JP5163095B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、例えば化合物半導体からなるHEMT(High Electron Mobility Transistor;高電子移動度トランジスタ)に用いて好適の半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device suitable for use in, for example, a HEMT (High Electron Mobility Transistor) made of a compound semiconductor and a method for manufacturing the same.
近年、HEMTは、優れた高速特性を有するため、光通信システムの信号処理回路、その他の高速デジタル回路などに応用されている。特に、優れた低雑音特性を有するため、マイクロ波やミリ波帯での増幅器への応用も期待されている。
一方、高速でデジタル回路を動作させるためには、素子の増幅率に関連する素子パラメータである相互コンダクタンスgmの値をより大きくすることが求められる。
In recent years, HEMTs have excellent high-speed characteristics, and thus have been applied to signal processing circuits of optical communication systems and other high-speed digital circuits. In particular, since it has excellent low noise characteristics, application to amplifiers in the microwave and millimeter wave bands is also expected.
On the other hand, in order to operate a digital circuit at high speed, it is required to increase the value of mutual conductance gm, which is an element parameter related to the amplification factor of the element.
HEMTの相互コンダクタンスgmを向上させる方法の一つに、ソース電極とゲート電極の間の抵抗(ソース抵抗)を下げる方法がある。
例えば、特許文献1(例えば図1参照)では、HEMTのソース抵抗を下げるために、InGaAsからなるオーミックコンタクト層上に金属膜(Al膜)を設け、この金属膜上にソース電極及びドレイン電極を設けることが提案されている。
One method for improving the mutual conductance gm of the HEMT is to reduce the resistance (source resistance) between the source electrode and the gate electrode.
For example, in Patent Document 1 (see, for example, FIG. 1), in order to reduce the source resistance of the HEMT, a metal film (Al film) is provided on an ohmic contact layer made of InGaAs, and a source electrode and a drain electrode are provided on the metal film. Proposed to provide.
また、例えば、特許文献2(例えば図1、図4参照)では、電界効果型トランジスタのソース抵抗を下げるために、半導体結晶の表面に金属膜(W膜)を形成し、この金属膜の一部をエッチングして、厚膜部と薄膜部とを有するソース電極及びドレイン電極を形成することが記載されている。
ところで、上述の特許文献1(例えば図2参照)では、次のようなHEMTの製造方法が記載されている。
まず、複数の半導体層を積層させ、リセス部を形成し、T型断面形状のゲート電極を形成する。次に、Alを蒸着してInGaAsオーミックコンタクト層上に金属膜(Al膜)を形成する。その後、この金属膜上にソース電極及びドレイン電極を設ける。
By the way, in the above-mentioned patent document 1 (for example, refer FIG. 2), the following manufacturing methods of HEMT are described.
First, a plurality of semiconductor layers are stacked, a recess portion is formed, and a gate electrode having a T-shaped cross section is formed. Next, Al is vapor-deposited to form a metal film (Al film) on the InGaAs ohmic contact layer. Thereafter, a source electrode and a drain electrode are provided on the metal film.
しかしながら、このような製造方法では、金属膜は、T型断面形状のゲート電極の傘部の下側には形成されない。つまり、よりソース抵抗を下げて相互コンダクタンスgmを向上させるためには、金属膜の長さを長くする必要があるが、上述の特許文献1に記載されている製造方法では、T型断面形状のゲート電極の傘部の下側まで入り込むように金属膜を形成することができないため、金属膜の長さを十分に長くすることができない。
However, in such a manufacturing method, the metal film is not formed under the umbrella portion of the gate electrode having a T-shaped cross section. That is, in order to further reduce the source resistance and improve the mutual conductance gm, it is necessary to increase the length of the metal film. However, in the manufacturing method described in
一方、上述の特許文献2では、ソース電極及びドレイン電極を構成する金属膜(W膜)の薄膜部がゲート電極の傘部の下側まで入り込むように形成されるため、ソース抵抗やドレイン抵抗を低減することができる。
しかしながら、上述の特許文献2では、絶縁膜がゲート電極に当接しており、絶縁膜の下側のリセス領域に空隙が残されて、半導体層の表面が露出した状態になっている(例えば図1、図2参照)。つまり、特許文献2に記載されている製造方法では、ゲート電極を形成するために絶縁膜に開口部(ゲート開口)を形成し、この開口部を介してリセスエッチングを行ない、リセスの形成後、直ちにゲート電極が形成されて、ゲート開口が閉じられてしまう。このため、リセス領域で露出している半導体層の表面の全体に接するように絶縁膜(保護膜)を形成することができず、絶縁膜の下側のリセス領域に空隙が残ってしまい、耐圧や信頼性が低くなってしまう。
On the other hand, in
However, in
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、ソース抵抗を下げて相互コンダクタンスを向上させながら、絶縁膜を形成して耐圧や信頼性を向上させることができるようにした、半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention was devised in view of such problems, and a semiconductor device in which an insulating film can be formed to improve breakdown voltage and reliability while lowering source resistance and improving mutual conductance. And it aims at providing the manufacturing method.
このため、本半導体装置は、複数の半導体層を積層してなり、リセスを有する半導体積層構造と、半導体積層構造上に形成され、リセスに対応する位置に開口部を有する金属層と、リセスに設けられ、傘部と、傘部を支える軸部とを有するゲート電極と、金属層上に形成され、ゲート電極を挟んで両側に設けられたドレイン電極及びソース電極と、金属層上に形成され、開口部を有する絶縁膜とを備え、金属層の開口部は、リセスの開口部の大きさと同じか、又は、それよりも大きくなっており、絶縁膜の開口部は、金属層の開口部の大きさと同じか、又は、それよりも大きくなっており、金属層は、ゲート電極の傘部の下側に入り込むように形成されており、絶縁膜は、ゲート電極の傘部に接していないことを要件とする。 For this reason, this semiconductor device is formed by laminating a plurality of semiconductor layers, a semiconductor multilayer structure having a recess, a metal layer formed on the semiconductor multilayer structure and having an opening at a position corresponding to the recess, and the recess. A gate electrode having an umbrella part and a shaft part that supports the umbrella part; and a drain electrode and a source electrode provided on both sides of the gate electrode, and formed on the metal layer. The opening of the metal layer is equal to or larger than the size of the opening of the recess, and the opening of the insulating film is the opening of the metal layer. The metal layer is formed so as to enter under the umbrella part of the gate electrode, and the insulating film is not in contact with the umbrella part of the gate electrode. Is a requirement.
本半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、複数の半導体層を積層してなる半導体積層構造を形成し、半導体積層構造上に金属層を形成し、金属層にリセス形成用開口部を形成し、リセス形成用開口部を介してリセスを形成し、リセス形成用開口部を広げ、傘部及び傘部を支える軸部を有するゲート電極をリセスに形成することを要件とする。 In this method of manufacturing a semiconductor device, a semiconductor stacked structure is formed by stacking a plurality of semiconductor layers on a semiconductor substrate, a metal layer is formed on the semiconductor stacked structure, and a recess forming opening is formed in the metal layer. In addition, it is necessary to form a recess through the recess formation opening, widen the recess formation opening, and form a gate electrode having an umbrella portion and a shaft portion supporting the umbrella portion in the recess.
したがって、本半導体装置及びその製造方法によれば、ソース抵抗を下げて相互コンダクタンスを向上させながら、絶縁膜を形成して耐圧や信頼性を向上させることができるようになるという利点がある。 Therefore, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof, there is an advantage that the breakdown voltage and the reliability can be improved by forming the insulating film while reducing the source resistance and improving the mutual conductance.
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる半導体装置及びその製造方法について説明する。
[第1実施形態]
まず、本発明の第1実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法について、図1〜図4を参照しながら説明する。
Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
First, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施形態にかかる半導体装置は、例えば集積回路(例えばMMIC)に備えられ、化合物半導体からなるHEMT[ここではInP基板上に形成されるHEMT(InP−HEMT)]に本発明を適用したものである。以下、InP−HEMTを例に具体的に説明する。
本InP−HEMTは、図1に示すように、複数の半導体層(化合物半導体層)を積層してなる半導体積層構造15と、半導体積層構造15上に形成された金属層9と、リセス7に設けられたゲート電極8と、金属層9上に形成され、ゲート電極8を挟んで両側に設けられたドレイン電極10及びソース電極11とを備える。
The semiconductor device according to the present embodiment is provided, for example, in an integrated circuit (for example, MMIC), and is an application of the present invention to a HEMT made of a compound semiconductor [here, HEMT (InP-HEMT) formed on an InP substrate]. is there. Hereinafter, InP-HEMT will be specifically described as an example.
As shown in FIG. 1, the present InP-HEMT includes a
本実施形態では、半導体積層構造15は、例えば図1に示すように、半絶縁性のInP基板(半導体基板)1上に形成され、バッファ層2,チャネル層(電子走行層,キャリア走行層)3,電子供給層(キャリア供給層)4,ストッパ層(エッチング停止層)5,キャップ層(コンタクト層)6を順に積層させた構造になっている。
ここで、バッファ層2は、アンドーピングのInAlAs(i−InAlAs)により形成されている。その厚さは例えば300nmである。
In this embodiment, the
Here, the
チャネル層3は、アンドーピングのInGaAs(i−InGaAs)により形成されている。なお、チャネル層3は、例えばInAlGaAs(i−InAlGaAs),InAs(i−InAs),InP(i−InP)等により形成しても良いし、これらの材料による多層構造として形成しても良い。ここでは、チャネル層3の厚さは例えば15nmである。
The
電子供給層4は、Siをδドープしてn型導電性を付与したInAlAs(δドープInAlAs;n−InAlAs)により形成されている。なお、電子供給層4は、例えばInAlAsSb(δドープInAlAsSb)により形成しても良い。ここでは、電子供給層4の厚さは例えば5nm〜30nmである。
なお、この電子供給層4に代えて、下から順に、アンドーピングのInAlAs(i−InAlAs)により形成されるスペーサ層(例えば厚さ3nm)、Siをδドープしてn型導電性を付与したInAlAs(n−InAlAs)により形成されるδドープ層(プレーナドープ層,電子供給層;例えば不純物濃度5×1012cm-2)、アンドーピングのInAlAs(i−InAlAs)により形成される障壁層(バリヤ層;例えば厚さ6nm)を積層させたものとして構成しても良い。
The
Instead of the
ストッパ層5は、アンドーピングのInP(i−InP)により形成されている。その厚さは例えば5nmである。なお、ストッパ層5は省略しても良い。また、異なる材料によって構成される2層構造のストッパ層を設けても良い。
キャップ層6は、Siをドープしてn型導電性を付与したInGaAs(n−InGaAs)により形成されている。その厚さは例えば50nmであり、キャリア濃度は例えば1×1019cm-3である。なお、n−InGaAs層の下に、Siをドープしてn型導電性を付与したInAlAs(n−InAlAs)を入れて、2層構造にしても良い。
The
The
また、本実施形態では、図1に示すように、半導体積層構造15の最も上側の半導体層であるキャップ層(半導体キャップ層)6上の全面又はほぼ全面に、金属層(ここではWSi)9が設けられている。この金属層9は、半導体積層構造15の最も上側の半導体層であるキャップ層6にオーミック接触している。なお、金属層9は、これが接触する下側の半導体層(ここではキャップ層6)との間でオーミック特性が得られやすい材料を選べば良い。また、本実施形態では、後述するように、リセス7を形成した後、金属層9のリセスの上方に突出している部分をドライエッチングによって除去するため、金属層9はドライエッチング可能な材料(ここではW系の材料)によって構成されている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, a metal layer (here, WSi) 9 is formed on the entire or almost entire surface of the cap layer (semiconductor cap layer) 6 that is the uppermost semiconductor layer of the
そして、本実施形態では、図1に示すように、キャップ層6をエッチングしてリセス7が形成されている。つまり、半導体積層構造15はリセス7を有する。
このリセス7の底面(表面,リセス面)には、ストッパ層5の表面が露出しており、ゲート電極8の端面がショットキー接触している。つまり、ゲート電極8は、リセス7に設けられ、リセス7の底面を構成するストッパ層5上に形成されている。
And in this embodiment, as shown in FIG. 1, the
The surface of the
ゲート電極8は、Ti(10nm)/Pt(30nm)/Au(500nm)を順に積層させて構成される。ここでは、ゲート電極8は、傘部8Aと、傘部8Aを支える軸部8Bとを有し、T型の断面形状を有するT型ゲート電極として構成されている。なお、ゲート電極8は、これに限られるものではなく、傘部と、傘部を支える軸部とを有するものであれば良く、その形状は、例えばY型の断面形状を有するY型ゲート電極として構成しても良い。
The
また、リセス7を挟んで両側に位置し、リセス7の側面を構成するキャップ層6の上にはそれぞれ金属層(メタル)9が形成されており、これらの金属層9上の一部に、それぞれドレイン電極10、ソース電極11が形成されている。つまり、金属層9上に、金属層9よりも面積が小さいドレイン電極10、ソース電極11が形成されている。これらの電極(オーミック電極)10,11は、Ti(10nm)/Pt(30nm)/Au(300nm)を順に積層させたものとして構成される。なお、本実施形態では、リセス7の側面を構成する層(ここではキャップ層6)よりも上側に形成された層又は膜は、金属層9のみである。
Further, metal layers (metals) 9 are formed on the cap layers 6 that are located on both sides of the
なお、金属層9は、キャップ層の一部と見ることもできるし、オーミック電極の一部と見ることもできる。例えば、金属層9をキャップ層の一部と見る場合には、キャップ層が半導体キャップ層と金属キャップ層との2層構造になっていることになる。一方、オーミック電極の一部と見る場合には、オーミック電極が異なる構成の2層構造になっており、厚い部分と薄い部分とを有することになる。
The
ところで、HEMTでは、相互コンダクタンス(伝達コンダクタンス)gmの値をより大きくすることが求められている。
HEMTの相互コンダクタンスgmを向上させる方法の一つに、ソース電極とゲート電極の間の抵抗(ソース抵抗)を下げる方法がある。ソース抵抗を下げるためには、例えば、リセス長を短くしたり、キャップ層を低抵抗化したりする方法が考えられる。
By the way, in HEMT, it is required to increase the value of mutual conductance (transfer conductance) gm.
One method for improving the mutual conductance gm of the HEMT is to reduce the resistance (source resistance) between the source electrode and the gate electrode. In order to reduce the source resistance, for example, a method of shortening the recess length or reducing the resistance of the cap layer can be considered.
例えば、リセス長を短くする方法としては、例えば図2(A)に示すように、絶縁膜20にゲート電極を形成するための開口部(ゲート開口)を形成し、この開口部を介してウェットエッチングを行なって、アンダーカットでリセス長の短いリセスを形成する方法がある。
しかしながら、この方法では、リセス長を短くすることはできるが、リセスの形成後、直ちにゲート電極が形成されて、ゲート開口が閉じられてしまうため、リセスの表面に接するように絶縁膜(保護膜)を形成することができず、絶縁膜20の下側のリセス領域に空隙ができてしまう。このような方法で製造されたHEMTは耐圧や信頼性が低くなってしまう。
For example, as a method of shortening the recess length, as shown in FIG. 2A, for example, an opening (gate opening) for forming a gate electrode is formed in the insulating film 20, and the wet is formed through this opening. There is a method of forming a recess having a short recess length by undercut by etching.
However, in this method, although the recess length can be shortened, the gate electrode is formed immediately after the formation of the recess and the gate opening is closed, so that the insulating film (protective film) is in contact with the surface of the recess. ) Cannot be formed, and a void is formed in the recess region below the insulating film 20. The HEMT manufactured by such a method has low withstand voltage and reliability.
また、この方法では、リセス長はゲート電極のサイズ(ゲートの軸部のサイズ;ゲート長)によって決まってしまうため、リセス長を自由に設計することができない。
さらに、この方法では、リセスはゲート電極に対して対称的な構造になり、リセスの中央位置にゲート電極が形成されることになるため、ゲート電極を、リセス内の任意の位置に設けることができない。例えば、ゲート電極を、上部にソース電極が形成されているキャップ層の側面に近づけることができないため、ゲート電極をソース電極に近づけ、ドレイン電極から離して、ソース抵抗を低減し、ドレイン耐圧を向上するドレインオフセット構造を実現することができない。
In this method, the recess length is determined by the size of the gate electrode (the size of the gate shaft portion; the gate length), and thus the recess length cannot be designed freely.
Furthermore, in this method, since the recess has a symmetric structure with respect to the gate electrode, and the gate electrode is formed at the center of the recess, the gate electrode can be provided at any position in the recess. Can not. For example, since the gate electrode cannot be brought closer to the side surface of the cap layer on which the source electrode is formed, the gate electrode is brought closer to the source electrode and away from the drain electrode to reduce the source resistance and improve the drain withstand voltage. The drain offset structure cannot be realized.
このほか、例えば図2(B)に示すように、ゲート電極のサイズよりもサイズの大きい開口部を絶縁膜20に形成し、この開口部を介してウェットエッチングを行なってリセスを形成した後、レジスト膜によってゲート電極形成領域を規定してゲート電極を形成することが考えられる。
しかしながら、この方法では、リセスの表面に接する絶縁膜(保護膜)を形成できるが、リセスはアンダーカットで形成されるため、絶縁膜20に形成される開口部のサイズに応じてリセス長が長くなってしまう。このため、リセス長を短くするのには限界がある。
In addition, for example, as shown in FIG. 2B, an opening having a size larger than the size of the gate electrode is formed in the insulating film 20, and wet etching is performed through the opening to form a recess. It can be considered that a gate electrode is formed by defining a gate electrode formation region with a resist film.
However, in this method, an insulating film (protective film) in contact with the surface of the recess can be formed. However, since the recess is formed by an undercut, the recess length is increased according to the size of the opening formed in the insulating film 20. turn into. For this reason, there is a limit to shortening the recess length.
また、この方法では、リセスの上方に絶縁膜20が突出することになるため、リセス内でデート電極を配置できる領域が制限されてしまう。
一方、キャップ層を低抵抗化する方法としては、キャップ層のキャリア濃度を高濃度化したり、キャップ層のオーミック電極が形成されていない領域の長さ(即ち、オーミック電極とリセスとの間の距離)を短くしたりする方法が考えられる。
Further, in this method, since the insulating film 20 protrudes above the recess, a region where the date electrode can be disposed within the recess is limited.
On the other hand, as a method of reducing the resistance of the cap layer, the carrier concentration of the cap layer is increased or the length of the region where the ohmic electrode of the cap layer is not formed (that is, the distance between the ohmic electrode and the recess). ) Can be shortened.
しかしながら、キャップ層のキャリア濃度の高濃度化は限界に近い。また、例えばオーミック電極をリフトオフによって形成する場合、キャップ層のオーミック電極が形成されていない領域の長さを短くするのは難しく、また、この方法ではある程度までしか効果が期待できない。
そこで、本実施形態では、図1に示すように、キャップ層6上の全面又はほぼ全面に金属層9を設けて、キャップ層の抵抗(ソース抵抗及びドレイン抵抗)を大きく下げるようにしている。
However, increasing the carrier concentration of the cap layer is close to the limit. For example, when the ohmic electrode is formed by lift-off, it is difficult to shorten the length of the region of the cap layer where the ohmic electrode is not formed, and this method can be expected only to a certain extent.
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
特に、本実施形態では、図1に示すように、ゲート電極8の傘部8Aの下側に入り込むように金属層9の長さを十分に長く形成している。
ここでは、金属層9を、ゲート電極8の傘部8Aの大きさよりも十分にサイズの小さいリセス7の近傍まで延びるように形成している。つまり、金属層9は、ゲート電極8の傘部8A(最も太い部分)の大きさよりも十分にサイズの小さい開口部9Aを有するものとして構成される。これにより、ソース抵抗を十分に低下させて、相互コンダクタンスgmの値をより大きくできるようにしている。
In particular, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
Here, the
ここで、以下の表1は、(A)InGaAsキャップ層のみを備える構造[図3(A)参照]、(B)InGaAsキャップ層及び金属層(メタル;ここではTiW層)を備え、金属層がゲート電極の傘部の下側に入り込んでいない構造[図3(B)参照]、(C)InGaAsキャップ層及び金属層(メタル;ここではTiW層)を備え、金属層がゲート電極の傘部の下側に入り込んでいる構造[図3(C)参照]のそれぞれの構造(キャップ層構造)について、シート抵抗、ソース抵抗及び相互コンダクタンスgmを計算した結果を示している。なお、ここでは金属層をTiW層としているが、本実施形態のように金属層をWSi層とした場合も同様の結果が得られる。 Here, Table 1 below shows (A) a structure having only an InGaAs cap layer [see FIG. 3A], (B) an InGaAs cap layer and a metal layer (metal; here, a TiW layer), and a metal layer Has a structure that does not penetrate below the umbrella portion of the gate electrode [see FIG. 3B], (C) an InGaAs cap layer and a metal layer (metal; here, TiW layer), and the metal layer is an umbrella of the gate electrode The results of calculating the sheet resistance, the source resistance, and the mutual conductance gm of each structure (cap layer structure) of the structure [see FIG. Although the metal layer is a TiW layer here, the same result can be obtained when the metal layer is a WSi layer as in this embodiment.
表1に示すように、InGaAsキャップ層のみを備える構造[表1中、(A)欄参照]では、シート抵抗は70Ω/□である。これに対し、InGaAsキャップ層上に金属層(ここではTiW層)を設けると[表1中、(B)欄参照]、金属層が設けられていないゲート電極の傘部の下側はシート抵抗が70Ω/□であるが、金属層が設けられているゲート電極の傘部の外側はシート抵抗が9Ω/□になる。さらに、金属層(ここではTiW層)がゲート電極の傘部の下側に入り込むように、InGaAsキャップ層上のほぼ全面に金属層(ここではTiW層)を設けると[表1中、(C)欄参照]、シート抵抗は大きく減少し、9Ω/□が得られる。 As shown in Table 1, in the structure including only the InGaAs cap layer [see column (A) in Table 1], the sheet resistance is 70Ω / □. On the other hand, when a metal layer (here, TiW layer) is provided on the InGaAs cap layer [see column (B) in Table 1], the lower side of the umbrella portion of the gate electrode where the metal layer is not provided is a sheet resistance. Is 70Ω / □, but the sheet resistance is 9Ω / □ outside the umbrella portion of the gate electrode provided with the metal layer. Furthermore, when a metal layer (here, TiW layer) is provided on almost the entire surface of the InGaAs cap layer so that the metal layer (here, TiW layer) enters under the umbrella portion of the gate electrode, [in Table 1, (C ) Column]], the sheet resistance is greatly reduced to 9Ω / □.
このように、キャップ層構造を図3(A)、図3(B)、図3(C)にするにしたがって、シート抵抗が低減されていくため、ソース抵抗が0.209Ωmm、0.178Ωmm、0.154Ωmmと低減されていき、これに伴って、相互コンダクタンスgmが1.60S/mm、1.68S/mm、1.75S/mmと増加していくことになる。つまり、シート抵抗の低減がそのままソース抵抗の低減につながり、相互コンダクタンスgmの向上として現れることになる。 Thus, since the sheet resistance is reduced according to the cap layer structure shown in FIGS. 3A, 3B, and 3C, the source resistance is 0.209 Ωmm, 0.178 Ωmm, The mutual conductance gm increases to 1.60 S / mm, 1.68 S / mm, and 1.75 S / mm along with the reduction to 0.154 Ωmm. That is, the reduction of the sheet resistance directly leads to the reduction of the source resistance, and appears as an improvement of the mutual conductance gm.
また、本実施形態では、後述するように、所望の長さのリセスを形成しうる大きさのリセス形成用開口部9X[図4(D)参照]が形成された金属層9を介してウェットエッチングを行なってリセス7を形成するようにして、リセス7のサイズ(リセス長)を自由に設計できるようにしている。
特に、ゲート電極8のサイズに相当するサイズのリセス形成用開口部9X[図4(D)参照]が形成された金属層9を介してウェットエッチングを行ない、アンダーカットでリセス7を形成することで、十分に長さの短い所望の長さ(所望のリセス長)のリセス7を形成できることになる。これにより、ソース抵抗を低下させ、相互コンダクタンスgmの値をより大きくすることができる。また、微細化を図ることもできる。
In the present embodiment, as will be described later, the wet formation is performed via the
In particular, wet etching is performed through the
さらに、本実施形態では、後述するように、所望のリセス長のリセス7を形成した後、金属層9のリセス7の上方に突出している部分(ひさし構造)9Y[図4(F)参照]を除去することで(即ち、金属層9に形成されたリセス形成用開口部9Xを広げることで)、図1に示すように、金属層9に、キャップ層6の開口部6A(リセス;リセス開口)の大きさよりも大きい開口部9Aを形成している。ここでは、リセス7の側面を構成する層(ここではキャップ層6)よりも上側に形成された層又は膜は金属層9のみであるため、この金属層9の開口部9Aが、キャップ層6の開口部6A(リセス7の開口部)の大きさよりも大きくなっている。
Furthermore, in this embodiment, as will be described later, after forming a
このように、ゲート電極8から金属層9の端面までの距離が、ゲート電極8からキャップ層6の端面までの距離よりも大きく、リセス7の上方に金属層9のひさし構造が存在しないようになっている。このため、リセス7内でゲート電極8を配置できる領域が広がり、設計自由度が増すことになる。
また、後述するように、リセス7を形成する工程とゲート電極8を形成する工程とが分かれており、リセス形成用開口部9Xが、リセス7の形成後、直ちにゲート電極8によって閉じられてしまわないため、耐圧や信頼性を向上させるために、少なくとも半導体積層構造15の表面に露出している部分の全体[ここではリセス7の底面を構成するストッパ層5の表面(上面)、及び、リセス7の側面を構成するキャップ層6の表面(側面及び上面)]に接するように、絶縁膜(保護膜;例えばSiN膜)を形成できることになる。
As described above, the distance from the
As will be described later, the process of forming the
例えば、半導体積層構造15の表面に露出している部分を含むメサ構造の表面全体に接するように絶縁膜を形成することができ、このような絶縁膜を形成することで、耐圧や信頼性を向上させることができることになる。なお、絶縁膜は、例えばSiO2,SiON等によって形成される絶縁性を有する膜であっても良い。
なお、本実施形態では、金属層9の開口部9Aが、キャップ層6の開口部6A(リセス7の開口部)の大きさよりも大きくなるようにしているが、これに限られるものではなく、金属層9の開口部9Aが、キャップ層6の開口部6A(リセス7の開口部)の大きさと同じになるようにしても良い。例えば、金属層9の端面(金属端)とリセス7の側面を構成するキャップ層6の端面(リセス端)との間の距離Lが、0nm以上、200nm以下(好ましくは100nm以下)の範囲内になるように、キャップ層6上に金属層9を設ければ良い。
For example, an insulating film can be formed so as to be in contact with the entire surface of the mesa structure including a portion exposed on the surface of the
In the present embodiment, the
次に、本InP−HEMTの製造方法について、図4を参照しながら説明する。
まず、図4(A)に示すように、半絶縁性のInP基板(半導体基板)1上に、下から順に、i−InAlAsバッファ層(例えば厚さ300nm)2、i−InGaAsチャネル層(例えば厚さ15nm)3、プレーナドープしたn−InAlAs電子供給層4、i−InPストッパ層(例えば厚さ5nm)5、n−InGaAsキャップ層(例えば、不純物濃度1×1019cm-3,厚さ50nm)6を、例えばMOCVD法(有機金属化学気相成長法)によって積層させて半導体積層構造15を形成する。
Next, a method for manufacturing the present InP-HEMT will be described with reference to FIG.
First, as shown in FIG. 4A, an i-InAlAs buffer layer (for example, a thickness of 300 nm) 2 and an i-InGaAs channel layer (for example, a thickness of 300 nm) are sequentially formed on a semi-insulating InP substrate (semiconductor substrate) 1 from the bottom. (
次に、図4(B)に示すように、半導体積層構造15を構成する最も上側の半導体層であるn−InGaAsキャップ層6上の全面に金属材料(ここではWSi)を例えばスパッタして金属層(ここではWSi層)9を形成する。なお、n−InGaAsキャップ層6上に形成されたWSi層9は、熱処理なしで(ノンアロイで)オーミックコンタクトを得ることができる。
Next, as shown in FIG. 4B, a metal material (here, WSi) is sputtered onto the entire surface of the n-
次いで、例えばフォトリソグラフィ技術によって素子分離領域を規定する。
まず、図4(B)に示すように、レジスト膜12を設けた後、例えばCF4を用いたドライエッチングで金属層9の一部を除去する。次いで、例えばリン酸,過酸化水素水,水の混合液(リン酸系のエッチャント)を用いたウェットエッチングでn−InGaAsキャップ層6を除去する。このとき、エッチングはi−InPストッパ層5の上面(表面)で停止する。次いで、i−InPストッパ層5を例えば塩酸で選択的に除去する。次に、n−InAlAs電子供給層4からi−InAlAsバッファ層2までを、n−InGaAsキャップ層6と同様に、例えばリン酸系のエッチャントでエッチングした後、レジスト膜12を除去する。このようにして、メサエッチングにより素子間分離が行なわれる。これにより、素子動作領域のメサ構造が形成される。
Next, an element isolation region is defined by, for example, a photolithography technique.
First, as shown in FIG. 4B, after providing the resist film 12, a part of the
なお、ここでは、i−InAlAsバッファ層2までをメサエッチングしたが、i−InGaAsチャネル層3までをメサエッチングしておけば、i−InAlAsバッファ層2をエッチングしなくても素子間分離の効果はある。
次に、例えばフォトリソグラフィ技術によってソース電極領域及びドレイン電極領域(オーミック電極領域)を規定すべく、金属層9上に、ソース電極11及びドレイン電極10の大きさに対応する開口部を有する新たなレジスト膜(図示せず)を設ける。
Here, the mesa etching up to the i-
Next, a new electrode having openings corresponding to the sizes of the
そして、全面に、Ti(厚さ10nm),Pt(厚さ30nm),Au(厚さ300nm)を順に堆積させた後(例えば真空蒸着法によって蒸着させた後)、レジスト膜とともにレジスト膜上に堆積したTi/Pt/Auを除去することによって(即ち、リフトオフ法によって)、Ti/Pt/Auの3層構造のソース電極11及びドレイン電極10を形成する。これにより、図4(C)に示すように、金属層9上にソース電極11及びドレイン電極10が形成される。
Then, Ti (
次いで、例えばフォトリソグラフィ技術あるいはEBリソグラフィ(電子ビーム露光法)を用いてリセス領域を規定する。
まず、図4(D)に示すように、金属層9に形成されるリセス形成用開口部9Xに対応する開口部を有する新たなレジスト膜13を設けた後、例えばSF6あるいはCF4を用いたドライエッチングで金属層9を除去して、金属層9に、所望の長さのリセスを形成しうる大きさのリセス形成用開口部9Xを形成する。次いで、図4(E)に示すように、このリセス形成用開口部9Xを介して、例えばリン酸,過酸化水素水,水の混合液(エッチング液)を用いたウェットエッチングでn−InGaAsキャップ層6を除去し、所望のリセス長のリセス7を形成する。このとき、エッチング液はi−InPストッパ層5をほとんどエッチングしないため、i−InPストッパ層5の表面でエッチングが停止する。つまり、i−InPストッパ層5に対してn−InGaAsキャップ層6が選択エッチングされる。これにより、i−InPストッパ層5の表面が露出し、このi−InPストッパ層5の表面によってリセス7の底面(InPリセス面)が構成されることになる。
Next, the recess region is defined by using, for example, photolithography technology or EB lithography (electron beam exposure method).
First, as shown in FIG. 4D, after providing a new resist
本実施形態では、金属層9に形成されるリセス形成用開口部9Xの大きさを任意に設定することで、リセス7のサイズ(リセス長)を自由に設計できることになる。
特に、本実施形態では、所望の長さのリセスを形成しうる大きさ(ここではゲート電極8のサイズに相当するサイズ)のリセス形成用開口部9Xが形成された金属層9をマスクとして用いてウェットエッチング(等方性エッチング)を行ない、アンダーカットでリセス7を形成することで、十分に長さの短い所望の長さ(所望のリセス長)のリセス7を形成するようにしている。これにより、ソース抵抗を低下させ、相互コンダクタンスgmの値をより大きくすることができる。また、微細化を図ることもできる。
In the present embodiment, the size (recess length) of the
In particular, in the present embodiment, the
この場合、図4(E)に示すように、ウェットエッチングによるアンダーカットで金属層9の下側まで削られるため、金属層9がリセス7の上方に突出してひさし構造9Yができる。
次いで、レジスト膜13を除去した後、再度パターニングして、図4(F)に示すように、上述のようにして形成された所望のリセス長のリセス7(リセス開口)よりも大きい開口部を有する新たなレジスト膜14を設け、図4(G)に示すように、例えばSF6あるいはCF4を用いたドライエッチングで、金属層9のリセス7の上方に突出している部分(ひさし構造)9Yを除去する。
In this case, as shown in FIG. 4E, the
Next, after removing the resist
これにより、金属層9に、リセス7(リセス開口;キャップ層6の開口部6A)の大きさよりも大きい開口部9Aが形成される。つまり、金属層9は、リセス7の近傍まで延びるように形成される。
ここでは、リセス7のサイズ(リセス長)は、後述するようにして形成されるゲート電極8の傘部8Aの大きさよりも十分に小さいため、金属層9は、ゲート電極8の傘部8Aの下側に入り込むように十分な長さを有するものとなる。
Thereby, an
Here, since the size (recess length) of the
このように、本実施形態では、所望のリセス長のリセス7を形成した後、図4(G)に示すように、金属層9のリセス7の上方に突出している部分(ひさし構造)9Yを除去することで(即ち、金属層9に形成されたリセス形成用開口部9Xを広げることで)、金属層9にリセス7の大きさよりも大きい開口部9Aを形成して、後述のゲート電極8を形成する工程において、リセス7内に制限なくゲート電極8を配置できるようにしている。
Thus, in this embodiment, after forming the
なお、新たなレジスト膜14に形成する開口部は、アンダーカットされた部分も含むリセス7のサイズ[図4(F)中、左右方向の長さ]よりも大きい(広い)ことが条件である。また、リセス7の表面もドライエッチングにさらされることになるが、リセス8の表面に変化が生じない程度の十分に弱いパワーでエッチングを行なうようにすれば良い。
次に、図4(H)に示すように、レジスト膜14を除去した後、例えば電子ビーム露光法を用いて(即ち、例えば電子線レジスト及び電子線を用いて)、T型の断面形状を有するT型ゲート電極領域を規定すべく、図4(I)に示すように、T型ゲート電極8の軸部8Bのサイズに対応する開口部(ゲート開口;例えば0.1μm程度)を有する新たなレジスト膜16を設ける。
The opening formed in the new resist
Next, as shown in FIG. 4H, after the resist
なお、この際、図示しないが、ゲート開口を介して、例えばクエン酸、過酸化水素水、水の混合液を用いてi−InGaAsチャネル層3を選択エッチングしてエアギャップを形成する。
そして、図4(J)に示すように、全面に、Ti(厚さ10nm),Pt(厚さ30nm),Au(厚さ500nm)を順に堆積させた後(例えば真空蒸着法によって蒸着させた後)、レジスト膜16とともにレジスト膜16上に堆積したTi/Pt/Auを除去することによって(即ち、リフトオフ法によって)、図4(K)に示すように、リセス7内に、Ti/Pt/Auの3層構造のゲート電極8を形成する。これにより、リセス7の底面を構成するi−InPストッパ層5上に、傘部8A及び傘部8Aを支える軸部8Bを有するT型断面形状のゲート電極8が形成される。ここでは、ゲート電極8の端面とi−InPストッパ層5とはショットキー接触するようになっている。
At this time, although not shown, the air gap is formed by selectively etching the i-
Then, as shown in FIG. 4 (J), Ti (
なお、上述のようにして製造されるInP−HEMTに、耐圧や信頼性を向上させるために、少なくとも半導体積層構造15の表面に露出している部分の全体[ここではリセス7の底面を構成するストッパ層5の表面(上面)、及び、リセス7の側面を構成するキャップ層6の表面(側面及び上面)]に接するように、絶縁膜(保護膜)を形成する場合、絶縁膜は、リセス7を形成した後であれば、ゲート電極を形成する前に形成しても良いし、ゲート電極を形成した後に形成しても良い。
In order to improve the breakdown voltage and the reliability of the InP-HEMT manufactured as described above, at least the entire portion exposed on the surface of the semiconductor multilayer structure 15 [here, the bottom surface of the
したがって、本実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法によれば、ソース抵抗を下げて相互コンダクタンスgmを向上させながら、絶縁膜を形成して耐圧や信頼性を向上させることができるようになるという利点がある。
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法について、図5,図6を参照しながら説明する。
Therefore, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present embodiment, it is possible to improve the breakdown voltage and the reliability by forming the insulating film while reducing the source resistance and improving the mutual conductance gm. There are advantages.
[Second Embodiment]
Next, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法は、上述の第1実施形態のものに対し、図5に示すように、金属層9の表面上、及び、ソース電極11及びドレイン電極10の表面上に絶縁膜(保護膜)17が形成されている点が異なる。つまり、上述の第1実施形態では、リセス7の側面を構成する層(ここではキャップ層6)よりも上側に形成された層又は膜として、金属層9のみが形成されていたのに対し、本実施形態では、リセス7の側面を構成する層(ここではキャップ層6)よりも上側に形成された層又は膜として、金属層9、及び、絶縁膜17が形成されている点が異なる。なお、図5では、上述の第1実施形態(図1参照)と同一のものには同一の符号を付している。
The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to this embodiment are different from those of the first embodiment described above on the surface of the
具体的には、本InP−HEMTは、金属層9上に形成され、開口部17Aを有する絶縁膜(ここではSiN膜)17をさらに備える。なお、絶縁膜17は、例えばSiO2,SiON等によって形成される絶縁性を有する膜であっても良い。
ここで、上述の第1実施形態の場合と同様に、半導体積層構造15の最も上側の半導体層はキャップ層(半導体キャップ層)6である。また、リセス7の側面を構成する層はキャップ層6である。
Specifically, the InP-HEMT further includes an insulating film (here, SiN film) 17 formed on the
Here, as in the case of the first embodiment described above, the uppermost semiconductor layer of the
このため、リセス7の側面を構成する層よりも上側に形成された層又は膜は、金属層9及び絶縁膜17である。
そして、金属層9及び絶縁膜17は、キャップ層6の開口部6A(リセス7の開口部;リセス開口)の大きさよりも大きい開口部9A,17Aを有する。つまり、金属層9及び絶縁膜17は、その端部がリセス7の上方に突出しないように、即ち、その端面がリセス7の側面よりも外側に位置するように形成されている。
Therefore, the layers or films formed above the layers constituting the side surface of the
The
なお、これに限られるものではなく、金属層9及び絶縁膜17の開口部9A,17Aが、キャップ層6の開口部6A(リセス7の開口部;リセス開口)の大きさと同じになっていても良い。
また、後述するように、リセス7を形成する工程とゲート電極8を形成する工程とが分かれており、リセス形成用開口部9X,17Xが、リセス7の形成後、直ちにゲート電極8によって閉じられてしまわないため、耐圧や信頼性を向上させるために、少なくとも半導体積層構造15の表面に露出している部分の全体[ここではリセス7の底面を構成するストッパ層5の表面(上面)、及び、リセス7の側面を構成するキャップ層6の表面(側面及び上面)]に接するように、他の絶縁膜(保護膜;例えばSiN膜)を形成できることになる。例えば、半導体積層構造15の表面に露出している部分を含むメサ構造の表面全体に接するように、他の絶縁膜を形成することができ、このような絶縁膜を形成することで、耐圧や信頼性を向上させることができることになる。なお、絶縁膜は、例えばSiO2,SiON等によって形成される絶縁性を有する膜であれば良い。
However, the present invention is not limited to this, and the
As will be described later, the step of forming the
また、絶縁膜17の開口部17Aは、金属層9の開口部9Aの大きさと同じになっている。なお、これに限られるものではなく、絶縁膜17の開口部17Aは、金属層9の開口部9Aの大きさよりも大きくなっていても良い。
このように、リセス7の側面を構成する層(ここではキャップ層6)よりも上側に形成された層又は膜が複数ある場合(ここでは金属層9及び絶縁膜17)、上下で隣接する層又は膜の相互間で、上側の層又は膜の開口部(ここでは絶縁膜17の開口部17A)の大きさが下側の層又は膜の開口部(ここでは金属層9の開口部9A)の大きさと同じか、又は、それよりも大きくなっているのが好ましい。これにより、上側の層又は膜(ここでは絶縁膜17)のひさし構造ができないため、耐圧や信頼性を向上させるために、金属層9の表面に露出している部分(金属層の側面)に接するように他の絶縁膜を形成することができ、このような他の絶縁膜を形成することで[図7(C)参照]、耐圧や信頼性を向上させることができることになる。
Further, the
In this way, when there are a plurality of layers or films (here, the
次に、本InP−HEMTの製造方法について、図6を参照しながら説明する。
まず、上述の第1実施形態の場合と同様に、半導体積層構造15、金属層9、ソース電極11及びドレイン電極10を形成する[図4(A)〜(C)参照]。なお、図6では、上述の第1実施形態(図4参照)と同一のものには同一の符号を付している。
次いで、図6(A)に示すように、例えばプラズマCVD法によって、表面全体に絶縁膜(ここではSiN膜)17を例えば厚さ10〜50nm堆積させる。
Next, a manufacturing method of the present InP-HEMT will be described with reference to FIG.
First, as in the case of the first embodiment described above, the
Next, as shown in FIG. 6A, an insulating film (here, SiN film) 17 is deposited on the entire surface, for example, by a thickness of 10 to 50 nm, for example, by plasma CVD.
次に、図6(B),(C)に示すように、例えばフォトリソグラフィ技術あるいはEBリソグラフィ(電子ビーム露光法)を用いてリセス領域を規定する。
まず、図6(B)に示すように、絶縁膜17及び金属層(ここではWSi層)9に形成されるリセス形成用開口部17X,9Xに対応する開口部を有する新たなレジスト膜13を設けた後、例えばSF6あるいはCF4を用いたドライエッチングで絶縁膜17及び金属層9を除去して、絶縁膜17及び金属層9に、所望の長さのリセスを形成しうる大きさのリセス形成用開口部17X,9Xを形成する。次いで、図6(C)に示すように、これらのリセス形成用開口部17X,9Xを介して、例えばリン酸,過酸化水素水,水の混合液(エッチング液)を用いたウェットエッチングでn−InGaAsキャップ層6を除去し、所望のリセス長のリセス7を形成する。このとき、エッチング液はi−InPストッパ層5をほとんどエッチングしないため、i−InPストッパ層5の表面でエッチングが停止する。つまり、i−InPストッパ層5に対してn−InGaAsキャップ層6が選択エッチングされる。なお、絶縁膜17及び金属層9もエッチングされない。これにより、i−InPストッパ層5の表面が露出し、このi−InPストッパ層5の表面によってリセス7の底面(InPリセス面)が構成されることになる。
Next, as shown in FIGS. 6B and 6C, the recess region is defined by using, for example, photolithography technique or EB lithography (electron beam exposure method).
First, as shown in FIG. 6B, a new resist
本実施形態では、絶縁膜17及び金属層9に形成されるリセス形成用開口部17X,9Xの大きさを任意に設定することで、リセス7のサイズ(リセス長)を自由に設計できることになる。
特に、本実施形態では、所望の長さのリセスを形成しうる大きさ(ここではゲート電極8のサイズに相当するサイズ)のリセス形成用開口部17X,9Xが形成された絶縁膜17及び金属層9をマスクとしても用いてウェットエッチング(等方性エッチング)を行ない、アンダーカットでリセス7を形成することで、十分に長さの短い所望の長さ(所望のリセス長)のリセス7を形成するようにしている。これにより、ソース抵抗を低下させ、相互コンダクタンスgmの値をより大きくすることができる。また、微細化を図ることもできる。
In the present embodiment, the size of the recess 7 (recess length) can be freely designed by arbitrarily setting the sizes of the
In particular, in this embodiment, the insulating
この場合、図6(C)に示すように、ウェットエッチングによるアンダーカットで絶縁膜17及び金属層9の下側まで削られるため、絶縁膜17及び金属層9がリセス7の上方に突出してひさし構造17Y,9Yができる。
次いで、レジスト膜13を除去した後、再度パターニングして、図6(D)に示すように、上述のようにして形成された所望のリセス長のリセス7の開口部(リセス開口)よりも大きい開口部を有する新たなレジスト膜14を設け、図6(E)に示すように、例えばSF6あるいはCF4を用いたドライエッチングで、絶縁膜17及び金属層9のリセス7の上方に突出している部分(ひさし構造)17Y,9Yを除去する。
In this case, as shown in FIG. 6C, since the undercut by wet etching is cut down to the lower side of the insulating
Next, after removing the resist
これにより、絶縁膜17及び金属層9に、リセス7(リセス開口;キャップ層6の開口部6A)の大きさよりも大きい開口部17A,9Aが形成される。つまり、金属層9は、リセス7の近傍まで延びるように形成される。
ここでは、リセス7のサイズ(リセス長)は、後述するようにして形成されるゲート電極8の傘部8Aの大きさよりも十分に小さいため、金属層9は、ゲート電極8の傘部8Aの下側に入り込むように十分な長さを有するものとなる。
Thereby,
Here, since the size (recess length) of the
このように、本実施形態では、所望のリセス長のリセス7を形成した後、図6(E)に示すように、絶縁膜17及び金属層9のリセス7の上方に突出している部分(ひさし構造)17Y,9Yを除去することで(即ち、絶縁膜17及び金属層9に形成されたリセス形成用開口部17X,9Xを広げることで)、絶縁膜17及び金属層9にリセス7の大きさよりも大きい開口部17A,9Aを形成して、後述のゲート電極8を形成する工程において、リセス7内に制限なくゲート電極8を配置できるようにしている。
Thus, in this embodiment, after forming the
次に、図6(F)に示すように、レジスト膜14を除去した後、例えば電子ビーム露光法を用いて(即ち、例えば電子線レジスト及び電子線を用いて)、T型の断面形状を有するT型ゲート電極領域を規定すべく、図6(G)に示すように、T型ゲート電極8の軸部8Bのサイズに対応する開口部(ゲート開口;例えば0.1μm程度)を有する新たなレジスト膜16を設ける。
Next, as shown in FIG. 6F, after removing the resist
そして、図6(H)に示すように、全面に、Ti(厚さ10nm),Pt(厚さ30nm),Au(厚さ500nm)を順に堆積させた後(例えば真空蒸着法によって蒸着させた後)、レジスト膜16とともにレジスト膜16上に堆積したTi/Pt/Auを除去することによって(即ち、リフトオフ法によって)、図6(I)に示すように、リセス7内に、Ti/Pt/Auの3層構造のゲート電極8を形成する。これにより、リセス7の底面を構成するi−InPストッパ層5上に、傘部8A及び傘部8Aを支える軸部8Bを有するT型断面形状のゲート電極8が形成される。ここでは、ゲート電極8の端面とi−InPストッパ層5とはショットキー接触するようになっている。
Then, as shown in FIG. 6 (H), Ti (
なお、その他の構成及び製造方法は、上述の第1実施形態のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法によれば、上述の第1実施形態のものと同様に、ソース抵抗を下げて相互コンダクタンスgmを向上させながら、絶縁膜を形成して耐圧や信頼性を向上させることができるようになるという利点がある。
Other configurations and manufacturing methods are the same as those of the above-described first embodiment, and thus description thereof is omitted here.
Therefore, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present embodiment, as in the case of the first embodiment described above, the insulating film is formed and the withstand voltage or There is an advantage that the reliability can be improved.
ところで、上述の実施形態では、少なくとも半導体積層構造15の表面に露出している部分の全体に接する他の絶縁膜を備えないものとして構成しているが、耐圧や信頼性を向上させるために、少なくとも半導体積層構造15の表面に露出している部分の全体に接するように[ここではリセス7の底面を構成するストッパ層5の表面(上面)、及び、リセス7の側面を構成するキャップ層6の表面(側面及び上面)に接するように]、他の絶縁膜(保護膜;例えばSiN)18を形成しても良い[図7(C)参照]。例えば、半導体積層構造15の表面に露出している部分を含むメサ構造の表面全体に接するように、他の絶縁膜18を形成しても良く[図7(C)参照]、このような他の絶縁膜18を形成することで、耐圧や信頼性を向上させることができるようになる。なお、他の絶縁膜は、例えばSiO2,SiON等によって形成される絶縁性を有する膜であれば良い。
By the way, in the above-described embodiment, it is configured not to include another insulating film that is in contact with the entire portion exposed at least on the surface of the
このような他の絶縁膜18を形成する場合、上述の実施形態の製造方法を、以下のように変更すれば良い。
つまり、上述の実施形態の製造方法において、絶縁膜17及び金属層9のリセス7の上方に突出している部分17Y,9Yを除去し、レジスト膜を除去した後[図6(F)参照]、図7(A)に示すように、例えばプラズマCVD法によって、メサ構造の表面全体に他の絶縁膜(ここではSiN膜)18を例えば厚さ10〜50nm堆積させる。これにより、半導体積層構造15の表面に露出している部分(特にリセス表面)を含むメサ構造の表面全体に接するように他の絶縁膜18が形成され、保護される。
In the case where such another insulating
That is, in the manufacturing method of the above-described embodiment, the
次いで、図7(B)に示すように、例えば電子ビーム露光法を用いて(即ち、例えば電子線レジスト及び電子線を用いて)、T型の断面形状を有するT型ゲート電極領域を規定すべく、T型ゲート電極8の軸部8Bのサイズに対応する開口部(ゲート開口;例えば0.1μm程度)を有する新たなレジスト膜16を設ける。
次に、図7(B)に示すように、例えばSF6あるいはCF4を用いたドライエッチングで他の絶縁膜18の一部を除去して、他の絶縁膜18にゲート開口部18Aを形成する。
Next, as shown in FIG. 7B, a T-type gate electrode region having a T-shaped cross-sectional shape is defined by using, for example, an electron beam exposure method (that is, using, for example, an electron beam resist and an electron beam). Accordingly, a new resist
Next, as shown in FIG. 7B, a part of the other insulating
そして、全面に、Ti(厚さ10nm),Pt(厚さ30nm),Au(厚さ500nm)を順に堆積させた後(例えば真空蒸着法によって蒸着させた後)、レジスト膜16とともにレジスト膜16上に堆積したTi/Pt/Auを除去することによって(即ち、リフトオフ法によって)、図7(C)に示すように、リセス7内に、Ti/Pt/Auの3層構造のゲート電極8を形成する。これにより、リセス7の底面を構成するi−InPストッパ層5上に、傘部8A及び傘部8Aを支える軸部8Bを有するT型断面形状のT型ゲート電極8が形成される。
Then, Ti (
なお、他の絶縁膜18を形成する方法は、これに限られるものではなく、例えばゲート電極8を形成した後に他の絶縁膜18を形成するようにしても良い。この場合、他の絶縁膜18は、ゲート電極8を含む表面全体を覆うように形成されることになる。
また、上述の実施形態にかかる半導体装置の製造方法では、絶縁膜17及び他の絶縁膜18をソース電極11及びドレイン電極10を形成した後に、ソース電極11及びドレイン電極10も覆うように形成しているが、これに限られるものではなく、例えば、後述の第4実施形態と同様に、ソース電極11及びドレイン電極10を形成する前に絶縁膜17及び他の絶縁膜18を形成しても良い。この場合、絶縁膜17及び他の絶縁膜18は、ソース電極11及びドレイン電極10上には形成されないことになる。
[第3実施形態]
次に、本発明の第3実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法について、図8〜図10を参照しながら説明する。
Note that the method of forming the other insulating
In the semiconductor device manufacturing method according to the above-described embodiment, the insulating
[Third Embodiment]
Next, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法は、上述の第1実施形態のものに対し、図8に示すように、金属層9の厚さが変化している点が異なる。
本実施形態では、図8に示すように、金属層9は、ゲート電極8側の厚さがドレイン電極10又はソース電極11の側の厚さよりも薄くなっている。つまり、金属層9は、ゲート電極8側の端部がドレイン電極10又はソース電極11の側からゲート電極8側へ向けて徐々に薄くなっている。逆に言うと、金属層9のリセス7側の端部の膜厚が、リセス7から遠ざかるにしたがって厚くなっている。なお、図8では、上述の第1実施形態(図1参照)と同一のものには同一の符号を付している。
The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present embodiment are different from those of the first embodiment described above in that the thickness of the
In the present embodiment, as shown in FIG. 8, the
具体的には、上述の第1実施形態のものは金属層9のゲート電極8側の端部が垂直形状になっているのに対し、本実施形態では、図8に示すように、ゲート電極8の傘部8Aと金属層9の端部との間の距離が一定に保たれるように、金属層9のゲート電極8側の端部が徐々に薄くなっている。
なお、このような構成に限られるものではなく、例えば、金属層9は、ドレイン電極10側又はソース電極11側からゲート電極8側へ向けて段階的に薄くなっていても良い。つまり、金属層9は、ゲート電極8側の厚さがドレイン電極10又はソース電極11の側の厚さよりも薄くなるように、ゲート電極8側の厚さとドレイン電極10又はソース電極11の側の厚さとが段階的に変化していても良い。
Specifically, in the first embodiment described above, the end of the
Note that the present invention is not limited to such a configuration. For example, the
このようにして、本実施形態では、ゲート電極8の傘部8Aと金属層9の端部との間を一定距離だけ離すようにしている。これは、ソース電極11又はドレイン電極10に接続される金属層9とゲート電極8との間の寄生容量が高速特性や高周波特性に影響を与えるため、ソース電極11又はドレイン電極10に接続される金属層9とゲート電極8との間隔を一定距離以上離すのが望ましいからである。
Thus, in this embodiment, the
特に、図9に示すように、ソース抵抗やドレイン抵抗を減らすために金属層9の厚さを厚くする場合、上述のように、ゲート電極8側の端部を徐々に薄くして、ゲート電極8の傘部8Aと金属層9の端部との間を一定距離だけ離すことで、余分な寄生容量が生じないようにして高速特性や高周波特性を確保しながら、ソース抵抗やドレイン抵抗を減らすことができる。
In particular, as shown in FIG. 9, when the thickness of the
次に、本InP−HEMTの製造方法について、図10を参照しながら説明する。
まず、上述の第1実施形態の場合と同様に、半導体積層構造15、金属層(ここではWSi層)9、ソース電極11及びドレイン電極10を形成し、金属層9にリセス形成用開口部9Xを形成し、リセス7を形成する[図4(A)〜(E)参照]。なお、図10では、上述の第1実施形態(図4参照)と同一のものには同一の符号を付している。
Next, a method for manufacturing the present InP-HEMT will be described with reference to FIG.
First, as in the case of the first embodiment described above, the
次いで、レジスト膜13を除去した後、再度パターニングして、図10(A)に示すように、上述のようにして形成された所望のリセス長のリセス7の開口部(リセス開口)よりも大きい開口部を有する新たなレジスト膜14を設ける。
次に、図10(A)に示すように、レジスト膜14を例えば180℃〜200℃でベーキングすることによって、レジスト膜14のパターンエッジを丸める。これにより、レジスト膜14のリセス7側の端部の厚さが徐々に薄くなる。
Next, after removing the resist
Next, as shown in FIG. 10A, the pattern edge of the resist
その後、上述の第1実施形態の場合と同様に、図10(B)に示すように、例えばSF6あるいはCF4を用いたドライエッチングで、金属層9のリセス7の上方に突出している部分(ひさし構造)9Yを除去する。これにより、金属層9に、リセス7(リセス開口;キャップ層6の開口部6A)の大きさよりも大きい開口部9Aが形成される。
つまり、金属層9は、リセス7の近傍まで延びるように形成される。ここでは、リセス7のサイズ(リセス長)は、後述するようにして形成されるゲート電極8の傘部8Aの大きさよりも十分に小さいため、金属層9は、ゲート電極8の傘部8Aの下側に入り込むように十分な長さを有するものとなる。
Thereafter, as in the case of the first embodiment described above, as shown in FIG. 10 (B), the portion (elongation) protruding above the
That is, the
このように、本実施形態では、所望のリセス長のリセス7を形成した後、図10(B)に示すように、金属層9のリセス7の上方に突出している部分(ひさし構造)9Yを除去することで(即ち、金属層9に形成されたリセス形成用開口部9Xを広げることで)、金属層9にリセス7の大きさよりも大きい開口部9Aを形成して、後述のゲート電極8を形成する工程において、リセス7内に制限なくゲート電極8を配置できるようにしている。
Thus, in this embodiment, after forming the
特に、本実施形態では、レジスト膜14のリセス7側の端部の厚さが徐々に薄くなっているため、金属層9は、レジスト膜14の厚さが最も薄くなっているパターンエッジから徐々にエッチングされ、レジスト膜14の端部の丸みを帯びた形状が金属層9に転写される。これにより、図10(B)に示すように、金属層9は、そのリセス7側(ゲート電極8側)の端部の厚さが徐々に薄くなる。
In particular, in this embodiment, since the thickness of the end portion on the
このように、本実施形態では、金属層9に形成されたリセス形成用開口部9Xを広げるために、金属層9のゲート電極8側の厚さがドレイン電極10又はソース電極11の側の厚さよりも薄くなるようにエッチングする。つまり、本実施形態では、金属層9のリセス7側(ゲート電極8側)の端部の厚さが徐々に薄くなるようにエッチングを行なう。
次に、図10(C)に示すように、レジスト膜14を除去した後、例えば電子ビーム露光法を用いて(即ち、例えば電子線レジスト及び電子線を用いて)、T型の断面形状を有するT型ゲート電極領域を規定すべく、T型ゲート電極8の軸部8Bのサイズに対応する開口部(ゲート開口;例えば0.1μm程度)を有する新たなレジスト膜を設ける。
Thus, in this embodiment, in order to widen the
Next, as shown in FIG. 10C, after removing the resist
そして、全面に、Ti(厚さ10nm),Pt(厚さ30nm),Au(厚さ500nm)を順に堆積させた後(例えば真空蒸着法によって蒸着させた後)、レジスト膜とともにレジスト膜上に堆積したTi/Pt/Auを除去することによって(即ち、リフトオフ法によって)、図10(D)に示すように、リセス7内に、Ti/Pt/Auの3層構造のゲート電極8を形成する。これにより、リセス7の底面を構成するi−InPストッパ層5上に、傘部8A及び傘部8Aを支える軸部8Bを有するT型断面形状のゲート電極8が形成される。
Then, Ti (
なお、その他の構成及び製造方法は、上述の第1実施形態のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法によれば、上述の第1実施形態と同様に、ソース抵抗を下げて相互コンダクタンスgmを向上させながら、絶縁膜を形成して耐圧や信頼性を向上させることができるようになるという利点がある。
Other configurations and manufacturing methods are the same as those of the above-described first embodiment, and thus description thereof is omitted here.
Therefore, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present embodiment, as in the first embodiment described above, the insulating film is formed and the breakdown voltage and the reliability are improved while reducing the source resistance and improving the mutual conductance gm. There is an advantage that it becomes possible to improve.
特に、金属層9のゲート電極8側の端部が徐々に薄くなっているため、ゲート・ソース間又はゲート・ドレイン間に余分な寄生容量が生じないようにすることができ、高速特性や高周波特性を向上させることができる。
なお、上述の実施形態では、上述の第1実施形態の変形例として説明しているが、上述の第2実施形態(その変形例も含む)の変形例として構成することもできる。つまり、上述のように、ゲート電極8側の端部が徐々に薄くなっている金属層9上に、絶縁膜17や他の絶縁膜18を形成しても良い。
[第4実施形態]
次に、本発明の第4実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法について、図11を参照しながら説明する。
In particular, since the end of the
In addition, although the above-mentioned embodiment demonstrated as a modification of the above-mentioned 1st Embodiment, it can also be comprised as a modification of the above-mentioned 2nd Embodiment (including the modification). That is, as described above, the insulating
[Fourth Embodiment]
Next, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
本実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法は、上述の各実施形態が本発明をInP−HEMTに適用した場合の構成例であるに対し、本発明をGaN−HEMTに適用した場合の構成例である点が異なる。
つまり、本実施形態にかかる半導体装置は、例えば集積回路(例えばMMIC)に備えられ、化合物半導体からなるHEMT[ここではGaN系材料を用いたHEMT(GaN−HEMT)]に本発明を適用したものである。以下、具体的に説明する。
The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to this embodiment are configuration examples when the above-described embodiments are applied to the InP-HEMT, whereas the configuration example is applied to the GaN-HEMT. Is different.
That is, the semiconductor device according to the present embodiment is provided in, for example, an integrated circuit (for example, MMIC), and the present invention is applied to a HEMT made of a compound semiconductor [here, a HEMT using a GaN-based material (GaN-HEMT)]. It is. This will be specifically described below.
本GaN−HEMTは、図11(B)に示すように、複数の半導体層(化合物半導体層;ここではGaNを含む)を積層してなる半導体積層構造30と、半導体積層構造30上に形成された金属層31と、リセス32に設けられたゲート電極33と、金属層31上に形成され、ゲート電極33を挟んで両側に設けられたドレイン電極34及びソース電極35とを備える。
As shown in FIG. 11B, the present GaN-HEMT is formed on a semiconductor stacked
本実施形態では、半導体積層構造30は、例えば図11に示すように、SiC基板(半導体基板)36上に形成され、チャネル層(電子走行層,キャリア走行層)37,電子供給層(キャリア供給層)38を順に積層させた構造になっている。
ここで、チャネル層37は、アンドーピングのGaN(i−GaN)により形成されている。ここでは、チャネル層37の厚さは例えば3μmである。
In this embodiment, the
Here, the
電子供給層38は、Siをドーピングしてn型導電性を付与したAlGaN[n−AlGaN;Siドーピング濃度(不純物濃度)5×1018cm-3]により形成されている。ここでは、電子供給層38の厚さは例えば30nmである。
なお、i−GaNチャネル層37とn−AlGaN電子供給層38との間に、i−AlGaNスペーサ層(例えば厚さ5nm)を設けても良い。
The
An i-AlGaN spacer layer (for example, 5 nm thick) may be provided between the i-
また、本実施形態では、図11(B)に示すように、半導体積層構造30の最も上側の半導体層である電子供給層38上に、金属層(メタル;ここではTiAl層)31が設けられている。この金属層31は、半導体積層構造30の最も上側の半導体層である電子供給層38にオーミック接触している。なお、金属層31は、これが接触する下側の半導体層(ここでは電子供給層38)との間でオーミック特性が得られやすい材料を選べば良い。また、本実施形態では、後述するように、リセス32をドライエッチングによって形成するため、金属層31はドライエッチング可能な材料(ここではTi系の材料)によって構成されている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 11B, a metal layer (metal; here, a TiAl layer) 31 is provided on the
さらに、本実施形態では、図11(B)に示すように、金属層31上に形成され、開口部39Aを有する絶縁膜(保護膜;ここではSiN膜)39をさらに備える。なお、絶縁膜39は、例えばSiO2,SiON等によって形成される絶縁性を有する膜であっても良い。
そして、本実施形態では、図11(B)に示すように、絶縁膜38及び金属層31をエッチングしてリセス32が形成されている。つまり、金属層31にリセス32が形成されている。
Furthermore, in this embodiment, as shown in FIG. 11B, an insulating film (protective film; here, SiN film) 39 formed on the
In this embodiment, the
このリセス32の底面(表面,リセス面)には、電子供給層38の表面が露出しており、ゲート電極33の端面がショットキー接触している。つまり、ゲート電極33は、リセス32に設けられ、リセス32の底面を構成する電子供給層38上に形成されている。
ゲート電極33は、Ni/Auを順に積層させて構成される。ここでは、ゲート電極33は、傘部33Aと、傘部33Aを支える軸部33Bとを有し、T型の断面形状を有するT型ゲート電極として構成されている。なお、ゲート電極33は、これに限られるものではなく、傘部と、傘部を支える軸部とを有するものであれば良く、その形状は、例えばY型の断面形状を有するY型ゲート電極として構成しても良い。
The surface of the
The
また、リセス32を挟んで両側に位置し、リセス32の側面を構成する金属層31上の一部に、それぞれソース電極35、ドレイン電極34が形成されている。つまり、金属層31上に、金属層31よりも面積が小さいソース電極35、ドレイン電極34が形成されている。これらの電極(オーミック電極)34,35は、Ni/Auを順に積層させたものとして構成される。なお、本実施形態では、リセス32の側面を構成する層(ここでは金属層31)よりも上側に形成された層又は膜は、絶縁膜39のみである。
Further, a
なお、金属層31は、キャップ層と見ることもできるし、オーミック電極の一部と見ることもできる。例えば、オーミック電極の一部と見る場合には、オーミック電極が異なる構成の2層構造になっており、厚い部分と薄い部分とを有することになる。
ところで、従来のGaN−HEMTは、例えば図11(A)に示すように、SiC基板50上に、i−GaNチャネル層51、n−AlGaN電子供給層52を順に形成し、n−AlGaN電子供給層52上に、ゲート電極53、ソース電極54及びドレイン電極55を設け、n−AlGaN電子供給層52の表面を絶縁膜56で覆った構造になっている。
The
By the way, in the conventional GaN-HEMT, for example, as shown in FIG. 11A, an i-
これに対し、本実施形態では、図11(B)に示すように、n−AlGaN電子供給層38上に金属層(ここではTiAl層)31を設けて、ソース抵抗及びドレイン抵抗を下げるようにしている。
特に、本実施形態では、図11(B)に示すように、ゲート電極33の傘部33Aの下側に入り込むように金属層31の長さを十分に長く形成している。これにより、ソース抵抗を十分に低下させて、相互コンダクタンスgmの値をより大きくできるようにしている。
In contrast, in the present embodiment, as shown in FIG. 11B, a metal layer (here, TiAl layer) 31 is provided on the n-AlGaN
In particular, in the present embodiment, as shown in FIG. 11B, the length of the
また、本実施形態では、後述するように、金属層31をドライエッチングすることによってリセス32を形成するため、リセス32のサイズ(リセス長)を自由に設計できることになる。特に、十分に長さの短い所望の長さ(所望のリセス長)のリセス32を形成でき、ソース抵抗を低下させ、相互コンダクタンスgmの値をより大きくすることができる。また、微細化を図ることもできる。
Moreover, in this embodiment, since the
さらに、本実施形態では、図11(B)に示すように、絶縁膜39に、金属層31の開口部31A(リセス32;リセス開口)の大きさと同じ大きさの開口部39Aを形成している。ここでは、リセス32の側面を構成する層(ここでは金属層31)よりも上側に形成された層又は膜は絶縁膜39のみであるため、この絶縁膜39の開口部39Aが、金属層31の開口部31A(リセス32の開口部)の大きさと同じになっている。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 11B, an
このように、ゲート電極33から絶縁膜39の端面までの距離が、ゲート電極33から金属層31の端面までの距離よりも大きく、リセス32の上方に絶縁膜39のひさし構造が存在しないようになっている。このため、リセス32内でゲート電極33を配置できる領域が広く、設計自由度が高い。
また、図11(C)に示すように、耐圧や信頼性を向上させるために、少なくとも半導体積層構造30の表面に露出している部分の全体[ここではリセス32の底面を構成する電子供給層38の表面(上面)]に接するように、他の絶縁膜(保護膜;例えばSiN)40を形成できる。
As described above, the distance from the
Further, as shown in FIG. 11C, in order to improve breakdown voltage and reliability, at least the entire portion exposed on the surface of the semiconductor multilayer structure 30 [here, the electron supply layer constituting the bottom surface of the
例えば、図11(C)に示すように、半導体積層構造30の表面に露出している部分を含むメサ構造の表面全体に接するように、他の絶縁膜を形成することができ、このような他の絶縁膜40を形成することで、耐圧や信頼性を向上させることができる。なお、他の絶縁膜40は、例えばSiO2,SiON等によって形成される絶縁性を有する膜であっても良い。
For example, as shown in FIG. 11C, another insulating film can be formed so as to be in contact with the entire surface of the mesa structure including the portion exposed on the surface of the semiconductor stacked
なお、本実施形態では、絶縁膜39の開口部39Aが、金属層31の開口部31A(リセス32の開口部)の大きさと同じになるようにしているが、これに限られるものではなく、少なくとも半導体積層構造30の表面に露出している部分の全体に接する他の絶縁膜40を形成しうるように、絶縁膜39の開口部39Aが、金属層31の開口部31A(リセス32の開口部)の大きさよりも大きくなっていれば良い。
In the present embodiment, the size of the
次に、本GaN−HEMTの製造方法について、図11(C)を参照しながら説明する。なお、ここでは、少なくとも半導体積層構造30の表面に露出している部分の全体に接するように他の絶縁膜40を形成する工程も含めて説明する。
まず、SiC基板(半導体基板)36上に、例えばMOVPE法(organometallic vapor phase epitaxy;有機金属気相成長法)によって、i−GaNチャネル層(電子走行層;例えば厚さ3μm)37、n−AlGaN電子供給層(例えば厚さ30nm;Siドーピング濃度5×1018cm-3)38を順に積層させて半導体積層構造30を形成する[図11(C)参照]。
Next, a method for manufacturing the GaN-HEMT will be described with reference to FIG. Here, a description will be given including a step of forming another insulating
First, an i-GaN channel layer (electron transit layer; for example, 3 μm in thickness) 37, n-AlGaN is formed on an SiC substrate (semiconductor substrate) 36 by, for example, MOVPE (organometallic vapor phase epitaxy). An electron supply layer (for example, a thickness of 30 nm; Si doping concentration of 5 × 10 18 cm −3 ) 38 is sequentially stacked to form a semiconductor stacked structure 30 [see FIG. 11C].
次に、半導体積層構造30を構成する最も上側の半導体層であるn−AlGaN電子供給層38上の全面に金属材料(ここではTiAl)を例えば蒸着させて、金属層(ここではTiAl層)31を形成する[図11(C)参照]。
次いで、金属層31上の全面に絶縁材料(ここではSiN)を、例えばCVD法(chemical vapor deposition;化学気相成長法)によって堆積させて、絶縁膜(ここではSiN膜)39を形成する[図11(C)参照]。つまり、金属層31を形成した後、後述のようにしてリセス32を形成する前に、金属層31上に絶縁膜39が形成される。
Next, a metal material (here, TiAl) is vapor-deposited, for example, on the entire surface of the n-AlGaN
Next, an insulating material (here, SiN) is deposited on the entire surface of the
次に、例えばフォトリソグラフィ技術によって素子間分離を行なった後、例えばフォトリソグラフィ技術あるいはEB(electron beam)リソグラフィ(電子ビーム露光法)を用いてリセス領域を規定する。
つまり、絶縁膜39上に、所望のサイズのリセス32に対応する開口部を有するレジスト膜を設けた後、例えばF系とCl系のガスを用いたドライエッチング(異方性エッチング)を行なって、絶縁膜39及び金属層31を除去して、リセス32を形成する。これにより、n−AlGaN電子供給層38の表面が露出し、このn−AlGaN電子供給層38の表面によってリセス32の底面(InPリセス面)が構成されることになる[図11(C)参照]。
Next, after element separation is performed by, for example, a photolithography technique, the recess region is defined by using, for example, a photolithography technique or EB (electron beam) lithography (electron beam exposure method).
That is, after providing a resist film having an opening corresponding to the
次に、レジスト膜を除去した後、例えばプラズマCVD法によって、全面に絶縁材料(ここではSiN)を堆積させて、他の絶縁膜(ここではSiN膜)40を形成する[図11(C)参照]。これにより、半導体積層構造30の表面に露出している部分(n−AlGaN電子供給層38の表面;リセス面)を含む表面全体[ここではリセス32の底面を構成する電子供給層38の表面(上面)、リセス32の側面を構成する金属層31の表面(側面)、絶縁膜39の表面(側面及び上面)]に接するように他の絶縁膜40が形成され、保護される。
Next, after removing the resist film, an insulating material (here, SiN) is deposited on the entire surface by, eg, plasma CVD to form another insulating film (here, SiN film) 40 [FIG. reference]. Thereby, the entire surface including the portion exposed on the surface of the semiconductor multilayer structure 30 (the surface of the n-AlGaN
次いで、窒素雰囲気中にて、例えば400℃から1000℃の間(例えば600℃)で熱処理を行ない、金属層(ここではTiAl層)31のオーミック特性を得る。
次に、例えばフォトリソグラフィ技術によってソース電極領域及びドレイン電極領域(オーミック電極領域)を規定すべく、絶縁膜39及び他の絶縁膜40上に、ソース電極形成予定領域及びドレイン電極形成予定領域のそれぞれに開口部を有する新たなレジスト膜を設ける。
Next, heat treatment is performed, for example, between 400 ° C. and 1000 ° C. (for example, 600 ° C.) in a nitrogen atmosphere, and the ohmic characteristics of the metal layer (here, TiAl layer) 31 are obtained.
Next, in order to define the source electrode region and the drain electrode region (ohmic electrode region) by, for example, photolithography technology, the source electrode formation planned region and the drain electrode formation planned region are respectively formed on the insulating
そして、全面に、Ti,Pt,Auを順に堆積させた後(例えば真空蒸着法によって蒸着させた後)、レジスト膜とともにレジスト膜上に堆積したTi/Pt/Auを除去することによって(即ち、リフトオフ法によって)、Ti/Pt/Auの3層構造のソース電極35及びドレイン電極34を形成する。これにより、金属層31上にソース電極35及びドレイン電極34が形成される[図11(C)参照]。
Then, after Ti, Pt, and Au are sequentially deposited on the entire surface (for example, after being deposited by vacuum deposition), Ti / Pt / Au deposited on the resist film together with the resist film is removed (that is, A
次いで、レジスト膜を除去した後、例えば電子線露光法等を用いて、T型の断面形状を有するT型ゲート電極領域を規定すべく、T型ゲート電極形成予定領域に開口部を有する新たなレジスト膜を設ける。
そして、他の絶縁膜40をドライエッチングによって除去した後、全面に、Ni,Auを順に堆積させた後(例えば真空蒸着法によって蒸着させた後)、レジスト膜とともにレジスト膜上に堆積したNi/Auを除去することによって(即ち、リフトオフ法によって)、リセス32にNi/Auの2層構造のゲート電極33を形成する[図11(C)参照]。これにより、リセス32の底面を構成するn−AlGaN電子供給層38上に、リセス32よりもサイズが大きい(リセス長よりも長さが長い)傘部33A及び傘部33Aを支える軸部33Bを有するT型断面形状のT型ゲート電極33が形成される。ここでは、ゲート電極33の端面とn−AlGaN電子供給層38とはショットキー接触するようになっている。
Next, after removing the resist film, for example, an electron beam exposure method or the like is used to define a T-type gate electrode region having a T-shaped cross-sectional shape. A resist film is provided.
Then, after the other insulating
したがって、本実施形態にかかる半導体装置及びその製造方法によれば、ソース抵抗を下げて相互コンダクタンスgmを向上させながら、絶縁膜を形成して耐圧や信頼性を向上させることができるようになるという利点がある。
特に、図11(C)に示すように、少なくとも半導体積層構造30の表面に露出している部分の全体[ここではリセス32の底面を構成する電子供給層38の表面(上面)]に接するように、他の絶縁膜(保護膜)40を形成することで、耐圧や信頼性を向上させることができる。
Therefore, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present embodiment, it is possible to improve the breakdown voltage and the reliability by forming the insulating film while reducing the source resistance and improving the mutual conductance gm. There are advantages.
In particular, as shown in FIG. 11C, at least the entire portion exposed on the surface of the semiconductor multilayer structure 30 [here, the surface (upper surface) of the
なお、本GaN−HEMTの構造及び製造方法は、上述の実施形態のものに限られるものではない。例えば、以下の変形例のように構成することもできる。
本変形例の製造方法では、上述の実施形態の製造方法のリセス32を形成するためのドライエッチング(異方性エッチング)を行なう工程において、絶縁膜39及び金属層31だけでなく、さらに、n−AlGaN電子供給層38の一部もエッチングによって除去して、リセス32Xを形成する[図11(D)参照]。つまり、リセスが、金属層31及び半導体積層構造30(ここではn−AlGaN電子供給層38の一部)に形成されている。これにより、n−AlGaN電子供給層38が露出し、このn−AlGaN電子供給層38によってリセス32Xの底面(InPリセス面)及びリセス32Xの側面が構成されることになる。この場合、n−AlGaN電子供給層38の厚さが薄くなるため、より相互コンダクタンスgmを向上させることができる。
Note that the structure and manufacturing method of the present GaN-HEMT are not limited to those of the above-described embodiment. For example, it can also be configured as in the following modification.
In the manufacturing method of this modification, in the process of performing dry etching (anisotropic etching) for forming the
本変形例の構成では、図11(D)に示すように、リセス32Xの側面を構成する層は、半導体積層構造30の最も上側の半導体層(ここではn−AlGaN電子供給層38)である。また、リセス32Xの側面を構成する層よりも上側に形成された層又は膜は、金属層31及び絶縁膜39である。さらに、金属層31及び絶縁膜39の開口部31A,39Aは、最も上側の半導体層(ここではn−AlGaN電子供給層38)の開口部38Aの大きさと同じになっている。また、絶縁膜39の開口部39Aは、金属層31の開口部31Aの大きさと同じになっている。
In the configuration of this modification, as shown in FIG. 11D, the layer constituting the side surface of the
なお、これに限られるものではなく、少なくとも半導体積層構造30の表面に露出している部分の全体に接する他の絶縁膜(ここでは絶縁膜40)を形成しうるように、金属層31及び絶縁膜39の開口部31A,39Aが、最も上側の半導体層(ここではn−AlGaN電子供給層38)の開口部38Aの大きさよりも大きくなっていれば良い。また、絶縁膜39の開口部39Aが、金属層31の開口部31A(リセス32Xの開口部)の大きさよりも大きくなっていれば良い。
However, the present invention is not limited to this, and the
このように、リセス32Xの側面を構成する層(ここではn−AlGaN電子供給層38)よりも上側に形成された層又は膜が複数ある場合(ここでは金属層31及び絶縁膜39)、上下で隣接する層又は膜の相互間で、上側の層又は膜の開口部(ここでは絶縁膜39の開口部39A)の大きさが下側の層又は膜の開口部(ここでは金属層31の開口部31A)の大きさと同じか、又は、それよりも大きくなっているのが好ましい。これにより、上側の層又は膜(ここでは絶縁膜39)のひさし構造ができないため、耐圧や信頼性を向上させるために、図11(D)に示すように、金属層31の表面に露出している部分(金属層31の側面)に接するように他の絶縁膜40を形成することができ、このような他の絶縁膜40を形成することで、耐圧や信頼性を向上させることができることになる。
Thus, when there are a plurality of layers or films (here, the
なお、上述の実施形態及びその変形例にかかる半導体装置の製造方法では、ゲート電極33を形成する前に他の絶縁膜40を形成しているが、これに限られるものではなく、例えば、ゲート電極33を形成した後に他の絶縁膜40を形成するようにしても良い。この場合、他の絶縁膜40は、ゲート電極33を含む表面全体を覆うように形成されることになる。
In the semiconductor device manufacturing method according to the above-described embodiment and its modification, the other insulating
また、上述の実施形態の変形例にかかる半導体装置の製造方法では、絶縁膜39及び他の絶縁膜40をソース電極35及びドレイン電極34を形成する前に形成しているが、これに限られるものではなく、例えば、上述の第2実施形態と同様に、ソース電極及びドレイン電極を形成した後に、ソース電極及びドレイン電極を覆うように絶縁膜39及び他の絶縁膜40を形成しても良い。この場合、絶縁膜39及び他の絶縁膜40は、ソース電極及びドレイン電極上にも形成されることになる。
[その他]
なお、上述の各実施形態では、n−InGaAsキャップ層上に設ける金属層をWSiとし、n−AlGaN電子供給層上に設ける金属層をTiAl層としたが、金属層の材料はこれに限られるものではない。例えば、ドライエッチングが比較的容易な材料、例えば、W,Mo,Ta、MoSi,TaSiなどのシリサイド、TiW,TiMo,TiTaなどのTiとの化合物、WN,MoN,TaNなどの窒化物、WSiN,MoSiN,TaSiN等のシリサイドの窒化物などを用いるのが好ましい。また、Al、AlSi(シリサイド)などを用いても良い。
In the method for manufacturing a semiconductor device according to the modification of the above-described embodiment, the insulating
[Others]
In each of the above embodiments, the metal layer provided on the n-InGaAs cap layer is WSi and the metal layer provided on the n-AlGaN electron supply layer is a TiAl layer. However, the material of the metal layer is limited to this. It is not a thing. For example, materials that are relatively easy to dry etch, such as silicides such as W, Mo, Ta, MoSi, and TaSi, compounds with Ti such as TiW, TiMo, and TiTa, nitrides such as WN, MoN, and TaN, WSiN, It is preferable to use silicide nitride such as MoSiN or TaSiN. Al, AlSi (silicide), or the like may be used.
上述の各実施形態では、本発明をInP−HEMTやGaN−HEMTに適用した場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、これら以外のHEMTにも本発明を適用することができる。
また、本発明は、上述した各実施形態及び変形例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。
In each of the above-described embodiments, the case where the present invention is applied to InP-HEMT or GaN-HEMT is described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is also applied to other HEMTs. can do.
The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
以下、上述の各実施形態に関し、更に、付記を開示する。
(付記1)
複数の半導体層を積層してなり、リセスを有する半導体積層構造と、
前記半導体積層構造上に形成され、前記リセスに対応する位置に開口部を有する金属層と、
前記リセスに設けられ、傘部と、前記傘部を支える軸部とを有するゲート電極と、
前記金属層上に形成され、前記ゲート電極を挟んで両側に設けられたドレイン電極及びソース電極とを備え、
前記金属層の開口部は、前記リセスの開口部の大きさと同じか、又は、それよりも大きくなっており、
前記金属層は、前記ゲート電極の傘部の下側に入り込むように形成されていることを特徴とする半導体装置。
Hereinafter, additional notes will be disclosed regarding each of the above-described embodiments.
(Appendix 1)
A plurality of semiconductor layers stacked, and a semiconductor stacked structure having a recess;
A metal layer formed on the semiconductor multilayer structure and having an opening at a position corresponding to the recess;
A gate electrode provided in the recess and having an umbrella part and a shaft part supporting the umbrella part;
A drain electrode and a source electrode formed on the metal layer and provided on both sides of the gate electrode;
The opening of the metal layer is equal to or larger than the size of the opening of the recess,
The semiconductor device is characterized in that the metal layer is formed so as to enter under the umbrella portion of the gate electrode.
(付記2)
前記半導体積層構造の最も上側の半導体層は、半導体キャップ層であり、
前記リセスは、前記半導体キャップ層に形成されていることを特徴とする、付記1記載の半導体装置。
(付記3)
前記金属層上に形成され、開口部を有する絶縁膜をさらに備え、
前記絶縁膜の開口部は、前記金属層の開口部の大きさと同じか、又は、それよりも大きくなっていることを特徴とする、付記1又は2記載の半導体装置。
(Appendix 2)
The uppermost semiconductor layer of the semiconductor multilayer structure is a semiconductor cap layer,
The semiconductor device according to
(Appendix 3)
An insulating film formed on the metal layer and having an opening;
The semiconductor device according to
(付記4)
前記金属層は、前記ゲート電極側の厚さが前記ドレイン電極又は前記ソース電極の側の厚さよりも薄くなっていることを特徴とする、付記1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記5)
前記金属層は、前記ゲート電極側の端部が徐々に薄くなっていることを特徴とする、付記4記載の半導体装置。
(Appendix 4)
The semiconductor device according to any one of
(Appendix 5)
The semiconductor device according to
(付記6)
前記半導体積層構造の表面に露出している部分の全体に接する絶縁膜を備えることを特徴とする、付記1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記7)
前記半導体積層構造は、半導体基板上に形成され、電子供給層及び電子走行層を含むことを特徴とする、付記1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置。
(Appendix 6)
The semiconductor device according to any one of
(Appendix 7)
The semiconductor device according to any one of
(付記8)
GaNを含む複数の半導体層を積層してなる半導体積層構造と、
前記半導体積層構造上に形成され、リセスが形成された金属層と、
前記リセスに設けられ、傘部と、前記傘部を支える軸部とを有するゲート電極と、
前記金属層上に形成され、前記ゲート電極を挟んで両側に設けられたドレイン電極及びソース電極とを備え、
前記金属層が、前記ゲート電極の傘部の下側に入り込むように形成されていることを特徴とする半導体装置。
(Appendix 8)
A semiconductor laminated structure in which a plurality of semiconductor layers containing GaN are laminated;
A metal layer formed on the semiconductor multilayer structure and formed with a recess;
A gate electrode provided in the recess and having an umbrella part and a shaft part supporting the umbrella part;
A drain electrode and a source electrode formed on the metal layer and provided on both sides of the gate electrode;
The semiconductor device, wherein the metal layer is formed so as to enter under the umbrella portion of the gate electrode.
(付記9)
前記リセスが、前記金属層及び前記半導体積層構造に形成されていることを特徴とする付記8に記載の半導体装置。
(付記10)
半導体基板上に、複数の半導体層を積層してなる半導体積層構造を形成し、
前記半導体積層構造上に金属層を形成し、
前記金属層にリセス形成用開口部を形成し、
前記リセス形成用開口部を介してリセスを形成し、
前記リセス形成用開口部を広げ、
傘部及び前記傘部を支える軸部を有するゲート電極を前記リセスに形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(Appendix 9)
The semiconductor device according to
(Appendix 10)
On the semiconductor substrate, a semiconductor laminated structure formed by laminating a plurality of semiconductor layers is formed,
Forming a metal layer on the semiconductor multilayer structure;
Forming a recess-forming opening in the metal layer;
Forming a recess through the recess forming opening,
Widen the opening for forming the recess,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a gate electrode having an umbrella part and a shaft part supporting the umbrella part in the recess.
(付記11)
前記リセスを形成する工程は、ウェットエッチングによって行なわれることを特徴とする、付記10記載の半導体装置の製造方法。
(付記12)
前記金属層を形成した後、前記リセス形成用開口部を形成する前に、前記金属層上に絶縁膜を形成し、
前記金属層及び前記絶縁膜にリセス形成用開口部を形成することを特徴とする、付記10又は11記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 11)
The method of manufacturing a semiconductor device according to
(Appendix 12)
After forming the metal layer and before forming the recess forming opening, an insulating film is formed on the metal layer,
12. The method for manufacturing a semiconductor device according to
(付記13)
前記ゲート電極を形成する前又は後に、少なくとも前記半導体積層構造の表面に露出している部分に絶縁膜を形成することを特徴とする、付記10〜12のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(付記14)
前記複数の半導体層は、それぞれ、化合物半導体を含むことを特徴とする、付記10〜13のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 13)
The semiconductor device according to any one of
(Appendix 14)
14. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of
(付記15)
前記半導体基板は、InPを含むことを特徴とする、付記10〜14のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(付記16)
前記金属層は、前記半導体積層構造の最も上側の半導体層にオーミック接触することを特徴とする付記10〜15のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 15)
15. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of
(Appendix 16)
16. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of
(付記17)
前記ゲート電極は、前記リセス内に露出する前記半導体層とショットキー接触することを特徴とする付記10〜16のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(付記18)
前記リセス形成用開口部を広げるために、前記金属層の前記ゲート電極側の厚さが前記ドレイン電極又は前記ソース電極の側の厚さよりも薄くなるようにエッチングすることを特徴とする、付記10〜17のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 17)
17. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of
(Appendix 18)
The etching is performed so that the thickness of the metal layer on the side of the gate electrode is thinner than the thickness of the side of the drain electrode or the source electrode in order to widen the opening for forming the recess. The manufacturing method of the semiconductor device of any one of -17.
(付記19)
前記エッチングは、前記金属層の前記ゲート電極側の端部が徐々に薄くなるように行われることを特徴とする、付記18記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 19)
19. The method of manufacturing a semiconductor device according to
1 InP基板(半導体基板)
2 バッファ層
3 チャネル層(電子走行層,キャリア走行層)
4 電子供給層(キャリア供給層)
5 ストッパ層(エッチング停止層)
6 キャップ層(コンタクト層)
6A 開口部
7 リセス
8 ゲート電極
8A 傘部
8B 軸部
9 金属層
9A 開口部
9X リセス形成用開口部
9Y 金属層のリセスの上方に突出している部分(ひさし構造)
10ドレイン電極
11 ソース電極
12,13,14,16 レジスト膜
15 半導体積層構造
17 絶縁膜(保護膜)
17A 開口部
17X リセス形成用開口部
17Y 絶縁膜のリセスの上方に突出している部分(ひさし構造)
18 絶縁膜(保護膜)
18A 開口部
20 絶縁膜
30 半導体積層構造
31 金属層
31A 開口部
32,32X リセス
33 ゲート電極
33A 傘部
33B 軸部
34 ドレイン電極
35 ソース電極
36 SiC基板(半導体基板)
37 チャネル層(電子走行層,キャリア走行層)
38 電子供給層(キャリア供給層)
38A 開口部
39 絶縁膜(保護膜)
39A 開口部
40 絶縁膜(保護膜)
1 InP substrate (semiconductor substrate)
2
4 Electron supply layer (carrier supply layer)
5 Stopper layer (etching stop layer)
6 Cap layer (contact layer)
10
18 Insulating film (protective film)
18A Opening 20 Insulating
37 channel layer (electron traveling layer, carrier traveling layer)
38 Electron supply layer (carrier supply layer)
Claims (10)
前記半導体積層構造上に形成され、前記リセスに対応する位置に開口部を有する金属層と、
前記リセスに設けられ、傘部と、前記傘部を支える軸部とを有するゲート電極と、
前記金属層上に形成され、前記ゲート電極を挟んで両側に設けられたドレイン電極及びソース電極と、
前記金属層上に形成され、開口部を有する絶縁膜とを備え、
前記金属層の開口部は、前記リセスの開口部の大きさと同じか、又は、それよりも大きくなっており、
前記絶縁膜の開口部は、前記金属層の開口部の大きさと同じか、又は、それよりも大きくなっており、
前記金属層は、前記ゲート電極の傘部の下側に入り込むように形成されており、
前記絶縁膜は、前記ゲート電極の傘部に接していないことを特徴とする半導体装置。 A plurality of semiconductor layers stacked, and a semiconductor stacked structure having a recess;
A metal layer formed on the semiconductor multilayer structure and having an opening at a position corresponding to the recess;
A gate electrode provided in the recess and having an umbrella part and a shaft part supporting the umbrella part;
A drain electrode and a source electrode formed on the metal layer and provided on both sides of the gate electrode ;
An insulating film formed on the metal layer and having an opening ;
The opening of the metal layer is equal to or larger than the size of the opening of the recess,
The opening of the insulating film is the same as or larger than the size of the opening of the metal layer,
The metal layer is formed so as to enter under the umbrella part of the gate electrode ,
The semiconductor device , wherein the insulating film is not in contact with the umbrella portion of the gate electrode .
前記リセスは、前記半導体キャップ層に形成されていることを特徴とする、請求項1記載の半導体装置。 The uppermost semiconductor layer of the semiconductor multilayer structure is a semiconductor cap layer,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the recess is formed in the semiconductor cap layer.
前記半導体積層構造上に金属層を形成し、
前記金属層にリセス形成用開口部を形成し、
前記リセス形成用開口部を介してリセスを形成し、
前記リセス形成用開口部を広げ、
傘部及び前記傘部を支える軸部を有するゲート電極を前記リセスに形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 On the semiconductor substrate, a semiconductor laminated structure formed by laminating a plurality of semiconductor layers is formed,
Forming a metal layer on the semiconductor multilayer structure;
Forming a recess-forming opening in the metal layer;
Forming a recess through the recess forming opening,
Widen the opening for forming the recess,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a gate electrode having an umbrella part and a shaft part supporting the umbrella part in the recess.
前記金属層及び前記絶縁膜にリセス形成用開口部を形成することを特徴とする、請求項4又は5記載の半導体装置の製造方法。 After forming the metal layer and before forming the recess forming opening, an insulating film is formed on the metal layer,
6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein a recess forming opening is formed in the metal layer and the insulating film.
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