JP2015153884A - Nitride semiconductor device manufacturing method, nitride semiconductor device, diode and field effect transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体装置の製造方法および窒化物半導体装置ならびにダイオードおよび電界効果トランジスタに関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor device, a nitride semiconductor device, a diode, and a field effect transistor.
窒化物系半導体に代表されるワイドバンドギャップ半導体は、高い絶縁破壊耐圧、良好な電子輸送特性、良好な熱伝導度を持つので、高温、大パワー、あるいは高周波用半導体デバイスの材料として非常に魅力的である。また、たとえばAlGaN/GaNヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)は、ピエゾ分極および自発分極によって、ヘテロ接合界面に2次元電子ガス(2 Dimensional Electron Gas:2DEG)が発生している。この2DEGは、高い電子移動度とキャリア密度を有しており、多くの注目を集めている。そのため、このようなAlGaN/GaNヘテロ接合構造を用いたショットキーバリアダイオード(Schottky Barrier Diode:SBD)やヘテロ接合電界効果トランジスタ(Heterojunction Field Effect Transistor:HFET)は、高耐圧、低いオン抵抗、および速いスイッチング速度を有し、パワースイッチング応用に非常に好適である。 Wide bandgap semiconductors represented by nitride semiconductors have high dielectric breakdown voltage, good electron transport properties, and good thermal conductivity, so they are very attractive as materials for semiconductor devices for high temperature, high power, or high frequency. Is. Further, for example, a field effect transistor (FET) having an AlGaN / GaN heterojunction structure generates two-dimensional electron gas (2DEG) at the heterojunction interface due to piezo polarization and spontaneous polarization. Yes. This 2DEG has high electron mobility and carrier density, and has attracted much attention. Therefore, Schottky barrier diodes (SBD) and heterojunction field effect transistors (HFETs) using such an AlGaN / GaN heterojunction structure have high breakdown voltage, low on-resistance, and high speed. It has switching speed and is very suitable for power switching application.
また、特許文献1には、電子供給層上に選択的に窒化ガリウムからなるフィールドプレート層(GaNFP層)を設けることによって、電流コラプスを抑制するとともに、リークを低減した構成が記載されている。 Patent Document 1 describes a configuration in which current collapse is suppressed and leakage is reduced by selectively providing a field plate layer (GaN FP layer) made of gallium nitride on an electron supply layer.
しかしながら、本発明者が、たとえば特許文献1に記載されたような窒化物半導体装置を試作したところ、設計から予想される値よりも耐圧が低くなる場合があるという問題を見出した。 However, when the inventors made a prototype of a nitride semiconductor device as described in Patent Document 1, for example, the inventors found a problem that the breakdown voltage might be lower than the value expected from the design.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、窒化物半導体装置における耐圧の低下を抑制することができる窒化物半導体装置の製造方法および窒化物半導体装置、ならびにダイオードおよび電界効果トランジスタを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device manufacturing method, a nitride semiconductor device, a diode, and an electric field that can suppress a decrease in breakdown voltage in the nitride semiconductor device. It is to provide an effect transistor.
上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、基体と、基体上に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、第1半導体層の上層に設けられるとともに第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い窒化物半導体からなる第2半導体層、および第2半導体層の上層に選択的に所定形状に設けられるとともに第2半導体層よりも平均的にバンドギャップが狭い窒化物半導体からなる第3半導体層を含む半導体積層体と、半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第1電極と、半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に第1電極と離間して設けられる第2電極と、を備える窒化物半導体装置の製造方法において、第3半導体層をエッチング法により所定形状に形成する際のエッチング条件を、第3半導体層の設計膜厚に対して50nm以上の値を加算した膜厚の第3半導体層をエッチングできるエッチング条件とすることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the above object, a method of manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention includes a base, a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided on the base, and a first semiconductor. A second semiconductor layer formed of a nitride semiconductor having an average wider band gap than that of the first semiconductor layer and an upper layer of the second semiconductor layer selectively provided in a predetermined shape and provided in a predetermined shape A semiconductor stacked body including a third semiconductor layer made of a nitride semiconductor having an average narrower band gap than the layers, and a first electrode provided on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor stacked body And a second electrode provided on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor stacked body and spaced apart from the first electrode, in a method for manufacturing a nitride semiconductor device, Etching conditions for forming the body layer in a predetermined shape by an etching method are etching conditions that can etch the third semiconductor layer having a thickness obtained by adding a value of 50 nm or more to the design thickness of the third semiconductor layer. It is characterized by.
本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、上記の発明において、第3半導体層をエッチング法により所定形状に形成する際に、第3半導体層の設計膜厚に対して50nm以上300nm以下の値を加算した膜厚の第3半導体層をエッチングするエッチング条件とすることを特徴とする。 In the method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention, in the above invention, when the third semiconductor layer is formed into a predetermined shape by an etching method, the nitride semiconductor device has a thickness of 50 nm or more and 300 nm or less with respect to a design film thickness of the third semiconductor layer. Etching conditions for etching the third semiconductor layer having a thickness obtained by adding the values are characterized.
本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、上記の発明において、第3半導体層をエッチング法により所定形状に形成する際に、第2半導体層の上層に選択的に設けられる第3半導体層の形成領域以外の領域において、第2半導体層の表面が全面に露出するまでエッチングすることを特徴とする。 In the method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention, in the above invention, the third semiconductor layer selectively provided on the second semiconductor layer when the third semiconductor layer is formed into a predetermined shape by an etching method. Etching is performed until the surface of the second semiconductor layer is exposed to the entire surface in a region other than the formation region.
本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、上記の発明において、半導体積層体が、第2半導体層と第3半導体層との間に、第2半導体層の平均Al組成比よりも高いAl組成比を有する窒化物半導体からなる第4半導体層を有することを特徴とする。 In the method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention, in the above invention, the semiconductor stacked body has an Al higher than the average Al composition ratio of the second semiconductor layer between the second semiconductor layer and the third semiconductor layer. It has the 4th semiconductor layer which consists of a nitride semiconductor which has a composition ratio, It is characterized by the above-mentioned.
本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、上記の発明において、第3半導体層をエッチング法により所定形状に形成する際に、第2半導体層の上層に選択的に設けられる第3半導体層の形成領域以外の領域において、第4半導体層の表面が全面に露出するまでエッチングすることを特徴とする。 In the method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention, in the above invention, the third semiconductor layer selectively provided on the second semiconductor layer when the third semiconductor layer is formed into a predetermined shape by an etching method. Etching is performed until the surface of the fourth semiconductor layer is exposed to the entire surface in a region other than the formation region.
本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、上記の発明において、第2半導体層が、少なくとも2つの異なるAl組成比からなる窒化物半導体層を複数回積層した複数層の窒化物半導体層からなる超格子構造を有することを特徴とする。 In the method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention, in the above invention, the second semiconductor layer includes a plurality of nitride semiconductor layers in which nitride semiconductor layers having at least two different Al composition ratios are stacked a plurality of times. It has the superlattice structure which becomes.
本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、上記の発明において、第2半導体層のうちの少なくとも表面側の領域におけるAl組成比が40%以上であることを特徴とする。 The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the Al composition ratio in at least the surface side region of the second semiconductor layer is 40% or more.
本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、上記の発明において、エッチング条件が、第3半導体層における第3半導体層の下層の半導体層に対するエッチング選択比が25倍以上になるエッチング条件を含むことを特徴とする。 The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention includes an etching condition in which, in the above-described invention, the etching condition is such that the etching selectivity of the third semiconductor layer to the semiconductor layer below the third semiconductor layer is 25 times or more. It is characterized by that.
本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、基体と、基体上に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、第1半導体層の上層に設けられるとともに第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い窒化物半導体からなる第2半導体層、および第2半導体層の上層に選択的に所定形状に設けられるとともに第2半導体層よりも平均的にバンドギャップが狭い窒化物半導体からなる第3半導体層を含む半導体積層体と、半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第1電極と、半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に第1電極と離間して設けられる第2電極と、を備える窒化物半導体装置の製造方法において、第3半導体層をエッチング法により所定形状に形成する前に、第3半導体層の表面を平坦化するエッチバック工程を含むことを特徴とする。 The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention includes a base, a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided on the base, an upper layer of the first semiconductor layer, and more average than the first semiconductor layer. And a second semiconductor layer made of a nitride semiconductor having a wide band gap, and a nitride semiconductor which is selectively provided in a predetermined shape above the second semiconductor layer and which has an average narrower band gap than the second semiconductor layer. A semiconductor stack including the third semiconductor layer; a first electrode provided on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor stack; and at least one of the semiconductor layers constituting the semiconductor stack. In a method for manufacturing a nitride semiconductor device comprising: a second electrode provided on a portion of a layer and spaced apart from a first electrode, before forming the third semiconductor layer into a predetermined shape by an etching method Characterized in that it comprises an etch-back process to planarize the surface of the third semiconductor layer.
本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、基体と、基体上に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、第1半導体層の上層に設けられるとともに第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い窒化物半導体からなる第2半導体層、および第2半導体層の上層に選択的に所定形状に設けられるとともに第2半導体層よりも平均的にバンドギャップが狭い窒化物半導体からなる第3半導体層を含む半導体積層体と、半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第1電極と、半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に第1電極と離間して設けられる第2電極と、を備える窒化物半導体装置の製造方法において、第2半導体層の上層に所定形状の開口を有する選択成長マスク層を形成し、開口の内部に第3半導体層を成長させた後、選択成長マスク層を除去することにより、第3半導体層を所定形状に形成することを特徴とする。 The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention includes a base, a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided on the base, an upper layer of the first semiconductor layer, and more average than the first semiconductor layer. And a second semiconductor layer made of a nitride semiconductor having a wide band gap, and a nitride semiconductor which is selectively provided in a predetermined shape above the second semiconductor layer and which has an average narrower band gap than the second semiconductor layer. A semiconductor stack including the third semiconductor layer; a first electrode provided on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor stack; and at least one of the semiconductor layers constituting the semiconductor stack. In a method for manufacturing a nitride semiconductor device comprising: a second electrode provided apart from a first electrode on a part layer; and a selective growth mass having an opening of a predetermined shape in an upper layer of the second semiconductor layer Forming a layer, after growing the third semiconductor layer within the opening, by removing the selective growth mask layer, and forming a third semiconductor layer into a predetermined shape.
本発明に係る窒化物半導体装置は、基体と、基体上に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、第1半導体層の上層に設けられるとともに第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い窒化物半導体からなる第2半導体層、および第2半導体層の上層に選択的に設けられるとともに第2半導体層よりも平均的にバンドギャップが狭い窒化物半導体からなる第3半導体層を含む半導体積層体と、半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第1電極と、半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に第1電極と離間して設けられる第2電極と、を備える窒化物半導体装置において、第3半導体層の表面に12nm以上の突状部が存在するとともに、第2半導体層の表面に12nm未満の突状部が存在することを特徴とする。 A nitride semiconductor device according to the present invention is provided on a base, a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided on the base, an upper layer of the first semiconductor layer, and on an average band gap than the first semiconductor layer. A second semiconductor layer made of a nitride semiconductor having a large width, and a third semiconductor layer made of a nitride semiconductor that is selectively provided above the second semiconductor layer and has an average narrower band gap than the second semiconductor layer A semiconductor stacked body, a first electrode provided on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor stacked body, and on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor stacked body In a nitride semiconductor device including a second electrode provided apart from the first electrode, a protruding portion having a size of 12 nm or more exists on the surface of the third semiconductor layer, and 12 on the surface of the second semiconductor layer. Wherein the protruding portion is less than m are present.
本発明に係る窒化物半導体装置は、基体と、基体上に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、第1半導体層の上層に設けられるとともに第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い窒化物半導体からなる第2半導体層、第2半導体層の上層に選択的に設けられるとともに第2半導体層よりも平均的にバンドギャップが狭い窒化物半導体からなる第3半導体層、および第2半導体層と第3半導体層との間に設けられるとともに第2半導体層の平均Al組成比よりも高いAl組成比を有する窒化物半導体からなる第4半導体層を含む半導体積層体と、半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第1電極と、半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に第1電極と離間して設けられる第2電極と、を備える窒化物半導体装置において、第3半導体層の表面に12nm以上の突状部が存在するとともに、第4半導体層の表面に12nm未満の突状部が存在することを特徴とする。 A nitride semiconductor device according to the present invention is provided on a base, a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided on the base, an upper layer of the first semiconductor layer, and on an average band gap than the first semiconductor layer. A second semiconductor layer made of a nitride semiconductor having a large width, a third semiconductor layer made of a nitride semiconductor that is selectively provided above the second semiconductor layer and has an average narrower band gap than the second semiconductor layer, and A semiconductor stack including a fourth semiconductor layer provided between the second semiconductor layer and the third semiconductor layer and made of a nitride semiconductor having an Al composition ratio higher than the average Al composition ratio of the second semiconductor layer; A first electrode provided on at least a part of the semiconductor layers constituting the body, and spaced apart from the first electrode on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor laminate. In a nitride semiconductor device provided with the second electrode provided, the protrusions of 12 nm or more exist on the surface of the third semiconductor layer, and the protrusions of less than 12 nm exist on the surface of the fourth semiconductor layer. It is characterized by.
本発明に係る窒化物半導体装置は、上記の発明において、半導体積層体を構成する層のうちの少なくとも一部の層の上に、第1電極および第2電極と離間して設けられた第3電極をさらに備えることを特徴とする。 In the above-described invention, the nitride semiconductor device according to the present invention is a third semiconductor device provided on at least a part of the layers constituting the semiconductor multilayer body and spaced apart from the first electrode and the second electrode. An electrode is further provided.
本発明に係る電界効果トランジスタは、上記の発明による窒化物半導体装置の構成を有し、第1電極がゲート電極、第2電極がドレイン電極、および第3電極がソース電極であることを特徴とする。 A field effect transistor according to the present invention has the structure of the nitride semiconductor device according to the above invention, wherein the first electrode is a gate electrode, the second electrode is a drain electrode, and the third electrode is a source electrode. To do.
本発明に係るダイオードは、上記の発明による窒化物半導体装置の構成を有し、第1電極がアノード電極、および第2電極がカソード電極であることを特徴とする。 The diode according to the present invention has the structure of the nitride semiconductor device according to the above-described invention, wherein the first electrode is an anode electrode and the second electrode is a cathode electrode.
本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法および窒化物半導体装置ならびにダイオードおよび電界効果トランジスタによれば、窒化物半導体装置における耐圧の低下を抑制することが可能となる。 According to the method for manufacturing a nitride semiconductor device, the nitride semiconductor device, the diode, and the field effect transistor according to the present invention, it is possible to suppress a decrease in breakdown voltage in the nitride semiconductor device.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複した説明を適宜省略する。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、以下の実施の形態の説明に用いる「上」、「上方」または「上部」、ならびに「下」、「下方」または「下部」はそれぞれ、半導体装置の基板の主面に対して直角に遠ざかる向き、ならびに基板の主面に近づく向きを示し、半導体装置の実装状態における上下方向とは必ずしも一致しない点にも留意する必要がある。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by the following embodiment. In the drawings, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals as appropriate, and repeated descriptions are omitted as appropriate. Furthermore, it should be noted that the drawings are schematic, and dimensional relationships between elements may differ from actual ones. Even between the drawings, there are cases in which portions having different dimensional relationships and ratios are included. Further, “upper”, “upper” or “upper” and “lower”, “lower” or “lower” used in the description of the following embodiments are perpendicular to the main surface of the substrate of the semiconductor device, respectively. It should also be noted that the direction of moving away and the direction of approaching the main surface of the substrate are shown and do not necessarily coincide with the vertical direction in the mounting state of the semiconductor device.
まず、本発明の実施の形態について説明するにあたり、本発明の理解を容易にするために、上述した課題を解決すべく本発明者が行った鋭意検討について説明する。まず、本発明者が鋭意検討を行う対象となった従来の窒化物半導体装置について説明する。 First, in describing embodiments of the present invention, in order to facilitate the understanding of the present invention, an intensive study conducted by the present inventor to solve the above-described problems will be described. First, a description will be given of a conventional nitride semiconductor device that has been the subject of intensive studies by the inventors.
まず、本発明者は、従来の耐圧歩留が低い原因について種々検討を行い、SBDやHEMTなどの、600V以上の電圧に対して耐圧を有する窒化物半導体装置において、電子供給層の上層にフィールドプレート層(FP層)が設けられる点に着目した。すなわち、高耐圧の窒化物半導体装置においては、窒化ガリウムアルミニウム(AlGaN)からなる電子供給層の上層に、電界緩和のために選択的に窒化ガリウム(GaN)からなるフィールドプレート層が設けられる。また、GaN層を結晶成長させる際、たとえば基板温度などの特定の成長条件を変化させると、成長条件によってはGaN層の表面にGaNからなる突状欠陥が生じることが知られている(非特許文献1)。そして、本発明者は、GaN層以外のInuAlvGa1-u-vN層(0≦u≦1、0≦v≦1、0<u+v<1)などの窒化物系半導体層においても同様に突状欠陥が生じることを確認した。 First, the present inventor has made various studies on the conventional causes of low breakdown voltage yield, and in a nitride semiconductor device having a breakdown voltage with respect to a voltage of 600 V or higher, such as SBD or HEMT, the field is formed above the electron supply layer. It was noted that a plate layer (FP layer) was provided. That is, in a high breakdown voltage nitride semiconductor device, a field plate layer made of gallium nitride (GaN) is selectively provided on the electron supply layer made of gallium aluminum nitride (AlGaN) for electric field relaxation. Further, when crystal growth of a GaN layer is performed, for example, if a specific growth condition such as a substrate temperature is changed, it is known that a projecting defect made of GaN is generated on the surface of the GaN layer depending on the growth condition (non-patent) Reference 1). The present inventor similarly applies to nitride semiconductor layers such as In u Al v Ga 1-uv N layers (0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, 0 <u + v <1) other than the GaN layer. It was confirmed that a projecting defect was generated.
そこで、本発明者は、成長条件によって生じる可能性があるGaN層の表面の突状欠陥が耐圧低下の原因であることを想起した。具体的には、電子供給層の上層にGaN層をエピタキシャル成長させた時に生じた突状欠陥が、選択エッチングによりGaN層を所定形状に形成してフィールドプレート層を形成した時にエッチングにより除去しきれず、フィールドプレート層以外の領域における電子供給層の表面に突状欠陥が残存することが耐圧低下に影響していると推測した。なお、後述するエッチング条件(オーバーエッチング量)と歩留との関係から、フィールドプレート層のエピタキシャル成長時に生じる突状欠陥の高さは50〜200nm程度と見積もられた。 Therefore, the present inventor has recalled that a protruding defect on the surface of the GaN layer, which may be generated depending on the growth conditions, is the cause of the breakdown voltage reduction. Specifically, the projecting defects generated when the GaN layer is epitaxially grown on the electron supply layer cannot be removed by etching when the GaN layer is formed into a predetermined shape by selective etching and the field plate layer is formed. It was presumed that the protrusion defects remained on the surface of the electron supply layer in the region other than the field plate layer had an effect on the breakdown voltage reduction. From the relationship between etching conditions (overetching amount) and yield, which will be described later, the height of the projecting defect generated during the epitaxial growth of the field plate layer was estimated to be about 50 to 200 nm.
そこで、本発明者は、このような突状欠陥について、種々検討を行った。図13は、このような突状欠陥が存在していた窒化物半導体装置としてのショットキーバリアダイオード(SBD)を示す模式的な断面図である。 Therefore, the present inventor conducted various studies on such a projecting defect. FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing a Schottky barrier diode (SBD) as a nitride semiconductor device in which such protruding defects exist.
図13に示すように、突状部を有するSBD100は、基板およびバッファ層を有してなる基体101、アンドープGaN(u−GaN)からなる電子走行層102、およびAlGaNからなる電子供給層103上に選択的に、GaNからなるフィールドプレート層105a、アノード電極106Aおよびカソード電極106C、ならびに絶縁膜107を備える。そして、電子走行層102の電子供給層103との界面には、2DEG層A,aが生じている。なお、フィールドプレート層105aが設けられていることにより、その下層の2DEG層aは2DEG層Aに比してキャリア濃度(2DEG濃度)が低減されている。そして、図13に示すSBD100においては、アノード電極106Aとカソード電極106Cとの間に突状部105Aが存在している。
As shown in FIG. 13, the
そして、本発明者は、このSBD100において、電界集中に関するシミュレーションを行った。すなわち、突状部105Aが存在している領域の下層の電子走行層102の2DEG層bにおいて、2DEG濃度が局所的に減少される。これにより、SBD100の動作時に、突状部105Aのカソード電極106C側端部(図13中、P囲み部分)において電界集中が生じて、耐圧の低下の原因になる可能性があることが分かった。この耐圧の低下は、SBD100に限らず、HEMTなどの、チャネルに2DEGを用いるとともに、電界緩和のためにフィールドプレート層を設けた種々の窒化物半導体装置に共通の現象である。
And this inventor performed the simulation regarding electric field concentration in this SBD100. That is, the 2DEG concentration is locally reduced in the 2DEG layer b of the
そこで、本発明者は、このような電子供給層103の上層に突状部105Aが生じる点について検討を行った。そして、本発明者は、有機金属化学気相成長(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)法によってエピタキシャル成長されたGaN層の表面に突状欠陥が生じると、フィールドプレート層105aを形成する際に電子供給層103の上層にGaN層が残存して突状部105Aが生じると推測した。
Therefore, the present inventor has studied the point where the protruding
そして、本発明者は、以上の突状欠陥に関する検討に基づき、窒化物半導体装置において、電界集中の発生原因になる突状欠陥が残存しない製造方法について検討を行った。そして、本発明者は、フィールドプレート層を所定形状に形成する際に行うエッチングにおいて、そのエッチング条件を、フィールドプレート層となる半導体層の膜厚に対して従来のエッチング条件よりもより深くエッチングする、いわゆるオーバーエッチング条件にすることを想起した。以上により、窒化物半導体装置において、電子供給層の上層に突状部を残存させないようにでき、突状欠陥に起因する電界集中を抑制できるので、その耐圧の低下を抑制することができ、最終製品としての窒化物半導体装置の製造歩留の向上を図ることができる。以下に説明する実施の形態は、以上の鋭意検討に基づいて案出されたものである。 Then, the present inventor has studied a manufacturing method in which no protruding defects that cause electric field concentration remain in the nitride semiconductor device based on the above-described investigation on the protruding defects. Then, the present inventor etches deeper than the conventional etching conditions with respect to the film thickness of the semiconductor layer to be the field plate layer in the etching performed when forming the field plate layer in a predetermined shape. I recalled using the so-called over-etching conditions. As described above, in the nitride semiconductor device, the protruding portion can be prevented from remaining in the upper layer of the electron supply layer, and the electric field concentration caused by the protruding defect can be suppressed. The production yield of the nitride semiconductor device as a product can be improved. The embodiment described below has been devised based on the above-mentioned diligent study.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1による窒化物半導体装置としてのSBDの構成を示す断面図である。すなわち、この実施の形態1における半導体装置としてのSBD1においては、基体11上に、電子走行層12、電子供給層13、およびエッチング犠牲層14が順次積層されている。また、エッチング犠牲層14上に選択的に、ショットキー電極としてのアノード電極16Aと、このアノード電極16Aと離間したオーミック電極としてのカソード電極16Cとが設けられている。さらに、エッチング犠牲層14上には、カソード電極16Cと離間して、フィールドプレート層15aがアノード電極16A側に設けられている。なお、このフィールドプレート層15aは、後述する半導体層15の一部から構成される。そして、これらのエッチング犠牲層14およびフィールドプレート層15aと、アノード電極16Aおよびカソード電極16Cの少なくとも一部を覆うように、絶縁膜17が設けられている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an SBD as a nitride semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. That is, in the SBD 1 as the semiconductor device in the first embodiment, the
基体11は、たとえば、基板およびバッファ層などから構成される。基板は、たとえばシリコン(Si)基板、ガリウム砒素(GaAs)基板、ガリウムリン(GaP)基板、GaN基板、AlN基板、炭化ケイ素(SiC)基板、炭素(C)基板、またはサファイア(Al2O3)基板などからなる。バッファ層は、たとえばGaN層やAlN層などからなる。なお、バッファ層にC、Fe、Mgなどの不純物を添加することによって、バッファ層を半絶縁化させても良い。また、必要に応じて、窒化物半導体装置の構成に必要な種々の層を設けても良い。そして、これらの基板、バッファ層、および必要に応じたその他の層により基体11が構成されている。
The
第1半導体層としての電子走行層12は、たとえば膜厚が700nm(0.7μm)のアンドープの窒化ガリウム(u−GaN)から構成される。なお、電子走行層12を構成する材料としてはGaN以外の窒化物半導体材料を用いても良く、AlGaNを用いる場合、そのAl組成比は5%以下とするのが好ましい。
The
第2半導体層としての電子供給層13は、Al組成比が異なりバンドギャップが異なる少なくとも2種類のIII族窒化物半導体を複数層積層した超格子層から構成された超格子構造を有する。また、この実施の形態1において電子供給層13は、たとえば平均Al組成比XのAlXGa1-XNの擬似混晶構造を有し、少なくとも2種類の互いに異なる極大Al組成比x1または極小Al組成比x2の種々の値をとるAl組成比xのAlxGa1-xN層が複数積層されたAlGaN超格子層から構成される。なお、Al組成比xについて、x2<X<x1である。また、この実施の形態1において電子供給層13の平均Al組成比Xは、0<X<1を前提として、電子走行層12との界面での2DEG濃度が高い2DEG層Aにおいて所望の2DEG濃度を得ることを考慮すると、10%以上40%以下(0.1≦X≦0.4)が好ましく、15%以上35%以下(0.15≦X≦0.35)がより好ましく、20%以上30%以下(0.2≦X≦0.3)がさらに好ましい。また、AlxGa1-xN超格子層におけるシート抵抗の観点、さらにひずみに対して自由に積層できる格子緩和の観点からも、電子供給層13の平均Al組成比Xは上述の範囲が好ましい。ここで、電子供給層13のバンドギャップは、平均のバンドギャップであり、具体的には積層構造を構成する各半導体層の層厚比によって重み付け(積分)をしたバンドギャップの値である。そして、電子供給層13は、その平均のバンドギャップが、電子走行層12のバンドギャップよりも広くなるように構成されている。
The
また、電子供給層13を構成するAlGaN層のうち、極大Al組成比x1のAlx1Ga1-x1N層および極小Al組成比x2のAlx2Ga1-x2N層の膜厚としては、層状になる最低膜厚である2原子層以上、さらには、所望の平均Al組成比Xによって2DEG層Aの電子の波動関数をしみ出させる必要がある観点から、具体的にはたとえば0.5nm以上4.0nm以下、好適には0.5nm以上3.5nm以下、より好適には0.5nm以上3.0nm以下とし、この実施の形態1においては、たとえばそれぞれ1.5nm程度にする。また、各AlxGa1-xN層の膜厚は、ミスフィット転位を生じさせないために臨界膜厚以下にするのが好ましい。AlxGa1-xN層の臨界膜厚は、具体的には、GaN層の格子定数に対してAl組成比xが0.6の場合に5nm程度、Al組成比xが0.1の場合に100nm程度である。なお、臨界膜厚は、積層構造において隣接する層に応じて異なる膜厚になることから、必ずしもこれらの膜厚に限定されない。そして、上述の条件に基づいて、各AlxGa1-xN層の膜厚、ならびに層数または組数は、2DEG層Aの2DEG濃度の設定濃度や窒化物半導体装置の設計に応じて適宜最適な値が選択される。この実施の形態1においては、2DEG濃度がたとえば3×1013cm-2未満になるように調整される。
Of the AlGaN layers constituting the
また、電子供給層13の膜厚の下限としては、電子供給層13を極大Al組成比x1のAlx1Ga1-x1N層と極小Al組成比x2のAlx2Ga1-x2N層とが1組積層されたAlx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N超格子層から構成することを考慮すると、2nm以上にするのが好ましく、2DEG層Aの2DEG濃度を増加させることを考慮すると、好適には5nm以上、より好適には10nm以上が好ましい。また、電子供給層13の膜厚の上限としては、ミスフィット転位が生じない臨界膜厚以下が好ましく、オーミック接触の限界を考慮すると、100nm以下、好適には50nm以下、より好適には30nm以下が好ましい。そして、この実施の形態1においては、たとえば20nmである。
The lower limit of the film thickness of the
また、図1に示す第4半導体層としてのエッチング犠牲層14は、たとえば平均のAl組成比Yが電子供給層13の平均Al組成比Xより大きいAlYGa1-YN層(0<Y<1、X<Y)からなる。これは、AlYGa1-YN層上に形成される後述する半導体層15が、たとえばGaN層などの、Al組成比が0または極めて小さい材料からなる場合、この半導体層15のエッチングレートがAlGaN層の約25倍以上と極めて大きく、AlGaN層がGaN層に対するエッチングストップとして極めて有効に作用するためである。そして、このように半導体層15の下層の半導体層に対するエッチング選択比をたとえば25倍以上、好適には50倍以上と大きくするためには、下層の半導体層であるエッチング犠牲層14のAl組成比Yを40%以上にするのが好ましい。
The etching
また、エッチング犠牲層14は、所定形状のフィールドプレート層15aを形成するためのエッチングにおいて、エッチング犠牲層14へのオーバーエッチング時にエッチング速度を制御できるように構成されている。そのため、エッチングが電子供給層13にまで到達することなく、エッチング犠牲層14においてエッチングを制御性良く停止させることができる。
The etching
ここで、エッチング犠牲層14の膜厚は、フィールドプレート層15aを形成するためのエッチングを、オーバーエッチング時におけるエッチング速度の制御によって精密に制御できる膜厚以上にするのが好ましく、具体的には、たとえば1nm以上、より好適には、2nm以上が好ましい。また、エッチング犠牲層14の膜厚は、結晶性の悪化を抑制するために、12nm以下にするのが好ましい。したがって、エッチング犠牲層14の膜厚は、1nm以上12nm以下、この実施の形態1においては、たとえば4nm程度とする。ここで、エッチング犠牲層14の膜厚は、フィールドプレート層15aの下層における、最終的にエッチングされない領域におけるエッチング犠牲層14の膜厚とする。
Here, the thickness of the etching
また、エッチング犠牲層14の上層に形成される半導体層15の表面に、上述した突状欠陥が存在した場合、エッチング犠牲層14の表面には半導体層15の表面に生じた突状欠陥の形状に対応した突状部14Aが形成されている場合がある。この場合、その突状部14Aにおけるエッチング犠牲層14の突状部14A以外の領域からの高さhは、半導体層15とエッチング犠牲層14とのエッチング選択比に応じて種々の値を採り得る。この実施の形態1においては、半導体層15とエッチング犠牲層14とのエッチング選択比が25倍以上である場合、エッチング犠牲層14の表面における突状部14Aの高さhは0nmより大きく12nm未満の4nm程度になる。このようなオーバーエッチングによって、エッチング犠牲層14上に半導体層15の一部からなる突状部が存在しないようにできるとともに、エッチング犠牲層14の表面における突状部14Aの高さhを12nm未満にできるので、局所的な電界集中による耐圧低下を抑制することができる。
In addition, when the above-described protrusion defect exists on the surface of the
また、窒化物半導体装置の構造に応じてエッチング犠牲層14または電子供給層13の上層に選択的に、第3半導体層としての後述する半導体層15の一部からなるフィールドプレート層15aが設けられる。フィールドプレート層15aは、電子走行層12に生じる2DEGの2DEG濃度を少なくとも2水準に変化させるため、具体的には低減させるために、電子供給層13の平均バンドギャップより狭い窒化物半導体、具体的にはInuAlvGa1-u-vN層(0≦u≦1、0≦v≦1、0≦u+v<1)からなる。また、電子走行層12に生じる2DEGの2DEG濃度は、フィールドプレート層15aの膜厚が大きいほど低下する。そして、このフィールドプレート層15aの膜厚は、20nm以上200nm以下、好適には、成長とエッチングを用いた膜厚制御により2DEG濃度の制御が容易になる20nm以上100nm以下、より好適には、膜厚のばらつきによる2DEG濃度のばらつきを受けにくくなる20nm以上80nm以下である。この実施の形態1においてフィールドプレート層15aは、たとえば膜厚が30nmのGaN層からなる。すなわち、このSBD1においては、フィールドプレート層15aが設けられていることにより、2DEG層aの2DEG濃度がたとえば7×1012cm-2以下となり、2DEG濃度が7×1012cm-2よりも高い2DEG層Aに比して低濃度に低減される。これにより、フィールドプレート層15aが設けられた部分における電界強度を抑制できる。
Further, a
ここで、フィールドプレート層15aの表面において部分的に、上述した突状欠陥の少なくとも一部からなる突状部15Aが形成されている場合がある。なお、図1においては、突状欠陥のすべてが突状部15Aとしてフィールドプレート層15a上に残存している状態を示しているが、突状欠陥が、フィールドプレート層15aを所定形状に形成する際に、所定形状の外周部分にまたがって存在する場合などにおいては、突状欠陥の一部から突状部15Aが構成される場合もある。そして、フィールドプレート層15a上に突状部15Aが存在する場合、この突状部15Aにおけるフィールドプレート層15aの突状部15A以外の平坦面からの高さHは、12nm以上で突状欠陥の最大高さ以下、具体的にはたとえば300nm以下になっている。なお、本発明者が、フィールドプレート層15aの表面に突状部15Aが形成されているSBD1に対して耐圧を測定したところ、フィールドプレート層15aの表面に突状部15Aが存在していても、そのSBD1の耐圧は低下しないことが確認された。すなわち、フィールドプレート層15aの表面における突状部15AはSBD1の耐圧の低下要因にはならないことが確認された。また、突状部15Aの下層の2DEG層aの部分は、突状部15Aの存在によるフィールドプレート層15aの部分的な厚膜化によってさらに2DEG濃度が低減されるので、電界集中をより低減できるという効果も奏する。
Here, in some cases, a
そして、上述した電子走行層12、電子供給層13、エッチング犠牲層14、およびフィールドプレート層15a(半導体層15)により、この実施の形態1における半導体積層体が構成される。なお、窒化物半導体装置の構成によって、半導体積層体を、電子走行層12および電子供給層13、およびフィールドプレート層15a(半導体層15)から構成しても良い。また、エッチング犠牲層14を設けずに電子供給層13の最上層をエッチング犠牲層の代用とする場合には、電子走行層12、電子供給層13、およびフィールドプレート層15a(半導体層15)により半導体積層体が構成される。
The
また、第1電極としてのアノード電極16Aは、たとえば、下部電極層がNi層で上部電極層がAu層のNi/Auの積層構造を有する。これにより、アノード電極16Aは、エッチング犠牲層14および電子供給層13を介して電子走行層12に発生した2DEG層Aとショットキー接触する。なお、アノード電極16Aは、エッチング犠牲層14および電子供給層13におけるアノード電極16Aの形成領域をリセスエッチングによって除去し、フィールドプレート層15aの下層に存在する2DEGに対して側面からショットキー接触させても良い。
The
アノード電極16Aは、フィールドプレート層15a上に乗り上げて少なくとも1段の段差を形成しているとともに、カソード電極16C側に向かってせり出すように延伸している。この実施の形態1においてアノード電極16Aは、フィールドプレート層15aの側面および上面の一部に接触して設けられている。なお、アノード電極16Aとフィールドプレート層15aとの間に他の半導体膜や誘電体膜を介在させて互いに非接触としても良い。さらに、この実施の形態1においては、アノード電極16Aに多段の段差を有する形状、たとえば2段の段差状にフィールドプレート部を設ける。
The
また、第2電極としてのカソード電極16Cは、たとえば、下部電極層がTi層で上部電極層がAl層のTi/Alの積層構造を有する。これにより、カソード電極16Cは、エッチング犠牲層14および電子供給層13を介して電子走行層12に発生した2DEG層Aとオーミック接触する。
The
また、絶縁膜17は、主に、フィールドプレート層15a、アノード電極16A、カソード電極16C、およびエッチング犠牲層14の表面を保護する。絶縁膜17は、たとえば酸化シリコン(SiO2)から構成されるが、その他の材料、具体的にはたとえば窒化シリコン(SiNx)や酸化アルミニウム(Al2O3:アルミナ)などから構成しても良く、複数種類の材料を適宜組み合せたり、順次積層させたりして構成しても良い。以上により、実施の形態1によるSBD1が構成されている。
The insulating
(窒化物半導体装置の製造方法)
次に、この実施の形態1における窒化物半導体装置としてのSBD1の製造方法について説明する。図2、図3、図4、および図5は、この実施の形態1による窒化物半導体装置の製造方法を示す模式的な断面図である。
(Nitride semiconductor device manufacturing method)
Next, a method for manufacturing SBD 1 as the nitride semiconductor device in the first embodiment will be described. 2, FIG. 3, FIG. 4 and FIG. 5 are schematic cross-sectional views showing a method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the first embodiment.
この実施の形態1における窒化物半導体装置としてのSBD1の製造方法においては、まず、図2に示すように、基体11が載置されているMOCVD反応炉(図示せず)内に、たとえばIII族ガスとしてのトリメチルガリウム(TMGa)と、V族ガスとしてのアンモニア(NH3)と、キャリアガスとしての水素(H2)および窒素(N2)とをそれぞれ供給する。これにより、基体11上にGaNを成長させてu−GaN層からなる電子走行層12を形成する。
In the method of manufacturing SBD 1 as the nitride semiconductor device according to the first embodiment, first, as shown in FIG. 2, for example, a group III is placed in a MOCVD reactor (not shown) on which
その後、TMGaのMOCVD反応炉への供給を停止し、その状態で、MOCVD反応炉に、たとえばIII族ガスとしてのトリメチルアルミニウム(TMAl)を供給する。これにより、電子走行層12上にAl組成比xが比較的高いAlGaN変成層からなるAlxGa1-xN層が成長される。続けて、MOCVD反応炉へのTMAlの供給を停止し、その状態でTMGaを供給する。これによって、Al組成比xが比較的低いAlGaN変成層からなるAlxGa1-xN層が成長される。そして、これらの結晶成長を交互に繰り返すことによって、電子走行層12上に擬似混晶構造のAlGaN超格子層からなる電子供給層13が形成される。その後、MOCVD反応炉内にTMGaおよびTMAlを供給することによって、電子供給層13上にエッチング犠牲層14を形成する。
Thereafter, the supply of TMGa to the MOCVD reactor is stopped, and in that state, for example, trimethylaluminum (TMAl) as a group III gas is supplied to the MOCVD reactor. As a result, an Al x Ga 1-x N layer made of an AlGaN modified layer having a relatively high Al composition ratio x is grown on the
次に、エッチング犠牲層14上にたとえばGaNを成長させることにより半導体層15を形成する。なお、この半導体層15の成長時にたとえばCやMgなどの不純物や、p型不純物をドーピングしても良い。ここで、この半導体層15の成長においては、たとえばMOCVD法によりTMGaとNH3とを、それぞれ所定の流量(それぞれたとえば58μmol/min、12L/min)で導入する。これと同時に、TMAlを、NH3の流量の0.1%以下の一定の流量で流すとともに成長温度をたとえば1050℃として、半導体層をエピタキシャル成長させる。なお、半導体層15の一部からフィールドプレート層15aが構成されるため、半導体層15の膜厚に関しては、上述したフィールドプレート層15aの膜厚と同様であり、この実施の形態1においてはたとえば30nmである。また、上述したように、半導体層15の成長時に表面に突状欠陥である突状部15Aが発生する場合がある。
Next, the
続いて、図3に示すように、半導体層15上に選択的に、フィールドプレート層15aの所定形状に対応したレジストパターン18を形成する。その後、レジストパターン18をエッチングマスクとし、たとえば塩素(Cl)および酸素(O)を含むエッチングガスを用いて、半導体層15をエッチング犠牲層14までエッチングする。これによって、図4に示すように、所望の領域以外の半導体層15がエッチング除去されてフィールドプレート層15aが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 3, a resist
ここで、半導体層15のエッチング条件としては、半導体層15の設計膜厚に対してさらに50nm以上、好適には50nm以上300nm以下、より好適には100nm以上、さらに好適には200nm以下の膜厚を加算した膜厚の半導体層15を選択エッチングできる条件とする。すなわち、この実施の形態1において半導体層15の設計膜厚d(nm)に対して、(d+50)nm以上、好適には、(d+50)nm以上(d+300)nm以下の膜厚の半導体層15をエッチングすることを想定したエッチング条件とする。具体的には、半導体層15の設計膜厚dがたとえば30nmである場合、エッチング条件としては、たとえば80nm以上330nm以下の膜厚の半導体層15をエッチングすることを想定した条件とする。これにより、レジストパターン18が形成されていない領域における半導体層15を、その表面の突状部15Aとともにほとんどエッチング除去することができ、フィールドプレート層15aの形成領域以外のほとんどの領域、好適にはフィールドプレート層15aの形成領域以外の全面の領域においてエッチング犠牲層14が露出する。なお、エッチング犠牲層14を設けない場合には、フィールドプレート層15aの形成領域以外のほとんどの領域、好適にはフィールドプレート層15aの形成領域以外の全面の領域において電子供給層13が露出する。
Here, the etching conditions of the
また、エッチング除去される領域において、突状部15Aが発生している領域(発生領域)はその他の領域に比してより厚い膜厚をエッチングする必要があるため、エッチング除去に時間を要する。そのため、突状部15Aが発生していない領域(非発生領域)においては、その下層のエッチング犠牲層14がエッチング選択比に応じてオーバーエッチングされる。具体的に半導体層15のエッチング犠牲層14に対するエッチング選択比をたとえば25倍程度とする。この場合、突状部15Aの発生領域における半導体層15がエッチング除去されてエッチング犠牲層14が露出した時点で、突状部15Aの非発生領域におけるエッチング犠牲層14は、エッチング条件の設定において加算した50〜300nmの1/25程度である2〜12nm程度オーバーエッチングされている。これにより、突状部15Aの発生領域におけるエッチング犠牲層14の表面には、突状部15Aの形状が反映された突状部14Aが形成される。なお、エッチング犠牲層14における突状部14Aが形成された領域以外の面から突状部14Aの頂点までの高さhは、エッチング犠牲層14と半導体層15とのエッチング選択比によって種々の高さになるが、好適には12nm未満、より好適には4nm以下が好ましい。なお、エッチング犠牲層14が設けられていない場合には、電子供給層13の最表面が上述と同様にオーバーエッチングされる。
Further, in the region to be removed by etching, the region where the protruding
その後、図5に示すように、レジストパターン18を除去する。このとき、フィールドプレート層15aの表面には、所定の密度(存在確率)で突状部15Aが残存する。
Thereafter, as shown in FIG. 5, the resist
他方、従来技術による半導体層15のエッチング条件は、半導体層15の設計膜厚dに対してたとえば120%程度の膜厚で、半導体層15を選択エッチングする条件であった。図6は、このエッチング条件の場合における、図4に対応する選択エッチング後の状態を示す模式的な断面図である。すなわち、従来技術においては、半導体層15の設計膜厚d(nm)に対して、1.2×d(nm)程度の膜厚の半導体層15をエッチングすることを想定したエッチング条件であった。具体的には、半導体層15の膜厚が30nmである場合、従来技術によるエッチング条件は36nm程度の膜厚の半導体層15をエッチングすることを想定した条件であった。この場合、図6に示すように、エッチング犠牲層14の表面に突状欠陥の形状が略反映された半導体層15の一部が残存してしまう。なお、エッチング犠牲層14を設けない場合には、電子供給層13上に半導体層15の一部が残存する。そのため、この残存した半導体層15の下層における2DEG濃度が、エッチング除去されてエッチング犠牲層14が露出した領域における2DEG濃度に比して低くなるように低減される。この場合、上述したように、残存した半導体層15の裾端部において電界集中が生じてしまうので、最終製品としての窒化物半導体装置において耐圧が低下して、製造歩留が低下する。
On the other hand, the etching conditions of the
さて、この実施の形態1による製造方法においては、図5に示す半導体層15の選択エッチング後、たとえば順次、電子線蒸着法またはスパッタリング法とリフトオフ法とを適宜行うことによって、図1に示すように、エッチング犠牲層14上に選択的に、カソード電極16Cを形成する。次に、たとえばプラズマエンハンスト化学気相成長(PECVD:Plasma Enhanced CVD)法とフォトリソグラフィ技術とエッチングとを用いて絶縁膜17を形成する。次に、たとえば、電子線蒸着法またはスパッタリング法と、リフトオフ法とを行うことによって、エッチング犠牲層14上、フィールドプレート層15a上、および絶縁膜17上に選択的に、フィールドプレート構造のアノード電極16Aを形成する。以上の工程により、この実施の形態1によるSBD1が製造される。
Now, in the manufacturing method according to the first embodiment, after the selective etching of the
本発明者は、以上のように製造されたSBD1などの窒化物半導体装置に対して、逆印加電圧を600Vとして耐圧試験を行い、試験に合格した窒化物半導体装置の製造歩留を算出した。図7は、その歩留の結果を示すグラフである。詳細には、図7は、半導体層15のエッチング条件を、半導体層15の設計膜厚dよりも0〜300nm大きい膜厚の半導体層15をエッチングする条件(オーバーエッチング量)とした場合における、最終製品としての窒化物半導体装置の製造歩留を示すグラフである。
The inventor conducted a withstand voltage test on the nitride semiconductor device such as SBD1 manufactured as described above with a reverse applied voltage of 600 V, and calculated the manufacturing yield of the nitride semiconductor device that passed the test. FIG. 7 is a graph showing the result of the yield. Specifically, FIG. 7 shows a case where the etching conditions for the
図7から、オーバーエッチング量を0nm、すなわちエッチング条件を設計膜厚通りの半導体層15をエッチングする条件とした従来技術による条件の場合に、歩留が30%程度であるのに対し、オーバーエッチング量を25nmから300nmに順次大きくするにしたがって、歩留も改善されることが分かる。また、オーバーエッチング量を50nm以上とすることによって、歩留が75%以上になることが分かる。さらに、オーバーエッチング量を200nmおよび300nmとした場合には、歩留が90%以上の94%まで増加する一方、オーバーエッチング量の増加に伴う歩留の増加は微増であることが分かる。これらから、この実施の形態1によるエッチング条件のように、オーバーエッチング量を50nm以上300nm以下とすることによって十分な製造歩留を確保できることが分かる。
From FIG. 7, in the case of the condition according to the prior art in which the overetching amount is 0 nm, that is, the etching condition is the condition for etching the
以上説明した本発明の実施の形態1によれば、エッチング犠牲層14上または電子供給層13上に、電界緩和などのためのフィールドプレート層15aが設けられた窒化物半導体装置において、半導体層15を、フィールドプレート層15aの形成領域以外をエッチング除去する際に、エッチング条件を、フィールドプレート層15aの膜厚、すなわち半導体層15の膜厚に対して、さらに50nm以上大きい膜厚の半導体層15をエッチングできる条件にしている。これによって、従来のエッチング条件における設計膜厚程度のエッチング条件の場合にはフィールドプレート層15aの形成領域以外に半導体層15の一部または突状部15Aが残存して、SBDなどの窒化物半導体装置の耐圧の低下要因になるのに対し、フィールドプレート層15aの形成領域以外の領域において、エッチング犠牲層14の表面、エッチング犠牲層14が設けられていない場合には電子供給層13の表面のほとんど、好適には全面を露出させることができる。これにより、半導体層15の表面に生じた突状欠陥に起因した突状部15Aが残存するのを抑制することができるので、SBD1などの窒化物半導体装置に対する電圧の印加時に電界集中の発生を抑制可能になり、耐圧の低下を抑制できる。
According to the first embodiment of the present invention described above, in the nitride semiconductor device in which the
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2による窒化物半導体装置としてのHEMT型電界効果トランジスタについて説明する。図8は、この実施の形態2による窒化物半導体装置としてのHEMT2を示す模式的な断面図である。
(Embodiment 2)
Next, a HEMT field effect transistor as a nitride semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a schematic cross-sectional
図8に示すように、実施の形態2によるHEMT2は、実施の形態1における基体11、電子走行層12、電子供給層13、およびエッチング犠牲層14からなる構造を有する。そして、エッチング犠牲層14上に選択的に、フィールドプレート層15bと、互いに離間したソース電極21S、ゲート電極21Gおよびドレイン電極21Dと、絶縁膜22とを備える。
As shown in FIG. 8, the
ここで、実施の形態2において、フィールドプレート層15bの膜厚は、実施の形態1における理由と同様の理由から、たとえば20nm以上200nm以下が好ましく、好適には20nm以上100nm以下、より好適には20nm以上50nm以下である。また、フィールドプレート層15bは、実施の形態1と同様にして、オーバーエッチングされるエッチングストップ層としてのエッチング犠牲層14を用いて、半導体層15を選択エッチングすることによって形成される。そして、この選択エッチングにおけるエッチング条件については、実施の形態1と同様のエッチング条件であるので、その説明を省略する。
Here, in the second embodiment, the thickness of the
また、この実施の形態2においては、フィールドプレート層15bにより電子走行層12の内部の2DEG濃度が低減される。すなわち、フィールドプレート層15bの下方領域に2DEG濃度が低い2DEG層aが生成される。ここで、HEMT2の高耐圧化の観点からは、2DEG層aの2DEG濃度は、7×1012cm-2以下にするのが好ましい。また、HEMT2のオン抵抗を低減する観点から、2DEG濃度が比較的高い2DEG層Aの2DEG濃度は、7×1012cm-2よりも高くするのが好ましい。なお、上述したように、電子供給層13における平均Al組成比Xと積層層数とを調整することにより、2DEG濃度は3×1013cm-2未満になるように設定される。
In the second embodiment, the 2DEG concentration inside the
また、第2電極としてのドレイン電極21Dおよび第3電極としてのソース電極21Sは、エッチング犠牲層14上に設けられ、たとえばTi/Alの積層構造から構成される。これにより、ドレイン電極21Dおよびソース電極21Sは、エッチング犠牲層14および電子供給層13を介して、2DEG層Aとオーミック接触する。
In addition, the
また、第1電極としてのゲート電極21Gは、ドレイン電極21Dとソース電極21Sとの間に配置され、フィールドプレート層15b上、および絶縁膜22にせり出して設けられている。このゲート電極21Gは、たとえばNi/Auの積層構造から構成される。これによって、ゲート電極21Gは、エッチング犠牲層14および電子供給層13を介して、電子走行層12における2DEG層Aとショットキー接触する。また、ゲート電極21Gは、多段の階段状、たとえばソース電極21Sおよびドレイン電極21Dの両側に向かって階段状にフィールドプレート部がせり出すように延伸して設けられている。なお、実施の形態2においては、ゲート電極21Gの部分がエッチング犠牲層14と接触するように形成されているが、エッチング犠牲層14とゲート電極21Gとの間にフィールドプレート層15bを介するように構成することも可能である。
Further, the
また、絶縁膜22は、たとえばSiO2から構成されるが、その他の材料、具体的にはたとえばSiNxやAl2O3などから構成しても良く、複数種類の材料を適宜組み合せたり、順次積層させたりして構成しても良い。絶縁膜22は、主に、フィールドプレート層15bと、ゲート電極21Gと、ドレイン電極21Dと、ソース電極21Sと、エッチング犠牲層14の表面とを保護する。以上により、実施の形態2によるHEMT2が構成されている。
The insulating
この実施の形態2によれば、フィールドプレート層15bを形成するための半導体層15の選択エッチングにおけるエッチング条件を、実施の形態1と同様にしていることにより、フィールドプレート層15bの形成領域以外の部分における半導体層15の一部または突状部15Aの残存を抑制できるので、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
According to the second embodiment, the etching conditions in the selective etching of the
(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3による窒化物半導体装置の製造方法について説明する。図9および図10は、この実施の形態3による窒化物半導体装置の製造方法を説明するための半導体積層基板の模式的な断面図である。
(Embodiment 3)
Next, a method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described. 9 and 10 are schematic cross-sectional views of a semiconductor laminated substrate for illustrating the method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the third embodiment.
図9に示すように、この実施の形態3による窒化物半導体装置の製造方法においては、まず、実施の形態1と同様にして、たとえば、MOCVD法により基体11上にu−GaN層からなる電子走行層12を成長させる。その後、電子走行層12上に、たとえばMOCVD法により、AlGaN超格子層からなる電子供給層13、AlGaN層からなるエッチング犠牲層14、およびGaN層からなる半導体層15を順次成長させる。これにより、半導体積層基板10が形成される。また、半導体層15の表面には突状欠陥である突状部15Aが、所定の密度で形成されている。図9は、この突状部15Aが形成された部分を示す。
As shown in FIG. 9, in the method of manufacturing a nitride semiconductor device according to the third embodiment, first, in the same manner as in the first embodiment, for example, an electron composed of a u-GaN layer on the
次に、図10に示すように、この半導体層15に対して、実施の形態1と同様の設計膜厚、具体的にはたとえば30nmになるまでエッチバックを行うことにより、突状部15Aを除去する。このエッチバック工程は、高さが50〜300nm程度の突状部15Aを除去することを考慮すると、具体的にはウェットエッチング法などの等方性エッチング法により行うのが望ましいが、異方性エッチング法により行うことも可能である。ここで、上述したように、突状欠陥の半導体層15上での高さHは50〜300nm程度である。そのため、エッチバックによって突状欠陥を残存させないことを考慮すると、半導体層15の膜厚は、実施の形態1における半導体層15の膜厚よりも大きくして、0.5μm(500nm)以上にするのが望ましい。これにより、半導体層15の表面において、突状部15Aがほとんど除去されて平坦化された半導体積層基板10が形成される。その後は、半導体積層基板10に対して、従来公知のフォトレジスト工程およびエッチング工程によって、半導体層15を選択的にエッチングすることにより、フィールドプレート層15a,15bを形成する。このとき、半導体層15の表面に突状部15Aが形成されていないことにより、半導体層15のエッチング除去された領域において、下層のエッチング犠牲層14の表面にも、突状部14Aは形成されず、エッチング犠牲層14が設けられていない場合においても電子供給層13上に突状部が残存しない。
Next, as shown in FIG. 10, the
その後の工程においては、実施の形態1と同様に、フィールドプレート層15aが形成された半導体積層基板10に対して、電極の製造工程および絶縁膜の製造工程を経る。これにより、図1に示すフィールドプレート層15aを有し、突状部15A,14Aが形成されていないSBD1が製造される。他方、半導体積層基板10に対して半導体層15を所定形状にエッチングしてフィールドプレート層15bを形成した後に、実施の形態2と同様に電極および絶縁膜の製造工程を経る。これにより、図8に示す、フィールドプレート層15bを有しつつ突状部15A,14Aが形成されていないHEMT2が製造される。
In the subsequent processes, as in the first embodiment, the
この実施の形態3においては、半導体層15を厚く成長した後、突状欠陥である突状部15Aを除去するようにエッチバックを行っていることにより、最終的に形成される半導体層15の表面を平坦化することができる。そのため、上述した突状欠陥に起因する半導体層15の一部や突状部15Aなどがエッチング犠牲層14や電子供給層13の表面に残存するのを抑制できるので、最終製品としての窒化物半導体装置における耐圧の低下を抑制することが可能となり、実施の形態1,2と同様の効果を得ることができる。
In the third embodiment, after the
(実施の形態4)
次に、本発明の実施の形態4による窒化物半導体装置の製造方法について説明する。図11および図12は、この実施の形態4による窒化物半導体装置の製造方法を説明するための半導体積層基板の模式的な断面図である。
(Embodiment 4)
Next, a method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention will be described. 11 and 12 are schematic cross-sectional views of a semiconductor laminated substrate for illustrating the method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the fourth embodiment.
すなわち、図11に示すように、実施の形態4においては、実施の形態1,2と同様にして、基体11上に電子走行層12および電子供給層13を順次形成する。
That is, as shown in FIG. 11, in the fourth embodiment, the
次に、たとえばプラズマ化学気相成長(PCVD)法により、電子供給層13上に、たとえばSiO2膜などの、後述する半導体層32が形成しない材料からなる膜を形成する。なお、SiO2膜の代わりにSiNx膜を形成しても良い。そして、形成されたSiO2膜に対して、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程により、SiO2膜の面に沿った平面形状がフィールドプレート層15a,15bの所定形状となる開口を形成する。これにより、エッチング犠牲層14または電子供給層13上に、フィールドプレート層15a,15bの形状の開口を有する選択成長マスク層31が形成される。
Next, a film made of a material that does not form a
次に、たとえばMOCVD法により、選択成長マスク層31の開口にたとえばGaNからなる半導体層32を選択的に再成長させる。半導体層32は、この選択成長マスク層31が形成されていない電子供給層13が露出した開口領域上で成長する。このとき、半導体層32の表面には、所定の密度(存在確率)で突状部32Aが形成される。これにより半導体積層基板30が形成される。図11は、半導体積層基板30において突状部32Aが形成された部分を示している。
Next, the
その後、図12に示すように、従来公知の方法によって選択成長マスク層31を除去することにより、電子供給層13上に所定形状の半導体層32からなるフィールドプレート層が形成される。なお、半導体層32上に突状部32Aが形成されている場合には、この突状部32Aは残存する。
Thereafter, as shown in FIG. 12, the selective
その後の工程においては、半導体積層基板30に対して、実施の形態1と同様に、電極および絶縁膜を形成することによって、図1に示すSBD1と同様のフィールドプレート層を有し、エッチング犠牲層14および突状部14Aが設けられていないSBDが製造される。他方、半導体積層基板30に対して、実施の形態2と同様に電極および絶縁膜を形成することによって、図8に示すHEMT2と同様のフィールドプレート層を有し、エッチング犠牲層14および突状部14Aが形成されていないHEMTが製造される。
In the subsequent steps, an electrode and an insulating film are formed on the semiconductor laminated
この実施の形態4によれば、フィールドプレート層となる半導体層32の表面にのみ突状欠陥の少なくとも一部からなる突状部32Aが形成されている可能性がある一方で、フィールドプレート層となる半導体層32の形成領域以外の電子供給層13の表面には突状欠陥に起因する突状部が形成されない。これにより、実施の形態1〜3と同様の効果を得ることができる。
According to the fourth embodiment, there is a possibility that the projecting
(実施の形態5)
次に、本発明の実施の形態5による窒化物半導体装置およびその製造方法について説明する。この実施の形態5においては、電子供給層13の上層にエッチング犠牲層14を設ける実施の形態1〜3の構成と異なり、電子供給層13の表面側の領域におけるAl組成比xを、電子供給層13の平均Al組成比Xより大きく、好適には40%以上としたAlxGa1-xN(0.4≦x)から構成する。なお、この電子供給層13は超格子構造に限定されず、窒化物半導体装置における種々の設計に応じて種々の構造が採用される。そして、電子供給層13の表面側の領域は、さらに上層に形成される半導体層15などのエッチング時に、電子供給層13が所望とする厚さ以上にオーバーエッチングされないためのエッチング犠牲層として機能する。
(Embodiment 5)
Next, a nitride semiconductor device and a manufacturing method thereof according to Embodiment 5 of the present invention will be described. In the fifth embodiment, unlike the configuration of the first to third embodiments in which the etching
ここで、本発明者の知見によれば、AlGaN層に対するGaN層のエッチング選択比は、AlGaN層のAl組成比に依存し単調増加する。すなわち、Al含有窒化物系化合物半導体に対するAlを含まない窒化物系化合物半導体のエッチング選択比は、Alを含む窒化物系化合物半導体におけるAl組成比に依存し単調増加する。そして、本発明者が行った実験等から、Alを含む窒化物系化合物半導体層を、Alを含まない窒化物系化合物半導体層のエッチング犠牲層として用いる場合、エッチングの制御性を向上させるためには、選択比を25倍以上にするのが望ましい。そこで、この電子供給層13を、その上層に形成される半導体層15のエッチング犠牲層として用いるために、電子供給層13の最上面のAl組成比は、好適には0.4以上にするのが望ましいが、エッチングの条件に応じて必ずしもこのAl組成比に限定されるものではない。また、電子供給層13上に形成される電極とのコンタクトの悪化を防ぐためには、電子供給層134の最上面のAl組成比は、0.9以下にするのがより望ましい。
Here, according to the knowledge of the present inventor, the etching selectivity of the GaN layer to the AlGaN layer monotonously increases depending on the Al composition ratio of the AlGaN layer. That is, the etching selectivity of the nitride-based compound semiconductor not containing Al with respect to the Al-containing nitride-based compound semiconductor monotonously increases depending on the Al composition ratio in the nitride-based compound semiconductor containing Al. In order to improve the controllability of etching when the nitride-based compound semiconductor layer containing Al is used as an etching sacrificial layer of the nitride-based compound semiconductor layer not containing Al, from experiments conducted by the present inventors. It is desirable that the selection ratio is 25 times or more. Therefore, in order to use this
また、電子供給層13の平均Al組成比を0.4以上0.9以下とする最上面からの領域を、膜厚方向に沿って1nm未満とすると、上層に形成された半導体層15のエッチング犠牲層として用いることが困難になる。したがって、電子供給層13とフィールドプレート層15a,15bを構成する半導体層15との界面から電子供給層13側に向けて膜厚方向に沿った少なくとも1nm、好適には2nmの範囲において、Al組成比を0.4以上0.9以下とするのが好ましい。他方、電子供給層13の全体の平均Al組成比Xは、最表面のAl組成比xより小さくした0.4未満とするのが好ましく、具体的にはたとえば0.25(X=0.25)とする。
Further, if the region from the uppermost surface in which the average Al composition ratio of the
なお、電子供給層13を超格子構造から構成する場合にも同様であり、電子供給層13においてAl組成比が他の部分に比して比較的高く、好適には0.4以上(0.4≦x)の最上層のAlxGa1-xN層の膜厚を、1nm以上、より好適には2nm以上とする。また、このAlxGa1-xN層はAlGaN超格子層の電子供給層13の一部であることから、その膜厚は10nm以下が好ましい。
The same applies to the case where the
この実施の形態5によれば、電子供給層13の最上面から膜厚方向に沿った少なくとも1nmの範囲における電子供給層13のAl組成比を、0.4以上0.9以下にしていることにより、電子供給層13を、その上層に形成される半導体層15に対して所望のエッチング選択比が確保されたエッチング犠牲層として用いることができる。これにより、エッチングレートを下げることなく所望のエッチング選択比を確保することができ、さらに、Alを含む電子供給層13の表面の酸化を進行させることなく、半導体層15を制御性良くエッチングできる。また、電子供給層13の最上面から少なくとも1nm、好適には2nmの範囲をAl組成比を0.4以上0.9以下とし、電子供給層13全体の平均Al組成比Xを0.4未満に調整していることにより、電子走行層12と電子供給層13との界面における2DEG濃度の調整が可能になる。
According to the fifth embodiment, the Al composition ratio of the
以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。たとえば、上述の実施の形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いても良い。また、上述の実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。 Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible. For example, the numerical values given in the above embodiment are merely examples, and different numerical values may be used as necessary. Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment. What was comprised combining each component mentioned above suitably is also contained in this invention. Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art.
たとえば、上述の実施の形態においては、電子供給層をAlGaN超格子層としているが、AlGaN超格子層以外にも、複数のInuAlvGa1-u-vN層(0≦u<1、0<v≦1、0<u+v<1)を積層させて超格子層としたInAlGaN超格子層を採用することも可能である。 For example, in the above-described embodiment, the electron supply layer is an AlGaN superlattice layer, but in addition to the AlGaN superlattice layer, a plurality of In u Al v Ga 1 -uv N layers (0 ≦ u <1, 0 It is also possible to employ an InAlGaN superlattice layer in which <v ≦ 1, 0 <u + v <1) is laminated to form a superlattice layer.
また、上述の実施の形態において説明した以外にも、半導体装置における所望の特性に基づいた構造設計に応じて、電子供給層13に本発明の範囲に属する種々の擬似混晶構造を採用することが可能である。
In addition to those described in the above embodiment, various pseudo-mixed crystal structures belonging to the scope of the present invention are adopted for the
また、電子供給層13は、互いに異なる2種類のAlxGa1-xN層を、膜厚d1で極大Al組成比x1のAlx1Ga1-x1N層と膜厚d2で極小Al組成比x2のAlx2Ga1-x2N層とを一対の組とし、これらを複数回積層して構成することも可能である。
The
また、ダイオードのアノード電極およびトランジスタのゲート電極の下部電極層は、電子供給層とショットキー接触する電極である。そのため、上述したニッケル(Ni)やチタン(Ti)以外にも、たとえば白金(Pt)、パラジウム(Pd)、タングステン(W)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、タンタル(Ta)、アルミニウム(Al)のうち少なくとも1つを含む金属膜、または、Ti、Ni、Pt、Pd、W、Au、Ag、Cu、Ta、Alのうち少なくとも1つを含む合金よりなる金属膜のうち、少なくとも1つを含む金属膜、または、Ti、W、Taのうち少なくとも1つを含む窒化物合金からなる金属膜など、上記条件を満たす金属材料であれば種々のものを用いても良い。 The anode electrode of the diode and the lower electrode layer of the gate electrode of the transistor are electrodes that are in Schottky contact with the electron supply layer. Therefore, besides nickel (Ni) and titanium (Ti) described above, for example, platinum (Pt), palladium (Pd), tungsten (W), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), tantalum ( Ta), a metal film containing at least one of aluminum (Al), or a metal film made of an alloy containing at least one of Ti, Ni, Pt, Pd, W, Au, Ag, Cu, Ta, and Al Of these, various metal materials satisfying the above conditions, such as a metal film containing at least one or a metal film made of a nitride alloy containing at least one of Ti, W, and Ta may be used. good.
また、ダイオードのアノード電極およびトランジスタのゲート電極の上部電極層は、下部電極層より仕事関数の小さい金属からなり、この条件を満たす金属材料であれば種々のものを用いても良い。 The upper electrode layer of the anode electrode of the diode and the gate electrode of the transistor is made of a metal having a work function smaller than that of the lower electrode layer, and various materials may be used as long as the metal material satisfies this condition.
また、ダイオードのカソード電極およびトランジスタのソース電極およびドレイン電極は、電子供給層とオーミック接触する、または、接触抵抗が十分に小さい状態で接触する電極である。ただし、本発明ではこれに限定されず、たとえばTi、Al、シリコン(Si)、鉛(Pb)、クロム(Cr)、In、Taのうち少なくとも1つを含む金属膜、Ti、Al、Si、Pb、Cr、In、Taのうち少なくとも1つを含む合金よりなる金属膜、または、Ti、Al、Si、Taのうち少なくとも1つを含むシリサイド合金よりなる金属膜、または、Ti、W、Taのうち少なくとも1つを含む窒化物合金よりなる金属膜などのうち、少なくとも1つを含む金属膜など、上記条件を満たす金属材料であれば如何なるものを用いても良い。 In addition, the cathode electrode of the diode and the source electrode and drain electrode of the transistor are electrodes that are in ohmic contact with the electron supply layer or in contact with a sufficiently small contact resistance. However, the present invention is not limited thereto. For example, a metal film containing at least one of Ti, Al, silicon (Si), lead (Pb), chromium (Cr), In, Ta, Ti, Al, Si, Metal film made of an alloy containing at least one of Pb, Cr, In, Ta, or metal film made of a silicide alloy containing at least one of Ti, Al, Si, Ta, or Ti, W, Ta Any metal material satisfying the above conditions, such as a metal film including at least one of metal films made of a nitride alloy including at least one of them, may be used.
また、上述の実施の形態においては、本発明による半導体装置として、SBD、HEMT、MOSFET、およびMISFETを例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明は、MESFET(Metal Semiconductor FET)などの、種々の半導体装置に対して適用することができる。そして、本発明をこれらのFETに適用する場合、ゲート電極とフィールドプレート層との間に酸化膜などの絶縁膜を設けることも可能である。 In the above-described embodiments, SBD, HEMT, MOSFET, and MISFET are given as examples of the semiconductor device according to the present invention. However, the present invention is not limited to this. That is, the present invention can be applied to various semiconductor devices such as MESFET (Metal Semiconductor FET). When the present invention is applied to these FETs, an insulating film such as an oxide film can be provided between the gate electrode and the field plate layer.
また、上述の実施の形態においては、電子供給層やエッチング犠牲層の表面に電極を形成しているが、必ずしもこれらに限定されるものではなく、電子走行層、電子供給層、エッチング犠牲層、および半導体層やフィールドプレート層を含み、必要に応じてその他の層を含む半導体積層体のうちの少なくとも1層の上に電極を設けることが可能である。すなわち、半導体積層体を構成するその他の層の上に電極を設けても良い。具体的には、電子供給層の表面に、絶縁層、フィールドプレート層などの窒化物系半導体層、またはこれらの積層膜を介して、アノード電極、カソード電極、ゲート電極、ドレイン電極、またはソース電極を設けることも可能である。また、電子供給層の電極の形成領域の一部を電子走行層に達するまでエッチング除去してリセス部を形成し、このリセス部の表面、またはリセス部表面に所定の膜を介して、アノード電極、カソード電極、ゲート電極、ドレイン電極、またはソース電極を設けることも可能である。 In the above-described embodiment, the electrodes are formed on the surface of the electron supply layer and the etching sacrificial layer. However, the present invention is not limited thereto, and the electron transit layer, the electron supply layer, the etching sacrificial layer, In addition, an electrode can be provided on at least one of the semiconductor laminates including the semiconductor layer and the field plate layer and other layers as necessary. That is, an electrode may be provided on another layer constituting the semiconductor stacked body. Specifically, an anode electrode, a cathode electrode, a gate electrode, a drain electrode, or a source electrode is formed on the surface of the electron supply layer via a nitride-based semiconductor layer such as an insulating layer or a field plate layer, or a laminated film thereof. It is also possible to provide. Further, a part of the electrode formation region of the electron supply layer is removed by etching until reaching the electron transit layer to form a recess portion, and the surface of the recess portion, or the surface of the recess portion via a predetermined film, the anode electrode It is also possible to provide a cathode electrode, a gate electrode, a drain electrode, or a source electrode.
また、上述した実施の形態4においては、電子供給層13上にエッチング犠牲層を設けていないが、必要に応じて、電子供給層13上に、電子供給層13の平均Al組成比Xより大きく、好適にはAl組成比Yが40%以上のAlYGa1-YNからなるエッチング犠牲層14を設けることも可能である。
In Embodiment 4 described above, the etching sacrificial layer is not provided on the
1 ショットキーバリアダイオード(SBD)
2 電界効果トランジスタ(HEMT)
10,30 半導体積層基板
11 基体
12 電子走行層
13 電子供給層
14 エッチング犠牲層
14A,15A,32A 突状部
15,32 半導体層
15a,15b フィールドプレート層
16A アノード電極
16C カソード電極
17,22 絶縁膜
18 レジストパターン
21D ドレイン電極
21G ゲート電極
21S ソース電極
31 選択成長マスク層
1 Schottky barrier diode (SBD)
2 Field Effect Transistor (HEMT)
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記基体上に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、前記第1半導体層の上層に設けられるとともに前記第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い窒化物半導体からなる第2半導体層、および前記第2半導体層の上層に選択的に所定形状に設けられるとともに前記第2半導体層よりも平均的にバンドギャップが狭い窒化物半導体からなる第3半導体層を含む半導体積層体と、
前記半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第1電極と、
前記半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に前記第1電極と離間して設けられる第2電極と、
を備える窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第3半導体層をエッチング法により所定形状に形成する際のエッチング条件を、前記第3半導体層の設計膜厚に対して50nm以上の値を加算した膜厚の第3半導体層をエッチングできるエッチング条件とする
ことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。 A substrate;
A first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided on the substrate, and a second semiconductor made of a nitride semiconductor provided on the upper layer of the first semiconductor layer and having an average wider band gap than the first semiconductor layer And a semiconductor stacked body including a third semiconductor layer made of a nitride semiconductor that is selectively provided in a predetermined shape on the upper layer of the second semiconductor layer and has an average band gap narrower than that of the second semiconductor layer;
A first electrode provided on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor laminate;
A second electrode provided apart from the first electrode on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor laminate;
In a method for manufacturing a nitride semiconductor device comprising:
Etching that can etch the third semiconductor layer having a thickness obtained by adding a value of 50 nm or more to the design thickness of the third semiconductor layer as an etching condition for forming the third semiconductor layer into a predetermined shape by an etching method. A method for manufacturing a nitride semiconductor device, characterized in that:
前記基体上に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、前記第1半導体層の上層に設けられるとともに前記第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い窒化物半導体からなる第2半導体層、および前記第2半導体層の上層に選択的に所定形状に設けられるとともに前記第2半導体層よりも平均的にバンドギャップが狭い窒化物半導体からなる第3半導体層を含む半導体積層体と、
前記半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第1電極と、
前記半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に前記第1電極と離間して設けられる第2電極と、
を備える窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第3半導体層をエッチング法により所定形状に形成する前に、前記第3半導体層の表面を平坦化するエッチバック工程を含む
ことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。 A substrate;
A first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided on the substrate, and a second semiconductor made of a nitride semiconductor provided on the upper layer of the first semiconductor layer and having an average wider band gap than the first semiconductor layer And a semiconductor stacked body including a third semiconductor layer made of a nitride semiconductor that is selectively provided in a predetermined shape on the upper layer of the second semiconductor layer and has an average band gap narrower than that of the second semiconductor layer;
A first electrode provided on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor laminate;
A second electrode provided apart from the first electrode on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor laminate;
In a method for manufacturing a nitride semiconductor device comprising:
A method for manufacturing a nitride semiconductor device, comprising: an etch-back step of planarizing a surface of the third semiconductor layer before forming the third semiconductor layer into a predetermined shape by an etching method.
前記基体上に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、前記第1半導体層の上層に設けられるとともに前記第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い窒化物半導体からなる第2半導体層、および前記第2半導体層の上層に選択的に所定形状に設けられるとともに前記第2半導体層よりも平均的にバンドギャップが狭い窒化物半導体からなる第3半導体層を含む半導体積層体と、
前記半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第1電極と、
前記半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に前記第1電極と離間して設けられる第2電極と、
を備える窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第2半導体層の上層に前記所定形状の開口を有する選択成長マスク層を形成し、
前記開口の内部に前記第3半導体層を成長させた後、前記選択成長マスク層を除去することにより、前記第3半導体層を前記所定形状に形成する
ことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。 A substrate;
A first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided on the substrate, and a second semiconductor made of a nitride semiconductor provided on the upper layer of the first semiconductor layer and having an average wider band gap than the first semiconductor layer And a semiconductor stacked body including a third semiconductor layer made of a nitride semiconductor that is selectively provided in a predetermined shape on the upper layer of the second semiconductor layer and has an average band gap narrower than that of the second semiconductor layer;
A first electrode provided on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor laminate;
A second electrode provided apart from the first electrode on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor laminate;
In a method for manufacturing a nitride semiconductor device comprising:
Forming a selective growth mask layer having the opening of the predetermined shape on the second semiconductor layer;
The third semiconductor layer is formed in the predetermined shape by growing the third semiconductor layer inside the opening and then removing the selective growth mask layer. Method.
前記基体上に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、前記第1半導体層の上層に設けられるとともに前記第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い窒化物半導体からなる第2半導体層、および前記第2半導体層の上層に選択的に設けられるとともに前記第2半導体層よりも平均的にバンドギャップが狭い窒化物半導体からなる第3半導体層を含む半導体積層体と、
前記半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第1電極と、
前記半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に前記第1電極と離間して設けられる第2電極と、
を備える窒化物半導体装置において、
前記第3半導体層の表面に12nm以上の突状部が存在するとともに、前記第2半導体層の表面に12nm未満の突状部が存在する
ことを特徴とする窒化物半導体装置。 A substrate;
A first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided on the substrate, and a second semiconductor made of a nitride semiconductor provided on the upper layer of the first semiconductor layer and having an average wider band gap than the first semiconductor layer And a semiconductor stacked body including a third semiconductor layer that is selectively provided on the second semiconductor layer and has a band gap that is narrower on average than the second semiconductor layer.
A first electrode provided on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor laminate;
A second electrode provided apart from the first electrode on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor laminate;
In a nitride semiconductor device comprising:
A nitride semiconductor device, wherein protrusions of 12 nm or more exist on the surface of the third semiconductor layer, and protrusions of less than 12 nm exist on the surface of the second semiconductor layer.
前記基体上に設けられた窒化物半導体からなる第1半導体層、前記第1半導体層の上層に設けられるとともに前記第1半導体層よりも平均的にバンドギャップが広い窒化物半導体からなる第2半導体層、前記第2半導体層の上層に選択的に設けられるとともに前記第2半導体層よりも平均的にバンドギャップが狭い窒化物半導体からなる第3半導体層、および前記第2半導体層と前記第3半導体層との間に設けられるとともに前記第2半導体層の平均Al組成比よりも高いAl組成比を有する窒化物半導体からなる第4半導体層を含む半導体積層体と、
前記半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に設けられる第1電極と、
前記半導体積層体を構成する半導体層のうちの少なくとも一部の層の上に前記第1電極と離間して設けられる第2電極と、
を備える窒化物半導体装置において、
前記第3半導体層の表面に12nm以上の突状部が存在するとともに、前記第4半導体層の表面に12nm未満の突状部が存在する
ことを特徴とする窒化物半導体装置。 A substrate;
A first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided on the substrate, and a second semiconductor made of a nitride semiconductor provided on the upper layer of the first semiconductor layer and having an average wider band gap than the first semiconductor layer A third semiconductor layer made of a nitride semiconductor which is selectively provided on the second semiconductor layer and has an average band gap narrower than that of the second semiconductor layer; and the second semiconductor layer and the third semiconductor layer A semiconductor multilayer body including a fourth semiconductor layer provided between the semiconductor layer and made of a nitride semiconductor having an Al composition ratio higher than an average Al composition ratio of the second semiconductor layer;
A first electrode provided on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor laminate;
A second electrode provided apart from the first electrode on at least a part of the semiconductor layers constituting the semiconductor laminate;
In a nitride semiconductor device comprising:
A nitride semiconductor device, wherein protrusions of 12 nm or more exist on the surface of the third semiconductor layer, and protrusions of less than 12 nm exist on the surface of the fourth semiconductor layer.
前記第1電極がゲート電極、前記第2電極がドレイン電極、および前記第3電極がソース電極である
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。 A structure of the nitride semiconductor device according to claim 13,
The field effect transistor, wherein the first electrode is a gate electrode, the second electrode is a drain electrode, and the third electrode is a source electrode.
前記第1電極がアノード電極、および前記第2電極がカソード電極である
ことを特徴とするダイオード。 It has the structure of the nitride semiconductor device according to claim 11 or 12,
The diode, wherein the first electrode is an anode electrode and the second electrode is a cathode electrode.
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JP2014025841A JP2015153884A (en) | 2014-02-13 | 2014-02-13 | Nitride semiconductor device manufacturing method, nitride semiconductor device, diode and field effect transistor |
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US10256314B2 (en) | 2016-03-11 | 2019-04-09 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
JP2019201033A (en) * | 2018-05-14 | 2019-11-21 | 株式会社東芝 | Semiconductor device |
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- 2014-02-13 JP JP2014025841A patent/JP2015153884A/en active Pending
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