JP4843651B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置に関し、特に、窒化ガリウム(GaN)などで構成され、信頼性の高い大電力用の半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device , and more particularly to a highly reliable high power semiconductor device made of gallium nitride (GaN) or the like.
窒化ガリウム(GaN)系半導体を利用した電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)は、電流コラプスやリーク電流が大きいことが知られている。その原因としてエピタキシャル結晶中にある転位や結晶欠陥が挙げられる。 It is known that a field effect transistor (FET) using a gallium nitride (GaN) -based semiconductor has a large current collapse and leakage current. The cause is dislocations and crystal defects in the epitaxial crystal.
結晶欠陥はリーク電流の増大や電流コラプス現象の発生などといった基本的な性能を低下させてしまうため、結晶欠陥の少ないエピタキシャル層を得ることは非常に重要である。 Since crystal defects deteriorate basic performance such as increase of leakage current and occurrence of current collapse phenomenon, it is very important to obtain an epitaxial layer with few crystal defects.
この結晶の転位や欠陥を少なくするために、GaN層中にアルミニウム窒化ガリウム(AlGaN)層や窒化アルミニウム(AlN)層を挿入することが知られている。 In order to reduce the dislocations and defects of this crystal, it is known to insert an aluminum gallium nitride (AlGaN) layer or an aluminum nitride (AlN) layer in the GaN layer.
また、GaNとAlGaNまたはAlNは格子定数差が大きく、GaN層とAlGaN層間にピエゾ分極による電荷が発生してしまい、このGaN層中に発生した電荷は、半導体装置の高周波特性を極端に落としてしまうという問題がある。 In addition, GaN and AlGaN or AlN have a large lattice constant difference, and electric charges are generated by piezo polarization between the GaN layer and the AlGaN layer. The electric charge generated in the GaN layer drastically reduces the high frequency characteristics of the semiconductor device. There is a problem of end.
例えば、GaN層とAlGaN層は格子定数差が大きく、GaN層とAlGaN層間にピエゾ分極による電荷が発生してしまい、GaN層中に発生した電荷は、半導体装置の高周波特性を極端に落としてしまうという問題がある。 For example, there is a large difference in lattice constant between the GaN layer and the AlGaN layer, and charges due to piezoelectric polarization are generated between the GaN layer and the AlGaN layer, and the charges generated in the GaN layer drastically degrade the high-frequency characteristics of the semiconductor device. There is a problem.
このようなピエゾ分極による電荷は、GaN層の導電性を増大させ、ゲート電極とソース電極間或いはゲート電極とドレイン電極間のリーク電流を増大させ、半導体装置の電力増幅利得を低下させる原因となる。 Such charges due to piezo polarization increase the conductivity of the GaN layer, increase the leakage current between the gate electrode and the source electrode or between the gate electrode and the drain electrode, and reduce the power amplification gain of the semiconductor device. .
ゲート寸法を0.1μm級に形成することができ、かつゲート電極およびソース電極或いはドレイン電極間にリーク電流を生じさせないGaN系半導体を用いた電界効果トランジスタおよびその製造方法については、既に開示されている(例えば、特許文献1参照。)。特許文献1においては、断面形状がT字型であるゲート電極を有する電界効果トランジスタを用いて、ゲートリーク電流を低減している。 A field effect transistor using a GaN-based semiconductor that can be formed to a gate size of 0.1 μm and does not generate a leakage current between the gate electrode and the source or drain electrode and a method for manufacturing the same have already been disclosed. (For example, refer to Patent Document 1). In Patent Document 1, a gate leakage current is reduced by using a field effect transistor having a gate electrode having a T-shaped cross section.
また、抵抗値の高いIII族窒化物半導体結晶、III族窒化物半導体基板、半導体装置およびIII族窒化物半導体結晶の製造方法については、既に開示されている(例えば、特許文献2参照。)。特許文献2においては、例えば遷移金属としてFeが添加されたIII族窒化物半導体結晶であって、Ga原子空孔密度が1×1016cm-3以下であるFeドープGaN層が開示されている。FeドープGaN層のFe原子密度は、5×1017cm-3〜1020cm-3である。また、上記FeドープGaN層からなるIII族窒化物半導体基板上に形成された半導体層を有する半導体装置についても開示されている。 In addition, a group III nitride semiconductor crystal, a group III nitride semiconductor substrate, a semiconductor device, and a method for manufacturing a group III nitride semiconductor crystal having a high resistance value have already been disclosed (for example, see Patent Document 2). In Patent Document 2, for example, a group III nitride semiconductor crystal to which Fe is added as a transition metal, and a Ga-doped GaN layer having a Ga atom vacancy density of 1 × 10 16 cm −3 or less is disclosed. . The Fe atom density of the Fe-doped GaN layer is 5 × 10 17 cm −3 to 10 20 cm −3 . A semiconductor device having a semiconductor layer formed on a group III nitride semiconductor substrate made of the Fe-doped GaN layer is also disclosed.
また、所定値以上の格子定数の差を有する複数の窒化物系化合物半導体層を結晶性の良い状態で多層形成することができ、エピタキシャル成長方向への貫通転位の伝播を抑制できる半導体素子についても、既に開示されている(例えば、特許文献3参照。)。 In addition, a semiconductor element that can form a plurality of nitride compound semiconductor layers having a lattice constant difference of a predetermined value or more in a multi-layered state with good crystallinity and can suppress propagation of threading dislocations in the epitaxial growth direction. It has already been disclosed (for example, see Patent Document 3).
窒化ガリウム層とアルミニウム窒化ガリウム(AlGaN)層などで構成された従来の大電力用半導体装置の基本ユニットの構成は、図11に示すように、例えばSiCからなる基板10上に配置されたGaN層と、GaN層上に配置されたAlGaN層14と、AlGaN層14上に配置されたゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22とを備える。
As shown in FIG. 11, the basic unit of a conventional high power semiconductor device composed of a gallium nitride layer and an aluminum gallium nitride (AlGaN) layer has a GaN layer disposed on a
さらに、従来の半導体装置は、図11に示すように、AlGaN層14からなる活性領域AAの周辺部に、メサエッチング技術、イオン注入技術などによって、非活性領域NAとなる素子分離領域が形成されている。
Furthermore, as shown in FIG. 11, in the conventional semiconductor device, an element isolation region that becomes the inactive region NA is formed in the periphery of the active region AA formed of the
図11に示すように、ゲート電極24,ソース電極20およびドレイン電極22は、それぞれ、非活性領域NAとなる素子分離領域上に配置されたゲート端子電極240,ソース端子電極200およびドレイン端子電極220に接続されている。
As shown in FIG. 11, the
従来の半導体装置においては、図11に示すように、活性領域AA以外のゲート・ドレイン間は、非活性領域NAとなる素子分離領域によって、電気的に絶縁されている。このため、本来、活性領域AA以外の素子分離領域上では、ゲート・ドレイン間には表面リーク電流は流れない。 In the conventional semiconductor device, as shown in FIG. 11, the gate and drain other than the active region AA are electrically insulated by an element isolation region that becomes the inactive region NA. Therefore, the surface leakage current does not flow between the gate and the drain on the element isolation region other than the active region AA.
しかしながら、ゲート・ドレイン間に大きな電圧が印加された場合、ゲート電極24とドレイン端子電極220との間のゲート電極先端部GPに電界が集中する。このため、ゲート電極24とドレイン端子電極220間に表面リーク電流が流れて半導体装置の特性劣化を招く。場合によっては、半導体装置の破壊に至るという問題点がある。
本発明の目的は、信頼性が高く、かつ高性能化可能な大電力用の半導体装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device for high power that has high reliability and can be improved in performance.
上記目的を達成するための一態様によれば、基板と、前記基板上に配置された窒化物系化合物半導体層と、前記窒化物系化合物半導体層上に配置され、アルミニウム窒化ガリウム層(AlXGa1-XN)(0.1≦x≦1)からなる活性領域と、イオン注入により形成され、前記活性領域を互いに素子分離する素子分離領域と、前記素子分離領域によって囲まれた前記活性領域上に配置されたゲート電極、ソース電極およびドレイン電極と、前記素子分離領域上に配置され、それぞれ前記ゲート電極,前記ソース電極および前記ドレイン電極に接続されたゲート端子電極,ソース端子電極およびドレイン端子電極とを備え、前記ゲート電極の先端部と前記ドレイン端子電極とは、溝部を挟んで対向した半導体装置が提供される。 According to an aspect for achieving the above object, a substrate, a nitride compound semiconductor layer disposed on the substrate, an aluminum gallium nitride layer (Al X) disposed on the nitride compound semiconductor layer, and An active region composed of Ga 1-X N) (0.1 ≦ x ≦ 1), an element isolation region formed by ion implantation and isolating the active region from each other, and the active surrounded by the element isolation region A gate electrode, a source electrode, and a drain electrode disposed on the region; and a gate terminal electrode, a source terminal electrode, and a drain that are disposed on the element isolation region and connected to the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode, respectively. There is provided a semiconductor device including a terminal electrode, wherein a tip end portion of the gate electrode and the drain terminal electrode are opposed to each other with a groove portion interposed therebetween .
本発明によれば、ゲート電極とドレイン端子電極間の一部をエッチングして溝部を形成することにより、ゲート・ドレイン間リーク電流を減少させることができ、信頼性が高く、かつ高性能の大電力用の半導体装置を提供することができる。 According to the present invention, by forming a groove by etching a part between the gate electrode and the drain terminal electrode, the leakage current between the gate and the drain can be reduced, and the reliability is high and the performance is large. A power semiconductor device can be provided.
本発明によれば、ゲート電極とドレイン端子電極間の一部をエッチングして溝部を形成することにより、実効的にゲート電極とドレイン端子電極間の距離を長くすることでゲート・ドレイン間の表面リーク電流を減少させることができ、信頼性が高く、かつ高性能の大電力用の半導体装置を提供することができる。 According to the present invention, a part between the gate electrode and the drain terminal electrode is etched to form a groove, thereby effectively increasing the distance between the gate electrode and the drain terminal electrode, thereby increasing the surface between the gate and the drain. A leakage current can be reduced, and a highly reliable and high performance semiconductor device for high power can be provided.
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下において、同じブロックまたは要素には同じ符号を付して説明の重複を避け、説明を簡略にする。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the same reference numerals are assigned to the same blocks or elements to avoid duplication of explanation and simplify the explanation. It should be noted that the drawings are schematic and different from the actual ones. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 The following embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention. In the embodiments of the present invention, the arrangement of each component is as follows. Not specific. Various modifications can be made to the embodiment of the present invention within the scope of the claims.
[第1の実施の形態]
(素子構造)
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の模式的平面パターン構成は、図1に示すように表される。また、図1のII−II線に沿う模式的断面構造は、図2若しくは図3に示すように表される。図2の例は、非活性領域NAとなる素子分離領域34をイオン注入技術を用いて形成した断面構造であり、図3の例は、非活性領域NAとなる素子分離領域25をメサエッチング技術を用いて形成した断面構造である。
[First embodiment]
(Element structure)
A schematic planar pattern configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention is expressed as shown in FIG. Moreover, the schematic cross-sectional structure along the II-II line of FIG. 1 is represented as shown in FIG. 2 or FIG. The example of FIG. 2 has a cross-sectional structure in which an
第1の実施の形態に係る半導体装置は、図1〜図3に示すように、基板10と、基板10上に配置された窒化物系化合物半導体層12と、窒化物系化合物半導体層12上に配置され、アルミニウム窒化ガリウム層(AlxGa1-xN)(0.1≦x≦1)14からなる活性領域AAと、活性領域AAを互いに素子分離する素子分離領域(34,25)と、素子分離領域(34,25)によって囲まれた活性領域AA上に配置されたゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22と、素子分離領域(34,25)上に配置され、それぞれゲート電極24,ソース電極20およびドレイン電極22に接続されたゲート端子電極240,ソース端子電極200およびドレイン端子電極220と、ゲート電極24とドレイン端子電極220との間に形成した溝部28とを備える。
As shown in FIGS. 1 to 3, the semiconductor device according to the first embodiment includes a
素子分離領域(34,25)は、アルミニウム窒化ガリウム層(AlxGa1-xN)(0.1≦x≦1)14および窒化物系化合物半導体層12の深さ方向の一部まで形成されている。
The element isolation regions (34, 25) are formed up to a part of the aluminum gallium nitride layer (Al x Ga 1-x N) (0.1 ≦ x ≦ 1) 14 and the nitride-based
素子分離領域34は、イオン注入により形成される。イオン種としては、例えば、窒素(N)、アルゴン(Ar)などを適用することができる。また、イオン注入に伴うドーズ量は、例えば、約1×1014 (ions/cm2)程度であり、加速エネルギーは、例えば、約100keV〜200keV程度である。
The
素子分離領域34上およびデバイス表面上には、パッシベーション用の絶縁層30が形成されている。この絶縁層30としては、例えば、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法によって堆積された窒化膜、アルミナ(Al2O3)膜、酸化膜(SiO2)、酸窒化膜(SiON)などで形成することができる。
A
溝部28内にも、パッシベーション用の絶縁層30が配置されていてもよい。
A
ソース電極20とアルミニウム窒化ガリウム層(AlxGa1-xN)(0.1≦x≦1)14との界面には、ソースコンタクト20aが形成され、ドレイン電極22とアルミニウム窒化ガリウム層(AlxGa1-xN)(0.1≦x≦1)14との界面には、ドレインコンタクト22aが形成されている。ソース電極20およびドレイン電極22は、例えば、アルミニウム(Al)、Ti/Auなどで形成される。
A
ゲート電極24は、例えばNi/Auなどで形成することができる。
The
ソースコンタクト20aおよびドレインコンタクト22aは、例えば、Al/Ti,若しくはNi/Al/Tiなどからなる積層構造によって形成することができる。
The
窒化物系化合物半導体層12と、窒化物系化合物半導体層12上に配置されたアルミニウム窒化ガリウム層(AlxGa1-xN)(0.1≦x≦1)14との界面には、2次元電子ガス層が形成される。
At the interface between the nitride-based
また、基板10は、SiC基板、GaAs基板、GaN基板、SiC基板上にGaNエピタキシャル層を形成した基板、Si基板上にGaNエピタキシャル層を形成した基板、SiC基板上にGaN/GaAlNからなるヘテロ接合エピタキシャル層を形成した基板、サファイア基板上にGaNエピタキシャル層を形成した基板、サファイア基板若しくはダイヤモンド基板のいずれかを備えていてもよい。
The
窒化物系化合物半導体層12は、例えばGaN層で形成される。
The nitride
(溝部の構造例)
―構造例1―
溝部28は、例えば、図4に示すように、ゲート電極24の先端部において、活性領域AAの一部を含んで形成されている。また、溝部28は、図4に示すように、ゲート電極24とドレイン端子電極220との間の素子分離領域34の一部を含んで形成されている。また、図4に示すように、溝部28内には、ゲート電極24の先端部が延伸して配置されている。
(Structural example of groove)
―Structure Example 1―
For example, as shown in FIG. 4, the
―構造例2―
溝部28の側壁は、例えば、図5に示すように、素子分離領域34の側壁部において、段差構造を備えている。段差数は、2段に限らず、2段以上形成されていてもよい。また、半導体側の側壁部において、段差構造を備えていてもよい。
-Structural example 2-
For example, as shown in FIG. 5, the side wall of the
―構造例3―
また、溝部は、例えば、図6に示すように、複数個形成されていてもよい。図6の例では、3個の溝部28a,28b,および28cが形成されている。溝部28a,28b,および28cは、図6に示すように、ゲート電極24とドレイン端子電極220との間の素子分離領域34の一部を含んで形成されている。溝部28aと28b内には、絶縁層30が充填されている。一方、溝部28cには、ゲート電極24の先端部において、活性領域AAの一部を含んで形成されている。また、溝部28cには、ゲート電極24の先端部が延伸して配置されている。
―Structure Example 3―
Moreover, the groove part may be formed in multiple numbers, for example, as shown in FIG. In the example of FIG. 6, three groove portions 28a, 28b, and 28c are formed. The groove portions 28a, 28b, and 28c are formed so as to include a part of the
―構造例4―
また、図7に示すように、溝部28によって、ゲート電極24の先端部とドレイン端子電極220は離隔された構造を備えていてもよい。溝部28内には、絶縁層30が形成されている。
-Structural example 4-
In addition, as shown in FIG. 7, the
また、図1に示す2つの溝部28を互いに結合して、ソース電極20、ゲート電極24およびドレイン電極22の配列方向にストライプ構造を備えていてもよい。
Further, the two
さらに、溝部28と構造が実質的に等しい別の溝部を、ゲート電極24とゲート端子電極240との間に形成してもよい。ゲート電極24のストライプの先端部分と同様に、末端部分においても電界が集中し易いが、別の溝部を形成することによって、ゲート・ドレイン間のリーク電流の発生を抑制することができるからである。
Further, another groove portion having a structure substantially the same as that of the
(製造方法)
第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、基板10上に窒化物系化合物半導体層12を形成する工程と、窒化物系化合物半導体層12上に、アルミニウム窒化ガリウム層(AlxGa1-xN)(0.1≦x≦1)14からなる活性領域AAを形成する工程と、活性領域AAを互いに素子分離する素子分離領域(34,25)を形成する工程と、素子分離領域(34,25)によって囲まれた活性領域AA上にゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22を形成する工程と、それぞれゲート電極24,ソース電極20およびドレイン電極22に接続されるゲート端子電極240,ソース端子電極200およびドレイン端子電極220を素子分離領域(34,25)上に形成する工程と、ゲート電極24とドレイン端子電極220との間に溝部28を形成する工程とを有する。
(Production method)
The method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment includes a step of forming a nitride
溝部28を形成する工程は、素子分離領域(34,25)を形成する工程後の実施することが望ましい。
The step of forming the
また、素子分離領域34を形成する工程は、イオン注入技術を用いることができる。
Further, an ion implantation technique can be used for the step of forming the
また、素子分離領域25を形成する工程は、メサエッチングを用いることができる。
Further, mesa etching can be used for the step of forming the
素子分離領域34を形成する工程において、素子分離領域34は、アルミニウム窒化ガリウム層(AlxGa1-xN)(0.1≦x≦1)14および窒化物系化合物半導体層12の深さ方向の一部まで形成する。
In the step of forming the
以下に、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を詳細に説明する。 The semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment of the present invention will be described in detail below.
(a)SiCからなる基板10上にTMG(トリメチルガリウム)とアンモニアガスを流し、エピタキシャル成長によりGaN層12を、例えば約1μm〜2μm程度の厚さに形成する。
(A) TMG (trimethylgallium) and ammonia gas are flowed on the
(b)次に、TMAl(トリメチルアルミニウム)とアンモニアガスを流し、エピタキシャル成長によりAl組成比率約30%程度のアルミニウム窒化ガリウム層(Al0.3Ga1-0.3N)(0.1≦x≦1)14を、例えば約20nm〜100nm程度の厚さに形成する。 (B) Next, an aluminum gallium nitride layer (Al 0.3 Ga 1-0.3 N) (0.1 ≦ x ≦ 1) 14 having an Al composition ratio of about 30% is formed by flowing TMAl (trimethylaluminum) and ammonia gas and epitaxially growing. Is formed to a thickness of about 20 nm to 100 nm, for example.
(c)次に、イオン注入技術によって、活性領域AAを互いに素子分離する素子分離領域34を形成する。イオン種としては、例えば、窒素(N)、アルゴン(Ar)などを適用することができる。また、イオン注入に伴うドーズ量は、例えば、約1×1011 (ions/cm2)程度であり、加速エネルギーは、例えば、約100keV〜200keV程度である。なお、メサエッチング技術によって、活性領域AAを互いに素子分離する素子分離領域25を形成してもよい。以下の説明では、イオン注入技術によって形成された素子分離領域34の例を用いて説明する。
(C) Next, an
(d)次に、ドライエッチング技術によって、ゲート電極24とドレイン端子電極220との間に溝部28を形成する。ドライエッチング技術としては、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)技術などを適用することができる。反応ガスとしては、例えば、BCl3などの塩素系のエッチングガスを使用することができる。ここで、溝部28の深さは、アルミニウム窒化ガリウム層(AlxGa1-xN)(0.1≦x≦1)14の厚さよりも深く、例えば、約100nm〜200nm程度である。したがって、溝部28の底面は、窒化物系化合物半導体層(GaN層)12である。なお、溝部28の構造は、例えば、図4〜図7に示した構造を適用することができる。
(D) Next, the
(e)次に、素子分離領域34によって囲まれた活性領域AA上にソースコンタクト20a、ドレインコンタクト22aを形成する。コンタクト形成技術としては、真空蒸着技術、スパッタリング技術などを適用することができる。ソースコンタクト20aおよびドレインコンタクト22aは、例えば、Al/Ti,若しくはNi/Al/Tiなどからなる積層構造によってオーミック電極として形成する。
(E) Next, the
(f)次に、ゲート電極24を形成する。電極形成技術としては、真空蒸着技術、スパッタリング技術などを適用することができる。ゲート電極24は、例えば、Ni/Auなどによって形成することができる。ゲート電極24は、アルミニウム窒化ガリウム層(AlxGa1-xN)(0.1≦x≦1)14との間で、ショットキーコンタクトを形成する。ゲート電極24の幅は、例えば、約0.1μm〜1μm程度である。なお、ゲート電極24の先端部は、図4〜図6に示すように、溝部28内に延伸して形成されていてもよい。或いは、図7に示すように、溝部28の外側に離隔して、形成されていてもよい。
(F) Next, the
(g)次に、それぞれゲート電極24,ソースコンタクト20aおよびドレインコンタクト22aに接続されたゲート端子電極240,ソース端子電極200およびドレイン端子電極220を素子分離領域34上に形成する。
(G) Next, the
(h)次に、デバイス表面全体に、パッシベーション用の絶縁層30を形成する。この絶縁層30は、例えば、PECVD法によって堆積された窒化膜、Al2O3膜、SiO2膜、SiON膜などで形成することができる。
(H) Next, a
(i)次に、ソース電極20、ドレイン電極22を形成する。電極形成技術としては、真空蒸着技術、スパッタリング技術などを適用することができる。ソース電極20およびドレイン電極22は、例えば、アルミニウム(Al)、Ti/Auなどで形成される。
(I) Next, the
以上の(a)〜(i)の工程により、第1の実施の形態に係る半導体装置を完成する。 The semiconductor device according to the first embodiment is completed through the steps (a) to (i).
第1の実施の形態によれば、ゲート電極24とドレイン端子電極220の間の一部をエッチングして溝部28を形成することにより、ゲート・ドレイン間リーク電流を減少させることができ、信頼性が高く、かつ高性能の半導体装置およびその製造方法を提供することができる。
According to the first embodiment, the
第1の実施の形態によれば、ゲート電極24とドレイン端子電極220との間の一部をエッチングして溝部28を形成することにより、実効的にゲート電極24とドレイン端子電極220との間の距離を長くすることでゲート・ドレイン間の表面リーク電流を減少させることができ、信頼性が高く、かつ高性能の半導体装置およびその製造方法を提供することができる。
According to the first embodiment, a portion between the
[第2の実施の形態]
(全体素子構造)
第2の実施の形態に係る半導体装置の模式的平面パターン構成は、図8に示すように表される。また、図8のA部分の拡大図は、図9に示すように表される。
[Second Embodiment]
(Overall element structure)
A schematic planar pattern configuration of the semiconductor device according to the second embodiment is expressed as shown in FIG. An enlarged view of portion A in FIG. 8 is represented as shown in FIG.
図8〜図9に示す第2の実施の形態に係る半導体装置においては、大電力化のための電極パターン配置と、ゲート電極24とドレイン端子電極220間に形成される溝部28を備えた点に特徴を有する。
The semiconductor device according to the second embodiment shown in FIGS. 8 to 9 includes an electrode pattern arrangement for increasing power and a
第2の実施の形態に係る半導体装置の模式的平面パターン構成は、図8〜図9に示すように、基板10と、基板10上に配置された窒化物系化合物半導体層12と、窒化物系化合物半導体層12上に配置され、アルミニウム窒化ガリウム層(AlxGa1-xN)(0.1≦x≦1)14からなる活性領域AAと、活性領域AAを互いに素子分離する素子分離領域34と、素子分離領域34によって囲まれた活性領域AA上に配置され、それぞれ複数のフィンガーを有するゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22と、ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22ごとに複数のフィンガーをそれぞれ束ねて形成したゲート端子電極240、ソース端子電極200およびドレイン端子電極220と、ゲート電極24とドレイン端子電極220との間に形成した溝部28とを備える。
As shown in FIGS. 8 to 9, the schematic planar pattern configuration of the semiconductor device according to the second embodiment includes a
素子分離領域34は、アルミニウム窒化ガリウム層(AlxGa1-xN)(0.1≦x≦1)14および窒化物系化合物半導体層12の深さ方向の一部まで形成されている。
The
素子分離領域34は、例えば、イオン注入技術により形成されている。
The
溝部28は、複数のフィンガーを有するゲート電極24の先端部において、活性領域AAの一部を含んで形成されていてもよい。
The
溝部28は、複数のフィンガーを有するゲート電極24とドレイン端子電極220との間の素子分離領域34の一部を含んで形成されていてもよい。
The
溝部28内には、図4〜図6に示した構造と同様に、複数のフィンガーを有するゲート電極24の先端部が延伸して配置されていてもよい。
Similar to the structure shown in FIGS. 4 to 6, the tip of the
溝部28の側壁は、図5に示した構造と同様に、段差構造を備えていてもよい。
Similar to the structure shown in FIG. 5, the side wall of the
溝部28は、図6に示した構造と同様に、複数形成されていてもよい。
A plurality of
溝部28によって、図7に示すように、複数のフィンガーを有するゲート電極24の先端部とドレイン端子電極220は離隔され、溝部28内には、パッシベーション用の絶縁層30が形成されていてもよい。
As shown in FIG. 7, the end portion of the
さらに、溝部28と構造が実質的に等しい別の溝部を、複数のフィンガーを有するゲート電極24とゲート端子電極240との間に形成してもよい。ゲート電極24のストライプの先端部分と同様に、末端部分においても電界が集中し易いが、別の溝部を形成することによって、ゲート・ドレイン間のリーク電流の発生を抑制することができるからである。
Furthermore, another groove portion having substantially the same structure as the
また、基板10は、SiC基板、GaAs基板、GaN基板、SiC基板上にGaNエピタキシャル層を形成した基板、Si基板上にGaNエピタキシャル層を形成した基板、SiC基板上にGaN/GaAlNからなるヘテロ接合エピタキシャル層を形成した基板、サファイア基板上にGaNエピタキシャル層を形成した基板、サファイア基板若しくはダイヤモンド基板のいずれかを備えていてもよい。
The
図8の構成例において、各部の寸法は、例えば、セル幅W1は約120μm、W2は約80μm、セル長W3は約100μm、W4は約120μmであり、ゲート幅WGは全体として100μm×6本×4セル=2.4mm程度である。 In the configuration example of FIG. 8, the dimensions of each part are, for example, a cell width W1 of about 120 μm, W2 of about 80 μm, a cell length W3 of about 100 μm, W4 of about 120 μm, and a gate width WG of 100 μm × 6 as a whole. × 4 cells = about 2.4 mm.
図8の例では、ソース端子電極200において、基板10の裏面からVIAホール260が形成されて、基板10の裏面には接地導体が形成されている。そして、回路素子を接地する場合、基板10を貫通するVIAホール260を介して、基板10上に設けた回路素子と基板10の裏面に形成した接地導体とが電気的に接続される。
In the example of FIG. 8, in the
尚、ゲート端子電極240は、ボンディングワイヤなどで周辺の半導体チップに接続され、また、ドレイン端子電極220も、ボンディングワイヤなどで周辺の半導体チップに接続される。
The
(製造方法)
第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、基板10上に窒化物系化合物半導体層12を形成する工程と、窒化物系化合物半導体層12上に、アルミニウム窒化ガリウム層(AlxGa1-xN)(0.1≦x≦1)14からなる活性領域AAを形成する工程と、活性領域AAを互いに素子分離する素子分離領域(34,25)を形成する工程と、素子分離領域(34,25)によって囲まれた活性領域AAの第1表面上に、それぞれ複数のフィンガーを有するゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22を形成する工程と、ゲート電極24、ソース電極20およびドレイン電極22ごとに複数のフィンガーをそれぞれ束ねて形成したゲート端子電極240、ソース端子電極200およびドレイン端子電極220を素子分離領域(34,25)上に形成する工程と、複数のフィンガーを有するゲート電極24とドレイン端子電極220との間に溝部28を形成する工程とを有する。
(Production method)
The method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment includes a step of forming a nitride
溝部28を形成する工程は、素子分離領域(34,25)を形成する工程後の実施することが望ましい。
The step of forming the
また、素子分離領域34を形成する工程は、イオン注入技術を用いることができる。
Further, an ion implantation technique can be used for the step of forming the
また、素子分離領域25を形成する工程は、メサエッチング技術を用いることができる。
The step of forming the
第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の詳細については、第1の実施の形態と同様であるため、説明は省略する。 The details of the method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment are the same as those of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
第2の実施の形態に係る半導体装置においても溝部28の詳細な構造は、第1の実施の形態と同様であるため、説明は省略する。
Also in the semiconductor device according to the second embodiment, the detailed structure of the
(変形例)
第2の実施の形態の変形例に係る半導体装置の模式的平面パターン構成は、図10に示すように表される。
(Modification)
A schematic planar pattern configuration of a semiconductor device according to a modification of the second embodiment is expressed as shown in FIG.
第2の実施の形態の変形例に係る半導体装置においては、図10に示すように、溝部28は、複数のフィンガーを有するゲート電極24とドレイン端子電極220との間において、複数のフィンガー電極の配列方向に平行なストライプ構造を備える点に特徴を有する。
In the semiconductor device according to the modification of the second embodiment, as shown in FIG. 10, the
第2の実施の形態の変形例に係る半導体装置においても溝部28の詳細な構造は、第1の実施の形態と同様であるため、説明は省略する。
Also in the semiconductor device according to the modified example of the second embodiment, the detailed structure of the
また、第2の実施の形態の変形例に係る半導体装置の製造方法も、第2の実施の形態と同様であるため、説明は省略する。 A method for manufacturing a semiconductor device according to a modification of the second embodiment is also the same as that of the second embodiment, and a description thereof will be omitted.
さらに、溝部28と構造が実質的に等しい別の溝部を、複数のフィンガーを有するゲート電極24とゲート端子電極240との間に形成してもよい。ゲート電極24のストライプの先端部分と同様に、末端部分においても電界が集中し易いが、別の溝部を形成することによって、ゲート・ドレイン間のリーク電流の発生を抑制することができるからである。
Furthermore, another groove portion having substantially the same structure as the
第2の実施の形態およびその変形例によれば、ゲート電極とドレイン端子電極間の一部をエッチングして溝部を形成することにより、ゲート・ドレイン間リーク電流を減少させることができ、信頼性が高く、かつ高性能の大電力用の半導体装置およびその製造方法を提供することができる。 According to the second embodiment and the modification thereof, the gate-drain leakage current can be reduced by forming a groove by etching a part between the gate electrode and the drain terminal electrode, and the reliability. It is possible to provide a high-power, high-power, high-power semiconductor device and a method for manufacturing the same.
第2の実施の形態およびその変形例によれば、ゲート電極とドレイン端子電極間の一部をエッチングして溝部を形成することにより、実効的にゲート電極とドレイン端子電極間の距離を長くすることでゲート・ドレイン間の表面リーク電流を減少させることができ、信頼性が高く、かつ高性能の大電力用の半導体装置およびその製造方法を提供することができる。 According to the second embodiment and its modification, the distance between the gate electrode and the drain terminal electrode is effectively increased by etching the part between the gate electrode and the drain terminal electrode to form the groove. Thus, the surface leakage current between the gate and the drain can be reduced, and a highly reliable and high performance semiconductor device for high power and a manufacturing method thereof can be provided.
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第1〜第2の実施の形態およびその変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
As described above, the present invention has been described with reference to the first and second embodiments and the modifications thereof. However, the description and the drawings that constitute a part of this disclosure are exemplary and limit the present invention. Should not be understood. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
なお、本発明の半導体装置としては、電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)に限らず、高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)、LDMOS(Lateral Doped Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)やヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT:Hetero-junction Bipolar Transistor)などの増幅素子、メムス(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems)素子などにも適用できることは言うまでもない。 The semiconductor device of the present invention is not limited to a field effect transistor (FET), but a high electron mobility transistor (HEMT), a lateral doped metal-oxide-semiconductor field effect transistor (LDMOS). Needless to say, the present invention can also be applied to an amplifying element such as a heterojunction bipolar transistor (HBT) or a micro electro mechanical systems (MEMS) element.
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。 As described above, the present invention includes various embodiments not described herein.
本発明の半導体装置は、内部整合型電力増幅素子、電力MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)、マイクロ波電力増幅器、ミリ波電力増幅器、高周波MEMS素子などの幅広い分野に適用可能である。 The semiconductor device of the present invention can be applied to a wide range of fields such as an internal matching power amplification element, a power MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit), a microwave power amplifier, a millimeter wave power amplifier, and a high-frequency MEMS element.
10…基板
12…窒化物系化合物半導体層(GaN層)
14…アルミニウム窒化ガリウム層(AlxGa1-xN)(0.1≦x≦1)
20…ソース電極
22a…ソースコンタクト
24…ゲート電極
25,34…素子分離領域
22…ドレイン電極
22a…ドレインコンタクト
28,28a,28b,28c…溝部
30…絶縁層
200…ソース端子電極
220…ドレイン端子電極
240…ゲート端子電極
260…VIAホール
AA…活性領域
NA…非活性領域
10 ...
14: Aluminum gallium nitride layer (Al x Ga 1-x N) (0.1 ≦ x ≦ 1)
20 ...
Claims (16)
前記基板上に配置された窒化物系化合物半導体層と、
前記窒化物系化合物半導体層上に配置され、アルミニウム窒化ガリウム層(AlXGa1-XN)(0.1≦x≦1)からなる活性領域と、
イオン注入により形成され、前記活性領域を互いに素子分離する素子分離領域と、
前記素子分離領域によって囲まれた前記活性領域上に配置されたゲート電極、ソース電極およびドレイン電極と、
前記素子分離領域上に配置され、それぞれ前記ゲート電極,前記ソース電極および前記ドレイン電極に接続されたゲート端子電極,ソース端子電極およびドレイン端子電極と
を備え、前記ゲート電極の先端部と前記ドレイン端子電極とは、溝部を挟んで対向したことを特徴とする半導体装置。 A substrate,
A nitride compound semiconductor layer disposed on the substrate;
An active region disposed on the nitride-based compound semiconductor layer and made of an aluminum gallium nitride layer (Al x Ga 1-x N) (0.1 ≦ x ≦ 1);
An element isolation region formed by ion implantation and isolating the active regions from each other;
A gate electrode, a source electrode, and a drain electrode disposed on the active region surrounded by the element isolation region;
Wherein arranged on the isolation region, each of said gate electrode, said source electrode and a gate connected to terminal electrodes to said drain electrode, and a source terminal and drain terminal electrodes, the drain terminal and the leading end portion of the gate electrode A semiconductor device characterized by facing an electrode across a groove .
前記素子分離領域上に配置され、前記ゲート電極、前記ソース電極および前記ドレイン電極ごとに複数のフィンガーをそれぞれ束ねて形成したゲート端子電極、ソース端子電極およびドレイン端子電極を備え、
前記溝部は、前記ゲート電極と前記ドレイン端子電極との間に形成したことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 Each of the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode includes a plurality of fingers,
A gate terminal electrode, a source terminal electrode and a drain terminal electrode, which are arranged on the element isolation region and formed by bundling a plurality of fingers for each of the gate electrode, the source electrode and the drain electrode,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the groove is formed between the gate electrode and the drain terminal electrode.
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