実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
〔第1の実施の形態〕
(半導体装置)
第1の実施の形態における半導体装置であるHEMTについて、図1に基づき説明する。本実施の形態における半導体装置は、基板10の上に、窒化物半導体により、不図示の核形成層、バッファ層、電子走行層21、電子供給層22が、順に積層して形成されている。本実施の形態においては、電子走行層21は、GaNにより形成されており、電子供給層22はAlGaNにより形成されている。これにより、電子走行層21において、電子走行層21と電子供給層22との界面近傍には、2DEG21aが生成される。電子供給層22の上には、ゲート電極41、ソース電極42及びドレイン電極43が形成されている。また、ゲート電極41、ソース電極42及びドレイン電極43が形成されていない領域の電子供給層22の上には、パッシベーション膜としてSiNやAl2O3等により絶縁膜31が形成されている。
尚、本願においては、電子供給層22において、ゲート電極41の直下の厚さをDgとし、ソース電極42の直下の厚さをDsとし、ドレイン電極43の直下の厚さをDdとする。また、ゲート電極41とソース電極42との間を、ゲート−ソース間、または、GSと記載し、ゲート電極41とドレイン電極43との間を、ゲート−ドレイン間、または、GDと記載する場合がある。また、電子走行層21を第1の半導体層と記載し、電子供給層22を第2の半導体層と記載する場合がある。
本実施の形態における半導体装置は、電子供給層22の厚さは、ゲート電極41とソース電極42との間よりも、ゲート電極41とドレイン電極43との間の方が、薄く形成されている。即ち、電子供給層22において、ゲート−ソース間の厚さをDgsとし、ゲート−ドレイン間の厚さをDgdとした場合、Dgs>Dgd、Dgs>Dg、Dgs>Ddとなるように形成されている。この場合において、Dgd=Dgであることがより好ましい。
本実施の形態においては、電子供給層22はAl0.2Ga0.8Nにより形成されている。電子供給層22は、ゲート−ドレイン間の厚さDgd、ゲート電極41の直下の厚さDg及びドレイン電極43の直下の厚さDdは約20nm、ゲート−ソース間の厚さDgs及びソース電極42の直下の厚さDsは約40nmである。尚、電子供給層は、AlGaN以外には、InAlNやInAlGaNにより形成してもよい。
(半導体装置の特性)
次に、本実施の形態における半導体装置の特性について、図2に示す構造の半導体装置と比較しながら説明する。図2に示す構造の半導体装置は、基板910の上に、窒化物半導体により、不図示の初期成長層、バッファ層、電子走行層921、電子供給層922が、順に積層して形成されている。電子走行層921は、GaNにより形成されており、電子供給層922はAlGaNにより形成されている。これにより、電子走行層921において、電子走行層921と電子供給層922との界面近傍には、2DEG921aが生成される。電子供給層922の上には、ゲート電極941、ソース電極942及びドレイン電極943が形成されている。また、ゲート電極941、ソース電極942及びドレイン電極943が形成されていない領域の電子供給層922の上には、パッシベーション膜としてSiNやAl2O3等により絶縁膜931が形成されている。尚、図2に示す構造の半導体装置においては、電子供給層922はAl0.2Ga0.8Nにより形成されており、電子供給層922の厚さDkは均一であり、約20nmである。
図3は、本実施の形態における半導体装置と図2に示す構造の半導体装置とにおけるgm及びゲートリーク電流を示す図である。図3において、3A(◆)は本実施の形態における半導体装置の値であり、3B(◇)は図2に示す構造の半導体装置の値である。gmは、ドレイン−ソース間に10Vの電圧を印加し(Vds=10V)、ゲート電圧(Vg)を変化させた際に、ドレイン電流(Id)が流れ始めた部分の電流の微分値に基づき算出した値である。また、ゲートリーク電流(Ioff)は、ゲート電極に−3Vの電圧を印加し(Vg=−3V)、ドレイン−ソース間に50Vの電圧(Vds=50V)を印加した状態において流れる電流値である。
3Bの図2に示す構造の半導体装置のgmは227(mS/mm)であるのに対し、3Aの本実施の形態における半導体装置のgmは246(mS/mm)であった。従って、本実施の形態における半導体装置は、図2に示す構造の半導体装置よりもgmを高くすることができる。
また、3Bの図2に示す構造の半導体装置のゲートリーク電流(Ioff)は6.68×10−6(A/mm)であるのに対し、3Aの本実施の形態における半導体装置のゲートリーク電流(Ioff)は4.26×10−6(A/mm)であった。従って、本実施の形態における半導体装置は、図2に示す構造の半導体装置よりもゲートリーク電流(Ioff)を低くすることができる。従って、3Aの本実施の形態における半導体装置は、3Bの図2に示す構造の半導体装置に比べて、gmを高くするとともに、ゲートリーク電流を低くすることができる。
本実施の形態における半導体装置においては、上記のような効果を得るためには、ゲート−ドレイン間等における電子供給層22の厚さDgd等は、30nm以下、更には、20nm以下であることが好ましい。また、ゲート−ドレイン間(GD)等における電子供給層22の厚さDgd等は、ゲート−ソース間(GS)等における電子供給層22の厚さDgs等の3/4以下、更には、1/2以下であることが好ましい。
また、ゲート−ドレイン間等における電子供給層22の厚さを薄くしすぎると、電流コラプスが生じ、半導体装置としての特性が低下することが知見として得られている。このような電流コラプスを抑制するためには、電子供給層22を形成しているAlGaNのAlの組成比が0.2未満である場合には、ゲート−ドレイン間における電子供給層22の厚さは、15nm以上であることが好ましい。また、電子供給層22を形成しているAlGaNのAlの組成比が0.2以上である場合には、ゲート−ドレイン間における電子供給層22の厚さは、7nm以上であることが好ましい。
(半導体装置の製造方法)
次に、第1の実施の形態における半導体装置の製造方法について、図4及び図5に基づき説明する。
最初に、図4(a)に示すように、基板10の上に、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることにより、不図示の核形成層、バッファ層、電子走行層21、電子供給層22を形成する。これにより、電子走行層21において、電子走行層21と電子供給層22との界面近傍には、2DEG21aが生成される。窒化物半導体層は、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長)法によるエピタキシャル成長により形成する。尚、これらの窒化物半導体層は、MOCVDに代えて、MBE(Molecular Beam Epitaxy:分子線エピタキシー)法により形成してもよい。また、図示はしないが、電子供給層22の上にGaN等によりキャップ層を形成してもよい。
基板10は、例えば、サファイア基板、Si基板、SiC基板、GaN基板を用いることができる。本実施の形態では、基板10には、SiC基板が用いられている。不図示の核形成層は、膜厚が約100nmのAlNにより形成されており、不図示のバッファ層は、膜厚が約100nmのAlGaNにより形成されている。
電子走行層21は、膜厚が約200nmのi−GaNにより形成されている。電子供給層22は、膜厚が約40nmのAlGaNにより形成されており、AlXGa1−XNと表わした場合に、Xの値が0.1〜0.3になるように形成されている。電子供給層22は、i−AlGaNであっても、n−AlGaNであってもよい。本実施の形態においては、電子供給層22は、n−Al0.2Ga0.8Nにより形成されている。
これら窒化物半導体層をMOCVDにより成膜する際には、Alの原料ガスにはTMA(トリメチルアルミニウム)が用いられ、Gaの原料ガスにはTMG(トリメチルガリウム)が用いられ、Nの原料ガスにはNH3(アンモニア)が用いられる。尚、これらの原料ガスは、水素(H2)をキャリアガスとしてMOCVD装置の反応炉に供給される。また、これらの窒化物半導体層を形成する際に、反応炉内に供給されるアンモニアガスは、100sccm〜10000sccmの流量であり、窒化物半導体層を形成する際の成長圧力、即ち、反応炉内の圧力は50Torr〜300Torrである。また、成膜の際の基板温度は1000℃〜1200℃である。
電子供給層22を形成する際には、原料ガスとしてTMGとTMAとNH3の混合ガスとともに、Siの原料ガスとしてSiH4等を併せて供給する。これにより、電子供給層22には、n型となる不純物元素としてSiをドープすることができる。電子供給層22においてドープされているSiの濃度は、1×1018cm−3〜1×1020cm−3、例えば、5×1018cm−3となるようにドープされている。
この後、図示はしないが、素子を分離するための素子分離領域を形成する。具体的には、電子供給層22の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、素子分離領域が形成される領域に開口を有するレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンの形成されていない領域の窒化物半導体層にアルゴン(Ar)イオンを注入することにより素子分離領域を形成する。素子分離領域は、レジストパターンの形成されていない領域の窒化物半導体層の一部をRIE(Reactive Ion Etching)等によるドライエッチングにより除去することにより形成してもよい。素子分離領域を形成した後、レジストパターンは、有機溶剤等により除去する。
次に、図4(b)に示すように、電子供給層22において、ゲート電極41が形成される領域からドレイン電極43が形成される領域の電子供給層22の一部を除去し、電子供給層22の膜厚を薄くする。具体的には、電子供給層22の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、ゲート電極41が形成される領域からドレイン電極43が形成される領域において開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンの形成されていない領域の電子供給層22をRIE等のドライエッチングにより約20nmの深さまで除去する。これにより、ゲート電極41が形成される領域、ドレイン電極43が形成される領域、ゲート−ドレイン間となる領域の電子供給層22の厚さを約20nmにする。尚、ソース電極42が形成される領域、ゲート−ソース間となる領域の電子供給層22の厚さは約40nmのままである。これにより、電子供給層22において、膜厚の厚い領域22aと膜厚の薄い領域22bが形成され、膜厚の厚い領域22aと膜厚の薄い領域22bとの境界部分には、境界側面22cが形成される。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。
次に、図4(c)に示すように、電子供給層22の上に、ソース電極42及びドレイン電極43を形成する。具体的には、電子供給層22の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、ソース電極42及びドレイン電極43が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、Ti/Alにより形成される金属積層膜を真空蒸着により成膜した後、有機溶剤に浸漬させることにより、レジストパターンの上に形成されている金属積層膜をレジストパターンとともにリフトオフにより除去する。これにより、残存している金属積層膜によりソース電極42及びドレイン電極43が形成される。尚、Ti/Alにより形成される金属積層膜は、電子供給層22の上に、膜厚が約20nmのTi膜、膜厚が約200nmのAl膜の順に形成する。この後、例えば、窒素雰囲気中において、約550℃の温度で熱処理することにより、電子供給層22とソース電極42及びドレイン電極43をオーミックコンタクトさせる。これにより、電子供給層22において厚さが40nmの膜厚の厚い領域22aにソース電極42を形成し、厚さが20nmの膜厚の薄い領域22bにドレイン電極43を形成する。
次に、図5(a)に示すように、電子供給層22の上に、パッシベーション膜となる絶縁膜31を形成する。具体的には、CVD(chemical vapor deposition)等により厚さが約50nmのSiN膜を成膜することにより絶縁膜31を形成する。これにより、ゲート−ソース間となる領域、ゲート−ドレイン間となる領域、ゲート電極41が形成される領域における電子供給層22の上に、絶縁膜31が形成される。
次に、図5(b)に示すように、ゲート電極41が形成される領域における絶縁膜31を除去することにより、絶縁膜31に開口部31aを形成する。具体的には、絶縁膜31、ソース電極42、ドレイン電極43の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、絶縁膜31の開口部31aが形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、エッチングガスとしてフッ素系ガス等を用いたドライエッチング、または、エッチング液としてバッファードフッ酸等を用いたウェットエッチングにより、レジストパターンの形成されていない領域の絶縁膜31を除去し、電子供給層22を露出させる。これにより、絶縁膜31に開口部31aを形成する。開口部31aは、電子供給層22の膜厚が厚い領域22aと薄い領域22bの境界及びこの境界よりも膜厚が薄い領域22bに形成される。
次に、図5(c)に示すように、絶縁膜31の開口部31aにおいて露出している電子供給層22の上に、ゲート電極41を形成する。具体的には、絶縁膜31、電子供給層22、ソース電極42及びドレイン電極43の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、ゲート電極41が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、Ni/Auにより形成される金属積層膜を真空蒸着により成膜した後、有機溶剤に浸漬させることにより、レジストパターンの上に形成されている金属積層膜をレジストパターンとともにリフトオフにより除去する。これにより、残存している金属積層膜によりゲート電極41が形成される。尚、Ni/Auにより形成される金属積層膜は、電子供給層22の上に、Ni膜、Au膜の順に形成する。形成されるゲート電極41は、電子供給層22の膜厚が厚い領域22aと薄い領域22bの境界及びこの境界よりも膜厚が薄い領域22bの上に形成される。これにより、電子供給層22の膜厚が厚い領域22aと薄い領域22bの境界の境界側面22cは、ゲート電極41により覆われ、ゲート−ソース間よりも、ゲート−ドレイン間は、電子供給層22の膜厚が薄い半導体装置を作製することができる。
以上の工程により、本実施の形態における半導体装置を作製することができる。
(変形例)
上記においては、パッシベーション膜となる絶縁膜31が、電子供給層22の上のゲート−ソース間、及び、ゲート−ドレイン間に形成されている構造のものについて説明した。しかしながら、本実施の形態における半導体装置は、図6(a)に示すように、電子供給層22における膜厚が厚い領域22aと薄い領域22bの境界の境界側面22cが、絶縁膜31により覆われている構造のものであってもよい。更に、この絶縁膜31に接して、ゲート電極41が形成されていてもよい。また、図6(b)に示すように、電子供給層22の膜厚の厚い領域22aの境界側面22cの近傍には絶縁膜31が形成されておらず、この部分の電子供給層22の上までゲート電極41が形成されている構造のものであってもよい。
〔第2の実施の形態〕
(半導体装置)
次に、第2の実施の形態における半導体装置であるHEMTについて、図7に基づき説明する。本実施の形態における半導体装置は、基板10の上に、窒化物半導体により、不図示の核形成層、バッファ層、電子走行層21、電子供給層122が、順に積層して形成されている。本実施の形態においては、電子供給層122はAlGaNにより形成されており、電子供給層122の上には、ゲート電極41、ソース電極42及びドレイン電極43が形成されている。また、ゲート電極41、ソース電極42及びドレイン電極43が形成されていない領域の電子供給層122の上には、パッシベーション膜としてSiNやAl2O3等により絶縁膜31が形成されている。尚、電子供給層122において、ゲート電極41の直下の厚さをDgとし、ソース電極42の直下の厚さをDsとし、ドレイン電極43の直下の厚さをDdとする。また、本願においては、電子供給層122を第2の半導体層と記載する場合がある。
本実施の形態においては、電子供給層122において、ゲート−ソース間の厚さをDgsとし、ゲート−ドレイン間の厚さをDgdとした場合、Dgs>Dgd、及び、Dgs>Dg、Dgs>Ds、Dgs>Ddとなるように形成されている。本実施の形態においては、ソース電極42の直下における電子供給層122の厚さを薄くすることにより、ソース電極42と2DEG21aの間の抵抗を低くすることができ、オン抵抗を下げることができる。
本実施の形態においては、電子供給層122はAl0.2Ga0.8Nにより形成されている。電子供給層122は、ゲート−ドレイン間の厚さDgd、ゲート電極41の直下の厚さDg、ソース電極42の直下の厚さDs、ドレイン電極43の直下の厚さDdは約20nmであり、ゲート−ソース間の厚さDgsは約40nmである。
(半導体装置の製造方法)
次に、第2の実施の形態における半導体装置の製造方法について、図8及び図9に基づき説明する。
最初に、図8(a)に示すように、基板10の上に、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることにより、不図示の核形成層、バッファ層、電子走行層21、電子供給層122を形成する。電子供給層122は、膜厚が約40nmのAlGaNにより形成されており、AlXGa1−XNと表わした場合に、Xの値が0.1〜0.3になるように形成されている。電子供給層122は、i−AlGaNであっても、n−AlGaNであってもよい。本実施の形態においては、電子供給層122は、n−Al0.2Ga0.8Nにより形成されている。この後、図示はしないが、素子を分離するための素子分離領域を形成する。
次に、図8(b)に示すように、電子供給層122において、ゲート電極41が形成される領域からドレイン電極43が形成される領域、ソース電極42が形成される領域の電子供給層122の一部を除去し、電子供給層122の膜厚を薄くする。これにより、ゲート電極41が形成される領域、ソース電極42が形成される領域、ドレイン電極43が形成される領域、ゲート−ドレイン間となる領域の電子供給層122の厚さを約20nmにする。尚、ゲート−ソース間となる領域の電子供給層122の厚さは約40nmのままである。これにより、電子供給層122において、膜厚の厚い領域122aと膜厚の薄い領域122b、122dが形成され、膜厚の厚い領域122aと膜厚の薄い領域122bとの境界部分には、境界側面122cが形成される。
次に、図8(c)に示すように、電子供給層122の上に、ソース電極42及びドレイン電極43を形成する。これにより、電子供給層122において厚さが20nmの膜厚が薄い領域122dにソース電極42を形成し、膜厚が薄い領域122bにドレイン電極43を形成する。
次に、図9(a)に示すように、電子供給層122の上に、パッシベーション膜となる絶縁膜31を形成する。
次に、図9(b)に示すように、ゲート電極41が形成される領域における絶縁膜31を除去することにより、絶縁膜31に開口部31aを形成する。
次に、図9(c)に示すように、絶縁膜31の開口部31aにおいて露出している電子供給層122の上に、ゲート電極41を形成する。これにより、電子供給層122の膜厚が厚い領域122aと薄い領域122bの境界の境界側面122cは、ゲート電極41により覆われて、ゲート−ソース間よりも、ゲート−ドレイン間は、電子供給層122の膜厚が薄い半導体装置を作製することができる。
以上の工程により、本実施の形態における半導体装置を作製することができる。
尚、上記以外の内容については、第1の実施の形態と同様である。
〔第3の実施の形態〕
次に、第3の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第1の実施の形態における半導体装置を第1の実施の形態とは異なる方法により作製する半導体装置の製造方法である。本実施の形態における半導体装置の製造方法について、図10及び図11に基づき説明する。
最初に、図10(a)に示すように、基板10の上に、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることにより、不図示の核形成層、バッファ層、電子走行層21、下部電子供給層221を形成する。下部電子供給層221は、膜厚が約20nmのAlGaNにより形成されており、AlXGa1−XNと表わした場合に、Xの値が0.1〜0.3になるように形成されている。下部電子供給層221は、i−AlGaNであっても、n−AlGaNであってもよい。本実施の形態においては、下部電子供給層221は、n−Al0.2Ga0.8Nにより形成されている。この後、図示はしないが、素子を分離するための素子分離領域を形成する。
次に、図10(b)に示すように、ソース電極42が形成される領域及びゲート−ソース間における領域において、下部電子供給層221の上に上部電子供給層222を形成する。
具体的には、下部電子供給層221の上に、ALD(Atomic Layer Deposition)等により不図示のSiO2膜を成膜し、成膜されたSiO2膜の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行う。これにより、ソース電極42が形成される領域及びゲート−ソース間における領域において開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンの形成されていない領域のSiO2膜をRIE等のドライエッチングにより除去し、下部電子供給層221を露出させ、残存するSiO2膜により不図示のSiO2マスクを形成する。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。この後、下部電子供給層221の上に、MOCVDによりAlGaNをエピタキシャル成長させることにより上部電子供給層222を形成する。形成される上部電子供給層222の膜厚は約20nmであり、下部電子供給層221と同じ組成のAlGaNを成膜することにより形成する。尚、不図示のSiO2マスクを形成しているSiO2膜は、アモルファスであるため、SiO2マスクの上には、窒化物半導体はエピタキシャル成長しない。従って、上部電子供給層222は、下部電子供給層221が露出しているSiO2マスクの形成されていない領域にのみに形成される。この後、ウェットエッチング等により、SiO2マスクを除去する。
このように形成された下部電子供給層221と上部電子供給層222により、電子供給層22が形成される。従って、ゲート電極41が形成される領域、ドレイン電極43が形成される領域、ゲート−ドレイン間となる領域においては、下部電子供給層221のみが形成されているため電子供給層22の厚さは約20nmであり、膜厚の薄い領域22bとなる。また、ソース電極42が形成される領域、ゲート−ソース間となる領域においては、下部電子供給層221と上部電子供給層222が形成されているため、電子供給層22の厚さは約40nmとなり、膜厚の厚い領域22aとなる。また、電子供給層22において、膜厚の厚い領域22aと膜厚の薄い領域22bとの境界部分には、境界側面22cが形成される。
次に、図10(c)に示すように、電子供給層22の上に、ソース電極42及びドレイン電極43を形成する。これにより、電子供給層22において厚さが40nmの膜厚の厚い領域22aにソース電極42を形成し、厚さが20nmの膜厚の薄い領域22bにドレイン電極43を形成する。
次に、図11(a)に示すように、電子供給層22の上に、パッシベーション膜となる絶縁膜31を形成する。
次に、図11(b)に示すように、ゲート電極41が形成される領域における絶縁膜31を除去することにより、絶縁膜31に開口部31aを形成する。
次に、図11(c)に示すように、絶縁膜31の開口部31aにおいて露出している電子供給層22の上に、ゲート電極41を形成する。これにより、電子供給層22の膜厚が厚い領域22aと薄い領域22bの境界の境界側面22cは、ゲート電極41により覆われ、ゲート−ソース間よりも、ゲート−ドレイン間は、電子供給層22の膜厚が薄い半導体装置を作製することができる。
以上の工程により、本実施の形態における半導体装置を作製することができる。
尚、上記以外の内容については、第1の実施の形態と同様である。
〔第4の実施の形態〕
(半導体装置)
次に、第4の実施の形態における半導体装置であるHEMTについて、図12に基づき説明する。本実施の形態における半導体装置は、基板10の上に、窒化物半導体により、不図示の核形成層、バッファ層、電子走行層21、電子供給層322が、順に積層して形成されている。本実施の形態においては、電子供給層322はAlGaNにより形成されている。電子供給層322の上には、ゲート電極41、ソース電極42及びドレイン電極43が形成されている。また、ゲート電極41、ソース電極42及びドレイン電極43が形成されていない領域の電子供給層322の上には、パッシベーション膜としてSiNやAl2O3等により絶縁膜31が形成されている。尚、電子供給層322において、ゲート電極41の直下の厚さをDgとし、ソース電極42の直下の厚さをDsとし、ドレイン電極43の直下の厚さをDdとする。また、本願においては、電子供給層322を第2の半導体層と記載する場合がある。
本実施の形態においては、電子供給層322の厚さが、ゲート電極41とソース電極42との間よりも、ゲート電極41とドレイン電極43との間の方が薄く形成されている。また、ゲート電極41とドレイン電極43との間よりも、ゲート電極41の直下の方が薄く形成されている。
具体的には、電子供給層322において、ゲート−ソース間の厚さをDgsとし、ゲート−ドレイン間の厚さをDgdとした場合、Dgs>Dgd>Dg、Dgs>Dd>Dgとなるように形成されている。
本実施の形態においては、電子供給層322はAl0.2Ga0.8Nにより形成されている。電子供給層322は、ゲート−ドレイン間の厚さDgd及びドレイン電極43の直下の厚さDdは約20nm、ゲート電極41の直下の厚さDgは約15nm、ゲート−ソース間の厚さDgs及びソース電極42の直下の厚さDsは約40nmとなっている。このようにゲート電極41の直下の領域において電子供給層322を薄くすることによりノーマリーオフに近づけることができる。
(半導体装置の製造方法)
次に、第4の実施の形態における半導体装置の製造方法について、図13〜図15に基づき説明する。
最初に、図13(a)に示すように、基板10の上に、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることにより、不図示の核形成層、バッファ層、電子走行層21、電子供給層322を形成する。電子供給層322は、膜厚が約40nmのAlGaNにより形成されており、AlXGa1−XNと表わした場合に、Xの値が0.1〜0.3になるように形成されている。電子供給層322は、i−AlGaNであっても、n−AlGaNであってもよい。本実施の形態においては、電子供給層322は、n−Al0.2Ga0.8Nにより形成されている。この後、図示はしないが、各々の素子に分離するための素子分離領域を形成する。
次に、図13(b)に示すように、電子供給層322において、ゲート電極41が形成される領域からドレイン電極43が形成される領域の電子供給層322の一部を除去し、電子供給層322の膜厚を薄くする。これにより、ゲート電極41が形成される領域、ドレイン電極43が形成される領域、ゲート−ドレイン間となる領域の電子供給層322の厚さを約20nmにする。尚、ソース電極42が形成される領域、ゲート−ソース間となる領域の電子供給層322の厚さは約40nmのままである。これにより、電子供給層322において、膜厚の厚い領域322aと膜厚の薄い領域322bが形成される。
次に、図13(c)に示すように、電子供給層322において、ゲート電極41が形成される領域の電子供給層322の一部を除去し、電子供給層322にゲートリセス領域322cを形成する。具体的には、電子供給層322の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、ゲート電極41が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンの形成されていない領域の電子供給層322をRIE等のドライエッチングにより約5nmの深さまで除去する。これにより、ゲート電極41が形成される領域の電子供給層322の厚さを約15nmにして、ゲートリセス領域322cを形成する。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。
次に、図14(a)に示すように、電子供給層322の上に、ソース電極42及びドレイン電極43を形成する。これにより、電子供給層322において厚さが40nmの膜厚の厚い領域332aにソース電極42を形成し、厚さが20nmの膜厚の薄い領域332bにドレイン電極43を形成する。
次に、図14(b)に示すように、電子供給層322の上に、パッシベーション膜となる絶縁膜31を形成する。
次に、図14(c)に示すように、ゲート電極41が形成される領域における絶縁膜31を除去することにより、絶縁膜31に開口部31aを形成する。絶縁膜31の開口部31aは、電子供給層322に形成されたゲートリセス領域322cの位置と一致している。
次に、図15に示すように、絶縁膜31の開口部31aにおいて露出している電子供給層322の上に、ゲート電極41を形成する。形成されるゲート電極41は、電子供給層322におけるゲートリセス領域322cに形成される。
以上の工程により、本実施の形態における半導体装置を作製することができる。
尚、上記以外の内容については、第1の実施の形態と同様である。
〔第5の実施の形態〕
(半導体装置)
次に、第5の実施の形態における半導体装置であるHEMTについて、図16に基づき説明する。本実施の形態における半導体装置は、基板10の上に、窒化物半導体により、不図示の核形成層、バッファ層、電子走行層21、電子供給層22が、順に積層して形成されており、ゲート−ソース間における電子供給層22の上には、キャップ層23形成されている。キャップ層23は、n−GaNにより形成されている。電子供給層22の上には、ゲート電極41、ソース電極42及びドレイン電極43が形成されている。また、ゲート電極41とソース電極42との間のキャップ層23の上、及び、ゲート電極41とドレイン電極43との間の電子供給層22の上には、パッシベーション膜としてSiNやAl2O3等により絶縁膜31が形成されている。尚、本願においては、キャップ層23を第3の半導体層と記載する場合がある。
また、本実施の形態においては、電子供給層22の厚さが、ゲート電極41とソース電極42との間よりも、ゲート電極41とドレイン電極43との間の方が、薄く形成されている。
電子供給層22は、ゲート−ドレイン間の厚さDgd、ゲート電極41の直下の厚さDg及びドレイン電極43の直下の厚さDdは約20nm、ゲート−ソース間の厚さDgs及びソース電極42の直下の厚さDsは約40nmとなっている。
(半導体装置の製造方法)
次に、第5の実施の形態における半導体装置の製造方法について、図17〜図19に基づき説明する。
最初に、図17(a)に示すように、基板10の上に、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることにより、不図示の核形成層、バッファ層、電子走行層21、電子供給層22、キャップ層23を形成する。電子供給層22は、膜厚が約40nmのn−Al0.2Ga0.8Nにより形成されている。キャップ層23は、膜厚が約5nmのn−GaNにより形成されている。電子供給層22及びキャップ層23には、n型となる不純物元素としてSiが、1×1018cm−3〜1×1020cm−3、例えば、5×1018cm−3の濃度となるようにドープされている。この後、図示はしないが、素子を分離するための素子分離領域を形成する。
次に、図17(b)に示すように、ゲート電極41が形成される領域からドレイン電極43が形成される領域のキャップ層23及び電子供給層22の一部を除去し、電子供給層22の膜厚を薄くする。具体的には、キャップ層23の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、ゲート電極41が形成される領域からドレイン電極43が形成される領域において開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンの形成されていない領域のキャップ層23をRIE等のドライエッチング除去し、更に、電子供給層22をRIE等のドライエッチングにより約20nmの深さまで除去する。これにより、ゲート電極41が形成される領域、ドレイン電極43が形成される領域、ゲート−ドレイン間となる領域の電子供給層22の厚さを約20nmにする。尚、ソース電極42が形成される領域、ゲート−ソース間となる領域の電子供給層22の厚さは約40nmのままである。これにより、電子供給層22において、膜厚の厚い領域22aと膜厚の薄い領域22bが形成され、膜厚の厚い領域22aと膜厚の薄い領域22bとの境界部分には、境界側面22cが形成される。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。
次に、図17(c)に示すように、ソース電極42が形成される領域のキャップ層23を除去し電子供給層22を露出させる。具体的には、電子供給層22及びキャップ層23の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、ソース電極42が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンの形成されていない領域のキャップ層23をRIE等のドライエッチングにより除去する。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。
次に、図18(a)に示すように、電子供給層22の上に、ソース電極42及びドレイン電極43を形成する。これにより、電子供給層22において厚さが40nmの膜厚の厚い領域22aにソース電極42を形成し、厚さが20nmの膜厚の薄い領域22bにドレイン電極43を形成する。
次に、図18(b)に示すように、キャップ層23及び電子供給層22の上に、パッシベーション膜となる絶縁膜31を形成する。これにより、ゲート−ソース間となる領域のキャップ層23の上、ゲート−ドレイン間となる領域、ゲート電極41が形成される領域の電子供給層22の上に、絶縁膜31が形成される。
次に、図18(c)に示すように、ゲート電極41が形成される領域における絶縁膜31を除去することにより、絶縁膜31に開口部31aを形成する。
次に、図19に示すように、絶縁膜31の開口部31aにおいて露出している電子供給層22の上に、ゲート電極41を形成する。これにより、電子供給層22の膜厚が厚い領域22aと薄い領域22bの境界の境界側面22cは、ゲート電極41により覆われ、ゲート−ソース間よりも、ゲート−ドレイン間は、電子供給層22の膜厚が薄い半導体装置を作製することができる。
以上の工程により、本実施の形態における半導体装置を作製することができる。
尚、本実施の形態における半導体装置を上記以外の方法により製造する製造方法としては、図17(b)に示されるものを第3の実施の形態と同様の方法により形成する方法が考えられる。
具体的には、最初に、図20(a)に示すように、基板10の上に、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることにより、不図示の核形成層、バッファ層、電子走行層21、下部電子供給層221を形成する。この後、図示はしないが、素子を分離するための素子分離領域を形成する。
次に、図20(b)に示すように、ソース電極42が形成される領域及びゲート−ソース間における領域において、下部電子供給層221の上に上部電子供給層222及びキャップ層23を順に形成する。これにより、下部電子供給層221と上部電子供給層222により電子供給層22が形成され、上部電子供給層222が形成されている電子供給層22の膜厚が厚い領域22aには、キャップ層23が形成される。この工程において得られたものは、図17(b)に示す構造のものと同じである。この後、図17(c)以降の工程を行うことにより、本実施の形態における半導体装置を製造することができる。
尚、上記以外の内容については、第1の実施の形態と同様である。
〔第6の実施の形態〕
(半導体装置)
次に、第6の実施の形態における半導体装置であるHEMTについて、図21に基づき説明する。本実施の形態における半導体装置は、基板10の上に、窒化物半導体により、不図示の核形成層、バッファ層、電子走行層21、電子供給層22、キャップ層323が、順に積層して形成されている。電子供給層22の上には、ソース電極42及びドレイン電極43が形成されており、キャップ層323の上には、ゲート電極41が形成されている。また、ゲート電極41、ソース電極42及びドレイン電極43が形成されていない領域のキャップ層323の上には、パッシベーション膜としてSiNやAl2O3等により絶縁膜31が形成されている。尚、本願においては、キャップ層323を第3の半導体層と記載する場合がある。
本実施の形態においては、電子供給層22の厚さは、ゲート電極41とソース電極42との間よりも、ゲート電極41とドレイン電極43との間の方が、薄く形成されている。
(半導体装置の製造方法)
次に、第6の実施の形態における半導体装置の製造方法について、図22〜図24に基づき説明する。
最初に、図22(a)に示すように、基板10の上に、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることにより、不図示の核形成層、バッファ層、電子走行層21、電子供給層22を形成する。この後、図示はしないが、素子を分離するための素子分離領域を形成する。
次に、図22(b)に示すように、電子供給層22において、ゲート電極41が形成される領域からドレイン電極43が形成される領域の電子供給層22の一部を除去し、電子供給層22の膜厚を薄くする。これにより、電子供給層22において、膜厚の厚い領域22aと膜厚の薄い領域22bが形成される。
次に、図22(c)に示すように、電子供給層22の上にキャップ層323を形成する。キャップ層323は、MOCVDにより、n−GaNをエピタキシャル成長させることにより形成する。形成されるキャップ層323の膜厚は約5nmであり、n型となる不純物元素としてSiが、1×1018cm−3〜1×1020cm−3、例えば、5×1018cm−3の濃度となるようにドープされている。これにより、電子供給層22における膜厚の厚い領域22a及び膜厚の薄い領域22bの上に、キャップ層323が形成される。
次に、図23(a)に示すように、ソース電極42及びドレイン電極43が形成される領域のキャップ層323を除去し電子供給層22を露出させる。具体的には、キャップ層323の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、ソース電極42及びドレイン電極43が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンの形成されていない領域のキャップ層323をRIE等のドライエッチングにより除去する。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。
次に、図23(b)に示すように、電子供給層22の上に、ソース電極42及びドレイン電極43を形成する。これにより、電子供給層22において厚さが40nmの膜厚の厚い領域22aにソース電極42を形成し、厚さが20nmの膜厚の薄い領域22bにドレイン電極43を形成する。
次に、図23(c)に示すように、キャップ層323の上に、パッシベーション膜となる絶縁膜31を形成する。
次に、図24(a)に示すように、ゲート電極41が形成される領域における絶縁膜31を除去することにより、絶縁膜31に開口部31aを形成する。
次に、図24(b)に示すように、絶縁膜31の開口部31aにおいて露出しているキャップ層323の上に、ゲート電極41を形成する。これにより、ゲート−ソース間は、電子供給層22の膜厚が厚く形成されており、ゲート−ドレイン間は、電子供給層22の膜厚が薄い半導体装置を作製することができる。
以上の工程により、本実施の形態における半導体装置を作製することができる。
尚、本実施の形態における半導体装置を上記以外の方法により製造する製造方法としては、図22(b)に示されるものを第3の実施の形態と同様の方法により形成する方法が考えられる。
具体的には、図10(a)に示すように、基板10の上に、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることにより、不図示の核形成層、バッファ層、電子走行層21、下部電子供給層221を形成する。この後、図示はしないが、素子を分離するための素子分離領域を形成する。
次に、図10(b)に示すように、ソース電極42が形成される領域及びゲート−ソース間における領域において、下部電子供給層221の上に上部電子供給層222及びキャップ層323を形成する。これにより、下部電子供給層221と上部電子供給層222により電子供給層22が形成される。この工程により得られたものは、図22(b)に示す構造のものと同じである。この後、図22(c)以降の工程を行うことにより、本実施の形態における半導体装置を製造することができる。
尚、上記以外の内容については、第1の実施の形態と同様である。
〔第7の実施の形態〕
次に、第7の実施の形態について説明する。本実施の形態は、半導体デバイス、電源装置及び高周波増幅器である。
本実施の形態における半導体デバイスは、第1から第6の実施の形態における半導体装置をディスクリートパッケージしたものであり、このようにディスクリートパッケージされた半導体デバイスについて、図25に基づき説明する。尚、図25は、ディスクリートパッケージされた半導体装置の内部を模式的に示すものであり、電極の配置等については、第1から第6の実施の形態に示されているものとは、異なっている。また、本実施の形態においては、第1から第6の実施の形態における半導体装置においてHEMTまたはUMOS構造のトランジスタを1つ形成した場合について説明する場合がある。
最初に、第1から第6の実施の形態において製造された半導体装置をダイシング等により切断することにより、GaN系の半導体材料のHEMT等の半導体チップ410を形成する。この半導体チップ410をリードフレーム420上に、ハンダ等のダイアタッチ剤430により固定する。尚、この半導体チップ410は、第1から第6の実施の形態におけるいずれかの半導体装置に相当するものである。
次に、ゲート電極411をゲートリード421にボンディングワイヤ431により接続し、ソース電極412をソースリード422にボンディングワイヤ432により接続し、ドレイン電極413をドレインリード423にボンディングワイヤ433により接続する。尚、ボンディングワイヤ431、432、433はAl等の金属材料により形成されている。また、本実施の形態においては、ゲート電極411はゲート電極パッドであり、第1から第6の実施の形態における半導体装置のゲート電極41と接続されている。また、ソース電極412はソース電極パッドであり、第1から第6の実施の形態における半導体装置のソース電極42と接続されている。また、ドレイン電極413はドレイン電極パッドであり、第1から第6の実施の形態における半導体装置のドレイン電極43と接続されている。
次に、トランスファーモールド法によりモールド樹脂440による樹脂封止を行なう。このようにして、GaN系の半導体材料を用いたHEMT等のディスクリートパッケージされている半導体デバイスを作製することができる。
次に、本実施の形態における電源装置及び高周波増幅器について説明する。本実施の形態における電源装置及び高周波増幅器は、第1から第6の実施の形態におけるいずれかの半導体装置を用いた電源装置及び高周波増幅器である。
最初に、図26に基づき、本実施の形態における電源装置について説明する。本実施の形態における電源装置460は、高圧の一次側回路461、低圧の二次側回路462及び一次側回路461と二次側回路462との間に配設されるトランス463を備えている。一次側回路461は、交流電源464、いわゆるブリッジ整流回路465、複数のスイッチング素子(図26に示す例では4つ)466及び一つのスイッチング素子467等を備えている。二次側回路462は、複数のスイッチング素子(図26に示す例では3つ)468を備えている。図26に示す例では、第1から第6の実施の形態における半導体装置を一次側回路461のスイッチング素子466及び467として用いている。尚、一次側回路461のスイッチング素子466及び467は、ノーマリーオフの半導体装置であることが好ましい。また、二次側回路462において用いられているスイッチング素子468はシリコンにより形成される通常のMISFET(metal insulator semiconductor field effect transistor)を用いている。
次に、図27に基づき、本実施の形態における高周波増幅器について説明する。本実施の形態における高周波増幅器470は、例えば、携帯電話の基地局用パワーアンプに適用してもよい。この高周波増幅器470は、ディジタル・プレディストーション回路471、ミキサー472、パワーアンプ473及び方向性結合器474を備えている。ディジタル・プレディストーション回路471は、入力信号の非線形歪みを補償する。ミキサー472は、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号とをミキシングする。パワーアンプ473は、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅する。図27に示す例では、パワーアンプ473は、第1から第6の実施の形態における半導体装置を有している。方向性結合器474は、入力信号や出力信号のモニタリング等を行なう。図27に示す回路では、例えば、スイッチの切り替えにより、ミキサー472により出力信号を交流信号とミキシングしてディジタル・プレディストーション回路471に送出することが可能である。
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1)
基板の上に、窒化物半導体により形成された第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に、窒化物半導体により形成された第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上に形成されたゲート電極、ソース電極及びドレイン電極と、
を有し、
前記第2の半導体層における前記ゲート電極の直下の領域の厚さをDgとし、
前記第2の半導体層における前記ゲート電極と前記ソース電極との間の領域の厚さをDgsとし、
前記第2の半導体層における前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の領域の厚さをDgdとした場合、
Dgs>Dgd、
Dgs>Dg、
であることを特徴とする半導体装置。
(付記2)
Dgd=Dgであることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(付記3)
Dgd>Dgであることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(付記4)
前記第2の半導体層における前記ドレイン電極の直下の領域の厚さをDdとした場合、
Dgs>Ddであることを特徴とする付記1から3のいずれかに記載の半導体装置。
(付記5)
前記第2の半導体層における前記ソース電極の直下の領域の厚さをDsとした場合、
Dgs=Dsであることを特徴とする付記1から4のいずれかに記載の半導体装置。
(付記6)
前記第2の半導体層における前記ソース電極の直下の領域の厚さをDsとした場合、
Dgs>Dsであることを特徴とする付記1から4のいずれかに記載の半導体装置。
(付記7)
Ds=Ddであることを特徴とする付記6に記載の半導体装置。
(付記8)
前記第1の半導体層は、GaNを含む材料により形成されており、
前記第2の半導体層は、AlGaNを含む材料により形成されていることを特徴とする付記1から7のいずれかに記載の半導体装置。
(付記9)
Dgdは、7nm以上であることを特徴とする付記1から8のいずれかに記載の半導体装置。
(付記10)
Dgdは、7nm以上、30nm以下であることを特徴とする付記1から8のいずれかに記載の半導体装置。
(付記11)
前記第2の半導体層の上の前記ゲート電極と前記ソース電極との間の領域には、窒化物半導体により形成された第3の半導体層が形成されていることを特徴とする付記1から10のいずれかに記載の半導体装置。
(付記12)
前記第3の半導体層は、前記第2の半導体層の上の前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の領域にも形成されていることを特徴とする付記11に記載の半導体装置。
(付記13)
前記第3の半導体層は、GaNを含む材料により形成されていることを特徴とする付記11または12に記載の半導体装置。
(付記14)
基板の上に、窒化物半導体により第1の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層の上に、窒化物半導体により第2の半導体層を形成する工程と、
前記第2の半導体層の上に、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
前記第2の半導体層の上に、ゲート電極を形成する工程と、
を有し、
前記第2の半導体層における前記ゲート電極の直下の領域の厚さをDgとし、
前記第2の半導体層における前記ゲート電極と前記ソース電極との間の領域の厚さをDgsとし、
前記第2の半導体層における前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の領域の厚さをDgdとした場合、
Dgs>Dgd、
Dgs>Dg、
であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記15)
前記第2の半導体層を形成する工程は、
前記第1の半導体層の上に、第2の半導体層を形成するための窒化物半導体層を形成する工程と、
前記ゲート電極の直下となる領域、及び、前記ゲート電極と前記ソース電極との間となる領域における前記窒化物半導体層の一部を除去することにより前記第2の半導体層を形成する工程と、
を有することを特徴とする付記14に記載の半導体装置の製造方法。
(付記16)
前記窒化物半導体層の一部を除去する工程は、
前記窒化物半導体層の上の前記ゲート電極と前記ソース電極との間となる領域にマスクを形成する工程と、
前記マスクの開口部において露出している前記窒化物半導体層の一部をエッチングにより除去する工程と、
を有することを特徴とする付記15に記載の半導体装置の製造方法。
(付記17)
前記第2の半導体層を形成する工程は、
前記第1の半導体層の上に、前記第2の半導体層を形成するための下部半導体層を形成する工程と、
前記ゲート電極と前記ソース電極との間となる領域における前記下部半導体層の上に、上部半導体層を形成し、前記下部半導体層と前記上部半導体層により前記第2の半導体層を形成する工程と、
を有することを特徴とする付記14に記載の半導体装置の製造方法。
(付記18)
前記上部半導体層を形成する工程は、
前記下部半導体層の上の前記ゲート電極の直下となる領域、及び、前記ゲート電極と前記ソース電極との間となる領域に、アモルファスにより形成されるマスクを形成する工程と、
前記マスクの開口部において露出している前記下部半導体層の上に、前記上部半導体層をエピタキシャル成長により形成する工程と、
を有することを特徴とする付記17に記載の半導体装置の製造方法。
(付記19)
付記1から13のいずれかに記載の半導体装置を有することを特徴とする電源装置。
(付記20)
付記1から13のいずれかに記載の半導体装置を有することを特徴とする増幅器。