JP6866619B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
[半導体装置の構成]
図1〜図4を参照して、第1実施形態に係る半導体装置の構成を説明する。第1実施形態では、半導体装置として、半導体ヘテロ接合及び変調ドーピング技術を利用して形成される二次元電子ガスをチャネルとして有する高電子移動度トランジスタを取り上げて説明する。
次に、図1に示す半導体装置の基本的な動作について説明する。
半導体装置は、ソース電極7の電位を基準として、ドレイン電極6に所定の正の電位を印加した状態でゲート電極5の電位を制御することにより、トランジスタとして機能する。ゲート-ソース間電圧を所定の閾値以上にすると、ゲート電極5から電子供給領域3を介して半導体領域2に広がる空乏層がなくなる。これにより、二次元電子ガス層4が電子供給領域3と半導体領域2との界面に形成され、トランジスタがオン状態となる。電子は、ソース電極7からドレイン電極6に流れる。半導体装置は、ソース-ドレイン間を繋ぐチャネルの密度を溝9の側面を利用することで向上させることができ、大電流化が可能となる。
次に、図5〜図54を参照し、図1に示す半導体装置の製造方法の一例を説明する。
まず、図5及び図6に示すように、基板1の主面上に溝9を形成するためのマスク材10を形成する。マスク材10は、例えば、シリコン酸化膜(SiO2)からなり、数μm程度の厚さを有する。マスク材10は、熱CVD法やプラズマCVD法の化学気相堆積法により基板1上に堆積される。基板1は、溝9の側面がシリコン結晶面となるように選定される。なお、シリコン結晶面は、(111)面である。
次に、図15及び図16に示すように、溝9を形成した基板1に対して熱CVD法によりバッファ層の成長を行う。具体的には、基板1をMOCVD装置内に導入し、所定温度(例えば600℃)に昇温する。温度が安定したところで、基板1を回転させ、原料となるトリメチルアルミニウム(TMA)を所定の流量で基板1の表面に導入しバッファ層の成長を行う。バッファ層の膜厚は数百nm程度である。その後、バッファ層上にノンドープ窒化ガリウムを堆積させることで、バッファ層とノンドープ窒化ガリウム層からなる半導体領域2を形成する。ノンドープ窒化ガリウム層の膜厚は要求耐圧値によって決まり、本実施形態では例えば5μmとして説明する。
次に、図17及び図18に示すように、第2工程で説明した方法と同様の方法で窒化アルミニウムガリウムからなる電子供給領域3を形成する。電子供給領域3の膜厚は、数〜数十nmが好ましい。
次に、図19及び図20に示すように、電子供給領域3上にマスク材となる絶縁膜11を形成する。絶縁膜11としてはシリコン酸化膜を用いることができ、堆積方法としては熱CVD法やプラズマCVD法を用いることができる。
次に、図27及び図28に示すように、電子供給領域3上にレジスト材22を形成し、ソース電極7及びドレイン電極6のパターニングを行う。
次に、図39及び図40に示すように、電子供給領域3上にレジスト材23を形成し、ゲート電極5のパターニングを行う。
次に、図45及び図46に示すように、電子供給領域3上に絶縁膜13を堆積させる。絶縁膜13としてはシリコン酸化膜を用いることができ、堆積方法としてはLPCVD法を用いることができる。
以上説明したように、第1実施形態に係る半導体装置によれば、基板1の主面に形成された溝9の側面に半導体領域2が形成され、半導体領域2上に電子供給領域3が形成される。これにより、基板1の一方向(Z軸方向)に対して垂直方向に二次元電子ガス層4が形成される。溝9の両端はそれぞれソース電極7及びドレイン電極6と電気的に接続されることにより半導体装置が動作した際に、電流が二次元電子ガス層4を通じて基板1の水平方向(Y軸方向)に流れる。溝9の側面において、溝9の深さを深くすることで単位基板面積当たりの面積を増やすことができる。これにより二次元電子ガス層4の密度を増やすことができるため、大電流化が可能となる。
次に、第1実施形態の変形例1について説明する。変形例1では、基板1の材質としてシリコンではなく絶縁性サファイヤを用いる。サファイヤ基板は、シリコン基板と比較して、窒化ガリウムとの結晶格子定数のミスマッチが小さく、高品質な基板を得ることができるため、高耐圧な半導体装置を提供できる。さらにシリコン基板では必要であったバッファ層を大幅に削減することができるため安価に製造可能な半導体装置を提供できる。
次に、第1実施形態の変形例2について説明する。変形例2では、基板1の材質としてシリコンではなく半絶縁体を用いる。半絶縁体としては、例えば炭化ケイ素(SiC)が採用可能である。半絶縁性基板は、シリコン基板と比較して、窒化ガリウムとの結晶格子定数のミスマッチが小さく、高品質な基板を得ることができるため、高耐圧な半導体装置を提供できる。さらにシリコン基板と比較して絶縁性が高いことから、リーク電流の低減が可能な半導体装置を提供できる。また、基板1を半絶縁体にすることによって基板1に対して垂直方向(Z方向)への電流を防ぐことができる。
次に、図55〜62を参照して、第1実施形態の変形例3について説明する。
図55及び図56に示すように、変形例3に係る半導体装置では、ゲート電極5は、ソース電極7とドレイン電極6との間に形成され、電子供給領域3に対して絶縁膜13を挟んで形成される。つまり、変形例3では、ゲート電極5直下に絶縁膜13が形成され、ゲート電極5は電子供給領域3に接しない。その他の構成は、第1実施形態と同じである。また、変形例3に係る半導体装置の基本的な動作は、第1実施形態と同様のため記載を省略する。
次に、変形例3に係る半導体装置の製造方法の一例を説明する。第1工程〜第5工程、第7工程に関しては、第1実施形態と同様であるため記載を省略する。また、同じ工程であっても第1実施形態と重複する部分については記載を省略する。
図57及び図58に示すように、電子供給領域3上に絶縁膜13を形成し、形成した絶縁膜13上にレジスト材26を形成し、ゲート電極5のパターニングを行う。
変形例3では、ゲート電極5直下に絶縁膜13が形成される。これにより、電子供給領域3とゲート電極5との間の絶縁性が高くなり、ゲート電圧を高めた際のリーク電流が低減できるため、大電流化が可能となる。
次に、図63〜図74を参照して、第1実施形態の変形例4について説明する。
図63及び図64に示すように、変形例4に係る半導体装置では、ゲート電極5は、ソース電極7とドレイン電極6との間に形成され、電子供給領域3に入り込むように形成される。その他の構成は、第1実施形態と同じである。また、変変形例4に係る半導体装置の基本的な動作は、第1実施形態と同様のため記載を省略する。
次に、変形例4に係る半導体装置の製造方法の一例を説明する。第1工程〜第5工程、第7工程に関しては、第1実施形態と同様であるため省略する。また、同じ工程であっても第1実施形態と重複する部分については記載を省略する。
図65及び図66に示すように、電子供給領域3上に絶縁膜13を形成し、形成した絶縁膜13上にレジスト材27を形成し、ゲート電極5のパターニングを行う。
変形例4では、ゲート電極5が電子供給領域3に入り込んでいる。これにより、ゲート電極5の空乏層が電子供給領域3と半導体領域2との界面に形成される二次元電子ガス層4に影響を及ぼし、ゲート電極5直下の二次元電子ガス層4を消滅させることができ、ノーマリーオフ化が可能となる。
次に、図75〜図88を参照して、第1実施形態の変形例5について説明する。
図75及び図76に示すように、変形例5に係る半導体装置では、ゲート電極5は、ソース電極7とドレイン電極6との間に形成され、電子供給領域3に対してp型半導体領域31を挟んで形成される。つまり、変形例5では、ゲート電極5直下にp型半導体領域31が形成され、ゲート電極5は電子供給領域3に接しない。その他の構成は、第1実施形態と同じである。また、変形例3に係る半導体装置の基本的な動作は、第1実施形態と同様のため記載を省略する。
次に、変形例5に係る半導体装置の製造方法の一例を説明する。第1工程〜第5工程、第7工程に関しては、第1実施形態と同様であるため記載を省略する。また、同じ工程であっても第1実施形態と重複する部分については記載を省略する。
図77及び図78に示すように、絶縁膜13上にマグネシウムイオンを注入し、900〜1000℃で加熱して活性化することで、p型の窒化ガリウムからなるp型半導体領域31を形成する。なお、イオン注入法以外では、マグネシウムを含むガスを投入してもよい。
変形例5では、ゲート電極5の直下にp型半導体領域31が形成される。これにより、電子供給領域3と半導体領域2の伝導体準位が引き上げられ、二次元電子ガス層4の伝導体準位をフェルミ準位よりも高い状態にすることができる。これにより、ノーマリーオフ化が可能となる。
次に、図89〜図93を参照して、第1実施形態の変形例6について説明する。
図89〜図91に示すように、変形例6に係る半導体装置では、溝9の端部は曲率半径を有する。より詳しくは、溝9の側面において、溝9の延伸方向に沿う端部が、溝9の延伸方向に見て、電子供給領域3の厚さよりも大きな曲率半径を有する。その他の構成は、第1実施形態と同じである。また、変形例6に係る半導体装置の基本的な動作は、第1実施形態と同様のため記載を省略する。
次に、変形例6に係る半導体装置の製造方法の一例を説明する。第2工程〜第7工程に関しては第1実施形態と同様であるため記載を省略する。また、同じ工程であっても第1実施形態と重複する部分については記載を省略する。
図92及び図93に示すように、溝9を形成した基板1を熱処理することで、所定値以上の曲率半径を有する溝9を形成する。この熱処理の条件は、例えば不活性ガス雰囲気下で1100〜1300℃、アニール時間は10〜30分である。溝9の端部の曲率半径は、第2工程で形成される電子供給領域3の膜厚よりも大きい。
変形例6では、溝9の端部は曲率半径を有する。これにより、溝9が形成された基板1の主面及び底面の端部において半導体領域2と電子供給領域3との間隔を一定に保つことができ、二次元電子ガス層4の濃度を均一にすることができる。これにより、電界集中が起こりにくくなり、高耐圧化が可能となる。
次に、図94〜図98を参照して、第1実施形態の変形例7について説明する。
図94〜図96に示すように、変形例7に係る半導体装置では、電子供給領域3が、溝9の側面の反対側の半導体領域2の表面に選択的に形成される。すなわち、溝9の側面にのみ電子供給領域3が形成される。基板1の主面及び溝9の底面には電子供給領域3が形成されない。その他の構成は、第1実施形態と同じである。また、変形例7に係る半導体装置の基本的な動作は、第1実施形態と同様のため記載を省略する。
次に、変形例7に係る半導体装置の製造方法の一例を説明する。第1工程〜第2工程、第4工程〜第7工程に関しては、第1実施形態と同様であるため記載を省略する。また、同じ工程であっても第1実施形態と重複する部分については記載を省略する。
図97及び図98に示すように、ドライエッチング法によって電子供給領域3をエッチングする際に、基板1の主面及び溝9の底面に形成された電子供給領域3のみエッチングする。これにより、溝9の側面の電子供給領域3のみ残すことができる。
変形例7では、溝9の側面にのみ電子供給領域3が選択的に形成される。基板1の主面及び溝9の底面に電子供給領域3が形成されないため、基板1の主面及び溝9の底面における不均一な二次元電子ガス層4の濃度を抑制することができる。これにより、耐圧低下を防ぐことが可能となる。
次に、図99〜図101を参照して、第1実施形態の変形例8について説明する。
図99及び図100に示すように、変形例8に係る半導体装置では、ドレイン電極6と素子分離領域8が溝9に埋め込まれるように形成される。その他の構成は、第1実施形態と同じである。また、変形例8に係る半導体装置の基本的な動作は、第1実施形態と同様のため記載を省略する。
次に変形例8の半導体装置の製造方法の一例を説明する。第2工程〜第7工程に関しては、第1実施形態と同様であるため記載を省略する。また、同じ工程であっても第1実施形態と重複する部分については記載を省略する。
図101に示すように、パターニングされたマスク材をマスクとして、ドライエッチング法により基板1の主面に溝9を形成する際に、溝9がドレイン電極6の下部まで延びるように形成される。なお、溝9は、ドレイン電極6の下部だけでなく、ソース電極7の下部まで延びるように形成されてもよい。
変形例8では、ソース電極7及びドレイン電極6の少なくとも一方が溝9に埋め込まれることによって、チャネルの密度を維持したまま電流を取り出すことができるため、大電流化および低コンタクト抵抗化が可能となる。
次に、図102を参照して、第1実施形態の変形例9について説明する。変形例9では、2つの半導体装置を備える(第1半導体装置、第2半導体装置)。2つの半導体装置は、第1実施形態に係る半導体装置でもよく、変形例1〜変形例8に係る半導体装置でもよい。また、後述する第2実施形態または第3実施形態に係る半導体装置でもよい。また、2つの半導体装置は、同じもよく異なっていてもよい。変形例9では、ソース電極7またはドレイン電極6を互いに共有することができるため、半導体装置に用いられる電極を単体の半分にすることができる。これにより、基板1の面積効率が向上し大電流化が可能となる。
次に、図103〜図105を参照して、第2実施形態について説明する。第2実施形態が第1実施形態と異なるのは、半導体装置が第1フィールドプレート電極41を有することである。第1実施形態と重複する構成については符号を引用してその説明は省略することとし、以下、相違点を中心として説明を行う。
図103及び図104に示すように、第1フィールドプレート電極41は、ゲート電極5とドレイン電極6との間に形成され、溝9に埋め込まれるように形成される。また、第1フィールドプレート電極41は、電子供給領域3に絶縁膜13を介して接するように形成される。また、第1フィールドプレート電極41は、ソース電極7またはゲート電極5と同電位である。
第1実施形態と同様にゲート-ソース間電圧を所定の閾値より小さくすると、ゲート電極5から電子供給領域3を介して半導体領域2に空乏層が広がり、二次元電子ガス層が消滅する。これにより、トランジスタがオフ状態となり、電流が遮断される。この際、ソース-ドレイン間に高い電圧が瞬間的に印加される。これにより、ゲート電極5から、ドレイン電極6に向かって空乏層が広がる。この際、ドレイン電極6からゲート電極5へ電界がかかり、ゲート電極5のドレイン電極6側の端部に電界集中が起こるため、半導体装置の耐圧低下が起こる。第2実施形態では、ゲート電極5とドレイン電極6との間に第1フィールドプレート電極41を形成しており、ドレイン電極6からの電界の一部は第1フィールドプレート電極41にかかりゲート電極5の端部での電界集中を緩和できるため、耐圧低下を防ぐことができる。
次に、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明する。第1工程〜第6工程に関しては、第1実施形態と同様であるため記載を省略する。また、同じ工程であっても第1実施形態と重複する部分については記載を省略する。
図105に示すように、レジスト材25を形成し配線電極14のパターニングを行う。この際、配線電極14の他に第1フィールドプレート電極41のパターニングについても行う。また、第1フィールドプレート電極41は、ドレイン電極6またはゲート電極5と配線電極14によって電気的に接続されるようパターニングされる。その後、レジスト材25をマスクとして用い、配線電極14をエッチングにより除去する。最後にレジスト材25を除去し配線電極14を形成させる。
第2実施形態によれば、第1フィールドプレート電極41は、溝9に埋め込まれるように形成される。第1フィールドプレート電極41が溝9に埋め込まれることによって平面を利用した半導体装置と比較して電極の面積効率を向上させることが可能となる。また、ゲート電極5とドレイン電極6との間に第1フィールドプレート電極41が形成され、ドレイン電極6からの電界の一部は第1フィールドプレート電極41にかかりゲート電極5の端部での電界集中を緩和できるため、耐圧低下を防ぐことができる。
次に、図106〜図121を参照して、第3実施形態について説明する。第3実施形態が第1実施形態と異なるのは、半導体装置が第2フィールドプレート電極42を有することである。第1実施形態と重複する構成については符号を引用してその説明は省略することとし、以下、相違点を中心として説明を行う。
図106〜図108に示すように、第2フィールドプレート電極42は、基板1の主面に対向する裏面に形成され、半導体領域2及び電子供給領域3に対して電気的に絶縁される。また、第2フィールドプレート電極42は、基板1の裏面に溝を形成している柱部に形成される。柱部は、ゲート−ドレイン間に形成される。すなわち、第2フィールドプレート電極42は、溝9の延伸方向におけるゲート電極5とドレイン電極6との間に、基板1内において少なくとも一部が溝9の側面に対向するように形成される。
ゲート電極5またはソース電極7と同電位の第2フィールドプレート電極42が基板1の主面と対向する裏面のゲート−ドレイン間に埋め込まれるように形成されており、ゲート−ドレイン間の電界集中を緩和することができる。これにより高耐圧化が可能である。
次に、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明する。第1工程〜第7工程に関しては、第1実施形態と同様であるため記載を省略する。以下で説明する第1.5工程は、第1実施形態に係る第1工程と第2工程の間で行われる工程である。
図109及び図110に示すように、溝9を形成させた基板1の裏面に対してマスク材となる絶縁膜18を形成する。絶縁膜18の膜厚は数μmが好ましい。絶縁膜18としてはシリコン酸化膜を用いることができ、堆積方法としては熱CVD法やプラズマCVD法を用いることができる。
基板1の裏面全体に蒸着法、スパッタ法などを用いて第2フィールドプレート電極42を形成する。
第3実施形態によれば、第2フィールドプレート電極42は、基板1の裏面に接して形成される。これにより、基板1の裏面をフィールドプレート電極として活用でき、基板1の主面から配線を行う場合と比較して主面の配線を減らすことができるため、煩雑な配線が不要であり簡便に作製可能な半導体装置を提供できる。また、基板1の裏面に形成される第2フィールドプレート電極42と半導体領域2との間の絶縁性を確保できるため、高耐圧化が可能となる。また、ゲート電極5またはソース電極7と同電位の第2フィールドプレート電極42が基板1の裏面のゲート−ドレイン間に埋め込まれるように形成されており、ゲート−ドレイン間の電界集中を緩和することができる。これにより高耐圧化が可能となる。
2 半導体領域
3 電子供給領域
4 二次元電子ガス層
5 ゲート電極
6 ドレイン電極
7 ソース電極
8 素子分離領域
9、50 溝
10 マスク材
11、12、13、18 絶縁膜
14 配線電極
15 ゲート配線
16 ドレイン配線
17 ソース配線
21、22、23、24、25、26、27、28、29、30 レジスト材
31 p型半導体領域
41 第1フィールドプレート電極
42 第2フィールドプレート電極
Claims (12)
- 基板と、
前記基板の主面に形成される溝と、
前記溝の表面に接して形成される半導体領域と、
前記溝の表面の反対側の前記半導体領域の表面に接して形成され、前記半導体領域に二次元電子ガス層を発生させる電子供給領域と、
前記二次元電子ガス層と電気的に接続され、前記電子供給領域に接して形成されるソース電極と、
前記二次元電子ガス層と電気的に接続され、前記電子供給領域に接し、かつ前記ソース電極と離間して形成されるドレイン電極と、
前記溝の延伸方向における前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に形成されるゲート電極と、
前記溝の延伸方向における前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に、前記基板内において少なくとも一部が前記溝の側面に対向するように形成された第2フィールドプレート電極と
を備え、
前記第2フィールドプレート電極が、前記ソース電極又は前記ゲート電極と同電位である
ことを特徴とする半導体装置。 - 前記溝が、前記溝の幅以上の深さを有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記ゲート電極は、前記溝の側面に対して前記電子供給領域を挟んで対向するように形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記溝の延伸方向における前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に、前記電子供給領域に絶縁膜を介して接するように形成される第1フィールドプレート電極を備え、
前記第1フィールドプレート電極が、前記ソース電極又は前記ゲート電極と同電位であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記基板が、絶縁体又は半絶縁体からなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記半導体領域が、前記溝の表面に接するバッファ層を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記半導体領域が、窒化ガリウムからなる層を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記基板が、シリコンからなり、
前記溝の側面が、シリコン結晶面であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記溝の側面の前記溝の延伸方向に沿う端部が、前記溝の延伸方向に見て、前記電子供給領域の厚さよりも大きな曲率半径を有することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記電子供給領域が、前記溝の側面の反対側の前記半導体領域の表面に選択的に形成されることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記ソース電極及び前記ドレイン電極の少なくとも一部が前記溝に埋め込まれるように形成されることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 請求項1〜11のいずれか1項に記載の半導体装置からなる第1半導体装置と、
請求項1〜11のいずれか1項に記載の半導体装置からなる第2半導体装置とを備え、第1半導体装置及び第2半導体装置が、前記ソース電極又は前記ドレイン電極を互いに共有することを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の半導体装置。
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