JP2015060883A - Compound semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、化合物半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a compound semiconductor device and a manufacturing method thereof.
化合物半導体装置、特に窒化物半導体装置は、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としての開発が活発に行われている。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。特に、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、高耐圧及び高出力が実現できる。 Compound semiconductor devices, particularly nitride semiconductor devices, have been actively developed as high breakdown voltage and high output semiconductor devices utilizing characteristics such as high saturation electron velocity and wide band gap. As nitride semiconductor devices, many reports have been made on field effect transistors, in particular, high electron mobility transistors (HEMTs). In particular, AlGaN / GaN HEMTs using GaN as an electron transit layer and AlGaN as an electron supply layer are attracting 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, high breakdown voltage and high output can be realized.
GaNの結晶を成長させるにあたり、格子定数が合致する適当な基板はなく、サファイアやSiCの基板が用いられることが多いが、これらは高価で希少である。この点、Si基板は安価で汎用性が高い。ところがSi基板は、GaNとの格子定数差が大きいため、成長させたGaNには結晶欠陥が多く発生する。また、GaとSiとの反応により、Si基板に所謂メルトバックエッチングが引き起こされ、GaNの結晶性が著しく損なわれる。このため、Si基板上にGaNを成長させる際には、AlNを両者のバッファ層として形成することが知られている。 In growing GaN crystals, there is no suitable substrate with a matching lattice constant, and sapphire or SiC substrates are often used, but these are expensive and rare. In this respect, the Si substrate is inexpensive and highly versatile. However, since the Si substrate has a large lattice constant difference from GaN, many crystal defects are generated in the grown GaN. In addition, the reaction between Ga and Si causes so-called meltback etching on the Si substrate, and the crystallinity of GaN is significantly impaired. For this reason, when growing GaN on a Si substrate, it is known to form AlN as both buffer layers.
GaとSiとの反応を抑止するうえで、AlNのバッファ層に十分な機能を持たせるためには、バッファ層を厚く形成することが必要である。ところが、バッファ層は、その厚膜化により、AlNとSiとの格子定数差による歪に起因したクラックの発生が誘発される。クラックの多いバッファ層上に成長させたGaNの窒化物半導体層には多くの結晶欠陥が発生し、GaNの品質が大きく損なわれる。また、バッファ層の厚膜化により、GaNを成長させる前にSi基板に大きな引っ張り応力が既に印加されていることから、更に窒化物半導体層を厚く成長すればSi基板の破壊に至る。このため、窒化物半導体層を薄膜化する必要に迫られる。しかしながら、窒化物半導体層を薄膜化すれば、GaNの結晶性の悪化を招来する。 In order to suppress the reaction between Ga and Si, it is necessary to form the buffer layer thick in order to give the AlN buffer layer a sufficient function. However, as the buffer layer is thickened, the generation of cracks due to strain due to the difference in lattice constant between AlN and Si is induced. Many crystal defects occur in the GaN nitride semiconductor layer grown on the buffer layer with many cracks, and the quality of GaN is greatly impaired. Further, since a large tensile stress is already applied to the Si substrate before the GaN is grown due to the thickening of the buffer layer, the Si substrate is destroyed if the nitride semiconductor layer is further grown thick. For this reason, it is necessary to reduce the thickness of the nitride semiconductor layer. However, if the nitride semiconductor layer is thinned, the crystallinity of GaN deteriorates.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、バッファ層を薄膜化してクラック発生を抑止し、窒化物半導体層を厚膜化してその結晶性を向上させることを可能とした信頼性の高い化合物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-described problems, and is capable of reducing the occurrence of cracks by reducing the thickness of the buffer layer and increasing the crystallinity by increasing the thickness of the nitride semiconductor layer. An object of the present invention is to provide a compound semiconductor device having a high level and a method for manufacturing the same.
半導体装置の一態様は、第1の凹凸表面を有する基板と、前記基板上に形成され、前記第1の凹凸表面を反映した表面を有する窒化膜と、前記窒化膜上に形成され、前記窒化膜の表面形状に起因した横方向の結晶成長による第2の凹凸表面を有するバッファ層と、前記バッファ層上に形成された結晶性の窒化物半導体層とを含む。 One embodiment of a semiconductor device includes a substrate having a first uneven surface, a nitride film formed on the substrate and having a surface reflecting the first uneven surface, and formed on the nitride film, the nitride A buffer layer having a second concavo-convex surface formed by lateral crystal growth caused by the surface shape of the film; and a crystalline nitride semiconductor layer formed on the buffer layer.
半導体装置の製造方法の一態様は、基板に第1の凹凸表面を形成する工程と、前記基板上に、前記第1の凹凸表面を反映した表面形状となるように窒化膜を形成する工程と、前記窒化膜上に、前記窒化膜の表面形状に起因して横方向に結晶成長して第2の凹凸表面を有するバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層上に結晶性の窒化物半導体層を形成する工程とを含む。 One embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device includes a step of forming a first uneven surface on a substrate, and a step of forming a nitride film on the substrate so as to have a surface shape reflecting the first uneven surface; A step of forming a buffer layer having a second irregular surface by laterally growing a crystal on the nitride film due to a surface shape of the nitride film; and a crystalline nitride semiconductor on the buffer layer Forming a layer.
上記の諸態様によれば、バッファ層を薄膜化してクラック発生を抑止し、窒化物半導体層を厚膜化してその結晶性を向上させることを可能とした信頼性の高い化合物半導体装置が実現する。 According to the above-described aspects, a highly reliable compound semiconductor device that can reduce the occurrence of cracks by reducing the thickness of the buffer layer and increase the crystallinity by increasing the thickness of the nitride semiconductor layer is realized. .
(第1の実施形態)
本実施形態では、半導体装置として、化合物半導体である窒化物半導体のAlGaN/GaN・HEMTを開示する。
図1〜図4は、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMT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 nitride semiconductor AlGaN / GaN.HEMT that is a compound semiconductor is disclosed as a semiconductor device.
1 to 4 are schematic cross-sectional views showing the AlGaN / GaN HEMT manufacturing method according to the first embodiment in the order of steps.
図1(a)に示すように、成長用基板として例えばSi基板1を用意し、Si基板1の表面に凹凸を形成する。
本実施形態では、成長用基板として、廉価で汎用性の高い基板であるSi基板1を用いる。Si基板1の代わりに、例えば半絶縁性のSiC基板や、サファイア基板、GaAs基板、GaN基板等を用いても良い。また、基板の導電性としては、半絶縁性、導電性を問わない。
As shown in FIG. 1A, for example, a
In this embodiment, the
Si基板1の表面を、リソグラフィー及び反応性イオンエッチング(RIE)により加工し、凹凸表面を形成する。具体的には、図5(a)に示すように、Si基板1の表面に互いに平行なストライプ状に、複数の順テーパ状の傾斜角を持つ溝1aを形成する。Si基板1の表面に複数の溝1aが形成されることにより、当該表面が凹凸状(第1の凹凸表面)となる。第1の凹凸表面において、溝1aの幅L1は0.1μm程度〜10μm程度、溝1aにより形成された凸部1bの幅L2は0.5μm程度〜20μm程度、溝1aの深さDは0.1μm程度〜2μm程度、溝1aの傾斜角θは25°程度以上の鋭角とされる。より好ましくは、幅L1は1μm程度〜3μm程度、幅L2は5μm程度〜10μm程度、Dは0.5μm程度〜1μm程度、傾斜角θは45°程度〜60°程度である。
The surface of the
Si基板1の第1の凹凸表面としては、溝1aを形成する代わりに、図5(b),(c)のようなパターンを形成することで実現するようにしても良い。
図5(b)では、Si基板1の表面に互いに平行なストライプ状に、複数の逆テーパ状の傾斜角を持つ溝1cを形成する。Si基板1の表面に複数の溝1cが形成されることにより、当該表面が凹凸状(第1の凹凸表面)となる。当該第1の凹凸表面では、溝1cの傾斜角θは155°程度以下の鈍角とされる。
The first uneven surface of the
In FIG. 5B, a plurality of
図5(c)では、Si基板1の表面に上面が平坦なドット1dを形成する。Si基板1の表面に複数のドット1dが形成されることにより、当該表面が凹凸状(第1の凹凸表面)となる。ドット1dは、上記した溝1a,1cの凹部(或いは溝1a,1cにより形成される凸部)とは異なり、特定の方向性を有しない。そのため、後述する電子走行層となるGaNの横方向のエキタキシャル成長時に、各ドット1dの周囲で全体として方向性を有しない対称で均一なGaNの横方向成長が得られ、GaNの欠陥密度の更なる低減が実現する。
In FIG. 5C,
続いて、図1(b)〜図2(c)に示すように、第1の窒化膜2a、第2の窒化膜2b、及び化合物半導体積層構造3を形成する。第1の窒化膜2a、第2の窒化膜2b、及び化合物半導体積層構造3は、例えば有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により、MOCVD装置の反応室内でin situの一連工程で形成される。in situの一連工程により、工程の削減が実現する。MOCVD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。
Subsequently, as shown in FIGS. 1B to 2C, a
先ず、図1(b)に示すように、Si基板1の表面に第1の窒化膜2aを形成する。
詳細には、MOCVD装置の反応室内において、Si基板1の表面を熱窒化処理する。熱窒化の条件としては、例えば圧力を5kPa程度〜10kPa程度、NH3の流量を1slm程度〜50slm程度、アニール温度を1000℃程度〜1300℃程度とする。この熱処理により、Si基板1の全面に第1の凹凸表面を反映した表面を有する薄い第1の窒化膜2aが形成される。第1の窒化膜2aは、例えば3nm程度以内の厚みに薄く形成される。第1の窒化膜2aを3nm程度よりも厚く形成すると、表面モフォロジーの悪化が懸念される。例えば3nm程度以内の厚みに形成することで、良質な表面モフォロジーを持った第1の窒化膜2aが得られる。
First, as shown in FIG. 1B, a
Specifically, the surface of the
次に、図1(c)に示すように、第1の窒化膜2a上に第2の窒化膜2bを形成する。
詳細には、MOCVD装置の反応室内において、第1の窒化膜2aの形成に引き続き、SiH4ガスを原料ガスとしてSiNをエピタキシャル成長する。エピタキシャル成長の条件としては、例えば圧力を5kPa程度〜10kPa程度、SiH4の流量を50sccm程度〜300sccm程度、NH3の流量を1slm程度〜50slm程度、成長温度を800℃程度〜1100℃程度とする。このエピタキシャル成長により、第1の窒化膜2a上の全面にSi基板1の第1の凹凸表面を反映した表面を有する第2の窒化膜2bが形成される。第2の窒化膜2bは、第1の窒化膜2aよりも厚く、例えば5nm程度〜50nm程度の厚みに形成される。第2の窒化膜2bは、5nm程度よりも薄いと後述するSi基板1のSiの拡散防止効果が十分ではなく、50nm程度よりも厚いと次工程のアニール処理による高品質化の効果が十分に得られない。例えば5nm程度〜50nm程度の厚みに形成することで、高品質で且つSi基板1のSiの十分な拡散防止機能を有する第2の窒化膜2bが得られる。第1の窒化膜2a及び第2の窒化膜2bの積層構造として、窒化膜2が構成される。
Next, as shown in FIG. 1C, a
Specifically, in the reaction chamber of the MOCVD apparatus, following the formation of the
次に、図2(a)に示すように、第2の窒化膜2bをアニール処理する。
詳細には、MOCVD装置の反応室内において、第2の窒化膜2bの形成に引き続き、第2の窒化膜2bをアニール処理する。アニール処理の条件としては、例えば圧力を5kPa程度〜10kPa程度、NH3の流量を1slm程度〜50slm程度、アニール温度を1000℃程度〜1300℃程度、アニール時間を10分間程度〜60分間程度とする。このアニール処理により、第2の窒化膜2bは、そのSiNの結晶性が向上し、高品質化する。
Next, as shown in FIG. 2A, the
Specifically, the
次に、図2(b)に示すように、バッファ層3を形成する。
詳細には、MOCVD装置の反応室内において、第2の窒化膜2bのアニール処理に引き続き、第2の窒化膜2b上にAlNをエピタキシャル成長する。エピタキシャル成長の条件としては、例えば圧力を5kPa程度〜10kPa程度、NH3の流量を1slm程度〜50slm程度、成長温度を1000℃程度〜1300℃程度とし、トリメチルアルミニウム(TMAl)ガスの流量を適宜調節する。このエピタキシャル成長は、いわゆるELO(Epitaxially Lateral Overgrowth)法によるものである。このELO法により、第2の窒化膜2bの表面形状に起因して、AlNがSi基板1の面方向に対して平行な(垂直でない)方向(横方向)に、垂直な方向よりも優先的に結晶成長する。これにより、バッファ層3が形成される。
Next, as shown in FIG. 2B, the
Specifically, AlN is epitaxially grown on the
バッファ層3の形成状態を図6(a)に例示する。AlNの第2の窒化膜2bのSiNとの格子定数差によって生じた転位欠陥A1は、垂直方向から横方向へ屈曲する。この転位欠陥A1の屈曲により、バッファ層3上に形成される後述するGaNへの垂直方向の転位欠陥A1の伝播が抑止される。以上により、第2の窒化膜2b上に表面が凹凸(第2の凹凸表面)とされたバッファ層3が形成される。バッファ層3は、比較的薄く、最大厚部分で0.01μm程度〜0.5μm程度に形成される。本実施形態では、バッファ層3を比較的薄く形成することにより、バッファ層3におけるクラック発生が抑制される。バッファ層3は、低クラック且つ第2の凹凸表面を有しており、その上に電子走行層のGaNを成長するための結晶性に優れた良質なテンプレートとなる。
The formation state of the
次に、図2(c)に示すように、バッファ層3上に化合物半導体積層構造4を形成する。
化合物半導体積層構造4は、電子走行層4a、スペーサ層4b、電子供給層4c、及びキャップ層4dを有して構成される。
詳細には、MOCVD装置の反応室内において、バッファ層3上に、例えばi(インテンショナリ・アンドープ)−GaNを比較的厚く、例えば0.5μm程度〜3.0μm程度、ここでは1.0μm程度の厚みに成長する。引き続き、例えばi−AlGaNを5nm程度の厚みに、例えばn−AlGaNを30nm程度の厚みに、例えばn−GaNを10nm程度の厚みに順次成長する。これにより、電子走行層4a、スペーサ層4b、電子供給層4c、及びキャップ層4dが形成される。
Next, as illustrated in FIG. 2C, the compound
The compound
Specifically, in the reaction chamber of the MOCVD apparatus, for example, i (intentional undoped) -GaN is relatively thick on the
GaNの成長条件としては、原料ガスとしてトリメチルガリウム(TMGa)ガス及びNH3ガスの混合ガスを用いる。AlGaNの成長条件としては、原料ガスとしてTMAlガス、TMGaガス、及びNH3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、Ga源であるTMGaガス、Al源であるTMAlガスの供給の有無及び流量を適宜設定する。 As a growth condition for GaN, a mixed gas of trimethylgallium (TMGa) gas and NH 3 gas is used as a source gas. As growth conditions for AlGaN, a mixed gas of TMAl gas, TMGa gas, and NH 3 gas is used as a source gas. The presence / absence and flow rate of TMGa gas as a Ga source and TMAl gas as an Al source are appropriately set according to the compound semiconductor layer to be grown.
AlGaN、GaNをn型として成長する際、即ち電子供給層4c及びキャップ層4dを形成する際には、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 AlGaN and GaN as n-type, that is, when forming the
ここで先ず、バッファ層3上に電子走行層4aのGaNを成長する際には、エピタキシャル成長の条件としては、例えば圧力を5kPa程度〜80kPa程度、NH3の流量を1slm程度〜50slm程度、成長温度を900℃程度〜1200℃程度とし、TMAlガスの流量を適宜調節する。このエピタキシャル成長は、ELO法によるものである。
First, when growing GaN of the
電子走行層4aの形成過程を図6(b),(c)に例示する。このELO法により、第2の凹凸表面を有するバッファ層3をテンプレートとしてGaNが横方向に成長するため、バッファ層3の転移欠陥A1は殆どGaNにおいて転移欠陥A2として横方向に伝播し、垂直方向への伝播が抑制される。所定厚に成長したGaNの表面付近では、転移欠陥A2は極めて少なく、転位密度が低減される。以上により、結晶欠陥の発生が可及的に抑止されて結晶性に優れた高品質のGaNからなる電子走行層4aが形成される。
The formation process of the
本実施形態では、Si基板1上に第1の窒化膜2aを介して結晶性の高い第2の窒化膜2bを形成することにより、Si基板1からのSi拡散の抑制効果が大きくなり、バッファ層3の薄膜化が可能となる。これにより、バッファ層3のクラック発生が抑制され、その上に成長する電子走行層4aのGaNの結晶の高品質化が実現する。また、GaNを成長させる前の歪が小さくなることから、GaNの厚膜化が可能となり、GaNの結晶性が向上する。
In the present embodiment, the
また、バッファ層3のAlNをELO法で成長し、上方に対して転位欠陥を屈曲させ、表面を凹凸形状とする。これにより、バッファ層3上に成長する電子走行層4aのGaNの転位欠陥を更に屈曲させ、上方への転位伝播を効果的に抑制され、GaNの高品質化が可能となる。
Further, AlN of the
完成したAlGaN/GaN・HEMTでは、その動作時において、電子走行層4aの電子供給層4cとの界面近傍(正確には、電子走行層4aのスペーサ層4bとの界面近傍)に2次元電子ガス(2DEG)が発生する。この2DEGは、電子走行層4aの化合物半導体(ここではGaN)と電子供給層4c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 electron gas is present in the vicinity of the interface between the
続いて、図3(a)に示すように、素子分離構造5を形成する。
詳細には、化合物半導体積層構造4の素子分離領域に、例えばアルゴン(Ar)を注入する。これにより、化合物半導体積層構造4に素子分離構造5が形成される。素子分離構造5により、化合物半導体積層構造2上で活性領域が画定される。
なお、素子分離は、上記の注入法の代わりに、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法を用いて行っても良い。このとき、化合物半導体積層構造4のドライエッチングには、例えば塩素系のエッチングガスを用いる。
Subsequently, as shown in FIG. 3A, an
Specifically, for example, argon (Ar) is implanted into the element isolation region of the compound
The element isolation may be performed by using, for example, an STI (Shallow Trench Isolation) method instead of the above-described implantation method. At this time, for example, a chlorine-based etching gas is used for the dry etching of the compound
続いて、図3(b)に示すように、ソース電極6及びドレイン電極7を形成する。
詳細には、先ず、化合物半導体積層構造4の表面におけるソース電極及びドレイン電極の形成予定位置(電極形成予定位置)に電極用リセス4A,4Bを形成する。
化合物半導体積層構造4の表面にレジストを塗布する。レジストをリソグラフィーにより加工し、レジストに、電極形成予定位置に相当する化合物半導体積層構造4の表面を露出する開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 3B, a
Specifically, first, electrode recesses 4 </ b> A and 4 </ b> B are formed at the planned formation positions (electrode formation planned positions) of the source electrode and the drain electrode on the surface of the compound
A resist is applied to the surface of the compound
このレジストマスクを用いて、電子供給層4cの表面が露出するまで、キャップ層4dの電極形成予定位置をドライエッチングして除去する。これにより、電子供給層4cの表面の電極形成予定位置を露出する電極用リセス4A,4Bが形成される。エッチング条件としては、Ar等の不活性ガス及びCl2等の塩素系ガスをエッチングガスとして用い、例えばCl2を流量30sccm、圧力を2Pa、RF投入電力を20Wとする。なお、電極用リセス4A,4Bは、キャップ層4dの途中までエッチングして形成しても、また電子供給層4c以降までエッチングして形成しても良い。
レジストマスクは、灰化処理等により除去される。
Using this resist mask, the electrode formation planned position of the
The resist mask is removed by ashing or the like.
ソース電極及びドレイン電極を形成するためのレジストマスクを形成する。ここでは、蒸着法及びリフトオフ法に適した例えば庇構造2層レジストを用いる。このレジストを化合物半導体積層構造4上に塗布し、電極用リセス4A,4Bを露出させる開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
このレジストマスクを用いて、電極材料として、例えばTa/Al(Taが下層、Alが上層、又はTi/Al等)を、例えば蒸着法により、電極用リセス4A,4Bを露出させる開口内を含むレジストマスク上に堆積する。Taの厚みは20nm程度、Alの厚みは200nm程度とする。リフトオフ法により、レジストマスク及びその上に堆積したTa/Alを除去する。その後、Si基板1を、例えば窒素雰囲気中において400℃〜1000℃程度の温度、例えば600℃程度で熱処理し、残存したTa/Alを電子供給層4cとオーミックコンタクトさせる。Ta/Alの電子供給層4cとのオーミックコンタクトが得られるのであれば、熱処理が不要な場合もある。以上により、電極用リセス4A,4Bを電極材料の一部で埋め込むソース電極6及びドレイン電極7が形成される。
A resist mask for forming the source electrode and the drain electrode is formed. Here, for example, a two-layer resist having a cage structure suitable for the vapor deposition method and the lift-off method is used. This resist is applied on the compound
Using this resist mask, as an electrode material, for example, Ta / Al (Ta is the lower layer, Al is the upper layer, or Ti / Al, etc.), including the inside of the opening exposing the electrode recesses 4A and 4B, for example, by vapor deposition Deposit on resist mask. The thickness of Ta is about 20 nm, and the thickness of Al is about 200 nm. The resist mask and Ta / Al deposited thereon are removed by a lift-off method. Thereafter, the
続いて、図3(c)に示すように、化合物半導体積層構造4にゲート電極の電極用リセス4Cを形成する。
詳細には、先ず、化合物半導体積層構造4の表面にレジストを塗布する。レジストをリソグラフィーにより加工し、レジストに、ゲート電極の形成予定位置(電極形成予定位置)に相当する化合物半導体積層構造4の表面を露出する開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 3C, an
Specifically, first, a resist is applied to the surface of the compound
このレジストマスクを用いて、電極形成予定位置における、キャップ層4d及び電子供給層4cの一部をドライエッチングして除去する。これにより、キャップ層4d及び電子供給層4cの一部まで掘り込まれた電極用リセス4Cが形成される。エッチング条件としては、Ar等の不活性ガス及びCl2等の塩素系ガスをエッチングガスとして用い、例えばCl2を流量30sccm、圧力を2Pa、RF投入電力を20Wとする。なお、電極用リセス4Cは、キャップ層4dの途中までエッチングして形成しても、また電子供給層4cより深い箇所までエッチングして形成しても良い。
レジストマスクは、灰化処理等により除去される。
Using this resist mask, parts of the
The resist mask is removed by ashing or the like.
続いて、図4(a)に示すように、ゲート絶縁膜8を形成する。
詳細には、電極用リセス4Cの内壁面を覆うように、化合物半導体積層構造4上に絶縁材料として例えばAl2O3を堆積する。Al2O3は、例えば原子層堆積法(Atomic Layer Deposition:ALD法)により膜厚2nm程度〜200nm程度、ここでは10nm程度に堆積する。これにより、ゲート絶縁膜8が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 4A, a gate insulating film 8 is formed.
Specifically, for example, Al 2 O 3 is deposited as an insulating material on the compound
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。 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. .
続いて、図4(b)に示すように、ゲート電極9を形成する。
詳細には、先ず、ゲート電極を形成するためのレジストマスクを形成する。ここでは、蒸着法及びリフトオフ法に適した例えば庇構造2層レジストを用いる。このレジストをゲート絶縁膜8上に塗布し、ゲート絶縁膜8の電極用リセス4Cの部分を露出させる各開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 4B, a gate electrode 9 is formed.
Specifically, first, a resist mask for forming the gate electrode is formed. Here, for example, a two-layer resist having a cage structure suitable for the vapor deposition method and the lift-off method is used. This resist is applied on the gate insulating film 8 to form openings that expose the electrode recesses 4 </ b> C of the gate insulating film 8. Thus, a resist mask having the opening is formed.
このレジストマスクを用いて、電極材料として、例えばNi/Auを、例えば蒸着法により、ゲート絶縁膜8の電極用リセス4Cの部分を露出させる開口内を含むレジストマスク上に堆積する。Niの厚みは30nm程度、Auの厚みは400nm程度とする。リフトオフ法により、レジストマスク及びその上に堆積したNi/Auを除去する。以上により、電極用リセス4C内をゲート絶縁膜8を介して電極材料の一部で埋め込むゲート電極9が形成される。 Using this resist mask, for example, Ni / Au is deposited as an electrode material on the resist mask including the inside of the opening exposing the electrode recess 4C of the gate insulating film 8 by, for example, vapor deposition. The thickness of Ni is about 30 nm, and the thickness of Au is about 400 nm. The resist mask and Ni / Au deposited thereon are removed by a lift-off method. As described above, the gate electrode 9 is formed in which the electrode recess 4C is filled with part of the electrode material via the gate insulating film 8.
本実施形態では、ゲート絶縁膜8を有するMIS型のAlGaN/GaN・HEMTを例示するが、ゲート絶縁膜8を有さずゲート電極9が化合物半導体積層構造4と直接的に接触する、ショットキー型のAlGaN/GaN・HEMTを作製するようにしても良い。
また、電極用リセス4C内にゲート電極9を形成するゲートリセス構造を採用することなく、リセスのない化合物半導体積層構造4上に、ゲート絶縁膜を介して、或いは直接的に、ゲート電極を形成しても良い。
In the present embodiment, an MIS type AlGaN / GaN.HEMT having the gate insulating film 8 is exemplified, but the Schottky that does not have the gate insulating film 8 and the gate electrode 9 is in direct contact with the compound
Further, without adopting a gate recess structure in which the gate electrode 9 is formed in the electrode recess 4C, a gate electrode is formed on the compound
しかる後、層間絶縁膜の形成、ソース電極6、ドレイン電極7、ゲート電極9と接続される配線の形成、上層の保護膜の形成、最表面に露出する接続電極の形成等の諸工程を経て、本実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTが形成される。
Thereafter, through various steps such as formation of an interlayer insulating film, formation of wiring connected to the
以上説明したように、本実施形態では、バッファ層3を薄膜化してクラック発生を抑止し、電子走行層4aを厚膜化してその結晶性を向上させることを可能とした信頼性の高い高耐圧のAlGaN/GaN・HEMTが実現する。
As described above, in the present embodiment, the
(第2の実施形態)
本実施形態では、第1の実施形態のAlGaN/GaN・HEMTを適用した電源装置を開示する。
図7は、第2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。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, a power supply device to which the AlGaN / GaN HEMT according to the first embodiment is applied is disclosed.
FIG. 7 is a connection diagram illustrating a schematic configuration of the power supply device according to the second embodiment.
本実施形態による電源装置は、高圧の一次側回路11及び低圧の二次側回路12と、一次側回路11と二次側回路12との間に配設されるトランス13とを備えて構成される。
一次側回路11は、交流電源14と、いわゆるブリッジ整流回路15と、複数(ここでは4つ)のスイッチング素子16a,16b,16c,16dとを備えて構成される。また、ブリッジ整流回路15は、スイッチング素子16eを有している。
二次側回路42は、複数(ここでは3つ)のスイッチング素子17a,17b,17cを備えて構成される。
The power supply apparatus according to the present embodiment includes a high-voltage primary circuit 11 and a low-voltage secondary circuit 12, and a
The primary side circuit 11 includes an AC power supply 14, a so-called bridge rectifier circuit 15, and a plurality (four in this case) of switching elements 16a, 16b, 16c, and 16d. The bridge rectifier circuit 15 includes a
The secondary side circuit 42 includes a plurality of (here, three) switching elements 17a, 17b, and 17c.
本実施形態では、一次側回路11のスイッチング素子16a,16b,16c,16d,16eが、第1の実施形態のAlGaN/GaN・HEMTとされている。一方、二次側回路12のスイッチング素子17a,17b,17cは、シリコンを用いた通常のMIS・FETとされている。
In the present embodiment, the
本実施形態では、バッファ層を薄膜化してクラック発生を抑止し、窒化物半導体層を厚膜化してその結晶性を向上させることを可能とした信頼性の高い高耐圧のAlGaN/GaN・HEMTを、高圧回路に適用する。これにより、信頼性の高い大電力の電源回路が実現する。 In this embodiment, a highly reliable high withstand voltage AlGaN / GaN HEMT that can reduce the occurrence of cracks by reducing the thickness of the buffer layer and increase the crystallinity of the nitride semiconductor layer by increasing the thickness of the nitride semiconductor layer. Apply to high voltage circuit. As a result, a highly reliable high-power power supply circuit is realized.
(第3の実施形態)
本実施形態では、第1の実施形態のAlGaN/GaN・HEMTを適用した高周波増幅器を開示する。
図8は、第3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。
(Third embodiment)
In the present embodiment, a high frequency amplifier to which the AlGaN / GaN HEMT of the first embodiment is applied is disclosed.
FIG. 8 is a connection diagram illustrating a schematic configuration of the high-frequency amplifier according to the third 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21と、ミキサー22a,22bと、パワーアンプ23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21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22a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23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の実施形態のAlGaN/GaN・HEMTを有している。なお図8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22b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21に送出できる構成とされている。
The high-frequency amplifier according to the present embodiment includes a
The
本実施形態では、バッファ層を薄膜化してクラック発生を抑止し、窒化物半導体層を厚膜化してその結晶性を向上させることを可能とした信頼性の高い高耐圧のAlGaN/GaN・HEMT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, a highly reliable high withstand voltage AlGaN / GaN HEMT that can reduce the occurrence of cracks by reducing the thickness of the buffer layer and increase the crystallinity of the nitride semiconductor layer by increasing the thickness of the nitride semiconductor layer. Applicable to high frequency amplifiers. As a result, a high-reliability, high-voltage high-frequency amplifier is realized.
(他の実施形態)
上述した第1〜第3の実施形態では、化合物半導体装置としてAlGaN/GaN・HEMTを例示した。化合物半導体装置としては、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 third embodiments described above, the AlGaN / GaN.HEMT is exemplified as the compound semiconductor device. As a compound semiconductor device, besides the AlGaN / GaN.HEMT, the following HEMT can be applied.
・その他のHEMT例1
本例では、化合物半導体装置として、InAlN/GaN・HEMT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の実施形態では、電子走行層がi−GaN、スペーサ層がi−AlN、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、2次元電子ガスは主にInAlNの自発分極により発生する。
・ Other HEMT examples 1
In this example, InAlN / GaN.HEMT is disclosed as a compound semiconductor device.
InAlN and GaN are compound semiconductors that can have a lattice constant close to the composition. In this case, in the first embodiment described above, the electron transit layer is formed of i-GaN, the spacer layer is formed of i-AlN, the electron supply layer is formed of n-InAlN, and the cap layer is formed of n-GaN. In this case, since the piezoelectric polarization hardly occurs, the two-dimensional electron gas is mainly generated by spontaneous polarization of InAlN.
本例によれば、上述したAlGaN/GaN・HEMTと同様に、バッファ層を薄膜化してクラック発生を抑止し、電子走行層を厚膜化してその結晶性を向上させることを可能とした信頼性の高い高耐圧のInAlN/GaN・HEMTが実現する。 According to this example, similarly to the AlGaN / GaN HEMT described above, the buffer layer is thinned to suppress the generation of cracks, and the electron transit layer is thickened to improve the crystallinity. And high withstand voltage InAlN / GaN.HEMT.
・その他のHEMT例2
本例では、化合物半導体装置として、InAlGaN/GaN・HEMT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の実施形態では、電子走行層がi−GaN、スペーサ層がi−AlN、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, InAlGaN / GaN.HEMT is disclosed as a compound semiconductor device.
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 embodiment described above, the electron transit layer is formed of i-GaN, the spacer layer is formed of i-AlN, the electron supply layer is formed of n-InAlGaN, and the cap layer is formed of n-GaN.
本例によれば、上述したAlGaN/GaN・HEMTと同様に、バッファ層を薄膜化してクラック発生を抑止し、電子走行層を厚膜化してその結晶性を向上させることを可能とした信頼性の高い高耐圧のInAlGaN/GaN・HEMTが実現する。 According to this example, similarly to the AlGaN / GaN HEMT described above, the buffer layer is thinned to suppress the generation of cracks, and the electron transit layer is thickened to improve the crystallinity. And high withstand voltage InAlGaN / GaN HEMT.
以下、化合物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 compound semiconductor device, the manufacturing method thereof, the power supply device, and the high-frequency amplifier will be collectively described as appendices.
(付記1)
第1の凹凸表面を有する基板と、
前記基板上に形成され、前記第1の凹凸表面を反映した表面を有する窒化膜と、
前記窒化膜上に形成され、前記窒化膜の表面形状に起因した横方向の結晶成長による第2の凹凸表面を有するバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された結晶性の窒化物半導体層と
を含むことを特徴とする化合物半導体装置。
(Appendix 1)
A substrate having a first irregular surface;
A nitride film formed on the substrate and having a surface reflecting the first uneven surface;
A buffer layer formed on the nitride film and having a second concavo-convex surface by lateral crystal growth caused by a surface shape of the nitride film;
A compound semiconductor device comprising: a crystalline nitride semiconductor layer formed on the buffer layer.
(付記2)前記窒化膜は、前記基板上に形成された第1の窒化膜と、前記第1の窒化膜上に当該第1の窒化膜よりも厚く形成された第2の窒化膜とを有することを特徴とする付記1に記載の化合物半導体装置。
(Supplementary Note 2) The nitride film includes a first nitride film formed on the substrate and a second nitride film formed on the first nitride film to be thicker than the first nitride film. The compound semiconductor device according to
(付記3)前記第1の窒化膜は熱窒化膜であり、前記第2の窒化膜はエピタキシャル成長膜であることを特徴とする付記2に記載の化合物半導体装置。
(Supplementary note 3) The compound semiconductor device according to
(付記4)前記第1の窒化膜は3nm以下の厚みに形成され、前記第2の窒化膜は5nm以上50nm以下の厚みに形成されていることを特徴とする付記3に記載の化合物半導体装置。
(Supplementary note 4) The compound semiconductor device according to
(付記5)前記基板は、ストライプ状の複数の溝により、前記第1の凹凸表面が形成されていることを特徴とする付記1〜4のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
(Supplementary note 5) The compound semiconductor device according to any one of
(付記6)前記溝は、順テーパ状の傾斜角に形成されていることを特徴とする付記5に記載の化合物半導体装置。
(Supplementary note 6) The compound semiconductor device according to
(付記7)前記溝は、逆テーパ状の傾斜角に形成されていることを特徴とする付記5に記載の化合物半導体装置。
(Supplementary note 7) The compound semiconductor device according to
(付記8)前記基板は、上面が平坦なドットにより、前記第1の凹凸表面が形成されていることを特徴とする付記1〜4のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
(Appendix 8) The compound semiconductor device according to any one of
(付記9)基板に第1の凹凸表面を形成する工程と、
前記基板上に、前記第1の凹凸表面を反映した表面形状となるように窒化膜を形成する工程と、
前記窒化膜上に、前記窒化膜の表面形状に起因して横方向に結晶成長して第2の凹凸表面を有するバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層上に結晶性の窒化物半導体層を形成する工程と
を含むことを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
(Additional remark 9) The process of forming the 1st uneven surface on a board | substrate,
Forming a nitride film on the substrate so as to have a surface shape reflecting the first uneven surface;
Forming a buffer layer having a second concavo-convex surface by laterally crystal growth on the nitride film due to the surface shape of the nitride film;
Forming a crystalline nitride semiconductor layer on the buffer layer. A method for manufacturing a compound semiconductor device.
(付記10)前記窒化膜は、前記基板上に形成された第1の窒化膜と、前記第1の窒化膜上に当該第1の窒化膜よりも厚く形成された第2の窒化膜とを有することを特徴とする付記9に記載の化合物半導体装置の製造方法。 (Supplementary Note 10) The nitride film includes a first nitride film formed on the substrate and a second nitride film formed thicker than the first nitride film on the first nitride film. The method for manufacturing a compound semiconductor device according to appendix 9, characterized by comprising:
(付記11)前記第1の窒化膜は熱窒化法により形成され、前記第2の窒化膜はエピタキシャル成長法により形成されることを特徴とする付記10に記載の化合物半導体装置の製造方法。 (Supplementary note 11) The method of manufacturing a compound semiconductor device according to supplementary note 10, wherein the first nitride film is formed by a thermal nitridation method, and the second nitride film is formed by an epitaxial growth method.
(付記12)前記第1の窒化膜は3nm以下の厚みに形成され、前記第2の窒化膜は5nm以上50nm以下の厚みに形成されることを特徴とする付記11に記載の化合物半導体装置の製造方法。 (Supplementary note 12) The compound semiconductor device according to Supplementary note 11, wherein the first nitride film is formed with a thickness of 3 nm or less, and the second nitride film is formed with a thickness of 5 nm or more and 50 nm or less. Production method.
(付記13)前記第2の窒化膜をエピタキシャル成長した後に、前記第2の窒化膜をアニール処理することを特徴とする付記11又は12に記載の化合物半導体装置の製造方法。 (Supplementary note 13) The method of manufacturing a compound semiconductor device according to supplementary note 11 or 12, wherein the second nitride film is annealed after epitaxially growing the second nitride film.
(付記14)前記基板は、ストライプ状の複数の溝により、前記第1の凹凸表面が形成されることを特徴とする付記9〜13のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。 (Appendix 14) The method for manufacturing a compound semiconductor device according to any one of appendices 9 to 13, wherein the substrate has the first uneven surface formed by a plurality of stripe-shaped grooves.
(付記15)前記溝は、順テーパ状の傾斜角に形成されることを特徴とする付記14に記載の化合物半導体装置の製造方法。 (Additional remark 15) The said groove | channel is formed in the forward taper-shaped inclination angle, The manufacturing method of the compound semiconductor device of Additional remark 14 characterized by the above-mentioned.
(付記16)前記溝は、逆テーパ状の傾斜角に形成されることを特徴とする付記14に記載の化合物半導体装置の製造方法。 (Additional remark 16) The said groove | channel is formed in the reverse taper-shaped inclination angle, The manufacturing method of the compound semiconductor device of Additional remark 14 characterized by the above-mentioned.
(付記17)前記基板は、上面が平坦なドットにより、前記第1の凹凸表面が形成されることを特徴とする付記9〜13のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。 (Supplementary note 17) The method for manufacturing a compound semiconductor device according to any one of supplementary notes 9 to 13, wherein the first uneven surface of the substrate is formed by dots having a flat upper surface.
(付記18)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、
第1の凹凸表面を有する基板と、
前記基板上に形成され、前記第1の凹凸表面を反映した表面を有する窒化膜と、
前記窒化膜上に形成され、前記窒化膜の表面形状に起因した横方向の結晶成長による第2の凹凸表面を有するバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された結晶性の窒化物半導体層と
を含むことを特徴とする電源回路。
(Supplementary note 18) 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 substrate having a first irregular surface;
A nitride film formed on the substrate and having a surface reflecting the first uneven surface;
A buffer layer formed on the nitride film and having a second concavo-convex surface by lateral crystal growth caused by a surface shape of the nitride film;
A power supply circuit comprising: a crystalline nitride semiconductor layer formed on the buffer layer.
(付記19)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、
第1の凹凸表面を有する基板と、
前記基板上に形成され、前記第1の凹凸表面を反映した表面を有する窒化膜と、
前記窒化膜上に形成され、前記窒化膜の表面形状に起因した横方向の結晶成長による第2の凹凸表面を有するバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された結晶性の窒化物半導体層と
を含むことを特徴とする高周波増幅器。
(Supplementary note 19) A high-frequency amplifier that amplifies and outputs an input high-frequency voltage,
Has a transistor,
The transistor is
A substrate having a first irregular surface;
A nitride film formed on the substrate and having a surface reflecting the first uneven surface;
A buffer layer formed on the nitride film and having a second concavo-convex surface by lateral crystal growth caused by a surface shape of the nitride film;
A high frequency amplifier comprising: a crystalline nitride semiconductor layer formed on the buffer layer.
1 Si基板
1a,1c 溝
1b 凸部
1d ドット
2 窒化膜
2a 第1の窒化膜
2b 第2の窒化膜
4A,4B,4C 電極用リセス
3 バッファ層
4 化合物半導体積層構造
4a電子走行層
4b スペーサ層
4c 電子供給層
4d キャップ層
5 素子分離領域
6 ソース電極
7 ドレイン電極
8 ゲート絶縁膜
9 ゲート電極
11 一次側回路
12 二次側回路
13 トランス
14 交流電源
15 ブリッジ整流回路
16a,16b,16c,16d,16e,17a,17b,17c スイッチング素子
21 ディジタル・プレディストーション回路
22a,22b ミキサー
23 パワーアンプ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記基板上に形成され、前記第1の凹凸表面を反映した表面を有する窒化膜と、
前記窒化膜上に形成され、前記窒化膜の表面形状に起因した横方向の結晶成長による第2の凹凸表面を有するバッファ層と、
前記バッファ層上に形成された結晶性の窒化物半導体層と
を含むことを特徴とする化合物半導体装置。 A substrate having a first irregular surface;
A nitride film formed on the substrate and having a surface reflecting the first uneven surface;
A buffer layer formed on the nitride film and having a second concavo-convex surface by lateral crystal growth caused by a surface shape of the nitride film;
A compound semiconductor device comprising: a crystalline nitride semiconductor layer formed on the buffer layer.
前記基板上に、前記第1の凹凸表面を反映した表面形状となるように窒化膜を形成する工程と、
前記窒化膜上に、前記窒化膜の表面形状に起因して横方向に結晶成長して第2の凹凸表面を有するバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層上に結晶性の窒化物半導体層を形成する工程と
を含むことを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。 Forming a first uneven surface on the substrate;
Forming a nitride film on the substrate so as to have a surface shape reflecting the first uneven surface;
Forming a buffer layer having a second concavo-convex surface by laterally crystal growth on the nitride film due to the surface shape of the nitride film;
Forming a crystalline nitride semiconductor layer on the buffer layer. A method for manufacturing a compound semiconductor device.
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