JP2017017173A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化による信頼性低下を抑制した半導体装置を提供する。
【解決手段】第1の窒化物半導体の電子走行層１及び第２の窒化物半導体の電子供給層２を備える半導体基板と、半導体基板上に酸素を含む金属膜５と、酸素を含む金属膜５上に直接に接するタングステン、モリブデン、又はこれらのいずれかの化合物の中から少なくとも１つ選択された金属膜を含むゲート電極６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体を用いた半導体装置に関する。

窒化物半導体を用いた半導体装置において、キャリア走行層１とキャリア走行層１上に形成されたキャリア供給層２を有し、キャリア供給層２とキャリア走行層１との界面近傍に二次元キャリアガス層が生じている化合物半導体層と、化合物半導体層上に互いに離間して配置され、二次元キャリアガス層とオーミック接続する第１の主電極及び第２の主電極と、第１の主電極と第２の主電極間で、化合物半導体層上に配置されたNiOx膜５Ａと、NiOx膜５Ａ上に接するチタン膜又はチタンを含む化合物膜６Ａとを含むゲートを備える例が下記特許文献１で開示されている。

特開２０１１−２０４７１７

特許文献１のゲートとして、NiOx膜５Ａ上に直接接する膜としてチタン膜又はチタンを含む化合物膜６Ａが開示されている。しかし、チタン膜又はチタンを含む化合物膜６Ａは線膨張率が大きく、半導体装置の環境温度が変化した際にNiOx膜８Ａとチタン膜又はチタンを含む化合物膜５Ａとの間で剥離が生じることがある。また、NiOx膜８Ａ又はチタン膜又はチタンを含む化合物膜５Ａに亀裂が生じることがある。その結果、半導体装置の信頼性を低下させる問題がある。また、高温環境下において半導体装置の動作を想定する必要があり、実動作の温度変化に対する半導体装置の信頼性を確保する必要がある。特に、デバイス特性にとって重要なゲート構造において、NiOx膜８Ａ上にTiN膜５Ａを直接形成した場合、上記に示すような剥離や亀裂によって大きな信頼性の問題が生じることがあった。

そこで、本発明は実動作における温度変化による信頼性が低下することを抑制した半導体装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置は、第1の窒化物半導体の電子走行層および第２の窒化物半導体の電子供給層を備える半導体基板と、半導体基板上に酸素を含む金属膜と、酸素を含む金属膜上に直接に接するタングステン、モリブデン、又はこれらのいずれかの化合物の中から少なくとも１つ選択された金属膜と、を含むゲート構造と、を備える。
また、本発明の別の半導体装置は、窒化物半導体の半導体基板と、半導体基板の表面に形成された絶縁膜およびゲート電極と、を備える高電子移動度トランジスタにおいて、 ゲート電極は、絶縁膜に形成された開口内に配置された第１の部分と、絶縁膜の表面に配置された第２の部分とを有し、絶縁膜の開口側の表面は、酸素を含む金属膜を介してタングステン、モリブデン、又はこれらのいずれかの化合物からなるゲート電極により被覆されていることを特徴とする。

本発明によれば、酸素を含む金属膜上に線膨張係数の小さいタングステン、モリブデン、又はこれらのいずれかの化合物からなるゲート電極を設けることによって、半導体装置の環境温度が変化した際における酸素を含む金属膜やゲート電極に与えるストレスが小さくなる。それにより酸素を含む金属膜とその上のタングステン、モリブデン、又はこれらのいずれかの化合物との乖離や亀裂などを防ぐことができ、半導体装置の信頼性を確保することができる。

本発明の一実施形態のＨＥＭＴのゲート電極部分の断面図である。

以下、本発明の実施の形態となる構造について説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）のゲート電極部分の断面図である。本発明はゲート電極部分に特徴があるため、その他の部分の説明は省略する。
本実施形態の半導体装置（半導体素子）では、第１の窒化物半導体材料（例えばＧａＮ）からなる電子走行層１上に、第１の窒化物半導体材料とは異なる格子定数を有する第２の窒化物半導体材料（例えばＡｌＧａＮ）からなる電子供給層２と、第２の窒化物半導体材料とは格子定数の異なる第３の窒化物半導体材料（例えばＧａＮ）からなるキャップ層３が順次積層されている。本願明細書では、便宜上、この電子走行層１と電子供給層２とキャップ層３とを合わせて半導体基板と総称する。

半導体基板の表面には、絶縁膜としての酸化膜４と、酸素を含む金属膜５と、タングステンからなる金属膜とTiNからなる金属膜とを順次積層してなるゲート電極６とが形成されている。また、図１では図示を省略しているが、図面に向かって右側の半導体基板の表面上にはドレイン電極が配置されており、図面に向かって左側の半導体基板の表面上にはソース電極が配置されている。

酸化膜４はシリコン酸化物からなり、その一部には図示のように開口（ゲート開口）が設けられている。このゲート開口からは、窒化物半導体の半導体基板の表面が露出している。本実施形態の半導体装置（半導体素子）では、平面視において、ゲート開口の内側の半導体基板表面に凹部（リセス部）が形成されている。凹部（リセス部）はキャップ層３よりも深く形成されているため、本実施形態の半導体装置では、ゲート開口を通じての電子供給層２の表面が露出している。

酸素を含む金属膜５は、ゲート開口の内側に形成された第１の部分と、ゲート開口の外側に形成され酸化膜４の表面を被覆する第２の部分とを有する。
酸素を含む金属膜５の第１の部分は、その厚みが１５０〜３００ｎｍであり、図示のように、その中央側はリセス部の底面と側面に形成されており、その外周側はゲート開口を構成する酸化膜４の側面を被覆している。
すなわち、酸素を含む金属膜５の第１の部分は、リセス部の底面に露出した電子供給層２の表面と、リセス部の側面に露出した電子供給層２の表面とキャップ層３の表面、リセス部の外側に露出した半導体基板の表面、およびゲート開口の側面（酸化膜４の側面）を被覆している。

酸素を含む金属膜５の第２の部分は、第１の部分に連続して形成され、半導体基板の外周側に向かって延伸してゲート開口の外側の酸化膜４の表面を被覆する。ここで、図１では１つのゲート電極６しか記載されていないが、本発明を半導体基板に複数のゲート電極６を備える複数のセルに適応する場合、便宜上、半導体基板の外周は各セルの外周の意味であることは言うまでも無い。

ゲート電極６は、ゲート開口の内側に形成された第１の部分と、ゲート開口の外側に形成された第２の部分とを有する。
ゲート電極６の第１の部分は、タングステンからなる金属膜が酸素を含む金属膜５に直接接触している。タングステンからなる金属膜は酸素を含む金属膜５よりも薄く形成されており、その厚みは５０−１５０ｎｍである。タングステンからなる金属膜上には、タングステンからなる金属膜よりも厚く形成されたTiNからなる金属膜が形成されている。ゲート電極６は、タングステンからなる金属膜とTiNからなる金属膜の積層体で構成される。
図示のように、ゲート電極６の中央側はリセス部の底面と側面に形成されており、その外周側はゲート開口を構成する酸化膜４の側面を被覆している。すなわち、ゲート電極６の第１の部分は、リセス部の底面に露出した電子供給層２の表面と、リセス部の側面に露出した電子供給層２の表面とキャップ層３の表面、リセス部の外側に露出した半導体基板の表面、およびゲート開口の側面（酸化膜４の側面）に酸素を含む金属膜５を介して被覆している。

ゲート電極６の第２の部分は、タングステンからなる金属膜とTiNからなる金属膜とを順次積層してなり、第１の部分に連続して形成され、半導体基板の外周側に向かって延伸してゲート開口の外側の酸化膜４の表面を被覆する。ここで、ゲート電極６の第２の部分のうちドレイン電極に向かって延伸する部分は、酸素を含む金属膜５の第２の部分よりもドレイン電極側、すなわち半導体基板の外周側まで延伸している。つまり、ゲート電極６の第２の部分のうちドレイン電極に向かって延伸する部分の端部は、酸素を含む金属膜５の第２の部分のうちドレイン電極に向かって延伸する部分の端部よりも、ドレイン電極側、すなわち半導体基板の外周側まで延伸している。

ゲート電極６の第２の部分のうちドレイン電極に向かって延伸する部分は、リセス部側では酸素を含む金属膜５の第２の部分の表面を被覆しており、半導体基板の外周側では酸化膜４の表面を被覆している。つまり、リセス部側の酸化膜４上では、酸化膜４とゲート電極６との間に酸素を含む金属膜５が介在しているが、半導体基板の外周側の酸化膜４上では、酸化膜４とゲート電極６とが直接接触している。このように、酸化膜４の表面が、半導体基板の外周側ではゲート電極６に接触し、リセス部側では、金属膜よりも導電率が低いが酸化膜４よりも導電率が高い酸素を含む金属膜に接触していることで、段階的に緩やかな電界緩和効果が得られ、コラプス現象の抑制効果が良好に発揮される。さらに、本出願人が確認したところによれば、酸素を含む金属膜５をＮｉＯ_Ｘ膜とした場合、特に良好にゲートリークの低減、コラプス現象の抑制されることがわかっている。なお、この場合でも、ＮｉＯ_Ｘの導電率はゲート電極６の導電率よりも低く、酸化膜４の導電率よりも高くする。すなわち、ＮｉＯ_Ｘ膜の酸素の組成比は、完全な絶縁膜（酸化膜）を構成する場合の酸素組成比X=1よりも多い状態、すなわち酸素過剰の状態とすべきである。また、酸素を含む金属膜５は、ｐ型導電型の性質を備える金属酸化物膜とするのが良い。

なお、酸素を含む金属膜５については、その第１の部分を酸素プアの金属膜、すなわち実質的に絶縁膜としても良い。

酸素を含む金属膜５としてＮｉＯ_Ｘ膜を用いた場合、ＮｉＯ_Ｘ膜の線膨張係数は約32×10-6[m/m・K]であり、窒化物半導体であるＧａＮの線膨張係数4.4×10-6[m/m・K]より大きい。ＮｉＯ_Ｘ膜の上にTiN膜を直接形成した場合、TiN膜の線膨張係数は7.75×10-6[m/m・K]と比較的大きいので、酸素を含む金属膜８又はTiN膜に亀裂が生じ、信頼性を低下させる問題がある。そこで、ＮｉＯ_Ｘ膜上に直接タングステン等の高い線膨張係数を備える膜を設けることにより、ＮｉＯ_Ｘ膜の膨張や体積変化を抑制し、酸素を含む金属膜５又はその上のタングステン膜に亀裂が生じることを抑制し、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
特に、タングステンの線膨張係数は4.2×10-6[m/m・K]はＧａＮの線膨張係数と近い。窒化物系化合物半導体と比較的線膨張係数の近いタングステン膜との間に酸素を含む金属膜５を直接挟むことによって、酸素を含む金属膜５に亀裂が生じることを抑制し、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
また、窒化物半導体を用いたHEMTは、電子供給層２を構成する窒化物半導体と電子走行層１を構成する窒化物半導体のピエゾ分極と、電子走行層１及び電子供給層２を構成する窒化物半導体の自発分極とによって、電子供給層２と電子走行層１との界面近傍に2次元電子ガスを生じさせる。ゲート電極としてタングステンの金属膜を設けることによって、ゲート下及びその近傍における電子供給層２へ働く力を抑制することができる。その結果、環境温度が変化した際に、ゲート下及びその近傍における2次元電子ガスの変化を抑制することができる。

また、ゲート電極６の第２の部分において酸素を含む金属膜５の第２の部分と接触する部分にタングステンを設けることによって、酸素を含む金属膜５の第２の部分に亀裂が生じることを抑制し、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。更に、酸化膜４の線膨張係数は0.51×10-6[m/m・K]と小さい。酸化膜４と、比較的線膨張係数の小さいタングステン膜との間に酸素を含む金属膜５を直接挟むことによって、酸素を含む金属膜５に亀裂が生じることを抑制し、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

本実施例において酸素を含む金属膜５上に直接接触する金属膜として、タングステンを例に記載したが、タングステンの代わりに窒化タングステン等のタングステン化合物、線膨張係数が5.2×10-6[m/m・K]のモリブデンなどの線膨張係数の小さい高融点材料を用いても良い。また、タングステンの上にモリブデンを積層するなど、上記金属又は化合物の積層体としても良い。

なお、ゲート電極６のうち第２の部分はいわゆるゲートフィールドプレートとして機能する部分であるが、本発明では、ドレイン電極とソース電極間の電流を制御するゲート部として機能する第１の部分と合わせてゲート電極と総称する。 更に、本出願人が確認したところ、ゲート開口の端部から酸素を含む金属膜５の端部までの距離をa、酸素を含む金属膜５の端部からゲート電極６の端部までの距離をｂとした場合、ＨＥＭＴのゲートリーク低減とコラプス現象の抑制の為には、０μｍ＜a＜２．０μｍ、０μｍ＜ｂ＜２．０μｍであることが望ましく、ｂ/aを1から１２０の範囲で設定することが望ましいことが分かった。

また、ゲート電極６の第２の部分の下側において、酸化膜４の厚みを変化させることで段階的に緩やかに電界緩和効果を得ることができる。特に、酸化膜４の厚みを半導体基板の外周側に向けて薄くなるように、その厚みを段階的にあるいは連続的に反化させると、本願発明の作用効果と相まって、更に緩やかな電界緩和効果を得ることができる。

図１の本発明の一実施の形態のＨＥＭＴにおいて、ＧａＮキャップ層３を設けない構造としても良い。また、半導体基板に凹部（リセス部）を設けていない構造としても良い。また、本発明は、ノーマリオン型、ノーマリオフ型のいずれのＨＥＭＴにも適用できる。また、酸素を含む金属膜の表面をタングステンによって被覆すると、金属膜中の酸素が製造工程の過程、あるいは経年的なデバイスの使用によって変化することが良好に防止され、高い信頼性が得られる。

１、電子走行層
２、電子供給層
３、ＧａＮキャップ層
４、酸化膜
５、酸素を含む金属膜
６、ゲート電極

Claims (4)

1. 第1の窒化物半導体の電子走行層および第２の窒化物半導体の電子供給層を備える半導体基板と
   前記半導体基板上に酸素を含む金属膜と、
   前記酸素を含む金属膜上に直接に接するタングステン、モリブデン、又はこれらのいずれかの化合物の中から少なくとも１つ選択された金属膜と、を含むゲート構造と、
   を備える半導体装置。
2. 窒化物半導体の半導体基板と、
   該半導体基板の表面に形成された絶縁膜およびゲート電極と、を備える高電子移動度トランジスタにおいて、
   前記ゲート電極は、前記絶縁膜に形成された開口内に配置された第１の部分と、前記絶縁膜の表面に配置された第２の部分とを有し、
   前記絶縁膜の前記開口側の表面は、酸素を含む金属膜を介してタングステン、モリブデン、又はこれらのいずれかの化合物からなる前記ゲート電極により被覆されていることを特徴とする半導体装置。
3. 前記酸素を含む金属膜はＮｉＯ_Ｘ膜であることを特徴とする請求項１又は２の半導体装置。
4. 前記ゲート電極はタングステン、モリブデン、又はこれらのいずれかの化合物からなる膜の上にTiN膜を備えることを特徴とする請求項１〜３何れか１項に記載の半導体装置。