JP5942371B2 - 化合物半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
化合物半導体装置の一態様は、化合物半導体層と、開口を有し、前記化合物半導体層上を覆う絶縁膜と、前記絶縁膜の前記開口の一端部分に形成された、酸素を含有する保護部と、前記保護部を覆い前記絶縁膜と接し、前記開口を埋め込むように前記化合物半導体層上に形成された、Niを有するゲートとを含み、前記保護部と前記ゲートの前記Niとの間に不動態が形成されている。
化合物半導体装置の製造方法の一態様は、化合物半導体層上に、開口を有する絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の前記開口の一端部分に、酸素を含有する保護部を形成する工程と、前記開口を埋め込み前記保護部を覆い前記絶縁膜と接するように前記化合物半導体層上にゲートを形成する工程とを含み、前記保護部を形成する工程では、前記絶縁膜の前記開口の一端部の表層部分のみに酸素を導入し、前記表層部分を前記保護部とする。
化合物半導体装置の製造方法の一態様は、化合物半導体層上に、開口を有する絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の前記開口の一端部分に、酸素を含有する保護部を形成する工程と、前記開口を埋め込み前記保護部を覆い前記絶縁膜と接するように前記化合物半導体層上に、Niを有するゲートを形成する工程とを含み、前記ゲートを形成する工程において、前記保護部と前記ゲートの前記Niとの間に不動態が形成される。
なお、以下の図面において、図示の便宜上、相対的に正確な大きさ及び厚みに示していない構成部材がある。
本実施形態では、化合物半導体装置としてショットキー型のAlGaN/GaN・HEMTを開示する。
図1〜図4は、第1の実施形態によるショットキー型のAlGaN/GaN・HEMTの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
ここで、バッファ層2aは膜厚0.1μm程度、電子走行層2bは膜厚3μm程度、中間層2cは膜厚5nm程度、電子供給層2dは膜厚20nm程度で例えばAl比率0.2〜0.3程度、表面層2eは膜厚10nm程度に形成する。
詳細には、化合物半導体層2の素子分離領域に例えばアルゴン(Ar)を注入する。これにより、化合物半導体層2及びSiC基板1の表層部分に素子分離構造3が形成される。素子分離構造3により、化合物半導体層2上で活性領域が画定される。
なお、素子分離は、上記の注入法の代わりに、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法を用いて行っても良い。
詳細には、先ず、化合物半導体層2の表面におけるソース電極及びドレイン電極の形成予定位置のキャップ層2eに、電極溝2A,2Bを形成する。
化合物半導体層2の表面におけるソース電極及びドレイン電極の形成予定位置を開口するレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いて、キャップ層2eをドライエッチングして除去する。これにより、電極溝2A,2Bが形成される。ドライエッチングには、Ar等の不活性ガス及びCl2等の塩素系ガスをエッチングガスとして用いる。ここで、キャップ層2eを貫通して電子供給層2dの表層部分までドライエッチングして電極溝を形成しても良い。
詳細には、化合物半導体層2の全面に絶縁物、例えばシリコン窒化物(SiN)を、プラズマCVD法等により例えば50nm程度の厚みに堆積する。これにより、第1の保護膜6が形成される。化合物半導体層2上を覆う第1の保護膜6は、均質な同一材料(ここではSiN)で形成される。
第1の保護膜の材料にSiO2を用いる場合、SiO2はダングリングボンドが少ない材料であるが、第1の保護膜に開口を形成するためのドライエッチングにより、開口端部においてSiO2の結合が破壊され、ダングリングボンドが増加する。本実施形態では、後述するように、第2の保護膜により開口端部が保護されることになる。
詳細には、先ず、第1の保護膜6の全面にレジストを塗布する。レジストに紫外線法により例えば600nm幅の開口用露光を行い、レジストを現像する。これにより、開口10aを有するレジストマスク10が形成される。
レジストマスク10は、酸素プラズマを用いたアッシング処理又は薬液を用いたウェット処理により除去される。
詳細には、第1の保護膜6上に所定の酸化物を堆積する。酸化物としては、シリコン酸化物(SiO2)、シリコン酸窒化物(SiON)、SOG等の炭素含有シリコン酸化物(SiOC)、アルミナ(Al2O3)、ハフニウム酸化物(HfO2)等が好ましい。本実施形態では、例えばSiO2を用いる。具体的に、開口6a内を含む第1の保護膜6の全面に、例えば電子線感光型SOD膜(ネガ型)をスピンコーティング法により成膜する。これにより、酸化膜7が形成される。
詳細には、電子線描画法により酸化膜7に対して、開口6aの一端部位上に位置する部分に電子線を照射する。ここでは、酸化膜7の、開口6aのドレイン形成部位側の端部から、ドレイン形成部位側に100nm程度後退した位置と、開口6a内に50nm程度進入した位置との間の領域に、所定の電子線をドーズする。その後、酸化膜7を現像及びキュアする。以上により、上記の領域のみに酸化膜7が残存し、第2の保護膜7aが形成される。第2の保護膜7aは、第1の保護膜6の表面上から、開口6aの側面を覆い、化合物半導体層2の表面である開口6aの底面の一部にかけて形成される。
詳細には、先ず、下層レジスト11(例えば、商品名PMGI:米国マイクロケム社製)及び上層レジスト12(例えば、商品名PFI32-A8:住友化学社製)をそれぞれ例えばスピンコート法により全面に塗布形成する。紫外線露光により例えば1.5μm径程度の開口12aを上層レジスト12に形成する。次に、上層レジスト12をマスクとして、下層レジスト11をアルカリ現像液でウェットエッチングし、下層レジスト11に開口11aを形成する。以上により、開口11aを有する下層レジスト11と、開口12aを有する上層レジスト12とからなるレジストマスク13が形成される。レジストマスク13において、開口11a及び開口12aが連通する開口を13aとする。
詳細には、レジストマスク13をマスクとして、開口13a内を含む全面にゲートメタル(Ni:膜厚10nm程度/Au:膜厚300nm程度)を蒸着する。これにより、第1の保護膜6の開口6a内をゲートメタルで埋め込み化合物半導体層2の表面とショットキー接触する、ゲート電極8が形成される。
詳細には、SiC基板1を80℃に加温したN-メチル-ピロリジノン中に浸潤し、レジストマスク13及び不要なゲートメタルをリフトオフ法により除去する。ゲート電極8は、下部が開口6aで化合物半導体層2の表面とショットキー接触し、上部が開口6aよりも幅広のオーバーハング形状に形成される。第2の保護膜7aは、ゲート電極8の上部下に位置し、ゲート電極8の上部で覆われて包含される。
図5は、第1の実施形態によるショットキー型のAlGaN/GaN・HEMTを示す概略断面図であり、図4(b)に対応する図である。図6は、本実施形態の比較例として、従来のAlGaN/GaN・HEMTを示す概略断面図である。
図7に示すように、本実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTでは、200℃におけるピンチオフ通電において、長時間にわたってゲートリーク電流の増大が抑制されることが確認された、この結果は、本実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTがデバイス特性に優れ、高い信頼性を有していることを示している。
以下、第1の実施形態によるショットキー型のAlGaN/GaN・HEMTの変形例について説明する。本例では、第2の保護膜の形状が異なる点で第1の実施形態と相違する。なお、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTと同様の構成部材等については、同符号を付して詳しい説明を省略する。
図8は、第1の実施形態の変形例によるショットキー型のAlGaN/GaN・HEMTの製造方法における主要工程を示す概略断面図である。
詳細には、電子線描画法により酸化膜7に対して、開口6aの一端部位上に位置する部分に電子線を照射する。ここでは、酸化膜7の、開口6aのドレイン形成部位側の端部から、ドレイン形成部位側に100nm程度後退した位置と、開口6a内に50nm程度進入した位置との間の領域に、所定の電子線をドーズする。このとき、電子線のドーズ量を、中央部分の領域では一定値とし、各端部の近傍領域では、各端部に向かうほど上記の一定値から減少する低値となるように調節する。その後、酸化膜7を現像及びキュアする。以上により、上記の領域のみに酸化膜7が残存し、第2の保護膜7bが形成される。第2の保護膜7bは、図8(b)の下図にも拡大して示すように、中央部の領域7baでは一定の膜厚であり、各端部の近傍領域7bbでは、各端部に向かって徐々に膜厚が薄くなるテーパ形状とされる。
しかる後、ソース電極4及びドレイン電極5、ゲート電極8の電気的接続等の諸工程を経て、ショットキー型のAlGaN/GaN・HEMTが形成される。
本実施形態における第2の保護膜7aでは、その各端部で第1の保護膜6との間に段差が生じる。そのため、各端部(特にドレイン電極5側の端部)で電界強度が増大する可能性がある。本例における第2の保護膜7bでは、各端部の近傍領域7bbにおいて各端部に向かって徐々に膜厚が薄くなる形状とされ、上記の段差が解消されている。これにより、第2の保護膜7bの各端部における電界集中が緩和し、ゲート電極8の近傍における第1の保護膜6及び第2の保護膜7b、及び化合物半導体層2の変質が防止され、デバイス特性の劣化の更なる確実な防止が実現する。
以下、第2の実施形態によるショットキー型のAlGaN/GaN・HEMTについて説明する。本実施形態では、第1の実施形態における第2の保護膜に相当する保護部の態様が異なる点で第1の実施形態と相違する。なお、第1の実施形態によるAlGaN/GaN・HEMTと同様の構成部材等については、同符号を付して詳しい説明を省略する。
図9及び図10は、第2の実施形態によるショットキー型のAlGaN/GaN・HEMTの製造方法における主要工程を示す概略断面図である。
詳細には、先ず、第1の保護膜6の全面にレジストを塗布する。レジストに電子描画法により、例えばソース電極4とドレイン電極5との間におけるドレイン電極5寄りの200nm幅の所定領域に電子照射を行い、レジストを現像する。これにより、開口11aを有するレジストマスク11が形成される。
レジストマスク11は、酸素プラズマを用いたアッシング処理又は薬液を用いたウェット処理により除去される。
詳細には、第1の保護膜6の全面にレジストを塗布する。レジストに紫外線法により例えば600nm幅の開口用露光を行い、レジストを現像する。これにより、開口12aを有するレジストマスク12が形成される。開口12aから、保護領域6bのソース電極4側の一部を含む第1の保護膜6の表面の一部が露出する。
詳細には、レジストマスク12を用いて、第1の保護膜6をSF6をエッチングガスとして用いてドライエッチングする。これにより、第1の保護膜6の開口12aから露出する部位がエッチングされ、第1の保護膜6には開口6aが形成される。開口6aの形成により、保護領域6bは、開口6aのドレイン電極5側の一端部からドレイン電極5側に100nm程度後退した位置まで残存する。
レジストマスク12は、酸素プラズマを用いたアッシング処理又は薬液を用いたウェット処理により除去される。
しかる後、ソース電極4及びドレイン電極5、ゲート電極8の電気的接続等の諸工程を経て、ショットキー型のAlGaN/GaN・HEMTが形成される。
本実施形態では、第1の実施形態及び変形例、第2の実施形態から選ばれた1種のAlGaN/GaN・HEMTを備えた電源装置を開示する。
図11は、第3の実施形態による電源装置の概略構成を示す結線図である。
一次側回路21は、交流電源24と、いわゆるブリッジ整流回路25と、複数(ここでは4つ)のスイッチング素子26a,26b,26c,26dとを備えて構成される。また、ブリッジ整流回路25は、スイッチング素子26eを有している。
二次側回路32は、複数(ここでは3つ)のスイッチング素子27a,27b,27cを備えて構成される。
本実施形態では、第1の実施形態及び変形例、第2の実施形態から選ばれた1種のAlGaN/GaN・HEMTを備えた高周波増幅器を開示する。
図12は、第4の実施形態による高周波増幅器の概略構成を示す結線図である。
ディジタル・プレディストーション回路31は、入力信号の非線形歪みを補償するものである。ミキサー32aは、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号をミキシングするものである。パワーアンプ33は、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅するものであり、第1の実施形態及び変形例、第2の実施形態から選ばれた1種のAlGaN/GaN・HEMTを有している。なお図12では、例えばスイッチの切り替えにより、出力側の信号をミキサー32bで交流信号とミキシングしてディジタル・プレディストーション回路31に送出できる構成とされている。
第1〜第4の実施形態では、化合物半導体装置としてAlGaN/GaN・HEMTを例示した。化合物半導体装置としては、AlGaN/GaN・HEMT以外にも、以下のようなHEMTに適用できる。
本例では、化合物半導体装置として、InAlN/GaN・HEMTを開示する。
InAlNとGaNは、組成によって格子定数を近くすることが可能な化合物半導体である。この場合、上述した第1の実施形態及び変形例、第2〜第4の実施形態では、電子走行層がi−GaN、中間層がAlN、電子供給層がn−InAlN、キャップ層がn−GaNで形成される。また、この場合のピエゾ分極がほとんど発生しないため、2次元電子ガスは主にInAlNの自発分極により発生する。
本例では、化合物半導体装置として、InAlGaN/GaN・HEMTを開示する。
GaNとInAlGaNは、後者の方が前者よりも格子定数が小さい化合物半導体である。この場合、上述した第1の実施形態及び変形例、第2〜第4の実施形態では、電子走行層がi−GaN、中間層がi−InAlGaN、電子供給層がn−InAlGaN、キャップ層がn+−GaNで形成される。
開口を有し、前記化合物半導体層上を均質な同一材料で連続的に覆う絶縁膜と、
前記開口を埋め込むように前記化合物半導体層上に形成されたゲートと
を含み、
前記絶縁膜の前記開口の一端部分に、酸素を含有する保護部が形成されていることを特徴とする化合物半導体装置。
前記保護部は、前記ゲート下に位置することを特徴とする付記1〜5のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
前記絶縁膜の前記開口の一端部分に、酸素を含有する保護部を形成する工程と、
前記開口を埋め込むように前記化合物半導体層上にゲートを形成する工程と
を含むことを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
前記保護部を、前記ゲート下に位置するように形成することを特徴とする付記7〜11のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
前記高圧回路はトランジスタを有しており、
前記トランジスタは
化合物半導体層と、
開口を有し、前記化合物半導体層上を均質な同一材料で連続的に覆う絶縁膜と、
前記開口を埋め込むように前記化合物半導体層上に形成されたゲートと
を含み、
前記絶縁膜の前記開口の一端部分に、酸素を含有する保護部が形成されていることを特徴とする電源回路。
トランジスタを有しており、
前記トランジスタは、
化合物半導体層と、
開口を有し、前記化合物半導体層上を均質な同一材料で連続的に覆う絶縁膜と、
前記開口を埋め込むように前記化合物半導体層上に形成されたゲートと
を含み、
前記絶縁膜の前記開口の一端部分に、酸素を含有する保護部が形成されていることを特徴とする高周波増幅器。
2 化合物半導体層
2a バッファ層
2b 電子走行層
2c 中間層
2d 電子供給層
2e キャップ層
3 素子分離構造
2A,2B 電極溝
4 ソース電極
5 ドレイン電極
6 第1の保護膜
6a,10a,11a,12a 開口
6b 保護領域
7 酸化膜
7a,7b 第2の保護膜
7ba 中央部の領域
7bb 端部の近傍領域7bb
8 ゲート電極
10,11,12 レジストマスク
21 一次側回路
22 二次側回路
23 トランス
24 交流電源
25 ブリッジ整流回路
26a,26b,26c,26d,26e,27a,27b,27c スイッチング素子
31 ディジタル・プレディストーション回路
32a,32b ミキサー
33 パワーアンプ
Claims (12)
- 化合物半導体層と、
開口を有し、前記化合物半導体層上を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜の前記開口の一端部分に形成された、酸素を含有する保護部と、
前記保護部を囲むように前記絶縁膜と接し、前記開口を埋め込み、前記化合物半導体層上に形成されたゲートと、
を含み、
前記保護部の一部は、前記絶縁膜上にあることを特徴とする化合物半導体装置。 - 前記保護部は、前記ゲートと前記絶縁膜との間で前記開口の一端を覆う酸化膜であることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体装置。
- 前記酸化膜は、その端部に近づくにつれて徐々に薄くなるテーパ構造を有することを特徴とする請求項2に記載の化合物半導体装置。
- 前記酸化膜は、前記絶縁膜の表面上から、前記開口の側面を覆い、前記化合物半導体層の表面である前記開口の底面の一部にかけて形成されていることを特徴とする請求項2又は3に記載の化合物半導体装置。
- 前記保護部は、前記絶縁膜の局所的な表層部分であることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体装置。
- 化合物半導体層と、
開口を有し、前記化合物半導体層上を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜の前記開口の一端部分に形成された、酸素を含有する保護部と、
前記保護部を覆い前記絶縁膜と接し、前記開口を埋め込むように前記化合物半導体層上に形成された、Niを有するゲートと、
を含み、
前記保護部と前記ゲートの前記Niとの間に不動態が形成されていることを特徴とする化合物半導体装置。 - 化合物半導体層上に、開口を有する絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の前記開口の一端部分に、酸素を含有する保護部を形成する工程と、
前記開口を埋め込み前記保護部を囲むように前記絶縁膜と接し、前記開口を埋め込むように前記化合物半導体層上にゲートを形成する工程と、
を含み、
前記保護部の一部は、前記絶縁膜上にあることを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。 - 前記保護部を形成する工程では、前記開口の一端を覆う酸化膜を形成して前記保護部とすることを特徴とする請求項7に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記酸化膜を、その端部に近づくにつれて徐々に薄くなるように形成することを特徴とする請求項8に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記酸化膜を、前記絶縁膜の表面上から、前記開口の側面を覆い、前記化合物半導体層の表面である前記開口の底面の一部にかけて形成することを特徴とする請求項8又は9に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 化合物半導体層上に、開口を有する絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の前記開口の一端部分に、酸素を含有する保護部を形成する工程と、
前記開口を埋め込み前記保護部を覆い前記絶縁膜と接するように前記化合物半導体層上にゲートを形成する工程と、
を含み、
前記保護部を形成する工程では、前記絶縁膜の前記開口の一端部の表層部分のみに酸素を導入し、前記表層部分を前記保護部とすることを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。 - 化合物半導体層上に、開口を有する絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の前記開口の一端部分に、酸素を含有する保護部を形成する工程と、
前記開口を埋め込み前記保護部を覆い前記絶縁膜と接するように前記化合物半導体層上に、Niを有するゲートを形成する工程と、
を含み、
前記ゲートを形成する工程において、前記保護部と前記ゲートの前記Niとの間に不動態が形成されることを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
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