JP6016440B2 - Nitride semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

この発明は、III族窒化物半導体(以下単に「窒化物半導体」という場合がある。)からなる半導体装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device made of a group III nitride semiconductor (hereinafter sometimes simply referred to as “nitride semiconductor”) and a method for manufacturing the same.

III族窒化物半導体とは、III-V族半導体においてV族元素として窒素を用いた半導体である。窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)が代表例である。一般には、AlInGa1−X−YN(0≦X≦1,0≦Y≦1,0≦X+Y≦1)と表わすことができる。
このような窒化物半導体を用いたHEMT(高電子移動度トランジスタ)が提案されている。このようなHEMTは、たとえば、GaNからなる電子走行層と、この電子走行層上にエピタキシャル成長されたAlGaNからなる電子供給層とを含む。電子供給層に接するように一対のソース電極およびドレイン電極が形成され、それらの間にゲート電極が配置される。ゲート電極は、電子走行層に対向するように配置され、電子供給層にショットキ接合している。電子走行層内において、電子走行層と電子供給層とのヘテロ接合界面から数Åだけ内方の位置には、二次元電子ガスが形成される。窒化物半導体を用いたHEMTでは、GaNとAlGaNとの格子不整合に起因する分極によるキャリヤも二次元電子ガスの形成に寄与する。この二次元電子ガスをチャネルとして、ソース・ドレイン間が接続される。ゲート電極に制御電圧を印加することで、ショットキ接合による空乏層を広げて二次元電子ガスを遮断すると、ソース・ドレイン間が遮断される。ゲート電極に制御電圧を印加していない状態では、ソース・ドレイン間が導通するので、ノーマリオン型のデバイスとなる。
The group III nitride semiconductor is a semiconductor using nitrogen as a group V element in a group III-V semiconductor. Aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), and indium nitride (InN) are typical examples. In general, it can be expressed as Al X In Y Ga 1-X -Y N (0 ≦ X ≦ 1,0 ≦ Y ≦ 1,0 ≦ X + Y ≦ 1).
HEMT (High Electron Mobility Transistor) using such a nitride semiconductor has been proposed. Such a HEMT includes, for example, an electron transit layer made of GaN and an electron supply layer made of AlGaN epitaxially grown on the electron transit layer. A pair of source and drain electrodes are formed in contact with the electron supply layer, and a gate electrode is disposed between them. The gate electrode is disposed so as to face the electron transit layer, and a Schottky junction in the electron supply layer. In the electron transit layer, a two-dimensional electron gas is formed at a position a few inches inward from the heterojunction interface between the electron transit layer and the electron supply layer. In a HEMT using a nitride semiconductor, carriers due to polarization due to lattice mismatch between GaN and AlGaN also contribute to the formation of a two-dimensional electron gas. The source and drain are connected using this two-dimensional electron gas as a channel. When a control voltage is applied to the gate electrode to expand the depletion layer due to the Schottky junction and block the two-dimensional electron gas, the source and drain are blocked. When the control voltage is not applied to the gate electrode, the source and drain are electrically connected, so that a normally-on type device is obtained.

特許文献1は、電子走行層と電子供給層との間に結晶性に優れた2元系構造のAlN層を形成することにより、3元系構造のAlGaNに起因する合金散乱を回避し、それによって、移動度を向上した構造を開示している。   Patent Document 1 avoids alloy scattering caused by AlGaN having a ternary structure by forming an AlN layer having a binary structure having excellent crystallinity between the electron transit layer and the electron supply layer. Discloses a structure with improved mobility.

特開2011−82216号公報JP 2011-82216 A

電子走行層と電子供給層との間に配置されたAlN層は、ソース電極およびドレイン電極からチャネルを見たときに障壁層として機能する。そのため、二次元電子ガスとの間でオーミック接触が得られるソース電極およびドレイン電極を電子供給層の表面に形成することは容易ではない。
そこで、特許文献1の構造では、ソース電極およびドレイン電極は、電子供給層およびAlN層を貫通して電子走行層に達する凹部内に埋め込まれており、これにより、二次元電子ガスにオーミック接触している。
The AlN layer disposed between the electron transit layer and the electron supply layer functions as a barrier layer when the channel is viewed from the source electrode and the drain electrode. Therefore, it is not easy to form the source electrode and the drain electrode on the surface of the electron supply layer that can obtain ohmic contact with the two-dimensional electron gas.
Therefore, in the structure of Patent Document 1, the source electrode and the drain electrode are embedded in a recess that penetrates the electron supply layer and the AlN layer and reaches the electron transit layer, thereby making ohmic contact with the two-dimensional electron gas. ing.

しかし、凹部を形成する工程が必要であるから、製造工程が複雑であり、それに応じてコスト高になる。しかも、エッチングによって形成される凹部は、その深さを正確に制御するのが困難である。したがって、凹部の深さを安定させることが難しく、その深さにばらつきが生じ、それに応じて、接触抵抗がばらつくおそれがある。
そこで、この発明の目的は、簡単な製造工程で二次元電子ガスにオーミック接触する電極の形成が可能であり、特性が安定し、しかもチャネルの移動度の高いHEMT構造の窒化物半導体装置およびその製造方法を提供することである。
However, since the process of forming the recess is necessary, the manufacturing process is complicated, and the cost increases accordingly. Moreover, it is difficult to accurately control the depth of the recess formed by etching. Therefore, it is difficult to stabilize the depth of the recess, and the depth varies, and the contact resistance may vary accordingly.
Accordingly, an object of the present invention is to form a nitride semiconductor device having a HEMT structure, which can form an electrode that is in ohmic contact with a two-dimensional electron gas by a simple manufacturing process, has stable characteristics, and has high channel mobility. It is to provide a manufacturing method.

の発明は、窒化物半導体からなる電子走行層と、前記電子走行層に積層され、Alを含むとともに前記電子走行層とはAl組成が異なる窒化物半導体からなり、前記電子走行層に接するAlN層を有する電子供給層と、前記電子供給層上に互いに間隔を開けて形成され、Ti、Al、MoおよびSiを含むオーミック電極からなるソース電極およびドレイン電極と、前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に配置され、前記電子走行層に対向するゲート電極とを含む、窒化物半導体装置を提供する。前記オーミック電極は、前記電子供給層側から順に、Ti組成のピーク、Al組成のピーク、Mo組成のピークが現れ、前記Ti組成のピークと前記Al組成のピークとの間に第1のSi組成のピークが現れ、前記Al組成のピークと前記Mo組成のピークとの間に第2のSi組成のピークが現れるように構成されている。 AlN This invention, and the electron transit layer made of a nitride semiconductor, which are laminated in the electron transit layer, the Al composition is different from the nitride semiconductor and the electron transit layer with containing Al, in contact with the electron transit layer An electron supply layer having a layer; a source electrode and a drain electrode formed on the electron supply layer at intervals from each other and made of an ohmic electrode containing Ti, Al, Mo, and Si; and the source electrode and the drain electrode disposed between said and a gate electrode opposed to the electron transit layer, that provides a nitride semiconductor device. In the ohmic electrode, a Ti composition peak, an Al composition peak, and a Mo composition peak appear in order from the electron supply layer side, and the first Si composition is between the Ti composition peak and the Al composition peak. And the second Si composition peak appears between the Al composition peak and the Mo composition peak.

この構成によれば、互いにAl組成が異なる窒化物半導体からなる電子走行層および電子供給層が接することにより、ヘテロ接合が形成されている。したがって、電子走行層と電子供給層との界面付近の電子走行層内に二次元電子ガスが形成され、この二次元電子ガスをチャネルとして利用したHEMT(高電子移動度トランジスタ)が形成されている。さらに、電子供給層は、電子走行層との界面にAlN層を有しているので、チャネル近傍での合金散乱が抑制される。それにより、チャネル移動度の高いHEMT構造を形成できる。   According to this configuration, the heterojunction is formed by contacting the electron transit layer and the electron supply layer made of nitride semiconductors having different Al compositions. Therefore, a two-dimensional electron gas is formed in the electron transit layer near the interface between the electron transit layer and the electron supply layer, and a HEMT (High Electron Mobility Transistor) using the two-dimensional electron gas as a channel is formed. . Furthermore, since the electron supply layer has an AlN layer at the interface with the electron transit layer, alloy scattering near the channel is suppressed. Thereby, a HEMT structure with high channel mobility can be formed.

一方、電子供給層上に形成されたソース電極およびドレイン電極は、Ti、Al、MoおよびSiを含んでいる。このようなソース電極およびドレイン電極は、AlN層を含む電子供給層上に形成した場合でも、二次元電子ガスに対してオーミック接触するオーミック電極を構成する。すなわち、電子供給層を貫通して二次元電子ガスに達する凹部を形成しなくても、ソース電極およびドレイン電極と二次元電子ガスとのオーミック接触を得ることができる。したがって、電子供給層に凹部を形成する工程が不要であるので、製造工程が簡単になる。しかも、凹部の深さのばらつきに起因する接触抵抗のばらつきの問題が生じることもない。よって、チャネル移動度が高く、かつ安定した特性のHEMT構造を有する窒化物半導体装置を提供できる。   On the other hand, the source electrode and the drain electrode formed on the electron supply layer contain Ti, Al, Mo, and Si. Such a source electrode and a drain electrode constitute an ohmic electrode that is in ohmic contact with the two-dimensional electron gas even when formed on an electron supply layer including an AlN layer. That is, ohmic contact between the source and drain electrodes and the two-dimensional electron gas can be obtained without forming a recess that penetrates the electron supply layer and reaches the two-dimensional electron gas. Therefore, the manufacturing process is simplified because the step of forming the recess in the electron supply layer is unnecessary. Moreover, the problem of variation in contact resistance due to variation in the depth of the recess does not occur. Therefore, a nitride semiconductor device having a HEMT structure with high channel mobility and stable characteristics can be provided.

ソース−ドレイン間のチャネルを提供する二次元電子ガスは、ソース電極およびドレイン電極の間に配置されたゲート電極に制御電圧を印加することによって制御することができる。これによって、ソース−ドレイン間をオン/オフできる。
ゲート電極は、電子供給層にショットキ接合していてもよいし、電子供給層に対してゲート絶縁膜を介して対向していてもよい。また、ゲート直下の電子供給層が取り除かれてリセス(凹部)が形成されていてもよく、このリセス内において、ゲート電極がゲート絶縁膜を介して電子走行層に対向していてもよい。
The two-dimensional electron gas that provides the source-drain channel can be controlled by applying a control voltage to the gate electrode disposed between the source and drain electrodes. Thereby, the source-drain can be turned on / off.
The gate electrode may be in Schottky junction with the electron supply layer, or may be opposed to the electron supply layer through a gate insulating film. Further, the electron supply layer directly under the gate may be removed to form a recess (recess), and the gate electrode may face the electron transit layer through the gate insulating film in the recess.

電子供給層(界面のAlN層以外の部分)/電子走行層の組み合わせは、AlGaN層/GaN層、AlGaN層/AlGaN層(ただしAl組成が異なるもの)、AlInN層/AlGaN層、AlInN層/GaN層、AlN層/GaN層、AlN層/AlGaN層のうちのいずれかであってもよい。より一般化すれば、電子供給層(界面のAlN層以外の部分)は、組成中にAlおよびNを含む。電子走行層は、組成中にGaおよびNを含み、Al組成が電子供給層とは異なる。電子供給層と電子走行層とでAl組成が異なることにより、それらの間の格子不整合が生じ、それによって、分極に起因するキャリヤが二次元電子ガスの形成に寄与する。   The combination of the electron supply layer (portion other than the AlN layer at the interface) / electron transit layer is AlGaN layer / GaN layer, AlGaN layer / AlGaN layer (although different Al composition), AlInN layer / AlGaN layer, AlInN layer / GaN Any of a layer, an AlN layer / GaN layer, and an AlN layer / AlGaN layer may be used. More generally, the electron supply layer (portion other than the AlN layer at the interface) contains Al and N in the composition. The electron transit layer contains Ga and N in the composition, and the Al composition is different from that of the electron supply layer. Due to the difference in Al composition between the electron supply layer and the electron transit layer, lattice mismatch occurs between them, whereby carriers due to polarization contribute to the formation of a two-dimensional electron gas.

一方、この発明は、前記オーミック電極が、前記電子供給層側から順に、Ti組成のピーク、Al組成のピーク、Mo組成のピークが現れるように構成されている。この構成によ、電子供給層の近くにTi組成のピークが現れる。そのため、オーミック電極中のTiは電子供給層の表面付近において、電子供給層を構成する窒化物半導体中の窒素原子(N)を奪ってその結晶構造を破壊し、TiNを形成している。それによってできた電子供給層内のスペースにオーミック電極中のAlが入り込み、二次元電子ガスに対する良好なオーミック接触を形成する。Al組成よりも電子供給層から離れた位置にMo組成のピークが位置していることにより、オーミック電極中のAlを酸化から保護することができ、それによって、外部接触に対する接触抵抗を低減できる。すなわち、オーミック電極中のTiおよびAlは、窒化物半導体に対する接触抵抗の低減に寄与し、Moは外部接続時の接触抵抗の低減に寄与する。 Meanwhile, in the invention of this, the ohmic electrode, in order from the electron supply layer side, the peak of the Ti composition, the Al composition peak, that is configured so that the peak of Mo composition appears. Ri by this configuration, the peak of the Ti composition appears near the electron supply layer. Therefore, Ti in the ohmic electrode near the surface of the electron supply layer takes away nitrogen atoms (N) in the nitride semiconductor constituting the electron supply layer, destroys its crystal structure, and forms TiN. As a result, Al in the ohmic electrode enters a space in the electron supply layer formed thereby to form a good ohmic contact with the two-dimensional electron gas. Since the peak of the Mo composition is located farther from the electron supply layer than the Al composition, Al in the ohmic electrode can be protected from oxidation, thereby reducing the contact resistance against external contact. That is, Ti and Al in the ohmic electrode contribute to a reduction in contact resistance with respect to the nitride semiconductor, and Mo contributes to a reduction in contact resistance during external connection.

さらにこの発明は、前記オーミック電極が、前記Ti組成のピークと前記Al組成のピークとの間にSi組成のピーク(第1のSi組成のピーク)が現れるように構成されている。この構成によ、オーミック電極中のSiは、電子供給層の表層部に入り込み、電子供給層を構成する窒化物半導体に対して導電性を付与するドーパントとして機能する。これにより、オーミック電極と電子供給層との間の接触抵抗が低減されるので、一層良好なオーミック接触を実現できる。 In the invention Furthermore, the child, the ohmic electrode, that is configured so that the peak of the Si composition (peak of the first Si composition) appears between the peak of the peak and the Al composition of the Ti composition. Ri by this configuration, Si in the ohmic electrode, enters the surface layer portion of the electron supply layer, which functions as a dopant to impart electrical conductivity to nitride semiconductor constituting the electron supply layer. Thereby, since the contact resistance between an ohmic electrode and an electron supply layer is reduced, a better ohmic contact can be realized.

また、この発明では、前記Al組成のピークと前記Mo組成のピークとの間に、別のSi組成のピーク(第2のSi組成のピーク)が現れるように前記オーミック電極が形成されてい。すなわち、前記オーミック電極が、前記Ti組成のピークと前記Al組成のピークとの間に第1のSi組成のピークが現れ、前記Al組成のピークと前記Mo組成のピークとの間に第2のSi組成のピークが現れるように構成されてい Further, in this invention, during the peak of the Mo composition with the peak of the Al composition, that have the ohmic electrode such that the peak of another Si composition (peak of the second Si composition) appear is formed. That is, the ohmic electrode has a first Si composition peak between the Ti composition peak and the Al composition peak, and a second Si composition peak between the Al composition peak and the Mo composition peak. peak of Si composition has been configured to appear.

記オーミック電極中におけるTi、AlおよびMoの各ピーク密度が1020cm−3以上であり、前記オーミック電極中におけるSiのピーク密度が1018cm−3以上であることが好ましい。これにより、二次元電子ガスに対するオーミック電極のコンタクト抵抗を低減できる。
この発明の一実施形態では、前記電子供給層が、前記電子走行層と同じ組成の窒化物半導体からなるキャップ層を含み、前記キャップ層の上に前記オーミック電極からなるソース電極およびドレイン電極が形成されている。この構成によれば、電子供給層上に形成されたキャップ層が電子走行層と同じ組成の窒化物半導体で構成されているので、電子供給層の表面モホロジー(morphology)を改善できる。それによって、特性の安定したHEMT構造の窒化物半導体装置を提供できる。
Ti before Symbol ohmic electrodes in each peak density of Al and Mo is not less 10 20 cm -3 or more, the peak density of Si in the said ohmic electrode is preferably 10 18 cm -3 or more. Thereby, the contact resistance of the ohmic electrode with respect to the two-dimensional electron gas can be reduced.
In one embodiment of the present invention, the electron supply layer includes a cap layer made of a nitride semiconductor having the same composition as the electron transit layer, and a source electrode and a drain electrode made of the ohmic electrode are formed on the cap layer. that has been formed. According to this configuration, since the cap layer formed on the electron supply layer is made of the nitride semiconductor having the same composition as the electron transit layer, the surface morphology of the electron supply layer can be improved. Thereby, a nitride semiconductor device having a HEMT structure with stable characteristics can be provided.

この発明の一実施形態では、前記キャップ層の厚さが16nm以下(より好ましくは8nm以下)である。キャップ層の厚さが16nmを超えると、表面モホロジーを改善する効果が少なくなるうえに、電極のオーミック接触を阻害するおそれがある。キャップ層の厚さは、表面モホロジー改善のためには、2nm以上であることが好ましい。 In one embodiment of the invention, the thickness is 16nm or less of the cap layer (more preferably 8nm or less) Ru der. When the thickness of the cap layer exceeds 16 nm, the effect of improving the surface morphology is reduced and the ohmic contact of the electrode may be hindered. The thickness of the cap layer is preferably 2 nm or more for improving the surface morphology.

この発明の一実施形態では、前記ゲート電極直下の前記電子供給層が除去されており、前記ゲート電極が、前記電子供給層が除去された領域において前記電子走行層に接するゲート絶縁膜を介して前記電子走行層に対向している。
この構成によれば、ゲート電極は、ゲート絶縁膜を挟んで電子走行層に対向しており、ゲート絶縁膜は、電子走行層に接している。すなわち、ゲート絶縁膜の直下には電子供給層が存在せず、したがって、ゲート電極の直下には、電子供給層と電子走行層とのヘテロ接合または格子不整合による分極に起因する二次元電子ガスが形成されていない。よって、ゲート電極にバイアスを印加していないとき(ゼロバイアス時)には、二次元電子ガスによるチャネルはゲート電極直下で遮断されている。これにより、ノーマリオフ型のHEMTが実現されている。ゲート電極に適切なオン電圧を印加すると、ゲート電極直下の電子走行層内にチャネルが誘起され、ゲート電極の両側の二次元電子ガスが接続される。こうして、ノーマリオフ型のHEMT構造を有し、かつ安定したデバイス特性を有する窒化物半導体装置を提供できる。
In one embodiment of the present invention, the electron supply layer immediately below the gate electrode is removed, and the gate electrode is interposed via a gate insulating film in contact with the electron transit layer in a region where the electron supply layer is removed. It is opposed to the electron transit layer Te that.
According to this configuration, the gate electrode faces the electron transit layer with the gate insulating film interposed therebetween, and the gate insulating film is in contact with the electron transit layer. That is, there is no electron supply layer directly under the gate insulating film, and therefore, there is no two-dimensional electron gas due to polarization due to heterojunction or lattice mismatch between the electron supply layer and the electron transit layer immediately below the gate electrode. Is not formed. Therefore, when no bias is applied to the gate electrode (at the time of zero bias), the channel due to the two-dimensional electron gas is blocked immediately below the gate electrode. Thereby, a normally-off type HEMT is realized. When an appropriate ON voltage is applied to the gate electrode, a channel is induced in the electron transit layer immediately below the gate electrode, and the two-dimensional electron gas on both sides of the gate electrode is connected. Thus, a nitride semiconductor device having a normally-off HEMT structure and having stable device characteristics can be provided.

この発明の一実施形態では、前記AlN層の厚さが1nm〜5nmであり、前記電子供給層の厚さが1nm〜40nmである。AlN層の厚さが5nmを超えると、オーミック電極を二次元電子ガスにオーミック接触させることが困難になる。また、電子供給層の全体の厚さが40nmを超えると、オーミック電極と二次元電子ガスとのオーミック接触が困難になるおそれがある。 In one embodiment of the present invention, the thickness of the AlN layer is 1 nm to 5 nm, the thickness of the electron supply layer is Ru 1nm~40nm der. When the thickness of the AlN layer exceeds 5 nm, it becomes difficult to make the ohmic electrode ohmic contact with the two-dimensional electron gas. Moreover, if the total thickness of the electron supply layer exceeds 40 nm, ohmic contact between the ohmic electrode and the two-dimensional electron gas may be difficult.

この発明の一実施形態では、前記オーミック電極が、Auを含まない。Auは不純物が混入しやすい材料であり、かつ、窒化物半導体への拡散が容易に生じてデバイス特性を悪化させるおそれがある。加えて、Auを含む電極は表面モホロジーが悪い。したがって、Auを含まない構成のオーミック電極とすることによって、特性の優れたHEMT構造の半導体装置を実現できる。また、オーミック電極が良好な表面モホロジーを有するので、ソース電極およびドレイン電極からゲート電極までの距離を短縮してHEMT素子の大きさを小さくしたり、HEMT素子の集積度を高めたりすることができる。 In one embodiment of the present invention, the ohmic electrode, not including the Au. Au is a material in which impurities are easily mixed, and diffusion to a nitride semiconductor easily occurs, which may deteriorate device characteristics. In addition, the electrode containing Au has poor surface morphology. Therefore, a semiconductor device having a HEMT structure with excellent characteristics can be realized by using an ohmic electrode having a structure that does not contain Au. In addition, since the ohmic electrode has a good surface morphology, the distance from the source electrode and the drain electrode to the gate electrode can be shortened to reduce the size of the HEMT element or increase the degree of integration of the HEMT element. .

この発明の一実施形態では、前記電子供給層の表面を覆うパッシベーション膜をさらに含み、前記ゲート電極が、前記パッシベーション膜に形成された開口内に配置されたゲート本体部と、前記ゲート本体部に連続し前記開口外の前記パッシベーション膜の表面上において前記ドレイン電極に向かって所定のフィールドプレート長に渡って延びたフィールドプレート部とを有しており、前記フィールドプレート長が前記ゲート本体部と前記ドレイン電極との間の距離の1/6以上1/2以下である。この構成によれば、ゲート電極はゲート本体部からパッシベーション膜上に延びたフィールドプレート部を有しており、その長さ(フィールドプレート長)が、ゲート本体部とドレイン電極との間の距離の1/6以上1/2以下となっている。これにより、ゲート本体部のドレイン電極側端部における電界集中を抑制でき、かつ、フィールドプレート部の端部とドレイン電極との間の電界に起因する短絡(パッシベーション膜の破壊)を回避できる。 In one embodiment of the present invention , the semiconductor device further includes a passivation film that covers a surface of the electron supply layer, and the gate electrode is disposed in an opening formed in the passivation film, and the gate main body portion. A field plate portion extending over a predetermined field plate length toward the drain electrode on the surface of the passivation film outside the opening, and the field plate length is connected to the gate body portion. Ru der 1/6 to 1/2 of the distance between the drain electrode. According to this configuration, the gate electrode has the field plate portion extending on the passivation film from the gate main body portion, and the length (field plate length) is equal to the distance between the gate main body portion and the drain electrode. It is 1/6 or more and 1/2 or less. Thereby, the electric field concentration at the drain electrode side end of the gate body can be suppressed, and a short circuit (destruction of the passivation film) due to the electric field between the end of the field plate and the drain electrode can be avoided.

の発明は、また、窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、前記電子走行層に接するAlN層を有し、Alを含むとともに前記電子走行層とはAl組成が異なる窒化物半導体からなる電子供給層を前記電子走行層に積層して形成する工程と、前記電子供給層上に、Ti層、第1Si層、Al層、第2Si層およびMo層を順に積層して積層電極膜を形成する工程と、前記積層電極膜を熱処理して、ソース電極およびドレイン電極としてのオーミック電極を形成する工程と、前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に、前記電子走行層に対向するゲート電極を形成する工程とを含む、窒化物半導体装置の製造方法を提供する This invention also includes the steps of forming an electron transit layer formed of a nitride semiconductor, wherein a an AlN layer in contact with the electron transit layer, the nitride semiconductor Al composition different from the electron transit layer with an Al-containing A step of laminating an electron supply layer comprising the electron transit layer, and a Ti electrode, a first Si layer, an Al layer , a second Si layer, and a Mo layer, which are laminated on the electron supply layer in order. Forming a film; heat-treating the stacked electrode film to form an ohmic electrode as a source electrode and a drain electrode; and a gate facing the electron transit layer between the source electrode and the drain electrode and forming an electrode, to provide a method for manufacturing a nitride semiconductor device.

この方法によれば、電子供給層上にTi層、第1Si層、Al層、第2Si層およびMo層を順に積層して積層電極膜を形成した後、この積層電極膜に対して熱処理(好ましくはAl層が溶融する熱処理)が施される。これによって、Tiが電子供給層へと拡散し、電子供給層内の窒化物半導体から窒素原子を奪ってその結晶構造を破壊し、TiNを形成する。それによって電子供給層内にできたスペースにAlが流れ込み、電子走行層と電子供給層との界面付近に形成される二次元ガスに対する良好なオーミック接触が形成される。さらに、Siが電子供給層に拡散してドーパントとして働き、さらに良好なオーミック接触の形成(接触抵抗の低減)に寄与する。また、Mo層は、熱処理時にAlが露出することを防ぎ、その酸化を抑制するキャップメタルとして機能する。これにより、外部接続時の接触抵抗の低減に寄与する。こうして、前述の構成の半導体装置を得ることができる。 According to this method, after a Ti layer, a first Si layer, an Al layer , a second Si layer, and a Mo layer are sequentially stacked on the electron supply layer to form a stacked electrode film, heat treatment ( Preferably, a heat treatment for melting the Al layer is performed. As a result, Ti diffuses into the electron supply layer, takes nitrogen atoms from the nitride semiconductor in the electron supply layer, destroys the crystal structure, and forms TiN. Thereby, Al flows into the space formed in the electron supply layer, and a good ohmic contact with the two-dimensional gas formed near the interface between the electron transit layer and the electron supply layer is formed. Further, Si diffuses into the electron supply layer and functions as a dopant, contributing to the formation of a better ohmic contact (reduction of contact resistance). The Mo layer functions as a cap metal that prevents Al from being exposed during heat treatment and suppresses its oxidation. Thereby, it contributes to the reduction of the contact resistance at the time of external connection. Thus, the semiconductor device having the above-described configuration can be obtained.

前記AlN層の厚さは、1nm〜5nmとすることが好ましく、また、前記電子供給層の全体の厚さは1nm〜40nmとすることが好ましい。 The thickness of the AlN layer is preferably 1 nm to 5 nm, and the total thickness of the electron supply layer is preferably 1 nm to 40 nm.

また、前記オーミック電極は、Auを含まないことが好ましい。
この発明の一実施形態の製造方法では、前記積層電極膜の形成および前記熱処理が、前記オーミック電極中におけるTi、AlおよびMoの各ピーク密度が1020cm−3以上となり、前記オーミック電極中におけるSiのピーク密度が1018cm−3以上となるように行われる。
The ohmic electrode preferably does not contain Au.
In the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, in the formation of the laminated electrode film and the heat treatment, each peak density of Ti, Al, and Mo in the ohmic electrode is 10 20 cm −3 or more, and the ohmic electrode peak density of Si in the Ru performed such that the 10 18 cm -3 or more.

この発明の一実施形態の製造方法では、前記電子供給層を形成する工程が、前記電子走行層と同じ組成の窒化物半導体からなるキャップ層を形成する工程を含み、前記積層電極膜が前記キャップ層の上に形成される。キャップ層の厚さは、16nm以下(より好ましくは8nm以下)とすることが好ましい。 In the manufacturing method of one embodiment of the present invention, the step of forming the electron supply layer includes the step of forming a cap layer made of a nitride semiconductor having the same composition as the electron transit layer, and the stacked electrode film is Ru is formed on the cap layer. The thickness of the cap layer is preferably 16 nm or less (more preferably 8 nm or less).

この発明の一実施形態の製造方法では、前記ゲート電極直下の前記電子供給層を除去する工程と、前記電子供給層が除去された領域において前記電子走行層に接するゲート絶縁膜を形成する工程とをさらに含み、前記ゲート電極が前記ゲート絶縁膜を挟んで前記電子走行層に対向するように形成される。 In the manufacturing method of one embodiment of the present invention, the step of removing the electron supply layer immediately below the gate electrode and the step of forming a gate insulating film in contact with the electron transit layer in the region where the electron supply layer is removed further comprising the door, the gate electrode is Ru is formed so as to face the electron transit layer sandwiching the gate insulating film.

この発明の一実施形態の製造方法では、前記方法が、前記電子供給層の表面を覆うパッシベーション膜を形成する工程をさらに含み、前記ゲート電極が、前記パッシベーション膜に形成された開口内に配置されたゲート本体部と、前記ゲート本体部に連続し前記開口外の前記パッシベーション膜の表面上において前記ドレイン電極に向かって所定のフィールドプレート長に渡って延びたフィールドプレート部とを有し、前記フィールドプレート長が前記ゲート本体部と前記ドレイン電極との間の距離の1/6以上1/2以下であるように形成される。 In the manufacturing method of an embodiment of the present invention, the method, further includes the step of forming a passivation film covering the surface of the electron supply layer, disposed on the gate electrode, the passivation film which is formed on the opening And a field plate portion extending over a predetermined field plate length toward the drain electrode on the surface of the passivation film outside the opening and continuous with the gate body portion, field plate length Ru is formed to be a 1/6 to 1/2 of the distance between the drain electrode and the gate body portion.

図1は、この発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を説明するための断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining the configuration of a nitride semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図2は、前記第1の実施形態に係る窒化物半導体装置の平面図である。FIG. 2 is a plan view of the nitride semiconductor device according to the first embodiment. 図3Aは、図1の窒化物半導体装置の製造工程の途中の段階における構成を示す断面図である。FIG. 3A is a cross-sectional view showing the configuration in the middle of the manufacturing process of the nitride semiconductor device of FIG. 図3Bは、図3Aの後の段階における構成を示す断面図である。FIG. 3B is a cross-sectional view showing a configuration at a later stage of FIG. 3A. 図3Cは、図3Bの後の段階における構成を示す断面図である。FIG. 3C is a cross-sectional view showing a configuration at a later stage of FIG. 3B. 図4は、オーミック電極を形成するための積層電極膜の構造、およびオーミック電極の組成スペクトルを示す。FIG. 4 shows the structure of the laminated electrode film for forming the ohmic electrode and the composition spectrum of the ohmic electrode. 図5は、この発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for illustrating the configuration of a nitride semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図6は、この発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を説明するための断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the structure of a nitride semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. 図7Aは、図6の窒化物半導体装置の製造工程の途中の段階における構成を示す断面図である。FIG. 7A is a cross-sectional view showing a configuration in the middle of the manufacturing process of the nitride semiconductor device of FIG. 図7Bは、図7Aの後の段階における構成を示す断面図である。FIG. 7B is a cross-sectional view showing a configuration at a later stage of FIG. 7A. 図7Cは、図7Bの後の段階における構成を示す断面図である。FIG. 7C is a cross-sectional view showing a configuration at a later stage of FIG. 7B. 図7Dは、図7Cの後の段階における構成を示す断面図である。FIG. 7D is a cross-sectional view showing a configuration at a later stage of FIG. 7C. 図7Eは、図7Dの後の段階における構成を示す断面図である。FIG. 7E is a cross-sectional view showing a configuration at a later stage of FIG. 7D. 図7Fは、図7Eの後の段階における構成を示す断面図である。FIG. 7F is a cross-sectional view showing a configuration at a later stage of FIG. 7E. 図8は、この発明の第4の実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of a nitride semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、この発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を説明するための断面図である。また、図2は、前記窒化物半導体装置の平面図である。図1には、図2のI−I線断面が示されている。この窒化物半導体装置は、基板1(たとえばシリコン基板)と、基板1の表面に形成されたバッファ層2と、バッファ層2上にエピタキシャル成長された電子走行層3と、電子走行層3上にエピタキシャル成長された電子供給層4とを含む。さらに、この窒化物半導体装置は、電子供給層4の表面を覆うパッシベーション膜5と、パッシベーション膜5に形成されたコンタクト孔6a,7aを貫通して電子供給層4にオーミック接触しているオーミック電極としてのソース電極6およびドレイン電極7とを含む。ソース電極6およびドレイン電極7は、間隔を開けて配置されており、それらの間に、ゲート電極8が配置されている。ゲート電極8は、電子供給層4にショットキ接触している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining the configuration of a nitride semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view of the nitride semiconductor device. FIG. 1 shows a cross section taken along line II of FIG. The nitride semiconductor device includes a substrate 1 (for example, a silicon substrate), a buffer layer 2 formed on the surface of the substrate 1, an electron transit layer 3 epitaxially grown on the buffer layer 2, and an epitaxial growth on the electron transit layer 3. And the electron supply layer 4 formed. Further, the nitride semiconductor device includes a passivation film 5 that covers the surface of the electron supply layer 4 and an ohmic electrode that is in ohmic contact with the electron supply layer 4 through the contact holes 6 a and 7 a formed in the passivation film 5. Source electrode 6 and drain electrode 7. The source electrode 6 and the drain electrode 7 are arranged at an interval, and the gate electrode 8 is arranged between them. The gate electrode 8 is in Schottky contact with the electron supply layer 4.

電子走行層3と電子供給層4とは、Al組成の異なるIII族窒化物半導体(以下単に「窒化物半導体」という。)からなっている。たとえば、電子走行層3は、GaN層からなっていてもよく、その厚さは、0.5μm程度であってもよい。電子供給層4は、この実施形態では、電子走行層3に接する第1層41と、第1層41に接する第2層42とを有している。第1層41は、AlN層からなっており、厚さは、たとえば、数原子厚程度(5nm以下。好ましくは1〜5nm、より好ましくは1〜3nm)である。第2層42は、この実施形態では、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなっており、その厚さは、たとえば5−35nm(より具体的には20nm程度)である。電子供給層4の全体の厚さは、−40nm程度が好ましい。 The electron transit layer 3 and the electron supply layer 4 are made of group III nitride semiconductors (hereinafter simply referred to as “nitride semiconductors”) having different Al compositions. For example, the electron transit layer 3 may be composed of a GaN layer, and the thickness thereof may be about 0.5 μm. In this embodiment, the electron supply layer 4 has a first layer 41 in contact with the electron transit layer 3 and a second layer 42 in contact with the first layer 41. The first layer 41 is made of an AlN layer, and has a thickness of, for example, about several atomic thickness (5 nm or less, preferably 1 to 5 nm, more preferably 1 to 3 nm). In this embodiment, the second layer 42 is composed of an Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1), and has a thickness of, for example, 5-35 nm (more specifically, about 20 nm). is there. The total thickness of the electron supply layer 4 is preferably about 1 to 40 nm.

このように、電子走行層3と電子供給層4とは、Al組成の異なる窒化物半導体からなっていて、ヘテロ接合を形成しているとともに、それらの間には格子不整合が生じている。そして、ヘテロ接合およびの格子不整合に起因する分極のために、電子走行層3と電子供給層4との界面に近い位置(たとえば界面から数Å程度の距離の位置)には、二次元電子ガス15が広がっている。AlNからなる第1層41は、電子の散乱を抑制して、電子移動度の向上に寄与する。第1層41が無く、AlGaNからなる第2層42が電子走行層3に接している場合、AlGaNが3元系結晶であるため、合金散乱が生じ易い。AlNからなる第1層41は、このような合金散乱を抑制する。   Thus, the electron transit layer 3 and the electron supply layer 4 are made of nitride semiconductors having different Al compositions, form a heterojunction, and have a lattice mismatch between them. Then, due to polarization caused by the heterojunction and lattice mismatch, two-dimensional electrons are located at a position close to the interface between the electron transit layer 3 and the electron supply layer 4 (for example, a position about several kilometers away from the interface). Gas 15 is spreading. The first layer 41 made of AlN suppresses electron scattering and contributes to improvement of electron mobility. When the first layer 41 is not present and the second layer 42 made of AlGaN is in contact with the electron transit layer 3, alloy scattering is likely to occur because AlGaN is a ternary crystal. The first layer 41 made of AlN suppresses such alloy scattering.

ゲート電極8は、AlGaNからなる第2層42に接してショットキ接合を形成している。ゲート電極8は、電子供給層4に接する下層と、この下層上に積層される上層とを有する積層電極膜からなっていてもよい。下層はNiまたはPtからなっていてもよく、上層はAuまたはAlからなっていてもよい。ゲート電極8は、ソース電極6寄りに偏って配置され、これにより、ゲート−ソース間距離よりもゲート−ドレイン間距離の方を長くした非対称構造となっている。この非対称構造は、ゲート−ドレイン間に生じる高電界を緩和して耐圧向上に寄与する。   The gate electrode 8 is in contact with the second layer 42 made of AlGaN to form a Schottky junction. The gate electrode 8 may be composed of a laminated electrode film having a lower layer in contact with the electron supply layer 4 and an upper layer laminated on the lower layer. The lower layer may be made of Ni or Pt, and the upper layer may be made of Au or Al. The gate electrode 8 is biased toward the source electrode 6 and has an asymmetric structure in which the gate-drain distance is longer than the gate-source distance. This asymmetric structure alleviates a high electric field generated between the gate and the drain and contributes to an improvement in breakdown voltage.

さらに、この実施形態では、ゲート電極8は、パッシベーション膜5に形成された開口5a内に入り込んだゲート本体部81と、ゲート本体部81に連なり、開口5a外においてパッシベーション膜5上をドレイン電極7に向かって延びたフィールドプレート部82とを有している。ゲート本体部81と電子供給層4との界面におけるドレイン電極7側の端部であるドレイン端81aからフィールドプレート部82のドレイン電極7側の端部までの距離Lfp(たとえば2.25μm程度)は、フィールドプレート長と呼ばれる。フィールドプレート長Lfpは、ドレイン端81aからドレイン電極7までの距離Lgd(たとえば9μm程度)の1/6以上1/2以下であることが好ましい。これにより、ドレイン端81aにおける電界集中を緩和でき、かつフィールドプレート部82のドレイン側端とドレイン電極7との間の電界に起因するパッシベーション膜5の破壊を回避できる。   Further, in this embodiment, the gate electrode 8 is connected to the gate main body 81 that enters the opening 5 a formed in the passivation film 5 and the gate main body 81, and the drain electrode 7 is formed on the passivation film 5 outside the opening 5 a. And a field plate portion 82 extending toward the bottom. The distance Lfp (for example, about 2.25 μm) from the drain end 81a, which is the end on the drain electrode 7 side, at the interface between the gate body 81 and the electron supply layer 4 to the end on the drain electrode 7 side of the field plate portion 82 is , Called field plate length. Field plate length Lfp is preferably 1/6 or more and 1/2 or less of distance Lgd (for example, about 9 μm) from drain end 81a to drain electrode 7. Thereby, the electric field concentration at the drain end 81 a can be relaxed, and the destruction of the passivation film 5 due to the electric field between the drain side end of the field plate portion 82 and the drain electrode 7 can be avoided.

ソース電極6およびドレイン電極7は、Ti、Al、MoおよびSiを含むオーミック電極であり、電子走行層41に形成される二次元電子ガスにオーミック接触している。このオーミック電極の詳しい構成については後述する。
バッファ層2は、たとえば、AlGaN層であってもよいし、AlN層およびGaN層を繰り返し積層した超格子構造を有する層であってもよい。
The source electrode 6 and the drain electrode 7 are ohmic electrodes containing Ti, Al, Mo, and Si, and are in ohmic contact with the two-dimensional electron gas formed in the electron transit layer 41. The detailed configuration of this ohmic electrode will be described later.
The buffer layer 2 may be, for example, an AlGaN layer or a layer having a superlattice structure in which an AlN layer and a GaN layer are repeatedly stacked.

この窒化物半導体装置では、電子走行層3上にAl組成の異なる電子供給層4が形成されてヘテロ接合が形成されている。これにより、電子走行層3と電子供給層4との界面付近の電子走行層3内に二次元電子ガス15が形成され、この二次元電子ガス15をチャネルとして利用したHEMTが形成されている。ゲート電極8は、電子供給層4に対してショットキ接合している。ゲート電極8に適切な電圧を印加すると、前記ヘテロ接合から広がる空乏層と前記ショットキ接合から広がる空乏層とによって電子供給層4を空乏化でき、それによって、二次元電子ガス15で形成されたチャネルを遮断できる。したがって、ゲート電極8に制御電圧を印加することによって、ソース−ドレイン間をオン/オフできる。   In this nitride semiconductor device, an electron supply layer 4 having a different Al composition is formed on the electron transit layer 3 to form a heterojunction. Thereby, a two-dimensional electron gas 15 is formed in the electron transit layer 3 in the vicinity of the interface between the electron transit layer 3 and the electron supply layer 4, and a HEMT using the two-dimensional electron gas 15 as a channel is formed. The gate electrode 8 is in Schottky junction with the electron supply layer 4. When an appropriate voltage is applied to the gate electrode 8, the electron supply layer 4 can be depleted by the depletion layer extending from the heterojunction and the depletion layer extending from the Schottky junction, and thereby the channel formed by the two-dimensional electron gas 15. Can be cut off. Therefore, by applying a control voltage to the gate electrode 8, the source-drain can be turned on / off.

使用に際しては、たとえば、ソース電極6とドレイン電極7との間に、ドレイン電極7側が正となる所定の電圧(たとえば200V〜600V)が印加される。その状態で、ゲート電極8に対して、ソース電極6を基準電位(0V)として、オフ電圧(−5V)またはオン電圧(0V)が印加される。
図2に示されているように、平面視において、ソース電極6と電子供給層4との接合域(ソース接合域。コンタクト孔6a内の領域)Saと、ドレイン電極7と電子供給層4との接合域(ドレイン接合域。コンタクト孔7a内の領域)Daとを分離するように、ゲート電極8が引き回されている。すなわち、ゲート電極8のゲート本体部81と電子供給層4との接合域(ゲート接合域。開口5a内の領域)Gaが、ソース接合域Saとドレイン接合域Daとを分離する一定幅の帯状パターンに形成されている。より具体的には、ソース接合域Saおよびドレイン接合域Daは、長手方向が平行な矩形領域であり、その矩形領域の短手方向に沿って配列されている。ゲート接合域Gaは、ソース接合域Saおよびドレイン接合域Daの間を通るジグザグ形状に形成されている。ゲート接合域Gaは、ドレイン接合域Daよりもソース接合域Saに近い位置を通るように配置されている。ゲート接合域Gaとゲート電極8のドレイン接合域Da側のエッジとの間の距離がフィールドプレート長Lfpである。また、ゲート接合域Gaの幅は、ゲート長Lg(たとえば1μm程度)である。
In use, for example, a predetermined voltage (for example, 200 V to 600 V) that is positive on the drain electrode 7 side is applied between the source electrode 6 and the drain electrode 7. In this state, an off voltage (−5 V) or an on voltage (0 V) is applied to the gate electrode 8 with the source electrode 6 as a reference potential (0 V).
As shown in FIG. 2, in plan view, the junction region (source junction region, region in the contact hole 6 a) Sa between the source electrode 6 and the electron supply layer 4, the drain electrode 7, and the electron supply layer 4 The gate electrode 8 is routed so as to separate the junction region (drain junction region; region in the contact hole 7a) Da. In other words, the junction region (gate junction region, region in the opening 5a) Ga between the gate body 81 of the gate electrode 8 and the electron supply layer 4 has a band shape having a constant width that separates the source junction region Sa and the drain junction region Da. It is formed in a pattern. More specifically, the source junction region Sa and the drain junction region Da are rectangular regions whose longitudinal directions are parallel, and are arranged along the short direction of the rectangular regions. The gate junction region Ga is formed in a zigzag shape that passes between the source junction region Sa and the drain junction region Da. The gate junction region Ga is disposed so as to pass through a position closer to the source junction region Sa than to the drain junction region Da. The distance between the gate junction region Ga and the edge of the gate electrode 8 on the drain junction region Da side is the field plate length Lfp. The width of the gate junction region Ga is a gate length Lg (for example, about 1 μm).

図3A〜図3Cは、前述の窒化物半導体装置の製造工程の一例を説明するための断面図であり、製造工程における複数の段階における断面構造が示されている。
まず、図3Aに示すように、基板1上に、バッファ層2および電子走行層3が順にエピタキシャル成長させられ、さらに電子走行層3上に電子供給層4がエピタキシャル成長させられる。そして、さらに、電子供給層4上の全面を被覆するように、たとえば、CVD法(化学的気相成長法)によって、パッシベーション膜5が形成される。パッシベーション膜5は、窒化シリコン(SiN)からなっていてもよく、その膜厚は数百nm程度が適当である。電子供給層4のエピタキシャル成長は、電子走行層3上にAlNからなる第1層41をエピタキシャル成長させる工程と、第1層41上にAlGaNからなる第2層42をエピタキシャル成長させる工程とを含む。
3A to 3C are cross-sectional views for explaining an example of the manufacturing process of the nitride semiconductor device described above, and show cross-sectional structures at a plurality of stages in the manufacturing process.
First, as shown in FIG. 3A, the buffer layer 2 and the electron transit layer 3 are epitaxially grown in order on the substrate 1, and the electron supply layer 4 is further epitaxially grown on the electron transit layer 3. Further, a passivation film 5 is formed by, for example, a CVD method (chemical vapor deposition method) so as to cover the entire surface of the electron supply layer 4. The passivation film 5 may be made of silicon nitride (SiN), and the film thickness is suitably about several hundred nm. The epitaxial growth of the electron supply layer 4 includes a step of epitaxially growing a first layer 41 made of AlN on the electron transit layer 3 and a step of epitaxially growing a second layer 42 made of AlGaN on the first layer 41.

次に、図3Bに示すように、ソース電極6およびドレイン電極7が形成される。具体的には、それらの形成位置に整合するように、パッシベーション膜5を貫通するコンタクト孔6a,7aが形成され、次いで、図4に示すような積層電極膜30が形成される。たとえば、積層電極膜30は、電子供給層4上にTi層31(たとえば厚さ200Å)、第1Si層32(たとえば厚さ200Å)、Al層33(たとえば厚さ2000Å)、第2Si層34(たとえば厚さ200Å)およびMo層(たとえば厚さ2000Å)35を順に積層した積層金属膜からなり、各層を順に蒸着またはスパッタリングして形成される。その積層電極膜30がパターニングされる。積層電極膜30のパターニングは、リフトオフによって行ってもよいし、エッチングによって行ってもよい。このパターニングの後に、さらに、シンター処理が施されることによって、二次元電子ガス15にオーミック接触するソース電極6およびドレイン電極7が形成される。シンター処理は、Al層33が溶融するように行うことが好ましく、Alの融点(565℃)よりも高い温度(たとえば850℃)で行われる。具体的には、850℃で35分程度のシンター処理を行えばよい。   Next, as shown in FIG. 3B, the source electrode 6 and the drain electrode 7 are formed. Specifically, contact holes 6a and 7a penetrating the passivation film 5 are formed so as to match the formation positions thereof, and then a laminated electrode film 30 as shown in FIG. 4 is formed. For example, the stacked electrode film 30 includes a Ti layer 31 (for example, a thickness of 200 mm), a first Si layer 32 (for example, a thickness of 200 mm), an Al layer 33 (for example, a thickness of 2000 mm), a second Si layer 34 ( For example, it is formed of a laminated metal film in which a thickness of 200 mm and a Mo layer (for example, thickness of 2000 mm) 35 are sequentially laminated, and each layer is formed by vapor deposition or sputtering in order. The laminated electrode film 30 is patterned. The patterning of the laminated electrode film 30 may be performed by lift-off or may be performed by etching. After this patterning, a sinter process is further performed to form the source electrode 6 and the drain electrode 7 that are in ohmic contact with the two-dimensional electron gas 15. The sintering process is preferably performed so that the Al layer 33 is melted, and is performed at a temperature (for example, 850 ° C.) higher than the melting point of Al (565 ° C.). Specifically, the sintering process may be performed at 850 ° C. for about 35 minutes.

次いで、図3Cに示すように、ゲート電極8の形成位置に開口を有するレジスト膜16が形成され、その状態の表面全域を覆うように、電極膜17が形成される。レジスト膜16の開口は、パッシベーション膜5に形成された開口5aの領域を包含し、かつ開口5aの領域よりも広い領域に形成される。レジスト膜16の開口のドレイン電極7側の縁部は、パッシベーション膜5の開口5aのドレイン側端からドレイン電極7に向かってフィールドプレート長Lfpだけ後退している。電極膜17は、たとえば、NiまたはPtからなる下層と、AuまたはAlからなる上層とを積層した積層金属膜からなり、各層を順に蒸着して形成される。   Next, as shown in FIG. 3C, a resist film 16 having an opening is formed at the position where the gate electrode 8 is formed, and an electrode film 17 is formed so as to cover the entire surface in that state. The opening of the resist film 16 includes a region of the opening 5a formed in the passivation film 5 and is formed in a region wider than the region of the opening 5a. The edge of the opening of the resist film 16 on the drain electrode 7 side is set back by the field plate length Lfp from the drain side end of the opening 5 a of the passivation film 5 toward the drain electrode 7. The electrode film 17 is made of, for example, a laminated metal film in which a lower layer made of Ni or Pt and an upper layer made of Au or Al are laminated, and each layer is deposited in order.

次に、レジスト膜16とともに、当該レジスト膜16上の電極膜17(電極膜17の不要部分)がリフトオフされることによって、当該電極膜17がパターニングされて、ゲート電極8が得られる。こうして、図1に示す構造の窒化物半導体装置が得られる。その後は、層間絶縁膜で全面が覆われ、ソース電極6およびドレイン電極7を露出させるコンタクト孔が層間絶縁膜に形成される。そして、層間絶縁膜上には、ソース電極6およびドレイン電極7にコンタクト孔でそれぞれ接続されるソース配線およびドレイン配線が形成される。   Next, the electrode film 17 on the resist film 16 (unnecessary portion of the electrode film 17) is lifted off together with the resist film 16, whereby the electrode film 17 is patterned and the gate electrode 8 is obtained. Thus, the nitride semiconductor device having the structure shown in FIG. 1 is obtained. Thereafter, the entire surface is covered with an interlayer insulating film, and contact holes for exposing the source electrode 6 and the drain electrode 7 are formed in the interlayer insulating film. A source wiring and a drain wiring connected to the source electrode 6 and the drain electrode 7 through contact holes, respectively, are formed on the interlayer insulating film.

図4の右側には、シンター処理後のオーミック電極(ソース電極6およびドレイン電極7)の組成を表すスペクトルが図解的に示されている。縦軸は、電子供給層4の主面の法線方向に関する位置を示し、横軸は、単位体積当たりの原子数(密度)を表す。
積層電極膜30の積層順に従うように、オーミック電極6,7は、電子供給層4側から順に、Ti組成のピーク、Al組成のピーク、Mo組成のピークが現れるように構成されている。さらに、Ti組成のピークとAl組成のピークとの間にSi組成の第1のピークが現れている。また、Al組成のピークとMo組成のピークとの間にSi組成の第2のピークが現れている。オーミック電極6,7中におけるTi、AlおよびMoの各ピーク密度はたとえば1020cm−3以上であり、オーミック電極6,7中におけるSiのピーク密度はたとえば1018cm−3以上である。
The right side of FIG. 4 schematically shows a spectrum representing the composition of the ohmic electrodes (source electrode 6 and drain electrode 7) after sintering. The vertical axis represents the position of the main surface of the electron supply layer 4 in the normal direction, and the horizontal axis represents the number of atoms (density) per unit volume.
The ohmic electrodes 6 and 7 are configured such that the Ti composition peak, the Al composition peak, and the Mo composition peak appear in this order from the electron supply layer 4 side so as to follow the stacking order of the stacked electrode film 30. Furthermore, the first peak of the Si composition appears between the peak of the Ti composition and the peak of the Al composition. In addition, a second peak of the Si composition appears between the peak of the Al composition and the peak of the Mo composition. Each peak density of Ti, Al and Mo in the ohmic electrodes 6 and 7 is, for example, 10 20 cm −3 or more, and the peak density of Si in the ohmic electrodes 6 and 7 is, for example, 10 18 cm −3 or more.

Ti組成は、電子供給層4内に入り込んでおり、たとえば、Ti組成のピークは電子供給層4内に位置している。すなわち、積層電極膜30中のTiは、シンター処理によって、電子供給層4内に入り込み、AlGaNから窒素原子(N)を奪って結晶を破壊し、TiNを形成する。それによってできた結晶中のスペースに、溶融したAlが前記積層電極膜30から流れ込む。そのため、Al組成も電子供給層4内に入り込み、それによって、良好なオーミック接触が得られる。さらに、積層電極膜30中のSiが、電子供給層4内に拡散し、n型ドーパントとして働いて、オーミック電極直下のAlGaNを低抵抗化し、それによって、接触抵抗の低減に寄与する。Mo層は、熱処理時等におけるAl表面の酸化を防止するキャップメタルとして機能し、外部接続の際の接触抵抗の低減に寄与する。   The Ti composition penetrates into the electron supply layer 4. For example, the peak of the Ti composition is located in the electron supply layer 4. That is, Ti in the laminated electrode film 30 enters the electron supply layer 4 by the sintering process, takes nitrogen atoms (N) from AlGaN, breaks the crystal, and forms TiN. The molten Al flows from the laminated electrode film 30 into the space in the crystal formed thereby. Therefore, the Al composition also enters the electron supply layer 4, thereby obtaining a good ohmic contact. Furthermore, Si in the laminated electrode film 30 diffuses into the electron supply layer 4 and acts as an n-type dopant, thereby reducing the resistance of AlGaN immediately below the ohmic electrode, thereby contributing to a reduction in contact resistance. The Mo layer functions as a cap metal that prevents oxidation of the Al surface during heat treatment or the like, and contributes to a reduction in contact resistance during external connection.

以上のように、この実施形態によれば、電子供給層4は、電子走行層3との界面にAlNからなる第1層41を有しているので、チャネル近傍での合金散乱が抑制される。それによって、チャネル移動度の高いHEMT構造を形成できる。一方、ソース電極6およびドレイン電極7は、Ti、Al、MoおよびSiを含んでおり、電子供給層4を貫通する凹部を形成しなくても、二次元電子ガス15にオーミック接触している。これにより、電子供給層4に凹部を形成するための工程を含まない簡単な製造工程で作製でき、しかも凹部の深さのばらつきに起因する接触抵抗のばらつきの問題も生じない。こうして、チャネル移動度が高く、製造工程が容易で、かつ安定した特性のHEMT構造を有する窒化物半導体装置を提供できる。   As described above, according to this embodiment, since the electron supply layer 4 has the first layer 41 made of AlN at the interface with the electron transit layer 3, alloy scattering near the channel is suppressed. . Thereby, a HEMT structure with high channel mobility can be formed. On the other hand, the source electrode 6 and the drain electrode 7 contain Ti, Al, Mo, and Si, and are in ohmic contact with the two-dimensional electron gas 15 without forming a recess penetrating the electron supply layer 4. Thereby, it can be manufactured by a simple manufacturing process that does not include a step for forming a recess in the electron supply layer 4, and there is no problem of variation in contact resistance due to variation in the depth of the recess. Thus, a nitride semiconductor device having a HEMT structure with high channel mobility, easy manufacturing process, and stable characteristics can be provided.

また、ソース電極6およびドレイン電極7は、Auを含まないオーミック電極であるので、表面モホロジーが良好であり、このことも、HEMT構造の特性向上に寄与している。さらに、ソース電極6およびドレイン電極7の表面モホロジーが良好であることにより、それらからゲート電極8までの距離を短くしてHEMT素子の大きさを小さくしたり、HEMT素子の集積度を高めたりすることができる。   Further, since the source electrode 6 and the drain electrode 7 are ohmic electrodes that do not contain Au, the surface morphology is good, which also contributes to the improvement of the characteristics of the HEMT structure. Furthermore, since the surface morphology of the source electrode 6 and the drain electrode 7 is good, the distance from them to the gate electrode 8 is shortened to reduce the size of the HEMT element, or to increase the integration degree of the HEMT element. be able to.

図5は、この発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。図5において、前述の図1の各部の対応箇所には同一参照符号を付して示す。
この実施形態では、電子供給層4は、AlGaNからなる第2層42上に形成されたキャップ層としての第3層43を含む。そして、第3層43に接するように、オーミック電極からなるソース電極6およびドレイン電極7、ならびにショットキ電極からなるゲート電極8が形成されている。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for illustrating the configuration of a nitride semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 5, the same reference numerals are given to corresponding portions of the respective parts in FIG. 1 described above.
In this embodiment, the electron supply layer 4 includes a third layer 43 as a cap layer formed on the second layer 42 made of AlGaN. A source electrode 6 and a drain electrode 7 made of ohmic electrodes and a gate electrode 8 made of a Schottky electrode are formed so as to be in contact with the third layer 43.

第3層43は、電子走行層3と同じ組成の窒化物半導体であるGaNからなっており、その厚さは、16nm以下(より好ましくは8nm以下)とされている。
この構成においても、第1の実施形態と同様にしてオーミック電極を形成することにより、電子供給層4を貫通する凹部を形成することなく、ソース電極6およびドレイン電極7を二次元電子ガス15にオーミック接触させることができる。キャップ層としての第3層43は、電子供給層4の表面モホロジーの改善に寄与する。すなわち、GaNからなる電子走行層3の表面に格子定数の異なるAlGaNからなる第2層42が形成されており、しかもAlGaNは3元系の結晶であるため結晶性が必ずしもよくない。そのため、第2層42を電子供給層4の最表面とすると、表面モホロジーが必ずしもよくなく、それに応じてデバイス特性が安定しない。そこで、電子走行層3と同一組成のキャップ層である第3層43を第2層42上に積層することで、電子供給層4の表面モホロジーを改善でき、それによって、デバイス特性を向上できる。ただし、第3層43を厚くし過ぎると、表面モホロジーを改善する効果が少なくなるうえに、ソース電極6およびドレイン電極7のオーミック接触に悪影響を与えるので、その厚さは16nm以下(より好ましくは8nm以下)とすることが好ましい。
The third layer 43 is made of GaN, which is a nitride semiconductor having the same composition as the electron transit layer 3, and has a thickness of 16 nm or less (more preferably 8 nm or less).
Also in this configuration, the source electrode 6 and the drain electrode 7 are formed in the two-dimensional electron gas 15 without forming a recess penetrating the electron supply layer 4 by forming an ohmic electrode in the same manner as in the first embodiment. Can make ohmic contact. The third layer 43 as the cap layer contributes to the improvement of the surface morphology of the electron supply layer 4. That is, the second layer 42 made of AlGaN having a different lattice constant is formed on the surface of the electron transit layer 3 made of GaN, and since AlGaN is a ternary crystal, the crystallinity is not necessarily good. Therefore, when the second layer 42 is the outermost surface of the electron supply layer 4, the surface morphology is not always good, and the device characteristics are not stabilized accordingly. Therefore, by laminating the third layer 43, which is a cap layer having the same composition as the electron transit layer 3, on the second layer 42, the surface morphology of the electron supply layer 4 can be improved, thereby improving the device characteristics. However, if the third layer 43 is made too thick, the effect of improving the surface morphology is reduced and the ohmic contact between the source electrode 6 and the drain electrode 7 is adversely affected, so the thickness is 16 nm or less (more preferably 8 nm or less).

図6は、この発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を説明するための断面図である。この実施形態の説明においても、前述の第1の実施形態において示した構成部分との対応部分には同一参照符号を用いる。平面視における構造は、第1の実施形態の場合と同様であるので、図4を併せて参照する。
第3の実施形態に係る窒化物半導体装置は、基板1(たとえばシリコン基板)と、基板1の表面に形成されたバッファ層2と、バッファ層2上にエピタキシャル成長された電子走行層3と、電子走行層3上にエピタキシャル成長された電子供給層4とを含む。さらに、この窒化物半導体装置は、電子供給層4の表面を覆うパッシベーション膜5と、パッシベーション膜5に形成されたコンタクト孔6a,7aを貫通して電子供給層4にオーミック接触しているソース電極6およびドレイン電極7とを含む。ソース電極6およびドレイン電極7は、間隔を開けて配置されており、それらの間に、ゲート電極8が配置されている。
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the structure of a nitride semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. Also in the description of this embodiment, the same reference numerals are used for corresponding parts to the constituent parts shown in the first embodiment. Since the structure in plan view is the same as that of the first embodiment, FIG. 4 is also referred to.
The nitride semiconductor device according to the third embodiment includes a substrate 1 (for example, a silicon substrate), a buffer layer 2 formed on the surface of the substrate 1, an electron transit layer 3 epitaxially grown on the buffer layer 2, and an electron And an electron supply layer 4 epitaxially grown on the traveling layer 3. Further, the nitride semiconductor device includes a passivation film 5 that covers the surface of the electron supply layer 4, and a source electrode that is in ohmic contact with the electron supply layer 4 through the contact holes 6 a and 7 a formed in the passivation film 5. 6 and the drain electrode 7. The source electrode 6 and the drain electrode 7 are arranged at an interval, and the gate electrode 8 is arranged between them.

電子供給層4には、その表面から電子走行層3に向かって掘り込まれた凹部9が形成されている。この凹部9の底部9aおよび側壁9bを覆うように、酸化膜11が形成されている。この酸化膜11に絶縁層12が積層されており、これらの酸化膜11および絶縁層12によってゲート絶縁膜10が構成されている。ゲート電極8は、ゲート絶縁膜10を挟んで、凹部9の底部9aにおいて、電子走行層3に対向している。酸化膜11が凹部9の底部9aだけでなく側壁9bをも覆うように延びていることにより、リークパスを少なくすることができる。   The electron supply layer 4 is formed with a recess 9 dug from the surface toward the electron transit layer 3. An oxide film 11 is formed so as to cover bottom 9a and side wall 9b of recess 9. An insulating layer 12 is laminated on the oxide film 11, and the gate insulating film 10 is constituted by the oxide film 11 and the insulating layer 12. The gate electrode 8 faces the electron transit layer 3 at the bottom 9a of the recess 9 with the gate insulating film 10 interposed therebetween. Since the oxide film 11 extends so as to cover not only the bottom 9a of the recess 9 but also the side wall 9b, a leak path can be reduced.

電子走行層3と電子供給層4とは、Al組成の異なるIII族窒化物半導体(以下単に「窒化物半導体」という。)からなっている。たとえば、電子走行層3は、GaN層からなっていてもよく、その厚さは、0.5μm程度であってもよい。電子供給層4は、この実施形態では、電子走行層3に接する第1層41と、第1層41に接する第2層42とを有している。第1層41は、この実施形態では、AlN層からなっており、厚さは、たとえば、数原子厚程度(5nm以下。好ましくは1〜5nm、より好ましくは1〜3nm)である。第2層42は、この実施形態では、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなっており、その厚さは、たとえば20nm程度である。 The electron transit layer 3 and the electron supply layer 4 are made of group III nitride semiconductors (hereinafter simply referred to as “nitride semiconductors”) having different Al compositions. For example, the electron transit layer 3 may be composed of a GaN layer, and the thickness thereof may be about 0.5 μm. In this embodiment, the electron supply layer 4 has a first layer 41 in contact with the electron transit layer 3 and a second layer 42 in contact with the first layer 41. In this embodiment, the first layer 41 is made of an AlN layer, and has a thickness of, for example, about several atomic thickness (5 nm or less, preferably 1 to 5 nm, more preferably 1 to 3 nm). In this embodiment, the second layer 42 is composed of an Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1), and has a thickness of about 20 nm, for example.

このように、電子走行層3と電子供給層4とは、Al組成の異なる窒化物半導体からなっていて、ヘテロ接合を形成しているとともに、それらの間には格子不整合が生じている。そして、ヘテロ接合および格子不整合に起因する分極のために、電子走行層3と電子供給層4との界面に近い位置(たとえば界面から数Å程度の距離の位置)には、その分極に起因する二次元電子ガス15が広がっている。AlNからなる第1層41は、電子の散乱を抑制して、電子移動度の向上に寄与する。第1層41が無く、AlGaNからなる第2層42が電子走行層3に接している場合、AlGaNが3元系結晶であるため、合金散乱が生じ易い。AlNからなる第1層41は、このような合金散乱を抑制する。   Thus, the electron transit layer 3 and the electron supply layer 4 are made of nitride semiconductors having different Al compositions, form a heterojunction, and have a lattice mismatch between them. Due to the polarization due to the heterojunction and lattice mismatch, the position close to the interface between the electron transit layer 3 and the electron supply layer 4 (for example, a position about several kilometers away from the interface) is attributed to the polarization. The two-dimensional electron gas 15 is spread. The first layer 41 made of AlN suppresses electron scattering and contributes to improvement of electron mobility. When the first layer 41 is not present and the second layer 42 made of AlGaN is in contact with the electron transit layer 3, alloy scattering is likely to occur because AlGaN is a ternary crystal. The first layer 41 made of AlN suppresses such alloy scattering.

凹部9の底部9aでは、酸化膜11は、電子供給層4の第1層41とほぼ等しい膜厚を有している。具体的には、酸化膜11は、5nm以下、好ましくは1〜5nm、より好ましくは1〜3nmの膜厚を有している。酸化膜11は、電子走行層3に接しており、酸化膜11と電子走行層3との界面は、電子供給層4と電子走行層3との界面と同一平面内に位置している。換言すれば、酸化膜11と電子走行層3との界面は、電子供給層4と電子走行層3との界面に連続している。   At the bottom 9 a of the recess 9, the oxide film 11 has a film thickness almost equal to that of the first layer 41 of the electron supply layer 4. Specifically, the oxide film 11 has a thickness of 5 nm or less, preferably 1 to 5 nm, more preferably 1 to 3 nm. The oxide film 11 is in contact with the electron transit layer 3, and the interface between the oxide film 11 and the electron transit layer 3 is located in the same plane as the interface between the electron supply layer 4 and the electron transit layer 3. In other words, the interface between the oxide film 11 and the electron transit layer 3 is continuous with the interface between the electron supply layer 4 and the electron transit layer 3.

酸化膜11は、この実施形態では、熱酸化膜であり、電子走行層3との界面に損傷を与えることなく形成された酸化膜である。また、この酸化膜11は、絶縁層12中の窒素濃度よりも高い濃度で窒素を含有している。より具体的には、酸化膜11中の窒素濃度は、5×1016cm−3以上であり、絶縁層12中の窒素濃度は、5×1016cm−3未満である。より詳細には、酸化膜11は、凹部9の底部9aに接する底部被覆部11aにおいて、より高い窒素濃度を有しており、その底部被覆部11aにおける窒素濃度が5×1016cm−3以上であり、凹部9の側壁9bを被覆する側壁被覆部11bにおける窒素濃度よりも高い。 In this embodiment, the oxide film 11 is a thermal oxide film, and is an oxide film formed without damaging the interface with the electron transit layer 3. The oxide film 11 contains nitrogen at a concentration higher than the nitrogen concentration in the insulating layer 12. More specifically, the nitrogen concentration in the oxide film 11 is 5 × 10 16 cm −3 or more, and the nitrogen concentration in the insulating layer 12 is less than 5 × 10 16 cm −3 . More specifically, the oxide film 11 has a higher nitrogen concentration in the bottom cover portion 11a in contact with the bottom portion 9a of the recess 9, and the nitrogen concentration in the bottom cover portion 11a is 5 × 10 16 cm −3 or more. It is higher than the nitrogen concentration in the side wall covering portion 11b that covers the side wall 9b of the recess 9.

絶縁層12は、たとえば、酸化アルミニウム(アルミナ)からなり、酸化膜11よりも厚く(たとえば電子供給層4よりも厚くてもよい)形成されている。これにより、酸化膜11が薄くとも、酸化膜11とともに必要膜厚のゲート絶縁膜10を形成していて、絶縁破壊電圧の向上に寄与している。絶縁層12は、この実施形態では、凹部9内において酸化膜11に接し、さらに凹部9外にまで延びて形成されている。これにより、一層の耐圧向上が図られている。   The insulating layer 12 is made of, for example, aluminum oxide (alumina), and is thicker than the oxide film 11 (for example, may be thicker than the electron supply layer 4). Thereby, even if the oxide film 11 is thin, the gate insulating film 10 having a required film thickness is formed together with the oxide film 11, which contributes to the improvement of the dielectric breakdown voltage. In this embodiment, the insulating layer 12 is formed so as to be in contact with the oxide film 11 in the recess 9 and further to the outside of the recess 9. Thereby, the pressure | voltage resistance is further improved.

ゲート電極8は、絶縁層12に接するように形成されている。ゲート電極8は、絶縁層12に接する下層と、この下層上に積層される上層とを有する積層電極膜からなっていてもよい。下層はNiまたはPtからなっていてもよく、上層はAuまたはAlからなっていてもよい。ゲート電極8は、ソース電極6寄りに偏って配置され、これにより、ゲート−ソース間距離よりもゲート−ドレイン間距離の方を長くした非対称構造となっている。この非対称構造は、ゲート−ドレイン間に生じる高電界を緩和して耐圧向上に寄与する。   The gate electrode 8 is formed in contact with the insulating layer 12. The gate electrode 8 may be composed of a laminated electrode film having a lower layer in contact with the insulating layer 12 and an upper layer laminated on the lower layer. The lower layer may be made of Ni or Pt, and the upper layer may be made of Au or Al. The gate electrode 8 is biased toward the source electrode 6 and has an asymmetric structure in which the gate-drain distance is longer than the gate-source distance. This asymmetric structure alleviates a high electric field generated between the gate and the drain and contributes to an improvement in breakdown voltage.

さらに、この実施形態では、ゲート電極8は、パッシベーション膜5に形成された開口5a内に入り込み、さらに凹部9に入り込んだゲート本体部81と、ゲート本体部81に連なり、開口5a外においてパッシベーション膜5上をドレイン電極7に向かって延びたフィールドプレート部82とを有している。ゲート本体部81の下端のドレイン電極7側の端部であるドレイン端81aからフィールドプレート部82のドレイン電極7側の端部までの距離Lfp(たとえば2.25μm程度)が、フィールドプレート長である。フィールドプレート長Lfpは、ドレイン端81aからドレイン電極7までの距離Lgd(たとえば9μm程度)の1/6以上1/2以下であることが好ましい。これにより、ドレイン端81aにおける電界集中を緩和でき、かつフィールドプレート部81のドレイン側端とドレイン電極7との間の電界に起因するパッシベーション膜5の破壊を回避できる。   Furthermore, in this embodiment, the gate electrode 8 enters the opening 5a formed in the passivation film 5, and further continues to the gate body 81 and the gate body 81 that enters the recess 9, and the passivation film is outside the opening 5a. 5 has a field plate portion 82 extending toward the drain electrode 7. The distance Lfp (for example, about 2.25 μm) from the drain end 81a, which is the end on the drain electrode 7 side at the lower end of the gate body portion 81, to the end on the drain electrode 7 side of the field plate portion 82 is the field plate length. . Field plate length Lfp is preferably 1/6 or more and 1/2 or less of distance Lgd (for example, about 9 μm) from drain end 81a to drain electrode 7. Thereby, electric field concentration at the drain end 81a can be relaxed, and destruction of the passivation film 5 due to the electric field between the drain side end of the field plate portion 81 and the drain electrode 7 can be avoided.

ソース電極6およびドレイン電極7は、第1の実施形態において詳述したオーミック電極であり、二次元電子ガス15にオーミック接触している。
バッファ層2は、たとえば、AlGaN層であってもよいし、AlN層およびGaN層を繰り返し積層した超格子構造を有する層であってもよい。
この窒化物半導体装置では、電子走行層3上にAl組成の異なる電子供給層4が形成されてヘテロ接合が形成されている。これにより、電子走行層3と電子供給層4との界面付近の電子走行層3内に二次元電子ガス15が形成され、この二次元電子ガス15をチャネルとして利用したHEMTが形成されている。ゲート電極8は、酸化膜11および絶縁層12の積層膜からなるゲート絶縁膜10を挟んで電子走行層3に対向しており、ゲート電極8の直下には、電子供給層4は存在しない。したがって、ゲート電極8の直下では、電子供給層4と電子走行層3との格子不整合による分極に起因する二次元電子ガス15が形成されない。よって、ゲート電極8にバイアスを印加していないとき(ゼロバイアス時)には、二次元電子ガス15によるチャネルはゲート電極8の直下で遮断されている。こうして、ノーマリオフ型のHEMTが実現されている。ゲート電極8に適切なオン電圧(たとえば5V)を印加すると、ゲート電極8の直下の電子走行層3内にチャネルが誘起され、ゲート電極8の両側の二次元電子ガス15が接続される。これにより、ソース−ドレイン間が導通する。
The source electrode 6 and the drain electrode 7 are ohmic electrodes described in detail in the first embodiment, and are in ohmic contact with the two-dimensional electron gas 15.
The buffer layer 2 may be, for example, an AlGaN layer or a layer having a superlattice structure in which an AlN layer and a GaN layer are repeatedly stacked.
In this nitride semiconductor device, an electron supply layer 4 having a different Al composition is formed on the electron transit layer 3 to form a heterojunction. Thereby, a two-dimensional electron gas 15 is formed in the electron transit layer 3 in the vicinity of the interface between the electron transit layer 3 and the electron supply layer 4, and a HEMT using the two-dimensional electron gas 15 as a channel is formed. The gate electrode 8 faces the electron transit layer 3 with the gate insulating film 10 formed of a laminated film of the oxide film 11 and the insulating layer 12 interposed therebetween, and the electron supply layer 4 does not exist immediately below the gate electrode 8. Therefore, the two-dimensional electron gas 15 due to polarization due to lattice mismatch between the electron supply layer 4 and the electron transit layer 3 is not formed immediately below the gate electrode 8. Therefore, when no bias is applied to the gate electrode 8 (at the time of zero bias), the channel formed by the two-dimensional electron gas 15 is blocked immediately below the gate electrode 8. In this way, a normally-off HEMT is realized. When an appropriate ON voltage (for example, 5 V) is applied to the gate electrode 8, a channel is induced in the electron transit layer 3 immediately below the gate electrode 8, and the two-dimensional electron gas 15 on both sides of the gate electrode 8 is connected. Thereby, conduction between the source and the drain is established.

使用に際しては、たとえば、ソース電極6とドレイン電極7との間に、ドレイン電極7側が正となる所定の電圧(たとえば200V〜400V)が印加される。その状態で、ゲート電極8に対して、ソース電極6を基準電位(0V)として、オフ電圧(0V)またはオン電圧(5V)が印加される。
酸化膜11と電子走行層3との界面は、電子供給層4と電子走行層3との界面に連続していて、ゲート電極8の直下における電子走行層3の界面の状態は、電子供給層4と電子走行層3との界面の状態と同等である。そのため、ゲート電極8の直下の電子走行層3における電子移動度は高い状態に保持されている。また、十分に高いオン電圧をゲート電極8に印加できるので、ゲート電極8にオン電圧を印加したときのデバイス特性も良好である。
In use, for example, a predetermined voltage (for example, 200 V to 400 V) that is positive on the drain electrode 7 side is applied between the source electrode 6 and the drain electrode 7. In this state, an off voltage (0 V) or an on voltage (5 V) is applied to the gate electrode 8 with the source electrode 6 as a reference potential (0 V).
The interface between the oxide film 11 and the electron transit layer 3 is continuous with the interface between the electron supply layer 4 and the electron transit layer 3, and the state of the interface of the electron transit layer 3 immediately below the gate electrode 8 is the electron supply layer. 4 and the state of the interface between the electron transit layer 3. Therefore, the electron mobility in the electron transit layer 3 immediately below the gate electrode 8 is kept high. In addition, since a sufficiently high on-voltage can be applied to the gate electrode 8, the device characteristics when the on-voltage is applied to the gate electrode 8 are also good.

こうして、この実施形態は、ノーマリオフ型のHEMT構造を有し、かつ優れたデバイス特性を有する窒化物半導体装置を提供する。
そのほか、この第3の実施形態においても、第1の実施形態に関連して述べた作用効果を得ることができ、電子供給層4を貫通する凹部を形成することなく、ソース電極6およびドレイン電極7を二次元電子ガス15にオーミック接触させることができる。
Thus, this embodiment provides a nitride semiconductor device having a normally-off HEMT structure and having excellent device characteristics.
In addition, also in the third embodiment, the effects described in relation to the first embodiment can be obtained, and the source electrode 6 and the drain electrode can be formed without forming a recess penetrating the electron supply layer 4. 7 can be brought into ohmic contact with the two-dimensional electron gas 15.

図7A〜図7Fは、第3の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造工程の一例を説明するための断面図であり、製造工程における複数の段階における断面構造が示されている。
まず、図7Aに示すように、基板1上に、バッファ層2および電子走行層3が順にエピタキシャル成長させられ、さらに電子走行層3上に電子供給層4がエピタキシャル成長させられる。そして、さらに、電子供給層4上の全面を被覆するように、たとえば、CVD法(化学的気相成長法)によって、パッシベーション膜5が形成される。パッシベーション膜5は、窒化シリコン(SiN)からなっていてもよく、その膜厚は数百nm程度が適当である。電子供給層4のエピタキシャル成長は、電子走行層3上にAlNからなる第1層41をエピタキシャル成長させる工程と、第1層41上にAlGaNからなる第2層42をエピタキシャル成長させる工程とを含む。
7A to 7F are cross-sectional views for explaining an example of the manufacturing process of the nitride semiconductor device according to the third embodiment, and show cross-sectional structures at a plurality of stages in the manufacturing process.
First, as shown in FIG. 7A, the buffer layer 2 and the electron transit layer 3 are epitaxially grown on the substrate 1 in this order, and the electron supply layer 4 is further epitaxially grown on the electron transit layer 3. Further, a passivation film 5 is formed by, for example, a CVD method (chemical vapor deposition method) so as to cover the entire surface of the electron supply layer 4. The passivation film 5 may be made of silicon nitride (SiN), and the film thickness is suitably about several hundred nm. The epitaxial growth of the electron supply layer 4 includes a step of epitaxially growing a first layer 41 made of AlN on the electron transit layer 3 and a step of epitaxially growing a second layer 42 made of AlGaN on the first layer 41.

次に、図7Bに示すように、ゲート電極8の形成位置に合わせて、電子供給層4に凹部9が形成される。具体的には、凹部9を形成すべき位置に開口を有するマスクが形成され、そのマスクを介するドライエッチングによって、パッシベーション膜5が開口され、さらに、電子供給層4の一部がエッチングされて、電子供給層4の表面から電子走行層3に向かって窪んだ凹部9が形成される。このとき、凹部9の底部9aには、凹部9外の電子供給層4よりも薄く、5nm以下(好ましくは1〜5nm、より好ましくは1〜3nm)の厚さの薄部4tが残される。この薄部4tは、第1層41(AlN層)のみからなっていてもよいし、第1層41に加えて第2層42(AlGaN層)の一部が含まれていてもよい。   Next, as shown in FIG. 7B, a recess 9 is formed in the electron supply layer 4 in accordance with the formation position of the gate electrode 8. Specifically, a mask having an opening is formed at a position where the concave portion 9 is to be formed, the passivation film 5 is opened by dry etching through the mask, and a part of the electron supply layer 4 is etched, A recess 9 that is recessed from the surface of the electron supply layer 4 toward the electron transit layer 3 is formed. At this time, a thin part 4 t having a thickness of 5 nm or less (preferably 1 to 5 nm, more preferably 1 to 3 nm) is left on the bottom 9 a of the recess 9, which is thinner than the electron supply layer 4 outside the recess 9. This thin part 4t may consist of only the first layer 41 (AlN layer), or may include a part of the second layer 42 (AlGaN layer) in addition to the first layer 41.

次いで、図7Cに示すように、熱酸化炉中で酸素ガスを流しながら行う熱酸化処理によって、酸化膜11が形成される。この熱酸化処理は、薄部4tがその厚さ全体に渡って過不足無く酸化膜11に転換されるように行われる。薄部4tに含まれる第1層(AlN層)においては、熱酸化処理によって、窒素原子(N)が酸素原子(O)に置き換わり、Alab(ただしa,bは正の実数)からなる酸化膜に転換する。これにより、凹部9の底部9aにおいては、電子供給層4と電子走行層3との界面がなくなり、代わって、酸化膜11と電子走行層3との界面となる。 Next, as shown in FIG. 7C, an oxide film 11 is formed by a thermal oxidation process performed while flowing an oxygen gas in a thermal oxidation furnace. This thermal oxidation treatment is performed so that the thin portion 4t is converted into the oxide film 11 over and over the entire thickness. In the first layer (AlN layer) included in the thin part 4t, nitrogen atoms (N) are replaced with oxygen atoms (O) by thermal oxidation treatment, and Al a O b (where a and b are positive real numbers) To an oxide film. As a result, at the bottom 9 a of the recess 9, the interface between the electron supply layer 4 and the electron transit layer 3 disappears and instead becomes an interface between the oxide film 11 and the electron transit layer 3.

この界面は、熱酸化によって形成された界面であり、製造工程中、一度も大気に晒されることなく形成された、極めて良好な界面である。そのため、その界面直下における電子走行層3中の電子移動度はその他の部分と同じ高い値を有する。これにより、低いオン抵抗および高スイッチング速度を実現できる。
熱酸化処理は、凹部9の底部9aだけでなく、酸素雰囲気に露出されている側壁9bにおいても進行するので、酸化膜11は、底部9aを覆い、さらに側壁9bにまで延びるように形成される。酸化膜11の底部被覆部11aは、AlN層からなる第1層41から転換された部分を含み、側壁被覆部11bはAlGaN層からなる第2層42から酸化膜に転換されている。そのため、酸化膜11は窒素を含んでおり、その底部被覆部11aの窒素濃度は、側壁被覆部11bの窒素濃度よりも高い。
This interface is an interface formed by thermal oxidation, and is an extremely good interface formed without being exposed to the atmosphere even during the manufacturing process. Therefore, the electron mobility in the electron transit layer 3 immediately below the interface has the same high value as the other portions. Thereby, a low on-resistance and a high switching speed can be realized.
Since the thermal oxidation process proceeds not only at the bottom 9a of the recess 9 but also at the side wall 9b exposed to the oxygen atmosphere, the oxide film 11 is formed to cover the bottom 9a and further extend to the side wall 9b. . The bottom covering portion 11a of the oxide film 11 includes a portion converted from the first layer 41 made of an AlN layer, and the side wall covering portion 11b is changed from the second layer 42 made of an AlGaN layer to an oxide film. Therefore, the oxide film 11 contains nitrogen, and the nitrogen concentration in the bottom covering portion 11a is higher than the nitrogen concentration in the side wall covering portion 11b.

次に、図7Dに示すように、露出した表面全域を覆うように絶縁層12が形成される。したがって、絶縁層12は、凹部9内において酸化膜11に接し、凹部9外の領域にまで延びて形成される。絶縁層12は、酸化膜11と同種の絶縁膜であることが好ましく、たとえば、アルミナ(Al)からなっていてもよい。このような絶縁層12は、たとえば、ALD(Atomic Layer Deposition)法によって形成することができる。 Next, as shown in FIG. 7D, the insulating layer 12 is formed so as to cover the entire exposed surface. Therefore, the insulating layer 12 is formed in contact with the oxide film 11 in the recess 9 and extending to a region outside the recess 9. The insulating layer 12 is preferably an insulating film of the same type as the oxide film 11, and may be made of alumina (Al 2 O 3 ), for example. Such an insulating layer 12 can be formed by, for example, an ALD (Atomic Layer Deposition) method.

次に、図7Eに示すように、ソース電極6およびドレイン電極7が形成される。具体的には、それらの形成位置に整合するように、絶縁層12およびパッシベーション膜5を貫通するコンタクト孔6a,7aが形成され、次いで、第1の実施形態の場合と同様にしてソース電極6およびドレイン電極7が形成される(図4参照)。これらのソース電極6およびドレイン電極7は、二次元電子ガス15にオーミック接触するオーミック電極である。   Next, as shown in FIG. 7E, the source electrode 6 and the drain electrode 7 are formed. Specifically, contact holes 6a and 7a penetrating the insulating layer 12 and the passivation film 5 are formed so as to match the formation positions thereof, and then the source electrode 6 is formed in the same manner as in the first embodiment. And the drain electrode 7 is formed (refer FIG. 4). The source electrode 6 and the drain electrode 7 are ohmic electrodes that are in ohmic contact with the two-dimensional electron gas 15.

次いで、図7Fに示すように、ゲート電極8の形成位置に開口を有するレジスト膜16が形成され、その状態の表面全域を覆うように、電極膜17が形成される。レジスト膜16の開口は、パッシベーション膜5に形成された開口5aの領域を包含し、かつ開口5aの領域よりも広い領域に形成される。レジスト膜16の開口のドレイン電極7側の縁部は、パッシベーション膜5の開口5aのドレイン側端からドレイン電極7に向かってフィールドプレート長Lfpだけ後退している。電極膜17は、たとえば、NiまたはPtからなる下層と、AuまたはAlからなる上層とを積層した積層金属膜からなり、各層を順に蒸着して形成される。   Next, as shown in FIG. 7F, a resist film 16 having an opening at the position where the gate electrode 8 is formed is formed, and an electrode film 17 is formed so as to cover the entire surface in that state. The opening of the resist film 16 includes a region of the opening 5a formed in the passivation film 5 and is formed in a region wider than the region of the opening 5a. The edge of the opening of the resist film 16 on the drain electrode 7 side is set back by the field plate length Lfp from the drain side end of the opening 5 a of the passivation film 5 toward the drain electrode 7. The electrode film 17 is made of, for example, a laminated metal film in which a lower layer made of Ni or Pt and an upper layer made of Au or Al are laminated, and each layer is deposited in order.

次に、レジスト膜16とともに、当該レジスト膜16上の電極膜17(電極膜17の不要部分)がリフトオフされることによって、当該電極膜17がパターニングされて、ゲート電極8が得られる。こうして、図1に示す構造の窒化物半導体装置が得られる。その後は、層間絶縁膜で全面が覆われ、ソース電極6およびドレイン電極7を露出させるコンタクト孔が層間絶縁膜に形成される。そして、層間絶縁膜上には、ソース電極6およびドレイン電極7にコンタクト孔でそれぞれ接続されるソース配線およびドレイン配線が形成される。   Next, the electrode film 17 on the resist film 16 (unnecessary portion of the electrode film 17) is lifted off together with the resist film 16, whereby the electrode film 17 is patterned and the gate electrode 8 is obtained. Thus, the nitride semiconductor device having the structure shown in FIG. 1 is obtained. Thereafter, the entire surface is covered with an interlayer insulating film, and contact holes for exposing the source electrode 6 and the drain electrode 7 are formed in the interlayer insulating film. A source wiring and a drain wiring connected to the source electrode 6 and the drain electrode 7 through contact holes, respectively, are formed on the interlayer insulating film.

図8は、この発明の第4の実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。図8において、前述の図5および図6の各部の対応箇所には同一参照符号を付して示す。
この実施形態では、図5に示した第2の実施形態の場合と同様に、電子供給層4は、AlGaNからなる第2層42上に形成されたキャップ層としての第3層43を含む。そして、第3層43に接するように、オーミック電極からなるソース電極6およびドレイン電極7が形成されている。パッシベーション膜5は、第3層43上に形成されている。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of a nitride semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 8, the same reference numerals are assigned to the corresponding portions of the respective parts in FIGS. 5 and 6 described above.
In this embodiment, as in the case of the second embodiment shown in FIG. 5, the electron supply layer 4 includes a third layer 43 as a cap layer formed on the second layer 42 made of AlGaN. A source electrode 6 and a drain electrode 7 made of ohmic electrodes are formed in contact with the third layer 43. The passivation film 5 is formed on the third layer 43.

第3層43は、電子走行層3と同じ組成の窒化物半導体であるGaNからなっており、その厚さは、16nm以下(より好ましくは8nm以下)とされている。
この構成においても、第3の実施形態と同様にしてオーミック電極を形成することにより、電子供給層4を貫通する凹部を形成することなく、ソース電極6およびドレイン電極7を二次元電子ガス15にオーミック接触させることができる。キャップ層としての第3層43は、電子供給層4の表面モホロジーの改善に寄与する。
The third layer 43 is made of GaN, which is a nitride semiconductor having the same composition as the electron transit layer 3, and has a thickness of 16 nm or less (more preferably 8 nm or less).
Also in this configuration, the source electrode 6 and the drain electrode 7 are formed in the two-dimensional electron gas 15 without forming a recess penetrating the electron supply layer 4 by forming an ohmic electrode in the same manner as in the third embodiment. Can make ohmic contact. The third layer 43 as the cap layer contributes to the improvement of the surface morphology of the electron supply layer 4.

以上、この発明の実施形態について説明してきたが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention can also be implemented with another form .

たとえば、前述の実施形態では、電子走行層3がGaN層からなり、電子供給層4がAlNからなる第1層41およびAlGaNからなる第2層42を含む例について説明したが、電子走行層3と電子供給層4とはAl組成が異なっていればよく、他の組み合わせも可能である。たとえば、電子走行層3/第1層41/第2層42の組み合わせとしては、GaN/AlN/AlGaN、AlmGa1-mN/AlN/AlnGa1-nN(ただし、m≠n)、AlGaN/AlN/AlInN、GaN/AlN/AlInN、GaN/AlN/AlN、AlGaN/AlN/AlNなどを例示できる。むろん、第1層41および第2層42をいずれもAlN層とするときは、第1層41および第2層42を区別する必要はない。 For example , in the above-described embodiment, the example in which the electron transit layer 3 is made of a GaN layer and the electron supply layer 4 includes the first layer 41 made of AlN and the second layer 42 made of AlGaN has been described. The electron supply layer 4 only needs to have a different Al composition, and other combinations are possible. For example, as the combination of the electron transit layer 3 / the first layer 41 / the second layer 42, GaN / AlN / AlGaN, Al m Ga 1-m N / AlN / Al n Ga 1-n N (where m ≠ n ), AlGaN / AlN / AlInN, GaN / AlN / AlInN, GaN / AlN / AlN, AlGaN / AlN / AlN, and the like. Of course, when the first layer 41 and the second layer 42 are both AlN layers, it is not necessary to distinguish the first layer 41 and the second layer 42.

また、前述の第3および第4の実施形態において、第2層42をAlN以外とする場合でも、必ずしもAlNからなる第1層を設けなくても、凹部9の底部9aに酸化膜を形成することができる。ただし、電子走行層3に接するようにAlN層を設けることによって、電子の散乱が抑制され、電子移動度を高めることができるうえに、電子走行層3に接する酸化膜11を熱酸化法によって確実に形成できる利点がある。   In the third and fourth embodiments described above, even when the second layer 42 is other than AlN, an oxide film is formed on the bottom 9a of the recess 9 without necessarily providing the first layer made of AlN. be able to. However, by providing the AlN layer so as to be in contact with the electron transit layer 3, the scattering of electrons can be suppressed, the electron mobility can be increased, and the oxide film 11 in contact with the electron transit layer 3 can be reliably formed by a thermal oxidation method. There is an advantage that can be formed.

また、前述の第3および第4の実施形態では、ゲート絶縁膜10を酸化膜11および絶縁層12の2層で構成してあるが、3層以上の絶縁膜を積層してゲート絶縁膜10を形成し、絶縁破壊耐圧をより高めた構成としてもよい。
また、前述の実施形態では、基板1の材料例としてシリコンを例示したが、ほかにも、サファイア基板やGaN基板などの任意の基板材料を適用できる。
In the third and fourth embodiments described above, the gate insulating film 10 is composed of two layers of the oxide film 11 and the insulating layer 12, but the gate insulating film 10 is formed by stacking three or more insulating films. It is good also as a structure which increased the dielectric breakdown voltage.
In the above-described embodiment, silicon is exemplified as a material example of the substrate 1, but any other substrate material such as a sapphire substrate or a GaN substrate can be applied.

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
この明細書および添付図面の記載から導き出される特徴の例を以下に列記する。
1.窒化物半導体からなる電子走行層と、
前記電子走行層に積層され、Alを含むとともに前記電子走行層とはAl組成が異なる窒化物半導体からなり、前記電子走行層に接するAlN層を有する電子供給層と、
前記電子供給層上に互いに間隔を開けて形成され、Ti、Al、MoおよびSiを含むオーミック電極からなるソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に配置され、前記電子走行層に対向するゲート電極とを含む、窒化物半導体装置。
2.前記オーミック電極が、前記電子供給層側から順に、Ti組成のピーク、Al組成のピーク、Mo組成のピークが現れるように構成されている、項1に記載の窒化物半導体装置。
3.前記オーミック電極が、前記Ti組成のピークと前記Al組成のピークとの間にSi組成のピークが現れるように構成されている、項2に記載の窒化物半導体装置。
4.前記オーミック電極中におけるTi、AlおよびMoの各ピーク密度が10 20 cm −3 以上であり、前記オーミック電極中におけるSiのピーク密度が10 18 cm −3 以上である、項1〜3のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
5.前記電子供給層が、前記電子走行層と同じ組成の窒化物半導体からなるキャップ層を含み、前記キャップ層の上に前記オーミック電極からなるソース電極およびドレイン電極が形成されている、項1〜4のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
6.前記キャップ層の厚さが16nm以下である、項5に記載の窒化物半導体装置。
7.前記ゲート電極直下の前記電子供給層が除去されており、前記ゲート電極が、前記電子供給層が除去された領域において前記電子走行層に接するゲート絶縁膜を介して前記電子走行層に対向している、項1〜6のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
8.前記AlN層の厚さが1nm〜5nmであり、前記電子供給層の厚さが1nm〜40nmである、項1〜7のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
9.前記オーミック電極が、Auを含まない、項1〜8のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
10.前記電子供給層の表面を覆うパッシベーション膜をさらに含み、
前記ゲート電極が、前記パッシベーション膜に形成された開口内に配置されたゲート本体部と、前記ゲート本体部に連続し前記開口外の前記パッシベーション膜の表面上において前記ドレイン電極に向かって所定のフィールドプレート長に渡って延びたフィールドプレート部とを有しており、前記フィールドプレート長が前記ゲート本体部と前記ドレイン電極との間の距離の1/6以上1/2以下である、項1〜9のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
11.窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層に接するAlN層を有し、Alを含むとともに前記電子走行層とはAl組成が異なる窒化物半導体からなる電子供給層を前記電子走行層に積層して形成する工程と、
前記電子供給層上に、Ti層、Si層、Al層およびMo層を順に積層して積層電極膜を形成する工程と、
前記積層電極膜を熱処理して、ソース電極およびドレイン電極としてのオーミック電極を形成する工程と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に、前記電子走行層に対向するゲート電極を形成する工程と
を含む、窒化物半導体装置の製造方法。
12.前記積層電極膜の形成および前記熱処理が、前記オーミック電極中におけるTi、AlおよびMoの各ピーク密度が10 20 cm −3 以上となり、前記オーミック電極中におけるSiのピーク密度が10 18 cm −3 以上となるように行われる、項11に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
13.前記電子供給層を形成する工程が、前記電子走行層と同じ組成の窒化物半導体からなるキャップ層を形成する工程を含み、前記積層電極膜が前記キャップ層の上に形成される、項11または12に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
14.前記ゲート電極直下の前記電子供給層を除去する工程と、
前記電子供給層が除去された領域において前記電子走行層に接するゲート絶縁膜を形成する工程とをさらに含み、
前記ゲート電極が前記ゲート絶縁膜を挟んで前記電子走行層に対向するように形成される、項11〜13のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
15.前記電子供給層の表面を覆うパッシベーション膜を形成する工程をさらに含み、
前記ゲート電極が、前記パッシベーション膜に形成された開口内に配置されたゲート本体部と、前記ゲート本体部に連続し前記開口外の前記パッシベーション膜の表面上において前記ドレイン電極に向かって所定のフィールドプレート長に渡って延びたフィールドプレート部とを有し、前記フィールドプレート長が前記ゲート本体部と前記ドレイン電極との間の距離の1/6以上1/2以下であるように形成される、項11〜14のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
16.窒化物半導体からなる電子走行層と、
前記電子走行層に積層され、Alを含むとともに前記電子走行層とはAl組成が異なる窒化物半導体からなり、前記電子走行層に接するAlN層を有する電子供給層と、
前記電子供給層上に互いに間隔を開けて形成されたソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に配置され、前記電子走行層に対向するゲート電極とを含み、
前記ゲート電極が、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間を分離する一定幅の帯状パターンに形成されている、窒化物半導体装置。
17.前記ゲート電極が、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間を分離するようにジグザグ形状に形成されている、項16に記載の窒化物半導体装置。
18.前記ゲート電極が、前記ドレイン電極よりも前記ソース電極に近い位置に形成されている、項16または17に記載の窒化物半導体装置。
19.前記ソース電極および前記ドレイン電極が、長手方向が平行な一対の矩形領域にそれぞれ形成されている、項16〜18のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
前述の実施形態では、オーミック電極を作製するための積層電極膜が、電子供給層4側から順に積層したTi層31、第1Si層32、Al層33、第2Si層34およびMo層35を有する例を示したが、第2Si層34が省かれてもよい。この場合、シンター処理後のオーミック電極の組成スペクトル中には、第2Si層34に対応するピークは現れない。
In addition, various design changes can be made within the scope of matters described in the claims.
Examples of features derived from the description of this specification and the accompanying drawings are listed below.
1. An electron transit layer made of a nitride semiconductor;
An electron supply layer that is laminated on the electron transit layer, includes Al and is made of a nitride semiconductor having an Al composition different from that of the electron transit layer, and has an AlN layer in contact with the electron transit layer;
A source electrode and a drain electrode, which are formed on the electron supply layer at intervals from each other and are made of ohmic electrodes including Ti, Al, Mo and Si;
A nitride semiconductor device including a gate electrode disposed between the source electrode and the drain electrode and facing the electron transit layer.
2. The nitride semiconductor device according to Item 1, wherein the ohmic electrode is configured such that a peak of Ti composition, a peak of Al composition, and a peak of Mo composition appear in order from the electron supply layer side.
3. Item 3. The nitride semiconductor device according to Item 2, wherein the ohmic electrode is configured such that a Si composition peak appears between the Ti composition peak and the Al composition peak.
4). Any one of Items 1 to 3 , wherein each of the peak densities of Ti, Al, and Mo in the ohmic electrode is 10 20 cm −3 or more, and a peak density of Si in the ohmic electrode is 10 18 cm −3 or more. The nitride semiconductor device according to one item.
5. Item 1-4, wherein the electron supply layer includes a cap layer made of a nitride semiconductor having the same composition as the electron transit layer, and a source electrode and a drain electrode made of the ohmic electrode are formed on the cap layer. The nitride semiconductor device according to any one of the above.
6). Item 6. The nitride semiconductor device according to Item 5, wherein the cap layer has a thickness of 16 nm or less.
7). The electron supply layer directly under the gate electrode is removed, and the gate electrode is opposed to the electron transit layer through a gate insulating film in contact with the electron transit layer in a region where the electron supply layer is removed. The nitride semiconductor device according to any one of Items 1 to 6.
8). Item 8. The nitride semiconductor device according to any one of Items 1 to 7, wherein the thickness of the AlN layer is 1 nm to 5 nm, and the thickness of the electron supply layer is 1 nm to 40 nm.
9. Item 9. The nitride semiconductor device according to any one of Items 1 to 8, wherein the ohmic electrode does not contain Au.
10. Further comprising a passivation film covering the surface of the electron supply layer,
A gate body portion disposed in an opening formed in the passivation film; and a predetermined field toward the drain electrode on the surface of the passivation film outside the opening and continuous with the gate body portion. A field plate portion extending over the plate length, wherein the field plate length is 1/6 or more and 1/2 or less of a distance between the gate main body portion and the drain electrode. 10. The nitride semiconductor device according to claim 9.
11. Forming an electron transit layer made of a nitride semiconductor;
A step of forming an AlN layer in contact with the electron transit layer and laminating an electron supply layer made of a nitride semiconductor containing Al and having an Al composition different from that of the electron transit layer on the electron transit layer;
Forming a laminated electrode film by sequentially laminating a Ti layer, a Si layer, an Al layer and a Mo layer on the electron supply layer;
Heat-treating the laminated electrode film to form ohmic electrodes as source and drain electrodes;
Forming a gate electrode facing the electron transit layer between the source electrode and the drain electrode;
A method for manufacturing a nitride semiconductor device, comprising:
12 In the formation of the laminated electrode film and the heat treatment, the peak density of Ti, Al, and Mo in the ohmic electrode is 10 20 cm −3 or more, and the peak density of Si in the ohmic electrode is 10 18 cm −3 or more. Item 12. The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to Item 11, wherein the method is performed so that
13. The step of forming the electron supply layer includes a step of forming a cap layer made of a nitride semiconductor having the same composition as the electron transit layer, and the stacked electrode film is formed on the cap layer. 13. A method for manufacturing a nitride semiconductor device according to item 12.
14 Removing the electron supply layer directly under the gate electrode;
Forming a gate insulating film in contact with the electron transit layer in the region where the electron supply layer has been removed,
Item 14. The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to any one of Items 11 to 13, wherein the gate electrode is formed so as to face the electron transit layer with the gate insulating film interposed therebetween.
15. Further comprising forming a passivation film covering the surface of the electron supply layer,
A gate body portion disposed in an opening formed in the passivation film; and a predetermined field toward the drain electrode on the surface of the passivation film outside the opening and continuous with the gate body portion. A field plate portion extending over the plate length, and the field plate length is formed to be 1/6 or more and 1/2 or less of the distance between the gate body portion and the drain electrode. Item 15. The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to any one of Items 11 to 14.
16. An electron transit layer made of a nitride semiconductor;
An electron supply layer that is laminated on the electron transit layer, includes Al and is made of a nitride semiconductor having an Al composition different from that of the electron transit layer, and has an AlN layer in contact with the electron transit layer;
A source electrode and a drain electrode formed on the electron supply layer at intervals from each other;
A gate electrode disposed between the source electrode and the drain electrode and facing the electron transit layer;
The nitride semiconductor device, wherein the gate electrode is formed in a band-shaped pattern having a constant width separating the source electrode and the drain electrode.
17. Item 17. The nitride semiconductor device according to Item 16, wherein the gate electrode is formed in a zigzag shape so as to separate the source electrode and the drain electrode.
18. Item 18. The nitride semiconductor device according to Item 16 or 17, wherein the gate electrode is formed at a position closer to the source electrode than the drain electrode.
19. Item 19. The nitride semiconductor device according to any one of Items 16 to 18, wherein the source electrode and the drain electrode are respectively formed in a pair of rectangular regions whose longitudinal directions are parallel to each other.
In the above-described embodiment, the laminated electrode film for producing the ohmic electrode has the Ti layer 31, the first Si layer 32, the Al layer 33, the second Si layer 34, and the Mo layer 35 laminated in order from the electron supply layer 4 side. Although an example is shown, the second Si layer 34 may be omitted. In this case, no peak corresponding to the second Si layer 34 appears in the composition spectrum of the ohmic electrode after the sintering process.

1 基板
2 バッファ層
3 電子走行層(GaN層)
4 電子供給層(AlGaN層)
41 第1層(AlN層)
42 第2層(AlGaN層)
43 第3層(GaN)
5 パッシベーション膜
6 ソース電極
7 ドレイン電極
8 ゲート電極
81 ゲート本体部
82 フィールドプレート部
9 凹部
10 ゲート絶縁膜
11 酸化膜
12 絶縁層
15 二次元電子ガス
16 レジスト膜
17 電極膜
30 積層電極膜
31 Ti層
32 第1Si層
33 Al層
34 第2Si層
35 Mo層
Lg ゲート長
Lfp フィールドプレート長
Lgd ゲート−ドレイン間距離
Sa ソース接合域
Da ドレイン接合域
Ga ゲート接合域
1 Substrate 2 Buffer layer 3 Electron travel layer (GaN layer)
4 Electron supply layer (AlGaN layer)
41 First layer (AlN layer)
42 Second layer (AlGaN layer)
43 Third layer (GaN)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 Passivation film | membrane 6 Source electrode 7 Drain electrode 8 Gate electrode 81 Gate main-body part 82 Field plate part 9 Recessed part 10 Gate insulating film 11 Oxide film 12 Insulating layer 15 Two-dimensional electron gas 16 Resist film 17 Electrode film 30 Stacked electrode film 31 Ti layer 32 1st Si layer 33 Al layer 34 2nd Si layer 35 Mo layer Lg gate length Lfp field plate length Lgd gate-drain distance Sa source junction area Da drain junction area Ga gate junction area

Claims (13)

窒化物半導体からなる電子走行層と、
前記電子走行層に積層され、Alを含むとともに前記電子走行層とはAl組成が異なる窒化物半導体からなり、前記電子走行層に接するAlN層を有する電子供給層と、
前記電子供給層上に互いに間隔を開けて形成され、Ti、Al、MoおよびSiを含むオーミック電極からなるソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に配置され、前記電子走行層に対向するゲート電極とを含み、
前記オーミック電極が、前記電子供給層側から順に、Ti組成のピーク、Al組成のピーク、Mo組成のピークが現れ、前記Ti組成のピークと前記Al組成のピークとの間に第1のSi組成のピークが現れ、前記Al組成のピークと前記Mo組成のピークとの間に第2のSi組成のピークが現れるように構成されている、窒化物半導体装置。
An electron transit layer made of a nitride semiconductor;
An electron supply layer that is laminated on the electron transit layer, includes Al and is made of a nitride semiconductor having an Al composition different from that of the electron transit layer, and has an AlN layer in contact with the electron transit layer;
A source electrode and a drain electrode, which are formed on the electron supply layer at intervals from each other and are made of ohmic electrodes including Ti, Al, Mo and Si;
Wherein disposed between the source electrode and the drain electrode, seen including a gate electrode opposed to the electron transit layer,
In the ohmic electrode, in order from the electron supply layer side, a Ti composition peak, an Al composition peak, and a Mo composition peak appear, and the first Si composition is between the Ti composition peak and the Al composition peak. The nitride semiconductor device is configured such that a peak of the second Si composition appears between the peak of the Al composition and the peak of the Mo composition .
前記オーミック電極中におけるTi、AlおよびMoの各ピーク密度が1020cm−3以上であり、前記オーミック電極中におけるSiのピーク密度が1018cm−3以上である、請求項に記載の窒化物半導体装置。 Wherein is the Ti in the ohmic electrodes, each peak density of Al and Mo 10 20 cm -3 or more, the peak density of Si in the said ohmic electrode is 10 18 cm -3 or more, nitride according to claim 1 Semiconductor device. 前記電子供給層が、前記電子走行層と同じ組成の窒化物半導体からなるキャップ層を含み、前記キャップ層の上に前記オーミック電極からなるソース電極およびドレイン電極が形成されている、請求項1または2に記載の窒化物半導体装置。 The electron supply layer, wherein the includes a cap layer made of a nitride semiconductor having the same composition as the electron transit layer, the source electrode and the drain electrode made of the ohmic electrode on the cap layer is formed, according to claim 1 or 2. The nitride semiconductor device according to 2. 前記キャップ層の厚さが16nm以下である、請求項に記載の窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 3 , wherein the cap layer has a thickness of 16 nm or less. 前記ゲート電極直下の前記電子供給層が除去されており、前記ゲート電極が、前記電子供給層が除去された領域において前記電子走行層に接するゲート絶縁膜を介して前記電子走行層に対向している、請求項1〜のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。 The electron supply layer directly under the gate electrode is removed, and the gate electrode is opposed to the electron transit layer through a gate insulating film in contact with the electron transit layer in a region where the electron supply layer is removed. The nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 4 . 前記AlN層の厚さが1nm〜5nmであり、前記電子供給層の厚さが1nm〜40nmである、請求項1〜のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。 The thickness of the AlN layer is 1 nm to 5 nm, wherein the thickness of the electron supply layer is 1 nm to 40 nm, a nitride semiconductor device according to any one of claims 1-5. 前記オーミック電極が、Auを含まない、請求項1〜のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。 The ohmic electrode is free of Au, the nitride semiconductor device according to any one of claims 1-6. 前記電子供給層の表面を覆うパッシベーション膜をさらに含み、
前記ゲート電極が、前記パッシベーション膜に形成された開口内に配置されたゲート本体部と、前記ゲート本体部に連続し前記開口外の前記パッシベーション膜の表面上において前記ドレイン電極に向かって所定のフィールドプレート長に渡って延びたフィールドプレート部とを有しており、前記フィールドプレート長が前記ゲート本体部と前記ドレイン電極との間の距離の1/6以上1/2以下である、請求項1〜のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
Further comprising a passivation film covering the surface of the electron supply layer,
A gate body portion disposed in an opening formed in the passivation film; and a predetermined field toward the drain electrode on the surface of the passivation film outside the opening and continuous with the gate body portion. 2. A field plate portion extending over a plate length, wherein the field plate length is 1/6 or more and 1/2 or less of a distance between the gate body portion and the drain electrode. The nitride semiconductor device according to any one of to 7 .
窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層に接するAlN層を有し、Alを含むとともに前記電子走行層とはAl組成が異なる窒化物半導体からなる電子供給層を前記電子走行層に積層して形成する工程と、
前記電子供給層上に、Ti層、第1Si層、Al層、第2Si層およびMo層を順に積層して積層電極膜を形成する工程と、
前記積層電極膜を熱処理して、ソース電極およびドレイン電極としてのオーミック電極を形成する工程と、
前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に、前記電子走行層に対向するゲート電極を形成する工程と
を含む、窒化物半導体装置の製造方法。
Forming an electron transit layer made of a nitride semiconductor;
A step of forming an AlN layer in contact with the electron transit layer and laminating an electron supply layer made of a nitride semiconductor containing Al and having an Al composition different from that of the electron transit layer on the electron transit layer;
Forming a laminated electrode film by sequentially laminating a Ti layer, a first Si layer, an Al layer , a second Si layer and a Mo layer on the electron supply layer;
Heat-treating the laminated electrode film to form ohmic electrodes as source and drain electrodes;
Forming a gate electrode facing the electron transit layer between the source electrode and the drain electrode.
前記積層電極膜の形成および前記熱処理が、前記オーミック電極中におけるTi、AlおよびMoの各ピーク密度が1020cm−3以上となり、前記オーミック電極中におけるSiのピーク密度が1018cm−3以上となるように行われる、請求項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 In the formation of the laminated electrode film and the heat treatment, the peak density of Ti, Al, and Mo in the ohmic electrode is 10 20 cm −3 or more, and the peak density of Si in the ohmic electrode is 10 18 cm −3 or more. The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 9 , wherein the method is performed so that: 前記電子供給層を形成する工程が、前記電子走行層と同じ組成の窒化物半導体からなるキャップ層を形成する工程を含み、前記積層電極膜が前記キャップ層の上に形成される、請求項または10に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 Wherein the step of forming the electron supply layer includes a step of forming a cap layer made of a nitride semiconductor having the same composition as the electron transit layer, the laminated electrode layer is formed over the cap layer, according to claim 9 Or a method of manufacturing a nitride semiconductor device according to 10 ; 前記ゲート電極直下の前記電子供給層を除去する工程と、
前記電子供給層が除去された領域において前記電子走行層に接するゲート絶縁膜を形成する工程とをさらに含み、
前記ゲート電極が前記ゲート絶縁膜を挟んで前記電子走行層に対向するように形成される、請求項11のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
Removing the electron supply layer directly under the gate electrode;
Forming a gate insulating film in contact with the electron transit layer in the region where the electron supply layer has been removed,
The gate electrode is formed so as to face the electron transit layer sandwiching the gate insulating film, method of manufacturing the nitride semiconductor device according to any one of claims 9-11.
前記電子供給層の表面を覆うパッシベーション膜を形成する工程をさらに含み、
前記ゲート電極が、前記パッシベーション膜に形成された開口内に配置されたゲート本体部と、前記ゲート本体部に連続し前記開口外の前記パッシベーション膜の表面上において前記ドレイン電極に向かって所定のフィールドプレート長に渡って延びたフィールドプレート部とを有し、前記フィールドプレート長が前記ゲート本体部と前記ドレイン電極との間の距離の1/6以上1/2以下であるように形成される、請求項12のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
Further comprising forming a passivation film covering the surface of the electron supply layer,
A gate body portion disposed in an opening formed in the passivation film; and a predetermined field toward the drain electrode on the surface of the passivation film outside the opening and continuous with the gate body portion. A field plate portion extending over the plate length, and the field plate length is formed to be 1/6 or more and 1/2 or less of the distance between the gate body portion and the drain electrode. method of manufacturing a nitride semiconductor device according to any one of claims 9-12.
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