JP2009267155A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】窒化物系半導体機能層に生成される二次元キャリアガスチャネルにおいてキャリア密度及び電界をキャリア走行方向に変調する半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置(HEMT)1において、第1の窒化物系半導体領域21上にヘテロ接合により配設された第2の窒化物系半導体領域22を有し、第1の窒化物系半導体領域21のヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネル23を有する窒化物系半導体機能層2と、第2の窒化物系半導体領域22上に互いに離間して配設された第1の主電極3及び第2の主電極4と、第2の窒化物系半導体領域22上に配設され、第1の主電極3と第2の主電極と4の間において第2の窒化物系半導体領域22の複数箇所にそれぞれ異なる応力を与えるパッシベーション膜10とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】半導体装置(HEMT)1において、第1の窒化物系半導体領域21上にヘテロ接合により配設された第2の窒化物系半導体領域22を有し、第1の窒化物系半導体領域21のヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネル23を有する窒化物系半導体機能層2と、第2の窒化物系半導体領域22上に互いに離間して配設された第1の主電極3及び第2の主電極4と、第2の窒化物系半導体領域22上に配設され、第1の主電極3と第2の主電極と4の間において第2の窒化物系半導体領域22の複数箇所にそれぞれ異なる応力を与えるパッシベーション膜10とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体装置に関し、特に窒化物系半導体機能層を有する半導体装置に関する。
ガリウムナイトライド(GaN)系化合物半導体を用いた電子デバイスとして、高電子移動度トランジスタ(HEMT:high electron mobility transistor)が知られている。HEMTは、高い電子(キャリア)の移動度を有し、高周波特性に優れている。
HEMTは、GaN層とこのGaN層上にヘテロ接合によって積層されたアルミニウムガリウムナイトライド(AlGaN)層とを有する窒化物系半導体機能層に構成され、AlGaN層上にはソース電極及びドレイン電極とゲート電極とを有する。GaN層のヘテロ接合近傍には高移動度の電子が走行する2次元電子ガス(2DEG:two-dimensional electron gas)チャネル(2次元電子ガス層)が生成される。このような構造を有するHEMTにおいては、自発分極や格子不整合を用いたピエゾ電界により高いキャリア密度を実現することができる。
なお、HEMTに関しては例えば下記特許文献1に記載されている。
特開2003−37118号公報
特開2003−37118号公報
しかしながら、前述のHEMTにおいては、電極間の2次元電子ガスチャネル中の高いキャリア密度や電界をチャネル方向すなわちキャリア走行方向に変調する点については配慮されていなかった。
本発明は上記課題を解決するためになされたものである。従って、本発明は、窒化物系半導体機能層に生成される電極間のキャリア走行領域又は二次元キャリアガスチャネルにおいてキャリア密度及び電界をキャリア走行方向に変調することができる半導体装置を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明の実施の形態に係る第1の特徴は、半導体装置において、第1の窒化物系半導体領域上にヘテロ接合により配設された第2の窒化物系半導体領域を有し、第1の窒化物系半導体領域のヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネルを有する窒化物系半導体機能層と、第2の窒化物系半導体領域上に互いに離間して配設された第1の主電極及び第2の主電極と、第2の窒化物系半導体領域上に配設され、第1の主電極と第2の主電極との間において第2の窒化物系半導体領域の複数箇所にそれぞれ異なる応力を与えるパッシベーション膜とを備える。
本発明の実施の形態に係る第2の特徴は、半導体装置において、第1の窒化物系半導体領域上にヘテロ接合により配設された第2の窒化物系半導体領域を有し、第1の窒化物系半導体領域のヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネルを有する窒化物系半導体機能層と、第2の窒化物系半導体領域上に互いに離間して配設された第1の主電極及び第2の主電極と、第1の主電極と第2の主電極との間において第2の窒化物系半導体領域の複数箇所に接触して配設され、異なる応力を有するパッシベーション膜とを備える。
本発明の実施の形態に係る第3の特徴は、半導体装置において、第1の窒化物系半導体領域上にヘテロ接合により配設された第2の窒化物系半導体領域を有し、第1の窒化物系半導体領域のヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネルを有する窒化物系半導体機能層と、第2の窒化物系半導体領域上に互いに離間して配設されたソース電極、ゲート電極及びドレイン電極と、ドレイン電極とゲート電極との間において第2の窒化物系半導体領域に接触して配設された第1のパッシベーション膜と、ソース電極とゲート電極との間において第2の窒化物系半導体領域に接触して配設され、第1のパッシベーション膜と異なる応力を有する第2のパッシベーション膜とを備える。
第3の特徴に係る半導体装置において、第1のパッシベーション膜はシリコン酸化膜であり、第2のパッシベーション膜はシリコン窒化膜であることが好ましい。また、第3の特徴に係る半導体装置において、第1のパッシベーション膜はシリコン窒化膜であり、第2のパッシベーション膜はシリコン酸化膜であることが好ましい。
本発明によれば、窒化物系半導体機能層に生成される電極間のキャリア走行領域又は二次元キャリアガスチャネルのキャリア密度及び電界をキャリア走行方向に変調することができる半導体装置を提供することができる。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
また、以下に示す実施の形態はこの発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は各構成部品の配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態は、半導体装置としてHEMTに本発明を適用し、このHEMTの電流コラプスの発生を減少した例を説明するものである。
本発明の第1の実施の形態は、半導体装置としてHEMTに本発明を適用し、このHEMTの電流コラプスの発生を減少した例を説明するものである。
[HEMTの構成]
図1に示すように、第1の実施の形態に係るHEMT(半導体装置)1は、キャリア通過領域として機能する第1の窒化物系半導体領域21上にヘテロ接合により配設されたキャリア発生領域として機能する第2の窒化物系半導体領域(バリア領域)22を有し、第1の窒化物系半導体領域21のヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネル(二次元電子ガス層)23を有する窒化物系半導体機能層2と、窒化物系半導体機能層2上に互いに離間されて配設された第1の主電極3及び第2の主電極4と、第2の窒化物系半導体領域22上に配設され、第1の主電極3と第2の主電極4との間において二次元キャリアガスチャネル23のキャリア走行方向の複数箇所にそれぞれ異なる応力を与える複数の材料のパッシベーション膜10とを備える。第1の実施の形態において、第1の主電極3はソース電極として使用され、第2の主電極4はドレイン電極として使用される。更に、HEMT1は、窒化物系半導体機能層2上の第1の主電極(ソース電極)3と第2の主電極(ドレイン電極)4との間にゲート電極5を備える。
図1に示すように、第1の実施の形態に係るHEMT(半導体装置)1は、キャリア通過領域として機能する第1の窒化物系半導体領域21上にヘテロ接合により配設されたキャリア発生領域として機能する第2の窒化物系半導体領域(バリア領域)22を有し、第1の窒化物系半導体領域21のヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネル(二次元電子ガス層)23を有する窒化物系半導体機能層2と、窒化物系半導体機能層2上に互いに離間されて配設された第1の主電極3及び第2の主電極4と、第2の窒化物系半導体領域22上に配設され、第1の主電極3と第2の主電極4との間において二次元キャリアガスチャネル23のキャリア走行方向の複数箇所にそれぞれ異なる応力を与える複数の材料のパッシベーション膜10とを備える。第1の実施の形態において、第1の主電極3はソース電極として使用され、第2の主電極4はドレイン電極として使用される。更に、HEMT1は、窒化物系半導体機能層2上の第1の主電極(ソース電極)3と第2の主電極(ドレイン電極)4との間にゲート電極5を備える。
窒化物系半導体機能層2は、図示しないが、シリコン基板、炭化シリコン基板、サファイア基板等の基板上に直接的に又は窒化物系半導体機能層2の結晶性の整合のためにバッファ層を介して間接的に形成されている。窒化物系半導体機能層2はIII族窒化物系半導体材料により構成されている。代表的なIII族窒化物系半導体はAlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)により表される。第1の実施の形態において、窒化物系半導体機能層2の第1の窒化物系半導体領域21はGaN層により構成されている。第2の窒化物系半導体領域22は、第1の窒化物系半導体領域21よりも格子定数が小さく及びバンドギャップが大きく、引張応力が生じるように形成されたAlGaN層により構成されている。
第1の実施の形態において、第1の窒化物系半導体領域21の膜厚は、第1の主電極3直下に相当する部分から第2の主電極4直下に相当する部分までほぼ同じ厚み、例えば0.5μm−10.0μmに設定され、ここではGaN層は例えば2.5μm−3.5μmの膜厚を使用している。第2の窒化物系半導体領域22のAlGaN層の膜厚は、第1の主電極3直下に相当する部分から第2の主電極4直下に相当する部分までほぼ同じ厚み、例えば5.0nm−100.0nmに設定されている。窒化物系半導体機能層2において、第1の窒化物系半導体領域21と第2の窒化物系半導体領域22とのヘテロ接合界面近傍であって第1の窒化物系半導体領域21側に第1の窒化物系半導体領域21及び第2の窒化物系半導体領域22の自発分極並びにピエゾ分極に基づく二次元キャリアガスチャネル23が生成される。この二次元キャリアガスチャネル23はHEMT1において高移動度を有する電子(キャリア)のチャネル領域として機能する。
第1の主電極3及び第2の主電極4は二次元キャリアガスチャネル23にそれぞれ電気的に接続されている。第1の実施の形態において、第1の主電極3及び第2の主電極4は、例えば10nm−50nmの膜厚を有するチタン(Ti)層と、このTi層上に積層され100nm−1000nmの膜厚を有するアルミニウム(Al)層との積層膜により構成されている。
ゲート電極5は、第2の窒化物系半導体領域21の表面にショットキー接合により接続されている。ゲート電極5は、例えば100nm−500nmの膜厚を有するニッケル(Ni)層と、このNi層上に積層され0.1μm−1.0μmの膜厚を有する金(Au)層との積層膜により構成されている。
パッシベーション膜10は、パッシベーション膜10と接触している窒化物系半導体機能層2の部分上の第1の主電極3と第2の主電極4との間、例えば第1の実施の形態において、第2の窒化物系半導体領域22と接触しかつ第1の主電極3とゲート電極5との間に圧縮応力を有するシリコン酸化膜(第2の絶縁体10B)と、第2の窒化物系半導体領域22と接触しかつ第2の主電極4とゲート電極5との間に引張応力を有するシリコン窒化膜(第1の絶縁体10A)とを有する。図1に示すように、第2の窒化物系半導体領域22の表面上の第1の主電極3とゲート電極5との間において第1の主電極3側に配設され圧縮応力を有する第2の絶縁体10Bと、ゲート電極5側に配設され第1の絶縁体10Aと第2の絶縁体10Bとの間の応力を有するシリコンオキシナイトライド膜(第3の絶縁体10C)としてもよい。なお、第3の絶縁体10Cは、第2の窒化物系半導体領域22の表面上の第2の主電極4とゲート電極5との間のゲート電極5側にも設けてもよい。
第1の絶縁体10Aは、その直下の第2の窒化物系半導体領域22に第1の絶縁体10A自身が有する引張応力と反対の圧縮性の歪みを与え、第2の窒化物系半導体領域22に自発分極並びにピエゾ分極の電界強度を弱める方向に変調させ、二次元キャリアガスチャネル23において電子(キャリア)を減少させ、抵抗値(ΔRs)を増加させる。
第2の絶縁体10Bは、その直下の第2の窒化物系半導体領域22に第2の絶縁体10B自身が有する圧縮応力と反対の伸張性の歪みを与え、自発分極並びにピエゾ分極の電界強度を強める方向に変調させ、二次元キャリアガスチャネル23において電子を増加させ、抵抗値(ΔRs)を減少させる。
第3の絶縁体10Cは、その直下の第2の窒化物系半導体領域22に第3の絶縁体10C自身が有する応力と反対の歪みを与える。つまり、第1の絶縁体10Aにより与える圧縮応力と第2の絶縁体10Bにより与える引張応力との間の応力を第2の窒化物系半導体領域22に与え、第2の窒化物系半導体領域22の自発分極並びにピエゾ分極の電界強度を第1の絶縁体10Aに相応する部分と第2の絶縁体10Bに相応する部分との間の状態にし、二次元キャリアガスチャネル23をこれらの間のレベルとする。第1乃至第3の絶縁体10A、10B、10Cの有する応力の大きさ及び膜厚は、所望する電界強度の変調によるが、例えば層間絶縁膜の厚みよりも厚い数十nm−数百nmに設定される。
従って、第1の主電極3から第2の主電極4間において複数の異なる応力を有するパッシベーション膜10自身の有する応力によって、第2の窒化物系半導体領域22の歪みの状態が影響を受け、電界強度が変化し、二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度が変化する。
図2に示すように、第1の実施の形態において、パッシベーション膜10に伴う電界強度Eは、第1の絶縁体10Aに対応する二次元キャリアガスチャネル23の領域よりも、第2の絶縁体10Bに対応する二次元キャリアガスチャネル23の領域において高くなる。すなわち、電流の流れる第2の主電極4から第1の主電極3に向かう電界方向EDとは逆に、第2の主電極4から第1の主電極3に向かって段階的にパッシベーション膜10に伴う電界強度Eを減少する(変調する)ことができる。従って、HEMT1においては、第2の絶縁体10Bにより第2の主電極(ドレイン電極)4の近傍のホットエレクトロンの発生を減少することができ、第1の絶縁体10Aにより第1の主電極3と第2の主電極4間の抵抗値を比較的低くできるので、オン抵抗を比較的低くかつ電流コラプスの発生を抑制することができる。
更に、HEMT1においては、従来のHEMTに比べてゲート電極5の第2の主電極4側の端部に発生する電界強度Eを第1の主電極3側に発生する電界強度Eに比べて減少することができるので、破壊耐圧を向上することができる。
[HEMTの製造方法]
次に、前述のHEMT1の製造方法について、図3乃至図6を使用し、簡単に説明する。
次に、前述のHEMT1の製造方法について、図3乃至図6を使用し、簡単に説明する。
まず、第1の窒化物系半導体領域21上に、第1の窒化物系半導体領域21よりも格子定数が小さく、バンドギャップが大きく、引張応力が生じる第2の窒化物系半導体領域22をヘテロ接合により積層した窒化物系半導体機能層2が形成される(図3参照。)。図3に示すように、第2の窒化物系半導体領域22の表面上の全域に圧縮応力を持つような条件において第2の絶縁体10Bが形成される。第2の絶縁体10Bには、例えばプラズマ化学気相成長(PE−CVD)法により圧縮応力を膜が有するように成膜されたシリコン酸化膜が使用される。
次に、HEMT1の第2の主電極4とゲート電極5との間に相当する領域において、第2の絶縁体10Bの一部がパターンニングにより除去され、第2の窒化物系半導体領域22の表面の一部が露出される(図4参照。)。パターンニングにはフォトリソグラフィ技術により形成されたマスクが使用され、このマスクから露出する第2の絶縁体10Bがエッチングされる。図4に示すように、第2の絶縁体10Bが除去された領域、すなわち第2の主電極4とゲート電極5との間に相当する窒化物系半導体機能層2の表面上に引張応力を持つような条件において第1の絶縁体10Aが形成される。第1の絶縁体10Aには例えばプラズマ化学気相成長法により引張応力を持つような条件において成膜されたシリコン窒化膜が使用され、このシリコン窒化膜は成膜後にパターンニングされる。パターンニングは、前述の第2の絶縁体10Bと同様に、フォトリソグラフィ技術により形成されたマスクを使用したエッチングにより行う。また、パターンニングにケミカルメカニカルエッチング(CMP)法、エッチングバック法等を使用することによって、第2の絶縁体10Bの第2の主電極4とゲート電極5との間に相当する領域に第1の絶縁体10Aを埋設することができ、かつ第1の絶縁体10Aの表面の高さを第2の絶縁体10Bの表面の高さと一致させることができる。
次に、HEMT1の第1の主電極3とゲート電極5との間のゲート電極5側に相当する領域において、第2の絶縁体10Bの一部がパターンニングにより除去され、窒化物系半導体機能層2の表面の一部が露出される(図5参照。)。パターンニングにはフォトリソグラフィ技術により形成されたマスクが使用され、このマスクから露出する第2の絶縁体10Bがエッチングされる。図5に示すように、第2の絶縁体10Bが除去された領域、すなわち第1の主電極3とゲート電極5との間に相当する窒化物系半導体機能層2の表面上に、第1の絶縁体10Aと第2の絶縁体10Bとの間の応力を持つ条件において、第3の絶縁体10Cが形成される。第3の絶縁体10Cには例えばプラズマ化学気相成長法により第1の絶縁体10Aと第2の絶縁体10Bとの間の応力を持つ条件において成膜されたシリコンオキシナイトライド膜が使用され、このシリコンオキシナイトライド膜は成膜後にパターンニングされる。パターンニングは、前述の第2の絶縁体10Bと同様に、フォトリソグラフィ技術により形成されたマスクを使用したエッチングにより行う。また、パターンニングにケミカルメカニカルエッチング法、エッチングバック法等を使用することによって、第2の絶縁体10Bの第1の主電極4とゲート電極5との間に相当する領域に第3の絶縁体10Cを埋設することができ、かつ第3の絶縁体10Cの表面の高さを第1の絶縁体10Aの表面の高さ及び第2の絶縁体10Bの表面の高さと一致させることができる。
次に、図6に示すように、第1の絶縁体10A及び第2の絶縁体10Bの所定箇所がエッチングされ、窒化物系半導体機能層2上に第1の主電極3及び第2の主電極4が形成される。そして、前述の図1に示すように、第1−第3の絶縁体10A、10B、10Cの所定箇所がエッチングされ、窒化物系半導体機能層2上にゲート電極5が形成される。これら一連の製造工程が完了すると、HEMT1を完成させることができる。
[第1の実施の形態の特徴]
以上説明したように、第1の実施の形態に係るHEMT1においては、窒化物系半導体機能層2に生成される二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度及び電界強度Eをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、HEMT1においては、第2の絶縁体10Bにより第2の主電極4の近傍におけるホットエレクトロンの発生を減少することができ、第1の絶縁膜10Aによりオン抵抗を比較的低くすることができるので、オン抵抗を比較的低くかつ電流コラプスの発生を抑制することができる。また、HEMT1においては、従来のHEMTに比べて、ゲート電極5の第2の主電極4側の端部の電界強度Eを低くすることができるので、破壊耐圧を向上することができる。
以上説明したように、第1の実施の形態に係るHEMT1においては、窒化物系半導体機能層2に生成される二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度及び電界強度Eをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、HEMT1においては、第2の絶縁体10Bにより第2の主電極4の近傍におけるホットエレクトロンの発生を減少することができ、第1の絶縁膜10Aによりオン抵抗を比較的低くすることができるので、オン抵抗を比較的低くかつ電流コラプスの発生を抑制することができる。また、HEMT1においては、従来のHEMTに比べて、ゲート電極5の第2の主電極4側の端部の電界強度Eを低くすることができるので、破壊耐圧を向上することができる。
更に、第1の実施の形態に係るHEMT1においては、パッシベーション膜10よりも硬い第2の窒化物系半導体領域22の厚みを制御する加工を行うことなく、又第2の窒化物系半導体領域22の組成を制御することなく、非常に加工及び制御し易いパッシベーション膜10の製造プロセスにおいて、パッシベーション膜10自体の応力を制御することができるので、デバイス構造並びに製造方法が簡易である。
[第1の変形例]
第1の実施の形態の第1の変形例並びにこの後に説明する第2の変形例及び第3の変形例は、第1の実施の形態に係るHEMT1のパッシベーション膜10の構成を変えた例を説明するものである。
第1の実施の形態の第1の変形例並びにこの後に説明する第2の変形例及び第3の変形例は、第1の実施の形態に係るHEMT1のパッシベーション膜10の構成を変えた例を説明するものである。
第1の変形例に係るHEMT1は、図7に示すように、第2の窒化物系半導体領域22上の第1の主電極3とゲート電極5との間に配設された圧縮応力を有する第2の絶縁体10B(単層膜)と、第2の窒化物系半導体領域22上の第2の主電極4とゲート電極5との間に配設された第2の絶縁体10Bと、第2の絶縁体10Bの少なくとも一部上に積層された引張応力を有する第1の絶縁体10Aとにより構成されたパッシベーション膜10を備えている。ここで、HEMT1の第1の主電極3とゲート電極5との間において、第2の窒化物系半導体領域22には第2の絶縁体10Bによって引張応力が与えられ、二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度は高くなり、電界強度Eは高くなる。一方、第2の主電極4とゲート電極5との間において、第2の窒化物系半導体領域22には、第2の絶縁体10Bと第1の絶縁体10Aが積層された部分に相当する部分は第2の絶縁体10Bのみより緩和した応力が与えられ、二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度は低くなり、電界強度Eは低くなる。
パッシベーション膜10の製造プロセスは、第2の絶縁体10B、第1の絶縁体10Aのそれぞれを順次積層し、上層の第1の絶縁体10Aを第2の主電極4とゲート電極5との間の所定箇所に残すようにパターンニングするだけである。従って、パッシベーション膜10によって二次元キャリアガスチャネル23及び電界強度Eを容易に制御することができる。
このように構成される第1の実施の形態の第1の変形例に係るHEMT1においては、前述の第1の実施の形態に係るHEMT1により得られる作用効果と同様の作用効果を奏することができる。
[第2の変形例]
第2の変形例に係るHEMT1は、図8に示すように、第2の窒化物系半導体領域22上の第1の主電極3とゲート電極5との間の膜厚が厚く、第2の窒化物系半導体領域22上の第2の主電極4とゲート電極5との間の膜厚が薄いテーパ(傾斜)表面を有する第2の絶縁体10Bにより構成されたパッシベーション膜10を備えている。第2の絶縁体10Bは、第1の絶縁体10Aとしてその膜厚を第1の主電極3からゲート電極5間を薄く、第2の主電極4とゲート電極5との間を厚くしてもよい。
第2の変形例に係るHEMT1は、図8に示すように、第2の窒化物系半導体領域22上の第1の主電極3とゲート電極5との間の膜厚が厚く、第2の窒化物系半導体領域22上の第2の主電極4とゲート電極5との間の膜厚が薄いテーパ(傾斜)表面を有する第2の絶縁体10Bにより構成されたパッシベーション膜10を備えている。第2の絶縁体10Bは、第1の絶縁体10Aとしてその膜厚を第1の主電極3からゲート電極5間を薄く、第2の主電極4とゲート電極5との間を厚くしてもよい。
電流が流れる第2の主電極4から第1の主電極3に向かう電界方向EDとは逆に、第2の主電極4から第1の主電極3に向かってパッシベーション膜10に伴う電界強度Eを減少する(変調する)ことができる。つまり、このように構成される第1の実施の形態の第2の変形例に係るHEMT1においては、前述の第1の実施の形態に係るHEMT1により得られる作用効果と同様の作用効果を奏することができる。
[第3の変形例]
第3の変形例に係るHEMT1は、図9に示すように、第2の窒化物系半導体領域22上の第1の主電極3とゲート電極5との間の膜厚が第2の主電極4とゲート電極5との間の膜厚より薄く、テーパを有する第2の絶縁体10Bと、第2の窒化物系半導体領域22上の第1の主電極3とゲート電極5との間の膜厚が第2の主電極4とゲート電極5との間の膜厚より厚く、テーパを有する第2の絶縁体10Bとを重ね合わせた積層膜により構成されたパッシベーション膜10を備えている。
第3の変形例に係るHEMT1は、図9に示すように、第2の窒化物系半導体領域22上の第1の主電極3とゲート電極5との間の膜厚が第2の主電極4とゲート電極5との間の膜厚より薄く、テーパを有する第2の絶縁体10Bと、第2の窒化物系半導体領域22上の第1の主電極3とゲート電極5との間の膜厚が第2の主電極4とゲート電極5との間の膜厚より厚く、テーパを有する第2の絶縁体10Bとを重ね合わせた積層膜により構成されたパッシベーション膜10を備えている。
HEMT1の第1の主電極3とゲート電極5との間において、第2の窒化物系半導体領域22には、パッシベーション膜10の膜厚が厚い第2の絶縁体10Bが支配的に応力を与え、一方、第2の主電極4とゲート電極5との間において、第2の窒化物系半導体領域22には、膜厚が厚い第1の絶縁体10Aが支配的に応力を与え、第1の主電極3とゲート電極5との間に比べて第2の主電極4とゲート電極5との間の二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度は低くなり、パッシベーション10に伴う電界強度Eは低くなる。
このように構成される第1の実施の形態の第3の変形例に係るHEMT1においては、前述の第1の実施の形態に係るHEMT1により得られる作用効果と同様の作用効果を奏することができる。
(第2の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態は、半導体装置としてHEMTに本発明を適用し、このHEMTのキャリア速度の動作速度の高速化を実現した例を説明するものである。
本発明の第1の実施の形態は、半導体装置としてHEMTに本発明を適用し、このHEMTのキャリア速度の動作速度の高速化を実現した例を説明するものである。
[HEMTの構成]
図10に示すように、第2の実施の形態に係るHEMT(半導体装置)1は、基本的な構造は第1の実施の形態に係るHEMT1と同様であるが、第2の窒化物系半導体領域22上の第1の主電極3と第2の主電極4との間に配設したパッシベーション膜10の組み合わせが逆になるようにパッシベーション膜10を備えている。第2の実施の形態において、パッシベーション膜10は、第2の窒化物系半導体領域22の表面上の第2の主電極4とゲート電極5との間に圧縮応力を有する第2の絶縁体10Bと、第2の窒化物系半導体領域22の表面上の第1の主電極3とゲート電極5との間において第1の主電極3側に配設され引張応力を有する第1の絶縁体10Aと、第2の窒化物系半導体領域22の表面上の第1の主電極3とゲート電極5との間においてゲート電極5側に配設され第2の窒化物系半導体領域22にこれらの間の応力を有する第3の絶縁体10Cとを備えている。パッシベーション膜10の第1の絶縁体10A、第2の絶縁体10B、第3の絶縁体10Cのそれぞれの材料例は、前述の第1の実施の形態に係るパッシベーション膜10のそれぞれと同様である。
図10に示すように、第2の実施の形態に係るHEMT(半導体装置)1は、基本的な構造は第1の実施の形態に係るHEMT1と同様であるが、第2の窒化物系半導体領域22上の第1の主電極3と第2の主電極4との間に配設したパッシベーション膜10の組み合わせが逆になるようにパッシベーション膜10を備えている。第2の実施の形態において、パッシベーション膜10は、第2の窒化物系半導体領域22の表面上の第2の主電極4とゲート電極5との間に圧縮応力を有する第2の絶縁体10Bと、第2の窒化物系半導体領域22の表面上の第1の主電極3とゲート電極5との間において第1の主電極3側に配設され引張応力を有する第1の絶縁体10Aと、第2の窒化物系半導体領域22の表面上の第1の主電極3とゲート電極5との間においてゲート電極5側に配設され第2の窒化物系半導体領域22にこれらの間の応力を有する第3の絶縁体10Cとを備えている。パッシベーション膜10の第1の絶縁体10A、第2の絶縁体10B、第3の絶縁体10Cのそれぞれの材料例は、前述の第1の実施の形態に係るパッシベーション膜10のそれぞれと同様である。
なお、第2の実施の形態に係るHEMT1は、前述の第1の実施の形態の第1の変形例乃至第3の変形例に係るHEMT1と同様にパッシベーション膜10の構成を変えることができる。
図11に示すように、パッシベーション膜10に伴う電界強度Eは、引張応力を有する第1の絶縁体10Aに対応する二次元キャリアガスチャネル23の領域において低くなり、第2の絶縁体10Bに対応する二次元キャリアガスチャネル23の領域において高くなる。すなわち、電流が流れる第2の主電極4から第1の主電極3に向かう電界方向EDとは逆に、段階的に電界強度Eを増加する(変調する)ことができる。そして、二次元キャリアガスチャネル23の電子(キャリア)は第1の絶縁体10Aに対応する領域において少なく、第2の絶縁体10Bに対応する領域において高くなる。第1の主電極3とゲート電極5間に比べて第2の主電極4とゲート電極5間が長いので、HEMT1においては、第1の絶縁体10Aのみをパッシベーション膜10として使用している場合に比べて低いオン抵抗を実現することができる。
なお、第2の実施の形態に係るHEMT1の製造方法は前述の第1の実施の形態に係るHEMT1の製造方法と同様であるので、ここでの説明は重複するので省略する。
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態は、半導体装置としてショットキーバリアダイオード(SBD)に本発明を適用し、このSBDの耐圧を向上した例を説明するものである。
本発明の第3の実施の形態は、半導体装置としてショットキーバリアダイオード(SBD)に本発明を適用し、このSBDの耐圧を向上した例を説明するものである。
[SBDの構成]
図12に示すように、第3の実施の形態に係るSBD(半導体装置)11は、キャリア通過領域として機能する第1の窒化物系半導体領域21上にヘテロ接合により配設されたキャリア発生領域として機能する第2の窒化物系半導体領域22を有し、第1の窒化物系半導体領域21のヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネル23を有する窒化物系半導体機能層2と、窒化物系半導体機能層2上に互いに離間されて配設された第1の主電極3及び第2の主電極4と、第2の窒化物系半導体領域22上に配設され、第2の窒化物系半導体領域22の第1の主電極3と第2の主電極4との間において二次元キャリアガスチャネル23のキャリア走行方向の複数箇所にそれぞれ異なる応力を与えるパッシベーション膜10とを備える。第3の実施の形態において、第1の主電極3は二次元キャリアガスチャネル23にオーミック接続するカソード電極として使用され、第2の主電極4は二次元キャリアガスチャネル23にショットキー接続するアノード電極として使用される。
図12に示すように、第3の実施の形態に係るSBD(半導体装置)11は、キャリア通過領域として機能する第1の窒化物系半導体領域21上にヘテロ接合により配設されたキャリア発生領域として機能する第2の窒化物系半導体領域22を有し、第1の窒化物系半導体領域21のヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネル23を有する窒化物系半導体機能層2と、窒化物系半導体機能層2上に互いに離間されて配設された第1の主電極3及び第2の主電極4と、第2の窒化物系半導体領域22上に配設され、第2の窒化物系半導体領域22の第1の主電極3と第2の主電極4との間において二次元キャリアガスチャネル23のキャリア走行方向の複数箇所にそれぞれ異なる応力を与えるパッシベーション膜10とを備える。第3の実施の形態において、第1の主電極3は二次元キャリアガスチャネル23にオーミック接続するカソード電極として使用され、第2の主電極4は二次元キャリアガスチャネル23にショットキー接続するアノード電極として使用される。
窒化物系半導体機能層2は、ここでは前述の第1の実施の形態に係るHEMT1の窒化物系半導体機能層2と同様に構成されている。
SBD11においては、SBD11に逆バイアスを印加したとき、ショットキー接続となる第2の主電極4側に電界が集中し易い。従って、前述の第1の実施の形態に係るHEMT1と同様に、パッシベーション膜10は、第2の窒化物系半導体領域22上の第2の主電極4側に自身が引張応力を有するように配設された第1の絶縁体10Aと、第2の窒化物系半導体領域22上の第1の主電極3側に自身が圧縮応力を有するように配設された第2の絶縁体10Bと、第2の窒化物系半導体領域22上の第1の絶縁体10Aと第2の絶縁体10Bとの間に配設された第3の絶縁体10Cとを備える。そして、第1の絶縁体10Aによって第2の窒化物系半導体領域22の第2の主電極4側には反作用により圧縮応力を生じ、それに伴って二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度を低下させ、第1の絶縁体10Aに伴う電界強度Eを減少することができる。また、第2の絶縁体10Bによって第2の窒化物系半導体領域22の第1の主電極3側はその反作用により引張応力が生じ、それに伴って二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度が増加し、第2の絶縁体10Bに伴う電界起用度Eが増加する。
なお、第3の実施の形態に係るSBD11に備えたパッシベーション膜10の構造は、前述の第1の実施の形態の第1の変形例乃至第3の変形例に係るHEMT1のパッシベーション膜10と同様の構成に変えてもよい。
[第3の実施の形態の特徴]
以上説明したように、第3の実施の形態に係るSBD11においては、窒化物系半導体機能層2に生成される二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度及び電界強度Eをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、SBD11においては、第2の絶縁体10Bにより第2の主電極4の近傍におけるホットエレクトロンの発生を減少することができ、オン抵抗を比較的低くすることができるので、オン抵抗を比較的低くかつ電流コラプスの発生を抑制することができる。また、SBD11においては、従来のSBDに比べて、第2の主電極4側の端部の電界強度Eを低くすることができるので、破壊耐圧を向上することができる。
以上説明したように、第3の実施の形態に係るSBD11においては、窒化物系半導体機能層2に生成される二次元キャリアガスチャネル23のキャリア密度及び電界強度Eをキャリア走行方向に変調することができる。この結果、SBD11においては、第2の絶縁体10Bにより第2の主電極4の近傍におけるホットエレクトロンの発生を減少することができ、オン抵抗を比較的低くすることができるので、オン抵抗を比較的低くかつ電流コラプスの発生を抑制することができる。また、SBD11においては、従来のSBDに比べて、第2の主電極4側の端部の電界強度Eを低くすることができるので、破壊耐圧を向上することができる。
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は複数の実施の形態によって記載されているが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものでない。本発明は様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術に適用することができる。
上記のように、本発明は複数の実施の形態によって記載されているが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものでない。本発明は様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術に適用することができる。
例えば、本発明は、前述の実施の形態に係るパッシベーション膜10において、第3の絶縁体10Cを省略してもよい。また、ゲート電極5はショットキーではなく、本発明はMISゲート構造としてもよい。また、本発明は、第1の主電極3及び第2の主電極4の少なくとも一方の第1の窒化物系半導体領域21と接触するように第2の窒化物系半導体領域22を削り、そこに第1の主電極3、第2の主電極4の少なくとも一方を形成してもよい。
また、本発明は、第1の主電極3、第2の主電極4、ゲート電極5の少なくともいずれか1つにフィールドプレート構造を備えてもよい。必ずしもこの場合だけに限るものではないが、本発明においては、各電極とフィールドプレートとの間の層間絶縁膜若しくはその一部としてパッシベーション膜10を機能させてもよい。
1…半導体装置(HEMT)
2…窒化物系半導体機能層
21…第1の窒化物系半導体領域(キャリア通過領域)
22…第2の窒化物系半導体領域(キャリア発生領域)
23…二次元キャリアガスチャネル
3…第1の主電極(ソース電極又はアノード電極)
4…第2の主電極(ドレイン電極又はカソード電極)
5…ゲート電極
10…パッシベーション膜
10A…第1の絶縁体
10B…第2の絶縁体
10C…第3の絶縁体
11…半導体装置(SBD)
2…窒化物系半導体機能層
21…第1の窒化物系半導体領域(キャリア通過領域)
22…第2の窒化物系半導体領域(キャリア発生領域)
23…二次元キャリアガスチャネル
3…第1の主電極(ソース電極又はアノード電極)
4…第2の主電極(ドレイン電極又はカソード電極)
5…ゲート電極
10…パッシベーション膜
10A…第1の絶縁体
10B…第2の絶縁体
10C…第3の絶縁体
11…半導体装置(SBD)
Claims (5)
- 第1の窒化物系半導体領域上にヘテロ接合により配設された第2の窒化物系半導体領域を有し、前記第1の窒化物系半導体領域の前記ヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネルを有する窒化物系半導体機能層と、
前記第2の窒化物系半導体領域上に互いに離間して配設された第1の主電極及び第2の主電極と、
前記第2の窒化物系半導体領域上に配設され、前記第1の主電極と前記第2の主電極との間において前記第2の窒化物系半導体領域の複数箇所にそれぞれ異なる応力を与えるパッシベーション膜と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。 - 第1の窒化物系半導体領域上にヘテロ接合により配設された第2の窒化物系半導体領域を有し、前記第1の窒化物系半導体領域の前記ヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネルを有する窒化物系半導体機能層と、
前記第2の窒化物系半導体領域上に互いに離間して配設された第1の主電極及び第2の主電極と、
前記第1の主電極と前記第2の主電極との間において前記第2の窒化物系半導体領域の複数箇所に接触して配設され、異なる応力を有するパッシベーション膜と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。 - 第1の窒化物系半導体領域上にヘテロ接合により配設された第2の窒化物系半導体領域を有し、前記第1の窒化物系半導体領域の前記ヘテロ接合近傍に二次元キャリアガスチャネルを有する窒化物系半導体機能層と、
前記第2の窒化物系半導体領域上に互いに離間して配設されたソース電極、ゲート電極及びドレイン電極と、
前記ドレイン電極と前記ゲート電極との間において前記第2の窒化物系半導体領域に接触して配設された第1のパッシベーション膜と、
前記ソース電極と前記ゲート電極との間において前記第2の窒化物系半導体領域に接触して配設され、前記第1のパッシベーション膜と異なる応力を有する第2のパッシベーション膜と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。 - 前記第1のパッシベーション膜はシリコン酸化膜であり、前記第2のパッシベーション膜はシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
- 前記第1のパッシベーション膜はシリコン窒化膜であり、前記第2のパッシベーション膜はシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
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