JP2015060893A - Semiconductor device - Google Patents

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康裕 村瀬
Yasuhiro Murase
康裕 村瀬
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the performance of a semiconductor device.SOLUTION: A semiconductor device has a transistor TR1 serving as an enhancement mode FET and a transistor TR2 serving as a depletion mode FET. In order from bottom, the transistor TR1 includes: a channel layer CH1 made of a nitride semiconductor layer; an electron supply layer ES1 which is formed on the channel layer CH1 and made of a nitride semiconductor layer and which has a larger band gap than the channel layer CH1; and a source electrode SE1, a drain electrode DE1, and a gate electrode GE1 which are formed on the electron supply layer ES1. In the transistor TR1, a p-type semiconductor region PS is formed, separately from a lower surface of the electron supply layer ES1, in the channel layer CH1 under the gate electrode GE1.

Description

本発明は、半導体装置に関し、例えば、窒化物半導体を用いた半導体装置に好適に利用できるものである。   The present invention relates to a semiconductor device, and can be suitably used for, for example, a semiconductor device using a nitride semiconductor.

窒化ガリウム(GaN)などの窒化物半導体は、シリコン(Si)およびガリウムヒ素(GaAs)に比べ、バンドギャップが大きく、電子移動度が大きいため、高耐圧用、高出力用、または高周波用のトランジスタへの応用が期待されている。したがって、窒化ガリウムなどの窒化物半導体を用いた電力制御用の電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)、すなわちパワーデバイスの開発が進められている。   Nitride semiconductors such as gallium nitride (GaN) have a larger band gap and higher electron mobility than silicon (Si) and gallium arsenide (GaAs), so that transistors for high withstand voltage, high output, or high frequency are used. Application to is expected. Therefore, development of a power control field effect transistor (FET) using a nitride semiconductor such as gallium nitride, that is, a power device has been promoted.

このような窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタとして、ゲート電極に電圧が印加されていないときに、ソース電極とドレイン電極との間に電流が流れるデプレッションモードFET、すなわちノーマリオン型の電界効果トランジスタがある。一方、ゲート電極に電圧が印加されていないときに、ソース電極とドレイン電極との間に電流が流れないエンハンスメントモードFET、すなわちノーマリオフ型の電界効果トランジスタがある。そして、デプレッションモードFETとエンハンスメントモードFETとを同一基板上に集積化することで、小型で、かつ大電力用の高周波パワーアンプと、大電力の入力に耐え得る高周波スイッチと、論理回路とを、一体化した半導体装置を実現することができる。   As a field effect transistor using such a nitride semiconductor, a depletion mode FET in which a current flows between a source electrode and a drain electrode when no voltage is applied to the gate electrode, that is, a normally-on type field effect transistor There is. On the other hand, there is an enhancement mode FET in which no current flows between the source electrode and the drain electrode when no voltage is applied to the gate electrode, that is, a normally-off type field effect transistor. And, by integrating the depletion mode FET and the enhancement mode FET on the same substrate, a high-frequency power amplifier for small and high power, a high-frequency switch that can withstand high power input, and a logic circuit, An integrated semiconductor device can be realized.

特開2012−28705号公報(特許文献1)および特開2000−277724号公報(特許文献2)には、デプレッションモードFETとエンハンスメントモードFETとが同一基板上に形成された半導体装置に関する技術が記載されている。また、特開2011−181922号公報(特許文献3)および特開2001−210657号公報(特許文献4)には、デプレッションモードFETとエンハンスメントモードFETとが同一基板上に形成された半導体装置に関する技術が記載されている。   Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2012-28705 (Patent Document 1) and Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2000-277724 (Patent Document 2) describe a technique related to a semiconductor device in which a depletion mode FET and an enhancement mode FET are formed on the same substrate. Has been. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-181922 (Patent Document 3) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-210657 (Patent Document 4) disclose a technique related to a semiconductor device in which a depletion mode FET and an enhancement mode FET are formed on the same substrate. Is described.

特開2012−231002号公報(特許文献5)には、基板の上方に形成され、p型の窒化ガリウムからなるバックバリア層と、バックバリア層上に形成され、窒化ガリウムからなるチャネル層とを備えた半導体装置に関する技術が記載されている。   Japanese Patent Laid-Open No. 2012-231002 (Patent Document 5) includes a back barrier layer formed above a substrate and made of p-type gallium nitride, and a channel layer made of gallium nitride formed on the back barrier layer. Techniques relating to the semiconductor device provided are described.

特開2007−250727号公報(特許文献6)には、n型の窒化ガリウムからなる半導体層の下に形成され、p型の窒化ガリウムからなる半導体層を有する半導体装置に関する技術が記載されている。   Japanese Patent Laying-Open No. 2007-250727 (Patent Document 6) describes a technique related to a semiconductor device formed under a semiconductor layer made of n-type gallium nitride and having a semiconductor layer made of p-type gallium nitride. .

特開2012−28705号公報JP 2012-28705 A 特開2000−277724号公報JP 2000-277724 A 特開2011−181922号公報JP 2011-181922 A 特開2001−210657号公報JP 2001-210657 A 特開2012−231002号公報JP 2012-231002 A 特開2007−250727号公報JP 2007-250727 A

しかし、エンハンスメントモードFETとデプレッションモードFETとが同一基板上に形成される場合、エンハンスメントモードFETにおけるゲート電極周辺の構造と、デプレッションモードFETにおけるゲート電極周辺の構造とが異なる場合がある。このような場合、エンハンスメントモードFETおよびデプレッションモードFETのうち、両方の種類のトランジスタの間、または、片方の種類のトランジスタの間で、特性がばらつき、特性が不安定になるおそれがあり、半導体装置の性能が低下する。   However, when the enhancement mode FET and the depletion mode FET are formed on the same substrate, the structure around the gate electrode in the enhancement mode FET may be different from the structure around the gate electrode in the depletion mode FET. In such a case, characteristics of the enhancement mode FET and the depletion mode FET may vary between both types of transistors or between one type of transistors, and the characteristics may become unstable. The performance of is reduced.

あるいは、基板上に、デプレッションモードFETが形成されず、エンハンスメントモードFETのみが形成される場合でも、ゲート電極周辺の構造が複雑である場合には、エンハンスメントモードFETの間で特性がばらつき、特性が不安定になるおそれがあり、半導体装置の性能が低下する。   Alternatively, even if the depletion mode FET is not formed on the substrate and only the enhancement mode FET is formed, if the structure around the gate electrode is complicated, the characteristics vary among the enhancement mode FETs, and the characteristics are different. There is a risk of instability, and the performance of the semiconductor device deteriorates.

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   Other problems and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.

一実施の形態によれば、半導体装置は、エンハンスメントモードFETと、デプレッションモードFETとを有する。エンハンスメントモードFETおよびデプレッションモードFETは、いずれも、下から順に、窒化物半導体層からなるチャネル層と、チャネル層上に形成され、窒化物半導体層からなり、チャネル層よりもバンドギャップが大きい電子供給層と、電子供給層上に形成されたソース電極、ドレイン電極およびゲート電極とを含む。エンハンスメントモードFETでは、ゲート電極下のチャネル層内に、電子供給層の下面から離れて、p型の窒化物半導体層が形成されている。   According to one embodiment, the semiconductor device includes an enhancement mode FET and a depletion mode FET. The enhancement mode FET and the depletion mode FET are both in order from the bottom, a channel layer made of a nitride semiconductor layer, an electron supply formed on the channel layer, made of a nitride semiconductor layer, and having a larger band gap than the channel layer. And a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode formed on the electron supply layer. In the enhancement mode FET, a p-type nitride semiconductor layer is formed in the channel layer under the gate electrode away from the lower surface of the electron supply layer.

一実施の形態によれば、半導体装置の性能を向上させることができる。   According to one embodiment, the performance of a semiconductor device can be improved.

実施の形態1の半導体装置の要部断面図である。2 is a main-portion cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 比較例1の半導体装置の要部断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of a principal part of a semiconductor device of Comparative Example 1. 比較例2の半導体装置の要部断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of main parts of a semiconductor device of Comparative Example 2. 比較例3の半導体装置の要部断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of main parts of a semiconductor device of Comparative Example 3. 実施の形態2の半導体装置の要部断面図である。FIG. 10 is a main-portion cross-sectional view of the semiconductor device of Embodiment 2; 実施の形態2の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Second Embodiment during a manufacturing step thereof. 実施の形態2の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Second Embodiment during a manufacturing step thereof. 実施の形態2の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Second Embodiment during a manufacturing step thereof. 実施の形態3の半導体装置の要部断面図である。FIG. 10 is a main-portion cross-sectional view of the semiconductor device of Embodiment 3; 実施の形態3の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Third Embodiment during a manufacturing step thereof. 実施の形態3の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Third Embodiment during a manufacturing step thereof. 実施の形態4の半導体装置の要部断面図である。FIG. 10 is a main-portion cross-sectional view of the semiconductor device of Embodiment 4; 実施の形態4の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 24 is an essential part cross-sectional view during a manufacturing step of the semiconductor device of the fourth embodiment. 実施の形態4の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 24 is an essential part cross-sectional view during a manufacturing step of the semiconductor device of the fourth embodiment. 実施の形態5の半導体装置の要部断面図である。FIG. 10 is a main-portion cross-sectional view of the semiconductor device of Embodiment 5; 実施の形態5の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 25 is a main-portion cross-sectional view of the semiconductor device in Embodiment 5 during the manufacturing process; 実施の形態5の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 25 is a main-portion cross-sectional view of the semiconductor device in Embodiment 5 during the manufacturing process;

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。   In the following embodiments, when it is necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like.

また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。   Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number.

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことはいうまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。   Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and apparently essential in principle. Needless to say. Similarly, in the following embodiments, when referring to the shapes, positional relationships, etc. of the components, etc., the shapes are substantially the same unless otherwise specified, or otherwise apparent in principle. And the like are included. The same applies to the above numerical values and ranges.

以下、代表的な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。   Hereinafter, typical embodiments will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof will be omitted. In the following embodiments, the description of the same or similar parts will not be repeated in principle unless particularly necessary.

さらに、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見やすくするためにハッチングを省略する場合もある。   Further, in the drawings used in the embodiments, hatching may be omitted even in a cross-sectional view for easy viewing of the drawings.

(実施の形態1)
<半導体装置の構造>
実施の形態1の半導体装置は、電界効果トランジスタを有する半導体装置であり、電界効果トランジスタとして高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor:HEMT)を有する半導体装置である。
(Embodiment 1)
<Structure of semiconductor device>
The semiconductor device of the first embodiment is a semiconductor device having a field effect transistor, and a semiconductor device having a high electron mobility transistor (HEMT) as the field effect transistor.

図1は、実施の形態1の半導体装置の要部断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of the semiconductor device according to the first embodiment.

図1に示すように、本実施の形態1の半導体装置は、基板SUBと、基板SUBに形成された電界効果トランジスタとしてのHEMTであるトランジスタTR1およびトランジスタTR2を備えている。トランジスタTR1は、ゲート電極に電圧を印加していないときにドレイン電流が流れないエンハンスメントモードFET、すなわちノーマリオフ型の電界効果トランジスタである。一方、トランジスタTR2は、ゲート電極に電圧を印加していないときにドレイン電流が流れるデプレッションモードFET、すなわちノーマリオン型の電界効果トランジスタである。   As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the first embodiment includes a substrate SUB, and a transistor TR1 and a transistor TR2 that are HEMTs as field effect transistors formed on the substrate SUB. The transistor TR1 is an enhancement mode FET in which a drain current does not flow when no voltage is applied to the gate electrode, that is, a normally-off type field effect transistor. On the other hand, the transistor TR2 is a depletion mode FET in which a drain current flows when no voltage is applied to the gate electrode, that is, a normally-on field effect transistor.

基板SUBは、第1主面としての表面TSと、第1主面と反対側の第2主面としての裏面BSとを有する。トランジスタTR1は、基板SUBの表面TS側の領域AR1で形成されており、トランジスタTR2は、基板SUBの表面TS側の、領域AR1と異なる領域AR2で形成されている。   The substrate SUB has a surface TS as a first main surface and a back surface BS as a second main surface opposite to the first main surface. The transistor TR1 is formed in a region AR1 on the surface TS side of the substrate SUB, and the transistor TR2 is formed in a region AR2 different from the region AR1 on the surface TS side of the substrate SUB.

トランジスタTR1は、領域AR1で、基板SUBの表面TS上に形成されたバッファ層BUF1と、バッファ層BUF1上に形成された窒化物半導体層からなるチャネル層CH1と、チャネル層CH1上に形成された窒化物半導体層からなる電子供給層ES1とを有する。また、トランジスタTR1は、電子供給層ES1上に、互いに離れて形成されたソース電極SE1およびドレイン電極DE1を有する。そして、トランジスタTR1は、ソース電極SE1とドレイン電極DE1とで挟まれた電子供給層ES1上に、ソース電極SE1およびドレイン電極DE1のいずれからも離れて形成されたゲート電極GE1を有する。   In the region AR1, the transistor TR1 is formed on the buffer layer BUF1 formed on the surface TS of the substrate SUB, the channel layer CH1 made of a nitride semiconductor layer formed on the buffer layer BUF1, and the channel layer CH1. An electron supply layer ES1 made of a nitride semiconductor layer. In addition, the transistor TR1 includes a source electrode SE1 and a drain electrode DE1 that are formed apart from each other on the electron supply layer ES1. The transistor TR1 has a gate electrode GE1 formed on the electron supply layer ES1 sandwiched between the source electrode SE1 and the drain electrode DE1 so as to be separated from both the source electrode SE1 and the drain electrode DE1.

また、トランジスタTR1は、チャネル層CH1のうち、ゲート電極GE1の裏面BS側に位置し、かつ、電子供給層ES1から離れた部分に形成されたp型の半導体領域PSを有する。すなわち、p型の半導体領域PSは、ゲート電極GE1下のチャネル層CH1内に、電子供給層ES1の下面から離れて形成されている。   In addition, the transistor TR1 includes a p-type semiconductor region PS that is located on the back surface BS side of the gate electrode GE1 in the channel layer CH1 and that is formed in a portion away from the electron supply layer ES1. That is, the p-type semiconductor region PS is formed in the channel layer CH1 below the gate electrode GE1 and away from the lower surface of the electron supply layer ES1.

トランジスタTR2は、領域AR2で、基板SUBの表面TS上に形成されたバッファ層BUF2と、バッファ層BUF2上に形成された窒化物半導体層からなるチャネル層CH2と、チャネル層CH2上に形成された窒化物半導体層からなる電子供給層ES2とを有する。また、トランジスタTR2は、電子供給層ES2上に、互いに離れて形成されたソース電極SE2およびドレイン電極DE2を有する。そして、トランジスタTR2は、ソース電極SE2とドレイン電極DE2とで挟まれた電子供給層ES2上に、ソース電極SE2およびドレイン電極DE2のいずれからも離れて形成されたゲート電極GE2を有する。   In the region AR2, the transistor TR2 is formed on the buffer layer BUF2 formed on the surface TS of the substrate SUB, the channel layer CH2 made of the nitride semiconductor layer formed on the buffer layer BUF2, and the channel layer CH2. An electron supply layer ES2 made of a nitride semiconductor layer. The transistor TR2 has a source electrode SE2 and a drain electrode DE2 that are formed apart from each other on the electron supply layer ES2. The transistor TR2 has a gate electrode GE2 formed away from both the source electrode SE2 and the drain electrode DE2 on the electron supply layer ES2 sandwiched between the source electrode SE2 and the drain electrode DE2.

一方、トランジスタTR2は、トランジスタTR1に含まれるp型の半導体領域PSに相当する半導体領域を有しない。したがって、チャネル層CH2のうち、ゲート電極GE2の裏面BS側に位置し、かつ、電子供給層ES2から離れた部分には、p型の半導体領域が形成されていない。すなわち、ゲート電極GE2下のチャネル層CH2内で、電子供給層ES2の下面から離れた部分には、p型の半導体領域が形成されていない。   On the other hand, the transistor TR2 does not have a semiconductor region corresponding to the p-type semiconductor region PS included in the transistor TR1. Therefore, no p-type semiconductor region is formed in a portion of the channel layer CH2 located on the back surface BS side of the gate electrode GE2 and away from the electron supply layer ES2. That is, no p-type semiconductor region is formed in the channel layer CH2 below the gate electrode GE2 in a portion away from the lower surface of the electron supply layer ES2.

基板SUBは、例えばシリコン(Si)からなる半導体基板、すなわち単結晶シリコン基板である。基板SUBの材質については、基板SUB上に形成される窒化物半導体層が、所望の特性を得るために必要な結晶性を有していればよく、特に限定されない。したがって、基板SUBとして、例えばサファイア基板、炭化シリコン(SiC)基板または窒化ガリウム(GaN)基板などを用いることができる。また、基板SUBが単結晶シリコン基板であるとき、好適には、面方位が(111)である。   The substrate SUB is a semiconductor substrate made of, for example, silicon (Si), that is, a single crystal silicon substrate. The material of the substrate SUB is not particularly limited as long as the nitride semiconductor layer formed on the substrate SUB has crystallinity necessary for obtaining desired characteristics. Therefore, for example, a sapphire substrate, a silicon carbide (SiC) substrate, a gallium nitride (GaN) substrate, or the like can be used as the substrate SUB. When the substrate SUB is a single crystal silicon substrate, the plane orientation is preferably (111).

領域AR1では、基板SUBの表面TS上には、バッファ層BUF1が形成されており、領域AR2では、基板SUBの表面TS上には、バッファ層BUF2が形成されている。バッファ層BUF1は、基板SUBとチャネル層CH1との格子定数差を緩和するために形成され、バッファ層BUF2は、基板SUBとチャネル層CH2との格子定数差を緩和するために形成される。例えば、基板SUBを構成するシリコン(Si)とチャネル層CH1およびチャネル層CH2の各々を構成する窒化ガリウム(GaN)との格子定数差を、バッファ層BUF1およびバッファ層BUF2のそれぞれにより緩和することができる。   In the area AR1, the buffer layer BUF1 is formed on the surface TS of the substrate SUB. In the area AR2, the buffer layer BUF2 is formed on the surface TS of the substrate SUB. The buffer layer BUF1 is formed to relieve the lattice constant difference between the substrate SUB and the channel layer CH1, and the buffer layer BUF2 is formed to relieve the lattice constant difference between the substrate SUB and the channel layer CH2. For example, the lattice constant difference between silicon (Si) constituting the substrate SUB and gallium nitride (GaN) constituting each of the channel layer CH1 and the channel layer CH2 can be reduced by the buffer layer BUF1 and the buffer layer BUF2, respectively. it can.

シリコン(Si)からなる基板SUB上に、直接窒化ガリウム(GaN)からなるチャネル層CH1およびチャネル層CH2の各々を形成した場合には、これらのチャネル層CH1およびチャネル層CH2のそれぞれに多くのクラックが発生し、良好なエピタキシャル成長層が得られず、HEMTの作製が難しくなるおそれがある。このため、基板SUBとチャネル層CH1およびチャネル層CH2の各々との間に、格子緩和を目的としたバッファ層BUF1およびバッファ層BUF2のそれぞれを挿入する。バッファ層BUF1およびバッファ層BUF2を形成したことにより、バッファ層BUF1およびバッファ層BUF2の各々の上に形成されるチャネル層CH1およびチャネル層CH2のそれぞれに良好なエピタキシャル成長層が得られ、HEMTの作製が容易となる。   When each of the channel layer CH1 and the channel layer CH2 made of gallium nitride (GaN) is directly formed on the substrate SUB made of silicon (Si), many cracks are formed in each of the channel layer CH1 and the channel layer CH2. May occur, a good epitaxial growth layer cannot be obtained, and it may be difficult to fabricate the HEMT. Therefore, each of the buffer layer BUF1 and the buffer layer BUF2 for the purpose of lattice relaxation is inserted between the substrate SUB and each of the channel layer CH1 and the channel layer CH2. By forming the buffer layer BUF1 and the buffer layer BUF2, a good epitaxial growth layer is obtained on each of the channel layer CH1 and the channel layer CH2 formed on each of the buffer layer BUF1 and the buffer layer BUF2, and the HEMT is manufactured. It becomes easy.

バッファ層BUF1およびバッファ層BUF2の各々の材質については、バッファ層BUF1およびバッファ層BUF2の各々の上に形成される窒化物半導体層であるチャネル層CH1およびチャネル層CH2のそれぞれと、電子供給層ES1および電子供給層ES2のそれぞれとが、所望の特性を得るために必要な結晶性を有していればよく、特に限定されない。したがって、バッファ層BUF1およびバッファ層BUF2の各々として、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)もしくは窒化アルミニウム(AlN)からなる窒化物半導体層、または、これらを積層した積層膜などを用いることができる。また、基板SUBが窒化ガリウム基板である場合には、バッファ層BUF1およびバッファ層BUF2の各々を用いなくても、チャネル層CH1およびチャネル層CH2のそれぞれの結晶性と、電子供給層ES1および電子供給層ES2のそれぞれの結晶性とが保たれる。そのため、基板SUBとチャネル層CH1およびチャネル層CH2の各々との間に、バッファ層BUF1およびバッファ層BUF2のそれぞれが介在しなくてもよい。   As for each material of the buffer layer BUF1 and the buffer layer BUF2, each of the channel layer CH1 and the channel layer CH2 which are nitride semiconductor layers formed on each of the buffer layer BUF1 and the buffer layer BUF2, and the electron supply layer ES1 Each of the electron supply layers ES2 is not particularly limited as long as it has crystallinity necessary for obtaining desired characteristics. Accordingly, as each of the buffer layer BUF1 and the buffer layer BUF2, a nitride semiconductor layer made of gallium nitride (GaN), aluminum gallium nitride (AlGaN) or aluminum nitride (AlN), or a laminated film in which these are laminated is used. Can do. Further, when the substrate SUB is a gallium nitride substrate, the crystallinity of each of the channel layer CH1 and the channel layer CH2, the electron supply layer ES1, and the electron supply can be obtained without using each of the buffer layer BUF1 and the buffer layer BUF2. The respective crystallinity of the layer ES2 is maintained. Therefore, each of the buffer layer BUF1 and the buffer layer BUF2 may not be interposed between the substrate SUB and each of the channel layer CH1 and the channel layer CH2.

好適には、バッファ層BUF2は、バッファ層BUF1と同層のバッファ層である。これにより、バッファ層BUF1とバッファ層BUF2とを同一の工程により形成することができるので、半導体装置の製造工程の工程数を削減することができる。   The buffer layer BUF2 is preferably the same buffer layer as the buffer layer BUF1. Thereby, since the buffer layer BUF1 and the buffer layer BUF2 can be formed by the same process, the number of manufacturing processes of the semiconductor device can be reduced.

バッファ層BUF1上には、チャネル層CH1が形成されており、バッファ層BUF2上には、チャネル層CH2が形成されている。チャネル層CH1およびチャネル層CH2の各々は、窒化物半導体層からなり、好ましくは、窒化ガリウム(GaN)からなる。チャネル層CH1およびチャネル層CH2の各々の厚さを、例えば1μm程度とすることができる。   A channel layer CH1 is formed on the buffer layer BUF1, and a channel layer CH2 is formed on the buffer layer BUF2. Each of channel layer CH1 and channel layer CH2 is made of a nitride semiconductor layer, and preferably made of gallium nitride (GaN). The thickness of each of the channel layer CH1 and the channel layer CH2 can be set to about 1 μm, for example.

チャネル層CH1およびチャネル層CH2の各々を構成する窒化ガリウムは、好ましくは、アンドープの窒化ガリウム、すなわち、n型の導電性およびp型の導電性のいずれをも示さないイントリンシック状態の窒化ガリウム(i−GaN)である。つまり、チャネル層CH1およびチャネル層CH2の各々を構成する窒化ガリウムの導電型は、n型でもなく、p型でもない。あるいは、チャネル層CH1およびチャネル層CH2の各々を構成する窒化ガリウムは、n型の半導体でもなく、p型の半導体でもない。また、アンドープの窒化ガリウムには、例えば意図的にドーピングを施さずに成長した窒化ガリウムが含まれる。さらに、チャネル層CH1およびチャネル層CH2の各々として、窒化インジウムガリウム(InGaN)などの窒化物半導体層を用いることができる。   The gallium nitride constituting each of the channel layer CH1 and the channel layer CH2 is preferably undoped gallium nitride, that is, gallium nitride in an intrinsic state that does not exhibit either n-type conductivity or p-type conductivity ( i-GaN). That is, the conductivity type of gallium nitride constituting each of the channel layer CH1 and the channel layer CH2 is neither n-type nor p-type. Alternatively, gallium nitride constituting each of the channel layer CH1 and the channel layer CH2 is neither an n-type semiconductor nor a p-type semiconductor. In addition, undoped gallium nitride includes, for example, gallium nitride grown without intentional doping. Furthermore, a nitride semiconductor layer such as indium gallium nitride (InGaN) can be used as each of the channel layer CH1 and the channel layer CH2.

ここで、「半導体がn型の導電性を示す」、「半導体の導電型がn型である」および「n型の半導体である」とは、その半導体における多数キャリアが電子であることを意味する。また、「半導体がp型の導電性を示す」、「半導体の導電型がp型である」および「p型の半導体である」とは、その半導体における多数キャリアが正孔であることを意味する。   Here, “semiconductor exhibits n-type conductivity”, “semiconductor conductivity type is n-type” and “n-type semiconductor” means that majority carriers in the semiconductor are electrons. To do. In addition, “a semiconductor exhibits p-type conductivity”, “a semiconductor has a p-type conductivity” and “a p-type semiconductor” means that majority carriers in the semiconductor are holes. To do.

半導体中にキャリアとして電子と正孔との両者が存在する場合は、電子濃度と正孔濃度との差が、実効的なキャリア濃度となる。本願明細書中では、「多数キャリアが電子である」とは、電子濃度が正孔濃度よりも大きく、かつ、実効的なキャリア濃度が1×1015cm−3よりも大きい状態を意味するものとする。また、「多数キャリアが正孔である」とは、正孔濃度が電子濃度よりも大きく、かつ、実効的なキャリア濃度が1×1015cm−3よりも大きい状態を意味するものとする。 When both electrons and holes are present as carriers in the semiconductor, the difference between the electron concentration and the hole concentration is an effective carrier concentration. In the present specification, “the majority carrier is an electron” means a state in which the electron concentration is higher than the hole concentration and the effective carrier concentration is higher than 1 × 10 15 cm −3. And Further, “the majority carrier is a hole” means a state where the hole concentration is higher than the electron concentration and the effective carrier concentration is higher than 1 × 10 15 cm −3 .

一方、イントリンシック状態とは、電子濃度と正孔濃度とがほぼ等しい状態、または、キャリアとしての電子または正孔が発生していない状態を示す。本願明細書中では、イントリンシック状態とは、実効的なキャリア濃度が1×1015cm−3以下の状態を意味するものとする。 On the other hand, the intrinsic state indicates a state where the electron concentration and the hole concentration are substantially equal, or a state where electrons or holes as carriers are not generated. In the present specification, the intrinsic state means a state where the effective carrier concentration is 1 × 10 15 cm −3 or less.

好適には、チャネル層CH2は、チャネル層CH1と同層の窒化物半導体層である。これにより、チャネル層CH1とチャネル層CH2とを同一の工程により形成することができるので、半導体装置の製造工程の工程数を削減することができる。   The channel layer CH2 is preferably a nitride semiconductor layer that is the same layer as the channel layer CH1. Thereby, since the channel layer CH1 and the channel layer CH2 can be formed by the same process, the number of manufacturing steps of the semiconductor device can be reduced.

チャネル層CH1上には、電子供給層ES1が形成されている。電子供給層ES1は、チャネル層CH1を構成する窒化物半導体層とは異なる窒化物半導体層からなり、例えばチャネル層CH1のバンドギャップと異なるバンドギャップを有する窒化物半導体層からなる。好適には、電子供給層ES1のバンドギャップは、チャネル層CH1のバンドギャップよりも大きい。   An electron supply layer ES1 is formed on the channel layer CH1. The electron supply layer ES1 is made of a nitride semiconductor layer different from the nitride semiconductor layer constituting the channel layer CH1, for example, a nitride semiconductor layer having a band gap different from the band gap of the channel layer CH1. Preferably, the band gap of the electron supply layer ES1 is larger than the band gap of the channel layer CH1.

チャネル層CH2上には、電子供給層ES2が形成されている。電子供給層ES2は、チャネル層CH2を構成する窒化物半導体層とは異なる窒化物半導体層からなり、例えばチャネル層CH2のバンドギャップと異なるバンドギャップを有する窒化物半導体層からなる。好適には、電子供給層ES2のバンドギャップは、チャネル層CH2のバンドギャップよりも大きい。   An electron supply layer ES2 is formed on the channel layer CH2. The electron supply layer ES2 is made of a nitride semiconductor layer different from the nitride semiconductor layer constituting the channel layer CH2, for example, a nitride semiconductor layer having a band gap different from the band gap of the channel layer CH2. Preferably, the band gap of the electron supply layer ES2 is larger than the band gap of the channel layer CH2.

したがって、チャネル層CH1およびチャネル層CH2の各々として窒化ガリウム(GaN)からなる窒化物半導体層を用いるときは、好適には、電子供給層ES1および電子供給層ES2のそれぞれとして窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなる窒化物半導体層を用いることができる。また、チャネル層CH1およびチャネル層CH2の各々として窒化インジウムガリウム(InGaN)からなる窒化物半導体層を用いるときは、好適には、電子供給層ES1および電子供給層ES2のそれぞれとして窒化ガリウムまたは窒化アルミニウムガリウムからなる窒化物半導体層を用いることができる。   Therefore, when a nitride semiconductor layer made of gallium nitride (GaN) is used as each of the channel layer CH1 and the channel layer CH2, aluminum gallium nitride (AlGaN) is preferably used as each of the electron supply layer ES1 and the electron supply layer ES2. A nitride semiconductor layer made of can be used. Further, when a nitride semiconductor layer made of indium gallium nitride (InGaN) is used as each of the channel layer CH1 and the channel layer CH2, preferably, the electron supply layer ES1 and the electron supply layer ES2 are gallium nitride or aluminum nitride, respectively. A nitride semiconductor layer made of gallium can be used.

具体的には、電子供給層ES1および電子供給層ES2の各々として窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなる窒化物半導体層を用いるとき、電子供給層ES1および電子供給層ES2のそれぞれにおけるAlの組成比を15%、すなわちAlGaNの組成をAl0.15Ga0.85Nとすることができる。また、電子供給層ES1および電子供給層ES2のそれぞれの厚さを15nmとすることができる。 Specifically, when a nitride semiconductor layer made of aluminum gallium nitride (AlGaN) is used as each of the electron supply layer ES1 and the electron supply layer ES2, the composition ratio of Al in each of the electron supply layer ES1 and the electron supply layer ES2 is determined. 15%, that is, the composition of AlGaN can be Al 0.15 Ga 0.85 N. In addition, the thickness of each of the electron supply layer ES1 and the electron supply layer ES2 can be 15 nm.

電子供給層ES1は、チャネル層CH1上に直接接して形成されており、チャネル層CH1と電子供給層ES1との間には、界面で伝導帯が不連続に変化するヘテロ接合が形成されている。電子供給層ES2は、チャネル層CH2上に直接接して形成されており、チャネル層CH2と電子供給層ES2との間には、界面で伝導帯が不連続に変化するヘテロ接合が形成されている。電子供給層ES1および電子供給層ES2の各々は、キャリア発生領域として機能することができる。また、電子供給層ES1および電子供給層ES2の各々には、例えばシリコン(Si)などのn型不純物が導入されていてもよい。   The electron supply layer ES1 is formed in direct contact with the channel layer CH1, and a heterojunction whose conduction band changes discontinuously at the interface is formed between the channel layer CH1 and the electron supply layer ES1. . The electron supply layer ES2 is formed in direct contact with the channel layer CH2, and a heterojunction whose conduction band changes discontinuously at the interface is formed between the channel layer CH2 and the electron supply layer ES2. . Each of the electron supply layer ES1 and the electron supply layer ES2 can function as a carrier generation region. In addition, an n-type impurity such as silicon (Si) may be introduced into each of the electron supply layer ES1 and the electron supply layer ES2.

好適には、電子供給層ES2は、電子供給層ES1と同層の窒化物半導体層である。これにより、電子供給層ES1と電子供給層ES2とを同一の工程により形成することができるので、半導体装置の製造工程の工程数を削減することができる。   Preferably, the electron supply layer ES2 is a nitride semiconductor layer that is the same layer as the electron supply layer ES1. Thereby, since the electron supply layer ES1 and the electron supply layer ES2 can be formed by the same process, the number of manufacturing steps of the semiconductor device can be reduced.

電子供給層ES1上には、ソース電極SE1およびドレイン電極DE1が、互いに離れて形成されており、電子供給層ES2上には、ソース電極SE2およびドレイン電極DE2が、互いに離れて形成されている。ソース電極SE1およびドレイン電極DE1は、いずれも導電体からなり、例えばチタン(Ti)膜と、チタン膜上に形成された金(Au)膜との積層膜などの金属膜からなる。また、ソース電極SE2およびドレイン電極DE2は、いずれも導電体からなり、例えばチタン膜と、チタン膜上に形成された金膜との積層膜などの金属膜からなる。ソース電極SE1、ソース電極SE2、ドレイン電極DE1およびドレイン電極DE2の各々は、図1の紙面に略垂直な方向に延在している。ソース電極SE1およびドレイン電極DE1の各々は、電子供給層ES1とオーミック接続されており、ソース電極SE2およびドレイン電極DE2の各々は、電子供給層ES2とオーミック接続されている。   A source electrode SE1 and a drain electrode DE1 are formed apart from each other on the electron supply layer ES1, and a source electrode SE2 and a drain electrode DE2 are formed apart from each other on the electron supply layer ES2. The source electrode SE1 and the drain electrode DE1 are both made of a conductor, and are made of a metal film such as a laminated film of a titanium (Ti) film and a gold (Au) film formed on the titanium film, for example. The source electrode SE2 and the drain electrode DE2 are both made of a conductor, and are made of a metal film such as a laminated film of a titanium film and a gold film formed on the titanium film, for example. Each of the source electrode SE1, the source electrode SE2, the drain electrode DE1, and the drain electrode DE2 extends in a direction substantially perpendicular to the paper surface of FIG. Each of the source electrode SE1 and the drain electrode DE1 is ohmically connected to the electron supply layer ES1, and each of the source electrode SE2 and the drain electrode DE2 is ohmically connected to the electron supply layer ES2.

好適には、ソース電極SE2およびドレイン電極DE2の各々は、ソース電極SE1およびドレイン電極DE1のそれぞれを構成する金属膜MF1と同層の金属膜MF2からなる(後述する図8参照)。これにより、ソース電極SE1、ソース電極SE2、ドレイン電極DE1およびドレイン電極DE2を同一の工程により形成することができるので、半導体装置の製造工程の工程数を削減することができる。   Preferably, each of the source electrode SE2 and the drain electrode DE2 is composed of a metal film MF2 in the same layer as the metal film MF1 constituting each of the source electrode SE1 and the drain electrode DE1 (see FIG. 8 described later). As a result, the source electrode SE1, the source electrode SE2, the drain electrode DE1, and the drain electrode DE2 can be formed in the same process, so that the number of manufacturing steps of the semiconductor device can be reduced.

ソース電極SE1とドレイン電極DE1とで挟まれた電子供給層ES1上には、ソース電極SE1およびドレイン電極DE1のいずれからも離れてゲート電極GE1が形成されている。また、ソース電極SE2とドレイン電極DE2とで挟まれた電子供給層ES2上には、ソース電極SE2およびドレイン電極DE2のいずれからも離れてゲート電極GE2が形成されている。ゲート電極GE1およびゲート電極GE2は、いずれも導電体からなり、例えばニッケル(Ni)膜と、ニッケル膜上に形成された金(Au)膜との積層膜などの金属膜からなる。ゲート電極GE1およびゲート電極GE2の各々は、図1の紙面に略垂直な方向に延在している。   On the electron supply layer ES1 sandwiched between the source electrode SE1 and the drain electrode DE1, a gate electrode GE1 is formed apart from both the source electrode SE1 and the drain electrode DE1. Further, on the electron supply layer ES2 sandwiched between the source electrode SE2 and the drain electrode DE2, a gate electrode GE2 is formed apart from both the source electrode SE2 and the drain electrode DE2. Both the gate electrode GE1 and the gate electrode GE2 are made of a conductor, for example, a metal film such as a laminated film of a nickel (Ni) film and a gold (Au) film formed on the nickel film. Each of the gate electrode GE1 and the gate electrode GE2 extends in a direction substantially perpendicular to the paper surface of FIG.

ゲート電極GE1は、好適には、電子供給層ES1とショットキー接続されており、ゲート電極GE2は、好適には、電子供給層ES2とショットキー接続されている。これにより、ショットキー障壁を越えてゲート電極GE1と電子供給層ES1との間で電流が流れにくくなるため、トランジスタTR1におけるゲートリーク電流を低減することができる。また、ショットキー障壁を越えてゲート電極GE2と電子供給層ES2との間で電流が流れにくくなるため、トランジスタTR2におけるゲートリーク電流を低減することができる。   The gate electrode GE1 is preferably Schottky connected to the electron supply layer ES1, and the gate electrode GE2 is preferably Schottky connected to the electron supply layer ES2. This makes it difficult for current to flow between the gate electrode GE1 and the electron supply layer ES1 across the Schottky barrier, so that gate leakage current in the transistor TR1 can be reduced. In addition, since it becomes difficult for current to flow between the gate electrode GE2 and the electron supply layer ES2 across the Schottky barrier, gate leakage current in the transistor TR2 can be reduced.

なお、例えばゲート電極GE1およびゲート電極GE2の各々の耐圧を向上させるために、電子供給層ES1とゲート電極GE1との間、および、電子供給層ES2とゲート電極GE2との間に、例えば窒化ガリウム(GaN)からなるキャップ層を形成してもよい。また、ソース電極SE1およびドレイン電極DE1の各々のオーミックコンタクト性を向上させるために、ソース電極SE1およびドレイン電極DE1の各々と電子供給層ES1との間に、n型の導電性を示す半導体として、例えばn型の窒化ガリウム(GaN)からなるキャップ層を形成してもよい。さらに、ソース電極SE2およびドレイン電極DE2の各々のオーミックコンタクト性を向上させるために、ソース電極SE2およびドレイン電極DE2の各々と電子供給層ES2との間に、n型の導電性を示す半導体として、例えばn型の窒化ガリウムからなるキャップ層を形成してもよい。   For example, in order to improve the breakdown voltage of each of the gate electrode GE1 and the gate electrode GE2, for example, gallium nitride is provided between the electron supply layer ES1 and the gate electrode GE1 and between the electron supply layer ES2 and the gate electrode GE2. A cap layer made of (GaN) may be formed. Further, in order to improve the ohmic contact property of each of the source electrode SE1 and the drain electrode DE1, as a semiconductor exhibiting n-type conductivity between each of the source electrode SE1 and the drain electrode DE1 and the electron supply layer ES1, For example, a cap layer made of n-type gallium nitride (GaN) may be formed. Further, in order to improve the ohmic contact property of each of the source electrode SE2 and the drain electrode DE2, as a semiconductor exhibiting n-type conductivity between each of the source electrode SE2 and the drain electrode DE2 and the electron supply layer ES2, For example, a cap layer made of n-type gallium nitride may be formed.

本実施の形態1では、領域AR1で、チャネル層CH1のうち、ゲート電極GE1の裏面BS側に位置し、かつ、電子供給層ES1から離れた部分に、p型の半導体領域PSが形成されている。すなわち、p型の半導体領域PSは、ゲート電極GE1下のチャネル層CH1内に、電子供給層ES1の下面から離れて形成されている。これにより、電子供給層ES1上のゲート電極GE1の構造と、電子供給層ES2上のゲート電極GE2の構造とを同一にすることができるので、トランジスタTR1およびトランジスタTR2の各々の特性のばらつきを低減することができる。   In the first embodiment, in the region AR1, the p-type semiconductor region PS is formed in a portion of the channel layer CH1 located on the back surface BS side of the gate electrode GE1 and away from the electron supply layer ES1. Yes. That is, the p-type semiconductor region PS is formed in the channel layer CH1 below the gate electrode GE1 and away from the lower surface of the electron supply layer ES1. As a result, the structure of the gate electrode GE1 on the electron supply layer ES1 and the structure of the gate electrode GE2 on the electron supply layer ES2 can be made the same, thereby reducing variations in the characteristics of the transistors TR1 and TR2. can do.

前述したように、チャネル層CH1が、イントリンシック状態の窒化ガリウム(i−GaN)からなるとき、p型の半導体領域PSは、p型不純物として、例えばマグネシウム(Mg)が導入されることで、形成されている。また、p型の半導体領域PSにおけるp型の不純物濃度、すなわちマグネシウムの不純物濃度を、例えば1×1019cm−3とすることができる。 As described above, when the channel layer CH1 is made of intrinsic gallium nitride (i-GaN), the p-type semiconductor region PS is doped with, for example, magnesium (Mg) as a p-type impurity. Is formed. In addition, the p-type impurity concentration in the p-type semiconductor region PS, that is, the impurity concentration of magnesium can be set to 1 × 10 19 cm −3 , for example.

ここで、p型の半導体領域PSの上面と電子供給層ES1の下面との基板SUBの厚さ方向の距離を距離DS1とする。このとき、距離DS1、電子供給層ES1の組成、および、p型の半導体領域PSにおけるp型の不純物濃度を調整することで、半導体装置を、ノーマリオフ型のHEMTすなわち電界効果トランジスタとして動作させることができる。すなわち、チャネル層CH1のうち電子供給層ES1との界面近傍にポテンシャル井戸を形成して2次元電子ガスを形成するために、p型の半導体領域PSを電子供給層ES1と離れて形成し、p型の半導体領域PSと電子供給層ES1とを接触させないようにする。一方、チャネル層CH1における2次元電子ガスの濃度を、ノーマリオフ型のHEMTを実現するために必要な程度まで下げるために、p型の半導体領域PSを、電子供給層ES1に近づけるようにする。   Here, the distance in the thickness direction of the substrate SUB between the upper surface of the p-type semiconductor region PS and the lower surface of the electron supply layer ES1 is defined as a distance DS1. At this time, the semiconductor device can be operated as a normally-off HEMT, that is, a field effect transistor by adjusting the distance DS1, the composition of the electron supply layer ES1, and the p-type impurity concentration in the p-type semiconductor region PS. it can. That is, in order to form a potential well near the interface with the electron supply layer ES1 in the channel layer CH1 to form a two-dimensional electron gas, the p-type semiconductor region PS is formed away from the electron supply layer ES1, and p The semiconductor region PS of the mold is not brought into contact with the electron supply layer ES1. On the other hand, in order to reduce the concentration of the two-dimensional electron gas in the channel layer CH1 to a level necessary for realizing a normally-off type HEMT, the p-type semiconductor region PS is brought close to the electron supply layer ES1.

具体的な距離DS1の好適な範囲は、電子供給層ES1の組成と、p型の半導体領域PSにおけるp型の不純物濃度とに応じて決定される。例えば、窒化アルミニウムガリウムからなる電子供給層ES1の組成をAl0.15Ga0.85Nとし、p型の不純物濃度を1×1019cm−3とするとき、好適には、距離DS1を50〜200nmとすることができ、より好適には、距離DS1を100nmとすることができる。 A specific range of the specific distance DS1 is determined according to the composition of the electron supply layer ES1 and the p-type impurity concentration in the p-type semiconductor region PS. For example, when the composition of the electron supply layer ES1 made of aluminum gallium nitride is Al 0.15 Ga 0.85 N and the p-type impurity concentration is 1 × 10 19 cm −3 , the distance DS1 is preferably 50 The distance DS1 can be more preferably 100 nm.

また、p型の半導体領域PSは、平面視において、ゲート電極GE1が形成された領域内に形成されている。すなわち、p型の半導体領域PSが形成されている部分のゲート長方向の長さは、ゲート長以下である。   The p-type semiconductor region PS is formed in a region where the gate electrode GE1 is formed in plan view. That is, the length in the gate length direction of the portion where the p-type semiconductor region PS is formed is equal to or shorter than the gate length.

なお、本願明細書では、「平面視において」とは、基板SUBの表面TSに垂直な方向から見た場合を意味する。   In the specification of the present application, “in plan view” means a case of viewing from a direction perpendicular to the surface TS of the substrate SUB.

また、本願明細書では、第1半導体領域が第2領域内に形成されるとは、平面視において、第1半導体領域が第2領域の内部に位置することを意味する。しかし、第1半導体領域の一部が第2領域の外部にはみ出さなければよいので、本願明細書において、第1半導体領域が第2領域内に形成される、というとき、平面視において、第1半導体領域が第2領域と同一の領域であってもよい。したがって、例えばゲート電極GE1のゲート長を500nmとするとき、p型の半導体領域PSが形成されている部分のゲート長方向の長さを500nmとすることができる。   In the present specification, the first semiconductor region being formed in the second region means that the first semiconductor region is located inside the second region in plan view. However, since a part of the first semiconductor region does not have to protrude outside the second region, in this specification, when the first semiconductor region is formed in the second region, One semiconductor region may be the same region as the second region. Therefore, for example, when the gate length of the gate electrode GE1 is set to 500 nm, the length in the gate length direction of the portion where the p-type semiconductor region PS is formed can be set to 500 nm.

これにより、ゲート電極GE1に電圧を印加していないときに、チャネル層CH1のうち2次元電子ガスが形成されない領域が、ゲート電極GE1からソース電極SE1側およびドレイン電極DE1側にあまり広がらないようにすることができる。そのため、トランジスタTR1をノーマリオフ型のHEMTとして動作させつつ、トランジスタTR1のオン状態のときの抵抗、すなわちオン抵抗を低減することができる。   Thereby, when a voltage is not applied to the gate electrode GE1, a region where the two-dimensional electron gas is not formed in the channel layer CH1 does not extend so much from the gate electrode GE1 to the source electrode SE1 side and the drain electrode DE1 side. can do. Therefore, the resistance when the transistor TR1 is in an on state, that is, the on-resistance can be reduced while the transistor TR1 is operated as a normally-off HEMT.

好適には、トランジスタTR1は、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通してチャネル層CH1に達する開口部OP1を有する。そして、p型の半導体領域PSは、チャネル層CH1のうち、開口部OP1の底部に露出した部分に形成されている。これにより、半導体装置を製造する際に、基板SUBの裏面BS側から開口部OP1の底部に露出したチャネル層CH1に、容易にp型不純物を導入することができる。したがって、エンハンスメントモードFETとしてのトランジスタTR1のゲート電極GE1の構造を、デプレッションモードFETとしてのトランジスタTR2のゲート電極GE2の構造と同一にしつつ、トランジスタTR1を容易に製造することができる。   Preferably, the transistor TR1 has an opening OP1 that penetrates the substrate SUB from the back surface BS of the substrate SUB and reaches the channel layer CH1. The p-type semiconductor region PS is formed in a portion of the channel layer CH1 exposed at the bottom of the opening OP1. Thereby, when manufacturing the semiconductor device, the p-type impurity can be easily introduced into the channel layer CH1 exposed at the bottom of the opening OP1 from the back surface BS side of the substrate SUB. Therefore, the transistor TR1 can be easily manufactured while making the structure of the gate electrode GE1 of the transistor TR1 as the enhancement mode FET the same as the structure of the gate electrode GE2 of the transistor TR2 as the depletion mode FET.

なお、p型の半導体領域PSが形成された後の構造としては、開口部OP1は、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通してp型の半導体領域PSに達することになる。   As a structure after the p-type semiconductor region PS is formed, the opening OP1 reaches the p-type semiconductor region PS from the back surface BS of the substrate SUB through the substrate SUB.

さらに好適には、開口部OP1は、チャネル層CH1のうち、平面視において、ゲート電極GE1が形成された領域内で、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通してチャネル層CH1に達する。そして、p型の半導体領域PSは、チャネル層CH1のうち、平面視において、開口部OP1がチャネル層CH1に達する領域内に形成されている。これにより、チャネル層CH1のうち、平面視において、ゲート電極GE1が形成された領域内で、p型の半導体領域PSを形成することができる。したがって、トランジスタTR1をノーマリオフ型のHEMTとして動作させつつ、トランジスタTR1のオン抵抗を低減することができる。   More preferably, the opening OP1 penetrates the substrate SUB from the back surface BS of the substrate SUB and reaches the channel layer CH1 in the region of the channel layer CH1 where the gate electrode GE1 is formed in plan view. The p-type semiconductor region PS is formed in a region of the channel layer CH1 where the opening OP1 reaches the channel layer CH1 in plan view. Thereby, in the channel layer CH1, the p-type semiconductor region PS can be formed in the region where the gate electrode GE1 is formed in plan view. Therefore, the on-resistance of the transistor TR1 can be reduced while the transistor TR1 is operated as a normally-off HEMT.

なお、本実施の形態1では、後述する実施の形態4と異なり、p型の半導体領域PSの上部を除き、p型の半導体領域PSの幅は、p型の半導体領域PSの厚さ方向に沿って一様であるものとする。   In the first embodiment, unlike the fourth embodiment described later, the width of the p-type semiconductor region PS is in the thickness direction of the p-type semiconductor region PS except for the upper portion of the p-type semiconductor region PS. It shall be uniform along.

また、トランジスタTR1は、開口部OP1に埋め込まれた導電膜からなり、開口部OP1の底部に露出したp型の半導体領域PSと電気的に接続された導電体層CL1を有する。導電膜は、例えば開口部OP1の底面および側面に順次形成されたニッケル(Ni)膜、白金(Pt)膜および金(Au)膜からなる。これにより、トランジスタTR1で発生した熱を、裏面BS側に容易に伝達することができるので、トランジスタTR1を安定して動作させることができる。   The transistor TR1 includes a conductive layer CL1 made of a conductive film buried in the opening OP1, and electrically connected to the p-type semiconductor region PS exposed at the bottom of the opening OP1. The conductive film is made of, for example, a nickel (Ni) film, a platinum (Pt) film, and a gold (Au) film sequentially formed on the bottom surface and side surfaces of the opening OP1. Thus, the heat generated in the transistor TR1 can be easily transferred to the back surface BS side, and thus the transistor TR1 can be stably operated.

なお、図1に示すように、基板SUBの裏面BSには、金属膜BMが形成されていてもよく、導電体層CL1が、金属膜BMと一体で形成されていてもよい。このとき金属膜BMは、例えば基板SUBの裏面BSに順次形成されたニッケル(Ni)膜、白金(Pt)膜および金(Au)膜からなる。これにより、トランジスタTR1で発生した熱を、導電体層CL1を介して金属膜BMで容易に放熱することができるので、トランジスタTR1をさらに安定して動作させることができる。また、導電体層CL1および金属膜BMを、例えばソース電極SE1と等電位にすることができる。これにより、ソース電極SE1とドレイン電極DE1との間に高電圧を印加したときにp型の半導体領域PSの内部で生じた正孔、すなわちトランジスタTR1で生じた正孔を、p型の半導体領域PSの内部で蓄積することなく容易に除去することができるので、トランジスタTR1の耐圧を向上させることができる。   As shown in FIG. 1, a metal film BM may be formed on the back surface BS of the substrate SUB, and the conductor layer CL1 may be formed integrally with the metal film BM. At this time, the metal film BM includes, for example, a nickel (Ni) film, a platinum (Pt) film, and a gold (Au) film sequentially formed on the back surface BS of the substrate SUB. Thus, the heat generated in the transistor TR1 can be easily radiated from the metal film BM through the conductor layer CL1, so that the transistor TR1 can be operated more stably. In addition, the conductor layer CL1 and the metal film BM can be equipotential with the source electrode SE1, for example. As a result, when a high voltage is applied between the source electrode SE1 and the drain electrode DE1, holes generated in the p-type semiconductor region PS, that is, holes generated in the transistor TR1, are converted into p-type semiconductor regions. Since it can be easily removed without accumulating inside the PS, the breakdown voltage of the transistor TR1 can be improved.

<半導体装置の動作>
次に、本実施の形態1の半導体装置の動作について説明する。ここでは、p型の半導体領域PSを有しないトランジスタTR2がデプレッションモードFET、すなわちノーマリオン型デバイスとして動作し、p型の半導体領域PSを有するトランジスタTR1がエンハンスメントモードFET、すなわちノーマリオフ型デバイスとして動作する点について説明する。
<Operation of semiconductor device>
Next, the operation of the semiconductor device according to the first embodiment will be described. Here, the transistor TR2 not having the p-type semiconductor region PS operates as a depletion mode FET, that is, a normally-on type device, and the transistor TR1 having the p-type semiconductor region PS operates as an enhancement mode FET, that is, a normally-off type device. The point will be described.

図1に示す、HEMTとしてのトランジスタTR2においては、チャネル層CH2の電子供給層ES2との界面近傍に、2次元電子ガス2DEGが形成される。具体的には、チャネル層CH2を構成する例えば窒化ガリウム(GaN)のバンドギャップと、電子供給層ES2を構成する例えば窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)のバンドギャップとは、相違している。このため、バンドギャップの相違に基づく伝導帯オフセットの影響により、チャネル層CH2の電子供給層ES2との界面近傍に、底のエネルギーがフェルミ準位よりも低いポテンシャル井戸が形成される。その結果、ゲート電極GE2に電圧を印加していないときに、チャネル層CH2の電子供給層ES2との界面近傍に2次元電子ガス2DEGが形成され、トランジスタTR2は、ノーマリオン型デバイスとして動作する。なお、図1において、2次元電子ガス2DEGは、破線で模式的に示してある。   In the transistor TR2 as the HEMT shown in FIG. 1, a two-dimensional electron gas 2DEG is formed in the vicinity of the interface between the channel layer CH2 and the electron supply layer ES2. Specifically, the band gap of, for example, gallium nitride (GaN) that forms the channel layer CH2 is different from the band gap of, for example, aluminum gallium nitride (AlGaN) that forms the electron supply layer ES2. For this reason, a potential well whose bottom energy is lower than the Fermi level is formed in the vicinity of the interface between the channel layer CH2 and the electron supply layer ES2 due to the influence of the conduction band offset based on the difference in the band gap. As a result, when no voltage is applied to the gate electrode GE2, a two-dimensional electron gas 2DEG is formed in the vicinity of the interface between the channel layer CH2 and the electron supply layer ES2, and the transistor TR2 operates as a normally-on type device. In FIG. 1, the two-dimensional electron gas 2DEG is schematically shown by a broken line.

ここで、HEMTとしてのトランジスタTR1は、ゲート電極GE1下のチャネル層CH1内にp型の半導体領域PSを有する点を除き、トランジスタTR2と同様の構造を有する。そのため、チャネル層CH1のうちゲート電極GE1下の部分以外の部分では、チャネル層CH1の電子供給層ES1との界面近傍に、2次元電子ガス2DEGが形成される。しかし、トランジスタTR1では、ゲート電極GE1下のチャネル層CH1内に、電子供給層ES1と離れてp型の半導体領域PSが形成されることで、ゲート電極GE1下では、チャネル層CH1の伝導帯のエネルギーが上昇する。その結果、チャネル層CH1のうち電子供給層ES1との界面近傍に形成されるポテンシャル井戸のエネルギーがフェルミ準位よりも高くなり、ゲート電極GE1に電圧を印加していないときに、ゲート電極GE1下のチャネル層CH1内に、2次元電子ガス2DEGが形成されないようにすることができる。これにより、トランジスタTR1は、ノーマリオフ型デバイスとして動作する。   Here, the transistor TR1 as the HEMT has a structure similar to that of the transistor TR2 except that the p-type semiconductor region PS is provided in the channel layer CH1 under the gate electrode GE1. Therefore, the two-dimensional electron gas 2DEG is formed near the interface between the channel layer CH1 and the electron supply layer ES1 in the channel layer CH1 other than the portion under the gate electrode GE1. However, in the transistor TR1, the p-type semiconductor region PS is formed in the channel layer CH1 below the gate electrode GE1 so as to be separated from the electron supply layer ES1, so that the conduction band of the channel layer CH1 is below the gate electrode GE1. Energy rises. As a result, the energy of the potential well formed in the vicinity of the interface with the electron supply layer ES1 in the channel layer CH1 becomes higher than the Fermi level, and when no voltage is applied to the gate electrode GE1, The two-dimensional electron gas 2DEG can be prevented from being formed in the channel layer CH1. Thereby, the transistor TR1 operates as a normally-off device.

<半導体装置の製造方法>
次に、本実施の形態1の半導体装置の製造方法について説明する。図2〜図9は、実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
<Method for Manufacturing Semiconductor Device>
Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described. 2 to 9 are main-portion cross-sectional views during the manufacturing process of the semiconductor device of First Embodiment.

初めに、図2に示すように、例えば、(111)面が露出しているシリコンからなる半導体基板である基板SUB上に、例えば有機金属気相成長(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)法により、複数の半導体層を積層する。基板SUBは、表面TSおよび裏面BSを有する。   First, as shown in FIG. 2, for example, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method is performed on a substrate SUB which is a semiconductor substrate made of silicon with an exposed (111) plane. A plurality of semiconductor layers are stacked. The substrate SUB has a front surface TS and a back surface BS.

まず、基板SUBの表面TS側の領域AR1で、基板SUBの表面TS上に、アンドープの窒化ガリウム(GaN)からなるバッファ層BUF1を形成し、基板SUBの表面TS側の領域AR2で、基板SUBの表面TS上に、バッファ層BUF1と同層のバッファ層BUF2を形成する。バッファ層BUF1およびバッファ層BUF2の各々の膜厚は、例えば1μm程度とすることができる。   First, the buffer layer BUF1 made of undoped gallium nitride (GaN) is formed on the surface TS of the substrate SUB in the region AR1 on the surface TS side of the substrate SUB, and the substrate SUB is formed in the region AR2 on the surface TS side of the substrate SUB. A buffer layer BUF2 that is the same layer as the buffer layer BUF1 is formed on the surface TS. Each film thickness of the buffer layer BUF1 and the buffer layer BUF2 can be set to about 1 μm, for example.

次に、バッファ層BUF1上に、例えばアンドープの窒化ガリウム(GaN)からなる窒化物半導体層であるチャネル層CH1を、エピタキシャル成長により形成し、バッファ層BUF2上に、チャネル層CH1と同層の窒化物半導体層であるチャネル層CH2を、エピタキシャル成長により形成する。チャネル層CH1およびチャネル層CH2の各々の膜厚は、例えば1μm程度とすることができる。   Next, a channel layer CH1, which is a nitride semiconductor layer made of, for example, undoped gallium nitride (GaN), is formed on the buffer layer BUF1 by epitaxial growth, and the nitride in the same layer as the channel layer CH1 is formed on the buffer layer BUF2. A channel layer CH2 that is a semiconductor layer is formed by epitaxial growth. The film thickness of each of the channel layer CH1 and the channel layer CH2 can be set to about 1 μm, for example.

次に、チャネル層CH1上に、例えばアンドープの窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなる窒化物半導体層である電子供給層ES1を、エピタキシャル成長により形成し、チャネル層CH2上に、電子供給層ES1と同層の窒化物半導体である電子供給層ES2を、エピタキシャル成長により形成する。電子供給層ES1および電子供給層ES2の各々の膜厚は、例えば15nm程度とすることができる。   Next, an electron supply layer ES1 which is a nitride semiconductor layer made of, for example, undoped aluminum gallium nitride (AlGaN) is formed on the channel layer CH1 by epitaxial growth, and the same layer as the electron supply layer ES1 is formed on the channel layer CH2. An electron supply layer ES2 that is a nitride semiconductor is formed by epitaxial growth. The film thickness of each of the electron supply layer ES1 and the electron supply layer ES2 can be, for example, about 15 nm.

このようにして、図2に示すように、領域AR1で、基板SUB上に、バッファ層BUF1、チャネル層CH1および電子供給層ES1からなる半導体層構造が形成され、領域AR2で、基板SUB上に、バッファ層BUF2、チャネル層CH2および電子供給層ES2からなる半導体層構造が形成される。これらの半導体層構造は、[0001]結晶軸(C軸)方向に積層するIII族面成長により形成される。また、これらの半導体層構造が形成された後、領域AR1で、電子供給層ES1上に、トランジスタTR1およびp型の半導体領域PSを形成するためのマークパターンを形成し、領域AR2で、電子供給層ES2上に、トランジスタTR2を形成するためのマークパターンを形成する。   In this manner, as shown in FIG. 2, a semiconductor layer structure including the buffer layer BUF1, the channel layer CH1, and the electron supply layer ES1 is formed on the substrate SUB in the region AR1, and on the substrate SUB in the region AR2. A semiconductor layer structure including the buffer layer BUF2, the channel layer CH2, and the electron supply layer ES2 is formed. These semiconductor layer structures are formed by group III plane growth stacked in the [0001] crystal axis (C axis) direction. After these semiconductor layer structures are formed, a mark pattern for forming the transistor TR1 and the p-type semiconductor region PS is formed on the electron supply layer ES1 in the region AR1, and the electron supply is performed in the region AR2. A mark pattern for forming the transistor TR2 is formed on the layer ES2.

なお、チャネル層CH1の電子供給層ES1との界面近傍に、2次元電子ガス2DEGが形成され、チャネル層CH2の電子供給層ES2との界面近傍に、2次元電子ガス2DEGが形成される。   Note that a two-dimensional electron gas 2DEG is formed near the interface between the channel layer CH1 and the electron supply layer ES1, and a two-dimensional electron gas 2DEG is formed near the interface between the channel layer CH2 and the electron supply layer ES2.

次に、図3および図4に示すように、領域AR1で、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通してチャネル層CH1に達する開口部OP1を形成する。   Next, as shown in FIGS. 3 and 4, in the area AR1, an opening OP1 that penetrates the substrate SUB from the back surface BS of the substrate SUB and reaches the channel layer CH1 is formed.

まず、領域AR1および領域AR2で、基板SUBの裏面BS側を研削し、基板SUBを、例えば150μm程度に薄化する。次に、領域AR1および領域AR2で、基板SUBの裏面BSにフォトレジストを塗布してレジスト膜(図示は省略)を形成した後、パターン露光を行い、現像することで、領域AR1で、レジスト膜を貫通して基板SUBの裏面BSに達する開口部を形成する。そして、例えば六フッ化硫黄(SF)ガスをエッチングガスとして用いたドライエッチングにより、図3に示すように、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通してバッファ層BUF1に達する開口部OP11を形成し、レジスト膜を除去する。 First, in the area AR1 and the area AR2, the back surface BS side of the substrate SUB is ground, and the substrate SUB is thinned to about 150 μm, for example. Next, after applying photoresist on the back surface BS of the substrate SUB to form a resist film (not shown) in the areas AR1 and AR2, pattern exposure is performed and development is performed, whereby the resist film is formed in the area AR1. An opening reaching the back surface BS of the substrate SUB is formed. Then, for example, by dry etching using sulfur hexafluoride (SF 6 ) gas as an etching gas, as shown in FIG. 3, the opening OP11 that penetrates the substrate SUB from the back surface BS of the substrate SUB and reaches the buffer layer BUF1 is formed. Then, the resist film is removed.

次に、再び基板SUBの裏面BSにフォトレジストを塗布して、領域AR1でレジスト膜RR1を形成し、領域AR2でレジスト膜RR2を形成する。次に、p型の半導体領域PS(後述する図5参照)を形成する領域に、例えばp型の半導体領域PSを形成するためのマークパターンを用いて両面露光機によりパターン露光を行い、現像することで、レジスト膜RR1を貫通してバッファ層BUF1に達する開口部OP13を形成する。そして、例えば三塩化ホウ素(BCl)ガスをエッチングガスとして用いたドライエッチングにより、図4に示すように、レジスト膜RR1に形成された開口部OP13の底部に露出したバッファ層BUF1を貫通してチャネル層CH1に達する開口部OP12を形成する。これにより、基板SUBの裏面BSに形成された開口部OP11と、開口部OP11の底部に形成された開口部OP12とからなる開口部OP1が形成される。 Next, a photoresist is applied again to the back surface BS of the substrate SUB, a resist film RR1 is formed in the region AR1, and a resist film RR2 is formed in the region AR2. Next, pattern exposure is performed with a double-side exposure machine using a mark pattern for forming the p-type semiconductor region PS, for example, in a region where the p-type semiconductor region PS (see FIG. 5 described later) is to be developed. Thus, an opening OP13 that penetrates the resist film RR1 and reaches the buffer layer BUF1 is formed. Then, for example, by dry etching using boron trichloride (BCl 3 ) gas as an etching gas, as shown in FIG. 4, the buffer layer BUF1 exposed at the bottom of the opening OP13 formed in the resist film RR1 is penetrated. An opening OP12 reaching the channel layer CH1 is formed. Thereby, an opening OP1 including the opening OP11 formed in the back surface BS of the substrate SUB and the opening OP12 formed in the bottom of the opening OP11 is formed.

好適には、開口部OP13および開口部OP12は、平面視において、ゲート電極GE1(図1参照)が形成される領域内に形成されている。これにより、p型の半導体領域PS(後述する図5参照)を、平面視において、ゲート電極GE1(図1参照)が形成される領域内に形成することができる。   Preferably, the opening OP13 and the opening OP12 are formed in a region where the gate electrode GE1 (see FIG. 1) is formed in plan view. Thereby, the p-type semiconductor region PS (see FIG. 5 described later) can be formed in a region where the gate electrode GE1 (see FIG. 1) is formed in a plan view.

なお、図4に示す例では、開口部OP11の開口幅WT1は、開口部OP12の開口幅WT2よりも大きくなっている。しかし、開口部OP11の開口幅WT1は、開口部OP12の開口幅WT2よりも大きくなくてもよく、開口部OP11の開口幅WT1は、開口部OP12の開口幅WT2と等しくてもよい。   In the example shown in FIG. 4, the opening width WT1 of the opening OP11 is larger than the opening width WT2 of the opening OP12. However, the opening width WT1 of the opening OP11 may not be larger than the opening width WT2 of the opening OP12, and the opening width WT1 of the opening OP11 may be equal to the opening width WT2 of the opening OP12.

次に、図5に示すように、p型の半導体領域PSを形成する。例えばイオン注入法により、チャネル層CH1のうち開口部OP1の底部に露出した部分にp型不純物を導入することで、p型の半導体領域PSを形成する。   Next, as shown in FIG. 5, a p-type semiconductor region PS is formed. For example, a p-type semiconductor region PS is formed by introducing a p-type impurity into a portion of the channel layer CH1 exposed at the bottom of the opening OP1 by ion implantation.

具体的には、パターニングされたレジスト膜RR1(図4参照)をマスクとしたイオン注入を行って、チャネル層CH1のうち開口部OP1の底部に露出した部分に基板SUBの裏面BS側から例えばマグネシウム(Mg)などのp型不純物を注入する。注入されるイオンのエネルギーを調整することで、例えばチャネル層CH1のうち電子供給層ES1から基板SUBの厚さ方向に距離DS1だけ離れた位置まで、p型不純物としてのイオンを注入することができる。また、前述したように、距離DS1を、例えば100nmとすることができる。その後、レジスト膜RR1(図4参照)およびレジスト膜RR2(図4参照)を除去し、例えば850℃程度の温度で20分程度の時間の間、熱処理を行って、注入されたp型不純物を活性化させることで、p型の半導体領域PSを形成することができる。   Specifically, ion implantation is performed using the patterned resist film RR1 (see FIG. 4) as a mask, and a portion of the channel layer CH1 exposed at the bottom of the opening OP1 is exposed to, for example, magnesium from the back surface BS side of the substrate SUB. A p-type impurity such as (Mg) is implanted. By adjusting the energy of the implanted ions, for example, ions as p-type impurities can be implanted to a position separated from the electron supply layer ES1 by the distance DS1 in the thickness direction of the substrate SUB in the channel layer CH1. . Further, as described above, the distance DS1 can be set to 100 nm, for example. Thereafter, the resist film RR1 (see FIG. 4) and the resist film RR2 (see FIG. 4) are removed, and heat treatment is performed at a temperature of about 850 ° C. for about 20 minutes, for example, to remove the implanted p-type impurity. By activating, the p-type semiconductor region PS can be formed.

これにより、チャネル層CH1のうちp型の半導体領域PS上の部分では、チャネル層CH1の電子供給層ES1との界面近傍に形成されていた2次元電子ガス2DEGの濃度が減少するか、または、0になる。   This reduces the concentration of the two-dimensional electron gas 2DEG formed in the vicinity of the interface between the channel layer CH1 and the electron supply layer ES1 in the channel layer CH1 on the p-type semiconductor region PS, or 0.

あるいは、イオン注入法に代え、例えば酸化マグネシウム(MgO)などの金属酸化物を、開口部OP1の底部に露出したチャネル層CH1の表面に形成し、熱処理することでチャネル層CH1の内部にマグネシウムを拡散させる拡散法を用いることもできる。   Alternatively, instead of the ion implantation method, for example, a metal oxide such as magnesium oxide (MgO) is formed on the surface of the channel layer CH1 exposed at the bottom of the opening OP1, and heat treatment is performed to form magnesium in the channel layer CH1. A diffusion method for diffusing can also be used.

なお、p型の半導体領域PSが形成された後の構造としては、開口部OP1は、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通してp型の半導体領域PSに達することになる。   As a structure after the p-type semiconductor region PS is formed, the opening OP1 reaches the p-type semiconductor region PS from the back surface BS of the substrate SUB through the substrate SUB.

次に、図6に示すように、領域AR1で、開口部OP1に埋め込まれた導電体層CL1を形成し、領域AR1および領域AR2で、基板SUBの裏面BSに金属膜BMを形成する。具体的には、開口部OP1の内部に、ニッケル(Ni)膜、白金(Pt)膜および金(Au)膜を順次形成することで、開口部OP1に埋め込まれた導電体層CL1を形成する。また、領域AR1および領域AR2で、基板SUBの裏面BSに、ニッケル膜、白金膜および金膜を順次形成することで、金属膜BMを形成する。   Next, as shown in FIG. 6, the conductor layer CL1 embedded in the opening OP1 is formed in the region AR1, and the metal film BM is formed on the back surface BS of the substrate SUB in the regions AR1 and AR2. Specifically, a nickel (Ni) film, a platinum (Pt) film, and a gold (Au) film are sequentially formed inside the opening OP1, thereby forming the conductor layer CL1 embedded in the opening OP1. . In the region AR1 and the region AR2, a metal film BM is formed by sequentially forming a nickel film, a platinum film, and a gold film on the back surface BS of the substrate SUB.

次に、図7〜図9および図1に示すように、領域AR1で、ソース電極SE1、ドレイン電極DE1およびゲート電極GE1を形成し、領域AR2で、ソース電極SE2、ドレイン電極DE2およびゲート電極GE2を形成する。   Next, as shown in FIGS. 7 to 9 and FIG. 1, the source electrode SE1, the drain electrode DE1, and the gate electrode GE1 are formed in the region AR1, and the source electrode SE2, the drain electrode DE2, and the gate electrode GE2 are formed in the region AR2. Form.

まず、図7に示すように、領域AR1で、電子供給層ES1上にレジスト膜FR1を形成し、領域AR2で、電子供給層ES2上にレジスト膜FR1と同層のレジスト膜FR2を形成する。そして、レジスト膜FR1およびレジスト膜FR2に対して露光・現像処理を施すことにより、レジスト膜FR1およびレジスト膜FR2をパターニングする。レジスト膜FR1のパターニングは、ソース電極SE1およびドレイン電極DE1が形成される領域が露出されるように行われ、レジスト膜FR2のパターニングは、ソース電極SE2およびドレイン電極DE2が形成される領域が露出されるように行われる。   First, as shown in FIG. 7, a resist film FR1 is formed on the electron supply layer ES1 in the region AR1, and a resist film FR2 that is the same layer as the resist film FR1 is formed on the electron supply layer ES2 in the region AR2. Then, the resist film FR1 and the resist film FR2 are patterned by performing exposure / development processing on the resist film FR1 and the resist film FR2. The patterning of the resist film FR1 is performed so that the region where the source electrode SE1 and the drain electrode DE1 are formed is exposed, and the patterning of the resist film FR2 is performed so that the region where the source electrode SE2 and the drain electrode DE2 are formed is exposed. To be done.

次に、パターニングされたレジスト膜FR1上に、金属膜MF1を形成し、パターニングされたレジスト膜FR2上に、金属膜MF1と同層の金属膜MF2を形成する。これにより、領域AR1では、ソース電極SE1およびドレイン電極DE1が形成される領域において、電子供給層ES1上に、直接、金属膜MF1が形成され、領域AR1のうちその他の領域では、レジスト膜FR1上に金属膜MF1が形成される。また、領域AR2では、ソース電極SE2およびドレイン電極DE2が形成される領域において、電子供給層ES2上に、直接、金属膜MF2が形成され、領域AR2のうちその他の領域では、レジスト膜FR2上に金属膜MF2が形成される。   Next, a metal film MF1 is formed on the patterned resist film FR1, and a metal film MF2 in the same layer as the metal film MF1 is formed on the patterned resist film FR2. Thereby, in the region AR1, the metal film MF1 is formed directly on the electron supply layer ES1 in the region where the source electrode SE1 and the drain electrode DE1 are formed. In other regions of the region AR1, the metal film MF1 is formed on the resist film FR1. A metal film MF1 is formed. In the region AR2, the metal film MF2 is formed directly on the electron supply layer ES2 in the region where the source electrode SE2 and the drain electrode DE2 are formed. In other regions of the region AR2, the metal film MF2 is formed on the resist film FR2. A metal film MF2 is formed.

金属膜MF1および金属膜MF2は、例えば、チタン(Ti)膜と、チタン膜上に形成されたアルミニウム(Al)膜と、アルミニウム膜上に形成されたニッケル(Ni)膜と、ニッケル膜上に形成された金(Au)膜から構成される。このような構成からなる金属膜を、Ti/Al/Ni/Auと表記するものとする。金属膜MF1および金属膜MF2は、例えば、蒸着法により形成することができる。   The metal film MF1 and the metal film MF2 are, for example, a titanium (Ti) film, an aluminum (Al) film formed on the titanium film, a nickel (Ni) film formed on the aluminum film, and a nickel film. It is composed of the formed gold (Au) film. The metal film having such a configuration is expressed as Ti / Al / Ni / Au. The metal film MF1 and the metal film MF2 can be formed by a vapor deposition method, for example.

次に、図8に示すように、領域AR1で、レジスト膜FR1をリフトオフし、領域AR2で、レジスト膜FR2をリフトオフする。すると、領域AR1では、レジスト膜FR1と、レジスト膜FR1上に形成されている金属膜MF1が除去され、電子供給層ES1上に直接接触するように形成されている金属膜MF1だけが残存する。また、領域AR2では、レジスト膜FR2と、レジスト膜FR2上に形成されている金属膜MF2が除去され、電子供給層ES2上に直接接触するように形成されている金属膜MF2だけが残存する。   Next, as shown in FIG. 8, the resist film FR1 is lifted off in the area AR1, and the resist film FR2 is lifted off in the area AR2. Then, in the region AR1, the resist film FR1 and the metal film MF1 formed on the resist film FR1 are removed, and only the metal film MF1 formed so as to be in direct contact with the electron supply layer ES1 remains. In the region AR2, the resist film FR2 and the metal film MF2 formed over the resist film FR2 are removed, and only the metal film MF2 formed so as to be in direct contact with the electron supply layer ES2 remains.

これにより、領域AR1では、電子供給層ES1と直接接触する金属膜MF1からなるソース電極SE1およびドレイン電極DE1を形成することができ、領域AR2では、電子供給層ES2と直接接触する金属膜MF2からなるソース電極SE2およびドレイン電極DE2を形成することができる。領域AR1では、ソース電極SE1とドレイン電極DE1とは、互いに離れて配置され、領域AR2では、ソース電極SE2とドレイン電極DE2とは、互いに離れて配置される。その後、基板SUBに対して、熱処理を施すことにより、ソース電極SE1およびドレイン電極DE1の各々と、チャネル層CH1とをオーミック接触させ、ソース電極SE2およびドレイン電極DE2の各々と、チャネル層CH2とをオーミック接触させる。   Thereby, in the region AR1, the source electrode SE1 and the drain electrode DE1 made of the metal film MF1 in direct contact with the electron supply layer ES1 can be formed, and in the region AR2, from the metal film MF2 in direct contact with the electron supply layer ES2. Thus, the source electrode SE2 and the drain electrode DE2 can be formed. In the region AR1, the source electrode SE1 and the drain electrode DE1 are arranged apart from each other, and in the region AR2, the source electrode SE2 and the drain electrode DE2 are arranged apart from each other. Thereafter, the substrate SUB is subjected to a heat treatment so that each of the source electrode SE1 and the drain electrode DE1 is in ohmic contact with the channel layer CH1, and each of the source electrode SE2 and the drain electrode DE2 is connected to the channel layer CH2. Make ohmic contact.

次に、図9に示すように、領域AR1で、ソース電極SE1およびドレイン電極DE1の表面を含めて電子供給層ES1上に、レジスト膜FR3を形成し、領域AR2で、ソース電極SE2およびドレイン電極DE2の表面を含めて電子供給層ES2上に、レジスト膜FR3と同層のレジスト膜FR4を形成する。そして、レジスト膜FR3およびレジスト膜FR4に対して露光・現像処理を施すことにより、レジスト膜FR3およびレジスト膜FR4をパターニングする。レジスト膜FR3のパターニングは、ゲート電極GE1が形成される領域が露出されるように行われ、レジスト膜FR4のパターニングは、ゲート電極GE2が形成される領域が露出されるように行われる。   Next, as shown in FIG. 9, a resist film FR3 is formed on the electron supply layer ES1 including the surfaces of the source electrode SE1 and the drain electrode DE1 in the region AR1, and the source electrode SE2 and the drain electrode in the region AR2. A resist film FR4 that is the same layer as the resist film FR3 is formed on the electron supply layer ES2 including the surface of DE2. Then, the resist film FR3 and the resist film FR4 are patterned by subjecting the resist film FR3 and the resist film FR4 to exposure / development processing. The patterning of the resist film FR3 is performed so that the region where the gate electrode GE1 is formed is exposed, and the patterning of the resist film FR4 is performed so that the region where the gate electrode GE2 is formed is exposed.

次に、パターニングされたレジスト膜FR3上に、金属膜MF3を形成し、パターニングされたレジスト膜FR4上に、金属膜MF3と同層の金属膜MF4を形成する。これにより、領域AR1では、ゲート電極GE1が形成される領域において、電子供給層ES1上に、直接、金属膜MF3が形成され、領域AR1のうちその他の領域では、レジスト膜FR3上に金属膜MF3が形成される。また、領域AR2では、ゲート電極GE2が形成される領域において、電子供給層ES2上に、直接、金属膜MF4が形成され、領域AR2のうちその他の領域では、レジスト膜FR4上に金属膜MF4が形成される。   Next, a metal film MF3 is formed on the patterned resist film FR3, and a metal film MF4 in the same layer as the metal film MF3 is formed on the patterned resist film FR4. Thereby, in the region AR1, the metal film MF3 is formed directly on the electron supply layer ES1 in the region where the gate electrode GE1 is formed, and in other regions of the region AR1, the metal film MF3 is formed on the resist film FR3. Is formed. In the region AR2, the metal film MF4 is formed directly on the electron supply layer ES2 in the region where the gate electrode GE2 is formed. In other regions of the region AR2, the metal film MF4 is formed on the resist film FR4. It is formed.

金属膜MF3および金属膜MF4は、例えば、ニッケル(Ni)膜と、ニッケル膜上に形成された金(Au)膜から構成される。このような構成からなる金属膜を、Ni/Auと表記するものとする。金属膜MF3および金属膜MF4は、例えば、蒸着法により形成することができる。   The metal film MF3 and the metal film MF4 are composed of, for example, a nickel (Ni) film and a gold (Au) film formed on the nickel film. The metal film having such a configuration is represented as Ni / Au. The metal film MF3 and the metal film MF4 can be formed by, for example, a vapor deposition method.

その後、領域AR1で、レジスト膜FR3をリフトオフし、領域AR2で、レジスト膜FR4をリフトオフする。すると、領域AR1では、レジスト膜FR3と、レジスト膜FR3上に形成されている金属膜MF3が除去され、電子供給層ES1上に直接接触するように形成されている金属膜MF3だけが残存する。また、領域AR2では、レジスト膜FR4と、レジスト膜FR4上に形成されている金属膜MF4が除去され、電子供給層ES2上に直接接触するように形成されている金属膜MF4だけが残存する。   Thereafter, the resist film FR3 is lifted off in the region AR1, and the resist film FR4 is lifted off in the region AR2. Then, in the region AR1, the resist film FR3 and the metal film MF3 formed on the resist film FR3 are removed, and only the metal film MF3 formed so as to be in direct contact with the electron supply layer ES1 remains. In the region AR2, the resist film FR4 and the metal film MF4 formed on the resist film FR4 are removed, and only the metal film MF4 formed so as to be in direct contact with the electron supply layer ES2 remains.

これにより、領域AR1では、電子供給層ES1と直接接触する金属膜MF3からなるゲート電極GE1(図1参照)を形成することができ、領域AR2では、電子供給層ES2と直接接触する金属膜MF4からなるゲート電極GE2(図1参照)を形成することができる。領域AR1では、ゲート電極GE1は、ソース電極SE1およびドレイン電極DE1とで挟まれた電子供給層ES1上に、ソース電極SE1およびドレイン電極DE1のいずれからも離れて配置される。領域AR2では、ゲート電極GE2は、ソース電極SE2およびドレイン電極DE2とで挟まれた電子供給層ES2上に、ソース電極SE2およびドレイン電極DE2のいずれからも離れて配置される。また、好適には、ゲート電極GE1が形成される領域内にp型の半導体領域PSが配置されるように、ゲート電極GE1を形成する。   As a result, the gate electrode GE1 (see FIG. 1) made of the metal film MF3 that is in direct contact with the electron supply layer ES1 can be formed in the region AR1, and the metal film MF4 that is in direct contact with the electron supply layer ES2 in the region AR2. A gate electrode GE2 (see FIG. 1) can be formed. In the region AR1, the gate electrode GE1 is disposed on the electron supply layer ES1 sandwiched between the source electrode SE1 and the drain electrode DE1, apart from both the source electrode SE1 and the drain electrode DE1. In the region AR2, the gate electrode GE2 is disposed on the electron supply layer ES2 sandwiched between the source electrode SE2 and the drain electrode DE2, apart from both the source electrode SE2 and the drain electrode DE2. Preferably, the gate electrode GE1 is formed so that the p-type semiconductor region PS is disposed in the region where the gate electrode GE1 is formed.

その後、図示は省略するが、デバイス間の素子分離を図るため、窒素(N)などのイオン注入法により、素子分離領域を形成する。以上のようにして、図1に示すように、領域AR1で、トランジスタTR1を製造し、領域AR2で、トランジスタTR2を製造することができる。   Thereafter, although illustration is omitted, an element isolation region is formed by ion implantation of nitrogen (N) or the like in order to achieve element isolation between devices. As described above, as shown in FIG. 1, the transistor TR1 can be manufactured in the region AR1, and the transistor TR2 can be manufactured in the region AR2.

<ゲート電極周辺の構造を変えたE/D構成について>
図10は、比較例1の半導体装置の要部断面図である。
<E / D configuration with a different structure around the gate electrode>
FIG. 10 is a cross-sectional view of main parts of the semiconductor device of Comparative Example 1.

図10に示すように、比較例1の半導体装置も、実施の形態1の半導体装置と同様に、電界効果トランジスタとしてのHEMTであるトランジスタTR101およびトランジスタTR102を備えている。トランジスタTR101は、エンハンスメントモードFET、すなわちノーマリオフ型の電界効果トランジスタであり、トランジスタTR102は、デプレッションモードFET、すなわちノーマリオン型の電界効果トランジスタである。   As shown in FIG. 10, the semiconductor device of Comparative Example 1 also includes a transistor TR101 and a transistor TR102, which are HEMTs as field effect transistors, like the semiconductor device of the first embodiment. The transistor TR101 is an enhancement mode FET, that is, a normally-off type field effect transistor, and the transistor TR102 is a depletion mode FET, that is, a normally-on type field effect transistor.

トランジスタTR101は、実施の形態1のトランジスタTR1と同様に、領域AR1で、基板SUB上に形成されたバッファ層BUF1と、バッファ層BUF1上に形成された窒化物半導体層からなるチャネル層CH1と、チャネル層CH1上に形成された窒化物半導体層からなる電子供給層ES1とを有する。   Similarly to the transistor TR1 of the first embodiment, the transistor TR101 includes a buffer layer BUF1 formed over the substrate SUB and a channel layer CH1 made of a nitride semiconductor layer formed over the buffer layer BUF1 in the region AR1, And an electron supply layer ES1 made of a nitride semiconductor layer formed on the channel layer CH1.

一方、トランジスタTR101は、実施の形態1のトランジスタTR1と異なり、p型の半導体領域PS(図1参照)を有しておらず、電子供給層ES1上に形成された窒化物半導体層からなるキャップ層CP101を有する。そのため、ソース電極SE1、ドレイン電極DE1およびゲート電極GE1は、キャップ層CP101上に形成されている。   On the other hand, unlike the transistor TR1 of the first embodiment, the transistor TR101 does not have the p-type semiconductor region PS (see FIG. 1) and is a cap formed of a nitride semiconductor layer formed on the electron supply layer ES1. The layer CP101 is included. Therefore, the source electrode SE1, the drain electrode DE1, and the gate electrode GE1 are formed on the cap layer CP101.

トランジスタTR102は、実施の形態1のトランジスタTR2と同様に、領域AR2で、基板SUB上に形成されたバッファ層BUF2と、バッファ層BUF2上に形成された窒化物半導体層からなるチャネル層CH2と、チャネル層CH2上に形成された窒化物半導体層からなる電子供給層ES2とを有する。   Similarly to the transistor TR2 in the first embodiment, the transistor TR102 includes a buffer layer BUF2 formed over the substrate SUB and a channel layer CH2 made of a nitride semiconductor layer formed over the buffer layer BUF2 in the region AR2. And an electron supply layer ES2 made of a nitride semiconductor layer formed on the channel layer CH2.

一方、トランジスタTR102は、実施の形態1のトランジスタTR2と異なり、電子供給層ES2上に形成された窒化物半導体層からなるキャップ層CP102と、キャップ層102上に形成されたゲート絶縁膜GI102とを有する。また、ソース電極SE2およびドレイン電極DE2は、キャップ層CP102上に形成されており、ゲート電極GE2は、キャップ層CP102上にゲート絶縁膜GI102を介して形成されている。   On the other hand, unlike the transistor TR2 in the first embodiment, the transistor TR102 includes a cap layer CP102 made of a nitride semiconductor layer formed on the electron supply layer ES2, and a gate insulating film GI102 formed on the cap layer 102. Have. The source electrode SE2 and the drain electrode DE2 are formed on the cap layer CP102, and the gate electrode GE2 is formed on the cap layer CP102 via the gate insulating film GI102.

トランジスタTR101では、電子供給層ES1とゲート電極GE1との間にキャップ層CP101を形成し、チャネル層CH1のうち電子供給層ES1との界面近傍に形成される2次元電子ガスの濃度を減少させる。これにより、トランジスタTR101をエンハンスメントモードFETとして動作させる。   In the transistor TR101, the cap layer CP101 is formed between the electron supply layer ES1 and the gate electrode GE1, and the concentration of the two-dimensional electron gas formed in the vicinity of the interface with the electron supply layer ES1 in the channel layer CH1 is reduced. As a result, the transistor TR101 is operated as an enhancement mode FET.

また、トランジスタTR102では、トランジスタTR101と同様に、電子供給層ES2とゲート電極GE2との間にキャップ層CP102を形成し、チャネル層CH2のうち電子供給層ES2との界面近傍に形成される2次元電子ガスの濃度を減少させる。しかし、トランジスタTR102では、トランジスタTR101と異なり、キャップ層CP102とゲート電極GE2との間にゲート絶縁膜GI102が形成されているため、チャネルを変調するためには、ゲート電極GE1よりも高いゲート電圧が必要になる。これにより、トランジスタTR102をデプレッションモードFETとして動作させる。   In the transistor TR102, similarly to the transistor TR101, a cap layer CP102 is formed between the electron supply layer ES2 and the gate electrode GE2, and the two-dimensional structure is formed in the vicinity of the interface with the electron supply layer ES2 in the channel layer CH2. Reduce the concentration of electron gas. However, in the transistor TR102, unlike the transistor TR101, since the gate insulating film GI102 is formed between the cap layer CP102 and the gate electrode GE2, a gate voltage higher than that of the gate electrode GE1 is required to modulate the channel. I need it. As a result, the transistor TR102 is operated as a depletion mode FET.

図11は、比較例2の半導体装置の要部断面図である。   FIG. 11 is a cross-sectional view of a principal part of the semiconductor device of Comparative Example 2.

図11に示すように、比較例2の半導体装置も、実施の形態1の半導体装置と同様に、電界効果トランジスタとしてのHEMTであるトランジスタTR201およびトランジスタTR202を備えている。トランジスタTR201は、エンハンスメントモードFET、すなわちノーマリオフ型の電界効果トランジスタであり、トランジスタTR202は、デプレッションモードFET、すなわちノーマリオン型の電界効果トランジスタである。   As shown in FIG. 11, the semiconductor device of Comparative Example 2 also includes a transistor TR201 and a transistor TR202, which are HEMTs as field effect transistors, similarly to the semiconductor device of the first embodiment. The transistor TR201 is an enhancement mode FET, that is, a normally-off type field effect transistor, and the transistor TR202 is a depletion mode FET, that is, a normally-on type field effect transistor.

トランジスタTR201は、実施の形態1のトランジスタTR1と異なり、p型の半導体領域PS(図1参照)を有していない。トランジスタTR201は、領域AR1で、基板SUB上に形成されたバッファ層BUF1と、バッファ層BUF1上に形成されたイントリンシック状態の窒化物半導体層NI201と、窒化物半導体層NI201上に形成されたチャネル層CH201とを有する。また、トランジスタTR201は、チャネル層CH201上に形成され、高いn型不純物濃度を有する窒化物半導体層NN201を有する。   Unlike the transistor TR1 of the first embodiment, the transistor TR201 does not have the p-type semiconductor region PS (see FIG. 1). In the region AR1, the transistor TR201 includes a buffer layer BUF1 formed over the substrate SUB, an intrinsic nitride semiconductor layer NI201 formed over the buffer layer BUF1, and a channel formed over the nitride semiconductor layer NI201. Layer CH201. The transistor TR201 includes a nitride semiconductor layer NN201 formed on the channel layer CH201 and having a high n-type impurity concentration.

トランジスタTR201では、ソース電極SE1およびドレイン電極DE1は、窒化物半導体層NN201上に形成されている。ソース電極SE1とドレイン電極DE1との間の窒化物半導体層NN201には、窒化物半導体層NN201を貫通してチャネル層CH201に達する開口部OP201が形成されている。そして、ゲート電極GE1は、開口部OP201の底面に露出したチャネル層CH201上に形成されている。   In the transistor TR201, the source electrode SE1 and the drain electrode DE1 are formed on the nitride semiconductor layer NN201. In the nitride semiconductor layer NN201 between the source electrode SE1 and the drain electrode DE1, an opening OP201 that penetrates the nitride semiconductor layer NN201 and reaches the channel layer CH201 is formed. The gate electrode GE1 is formed on the channel layer CH201 exposed at the bottom surface of the opening OP201.

トランジスタTR202は、領域AR2で、基板SUB上に形成されたバッファ層BUF2と、バッファ層BUF2上に形成されたイントリンシック状態の窒化物半導体層NI202と、窒化物半導体層NI202上に形成されたチャネル層CH202とを有する。また、トランジスタTR202は、チャネル層CH202上に形成され、高いn型不純物濃度を有する窒化物半導体層NN202を有する。   In the region AR2, the transistor TR202 includes a buffer layer BUF2 formed over the substrate SUB, an intrinsic nitride semiconductor layer NI202 formed over the buffer layer BUF2, and a channel formed over the nitride semiconductor layer NI202. Layer CH202. The transistor TR202 includes a nitride semiconductor layer NN202 that is formed on the channel layer CH202 and has a high n-type impurity concentration.

トランジスタTR202では、ソース電極SE2およびドレイン電極DE2は、窒化物半導体層NN202上に形成されている。ソース電極SE2とドレイン電極DE2との間の窒化物半導体層NN202には、窒化物半導体層NN202を貫通してチャネル層CH202に達する開口部OP202が形成されている。そして、ゲート電極GE2は、開口部OP202の底面に露出したチャネル層CH202上に形成されている。   In the transistor TR202, the source electrode SE2 and the drain electrode DE2 are formed on the nitride semiconductor layer NN202. In the nitride semiconductor layer NN202 between the source electrode SE2 and the drain electrode DE2, an opening OP202 that penetrates the nitride semiconductor layer NN202 and reaches the channel layer CH202 is formed. The gate electrode GE2 is formed on the channel layer CH202 exposed at the bottom surface of the opening OP202.

比較例2では、開口部OP202の底面の深さ位置が開口部OP201の底面の深さ位置よりも上方になるようにし、ゲート電極GE2の下のチャネル層CH202の厚さが、ゲート電極GE1の下のチャネル層CH201の厚さよりも大きくなるようにしている。これにより、トランジスタTR201をエンハンスメントモードFETとして動作させ、トランジスタTR202をデプレッションモードFETとして動作させる。   In Comparative Example 2, the depth position of the bottom surface of the opening OP202 is set higher than the depth position of the bottom surface of the opening OP201, and the thickness of the channel layer CH202 below the gate electrode GE2 is equal to that of the gate electrode GE1. It is made larger than the thickness of the lower channel layer CH201. Thereby, the transistor TR201 is operated as an enhancement mode FET, and the transistor TR202 is operated as a depletion mode FET.

図12は、比較例3の半導体装置の要部断面図である。   FIG. 12 is a cross-sectional view of a principal part of the semiconductor device of Comparative Example 3.

図12に示すように、比較例3の半導体装置も、実施の形態1の半導体装置と同様に、電界効果トランジスタとしてのHEMTであるトランジスタTR301およびトランジスタTR302を備えている。トランジスタTR301は、エンハンスメントモードFET、すなわちノーマリオフ型の電界効果トランジスタであり、トランジスタTR302は、デプレッションモードFET、すなわちノーマリオン型の電界効果トランジスタである。   As shown in FIG. 12, the semiconductor device of Comparative Example 3 also includes a transistor TR301 and a transistor TR302, which are HEMTs as field effect transistors, like the semiconductor device of the first embodiment. The transistor TR301 is an enhancement mode FET, that is, a normally-off type field effect transistor, and the transistor TR302 is a depletion mode FET, that is, a normally-on type field effect transistor.

トランジスタTR301は、実施の形態1のトランジスタTR1と同様に、領域AR1で、基板SUB上に形成されたバッファ層BUF1と、バッファ層BUF1上に形成された窒化物半導体層からなるチャネル層CH1とを有する。   Similarly to the transistor TR1 of the first embodiment, the transistor TR301 includes a buffer layer BUF1 formed over the substrate SUB and a channel layer CH1 made of a nitride semiconductor layer formed over the buffer layer BUF1 in the region AR1. Have.

一方、トランジスタTR301は、実施の形態1のトランジスタTR1と異なり、p型の半導体領域PS(図1参照)を有しておらず、チャネル層CH1上に形成され、電子供給層としての障壁層BR310を有する。障壁層BR310は、チャネル層CH1上に形成された障壁層BR311と、障壁層BR311上に形成された障壁層BR312とを含む。障壁層BR312には、障壁層BR312を貫通して障壁層BR311に達する開口部OP311が形成されており、開口部OP311の内部を埋めるように、p型の窒化物半導体層NP301が形成されている。窒化物半導体層CP301の表面を含めて窒化物半導体層NP301上には、絶縁膜IF301が形成されている。絶縁膜IF301には、絶縁膜IF301を貫通してp型の窒化物半導体層NP301に達する開口部OP312が形成されており、ゲート電極GE1は、開口部OP312に埋め込まれた導電膜からなり、p型の窒化物半導体層NP301と接触している。また、絶縁膜IF301、障壁層BR312および障壁層BR311を貫通してチャネル層CH1に達する開口部OP313および開口部OP314が形成されており、ソース電極SE1およびドレイン電極DE1の各々は、開口部OP313および開口部OP314のそれぞれに埋め込まれた導電膜からなり、チャネル層CH1と接触している。   On the other hand, unlike the transistor TR1 of the first embodiment, the transistor TR301 does not have the p-type semiconductor region PS (see FIG. 1), is formed on the channel layer CH1, and is a barrier layer BR310 as an electron supply layer. Have The barrier layer BR310 includes a barrier layer BR311 formed on the channel layer CH1 and a barrier layer BR312 formed on the barrier layer BR311. In the barrier layer BR312, an opening OP311 that penetrates the barrier layer BR312 and reaches the barrier layer BR311 is formed, and a p-type nitride semiconductor layer NP301 is formed so as to fill the inside of the opening OP311. . Over the nitride semiconductor layer NP301 including the surface of the nitride semiconductor layer CP301, an insulating film IF301 is formed. An opening OP312 is formed in the insulating film IF301 so as to penetrate the insulating film IF301 and reach the p-type nitride semiconductor layer NP301. The gate electrode GE1 is made of a conductive film embedded in the opening OP312. Is in contact with the type nitride semiconductor layer NP301. In addition, an opening OP313 and an opening OP314 that pass through the insulating film IF301, the barrier layer BR312 and the barrier layer BR311 and reach the channel layer CH1 are formed, and each of the source electrode SE1 and the drain electrode DE1 includes the opening OP313 and The conductive film is embedded in each of the openings OP314 and is in contact with the channel layer CH1.

トランジスタTR302は、実施の形態1のトランジスタTR2と同様に、領域AR2で、基板SUB上に形成されたバッファ層BUF2と、バッファ層BUF2上に形成された窒化物半導体層からなるチャネル層CH2とを有する。   Similarly to the transistor TR2 of the first embodiment, the transistor TR302 includes a buffer layer BUF2 formed over the substrate SUB and a channel layer CH2 made of a nitride semiconductor layer formed over the buffer layer BUF2 in the region AR2. Have.

一方、トランジスタTR302は、実施の形態1のトランジスタTR2と異なり、チャネル層CH2上に形成され、電子供給層としての障壁層BR320を有する。障壁層BR320は、チャネル層CH2上に形成された障壁層BR321と、障壁層BR321上に形成された障壁層BR322とを含む。障壁層BR322には、障壁層BR322を貫通して障壁層BR321に達する開口部OP321が形成されており、開口部OP321の内部には、開口部OP321に埋め込まれた導電膜からなり、障壁層BR321とショットキー接続されたショットキー電極GE302が形成されている。ショットキー電極GE302の表面を含めて障壁層BR322上には、絶縁膜IF302が形成されている。絶縁膜IF302には、絶縁膜IF302を貫通してショットキー電極GE302に達する開口部OP322が形成されており、ゲート電極GE2は、開口部OP322に埋め込まれた導電膜からなり、ショットキー電極GE302と接触している。また、絶縁膜IF302、障壁層BR322および障壁層BR321を貫通してチャネル層CH2に達する開口部OP323および開口部OP324が形成されており、ソース電極SE2およびドレイン電極DE2の各々は、開口部OP323および開口部OP324のそれぞれに埋め込まれた導電膜からなり、チャネル層CH2と接触している。   On the other hand, unlike the transistor TR2 of Embodiment 1, the transistor TR302 is formed on the channel layer CH2 and has a barrier layer BR320 as an electron supply layer. The barrier layer BR320 includes a barrier layer BR321 formed on the channel layer CH2 and a barrier layer BR322 formed on the barrier layer BR321. The barrier layer BR322 is formed with an opening OP321 that penetrates the barrier layer BR322 and reaches the barrier layer BR321. The opening OP321 includes a conductive film embedded in the opening OP321, and the barrier layer BR321. And a Schottky electrode GE302 that is Schottky-connected. An insulating film IF302 is formed on the barrier layer BR322 including the surface of the Schottky electrode GE302. An opening OP322 is formed in the insulating film IF302 so as to penetrate the insulating film IF302 and reach the Schottky electrode GE302. The gate electrode GE2 is made of a conductive film embedded in the opening OP322, and the Schottky electrode GE302 and In contact. In addition, an opening OP323 and an opening OP324 that penetrate the insulating film IF302, the barrier layer BR322, and the barrier layer BR321 and reach the channel layer CH2 are formed, and each of the source electrode SE2 and the drain electrode DE2 includes the opening OP323 and The conductive film is embedded in each of the openings OP324, and is in contact with the channel layer CH2.

比較例3では、障壁層BR311とゲート電極GE1との間にp型の窒化物半導体層NP301を設けることで、トランジスタTR301をエンハンスメントモードFETとして動作させる。また、障壁層BR321とゲート電極GE2との間には、p型の窒化物半導体層NP301に相当する窒化物半導体層を設けないことで、トランジスタTR302をデプレッションモードFETとして動作させる。   In Comparative Example 3, the transistor TR301 is operated as an enhancement mode FET by providing the p-type nitride semiconductor layer NP301 between the barrier layer BR311 and the gate electrode GE1. In addition, by not providing a nitride semiconductor layer corresponding to the p-type nitride semiconductor layer NP301 between the barrier layer BR321 and the gate electrode GE2, the transistor TR302 is operated as a depletion mode FET.

しかし、比較例1〜比較例3では、領域AR1におけるゲート電極周辺の構造と、領域AR2におけるゲート電極周辺の構造とが異なる。そのため、領域AR1に形成されるエンハンスメントモードFET、および、領域AR2に形成されるデプレッションモードFETのうち、両方の種類のトランジスタの間、または、片方の種類のトランジスタの間で、特性がばらつき、特性が不安定になるおそれがある。なお、エンハンスメントモードFETおよびデプレッションモードFETを含んだ半導体装置の構成を、E/D構成と称する。   However, in Comparative Examples 1 to 3, the structure around the gate electrode in the region AR1 is different from the structure around the gate electrode in the region AR2. Therefore, the characteristics vary between both kinds of transistors or between one kind of transistors among the enhancement mode FET formed in the area AR1 and the depletion mode FET formed in the area AR2. May become unstable. Note that the configuration of the semiconductor device including the enhancement mode FET and the depletion mode FET is referred to as an E / D configuration.

比較例1では、トランジスタTR101において、電子供給層ES1の厚さを薄くすることで閾値電圧が正になるようにしており、トランジスタTR102においても、電子供給層ES2は、電子供給層ES1と同層の電子供給層からなる。そのため、トランジスタTR101では、ソース電極SE1とドレイン電極DE1との間でシート抵抗が大きくなってオン抵抗が高くなり、トランジスタTR102では、ソース電極SE2とドレイン電極DE2との間でシート抵抗が大きくなってオン抵抗が高くなる。また、トランジスタTR102では、デプレッションモードFETとして動作させるために、薄くした電子供給層ES1とゲート電極GE1との間にゲート絶縁膜GI102が形成されている。しかし、ゲート絶縁膜GI102の膜質によっては、閾値電圧にヒステリシスが発生するおそれがあり、半導体装置の性能が低下する。   In Comparative Example 1, the threshold voltage becomes positive by reducing the thickness of the electron supply layer ES1 in the transistor TR101. Also in the transistor TR102, the electron supply layer ES2 is the same layer as the electron supply layer ES1. The electron supply layer. Therefore, in the transistor TR101, the sheet resistance increases between the source electrode SE1 and the drain electrode DE1 and the on-resistance increases, and in the transistor TR102, the sheet resistance increases between the source electrode SE2 and the drain electrode DE2. Increases on-resistance. In the transistor TR102, a gate insulating film GI102 is formed between the thinned electron supply layer ES1 and the gate electrode GE1 in order to operate as a depletion mode FET. However, depending on the film quality of the gate insulating film GI102, hysteresis may occur in the threshold voltage, and the performance of the semiconductor device is degraded.

比較例2では、チャネル層CH201およびチャネル層CH202をエッチングする際のエッチング量を変えることで、ゲート電極GE2の下のチャネル層CH202の厚さが、ゲート電極GE1の下のチャネル層CH201の厚さよりも大きくなるようにしている。しかし、チャネル層CH202がチャネル層CH201と同層の窒化物半導体層からなるため、領域AR1と領域AR2との間で、チャネル層のエッチング量を変えるために、例えばエッチング時間を調整することが必要である。そのため、エッチング時間を適切に調整することができず、トランジスタTR201およびトランジスタTR202のうち、両方の種類のトランジスタの間、または、片方の種類のトランジスタの間で、閾値電圧にばらつきが発生するおそれがあり、半導体装置の性能が低下する。   In Comparative Example 2, the thickness of the channel layer CH202 under the gate electrode GE2 is changed from the thickness of the channel layer CH201 under the gate electrode GE1 by changing the etching amount when etching the channel layer CH201 and the channel layer CH202. Also try to get bigger. However, since the channel layer CH202 is made of the same nitride semiconductor layer as the channel layer CH201, it is necessary to adjust the etching time, for example, in order to change the etching amount of the channel layer between the region AR1 and the region AR2. It is. Therefore, the etching time cannot be adjusted appropriately, and there is a possibility that the threshold voltage varies between both types of transistors TR201 and TR202 or between one type of transistors. Yes, the performance of the semiconductor device is degraded.

比較例3では、領域AR1では、ゲート電極GE1の下方に、p型の窒化物半導体層NP301を形成し、領域AR2では、ゲート電極GE2の下方に、ショットキー電極GE302を形成するため、製造工程が複雑になるおそれがある。また、トランジスタTR301では、p型の窒化物半導体層NP301を形成する方法によっては、障壁層BR311とp型の窒化物半導体層NP301との界面に界面準位が形成され、閾値電圧にヒステリシスが発生するおそれがある。さらに、トランジスタTR302では、障壁層BR322をエッチングするが、エッチング量にばらつきが発生するおそれがあるか、または、エッチングの際にダメージが加えられることで、トランジスタTR302の特性がばらつくおそれがあり、半導体装置の性能が低下する。   In Comparative Example 3, the p-type nitride semiconductor layer NP301 is formed below the gate electrode GE1 in the region AR1, and the Schottky electrode GE302 is formed below the gate electrode GE2 in the region AR2. May become complicated. In the transistor TR301, depending on the method of forming the p-type nitride semiconductor layer NP301, an interface state is formed at the interface between the barrier layer BR311 and the p-type nitride semiconductor layer NP301, and hysteresis occurs in the threshold voltage. There is a risk. Further, in the transistor TR302, the barrier layer BR322 is etched. However, there is a possibility that the etching amount may vary, or damage may be applied during the etching, whereby the characteristics of the transistor TR302 may vary. Equipment performance is degraded.

なお、基板上に、デプレッションモードFETが形成されず、エンハンスメントモードFETのみが形成される場合でも、ゲート電極周辺の構造が複雑である場合には、エンハンスメントモードFETの間で特性がばらつき、特性が不安定になるおそれがあり、半導体装置の性能が低下する。   Even if only the enhancement mode FET is formed on the substrate without forming the depletion mode FET, if the structure around the gate electrode is complicated, the characteristics vary among the enhancement mode FETs, and the characteristics are different. There is a risk of instability, and the performance of the semiconductor device deteriorates.

<本実施の形態の主要な特徴と効果>
本実施の形態1の半導体装置では、図1に示したように、領域AR1で、ゲート電極GE1下のチャネル層CH1内に、電子供給層ES1の下面から離れて、p型の半導体領域PSが形成されている。これにより、トランジスタTR1をエンハンスメントモードFETとするために、電子供給層ES1とゲート電極GE1との間にp型の半導体領域を形成する必要がなくなるので、電子供給層ES1上のゲート電極GE1の構造と、電子供給層ES2上のゲート電極GE2の構造とを同一にすることができる。したがって、トランジスタTR1をエンハンスメントモードFETとして動作させ、トランジスタTR2をデプレッションモードFETとして動作させつつ、トランジスタTR1およびトランジスタTR2の特性のばらつきを低減することができる。よって、半導体装置の性能を向上させることができる。
<Main features and effects of the present embodiment>
In the semiconductor device according to the first embodiment, as shown in FIG. 1, in the region AR1, the p-type semiconductor region PS is separated from the lower surface of the electron supply layer ES1 in the channel layer CH1 below the gate electrode GE1. Is formed. Thus, since it is not necessary to form a p-type semiconductor region between the electron supply layer ES1 and the gate electrode GE1 in order to make the transistor TR1 an enhancement mode FET, the structure of the gate electrode GE1 on the electron supply layer ES1 is eliminated. And the structure of the gate electrode GE2 on the electron supply layer ES2 can be made the same. Accordingly, it is possible to reduce variations in characteristics of the transistors TR1 and TR2 while operating the transistor TR1 as an enhancement mode FET and operating the transistor TR2 as a depletion mode FET. Thus, the performance of the semiconductor device can be improved.

そして、本実施の形態1では、特性のばらつきを低減させたエンハンスメントモードFETとしてのトランジスタTR1と、特性のばらつきを低減させたデプレッションモードFETとしてのトランジスタTR2とを、基板SUB上に集積化することができる。これにより、小型でかつ大電力用の高周波パワーアンプと、大電力の入力に耐え得る高周波スイッチと、論理回路とを一体化した半導体装置を実現することができる。   In the first embodiment, the transistor TR1 as the enhancement mode FET with reduced characteristic variation and the transistor TR2 as the depletion mode FET with reduced characteristic variation are integrated on the substrate SUB. Can do. As a result, it is possible to realize a semiconductor device in which a small-sized high-frequency power amplifier for high power, a high-frequency switch capable of withstanding high power input, and a logic circuit are integrated.

好適には、トランジスタTR1は、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通してチャネル層CH1に達する開口部OP1を有する。そして、p型の半導体領域PSは、チャネル層CH1のうち、開口部OP1の底部に露出した部分に形成されている。これにより、半導体装置を製造する際に、基板SUBの裏面BS側から開口部OP1の底部に露出したチャネル層CH1に、容易にp型不純物を導入することができる。したがって、エンハンスメントモードFETとしてのトランジスタTR1のゲート電極GE1の構造を、デプレッションモードFETとしてのトランジスタTR2のゲート電極GE2の構造と同一にしつつ、トランジスタTR1を容易に製造することができる。   Preferably, the transistor TR1 has an opening OP1 that penetrates the substrate SUB from the back surface BS of the substrate SUB and reaches the channel layer CH1. The p-type semiconductor region PS is formed in a portion of the channel layer CH1 exposed at the bottom of the opening OP1. Thereby, when manufacturing the semiconductor device, the p-type impurity can be easily introduced into the channel layer CH1 exposed at the bottom of the opening OP1 from the back surface BS side of the substrate SUB. Therefore, the transistor TR1 can be easily manufactured while making the structure of the gate electrode GE1 of the transistor TR1 as the enhancement mode FET the same as the structure of the gate electrode GE2 of the transistor TR2 as the depletion mode FET.

さらに好適には、トランジスタTR1は、領域AR1のうち、平面視において、ゲート電極GE1が形成された領域内で、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通してチャネル層CH1に達する開口部OP1を有する。そして、p型の半導体領域PSは、チャネル層CH1のうち、開口部OP1の底部に露出した部分に形成されている。これにより、平面視において、ゲート電極GE1が形成された領域内で、p型の半導体領域PSを形成することができる。したがって、トランジスタTR1をノーマリオフ型のHEMTとして動作させつつ、トランジスタTR1のオン抵抗を低減することができる。   More preferably, the transistor TR1 has an opening OP1 that penetrates the substrate SUB from the back surface BS of the substrate SUB and reaches the channel layer CH1 in the region of the region AR1 where the gate electrode GE1 is formed in plan view. Have. The p-type semiconductor region PS is formed in a portion of the channel layer CH1 exposed at the bottom of the opening OP1. Thereby, the p-type semiconductor region PS can be formed in the region where the gate electrode GE1 is formed in plan view. Therefore, the on-resistance of the transistor TR1 can be reduced while the transistor TR1 is operated as a normally-off HEMT.

なお、本実施の形態1の半導体装置では、トランジスタTR2を形成せず、トランジスタTR1のみを形成するようにすることもできる。これにより、トランジスタTR1におけるゲート電極GE1周辺の構造が複雑でなくなるので、トランジスタTR1をエンハンスメントモードFETとして動作させつつ、トランジスタTR1の特性のばらつきを低減することができる(実施の形態2〜実施の形態5においても同様)。   In the semiconductor device of the first embodiment, it is possible to form only the transistor TR1 without forming the transistor TR2. Thereby, since the structure around the gate electrode GE1 in the transistor TR1 is not complicated, it is possible to reduce variation in characteristics of the transistor TR1 while operating the transistor TR1 as an enhancement mode FET (Embodiment 2 to Embodiment 2). The same applies to 5).

(実施の形態2)
実施の形態1の半導体装置では、チャネル層の厚さ方向の途中に、チャネル層本体と異なる組成を有する窒化物半導体層は形成されていなかった。それに対して、実施の形態2の半導体装置では、チャネル層の厚さ方向の途中に、アルミニウム(Al)を含んだ窒化物半導体層が形成されている。
(Embodiment 2)
In the semiconductor device of the first embodiment, a nitride semiconductor layer having a composition different from that of the channel layer body is not formed in the middle of the channel layer in the thickness direction. In contrast, in the semiconductor device of the second embodiment, a nitride semiconductor layer containing aluminum (Al) is formed in the middle of the channel layer in the thickness direction.

<半導体装置の構造および半導体装置の動作>
図13は、実施の形態2の半導体装置の要部断面図である。
<Structure of Semiconductor Device and Operation of Semiconductor Device>
FIG. 13 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Second Embodiment.

図13に示すように、本実施の形態2の半導体装置のうち、チャネル層CH1およびチャネル層CH2以外の部分については、実施の形態1の半導体装置の各部分と同様である。   As shown in FIG. 13, in the semiconductor device according to the second embodiment, portions other than the channel layer CH1 and the channel layer CH2 are the same as those of the semiconductor device according to the first embodiment.

一方、本実施の形態2のトランジスタTR1のチャネル層CH1は、実施の形態1のトランジスタTR1のチャネル層CH1と異なり、バッファ層BUF1上に形成された窒化物半導体層CH11、窒化物半導体層CH11上に形成された窒化物半導体層CH12、および、窒化物半導体層CH12上に形成された窒化物半導体層CH13を含む。したがって、電子供給層ES1は、窒化物半導体層CH13上に形成されている。   On the other hand, the channel layer CH1 of the transistor TR1 in the second embodiment is different from the channel layer CH1 in the transistor TR1 in the first embodiment on the nitride semiconductor layer CH11 and the nitride semiconductor layer CH11 formed on the buffer layer BUF1. And the nitride semiconductor layer CH13 formed on the nitride semiconductor layer CH12. Therefore, the electron supply layer ES1 is formed on the nitride semiconductor layer CH13.

また、本実施の形態2のトランジスタTR2のチャネル層CH2は、実施の形態1のトランジスタTR2のチャネル層CH2と異なり、バッファ層BUF2上に形成された窒化物半導体層CH21、窒化物半導体層CH21上に形成された窒化物半導体層CH22、および、窒化物半導体層CH22上に形成された窒化物半導体層CH23を含む。窒化物半導体層CH21は、窒化物半導体層CH11と同層の窒化物半導体層であり、窒化物半導体層CH22は、窒化物半導体層CH12と同層の窒化物半導体層であり、窒化物半導体層CH23は、窒化物半導体層CH13と同層の窒化物半導体層である。そして、電子供給層ES2は、窒化物半導体層CH23上に形成されている。   Further, the channel layer CH2 of the transistor TR2 in the second embodiment is different from the channel layer CH2 of the transistor TR2 in the first embodiment on the nitride semiconductor layer CH21 and the nitride semiconductor layer CH21 formed on the buffer layer BUF2. And the nitride semiconductor layer CH23 formed on the nitride semiconductor layer CH22. The nitride semiconductor layer CH21 is a nitride semiconductor layer that is the same layer as the nitride semiconductor layer CH11, and the nitride semiconductor layer CH22 is a nitride semiconductor layer that is the same layer as the nitride semiconductor layer CH12, and the nitride semiconductor layer CH23 is the same nitride semiconductor layer as the nitride semiconductor layer CH13. The electron supply layer ES2 is formed on the nitride semiconductor layer CH23.

窒化物半導体層CH11および窒化物半導体層CH13は、実施の形態1のチャネル層CH1を構成する窒化物半導体層と同様の窒化物半導体層とすることができる。また、窒化物半導体層CH21および窒化物半導体層CH23は、実施の形態1のチャネル層CH2を構成する窒化物半導体層と同様の窒化物半導体層とすることができる。   The nitride semiconductor layer CH11 and the nitride semiconductor layer CH13 can be nitride semiconductor layers similar to the nitride semiconductor layer constituting the channel layer CH1 of the first embodiment. The nitride semiconductor layer CH21 and the nitride semiconductor layer CH23 can be nitride semiconductor layers similar to the nitride semiconductor layer constituting the channel layer CH2 of the first embodiment.

好適には、窒化物半導体層CH12は、アルミニウムを含み、例えば窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなる。つまり、エンハンスメントモードFETとしてのトランジスタTR1において、チャネル層CH1の厚さ方向の途中に、アルミニウムを含んだ窒化物半導体層CH12が形成されている。これにより、窒化物半導体層CH11にマグネシウム(Mg)からなるp型不純物を導入してp型の半導体領域PSを形成する際に、窒化物半導体層CH11に導入されたp型不純物が窒化物半導体層CH13に拡散することを防止または抑制することができる。したがって、トランジスタTR1の閾値電圧のばらつきを低減することができ、トランジスタTR1の閾値電圧の安定性を向上させることができる。   Preferably, the nitride semiconductor layer CH12 includes aluminum, and is made of, for example, aluminum gallium nitride (AlGaN). That is, in the transistor TR1 as the enhancement mode FET, the nitride semiconductor layer CH12 containing aluminum is formed in the middle of the channel layer CH1 in the thickness direction. Thus, when the p-type impurity made of magnesium (Mg) is introduced into the nitride semiconductor layer CH11 to form the p-type semiconductor region PS, the p-type impurity introduced into the nitride semiconductor layer CH11 is converted into the nitride semiconductor. Diffusion to the layer CH13 can be prevented or suppressed. Accordingly, variation in threshold voltage of the transistor TR1 can be reduced, and stability of the threshold voltage of the transistor TR1 can be improved.

上記したp型不純物の拡散の防止または抑制の効果は、例えば窒化アルミニウムガリウムからなる窒化物半導体層CH12におけるアルミニウムの組成比の増加に伴って、窒化物半導体層CH12を構成する窒化アルミニウムガリウムの格子定数が小さくなり、p型不純物であるマグネシウムが拡散しにくくなるためと考えられる。   The effect of preventing or suppressing the diffusion of the p-type impurity is, for example, that the lattice of aluminum gallium nitride constituting the nitride semiconductor layer CH12 is increased with an increase in the aluminum composition ratio in the nitride semiconductor layer CH12 made of aluminum gallium nitride. This is thought to be because the constant becomes smaller and magnesium, which is a p-type impurity, becomes difficult to diffuse.

なお、窒化アルミニウムガリウムからなる窒化物半導体層CH12におけるアルミニウムの組成比とは、ガリウムおよびアルミニウムの全原子数に対するアルミニウムの原子数の比率を意味する。   Note that the composition ratio of aluminum in the nitride semiconductor layer CH12 made of aluminum gallium nitride means the ratio of the number of aluminum atoms to the total number of atoms of gallium and aluminum.

本実施の形態2では、領域AR1で、窒化物半導体層CH11のうち、ゲート電極GE1の裏面BS側、すなわち下側に位置する部分に、p型の半導体領域PSが形成されている。いいかえれば、p型の半導体領域PSは、ゲート電極GE1下の窒化物半導体層CH11内に形成されている。また、窒化物半導体層CH11は、電子供給層ES1と離れているため、窒化物半導体層CH11内に形成されたp型の半導体領域PSは、電子供給層ES1から離れて形成されていることになる。これにより、電子供給層ES1上のゲート電極GE1の構造と、電子供給層ES2上のゲート電極GE2の構造とを同一にすることができるので、トランジスタTR1およびトランジスタTR2の特性のばらつきを低減することができる。   In the second embodiment, in the region AR1, the p-type semiconductor region PS is formed in the nitride semiconductor layer CH11 in the portion located on the back surface BS side, that is, the lower side of the gate electrode GE1. In other words, the p-type semiconductor region PS is formed in the nitride semiconductor layer CH11 under the gate electrode GE1. Further, since the nitride semiconductor layer CH11 is separated from the electron supply layer ES1, the p-type semiconductor region PS formed in the nitride semiconductor layer CH11 is formed away from the electron supply layer ES1. Become. As a result, the structure of the gate electrode GE1 on the electron supply layer ES1 and the structure of the gate electrode GE2 on the electron supply layer ES2 can be made the same, thereby reducing variations in characteristics of the transistors TR1 and TR2. Can do.

本実施の形態2のp型の半導体領域PSにおけるp型の不純物濃度、すなわちマグネシウムの不純物濃度は、実施の形態1のp型の半導体領域PSにおけるp型の不純物濃度と同様にすることができる。また、本実施の形態2でも、実施の形態1と同様に、p型の半導体領域PSの上面と電子供給層ES1の下面との基板SUBの厚さ方向の距離DS1、電子供給層ES1の組成、および、p型の半導体領域PSにおけるp型の不純物濃度を調整することで、半導体装置を、ノーマリオフ型のHEMTとして動作させることができる。   The p-type impurity concentration in the p-type semiconductor region PS of the second embodiment, that is, the impurity concentration of magnesium can be made the same as the p-type impurity concentration in the p-type semiconductor region PS of the first embodiment. . Also in the second embodiment, as in the first embodiment, the distance DS1 in the thickness direction of the substrate SUB between the upper surface of the p-type semiconductor region PS and the lower surface of the electron supply layer ES1, and the composition of the electron supply layer ES1. By adjusting the p-type impurity concentration in the p-type semiconductor region PS, the semiconductor device can be operated as a normally-off type HEMT.

一方、本実施の形態2では、窒化物半導体層CH11にマグネシウム(Mg)からなるp型不純物を導入してp型の半導体領域PSを形成する際に、窒化物半導体層CH11に導入されたp型不純物が窒化物半導体層CH13に拡散することを防止または抑制することができる。したがって、好適には、図13に示すように、窒化物半導体層CH11のうち、p型の半導体領域PSが形成される部分は、窒化物半導体層CH12の下面に接した部分である。すなわち、p型の半導体領域PSは、ゲート電極GE1下の窒化物半導体層CH11内に、窒化物半導体層CH12の下面に接して形成されている。これにより、実施の形態1に比べ、トランジスタTR1の閾値電圧のばらつきをさらに低減することができ、トランジスタTR1の閾値電圧の安定性をさらに向上させることができる。   On the other hand, in the second embodiment, when the p-type semiconductor region PS is formed by introducing a p-type impurity made of magnesium (Mg) into the nitride semiconductor layer CH11, the p introduced into the nitride semiconductor layer CH11. It is possible to prevent or suppress the diffusion of type impurities into the nitride semiconductor layer CH13. Therefore, preferably, as shown in FIG. 13, in the nitride semiconductor layer CH11, the portion where the p-type semiconductor region PS is formed is a portion in contact with the lower surface of the nitride semiconductor layer CH12. That is, the p-type semiconductor region PS is formed in the nitride semiconductor layer CH11 below the gate electrode GE1 so as to be in contact with the lower surface of the nitride semiconductor layer CH12. Thereby, compared with Embodiment 1, the variation in threshold voltage of the transistor TR1 can be further reduced, and the stability of the threshold voltage of the transistor TR1 can be further improved.

また、本実施の形態2では、デプレッションモードFETとしてのトランジスタTR2において、チャネル層CH2の厚さ方向の途中にも、アルミニウムを含んだ窒化物半導体層CH22が形成されている。また、窒化物半導体層CH22がアルミニウムを含むため、窒化物半導体層CH22のバンドギャップは、窒化物半導体層CH23のバンドギャップよりも大きい。これにより、2次元電子ガス2DEGの閉じ込め性が向上するので、トランジスタTR2として、ピンチオフ性に優れたデプレッションモードFETを実現することができる。   In the second embodiment, in the transistor TR2 as a depletion mode FET, the nitride semiconductor layer CH22 containing aluminum is also formed in the middle of the channel layer CH2 in the thickness direction. Further, since the nitride semiconductor layer CH22 contains aluminum, the band gap of the nitride semiconductor layer CH22 is larger than the band gap of the nitride semiconductor layer CH23. Thereby, since the confinement property of the two-dimensional electron gas 2DEG is improved, a depletion mode FET excellent in pinch-off property can be realized as the transistor TR2.

なお、窒化物半導体層CH21は、窒化物半導体層CH11と同層でなくてもよく、窒化物半導体層CH22は、窒化物半導体層CH12と同層でなくてもよく、窒化物半導体層CH23は、窒化物半導体層CH13と同層でなくてもよい。   The nitride semiconductor layer CH21 may not be the same layer as the nitride semiconductor layer CH11, the nitride semiconductor layer CH22 may not be the same layer as the nitride semiconductor layer CH12, and the nitride semiconductor layer CH23 The nitride semiconductor layer CH13 may not be the same layer.

前述したように、p型の半導体領域PSが、ゲート電極GE1下の窒化物半導体層CH11内に、窒化物半導体層CH12の下面に接して形成されているものとする。このとき、窒化物半導体層CH11の上面と電子供給層ES1の下面との基板SUBの厚さ方向の距離DS1は、窒化物半導体層CH12の厚さと、窒化物半導体層CH13の厚さとの和になる。そして、距離DS1、電子供給層ES1の組成、および、p型の半導体領域PSにおけるp型の不純物濃度を調整することで、半導体装置を、ノーマリオフ型の電界効果トランジスタとして動作させることができる。すなわち、窒化物半導体層CH13のうち電子供給層ES1との界面近傍にポテンシャル井戸を形成して2次元電子ガス2DEGを形成するために、p型の半導体領域PSを電子供給層ES1と離れた窒化物半導体層CH11に形成し、p型の半導体領域PSの上面と電子供給層ES1の下面とを接触させないようにする。一方、窒化物半導体層CH13における2次元電子ガス2DEGの濃度を、ノーマリオフ型の電界効果トランジスタを実現するために必要な程度まで下げるために、窒化物半導体層CH12および窒化物半導体層CH13を薄くすることで、p型の半導体領域PSの上面を、電子供給層ES1の下面に近づけるようにする。   As described above, it is assumed that the p-type semiconductor region PS is formed in the nitride semiconductor layer CH11 under the gate electrode GE1 in contact with the lower surface of the nitride semiconductor layer CH12. At this time, the distance DS1 in the thickness direction of the substrate SUB between the upper surface of the nitride semiconductor layer CH11 and the lower surface of the electron supply layer ES1 is the sum of the thickness of the nitride semiconductor layer CH12 and the thickness of the nitride semiconductor layer CH13. Become. By adjusting the distance DS1, the composition of the electron supply layer ES1, and the p-type impurity concentration in the p-type semiconductor region PS, the semiconductor device can be operated as a normally-off field effect transistor. That is, in order to form a potential well near the interface with the electron supply layer ES1 in the nitride semiconductor layer CH13 to form the two-dimensional electron gas 2DEG, the p-type semiconductor region PS is nitrided away from the electron supply layer ES1. It is formed in the physical semiconductor layer CH11 so that the upper surface of the p-type semiconductor region PS and the lower surface of the electron supply layer ES1 are not brought into contact with each other. On the other hand, in order to reduce the concentration of the two-dimensional electron gas 2DEG in the nitride semiconductor layer CH13 to a level necessary for realizing a normally-off field effect transistor, the nitride semiconductor layer CH12 and the nitride semiconductor layer CH13 are thinned. Thus, the upper surface of the p-type semiconductor region PS is brought closer to the lower surface of the electron supply layer ES1.

具体的な距離DS1の好適な範囲は、実施の形態1と同様に、電子供給層ES1の組成と、p型の半導体領域PSにおけるp型の不純物濃度とに応じて決定される。   The specific range of the specific distance DS1 is determined according to the composition of the electron supply layer ES1 and the p-type impurity concentration in the p-type semiconductor region PS, as in the first embodiment.

また、本実施の形態2でも、実施の形態1と同様に、p型の半導体領域PSは、平面視において、ゲート電極GE1が形成された領域内に形成されている。これにより、実施の形態1と同様に、トランジスタTR1をノーマリオフ型のHEMTとして動作させつつ、トランジスタTR1のオン抵抗を低減することができる。   Also in the second embodiment, as in the first embodiment, the p-type semiconductor region PS is formed in a region where the gate electrode GE1 is formed in plan view. Accordingly, as in Embodiment 1, the transistor TR1 can be operated as a normally-off HEMT, and the on-resistance of the transistor TR1 can be reduced.

本実施の形態2では、好適には、トランジスタTR1は、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通して窒化物半導体層CH11に達する開口部OP1を有する。そして、p型の半導体領域PSは、窒化物半導体層CH11のうち、開口部OP1の底部に露出した部分に形成されている。これにより、半導体装置を製造する際に、基板SUBの裏面BS側から開口部OP1の底部に露出した窒化物半導体層CH11に、容易にp型不純物を導入することができる。したがって、エンハンスメントモードFETとしてのトランジスタTR1のゲート電極GE1の構造を、デプレッションモードFETとしてのトランジスタTR2のゲート電極GE2の構造と同一にしつつ、トランジスタTR1を容易に製造することができる。また、p型の半導体領域PSが形成された後の構造としては、開口部OP1は、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通してp型の半導体領域PSに達することになる。   In the second embodiment, preferably, the transistor TR1 has an opening OP1 that penetrates the substrate SUB from the back surface BS of the substrate SUB and reaches the nitride semiconductor layer CH11. The p-type semiconductor region PS is formed in a portion of the nitride semiconductor layer CH11 exposed at the bottom of the opening OP1. Thereby, when manufacturing the semiconductor device, the p-type impurity can be easily introduced into the nitride semiconductor layer CH11 exposed from the back surface BS side of the substrate SUB to the bottom of the opening OP1. Therefore, the transistor TR1 can be easily manufactured while making the structure of the gate electrode GE1 of the transistor TR1 as the enhancement mode FET the same as the structure of the gate electrode GE2 of the transistor TR2 as the depletion mode FET. As a structure after the p-type semiconductor region PS is formed, the opening OP1 reaches the p-type semiconductor region PS from the back surface BS of the substrate SUB through the substrate SUB.

さらに好適には、開口部OP1は、窒化物半導体層CH11のうち、平面視において、ゲート電極GE1が形成された領域内で、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通して窒化物半導体層CH11に達する。そして、p型の半導体領域PSは、窒化物半導体層CH11のうち、平面視において、開口部OP1が窒化物半導体層CH11に達する領域内に形成されている。これにより、窒化物半導体層CH11のうち、平面視において、ゲート電極GE1が形成された領域内で、p型の半導体領域PSを形成することができる。したがって、トランジスタTR1をノーマリオフ型のHEMTとして動作させつつ、トランジスタTR1のオン抵抗を低減することができる。   More preferably, the opening OP1 penetrates the substrate SUB from the back surface BS of the substrate SUB in a region of the nitride semiconductor layer CH11 where the gate electrode GE1 is formed in plan view. To reach. The p-type semiconductor region PS is formed in a region of the nitride semiconductor layer CH11 where the opening OP1 reaches the nitride semiconductor layer CH11 in plan view. Thereby, in the nitride semiconductor layer CH11, the p-type semiconductor region PS can be formed in the region where the gate electrode GE1 is formed in a plan view. Therefore, the on-resistance of the transistor TR1 can be reduced while the transistor TR1 is operated as a normally-off HEMT.

なお、本実施の形態2では、後述する実施の形態4と異なり、p型の半導体領域PSの幅は、p型の半導体領域PSの厚さ方向に沿って一様であるものとする。   In the second embodiment, unlike the fourth embodiment described later, the width of the p-type semiconductor region PS is assumed to be uniform along the thickness direction of the p-type semiconductor region PS.

また、本実施の形態2のトランジスタTR1は、実施の形態1のトランジスタTR1と同様に、開口部OP1に埋め込まれた導電膜からなり、開口部OP1の底部に露出したp型の半導体領域PSと電気的に接続された導電体層CL1を有する。これにより、トランジスタTR1で発生した熱を、裏面BS側に容易に伝達することができるので、トランジスタTR1を安定して動作させることができる。   Similarly to the transistor TR1 of the first embodiment, the transistor TR1 of the second embodiment is made of a conductive film embedded in the opening OP1, and includes a p-type semiconductor region PS exposed at the bottom of the opening OP1. An electrically connected conductor layer CL1 is provided. Thus, the heat generated in the transistor TR1 can be easily transferred to the back surface BS side, and thus the transistor TR1 can be stably operated.

なお、本実施の形態2でも、実施の形態1と同様に、導電体層CL1は、金属膜BMと一体で形成されていてもよい。これにより、トランジスタTR1で生じた正孔を、容易に除去することができるので、トランジスタTR1の耐圧を向上させることができる。   In the second embodiment as well, as in the first embodiment, the conductor layer CL1 may be formed integrally with the metal film BM. Thus, holes generated in the transistor TR1 can be easily removed, so that the breakdown voltage of the transistor TR1 can be improved.

本実施の形態2の半導体装置の動作は、実施の形態1の半導体装置の動作と同様である。   The operation of the semiconductor device of the second embodiment is the same as that of the semiconductor device of the first embodiment.

<半導体装置の製造方法>
次に、本実施の形態2の半導体装置の製造方法について説明する。図14〜図16は、実施の形態2の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
<Method for Manufacturing Semiconductor Device>
Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment will be described. 14 to 16 are main-portion cross-sectional views during the manufacturing process of the semiconductor device of the second embodiment.

初めに、図14に示すように、例えば、(111)面が露出しているシリコンからなる半導体基板である基板SUB上に、例えばMOCVD法により、複数の半導体層を積層する。基板SUBは、表面TSおよび裏面BSを有する。   First, as shown in FIG. 14, a plurality of semiconductor layers are stacked by, for example, MOCVD on a substrate SUB that is a semiconductor substrate made of silicon with the (111) plane exposed. The substrate SUB has a front surface TS and a back surface BS.

まず、実施の形態1の半導体装置の製造方法と同様に、基板SUBの表面TS側の領域AR1で、基板SUBの表面TS上に、アンドープの窒化ガリウム(GaN)からなるバッファ層BUF1を形成し、基板SUBの表面TS側の領域AR2で、基板SUBの表面TS上に、バッファ層BUF1と同層のバッファ層BUF2を形成する。   First, similarly to the method for manufacturing the semiconductor device of the first embodiment, a buffer layer BUF1 made of undoped gallium nitride (GaN) is formed on the surface TS of the substrate SUB in the region AR1 on the surface TS side of the substrate SUB. In the region AR2 on the surface TS side of the substrate SUB, the buffer layer BUF2 that is the same layer as the buffer layer BUF1 is formed on the surface TS of the substrate SUB.

次に、バッファ層BUF1上に、窒化物半導体層であるチャネル層CH1を、エピタキシャル成長により形成し、バッファ層BUF2上に、チャネル層CH1と同層の窒化物半導体層であるチャネル層CH2を、エピタキシャル成長により形成する。チャネル層CH1およびチャネル層CH2の各々の膜厚は、例えば1μm程度とすることができる。   Next, a channel layer CH1, which is a nitride semiconductor layer, is formed by epitaxial growth on the buffer layer BUF1, and a channel layer CH2, which is the same nitride semiconductor layer as the channel layer CH1, is epitaxially grown on the buffer layer BUF2. To form. The film thickness of each of the channel layer CH1 and the channel layer CH2 can be set to about 1 μm, for example.

本実施の形態2では、実施の形態1と異なり、バッファ層BUF1上に、例えばアンドープの窒化ガリウム(GaN)からなる窒化物半導体層CH11を形成し、バッファ層BUF2上に、窒化物半導体層CH11と同層の窒化物半導体層である窒化物半導体層CH21を形成する。次に、窒化物半導体層CH11上に、例えば窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなる窒化物半導体層CH12を形成し、窒化物半導体層CH21上に、窒化物半導体層CH12と同層の窒化物半導体層である窒化物半導体層CH22を形成する。次に、窒化物半導体層CH12上に、例えばアンドープの窒化ガリウム(GaN)からなる窒化物半導体層CH13を形成し、窒化物半導体層CH22上に、窒化物半導体層CH13と同層の窒化物半導体層である窒化物半導体層CH23を形成する。これにより、窒化物半導体層CH11、窒化物半導体層CH12および窒化物半導体層CH13を含むチャネル層CH1を形成し、窒化物半導体層CH21、窒化物半導体層CH22および窒化物半導体層CH23を含むチャネル層CH2を形成する。   In the second embodiment, unlike the first embodiment, a nitride semiconductor layer CH11 made of, for example, undoped gallium nitride (GaN) is formed on the buffer layer BUF1, and the nitride semiconductor layer CH11 is formed on the buffer layer BUF2. The nitride semiconductor layer CH21 that is the same nitride semiconductor layer as the first layer is formed. Next, a nitride semiconductor layer CH12 made of, for example, aluminum gallium nitride (AlGaN) is formed on the nitride semiconductor layer CH11, and the nitride semiconductor layer that is the same layer as the nitride semiconductor layer CH12 is formed on the nitride semiconductor layer CH21. Nitride semiconductor layer CH22 is formed. Next, a nitride semiconductor layer CH13 made of, for example, undoped gallium nitride (GaN) is formed on the nitride semiconductor layer CH12, and the nitride semiconductor in the same layer as the nitride semiconductor layer CH13 is formed on the nitride semiconductor layer CH22. A nitride semiconductor layer CH23, which is a layer, is formed. Thus, the channel layer CH1 including the nitride semiconductor layer CH11, the nitride semiconductor layer CH12, and the nitride semiconductor layer CH13 is formed, and the channel layer including the nitride semiconductor layer CH21, the nitride semiconductor layer CH22, and the nitride semiconductor layer CH23. CH2 is formed.

次に、実施の形態1と同様に、チャネル層CH1上に電子供給層ES1を形成し、チャネル層CH2上に電子供給層ES2を形成する。このようにして、図14に示すように、領域AR1で、基板SUB上に、バッファ層BUF1、チャネル層CH1および電子供給層ES1からなる半導体層構造が形成され、領域AR2で、基板SUB上に、バッファ層BUF2、チャネル層CH2および電子供給層ES2からなる半導体層構造が形成される。   Next, as in Embodiment 1, the electron supply layer ES1 is formed over the channel layer CH1, and the electron supply layer ES2 is formed over the channel layer CH2. Thus, as shown in FIG. 14, a semiconductor layer structure including the buffer layer BUF1, the channel layer CH1, and the electron supply layer ES1 is formed on the substrate SUB in the region AR1, and on the substrate SUB in the region AR2. A semiconductor layer structure including the buffer layer BUF2, the channel layer CH2, and the electron supply layer ES2 is formed.

なお、窒化物半導体層CH13の電子供給層ES1との界面近傍に、2次元電子ガス2DEGが形成され、窒化物半導体層CH23の電子供給層ES2との界面近傍に、2次元電子ガス2DEGが形成される。   A two-dimensional electron gas 2DEG is formed near the interface between the nitride semiconductor layer CH13 and the electron supply layer ES1, and a two-dimensional electron gas 2DEG is formed near the interface between the nitride semiconductor layer CH23 and the electron supply layer ES2. Is done.

次に、図15に示すように、領域AR1で、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通してチャネル層CH1に達する開口部OP1を形成する。この開口部OP1を形成する工程は、実施の形態1で図3および図4を用いて説明した工程と同様にすることができる。   Next, as shown in FIG. 15, in the area AR1, an opening OP1 that penetrates the substrate SUB from the back surface BS of the substrate SUB and reaches the channel layer CH1 is formed. The step of forming the opening OP1 can be the same as the step described with reference to FIGS. 3 and 4 in the first embodiment.

具体的には、実施の形態1と同様に、開口部OP11、レジスト膜RR1およびレジスト膜RR2、ならびに、開口部OP13を順次形成した後、実施の形態1と異なり、開口部OP13の底部に露出したバッファ層BUF1を貫通して窒化物半導体層CH11に達する開口部OP12を形成する。これにより、基板SUBの裏面BSに形成された開口部OP11と、開口部OP11の底部に形成された開口部OP12とからなる開口部OP1が形成される。   Specifically, as in the first embodiment, the opening OP11, the resist film RR1 and the resist film RR2, and the opening OP13 are sequentially formed and, unlike the first embodiment, exposed to the bottom of the opening OP13. An opening OP12 that penetrates through the buffer layer BUF1 and reaches the nitride semiconductor layer CH11 is formed. Thereby, an opening OP1 including the opening OP11 formed in the back surface BS of the substrate SUB and the opening OP12 formed in the bottom of the opening OP11 is formed.

次に、図16に示すように、p型の半導体領域PSを形成する。このp型の半導体領域PSを形成する工程は、実施の形態1で図5を用いて説明した工程と同様にすることができる。   Next, as shown in FIG. 16, a p-type semiconductor region PS is formed. The step of forming the p-type semiconductor region PS can be performed in the same manner as the step described with reference to FIG. 5 in the first embodiment.

ただし、本実施の形態2では、実施の形態1と異なり、例えばイオン注入法により、窒化物半導体層CH11のうち開口部OP1の底部に露出した部分にp型不純物を導入することで、p型の半導体領域PSを形成する。注入されるイオンのエネルギーを調整することで、例えば窒化物半導体層CH11のうち窒化物半導体層CH12の下面と接触した部分まで、p型不純物としてのイオンを注入することができる。その後、例えば850℃程度の温度で20分程度の時間の間、熱処理を行って、注入されたp型不純物を活性化させることで、p型の半導体領域PSを形成することができる。その後、レジスト膜RR1およびレジスト膜RR2を除去する。   However, in the second embodiment, unlike the first embodiment, the p-type impurity is introduced into a portion of the nitride semiconductor layer CH11 exposed at the bottom of the opening OP1 by, for example, an ion implantation method, thereby forming a p-type impurity. The semiconductor region PS is formed. By adjusting the energy of the implanted ions, for example, ions as p-type impurities can be implanted up to a portion of the nitride semiconductor layer CH11 that is in contact with the lower surface of the nitride semiconductor layer CH12. Thereafter, for example, a heat treatment is performed at a temperature of about 850 ° C. for about 20 minutes to activate the implanted p-type impurity, whereby the p-type semiconductor region PS can be formed. Thereafter, the resist film RR1 and the resist film RR2 are removed.

電子供給層ES1の下面と窒化物半導体層CH11の上面との距離を距離DS1とする。このとき、p型の半導体領域PSは、チャネル層CH1内に電子供給層ES1の下面から基板SUBの厚さ方向に距離DS1だけ離れて形成されることになる。距離DS1、すなわち窒化物半導体層CH12の厚さと窒化物半導体層CH13の厚さとの和を、例えば100nmとすることができる。   A distance between the lower surface of the electron supply layer ES1 and the upper surface of the nitride semiconductor layer CH11 is a distance DS1. At this time, the p-type semiconductor region PS is formed in the channel layer CH1 away from the lower surface of the electron supply layer ES1 by a distance DS1 in the thickness direction of the substrate SUB. The distance DS1, that is, the sum of the thickness of the nitride semiconductor layer CH12 and the thickness of the nitride semiconductor layer CH13 can be set to 100 nm, for example.

また、窒化物半導体層CH13のうちp型の半導体領域PS上の部分では、窒化物半導体層CH13の電子供給層ES1との界面近傍に形成されていた2次元電子ガス2DEGの濃度が減少するか、または、0になる。   Also, in the portion of the nitride semiconductor layer CH13 on the p-type semiconductor region PS, does the concentration of the two-dimensional electron gas 2DEG formed near the interface between the nitride semiconductor layer CH13 and the electron supply layer ES1 decrease? Or 0.

なお、p型の半導体領域PSが形成された後の構造としては、開口部OP1は、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通してp型の半導体領域PSに達することになる。   As a structure after the p-type semiconductor region PS is formed, the opening OP1 reaches the p-type semiconductor region PS from the back surface BS of the substrate SUB through the substrate SUB.

本実施の形態2では、実施の形態1と異なり、窒化物半導体層CH12がアルミニウムを含む。そのため、窒化物半導体層CH11にマグネシウムからなるp型不純物を導入してp型の半導体領域PSを形成する際に、窒化物半導体層CH11に導入されたp型不純物が窒化物半導体層CH13に拡散することを防止または抑制することができる。したがって、窒化物半導体層CH11の上面を、p型の半導体領域PSの上面とすることができるので、電子供給層ES1の下面とp型の半導体領域PSの上面との距離DS1のばらつきを低減することができ、トランジスタTR1の閾値電圧のばらつきを低減することができる。   In the second embodiment, unlike the first embodiment, the nitride semiconductor layer CH12 contains aluminum. Therefore, when the p-type impurity made of magnesium is introduced into the nitride semiconductor layer CH11 to form the p-type semiconductor region PS, the p-type impurity introduced into the nitride semiconductor layer CH11 diffuses into the nitride semiconductor layer CH13. This can be prevented or suppressed. Therefore, since the upper surface of the nitride semiconductor layer CH11 can be the upper surface of the p-type semiconductor region PS, variation in the distance DS1 between the lower surface of the electron supply layer ES1 and the upper surface of the p-type semiconductor region PS is reduced. Thus, variation in the threshold voltage of the transistor TR1 can be reduced.

次に、実施の形態1で図6を用いて説明した工程と同様の工程を行って、領域AR1で、導電体層CL1を形成し、領域AR1および領域AR2で、基板SUBの裏面BSに金属膜BMを形成する。次に、実施の形態1で図7〜図9および図1を用いて説明した工程と同様の工程を行って、ソース電極SE1、ドレイン電極DE1、ソース電極SE2、ドレイン電極DE2、ゲート電極GE1およびゲート電極GE2を形成する。好適には、ゲート電極GE1が形成される領域内にp型の半導体領域PSが配置されるように、ゲート電極GE1を形成する。   Next, a process similar to that described with reference to FIG. 6 in Embodiment 1 is performed to form the conductor layer CL1 in the region AR1, and a metal is formed on the back surface BS of the substrate SUB in the regions AR1 and AR2. A film BM is formed. Next, the same steps as those described in Embodiment 1 with reference to FIGS. 7 to 9 and FIG. 1 are performed, so that the source electrode SE1, the drain electrode DE1, the source electrode SE2, the drain electrode DE2, the gate electrode GE1, and A gate electrode GE2 is formed. Preferably, the gate electrode GE1 is formed so that the p-type semiconductor region PS is disposed in the region where the gate electrode GE1 is formed.

その後、素子分離領域(図示は省略)を形成することで、図13に示すように、領域AR1で、トランジスタTR1を製造し、領域AR2で、トランジスタTR2を製造することができる。   Thereafter, by forming an element isolation region (not shown), the transistor TR1 can be manufactured in the region AR1 and the transistor TR2 can be manufactured in the region AR2, as shown in FIG.

<本実施の形態の主要な特徴と効果>
本実施の形態2の半導体装置は、実施の形態1の半導体装置の特徴と同様の特徴を備えている。したがって、本実施の形態2の半導体装置は、実施の形態1の半導体装置の効果と同様の効果を有する。
<Main features and effects of the present embodiment>
The semiconductor device according to the second embodiment has the same characteristics as those of the semiconductor device according to the first embodiment. Therefore, the semiconductor device of the second embodiment has the same effect as that of the semiconductor device of the first embodiment.

それに加えて、本実施の形態2の半導体装置は、図13に示すように、エンハンスメントモードFETとしてのトランジスタTR1において、チャネル層CH1の厚さ方向の途中に、窒化アルミニウムガリウムからなる窒化物半導体層CH12が形成されている。これにより、窒化物半導体層CH11にマグネシウムからなるp型不純物を導入してp型の半導体領域PSを形成する際に、窒化物半導体層CH11に導入されたp型不純物が窒化物半導体層CH13に拡散することを防止または抑制することができる。したがって、窒化物半導体層CH11の上面を、p型の半導体領域PSの上面とすることができるので、電子供給層ES1の下面とp型の半導体領域PSの上面との距離DS1のばらつきを低減することができる。よって、トランジスタTR1の閾値電圧のばらつきを低減することができ、トランジスタTR1の閾値電圧の安定性を向上させることができる。   In addition, as shown in FIG. 13, in the transistor TR1 as the enhancement mode FET, the semiconductor device according to the second embodiment includes a nitride semiconductor layer made of aluminum gallium nitride in the middle of the channel layer CH1 in the thickness direction. CH12 is formed. Thereby, when the p-type impurity made of magnesium is introduced into the nitride semiconductor layer CH11 to form the p-type semiconductor region PS, the p-type impurity introduced into the nitride semiconductor layer CH11 is introduced into the nitride semiconductor layer CH13. Diffusion can be prevented or suppressed. Therefore, since the upper surface of the nitride semiconductor layer CH11 can be the upper surface of the p-type semiconductor region PS, variation in the distance DS1 between the lower surface of the electron supply layer ES1 and the upper surface of the p-type semiconductor region PS is reduced. be able to. Therefore, variation in threshold voltage of the transistor TR1 can be reduced, and stability of the threshold voltage of the transistor TR1 can be improved.

(実施の形態3)
実施の形態1の半導体装置では、開口部に導電体層が埋め込まれていた。それに対して、実施の形態3の半導体装置では、開口部に絶縁体層が埋め込まれている。
(Embodiment 3)
In the semiconductor device of the first embodiment, the conductor layer is embedded in the opening. In contrast, in the semiconductor device of the third embodiment, an insulator layer is embedded in the opening.

<半導体装置の構造および半導体装置の動作>
図17は、実施の形態3の半導体装置の要部断面図である。
<Structure of Semiconductor Device and Operation of Semiconductor Device>
FIG. 17 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Third Embodiment.

図17に示すように、本実施の形態3の半導体装置のうち、絶縁体層IL1以外の部分については、実施の形態1の半導体装置の各部分と同様である。   As shown in FIG. 17, in the semiconductor device according to the third embodiment, portions other than the insulator layer IL1 are the same as those of the semiconductor device according to the first embodiment.

本実施の形態3のトランジスタTR1は、実施の形態1と異なり、開口部OP1に埋め込まれた絶縁膜からなり、開口部OP1の底部に露出したp型の半導体領域PSと熱的に接続された絶縁体層IL1を有する。絶縁体層IL1を構成する絶縁膜は、好適には、基板SUBの熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有し、例えば窒化アルミニウム(AlN)からなる。これにより、開口部OP1および絶縁体層IL1を形成しない場合に比べれば、トランジスタTR1で発生した熱を、絶縁体層IL1を介して裏面BS側に容易に伝達することができるので、トランジスタTR1を安定して動作させることができる。   Unlike Embodiment 1, the transistor TR1 of Embodiment 3 is made of an insulating film embedded in the opening OP1, and is thermally connected to the p-type semiconductor region PS exposed at the bottom of the opening OP1. It has an insulator layer IL1. The insulating film constituting the insulating layer IL1 preferably has a thermal conductivity larger than that of the substrate SUB, and is made of, for example, aluminum nitride (AlN). Accordingly, compared to the case where the opening OP1 and the insulator layer IL1 are not formed, the heat generated in the transistor TR1 can be easily transferred to the back surface BS side through the insulator layer IL1, so that the transistor TR1 It can be operated stably.

さらに、本実施の形態3では、好適には、トランジスタTR2は、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通して、ゲート電極GE2下の基板SUBの表面TSに達する開口部OP2と、開口部OP2に埋め込まれた絶縁膜からなり、バッファ層BUF2と熱的に接続された絶縁体層IL2とを有する。絶縁体層IL2を構成する絶縁膜は、好適には、基板SUBの熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有し、例えば窒化アルミニウム(AlN)からなる。これにより、開口部OP2および絶縁体層IL2を形成しない場合に比べれば、トランジスタTR2で発生した熱を、絶縁体層IL2を介して裏面BS側に容易に伝達することができるので、トランジスタTR2を安定して動作させることができる。   Further, in the third embodiment, preferably, the transistor TR2 includes an opening OP2 that penetrates the substrate SUB from the back surface BS of the substrate SUB and reaches the surface TS of the substrate SUB under the gate electrode GE2, and the opening OP2. And an insulating layer IL2 that is thermally connected to the buffer layer BUF2. The insulating film constituting the insulating layer IL2 preferably has a thermal conductivity larger than that of the substrate SUB, and is made of, for example, aluminum nitride (AlN). As a result, compared to the case where the opening OP2 and the insulator layer IL2 are not formed, the heat generated in the transistor TR2 can be easily transferred to the back surface BS side via the insulator layer IL2. It can be operated stably.

好適には、絶縁体層IL2は、絶縁体層IL1を構成する絶縁膜と同層の絶縁膜からなる。これにより、絶縁体層IL1と絶縁体層IL2とを同一の工程により形成することができるので、半導体装置の製造工程の工程数を削減することができる。   Preferably, the insulating layer IL2 is made of the same insulating film as the insulating film constituting the insulating layer IL1. As a result, the insulator layer IL1 and the insulator layer IL2 can be formed by the same process, so that the number of manufacturing steps of the semiconductor device can be reduced.

なお、図17に示すように、基板SUBの裏面BSには、金属膜BMが形成されていてもよく、金属膜BMが、絶縁体層IL1および絶縁体層IL2と接触していてもよい。金属膜BMは、実施の形態1と同様にすることができる。これにより、トランジスタTR1で発生した熱を、絶縁体層IL1を介して金属膜BMで容易に放熱することができるので、トランジスタTR1をさらに安定して動作させることができる。また、トランジスタTR2で発生した熱を、絶縁体層IL2を介して金属膜BMで容易に放熱することができるので、トランジスタTR2をさらに安定して動作させることができる。   As shown in FIG. 17, a metal film BM may be formed on the back surface BS of the substrate SUB, and the metal film BM may be in contact with the insulator layer IL1 and the insulator layer IL2. The metal film BM can be the same as that in the first embodiment. Thus, the heat generated in the transistor TR1 can be easily radiated from the metal film BM through the insulator layer IL1, so that the transistor TR1 can be operated more stably. Further, since the heat generated in the transistor TR2 can be easily radiated from the metal film BM through the insulator layer IL2, the transistor TR2 can be operated more stably.

本実施の形態3の半導体装置の動作は、実施の形態1の半導体装置の動作と同様である。   The operation of the semiconductor device of the third embodiment is the same as that of the semiconductor device of the first embodiment.

<半導体装置の製造方法>
次に、本実施の形態3の半導体装置の製造方法について説明する。図18および図19は、実施の形態3の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
<Method for Manufacturing Semiconductor Device>
Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment will be described. 18 and 19 are fragmentary cross-sectional views of the semiconductor device of the third embodiment during the manufacturing process thereof.

本実施の形態3では、実施の形態1で図2〜図4を用いて説明した工程と同様の工程を行って、図18に示すように、領域AR1で、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通してチャネル層CH1に達する開口部OP1を形成する。ただし、本実施の形態3では、実施の形態1と異なり、領域AR1で開口部OP1を形成する際に、領域AR2で、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通してバッファ層BUF2に達する開口部OP2を形成する。   In the third embodiment, the same processes as those described in the first embodiment with reference to FIGS. 2 to 4 are performed, and as shown in FIG. 18, in the area AR1, the substrate SUB is formed from the back surface BS of the substrate SUB. An opening OP1 that reaches the channel layer CH1 is formed. However, in the third embodiment, unlike the first embodiment, when the opening OP1 is formed in the area AR1, the opening reaching the buffer layer BUF2 through the substrate SUB from the back surface BS of the substrate SUB in the area AR2. Part OP2 is formed.

まず、領域AR1で、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通してバッファ層BUF1に達する開口部OP11を形成する際に、領域AR2で、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通してバッファ層BUF2に達する開口部OP21を形成する。次に、領域AR1で、基板SUBの裏面BSにレジスト膜RR1を形成し、領域AR2で、基板SUBの裏面BSにレジスト膜RR2を形成する。   First, in the area AR1, when forming the opening OP11 that penetrates the substrate SUB from the back surface BS of the substrate SUB and reaches the buffer layer BUF1, the buffer layer penetrates the substrate SUB from the back surface BS of the substrate SUB in the area AR2. An opening OP21 that reaches BUF2 is formed. Next, a resist film RR1 is formed on the back surface BS of the substrate SUB in the area AR1, and a resist film RR2 is formed on the back surface BS of the substrate SUB in the area AR2.

その後、領域AR1で、レジスト膜RR1に開口部OP13を形成し、開口部OP13の底部に露出したバッファ層BUF1を貫通してチャネル層CH1に達する開口部OP12を形成する際に、領域AR2で、基板SUBの裏面BSは、レジスト膜RR2に覆われている。したがって、領域AR1で、基板SUBの裏面BSに形成された開口部OP11と、開口部OP11の底部に形成された開口部OP12とからなる開口部OP1が形成される際に、領域AR2で、開口部OP21からなる開口部OP2が形成される。   Thereafter, in the region AR1, when the opening OP13 is formed in the resist film RR1 and the opening OP12 reaching the channel layer CH1 through the buffer layer BUF1 exposed at the bottom of the opening OP13 is formed, in the region AR2, The back surface BS of the substrate SUB is covered with a resist film RR2. Therefore, when the opening OP1 including the opening OP11 formed in the back surface BS of the substrate SUB and the opening OP12 formed in the bottom of the opening OP11 is formed in the area AR1, the opening in the area AR2 is formed. An opening OP2 including the part OP21 is formed.

次に、実施の形態1で図5を用いて説明した工程と同様の工程を行って、p型の半導体領域PSを形成する。そして、p型の半導体領域PSが形成された後の構造としては、開口部OP1は、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通してp型の半導体領域PSに達することになる。   Next, a process similar to the process described with reference to FIG. 5 in the first embodiment is performed to form the p-type semiconductor region PS. As a structure after the p-type semiconductor region PS is formed, the opening OP1 reaches the p-type semiconductor region PS from the back surface BS of the substrate SUB through the substrate SUB.

次に、図19に示すように、開口部OP1に埋め込まれた絶縁体層IL1、および、開口部OP2に埋め込まれた絶縁体層IL1を形成する。具体的には、開口部OP1の内部および開口部OP2の内部を含めて基板SUBの裏面BSに、例えばMOCVD法により、窒化アルミニウム(AlN)からなる絶縁膜を形成し、開口部OP1および開口部OP2の外部の絶縁膜を除去する。これにより、開口部OP1に埋め込まれた絶縁体層IL1を形成し、開口部OP2に埋め込まれた絶縁体層IL2を形成する。   Next, as shown in FIG. 19, the insulator layer IL1 embedded in the opening OP1 and the insulator layer IL1 embedded in the opening OP2 are formed. Specifically, an insulating film made of aluminum nitride (AlN) is formed on the back surface BS of the substrate SUB including the inside of the opening OP1 and the inside of the opening OP2, for example, by MOCVD, and the opening OP1 and the opening The insulating film outside OP2 is removed. Thereby, the insulator layer IL1 embedded in the opening OP1 is formed, and the insulator layer IL2 embedded in the opening OP2 is formed.

次に、実施の形態1で図6を用いて説明した工程の一部と同様の工程を行って、領域AR1および領域AR2で、基板SUBの裏面BSに金属膜BMを形成する。次に、実施の形態1で図7〜図9および図1を用いて説明した工程と同様の工程を行って、ソース電極SE1、ドレイン電極DE1、ソース電極SE2、ドレイン電極DE2、ゲート電極GE1およびゲート電極GE2を形成する。その後、素子分離領域(図示は省略)を形成することで、図17に示すように、領域AR1で、トランジスタTR1を製造し、領域AR2で、トランジスタTR2を製造することができる。   Next, a process similar to the part of the process described in Embodiment 1 with reference to FIG. 6 is performed to form the metal film BM on the back surface BS of the substrate SUB in the areas AR1 and AR2. Next, the same steps as those described in Embodiment 1 with reference to FIGS. 7 to 9 and FIG. 1 are performed, so that the source electrode SE1, the drain electrode DE1, the source electrode SE2, the drain electrode DE2, the gate electrode GE1, and A gate electrode GE2 is formed. Thereafter, by forming an element isolation region (not shown), as shown in FIG. 17, the transistor TR1 can be manufactured in the region AR1, and the transistor TR2 can be manufactured in the region AR2.

<本実施の形態の主要な特徴と効果>
本実施の形態3の半導体装置は、図17に示すように、導電体層CL1に代え、絶縁体層IL1が形成されている点、および、絶縁体層IL2が形成されている点を除き、実施の形態1の半導体装置の特徴と同様の特徴を備えている。したがって、本実施の形態3の半導体装置は、導電体層CL1が有する効果を除き、実施の形態1の半導体装置の効果と同様の効果を有する。
<Main features and effects of the present embodiment>
As shown in FIG. 17, in the semiconductor device of the third embodiment, an insulator layer IL1 is formed instead of the conductor layer CL1, and an insulator layer IL2 is formed. Features similar to those of the semiconductor device of the first embodiment are provided. Therefore, the semiconductor device of the third embodiment has the same effects as those of the semiconductor device of the first embodiment except for the effects that the conductor layer CL1 has.

一方、本実施の形態3では、トランジスタTR1は、実施の形態1と異なり、開口部OP1に埋め込まれた絶縁膜からなり、p型の半導体領域PSと熱的に接続された絶縁体層IL1を有する。開口部OP1に絶縁体層IL1が埋め込まれている本実施の形態3では、開口部OP1に導電体層CL1が埋め込まれている実施の形態1に比べれば、トランジスタTR1で発生した熱を、裏面BS側に伝達する能力は小さくなる。しかし、開口部OP1および絶縁体層IL1を形成しない場合に比べれば、トランジスタTR1で発生した熱を、絶縁体層IL1を介して裏面BS側に容易に伝達することができる。したがって、トランジスタTR1を安定して動作させることができる。   On the other hand, in the third embodiment, unlike the first embodiment, the transistor TR1 is made of an insulating film embedded in the opening OP1, and includes an insulator layer IL1 thermally connected to the p-type semiconductor region PS. Have. In the third embodiment in which the insulating layer IL1 is embedded in the opening OP1, the heat generated in the transistor TR1 is transferred to the back surface as compared with the first embodiment in which the conductor layer CL1 is embedded in the opening OP1. The ability to transmit to the BS side is reduced. However, compared to the case where the opening OP1 and the insulator layer IL1 are not formed, the heat generated in the transistor TR1 can be easily transferred to the back surface BS side through the insulator layer IL1. Therefore, the transistor TR1 can be stably operated.

さらに、本実施の形態3では、トランジスタTR2は、実施の形態1と異なり、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通してバッファ層BUF2、すなわち基板SUBの表面TSに達する開口部OP2と、開口部OP2に埋め込まれた絶縁膜からなり、バッファ層BUF2と熱的に接続された絶縁体層IL2を有する。開口部OP2に絶縁体層IL2が埋め込まれている本実施の形態3では、開口部OP2および絶縁体層IL2を形成しない場合に比べれば、トランジスタTR2で発生した熱を、絶縁体層IL2を介して裏面BS側に容易に伝達することができる。したがって、トランジスタTR2を安定して動作させることができる。   Further, in the third embodiment, unlike the first embodiment, the transistor TR2 includes an opening OP2 that penetrates the substrate SUB from the back surface BS of the substrate SUB and reaches the buffer layer BUF2, that is, the surface TS of the substrate SUB, and an opening The insulating layer IL2 is made of an insulating film embedded in the part OP2 and is thermally connected to the buffer layer BUF2. In the third embodiment in which the insulating layer IL2 is embedded in the opening OP2, the heat generated in the transistor TR2 is transmitted through the insulating layer IL2 as compared to the case where the opening OP2 and the insulating layer IL2 are not formed. Can be easily transmitted to the back surface BS side. Therefore, the transistor TR2 can be stably operated.

(実施の形態4)
実施の形態2の半導体装置では、p型の半導体領域PSの幅は、p型の半導体領域PSの厚さ方向に沿って一様であった。それに対して、実施の形態4の半導体装置では、p型の半導体領域PSの幅は、p型の半導体領域PSの下面からp型の半導体領域PSの上面に向かって、減少している。
(Embodiment 4)
In the semiconductor device of the second embodiment, the width of the p-type semiconductor region PS is uniform along the thickness direction of the p-type semiconductor region PS. On the other hand, in the semiconductor device of the fourth embodiment, the width of the p-type semiconductor region PS decreases from the lower surface of the p-type semiconductor region PS toward the upper surface of the p-type semiconductor region PS.

<半導体装置の構造および半導体装置の動作>
図20は、実施の形態4の半導体装置の要部断面図である。
<Structure of Semiconductor Device and Operation of Semiconductor Device>
FIG. 20 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of the fourth embodiment.

図20に示すように、本実施の形態4の半導体装置のうち、開口部OP1およびp型の半導体領域PS以外の部分については、実施の形態2の半導体装置の各部分と同様である。   As shown in FIG. 20, in the semiconductor device according to the fourth embodiment, portions other than the opening OP1 and the p-type semiconductor region PS are the same as those of the semiconductor device according to the second embodiment.

本実施の形態4のトランジスタTR1では、実施の形態2と異なり、p型の半導体領域PSの、トランジスタTR1のゲート長方向の幅が、p型の半導体領域PSの裏面BS側の端面、すなわち下面PSS1から、裏面BS側と反対側の端面、すなわち上面PSS2に向かって、減少している。   In the transistor TR1 of the fourth embodiment, unlike the second embodiment, the width of the p-type semiconductor region PS in the gate length direction of the transistor TR1 is the end surface on the back surface BS side of the p-type semiconductor region PS, that is, the lower surface. It decreases from PSS1 toward the end surface opposite to the back surface BS side, that is, the upper surface PSS2.

これにより、p型の半導体領域PSの上面PSS2におけるドレイン電極DE1側の端部およびソース電極SE1側の端部のうち少なくとも一方では、p型の半導体領域PSの側面と上面との間の角度が、90度を超えて鈍角となる。したがって、p型の半導体領域PSの上面PSS2におけるドレイン電極DE1側の端部とドレイン電極DE1との間の電界、または、p型の半導体領域PSの上面PSS2におけるソース電極SE1側の端部とソース電極SE1との間の電界を緩和することができるので、半導体装置の耐圧を向上させることができる。   Accordingly, at least one of the end on the drain electrode DE1 side and the end on the source electrode SE1 side of the upper surface PSS2 of the p-type semiconductor region PS has an angle between the side surface and the upper surface of the p-type semiconductor region PS. , It becomes an obtuse angle exceeding 90 degrees. Therefore, the electric field between the drain electrode DE1 side end on the upper surface PSS2 of the p-type semiconductor region PS and the drain electrode DE1, or the end portion on the source electrode SE1 side and the source on the upper surface PSS2 of the p-type semiconductor region PS. Since the electric field between the electrode SE1 can be relaxed, the breakdown voltage of the semiconductor device can be improved.

好適には、開口部OP12のドレイン電極DE1側の側面SS1は、ゲート電極GE1のドレイン電極DE1側の側面SS2よりもドレイン電極DE1側に後退しており、p型の半導体領域PSの上面PSS2は、平面視において、ゲート電極GE1が形成された領域に内包されている。p型の半導体領域PSは、窒化物半導体層CH11のうち、開口部OP12の底部に露出した部分に形成されている。そして、平面視において、p型の半導体領域PSの下面PSS1におけるドレイン電極DE1側の端部BE1が、平面視において、ゲート電極GE1のドレイン電極DE1側の側面SS2よりもドレイン電極DE1側に配置されている。   Preferably, the side surface SS1 on the drain electrode DE1 side of the opening OP12 is set back from the side surface SS2 on the drain electrode DE1 side of the gate electrode GE1 toward the drain electrode DE1, and the upper surface PSS2 of the p-type semiconductor region PS is In plan view, it is included in the region where the gate electrode GE1 is formed. The p-type semiconductor region PS is formed in a portion of the nitride semiconductor layer CH11 exposed at the bottom of the opening OP12. In plan view, the end BE1 on the drain electrode DE1 side of the lower surface PSS1 of the p-type semiconductor region PS is disposed closer to the drain electrode DE1 than the side surface SS2 of the gate electrode GE1 on the drain electrode DE1 side. ing.

これにより、p型の半導体領域PSの上面PSS2におけるドレイン電極DE1側の端部TE1では、p型の半導体領域PSの側面PSS3と上面PSS2との間の角度が、90度を超えて鈍角となる。また、p型の半導体領域PSとドレイン電極DE1との間には、高電圧が印加される。したがって、p型の半導体領域PSの上面PSS2におけるドレイン電極DE1側の端部TE1と、ドレイン電極DE1との間の電界を確実に緩和することができるので、半導体装置の耐圧をより向上させることができる。   As a result, at the end TE1 on the drain electrode DE1 side of the upper surface PSS2 of the p-type semiconductor region PS, the angle between the side surface PSS3 of the p-type semiconductor region PS and the upper surface PSS2 becomes an obtuse angle exceeding 90 degrees. . A high voltage is applied between the p-type semiconductor region PS and the drain electrode DE1. Therefore, since the electric field between the drain electrode DE1 and the end TE1 on the drain electrode DE1 side in the upper surface PSS2 of the p-type semiconductor region PS can be reliably relaxed, the breakdown voltage of the semiconductor device can be further improved. it can.

なお、本実施の形態4では、チャネル層CH1の厚さ方向の途中に窒化物半導体層CH12が形成される場合、すなわち実施の形態2の構成において、p型の半導体領域PSの幅が下面から上面に向かって減少する例について説明する。しかし、チャネル層CH1の厚さ方向の途中に窒化物半導体層CH12が形成されない場合、すなわち実施の形態1の構成においても、p型の半導体領域PSの幅が下面から上面に向かって減少するようにしてもよく、上記した効果と同様の効果、すなわち半導体装置の耐圧を向上させる効果を得ることができる。   In the fourth embodiment, when the nitride semiconductor layer CH12 is formed in the middle of the thickness direction of the channel layer CH1, that is, in the configuration of the second embodiment, the width of the p-type semiconductor region PS is from the lower surface. An example of decreasing toward the upper surface will be described. However, when the nitride semiconductor layer CH12 is not formed in the middle of the thickness direction of the channel layer CH1, that is, even in the configuration of the first embodiment, the width of the p-type semiconductor region PS decreases from the lower surface toward the upper surface. Alternatively, the same effect as described above, that is, the effect of improving the breakdown voltage of the semiconductor device can be obtained.

本実施の形態4の半導体装置の動作は、実施の形態1の半導体装置の動作と同様である。   The operation of the semiconductor device of the fourth embodiment is the same as that of the semiconductor device of the first embodiment.

<半導体装置の製造方法>
次に、本実施の形態4の半導体装置の製造方法について説明する。図21および図22は、実施の形態4の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
<Method for Manufacturing Semiconductor Device>
Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the fourth embodiment will be described. 21 and 22 are fragmentary cross-sectional views of the semiconductor device of the fourth embodiment during the manufacturing process thereof.

本実施の形態4では、実施の形態2で図14および図15を用いて説明した工程と同様の工程を行って、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通してチャネル層CH1に達する開口部OP1を形成する。   In the present fourth embodiment, an opening that reaches the channel layer CH1 from the back surface BS of the substrate SUB through the substrate SUB by performing the same steps as those described in the second embodiment with reference to FIGS. OP1 is formed.

ただし、本実施の形態4では、開口部OP11、ならびに、レジスト膜RR1およびレジスト膜RR2を順次形成した後、開口部OP13のドレイン電極DE1側の側面が、形成されるゲート電極GE1のドレイン電極DE1側の側面SS2よりもドレイン電極DE1側に後退するように、開口部OP13を形成する。その後、開口部OP13の底部に露出したバッファ層BUF1を貫通して窒化物半導体層CH11に達する開口部OP12を形成する。これにより、図21に示すように、開口部OP12は、開口部OP12のドレイン電極DE1側の側面SS1が、ゲート電極GE1のドレイン電極DE1側の側面SS2よりもドレイン電極DE1側に後退するように、形成される。また、基板SUBの裏面BSに形成された開口部OP11と、開口部OP11の底部に形成された開口部OP12とからなる開口部OP1が形成される。   However, in Embodiment 4, after the opening OP11 and the resist film RR1 and the resist film RR2 are sequentially formed, the side surface of the opening OP13 on the drain electrode DE1 side is the drain electrode DE1 of the gate electrode GE1 to be formed. The opening OP13 is formed so as to recede to the drain electrode DE1 side from the side surface SS2 on the side. Thereafter, an opening OP12 that reaches the nitride semiconductor layer CH11 through the buffer layer BUF1 exposed at the bottom of the opening OP13 is formed. As a result, as shown in FIG. 21, the opening OP12 is such that the side surface SS1 of the opening OP12 on the drain electrode DE1 side recedes from the side surface SS2 of the gate electrode GE1 on the drain electrode DE1 side to the drain electrode DE1 side. ,It is formed. In addition, an opening OP1 including an opening OP11 formed in the back surface BS of the substrate SUB and an opening OP12 formed in the bottom of the opening OP11 is formed.

次に、図22に示すように、p型の半導体領域PSを形成する。このp型の半導体領域PSを形成する工程は、実施の形態2で図16を用いて説明した工程と同様にすることができる。   Next, as shown in FIG. 22, a p-type semiconductor region PS is formed. The step of forming the p-type semiconductor region PS can be performed in the same manner as the step described with reference to FIG. 16 in the second embodiment.

ただし、本実施の形態4では、実施の形態2と異なり、例えば、基板SUBの裏面BSに対して斜めにイオンを注入した後、熱処理する。これにより、p型の半導体領域PSのゲート長方向の幅がp型の半導体領域PSの下面PSS1から上面PSS2に向かって減少するように、p型の半導体領域PSを形成することができる。また、好適には、p型の半導体領域PSの上面PSS2が、平面視において、ゲート電極GE1が形成される領域に内包されるように、p型の半導体領域PSを形成することができる。そして、p型の半導体領域PSを、窒化物半導体層CH11のうち、開口部OP12の底部に露出した部分に形成することができる。さらに、平面視において、p型の半導体領域PSの下面PSS1におけるドレイン電極DE1側の端部BE1が、形成されるゲート電極GE1のドレイン電極DE1側の側面SS2よりもドレイン電極DE1側に配置されるように、p型の半導体領域PSを形成することができる。   However, in the fourth embodiment, unlike the second embodiment, for example, ions are implanted obliquely with respect to the back surface BS of the substrate SUB, and then heat treatment is performed. Thereby, the p-type semiconductor region PS can be formed such that the width of the p-type semiconductor region PS in the gate length direction decreases from the lower surface PSS1 to the upper surface PSS2 of the p-type semiconductor region PS. Preferably, the p-type semiconductor region PS can be formed so that the upper surface PSS2 of the p-type semiconductor region PS is included in the region where the gate electrode GE1 is formed in plan view. Then, the p-type semiconductor region PS can be formed in a portion of the nitride semiconductor layer CH11 exposed at the bottom of the opening OP12. Furthermore, in plan view, the end BE1 on the drain electrode DE1 side of the lower surface PSS1 of the p-type semiconductor region PS is disposed closer to the drain electrode DE1 than the side surface SS2 on the drain electrode DE1 side of the gate electrode GE1 to be formed. Thus, the p-type semiconductor region PS can be formed.

なお、p型の半導体領域PSが形成された後の構造としては、開口部OP1は、基板SUBの裏面BSから基板SUBを貫通してp型の半導体領域PSに達することになる。   As a structure after the p-type semiconductor region PS is formed, the opening OP1 reaches the p-type semiconductor region PS from the back surface BS of the substrate SUB through the substrate SUB.

次に、実施の形態1で図6を用いて説明した工程と同様の工程を行って、領域AR1で、導電体層CL1を形成し、領域AR1および領域AR2で、基板SUBの裏面BSに金属膜BMを形成する。次に、実施の形態1で図7〜図9および図1を用いて説明した工程と同様の工程を行って、ソース電極SE1、ドレイン電極DE1、ソース電極SE2、ドレイン電極DE2、ゲート電極GE1およびゲート電極GE2を形成する。その後、素子分離領域(図示は省略)を形成することで、図20に示すように、領域AR1で、トランジスタTR1を製造し、領域AR2で、トランジスタTR2を製造することができる。   Next, a process similar to that described with reference to FIG. 6 in Embodiment 1 is performed to form the conductor layer CL1 in the region AR1, and a metal is formed on the back surface BS of the substrate SUB in the regions AR1 and AR2. A film BM is formed. Next, the same steps as those described in Embodiment 1 with reference to FIGS. 7 to 9 and FIG. 1 are performed, so that the source electrode SE1, the drain electrode DE1, the source electrode SE2, the drain electrode DE2, the gate electrode GE1, and A gate electrode GE2 is formed. Thereafter, by forming an element isolation region (not shown), as shown in FIG. 20, the transistor TR1 can be manufactured in the region AR1, and the transistor TR2 can be manufactured in the region AR2.

<本実施の形態の主要な特徴と効果>
本実施の形態4の半導体装置は、実施の形態1の半導体装置の特徴と同様の特徴を備えている。したがって、本実施の形態4の半導体装置は、実施の形態1の半導体装置の効果と同様の効果を有する。
<Main features and effects of the present embodiment>
The semiconductor device according to the fourth embodiment has the same characteristics as those of the semiconductor device according to the first embodiment. Therefore, the semiconductor device of the fourth embodiment has the same effect as that of the semiconductor device of the first embodiment.

それに加えて、本実施の形態4の半導体装置は、図20に示すように、p型の半導体領域PSの、トランジスタTR1のゲート長方向の幅が、p型の半導体領域PSの下面PSS1からp型の半導体領域PSの上面PSS2に向かって減少している。これにより、p型の半導体領域PSの上面PSS2のドレイン電極DE1側の端部とドレイン電極DE1との間の電界、または、p型の半導体領域PSの上面PSS2のソース電極SE1側の端部とソース電極SE1との間の電界を緩和することができるので、半導体装置の耐圧を向上させることができる。   In addition, as shown in FIG. 20, in the semiconductor device of the fourth embodiment, the width of the p-type semiconductor region PS in the gate length direction of the transistor TR1 is p from the lower surface PSS1 of the p-type semiconductor region PS. It decreases toward the upper surface PSS2 of the semiconductor region PS of the mold. Thereby, the electric field between the drain electrode DE1 side end of the upper surface PSS2 of the p-type semiconductor region PS and the end of the upper surface PSS2 of the p-type semiconductor region PS on the source electrode SE1 side Since the electric field between the source electrode SE1 can be relaxed, the breakdown voltage of the semiconductor device can be improved.

(実施の形態5)
実施の形態1の半導体装置では、チャネル層のうちp型の半導体領域の側方に位置する部分は、チャネル層のままであった。それに対して、実施の形態5の半導体装置では、チャネル層のうちp型の半導体領域の側方に位置する部分は、p型の半導体領域にn型不純物が導入されて形成された補償領域である。
(Embodiment 5)
In the semiconductor device of the first embodiment, the portion of the channel layer located on the side of the p-type semiconductor region remains the channel layer. On the other hand, in the semiconductor device of the fifth embodiment, the portion of the channel layer located on the side of the p-type semiconductor region is a compensation region formed by introducing an n-type impurity into the p-type semiconductor region. is there.

<半導体装置の構造および半導体装置の動作>
図23は、実施の形態5の半導体装置の要部断面図である。
<Structure of Semiconductor Device and Operation of Semiconductor Device>
FIG. 23 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of the fifth embodiment.

図23に示すように、本実施の形態5の半導体装置のうち、チャネル層CH1、チャネル層CH2および基板SUB以外の部分については、実施の形態1の半導体装置の各部分と同様である。   As shown in FIG. 23, in the semiconductor device according to the fifth embodiment, portions other than the channel layer CH1, the channel layer CH2, and the substrate SUB are the same as those of the semiconductor device according to the first embodiment.

一方、本実施の形態5のトランジスタTR1のチャネル層CH1は、実施の形態1のトランジスタTR1のチャネル層CH1と異なり、バッファ層BUF1上に形成された窒化物半導体層CH31、窒化物半導体層CH31上に形成された窒化物半導体層CH32、および、窒化物半導体層CH32上に形成された窒化物半導体層CH33を含む。したがって、電子供給層ES1は、窒化物半導体層CH33上に形成されている。   On the other hand, the channel layer CH1 of the transistor TR1 of the fifth embodiment is different from the channel layer CH1 of the transistor TR1 of the first embodiment on the nitride semiconductor layer CH31 and the nitride semiconductor layer CH31 formed on the buffer layer BUF1. And the nitride semiconductor layer CH33 formed on the nitride semiconductor layer CH32. Therefore, the electron supply layer ES1 is formed on the nitride semiconductor layer CH33.

また、本実施の形態5のトランジスタTR2のチャネル層CH2は、実施の形態1のトランジスタTR2のチャネル層CH2と異なり、バッファ層BUF2上に形成された窒化物半導体層CH41、窒化物半導体層CH41上に形成された窒化物半導体層CH42、および、窒化物半導体層CH42上に形成された窒化物半導体層CH43を含む。窒化物半導体層CH41は、窒化物半導体層CH31と同層の窒化物半導体層であり、窒化物半導体層CH42は、窒化物半導体層CH32と同層の窒化物半導体層であり、窒化物半導体層CH43は、窒化物半導体層CH33と同層の窒化物半導体層である。そして、電子供給層ES2は、窒化物半導体層CH43上に形成されている。   Further, the channel layer CH2 of the transistor TR2 in the fifth embodiment is different from the channel layer CH2 of the transistor TR2 in the first embodiment on the nitride semiconductor layer CH41 and the nitride semiconductor layer CH41 formed on the buffer layer BUF2. And the nitride semiconductor layer CH43 formed on the nitride semiconductor layer CH42. The nitride semiconductor layer CH41 is a nitride semiconductor layer that is the same layer as the nitride semiconductor layer CH31, and the nitride semiconductor layer CH42 is a nitride semiconductor layer that is the same layer as the nitride semiconductor layer CH32, and the nitride semiconductor layer CH43 is the same nitride semiconductor layer as the nitride semiconductor layer CH33. The electron supply layer ES2 is formed on the nitride semiconductor layer CH43.

窒化物半導体層CH31、窒化物半導体層CH33、窒化物半導体層CH41、および、窒化物半導体層CH43は、実施の形態1のチャネル層CH1を構成する窒化物半導体層と同様の窒化物半導体層とすることができる。   Nitride semiconductor layer CH31, nitride semiconductor layer CH33, nitride semiconductor layer CH41, and nitride semiconductor layer CH43 are the same nitride semiconductor layers as the nitride semiconductor layers constituting channel layer CH1 of the first embodiment. can do.

本実施の形態5では、領域AR1で、ゲート電極GE1下の窒化物半導体層CH32内に、p型の半導体領域PSが形成されている。また、p型の半導体領域PSは、窒化物半導体層CH32にマグネシウム(Mg)からなるp型不純物が導入されて形成されたものである。これにより、電子供給層ES1上のゲート電極GE1の構造と、電子供給層ES2上のゲート電極GE2の構造とを同一にすることができるので、トランジスタTR1およびトランジスタTR2の特性のばらつきを低減することができる。   In the fifth embodiment, the p-type semiconductor region PS is formed in the nitride semiconductor layer CH32 below the gate electrode GE1 in the region AR1. The p-type semiconductor region PS is formed by introducing a p-type impurity made of magnesium (Mg) into the nitride semiconductor layer CH32. As a result, the structure of the gate electrode GE1 on the electron supply layer ES1 and the structure of the gate electrode GE2 on the electron supply layer ES2 can be made the same, thereby reducing variations in characteristics of the transistors TR1 and TR2. Can do.

一方、本実施の形態5では、窒化物半導体層CH32のうち、p型の半導体領域PSが形成されていない部分は、イントリンシック状態またはn型の半導体層である。また、窒化物半導体層CH42は、イントリンシック状態またはn型の半導体層である。   On the other hand, in the fifth embodiment, a portion of the nitride semiconductor layer CH32 where the p-type semiconductor region PS is not formed is an intrinsic state or an n-type semiconductor layer. The nitride semiconductor layer CH42 is an intrinsic state or an n-type semiconductor layer.

図24および図25を用いて後述するように、チャネル層CH1のうち電子供給層ES1の下面から離れた層CH34、および、チャネル層CH2のうち電子供給層ES2の下面から離れた層CH44に、基板SUBの表面TS側からp型不純物をイオン注入法により導入する。その後、p型の半導体領域PSが形成される領域以外の領域で、層CH34および層CH44に、基板SUBの表面TS側からn型不純物をイオン注入法により導入する。これにより、層CH34内にp型の半導体領域PSを形成する。また、層CH34のうちp型の半導体領域PSが形成されていない部分、および、層CH44の各々に、窒化物半導体層CH32、および、窒化物半導体層CH42のそれぞれを形成する。   As will be described later with reference to FIGS. 24 and 25, the channel CH34 of the channel layer CH1 separated from the lower surface of the electron supply layer ES1, and the layer CH44 of the channel layer CH2 separated from the lower surface of the electron supply layer ES2, A p-type impurity is introduced by ion implantation from the surface TS side of the substrate SUB. Thereafter, an n-type impurity is introduced into the layer CH34 and the layer CH44 from the surface TS side of the substrate SUB by ion implantation in a region other than the region where the p-type semiconductor region PS is formed. Thereby, the p-type semiconductor region PS is formed in the layer CH34. Further, the nitride semiconductor layer CH32 and the nitride semiconductor layer CH42 are respectively formed in the layer CH34 where the p-type semiconductor region PS is not formed and in each of the layers CH44.

本実施の形態5では、基板SUBの裏面BSに開口部OP1(図1参照)を形成する必要がないので、半導体装置の製造工程の工程数を削減することができる。   In the fifth embodiment, since it is not necessary to form the opening OP1 (see FIG. 1) in the back surface BS of the substrate SUB, the number of manufacturing steps of the semiconductor device can be reduced.

なお、層CH34を、チャネル層CH1の下層部とし、層CH44を、チャネル層CH2の下層部とし、層CH34および層CH44に、p型不純物およびn型不純物を順次導入することもできる。これにより、領域AR1で、窒化物半導体層CH31を形成せず、チャネル層CH1を、窒化物半導体層CH32および窒化物半導体層CH33からなるものとすることもできる。また、領域AR2で、窒化物半導体層CH41を形成せず、チャネル層CH2を、窒化物半導体層CH42および窒化物半導体層CH43からなるものとすることもできる。   Note that the layer CH34 may be a lower layer portion of the channel layer CH1, the layer CH44 may be a lower layer portion of the channel layer CH2, and p-type impurities and n-type impurities may be sequentially introduced into the layers CH34 and CH44. Thus, the nitride semiconductor layer CH31 is not formed in the region AR1, and the channel layer CH1 can be made of the nitride semiconductor layer CH32 and the nitride semiconductor layer CH33. Further, in the region AR2, the nitride semiconductor layer CH41 is not formed, and the channel layer CH2 may be composed of the nitride semiconductor layer CH42 and the nitride semiconductor layer CH43.

本実施の形態5の半導体装置の動作は、実施の形態1の半導体装置の動作と同様である。   The operation of the semiconductor device of the fifth embodiment is the same as the operation of the semiconductor device of the first embodiment.

<半導体装置の製造方法>
次に、本実施の形態5の半導体装置の製造方法について説明する。図24および図25は、実施の形態5の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
<Method for Manufacturing Semiconductor Device>
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the fifth embodiment will be described. 24 and 25 are fragmentary cross-sectional views of the semiconductor device of the fifth embodiment during the manufacturing steps thereof.

初めに、実施の形態1で図2を用いて説明した工程と同様の工程を行って、半導体層構造を形成する。   First, a process similar to that described with reference to FIG. 2 in Embodiment 1 is performed to form a semiconductor layer structure.

次に、図24および図25に示すように、p型の半導体領域PS、窒化物半導体層CH31および窒化物半導体層CH32を形成する。例えばイオン注入法により、窒化物半導体層CH31および窒化物半導体層CH32を形成する。   Next, as shown in FIGS. 24 and 25, a p-type semiconductor region PS, a nitride semiconductor layer CH31, and a nitride semiconductor layer CH32 are formed. For example, the nitride semiconductor layer CH31 and the nitride semiconductor layer CH32 are formed by ion implantation.

まず、図24に示すように、領域AR1で、チャネル層CH1のうち電子供給層ES1の下面から離れた層CH34に、基板SUBの裏面BS側と反対側、すなわち上側から例えばマグネシウム(Mg)などのp型不純物を注入する。また、領域AR2で、チャネル層CH2のうち電子供給層ES2の下面から離れた層CH44に、基板SUBの裏面BS側と反対側、すなわち上側から例えばマグネシウムなどのp型不純物を注入する。注入されるイオンのエネルギーを調整することで、領域AR1で、層CH34の上面が電子供給層ES1の下面から基板SUBの厚さ方向に距離DS1だけ離れるように、p型不純物としてのイオンを注入することができる。また、注入されるイオンのエネルギーを調整することで、領域AR2で、層CH44の上面が電子供給層ES2の下面から基板SUBの厚さ方向に距離DS1だけ離れるように、p型不純物としてのイオンを注入することができる。なお、距離DS1については、実施の形態1と同様にすることができる。   First, as shown in FIG. 24, in the region AR1, a layer CH34 of the channel layer CH1 that is away from the lower surface of the electron supply layer ES1 is opposite to the back surface BS side of the substrate SUB, that is, from the upper side, such as magnesium (Mg). A p-type impurity is implanted. In the region AR2, a p-type impurity such as magnesium is implanted into the layer CH44 of the channel layer CH2 away from the lower surface of the electron supply layer ES2 from the side opposite to the back surface BS side of the substrate SUB, that is, from the upper side. By adjusting the energy of the implanted ions, ions as p-type impurities are implanted in the region AR1 so that the upper surface of the layer CH34 is separated from the lower surface of the electron supply layer ES1 by the distance DS1 in the thickness direction of the substrate SUB. can do. Further, by adjusting the energy of the implanted ions, in the region AR2, ions as p-type impurities are separated from the lower surface of the electron supply layer ES2 by a distance DS1 in the thickness direction of the substrate SUB in the region CH2. Can be injected. The distance DS1 can be the same as in the first embodiment.

次に、領域AR1および領域AR2で、電子供給層ES1上および電子供給層ES2上にフォトレジストを塗布してレジスト膜(図示は省略)を形成した後、パターン露光を行い、現像することで、p型の半導体領域PSが形成される領域が覆われるように、レジストパターン(図示は省略)を形成する。そして、形成されたレジストパターンをマスクとしたイオン注入を行って、p型の半導体領域PSが形成される領域以外の領域で、層CH34に、基板SUBの裏面BS側と反対側、すなわち上側から例えばシリコン(Si)などのn型不純物を注入する。また、層CH44に、基板SUBの裏面BS側と反対側、すなわち上側から例えばシリコン(Si)などのn型不純物を注入する。   Next, in the region AR1 and the region AR2, after applying a photoresist on the electron supply layer ES1 and the electron supply layer ES2 to form a resist film (not shown), pattern exposure is performed and development is performed. A resist pattern (not shown) is formed so as to cover the region where the p-type semiconductor region PS is to be formed. Then, ion implantation is performed using the formed resist pattern as a mask, and in the region other than the region where the p-type semiconductor region PS is formed, the layer CH34 is formed on the side opposite to the back surface BS side of the substrate SUB, that is, from above. For example, an n-type impurity such as silicon (Si) is implanted. Further, an n-type impurity such as silicon (Si) is implanted into the layer CH44 from the side opposite to the back surface BS side of the substrate SUB, that is, from the upper side.

その後、レジストパターン(図示は省略)を除去し、例えば850℃程度の温度で20分程度の時間の間、熱処理を行って、注入されたp型不純物を活性化させる。これにより、図25に示すように、領域AR1で、層CH34内にp型の半導体領域PSが形成され、層CH34のうちp型の半導体領域PSが形成されていない部分に、イントリンシック状態またはn型の半導体層である窒化物半導体層CH32が形成される。また、チャネル層CH1は、下から順に、窒化物半導体層CH31、層CH34に形成された窒化物半導体層CH32、および、窒化物半導体層CH33を含む。   Thereafter, the resist pattern (not shown) is removed and, for example, heat treatment is performed at a temperature of about 850 ° C. for about 20 minutes to activate the implanted p-type impurity. Thus, as shown in FIG. 25, in the region AR1, the p-type semiconductor region PS is formed in the layer CH34, and the intrinsic state or the portion of the layer CH34 where the p-type semiconductor region PS is not formed is formed. A nitride semiconductor layer CH32 that is an n-type semiconductor layer is formed. The channel layer CH1 includes a nitride semiconductor layer CH31, a nitride semiconductor layer CH32 formed in the layer CH34, and a nitride semiconductor layer CH33 in order from the bottom.

好適には、p型の半導体領域PSは、平面視において、ゲート電極GE1(図23参照)が形成される領域内に形成されている。これにより、トランジスタTR1をノーマリオフ型のHEMTとして動作させつつ、トランジスタTR1のオン抵抗を低減することができる。   Preferably, the p-type semiconductor region PS is formed in a region where the gate electrode GE1 (see FIG. 23) is formed in plan view. Thus, the on-resistance of the transistor TR1 can be reduced while operating the transistor TR1 as a normally-off HEMT.

一方、図25に示すように、領域AR2で、層CH44内に、イントリンシック状態またはn型の半導体層である窒化物半導体層CH42が形成される。また、チャネル層CH2は、下から順に、窒化物半導体層CH41、層CH44に形成された窒化物半導体層CH42、および、窒化物半導体層CH43を含む。   On the other hand, as shown in FIG. 25, in the region AR2, a nitride semiconductor layer CH42 which is an intrinsic state or an n-type semiconductor layer is formed in the layer CH44. The channel layer CH2 includes a nitride semiconductor layer CH41, a nitride semiconductor layer CH42 formed in the layer CH44, and a nitride semiconductor layer CH43 in order from the bottom.

次に、実施の形態1で図7〜図9および図1を用いて説明した工程と同様の工程を行って、ソース電極SE1、ドレイン電極DE1、ソース電極SE2、ドレイン電極DE2、ゲート電極GE1およびゲート電極GE2を形成する。好適には、ゲート電極GE1が形成される領域内にp型の半導体領域PSが配置されるように、ゲート電極GE1を形成する。   Next, the same steps as those described in Embodiment 1 with reference to FIGS. 7 to 9 and FIG. 1 are performed, so that the source electrode SE1, the drain electrode DE1, the source electrode SE2, the drain electrode DE2, the gate electrode GE1, and A gate electrode GE2 is formed. Preferably, the gate electrode GE1 is formed so that the p-type semiconductor region PS is disposed in the region where the gate electrode GE1 is formed.

その後、素子分離領域(図示は省略)を形成することで、図23に示すように、領域AR1で、トランジスタTR1を製造し、領域AR2で、トランジスタTR2を製造することができる。   Thereafter, by forming an element isolation region (not shown), as shown in FIG. 23, the transistor TR1 can be manufactured in the region AR1, and the transistor TR2 can be manufactured in the region AR2.

<本実施の形態の主要な特徴と効果>
本実施の形態5の半導体装置は、導電体層CL1(図1参照)が形成されていない点を除き、実施の形態1の半導体装置の特徴と同様の特徴を備えている。したがって、本実施の形態5の半導体装置は、導電体層CL1(図1参照)が有する効果を除き、実施の形態1の半導体装置の効果と同様の効果を有する。
<Main features and effects of the present embodiment>
The semiconductor device of the fifth embodiment has the same characteristics as those of the semiconductor device of the first embodiment except that the conductor layer CL1 (see FIG. 1) is not formed. Therefore, the semiconductor device of the fifth embodiment has the same effects as those of the semiconductor device of the first embodiment, except for the effects that the conductor layer CL1 (see FIG. 1) has.

一方、本実施の形態5では、実施の形態1と異なり、図23に示すように、基板SUBの裏面BSに開口部OP1(図1参照)が形成されていない。開口部OP1が形成されていない本実施の形態5では、開口部OP1が形成され、形成された開口部OP1に導電体層CL1が埋め込まれている実施の形態1に比べれば、トランジスタTR1で発生した熱を、裏面BS側に伝達する能力は小さくなる。   On the other hand, in the fifth embodiment, unlike the first embodiment, as shown in FIG. 23, the opening OP1 (see FIG. 1) is not formed in the back surface BS of the substrate SUB. In the fifth embodiment in which the opening OP1 is not formed, the transistor OP is generated in the transistor TR1 as compared with the first embodiment in which the opening OP1 is formed and the conductor layer CL1 is embedded in the formed opening OP1. The ability to transfer the heat to the back BS side is reduced.

しかし、本実施の形態5では、基板SUBの裏面BSに開口部OP1を形成する工程を行う必要がない。そのため、半導体装置の製造工程の工程数を削減することができ、半導体装置を容易に製造することができる。   However, in the fifth embodiment, there is no need to perform the step of forming the opening OP1 in the back surface BS of the substrate SUB. Therefore, the number of manufacturing steps of the semiconductor device can be reduced, and the semiconductor device can be easily manufactured.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

2DEG 2次元電子ガス
AR1、AR2 領域
BE1 端部
BM 金属膜
BS 裏面
BUF1、BUF2 バッファ層
CH1、CH2 チャネル層
CH11〜CH13、CH21〜CH23 窒化物半導体層
CH31〜CH33、CH41〜CH43 窒化物半導体層
CH34、CH44 層
CL1 導電体層
DE1、DE2 ドレイン電極
DS1 距離
ES1、ES2 電子供給層
FR1〜FR4 レジスト膜
GE1、GE2 ゲート電極
IL1、IL2 絶縁体層
MF1〜MF4 金属膜
OP1、OP11、OP12、OP13 開口部
OP2、OP21 開口部
PS 半導体領域
PSS1 下面
PSS2 上面
PSS3 側面
RR1、RR2 レジスト膜
SE1、SE2 ソース電極
SS1、SS2 側面
SUB 基板
TE1 端部
TR1、TR2 トランジスタ
TS 表面
WT1、WT2 開口幅
2DEG two-dimensional electron gas AR1, AR2 region BE1 end BM metal film BS back surface BUF1, BUF2 buffer layer CH1, CH2 channel layers CH11-CH13, CH21-CH23 nitride semiconductor layers CH31-CH33, CH41-CH43 nitride semiconductor layer CH34 , CH44 layer CL1, conductor layer DE1, DE2 drain electrode DS1, distance ES1, ES2 electron supply layers FR1-FR4 resist film GE1, GE2 gate electrode IL1, IL2 insulator layers MF1-MF4 metal films OP1, OP11, OP12, OP13 openings OP2, OP21 Opening PS Semiconductor region PSS1 Lower surface PSS2 Upper surface PSS3 Side surface RR1, RR2 Resist film SE1, SE2 Source electrode SS1, SS2 Side surface SUB Substrate TE1 End portion TR1, TR2 Transistor TS Surface WT 1, WT2 opening width

Claims (17)

第1主面と、前記第1主面と反対側の第2主面とを有する基板と、
前記基板の前記第1主面側の第1領域で、前記基板の前記第1主面上に形成された、第1窒化物半導体層と、
前記基板の前記第1主面側の第2領域で、前記基板の前記第1主面上に形成され、前記第1窒化物半導体層と同層の第2窒化物半導体層と、
前記第1窒化物半導体層上に形成された第3窒化物半導体層と、
前記第2窒化物半導体層上に形成され、前記第3窒化物半導体層と同層の第4窒化物半導体層と、
前記第3窒化物半導体層上に、互いに離れて形成された、第1電界効果トランジスタ用の第1ソース電極および第1ドレイン電極と、
前記第4窒化物半導体層上に、互いに離れて形成された、第2電界効果トランジスタ用の第2ソース電極および第2ドレイン電極と、
前記第1ソース電極と前記第1ドレイン電極とで挟まれた前記第3窒化物半導体層上に、前記第1ソース電極および前記第1ドレイン電極のいずれからも離れて形成された第1ゲート電極と、
前記第2ソース電極と前記第2ドレイン電極とで挟まれた前記第4窒化物半導体層上に、前記第2ソース電極および前記第2ドレイン電極のいずれからも離れて形成された第2ゲート電極と、
前記第1ゲート電極下の前記第1窒化物半導体層内に、前記第3窒化物半導体層の下面から離れて形成された第5窒化物半導体層と、
を有し、
前記第3窒化物半導体層のバンドギャップは、前記第1窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きく、
前記第4窒化物半導体層のバンドギャップは、前記第2窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きく、
前記第5窒化物半導体層は、p型の半導体層である、半導体装置。
A substrate having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface;
A first nitride semiconductor layer formed on the first main surface of the substrate in a first region on the first main surface side of the substrate;
A second region on the first main surface side of the substrate, formed on the first main surface of the substrate, and a second nitride semiconductor layer in the same layer as the first nitride semiconductor layer;
A third nitride semiconductor layer formed on the first nitride semiconductor layer;
A fourth nitride semiconductor layer formed on the second nitride semiconductor layer and in the same layer as the third nitride semiconductor layer;
A first source electrode and a first drain electrode for the first field-effect transistor, formed on the third nitride semiconductor layer and spaced apart from each other;
A second source electrode and a second drain electrode for a second field-effect transistor, formed on the fourth nitride semiconductor layer and spaced apart from each other;
A first gate electrode formed on the third nitride semiconductor layer sandwiched between the first source electrode and the first drain electrode, apart from either the first source electrode or the first drain electrode. When,
A second gate electrode formed on the fourth nitride semiconductor layer sandwiched between the second source electrode and the second drain electrode, apart from either the second source electrode or the second drain electrode. When,
A fifth nitride semiconductor layer formed in the first nitride semiconductor layer under the first gate electrode away from the lower surface of the third nitride semiconductor layer;
Have
The band gap of the third nitride semiconductor layer is larger than the band gap of the first nitride semiconductor layer,
The band gap of the fourth nitride semiconductor layer is larger than the band gap of the second nitride semiconductor layer,
The semiconductor device, wherein the fifth nitride semiconductor layer is a p-type semiconductor layer.
請求項1記載の半導体装置において、
前記第1窒化物半導体層は、
前記第1領域で、前記基板の前記第1主面上に形成された、第6窒化物半導体層と、
前記第6窒化物半導体層上に形成された、第7窒化物半導体層と、
前記第7窒化物半導体層上に形成された、第8窒化物半導体層と、
を含み、
前記第2窒化物半導体層は、
前記第2領域で、前記基板の前記第1主面上に形成され、前記第6窒化物半導体層と同層の第9窒化物半導体層と、
前記第9窒化物半導体層上に形成され、前記第7窒化物半導体層と同層の第10窒化物半導体層と、
前記第10窒化物半導体層上に形成され、前記第8窒化物半導体層と同層の第11窒化物半導体層と、
を含み、
前記第3窒化物半導体層は、前記第8窒化物半導体層上に形成されており、
前記第4窒化物半導体層は、前記第11窒化物半導体層上に形成されており、
前記第7窒化物半導体層および前記第10窒化物半導体層は、アルミニウムを含み、
前記第5窒化物半導体層は、前記第1ゲート電極下の前記第6窒化物半導体層内に形成されている、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The first nitride semiconductor layer includes:
A sixth nitride semiconductor layer formed on the first main surface of the substrate in the first region;
A seventh nitride semiconductor layer formed on the sixth nitride semiconductor layer;
An eighth nitride semiconductor layer formed on the seventh nitride semiconductor layer;
Including
The second nitride semiconductor layer includes
A ninth nitride semiconductor layer formed on the first main surface of the substrate in the second region and in the same layer as the sixth nitride semiconductor layer;
A tenth nitride semiconductor layer formed on the ninth nitride semiconductor layer and in the same layer as the seventh nitride semiconductor layer;
An eleventh nitride semiconductor layer formed on the tenth nitride semiconductor layer and in the same layer as the eighth nitride semiconductor layer;
Including
The third nitride semiconductor layer is formed on the eighth nitride semiconductor layer;
The fourth nitride semiconductor layer is formed on the eleventh nitride semiconductor layer,
The seventh nitride semiconductor layer and the tenth nitride semiconductor layer include aluminum,
The semiconductor device, wherein the fifth nitride semiconductor layer is formed in the sixth nitride semiconductor layer under the first gate electrode.
請求項2記載の半導体装置において、
前記第5窒化物半導体層は、前記第1ゲート電極下の前記第6窒化物半導体層内に、前記第7窒化物半導体層の下面に接して形成されている、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2,
The fifth nitride semiconductor layer is a semiconductor device formed in the sixth nitride semiconductor layer under the first gate electrode in contact with the lower surface of the seventh nitride semiconductor layer.
請求項2記載の半導体装置において、
前記基板の前記第2主面から前記基板を貫通して前記第5窒化物半導体層に達する第1開口部と、
前記第1開口部に埋め込まれた第1導電膜からなり、前記第1開口部に露出した前記第5窒化物半導体層と接続された第1導電体層と、
を有する、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2,
A first opening that penetrates the substrate from the second main surface of the substrate and reaches the fifth nitride semiconductor layer;
A first conductive layer made of a first conductive film embedded in the first opening and connected to the fifth nitride semiconductor layer exposed in the first opening;
A semiconductor device.
請求項2記載の半導体装置において、
前記第5窒化物半導体層は、平面視において、前記第1ゲート電極が形成された領域内に形成されている、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2,
The fifth nitride semiconductor layer is a semiconductor device formed in a region where the first gate electrode is formed in a plan view.
請求項1記載の半導体装置において、
前記基板の前記第2主面から前記基板を貫通して前記第5窒化物半導体層に達する第2開口部と、
前記第2開口部に埋め込まれた第1絶縁膜からなり、前記第2開口部に露出した前記第5窒化物半導体層と接続された第1絶縁体層と、
を有し、
前記第1絶縁体層は、前記基板の第1熱伝導率よりも大きい第2熱伝導率を有する、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A second opening reaching the fifth nitride semiconductor layer from the second main surface of the substrate through the substrate;
A first insulating layer made of a first insulating film embedded in the second opening and connected to the fifth nitride semiconductor layer exposed in the second opening;
Have
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first insulator layer has a second thermal conductivity larger than a first thermal conductivity of the substrate.
請求項6記載の半導体装置において、
前記基板の前記第2主面から前記基板を貫通して、前記第2ゲート電極下の前記基板の前記第1主面に達する第3開口部と、
前記第3開口部に埋め込まれた第2絶縁体層と、
を有し、
前記第2絶縁体層は、前記基板の前記第1熱伝導率よりも大きい第3熱伝導率を有する、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 6.
A third opening that penetrates the substrate from the second main surface of the substrate and reaches the first main surface of the substrate under the second gate electrode;
A second insulator layer embedded in the third opening;
Have
The semiconductor device, wherein the second insulator layer has a third thermal conductivity larger than the first thermal conductivity of the substrate.
請求項6記載の半導体装置において、
前記第5窒化物半導体層は、平面視において、前記第1ゲート電極が形成された領域内に形成されている、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 6.
The fifth nitride semiconductor layer is a semiconductor device formed in a region where the first gate electrode is formed in a plan view.
請求項3記載の半導体装置において、
前記第5窒化物半導体層の、前記第1電界効果トランジスタのゲート長方向の幅が、前記第5窒化物半導体層の下面から前記第5窒化物半導体層の上面に向かって減少している、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 3.
A width of the fifth nitride semiconductor layer in a gate length direction of the first field effect transistor decreases from a lower surface of the fifth nitride semiconductor layer toward an upper surface of the fifth nitride semiconductor layer; Semiconductor device.
請求項9記載の半導体装置において、
前記基板の前記第2主面から前記基板を貫通して前記第5窒化物半導体層に達する第4開口部と、
前記第4開口部に埋め込まれた第2導電膜からなり、前記第4開口部に露出した前記第5窒化物半導体層と接続された第2導電体層と、
を有し、
前記第5窒化物半導体層の前記上面は、平面視において、前記第1ゲート電極が形成された領域に内包されており、
前記第5窒化物半導体層の前記下面における前記第1ドレイン電極側の第1端部は、平面視において、前記第1ゲート電極の前記第1ドレイン電極側の第1側面よりも前記第1ドレイン電極側に配置されている、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 9.
A fourth opening reaching the fifth nitride semiconductor layer from the second main surface of the substrate through the substrate;
A second conductive layer made of a second conductive film embedded in the fourth opening and connected to the fifth nitride semiconductor layer exposed in the fourth opening;
Have
The upper surface of the fifth nitride semiconductor layer is included in a region where the first gate electrode is formed in a plan view;
The first end on the first drain electrode side of the lower surface of the fifth nitride semiconductor layer has the first drain more than the first side surface of the first gate electrode on the first drain electrode side in plan view. A semiconductor device disposed on the electrode side.
請求項1記載の半導体装置において、
前記第1窒化物半導体層は、
前記第1領域で、前記基板の前記第1主面上に形成された、第12窒化物半導体層と、
前記第12窒化物半導体層上に形成された、第13窒化物半導体層と、
を含み、
前記第2窒化物半導体層は、
前記第2領域で、前記基板の前記第1主面上に形成され、前記第12窒化物半導体層と同層の第14窒化物半導体層と、
前記第14窒化物半導体層上に形成され、前記第13窒化物半導体層と同層の第15窒化物半導体層と、
を含み、
前記第3窒化物半導体層は、前記第13窒化物半導体層上に形成されており、
前記第4窒化物半導体層は、前記第15窒化物半導体層上に形成されており、
前記第5窒化物半導体層は、前記第1ゲート電極下の前記第12窒化物半導体層内に形成されており、
前記第12窒化物半導体層のうち、前記第5窒化物半導体層が形成されていない第1部分は、イントリンシック状態またはn型の半導体層であり、
前記第14窒化物半導体層は、イントリンシック状態またはn型の半導体層である、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The first nitride semiconductor layer includes:
A twelfth nitride semiconductor layer formed on the first main surface of the substrate in the first region;
A thirteenth nitride semiconductor layer formed on the twelfth nitride semiconductor layer;
Including
The second nitride semiconductor layer includes
A fourteenth nitride semiconductor layer formed on the first main surface of the substrate in the second region and in the same layer as the twelfth nitride semiconductor layer;
A fifteenth nitride semiconductor layer formed on the fourteenth nitride semiconductor layer and in the same layer as the thirteenth nitride semiconductor layer;
Including
The third nitride semiconductor layer is formed on the thirteenth nitride semiconductor layer;
The fourth nitride semiconductor layer is formed on the fifteenth nitride semiconductor layer;
The fifth nitride semiconductor layer is formed in the twelfth nitride semiconductor layer under the first gate electrode;
The first portion of the twelfth nitride semiconductor layer where the fifth nitride semiconductor layer is not formed is an intrinsic state or an n-type semiconductor layer.
The fourteenth nitride semiconductor layer is a semiconductor device which is an intrinsic state or an n-type semiconductor layer.
請求項11記載の半導体装置において、
前記第5窒化物半導体層には、第1のp型不純物が導入されており、
前記第12窒化物半導体層のうち前記第1部分には、前記第1のp型不純物および第1のn型不純物が導入されており、
前記第14窒化物半導体層には、前記第1のp型不純物および前記第1のn型不純物が導入されている、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 11.
A first p-type impurity is introduced into the fifth nitride semiconductor layer;
The first p-type impurity and the first n-type impurity are introduced into the first portion of the twelfth nitride semiconductor layer,
The semiconductor device, wherein the fourteenth nitride semiconductor layer is doped with the first p-type impurity and the first n-type impurity.
請求項11記載の半導体装置において、
前記第5窒化物半導体層は、平面視において、前記第1ゲート電極が形成された領域内に形成されている、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 11.
The fifth nitride semiconductor layer is a semiconductor device formed in a region where the first gate electrode is formed in a plan view.
請求項1記載の半導体装置において、
前記基板の前記第2主面から前記基板を貫通して前記第5窒化物半導体層に達する第5開口部と、
前記第5開口部に埋め込まれた第3導電膜からなり、前記第5開口部に露出した前記第5窒化物半導体層と接続された第3導電体層と、
を有する、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A fifth opening reaching the fifth nitride semiconductor layer from the second main surface of the substrate through the substrate;
A third conductive layer made of a third conductive film embedded in the fifth opening and connected to the fifth nitride semiconductor layer exposed in the fifth opening;
A semiconductor device.
請求項1記載の半導体装置において、
前記第5窒化物半導体層は、平面視において、前記第1ゲート電極が形成された領域内に形成されている、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The fifth nitride semiconductor layer is a semiconductor device formed in a region where the first gate electrode is formed in a plan view.
請求項1記載の半導体装置において、
前記第1窒化物半導体層は、窒化インジウムガリウムまたは窒化ガリウムからなり、
前記第3窒化物半導体層は、窒化アルミニウムガリウムからなる、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The first nitride semiconductor layer is made of indium gallium nitride or gallium nitride,
The semiconductor device, wherein the third nitride semiconductor layer is made of aluminum gallium nitride.
請求項16記載の半導体装置において、
前記第5窒化物半導体層には、マグネシウムが導入されている、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 16.
A semiconductor device in which magnesium is introduced into the fifth nitride semiconductor layer.
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