JP6872055B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、HEMT(High Electron Mobility Transistor:高電子移動度トランジスタ)を有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a HEMT (High Electron Mobility Transistor).

従来、MIS(Metal Insulator Semiconductor)構造を有するHEMTでは、ゲート電極の端部への電界集中を緩和するために、ゲート電極と一体的なゲートフィールドプレートを形成することが知られている。一方、当該電界集中を緩和する他の方策として、ゲート電極の側方に、ソース電極と電気的に接続されたソースフィールドプレートを形成することが提案されている(たとえば、特許文献1〜3を参照)。 Conventionally, in HEMT having a MIS (Metal Insulator Semiconductor) structure, it is known to form a gate field plate integrated with a gate electrode in order to alleviate electric field concentration on the end portion of the gate electrode. On the other hand, as another measure for alleviating the electric field concentration, it has been proposed to form a source field plate electrically connected to the source electrode on the side of the gate electrode (for example, Patent Documents 1 to 3). reference).

特開2008−124440号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-124440 特開2008−131031号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-131031 特表2007−537593号公報Special Table 2007-537593

本発明の一実施形態は、寄生容量を低減でき、かつ、ゲート電極および導電層(ソースフィールドプレート)の各端部への電界集中を緩和できる半導体装置を提供する。 One embodiment of the present invention provides a semiconductor device capable of reducing parasitic capacitance and relaxing electric field concentration on each end of a gate electrode and a conductive layer (source field plate).

本発明の一実施形態は、ヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体積層構造と、前記III族窒化物半導体積層構造に達するゲート開口部を有する、前記III族窒化物半導体積層構造上の絶縁層と、前記ゲート開口部の底部および側部を覆うゲート絶縁膜と、前記ゲート開口部内で前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極を挟むように前記ゲート電極から離れて配置され、それぞれ前記III族窒化物半導体積層構造に電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極と、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間で前記絶縁層に埋め込まれ、前記ゲート絶縁膜によって前記ゲート電極から絶縁された導電層であって、前記ソース電極に電気的に接続された導電層とを含む、半導体装置を提供する。 One embodiment of the present invention comprises a group III nitride semiconductor laminated structure including a heterojunction and an insulating layer on the group III nitride semiconductor laminated structure having a gate opening reaching the group III nitride semiconductor laminated structure. , A gate insulating film covering the bottom and sides of the gate opening, a gate electrode formed on the gate insulating film in the gate opening, and arranged apart from the gate electrode so as to sandwich the gate electrode. The source electrode and drain electrode electrically connected to the group III nitride semiconductor laminated structure, respectively, and the gate electrode and the drain electrode are embedded in the insulating layer, and the gate electrode is formed by the gate insulating film. Provided is a semiconductor device including a conductive layer insulated from the above and electrically connected to the source electrode.

本発明の一実施形態は、ヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体積層構造と、前記III族窒化物半導体積層構造に達するゲート開口部を有する、前記III族窒化物半導体積層構造上の絶縁層と、前記ゲート開口部の底部および側部を覆うゲート絶縁膜と、前記ゲート開口部内で前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極を挟むように前記ゲート電極から離れて配置され、それぞれ前記III族窒化物半導体積層構造に電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極と、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間で前記ゲート開口部の側部を部分的に形成するように前記絶縁層に埋め込まれ、前記ゲート絶縁膜によって前記ゲート電極から絶縁されたソースフィールドプレートであって、前記ソース電極に電気的に接続されたソースフィールドプレートとを含む、半導体装置を提供する。 One embodiment of the present invention comprises a group III nitride semiconductor laminated structure including a heterojunction and an insulating layer on the group III nitride semiconductor laminated structure having a gate opening reaching the group III nitride semiconductor laminated structure. , A gate insulating film covering the bottom and sides of the gate opening, a gate electrode formed on the gate insulating film in the gate opening, and arranged apart from the gate electrode so as to sandwich the gate electrode. The side portion of the gate opening is partially formed between the source electrode and the drain electrode electrically connected to the group III nitride semiconductor laminated structure and the gate electrode and the drain electrode, respectively. Provided is a semiconductor device including a source field plate embedded in the insulating layer and insulated from the gate electrode by the gate insulating film, including a source field plate electrically connected to the source electrode.

これらの半導体装置は、たとえば、ヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体積層構造上に導電層を形成する工程と、前記導電層を覆うように絶縁層を形成する工程と、前記導電層の少なくとも一部に対向する領域を含むエッチング領域から前記絶縁層および前記導電層をエッチングすることによって、ゲート開口部を形成すると共に、当該ゲート開口部の側部に前記導電層を露出させる工程と、前記ゲート開口部の底部および側部を覆うようにゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート開口部内の前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極との間に前記導電層を挟むように、前記III族窒化物半導体積層構造上にドレイン電極を形成する工程と、前記ゲート電極を挟んで前記ドレイン電極の向かい側にソース電極を形成する工程とを含む、本発明の一実施形態の方法によって製造することができる。 These semiconductor devices include, for example, a step of forming a conductive layer on a group III nitride semiconductor laminated structure including a heterojunction, a step of forming an insulating layer so as to cover the conductive layer, and at least one of the conductive layers. A step of forming a gate opening by etching the insulating layer and the conductive layer from an etching region including a region facing the portion, and exposing the conductive layer to a side portion of the gate opening, and the gate. The conductive layer is formed between the step of forming the gate insulating film so as to cover the bottom and the side portion of the opening, the step of forming the gate electrode on the gate insulating film in the gate opening, and the gate electrode. One embodiment of the present invention includes a step of forming a drain electrode on the group III nitride semiconductor laminated structure so as to be sandwiched, and a step of forming a source electrode on the opposite side of the drain electrode by sandwiching the gate electrode. It can be manufactured by the method of.

この方法によれば、導電層(ソースフィールドプレート)が、ゲート開口部の形成の際にセルフアライメントプロセスで形成される。これにより、導電層(ソースフィールドプレート)のゲート電極に近い側の端部位置を、ゲート開口部の側部に固定することができる。そのため、ゲート電極と導電層(ソースフィールドプレート)との距離を、ゲート絶縁膜の厚さによって簡単に制御することができる。その結果、半導体装置内の最大電界強度を、意図した値に設計することができる。したがって、ゲート電極および導電層(ソースフィールドプレート)の各端部への電界集中を緩和できる構造を実現することができる。 According to this method, the conductive layer (source field plate) is formed by a self-alignment process during the formation of the gate opening. Thereby, the position of the end portion of the conductive layer (source field plate) on the side close to the gate electrode can be fixed to the side portion of the gate opening. Therefore, the distance between the gate electrode and the conductive layer (source field plate) can be easily controlled by the thickness of the gate insulating film. As a result, the maximum electric field strength in the semiconductor device can be designed to an intended value. Therefore, it is possible to realize a structure capable of relaxing the electric field concentration on each end of the gate electrode and the conductive layer (source field plate).

そして、得られた半導体装置では、ソース電極に電気的に接続された導電層(ソースフィールドプレート)が、ゲート−ドレイン間に配置されている。これにより、ゲート電極から一体的に絶縁層上を横方向に延びるゲートフィールドプレートを設けなくて済むので、ゲート−ドレイン間容量Cgdを低減することができる。その結果、半導体装置の寄生容量を低減することができるので、窒化物半導体系デバイスの特徴である高速スイッチング動作、高周波動作等を良好に発揮することができる。 Then, in the obtained semiconductor device, a conductive layer (source field plate) electrically connected to the source electrode is arranged between the gate and the drain. As a result, it is not necessary to provide a gate field plate integrally extending laterally on the insulating layer from the gate electrode, so that the gate-drain capacitance Cgd can be reduced. As a result, the parasitic capacitance of the semiconductor device can be reduced, so that the high-speed switching operation, high-frequency operation, and the like, which are the characteristics of the nitride semiconductor device, can be satisfactorily exhibited.

本発明の一実施形態は、前記ゲート絶縁膜と前記ゲート開口部の側部との間に配置された絶縁性のサイドウォールをさらに含む。
本発明の一実施形態は、前記ソースフィールドプレートに接するように前記ゲート開口部の側部に形成された絶縁性のサイドウォールをさらに含み、前記ゲート絶縁膜は、前記サイドウォールを覆うように形成されている。
One embodiment of the present invention further includes an insulating sidewall disposed between the gate insulating film and the side portion of the gate opening.
One embodiment of the present invention further includes an insulating sidewall formed on the side of the gate opening so as to be in contact with the source field plate, and the gate insulating film is formed so as to cover the sidewall. Has been done.

これらサイドウォールを備える構成は、たとえば、前記ゲート絶縁膜の形成に先立って、前記ゲート開口部の底部および側部、ならびに前記絶縁層の表面を覆うように絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート開口部の底部および前記絶縁層の表面上の前記絶縁膜を選択的にエッチングすることによって、前記ゲート開口部の側部にサイドウォールを形成する工程とをさらに含む、本発明の一実施形態の方法によって得ることができる。 The configuration including these sidewalls includes, for example, a step of forming an insulating film so as to cover the bottom and side portions of the gate opening and the surface of the insulating layer prior to the formation of the gate insulating film, and the gate. One embodiment of the present invention further comprises the step of forming a sidewall on the side of the gate opening by selectively etching the bottom of the opening and the insulating film on the surface of the insulating layer. It can be obtained by the method.

この構成によれば、ゲート電極と導電層との距離を、主にサイドウォールの厚さによって制御することできる。そのため、ゲート絶縁膜の厚さを、主に、意図したゲートしきい値電圧に合わせて設計することができる。
本発明の一実施形態は、前記導電層の形成に先立って、前記導電層を前記III族窒化物半導体積層構造から絶縁するための下地層を前記III族窒化物半導体積層構造上に形成する工程を含み、前記サイドウォールを形成する工程は、前記下地層よりも小さいエッチング選択比を有する絶縁材料を少なくとも最表面に有するサイドウォールを形成する工程を含み、前記サイドウォールの形成後、前記ゲート開口部の底部の前記下地層を選択的にエッチングすることによって、前記ゲート開口部の底部を前記III族窒化物半導体積層構造に到達させる工程をさらに含む。
According to this configuration, the distance between the gate electrode and the conductive layer can be controlled mainly by the thickness of the sidewall. Therefore, the thickness of the gate insulating film can be designed mainly according to the intended gate threshold voltage.
One embodiment of the present invention is a step of forming a base layer for insulating the conductive layer from the group III nitride semiconductor laminated structure on the group III nitride semiconductor laminated structure prior to forming the conductive layer. The step of forming the sidewall includes the step of forming a sidewall having an insulating material having an etching selectivity smaller than that of the base layer at least on the outermost surface, and after forming the sidewall, the gate opening. The step of selectively etching the base layer at the bottom of the portion to bring the bottom of the gate opening to the group III nitride semiconductor laminated structure is further included.

この方法によれば、下地層をエッチングする際に、サイドウォールが下地層と一緒にエッチングされて薄くなることを抑制することができる。そのため、下地層のエッチング後においても、設計値に近い厚さを有するサイドウォールを維持することができる。
本発明の一実施形態では、前記サイドウォールは、SiO、SiNおよびSiONからなる群から選択される少なくとも一種の材料を含む。
According to this method, when the base layer is etched, it is possible to prevent the sidewall from being etched together with the base layer and becoming thin. Therefore, even after etching the base layer, it is possible to maintain a sidewall having a thickness close to the design value.
In one embodiment of the invention, the sidewall comprises at least one material selected from the group consisting of SiO 2, SiN and SiON.

本発明の一実施形態では、前記ゲート電極と前記導電層との距離LGFが1μm以下である。
この構成によれば、導電層がゲート電極の比較的近くに配置されるので、導電層(ソースフィールドプレート)の各端部への電界集中を良好に緩和することができる。
本発明の一実施形態では、前記導電層の長さLFPと、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との距離LGDとが、LFP<1/3LGDを満たす。
In one embodiment of the present invention, the distance LGF between the gate electrode and the conductive layer is 1 μm or less.
According to this configuration, since the conductive layer is arranged relatively close to the gate electrode, the electric field concentration on each end of the conductive layer (source field plate) can be satisfactorily relaxed.
In one embodiment of the present invention, the length L FP of the conductive layer and the distance L GD between the gate electrode and the drain electrode satisfy L FP <1/3 L GD.

この構成によれば、導電層(ソースフィールドプレート)の面積が比較的小さいので、導電層の設置に起因するドレイン−ソース間容量Cdsの増加を抑制することができる。
本発明の一実施形態では、前記ゲート絶縁膜は、構成元素としてSi、AlおよびHfからなる群から選択される少なくとも一種の材料を含む。
本発明の一実施形態では、前記ゲート電極は、金属電極を含む。
According to this configuration, since the area of the conductive layer (source field plate) is relatively small, it is possible to suppress an increase in the drain-source capacitance Cds due to the installation of the conductive layer.
In one embodiment of the present invention, the gate insulating film contains at least one material selected from the group consisting of Si, Al and Hf as constituent elements.
In one embodiment of the invention, the gate electrode comprises a metal electrode.

本発明の一実施形態では、前記ゲート電極は、前記ゲート開口部の周縁で前記ゲート絶縁膜上に形成されたオーバーラップ部を含む。
本発明の一実施形態では、前記III族窒化物半導体積層構造は、前記ソース電極および前記ドレイン電極で前記ゲート電極を挟むことによって構成された素子構造を含むアクティブ領域と、当該アクティブ領域外のノンアクティブ領域とを含み、前記ソース電極および前記導電層は、それぞれ、前記ノンアクティブ領域への延長部を含み、前記ソース電極の延長部と前記導電層の延長部とが互いに接続されている。
In one embodiment of the present invention, the gate electrode includes an overlapping portion formed on the gate insulating film at the periphery of the gate opening.
In one embodiment of the present invention, the group III nitride semiconductor laminated structure includes an active region including an element structure formed by sandwiching the gate electrode between the source electrode and the drain electrode, and a non-active region outside the active region. Each of the source electrode and the conductive layer includes an active region, and each includes an extension portion to the non-active region, and the extension portion of the source electrode and the extension portion of the conductive layer are connected to each other.

この構成によれば、ソース電極と導電層(ソースフィールドプレート)とを電気的に接続するための構造として、ゲート電極の上方を跨いでソース電極および導電層のそれぞれに電気的に接続される導電構造をアクティブ領域に設ける必要がない。このような導電構造がアクティブ領域に設けられると半導体装置の寄生容量を増加させる要因になり得るが、上記のようにノンアクティブ領域でソース電極と導電層とを接続することによって、寄生容量の増加を抑制することができる。 According to this configuration, as a structure for electrically connecting the source electrode and the conductive layer (source field plate), the conductivity is electrically connected to each of the source electrode and the conductive layer across the upper part of the gate electrode. There is no need to provide a structure in the active area. If such a conductive structure is provided in the active region, it can be a factor of increasing the parasitic capacitance of the semiconductor device. However, by connecting the source electrode and the conductive layer in the non-active region as described above, the parasitic capacitance is increased. Can be suppressed.

本発明の一実施形態では、前記III族窒化物半導体積層構造は、前記ヘテロ接合を形成する第1半導体層および当該第1半導体層上の第2半導体層を含み、前記第2半導体層は、前記ゲート開口部の底部に選択的に、当該第2半導体層の酸化によって形成された酸化膜を含む。
この構成によれば、ゲート電極の直下の二次元電子ガスを低減させることができるので、ノーマリオフ型のHEMTを実現することができる。
In one embodiment of the present invention, the group III nitride semiconductor laminated structure includes a first semiconductor layer forming the heterojunction and a second semiconductor layer on the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer is The bottom of the gate opening selectively contains an oxide film formed by oxidation of the second semiconductor layer.
According to this configuration, the two-dimensional electron gas directly under the gate electrode can be reduced, so that a normally-off type HEMT can be realized.

本発明の一実施形態では、前記III族窒化物半導体積層構造は、前記ヘテロ接合を形成する第1半導体層および当該第1半導体層上の第2半導体層を含み、前記第2半導体層が、前記ゲート開口部の底部のみ選択的にエッチングされている。
この構成によれば、エッチングによるリセス構造によって、ゲート電極の直下におけるヘテロ接合の形成が防止される。これにより、ゲートバイアスを印加しないとき(ゼロバイアス時)には当該直下領域に二次元電子ガスが形成されないので、ノーマリオフ型のHEMTを実現することができる。
In one embodiment of the present invention, the group III nitride semiconductor laminated structure includes a first semiconductor layer forming the heterojunction and a second semiconductor layer on the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer comprises. Only the bottom of the gate opening is selectively etched.
According to this configuration, the recess structure by etching prevents the formation of a heterojunction directly under the gate electrode. As a result, when the gate bias is not applied (at the time of zero bias), the two-dimensional electron gas is not formed in the region directly under the gate bias, so that a normally-off type HEMT can be realized.

本発明の一実施形態は、前記導電層と前記III族窒化物半導体積層構造との間に配置され、前記ソース電極および前記ドレイン電極の形成領域まで延びる下地層をさらに含み、前記ソース電極および/または前記ドレイン電極は、前記下地層内のオーミック電極と、前記オーミック電極上に形成された前記絶縁層内のパッド電極とを含む。
本発明の一実施形態では、前記下地層が5nm〜200nmの厚さを有し、前記絶縁層が1.5μm〜2μmの厚さを有している。
One embodiment of the present invention further includes a base layer arranged between the conductive layer and the group III nitride semiconductor laminated structure and extending to a formation region of the source electrode and the drain electrode, and further includes the source electrode and /. Alternatively, the drain electrode includes an ohmic electrode in the base layer and a pad electrode in the insulating layer formed on the ohmic electrode.
In one embodiment of the present invention, the base layer has a thickness of 5 nm to 200 nm, and the insulating layer has a thickness of 1.5 μm to 2 μm.

この構成によれば、比較的薄い下地層をエッチングすることによって、オーミックコンタクト用の開口部を形成できるので、当該開口部を形成する際にIII族窒化物半導体積層構造の表面に与えるダメージが少なくて済む。これにより、ダメージの少ないIII族窒化物半導体積層構造の表面にソース電極およびドレイン電極を接続できるので、良好なオーミックコンタクトを得ることができる。 According to this configuration, an opening for ohmic contact can be formed by etching a relatively thin base layer, so that the surface of the group III nitride semiconductor laminated structure is less damaged when the opening is formed. It's done. As a result, the source electrode and the drain electrode can be connected to the surface of the group III nitride semiconductor laminated structure with less damage, so that good ohmic contact can be obtained.

本発明の一実施形態では、前記ゲート電極と前記ソース電極との間で前記絶縁層に埋め込まれ、前記ゲート絶縁膜によって前記ゲート電極から絶縁され、かつ、前記ソース電極からも絶縁された第2導電層をさらに含む。 In one embodiment of the present invention, a second embodiment is embedded in the insulating layer between the gate electrode and the source electrode, insulated from the gate electrode by the gate insulating film, and also insulated from the source electrode. Further includes a conductive layer.

図1Aは、本発明の一実施形態に係る半導体装置の模式的な平面図である。FIG. 1A is a schematic plan view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 図1Bは、本発明の一実施形態に係る半導体装置の模式的な平面図である。FIG. 1B is a schematic plan view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 図2は、前記半導体装置の断面図(図1Aおよび図1BのII−II線断面図)である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor device (cross-sectional view taken along line II-II of FIGS. 1A and 1B). 図3は、前記半導体装置の要部拡大図(図2の破線IIIの内方領域)である。FIG. 3 is an enlarged view of a main part of the semiconductor device (inner region of broken line III in FIG. 2). 図4は、前記半導体装置の製造方法を説明するためのフロー図である。FIG. 4 is a flow chart for explaining a method for manufacturing the semiconductor device. 図5Aは、前記半導体装置の製造工程の一部を示す図である。FIG. 5A is a diagram showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device. 図5Bは、図5Aの次の工程を示す図である。FIG. 5B is a diagram showing the next step of FIG. 5A. 図5Cは、図5Bの次の工程を示す図である。FIG. 5C is a diagram showing the next step of FIG. 5B. 図5Dは、図5Cの次の工程を示す図である。FIG. 5D is a diagram showing the next step of FIG. 5C. 図5Eは、図5Dの次の工程を示す図である。FIG. 5E is a diagram showing the next step of FIG. 5D. 図5Fは、図5Eの次の工程を示す図である。FIG. 5F is a diagram showing the next step of FIG. 5E. 図5Gは、図5Fの次の工程を示す図である。FIG. 5G is a diagram showing the next step of FIG. 5F. 図5Hは、図5Gの次の工程を示す図である。FIG. 5H is a diagram showing the next step of FIG. 5G. 図5Iは、図5Hの次の工程を示す図である。FIG. 5I is a diagram showing the next step of FIG. 5H. 図5Jは、図5Iの次の工程を示す図である。FIG. 5J is a diagram showing the next step of FIG. 5I. 図5Kは、図5Jの次の工程を示す図である。FIG. 5K is a diagram showing the next step of FIG. 5J. 図5Lは、図5Kの次の工程を示す図である。FIG. 5L is a diagram showing the next step of FIG. 5K. 図5Mは、図5Lの次の工程を示す図である。FIG. 5M is a diagram showing the next step of FIG. 5L. 図5Nは、図5Mの次の工程を示す図である。FIG. 5N is a diagram showing the next step of FIG. 5M. 図5Oは、図5Nの次の工程を示す図である。FIG. 5O is a diagram showing the next step of FIG. 5N. 図6は、シミュレーションのモデル図である。FIG. 6 is a model diagram of the simulation. 図7は、前記シミュレーションモデルにおけるLFPと最大電界強度との関係を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the relationship between LFP and the maximum electric field strength in the simulation model. 図8は、前記シミュレーションモデルにおけるLSWと最大電界強度との関係を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the relationship between the L SW and the maximum electric field strength in the simulation model. 図9A〜図9Cは、前記シミュレーションモデル(SFPなし)におけるチャネルの広がりを示す図である。9A-9C are diagrams showing the spread of channels in the simulation model (without SFP). 図10A〜図10Cは、前記シミュレーションモデル(SFPなし)におけるチャネルの広がりを示す図である。10A-10C are diagrams showing the spread of channels in the simulation model (without SFP). 図11A〜図11Cは、前記シミュレーションモデル(SFPあり)におけるチャネルの広がりを示す図である。11A to 11C are diagrams showing the spread of channels in the simulation model (with SFP). 図12A〜図12Cは、前記シミュレーションモデル(SFPあり)におけるチャネルの広がりを示す図である。12A to 12C are diagrams showing the spread of channels in the simulation model (with SFP). 図13は、寄生容量の評価結果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an evaluation result of parasitic capacitance. 図14は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の模式的な断面図である。FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention.

以下では、本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1Aおよび図1Bは、本発明の一実施形態に係る半導体装置1の模式的な平面図である。明瞭化のために、図1Aではソースフィールドプレート8およびフローティングプレート9の領域をハッチングで示し、図1Bではソース電極5の領域をハッチングで示している。図1Aおよび図1Bは、ハッチングが付された領域が異なる点以外は同一である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
1A and 1B are schematic plan views of the semiconductor device 1 according to the embodiment of the present invention. For clarity, the regions of the source field plate 8 and the floating plate 9 are hatched in FIG. 1A and the regions of the source electrode 5 are hatched in FIG. 1B. 1A and 1B are the same except that the hatched areas are different.

半導体装置1は、ベースとなるIII族窒化物半導体積層構造2上に、ドレイン電極3、ゲート電極4、ソース電極5およびプレート膜6を有している。たとえば、図1Aおよび図1Bに示すように、ドレイン電極3(D)、ゲート電極4(G)およびソース電極5(S)は、DGSGDの順に周期的に配置されている。これにより、ドレイン電極3およびソース電極5でゲート電極4を挟むことによって素子構造7が構成されている。プレート膜6は、ゲート−ソース間およびドレイン−ゲート間それぞれ配置されている。本発明の導電層の一例としてのソースフィールドプレート8がドレイン−ゲート間に配置され、本発明の第2導電層の一例としてのフローティングプレート9がゲート−ソース間に配置されている。 The semiconductor device 1 has a drain electrode 3, a gate electrode 4, a source electrode 5, and a plate film 6 on a base group III nitride semiconductor laminated structure 2. For example, as shown in FIGS. 1A and 1B, the drain electrode 3 (D), the gate electrode 4 (G), and the source electrode 5 (S) are periodically arranged in the order of DGSGD. As a result, the element structure 7 is formed by sandwiching the gate electrode 4 between the drain electrode 3 and the source electrode 5. The plate film 6 is arranged between the gate and the source and between the drain and the gate, respectively. The source field plate 8 as an example of the conductive layer of the present invention is arranged between the drain and the gate, and the floating plate 9 as an example of the second conductive layer of the present invention is arranged between the gate and the source.

III族窒化物半導体積層構造2の表面には、当該素子構造7を含むアクティブ領域10と、アクティブ領域10外のノンアクティブ領域11とを定義できる。ノンアクティブ領域11は、図1Aおよび図1Bに示すようにアクティブ領域10に隣接しているだけでもよいし、アクティブ領域10を取り囲んでいてもよい。
ソース電極5は、ノンアクティブ領域11上の本発明の延長部の一例としてのベース部12と、当該ベース部12に一体的に接続された複数の電極部13とを含む。この実施形態のソース電極5は、複数の電極部13が互いに平行なストライプ状に延びる櫛歯状である。ベース部12は、ノンアクティブ領域11内に、電極部13用の接続端部14を有している。複数の電極部13は、当該接続端部14からアクティブ領域10へ向かって延びている。つまり、複数の電極部13は、アクティブ領域10およびノンアクティブ領域11の間に跨っている。
On the surface of the group III nitride semiconductor laminated structure 2, an active region 10 including the element structure 7 and a non-active region 11 outside the active region 10 can be defined. The non-active region 11 may only be adjacent to the active region 10 as shown in FIGS. 1A and 1B, or may surround the active region 10.
The source electrode 5 includes a base portion 12 as an example of an extension portion of the present invention on the non-active region 11, and a plurality of electrode portions 13 integrally connected to the base portion 12. The source electrode 5 of this embodiment has a comb-teeth shape in which a plurality of electrode portions 13 extend in a stripe shape parallel to each other. The base portion 12 has a connection end portion 14 for the electrode portion 13 in the non-active region 11. The plurality of electrode portions 13 extend from the connection end portion 14 toward the active region 10. That is, the plurality of electrode portions 13 straddle between the active region 10 and the non-active region 11.

隣り合う電極部13の間のスペース15は、ドレイン電極3が配置された領域である。この実施形態では、各スペース15に直線状のドレイン電極3が配置されることによって、二つの櫛歯状のソース電極5およびドレイン電極3が、互いに係合している。なお、図示はしていないが、ドレイン電極3は、ソース電極5と同様に、ノンアクティブ領域11上のベース部と、当該ベース部に一体的に接続された複数の電極部(スペース15に配置される部分)とを含んでいてもよい。 The space 15 between the adjacent electrode portions 13 is a region in which the drain electrode 3 is arranged. In this embodiment, two comb-shaped source electrodes 5 and drain electrodes 3 are engaged with each other by arranging linear drain electrodes 3 in each space 15. Although not shown, the drain electrode 3 has a base portion on the non-active region 11 and a plurality of electrode portions (arranged in the space 15) integrally connected to the base portion, similarly to the source electrode 5. The part to be used) and may be included.

ゲート電極4は、ノンアクティブ領域11上のベース部16と、当該ベース部16に一体的に接続された複数の電極部17とを含む。この実施形態のゲート電極4は、複数の電極部17が互いに平行なストライプ状に延びる櫛歯状である。ベース部16は、ノンアクティブ領域11内に、電極部17用の接続端部18を有している。接続端部18は、アクティブ領域10とノンアクティブ領域11との境界(素子分離ライン19)を基準に、ソース電極5の接続端部14よりも外側(相対的にアクティブ領域10から遠い側)に設けられている。複数の電極部17は、当該接続端部18からアクティブ領域10へ向かって延びている。つまり、複数の電極部17は、アクティブ領域10およびノンアクティブ領域11の間に跨っている。また、ゲート電極4のベース部16は、ソース電極5のベース部12よりも外側の引き出し部20を含む。たとえば、引き出し部20は、ゲート電極4に対するコンタクトを形成するための領域である。 The gate electrode 4 includes a base portion 16 on the non-active region 11 and a plurality of electrode portions 17 integrally connected to the base portion 16. The gate electrode 4 of this embodiment has a comb-teeth shape in which a plurality of electrode portions 17 extend in a stripe shape parallel to each other. The base portion 16 has a connection end portion 18 for the electrode portion 17 in the non-active region 11. The connection end 18 is located outside the connection end 14 of the source electrode 5 (relatively far from the active region 10) with reference to the boundary between the active region 10 and the non-active region 11 (element separation line 19). It is provided. The plurality of electrode portions 17 extend from the connection end portion 18 toward the active region 10. That is, the plurality of electrode portions 17 straddle between the active region 10 and the non-active region 11. Further, the base portion 16 of the gate electrode 4 includes a drawer portion 20 outside the base portion 12 of the source electrode 5. For example, the lead-out portion 20 is a region for forming a contact with the gate electrode 4.

ソースフィールドプレート8は、ノンアクティブ領域11上に本発明の延長部の一例としてのベース部21と、当該ベース部21に一体的に接続された複数の電極部54とを含む。この実施形態のソースフィールドプレート8は、ベース部21の両端部から一対の電極部54が延びるアーチ状である。ベース部21は、ノンアクティブ領域11内に、電極部54用の接続端部22を有している。接続端部22は、素子分離ライン19を基準に、ソース電極5の接続端部14とほぼ同じ位置に設けられている。一対の電極部54は、当該接続端部22からアクティブ領域10へ向かって延びている。つまり、一対の電極部54は、アクティブ領域10およびノンアクティブ領域11の間に跨っている。 The source field plate 8 includes a base portion 21 as an example of an extension portion of the present invention on the non-active region 11, and a plurality of electrode portions 54 integrally connected to the base portion 21. The source field plate 8 of this embodiment has an arch shape in which a pair of electrode portions 54 extend from both ends of the base portion 21. The base portion 21 has a connection end portion 22 for the electrode portion 54 in the non-active region 11. The connection end portion 22 is provided at substantially the same position as the connection end portion 14 of the source electrode 5 with reference to the element separation line 19. The pair of electrode portions 54 extend from the connection end portion 22 toward the active region 10. That is, the pair of electrode portions 54 straddle between the active region 10 and the non-active region 11.

ソース電極5のベース部12とソースフィールドプレート8のベース部21は、ノンアクティブ領域11内で部分的に重なっている。この重なり部分において、ソース電極5およびソースフィールドプレート8は、ソースコンタクト23を介して接続されている。たとえば、ソースコンタクト23は、図1Aおよび図1Bに示すように、スペース15に対向する位置(電極部13の延長部を避けた位置)に設けられている。 The base portion 12 of the source electrode 5 and the base portion 21 of the source field plate 8 partially overlap in the non-active region 11. In this overlapping portion, the source electrode 5 and the source field plate 8 are connected via the source contact 23. For example, as shown in FIGS. 1A and 1B, the source contact 23 is provided at a position facing the space 15 (a position avoiding an extension portion of the electrode portion 13).

このようにソースコンタクト23をノンアクティブ領域11に設ければ、ソース電極5とソースフィールドプレート8とを電気的に接続するための構造として、ゲート電極4の上方を跨いでソース電極5およびソースフィールドプレート8のそれぞれに電気的に接続される導電構造をアクティブ領域10に設ける必要がない。このような導電構造がアクティブ領域10に設けられると半導体装置1の寄生容量を増加させる要因になり得るが、上記のようにノンアクティブ領域11でソース電極5とソースフィールドプレート8とを接続することによって、寄生容量の増加を抑制することができる。 When the source contact 23 is provided in the non-active region 11 in this way, the source electrode 5 and the source field straddle the upper part of the gate electrode 4 as a structure for electrically connecting the source electrode 5 and the source field plate 8. It is not necessary to provide a conductive structure electrically connected to each of the plates 8 in the active region 10. If such a conductive structure is provided in the active region 10, it may cause an increase in the parasitic capacitance of the semiconductor device 1. However, as described above, the source electrode 5 and the source field plate 8 are connected in the non-active region 11. Therefore, the increase in parasitic capacitance can be suppressed.

フローティングプレート9は、ノンアクティブ領域11上にベース部51と、当該ベース部51に一体的に接続された複数の電極部55とを含む。この実施形態のフローティングプレート9は、ベース部51の両端部から一対の電極部55が延びるアーチ状である。ベース部51は、ノンアクティブ領域11内に、電極部55用の接続端部52を有している。接続端部52は、素子分離ライン19を基準に、ソース電極5の接続端部14とほぼ同じ位置に設けられている。一対の電極部55は、当該接続端部52からアクティブ領域10へ向かって延びている。つまり、一対の電極部55は、アクティブ領域10およびノンアクティブ領域11の間に跨っている。 The floating plate 9 includes a base portion 51 on the non-active region 11 and a plurality of electrode portions 55 integrally connected to the base portion 51. The floating plate 9 of this embodiment has an arch shape in which a pair of electrode portions 55 extend from both ends of the base portion 51. The base portion 51 has a connection end portion 52 for the electrode portion 55 in the non-active region 11. The connection end portion 52 is provided at substantially the same position as the connection end portion 14 of the source electrode 5 with reference to the element separation line 19. The pair of electrode portions 55 extend from the connection end portion 52 toward the active region 10. That is, the pair of electrode portions 55 straddle between the active region 10 and the non-active region 11.

次に、図2および図3を主に参照して、半導体装置1の断面構造を説明する。
図2は、半導体装置1の断面図(図1Aおよび図1BのII−II線断面図)である。図3は、半導体装置1の要部拡大図(図2の破線IIIの内方領域)である。
III族窒化物半導体積層構造2は、図3に示すように、本発明の第1半導体層の一例としての電子走行層24と、電子走行層24上の本発明の第2半導体層の一例としての電子供給層25とを含む。電子走行層24および電子供給層25は、互いにAl組成の異なるIII族窒化物半導体からなっている。たとえば、電子走行層24は、GaN層からなっていてもよく、その厚さは、0.1μm〜3μmであってもよい。たとえば、電子供給層25は、AlN層からなっていてもよく、その厚さは、1nm〜7nmであってもよい。なお、電子走行層24および電子供給層25は、ヘテロ接合を形成して二次元電子ガスを発生させることができる組成であれば特に限定されず、それぞれ、AlGa1−xN層(0≦x≦1)およびAlGa1−yN層(0≦y≦1)からなっていてもよい。
Next, the cross-sectional structure of the semiconductor device 1 will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor device 1 (cross-sectional view taken along line II-II of FIGS. 1A and 1B). FIG. 3 is an enlarged view of a main part of the semiconductor device 1 (inner region of the broken line III in FIG. 2).
As shown in FIG. 3, the group III nitride semiconductor laminated structure 2 includes an electron traveling layer 24 as an example of the first semiconductor layer of the present invention and an example of the second semiconductor layer of the present invention on the electron traveling layer 24. The electron supply layer 25 of the above is included. The electron traveling layer 24 and the electron supply layer 25 are made of group III nitride semiconductors having different Al compositions from each other. For example, the electron traveling layer 24 may be made of a GaN layer, and its thickness may be 0.1 μm to 3 μm. For example, the electron supply layer 25 may be made of an AlN layer, and its thickness may be 1 nm to 7 nm. The electron traveling layer 24 and the electron supply layer 25 are not particularly limited as long as they have a composition capable of forming a heterojunction to generate a two-dimensional electron gas, and are each an Al x Ga 1-x N layer (0). It may consist of ≦ x ≦ 1) and A y Ga 1-y N layer (0 ≦ y ≦ 1).

このように、電子走行層24と電子供給層25とは、互いにAl組成の異なる窒化物半導体からなっており、それらの間には格子不整合が生じている。そして、この格子不整合に起因する分極のために、電子走行層24と電子供給層25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26が広がっている。 As described above, the electron traveling layer 24 and the electron supply layer 25 are made of nitride semiconductors having different Al compositions from each other, and lattice mismatch occurs between them. Then, due to the polarization caused by this lattice mismatch, the position near the interface between the electron traveling layer 24 and the electron supply layer 25 (for example, a position at a distance of about several Å from the interface) is caused by the polarization. The dimensional electron gas 26 is spreading.

電子供給層25には、その表面から電子走行層24に至るように、酸化膜27が選択的に形成されている。酸化膜27は、電子供給層25とほぼ等しい膜厚を有している。たとえば、酸化膜27は、熱酸化膜であり、電子走行層24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。電子供給層25がAlN層である場合、酸化膜27は、AlON膜からなっていてもよい。 An oxide film 27 is selectively formed on the electron supply layer 25 so as to reach the electron traveling layer 24 from the surface thereof. The oxide film 27 has a film thickness substantially equal to that of the electron supply layer 25. For example, the oxide film 27 is a thermal oxide film, which is an oxide film formed without damaging the interface with the electron traveling layer 24. When the electron supply layer 25 is an AlN layer, the oxide film 27 may be made of an AlON film.

なお、III族窒化物半導体積層構造2は、シリコン基板等の基板上に、バッファ層を介して積層されていてもよい。
半導体装置1は、III族窒化物半導体積層構造2上に形成された、下地層28および絶縁層29をさらに含む。
下地層28は、ドレイン電極3およびソース電極5の形成領域を含むIII族窒化物半導体積層構造2の表面全体に形成されている。たとえば、下地層28は、SiN膜からなっていてもよく、その厚さは、5nm〜200nmであってもよい。
The group III nitride semiconductor laminated structure 2 may be laminated on a substrate such as a silicon substrate via a buffer layer.
The semiconductor device 1 further includes a base layer 28 and an insulating layer 29 formed on the group III nitride semiconductor laminated structure 2.
The base layer 28 is formed on the entire surface of the group III nitride semiconductor laminated structure 2 including the formation region of the drain electrode 3 and the source electrode 5. For example, the base layer 28 may be made of a SiN film, and its thickness may be 5 nm to 200 nm.

絶縁層29は、下地層28を覆っており、第1層30および当該第1層30上の第2層31を含む。たとえば、第1層30および第2層31は、共にSiO膜からなっていてもよい。また、絶縁層29は、1.5μm〜2μmの厚さを有していてもよい。個別には、第1層30が500nm〜1000nmの厚さを有し、第2層31が500nm〜1000nmの厚さを有していてもよい。 The insulating layer 29 covers the base layer 28 and includes a first layer 30 and a second layer 31 on the first layer 30. For example, the first layer 30 and the second layer 31 may both be made of a SiO 2 film. Further, the insulating layer 29 may have a thickness of 1.5 μm to 2 μm. Individually, the first layer 30 may have a thickness of 500 nm to 1000 nm, and the second layer 31 may have a thickness of 500 nm to 1000 nm.

第1層30および下地層28には、III族窒化物半導体積層構造2に達するゲート開口部32が形成されている。ゲート開口部32の底部には、酸化膜27が露出している。ゲート開口部32の底部および側部を覆うようにゲート絶縁膜33が形成されている。ゲート絶縁膜33は、ゲート開口部32内に加えて、第1層30と第2層31との間にも形成されている。たとえば、ゲート絶縁膜33は、構成元素としてSi、AlおよびHfからなる群から選択される少なくとも一種の材料膜からなっていてもよい。より具体的には、ゲート絶縁膜33は、SiN、SiO、SiON、Al、AlN、AlON、HfSiOおよびHfO等からなる群から選択される少なくとも一種の材料膜からなっていてもよい。これらのうち、好ましくは、Al膜が挙げられる。また、ゲート絶縁膜33は、10nm〜100nmの厚さを有していてもよい。 A gate opening 32 that reaches the group III nitride semiconductor laminated structure 2 is formed in the first layer 30 and the base layer 28. The oxide film 27 is exposed at the bottom of the gate opening 32. A gate insulating film 33 is formed so as to cover the bottom and side portions of the gate opening 32. The gate insulating film 33 is formed not only in the gate opening 32 but also between the first layer 30 and the second layer 31. For example, the gate insulating film 33 may consist of at least one material film selected from the group consisting of Si, Al, and Hf as constituent elements. More specifically, even if the gate insulating film 33 is made of at least one material film selected from the group consisting of SiN, SiO 2 , SiON, Al 2 O 3 , AlN, AlON, HfSiO, HfO 2, and the like. Good. Of these, an Al 2 O 3 film is preferable. Further, the gate insulating film 33 may have a thickness of 10 nm to 100 nm.

ゲート電極4は、ゲート開口部32に埋め込まれている。たとえば、ゲート電極4は、ゲート開口部32の開口端よりも上方に出っ張らないようにゲート開口部32に充填されていてもよい。代わりに、ゲート電極4は、図3に破線で示すように、ゲート開口部32の周縁でゲート絶縁膜33上に形成されたオーバーラップ部34を含んでいてもよい。たとえば、ゲート電極4は、Mo、Ni等の金属電極からなっていてもよいし、ドープトポリシリコン等の半導体電極からなっていてもよい。金属電極はポリシリコンに比べて埋め込み性に劣るので、金属電極を用いた場合に、特にオーバーラップ部34が形成され易い。 The gate electrode 4 is embedded in the gate opening 32. For example, the gate electrode 4 may be filled in the gate opening 32 so as not to protrude above the opening end of the gate opening 32. Alternatively, the gate electrode 4 may include an overlap portion 34 formed on the gate insulating film 33 at the periphery of the gate opening 32, as shown by the broken line in FIG. For example, the gate electrode 4 may be made of a metal electrode such as Mo or Ni, or may be made of a semiconductor electrode such as doped polysilicon. Since the metal electrode is inferior in embedding property as compared with polysilicon, the overlap portion 34 is particularly likely to be formed when the metal electrode is used.

ソースフィールドプレート8およびフローティングプレート9は、ゲート開口部32の側部を部分的に形成するように、ゲート電極4の側方に配置されている。具体的には、ソースフィールドプレート8およびフローティングプレート9は、ゲート開口部32の側部の下側で露出するように、下地層28上に、絶縁膜36を介して形成されている。つまり、ゲート開口部32の側部は、下側がソースフィールドプレート8およびフローティングプレート9で形成され、上側が絶縁層29(第1層30)で形成されることによって、導電層/絶縁層の積層界面を有している。 The source field plate 8 and the floating plate 9 are arranged on the side of the gate electrode 4 so as to partially form the side portion of the gate opening 32. Specifically, the source field plate 8 and the floating plate 9 are formed on the base layer 28 with an insulating film 36 so as to be exposed below the side portion of the gate opening 32. That is, the side portion of the gate opening 32 is formed by the source field plate 8 and the floating plate 9 on the lower side and the insulating layer 29 (first layer 30) on the upper side, whereby the conductive layer / insulating layer is laminated. It has an interface.

そして、ソースフィールドプレート8およびフローティングプレート9に接するように、ゲート開口部32の側部に絶縁性のサイドウォール35が形成されている。つまり、サイドウォール35は、ゲート開口部32の側部とゲート絶縁膜33との間に配置されている。たとえば、サイドウォール35は、SiO、SiNおよびSiONからなる群から選択される少なくとも一種の材料膜からなっていてもよい。これらのうち、好ましくは、SiO膜が挙げられる。また、サイドウォール35は、10nm〜200nmの厚さを有していてもよい。 An insulating sidewall 35 is formed on the side of the gate opening 32 so as to be in contact with the source field plate 8 and the floating plate 9. That is, the sidewall 35 is arranged between the side portion of the gate opening 32 and the gate insulating film 33. For example, the sidewall 35 may consist of at least one material film selected from the group consisting of SiO 2, SiN and SiON. Of these, a SiO 2 film is preferable. Further, the sidewall 35 may have a thickness of 10 nm to 200 nm.

ソースフィールドプレート8およびフローティングプレート9は、サイドウォール35およびゲート絶縁膜33によって、ゲート電極4から絶縁されている。たとえば、ゲート電極4とソースフィールドプレート8およびフローティングプレート9との距離LGFは、1μm以下であり、好ましくは、50nm〜200nmであってよい。距離LGFは、この実施形態ではゲート絶縁膜33およびサイドウォール35の総厚さで定義されるが、サイドウォール35を有しない構成では、距離LGF=ゲート絶縁膜33の厚さであってもよい。また、ソースフィールドプレート8の長さLFPは、たとえば、ゲート電極4とドレイン電極3との距離LGDと間に、LFP<1/3LGDを満たしている。たとえば、半導体装置1の耐圧が200V以下の場合、長さLFPは0.25μm〜1.5μmであってよく、距離LGDは1μm〜6μmであってよい。また、ソースフィールドプレート8およびフローティングプレート9は、Mo膜からなっていてもよく、その厚さは、10nm〜200nmであってもよい。 The source field plate 8 and the floating plate 9 are insulated from the gate electrode 4 by the sidewall 35 and the gate insulating film 33. For example, the distance LGF between the gate electrode 4 and the source field plate 8 and the floating plate 9 may be 1 μm or less, preferably 50 nm to 200 nm. The distance L GF is defined by the total thickness of the gate insulating film 33 and the sidewall 35 in this embodiment, but in the configuration without the sidewall 35, the distance L GF = the thickness of the gate insulating film 33. May be good. The length L FP of the source field plate 8, for example, between the distance L GD between the gate electrode 4 and the drain electrode 3, satisfies L FP <1 / 3L GD. For example, when the withstand voltage of the semiconductor device 1 is 200 V or less, the length L FP may be 0.25 μm to 1.5 μm, and the distance L GD may be 1 μm to 6 μm. Further, the source field plate 8 and the floating plate 9 may be made of a Mo film, and the thickness thereof may be 10 nm to 200 nm.

絶縁層29および下地層28には、III族窒化物半導体積層構造2に達する、ソースコンタクトホール37およびドレインコンタクトホール38が形成されている。ソースコンタクトホール37およびドレインコンタクトホール38は、ゲート開口部32から横方向に離れた位置に形成されている。ソースコンタクトホール37およびドレインコンタクトホール38には、それぞれ、ソース電極5およびドレイン電極3が埋め込まれている。ソース電極5およびドレイン電極3は、それぞれ、ソースコンタクトホール37およびドレインコンタクトホール38内でIII族窒化物半導体積層構造2に電気的に接続されている。 A source contact hole 37 and a drain contact hole 38 that reach the group III nitride semiconductor laminated structure 2 are formed in the insulating layer 29 and the base layer 28. The source contact hole 37 and the drain contact hole 38 are formed at positions laterally separated from the gate opening 32. A source electrode 5 and a drain electrode 3 are embedded in the source contact hole 37 and the drain contact hole 38, respectively. The source electrode 5 and the drain electrode 3 are electrically connected to the group III nitride semiconductor laminated structure 2 in the source contact hole 37 and the drain contact hole 38, respectively.

ソースコンタクトホール37およびドレインコンタクトホール38は、下地層28の部分で、絶縁層29の部分よりも相対的に大きなオーミックコンタクト開口39,40を有している(オーミックコンタクト開口39は図1A、図1Bおよび図3参照、オーミックコンタクト開口40は図1Aおよび図1B参照)。ソース電極5およびドレイン電極3は、それぞれ、オーミックコンタクト開口39,40にオーミック電極41,42を有し、絶縁層29内にパッド電極43,44を有している。図1Aおよび図1Bに示すように、オーミック電極41,42は、スペース15の奥行き方向における端部が互いに同じ位置に配置されているが、たとえば、ドレイン側のオーミック電極42の端部が選択的に後退していてもよい。パッド電極43,44は、オーミック電極41,42上に形成され、その頂部が絶縁層29の表面から露出している。たとえば、オーミック電極41,42およびパッド電極43,44は、Ti/Al膜からなっていてもよい。 The source contact hole 37 and the drain contact hole 38 have ohmic contact openings 39 and 40 that are relatively larger than the portion of the insulating layer 29 in the portion of the base layer 28 (the ohmic contact opening 39 is shown in FIG. 1A, FIG. See 1B and FIG. 3, see FIG. 1A and FIG. 1B for the ohmic contact opening 40). The source electrode 5 and the drain electrode 3 have ohmic electrodes 41 and 42 in the ohmic contact openings 39 and 40, respectively, and pad electrodes 43 and 44 in the insulating layer 29. As shown in FIGS. 1A and 1B, the ends of the ohmic electrodes 41 and 42 in the depth direction of the space 15 are arranged at the same positions as each other. For example, the ends of the ohmic electrodes 42 on the drain side are selectively arranged. You may retreat to. The pad electrodes 43 and 44 are formed on the ohmic electrodes 41 and 42, and the top thereof is exposed from the surface of the insulating layer 29. For example, the ohmic electrodes 41 and 42 and the pad electrodes 43 and 44 may be made of a Ti / Al film.

なお、この実施形態では図3と異なる位置での切断面に現れる構成であるが、絶縁層29には、ソースフィールドプレート8に達するコンタクトホール46が形成されていてもよい。このコンタクトホール46には、図1に示したソースコンタクト23が埋め込まれ、ソースフィールドプレート8に接続されていてもよい。
この半導体装置1では、前述したように、電子走行層24上にAl組成の異なる電子供給層25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24と電子供給層25との界面付近の電子走行層24内に二次元電子ガス26が形成され、この二次元電子ガス26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4は、酸化膜27およびゲート絶縁膜33の積層膜を挟んで電子走行層24に対向しており、ゲート電極4の直下には、電子供給層25は存在しない。したがって、ゲート電極4の直下では、電子供給層25と電子走行層24との格子不整合による分極に起因する二次元電子ガス26が形成されない。よって、ゲート電極4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26によるチャネルはゲート電極4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4に適切なオン電圧(たとえば5V)を印加すると、ゲート電極4の直下の電子走行層24内にチャネルが誘起され、ゲート電極4の両側の二次元電子ガス26が接続される。これにより、ソース−ドレイン間が導通する。
Although this embodiment has a configuration that appears on the cut surface at a position different from that of FIG. 3, the insulating layer 29 may have a contact hole 46 that reaches the source field plate 8. The source contact 23 shown in FIG. 1 may be embedded in the contact hole 46 and connected to the source field plate 8.
In this semiconductor device 1, as described above, an electron supply layer 25 having a different Al composition is formed on the electron traveling layer 24 to form a heterojunction. As a result, the two-dimensional electron gas 26 is formed in the electron traveling layer 24 near the interface between the electron traveling layer 24 and the electron supply layer 25, and a HEMT using the two-dimensional electron gas 26 as a channel is formed. The gate electrode 4 faces the electron traveling layer 24 with the laminated film of the oxide film 27 and the gate insulating film 33 interposed therebetween, and the electron supply layer 25 does not exist directly under the gate electrode 4. Therefore, the two-dimensional electron gas 26 due to the polarization due to the lattice mismatch between the electron supply layer 25 and the electron traveling layer 24 is not formed immediately below the gate electrode 4. Therefore, when no bias is applied to the gate electrode 4 (at the time of zero bias), the channel due to the two-dimensional electron gas 26 is blocked directly under the gate electrode 4. In this way, a normally-off type HEMT is realized. When an appropriate on-voltage (for example, 5V) is applied to the gate electrode 4, a channel is induced in the electron traveling layer 24 immediately below the gate electrode 4, and two-dimensional electron gases 26 on both sides of the gate electrode 4 are connected. As a result, the source and drain become conductive.

使用に際しては、たとえば、ソース電極5とドレイン電極3との間に、ドレイン電極3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4に対して、ソース電極5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27と電子走行層24との界面は、電子供給層25と電子走行層24との界面に連続していて、ゲート電極4の直下における電子走行層24の界面の状態は、電子供給層25と電子走行層24との界面の状態と同等である。そのため、ゲート電極4の直下の電子走行層24における電子移動度は高い状態に保持されている。こうして、この実施形態は、ノーマリオフ型のHEMT構造を有する窒化物半導体装置を提供する。
At the time of use, for example, a predetermined voltage (for example, 200V to 400V) on which the drain electrode 3 side is positive is applied between the source electrode 5 and the drain electrode 3. In that state, an off voltage (0V) or an on voltage (5V) is applied to the gate electrode 4 with the source electrode 5 as a reference potential (0V).
The interface between the oxide film 27 and the electron traveling layer 24 is continuous with the interface between the electron supplying layer 25 and the electron traveling layer 24, and the state of the interface of the electron traveling layer 24 immediately below the gate electrode 4 is the electron supply layer. It is equivalent to the state of the interface between 25 and the electron traveling layer 24. Therefore, the electron mobility in the electron traveling layer 24 immediately below the gate electrode 4 is maintained in a high state. Thus, this embodiment provides a nitride semiconductor device having a normally-off HEMT structure.

次に、図4および図5A〜図5Oを参照して、半導体装置1の製造方法を説明する。
図4は、半導体装置1の製造方法を説明するためのフロー図である。図5A〜図5Oは、半導体装置1の製造工程を工程順に示す図である。
半導体装置1を製造するには、たとえば、基板(図示せず)上に、バッファ層(図示せず)および電子走行層24が順にエピタキシャル成長させられ、図5Aに示すように、さらに電子走行層24上に電子供給層25がエピタキシャル成長させられる。これにより、III族窒化物半導体積層構造2が形成される(ステップS1)。
Next, a method of manufacturing the semiconductor device 1 will be described with reference to FIGS. 4 and 5A to 5O.
FIG. 4 is a flow chart for explaining a manufacturing method of the semiconductor device 1. 5A to 5O are diagrams showing the manufacturing process of the semiconductor device 1 in the order of the processes.
In order to manufacture the semiconductor device 1, for example, a buffer layer (not shown) and an electron traveling layer 24 are epitaxially grown on a substrate (not shown) in order, and as shown in FIG. 5A, an electron traveling layer 24 is further formed. The electron supply layer 25 is epitaxially grown on the top. As a result, the group III nitride semiconductor laminated structure 2 is formed (step S1).

次に、図5Bに示すように、電子供給層25上の全面を覆うように、たとえば、CVD法(化学的気相成長法)によって、下地層28が形成される(ステップS2)。
次に、図5Cに示すように、たとえば、ドライエッチングによって、下地層28が選択的に除去される(ステップS3)。これにより、ソースコンタクトホール37のオーミックコンタクト開口39およびドレインコンタクトホール38のオーミックコンタクト開口40が同時に形成される(図5Cおよびそれ以降では、ドレインコンタクトホール38の図示およびその説明を省略)。
Next, as shown in FIG. 5B, the base layer 28 is formed by, for example, a CVD method (chemical vapor deposition method) so as to cover the entire surface on the electron supply layer 25 (step S2).
Next, as shown in FIG. 5C, the base layer 28 is selectively removed by, for example, dry etching (step S3). As a result, the ohmic contact opening 39 of the source contact hole 37 and the ohmic contact opening 40 of the drain contact hole 38 are formed at the same time (in FIG. 5C and thereafter, the illustration of the drain contact hole 38 and its description thereof are omitted).

次に、図5Dに示すように、オーミックコンタクト開口39内に、オーミック電極41が形成される(ステップS4)。図5Cで示したように、オーミックコンタクト開口39の形成に当たって、後の工程で形成される絶縁層29に比べて薄い膜である下地層28のエッチングだけで済む。そのため、絶縁層29をエッチングして開口を形成する場合に比べて、III族窒化物半導体積層構造2の表面に与えるダメージを低減することができる。その結果、ダメージの少ないIII族窒化物半導体積層構造2の表面にオーミック電極41(ソース電極5)を接続できるので、良好なオーミックコンタクトを得ることができる。 Next, as shown in FIG. 5D, the ohmic electrode 41 is formed in the ohmic contact opening 39 (step S4). As shown in FIG. 5C, in forming the ohmic contact opening 39, only etching of the base layer 28, which is a thinner film than the insulating layer 29 formed in a later step, is sufficient. Therefore, damage to the surface of the group III nitride semiconductor laminated structure 2 can be reduced as compared with the case where the insulating layer 29 is etched to form an opening. As a result, the ohmic electrode 41 (source electrode 5) can be connected to the surface of the group III nitride semiconductor laminated structure 2 with less damage, so that good ohmic contact can be obtained.

次に、図5Eに示すように、電子供給層25上の全面を覆うように、たとえば、CVD法(化学的気相成長法)によって、絶縁膜36が形成され、さらに、スパッタ法、蒸着法等によって、絶縁膜36上に本発明の導電層の一例としてのプレート膜45が形成される(ステップS5)。
次に、図5Fに示すように、たとえば、ドライエッチングによって、プレート膜45が選択的に除去される(ステップS6)。これにより、ソース電極5の形成領域とドレイン電極3の形成領域の各間に、プレート膜6が形成される。隣り合うプレート膜6の間の距離は、少なくとも、後の工程で形成されるソースコンタクトホール37の開口径よりも大きく、好ましくは、図5Fに示すように、オーミックコンタクト開口39の開口径よりも大きくされる。こうすることにより、ソースコンタクトホール37の形成時に横方向に位置ずれしても、ソース電極5とプレート膜6との接触を防止することができる。つまり、これは、ソース電極5が、ソースコンタクト23以外の部分でプレート膜6に接続されることを防止する。
Next, as shown in FIG. 5E, an insulating film 36 is formed so as to cover the entire surface on the electron supply layer 25 by, for example, a CVD method (chemical vapor deposition method), and further, a sputtering method and a vapor deposition method. A plate film 45 as an example of the conductive layer of the present invention is formed on the insulating film 36 (step S5).
Next, as shown in FIG. 5F, the plate film 45 is selectively removed by, for example, dry etching (step S6). As a result, the plate film 6 is formed between the formation region of the source electrode 5 and the formation region of the drain electrode 3. The distance between the adjacent plate films 6 is at least larger than the opening diameter of the source contact hole 37 formed in a later step, preferably larger than the opening diameter of the ohmic contact opening 39, as shown in FIG. 5F. Be enlarged. By doing so, it is possible to prevent the source electrode 5 from coming into contact with the plate film 6 even if the source contact hole 37 is laterally displaced when the source contact hole 37 is formed. That is, this prevents the source electrode 5 from being connected to the plate film 6 at a portion other than the source contact 23.

次に、図5Gに示すように、電子供給層25上の全面を覆うように、たとえば、CVD法(化学的気相成長法)によって、絶縁層29の第1層30が形成される(ステップS7)。これにより、プレート膜6は、第1層30に埋め込まれる。
次に、図5Hに示すように、プレート膜6に対向する領域を含むエッチング領域から第1層30およびプレート膜6をエッチングすることによって、ゲート開口部32が形成される(ステップS8)。これにより、プレート膜6は、ゲート開口部32に対して自己整合的に、ドレイン側のソースフィールドプレート8とソース側のフローティングプレート9とに分離される。したがって、ソースフィールドプレート8およびフローティングプレート9は、この段階では、ゲート開口部32の側部に露出することになる。
Next, as shown in FIG. 5G, the first layer 30 of the insulating layer 29 is formed by, for example, a CVD method (chemical vapor deposition method) so as to cover the entire surface on the electron supply layer 25 (step). S7). As a result, the plate film 6 is embedded in the first layer 30.
Next, as shown in FIG. 5H, the gate opening 32 is formed by etching the first layer 30 and the plate film 6 from the etching region including the region facing the plate film 6 (step S8). As a result, the plate film 6 is separated into the source field plate 8 on the drain side and the floating plate 9 on the source side in a self-aligned manner with respect to the gate opening 32. Therefore, the source field plate 8 and the floating plate 9 are exposed to the side of the gate opening 32 at this stage.

次に、図5Iに示すように、電子供給層25上の全面を覆うように、たとえば、CVD法(化学的気相成長法)によって、絶縁膜47が形成される(ステップS9)。絶縁膜47を形成する工程は、絶縁層29に接する下層膜48を形成する工程と、絶縁膜47の最表面を形成する上層膜49を形成する工程とを含むことによって、絶縁膜の積層構造を形成する工程を含んでいてもよい。当該積層構造は、二層構造からなっていてもよいし、三層以上の構造からなっていてもよい。たとえば、下層膜48は、SiO膜からなっていてもよく、上層膜49は、Al膜からなっていてもよい。絶縁層29および下層膜48が共にSiO膜である場合、絶縁層29に対する絶縁膜47(下層膜48)の密着性を高めることができる。そのため、後の工程において、サイドウォール35の膜剥がれを防止することができる。 Next, as shown in FIG. 5I, an insulating film 47 is formed so as to cover the entire surface on the electron supply layer 25 by, for example, a CVD method (chemical vapor deposition method) (step S9). The step of forming the insulating film 47 includes a step of forming a lower layer film 48 in contact with the insulating layer 29 and a step of forming an upper layer film 49 forming the outermost surface of the insulating film 47, thereby forming a laminated structure of the insulating film. May include a step of forming. The laminated structure may have a two-layer structure or a three-layer or more structure. For example, the lower layer film 48 may be made of a SiO 2 film, and the upper layer film 49 may be made of an Al 2 O 3 film. When both the insulating layer 29 and the lower layer film 48 are SiO 2 films, the adhesion of the insulating film 47 (lower layer film 48) to the insulating layer 29 can be improved. Therefore, it is possible to prevent the film peeling of the sidewall 35 in a later step.

次に、図5Jに示すように、たとえば、エッチバックによって、絶縁膜47の絶縁層29上の部分が選択的に除去され、ゲート開口部32の側部上にサイドウォール35が形成される(ステップS10)。上層膜49としてAl膜を採用していると、エッチバック後に、エッチングされ難いAl膜の一部がゲート開口部32から上方への突出部50として残ることがある。 Next, as shown in FIG. 5J, for example, by etching back, the portion of the insulating film 47 on the insulating layer 29 is selectively removed, and the sidewall 35 is formed on the side portion of the gate opening 32 (the sidewall 35 is formed). Step S10). If employs an Al 2 O 3 film as an upper layer 49, after etching back a portion of the etched hard the Al 2 O 3 film would remain as protrusion 50 upward from the gate opening 32.

次に、図5Kに示すように、たとえば、ドライエッチングによって、ゲート開口部32の底部における下地層28が選択的に除去される(ステップS11)。これにより、ゲート開口部32の底部にIII族窒化物半導体積層構造2の電子供給層25が露出する。下地層28がSiN膜であり、上層膜49がAl膜である場合、下地層28用のエッチャント(たとえば、CFガス等)に対して上層膜49のエッチング選択比を小さくすることができる。したがって、下地層28をエッチングする際に、下層膜48を上層膜49で保護できるので、サイドウォール35(下層膜48)が下地層28と一緒にエッチングされて薄くなることを抑制することができる。そのため、下地層28のエッチング後においても、設計値に近い厚さを有するサイドウォール35を維持することができる。 Next, as shown in FIG. 5K, the base layer 28 at the bottom of the gate opening 32 is selectively removed by, for example, dry etching (step S11). As a result, the electron supply layer 25 of the group III nitride semiconductor laminated structure 2 is exposed at the bottom of the gate opening 32. When the base layer 28 is a SiN film and the upper layer film 49 is an Al 2 O 3 film, the etching selectivity of the upper layer film 49 should be reduced with respect to the etchant for the base layer 28 (for example, CF 4 gas, etc.). Can be done. Therefore, when the base layer 28 is etched, the lower layer film 48 can be protected by the upper layer film 49, so that it is possible to prevent the sidewall 35 (lower layer film 48) from being etched together with the base layer 28 and becoming thinner. .. Therefore, even after etching the base layer 28, the sidewall 35 having a thickness close to the design value can be maintained.

次に、図5Lに示すように、たとえば、ドライエッチングによって、サイドウォール35の表面部が選択的に除去される。この実施形態では、最表面を形成する上層膜49が選択的に除去されることによって、下層膜48がサイドウォール35として残ることとなる。上層膜49がAl膜である場合、たとえば、BClガスがエッチャントとして使用されてもよい。その後、電子供給層25のゲート開口部32に露出した部分が選択的に酸化されることによって、電子供給層25の一部が酸化膜27となる。 Next, as shown in FIG. 5L, the surface portion of the sidewall 35 is selectively removed by, for example, dry etching. In this embodiment, the lower layer film 48 is left as the sidewall 35 by selectively removing the upper layer film 49 forming the outermost surface. When the upper film 49 is an Al 2 O 3 film, for example, BCl 3 gas may be used as an etchant. After that, the portion exposed to the gate opening 32 of the electron supply layer 25 is selectively oxidized, so that a part of the electron supply layer 25 becomes an oxide film 27.

次に、図5Mに示すように、電子供給層25上の全面を覆うように、たとえば、CVD法(化学的気相成長法)によって、ゲート絶縁膜33が形成され、さらにゲート絶縁膜33の内側にゲート電極4が埋め込まれる(ステップS13)。ゲート電極4の形成後、電子供給層25上の全面を覆うように、たとえば、CVD法(化学的気相成長法)によって、第2層31が形成される。 Next, as shown in FIG. 5M, a gate insulating film 33 is formed so as to cover the entire surface on the electron supply layer 25 by, for example, a CVD method (chemical vapor deposition method), and further, the gate insulating film 33 is formed. The gate electrode 4 is embedded inside (step S13). After the formation of the gate electrode 4, the second layer 31 is formed by, for example, a CVD method (chemical vapor deposition method) so as to cover the entire surface on the electron supply layer 25.

次に、図5Nに示すように、オーミック電極41およびソースフィールドプレート8に対向する領域を含むエッチング領域から第2層31、ゲート絶縁膜33および第1層30が、たとえば、ドライエッチングによって、選択的に除去される。これにより、ソースコンタクトホール37、ドレインコンタクトホール38(図1A、図1Bおよび図2参照)およびコンタクトホール46が同時に形成される(ステップS14)。 Next, as shown in FIG. 5N, the second layer 31, the gate insulating film 33 and the first layer 30 are selected from the etching region including the region facing the ohmic electrode 41 and the source field plate 8 by, for example, dry etching. Is removed. As a result, the source contact hole 37, the drain contact hole 38 (see FIGS. 1A, 1B and 2) and the contact hole 46 are simultaneously formed (step S14).

次に、図5Oに示すように、電子供給層25上の全面を覆うように、たとえば、スパッタ法、蒸着法等によって、絶縁層29上に電極膜が形成され、この電極膜をパターニングすることによって、ソース電極5(パッド電極43)、ドレイン電極3(パッド電極44)およびソースコンタクト23が形成される(ステップS15)。以上の工程を経て、図1A〜図3に示す半導体装置1が得られる。 Next, as shown in FIG. 5O, an electrode film is formed on the insulating layer 29 by, for example, a sputtering method, a vapor deposition method, or the like so as to cover the entire surface of the electron supply layer 25, and the electrode film is patterned. A source electrode 5 (pad electrode 43), a drain electrode 3 (pad electrode 44), and a source contact 23 are formed (step S15). Through the above steps, the semiconductor device 1 shown in FIGS. 1A to 3 is obtained.

以上の方法によれば、図5Hに示すように、ソースフィールドプレート8が、ゲート開口部32の形成の際にセルフアライメントプロセスで形成される。これにより、ソースフィールドプレート8がゲート開口部32の側部に露出するので、ソースフィールドプレート8のゲート電極4に近い側の端部位置を、ゲート開口部32の側部に固定することができる。そのため、図3に示すように、ゲート電極4とソースフィールドプレート8との距離LGFを、ゲート絶縁膜33およびサイドウォール35によって簡単に制御することができる。その結果、半導体装置1内の最大電界強度を、意図した値に設計することができる。したがって、ゲート電極4およびソースフィールドプレート8の各端部への電界集中を緩和できる構造を実現することができる。 According to the above method, as shown in FIG. 5H, the source field plate 8 is formed by a self-alignment process when the gate opening 32 is formed. As a result, the source field plate 8 is exposed to the side portion of the gate opening 32, so that the end position of the source field plate 8 on the side close to the gate electrode 4 can be fixed to the side portion of the gate opening 32. .. Therefore, as shown in FIG. 3, the distance LGF between the gate electrode 4 and the source field plate 8 can be easily controlled by the gate insulating film 33 and the sidewall 35. As a result, the maximum electric field strength in the semiconductor device 1 can be designed to an intended value. Therefore, it is possible to realize a structure capable of relaxing the electric field concentration on each end of the gate electrode 4 and the source field plate 8.

この効果は、たとえば、図6〜図8を参照して証明することができる。図6は、シミュレーションのモデル図である。
このシミュレーションモデルでは、図3の主な構成に関して次の条件を設定した。
・III族窒化物半導体積層構造2:GaN(1.0μm,1×1016cm−3)/AlGaN
・下地層28:SiN,100nm
・絶縁膜36:Al,40nm
・ソースフィールドプレート(SFP)8:長さLFP
・絶縁層29:SiO,300nm
・ゲート絶縁膜33:Al,40nm
・サイドウォール35:SiO,厚さLSW
このような条件下において、ソースフィールドプレート8の長さLFPおよびサイドウォール35の厚さLSWを変化させたときに(LGD=6.0μm、VDS=200V)、電界強度分布がどのように変化するのかをシミュレーションした。結果を、図7および図8に示す。
This effect can be demonstrated, for example, with reference to FIGS. 6-8. FIG. 6 is a model diagram of the simulation.
In this simulation model, the following conditions were set for the main configuration of FIG.
-Group III nitride semiconductor laminated structure 2: GaN (1.0 μm, 1 × 10 16 cm -3 ) / AlGaN
・ Underlayer 28: SiN, 100 nm
-Insulating film 36: Al 2 O 3 , 40 nm
-Source field plate (SFP) 8: Length L FP
Insulation layer 29: SiO 2 , 300 nm
-Gate insulating film 33: Al 2 O 3 , 40 nm
・ Sidewall 35: SiO 2 , thickness L SW
Under such conditions, when the length L FP of the source field plate 8 and the thickness L SW of the sidewall 35 are changed (L GD = 6.0 μm, V DS = 200 V), what is the electric field strength distribution? I simulated how it changes. The results are shown in FIGS. 7 and 8.

図7は、シミュレーションモデルにおけるLFPと最大電界強度との関係を示すグラフである。図7では、LFP=0μm(つまり、ソースフィールドプレート8なし)のときを1として、測定値を規格化している。図7によれば、ソースフィールドプレート8の設置によって、最大電界強度を緩和できていることが分かる。そして、この電界緩和効果は、LFP>1μm(=1/6LGD)で飽和することから、長さLFPの増加に伴うドレイン−ソース間容量Cdsの増加を考慮して、長さLFPは、少なくとも距離LGDの1/3未満程度であることが好ましい。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between LFP and the maximum electric field strength in the simulation model. In FIG. 7, the measured value is standardized with 1 when L FP = 0 μm (that is, without the source field plate 8). According to FIG. 7, it can be seen that the maximum electric field strength can be relaxed by installing the source field plate 8. Since this electric field relaxation effect saturates at L FP > 1 μm (= 1/6 L GD ), the length L FP is taken into consideration in consideration of the increase in the drain-source capacitance Cds as the length L FP increases. Is preferably at least about 1/3 of the distance LGD.

一方、図8は、シミュレーションモデルにおけるLSWと最大電界強度との関係を示すグラフである。図8では、LSW=50nmのときを1として、測定値を規格化している。図8によれば、最大電界強度は、サイドウォール35の厚さLSWに依存しないことが分かる。言い換えれば、図8は、図3に示したゲート電極4とソースフィールドプレート8との距離LGFは、小さくても大きくても、最大電界強度に与える影響が低いことを示している。したがって、ゲート絶縁膜33およびサイドウォール35の厚さを調節して、ソースフィールドプレート8をゲート電極4の比較的近く(たとえば、1μm以下)に配置することによって、ソースフィールドプレート8の端部への電界集中を良好に緩和することができる。 On the other hand, FIG. 8 is a graph showing the relationship between the L SW and the maximum electric field strength in the simulation model. In FIG. 8, the measured value is standardized with 1 when L SW = 50 nm. According to FIG. 8, it can be seen that the maximum electric field strength does not depend on the thickness L SW of the sidewall 35. In other words, FIG. 8 shows that the distance LGF between the gate electrode 4 and the source field plate 8 shown in FIG. 3 has a small effect on the maximum electric field strength regardless of whether it is small or large. Therefore, by adjusting the thickness of the gate insulating film 33 and the sidewall 35 and arranging the source field plate 8 relatively close to the gate electrode 4 (for example, 1 μm or less), the end of the source field plate 8 is reached. The electric field concentration can be satisfactorily relaxed.

さらに、図6のモデルを用いて、III族窒化物半導体積層構造2におけるチャネルの広がりについても検証した。図9A〜図9Cおよび図10A〜図10Cは、シミュレーションモデル(SFPなし)におけるチャネルの広がりを示す図である。図11A〜図11Cおよび図12A〜図12Cは、シミュレーションモデル(SFPあり)におけるチャネルの広がりを示す図である。 Furthermore, using the model of FIG. 6, the channel spread in the group III nitride semiconductor laminated structure 2 was also verified. 9A-9C and 10A-10C are diagrams showing channel spread in a simulation model (without SFP). 11A-11C and 12A-12C are diagrams showing the spread of channels in a simulation model (with SFP).

図11A〜図11Cおよび図12A〜図12Cから、半導体装置1のようにMIS構造を用いたノーマリオフ型のGaN−HEMTでは、ソースフィールドプレート8が存在すると、ゲート電圧によって発生するキャリアがソースフィールドプレート8の直下に広がらない結果が得られている。このような場合に、たとえば、ソースフィールドプレート8の直下に酸化膜領域が形成されるなどして二次元電子ガス26のキャリアが存在していないと、ソースフィールドプレート8の直下の酸化膜領域でポテンシャルが高くなることがある。そのため、ゲート電極4に比較的高いバイアスを印加しなければポテンシャルが下がらず、ソース−ドレイン間に電流が流れないおそれがある。この点、この実施形態では、図5Hに示すように、ソースフィールドプレート8が、ゲート開口部32の形成の際にセルフアライメントプロセスで形成される。そのため、ソースフィールドプレート8の直下に酸化膜27が形成されることがない。したがって、ゲート電極4とソースフィールドプレート8との距離LGFを最大限に小さくすることによって、比較的低いゲート電圧でチャネルを形成できるので、デバイスのオン特性を最大限に引き出すことができる。しかも、このような構造を、ゲート絶縁膜33およびサイドウォール35の厚さを調節という簡単な手法で実現することができる。また、この実施形態によれば、サイドウォール35が備えられているため、ゲート電極4とソースフィールドプレート8との距離LGFを、主にサイドウォール35の厚さによって制御することできる。そのため、ゲート絶縁膜33の厚さを、主に、意図したゲートしきい値電圧に合わせて設計することができる。 From FIGS. 11A to 11C and FIGS. 12A to 12C, in the normally-off type GaN-HEMT using the MIS structure as in the semiconductor device 1, when the source field plate 8 is present, the carrier generated by the gate voltage is the source field plate. The result is that it does not spread directly under 8. In such a case, if the carrier of the two-dimensional electron gas 26 does not exist, for example, an oxide film region is formed directly under the source field plate 8, the oxide film region directly under the source field plate 8 The potential may be high. Therefore, if a relatively high bias is not applied to the gate electrode 4, the potential does not decrease, and there is a possibility that current does not flow between the source and drain. In this regard, in this embodiment, as shown in FIG. 5H, the source field plate 8 is formed by a self-alignment process during the formation of the gate opening 32. Therefore, the oxide film 27 is not formed directly under the source field plate 8. Therefore, by minimizing the distance LGF between the gate electrode 4 and the source field plate 8, the channel can be formed at a relatively low gate voltage, so that the on-characteristics of the device can be maximized. Moreover, such a structure can be realized by a simple method of adjusting the thickness of the gate insulating film 33 and the sidewall 35. Further, according to this embodiment, since the sidewall 35 is provided, the distance LGF between the gate electrode 4 and the source field plate 8 can be controlled mainly by the thickness of the sidewall 35. Therefore, the thickness of the gate insulating film 33 can be designed mainly according to the intended gate threshold voltage.

そして、半導体装置1では、ソース電極5に電気的に接続されたソースフィールドプレート8が、ゲート−ドレイン間に配置されている。これにより、ゲート電極4から一体的に絶縁層29上を横方向に延びるゲートフィールドプレートを設けなくて済むので、ゲート−ドレイン間容量Cgdを低減することができる。その結果、半導体装置1の寄生容量を低減することができるので、窒化物半導体系デバイスの特徴である高速スイッチング動作、高周波動作等を良好に発揮することができる。この効果は、たとえば、図13を参照して証明することができる。 Then, in the semiconductor device 1, the source field plate 8 electrically connected to the source electrode 5 is arranged between the gate and the drain. As a result, it is not necessary to provide a gate field plate integrally extending laterally on the insulating layer 29 from the gate electrode 4, so that the gate-drain capacitance Cgd can be reduced. As a result, since the parasitic capacitance of the semiconductor device 1 can be reduced, the high-speed switching operation, high-frequency operation, and the like, which are the characteristics of the nitride semiconductor device, can be satisfactorily exhibited. This effect can be demonstrated, for example, with reference to FIG.

図13は、寄生容量の評価結果を示す図である。図13において、実線が、ソースフィールドプレート(SFP)8を備えている半導体装置1の各寄生容量の変化を示しており、破線が、ソースフィールドプレート8に代えてゲートフィールドプレート(GFP)を備えている半導体装置の各寄生容量の変化を示している。
図13によれば、SFP構造では、ソース電位のソースフィールドプレート8とドレイン電位の二次元電子ガス26とが対向することになるため(図3参照)、低電圧領域でCoss(=Cds+Cgd)が大きくなる傾向があるが、Ciss(=Cgs+Cgd)およびCrss(=Cgd)を含めた寄生容量全体で判断したときには、GFP構造よりも容量を低減できていることが分かる。
FIG. 13 is a diagram showing an evaluation result of parasitic capacitance. In FIG. 13, the solid line shows the change in each parasitic capacitance of the semiconductor device 1 including the source field plate (SFP) 8, and the broken line shows the gate field plate (GFP) instead of the source field plate 8. It shows the change of each parasitic capacitance of the semiconductor device.
According to FIG. 13, in the SFP structure, the source field plate 8 at the source potential and the two-dimensional electron gas 26 at the drain potential face each other (see FIG. 3), so that Cass (= Cds + Cgd) is generated in the low voltage region. Although it tends to be larger, it can be seen that the capacitance can be reduced as compared with the GFP structure when judged by the total parasitic capacitance including Ciss (= Cgs + Cgd) and Crss (= Cgd).

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、さらに他の形態で実施することも可能である。
たとえば、図14に示す半導体装置61は、ノーマリオフ型のHEMTを実現する構造として、酸化膜27に代えて、リセス53を有している。リセス53は、たとえば、ゲート開口部32の底部のみを選択的にエッチングすることによって、電子供給層25を貫通し、電子走行層24の表層部に至るように形成されていてもよい。リセス53によって、ゲート電極4の直下における電子走行層24と電子供給層25とのヘテロ接合の形成が防止される。これにより、ゲートバイアスを印加しないとき(ゼロバイアス時)には当該直下領域に二次元電子ガス26が形成されないので、ノーマリオフ型のHEMTを実現することができる。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention can also be implemented in other embodiments.
For example, the semiconductor device 61 shown in FIG. 14 has a recess 53 instead of the oxide film 27 as a structure for realizing a normally-off type HEMT. The recess 53 may be formed so as to penetrate the electron supply layer 25 and reach the surface layer portion of the electron traveling layer 24, for example, by selectively etching only the bottom portion of the gate opening 32. The recess 53 prevents the formation of a heterojunction between the electron traveling layer 24 and the electron supply layer 25 immediately below the gate electrode 4. As a result, when the gate bias is not applied (at the time of zero bias), the two-dimensional electron gas 26 is not formed in the region directly under the gate bias, so that a normally-off type HEMT can be realized.

また、半導体装置1は、サイドウォール35を備えていなくてもよい。この場合、ゲート絶縁膜33のみの厚さに基づいて、ゲート電極4とソースフィールドプレート8との距離LGFを制御することができる。
また、半導体装置1は、ソース−ゲート間のフローティングプレート9を備えていなくてもよい。つまり、ソース−ゲート間およびゲート−ドレイン間のうち、後者のみに選択的にフィールドプレート(ソースフィールドプレート8)が設けられていてもよい。このような構成は、たとえば、図5Hに示すエッチング時に、エッチング領域を、プレート膜6の端部の内外に跨る領域として設定すればよい。
Further, the semiconductor device 1 does not have to include the sidewall 35. In this case, the distance LGF between the gate electrode 4 and the source field plate 8 can be controlled based on the thickness of only the gate insulating film 33.
Further, the semiconductor device 1 does not have to include the floating plate 9 between the source and the gate. That is, the field plate (source field plate 8) may be selectively provided only in the latter of the source-gate section and the gate-drain section. In such a configuration, for example, at the time of etching shown in FIG. 5H, the etching region may be set as a region straddling the inside and outside of the end portion of the plate film 6.

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。 In addition, various design changes can be made within the scope of the matters described in the claims.

1 半導体装置
2 III族窒化物半導体積層構造
3 ドレイン電極
4 ゲート電極
5 ソース電極
6 プレート膜
7 素子構造
8 ソースフィールドプレート
9 フローティングプレート
10 アクティブ領域
11 ノンアクティブ領域
12 (ソース電極)ベース部
13 (ソース電極)電極部
21 (ソースフィールドプレート)ベース部
23 ソースコンタクト
24 電子走行層
25 電子供給層
26 二次元電子ガス
27 酸化膜
28 下地層
29 絶縁層
30 第1層
31 第2層
32 ゲート開口部
33 ゲート絶縁膜
34 オーバーラップ部
35 サイドウォール
41 オーミック電極
42 オーミック電極
43 パッド電極
44 パッド電極
45 プレート膜
47 絶縁膜
49 上層膜
50 突出部
53 リセス
54 (ソースフィールドプレート)電極部
61 半導体装置
1 Semiconductor device 2 Group III nitride semiconductor laminated structure 3 Drain electrode 4 Gate electrode 5 Source electrode 6 Plate film 7 Element structure 8 Source field plate 9 Floating plate 10 Active region 11 Non-active region 12 (Source electrode) Base 13 (Source) Electrode) Electrode 21 (Source field plate) Base 23 Source contact 24 Electron traveling layer 25 Electron supply layer 26 Two-dimensional electron gas 27 Oxide film 28 Base layer 29 Insulation layer 30 First layer 31 Second layer 32 Gate opening 33 Gate Insulation film 34 Overlap part 35 Sidewall 41 Ohmic electrode 42 Ohmic electrode 43 Pad electrode 44 Pad electrode 45 Plate film 47 Insulation film 49 Upper layer film 50 Protruding part 53 Recess 54 (Source field plate) Electrode part 61 Semiconductor device

Claims (16)

ヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体積層構造と、
前記III族窒化物半導体積層構造上に配置されたゲート電極と、
前記III族窒化物半導体積層構造上の絶縁層と、
前記ゲート電極を挟むように前記ゲート電極から離れて配置され、それぞれ前記III族窒化物半導体積層構造に電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極と、
前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間で前記絶縁層に埋め込まれ、前記ソース電極に電気的に接続された導電層と、
前記ゲート電極と前記導電層との間に形成され、ある断面において前記ゲート電極の両側壁に垂直方向に形成された絶縁性の領域と、
前記ゲート電極と前記ソース電極との間で前記絶縁層に埋め込まれ、前記ソース電極から絶縁された第2導電層とを含み、
前記第2導電層は、平面視において、ベース部および前記ベース部の両端部から延びる一対の電極部を有するアーチ状に形成されている、半導体装置。
Group III nitride semiconductor laminated structure including heterojunction,
The gate electrode arranged on the group III nitride semiconductor laminated structure and
The insulating layer on the group III nitride semiconductor laminated structure and
A source electrode and a drain electrode arranged apart from the gate electrode so as to sandwich the gate electrode and electrically connected to the group III nitride semiconductor laminated structure, respectively.
A conductive layer embedded in the insulating layer between the gate electrode and the drain electrode and electrically connected to the source electrode.
An insulating region formed between the gate electrode and the conductive layer and formed in a cross section in a direction perpendicular to both side walls of the gate electrode.
A second conductive layer embedded in the insulating layer between the gate electrode and the source electrode and insulated from the source electrode is included.
The second conductive layer is a semiconductor device formed in an arch shape having a base portion and a pair of electrode portions extending from both ends of the base portion in a plan view.
前記第2導電層は、前記ゲート電極から絶縁されている、請求項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 , wherein the second conductive layer is insulated from the gate electrode. 前記第2導電層は、フローティングされている、請求項1または2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2 , wherein the second conductive layer is floating. 前記ゲート電極の下に形成された第1絶縁膜および第2絶縁膜を含み、
前記第1絶縁膜は、前記第2絶縁膜と異なる材料で形成されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。
The first insulating film and the second insulating film formed under the gate electrode are included.
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the first insulating film is made of a material different from that of the second insulating film.
前記導電層は、平面視において、ベース部および前記ベース部の両端部から延びる一対の電極部を有するアーチ状に形成されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4 , wherein the conductive layer is formed in an arch shape having a base portion and a pair of electrode portions extending from both ends of the base portion in a plan view. 前記III族窒化物半導体積層構造は、アクティブ領域および前記アクティブ領域外のノンアクティブ領域を含み、
前記導電層の前記ベース部は、前記ノンアクティブ領域において前記ソース電極の一部と平面視で重なっている、請求項に記載の半導体装置。
The group III nitride semiconductor laminated structure includes an active region and a non-active region outside the active region.
The semiconductor device according to claim 5 , wherein the base portion of the conductive layer overlaps a part of the source electrode in a plan view in the non-active region.
前記ソース電極および前記導電層は、ソースコンタクトを介して互いに電気的に接続されている、請求項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 6 , wherein the source electrode and the conductive layer are electrically connected to each other via a source contact. 前記ソース電極は、前記絶縁層上に形成されており、
前記ソースコンタクトは、前記絶縁層に埋め込まれて前記ソース電極と前記導電層とを接続している、請求項に記載の半導体装置。
The source electrode is formed on the insulating layer, and the source electrode is formed on the insulating layer.
The semiconductor device according to claim 7 , wherein the source contact is embedded in the insulating layer to connect the source electrode and the conductive layer.
前記III族窒化物半導体積層構造は、アクティブ領域および前記アクティブ領域外のノンアクティブ領域を含み、
前記第2導電層の前記一対の電極部は、前記ノンアクティブ領域において前記ベース部に接続されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。
The group III nitride semiconductor laminated structure includes an active region and a non-active region outside the active region.
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, wherein the pair of electrode portions of the second conductive layer are connected to the base portion in the non-active region.
前記一対の電極部は、前記アクティブ領域および前記ノンアクティブ領域の間に跨っている、請求項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 9 , wherein the pair of electrode portions straddle between the active region and the non-active region. 前記III族窒化物半導体積層構造は、アクティブ領域および前記アクティブ領域外のノンアクティブ領域と、これらの分離する素子分離ラインを含み、
前記導電層は、平面視において、第1ベース部と、前記第1ベース部の両端部から延びる一対の第1電極部と、前記第1ベース部に対して前記第1電極部が接続される部分である第1接続端部とを有し、
前記第2導電層は、平面視において、第2ベース部と、前記第2ベース部の両端部から延びる一対の第2電極部と、前記第2ベース部に対して前記第2電極部が接続される部分である第2接続端部とを有し、
前記第1接続端部は、前記素子分離ラインを基準に、前記第2接続端部とほぼ同じ位置に設けられている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。
The group III nitride semiconductor laminated structure includes an active region, a non-active region outside the active region, and an element separation line for separating the active region.
In a plan view, the conductive layer is connected to a first base portion, a pair of first electrode portions extending from both ends of the first base portion, and the first electrode portion to the first base portion. It has a first connection end that is a part,
In a plan view, the second conductive layer has a second base portion, a pair of second electrode portions extending from both ends of the second base portion, and the second electrode portion connected to the second base portion. Has a second connection end, which is the part to be
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the first connection end is provided at substantially the same position as the second connection end with reference to the element separation line.
前記ゲート電極と前記導電層との間に形成された絶縁性のサイドウォールを含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 11 , further comprising an insulating sidewall formed between the gate electrode and the conductive layer. 前記サイドウォールは、SiO、SiNおよびSiONからなる群から選択される少なくとも一種の材料を含む、請求項12に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 12 , wherein the sidewall contains at least one material selected from the group consisting of SiO 2, SiN and SiON. 前記ゲート電極と前記導電層との距離LGFが1μm以下である、請求項1〜13のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 13 , wherein the distance LGF between the gate electrode and the conductive layer is 1 μm or less. 前記導電層の長さLFPと、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との距離LGDとが、LFP<1/3LGDを満たす、請求項1〜14のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 14 , wherein the length L FP of the conductive layer and the distance L GD between the gate electrode and the drain electrode satisfy L FP <1/3 L GD. .. 前記ゲート電極と前記第2導電層との間に形成された絶縁性の第2サイドウォールを含む、請求項12または13に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 12 or 13 , comprising an insulating second sidewall formed between the gate electrode and the second conductive layer.
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