JP2022024525A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、半導体装置に関する。 The present disclosure relates to semiconductor devices.
窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化インジウム(InN)や、これらの混晶等の窒化物半導体は、大きな絶縁耐圧、高い飽和速度等の優れた材料特性を有する。従来、窒化物半導体を用いた高出力・高電圧動作が可能な半導体装置の開発が進められている。窒化物半導体を用いた半導体装置としては、電界効果トランジスタ、特に高電子移動度トランジスタ(high electron mobility transistor:HEMT)についての報告が数多くなされている。窒化物半導体を用いたHEMTとして、GaN層を電子走行層に、AlGaN層を電子供給層に用いたHEMTが知られている。このようなGaN系HEMTでは、AlGaNとGaNとの格子定数の差に起因する歪みがAlGaN層に生じ、この歪みに伴ってピエゾ分極が生じ、高濃度の二次元電子ガス(two-dimensional electron gas:2DEG)がAlGaN層下のGaN層の上面近傍に発生する。このため、GaN系HEMTの高出力増幅器への応用が期待されている。 Nitride semiconductors such as gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), indium nitride (InN), and their mixed crystals have excellent material properties such as high dielectric strength and high saturation rate. Conventionally, the development of a semiconductor device capable of high output and high voltage operation using a nitride semiconductor has been promoted. As a semiconductor device using a nitride semiconductor, many reports have been made on field effect transistors, particularly high electron mobility transistors (HEMTs). As a HEMT using a nitride semiconductor, a HEMT using a GaN layer as an electron traveling layer and an AlGaN layer as an electron supply layer is known. In such a GaN-based HEMT, strain due to the difference in lattice constant between AlGaN and GaN occurs in the AlGaN layer, and piezopolarization occurs with this strain, resulting in high-concentration two-dimensional electron gas. : 2DEG) is generated near the upper surface of the GaN layer under the AlGaN layer. Therefore, application of GaN-based HEMT to high-power amplifiers is expected.
従来の半導体装置では、電流コラプスとリーク電流を抑制することが困難である。 With conventional semiconductor devices, it is difficult to suppress current collapse and leakage current.
本開示の目的は、電流コラプスとリーク電流を抑制することができる半導体装置を提供することにある。 An object of the present disclosure is to provide a semiconductor device capable of suppressing current collapse and leakage current.
本開示の一形態によれば、基板と、前記基板の上方に設けられた窒化物半導体の半導体積層構造と、前記半導体積層構造の上方に設けられたソース電極、ゲート電極及びドレイン電極と、を有し、前記半導体積層構造は、前記基板の上方に設けられたドナー含有層と、前記ドナー含有層の上方に設けられた電子走行層と、前記電子走行層の上方に設けられた電子供給層と、を有し、前記電子供給層、前記電子走行層及び前記ドナー含有層に開口部が形成され、前記ゲート電極は前記開口部内にも設けられている半導体装置が提供される。 According to one embodiment of the present disclosure, a substrate, a semiconductor laminated structure of a nitride semiconductor provided above the substrate, and a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode provided above the semiconductor laminated structure are provided. The semiconductor laminated structure has a donor-containing layer provided above the substrate, an electron traveling layer provided above the donor-containing layer, and an electron supply layer provided above the electron traveling layer. A semiconductor device is provided in which an opening is formed in the electron supply layer, the electron traveling layer, and the donor-containing layer, and the gate electrode is also provided in the opening.
本開示によれば、電流コラプスとリーク電流を抑制することができる。 According to the present disclosure, current collapse and leakage current can be suppressed.
本願発明者らは、電流コラプス及びリーク電流を抑制するための構成について鋭意検討を行った。この結果、基板と電子走行層との間にドナーを含むドナー含有層を設けることで電流コラプスを抑制できることが明らかになった。また、ドナー含有層が設けられると、トランジスタがオンしている時にリーク電流が大きくなりやすいことも明らかになった。 The inventors of the present application have diligently studied the configuration for suppressing current collapse and leakage current. As a result, it was clarified that the current collapse can be suppressed by providing the donor-containing layer containing the donor between the substrate and the electron traveling layer. It was also clarified that when the donor-containing layer is provided, the leakage current tends to increase when the transistor is on.
ここで、参考例を参照しながら電流コラプス及びリーク電流について説明する。図47は、参考例に係る半導体装置を示す断面図である。 Here, the current collapse and the leak current will be described with reference to a reference example. FIG. 47 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a reference example.
参考例に係る半導体装置900では、図47に示すように、Z方向で基板901上に窒化物半導体積層構造910が形成されている。Z方向は基板901の主面に垂直な方向である。窒化物半導体積層構造910には、GaNのドナー含有層902と、GaNの初期層903と、GaNの電子走行層904と、AlGaNの電子供給層905とが含まれる。
In the
窒化物半導体積層構造910に、素子領域を画定する素子分離領域が形成されており、素子領域内において、Y方向に延びるソース電極901s及びドレイン電極901dが窒化物半導体積層構造910上に形成されている。窒化物半導体積層構造910を覆う誘電体層921が形成されている。誘電体層921はSi窒化物(SiN)の層である。誘電体層921上にY方向に延びるゲート電極901gが形成されている。
An element separation region defining an element region is formed in the nitride semiconductor laminated
参考例に係る半導体装置900はこのような構成を備える。図48は、参考例のI-V特性を示す図である。図48(a)はドナー含有層902に含まれるドナーの密度が1×1018cm-3以上の場合のI-V特性を示し、図48(b)はドナー含有層902に含まれるドナーの密度が1×1018cm-3未満の場合のI-V特性を示す。図48中の実線はストレスが印加されているときのI-V特性を示し、破線はストレスが印加されていないときのI-V特性を示す。図48には5種類のゲート電圧Vgに対応するI-V特性を示す。図48中のV1、V2、V3、V4及びV5の間には、V1<V2<V3<V4<V5の関係が成り立つ。
The
図48(a)に示すように、ドナーの密度が1×1018cm-3以上の場合には、ストレスが印加されているときといないときとの間でのI-V特性の相違が小さい。これは、電流コラプスが小さいことを意味する。しかしながら、ソース-ドレイン間電圧Vdsが40V以上となると、ソース-ドレイン間電流Idsが上昇している。これは、リーク電流が大きいことを意味する。 As shown in FIG. 48 (a), when the donor density is 1 × 10 18 cm -3 or more, the difference in IV characteristics between when stress is applied and when stress is not applied is small. .. This means that the current collapse is small. However, when the source-drain voltage Vds becomes 40 V or more, the source-drain current Ids increases. This means that the leakage current is large.
図48(b)に示すように、ドナーの密度が1×1018cm-3未満の場合には、ソース-ドレイン間電圧Vdsが40V以上であっても、ソース-ドレイン間電流Idsは上昇していない。これは、リーク電流が小さいことを意味する。しかしながら、ストレスが印加されているときといないときとの間でのI-V特性の相違が大きい。これは、電流コラプスが大きいことを意味する。 As shown in FIG. 48 (b), when the donor density is less than 1 × 10 18 cm -3 , the source-drain current Ids increases even if the source-drain voltage Vds is 40 V or more. Not. This means that the leakage current is small. However, there is a large difference in IV characteristics between when stress is applied and when stress is not applied. This means that the current collapse is large.
このように、参考例に係る半導体装置900では、電流コラプス及びリーク電流の両方を抑制することが困難である。そこで、本願発明者らは、電流コラプスを抑制しながらリーク電流を抑制するための構成について鋭意検討を行った。この結果、オン時にゲート電極からドナー含有層に空乏層が広がる構成に想到した。
As described above, in the
以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be specifically described with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the drawings, components having substantially the same functional configuration may be designated by the same reference numerals to omit duplicate explanations.
(第1実施形態)
第1実施形態について説明する。第1実施形態は、高電子移動度トランジスタ(HEMT)を含む半導体装置に関する。図1は、第1実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。図2及び図3は、第1実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。図2(a)は、図1中のIIa-IIa線に沿った断面図である。図2(b)は、図1中のIIb-IIb線に沿った断面図である。図3は、図1中のIII-III線に沿った断面図である。
(First Embodiment)
The first embodiment will be described. The first embodiment relates to a semiconductor device including a high electron mobility transistor (HEMT). FIG. 1 is a plan view showing a semiconductor device according to the first embodiment. 2 and 3 are cross-sectional views showing a semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 2A is a cross-sectional view taken along the line IIa-IIa in FIG. FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line IIb-IIb in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG.
第1実施形態に係る半導体装置100では、図1~図3に示すように、Z方向で基板101上に窒化物半導体積層構造110が形成されている。Z方向は基板101の主面に垂直な方向である。窒化物半導体積層構造110には、ドナー含有層102と、初期層103と、電子走行層(チャネル層)104と、電子供給層(バリア層)105とが含まれる。ドナー含有層102は基板101上に形成されている。初期層103はドナー含有層102上に形成されている。電子走行層104は初期層103上に形成されている。電子供給層105は電子走行層104上に形成されている。
In the
基板101は、例えばGaN基板である。ドナー含有層102は、例えばドナーを含有するGaN層である。ドナー含有層102は、例えばドナーとしてSi若しくはGe又はこれらの組み合わせを含む。ドナー含有層102におけるドナーの密度は、例えば1×1018cm-3以上1×1020cm-3以下である。ドナーの密度が高いドナー含有層102は、自由に動き回る電子が多く存在することで、リーク電流が流れやすい状態にある。初期層103は、意図的な不純物の注入が行われていないGaN層、すなわちi型GaN層であって、ドナーの密度が高いドナー含有層102が電子を散乱するのを抑制するためのスペーサとして機能する。初期層103は、基板101と電子走行層104の材料構成が異なる場合、その格子定数の違いによる物理的なストレスを緩和する役割を担う。また、初期層103は、Feなどの不純物をドーピングして高抵抗化する役割を担う。電子走行層104は、意図的な不純物の注入が行われていないGaN層、すなわちi型GaN層である。電子供給層105は、意図的な不純物の注入が行われていないAlGaN層、すなわちi型AlGaN層である。電子走行層104の電子供給層105との界面近傍に二次元電子ガス(2DEG)が発生している。
The
窒化物半導体積層構造110に、素子領域を画定する素子分離領域が形成されており、素子領域内において、Y方向に延びるソース電極1s及びドレイン電極1dが窒化物半導体積層構造110上に形成されている。ソース電極1s及びドレイン電極1dは、X方向に並んで配置されている。ソース電極1s及びドレイン電極1dは、例えば厚さが2nm~50nmのTi膜及びその上の厚さが100nm~300nmのAl膜を含み、電子供給層105にオーミックコンタクトしている。Y方向は第1方向の一例である。
An element separation region defining an element region is formed in the nitride semiconductor laminated
ソース電極1sとドレイン電極1dとの間で、窒化物半導体積層構造110に複数の開口部120が形成されている。開口部120は、矩形状の平面形状を有する。開口部120は、Z方向で電子供給層105、電子走行層104、初期層103及びドナー含有層102を貫通し、基板101に入り込むように形成されている。複数の開口部120はY方向に並んで断続的に形成されている。すなわち、開口部120は、言わば飛び石の石の位置に形成されている。複数の開口部120は、例えば一定の周期で形成されている。ドナー含有層102のY方向で隣り合う2つの開口部120に挟まれた部分の寸法は、例えば50nm以上400nm以下である。
A plurality of
窒化物半導体積層構造110を覆う誘電体層121が形成されている。誘電体層121は、開口部120の底面及び側壁面も覆う。誘電体層121がソース電極1s及びドレイン電極1dを覆っていてもよい。誘電体層121は、例えば厚さが5nm~100nm程度のSi窒化物(SiN)の層である。ここでいう誘電体層121の厚さは、開口部120の側壁面上での厚さである。誘電体層121の電子供給層105の上面上での厚さは、開口部120の側壁面上での厚さと同等である。
A
誘電体層121上にY方向に延びるゲート電極1gが形成されている。ゲート電極1gは、各開口部120内にも形成されている。ゲート電極1gは、開口部120内において、少なくとも、誘電体層121の一部に接触している。例えば、誘電体層121は、開口部120の側壁面のうちでZX平面に平行な第1部分121Aと、開口部120の側壁面のうちでYZ平面に平行な第2部分121Bとを有しており、Y方向に延びるゲート電極1gは、少なくとも第1部分121Aの一部に接触している。ゲート電極1gは、例えば厚さが5nm~30nmのNi膜及びその上の厚さが100nm~300nmのAu膜を含む。
A
第1実施形態に係る半導体装置100では、基板101と電子走行層104との間にドナー含有層102が設けられている。電流コラプスは、電子が電子走行層104のどこかで捕獲されて固定電荷として振る舞うことで発生する。ドナーの密度が高いドナー含有層102があることによって、固定電荷が発生しない又は捕獲されてもすぐに放出されるため、電流コラプスを抑制することができる。
In the
また、ドナーの密度が高いドナー含有層102は、自由に動き回る電子が多く存在することで、リーク電流が流れやすい状態にある。開口部120内にもゲート電極1gが入り込んでいるため、ゲート電極1gに電圧が印加されると、半導体表面の電位が持ち上がり自由に動き回る電子が枯渇して、ドナー含有層102に電子が枯渇する領域である空乏層が広がる。このため、更に電位を上げていけば空乏層が広がり、ドナー含有層102を経由するリークパスを狭めることができる。
Further, the donor-containing
従って、半導体装置100によれば、リーク電流を抑制しながら電流コラプスを抑制することができる。電流コラプスの抑制により、出力及び効率を向上することができる。
Therefore, according to the
次に、第1実施形態に係る半導体装置100の製造方法について説明する。図4~図8は、第1実施形態に係る半導体装置100の製造方法を示す平面図である。図9~図17は、第1実施形態に係る半導体装置100の製造方法を示す断面図である。図9(a)~図13(a)は、それぞれ図4~図8中のIXa-IXa線~XIIIa-XIIIa線に沿った断面図である。図9(b)~図13(b)は、それぞれ図4~図8中のIXb-IXb線~XIIIb-XIIIb線に沿った断面図である。図14~図17は、それぞれ図4~図8中のXIV-XIV線~XVII-XVII線に沿った断面図である。
Next, a method for manufacturing the
まず、図4、図9及び図14に示すように、基板101上に窒化物半導体積層構造110を形成する。窒化物半導体積層構造110の形成では、ドナー含有層102、初期層103、電子走行層104及び電子供給層105を、例えば有機金属気相成長(metal organic vapor phase epitaxy:MOVPE)法等の結晶成長法によりエピタキシャル成長させる。窒化物半導体積層構造110の形成に際して、GaN層の成長の際には、原料ガスとしてGa源であるトリメチルガリウム(TMGa)ガス及びN源であるアンモニア(NH3)ガスの混合ガスを用いる。AlN層の成長の際には、原料ガスとしてAl源であるトリメチルアルミニウム(TMAl)ガス及びNH3ガスの混合ガスを用いる。AlGaN層の成長の際には、原料ガスとして、Al源であるトリメチルアルミニウム(TMAl)ガス、TMGaガス及びNH3ガスの混合ガスを用いる。成長させる窒化物半導体層の組成に応じて、TMAlガス及びTMGaガスの供給の有無及び流量を適宜設定する。キャリアガスとして水素(H2)ガス又は窒素(N2)ガスを用いる。例えば、成長圧力は1kPa~100kPa程度、成長温度は700℃~1200℃程度とする。ドナー含有層102を成長させる際には、例えば、Si源であるシラン(SiH4)ガスを所定の流量で混合ガスに添加し、GaNにSiをドーピングする。Siのドーピング濃度は、例えば1×1018cm-3以上1×1020cm-3以下とする。大気に含まれるシロキサンからGaNにSiを含有させてもよい。インゴットから基板101を切り出した後に行う基板101の表面の化学機械的研磨(chemical mechanical polishing:CMP)の際に、砥粒に含まれるSiをGaNに含有させてもよい。
First, as shown in FIGS. 4, 9 and 14, a nitride semiconductor laminated
次いで、窒化物半導体積層構造110に、素子領域を画定する素子分離領域を形成する。素子分離領域の形成では、例えば、素子分離領域を形成する予定の領域を露出するフォトレジストのパターンを窒化物半導体積層構造110上に形成し、このパターンをマスクとしてAr等のイオン注入を行う。このパターンをエッチングマスクとして塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチング(reactive ion etching:RIE)を行ってもよい。素子分離領域の形成後、フォトレジストのパターンを、有機溶剤等を用いて除去する。フォトレジストのパターンは有機溶剤等への浸漬により除去することができる。
Next, an element separation region that defines the element region is formed in the nitride semiconductor laminated
その後、図5、図10及び図15に示すように、Y方向に断続的に配列する複数の開口部120を形成する。開口部120の形成では、例えば、開口部120を形成する予定の領域を露出するフォトレジストのパターンを窒化物半導体積層構造110上に形成する。そして、このパターンをエッチングマスクとして塩素系ガスを用いたRIE等のドライエッチングを行うことにより、窒化物半導体積層構造110を加工する。開口部120は、好ましくは、ドナー含有層102と基板101との界面が露出するように形成し、例えば、基板101のオーバーエッチングを行う。開口部120の形成後、フォトレジストのパターンを、有機溶剤等を用いて除去する。
Then, as shown in FIGS. 5, 10 and 15, a plurality of
続いて、図6及び図11に示すように、窒化物半導体積層構造110上にソース電極1s及びドレイン電極1dを形成する。ソース電極1s及びドレイン電極1dは、例えばリフトオフ法により形成することができる。すなわち、ソース電極1s及びドレイン電極1dを形成する予定の領域を露出するフォトレジストのパターンを形成し、このパターンを成長マスクとして真空蒸着法により金属膜を形成し、このパターンをその上の金属膜と共に除去する。金属膜の形成では、例えば、Ti膜を形成し、その上にAl膜を形成する。次いで、例えば、窒素雰囲気中にて500℃~900℃で熱処理を行い、オーミックコンタクトを確立する。
Subsequently, as shown in FIGS. 6 and 11, the
次いで、図7、図12及び図16に示すように、ソース電極1s、ドレイン電極1d及び窒化物半導体積層構造110上に誘電体層121を形成する。誘電体層121は、例えばプラズマ化学気相成長(chemical vapor deposition:CVD)法により形成することができる。誘電体層121は、開口部120の底面及び側壁面をも覆うように形成する。誘電体層121は、開口部120の側壁面のうちでZX平面に平行な第1部分121Aと、開口部120の側壁面のうちでYZ平面に平行な第2部分121Bとを有する。
Next, as shown in FIGS. 7, 12 and 16, a
その後、図8、図13及び図17に示すように、誘電体層121上にゲート電極1gを形成する。ゲート電極1gは、例えばリフトオフ法により形成することができる。すなわち、ゲート電極1gを形成する予定の領域を露出するフォトレジストのパターンを形成し、このパターンを成長マスクとして真空蒸着法により金属膜を形成し、このパターンをその上の金属膜と共に除去する。金属膜の形成では、例えば、Ni膜を形成し、その上にAu膜を形成する。ゲート電極1gは、少なくとも誘電体層121の第1部分121Aの一部に接触するように形成する。
Then, as shown in FIGS. 8, 13 and 17, a
このようにして、第1実施形態に係る半導体装置100を製造することができる。
In this way, the
(第2実施形態)
第2実施形態について説明する。第2実施形態は、HEMTを含む半導体装置に関する。図18は、第2実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。図19及び図20は、第2実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。図19(a)は、図18中のXIXa-XIXa線に沿った断面図である。図19(b)は、図18中のXIXb-XIXb線に沿った断面図である。図20は、図18中のXX-XX線に沿った断面図である。
(Second Embodiment)
The second embodiment will be described. The second embodiment relates to a semiconductor device including a HEMT. FIG. 18 is a plan view showing the semiconductor device according to the second embodiment. 19 and 20 are cross-sectional views showing a semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 19A is a cross-sectional view taken along the line XIXa-XIXa in FIG. FIG. 19B is a cross-sectional view taken along the line XIXb-XIXb in FIG. FIG. 20 is a cross-sectional view taken along the line XX-XX in FIG.
第2実施形態に係る半導体装置200では、図18~図20に示すように、窒化物半導体積層構造110に、第1実施形態に係る半導体装置100における開口部120に代えて、X方向に延びる開口部220が形成されている。開口部220は、ゲート電極1gの下方からソース電極1sの下方及びドレイン電極1dの下方まで延びている。開口部220は、Z方向で電子供給層105、電子走行層104、初期層103及びドナー含有層102を貫通し、基板101に入り込むように形成されている。複数の開口部220はY方向に並んで断続的に形成されている。すなわち、開口部220はストライプ状に形成されている。複数の開口部220は、例えば一定の周期で形成されている。ドナー含有層102のY方向で隣り合う2つの開口部220に挟まれた部分の寸法は、例えば50nm以上400nm以下である。他の構成は第1実施形態と同様である。
In the
第2実施形態によっても第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 The same effect as that of the first embodiment can be obtained by the second embodiment.
次に、第2実施形態に係る半導体装置200の製造方法について説明する。図21~図24は、第2実施形態に係る半導体装置200の製造方法を示す平面図である。図25~図28は、第2実施形態に係る半導体装置200の製造方法を示す断面図である。図25(a)~図28(a)は、それぞれ図21~図24中のIXa-XIa線~XIIIa-XIIIa線に沿った断面図である。図25(b)~図28(b)は、それぞれ図21~図24中のIXb-IXb線~XIIIb-XIIIb線に沿った断面図である。
Next, a method of manufacturing the
まず、第1実施形態と同様にして、窒化物半導体積層構造110及び素子分離領域の形成までの処理を行う(図4、図9及び図14参照)。次いで、図21及び図25に示すように、X方向に延び、Y方向に断続的に配列する複数の開口部220を形成する。開口部220は、開口部120と同様の方法で形成することができる。
First, in the same manner as in the first embodiment, the process up to the formation of the nitride semiconductor laminated
その後、図22及び図26に示すように、窒化物半導体積層構造110上にソース電極1s及びドレイン電極1dを形成する。続いて、図23及び図27に示すように、ソース電極1s、ドレイン電極1d及び窒化物半導体積層構造110上に誘電体層121を形成する。誘電体層121は、開口部220の底面及び側壁面をも覆うように形成する。次いで、図24及び図28に示すように、誘電体層121上にゲート電極1gを形成する。
After that, as shown in FIGS. 22 and 26, the
このようにして、第2実施形態に係る半導体装置200を製造することができる。
In this way, the
(第3実施形態)
第3実施形態について説明する。第3実施形態は、HEMTを含む半導体装置に関する。図29は、第3実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。図30及び図31は、第3実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。図30(a)は、図29中のXXXa-XXXa線に沿った断面図である。図30(b)は、図29中のXXXb-XXXb線に沿った断面図である。図31は、図29中のXXXI-XXXI線に沿った断面図である。
(Third Embodiment)
The third embodiment will be described. A third embodiment relates to a semiconductor device including a HEMT. FIG. 29 is a plan view showing the semiconductor device according to the third embodiment. 30 and 31 are cross-sectional views showing a semiconductor device according to the third embodiment. FIG. 30A is a cross-sectional view taken along the line XXXa-XXXa in FIG. 29. FIG. 30B is a cross-sectional view taken along the line XXXb-XXXb in FIG. 29. FIG. 31 is a cross-sectional view taken along the line XXXI-XXXI in FIG. 29.
第3実施形態に係る半導体装置300では、図29~図31に示すように、窒化物半導体積層構造110に、第1実施形態に係る半導体装置100における開口部120に代えて、平面形状が矩形状で、X方向の寸法がゲート電極1gのX方向の寸法(ゲート長)よりも小さい開口部320が形成されている。開口部320は平面視でゲート電極1gの輪郭の内側に位置する。開口部320は、Z方向で電子供給層105、電子走行層104、初期層103及びドナー含有層102を貫通し、基板101に入り込むように形成されている。複数の開口部320はY方向に並んで断続的に形成されている。すなわち、開口部320は点状に形成されている。複数の開口部320は、例えば一定の周期で形成されている。ドナー含有層102のY方向で隣り合う2つの開口部320に挟まれた部分の寸法は、例えば50nm以上400nm以下である。他の構成は第1実施形態と同様である。
In the
第3実施形態によっても第1実施形態と同様の効果を得ることができる。また、開口部320の範囲を開口部120の範囲よりも狭めることができるため、より多くのオン電流を流すことができる。
The same effect as that of the first embodiment can be obtained by the third embodiment. Further, since the range of the
次に、第3実施形態に係る半導体装置300の製造方法について説明する。図32~図35は、第3実施形態に係る半導体装置300の製造方法を示す平面図である。図36~図39は、第3実施形態に係る半導体装置300の製造方法を示す断面図である。図36(a)~図39(a)は、それぞれ図32~図35中のXXXVIa-XXXVIa線~XXXIXa-XXXIXa線に沿った断面図である。図36(b)~図39(b)は、それぞれ図32~図35中のXXXVIb-XXXVIb線~XXXIXb-XXXIXb線に沿った断面図である。
Next, a method for manufacturing the
まず、第1実施形態と同様にして、窒化物半導体積層構造110及び素子分離領域の形成までの処理を行う(図4、図9及び図14参照)。次いで、図32及び図36に示すように、平面形状が矩形状で、Y方向に断続的に配列する複数の開口部320を形成する。開口部320は、開口部120と同様の方法で形成することができる。
First, in the same manner as in the first embodiment, the process up to the formation of the nitride semiconductor laminated
その後、図33及び図37に示すように、窒化物半導体積層構造110上にソース電極1s及びドレイン電極1dを形成する。続いて、図34及び図38に示すように、ソース電極1s、ドレイン電極1d及び窒化物半導体積層構造110上に誘電体層121を形成する。誘電体層121は、開口部220の底面及び側壁面をも覆うように形成する。次いで、図35及び図39に示すように、誘電体層121上にゲート電極1gを形成する。
After that, as shown in FIGS. 33 and 37, the
このようにして、第3実施形態に係る半導体装置300を製造することができる。
In this way, the
(第4実施形態)
第4実施形態について説明する。第4実施形態は、HEMTを含む半導体装置に関する。図40は、第4実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。図41及び図42は、第4実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。図41(a)は、図40中のXLIa-XLIa線に沿った断面図である。図41(b)は、図40中のXLIb-XLIb線に沿った断面図である。図42は、図40中のXLII-XLII線に沿った断面図である。
(Fourth Embodiment)
The fourth embodiment will be described. A fourth embodiment relates to a semiconductor device including a HEMT. FIG. 40 is a plan view showing the semiconductor device according to the fourth embodiment. 41 and 42 are cross-sectional views showing the semiconductor device according to the fourth embodiment. FIG. 41 (a) is a cross-sectional view taken along the line XLIa-XLIa in FIG. 40. FIG. 41 (b) is a cross-sectional view taken along the line XLIb-XLIb in FIG. 40. FIG. 42 is a cross-sectional view taken along the line XLII-XLII in FIG. 40.
第4実施形態に係る半導体装置400では、図40~図42に示すように、誘電体層121が含まれておらず、ゲート電極1gが窒化物半導体積層構造110に直接接触している。ゲート電極1gは、開口部120の側壁面において、電子供給層105、電子走行層104、初期層103及びドナー含有層102に直接接触している。他の構成は第1実施形態と同様である。
As shown in FIGS. 40 to 42, the
第4実施形態によっても第1実施形態と同様の効果を得ることができる。また、ゲート電極1gが窒化物半導体積層構造110にショットキー接触しており、より優れたゲート制御性が得られ、高周波における増幅性能を向上することができる。
The same effect as that of the first embodiment can be obtained by the fourth embodiment. Further, 1 g of the gate electrode is in Schottky contact with the nitride semiconductor laminated
第4実施形態に係る半導体装置400の製造に際しては、例えば、半導体装置100の製造方法において、誘電体層121の形成を省略して、ゲート電極1gを形成する。
In the manufacturing of the
第2実施形態及び第3実施形態において、第4実施形態と同様に、誘電体層121が形成されずに、ゲート電極1gが窒化物半導体積層構造110にショットキー接触し、ドナー含有層102に直接接触していてもよい。
In the second embodiment and the third embodiment, as in the fourth embodiment, the
本開示において、ドナー含有層の隣り合う2つの開口部に挟まれた部分の寸法は50nm以上であることが好ましい。この寸法が50nm未満では、ドナー含有層の上方の電子走行層において、ソース電極とドレイン電極との間の電流経路が狭く、電気抵抗が高くなるおそれがある。この寸法は100nm以上であることがより好ましい。また、この寸法は400nm以下であることが好ましい。この寸法が400nm超では、ゲート電極に電圧が印加されたときにドナー含有層内に空乏層が形成されない領域が広く残り、リーク電流が増加するおそれがある。この寸法は300nm以下であることがより好ましい。 In the present disclosure, the dimension of the portion sandwiched between two adjacent openings of the donor-containing layer is preferably 50 nm or more. If this dimension is less than 50 nm, the current path between the source electrode and the drain electrode is narrow in the electron traveling layer above the donor-containing layer, and the electric resistance may increase. This dimension is more preferably 100 nm or more. Further, this dimension is preferably 400 nm or less. If this dimension exceeds 400 nm, a region in which the depletion layer is not formed remains widely in the donor-containing layer when a voltage is applied to the gate electrode, and the leakage current may increase. This dimension is more preferably 300 nm or less.
(第5実施形態)
次に、第5実施形態について説明する。第5実施形態は、HEMTのディスクリートパッケージに関する。図43は、第5実施形態に係るディスクリートパッケージを示す図である。
(Fifth Embodiment)
Next, the fifth embodiment will be described. A fifth embodiment relates to a discrete package of HEMTs. FIG. 43 is a diagram showing a discrete package according to the fifth embodiment.
第5実施形態では、図43に示すように、第1~第4実施形態のいずれかと同様の構造を備えた半導体装置1210の裏面がはんだ等のダイアタッチ剤1234を用いてランド(ダイパッド)1233に固定されている。また、ドレイン電極1dが接続されたドレインパッド1226dに、Alワイヤ等のワイヤ1235dが接続され、ワイヤ1235dの他端が、ランド1233と一体化しているドレインリード1232dに接続されている。ソース電極1sに接続されたソースパッド1226sにAlワイヤ等のワイヤ1235sが接続され、ワイヤ1235sの他端がランド1233から独立したソースリード1232sに接続されている。ゲート電極1gに接続されたゲートパッド1226gにAlワイヤ等のワイヤ1235gが接続され、ワイヤ1235gの他端がランド1233から独立したゲートリード1232gに接続されている。そして、ゲートリード1232gの一部、ドレインリード1232dの一部及びソースリード1232sの一部が突出するようにして、ランド1233及び半導体装置1210等がモールド樹脂1231によりパッケージングされている。
In the fifth embodiment, as shown in FIG. 43, the back surface of the
このようなディスクリートパッケージは、例えば、次のようにして製造することができる。まず、半導体装置1210をはんだ等のダイアタッチ剤1234を用いてリードフレームのランド1233に固定する。次いで、ワイヤ1235g、1235d及び1235sを用いたボンディングにより、ゲートパッド1226gをリードフレームのゲートリード1232gに接続し、ドレインパッド1226dをリードフレームのドレインリード1232dに接続し、ソースパッド1226sをリードフレームのソースリード1232sに接続する。その後、トランスファーモールド法にてモールド樹脂1231を用いた封止を行う。続いて、リードフレームを切り離す。
Such a discrete package can be manufactured, for example, as follows. First, the
(第6実施形態)
次に、第6実施形態について説明する。第6実施形態は、HEMTを備えたPFC(Power Factor Correction)回路に関する。図44は、第6実施形態に係るPFC回路を示す結線図である。
(Sixth Embodiment)
Next, the sixth embodiment will be described. A sixth embodiment relates to a PFC (Power Factor Correction) circuit including HEMT. FIG. 44 is a wiring diagram showing the PFC circuit according to the sixth embodiment.
PFC回路1250には、スイッチ素子(トランジスタ)1251、ダイオード1252、チョークコイル1253、コンデンサ1254及び1255、ダイオードブリッジ1256、並びに交流電源(AC)1257が設けられている。そして、スイッチ素子1251のドレイン電極と、ダイオード1252のアノード端子及びチョークコイル1253の一端子とが接続されている。スイッチ素子1251のソース電極と、コンデンサ1254の一端子及びコンデンサ1255の一端子とが接続されている。コンデンサ1254の他端子とチョークコイル1253の他端子とが接続されている。コンデンサ1255の他端子とダイオード1252のカソード端子とが接続されている。また、スイッチ素子1251のゲート電極にはゲートドライバが接続されている。コンデンサ1254の両端子間には、ダイオードブリッジ1256を介してAC1257が接続される。コンデンサ1255の両端子間には、直流電源(DC)が接続される。そして、本実施形態では、スイッチ素子1251に、第1~第4実施形態のいずれかと同様の構造を備えた半導体装置が用いられている。
The
PFC回路1250の製造に際しては、例えば、はんだ等を用いて、スイッチ素子1251をダイオード1252及びチョークコイル1253等に接続する。
In manufacturing the
(第7実施形態)
次に、第7実施形態について説明する。第7実施形態は、サーバ電源に好適な、HEMTを備えた電源装置に関する。図45は、第7実施形態に係る電源装置を示す結線図である。
(7th Embodiment)
Next, the seventh embodiment will be described. A seventh embodiment relates to a power supply device including a HEMT, which is suitable for a server power supply. FIG. 45 is a wiring diagram showing a power supply device according to the seventh embodiment.
電源装置には、高圧の一次側回路1261及び低圧の二次側回路1262、並びに一次側回路1261と二次側回路1262との間に配設されるトランス1263が設けられている。
The power supply device is provided with a high voltage
一次側回路1261には、第6実施形態に係るPFC回路1250、及びPFC回路1250のコンデンサ1255の両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1260が設けられている。フルブリッジインバータ回路1260には、複数(ここでは4つ)のスイッチ素子1264a、1264b、1264c及び1264dが設けられている。
The
二次側回路1262には、複数(ここでは3つ)のスイッチ素子1265a、1265b及び1265cが設けられている。
The
本実施形態では、一次側回路1261を構成するPFC回路1250のスイッチ素子1251、並びにフルブリッジインバータ回路1260のスイッチ素子1264a、1264b、1264c及び1264dに、第1~第4実施形態のいずれかと同様の構造を備えた半導体装置が用いられている。一方、二次側回路1262のスイッチ素子1265a、1265b及び1265cには、シリコンを用いた通常のMIS型FET(電界効果トランジスタ)が用いられている。
In the present embodiment, the
(第8実施形態)
次に、第8実施形態について説明する。第8実施形態は、HEMTを備えた増幅器に関する。図46は、第8実施形態に係る増幅器を示す結線図である。
(8th Embodiment)
Next, the eighth embodiment will be described. Eighth embodiment relates to an amplifier including a HEMT. FIG. 46 is a wiring diagram showing the amplifier according to the eighth embodiment.
増幅器には、ディジタル・プレディストーション回路1271、ミキサー1272a及び1272b、並びにパワーアンプ1273が設けられている。
The amplifier is provided with a
ディジタル・プレディストーション回路1271は、入力信号の非線形歪みを補償する。ミキサー1272aは、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号とをミキシングする。パワーアンプ1273は、第1~第4実施形態のいずれかと同様の構造を備えた半導体装置を備えており、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅する。なお、本実施形態では、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1272b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1271に送出できる。この増幅器は、高周波増幅器、高出力増幅器として使用することができる。高周波増幅器は、例えば、携帯電話基地局用送受信装置、レーダー装置及びマイクロ波発生装置に用いることができる。
The
本開示において、基板として、炭化シリコン(SiC)基板、サファイヤ基板、シリコン基板、AlN基板、GaN基板又はダイヤモンド基板を用いてもよい。基板が、導電性、半絶縁性又は絶縁性のいずれであってもよい。電子走行層を基板上に形成できる場合、基板が下地として用いられてもよい。 In the present disclosure, a silicon carbide (SiC) substrate, a sapphire substrate, a silicon substrate, an AlN substrate, a GaN substrate, or a diamond substrate may be used as the substrate. The substrate may be conductive, semi-insulating or insulating. If the electronic traveling layer can be formed on the substrate, the substrate may be used as a base.
ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極の構造は上述の実施形態のものに限定されない。例えば、これらが単層から構成されていてもよい。また、これらの形成方法はリフトオフ法に限定されない。更に、オーミック特性が得られるのであれば、ソース電極及びドレイン電極の形成後の熱処理を省略してもよい。ゲート電極の形成後に熱処理を行ってもよい。 The structures of the gate electrode, the source electrode and the drain electrode are not limited to those of the above-described embodiment. For example, these may be composed of a single layer. Further, these forming methods are not limited to the lift-off method. Further, if ohmic characteristics can be obtained, the heat treatment after the formation of the source electrode and the drain electrode may be omitted. Heat treatment may be performed after the formation of the gate electrode.
本開示において、半導体層の組成は、上記の実施形態に記載されたものに限定されない。例えば、InAlN、InGaAlN等の他の窒化物半導体が用いられてもよい。Inを含む半導体層の成長の際には、トリメチルインジウム(TMIn)ガス及びNH3ガスを含む混合ガスを原料ガスとして用いる。この原料ガスが、TMAlガスを更に含んでいてもよく、TMGaガスを更に含んでいてもよく、TMAlガス及びTMGaガスを更に含んでいてもよい。 In the present disclosure, the composition of the semiconductor layer is not limited to that described in the above embodiment. For example, other nitride semiconductors such as InAlN and InGaAlN may be used. When the semiconductor layer containing In is grown, a mixed gas containing trimethylindium (TMIn) gas and NH3 gas is used as a raw material gas. This raw material gas may further contain TMAl gas, may further contain TMGa gas, and may further contain TMAl gas and TMGa gas.
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments and the like have been described in detail above, they are not limited to the above-described embodiments and the like, and various embodiments and the like described above can be applied without departing from the scope of the claims. Modifications and substitutions can be added.
以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。 Hereinafter, various aspects of the present disclosure will be described together as an appendix.
(付記1)
基板と、
前記基板の上方に設けられた窒化物半導体の半導体積層構造と、
前記半導体積層構造の上方に設けられたソース電極、ゲート電極及びドレイン電極と、
を有し、
前記半導体積層構造は、
前記基板の上方に設けられたドナー含有層と、
前記ドナー含有層の上方に設けられた電子走行層と、
前記電子走行層の上方に設けられた電子供給層と、
を有し、
前記電子供給層、前記電子走行層及び前記ドナー含有層に開口部が形成され、
前記ゲート電極は前記開口部内にも設けられていることを特徴とする半導体装置。
(付記2)
前記ドナー含有層は、Si若しくはGe又はこれらの任意の組み合わせを含有することを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(付記3)
前記ドナー含有層におけるドナーの密度は、1×1018cm-3以上1×1020cm-3以下であることを特徴とする付記1又は2に記載の半導体装置。
(付記4)
前記ゲート電極は、前記基板の厚さ方向に垂直な第1方向に延び、
前記開口部は、前記第1方向に複数、断続的に形成されていることを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記5)
前記ドナー含有層の隣り合う前記開口部に挟まれた部分の前記第1方向の寸法は、50nm以上400nm以下であることを特徴とする付記4に記載の半導体装置。
(付記6)
前記開口部内の前記ゲート電極と前記ドナー含有層との間に設けられた誘電体層を有することを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記7)
前記誘電体層の前記開口部内の前記ゲート電極と前記ドナー含有層とに挟まれた部分の厚さは、50nm以下であることを特徴とする付記6に記載の半導体装置。
(付記8)
前記開口部内の前記ゲート電極は、前記ドナー含有層に直接接触することを特徴とする付記1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記9)
前記開口部は、平面視で前記ゲート電極の輪郭の内側に位置することを特徴とする付記1乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記10)
付記1乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置を有することを特徴とする増幅器。
(付記11)
付記1乃至9のいずれか1項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。
(Appendix 1)
With the board
A semiconductor laminated structure of a nitride semiconductor provided above the substrate,
A source electrode, a gate electrode, and a drain electrode provided above the semiconductor laminated structure, and
Have,
The semiconductor laminated structure is
A donor-containing layer provided above the substrate and
An electron traveling layer provided above the donor-containing layer and
An electron supply layer provided above the electron traveling layer and
Have,
An opening is formed in the electron supply layer, the electron traveling layer, and the donor-containing layer.
A semiconductor device characterized in that the gate electrode is also provided in the opening.
(Appendix 2)
The semiconductor device according to
(Appendix 3)
The semiconductor device according to
(Appendix 4)
The gate electrode extends in a first direction perpendicular to the thickness direction of the substrate.
The semiconductor device according to any one of
(Appendix 5)
The semiconductor device according to Appendix 4, wherein the dimension of the portion sandwiched between the openings adjacent to the donor-containing layer in the first direction is 50 nm or more and 400 nm or less.
(Appendix 6)
The semiconductor device according to any one of
(Appendix 7)
The semiconductor device according to Appendix 6, wherein the thickness of the portion sandwiched between the gate electrode and the donor-containing layer in the opening of the dielectric layer is 50 nm or less.
(Appendix 8)
The semiconductor device according to any one of
(Appendix 9)
The semiconductor device according to any one of
(Appendix 10)
An amplifier comprising the semiconductor device according to any one of
(Appendix 11)
A power supply device comprising the semiconductor device according to any one of
1s:ソース電極
1d:ドレイン電極
1g:ゲート電極
100、200:半導体装置
101:基板
102:ドナー含有層
103:初期層
104:電子走行層
105:電子供給層
110:窒化物半導体積層構造
120、220、320:開口部
121:誘電体層
1s:
Claims (7)
前記基板の上方に設けられた窒化物半導体の半導体積層構造と、
前記半導体積層構造の上方に設けられたソース電極、ゲート電極及びドレイン電極と、
を有し、
前記半導体積層構造は、
前記基板の上方に設けられたドナー含有層と、
前記ドナー含有層の上方に設けられた電子走行層と、
前記電子走行層の上方に設けられた電子供給層と、
を有し、
前記電子供給層、前記電子走行層及び前記ドナー含有層に開口部が形成され、
前記ゲート電極は前記開口部内にも設けられていることを特徴とする半導体装置。 With the board
A semiconductor laminated structure of a nitride semiconductor provided above the substrate,
A source electrode, a gate electrode, and a drain electrode provided above the semiconductor laminated structure, and
Have,
The semiconductor laminated structure is
A donor-containing layer provided above the substrate and
An electron traveling layer provided above the donor-containing layer and
An electron supply layer provided above the electron traveling layer and
Have,
An opening is formed in the electron supply layer, the electron traveling layer, and the donor-containing layer.
A semiconductor device characterized in that the gate electrode is also provided in the opening.
前記開口部は、前記第1方向に複数、断続的に形成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。 The gate electrode extends in a first direction perpendicular to the thickness direction of the substrate.
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, wherein the openings are formed in a plurality of intermittently in the first direction.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020127169A JP2022024525A (en) | 2020-07-28 | 2020-07-28 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2020127169A JP2022024525A (en) | 2020-07-28 | 2020-07-28 | Semiconductor device |
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JP2022024525A true JP2022024525A (en) | 2022-02-09 |
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ID=80265646
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2020127169A Withdrawn JP2022024525A (en) | 2020-07-28 | 2020-07-28 | Semiconductor device |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2022024525A (en) |
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