JP2022053102A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置 Download PDF

Info

Publication number
JP2022053102A
JP2022053102A JP2020159720A JP2020159720A JP2022053102A JP 2022053102 A JP2022053102 A JP 2022053102A JP 2020159720 A JP2020159720 A JP 2020159720A JP 2020159720 A JP2020159720 A JP 2020159720A JP 2022053102 A JP2022053102 A JP 2022053102A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
field plate
plate electrode
gate
semiconductor layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2020159720A
Other languages
English (en)
Inventor
哲也 大野
Tetsuya Ono
啓 吉岡
Akira Yoshioka
亨 杉山
Toru Sugiyama
洪 洪
Hung Hung
康裕 磯部
Yasuhiro Isobe
仁 小林
Hitoshi Kobayashi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp, Toshiba Electronic Devices and Storage Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2020159720A priority Critical patent/JP2022053102A/ja
Priority to CN202110022665.2A priority patent/CN114256344A/zh
Priority to US17/191,554 priority patent/US12002858B2/en
Publication of JP2022053102A publication Critical patent/JP2022053102A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/20Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L29/2003Nitride compounds
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/778Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
    • H01L29/7786Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with direct single heterostructure, i.e. with wide bandgap layer formed on top of active layer, e.g. direct single heterostructure MIS-like HEMT
    • H01L29/7787Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with direct single heterostructure, i.e. with wide bandgap layer formed on top of active layer, e.g. direct single heterostructure MIS-like HEMT with wide bandgap charge-carrier supplying layer, e.g. direct single heterostructure MODFET
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/0603Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions
    • H01L29/0607Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/0603Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions
    • H01L29/0607Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration
    • H01L29/0611Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/0684Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape, relative sizes or dispositions of the semiconductor regions or junctions between the regions
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/402Field plates
    • H01L29/404Multiple field plate structures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/402Field plates
    • H01L29/407Recessed field plates, e.g. trench field plates, buried field plates
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/41Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
    • H01L29/423Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions not carrying the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/42312Gate electrodes for field effect devices
    • H01L29/42316Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors
    • H01L29/4232Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate
    • H01L29/42356Disposition, e.g. buried gate electrode
    • H01L29/4236Disposition, e.g. buried gate electrode within a trench, e.g. trench gate electrode, groove gate electrode
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/778Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
    • H01L29/7786Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with direct single heterostructure, i.e. with wide bandgap layer formed on top of active layer, e.g. direct single heterostructure MIS-like HEMT

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
  • Wire Bonding (AREA)

Abstract

【課題】信頼性に優れた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置100は、第1窒化物半導体層3と、第2窒化物半導体層4と、第1窒化物半導体層3に電気的に接続された第1電極5、第2電極7と、ゲート電極6と、ゲートフィールドプレート電極8と第1フィールドプレート電極9と、第2フィールドプレート電極10と、を備える。第2フィールドプレート電極10の底面と第1窒化物半導体層3との距離d1は、ゲートフィールドプレート電極8の第2電極7側に最もせり出している部分の底面と第1窒化物半導体層と3の距離d2よりも短く、第2フィールドプレート電極10の底面と第1窒化物半導体層3との距離d1は、第1フィールドプレート電極9の第1電極5側の端面の底部と第1窒化物半導体層3との距離d3よりも短い。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
スイッチング電源回路やインバータ回路などの回路には、トランジスタやダイオードなどの半導体素子が用いられる。これらの半導体素子には高耐圧及び低オン抵抗が求められる。そして、耐圧とオン抵抗の関係には、素子材料で決まるトレードオフ関係がある。
技術開発の進歩により、半導体素子は、主たる素子材料であるシリコンの限界近くまで低オン抵抗が実現されている。耐圧を更に向上させたり、オン抵抗を更に低減させたりするには、素子材料の変更が必要である。窒化ガリウムや窒化アルミニウムガリウムなどの窒化物半導体を半導体素子の素子材料として用いることで、素子材料で決まるトレードオフ関係を改善できる。このため、半導体素子の飛躍的な高耐圧化や低オン抵抗化が可能である。
窒化物半導体を用いたトランジスタの横方向の電界集中を緩和するためにフィールドプレート電極が用いられる。フィールドプレート電極を用いた場合でも電界が集中することで、層間絶縁膜が破壊される場合がある。
特開2015-170821号公報
本発明が解決しようとする課題は、信頼性の高い半導体装置を提供することにある。
実施形態の半導体装置は、第1窒化物半導体層と、第1窒化物半導体層の上に位置し、第1窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きい第2窒化物半導体層と、第2窒化物半導体層の上に位置し、第1窒化物半導体層に電気的に接続された第1電極と、第1窒化物半導体層の上に位置し、第1窒化物半導体層に電気的に接続された第2電極と、第1電極と第2電極との間に位置したゲート電極と、ゲート電極上に位置し、ゲート電極と電気的に接続されたゲートフィールドプレート電極と第2窒化物半導体層上に位置し、ゲートフィールドプレート電極と第2電極の間に位置し、第1電極と電気的に接続された第1フィールドプレート電極と、第1フィールドプレート電極とゲートフィールドプレート電極の間に位置し、第1電極と電気的に接続された第2フィールドプレート電極と、を備える。第2フィールドプレート電極の底面と第1窒化物半導体層との距離は、ゲートフィールドプレート電極の第2電極側に最もせり出している部分の底面と第1窒化物半導体層との距離よりも短く、第2フィールドプレート電極の底面と第1窒化物半導体層との距離は、第1フィールドプレート電極の第1電極側の端面の底部と第1窒化物半導体層との距離よりも短い。
実施形態の半導体装置の模式断面図。 実施形態の半導体装置の模式断面図。 実施形態の半導体装置の模式断面図。 実施形態の半導体装置の模式断面図。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一又は類似の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材についてはその説明を省略する場合がある。
本明細書中、「窒化物半導体層」は「GaN系半導体」を含む。「GaN系半導体」とは、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化インジウム(InN)及びそれらの中間組成を備える半導体の総称である。
本明細書中、「アンドープ」とは、不純物濃度が2×1016cm-3以下であることを意味する。
本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。
(第1実施形態)
第1実施形態の半導体装置は、第1窒化物半導体層と、第1窒化物半導体層の上に位置し、第1窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きい第2窒化物半導体層と、第2窒化物半導体層の上に位置し、前記第1窒化物半導体層に電気的に接続された第1電極と、第1窒化物半導体層の上に位置し、第1窒化物半導体層に電気的に接続された第2電極と、第1電極と第2電極との間に位置したゲート電極と、ゲート電極上に位置し、ゲート電極と電気的に接続されたゲートフィールドプレート電極と、第2窒化物半導体層上に位置し、ゲートフィールドプレート電極と第2電極の間に位置し、第1電極と電気的に接続された第1フィールドプレート電極と、第1フィールドプレート電極とゲートフィールドプレート電極の間に位置し、第1電極と電気的に接続された第2フィールドプレート電極と、を備える。
図1は、第1実施形態の半導体装置の模式断面図である。半導体装置は、GaN系半導体を用いたHEMT(High Electron Mobility Transistor)100である。
HEMT100は、基板1、バッファ層2、チャネル層3(第1窒化物半導体層)、バリア層4(第2窒化物半導体層)、ソース電極5(第1電極)、ゲート電極6、ドレイン電極7(第2電極)、ゲートフィールドプレート電極8、第1フィールドプレート電極9、第2フィールドプレート電極10、第3フィールドプレート電極11、及び、層間絶縁層12を備える。
基板1は、例えば、シリコン(Si)で形成される。シリコン以外にも、例えば、サファイア(Al)や炭化珪素(SiC)を適用することも可能である。
基板1上に、バッファ層2が設けられる。バッファ層2は、基板1とチャネル層3との間の格子不整合を緩和する機能を備える。バッファ層2は、例えば、窒化アルミニウムガリウム(AlGa1-WN(0<W≦1))の多層構造で形成される。
チャネル層3は、バッファ層2上に設けられる。チャネル層3は電子走行層とも称される。チャネル層3は、例えば、アンドープの窒化アルミウムガリウム(AlGa1-XN(0≦X<1))である。より具体的には、例えば、アンドープの窒化ガリウム(GaN)である。チャネル層3の厚さは、例えば、0.1μm以上10μm以下である。実施形態において厚さは、チャネル層3を含めチャネル層3とバリア層4の積層方向における各部材の長さ(高さ)である。
バリア層4は、チャネル層3上に設けられる。バリア層4は電子供給層とも称される。バリア層4のバンドギャップは、チャネル層3のバンドギャップよりも大きい。バリア層4は、例えば、アンドープの窒化アルミウムガリウム(AlGa1-YN(0<Y≦1、X<Y))である。より具体的には、例えば、アンドープのAl0.25Ga0.75Nである。バリア層4の厚さは、例えば、2nm以上100nm以下である。
チャネル層3とバリア層4との間は、ヘテロ接合界面となる。ヘテロ接合界面に2次元電子ガス(2DEG)が形成されHEMT100のキャリアとなる。
第1電極5は、例えばソース電極である。ソース電極5は、チャネル層3及びバリア層4の上に設けられる。ソース電極5は、チャネル層3及びバリア層4に電気的に接続される。ソース電極5は、例えば、バリア層4に直接的に接する。
ソース電極5は、例えば、金属電極である。ソース電極5は、例えば、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)の積層構造である。ソース電極5と、バリア層4との間はオーミックコンタクトであることが望ましい。
ゲート電極6は、チャネル層3及びバリア層4の上に設けられる。ゲート電極6は、チャネル層3及びバリア層4に電気的に接続される。ゲート電極6は、例えば、バリア層4に直接的に接する。ゲート電極6は、ソース電極5とドレイン電極7の間に設けられる。
ゲート電極6は、例えば、窒化チタン(TiN)である。
ゲート電極6とバリア層の間には、図示しないゲート絶縁膜を設け、半導体装置100をMIS(Metal Insulator Semiconductor)型HEMTとすることもできる。ゲート絶縁層は、例えば、酸化物又は酸窒化物である。ゲート絶縁層は、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸窒化シリコン、又は、酸窒化アルミニウムである。
ドレイン電極7は、チャネル層3及びバリア層4の上に設けられる。ドレイン電極7は、チャネル層3及びバリア層4に電気的に接続される。ドレイン電極7は、例えば、バリア層4に接する。
ドレイン電極7は、例えば、金属電極である。ドレイン電極7は、例えば、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)の積層構造である。ドレイン電極7と、バリア層4との間はオーミックコンタクトであることが望ましい。
ソース電極5とドレイン電極7との距離は、例えば、5μm以上30μm以下である。
なお、ソース電極5及びドレイン電極7は、チャネル層3に直接的に接する構造とすることも可能である。
ゲートフィールドプレート電極8は、ゲート電極6上に位置している。ゲートフィールドプレート電極8は、ゲート電極8と接続している。ゲートフィールドプレート電極8を設けることで、ゲート電極6の横方向の電界集中を緩和することができる。
ゲートフィールドプレート電極8は、平坦な導電膜ではなく、段差を有する。ゲートフィールドプレート電極8は、ゲート電極6から上方に離間している部分を含む。ゲートフィールドプレート電極8の第2フィールドプレート電極10側(ドレイン電極7側)の側面は、段差のある非平坦面である。
ゲートフィールドプレート電極8は、図2のように2段とすることもできるし、3段以上とすることができる。実施形態では、ゲートフィールドプレート電極8のドレイン電極7側にせり出している部分の底面(チャネル層3側を向く面)は、ゲート電極6の上方に離間している。ゲートフィールドプレート電極8が3段以上である場合は、ゲート電極6と離間したゲートフィールドプレート電極8の底面が2以上となる。
図1の形態では、ゲートフィールドプレート電極8のドレイン電極7側にせり出している部分の側面(ドレイン電極7側を向く面)は、ゲート電極6の第2フィールドプレート電極10側の側面よりもソース電極5側に位置している。また、図1の形態では、ゲートフィールドプレート電極8のソース電極5側にせり出している部分の側面(ソース電極5側を向く面)は、ゲート電極6のソース電極5側の側面よりもソース電極5側に位置している。
第1フィールドプレート電極9は、バリア層4上に位置している。第1フィールドプレート電極9は、バリア層4と離間していて、第1フィールドプレート電極9の底面は、バリア層4よりも上方、例えば、第3フィールドプレート電極11側に位置している。
第1フィールドプレート電極9は、ソース電極5と電気的に接続されている。第1フィールドプレート電極9は、横方向の電界を緩和している。図1では、第1フィールドプレート電極9は、バリア層4と直接的に接しているが、バリア層4と第1フィールドプレート電極9の間には、図1には示さない層を介在させてもよい。第1フィールドプレート電極9は、ゲート電極6及びドレイン電極7と物理的に離間している。第1フィールドプレート電極9は、ゲート電極6とドレイン電極7の間で第2フィールドプレート電極10よりもドレイン電極7側に位置している。
第2フィールドプレート電極10は、ソース電極5と電気的に接続されている。第2フィールドプレート電極10は、ゲートフィールドプレート電極8と第1フィールドプレート電極9の間おいて、バリア層4側に延伸した部分を有する。第2フィールドプレート電極10の底面は、延伸した部分の底面であり、ゲートフィールドプレート電極8と第1フィールドプレート電極9の間に位置する。第2フィールドプレート電極10の底面は、バリア層4から離間している。
第2フィールドプレート電極10の底部とチャネル層3との距離をd1とし、ゲートフィールドプレート電極8のドレイン電極7側に最もせり出している部分の底面とチャネル層3との距離をd2とし、第1フィールドプレート電極9のソース電極5側の端面の底部とチャネル層3との距離をd3とする。このとき、d1はd2よりも短くd1はd3よりも短いことが好ましい。
第2フィールドプレート電極10を設けないと、ゲート電極6の第1フィールドプレート電極9側の端部、ゲートフィールドプレート電極8の第1フィールドプレート電極9側の端部及び第1フィールドプレート電極9のゲート電極6側のいずれにも電界集中が生じやすい。そこで、ゲートフィールドプレート電極8と第1フィールドプレート電極9の間に、ソース電極5と電気的に接続した第2フィールドプレート電極10を設けるといずれの電界集中も緩和することができる。しかし、d1がd2以上、d3以上である場合、ゲート電極6端部の電界集中はあまり緩和しない。そこで、第2フィールドプレート電極10とバリア層4の間の層間絶縁膜12の厚さを非常に薄くして、d1はd2よりも短くd1はd3よりも短くすると、ゲート電極6端部の電界集中を効果的に緩和することができる。
第2フィールドプレート電極10の底面のソース電極5側の端部と第2フィールドプレート電極10の底面のドレイン電極7側の端部の間にゲート電極6のドレイン電極7側の端部が位置するとき、第2フィールドプレート電極10を設けることによるデート電極6のドレイン電極7側の端面の電界集中をより効果的に緩和することができる。
第2フィールドプレート電極10のドレイン電極7側の端面は、第1フィールドプレート電極9のソース電極5側の端面よりもドレイン電極7側に位置していると、第1フィールドプレート電極9のゲート電極6側の電解集中をより効果的に緩和することができる。
第2フィールドプレート電極10の上端面とチャネル層3との距離は、ゲートフィールドプレート電極8の第2フィールドプレート電極9側の上端面とチャネル層3との距離よりも長いと、ゲートフィールドプレート電極8のドレイン電極7側の上端部の電解集中を効果的に緩和することができる。
第2フィールドプレート電極10の上端面とチャネル層3との距離は、第1フィールドプレート電極9の上端面とチャネル層3との距離よりも長いと、第1フィールドプレート電極9のソース電極5側の端部の電界集中を効果的に緩和することができる。
第3フィールドプレート電極11は、ソース電極5と電気的に接続され、ドレイン電極7方向に延伸し、ゲート電極6の上方に位置している。第3フィールドプレート電極11は、横方向の電界を緩和している。第3フィールドプレート10は、ソース電極5と同電位となっている。第3フィールドプレート電極11の延伸部分と第2窒化物半導体層4の間には、ゲート電極5、第1フィールドプレート電極9及び第2フィールドプレート電極10が位置している。チャネル層3とバリア層4の積層方向において、第1フィールドプレート電極9と第3フィールドプレート電極11の間に第2フィールドプレート電極10が位置している。第3フィールドプレート電極11のドレイン電極7側の端面は、第1フィールドプレート電極8のドレイン電極7側の端面よりもドレイン電極7側に位置している。第3フィールドプレート電極11のドレイン電極7側の端面は、第2フィールドプレート電極10のドレイン電極7側の端面よりもドレイン電極7側に位置している。
実施形態の第1乃至第3フィールドプレート電極は、いずれも図1に示す断面では互いに直接的に接続していない。図1に示す断面は、基板1の厚み方向に平行な面(ソース電極5からドレイン電極7に延びる線分が含まれるチャネル層3のバリア層4側の面に垂直な面)であって、ゲート電極6、第1フィールドプレート電極9及び第2フィールドプレート電極9が含まれている面である。ソース電極5は、図示しないソースパッドに接続しており、実施形態において示すフィールドプレート電極は、例えば、ソースパッドに接続している。
層間絶縁膜12は、例えば、酸化物、窒化物である。層間絶縁膜12は、例えば、シリコン酸化物(SiO)、シリコン窒化物(SiN)、又は高誘電率(high-k)材料などである。high-k材料としては、酸化ハフニウム(HfO)などが挙げられる。
半導体層、半導体領域の元素の種類、元素濃度は、例えば、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)、EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)により測定することが可能である。また、元素濃度の相対的な高低は、例えば、SCM(Scanning Capacitance Microscopy)で求められるキャリア濃度の高低から判断することも可能である。また、不純物領域の深さ、厚さ、幅、間隔などの距離は、例えば、SIMSで求めることが可能である。また。不純物領域の深さ、厚さ、幅、間隔などの距離は、例えば、SCM像とアトムプローブ像との比較画像からも求めることが可能である。
ゲートフィールドプレート電極8、第1フィールドプレート電極9及び第2フィールドプレート電極9が存在しない比較形態と比べて、ゲート電極6への電界集中が緩和する。
(第2実施形態)
第2実施形態の半導体装置は、第1実施形態の半導体装置の変形例である。図2に第2実施形態の半導体層101の模式断面図を示す。第2実施形態の半導体装置101は、ゲートフィールドプレート電極8が多段で、第1フィールドプレート電極9が多段で、第2フィールドプレート電極10のバリア層4側への延伸部分がU字状で、第1フィールドプレート電極9よりもドレイン電極7側に延伸していて、第1フィールドプレート電極9とドレイン電極7の間に第4フィールドプレート電極12上に絶縁膜12を有すること以外は、第1実施形態の半導体装置100と共通する。第1実施形態の変形例を含む実施形態においては、変更や付加された構成の一部又は全部を他の実施形態に採用することが出来る。実施形態間で共通する内容についてはその説明を省略する。第2実施形態においても、第1実施形態と同様に横方向の電界集中が緩和していて信頼性に優れた半導体装置101を提供することが出来る。
ゲートフィールドプレート電極8を多段にしたり、第1フィールドプレート電極9を多段にしたりすることができる。フィールドプレート電極を多段にすることで、電解集中をより緩和することができる。ゲートフィールドプレート電極8が多段の場合、最上段の底面とチャネル層3との距離がd2となる。また、第1フィールドプレート電極9が多段である場合、第1フィールドプレート電極9の最下段の底面とチャネル層3との距離がd3となる。
第2フィールドプレート電極10のバリア層4側への延伸部分がU字状であっても、延伸部分がゲート電極6側に非常に深くなっているため、d1<d2、d1<d3を満たし、ゲート電極6、ゲートフィールドプレート電極8と第1フィールドプレート電極9の電界集中を緩和することができる。
図3の半導体装置101では、第2フィールドプレート電極10のドレイン電極7側の端部は、第1フィールドプレート電極9のドレイン電極7側の端部よりもドレイン電極7側に位置している。第2フィールドプレート電極10をドレイン電極7側へ延伸させたり、第1フィールドプレート電極9とドレイン電極7の間に第4フィールドプレート電極13を設けたりすることで、電界集中を緩和し、ゲート-ドレイン間の容量を減らすことができる。また、かかる構成では、高速動作が安定する。第4フィールドプレート電極13は、ソース電極5と電気的に接続していて、第2フィールドプレート電極10とつなげてもよい。
(第3実施形態)
第3実施形態の半導体装置は、第1実施形態の半導体装置又は第2実施形態の半導体装置の変形例である。図3に第3実施形態の半導体層102の模式断面図を示す。第3実施形態の半導体装置102は、第2フィールドプレート電極10がソース電極5側に延伸していること以外は、第1実施形態の半導体装置100又は第2実施形態の半導体装置101と共通する。第1実施形態の変形例を含む実施形態においては、変更や付加された構成の一部又は全部を他の実施形態に採用することが出来る。実施形態間で共通する内容についてはその説明を省略する。第3実施形態においても、第1実施形態と同様に横方向の電界集中が緩和していて信頼性に優れた半導体装置102を提供することが出来る。
図3の半導体装置102では、第2フィールドプレート電極10のソース電極5側の端部は、ゲートフィールドプレート電極8のソース電極5側の端部よりもソース電極5側に位置している。第2フィールドプレート電極10がソース電極5側に延伸させると、ゲート-ソース間の容量が増えるが電位が安定する。第2フィールドプレート電極10をさらに延伸させてソース電極5又は第3フィールドプレート電極11と接続させてもよい。
(第4実施形態)
第4実施形態の半導体装置は、第1実施形態の半導体装置から第3実施形態の半導体装置の変形例である。図4に第4実施形態の半導体層103の模式断面図を示す。第4実施形態の半導体装置103は、ゲート電極6の底面がチャネル層3中に位置するトレンチ(リセス)を有し、ゲート絶縁膜14をゲート電極6とバリア層4の間にさらに具備し、トレンチ内にゲート電極6が位置すること以外は、第1実施形態の半導体装置100と共通する。トレンチの底面がチャネル層3内に位置することにより、ゲート電極6下の二次元電子ガスが消滅する。この形態とすることで、半導体装置103はノーマリオフ動作の実現が可能となる。ゲート電極6の構造が異なる第4実施形態においても、第1実施形態と同様に横方向の電界集中が緩和していて信頼性に優れた半導体装置104を提供することが出来る。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
100 半導体装置
1 基板
2 バッファ層
3 チャネル層(第1窒化物半導体層、窒化物半導体層)
4 バリア層(第2窒化物半導体層、窒化物半導体層)
5 ソース電極(第1電極)
6 ゲート電極
7 ドレイン電極(第2電極)
8 ゲートフィールドプレート電極
9 第1フィールドプレート電極
10 第2フィールドプレート電極
11 第3フィールドプレート電極
12 層間絶縁膜
13 第4フィールドプレート電極
14 ゲート絶縁膜
100~103 半導体装置
ゲート電極6とバリア層の間には、図示しないゲート絶縁膜を設け、半導体装置100をMIS(Metal Insulator Semiconductor)型HEMTとすることもできる。ゲート絶縁層は、例えば、酸化物又は酸窒化物である。ゲート絶縁層は、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸窒化シリコン、又は、酸窒化アルミニウムである。
第1フィールドプレート電極9は、ソース電極5と電気的に接続されている。第1フィールドプレート電極9は、横方向の電界を緩和している。図1では、第1フィールドプレート電極9は、バリア層4と接していず、バリア層4と第1フィールドプレート電極9の間には、図1には示さない層を介在させてもよい。第1フィールドプレート電極9は、ゲート電極6及びドレイン電極7と物理的に離間している。第1フィールドプレート電極9は、ゲート電極6とドレイン電極7の間で第2フィールドプレート電極10よりもドレイン電極7側に位置している。
第2フィールドプレート電極10の底面のソース電極5側の端部と第2フィールドプレート電極10の底面のドレイン電極7側の端部の間にゲート電極6のドレイン電極7側の端部が位置するとき、第2フィールドプレート電極10を設けることによるゲート電極6のドレイン電極7側の端面の電界集中をより効果的に緩和することができる。
第2フィールドプレート電極10の上端面とチャネル層3との距離は、ゲートフィールドプレート電極8の第2フィールドプレート電極10側の上端面とチャネル層3との距離よりも長いと、ゲートフィールドプレート電極8のドレイン電極7側の上端部の電解集中を効果的に緩和することができる。
第3フィールドプレート電極11は、ソース電極5と電気的に接続され、ドレイン電極7方向に延伸し、ゲート電極6の上方に位置している。第3フィールドプレート電極11は、横方向の電界を緩和している。第3フィールドプレート1は、ソース電極5と同電位となっている。第3フィールドプレート電極11の延伸部分と第2窒化物半導体層4の間には、ゲート電極5、第1フィールドプレート電極9及び第2フィールドプレート電極10が位置している。チャネル層3とバリア層4の積層方向において、第1フィールドプレート電極9と第3フィールドプレート電極11の間に第2フィールドプレート電極10が位置している。第3フィールドプレート電極11のドレイン電極7側の端面は、第1フィールドプレート電極のドレイン電極7側の端面よりもドレイン電極7側に位置している。第3フィールドプレート電極11のドレイン電極7側の端面は、第2フィールドプレート電極10のドレイン電極7側の端面よりもドレイン電極7側に位置している。
実施形態の第1乃至第3フィールドプレート電極は、いずれも図1に示す断面では互いに直接的に接続していない。図1に示す断面は、基板1の厚み方向に平行な面(ソース電極5からドレイン電極7に延びる線分が含まれるチャネル層3のバリア層4側の面に垂直な面)であって、ゲート電極6、第1フィールドプレート電極9及び第2フィールドプレート電極10が含まれている面である。ソース電極5は、図示しないソースパッドに接続しており、実施形態において示すフィールドプレート電極は、例えば、ソースパッドに接続している。
ゲートフィールドプレート電極8、第1フィールドプレート電極9及び第2フィールドプレート電極10が存在しない比較形態と比べて、ゲート電極6への電界集中が緩和する。
(第2実施形態)
第2実施形態の半導体装置は、第1実施形態の半導体装置の変形例である。図2に第2実施形態の半導体層101の模式断面図を示す。第2実施形態の半導体装置101は、ゲートフィールドプレート電極8が多段で、第1フィールドプレート電極9が多段で、第2フィールドプレート電極10のバリア層4側への延伸部分がU字状で、第1フィールドプレート電極9よりもドレイン電極7側に延伸していて、第1フィールドプレート電極9とドレイン電極7の間に第4フィールドプレート電極1上に絶縁膜12を有すること以外は、第1実施形態の半導体装置100と共通する。第1実施形態の変形例を含む実施形態においては、変更や付加された構成の一部又は全部を他の実施形態に採用することが出来る。実施形態間で共通する内容についてはその説明を省略する。第2実施形態においても、第1実施形態と同様に横方向の電界集中が緩和していて信頼性に優れた半導体装置101を提供することが出来る。
の半導体装置101では、第2フィールドプレート電極10のドレイン電極7側の端部は、第1フィールドプレート電極9のドレイン電極7側の端部よりもドレイン電極7側に位置している。第2フィールドプレート電極10をドレイン電極7側へ延伸させたり、第1フィールドプレート電極9とドレイン電極7の間に第4フィールドプレート電極13を設けたりすることで、電界集中を緩和し、ゲート-ドレイン間の容量を減らすことができる。また、かかる構成では、高速動作が安定する。第4フィールドプレート電極13は、ソース電極5と電気的に接続していて、第2フィールドプレート電極10とつなげてもよい。

Claims (8)

  1. 第1窒化物半導体層と、
    前記第1窒化物半導体層の上に位置し、前記第1窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きい第2窒化物半導体層と、
    前記第2窒化物半導体層の上に位置し、前記第1窒化物半導体層に電気的に接続された第1電極と、
    前記第1窒化物半導体層の上に位置し、前記第1窒化物半導体層に電気的に接続された第2電極と、
    前記第1電極と前記第2電極との間に位置したゲート電極と、
    前記ゲート電極上に位置し、前記ゲート電極と電気的に接続されたゲートフィールドプレート電極と
    前記第2窒化物半導体層上に位置し、前記ゲートフィールドプレート電極と前記第2電極の間に位置し、前記第1電極と電気的に接続された前記第1フィールドプレート電極と、
    前記第1フィールドプレート電極と前記ゲートフィールドプレート電極の間に位置し、前記第1電極と電気的に接続された第2フィールドプレート電極と、
    を備え、
    前記第2フィールドプレート電極の底面と前記第1窒化物半導体層との距離は、前記ゲートフィールドプレート電極の前記第2電極側に最もせり出している部分の底面と前記第1窒化物半導体層との距離よりも短く、
    前記第2フィールドプレート電極の底面と前記第1窒化物半導体層との距離は、前記第1フィールドプレート電極の前記第1電極側の端面の底部と前記第1窒化物半導体層との距離よりも短い半導体装置。
  2. 前記第2フィールドプレート電極の前記第1電極側の端面は、前記ゲートフィールドプレート電極の前記第2電極側の端面よりも前記第1電極側に位置し、
    前記第2フィールドプレート電極の前記第2電極側の端面は、前記第1フィールドプレート電極の前記第1電極側の端面よりも前記第2電極側に位置している請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第2フィールドプレート電極の上端面と前記第1窒化物半導体層との距離は、前記ゲートフィールドプレート電極の前記第2フィールドプレート電極側の上端面と前記第1窒化物半導体層との距離よりも長く、
    前記第2フィールドプレート電極の上端面と前記第1窒化物半導体層との距離は、前記第1フィールドプレート電極の上端面と前記第1窒化物半導体層との距離よりも長い請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記第2フィールドプレート電極の上に位置し、前記第1電極と接続された第3フィールドプレート電極を有する請求項1ないし3のいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記前記第1フィールドプレート電極と前記第2電極の間に位置し、前記第1電極と接続された第4フィールドプレート電極を有する請求項1ないし4のいずれか1項に記載の半導体装置。
  6. 前記第2フィールドプレート電極の前記第2電極側の端部は、前記第1フィールドプレート電極の前記第2電極側の端部よりも第2電極側に位置している請求項1ないし5のいずれか1項に記載の半導体装置。
  7. 前記第2フィールドプレート電極の前記第1電極側の端部は、前記ゲートフィールドプレート電極の前記第1電極側の端部よりも第1電極側に位置している請求項1ないし6のいずれか1項に記載の半導体装置。
  8. 前記第2フィールドプレート電極の底面の前記第1電極側の端部と前記第2フィールドプレート電極の底面の前記第2電極側の端部の間に前記ゲート電極の前記第2電極側の端部が位置する請求項1ないし7のいずれか1項に記載の半導体装置。
JP2020159720A 2020-09-24 2020-09-24 半導体装置 Pending JP2022053102A (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020159720A JP2022053102A (ja) 2020-09-24 2020-09-24 半導体装置
CN202110022665.2A CN114256344A (zh) 2020-09-24 2021-01-08 半导体装置
US17/191,554 US12002858B2 (en) 2020-09-24 2021-03-03 Semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020159720A JP2022053102A (ja) 2020-09-24 2020-09-24 半導体装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2022053102A true JP2022053102A (ja) 2022-04-05

Family

ID=80740808

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020159720A Pending JP2022053102A (ja) 2020-09-24 2020-09-24 半導体装置

Country Status (3)

Country Link
US (1) US12002858B2 (ja)
JP (1) JP2022053102A (ja)
CN (1) CN114256344A (ja)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007537594A (ja) * 2004-05-11 2007-12-20 クリー インコーポレイテッド 複数のフィールドプレートを有するワイドバンドギャップトランジスタ
JP2012109492A (ja) * 2010-11-19 2012-06-07 Sanken Electric Co Ltd 化合物半導体装置
JP2015170821A (ja) * 2014-03-10 2015-09-28 古河電気工業株式会社 窒化物半導体装置、電界効果トランジスタおよびカスコード接続回路
JP2019087740A (ja) * 2017-11-02 2019-06-06 ローム株式会社 半導体装置
CN110071173A (zh) * 2019-04-30 2019-07-30 英诺赛科(珠海)科技有限公司 半导体装置及其制造方法
US20190280092A1 (en) * 2018-03-12 2019-09-12 Vanguard International Semiconductor Corporation Semiconductor devices and methods for fabricating the same

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11791385B2 (en) 2005-03-11 2023-10-17 Wolfspeed, Inc. Wide bandgap transistors with gate-source field plates
JP5908692B2 (ja) * 2011-09-29 2016-04-26 トランスフォーム・ジャパン株式会社 化合物半導体装置及びその製造方法
US11398546B2 (en) * 2019-08-06 2022-07-26 Vanguard International Semiconductor Corporation Semiconductor devices and methods for fabricating the same
US11114532B2 (en) * 2019-11-20 2021-09-07 Vanguard International Semiconductor Corporation Semiconductor structures and methods of forming the same
US11152474B1 (en) * 2020-04-21 2021-10-19 Vanguard International Semiconductor Corporation Semiconductor device and method for forming the same
CN111613665B (zh) * 2020-06-04 2024-03-26 英诺赛科(珠海)科技有限公司 半导体装置及其制造方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007537594A (ja) * 2004-05-11 2007-12-20 クリー インコーポレイテッド 複数のフィールドプレートを有するワイドバンドギャップトランジスタ
JP2012109492A (ja) * 2010-11-19 2012-06-07 Sanken Electric Co Ltd 化合物半導体装置
JP2015170821A (ja) * 2014-03-10 2015-09-28 古河電気工業株式会社 窒化物半導体装置、電界効果トランジスタおよびカスコード接続回路
JP2019087740A (ja) * 2017-11-02 2019-06-06 ローム株式会社 半導体装置
US20190280092A1 (en) * 2018-03-12 2019-09-12 Vanguard International Semiconductor Corporation Semiconductor devices and methods for fabricating the same
CN110071173A (zh) * 2019-04-30 2019-07-30 英诺赛科(珠海)科技有限公司 半导体装置及其制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114256344A (zh) 2022-03-29
US20220093747A1 (en) 2022-03-24
US12002858B2 (en) 2024-06-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9461122B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method for the same
JP7500789B2 (ja) 半導体装置
CN107359196B (zh) 半导体装置
WO2010064362A1 (ja) 電界効果トランジスタ
US10868163B2 (en) Semiconductor device
JP6649208B2 (ja) 半導体装置
TW201633538A (zh) 半導體裝置
JP2015177063A (ja) 半導体装置
JP2021145113A (ja) 半導体装置、電源回路、及び、コンピュータ
US9722067B2 (en) Semiconductor device
JP2022053102A (ja) 半導体装置
US10535744B2 (en) Semiconductor device, power supply circuit, and computer
US20240113175A1 (en) Semiconductor device
JP7387567B2 (ja) 半導体装置
US12027614B2 (en) Semiconductor device
US20190288098A1 (en) Semiconductor device
CN118198006A (zh) 半导体装置

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20211007

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220705

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230824

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230829

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20231030

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240130

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240401

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20240806