JP2016085999A - Nitride semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、窒化物半導体装置に関し、詳しくは、窒化物半導体層上にソース電極とドレイン電極およびゲート電極が形成された窒化物半導体装置に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor device, and more particularly to a nitride semiconductor device in which a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode are formed on a nitride semiconductor layer.
従来の第1の窒化物半導体装置としては、ゲート電極にフィールドプレート部を形成することにより、ゲート電極端の電界強度を緩和するものがある(例えば、特開2004−200248号公報(特許文献1)参照)。 As a conventional first nitride semiconductor device, there is one in which a field plate portion is formed in a gate electrode to reduce the electric field strength at the gate electrode end (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-200248 (Patent Document 1). )reference).
また、従来の第2の窒化物半導体装置としては、ゲート電極とドレイン電極との間のパッシベーション膜の上に、パッシベーション膜よりも誘電率の高い高誘電率膜を形成することで、ゲート電極端への電界集中を緩和するものがある(例えば、特開2011−204780号公報(特許文献2)参照)。 Further, as a conventional second nitride semiconductor device, a gate electrode terminal is formed by forming a high dielectric constant film having a dielectric constant higher than that of the passivation film on the passivation film between the gate electrode and the drain electrode. There is one that relieves the electric field concentration on the surface (for example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-204780 (Patent Document 2)).
ところで、上記従来の第1の窒化物半導体装置では、ゲート電極のフィールドプレート部の端での電界集中により、所望のオフ耐圧まで保たないという問題がある。ここで、オフ耐圧は、例えばノーマリオンのGaN系HFETにおいて、ゲート電極に−10Vを印加し続けているオフ状態において、ソース電極に0Vを印加すると共にドレイン電極に印加する電圧が何ボルトのときに絶縁破壊に至るのかを表す。 However, the first conventional nitride semiconductor device has a problem that the desired off breakdown voltage cannot be maintained due to the electric field concentration at the end of the field plate portion of the gate electrode. Here, for example, in a normally-on GaN-based HFET, the off-breakdown voltage is 0 V applied to the source electrode and the voltage applied to the drain electrode in an off state in which −10 V is continuously applied to the gate electrode. Represents the dielectric breakdown.
また、上記従来の第2の窒化物半導体装置では、ゲート電極のフィールドプレート部が無いため、ゲート電極端に電界が集中して、ゲートリーク電流が増大すると共に、オフ耐圧が所望の電圧まで保たないという問題がある。 In the second conventional nitride semiconductor device, since there is no field plate portion of the gate electrode, the electric field is concentrated on the gate electrode end, the gate leakage current increases, and the off breakdown voltage is maintained at a desired voltage. There is a problem of not.
そこで、この発明の課題は、ゲートフィールドプレート部の端での電界集中を効果的に抑制でき、オフ耐圧を向上できる窒化物半導体装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device capable of effectively suppressing electric field concentration at the end of a gate field plate portion and improving off breakdown voltage.
上記課題を解決するため、この発明の窒化物半導体装置は、
窒化物半導体層と、
上記窒化物半導体層上に、または、上記窒化物半導体層内に少なくとも一部が形成されると共に、互いに間隔をあけて配置されたソース電極およびドレイン電極と、
上記ソース電極と上記ドレイン電極との間かつ上記窒化物半導体層上に形成されたゲート電極と、
上記ソース電極と上記ゲート電極との間および上記ドレイン電極と上記ゲート電極との間で上記窒化物半導体層上に形成された第1の絶縁膜と、
少なくとも上記第1の絶縁膜上および上記ゲート電極上に形成された第2の絶縁膜と、
上記第2の絶縁膜上に形成され、少なくともSiO2を含む材料からなる層間絶縁膜と
を備え、
上記ゲート電極は、上記窒化物半導体層の最上層とショットキー接合された基部と、その基部の上部から上記ドレイン電極側に向かって上記第1の絶縁膜上に延在するゲートフィールドプレート部とを有すると共に、
上記ソース電極は、上記ゲート電極を覆うように上記ドレイン電極側に向かって上記層間絶縁膜上に延在するソースフィールドプレート部を有し、
上記第2の絶縁膜の誘電率は、上記層間絶縁膜の誘電率よりも高いことを特徴とする。
In order to solve the above problems, a nitride semiconductor device of the present invention is
A nitride semiconductor layer;
A source electrode and a drain electrode which are formed on the nitride semiconductor layer or in the nitride semiconductor layer and spaced apart from each other;
A gate electrode formed between the source electrode and the drain electrode and on the nitride semiconductor layer;
A first insulating film formed on the nitride semiconductor layer between the source electrode and the gate electrode and between the drain electrode and the gate electrode;
A second insulating film formed on at least the first insulating film and the gate electrode;
An interlayer insulating film formed on the second insulating film and made of a material containing at least SiO 2 ;
The gate electrode includes a base portion that is Schottky-bonded to the uppermost layer of the nitride semiconductor layer, a gate field plate portion that extends on the first insulating film from the upper portion of the base portion toward the drain electrode side, and And having
The source electrode has a source field plate portion extending on the interlayer insulating film toward the drain electrode so as to cover the gate electrode,
The dielectric constant of the second insulating film is higher than the dielectric constant of the interlayer insulating film.
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記第2の絶縁膜の誘電率が5以上である。
In the nitride semiconductor device of one embodiment,
The dielectric constant of the second insulating film is 5 or more.
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記第2の絶縁膜の膜厚が30nm以上である。
In the nitride semiconductor device of one embodiment,
The film thickness of the second insulating film is 30 nm or more.
以上より明らかなように、この発明によれば、ソース電極とゲート電極との間およびドレイン電極とゲート電極との間で窒化物半導体層上に第1の絶縁膜を形成し、その第1の絶縁膜およびゲート電極上に層間絶縁膜の誘電率よりも誘電率が高い第2の絶縁膜を形成することによって、ゲートフィールドプレート部の端での電界集中を効果的に抑制でき、オフ耐圧を向上できる窒化物半導体装置を実現することができる。 As apparent from the above, according to the present invention, the first insulating film is formed on the nitride semiconductor layer between the source electrode and the gate electrode and between the drain electrode and the gate electrode. By forming a second insulating film having a dielectric constant higher than that of the interlayer insulating film on the insulating film and the gate electrode, electric field concentration at the edge of the gate field plate portion can be effectively suppressed, and the off breakdown voltage can be reduced. An improved nitride semiconductor device can be realized.
以下、この発明の窒化物半導体装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。 The nitride semiconductor device of the present invention will be described in detail below with reference to the illustrated embodiments.
〔第1実施形態〕
図1はこの発明の第1実施形態の窒化物半導体装置の一例としてのノーマリーオンタイプのGaN系HFETの断面図を示し、図2は上記GaN系HFETの要部の拡大断面図を示している。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a sectional view of a normally-on type GaN-based HFET as an example of the nitride semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows an enlarged sectional view of the main part of the GaN-based HFET. Yes.
この第1実施形態のGaN系HFETは、図1,図2に示すように、Si基板(図示せず)上に形成された窒化物半導体層10と、窒化物半導体層10上に形成され、互いに間隔をあけて配置されたTi/Alからなるソース電極11,ドレイン電極12と、ソース電極11とドレイン電極12との間かつ窒化物半導体層10上に形成されたWN/WまたはTiNからなるゲート電極13とを備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the GaN-based HFET of the first embodiment is formed on a
上記窒化物半導体層10は、Si基板(図示せず)上に順に形成されたアンドープGaN層1とアンドープAlGaN層2で構成されている。このアンドープGaN層1とアンドープAlGaN層2との界面に2DEG(2次元電子ガス)が発生する。
The
なお、上記基板は、Si基板に限らず、サファイヤ基板やSiC基板を用いてもよく、サファイヤ基板やSiC基板上に窒化物半導体層を成長させてもよいし、GaN基板にAlGaN層を成長させる等のように、窒化物半導体からなる基板上に窒化物半導体層を成長させてもよい。また、適宜、バッファ層を基板と各層間に形成してもよい。また、上記アンドープGaN層1とアンドープAlGaN層2との間に層厚1nm程度のAlN層をヘテロ改善層として形成してもよい。また、上記AlGaN層2上にGaNキャップ層を形成してもよい。
The substrate is not limited to the Si substrate, and a sapphire substrate or SiC substrate may be used. A nitride semiconductor layer may be grown on the sapphire substrate or SiC substrate, or an AlGaN layer is grown on the GaN substrate. As described above, a nitride semiconductor layer may be grown on a substrate made of a nitride semiconductor. Further, a buffer layer may be appropriately formed between the substrate and each layer. Further, an AlN layer having a thickness of about 1 nm may be formed as a hetero improvement layer between the
ここでは、上記窒化物半導体層10のアンドープAlGaN層2の厚さを例えば10nmとしてソース電極11とドレイン電極12をアニールすることでオーミックコンタクト可能にしている。なお、上記アンドープAlGaN層の厚さを例えば30nmとしてアンドープAlGaN層のオーミックコンタクト部分に予めSiドープをしてn型化させることで電極のオーミックコンタクトを可能としてもよい。また、アンドープAlGaN層のうちのソース電極が形成される領域およびドレイン電極が形成される領域に予めリセスを形成し、このリセスにソース電極およびドレイン電極を蒸着,アニールすることでオーミックコンタクトを可能としてもよい。
Here, the thickness of the
一方、上記ゲート電極13は、窒化物半導体層10のアンドープAlGaN層2にショットキー接合している。
On the other hand, the
また、電流コラプスを抑制するための第1の絶縁膜の一例としてのコラプス抑制膜14が、ソース電極11とゲート電極13との間およびドレイン電極12とゲート電極13との間で窒化物半導体層10上に形成されている。
Further, a
上記コラプス抑制膜14は、一例として、Siリッチなシリコン窒化膜で作製されている。このSiリッチなシリコン窒化膜とは、Si:N=0.75:1のストイキオメトリなシリコン窒化膜よりもシリコンSiの比率の大きいSiN膜であり、例えば、SiとNとの組成比はSi:N=1.1〜1.9:1である。また、好ましい一例では、SiとNとの組成比はSi:N=1.3〜1.5:1である。
For example, the
上記ゲート電極13は、窒化物半導体層10のアンドープAlGaN層2にショットキー接合する基部13aと、その基部13aの上部からドレイン電極12側に向かってコラプス抑制膜14上に延在するゲートフィールドプレート部13bとを有する。
The
また、ストイキオメトリなSiN膜で作製されたゲート電極カバー絶縁膜15を、ソース電極11の一部の上、ドレイン電極12の一部の上、ゲート電極13上およびコラプス抑制膜14上に形成している。
Further, the gate electrode
なお、この第1実施形態では、一例として、第2の絶縁膜であるゲート電極カバー絶縁膜15をSiN膜で作製したが、第2の絶縁膜はこれに限らず、層間絶縁膜の誘電率よりも誘電率が高い絶縁材料であればよい。
In the first embodiment, as an example, the gate electrode
次に、上記GaN系HFETの製造工程を説明する。 Next, a manufacturing process of the GaN HFET will be described.
まず、図示しないSi基板上に、MOCVD(有機金属気相成長)法を用いて、アンドープGaN層1とアンドープAlGaN層2を順に形成する。
First, an
次に、上記アンドープAlGaN層2上に、プラズマCVD法を用いて、コラプス抑制膜14となるシリコン窒化膜を形成する。
Next, a silicon nitride film to be the
この電流コラプスとは、特に、GaN系半導体素子において顕著に表れるもので、低電圧動作でのトランジスタのオン抵抗と比べて、高電圧動作でのトランジスタのオン抵抗が著しく高くなってしまう現象である。 This current collapse is particularly prominent in a GaN-based semiconductor element, and is a phenomenon in which the on-resistance of a transistor in a high voltage operation is significantly higher than the on-resistance of the transistor in a low voltage operation. .
次に、フォトレジストをマスクとしてウェットエッチングを行うことにより、コラプス抑制膜14となるシリコン窒化膜のうちのゲート電極13の基部13aを形成すべき領域を除去して、この領域にアンドープAlGaN層2を露出させる。
Next, by performing wet etching using a photoresist as a mask, a region where the
次に、上記フォトレジストを除去し、コラプス抑制膜14を熱処理する(例えば500℃で30分間)。
Next, the photoresist is removed, and the
その後、WN/W(またはTiN)を全面スパッタし、フォトリソグラフィでゲート電極13を形成すべきゲート電極形成領域にエッチングマスク(図示せず)を形成し、このエッチングマスクを用いてドライエッチングまたはウェットエッチングを行なって、ゲート電極形成領域以外のWN/W膜(またはTiN膜)を除去して、基部13aとゲートフィールドプレート部13bを有するゲート電極13を形成する。このゲート電極13の基部13aは、AlGaN層12にショットキー接合している。
Thereafter, WN / W (or TiN) is sputtered over the entire surface, an etching mask (not shown) is formed in the gate electrode formation region where the
その後、上記ゲート電極13上およびコラプス抑制膜14上に、プラズマCVD(化学的気相成長)法により、ゲート電極カバー絶縁膜15となるSiN膜を形成する。
Thereafter, an SiN film to be the gate electrode
次に、フォトリソグラフィにより、ソース電極11,ドレイン電極12を形成すべき領域にレジストパターン(図示せず)を形成して、このレジストパターン上にTi/Al(またはHf/Ai)を順に蒸着し、リフトオフによりTi/Al(またはHf/Ai)からなるソース電極11,ドレイン電極12を形成する。
Next, a resist pattern (not shown) is formed in a region where the
次に、上記ソース電極11,ドレイン電極12を、熱処理(オーミックアニール)してオーミック電極にする(例えば500℃で30分)。
Next, the
次に、ゲート電極カバー絶縁膜15上およびソース電極11,ドレイン電極12,ゲート電極13上に、LTO(Low Temperature Oxide:低温酸化膜)などのシリコン酸化膜で層間絶縁膜16を形成する。
Next, an
次に、エッチングマスクを用いたドライエッチングまたはウェットエッチングにより、ソース電極11上およびドレイン電極12上にコンタクトホールを形成する。
Next, contact holes are formed on the
そして、上記コンタクトホール内にAlまたはCuなどからなる配線層を形成し、ソース電極11側の配線層からゲート電極13を覆うようにドレイン電極12側に向かって延びるソースフィールドプレート部21を形成している。一方、ドレイン電極12側の配線層からソース電極11側に向かって延びるドレインフィールドプレート部22を形成している。なお、ドレインフィールドプレート部22は無くてもよい。
Then, a wiring layer made of Al or Cu or the like is formed in the contact hole, and a source
図3は第1比較例のGaN系HFETの要部の拡大断面図を示している。この第1比較例のGaN系HFETは、第2の絶縁膜であるゲート電極カバー絶縁膜115が層間絶縁膜16と同じシリコン酸化膜で形成されている点を除いて、図1,図2に示すGaN系HFETと同一の構成をしている。なお、この第1比較例のGaN系HFETは、この発明の窒化物半導体装置ではない。
FIG. 3 shows an enlarged cross-sectional view of the main part of the GaN-based HFET of the first comparative example. The GaN-based HFET of the first comparative example is shown in FIGS. 1 and 2 except that the gate electrode
また、図4は第2比較例のGaN系HFETの要部の拡大断面図を示している。この第2比較例のGaN系HFETは、ゲート電極113にゲートフィールドプレート部がない点を除いて、図1,図2に示すGaN系HFETと同一の構成をしている。なお、この第2比較例のGaN系HFETは、この発明の窒化物半導体装置ではない。
FIG. 4 shows an enlarged cross-sectional view of the main part of the GaN-based HFET of the second comparative example. The GaN-based HFET of the second comparative example has the same configuration as the GaN-based HFET shown in FIGS. 1 and 2 except that the
図5は上記GaN系HFETのゲート電極端の電界強度を説明するための断面図を示している。図5において、図1,図2に示す構成と同一の構成部には同一参照番号を付している。また、Aはゲート電極13のゲートフィールドプレート部13bの端(ドレイン電極12側の端縁部)の領域であり、Bはゲート電極13直下の領域である(基部13aのドレイン電極12側の端縁部の直下)。
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining the electric field strength at the gate electrode end of the GaN-based HFET. In FIG. 5, the same components as those shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals. A is a region at the end of the gate
また、図6はゲート電極カバー絶縁膜15の誘電率に対するゲート電極13端の電界強度のシミュレーション結果を示している。図6において、横軸はゲート電極カバー絶縁膜15の誘電率εを表し、縦軸はゲート電極13直下の領域Bの電界強度[MV/cm]を表している。
FIG. 6 shows a simulation result of the electric field strength at the end of the
上記シミュレーションの条件を図7に示しており、詳しくは、次のとおりである。なお、図7において、100はSi基板である。
The simulation conditions are shown in FIG. 7, and the details are as follows. In FIG. 7,
ゲート電極・ドレイン電極間の距離(Lgd) : 10μm
ゲート長(Lg) : 2.2μm
シートキャリア濃度Ns : 5.5×1012/cm2
ゲート電極カバー絶縁膜の誘電率(ε) : 2〜20(パラメータ)
層間絶縁膜の膜厚(1層目) : 8200Å(820nm)
層間絶縁膜の膜厚(2層目) : 30000Å(3000nm)
ゲートフィールドプレート長(Lgfp) : 1μmまたはなし(パラメータ)
ソースフィールドプレート長(Lsfp) : Lg+3μm
ソースフィールドプレート部の厚さ : 15000Å(1500nm)
ドレインフィールドプレート長(Ldfp) : Lgd−3μm
ソース電極 印加電圧(Vs) : 0V
ドレイン電極 印加電圧(Vd) : 600V
ゲート電極 印加電圧(Vg) : −10V
基板電位 : 0V(基板グラウンド)
Distance between gate electrode and drain electrode (Lgd): 10 μm
Gate length (Lg): 2.2μm
Sheet carrier concentration Ns: 5.5 × 10 12 / cm 2
Dielectric constant (ε) of gate electrode cover insulating film: 2 to 20 (parameter)
Interlayer insulation film thickness (first layer): 8200 mm (820 nm)
Interlayer insulation film thickness (second layer): 30000 mm (3000 nm)
Gate field plate length (Lgfp): 1 μm or none (parameter)
Source field plate length (Lsfp): Lg + 3μm
Source field plate thickness: 15000 mm (1500 nm)
Drain field plate length (Ldfp): Lgd-3μm
Source electrode Applied voltage (Vs): 0V
Drain electrode Applied voltage (Vd): 600V
Gate electrode applied voltage (Vg): -10V
Substrate potential: 0V (substrate ground)
また、図6に示す「○」(丸印)は第2比較例のゲートフィールドプレート部がないゲート電極113を備えたGaN系HFETにおいて、ゲート電極カバー絶縁膜15の誘電率εを4および20としたときのゲート電極113直下の電界強度のデータである。また、図6に示す「□」(四角印)はこの第1実施形態のGaN系HFETにおいて、ゲート電極カバー絶縁膜15の誘電率εを2,3,4,7,10,15,20としたときのゲート電極13直下の領域Bの電界強度のデータである。なお、層間絶縁膜16が誘電率4のSiO2からなるとき、ゲート電極カバー絶縁膜15の誘電率εが2,3,4については、この発明に含まれない。
Also, “◯” (circle) shown in FIG. 6 indicates that the dielectric constant ε of the gate electrode
ここで、各誘電率εの具体的な絶縁材料の一例として、
誘電率ε=2〜3: SiOC、ポリイミド等
誘電率ε=4 : SiO2
誘電率ε=6 : SiN
誘電率ε=7 : SiNx(N-rich)
誘電率ε=10 : Al2O3
誘電率ε=20(〜25): Ta2O5
がある。
Here, as an example of a specific insulating material of each dielectric constant ε,
Dielectric constant ε = 2 to 3: SiOC, polyimide, etc. Dielectric constant ε = 4: SiO 2
Dielectric constant ε = 6: SiN
Dielectric constant ε = 7: SiNx (N-rich)
Dielectric constant ε = 10: Al 2 O 3
Dielectric constant ε = 20 (˜25): Ta 2 O 5
There is.
図6に示すように、ゲート電極113にゲートフィールドプレート部がない構造では、ゲート電極13のゲートフィールドプレート部13bがある場合に比べて、ゲート電極13直下の領域Bの電界強度が著しく増大する(1.5〜1.8倍)。ゲート電極13直下の領域Bでは、2DEGとゲート電極とが近接しており、比較的低い電界強度でも絶縁破壊となる。
As shown in FIG. 6, in the structure in which the
図8はゲート電極カバー絶縁膜の誘電率に対するゲートフィールドプレート部の端の電界強度の緩和率のシミュレーション結果を示している。図8において、横軸はゲート電極カバー絶縁膜15の誘電率εを表し、縦軸は電界強度の緩和率を表している。この「電界強度の緩和率」とは、ゲート電極カバー絶縁膜15の誘電率εが2のときのGaN系HFETの領域A(ゲートフィールドプレート部13bの端)の電界強度に対して、ゲート電極カバー絶縁膜15の誘電率εが3,4,6,10,20のときのGaN系HFETの領域A(ゲートフィールドプレート部13bの端)の電界強度の比率を百分率で表したものである。
FIG. 8 shows a simulation result of the relaxation rate of the electric field strength at the end of the gate field plate portion with respect to the dielectric constant of the gate electrode cover insulating film. In FIG. 8, the horizontal axis represents the dielectric constant ε of the gate electrode
このシミュレーションの条件は、図6,図7に示すシミュレーションの条件と同じである。 The simulation conditions are the same as the simulation conditions shown in FIGS.
図8に示すように、ゲート電極カバー絶縁膜15の誘電率εが大きくなるほど、ゲートフィールドプレート部13bの端の領域Aの電界強度の緩和率が大きくなり、特に誘電率εが5よりも大きい絶縁材料(SiN,SiNx(N-rich),Al2O3など)で電界強度の緩和効果が高い。上記構成のGaN系HFETでは、ゲートフィールドプレート部13bの端の領域Aの電界強度を下げるほど、高電圧印加状態での信頼性(寿命)が向上する。
As shown in FIG. 8, as the dielectric constant ε of the gate electrode
次に、図9はゲート電極カバー絶縁膜15(誘電率4)の膜厚に対するゲートフィールドプレート部13bの端の電界強度(図5の領域A)のシミュレーション結果を示し、図10はゲート電極カバー絶縁膜15(誘電率20)の膜厚に対するゲートフィールドプレート部13bの端(図5の領域A)の電界強度のシミュレーション結果を示している。
Next, FIG. 9 shows a simulation result of the electric field strength (region A in FIG. 5) at the end of the gate
このシミュレーションの条件は、ゲート電極カバー絶縁膜15(誘電率4)の膜厚をパラメータとした点を除いて図6,図7に示すシミュレーションの条件と同じである。 The simulation conditions are the same as the simulation conditions shown in FIGS. 6 and 7 except that the film thickness of the gate electrode cover insulating film 15 (dielectric constant 4) is used as a parameter.
図9,図10において、横軸はゲート電極カバー絶縁膜15の膜厚[Å]を表し、縦軸は電界強度[MV/cm]を表している。
9 and 10, the horizontal axis represents the film thickness [Å] of the gate electrode
また、図9,図10に示す「◇」(菱形印)は、領域Aにおけるゲートフィールドプレート部13b側の電界強度であり、図9,図10に示す「□」(四角印)は、領域Aにおけるゲート電極カバー絶縁膜15側の電界強度である。
Further, “◇” (diamond mark) shown in FIGS. 9 and 10 is the electric field intensity on the gate
図9,図10に示すように、ゲート電極カバー絶縁膜15の膜厚が薄くなると、領域Aの電界強度が緩和されにくくなる。
As shown in FIGS. 9 and 10, when the thickness of the gate electrode
したがって、上記GaN系HFETでは、ゲート電極カバー絶縁膜15の膜厚は300Å(=30nm)以上であることが好ましい。これにより、ゲートフィールドプレート部13b端での電界強度を確実に緩和することができる。
Therefore, in the GaN-based HFET, the thickness of the gate electrode
上記構成の窒化物半導体装置によれば、ソース電極11のソースフィールドプレート部21が、ゲート電極13を覆うようにドレイン電極12側に向かって層間絶縁膜16上に延在する窒化物半導体装置において、ソース電極11とゲート電極13との間およびドレイン電極12とゲート電極13との間で窒化物半導体層10上にコラプス抑制膜14(第1の絶縁膜)を形成し、少なくともコラプス抑制膜14およびゲート電極13上に層間絶縁膜16の誘電率よりも誘電率が高いゲート電極カバー絶縁膜15(第2の絶縁膜)を形成することによって、ゲートフィールドプレート部13bの端での電界集中を効果的に抑制でき、オフ耐圧を向上できる。
According to the nitride semiconductor device having the above configuration, in the nitride semiconductor device in which the source
また、誘電率が5以上のゲート電極カバー絶縁膜15(第2の絶縁膜)によりコラプス抑制膜14(第1の絶縁膜)上およびゲート電極13上を覆うことによって、ゲートフィールドプレート部13bの端での電界強度を効果的に緩和することができる。
Further, by covering the collapse suppression film 14 (first insulating film) and the
上記第1実施形態では、層間絶縁膜16の材料としてSiO2を用いたが、ポリイミドやSOG(Spin On Glass;スピン・オン・グラス)またはBPSG(Boron Phosphorus Silicon Glass;ホウ素・リン・シリケート・ガラス)などの絶縁材料を用いてもよい。また、層間絶縁膜として、例えばSiO2とSOGからなる多層膜構造としてもよい。
In the first embodiment, SiO 2 is used as the material of the
〔第2実施形態〕
図11はこの発明の第2実施形態の窒化物半導体装置の一例としてのノーマリーオンタイプのGaN系HFETの断面図を示している。
[Second Embodiment]
FIG. 11 shows a sectional view of a normally-on type GaN-based HFET as an example of a nitride semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
この第2実施形態のGaN系HFETは、図11に示すコラプス抑制膜114が多層絶縁膜構造である点とゲート絶縁膜20を有する点が第1実施形態のGaN系HFETと異なる。図11では、第1実施形態のGaN系HFETと同一の構成部に同一参照番号を付している。
The GaN-based HFET of the second embodiment is different from the GaN-based HFET of the first embodiment in that the
上記GaN系HFETの製造工程は、アンドープGaN層1とアンドープAlGaN層2を順に形成した後、アンドープAlGaN層2上にプラズマCVD法を用いてSiO2やSiNを積層して、多層絶縁膜構造のコラプス抑制膜114を形成する。
The manufacturing process of the GaN-based HFET is to form an
次に、上記コラプス抑制膜114のうち、ゲート電極13の基部13aを形成すべき領域をウェットエッチングにより除去して、この領域にアンドープAlGaN層2を露出させる。
Next, a region of the
次に、露出したアンドープAlGaN層2上にプラズマCVD法を用いてゲート絶縁膜20を形成する。
Next, a
次に、WN/W(またはTiN)を全面スパッタし、フォトリソグラフィでゲート電極13を形成すべきゲート電極形成領域にエッチングマスク(図示せず)を形成し、このエッチングマスクを用いてドライエッチングまたはウェットエッチングを行なって、ゲート電極形成領域以外のWN/W膜(またはTiN膜)およびゲート絶縁膜20を除去して、WN/W(またはTiN)からなるゲート電極13を形成する。
Next, WN / W (or TiN) is sputtered over the entire surface, and an etching mask (not shown) is formed in the gate electrode formation region where the
上記第2実施形態のGaN系HFETは、第1実施形態のGaN系HFETと同様の効果を有する。 The GaN HFET of the second embodiment has the same effect as the GaN HFET of the first embodiment.
また、上記第1,第2実施形態では、窒化物半導体層を、GaN層やAlGaN層で構成したが、AlxInyGa1-x-yN(x≧0、y≧0、0≦x+y<1)で表されるGaN系半導体層を含むものでもよい。すなわち、上記窒化物半導体層は、AlGaN、GaN、InGaN等を含むものとしてもよい。また、上記第1,第2実施形態では、ノーマリーオンタイプのHFETについて説明したが、ノーマリオフタイプでも同様の効果が得られる。 In the first and second embodiments, the nitride semiconductor layer is composed of a GaN layer or an AlGaN layer. However, Al x In y Ga 1-xy N (x ≧ 0, y ≧ 0, 0 ≦ x + y < It may include a GaN-based semiconductor layer represented by 1). That is, the nitride semiconductor layer may contain AlGaN, GaN, InGaN, or the like. In the first and second embodiments, the normally-on type HFET has been described. However, the normally-off type can achieve the same effect.
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記第1,第2実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。 Although specific embodiments of the present invention have been described, the present invention is not limited to the first and second embodiments described above, and various modifications can be made within the scope of the present invention.
この発明の窒化物半導体装置は、
窒化物半導体層10と、
上記窒化物半導体層10上に、または、上記窒化物半導体層10内に少なくとも一部が形成されると共に、互いに間隔をあけて配置されたソース電極11およびドレイン電極12と、
上記ソース電極11と上記ドレイン電極12との間かつ上記窒化物半導体層10上に形成されたゲート電極13と、
上記ソース電極11と上記ゲート電極13との間および上記ドレイン電極12と上記ゲート電極13との間で上記窒化物半導体層10上に形成された第1の絶縁膜14と、
少なくとも上記第1の絶縁膜14上および上記ゲート電極13上に形成された第2の絶縁膜15と、
上記第2の絶縁膜15上に形成され、少なくともSiO2を含む材料からなる層間絶縁膜16と
を備え、
上記ゲート電極13は、上記窒化物半導体層10の最上層とショットキー接合された基部と、その基部の上部から上記ドレイン電極12側に向かって上記第1の絶縁膜14上に延在するゲートフィールドプレート部13bとを有すると共に、
上記ソース電極11は、上記ゲート電極13を覆うように上記ドレイン電極12側に向かって上記層間絶縁膜16上に延在するソースフィールドプレート部を有し、
上記第2の絶縁膜15の誘電率は、上記層間絶縁膜16の誘電率よりも高いことを特徴とする。
The nitride semiconductor device of the present invention is
A
A
A
A first insulating
A second insulating
An interlayer insulating
The
The
The dielectric constant of the second insulating
上記構成によれば、ソース電極11のソースフィールドプレート部21が、ゲート電極13を覆うようにドレイン電極12側に向かって層間絶縁膜16上に延在する窒化物半導体装置において、ソース電極11とゲート電極13との間およびドレイン電極12とゲート電極13との間で窒化物半導体層10上に第1の絶縁膜14を形成し、少なくとも第1の絶縁膜14およびゲート電極13上に、少なくともSiO2を含む材料からなる層間絶縁膜16の誘電率よりも誘電率が高い第2の絶縁膜15を形成することによって、ゲートフィールドプレート部13bの端での電界集中を効果的に抑制でき、オフ耐圧を向上できる。なお、上記ソース電極11およびドレイン電極12は、窒化物半導体層10上に互いに間隔をあけて形成してもよいし、窒化物半導体層10内に少なくとも一部が埋め込まれるようにかつ互いに間隔をあけて形成してもよい。
According to the above configuration, in the nitride semiconductor device in which the source
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記第2の絶縁膜15の誘電率が5以上である。
In the nitride semiconductor device of one embodiment,
The dielectric constant of the second insulating
上記実施形態によれば、誘電率が5以上の第2の絶縁膜15により第1の絶縁膜14上およびゲート電極13上を覆うことによって、ゲートフィールドプレート部13bの端での電界強度を効果的に緩和することができる。
According to the embodiment, the electric field strength at the end of the gate
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記第2の絶縁膜15の膜厚が30nm以上である。
In the nitride semiconductor device of one embodiment,
The film thickness of the second insulating
上記実施形態によれば、膜厚が30nm以上の第2の絶縁膜15により第1の絶縁膜14上およびゲート電極13上を覆うことによって、ゲートフィールドプレート部13bの端での電界強度を確実に緩和することができる。
According to the embodiment, the electric field strength at the end of the gate
1…アンドープGaN層
2…アンドープAlGaN層
10…窒化物半導体層
11…ソース電極
12…ドレイン電極
13…ゲート電極
13a…基部
13b…ゲートフィールドプレート部
14…コラプス抑制膜
15…ゲート電極カバー絶縁膜
16…層間絶縁膜
20…ゲート絶縁膜
21…ソースフィールドプレート部
22…ドレインフィールドプレート部
100…Si基板
DESCRIPTION OF
Claims (3)
上記窒化物半導体層上に、または、上記窒化物半導体層内に少なくとも一部が形成されると共に、互いに間隔をあけて配置されたソース電極およびドレイン電極と、
上記ソース電極と上記ドレイン電極との間かつ上記窒化物半導体層上に形成されたゲート電極と、
上記ソース電極と上記ゲート電極との間および上記ドレイン電極と上記ゲート電極との間で上記窒化物半導体層上に形成された第1の絶縁膜と、
少なくとも上記第1の絶縁膜上および上記ゲート電極上に形成された第2の絶縁膜と、
上記第2の絶縁膜上に形成され、少なくともSiO2を含む材料からなる層間絶縁膜と
を備え、
上記ゲート電極は、上記窒化物半導体層の最上層とショットキー接合された基部と、その基部の上部から上記ドレイン電極側に向かって上記第1の絶縁膜上に延在するゲートフィールドプレート部とを有すると共に、
上記ソース電極は、上記ゲート電極を覆うように上記ドレイン電極側に向かって上記層間絶縁膜上に延在するソースフィールドプレート部を有し、
上記第2の絶縁膜の誘電率は、上記層間絶縁膜の誘電率よりも高いことを特徴とする窒化物半導体装置。 A nitride semiconductor layer;
A source electrode and a drain electrode which are formed on the nitride semiconductor layer or in the nitride semiconductor layer and spaced apart from each other;
A gate electrode formed between the source electrode and the drain electrode and on the nitride semiconductor layer;
A first insulating film formed on the nitride semiconductor layer between the source electrode and the gate electrode and between the drain electrode and the gate electrode;
A second insulating film formed on at least the first insulating film and the gate electrode;
An interlayer insulating film formed on the second insulating film and made of a material containing at least SiO 2 ;
The gate electrode includes a base portion that is Schottky-bonded to the uppermost layer of the nitride semiconductor layer, a gate field plate portion that extends on the first insulating film from the upper portion of the base portion toward the drain electrode side, and And having
The source electrode has a source field plate portion extending on the interlayer insulating film toward the drain electrode so as to cover the gate electrode,
The nitride semiconductor device, wherein a dielectric constant of the second insulating film is higher than a dielectric constant of the interlayer insulating film.
上記第2の絶縁膜の誘電率が5以上であることを特徴とする窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 1,
A nitride semiconductor device, wherein the second insulating film has a dielectric constant of 5 or more.
上記第2の絶縁膜の膜厚が30nm以上であることを特徴とする窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 1 or 2,
The nitride semiconductor device, wherein the second insulating film has a thickness of 30 nm or more.
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