JP4379305B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物系化合物半導体領域を有する半導体装置に関し、特に、漏れ電流(リーク電流)特性に優れた窒化物系化合物半導体領域を有する半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device having a nitride compound semiconductor region, and more particularly to a semiconductor device having a nitride compound semiconductor region having excellent leakage current (leakage current) characteristics.
近年、窒化物系化合物半導体領域を有する半導体装置は、絶縁破壊電圧が極めて大きく、飽和ドリフト速度や移動度も大きいために、高周波・高出力用電子デバイスとして注目されている。
特に、組成の異なる2種類の窒化物系化合物半導体を積層した構造の半導体装置においては、これらの窒化物系化合物半導体領域を構成する窒化物系化合物半導体の自発分極によって発生した分極電荷(キャリア)が、これらの窒化物系化合物半導体領域の界面近傍に発生する。
また、これらの窒化物系化合物半導体領域の間に格子歪を生じた形で、上層の窒化物系化合物半導体領域を連続して結晶成長させると、これらの窒化物系化合物半導体領域の界面近傍に、ピエゾ電気分極(またはピエゾ電界分極)に基づくキャリアが発生する。さらに、これらの窒化物系化合物半導体領域は、バンドギャップエネルギーの差が大きいので、キャリアが前記界面近傍にたまりやすい。
以上により、これらの窒化物系化合物半導体領域の界面近傍に高濃度の2次元キャリアが発生し、さらなるデバイスの高性能化を図ることができる。
In recent years, a semiconductor device having a nitride-based compound semiconductor region has attracted attention as a high-frequency / high-power electronic device because of its extremely high breakdown voltage and high saturation drift velocity and mobility.
In particular, in a semiconductor device having a structure in which two types of nitride compound semiconductors having different compositions are stacked, polarization charges (carriers) generated by spontaneous polarization of the nitride compound semiconductor constituting these nitride compound semiconductor regions. Occurs near the interface of these nitride-based compound semiconductor regions.
In addition, when the upper nitride compound semiconductor region is continuously crystal-grown in a form in which lattice strain is generated between these nitride compound semiconductor regions, the nitride compound compound semiconductor region is near the interface between these nitride compound semiconductor regions. , Carriers based on piezoelectric polarization (or piezoelectric field polarization) are generated. Furthermore, since these nitride compound semiconductor regions have a large band gap energy difference, carriers tend to accumulate in the vicinity of the interface.
As described above, high-concentration two-dimensional carriers are generated in the vicinity of the interface of these nitride-based compound semiconductor regions, and further device performance can be improved.
図10は、従来の窒化物系化合物半導体を用いたヘテロ接合電界効果型トランジスタ(HFET)を示す断面図であり、図において、101はサファイア基板、102は低温成長のGaNバッファ層、103はGaN電子走行層、104は膜厚が5nmのAlGaNスペーサ層、105は膜厚が20nm、キャリア濃度が1×1018cm−3のAlGaN電子供給層、107はAlGaN電子供給層105の上に形成されAlGaN電子供給層105と低抵抗性接触のソース電極、108はAlGaN電子供給層105の上に形成されAlGaN電子供給層105と低抵抗性接触のドレイン電極、109はAlGaN電子供給層105の上に形成されAlGaN電子供給層105とショットキー接合のゲート電極である。
一般的に、n型半導体の上に形成されたゲート電極に用いる電極材料は、後述する特許文献1に記載のニッケル(Ni)、白金(Pt)、金(Au)等の仕事関数の大きい金属が知られている。これらの金属は、p型半導体に対して低抵抗性を有する電極材料であることから、n型半導体に対してはショットキー接合の電極材料である。
Generally, an electrode material used for a gate electrode formed on an n-type semiconductor is a metal having a large work function such as nickel (Ni), platinum (Pt), gold (Au) described in
しかしながら、前記ニッケルや金など前記AlGaN電子供給層105とショットキー接合を有するゲート電極材料は、高温(400℃以上)で加熱処理すると前記AlGaN電子供給層105と反応し、逆バイアス印加時のリーク電流が増加するので、半導体装置の特性が極めて悪化するという問題点があった。また、高温動作時おける半導体装置の特性が劣化しやすいという問題点があった。
However, the gate electrode material having a Schottky junction with the AlGaN
本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであって、比較的リーク電流が低く、高温熱処理を行ってもリーク電流の増大がなく、高温状態においても安定した動作を行う窒化物系化合物半導体領域を有する半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and has a relatively low leakage current, and does not increase the leakage current even when high-temperature heat treatment is performed, and a nitride-based compound that operates stably even at high temperatures. An object is to provide a semiconductor device having a semiconductor region.
上記課題を解決するために、本発明は次の様な半導体装置を提供した。
すなわち、請求項1記載の半導体装置は、基板と、この基板の主面に形成された窒化物系化合物半導体からなる主半導体領域と、この主半導体領域の表面に形成され、かつ該主半導体領域との界面にロジウムからなるショットキー接合を有する電極とを備えてなることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention provides the following semiconductor device.
That is, the semiconductor device according to
請求項2記載の半導体装置は、請求項1記載の半導体装置において、前記主半導体領域の表面にあって、かつ前記ショットキー接合を有する電極の周囲に形成された抵抗膜を有し、この抵抗膜は、前記ショットキー接合を有する電極よりも高いシート抵抗を有するとともに、前記主半導体領域との間にショットキー接合を有してなることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the semiconductor device according to the first aspect , further comprising: a resistance film formed on a surface of the main semiconductor region and around the electrode having the Schottky junction. The film has a sheet resistance higher than that of the electrode having the Schottky junction, and has a Schottky junction with the main semiconductor region.
請求項3記載の半導体装置は、請求項1または2記載の半導体装置において、前記ショットキー接合を有する電極よりも高いシート抵抗を有し、かつトンネル効果を生じる厚みを有する第3の電極を、前記ショットキー接合を有する電極と前記主半導体領域の主面との間に形成したことを特徴とする。
The semiconductor device according to claim 3 is the semiconductor device according to
請求項4記載の半導体装置は、請求項1ないし3のいずれか1項記載の半導体装置において、前記ショットキー接合を有する電極は、前記主半導体領域の表面にロジウムを形成した後、加熱処理してなることを特徴とする。
The semiconductor device according to
本発明の窒化物系化合物半導体層を有する半導体装置によれば、n型窒化物系化合物半導体層からなる主半導体領域上に主半導体領域とショットキー接合を有する電極を、Rhで形成した。前記Rhは、仕事関数の大きい金属であって、前記Rhの融点はNiやAu等の融点よりも高く、同族のPtやPdの融点よりも高い。一般的に、金属は融点の1/10程度の温度で自己表面拡散が起こり始め、融点の1/3程度の温度で合金化が始まる。よって、前記Rhを用いて前記ショットキー接合を有する電極を形成すると、前記ショットキー接合を有する電極と前記主半導体領域との界面において高温で熱処理した際の反応が生じにくい特徴を有する。 According to the semiconductor device having the nitride compound semiconductor layer of the present invention, the electrode having the main semiconductor region and the Schottky junction is formed of Rh on the main semiconductor region made of the n-type nitride compound semiconductor layer. Rh is a metal having a high work function, and the melting point of Rh is higher than that of Ni or Au, and higher than that of Pt or Pd of the same family. In general, self-surface diffusion of a metal starts at a temperature of about 1/10 of the melting point, and alloying starts at a temperature of about 1/3 of the melting point. Therefore, when the electrode having the Schottky junction is formed using the Rh, there is a feature that a reaction is hardly caused when heat treatment is performed at a high temperature at the interface between the electrode having the Schottky junction and the main semiconductor region.
したがって、上記の電極と前記主半導体領域との界面を安定化することができ、逆方向電圧を印加した時に発生するリーク電流を抑制することができる。更に、この半導体装置を高温で動作させた場合においても、上記の電極と前記主半導体領域との界面において反応が生じにくくなり、この半導体装置の高温時の動作を安定化することができる。更に、前記Rhを熱処理することにより、前記主半導体領域との密着性が向上し、更にリーク電流を抑制することができる。 Therefore, the interface between the electrode and the main semiconductor region can be stabilized, and leakage current generated when a reverse voltage is applied can be suppressed. Further, even when this semiconductor device is operated at a high temperature, it is difficult for a reaction to occur at the interface between the electrode and the main semiconductor region, and the operation of the semiconductor device at a high temperature can be stabilized. Further, by heat-treating the Rh, the adhesion with the main semiconductor region can be improved and the leakage current can be further suppressed.
本発明の窒化物系半導体装置の各実施の形態について図面に基づき説明する。
なお、これらの実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために詳細に説明するものであるから、特に指定の無い限り、本発明を限定するものではない。
Embodiments of the nitride-based semiconductor device of the present invention will be described with reference to the drawings.
Note that these embodiments are described in detail for better understanding of the gist of the invention, and thus do not limit the present invention unless otherwise specified.
「第1の実施形態」
本発明の窒化物系半導体装置の第1の実施形態について、ラテラル型のヘテロ接合電界効果型トランジスタ(HFET)を例に取り説明する。
図1は本実施形態のHFETを示す断面図であり、このHFETは、シリコン(Si)からなる基板1、基板1の主面上にAlN/GaNからなる多層構造のバッファ層2、アンドープのGaN層3、n型のAlGaN層4からなる主半導体領域が形成され、n型のAlGaN層4の表面には、Ti/Alの2層構造からなるn型のAlGaN層4と低抵抗性接触のソース電極5、Ti/Alの2層構造からなるn型のAlGaN層4と低抵抗接触のドレイン電極6、ロジウム(Rh)で構成されたn型のAlGaN層4とショットキー接合のゲート電極7を備えている。
このGaN層3の上部のAlGaN層4の近傍には、二次元キャリア(2次元電子ガス層)3aが発生している。
“First Embodiment”
The first embodiment of the nitride-based semiconductor device of the present invention will be described by taking a lateral heterojunction field effect transistor (HFET) as an example.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an HFET of this embodiment. This HFET includes a
In the vicinity of the
ゲート電極7は、Rhのみからなる単層の電極でもよいが、Rhを含む合金からなる電極としてもよい。ここで、Rhを含む合金とは、Rhを電極の構成元素として含まれている合金であって、電極材料のRhの一部が合金化されていない混合物の状態も含むものとする。
また、例えば、ワイヤボンディングとの密着性を考慮する場合には、図2に示す様に、Rhまたはその合金層7a上に、Ti層7b、金(Au)層7c等の金属層を順次積層し、ワイヤボンディングとRhまたはその合金層7aとの間にワイヤボンディングとの密着性が良好な電極材料を有する構成としてもよい。また、Au層7cの替わりにAl層としてもよい。
The
Further, for example, when considering adhesion with wire bonding, as shown in FIG. 2, a metal layer such as a Ti layer 7b and a gold (Au) layer 7c is sequentially laminated on Rh or its alloy layer 7a. In addition, an electrode material having good adhesion to the wire bonding may be provided between the wire bonding and the Rh or its alloy layer 7a. Moreover, it is good also as an Al layer instead of the Au layer 7c.
次に、本実施形態のHFETの製法について説明する。
まず、清浄なSi基板1上に、化学的気相成長法(CVD)により、AlN/GaNからなる多層構造のバッファ層2、アンドープのGaN層3、n型のAlGaN層4を順次積層し、次いで、スパッタ法を用いてAlGaN層4上にTi、Alを順次積層し、その後エッチングによりパターニングし、ソース電極5及びドレイン電極6とする。次いで、ソース電極5及びドレイン電極6を例えば650℃にて10分間、熱処理する。次いで、スパッタ法によりAlGaN層4上にRhを成膜し、リフトオフ法によりパターニングし、AlGaN層4とショットキー接合のゲート電極7とする。次いで、このゲート電極7、すなわちRhを300〜600℃の温度範囲にて20〜60分間、熱処理する。例えば、550℃にて30分間等である。
Next, a method for manufacturing the HFET of this embodiment will be described.
First, a
ここで、ゲート電極7を構成しているRhの融点は1966℃であり、従来ショットキー電極材料として使用されているニッケル(Ni:1455℃)や金(Au:1063℃)より高く、同族の白金(Pt:1769℃)やパラジウム(Pd:1552℃)よりも高い。一般的に、金属は融点の1/10程度の温度で自己表面拡散が起こり始め、融点の1/3程度の温度で合金化が始まる。したがって、ゲート電極7を上記の温度範囲にて熱処理しても、Rhまたはその合金から構成されたゲート電極7とAlGaN層4とが接する界面において従来のNiやAuや同族のPt及びPdの電極材料と比べて合金化が生じ難い。よって、ゲート電極7とAlGaN層4において良好なショットキー障壁を形成することが可能であり、逆方向電圧を印加した場合、リーク電流を抑制することができる。
Here, the melting point of Rh constituting the
更に、ゲート電極材料であるRhを積層した後、ゲート電極に熱処理を加えてゲート電極7を形成すると、ゲート電極7とAlGaN層4との密着性が向上し、熱処理前に比べてリーク電流を低減することができる。
Furthermore, when the
以上説明した様に、第1の実施形態のHFETによれば、AlGaN層4とショットキー接合のRhまたはその合金からなるゲート電極7で構成することで、リーク電流を抑制することができる。
As described above, according to the HFET of the first embodiment, the leakage current can be suppressed by configuring the
なお、ここではSi基板1を用いたが、サファイア基板、GaN基板、GaAs基板、SiC基板を用いてもよい。
また、エピタキシャル層であるn型AlGaN層4は、BN、AlBN、GaInN等、B、Al、In、Gaの群から選択される1種または2種以上と、Nとを組み合わせてなる窒化物としてもよい。
また、バッファ層2をAlN/GaNからなる多層構造としたが、バッファ層としての機能を有する層であればよく、例えば、AlN層単体でもよい。
また、二次元キャリアを発生する2層構造のGaN層3およびAlGaN層4を、二次元キャリアを発生しない単層構造のGaN層に替えてもよい。
また、ドレイン電極6及びソース電極7を、Ti/Alの2層構造としたが、AlGaN層4と低抵抗接触を有する金属材料からなる電極に替えてもよい。
Although the
The n-
Further, although the
Further, the GaN layer 3 and the
Further, although the
「第2の実施形態」
図3は、本発明の第2の実施形態のショットキーバリアダイオード(SBD)を示す断面図であり、AlGaN層4の上にAlGaN層4と低抵抗接触を有するカソード31と、AlGaN層4の上にAlGaN層4とショットキー接合を有するロジウムまたはその合金からなるアノード32を有する。
“Second Embodiment”
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a Schottky barrier diode (SBD) according to the second embodiment of the present invention. A
カソード31およびアノード32の平面構造は、図4に示すように、円環状のカソード31a(またはアノード32a)の中心部に円板状のアノード32a(またはカソード31a)を配置した構成としてもよい。また、図5に示すように、櫛型状のカソード31b(またはアノード32b)を囲むように、櫛型状電極を有するアノード32b(またはカソード31b)を配置した構成としてもよい。
As shown in FIG. 4, the planar structure of the
本実施形態では、横型ショットキーバリアダイオード(SBD)を例に示したが、縦型ショットキーバリアダイオード(SBD)であってもよい。
縦型SBDのアノードをロジウムまたはその合金からなる電極とすることで、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
In the present embodiment, a horizontal Schottky barrier diode (SBD) is shown as an example, but a vertical Schottky barrier diode (SBD) may be used.
The effect similar to 1st Embodiment can be acquired by making the anode of vertical SBD into the electrode which consists of rhodium or its alloy.
「第3の実施形態」
図6は本発明の第3の実施形態のHFETを示す断面図であり、ロジウムまたはその合金からなるゲート電極7の上部のみを面方向に拡張したフィールドプレート構造のゲート電極51の例である。このゲート電極51は、AlGaN層4の上にT字型に形成されている。
このゲート電極51とソース電極5とドレイン電極6で囲まれた領域においては、半導体装置の信頼性を向上させるSiNx等からなるパッシベーション膜41が形成されている。
“Third Embodiment”
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an HFET according to a third embodiment of the present invention, which is an example of a
In a region surrounded by the
「第4の実施形態」
図7は本発明の第4の実施形態のHFETを示す断面図であり、基板の主面に形成された窒化物系化合物半導体から成る主半導体領域の表面に形成されたショットキー接合を有するロジウムまたはその合金からなるゲート電極7の周囲に隣接しかつ包囲する抵抗膜61を有した例である。
抵抗膜61は、ゲート電極7のシート抵抗よりも高いシ−ト抵抗を有し、且つ主半導体領域の表面との間にショットキー接合を形成している。この抵抗膜61は、ゲート電極7よりも高抵抗であるため、高抵抗ショットキバリア形フィールドプレートとして機能し、ゲート電極7の周辺部に電界が集中しないように空乏層を広げる(空乏層の曲率を緩和する)機能を有する。
“Fourth Embodiment”
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an HFET according to a fourth embodiment of the present invention, in which rhodium having a Schottky junction formed on the surface of a main semiconductor region made of a nitride compound semiconductor formed on the main surface of the substrate. Or it is the example which has the resistance film 61 which adjoins the circumference | surroundings of the
The resistance film 61 has a sheet resistance higher than the sheet resistance of the
この抵抗膜61は、酸化チタン(TiOx)、酸化ニッケル(NiOx)、酸化パラジウム(PdOx)、酸化白金(PtOx)、酸化ロジウム(RhOx)等が好適に用いられる。ただし、この抵抗膜61のシート抵抗は10kΩ/□以上であり、この抵抗膜61を構成する物質は一般的な酸化物より酸化数が少ない(Xが少ない)物質で構成された高抵抗物質であって絶縁物ではない。例えば、酸化チタン(TiOx)は、完全な絶縁物と見なせる2酸化チタン(TiO2)よりも酸素が少ない、いわゆる酸素欠損型の酸化チタン(Xは2より少ない1.8や1.9等)と考えられる。ここで、抵抗膜61の厚さは所定のシート抵抗が得られる厚さであれば良いが、抵抗膜61形成時の膜厚制御や膜の温度から判断して、この抵抗膜61の厚さは20オングストローム以上であることが望ましく、この抵抗膜61形成時の膜の形成温度や形成時間から判断して、この抵抗膜61の厚さは300オングストローム以下であることが望ましい。 The resistance film 61 is preferably made of titanium oxide (TiOx), nickel oxide (NiOx), palladium oxide (PdOx), platinum oxide (PtOx), rhodium oxide (RhOx), or the like. However, the sheet resistance of the resistance film 61 is 10 kΩ / □ or more, and the material constituting the resistance film 61 is a high resistance material composed of a material having a smaller oxidation number (less X) than a general oxide. It is not an insulator. For example, titanium oxide (TiOx) has less oxygen than titanium dioxide (TiO2) which can be regarded as a perfect insulator, so-called oxygen-deficient titanium oxide (X is less than 2, 1.8, 1.9, etc.) Conceivable. Here, the thickness of the resistance film 61 may be a thickness that provides a predetermined sheet resistance. However, the thickness of the resistance film 61 is determined based on the film thickness control at the time of forming the resistance film 61 and the temperature of the film. Is preferably 20 angstroms or more, and the thickness of the resistance film 61 is desirably 300 angstroms or less, judging from the film formation temperature and the formation time when the resistance film 61 is formed.
本実施形態のHFETにおいては、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、ゲート電極7によって発生する空乏層と、抵抗膜61によって発生する空乏層とがAlGaN層4内において連続的に形成されると、ゲート電極7の周辺部における電界の集中が生じないので、更なる耐圧の向上を図ることができる。
In the HFET of this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Furthermore, when the depletion layer generated by the
「第5の実施形態」
図8は本発明の第5の実施形態のHFETを示す断面図であり、MIS構造のHFETの例である。
AlGaN層4とAlGaN層4の上に形成されたロジウムまたはその合金からなるゲート電極7の間に酸化ケイ素(SiO2)、窒化ケイ素(Si3N4)、酸化アルミニウム(Al2O3)等から構成される膜71を有する。この膜71は、絶縁膜でも良いが、この膜71を第4の実施形態の抵抗膜61に変更し、酸化ケイ素(SiOx)、窒化ケイ素(Si3Nx)、酸化アルミニウム(Al2Ox)等としてもよい。この膜71は、抵抗膜61と同様、一般的な酸化物より酸化数が少ない(Xが少ない)物質で構成された高抵抗物質であって絶縁物ではない。例えば酸化ケイ素(SiOx)は、完全な絶縁物とみなすことができる2酸化ケイ素(SiO2)よりも酸素が少ない、いわゆる酸素欠損型の酸化ケイ素(Xは2より少ない1.8や1.9等)と考えられる。
なお、膜71は、ゲート電極7とAlGaN層4との間でトンネル効果が生じることの可能な厚さであることが望ましく、20オングストローム以上かつ80オングストローム以下であることが望ましい。
“Fifth Embodiment”
FIG. 8 is a cross-sectional view showing an HFET according to a fifth embodiment of the present invention, which is an example of a MIS structure HFET.
A
The
本実施形態のHFETにおいては、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、ゲート電極7によって発生する空乏層と、膜71によって発生する空乏層とがAlGaN層4内において連続的に形成されると、ゲート電極7の周辺部における電界の集中が生じないので、更なる耐圧の向上を図ることができる。
In the HFET of this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Furthermore, if the depletion layer generated by the
「第6の実施形態」
図9は、本発明の第6の実施形態のHFETを示す断面図であり、AlGaN層4の上に形成されたロジウムまたはその合金から構成されたゲート電極7と、AlGaN層4の上にAlGaN層4とは異なる半導体層81を形成し、半導体層81の上にソース電極5又はドレイン電極6を形成した例である。
なお、ソース電極5及びドレイン電極6は、電気的にゲート電極7と接続されていれば良いので、ソース電極5又はドレイン電極6がゲート電極7と異なる半導体層の上に形成されても良い。
“Sixth Embodiment”
FIG. 9 is a cross-sectional view showing an HFET according to a sixth embodiment of the present invention. A
Note that the
1 Si基板
2 バッファ層
3 GaN層
3a 二次元キャリア
4 AlGaN層
5 ソース電極
6 ドレイン電極
7 ゲート電極
7a Rhまたはその合金層
7b Ti層
7c Au層
31、31a、31b カソード
32、32a、32b アノード
41 パッシベーション膜
51 ゲート電極
61 抵抗膜
71 膜
81 半導体領域
DESCRIPTION OF
Claims (4)
この基板の主面に形成された窒化物系化合物半導体からなる主半導体領域と、
この主半導体領域の表面に形成され、かつ該主半導体領域との界面にロジウムからなるショットキー接合を有する電極とを備えてなることを特徴とする半導体装置。 A substrate,
A main semiconductor region made of a nitride compound semiconductor formed on the main surface of the substrate;
A semiconductor device comprising an electrode formed on a surface of the main semiconductor region and having a Schottky junction made of rhodium at an interface with the main semiconductor region.
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