JP2014056938A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置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.
窒化物半導体は、高い飽和電子速度及びワイドバンドギャップ等の特徴を利用し、高耐圧及び高出力の半導体デバイスへの適用が検討されている。例えば、窒化物半導体であるGaNのバンドギャップは3.4eVであり、Siのバンドギャップ(1.1eV)及びGaAsのバンドギャップ(1.4eV)よりも大きく、高い破壊電界強度を有する。そのためGaNは、高電圧動作且つ高出力を得る電源用の半導体デバイスの材料として極めて有望である。 Nitride semiconductors have been studied for application to high breakdown voltage and high output semiconductor devices utilizing characteristics such as high saturation electron velocity and wide band gap. For example, the band gap of GaN, which is a nitride semiconductor, is 3.4 eV, which is larger than the band gap of Si (1.1 eV) and the band gap of GaAs (1.4 eV), and has a high breakdown electric field strength. Therefore, GaN is extremely promising as a material for a semiconductor device for a power supply that obtains high voltage operation and high output.
窒化物半導体を用いた半導体デバイス(窒化物半導体デバイス)としては、電界効果トランジスタ、特に高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor:HEMT)についての報告が数多くなされている。例えばGaN系のHEMT(GaN−HEMT)では、GaNを電子走行層として、AlGaNを電子供給層として用いたAlGaN/GaN・HEMTが注目されている。AlGaN/GaN・HEMTでは、GaNとAlGaNとの格子定数差に起因した歪みがAlGaNに生じる。これにより発生したピエゾ分極及びAlGaNの自発分極により、高濃度の2次元電子ガス(2DEG)が得られる。そのため、高効率のスイッチ素子、電気自動車用等の高耐圧電力デバイスとして期待されている。 As semiconductor devices using nitride semiconductors (nitride semiconductor devices), many reports have been made on field-effect transistors, particularly high electron mobility transistors (HEMTs). For example, in a GaN-based HEMT (GaN-HEMT), AlGaN / GaN.HEMT using GaN as an electron transit layer and AlGaN as an electron supply layer has attracted attention. In AlGaN / GaN.HEMT, strain caused by the difference in lattice constant between GaN and AlGaN is generated in AlGaN. A high-concentration two-dimensional electron gas (2DEG) is obtained by the piezoelectric polarization generated thereby and the spontaneous polarization of AlGaN. Therefore, it is expected as a high-efficiency power device for high-efficiency switching elements, electric vehicles and the like.
HEMTやMISトランジスタ等の化合物半導体素子を、ダイオードやMISトランジスタ、バオポーラトランジスタ等のシリコン素子と混載する場合に、以下のような構成が採られる。HEMTとMISトランジスタを混載する場合を例示する。 When compound semiconductor elements such as HEMT and MIS transistors are mixedly mounted with silicon elements such as diodes, MIS transistors and biopolar transistors, the following configuration is adopted. The case where HEMT and a MIS transistor are mixedly mounted is illustrated.
半導体基板上に化合物半導体、例えば窒化物半導体の積層構造を形成し、先ず窒化物半導体積層構造の第1の領域にゲート、ソース、ドレインを形成し、所定の配線を形成してHEMTを作製する。続いて、窒化物半導体積層構造の第2の領域をエッチングで除去する。露出する半導体基板に不純物拡散領域を形成し、ゲートを形成し、第2の領域に窒化物半導体積層構造と隣接するようにゲートを覆う層間絶縁膜を形成する。層間絶縁膜に導電プラグを形成し、所定の配線を形成してMISトランジスタを作製する。 A stacked structure of a compound semiconductor, for example, a nitride semiconductor is formed on a semiconductor substrate. First, a gate, a source, and a drain are formed in a first region of the nitride semiconductor stacked structure, and a predetermined wiring is formed to manufacture a HEMT. . Subsequently, the second region of the nitride semiconductor multilayer structure is removed by etching. An impurity diffusion region is formed in the exposed semiconductor substrate, a gate is formed, and an interlayer insulating film covering the gate is formed in the second region so as to be adjacent to the nitride semiconductor multilayer structure. Conductive plugs are formed in the interlayer insulating film, and predetermined wiring is formed to manufacture a MIS transistor.
また、上記のようにHEMTを作製した後、窒化物半導体積層構造上に半導体層及び層間絶縁膜を積層し、MISトランジスタを作製することも考えられる。 It is also conceivable to manufacture a MIS transistor by fabricating a HEMT as described above and then laminating a semiconductor layer and an interlayer insulating film on the nitride semiconductor multilayer structure.
しかしながら上記の場合、HEMTとMISトランジスタとの混載構成が複雑となり、この混載構成を得るには、必然的に製造工程の大幅な増加を来たし、しかも新規材料及び新規工程の導入が必須であるために開発負荷が極めて大きいという問題がある。 However, in the above case, the mixed configuration of the HEMT and the MIS transistor is complicated, and in order to obtain this mixed configuration, the manufacturing process is inevitably increased, and new materials and new processes must be introduced. However, the development load is extremely large.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、化合物半導体素子である第1の素子と、シリコン素子である第2の素子とが混載された半導体装置において、可及的に簡素な装置構成で第1及び第2の素子を実現する。これにより、新規材料及び新規工程を低減して最小限の工程数により作製できる信頼性の高い半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and is as simple as possible in a semiconductor device in which a first element that is a compound semiconductor element and a second element that is a silicon element are mixedly mounted. The first and second elements are realized by the device configuration. Accordingly, an object is to provide a highly reliable semiconductor device that can be manufactured with a minimum number of steps by reducing new materials and new steps, and a method for manufacturing the same.
化合物半導体装置の一態様は、シリコン領域と、前記シリコン領域上に形成された化合物半導体積層構造と、前記化合物半導体積層構造に形成された第1の素子及び第2の素子とを含み、前記第2の素子は、前記シリコン領域に形成された不純物拡散部と、前記化合物半導体積層構造内に形成され、前記不純物拡散部と電気的に接続された導電部とを有する素子である。
One aspect of the compound semiconductor device includes a silicon region, a compound semiconductor stacked structure formed on the silicon region, and a first element and a second element formed in the compound semiconductor stacked structure, The
化合物半導体装置の製造方法の一態様は、シリコン領域に不純物拡散部を形成する工程と、前記シリコン領域上に化合物半導体積層構造を形成する工程と、前記化合物半導体積層構造に第1の素子及び第2の素子を形成する工程とを含み、前記第2の素子は、前記シリコン領域に形成された不純物拡散部と、前記化合物半導体積層構造内に形成され、前記不純物拡散部と電気的に接続された導電部とを有する素子である。 One aspect of a method for manufacturing a compound semiconductor device includes a step of forming an impurity diffusion portion in a silicon region, a step of forming a compound semiconductor multilayer structure on the silicon region, a first element and a first element in the compound semiconductor multilayer structure. The second element is formed in the compound semiconductor multilayer structure and is electrically connected to the impurity diffusion part. An element having a conductive portion.
上記の諸態様によれば、化合物半導体素子である第1の素子と、シリコン素子である第2の素子とが混載された半導体装置において、可及的に簡素な装置構成で第1及び第2の素子を実現する。これにより、新規材料及び新規工程を低減して最小限の工程数により作製できる信頼性の高い半導体装置が実現する。 According to the above aspects, in the semiconductor device in which the first element that is a compound semiconductor element and the second element that is a silicon element are mixedly mounted, the first and second devices can be configured as simple as possible. The element is realized. Thus, a highly reliable semiconductor device that can be manufactured with a minimum number of processes by reducing new materials and new processes is realized.
(第1の実施形態)
本実施形態では、第1の素子として化合物半導体素子であるAlGaN/GaN・HEMTと、第2の素子としてシリコン素子であるダイオードとが混載された半導体装置を開示する。
図1〜図15は、第1の実施形態による半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
(First embodiment)
In the present embodiment, a semiconductor device is disclosed in which an AlGaN / GaN HEMT that is a compound semiconductor element as a first element and a diode that is a silicon element as a second element are mixedly mounted.
1 to 15 are schematic cross-sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment in the order of steps.
図1〜図3に示すように、Si基板1に素子分離構造2を形成する。
先ず、図1に示すように、半導体領域として半導体基板、例えばSi基板1を用意する。スパッタ法等により、Si基板1上にシリコン酸化膜21及びシリコン窒化膜22を、10nm程度及び148nm程度の厚みに順次形成する。シリコン窒化膜22上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、Si基板1の素子分離領域の上方に開口23aを有するレジストマスク23を形成する。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
First, as shown in FIG. 1, a semiconductor substrate, for example, a
次に、図2に示すように、Si基板1に素子分離用溝1aを形成する。
詳細には、レジストマスク23を用いて、シリコン窒化膜22、シリコン酸化膜21及びSi基板1をドライエッチングする。これにより、Si基板1のレジストマスク23の開口23aに位置整合した部位に、シリコン酸化膜21及びシリコン窒化膜22の各開口21a,22aと連通する、深さ380nm程度の素子分離用溝1aが形成される。
レジストマスク23は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
Next, as shown in FIG. 2,
Specifically, using the resist mask 23, the
The resist mask 23 is removed by ashing or wet processing.
次に、図3に示すように、素子分離構造2を形成する。
シリコン窒化膜22の表面を850℃程度でウェット酸化して厚み10nm程度の熱酸化膜を形成した後、CVD法等により、素子分離用溝1a及び開口21a,22aを埋め込むように熱酸化膜上にシリコン酸化膜を675nm程度の厚みに堆積する。シリコン酸化膜を250nm程度ドライエッチングした後、シリコン窒化膜22を研磨ストッパーとして、化学機械研磨(Chemical-Mechanical Polishing:CMP)によりシリコン酸化膜を研磨する。窒素(N2)雰囲気中において1000℃程度で30分間程度のアニール処理を施した後、シリコン酸化膜21及びシリコン窒化膜22をウェットエッチングで除去する。以上により、Si基板1の素子分離用溝1aをシリコン酸化物で埋め込む素子分離構造2が形成される。その後、Si基板1の表面を900℃程度でHCl酸化し、厚み10nm程度の犠牲酸化膜を形成する。
Next, as shown in FIG. 3, the
After the surface of the
素子分離構造2の形成により、Si基板1上でジャンクション素子であるダイオードの第2の素子領域1Bが画定され、同時に第2の素子領域1Bと隣接(図3中の右側部分)して、AlGaN/GaN・HEMTの第1の素子領域1Aが画定される。
By forming the
続いて、図4に示すように、Si基板1の第2の素子領域1BにP型拡散領域3aを形成する。
詳細には、Si基板1上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、Si基板1の第2の素子領域1Bを露出させる開口24aを有するレジストマスク24を形成する。
レジストマスク24を用いて、Si基板1の表面露出部位にP型不純物、例えばB+を加速エネルギー300keV程度、ドーズ量3.0×1013/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、Si基板1の第2の素子領域1BにP型拡散領域3aが形成される。レジストマスク24は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
Subsequently, as shown in FIG. 4, a P-
Specifically, a resist is applied on the
Using the resist
続いて、図5に示すように、P型拡散領域3a内にN型拡散領域3bを形成する。
詳細には、Si基板1上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、P型拡散領域3aの一部を露出させる開口25aを有するレジストマスク25を形成する。
レジストマスク25を用いて、P型拡散領域3aの表面露出部位にN型不純物、例えばAs+を加速エネルギー160keV程度、ドーズ量4.5×1012/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、P型拡散領域3aの一部にN型拡散領域3bが形成される。レジストマスク25は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
P型拡散領域3a及びN型拡散領域3bにより、不純物拡散部である不純物拡散領域3が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 5, an N-
Specifically, a resist is applied on the
Using the resist
The P-
続いて、図6に示すように、Si層4を形成した後、Si層4の第2の素子領域1Bに絶縁層4aを形成する。
詳細には、先ず、Si基板1の全面に、エピタキシャル成長により、Si層4を厚み500nm程度に成長する。
Si層4上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、Si層4の第2の素子領域1Bを露出させる開口を有するレジストマスクを形成する。レジストマスクを用いて、Si層4の表面露出部位に酸素(O+)を加速エネルギー20keV程度、ドーズ量2×1018/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、Si層4の第2の素子領域1Bの部分が変質し、絶縁層4aが形成される。なお、図6のみにおいて、Si層4のSi基板1との界面を破線で表す。
Subsequently, as shown in FIG. 6, after forming the Si layer 4, the insulating
Specifically, first, the Si layer 4 is grown on the entire surface of the
A resist is applied on the Si layer 4 and processed by lithography to form a resist mask having an opening exposing the
続いて、図7に示すように、絶縁層4a上を含むSi層4上に化合物半導体積層構造5を形成する。化合物半導体積層構造5は、バッファ層5a、電子走行層5b、電子供給層5c、及びキャップ層5dを有して構成される。
Subsequently, as illustrated in FIG. 7, the compound
完成したAlGaN/GaN・HEMTでは、その動作時において、電子走行層5bの電子供給層5cとの界面近傍に二次元キャリアガス、ここでは二次元電子ガス(2DEG)が発生する。この2DEGは、電子走行層5bの化合物半導体(ここではGaN)と電子供給層5cの化合物半導体(ここではAlGaN)との格子定数の相違に基づいて生成される。
In the completed AlGaN / GaN HEMT, during its operation, a two-dimensional carrier gas, here a two-dimensional electron gas (2DEG), is generated near the interface between the
詳細には、絶縁層4a上を含むSi層4上に、例えば有機金属気相成長(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法により、以下の各化合物半導体を成長する。MOVPE法の代わりに、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法等を用いても良い。
Si基板1上に、i(インテンショナリ・アンドープ)AlGaNを2.6μm程度の厚みに、i−GaNを1μm程度の厚みに、n−AlGaN(Al組成:15%以上25%以下)を20nm程度の厚みに、n−GaNを2nm程度の厚みに順次成長する。これにより、バッファ層5a、電子走行層5b、電子供給層5c、及びキャップ層5dが形成される。バッファ層としては、AlGaNの代わりにAlNを用いたり、低温成長でGaNを成長するようにしても良い。
Specifically, the following compound semiconductors are grown on the Si layer 4 including the insulating
On the
AlN、GaN、AlGaN、及びGaNの成長条件としては、原料ガスとしてトリメチルアルミニウムガス、トリメチルガリウムガス、及びアンモニアガスの混合ガスを用いる。成長する化合物半導体層に応じて、Alの原料ガスであるトリメチルアルミニウムガス、Gaの原料ガスであるトリメチルガリウムガスの供給の有無及び流量を適宜設定する。共通原料であるアンモニアガスの流量は、100ccm〜10LM程度とする。また、成長圧力は50Torr〜300Torr程度、成長温度は1000℃〜1200℃程度とする。 As growth conditions for AlN, GaN, AlGaN, and GaN, a mixed gas of trimethylaluminum gas, trimethylgallium gas, and ammonia gas is used as a source gas. Depending on the compound semiconductor layer to be grown, whether or not to supply trimethylaluminum gas, which is an Al source gas, and trimethylgallium gas, which is a Ga source gas, is appropriately set. The flow rate of ammonia gas, which is a common raw material, is about 100 ccm to 10 LM. The growth pressure is about 50 Torr to 300 Torr, and the growth temperature is about 1000 ° C. to 1200 ° C.
GaN、AlGaNをn型として成長する際には、n型不純物として例えばSiを含む例えばSiH4ガスを所定の流量で原料ガスに添加し、GaN及びAlGaNにSiをドーピングする。Siのドーピング濃度は、1×1018/cm3程度〜1×1020/cm3程度、例えば5×1018/cm3程度とする。 When growing GaN and AlGaN as n-type, for example, SiH 4 gas containing Si as an n-type impurity is added to the source gas at a predetermined flow rate, and Si is doped into GaN and AlGaN. The doping concentration of Si is about 1 × 10 18 / cm 3 to about 1 × 10 20 / cm 3 , for example, about 5 × 10 18 / cm 3 .
続いて、図8に示すように、CVD法等により、化合物半導体積層構造5上に絶縁膜6を厚み300nm程度に堆積する。
Subsequently, as shown in FIG. 8, an insulating film 6 is deposited to a thickness of about 300 nm on the compound
続いて、図9に示すように、第2の素子領域1Bに導電プラグ7A,7Bを形成する。
詳細には、先ず、リソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜6を加工し、絶縁膜6の導電プラグの形成予定部位を開口するハードマスクを形成する。
ハードマスクを用いて、化合物半導体積層構造5及び絶縁層4aをドライエッチングする。これにより、絶縁層4a及び化合物半導体積層構造5に、P型拡散領域3aの表面の一部を露出する開口7aと、N型拡散領域3bの表面の一部を露出する開口7bとが形成される。ハードマスクとされた絶縁膜6はウェットエッチング等により除去される。
Subsequently, as shown in FIG. 9,
Specifically, first, the insulating film 6 is processed by lithography and dry etching to form a hard mask that opens a portion where the conductive plug is to be formed in the insulating film 6.
The compound
次に、開口7a,7bの内壁面を覆うように、化合物半導体積層構造5上に下地膜7cを形成する。下地膜7cは、スパッタ法等により、例えばTi及びTiNを厚み10nm程度及び7nm程度に順次成膜して形成される。下地膜7cを介して開口7a,7b内を埋め込むように、導電物7dを堆積する。導電物7dは、CVD法等により、例えばWを開口7a,7b内を埋め込む厚みに堆積される。化合物半導体積層構造5のキャップ層5dをエッチングストッパーとして、CMP法により導電物7d及び下地膜7cを研磨する。
以上により、P型拡散領域3a及びN型拡散領域3bと接続され、開口7a,7b内を下地膜7cを介して導電物7dで充填してなる導電部である導電プラグ7A,7Bが形成される。
Next, a
As described above,
続いて、図10に示すように、第1の素子領域1Aに電極用リセス5Aを形成する。
詳細には、リソグラフィー及びドライエッチングにより、第1の素子領域1Aにおける化合物半導体積層構造5のゲート電極の形成予定部位を加工する。ドライエッチングは、塩素系ガス及びSFx系ガスを用いて、例えばキャップ層5dを貫通し電子供給層5cの中途深さまで、全体で15nm〜20nm程度の深さまで実行される。電子供給層5cの被エッチング部分は、厚み2nm〜7nm程度だけ残存する。リソグラフィーに用いたレジストはアッシング処理又はウェット処理により除去される。以上により、第1の素子領域1Aに電極用リセス5Aが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 10, an
More specifically, a portion where the gate electrode of the compound
続いて、図11に示すように、第2の素子領域1Bに2DEG遮断構造8を形成する。
第2の素子領域1Bにおける導電プラグ7A,7Bごとに化合物半導体積層構造5で発生する2DEGを電気的に遮断する2DEG遮断構造8を形成する。詳細には、全面にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、2DEG遮断構造の形成予定部位を開口するレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いて、導電プラグ7A,7Bごとに囲むように、化合物半導体積層構造5(GaN,AlGaN)の結晶構造を破壊し得る元素(例えば、Ar,B等)、ここではArを、2DEGの発生部位よりも深い領域まで導入する。具体的にはArを、加速エネルギー170keV程度、ドーズ量5.0×1013/cm2程度の条件で、加速エネルギー100keV程度、ドーズ量1.0×1013/cm2程度の条件で連続的に注入する。Arの注入により、当該注入部位におけるGaN,AlGaNの結晶構造が破壊されて2DEGが消失する。以上により、導電プラグ7A,7Bを当該導電プラグ7A,7Bごとに2DEGを電気的に遮断する、キャリア遮断部である2DEG遮断構造8が形成される。
レジストマスクは、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
Subsequently, as shown in FIG. 11, the
A
The resist mask is removed by ashing or wet processing.
本実施形態では、第1の素子領域1Aと第2の素子領域1Bとで化合物半導体積層構造5を共有する構成を採る。第1の素子領域1Aでは、化合物半導体積層構造5で発生する2DEGを用いてチャネルが構成される。第2の素子領域1Bでは、化合物半導体積層構造5を実質的にはいわゆる層間絶縁膜として用いる。後者の場合、第2の素子領域1Bにおける化合物半導体積層構造5で導電体、ここでは導電プラグ7A,7Bについて、導電体ごとに化合物半導体積層構造5で発生する2DEGを遮断し、各導電体間の短絡を防止する必要がある。そこで本実施形態では、上記のように2DEG遮断構造8を形成する。これにより、導電プラグ7A,7Bの各導電体としての実効を確実に得ることを可能とし、第2の素子領域1Bで化合物半導体積層構造5を層間絶縁膜として用いて新規材料及び新規工程を低減する構成が実現する。
なお、2DEG遮断構造8は、導電プラグ7A,7Bの形成に先立って形成するようにしても良い。
In the present embodiment, a configuration in which the compound
Note that the
続いて、図12に示すように、開口9aを有する絶縁膜9を形成する。
詳細には、化合物半導体積層構造5上に、CVD法等により例えばSiNを厚み200nm程度に堆積し、絶縁膜9を形成する。リソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜9を加工し、絶縁膜9の電極用リセス5Aに位置整合する部位に電極用リセス5Aよりも幅広の開口9aを形成する。ドライエッチングにより、電極用リセス5A内のSiNも除去され、開口9aが電極用リセス5Aと連通して電極溝となる。
Subsequently, as shown in FIG. 12, an insulating
Specifically, for example, SiN is deposited to a thickness of about 200 nm on the compound
続いて、図13に示すように、第1の素子領域1Aにゲート絶縁膜11を介してゲート電極12を形成する。
詳細には、先ず、上記の電極溝の内壁面を覆うように、絶縁膜9上にゲート絶縁膜11を形成する。例えば、Al2O3を原子層堆積法(Atomic Layer Deposition:ALD法)により膜厚20nm程度に堆積する。これにより、ゲート絶縁膜11が形成される。
なお、Al2O3の堆積は、ALD法の代わりに、例えばプラズマCVD法又はスパッタ法等で行うようにしても良い。また、Al2O3を堆積する代わりに、Alの窒化物又は酸窒化物を用いても良い。それ以外にも、Si,Hf,Zr,Ti,Ta,Wの酸化物、窒化物又は酸窒化物、或いはこれらから適宜に選択して多層に堆積して、ゲート絶縁膜を形成しても良い。
Subsequently, as shown in FIG. 13, the
Specifically, first, the
Al 2 O 3 may be deposited by, for example, a plasma CVD method or a sputtering method instead of the ALD method. Further, instead of depositing Al 2 O 3 , Al nitride or oxynitride may be used. In addition, an oxide, nitride, oxynitride of Si, Hf, Zr, Ti, Ta, and W, or an appropriate selection thereof may be deposited in multiple layers to form a gate insulating film. .
次に、ゲート絶縁膜11上に、スパッタ法等により電極材料、例えばTi,TiN,TaN等、ここでは厚み50nm程度のTaNと、厚み400nm程度のAlとを堆積する。リソグラフィー及びドライエッチングにより、電極材料及びゲート絶縁膜11を加工する。リソグラフィーに用いたレジストはアッシング処理又はウェット処理により除去される。以上により、電極溝内をゲート絶縁膜11を介して電極材料で埋め込み、絶縁膜9の表面から上方に突出してなる、ゲート電極12が形成される。
Next, an electrode material, for example, Ti, TiN, TaN, etc., such as TaN having a thickness of about 50 nm and Al having a thickness of about 400 nm are deposited on the
続いて、図14に示すように、絶縁膜13を形成した後、電極用リセス14a,14b,14c,14dを形成する。
詳細には、先ず、ゲート電極12を埋め込む厚みに、絶縁膜9上にCVD法等により例えばSiO2を堆積する。これにより、絶縁膜13が形成される。
次に、リソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜9,13を加工する。これにより、絶縁膜9,13には電極用リセス14a,14b,14c,14dが同時形成される。電極用リセス14a,14bは、絶縁膜9,13の第1の素子領域1Aに形成され、底面において化合物半導体積層構造5のソース電極及びドレイン電極の形成予定部位をそれぞれ露出する。電極用リセス14c,14dは、絶縁膜9,13の第2の素子領域1Bに形成され、底面において導電プラグ7A,7Bをそれぞれ露出する。
Subsequently, as shown in FIG. 14, after the insulating
Specifically, first, for example, SiO 2 is deposited on the insulating
Next, the insulating
続いて、図15に示すように、各下地膜15a,15b,15c,15dを有するソース電極16a、ドレイン電極16b、アノード電極16c、カソード電極16dを同時形成する。
詳細には、電極用リセス14a〜14dの内壁面を覆うように、スパッタ法等により、絶縁膜13上に例えばTiを厚み25nm程度に成膜する。引き続き、スパッタ法等により、成膜されたTiを介して電極用リセス14a〜14dを埋め込むように、例えばAlを厚み300nm程度に成膜する。そして、リソグラフィー及びドライエッチングによりAl及びTiを加工する。以上により、第1の素子領域1Aには、下地膜15aを有するソース電極16a及び下地膜15bを有するドレイン電極16bが形成される。同時に、第2の素子領域1Bには、下地膜15cを有するアノード電極16c及び下地膜15dを有するカソード電極16dが形成される。ソース電極16a及びドレイン電極16bは、ゲート電極12の両側で化合物半導体積層構造5とオーミック接触する。アノード電極16c、カソード電極16dは、導電プラグ7A,7Bと電気的に接続され、導電プラグ7A,7Bを介してP型拡散領域3a、N型拡散領域3bと導通する。
Subsequently, as shown in FIG. 15, the source electrode 16a, the drain electrode 16b, the anode electrode 16c, and the cathode electrode 16d having the respective
Specifically, for example, Ti is formed to a thickness of about 25 nm on the insulating
本実施形態では、第1の素子領域1Aにはソース電極16a及びドレイン電極16bが、第2の素子領域1Bにはアノード電極16c及びカソード電極16dが、同一工程により、同一層で同一高さに形成される。このように、各電極(配線)を、可及的に少ない工程で、余計な段差を生ぜしめることなく平坦性良く形成することができ、高い加工精度で信頼性の高い半導体装置が実現する。
In this embodiment, the source electrode 16a and the drain electrode 16b are formed in the
しかる後、上層の絶縁膜の形成及び各種配線の形成等の諸工程を経る。以上により、第1の素子領域1Aには第1の素子であるAlGaN/GaN・HEMTが、第2の素子領域1Bには第2の素子であるダイオードが形成されてなる半導体装置が形成される。
Thereafter, various processes such as formation of an upper insulating film and formation of various wirings are performed. Thus, a semiconductor device is formed in which the
以上説明したように、本実施形態によれば、化合物半導体素子のAlGaN/GaN・HEMTとシリコン素子のダイオードとで化合物半導体積層構造5を共有する。この構成を採ることにより、新規材料及び新規工程を低減して最小限の工程数により作製するも、HEMTの機能とダイオードの機能の双方を確実に得ることができる信頼性の高い半導体装置が実現する。
As described above, according to the present embodiment, the compound
(第2の実施形態)
本実施形態では、第1の素子として化合物半導体素子であるAlGaN/GaN・HEMTと、第2の素子としてシリコン素子であるバイポーラトランジスタとが混載された半導体装置を開示する。
図16〜図29は、第2の実施形態による半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, a semiconductor device in which an AlGaN / GaN HEMT that is a compound semiconductor element as a first element and a bipolar transistor that is a silicon element as a second element is mounted together is disclosed.
16 to 29 are schematic cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment in the order of steps.
先ず、第1の実施形態と同様に、図1〜図3の工程を実行し、Si基板1に素子分離構造2を形成する。
First, similarly to the first embodiment, the steps of FIGS. 1 to 3 are executed to form the
続いて、図16に示すように、Si基板1の第2の素子領域1BにP型拡散領域31aを形成する。
詳細には、Si基板1上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、Si基板1の第2の素子領域1Bを露出させる開口51aを有するレジストマスク51を形成する。
レジストマスク51を用いて、Si基板1の表面露出部位にP型不純物、例えばB+を加速エネルギー300keV程度、ドーズ量3.0×1013/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、Si基板1の第2の素子領域1BにP型拡散領域31aが形成される。レジストマスク51は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
Subsequently, as shown in FIG. 16, a P-
Specifically, a resist is applied on the
Using the resist mask 51, a P-type impurity, for example, B + is ion-implanted into the exposed surface of the
続いて、図17に示すように、P型拡散領域31a内にN型拡散領域31bを形成する。
詳細には、Si基板1上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、P型拡散領域31aの一部を露出させる開口52aを有するレジストマスク52を形成する。
レジストマスク52を用いて、P型拡散領域31aの表面露出部位にN型不純物、例えばAs+を加速エネルギー160keV程度、ドーズ量4.5×1012/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、P型拡散領域31aの一部にN型拡散領域31bが形成される。レジストマスク52は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
Subsequently, as shown in FIG. 17, an N-
Specifically, a resist is applied on the
Using the resist mask 52, an N-type impurity, for example, As + is ion-implanted into the surface exposed portion of the P-
続いて、図18に示すように、N型拡散領域31b内にP型拡散領域31cを形成する。
詳細には、Si基板1上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、N型拡散領域31bの一部を露出させる開口53aを有するレジストマスク53を形成する。
レジストマスク53を用いて、N型拡散領域31bの表面露出部位にP型不純物、例えばB+を加速エネルギー70keV程度、ドーズ量3.0×1013/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、N型拡散領域31bの一部にP型拡散領域31cが形成される。レジストマスク53は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
P型拡散領域31a、N型拡散領域31b、及びP型拡散領域31cにより、不純物拡散部である不純物拡散領域31が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 18, a P-
Specifically, a resist is applied on the
Using the resist mask 53, a P-type impurity, for example, B + is ion-implanted into the surface exposed portion of the N-
The P-
続いて、図19に示すように、Si層32を形成した後、Si層32の第2の素子領域1Bに絶縁層32aを形成する。
詳細には、先ず、Si基板1の全面に、エピタキシャル成長により、Si層32を厚み500nm程度に成長する。
Si層32上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、Si層32の第2の素子領域1Bを露出させる開口を有するレジストマスクを形成する。レジストマスクを用いて、Si層32の表面露出部位に酸素(O+)を加速エネルギー20keV程度、ドーズ量2×1018/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、Si層32の第2の素子領域1Bの部分が変質し、絶縁層32aが形成される。なお、図19のみにおいて、Si層32のSi基板1との界面を破線で表す。
Subsequently, as shown in FIG. 19, after the Si layer 32 is formed, an insulating
Specifically, first, the Si layer 32 is grown on the entire surface of the
A resist is applied on the Si layer 32, and the resist is processed by lithography to form a resist mask having an opening that exposes the
続いて、図20に示すように、絶縁層32a上を含むSi層32上に化合物半導体積層構造33を形成する。化合物半導体積層構造33は、バッファ層33a、電子走行層33b、電子供給層33c、及びキャップ層33dを有して構成される。
Subsequently, as illustrated in FIG. 20, a compound
完成したAlGaN/GaN・HEMTでは、その動作時において、電子走行層33bの電子供給層33cとの界面近傍に二次元キャリアガス、ここでは二次元電子ガス(2DEG)が発生する。この2DEGは、電子走行層33bの化合物半導体(ここではGaN)と電子供給層33cの化合物半導体(ここではAlGaN)との格子定数の相違に基づいて生成される。
In the completed AlGaN / GaN HEMT, during its operation, a two-dimensional carrier gas, here a two-dimensional electron gas (2DEG), is generated near the interface between the
詳細には、絶縁層32a上を含むSi層32上に、例えばMOVPE法により、以下の各化合物半導体を成長する。MOVPE法の代わりに、MBE法等を用いても良い。
Si基板1上に、i(インテンショナリ・アンドープ)AlGaNを2.6μm程度の厚みに、i−GaNを1μm程度の厚みに、n−AlGaN(Al組成:15%以上25%以下)を20nm程度の厚みに、n−GaNを2nm程度の厚みに順次成長する。これにより、バッファ層33a、電子走行層33b、電子供給層33c、及びキャップ層33dが形成される。バッファ層としては、AlGaNの代わりにAlNを用いたり、低温成長でGaNを成長するようにしても良い。
Specifically, the following compound semiconductors are grown on the Si layer 32 including the insulating
On the
AlN、GaN、AlGaN、及びGaNの成長条件としては、原料ガスとしてトリメチルアルミニウムガス、トリメチルガリウムガス、及びアンモニアガスの混合ガスを用いる。成長する化合物半導体層に応じて、Alの原料ガスであるトリメチルアルミニウムガス、Gaの原料ガスであるトリメチルガリウムガスの供給の有無及び流量を適宜設定する。共通原料であるアンモニアガスの流量は、100ccm〜10LM程度とする。また、成長圧力は50Torr〜300Torr程度、成長温度は1000℃〜1200℃程度とする。 As growth conditions for AlN, GaN, AlGaN, and GaN, a mixed gas of trimethylaluminum gas, trimethylgallium gas, and ammonia gas is used as a source gas. Depending on the compound semiconductor layer to be grown, whether or not to supply trimethylaluminum gas, which is an Al source gas, and trimethylgallium gas, which is a Ga source gas, is appropriately set. The flow rate of ammonia gas, which is a common raw material, is about 100 ccm to 10 LM. The growth pressure is about 50 Torr to 300 Torr, and the growth temperature is about 1000 ° C. to 1200 ° C.
GaN、AlGaNをn型として成長する際には、n型不純物として例えばSiを含む例えばSiH4ガスを所定の流量で原料ガスに添加し、GaN及びAlGaNにSiをドーピングする。Siのドーピング濃度は、1×1018/cm3程度〜1×1020/cm3程度、例えば5×1018/cm3程度とする。 When growing GaN and AlGaN as n-type, for example, SiH 4 gas containing Si as an n-type impurity is added to the source gas at a predetermined flow rate, and Si is doped into GaN and AlGaN. The doping concentration of Si is about 1 × 10 18 / cm 3 to about 1 × 10 20 / cm 3 , for example, about 5 × 10 18 / cm 3 .
続いて、図21に示すように、CVD法等により、化合物半導体積層構造33上に絶縁膜34を厚み400nm程度に堆積する。
Subsequently, as shown in FIG. 21, an insulating film 34 is deposited to a thickness of about 400 nm on the compound
続いて、図22に示すように、第2の素子領域1Bに導電プラグ35A,35B,35Cを形成する。
詳細には、先ず、リソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜34を加工し、絶縁膜34の導電プラグの形成予定部位を開口するハードマスクを形成する。
ハードマスクを用いて、化合物半導体積層構造33及び絶縁層32aをドライエッチングする。これにより、絶縁層32a及び化合物半導体積層構造33に、P型拡散領域31aの表面の一部を露出する開口35aと、N型拡散領域31bの表面の一部を露出する開口35bと、P型拡散領域31cの表面の一部を露出する開口35cとが形成される。ハードマスクとされた絶縁膜34はウェットエッチング等により除去される。
Subsequently, as shown in FIG. 22,
Specifically, first, the insulating film 34 is processed by lithography and dry etching to form a hard mask that opens a portion where the conductive plug is to be formed in the insulating film 34.
The compound
次に、開口35a,35b,35cの内壁面を覆うように、化合物半導体積層構造33上に下地膜35dを形成する。下地膜35dは、スパッタ法等により、例えばTi及びTiNを厚み10nm程度及び7nm程度に順次成膜して形成される。下地膜35dを介して開口35a〜35c内を埋め込むように、導電物35eを堆積する。導電物35eは、CVD法等により、例えばWを開口35a〜35c内を埋め込む厚みに堆積される。化合物半導体積層構造33のキャップ層33dをエッチングストッパーとして、CMP法により導電物35e及び下地膜35dを研磨する。
以上により、P型拡散領域31a、N型拡散領域31b、及びP型拡散領域31cと接続され、開口35a〜35c内を下地膜35dを介して導電物35eで充填してなる導電部である導電プラグ35A,35B,35Cが形成される。
Next, a
As described above, the conductive portion is connected to the P-
続いて、図23に示すように、第1の素子領域1Aに電極用リセス33Aを形成する。
詳細には、リソグラフィー及びドライエッチングにより、第1の素子領域1Aにおける化合物半導体積層構造33のゲート電極の形成予定部位を加工する。ドライエッチングは、塩素系ガス及びSFx系ガスを用いて、例えばキャップ層33dを貫通し電子供給層33cの中途深さまで、全体で15nm〜20nm程度の深さまで実行される。電子供給層33cの被エッチング部分は、厚み2nm〜7nm程度だけ残存する。リソグラフィーに用いたレジストはアッシング処理又はウェット処理により除去される。以上により、第1の素子領域1Aに電極用リセス33Aが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 23, an
More specifically, a portion where the gate electrode of the compound
続いて、図24に示すように、第2の素子領域1Bに2DEG遮断構造36を形成する。
第2の素子領域1Bにおける導電プラグ35A,35B,35Cごとに化合物半導体積層構造33で発生する2DEGを電気的に遮断する2DEG遮断構造36を形成する。詳細には、全面にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、2DEG遮断構造の形成予定部位を開口するレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いて、導電プラグ35A,35B,35Cごとに囲むように、化合物半導体積層構造33(GaN,AlGaN)の結晶構造を破壊し得る元素(例えば、Ar,B等)、ここではArを、2DEGの発生部位よりも深い領域まで導入する。具体的にはArを、加速エネルギー170keV程度、ドーズ量5.0×1013/cm2程度の条件で、加速エネルギー100keV程度、ドーズ量1.0×1013/cm2程度の条件で連続的に注入する。Arの注入により、当該注入部位におけるGaN,AlGaNの結晶構造が破壊されて2DEGが消失する。以上により、導電プラグ35A,35B,35Cを当該導電プラグ35A,35B,35Cごとに2DEGを電気的に遮断する、キャリア遮断部である2DEG遮断構造36が形成される。
レジストマスクは、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
Subsequently, as shown in FIG. 24, a
A
The resist mask is removed by ashing or wet processing.
本実施形態では、第1の素子領域1Aと第2の素子領域1Bとで化合物半導体積層構造33を共有する構成を採る。第1の素子領域1Aでは、化合物半導体積層構造33で発生する2DEGを用いてチャネルが構成される。第2の素子領域1Bでは、化合物半導体積層構造33を実質的にはいわゆる層間絶縁膜として用いる。後者の場合、第2の素子領域1Bにおける化合物半導体積層構造33で導電体、ここでは導電プラグ35A〜35Cについて、導電体ごとに化合物半導体積層構造33で発生する2DEGを遮断し、各導電体間の短絡を防止する必要がある。そこで本実施形態では、上記のように2DEG遮断構造36を形成する。これにより、導電プラグ35A〜35Cの各導電体としての実効を確実に得ることを可能とし、第2の素子領域1Bで化合物半導体積層構造33を層間絶縁膜として用いて新規材料及び新規工程を低減する構成が実現する。
なお、2DEG遮断構造36は、導電プラグ35A〜35Cの形成に先立って形成するようにしても良い。
In the present embodiment, a configuration in which the compound
Note that the
続いて、図25に示すように、開口37aを有する絶縁膜37を形成する。
詳細には、化合物半導体積層構造33上に、CVD法等により例えばSiNを厚み200nm程度に堆積し、絶縁膜37を形成する。リソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜37を加工し、絶縁膜37の電極用リセス33Aに位置整合する部位に電極用リセス33Aよりも幅広の開口37aを形成する。ドライエッチングにより、電極用リセス33A内のSiNも除去され、開口37aが電極用リセス33Aと連通して電極溝となる。
Subsequently, as shown in FIG. 25, an insulating
Specifically, for example, SiN is deposited to a thickness of about 200 nm on the compound
続いて、図26に示すように、第1の素子領域1Aにゲート絶縁膜38を介してゲート電極39を形成する。
詳細には、先ず、上記の電極溝の内壁面を覆うように、絶縁膜37上にゲート絶縁膜38を形成する。例えば、Al2O3を原子層堆積法(Atomic Layer Deposition:ALD法)により膜厚20nm程度に堆積する。これにより、ゲート絶縁膜38が形成される。
なお、Al2O3の堆積は、ALD法の代わりに、例えばプラズマCVD法又はスパッタ法等で行うようにしても良い。また、Al2O3を堆積する代わりに、Alの窒化物又は酸窒化物を用いても良い。それ以外にも、Si,Hf,Zr,Ti,Ta,Wの酸化物、窒化物又は酸窒化物、或いはこれらから適宜に選択して多層に堆積して、ゲート絶縁膜を形成しても良い。
Subsequently, as shown in FIG. 26, a
Specifically, first, a
Al 2 O 3 may be deposited by, for example, a plasma CVD method or a sputtering method instead of the ALD method. Further, instead of depositing Al 2 O 3 , Al nitride or oxynitride may be used. In addition, an oxide, nitride, oxynitride of Si, Hf, Zr, Ti, Ta, and W, or an appropriate selection thereof may be deposited in multiple layers to form a gate insulating film. .
次に、ゲート絶縁膜38上に、スパッタ法等により電極材料、例えばTi,TiN,TaN等、ここでは厚み50nm程度のTaNと、厚み400nm程度のAlとを堆積する。リソグラフィー及びドライエッチングにより、電極材料及びゲート絶縁膜38を加工する。リソグラフィーに用いたレジストはアッシング処理又はウェット処理により除去される。以上により、電極溝内をゲート絶縁膜38を介して電極材料で埋め込み、絶縁膜37の表面から上方に突出してなる、ゲート電極39が形成される。
Next, an electrode material, for example, Ti, TiN, TaN, etc., such as TaN having a thickness of about 50 nm and Al having a thickness of about 400 nm are deposited on the
続いて、図27に示すように、絶縁膜41を形成した後、電極用リセス42a,42b,42c,42d,42eを形成する。
詳細には、先ず、ゲート電極39を埋め込む厚みに、絶縁膜37上にCVD法等により例えばSiNを堆積する。これにより、絶縁膜41が形成される。
次に、リソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜37,41を加工する。これにより、絶縁膜37,41には電極用リセス42a,42b,42c,42d,42eが同時形成される。電極用リセス42a,42bは、絶縁膜37,41の第1の素子領域1Aに形成され、底面において化合物半導体積層構造33のソース電極及びドレイン電極の形成予定部位をそれぞれ露出する。電極用リセス42c,42d,42eは、絶縁膜37,41の第2の素子領域1Bに形成され、底面において導電プラグ35A,35B,35Cをそれぞれ露出する。
Subsequently, as shown in FIG. 27, after the insulating
Specifically, first, for example, SiN is deposited on the insulating
Next, the insulating
続いて、図28に示すように、各下地膜43a,43b,43c,43d,43eを有するソース電極44a、ドレイン電極44b、コレクタ電極44c、ベース電極44d、エミッタ電極44eを同時形成する。
詳細には、電極用リセス42a〜42eの内壁面を覆うように、スパッタ法等により、絶縁膜41上に例えばTiを厚み25nm程度に成膜する。引き続き、スパッタ法等により、成膜されたTiを介して電極用リセス42a〜42eを埋め込むように、例えばAlを厚み300nm程度に成膜する。そして、リソグラフィー及びドライエッチングによりAl及びTiを加工する。以上により、第1の素子領域1Aには、下地膜43aを有するソース電極44a及び下地膜43bを有するドレイン電極44bが形成される。同時に、第2の素子領域1Bには、下地膜43cを有するコレクタ電極44c、下地膜43dを有するベース電極44d、下地膜43eを有するエミッタ電極44eが形成される。ソース電極44a及びドレイン電極44bは、ゲート電極39の両側で化合物半導体積層構造33とオーミック接触する。コレクタ電極44c、ベース電極44d、エミッタ電極44eは、導電プラグ35A,35B,35Cと電気的に接続され、導電プラグ35A,35B,35Cを介してP型拡散領域31a、N型拡散領域31b、P型拡散領域31cと導通する。
Subsequently, as shown in FIG. 28, the source electrode 44a, the drain electrode 44b, the collector electrode 44c, the base electrode 44d, and the emitter electrode 44e having the respective
Specifically, for example, Ti is formed to a thickness of about 25 nm on the insulating
本実施形態では、第1の素子領域1Aにはソース電極44a及びドレイン電極44bが、第2の素子領域1Bにはコレクタ電極44c、ベース電極44d、エミッタ電極44eが、同一工程で同一の平坦面に形成される。このように、各電極(配線)を、可及的に少ない工程で、余計な段差を生ぜしめることなく平坦性良く形成することができ、高い加工精度で信頼性の高い半導体装置が実現する。
In this embodiment, the source electrode 44a and the drain electrode 44b are formed in the
しかる後、上層の絶縁膜の形成及び各種配線の形成等の諸工程を経る。以上により、第1の素子領域1Aには第1の素子であるAlGaN/GaN・HEMTが、第2の素子領域1Bには第2の素子であるバイポーラトランジスタが形成されてなる半導体装置が形成される。
Thereafter, various processes such as formation of an upper insulating film and formation of various wirings are performed. As described above, a semiconductor device is formed in which the
以上説明したように、本実施形態によれば、化合物半導体素子のAlGaN/GaN・HEMTとシリコン素子のバイポーラトランジスタとで化合物半導体積層構造33を共有する。この構成を採ることにより、新規材料及び新規工程を低減して最小限の工程数により作製するも、HEMTの機能とバイポーラトランジスタの機能の双方を確実に得ることができる信頼性の高い半導体装置が実現する。
As described above, according to the present embodiment, the compound
(第3の実施形態)
本実施形態では、第1の素子として化合物半導体素子であるAlGaN/GaN・HEMTと、第2の素子としてシリコン素子である、いわゆる縦型のMISトランジスタとが混載された半導体装置を開示する。
図29〜図41は、第3の実施形態による半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
(Third embodiment)
In this embodiment, a semiconductor device in which an AlGaN / GaN HEMT that is a compound semiconductor element as a first element and a so-called vertical MIS transistor that is a silicon element as a second element is mounted together is disclosed.
29 to 41 are schematic cross-sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment in the order of steps.
先ず、第1の実施形態と同様に、図1〜図3の工程を実行し、Si基板1に素子分離構造2を形成する。
First, similarly to the first embodiment, the steps of FIGS. 1 to 3 are executed to form the
続いて、図29に示すように、Si基板1の第2の素子領域1BにN型拡散領域61aを形成する。
詳細には、Si基板1上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、Si基板1の第2の素子領域1Bを露出させる開口81aを有するレジストマスク81を形成する。
レジストマスク81を用いて、Si基板1の表面露出部位にN型不純物、例えばAs+を加速エネルギー160keV程度、ドーズ量4.5×1012/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、Si基板1の第2の素子領域1BにN型拡散領域61aが形成される。レジストマスク81は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
Subsequently, as shown in FIG. 29, an N-
Specifically, a resist is applied on the
Using the resist mask 81, an N-type impurity such as As + is ion-implanted into the surface exposed portion of the
続いて、図30に示すように、N型拡散領域61a内にP型拡散領域61bを形成する。
詳細には、Si基板1上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、N型拡散領域61aの一部を露出させる開口82aを有するレジストマスク82を形成する。
レジストマスク82を用いて、N型拡散領域61aの表面露出部位にP型不純物、例えばB+を加速エネルギー300keV程度、ドーズ量3.0×1013/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、N型拡散領域61aの一部にP型拡散領域61bが形成される。レジストマスク82は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
Subsequently, as shown in FIG. 30, a P-
Specifically, a resist is applied on the
Using the resist mask 82, a P-type impurity, for example, B + is ion-implanted into the surface exposed portion of the N-
続いて、図31に示すように、P型拡散領域61b内にN型拡散領域61cを形成する。
詳細には、Si基板1上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、P型拡散領域61bの一部を露出させる開口83aを有するレジストマスク83を形成する。
レジストマスク83を用いて、P型拡散領域61bの表面露出部位に型不純物、例えばAs+を加速エネルギー70keV程度、ドーズ量4.5×1012/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、P型拡散領域61bの一部にN型拡散領域61cが形成される。レジストマスク83は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
N型拡散領域61a、P型拡散領域61b、及びN型拡散領域61cにより、不純物拡散部である不純物拡散領域61が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 31, an N-
Specifically, a resist is applied on the
Using the resist mask 83, a type impurity such as As + is ion-implanted into the surface exposed portion of the P-
The N-
続いて、図32に示すように、Si層62を形成した後、Si層62の第2の素子領域1Bに絶縁層62aを形成する。
詳細には、先ず、Si基板1の全面に、エピタキシャル成長により、Si層62を厚み500nm程度に成長する。
Si層62上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、Si層62の第2の素子領域1Bを露出させる開口を有するレジストマスクを形成する。レジストマスクを用いて、Si層62の表面露出部位に酸素(O+)を加速エネルギー20keV程度、ドーズ量2×1018/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、Si層62の第2の素子領域1Bの部分が変質し、絶縁層62aが形成される。なお、図32のみにおいて、Si層62のSi基板1との界面を破線で表す。
Subsequently, as shown in FIG. 32, after forming the
Specifically, first, the
A resist is applied onto the
続いて、図33に示すように、絶縁層62a上を含むSi層62上に化合物半導体積層構造63を形成する。化合物半導体積層構造63は、バッファ層63a、電子走行層63b、電子供給層63c、及びキャップ層63dを有して構成される。
Subsequently, as shown in FIG. 33, a compound
完成したAlGaN/GaN・HEMTでは、その動作時において、電子走行層63bの電子供給層63cとの界面近傍に二次元キャリアガス、ここでは二次元電子ガス(2DEG)が発生する。この2DEGは、電子走行層63bの化合物半導体(ここではGaN)と電子供給層63cの化合物半導体(ここではAlGaN)との格子定数の相違に基づいて生成される。
In the completed AlGaN / GaN HEMT, during its operation, a two-dimensional carrier gas, here a two-dimensional electron gas (2DEG), is generated near the interface between the
詳細には、絶縁層62a上を含むSi層62上に、例えばMOVPE法により、以下の各化合物半導体を成長する。MOVPE法の代わりに、MBE法等を用いても良い。
Si基板1上に、i(インテンショナリ・アンドープ)AlGaNを2.6μm程度の厚みに、i−GaNを1μm程度の厚みに、n−AlGaN(Al組成:15%以上25%以下)を20nm程度の厚みに、n−GaNを2nm程度の厚みに順次成長する。これにより、バッファ層63a、電子走行層63b、電子供給層63c、及びキャップ層63dが形成される。バッファ層としては、AlGaNの代わりにAlNを用いたり、低温成長でGaNを成長するようにしても良い。
Specifically, the following compound semiconductors are grown on the
On the
AlN、GaN、AlGaN、及びGaNの成長条件としては、原料ガスとしてトリメチルアルミニウムガス、トリメチルガリウムガス、及びアンモニアガスの混合ガスを用いる。成長する化合物半導体層に応じて、Al源であるトリメチルアルミニウムガス、Ga源であるトリメチルガリウムガスの供給の有無及び流量を適宜設定する。共通原料であるアンモニアガスの流量は、100ccm〜10LM程度とする。また、成長圧力は50Torr〜300Torr程度、成長温度は1000℃〜1200℃程度とする。 As growth conditions for AlN, GaN, AlGaN, and GaN, a mixed gas of trimethylaluminum gas, trimethylgallium gas, and ammonia gas is used as a source gas. The presence / absence and flow rate of trimethylaluminum gas as an Al source and trimethylgallium gas as a Ga source are appropriately set according to the compound semiconductor layer to be grown. The flow rate of ammonia gas, which is a common raw material, is about 100 ccm to 10 LM. The growth pressure is about 50 Torr to 300 Torr, and the growth temperature is about 1000 ° C. to 1200 ° C.
GaN、AlGaNをn型として成長する際には、n型不純物として例えばSiを含む例えばSiH4ガスを所定の流量で原料ガスに添加し、GaN及びAlGaNにSiをドーピングする。Siのドーピング濃度は、1×1018/cm3程度〜1×1020/cm3程度、例えば5×1018/cm3程度とする。 When growing GaN and AlGaN as n-type, for example, SiH 4 gas containing Si as an n-type impurity is added to the source gas at a predetermined flow rate, and Si is doped into GaN and AlGaN. The doping concentration of Si is about 1 × 10 18 / cm 3 to about 1 × 10 20 / cm 3 , for example, about 5 × 10 18 / cm 3 .
続いて、図34に示すように、第2の素子領域1Bに導電プラグ65A,65Bを形成する。
詳細には、先ず、CVD法等により、化合物半導体積層構造63上に絶縁膜を形成する。リソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜を加工し、絶縁膜の導電プラグの形成予定部位を開口するハードマスクを形成する。
ハードマスクを用いて、化合物半導体積層構造63及び絶縁層62aをドライエッチングする。これにより、絶縁層62a及び化合物半導体積層構造63に、N型拡散領域61cの表面の一部を露出する開口65aと、N型拡散領域61aの表面の一部を露出する開口65bとが形成される。ハードマスクとされた絶縁膜はウェットエッチング等により除去される。
Subsequently, as shown in FIG. 34,
Specifically, first, an insulating film is formed on the compound
The compound
次に、開口65a,65bの内壁面を覆うように、化合物半導体積層構造63上に下地膜65cを形成する。下地膜65cは、スパッタ法等により、例えばTi及びTiNを厚み10nm程度及び7nm程度に順次成膜して形成される。下地膜65cを介して開口65a,65b内を埋め込むように、導電物65dを堆積する。導電物65dは、CVD法等により、例えばWを開口65a,65b内を埋め込む厚みに堆積される。化合物半導体積層構造63のキャップ層63dをエッチングストッパーとして、CMP法により導電物65d及び下地膜65cを研磨する。
以上により、N型拡散領域61c,61aと接続され、開口65a,65b内を下地膜65cを介して導電物65dで充填してなる導電部である導電プラグ65A,65Bが形成される。
Next, a
Thus,
続いて、図35に示すように、第2の素子領域1Bに埋め込みゲート構造66を形成する。
詳細には、先ず、CVD法等により、化合物半導体積層構造63上に絶縁膜を形成する。リソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜を加工し、絶縁膜の埋め込みゲート構造の形成予定部位を開口するハードマスクを形成する。
ハードマスクを用いて、化合物半導体積層構造63及び絶縁層62aをドライエッチングする。これにより、絶縁層62a及び化合物半導体積層構造63に、P型拡散領域61bの所定深さ(P型拡散領域61bの表面からの深さ)までエッチングされた開口66aが形成される。ハードマスクとされた絶縁膜はウェットエッチング等により除去される。
Subsequently, as shown in FIG. 35, a buried
Specifically, first, an insulating film is formed on the compound
The compound
次に、開口66aの内壁面を覆うように、化合物半導体積層構造63上にゲート絶縁膜67を形成する。ゲート絶縁膜67は、CVD法等により、例えばSiO2を厚み14nm程度に成膜して形成される。
次に、開口66aの内壁面をゲート絶縁膜67を介して覆うように、化合物半導体積層構造63上に下地膜66bを形成する。下地膜66bは、スパッタ法等により、例えばTi及びTiNを厚み10nm程度及び7nm程度に順次成膜して形成される。ゲート絶縁膜67及び下地膜66bを介して開口66a内を埋め込むように、導電物66cを堆積する。導電物66cは、CVD法等により、例えば多結晶シリコンが開口66a内を埋め込む厚みに堆積される。化合物半導体積層構造63のキャップ層63dをエッチングストッパーとして、CMP法により導電物66c、下地膜66b、及びゲート絶縁膜67を研磨する。
以上により、P型拡散領域61bと接続され、開口66a内をゲート絶縁膜67及び下地膜66bを介して導電物66cで充填してなる埋め込みゲート構造66が形成される。
Next, a
Next, a
As described above, the buried
第2の素子領域1Bに形成される縦型のMISトランジスタでは、N型拡散領域61cとN型拡散領域61aとの間にP型拡散領域61bを備えてチャネルが構成されている。埋め込みゲート構造66の側面部分で導電物66cがゲート絶縁膜67を介してチャネルとなるP型拡散領域61bと対向し、N型MISトランジスタとして機能する。
In the vertical MIS transistor formed in the
続いて、図36に示すように、第1の素子領域1Aに電極用リセス63Aを形成する。
詳細には、リソグラフィー及びドライエッチングにより、第1の素子領域1Aにおける化合物半導体積層構造63のゲート電極の形成予定部位を加工する。ドライエッチングは、塩素系ガス及びSFx系ガスを用いて、例えばキャップ層63dを貫通し電子供給層63cの中途深さまで、全体で15nm〜20nm程度の深さまで実行される。電子供給層63cの被エッチング部分は、厚み2nm〜7nm程度だけ残存する。リソグラフィーに用いたレジストはアッシング処理又はウェット処理により除去される。以上により、第1の素子領域1Aに電極用リセス63Aが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 36, an
More specifically, a portion where the gate electrode of the compound
続いて、図37に示すように、第2の素子領域1Bに2DEG遮断構造68を形成する。
第2の素子領域1Bにおける導電プラグ65A,65B、埋め込みゲート構造66ごとに化合物半導体積層構造63で発生する2DEGを電気的に遮断する2DEG遮断構造68を形成する。詳細には、全面にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、2DEG遮断構造の形成予定部位を開口するレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いて、導電プラグ65A,65B、埋め込みゲート構造66ごとに囲むように、化合物半導体積層構造63(GaN,AlGaN)の結晶構造を破壊し得る元素を導入する。当該元素としては、例えば、Ar,B等、ここではArを用いて、化合物半導体積層構造63の2DEGの発生部位よりも深い領域まで導入する。具体的にはArを、加速エネルギー170keV程度、ドーズ量5.0×1013/cm2程度の条件で、加速エネルギー100keV程度、ドーズ量1.0×1013/cm2程度の条件で連続的に注入する。Arの注入により、当該注入部位におけるGaN,AlGaNの結晶構造が破壊されて2DEGが消失する。以上により、導電プラグ65A,65B、埋め込みゲート構造66を当該導電プラグ65A,65B、埋め込みゲート構造66ごとに2DEGを電気的に遮断する、キャリア遮断部である2DEG遮断構造68が形成される。
レジストマスクは、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
Subsequently, as shown in FIG. 37, a
For each of the
The resist mask is removed by ashing or wet processing.
本実施形態では、第1の素子領域1Aと第2の素子領域1Bとで化合物半導体積層構造63を共有する構成を採る。第1の素子領域1Aでは、化合物半導体積層構造63で発生する2DEGを用いてチャネルが構成される。第2の素子領域1Bでは、化合物半導体積層構造63を実質的にはいわゆる層間絶縁膜として用いる。後者の場合、第2の素子領域1Bにおける化合物半導体積層構造63で導電体、ここでは導電プラグ65A,65B、埋め込みゲート構造66について、導電体ごとに化合物半導体積層構造63で発生する2DEGを遮断し、各導電体間の短絡を防止する必要がある。そこで、本実施形態では、上記のように2DEG遮断構造68を形成する。これにより、導電プラグ65A,65B、埋め込みゲート構造66の各導電体としての実効を確実に得ることを可能とし、第2の素子領域1Bで化合物半導体積層構造63を層間絶縁膜として用いて新規材料及び新規工程を低減する構成が実現する。
なお、2DEG遮断構造68は、導電プラグ65A,65B、埋め込みゲート構造66の形成に先立って形成するようにしても良い。
In the present embodiment, a configuration in which the compound
The
続いて、図38に示すように、開口69aを有する絶縁膜69を形成する。
詳細には、化合物半導体積層構造63上に、CVD法等により例えばSiNを厚み200nm程度に堆積し、絶縁膜69を形成する。リソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜69を加工し、絶縁膜69の電極用リセス63Aに位置整合する部位に電極用リセス63Aよりも幅広の開口69aを形成する。ドライエッチングにより、電極用リセス63A内のSiNも除去され、開口69aが電極用リセス63Aと連通して電極溝となる。
Subsequently, as shown in FIG. 38, an insulating
Specifically, for example, SiN is deposited to a thickness of about 200 nm on the compound
続いて、図39に示すように、第1の素子領域1Aにゲート絶縁膜71を介してゲート電極72を形成する。
詳細には、先ず、上記の電極溝の内壁面を覆うように、絶縁膜69上にゲート絶縁膜71を形成する。例えば、Al2O3を原子層堆積法(Atomic Layer Deposition:ALD法)により膜厚20nm程度に堆積する。これにより、ゲート絶縁膜71が形成される。
なお、Al2O3の堆積は、ALD法の代わりに、例えばプラズマCVD法又はスパッタ法等で行うようにしても良い。また、Al2O3を堆積する代わりに、Alの窒化物又は酸窒化物を用いても良い。それ以外にも、Si,Hf,Zr,Ti,Ta,Wの酸化物、窒化物又は酸窒化物、或いはこれらから適宜に選択して多層に堆積して、ゲート絶縁膜を形成しても良い。
Subsequently, as shown in FIG. 39, a
Specifically, first, the
Al 2 O 3 may be deposited by, for example, a plasma CVD method or a sputtering method instead of the ALD method. Further, instead of depositing Al 2 O 3 , Al nitride or oxynitride may be used. In addition, an oxide, nitride, oxynitride of Si, Hf, Zr, Ti, Ta, and W, or an appropriate selection thereof may be deposited in multiple layers to form a gate insulating film. .
次に、ゲート絶縁膜71上に、スパッタ法等により電極材料、例えばTi,TiN,TaN等、ここでは厚み50nm程度のTaNと、厚み400nm程度のAlとを堆積する。リソグラフィー及びドライエッチングにより、電極材料及びゲート絶縁膜72を加工する。リソグラフィーに用いたレジストはアッシング処理又はウェット処理により除去される。以上により、電極溝内をゲート絶縁膜71を介して電極材料で埋め込み、絶縁膜69の表面から上方に突出してなる、ゲート電極72が形成される。
Next, an electrode material, for example, Ti, TiN, TaN, etc., such as TaN having a thickness of about 50 nm and Al having a thickness of about 400 nm are deposited on the
続いて、図40に示すように、絶縁膜73を形成した後、電極用リセス74a,74b,74c,74d,74eを形成する。
詳細には、先ず、ゲート電極72を埋め込む厚みに、絶縁膜69上にCVD法等により例えばSiNを堆積する。これにより、絶縁膜73が形成される。
次に、リソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜69,73を加工する。これにより、絶縁膜69,73には電極用リセス74a,74b,74c,74d,74eが同時形成される。電極用リセス74a,74bは、絶縁膜69,73の第1の素子領域1Aに形成され、底面において化合物半導体積層構造63のソース電極及びドレイン電極の形成予定部位をそれぞれ露出する。電極用リセス74c,74d,74eは、絶縁膜69,73の第2の素子領域1Bに形成され、底面において導電プラグ65A,65B、埋め込みゲート構造66をそれぞれ露出する。
Subsequently, as shown in FIG. 40, after forming the insulating
More specifically, first, for example, SiN is deposited on the insulating
Next, the insulating
続いて、図41に示すように、各下地膜75a,75b,75c,75d,75eを有するソース電極76a、ドレイン電極76b、ソース電極76c、ドレイン電極76d、ゲート電極76eを同時形成する。
詳細には、電極用リセス74a〜74eの内壁面を覆うように、スパッタ法等により、絶縁膜73上に例えばTiを厚み25nm程度に成膜する。引き続き、スパッタ法等により、成膜されたTiを介して電極用リセス74a〜74eを埋め込むように、例えばAlを厚み300nm程度に成膜する。そして、リソグラフィー及びドライエッチングによりAl及びTiを加工する。以上により、第1の素子領域1Aには、下地膜75aを有するソース電極76a及び下地膜75bを有するドレイン電極76bが形成される。同時に、第2の素子領域1Bには、下地膜75cを有するソース電極76a、下地膜75dを有するドレイン電極76d、及び下地膜75eを有するゲート電極76eが形成される。ソース電極76a及びドレイン電極76bは、ゲート電極72の両側で化合物半導体積層構造63とオーミック接触する。ソース電極76c、ドレイン電極76d、ゲート電極76eは、導電プラグ65A,65B、埋め込みゲート構造66と電気的に接続される。ソース電極76c、ドレイン電極76d、ゲート電極76eは、導電プラグ65A,65B、埋め込みゲート構造66を介してN型拡散領域61c、N型拡散領域61a、P型拡散領域61bと導通する。
Subsequently, as shown in FIG. 41, the source electrode 76a, the drain electrode 76b, the source electrode 76c, the
Specifically, for example, Ti is formed to a thickness of about 25 nm on the insulating
本実施形態では、第1の素子領域1Aにはソース電極76a及びドレイン電極76bが、第2の素子領域1Bにはソース電極76c、ドレイン電極76d、ゲート電極76eが、同一工程で同一の平坦面に形成される。このように、各電極(配線)を、可及的に少ない工程で、余計な段差を生ぜしめることなく平坦性良く形成することができ、高い加工精度で信頼性の高い半導体装置が実現する。
In the present embodiment, the source electrode 76a and the drain electrode 76b are formed in the
しかる後、上層の絶縁膜の形成及び各種配線の形成等の諸工程を経る。以上により、第1の素子領域1Aには第1の素子であるAlGaN/GaN・HEMTが、第2の素子領域1Bには第2の素子である縦型のN型MISトランジスタが形成されてなる半導体装置が形成される。
Thereafter, various processes such as formation of an upper insulating film and formation of various wirings are performed. As described above, the
以上説明したように、本実施形態によれば、化合物半導体素子のAlGaN/GaN・HEMTとシリコン素子のMISトランジスタとで化合物半導体積層構造63を共有する。この構成を採ることにより、新規材料及び新規工程を低減して最小限の工程数により作製するも、HEMTの機能とMISトランジスタの機能の双方を確実に得ることができる信頼性の高い半導体装置が実現する。
As described above, according to the present embodiment, the compound
なお、第1〜第3の実施形態では、第1の素子として、ゲート電極下にゲート絶縁膜を有するMIS型のAlGaN/GaN・HEMTを例示したが、これに限定されるものではない。ゲート絶縁膜を有さず、ゲート電極が化合物半導体積層構造と直接的に接触するショットキー型のAlGaN/GaN・HEMTとしても良い。更にはAlGaN/GaN・HEMTに代わって、例えばMISトランジスタを形成する場合にも適用される。 In the first to third embodiments, the MIS type AlGaN / GaN HEMT having a gate insulating film under the gate electrode is exemplified as the first element, but the first element is not limited thereto. A Schottky-type AlGaN / GaN.HEMT in which the gate electrode is not in contact and the gate electrode is in direct contact with the compound semiconductor stacked structure may be used. Further, the present invention is also applied to a case where, for example, a MIS transistor is formed instead of AlGaN / GaN HEMT.
また、第1〜第3の実施形態では、第1の素子として、化合物半導体積層構造に発生する2DEGを利用するトランジスタを例示したが、これに限定されるものではない。例えば、化合物半導体積層構造に発生する二次元キャリアガスが、2DEGではなく、二次元ホールガス(2DHG)であり、この2DHGを利用する各種の素子が、当該第1の素子として適用可能である。 In the first to third embodiments, the transistor using 2DEG generated in the compound semiconductor stacked structure is exemplified as the first element. However, the first element is not limited to this. For example, the two-dimensional carrier gas generated in the compound semiconductor multilayer structure is not 2DEG but two-dimensional hole gas (2DHG), and various elements using the 2DHG are applicable as the first element.
(第4の実施形態)
本実施形態では、第1〜第3の実施形態から選ばれた少なくとも1種の半導体装置を備えたPFC(Power Factor Correction)回路を開示する。
図42は、第4の実施形態によるPFC回路を示す結線図である。
(Fourth embodiment)
In this embodiment, a PFC (Power Factor Correction) circuit including at least one type of semiconductor device selected from the first to third embodiments is disclosed.
FIG. 42 is a connection diagram illustrating a PFC circuit according to the fourth embodiment.
PFC回路100は、スイッチ素子(トランジスタ)101と、ダイオード102と、チョークコイル103と、コンデンサ104,105と、ダイオードブリッジ106と、交流電源(AC)107とを備えて構成される。スイッチ素子101に、第1〜第3の実施形態から選ばれた1種の半導体装置におけるAlGaN/GaN・HEMTが適用される。スイッチ素子101として第1の実施形態による半導体装置を適用する場合には、ダイオード102に、当該半導体装置におけるダイオードを適用しても良い。
なお、ダイオードブリッジ106に、第1の実施形態による半導体装置におけるダイオードを適宜適用するようにしても良い。
The PFC circuit 100 includes a switching element (transistor) 101, a diode 102, a choke coil 103,
Note that the diode in the semiconductor device according to the first embodiment may be appropriately applied to the diode bridge 106.
PFC回路100では、スイッチ素子101のドレイン電極と、ダイオード102のアノード端子及びチョークコイル103の一端子とが接続される。スイッチ素子101のソース電極と、コンデンサ104の一端子及びコンデンサ105の一端子とが接続される。コンデンサ104の他端子とチョークコイル103の他端子とが接続される。コンデンサ105の他端子とダイオード102のカソード端子とが接続される。コンデンサ104の両端子間には、ダイオードブリッジ106を介してAC107が接続される。コンデンサ105の両端子間には、直流電源(DC)が接続される。
In the PFC circuit 100, the drain electrode of the
本実施形態では、可及的に簡素な装置構成で第1及び第2の素子の機能を実現し、新規材料及び新規工程を低減して最小限の工程数により作製できる信頼性の高い高耐圧の半導体装置をPFC回路100に適用する。これにより、信頼性の高いPFC回路100が実現する。 In this embodiment, the functions of the first and second elements are realized with as simple an apparatus configuration as possible, and a highly reliable and high withstand voltage that can be manufactured with a minimum number of processes by reducing new materials and new processes. The semiconductor device is applied to the PFC circuit 100. Thereby, the highly reliable PFC circuit 100 is realized.
(第5の実施形態)
本実施形態では、第1〜第3の実施形態から選ばれた少なくとも1種の半導体装置を備えた電源装置を開示する。
図43は、第5の実施形態による電源装置の概略構成を示す結線図である。
(Fifth embodiment)
In the present embodiment, a power supply device including at least one type of semiconductor device selected from the first to third embodiments is disclosed.
FIG. 43 is a connection diagram illustrating a schematic configuration of the power supply device according to the fifth embodiment.
本実施形態による電源装置は、高圧の一次側回路111及び低圧の二次側回路112と、一次側回路111と二次側回路112との間に配設されるトランス113とを備えて構成される。
一次側回路111は、第4の実施形態によるPFC回路100と、PFC回路100のコンデンサ105の両端子間に接続されたインバータ回路、例えばフルブリッジインバータ回路110とを有している。フルブリッジインバータ回路110は、複数(ここでは4つ)のスイッチ素子114a,114b,114c,114dを備えて構成される。
二次側回路112は、複数(ここでは3つ)のスイッチ素子115a,115b,115cを備えて構成される。
The power supply device according to the present embodiment includes a high-voltage primary circuit 111 and a low-voltage secondary circuit 112, and a
The primary side circuit 111 includes the PFC circuit 100 according to the fourth embodiment and an inverter circuit connected between both terminals of the
The secondary side circuit 112 includes a plurality of (here, three) switch elements 115a, 115b, and 115c.
本実施形態では、PFC回路100のスイッチ素子101と、フルブリッジインバータ回路110のスイッチ素子114a〜114dとに、第1〜第3の実施形態から選ばれた少なくとも1種の半導体装置におけるAlGaN/GaN・HEMTが適用される。
二次側回路112のスイッチ素子115a〜115cは、シリコンを用いた通常のMIS・FETとされる。スイッチ素子101として第3の実施形態による半導体装置を適用する場合には、スイッチ素子115a〜115cに、当該半導体装置におけるMISトランジスタを適宜適用するようにしても良い。
In the present embodiment, AlGaN / GaN in at least one type of semiconductor device selected from the first to third embodiments is used for the
The switch elements 115a to 115c of the secondary side circuit 112 are normal MIS • FETs using silicon. When the semiconductor device according to the third embodiment is applied as the
本実施形態では、可及的に簡素な装置構成で第1及び第2の素子の機能を実現し、新規材料及び新規工程を低減して最小限の工程数により作製できる信頼性の高い高耐圧の半導体装置を電源装置に適用する。これにより、信頼性の高い大電力の電源装置が実現する。 In this embodiment, the functions of the first and second elements are realized with as simple an apparatus configuration as possible, and a highly reliable and high withstand voltage that can be manufactured with a minimum number of processes by reducing new materials and new processes. The semiconductor device is applied to a power supply device. As a result, a highly reliable high-power power supply device is realized.
(第6の実施形態)
本実施形態では、第1〜第3の実施形態から選ばれた少なくとも1種の半導体装置を備えた高周波増幅器を開示する。
図44は、第6の実施形態による高周波増幅器の概略構成を示す結線図である。
(Sixth embodiment)
In the present embodiment, a high-frequency amplifier including at least one type of semiconductor device selected from the first to third embodiments is disclosed.
FIG. 44 is a connection diagram illustrating a schematic configuration of the high-frequency amplifier according to the sixth embodiment.
本実施形態による高周波増幅器は、ディジタル・プレディストーション回路121と、ミキサー122a,122bと、パワーアンプ123とを備えて構成される。
ディジタル・プレディストーション回路121は、入力信号の非線形歪みを補償するものである。ミキサー122aは、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号をミキシングするものである。パワーアンプ123は、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅するものであり、第1〜第3の実施形態から選ばれた少なくとも1種の半導体装置におけるAlGaN/GaN・HEMTが適用される。なお図44では、例えばスイッチの切り替えにより、出力側の信号をミキサー122bで交流信号とミキシングしてディジタル・プレディストーション回路121に送出できる構成とされている。
The high-frequency amplifier according to this embodiment includes a
The
本実施形態では、可及的に簡素な装置構成で第1及び第2の素子の機能を実現し、新規材料及び新規工程を低減して最小限の工程数により作製できる信頼性の高い高耐圧の半導体装置を高周波増幅器に適用する。これにより、信頼性の高い高耐圧の高周波増幅器が実現する。 In this embodiment, the functions of the first and second elements are realized with as simple an apparatus configuration as possible, and a highly reliable and high withstand voltage that can be manufactured with a minimum number of processes by reducing new materials and new processes. This semiconductor device is applied to a high frequency amplifier. As a result, a high-reliability, high-voltage high-frequency amplifier is realized.
(他の実施形態)
第1〜第6の実施形態では、化合物半導体素子としてAlGaN/GaN・HEMTを備えた半導体装置を例示した。化合物半導体素子としては、AlGaN/GaN・HEMT以外にも、以下のようなHEMTに適用できる。
(Other embodiments)
In the first to sixth embodiments, semiconductor devices including AlGaN / GaN.HEMT as compound semiconductor elements are exemplified. As a compound semiconductor element, besides the AlGaN / GaN.HEMT, the following HEMT can be applied.
・その他のHEMT例1
本例では、化合物半導体素子としてInAlN/GaN・HEMTを備えた半導体装置を開示する。
InAlNとGaNは、組成によって格子定数を近くすることが可能な化合物半導体である。この場合、上記した第1〜第6の実施形態において、第1の素子領域1Aには、電子走行層がi−GaN、電子供給層がn−InAlN、キャップ層がn−GaNで形成される。また、この場合のピエゾ分極が殆ど発生しないため、2DEGは主にInAlNの自発分極により発生する。
・ Other HEMT examples 1
In this example, a semiconductor device including InAlN / GaN.HEMT as a compound semiconductor element is disclosed.
InAlN and GaN are compound semiconductors that can have a lattice constant close to the composition. In this case, in the first to sixth embodiments described above, in the
本例によれば、InAlN/GaN・HEMTと、所定のシリコン素子とが混載された半導体装置において、InAlN/GaN・HEMTとシリコン素子とで化合物半導体積層構造を共有する。この構成を採ることにより、新規材料及び新規工程を低減して最小限の工程数により作製するも、HEMTの機能とシリコン素子の機能の双方を確実に得ることができる信頼性の高い半導体装置が実現する。 According to this example, in a semiconductor device in which InAlN / GaN.HEMT and a predetermined silicon element are mounted together, the compound semiconductor laminated structure is shared between InAlN / GaN.HEMT and silicon element. By adopting this configuration, a highly reliable semiconductor device capable of reliably obtaining both the function of the HEMT and the function of the silicon element can be obtained by reducing the number of new materials and new processes and manufacturing the minimum number of processes. Realize.
・その他のHEMT例2
本例では、化合物半導体素子としてInAlGaN/GaN・HEMTを備えた半導体装置を開示する。
GaNとInAlGaNは、後者の方が前者よりも組成によって格子定数を小さくすることができる化合物半導体である。この場合、上記した第1〜第6の実施形態において、第1の素子領域1Aには、電子走行層がi−GaN、電子供給層がn−InAlGaN、キャップ層がn−GaNで形成される。
・ Other HEMT examples 2
In this example, a semiconductor device including InAlGaN / GaN.HEMT as a compound semiconductor element is disclosed.
GaN and InAlGaN are compound semiconductors in which the latter can make the lattice constant smaller by the composition than the former. In this case, in the first to sixth embodiments described above, the
本例によれば、InAlGaN/GaN・HEMTと、所定のシリコン素子とが混載された半導体装置において、InAlGaN/GaN・HEMTとシリコン素子とで化合物半導体積層構造を共有する。この構成を採ることにより、新規材料及び新規工程を低減して最小限の工程数により作製するも、HEMTの機能とシリコン素子の機能の双方を確実に得ることができる信頼性の高い半導体装置が実現する。 According to this example, in a semiconductor device in which an InAlGaN / GaN.HEMT and a predetermined silicon element are mixedly mounted, the compound semiconductor multilayer structure is shared by the InAlGaN / GaN.HEMT and the silicon element. By adopting this configuration, a highly reliable semiconductor device capable of reliably obtaining both the function of the HEMT and the function of the silicon element can be obtained by reducing the number of new materials and new processes and manufacturing the minimum number of processes. Realize.
以下、半導体装置及びその製造方法、並びに電源装置及び高周波増幅器の諸態様を付記としてまとめて記載する。 Hereinafter, various aspects of the semiconductor device, the manufacturing method thereof, the power supply device, and the high-frequency amplifier will be collectively described as appendices.
(付記1)シリコン基板上に形成された化合物半導体積層構造と、
前記化合物半導体積層構造に形成された第1の素子及び第2の素子と
を含み、
前記第2の素子は、前記シリコン基板に形成された不純物拡散部と、前記化合物半導体積層構造内に形成され、前記不純物拡散部と電気的に接続された導電部とを有する素子であることを特徴とする半導体装置。
(Additional remark 1) Compound semiconductor laminated structure formed on the silicon substrate,
A first element and a second element formed in the compound semiconductor multilayer structure,
The second element is an element having an impurity diffusion portion formed in the silicon substrate and a conductive portion formed in the compound semiconductor stacked structure and electrically connected to the impurity diffusion portion. A featured semiconductor device.
(付記2)前記第1の素子は第1の電極を、前記第2の素子は前記導電部と電気的に接続された第2の電極をそれぞれ有しており、
前記第1の電極と前記第2の電極とが同一層で同一高さに形成されていることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(Supplementary Note 2) The first element includes a first electrode, and the second element includes a second electrode electrically connected to the conductive portion.
The semiconductor device according to
(付記3)前記化合物半導体積層構造は、二次元キャリアガスを有する電子走行層と、前記電子走行層に電子を供給する電子供給層と
を含み、
前記第1の素子は、HEMT素子であることを特徴とする付記1又は2に記載の半導体装置。
(Appendix 3) The compound semiconductor multilayer structure includes an electron transit layer having a two-dimensional carrier gas, and an electron supply layer that supplies electrons to the electron transit layer,
The semiconductor device according to
(付記4)前記第2の素子は、前記化合物半導体積層構造内に形成され、前記導電部ごとに前記二次元キャリアガスを電気的に遮断するキャリア遮断部を更に有することを特徴とする付記3に記載の半導体装置。
(Additional remark 4) The said 2nd element is further formed in the said compound semiconductor laminated structure, and further has the carrier interruption | blocking part which interrupts | blocks the said two-dimensional carrier gas for every said electrically conductive part, The
(付記5)前記第2の素子は、前記不純物拡散部と前記化合物半導体積層構造との間に絶縁層を有することを特徴とする付記1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。
(Supplementary Note 5) The semiconductor device according to any one of
(付記6)所定の前記導電部は、前記化合物半導体積層構造内でゲート絶縁膜を介して埋め込みゲート構造が形成されたものであ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。
(Supplementary Note 6) In any one of
(付記7)シリコン基板に不純物拡散部を形成する工程と、
前記シリコン基板上に化合物半導体積層構造を形成する工程と、
前記化合物半導体積層構造に第1の素子及び第2の素子を形成する工程と
を含み、
前記第2の素子は、前記シリコン基板に形成された前記不純物拡散部と、前記化合物半導体積層構造内に形成され、前記不純物拡散部と電気的に接続された導電部とを有する素子であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
(Appendix 7) A step of forming an impurity diffusion portion in a silicon substrate;
Forming a compound semiconductor multilayer structure on the silicon substrate;
Forming a first element and a second element in the compound semiconductor multilayer structure,
The second element is an element having the impurity diffusion portion formed in the silicon substrate and a conductive portion formed in the compound semiconductor multilayer structure and electrically connected to the impurity diffusion portion. A method of manufacturing a semiconductor device.
(付記8)前記第1の素子に第1の電極を、前記第2の素子に前記導電部と電気的に接続される第2の電極を、前記第1の電極の上面と前記第2の電極の上面とが同一平面にあるように、同一工程で形成することを特徴とする付記7に記載の半導体装置の製造方法。 (Supplementary Note 8) The first electrode is connected to the first element, the second electrode is electrically connected to the second element, and the second electrode is electrically connected to the upper surface of the first electrode. 8. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 7, wherein the semiconductor device is formed in the same process so that the upper surface of the electrode is on the same plane.
(付記9)前記化合物半導体積層構造を形成する工程には、二次元キャリアガスを有する電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層に電子を供給する電子供給層を形成する工程と
が含まれ、
前記第1の素子は、HEMT素子であることを特徴とする付記7又は8に記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 9) The step of forming the compound semiconductor multilayer structure includes a step of forming an electron transit layer having a two-dimensional carrier gas,
Forming an electron supply layer for supplying electrons to the electron transit layer,
9. The method of manufacturing a semiconductor device according to
(付記10)前記第2の素子において、前記化合物半導体積層構造内に、前記導電部ごとに前記二次元キャリアガスを電気的に遮断するキャリア遮断部を形成することを特徴とする付記9に記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary note 10) The
(付記11)前記第2の素子において、前記不純物拡散部と前記化合物半導体積層構造との間に絶縁層を形成することを特徴とする付記7〜10のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 (Appendix 11) In the semiconductor device according to any one of Appendices 7 to 10, wherein in the second element, an insulating layer is formed between the impurity diffusion portion and the compound semiconductor multilayer structure. Production method.
(付記12)所定の前記導電部を、前記化合物半導体積層構造内でゲート絶縁膜を介したゲート電極として形成することを特徴とする付記7〜11のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 (Supplementary note 12) The semiconductor device according to any one of Supplementary notes 7 to 11, wherein the predetermined conductive portion is formed as a gate electrode through a gate insulating film in the compound semiconductor stacked structure. Method.
(付記13)変圧器と、前記変圧器を挟んで高圧回路及び低圧回路とを備えた電源回路であって、
前記高圧回路はトランジスタを有しており、
前記トランジスタは、
シリコン領域と、
前記シリコン領域上に形成された化合物半導体積層構造と、
前記化合物半導体積層構造に形成された第1の素子及び第2の素子と
を含み、
前記第2の素子は、前記シリコン領域に形成された不純物拡散部と、前記化合物半導体積層構造内に形成され、前記不純物拡散部と電気的に接続された導電部とを有する素子であることを特徴とする電源回路。
(Supplementary note 13) A power supply circuit comprising a transformer and a high-voltage circuit and a low-voltage circuit across the transformer,
The high-voltage circuit has a transistor,
The transistor is
A silicon region;
A compound semiconductor multilayer structure formed on the silicon region;
A first element and a second element formed in the compound semiconductor multilayer structure,
The second element is an element having an impurity diffusion portion formed in the silicon region and a conductive portion formed in the compound semiconductor stacked structure and electrically connected to the impurity diffusion portion. A featured power supply circuit.
(付記14)入力した高周波電圧を増幅して出力する高周波増幅器であって、
トランジスタを有しており、
前記トランジスタは、
シリコン領域と、
前記シリコン領域上に形成された化合物半導体積層構造と、
前記化合物半導体積層構造に形成された第1の素子及び第2の素子と
を含み、
前記第2の素子は、前記シリコン領域に形成された不純物拡散部と、前記化合物半導体積層構造内に形成され、前記不純物拡散部と電気的に接続された導電部とを有する素子であることを特徴とする高周波増幅器。
(Supplementary Note 14) A high frequency amplifier that amplifies and outputs an input high frequency voltage,
Has a transistor,
The transistor is
A silicon region;
A compound semiconductor multilayer structure formed on the silicon region;
A first element and a second element formed in the compound semiconductor multilayer structure,
The second element is an element having an impurity diffusion portion formed in the silicon region and a conductive portion formed in the compound semiconductor stacked structure and electrically connected to the impurity diffusion portion. High-frequency amplifier characterized.
1 Si基板
1a 素子分離用溝
2 素子分離構造
3,31,61 不純物拡散領域
3a,31a,31c,61b P型拡散領域
3b,31b,61a,61c N型拡散領域
4,32,62 Si層
4a,32a,62a 絶縁層
5,33,63 化合物半導体積層構造
5A,14a,14b,14c,14d,33A,42a,42b,42c,42d,42e,63A,74a,74b,74c,74d,74e 電極用リセス
5a,33a,63a バッファ層
5b,33b,63b 電子走行層
5c,33c,63c 電子供給層
5d,33d,63d キャップ層
6,9,34,37,41,69 絶縁膜
7A,7B,35A,35B,35C,65A,65B 導電プラグ
7a,7b,9a,21a,22a,23a,35a,35b,35c,37a,51a,52a,53a,65a,65b,66a,81a,82a,83a,69a 開口
7c,15a,15b,15c,15d,35d,43a,43b,43c,43d,43e,65c,66b,75a,75b,75c,75d,75e 下地膜
7d,35e,65d,66c 導電物
8,36,68 2DEG遮断構造
11,38,67,71 ゲート絶縁膜
12,39,72,76e ゲート電極
16a,44a,76a,76c ソース電極
16b,44b,76b,76d ドレイン電極
16c アノード電極
16d カソード電極
21 シリコン酸化膜
22 シリコン窒化膜
23,51,52,53,81,82,83 レジストマスク
44c コレクタ電極
44d ベース電極
44e エミッタ電極
66 埋め込みゲート構造
100 PFC回路
101,114a,114b,114c,114d,115a,115b,115c スイッチ素子
102 ダイオード
103 チョークコイル
104,105 コンデンサ
106 ダイオードブリッジ
107 AC
110 フルブリッジインバータ回路
111 一次側回路
112 二次側回路
113 トランス
121 ディジタル・プレディストーション回路
122a,122b ミキサー
123 パワーアンプ
1 Si substrate 1a Element isolation trench 2 Element isolation structure 3, 31, 61 Impurity diffusion regions 3a, 31a, 31c, 61b P type diffusion regions 3b, 31b, 61a, 61c N type diffusion regions 4, 32, 62 Si layer 4a , 32a, 62a Insulating layers 5, 33, 63 Compound semiconductor laminated structure 5A, 14a, 14b, 14c, 14d, 33A, 42a, 42b, 42c, 42d, 42e, 63A, 74a, 74b, 74c, 74d, 74e For electrodes Recess 5a, 33a, 63a Buffer layer 5b, 33b, 63b Electron traveling layer 5c, 33c, 63c Electron supply layer 5d, 33d, 63d Cap layer 6, 9, 34, 37, 41, 69 Insulating films 7A, 7B, 35A, 35B, 35C, 65A, 65B Conductive plugs 7a, 7b, 9a, 21a, 22a, 23a, 35a, 35b, 35c, 3 7a, 51a, 52a, 53a, 65a, 65b, 66a, 81a, 82a, 83a, 69a Openings 7c, 15a, 15b, 15c, 15d, 35d, 43a, 43b, 43c, 43d, 43e, 65c, 66b, 75a, 75b, 75c, 75d, 75e Base films 7d, 35e, 65d, 66c Conductors 8, 36, 682 2DEG blocking structure 11, 38, 67, 71 Gate insulating films 12, 39, 72, 76e Gate electrodes 16a, 44a, 76a 76c Source electrode 16b, 44b, 76b, 76d Drain electrode 16c Anode electrode 16d Cathode electrode 21 Silicon oxide film 22 Silicon nitride film 23, 51, 52, 53, 81, 82, 83 Resist mask 44c Collector electrode 44d Base electrode 44e Emitter Electrode 66 buried gate structure 100 FC circuit 101,114a, 114b, 114c, 114d, 115a, 115b, 115c switch element 102 diode 103 choke coil 104 and 105 capacitor 106 diode bridge 107 AC
110 Full Bridge Inverter Circuit 111 Primary Side Circuit 112
Claims (8)
前記化合物半導体積層構造に形成された第1の素子及び第2の素子と
を含み、
前記第2の素子は、前記シリコン基板に形成された不純物拡散部と、前記化合物半導体積層構造内に形成され、前記不純物拡散部と電気的に接続された導電部とを有する素子であることを特徴とする半導体装置。 A compound semiconductor multilayer structure formed on a silicon substrate;
A first element and a second element formed in the compound semiconductor multilayer structure,
The second element is an element having an impurity diffusion portion formed in the silicon substrate and a conductive portion formed in the compound semiconductor stacked structure and electrically connected to the impurity diffusion portion. A featured semiconductor device.
前記第1の電極と前記第2の電極とが同一層で同一高さに形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The first element includes a first electrode, and the second element includes a second electrode electrically connected to the conductive portion,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first electrode and the second electrode are formed in the same layer and at the same height.
を含み、
前記第1の素子は、HEMT素子であ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。 The compound semiconductor multilayer structure includes an electron transit layer having a two-dimensional carrier gas, and an electron supply layer that supplies electrons to the electron transit layer,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first element is a HEMT element.
前記シリコン基板上に化合物半導体積層構造を形成する工程と、
前記化合物半導体積層構造に第1の素子及び第2の素子を形成する工程と
を含み、
前記第2の素子は、前記シリコン基板に形成された前記不純物拡散部と、前記化合物半導体積層構造内に形成され、前記不純物拡散部と電気的に接続された導電部とを有する素子であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an impurity diffusion portion in the silicon substrate;
Forming a compound semiconductor multilayer structure on the silicon substrate;
Forming a first element and a second element in the compound semiconductor multilayer structure,
The second element is an element having the impurity diffusion portion formed in the silicon substrate and a conductive portion formed in the compound semiconductor multilayer structure and electrically connected to the impurity diffusion portion. A method of manufacturing a semiconductor device.
前記電子走行層に電子を供給する電子供給層を形成する工程と
が含まれ、
前記第1の素子は、HEMT素子であることを特徴とする請求項5又は6に記載の半導体装置の製造方法。 The step of forming the compound semiconductor multilayer structure includes the step of forming an electron transit layer having a two-dimensional carrier gas,
Forming an electron supply layer for supplying electrons to the electron transit layer,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the first element is a HEMT element.
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