JP5725749B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に窒化物半導体を有する半導体装置の製造方法に関する。
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, more particularly, to a method of manufacturing a semiconductor device having a nitride semiconductor.
例えば窒化ガリウム(GaN)等の窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ(HEMT)等のFET(Field Effect Transistor)は、高周波かつ高出力で動作するパワー素子として用いられている。窒化物半導体を用いたFETにおいては、ドレイン電流コラプスとよばれる現象が生じることが知られている(特許文献1)。 For example, a field effect transistor (FET) such as a high electron mobility transistor (HEMT) using a nitride semiconductor such as gallium nitride (GaN) is used as a power element that operates at high frequency and high output. It is known that a phenomenon called drain current collapse occurs in an FET using a nitride semiconductor (Patent Document 1).
窒化物半導体を用いたFETにおいて、ドレイン電流コラプスを抑制することが求められている。本発明は、ドレイン電流コラプスを抑制することを目的とする。 In FETs using nitride semiconductors, it is required to suppress drain current collapse. An object of the present invention is to suppress drain current collapse.
本発明は、窒化物半導体層上に、ソース電極、ゲート電極およびドレイン電極をそれぞれ形成する工程と、前記窒化物半導体層上に接して窒化シリコン膜を形成する工程と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記窒化物半導体層が前記窒化シリコン膜から露出しない状態、かつ前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記窒化シリコン膜の上面が露出した状態において、300℃以上の熱処理を行なう工程と、前記熱処理工程の後に、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の前記窒化シリコン膜の上面に接して有機絶縁膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、ドレイン電流コラプスを抑制することができる。
The present invention includes a step of forming a source electrode, a gate electrode and a drain electrode on a nitride semiconductor layer, a step of forming a silicon nitride film in contact with the nitride semiconductor layer, the source electrode and the drain, respectively. In a state where the nitride semiconductor layer between the electrodes is not exposed from the silicon nitride film and an upper surface of the silicon nitride film between the source electrode and the drain electrode is exposed, heat treatment at 300 ° C. or higher is performed. And a step of forming an organic insulating film in contact with an upper surface of the silicon nitride film between the gate electrode and the drain electrode after the heat treatment step. Is the method. According to the present invention, drain current collapse can be suppressed.
上記構成において、前記有機絶縁膜は、前記ソース電極と前記ゲート電極との間に設けられていない構成とすることができる。 In the above structure, the organic insulating film may not be provided between the source electrode and the gate electrode.
上記構成において、前記ソース電極および前記ドレイン電極上にそれぞれ配線を形成する工程を含み、前記有機絶縁膜は、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間において、前記ソース電極と前記ドレイン電極との上面、さらに前記配線の上面に設けられていない構成とすることができる。 In the above configuration, the method includes a step of forming wirings on the source electrode and the drain electrode, respectively, and the organic insulating film is disposed between the source electrode and the drain electrode and between the source electrode and the drain electrode. Furthermore, it can be set as the structure which is not provided in the upper surface of the said wiring.
上記構成において、前記ソース電極および前記ドレイン電極上にそれぞれ配線を形成する工程を含み、前記有機絶縁膜は、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間において、前記ソース電極と前記ドレイン電極との上面の一部に設けられ、かつ前記配線の上面に設けられていない構成とすることができる。 In the above configuration, the method includes a step of forming wirings on the source electrode and the drain electrode, respectively, and the organic insulating film is disposed between the source electrode and the drain electrode and between the source electrode and the drain electrode. It is possible to adopt a configuration provided in a part of the wiring and not provided on the upper surface of the wiring.
上記構成において、前記有機絶縁膜はポリイミド、ベンゾジクロブテンまたは感光性有機絶縁膜である構成とすることができる。 The said structure WHEREIN: The said organic insulating film can be set as the structure which is a polyimide, a benzodic clobutene, or a photosensitive organic insulating film.
本発明によれば、ドレイン電流コラプスを抑制することができる。 According to the present invention, drain current collapse can be suppressed.
以下、図面を参照し、本発明の実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1(a)から図2(b)は、実施例1に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図1(a)のように、基板10上に、半導体層19として、バッファ層12、チャネル層14、電子供給層16およびキャップ層18が順次形成されている。基板10は、SiCである。バッファ層12は膜厚が300nmのAlN層である。チャネル層14は膜厚が1μmのGaN層である。電子供給層16は、膜厚が20nm、Al組成比が0.2のn型AlGaN層である。キャップ層18は、膜厚が5nmのn型GaN層である。チャネル層14の電子供給層16界面には2DEG(2次元電子ガス)15が形成される。
FIG. 1A to FIG. 2B are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment. As shown in FIG. 1A, the
図1(b)のように、半導体層19上にソース電極20、ゲート電極24およびドレイン電極22を形成する。ソース電極20およびドレイン電極22は、半導体層19側からTa層およびAl層からなり、蒸着法およびリフトオフ法により形成する。ゲート電極24は、半導体層19側からNi層およびAu層をからなり、蒸着法およびリフトオフ法により形成する。図1(c)のように、半導体層19上に接して、およびソース電極20,ゲート電極24およびドレイン電極22を覆うように、膜厚が40nmの窒化シリコン膜26をCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用い形成する。
As shown in FIG. 1B, the
図2(a)のように、ソース電極20およびドレイン電極22上の窒化シリコン膜26を除去し、ソース電極20およびドレイン電極22に接する配線30をソース電極20およびドレイン電極22上に形成する。配線30はAuめっきにより形成する。めっきシンターとして350℃の温度で30分間熱処理する。図2(b)のように、感光性フォトレジスト32を塗布し、露光現像する。これにより、膜厚が1μmのフォトレジスト32を、ソース電極20からドレイン電極22の間の窒化シリコン膜26上に形成する。フォトレジスト32は、ソース電極20とドレイン電極22との間において、ソース電極20とドレイン電極22との上面、さらに配線30の上面に設けられていない。
As shown in FIG. 2A, the
図3(a)から図3(c)は、ドレイン電圧電流特性を示す図である。ドレイン電圧電流特性を測定したHEMTは、ゲート長が1μm、ゲート幅が80μm、ゲート−ドレイン距離が5μmである。ドレイン電圧電流特性は、カーブトレーサを用い測定した。図3(a)から図3(c)において、破線は、ドレイン電圧を10Vまで印加し、ゲート電圧を2Vからマイナス方向に−1Vステップで印加したドレイン電圧電流特性を示している。実線は、ドレイン電圧を50Vまで印加し、ゲート電圧を2Vからマイナス方向に−1Vステップで印加したドレイン電圧電流特性を示している。 FIG. 3A to FIG. 3C are diagrams showing drain voltage-current characteristics. The HEMT whose drain voltage-current characteristics were measured has a gate length of 1 μm, a gate width of 80 μm, and a gate-drain distance of 5 μm. The drain voltage / current characteristics were measured using a curve tracer. In FIG. 3A to FIG. 3C, the broken line indicates the drain voltage-current characteristics when the drain voltage is applied up to 10V and the gate voltage is applied in the minus direction from 2V in the minus direction. The solid line shows the drain voltage-current characteristics when the drain voltage is applied up to 50 V and the gate voltage is applied from 2 V in the minus direction in −1 V step.
図3(a)は、図2(a)の熱処理前に測定した結果を示す。図3(a)のように、ドレイン電圧を50V印加する前後で、ドレイン電圧電流特性は変化していない。図3(b)は、350℃において30分熱処理を行なった後の測定結果を示す。図3(b)のように、ドレイン電流が減少している。この現象は、ドレイン電流コラプス現象である。図3(c)は、その後、図2(b)の工程後に測定した結果を示す。図3(c)のように、ドレイン電圧を50V印加してもドレイン電流コラプス現象はほとんど観測されない。このように、窒化シリコン膜26を形成した後に350℃の熱処理を行なうとドレイン電流コラプス現象が観測される。しかし、窒化シリコン膜26上に有機絶縁膜を形成することによりドレイン電流コラプス現象が抑制できることがわかった。
FIG. 3 (a) shows the results measured before the heat treatment of FIG. 2 (a). As shown in FIG. 3A, the drain voltage-current characteristics are not changed before and after the drain voltage of 50 V is applied. FIG. 3B shows the measurement result after heat treatment at 350 ° C. for 30 minutes. As shown in FIG. 3B, the drain current decreases. This phenomenon is a drain current collapse phenomenon. FIG.3 (c) shows the result measured after the process of FIG.2 (b) after that. As shown in FIG. 3C, the drain current collapse phenomenon is hardly observed even when a drain voltage of 50 V is applied. As described above, when the heat treatment at 350 ° C. is performed after the
ドレイン電流コラプスは、チャネル(例えば2DEG)の電子が高エネルギーとなり半導体層19表面または窒化シリコン膜26内のトラップに捕獲されるために生じる現象と考えられる。窒化シリコン膜26表面のSiのダングリングボンドが多いと、ダングリングボンドの影響により、電子がトラップに捕獲され易くなると考えられる。窒化シリコン膜28が熱処理されると、Si−H結合が離れ、窒化シリコン膜28表面にSiのダングリングボンドが多数形成される。このため、ドレイン電流コラプスが大きくなる。特に、ゲート電極24とドレイン電極22との間は、電界が大きく2DEGの電子がトラップに捕獲され易い。図3(c)のように、窒化シリコン膜26上面に接して有機絶縁膜を形成すると、窒化シリコン膜26表面のSiのダングリングボンドが終端され、ドレイン電流コラプスが抑制されると考えられる。
The drain current collapse is considered to be a phenomenon that occurs because electrons in the channel (for example, 2DEG) become high energy and are trapped by the surface of the
実施例1によれば、ゲート電極24とドレイン電極22との間の窒化シリコン膜26の上面に接して有機絶縁膜を形成する。これにより、ドレイン電流コラプスを抑制することができる。窒化シリコン膜26表面のSiのダングリングボンドは、300℃以上の熱処理で生じやすく、350℃以上でより生じやすい。よって、ゲート電極24とドレイン電極22との間の窒化シリコン膜26の上面が露出した状態において300℃以上の熱処理を行なった後、窒化シリコン膜26の上面に有機絶縁膜を形成することが好ましい。
According to the first embodiment, the organic insulating film is formed in contact with the upper surface of the
実施例1においては、有機絶縁膜によるドレイン電流コラプスを抑制する効果を調べるため、有機絶縁膜としてフォトレジスト32を用いた。有機絶縁膜(感光性有機絶縁膜)としては、ポリイミド、BCB(ベンゾジクロブテン)または感光性有機絶縁膜等を用いることができる。
In Example 1, in order to investigate the effect of suppressing the drain current collapse caused by the organic insulating film, a
実施例2は、感光性でない有機絶縁膜を用いる例である。図4(a)および図4(b)は、実施例2に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図4(a)のように、実施例1の図2(a)の後に全面に有機絶縁膜34を塗布する。有機絶縁膜34の膜厚は例えば2μmである。図4(b)のように、有機絶縁膜34を酸素プラズマにより全面エッチングする。例えば、有機絶縁膜34の膜厚を1μmエッチングする。これにより、配線30からなるパッドが露出する。実施例2の有機絶縁膜34は、ソース電極20とドレイン電極22との間において、ソース電極20とドレイン電極22の上面の一部に設けられ、かつ前記配線の上面に設けられていない。
Example 2 is an example using an organic insulating film that is not photosensitive. FIG. 4A and FIG. 4B are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment. As shown in FIG. 4A, an organic insulating
実施例1のように、有機絶縁膜として感光性有機絶縁膜を用いることができる。また、実施例2のように、有機絶縁膜として感光性でない有機絶縁膜を用いることもできる。 As in Example 1, a photosensitive organic insulating film can be used as the organic insulating film. Further, as in Example 2, an organic insulating film that is not photosensitive can be used as the organic insulating film.
実施例3は有機絶縁膜としてポリイミドを用いる例である。図5(a)から図5(c)は実施例3に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図5(a)のように、実施例1の図2の後、窒化シリコン膜26上に、プラズマCVD法を用い窒化シリコン膜28を800nm形成する。配線30を覆うように、プラズマCVD法を用い窒化シリコン膜36を600nm形成する。
Example 3 is an example in which polyimide is used as the organic insulating film. FIG. 5A to FIG. 5C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment. As shown in FIG. 5A, after FIG. 2 of the first embodiment, a
図5(b)のように、窒化シリコン膜36上に、有機絶縁膜として感光性ポリイミド膜38を塗布する。露光現像することにより、配線30からなるパッド上の感光性ポリイミド膜38に開口37を形成する。図5(c)のように、感光性ポリイミド膜38をマスクに窒化シリコン膜36をエッチングする。これにより、パッド表面が露出する。パッド上に直接感光性ポリイミド膜38が形成されていないため、ポリイミドの残渣によるパッドのコンタクト不良が抑制される。
As shown in FIG. 5B, a
図6(a)および図6(b)は、ドレイン電圧電流特性を示す図である。ドレイン電圧電流特性を測定したHEMTは、ゲート長が1μm、ゲート幅が1mm、ゲート−ドレイン距離が5μmである。ドレイン電圧が0V、ゲート電圧が0Vをベースに4μsのパルスを用いドレイン電圧およびゲート電圧を印加することにより、ドレイン電圧電流特性を測定した結果を破線で示した。一方、ドレイン電圧が50V、ゲート電圧が−3Vをベースに4μsのパルスを用いドレイン電圧およびゲート電圧を印加することにより、ドレイン電圧電流特性を測定した結果を実線で示した。パルスのデュティは1%とした。ゲート電圧は−2Vから2Vまで0.4Vステップで印加した。ドレイン電圧が5V、ゲート電圧が2Vのときの破線に対する実線のドレイン電流値の比をコラプス率とした。 FIG. 6A and FIG. 6B are diagrams showing drain voltage-current characteristics. The HEMT whose drain voltage-current characteristics were measured has a gate length of 1 μm, a gate width of 1 mm, and a gate-drain distance of 5 μm. A result of measuring drain voltage current characteristics by applying a drain voltage and a gate voltage using a pulse of 4 μs based on a drain voltage of 0 V and a gate voltage of 0 V is shown by a broken line. On the other hand, the result of measuring the drain voltage current characteristics by applying the drain voltage and the gate voltage using a pulse of 4 μs based on the drain voltage of 50 V and the gate voltage of −3 V is shown by a solid line. The pulse duty was 1%. The gate voltage was applied in a 0.4V step from -2V to 2V. The ratio of the drain current value of the solid line to the broken line when the drain voltage is 5 V and the gate voltage is 2 V is defined as the collapse rate.
図6(a)は、図5(a)の工程でのドレイン電圧電流特性である。すなわち、感光性ポリイミド膜38を形成する前のドレイン特性を示している。このとき、コラプス率は76%であった。図6(b)は、図5(c)の工程でのドレイン電圧電流特性である。すなわち、感光性ポリイミド膜38を形成した後のドレイン特性を示している。このとき、コラプス率は84%であった。
FIG. 6A shows drain voltage-current characteristics in the process of FIG. That is, the drain characteristics before forming the
以上のように、半導体層19から感光性ポリイミド膜38までの窒化シリコン膜26、28および36の総膜厚が1440nmにおいて、窒化シリコン膜に接して有機絶縁膜を形成することにより、ドレイン電流コラプス現象を抑制することができた。このように、ドレイン電流コラプス現象の抑制および窒化シリコン膜の成膜工数等を考慮した場合には、半導体層19から有機絶縁膜までの窒化シリコン膜の総膜厚は1.5μm以下が好ましい。さらに、1.0μm以下が好ましい。さらに、実施例1のように、100nm以下がより好ましい。
As described above, when the total thickness of the
実施例4はフィールドプレートを有する半導体装置の例である。図7(a)から図7(c)は、実施例4に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図7(a)のように、図5(a)の後、配線30からなるパッド上の窒化シリコン膜36を除去する。ゲート電極24とドレイン電極22との間の窒化シリコン膜36上にフィールドプレート40を形成する。フィールドプレート40は例えばAuからなる。図7(b)のように、全面に膜厚が2μmの非感光性ポリイミド膜42を塗布する。図7(c)のように、非感光性ポリイミド膜42を1μm全面エッチングする。これにより、パッドの表面が露出する。
Example 4 is an example of a semiconductor device having a field plate. FIG. 7A to FIG. 7C are cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 7A, after FIG. 5A, the
実施例4のように、窒化シリコン膜36上にフィールドプレート40が形成されている場合に、窒化シリコン膜36上に有機絶縁膜を形成してもよい。ゲート電極24とドレイン電極22との間にフィールドプレート40が形成されている場合は、少なくともフィールドプレート40とドレイン電極22との間の窒化シリコン膜の上面上に有機絶縁膜を形成することが好ましい。
When the
実施例5は、ソース電極20とゲート電極24との間の有機絶縁膜を除去する例である。図8(a)および図8(c)は、実施例5に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図8(a)のように、実施例1の図2(a)の後、感光性有機絶縁膜44を塗布する。露光現像することにより、配線30からなるパッド上の有機絶縁膜44を除去する。図8(b)のように、開口を有するフォトレジスト50を形成する。図8(c)のように、フォトレジスト50をマスクに有機絶縁膜44を除去する。つまり、有機絶縁膜44は、ゲート電極24とドレイン電極22との間のみに形成されている。これにより、ソース電極20とゲート電極24との間の有機絶縁膜44が除去される。ソース電極20とゲート電極24との間の有機絶縁膜44が除去されることにより、ソース−ゲート容量を低減することができる。
Example 5 is an example in which the organic insulating film between the
実施例5のように、ドレイン電流コラスプ現象の抑制に効果のあるゲート電極24とドレイン電極22との間に有機絶縁膜44を形成し、ゲート電極24とドレイン電極22との間以外には有機絶縁膜44を形成しない。例えば、有機絶縁膜44を、ソース電極20とゲート電極24との間に形成しない。これにより、寄容量を抑制することができる。有機絶縁膜は、ゲート電極24とドレイン電極22との間の領域の少なくとも一部に形成されていればよい。また、ゲート電極24とドレイン電極22との間の領域の全てに形成されていてもよい。有機絶縁膜が形成される領域は、半導体層19内の電界が最も強い領域を含むことが好ましい。
As in the fifth embodiment, an organic insulating
実施例1〜5において、AlGaNを電子供給層16、GaNをチャネル層14とするHEMTを例に説明したが、半導体層19としては他の窒化物半導体を用いることができる。窒化物半導体とは、窒素を含む半導体であり、例えばInN、AlN、InGaN、InAlNまたはAlInGaN等である。
In the first to fifth embodiments, the HEMT using the AlGaN as the
また、実施例1〜5において、キャップ層18を設けた例を説明したが、キャップ層18を設けず、ゲート電極24を電子供給層16上に直接形成してもよい。また、基板10としてSiCの例を説明したが、基板10は、サファイヤまたはSi基板等でもよい。
Further, in Examples 1 to 5, the example in which the
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
19 半導体層
20 ソース電極
22 ドレイン電極
24 ゲート電極
26、28、36 窒化シリコン膜
32 フォトレジスト
34、44 有機絶縁膜
38 感光性ポリイミド膜
42 非感光性ポリイミド膜
19
Claims (6)
前記窒化物半導体層上に接して窒化シリコン膜を形成する工程と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記窒化物半導体層が前記窒化シリコン膜から露出しない状態、かつ前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記窒化シリコン膜の上面が露出した状態において、300℃以上の熱処理を行なう工程と、
前記熱処理工程の後に、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の前記窒化シリコン膜の上面に接して有機絶縁膜を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode on the nitride semiconductor layer; and
Forming a silicon nitride film in contact with the nitride semiconductor layer;
In a state where the nitride semiconductor layer between the source electrode and the drain electrode is not exposed from the silicon nitride film and an upper surface of the silicon nitride film between the source electrode and the drain electrode is exposed, Performing a heat treatment at 300 ° C. or higher;
Forming an organic insulating film in contact with the upper surface of the silicon nitride film between the gate electrode and the drain electrode after the heat treatment step ;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記有機絶縁膜は、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間において、前記ソース電極と前記ドレイン電極との上面、さらに前記配線の上面に設けられていないことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 Forming a wiring on each of the source electrode and the drain electrode,
The organic insulating film, in between the source electrode and the drain electrode, the upper surface of the source electrode and the drain electrode, a semiconductor according to claim 1, wherein the not provided further on the upper surface of said wiring Device manufacturing method.
前記有機絶縁膜は、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間において、前記ソース電極と前記ドレイン電極との上面の一部に設けられ、かつ前記配線の上面に設けられていないことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 Forming a wiring on each of the source electrode and the drain electrode,
The organic insulating film is provided on a part of the upper surface of the source electrode and the drain electrode between the source electrode and the drain electrode, and is not provided on the upper surface of the wiring. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 .
前記熱処理は、前記配線のめっきシンターであることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。 Forming a wiring on each of the source electrode and the drain electrode by plating,
6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the heat treatment is a plating sinter of the wiring.
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