JP7308593B2 - Nitride semiconductor device - Google Patents

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この発明は、III族窒化物半導体(以下単に「窒化物半導体」という場合がある。)からなる窒化物半導体装置に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor device made of a Group III nitride semiconductor (hereinafter sometimes simply referred to as "nitride semiconductor").

III族窒化物半導体とは、III-V族半導体においてV族元素として窒素を用いた半導体である。窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)が代表例である。一般には、AlInGa1-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)と表わすことができる。
このような窒化物半導体を用いたHEMT(High Electron Mobility Transistor;高電子移動度トランジスタ)が提案されている。このようなHEMTは、たとえば、GaNからなる電子走行層と、この電子走行層上にエピタキシャル成長されたAlGaNからなる電子供給層とを含む。電子供給層に接するように一対のソース電極およびドレイン電極が形成され、それらの間にゲート電極が配置される。GaNとAlGaNとの格子不整合に起因する分極のために、電子走行層内において、電子走行層と電子供給層との界面から数Åだけ内方の位置に、二次元電子ガスが形成される。この二次元電子ガスをチャネルとして、ソース・ドレイン間が接続される。ゲート電極に制御電圧を印加することで、二次元電子ガスを遮断すると、ソース・ドレイン間が遮断される。ゲート電極に制御電圧を印加していない状態では、ソース・ドレイン間が導通するので、ノーマリーオン型のデバイスとなる。
A group III nitride semiconductor is a semiconductor in which nitrogen is used as a group V element in a group III-V semiconductor. Aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), and indium nitride (InN) are representative examples. In general, it can be expressed as AlxInyGa1 -x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1) .
A HEMT (High Electron Mobility Transistor) using such a nitride semiconductor has been proposed. Such a HEMT includes, for example, an electron transit layer made of GaN and an electron supply layer made of AlGaN epitaxially grown on the electron transit layer. A pair of source and drain electrodes are formed in contact with the electron supply layer, and a gate electrode is arranged therebetween. Due to polarization caused by lattice mismatch between GaN and AlGaN, a two-dimensional electron gas is formed in the electron transit layer at a position several angstroms inward from the interface between the electron transit layer and the electron supply layer. . Using this two-dimensional electron gas as a channel, the source and the drain are connected. When a control voltage is applied to the gate electrode to cut off the two-dimensional electron gas, the connection between the source and the drain is cut off. When no control voltage is applied to the gate electrode, the source-drain is conductive, so the device is a normally-on type device.

窒化物半導体を用いたデバイスは、高耐圧、高温動作、大電流密度、高速スイッチングおよび低オン抵抗といった特徴を有するため、パワーデバイスへの応用が検討されている。
しかし、パワーデバイスとして用いるためには、ゼロバイアス時に電流を遮断するノーマリーオフ型のデバイスである必要があるため、前述のようなHEMTは、パワーデバイスには適用できない。
Devices using nitride semiconductors have features such as high withstand voltage, high temperature operation, large current density, high-speed switching and low on-resistance, and their application to power devices has been investigated.
However, in order to use it as a power device, it must be a normally-off type device that cuts off current at zero bias.

ノーマリーオフ型の窒化物半導体HEMTを実現するための構造は、たとえば、特許文献1において提案されている。 A structure for realizing a normally-off nitride semiconductor HEMT is proposed in Patent Document 1, for example.

特開2006-339561号公報JP-A-2006-339561

特許文献1は、AlGaN電子供給層にp型GaNゲート層(窒化物半導体ゲート層)を積層し、その上にゲート電極を配置し、前記p型GaNゲート層から広がる空乏層によってチャネルを消失させることで、ノーマリーオフを達成する構成を開示している。特許文献1では、ゲート電極としてはp型GaNゲート層とオーミック接合するPd(パラジウム)からなるゲート電極が用いられている。 In Patent Document 1, a p-type GaN gate layer (nitride semiconductor gate layer) is stacked on an AlGaN electron supply layer, a gate electrode is arranged thereon, and a depletion layer spreading from the p-type GaN gate layer eliminates the channel. Thus, a configuration is disclosed that achieves normally-off. In Patent Document 1, a gate electrode made of Pd (palladium) that forms an ohmic contact with a p-type GaN gate layer is used as the gate electrode.

ゲート電極として、p型GaNゲート層とショットキー接合するTiN(窒化チタン)等の金属からなるゲート電極を用いることが考えられる。このような構成の窒化物半導体装置を比較対象装置という場合がある。比較対象装置では、窒化物半導体ゲート層とゲート電極とがショットキー接合されるため、ゲートリーク電流が大きくなり、窒化物半導体ゲート層が劣化しやすいという問題がある。 As the gate electrode, it is conceivable to use a gate electrode made of metal such as TiN (titanium nitride) that forms a Schottky junction with the p-type GaN gate layer. A nitride semiconductor device having such a configuration may be referred to as a comparative device. In the comparison target device, since the nitride semiconductor gate layer and the gate electrode form a Schottky junction, the gate leak current increases and the nitride semiconductor gate layer is likely to deteriorate.

この発明の目的は、比較対象装置に比べてゲートリーク電流を低減できる窒化物半導体装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device capable of reducing a gate leakage current as compared with a comparative device.

この発明の一実施形態に係る窒化物半導体装置は、電子走行層を構成する第1窒化物半導体層と、前記第1窒化物半導体層上に形成され、前記第1窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きく、電子供給層を構成する第2窒化物半導体層と、前記第2窒化物半導体層上に配置されたゲート部とを含み、前記ゲート部は、前記第2窒化物半導体層上に配置されかつアクセプタ型不純物を含む窒化物半導体ゲート層と、前記窒化物半導体ゲート層上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを含んでいる。 A nitride semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a first nitride semiconductor layer forming an electron transit layer, and a layer formed on the first nitride semiconductor layer and having a higher band than the first nitride semiconductor layer. a second nitride semiconductor layer having a large gap and forming an electron supply layer; and a gate portion disposed on the second nitride semiconductor layer, wherein the gate portion is on the second nitride semiconductor layer. It includes a nitride semiconductor gate layer disposed and containing an acceptor-type impurity, a gate insulating film formed on the nitride semiconductor gate layer, and a gate electrode formed on the gate insulating film.

この構成では、窒化物半導体ゲート層とゲート電極との間にゲート絶縁膜が介在しているので、比較対象装置に比べてゲートリーク電流を低減できる。
この発明の一実施形態では、前記ゲート絶縁膜が、SiN、SiO、SiON、Al、AlN、AlON、HfO、HfN、HfON、HfSiONおよびAlONのうちから選択された1つから構成されている。
In this configuration, since the gate insulating film is interposed between the nitride semiconductor gate layer and the gate electrode, the gate leakage current can be reduced as compared with the comparative device.
In one embodiment of the present invention, the gate insulating film is made of one selected from SiN, SiO2 , SiON, Al2O3 , AlN, AlON, HfO, HfN, HfON, HfSiON and AlON. ing.

この発明の一実施形態では、前記ゲート絶縁膜は、前記窒化物半導体ゲート層とin-situで成膜される、in-situ SiNからなる。
この発明の一実施形態では、ゲートリーク電流が、1nA/mm以下である。
この発明の一実施形態では、前記窒化物半導体ゲート層の膜厚は100nm以下であり、前記ゲート絶縁膜の膜厚は3nm以上である。
In one embodiment of the present invention, the gate insulating film is made of in-situ SiN deposited in-situ with the nitride semiconductor gate layer.
In one embodiment of the invention, the gate leakage current is 1 nA/mm or less.
In one embodiment of the present invention, the film thickness of the nitride semiconductor gate layer is 100 nm or less, and the film thickness of the gate insulating film is 3 nm or more.

この発明の一実施形態では、前記第1窒化物半導体層における前記第2窒化物半導体層とは反対側に配置され、バッファ層を構成する第3窒化物半導体層をさらに有する。
この発明の一実施形態では、前記窒化物半導体ゲート層と前記ゲート絶縁膜との界面の炭素濃度は、1×1013cm-2以下である。
この発明の一実施形態では、前記第1窒化物半導体層はGaN層からなり、前記第2窒化物半導体層はAlGaN層からなり、前記窒化物半導体ゲート層はp型GaN層からなる。
In one embodiment of the present invention, the semiconductor device further includes a third nitride semiconductor layer that is arranged on the side of the first nitride semiconductor layer opposite to the second nitride semiconductor layer and that constitutes a buffer layer.
In one embodiment of the present invention, the carbon concentration at the interface between the nitride semiconductor gate layer and the gate insulating film is 1×10 13 cm −2 or less.
In one embodiment of the present invention, the first nitride semiconductor layer is a GaN layer, the second nitride semiconductor layer is an AlGaN layer, and the nitride semiconductor gate layer is a p-type GaN layer.

この発明の一実施形態では、前記第1窒化物半導体層はGaN層からなり、前記第2窒化物半導体層はAlGaN層からなり、前記窒化物半導体ゲート層はp型GaN層からなり、第3窒化物半導体層がAlGaN層からなる。
この発明の一実施形態では、前記アクセプタ型不純物は、マグネシウムまたは鉄である。
In one embodiment of the present invention, the first nitride semiconductor layer is a GaN layer, the second nitride semiconductor layer is an AlGaN layer, the nitride semiconductor gate layer is a p-type GaN layer, and the third nitride semiconductor layer is a p-type GaN layer. The nitride semiconductor layer consists of an AlGaN layer.
In one embodiment of this invention, said acceptor-type impurity is magnesium or iron.

この発明の一実施形態に係る窒化物半導体装置は、電子走行層を構成する第1窒化物半導体層と、前記第1窒化物半導体層上に形成され、前記第1窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きく、電子供給層を構成する第2窒化物半導体層と、前記第2窒化物半導体層上に配置されたゲート部とを含み、前記ゲート部は、前記第2窒化物半導体層上に配置されかつアクセプタ型不純物を含む窒化物半導体ゲート層と、前記窒化物半導体ゲート層上に形成された窒素を含む窒素含有層と、前記窒素含有層上に配置されたゲート電極とを含む。 A nitride semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a first nitride semiconductor layer forming an electron transit layer, and a layer formed on the first nitride semiconductor layer and having a higher band than the first nitride semiconductor layer. a second nitride semiconductor layer having a large gap and forming an electron supply layer; and a gate portion disposed on the second nitride semiconductor layer, wherein the gate portion is on the second nitride semiconductor layer. a nitride semiconductor gate layer disposed and containing an acceptor-type impurity; a nitrogen-containing layer containing nitrogen formed on the nitride semiconductor gate layer; and a gate electrode disposed on the nitrogen-containing layer.

この発明の一実施形態では、前記窒素含有層の厚さが10nm以下である。
この発明の一実施形態では、前記窒素含有層が、AlN膜若しくはSIN膜の単膜またはAlN膜およびSIN膜の積層膜からなる。
この発明の一実施形態では、前記窒素含有層が、前記窒化物半導体ゲート層上に形成されたAlN膜と、前記AlN膜上に形成されたSIN膜とからなる。
In one embodiment of the invention, the nitrogen-containing layer has a thickness of 10 nm or less.
In one embodiment of the present invention, the nitrogen-containing layer is composed of a single film of AlN film or SIN film, or a laminated film of AlN film and SIN film.
In one embodiment of the invention, the nitrogen-containing layer comprises an AlN film formed on the nitride semiconductor gate layer and an SIN film formed on the AlN film.

この発明の一実施形態では、前記窒素含有層と前記ゲート電極との間に形成されたゲート絶縁膜をさらに含む。
この発明の一実施形態では、前記ゲート絶縁膜が酸素を含む絶縁膜からなる。
この発明の一実施形態では、前記ゲート絶縁膜が、Al膜またはSiO膜からなる。
One embodiment of the present invention further includes a gate insulating film formed between the nitrogen-containing layer and the gate electrode.
In one embodiment of the present invention, the gate insulating film is made of an insulating film containing oxygen.
In one embodiment of the present invention, the gate insulating film is made of Al2O3 film or SiO2 film.

この発明の一実施形態では、ゲートリーク電流が、1nA/mm以下である。 In one embodiment of the invention, the gate leakage current is 1 nA/mm or less.

図1は、この発明の第1実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を説明するための断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining the configuration of a nitride semiconductor device according to a first embodiment of the invention. 図2Aは、前記窒化物半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。FIG. 2A is a cross-sectional view showing an example of the manufacturing process of the nitride semiconductor device. 図2Bは、図2Aの次の工程を示す断面図である。FIG. 2B is a cross-sectional view showing the next step of FIG. 2A. 図2Cは、図2Bの次の工程を示す断面図である。FIG. 2C is a cross-sectional view showing the next step of FIG. 2B. 図2Dは、図2Cの次の工程を示す断面図である。FIG. 2D is a cross-sectional view showing the next step of FIG. 2C. 図2Eは、図2Dの次の工程を示す断面図である。FIG. 2E is a cross-sectional view showing the next step of FIG. 2D. 図2Fは、図2Eの次の工程を示す断面図である。FIG. 2F is a cross-sectional view showing the next step of FIG. 2E. 図2Gは、図2Fの次の工程を示す断面図である。FIG. 2G is a cross-sectional view showing the next step of FIG. 2F. 図3は、第1比較例に係る窒化物半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of a nitride semiconductor device according to a first comparative example. 図4は、第1比較例のエネルギー分布を示すエネルギーバンド図である。FIG. 4 is an energy band diagram showing the energy distribution of the first comparative example. 図5は、第1比較例の電界強度分布を示す電界強度分布図である。FIG. 5 is an electric field strength distribution diagram showing the electric field strength distribution of the first comparative example. 図6は、本実施形態のエネルギー分布を示すエネルギーバンド図である。FIG. 6 is an energy band diagram showing the energy distribution of this embodiment. 図7は、本実施形態の電界強度分布を示す電界強度分布図である。FIG. 7 is an electric field intensity distribution diagram showing the electric field intensity distribution of this embodiment. 図8は、ゲート絶縁膜がSiOからなる場合のエネルギー分布を示すエネルギーバンド図である。FIG. 8 is an energy band diagram showing energy distribution when the gate insulating film is made of SiO 2 . 図9は、ゲート絶縁膜がSiOからなる場合の電界強度分布を示す電界強度分布図である。FIG. 9 is an electric field strength distribution diagram showing the electric field strength distribution when the gate insulating film is made of SiO 2 . 図10は、この発明の第2実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining the configuration of the nitride semiconductor device according to the second embodiment of the invention. 図11は、図10のゲート部の拡大断面図である。11 is an enlarged sectional view of the gate portion of FIG. 10. FIG. 図12は、第2実施形態のゲート部の第1変形例を示す拡大断面図である。FIG. 12 is an enlarged cross-sectional view showing a first modification of the gate portion of the second embodiment. 図13は、第2実施形態のゲート部の第2変形例を示す拡大断面図である。FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view showing a second modification of the gate portion of the second embodiment. 図14は、ゲート電圧Vgを5Vに設定した場合の高温ゲートバイアス試験結果を示すグラフである。FIG. 14 is a graph showing high temperature gate bias test results when the gate voltage Vg is set to 5V. 図14は、ゲート電圧Vgを-3Vに設定した場合の高温ゲートバイアス試験結果を示すグラフである。FIG. 14 is a graph showing high temperature gate bias test results when the gate voltage Vg is set to -3V.

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、この発明の第1実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を説明するための断面図である。
窒化物半導体装置1は、基板2と、基板2の表面に形成されたバッファ層3と、バッファ層3上にエピタキシャル成長された第1窒化物半導体層4と、第1窒化物半導体層4上にエピタキシャル成長された第2窒化物半導体層5とを含む。さらに、この窒化物半導体装置1は、第2窒化物半導体層5上に形成されたゲート部20とを含む。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Below, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining the configuration of a nitride semiconductor device according to a first embodiment of the invention.
Nitride semiconductor device 1 includes substrate 2 , buffer layer 3 formed on the surface of substrate 2 , first nitride semiconductor layer 4 epitaxially grown on buffer layer 3 , and and a second nitride semiconductor layer 5 epitaxially grown. Further, nitride semiconductor device 1 includes a gate portion 20 formed on second nitride semiconductor layer 5 .

さらに、この窒化物半導体装置1は、第2窒化物半導体層5およびゲート部20を覆うパッシベーション膜9と、パッシベーション膜9上に積層されたバリアメタル膜10とを含む。さらに、この窒化物半導体装置1は、パッシベーション膜9とバリアメタル膜10との積層膜に形成されたソース電極用コンタクト孔11およびドレイン電極用コンタクト孔12を貫通して第2窒化物半導体層5にオーミック接触しているソース電極13およびドレイン電極14とを含む。ソース電極13およびドレイン電極14は、間隔を開けて配置されている。ソース電極13は、ゲート部20を覆うように形成されている。さらに、この窒化物半導体装置1は、ソース電極13およびドレイン電極14を覆う層間絶縁膜15を含む。 Further, nitride semiconductor device 1 includes passivation film 9 covering second nitride semiconductor layer 5 and gate portion 20 , and barrier metal film 10 laminated on passivation film 9 . Further, in the nitride semiconductor device 1, the second nitride semiconductor layer 5 is formed through the source electrode contact hole 11 and the drain electrode contact hole 12 formed in the laminated film of the passivation film 9 and the barrier metal film 10. It includes a source electrode 13 and a drain electrode 14 in ohmic contact with each other. The source electrode 13 and the drain electrode 14 are spaced apart. Source electrode 13 is formed to cover gate portion 20 . Further, nitride semiconductor device 1 includes interlayer insulating film 15 covering source electrode 13 and drain electrode 14 .

基板2は、たとえば、低抵抗のシリコン基板であってもよい。低抵抗のシリコン基板は、たとえば、1×1017cm-3~1×1020cm-3(より具体的には1×1018cm-3程度)の不純物濃度を有していてもよい。また、基板2は、低抵抗のシリコン基板の他、低抵抗のGaN基板、低抵抗のSiC基板等であってもよい。基板2の厚さは650μm程度である。 Substrate 2 may be, for example, a low resistance silicon substrate. A low-resistance silicon substrate may have an impurity concentration of, for example, 1×10 17 cm −3 to 1×10 20 cm −3 (more specifically, about 1×10 18 cm −3 ). The substrate 2 may be a low-resistance silicon substrate, a low-resistance GaN substrate, a low-resistance SiC substrate, or the like. The thickness of the substrate 2 is approximately 650 μm.

バッファ層3は、この実施形態では、複数の窒化物半導体膜を積層した多層バッファ層から構成されている。この実施形態では、バッファ層3は、基板2の表面に接するAlN膜からなる第1バッファ層3Aと、この第1バッファ層3Aの表面(基板2とは反対側の表面)に積層されたAlGaN膜からなる第2バッファ層3Bとから構成されている。第1バッファ層3Aの膜厚は、100nm~300nm程度である。第2バッファ層3Bの膜厚は、100nm~5μm程度である。 In this embodiment, the buffer layer 3 is composed of a multi-layered buffer layer in which a plurality of nitride semiconductor films are laminated. In this embodiment, the buffer layer 3 includes a first buffer layer 3A made of an AlN film in contact with the surface of the substrate 2, and an AlGaN layer laminated on the surface of the first buffer layer 3A (the surface opposite to the substrate 2). and a second buffer layer 3B made of a film. The film thickness of the first buffer layer 3A is approximately 100 nm to 300 nm. The film thickness of the second buffer layer 3B is approximately 100 nm to 5 μm.

第1窒化物半導体層4は、電子走行層を構成している。この実施形態では、第1窒化物半導体層4は、アクセプタ型不純物がドーピングされたGaN層からなり、その厚さは100nm~5μm程度である。アクセプタ型不純物の濃度は、4×1016cm-3以上であることが好ましい。この実施形態では、アクセプタ型不純物は、C(炭素)である。
第2窒化物半導体層5は、電子供給層を構成している。第2窒化物半導体層5は、第1窒化物半導体層4よりもバンドギャップの大きい窒化物半導体からなっている。具体的には、第2窒化物半導体層5は、第1窒化物半導体層4よりもAl組成の高い窒化物半導体からなっている。窒化物半導体においては、Al組成が高いほどバッドギャップは大きくなる。この実施形態では、第2窒化物半導体層5は、Alx1Ga1-x1N層(0<x1<1)からなり、その厚さは10nm~30nm程度である。
The first nitride semiconductor layer 4 constitutes an electron transit layer. In this embodiment, the first nitride semiconductor layer 4 is made of a GaN layer doped with acceptor-type impurities and has a thickness of about 100 nm to 5 μm. The acceptor-type impurity concentration is preferably 4×10 16 cm −3 or higher. In this embodiment, the acceptor-type impurity is C (carbon).
The second nitride semiconductor layer 5 constitutes an electron supply layer. The second nitride semiconductor layer 5 is made of a nitride semiconductor having a bandgap larger than that of the first nitride semiconductor layer 4 . Specifically, the second nitride semiconductor layer 5 is made of a nitride semiconductor having a higher Al composition than the first nitride semiconductor layer 4 . In nitride semiconductors, the higher the Al composition, the larger the bad gap. In this embodiment, the second nitride semiconductor layer 5 is an Al x1 Ga 1-x1 N layer (0<x1<1) and has a thickness of about 10 nm to 30 nm.

このように第1窒化物半導体層4(電子走行層)と第2窒化物半導体層5(電子供給層)とは、バンドギャップ(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、第1窒化物半導体層4および第2窒化物半導体層5の自発分極ならびにそれらの間の格子不整合に起因するピエゾ分極によって、第1窒化物半導体層4と第2窒化物半導体層5との界面における第1窒化物半導体層4の伝導帯のエネルギーレベルはフェルミ準位よりも低くなる。これにより、第1窒化物半導体層4と第2窒化物半導体層5との界面に近い位置(たとえば界面から数Å程度の距離)には、二次元電子ガス(2DEG)16が広がっている。 Thus, the first nitride semiconductor layer 4 (electron transit layer) and the second nitride semiconductor layer 5 (electron supply layer) are made of nitride semiconductors having different band gaps (Al composition). has lattice mismatch. Then, the first nitride semiconductor layer 4 and the second nitride semiconductor layer 5 are polarized by the spontaneous polarization of the first nitride semiconductor layer 4 and the second nitride semiconductor layer 5 and the piezoelectric polarization caused by the lattice mismatch therebetween. The energy level of the conduction band of the first nitride semiconductor layer 4 at the interface with is lower than the Fermi level. As a result, the two-dimensional electron gas (2DEG) 16 spreads at a position near the interface between the first nitride semiconductor layer 4 and the second nitride semiconductor layer 5 (for example, a distance of several angstroms from the interface).

ゲート部20は、第2窒化物半導体層5上にエピタキシャル成長された窒化物半導体ゲート層6と、窒化物半導体ゲート層6上に形成されたゲート絶縁膜7と、ゲート絶縁膜7上に形成されたゲート電極8とを含む。窒化物半導体ゲート層6は、アクセプタ型不純物がドーピングされた窒化物半導体からなる。この実施形態では、窒化物半導体ゲート層6は、アクセプタ型不純物がドーピングされたGaN層(p型GaN層)からなっており、その厚さは10nm~100nm程度である。窒化物半導体ゲート層6の膜厚は、100nm以下であることが好ましい。この理由については後述する。この実施形態では、窒化物半導体ゲート層6の膜厚は、60nmである。 The gate portion 20 is formed on the nitride semiconductor gate layer 6 epitaxially grown on the second nitride semiconductor layer 5 , the gate insulating film 7 formed on the nitride semiconductor gate layer 6 , and the gate insulating film 7 . and a gate electrode 8 . The nitride semiconductor gate layer 6 is made of a nitride semiconductor doped with an acceptor-type impurity. In this embodiment, the nitride semiconductor gate layer 6 is made of a GaN layer (p-type GaN layer) doped with an acceptor-type impurity, and has a thickness of about 10 nm to 100 nm. The film thickness of nitride semiconductor gate layer 6 is preferably 100 nm or less. The reason for this will be described later. In this embodiment, the film thickness of the nitride semiconductor gate layer 6 is 60 nm.

窒化物半導体ゲート層6に注入されるアクセプタ型不純物の濃度は、3×1017cm-3以上であることが好ましい。この実施形態では、アクセプタ型不純物は、Mg(マグネシウム)である。アクセプタ型不純物は、Fe等のMg以外のアクセプタ型不純物であってもよい。窒化物半導体ゲート層6は、ゲート部20の直下の領域において、第1窒化物半導体層4(電子走行層)と第2窒化物半導体層5(電子供給層)との界面に生じる二次元電子ガス16を相殺するために設けられている。窒化物半導体ゲート層6の表面(上面)はGaN結晶のc面であり、窒化物半導体ゲート層6の側面はGaN結晶のm面である。 The concentration of the acceptor-type impurity implanted into nitride semiconductor gate layer 6 is preferably 3×10 17 cm −3 or higher. In this embodiment, the acceptor-type impurity is Mg (magnesium). The acceptor-type impurity may be an acceptor-type impurity other than Mg, such as Fe. In the nitride semiconductor gate layer 6, two-dimensional electrons generated at the interface between the first nitride semiconductor layer 4 (electron transit layer) and the second nitride semiconductor layer 5 (electron supply layer) in the region immediately below the gate portion 20 It is provided to offset gas 16 . The surface (upper surface) of the nitride semiconductor gate layer 6 is the c-plane of the GaN crystal, and the side surface of the nitride semiconductor gate layer 6 is the m-plane of the GaN crystal.

ゲート絶縁膜7は、窒化物半導体ゲート層6の表面(c面)に接するように形成されている。ゲート絶縁膜7は、この実施形態では、窒化物半導体ゲート層6とin-situ(その場)で成膜されるin-situ SiNからなる。ゲート絶縁膜7の厚さは、3nm~30nm程度である。ゲート絶縁膜7の膜厚は、3nm以上であることが好ましい。この実施形態では、ゲート絶縁膜7の膜厚は、30nmである。ゲート絶縁膜7は、in-situ SiNの他、SiN(in-situ SiNを除く)、SiO、SiON、Al、AlN、AlON、HfO、HfN、HfON、HfSiON、AlON等から構成されてもよい。 Gate insulating film 7 is formed in contact with the surface (c-plane) of nitride semiconductor gate layer 6 . The gate insulating film 7 is made of in-situ SiN formed in-situ with the nitride semiconductor gate layer 6 in this embodiment. The thickness of the gate insulating film 7 is about 3 nm to 30 nm. The film thickness of the gate insulating film 7 is preferably 3 nm or more. In this embodiment, the film thickness of the gate insulating film 7 is 30 nm. The gate insulating film 7 is made of SiN (excluding in-situ SiN), SiO 2 , SiON, Al 2 O 3 , AlN, AlON, HfO, HfN, HfON, HfSiON, AlON, etc., in addition to in-situ SiN. may

この実施形態では、窒化物半導体ゲート層6と前記ゲート絶縁膜7との界面の炭素濃度は、1×1013cm-2以下である。
ゲート電極8は、ゲート絶縁膜7の表面に接するように形成されている。ゲート電極8は、この実施形態では、TiN層から構成されており、その厚さは50nm~200nm程度である。ゲート電極8は、ソース電極用コンタクト孔11寄りに偏って配置されている。
In this embodiment, the carbon concentration at the interface between the nitride semiconductor gate layer 6 and the gate insulating film 7 is 1×10 13 cm −2 or less.
Gate electrode 8 is formed in contact with the surface of gate insulating film 7 . In this embodiment, the gate electrode 8 is composed of a TiN layer and has a thickness of approximately 50 nm to 200 nm. The gate electrode 8 is biased toward the source electrode contact hole 11 .

パッシベーション膜9は、第2窒化物半導体層5の表面(コンタクト孔11,12が臨んでいる領域を除く)およびゲート部20の側面および表面を覆っている。この実施形態では、パッシベーション膜9はSiN膜からなり、その厚さ50nm~200nm程度である。この実施形態では、パッシベーション膜9の厚さは、50nmである。
パッシベーション膜9上には、バリアメタル膜10が積層されている。この実施形態では、バリアメタル膜10はTiN膜からなり、その厚さは10nm~50nm程度である。この実施形態では、バリアメタル膜10の厚さは、25nmである。
Passivation film 9 covers the surface of second nitride semiconductor layer 5 (excluding regions facing contact holes 11 and 12 ) and the side surface and surface of gate portion 20 . In this embodiment, the passivation film 9 is made of SiN film and has a thickness of about 50 nm to 200 nm. In this embodiment, the passivation film 9 has a thickness of 50 nm.
A barrier metal film 10 is laminated on the passivation film 9 . In this embodiment, the barrier metal film 10 is made of a TiN film and has a thickness of about 10 nm to 50 nm. In this embodiment, the barrier metal film 10 has a thickness of 25 nm.

ソース電極13およびドレイン電極14は、この実施形態では、第2窒化物半導体層5に接する下層(オーミックメタル層)13A,14Aと、下層13A,14Aに積層された中間層(主電極メタル層)13B,14Bと、中間層13B,14Bに積層された上層(バリアメタル層)13C,14Cとからなる。下層13A,14Aは、例えば、厚さが10nm~20nm程度のTi層である。中間層13B,14Bは、厚さが100nm~300nm程度のAl層である。上層13C,14Cは、例えば、厚さが10nm~50nm程度のTiNである。 In this embodiment, the source electrode 13 and the drain electrode 14 are composed of lower layers (ohmic metal layers) 13A and 14A in contact with the second nitride semiconductor layer 5 and intermediate layers (main electrode metal layers) stacked on the lower layers 13A and 14A. 13B, 14B and upper layers (barrier metal layers) 13C, 14C laminated on the intermediate layers 13B, 14B. The lower layers 13A and 14A are, for example, Ti layers with a thickness of about 10 nm to 20 nm. The intermediate layers 13B and 14B are Al layers with a thickness of about 100 nm to 300 nm. The upper layers 13C and 14C are, for example, TiN with a thickness of about 10 nm to 50 nm.

層間絶縁膜15は、例えば、Si0からなる。層間絶縁膜15の厚さは、1μm程度である。
この窒化物半導体装置1では、第1窒化物半導体層4(電子走行層)上にバンドギャップ(Al組成)の異なる第2窒化物半導体層5(電子供給層)が形成されてヘテロ接合が形成されている。これにより、第1窒化物半導体層4と第2窒化物半導体層5との界面付近の第1窒化物半導体層4内に二次元電子ガス16が形成され、この二次元電子ガス16をチャネルとして利用したHEMTが形成されている。ゲート電極8は、ゲート絶縁膜7およびp型GaN層からなる窒化物半導体ゲート層6を挟んで第2窒化物半導体層5に対向している。
The interlayer insulating film 15 is made of SiO2 , for example. The thickness of the interlayer insulating film 15 is about 1 μm.
In this nitride semiconductor device 1, a second nitride semiconductor layer 5 (electron supply layer) having a different bandgap (Al composition) is formed on a first nitride semiconductor layer 4 (electron transit layer) to form a heterojunction. It is As a result, the two-dimensional electron gas 16 is formed in the first nitride semiconductor layer 4 near the interface between the first nitride semiconductor layer 4 and the second nitride semiconductor layer 5, and the two-dimensional electron gas 16 is used as a channel. A utilized HEMT is formed. Gate electrode 8 faces second nitride semiconductor layer 5 with gate insulating film 7 and nitride semiconductor gate layer 6 composed of a p-type GaN layer interposed therebetween.

ゲート電極8の下方においては、p型GaN層からなる窒化物半導体ゲート層6に含まれるイオン化アクセプタによって、第1窒化物半導体層4および第2窒化物半導体層5のエネルギーレベルが引き上げられるため、ヘテロ接合界面における伝導帯のエネルギーレベルはフェルミ順位よりも大きくなる。したがって、ゲート電極8(ゲート部20)の直下では、第1窒化物半導体層4および第2窒化物半導体層5の自発分極ならびにそれらの格子不整合によるピエゾ分極に起因する二次元電子ガス16が形成されない。よって、ゲート電極8にバイアスを印加していないとき(ゼロバイアス時)には、二次元電子ガス16によるチャネルはゲート電極8の直下で遮断されている。こうして、ノーマリーオフ型のHEMTが実現されている。ゲート電極8に適切なオン電圧(たとえば3V)を印加すると、ゲート電極8の直下の第1窒化物半導体層4内にチャネルが誘起され、ゲート電極8の両側の二次元電子ガス16が接続される。これにより、ソース-ドレイン間が導通する。 Below the gate electrode 8, the energy levels of the first nitride semiconductor layer 4 and the second nitride semiconductor layer 5 are raised by ionized acceptors contained in the nitride semiconductor gate layer 6 made of the p-type GaN layer. The energy level of the conduction band at the heterojunction interface is higher than the Fermi level. Therefore, immediately below the gate electrode 8 (gate portion 20), the two-dimensional electron gas 16 originates from the spontaneous polarization of the first nitride semiconductor layer 4 and the second nitride semiconductor layer 5 and the piezoelectric polarization due to their lattice mismatch. not formed. Therefore, when no bias is applied to the gate electrode 8 (at zero bias), the channel formed by the two-dimensional electron gas 16 is blocked immediately below the gate electrode 8 . Thus, a normally-off HEMT is realized. When an appropriate on-voltage (for example, 3 V) is applied to the gate electrode 8, a channel is induced in the first nitride semiconductor layer 4 immediately below the gate electrode 8, connecting the two-dimensional electron gas 16 on both sides of the gate electrode 8. be. This allows conduction between the source and the drain.

使用に際しては、たとえば、ソース電極13とドレイン電極14との間に、ドレイン電極14側が正となる所定の電圧(たとえば200V~300V)が印加される。その状態で、ゲート電極8に対して、ソース電極13を基準電位(0V)として、オフ電圧(0V)またはオン電圧(3V)が印加される。
図2A~図2Gは、前述の窒化物半導体装置1の製造工程の一例を説明するための断面図であり、製造工程における複数の段階における断面構造が示されている。
During use, for example, a predetermined voltage (for example, 200 V to 300 V) is applied between the source electrode 13 and the drain electrode 14 such that the drain electrode 14 side is positive. In this state, an off voltage (0 V) or an on voltage (3 V) is applied to the gate electrode 8 with the source electrode 13 as a reference potential (0 V).
2A to 2G are cross-sectional views for explaining an example of the manufacturing process of nitride semiconductor device 1 described above, showing cross-sectional structures at a plurality of stages in the manufacturing process.

まず、図2Aに示すように、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によって、基板2上に、バッファ層3および第1窒化物半導体層(電子走行層)4が順にエピタキシャル成長される。さらに、MOCVD法によって、第1窒化物半導体層4上に第2窒化物半導体層(電子供給層)5がエピタキシャル成長される。 First, as shown in FIG. 2A, a buffer layer 3 and a first nitride semiconductor layer (electron transit layer) 4 are epitaxially grown in this order on a substrate 2 by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). Furthermore, a second nitride semiconductor layer (electron supply layer) 5 is epitaxially grown on the first nitride semiconductor layer 4 by MOCVD.

次に、図2Bに示すように、MOCVD法によって、第2窒化物半導体層5上に、窒化物半導体ゲート層6の材料膜であるゲート層材料膜31が形成される。次に、ゲート層材料膜31上にゲート絶縁膜7の材料膜である絶縁材料膜32が形成される。前述の実施形態のように、ゲート絶縁膜7がSiNからなる場合には、ゲート層材料膜31の成膜に引き続いて、同じMOCVD装置によって、絶縁材料膜32を成膜することができる。この場合には、絶縁材料膜32は、ゲート層材料膜31とin-situ(その場)で成膜されるin-situ SiNとなる。 Next, as shown in FIG. 2B, a gate layer material film 31, which is a material film of the nitride semiconductor gate layer 6, is formed on the second nitride semiconductor layer 5 by MOCVD. Next, an insulating material film 32 which is a material film of the gate insulating film 7 is formed on the gate layer material film 31 . When the gate insulating film 7 is made of SiN as in the above embodiment, the insulating material film 32 can be formed by the same MOCVD apparatus following the formation of the gate layer material film 31 . In this case, the insulating material film 32 is in-situ SiN formed in-situ with the gate layer material film 31 .

なお、ゲート絶縁膜7がSiNである場合、プラズマCVD法によって、ゲート層材料膜31上に絶縁材料膜32を成膜することもできる。また、ゲート絶縁膜7がSiO等のSiN以外の絶縁材料から構成される場合には、プラズマCVD法、LPCVD(Low Pressure CVD)法、ALD(Atomic Layer Deposition)法等によって、ゲート層材料膜31上に絶縁材料膜32を成膜することができる。 When the gate insulating film 7 is SiN, the insulating material film 32 can be formed on the gate layer material film 31 by plasma CVD. Further, when the gate insulating film 7 is composed of an insulating material other than SiN such as SiO 2 , the gate layer material film is formed by plasma CVD, LPCVD (Low Pressure CVD), ALD (Atomic Layer Deposition), or the like. An insulating material film 32 can be deposited on 31 .

この後、スパッタ法または蒸着法によって、絶縁材料膜32上にゲート電極8の材料膜であるゲート電極膜33が形成される。ゲート電極膜33は、たとえば、TiNの金属膜からなる。
次に、図2Cに示すように、ゲート電極膜33表面におけるゲート電極作成予定領域を覆うレジスト膜34が形成される。そして、レジスト膜34をマスクとして、ゲート電極膜33、絶縁材料膜32およびゲート層材料膜31が選択的にエッチングされる。
Thereafter, a gate electrode film 33, which is a material film of the gate electrode 8, is formed on the insulating material film 32 by sputtering or vapor deposition. The gate electrode film 33 is made of, for example, a TiN metal film.
Next, as shown in FIG. 2C, a resist film 34 is formed to cover the gate electrode forming region on the surface of the gate electrode film 33 . Using the resist film 34 as a mask, the gate electrode film 33, the insulating material film 32 and the gate layer material film 31 are selectively etched.

これにより、ゲート電極膜33がパターニングされてゲート電極8が得られる。また、絶縁材料膜32およびゲート層材料膜31が、ゲート電極8と同じパターンにパターニングされる。このようにして、第2窒化物半導体層5上に、窒化物半導体ゲート層6、ゲート絶縁膜7およびゲート電極8からなるゲート部20が形成される。
次に、レジスト膜34が除去される。この後、図2Dに示すように、プラズマCVD法またはLPCVD法によって、露出した表面全域を覆うように、パッシベーション膜9が形成される。そして、スパッタ法によって、パッシベーション膜9の表面に、バリアメタル膜10が形成される。パッシベーション膜9は、たとえばSiN層からなる。バリアメタル膜10は、たとえばTiN層からなる。
Thereby, the gate electrode film 33 is patterned and the gate electrode 8 is obtained. Also, the insulating material film 32 and the gate layer material film 31 are patterned in the same pattern as the gate electrode 8 . In this way, the gate portion 20 composed of the nitride semiconductor gate layer 6 , the gate insulating film 7 and the gate electrode 8 is formed on the second nitride semiconductor layer 5 .
Next, the resist film 34 is removed. Thereafter, as shown in FIG. 2D, a passivation film 9 is formed by plasma CVD or LPCVD to cover the entire exposed surface. A barrier metal film 10 is formed on the surface of the passivation film 9 by sputtering. Passivation film 9 is made of, for example, a SiN layer. Barrier metal film 10 is made of, for example, a TiN layer.

次に、図2Eに示すように、パッシベーション膜9とバリアメタル膜10との積層膜に、ソース電極用コンタクト孔11およびドレイン電極用コンタクト孔12が形成される。
次に、図2Fに示すように、露出した表面全域を覆うようにソース・ドレイン電極膜35が形成される。ソース・ドレイン電極膜35は、下層としてのTi層35A、中間層としてのAl層35Bおよび上層としてのTiN層35Cを積層した積層金属膜からなり、各層を順に蒸着することによって形成される。
Next, as shown in FIG. 2E, a source electrode contact hole 11 and a drain electrode contact hole 12 are formed in the laminated film of the passivation film 9 and the barrier metal film 10 .
Next, as shown in FIG. 2F, a source/drain electrode film 35 is formed to cover the entire exposed surface. The source/drain electrode film 35 is composed of a laminated metal film in which a Ti layer 35A as a lower layer, an Al layer 35B as an intermediate layer, and a TiN layer 35C as an upper layer are laminated, and is formed by sequentially vapor-depositing each layer.

次に、図2Gに示すように、ソース・ドレイン電極膜35がエッチングによってパターニングされ、さらにアニール処理が施されることによって、第2窒化物半導体層5にオーミック接触するソース電極13およびドレイン電極14が形成される。この際、ソース電極13は、Ti層35Aからなる下層13Aと、Al層35Bからなる中間層13Bと、TiN層35Cからなる上層13Cとから構成される。また、ドレイン電極14は、Ti層35Aからなる下層14Aと、Al層35Bからなる中間層14Bと、TiN層35Cからなる上層14Cとから構成される。 Next, as shown in FIG. 2G, the source/drain electrode film 35 is patterned by etching and then annealed to form the source electrode 13 and the drain electrode 14 in ohmic contact with the second nitride semiconductor layer 5. is formed. At this time, the source electrode 13 is composed of a lower layer 13A made of a Ti layer 35A, an intermediate layer 13B made of an Al layer 35B, and an upper layer 13C made of a TiN layer 35C. The drain electrode 14 is composed of a lower layer 14A made of a Ti layer 35A, an intermediate layer 14B made of an Al layer 35B, and an upper layer 14C made of a TiN layer 35C.

この後、ソース電極13およびドレイン電極14を覆うように、層間絶縁膜15が形成されることにより、図1に示すような構造の窒化物半導体装置1が得られる。
以下において、図1の窒化物半導体装置1に対して、ゲート絶縁膜7が設けられていない構成の窒化物半導体装置を第1比較例ということにする。図3は、第1比較例に係る窒化物半導体装置101の構成を示す断面図である。第1比較例に係る窒化物半導体装置101では、ゲート部20は、第2窒化物半導体層5上に形成された窒化物半導体ゲート層6と、窒化物半導体ゲート層6上に形成されたゲート電極8とからなる。第1比較例では、p型GaNからなる窒化物半導体ゲート層6にTiNからなるゲート電極8がショットキー接合されている。第1比較例の窒化物半導体ゲート層6の膜厚は80nmである。なお、前述の窒化物半導体装置1の窒化物半導体ゲート層6の膜厚は60nmであり、ゲート絶縁膜7の膜厚は30nmである。
Thereafter, interlayer insulating film 15 is formed to cover source electrode 13 and drain electrode 14, thereby obtaining nitride semiconductor device 1 having the structure shown in FIG.
Hereinafter, a nitride semiconductor device having a configuration in which the gate insulating film 7 is not provided in contrast to the nitride semiconductor device 1 of FIG. 1 will be referred to as a first comparative example. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of a nitride semiconductor device 101 according to a first comparative example. In the nitride semiconductor device 101 according to the first comparative example, the gate portion 20 includes the nitride semiconductor gate layer 6 formed on the second nitride semiconductor layer 5 and the gate formed on the nitride semiconductor gate layer 6. an electrode 8; In the first comparative example, a gate electrode 8 made of TiN is Schottky-junctioned to a nitride semiconductor gate layer 6 made of p-type GaN. The film thickness of the nitride semiconductor gate layer 6 of the first comparative example is 80 nm. The film thickness of the nitride semiconductor gate layer 6 of the nitride semiconductor device 1 described above is 60 nm, and the film thickness of the gate insulating film 7 is 30 nm.

第1比較例に係る窒化物半導体装置101では、ゲート電極8が窒化物半導体ゲート層6にショットキー接合されているため、ゲートリーク電流が大きい。このため、窒化物半導体ゲート層6が劣化しやすい。
前述の実施形態に係る窒化物半導体装置1(以下、第1実施例という)では、窒化物半導体ゲート層6上にゲート絶縁膜7が形成され、そのゲート絶縁膜7上にゲート電極8が形成されている。つまり、第1実施例では、窒化物半導体ゲート層6とゲート電極8との間にゲート絶縁膜7が介在しているので、第1比較例に比べて、ゲートリーク電流を小さくすることができる。これにより、窒化物半導体ゲート層6が劣化しにくくなる。第1実施例では、ゲートリーク電流は、1nA/mm以下である。
In the nitride semiconductor device 101 according to the first comparative example, since the gate electrode 8 is in Schottky junction with the nitride semiconductor gate layer 6, the gate leakage current is large. Therefore, nitride semiconductor gate layer 6 is likely to deteriorate.
In the nitride semiconductor device 1 according to the above-described embodiment (hereinafter referred to as the first example), the gate insulating film 7 is formed on the nitride semiconductor gate layer 6, and the gate electrode 8 is formed on the gate insulating film 7. It is That is, in the first embodiment, since the gate insulating film 7 is interposed between the nitride semiconductor gate layer 6 and the gate electrode 8, the gate leakage current can be reduced as compared with the first comparative example. . This makes it difficult for nitride semiconductor gate layer 6 to deteriorate. In the first example, the gate leak current is 1 nA/mm or less.

また、後述するように、第1実施例では、第1比較例に比べて閾値電圧Vthを高くすることができる。また、第1実施例では、第1比較例に比べて、窒化物半導体ゲート層6を薄くすることが可能となるため、窒化物半導体ゲート層6の電解強度を低減でき、窒化物半導体ゲート層6の経時絶縁破壊(TDDB:Time Dependent Dielectric Breakdown)が起こりにくくなる。さらに、第1実施例では、第1比較例に比べて、閾値電圧Vthを安定させることができる。 Further, as will be described later, in the first example, the threshold voltage Vth can be made higher than in the first comparative example. In addition, in the first example, the nitride semiconductor gate layer 6 can be made thinner than in the first comparative example. Time dependent dielectric breakdown (TDDB) of 6 is less likely to occur. Furthermore, in the first example, the threshold voltage Vth can be stabilized as compared with the first comparative example.

第1実施例では、第1比較例に比べて閾値電圧Vthを高くできる理由および第1比較例に比べて窒化物半導体ゲート層6を薄くできる理由について説明する。
図4は、第1比較例のエネルギー分布を示すエネルギーバンド図である。図5は、第1比較例の電界強度分布を示す電界強度分布図である。図4および図5において、GaNは第1窒化物半導体層4を示し、AlGaNは第2窒化物半導体層5を示し、P-GaNは窒化物半導体ゲート層6を示し、Metalは、ゲート電極8を示している。図4において、Eは伝導帯のエネルギーレベルであり、Eは価電子帯のエネルギーレベルであり、Eはフェルミ準位である。
In the first example, the reason why the threshold voltage Vth can be made higher than that of the first comparative example and the reason why the nitride semiconductor gate layer 6 can be thinner than that of the first comparative example will be explained.
FIG. 4 is an energy band diagram showing the energy distribution of the first comparative example. FIG. 5 is an electric field strength distribution diagram showing the electric field strength distribution of the first comparative example. 4 and 5, GaN indicates the first nitride semiconductor layer 4, AlGaN indicates the second nitride semiconductor layer 5, P-GaN indicates the nitride semiconductor gate layer 6, and Metal indicates the gate electrode 8. is shown. In FIG. 4, E C is the conduction band energy level, E V is the valence band energy level, and E F is the Fermi level.

第1比較例では、ゲート電極8は、窒化物半導体ゲート層6とショットキー接合される。ゲート電極8と窒化物半導体ゲート層6との界面の電位障壁(ショットキー障壁)Φは、閾値電圧Vthに影響を及ぼす。
図4の例では、閾値電圧Vthは2[V]となる。窒化物半導体装置の閾値電圧Vthは、Si半導体装置の閾値電圧Vthに比べて小さいので、閾値電圧Vthを大きくすることが重要である。第1比較例において閾値電圧Vthを上げるためには、窒化物半導体ゲート層6の膜厚を大きくする必要がある。p-GaNのアクセプタであるMg,Feはメモリ効果を有するため、図5からわかるように、窒化物半導体ゲート層6の膜厚を大きくすると、窒化物半導体ゲート層6内部の電界強度は、ゲート電極8との境界部に近づくにつれて高くなる。また、窒化物半導体は、絶縁膜に比べて、許容できる電界強度が小さい。そのため、窒化物半導体ゲート層6の膜厚をあげることができず、閾値電圧Vthを高くすることは困難である。窒化物半導体ゲート層6の膜厚は、通常、100nm以下にされる。
In the first comparative example, the gate electrode 8 is Schottky-junctioned with the nitride semiconductor gate layer 6 . A potential barrier (Schottky barrier) ΦB at the interface between the gate electrode 8 and the nitride semiconductor gate layer 6 affects the threshold voltage Vth.
In the example of FIG. 4, the threshold voltage Vth is 2 [V]. Since the threshold voltage Vth of a nitride semiconductor device is smaller than that of a Si semiconductor device, it is important to increase the threshold voltage Vth. In order to increase the threshold voltage Vth in the first comparative example, it is necessary to increase the film thickness of the nitride semiconductor gate layer 6 . Since Mg and Fe, which are acceptors of p-GaN, have a memory effect, as can be seen from FIG. It becomes higher as it approaches the boundary with the electrode 8 . In addition, the nitride semiconductor has a smaller permissible electric field strength than the insulating film. Therefore, the thickness of the nitride semiconductor gate layer 6 cannot be increased, and it is difficult to increase the threshold voltage Vth. The film thickness of nitride semiconductor gate layer 6 is usually set to 100 nm or less.

図6は、第1実施例のエネルギー分布を示すエネルギーバンド図である。図7は、本実施例の電界強度分布を示す電界強度分布図である。図6および図7において、GaNは第1窒化物半導体層4を示し、AlGaNは第2窒化物半導体層5を示し、P-GaNは窒化物半導体ゲート層6を示し、SiNはゲート絶縁膜7を示し、Metalはゲート電極8を示している。図6において、Eは伝導帯のエネルギーレベルであり、Eは価電子帯のエネルギーレベルであり、Eはフェルミ準位である。 FIG. 6 is an energy band diagram showing the energy distribution of the first embodiment. FIG. 7 is an electric field intensity distribution diagram showing the electric field intensity distribution of this embodiment. 6 and 7, GaN indicates the first nitride semiconductor layer 4, AlGaN indicates the second nitride semiconductor layer 5, P-GaN indicates the nitride semiconductor gate layer 6, and SiN indicates the gate insulating film 7. , and Metal indicates the gate electrode 8 . In FIG. 6, E C is the conduction band energy level, E V is the valence band energy level, and E F is the Fermi level.

第1実施例では、窒化物半導体ゲート層6上にゲート絶縁膜7が形成されている。ゲート絶縁膜7内部の電界強度分布は一様で、ゲート絶縁膜7を厚くしても電界強度が増えることはない。そのため、第1実施例では、窒化物半導体ゲート層6の膜厚を第1比較例の窒化物半導体ゲート層6の膜厚に比べて薄くしながら(従ってゲート絶縁膜7におけるゲート電極8との境界での電界強度が小さいことを維持しながら)、閾値電圧Vthを高く(図6では3[V])とすることができる。 In the first embodiment, gate insulating film 7 is formed on nitride semiconductor gate layer 6 . The electric field intensity distribution inside the gate insulating film 7 is uniform, and even if the gate insulating film 7 is thickened, the electric field intensity does not increase. Therefore, in the first example, the film thickness of the nitride semiconductor gate layer 6 is made thinner than the film thickness of the nitride semiconductor gate layer 6 of the first comparative example (thus, the gate insulating film 7 is formed to have a thickness of 1000 nm from the gate electrode 8). The threshold voltage Vth can be made high (3 [V] in FIG. 6) while maintaining a small electric field strength at the boundary).

第1実施例では、窒化物半導体ゲート層6上にゲート絶縁膜7を形成することによって、閾値電圧Vthを高くできるため、閾値電圧Vthを高くするために窒化物半導体ゲート層6の膜厚を厚くする必要がない。そこで、第1実施例では、窒化物半導体ゲート層6の膜厚を第1比較例に比べて薄くしている。これにより、図7に示すように、第1実施例の窒化物半導体ゲート層6におけるゲート絶縁膜7との境界部での電解強度は、第1比較例の窒化物半導体ゲート層6におけるゲート電極8との境界部での電解強度を小さくなるから、第1実施例では、第1比較例に比べて窒化物半導体ゲート層6の経時絶縁破壊(TDDB)が起こりにくくなる。 In the first embodiment, since the threshold voltage Vth can be increased by forming the gate insulating film 7 on the nitride semiconductor gate layer 6, the film thickness of the nitride semiconductor gate layer 6 is increased to increase the threshold voltage Vth. No need to thicken. Therefore, in the first example, the film thickness of the nitride semiconductor gate layer 6 is made thinner than in the first comparative example. As a result, as shown in FIG. 7, the electric field intensity at the boundary between the nitride semiconductor gate layer 6 of the first example and the gate insulating film 7 is the same as that of the gate electrode of the nitride semiconductor gate layer 6 of the first comparative example. Since the electric field intensity at the boundary with 8 is reduced, in the first example, the time-dependent dielectric breakdown (TDDB) of the nitride semiconductor gate layer 6 is less likely to occur than in the first comparative example.

なお、第1実施例において、ゲート絶縁膜7におけるゲート電極8との境界部での電解強度は、窒化物半導体ゲート層6におけるゲート絶縁膜7との境界部での電解強度よりも高くなるが、ゲート絶縁膜7の絶縁破壊電圧は、窒化物半導体ゲート層6の絶縁破壊電圧よりも大きいので問題はない。
次に、第1実施例では、第1比較例に比べて閾値電圧Vthを安定させることができる理由について説明する。
In the first embodiment, the field strength at the boundary between the gate electrode 8 and the gate insulating film 7 is higher than the field strength at the boundary between the gate insulating film 7 and the nitride semiconductor gate layer 6 . Since the dielectric breakdown voltage of the gate insulating film 7 is higher than that of the nitride semiconductor gate layer 6, there is no problem.
Next, the reason why the threshold voltage Vth can be stabilized in the first example as compared with the first comparative example will be described.

p型GaNからなる窒化物半導体ゲート層6は、分極性材料であるため、その表面(c面)には分極電荷が現れる。窒化物半導体装置の製造過程において、窒化物半導体ゲート層6の表面が大気に晒されると、その表面の分極電荷を打ち消すように、大気中の極性有機分子(カルボン酸、シロキ酸等)がその表面に付着する。
第1比較例では、CVD装置によって窒化物半導体ゲート層6の材料膜(ゲート層材料膜)を形成した後、スパッタ装置によってゲート層材料膜上にゲート電極の材料膜(ゲート電極膜)が形成される。このため、窒化物半導体ゲート層6の表面が大気に晒されるので、その表面に大気中の有機分子が付着する。これにより、ショットキー障壁Φの大きさが変動し、閾値電圧Vthが不安定になる。
Since the nitride semiconductor gate layer 6 made of p-type GaN is a polarizable material, polarization charges appear on its surface (c-plane). In the manufacturing process of the nitride semiconductor device, when the surface of the nitride semiconductor gate layer 6 is exposed to the atmosphere, polar organic molecules (carboxylic acid, siloxy acid, etc.) in the atmosphere cancel the polarization charges on the surface. Adheres to surfaces.
In the first comparative example, after forming a material film (gate layer material film) for the nitride semiconductor gate layer 6 by a CVD device, a material film (gate electrode film) for the gate electrode is formed on the gate layer material film by a sputtering device. be done. As a result, the surface of nitride semiconductor gate layer 6 is exposed to the atmosphere, and organic molecules in the atmosphere adhere to the surface. As a result, the size of the Schottky barrier ΦB fluctuates and the threshold voltage Vth becomes unstable.

これに対して、第1実施例では、MOCVD装置によって窒化物半導体ゲート層6の材料膜(ゲート層材料膜31)を形成した後、引き続いて同じMOCVD装置によってゲート層材料膜31上にin-situ SiNからなるゲート絶縁膜7の材料膜(絶縁材料膜32)が形成される。このため、窒化物半導体装置1の製造過程において、窒化物半導体ゲート層6の表面(c面)は、大気に晒されない。このため、第1実施例では、第1比較例に比べて、窒化物半導体ゲート層6の表面(c面)に有機分子が付着されにくい。これにより、第1実施例では、第1比較例に比べて、ゲート電極8とゲート絶縁膜7との界面の電位障壁Φが安定し、閾値電圧Vthが安定する。 On the other hand, in the first embodiment, after the material film (gate layer material film 31) of the nitride semiconductor gate layer 6 is formed by the MOCVD apparatus, an in-layer film is subsequently formed on the gate layer material film 31 by the same MOCVD apparatus. A material film (insulating material film 32) of the gate insulating film 7 made of in situ SiN is formed. Therefore, in the manufacturing process of nitride semiconductor device 1, the surface (c-plane) of nitride semiconductor gate layer 6 is not exposed to the atmosphere. Therefore, in the first example, organic molecules are less likely to adhere to the surface (c-plane) of the nitride semiconductor gate layer 6 than in the first comparative example. Thus, in the first example, the potential barrier ΦB at the interface between the gate electrode 8 and the gate insulating film 7 is stabilized, and the threshold voltage Vth is stabilized, as compared with the first comparative example.

なお、絶縁材料膜32がin-situ SiN以外の材料、例えばSiOからなる場合には、MOCVD法によって窒化物半導体ゲート層6の材料膜(ゲート層材料膜31)を形成した後、その表面が大気に晒されることになる。この場合には、プラズマCVD装置、LPCVD装置、ALD装置等の絶縁膜成膜装置内において、ゲート層材料膜31を400℃以上に加熱することにより、ゲート層材料膜31の表面に付着した有機分子を除去した後に、絶縁材料膜32を形成すればよい。 When the insulating material film 32 is made of a material other than in-situ SiN, such as SiO 2 , after forming the material film (gate layer material film 31) of the nitride semiconductor gate layer 6 by MOCVD, the surface will be exposed to the atmosphere. In this case, by heating the gate layer material film 31 to 400° C. or higher in an insulating film forming device such as a plasma CVD device, an LPCVD device, or an ALD device, the organic matter adhering to the surface of the gate layer material film 31 is removed. After removing the molecules, the insulating material film 32 may be formed.

ゲート絶縁膜7がSiOからなる場合のエネルギー分布および電界強度分布を図8および図9に示す。図8および図9の例では、ゲート絶縁膜(SiO)7の膜厚は30nmであり、窒化物半導体ゲート層(p-GaN)6の膜厚は50nmである。
図10は、この発明の第2実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を説明するための断面図である。図11は、図10のゲート部の拡大断面図である。図10において、前述の図1の各部に対応する部分には図1と同じ符号を付して示す。
8 and 9 show the energy distribution and electric field intensity distribution when the gate insulating film 7 is made of SiO 2 . In the examples of FIGS. 8 and 9, the thickness of the gate insulating film (SiO 2 ) 7 is 30 nm, and the thickness of the nitride semiconductor gate layer (p-GaN) 6 is 50 nm.
FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining the configuration of the nitride semiconductor device according to the second embodiment of the invention. 11 is an enlarged sectional view of the gate portion of FIG. 10. FIG. In FIG. 10, the same reference numerals as in FIG. 1 denote the parts corresponding to the parts in FIG. 1 described above.

第2実施形態に係る窒化物半導体装置1Aは、第1実施形態と比べて、ゲート部の構造が異なっている。その他の点は、第1実施形態に係る窒化物半導体装置1と同様である。
以下、第2実施形態に係る窒化物半導体装置1Aのゲート部20Aの構造について説明する。
ゲート部20Aは、第2窒化物半導体層5上にエピタキシャル成長された窒化物半導体ゲート層6と、窒化物半導体ゲート層6上に形成された窒素を含む窒素含有層50と、窒素含有層51上に形成されたゲート絶縁膜7と、ゲート絶縁膜7上に形成されたゲート電極8とを含む。
A nitride semiconductor device 1A according to the second embodiment differs from that of the first embodiment in the structure of the gate portion. Other points are the same as those of the nitride semiconductor device 1 according to the first embodiment.
The structure of the gate portion 20A of the nitride semiconductor device 1A according to the second embodiment will be described below.
Gate portion 20A includes nitride semiconductor gate layer 6 epitaxially grown on second nitride semiconductor layer 5, nitrogen-containing layer 50 containing nitrogen formed on nitride semiconductor gate layer 6, and nitrogen-containing layer 51. and a gate electrode 8 formed on the gate insulating film 7 .

窒化物半導体ゲート層6は、アクセプタ型不純物がドーピングされた窒化物半導体からなる。この実施形態では、窒化物半導体ゲート層6は、アクセプタ型不純物がドーピングされたGaN層(p型GaN層)からなっており、その厚さは10nm~100nm程度である。窒化物半導体ゲート層6の膜厚は、100nm以下であることが好ましい。この実施形態では、窒化物半導体ゲート層6の膜厚は、60nmである。 The nitride semiconductor gate layer 6 is made of a nitride semiconductor doped with an acceptor-type impurity. In this embodiment, the nitride semiconductor gate layer 6 is made of a GaN layer (p-type GaN layer) doped with an acceptor-type impurity, and has a thickness of about 10 nm to 100 nm. The film thickness of nitride semiconductor gate layer 6 is preferably 100 nm or less. In this embodiment, the film thickness of the nitride semiconductor gate layer 6 is 60 nm.

窒化物半導体ゲート層6に注入されるアクセプタ型不純物の濃度は、3×1017cm-3以上であることが好ましい。この実施形態では、アクセプタ型不純物は、Mg(マグネシウム)である。アクセプタ型不純物は、Fe等のMg以外のアクセプタ型不純物であってもよい。
窒素含有層50は、この実施形態では、窒化物半導体ゲート層6上に形成されたAlN膜51と、AlN膜51上に積層されたSiN膜との積層膜からなる。窒素含有層50の膜厚は、10nm以下であることが好ましい。この実施形態では、AlN膜51の膜厚は2nm程度あり、SiN膜52は5nm程度である。
The concentration of the acceptor-type impurity implanted into nitride semiconductor gate layer 6 is preferably 3×10 17 cm −3 or more. In this embodiment, the acceptor-type impurity is Mg (magnesium). The acceptor-type impurity may be an acceptor-type impurity other than Mg, such as Fe.
In this embodiment, the nitrogen-containing layer 50 is a laminated film of an AlN film 51 formed on the nitride semiconductor gate layer 6 and a SiN film laminated on the AlN film 51 . The film thickness of the nitrogen-containing layer 50 is preferably 10 nm or less. In this embodiment, the AlN film 51 has a thickness of about 2 nm, and the SiN film 52 has a thickness of about 5 nm.

ゲート絶縁膜7は、窒素含有層50の表面に接するように形成されている。ゲート絶縁膜7は、この実施形態では、SiOからなる。ゲート絶縁膜7の厚さは、3nm~30nm程度である。ゲート絶縁膜7の膜厚は、3nm以上であることが好ましい。この実施形態では、ゲート絶縁膜7の膜厚は、30nmである。ゲート絶縁膜7は、SiOの他、Al、SiN、SiON、AlN、AlON、HfO、HfN、HfON、HfSiON、AlON等から構成されてもよい。 Gate insulating film 7 is formed in contact with the surface of nitrogen-containing layer 50 . The gate insulating film 7 is made of SiO 2 in this embodiment. The thickness of the gate insulating film 7 is about 3 nm to 30 nm. The film thickness of the gate insulating film 7 is preferably 3 nm or more. In this embodiment, the film thickness of the gate insulating film 7 is 30 nm. The gate insulating film 7 may be made of Al 2 O 3 , SiN, SiON, AlN, AlON, HfO, HfN, HfON, HfSiON, AlON, etc., in addition to SiO 2 .

ゲート電極8は、ゲート絶縁膜7の表面に接するように形成されている。ゲート電極8は、この実施形態では、TiN層から構成されており、その厚さは50nm~200nm程度である。ゲート電極8は、ソース電極用コンタクト孔11寄りに偏って配置されている。
この第2実施形態では、窒化物半導体ゲート層6上に窒素含有層50が形成され、その窒素含有層50上にゲート絶縁膜7が形成され、そのゲート絶縁膜7上にゲート電極8が形成されている。つまり、第2実施形態では、窒化物半導体ゲート層6とゲート電極8との間にゲート絶縁膜7が介在しているので、第1比較例に比べて、ゲートリーク電流を小さくすることができる。これにより、窒化物半導体ゲート層6が劣化しにくくなる。第2実施形態では、ゲートリーク電流は、1nA/mm以下である。
Gate electrode 8 is formed in contact with the surface of gate insulating film 7 . In this embodiment, the gate electrode 8 is composed of a TiN layer and has a thickness of approximately 50 nm to 200 nm. The gate electrode 8 is biased toward the source electrode contact hole 11 .
In the second embodiment, the nitrogen-containing layer 50 is formed on the nitride semiconductor gate layer 6, the gate insulating film 7 is formed on the nitrogen-containing layer 50, and the gate electrode 8 is formed on the gate insulating film 7. It is That is, in the second embodiment, since the gate insulating film 7 is interposed between the nitride semiconductor gate layer 6 and the gate electrode 8, the gate leakage current can be reduced as compared with the first comparative example. . This makes it difficult for nitride semiconductor gate layer 6 to deteriorate. In the second embodiment, the gate leak current is 1 nA/mm or less.

また、第2実施形態では、第1実施形態と同様な理由により、第1実施形態と同様な効果が得られる。すなわち、第2実施形態では、第1比較例に比べて閾値電圧Vthを高くすることができる。また、第2実施形態では、第1比較例に比べて、窒化物半導体ゲート層6を薄くすることが可能となるため、窒化物半導体ゲート層6の電解強度を低減でき、窒化物半導体ゲート層6の経時絶縁破壊(TDDB)が起こりにくくなる。 Moreover, in the second embodiment, for the same reason as in the first embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained. That is, in the second embodiment, the threshold voltage Vth can be made higher than in the first comparative example. Further, in the second embodiment, the nitride semiconductor gate layer 6 can be made thinner than in the first comparative example. Time-dependent dielectric breakdown (TDDB) of 6 becomes less likely to occur.

さらに、第2実施形態では、窒化物半導体ゲート層6上に窒素含有層50が形成されているので、ゲート絶縁膜7がSiO等のように酸素を含む絶縁膜から構成されている場合でも、閾値電圧Vthを安定させることができるという効果が得られる。以下、この点について説明する。
酸素を含む絶縁膜からなるゲート絶縁膜7を窒化物半導体ゲート層6の表面に接するように形成した場合、窒化物半導体ゲート層6が酸化し、窒化物半導体ゲート層6上にGa酸化膜が形成されるおそれがある。窒化物半導体ゲート層6上にGa酸化膜が形成されると、閾値電圧Vthが変動しやすくなる。
Furthermore, in the second embodiment, since the nitrogen-containing layer 50 is formed on the nitride semiconductor gate layer 6, even if the gate insulating film 7 is composed of an insulating film containing oxygen such as SiO2 , , the effect that the threshold voltage Vth can be stabilized can be obtained. This point will be described below.
When the gate insulating film 7 made of an insulating film containing oxygen is formed in contact with the surface of the nitride semiconductor gate layer 6 , the nitride semiconductor gate layer 6 is oxidized and a Ga oxide film is formed on the nitride semiconductor gate layer 6 . may be formed. When the Ga oxide film is formed on the nitride semiconductor gate layer 6, the threshold voltage Vth tends to fluctuate.

第2実施形態では、窒化物半導体ゲート層6上に窒素含有層50が形成されているので、窒化物半導体ゲート層6の酸化を抑制することができ、閾値電圧Vthを安定させることができる。より具体的には、窒化物半導体ゲート層6上に形成されたAlN膜51は、下地窒化物半導体(窒化物半導体ゲート層6)表面を再構成する界面制御層として作用する。AlN膜51上に形成されたSiN層52は、ゲート絶縁膜7が酸素原子を持つ物質の場合にプロセス中に生じるAlN膜51の酸化を抑制する酸化防止層として作用する。このようなAlN膜51およびSiN層52の働きによって、窒化物半導体ゲート層6とゲート絶縁膜7の間に良好な界面を形成することができる。 In the second embodiment, since the nitrogen-containing layer 50 is formed on the nitride semiconductor gate layer 6, oxidation of the nitride semiconductor gate layer 6 can be suppressed and the threshold voltage Vth can be stabilized. More specifically, the AlN film 51 formed on the nitride semiconductor gate layer 6 acts as an interface control layer that reconstructs the surface of the underlying nitride semiconductor (nitride semiconductor gate layer 6). The SiN layer 52 formed on the AlN film 51 acts as an anti-oxidation layer that suppresses oxidation of the AlN film 51 during the process when the gate insulating film 7 is made of a material containing oxygen atoms. A good interface can be formed between the nitride semiconductor gate layer 6 and the gate insulating film 7 by the functions of the AlN film 51 and the SiN layer 52 .

図12は、第2実施形態のゲート部の第1変形例を示す拡大断面図である。
図12のゲート部20Bは、窒化物半導体ゲート層6と、窒化物半導体ゲート層6上に形成された窒素含有層50Aと、窒素含有層50A上に形成されたゲート絶縁膜7と、ゲート絶縁膜7上に形成されたゲート電極8とを含む。図12のゲート部20Bは、図11のゲート部20Aに比べて、窒素含有層50Aの構成が異なっている。窒素含有層50Aは、窒化物半導体ゲート層6上に形成されたSiN膜の単膜から構成されている。この例では、窒素含有層50Aの膜厚は、2nm程度である。
FIG. 12 is an enlarged cross-sectional view showing a first modification of the gate portion of the second embodiment.
The gate portion 20B of FIG. 12 includes a nitride semiconductor gate layer 6, a nitrogen-containing layer 50A formed on the nitride semiconductor gate layer 6, a gate insulating film 7 formed on the nitrogen-containing layer 50A, and a gate insulating film. and a gate electrode 8 formed on the film 7 . The gate portion 20B of FIG. 12 differs from the gate portion 20A of FIG. 11 in the structure of the nitrogen-containing layer 50A. The nitrogen-containing layer 50A is composed of a single SiN film formed on the nitride semiconductor gate layer 6 . In this example, the film thickness of the nitrogen-containing layer 50A is approximately 2 nm.

図13は、第2実施形態のゲート部の第2変形例を示す拡大断面図である。
図13のゲート部20Cは、窒化物半導体ゲート層6と、窒化物半導体ゲート層6上に形成された窒素含有層50Bと、窒素含有層51上に形成されたゲート絶縁膜7と、ゲート絶縁膜7上に形成されたゲート電極8とを含む。図13のゲート部20Cは、図11のゲート部20Aに比べて、窒素含有層50Bの構成が異なっている。窒素含有層50Bは、窒化物半導体ゲート層6上に形成されたSiN膜53と、SiN膜53上に形成されたAlN膜54とから構成されている。この例では、SiN膜53の膜厚は、5nm程度であり、AlN膜54の膜厚は、2nm程度である。
FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view showing a second modification of the gate portion of the second embodiment.
The gate portion 20C of FIG. 13 includes the nitride semiconductor gate layer 6, the nitrogen-containing layer 50B formed on the nitride semiconductor gate layer 6, the gate insulating film 7 formed on the nitrogen-containing layer 51, and the gate insulating layer 50B. and a gate electrode 8 formed on the film 7 . The gate portion 20C of FIG. 13 differs from the gate portion 20A of FIG. 11 in the structure of the nitrogen-containing layer 50B. Nitrogen-containing layer 50B is composed of SiN film 53 formed on nitride semiconductor gate layer 6 and AlN film 54 formed on SiN film 53 . In this example, the thickness of the SiN film 53 is approximately 5 nm, and the thickness of the AlN film 54 is approximately 2 nm.

以下において、図10に示される第2実施形態に係る窒化物半導体装置1Aに対して、窒素含有層50が設けられていない構成の窒化物半導体装置を第2比較例ということにする。また、図10に示される第2実施形態に係る窒化物半導体装置1Aを、第2実施例ということにする。
第2実施例および第2比較例に対して、温度が150℃の環境下で、ゲート電圧Vgを5Vに設定した場合と-3Vに設定した場合の2種類の高温ゲートバイアス試験(HTGB : High Temperature Gate Bias test)を行い、閾値電圧Vthの変化量ΔVthを測定した。高温ゲートバイアス試験とは、高温下でソース・ドレイン間をショートさせた状態でゲートのみにバイアスを印可する試験である。
Hereinafter, a nitride semiconductor device having a configuration in which the nitrogen-containing layer 50 is not provided with respect to the nitride semiconductor device 1A according to the second embodiment shown in FIG. 10 will be referred to as a second comparative example. Also, the nitride semiconductor device 1A according to the second embodiment shown in FIG. 10 will be referred to as a second example.
For the second embodiment and the second comparative example, two types of high temperature gate bias tests (HTGB: High Temperature Gate Bias test) was performed to measure the amount of change ΔVth in the threshold voltage Vth. A high-temperature gate bias test is a test in which a bias is applied only to the gate while the source and drain are short-circuited at a high temperature.

高温ゲートバイアス試験の開始前および開始後の所定の複数のタイミングにおいて、閾値電圧Vthを測定し、試験開始前に測定した閾値電圧Vthからの閾値電圧Vthの変化量ΔVthを測定した。ただし、ドレインゲート電圧Vdが0.1Vでドレイン電流Idが100μAのときをHEMTのオン状態と定義して、そのときゲート・ソース間電圧Vgsを閾値電圧Vthとした。 The threshold voltage Vth was measured at a plurality of predetermined timings before and after the start of the high-temperature gate bias test, and the amount of change ΔVth in the threshold voltage Vth from the threshold voltage Vth measured before the start of the test was measured. However, when the drain gate voltage Vd is 0.1 V and the drain current Id is 100 μA, the ON state of the HEMT is defined, and the gate-source voltage Vgs is defined as the threshold voltage Vth.

図14は、ゲート電圧Vgを5Vに設定した場合の高温ゲートバイアス試験結果を示すグラフである。図15は、ゲート電圧Vgを-3Vに設定した場合の高温ゲートバイアス試験結果を示すグラフである。図14および図15において、”SiO2 only”は第2比較例を示し、” AlN/SiN/ SiO2”は第2実施例を示している。
図14および図15から、第2実施例では、ゲート電圧Vgを5Vである場合および-3Vである場合の両方において、閾値電圧Vthの変化量ΔVthが小さいことがわかる。
FIG. 14 is a graph showing high temperature gate bias test results when the gate voltage Vg is set to 5V. FIG. 15 is a graph showing high temperature gate bias test results when the gate voltage Vg is set to -3V. 14 and 15, "SiO2 only" indicates the second comparative example, and "AlN/SiN/SiO2" indicates the second example.
From FIGS. 14 and 15, it can be seen that in the second embodiment, the amount of change ΔVth in the threshold voltage Vth is small both when the gate voltage Vg is 5V and when it is -3V.

以上、この発明の第1および第2実施形態について説明したが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、第1窒化物半導体層(電子走行層)4がGaN層からなり、第2窒化物半導体層(電子供給層)5がAlGaN層からなる例について説明したが、第1窒化物半導体層4と第2窒化物半導体層5とはバンドギャップ(例えばAl組成)が異なっていればよく、他の組み合わせも可能である。たとえば、第1窒化物半導体層4/第2窒化物半導体層5の組み合わせとしては、GaN/AlN、AlGaN/AlNなどを例示できる。 Although the first and second embodiments of the present invention have been described above, the present invention can also be implemented in other forms. For example, in the above-described embodiment, the first nitride semiconductor layer (electron transit layer) 4 is made of a GaN layer, and the second nitride semiconductor layer (electron supply layer) 5 is made of an AlGaN layer. It is sufficient that the first nitride semiconductor layer 4 and the second nitride semiconductor layer 5 have different bandgaps (for example, Al composition), and other combinations are also possible. For example, the combination of the first nitride semiconductor layer 4/second nitride semiconductor layer 5 can be GaN/AlN, AlGaN/AlN, or the like.

また、前述の第1および第2実施形態では、基板2の材料例としてシリコンを例示したが、ほかにも、サファイア基板やGaN基板などの任意の基板材料を適用できる。
また、前述の第1および第2実施形態では、ゲート電極7を窒化物半導体ゲート層6に接合させたとすると、それらがショットキー接合するような材料からゲート電極7が構成されている場合について説明した。しかし、ゲート電極7を窒化物半導体ゲート層6に接合させたとすると、それらがオーミック接合するような材料からゲート電極7が構成されている場合にも、この発明を適用することができる。
In the first and second embodiments described above, silicon was exemplified as a material for the substrate 2, but any substrate material such as a sapphire substrate or a GaN substrate can also be applied.
Further, in the first and second embodiments described above, when the gate electrode 7 is joined to the nitride semiconductor gate layer 6, the gate electrode 7 is made of a material that forms a Schottky junction. bottom. However, if the gate electrode 7 is joined to the nitride semiconductor gate layer 6, the present invention can also be applied to the case where the gate electrode 7 is made of a material such that they form an ohmic contact.

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.

1,1A 窒化物半導体装置
2 基板
3 バッファ層
3A 第1バッファ層
3B 第2バッファ層
4 第1窒化物半導体層
5 第2窒化物半導体層
20,20A,20B,20C ゲート部
6 窒化物半導体ゲート層
7 ゲート絶縁膜
8 ゲート電極
9 パッシベーション膜
10 バリアメタル膜
11 ソース電極用コンタクト孔
12 ドレイン電極用コンタクト孔
13 ソース電極
14 ドレイン電極
13A,14A 下層
13B,14B 中間層
13C,14C 上層
15 層間絶縁膜
16 二次元電子ガス
31 ゲート層材料膜
32 絶縁材料膜
33 ゲート電極膜
34 レジスト膜
35 ソース・ドレイン電極膜
50,50A,50B 窒素含有層
Reference Signs List 1, 1A nitride semiconductor device 2 substrate 3 buffer layer 3A first buffer layer 3B second buffer layer 4 first nitride semiconductor layer 5 second nitride semiconductor layer 20, 20A, 20B, 20C gate section 6 nitride semiconductor gate Layer 7 gate insulating film 8 gate electrode 9 passivation film 10 barrier metal film 11 source electrode contact hole 12 drain electrode contact hole 13 source electrode 14 drain electrode 13A, 14A lower layer 13B, 14B intermediate layer 13C, 14C upper layer 15 interlayer insulating film 16 two-dimensional electron gas 31 gate layer material film 32 insulating material film 33 gate electrode film 34 resist film 35 source/drain electrode film 50, 50A, 50B nitrogen-containing layer

Claims (19)

電子走行層を構成する第1窒化物半導体層と、
前記第1窒化物半導体層上に形成され、前記第1窒化物半導体層よりもバンドギャップ
が大きく、電子供給層を構成する第2窒化物半導体層と、
前記第2窒化物半導体層上に配置されたゲート部と、
前記ゲート部を覆うように形成されたパッシベーション膜と、
前記第2窒化物半導体層の表面に沿う方向において、前記ゲート部を挟むように配置されたソース電極およびドレイン電極とを含み、
前記ゲート部は、
前記第2窒化物半導体層上に配置されかつアクセプタ型不純物を含む窒化物半導体ゲート層と、
前記窒化物半導体ゲート層上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを含み、
前記ソース電極は、前記ゲート部および前記パッシベーション膜を覆うように形成され、前記ゲート部を超えて前記ドレイン電極と対向するように配置されており、
ゲートリーク電流が、1nA/mm以下である、窒化物半導体装置。
a first nitride semiconductor layer constituting an electron transit layer;
a second nitride semiconductor layer formed on the first nitride semiconductor layer, having a bandgap larger than that of the first nitride semiconductor layer, and constituting an electron supply layer;
a gate portion disposed on the second nitride semiconductor layer;
a passivation film formed to cover the gate;
a source electrode and a drain electrode arranged to sandwich the gate portion in a direction along the surface of the second nitride semiconductor layer;
The gate section
a nitride semiconductor gate layer disposed on the second nitride semiconductor layer and containing an acceptor-type impurity;
a gate insulating film formed on the nitride semiconductor gate layer;
a gate electrode formed on the gate insulating film;
the source electrode is formed to cover the gate portion and the passivation film, and is arranged to face the drain electrode beyond the gate portion;
A nitride semiconductor device having a gate leak current of 1 nA/mm or less.
前記ゲート絶縁膜が、SiN、SiO、SiON、Al、AlN、AlON、HfO、HfN、HfON、HfSiONおよびAlONのうちから選択された1つから構成されている、請求項1に記載の窒化物半導体装置。 2. The gate insulating film according to claim 1, wherein said gate insulating film is composed of one selected from SiN, SiO2 , SiON, Al2O3 , AlN, AlON, HfO, HfN, HfON, HfSiON and AlON. nitride semiconductor device. 前記ゲート絶縁膜は、SiNからなる、請求項1に記載の窒化物半導体装置。 2. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein said gate insulating film is made of SiN. 前記窒化物半導体ゲート層の膜厚は100nm以下であり、
前記ゲート絶縁膜の膜厚は3nm以上である、請求項1~3のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
the thickness of the nitride semiconductor gate layer is 100 nm or less,
4. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein said gate insulating film has a film thickness of 3 nm or more.
前記第1窒化物半導体層における前記第2窒化物半導体層とは反対側に配置され、バッファ層を構成する第3窒化物半導体層をさらに有する、請求項1~4のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。 5. The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, further comprising a third nitride semiconductor layer arranged on a side of said first nitride semiconductor layer opposite to said second nitride semiconductor layer and constituting a buffer layer. nitride semiconductor device. 前記窒化物半導体ゲート層と前記ゲート絶縁膜との界面の炭素濃度は、1×1013cm-2以下である、請求項1に記載の窒化物半導体装置。 2. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the carbon concentration at the interface between said nitride semiconductor gate layer and said gate insulating film is 1×10 13 cm −2 or less. 前記第1窒化物半導体層はGaN層からなり、前記第2窒化物半導体層はAlGaN層からなり、前記窒化物半導体ゲート層はp型GaN層からなる、請求項1~6のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。 7. The nitride semiconductor gate layer according to claim 1, wherein said first nitride semiconductor layer comprises a GaN layer, said second nitride semiconductor layer comprises an AlGaN layer, and said nitride semiconductor gate layer comprises a p-type GaN layer. The nitride semiconductor device according to 1. 前記第1窒化物半導体層はGaN層からなり、前記第2窒化物半導体層はAlGaN層からなり、前記窒化物半導体ゲート層はp型GaN層からなり、第3窒化物半導体層がAlGaN層からなる、請求項5に記載の窒化物半導体装置。 The first nitride semiconductor layer is a GaN layer, the second nitride semiconductor layer is an AlGaN layer, the nitride semiconductor gate layer is a p-type GaN layer, and the third nitride semiconductor layer is an AlGaN layer. 6. The nitride semiconductor device according to claim 5, comprising: 前記アクセプタ型不純物は、マグネシウムまたは鉄である、請求項7または8に記載の窒化物半導体装置。 9. The nitride semiconductor device according to claim 7, wherein said acceptor-type impurity is magnesium or iron. 電子走行層を構成する第1窒化物半導体層と、
前記第1窒化物半導体層上に形成され、前記第1窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きく、電子供給層を構成する第2窒化物半導体層と、
前記第2窒化物半導体層上に配置されたゲート部と、
前記ゲート部を覆うように形成されたパッシベーション膜と、
前記第2窒化物半導体層の表面に沿う方向において、前記ゲート部を挟むように配置されたソース電極およびドレイン電極とを含み、
前記ゲート部は、
前記第2窒化物半導体層上に配置されかつアクセプタ型不純物を含む窒化物半導体ゲート層と、
前記窒化物半導体ゲート層上に形成された窒素を含む窒素含有層と、
前記窒素含有層上に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを含み、
前記ソース電極は、前記ゲート部および前記パッシベーション膜を覆うように形成され、前記ゲート部を超えて前記ドレイン電極と対向するように配置されており、
ゲートリーク電流が、1nA/mm以下である、窒化物半導体装置。
a first nitride semiconductor layer constituting an electron transit layer;
a second nitride semiconductor layer formed on the first nitride semiconductor layer, having a bandgap larger than that of the first nitride semiconductor layer, and constituting an electron supply layer;
a gate portion disposed on the second nitride semiconductor layer;
a passivation film formed to cover the gate;
a source electrode and a drain electrode arranged to sandwich the gate portion in a direction along the surface of the second nitride semiconductor layer;
The gate section
a nitride semiconductor gate layer disposed on the second nitride semiconductor layer and containing an acceptor-type impurity;
a nitrogen-containing layer containing nitrogen formed on the nitride semiconductor gate layer;
a gate insulating film disposed on the nitrogen-containing layer;
a gate electrode formed on the gate insulating film;
the source electrode is formed to cover the gate portion and the passivation film, and is arranged to face the drain electrode beyond the gate portion;
A nitride semiconductor device having a gate leak current of 1 nA/mm or less.
前記窒素含有層の厚さが10nm以下である、請求項10に記載の窒化物半導体装置。 11. The nitride semiconductor device according to claim 10, wherein said nitrogen-containing layer has a thickness of 10 nm or less. 前記窒素含有層が、AlN膜若しくはSiN膜の単膜またはAlN膜およびSiN膜の積層膜からなる、請求項10または11に記載の窒化物半導体装置。 12. The nitride semiconductor device according to claim 10, wherein said nitrogen-containing layer is composed of a single film of AlN film or SiN film, or a laminated film of AlN film and SiN film. 前記窒素含有層が、前記窒化物半導体ゲート層上に形成されたAlN膜と、前記AlN膜上に形成されたSiN膜とからなる、請求項12に記載の窒化物半導体装置。 13. The nitride semiconductor device according to claim 12, wherein said nitrogen-containing layer comprises an AlN film formed on said nitride semiconductor gate layer and an SiN film formed on said AlN film. 前記ゲート絶縁膜が酸素を含む絶縁膜からなる、請求項10~13のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。 14. The nitride semiconductor device according to claim 10, wherein said gate insulating film is made of an insulating film containing oxygen. 前記ゲート絶縁膜が、Al膜またはSiO膜からなる、請求項14に記載の窒化物半導体装置。 15. The nitride semiconductor device according to claim 14 , wherein said gate insulating film comprises an Al2O3 film or a SiO2 film. 前記パッシベーション膜上に形成されたバリアメタル膜を含む、請求項1~15のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。 16. The nitride semiconductor device according to claim 1, further comprising a barrier metal film formed on said passivation film. 前記ソース電極および前記ソース電極の上面と、前記ソース電極および前記ソース電極の対向面とを覆う層間絶縁膜を含む、請求項1~16のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。 17. The nitride semiconductor device according to claim 1, further comprising an interlayer insulating film covering said source electrode, upper surfaces of said source electrode, and opposing surfaces of said source electrode and said source electrode. 前記ソース電極における前記ドレイン側の端面が、前記ゲート電極を覆っている前記パッシベーション膜における前記ドレイン側の端面と面一である、請求項1~17のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。 18. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein said drain-side end surface of said source electrode is flush with said drain-side end surface of said passivation film covering said gate electrode. . 前記第3窒化物半導体層が、前記シリコン基板上に形成されたAlN膜と、前記AlN膜上に積層されたAlGaN膜とからなる、請求項5に記載の窒化物半導体装置。 6. The nitride semiconductor device according to claim 5, wherein said third nitride semiconductor layer comprises an AlN film formed on said silicon substrate and an AlGaN film laminated on said AlN film.
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