JP6642883B2 - 窒化物半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
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。ゲート電極は、絶縁膜を挟んで電子供給層に対向するように配置される。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。
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。
この発明の一実施形態では、前記電子走行層がGaN層からなる。
この発明の一実施形態では、前記パッシベーション膜は、熱CVD法で形成されている。
この発明の一実施形態では、前記電子供給層は、前記開口部の底部に、当該電子供給層の酸化によって形成された酸化膜を含む。
この発明の一実施形態では、前記パッシベーション膜は、前記電子走行層を成膜するための成膜装置内で形成されている。
この発明の一実施形態では、前記パッシベーション膜上において、前記ゲート電極の近傍に配置され、前記ソース電極に電気的に接続されたソースフィールドプレートをさらに含む。
この発明による窒化物半導体装置の製造方法は、GaNからなる電子走行層を形成する工程と、前記電子走行層上に、AlxInyGa1−x−yN(0.8≦x≦1.0,0≦x+y≦1)層からなり、前記電子走行層によって引っ張り歪が加えられる電子供給層を形成する工程と、前記電子供給層上に形成され、SiNからなるパッシベーション膜を熱CVD法によって形成する工程と、前記パッシベーション膜上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層および前記パッシベーション膜に、前記電子供給層に達するゲート開口部を形成する工程と、前記ゲート開口部の底部に、前記電子供給層を選択的に酸化することにより、酸化膜を形成する工程と、前記ゲート開口部の底部および側部を覆うようにゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート開口部内の前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、前記電子供給層上にドレイン電極を形成する工程と、前記ゲート電極に対して前記ドレイン電極とは反対側において、前記電子供給層上にソース電極を形成する工程とを含み、前記パッシベーション膜が10nm以上である。
この発明の一実施形態では、前記絶縁層の形成に先立って、前記パッシベーション膜上にプレート膜を形成する工程を含み、前記ゲート開口部を形成する工程は、前記プレート膜の少なくとも一部に対向する領域を含むエッチング領域から前記絶縁層および前記プレート膜をエッチングして第1開口部を形成する工程と、前記第1開口部の底部における前記パッシベーション膜を選択的に除去することにより、前記第1開口部に連通する第2開口部とを形成する工程とを含み、前記ドレイン電極を形成する工程は、前記ゲート電極との間に前記プレート膜を挟むように、前記電子供給層上にドレイン電極を形成する工程を含む。
図1は、この発明の一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電子走行層4と、電子走行層4上にエピタキシャル成長された電子供給層5とを含む。窒化物半導体装置1は、電子供給層5上に配置された、ソース電極6、ゲート電極7、ドレイン電極8、フローティングプレート9およびソースフィールドプレート10をさらに含む。フローティングプレート9は、ソース電極6とゲート電極7との間に配置されている。ソースフィールドプレート10は、ゲート電極7とドレイン電極8との間に配置されている。
電子走行層4および電子供給層5は、互いにAl組成の異なる窒化物半導体からなる。この実施形態では、電子走行層4は、GaN層からなり、その厚さは0.1μm〜3.0μm程度である。電子供給層5は、電子走行層4よりもAl組成の高い窒化物半導体からなっている。この実施形態では、電子供給層5は、AlN層からなり、その厚さは1.5nm〜7nm程度である。電子供給層5の膜厚は1.5nm以上であることが好ましい。電子供給層5は、AlN層に限らず、AlxInyGa1−x−yN(0.8≦x≦1.0,0≦x+y≦1)層から構成されていればよい。
窒化物半導体装置1は、電子供給層5上に形成された、パッシベーション膜13および絶縁層14をさらに含む。パッシベーション膜13は、SiN膜からなる。この実施形態では、パッシベーション膜13は、電子供給層5の酸化保護膜としての機能の他、電子供給層5の分極を弱める機能を有している。パッシベーション膜13の膜厚に電子供給層5の酸化保護膜としての機能のみを持たせる場合には、パッシベーション膜13の膜厚は2nm〜3nmで足りる。しかしながら、この実施形態のように、パッシベーション膜13に電子供給層5の分極を弱める機能を持たせるためには、パッシベーション膜13の膜厚は、10nm以上であることが好ましい。この実施形態では、パッシベーション膜13の膜厚は、10nm〜100nm程度である。
絶縁層14およびパッシベーション膜13には、電子供給層5に達する、ソースコンタクトホール20およびドレインコンタクトホール21が形成されている。ソースコンタクトホール20およびドレインコンタクトホール21は、ゲート開口部17から横方向に離れた位置に形成されている。ソースコンタクトホール20およびドレインコンタクトホール21には、それぞれ、ソース電極6およびドレイン電極8が埋め込まれている。ソース電極6およびドレイン電極8は、それぞれ、ソースコンタクトホール20およびドレインコンタクトホール21内で、電子供給層5に電気的に接続されている。
酸化膜12と電子走行層4との界面は、電子供給層5と電子走行層4との界面に連続していて、ゲート電極7の直下における電子走行層4の界面の状態は、電子供給層5と電子走行層4との界面の状態と同等である。そのため、ゲート電極7の直下の電子走行層4における電子移動度は高い状態に保持されている。こうして、この実施形態は、ノーマリーオフ型のHEMT構造を有する窒化物半導体装置を提供する。
まず、図2Aに示すように、基板2上に、バッファ層3および電子走行層4が順にエピタキシャル成長される。さらに、電子走行層4上に電子供給層5がエピタキシャル成長される。
次に、図2Cに示すように、スパッタ法、蒸着法等によって、パッシベーション膜13上にプレート膜31が形成される。そして、図2Dに示すように、たとえば、ドライエッチングによって、プレート膜31が選択的に除去される。これにより、ソース電極6の形成領域とドレイン電極8の形成領域との間に、プレート膜31が形成される。
次に、図2Fに示すように、プレート膜31に対向する領域を含むエッチング領域から第1層15およびプレート膜31をエッチングすることによって、第1開口部17a(ゲート開口部17)が形成される。これにより、プレート膜31は、第1開口部17aに対してソース側のフローティングプレート9と、第1開口部17aに対してドレイン側のソースフィールドプレート10とに分離される。したがって、フローティングプレート9およびソースフィールドプレート10は、この段階では、第1開口部17a(ゲート開口部17)の側部に露出することになる。
次に、図2Iに示すように、たとえば、ドライエッチングによって、第1開口部17aの底部におけるパッシベーション膜13が選択的に除去される。これにより、パッシベーション膜13に、第1開口部17aに連通する第2開口部17bが形成される。つまり、第1開口部17aと第2開口部17bとを含むゲート開口部17が形成される。これにより、ゲート開口部17の底部に電子供給層5が露出する。パッシベーション膜13がSiN膜であり、上層膜34がAl2O3膜である場合、パッシベーション膜13用のエッチャント(たとえば、CF4ガス等)に対して上層膜34のエッチング選択比を小さくすることができる。したがって、パッシベーション膜13をエッチングする際に、下層膜33を上層膜34で保護できるので、下層膜33(サイドウォール19)がパッシベーション膜13と一緒にエッチングされて薄くなることを抑制することができる。そのため、パッシベーション膜13のエッチング後においても、設計値に近い厚さを有するサイドウォール19を維持することができる。
次に、図2Mに示すように、電子供給層5上の全面を覆うように、たとえば、スパッタ法、蒸着法等によって、絶縁層14上に電極膜が形成され、この電極膜をパターニングすることによって、ソース電極6およびドレイン電極8が形成される。以上の工程を経て、図1に示す窒化物半導体装置1が得られる。
ゲート電極7の直下以外の領域においては、図3に示すように、電子走行層4と電子供給層5との界面における電子走行層4の伝導帯のエネルギーレベルECはフェルミ準位EFよりも低くなり、電子走行層4内に二次元電子ガスが発生する。
q:素電荷量
NS:シートキャリア密度(二次元電子ガス密度)
EDD:表面ドナー順位
ΔEC:AlNとGaNの伝導帯エネルギー差
d:AlGaNの膜厚
ε0:真空の誘電率
εAlGaN:AlGaNの比誘電率
εGaN:GaNの比誘電率
NT:GaNの深いアクセプタ密度
EDA:GaNの深いアクセプタ準位
ND:GaNのドナー密度
W:AlGaNの分極によってGaN中の深いアクセプタが正孔放出する幅
P:AlGaNとGaNの分極量の差(AlGaN/GaNの界面での総分極量)
P=Psp(AlGaN)+Ppz(AlGaN)−Psp(GaN)
Psp(AlGaN):AlGaNの自発分極量
Ppz(AlGaN):AlGaNのピエゾ分極量
Psp(GaN):GaNの自発分極量
前記式(2)から、電子走行層4と電子供給層5の分極量の差Pが大きいほど、かつ電子供給層5の膜厚dが大きいほど、シートキャリア密度NSが増加することがわかる。
図4は、表面ドナー順位EDDをパラメータとして、参考例のゲート電極直下以外の領域での電子供給層の膜厚に対するシートキャリア密度NSの特性を示すグラフである。表面ドナー順位EDDは、1.3eVから1.9eVまで0.1eVずつ変化させている。AlGaNとGaNの分極量の差Pは、P=2.06×10−6[C/cm2]とした。
図7から、パッシベーション膜13の膜厚が大きくなるほど、シートキャリア密度NSが小さくなることがわかる。また、シートキャリア密度NSの理想値が1.0×103[/cm2]程度であるとすると、パッシベーション膜13の膜厚が10nm以上であることが好ましいことがわかる。
ソース電極6を接地し、ゲート電圧(ゲート・ソース間電圧)を零とし、ドレイン電圧VD(ドレイン・ソース間電圧)を大きくしてくと、ソースフィールドプレート10の直下の二次元電子ガスが減少するため、ドレイン−ソース間の容量Cdsが減少する。このため、出力容量Cossが低下する。電子走行層4内に発生している二次元電子ガス濃度が高い半導体装置ほど、出力容量Cossは減少しにくい。したがって、ドレイン電圧VDが0Vのときの出力容量を基準出力容量Cossoとすると、出力容量Cossが基準出力容量Cossoの1/2となるドレイン電圧は、二次元電子ガス濃度が大きい窒化物半導体装置ほど大きな値となる。
前述の実施形態では、ゲート電極7への電界集中を緩和するためにソースフィールドプレート10が設けられているが、ソースフィールドプレート10の代わりに、ゲート電極と一体的なゲートフィールドプレートを設けてもよい。この場合には、ゲート−ドレイン間の容量Cgdが大きくなる。ドレイン電圧VD(ドレイン・ソース間電圧)を大きくしてくと、ゲートフィールドプレートの直下の二次元電子ガスが減少するため、ゲート・ドレイン間の容量Cgdが減少する。このため、出力容量Cossが低下する。したがって、ゲートフィールドプレートが設けられている場合におけるドレイン電圧VDに対する出力容量Cossの特性は、ソースフィールドプレートが設けられている場合と同様な特性となる。
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。
2 基板
3 バッファ層
4 電子走行層(GaN層)
5 電子供給層(AlN層)
6 ソース電極
7 ゲート電極
7a オーバーラップ部
8 ドレイン電極
9 フローティングプレート
10 ソースフィールドプレート
11 二次元電子ガス
12 酸化膜
13 パッシベーション膜
14 絶縁層
15 第1層
16 第2層
17 ゲート開口部
17a 第1開口部
17b 第2開口部
18 ゲート絶縁膜
19 サイドウォール
20 ソースコンタクトホール
21 ドレインコンタクトホール
31 プレート膜
32 絶縁膜
33 下層膜
34 上層膜
35 突出部
Claims (12)
- GaNからなる電子走行層と、
前記電子走行層上に形成され、AlxInyGa1−x−yN(0.8≦x≦1.0,0≦x+y≦1)層からなり、前記電子走行層によって引っ張り歪が加えられている電子供給層と、
前記電子供給層上に形成され、前記電子供給層に達する開口部を有する、SiNからなるパッシベーション膜と、
前記電子供給層上に、前記開口部内に形成されたゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を挟むように前記ゲート電極から離れて配置され、前記電子供給層に電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極と、
前記ゲート電極への電界集中を緩和するためのフィールドプレートとを含み、
ドレイン電圧が0V時の出力容量Cossを基準出力容量Cossoとすると、出力容量Cossが基準出力容量Cossoの1/2となるドレイン電圧が20V以下である、窒化物半導体装置。 - GaNからなる電子走行層と、
前記電子走行層上に形成され、AlxInyGa1−x−yN(0.8≦x≦1.0,0≦x+y≦1)層からなり、前記電子走行層によって引っ張り歪が加えられている電子供給層と、
前記電子供給層上に形成され、前記電子供給層に達する開口部を有する、SiNからなるパッシベーション膜と、
前記電子供給層上に、前記開口部内に形成されたゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を挟むように前記ゲート電極から離れて配置され、前記電子供給層に電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極とを含み、
ゲート長が1μm以下である、窒化物半導体装置。 - 前記電子供給層がAlN層からなる、請求項1または2に記載の窒化物半導体装置。
- 前記電子走行層がGaN層からなる、請求項1〜3のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
- 前記パッシベーション膜は、熱CVD法で形成されている、請求項1〜4いずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
- 前記電子供給層は、前記開口部の底部に、当該電子供給層の酸化によって形成された酸化膜を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
- 前記電子供給層の膜厚は1.5nm以上である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
- 前記パッシベーション膜は、前記電子走行層を成膜するための成膜装置内で形成されている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
- 前記パッシベーション膜上において、前記ゲート電極の近傍に配置され、前記ソース電極に電気的に接続されたソースフィールドプレートをさらに含む、請求項2に記載の窒化物半導体装置。
- 前記フィールドプレートが、前記パッシベーション膜上において、前記ゲート電極の近傍に配置され、前記ソース電極に電気的に接続されたソースフィールドプレートである、請求項1に記載の窒化物半導体装置。
- GaNからなる電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層上に、Al x In y Ga 1−x−y N(0.8≦x≦1.0,0≦x+y≦1)層からなり、前記電子走行層によって引っ張り歪が加えられる電子供給層を形成する工程と、
前記電子供給層上に形成され、SiNからなるパッシベーション膜を熱CVD法によって形成する工程と、
前記パッシベーション膜上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層および前記パッシベーション膜に、前記電子供給層に達するゲート開口部を形成する工程と、
前記ゲート開口部の底部に、前記電子供給層を選択的に酸化することにより、酸化膜を形成する工程と、
前記ゲート開口部の底部および側部を覆うようにゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート開口部内の前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記電子供給層上にドレイン電極を形成する工程と、
前記ゲート電極に対して前記ドレイン電極とは反対側において、前記電子供給層上にソース電極を形成する工程とを含み、
前記パッシベーション膜が10nm以上である、窒化物半導体装置の製造方法。 - 前記絶縁層の形成に先立って、前記パッシベーション膜上にプレート膜を形成する工程を含み、
前記ゲート開口部を形成する工程は、前記プレート膜の少なくとも一部に対向する領域を含むエッチング領域から前記絶縁層および前記プレート膜をエッチングして第1開口部を形成する工程と、前記第1開口部の底部における前記パッシベーション膜を選択的に除去することにより、前記第1開口部に連通する第2開口部とを形成する工程とを含み、
前記ドレイン電極を形成する工程は、前記ゲート電極との間に前記プレート膜を挟むように、前記電子供給層上にドレイン電極を形成する工程を含む、請求項11に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
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