JP2014222724A - 窒化物半導体を用いたトランジスタおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ゲート−ソース間容量の増大を抑えつつ、ゲート−ドレイン間容量を低減して利得の向上を図ることができる窒化物半導体を用いたトランジスタおよびその製造方法を提供する。【解決手段】ゲート電極8上に絶縁膜層9を介して形成されたSFP10を備え、絶縁膜層9を、ソース電極6とゲート電極8の間およびゲート電極8上の部分の膜厚d2が、ゲート電極8とドレイン電極7の間の部分(膜厚d1)よりも厚くなるよう構成する。【選択図】図1

Description

この発明は、GaNに代表される窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ(HEMT;High Electron Mobility Transistor)およびその製造方法に関する。
例えば、非特許文献1には、ソースフィールドプレート(以下SFPと記載する)構造を有するGaN HEMTが開示されている。文献1の図1に記載されるように、従来のGaN HEMTの構造においては、チャネル層(GaN buffer)上にスペーサ層(AlN)、バリア層(AlGaN)が結晶成長されており、バリア層の上に窒化膜(Si)が形成されている。なお、この図1にはスペーサ層(AlN)が挿入されているが、仮にスペーサ層がなかったとしても、従来構造を説明する上で問題はない。
また、文献1の図1に示すようにゲート電極上の窒化膜(Si)の上層にソースに接続する金属膜が形成されており、このような構造をSFP構造と呼び、この金属膜がSFPと呼ばれている。なお、従来のGaN HEMTの特徴としては、このSFP下の窒化膜の厚さが均一である。
GaN HEMTは、高周波増幅器やパワースイッチ回路に用いられる。これら増幅器やスイッチ回路の効率を上げるためには、GaN HEMTの利得を向上させる必要がある。利得は、相互コンダクタンス(g)/ゲート−ドレイン間容量(Cgd)で表すことができるため、利得の向上にはCgdを低減しなければならない。このCgdを低減する構造としてSFP構造がよく採用されている。
Y.−F.Wu, M.Moore, T.Wisleder, U.K.Mishra and P.Parikh, "Field−plated GaN HEMTs and Amplifiers", Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium 2005 IEEE pp.170−172.
従来のGaN HEMTにおいては、SFP構造によるCgdの低減効果を増大させるためにゲート上の絶縁膜の膜厚dを薄くすると、ゲートとSFPとの間の距離が短くなり、ゲート−ソース間容量Cgsが増大するという課題があった。
図11は、従来のSFP構造を有したGaN HEMTの断面図である。図11に示すように、従来のGaN HEMTでは、基板100上に、バッファ層101、チャネル層102およびバリア層103がこの順で形成され、バリア層103上で絶縁膜層104を挟むようにソース電極105およびドレイン電極106が形成されている。
また、ソース電極105とドレイン電極106に挟まれた絶縁膜層104には、これを貫通してバリア層103に接触するゲート電極107が設けられており、このゲート電極107上に絶縁膜層108が形成され、さらに絶縁膜層108上にSFP109が形成されている。従来では、ソース−ゲート間、ゲート上、ゲート−ドレイン間における絶縁膜層108の膜厚はdであり、均一な膜厚になっている。
SFP構造においては、ゲート電極107から2次元電子ガス(チャネル層102とバリア層103との間に存在する高濃度電子)に向かう電気力線がSFPによって遮断される。このため、ゲート−ドレイン間容量Cgdを低減することができる。このCgdをできるだけ小さくするため、絶縁膜層108の膜厚dを薄くしてSFP109による電気力線の遮断効果を高める必要がある。
しかしながら、従来では、絶縁膜層108が、ソース−ゲート間、ゲート上、ゲート−ドレイン間の全てで均一な膜厚dであるため、膜厚dを小さくしていくと、ゲート−ドレイン間容量Cgdが低減する反面、ゲートとSFPとの距離も近くなるため、ゲート−ソース間容量Cgsが増大してしまう。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ゲート−ソース間容量の増大を抑えつつ、ゲート−ドレイン間容量を低減して利得の向上を図ることができる窒化物半導体を用いたトランジスタおよびその製造方法を得ることを目的とする。
この発明に係る窒化物半導体を用いたトランジスタは、電子が走行するチャネル層と、チャネル層の上部に設けられ、当該チャネル層内に2次元電子ガスを形成する、In、Al、Gaの少なくとも一つおよびNを含むバリア層とを備える、高電子移動度トランジスタ構造を有したトランジスタにおいて、ゲート電極上に絶縁膜層を介して形成されたソースフィールドプレートを備え、絶縁膜層を、ソース電極とゲート電極の間およびゲート電極上の部分の膜厚が、ゲート電極とドレイン電極の間の部分よりも厚くなるよう構成したことを特徴とする。
この発明によれば、ゲート−ソース間容量の増大を抑えつつ、ゲート−ドレイン間容量を低減して利得の向上を図ることができるという効果がある。
この発明の実施の形態1に係るGaN HEMTの断面図である。 実施の形態1に係るGaN HEMTの構造と従来の構造における、ゲート−ドレイン間容量Cgdの膜厚d依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。 実施の形態1に係るGaN HEMTの構造と従来の構造における、ゲート−ソース間容量Cgsの膜厚d依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。 実施の形態1に係るGaN HEMTの構造における内部ゲート−ソース間容量Cgs_inと外部ゲート−ソース間容量Cgs_exとの関係を示す図である。 実施の形態1に係るGaN HEMTの製造工程(その1)を示す断面図である。 実施の形態1に係るGaN HEMTの製造工程(その2)を示す断面図である。 この発明の実施の形態2に係るGaN HEMTの断面図である。 実施の形態2に係るGaN HEMTの製造工程を示す断面図である。 この発明の実施の形態3に係るGaN HEMTの断面図である。 実施の形態3に係るGaN HEMTの製造工程を示す断面図である。 従来のSFP構造を有したGaN HEMTの断面図である。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係るGaN HEMTの断面図である。図1に示すトランジスタは、基板1、バッファ層2、チャネル層3、バリア層4、絶縁膜層5、ソース電極6、ドレイン電極7、ゲート電極8、絶縁膜層9およびSFP10を備えて構成される。なお、実際には、素子分離領域および配線などがあるが、この発明の特徴部分とは関連がないため、図1において記載を省略している。また、この発明に係るGaN HEMTは、単体の増幅器として利用されるが、モノシリックマイクロ波集積回路(MMIC)を構成するトランジスタにも適用可能である。
基板1は、サファイア、SiC、Si、GaN基板などが用いられる。特に、熱伝導率の良好な半絶縁性SiC基板が一般的に利用されるが、半導体基板として非常に一般的なSi基板も価格が安いため、よく用いられている。
バッファ層2は、基板1とチャネル層3の間に挿入される層であり、チャネル層3の結晶性を向上させること、および電子をチャネルに閉じ込めることを目的として、AlN、AlGaN、GaN/InGaN、AlN/AlGaNおよびこれらの超格子などの様々な構造が用いられる。
チャネル層3は、トランジスタ動作に必要な電子(電流)が流れる層である。典型的なチャネル層はGaN層であるが、InGaN、AlGaNやこれらの多層構造も使うことができる。
バリア層4は、AlGaN単層がよく用いられるが、これ以外にも組成、層厚、不純物濃度の異なる複数のAlGaN、AlGaNとGaNまたはAlNとの組み合わせであっても、この発明の効果は得られる。
また、チャネル層3とバリア層4が接触する界面は、チャネル層3よりバンドギャップが広いヘテロ接合で形成させる。基板1からバリア層4に至る構造のいかなるものでも、この発明に適用できる。
絶縁膜層5は、バリア層4上に形成され、バリア層4の表面におけるトラップ数を抑制する役割を有している。この絶縁膜層5は、材料としてSiNだけでなく、SiOなどのドナーとして機能するSiを含む絶縁膜であればよい。Siを含んでいればドナーとしてバリア層4に電子を供給してバリア層4の表面上のトラップ数を減らすことができる。
ソース電極6およびドレイン電極7は、チャネル層3内の電流(電子)をHEMTの外に取り出す電極である。このため、電極と2次元電子ガスの間に抵抗ができるだけ少なくなるように形成される。なお、2次元電子ガスは、チャネル層3に形成されている。
また、図1では、ソース電極6およびドレイン電極7がバリア層4に接するように形成された例を示したが、直接2次元電子ガスに接するように形成してもよい。さらに、ソース電極6とドレイン電極7の下側にはn+領域を形成してもよい。
ゲート電極8は、バリア層4とショットキー接触する金属を含むように形成され、ゲート電極8の下側の2次元電子ガス濃度を制御することでトランジスタ動作が実現される。
図1において、ゲート電極8は絶縁膜層5上にせり出した構造を有しており、この構造をゲートフィールドプレート(以下、GFPと記載する)構造と呼ぶ。このGFP構造によりバリア層4の表面に電界が集中することを緩和できる。
絶縁膜層9は、ソース電極6とドレイン電極7の間のゲート電極8および絶縁膜層9の上層に形成されて、ゲート電極8の保護膜として機能するとともに、絶縁膜層9の上部に形成されるSFP10によってゲート電極8と2次元電子ガスの間の電気力線を遮断する効果を増減させる機能を有する。ここで、SFP10は、ゲート電極8上に絶縁膜層9を介して形成され、ソース電極6と接続している金属層である。
また、絶縁膜層9において、ソース電極6とゲート電極8の間およびゲート電極8上の部分の膜厚をdとし、ゲート電極8とドレイン電極7の間の部分の膜厚をdした場合に、この発明では、d>dの関係となることを特徴とする。
なお、絶縁膜層9は、SiNの絶縁膜もしくはSiNよりも低誘電率の絶縁膜であれば、この発明の効果が得られる。
次に、実施の形態1に係るGaN HEMTの構造によりゲート−ソース間容量の増大を抑えつつ、ゲート−ドレイン間容量を低減できる原理について説明する。
上述したように、GaN HEMTの利得を向上させるためには、ゲート−ドレイン間容量Cgdを減らす必要がある。Cgdは、ゲート電極から2次元電子ガスへ伸びる電気力線によって定義され、電気力線の本数が多いほど大きくなる。
このため、図11に示す従来のSFP構造では、絶縁膜層108の膜厚dを薄くすることで、金属のSFP10によって電気力線を遮断し、Cgdを低減している。
しかしながら、従来の構造においては、ソース電極105とゲート電極107の間、ゲート電極107上、ゲート電極107とドレイン電極106の間の全ての領域で絶縁膜層108の膜厚dが一定である。このため、Cgdを低減させるために膜厚dを薄くすると、ゲート電極107上の膜厚dも薄くなり、ゲート電極107とSFP109の間の距離が狭くなって、結果的にゲート−ソース間容量Cgsが増大してしまう。
そこで、この発明では、図1に示すように、絶縁膜層9を、ソース電極6とゲート電極8の間およびゲート電極8上の部分の膜厚dが、ゲート電極8とドレイン電極7の間の部分(膜厚d)よりも厚くなるよう構成している。
このように構成することで、ゲート電極8とドレイン電極7の間の部分(膜厚d)が薄いためにCgdが低減され、ソース電極6とゲート電極8の間およびゲート電極8上の部分の膜厚dが厚いことから、Cgsの増大も抑えることができる。
この原理をデバイスシミュレーションで検証した結果について説明する。
図2は、実施の形態1に係るGaN HEMTの構造と従来の構造における、ゲート−ドレイン間容量Cgdの膜厚d依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。
また、図3は、実施の形態1に係るGaN HEMTの構造と従来の構造における、ゲート−ソース間容量Cgsの膜厚d依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。
図2および図3では、図1に示した本発明の構造(丸形プロットa)と図11に示した従来の構造(四角形プロットb)とにおいて、ドレイン電流を50mA/mm、ドレイン電圧を30Vとしたときの小信号等価回路パラメータを計算している。
バリア層4の層厚を20nm、Al組成を0.23(分極;8.26E12cm−3)とした場合における、Cgdの膜厚d依存性を図2に示しており、Cgsの膜厚d依存性を図3に示している。なお、本発明の構造において、膜厚dを200nmに固定している。
図2に示すように、絶縁膜層9,108の膜厚dを薄くすると、本発明の構造および従来の構造でともにCgdが減少している。
しかしながら、従来の構造では、ソース電極105とゲート電極107の間およびゲート電極107上の部分における絶縁膜層108の膜厚もdであるため、ゲート電極107とSFP109の間の距離が狭くなり、図3において四角形プロットbで示すように、膜厚dの減少に伴い、ゲート−ソース間容量Cgsが増大している。
一方、本発明の構造においては、ゲート電極8とドレイン電極7の間における絶縁膜層9の膜厚dを薄くしてもソース電極6とゲート電極8の間およびゲート電極8上の部分における絶縁膜層9の膜厚がdよりも厚いdである。これにより、ゲート電極8とSFP10の間の距離が狭くなることがなく、図3において丸形プロットaで示すように、従来の構造に比べてCgsの増大が抑えられている。
図4は、実施の形態1に係るGaN HEMTの構造における内部ゲート−ソース間容量Cgs_inと外部ゲート−ソース間容量Cgs_exとの関係を示す図である。図4に示すように、ゲート−ソース間容量Cgsは、内部ゲート−ソース間容量Cgs_inと外部ゲート−ソース間容量Cgs_exに分離される。ここで、Cgsは、下記式(1)で表すことができる。
gs=Cgs_in+Cgs_ex ・・・(1)
なお、内部ゲート−ソース間容量Cgs_inは、図4に示すようにゲート電極8の下部の容量であり、SFP10の構造パラメータ(LSFP,εb,d)に影響しない容量である。なお、LSFPはゲート電極8上のSFP10の長さ、εbは絶縁膜層9の誘電率であって、dが絶縁膜層9のゲート電極8の上部における膜厚である。
一方、外部ゲート−ソース間容量Cgs_exは、図4に示すようにゲート電極8の上部の容量であり、上述のSFP10の構造パラメータ(LSFP,εb,d)によって下記式(2)のように表される。
gs_ex=εb・LSFP/d ・・・(2)
図3で示した計算結果において、従来の構造よりも本発明の構造の方がCgsの増大が抑えられていたのは、dが従来の構造よりも本発明の構造の方が厚いためである。
また、高周波特性の指標となる遮断周波数fは、下記式(3)の近似式で表される。
SFP10がないとき、Cgs_ex=0となるため、SFP10がないときの遮断周波数ft0は、下記式(4)で表される。
=g/2π(Cgs_in+Cgs_ex) ・・・(3)
t0=g/2πCgs_in ・・・(4)
例えば、SFP10がない構造におけるft0に対してSFP構造のfの劣化を10%以内に抑えるためには、下記式(5)を満たさなければならない。このとき、SFP10の構造パラメータ(LSFP,εb,d)は、下記式(6)を満たせばよい。
なお、これまで本発明の構造は、d>dを特徴としていたが、LSFPを短くする、またはεbを小さくすることでも本発明の効果は得られる。
>0.9・ft0 ・・・(5)
gs_ex≒ε・LSFP/d<0.33(pF/mm) ・・・(6)
次に、実施の形態1に係るGaN HEMTの製造方法について説明する。
図5は、実施の形態1に係るGaN HEMTの製造工程(その1)を示す断面図であり、図5(a)から図5(f)へ工程が進むものとする。
まず、図5(a)に示す工程で、基板1上にバッファ層2、チャネル層3およびバリア層4を形成する。これらの形成にはMOCVD法またはMBE法を用いることができる。
次に、図5(b)に示す工程で絶縁膜層5を形成する。
絶縁膜層5の材料としては、SiN、SiOが典型的であるが、Siを含んだ絶縁膜であれば他の材料であってもよい。
また、形成方法についても、cat−CVD法、プラズマCVD法、スパッタ法など、様々な方法を使用することができる。
続いて、図5(c)に示す工程で、ソース電極6およびドレイン電極7を形成する。
レジストやSiOなどのマスクにソース電極6およびドレイン電極7に対応する部分が開口した、レジストやSiOなどのマスクを用いてエッチングすることで、ソース電極6およびドレイン電極7に対応する部分の絶縁膜層5を除去する。この後、除去部分にTi/Al/Ni/Au、Ti/Alなどの金属層を形成して熱処理することで、ソース電極6およびドレイン電極7が完成する。この工程において、Siイオンなどのドーパントを注入し、電気的に活性化する熱処理を追加することも可能である。
次に、図5(d)に示す工程で、ゲート電極8を形成する領域に開口を持ったパターンを、写真製版によってレジスト14で形成し、エッチングによりゲート電極8を形成する領域の絶縁膜層5を除去する。
次いで、図5(e)に示す工程で、ゲート電極8を形成する領域に対応する絶縁膜層5の開口とその周縁部が露出したパターンを、写真製版によってレジスト14で形成する。
この後、ショットキー特性を有する金属をEB(電子ビーム)蒸着あるいはスパッタ法により蒸着し、レジスト14を除去(リフトオフ)する。これにより、図5(f)に示すように、ゲート電極8が絶縁膜層5上にせり出したGFP構造を形成することができる。
図6は、実施の形態1に係るGaN HEMTの製造工程(その2)を示す断面図であり、図6(a)から図6(d)へ工程が進むものとする。
図5(f)の工程に続き図6(a)の工程において、保護膜として機能する絶縁膜層9を形成する。絶縁膜層9の材料としては、SiN、SiOが一般的である。
絶縁膜層9を形成した後、レジスト14およびSiOなどをマスクとしてソース電極6およびドレイン電極7の上部に対応する絶縁膜層9を除去する。
次に、図6(b)に示す工程で、ソース電極6からゲート電極8までの領域(ドレイン電極7側のゲート電極8の端部を除く)をレジスト14で覆う。
続いて、図6(c)に示す工程で、ゲート電極8におけるドレイン電極7側の端部からドレイン電極7までの領域に対応する絶縁膜層9をエッチングすることによって膜厚d(<d)まで薄膜化する。
図6(d)に示す工程で、写真製版によってSFP10を形成する領域を見込んだ開口を有したパターンをレジスト14で形成する。この後、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Alなどの金属層を上記開口に対応する領域に形成することで、ゲート電極8の上部とドレイン電極7側の端部を覆うSFP10が形成される。これにより、図1に示した構造のHEMTが完成する。なお、以降の工程で、保護膜や配線、ビアホール配線、容量および抵抗を必要に応じて作成するが、ここでは説明を省略する。
以上のように、この実施の形態1によれば、ゲート電極8上に絶縁膜層9を介して形成されたSFP10を備え、絶縁膜層9を、ソース電極6とゲート電極8の間およびゲート電極8上の部分の膜厚dが、ゲート電極8とドレイン電極7の間の部分(膜厚d)よりも厚くなるよう構成する。このように構成することで、ゲート−ソース間容量Cgsの増大を抑えつつ、ゲート−ドレイン間容量Cgdを低減して利得の向上を図ることができる。
また、この実施の形態1によれば、図1に示すGaN HEMTの製造方法において、ソース電極6とゲート電極8の間およびゲート電極8上の部分の膜厚dが、ゲート電極8とドレイン電極7の間の部分(膜厚d)よりも厚くなるように絶縁膜層9を形成する工程を備える。このようにすることで、上記効果が得られるGaN HEMTを構成することができる。
実施の形態2.
図7は、この発明の実施の形態2に係るGaN HEMTの断面図である。図7に示すトランジスタは、基板1、バッファ層2、チャネル層3、バリア層4、絶縁膜層5、ソース電極6、ドレイン電極7、ゲート電極8、絶縁膜層9、SFP10および絶縁膜層11を備えて構成される。実施の形態2に係るトランジスタは、図7に示すように、ソース電極6とゲート電極8の間およびゲート電極8上の部分に対応する絶縁膜層9の上層にのみ、新たな絶縁膜層11が挿入されており、ゲート電極8を覆う絶縁膜が2層構造になっている。
また、上部絶縁膜層である絶縁膜層11は、下部絶縁膜層である絶縁膜層9より低誘電率の絶縁膜から構成されている。このように、低誘電率の絶縁膜層11を挿入することにより、SFP10下にある絶縁膜の誘電率は、絶縁膜層9と絶縁膜層11の誘電率を平均した値となるため、絶縁膜層9のみの構成と比べて低減される。
つまり、上記式(2)で示したεbが低減されて外部ゲート−ソース間容量Cgs_exも低減される。これにより、上記実施の形態1と同様に、ゲート−ソース間容量Cgsの増大を抑えつつ、ゲート−ドレイン間容量Cgdを低減して利得の向上を図ることができる。
次に、実施の形態2に係るGaN HEMTの製造方法について説明する。
まず、ゲート電極8が絶縁膜層5上にせり出したGFP構造を形成するまでの工程は、図5と同様である。実施の形態2に係るHEMTでは、図5(f)の工程の後に、図8に示す工程に移行する。
図8は、実施の形態2に係るGaN HEMTの製造工程を示す断面図であって、図8(a)から図8(d)へ工程が進むものとする。
図5(f)の工程の後に、図8(a)に示す工程において、ソース電極6からドレイン電極7までの領域に絶縁膜層9を形成し、その上層に絶縁膜層11を形成する。
ここで、絶縁膜層9の材料としては、SiNまたはSiOが一般的であるが、絶縁膜層11には、絶縁膜層9よりもできるだけ低誘電率の絶縁膜を使用する。
例えば、絶縁膜層11を、SiNより低誘電率のSiOで形成し、絶縁膜層9をSiNで形成する。
また、絶縁膜層9の膜厚はd(<d)とした場合、絶縁膜層11の膜厚は、絶縁膜層9と絶縁膜層11の合計膜厚d(>d)が絶縁膜層9の膜厚よりもできるだけ厚くなるようにする。このように構成した方が、ゲート−ソース間容量Cgsの増大を抑えつつ、ゲート−ドレイン間容量Cgdを低減して利得の向上を図ることができる。
このようにして絶縁膜層9および絶縁膜層11を形成した後、レジストまたはSiOをマスクとして、ソース電極6およびドレイン電極7の上部にある絶縁膜層9および絶縁膜層11を除去する。
次に、図8(b)に示す工程において、ソース電極6からゲート電極8におけるドレイン電極7側の端部までの領域をレジスト14で覆う。
続いて、図8(c)に示す工程で、ドライエッチングまたはウェットエッチングによりゲート電極8におけるドレイン電極7側の端部からドレイン電極7までの領域の絶縁膜層11を除去する。なお、上述したように、絶縁膜層9と絶縁膜層11とは異種の材料からなる層であるので、これらのエッチングレートの差によって絶縁膜層11のみを取り除くことが可能である。
図8(d)に示す工程で、写真製版によってSFP10を形成する領域を見込んだ開口を有したパターンをレジスト14で形成する。この後、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Alなどの金属層を上記開口に対応する領域に形成することで、ゲート電極8の上部とドレイン電極7側の端部を覆うSFP10が形成される。これにより、図7に示した構造のHEMTが完成する。なお、以降の工程で、保護膜や配線、ビアホール配線、容量および抵抗を必要に応じて作成するが、ここでは説明を省略する。
以上のように、この実施の形態2によれば、ゲート電極8とSFP10の間に介在する絶縁膜層を、ソース電極6とゲート電極8の間およびゲート電極8上の部分に形成される絶縁膜層11と、この下層のソース電極6からドレイン電極7までの間の部分に形成される絶縁膜層9とからなる2層構造とし、絶縁膜層11を絶縁膜層9よりも低誘電率の絶縁膜で構成する。このように構成することでも、ゲート−ソース間容量Cgsの増大を抑えつつ、ゲート−ドレイン間容量Cgdを低減して利得の向上を図ることができる。
また、この実施の形態2によれば、絶縁膜層11をSiOで形成し、絶縁膜層9をSiNで形成する。このように構成することで、絶縁膜層11を絶縁膜層9よりも低誘電率の絶縁膜とすることができる。これにより、上記効果を得ることができる。
さらに、この実施の形態2によれば、ソース電極6からドレイン電極7までの間に絶縁膜層9および絶縁膜層11を積層した後に、ソース電極6からゲート電極8におけるドレイン電極7側の端部までの間をマスクし、両絶縁膜層9,11のエッチングレートの差によってゲート電極8とドレイン電極7の間に存在する絶縁膜層11をエッチングして除去する。このように互いに異種の材料からなる絶縁膜層9と絶縁膜層11のエッチングレートの差を利用した簡易な方法でゲート電極8とドレイン電極7の間の部分の絶縁膜厚を薄くすることが可能である。
実施の形態3.
図9は、この発明の実施の形態3に係るGaN HEMTの断面図である。図9に示すトランジスタは、基板1、バッファ層2、チャネル層3、バリア層4、絶縁膜層5、ソース電極6、ドレイン電極7、ゲート電極8、絶縁膜層9、SFP12およびSFP13を備えて構成される。ここで、実施の形態3に係るトランジスタにおいては、図9に示すように、ソース電極6からゲート電極8までの上部を覆うSFP12を形成している。さらに、ゲート電極8におけるドレイン電極7側の端部を覆うSFP13を形成している。
上述したように、SFP12,13がソース電極6からゲート電極8におけるドレイン電極7側の端部まで覆う構造は、実施の形態1で示したように部分的にSFP10を形成する場合に比べて簡易な製造方法で製造することができる。
なお、実施の形態3に係るHEMT構造において、仮に絶縁膜層9の膜厚をd=dとした場合、ゲート電極8とドレイン電極7の間の膜厚dを薄くしていくと、ゲート−ソース間容量Cgsがかなり増大してしまうが、実施の形態1と同様にd>dとすればCgsの増大を抑えることができる。
また、実施の形態3において、絶縁膜層9を、実施の形態2と同様な絶縁膜層9,11による2層構造としてもよい。すなわち、ゲート電極8とSFP12,13との間に介在する絶縁膜層を、ソース電極6とゲート電極8の間およびゲート電極8上の部分に形成される絶縁膜層11と、この下層のソース電極6からドレイン電極7までの間の部分に形成される絶縁膜層9とからなる2層構造とし、絶縁膜層11を絶縁膜層9よりも低誘電率の絶縁膜で構成する。このようにしても、ゲート−ソース間容量Cgsの増大を抑えつつ、ゲート−ドレイン間容量Cgdを低減して利得の向上を図ることができる。
次に、実施の形態3に係るGaN HEMTの製造方法について説明する。
まず、ゲート電極8が絶縁膜層5上にせり出したGFP構造を形成し、ソース電極6とドレイン電極7の間に絶縁膜層9を形成するまでの工程は、図5および図6(a)と同様である。実施の形態3に係るHEMTでは、図6(a)の工程の後に、図10に示す工程に移行する。
図10は、実施の形態3に係るGaN HEMTの製造工程を示す断面図であって、図10(a)から図10(c)へ工程が進むものとする。
図6(a)の工程の後に、レジストまたはSiOなどをマスクとして、ソース電極6、ドレイン電極7の上部にある絶縁膜層9を除去する。
この後、図10(a)に示す工程において、ソース電極6とゲート電極8の上部のみが開口したパターンをレジストで形成し、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Alなどの金属層を形成することで、図10(a)に示すように、ソース電極6とゲート電極8の上部を覆うSFP12が形成される。
次に、図10(b)に示す工程において、SFP12をマスクとしてエッチングすることにより、ゲート電極8におけるドレイン電極7側の端部からドレイン電極7までの領域の絶縁膜層9の膜厚をd(<d)まで薄膜化する。
続いて、図10(c)に示す工程において、写真製版によって、ゲート電極8におけるドレイン電極7側の端部からドレイン電極7までの領域に開口を有したパターンを、レジスト14で形成する。この後、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Alなどの金属層を上記開口に対応する領域に形成することで、ゲート電極8の上部とドレイン電極7側の端部を覆うSFP13が形成される。これにより、図9に示した構造のHEMTが完成する。
なお、以降の工程で、保護膜や配線、ビアホール配線、容量および抵抗を必要に応じて作成するが、ここでは説明を省略する。
以上のように、この実施の形態3によれば、SFP12として、ソース電極6からゲート電極8までの上部を覆うSFPを形成している。このように構成することでも、ゲート−ソース間容量Cgsの増大を抑えつつ、ゲート−ドレイン間容量Cgdを低減して利得の向上を図ることができる。
また、この実施の形態3によれば、ソース電極6からゲート電極8までの上部を覆ったSFP12をマスクとして、ゲート電極8におけるドレイン電極7側の端部からドレイン電極7までの間の絶縁膜層9をエッチングし薄膜化する。このようにすることで、実施の形態3に係るGaN HEMTを、実施の形態1で示したように部分的にSFP10を形成する場合に比べて簡易に製造することができる。
なお、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
1 基板、2 バッファ層、3 チャネル層、4 バリア層、5,9,11 絶縁膜層、6 ソース電極、7 ドレイン電極、8 ゲート電極、10,12,13 SFP(ソースフィールドプレート)、14 レジスト。

Claims (7)

  1. 電子が走行するチャネル層と、前記チャネル層の上部に設けられ、当該チャネル層内に2次元電子ガスを形成する、In、Al、Gaの少なくとも一つおよびNを含むバリア層とを備える、高電子移動度トランジスタ構造を有したトランジスタにおいて、
    ゲート電極上に絶縁膜層を介して形成されたソースフィールドプレートを備え、
    前記絶縁膜層を、ソース電極と前記ゲート電極の間および前記ゲート電極上の部分の膜厚が、前記ゲート電極とドレイン電極の間の部分よりも厚くなるよう構成したことを特徴とする窒化物半導体を用いたトランジスタ。
  2. 前記絶縁膜層は、前記ソース電極と前記ゲート電極の間および前記ゲート電極上の部分に形成される上部絶縁膜層と、この下層の前記ソース電極と前記ドレイン電極の間の部分に形成される下部絶縁膜層とからなる2層構造を有し、
    前記上部絶縁膜層を、前記下部絶縁膜層よりも低誘電率の絶縁膜で構成したことを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体を用いたトランジスタ。
  3. 前記ソースフィールドプレートを、前記ソース電極から前記ゲート電極までの上部を覆うように形成したことを特徴とする請求項1または請求項2記載の窒化物半導体を用いたトランジスタ。
  4. 前記上部絶縁膜層をSiOで形成し、
    前記下部絶縁膜層をSiNで形成したことを特徴とする請求項2記載の窒化物半導体を用いたトランジスタ。
  5. 請求項1記載の窒化物半導体を用いたトランジスタの製造方法において、
    前記ソース電極と前記ゲート電極の間および前記ゲート電極上の部分の膜厚が、前記ゲート電極と前記ドレイン電極の間の部分よりも厚くなるよう前記絶縁膜層を形成する工程を備えたことを特徴とする窒化物半導体を用いたトランジスタの製造方法。
  6. 請求項2記載の窒化物半導体を用いたトランジスタの製造方法において、
    前記ソース電極から前記ドレイン電極までの間に前記下部絶縁膜層および前記上部絶縁膜層を積層した後に、前記ソース電極から前記ゲート電極における前記ドレイン電極側の端部までの間をマスクし、前記両絶縁膜層のエッチングレートの差によって前記ゲート電極と前記ドレイン電極の間に存在する前記上部絶縁膜層をエッチングして除去する工程を備えたことを特徴とする窒化物半導体を用いたトランジスタの製造方法。
  7. 請求項3記載の窒化物半導体を用いたトランジスタの製造方法において、
    前記ソース電極から前記ゲート電極までの上部を覆った前記ソースフィールドプレートをマスクとして前記ゲート電極における前記ドレイン電極側の端部から前記ドレイン電極までの間の前記絶縁膜層をエッチングし薄膜化する工程を備えたことを特徴とする窒化物半導体を用いたトランジスタの製造方法。
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