JP2018125500A - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
窒化ガリウム(GaN)に代表されるIII−V族窒化物系化合物半導体、いわゆる窒化物半導体が注目を集めている。窒化物半導体は、一般式がInxGayAl1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)で表される、III族元素であるアルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)及びインジウム(In)と、V族元素である窒素(N)とからなる化合物半導体である。窒化物半導体は種々の混晶を形成することができ、ヘテロ接合界面を容易に形成することができる。窒化物半導体のヘテロ接合には、ドーピングなしの状態においても自発分極又はピエゾ分極によって高濃度の2次元電子ガス層が接合界面に発生するという特徴がある。この高濃度の2次元電子ガス層をキャリアとして用いた電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)が、高周波用及び大電力用のデバイスとして注目を集めている。 Group III-V nitride compound semiconductors represented by gallium nitride (GaN), so-called nitride semiconductors, are attracting attention. A nitride semiconductor has a general formula of In x Ga y Al 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1), which is a group III element such as aluminum (Al), gallium It is a compound semiconductor composed of (Ga) and indium (In) and nitrogen (N) which is a group V element. Nitride semiconductors can form various mixed crystals and can easily form heterojunction interfaces. A nitride semiconductor heterojunction is characterized in that a high-concentration two-dimensional electron gas layer is generated at the junction interface due to spontaneous polarization or piezopolarization even without doping. A field effect transistor (FET) using this high-concentration two-dimensional electron gas layer as a carrier is attracting attention as a device for high frequency and high power.
しかしながら、窒化物半導体を用いたFETには電流コラプスと呼ばれる現象が生じやすい。電流コラプスとは、一旦デバイスをオフ状態とした後、再びオン状態とする際に電流が一定時間流れにくくなる現象である。電流コラプスの特性が悪いと高速なスイッチングが困難となり、デバイスの動作に極めて深刻な問題が生じる。 However, a phenomenon called current collapse is likely to occur in an FET using a nitride semiconductor. Current collapse is a phenomenon that makes it difficult for a current to flow for a certain period of time when a device is once turned off and then turned on again. If the current collapse characteristic is poor, high-speed switching becomes difficult, and a very serious problem occurs in the operation of the device.
特許文献1では、FETのドレイン近傍にp型窒化物半導体層(例えば、p型GaN層)を設け、p型窒化物半導体層とドレインを電気的に接続し、p型窒化物半導体層から、ホール注入することで電流コラプスの原因となる半導体層中にトラップされた電子を中和し、電流コラプスを抑制している。 In Patent Document 1, a p-type nitride semiconductor layer (for example, a p-type GaN layer) is provided in the vicinity of the drain of the FET, the p-type nitride semiconductor layer and the drain are electrically connected, and the p-type nitride semiconductor layer is By injecting holes, electrons trapped in the semiconductor layer causing current collapse are neutralized, and current collapse is suppressed.
しかしながら、特許文献1のFETでは、p型窒化物半導体層をバリア層(電子供給層)上に部分的に形成するため、ドライエッチング(所望の領域以外のp型窒化物半導体層を除去するためのドライエッチング)、エピタキシャル再成長(p型窒化物半導体層を形成するためのエピタキシャル成長)等の工程が必要になる。このため、ドライエッチング工程でのバリア層へのダメージによるリーク電流の増加、電流コラプスの悪化、信頼性低下などが起こり得るという問題があった。 However, in the FET of Patent Document 1, since the p-type nitride semiconductor layer is partially formed on the barrier layer (electron supply layer), dry etching (to remove the p-type nitride semiconductor layer other than the desired region) is performed. And other processes such as epitaxial regrowth (epitaxial growth for forming a p-type nitride semiconductor layer) are required. For this reason, there has been a problem that an increase in leakage current due to damage to the barrier layer in the dry etching process, deterioration of current collapse, and reduction in reliability may occur.
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、電流コラプスを抑制するとともに、リーク電流を低減させることができ、信頼性低下を抑制することができる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a semiconductor device capable of suppressing current collapse, reducing leakage current, and suppressing deterioration in reliability, and a method for manufacturing the same. The purpose is to do.
上記目的を達成するために、本発明は、窒化物系半導体層と、前記窒化物系半導体層と接する第1の電極と、前記窒化物系半導体層と接する第2の電極と、前記第1の電極と電気的に接続し、前記第2の電極とは離間し、前記窒化物系半導体層と接するp型金属酸化物半導体から成る補助膜とを備えたものであることを特徴とする半導体装置を提供する。 To achieve the above object, the present invention provides a nitride-based semiconductor layer, a first electrode in contact with the nitride-based semiconductor layer, a second electrode in contact with the nitride-based semiconductor layer, and the first And an auxiliary film made of a p-type metal oxide semiconductor in contact with the nitride-based semiconductor layer. Providing equipment.
このように、p型金属酸化物半導体の補助膜をドレイン電極と電気的に接続することで、p型金属酸化物半導体から、ホール注入することで電流コラプスの原因となる窒化物系半導体層にトラップされた電子を中和し、電流コラプスを抑制し、リーク電流を低減することができる。また、このように、補助膜として、p型窒化物半導体の代わりに、p型金属酸化物半導体を使用することで、補助膜をスパッタリング等により比較的低温で形成することができるので、フォトレジスト膜等を用いたリフトオフ法により補助膜を所望の領域に部分的に形成でき、ドライエッチング工程を削除することができる。これにより、半導体装置の作製が容易となるとともに、窒化物系半導体層に与えるダメージを低減したプロセスとなり、結晶欠陥の発生を抑制できる。このため、リーク電流を低下させることができ、電流コラプス現象をより効果的に抑制でき、信頼性の低下を向上させることができる。 In this way, by electrically connecting the auxiliary film of the p-type metal oxide semiconductor to the drain electrode, a hole-injection is performed from the p-type metal oxide semiconductor to the nitride-based semiconductor layer that causes current collapse. The trapped electrons can be neutralized, current collapse can be suppressed, and leakage current can be reduced. Further, as described above, the auxiliary film can be formed at a relatively low temperature by sputtering or the like by using a p-type metal oxide semiconductor instead of the p-type nitride semiconductor as the auxiliary film. The auxiliary film can be partially formed in a desired region by a lift-off method using a film or the like, and the dry etching process can be eliminated. As a result, the fabrication of the semiconductor device is facilitated, and the process for reducing damage to the nitride-based semiconductor layer is reduced, and the generation of crystal defects can be suppressed. For this reason, the leakage current can be reduced, the current collapse phenomenon can be more effectively suppressed, and the reduction in reliability can be improved.
上記目的を達成するために、本発明はまた、窒化物系半導体層と、前記窒化物系半導体層と接する第1の電極と、前記窒化物系半導体層と接する第2の電極と、前記第1の電極と電気的に接続し、前記第2の電極とは離間し、前記窒化物系半導体層と接するp型のニッケル酸化物又はp型の銅酸化物から成る補助膜とを備えたものであることを特徴とする半導体装置を提供する。 To achieve the above object, the present invention also provides a nitride-based semiconductor layer, a first electrode in contact with the nitride-based semiconductor layer, a second electrode in contact with the nitride-based semiconductor layer, and the first And an auxiliary film made of p-type nickel oxide or p-type copper oxide that is electrically connected to the first electrode, spaced apart from the second electrode, and in contact with the nitride-based semiconductor layer A semiconductor device is provided.
このように、p型のニッケル酸化物又はp型の銅酸化物の補助膜をドレイン電極と電気的に接続することで、p型金属酸化物半導体から、ホール注入することで電流コラプスの原因となる窒化物系半導体層にトラップされた電子を中和し、電流コラプスを抑制し、リーク電流を低減することができる。また、このように、補助膜として、p型窒化物半導体の代わりに、p型のニッケル酸化物又はp型の銅酸化物を使用することで、補助膜をスパッタリング等により比較的低温で形成することができるので、フォトレジスト膜等を用いたリフトオフ法により補助膜を所望の領域に部分的に形成でき、ドライエッチング工程を削除することができる。これにより、半導体装置の作製が容易となるとともに、窒化物系半導体層に与えるダメージを低減したプロセスとなり、結晶欠陥の発生を抑制できる。このため、リーク電流を低下させることができ、電流コラプスをより効果的に抑制でき、信頼性を向上させることができる。 In this way, by electrically connecting the auxiliary film of p-type nickel oxide or p-type copper oxide to the drain electrode, holes are injected from the p-type metal oxide semiconductor to cause current collapse. Electrons trapped in the nitride-based semiconductor layer can be neutralized, current collapse can be suppressed, and leakage current can be reduced. Further, as described above, by using p-type nickel oxide or p-type copper oxide instead of the p-type nitride semiconductor as the auxiliary film, the auxiliary film is formed at a relatively low temperature by sputtering or the like. Therefore, the auxiliary film can be partially formed in a desired region by a lift-off method using a photoresist film or the like, and the dry etching process can be eliminated. As a result, the fabrication of the semiconductor device is facilitated, and the process for reducing damage to the nitride-based semiconductor layer is reduced, and the generation of crystal defects can be suppressed. For this reason, leakage current can be reduced, current collapse can be more effectively suppressed, and reliability can be improved.
上記目的を達成するために、本発明の製造方法は、窒化物系半導体層と接する第1の電極及び第2の電極を形成する工程と、前記第1の電極と電気的に接続し、前記第2の電極とは離間し、前記窒化物系半導体層と接するp型のニッケル酸化物又はp型の銅酸化物から成る補助膜を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。 In order to achieve the above object, the manufacturing method of the present invention includes a step of forming a first electrode and a second electrode in contact with a nitride-based semiconductor layer, an electrical connection with the first electrode, Forming an auxiliary film made of p-type nickel oxide or p-type copper oxide spaced apart from the second electrode and in contact with the nitride-based semiconductor layer. Provide a method.
本発明の半導体装置の製造方法によれば、p型のニッケル酸化物又はp型の銅酸化物の補助膜をドレイン電極と電気的に接続することで、p型金属酸化物半導体から、ホール注入することで電流コラプスの原因となる窒化物系半導体層にトラップされた電子を中和し、電流コラプスを抑制し、リーク電流を低減することができる。また、このように、補助膜として、p型窒化物半導体の代わりに、p型のニッケル酸化物又はp型の銅酸化物を使用することで、補助膜をスパッタリング等により比較的低温で形成することができるので、フォトレジスト膜等を用いたリフトオフ法により補助膜を所望の領域に部分的に形成でき、ドライエッチング工程を削除することができる。これにより、半導体装置の作製が容易となるとともに、窒化物系半導体層に与えるダメージを低減したプロセスとなり、結晶欠陥の発生を抑制できる。このため、リーク電流を低下させることができ、電流コラプスをより効果的に抑制でき、信頼性を向上させることができる。 According to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, hole injection from a p-type metal oxide semiconductor is performed by electrically connecting an auxiliary film of p-type nickel oxide or p-type copper oxide to a drain electrode. As a result, electrons trapped in the nitride-based semiconductor layer causing current collapse can be neutralized, current collapse can be suppressed, and leakage current can be reduced. Further, as described above, by using p-type nickel oxide or p-type copper oxide instead of the p-type nitride semiconductor as the auxiliary film, the auxiliary film is formed at a relatively low temperature by sputtering or the like. Therefore, the auxiliary film can be partially formed in a desired region by a lift-off method using a photoresist film or the like, and the dry etching process can be eliminated. As a result, the fabrication of the semiconductor device is facilitated, and the process for reducing damage to the nitride-based semiconductor layer is reduced, and the generation of crystal defects can be suppressed. For this reason, leakage current can be reduced, current collapse can be more effectively suppressed, and reliability can be improved.
以上のように、本発明の半導体装置及びその製造方法によれば、p型金属酸化物半導体の補助膜をドレイン電極と電気的に接続することで、p型金属酸化物半導体から、ホール注入することで電流コラプスの原因となる窒化物系半導体層にトラップされた電子を中和し、電流コラプスを抑制し、リーク電流を低減することができる。また、本発明の半導体装置及びその製造方法によれば、補助膜としてp型金属酸化物半導体を使用することで、補助膜をスパッタリング等により比較的低温で形成することができるので、フォトレジスト膜等を用いたリフトオフ法により補助膜を所望の領域に部分的に形成でき、ドライエッチング工程を削除することができる。これにより、半導体装置の作製が容易となるとともに、窒化物系半導体層に与えるダメージを低減したプロセスとなり、結晶欠陥の発生を抑制できる。このため、リーク電流を低下させることができ、電流コラプス現象をより効果的に抑制でき、信頼性を向上させることができる。 As described above, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof of the present invention, holes are injected from the p-type metal oxide semiconductor by electrically connecting the auxiliary film of the p-type metal oxide semiconductor to the drain electrode. Thus, electrons trapped in the nitride-based semiconductor layer that causes current collapse can be neutralized, current collapse can be suppressed, and leakage current can be reduced. Further, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof of the present invention, the auxiliary film can be formed at a relatively low temperature by sputtering or the like by using a p-type metal oxide semiconductor as the auxiliary film. The auxiliary film can be partially formed in a desired region by the lift-off method using the above, and the dry etching process can be eliminated. As a result, the fabrication of the semiconductor device is facilitated, and the process for reducing damage to the nitride-based semiconductor layer is reduced, and the generation of crystal defects can be suppressed. For this reason, the leakage current can be reduced, the current collapse phenomenon can be more effectively suppressed, and the reliability can be improved.
前述のように、従来技術では、FETのドレイン近傍にp型窒化物半導体層を設け、p型窒化物半導体層とドレインを電気的に接続し、p型窒化物半導体層から、ホール注入することで半導体層中の電子を中和し、電流コラプスを抑制していた。
しかしながら、従来のFETでは、p型窒化物半導体層をバリア層上のゲート電極やソース電極から離間させる必要があり、p型窒化物半導体層をバリア層上に部分的に形成するため、ドライエッチング、エピタキシャル再成長等の工程が必要になるため、ドライエッチング工程でのバリア層へのダメージによるリーク電流の増加、電流コラプスの悪化、信頼性低下などが起こり得るという問題があった。
As described above, in the prior art, a p-type nitride semiconductor layer is provided near the drain of the FET, the p-type nitride semiconductor layer and the drain are electrically connected, and holes are injected from the p-type nitride semiconductor layer. Thus, the electrons in the semiconductor layer were neutralized and current collapse was suppressed.
However, in the conventional FET, the p-type nitride semiconductor layer needs to be separated from the gate electrode and the source electrode on the barrier layer, and the p-type nitride semiconductor layer is partially formed on the barrier layer. Since a process such as epitaxial regrowth is required, there is a problem that leakage current may increase due to damage to the barrier layer in the dry etching process, current collapse may deteriorate, and reliability may decrease.
そこで、本発明者は、電流コラプスを抑制するとともに、リーク電流を低減させることができ、信頼性低下を抑制することができる半導体装置及びその製造方法について鋭意検討を重ねた。 Therefore, the inventor has intensively studied a semiconductor device and a manufacturing method thereof that can suppress current collapse, reduce leakage current, and suppress deterioration in reliability.
その結果、本発明者は、補助膜として、p型窒化物半導体の代わりに、p型金属酸化物半導体を使用することで、補助膜をスパッタリング等により比較的低温で形成することができるので、フォトレジスト膜等を用いたリフトオフ法により補助膜を所望の領域に部分的に形成でき、ドライエッチング工程を削除することができ、これにより、半導体装置の作製が容易となるとともに、窒化物系半導体層に与えるダメージを低減し、結晶欠陥の発生を抑制できる。このため、リーク電流を低下させることができ、電流コラプスをより効果的に抑制でき、信頼性低下を抑制することができることを見出し、本発明を完成させた。 As a result, the present inventor can form the auxiliary film at a relatively low temperature by sputtering or the like by using a p-type metal oxide semiconductor instead of the p-type nitride semiconductor as the auxiliary film. An auxiliary film can be partially formed in a desired region by a lift-off method using a photoresist film or the like, and a dry etching process can be eliminated. This makes it easier to fabricate a semiconductor device and a nitride-based semiconductor. The damage given to the layer can be reduced and the occurrence of crystal defects can be suppressed. For this reason, the inventors have found that the leakage current can be reduced, the current collapse can be more effectively suppressed, and the decrease in reliability can be suppressed, and the present invention has been completed.
以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail as an example of an embodiment with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.
まず、本発明の第1実施形態の半導体装置について、図1を参照しながら、説明する。 First, the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図1は本発明の第1実施形態の半導体装置を示す概略断面図である。図1の半導体装置10は、窒化物系半導体からなるバリア層17と、バリア層17と接するドレイン電極(第1の電極)21と、バリア層17と接するソース電極(第2の電極)20と、ドレイン電極(第1の電極)21と電気的に接続し、ソース電極(第2の電極)20とは離間し、バリア層17と接するp型金属酸化物半導体から成る補助膜23とを備えている。補助膜23は、例えば、p型のニッケル酸化物又はp型の銅酸化物とすることができる。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 1 includes a
ここで、半導体装置10は、さらに、基板14と、基板14上に設けられた窒化物系半導体からバッファ層15と、バッファ層15上に設けられた窒化物系半導体からなるチャネル層16とを有することができ、バリア層17をチャネル層16上に設けることができる。なお、チャネル層16内には、バリア層(第2の窒化物系半導体層)17とチャネル層(第1の窒化物系半導体層)16との界面近傍に2次元電子ガス層18が平面的に広がるように形成されている。チャネル層16内に2次元電子ガス層18が形成されていることで、FETのオン抵抗を低減させることができる。
Here, the
基板14は、例えば、シリコン基板又はSiC基板とすることができ、チャネル層16は、例えば、GaN層とすることができ、バリア層17は、例えば、AlGaN層とすることができる。また、バッファ層15は、例えば、組成の異なる窒化物系半導体層の積層構造とすることができる。
The
本発明の第1実施形態の半導体装置10では、ドレイン電極21と補助膜23とを配線25を用いて電気的に接続している。配線25はドレイン電極21と同じ材料又は補助膜23と同じ材料であってもよいし、これらと異なる材料であってもよい。
ドレイン電極(第1の電極)21は、ソース電極(第2の電極)20よりも高電位が印加される。
In the
A higher potential than the source electrode (second electrode) 20 is applied to the drain electrode (first electrode) 21.
ドレイン電極(第1の電極)21とソース電極(第2の電極)20との間を流れる主電流を制御するゲート電極(制御電極)22を更に備え、補助膜23はドレイン電極(第1の電極)21とゲート電極(制御電極)22との間に形成され、ゲート電極(制御電極)22から離間したものであることが好ましい。このように補助膜23がゲート電極(制御電極)22から離間していることで、補助膜23とゲート電極(制御制御電)22との間のリーク電流を低減することができる。
A gate electrode (control electrode) 22 for controlling a main current flowing between the drain electrode (first electrode) 21 and the source electrode (second electrode) 20 is further provided, and the
補助膜23の抵抗値は、ドレイン電極(第1の電極)21及びソース電極(第2の電極)20の抵抗値よりも大きいものであることが好ましい。なお、ここで言う抵抗値とは、具体的には、例えば、抵抗率とすることができる。補助膜23の抵抗値がドレイン電極(第1の電極)21及びソース電極(第2の電極)20の抵抗値よりも大きいものであれば、ドレイン電極21とソース電極20との間の距離よりも補助電極23とソース電極20との間の距離を短くしてもリーク電流の増加を抑制できる。これにより、ドレイン電極20の面積とチップサイズの小型化を確保しつつ、補助膜を設けることができる。逆を言えば、補助膜を広くして電流コラプス現象を抑制しつつ、小型でドレイン電極の面積を確保することができる。また、補助膜23を介した電流パスに起因するFETの特性の変動を抑制することができる。
The resistance value of the
また、本発明の第1実施形態の半導体装置10において、バリア層17を通常より厚めに形成することで、補助膜23が形成されたドレイン電極21近傍の領域における2次元電子ガス層18が減少することを抑制することができ、FETのオン抵抗の増加を抑制することができる。
In the
上記で説明した本発明の第1実施形態の半導体装置によれば、p型金属酸化物半導体の補助膜がホール注入することで、電流コラプスの原因となる窒化物系半導体層(バリア層)の表面等にトラップされた電子を中和し、電流コラプスを抑制することができる。また、補助膜として、p型窒化物半導体の代わりに、p型金属酸化物半導体を使用することで、補助膜をスパッタリング等により比較的低温で形成することができるので、フォトレジスト膜等を用いたリフトオフ法により補助膜を所望の領域に部分的に形成でき、ドライエッチング工程を削除することができる。これにより、半導体装置の作製が容易となるとともに、補助膜形成時のバリア層等へのダメージが少ないプロセスとなり、補助膜を設けたことによるバリア層の結晶欠陥の増加を抑制できる。このため、リーク電流を低下させることができ、電流コラプス現象をより効果的に抑制でき、信頼性を向上させることができる。 According to the semiconductor device of the first embodiment of the present invention described above, the nitride-based semiconductor layer (barrier layer) that causes current collapse is generated by injecting holes in the auxiliary film of the p-type metal oxide semiconductor. Electrons trapped on the surface or the like can be neutralized and current collapse can be suppressed. In addition, by using a p-type metal oxide semiconductor instead of a p-type nitride semiconductor as the auxiliary film, the auxiliary film can be formed at a relatively low temperature by sputtering or the like. The auxiliary film can be partially formed in a desired region by the lift-off method, and the dry etching process can be eliminated. This facilitates the fabrication of the semiconductor device, reduces the damage to the barrier layer and the like during the formation of the auxiliary film, and suppresses an increase in crystal defects in the barrier layer due to the provision of the auxiliary film. For this reason, the leakage current can be reduced, the current collapse phenomenon can be more effectively suppressed, and the reliability can be improved.
ここで、本発明の第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す工程フローを説明する。
まず、図2(a)に示すように、既知の方法(例えば、有機金属気相成長法)により、チャネル層16上にバリア層17を形成する。そして、バリア層17上にドレイン電極(ドレインオーミック電極)21及びソース電極(ソースオーミック電極)20を形成する。なお、図2において、チャネル層16より下層の基板14及びバッファ層15は省略されている。その後、図2(b)に示すように、既知の方法(例えば、フォトリソグラフィー法)により、補助膜形成領域29及びゲート形成領域30以外の領域に、フォトレジスト膜24を形成する。
次に、図2(c)に示すように、スパッタリング法により、p型金属酸化物半導体膜27を形成する。p型金属酸化物半導体膜27は、例えば、p型のニッケル酸化物(例えば、NiO膜等のNiOx膜)又はp型の銅酸化物(例えば、CuO膜等のCuOx膜)とすることができる。ここで、p型金属酸化物半導体膜27は、エピタキシャル成長により形成されるp型窒化物半導体膜とは異なり、スパッタリング法等により比較的低温で形成することができるので、p型金属酸化物半導体膜27の形成時にフォトレジスト膜24は十分耐えることができる。
次に、図2(d)に示すように、リフトオフ法により、補助膜形成領域29及びゲート形成領域30以外の領域のp型金属酸化物半導体膜27を除去する。具体的には、既知の方法によりフォトレジスト膜24を除去することで、フォトレジスト膜24上に形成されたp型金属酸化物半導体膜27を除去する。これにより、p型金属酸化物半導体から成る補助膜23、及び、p型金属酸化物半導体から成るゲート電極22を形成する。
上記のようにして、図1に示す本発明の第1実施形態の半導体装置10を製造することができる。
上記で図2を用いて説明したように、本発明の半導体装置では補助膜23がp型金属酸化物半導体から成るものであり、スパッタリング法等により比較的低温で形成することができるので、フォトレジスト膜等を用いたリフトオフ法により補助膜を所望の領域に部分的に形成でき、従来は必要であったドライエッチング工程を削除することができる。これにより、半導体装置の作製が容易となるとともに、ダメージレスのプロセスとなり、結晶欠陥の発生を抑制できる。このため、リーク電流を低下させることができ、電流コラプス現象をより効果的に抑制でき、信頼性を向上させることができる。
Here, a process flow showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described.
First, as shown in FIG. 2A, a
Next, as shown in FIG. 2C, a p-type metal
Next, as shown in FIG. 2D, the p-type metal
As described above, the
As described above with reference to FIG. 2, in the semiconductor device of the present invention, the
次に、本発明の第2実施形態の半導体装置について、図3を参照しながら、説明する。 Next, a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図3は本発明の第2実施形態の半導体装置を示す概略断面図である。図3の半導体装置11は、図1に示す本発明の第1実施形態の半導体装置とほぼ同様の構成であるが、補助膜23がドレイン電極21と接している点、及び、ドレイン電極21の一部がバリア層(第2の窒化物系半導体層)17を貫通してチャネル層(第1の窒化物系半導体層)16に達し、ドレイン電極21の少なくとも一部が2次元電子ガス層18と接している点で、本発明の第1実施形態の半導体装置と異なっている。なお、図3で示すようにソース電極20もドレイン電極21と同様にその一部がバリア層17を貫通してチャネル層16に達することが好ましい。本発明の第2実施形態の半導体装置においても、本発明の第1実施形態の半導体装置及びその製造方法と同様の効果を得ることができる。
FIG. 3 is a schematic sectional view showing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. The
本発明の第2実施形態の半導体装置においては、さらに、補助膜23がドレイン電極21と接しているので、電子が比較的トラップされ易いドレイン電極(第1の電極)21の近傍の窒化物半導体層の領域において、トラップされた電子を中和することができ、電流コラプス現象をより効果的に抑制することができる。
In the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, since the
また、本発明の第2実施形態の半導体装置においては、ドレイン電極21の一部がバリア層17を貫通してチャネル層16内へと延びるように設けられているので、ドレイン電極21がバリア層17を介さずにチャネル層16に接することができ、これにより、FETのオン抵抗を低減させることができる。
In the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, the
次に、本発明の第3実施形態の半導体装置について、図4を参照しながら、説明する。 Next, a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図4(a)は本発明の第3実施形態の半導体装置を示す概略断面図であり、図4(b)は図4(a)の上面図である。図4の半導体装置12は、図3に示す本発明の第2実施形態の半導体装置とほぼ同様の構成であるが、補助膜23がドレイン電極21の周りを取り囲むように設けられている点で、本発明の第2実施形態の半導体装置と異なっている。本発明の第3実施形態の半導体装置においても、本発明の第2実施形態の半導体装置と同様の効果を得ることができる。ここで、補助電極(補助膜)23が周りを取り囲むとは完全に囲む場合に限らず、周期的に間隔を開けて取り囲むように配置する場合も含まれる。また、図4(b)において、ソース電極20がドレイン電極21よりも外側に設けられているが、ドレイン電極21がソース電極20よりも外側に設けられていても良い。この場合、補助膜23はドレイン電極21よりも内側でリング状に囲むように設けられることは言うまでもない。
FIG. 4A is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a top view of FIG. The
本発明の第3実施形態の半導体装置においては、さらに、補助膜23がドレイン電極21を取り囲むように設けられているので、ドレイン電極21に隣接した領域に、より広い面積の補助膜23を設けることができ、これにより、より効率的に電流コラプス現象を抑制することができる。
In the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, since the
次に、本発明の第4実施形態の半導体装置について、図5を参照しながら、説明する。 Next, a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図5は本発明の第4実施形態の半導体装置を示す概略断面図である。図5の半導体装置13は、図4に示す本発明の第3実施形態の半導体装置とほぼ同様の構成であるが、ドレイン電極21の一部が補助膜23の上面上に設けられている点で、本発明の第3実施形態の半導体装置と異なっている。本発明の第4実施形態の半導体装置においても、本発明の第3実施形態の半導体装置と同様の効果を得ることができる。
FIG. 5 is a schematic sectional view showing a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. The
本発明の第4実施形態の半導体装置においては、さらに、ドレイン電極21の一部がソース電極20側に補助膜23よりも短い長さで補助膜23の上面上に設けられているので、ドレイン電極21の上面の面積を広くすることができる。
In the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention, since part of the
次に、本発明の第3実施形態の半導体装置の製造方法について、図6を参照しながら、説明する。 Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図6は、本発明の第3実施形態の半導体装置の製造方法を示す工程フローである。なお、図6において、チャネル層16より下層の基板14及びバッファ層15は省略されている。また、図6においては、キャップ層19がバリア層17の上に設けられているが、キャップ層19は設けなくてもよい。
FIG. 6 is a process flow showing the method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 6, the
まず、図6(a)に示すように、既知の方法(例えば、有機金属気相成長法)により、チャネル層16上にバリア層17を形成し、バリア層17上にキャップ層19を形成し、エピタキシャル基板28を作製する。そして、作製したエピタキシャル基板28にチャネル層16に達する溝を堀り、ドレイン電極(ドレインオーミック電極)21及びソース電極(ソースオーミック電極)20を溝内に形成する。その後、ゲート電極形成用の溝26を形成する。ここで、チャネル層16は、例えば、GaN層とすることができ、バリア層17は、例えば、AlGaN層とすることができ、キャップ層19は、例えば、GaN層とすることができる。
First, as shown in FIG. 6A, a
次に、図6(b)に示すように、既知の方法(例えば、フォトリソグラフィー法)により、補助膜形成領域29及びゲート形成領域30以外の領域に、フォトレジスト膜24を形成する。
Next, as shown in FIG. 6B, a
次に、図6(c)に示すように、スパッタリング法により、p型金属酸化物半導体膜27を形成する。p型金属酸化物半導体膜27は、例えば、p型のニッケル酸化物(例えば、NiO膜等のNiOx膜)又はp型の銅酸化物(例えば、CuO膜等のCuOx膜)とすることができる。ここで、p型金属酸化物半導体膜27は、エピタキシャル成長により形成されるp型窒化物半導体膜とは異なり、スパッタリング法等により比較的低温で形成することができるので、p型金属酸化物半導体膜27の形成時にフォトレジスト膜24は十分耐えることができる。
Next, as shown in FIG. 6C, a p-type metal
次に、図6(d)に示すように、リフトオフ法により、補助膜形成領域29及びゲート形成領域30以外の領域のp型金属酸化物半導体膜27を除去する。具体的には、既知の方法によりフォトレジスト膜24を除去することで、フォトレジスト膜24上に形成されたp型金属酸化物半導体膜27を除去する。これにより、p型金属酸化物半導体から成る補助膜23、及び、p型金属酸化物半導体から成るゲート電極22を形成する。
Next, as shown in FIG. 6D, the p-type metal
上記のようにして、図4に示す本発明の第3実施形態の半導体装置12を製造することができる。
上記で図6を用いて説明したように、本発明の半導体装置では補助膜23がp型金属酸化物半導体から成るものであり、スパッタリング法等により比較的低温で形成することができるので、フォトレジスト膜等を用いたリフトオフ法により補助膜を所望の領域に部分的に形成でき、従来は必要であったドライエッチング工程を削除することができる。これにより、半導体装置の作製が容易となるとともに、ダメージレスのプロセスとなり、結晶欠陥の発生を抑制できる。このため、リーク電流を低下させることができ、電流コラプス現象をより効果的に抑制でき、信頼性を向上させることができる。
As described above, the
As described above with reference to FIG. 6, in the semiconductor device of the present invention, the
次に、本発明の第5実施形態の半導体装置について、図7−11を参照しながら、説明する。 Next, a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図7(a)は本発明の第5実施形態の半導体装置を示す概略断面図であり、図7(b)は図7(a)の上面図である。なお、図7(b)はドレイン電極21近傍の領域の上面を示すものであり、また、後述する絶縁膜32、及び絶縁膜32上に設けられたドレイン電極21の一部は省略されている。
図7の半導体装置40は、図3に示す本発明の第2実施形態の半導体装置とほぼ同様の構成であるが、ゲート電極22の一部がバリア層17に設けられた溝内に設けられている点、補助膜23及びドレイン電極21上に絶縁膜32が設けられ、ドレイン電極21の一部が絶縁膜32上にも設けられている点、及び、補助膜23の一部が、バリア層17を貫通しチャネル層16に達する溝31内に設けられている点で、本発明の第2実施形態の半導体装置と異なっている。ここで、絶縁膜32は、例えば、SiO2膜、又はSiN膜とすることができる。なお、図7の半導体装置40において、補助膜23の一部が設けられている溝31の上から見た形状は円形であり、また、補助膜23の一部が設けられている溝31はドレイン電極21とゲート電極22との間の領域においてドレイン電極21が窒化物半導体層上を延伸する方向に間隔をあけて周期的に設けられている(図7(b)参照)。本発明の第5実施形態の半導体装置においても、本発明の第2実施形態の半導体装置と同様の効果を得ることができる。
FIG. 7A is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention, and FIG. 7B is a top view of FIG. 7A. FIG. 7B shows an upper surface of a region in the vicinity of the
7 has substantially the same configuration as that of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 3, but a part of the
本発明の第5実施形態の半導体装置においては、さらに、補助膜23の一部が、バリア層17を貫通しチャネル層16に達する溝31内に設けられているので、FETのオン抵抗の増加を抑制させながら、ホールの注入効率を向上させることができる。すなわち、補助膜23がバリア層17上に設けられている場合には、ホールの注入効率が悪い。注入効率を上げるためバリア層17を薄くすると2次元電ガス層18の濃度が下がり、FETのオン抵抗が高くなる。そこで、補助膜23の一部を、少なくともバリア層17内に設けられた溝31内に設けることで、溝31の領域ではホール注入効率を上げることができるとともに、溝31以外の領域では、バリア層17の厚さが薄くならないので、2次元電ガス層18の濃度が下がることはなく、FETのオン抵抗の増加を抑制させることができる。
つまり、補助膜23の一部が設けられている溝31が間隔をあけて周期的に設けられているので、溝31が設けられていない部分は良好に電流を流すことができる。それゆえ、半導体装置がオン時にドレイン・ソース間に流れる電流が減少することを低減することができる。
In the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention, since a part of the
That is, since the
図8は本発明の第5実施形態の半導体装置の第1の変形例を示す概略断面図である。図8の半導体装置40’では、補助膜23の一部が設けられている溝31がバリア層17を貫通せずにチャネル層16に達していないけれども、図7の半導体装置40と同様に、溝31の領域ではバリア層17を薄くすることでホール注入効率を上げることができるとともに、溝31以外の領域では、バリア層17の厚さが薄くならないので、2次元電子ガス層18の濃度が下がることはなく、FETのオン抵抗の増加を抑制させることができる。
FIG. 8 is a schematic sectional view showing a first modification of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention. In the
図9は本発明の第5実施形態の半導体装置の第2の変形例を示す上面図である。図9は図7(b)と同様にドレイン電極21近傍の領域の上面を示すものであり、絶縁膜32、及び絶縁膜32上に設けられたドレイン電極21の一部は省略されている。図9の半導体装置においては、補助膜23の一部が設けられている溝31の上から見た形状は長方形であり、また、補助膜23の一部が設けられている溝31はドレイン電極21と接している。
なお、溝31の上から見た形状は、例えば、六角形等様々な形状とすることもできる。
図9の半導体装置においては、補助膜23の一部が設けられている溝31がドレイン電極21と接しているので、電子がトラップしやすいドレイン電極21近傍の窒化物系半導体層内においても、より効果的にホール注入させることができ、電流コラプスを低減することができる。
FIG. 9 is a top view showing a second modification of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 9 shows the upper surface of the region in the vicinity of the
In addition, the shape seen from the groove |
In the semiconductor device of FIG. 9, since the
図10は本発明の第5実施形態の半導体装置の第3の変形例を示す上面図である。図10も図7(b)と同様にドレイン電極21近傍の領域の上面を示すものであり、絶縁膜32、及び絶縁膜32上に設けられたドレイン電極21の一部は省略されている。図10の半導体装置は、図9の半導体装置とほぼ同様の構成であるが、補助膜23が間隔をあけて周期的に設けられている点で異なっている。
図10の半導体装置においては、ドレイン電極21とゲート電極22との間の領域で溝31及び補助膜23はドレイン電極21が窒化物半導体層上を延伸する方向に間隔をあけて周期的に設けられているので、溝31が設けられていない部分は良好に電流を流すことができる。それゆえ、半導体装置がオン時にドレイン・ソース間に流れる電流が減少することを低減することができる。
FIG. 10 is a top view showing a third modification of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 10 also shows the top surface of the region in the vicinity of the
In the semiconductor device of FIG. 10, in the region between the
図11は本発明の第5実施形態の半導体装置の第4の変形例を示す上面図である。図11も図7(b)と同様にドレイン電極21近傍の領域の上面を示すものであり、絶縁膜32、及び絶縁膜32上に設けられたドレイン電極21の一部は省略されている。図11の半導体装置においては、補助膜23の一部が設けられている溝31の上から見た形状は長方形であり、また、補助膜23の一部が設けられている溝31はドレイン電極21から離間しており、補助膜23の上から見た形状は櫛型状である。
図11の半導体装置においても本発明の第2実施形態の半導体装置と同様の効果を得ることができる。
FIG. 11 is a top view showing a fourth modification of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 11 also shows the top surface of the region in the vicinity of the
Also in the semiconductor device of FIG. 11, the same effect as the semiconductor device of the second embodiment of the present invention can be obtained.
次に、本発明の第6実施形態の半導体装置について、図12を参照しながら、説明する。 Next, a semiconductor device according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図12(a)は本発明の第6実施形態の半導体装置を示す概略断面図であり、図12(b)は図12(a)の上面図である。なお、図12(b)はドレイン電極21近傍の領域の上面を示すものであり、また、絶縁膜32、及び絶縁膜32上の配線25は省略されている。図12の半導体装置41は図7に示す本発明の第5実施形態の半導体装置とほぼ同様の構成であるが、溝31の上から見た形状が長方形である点、補助膜23が間隔をあけて周期的に設けられている点、及び、補助膜23がドレイン電極21から離間していて、補助膜23とドレイン電極21は配線25によって電気的に接続されている点で本発明の第5実施形態の半導体装置と異なっている。ここで、補助膜23及びドレイン電極21は絶縁膜32に設けられた開口部を介して配線25に接続されている(図12(a)参照)。なお、図12の半導体装置41では、補助膜23の一部が設けられている溝31がバリア層17を貫通せずにチャネル層16に達していない構成になっているが、補助膜23の一部が設けられている溝31がバリア層17を貫通してチャネル層16に達する構成としてもよい。本発明の第6実施形態の半導体装置においても、本発明の第5実施形態の半導体装置と同様の効果を得ることができる。
FIG. 12A is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor device according to a sixth embodiment of the present invention, and FIG. 12B is a top view of FIG. FIG. 12B shows the upper surface of the region near the
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
10、11、12、13、40、40’、41…半導体装置、 14…基板、
15…バッファ層、 16…チャネル層(第1の窒化物系半導体層)、
17…バリア層(第2の窒化物系半導体層)、 18…2次元電子ガス層、
19…キャップ層、 20…ソース電極(第2の電極)、
21…ドレイン電極(第1の電極)、 22…ゲート電極(制御電極)、
23…補助膜(補助電極)、 24…フォトレジスト膜、 25…配線、 26…溝、
27…p型金属酸化物半導体膜、 28…エピタキシャル基板、
29…補助電極形成領域、 30…ゲート形成領域、 31…溝、 32…絶縁膜。
10, 11, 12, 13, 40, 40 ', 41 ... semiconductor device, 14 ... substrate,
15 ... buffer layer, 16 ... channel layer (first nitride semiconductor layer),
17 ... Barrier layer (second nitride semiconductor layer), 18 ... Two-dimensional electron gas layer,
19 ... cap layer, 20 ... source electrode (second electrode),
21 ... Drain electrode (first electrode), 22 ... Gate electrode (control electrode),
23 ... Auxiliary film (auxiliary electrode), 24 ... Photoresist film, 25 ... Wiring, 26 ... Groove,
27 ... p-type metal oxide semiconductor film, 28 ... epitaxial substrate,
29 ... auxiliary electrode formation region, 30 ... gate formation region, 31 ... groove, 32 ... insulating film.
Claims (11)
前記窒化物系半導体層と接する第1の電極と、
前記窒化物系半導体層と接する第2の電極と、
前記第1の電極と電気的に接続し、前記第2の電極とは離間し、前記窒化物系半導体層と接するp型金属酸化物半導体から成る補助膜と
を備えたものであることを特徴とする半導体装置。 A nitride-based semiconductor layer;
A first electrode in contact with the nitride-based semiconductor layer;
A second electrode in contact with the nitride-based semiconductor layer;
An auxiliary film made of a p-type metal oxide semiconductor that is electrically connected to the first electrode, spaced apart from the second electrode, and in contact with the nitride-based semiconductor layer is provided. A semiconductor device.
前記窒化物系半導体層と接する第1の電極と、
前記窒化物系半導体層と接する第2の電極と、
前記第1の電極と電気的に接続し、前記第2の電極とは離間し、前記窒化物系半導体層と接するp型のニッケル酸化物又はp型の銅酸化物から成る補助膜と
を備えたものであることを特徴とする半導体装置。 A nitride-based semiconductor layer;
A first electrode in contact with the nitride-based semiconductor layer;
A second electrode in contact with the nitride-based semiconductor layer;
An auxiliary film made of p-type nickel oxide or p-type copper oxide electrically connected to the first electrode, spaced apart from the second electrode, and in contact with the nitride-based semiconductor layer A semiconductor device characterized by that.
前記第1の電極は前記第2の電極よりも高電位となる電極であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。 The nitride semiconductor layer includes: a first nitride semiconductor layer; a second nitride semiconductor layer on the first nitride semiconductor layer; the first nitride semiconductor layer; A two-dimensional electron gas layer provided in the vicinity of the interface of the second nitride-based semiconductor layer,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first electrode is an electrode having a higher potential than the second electrode.
前記補助膜は前記第1の電極と前記制御電極との間に形成され、前記制御電極から離間したものであることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置。 A control electrode for controlling a main current flowing between the first electrode and the second electrode;
5. The semiconductor according to claim 1, wherein the auxiliary film is formed between the first electrode and the control electrode, and is separated from the control electrode. 6. apparatus.
前記第1の電極と電気的に接続し、前記第2の電極とは離間し、前記窒化物系半導体層と接するp型のニッケル酸化物又はp型の銅酸化物から成る補助膜を形成する工程と
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first electrode and a second electrode in contact with the nitride-based semiconductor layer;
An auxiliary film made of p-type nickel oxide or p-type copper oxide is formed that is electrically connected to the first electrode, spaced apart from the second electrode, and in contact with the nitride-based semiconductor layer. A method of manufacturing a semiconductor device.
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