JP2014056938A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】化合物半導体5に、化合物半導体5に生成した二次元キャリアガスを利用するHEMTと、Si基板1に形成された不純物拡散領域3と、化合物半導体5内に形成され、不純物拡散領域3と電気的に接続された導電プラグ7A,7Bと、化合物半導体5内に形成され、導電プラグ7A,7Bごとに二次元キャリアガスを電気的に遮断する2DEG遮断構造8とを有するジャンクション素子とが形成される。
【選択図】図15
Description
本実施形態では、第1の素子として化合物半導体素子であるAlGaN/GaN・HEMTと、第2の素子としてシリコン素子であるダイオードとが混載された半導体装置を開示する。
図1〜図15は、第1の実施形態による半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
先ず、図1に示すように、半導体領域として半導体基板、例えばSi基板1を用意する。スパッタ法等により、Si基板1上にシリコン酸化膜21及びシリコン窒化膜22を、10nm程度及び148nm程度の厚みに順次形成する。シリコン窒化膜22上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、Si基板1の素子分離領域の上方に開口23aを有するレジストマスク23を形成する。
詳細には、レジストマスク23を用いて、シリコン窒化膜22、シリコン酸化膜21及びSi基板1をドライエッチングする。これにより、Si基板1のレジストマスク23の開口23aに位置整合した部位に、シリコン酸化膜21及びシリコン窒化膜22の各開口21a,22aと連通する、深さ380nm程度の素子分離用溝1aが形成される。
レジストマスク23は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
シリコン窒化膜22の表面を850℃程度でウェット酸化して厚み10nm程度の熱酸化膜を形成した後、CVD法等により、素子分離用溝1a及び開口21a,22aを埋め込むように熱酸化膜上にシリコン酸化膜を675nm程度の厚みに堆積する。シリコン酸化膜を250nm程度ドライエッチングした後、シリコン窒化膜22を研磨ストッパーとして、化学機械研磨(Chemical-Mechanical Polishing:CMP)によりシリコン酸化膜を研磨する。窒素(N2)雰囲気中において1000℃程度で30分間程度のアニール処理を施した後、シリコン酸化膜21及びシリコン窒化膜22をウェットエッチングで除去する。以上により、Si基板1の素子分離用溝1aをシリコン酸化物で埋め込む素子分離構造2が形成される。その後、Si基板1の表面を900℃程度でHCl酸化し、厚み10nm程度の犠牲酸化膜を形成する。
詳細には、Si基板1上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、Si基板1の第2の素子領域1Bを露出させる開口24aを有するレジストマスク24を形成する。
レジストマスク24を用いて、Si基板1の表面露出部位にP型不純物、例えばB+を加速エネルギー300keV程度、ドーズ量3.0×1013/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、Si基板1の第2の素子領域1BにP型拡散領域3aが形成される。レジストマスク24は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
詳細には、Si基板1上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、P型拡散領域3aの一部を露出させる開口25aを有するレジストマスク25を形成する。
レジストマスク25を用いて、P型拡散領域3aの表面露出部位にN型不純物、例えばAs+を加速エネルギー160keV程度、ドーズ量4.5×1012/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、P型拡散領域3aの一部にN型拡散領域3bが形成される。レジストマスク25は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
P型拡散領域3a及びN型拡散領域3bにより、不純物拡散部である不純物拡散領域3が形成される。
詳細には、先ず、Si基板1の全面に、エピタキシャル成長により、Si層4を厚み500nm程度に成長する。
Si層4上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、Si層4の第2の素子領域1Bを露出させる開口を有するレジストマスクを形成する。レジストマスクを用いて、Si層4の表面露出部位に酸素(O+)を加速エネルギー20keV程度、ドーズ量2×1018/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、Si層4の第2の素子領域1Bの部分が変質し、絶縁層4aが形成される。なお、図6のみにおいて、Si層4のSi基板1との界面を破線で表す。
Si基板1上に、i(インテンショナリ・アンドープ)AlGaNを2.6μm程度の厚みに、i−GaNを1μm程度の厚みに、n−AlGaN(Al組成:15%以上25%以下)を20nm程度の厚みに、n−GaNを2nm程度の厚みに順次成長する。これにより、バッファ層5a、電子走行層5b、電子供給層5c、及びキャップ層5dが形成される。バッファ層としては、AlGaNの代わりにAlNを用いたり、低温成長でGaNを成長するようにしても良い。
詳細には、先ず、リソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜6を加工し、絶縁膜6の導電プラグの形成予定部位を開口するハードマスクを形成する。
ハードマスクを用いて、化合物半導体積層構造5及び絶縁層4aをドライエッチングする。これにより、絶縁層4a及び化合物半導体積層構造5に、P型拡散領域3aの表面の一部を露出する開口7aと、N型拡散領域3bの表面の一部を露出する開口7bとが形成される。ハードマスクとされた絶縁膜6はウェットエッチング等により除去される。
以上により、P型拡散領域3a及びN型拡散領域3bと接続され、開口7a,7b内を下地膜7cを介して導電物7dで充填してなる導電部である導電プラグ7A,7Bが形成される。
詳細には、リソグラフィー及びドライエッチングにより、第1の素子領域1Aにおける化合物半導体積層構造5のゲート電極の形成予定部位を加工する。ドライエッチングは、塩素系ガス及びSFx系ガスを用いて、例えばキャップ層5dを貫通し電子供給層5cの中途深さまで、全体で15nm〜20nm程度の深さまで実行される。電子供給層5cの被エッチング部分は、厚み2nm〜7nm程度だけ残存する。リソグラフィーに用いたレジストはアッシング処理又はウェット処理により除去される。以上により、第1の素子領域1Aに電極用リセス5Aが形成される。
第2の素子領域1Bにおける導電プラグ7A,7Bごとに化合物半導体積層構造5で発生する2DEGを電気的に遮断する2DEG遮断構造8を形成する。詳細には、全面にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、2DEG遮断構造の形成予定部位を開口するレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いて、導電プラグ7A,7Bごとに囲むように、化合物半導体積層構造5(GaN,AlGaN)の結晶構造を破壊し得る元素(例えば、Ar,B等)、ここではArを、2DEGの発生部位よりも深い領域まで導入する。具体的にはArを、加速エネルギー170keV程度、ドーズ量5.0×1013/cm2程度の条件で、加速エネルギー100keV程度、ドーズ量1.0×1013/cm2程度の条件で連続的に注入する。Arの注入により、当該注入部位におけるGaN,AlGaNの結晶構造が破壊されて2DEGが消失する。以上により、導電プラグ7A,7Bを当該導電プラグ7A,7Bごとに2DEGを電気的に遮断する、キャリア遮断部である2DEG遮断構造8が形成される。
レジストマスクは、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
なお、2DEG遮断構造8は、導電プラグ7A,7Bの形成に先立って形成するようにしても良い。
詳細には、化合物半導体積層構造5上に、CVD法等により例えばSiNを厚み200nm程度に堆積し、絶縁膜9を形成する。リソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜9を加工し、絶縁膜9の電極用リセス5Aに位置整合する部位に電極用リセス5Aよりも幅広の開口9aを形成する。ドライエッチングにより、電極用リセス5A内のSiNも除去され、開口9aが電極用リセス5Aと連通して電極溝となる。
詳細には、先ず、上記の電極溝の内壁面を覆うように、絶縁膜9上にゲート絶縁膜11を形成する。例えば、Al2O3を原子層堆積法(Atomic Layer Deposition:ALD法)により膜厚20nm程度に堆積する。これにより、ゲート絶縁膜11が形成される。
なお、Al2O3の堆積は、ALD法の代わりに、例えばプラズマCVD法又はスパッタ法等で行うようにしても良い。また、Al2O3を堆積する代わりに、Alの窒化物又は酸窒化物を用いても良い。それ以外にも、Si,Hf,Zr,Ti,Ta,Wの酸化物、窒化物又は酸窒化物、或いはこれらから適宜に選択して多層に堆積して、ゲート絶縁膜を形成しても良い。
詳細には、先ず、ゲート電極12を埋め込む厚みに、絶縁膜9上にCVD法等により例えばSiO2を堆積する。これにより、絶縁膜13が形成される。
次に、リソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜9,13を加工する。これにより、絶縁膜9,13には電極用リセス14a,14b,14c,14dが同時形成される。電極用リセス14a,14bは、絶縁膜9,13の第1の素子領域1Aに形成され、底面において化合物半導体積層構造5のソース電極及びドレイン電極の形成予定部位をそれぞれ露出する。電極用リセス14c,14dは、絶縁膜9,13の第2の素子領域1Bに形成され、底面において導電プラグ7A,7Bをそれぞれ露出する。
詳細には、電極用リセス14a〜14dの内壁面を覆うように、スパッタ法等により、絶縁膜13上に例えばTiを厚み25nm程度に成膜する。引き続き、スパッタ法等により、成膜されたTiを介して電極用リセス14a〜14dを埋め込むように、例えばAlを厚み300nm程度に成膜する。そして、リソグラフィー及びドライエッチングによりAl及びTiを加工する。以上により、第1の素子領域1Aには、下地膜15aを有するソース電極16a及び下地膜15bを有するドレイン電極16bが形成される。同時に、第2の素子領域1Bには、下地膜15cを有するアノード電極16c及び下地膜15dを有するカソード電極16dが形成される。ソース電極16a及びドレイン電極16bは、ゲート電極12の両側で化合物半導体積層構造5とオーミック接触する。アノード電極16c、カソード電極16dは、導電プラグ7A,7Bと電気的に接続され、導電プラグ7A,7Bを介してP型拡散領域3a、N型拡散領域3bと導通する。
本実施形態では、第1の素子として化合物半導体素子であるAlGaN/GaN・HEMTと、第2の素子としてシリコン素子であるバイポーラトランジスタとが混載された半導体装置を開示する。
図16〜図29は、第2の実施形態による半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
詳細には、Si基板1上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、Si基板1の第2の素子領域1Bを露出させる開口51aを有するレジストマスク51を形成する。
レジストマスク51を用いて、Si基板1の表面露出部位にP型不純物、例えばB+を加速エネルギー300keV程度、ドーズ量3.0×1013/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、Si基板1の第2の素子領域1BにP型拡散領域31aが形成される。レジストマスク51は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
詳細には、Si基板1上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、P型拡散領域31aの一部を露出させる開口52aを有するレジストマスク52を形成する。
レジストマスク52を用いて、P型拡散領域31aの表面露出部位にN型不純物、例えばAs+を加速エネルギー160keV程度、ドーズ量4.5×1012/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、P型拡散領域31aの一部にN型拡散領域31bが形成される。レジストマスク52は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
詳細には、Si基板1上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、N型拡散領域31bの一部を露出させる開口53aを有するレジストマスク53を形成する。
レジストマスク53を用いて、N型拡散領域31bの表面露出部位にP型不純物、例えばB+を加速エネルギー70keV程度、ドーズ量3.0×1013/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、N型拡散領域31bの一部にP型拡散領域31cが形成される。レジストマスク53は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
P型拡散領域31a、N型拡散領域31b、及びP型拡散領域31cにより、不純物拡散部である不純物拡散領域31が形成される。
詳細には、先ず、Si基板1の全面に、エピタキシャル成長により、Si層32を厚み500nm程度に成長する。
Si層32上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、Si層32の第2の素子領域1Bを露出させる開口を有するレジストマスクを形成する。レジストマスクを用いて、Si層32の表面露出部位に酸素(O+)を加速エネルギー20keV程度、ドーズ量2×1018/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、Si層32の第2の素子領域1Bの部分が変質し、絶縁層32aが形成される。なお、図19のみにおいて、Si層32のSi基板1との界面を破線で表す。
Si基板1上に、i(インテンショナリ・アンドープ)AlGaNを2.6μm程度の厚みに、i−GaNを1μm程度の厚みに、n−AlGaN(Al組成:15%以上25%以下)を20nm程度の厚みに、n−GaNを2nm程度の厚みに順次成長する。これにより、バッファ層33a、電子走行層33b、電子供給層33c、及びキャップ層33dが形成される。バッファ層としては、AlGaNの代わりにAlNを用いたり、低温成長でGaNを成長するようにしても良い。
詳細には、先ず、リソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜34を加工し、絶縁膜34の導電プラグの形成予定部位を開口するハードマスクを形成する。
ハードマスクを用いて、化合物半導体積層構造33及び絶縁層32aをドライエッチングする。これにより、絶縁層32a及び化合物半導体積層構造33に、P型拡散領域31aの表面の一部を露出する開口35aと、N型拡散領域31bの表面の一部を露出する開口35bと、P型拡散領域31cの表面の一部を露出する開口35cとが形成される。ハードマスクとされた絶縁膜34はウェットエッチング等により除去される。
以上により、P型拡散領域31a、N型拡散領域31b、及びP型拡散領域31cと接続され、開口35a〜35c内を下地膜35dを介して導電物35eで充填してなる導電部である導電プラグ35A,35B,35Cが形成される。
詳細には、リソグラフィー及びドライエッチングにより、第1の素子領域1Aにおける化合物半導体積層構造33のゲート電極の形成予定部位を加工する。ドライエッチングは、塩素系ガス及びSFx系ガスを用いて、例えばキャップ層33dを貫通し電子供給層33cの中途深さまで、全体で15nm〜20nm程度の深さまで実行される。電子供給層33cの被エッチング部分は、厚み2nm〜7nm程度だけ残存する。リソグラフィーに用いたレジストはアッシング処理又はウェット処理により除去される。以上により、第1の素子領域1Aに電極用リセス33Aが形成される。
第2の素子領域1Bにおける導電プラグ35A,35B,35Cごとに化合物半導体積層構造33で発生する2DEGを電気的に遮断する2DEG遮断構造36を形成する。詳細には、全面にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、2DEG遮断構造の形成予定部位を開口するレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いて、導電プラグ35A,35B,35Cごとに囲むように、化合物半導体積層構造33(GaN,AlGaN)の結晶構造を破壊し得る元素(例えば、Ar,B等)、ここではArを、2DEGの発生部位よりも深い領域まで導入する。具体的にはArを、加速エネルギー170keV程度、ドーズ量5.0×1013/cm2程度の条件で、加速エネルギー100keV程度、ドーズ量1.0×1013/cm2程度の条件で連続的に注入する。Arの注入により、当該注入部位におけるGaN,AlGaNの結晶構造が破壊されて2DEGが消失する。以上により、導電プラグ35A,35B,35Cを当該導電プラグ35A,35B,35Cごとに2DEGを電気的に遮断する、キャリア遮断部である2DEG遮断構造36が形成される。
レジストマスクは、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
なお、2DEG遮断構造36は、導電プラグ35A〜35Cの形成に先立って形成するようにしても良い。
詳細には、化合物半導体積層構造33上に、CVD法等により例えばSiNを厚み200nm程度に堆積し、絶縁膜37を形成する。リソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜37を加工し、絶縁膜37の電極用リセス33Aに位置整合する部位に電極用リセス33Aよりも幅広の開口37aを形成する。ドライエッチングにより、電極用リセス33A内のSiNも除去され、開口37aが電極用リセス33Aと連通して電極溝となる。
詳細には、先ず、上記の電極溝の内壁面を覆うように、絶縁膜37上にゲート絶縁膜38を形成する。例えば、Al2O3を原子層堆積法(Atomic Layer Deposition:ALD法)により膜厚20nm程度に堆積する。これにより、ゲート絶縁膜38が形成される。
なお、Al2O3の堆積は、ALD法の代わりに、例えばプラズマCVD法又はスパッタ法等で行うようにしても良い。また、Al2O3を堆積する代わりに、Alの窒化物又は酸窒化物を用いても良い。それ以外にも、Si,Hf,Zr,Ti,Ta,Wの酸化物、窒化物又は酸窒化物、或いはこれらから適宜に選択して多層に堆積して、ゲート絶縁膜を形成しても良い。
詳細には、先ず、ゲート電極39を埋め込む厚みに、絶縁膜37上にCVD法等により例えばSiNを堆積する。これにより、絶縁膜41が形成される。
次に、リソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜37,41を加工する。これにより、絶縁膜37,41には電極用リセス42a,42b,42c,42d,42eが同時形成される。電極用リセス42a,42bは、絶縁膜37,41の第1の素子領域1Aに形成され、底面において化合物半導体積層構造33のソース電極及びドレイン電極の形成予定部位をそれぞれ露出する。電極用リセス42c,42d,42eは、絶縁膜37,41の第2の素子領域1Bに形成され、底面において導電プラグ35A,35B,35Cをそれぞれ露出する。
詳細には、電極用リセス42a〜42eの内壁面を覆うように、スパッタ法等により、絶縁膜41上に例えばTiを厚み25nm程度に成膜する。引き続き、スパッタ法等により、成膜されたTiを介して電極用リセス42a〜42eを埋め込むように、例えばAlを厚み300nm程度に成膜する。そして、リソグラフィー及びドライエッチングによりAl及びTiを加工する。以上により、第1の素子領域1Aには、下地膜43aを有するソース電極44a及び下地膜43bを有するドレイン電極44bが形成される。同時に、第2の素子領域1Bには、下地膜43cを有するコレクタ電極44c、下地膜43dを有するベース電極44d、下地膜43eを有するエミッタ電極44eが形成される。ソース電極44a及びドレイン電極44bは、ゲート電極39の両側で化合物半導体積層構造33とオーミック接触する。コレクタ電極44c、ベース電極44d、エミッタ電極44eは、導電プラグ35A,35B,35Cと電気的に接続され、導電プラグ35A,35B,35Cを介してP型拡散領域31a、N型拡散領域31b、P型拡散領域31cと導通する。
本実施形態では、第1の素子として化合物半導体素子であるAlGaN/GaN・HEMTと、第2の素子としてシリコン素子である、いわゆる縦型のMISトランジスタとが混載された半導体装置を開示する。
図29〜図41は、第3の実施形態による半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
詳細には、Si基板1上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、Si基板1の第2の素子領域1Bを露出させる開口81aを有するレジストマスク81を形成する。
レジストマスク81を用いて、Si基板1の表面露出部位にN型不純物、例えばAs+を加速エネルギー160keV程度、ドーズ量4.5×1012/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、Si基板1の第2の素子領域1BにN型拡散領域61aが形成される。レジストマスク81は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
詳細には、Si基板1上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、N型拡散領域61aの一部を露出させる開口82aを有するレジストマスク82を形成する。
レジストマスク82を用いて、N型拡散領域61aの表面露出部位にP型不純物、例えばB+を加速エネルギー300keV程度、ドーズ量3.0×1013/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、N型拡散領域61aの一部にP型拡散領域61bが形成される。レジストマスク82は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
詳細には、Si基板1上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、P型拡散領域61bの一部を露出させる開口83aを有するレジストマスク83を形成する。
レジストマスク83を用いて、P型拡散領域61bの表面露出部位に型不純物、例えばAs+を加速エネルギー70keV程度、ドーズ量4.5×1012/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、P型拡散領域61bの一部にN型拡散領域61cが形成される。レジストマスク83は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
N型拡散領域61a、P型拡散領域61b、及びN型拡散領域61cにより、不純物拡散部である不純物拡散領域61が形成される。
詳細には、先ず、Si基板1の全面に、エピタキシャル成長により、Si層62を厚み500nm程度に成長する。
Si層62上にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、Si層62の第2の素子領域1Bを露出させる開口を有するレジストマスクを形成する。レジストマスクを用いて、Si層62の表面露出部位に酸素(O+)を加速エネルギー20keV程度、ドーズ量2×1018/cm2程度の条件でイオン注入する。これにより、Si層62の第2の素子領域1Bの部分が変質し、絶縁層62aが形成される。なお、図32のみにおいて、Si層62のSi基板1との界面を破線で表す。
Si基板1上に、i(インテンショナリ・アンドープ)AlGaNを2.6μm程度の厚みに、i−GaNを1μm程度の厚みに、n−AlGaN(Al組成:15%以上25%以下)を20nm程度の厚みに、n−GaNを2nm程度の厚みに順次成長する。これにより、バッファ層63a、電子走行層63b、電子供給層63c、及びキャップ層63dが形成される。バッファ層としては、AlGaNの代わりにAlNを用いたり、低温成長でGaNを成長するようにしても良い。
詳細には、先ず、CVD法等により、化合物半導体積層構造63上に絶縁膜を形成する。リソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜を加工し、絶縁膜の導電プラグの形成予定部位を開口するハードマスクを形成する。
ハードマスクを用いて、化合物半導体積層構造63及び絶縁層62aをドライエッチングする。これにより、絶縁層62a及び化合物半導体積層構造63に、N型拡散領域61cの表面の一部を露出する開口65aと、N型拡散領域61aの表面の一部を露出する開口65bとが形成される。ハードマスクとされた絶縁膜はウェットエッチング等により除去される。
以上により、N型拡散領域61c,61aと接続され、開口65a,65b内を下地膜65cを介して導電物65dで充填してなる導電部である導電プラグ65A,65Bが形成される。
詳細には、先ず、CVD法等により、化合物半導体積層構造63上に絶縁膜を形成する。リソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜を加工し、絶縁膜の埋め込みゲート構造の形成予定部位を開口するハードマスクを形成する。
ハードマスクを用いて、化合物半導体積層構造63及び絶縁層62aをドライエッチングする。これにより、絶縁層62a及び化合物半導体積層構造63に、P型拡散領域61bの所定深さ(P型拡散領域61bの表面からの深さ)までエッチングされた開口66aが形成される。ハードマスクとされた絶縁膜はウェットエッチング等により除去される。
次に、開口66aの内壁面をゲート絶縁膜67を介して覆うように、化合物半導体積層構造63上に下地膜66bを形成する。下地膜66bは、スパッタ法等により、例えばTi及びTiNを厚み10nm程度及び7nm程度に順次成膜して形成される。ゲート絶縁膜67及び下地膜66bを介して開口66a内を埋め込むように、導電物66cを堆積する。導電物66cは、CVD法等により、例えば多結晶シリコンが開口66a内を埋め込む厚みに堆積される。化合物半導体積層構造63のキャップ層63dをエッチングストッパーとして、CMP法により導電物66c、下地膜66b、及びゲート絶縁膜67を研磨する。
以上により、P型拡散領域61bと接続され、開口66a内をゲート絶縁膜67及び下地膜66bを介して導電物66cで充填してなる埋め込みゲート構造66が形成される。
詳細には、リソグラフィー及びドライエッチングにより、第1の素子領域1Aにおける化合物半導体積層構造63のゲート電極の形成予定部位を加工する。ドライエッチングは、塩素系ガス及びSFx系ガスを用いて、例えばキャップ層63dを貫通し電子供給層63cの中途深さまで、全体で15nm〜20nm程度の深さまで実行される。電子供給層63cの被エッチング部分は、厚み2nm〜7nm程度だけ残存する。リソグラフィーに用いたレジストはアッシング処理又はウェット処理により除去される。以上により、第1の素子領域1Aに電極用リセス63Aが形成される。
第2の素子領域1Bにおける導電プラグ65A,65B、埋め込みゲート構造66ごとに化合物半導体積層構造63で発生する2DEGを電気的に遮断する2DEG遮断構造68を形成する。詳細には、全面にレジストを塗布し、リソグラフィーによりレジストを加工して、2DEG遮断構造の形成予定部位を開口するレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いて、導電プラグ65A,65B、埋め込みゲート構造66ごとに囲むように、化合物半導体積層構造63(GaN,AlGaN)の結晶構造を破壊し得る元素を導入する。当該元素としては、例えば、Ar,B等、ここではArを用いて、化合物半導体積層構造63の2DEGの発生部位よりも深い領域まで導入する。具体的にはArを、加速エネルギー170keV程度、ドーズ量5.0×1013/cm2程度の条件で、加速エネルギー100keV程度、ドーズ量1.0×1013/cm2程度の条件で連続的に注入する。Arの注入により、当該注入部位におけるGaN,AlGaNの結晶構造が破壊されて2DEGが消失する。以上により、導電プラグ65A,65B、埋め込みゲート構造66を当該導電プラグ65A,65B、埋め込みゲート構造66ごとに2DEGを電気的に遮断する、キャリア遮断部である2DEG遮断構造68が形成される。
レジストマスクは、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
なお、2DEG遮断構造68は、導電プラグ65A,65B、埋め込みゲート構造66の形成に先立って形成するようにしても良い。
詳細には、化合物半導体積層構造63上に、CVD法等により例えばSiNを厚み200nm程度に堆積し、絶縁膜69を形成する。リソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜69を加工し、絶縁膜69の電極用リセス63Aに位置整合する部位に電極用リセス63Aよりも幅広の開口69aを形成する。ドライエッチングにより、電極用リセス63A内のSiNも除去され、開口69aが電極用リセス63Aと連通して電極溝となる。
詳細には、先ず、上記の電極溝の内壁面を覆うように、絶縁膜69上にゲート絶縁膜71を形成する。例えば、Al2O3を原子層堆積法(Atomic Layer Deposition:ALD法)により膜厚20nm程度に堆積する。これにより、ゲート絶縁膜71が形成される。
なお、Al2O3の堆積は、ALD法の代わりに、例えばプラズマCVD法又はスパッタ法等で行うようにしても良い。また、Al2O3を堆積する代わりに、Alの窒化物又は酸窒化物を用いても良い。それ以外にも、Si,Hf,Zr,Ti,Ta,Wの酸化物、窒化物又は酸窒化物、或いはこれらから適宜に選択して多層に堆積して、ゲート絶縁膜を形成しても良い。
詳細には、先ず、ゲート電極72を埋め込む厚みに、絶縁膜69上にCVD法等により例えばSiNを堆積する。これにより、絶縁膜73が形成される。
次に、リソグラフィー及びドライエッチングにより絶縁膜69,73を加工する。これにより、絶縁膜69,73には電極用リセス74a,74b,74c,74d,74eが同時形成される。電極用リセス74a,74bは、絶縁膜69,73の第1の素子領域1Aに形成され、底面において化合物半導体積層構造63のソース電極及びドレイン電極の形成予定部位をそれぞれ露出する。電極用リセス74c,74d,74eは、絶縁膜69,73の第2の素子領域1Bに形成され、底面において導電プラグ65A,65B、埋め込みゲート構造66をそれぞれ露出する。
詳細には、電極用リセス74a〜74eの内壁面を覆うように、スパッタ法等により、絶縁膜73上に例えばTiを厚み25nm程度に成膜する。引き続き、スパッタ法等により、成膜されたTiを介して電極用リセス74a〜74eを埋め込むように、例えばAlを厚み300nm程度に成膜する。そして、リソグラフィー及びドライエッチングによりAl及びTiを加工する。以上により、第1の素子領域1Aには、下地膜75aを有するソース電極76a及び下地膜75bを有するドレイン電極76bが形成される。同時に、第2の素子領域1Bには、下地膜75cを有するソース電極76a、下地膜75dを有するドレイン電極76d、及び下地膜75eを有するゲート電極76eが形成される。ソース電極76a及びドレイン電極76bは、ゲート電極72の両側で化合物半導体積層構造63とオーミック接触する。ソース電極76c、ドレイン電極76d、ゲート電極76eは、導電プラグ65A,65B、埋め込みゲート構造66と電気的に接続される。ソース電極76c、ドレイン電極76d、ゲート電極76eは、導電プラグ65A,65B、埋め込みゲート構造66を介してN型拡散領域61c、N型拡散領域61a、P型拡散領域61bと導通する。
本実施形態では、第1〜第3の実施形態から選ばれた少なくとも1種の半導体装置を備えたPFC(Power Factor Correction)回路を開示する。
図42は、第4の実施形態によるPFC回路を示す結線図である。
なお、ダイオードブリッジ106に、第1の実施形態による半導体装置におけるダイオードを適宜適用するようにしても良い。
本実施形態では、第1〜第3の実施形態から選ばれた少なくとも1種の半導体装置を備えた電源装置を開示する。
図43は、第5の実施形態による電源装置の概略構成を示す結線図である。
一次側回路111は、第4の実施形態によるPFC回路100と、PFC回路100のコンデンサ105の両端子間に接続されたインバータ回路、例えばフルブリッジインバータ回路110とを有している。フルブリッジインバータ回路110は、複数(ここでは4つ)のスイッチ素子114a,114b,114c,114dを備えて構成される。
二次側回路112は、複数(ここでは3つ)のスイッチ素子115a,115b,115cを備えて構成される。
二次側回路112のスイッチ素子115a〜115cは、シリコンを用いた通常のMIS・FETとされる。スイッチ素子101として第3の実施形態による半導体装置を適用する場合には、スイッチ素子115a〜115cに、当該半導体装置におけるMISトランジスタを適宜適用するようにしても良い。
本実施形態では、第1〜第3の実施形態から選ばれた少なくとも1種の半導体装置を備えた高周波増幅器を開示する。
図44は、第6の実施形態による高周波増幅器の概略構成を示す結線図である。
ディジタル・プレディストーション回路121は、入力信号の非線形歪みを補償するものである。ミキサー122aは、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号をミキシングするものである。パワーアンプ123は、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅するものであり、第1〜第3の実施形態から選ばれた少なくとも1種の半導体装置におけるAlGaN/GaN・HEMTが適用される。なお図44では、例えばスイッチの切り替えにより、出力側の信号をミキサー122bで交流信号とミキシングしてディジタル・プレディストーション回路121に送出できる構成とされている。
第1〜第6の実施形態では、化合物半導体素子としてAlGaN/GaN・HEMTを備えた半導体装置を例示した。化合物半導体素子としては、AlGaN/GaN・HEMT以外にも、以下のようなHEMTに適用できる。
本例では、化合物半導体素子としてInAlN/GaN・HEMTを備えた半導体装置を開示する。
InAlNとGaNは、組成によって格子定数を近くすることが可能な化合物半導体である。この場合、上記した第1〜第6の実施形態において、第1の素子領域1Aには、電子走行層がi−GaN、電子供給層がn−InAlN、キャップ層がn−GaNで形成される。また、この場合のピエゾ分極が殆ど発生しないため、2DEGは主にInAlNの自発分極により発生する。
本例では、化合物半導体素子としてInAlGaN/GaN・HEMTを備えた半導体装置を開示する。
GaNとInAlGaNは、後者の方が前者よりも組成によって格子定数を小さくすることができる化合物半導体である。この場合、上記した第1〜第6の実施形態において、第1の素子領域1Aには、電子走行層がi−GaN、電子供給層がn−InAlGaN、キャップ層がn−GaNで形成される。
前記化合物半導体積層構造に形成された第1の素子及び第2の素子と
を含み、
前記第2の素子は、前記シリコン基板に形成された不純物拡散部と、前記化合物半導体積層構造内に形成され、前記不純物拡散部と電気的に接続された導電部とを有する素子であることを特徴とする半導体装置。
前記第1の電極と前記第2の電極とが同一層で同一高さに形成されていることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
を含み、
前記第1の素子は、HEMT素子であることを特徴とする付記1又は2に記載の半導体装置。
前記シリコン基板上に化合物半導体積層構造を形成する工程と、
前記化合物半導体積層構造に第1の素子及び第2の素子を形成する工程と
を含み、
前記第2の素子は、前記シリコン基板に形成された前記不純物拡散部と、前記化合物半導体積層構造内に形成され、前記不純物拡散部と電気的に接続された導電部とを有する素子であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記電子走行層に電子を供給する電子供給層を形成する工程と
が含まれ、
前記第1の素子は、HEMT素子であることを特徴とする付記7又は8に記載の半導体装置の製造方法。
前記高圧回路はトランジスタを有しており、
前記トランジスタは、
シリコン領域と、
前記シリコン領域上に形成された化合物半導体積層構造と、
前記化合物半導体積層構造に形成された第1の素子及び第2の素子と
を含み、
前記第2の素子は、前記シリコン領域に形成された不純物拡散部と、前記化合物半導体積層構造内に形成され、前記不純物拡散部と電気的に接続された導電部とを有する素子であることを特徴とする電源回路。
トランジスタを有しており、
前記トランジスタは、
シリコン領域と、
前記シリコン領域上に形成された化合物半導体積層構造と、
前記化合物半導体積層構造に形成された第1の素子及び第2の素子と
を含み、
前記第2の素子は、前記シリコン領域に形成された不純物拡散部と、前記化合物半導体積層構造内に形成され、前記不純物拡散部と電気的に接続された導電部とを有する素子であることを特徴とする高周波増幅器。
1a 素子分離用溝
2 素子分離構造
3,31,61 不純物拡散領域
3a,31a,31c,61b P型拡散領域
3b,31b,61a,61c N型拡散領域
4,32,62 Si層
4a,32a,62a 絶縁層
5,33,63 化合物半導体積層構造
5A,14a,14b,14c,14d,33A,42a,42b,42c,42d,42e,63A,74a,74b,74c,74d,74e 電極用リセス
5a,33a,63a バッファ層
5b,33b,63b 電子走行層
5c,33c,63c 電子供給層
5d,33d,63d キャップ層
6,9,34,37,41,69 絶縁膜
7A,7B,35A,35B,35C,65A,65B 導電プラグ
7a,7b,9a,21a,22a,23a,35a,35b,35c,37a,51a,52a,53a,65a,65b,66a,81a,82a,83a,69a 開口
7c,15a,15b,15c,15d,35d,43a,43b,43c,43d,43e,65c,66b,75a,75b,75c,75d,75e 下地膜
7d,35e,65d,66c 導電物
8,36,68 2DEG遮断構造
11,38,67,71 ゲート絶縁膜
12,39,72,76e ゲート電極
16a,44a,76a,76c ソース電極
16b,44b,76b,76d ドレイン電極
16c アノード電極
16d カソード電極
21 シリコン酸化膜
22 シリコン窒化膜
23,51,52,53,81,82,83 レジストマスク
44c コレクタ電極
44d ベース電極
44e エミッタ電極
66 埋め込みゲート構造
100 PFC回路
101,114a,114b,114c,114d,115a,115b,115c スイッチ素子
102 ダイオード
103 チョークコイル
104,105 コンデンサ
106 ダイオードブリッジ
107 AC
110 フルブリッジインバータ回路
111 一次側回路
112 二次側回路
113 トランス
121 ディジタル・プレディストーション回路
122a,122b ミキサー
123 パワーアンプ
Claims (8)
- シリコン基板上に形成された化合物半導体積層構造と、
前記化合物半導体積層構造に形成された第1の素子及び第2の素子と
を含み、
前記第2の素子は、前記シリコン基板に形成された不純物拡散部と、前記化合物半導体積層構造内に形成され、前記不純物拡散部と電気的に接続された導電部とを有する素子であることを特徴とする半導体装置。 - 前記第1の素子は第1の電極を、前記第2の素子は前記導電部と電気的に接続された第2の電極をそれぞれ有しており、
前記第1の電極と前記第2の電極とが同一層で同一高さに形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記化合物半導体積層構造は、二次元キャリアガスを有する電子走行層と、前記電子走行層に電子を供給する電子供給層と
を含み、
前記第1の素子は、HEMT素子であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 - 前記第2の素子は、前記化合物半導体積層構造内に形成され、前記導電部ごとに前記二次元キャリアガスを電気的に遮断するキャリア遮断部を更に有することを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
- シリコン基板に不純物拡散部を形成する工程と、
前記シリコン基板上に化合物半導体積層構造を形成する工程と、
前記化合物半導体積層構造に第1の素子及び第2の素子を形成する工程と
を含み、
前記第2の素子は、前記シリコン基板に形成された前記不純物拡散部と、前記化合物半導体積層構造内に形成され、前記不純物拡散部と電気的に接続された導電部とを有する素子であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1の素子に第1の電極を、前記第2の素子に前記導電部と電気的に接続される第2の電極を、前記第1の電極の上面と前記第2の電極の上面とが同一平面にあるように、同一工程で形成することを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記化合物半導体積層構造を形成する工程には、二次元キャリアガスを有する電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層に電子を供給する電子供給層を形成する工程と
が含まれ、
前記第1の素子は、HEMT素子であることを特徴とする請求項5又は6に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第2の素子において、前記化合物半導体積層構造内に、前記導電部ごとに前記二次元キャリアガスを電気的に遮断するキャリア遮断部を形成することを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
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