JP2016213389A - Nitride semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書で開示する技術は、窒化物半導体装置及びその製造方法に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a nitride semiconductor device and a method for manufacturing the same.
ヘテロ接合を有する窒化物半導体積層体を備える窒化物半導体装置が開発されている。この窒化物半導体装置は、ヘテロ接合面近傍に形成される2次元電子ガス層をチャネルとして利用する。この窒化物半導体装置では、ドレイン電極とソース電極の間にゲート電極が設けられており、そのゲート電極の電位に応じてドレイン電極とソース電極の間を流れる電流量が制御される。 A nitride semiconductor device including a nitride semiconductor multilayer body having a heterojunction has been developed. This nitride semiconductor device uses a two-dimensional electron gas layer formed near the heterojunction surface as a channel. In this nitride semiconductor device, a gate electrode is provided between the drain electrode and the source electrode, and the amount of current flowing between the drain electrode and the source electrode is controlled in accordance with the potential of the gate electrode.
非特許文献1及び非特許文献2に開示されるように、この種の窒化物半導体装置では、ゲート電極と窒化物半導体積層体の間にp型窒化物半導体層を介在させる技術が開発されている。p型窒化物半導体層が設けられていると、ゲート電極が接地されたときに、p型窒化物半導体層から伸びる空乏層が、p型窒化物半導体層の下方の2次元電子ガス層の電子を枯渇させることができる。一方、ゲート電極に正電位が印加されると、空乏層が縮小し、p型窒化物半導体層の下方に2次元電子ガス層が形成され、ドレイン電極とソース電極が2次元電子ガス層を介して導通する。このように、p型窒化物半導体層が設けられている窒化物半導体装置は、ノーマリオフで動作することができる。 As disclosed in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, in this type of nitride semiconductor device, a technique for interposing a p-type nitride semiconductor layer between a gate electrode and a nitride semiconductor stacked body has been developed. Yes. When the p-type nitride semiconductor layer is provided, when the gate electrode is grounded, the depletion layer extending from the p-type nitride semiconductor layer becomes an electron in the two-dimensional electron gas layer below the p-type nitride semiconductor layer. Can be depleted. On the other hand, when a positive potential is applied to the gate electrode, the depletion layer shrinks, a two-dimensional electron gas layer is formed below the p-type nitride semiconductor layer, and the drain electrode and the source electrode pass through the two-dimensional electron gas layer. And conduct. Thus, the nitride semiconductor device provided with the p-type nitride semiconductor layer can operate normally off.
また、この種の窒化物半導体装置では、オン状態のドレイン電流がスイッチング中に減少する電流コラプス現象の発生が問題となっている。電流コラプス現象は、窒化物半導体積層体の表面準位又は窒化物半導体積層体とパッシベーション膜の間の界面準位に電荷が蓄積することが1つの原因だと考えられている。特許文献1は、電流コラプス現象を抑えるために、窒化物半導体積層体上にi型又はn型の窒化物半導体の表面層を形成する技術を開示する。表面層が窒化物半導体積層体上に設けられていることにより、窒化物半導体積層体の表面準位又は界面準位が減少し、電荷の蓄積が抑えられ、電流コラプス現象が抑えられる。 Further, in this type of nitride semiconductor device, the occurrence of a current collapse phenomenon in which the on-state drain current decreases during switching is a problem. The current collapse phenomenon is considered to be caused by the accumulation of electric charges at the surface level of the nitride semiconductor multilayer body or at the interface level between the nitride semiconductor multilayer body and the passivation film. Patent Document 1 discloses a technique for forming a surface layer of an i-type or n-type nitride semiconductor on a nitride semiconductor multilayer body in order to suppress a current collapse phenomenon. Since the surface layer is provided on the nitride semiconductor multilayer body, the surface state or interface state of the nitride semiconductor multilayer body is reduced, charge accumulation is suppressed, and current collapse phenomenon is suppressed.
窒化物半導体積層体上に形成される表面層の膜厚は、ゲートリーク電流の電流経路となるのを回避するために、薄くする必要がある。このため、特許文献1の窒化物半導体装置の製造方法は、窒化物半導体積層体上にp型窒化物半導体層を成膜する工程、ゲート形成領域以外のp型窒化物半導体層上にチタン層を成膜する工程、熱処理によってp型窒化物半導体層とチタン層を反応させて窒化チタンを形成する工程、窒化チタンをウェットエッチングにより除去する工程を備える。この製造方法では、チタン層とp型窒化物半導体層を反応させて窒化チタンを形成するときの熱処理時間を調整することで、ゲート形成領域以外の領域に未反応のp型窒化物半導体層を残存させる。また、この未反応のp型窒化物半導体層は、窒化チタンが形成されるときに窒素が吸い上げられることによってi型又はn型になる。これらの工程により、ゲート形成領域には膜厚が厚いp型窒化物半導体層が形成され、ゲート形成領域以外の領域には膜厚が薄い表面層が形成される。 The film thickness of the surface layer formed on the nitride semiconductor stacked body needs to be thin in order to avoid a current path for gate leakage current. For this reason, the method for manufacturing a nitride semiconductor device disclosed in Patent Document 1 includes a step of forming a p-type nitride semiconductor layer on a nitride semiconductor stack, and a titanium layer on the p-type nitride semiconductor layer other than the gate formation region. A step of reacting the p-type nitride semiconductor layer and the titanium layer by heat treatment to form titanium nitride, and a step of removing the titanium nitride by wet etching. In this manufacturing method, an unreacted p-type nitride semiconductor layer is formed in a region other than the gate formation region by adjusting the heat treatment time when the titanium layer and the p-type nitride semiconductor layer are reacted to form titanium nitride. Remain. The unreacted p-type nitride semiconductor layer becomes i-type or n-type by sucking up nitrogen when titanium nitride is formed. Through these steps, a thick p-type nitride semiconductor layer is formed in the gate formation region, and a thin surface layer is formed in regions other than the gate formation region.
しかしながら、熱処理時間の調整によって膜厚の薄い表面層を高精度に形成することは難しい。本明細書は、電流コラプス現象が抑えられた窒化物半導体装置及びその製造方法を提供する。 However, it is difficult to form a thin surface layer with high accuracy by adjusting the heat treatment time. The present specification provides a nitride semiconductor device in which a current collapse phenomenon is suppressed and a method for manufacturing the nitride semiconductor device.
本明細書で開示する窒化物半導体装置の製造方法は、ヘテロ接合を有する窒化物半導体積層体上にi型又はn型の窒化物半導体の表面層を成膜する工程、表面層上にエッチングストッパ層を成膜する工程、エッチングストッパ層上にp型窒化物半導体層を成膜する工程、p型窒化物半導体層の一部をエッチングしてエッチングストッパ層を露出させる工程、p型窒化物半導体層上にゲート電極を形成する工程、及び、窒化物半導体積層体上であってp型窒化物半導体層を間に置いて対向する位置の一方にドレイン電極を形成し、他方にソース電極を形成する工程を備える。 A method for manufacturing a nitride semiconductor device disclosed in the present specification includes a step of forming a surface layer of an i-type or n-type nitride semiconductor on a nitride semiconductor stacked body having a heterojunction, and an etching stopper on the surface layer. Forming a layer, forming a p-type nitride semiconductor layer on the etching stopper layer, etching a part of the p-type nitride semiconductor layer to expose the etching stopper layer, p-type nitride semiconductor Forming a gate electrode on the layer, and forming a drain electrode on one side of the nitride semiconductor laminate facing the p-type nitride semiconductor layer and forming a source electrode on the other side The process of carrying out is provided.
上記製造方法によれば、表面層とp型窒化物半導体層の間にエッチングストッパ層が介在しているので、表面層を残しながらp型窒化物半導体層を除去することができる。したがって、上記製造方法によれば、窒化物半導体積層体と表面層の界面準位が少なく、電流コラプス現象が抑えられた窒化物半導体装置を製造することができる。 According to the above manufacturing method, since the etching stopper layer is interposed between the surface layer and the p-type nitride semiconductor layer, the p-type nitride semiconductor layer can be removed while leaving the surface layer. Therefore, according to the above manufacturing method, a nitride semiconductor device in which the interface state between the nitride semiconductor multilayer body and the surface layer is small and the current collapse phenomenon is suppressed can be manufactured.
本明細書で開示する窒化物半導体装置は、ヘテロ接合を有する窒化物半導体積層体、i型又は窒化物半導体の表面層、ドレイン電極、ソース電極、p型窒化物半導体層、ゲート電極及びエッチングストッパ層を備える。表面層は、窒化物半導体層上に設けられている。ドレイン電極は、窒化物半導体積層体上に設けられている。ソース電極は、窒化物半導体積層体上に設けられており、ドレイン電極から離れて配置されている。p型窒化物半導体層は、窒化物半導体積層体上に設けられており、ドレイン電極とソース電極の間であってドレイン電極とソース電極の双方から離れて配置されている。ゲート電極は、p型窒化物半導体層上に設けられている。エッチングストッパ層は、表面層とp型窒化物半導体層の間に設けられている。 The nitride semiconductor device disclosed in this specification includes a nitride semiconductor stacked body having a heterojunction, a surface layer of an i-type or nitride semiconductor, a drain electrode, a source electrode, a p-type nitride semiconductor layer, a gate electrode, and an etching stopper. With layers. The surface layer is provided on the nitride semiconductor layer. The drain electrode is provided on the nitride semiconductor multilayer body. The source electrode is provided on the nitride semiconductor stacked body and is arranged away from the drain electrode. The p-type nitride semiconductor layer is provided on the nitride semiconductor stacked body, and is disposed between the drain electrode and the source electrode and away from both the drain electrode and the source electrode. The gate electrode is provided on the p-type nitride semiconductor layer. The etching stopper layer is provided between the surface layer and the p-type nitride semiconductor layer.
以下、本明細書で開示する技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有する。 The features of the technology disclosed in this specification will be summarized below. The items described below have technical usefulness independently.
本明細書で開示する窒化物半導体装置の製造方法は、ヘテロ接合を有する窒化物半導体積層体上にi型又はn型の窒化物半導体の表面層を成膜する工程、表面層上にエッチングストッパ層を成膜する工程、エッチングストッパ層上にp型窒化物半導体層を成膜する工程、p型窒化物半導体層の一部をエッチングしてエッチングストッパ層を露出させる工程、p型窒化物半導体層上にゲート電極を形成する工程、及び、窒化物半導体積層体上であってp型窒化物半導体層を間に置いて対向する位置の一方にドレイン電極を形成し、他方にソース電極を形成する工程を備えていてもよい。ゲート電極を形成する工程は、ドレイン電極及びソース電極を形成する工程に対して、先に実施されてもよいし、後に実施されてもよい。ドレイン電極とソース電極は、同時に形成されてもよいし、別工程で形成されてもよい。ドレイン電極とソース電極は、窒化物半導体積層体の上面に接するように形成されてもよく、表面層を介して窒化物半導体積層体上に形成されてもよい。本明細書で開示する窒化物半導体装置の製造方法はさらに、露出するエッチングストッパ層の少なくとも上層部をウェットエッチングにより除去する工程を備えていてもよい。エッチングストッパ層をウェットエッチングで除去する場合、表面層に加わる加工ダメージが抑えられる。 A method for manufacturing a nitride semiconductor device disclosed in the present specification includes a step of forming a surface layer of an i-type or n-type nitride semiconductor on a nitride semiconductor stacked body having a heterojunction, and an etching stopper on the surface layer. Forming a layer, forming a p-type nitride semiconductor layer on the etching stopper layer, etching a part of the p-type nitride semiconductor layer to expose the etching stopper layer, p-type nitride semiconductor Forming a gate electrode on the layer, and forming a drain electrode on one side of the nitride semiconductor laminate facing the p-type nitride semiconductor layer and forming a source electrode on the other side The process to perform may be provided. The step of forming the gate electrode may be performed before or after the step of forming the drain electrode and the source electrode. The drain electrode and the source electrode may be formed at the same time or may be formed in separate steps. The drain electrode and the source electrode may be formed so as to be in contact with the upper surface of the nitride semiconductor multilayer body, or may be formed on the nitride semiconductor multilayer body via a surface layer. The method for manufacturing a nitride semiconductor device disclosed in the present specification may further include a step of removing at least an upper layer portion of the exposed etching stopper layer by wet etching. When the etching stopper layer is removed by wet etching, processing damage applied to the surface layer can be suppressed.
本明細書で開示する窒化物半導体装置は、ヘテロ接合を有する窒化物半導体積層体、i型又は窒化物半導体の表面層、ドレイン電極、ソース電極、p型窒化物半導体層、ゲート電極及びエッチングストッパ層を備えていてもよい。表面層は、窒化物半導体層上に設けられている。ドレイン電極は、窒化物半導体積層体上に設けられている。ソース電極は、窒化物半導体積層体上に設けられており、ドレイン電極から離れて配置されている。ドレイン電極とソース電極は、窒化物半導体積層体の上面に接するように形成されてもよく、表面層を介して窒化物半導体積層体上に形成されてもよい。p型窒化物半導体層は、表面層上に設けられており、ドレイン電極とソース電極の間であってドレイン電極とソース電極の双方から離れて配置されている。ゲート電極は、p型窒化物半導体層上に設けられている。エッチングストッパ層は、表面層とp型窒化物半導体層の間に設けられている。 The nitride semiconductor device disclosed in this specification includes a nitride semiconductor stacked body having a heterojunction, a surface layer of an i-type or nitride semiconductor, a drain electrode, a source electrode, a p-type nitride semiconductor layer, a gate electrode, and an etching stopper. A layer may be provided. The surface layer is provided on the nitride semiconductor layer. The drain electrode is provided on the nitride semiconductor multilayer body. The source electrode is provided on the nitride semiconductor stacked body and is arranged away from the drain electrode. The drain electrode and the source electrode may be formed so as to be in contact with the upper surface of the nitride semiconductor multilayer body, or may be formed on the nitride semiconductor multilayer body via a surface layer. The p-type nitride semiconductor layer is provided on the surface layer, and is disposed between the drain electrode and the source electrode and away from both the drain electrode and the source electrode. The gate electrode is provided on the p-type nitride semiconductor layer. The etching stopper layer is provided between the surface layer and the p-type nitride semiconductor layer.
本明細書で開示する窒化物半導体装置及びその製造方法において、エッチングストッパ層は、表面層及びp型窒化物半導体層のいずれの組成とも異なる組成の窒化物半導体であってもよい。この場合、p型窒化物半導体層をエッチングするときに、p型窒化物半導体層を選択的に除去することができる。さらに、エッチングストッパ層をウェットエッチングするときに、エッチングストッパ層を選択的に除去し、加工ダメージの少ない表面層を残存させることができる。 In the nitride semiconductor device and the manufacturing method thereof disclosed in this specification, the etching stopper layer may be a nitride semiconductor having a composition different from any of the composition of the surface layer and the p-type nitride semiconductor layer. In this case, the p-type nitride semiconductor layer can be selectively removed when the p-type nitride semiconductor layer is etched. Furthermore, when the etching stopper layer is wet-etched, the etching stopper layer can be selectively removed to leave a surface layer with less processing damage.
例えばエッチングストッパ層は、InAlN又はAlNであってもよい。この材料のエッチングストッパ層は、水酸化アンモニウム水溶液(NH4OH)又は水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液(TMAH)等のアルカリ水溶液を用いてエッチング可能である。 For example, the etching stopper layer may be InAlN or AlN. The etching stopper layer of this material can be etched using an alkaline aqueous solution such as an aqueous ammonium hydroxide solution (NH 4 OH) or an aqueous tetramethylammonium hydroxide solution (TMAH).
本明細書で開示する窒化物半導体装置及びその製造方法において、窒化物半導体積層体は、電子走行層及びバリア層を有していてもよい。電子走行層の半導体材料は、InXaAlYaGa1−Xa−YaN(0≦Xa≦1、0≦Ya≦1、0≦Xa+Ya≦1)であり、バリア層の半導体材料は、InXbAlYbGa1−Xb−YbN(0≦Xb≦1、0≦Yb≦1、0≦Xb+Yb≦1)であり、InXbAlYbGa1−Xb−YbNのバンドギャップがInXaAlYaGa1−Xa−YaNのバンドギャップよりも大きいのが望ましい。p型窒化物半導体層の半導体材料は、InXcAlYcGa1−Xc−YcN(0≦Xc≦1、0≦Yc≦1、0≦Xc+Yc≦1)である。p型窒化物半導体層の組成は、バリア層の組成と同一でもよい。表面層の半導体材料は、InXdAlYdGa1−Xd−YdN(0≦Xd≦1、0≦Yd≦1、0≦Xd+Yd≦1)である。 In the nitride semiconductor device and the manufacturing method thereof disclosed in this specification, the nitride semiconductor multilayer body may have an electron transit layer and a barrier layer. Semiconductor material of the electron transit layer, In Xa Al Ya Ga 1- Xa-Ya N (0 ≦ Xa ≦ 1,0 ≦ Ya ≦ 1,0 ≦ Xa + Ya ≦ 1) a and the semiconductor material of the barrier layer, an In Xb Al Yb Ga 1-Xb—Yb N (0 ≦ Xb ≦ 1, 0 ≦ Yb ≦ 1, 0 ≦ Xb + Yb ≦ 1), and the band gap of In Xb Al Yb Ga 1-Xb—Yb N is In Xa Al Ya It is desirable that it is larger than the band gap of Ga 1 -Xa-Yan . the semiconductor material of p-type nitride semiconductor layer is an In Xc Al Yc Ga 1-Xc -Yc N (0 ≦ Xc ≦ 1,0 ≦ Yc ≦ 1,0 ≦ Xc + Yc ≦ 1). The composition of the p-type nitride semiconductor layer may be the same as the composition of the barrier layer. The semiconductor material of the surface layer is In Xd Al Yd Ga 1-Xd -Yd N (0 ≦ Xd ≦ 1,0 ≦ Yd ≦ 1,0 ≦ Xd + Yd ≦ 1).
図1に示されるように、窒化物半導体装置1は、HFET(Heterostructure Field Effect Transistor)又はHEMT(High Electron Mobility Transistor)と称される種類であり、基板12、バッファ層14、窒化物半導体積層体16、表面層22、エッチングストッパ層24、p型窒化物半導体層26、パッシベーション膜28、ドレイン電極32、ソース電極34及びゲート電極36を備える。
As shown in FIG. 1, the nitride semiconductor device 1 is of a type called HFET (Heterostructure Field Effect Transistor) or HEMT (High Electron Mobility Transistor), and includes a
基板12の材料には、窒化物半導体系の半導体材料が結晶成長可能なものが用いられている。基板12の材料には、一例では窒化ガリウム、サファイア、炭化珪素、又はシリコンが用いられる。
As the material of the
バッファ層14は、基板12の上面に接して設けられている。バッファ層14の材料には、一例ではノンドープの窒化ガリウム(i-GaN)、ノンドープの窒化アルミニウム(i-AlN)、ノンドープの窒化アルミニウムガリウム(i-AlGaN)が用いられる。バッファ層14は、有機金属気相成長法(MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition)を利用して、基板12上に低温下で積層されている。
The
窒化物半導体積層体16は、電子走行層15及びバリア層17を有する。電子走行層15は、バッファ層14の上面に接して設けられている。電子走行層15の材料には、一例ではノンドープの窒化ガリウム(i-GaN)が用いられている。電子走行層15は、有機金属気相成長法を利用して、バッファ層14上に積層されている。バリア層17は、電子走行層15の上面に接して設けられている。バリア層17の材料には、一例ではノンドープの窒化アルミニウムガリウム(i-AlGaN)が用いられている。バリア層17のアルミニウムの組成比は約5〜30%であり、その厚みは約5〜30nmであるのが望ましい。バリア層17は、有機金属気相成長法を利用して、電子走行層15上に積層されている。バリア層17のバンドギャップは、電子走行層15のバンドギャップよりも大きい。このため、電子走行層15とバリア層17のヘテロ接合面には、2次元電子ガス層が形成される。
The nitride
表面層22は、バリア層17の上面に接して設けられており、ドレイン電極32とソース電極34の間に亘って配置されている。表面層22の材料には、一例ではノンドープの窒化ガリウム(i-GaN)が用いられている。表面層22の厚みは、約2〜5nmであるのが望ましい。一例では、表面層22の厚みが約2nmである。なお、表面層22の材料には、シリコンがドープされた窒化ガリウム(n-GaN)が用いられてもよい。この場合、表面層22のシリコンのドーパント濃度は、一例では1×1014〜1×1017cm-3であるのが望ましい。表面層22は、有機金属気相成長法を利用して、バリア層17上に積層されている。
The
エッチングストッパ層24は、表面層22の上面に接して設けられており、ドレイン電極32とソース電極34の間であってドレイン電極32とソース電極34の双方から離れて配置されている。エッチングストッパ層24は、表面層22とp型窒化物半導体層26の間に介在して設けられている。エッチングストッパ層24の材料には、ドライエッチングにおいて、p型窒化物半導体層26のエッチングレートよりも小さいエッチングレートを有するものが用いられる。さらに、エッチングストッパ層24の材料には、ウェットエッチングにおいて、表面層22のエッチングレートよりも大きいエッチングレートとなるものが用いられる。エッチングストッパ層24の材料には、一例ではAlN(窒化アルミニウム)が用いられる。エッチングストッパ層24の厚みは、約1〜5nmであるのが望ましい。一例では、エッチングストッパ層24の厚みが約1nmである。エッチングストッパ層24は、有機金属気相成長法を利用して、表面層22上に積層されている。
The
p型窒化物半導体層26は、エッチングストッパ層24の上面に接して設けられており、ドレイン電極32とソース電極34の間であってドレイン電極32とソース電極34の双方から離れて配置されている。p型窒化物半導体層26の材料には、一例ではマグネシウムがドープされた窒化アルミニウムガリウム(p-AlGaN)が用いられている。p型窒化物半導体層26のマグネシウムのドーパント濃度は、一例では、1×1018〜1×1020cm-3である。p型窒化物半導体層26の組成は、バリア層17の組成と同一である。p型窒化物半導体層26の厚みは、約30〜100nmであるのが望ましい。一例では、p型窒化物半導体層26のアルミニウムの組成比が約18%であり、その厚みが約30nmである。p型窒化物半導体層26は、有機金属気相成長法を利用して、バリア層17の上面に積層されている。
The p-type
ドレイン電極32及びソース電極34の各々は、表面層22の開口22a,22bを通過してバリア層17の上面に接して設けられている。ドレイン電極32とソース電極34は、p型窒化物半導体層26を間に置いて対向する位置に配置されている。ドレイン電極32の材料には、窒化物半導体系の材料に対してオーミック接触可能な材料が用いられるのが望ましい。ドレイン電極32の材料には、一例ではチタンとアルミニウムの積層電極が用いられている。ソース電極34の材料にも、窒化物半導体系の材料に対してオーミック接触可能な材料が用いられるのが望ましい。ソース電極34の材料には、一例ではチタンとアルミニウムの積層電極が用いられている。これにより、ドレイン電極32及びソース電極34の各々は、電子走行層15とバリア層17のヘテロ接合面に形成される2次元電子ガス層に対してオーミック接触可能に構成されている。ドレイン電極32及びソース電極34の各々は、電子ビーム蒸着技術を利用して、バリア層17の上面に積層されている。なお、この例では、ドレイン電極32及びソース電極34の各々が表面層22の開口22a,22bを通過してバリア層17の上面に接しているので、コンタクト抵抗が低い。この例に代えて、ドレイン電極32及びソース電極34の各々は、表面層22を介してバリア層17上に形成されていてもよい。
Each of the
ゲート電極36は、p型窒化物半導体層26の上面に接して設けられている。ゲート電極36の材料には、窒化物半導体系の材料に対してオーミック接触可能な材料が用いられるのが望ましい。ゲート電極36の材料には、一例ではニッケルと金の積層電極が用いられている。これにより、ゲート電極36は、p型窒化物半導体層26に対してオーミック接触可能に構成されている。ゲート電極36は、電子ビーム蒸着技術を利用して、p型窒化物半導体層26の上面に積層されている。なお、ゲート電極36の材料には、窒化物半導体系の材料に対してショットキー接触可能な材料が用いられてもよい。
The
パッシベーション膜28は、表面層22の上面に接して設けられている。パッシベーション膜28は、ドレイン電極32、ソース電極34及びゲート電極36を露出させるように、それら電極以外の領域を被覆する。パッシベーション膜28の材料には、一例では酸化シリコン(SiO2)が用いられている。パッシベーション膜28は、プラズマCVD技術を利用して、表面層22の上面に被膜される。なお、パッシベーション膜28の材料は、プラズマCVD技術を利用して成膜される窒化シリコン(SiN)、原子層積層法を利用して成膜される酸化アルミニウム(Al2O3)、スパッタ又はMOCVD技術を利用して成膜される窒化アルミニウム(AlN)であってもよい。
The
次に、窒化物半導体装置1の動作を説明する。窒化物半導体装置1は、ドレイン電極32に正電位が印加され、ソース電極34に接地電位が印加されて用いられる。ゲート電極36が接地されているとき、p型窒化物半導体層26から伸びる空乏層が、p型窒化物半導体層26の下方において、電子走行層15とバリア層17のヘテロ接合面近傍の2次元電子ガス層の電子を枯渇させる。このため、ドレイン電極32とソース電極34の間の電流経路は、このp型窒化物半導体層26が対向するヘテロ接合面において遮断され、窒化物半導体装置1はオフになる。
Next, the operation of the nitride semiconductor device 1 will be described. The nitride semiconductor device 1 is used with a positive potential applied to the
ゲート電極36に正電位が印加されると、p型窒化物半導体層26から伸びていた空乏層が縮小し、p型窒化物半導体層26の下方においても、電子走行層15とバリア層17のヘテロ接合面近傍に2次元電子ガス層が発生する。ソース電極34から注入された電子は、2次元電子ガス層を介してドレイン電極32に流れ、窒化物半導体装置1はオンになる。このように、窒化物半導体装置1は、ノーマリオフで動作する。
When a positive potential is applied to the
窒化物半導体装置1は、ゲート電極36とドレイン電極32の間に表面層22が設けられている。表面層22は、バリア層17の上面に接して設けられており、バリア層17とパッシベーション膜28の間に介在する。このため、バリア層17とパッシベーション膜28が直接的に接する場合の界面準位に比して、バリア層17と表面層22の間の界面準位は少ない。さらに、後述の製造方法で説明するように、表面層22は、結晶欠陥の少ない高品質な状態で成膜されている。このため、表面層22とパッシベーション膜28の間の界面準位も少ない。このため、これらの界面準位に電荷が蓄積することが抑えられ、電流コラプス現象が抑えられる。なお、電流コラプスを抑えるという点では、表面層22の半導体材料がGaNであるのが望ましい。一方、表面層22の半導体材料がアルミニウム又はインジウムを含む場合、特に、表面層22に含まれるアルミニウムがバリア層17に含まれるアルミニウムよりも多い場合、表面層22の下方において電子走行層15とバリア層17の間の2次元電子ガス層の電子密度が濃くなり、オン抵抗が低下する。表面層22の半導体材料は、所望する特性に応じて調整可能である。
In the nitride semiconductor device 1, the
窒化物半導体装置1では、p型窒化物半導体層26とバリア層17の間に表面層22及びエッチングストッパ層24が介在する。例えば、これら表面層22及びエッチングストッパ層24が設けられていない場合、p型窒化物半導体層26とバリア層17で構成される寄生ダイオードが存在することになり、この結果、窒化物半導体装置1がオンするときに、ゲート電極36に正電位が印加されると、この寄生ダイオードが順バイアスされる。しかしながら、窒化物半導体装置1では、p型窒化物半導体層26とバリア層17の間に表面層22及びエッチングストッパ層24が介在する。これら表面層22及びエッチングストッパ層24の電気抵抗値は大きいので、寄生ダイオードを介したゲートリーク電流が抑えられ、消費電力の増大が抑えられる。
In the nitride semiconductor device 1, the
次に、窒化物半導体装置1の製造方法を説明する。まず、図2に示されるように、基板12上にバッファ層14、電子走行層15及びバリア層17を積層する。バッファ層14、電子走行層15及びバリア層17は、有機金属気相成長法を利用して、基板12上に順に結晶成長される。
Next, a method for manufacturing the nitride semiconductor device 1 will be described. First, as shown in FIG. 2, the
次に、図3に示されるように、有機金属気相成長法を利用して、バリア層17の上面に表面層22を結晶成長する。
Next, as shown in FIG. 3, the
次に、図4に示されるように、有機金属気相成長法を利用して、表面層22の上面にエッチングストッパ層24を結晶成長する。
Next, as shown in FIG. 4, an
次に、図5に示されるように、有機金属気相成長法を利用して、エッチングストッパ層24の上面にp型窒化物半導体層26を結晶成長する。
Next, as shown in FIG. 5, a p-type
次に、図6に示されるように、ドライエッチング技術を利用して、p型窒化物半導体層26の一部を除去してエッチングストッパ層24を露出させる。ドライエッチングで用いられるエッチングガスの主成分は塩素ガス(Cl2)である。上記したように、p型窒化物半導体層26の半導体材料は窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)であり、エッチングストッパ層24の半導体材料は窒化アルミニウム(AlN)である。このため、エッチングストッパ層24に対するp型窒化物半導体層26のエッチング選択比が大きく、p型窒化物半導体層26のみが選択的に除去される。
Next, as shown in FIG. 6, a part of the p-type
次に、図7に示されるように、ウェットエッチング技術を利用して、露出するエッチングストッパ層24を除去し、表面層22を露出させる。ウェットエッチングで用いられるエッチング液は水酸化アンモニウム水溶液(NH4OH)である。上記したように、エッチングストッパ層24の半導体材料は窒化アルミニウム(AlN)であり、表面層22の半導体材料は窒化ガリウム(GaN)である。このため、表面層22に対するエッチングストッパ層24のエッチング選択比が大きく、エッチングストッパ層24が選択的に除去される。また、ウェットエッチング技術を利用してエッチングストッパ層24が除去されるので、表面層22の上層部には加工ダメージが少ない。
Next, as shown in FIG. 7, using the wet etching technique, the exposed
次に、図8に示されるように、ドライエッチング技術を利用して、表面層22の一部に開口22a,22bを形成する。バリア層17の上面は、表面層22の開口22a,22bにおいて露出する。
Next, as shown in FIG. 8,
次に、図9に示されるように、電子ビーム蒸着技術を利用して、表面層22の開口22a,22bに露出するバリア層17の上面にドレイン電極32及びソース電極34を形成する。次に、電子ビーム蒸着技術を利用して、p型窒化物半導体層26の上面にゲート電極36を形成する。最後に、パッシベーション膜28を成膜すると、図1に示す窒化物半導体装置1が完成する。
Next, as shown in FIG. 9, the
上記製造方法は、表面層22とp型窒化物半導体層26の間にエッチングストッパ層24を介在させることを特徴としている。これにより、ドライエッチング技術を利用してp型窒化物半導体層26を加工するときに、エッチングストッパ層24でエッチングを高精度に停止させることができる。例えば、エッチングストッパ層24が設けられていない場合、製造誤差によって表面層22を超えてバリア層17がエッチングされ、バリア層17の表面に加工ダメージが残ることが懸念される。一方、上記製造方法では、そのような事態を回避することができる。したがって、バリア層17と表面層22の界面準位が少なく、電荷の蓄積が抑えられ、電流コラプス現象が抑えられる。さらに、上記製造方法は、ウェットエッチング技術を利用してエッチングストッパ層24を除去するので、このときにも、表面層22に加工ダメージが残ることが抑えられる。これにより、表面層22とパッシベーション膜28の界面準位も少なく、電荷の蓄積が抑えられ、電流コラプス現象が抑えられる。
The manufacturing method is characterized in that an
図10に、変形例の窒化物半導体装置2を示す。窒化物半導体装置2では、p型窒化物半導体層26とドレイン電極32の間、及び、p型窒化物半導体層26とソース電極34の間のエッチングストッパ層24の膜厚が薄い。この窒化物半導体装置2は、図7の製造過程のウェットエッチングにおいて、エッチングストッパ層24の上層部のみを除去することで製造される。p型窒化物半導体層26をドライエッチング加工するときの加工ダメージは、エッチングストッパ層24の上層部のみに存在しているので、この上層部のみをウェットエッチングで除去しても、電流コラプス現象を抑える効果が得られる。
FIG. 10 shows a modified nitride semiconductor device 2. In the nitride semiconductor device 2, the thickness of the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
1:窒化物半導体装置、 12:基板、 14:バッファ層、 15:電子走行層、 16:窒化物半導体積層体、 17:バリア層、 22:表面層、 24:エッチングストッパ層、 26:p型窒化物半導体層、 28:パッシベーション膜、 32:ドレイン電極、 34:ソース電極、 36:ゲート電極 1: nitride semiconductor device, 12: substrate, 14: buffer layer, 15: electron transit layer, 16: nitride semiconductor laminate, 17: barrier layer, 22: surface layer, 24: etching stopper layer, 26: p-type Nitride semiconductor layer 28: Passivation film 32: Drain electrode 34: Source electrode 36: Gate electrode
Claims (7)
ヘテロ接合を有する窒化物半導体積層体上にi型又はn型の窒化物半導体の表面層を成膜する工程と、
前記表面層上にエッチングストッパ層を成膜する工程と、
前記エッチングストッパ層上にp型窒化物半導体層を成膜する工程と、
前記p型窒化物半導体層の一部をエッチングして前記エッチングストッパ層を露出させる工程と、
前記p型窒化物半導体層上にゲート電極を形成する工程と、
前記窒化物半導体積層体上であって前記p型窒化物半導体層を間に置いて対向する位置の一方にドレイン電極を形成し、他方にソース電極を形成する工程と、を備える製造方法。 A method for manufacturing a nitride semiconductor device, comprising:
Forming a surface layer of an i-type or n-type nitride semiconductor on a nitride semiconductor multilayer body having a heterojunction;
Forming an etching stopper layer on the surface layer;
Forming a p-type nitride semiconductor layer on the etching stopper layer;
Etching a part of the p-type nitride semiconductor layer to expose the etching stopper layer;
Forming a gate electrode on the p-type nitride semiconductor layer;
And a step of forming a drain electrode on one side of the nitride semiconductor multilayer body facing each other with the p-type nitride semiconductor layer interposed therebetween, and forming a source electrode on the other side.
ヘテロ接合を有する窒化物半導体積層体と、
前記窒化物半導体積層体上に設けられているi型又はn型の窒化物半導体の表面層と、
前記窒化物半導体積層体上に設けられているドレイン電極と、
前記窒化物半導体積層体上に設けられており、前記ドレイン電極から離れて配置されているソース電極と、
前記表面層上に設けられており、前記ドレイン電極と前記ソース電極の間であって前記ドレイン電極と前記ソース電極の双方から離れて配置されているp型窒化物半導体層と、
前記p型窒化物半導体層上に設けられているゲート電極と、
前記表面層と前記前記p型窒化物半導体層の間に設けられているエッチングストッパ層と、を備える、窒化物半導体装置。 A nitride semiconductor device comprising:
A nitride semiconductor laminate having a heterojunction; and
A surface layer of an i-type or n-type nitride semiconductor provided on the nitride semiconductor laminate;
A drain electrode provided on the nitride semiconductor laminate;
A source electrode provided on the nitride semiconductor multilayer body and disposed away from the drain electrode;
A p-type nitride semiconductor layer provided on the surface layer and disposed between the drain electrode and the source electrode and away from both the drain electrode and the source electrode;
A gate electrode provided on the p-type nitride semiconductor layer;
A nitride semiconductor device comprising: an etching stopper layer provided between the surface layer and the p-type nitride semiconductor layer.
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