JP2020113625A - 半導体装置、半導体装置の製造方法及び増幅器 - Google Patents
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Abstract
Description
最初に、窒化物半導体を用いた半導体装置である電子走行層にGaNを用い電子供給層にAlGaNを用いたHEMTについて、図1に基づき説明する。図1に示す構造の半導体装置は、基板910の上に、窒化物半導体のエピタキシャル成長により、電子走行層921、電子供給層922が積層されている。基板910は、SiC等の材料により形成されている。電子走行層921はi−GaNにより形成されており、電子供給層922はAlGaNにより形成されている。これにより、電子走行層921において、電子走行層921と電子供給層922との界面近傍には、2DEG921aが生成される。電子供給層922の上には、ゲート電極941、ソース電極942及びドレイン電極943が形成されており、更に、露出している電子供給層922の上には、絶縁膜930が形成されている。
次に、第1の実施の形態における半導体装置について、図4に基づき説明する。本実施の形態における半導体装置は、基板10の上に、窒化物半導体のエピタキシャル成長により、核形成層11、バッファ層12、電子走行層21、電子供給層22が積層されている。基板10は、SiC等の材料により形成されているが、Si、サファイア、GaN、AlN、ダイヤモンド等により形成してもよい。核形成層11はAlN等により形成されており、バッファ層12はAlNやGaN等により形成されており、電子走行層21はi−GaNにより形成されており、電子供給層22はInAlNにより形成されている。これにより、電子走行層21において、電子走行層21と電子供給層22との界面近傍には、2DEG21aが生成される。また、窒化物半導体層には、素子分離領域60が形成されている。本願においては、電子走行層21を第1の半導体層と記載し、電子供給層22を第2の半導体層と記載する場合がある。
次に、本実施の形態における半導体装置の製造方法について、図7〜図12に基づき説明する。
本実施の形態における半導体装置は、図13に示されるように、ゲート電極50のゲートフィールドプレート領域50bのドレイン電極43側のすべてに、第1のゲート電極部51が形成されているものであってもよい。この場合、電界強度のピークは2つになるが、ゲートフィールドプレート領域50bのドレイン電極43側は、ショットキー領域50aよりも、仕事関数の低い材料により形成することにより、図2に示す構造のものよりも、耐圧を向上させることができる。しかしながら、より一層の耐圧の向上を求める場合には、図4等に示されるように、ゲート電極50のドレイン電極43側のゲートフィールドプレート領域50bには、第1のゲート電極部51と第2のゲート電極部52の双方が形成されていることが好ましい。
次に、第2の実施の形態における半導体装置について、図14に基づき説明する。本実施の形態における半導体装置は、ゲート電極150の第1のゲート電極部151と第2のゲート電極部152により形成されている。第2のゲート電極部152は、ショットキー領域150a及びゲートフィールドプレート領域150bの一部に形成されている。第1のゲート電極部151は、第2のゲート電極部152の一部を覆い、第2のゲート電極部152よりもドレイン電極43側の絶縁膜30の上に形成されている。本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様に、電界強度のピークを3つに分散させることができる。即ち、第1のゲート電極部151のドレイン電極43側の端部151a、第2のゲート電極部152のゲートフィールドプレート領域150bのドレイン電極43側の端部152a及びショットキー領域150aの端部152bに分散させることができる。尚、第1のゲート電極部151を形成している材料の仕事関数よりも、第2のゲート電極部152を形成している材料の仕事関数が大きいことは、第1の実施の形態と同様である。
次に、本実施の形態における半導体装置の製造方法について、図15〜図20に基づき説明する。
次に、第3の実施の形態における半導体装置について、図21に基づき説明する。本実施の形態における半導体装置は、ゲート電極250は、第1のゲート電極部251、第2のゲート電極部252、第3のゲート電極部253を有している。また、ゲート電極250は、電子供給層22と接しているショットキー領域250aと、ショットキー領域250aよりもドレイン電極43側の絶縁膜30の上のゲートフィールドプレート領域250bにより形成されている。
次に、第4の実施の形態における半導体装置について、図22に基づき説明する。本実施の形態における半導体装置は、ゲート電極350は、第1のゲート電極部351と第2のゲート電極部352とを有している。また、ゲート電極350は、電子供給層22と接しているショットキー領域350aと、ショットキー領域350aよりもドレイン電極43側であって、絶縁膜30の上に形成されたゲートフィールドプレート領域350bとにより形成されている。第1のゲート電極部351は、ゲート電極350のゲートフィールドプレート領域350bのドレイン電極43側の絶縁膜30の上に形成されている。また、第2のゲート電極部352は、ゲートフィールドプレート領域350bの第1のゲート電極部351の上、第1のゲート電極部351よりもショットキー領域350a側の絶縁膜30の上、ショットキー領域350aに形成されている。
次に、第5の実施の形態について説明する。本実施の形態は、半導体デバイス、電源装置及び高周波増幅器である。
(付記1)
基板の上に、窒化物半導体により形成された第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に、窒化物半導体により形成された第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上に形成された絶縁膜と、
前記第2の半導体層の上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記第2の半導体層の上のショットキー領域と、前記ショットキー領域の周囲の前記絶縁膜の上に形成されたゲートフィールドプレート領域と、を含むゲート電極と、
を有し、
前記ゲート電極において、前記ゲートフィールドプレート領域の前記ドレイン電極側には第1のゲート電極部が形成されており、前記ショットキー領域には第2のゲート電極部が形成されており、
前記第1のゲート電極部を形成している材料の仕事関数は、前記第2のゲート電極部を形成している材料の仕事関数よりも、小さいことを特徴とする半導体装置。
(付記2)
前記第2のゲート電極部の一部は、前記ゲートフィールドプレート領域の絶縁膜の上にも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。
(付記3)
前記第1のゲート電極部の上には、前記第2のゲート電極部が形成されていることを特徴とする付記1または2に記載の半導体装置。
(付記4)
前記第2のゲート電極部の上には、前記第1のゲート電極部が形成されていることを特徴とする付記1または2に記載の半導体装置。
(付記5)
前記第1のゲート電極部を形成している材料の仕事関数は、5.0eV未満であり、
前記第2のゲート電極部を形成している材料の仕事関数は、5.0eV以上であることを特徴とする付記1から4のいずれかに記載の半導体装置。
(付記6)
前記第1のゲート電極部を形成している材料の仕事関数は、4.5eV以下であり、
前記第2のゲート電極部を形成している材料の仕事関数は、5.0eV以上であることを特徴とする付記1から4のいずれかに記載の半導体装置。
(付記7)
前記第1のゲート電極部を形成している材料の仕事関数と、前記第2のゲート電極部を形成している材料の仕事関数との差は、0.5eV以上であることを特徴とする付記1から6のいずれかに記載の半導体装置。
(付記8)
前記第1のゲート電極部を形成している材料の仕事関数と、前記第2のゲート電極部を形成している材料の仕事関数との差は、1.0eV以上であることを特徴とする付記1から6のいずれかに記載の半導体装置。
(付記9)
前記第1のゲート電極部は、Al、Ta、Tiのいずれかを含む材料により形成されていることを特徴とする付記1から8のいずれかに記載の半導体装置。
(付記10)
前記第2のゲート電極部は、Pd、Ni、Au、Ptのいずれかを含む材料により形成されていることを特徴とする付記1から9のいずれかに記載の半導体装置。
(付記11)
基板の上に、窒化物半導体により形成された第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に、窒化物半導体により形成された第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上に形成された絶縁膜と、
前記第2の半導体層の上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記第2の半導体層の上のショットキー領域と、前記ショットキー領域の周囲の前記絶縁膜の上に形成されたゲートフィールドプレート領域と、を含むゲート電極と、
を有し、
前記ゲート電極において、前記ゲートフィールドプレート領域の前記ドレイン電極側には第1のゲート電極部が形成されており、前記ゲートフィールドプレート領域の前記第1のゲート電極部よりも、前記ショットキー領域側には第2のゲート電極部が形成されており、前記ショットキー領域には第3のゲート電極部が形成されており、
前記第1のゲート電極部を形成している材料の仕事関数は、前記第2のゲート電極部を形成している材料の仕事関数よりも小さく、前記第2のゲート電極部を形成している材料の仕事関数は、前記第3のゲート電極部を形成している材料の仕事関数よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
(付記12)
前記第1の半導体層は、GaNを含む材料により形成されており、
前記第2の半導体層は、AlGaNまたはInAlNを含む材料により形成されていることを特徴とする付記1から11のいずれかに記載の半導体装置。
(付記13)
基板の上に、窒化物半導体により第1の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層の上に、窒化物半導体により第2の半導体層を形成する工程と、
前記第2の半導体層の上に、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
前記第2の半導体層の上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に形成される開口部と、前記開口部よりもドレイン電極側の第1のゲート電極部を形成し、前記開口部における前記第2の半導体層の上、及び、前記第1のゲート電極部の上に、第2のゲート電極部を形成する工程と、
を有し、
ゲート電極は、前記第1のゲート電極部と前記第2のゲート電極部により形成されており、
前記第1のゲート電極部を形成している材料の仕事関数は、前記第2のゲート電極部を形成している材料の仕事関数よりも、小さいことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記14)
基板の上に、窒化物半導体により第1の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層の上に、窒化物半導体により第2の半導体層を形成する工程と、
前記第2の半導体層の上に、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
前記第2の半導体層の上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に開口部を形成する工程と、
前記開口部の前記第2の半導体層及び前記開口部の周囲の前記絶縁膜の上に、前記第2のゲート電極部を形成する工程と、
前記第2のゲート電極部よりも、ドレイン電極側に第1のゲート電極部を形成する工程と、
を有し、
ゲート電極は、前記第1のゲート電極部と前記第2のゲート電極部により形成されており、
前記第1のゲート電極部を形成している材料の仕事関数は、前記第2のゲート電極部を形成している材料の仕事関数よりも、小さいことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記15)
前記第1のゲート電極部を形成している材料の仕事関数は、5.0eV未満であり、
前記第2のゲート電極部を形成している材料の仕事関数は、5.0eV以上であることを特徴とする付記13または14に記載の半導体装置の製造方法。
(付記16)
前記第1のゲート電極部を形成している材料の仕事関数と、前記第2のゲート電極部を形成している材料の仕事関数との差は、0.5eV以上であることを特徴とする付記13から15のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記17)
前記第1のゲート電極部は、Al、Ta、Tiのいずれかを含む材料により形成されていることを特徴とする付記13から16のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記18)
前記第2のゲート電極部は、Pd、Ni、Au、Ptのいずれかを含む材料により形成されていることを特徴とする付記13から17のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記19)
付記1から12のいずれかに記載の半導体装置を有することを特徴とする電源装置。
(付記20)
付記1から12のいずれかに記載の半導体装置を有することを特徴とする増幅器。
11 核形成層
12 バッファ層
21 電子走行層
21a 2DEG
22 電子供給層
30 絶縁膜
42 ソース電極
43 ドレイン電極
50 ゲート電極
50a ショットキー領域
50b ゲートフィールドプレート領域
51 第1のゲート電極部
52 第2のゲート電極部
60 素子分離領域
Claims (10)
- 基板の上に、窒化物半導体により形成された第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に、窒化物半導体により形成された第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上に形成された絶縁膜と、
前記第2の半導体層の上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記第2の半導体層の上のショットキー領域と、前記ショットキー領域の周囲の前記絶縁膜の上に形成されたゲートフィールドプレート領域と、を含むゲート電極と、
を有し、
前記ゲート電極において、前記ゲートフィールドプレート領域の前記ドレイン電極側には第1のゲート電極部が形成されており、前記ショットキー領域には第2のゲート電極部が形成されており、
前記第1のゲート電極部を形成している材料の仕事関数は、前記第2のゲート電極部を形成している材料の仕事関数よりも、小さいことを特徴とする半導体装置。 - 前記第2のゲート電極部の一部は、前記ゲートフィールドプレート領域の絶縁膜の上にも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。
- 前記第1のゲート電極部を形成している材料の仕事関数は、5.0eV未満であり、
前記第2のゲート電極部を形成している材料の仕事関数は、5.0eV以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。 - 前記第1のゲート電極部を形成している材料の仕事関数と、前記第2のゲート電極部を形成している材料の仕事関数との差は、0.5eV以上であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記第1のゲート電極部は、Al、Ta、Tiのいずれかを含む材料により形成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記第2のゲート電極部は、Pd、Ni、Au、Ptのいずれかを含む材料により形成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の半導体装置。
- 基板の上に、窒化物半導体により形成された第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に、窒化物半導体により形成された第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上に形成された絶縁膜と、
前記第2の半導体層の上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記第2の半導体層の上のショットキー領域と、前記ショットキー領域の周囲の前記絶縁膜の上に形成されたゲートフィールドプレート領域と、を含むゲート電極と、
を有し、
前記ゲート電極において、前記ゲートフィールドプレート領域の前記ドレイン電極側には第1のゲート電極部が形成されており、前記ゲートフィールドプレート領域の前記第1のゲート電極部よりも、前記ショットキー領域側には第2のゲート電極部が形成されており、前記ショットキー領域には第3のゲート電極部が形成されており、
前記第1のゲート電極部を形成している材料の仕事関数は、前記第2のゲート電極部を形成している材料の仕事関数よりも小さく、前記第2のゲート電極部を形成している材料の仕事関数は、前記第3のゲート電極部を形成している材料の仕事関数よりも小さいことを特徴とする半導体装置。 - 基板の上に、窒化物半導体により第1の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層の上に、窒化物半導体により第2の半導体層を形成する工程と、
前記第2の半導体層の上に、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
前記第2の半導体層の上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に形成される開口部と、前記開口部よりもドレイン電極側の第1のゲート電極部を形成し、前記開口部における前記第2の半導体層の上、及び、前記第1のゲート電極部の上に、第2のゲート電極部を形成する工程と、
を有し、
ゲート電極は、前記第1のゲート電極部と前記第2のゲート電極部により形成されており、
前記第1のゲート電極部を形成している材料の仕事関数は、前記第2のゲート電極部を形成している材料の仕事関数よりも、小さいことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 基板の上に、窒化物半導体により第1の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層の上に、窒化物半導体により第2の半導体層を形成する工程と、
前記第2の半導体層の上に、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
前記第2の半導体層の上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に開口部を形成する工程と、
前記開口部の前記第2の半導体層及び前記開口部の周囲の前記絶縁膜の上に、第2のゲート電極部を形成する工程と、
前記第2のゲート電極部よりも、ドレイン電極側に第1のゲート電極部を形成する工程と、
を有し、
ゲート電極は、前記第1のゲート電極部と前記第2のゲート電極部により形成されており、
前記第1のゲート電極部を形成している材料の仕事関数は、前記第2のゲート電極部を形成している材料の仕事関数よりも、小さいことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1から7のいずれかに記載の半導体装置を有することを特徴とする増幅器。
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