JP2016162889A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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Kozo Makiyama
剛三 牧山
史朗 尾崎
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史朗 尾崎
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce a gate leakage current and reduce collapse, in a HEMT (a high electron mobility transistor) that has a MIS electrode using InAlN for an electron supply layer.SOLUTION: A semiconductor device comprises: a first semiconductor layer 21 formed of a nitride semiconductor, on a substrate 10; a second semiconductor layer 23 formed of a material containing InAlN, on the first semiconductor layer 21; an oxide film 50 formed by oxidizing a part of a surface of the second semiconductor layer 23; an insulating film 60 formed on the second semiconductor layer 23 and the oxide film 50; a gate electrode 31 formed on the insulating film 60, in a region where the oxide film 50 is formed; and a source electrode 32 and a drain electrode 33 formed on the first semiconductor layer 21 or the second semiconductor layer 23.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.

窒化物半導体であるGaN、AlN、InNまたは、これらの混晶からなる材料等は、広いバンドギャップを有しており、高出力電子デバイスまたは短波長発光デバイス等として用いられている。例えば、窒化物半導体であるGaNは、バンドギャップが3.4eVであり、Siのバンドギャップ1.1eV、GaAsのバンドギャップ1.4eVよりも大きい。   A nitride semiconductor such as GaN, AlN, InN, or a mixed crystal material thereof has a wide band gap, and is used as a high-power electronic device or a short-wavelength light-emitting device. For example, GaN, which is a nitride semiconductor, has a band gap of 3.4 eV, which is larger than the Si band gap of 1.1 eV and the GaAs band gap of 1.4 eV.

このような高出力電子デバイスとしては、電界効果型トランジスタ(FET:Field effect transistor)、特に、高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)がある(例えば、特許文献1)。窒化物半導体を用いたHEMTは、高出力・高効率増幅器、大電力スイッチングデバイス等に用いられる。具体的には、AlGaNを電子供給層、GaNを電子走行層に用いたHEMTでは、AlGaNとGaNとの格子定数差による歪みによりAlGaNにピエゾ分極等が生じ、高濃度の2DEG(Two-Dimensional Electron Gas:2次元電子ガス)が発生する。このため、高電圧における動作が可能であり、高効率スイッチング素子、電気自動車用等における高耐圧電力デバイスに用いることができる。   As such a high-power electronic device, there is a field effect transistor (FET), in particular, a high electron mobility transistor (HEMT) (for example, Patent Document 1). HEMTs using nitride semiconductors are used in high power / high efficiency amplifiers, high power switching devices, and the like. Specifically, in a HEMT using AlGaN as an electron supply layer and GaN as an electron transit layer, piezoelectric polarization or the like occurs in AlGaN due to strain due to a difference in lattice constant between AlGaN and GaN, and a high concentration of 2DEG (Two-Dimensional Electron). Gas: two-dimensional electron gas) is generated. For this reason, the operation | movement in a high voltage is possible and it can use for the high voltage | pressure-resistant electric power device in a highly efficient switching element, an electric vehicle use, etc.

ところで、窒化物半導体を用いた超高周波用デバイスにおいては、デバイスの高出力化を実現するために、電子供給層をAlGaNに代えて、高い自発分極を有するInAlNが用いられているものがある。InAlNは薄くても高濃度の2次元電子ガスを誘起できることから高出力性と高周波性を併せ持つ材料として注目されている。   By the way, in some ultrahigh frequency devices using nitride semiconductors, InAlN having high spontaneous polarization is used in place of AlGaN for the electron supply layer in order to realize high output of the device. InAlN is attracting attention as a material having both high output and high frequency properties because it can induce a high concentration of two-dimensional electron gas even if it is thin.

特開2002−359256号公報JP 2002-359256 A

しかしながら、電子供給層にInAlNを用いたHEMTは、InAlNにおける高い自発分極により、電子供給層内部の電界強度が高くなり、特に、ショットキーゲート電極を有するHEMTでは、ゲートリーク電流を増大させる問題があった。   However, the HEMT using InAlN for the electron supply layer has a high electric field strength inside the electron supply layer due to the high spontaneous polarization in InAlN. there were.

よって、電子供給層にInAlNを用いたショットキーゲート電極を有するHEMTにおいて、ゲートリーク電流の低い半導体装置が求められている。   Therefore, in a HEMT having a Schottky gate electrode using InAlN in the electron supply layer, a semiconductor device having a low gate leakage current is required.

本実施の形態の一観点によれば、基板の上に窒化物半導体により形成された第1の半導体層と、前記第1の半導体層の上にInAlNを含む材料により形成された第2の半導体層と、前記第2の半導体層の表面の一部を酸化することにより形成された酸化膜と、前記第2の半導体層及び前記酸化膜の上に形成された絶縁膜と、前記酸化膜が形成されている領域において前記絶縁膜の上に形成されたゲート電極と、前記第1の半導体層または前記第2の半導体層の上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、を有することを特徴とする。   According to one aspect of the present embodiment, a first semiconductor layer formed of a nitride semiconductor on a substrate and a second semiconductor formed of a material containing InAlN on the first semiconductor layer. An oxide film formed by oxidizing part of the surface of the second semiconductor layer, an insulating film formed on the second semiconductor layer and the oxide film, and the oxide film A gate electrode formed on the insulating film in a formed region; and a source electrode and a drain electrode formed on the first semiconductor layer or the second semiconductor layer. And

開示の半導体装置によれば、電子供給層にInAlNを用いたショットキーゲート電極を有するHEMTにおいて、ゲートリーク電流を低くすることができる。   According to the disclosed semiconductor device, a gate leakage current can be reduced in a HEMT having a Schottky gate electrode using InAlN as an electron supply layer.

電子供給層にInAlNを用いた半導体装置の構造図Structure diagram of semiconductor device using InAlN for electron supply layer 図1に示す半導体装置のゲート−ドレイン電圧とゲートリーク電流の相関図Correlation diagram between gate-drain voltage and gate leakage current of the semiconductor device shown in FIG. ゲート絶縁膜が設けられている構造の半導体装置の構造図Structure diagram of a semiconductor device having a structure provided with a gate insulating film 第1の実施の形態における半導体装置の構造図Structure diagram of the semiconductor device in the first embodiment 酸化膜におけるXPSによる分析結果の図Figure of XPS analysis result in oxide film 酸化膜を形成する際の酸化方法とAl/In比との相関図Correlation diagram between oxidation method and Al / In ratio when forming oxide film 第1の実施の形態における半導体装置の酸化膜の組成分布図Composition distribution diagram of oxide film of semiconductor device in first embodiment 第1の実施の形態における半導体装置のゲート電圧とリーク電流との相関図Correlation diagram between gate voltage and leakage current of semiconductor device in first embodiment 図1に示す半導体装置のゲート電圧とリーク電流との相関図Correlation diagram between gate voltage and leakage current of the semiconductor device shown in FIG. 第1の実施の形態における半導体装置のドレイン電圧とドレイン電流との相関図Correlation diagram between drain voltage and drain current of the semiconductor device in the first embodiment 図3に示す半導体装置のドレイン電圧とドレイン電流との相関図Correlation diagram between drain voltage and drain current of the semiconductor device shown in FIG. 第1の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図(1)Process drawing (1) of the manufacturing method of the semiconductor device in 1st Embodiment 第1の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図(2)Process drawing (2) of the manufacturing method of the semiconductor device in the first embodiment 第1の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図(3)Process drawing (3) of the manufacturing method of the semiconductor device in the first embodiment 第1の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図(4)Process drawing (4) of the manufacturing method of the semiconductor device in the first embodiment 第1の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図(5)Process drawing of the manufacturing method of the semiconductor device in the first embodiment (5) 第1の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図(6)Process drawing (6) of the manufacturing method of the semiconductor device in the first embodiment 第2の実施の形態における半導体装置のゲート電圧とリーク電流との相関図Correlation diagram between gate voltage and leakage current of semiconductor device in second embodiment 第2の実施の形態における半導体装置のドレイン電圧とドレイン電流との相関図Correlation diagram between drain voltage and drain current of semiconductor device in second embodiment 第3の実施の形態における半導体装置の構造図Structure diagram of semiconductor device according to third embodiment 第3の実施の形態における半導体装置の説明図Explanatory drawing of the semiconductor device in 3rd Embodiment 第3の実施の形態における半導体装置のゲート電圧とリーク電流との相関図Correlation diagram between gate voltage and leakage current of semiconductor device in third embodiment 第1の実施の形態及び第3の実施の形態における半導体装置の特性の説明図Explanatory diagram of characteristics of the semiconductor device in the first embodiment and the third embodiment 第3の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図(1)Process drawing (1) of the manufacturing method of the semiconductor device in 3rd Embodiment 第3の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図(2)Process drawing (2) of the manufacturing method of the semiconductor device in 3rd Embodiment 第3の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図(3)Process drawing of the manufacturing method of the semiconductor device in 3rd Embodiment (3) 第3の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図(4)Process drawing (4) of the manufacturing method of the semiconductor device in 3rd Embodiment 第3の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図(5)Process drawing (5) of the manufacturing method of the semiconductor device in 3rd Embodiment 第3の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図(6)Process drawing (6) of the manufacturing method of the semiconductor device in 3rd Embodiment 第4の実施の形態における半導体デバイスの説明図Explanatory drawing of the semiconductor device in 4th Embodiment 第4の実施の形態におけるPFC回路の回路図Circuit diagram of PFC circuit in fourth embodiment 第4の実施の形態における電源装置の回路図Circuit diagram of power supply device according to fourth embodiment 第4の実施の形態における高出力増幅器の構造図Structure diagram of high-power amplifier in fourth embodiment

実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。   The form for implementing is demonstrated below. In addition, about the same member etc., the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.

〔第1の実施の形態〕
最初に、電子供給層にInAlNを用いた半導体装置について図1に基づき説明する。電子供給層にInAlNを用いた半導体装置は、図1に示すように、基板910の上に、不図示のバッファ層、i−GaNにより形成された電子走行層921、AlNにより形成された中間層922、InAlNにより形成された電子供給層923が積層されている。電子供給層923の上には、ゲート電極931、ソース電極932、ドレイン電極933が形成されている。電子供給層923の上のゲート電極931、ソース電極932、ドレイン電極933が形成されていない領域には、SiN等により保護膜940が形成されている。尚、基板910は、半絶縁性のSiC基板により形成されており、電子走行層921において、電子走行層921と中間層922との界面近傍には、2DEG921aが生成される。
[First Embodiment]
First, a semiconductor device using InAlN for an electron supply layer will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the semiconductor device using InAlN for the electron supply layer has a buffer layer (not shown) on the substrate 910, an electron transit layer 921 formed of i-GaN, and an intermediate layer formed of AlN. 922, an electron supply layer 923 formed of InAlN is stacked. On the electron supply layer 923, a gate electrode 931, a source electrode 932, and a drain electrode 933 are formed. In a region where the gate electrode 931, the source electrode 932, and the drain electrode 933 are not formed on the electron supply layer 923, a protective film 940 is formed of SiN or the like. The substrate 910 is formed of a semi-insulating SiC substrate, and 2DEG 921a is generated in the vicinity of the interface between the electron transit layer 921 and the intermediate layer 922 in the electron transit layer 921.

図1に示す構造の半導体装置においては、ゲート電極931に0Vの電位を印加し、ドレイン電極933における電位を高くした場合に、図1における破線矢印に示されるようにゲートリーク電流Ileakが流れる場合がある。このゲートリーク電流Ileakは、図2に示されるように、ゲート−ドレイン電圧Vgdの上昇に伴い、ゲートリーク電流が指数関数的に上昇する。具体的には、ゲート電極931とドレイン電極933との間に印加されるゲート逆方向電圧となるゲート−ドレイン電圧が約20Vを超えると、ゲートリーク電流Ileakが急増し指数関数的に増加する。このため、約20Vを超えるようなゲート−ドレイン電圧を印加することができないため、半導体装置を高出力化させることが困難であった。 In the semiconductor device having the structure shown in FIG. 1, when a potential of 0 V is applied to the gate electrode 931 and the potential at the drain electrode 933 is increased, the gate leakage current I g leak is as shown by the dashed arrow in FIG. May flow. As shown in FIG. 2, the gate leakage current I g leak increases exponentially as the gate-drain voltage V gd increases. Specifically, when the gate-drain voltage, which is a gate reverse voltage applied between the gate electrode 931 and the drain electrode 933, exceeds about 20 V, the gate leakage current I g leak increases rapidly and exponentially increases. To do. For this reason, it is difficult to increase the output of the semiconductor device because a gate-drain voltage exceeding about 20 V cannot be applied.

また、電子供給層923にInAlNを用いた半導体装置において、ゲートリーク電流を減らす方法としては、図3に示されるように、ゲート絶縁膜960を形成することによりMIS構造とする方法がある。具体的には、電子供給層923の上に、Al等によりゲート絶縁膜960を形成し、ゲート絶縁膜960の上に、ゲート電極931を形成した構造のものである。しかしながら、InAlNの上に良好な絶縁膜を形成することは難しく、電子供給層923の上に、ゲート絶縁膜960を形成した場合、電流コラプスが生じオン抵抗が高くなるという問題が新たに生じてしまう。このように、電流コラプスが生じる要因としては、電子供給層923となるInAlNの上に、ゲート絶縁膜960となるAl等を成膜した場合、InAlNとAlとの間の界面において、電子トラップ濃度が増大するためであると推察される。 As a method for reducing gate leakage current in a semiconductor device using InAlN for the electron supply layer 923, there is a method of forming a MIS structure by forming a gate insulating film 960 as shown in FIG. Specifically, a gate insulating film 960 is formed using Al 2 O 3 or the like over the electron supply layer 923 and a gate electrode 931 is formed over the gate insulating film 960. However, it is difficult to form a good insulating film on InAlN, and when the gate insulating film 960 is formed on the electron supply layer 923, a new problem arises that current collapse occurs and on-resistance increases. End up. As described above, the cause of current collapse is that when Al 2 O 3 or the like serving as the gate insulating film 960 is formed on InAlN serving as the electron supply layer 923, the current collapse occurs between InAlN and Al 2 O 3 . It is assumed that the electron trap concentration increases at the interface.

(半導体装置)
次に、本実施の形態における半導体装置について図4に基づき説明する。本実施の形態における半導体装置は、図4に示すように、基板10の上に、不図示のバッファ層、i−GaNにより形成された電子走行層21、AlNにより形成された中間層22、InAlNにより形成された電子供給層23が積層されている。電子供給層23の上には、ソース電極32及びドレイン電極33が形成されており、ゲート電極31が形成される領域の直下における電子供給層23の表面には、電子供給層23を形成している材料を酸化することにより形成された酸化膜50が形成されている。電子供給層23及び酸化膜50の上には、Al等によりゲート絶縁膜となる絶縁膜60が形成されており、酸化膜50が形成されている領域の絶縁膜60の上には、ゲート電極31が形成されている。尚、ソース電極32及びドレイン電極33は、電子走行層21の上に形成されていてもよく、中間層22の上に形成されていてもよい。
(Semiconductor device)
Next, the semiconductor device in this embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, the semiconductor device in the present embodiment includes a buffer layer (not shown), an electron transit layer 21 formed of i-GaN, an intermediate layer 22 formed of AlN, and InAlN on a substrate 10. The electron supply layer 23 formed by the above is laminated. A source electrode 32 and a drain electrode 33 are formed on the electron supply layer 23, and the electron supply layer 23 is formed on the surface of the electron supply layer 23 immediately below the region where the gate electrode 31 is formed. An oxide film 50 is formed by oxidizing the existing material. On the electron supply layer 23 and the oxide film 50, an insulating film 60 serving as a gate insulating film is formed of Al 2 O 3 or the like, and on the insulating film 60 in the region where the oxide film 50 is formed. A gate electrode 31 is formed. Note that the source electrode 32 and the drain electrode 33 may be formed on the electron transit layer 21 or may be formed on the intermediate layer 22.

本実施の形態においては、基板10は、半絶縁性のSiC基板により形成されており、電子走行層21と中間層22との界面近傍における電子走行層21には、2DEG21aが生成される。尚、本実施の形態においては、電子走行層21を第1の半導体層、電子供給層23を第2の半導体層、中間層22を第3の半導体層と記載する場合がある。   In the present embodiment, the substrate 10 is formed of a semi-insulating SiC substrate, and 2DEG 21 a is generated in the electron transit layer 21 in the vicinity of the interface between the electron transit layer 21 and the intermediate layer 22. In the present embodiment, the electron transit layer 21 may be referred to as a first semiconductor layer, the electron supply layer 23 may be referred to as a second semiconductor layer, and the intermediate layer 22 may be referred to as a third semiconductor layer.

本実施の形態における半導体装置においては、酸化膜50は電子供給層23を酸化することにより形成している。このように、ゲート電極31の下に酸化膜50を形成することにより、酸化膜50の上に良好な絶縁膜60を形成することができる。これにより、ゲート電極31の直下における絶縁性を高めることができ、ゲートリーク電流を減少させることができ、半導体装置を高出力化させることが可能となる。また、絶縁膜60が酸化物である場合、絶縁膜60を形成している材料と整合性のよい酸化膜50の上に、絶縁膜60を形成することにより、酸化膜50と絶縁膜60との間の界面では、電子がトラップされにくくまたは電子トラップ濃度を低減でき、電流コラプスの発生を抑制することができる。   In the semiconductor device in the present embodiment, the oxide film 50 is formed by oxidizing the electron supply layer 23. As described above, by forming the oxide film 50 under the gate electrode 31, a good insulating film 60 can be formed on the oxide film 50. As a result, the insulation directly under the gate electrode 31 can be improved, the gate leakage current can be reduced, and the output of the semiconductor device can be increased. Further, when the insulating film 60 is an oxide, the oxide film 50 and the insulating film 60 are formed by forming the insulating film 60 on the oxide film 50 having good consistency with the material forming the insulating film 60. At the interface between them, electrons are not easily trapped or the concentration of electron traps can be reduced, and the occurrence of current collapse can be suppressed.

本実施の形態においては、酸化膜50は電子供給層23の一部を酸化することにより形成しているが、電子供給層23はInAlNにより形成されているため、酸化膜50は、InAlNを酸化することにより形成されるInとAlを含んでいる。ここで、Inは、バンドギャップが狭く、ゲートリーク電流を阻止する能力は低く、また、不安定であるため特性にバラツキ等が生じやすく、酸化膜50を形成する材料としてはあまり好ましくない。一方、Alは、バンドギャップが広く、安定的であり、酸化膜50を形成する材料として好ましい。よって、酸化膜50において高い絶縁性を得るためには、AlがInよりも多く含まれていることが好ましい。これにより、ゲートリーク電流を低減させ、電流コラプスの発生を抑制することができる。 In the present embodiment, the oxide film 50 is formed by oxidizing part of the electron supply layer 23. However, since the electron supply layer 23 is formed of InAlN, the oxide film 50 oxidizes InAlN. In 2 O 3 and Al 2 O 3 formed by doing so. Here, In 2 O 3 has a narrow band gap, a low ability to prevent a gate leakage current, and is unstable, so that its characteristics are likely to vary. Therefore, it is not preferable as a material for forming the oxide film 50. Absent. On the other hand, Al 2 O 3 has a wide band gap and is stable, and is preferable as a material for forming the oxide film 50. Therefore, in order to obtain high insulation in the oxide film 50, it is preferable that more Al 2 O 3 is contained than In 2 O 3 . Thereby, gate leakage current can be reduced and generation | occurrence | production of a current collapse can be suppressed.

尚、本実施の形態においては、ゲート電極31がT型ゲート電極の場合について説明したが、T型ゲート電極に代えて、オーバーハング型ゲート電極や矩形ゲート電極を用いてもよい。また、形成される酸化膜50の厚さは、1nm以上、5nm以下が好ましく、更には、1nm以上、3nm以下がより好ましい。本実施の形態においては、酸化膜50の厚さは、1.5nmとなるように形成されている。また、形成される絶縁膜60は、酸化物、窒化物、酸窒化物等が挙げられるが、酸化膜50には、Alの酸化物が多く含まれているため、Al、AlN、AlON等が好ましく、特に、Alの酸化物であるAlが好ましい。 Although the case where the gate electrode 31 is a T-type gate electrode has been described in this embodiment, an overhanging gate electrode or a rectangular gate electrode may be used instead of the T-type gate electrode. The thickness of the oxide film 50 to be formed is preferably 1 nm or more and 5 nm or less, and more preferably 1 nm or more and 3 nm or less. In the present embodiment, the oxide film 50 is formed to have a thickness of 1.5 nm. Examples of the insulating film 60 to be formed include oxides, nitrides, oxynitrides, and the like. However, since the oxide film 50 contains a large amount of oxides of Al, Al 2 O 3 , AlN, AlON or the like is preferable, and Al 2 O 3 which is an oxide of Al is particularly preferable.

(InAlNの酸化)
ところで、InAlN等の窒化物半導体を酸化する方法としては、水蒸気を用いたHO酸化、Oプラズマ酸化、酸素を用いた熱酸化等がある。酸素を用いた熱酸化では、酸化する際の温度が約600℃と比較的高温であるため、製造される半導体装置にダメージ等を与えてしまい好ましくない。水蒸気を用いたHO酸化及びOプラズマ酸化は、酸化する際の温度が約300℃と比較的低温であるため、半導体装置にダメージを与えることなく、半導体装置を製造することができる。
(InAlN oxidation)
By the way, as a method for oxidizing a nitride semiconductor such as InAlN, there are H 2 O oxidation using water vapor, O plasma oxidation, thermal oxidation using oxygen, and the like. Thermal oxidation using oxygen is not preferable because the temperature at the time of oxidation is relatively high, about 600 ° C., and damages the manufactured semiconductor device. In H 2 O oxidation and O plasma oxidation using water vapor, the temperature at the time of oxidation is relatively low, about 300 ° C., so that the semiconductor device can be manufactured without damaging the semiconductor device.

次に、InAlNを水蒸気を用いたHO酸化により酸化した酸化物と、Oプラズマ酸化により酸化した酸化物についてXPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)により分析を行った結果について説明する。図5(a)は、水蒸気を用いたHO酸化によりInAlNを酸化した酸化物についてXPSにより分析を行った結果であり、図5(b)は、Oプラズマ酸化によりInAlNを酸化した酸化物についてXPSにより分析を行った結果である。尚、InAlNを酸化する際の水蒸気を用いたHO酸化及びOプラズマ酸化における温度はともに300℃である。 Next, results obtained by analyzing an oxide obtained by oxidizing InAlN by H 2 O oxidation using water vapor and an oxide obtained by oxidation by O plasma oxidation by XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) will be described. FIG. 5A shows the result of XPS analysis of an oxide obtained by oxidizing InAlN by H 2 O oxidation using water vapor. FIG. 5B shows the oxide obtained by oxidizing InAlN by O plasma oxidation. It is the result of having analyzed by XPS about. The temperature in H 2 O oxidation using water vapor and O plasma oxidation when oxidizing InAlN is 300 ° C.

図5(a)に示されるように、水蒸気を用いたHO酸化によりInAlNを酸化した酸化物においては、Al−OがIn−Oよりも多く観察されている。一方、図5(b)に示されるように、Oプラズマ酸化によりInAlNを酸化した酸化物においては、In−OがAl−Oよりも多く観察されている。従って、水蒸気を用いたHO酸化によりInAlNを酸化した酸化物は、Oプラズマ酸化によりInAlNを酸化した酸化物よりも、Alが多く存在している。従って、酸化膜50は、In−OがAl−Oよりも多く観察されるOプラズマ酸化よりも、Al−OがIn−Oよりも多く観察される水蒸気を用いたHO酸化により形成した方が、絶縁性を高くすることができる。 As shown in FIG. 5A, in the oxide obtained by oxidizing InAlN by H 2 O oxidation using water vapor, more Al—O is observed than In—O. On the other hand, as shown in FIG. 5B, in the oxide obtained by oxidizing InAlN by O plasma oxidation, more In—O is observed than Al—O. Therefore, an oxide obtained by oxidizing InAlN by H 2 O oxidation using water vapor has more Al 2 O 3 than an oxide obtained by oxidizing InAlN by O plasma oxidation. Therefore, the oxide film 50 is formed by H 2 O oxidation using water vapor in which Al—O is observed more than In—O than in O plasma oxidation in which In—O is observed more than Al—O. However, it is possible to increase the insulation.

図6は、酸化される前のInAlN、InAlNを水蒸気を用いたHO酸化により酸化した酸化物、InAlNをOプラズマ酸化により酸化した酸化物において、これらの酸化領域に含まれるInに対するAlの比であるAl/In比を示すものである。尚、用いたInAlNの組成は、In17Al83Nである。図6に示されるように、InAlNを水蒸気を用いたHO酸化により酸化すること及びOプラズマ酸化により酸化することにより、ともにAl/In比の値が高くなる。更に、InAlNを水蒸気を用いたHO酸化により酸化した酸化物は、InAlNをOプラズマ酸化により酸化した場合よりも、Al/In比の値は高い。即ち、InAlNを酸化することにより、Inを減少させることができるが、特に、InAlNを水蒸気を用いたHO酸化により酸化した酸化物は、InAlNをOプラズマ酸化により酸化した酸化物よりもInが減少している。 FIG. 6 shows InAlN, an oxide obtained by oxidizing InAlN by H 2 O oxidation using water vapor, and an oxide obtained by oxidizing InAlN by O plasma oxidation before Al is oxidized. It shows the Al / In ratio which is the ratio. The composition of InAlN used is In 17 Al 83 N. As shown in FIG. 6, when the InAlN is oxidized by H 2 O oxidation using water vapor and O plasma oxidation, both values of the Al / In ratio are increased. Furthermore, an oxide obtained by oxidizing InAlN by H 2 O oxidation using water vapor has a higher Al / In ratio than when InAlN is oxidized by O plasma oxidation. That is, In can be reduced by oxidizing InAlN. In particular, an oxide obtained by oxidizing InAlN by H 2 O oxidation using water vapor is more indium than an oxide obtained by oxidizing InAlN by O plasma oxidation. Is decreasing.

(水蒸気を用いたHO酸化)
次に、InAlNを水蒸気を用いたHO酸化により酸化した場合は、InAlNをOプラズマ酸化により酸化した場合よりも、Al/In比の値が高くなることについて説明する。
(H 2 O oxidation using water vapor)
Next, it will be described that when InAlN is oxidized by H 2 O oxidation using water vapor, the value of the Al / In ratio is higher than when InAlN is oxidized by O plasma oxidation.

下記における化1は、Alを水蒸気を用いたHO酸化により酸化した場合の化学反応式であり、化2及び化3は、化1に示す化学反応式の反応過程における化学反応式である。また、化4は、Inを水蒸気を用いたHO酸化により酸化した場合の化学反応式であり、化5及び化6は、化4に示す化学反応式の反応過程における化学反応式である。
Chemical formula 1 in the following is a chemical reaction formula when Al is oxidized by H 2 O oxidation using water vapor, and chemical formula 2 and chemical formula 3 are chemical reaction formulas in the reaction process of the chemical reaction formula shown in chemical formula 1. . Chemical formula 4 is a chemical reaction formula when In is oxidized by H 2 O oxidation using water vapor, and chemical formula 5 and chemical formula 6 are chemical reaction formulas in the reaction process of the chemical reaction formula shown in chemical formula 4. .

化1に示されるように、InAlNに含まれるAlを水蒸気を用いたHO酸化により酸化することにより、Alが生成される。この反応は、最初に、化2に示されるように、InAlNに含まれるAlを水蒸気を用いたHO酸化により酸化することにより、Al(OH)が生成され、この後、化3に示されるように、Al(OH)より脱水反応を経由しAlが生成される。 As shown in Chemical Formula 1, Al 2 O 3 is generated by oxidizing Al contained in InAlN by H 2 O oxidation using water vapor. In this reaction, first, as shown in Chemical Formula 2 , Al (OH) 3 is generated by oxidizing Al contained in InAlN by H 2 O oxidation using water vapor. As shown, Al 2 O 3 is produced from Al (OH) 3 via a dehydration reaction.

また、化4に示されるように、InAlNに含まれるInを水蒸気を用いたHO酸化により酸化することにより、Inが生成される。この反応は、最初に、化5に示されるように、InAlNに含まれるInを水蒸気を用いたHO酸化により酸化することにより、In(OH)が生成され、この後、化6に示されるように、In(OH)より脱水反応を経由しInが生成される。 Further, as shown in Chemical formula 4, In 2 O 3 is generated by oxidizing In contained in InAlN by H 2 O oxidation using water vapor. In this reaction, as shown in Chemical Formula 5, first, In (OH) 3 is generated by oxidizing In contained in InAlN by H 2 O oxidation using water vapor. As shown, In 2 O 3 is produced from In (OH) 3 via a dehydration reaction.

以上のように、InAlNを水蒸気を用いたHO酸化により酸化した場合には、水酸化物が生成され、この後、生成された水酸化物より脱水反応を経由して、酸化物が生成される。 As described above, when InAlN is oxidized by H 2 O oxidation using water vapor, a hydroxide is generated, and then an oxide is generated from the generated hydroxide via a dehydration reaction. Is done.

ところで、化2において生成されるAl(OH)は固体であるが、化5において生成されるIn(OH)は固相状態が不安定であり気化しやすい。従って、InAlNを水蒸気を用いたHO酸化により酸化する過程においては、Inの一部が気化するため、InAlNを水蒸気を用いたHO酸化により酸化した酸化物に含まれるInが減少する。従って、Al/In比の値が高くなる。 By the way, Al (OH) 3 generated in Chemical Formula 2 is a solid, but In (OH) 3 generated in Chemical Formula 5 is unstable in solid phase and easily vaporized. Thus, in the process of oxidation by H 2 O oxidation with steam InAlN, because some of the In is vaporized, In is decreased in the oxide oxidized by H 2 O oxidation with steam InAlN . Therefore, the value of Al / In ratio becomes high.

一方、InAlNをOプラズマ酸化により酸化した場合では、In(OH)が生成されないため、Inが気化等することなく酸化膜内に多く残留する。このため、InAlNを水蒸気を用いたHO酸化により酸化した酸化物においては、InAlNをOプラズマ酸化により酸化した酸化物よりも、Al/In比の値が高くなるものと推察される。 On the other hand, when InAlN is oxidized by O plasma oxidation, In (OH) 3 is not generated, and In remains in the oxide film without being vaporized. For this reason, it is presumed that an oxide obtained by oxidizing InAlN by H 2 O oxidation using water vapor has a higher Al / In ratio value than an oxide obtained by oxidizing InAlN by O plasma oxidation.

尚、本実施の形態においては、InAlNを水蒸気を用いたHO酸化により酸化しする場合には、基板等を加熱している。この際、窒化物半導体層にダメージを与えることなく、円滑に酸化するためには、150℃以上、550℃以下が好ましく、更には、200℃以上、400℃以下が好ましい。 In this embodiment, when InAlN is oxidized by H 2 O oxidation using water vapor, the substrate or the like is heated. At this time, in order to oxidize smoothly without damaging the nitride semiconductor layer, the temperature is preferably 150 ° C. or higher and 550 ° C. or lower, and more preferably 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.

本実施の形態における半導体装置は、電子供給層23を形成しているInAlNの表面の一部を酸化することにより、酸化膜50を形成し、形成された酸化膜50の上に、Al等の絶縁膜60を形成した構造のものである。尚、電子供給層23を形成しているInAlNの表面の一部を酸化する方法としては、水蒸気を用いたHO酸化であっても、Oプラズマ酸化であってもよいが、Inの抜けが多くAlの組成比を高くすることのできる水蒸気を用いたHO酸化がより好ましい。 In the semiconductor device in the present embodiment, an oxide film 50 is formed by oxidizing a part of the surface of InAlN forming the electron supply layer 23, and an Al 2 O film is formed on the formed oxide film 50. 3 or the like. A method for oxidizing a part of the surface of InAlN forming the electron supply layer 23 may be H 2 O oxidation using water vapor or O plasma oxidation. Therefore, H 2 O oxidation using water vapor which can increase the Al composition ratio is more preferable.

上記のように、酸化膜50は電子供給層23を形成しているInAlNを酸化することにより形成されるが、酸化が進行するに伴いInが抜け、Alの組成比が高くなる。酸化膜50が形成される際には、InAlNの表面より徐々に酸化が進行するため、図7に示されるように、酸化膜50の表面は、酸化膜50の表面より深い部分よりも、Inの抜けが多く、Alが多く形成されている。 As described above, the oxide film 50 is formed by oxidizing InAlN forming the electron supply layer 23. However, as the oxidation proceeds, In is released and the Al composition ratio is increased. When the oxide film 50 is formed, the oxidation proceeds gradually from the surface of InAlN. Therefore, as shown in FIG. 7, the surface of the oxide film 50 is larger than the portion deeper than the surface of the oxide film 50. And a large amount of Al 2 O 3 is formed.

絶縁膜60は、酸化膜50の表面の上に形成されるが、絶縁膜60がAlの場合、酸化膜50の表面に多く形成されているAlと同じであるため整合性が高く、酸化膜50と絶縁膜60との間の界面において、界面トラップは形成され難くなる。このため、酸化膜50と絶縁膜60との間に電子はトラップされ難くなり、電流コラプスの発生を抑制することができる。 Matching since the insulating film 60 is formed on the surface of the oxide film 50, when the insulating film 60 is Al 2 O 3, is the same, Al 2 O 3, based on are often formed on the surface of the oxide film 50 The interface trap is difficult to form at the interface between the oxide film 50 and the insulating film 60. For this reason, electrons are not easily trapped between the oxide film 50 and the insulating film 60, and generation of current collapse can be suppressed.

(半導体装置の特性)
次に、本実施の形態における半導体装置の特性について説明する。図8及び図9は、ゲート電極とドレイン電極との間に電圧を印加した場合に流れるゲートリーク電流を測定した結果である。横軸が印加電圧、縦軸がゲートリーク電流である。図8は、図4に示される本実施の形態における半導体装置の特性を示し、図9は、図1に示される構造の半導体装置の特性を示す。本実施の形態における半導体装置においては、図8に示されるように、ゲート電極とドレイン電極との間に16Vまで電圧を印加しても、ゲートリーク電流が流れない。これに対し、図1に示される構造の半導体装置では、図9に示されるように、ゲート電極とドレイン電極との間に電圧を印加すると、ゲートリーク電流が流れてしまう。このように、本実施の形態における半導体装置においては、ゲートリーク電流の発生を抑制することができる。本実施の形態における半導体装置においてゲートリーク電流が低くなるのは、本実施の形態における半導体装置には、ゲート電極31の直下に酸化膜50及び絶縁膜60が形成されているからである。
(Characteristics of semiconductor devices)
Next, characteristics of the semiconductor device in this embodiment will be described. 8 and 9 show the results of measuring the gate leakage current that flows when a voltage is applied between the gate electrode and the drain electrode. The horizontal axis represents the applied voltage, and the vertical axis represents the gate leakage current. FIG. 8 shows the characteristics of the semiconductor device in the present embodiment shown in FIG. 4, and FIG. 9 shows the characteristics of the semiconductor device having the structure shown in FIG. In the semiconductor device according to the present embodiment, as shown in FIG. 8, even if a voltage of up to 16 V is applied between the gate electrode and the drain electrode, no gate leakage current flows. On the other hand, in the semiconductor device having the structure shown in FIG. 1, when a voltage is applied between the gate electrode and the drain electrode as shown in FIG. 9, a gate leakage current flows. Thus, in the semiconductor device in this embodiment, generation of gate leakage current can be suppressed. The reason why the gate leakage current is lowered in the semiconductor device in the present embodiment is that the oxide film 50 and the insulating film 60 are formed immediately below the gate electrode 31 in the semiconductor device in the present embodiment.

次に、本実施の形態における半導体装置における電流コラプスについて、図3に示す構造の半導体装置と比較して説明する。図10及び図11は、ゲート電圧(Vgs)を変化させた場合において、ドレイン電圧(Vds)を10Vまで上昇させた場合と、20Vまで上昇させた場合におけるドレイン電圧(Vds)とドレイン電流(Ids)との関係を示す。図10は、図4に示される本実施の形態における半導体装置の特性を示し、図11は、図3に示される構造の半導体装置の特性を示す。 Next, current collapse in the semiconductor device in this embodiment will be described in comparison with the semiconductor device having the structure shown in FIG. 10 and 11, a drain in the case of changing the gate voltage (V gs), the case where the drain voltage (V ds) is increased to 10V, a drain voltage (V ds) in the case of increased to 20V The relationship with current (I ds ) is shown. 10 shows the characteristics of the semiconductor device in the present embodiment shown in FIG. 4, and FIG. 11 shows the characteristics of the semiconductor device having the structure shown in FIG.

図3に示される構造の半導体装置においては、図11に示されるように、ドレイン電圧(Vds)を20Vまで上昇させた場合には、電流コラプスによりドレイン電流(Ids)が減少している。これに対し、図4に示される本実施の形態における半導体装置においては、図10に示されるように、ドレイン電圧(Vds)を20Vまで上昇させた場合であっても、ドレイン電流(Ids)が相対的に減少しておらず、電流コラプスが抑制されている。 In the semiconductor device having the structure shown in FIG. 3, as shown in FIG. 11, when the drain voltage (V ds ) is increased to 20 V, the drain current (I ds ) decreases due to current collapse. . On the other hand, in the semiconductor device according to the present embodiment shown in FIG. 4, as shown in FIG. 10, even when the drain voltage (V ds ) is increased to 20 V, the drain current (I ds). ) Is not relatively decreased, and current collapse is suppressed.

以上より、本実施の形態における半導体装置においては、ゲートリーク電流を低減させることができる。また、電流コラプスの発生を抑制することができるため、オン抵抗が高くなることを抑制することができる。   As described above, in the semiconductor device in this embodiment, the gate leakage current can be reduced. Moreover, since generation | occurrence | production of an electric current collapse can be suppressed, it can suppress that ON resistance becomes high.

(半導体装置の製造方法)
次に、本実施の形態における半導体装置の製造方法について、図12から図17に基づき説明する。
(Method for manufacturing semiconductor device)
Next, a method for manufacturing a semiconductor device in the present embodiment will be described with reference to FIGS.

最初に、図12(a)に示すように、基板10の上に、MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)によるエピタキシャル成長により、不図示のバッファ層、電子走行層21、中間層22、電子供給層23を順次積層して形成する。尚、本実施の形態においては、不図示のバッファ層、電子走行層21、中間層22、電子供給層23を窒化物半導体層と記載する場合がある。電子走行層21は厚さが約3μmのi−GaNにより形成されており、中間層22は厚さが約1nmのi−AlNにより形成されており、電子供給層23は厚さが約10nmのi−In0.17Al0.83Nにより形成されている。これにより、電子走行層21と中間層22との界面近傍における電子走行層21には、2DEG21aが生成される。尚、基板10には、半絶縁性のSiC基板が用いられており、不図示のバッファ層は、GaNやAlGaN等により形成されている。 First, as shown in FIG. 12A, a buffer layer (not shown), an electron transit layer 21, an intermediate layer 22, and an electron supply layer 23 are formed on the substrate 10 by epitaxial growth by MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy). Are sequentially stacked. In the present embodiment, the buffer layer, the electron transit layer 21, the intermediate layer 22, and the electron supply layer 23 (not shown) may be referred to as a nitride semiconductor layer. The electron transit layer 21 is made of i-GaN having a thickness of about 3 μm, the intermediate layer 22 is made of i-AlN having a thickness of about 1 nm, and the electron supply layer 23 has a thickness of about 10 nm. It is formed of i-In 0.17 Al 0.83 N. As a result, 2DEG 21 a is generated in the electron transit layer 21 in the vicinity of the interface between the electron transit layer 21 and the intermediate layer 22. The substrate 10 is a semi-insulating SiC substrate, and a buffer layer (not shown) is formed of GaN, AlGaN, or the like.

次に、図12(b)に示すように、基板10の上に形成された窒化物半導体層に素子分離領域61を形成する。具体的には、電子供給層23の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、素子分離領域61が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、Ar等のイオンをレジストパターンの開口部における窒化物半導体層にイオン注入することにより、素子分離領域61を形成する。尚、素子分離領域61を形成する際には、基板10の一部までAr等のイオンを注入してもよい。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。   Next, as illustrated in FIG. 12B, an element isolation region 61 is formed in the nitride semiconductor layer formed on the substrate 10. Specifically, by applying a photoresist on the electron supply layer 23 and performing exposure and development with an exposure apparatus, a resist pattern (not shown) having an opening in a region where the element isolation region 61 is formed is formed. Form. After that, ions such as Ar are ion-implanted into the nitride semiconductor layer in the opening of the resist pattern, thereby forming the element isolation region 61. When forming the element isolation region 61, ions such as Ar may be implanted up to a part of the substrate 10. Thereafter, the resist pattern (not shown) is removed with an organic solvent or the like.

次に、図12(c)に示すように、電子供給層23の上に、ソース電極32及びドレイン電極33が形成される領域に開口部71a、71bを有するレジストパターン71を形成した後、開口部71a、71bにおける電子供給層23の表面の一部を除去する。具体的には、電子供給層23の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより。ソース電極32及びドレイン電極33が形成される領域に開口部71a、71bを有するレジストパターン71を形成する。この後、RIE(Reactive Ion Etching)等により、レジストパターン71が形成されていない領域、即ち、レジストパターン71の開口部71a、71bにおいて露出している電子供給層23の表面の一部を除去する。この際行われるRIEにおいては、エッチングガスとして、塩素成分を含むガスが用いられる。   Next, as shown in FIG. 12C, a resist pattern 71 having openings 71a and 71b in the region where the source electrode 32 and the drain electrode 33 are formed is formed on the electron supply layer 23, and then the openings are opened. Part of the surface of the electron supply layer 23 in the portions 71a and 71b is removed. Specifically, a photoresist is applied on the electron supply layer 23, and exposure and development are performed by an exposure apparatus. A resist pattern 71 having openings 71a and 71b is formed in a region where the source electrode 32 and the drain electrode 33 are formed. Thereafter, a region where the resist pattern 71 is not formed, that is, a part of the surface of the electron supply layer 23 exposed in the openings 71a and 71b of the resist pattern 71 is removed by RIE (Reactive Ion Etching) or the like. . In RIE performed at this time, a gas containing a chlorine component is used as an etching gas.

次に、図13(a)に示すように、レジストパターン71を有機溶剤等により除去した後、ソース電極32及びドレイン電極33が形成される領域に開口部72a、72bを有するレジストパターン72を形成する。具体的には、レジストパターン71を有機溶剤等により除去した後、電子供給層23の上に、再度、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行う。これにより、ソース電極32及びドレイン電極33が形成される領域に開口部72a、72bを有するレジストパターン72を形成する。レジストパターン72は、図に示すように、2層のレジスト層を積層することにより形成されていてもよい。   Next, as shown in FIG. 13A, after removing the resist pattern 71 with an organic solvent or the like, a resist pattern 72 having openings 72a and 72b is formed in regions where the source electrode 32 and the drain electrode 33 are formed. To do. Specifically, after removing the resist pattern 71 with an organic solvent or the like, a photoresist is applied again on the electron supply layer 23, and exposure and development are performed by an exposure apparatus. Thus, a resist pattern 72 having openings 72a and 72b is formed in a region where the source electrode 32 and the drain electrode 33 are formed. As shown in the figure, the resist pattern 72 may be formed by laminating two resist layers.

次に、図13(b)に示すように、レジストパターン72が形成されている面に、真空蒸着により、Ti/Alからなる金属多層膜81を成膜する。具体的には、レジストパターン72が形成されている面に、真空蒸着によりTi膜を成膜し、成膜されたTi膜の上にAl膜を成膜する。本実施の形態においては、成膜されるTi膜の膜厚は約20nmであり、Al膜の膜厚は約200nmである。   Next, as shown in FIG. 13B, a metal multilayer film 81 made of Ti / Al is formed on the surface on which the resist pattern 72 is formed by vacuum deposition. Specifically, a Ti film is formed by vacuum deposition on the surface on which the resist pattern 72 is formed, and an Al film is formed on the formed Ti film. In the present embodiment, the Ti film formed is about 20 nm thick, and the Al film is about 200 nm thick.

次に、図13(c)に示すように、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターン72の上に形成されている金属多層膜81をレジストパターン72とともに、リフトオフにより除去する。これにより、レジストパターン72の開口部72a、72bが形成されていた領域において残存している金属多層膜81により、ソース電極32及びドレイン電極33が形成される。この後、550℃の温度で熱処理を行うことにより、電子供給層23とソース電極32及びドレイン電極33との間におけるオーミックコンタクトを確立させる。   Next, as shown in FIG. 13C, the metal multilayer film 81 formed on the resist pattern 72 is removed together with the resist pattern 72 by lift-off by being immersed in an organic solvent or the like. Thereby, the source electrode 32 and the drain electrode 33 are formed by the metal multilayer film 81 remaining in the region where the openings 72a and 72b of the resist pattern 72 were formed. Thereafter, an ohmic contact is established between the electron supply layer 23 and the source electrode 32 and the drain electrode 33 by performing a heat treatment at a temperature of 550 ° C.

次に、図14(a)に示すように、電子供給層23、ソース電極32及びドレイン電極33の上に、後述するハードマスクを形成するためのハードマスク用絶縁膜73を形成する。具体的には、電子供給層23、ソース電極32及びドレイン電極33の上に、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)により、膜厚が約20nmのSiN膜を成膜することにより、ハードマスク用絶縁膜73を形成する。ハードマスク用絶縁膜73をプラズマCVDにより形成する際には、原料ガスとして、例えば、シラン、アンモニア等が用いられる。成膜されたハードマスク用絶縁膜73の波長633nmにおける屈折率は、2.0であり、ストイキオメトリな膜である。   Next, as shown in FIG. 14A, a hard mask insulating film 73 for forming a hard mask, which will be described later, is formed on the electron supply layer 23, the source electrode 32, and the drain electrode 33. Specifically, an SiN film having a film thickness of about 20 nm is formed on the electron supply layer 23, the source electrode 32, and the drain electrode 33 by plasma CVD (Chemical Vapor Deposition), whereby an insulating film for a hard mask is formed. 73 is formed. When forming the hard mask insulating film 73 by plasma CVD, for example, silane, ammonia, or the like is used as a source gas. The deposited hard mask insulating film 73 has a refractive index of 2.0 at a wavelength of 633 nm, and is a stoichiometric film.

次に、図14(b)に示すように、ハードマスク用絶縁膜73の上に、開口部74aを有するレジストパターン74を形成する。具体的には、ハードマスク用絶縁膜73の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、開口部74aを有するレジストパターン74を形成する。尚、レジストパターン74における開口部74aは、幅が約0.5μmであり、後述する電子供給層23を酸化することにより形成される酸化膜50の大きさと同じ大きさである。   Next, as shown in FIG. 14B, a resist pattern 74 having an opening 74 a is formed on the hard mask insulating film 73. Specifically, a photoresist is applied on the hard mask insulating film 73, and a resist pattern 74 having an opening 74a is formed by performing exposure and development with an exposure apparatus. The opening 74a in the resist pattern 74 has a width of about 0.5 μm and is the same size as the oxide film 50 formed by oxidizing the electron supply layer 23 described later.

次に、図14(c)に示すように、レジストパターン74の開口部74aにおけるハードマスク用絶縁膜73をRIE等により除去することにより開口部73aを形成する。これにより、残存するハードマスク用絶縁膜73により、開口部73aを有するハードマスク73bが形成される。この後、レジストパターン74は有機溶剤等により除去する。   Next, as shown in FIG. 14C, the opening 73a is formed by removing the hard mask insulating film 73 in the opening 74a of the resist pattern 74 by RIE or the like. Thereby, a hard mask 73b having an opening 73a is formed by the remaining hard mask insulating film 73. Thereafter, the resist pattern 74 is removed with an organic solvent or the like.

次に、図15(a)に示すように、ハードマスク73bの開口部73aにおいて露出している電子供給層23の表面を水蒸気を用いたHO酸化により酸化することにより酸化膜50を形成する。具体的には、ALD(Atomic Layer Deposition)装置を用いて、基板温度を300℃にして、酸化源となる水蒸気(HO)を供給することにより、ハードマスク73bの開口部73aにおける電子供給層23の表面を酸化して、酸化膜50を形成する。このようにして形成される酸化膜50は、膜厚が約1.5nmであり、幅D1が約0.5μmである。 Next, as shown in FIG. 15A, an oxide film 50 is formed by oxidizing the surface of the electron supply layer 23 exposed in the opening 73a of the hard mask 73b by H 2 O oxidation using water vapor. To do. Specifically, using an ALD (Atomic Layer Deposition) apparatus, the substrate temperature is set to 300 ° C. and water vapor (H 2 O) serving as an oxidation source is supplied, whereby electrons are supplied to the opening 73a of the hard mask 73b. The surface of the layer 23 is oxidized to form an oxide film 50. The oxide film 50 thus formed has a thickness of about 1.5 nm and a width D1 of about 0.5 μm.

次に、図15(b)に示すように、酸化膜50の上に、レジストパターン75を形成する。具体的には、電子供給層23、酸化膜50、ソース電極32及びドレイン電極33の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、酸化膜50の上に、レジストパターン75を形成する。   Next, as shown in FIG. 15B, a resist pattern 75 is formed on the oxide film 50. Specifically, a photoresist is applied on the electron supply layer 23, the oxide film 50, the source electrode 32, and the drain electrode 33, and exposure and development are performed by an exposure apparatus, whereby the resist is formed on the oxide film 50. A pattern 75 is formed.

次に、図15(c)に示すように、レジストパターン75が形成されていない領域におけるハードマスク73bをバッファードフッ酸等を用いて除去する。この後、レジストパターン75は有機溶剤等により除去する。   Next, as shown in FIG. 15C, the hard mask 73b in the region where the resist pattern 75 is not formed is removed using buffered hydrofluoric acid or the like. Thereafter, the resist pattern 75 is removed with an organic solvent or the like.

次に、図16(a)に示すように、電子供給層23、酸化膜50、ソース電極32及びドレイン電極33等の上に、ゲート絶縁膜となる絶縁膜60を形成する。具体的には、電子供給層23、酸化膜50、ソース電極32及びドレイン電極33等の上に、ALD(Atomic Layer. Deposition)により、膜厚が約2nmのAl膜を成膜することにより、ゲート絶縁膜となる絶縁膜60を形成する。絶縁膜60をALDにより形成する際には、原料ガスとして、例えば、TMA、HO等が用いられ、基板温度300℃で成膜を行う。 Next, as shown in FIG. 16A, an insulating film 60 to be a gate insulating film is formed on the electron supply layer 23, the oxide film 50, the source electrode 32, the drain electrode 33, and the like. Specifically, an Al 2 O 3 film having a thickness of about 2 nm is formed on the electron supply layer 23, the oxide film 50, the source electrode 32, the drain electrode 33, and the like by ALD (Atomic Layer. Deposition). Thereby, an insulating film 60 to be a gate insulating film is formed. When the insulating film 60 is formed by ALD, for example, TMA, H 2 O, or the like is used as a source gas, and the film is formed at a substrate temperature of 300 ° C.

次に、図16(b)に示すように、絶縁膜60の上にゲート電極31を形成するためのレジストパターン77を形成する。このレジストパターン77は、積層された3層の電子線レジスト層により形成されており、ゲート電極31が形成される領域に開口部77aを有している。具体的には、絶縁膜60の上に、電子線レジストを塗布等を繰り返し行うことにより3層の電子線レジスト層を形成し、電子線描画装置による描画、現像を繰り返すことにより、3層の電子線レジスト層に開口部77aを形成する。これによりこれにより開口部77aを有するレジストパターン77を形成する。レジストパターン77における開口部77aは、3層の電子線レジストの上から順に、幅が0.8μm、1.3μm、0.2μmとなるように形成する。   Next, as shown in FIG. 16B, a resist pattern 77 for forming the gate electrode 31 is formed on the insulating film 60. The resist pattern 77 is formed by three stacked electron beam resist layers, and has an opening 77a in a region where the gate electrode 31 is formed. Specifically, a three-layer electron beam resist layer is formed on the insulating film 60 by repeatedly applying an electron beam resist and the like, and by repeating drawing and development with an electron beam drawing apparatus, the three-layer electron beam resist layer is formed. Openings 77a are formed in the electron beam resist layer. Thereby, a resist pattern 77 having an opening 77a is formed. The opening 77a in the resist pattern 77 is formed so as to have a width of 0.8 μm, 1.3 μm, and 0.2 μm in order from the top of the three-layer electron beam resist.

次に、図16(c)に示すように、レジストパターン77が形成されている面に、真空蒸着により、Ni/Auからなる金属多層膜82を成膜する。具体的には、レジストパターン77が形成されている面に、真空蒸着によりNi膜を成膜し、成膜されたNi膜の上にAu膜を成膜する。本実施の形態においては、成膜されるNi膜の膜厚は約10nmであり、Au膜の膜厚は約300nmである。   Next, as shown in FIG. 16C, a metal multilayer film 82 made of Ni / Au is formed on the surface on which the resist pattern 77 is formed by vacuum deposition. Specifically, a Ni film is formed by vacuum deposition on the surface on which the resist pattern 77 is formed, and an Au film is formed on the formed Ni film. In the present embodiment, the Ni film formed is about 10 nm thick, and the Au film is about 300 nm thick.

次に、図17に示すように、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターン77の上に形成されている金属多層膜82をレジストパターン77とともに、リフトオフにより除去する。これにより、絶縁膜60の上のレジストパターン77の開口部77aが形成されていた領域において、残存している金属多層膜82により、ゲート電極31が形成される。   Next, as shown in FIG. 17, the metal multilayer film 82 formed on the resist pattern 77 is removed together with the resist pattern 77 by lift-off by being immersed in an organic solvent or the like. As a result, the gate electrode 31 is formed by the remaining metal multilayer film 82 in the region where the opening 77 a of the resist pattern 77 is formed on the insulating film 60.

以上の工程により、本実施の形態における半導体装置を製造することができる。   Through the above steps, the semiconductor device in this embodiment can be manufactured.

〔第2の実施の形態〕
次に、第2の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第1の実施の形態における半導体装置と同様の構造の半導体装置であって、酸化膜50を形成する際の水蒸気酸化の時間を第1の実施の形態の倍の時間で形成したものである。これにより、膜厚が約3.0nmの酸化膜50が形成される。従って、本実施の形態における半導体装置において形成される酸化膜50の膜厚は、第1の実施の形態における半導体装置において形成される酸化膜50の膜厚の倍の膜厚で形成される。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described. The present embodiment is a semiconductor device having a structure similar to that of the semiconductor device in the first embodiment, and the steam oxidation time for forming the oxide film 50 is twice as long as that in the first embodiment. Formed. Thereby, an oxide film 50 having a thickness of about 3.0 nm is formed. Therefore, the film thickness of oxide film 50 formed in the semiconductor device in the present embodiment is double the film thickness of oxide film 50 formed in the semiconductor device in the first embodiment.

また、水蒸気酸化においては、電子供給層23の表面より徐々に酸化が進行するため、本実施の形態における半導体装置の酸化膜50の表面におけるInの組成比は、第1の実施の形態における半導体装置の酸化膜50の表面におけるInの組成比よりも低くなる。即ち、本実施の形態における半導体装置の酸化膜50の表面におけるAlの組成比は、第1の実施の形態における半導体装置の酸化膜50の表面におけるAlの組成比よりも高くなり、第1の実施の形態よりも、Alの比率が高くなっている。本実施の形態においては、Alの比率の高い酸化膜50の上に、絶縁膜60としてAl膜を成膜することにより、第1の実施の形態における半導体装置よりも、酸化膜50と絶縁膜60との界面にトラップされる電子を更に減らすことができる。これにより、本実施の形態においては、電流コラプスをより一層抑制することができる。 Further, in the steam oxidation, since the oxidation proceeds gradually from the surface of the electron supply layer 23, the In composition ratio on the surface of the oxide film 50 of the semiconductor device in the present embodiment is the same as that of the semiconductor in the first embodiment. This is lower than the In composition ratio on the surface of the oxide film 50 of the device. That is, the Al composition ratio on the surface of the oxide film 50 of the semiconductor device in the present embodiment is higher than the Al composition ratio on the surface of the oxide film 50 of the semiconductor device in the first embodiment. The ratio of Al 2 O 3 is higher than in the embodiment. In the present embodiment, by forming an Al 2 O 3 film as the insulating film 60 on the oxide film 50 having a high Al 2 O 3 ratio, the semiconductor device in the first embodiment can be obtained. Electrons trapped at the interface between the oxide film 50 and the insulating film 60 can be further reduced. Thereby, in the present embodiment, current collapse can be further suppressed.

(半導体装置の特性)
次に、本実施の形態における半導体装置の特性について説明する。図18は、本実施の形態における半導体装置において、ゲート電極とドレイン電極との間に電圧を印加した場合に流れるゲートリーク電流を測定した結果である。横軸が印加電圧、縦軸がゲートリーク電流である。本実施の形態における半導体装置においては、図18に示されるように、ゲート電極とドレイン電極との間に16Vまで電圧を印加しても、ゲートリーク電流が流れない。これに対し、図1に示される構造の半導体装置では、図9に示されるように、ゲート電極とドレイン電極との間に電圧を印加すると、ゲートリーク電流が流れてしまう。このように、本実施の形態における半導体装置においては、ゲートリーク電流の発生を抑制することができる。本実施の形態における半導体装置においてゲートリーク電流が低くなるのは、本実施の形態における半導体装置には、ゲート電極31の直下に酸化膜50及び絶縁膜60が形成されているからである。
(Characteristics of semiconductor devices)
Next, characteristics of the semiconductor device in this embodiment will be described. FIG. 18 shows the result of measuring the gate leakage current that flows when a voltage is applied between the gate electrode and the drain electrode in the semiconductor device of this embodiment. The horizontal axis represents the applied voltage, and the vertical axis represents the gate leakage current. In the semiconductor device according to the present embodiment, as shown in FIG. 18, even if a voltage of up to 16 V is applied between the gate electrode and the drain electrode, the gate leakage current does not flow. On the other hand, in the semiconductor device having the structure shown in FIG. 1, when a voltage is applied between the gate electrode and the drain electrode as shown in FIG. 9, a gate leakage current flows. Thus, in the semiconductor device in this embodiment, generation of gate leakage current can be suppressed. The reason why the gate leakage current is lowered in the semiconductor device in the present embodiment is that the oxide film 50 and the insulating film 60 are formed immediately below the gate electrode 31 in the semiconductor device in the present embodiment.

次に、本実施の形態における半導体装置における電流コラプスについて、図3に示す構造の半導体装置と比較して説明する。図19は、本実施の形態における半導体装置において、ゲート電圧(Vgs)を変化させた場合におけるドレイン電圧(Vds)を10Vまで上昇させた場合と、20Vまで上昇させた場合のドレイン電圧(Vds)とドレイン電流(Ids)との関係を示す。 Next, current collapse in the semiconductor device in this embodiment will be described in comparison with the semiconductor device having the structure shown in FIG. FIG. 19 shows a case where the drain voltage (V ds ) when the gate voltage (V gs ) is changed to 10 V and the drain voltage (20 g ) when the gate voltage (V gs ) is increased to 20 V in the semiconductor device of this embodiment. The relationship between V ds ) and drain current (I ds ) is shown.

図3に示される構造の半導体装置においては、図11に示されるように、ドレイン電圧(Vds)を20Vまで上昇させた場合には、電流コラプスによりドレイン電流(Ids)が減少している。これに対し、本実施の形態における半導体装置においては、図19に示されるように、ドレイン電圧(Vds)を20Vまで上昇させた場合であっても、ドレイン電流(Ids)が減少しておらず、電流コラプスが抑制されている。また、図19に示される本実施の形態における半導体装置の特性と、図10に示される第1の実施の形態における半導体装置の特性とを比較すると、第1の実施の形態における半導体装置よりも本実施の形態における半導体装置の方が、電流コラプスが抑制されている。これは、InAlNを酸化する時間が、第1の実施の形態よりも本実施の形態の方が長いため、形成される酸化膜50の膜厚が厚く、また、酸化膜50の表面におけるAl組成比が高くなっていることによるものと推察される。 In the semiconductor device having the structure shown in FIG. 3, as shown in FIG. 11, when the drain voltage (V ds ) is increased to 20 V, the drain current (I ds ) decreases due to current collapse. . On the other hand, in the semiconductor device according to the present embodiment, as shown in FIG. 19, even when the drain voltage (V ds ) is increased to 20 V, the drain current (I ds ) decreases. The current collapse is suppressed. 19 is compared with the characteristics of the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. 10 as compared with the characteristics of the semiconductor device according to the first embodiment. The current collapse is suppressed in the semiconductor device in this embodiment. This is because the time for oxidizing InAlN is longer in the present embodiment than in the first embodiment, so that the thickness of the oxide film 50 to be formed is thick, and the Al composition on the surface of the oxide film 50 is increased. This is probably due to the higher ratio.

以上より、本実施の形態における半導体装置においては、ゲートリーク電流を低減させることができる。また、より一層電流コラプスの発生を抑制することができるため、オン抵抗が高くなることを抑制することができる。   As described above, in the semiconductor device in this embodiment, the gate leakage current can be reduced. Further, since the occurrence of current collapse can be further suppressed, it is possible to suppress an increase in on-resistance.

尚、上記以外の内容については、第1の実施の形態と同様である。   The contents other than the above are the same as in the first embodiment.

〔第3の実施の形態〕
(半導体装置)
次に、第3の実施の形態における半導体装置について、図20に基づき説明する。本実施の形態における半導体装置は、図20に示すように、基板10の上に、不図示のバッファ層、i−GaNにより形成された電子走行層21、AlNにより形成された中間層22、InAlNにより形成された電子供給層23が積層されている。電子供給層23の上には、ソース電極32及びドレイン電極33が形成されており、ゲート電極31が形成される領域の直下における電子供給層23の表面には、電子供給層23を形成している材料を酸化することにより形成された酸化膜150が形成されている。電子供給層23及び酸化膜150の上には、Al等によりゲート絶縁膜となる絶縁膜60が形成されており、酸化膜150が形成されている領域の絶縁膜60の上には、ゲート電極31が形成されている。本実施の形態においては、基板10は、半絶縁性のSiC基板により形成されており、電子走行層21と中間層22との界面近傍における電子走行層21には、2DEG21aが生成される。
[Third Embodiment]
(Semiconductor device)
Next, a semiconductor device according to the third embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 20, the semiconductor device in the present embodiment includes a buffer layer (not shown), an electron transit layer 21 formed of i-GaN, an intermediate layer 22 formed of AlN, and InAlN on a substrate 10. The electron supply layer 23 formed by the above is laminated. A source electrode 32 and a drain electrode 33 are formed on the electron supply layer 23, and the electron supply layer 23 is formed on the surface of the electron supply layer 23 immediately below the region where the gate electrode 31 is formed. An oxide film 150 is formed by oxidizing the existing material. An insulating film 60 serving as a gate insulating film is formed of Al 2 O 3 or the like on the electron supply layer 23 and the oxide film 150, and on the insulating film 60 in a region where the oxide film 150 is formed. A gate electrode 31 is formed. In the present embodiment, the substrate 10 is formed of a semi-insulating SiC substrate, and 2DEG 21 a is generated in the electron transit layer 21 in the vicinity of the interface between the electron transit layer 21 and the intermediate layer 22.

本実施の形態における半導体装置においては、酸化膜150は電子供給層23を酸化することにより形成されているが、ゲート電極31の直下のみならず、ゲート電極31の直下からゲート電極31とドレイン電極33の途中までの領域にも形成されている。このような酸化膜150を形成することにより、より一層、半導体装置を高出力化させることが可能となる。   In the semiconductor device in the present embodiment, the oxide film 150 is formed by oxidizing the electron supply layer 23, but the gate electrode 31 and the drain electrode are not only directly under the gate electrode 31 but also directly under the gate electrode 31. It is also formed in the region up to the middle of 33. By forming such an oxide film 150, it becomes possible to further increase the output of the semiconductor device.

ところで、酸化膜150は電子供給層23を酸化することにより形成されているため、酸化膜150が形成されている領域は、酸化膜150が形成されていない領域と比べて、電子供給層23の厚さが薄くなっている。電子供給層23の厚さが薄くなると、その領域の直下における2DEG21aが減少する。本実施の形態における半導体装置のように、電子走行層21をi−GaNにより形成し、電子供給層23をInAlNにより形成した場合、電子走行層21と中間層22との界面近傍における電子走行層21には、高濃度の2DEG21aが生じる。電子走行層21における2DEG21aが高濃度である場合には、ドレイン電流を増加させることができる反面、ゲート耐圧やオフ耐圧が低下してしまう。   By the way, since the oxide film 150 is formed by oxidizing the electron supply layer 23, the region where the oxide film 150 is formed is larger than the region where the oxide film 150 is not formed in the electron supply layer 23. The thickness is thin. As the thickness of the electron supply layer 23 decreases, the 2DEG 21a immediately below that region decreases. When the electron transit layer 21 is formed of i-GaN and the electron supply layer 23 is formed of InAlN as in the semiconductor device in the present embodiment, the electron transit layer in the vicinity of the interface between the electron transit layer 21 and the intermediate layer 22 is formed. 21 has a high concentration of 2DEG 21a. When the 2DEG 21a in the electron transit layer 21 has a high concentration, the drain current can be increased, but the gate breakdown voltage and the off breakdown voltage are reduced.

よって、本実施の形態においては、ゲート電極31の直下からゲート電極31とドレイン電極33の途中までの領域に酸化膜150を形成することにより、酸化膜150が形成された領域における電子供給層23の厚さを薄くしている。これにより、ゲート電極31の直下からゲート電極31とドレイン電極33の途中までの領域において、発生する2DEG21aの密度を低くしている。このようにゲート電極31からゲート電極31とドレイン電極33の途中までの領域の直下における2DEG21aの密度を低くすることにより、ゲート耐圧やオフ耐圧を向上させ、半導体装置を高出力化させることができる。また、図21に示されるように、空乏層領域151を所望の領域まで拡大させることができ、高周波特性を向上させることができる。   Therefore, in the present embodiment, the oxide film 150 is formed in a region immediately below the gate electrode 31 and halfway between the gate electrode 31 and the drain electrode 33, whereby the electron supply layer 23 in the region where the oxide film 150 is formed. The thickness is reduced. As a result, the density of the generated 2DEG 21 a is lowered in the region from directly under the gate electrode 31 to the middle of the gate electrode 31 and the drain electrode 33. Thus, by reducing the density of the 2DEG 21a immediately below the region from the gate electrode 31 to the middle of the gate electrode 31 and the drain electrode 33, the gate breakdown voltage and the off breakdown voltage can be improved, and the semiconductor device can have high output. . Further, as shown in FIG. 21, the depletion layer region 151 can be expanded to a desired region, and high frequency characteristics can be improved.

図21は、本実施の形態における半導体装置において、ゲート電極31に電圧を印加した場合に生じる空乏層領域151の広がりを二点鎖線により示したものである。図21に示されるように、ゲート電極31とドレイン電極33との間において、空乏層領域151をより2DEG21aが発生している領域まで近づけることができる。   FIG. 21 shows the spread of the depletion layer region 151 generated when a voltage is applied to the gate electrode 31 in the semiconductor device according to the present embodiment by a two-dot chain line. As shown in FIG. 21, between the gate electrode 31 and the drain electrode 33, the depletion layer region 151 can be brought closer to the region where the 2DEG 21a is generated.

尚、本実施の形態では、図20に示されるように、酸化膜150が形成されていない領域の電子供給層23の厚さT1を10nmとし、酸化膜150の厚さが3nmである場合、酸化膜150が形成されている領域の電子供給層23の厚さT2は7nmとなる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 20, when the thickness T1 of the electron supply layer 23 in the region where the oxide film 150 is not formed is 10 nm and the thickness of the oxide film 150 is 3 nm, The thickness T2 of the electron supply layer 23 in the region where the oxide film 150 is formed is 7 nm.

(半導体装置の特性)
次に、本実施の形態における半導体装置の特性について説明する。図22は、本実施の形態における半導体装置において、ゲート電極とドレイン電極との間に電圧を印加した場合に流れるゲートリーク電流を測定した結果である。横軸が印加電圧、縦軸がゲートリーク電流である。本実施の形態における半導体装置においては、図22に示されるように、ゲート電極とドレイン電極との間に16Vまで電圧を印加しても、ゲートリーク電流が流れない。これに対し、図1に示される構造の半導体装置では、図9に示されるように、ゲート電極とドレイン電極との間に電圧を印加すると、ゲートリーク電流が流れてしまう。このように、本実施の形態における半導体装置においては、ゲートリーク電流の発生を抑制することができる。本実施の形態における半導体装置においてゲートリーク電流が低くなるのは、本実施の形態における半導体装置には、ゲート電極31の直下に酸化膜50及び絶縁膜60が形成されているからである。
(Characteristics of semiconductor devices)
Next, characteristics of the semiconductor device in this embodiment will be described. FIG. 22 shows the results of measuring the gate leakage current that flows when a voltage is applied between the gate electrode and the drain electrode in the semiconductor device of this embodiment. The horizontal axis represents the applied voltage, and the vertical axis represents the gate leakage current. In the semiconductor device according to the present embodiment, as shown in FIG. 22, even if a voltage of up to 16 V is applied between the gate electrode and the drain electrode, the gate leakage current does not flow. On the other hand, in the semiconductor device having the structure shown in FIG. 1, when a voltage is applied between the gate electrode and the drain electrode as shown in FIG. 9, a gate leakage current flows. Thus, in the semiconductor device in this embodiment, generation of gate leakage current can be suppressed. The reason why the gate leakage current is lowered in the semiconductor device in the present embodiment is that the oxide film 50 and the insulating film 60 are formed immediately below the gate electrode 31 in the semiconductor device in the present embodiment.

次に、図23に基づき第1の実施の形態における半導体装置と第3の実施の形態における半導体装置の特性について説明する。図23に示されるように、ゲート−ソース間における容量Cgsは、第1の実施の形態における半導体装置と第3の実施の形態における半導体装置は、ともに同じであり、500(fF/mm)である。ドレイン−ソース間における容量Cdsは、第1の実施の形態における半導体装置と第3の実施の形態における半導体装置は、ともに同じであり、150(fF/mm)である。 Next, characteristics of the semiconductor device according to the first embodiment and the semiconductor device according to the third embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 23, the gate-source capacitance C gs is the same between the semiconductor device in the first embodiment and the semiconductor device in the third embodiment, and is 500 (fF / mm). It is. The drain-source capacitance C ds is the same for the semiconductor device in the first embodiment and the semiconductor device in the third embodiment, and is 150 (fF / mm).

一方、ゲート−ドレイン間における容量Cgdは、第1の実施の形態における半導体装置は、130(fF/mm)であるのに対し、第3の実施の形態における半導体装置は、110(fF/mm)である。よって、ゲート−ドレイン間における容量Cgdは、第1の実施の形態における半導体装置よりも、第3の実施の形態における半導体装置の方が低い。
また、最大発信周波数fmaxは、第1の実施の形態における半導体装置は、240(GHz)であるのに対し、第3の実施の形態における半導体装置は、250(GHz)である。よって、最大発信周波数fmaxは、第1の実施の形態における半導体装置よりも、第3の実施の形態における半導体装置の方が高い。従って、本実施の形態における半導体装置においては、周波数特性を向上させることができる。
On the other hand, the gate-drain capacitance C gd is 130 (fF / mm) in the semiconductor device in the first embodiment, whereas 110 (fF / mm) in the semiconductor device in the third embodiment. mm). Therefore, the gate-drain capacitance C gd is lower in the semiconductor device in the third embodiment than in the semiconductor device in the first embodiment.
The maximum transmission frequency f max is 240 (GHz) in the semiconductor device in the first embodiment, whereas it is 250 (GHz) in the semiconductor device in the third embodiment. Therefore, the maximum transmission frequency f max is higher in the semiconductor device in the third embodiment than in the semiconductor device in the first embodiment. Therefore, the frequency characteristics can be improved in the semiconductor device in the present embodiment.

(半導体装置の製造方法)
次に、本実施の形態における半導体装置の製造方法について、図24から図29に基づき説明する。
(Method for manufacturing semiconductor device)
Next, a method for manufacturing a semiconductor device in the present embodiment will be described with reference to FIGS.

最初に、図24(a)に示すように、基板10の上に、MOVPEによるエピタキシャル成長により、不図示のバッファ層、電子走行層21、中間層22、電子供給層23を順次積層して形成する。尚、本実施の形態においては、不図示のバッファ層、電子走行層21、中間層22、電子供給層23を窒化物半導体層と記載する場合がある。電子走行層21は厚さが約3μmのi−GaNにより形成されており、中間層22は厚さが約1nmのi−AlNにより形成されており、電子供給層23は厚さが約10nmのi−In0.17Al0.83Nにより形成されている。これにより、電子走行層21と中間層22との界面近傍における電子走行層21には、2DEG21aが生成される。尚、基板10には、半絶縁性のSiC基板が用いられており、不図示のバッファ層は、GaNやAlGaN等により形成されている。 First, as shown in FIG. 24A, a buffer layer (not shown), an electron transit layer 21, an intermediate layer 22, and an electron supply layer 23 are sequentially stacked on the substrate 10 by MOVPE epitaxial growth. . In the present embodiment, the buffer layer, the electron transit layer 21, the intermediate layer 22, and the electron supply layer 23 (not shown) may be referred to as a nitride semiconductor layer. The electron transit layer 21 is made of i-GaN having a thickness of about 3 μm, the intermediate layer 22 is made of i-AlN having a thickness of about 1 nm, and the electron supply layer 23 has a thickness of about 10 nm. It is formed of i-In 0.17 Al 0.83 N. As a result, 2DEG 21 a is generated in the electron transit layer 21 in the vicinity of the interface between the electron transit layer 21 and the intermediate layer 22. The substrate 10 is a semi-insulating SiC substrate, and a buffer layer (not shown) is formed of GaN, AlGaN, or the like.

次に、図24(b)に示すように、基板10の上に形成された窒化物半導体層に素子分離領域61を形成する。具体的には、電子供給層23の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、素子分離領域61が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、Ar等のイオンをレジストパターンの開口部における窒化物半導体層にイオン注入することにより、素子分離領域61を形成する。尚、素子分離領域61を形成する際には、基板10の一部までAr等のイオンを注入してもよい。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。   Next, as illustrated in FIG. 24B, the element isolation region 61 is formed in the nitride semiconductor layer formed on the substrate 10. Specifically, by applying a photoresist on the electron supply layer 23 and performing exposure and development with an exposure apparatus, a resist pattern (not shown) having an opening in a region where the element isolation region 61 is formed is formed. Form. After that, ions such as Ar are ion-implanted into the nitride semiconductor layer in the opening of the resist pattern, thereby forming the element isolation region 61. When forming the element isolation region 61, ions such as Ar may be implanted up to a part of the substrate 10. Thereafter, the resist pattern (not shown) is removed with an organic solvent or the like.

次に、図24(c)に示すように、電子供給層23の上に、ソース電極32及びドレイン電極33が形成される領域に開口部71a、71bを有するレジストパターン71を形成した後、開口部71a、71bにおける電子供給層23の表面の一部を除去する。具体的には、電子供給層23の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより。ソース電極32及びドレイン電極33が形成される領域に開口部71a、71bを有するレジストパターン71を形成する。この後、RIE等により、レジストパターン71が形成されていない領域、即ち、レジストパターン71の開口部71a、71bにおいて露出している電子供給層23の表面の一部を除去する。この際行われるRIEにおいては、エッチングガスとして、塩素成分を含むガスが用いられる。   Next, as illustrated in FIG. 24C, a resist pattern 71 having openings 71 a and 71 b in the region where the source electrode 32 and the drain electrode 33 are formed is formed on the electron supply layer 23, Part of the surface of the electron supply layer 23 in the portions 71a and 71b is removed. Specifically, a photoresist is applied on the electron supply layer 23, and exposure and development are performed by an exposure apparatus. A resist pattern 71 having openings 71a and 71b is formed in a region where the source electrode 32 and the drain electrode 33 are formed. Thereafter, the region where the resist pattern 71 is not formed, that is, a part of the surface of the electron supply layer 23 exposed in the openings 71a and 71b of the resist pattern 71 is removed by RIE or the like. In RIE performed at this time, a gas containing a chlorine component is used as an etching gas.

次に、図25(a)に示すように、レジストパターン71を有機溶剤等により除去した後、ソース電極32及びドレイン電極33が形成される領域に開口部72a、72bを有するレジストパターン72を形成する。具体的には、レジストパターン71を有機溶剤等により除去した後、電子供給層23の上に、再度、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行う。これにより、ソース電極32及びドレイン電極33が形成される領域に開口部72a、72bを有するレジストパターン72を形成する。レジストパターン72は、図に示すように、2層のレジスト層を積層することにより形成されていてもよい。   Next, as shown in FIG. 25A, after removing the resist pattern 71 with an organic solvent or the like, a resist pattern 72 having openings 72a and 72b is formed in regions where the source electrode 32 and the drain electrode 33 are formed. To do. Specifically, after removing the resist pattern 71 with an organic solvent or the like, a photoresist is applied again on the electron supply layer 23, and exposure and development are performed by an exposure apparatus. Thus, a resist pattern 72 having openings 72a and 72b is formed in a region where the source electrode 32 and the drain electrode 33 are formed. As shown in the figure, the resist pattern 72 may be formed by laminating two resist layers.

次に、図25(b)に示すように、レジストパターン72が形成されている面に、真空蒸着により、Ti/Alからなる金属多層膜81を成膜する。具体的には、レジストパターン72が形成されている面に、真空蒸着によりTi膜を成膜し、成膜されたTi膜の上にAl膜を成膜する。本実施の形態においては、成膜されるTi膜の膜厚は約20nmであり、Al膜の膜厚は約200nmである。   Next, as shown in FIG. 25B, a metal multilayer film 81 made of Ti / Al is formed on the surface on which the resist pattern 72 is formed by vacuum deposition. Specifically, a Ti film is formed by vacuum deposition on the surface on which the resist pattern 72 is formed, and an Al film is formed on the formed Ti film. In the present embodiment, the Ti film formed is about 20 nm thick, and the Al film is about 200 nm thick.

次に、図25(c)に示すように、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターン72の上に形成されている金属多層膜81をレジストパターン72とともに、リフトオフにより除去する。これにより、レジストパターン72の開口部72a、72bが形成されていた領域において残存している金属多層膜81により、ソース電極32及びドレイン電極33が形成される。この後、550℃の温度で熱処理を行うことにより、電子供給層23とソース電極32及びドレイン電極33との間におけるオーミックコンタクトを確立させる。   Next, as shown in FIG. 25C, the metal multilayer film 81 formed on the resist pattern 72 is removed together with the resist pattern 72 by lift-off by being immersed in an organic solvent or the like. Thereby, the source electrode 32 and the drain electrode 33 are formed by the metal multilayer film 81 remaining in the region where the openings 72a and 72b of the resist pattern 72 were formed. Thereafter, an ohmic contact is established between the electron supply layer 23 and the source electrode 32 and the drain electrode 33 by performing a heat treatment at a temperature of 550 ° C.

次に、図26(a)に示すように、電子供給層23、ソース電極32及びドレイン電極33の上に、後述するハードマスクを形成するためのハードマスク用絶縁膜173を形成する。具体的には、電子供給層23、ソース電極32及びドレイン電極33の上に、プラズマCVDにより、膜厚が約20nmのSiN膜を成膜することにより、ハードマスク用絶縁膜173を形成する。ハードマスク用絶縁膜173をプラズマCVDにより形成する際には、原料ガスとして、例えば、シラン、アンモニア等が用いられる。成膜されたハードマスク用絶縁膜173の波長633nmにおける屈折率は、2.0であり、ストイキオメトリな膜である。   Next, as shown in FIG. 26A, a hard mask insulating film 173 for forming a hard mask described later is formed on the electron supply layer 23, the source electrode 32, and the drain electrode 33. Specifically, a hard mask insulating film 173 is formed by forming a SiN film having a thickness of about 20 nm on the electron supply layer 23, the source electrode 32, and the drain electrode 33 by plasma CVD. When forming the hard mask insulating film 173 by plasma CVD, for example, silane, ammonia or the like is used as a source gas. The deposited hard mask insulating film 173 has a refractive index of 2.0 at a wavelength of 633 nm, and is a stoichiometric film.

次に、図26(b)に示すように、ハードマスク用絶縁膜173の上に、開口部174aを有するレジストパターン174を形成する。具体的には、ハードマスク用絶縁膜173の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、開口部174aを有するレジストパターン174を形成する。尚、レジストパターン174における開口部174aは、幅が約1.0μmであり、後述する電子供給層23を酸化することにより形成される酸化膜150の大きさと同じ大きさである。本実施の形態においては、酸化膜150は、ゲート電極31の直下よりドレイン電極33側に一部広がるように形成される。   Next, as shown in FIG. 26B, a resist pattern 174 having an opening 174 a is formed on the hard mask insulating film 173. Specifically, a photoresist is applied on the hard mask insulating film 173, and exposure and development are performed by an exposure apparatus, thereby forming a resist pattern 174 having an opening 174a. The opening 174a in the resist pattern 174 has a width of about 1.0 μm and is the same size as the oxide film 150 formed by oxidizing the electron supply layer 23 described later. In the present embodiment, oxide film 150 is formed so as to partially extend from the region directly below gate electrode 31 to the drain electrode 33 side.

次に、図26(c)に示すように、レジストパターン174の開口部174aにおけるハードマスク用絶縁膜173をRIE等により除去することにより開口部173aを形成する。これにより、残存するハードマスク用絶縁膜173により、開口部173aを有するハードマスク173bが形成される。この後、レジストパターン174は有機溶剤等により除去する。   Next, as shown in FIG. 26C, the opening 173a is formed by removing the hard mask insulating film 173 in the opening 174a of the resist pattern 174 by RIE or the like. Thus, a hard mask 173b having an opening 173a is formed by the remaining hard mask insulating film 173. Thereafter, the resist pattern 174 is removed with an organic solvent or the like.

次に、図27(a)に示すように、ハードマスク173bの開口部173aにおいて露出している電子供給層23の表面を水蒸気を用いたHO酸化により酸化することにより酸化膜150を形成する。具体的には、ALD装置を用いて、基板温度を300℃にして、酸化源となる水蒸気(HO)を供給することにより、ハードマスク173bの開口部173aにおける電子供給層23の表面を酸化して、酸化膜150を形成する。このようにして形成される酸化膜150は、膜厚が約1.5nmであり、幅D3が約1.0μmであり、ゲート電極31の直下よりドレイン電極33側に一部広がるように形成される。 Next, as shown in FIG. 27A, an oxide film 150 is formed by oxidizing the surface of the electron supply layer 23 exposed in the opening 173a of the hard mask 173b by H 2 O oxidation using water vapor. To do. Specifically, the surface of the electron supply layer 23 in the opening 173a of the hard mask 173b is formed by supplying water vapor (H 2 O) serving as an oxidation source by setting the substrate temperature to 300 ° C. using an ALD apparatus. Oxidation forms an oxide film 150. The oxide film 150 thus formed has a film thickness of about 1.5 nm, a width D3 of about 1.0 μm, and is formed so as to partially extend from directly below the gate electrode 31 to the drain electrode 33 side. The

次に、図27(b)に示すように、酸化膜150の上に、レジストパターン175を形成する。具体的には、電子供給層23、酸化膜150、ソース電極32及びドレイン電極33の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、酸化膜150の上に、レジストパターン175を形成する。   Next, as illustrated in FIG. 27B, a resist pattern 175 is formed on the oxide film 150. Specifically, a photoresist is applied on the electron supply layer 23, the oxide film 150, the source electrode 32, and the drain electrode 33, and exposure and development are performed by an exposure apparatus, whereby a resist is formed on the oxide film 150. A pattern 175 is formed.

次に、図27(c)に示すように、レジストパターン175が形成されていない領域におけるハードマスク173bをバッファードフッ酸等を用いて除去する。この後、レジストパターン175は有機溶剤等により除去する。   Next, as shown in FIG. 27C, the hard mask 173b in the region where the resist pattern 175 is not formed is removed using buffered hydrofluoric acid or the like. Thereafter, the resist pattern 175 is removed with an organic solvent or the like.

次に、図28(a)に示すように、電子供給層23、酸化膜150、ソース電極32及びドレイン電極33等の上に、ゲート絶縁膜となる絶縁膜60を形成する。具体的には、電子供給層23、酸化膜150、ソース電極32及びドレイン電極33等の上に、ALDにより、膜厚が約2nmのAl膜を成膜することにより、ゲート絶縁膜となる絶縁膜60を形成する。絶縁膜60をALDにより形成する際には、原料ガスとして、例えば、TMA、HO等が用いられ、基板温度300℃で成膜を行う。 Next, as shown in FIG. 28A, an insulating film 60 to be a gate insulating film is formed on the electron supply layer 23, the oxide film 150, the source electrode 32, the drain electrode 33, and the like. Specifically, an Al 2 O 3 film having a thickness of about 2 nm is formed by ALD on the electron supply layer 23, the oxide film 150, the source electrode 32, the drain electrode 33, and the like, thereby forming a gate insulating film. An insulating film 60 is formed. When the insulating film 60 is formed by ALD, for example, TMA, H 2 O, or the like is used as a source gas, and the film is formed at a substrate temperature of 300 ° C.

次に、図28(b)に示すように、絶縁膜60の上にゲート電極31を形成するためのレジストパターン77を形成する。このレジストパターン77は、積層された3層の電子線レジスト層により形成されており、ゲート電極31が形成される領域に開口部77aを有している。具体的には、絶縁膜60の上に、電子線レジストを塗布等を繰り返し行うことにより3層の電子線レジスト層を形成し、電子線描画装置による描画、現像を繰り返すことにより、3層の電子線レジスト層に開口部77aを形成する。これにより開口部77aを有するレジストパターン77を形成する。レジストパターン77における開口部77aは、3層の電子線レジストの上から順に、幅が0.8μm、1.3μm、0.2μmとなるように形成する。   Next, as shown in FIG. 28B, a resist pattern 77 for forming the gate electrode 31 is formed on the insulating film 60. The resist pattern 77 is formed by three stacked electron beam resist layers, and has an opening 77a in a region where the gate electrode 31 is formed. Specifically, a three-layer electron beam resist layer is formed on the insulating film 60 by repeatedly applying an electron beam resist and the like, and by repeating drawing and development with an electron beam drawing apparatus, the three-layer electron beam resist layer is formed. Openings 77a are formed in the electron beam resist layer. Thereby, a resist pattern 77 having an opening 77a is formed. The opening 77a in the resist pattern 77 is formed so as to have a width of 0.8 μm, 1.3 μm, and 0.2 μm in order from the top of the three-layer electron beam resist.

次に、図28(c)に示すように、レジストパターン77が形成されている面に、真空蒸着により、Ni/Auからなる金属多層膜82を成膜する。具体的には、レジストパターン77が形成されている面に、真空蒸着によりNi膜を成膜し、成膜されたNi膜の上にAu膜を成膜する。本実施の形態においては、成膜されるNi膜の膜厚は約10nmであり、Au膜の膜厚は約300nmである。   Next, as shown in FIG. 28C, a metal multilayer film 82 made of Ni / Au is formed on the surface on which the resist pattern 77 is formed by vacuum deposition. Specifically, a Ni film is formed by vacuum deposition on the surface on which the resist pattern 77 is formed, and an Au film is formed on the formed Ni film. In the present embodiment, the Ni film formed is about 10 nm thick, and the Au film is about 300 nm thick.

次に、図29に示すように、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターン77の上に形成されている金属多層膜82をレジストパターン77とともに、リフトオフにより除去する。これにより、絶縁膜60の上のレジストパターン77の開口部77aが形成されていた領域において、残存している金属多層膜82により、ゲート電極31が形成される。   Next, as shown in FIG. 29, the metal multilayer film 82 formed on the resist pattern 77 is removed together with the resist pattern 77 by lift-off by being immersed in an organic solvent or the like. As a result, the gate electrode 31 is formed by the remaining metal multilayer film 82 in the region where the opening 77 a of the resist pattern 77 is formed on the insulating film 60.

以上の工程により、本実施の形態における半導体装置を製造することができる。   Through the above steps, the semiconductor device in this embodiment can be manufactured.

尚、上記以外の内容については、第1の実施の形態と同様である。   The contents other than the above are the same as in the first embodiment.

〔第4の実施の形態〕
次に、第4の実施の形態について説明する。本実施の形態は、半導体デバイス、電源装置及び高周波増幅器である。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment will be described. The present embodiment is a semiconductor device, a power supply device, and a high-frequency amplifier.

(半導体デバイス)
本実施の形態における半導体デバイスは、第1から第3の実施の形態における半導体装置をディスクリートパッケージしたものであり、このようにディスクリートパッケージされた半導体デバイスについて、図30に基づき説明する。尚、図30は、ディスクリートパッケージされた半導体装置の内部を模式的に示すものであり、電極の配置等については、第1から第3の実施の形態に示されているものとは、異なっている。
(Semiconductor device)
The semiconductor device according to the present embodiment is a discrete package of the semiconductor device according to the first to third embodiments. The semiconductor device thus discretely packaged will be described with reference to FIG. FIG. 30 schematically shows the inside of a discretely packaged semiconductor device. The arrangement of electrodes and the like are different from those shown in the first to third embodiments. Yes.

最初に、第1から第3の実施の形態において製造された半導体装置をダイシング等により切断することにより、GaN系の半導体材料のHEMTの半導体チップ410を形成する。この半導体チップ410をリードフレーム420上に、ハンダ等のダイアタッチ剤430により固定する。尚、この半導体チップ410は、第1から第3の実施の形態における半導体装置に相当するものである。   First, the semiconductor device manufactured in the first to third embodiments is cut by dicing or the like to form a HEMT semiconductor chip 410 made of a GaN-based semiconductor material. The semiconductor chip 410 is fixed on the lead frame 420 with a die attach agent 430 such as solder. The semiconductor chip 410 corresponds to the semiconductor device in the first to third embodiments.

次に、ゲート電極411をゲートリード421にボンディングワイヤ431により接続し、ソース電極412をソースリード422にボンディングワイヤ432により接続し、ドレイン電極413をドレインリード423にボンディングワイヤ433により接続する。尚、ボンディングワイヤ431、432、433は、Al等の金属材料により形成されている。また、本実施の形態においては、ゲート電極411はゲート電極パッドの一種であり第1から第3の実施の形態における半導体装置のゲート電極31と接続されている。また、ソース電極412はソース電極パッドの一種であり、第1から第3の実施の形態における半導体装置のソース電極32と接続されている。また、ドレイン電極413はドレイン電極パッドの一種であり、第1から第3の実施の形態における半導体装置のドレイン電極33と接続されている。   Next, the gate electrode 411 is connected to the gate lead 421 by a bonding wire 431, the source electrode 412 is connected to the source lead 422 by a bonding wire 432, and the drain electrode 413 is connected to the drain lead 423 by a bonding wire 433. The bonding wires 431, 432, and 433 are formed of a metal material such as Al. In the present embodiment, the gate electrode 411 is a kind of gate electrode pad and is connected to the gate electrode 31 of the semiconductor device in the first to third embodiments. The source electrode 412 is a kind of source electrode pad, and is connected to the source electrode 32 of the semiconductor device according to the first to third embodiments. The drain electrode 413 is a kind of drain electrode pad, and is connected to the drain electrode 33 of the semiconductor device according to the first to third embodiments.

次に、トランスファーモールド法によりモールド樹脂440による樹脂封止を行なう。このようにして、GaN系の半導体材料を用いたHEMTのディスクリートパッケージされている半導体デバイスを作製することができる。   Next, resin sealing with a mold resin 440 is performed by a transfer molding method. In this way, a HEMT discrete packaged semiconductor device using a GaN-based semiconductor material can be manufactured.

(PFC回路、電源装置及び高周波増幅器)
次に、本実施の形態におけるPFC回路、電源装置及び高周波増幅器について説明する。本実施の形態におけるPFC回路、電源装置及び高周波増幅器は、第1から第3の実施の形態におけるいずれかの半導体装置を用いた電源装置及び高周波増幅器である。
(PFC circuit, power supply and high frequency amplifier)
Next, a PFC circuit, a power supply device, and a high frequency amplifier in this embodiment will be described. The PFC circuit, the power supply device, and the high frequency amplifier in the present embodiment are a power supply device and a high frequency amplifier that use any one of the semiconductor devices in the first to third embodiments.

(PFC回路)
次に、本実施の形態におけるPFC(Power Factor Correction)回路について説明する。本実施の形態におけるPFC回路は、第1から第3の実施の形態における半導体装置を有するものである。
(PFC circuit)
Next, a PFC (Power Factor Correction) circuit according to the present embodiment will be described. The PFC circuit in the present embodiment has the semiconductor device in the first to third embodiments.

図31に基づき、本実施の形態におけるPFC回路について説明する。本実施の形態におけるPFC回路450は、スイッチ素子(トランジスタ)451と、ダイオード452と、チョークコイル453と、コンデンサ454、455と、ダイオードブリッジ456と、不図示の交流電源とを有している。スイッチ素子451には、第1から第3の実施の形態における半導体装置であるHEMTが用いられている。   Based on FIG. 31, the PFC circuit in the present embodiment will be described. The PFC circuit 450 in this embodiment includes a switch element (transistor) 451, a diode 452, a choke coil 453, capacitors 454 and 455, a diode bridge 456, and an AC power supply (not shown). As the switch element 451, the HEMT which is the semiconductor device in the first to third embodiments is used.

PFC回路450では、スイッチ素子451のドレイン電極とダイオード452のアノード端子及びチョークコイル453の一方の端子とが接続されている。また、スイッチ素子451のソース電極とコンデンサ454の一方の端子及びコンデンサ455の一方の端子とが接続されおり、コンデンサ454の他方の端子とチョークコイル453の他方の端子とが接続されている。コンデンサ455の他方の端子とダイオード452のカソード端子とが接続されており、コンデンサ454の双方の端子間にはダイオードブリッジ456を介して不図示の交流電源が接続されている。このようなPFC回路450においては、コンデンサ455の双方端子間より、直流(DC)が出力される。   In the PFC circuit 450, the drain electrode of the switch element 451, the anode terminal of the diode 452, and one terminal of the choke coil 453 are connected. The source electrode of the switch element 451 is connected to one terminal of the capacitor 454 and one terminal of the capacitor 455, and the other terminal of the capacitor 454 is connected to the other terminal of the choke coil 453. The other terminal of the capacitor 455 and the cathode terminal of the diode 452 are connected, and an AC power supply (not shown) is connected between both terminals of the capacitor 454 via a diode bridge 456. In such a PFC circuit 450, direct current (DC) is output from between both terminals of the capacitor 455.

(電源装置)
次に、本実施の形態における電源装置について説明する。本実施の形態における電源装置は、第1から第3の実施の形態における半導体装置であるHEMTを有する電源装置である。
(Power supply)
Next, the power supply device according to the present embodiment will be described. The power supply device in the present embodiment is a power supply device having a HEMT that is a semiconductor device in the first to third embodiments.

図32に基づき本実施の形態における電源装置について説明する。本実施の形態における電源装置は、前述した本実施の形態におけるPFC回路450を含んだ構造のものである。   The power supply device in the present embodiment will be described based on FIG. The power supply device in the present embodiment has a structure including the PFC circuit 450 in the present embodiment described above.

本実施の形態における電源装置470は、高圧の一次側回路461及び低圧の二次側回路462と、一次側回路461と二次側回路462との間に配設されるトランス463とを有している。   Power supply device 470 in the present embodiment has a high-voltage primary circuit 461 and a low-voltage secondary circuit 462, and a transformer 463 disposed between primary circuit 461 and secondary circuit 462. ing.

一次側回路461は、前述した本実施の形態におけるPFC回路450と、PFC回路450のコンデンサ455の双方の端子間に接続されたインバータ回路、例えばフルブリッジインバータ回路460とを有している。フルブリッジインバータ回路460は、複数(ここでは4つ)のスイッチ素子464a、464b、464c、464dを有している。また、二次側回路462は、複数(ここでは3つ)のスイッチ素子465a、465b、465cを有している。尚、ダイオードブリッジ456には、交流電源457が接続されている。   The primary circuit 461 includes the PFC circuit 450 in the present embodiment described above and an inverter circuit connected between both terminals of the capacitor 455 of the PFC circuit 450, for example, a full bridge inverter circuit 460. The full bridge inverter circuit 460 includes a plurality (here, four) of switch elements 464a, 464b, 464c, and 464d. The secondary side circuit 462 includes a plurality (three in this case) of switch elements 465a, 465b, and 465c. An AC power supply 457 is connected to the diode bridge 456.

本実施の形態においては、一次側回路461におけるPFC回路450のスイッチ素子451において、第1から第3の実施の形態における半導体装置であるHEMTが用いられている。更に、フルブリッジインバータ回路460におけるスイッチ素子464a、464b、464c、464dにおいて、第1から第3の実施の形態における半導体装置であるHEMTが用いられている。一方、二次側回路462のスイッチ素子465a、465b、465cは、シリコンを用いた通常のMIS構造のFET等が用いられている。   In the present embodiment, the HEMT that is the semiconductor device in the first to third embodiments is used in the switch element 451 of the PFC circuit 450 in the primary circuit 461. Furthermore, the HEMT that is the semiconductor device in the first to third embodiments is used in the switch elements 464a, 464b, 464c, and 464d in the full bridge inverter circuit 460. On the other hand, as the switch elements 465a, 465b, and 465c of the secondary side circuit 462, a normal MIS structure FET using silicon or the like is used.

(高周波増幅器)
次に、本実施の形態における高周波増幅器について説明する。本実施の形態における高周波増幅器は、第1から第3の実施の形態における半導体装置であるHEMTが用いられている構造のものである。
(High frequency amplifier)
Next, the high frequency amplifier in the present embodiment will be described. The high-frequency amplifier in the present embodiment has a structure in which the HEMT that is the semiconductor device in the first to third embodiments is used.

図33に基づき、本実施の形態における高周波増幅器について説明する。本実施の形態における高周波増幅器は、ディジタル・プレディストーション回路471、ミキサー472a、472b、パワーアンプ473及び方向性結合器474を備えている。   Based on FIG. 33, the high-frequency amplifier in the present embodiment will be described. The high frequency amplifier in this embodiment includes a digital predistortion circuit 471, mixers 472a and 472b, a power amplifier 473, and a directional coupler 474.

ディジタル・プレディストーション回路471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472a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473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から第3の実施の形態における半導体装置であるHEMTを有している。方向性結合器474は、入力信号や出力信号のモニタリング等を行なう。尚、図33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472b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471に送出することができる。   The digital predistortion circuit 471 compensates for nonlinear distortion of the input signal. The mixer 472a mixes an input signal with compensated nonlinear distortion and an AC signal. The power amplifier 473 amplifies the input signal mixed with the AC signal, and includes the HEMT that is the semiconductor device according to the first to third embodiments. The directional coupler 474 performs monitoring of input signals and output signals. In FIG. 33, for example, by switching the switch, the signal on the output side can be mixed with the AC signal by the mixer 472b and sent to the digital predistortion circuit 471.

以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。   Although the embodiment has been described in detail above, it is not limited to the specific embodiment, and various modifications and changes can be made within the scope described in the claims.

上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1)
基板の上に窒化物半導体により形成された第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上にInAlNを含む材料により形成された第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の表面の一部を酸化することにより形成された酸化膜と、
前記第2の半導体層及び前記酸化膜の上に形成された絶縁膜と、
前記酸化膜が形成されている領域において前記絶縁膜の上に形成されたゲート電極と、
前記第1の半導体層または前記第2の半導体層の上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
を有することを特徴とする半導体装置。
(付記2)
前記酸化膜は、前記第2の半導体層の表面の一部を水蒸気を用いて酸化することにより形成されたものであることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(付記3)
前記酸化膜は、前記ゲート電極の直下及び前記ゲート電極より前記ドレイン電極までの間の一部の領域に形成されていることを特徴とする付記1または2に記載の半導体装置。
(付記4)
前記酸化膜は、XPSによる分析において、Al−Oが、In−Oよりも多く存在していることを特徴とする付記1から3のいずれかに記載の半導体装置。
(付記5)
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層との間には、窒化物半導体により形成された第3の半導体層が設けられていることを特徴とする付記1から4のいずれかに記載の半導体装置。
(付記6)
前記第3の半導体層は、AlNを含む材料により形成されていることを特徴とする付記1から5のいずれかに記載の半導体装置。
(付記7)
前記第1の半導体層は、GaNを含む材料により形成されていることを特徴とする付記1から6のいずれかに記載の半導体装置。
(付記8)
前記酸化膜の厚さは、1nm以上、5nm以下であることを特徴とする付記1から7のいずれかに記載の半導体装置。
(付記9)
前記絶縁膜は、Alを含む酸化物、窒化物、酸窒化物のうちのいずれかであることを特徴とする付記1から8のいずれかに記載の半導体装置。
(付記10)
基板の上に、窒化物半導体により第1の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層の上に、InAlNを含む材料により第2の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層または前記第2の半導体層の上に、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
前記第2の半導体層の表面の一部を水蒸気により酸化し、酸化膜を形成する工程と、
前記第2の半導体層及び前記酸化膜の上に絶縁膜を形成する工程と、
前記酸化膜が形成されている領域において前記絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記11)
前記酸化膜を形成する工程は、前記基板の温度が150℃以上、550℃以下において行われることを特徴とする付記10に記載の半導体装置の製造方法。
(付記12)
前記第1の半導体層を形成する工程と前記第2の半導体層を形成する工程の間に、前記第1の半導体層の上に第3の半導体層を形成する工程を有し、
前記第2の半導体層を形成する工程において、前記第2の半導体層は、前記第3の半導体層の上に形成されることを特徴とする付記10または11に記載の半導体装置の製造方法。
(付記13)
前記酸化膜を形成する工程は、
前記第2の半導体層の上に、酸化膜が形成される領域に開口部を有するハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクを形成する工程の後、前記ハードマスクの開口部において露出している前記第2の半導体層の表面の一部を水蒸気により酸化し、酸化膜を形成する工程と、
有し、
前記ハードマスクは、SiNを含む材料により形成されていることを特徴とする付記10から12のうちのいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記14)
前記ハードマスクを形成する工程は、前記ソース電極及びドレイン電極を形成する工程の後に行われるものであって、
前記ハードマスクは、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の上にも形成されていることを特徴とする付記13に記載の半導体装置の製造方法。
(付記15)
前記酸化膜を形成する工程の後、前記ハードマスクをエッチングにより除去する工程を有することを特徴とする付記13または14に記載の半導体装置の製造方法。
(付記16)
前記ハードマスクを形成する工程は、
前記ハードマスク用絶縁膜を形成する工程と、
前記ハードマスク用絶縁膜の上に、前記ハードマスクの開口部となる領域に開口部を有するレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンの開口部において露出している前記ハードマスク用絶縁膜をエッチングにより除去する工程と、
前記レジストパターンを除去する工程と、
を含むものであることを特徴とする付記13から15のうちのいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記17)
前記水蒸気による酸化は、水蒸気によるHO酸化であることを特徴とする付記10から16のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記18)
前記絶縁膜は、Alを含む酸化物、窒化物、酸窒化物のうちのいずれかであることを特徴とする付記10から17のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記19)
付記1から9のいずれかに記載の半導体装置を有することを特徴とする電源装置。
(付記20)
付記1から9のいずれかに記載の半導体装置を有することを特徴とする増幅器。
In addition to the above description, the following additional notes are disclosed.
(Appendix 1)
A first semiconductor layer formed of a nitride semiconductor on a substrate;
A second semiconductor layer formed of a material containing InAlN on the first semiconductor layer;
An oxide film formed by oxidizing a part of the surface of the second semiconductor layer;
An insulating film formed on the second semiconductor layer and the oxide film;
A gate electrode formed on the insulating film in a region where the oxide film is formed;
A source electrode and a drain electrode formed on the first semiconductor layer or the second semiconductor layer;
A semiconductor device comprising:
(Appendix 2)
The semiconductor device according to appendix 1, wherein the oxide film is formed by oxidizing a part of the surface of the second semiconductor layer with water vapor.
(Appendix 3)
The semiconductor device according to appendix 1 or 2, wherein the oxide film is formed immediately below the gate electrode and in a partial region between the gate electrode and the drain electrode.
(Appendix 4)
4. The semiconductor device according to any one of appendices 1 to 3, wherein the oxide film contains more Al-O than In-O in the analysis by XPS.
(Appendix 5)
The supplementary note 1 to 4, wherein a third semiconductor layer formed of a nitride semiconductor is provided between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. Semiconductor device.
(Appendix 6)
The semiconductor device according to any one of appendices 1 to 5, wherein the third semiconductor layer is formed of a material containing AlN.
(Appendix 7)
The semiconductor device according to any one of appendices 1 to 6, wherein the first semiconductor layer is made of a material containing GaN.
(Appendix 8)
8. The semiconductor device according to any one of appendices 1 to 7, wherein the oxide film has a thickness of 1 nm or more and 5 nm or less.
(Appendix 9)
9. The semiconductor device according to any one of appendices 1 to 8, wherein the insulating film is any one of an oxide, a nitride, and an oxynitride containing Al.
(Appendix 10)
Forming a first semiconductor layer from a nitride semiconductor on a substrate;
Forming a second semiconductor layer on the first semiconductor layer from a material containing InAlN;
Forming a source electrode and a drain electrode on the first semiconductor layer or the second semiconductor layer;
Oxidizing a part of the surface of the second semiconductor layer with water vapor to form an oxide film;
Forming an insulating film on the second semiconductor layer and the oxide film;
Forming a gate electrode on the insulating film in a region where the oxide film is formed;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
(Appendix 11)
The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 10, wherein the step of forming the oxide film is performed at a temperature of the substrate of 150 ° C. or higher and 550 ° C. or lower.
(Appendix 12)
A step of forming a third semiconductor layer on the first semiconductor layer between the step of forming the first semiconductor layer and the step of forming the second semiconductor layer;
12. The method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 10 or 11, wherein, in the step of forming the second semiconductor layer, the second semiconductor layer is formed on the third semiconductor layer.
(Appendix 13)
The step of forming the oxide film includes
Forming a hard mask having an opening in a region where an oxide film is formed on the second semiconductor layer;
After the step of forming the hard mask, a step of oxidizing part of the surface of the second semiconductor layer exposed at the opening of the hard mask with water vapor to form an oxide film;
Have
13. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 10 to 12, wherein the hard mask is formed of a material containing SiN.
(Appendix 14)
The step of forming the hard mask is performed after the step of forming the source electrode and the drain electrode,
14. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 13, wherein the hard mask is also formed on the source electrode and the drain electrode.
(Appendix 15)
15. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 13 or 14, further comprising a step of removing the hard mask by etching after the step of forming the oxide film.
(Appendix 16)
The step of forming the hard mask includes
Forming the hard mask insulating film;
Forming a resist pattern having an opening in a region to be an opening of the hard mask on the hard mask insulating film;
Removing the hard mask insulating film exposed in the opening of the resist pattern by etching;
Removing the resist pattern;
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 13 to 15, wherein the method includes:
(Appendix 17)
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 10 to 16, wherein the oxidation with water vapor is H 2 O oxidation with water vapor.
(Appendix 18)
18. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 10 to 17, wherein the insulating film is any one of an oxide, a nitride, and an oxynitride containing Al.
(Appendix 19)
A power supply device comprising the semiconductor device according to any one of appendices 1 to 9.
(Appendix 20)
An amplifier comprising the semiconductor device according to any one of appendices 1 to 9.

10 基板
21 電子走行層(第1の半導体層)
21a 2DEG
22 中間層(第3の半導体層)
23 電子供給層(第2の半導体層)
31 ゲート電極
32 ソース電極
33 ドレイン電極
40 保護膜
50 酸化膜
10 Substrate 21 Electron travel layer (first semiconductor layer)
21a 2DEG
22 Intermediate layer (third semiconductor layer)
23 Electron supply layer (second semiconductor layer)
31 Gate electrode 32 Source electrode 33 Drain electrode 40 Protective film 50 Oxide film

Claims (10)

基板の上に窒化物半導体により形成された第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上にInAlNを含む材料により形成された第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の表面の一部を酸化することにより形成された酸化膜と、
前記第2の半導体層及び前記酸化膜の上に形成された絶縁膜と、
前記酸化膜が形成されている領域において前記絶縁膜の上に形成されたゲート電極と、
前記第1の半導体層または前記第2の半導体層の上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
を有することを特徴とする半導体装置。
A first semiconductor layer formed of a nitride semiconductor on a substrate;
A second semiconductor layer formed of a material containing InAlN on the first semiconductor layer;
An oxide film formed by oxidizing a part of the surface of the second semiconductor layer;
An insulating film formed on the second semiconductor layer and the oxide film;
A gate electrode formed on the insulating film in a region where the oxide film is formed;
A source electrode and a drain electrode formed on the first semiconductor layer or the second semiconductor layer;
A semiconductor device comprising:
前記酸化膜は、前記第2の半導体層の表面の一部を水蒸気を用いて酸化することにより形成されたものであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the oxide film is formed by oxidizing a part of the surface of the second semiconductor layer with water vapor. 前記酸化膜は、前記ゲート電極の直下及び前記ゲート電極より前記ドレイン電極までの間の一部の領域に形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。   3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the oxide film is formed immediately below the gate electrode and in a partial region between the gate electrode and the drain electrode. 前記酸化膜は、XPSによる分析において、Al−Oが、In−Oよりも多く存在していることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の半導体装置。   4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the oxide film contains more Al-O than In-O in the analysis by XPS. 前記第1の半導体層と前記第2の半導体層との間には、窒化物半導体により形成された第3の半導体層が設けられていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 1, wherein a third semiconductor layer formed of a nitride semiconductor is provided between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. The semiconductor device described. 前記絶縁膜は、Alを含む酸化物、窒化物、酸窒化物のうちのいずれかであることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating film is any one of an oxide, a nitride, and an oxynitride containing Al. 基板の上に、窒化物半導体により第1の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層の上に、InAlNを含む材料により第2の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層または前記第2の半導体層の上に、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
前記第2の半導体層の表面の一部を水蒸気により酸化し、酸化膜を形成する工程と、
前記第2の半導体層及び前記酸化膜の上に絶縁膜を形成する工程と、
前記酸化膜が形成されている領域において前記絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a first semiconductor layer from a nitride semiconductor on a substrate;
Forming a second semiconductor layer on the first semiconductor layer from a material containing InAlN;
Forming a source electrode and a drain electrode on the first semiconductor layer or the second semiconductor layer;
Oxidizing a part of the surface of the second semiconductor layer with water vapor to form an oxide film;
Forming an insulating film on the second semiconductor layer and the oxide film;
Forming a gate electrode on the insulating film in a region where the oxide film is formed;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記酸化膜を形成する工程は、前記基板の温度が150℃以上、550℃以下において行われることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the step of forming the oxide film is performed at a temperature of the substrate of 150 ° C. or higher and 550 ° C. or lower. 前記第1の半導体層を形成する工程と前記第2の半導体層を形成する工程の間に、前記第1の半導体層の上に第3の半導体層を形成する工程を有し、
前記第2の半導体層を形成する工程において、前記第2の半導体層は、前記第3の半導体層の上に形成されることを特徴とする請求項7または8に記載の半導体装置の製造方法。
A step of forming a third semiconductor layer on the first semiconductor layer between the step of forming the first semiconductor layer and the step of forming the second semiconductor layer;
9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein in the step of forming the second semiconductor layer, the second semiconductor layer is formed on the third semiconductor layer. .
前記絶縁膜は、Alを含む酸化物、窒化物、酸窒化物のうちのいずれかであることを特徴とする請求項7から9のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the insulating film is any one of an oxide, a nitride, and an oxynitride containing Al.
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