JP2014165280A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】実施形態は、ドレイン電極とゲート電極との間をシールドし、高周波特性を向上させることが可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】実施形態に係る半導体装置は、半導体層と、前記半導体層の上に選択的に設けられた不純物ドープ層と、前記不純物ドープ層の上に設けられたドレイン電極と、を備える。さらに、前記ドレイン電極から離隔して設けられたソース電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられたゲート電極と、をさらに備える。そして、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜の上に設けられ、前記ソース電極に電気的に接続されたシールドプレートと、を備える。そして、前記シールドプレートは、少なくともその一部が前記不純物ドープ層の前記ドレイン電極からゲート電極の方向に延在する部分の上に設けられる。
【選択図】図1

Description

実施形態は、半導体装置に関する。
電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)の構造を有し、ゲート電極とドレイン電極との間にフィールドプレートを有する半導体装置がある。フィールドプレートは、ゲートドレイン間の電界集中を緩和し耐圧を向上させるが、ゲート直下のキャリア速度を低下させる。このため、FETの高周波特性を劣化させる場合がある。一方、高周波用FETでは、フィールドプレートを除くと、ゲートドレイン間容量が大きくなり発振を起こす場合がある。
特許2007−537593号公報
実施形態は、ドレイン電極とゲート電極との間をシールドし、高周波特性を向上させることが可能な半導体装置を提供する。
実施形態に係る半導体装置は、半導体層と、前記半導体層の上に選択的に設けられた不純物ドープ層と、前記不純物ドープ層の上に設けられたドレイン電極と、を備える。また、前記ドレイン電極から離隔して前記半導体層の上に設けられたソース電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間において、前記不純物ドープ層から離隔して設けられたゲート電極と、をさらに備える。さらに、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜の上に設けられ、前記ソース電極に電気的に接続されたシールドプレートと、を備える。前記絶縁膜は、前記半導体層と、前記不純物ドープ層の前記ドレイン電極からゲート電極の方向に延在する部分と、を覆う。前記シールドプレートは、少なくともその一部が前記不純物ドープ層の前記延在部分の上に設けられる。
第1実施形態に係る半導体装置を表す模式断面図である。 第1実施形態に係る半導体装置を表す模式図である。 第1実施形態の変形例に係る半導体装置を表す模式断面図である。 第1実施形態の別の変形例に係る半導体装置を表す模式断面図である。 第2実施形態に係る半導体装置を表す模式断面図である。 第3実施形態に係る半導体装置を表す模式断面図である。 第3実施形態に係る半導体装置の製造過程を表す模式断面図である。 第3実施形態に係る半導体装置の特性を表すチャートである。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係る半導体装置1を表す模式断面図である。
図2は、半導体装置1を模式的に表す平面図である。図2(a)は、半導体装置1のチップ面を表し、図2(b)は、その一部を拡大して表している。図1は、図2(a)に示すA−A線に沿った断面である。
半導体装置1は、例えば、FETであり、半導体層10と、半導体層10の上に設けられたソース電極20と、ドレイン電極30と、ゲート電極40と、を備える。
図1に表すように、半導体層10の上には、不純物ドープ層15および19がそれぞれ選択的に設けられる。そして、ドレイン層30は、不純物ドープ層15の上に設けられる。ソース電極20は、ドレイン電極30から離隔して半導体層10の上に設けられる。不純物ドープ層19は、ソース電極20と半導体層10との間に設けられる。
ゲート電極40は、ソース電極20とドレイン電極30との間において、不純物ドープ層15および19から離隔して設けられる。すなわち、ゲート電極40は、不純物ドープ層15と不純物ドープ層19との間の半導体層10の上に設けられる。
さらに、半導体装置1は、ゲート電極40とドレイン電極30との間の半導体層10および不純物ドープ層15を覆う絶縁膜17と、絶縁膜17の上に設けられたシールドプレート50と、を備える。
絶縁膜17は、ゲート電極40とソース電極20との間の半導体層10および不純物ドープ層19と、ゲート電極40と、をさらに覆う。また、絶縁膜17は、ソース電極20の上面20aの一部、およびドレイン電極30の上面30aの一部に延在する。
シールドプレート50は、絶縁膜17の上に設けられ、少なくともその一部が不純物ドープ層15のドレイン電極30からゲート電極40の方向に延在する部分15aの上に設けられる。
図1の例では、シールドプレート50は、絶縁膜17に直接覆われた半導体層10と不純物ドープ層15の両方の上に設けられる。また、シールドプレート50は、ドレイン電極30から離隔して設けられる。
図2(a)に表すように、例えば、ソース電極20およびドレイン電極は、半導体層10の表面に平行なY方向に延在するストライプ状に設けられ、X方向に交互に並設される。ゲート電極40は、ソース電極20とドレイン電極30との間に延在する。
さらに、ソース電極20の上には、ソース配線21が設けられる。ソース配線21は、ソースパッド25からY方向に延在する。ドレイン電極30の上には、ドレイン配線31が設けられる。ドレイン配線31は、ドレインパッド35からY方向に延在する。また、ゲート電極40は、ゲート配線43を介してゲートパッド45に接続される。
図2(b)は、ソース電極20、ドレイン電極30およびゲート電極40の一部を拡大して表している。ゲート電極40は、ソース電極20とドレイン電極30との間に延在する。そして、シールドプレート50は、ゲート電極40とドレイン電極30との間に延在する。また、シールドプレート50は、接続部53を介してソース電極20に電気的に接続される。これにより、ゲート電極40とドレイン電極30との間を電気的に遮蔽することができる。
半導体層10は、例えば、n形ガリウム砒素(GaAs)またはn形窒化ガリウム(GaN)層である。n形GaAs層は、例えば、半絶縁性のGaAs基板上に設けられる。n形GaN層は、例えば、シリコン基板の上に高抵抗バッファ層を介して設けられる。また、n形GaN層は、例えば、サファイア基板、炭化シリコン(SiC)基板または絶縁性のGaN基板上に設けても良い。
不純物ドープ層15および19は、例えば、n形GaAs層およびn形GaN層に対してn形不純物となるシリコン(Si)を選択的にイオン注入することにより形成することができる。
不純物ドープ層15および19の不純物濃度は、半導体層10の不純物濃度よりも高く、例えば、1×1017cm−3以上とする。これにより、ソース電極20と不純物ドープ層19との間のコンタクト抵抗、および、ドレイン電極と不純物ドープ層15との間のコンタクト抵抗を低減することができる。
さらに、不純物ドープ層15は、シールドプレート50がゲートドレイン間の電界分布に与える影響を緩和する。すなわち、シールドプレート50は、ゲート電極40とドレイン電極30との間において、少なくともその一部が不純物ドープ層15の上に位置するように設けられる。これにより、シールドプレート50によるゲートドレイン間の電界集中の緩和効果が弱められる。
例えば、シリコンを1×1017cm−3以上ドープした不純物ドープ層15は、高電子濃度のn層であり、半導体層10に対してシールドプレート50の電位を遮蔽する。そして、半導体層10における電気力線の分布に対するシールドプレート50の影響が軽減され、例えば、ゲート電極40の直下における半導体層10の電界強度の低下を抑制する。これにより、半導体装置1の高周波特性を向上させることができる。
このように、本実施形態では、シールドプレート50をゲート電極40とドレイン電極30との間に設けることにより、両者を電気的にシールドし、ゲートドレイン間の寄生容量Cgdを低減する。さらに、シールドプレート50の少なくとも一部を不純物ドープ層15の上に設けることにより、高周波特性を向上させることができる。
次に、図3および図4を参照して、本実施形態の変形例に係る半導体装置2〜4を説明する。図3(a)および図3(b)は、第1実施形態の変形例に係る半導体装置2および3をそれぞれ表す模式断面図である。図4は、第1実施形態の別の変形例に係る半導体装置4を表す模式断面図である。
図3(a)に表す半導体装置2は、半導体層10と、半導体層10の上に選択的に設けられた不純物ドープ層15および19と、ソース電極20と、ドレイン電極30と、ゲート電極40と、を備える。そして、ソース電極20およびドレイン層30は、それぞれ不純物ドープ層19および15の上に設けられる。ゲート電極40は、不純物ドープ層15と不純物ドープ層19との間の半導体層10の上に設けられる。
半導体装置2は、ゲート電極40とドレイン電極30との間の半導体層10および不純物ドープ層15を覆う絶縁膜17と、絶縁膜17の上に設けられたシールドプレート55と、を備える。そして、シールドプレート55は、ドレイン電極30からゲート電極の方向に延在する不純物ドープ層15の上に設けられる。
すなわち、本変形例では、シールドプレート55は、不純物ドープ層15の上に設けられ、絶縁膜17が直接半導体層10を覆う部分には延在しない。これにより、半導体層10の電界分布に対するシールドプレート55の影響をより緩和することが可能となる。したがって、ゲート電極40の下の電界強度の低下をさらに抑制することができる。
図3(b)に表す半導体装置3のシールドプレート57は、ドレイン電極30からゲート電極の方向に延在する不純物ドープ層15の上に設けられると共に、ドレイン電極30の上に延在する。すなわち、シールドプレート57は、絶縁膜17を介してドレイン電極30の上面30aの一部を覆う。これにより、ゲートドレイン間の電気力線をより多く遮蔽し、ゲートドレイン間の寄生容量Cgdをさらに低減する。
図4に表す半導体装置4は、半導体層70と、半導体層70の上に設けられたソース電極20と、ドレイン電極30と、ゲート電極40と、を備える。
半導体層70は、例えば、高抵抗層71の上に設けられる。そして、チャネル層73と、バリア層75と、を含む。例えば、チャネル層73はGaAs層であり、バリア層75はn形不純物がドープされたAlGaAs層である。また、別の例として、チャネル層73をGaN層として、バリア層75をAlGaN層としても良い。
図4に表すように、バリア層75の上には、不純物ドープ層15および19がそれぞれ選択的に設けられる。そして、ソース電極20およびドレイン電極30は、不純物ドープ層19および15の上にそれぞれ設けられる。ゲート電極40は、不純物ドープ層15と不純物ドープ層19との間のバリア層75の上に設けられる。
シールドプレート50は、絶縁膜17の上に設けられ、少なくともその一部が不純物ドープ層15のドレイン電極30からゲート電極の方向に延在する部分の上に設けられる。図4の例では、シールドプレート50は、ゲート電極40とドレイン電極30との間において、絶縁膜17に接したバリア層75および不純物ドープ層15の上に設けられる。
半導体装置4では、チャネル層73とバリア層75との間の界面に2次元電子ガスが誘起され、ソース電極20とドレイン電極30と間にドレイン電流を流す。そして、バリア層75にショットキ接触したゲート電極40にゲートバイアスを印加することにより、ドレイン電流を制御する。
本変形例のシールドプレート50も、ゲート電極40とドレイン電極30との間を電気的にシールドし、ゲートドレイン間の寄生容量Cgdを低減する。さらに、シールドプレート50の少なくとも一部を不純物ドープ層15の上に設けることにより、ゲート電極40直下の電界の低下を抑制し、高周波特性を向上させることができる。
[第2実施形態]
図5(a)〜図5(c)は、第2実施形態に係る半導体装置5〜7を表す模式断面図である。
本実施形態に係る半導体装置5〜7は、半導体層10と、半導体層10の上に選択的に設けられた不純物ドープ層61および63を備える。不純物ドープ層61および63は、例えば、半導体層10の上に成長されたエピタキシャル層を選択的にエッチングすることにより形成できる。不純物ドープ層61および63は、例えば、半導体層10よりも高濃度にn形不純物がドープされたn層である。不純物ドープ層61および63のn形不純物濃度は、例えば、1×1017cm−3以上である。
ソース電極20およびドレイン層30は、それぞれ不純物ドープ層63および61の上に設けられる。ゲート電極40は、不純物ドープ層61と不純物ドープ層63との間に露出した半導体層10の上に設けられる。
さらに、ゲート電極40と、不純物ドープ層61と不純物ドープ層63との間に露出した半導体層10と、ドレイン電極30からゲート電極40の方向に延在する不純物ドープ層61と、ソース電極20からゲート電極40の方向に延在する不純物ドープ層63と、を覆う絶縁膜17が設けられる。絶縁膜17は、ドレイン電極の一部を覆い、その上面30aに延在する。また、絶縁膜17は、ソース電極20の一部を覆い、その上面20aに延在する。
図5(a)に示す半導体装置5は、ドレイン電極30とゲート電極40との間において、絶縁膜17の上に設けられたシールドプレート65を備える。シールドプレート65は、不純物ドープ層61のドレイン電極30からゲート電極の方向に延在する部分61aの上、および、不純物ドープ層61と63の間に露出した半導体層10の上に跨って設けられる。
図5(b)に示す半導体装置6は、ドレイン電極30とゲート電極40との間において、絶縁膜17の上に設けられたシールドプレート67を備える。シールドプレート67は、不純物ドープ層61のドレイン電極30からゲート電極の方向に延在する部分61aの上に設けられる。
図5(c)に示す半導体装置7は、ドレイン電極30とゲート電極40との間において、絶縁膜17の上に設けられたシールドプレート69を備える。シールドプレート69は、不純物ドープ層61のドレイン電極30からゲート電極の方向に延在する部分61aの上に設けられる。そして、絶縁膜17に沿ってドレイン電極30の上に延在し、その上面30aの一部を覆う。
本実施形態では、不純物ドープ層61および63は、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などのエピタキシャル成長法を用いて形成される。そして、不純物ドープ層61および63は、それぞれドレイン電極30およびソース電極20のコンタクト抵抗を低減する。
さらに、不純物ドープ層61は、半導体層10の電界分布に与えるシールドプレート65の影響を低減し、ゲート電極40の直下の電界強度の低下を抑制する。これにより、半導体装置5の高周波特性を向上させる。
シールドプレート67は、不純物ドープ層61のドレイン電極30からゲート電極40の方向に延在する部分61aの上に設けられ、ゲート電極40とドレイン電極30との間に露出した半導体層10の上には設けられない。このため、ゲート電極40の直下の電界強度の低下をさらに抑制することが可能となり、半導体装置6の高周波特性を向上させる。
シールドプレート69は、ドレイン電極30の上面30aの上に延在することにより、シールド効果を向上させ、ゲートドレイン間の寄生容量Cgdをさらに低減する。
〔第3実施形態〕
図6は、第3実施形態に係る半導体装置8および9を表す模式断面図である。
図6(a)に表す半導体装置8は、半導体層10と、半導体層10の上に選択的に設けられた不純物ドープ層15および19と、ソース電極20と、ドレイン電極30と、ゲート電極40と、を備える。そして、ソース電極20およびドレイン層30は、それぞれ不純物ドープ層19および15の上に設けられる。ゲート電極40は、不純物ドープ層15と不純物ドープ層19との間の半導体層10の上に設けられる。
半導体装置8は、ゲート電極40とドレイン電極30との間の半導体層10と、不純物ドープ層15のドレイン電極30からゲート電極40の方向に延在する部分15aと、を覆う絶縁膜17をさらに備える。絶縁膜17は、ゲート電極40と、ゲート電極40とソース電極20との間の半導体層10と、ソース電極20からゲート電極40の方向に延在する不純物ドープ層19の一部と、を覆う。また、絶縁膜17は、ソース電極20およびドレイン電極30の一部を覆い、それぞれの上面20aおよび30aに延在する。
絶縁膜17の上には、シールドプレート80が設けられる。シールドプレート80は、不純物ドープ層15の延在部分15aの上に設けられ、ドレイン電極30の上に延在する。そして、シールドプレート80のドレイン電極30の上に延在する部分80aは、エアギャップ83および絶縁膜17を介してドレイン電極30の上面30aに対向する。
本実施形態では、シールドプレート80のドレイン電極30の上面30aの上に延在する部分80aと、ドレイン電極30と、の間にエアギャップ83を介在させる。これにより、シールドプレート80に電気的につながったソース電極20と、ドレイン電極30と、の間の寄生容量Cdsを低減し、例えば、半導体装置8のゲインを大きくすることが可能となる。
一方、不純物ドープ層15の延在部分15aは、シールドプレート80によるゲート電極40の直下の電界強度の低下を抑制する。そして、シールドプレート80は、ゲート電極40とドレイン電極30との間の寄生容量Cgsを低減する。結果として、延在部分15aの上に設けられたシールドプレート80は、半導体装置8の高周波特性を向上させる。
図6(b)に表す半導体装置9は、半導体層10と、半導体層10の上に設けられたソース電極20、ドレイン電極30およびゲート電極40と、を備える。そして、半導体装置9は、ゲート電極40とドレイン電極30との間の半導体層10を覆う絶縁膜17をさらに備える。絶縁膜17は、ゲート電極40と、ゲート電極40とソース電極20との間の半導体層10と、を覆う。また、絶縁膜17は、ソース電極20およびドレイン電極30の一部を覆い、それぞれの上面20aおよび30aまで延在する。
絶縁膜17の上には、シールドプレート80が設けられる。シールドプレート80は、半導体層10の上からドレイン電極30の上に延在する。そして、シールドプレート80のドレイン電極30の上に延在する部分80aは、エアギャップ83および絶縁膜17を介してドレイン電極30の上面30aに対向する。
本実施形態のシールドプレート80は、ドレイン電極30の上面30aの上に延在する部分80aと、ドレイン電極30と、の間にエアギャップ83を介在させて設けられる。これにより、シールドプレート80に電気的につながったソース電極20と、ドレイン電極30と、の間の寄生容量Cdsを低減し、例えば、半導体装置9のゲインを大きくすることが可能となる。
図7(a)〜図7(d)は、第3実施形態に係る半導体装置9の製造過程を表す模式断面図である。エアギャップ83を有するシールドプレート80の形成過程を表している。
例えば、図7(a)に表すように、ソース電極20、ドレイン電極30、ゲート電極40および絶縁膜17が設けられた半導体層10の上に、第1のレジスト層(以下、レジスト層91)を形成する。ゲート電極40とドレイン電極30との間において、レジスト層91は、絶縁膜17に連通する開口91aを有する。レジスト層91は、例えば、100℃以上の熱処理により硬化させる。
次に、図7(b)に表すように、レジスト層91の上に第2のレジスト層(以下、レジスト層93)を形成する。レジスト層93は、開口93aを有する。開口93aは、ゲート電極40とドレイン電極30との間において、レジスト層91の開口91aにつながり絶縁膜17に連通する。さらに、開口93aは、ドレイン電極30の上面30aに広がり、その底面にレジスト層91の一部91bを露出させる。
次に、図7(c)に表すように、レジスト層93の上面93b、開口91aおよび開口93aの底面を覆う金属層95を形成する。金属層95は、例えば、真空蒸着法を用いて形成される。
次に、図7(d)に表すように、例えば、ウェット処理を用いてレジスト層91および93を剥離することにより、レジスト層93の上に形成された金属層95を除去する。これにより、ゲート電極40とドレイン電極30との間において、絶縁膜17に接するシールドプレート80が形成される。シールドプレート80の一部は、ドレイン電極30の上に延在する。その延在部分80aと絶縁膜17との間には、レジスト層91が除去されたエアギャップ83が形成される。
続いて、ソース配線21、ドレイン配線31等を形成し、半導体装置9を完成する。
図8は、第3実施形態に係る半導体装置の特性を表すチャートである。同図中に示す曲線EBは、半導体装置9の出力側の反射損失S22である。また、曲線REは、シールドプレート80を設けない半導体装置のS22である。
曲線EBおよびREは、共に容量性の反射損失を示している。そして、曲線EBの容量成分は、曲線REの容量成分よりも大きい。このため、例えば、出力側を金属ワイヤを介して出力回路に接続する際に、曲線EBの特性を有する半導体装置9の方がインピーダンス整合を取り易い。すなわち、ゲート電極40とドレイン電極30との間にシールドプレート80を設けることにより、出力側のインピーダンス整合が取り易くなる。
以上、第1実施形態〜第2実施形態を例示して説明したが、実施形態はこれらに限られる訳ではない。例えば、上記のFETは、ショットキゲートを有するが、MOS(Metal Oxide Semiconductor)構造などの絶縁性ゲートを用いても良い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
実施形態は、以下の態様も含む。
(付記1)
半導体層と、
前記半導体層の上に設けられたドレイン電極と、
前記ドレイン電極から離隔して前記半導体層の上に設けられたソース電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記半導体層上に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の前記半導体層を覆う絶縁膜であって、前記ドレイン電極の上面に延在する絶縁膜と、
前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の前記半導体層の上から前記ドレイン電極の上に延在し、前記ドレイン電極の上面とエアギャップを介して対向するシールドプレートであって、前記ソース電極に電気的に接続されたシールドプレートと、
を備えた半導体装置。
1〜9・・・半導体装置、 10、70・・・半導体層、 15、19、61、63・・・不純物ドープ層、 15a、61a、80a・・・延在部分、 17・・・絶縁膜、 20・・・ソース電極、 20a、30a・・・上面、 21・・・ソース配線、 25・・・ソースパッド、 30・・・ドレイン電極、 31・・・ドレイン配線、 35・・・ドレインパッド、 40・・・ゲート電極、 43・・・ゲート配線、 45・・・ゲートパッド、 50、55、57、65、67、69、80・・・シールドプレート、 53・・・接続部、 71・・・高抵抗層、 73・・・チャネル層、 75・・・バリア層、 83・・・エアギャップ、 91、93・・・レジスト層、 91a、93a・・・開口、 95・・・金属層

Claims (6)

  1. 半導体層と、
    前記半導体層の上に選択的に設けられた不純物ドープ層と、
    前記不純物ドープ層の上に設けられたドレイン電極と、
    前記ドレイン電極から離隔して前記半導体層の上に設けられたソース電極と、
    前記ソース電極と前記ドレイン電極との間において、前記不純物ドープ層から離隔して設けられたゲート電極と、
    前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に設けられ、前記半導体層と、前記不純物ドープ層の前記ドレイン電極からゲート電極の方向に延在する部分と、を覆う絶縁膜と、
    前記絶縁膜の上に設けられ、前記ソース電極に電気的に接続されたシールドプレートであって、少なくともその一部が前記不純物ドープ層の前記延在部分の上に設けられたシールドプレートと、
    を備えた半導体装置。
  2. 前記半導体層と前記ソース電極との間に設けられた別の不純物ドープ層をさらに備えた請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記シールドプレートは、前記不純物ドープ層の上に設けられた請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記シールドプレートは、前記ドレイン電極から離隔した請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体装置。
  5. 前記シールドプレートは、前記ドレイン電極の上に延在し、エアギャップを介して前記ドレイン電極の上面に対向した請求項1記載の半導体装置。
  6. 前記絶縁膜は、前記ドレイン電極の上に延在し、
    前記シールドプレートは、前記絶縁膜を介して前記ドレイン電極の上面を覆う請求項1記載の半導体装置。
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