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JP6434625B2 - 斜めフィールドプレートパワーデバイス及び斜めフィールドプレートパワーデバイスの製造方法 - Google Patents

斜めフィールドプレートパワーデバイス及び斜めフィールドプレートパワーデバイスの製造方法 Download PDF

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Description

本出願は、「蘇州捷芯威半導体有限公司」を出願人とする、「斜めフィールドプレートパワーデバイス及び斜めフィールドプレートパワーデバイスの製造方法」と題する、2014年09月01日に出願された中国特許出願第201410440179.2号の優先権を主張し、当該出願の内容は参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、半導体の技術分野に関し、具体的には斜めフィールドプレートパワーデバイス及び斜めフィールドプレートパワーデバイスの製造方法に関する。
第3世代半導体の窒化ガリウム(GaN)材料の破壊電界は、第1世代半導体のシリコン(Si)材料又は第2世代半導体のヒ化ガリウム(GaAs)材料よりも大きく上回っており、したがって、窒化ガリウムに基づく電子デバイスは、より高い動作電圧に耐えることができる。なお、窒化ガリウムは、他のIII−N族化合物半導体と共にヘテロ接合を形成することができ、高濃度の二次元電子ガス(Two−Dimensional Electron Gas、「2DEG」という。)チャネルを有する。したがって、高電圧大電流の特性により、窒化ガリウムの高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor,「HEMT」という。)は高出力の電子装置の製造に適用され、広い応用が見込まれる。
HEMTデバイスは、プレーナ型チャネル電界効果トランジスタに属し、そのゲートがドレインに近づく方向の縁部が大部分の電界線を集めて、1つの高電界ピークを形成することが多い。ゲートとドレインとの間に印加される電圧が高まる場合、この箇所の電界は急激に高められ、ゲートのリーク電流を増大させる。このような局所的な高電界は、アバランシェ(電子雪崩)破壊が生じることによるデバイスの失効を容易に引き起こし、デバイスの破壊電圧を低下させる。同時に、動作時間の増加に伴って、高電界は、デバイス表面の誘電体層又は半導体材料層の劣化及び変性を引き起こし、さらにデバイスの動作信頼性に影響し、デバイス寿命を低減させる。
従来技術では、一般的に、デバイスのゲート付近の高電界を低下させるように、ゲートがドレインに隣接する一側に1つのフィールドプレートを配置し、デバイスの破壊電圧を高めて、優れた信頼性を取得している。図1は、従来技術のフィールドプレートパワーデバイスの構成図を示す。図1に示すように、フィールドプレートパワーデバイスは、基板101と、基板101上に順に設けられた核形成層102、バッファ層103、チャネル層104及び障壁層105と、障壁層105上に位置するソース106及びドレイン107と、ソース106とドレイン107との間に位置するゲート108と、ゲート108上と、ゲート108とソース106及びドレイン107との間の障壁層105上とに位置する誘電体層109と、誘電体層109上に位置する金属フィールドプレート構造110とを備える。前記金属フィールドプレート構造110の底部は、障壁層105と平行し、一般的にソース106又はゲート108と接続する。ゲート-ドレイン領域には、付加的な電位が生じ、ゲート108がドレイン107に隣接する縁部付近の電界ピークを効果的に抑制し、デバイスの破壊電圧及び信頼性を向上させることができる。このようなフィールドプレートの底部がデバイスの障壁層105の表面と平行することにより、ゲート108の縁部付近の電界ピークを減少させると同時に、フィールドプレートの末端付近に新たに小さい電界ピークを形成する。その新たな電界ピーク値は、フィールドプレートの長さの増加に伴って増加し、それによって、フィールドプレートの末端領域のデバイスの破壊又は失効を容易に引き起こし、デバイスの破壊という問題を根本的に解決することはできず、矛盾を1つの箇所からもう1つの箇所に転移したに過ぎない。また、フィールドプレートが長すぎると、大きな寄生容量が生じ、デバイスの高周波パワー特性に影響を与える。
その状況を改善するため、従来技術では、順に高まった多層(例えば、3層)のフィールドプレート構造を用いることが多く、電位の階段分布を形成している。このような階段分布のフィールドプレート構造は、多段階のフォトエッチング、誘電体沈積及び金属沈積などの工程で合わせて完成され、製造工程が複雑であり、同時にデバイスの製造コストを増加させている。また、このような多層のフィールドプレートは、デバイス表面の電界を完全に均一に分布することができず、望ましいデバイス性能を実現し難い。
本発明の実施例は、斜めフィールドプレートパワーデバイス及び斜めフィールドプレートパワーデバイスの製造方法を提供し、デバイスの表面の高電界ピークを平らに抑制し、破壊しやすい領域を除去し、パワーデバイス全体の耐圧性を向上させ、パワーデバイスの高周波特性を改善し、製造工程の複雑性と製造コストを低減することができる。
第1実施形態において、本発明の実施例は、斜めフィールドプレートパワーデバイスを提供する。前記デバイスは、基板と、多層半導体層と、ソースと、ドレインと、ゲートと、誘電体層と、凹溝と、斜めフィールドプレート構造とを備え、
前記多層半導体層は、前記基板上に位置し、
前記ソース及びドレインは、前記多層半導体層上に位置し、前記ゲートは、ソースとドレインとの間に位置し、
前記誘電体層は、前記ゲート上に位置し、ゲートとソースとの間の多層半導体層上に位置し、ゲートとドレインとの間の多層半導体層上に位置し、
前記凹溝は、前記ゲートとドレインとの間の誘電体層に位置し、前記凹溝の側面は、所定の傾きを有し、
前記斜めフィールドプレート構造は、前記凹溝の内壁に位置する。
さらに、前記多層半導体層は、基板上に位置する核形成層と、核形成層上に位置するバッファ層と、バッファ層上に位置するチャネル層と、チャネル層上に位置する障壁層とを備え、前記チャネル層及び前記障壁層は、ヘテロ接合構造を形成し、ヘテロ界面において二次元電子ガスが形成され、前記ソース及び前記ドレインは、それぞれ二次元電子ガスと接触する。
さらに、前記斜めフィールドプレート構造の材料は、金属材料である。
さらに、前記斜めフィールドプレート構造は、前記ソースに接続し、又は前記ゲートに接続し、又はある定電位に接続し、又はフローティング状態にある。
さらに、前記斜めフィールドプレート構造の形状は、直線形、曲線形、鋸歯状又は階段状のいずれかの1種類又は複数種類の組み合わせである。
さらに、前記多層半導体層は、前記チャネル層と障壁層との間に位置する挿入層をさらに備える。
さらに、前記挿入層の材料は、AlNである。
さらに、前記多層半導体層は、前記バッファ層とチャネル層との間に位置するバック障壁層をさらに備える。
さらに、前記バック障壁層の材料は、AlGaNである。
さらに、前記デバイスは、前記多層半導体層とゲートとの間に位置するゲート誘電体をさらに備える。
さらに、前記ゲートは、前記障壁層の表面に位置し、又は前記障壁層の凹部に少なくとも部分的に位置する。
さらに、前記多層半導体層は、III−V族化合物の半導体材料を含む。
さらに、前記ゲート誘電体の材料は、SiN、SiO2、SiON、Al2O3、HfO2、HfAlOx中の任意の1種類又は任意の複数種類の組み合わせを含む。
さらに、前記ゲートは、T型ゲート又は斜面ゲートである。
第2実施形態において、本発明の実施例は、第1実施形態による斜めフィールドプレートパワーデバイスの製造方法を提供する。前記方法は、
基板上に多層半導体層を形成することと、
前記多層半導体層上にソース、ドレイン、ソースとドレインとの間に位置するゲートを形成することと、
前記ゲート上に、ゲートとソースとの間及びゲートとドレインとの間の多層半導体層に、誘電体層を形成することと、
前記ゲートとドレインとの間の誘電体層に、側面が所定傾きを有する凹溝を形成することと、
前記凹溝の内壁に斜めフィールドプレート構造を形成することと、
を備える。
さらに、基板上に多層半導体層を形成することは、
前記基板上に核形成層を形成することと、
前記核形成層上にバッファ層を形成することと、
前記バッファ層上にチャネル層を形成することと、
前記チャネル層上に障壁層を形成することと、
を備え、
前記チャネル層及び前記障壁層は、ヘテロ接合構造を形成し、ヘテロ界面において二次元電子ガスが形成され、前記ソース及び前記ドレインは、それぞれ二次元電子ガスと接触する。
さらに、前記誘電体層上に凹溝を形成する方法は、ドライエッチング又はウェットエッチングを含む。
さらに、前記凹溝の内壁に斜めフィールドプレート構造を形成する方法は、金属電子ビーム蒸着工程、金属スパッタリング工程又は金属化学気相蒸着工程を含む。
本発明の実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイス及び斜めフィールドプレートパワーデバイスの製造方法は、誘電体層に側面が所定の傾きを有する凹溝を形成することで、前記凹溝の内壁に斜めフィールドプレート構造を沈積する。パワーデバイスのドレインに電圧を印加している場合に、前記斜めフィールドプレート構造は、デバイス表面の電界分布を調節することができる。斜めフィールドプレート構造が所定の傾きを有するため、フィールドプレートの末端の電界ピークが平らに抑制される。電界分布全体を均一にし、ゲートのドレインに隣接する箇所における電界ピークも引き下げられ、、パワーデバイスの表面に明らかな高ピーク電界が発生することなく、破壊しやすい領域を除去し、パワーデバイス全体の耐圧性を向上させ、パワーデバイスの高周波特性を改善し、製造工程の複雑性と製造コストを低減することができる。
以下、当業者が本発明の上述と他の特徴及び利点を明らかに分かるように、図面を参照しながら本発明の例示的な実施例を詳細に説明する。
図1は、従来技術のフィールドプレートパワーデバイスの構成図を示す。 図2は、本発明の第1実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの構成図を示す。 図3は、本発明の第1実施例の斜めフィールドプレートパワーデバイス及び従来技術のフィールドプレートパワーデバイスが高電圧状態でのデバイス表面の電界分布模式図を示す。 図4A〜4Fは、本発明の第1実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの製造方法の各ステップに対応する構造の断面図を示す。 図5〜9は、本発明の第1実施例の好ましい実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの構成図を示す。 図10は、本発明の第2実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの構成図を示す。 図11は、本発明の第3実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの構成図を示す。 図12は、本発明の第4実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの構成図を示す。 図13は、本発明の第5実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの構成図を示す。 図14は、本発明の第6実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの構成図を示す。 図15は、本発明の第7実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの構成図を示す。 図16A〜16Dは、本発明の第7実施例において斜めフィールドプレート構造を製造するステップに対応する断面図を示す。 図17A〜17Dは、本発明第7実施例の好ましい実施例において斜めフィールドプレート構造を製造するステップに対応する断面図を示す。
以下、図面及び実施例を参照しながら、本発明について更に説明する。本発明の具体的な実施例は、本発明を説明するためのものであり、本発明を限定するものではないと理解されるべきである。なお、本発明の説明を容易にするために、図面では、本発明に関わる部分が例示されており、全ての内容が例示されていない。
<第1実施例>
図2は、本発明の第1実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの構成図を示す。図2に示すように、当該斜めフィールドプレートパワーデバイスは、基板11と、多層半導体層12と、ソース13と、ドレイン14と、ゲート15と、誘電体層16と、凹溝と、斜めフィールドプレート構造17とを備える。多層半導体層12は、基板11上に設けられる。多層半導体層12上には、ソース13、ドレイン14、及びソース13とドレイン14の間に位置するゲート15が設けられる。誘電体層16は、ゲート15上に設けられ、及びゲート15とソース13との間及びゲート15とドレイン14との間の多層半導体層12に設けられる。凹溝は、前記ゲート15とドレイン14との間の誘電体層16に設けられる。前記凹溝の側面は、所定の傾きを有する。斜めフィールドプレート構造17は、前記凹溝の内壁に位置する。
基板11の材料は、シリコン、サファイア、炭化ケイ素、絶縁基板シリコン、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛又は任意の他のIII族窒化物の成長可能な材料であってもよい。
多層半導体層12の材料は、III−V族化合物の半導体材料であってもよい。具体的には、前記多層半導体層12は、核形成層121と、バッファ層122と、チャネル層123と、障壁層124とを含んでもよい。
核形成層121は、基板11上に位置する。当該核形成層121は、その上のヘテロ接合材料の結晶品質、表面モルフォロジー及び電気特性などのパラメーターに影響を与え、基板材料及びヘテロ接合構造における半導体材料層を合わせる役割を果たす。
バッファ層122は、核形成層121上に位置する。バッファ層122は、一部の金属イオンが侵入できないように基板11を保護することができ、バッファ層122上に成長する他の半導体材料層を接着することができる。バッファ層122の材料は、AlGaN、GaN又はAlGaInNなどのIII族窒化物材料であってもよい。
チャネル層123はバッファ層122上に位置し、障壁層124はチャネル層123上に位置する。障壁層124の材料はAlGaNであってもよい。前記チャネル層123及び障壁層124はヘテロ接合構造を形成する。ヘテロ界面において、2DEGチャネル(図2に破線で示すように)が形成される。チャネル層123は2DEGの移動ためのチャネルを提供し、障壁層124は障壁の役割を果たす。
障壁層124上に位置したソース13及びドレイン14は、それぞれ2DEGと接触する。ゲート15は、ソース13とドレイン14との間に位置し、障壁層124上に位置する。ゲート15はT型ゲートであってもよい。ゲート15に適切なバイアス電圧を印加している場合、電流は、チャネル層123と障壁層124との界面における2DEG導電チャネルを通過してソース13とドレイン14との間に流れる。
前記誘電体層16は、前記斜めフィールドプレートパワーデバイスの多層半導体層の表面に対してパッシベーション保護を行うことができる。
凹溝は、前記ゲート15とドレイン14との間の誘電体層16に位置する。前記凹溝の側面は所定の傾きを有する。前記凹溝の内壁には、斜めフィールドプレート構造17が沈積される。当該斜めフィールドプレート構造17の形状は、直線形である。当該凹溝の底部は、ドレイン14に向かって延伸すればするほど、多層半導体層12から離れる距離が遠くなる。ドレイン14に電圧を印加している場合、斜めフィールドプレート構造17は、パワーデバイス表面の電界を調節することができる。ドレイン14に隣接する斜めフィールドプレート構造17の一端が多層半導体層12から遠ざかれば、図3に示すように、従来技術のフィールドプレートに対して、フィールドプレートの末端の電界ピークを平らに抑制し、全体電界分布をより均一にし、ドレイン14に隣接するゲート15のピークを低くする。図3は、本発明の第1実施例の斜めフィールドプレートパワーデバイス及び従来技術のフィールドプレートパワーデバイスが高電圧状態でのデバイス表面の電界分布模式図を示す。図3では、横座標が電界分布位置を表し、縦座標がデバイス表面の電界を表し、実線が従来技術のフィールドプレートパワーデバイスの高電圧状態でのデバイス表面の電界分布の模式図を表し、断線が本発明の第1実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの高電圧状態でのデバイス表面の電界分布の模式図を表す。図3に示すように、従来技術において、このようなフィールドプレートの底部がデバイスの障壁層表面と平行しているので、ゲートの縁部に隣接する電界ピークを減少すると同時に、フィールドプレートの末端付近に新しく小さい電界ピークを形成し、その新しい電界ピーク値がフィールドプレートの長さの増加に伴って増加し、それによって、フィールドプレートの末端領域のデバイスの破壊又は失効を容易に引き起こす。デバイスの破壊という問題は根本的に解決できない。しかし、本発明の第1実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの表面に明らかな高い電界ピークが発生せず、破壊しやすい領域が除去され、デバイス全体の耐圧特性が向上される。また、斜めフィールドプレートがデバイス表面から遠ざかると、発生した寄生容量効果が弱くなり、デバイスのフィールドプレートが高周波特性に対するフィールドプレートの影響を改善する。
以下、本発明が上述の斜めフィールドプレート半導体デバイスの製造方法を実現することについて詳細に説明する。
図4A〜図4Fは、本発明の第1実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの製造方法の各ステップに対応する構造の断面図を示す。図4A〜図4Fに示すように、当該斜めフィールドプレートパワーデバイスの製造方法は、図2に示すような斜めフィールドプレートパワーデバイスを製造することに用いられる。当該斜めフィールドプレートパワーデバイスの製造方法は、以下のステップを含む。
ステップS11において、基板11上に半導体層12を形成する。
図4Aに示すように、具体的には、基板11上に核形成層121、バッファ層122、チャネル層123及び障壁層124を順に形成する。チャネル層123及び障壁層124はヘテロ接合構造を形成し、ヘテロ界面には2DEGが形成される。
ステップS12において、多層半導体層上12にソース13、ドレイン14、及びソース13とドレイン14との間に位置するゲート15を形成する。
図4Bに示すように、ソース13及びドレイン14は、それぞれヘテロ接合界面における2DEGと接触し、ソース13及びドレイン14の形成工程は、高温アニール工程、高濃度ドーピング工程又はイオン注入工程を含んでもよい。
ステップS13において、前記ゲート15上、及びゲート15とソース13との間及びゲート15とドレイン14との間の多層半導体層12上に誘電体層16を形成する。
図4Cに示すように、ゲート15上、及びゲート15とソース13との間及びゲート15とドレイン14との間の多層半導体層12上には、誘電体層16が形成される。誘電体層16は、パッシベーションの役割を果たし、斜めフィールドプレートパワーデバイスの表面を保護するためのものである。
ステップS14において、誘電体層16に凹溝を形成する。当該凹溝の側面は所定の傾きを有する。
具体的には、ドライエッチング又はウェットエッチングの方法によって、誘電体層16に凹溝を形成することができる。
図4Dに示すように、ポジ型フォトレジスト18を用いて誘電体層16にフォトエッチング工程を行い、特別に設計されたマスク板を用いて斜めフィールドプレート領域に対してフォトエッチングを行う。マスク板に遮光格子の密度を調節することで、斜めフィールドプレート領域がゲート15の付近からゲート15を遠ざかってドレイン14に近づく方向に、徐々に露光度が高まってから徐々に露光度が低まるマスク設計は、現像された後フォトレジストに所定の傾きの凹溝を形成する。本発明によれば、凹溝の傾きが限定されず、最適な傾きが工程又はパワーデバイスの設計要求に応じて設定されてもよい。
図4Eに示すように、フォトレジストに所定の傾きの凹溝を形成した後、ドライエッチング工程を用いて、フォトエッチング領域に対してエッチングを行う。フォトレジスト及び誘電体層16のエッチング選択比を最適化させ、例えば、フォトレジスト及び誘電体層16のエッチング選択比を1:1とすることで、エッチング後誘電体層16に形成された凹溝の形状がフォトレジストに形成された凹溝の形状と一致することを保証する。このようにして、誘電体層16に所定の傾きの凹溝を形成する。前記凹溝の底部は、ドレイン14に向かって延伸すればするほど、多層半導体層12から離れる距離が遠くなる。
好ましくは、凹溝と多層半導体層12との距離を制御するため、エッチング深さを精密に制御するように誘電体層16中にエッチング制御層を挿入してもよく、設計条件を満たす凹溝を形成する。
なお、当該ステップにおいて、ドライエッチング工程を用いて誘電体層16に凹溝をエッチングするプロセスにおいて、ゲート15上に位置する誘電体層16の厚さが薄い場合、当該部分の誘電体層16が完全にエッチングされ、ゲート15上に位置する誘電体層16の厚さが厚い場合、当該部分の誘電体層16が完全にエッチングされず、図4Eに示すような構造を形成する。
ステップS15において、前記凹溝の内壁に斜めフィールドプレート構造17を形成する。
図4Fに示すように、前記斜めフィールドプレート構造17の材料は、金属であり、具体的には、金属蒸着工程、金属スパッタリング工程又は金属化学気相蒸着工程によって、前記凹溝の内壁に斜めフィールドプレート構造17を形成し、前記斜めフィールドプレート構造17は、誘電体層16の凹溝を完全に覆っている。
前記金属斜めフィールドプレート構造17の長さ、厚さ、及び斜めフィールドプレート構造の多層半導体層表面から離れる距離は、パワーデバイスの設計要求に応じて、調節することができる。
なお、以上には、特別に設計されたマスク板フォトエッチングや、誘電体エッチング、金属蒸着などの工程を例に挙げて斜めフィールドプレート構造の形成について説明したが、前記斜めフィールドプレート構造の形成工程として当業者に公知の他の工程を用いることが理解されるべきであり、本発明にはそれは限定されない。
前記斜めフィールドプレートパワーデバイスは、本発明に応用されてもよく、任意のフィールドプレートの必要なデバイスに応用されてもよい。任意のフィールドプレートの必要なデバイスは、高耐圧横方向拡散型金属酸化物半導体(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor、「LDMOS」という。)や、窒化ガリウム高電子移動度無線周波数デバイス、パワー電子デバイス、SiCパワーデバイス、GaAsデバイス、他の半導体デバイスなどを含む。
本発明実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの製造方法は、製造工程が簡単であり、パワーデバイスの製造コストの増加が不要であり、パワーデバイス表面の電界分布を均一にすることができ、破壊しやすい領域を除去し、パワーデバイス全体の耐圧性を向上させ、パワーデバイスの高周波特性を改善する。
図5〜9は、本発明の第1実施例の好ましい実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの構成図を示す。具体的には、以下のとおりである。
好ましくは、図5に示すように、多層半導体層12は、チャネル層123と障壁層124との間に位置する挿入層125をさらに備える。前記挿入層125の材料は、AlNであってもよい。
AlNのバンドギャップは非常に大きいので、ヘテロ接合の井戸型ポテンシャル中に電子をより効果的に制限することができ、2DEGの濃度を高める。また、AlN挿入層125は、2DEG導電チャネル及び障壁層124を離隔させ、電子に対する障壁層124の分散影響を減少し、デバイス全体の特性を向上させる。
好ましくは、図6に示すように、多層半導体層12は、バッファ層122とチャネル層123との間に位置するバック障壁層126をさらに備える。前記バック障壁層126の材料は、AlGaNであってもよい。
所定の電圧が印加されている場合、2DEG導電チャネル中の電子は、バッファ層122に進入し、特に短チャネルデバイスにおいてその現象がより深刻である。それにより、ゲート15が2DEG導電チャネルの電子に対しての制御することが弱くなり、短チャネル効果が現れ、加えてバッファ層122の材料に多くの欠陥と不純物が存在することが、チャネル中の2DEGに影響を与え、例えば、電流コラプスが発生する。AlGaNバック障壁層126の追加により、2DEG導電チャネルの電子をバッファ層122から離隔し、2DEGをチャネル層123に効果的に制限し、短チャネル効果と電流コラプス効果を改善することができる。
好ましくは、図7に示すように、前記斜めフィールドプレートパワーデバイスは、多層半導体層12とゲート15との間に位置するゲート誘電体18をさらに備える。
当該ゲート誘電体18は、パワーデバイスのパッシベーション層としても、ゲート絶縁層としても機能することができ、ゲート15のリーク電流を効果的に低減し、ターンオン電圧を調節することができる。前記ゲート誘電体18の材料は、SiN、SiO2、SiON、Al2O3、HfO2、HfAlOx中の任意の1種類又は任意の複数種類の組み合わせを含んでもよい。
好ましくは、図8に示すように、ゲート15が障壁層124の凹部に少なくとも部分的に設置されてもよい。障壁層124をエッチングして凹溝を形成してから、金属を沈積してゲート15を形成することで、ゲート金属の下の材料表面の欠陥と表面準位の影響を低減し、リーク電流を低下し、破壊電圧を高めることができる。同時に、ゲート15と2DEG導電チャネルとの距離がより近いので、2DEGに対する制御機能がより強く、デバイスの高周波特性を向上させる。なお、本実施形態において、障壁層124のエッチング深さを制御しなければならない。障壁層のエッチング深さが深い場合、凹溝の下の二次元電子ガスが低減し又は消失する。当該パワーデバイスは、増強型デバイスとして機能することができる。
好ましくは、図9に示すように、ゲート15は、斜面ゲートであってもよい。エッチング条件を最適化することで、ゲートの溝領域の誘電体層16をエッチングするとき斜面凹溝を形成してから、金属を沈積して斜面ゲートを形成する。斜面ゲート技術は、ドレイン14に隣接するゲート15の電界強度を低減し、ゲート15のリーク電流を減少し、デバイスの破壊電圧を向上させることができる。また、斜面ゲート構造を用いることで、過大な寄生容量が導入されることがなく、デバイス高周波特性に対する影響が大きくなくなり、本発明の実施例による斜めフィールドプレート構造17と協力してデバイス特性を顕著に改善することができる。
本発明の第1実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイス及び斜めフィールドプレートパワーデバイスの製造方法は、パワーデバイス全体の電界分布をより均一にし、ゲートがドレインに隣接する箇所における電界ピークも引き下げられ、パワーデバイスの表面に明らかな高ピーク電界が発生することがなく、破壊しやすい領域を除去し、パワーデバイス全体の耐圧性を向上し、パワーデバイスの高周波特性を改善し、製造工程の複雑性と製造コストを低減することができる。
<第2実施例>
図10は、本発明の第2実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの構成図を示す。図10に示すように、当該斜めフィールドプレートパワーデバイスは、基板21と、多層半導体層22と、ソース23と、ドレイン24と、ゲート25と、誘電体層26と、凹溝と、斜めフィールドプレート構造27とを備える。多層半導体層22は、基板21上に設けられる。多層半導体層22上には、ソース23、ドレイン24、及びソース23とドレイン24の間に位置するゲート25が設けられる。誘電体層26は、ゲート25上に設けられ、及びゲート25とソース23との間及びゲート25とドレイン24との間の多層半導体層22に設けられる。凹溝は、前記ゲート25とドレイン24との間の誘電体層26に設けられる。前記凹溝の側面は、所定の傾きを有する。斜めフィールドプレート構造27は、前記凹溝の内壁に位置する。
本発明の第2実施例は、上述の第1実施例に基づき、第1実施例との相違は、第2実施例による斜めフィールドプレート構造27の形状は、ゲート25に隣接する一側において直線形であり、ドレイン24に隣接する一側において凸曲線である。当該斜めフィールドプレート構造27の最低端は、ドレイン24に向かって延伸すればするほど、多層半導体層22から離れる距離が遠くなる。
本実施形態において、マスク板の遮光格子の密度を設計することで、上向き凸曲線状の斜めフィールドプレート構造を形成することができる。直線形の斜めフィールドプレートが傾斜度により電界分布を最適化することと比較すると、曲線状の斜めフィールドプレートは、曲線の弧度により電界分布を調節し、電界分布の最適化方法を増加することができる。この形状の斜めフィールドプレート構造27は、ドレイン24に隣接する斜めフィールドプレートの一端の電界を良好に調節することができ、デバイス特性をより良く改善することができる。
<第3実施例>
図11は、本発明の第3実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの構成図を示す。図11に示すように、当該斜めフィールドプレートパワーデバイスは、基板31と、多層半導体層32と、ソース33と、ドレイン34と、ゲート35と、誘電体層36と、凹溝と、斜めフィールドプレート構造37とを備える。多層半導体層32は、基板31上に設けられる。多層半導体層32上には、ソース33、ドレイン34、及びソース33とドレイン34の間に位置するゲート35が設けられる。誘電体層36は、ゲート35上に設けられ、及びゲート35とソース33との間及びゲート35とドレイン34との間の多層半導体層32に設けられる。凹溝は、前記ゲート35とドレイン34との間の誘電体層36に設けられる。前記凹溝の側面は、所定の傾きを有する。斜めフィールドプレート構造37は、前記凹溝の内壁に位置する。
本発明の第3実施例は、上述の実施例に基づき、上述の実施例との相違は、斜めフィールドプレート構造37は、ドレイン34に隣接する一端に下向き凹曲線状の斜めフィールドプレート構造を形成し、下向き凹曲線状の斜めフィールドプレートの前部は、パワーデバイスの表面に接近し、パワーデバイス表面の電界に対する変調機能を強化することができる。本発明の第3実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスにおいて、斜めフィールドプレート構造の形状がマスク板の遮光格子の密度の設計により実現されることができる。
<第4実施例>
図12は、本発明の第4実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの構成図を示す。図12に示すように、当該斜めフィールドプレートパワーデバイスは、基板41と、多層半導体層42と、ソース43と、ドレイン44と、ゲート45と、誘電体層46と、凹溝と、斜めフィールドプレート構造47とを備える。多層半導体層42は、基板41上に設けられる。多層半導体層42上には、ソース43、ドレイン44、及びソース43とドレイン44の間に位置するゲート45が設けられる。誘電体層46は、ゲート45上に設けられ、及びゲート45とソース43との間及びゲート45とドレイン44との間の多層半導体層42に設けられる。凹溝は、前記ゲート45とドレイン44との間の誘電体層46に設けられ。前記凹溝の側面は、所定の傾きを有する。斜めフィールドプレート構造47は、前記凹溝の内壁に位置する。
本発明の第4実施例は、上述の実施例に基づき、上述の実施例との相違は、斜めフィールドプレート構造47がドレイン44へ近づく場合、前半部分は、直線形を形成し、当該部分の直線形の斜めフィールドプレートが多層半導体層に平行し、後半部分(つまり、ドレイン44に隣接する部分)は、下向き凹形の斜めフィールドプレートを形成し、当該下向き凹形の斜めフィールドプレートがパワーデバイス表面の電界分布を良好に調節することができる。本発明の第4実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスにおいて、斜めフィールドプレート構造の形状がマスク板の遮光格子の密度の設計により実現されることができる。
<第5実施例>
図13は、本発明の第5実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの構成図を示す。図13に示すように、当該斜めフィールドプレートパワーデバイスは、基板51と、多層半導体層52と、ソース53と、ドレイン54と、ゲート55と、誘電体層56と、凹溝と、斜めフィールドプレート構造57とを備える。多層半導体層52は、基板51上に設けられる。多層半導体層52上には、ソース53、ドレイン54、及びソース53とドレイン54の間に位置するゲート55が設けられる。誘電体層56は、ゲート55上に設けられ、及びゲート55とソース53との間及びゲート55とドレイン54との間の多層半導体層52に設けられる。凹溝は、前記ゲート55とドレイン54との間の誘電体層56に設けられ。前記凹溝の側面は、所定の傾きを有する。斜めフィールドプレート構造57は、前記凹溝の内壁に位置する。
本発明の第5実施例は、上述の実施例に基づき、上述の実施例との相違は、第5実施例による斜めフィールドプレート構造57の形状は鋸歯状である。このようにして、フィールドプレートの末端の電界ピーク値を低減し、電界分布をより均一にすることができる。鋸歯状の斜めフィールドプレートの寸法及び形状は、工程及び設計により決定される。前記鋸歯状の斜めフィールドプレート構造57は、マスク板の遮光格子の密度の設計により実現されることができる。
<第6実施例>
図14は、本発明の第6実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの構成図を示す。図14に示すように、当該斜めフィールドプレートパワーデバイスは、基板61と、多層半導体層62と、ソース63と、ドレイン64と、ゲート65と、誘電体層66と、凹溝と、斜めフィールドプレート構造67とを備える。多層半導体層62は、基板61上に設けられる。多層半導体層62上には、ソース63、ドレイン64、及びソース63とドレイン64の間に位置するゲート65が設けられる。誘電体層66は、ゲート65上に設けられ、及びゲート65とソース63との間及びゲート65とドレイン64との間の多層半導体層62に設けられる。凹溝は、前記ゲート65とドレイン64との間の誘電体層66に設けられる。前記凹溝の側面は、所定の傾きを有する。斜めフィールドプレート構造67は、前記凹溝の内壁に位置する。
本発明の第6実施例は、上述の実施例に基づき、上述の実施例との相違は、第6実施例による斜めフィールドプレート構造67は、ゲート65とドレイン64との間の誘電体層66の凹溝を部分的に覆う。当該斜めフィールドプレート構造67は、ゲート65と直接接続し、ゲート65の縁部電界強度分布を効果的に調節し、デバイス特性を向上させることができる。
なお、前記斜めフィールドプレート構造67は、ソース63に接続してもよく、前記ゲート65に接続してもよく、ある定電位に接続してもよく、又はフローティング状態にあってもよい。
本発明の第6実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスは、パワーデバイス全体の電界分布をより均一にし、ゲートがドレインに隣接する箇所における電界ピークも引き下げられ、パワーデバイスの表面に明らかな高ピーク電界が発生することがなく、破壊しやすい領域を除去し、パワーデバイス全体の耐圧性を向上し、パワーデバイスの高周波特性を改善することができる。
<第7実施例>
図15は、本発明の第7実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスの構成図を示す。図15に示すように、当該斜めフィールドプレートパワーデバイスは、基板71と、多層半導体層72と、ソース73と、ドレイン74と、ゲート75と、誘電体層76と、凹溝と、斜めフィールドプレート構造77とを備える。多層半導体層72は、基板71上に設けられる。多層半導体層72上には、ソース73、ドレイン74、及びソース73とドレイン74の間に位置するゲート75が設けられる。誘電体層76は、ゲート75上に設けられ、及びゲート75とソース73との間及びゲート75とドレイン74との間の多層半導体層72に設けられる。凹溝は、ゲート75とドレイン74との間の誘電体層76に設けられる。前記凹溝の側面は、所定傾きを有する。斜めフィールドプレート構造77は、前記凹溝の内壁に位置する。
本発明の第7実施例は、上述の第1実施例に基づき、第1実施例との相違は、第7実施例による斜めフィールドプレート構造77の形状は、ゲート75に隣接する一側において直線形であり、ドレイン74に隣接する一側において階段状である。
本実施例では、第1実施例と同一の内容の説明が省略される。図16A〜16Dは、本発明の第7実施例において斜めフィールドプレート構造77を製造するステップに対応する断面図を示す。本実施例は、図15に示すような斜めフィールドプレートパワーデバイスを形成することに用いられる。図16A〜16Dに示すように、斜めフィールドプレート構造77の製造方法は、以下のとおりである。
図16Aに示すように、ゲート75とドレイン74との間の誘電体層76に、ポジ型フォトレジストを用いて斜めフィールドプレート領域に対してフォトエッチングを行い、それによって、フォトレジストに1つの凹溝を形成する。次は、ドライエッチング工程を用いて、フォトエッチング領域に従ってエッチングを行う。フォトレジスト及び誘電体層76のエッチング選択比を最適化させることで、誘電体層76中には、フォトレジストに形成された凹溝の形状と一致する凹溝を形成する。
図16Bに示すように、ゲート75とドレイン74との間の誘電体層76の凹溝に多層SiOxNy構造を沈積する。各層の成分割合は、設計要求に応じて変化し、例えば、上から下へ各層のSi成分が徐々に減少する。次は、研磨工程を用いて、斜めフィールドプレート領域以外のSiOxNy層を除去する。このステップにおいて、ゲート75に位置する誘電体層76が共に研磨して平らにされ、したがって、斜めフィールドプレート領域のSiOxNy層の表面と平らな構造を形成する。
図16Cに示すように、斜めフィールドプレート領域においてリソグラフィ工程とウェットエッチング工程を行い、異なる成分のSiOxNyのエッチング速さが異なる特徴を利用して、求められた階段状の凹溝を形成する。
図16Dに示すように、金属蒸着工程によって、前記凹溝に金属を沈積して、斜めフィールドプレート構造77を形成する。
好ましくは、斜めフィールドプレート構造77は、ゲート75に近づく方向とドレイン74に近づく方向に、形状が階段状であってもよい(図17Dに示すように)。図17A〜図17Dは、本発明の第7実施例に好ましい実施例において斜めフィールドプレート構造77の製造ステップに対応する断面図を示す。図17A〜17Dに示すように、当該階段状の斜めフィールドプレート構造77の製造方法は、以下のとおりである。
図17Aに示すように、ゲート75とドレイン74との間の誘電体層76には、第1フォトレジスト761及び第2フォトレジスト762を順に塗布する。当該第1フォトレジスト761は、有機溶剤により洗浄され、露光後現像液に溶ける。当該第2フォトレジスト762は、現像液と剥離剤に溶け、一般的な有機溶剤に溶けない。
図17Bに示すように、まず、第1フォトレジスト761に対して露光と現像を行い、露光窓の幅と現像時間を制御することにより、第2フォトレジスト762に凹溝を形成することができる。次は、有機溶剤を用いて第1フォトレジスト761を洗浄して、再び第1フォトレジスト761を塗布して、前の露光と現像工程を重複する毎に、露光窓の幅が設計要求に応じて階段状に漸変し、現像時間が設計要求に応じて変化する。最終的には、第2フォトレジスト762には階段状の凹溝を形成する。
図17Cに示すように、第2フォトレジスト762に階段状の凹溝を形成した後、ドライエッチング工程を用いてフォトエッチング領域に対してエッチングを行う。第2フォトレジスト762と誘電体層76のエッチング選択比を最適化させることで、誘電体層76中には、第2フォトレジスト762に形成された凹溝の形状と一致する凹溝を形成する。
図17Dに示すように、金属蒸着工程によって、前記凹溝中には金属の斜めフィールドプレート構造77が形成される。
本発明の第7実施例による斜めフィールドプレートパワーデバイスは、パワーデバイス全体の電界分布を均一にし、ゲートがドレインに隣接する箇所における電界ピークも引き下げられ、パワーデバイスの表面に明らかな高ピーク電界が発生することがなく、破壊しやすい領域を除去し、パワーデバイス全体の耐圧性を向上し、パワーデバイスの高周波特性を改善することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態のみを記載したに過ぎず、本発明を限定するものではない。当業者にとって、本発明に対して様々な変更及び変化を行うことができる。本発明の精神および原則内における、あらゆる修正、同等の置き換え、改良等は、すべて本発明の保護範囲内に包含されるものとする。

Claims (18)

  1. 基板と、多層半導体層と、ソースと、ドレインと、ゲートと、誘電体層と、凹溝と、斜めフィールドプレート構造とを備え、
    前記多層半導体層は、前記基板上に位置し、
    前記ソース及びドレインは、前記多層半導体層上に位置し、前記ゲートは、ソースとドレインとの間に位置し、
    前記誘電体層は、前記ゲート上に位置し、ゲートとソースとの間の多層半導体層上に位置し、ゲートとドレインとの間の多層半導体層上に位置し、
    前記凹溝は、前記ゲートとドレインとの間の誘電体層に位置し、前記凹溝の側面は、所定の傾きを有し、
    前記斜めフィールドプレート構造は、前記凹溝の内壁に位置し、
    前記斜めフィールドプレート構造における前記基板から離れた側の表面の少なくも一部は、前記ゲートから前記ドレインに向かって延伸すればするほど、記多層半導体層から離れる距離が遠くなることを特徴とする斜めフィールドプレートパワーデバイス。
  2. 前記多層半導体層は、基板上に位置する核形成層と、核形成層上に位置するバッファ層と、バッファ層上に位置するチャネル層と、チャネル層上に位置する障壁層とを備え、
    前記チャネル層及び前記障壁層は、ヘテロ接合構造を形成し、ヘテロ界面において二次元電子ガスが形成され、
    前記ソース及び前記ドレインは、それぞれ二次元電子ガスと接触する、ことを特徴とする請求項1に記載の斜めフィールドプレートパワーデバイス。
  3. 前記斜めフィールドプレート構造の材料は、金属材料である、ことを特徴とする請求項1に記載の斜めフィールドプレートパワーデバイス。
  4. 前記斜めフィールドプレート構造は、前記ソースに接続し、又は前記ゲートに接続し、又はある定電位に接続し、又はフローティング状態にある、ことを特徴とする請求項1に記載の斜めフィールドプレートパワーデバイス。
  5. 前記斜めフィールドプレート構造の形状は、直線形、曲線形、鋸歯状又は階段状のいずれかの1種類又は複数種類の組み合わせである、ことを特徴とする請求項1に記載の斜めフィールドプレートパワーデバイス。
  6. 前記多層半導体層は、前記チャネル層と障壁層との間に位置する挿入層をさらに備える、ことを特徴とする請求項2に記載の斜めフィールドプレートパワーデバイス。
  7. 前記挿入層の材料は、AlNである、ことを特徴とする請求項6に記載の斜めフィールドプレートパワーデバイス。
  8. 前記多層半導体層は、前記バッファ層とチャネル層との間に位置するバック障壁層をさらに備える、ことを特徴とする請求項2に記載の斜めフィールドプレートパワーデバイス。
  9. 前記バック障壁層の材料は、AlGaNである、ことを特徴とする請求項8に記載の斜めフィールドプレートパワーデバイス。
  10. 前記デバイスは、前記多層半導体層とゲートとの間に位置するゲート誘電体をさらに備える、ことを特徴とする請求項1に記載の斜めフィールドプレートパワーデバイス。
  11. 前記ゲートは、前記障壁層の表面に位置し、又は前記障壁層の凹部に少なくとも部分的に位置する、ことを特徴とする請求項2に記載の斜めフィールドプレートパワーデバイス。
  12. 前記多層半導体層は、III−V族化合物の半導体材料を含む、ことを特徴とする請求項2に記載の斜めフィールドプレートパワーデバイス。
  13. 前記ゲート誘電体の材料は、SiN、SiO2、SiON、Al2O3、HfO2、HfAlOx中の任意の1種類又は任意の複数種類の組み合わせを含む、ことを特徴とする請求項10に記載の斜めフィールドプレートパワーデバイス。
  14. 前記ゲートは、T型ゲート又は斜面ゲートである、ことを特徴とする請求項1に記載の斜めフィールドプレートパワーデバイス。
  15. 請求項1に記載の斜めフィールドプレートパワーデバイスの製造方法であって、
    基板上に多層半導体層を形成することと、
    前記多層半導体層上にソース、ドレイン、ソースとドレインとの間に位置するゲートを形成することと、
    前記ゲート上、ゲートとソースとの間及びゲートとドレインとの間の多層半導体層に、誘電体層を形成することと、
    前記ゲートとドレインとの間の誘電体層に、側面が所定傾きを有する凹溝を形成することと、
    前記凹溝の内壁に斜めフィールドプレート構造を形成することと、
    を備え、
    前記斜めフィールドプレート構造における前記基板から離れた側の表面の少なくも一部は、前記ゲートから前記ドレインに向かって延伸すればするほど、記多層半導体層から離れる距離が遠くなる、ことを特徴とする斜めフィールドプレートパワーデバイスの製造方法。
  16. 基板上に多層半導体層を形成することは、
    前記基板上に核形成層を形成することと、
    前記核形成層上にバッファ層を形成することと、
    前記バッファ層上にチャネル層を形成することと、
    前記チャネル層上に障壁層を形成することと、
    を備え、
    前記チャネル層及び前記障壁層は、ヘテロ接合構造を形成し、ヘテロ界面において二次元電子ガスが形成され、前記ソース及び前記ドレインは、それぞれ二次元電子ガスと接触する、ことを特徴とする請求項15に記載の斜めフィールドプレートパワーデバイスの製造方法。
  17. 前記誘電体層上に凹溝を形成する方法は、ドライエッチング又はウェットエッチングを含む、ことを特徴とする請求項15に記載の斜めフィールドプレートパワーデバイスの製造方法。
  18. 前記凹溝の内壁に斜めフィールドプレート構造を形成する方法は、金属電子ビーム蒸着工程、金属スパッタリング工程又は金属化学気相蒸着工程を含む、ことを特徴とする請求項15に記載の斜めフィールドプレートパワーデバイスの製造方法。
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