JP7308593B2 - Nitride semiconductor device - Google Patents
Nitride semiconductor device Download PDFInfo
- Publication number
- JP7308593B2 JP7308593B2 JP2018048289A JP2018048289A JP7308593B2 JP 7308593 B2 JP7308593 B2 JP 7308593B2 JP 2018048289 A JP2018048289 A JP 2018048289A JP 2018048289 A JP2018048289 A JP 2018048289A JP 7308593 B2 JP7308593 B2 JP 7308593B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- nitride semiconductor
- layer
- gate
- film
- semiconductor device
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
Description
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、AlxInyGa1-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
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
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、SiO2、SiON、Al2O3、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、Al2O3膜またはSiO2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.
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.
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,
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。
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
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
The second
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
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
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
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)、SiO2、SiON、Al2O3、AlN、AlON、HfO、HfN、HfON、HfSiON、AlON等から構成されてもよい。
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
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。
A
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
層間絶縁膜15は、例えば、Si02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
In this
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
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
2A to 2G are cross-sectional views for explaining an example of the manufacturing process of
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
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
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SiO2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
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
Next, as shown in FIG. 2C, a resist
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
Next, the resist
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
Next, as shown in FIG. 2F, a source/
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/
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,
Hereinafter, a nitride semiconductor device having a configuration in which the
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
In the
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
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、ECは伝導帯のエネルギーレベルであり、EVは価電子帯のエネルギーレベルであり、EF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
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
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)ΦB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
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
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、ECは伝導帯のエネルギーレベルであり、EVは価電子帯のエネルギーレベルであり、EF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
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,
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
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
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ΦBの大きさが変動し、閾値電圧Vthが不安定になる。
Since the nitride
In the first comparative example, after forming a material film (gate layer material film) for the nitride
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ΦB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
なお、絶縁材料膜32がin-situ SiN以外の材料、例えばSiO2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
ゲート絶縁膜7がSiO2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(SiO2)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
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
The structure of the
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
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
In this embodiment, the nitrogen-containing
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、SiO2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、SiO2の他、Al2O3、SiN、SiON、AlN、AlON、HfO、HfN、HfON、HfSiON、AlON等から構成されてもよい。
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。
In the second embodiment, the nitrogen-containing
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
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SiO2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
When the
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
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
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
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
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
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
Further, in the first and second embodiments described above, when the
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
Claims (19)
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.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017057830 | 2017-03-23 | ||
JP2017057830 | 2017-03-23 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018160668A JP2018160668A (en) | 2018-10-11 |
JP7308593B2 true JP7308593B2 (en) | 2023-07-14 |
Family
ID=63796767
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018048289A Active JP7308593B2 (en) | 2017-03-23 | 2018-03-15 | Nitride semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7308593B2 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6771669B2 (en) * | 2017-05-31 | 2020-10-21 | 三菱電機株式会社 | Manufacturing method of semiconductor devices |
JP7398885B2 (en) * | 2019-05-30 | 2023-12-15 | ローム株式会社 | Nitride semiconductor device and its manufacturing method |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011187840A (en) | 2010-03-10 | 2011-09-22 | Toshiba Corp | Semiconductor device |
US20130075788A1 (en) | 2011-09-28 | 2013-03-28 | Fujitsu Limited | Semiconductor device and fabrication method |
US20130082360A1 (en) | 2011-09-29 | 2013-04-04 | Fujitsu Limited | Compound semiconductor device and method for fabricating the same |
US20130082336A1 (en) | 2011-09-29 | 2013-04-04 | Fujitsu Limited | Semiconductor device and method for fabricating the same |
JP2014222724A (en) | 2013-05-14 | 2014-11-27 | 三菱電機株式会社 | Transistor using nitride semiconductor and manufacturing method of the same |
JP2016051817A (en) | 2014-08-29 | 2016-04-11 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method |
JP2016162879A (en) | 2015-03-02 | 2016-09-05 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device |
-
2018
- 2018-03-15 JP JP2018048289A patent/JP7308593B2/en active Active
Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011187840A (en) | 2010-03-10 | 2011-09-22 | Toshiba Corp | Semiconductor device |
US20130075788A1 (en) | 2011-09-28 | 2013-03-28 | Fujitsu Limited | Semiconductor device and fabrication method |
JP2013074209A (en) | 2011-09-28 | 2013-04-22 | Fujitsu Ltd | Method for manufacturing semiconductor device, and semiconductor device |
US20130082360A1 (en) | 2011-09-29 | 2013-04-04 | Fujitsu Limited | Compound semiconductor device and method for fabricating the same |
US20130082336A1 (en) | 2011-09-29 | 2013-04-04 | Fujitsu Limited | Semiconductor device and method for fabricating the same |
JP2013074281A (en) | 2011-09-29 | 2013-04-22 | Fujitsu Ltd | Compound semiconductor device and manufacturing method of the same |
JP2013074279A (en) | 2011-09-29 | 2013-04-22 | Fujitsu Ltd | Semiconductor device and manufacturing method of the same |
JP2014222724A (en) | 2013-05-14 | 2014-11-27 | 三菱電機株式会社 | Transistor using nitride semiconductor and manufacturing method of the same |
JP2016051817A (en) | 2014-08-29 | 2016-04-11 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method |
JP2016162879A (en) | 2015-03-02 | 2016-09-05 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2018160668A (en) | 2018-10-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6767741B2 (en) | Nitride semiconductor device and its manufacturing method | |
US9620599B2 (en) | GaN-based semiconductor transistor | |
CN102365763B (en) | Dopant diffusion modulation in GaN buffer layers | |
JP5071377B2 (en) | Compound semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP5785153B2 (en) | Compensated gate MISFET and manufacturing method thereof | |
US10249727B2 (en) | Semiconductor device with silicon nitride film over nitride semiconductor layer and between electrodes | |
US10784361B2 (en) | Semiconductor device and method for manufacturing the same | |
US11462635B2 (en) | Nitride semiconductor device and method of manufacturing the same | |
JP7224300B2 (en) | semiconductor equipment | |
CN103545362B (en) | Compound semiconductor device and manufacture method thereof | |
WO2020213291A1 (en) | Nitride semiconductor device and method for manufacturing same | |
US20150263155A1 (en) | Semiconductor device | |
JP5436974B2 (en) | Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device | |
JP2018157100A (en) | Nitride semiconductor device | |
US11296193B2 (en) | Nitride semiconductor device | |
JP7308593B2 (en) | Nitride semiconductor device | |
JP2018157177A (en) | Nitride semiconductor device and nitride semiconductor package | |
TWI815160B (en) | Nitride semiconductor device | |
US10373833B2 (en) | Semiconductor device and method for manufacturing the same | |
TWI649873B (en) | Iii-nitride based semiconductor structure | |
US11600721B2 (en) | Nitride semiconductor apparatus and manufacturing method thereof | |
JP7581187B2 (en) | Nitride Semiconductor Device | |
CN110875381A (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210204 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20211214 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20211223 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220207 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220707 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220822 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230112 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20230220 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20230622 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20230704 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7308593 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |