JP5504660B2 - Compound semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、化合物半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a compound semiconductor device and a manufacturing method thereof.
近年、サファイア、SiC、GaN又はSi等からなる基板上にGaN層及びAlGaN層を順次形成し、GaN層を電子走行層として用いる電子デバイス(化合物半導体装置)の開発が活発である。GaNのバンドギャップは3.4eVであり、GaAsの1.4eVに比べて大きい。このため、この化合物半導体装置には、高耐圧での動作が期待されている。 In recent years, development of electronic devices (compound semiconductor devices) in which a GaN layer and an AlGaN layer are sequentially formed on a substrate made of sapphire, SiC, GaN, Si, or the like and the GaN layer is used as an electron transit layer has been active. The band gap of GaN is 3.4 eV, which is larger than 1.4 eV of GaAs. For this reason, this compound semiconductor device is expected to operate at a high breakdown voltage.
このような化合物半導体装置として、高周波増幅器に適した高電子移動度トランジスタ(HEMT)、及び、インバータスイッチ等の電力デバイスに適したGaN系HEMTが挙げられる。また、GaN系HEMTの構造としては、ソース電極とドレイン電極とが基板の表面に平行に配置された横型構造、及びソース電極とドレイン電極とが基板を間に挟んで配置された縦型構造が挙げられる。縦型構造は、横型構造と比較して、チップ面積を小さくすることができ、また、コストを抑制することができる。 Examples of such a compound semiconductor device include a high electron mobility transistor (HEMT) suitable for a high-frequency amplifier, and a GaN-based HEMT suitable for a power device such as an inverter switch. The GaN-based HEMT has a horizontal structure in which a source electrode and a drain electrode are arranged in parallel with the surface of the substrate, and a vertical structure in which the source electrode and the drain electrode are arranged with the substrate interposed therebetween. Can be mentioned. The vertical structure can reduce the chip area and the cost as compared with the horizontal structure.
図1は、従来の縦型構造のGaN系HEMTを示す断面図である。従来の縦型構造のGaN系HEMTでは、n型のn−GaN基板101の裏面にドレイン電極121dが形成されている。また、n−GaN基板101上には、n型のn−GaN層102が縦方向電子走行層として形成されている。n−GaN層102内には、電流が流れる部分を制限する電流狭窄層としてAlN層103が設けられている。n−GaN層102上には、横方向電流供給層としてn型のn−AlGaN層106が形成されている。そして、n−AlGaN層106上には、AlN層103の上方にソース電極121sが形成され、AlN層103の開口部の上方にゲート電極121gが形成されている。ソース電極121sとゲート電極121gとの間には、SiN膜114が形成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a conventional GaN-based HEMT having a vertical structure. In a conventional GaN-based HEMT having a vertical structure, a drain electrode 121 d is formed on the back surface of an n-type n-
このように構成された従来の縦型構造のGaN系HEMTでは、n−GaN層102の表層部に2次元電子ガス層(2DEG)が生じ、この2DEGを介してソース電極121sとドレイン電極121dとの間に電流が流れる。
In the conventional vertical GaN-based HEMT configured as described above, a two-dimensional electron gas layer (2DEG) is generated in the surface layer portion of the n-
しかしながら、従来の縦型構造のGaN系HEMTでは、オン抵抗が高く、オン時の発熱に伴う電気エネルギの損失が大きいという問題点がある。 However, the conventional vertical GaN-based HEMT has a problem that the on-resistance is high and the loss of electric energy due to heat generation at the time of on-state is large.
本発明の目的は、縦型構造のHEMTにおけるオン抵抗を低減することができる化合物半導体装置及びその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a compound semiconductor device capable of reducing the on-resistance in a HEMT having a vertical structure and a method for manufacturing the same.
化合物半導体装置の一態様には、基板と、前記基板の上方に形成された電子供給層及び電子走行層と、前記電子供給層及び前記電子走行層の上方に形成されたソース電極及びゲート電極と、前記基板の裏面に形成されたドレイン電極と、が設けられている。そして、前記電子供給層の少なくとも一部と前記電子走行層の少なくとも一部とが、前記基板の表面に平行な面から傾斜した面を境にして互いに接している。前記電子走行層に孔が形成され、前記ゲート電極は前記孔に入り込んでいる。 One aspect of the compound semiconductor device includes a substrate, an electron supply layer and an electron transit layer formed above the substrate, a source electrode and a gate electrode formed above the electron supply layer and the electron transit layer, and And a drain electrode formed on the back surface of the substrate. At least a part of the electron supply layer and at least a part of the electron transit layer are in contact with each other with a plane inclined from a plane parallel to the surface of the substrate as a boundary. A hole is formed in the electron transit layer, and the gate electrode enters the hole.
化合物半導体装置の製造方法の一態様では、基板の上方に、電子供給層及び電子走行層を、前記電子供給層の少なくとも一部と前記電子走行層の少なくとも一部とが、前記基板の表面に平行な面から傾斜した面を境にして互いに接するように形成し、前記電子走行層に孔を形成し、前記電子供給層及び前記電子走行層の上方にソース電極及びゲート電極を形成する。また、前記基板の裏面にドレイン電極を形成する。前記ゲート電極は前記孔に入り込むように形成する。 In one aspect of the method for manufacturing a compound semiconductor device, the electron supply layer and the electron transit layer are disposed above the substrate, and at least a part of the electron supply layer and at least a portion of the electron transit layer are on the surface of the substrate. Formed so as to be in contact with each other with a plane inclined from a parallel plane as a boundary, a hole is formed in the electron transit layer, and a source electrode and a gate electrode are formed above the electron supply layer and the electron transit layer. A drain electrode is formed on the back surface of the substrate. The gate electrode is formed so as to enter the hole.
上記の化合物半導体装置等によれば、基板の表面に平行な面から傾斜した面内でも2DEGが生じるため、基板の表面に垂直な方向におけるオン抵抗を低減することができる。 According to the above compound semiconductor device or the like, 2DEG is generated even in a plane inclined from a plane parallel to the surface of the substrate, so that the on-resistance in the direction perpendicular to the surface of the substrate can be reduced.
以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
(第1の実施形態)
先ず、第1の実施形態について説明する。図2は、第1の実施形態に係るGaN系HEMT(化合物半導体装置)の構造を示す断面図である。
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a GaN-based HEMT (compound semiconductor device) according to the first embodiment.
第1の実施形態では、n型のn−GaN基板1上に、厚さが0.2μm〜10μm程度(例えば1μm)のノンドープのi−GaN層2及びn型のn−AlGaN層4が横方向に交互に配置されている。i−GaN層2は縦方向電子走行層として機能し、n−AlGaN層4は縦方向電子供給層及び電子ブロック層として機能する。n−GaN基板1の表面に垂直な方向は、GaN結晶のc軸方向から傾斜している。n−GaN基板1の表面は、例えばa面、m面又はr面である。n−AlGaN層4の組成は、例えばAl0.25Ga0.75Nで表わされる。また、n−AlGaN層4には、例えばSiが5×1017cm-3〜1×1019cm-3程度(例えば4×1018cm-3)ドーピングされている。n−AlGaN層4の電子親和力は、i−GaN層2の電子親和力よりも小さい。
In the first embodiment, an undoped i-
i−GaN層2及びn−AlGaN層4上に、厚さが0.01μm〜1μm程度(例えば0.1μm)のノンドープのi−GaN層5が横方向電子走行層として形成されている。i−GaN層5上に、厚さが5nm〜30nm程度(例えば10nm)のn型のn−AlGaN層6が横方向電子供給層として形成されている。n−AlGaN層6の組成は、例えばAl0.25Ga0.75Nで表わされる。また、n−AlGaN層6には、例えばSiが5×1017cm-3〜1×1019cm-3程度(例えば4×1018cm-3)ドーピングされている。n−AlGaN層6の電子親和力は、i−GaN層5の電子親和力よりも小さい。n−AlGaN層6上に、厚さが2nm〜10nm程度(例えば7nm)のn型のn−GaN層7が保護層として形成されている。n−GaN層7には、例えばSiが5×1017cm-3〜1×1019cm-3程度(例えば5×1018cm-3)ドーピングされている。例えば、i−GaN層5及びi−GaN層2のバンドギャップは、n−AlGaN層4のバンドギャップよりも狭く、また、n−AlGaN層6のバンドギャップは、i−GaN層5のバンドギャップよりも広い。
On the i-
n−GaN層7のn−AlGaN層4の上方に位置する部分には、ソース電極用の開口部7aが形成されており、この開口部7a内に開口部7aの上方まで延びるソース電極21sが形成されている。また、n−AlGaN層6、i−GaN層5及びn−AlGaN層4には、n−AlGaN層6のソース電極21sとの界面からn−AlGaN層4の途中深さまで延びる素子分離領域11が形成されている。
A
n−GaN層7上に、ソース電極21sを覆うSiN膜(シリコン窒化膜)14が形成されている。SiN膜14の厚さは10nm〜100nm程度(例えば40nm)である。
On the n-
SiN膜14、n−GaN層7、n−AlGaN層6、i−GaN層5及びi−GaN層2には、SiN膜14の表面からi−GaN層2の途中深さまで延びる孔16が形成されている。そして、この孔16内に孔16の上方まで延びるゲート電極21gが形成されている。
In the
SiN膜14上に、ゲート電極21gを覆うSiN膜17が形成されている。SiN膜17の厚さは20nm〜1000nm程度(例えば400nm)である。SiN膜17及びSiN膜14には、ソース電極21sの一部を露出する開口部17sが形成され、SiN膜17には、ゲート電極21gの一部を露出する開口部17gが形成されている。
On the
また、n−GaN基板1の裏面にドレイン電極21dが一面にわたって形成されている。
A drain electrode 21 d is formed on the entire back surface of the n-
このような第1の実施形態では、格子不整合に起因するピエゾ効果により、i−GaN層5のn−AlGaN層6との界面近傍に電子が誘起される。この結果、横方向(n−GaN基板1の表面に平行な方向)に広がる2次元電子ガス層(2DEG)が現れる。また、同様のピエゾ効果により、i−GaN層2のn−AlGaN層4との界面近傍にも電子が誘起される。この結果、縦方向(n−GaN基板1の表面に垂直な方向)に広がる2DEGが現れる。そして、この縦方向に広がる2DEGは、n−GaN基板1に、その表面から傾斜して(直交して)接している。
In the first embodiment, electrons are induced in the vicinity of the interface between the i-
従来の縦型構造のGaN系HEMTでは、n型のGaN層が縦方向の電子供給層として機能しているため、電子の移動度が100cm2/V・s程度と低く、オン抵抗が高くなっている。これに対し、本実施形態では、縦方向に広がる2DEGが存在するため、電子の移動度を向上させることができる。 In the conventional vertical GaN-based HEMT, the n-type GaN layer functions as an electron supply layer in the vertical direction, so the electron mobility is as low as about 100 cm 2 / V · s, and the on-resistance is high. ing. On the other hand, in the present embodiment, since 2DEG spreading in the vertical direction exists, the electron mobility can be improved.
また、ゲート電極21gが、i−GaN層2とn−AlGaN層4との界面の側方にも存在するため、オフ時においては、i−GaN層2とn−AlGaN層4との界面近傍であっても、ゲート電極21gの側方では2DEGは存在しにくい。このため、オフ時のドレインリーク電流が抑制される。
Further, since the
実際に、本願発明者がシミュレーションによる検証を行ったところ、下記表1に示す結果が得られた。この検証では、比較のために図1に示す従来のGaN系HEMTについてのシミュレーションも行った。なお、スイッチング時間のシミュレーションでは、全ゲート幅を40mmとし、ドレイン電極に100Vを印加した状態で、ゲート電極の電圧を制御してオフからオンに変化させた場合の応答時間を検証した。 Actually, when the inventors of the present application verified by simulation, the results shown in Table 1 below were obtained. In this verification, a simulation of the conventional GaN-based HEMT shown in FIG. 1 was also performed for comparison. In the simulation of the switching time, the response time was verified when the gate electrode voltage was controlled and changed from OFF to ON in a state where the total gate width was 40 mm and 100 V was applied to the drain electrode.
第1の実施形態によれば1000cm2/V・s程度(従来の10倍)の電子移動度が得られるため、表1に示すように、オン抵抗を著しく低減することができる。また、スイッチング時間を短縮することもできる。スイッチング時間の短縮により、スイッチング回路に用いた場合の動作効率を向上させることが可能となり、また、コイル等の周辺回路を小型することが可能となる According to the first embodiment, an electron mobility of about 1000 cm 2 / V · s (10 times that of the prior art) can be obtained, so that the on-resistance can be significantly reduced as shown in Table 1. In addition, the switching time can be shortened. By shortening the switching time, it is possible to improve the operation efficiency when used in a switching circuit, and it is possible to reduce the size of peripheral circuits such as coils.
なお、第1の実施形態の動作の制御に当たっては、例えば、ソース電極21sは接地しておく。そして、オフ時にはドレイン電極21dに300Vを印加し、ゲート電極21gに0V又は負の電圧を印加する。一方、オン時にはゲート電極21g及びドレイン電極21dに正の電圧を印加する。
In controlling the operation of the first embodiment, for example, the
なお、抵抗体及びキャパシタ等をも実装してモノリシックマイクロ波集積回路(MMIC)としてもよい。後述する第2〜第4の実施形態においても同様である。 Note that a resistor, a capacitor, and the like may be mounted to form a monolithic microwave integrated circuit (MMIC). The same applies to the second to fourth embodiments described later.
次に、第1の実施形態に係るGaN系HEMT(化合物半導体装置)を製造する方法について説明する。図3A乃至図3Oは、第1の実施形態に係るGaN系HEMT(化合物半導体装置)の製造方法を工程順に示す断面図である。 Next, a method for manufacturing a GaN-based HEMT (compound semiconductor device) according to the first embodiment will be described. 3A to 3O are cross-sectional views showing a method of manufacturing a GaN-based HEMT (compound semiconductor device) according to the first embodiment in the order of steps.
第1の実施形態では、先ず、図3Aに示すように、n−GaN基板1上にi−GaN層2を、例えば有機金属気相エピタキシ(MOVPE)法により形成する。例えば、Ga原料としてトリメチルガリウム、N原料としてアンモニアを用いる。また、圧力は100Torrとし、成長温度は1050℃とする。
In the first embodiment, first, as shown in FIG. 3A, an i-
次いで、図3Bに示すように、i−GaN層2上にSiO2膜3を、例えば熱化学気相堆積(CVD)法により形成する。その後、SiO2膜3上にレジスト膜を形成し、このレジスト膜に露光及び現像を行って、n−AlGaN層4に対応する部分を開口する開口部51aを備えたレジストパターン51を形成する。
Next, as shown in FIG. 3B, the SiO 2 film 3 is formed on the i-
続いて、図3Cに示すように、レジストパターン51をマスクとして用いて、SiO2膜3のウェットエッチング、及びi−GaN層2のドライエッチングを行うことにより、n−GaN基板1を露出させる。このドライエッチングとしては、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチングを行う。そして、レジストパターン51を除去する。
Subsequently, as shown in FIG. 3C, the n-
次いで、図3Dに示すように、i−GaN層2の開口部内にn−AlGaN層4をi−GaN層2と同程度の高さになるまで、例えばMOVPE法により形成する。このとき、SiO2膜3がn−AlGaN層4のi−GaN層2上での成長を抑制するマスクとして機能する。例えば、Ga原料としてトリメチルガリウム、N原料としてアンモニア、Al原料としてトリメチルアルミニウムを使用する。そして、SiO2膜3を除去する。
Next, as shown in FIG. 3D, the n-
その後、図3Eに示すように、i−GaN層2及びn−AlGaN層4上にi−GaN層5、n−AlGaN層6及びn−GaN層7をこの順で形成する。この場合、原料ガスを選択することにより、これらの層を連続して形成することができる。n−AlGaN層6及びn−GaN層7に不純物として含まれるSiの原料としては、例えばシランを使用することができる。
Thereafter, as shown in FIG. 3E, an i-
続いて、n−GaN層7上にレジスト膜を形成し、このレジスト膜に対して露光及び現像を行うことにより素子分離形成用のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてArをイオン注入する。この結果、図3Fに示すように、素子分離領域11が形成される。そして、レジストパターンを除去する。
Subsequently, a resist film is formed on the n-
次いで、n−GaN層7上に新たにレジスト膜を形成し、このレジスト膜に対して露光及び現像を行うことによりソース電極形成用のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてn−GaN層7をドライエッチングする。このドライエッチングとしては、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチングを行う。この結果、図3Gに示すように、開口部7aが形成される。なお、開口部7aの深さに関し、n−GaN層7の一部を残してもよく、また、n−AlGaN層6の一部を除去してもよい。つまり、開口部7aの深さがn−GaN層7の厚さと一致している必要はない。そして、レジストパターンを除去する。
Next, a new resist film is formed on the n-
その後、図3Hに示すように、開口部7a内に、リフトオフ法によりTa膜21a、Al膜21b及びTa膜21cをこの順で形成する。即ち、新たなレジストパターンを形成し、Ta、Al及びTaの蒸着を行い、その後、レジストパターン上に付着したTa、Al及びTaをレジストパターンごと除去する。Ta膜、Al膜、Ta膜の厚さは、例えば、下から順に10nm程度、280nm程度、10nm程度とする。
Thereafter, as shown in FIG. 3H, a
続いて、ラピッドサーマルアニール(RTA)装置を用いて、窒素雰囲気の下で、400℃〜1000℃、例えば550℃で1分間の熱処理を行う。この熱処理により、Ta膜21aとAl膜21bとの界面、及びAl膜21bとTa膜21cとの界面にTaAl3が生成し、図3Iに示すように、ソース電極21sが形成される。また、この熱処理の結果、オーミック特性が確立する。
Subsequently, heat treatment is performed at 400 ° C. to 1000 ° C., for example, 550 ° C. for 1 minute under a nitrogen atmosphere using a rapid thermal annealing (RTA) apparatus. By this heat treatment, TaAl 3 is generated at the interface between the
次いで、図3Jに示すように、プラズマ化学気相成長(PE−CVD)法により、全面にSiN膜14を形成する。その後、SiN膜14上にレジスト膜を形成し、このレジスト膜に対して露光及び現像を行うことによりゲート電極形成用の開口部15aを備えたレジストパターン15を形成する。
Next, as shown in FIG. 3J, a
続いて、図3Kに示すように、レジストパターン15をマスクとしてSiN膜14をドライエッチングする。このドライエッチングとしては、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチングを行う。
Subsequently, as shown in FIG. 3K, the
更に、図3Lに示すように、レジストパターン15をマスクとしてn−GaN層7、n−AlGaN層6、i−GaN層5及びi−GaN層2をドライエッチングする。このドライエッチングとしては、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチングを行う。また、このドライエッチングの量は、例えば、深さ0.15μm程度分とする。この結果、i−GaN層2の途中深さまで延びる孔16が形成される。
Further, as shown in FIG. 3L, the n-
次いで、図3Mに示すように、レジストパターン15を除去する。その後、孔16内に、リフトオフ法によりゲート電極21gを形成する。ゲート電極21gの形成では、ゲート電極21gを形成する領域を開口するレジストパターン、例えば2層レジストパターンを形成し、Ni及びAuの蒸着を行い、その後、レジストパターン上に付着したNi及びAuをレジストパターンごと除去する。Ni膜、Au膜の厚さは、例えば、夫々10nm程度、200nm程度とする。
Next, as shown in FIG. 3M, the resist
続いて、図3Nに示すように、全面にSiN膜17を、例えばプラズマCVD法により形成する。次いで、SiN膜17及びSiN膜14にソース電極21sの一部を露出する開口部17sを形成し、SiN膜17にゲート電極21gの一部を露出する開口部17gを形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 3N, a
その後、図3Oに示すように、n−GaN基板1の裏面を研磨して、n−GaN基板1の厚さを100μm程度とする。このとき、n−GaN基板1を全て取り除いてもよい。n−GaN基板1を電子が走行するとオン抵抗が上昇するためである。続いて、n−GaN基板1の裏面上にドレイン電極21dを形成する。ドレイン電極21dの形成では、n−GaN基板1の裏面上にTa膜、Al膜及びTa膜をこの順で形成する。また、これらの厚さは、例えば、n−GaN基板1側から順に10nm程度、280nm程度、10nm程度とする。続いて、RTA装置を用いて、窒素雰囲気の下で、400℃〜1000℃、例えば550℃で1分間の熱処理を行う。この熱処理により、ドレイン電極21dが形成される。また、この熱処理の結果、オーミック特性が確立する。
Thereafter, as shown in FIG. 3O, the back surface of the n-
このような製造方法により、図2に示す構造のGaN系HEMTを得ることができる。 With such a manufacturing method, a GaN-based HEMT having the structure shown in FIG. 2 can be obtained.
なお、ゲート電極21gのゲート長、即ち2つのソース電極21sを結ぶ方向の長さは、0.2μm〜2μm程度(例えば0.5μm)である。また、ユニットゲート幅、即ちゲート電極21gによって2DEGの濃度が制御される領域の幅は、100μm〜4000μm程度(例えば300μm)である。
Note that the gate length of the
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。図4は、第2の実施形態に係るGaN系HEMT(化合物半導体装置)の構造を示す断面図である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a GaN-based HEMT (compound semiconductor device) according to the second embodiment.
第2の実施形態では、孔16の内面に沿ってTa2O5膜(タンタル酸化膜)18が形成されている。Ta2O5膜18の厚さは、2nm〜40nm程度(例えば10nm)である。Ta2O5膜18は、更にSiN膜14及びSiN膜17の間にも介在している。
In the second embodiment, a Ta 2 O 5 film (tantalum oxide film) 18 is formed along the inner surface of the
即ち、第1の実施形態のゲートがショットキーゲート構造であるのに対し、第2の実施形態のゲートは絶縁ゲート構造となっている。他の構成は第1の実施形態と同様である。 That is, the gate of the first embodiment has a Schottky gate structure, whereas the gate of the second embodiment has an insulated gate structure. Other configurations are the same as those of the first embodiment.
このような第2の実施形態によっても第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、絶縁ゲート構造が採用されているため、順方向におけるゲートリークが皆無となる。従って、ゲート電圧を5V以上とすることも可能となり、最大電流を増加させることができ、電力デバイスにより好適なものとなる。 The effect similar to 1st Embodiment can be acquired also by such 2nd Embodiment. Further, since the insulated gate structure is adopted, there is no gate leakage in the forward direction. Therefore, the gate voltage can be set to 5 V or more, the maximum current can be increased, and the power device is more suitable.
実際に、本願発明者が第1の実施形態と同様のシミュレーションによる検証を行ったところ、下記表2に示す結果が得られた。 Actually, when the inventors of the present application verified by the same simulation as in the first embodiment, the results shown in Table 2 below were obtained.
表2に示すように、最大電流が第1の実施形態と比較して30%以上高くすることができる。また、スイッチング時間をより短縮することもできる。 As shown in Table 2, the maximum current can be increased by 30% or more compared to the first embodiment. In addition, the switching time can be further shortened.
なお、第2の実施形態に係るGaN系HEMTを製造する際には、第1の実施形態における孔16の形成の後に、Ta2O5膜18を、例えば原子層堆積(ALD)法により300℃程度で形成すればよい。そして、Ta2O5膜18の形成後に、600℃程度でアニールを1分施すことにより、内部の水素が脱離して内部の電子トラップ密度が減少し、Ta2O5膜18の質が向上する。
When manufacturing the GaN-based HEMT according to the second embodiment, after the formation of the
また、絶縁ゲート構造に用いられる絶縁膜の材料は特に限定されないが、その誘電率は、例えば10以上であることが好ましく、HfO2系絶縁膜、Al2O3系絶縁膜等が良好な性能を示す。また、オキシナイトライド膜としてHfON膜も使用可能である。この場合はNの原料としてNH3又はN2プラズマを用いたALD法で成膜を行えばよい。 The material of the insulating film used for the insulating gate structure is not particularly limited, but the dielectric constant is preferably 10 or more, for example, and HfO 2 insulating film, Al 2 O 3 insulating film, etc. have good performance. Indicates. Also, an HfON film can be used as the oxynitride film. In this case, the film may be formed by the ALD method using NH 3 or N 2 plasma as the N source.
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について説明する。図5は、第3の実施形態に係るGaN系HEMT(化合物半導体装置)の構造を示す断面図である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of a GaN-based HEMT (compound semiconductor device) according to the third embodiment.
第3の実施形態では、第2の実施形態におけるn−AlGaN層4に代えて、Al及びGaの濃度が深さ方向で変化するn−AlGaN層31が設けられている。n−AlGaN層31内では、n−GaN基板1に近い領域ほどAl濃度が高く、Ga濃度が低くなっている。例えば、n−AlGaN層31のn−GaN基板1との界面近傍では、Al濃度及びGa濃度が50%であり、i−GaN層5との界面近傍では、Al濃度が5%、Ga濃度が95%である。ここでいう、Al濃度及びGa濃度は、Al及びGaの総量に対するAl、Gaの割合である。
In the third embodiment, an n-
他の構成は第2の実施形態と同様である。 Other configurations are the same as those of the second embodiment.
このような第3の実施形態によっても第2の実施形態と同様の効果が得られる。また、n−AlGaN層31のi−GaN層5との界面近傍におけるAl濃度が低く、i−GaN層2のこのAl濃度が低い部分との界面には、2DEGがほとんど存在しない。このため、ノーマリーオフ動作がより確実となると共に、閾値電圧を高めることができる。
The effect similar to 2nd Embodiment is acquired also by such 3rd Embodiment. Further, the Al concentration in the vicinity of the interface between the n-
実際に、本願発明者が第1の実施形態と同様のシミュレーションによる検証を行ったところ、下記表3に示す結果が得られた。 Actually, when the inventors of the present application verified by the same simulation as in the first embodiment, the results shown in Table 3 below were obtained.
表3に示すように、+2Vの閾値電圧が得られる。また、スイッチング時間をより短縮することもできる。 As shown in Table 3, a threshold voltage of + 2V is obtained. In addition, the switching time can be further shortened.
なお、第3の実施形態に係るGaN系HEMTを製造する際には、第2の実施形態におけるn−AlGaN層4の形成に代えて、原料ガスの流量を調整しながら、即ちAl濃度を減少させ、Ge濃度を上昇させながら、n−AlGaN層31を形成すればよい。
When manufacturing the GaN-based HEMT according to the third embodiment, instead of forming the n-
なお、第1の実施形態と同様のショットキーゲート構造が採用されていてもよい。 Note that the same Schottky gate structure as in the first embodiment may be adopted.
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態について説明する。図6は、第4の実施形態に係るGaN系HEMT(化合物半導体装置)の構造を示す断面図である。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a GaN-based HEMT (compound semiconductor device) according to the fourth embodiment.
第4の実施形態では、n型のn−GaN基板1上に、第1の実施形態と同様に、i−GaN層2及びn−AlGaN層4が横方向に交互に配置されている。i−GaN層2には、その界面から途中深さまで延びる素子分離領域11が形成されている。i−GaN層2上に、ソース電極21sが形成されている。i−GaN層2及びn−AlGaN層4上に、ソース電極21sを覆うSiN膜14が形成されている。また、n−AlGaN層4には、その表面から途中深さまで延びる孔16が形成されている。そして、この孔16内に孔16の上方まで延びるゲート電極21gが形成されている。更に、SiN膜14上に、ゲート電極21gを覆うSiN膜17が形成されている。SiN膜17及びSiN膜14には、ソース電極21sの一部を露出する開口部17sが形成され、SiN膜17には、ゲート電極21gの一部を露出する開口部17gが形成されている。
In the fourth embodiment, i-
また、n−GaN基板1の裏面にドレイン電極21dが一面にわたって形成されている。
A drain electrode 21 d is formed on the entire back surface of the n-
このような第4の実施形態では、格子不整合に起因するピエゾ効果により、i−GaN層2のn−AlGaN層4との界面近傍にも電子が誘起される。この結果、縦方向に広がる2DEGが現れる。その一方で、第1〜第3の実施形態と異なり、横方向に広がる2DEGは現れない。即ち、電流の経路が簡素化されている。このため、第1〜第3の実施形態よりもオン抵抗が低くなる。
In the fourth embodiment, electrons are also induced in the vicinity of the interface between the i-
実際に、本願発明者が第1の実施形態と同様のシミュレーションによる検証を行ったところ、下記表4に示す結果が得られた。 Actually, when the inventors of the present application verified by the same simulation as in the first embodiment, the results shown in Table 4 below were obtained.
表4に示すように、オン抵抗が著しく低く、最大電流が極めて高い。また、スイッチング時間をより短縮することもできる。 As shown in Table 4, the on-resistance is extremely low and the maximum current is extremely high. In addition, the switching time can be further shortened.
なお、第4の実施形態において、第2、第3の実施形態のように、絶縁ゲート構造を採用してもよい。また、第3の実施形態のように、n−AlGaN層4に代えて、Al及びGaの濃度が変化するn−AlGaN層31を用いてもよい。
In the fourth embodiment, an insulated gate structure may be employed as in the second and third embodiments. Further, as in the third embodiment, an n-
次に、第4の実施形態に係るGaN系HEMT(化合物半導体装置)を製造する方法について説明する。図7A乃至図7Cは、第4の実施形態に係るGaN系HEMT(化合物半導体装置)の製造方法を工程順に示す断面図である。 Next, a method for manufacturing a GaN-based HEMT (compound semiconductor device) according to the fourth embodiment will be described. 7A to 7C are cross-sectional views showing a method of manufacturing a GaN-based HEMT (compound semiconductor device) according to the fourth embodiment in the order of steps.
第4の実施形態では、先ず、図7Aに示すように、第1の実施形態と同様に、n−GaN基板1上にi−GaN層2及びn−AlGaN層4を形成する。次いで、i−GaN層2内に素子分離領域11を形成する。
In the fourth embodiment, first, as shown in FIG. 7A, an i-
その後、図7Bに示すように、i−GaN層2及び素子分離領域11上にソース電極21sを形成する。
Thereafter, as illustrated in FIG. 7B, the
続いて、図7Cに示すように、SiN膜14を形成する。次いで、SiN膜14のn−AlGaN層4の上方に開口部14aを形成し、孔16をn−AlGaN層4に形成する。そして、孔16内にゲート電極21gを形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 7C, a
その後、第1の実施形態と同様にして、SiN膜17の形成等を行う。
Thereafter, the
このような製造方法により、図6に示す構造のGaN系HEMTを得ることができる。 With such a manufacturing method, a GaN-based HEMT having the structure shown in FIG. 6 can be obtained.
なお、いずれの実施形態においても、基板及び各層の材料、厚さ及び不純物濃度等は特に限定されない。例えば、n−GaN基板1に代えて、導電性シリコン基板、サファイア基板、導電性SiC基板等を用いてもよい。但し、基板の表面は、電子走行層の電子供給層との界面近傍に生じる2DEGの少なくとも一部が基板の表面に平行な面から傾斜した面内で広がり得るものとする。例えば、上記のa面、m面又はr面のn−GaN基板、サファイア基板が挙げられる。従って、電子供給層の一部と電子走行層の一部とが基板の表面に平行な面から傾斜した面を境に接していれば、この面が基板の表面に垂直である必要はなく、2DEGが基板の表面に垂直に広がっている必要もない。また、表面のミラー指数が(100)又は(110)の導電性シリコン基板も挙げられる。サファイア基板の場合には、例えばサファイア基板を研磨等で全て剥離してドレイン電極をGaN結晶層に直接形成することにより、上記の本実施形態と同様の効果を得ることができる。他の基板を用いる場合も、基板を全て剥離してもよい。
In any of the embodiments, the material, thickness, impurity concentration, and the like of the substrate and each layer are not particularly limited. For example, instead of the n-
また、電子走行層、電子供給層等の材料として、他の化合物半導体を用いてもよいが、特に窒化物半導体が好ましい。例えば、横方向電子供給層として機能するn−AlGaN層6、並びに縦方向電子供給層及び電子ブロック層として機能するn−AlGaN層4に代えて、AlGaInN層又はInAlN層を用いてもよい。この場合、Inの組成比によってこれらの層のバンドギャップを調整することが可能となり、HEMTのしきい値を変化させることができる。また、Al濃度を第3の実施形態のように、変化させてもよい。
In addition, other compound semiconductors may be used as materials such as an electron transit layer and an electron supply layer, but nitride semiconductors are particularly preferable. For example, an AlGaInN layer or an InAlN layer may be used instead of the n-
また、ゲート電極21g、ソース電極21s及びドレイン電極21dの構造は上述の実施形態のものに限定されない。例えば、これらが単層から構成されていてもよい。また、これらの形成方法はリフトオフ法に限定されない。更に、オーミック特性が得られるのであれば、ソース電極21s及びドレイン電極21dの形成後の熱処理を省略してもよい。また、ゲート電極21gに対して熱処理を行ってもよい。
The structures of the
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。 Hereinafter, various aspects of the present invention will be collectively described as supplementary notes.
(付記1)
基板と、
前記基板の上方に形成された電子供給層及び電子走行層と、
前記電子供給層及び前記電子走行層の上方に形成されたソース電極及びゲート電極と、
前記基板の裏面に形成されたドレイン電極と、
を有し、
前記電子供給層の少なくとも一部と前記電子走行層の少なくとも一部とが、前記基板の表面に平行な面から傾斜した面を境にして互いに接していることを特徴とする化合物半導体装置。
(Appendix 1)
A substrate,
An electron supply layer and an electron transit layer formed above the substrate;
A source electrode and a gate electrode formed above the electron supply layer and the electron transit layer;
A drain electrode formed on the back surface of the substrate;
Have
At least a part of the electron supply layer and at least a part of the electron transit layer are in contact with each other with a plane inclined from a plane parallel to the surface of the substrate as a boundary.
(付記2)
前記基板は、表面がm面、a面又はr面の導電性GaN基板、導電性SiC又はサファイア基板であることを特徴とする付記1に記載の化合物半導体装置。
(Appendix 2)
2. The compound semiconductor device according to
(付記3)
前記基板は、表面のミラー指数が(100)又は(110)の導電性シリコン基板であることを特徴とする付記1に記載の化合物半導体装置。
(Appendix 3)
The compound semiconductor device according to
(付記4)
前記電子走行層の前記電子供給層と接する部分に2次元電子ガス層が存在し、
前記2次元電子ガス層は、前記基板に、前記基板の表面に平行な面から傾斜して接していることを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
(Appendix 4)
A two-dimensional electron gas layer is present in a portion of the electron transit layer in contact with the electron supply layer;
4. The compound semiconductor device according to
(付記5)
前記電子供給層及び電子走行層の上方に形成され、そのバンドギャップが前記電子供給層及び電子走行層の各バンドギャップの狭い方と同一か、又はそれよりも狭い第1の化合物半導体層と、
前記第1の化合物半導体層上に形成され、そのバンドギャップが前記第1の化合物半導体層のバンドギャップよりも広い第2の化合物半導体層と、
を有することを特徴とする付記1乃至4のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
(Appendix 5)
A first compound semiconductor layer formed above the electron supply layer and the electron transit layer, the band gap of which is the same as or narrower than the narrower one of the band gaps of the electron supply layer and the electron transit layer;
A second compound semiconductor layer formed on the first compound semiconductor layer, the band gap of which is wider than the band gap of the first compound semiconductor layer;
5. The compound semiconductor device according to any one of
(付記6)
前記電子供給層はAl及びNを含み、更にGa又はInの少なくとも一方を更に含むことを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
(Appendix 6)
6. The compound semiconductor device according to any one of
(付記7)
前記ゲート電極は、前記電子走行層に埋め込まれていることを特徴とする付記1乃至6のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
(Appendix 7)
The compound semiconductor device according to any one of
(付記8)
基板の上方に、電子供給層及び電子走行層を、前記電子供給層の少なくとも一部と前記電子走行層の少なくとも一部とが、前記基板の表面に平行な面から傾斜した面を境にして互いに接するように形成する工程と、
前記電子供給層及び前記電子走行層の上方にソース電極及びゲート電極を形成する工程と、
前記基板の裏面にドレイン電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
(Appendix 8)
An electron supply layer and an electron transit layer are provided above the substrate, with at least a part of the electron supply layer and at least a portion of the electron transit layer being inclined from a plane parallel to the surface of the substrate. Forming to contact each other;
Forming a source electrode and a gate electrode above the electron supply layer and the electron transit layer;
Forming a drain electrode on the back surface of the substrate;
A method for producing a compound semiconductor device, comprising:
(付記9)
前記基板として、表面がm面、a面又はr面の導電性GaN基板、導電性SiC又はサファイア基板を用いることを特徴とする付記8に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(Appendix 9)
The method of manufacturing a compound semiconductor device according to appendix 8, wherein a conductive GaN substrate, conductive SiC or sapphire substrate having an m-plane, a-plane or r-plane surface is used as the substrate.
(付記10)
前記基板として、表面のミラー指数が(100)又は(110)の導電性シリコン基板を用いることを特徴とする付記8に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(Appendix 10)
9. The method of manufacturing a compound semiconductor device according to appendix 8, wherein a conductive silicon substrate having a surface mirror index of (100) or (110) is used as the substrate.
1:n−GaN基板
2:i−GaN層
4:n−AlGaN層
5:i−GaN層
6:n−AlGaN層
7:n−GaN層
18:Ta2O5膜
21d:ドレイン電極
21g:ゲート電極
21s:ソース電極
31:n−AlGaN層
1: n-GaN substrate 2: i-GaN layer 4: n-AlGaN layer 5: i-GaN layer 6: n-AlGaN layer 7: n-GaN layer 18: Ta 2 O 5 film 21d:
Claims (5)
前記基板の上方に形成された電子供給層及び電子走行層と、
前記電子供給層及び前記電子走行層の上方に形成されたソース電極及びゲート電極と、
前記基板の裏面に形成されたドレイン電極と、
を有し、
前記電子供給層の少なくとも一部と前記電子走行層の少なくとも一部とが、前記基板の表面に平行な面から傾斜した面を境にして互いに接し、
前記電子走行層に孔が形成され、
前記ゲート電極は前記孔に入り込んでいることを特徴とする化合物半導体装置。 A substrate,
An electron supply layer and an electron transit layer formed above the substrate;
A source electrode and a gate electrode formed above the electron supply layer and the electron transit layer;
A drain electrode formed on the back surface of the substrate;
Have
At least a part of the electron supply layer and at least a part of the electron transit layer are in contact with each other with a plane inclined from a plane parallel to the surface of the substrate as a boundary ,
A hole is formed in the electron transit layer,
The compound semiconductor device, wherein the gate electrode enters the hole .
前記2次元電子ガス層は、前記基板に、前記基板の表面に平行な面から傾斜して接していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。 A two-dimensional electron gas layer is present in a portion of the electron transit layer in contact with the electron supply layer;
4. The compound semiconductor device according to claim 1, wherein the two-dimensional electron gas layer is in contact with the substrate while being inclined from a plane parallel to the surface of the substrate. 5.
前記電子走行層に孔を形成する工程と、
前記電子供給層及び前記電子走行層の上方にソース電極及びゲート電極を形成する工程と、
前記基板の裏面にドレイン電極を形成する工程と、
を有し、
前記ゲート電極は前記孔に入り込むように形成することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。 An electron supply layer and an electron transit layer are provided above the substrate, with at least a part of the electron supply layer and at least a portion of the electron transit layer being inclined from a plane parallel to the surface of the substrate. Forming to contact each other;
Forming a hole in the electron transit layer;
Forming a source electrode and a gate electrode above the electron supply layer and the electron transit layer;
Forming a drain electrode on the back surface of the substrate;
I have a,
The method of manufacturing a compound semiconductor device, wherein the gate electrode is formed so as to enter the hole .
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