JP2016086125A - 化合物半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ゲート電極を有する化合物半導体装置において、比較的簡素な構成により、良好な電子輸送を得るも、電極の上方部分の端部における電界集中を緩和する、信頼性の高い高耐圧の半導体装置を実現する。【解決手段】半導体領域2と、半導体領域2の上方に形成された、上方部分と当該上方部分よりも幅狭の下方部分とが一体とされたゲート電極7と、半導体領域2の表面を覆う保護絶縁膜6とを含み、保護絶縁膜6は、ゲート電極7の前記上方部分の端部と接触する部分の厚みが他の部分の厚みよりも薄い。【選択図】図2
Description
本発明は、化合物半導体装置及びその製造方法に関する。
窒化物半導体は、高い飽和電子速度及びワイドバンドギャップ等の特徴を利用し、高耐圧及び高出力の半導体デバイスへの適用が検討されている。例えば、窒化物半導体であるGaNのバンドギャップは3.4eVであり、Siのバンドギャップ(1.1eV)及びGaAsのバンドギャップ(1.4eV)よりも大きく、高い破壊電界強度を有する。そのためGaNは、高電圧動作且つ高出力を得る電源用の半導体デバイスの材料として極めて有望である。
窒化物半導体を用いた半導体デバイスとしては、電界効果トランジスタ、特に高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor:HEMT)についての報告が数多くなされている。例えばGaN系のHEMT(GaN−HEMT)では、GaNを電子走行層として、AlGaNを電子供給層として用いたAlGaN/GaN・HEMTが注目されている。AlGaN/GaN・HEMTでは、GaNとAlGaNとの格子定数差に起因した歪みがAlGaNに生じる。これにより発生したピエゾ分極及びAlGaNの自発分極により、高濃度の2次元電子ガス(2DEG)が得られる。そのため、高効率のスイッチ素子、電気自動車用等の高耐圧電力デバイスとして期待されている。
窒化物半導体を用いた半導体デバイスにおいては、高周波特性と共に、今後予想される動作電圧の増加等に対応するべく、より高耐圧で信頼性の高い半導体デバイスの研究開発が進められている。しかしながら、ゲート電極下にある絶縁膜の閾値が深く、空乏層が良好に形成されないという問題がある。この場合、ゲート電極下にある絶縁膜端部に電界ストレスが発生して破損・破壊が生じ易くなる。これは結果的に低耐圧を招き信頼性の低下を来たすことになり、問題視されている。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、比較的簡素な構成により、良好な電子輸送を得るも、電極の上方部分の端部における電界集中を緩和する、信頼性の高い高耐圧の化合物半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
化合物半導体装置の一態様は、化合物半導体層と、前記化合物半導体層の上方に形成されたゲート電極と、前記化合物半導体層に平行な方向において、前記ゲート電極を挟む位置に形成された、ソース電極及びドレイン電極と、前記化合物半導体層の表面を覆う絶縁膜とを含み、前記絶縁膜は、前記化合物半導体層と前記ゲート電極との間に形成された、前記ゲート電極と接している部分の膜厚が、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間で前記化合物半導体層の表面を覆った部分の膜厚よりも小さい。
化合物半導体装置の製造方法の一態様は、化合物半導体層の表面に絶縁膜を形成する工程と、前記化合物半導体層の上方にゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極を形成する工程とを含み、前記絶縁膜は、前記化合物半導体層と前記ゲート電極との間に形成された、前記ゲート電極と接している部分の膜厚が、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間で前記化合物半導体層の表面を覆った部分の膜厚よりも小さい。
上記の諸態様によれば、比較的簡素な構成により、良好な電子輸送を得るも、電極の上方部分の端部における電界集中を緩和する、信頼性の高い高耐圧の化合物半導体装置が実現する。
(第1の実施形態)
本実施形態では、化合物半導体の一種である窒化物半導体のAlGaN/GaN・HEMTを開示する。本実施形態では、AlGaN/GaN・HEMTの構成をその製造方法と共に説明する。
図1〜図3は、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
本実施形態では、化合物半導体の一種である窒化物半導体のAlGaN/GaN・HEMTを開示する。本実施形態では、AlGaN/GaN・HEMTの構成をその製造方法と共に説明する。
図1〜図3は、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
先ず、図1(a)に示すように、成長用基板として例えばSi基板1上に、化合物半導体層として、化合物半導体積層構造2を形成する。成長用基板としては、Si基板の代わりに、SiC基板、サファイア基板、GaAs基板、GaN基板等を用いても良い。また、基板の導電性としては、半絶縁性、導電性を問わない。
化合物半導体積層構造2は、バッファ層2a、電子走行層2b、中間層2c、電子供給層2d、及びキャップ層2eを有して構成される。
化合物半導体積層構造2は、バッファ層2a、電子走行層2b、中間層2c、電子供給層2d、及びキャップ層2eを有して構成される。
完成したAlGaN/GaN・HEMTでは、その動作時において、電子走行層2bの電子供給層2d(正確には中間層2c)との界面近傍に2次元電子ガス(2DEG)が発生する。この2DEGは、電子走行層2bの化合物半導体(ここではGaN)と電子供給層2dの化合物半導体(ここではAlGaN)との格子定数の相違に基づいて生成される。
詳細には、Si基板1上に、例えば有機金属気相成長(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法により、以下の各化合物半導体を成長する。MOVPE法の代わりに、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法等を用いても良い。
Si基板1上に、AlNを5nm程度の厚みに、i(インテンショナリ・アンドープ)−GaNを1μm程度の厚みに、i−AlGaNを5nm程度の厚みに、n−AlGaNを30nm程度の厚みに、n−GaNを3nm程度の厚みに順次成長する。これにより、バッファ層2a、電子走行層2b、中間層2c、電子供給層2d、及びキャップ層2eが形成される。バッファ層2aとしては、AlNの代わりにAlGaNを用いたり、低温成長でGaNを成長したりするようにしても良い。
Si基板1上に、AlNを5nm程度の厚みに、i(インテンショナリ・アンドープ)−GaNを1μm程度の厚みに、i−AlGaNを5nm程度の厚みに、n−AlGaNを30nm程度の厚みに、n−GaNを3nm程度の厚みに順次成長する。これにより、バッファ層2a、電子走行層2b、中間層2c、電子供給層2d、及びキャップ層2eが形成される。バッファ層2aとしては、AlNの代わりにAlGaNを用いたり、低温成長でGaNを成長したりするようにしても良い。
AlNの成長条件としては、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム(TMA)ガス及びアンモニア(NH3)ガスの混合ガスを用いる。GaNの成長条件としては、原料ガスとしてトリメチルガリウム(TMG)ガス及びNH3ガスの混合ガスを用いる。AlGaNの成長条件としては、原料ガスとしてTMAガス、TMGガス、及びNH3ガスの混合ガスを用いる。成長する化合物半導体層に応じて、Al源であるトリメチルアルミニウムガス、Ga源であるトリメチルガリウムガスの供給の有無及び流量を適宜設定する。共通原料であるアンモニアガスの流量は、100ccm〜10LM程度とする。また、成長圧力は50Torr〜300Torr程度、成長温度は1000℃〜1200℃程度とする。
GaN、AlGaNをn型として成長する際には、n型不純物として例えばSiを含む例えばSiH4ガスを所定の流量で原料ガスに添加し、GaN及びAlGaNにSiをドーピングする。Siのドーピング濃度は、1×1018/cm3程度〜1×1020/cm3程度、例えば5×1018/cm3程度とする。
続いて、図1(b)に示すように、素子分離構造3を形成する。
詳細には、化合物半導体積層構造2の素子分離領域に、例えばアルゴン(Ar)を注入する。これにより、化合物半導体積層構造2及びSi基板1の表層部分に素子分離構造3が形成される。素子分離構造3により、化合物半導体積層構造2上で活性領域が画定される。
なお、素子分離は、上記の注入法の代わりに、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法を用いて行っても良い。このとき、化合物半導体積層構造2のドライエッチングには、例えば塩素系のエッチングガスを用いる。
詳細には、化合物半導体積層構造2の素子分離領域に、例えばアルゴン(Ar)を注入する。これにより、化合物半導体積層構造2及びSi基板1の表層部分に素子分離構造3が形成される。素子分離構造3により、化合物半導体積層構造2上で活性領域が画定される。
なお、素子分離は、上記の注入法の代わりに、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法を用いて行っても良い。このとき、化合物半導体積層構造2のドライエッチングには、例えば塩素系のエッチングガスを用いる。
続いて、図1(c)に示すように、ソース電極4及びドレイン電極5を形成する。
詳細には、先ず、化合物半導体積層構造2の表面におけるソース電極及びドレイン電極の形成予定位置(電極形成予定位置)に電極用リセス2A,2Bを形成する。
化合物半導体積層構造2の表面にレジストを塗布する。レジストをリソグラフィーにより加工し、レジストに、電極形成予定位置に相当する化合物半導体積層構造2の表面を露出する開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
詳細には、先ず、化合物半導体積層構造2の表面におけるソース電極及びドレイン電極の形成予定位置(電極形成予定位置)に電極用リセス2A,2Bを形成する。
化合物半導体積層構造2の表面にレジストを塗布する。レジストをリソグラフィーにより加工し、レジストに、電極形成予定位置に相当する化合物半導体積層構造2の表面を露出する開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
このレジストマスクを用いて、電子供給層2dの表面が露出するまで、キャップ層2eの電極形成予定位置をドライエッチングして除去する。これにより、電子供給層2dの表面の電極形成予定位置を露出する電極用リセス2A,2Bが形成される。エッチング条件としては、Ar等の不活性ガス及びCl2等の塩素系ガスをエッチングガスとして用い、例えばCl2を流量30sccm、圧力を2Pa、RF投入電力を20Wとする。なお、電極用リセス2A,2Bは、キャップ層2eの途中までエッチングして形成しても、また電子供給層2d以降までエッチングして形成しても良い。
レジストマスクは、灰化処理等により除去される。
レジストマスクは、灰化処理等により除去される。
ソース電極及びドレイン電極を形成するためのレジストマスクを形成する。ここでは、蒸着法及びリフトオフ法に適した例えば庇構造2層レジストを用いる。このレジストを化合物半導体積層構造2上に塗布し、電極用リセス2A,2Bを露出させる開口を形成する。以上により、当該開口を有するレジストマスクが形成される。
このレジストマスクを用いて、電極材料として、例えばTa/Alを、例えば蒸着法により、電極用リセス2A,2Bを露出させる開口内を含むレジストマスク上に堆積する。Taの厚みは20nm程度、Alの厚みは200nm程度とする。リフトオフ法により、レジストマスク及びその上に堆積したTa/Alを除去する。その後、Si基板1を、例えば窒素雰囲気中において400℃〜1000℃程度の温度、例えば600℃程度で熱処理し、残存したTa/Alを電子供給層2dとオーミックコンタクトさせる。Ta/Alの電子供給層2dとのオーミックコンタクトが得られるのであれば、熱処理が不要な場合もある。以上により、電極用リセス2A,2Bを電極材料の一部で埋め込むソース電極4及びドレイン電極5が形成される。
このレジストマスクを用いて、電極材料として、例えばTa/Alを、例えば蒸着法により、電極用リセス2A,2Bを露出させる開口内を含むレジストマスク上に堆積する。Taの厚みは20nm程度、Alの厚みは200nm程度とする。リフトオフ法により、レジストマスク及びその上に堆積したTa/Alを除去する。その後、Si基板1を、例えば窒素雰囲気中において400℃〜1000℃程度の温度、例えば600℃程度で熱処理し、残存したTa/Alを電子供給層2dとオーミックコンタクトさせる。Ta/Alの電子供給層2dとのオーミックコンタクトが得られるのであれば、熱処理が不要な場合もある。以上により、電極用リセス2A,2Bを電極材料の一部で埋め込むソース電極4及びドレイン電極5が形成される。
続いて、図2(a)に示すように、保護絶縁膜6を形成する。
詳細には、先ず、化合物半導体積層構造2上に絶縁材料として例えばSiNを堆積する。SiNは、例えばプラズマCVD法により30nm〜60nm程度の厚み、ここでは40nm程度の厚みに堆積する。
次に、堆積されたSiNを例えば600℃程度で熱処理する。これにより、当該SiNは、そのSi−Nの結合が促進され、ダングリングボンド等の欠陥が殆ど存在しない絶縁膜、例えばストイキオメトリ状態のSi3N4(SiとNの組成比が3:4のSiN)となる。このSi3N4は、誘電率が7.0〜7.3程度である。また、このSi3N4は、膜厚40nm、面積10000μm2で換算して、その電気容量が15.5pF程度〜16.2pF程度である。
以上により、化合物半導体積層構造2の表面を保護する、ストイキオメトリ状態のSi3N4からなる保護絶縁膜6が形成される。
詳細には、先ず、化合物半導体積層構造2上に絶縁材料として例えばSiNを堆積する。SiNは、例えばプラズマCVD法により30nm〜60nm程度の厚み、ここでは40nm程度の厚みに堆積する。
次に、堆積されたSiNを例えば600℃程度で熱処理する。これにより、当該SiNは、そのSi−Nの結合が促進され、ダングリングボンド等の欠陥が殆ど存在しない絶縁膜、例えばストイキオメトリ状態のSi3N4(SiとNの組成比が3:4のSiN)となる。このSi3N4は、誘電率が7.0〜7.3程度である。また、このSi3N4は、膜厚40nm、面積10000μm2で換算して、その電気容量が15.5pF程度〜16.2pF程度である。
以上により、化合物半導体積層構造2の表面を保護する、ストイキオメトリ状態のSi3N4からなる保護絶縁膜6が形成される。
続いて、図2(b)に示すように、保護絶縁膜6に開口6aを形成する。
詳細には、保護絶縁膜6をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工する。これにより、保護絶縁膜6には、化合物半導体積層構造2の表面の一部を露出する開口6aが形成される。
詳細には、保護絶縁膜6をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工する。これにより、保護絶縁膜6には、化合物半導体積層構造2の表面の一部を露出する開口6aが形成される。
続いて、図2(c)に示すように、保護絶縁膜6の開口6aを含む部分を薄化する。
詳細には、保護絶縁膜6の開口6aを含むゲート電極の形成予定領域を、リソグラフィー及びドライエッチングにより加工する。これにより、保護絶縁膜6のゲート電極の形成予定領域が薄化され、溝6bが形成される。保護絶縁膜6のエッチング部位には、保護絶縁膜6の他の部分よりも薄い薄化部分6cが形成される。薄化部分6cは、他の部分の40nmよりも薄く、20nm程度以上の厚みとされる。薄化部分6cの厚みが20nm程度を下回ると、薄化部分6cにピンホールが発生し易くなり、膜厚を均一にすることが困難になるという問題が生じる。本実施形態では、薄化部分6cは例えば25nm程度の厚みとされる。
詳細には、保護絶縁膜6の開口6aを含むゲート電極の形成予定領域を、リソグラフィー及びドライエッチングにより加工する。これにより、保護絶縁膜6のゲート電極の形成予定領域が薄化され、溝6bが形成される。保護絶縁膜6のエッチング部位には、保護絶縁膜6の他の部分よりも薄い薄化部分6cが形成される。薄化部分6cは、他の部分の40nmよりも薄く、20nm程度以上の厚みとされる。薄化部分6cの厚みが20nm程度を下回ると、薄化部分6cにピンホールが発生し易くなり、膜厚を均一にすることが困難になるという問題が生じる。本実施形態では、薄化部分6cは例えば25nm程度の厚みとされる。
続いて、図3に示すように、ゲート電極7を形成する。
詳細には、先ず、ゲート形成用のレジストマスクを形成する。
下層レジスト及び上層レジストをそれぞれ例えばスピンコート法により全面に塗布形成する。紫外線露光により上層レジストに開口を形成する。次に、上層レジストをマスクとして、下層レジストをアルカリ現像液でウェットエッチングし、下層レジストに開口を形成する。以上により、開口を有する下層レジストと、開口を有する上層レジストとからなるレジストマスクが形成される。このレジストマスクにおいて、2つの開口が連通してなる開口を連通開口と称する。
詳細には、先ず、ゲート形成用のレジストマスクを形成する。
下層レジスト及び上層レジストをそれぞれ例えばスピンコート法により全面に塗布形成する。紫外線露光により上層レジストに開口を形成する。次に、上層レジストをマスクとして、下層レジストをアルカリ現像液でウェットエッチングし、下層レジストに開口を形成する。以上により、開口を有する下層レジストと、開口を有する上層レジストとからなるレジストマスクが形成される。このレジストマスクにおいて、2つの開口が連通してなる開口を連通開口と称する。
次に、ゲート電極7を形成する。
詳細には、上記のレジストマスクを用いて、連通開口内を含む全面にゲートメタル(Ni:膜厚10nm程度/Au:膜厚300nm程度)を蒸着する。これにより、保護絶縁膜6の開口6aを埋め込んで薄化部分6c上にゲート電極7が形成される。レジストマスクは、不要なゲートメタルと共に、例えばSi基板1を80℃に加温したN-メチル-ピロリジノン中に浸潤することにより、リフトオフ法により除去される。
詳細には、上記のレジストマスクを用いて、連通開口内を含む全面にゲートメタル(Ni:膜厚10nm程度/Au:膜厚300nm程度)を蒸着する。これにより、保護絶縁膜6の開口6aを埋め込んで薄化部分6c上にゲート電極7が形成される。レジストマスクは、不要なゲートメタルと共に、例えばSi基板1を80℃に加温したN-メチル-ピロリジノン中に浸潤することにより、リフトオフ法により除去される。
ゲート電極7は、オーバーハング状のゲート長方向の断面がT字型の(以下、単にT字型と言う。)電極であり、上方部分(オーバーゲート部分)と、これよりも幅狭の下方部分(ファインゲート部分)とが一体形成されてなる。ゲート電極7は、ファインゲート部分が保護絶縁膜6の開口6a内を埋め込んで化合物半導体積層構造2の表面とショットキー接触すると共に、オーバーゲート部分の下面(端部を含む)が保護絶縁膜6の薄化部分6cに接触してMIS構造を構成している。
しかる後、ソース電極4、ドレイン電極5、ゲート電極7と接続される配線の形成等の諸工程を経て、本実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTが形成される。
本実施形態では、単層の保護絶縁膜6がトラップや欠陥の少ないストイキオメトリ状態のSi3N4から形成されている。この保護絶縁膜6でソース電極4上及びドレイン電極5上を含む化合物半導体積層構造2の表面を覆うことにより、ドレイン電極5−ゲート電極7−ソース電極4間において良好な電子輸送が得られる。
保護絶縁膜6は更に、その薄化部分6cにゲート電極7のオーバーゲート部分の下面(端部を含む)が接触している。この場合、保護絶縁膜6は、化合物半導体積層構造2とゲート電極7との間に形成された、ゲート電極7と接している部分(薄化部分6c)の膜厚が、少なくともゲート電極7とドレイン電極5との間で化合物半導体積層構造2の表面を覆った部分(保護絶縁膜6の薄化部分6c以外の部分)の膜厚よりも小さい。これにより、オーバーゲート部分の閾値が浅くなり(閾値が正方向にシフトする)、ファインゲート部分によるショットキー構造とオーバーゲート部分によるMIS構造との閾値差が減少する。その結果、オーバーゲート部分の端部における電界集中が緩和され、更なる高信頼性及び高耐圧に寄与する。
保護絶縁膜6は更に、その薄化部分6cにゲート電極7のオーバーゲート部分の下面(端部を含む)が接触している。この場合、保護絶縁膜6は、化合物半導体積層構造2とゲート電極7との間に形成された、ゲート電極7と接している部分(薄化部分6c)の膜厚が、少なくともゲート電極7とドレイン電極5との間で化合物半導体積層構造2の表面を覆った部分(保護絶縁膜6の薄化部分6c以外の部分)の膜厚よりも小さい。これにより、オーバーゲート部分の閾値が浅くなり(閾値が正方向にシフトする)、ファインゲート部分によるショットキー構造とオーバーゲート部分によるMIS構造との閾値差が減少する。その結果、オーバーゲート部分の端部における電界集中が緩和され、更なる高信頼性及び高耐圧に寄与する。
以上説明したように、本実施形態によれば、比較的簡素な構成により、良好な電子輸送を得るも、ゲート電極7のオーバーゲート部分の端部における電界集中を緩和する、信頼性の高い高耐圧のAlGaN/GaN・HEMTが実現する。
−変形例−
以下、第1の実施形態の変形例について説明する。本例では、第1の実施形態と同様にAlGaN/GaN・HEMTの構成及び製造方法を開示するが、保護絶縁膜の構成が異なる点で相違する。なお、第1の実施形態の構成部材等と同一のものについては、同符号を付して詳しい説明を省略する。
図4〜図6は、第1の実施形態の変形例によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法の主要工程を示す概略断面図である。
以下、第1の実施形態の変形例について説明する。本例では、第1の実施形態と同様にAlGaN/GaN・HEMTの構成及び製造方法を開示するが、保護絶縁膜の構成が異なる点で相違する。なお、第1の実施形態の構成部材等と同一のものについては、同符号を付して詳しい説明を省略する。
図4〜図6は、第1の実施形態の変形例によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法の主要工程を示す概略断面図である。
本例では、第1の実施形態と同様に、先ず図1(a)〜図1(c)の諸工程を経る。このとき、化合物半導体積層構造2上にソース電極4及びドレイン電極5が形成される。
続いて、図4(a)に示すように、第1の絶縁膜11を形成する。
詳細には、先ず、化合物半導体積層構造2上に絶縁材料として例えばSiNを堆積する。SiNは、例えばプラズマCVD法により40nm〜60nm程度の厚み、ここでは40nm程度の厚みに堆積する。
次に、堆積されたSiNを例えば600℃程度で熱処理する。これにより、当該SiNは、そのSi−Nの結合が促進され、ダングリングボンド等の欠陥が殆ど存在しない絶縁膜、例えばストイキオメトリ状態のSi3N4(SiとNの組成比が3:4のシリコン窒化物)となる。このSi3N4は、誘電率が7.0〜7.3程度である。また、膜厚40nm、面積10000μm2で換算して、電気容量が15.5pF程度〜16.2pF程度である。
以上により、化合物半導体積層構造2の表面を保護する、ストイキオメトリ状態のSi3N4からなる第1の絶縁膜11が形成される。
詳細には、先ず、化合物半導体積層構造2上に絶縁材料として例えばSiNを堆積する。SiNは、例えばプラズマCVD法により40nm〜60nm程度の厚み、ここでは40nm程度の厚みに堆積する。
次に、堆積されたSiNを例えば600℃程度で熱処理する。これにより、当該SiNは、そのSi−Nの結合が促進され、ダングリングボンド等の欠陥が殆ど存在しない絶縁膜、例えばストイキオメトリ状態のSi3N4(SiとNの組成比が3:4のシリコン窒化物)となる。このSi3N4は、誘電率が7.0〜7.3程度である。また、膜厚40nm、面積10000μm2で換算して、電気容量が15.5pF程度〜16.2pF程度である。
以上により、化合物半導体積層構造2の表面を保護する、ストイキオメトリ状態のSi3N4からなる第1の絶縁膜11が形成される。
続いて、図4(b)に示すように、第1の絶縁膜11に開口11aを形成する。
詳細には、第1の絶縁膜11をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工する。これにより、第1の絶縁膜11には、化合物半導体積層構造2の表面の一部を露出する開口11aが形成される。
詳細には、第1の絶縁膜11をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工する。これにより、第1の絶縁膜11には、化合物半導体積層構造2の表面の一部を露出する開口11aが形成される。
続いて、図4(c)に示すように、第1の絶縁膜11の開口11aを含む部分を薄化する。
詳細には、第1の絶縁膜11の開口11aを含むゲート電極の形成予定領域を、リソグラフィー及びドライエッチングにより加工する。これにより、第1の絶縁膜11のゲート電極の形成予定領域が薄化され、溝11bが形成される。第1の絶縁膜11のエッチング部位には、第1の絶縁膜11の他の部分よりも薄い薄化部分11cが形成される。薄化部分11cは、20nm程度以上で30nm程度以下の厚みとされる。薄化部分11cの厚みが20nm程度を下回ると、薄化部分11cにピンホールが発生し易くなり、膜厚を均一にすることが困難になるという問題が生じる。薄化部分11cの厚みが40nm程度を上回ると、後述する第2の絶縁膜との合計膜厚が第1の絶縁膜11の他の部分の厚みを越える懸念が生じる。本例では、薄化部分11cは例えば20程度の厚みとされる。
詳細には、第1の絶縁膜11の開口11aを含むゲート電極の形成予定領域を、リソグラフィー及びドライエッチングにより加工する。これにより、第1の絶縁膜11のゲート電極の形成予定領域が薄化され、溝11bが形成される。第1の絶縁膜11のエッチング部位には、第1の絶縁膜11の他の部分よりも薄い薄化部分11cが形成される。薄化部分11cは、20nm程度以上で30nm程度以下の厚みとされる。薄化部分11cの厚みが20nm程度を下回ると、薄化部分11cにピンホールが発生し易くなり、膜厚を均一にすることが困難になるという問題が生じる。薄化部分11cの厚みが40nm程度を上回ると、後述する第2の絶縁膜との合計膜厚が第1の絶縁膜11の他の部分の厚みを越える懸念が生じる。本例では、薄化部分11cは例えば20程度の厚みとされる。
続いて、図5(a)に示すように、第2の絶縁膜12を形成する。
詳細には、開口11a内を含む第1の絶縁膜11上の全面に例えばSiNを堆積する。当該SiNは、例えばプラズマCVD法により、Nの原料ガスであるN2を第1の絶縁膜11の形成の場合よりも多くしたり、或いはSiの原料ガスであるSiH4を第1の絶縁膜11の形成の場合よりも多くしたりして形成する。これにより、当該SiNは、第1の絶縁膜11と組成比の異なり(SiとNの組成比が3:4でないSiN)、ダングリングボンド等の欠陥が存在する、非ストイキオメトリ状態のSiNとして形成される。このSiNは、誘電率が7.0程度より大きい値或いは7.3程度より小さい値のものである。
以上により、第1の絶縁膜11上に、非ストイキオメトリ状態のSiNからなる第2の絶縁膜12が形成される。
詳細には、開口11a内を含む第1の絶縁膜11上の全面に例えばSiNを堆積する。当該SiNは、例えばプラズマCVD法により、Nの原料ガスであるN2を第1の絶縁膜11の形成の場合よりも多くしたり、或いはSiの原料ガスであるSiH4を第1の絶縁膜11の形成の場合よりも多くしたりして形成する。これにより、当該SiNは、第1の絶縁膜11と組成比の異なり(SiとNの組成比が3:4でないSiN)、ダングリングボンド等の欠陥が存在する、非ストイキオメトリ状態のSiNとして形成される。このSiNは、誘電率が7.0程度より大きい値或いは7.3程度より小さい値のものである。
以上により、第1の絶縁膜11上に、非ストイキオメトリ状態のSiNからなる第2の絶縁膜12が形成される。
第2の絶縁膜12は、図7に示すように、第1の絶縁膜11の薄化部分11cとの合計膜厚bが、第1の絶縁膜11の他の部分(薄化部分11c以外の部分)の厚みaよりも薄く形成される必要がある。従って、第1の絶縁膜11の他の部分の厚みが例えば40nm程度であり、薄化部分11cの厚みが20nm程度とすると、第2の絶縁膜12は10nm以下の厚み、例えば10nm程度に形成される。
続いて、図5(b)に示すように、第2の絶縁膜12を一部残してエッチング除去する。
詳細には、第2の絶縁膜12をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工する。ここでは、第2の絶縁膜12について、開口11a内を含む薄化部分11cを覆い端部12aが第1の絶縁膜11の溝11bの端部を若干超えた箇所に位置するように、その他の部分をエッチングで除去する。
本例では、第1の絶縁膜11及びその薄化部分11c上の第2の絶縁膜12により、保護絶縁膜13が構成される。
詳細には、第2の絶縁膜12をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工する。ここでは、第2の絶縁膜12について、開口11a内を含む薄化部分11cを覆い端部12aが第1の絶縁膜11の溝11bの端部を若干超えた箇所に位置するように、その他の部分をエッチングで除去する。
本例では、第1の絶縁膜11及びその薄化部分11c上の第2の絶縁膜12により、保護絶縁膜13が構成される。
続いて、図6(a)に示すように、第2の絶縁膜12に開口12aを形成する。
詳細には、第2の絶縁膜12をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工する。ここでは、第1の絶縁膜11の開口11aに位置整合するように第2の絶縁膜12をエッチングする。以上により、第2の絶縁膜12に開口11aと連通する開口12aが形成される。開口11a,12aからなる開口を連通開口10と称する。
詳細には、第2の絶縁膜12をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工する。ここでは、第1の絶縁膜11の開口11aに位置整合するように第2の絶縁膜12をエッチングする。以上により、第2の絶縁膜12に開口11aと連通する開口12aが形成される。開口11a,12aからなる開口を連通開口10と称する。
続いて、図6(b)に示すように、ゲート電極7を形成する。
詳細には、第1の実施形態の図3と同様に、連通開口を有するレジストマスクを用いて、連通開口内を含む全面にゲートメタル(Ni:膜厚10nm程度/Au:膜厚300nm程度)を蒸着する。これにより、第1の絶縁膜11の薄化部分11c及び第2の絶縁膜12の積層構造上にゲート電極7が形成される。レジストマスクは、不要なゲートメタルと共に、例えばSi基板1を80℃に加温したN-メチル-ピロリジノン中に浸潤することにより、リフトオフ法により除去される。
詳細には、第1の実施形態の図3と同様に、連通開口を有するレジストマスクを用いて、連通開口内を含む全面にゲートメタル(Ni:膜厚10nm程度/Au:膜厚300nm程度)を蒸着する。これにより、第1の絶縁膜11の薄化部分11c及び第2の絶縁膜12の積層構造上にゲート電極7が形成される。レジストマスクは、不要なゲートメタルと共に、例えばSi基板1を80℃に加温したN-メチル-ピロリジノン中に浸潤することにより、リフトオフ法により除去される。
ゲート電極7は、オーバーハング状のT字型電極であり、上方部分(オーバーゲート部分)及びこれよりも幅狭の下方部分(ファインゲート部分)が一体形成されてなる。ゲート電極7は、ファインゲート部分が連通開口10内を埋め込んで化合物半導体積層構造2の表面とショットキー接触する。それと共に、オーバーゲート部分の下面(端部を含む)が積層構造の上層部分である第2の絶縁膜12に接触してMIS構造を構成している。
しかる後、ソース電極4、ドレイン電極5、ゲート電極7と接続される配線の形成等の諸工程を経て、本例によるAlGaN/GaN・HEMTが形成される。
本例では、保護絶縁膜13のうち、下層に位置する第1の絶縁膜11がトラップや欠陥の少ないストイキオメトリ状態のSi3N4から形成されている。保護絶縁膜13のうち、上層に位置する第2の絶縁膜12は、第1の絶縁膜11の薄化部分11c上及びその若干の周辺上のみに形成されているため、第1の絶縁膜11の電子輸送機能は殆ど減殺されることはない。従って、この第1の絶縁膜11でソース電極4上及びドレイン電極5上を含む化合物半導体積層構造2の表面を覆うことにより、ドレイン電極5−ゲート電極7−ソース電極4間において良好な電子輸送が得られる。
保護絶縁膜13では更に、上層に位置する第2の絶縁膜12にゲート電極7のオーバーゲート部分の下面(端部を含む)が接触している。これにより、オーバーゲート部分の当該端部は、これと接触する第2の絶縁膜12のトラップにより、第1の絶縁膜11に起因する強電界が緩和される。その結果、当該端部における電界集中が抑制される。
保護絶縁膜13では更に、第1の絶縁膜11の薄化部分11cと第2の絶縁膜12との合計膜厚が、第1の絶縁膜11の他の部分(薄化部分11c以外の部分)の厚みよりも薄く形成されている。この構成の下で、第2の絶縁膜12にゲート電極7のオーバーゲート部分の下面(端部を含む)が接触している。この場合、保護絶縁膜13は、化合物半導体積層構造2とゲート電極7との間に形成された、ゲート電極7と接している部分の膜厚(薄化部分11c及び第2の絶縁膜12との合計膜厚)が、少なくともゲート電極7とドレイン電極5との間で化合物半導体積層構造2の表面を覆った部分(保護絶縁膜11の薄化部分11c以外の部分)の膜厚よりも小さい。これにより、オーバーゲート部分の閾値が浅くなり、ファインゲート部分によるショットキー構造とオーバーゲート部分によるMIS構造との閾値差が減少する。その結果、オーバーゲート部分の端部における更なる電界集中の緩和が得られ、高信頼性及び高耐圧に寄与する。
以上説明したように、本例によれば、比較的簡素な構成により、良好な電子輸送を得るも、ゲート電極7のオーバーゲート部分の端部における電界集中を緩和する、信頼性の高い高耐圧のAlGaN/GaN・HEMTが実現する。
(第2の実施形態)
本実施形態では、第1の実施形態と同様にAlGaN/GaN・HEMTの構成及び製造方法を開示するが、保護絶縁膜の形成状態が異なる点で相違する。なお、第1の実施形態の構成部材等と同一のものについては、同符号を付して詳しい説明を省略する。
図8は、第2の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法の主要工程を示す概略断面図である。
本実施形態では、第1の実施形態と同様にAlGaN/GaN・HEMTの構成及び製造方法を開示するが、保護絶縁膜の形成状態が異なる点で相違する。なお、第1の実施形態の構成部材等と同一のものについては、同符号を付して詳しい説明を省略する。
図8は、第2の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法の主要工程を示す概略断面図である。
本実施形態では、第1の実施形態と同様に、先ず図1(a)〜図1(c)の諸工程を経る。このとき、化合物半導体積層構造2上にソース電極4及びドレイン電極5が形成される。
続いて、図8(a)に示すように、保護絶縁膜6を形成する。
保護絶縁膜6は、第1の実施形態と同様に、SiNを例えばプラズマCVD法により例えば40nm程度の厚みに堆積した後、例えば600℃程度で熱処理することにより、形成される。保護絶縁膜6のSiNは、ダングリングボンド等の欠陥が殆ど存在しない絶縁膜、例えばストイキオメトリ状態のSi3N4(SiとNの組成比が3:4のSiN)となる。このSi3N4は、誘電率が7.0〜7.3程度である。また、膜厚40nm、面積10000μm2で換算して、電気容量が15.5pF程度〜16.2pF程度である。
保護絶縁膜6は、第1の実施形態と同様に、SiNを例えばプラズマCVD法により例えば40nm程度の厚みに堆積した後、例えば600℃程度で熱処理することにより、形成される。保護絶縁膜6のSiNは、ダングリングボンド等の欠陥が殆ど存在しない絶縁膜、例えばストイキオメトリ状態のSi3N4(SiとNの組成比が3:4のSiN)となる。このSi3N4は、誘電率が7.0〜7.3程度である。また、膜厚40nm、面積10000μm2で換算して、電気容量が15.5pF程度〜16.2pF程度である。
続いて、図8(b)に示すように、保護絶縁膜6の一部を薄化する。
詳細には、保護絶縁膜6のゲート電極の形成予定領域を、リソグラフィー及びドライエッチングにより加工する。これにより、保護絶縁膜6のゲート電極の形成予定領域が薄化され、溝6bが形成される。保護絶縁膜6のエッチング部位には、保護絶縁膜6の他の部分よりも薄い薄化部分6cが形成される。薄化部分6cは、例えば25nm程度の厚みとされる。
詳細には、保護絶縁膜6のゲート電極の形成予定領域を、リソグラフィー及びドライエッチングにより加工する。これにより、保護絶縁膜6のゲート電極の形成予定領域が薄化され、溝6bが形成される。保護絶縁膜6のエッチング部位には、保護絶縁膜6の他の部分よりも薄い薄化部分6cが形成される。薄化部分6cは、例えば25nm程度の厚みとされる。
続いて、図8(c)に示すように、ゲート電極7を形成する。
詳細には、第1の実施形態の図3と同様に、連通開口を有するレジストマスクを用いて、連通開口内を含む全面にゲートメタル(Ni:膜厚10nm程度/Au:膜厚300nm程度)を蒸着する。これにより、保護絶縁膜6の薄化部分6c上にゲート電極7が形成される。レジストマスクは、不要なゲートメタルと共に、例えばSi基板1を80℃に加温したN-メチル-ピロリジノン中に浸潤することにより、リフトオフ法により除去される。
詳細には、第1の実施形態の図3と同様に、連通開口を有するレジストマスクを用いて、連通開口内を含む全面にゲートメタル(Ni:膜厚10nm程度/Au:膜厚300nm程度)を蒸着する。これにより、保護絶縁膜6の薄化部分6c上にゲート電極7が形成される。レジストマスクは、不要なゲートメタルと共に、例えばSi基板1を80℃に加温したN-メチル-ピロリジノン中に浸潤することにより、リフトオフ法により除去される。
ゲート電極7は、矩形電極である。ゲート電極7は、保護絶縁膜6を介した化合物半導体積層構造2上に形成されてMIS構造を構成する。ゲート電極7下の保護絶縁膜6は、ゲート絶縁膜として機能する。更に、ゲート電極7の下面(端部を含む)が保護絶縁膜6の薄化部分6cに接触してMIS構造を構成している。
しかる後、ソース電極4、ドレイン電極5、ゲート電極7と接続される配線の形成等の諸工程を経て、本実施形態によるMIS型のAlGaN/GaN・HEMTが形成される。
本実施形態では、単層の保護絶縁膜6がトラップや欠陥の少ないストイキオメトリ状態のSi3N4から形成されている。この保護絶縁膜6でソース電極4上及びドレイン電極5上を含む化合物半導体積層構造2の表面を覆うことにより、ドレイン電極5−ゲート電極7−ソース電極4間において良好な電子輸送が得られる。
保護絶縁膜6は更に、その薄化部分6cにゲート電極7の下面(端部を含む)が接触している。この場合、保護絶縁膜6は、化合物半導体積層構造2とゲート電極7との間に形成された、ゲート電極7と接している部分(薄化部分6c)の膜厚が、少なくともゲート電極7とドレイン電極5との間で化合物半導体積層構造2の表面を覆った部分(保護絶縁膜6の薄化部分6c以外の部分)の膜厚よりも小さい。これにより、ゲート電極7の閾値が浅くなり、ゲート電極7の下面の端部における電界集中が緩和され、更なる高信頼性及び高耐圧に寄与する。
保護絶縁膜6は更に、その薄化部分6cにゲート電極7の下面(端部を含む)が接触している。この場合、保護絶縁膜6は、化合物半導体積層構造2とゲート電極7との間に形成された、ゲート電極7と接している部分(薄化部分6c)の膜厚が、少なくともゲート電極7とドレイン電極5との間で化合物半導体積層構造2の表面を覆った部分(保護絶縁膜6の薄化部分6c以外の部分)の膜厚よりも小さい。これにより、ゲート電極7の閾値が浅くなり、ゲート電極7の下面の端部における電界集中が緩和され、更なる高信頼性及び高耐圧に寄与する。
以上説明したように、本実施形態によれば、比較的簡素な構成により、良好な電子輸送を得るも、ゲート電極7の端部における電界集中を緩和する、信頼性の高い高耐圧のMIS型のAlGaN/GaN・HEMTが実現する。
−変形例−
以下、第2の実施形態の変形例について説明する。本例では、第2の実施形態と同様にAlGaN/GaN・HEMTの構成及び製造方法を開示するが、保護絶縁膜の構成が異なる点で相違する。なお、第2の実施形態の構成部材等と同一のものについては、同符号を付して詳しい説明を省略する。
図9〜図10は、第2の実施形態の変形例によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法の主要工程を示す概略断面図である。
以下、第2の実施形態の変形例について説明する。本例では、第2の実施形態と同様にAlGaN/GaN・HEMTの構成及び製造方法を開示するが、保護絶縁膜の構成が異なる点で相違する。なお、第2の実施形態の構成部材等と同一のものについては、同符号を付して詳しい説明を省略する。
図9〜図10は、第2の実施形態の変形例によるAlGaN/GaN・HEMTの製造方法の主要工程を示す概略断面図である。
本例では、第2の実施形態と同様に、先ず図1(a)〜図1(c)の諸工程を経る。このとき、化合物半導体積層構造2上にソース電極4及びドレイン電極5が形成される。
続いて、図9(a)に示すように、第1の絶縁膜11を形成する。
詳細には、先ず、化合物半導体積層構造2上に絶縁材料として例えばSiNを堆積する。SiNは、例えばプラズマCVD法により40nm〜60nm程度の厚み、ここでは40nm程度の厚みに堆積する。
次に、堆積されたSiNを600℃程度で熱処理する。これにより、当該SiNは、そのSi−Nの結合が促進され、ダングリングボンド等の欠陥が殆ど存在しない絶縁膜、例えばストイキオメトリ状態のSi3N4(SiとNの組成比が3:4のSiN)となる。このSi3N4は、誘電率が7.0〜7.3程度である。また、膜厚40nm、面積10000μm2で換算して、電気容量が15.5pF程度〜16.2pF程度である。
以上により、化合物半導体積層構造2の表面を保護する、ストイキオメトリ状態のSi3N4からなる第1の絶縁膜11が形成される。
詳細には、先ず、化合物半導体積層構造2上に絶縁材料として例えばSiNを堆積する。SiNは、例えばプラズマCVD法により40nm〜60nm程度の厚み、ここでは40nm程度の厚みに堆積する。
次に、堆積されたSiNを600℃程度で熱処理する。これにより、当該SiNは、そのSi−Nの結合が促進され、ダングリングボンド等の欠陥が殆ど存在しない絶縁膜、例えばストイキオメトリ状態のSi3N4(SiとNの組成比が3:4のSiN)となる。このSi3N4は、誘電率が7.0〜7.3程度である。また、膜厚40nm、面積10000μm2で換算して、電気容量が15.5pF程度〜16.2pF程度である。
以上により、化合物半導体積層構造2の表面を保護する、ストイキオメトリ状態のSi3N4からなる第1の絶縁膜11が形成される。
続いて、図9(b)に示すように、第1の絶縁膜11の一部を薄化する。
詳細には、第1の絶縁膜11のゲート電極の形成予定領域を、リソグラフィー及びドライエッチングにより加工する。これにより、第1の絶縁膜11のゲート電極の形成予定領域が薄化され、溝11bが形成される。第1の絶縁膜11のエッチング部位には、第1の絶縁膜11の他の部分よりも薄い薄化部分11cが形成される。薄化部分11cは、25nm程度以上で30nm程度以下の厚みとされる。薄化部分11cの厚みが20nm程度を下回ると、薄化部分11cにピンホールが発生し易くなり、膜厚を均一にすることが困難になるという問題が生じる。薄化部分11cの厚みが40nm程度を上回ると、後述する第2の絶縁膜との合計膜厚が第1の絶縁膜11の他の部分の厚みを越える懸念が生じる。本例では、薄化部分11cは例えば20nm程度の厚みとされる。
詳細には、第1の絶縁膜11のゲート電極の形成予定領域を、リソグラフィー及びドライエッチングにより加工する。これにより、第1の絶縁膜11のゲート電極の形成予定領域が薄化され、溝11bが形成される。第1の絶縁膜11のエッチング部位には、第1の絶縁膜11の他の部分よりも薄い薄化部分11cが形成される。薄化部分11cは、25nm程度以上で30nm程度以下の厚みとされる。薄化部分11cの厚みが20nm程度を下回ると、薄化部分11cにピンホールが発生し易くなり、膜厚を均一にすることが困難になるという問題が生じる。薄化部分11cの厚みが40nm程度を上回ると、後述する第2の絶縁膜との合計膜厚が第1の絶縁膜11の他の部分の厚みを越える懸念が生じる。本例では、薄化部分11cは例えば20nm程度の厚みとされる。
続いて、図9(c)に示すように、第2の絶縁膜12を形成する。
詳細には、第1の絶縁膜11上の全面に例えばSiNを堆積する。当該SiNは、例えばプラズマCVD法により、Nの原料ガスであるN2を第1の絶縁膜11の形成の場合よりも多くしたり、或いはSiの原料ガスであるSiH4を第1の絶縁膜11の形成の場合よりも多くしたりして形成する。これにより、当該SiNは、ダングリングボンド等の欠陥が存在する、第1の絶縁膜11と組成比の異なる(SiとNの組成比が3:4でないSiN)非ストイキオメトリ状態のSiNとして形成される。このSiNは、誘電率が7.0程度より大きい値或いは7.3程度より小さい値のものである。
以上により、第1の絶縁膜11上に、非ストイキオメトリ状態のSiNからなる第2の絶縁膜12が形成される。
詳細には、第1の絶縁膜11上の全面に例えばSiNを堆積する。当該SiNは、例えばプラズマCVD法により、Nの原料ガスであるN2を第1の絶縁膜11の形成の場合よりも多くしたり、或いはSiの原料ガスであるSiH4を第1の絶縁膜11の形成の場合よりも多くしたりして形成する。これにより、当該SiNは、ダングリングボンド等の欠陥が存在する、第1の絶縁膜11と組成比の異なる(SiとNの組成比が3:4でないSiN)非ストイキオメトリ状態のSiNとして形成される。このSiNは、誘電率が7.0程度より大きい値或いは7.3程度より小さい値のものである。
以上により、第1の絶縁膜11上に、非ストイキオメトリ状態のSiNからなる第2の絶縁膜12が形成される。
第2の絶縁膜12は、図11に示すように、第1の絶縁膜11の薄化部分11cとの合計膜厚bが、第1の絶縁膜11の他の部分(薄化部分11c以外の部分)の厚みaよりも薄く形成される必要がある。従って、第1の絶縁膜11の他の部分の厚みが例えば40nm程度であり、薄化部分11cの厚みが20nm程度とすると、第2の絶縁膜12は10nm以下の厚み、例えば10nm程度に形成される。
続いて、図10(a)に示すように、第2の絶縁膜12を一部残してエッチング除去する。
詳細には、第2の絶縁膜12をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工する。ここでは、第2の絶縁膜12について、開口11a内を含む薄化部分11cを覆い端部12aが第1の絶縁膜11の溝11bの端部を若干超えた箇所に位置するように、その他の部分をエッチングで除去する。
本例では、第1の絶縁膜11及びその薄化部分11c上の第2の絶縁膜12により、保護絶縁膜13が構成される。
詳細には、第2の絶縁膜12をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工する。ここでは、第2の絶縁膜12について、開口11a内を含む薄化部分11cを覆い端部12aが第1の絶縁膜11の溝11bの端部を若干超えた箇所に位置するように、その他の部分をエッチングで除去する。
本例では、第1の絶縁膜11及びその薄化部分11c上の第2の絶縁膜12により、保護絶縁膜13が構成される。
続いて、図10(b)に示すように、ゲート電極7を形成する。
詳細には、第1の実施形態の図3と同様に、連通開口を有するレジストマスクを用いて、連通開口内を含む全面にゲートメタル(Ni:膜厚10nm程度/Au:膜厚300nm程度)を蒸着する。これにより、第1の絶縁膜11の薄化部分11c及び第2の絶縁膜12の積層構造上にゲート電極7が形成される。レジストマスクは、不要なゲートメタルと共に、例えばSi基板1を80℃に加温したN-メチル-ピロリジノン中に浸潤することにより、リフトオフ法により除去される。
詳細には、第1の実施形態の図3と同様に、連通開口を有するレジストマスクを用いて、連通開口内を含む全面にゲートメタル(Ni:膜厚10nm程度/Au:膜厚300nm程度)を蒸着する。これにより、第1の絶縁膜11の薄化部分11c及び第2の絶縁膜12の積層構造上にゲート電極7が形成される。レジストマスクは、不要なゲートメタルと共に、例えばSi基板1を80℃に加温したN-メチル-ピロリジノン中に浸潤することにより、リフトオフ法により除去される。
ゲート電極7は矩形電極である。ゲート電極7は、第1の絶縁膜11の薄化部分11c及び第2の絶縁膜12の積層構造を介した化合物半導体積層構造2上に形成されてMIS構造を構成する。ゲート電極7の下の積層構造は、ゲート絶縁膜として機能する。更に、ゲート電極7の下面(端部を含む)が積層構造の上層部分である第2の絶縁膜12に接触してMIS構造を構成している。
しかる後、ソース電極4、ドレイン電極5、ゲート電極7と接続される配線の形成等の諸工程を経て、本例によるMIS型のAlGaN/GaN・HEMTが形成される。
本例では、保護絶縁膜13のうち、下層に位置する第1の絶縁膜11がトラップや欠陥の少ないストイキオメトリ状態のSi3N4から形成されている。保護絶縁膜13のうち、上層に位置する第2の絶縁膜12は、第1の絶縁膜11の薄化部分11c上及びその若干の周辺上のみに形成されているため、第1の絶縁膜11の電子輸送機能は殆ど減殺されることはない。従って、この第1の絶縁膜11でソース電極4上及びドレイン電極5上を含む化合物半導体積層構造2の表面を覆うことにより、ドレイン電極5−ゲート電極7−ソース電極4間において良好な電子輸送が得られる。
保護絶縁膜13では更に、上層に位置する第2の絶縁膜12にゲート電極7の下面(端部を含む)が接触している。この場合、保護絶縁膜13は、化合物半導体積層構造2とゲート電極7との間に形成された、ゲート電極7と接している部分の膜厚(薄化部分11c及び第2の絶縁膜12との合計膜厚)が、少なくともゲート電極7とドレイン電極5との間で化合物半導体積層構造2の表面を覆った部分(保護絶縁膜11の薄化部分11c以外の部分)の膜厚よりも小さい。これにより、ゲート電極7の端部は、これと接触する第2の絶縁膜12のトラップにより、第1の絶縁膜11に起因する強電界が緩和される。その結果、当該端部における電界集中が抑制される。
保護絶縁膜13では更に、第1の絶縁膜11の薄化部分11cと第2の絶縁膜12との合計膜厚が、第1の絶縁膜11の他の部分(薄化部分11c以外の部分)の厚みよりも薄く形成されている。この構成の下で、第2の絶縁膜12にゲート電極7の下面(端部を含む)が接触している。これにより、ゲート電極7の閾値が浅くなり、ゲート電極7の端部における更なる電界集中の緩和が得られ、高信頼性及び高耐圧に寄与する。
以上説明したように、本例によれば、比較的簡素な構成により、良好な電子輸送を得るも、ゲート電極7の端部における電界集中を緩和する、信頼性の高い高耐圧のMIS型のAlGaN/GaN・HEMTが実現する。
(第3の実施形態)
本実施形態では、第1及び第2の実施形態並びにこれらの変形例から選ばれた1種のAlGaN/GaN・HEMTを適用した電源装置を開示する。
図12は、第3の実施形態による電源装置の概略構成を示す結線図である。
本実施形態では、第1及び第2の実施形態並びにこれらの変形例から選ばれた1種のAlGaN/GaN・HEMTを適用した電源装置を開示する。
図12は、第3の実施形態による電源装置の概略構成を示す結線図である。
本実施形態による電源装置は、高圧の一次側回路21及び低圧の二次側回路22と、一次側回路21と二次側回路22との間に配設されるトランス23とを備えて構成される。
一次側回路21は、交流電源24と、いわゆるブリッジ整流回路25と、複数(ここでは4つ)のスイッチング素子26a,26b,26c,26dとを備えて構成される。また、ブリッジ整流回路25は、スイッチング素子26eを有している。
二次側回路22は、複数(ここでは3つ)のスイッチング素子27a,27b,27cを備えて構成される。
一次側回路21は、交流電源24と、いわゆるブリッジ整流回路25と、複数(ここでは4つ)のスイッチング素子26a,26b,26c,26dとを備えて構成される。また、ブリッジ整流回路25は、スイッチング素子26eを有している。
二次側回路22は、複数(ここでは3つ)のスイッチング素子27a,27b,27cを備えて構成される。
本実施形態では、一次側回路41のスイッチング素子26a,26b,26c,26d,26eが、第1及び第2の実施形態並びにこれらの変形例から選ばれた1種のAlGaN/GaN・HEMTとされている。一方、二次側回路22のスイッチング素子27a,27b,27cは、シリコンを用いた通常のMIS・FETとされている。
本実施形態では、比較的簡素な構成により、良好な電子輸送を得るも、ゲート電極の端部における電界集中を緩和する、信頼性の高い高耐圧のAlGaN/GaN・HEMTを、高圧回路に適用する。これにより、信頼性の高い大電力の電源回路が実現する。
(第4の実施形態)
本実施形態では、第1及び第2の実施形態並びにこれらの変形例から選ばれた1種のAlGaN/GaN・HEMTを適用した高周波増幅器を開示する。
図13は、第4の実施形態による高周波増幅器の概略構成を示す結線図である。
本実施形態では、第1及び第2の実施形態並びにこれらの変形例から選ばれた1種のAlGaN/GaN・HEMTを適用した高周波増幅器を開示する。
図13は、第4の実施形態による高周波増幅器の概略構成を示す結線図である。
本実施形態による高周波増幅器は、ディジタル・プレディストーション回路31と、ミキサー32a,32bと、パワーアンプ33とを備えて構成される。
ディジタル・プレディストーション回路31は、入力信号の非線形歪みを補償するものである。ミキサー32aは、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号をミキシングするものである。パワーアンプ33は、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅するものであり、第1及び第2の実施形態並びにこれらの変形例から選ばれた1種のAlGaN/GaN・HEMTを有している。なお図13では、例えばスイッチの切り替えにより、出力側の信号をミキサー32bで交流信号とミキシングしてディジタル・プレディストーション回路31に送出できる構成とされている。
ディジタル・プレディストーション回路31は、入力信号の非線形歪みを補償するものである。ミキサー32aは、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号をミキシングするものである。パワーアンプ33は、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅するものであり、第1及び第2の実施形態並びにこれらの変形例から選ばれた1種のAlGaN/GaN・HEMTを有している。なお図13では、例えばスイッチの切り替えにより、出力側の信号をミキサー32bで交流信号とミキシングしてディジタル・プレディストーション回路31に送出できる構成とされている。
本実施形態では、比較的簡素な構成により、良好な電子輸送を得るも、ゲート電極の端部における電界集中を緩和する、信頼性の高い高耐圧のAlGaN/GaN・HEMTを、高周波増幅器に適用する。これにより、信頼性の高い高耐圧の高周波増幅器が実現する。
(他の実施形態)
第1〜第4の実施形態では、化合物半導体装置としてAlGaN/GaN・HEMTを例示した。化合物半導体装置としては、AlGaN/GaN・HEMT以外にも、以下のようなHEMTに適用できる。
第1〜第4の実施形態では、化合物半導体装置としてAlGaN/GaN・HEMTを例示した。化合物半導体装置としては、AlGaN/GaN・HEMT以外にも、以下のようなHEMTに適用できる。
・その他のHEMT例1
本例では、化合物半導体装置として、InAlN/GaN・HEMTを開示する。
InAlNとGaNは、組成によって格子定数を近くすることが可能な化合物半導体である。この場合、上記した第1〜第4の実施形態では、電子走行層がi−GaN、中間層がi−InAlN、電子供給層がn−InAlN、キャップ層がn−GaNで形成される。また、この場合のピエゾ分極がほとんど発生しないため、2次元電子ガスは主にInAlNの自発分極により発生する。
本例では、化合物半導体装置として、InAlN/GaN・HEMTを開示する。
InAlNとGaNは、組成によって格子定数を近くすることが可能な化合物半導体である。この場合、上記した第1〜第4の実施形態では、電子走行層がi−GaN、中間層がi−InAlN、電子供給層がn−InAlN、キャップ層がn−GaNで形成される。また、この場合のピエゾ分極がほとんど発生しないため、2次元電子ガスは主にInAlNの自発分極により発生する。
本例によれば、上述したAlGaN/GaN・HEMTと同様に、比較的簡素な構成により、良好な電子輸送を得るも、ゲート電極の端部における電界集中を緩和する、信頼性の高い高耐圧のInAlN/GaN・HEMTが実現する。
・その他のHEMT例2
本例では、化合物半導体装置として、InAlGaN/GaN・HEMTを開示する。
GaNとInAlGaNは、後者の方が前者よりも組成によって格子定数を小さくすることができる化合物半導体である。この場合、上記した第1〜第4の実施形態では、電子走行層がi−GaN、中間層がi−InAlGaN、電子供給層がn−InAlGaN、キャップ層がn−GaNで形成される。
本例では、化合物半導体装置として、InAlGaN/GaN・HEMTを開示する。
GaNとInAlGaNは、後者の方が前者よりも組成によって格子定数を小さくすることができる化合物半導体である。この場合、上記した第1〜第4の実施形態では、電子走行層がi−GaN、中間層がi−InAlGaN、電子供給層がn−InAlGaN、キャップ層がn−GaNで形成される。
本例によれば、上述したAlGaN/GaN・HEMTと同様に、比較的簡素な構成により、良好な電子輸送を得るも、ゲート電極の端部における電界集中を緩和する、信頼性の高い高耐圧のInAlGaN/GaN・HEMTが実現する。
以下、化合物半導体装置及びその製造方法、並びに電源装置及び高周波増幅器の諸態様を付記としてまとめて記載する。
(付記1)化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の上方に形成されたゲート電極と、
前記化合物半導体層に平行な方向において、前記ゲート電極を挟む位置に形成された、ソース電極及びドレイン電極と、
前記化合物半導体層の表面を覆う絶縁膜と、
を含み、
前記絶縁膜は、前記化合物半導体層と前記ゲート電極との間に形成された、前記ゲート電極と接している部分の膜厚が、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間で前記化合物半導体層の表面を覆った部分の膜厚よりも小さいことを特徴とする化合物半導体装置。
前記化合物半導体層の上方に形成されたゲート電極と、
前記化合物半導体層に平行な方向において、前記ゲート電極を挟む位置に形成された、ソース電極及びドレイン電極と、
前記化合物半導体層の表面を覆う絶縁膜と、
を含み、
前記絶縁膜は、前記化合物半導体層と前記ゲート電極との間に形成された、前記ゲート電極と接している部分の膜厚が、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間で前記化合物半導体層の表面を覆った部分の膜厚よりも小さいことを特徴とする化合物半導体装置。
(付記2)前記絶縁膜は、前記ゲート電極と接している部分が組成比の異なる第1の絶縁膜及びその上の第2の絶縁膜の積層構造であることを特徴とする付記1に記載の化合物半導体装置。
(付記3)前記絶縁膜は、前記ゲート電極と接している部分が誘電率の異なる第1の絶縁膜及びその上の第2の絶縁膜の積層構造であることを特徴とする付記1に記載の化合物半導体装置。
(付記4)前記絶縁膜は、前記ゲート電極と接している部分が電気容量の異なる第1の絶縁膜及びその上の第2の絶縁膜の積層構造であることを特徴とする付記1に記載の化合物半導体装置。
(付記5)前記絶縁膜は、前記積層構造と、前記第1の絶縁膜のみの部分とから構成されることを特徴とする付記2〜4のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
(付記6)前記絶縁膜は、前記第1の絶縁膜がストイキオメトリ状態のSiNからなり、前記第2の絶縁膜が非ストイキオメトリ状態のSiNからなることを特徴とする付記2〜5のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
(付記7)前記絶縁膜は、ストイキオメトリ状態のSiNからなる単層の絶縁膜であることを特徴とする付記1に記載の化合物半導体装置。
(付記8)前記ゲート電極は、その下方部分が前記絶縁膜に形成された開口を通じて前記半導体領域とショットキー接触することを特徴とする付記1〜7のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
(付記9)前記ゲート電極は、前記絶縁膜を介して前記半導体領域上に形成されていることを特徴とする付記1〜7のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
(付記10)化合物半導体層の表面に絶縁膜を形成する工程と、
前記化合物半導体層の上方にゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極を形成する工程と
を含み、
前記絶縁膜は、前記化合物半導体層と前記ゲート電極との間に形成された、前記ゲート電極と接している部分の膜厚が、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間で前記化合物半導体層の表面を覆った部分の膜厚よりも小さいことを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
前記化合物半導体層の上方にゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極を形成する工程と
を含み、
前記絶縁膜は、前記化合物半導体層と前記ゲート電極との間に形成された、前記ゲート電極と接している部分の膜厚が、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間で前記化合物半導体層の表面を覆った部分の膜厚よりも小さいことを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
(付記11)前記絶縁膜は、前記ゲート電極と接している部分が組成比の異なる第1の絶縁膜及びその上の第2の絶縁膜の積層構造であることを特徴とする付記10に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(付記12)前記絶縁膜は、前記ゲート電極と接している部分が誘電率の異なる第1の絶縁膜及びその上の第2の絶縁膜の積層構造であることを特徴とする付記10に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(付記13)前記絶縁膜は、前記ゲート電極と接している部分が電気容量の異なる第1の絶縁膜及びその上の第2の絶縁膜の積層構造であることを特徴とする付記10に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(付記14)前記絶縁膜は、前記積層構造と、前記第1の絶縁膜のみの部分とから構成されることを特徴とする付記11〜13のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(付記15)前記絶縁膜は、前記第1の絶縁膜がストイキオメトリ状態のSiNからなり、前記第2の絶縁膜が非ストイキオメトリ状態のSiNからなることを特徴とする付記11〜14のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(付記16)前記絶縁膜は、ストイキオメトリ状態のSiNからなる単層の絶縁膜であることを特徴とする付記10に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(付記17)前記絶縁膜に開口を形成する工程を更に含み、
前記ゲート電極は、その下方部分が前記開口を通じて前記半導体領域とショットキー接触することを特徴とする付記10〜16のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
前記ゲート電極は、その下方部分が前記開口を通じて前記半導体領域とショットキー接触することを特徴とする付記10〜16のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(付記18)前記ゲート電極は、前記絶縁膜を介して前記半導体領域上に形成されることを特徴とする付記10〜16のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(付記19)変圧器と、前記変圧器を挟んで高圧回路及び低圧回路とを備えた電源回路であって、
前記高圧回路はトランジスタを有しており、
前記トランジスタは、
化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の上方に形成されたゲート電極と、
前記化合物半導体層に平行な方向において、前記ゲート電極を挟む位置に形成された、ソース電極及びドレイン電極と、
前記化合物半導体層の表面を覆う絶縁膜と、
を含み、
前記絶縁膜は、前記化合物半導体層と前記ゲート電極との間に形成された、前記ゲート電極と接している部分の膜厚が、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間で前記化合物半導体層の表面を覆った部分の膜厚よりも小さいことを特徴とする電源回路。
前記高圧回路はトランジスタを有しており、
前記トランジスタは、
化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の上方に形成されたゲート電極と、
前記化合物半導体層に平行な方向において、前記ゲート電極を挟む位置に形成された、ソース電極及びドレイン電極と、
前記化合物半導体層の表面を覆う絶縁膜と、
を含み、
前記絶縁膜は、前記化合物半導体層と前記ゲート電極との間に形成された、前記ゲート電極と接している部分の膜厚が、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間で前記化合物半導体層の表面を覆った部分の膜厚よりも小さいことを特徴とする電源回路。
(付記20)入力した高周波電圧を増幅して出力する高周波増幅器であって、
トランジスタを有しており、
前記トランジスタは、
化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の上方に形成されたゲート電極と、
前記化合物半導体層に平行な方向において、前記ゲート電極を挟む位置に形成された、ソース電極及びドレイン電極と、
前記化合物半導体層の表面を覆う絶縁膜と、
を含み、
前記絶縁膜は、前記化合物半導体層と前記ゲート電極との間に形成された、前記ゲート電極と接している部分の膜厚が、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間で前記化合物半導体層の表面を覆った部分の膜厚よりも小さいことを特徴とする高周波増幅器。
トランジスタを有しており、
前記トランジスタは、
化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の上方に形成されたゲート電極と、
前記化合物半導体層に平行な方向において、前記ゲート電極を挟む位置に形成された、ソース電極及びドレイン電極と、
前記化合物半導体層の表面を覆う絶縁膜と、
を含み、
前記絶縁膜は、前記化合物半導体層と前記ゲート電極との間に形成された、前記ゲート電極と接している部分の膜厚が、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間で前記化合物半導体層の表面を覆った部分の膜厚よりも小さいことを特徴とする高周波増幅器。
1 Si基板
2 化合物半導体積層構造
2a バッファ層
2b 電子走行層
2c 中間層
2d 電子供給層
2e キャップ層
2A,2B 電極用リセス
3 素子分離構造
4 ソース電極
5 ドレイン電極
6,13 保護絶縁膜
6a,11a,12a 開口
6b,11b,12b 端部
6c,11c 薄化部分
7 ゲート電極
10 連通開口
11 第1の絶縁膜
12 第2の絶縁膜
21 一次側回路
22 二次側回路
23 トランス
24 交流電源
25 ブリッジ整流回路
26a,26b,26c,26d,26e,27a,27b,27c スイッチング素子
31 ディジタル・プレディストーション回路
32a,32b ミキサー
33 パワーアンプ
2 化合物半導体積層構造
2a バッファ層
2b 電子走行層
2c 中間層
2d 電子供給層
2e キャップ層
2A,2B 電極用リセス
3 素子分離構造
4 ソース電極
5 ドレイン電極
6,13 保護絶縁膜
6a,11a,12a 開口
6b,11b,12b 端部
6c,11c 薄化部分
7 ゲート電極
10 連通開口
11 第1の絶縁膜
12 第2の絶縁膜
21 一次側回路
22 二次側回路
23 トランス
24 交流電源
25 ブリッジ整流回路
26a,26b,26c,26d,26e,27a,27b,27c スイッチング素子
31 ディジタル・プレディストーション回路
32a,32b ミキサー
33 パワーアンプ
Claims (10)
- 化合物半導体層と、
前記化合物半導体層の上方に形成されたゲート電極と、
前記化合物半導体層に平行な方向において、前記ゲート電極を挟む位置に形成された、ソース電極及びドレイン電極と、
前記化合物半導体層の表面を覆う絶縁膜と
を含み、
前記絶縁膜は、前記化合物半導体層と前記ゲート電極との間に形成された、前記ゲート電極と接している部分の膜厚が、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間で前記化合物半導体層の表面を覆った部分の膜厚よりも小さいことを特徴とする化合物半導体装置。 - 前記絶縁膜は、前記ゲート電極と接している部分が組成比の異なる第1の絶縁膜及びその上の第2の絶縁膜の積層構造であることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体装置。
- 前記絶縁膜は、前記ゲート電極と接している部分が誘電率の異なる第1の絶縁膜及びその上の第2の絶縁膜の積層構造であることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体装置。
- 前記絶縁膜は、前記ゲート電極と接している部分が電気容量の異なる第1の絶縁膜及びその上の第2の絶縁膜の積層構造であることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体装置。
- 前記絶縁膜は、前記積層構造と、前記第1の絶縁膜のみの部分とから構成されることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
- 前記絶縁膜は、前記第1の絶縁膜がストイキオメトリ状態のSiNからなり、前記第2の絶縁膜が非ストイキオメトリ状態のSiNからなることを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
- 前記絶縁膜は、ストイキオメトリ状態のSiNからなる単層の絶縁膜であることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体装置。
- 化合物半導体層の表面に絶縁膜を形成する工程と、
前記化合物半導体層の上方にゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極を形成する工程と
を含み、
前記絶縁膜は、前記化合物半導体層と前記ゲート電極との間に形成された、前記ゲート電極と接している部分の膜厚が、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間で前記化合物半導体層の表面を覆った部分の膜厚よりも小さいことを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。 - 前記絶縁膜は、前記ゲート電極と接している部分が組成比の異なる第1の絶縁膜及びその上の第2の絶縁膜の積層構造であることを特徴とする請求項8に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記絶縁膜は、前記第1の絶縁膜がストイキオメトリ状態のSiNからなり、前記第2の絶縁膜が非ストイキオメトリ状態のSiNからなることを特徴とする請求項8又は9に記載の化合物半導体装置の製造方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2014219454A JP2016086125A (ja) | 2014-10-28 | 2014-10-28 | 化合物半導体装置及びその製造方法 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2014219454A JP2016086125A (ja) | 2014-10-28 | 2014-10-28 | 化合物半導体装置及びその製造方法 |
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ID=55973852
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JP2014219454A Withdrawn JP2016086125A (ja) | 2014-10-28 | 2014-10-28 | 化合物半導体装置及びその製造方法 |
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JP (1) | JP2016086125A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018010936A (ja) * | 2016-07-12 | 2018-01-18 | 富士通株式会社 | 化合物半導体装置及びその製造方法 |
JP2020088104A (ja) * | 2018-11-21 | 2020-06-04 | 富士通株式会社 | 半導体装置、半導体装置の製造方法、電源装置及び増幅器 |
-
2014
- 2014-10-28 JP JP2014219454A patent/JP2016086125A/ja not_active Withdrawn
Cited By (3)
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JP2018010936A (ja) * | 2016-07-12 | 2018-01-18 | 富士通株式会社 | 化合物半導体装置及びその製造方法 |
JP2020088104A (ja) * | 2018-11-21 | 2020-06-04 | 富士通株式会社 | 半導体装置、半導体装置の製造方法、電源装置及び増幅器 |
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