JP4908475B2 - 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.
従来の半導体装置は、図8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12と、GaN層12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20、ソース電極18およびドレイン電極26とを備える。ソース電極18とAlGaN層14間には、ソースコンタクト18aが配置され、ドレイン電極26とAlGaN層14間には、ドレインコンタクト26aが配置されている。
As shown in FIG. 8, the conventional semiconductor device is disposed on the
さらに、従来の半導体装置は、図8に示すように、AlGaN層14およびGaN層12の一部分をメサエッチングで形成した素子分離領域25が、周辺部に形成されている。メサエッチングで形成した素子分離領域25によって、半導体装置の活性領域が規定される。なお、メサエッチングで形成した素子分離領域25の側壁部および活性領域上には、図8に示すように、パッシベーション膜となる絶縁層22が形成されている。
Further, in the conventional semiconductor device, as shown in FIG. 8, an
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12とAlGaN層14は格子定数差が大きく、GaN層12とAlGaN層14間にピエゾ分極による電荷が発生してしまい、GaN層12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, the
このようなピエゾ分極による電荷は、GaN層12の導電性を増大させ、ゲート電極20とソース電極18間或いはゲート電極20とドレイン電極26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 charge due to piezo polarization increases the conductivity of the
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).
GaN層とAlGaN層などで構成された大電力用半導体装置において、電気的に素子分離する方法として、イオン注入によって素子分離する方法(インプラアイソレーション)と、メサエッチングによって素子分離する方法がある。インプラアイソレーションによって素子分離すると素子の信頼性が低下するという問題点がある。 In a high power semiconductor device composed of a GaN layer, an AlGaN layer, and the like, there are two methods for electrically isolating elements: a method of isolating elements by ion implantation (implant isolation) and a method of isolating elements by mesa etching. There is a problem that the reliability of the element is lowered when the element is separated by the implantation isolation.
メサエッチングによる素子分離方法では、デバイスに段差ができてしまうために、露光装置で配線などを形成する場合に焦点が合いにくくなり、微細化することが困難になるという問題点がある。
本発明の目的は、信頼性が高く、かつ微細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 miniaturized.
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、前記活性領域を互いに素子分離する素子分離領域と、ゲート電極の配置予定分の一部にエッチングにより形成した第1溝部と、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、前記ドレイン電極に接続された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、前記第1溝部を挟んで対向した半導体装置が提供される。 According to one aspect for achieving the above object, a substrate, a nitride compound semiconductor layer disposed on the substrate, an aluminum gallium nitride layer (AlxGa1-) disposed on the nitride compound semiconductor layer, and xN) (0.1 ≦ x ≦ 1), an element isolation region for isolating the active regions from each other, a first groove portion formed by etching in a part of the arrangement portion of the gate electrode, with the active region being arranged on the gate electrode surrounded by the isolation region, a source electrode and a drain electrode, it is disposed on the isolation region, and a drain terminal connected electrode to the drain electrode, the gate A semiconductor device is provided in which the tip of the electrode and the drain terminal electrode face each other with the first groove interposed therebetween .
本発明は、インプラアイソレーションによって素子分離されたGaN層とAlGaN層などで構成された大電力用半導体装置において、ゲート電極下の一部をエッチングして溝部を形成することにより、信頼性が高く、かつ微細化可能な大電力用の半導体装置を提供する。 According to the present invention, in a high-power semiconductor device composed of a GaN layer and an AlGaN layer separated by implant isolation, a part of the gate electrode is etched to form a groove, thereby providing high reliability. A semiconductor device for high power that can be miniaturized is provided.
本発明によれば、インプラアイソレーションによって素子分離されたGaN層とAlGaN層などで構成された大電力用半導体装置において、ゲート電極下の一部をエッチングして溝部を形成することにより、信頼性が高く、かつ微細化可能な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, in a high-power semiconductor device composed of a GaN layer and an AlGaN layer separated by implant isolation, a trench is formed by etching a part under a gate electrode, thereby improving reliability. And a high-power semiconductor device that can be miniaturized.
本発明によれば、ゲート電極下の一部をエッチングして溝部を形成することにより、電子がGaN層中に注入されることを防止することができ、これにより、デバイスのドレイン電流が徐々に減少する電流コプラス現象を抑制することができ、信頼性が高く、かつ微細化可能な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 etching a part under the gate electrode to form a groove, it is possible to prevent electrons from being injected into the GaN layer, thereby gradually increasing the drain current of the device. It is possible to provide a high-power semiconductor device that can suppress a decreasing current coplus phenomenon, has high reliability, and can be miniaturized.
本発明によれば、また、デバイス表面の凹凸がほとんど無くなることにより、露光装置の焦点合わせが容易となり、これにより、ゲート電極の微細化が可能となり、高周波特性も向上する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, also, by the unevenness of the device surface is almost eliminated, focusing of the exposure device is facilitated, thereby, enables miniaturization of the gate electrode, a semiconductor device for high power to be improved high-frequency characteristics 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I−I線に沿う模式的断面構造は、図2に示すように表され、図1のII−II線に沿う模式的断面構造は、図3に示すように表される。
[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. 1 is represented as shown in FIG. 2, and the schematic sectional structure along the line II-II in FIG. 1 is represented as shown in FIG. .
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24と、ゲート電極20の配置予定分の一部にエッチングにより形成した溝部28aと、素子分離領域24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20、ソース電極18およびドレイン電極26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24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
溝部28aは、図3に示すように、ゲート電極20の先端部において、ゲート電極20の近傍の活性領域の一部を含んで形成されている。
As shown in FIG. 3, the
さらに、図1および図3に示すように、ゲート電極20に接続され、素子分離領域24上に配置されたゲート端子電極21をさらに備え、溝部28bが、ゲート電極20とゲート端子電極21との間の活性領域AAの一部を含んで形成されていてもよい。
Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the device further includes a
素子分離領域24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24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22が形成されている。この絶縁層22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
ソース電極18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18aが形成され、ドレイン電極26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26aが形成されている。ソース電極18およびドレイン電極26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20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18aおよびドレインコンタクト26a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
基板10は、炭化シリコン(SiC)基板、半絶縁性シリコン基板上、サファイア基板などで構成することができる。
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
(実験結果)
第1の実施の形態に係る半導体装置と従来例に係る半導体装置の電流変化量Idss/Idss0の比較結果を、横軸を時間として、図4に示す。図4において、電流変化量Idss/Idss0は、初期状態のドレイン・ソース間の飽和電流値Idss0に対する飽和電流値Idssの比を表している。ここで、比較対照とする従来例とは、第1の実施の形態に係る半導体装置と同様に、素子分離領域24をイオン注入で形成すると共に、溝部28a,28bを形成しない完全なプレーナ構造の場合に相当する。
(Experimental result)
FIG. 4 shows a comparison result of current change amounts I dss / I dss0 between the semiconductor device according to the first embodiment and the semiconductor device according to the conventional example, with the horizontal axis as time. In FIG. 4, the current change amount I dss / I dss0 represents the ratio of the saturation current value I dss to the drain-source saturation current value I dss0 in the initial state. Here, the conventional example to be compared is a complete planar structure in which the
図4から明らかなように、従来例においては、電流変化量Idss/Idss0の経時変化が顕著であり、時間の経過とともにドレイン・ソース間の飽和電流値が低下する。これに対して、第1の実施の形態に係る半導体装置においては、ゲート電極下の一部をエッチングして溝部を形成することにより、飽和電流値の低下が抑制されている。 As is clear from FIG. 4, in the conventional example, the change with time of the current change amount I dss / I dss0 is remarkable, and the saturation current value between the drain and the source decreases with the passage of time. On the other hand, in the semiconductor device according to the first embodiment, the lowering of the saturation current value is suppressed by etching a part under the gate electrode to form the groove.
(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24を形成する工程と、ゲート電極20の配置予定部分の一部をエッチングして、溝部28a,28bを形成する工程と、素子分離領域24によって囲まれた活性領域AA上にゲート電極20、ソース電極18およびドレイン電極26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
素子分離領域24を形成する工程において、素子分離領域24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
溝部を形成する工程において、溝部は、ゲート電極20の先端部において、ゲート電極20の近傍の活性領域AAの一部を含んで形成する。
In the step of forming the groove portion, the groove portion is formed including a part of the active region AA in the vicinity of the
ゲート電極20に接続され、素子分離領域24上にゲート端子電極21を形成する工程をさらに有し、溝部28bが、ゲート電極20とゲート端子電極21との間の活性領域AAの一部を含んで形成してもよい。
The semiconductor device further includes a step of forming a
素子分離領域を形成する工程において、素子分離領域25は、イオン注入により形成する。
In the step of forming the element isolation region, 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説明する。 The method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described below.
(a)SiC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24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。
(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20の配置予定部分の一部をエッチングして、溝部28a,28b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28a,28b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28a,28bの底面は、窒化物系化合物半導体層(GaN層)12である。
(D) Next, a part of the portion where the
(e)次に、素子分離領域24によって囲まれた活性領域AA上にソースコンタクト18a、ドレインコンタクト26a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18aおよびドレインコンタクト26a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20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20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20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20の幅は、例えば、約0.1μm〜1μm程度である。
(F) Next, the
(g)次に、デバイス表面全体に、パッシベーション用の絶縁層22を形成する。この絶縁層22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。
(G) Next, a
(h)次に、ソース電極18、ドレイン電極26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18およびドレイン電極26は、例えば、アルミニウム(Al)、Ti/Auなどで形成される。
(H) Next, the
以上の(a)〜(h)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 processes (a) to (h).
本発明の第1の実施の形態によれば、インプラアイソレーションによって素子分離されたGaN層とAlGaN層などで構成された半導体装置において、ゲート電極下の一部をエッチングして溝部を形成することにより、信頼性が高く、かつ微細化可能な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 of the present invention, a groove is formed by etching a part under a gate electrode in a semiconductor device composed of a GaN layer and an AlGaN layer separated by implant isolation. Accordingly, it is possible to provide a highly reliable semiconductor device that can be miniaturized and a manufacturing method thereof.
本発明の第1の実施の形態によれば、ゲート電極下の一部をエッチングして溝部を形成することにより、電子がGaN層中に注入されることを防止することができ、これにより、デバイスのドレイン電流が徐々に減少する電流コプラス現象を抑制することができ、信頼性が高く、かつ微細化可能な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 of the present invention, by etching a part under the gate electrode to form a groove, it is possible to prevent electrons from being injected into the GaN layer. A current coplus phenomenon in which the drain current of the device gradually decreases can be suppressed, and a highly reliable semiconductor device that can be miniaturized and a manufacturing method thereof can be provided.
本発明の第1の実施の形態によれば、また、デバイス表面の凹凸がほとんど無くなることにより、露光装置の焦点合わせが容易となり、これにより、ゲート電極の微細化が可能となり、高周波特性も向上する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 of the present invention, since there is almost no unevenness on the surface of the device, it becomes easy to focus the exposure apparatus, thereby enabling miniaturization of the gate electrode and improving high-frequency characteristics. A semiconductor device and a manufacturing method thereof can be provided.
[第2の実施の形態]
(素子構造)
第2の実施の形態に係る半導体装置の全体的な模式的平面パターン構成は、図5に示すように表される。また、図5のA部分の拡大図は、図6に示すように表される。基本的な素子断面構造は、第1の実施の形態において示された図2〜図3と同様であるため、各層の説明は省略する。
[Second Embodiment]
(Element structure)
An overall 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. 5 is expressed as shown in FIG. Since the basic element cross-sectional structure is the same as that shown in FIGS. 2 to 3 shown in the first embodiment, description of each layer is omitted.
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下に形成される溝部28aを備えた点に特徴を有する。
The semiconductor device according to the second embodiment is characterized in that 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全体的な模式的平面パターン構成は、図2〜図3および図5〜図6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24と、複数のフィンガーを有するゲート電極20の配置予定分の一部にエッチングにより形成した溝部28aと、素子分離領域24によって囲まれた活性領域AAの第1表面上に配置され、それぞれ複数のフィンガーを有するゲート電極20、ソース電極18およびドレイン電極26と、基板10の第1表面上に配置され、ゲート電極20、ソース電極18およびドレイン電極26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とを備える。
As shown in FIGS. 2 to 3 and FIGS. 5 to 6, the overall schematic planar pattern configuration of the semiconductor device according to the second embodiment includes a
素子分離領域24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
溝部28aは、複数のフィンガーを有するゲート電極20の先端部において、ゲート電極20の近傍の活性領域AAの一部を含んで形成されている。
The
溝部は、図1において示された溝部28bの構成と同様ように、ゲート電極20とゲート端子電極240との間の活性領域AAの一部を含んで形成されていてもよい。
The groove portion may be formed so as to include a part of the active region AA between the
また、素子分離領域24は、イオン注入により形成されている。
The
図5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. 5, 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5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. 5, 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、基板上に窒化物系化合物半導体層を形成する工程と、窒化物系化合物半導体層上に、アルミニウム窒化ガリウム層(AlxGa1-xN)(0.1≦x≦1)からなる活性領域を形成する工程と、活性領域を互いに素子分離する素子分離領域を形成する工程と、複数のフィンガーを有するゲート電極の配置予定部分の一部をエッチングして、溝部を形成する工程と、素子分離領域によって囲まれた活性領域の第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、ソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、基板の第1表面上に、ゲート電極、ソース電極および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 compound semiconductor layer on a substrate, and an aluminum gallium nitride layer (Al x Ga 1-x on the nitride compound semiconductor layer). N) a step of forming an active region made of (0.1 ≦ x ≦ 1), a step of forming an element isolation region for isolating the active regions from each other, and a portion of the gate electrode having a plurality of fingers to be arranged Etching a portion to form a groove, forming a gate electrode, a source electrode and a drain electrode each having a plurality of fingers on the first surface of the active region surrounded by the element isolation region, and a substrate A gate terminal electrode, a source terminal electrode, and a drain end formed by bundling a plurality of fingers for each of the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode on the first surface And a step of forming the electrode.
素子分離領域を形成する工程において、素子分離領域は、アルミニウム窒化ガリウム層(AlxGa1-xN)(0.1≦x≦1)および窒化物系化合物半導体層の深さ方向の一部まで形成する。 In the step of forming the element isolation region, the element isolation region is a part of the depth direction of the aluminum gallium nitride layer (Al x Ga 1-x N) (0.1 ≦ x ≦ 1) and the nitride-based compound semiconductor layer. Form up to.
溝部を形成する工程において、溝部は、複数のフィンガーを有するゲート電極の先端部において、ゲート電極の近傍の活性領域の一部を含んで形成する。 In the step of forming the groove portion, the groove portion is formed including a part of the active region in the vicinity of the gate electrode at the tip portion of the gate electrode having a plurality of fingers.
素子分離領域を形成する工程において、素子分離領域は、イオン注入により形成する。 In the step of forming the element isolation region, the element isolation region is formed by ion implantation.
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.
(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7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7に示すように、溝部28aは、複数のフィンガーを有するゲート電極20の先端部において、ゲート電極の近傍の活性領域の一部を含んで、複数のフィンガー電極の配列方向に平行なストライプ状に形成されている。
In the semiconductor device according to the modification of the second embodiment, as shown in FIG. 7, the
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においても、溝部を形成する工程において、溝部28aは、複数のフィンガーを有するゲート電極20の先端部において、ゲート電極20の近傍の活性領域AAの一部を含んで、複数のフィンガー電極の配列方向に平行なストライプ状に形成する。
Also in the method of manufacturing a semiconductor device according to the modification of the second embodiment, in the step of forming the groove portion, the
さらに、図1および図3に示すように、溝部28bが、素子分離領域24上に配置されたゲート端子電極240と複数のフィンガーを有するゲート電極20との間の活性領域AAの一部を含んで、複数のフィンガーを有するゲート電極20の下に形成されていてもよい。
Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the
また、これらの溝部28bは、図7と同様に、複数のフィンガー電極の配列方向に平行なストライプ状に形成されていてもよい。
Moreover, these
本発明の第2の実施の形態によれば、インプラアイソレーションによって素子分離されたGaN層とAlGaN層などで構成された大電力用半導体装置において、ゲート電極下の一部をエッチングして溝部を形成することにより、信頼性が高く、かつ微細化可能な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 of the present invention, in the high-power semiconductor device composed of a GaN layer and an AlGaN layer separated by implant isolation, a part under the gate electrode is etched to form a groove. By forming the semiconductor device, it is possible to provide a high-power semiconductor device that is highly reliable and can be miniaturized, and a manufacturing method thereof.
本発明の第2の実施の形態によれば、ゲート電極下の一部をエッチングして溝部を形成することにより、電子がGaN層中に注入されることを防止することができ、これにより、デバイスのドレイン電流が徐々に減少する電流コプラス現象を抑制することができ、信頼性が高く、かつ微細化可能な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 of the present invention, by etching a part under the gate electrode to form a groove, it is possible to prevent electrons from being injected into the GaN layer. It is possible to provide a high-power semiconductor device that can suppress a current coplus phenomenon in which the drain current of the device gradually decreases, is highly reliable, and can be miniaturized, and a method for manufacturing the same.
本発明の第2の実施の形態によれば、デバイス表面の凹凸がほとんど無くなることにより、露光装置の焦点合わせが容易となり、これにより、ゲート電極の微細化が可能となり、高周波特性も向上する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 of the present invention, since there is almost no unevenness on the surface of the device, it is easy to focus the exposure apparatus, thereby enabling miniaturization of the gate electrode and improving high-frequency characteristics. A power semiconductor device and a method for manufacturing the same 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 according to the first to second embodiments. However, it should be understood that the descriptions and drawings constituting a part of this disclosure are exemplary and limit the present invention. should not do. 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, an amplifying element such as a heterojunction bipolar transistor (HBT) or a micro electro mechanical systems (MEMS) element can also be applied.
基板領域は、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を備えていてもよい。 The substrate region includes a GaAs substrate, a GaN substrate, a substrate in which a GaN epitaxial layer is formed on a SiC substrate, a substrate in which a GaN epitaxial layer is formed on a Si substrate, and a heterojunction epitaxial layer made of GaN / GaAlN on a SiC substrate. A substrate, a substrate in which a GaN epitaxial layer is formed on a sapphire substrate, a sapphire substrate, or a diamond substrate may be provided.
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)
18…ソース電極
18a…ソースコンタクト
20…ゲート電極
21…ゲート端子電極
22…絶縁層
24,25…素子分離領域
26…ドレイン電極
26a…ドレインコンタクト
28a,28b…溝部
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
10 ...
14: Aluminum gallium nitride layer (Al x Ga 1-x N) (0.1 ≦ x ≦ 1)
DESCRIPTION OF
Claims (9)
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、
前記活性領域を互いに素子分離する素子分離領域と、
ゲート電極の配置予定分の一部にエッチングにより形成した第1溝部と、
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、前記ドレイン電極に接続された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、前記第1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 for isolating the active regions from each other;
A first groove formed by etching in a portion of the gate electrode planned to be disposed;
A gate electrode, a source electrode, and a drain electrode disposed on the active region surrounded by the element isolation region ;
A drain terminal electrode disposed on the element isolation region and connected to the drain electrode , wherein a front end portion of the gate electrode and the drain terminal electrode face each other with the first groove portion interposed therebetween. Semiconductor device.
前記ゲート電極の配置予定分の一部にエッチングにより形成した第2溝部と
をさらに備え、前記第2溝部は、前記ゲート電極と前記ゲート端子電極との間に形成されたことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。 A gate terminal electrode connected to the gate electrode and disposed on the element isolation region;
And a second groove formed by etching on a portion of the gate electrode scheduled to be disposed, wherein the second groove is formed between the gate electrode and the gate terminal electrode. Item 3. The semiconductor device according to Item 1 or 2.
前記素子分離領域上に配置され、前記ゲート電極および前記ソース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およびソース端子電極を備え、
前記ドレイン端子電極は、前記ドレイン電極の複数のフィンガーを束ねて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,
Wherein arranged on the isolation region, a gate terminal electrode and the source terminal electrodes are formed by bundling a plurality of fingers, respectively every the gate electrode and the source electrode,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the drain terminal electrode is formed by bundling a plurality of fingers of the drain electrode .
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