invention were the most excellent. In the high-frequency gain characteristic of Comparative Example 1, the frequency at which the switching from MSG to MAG is lower than that of the high-frequency gain characteristic of the present invention. In the high-frequency gain characteristic of Comparative Example 2, the high-frequency gain deteriorated in the MSG region and the frequency at which switching from MSG to MAG was lower than the high-frequency gain characteristic of the present invention.
以上、説明したとおり、本発明におけるFETによって、T型ゲート電極を備えたFET、エアブリッジ構造のゲート電極を備えたFETよりも優れた高周波利得特性を実現できる。 As described above, the FET according to the present invention can realize high-frequency gain characteristics superior to those of a FET having a T-type gate electrode and a FET having an air bridge structure gate electrode.
1 ソース電極
2 ゲート電極
3 ドレイン電極
4 ガード電極
5 金属配線
100 基板
101 チャネル層
102 電子供給層
201 絶縁膜
202 絶縁膜
203 絶縁膜
204 絶縁膜
301 ゲートパッド
302 ゲートフィンガー部
303 エアブリッジ部
304 ウィング
DESCRIPTION OF
Claims (18)
前記半導体基板の表面に設けられたチャネル層と、
前記チャネル層上に形成されたドレイン電極と、
前記チャネル層上に前記ドレイン電極とは離間して形成されたソース電極と、
前記チャネル層上で前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に配置されたゲート電極と、
前記ドレイン電極の表面に形成された第1の絶縁膜と、
前記ドレイン電極の、前記チャネル層との接合面と対向する面である、前記ドレイン電極の上面に形成された前記第1の絶縁膜上の少なくとも一部に設けられたガード電極と、
前記ガード電極の表面を覆うように形成された第2の絶縁膜と、を備え、
前記ガード電極は、前記ドレイン電極を挟んで配置された前記ゲート電極同士を接続する金属配線の少なくとも一部と前記ゲート電極の少なくとも一部のいずれか少なくとも一方と、前記ドレイン電極との間に位置し、
前記ガード電極と前記ソース電極が電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate;
A channel layer provided on a surface of the semiconductor substrate;
A drain electrode formed on the channel layer;
A source electrode formed on the channel layer and spaced apart from the drain electrode;
A gate electrode disposed between the drain electrode and the source electrode on the channel layer;
A first insulating film formed on the surface of the drain electrode;
A guard electrode provided on at least a part of the first insulating film formed on an upper surface of the drain electrode, which is a surface of the drain electrode facing a bonding surface with the channel layer;
A second insulating film formed so as to cover the surface of the guard electrode,
The guard electrode is positioned between at least one of the metal wiring that connects the gate electrodes disposed between the drain electrodes, at least one of the gate electrodes, and the drain electrode. And
The semiconductor device, wherein the guard electrode and the source electrode are electrically connected.
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a minimum interval between the guard electrode and the gate electrode or the metal wiring is larger than a minimum interval between the guard electrode and the drain electrode.
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a plurality of the gate electrodes are present, at least one of the drain electrodes and the source electrodes is present, and at least one of the other is present.
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein a gap exists between the gate electrode or the metal wiring and the second insulating film. 5.
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the guard electrode covers the entire upper surface of the drain electrode through the first insulating film. 6.
6. The guard electrode covers an upper surface of the drain electrode and a surface of the drain electrode other than a bonding surface with the channel layer, through the first insulating film. The semiconductor device as described in any one.
The first insulating film extends over the channel layer between the drain electrode and the gate electrode, and the guard electrode extends between the drain electrode and the gate electrode. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device extends to above the insulating film.
The semiconductor device according to claim 1, comprising a plurality of the metal wirings that connect the gate electrodes.
The shape of the gate electrode in a cross section including the gate electrode and the drain electrode in a direction perpendicular to the joint surface between the channel layer and the gate electrode is a T-type, a Y-type, or a mushroom shape, The semiconductor device according to any one of claims 1 to 8.
A part of the gate electrode or the metal wiring is present on an extension from the drain electrode to the guard electrode in a direction perpendicular to a bonding surface between the channel layer and the gate electrode. The semiconductor device according to claim 1.
11. The semiconductor device according to claim 1, wherein a distance between the gate electrode and the drain electrode on the semiconductor substrate is 1 μm or less.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first insulating film is made of SiO 2 .
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate includes a plurality of layers.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the guard electrode and the source electrode are connected by a conductor, and a gap exists between the conductor and the gate electrode.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the conductor is disposed between the plurality of metal wirings.
前記ドレイン電極が1つ存在し、
前記ゲート電極が2つ存在し、
前記ドレイン電極が2つの前記ゲート電極に挟まれ、
2つの前記ゲート電極が2つの前記ソース電極に挟まれ、
2つの前記ゲート電極が前記金属配線により接続されていることを特徴とする請求項1乃至15記載の半導体装置。
There are two source electrodes,
There is one drain electrode;
There are two gate electrodes,
The drain electrode is sandwiched between two gate electrodes;
The two gate electrodes are sandwiched between the two source electrodes;
16. The semiconductor device according to claim 1, wherein the two gate electrodes are connected by the metal wiring.
ソース電極を形成する工程と、
ドレイン電極を形成する工程と、
前記ドレイン電極上に第1の絶縁膜を成膜する工程と、
前記第1の絶縁膜上で、前記ドレイン電極の少なくとも一部を覆う部分にガード電極を形成する工程と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極の間にゲート電極を形成する工程と、
前記ガード電極上に第2の絶縁膜を成膜する工程と、
前記ガード電極上の前記第2の絶縁膜に開口部を設け、前記ガード電極と前記ソース電極とを電気的に接続する導体を形成する工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
On the surface of the semiconductor substrate,
Forming a source electrode;
Forming a drain electrode;
Forming a first insulating film on the drain electrode;
Forming a guard electrode on a portion covering at least a part of the drain electrode on the first insulating film;
Forming a gate electrode between the source electrode and the drain electrode;
Forming a second insulating film on the guard electrode;
Providing an opening in the second insulating film on the guard electrode, and forming a conductor that electrically connects the guard electrode and the source electrode;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
を備えることを特徴とする請求項17記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 17, further comprising: forming a metal wiring that connects the gate electrodes.
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