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JP2012209297A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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JP2012209297A
JP2012209297A JP2011071526A JP2011071526A JP2012209297A JP 2012209297 A JP2012209297 A JP 2012209297A JP 2011071526 A JP2011071526 A JP 2011071526A JP 2011071526 A JP2011071526 A JP 2011071526A JP 2012209297 A JP2012209297 A JP 2012209297A
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nitride semiconductor
semiconductor layer
layer
nitride
semiconductor device
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JP2011071526A
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Japanese (ja)
Inventor
Muneyoshi Suita
宗義 吹田
Akifumi Imai
章文 今井
Takuma Nanjo
拓真 南條
Katsuomi Shiozawa
勝臣 塩沢
Yosuke Suzuki
洋介 鈴木
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device and a method of manufacturing the same capable of suppressing reduction in an electron mobility and enhancing confinement of a two-dimensional electron gas.SOLUTION: A first nitride semiconductor layer 2 formed of AlInGaN (0≤a, b≤1, 0≤a+b≤1) and having a bandgap larger than that of a second nitride semiconductor layer 3, the second nitride semiconductor layer 3 formed of AlInGaN (0≤c, d≤1, 0≤c+d≤1), a back barrier layer 4 formed of InGaN (0<e≤1) and having a bandgap smaller than that of the second nitride semiconductor layer 3, a channel layer 5 formed of AlInGaN (0≤f, g≤1, 0≤f+g≤1) and having a bandgap equivalent to that of the second nitride semiconductor layer 3, and a barrier layer 6 formed of AlInGaN (0≤h, i≤1, 0≤h+i≤1) and having a bandgap larger than that of the channel layer 5, are laminated in this order on a substrate 1.

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、より詳細には、窒化物半導体を用いたヘテロ接合電界効果型トランジスタなどの半導体装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device such as a heterojunction field effect transistor using a nitride semiconductor and a manufacturing method thereof.

窒化物半導体を用いたヘテロ接合電界効果型トランジスタは、高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor;略称:HEMT)として知られている。HEMTは、シリコン(Si)を用いたトランジスタおよび砒化ガリウム(GaAs)を用いたトランジスタに比べて、絶縁破壊電界が大きく、かつ電子移動度が高いという特長を有するので、高周波かつ高出力で動作するデバイスとして期待されている。   A heterojunction field effect transistor using a nitride semiconductor is known as a high electron mobility transistor (abbreviation: HEMT). The HEMT has features such as a high breakdown electric field and high electron mobility compared to a transistor using silicon (Si) and a transistor using gallium arsenide (GaAs), and thus operates at high frequency and high output. Expected as a device.

高周波化に伴い、ゲート長の微細化が必要になる。従来のHEMTにおいて、ゲート長が微細化されると、ゲート電極による二次元電子ガスの変調効果が低下する、いわゆる短チャネル効果が発生する。短チャネル効果の発生を抑制するためには、二次元電子ガスの閉じ込めを高める構造とすることが効果的である。   As the frequency increases, the gate length needs to be reduced. In the conventional HEMT, when the gate length is miniaturized, a so-called short channel effect occurs in which the modulation effect of the two-dimensional electron gas by the gate electrode is reduced. In order to suppress the occurrence of the short channel effect, it is effective to have a structure that enhances confinement of the two-dimensional electron gas.

非特許文献1には、二次元電子ガスの閉じ込めを高める構造として、チャネル層に、チャネル層に比べてバンドギャップが小さく、厚さが小さいバックバリア層を挿入したバックバリア構造が開示されている。具体的には、非特許文献1には、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)層および窒化ガリウム(GaN)層で構成されるAlGaN/GaNチャネル層に、窒化インジウムガリウム(InGaN)バックバリア層を挿入したHEMTが開示されている。   Non-Patent Document 1 discloses a back barrier structure in which a back barrier layer having a smaller band gap and a smaller thickness than the channel layer is inserted in the channel layer as a structure that enhances confinement of the two-dimensional electron gas. . Specifically, Non-Patent Document 1 discloses a HEMT in which an indium gallium nitride (InGaN) back barrier layer is inserted into an AlGaN / GaN channel layer composed of an aluminum gallium nitride (AlGaN) layer and a gallium nitride (GaN) layer. Is disclosed.

バックバリア層の上層および下層として2つに分けられたチャネル層は、バンドギャップが同じであっても、バックバリア層の分極の効果によって、伝導帯にノッチが生じている。これによって、バックバリア層の下層のチャネル層の伝導帯が持ち上げられて、障壁が形成される。この障壁によって、二次元電子ガスの閉じ込めが高められている。   The channel layer divided into two as an upper layer and a lower layer of the back barrier layer has a notch in the conduction band due to the polarization effect of the back barrier layer even if the band gap is the same. As a result, the conduction band of the channel layer under the back barrier layer is lifted to form a barrier. This barrier enhances the confinement of the two-dimensional electron gas.

また特許文献1には、チャネル層内に複数のバックバリア層を挿入したバックバリア構造が開示されている。具体的には、特許文献1には、GaNチャネル層内に、InGaNから成る伝導チャネルを複数個設けることによって、伝導チャネル内のキャリアの閉じ込めを高める構造が開示されている。伝導チャネルは、バックバリア層に相当する。   Patent Document 1 discloses a back barrier structure in which a plurality of back barrier layers are inserted in a channel layer. Specifically, Patent Document 1 discloses a structure in which a plurality of conduction channels made of InGaN are provided in a GaN channel layer to enhance carrier confinement in the conduction channel. The conduction channel corresponds to the back barrier layer.

特表2007−535138号公報Special table 2007-535138

T.パラシオス(T.Palacios)、外5名、"InGaNバックバリア層を備えるAlGaN/GaN高電子移動度トランジスタ(AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors with InGaN Back-Barriers)"、IEEE電子デバイスレター(IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS)、2006年1月、第27巻(Vol.27)、第1号(No.1)、p.13−15T.A. T. Palacios, five others, “AlGaN / GaN High Electron Mobility Transistors with InGaN Back-Barriers”, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS), January 2006, Vol. 27 (Vol. 27), No. 1 (No. 1), p. 13-15

前述の非特許文献1に開示される技術では、GaNチャネル層内に、バンドギャップが小さく、厚さが比較的小さいInGaNバックバリア層を形成し、バックバリア層の下層であるGaNバッファー層の伝導帯を持ち上げることによって、二次元電子ガスの閉じ込めを向上させ、前述の短チャネル効果が発生するという問題の改善を図っている。   In the technique disclosed in Non-Patent Document 1 described above, an InGaN back barrier layer having a small band gap and a relatively small thickness is formed in the GaN channel layer, and conduction of the GaN buffer layer, which is the lower layer of the back barrier layer, is performed. By lifting the band, the confinement of the two-dimensional electron gas is improved, and the problem that the short channel effect described above occurs is improved.

非特許文献1の図2(a)には、InGaNバックバリア層の無い構造での相互コンダクタンスgmのゲート電圧依存性が開示されている。また非特許文献1の図2(b)には、前述のInGaNバックバリア構造を採ることによって、相互コンダクタンスgmの立ち上がりが良くなり、相互コンダクタンスgmの値も増加していることが開示されている。 FIG. 2A of Non-Patent Document 1 discloses the gate voltage dependence of the mutual conductance g m in a structure without an InGaN back barrier layer. Further, FIG. 2B of Non-Patent Document 1 discloses that the rise of the mutual conductance g m is improved and the value of the mutual conductance g m is increased by adopting the above-described InGaN back barrier structure. ing.

しかし、非特許文献1に開示されるInGaNバックバリア構造では、二次元電子ガスは、チャネル層だけでなく、チャネル層の下層まで広がってしまう。したがって、二次元電子ガスの閉じ込めをさらに高めることが求められる。   However, in the InGaN back barrier structure disclosed in Non-Patent Document 1, the two-dimensional electron gas spreads not only to the channel layer but also to the lower layer of the channel layer. Therefore, it is required to further enhance the confinement of the two-dimensional electron gas.

またHEMTなどの半導体装置を構成する半導体層は、たとえば有機金属気相成長(Metal Organic Chemical Vapor Deposition;略称:MOCVD)法を用いた結晶成長によって形成される。MOCVDでは、結晶性の良い半導体層を形成するためには、1000℃以上の成長温度が必要とされている。   A semiconductor layer constituting a semiconductor device such as a HEMT is formed by crystal growth using, for example, a metal organic chemical vapor deposition (abbreviation: MOCVD) method. In MOCVD, a growth temperature of 1000 ° C. or higher is required to form a semiconductor layer with good crystallinity.

しかし、前述の非特許文献1および特許文献1に開示されるような、Inを含む窒化物半導体層を形成するときには、Inの融点の低さに起因するInの偏析を抑えるために、たとえば約900℃の低温で結晶成長が行われる。   However, when forming a nitride semiconductor layer containing In as disclosed in Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 described above, in order to suppress In segregation due to a low melting point of In, for example, about Crystal growth is performed at a low temperature of 900 ° C.

また非特許文献1には、InGaNバックバリア構造において、二次元電子ガスの閉じ込めを高める効果を充分に発揮させるためには、GaNチャネル層の厚さを10nm〜20nm程度と比較的薄くすることが好ましいことが開示されている。このような比較的薄いGaNチャネル層を形成するときにも、低温で結晶成長が行われる。   Further, Non-Patent Document 1 discloses that in order to sufficiently exhibit the effect of enhancing the confinement of the two-dimensional electron gas in the InGaN back barrier structure, the thickness of the GaN channel layer may be made relatively thin, such as about 10 nm to 20 nm. Preferred is disclosed. When such a relatively thin GaN channel layer is formed, crystal growth is performed at a low temperature.

このように低温で結晶成長が行われると、GaNチャネル層およびAlGaNチャネル層の結晶性が低下し、電子移動度が低下するという問題がある。   When crystal growth is performed at such a low temperature, there is a problem that the crystallinity of the GaN channel layer and the AlGaN channel layer is lowered, and the electron mobility is lowered.

またGaNチャネル層の厚さを前述のように比較的薄くすると、GaNチャネル層内に分布する二次元電子ガスが、3元合金であるInGaNバックバリア層による合金散乱によって散乱されて、電子移動度が低下するという問題がある。   When the thickness of the GaN channel layer is relatively thin as described above, the two-dimensional electron gas distributed in the GaN channel layer is scattered by alloy scattering by the InGaN back barrier layer, which is a ternary alloy, and the electron mobility. There is a problem that decreases.

本発明の目的は、電子移動度の低下が抑制され、かつ二次元電子ガスの閉じ込めが高められた半導体装置およびその製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device in which a decrease in electron mobility is suppressed and confinement of a two-dimensional electron gas is enhanced, and a method for manufacturing the same.

本発明の半導体装置は、基板と、前記基板上に設けられ、組成式AlaInbGa1-(a+b)N(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)で表される窒化物半導体から成る第1の窒化物半導体層と、前記第1の窒化物半導体層上に設けられ、組成式AlcIndGa1-(c+d)N(0≦c≦1、0≦d≦1、0≦c+d≦1)で表される窒化物半導体から成る第2の窒化物半導体層と、前記第2の窒化物半導体層上に設けられ、組成式IneGa1-eN(0<e≦1)で表される窒化物半導体から成る第3の窒化物半導体層と、前記第3の窒化物半導体層上に設けられ、組成式AlfIngGa1-(f+g)N(0≦f≦1、0≦g≦1、0≦f+g≦1)で表される窒化物半導体から成る第4の窒化物半導体層と、前記第4の窒化物半導体層上に設けられ、組成式AlhIniGa1-(h+i)N(0≦h≦1、0≦i≦1、0≦h+i≦1)で表される窒化物半導体から成る第5の窒化物半導体層とを備え、前記第1の窒化物半導体層のバンドギャップは、前記第2の窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きく、前記第3の窒化物半導体層のバンドギャップは、前記第2の窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さく、前記第4の窒化物半導体層のバンドギャップは、前記第2の窒化物半導体層のバンドギャップと等しく、前記第5の窒化物半導体層のバンドギャップは、前記第4の窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする。 The semiconductor device of the present invention is provided on a substrate and the substrate, and has a composition formula Al a In b Ga 1-(a + b) N (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1). a first nitride semiconductor layer made of nitride semiconductor represented by), the provided first nitride semiconductor layer, the composition formula Al c in d Ga 1- (c + d) N (0 ≦ c ≦ 1, 0 ≦ d ≦ 1, 0 ≦ c + d ≦ 1), a second nitride semiconductor layer made of a nitride semiconductor, and a composition formula In a third nitride semiconductor layer made of a nitride semiconductor represented by e Ga 1-e N (0 <e ≦ 1); and a composition formula Al f In g provided on the third nitride semiconductor layer. A fourth nitride semiconductor layer made of a nitride semiconductor represented by Ga 1- (f + g) N (0 ≦ f ≦ 1, 0 ≦ g ≦ 1, 0 ≦ f + g ≦ 1); Provided on nitride semiconductor layer Is a composition formula Al h In i Ga 1- (h + i) N (0 ≦ h ≦ 1,0 ≦ i ≦ 1,0 ≦ h + i ≦ 1) fifth nitride of a nitride semiconductor represented by A band gap of the first nitride semiconductor layer is larger than a band gap of the second nitride semiconductor layer, and a band gap of the third nitride semiconductor layer is the second gap semiconductor layer. The band gap of the fourth nitride semiconductor layer is equal to the band gap of the second nitride semiconductor layer, and the band gap of the fifth nitride semiconductor layer is smaller than the band gap of the fifth nitride semiconductor layer. Is larger than the band gap of the fourth nitride semiconductor layer.

また本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に、組成式AlaInbGa1-(a+b)N(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)で表される窒化物半導体によって、第1の窒化物半導体層を形成する第1層形成工程と、前記第1の窒化物半導体層上に、組成式AlcIndGa1-(c+d)N(0≦c≦1、0≦d≦1、0≦c+d≦1)で表される窒化物半導体によって、第2の窒化物半導体層を形成する第2層形成工程と、前記第2の窒化物半導体層上に、組成式IneGa1-eN(0<e≦1)で表される窒化物半導体によって、第3の窒化物半導体層を形成する第3層形成工程と、前記第3の窒化物半導体層上に、組成式AlfIngGa1-(f+g)N(0≦f≦1、0≦g≦1、0≦f+g≦1)で表される窒化物半導体によって、第4の窒化物半導体層を形成する第4層形成工程と、前記第4の窒化物半導体層上に、組成式AlhIniGa1-(h+i)N(0≦h≦1、0≦i≦1、0≦h+i≦1)で表される窒化物半導体によって、第5の窒化物半導体層を形成する第5層形成工程とを備え、前記第1層形成工程では、前記第1の窒化物半導体層のバンドギャップが、前記第2の窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きくなるように、前記第1の窒化物半導体層を形成し、前記第3層形成工程では、前記第3の窒化物半導体層のバンドギャップが、前記第2の窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さくなるように、前記第3の窒化物半導体層を形成し、前記第4層形成工程では、前記第4の窒化物半導体層のバンドギャップが、前記第2の窒化物半導体層のバンドギャップと等しくなるように、前記第4の窒化物半導体層を形成し、前記第5層形成工程では、前記第5の窒化物半導体層のバンドギャップが、前記第4の窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きくなるように、前記第5の窒化物半導体層を形成することを特徴とする。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a compositional formula Al a In b Ga 1- (a + b) N (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1) is formed on a substrate. A first layer forming step of forming a first nitride semiconductor layer with the represented nitride semiconductor, and a composition formula Al c In d Ga 1- (c + d) on the first nitride semiconductor layer; A second layer forming step of forming a second nitride semiconductor layer from a nitride semiconductor represented by N (0 ≦ c ≦ 1, 0 ≦ d ≦ 1, 0 ≦ c + d ≦ 1); A third layer forming step of forming a third nitride semiconductor layer on the nitride semiconductor layer with a nitride semiconductor represented by a composition formula In e Ga 1-e N (0 <e ≦ 1); A nitride represented by the composition formula Al f In g Ga 1− (f + g) N (0 ≦ f ≦ 1, 0 ≦ g ≦ 1, 0 ≦ f + g ≦ 1) is formed on the third nitride semiconductor layer. By the semiconductor, the fourth A fourth layer forming step of forming a compound semiconductor layer, the fourth semiconductor layer, the composition formula Al h In i Ga 1- (h + i) N (0 ≦ h ≦ 1,0 ≦ i ≦ A fifth layer forming step of forming a fifth nitride semiconductor layer with a nitride semiconductor represented by 1, 0 ≦ h + i ≦ 1), wherein in the first layer forming step, the first nitride The first nitride semiconductor layer is formed such that the band gap of the semiconductor layer is larger than the band gap of the second nitride semiconductor layer. In the third layer forming step, the third nitride is formed. Forming the third nitride semiconductor layer so that the band gap of the semiconductor semiconductor layer is smaller than the band gap of the second nitride semiconductor layer, and in the fourth layer forming step, The band gap of the nitride semiconductor layer is the band gap of the second nitride semiconductor layer. The fourth nitride semiconductor layer is formed so as to be equal to the step, and in the fifth layer forming step, the band gap of the fifth nitride semiconductor layer is the band of the fourth nitride semiconductor layer. The fifth nitride semiconductor layer is formed so as to be larger than the gap.

本発明の半導体装置によれば、第2の窒化物半導体層と基板との間には、第2の窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第1の窒化物半導体層が設けられている。これによって、バリア層として機能する第5の窒化物半導体層6と、チャネル層として機能する第4の窒化物半導体層5との界面への二次元電子ガスの閉じ込めを向上させ、良好なピンチオフ特性を得ることができる。   According to the semiconductor device of the present invention, the first nitride semiconductor layer having a band gap larger than the band gap of the second nitride semiconductor layer is provided between the second nitride semiconductor layer and the substrate. It has been. Thereby, confinement of the two-dimensional electron gas at the interface between the fifth nitride semiconductor layer 6 functioning as a barrier layer and the fourth nitride semiconductor layer 5 functioning as a channel layer is improved, and good pinch-off characteristics are obtained. Can be obtained.

また、この二次元電子ガスの分布は、チャネル層である第4の窒化物半導体層の厚さを大きくしても、大きく崩れることはない。したがって、InGaNで構成され、バックバリア層として機能する第3の窒化物半導体層の合金散乱の影響を低下させることができるので、電子移動度の低下を抑制することができる。   In addition, the distribution of the two-dimensional electron gas does not collapse greatly even if the thickness of the fourth nitride semiconductor layer that is the channel layer is increased. Therefore, the influence of the alloy scattering of the third nitride semiconductor layer made of InGaN and functioning as the back barrier layer can be reduced, so that a decrease in electron mobility can be suppressed.

また、二次元電子ガスの閉じ込め幅を広くすることなく、チャネル層である第4の窒化物半導体層の厚さを大きくすることができるので、チャネル層の結晶性を向上させることができる。これによって、チャネル層である第4の窒化物半導体層と、バリア層である第5の窒化物半導体層とのヘテロ界面の結晶性および表面モフォロジーを向上させることができるので、電子移動度を向上させることができる。したがって、ゲート長を短くしても、短チャネル効果を抑制することができるので、高周波特性の向上、高効率化、電子移動度向上による高出力化を図ることができる。   In addition, since the thickness of the fourth nitride semiconductor layer that is the channel layer can be increased without increasing the confinement width of the two-dimensional electron gas, the crystallinity of the channel layer can be improved. As a result, the crystallinity and surface morphology of the heterointerface between the fourth nitride semiconductor layer as the channel layer and the fifth nitride semiconductor layer as the barrier layer can be improved, so that the electron mobility is improved. Can be made. Therefore, even if the gate length is shortened, the short channel effect can be suppressed, so that high-frequency characteristics can be improved, efficiency can be improved, and output can be increased by improving electron mobility.

本発明の半導体装置の製造方法によれば、前述のように優れた効果を有する本発明の半導体装置を製造することができる。   According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the semiconductor device of the present invention having excellent effects as described above can be manufactured.

本発明の実施の一形態である半導体装置100の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device 100 which is one Embodiment of this invention. 従来技術の半導体装置のエピタキシャル構造におけるバンド構造と二次元電子ガスのキャリア分布とを示すグラフである。It is a graph which shows the band structure and carrier distribution of two-dimensional electron gas in the epitaxial structure of the semiconductor device of a prior art. 本発明の実施の一形態である半導体装置100のエピタキシャル構造におけるバンド構造と二次元電子ガスのキャリア分布とを示すグラフである。It is a graph which shows the band structure and carrier distribution of two-dimensional electron gas in the epitaxial structure of the semiconductor device 100 which is one Embodiment of this invention. 半導体装置の他の例である半導体装置101を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device 101 which is another example of a semiconductor device. 半導体装置のさらに他の例である半導体装置102を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device 102 which is another example of a semiconductor device. 半導体装置のさらに他の例である半導体装置103を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device 103 which is another example of a semiconductor device. 半導体装置のさらに他の例である半導体装置104を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device 104 which is another example of a semiconductor device. 半導体装置のさらに他の例である半導体装置105を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device 105 which is another example of a semiconductor device. 半導体装置のさらに他の例である半導体装置106を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device 106 which is another example of a semiconductor device. 半導体装置のさらに他の例である半導体装置107を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device 107 which is another example of a semiconductor device. 基板1上への第1〜第5の窒化物半導体層2〜6の積層が終了した段階の状態を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state where the stacking of first to fifth nitride semiconductor layers 2 to 6 on substrate 1 is completed. ソース電極8aおよびドレイン電極8bの形成が終了した段階の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of the stage which completed formation of the source electrode 8a and the drain electrode 8b. 素子分離領域9の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state where the formation of the element isolation region 9 is completed. ゲート電極7の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of the stage which completed formation of the gate electrode. 絶縁膜10の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of the stage which the formation of the insulating film 10 was complete | finished. 高濃度n型不純物領域12の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state at a stage where the formation of the high concentration n-type impurity region 12 is completed. ソース電極8aおよびドレイン電極8bの形成が終了した段階の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of the stage which completed formation of the source electrode 8a and the drain electrode 8b. 素子分離領域9の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state where the formation of the element isolation region 9 is completed. 孔部13の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state in the stage where formation of the hole part 13 was complete | finished. リセス14の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of the stage which the formation of the recess 14 was complete | finished. ゲート電極形成領域Sの絶縁膜10の除去が終了した段階の状態を示す断面図である。7 is a cross-sectional view showing a state in which the removal of the insulating film 10 in the gate electrode formation region S has been completed. FIG. ゲート電極形成領域Sの絶縁膜70の除去が終了した段階の状態を示す断面図である。7 is a cross-sectional view showing a state at a stage where the removal of the insulating film 70 in the gate electrode formation region S is completed. FIG. 半導体装置のさらに他の例である半導体装置108を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device 108 which is another example of a semiconductor device. 半導体装置のさらに他の例である半導体装置109を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device 109 which is another example of a semiconductor device.

図1は、本発明の実施の一形態である半導体装置100の構成を示す断面図である。本実施の形態における半導体装置100は、窒化物半導体を用いたヘテロ接合電界効果型トランジスタ(以下、単に「トランジスタ」という場合がある)である。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention. Semiconductor device 100 in the present embodiment is a heterojunction field effect transistor (hereinafter sometimes simply referred to as “transistor”) using a nitride semiconductor.

半導体装置100は、基板1、第1の窒化物半導体層2、第2の窒化物半導体層3、第3の窒化物半導体層4、第4の窒化物半導体層5、第5の窒化物半導体層6、ゲート電極7、ソース電極8a、ドレイン電極8b、素子分離領域9および絶縁膜10を備えて構成される。基板1は、半絶縁性炭化珪素(SiC)基板である。   The semiconductor device 100 includes a substrate 1, a first nitride semiconductor layer 2, a second nitride semiconductor layer 3, a third nitride semiconductor layer 4, a fourth nitride semiconductor layer 5, and a fifth nitride semiconductor. A layer 6, a gate electrode 7, a source electrode 8a, a drain electrode 8b, an element isolation region 9 and an insulating film 10 are provided. The substrate 1 is a semi-insulating silicon carbide (SiC) substrate.

基板1の厚み方向一方側の表面上には、第1の窒化物半導体層2が設けられている。第1の窒化物半導体層2の厚み方向一方側の表面上には、第2の窒化物半導体層3が設けられている。第2の窒化物半導体層3の厚み方向一方側の表面上には、第3の窒化物半導体層4が設けられている。第3の窒化物半導体層4の厚み方向一方側の表面上には、第4の窒化物半導体層5が設けられている。第4の窒化物半導体層5の厚み方向一方側の表面上には、第5の窒化物半導体層6が設けられている。   A first nitride semiconductor layer 2 is provided on the surface on one side in the thickness direction of the substrate 1. A second nitride semiconductor layer 3 is provided on the surface of one side in the thickness direction of the first nitride semiconductor layer 2. A third nitride semiconductor layer 4 is provided on the surface of one side in the thickness direction of second nitride semiconductor layer 3. A fourth nitride semiconductor layer 5 is provided on the surface of one side in the thickness direction of the third nitride semiconductor layer 4. A fifth nitride semiconductor layer 6 is provided on the surface of one side in the thickness direction of the fourth nitride semiconductor layer 5.

第1〜第5の窒化物半導体層2〜6は、エピタキシャル結晶層であり、後述するようにエピタキシャル成長によって形成される。以下の説明では、第1〜第5の窒化物半導体層2〜6を、「エピタキシャル結晶層」という場合がある。またエピタキシャル結晶層の構造、すなわち第1〜第5の窒化物半導体層2〜6の構造を、「エピタキシャル構造」という場合がある。またエピタキシャル結晶層の厚み方向一方側の表面、すなわち第5の窒化物半導体層6の厚み方向一方側の表面を、「半導体表面」という場合がある。   The first to fifth nitride semiconductor layers 2 to 6 are epitaxial crystal layers and are formed by epitaxial growth as will be described later. In the following description, the first to fifth nitride semiconductor layers 2 to 6 may be referred to as “epitaxial crystal layers”. The structure of the epitaxial crystal layer, that is, the structure of the first to fifth nitride semiconductor layers 2 to 6 may be referred to as an “epitaxial structure”. Further, the surface on one side in the thickness direction of the epitaxial crystal layer, that is, the surface on one side in the thickness direction of the fifth nitride semiconductor layer 6 may be referred to as “semiconductor surface”.

第1の窒化物半導体層2は、組成式AlaInbGa1-(a+b)N(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)で表される窒化物半導体から成る。本実施の形態では、第1の窒化物半導体層2は、Al0.03Ga0.97Nから成る。 The first nitride semiconductor layer 2 is a nitride represented by the composition formula Al a In b Ga 1− (a + b) N (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1). Made of semiconductor. In the present embodiment, the first nitride semiconductor layer 2 is made of Al 0.03 Ga 0.97 N.

第2の窒化物半導体層3は、組成式AlcIndGa1-(c+d)N(0≦c≦1、0≦d≦1、0≦c+d≦1)で表される窒化物半導体から成る。より詳細には、第2の窒化物半導体層3は、組成式AlcIndGa1-(c+d)N(0≦c≦1、0≦d≦1、0≦c+d≦1)で表される窒化物半導体であって、第1の窒化物半導体層2よりも小さいバンドギャップを有する窒化物半導体から成る。本実施の形態では、第2の窒化物半導体層3は、第1の窒化物半導体層2よりも小さなバンドギャップを有するGaNから成る。したがって、第2の窒化物半導体層3のバンドギャップは、第1の窒化物半導体層2のバンドギャップよりも小さい。換言すれば、第1の窒化物半導体層2のバンドギャップは、第2の窒化物半導体層3のバンドギャップよりも大きい。 The second nitride semiconductor layer 3, the composition formula Al c In d Ga 1- (c + d) N (0 ≦ c ≦ 1,0 ≦ d ≦ 1,0 ≦ c + d ≦ 1) nitride represented by Made of semiconductor. More specifically, the second nitride semiconductor layer 3, a composition formula Al c In d Ga 1- (c + d) N (0 ≦ c ≦ 1,0 ≦ d ≦ 1,0 ≦ c + d ≦ 1) The nitride semiconductor is represented by a nitride semiconductor having a smaller band gap than the first nitride semiconductor layer 2. In the present embodiment, the second nitride semiconductor layer 3 is made of GaN having a smaller band gap than the first nitride semiconductor layer 2. Therefore, the band gap of the second nitride semiconductor layer 3 is smaller than the band gap of the first nitride semiconductor layer 2. In other words, the band gap of the first nitride semiconductor layer 2 is larger than the band gap of the second nitride semiconductor layer 3.

第3の窒化物半導体層4は、組成式IneGa1-eN(0<e≦1)で表される窒化物半導体から成る。より詳細には、第3の窒化物半導体層4は、組成式IneGa1-eN(0<e≦1)で表される窒化物半導体であって、第2の窒化物半導体層3よりも小さいバンドギャップを有する窒化物半導体から成る。本実施の形態では、第3の窒化物半導体層4は、第2の窒化物半導体層3よりも小さいバンドギャップを有するIn0.15Ga0.85Nから成る。したがって、第3の窒化物半導体層4のバンドギャップは、第2の窒化物半導体層3のバンドギャップよりも小さい。 The third nitride semiconductor layer 4 is made of a nitride semiconductor represented by a composition formula In e Ga 1-e N (0 <e ≦ 1). More specifically, the third nitride semiconductor layer 4 is a nitride semiconductor represented by the composition formula In e Ga 1-e N (0 <e ≦ 1), and the second nitride semiconductor layer 3 It is made of a nitride semiconductor having a smaller band gap. In the present embodiment, the third nitride semiconductor layer 4 is made of In 0.15 Ga 0.85 N having a smaller band gap than the second nitride semiconductor layer 3. Therefore, the band gap of the third nitride semiconductor layer 4 is smaller than the band gap of the second nitride semiconductor layer 3.

第4の窒化物半導体層5は、組成式AlfIngGa1-(f+g)N(0≦f≦1、0≦g≦1、0≦f+g≦1)で表される窒化物半導体から成る。より詳細には、第4の窒化物半導体層5は、組成式AlfIngGa1-(f+g)N(0≦f≦1、0≦g≦1、0≦f+g≦1)で表される窒化物半導体であって、第2の窒化物半導体層3と等しいバンドギャップを有する窒化物半導体から成る。本実施の形態では、第4の窒化物半導体層5は、第2の窒化物半導体層3と等しいバンドギャップを有するGaNから成る。したがって、第4の窒化物半導体層5のバンドギャップは、第2の窒化物半導体層3のバンドギャップと等しい。 The fourth nitride semiconductor layer 5, the composition formula Al f In g Ga 1- (f + g) N (0 ≦ f ≦ 1,0 ≦ g ≦ 1,0 ≦ f + g ≦ 1) nitride represented by Made of semiconductor. More specifically, the fourth nitride semiconductor layer 5, by a composition formula Al f In g Ga 1- (f + g) N (0 ≦ f ≦ 1,0 ≦ g ≦ 1,0 ≦ f + g ≦ 1) The nitride semiconductor is a nitride semiconductor having a band gap equal to that of the second nitride semiconductor layer 3. In the present embodiment, the fourth nitride semiconductor layer 5 is made of GaN having a band gap equal to that of the second nitride semiconductor layer 3. Therefore, the band gap of the fourth nitride semiconductor layer 5 is equal to the band gap of the second nitride semiconductor layer 3.

第5の窒化物半導体層6は、組成式AlhIniGa1-(h+i)N(0≦h≦1、0≦i≦1、0≦h+i≦1)で表される窒化物半導体から成る。より詳細には、第5の窒化物半導体層6は、組成式AlhIniGa1-(h+i)N(0≦h≦1、0≦i≦1、0≦h+i≦1)で表される窒化物半導体であって、第4の窒化物半導体層5よりも大きいバンドギャップを有する窒化物半導体から成る。本実施の形態では、第5の窒化物半導体層6は、第4の窒化物半導体層5よりも大きいバンドギャップを有するAl0.2Ga0.8Nから成る。 The fifth nitride semiconductor layer 6 is a nitride represented by the composition formula Al h In i Ga 1− (h + i) N (0 ≦ h ≦ 1, 0 ≦ i ≦ 1, 0 ≦ h + i ≦ 1). Made of semiconductor. More specifically, the fifth nitride semiconductor layer 6 has a composition formula Al h In i Ga 1− (h + i) N (0 ≦ h ≦ 1, 0 ≦ i ≦ 1, 0 ≦ h + i ≦ 1). The nitride semiconductor is represented by a nitride semiconductor having a larger band gap than the fourth nitride semiconductor layer 5. In the present embodiment, the fifth nitride semiconductor layer 6 is made of Al 0.2 Ga 0.8 N having a larger band gap than the fourth nitride semiconductor layer 5.

したがって、第5の窒化物半導体層6のバンドギャップは、第4の窒化物半導体層5のバンドギャップよりも大きい。前述のように第4の窒化物半導体層5のバンドギャップは、第2の窒化物半導体層3のバンドギャップと等しいので、第5の窒化物半導体層6のバンドギャップは、第2の窒化物半導体層3のバンドギャップよりも大きいことになる。   Therefore, the band gap of the fifth nitride semiconductor layer 6 is larger than the band gap of the fourth nitride semiconductor layer 5. As described above, since the band gap of the fourth nitride semiconductor layer 5 is equal to the band gap of the second nitride semiconductor layer 3, the band gap of the fifth nitride semiconductor layer 6 is the second nitride. This is larger than the band gap of the semiconductor layer 3.

ゲート電極7は、第5の窒化物半導体層6の厚み方向一方側の表面上に設けられる。ゲート電極7は、ショットキー電極として機能する。ゲート電極7は、たとえばニッケル/金(Ni/Au)二層膜によって構成される。   Gate electrode 7 is provided on the surface of one side in the thickness direction of fifth nitride semiconductor layer 6. The gate electrode 7 functions as a Schottky electrode. The gate electrode 7 is composed of, for example, a nickel / gold (Ni / Au) bilayer film.

ソース電極8aおよびドレイン電極8bは、ゲート電極7を挟んで対向するように、第5の窒化物半導体層6の厚み方向一方側の表面上に設けられる。ソース電極8aおよびドレイン電極8bは、いずれも、ゲート電極7から間隔をあけて設けられる。ソース電極8aおよびドレイン電極8bは、オーミック電極として機能する。ソース電極8aおよびドレイン電極8bは、たとえばチタン/アルミニウム(Ti/Al)二層膜によって構成される。   The source electrode 8a and the drain electrode 8b are provided on the surface of one side in the thickness direction of the fifth nitride semiconductor layer 6 so as to face each other with the gate electrode 7 interposed therebetween. Both the source electrode 8 a and the drain electrode 8 b are provided at a distance from the gate electrode 7. The source electrode 8a and the drain electrode 8b function as ohmic electrodes. The source electrode 8a and the drain electrode 8b are made of, for example, a titanium / aluminum (Ti / Al) bilayer film.

第5の窒化物半導体層6の厚み方向一方側の表面のうち、少なくともゲート電極7、ソース電極8aおよびドレイン電極8bが設けられていない部分は、絶縁膜10によって覆われている。換言すれば、半導体表面のうち、少なくとも露出している部分は、絶縁膜10によって覆われている。このように絶縁膜10は、最小限、半導体表面の露出している部分を覆うように設けられる。これに限定されず、絶縁膜10は、半導体表面の露出している部分と、ゲート電極7、ソース電極8aおよびドレイン電極8bの各電極の一部分とを覆うように設けられてもよい。   Of the surface on one side in the thickness direction of the fifth nitride semiconductor layer 6, at least a portion where the gate electrode 7, the source electrode 8 a and the drain electrode 8 b are not provided is covered with the insulating film 10. In other words, at least the exposed portion of the semiconductor surface is covered with the insulating film 10. Thus, the insulating film 10 is provided so as to cover the exposed part of the semiconductor surface at the minimum. However, the insulating film 10 may be provided so as to cover the exposed portion of the semiconductor surface and a part of each of the gate electrode 7, the source electrode 8a, and the drain electrode 8b.

素子分離領域9は、トランジスタと、基板1上に設けられる他の半導体素子とを分離する。図1では、トランジスタを半導体装置100として記載しているが、基板1上にトランジスタ以外の他の半導体素子が設けられる場合、半導体装置100は、トランジスタと他の半導体素子とを含んで構成されてもよい。   The element isolation region 9 isolates the transistor from other semiconductor elements provided on the substrate 1. In FIG. 1, the transistor is described as the semiconductor device 100. However, when a semiconductor element other than the transistor is provided over the substrate 1, the semiconductor device 100 includes the transistor and another semiconductor element. Also good.

素子分離領域9は、トランジスタが形成される領域以外の領域のエピタキシャル結晶層に形成される。具体的には、素子分離領域9は、トランジスタが形成される領域と、他の半導体素子が形成される領域との間のエピタキシャル結晶層に形成される。本実施の形態では、素子分離領域9は、半導体表面である第5の窒化物半導体層6の厚み方向一方側の表面から、第4の窒化物半導体層5の内部にわたって形成される。   The element isolation region 9 is formed in the epitaxial crystal layer in a region other than the region where the transistor is formed. Specifically, the element isolation region 9 is formed in an epitaxial crystal layer between a region where a transistor is formed and a region where another semiconductor element is formed. In the present embodiment, element isolation region 9 is formed from the surface on one side in the thickness direction of fifth nitride semiconductor layer 6, which is the semiconductor surface, to the inside of fourth nitride semiconductor layer 5.

このように素子分離領域9は、第5の窒化物半導体層6の厚み方向一方側の表面から、第4の窒化物半導体層5の内部にわたって形成されるが、これに限定されず、第3の窒化物半導体層4の内部にわたって形成されてもよいし、第2の窒化物半導体層3の内部にわたって形成されてもよいし、第1の窒化物半導体層2の内部にわたって形成されてもよい。換言すれば、素子分離領域9の深さは、第5の窒化物半導体層6の表面から、第4の窒化物半導体層5の内部まででもよいし、第3の窒化物半導体層4の内部まででもよいし、第2の窒化物半導体層3の内部まででもよいし、第1の窒化物半導体層2の内部まででもよい。   Thus, the element isolation region 9 is formed from the surface on one side in the thickness direction of the fifth nitride semiconductor layer 6 to the inside of the fourth nitride semiconductor layer 5, but is not limited thereto. The nitride semiconductor layer 4 may be formed over the second nitride semiconductor layer 3, or the second nitride semiconductor layer 3 may be formed over the first nitride semiconductor layer 2. . In other words, the depth of the element isolation region 9 may be from the surface of the fifth nitride semiconductor layer 6 to the inside of the fourth nitride semiconductor layer 5, or inside the third nitride semiconductor layer 4. Up to the inside of the second nitride semiconductor layer 3 or up to the inside of the first nitride semiconductor layer 2.

以上に述べたように本実施の形態の半導体装置100では、基板1と第2の窒化物半導体層3との間に、第2の窒化物半導体層3のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第1の窒化物半導体層2が設けられている。これによって、バリア層である第5の窒化物半導体層6と、チャネル層である第4の窒化物半導体層5との界面近くに、二次元電子ガス11のほぼ全体を閉じ込めることができる。以下に具体的に説明する。   As described above, semiconductor device 100 of the present embodiment has a band gap larger than the band gap of second nitride semiconductor layer 3 between substrate 1 and second nitride semiconductor layer 3. A first nitride semiconductor layer 2 is provided. As a result, almost the entire two-dimensional electron gas 11 can be confined near the interface between the fifth nitride semiconductor layer 6 serving as a barrier layer and the fourth nitride semiconductor layer 5 serving as a channel layer. This will be specifically described below.

図2は、従来技術の半導体装置のエピタキシャル構造におけるバンド構造と二次元電子ガスのキャリア分布とを示すグラフである。図3は、本発明の実施の一形態である半導体装置100のエピタキシャル構造におけるバンド構造と二次元電子ガスのキャリア分布とを示すグラフである。図2および図3に示すグラフの横軸は、半導体装置の厚み方向一方側の表面からの距離[nm]を表し、左縦軸はエネルギー[eV]を表し、右縦軸はキャリア濃度[cm-3]を表している。 FIG. 2 is a graph showing a band structure and a carrier distribution of a two-dimensional electron gas in an epitaxial structure of a conventional semiconductor device. FIG. 3 is a graph showing the band structure and the carrier distribution of the two-dimensional electron gas in the epitaxial structure of the semiconductor device 100 according to the embodiment of the present invention. 2 and FIG. 3, the horizontal axis represents the distance [nm] from the surface on one side of the thickness direction of the semiconductor device, the left vertical axis represents energy [eV], and the right vertical axis represents the carrier concentration [cm]. -3 ].

図2および図3において、符号GCで示される線は、二次元電子ガス濃度を示し、符号Ecで示される線は、伝導帯(Conduction band)のエネルギー準位を示し、符号Efで示される線は、フェルミ準位(Fermi Level)を示し、符号Evで示される線は、価電子帯(valence band)のエネルギー準位を示す。図2および図3に示すグラフは、半導体装置のエピタキシャル構造におけるバンド構造と二次元電子ガスのキャリア分布とを、一次元バンド計算シミュレータソフトウェアを用いて計算した結果を表す。   2 and 3, the line indicated by the symbol GC indicates the two-dimensional electron gas concentration, the line indicated by the symbol Ec indicates the energy level of the conduction band, and the line indicated by the symbol Ef. Indicates the Fermi level, and the line indicated by the symbol Ev indicates the energy level of the valence band. The graphs shown in FIGS. 2 and 3 show the results of calculating the band structure and the carrier distribution of the two-dimensional electron gas in the epitaxial structure of the semiconductor device using the one-dimensional band calculation simulator software.

図3には、図1で示した本実施の形態の半導体装置100におけるエピタキシャル構造である、Al0.2Ga0.8N/GaN/In0.15Ga0.85N/GaN/Al0.03Ga0.97N構造でのバンド構造と二次元電子ガスのキャリア分布とを、一次元バンド計算シミュレータソフトウェアを用いて計算した結果を示す。ここで、「Al0.2Ga0.8N/GaN/In0.15Ga0.85N/GaN/Al0.03Ga0.97N」は、第1〜第5の窒化物半導体層2〜6を構成する窒化物半導体を、半導体表面側から順に、すなわち第5の窒化物半導体層6、第4の窒化物半導体層5、第3の窒化物半導体層4、第2の窒化物半導体層3、第1の窒化物半導体層2の順に示している。 FIG. 3 shows a band structure in an Al 0.2 Ga 0.8 N / GaN / In 0.15 Ga 0.85 N / GaN / Al 0.03 Ga 0.97 N structure, which is an epitaxial structure in the semiconductor device 100 of the present embodiment shown in FIG. And the carrier distribution of the two-dimensional electron gas are calculated using a one-dimensional band calculation simulator software. Here, “Al 0.2 Ga 0.8 N / GaN / In 0.15 Ga 0.85 N / GaN / Al 0.03 Ga 0.97 N” means that the nitride semiconductor constituting the first to fifth nitride semiconductor layers 2 to 6 is a semiconductor. In order from the surface side, that is, the fifth nitride semiconductor layer 6, the fourth nitride semiconductor layer 5, the third nitride semiconductor layer 4, the second nitride semiconductor layer 3, and the first nitride semiconductor layer 2. It shows in order.

一次元バンド計算シミュレータソフトウェアを用いた計算において、図1に示す半導体装置100は、第1の窒化物半導体層2をAl0.03Ga0.97Nで構成し、その厚さを200nmとし、第2の窒化物半導体層3をGaNで構成し、その厚さを50nmとし、バックバリア層である第3の窒化物半導体層4をIn0.15Ga0.85Nで構成し、その厚さを2nmとし、チャネル層である第4の窒化物半導体層5をGaNで構成し、その厚さを50nmとし、バリア層である第5の窒化物半導体層6をAl0.2Ga0.8Nで構成し、その厚さを15nmとしている。また各層のキャリア濃度を1×1016cm-3とし、バリア層である第5の窒化物半導体層6の表面ピニングエネルギーを1.42eVとしている。 In the calculation using the one-dimensional band calculation simulator software, the semiconductor device 100 shown in FIG. 1 includes a first nitride semiconductor layer 2 made of Al 0.03 Ga 0.97 N, a thickness of 200 nm, and a second nitride. The semiconductor layer 3 is made of GaN, the thickness is 50 nm, the third nitride semiconductor layer 4 as the back barrier layer is made of In 0.15 Ga 0.85 N, the thickness is 2 nm, and the channel layer A certain fourth nitride semiconductor layer 5 is made of GaN and has a thickness of 50 nm, and a fifth nitride semiconductor layer 6 which is a barrier layer is made of Al 0.2 Ga 0.8 N and has a thickness of 15 nm. Yes. The carrier concentration of each layer is 1 × 10 16 cm −3, and the surface pinning energy of the fifth nitride semiconductor layer 6 that is a barrier layer is 1.42 eV.

図2には、従来の半導体装置におけるエピタキシャル構造でのバンド構造と二次元電子ガスのキャリア分布とを、一次元バンド計算シミュレータソフトウェアを用いて計算した結果を示す。従来の半導体装置におけるエピタキシャル構造としては、バリア層56をAl0.2Ga0.8Nで構成し、その厚さを15nmとし、チャネル層55をGaNで構成し、その厚さを15nmとし、バックバリア層54をIn0.15Ga0.85Nで構成し、その厚さを2nmとしている。バックバリア層54と基板との間には、GaNバッファー層を設け、その厚さを200nmとしている。また各層のキャリア濃度を1×1016cm-3とし、バリア層56の表面ピニングエネルギーを1.42eVとしている。 FIG. 2 shows the results of calculating the band structure in the epitaxial structure and the carrier distribution of the two-dimensional electron gas in the conventional semiconductor device using the one-dimensional band calculation simulator software. As an epitaxial structure in a conventional semiconductor device, the barrier layer 56 is made of Al 0.2 Ga 0.8 N, its thickness is 15 nm, the channel layer 55 is made of GaN, its thickness is 15 nm, and the back barrier layer 54 Is made of In 0.15 Ga 0.85 N, and its thickness is 2 nm. A GaN buffer layer is provided between the back barrier layer 54 and the substrate, and its thickness is 200 nm. The carrier concentration of each layer is 1 × 10 16 cm −3, and the surface pinning energy of the barrier layer 56 is 1.42 eV.

図2の計算に用いている従来の半導体装置におけるエピタキシャル構造は、前述の非特許文献1に開示されるエピタキシャル構造に相当する。非特許文献1の図1には、InGaNバックバリア構造における価電子帯のバンド構造が示されている。また非特許文献1の図2には、キャリア濃度の分布を調べるために一次元バンド計算シミュレータソフトウェアを用いて計算した結果が示されている。非特許文献1の図2から、キャリア濃度が1×1017cm-3以上の高い値を持って分布している二次元電子ガスは、GaNチャネル層の全域に分布していることが判る。 The epitaxial structure in the conventional semiconductor device used for the calculation in FIG. 2 corresponds to the epitaxial structure disclosed in Non-Patent Document 1 described above. FIG. 1 of Non-Patent Document 1 shows a band structure of a valence band in an InGaN back barrier structure. Further, FIG. 2 of Non-Patent Document 1 shows a result calculated using a one-dimensional band calculation simulator software in order to examine the carrier concentration distribution. From FIG. 2 of Non-Patent Document 1, it can be seen that the two-dimensional electron gas distributed with a high carrier concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more is distributed throughout the GaN channel layer.

非特許文献1の図1および図2に示す結果は、本願の図2に示す結果と同様である。つまり、図2に示すように、従来の半導体装置におけるエピタキシャル構造では、二次元電子ガス11の分布は、チャネル層55だけでなく、チャネル層55の下層まで広がっている。したがって、チャネル層55の厚さを変えても、二次元電子ガス11の分布は、チャネル層55の全域で見られる。   The results shown in FIG. 1 and FIG. 2 of Non-Patent Document 1 are the same as the results shown in FIG. That is, as shown in FIG. 2, in the epitaxial structure in the conventional semiconductor device, the distribution of the two-dimensional electron gas 11 extends not only to the channel layer 55 but also to the lower layer of the channel layer 55. Therefore, even if the thickness of the channel layer 55 is changed, the distribution of the two-dimensional electron gas 11 can be seen throughout the channel layer 55.

これに対し、本実施の形態の半導体装置100の場合は、図3に示すように、チャネル層である第4の窒化物半導体層5の厚さに関係なく、二次元電子ガス11の分布は、バリア層である第5の窒化物半導体層6と、チャネル層である第4の窒化物半導体層5との界面近くに、ほぼ全体が閉じ込められる。これは、第2の窒化物半導体層3のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第1の窒化物半導体層2が設けられているためであると考えられる。   On the other hand, in the case of the semiconductor device 100 of the present embodiment, as shown in FIG. 3, the distribution of the two-dimensional electron gas 11 is independent of the thickness of the fourth nitride semiconductor layer 5 that is the channel layer. The entire structure is confined near the interface between the fifth nitride semiconductor layer 6 serving as a barrier layer and the fourth nitride semiconductor layer 5 serving as a channel layer. This is considered to be because the first nitride semiconductor layer 2 having a band gap larger than the band gap of the second nitride semiconductor layer 3 is provided.

つまり、本実施の形態のように、第2の窒化物半導体層3のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第1の窒化物半導体層2を設けることによって、二次元電子ガス11を、バリア層6とチャネル層5との界面近くに閉じ込めることができる。   That is, as in the present embodiment, by providing the first nitride semiconductor layer 2 having a band gap larger than the band gap of the second nitride semiconductor layer 3, the two-dimensional electron gas 11 is caused to flow into the barrier layer. 6 and the channel layer 5 can be confined near the interface.

このように本実施の形態では、二次元電子ガス11の閉じ込めを高めることができるので、ゲート電極7のゲート長が短くなっても、ゲート電極7によって、二次元電子ガス11の変調を制御することができる。換言すれば、短チャネル効果を抑制することができる。したがって、効率向上を含めた高周波領域でのトランジスタ特性の向上が可能となる。   As described above, since the confinement of the two-dimensional electron gas 11 can be enhanced in this embodiment, even when the gate length of the gate electrode 7 is shortened, the modulation of the two-dimensional electron gas 11 is controlled by the gate electrode 7. be able to. In other words, the short channel effect can be suppressed. Therefore, it is possible to improve transistor characteristics in a high frequency region including efficiency improvement.

以上のように本実施の形態によれば、第2の窒化物半導体層3と基板1との間、すなわちバックバリア層4の直下の第2の窒化物半導体層3の下層には、第2の窒化物半導体層3のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第1の窒化物半導体層2が設けられている。これによって、バリア層6とチャネル層5との界面への二次元電子ガス11の閉じ込めを向上させ、良好なピンチオフ特性を得ることができる。   As described above, according to the present embodiment, the second nitride semiconductor layer 3 is disposed between the second nitride semiconductor layer 3 and the substrate 1, that is, below the second nitride semiconductor layer 3 immediately below the back barrier layer 4. A first nitride semiconductor layer 2 having a band gap larger than that of the nitride semiconductor layer 3 is provided. As a result, the confinement of the two-dimensional electron gas 11 at the interface between the barrier layer 6 and the channel layer 5 can be improved, and good pinch-off characteristics can be obtained.

また、この二次元電子ガス11の分布は、前述の図3に示すように、チャネル層5の厚さを大きくしても、大きく崩れることはない。したがって、InGaNで構成されるバックバリア層4の合金散乱の影響を低下させることができるので、電子移動度の低下を抑制することができる。   Further, the distribution of the two-dimensional electron gas 11 does not collapse greatly even if the thickness of the channel layer 5 is increased as shown in FIG. Therefore, the influence of the alloy scattering of the back barrier layer 4 made of InGaN can be reduced, so that the decrease in electron mobility can be suppressed.

また、二次元電子ガス11の閉じ込め幅を広くすることなく、チャネル層5の厚さを大きくすることができるので、チャネル層5の結晶性を向上させることができる。これによって、チャネル層5とバリア層6とのヘテロ界面の結晶性および表面モフォロジーを向上させることができるので、電子移動度を向上させることができる。したがって、ゲート長を短くしても、短チャネル効果を抑制することができるので、高周波特性の向上、高効率化、および電子移動度向上による高出力化を図ることができる。   Moreover, since the thickness of the channel layer 5 can be increased without increasing the confinement width of the two-dimensional electron gas 11, the crystallinity of the channel layer 5 can be improved. Thereby, the crystallinity and surface morphology of the hetero interface between the channel layer 5 and the barrier layer 6 can be improved, so that the electron mobility can be improved. Therefore, even if the gate length is shortened, the short channel effect can be suppressed, so that high frequency characteristics can be improved, efficiency can be improved, and output can be increased by improving electron mobility.

このように本実施の形態では、電子移動度の低下が抑制され、かつ二次元電子ガスの閉じ込めが高められた半導体装置100を実現することができるので、半導体装置100の高周波特性の向上、高効率化、および電子移動度向上による高出力化を実現することができる。   As described above, in this embodiment, it is possible to realize the semiconductor device 100 in which the decrease in the electron mobility is suppressed and the confinement of the two-dimensional electron gas is increased, so that the high frequency characteristics of the semiconductor device 100 can be improved. Higher output can be achieved by increasing efficiency and improving electron mobility.

エピタキシャル構造としては、本実施の形態の構成に限定されず、以下に示すような構成のエピタキシャル構造でもよい。   The epitaxial structure is not limited to the configuration of the present embodiment, and an epitaxial structure having the following configuration may be used.

たとえば、本実施の形態におけるエピタキシャル構造の各層とバンドギャップがそれぞれ等しく、かつバックバリア層である第3の窒化物半導体層4の格子定数と他の各層の格子定数とが等しくなる構造が挙げられる。このようなエピタキシャル構造としては、たとえばAl0.489In0.26Ga0.215N/Al0.242In0.247Ga0.511N/In0.15Ga0.85N/Al0.242In0.247Ga0.511N/Al0.279In0.255Ga0.466N構造がある。 For example, a structure in which the band gap is equal to each layer of the epitaxial structure in the present embodiment, and the lattice constant of the third nitride semiconductor layer 4 that is the back barrier layer is equal to the lattice constant of each of the other layers. . Such epitaxial structures, for example, a Al 0.489 In 0.26 Ga 0.215 N / Al 0.242 In 0.247 Ga 0.511 N / In 0.15 Ga 0.85 N / Al 0.242 In 0.247 Ga 0.511 N / Al 0.279 In 0.255 Ga 0.466 N structure.

このエピタキシャル構造において、第3の窒化物半導体層4以外の各窒化物半導体層2,3,5,6の格子定数は、第3の窒化物半導体層4を構成するIn0.15Ga0.85Nの格子定数と等しくなっている。また、このエピタキシャル構造の各層のバンドギャップは、それぞれ、本実施の形態におけるエピタキシャル構造であるAl0.2Ga0.8N/GaN/In0.15Ga0.85N/GaN/Al0.03Ga0.97N構造の各層のバンドギャップと等しくなっている。 In this epitaxial structure, the lattice constants of the nitride semiconductor layers 2, 3, 5, 6 other than the third nitride semiconductor layer 4 are lattices of In 0.15 Ga 0.85 N constituting the third nitride semiconductor layer 4. It is equal to a constant. The band gap of each layer of this epitaxial structure is the band gap of each layer of the Al 0.2 Ga 0.8 N / GaN / In 0.15 Ga 0.85 N / GaN / Al 0.03 Ga 0.97 N structure, which is the epitaxial structure in the present embodiment. It is equal to.

これによって、本実施の形態におけるエピタキシャル構造であるAl0.2Ga0.8N/GaN/In0.15Ga0.85N/GaN/Al0.03Ga0.97N構造で得られる効果と同様の効果を得ることができる。また、各層の格子定数が整合した格子整合系となるので、エピタキシャル結晶内の歪みが生じない構造を構成することができる。したがって、トランジスタの信頼性を向上させることができる。 Thereby, the same effect as that obtained with the Al 0.2 Ga 0.8 N / GaN / In 0.15 Ga 0.85 N / GaN / Al 0.03 Ga 0.97 N structure, which is the epitaxial structure in the present embodiment, can be obtained. Further, since a lattice matching system in which the lattice constants of the respective layers are matched is obtained, a structure in which no distortion occurs in the epitaxial crystal can be configured. Therefore, the reliability of the transistor can be improved.

つまり、第1、第2、第4および第5の各窒化物半導体層2,3,5,6におけるアルミニウム(Al)、インジウム(In)およびガリウム(Ga)の組成を、第1、第2、第4および第5の各窒化物半導体層2,3,5,6の格子定数と、第3の窒化物半導体層4の格子定数とが一致するように選ぶことによって、半導体装置100を構成する窒化物半導体層の格子定数を整合させることができる。これよって、エピタキシャル結晶内に歪みが生じることを防ぐことができるので、半導体装置100の信頼性を向上させることができる。   That is, the composition of aluminum (Al), indium (In), and gallium (Ga) in each of the first, second, fourth, and fifth nitride semiconductor layers 2, 3, 5, and 6 is changed to the first, second, and second compositions. The semiconductor device 100 is configured by selecting the lattice constants of the fourth and fifth nitride semiconductor layers 2, 3, 5, and 6 and the lattice constant of the third nitride semiconductor layer 4 to coincide with each other. The lattice constant of the nitride semiconductor layer to be matched can be matched. Accordingly, it is possible to prevent distortion from occurring in the epitaxial crystal, so that the reliability of the semiconductor device 100 can be improved.

窒化物半導体を用いたヘテロ接合電界効果型トランジスタは、チャネル層5に用いる半導体材料の絶縁破壊電界が高いほど耐圧が高くなる。高耐圧化の観点から、本実施の形態では、第1〜第5の各窒化物半導体層2〜6のバンドギャップを前述の関係を満たすようにするとともに、チャネル層である第4の窒化物半導体層5と、バックバリア層の直下層である第2の窒化物半導体層3とを同一の組成の窒化物半導体で構成し、第2および第4の窒化物半導体層3,5のバンドギャップを3.47eV以上とする。   A heterojunction field effect transistor using a nitride semiconductor has a higher breakdown voltage as the breakdown electric field of the semiconductor material used for the channel layer 5 is higher. In the present embodiment, from the viewpoint of increasing the breakdown voltage, the band gap of each of the first to fifth nitride semiconductor layers 2 to 6 satisfies the above relationship, and the fourth nitride which is a channel layer The semiconductor layer 5 and the second nitride semiconductor layer 3, which is immediately below the back barrier layer, are made of a nitride semiconductor having the same composition, and the band gap of the second and fourth nitride semiconductor layers 3 and 5. Is 3.47 eV or more.

具体的には、チャネル層である第4の窒化物半導体層5およびバックバリア層の直下層である第2の窒化物半導体層3を、組成式AlcIndGa1-(c+d)Nで表される窒化物半導体で構成し、アルミニウム(Al)およびインジウム(In)の組成d,cを、d≧{(2.73/2.67)×c}を満たすように選択する。 Specifically, the fourth nitride semiconductor layer 5 that is the channel layer and the second nitride semiconductor layer 3 that is the immediately lower layer of the back barrier layer are composed of the composition formula Al c In d Ga 1-(c + d). It is composed of a nitride semiconductor represented by N, and the compositions d and c of aluminum (Al) and indium (In) are selected so as to satisfy d ≧ {(2.73 / 2.67) × c}.

これによって、チャネル層である第4の窒化物半導体層5のバンドギャップを、GaNのバンドギャップである3.47eV以上とすることができる。したがって、前述の効果に加えて、耐圧を向上させることができ、高耐圧化を実現することが可能となる。   Thereby, the band gap of the fourth nitride semiconductor layer 5 that is the channel layer can be set to 3.47 eV or more that is the band gap of GaN. Therefore, in addition to the above-described effects, the breakdown voltage can be improved, and a high breakdown voltage can be realized.

以上に述べた本実施の形態では、トランジスタとして動作する必要最小限の要素のみを記載しているが、半導体装置100は、最終的には保護膜、配線、バイアホールなどが形成された構造においてデバイスとして用いられる。   In the present embodiment described above, only the minimum necessary elements that operate as a transistor are described, but the semiconductor device 100 finally has a structure in which a protective film, a wiring, a via hole, and the like are formed. Used as a device.

また本実施の形態では、基板1は、半絶縁性SiC基板であるが、これに限定されず、たとえばシリコン(Si)、サファイヤ、窒化ガリウム(GaN)、または窒化アルミニウム(AlN)などから成る基板であってもよい。   In the present embodiment, the substrate 1 is a semi-insulating SiC substrate, but is not limited to this, and is a substrate made of, for example, silicon (Si), sapphire, gallium nitride (GaN), or aluminum nitride (AlN). It may be.

またソース電極8aおよびドレイン電極8bは、必ずしもTi/Al二層膜で構成される必要はない。ソース電極8aおよびドレイン電極8bは、オーミック特性が得られればよく、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、ニオブ(Nb)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、ストロンチウム(Sr)、ニッケル(Ni)、タンタル(Ta)、金(Au)、白金(Pt)、バナジウム(V)、モリブデン(Mo)もしくはタングステン(W)などの金属、またはこれらから構成される多層膜で形成されていてもよい。   Further, the source electrode 8a and the drain electrode 8b are not necessarily composed of a Ti / Al bilayer film. The source electrode 8a and the drain electrode 8b only have to have ohmic characteristics. Titanium (Ti), aluminum (Al), niobium (Nb), hafnium (Hf), zirconium (Zr), strontium (Sr), nickel (Ni ), Tantalum (Ta), gold (Au), platinum (Pt), vanadium (V), molybdenum (Mo) or tungsten (W), or a multilayer film composed of these metals. .

またゲート電極7,71は、必ずしもニッケル/金(Ni/Au)二層膜で構成される必要はない。ゲート電極7,71は、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)、金(Au)、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)などの金属、イリジウムシリサイド(IrSi)、白金シリサイド(PtSi)、ニッケルシリサイド(NiSi2)などのシリサイド、もしくは窒化チタン(TiN)、窒化タングステン(WN)、窒化タンタル(TaN)などの窒化物金属で構成される単層膜、または、これらの単層膜から構成される多層膜で形成されていてもよい。 Further, the gate electrodes 7 and 71 are not necessarily formed of a nickel / gold (Ni / Au) bilayer film. The gate electrodes 7 and 71 are made of metal such as titanium (Ti), aluminum (Al), platinum (Pt), gold (Au), nickel (Ni), palladium (Pd), iridium silicide (IrSi), platinum silicide (PtSi). ), A silicide such as nickel silicide (NiSi 2 ), or a single layer film made of a nitride metal such as titanium nitride (TiN), tungsten nitride (WN), or tantalum nitride (TaN), or these single layer films It may be formed of a multilayer film composed of

また絶縁膜10は、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、ケイ素(Si)、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、バナジウム(V)などのうちの少なくとも1種類以上の原子の酸化物、窒化物または酸窒化物などで構成される単層膜で形成されていてもよく、これらの単層膜から構成される多層膜で形成されていてもよい。   The insulating film 10 includes at least one of aluminum (Al), gallium (Ga), silicon (Si), hafnium (Hf), titanium (Ti), zirconium (Zr), tantalum (Ta), vanadium (V), and the like. It may be formed of a single layer film composed of oxide, nitride, oxynitride or the like of one or more kinds of atoms, or may be formed of a multilayer film composed of these single layer films.

また半導体装置は、図4〜図10に示す構成であってもよい。図4は、半導体装置の他の例である半導体装置101を示す断面図である。ソース電極8aおよびドレイン電極8bの下側、すなわち基板1側の少なくとも一部の窒化物半導体層内には、図4に示すように、n型不純物が高濃度にドーピングされた領域である高濃度n型不純物領域12が形成されていてもよい。   The semiconductor device may have the configuration shown in FIGS. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a semiconductor device 101 as another example of the semiconductor device. As shown in FIG. 4, in the nitride semiconductor layer on the lower side of the source electrode 8a and the drain electrode 8b, that is, on the substrate 1 side, a high concentration which is a region doped with an n-type impurity at a high concentration. An n-type impurity region 12 may be formed.

このような構造にすることによって、ソース電極8aおよびドレイン電極8bと、これらに接触する窒化物半導体層との接触抵抗を低減することができる。また、チャネル層5のバリア層6側に発生する二次元電子ガス11と、ソース電極8aおよびドレイン電極8bとの間の抵抗を低減することができる。したがって、図4に示す構造は、図1に示す構造に比べて、トランジスタとしての半導体装置の高効率化および大電流化による高出力化に有利であり、より好ましい構造と言える。   With such a structure, the contact resistance between the source electrode 8a and the drain electrode 8b and the nitride semiconductor layer in contact with them can be reduced. In addition, the resistance between the two-dimensional electron gas 11 generated on the barrier layer 6 side of the channel layer 5 and the source electrode 8a and the drain electrode 8b can be reduced. Therefore, the structure shown in FIG. 4 is more preferable than the structure shown in FIG. 1 because it is advantageous in increasing the efficiency of the semiconductor device as a transistor and increasing the output power by increasing the current.

高濃度n型不純物領域12は、n型不純物として、たとえばSiを窒化物半導体層に注入することによって形成される。高濃度n型不純物領域12は、必ずしもSiを注入して形成する必要はなく、n型不純物が高濃度にドーピングされていればよい。具体的には、高濃度不純物領域12は、窒化物半導体中でn型の不純物準位を形成する材料、たとえばSi、酸素原子(O)および炭素原子(C)などが高濃度にドーピングされていればよい。このように高濃度不純物領域12は、窒化物半導体中でn型の不純物準位を形成する材料のドーピングによって形成することができるが、これに限定されず、たとえば窒素空孔の形成によって形成されてもよい。この場合、高濃度不純物領域12には、窒素空孔が高濃度に形成されていればよい。   High-concentration n-type impurity region 12 is formed by injecting, for example, Si into the nitride semiconductor layer as an n-type impurity. The high-concentration n-type impurity region 12 is not necessarily formed by implanting Si, and it is sufficient that the n-type impurity is doped at a high concentration. Specifically, the high-concentration impurity region 12 is doped with a material that forms an n-type impurity level in a nitride semiconductor, such as Si, oxygen atoms (O), and carbon atoms (C), at a high concentration. Just do it. As described above, the high-concentration impurity region 12 can be formed by doping with a material that forms an n-type impurity level in the nitride semiconductor, but is not limited thereto, and is formed by forming a nitrogen vacancy, for example. May be. In this case, nitrogen vacancies need only be formed in the high concentration impurity region 12 at a high concentration.

また、図4では、高濃度n型不純物領域12は、半導体表面である第5の窒化物半導体層6の表面から、チャネル層である第4の窒化物半導体層5に至る領域まで形成されている。高濃度n型不純物領域12が形成される領域は、必ずしも図4に示す領域に限る必要はなく、図4に示す領域よりも大きくても小さくてもよい。すなわち高濃度n型不純物領域12は、ソース電極8aおよびドレイン電極8bの下側の少なくとも一部の窒化物半導体層内に形成されていればよい。このように高濃度n型不純物領域12がソース電極8aおよびドレイン電極8bの下側の少なくとも一部の窒化物半導体層内に形成されていれば、前述の効果を得ることができる。   In FIG. 4, the high-concentration n-type impurity region 12 is formed from the surface of the fifth nitride semiconductor layer 6 that is the semiconductor surface to the region that reaches the fourth nitride semiconductor layer 5 that is the channel layer. Yes. The region where the high-concentration n-type impurity region 12 is formed is not necessarily limited to the region shown in FIG. 4, and may be larger or smaller than the region shown in FIG. That is, the high-concentration n-type impurity region 12 may be formed in at least a part of the nitride semiconductor layer below the source electrode 8a and the drain electrode 8b. As described above, if the high-concentration n-type impurity region 12 is formed in at least part of the nitride semiconductor layer below the source electrode 8a and the drain electrode 8b, the above-described effect can be obtained.

図5は、半導体装置のさらに他の例である半導体装置102を示す断面図である。前述の図1に示す半導体装置100におけるソース電極8aおよびドレイン電極8bの下側、すなわち基板1側の一部の窒化物半導体層は、図5に示すように除去されていてもよい。この場合、窒化物半導体層の除去された部分には、ソース電極18aおよびドレイン電極18bが充填される。図5では、第5の窒化物半導体層6の一部が除去されて孔部13が形成されており、この孔部13の孔にソース電極18aおよびドレイン電極18bの一部分が充填されている。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing a semiconductor device 102 which is still another example of the semiconductor device. A portion of the nitride semiconductor layer below the source electrode 8a and the drain electrode 8b in the semiconductor device 100 shown in FIG. 1, that is, on the substrate 1 side, may be removed as shown in FIG. In this case, the removed portion of the nitride semiconductor layer is filled with the source electrode 18a and the drain electrode 18b. In FIG. 5, a part of the fifth nitride semiconductor layer 6 is removed to form a hole 13, and the hole 13 is filled with a part of the source electrode 18 a and the drain electrode 18 b.

図5に示す構造にすることによって、チャネル層5のバリア層6側に発生する二次元電子ガス11と、ソース電極18aおよびドレイン電極18bとの間の抵抗を低減することができる。したがって、図5に示す構造は、図1に示す構造に比べて、トランジスタとしての半導体装置の高効率化および大電流化による高出力化に有利であり、より好ましい構造と言える。   By adopting the structure shown in FIG. 5, the resistance between the two-dimensional electron gas 11 generated on the barrier layer 6 side of the channel layer 5 and the source electrode 18a and the drain electrode 18b can be reduced. Therefore, the structure shown in FIG. 5 is more preferable than the structure shown in FIG. 1 because it is more advantageous for higher efficiency of the semiconductor device as a transistor and higher output by increasing current.

図5では、ソース電極18aおよびドレイン電極18bの下側の窒化物半導体層2〜6は、半導体表面である第5の窒化物半導体層6の表面すなわちバリア層6の表面から、バリア層6の下層近くに至る領域まで除去されている。窒化物半導体層2〜6の除去する深さ方向の限度は、チャネル層である第4の窒化物半導体層5と、バリア層である第5の窒化物半導体層6との界面までとする。ソース電極18aおよびドレイン電極18bの下側の少なくとも一部の窒化物半導体層が除去されていれば、前述の効果を得ることができる。   In FIG. 5, the nitride semiconductor layers 2 to 6 below the source electrode 18 a and the drain electrode 18 b are formed from the surface of the fifth nitride semiconductor layer 6 that is the semiconductor surface, that is, the surface of the barrier layer 6. The region up to the lower layer is removed. The limit of the depth direction in which the nitride semiconductor layers 2 to 6 are removed is limited to the interface between the fourth nitride semiconductor layer 5 that is a channel layer and the fifth nitride semiconductor layer 6 that is a barrier layer. If at least a part of the nitride semiconductor layer below the source electrode 18a and the drain electrode 18b is removed, the above-described effect can be obtained.

図6は、半導体装置のさらに他の例である半導体装置103を示す断面図である。ゲート電極は、図6に示すゲート電極17のように、リセス14に埋め込まれるように設けられてもよい。図6に示すゲート電極17の底部は、バリア層である第5の窒化物半導体層6に形成されたリセス14に埋め込まれている。リセス14は、エッチングなどでバリア層6の一部を除去することによって形成される。したがって、ゲート電極17の底面は、バリア層6のエピタキシャル成長によって形成された表面には接していない。   FIG. 6 is a cross-sectional view showing a semiconductor device 103 which is still another example of the semiconductor device. The gate electrode may be provided so as to be embedded in the recess 14 like the gate electrode 17 shown in FIG. The bottom portion of the gate electrode 17 shown in FIG. 6 is buried in a recess 14 formed in the fifth nitride semiconductor layer 6 that is a barrier layer. The recess 14 is formed by removing a part of the barrier layer 6 by etching or the like. Therefore, the bottom surface of the gate electrode 17 is not in contact with the surface formed by epitaxial growth of the barrier layer 6.

前述の図1に示すように、ゲート電極7の底面が、バリア層6のエピタキシャル成長によって形成された表面に接している場合、電流コプラスが生じるおそれがある。ここで、「電流コプラス」とは、低電圧動作でのトランジスタのオン抵抗値と比べて、高電圧動作でのオン抵抗値が高くなってしまう現象をいう。電流コプラスは、高電圧動作時にゲート電極の端部に電界が集中して電子が加速され、エピタキシャル結晶層表面の欠陥および界面準位などに電子がトラップされることが原因であると考えられる。   As shown in FIG. 1 described above, when the bottom surface of the gate electrode 7 is in contact with the surface formed by epitaxial growth of the barrier layer 6, current coplus may be generated. Here, “current coplus” refers to a phenomenon in which the on-resistance value in a high-voltage operation becomes higher than the on-resistance value of a transistor in a low-voltage operation. The current coplus is considered to be caused by the fact that the electric field concentrates on the edge of the gate electrode during high voltage operation and the electrons are accelerated, and the electrons are trapped in defects on the surface of the epitaxial crystal layer and interface states.

前述の図1に示すように、ゲート電極7の底面が、バリア層6のエピタキシャル成長によって形成された表面と接している場合は、ゲート電極7とドレイン電極8bとの間の半導体表面およびその近傍に形成された欠陥および界面準位などにトラップされた電子の影響によって、仮想ゲートが形成される。これによって、本来のゲート電極7の電位制御による二次元電子ガス11の制御が行いにくくなり、電流コラプスが発生する。   As shown in FIG. 1 described above, when the bottom surface of the gate electrode 7 is in contact with the surface formed by epitaxial growth of the barrier layer 6, the semiconductor surface between the gate electrode 7 and the drain electrode 8b and the vicinity thereof are disposed. A virtual gate is formed due to the influence of electrons trapped in the formed defects and interface states. This makes it difficult to control the two-dimensional electron gas 11 by controlling the potential of the original gate electrode 7 and causes current collapse.

これに対し、図6に示すように、ゲート電極17の底面を、バリア層6のエピタキシャル成長によって形成された表面と接しないようにすると、二次元電子ガス11の制御を行うゲート電極17と二次元電子ガス11との距離が短くなる。これによって、ゲート電極17の電位制御による二次元電子ガス11の制御が行いやすくなり、半導体表面への電子のトラップの影響が低下する。したがって、電流コラプスを抑制することができ、相互コンダクタンスを増加させることができる。   On the other hand, if the bottom surface of the gate electrode 17 is not in contact with the surface formed by epitaxial growth of the barrier layer 6, as shown in FIG. The distance to the electron gas 11 is shortened. This facilitates the control of the two-dimensional electron gas 11 by controlling the potential of the gate electrode 17 and reduces the influence of electron traps on the semiconductor surface. Therefore, current collapse can be suppressed and mutual conductance can be increased.

図7は、半導体装置のさらに他の例である半導体装置104を示す断面図である。前述の図1、図4〜図6では、ゲート電極7は、断面形状が四角形状である。ゲート電極の断面形状は、必ずしも四角形状である必要はない。ゲート電極は、たとえば図7に示すようなT型構造のゲート電極(以下「T型ゲート電極」という場合がある)71、またはY型構造のゲート電極でもよい。このようにゲート電極71の断面形状をT型構造またはY型構造にすることによって、ゲート電極71が半導体と接触する面積を維持しつつ、ゲート抵抗を低減することができる。具体的には、ゲート電極71が、バリア層である第5の窒化物半導体層6と接触する面積を維持するとともに、ゲート抵抗を低減することができる。   FIG. 7 is a cross-sectional view showing a semiconductor device 104 which is still another example of the semiconductor device. In FIGS. 1 and 4 to 6 described above, the gate electrode 7 has a square cross-sectional shape. The cross-sectional shape of the gate electrode is not necessarily a square shape. The gate electrode may be, for example, a T-type gate electrode (hereinafter also referred to as “T-type gate electrode”) 71 as shown in FIG. 7 or a Y-type gate electrode. Thus, by making the cross-sectional shape of the gate electrode 71 a T-type structure or a Y-type structure, the gate resistance can be reduced while maintaining the area where the gate electrode 71 is in contact with the semiconductor. Specifically, the gate electrode 71 can maintain an area in contact with the fifth nitride semiconductor layer 6 that is a barrier layer, and the gate resistance can be reduced.

図8は、半導体装置のさらに他の例である半導体装置105を示す断面図である。前述の図7では、T型ゲート電極71の傘下部分が絶縁膜10と接していない構造を示したが、図8に示すように、T型ゲート電極72の傘下部分が絶縁膜10と接する構造にしてもよい。T型ゲート電極72の傘下部分が絶縁膜10と接する構造にすることによって、高電圧動作時において、ゲート電極72のドレイン電極8b側のエッジ部分に集中する電界を緩和することができる。これによって、電流コラプスを抑制するとともに、耐圧を高くすることができる。   FIG. 8 is a cross-sectional view showing a semiconductor device 105 which is still another example of the semiconductor device. In FIG. 7 described above, the structure in which the part of the T-type gate electrode 71 is not in contact with the insulating film 10 is shown. However, as shown in FIG. 8, the structure in which the part of the T-type gate electrode 72 is in contact with the insulating film 10. It may be. By adopting a structure in which the subordinate portion of the T-type gate electrode 72 is in contact with the insulating film 10, the electric field concentrated on the edge portion on the drain electrode 8 b side of the gate electrode 72 can be reduced during high voltage operation. As a result, current collapse can be suppressed and the breakdown voltage can be increased.

図9は、半導体装置のさらに他の例である半導体装置106を示す断面図である。前述の図8では、絶縁膜10は、バリア層6の厚み方向一方側の表面のうち、少なくともゲート電極72、ソース電極8aおよびドレイン電極8bが形成されていない部分全体に形成されている。これに限定されず、図9に示すように、ゲート電極71の傘下部分のみに絶縁膜70を形成してもよい。このように絶縁膜70をゲート電極71の傘下部分のみに形成することによって、ソース電極8aとゲート電極71との間、およびゲート電極71とドレイン電極8bとの間に発生する容量を低減することができる。これによって、高周波動作時の利得および効率を向上することができる。   FIG. 9 is a cross-sectional view showing a semiconductor device 106 which is still another example of the semiconductor device. In FIG. 8 described above, the insulating film 10 is formed on the entire surface of the barrier layer 6 on one side in the thickness direction where at least the gate electrode 72, the source electrode 8a, and the drain electrode 8b are not formed. However, the present invention is not limited to this, and the insulating film 70 may be formed only on the part under the gate electrode 71 as shown in FIG. Thus, by forming the insulating film 70 only in the part under the gate electrode 71, the capacitance generated between the source electrode 8a and the gate electrode 71 and between the gate electrode 71 and the drain electrode 8b can be reduced. Can do. As a result, the gain and efficiency during high-frequency operation can be improved.

図10は、半導体装置のさらに他の例である半導体装置107を示す断面図である。前述の図4〜図9に示す構造は、全て個々に採用する必要はなく、たとえば、図10に示すように、組み合わせてもよい。図10に示す半導体装置107では、T型ゲート電極73の底部は、リセス14に埋め込まれている。   FIG. 10 is a cross-sectional view showing a semiconductor device 107 which is still another example of the semiconductor device. The above-described structures shown in FIGS. 4 to 9 do not have to be individually adopted, and may be combined as shown in FIG. 10, for example. In the semiconductor device 107 shown in FIG. 10, the bottom of the T-type gate electrode 73 is embedded in the recess 14.

次に、前述の図1に示す本発明の実施の一形態である半導体装置100の製造方法について説明する。図11〜図20は、本発明の実施の一形態である半導体装置100の製造方法を説明するための図である。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device 100 according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 will be described. 11 to 20 are views for explaining a method of manufacturing the semiconductor device 100 according to the embodiment of the present invention.

図11は、基板1上への第1〜第5の窒化物半導体層2〜6の積層が終了した段階の状態を示す断面図である。まず、たとえば、サファイヤ、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、またはSiなどから成る基板1を準備する。本実施の形態では、基板1として、SiC基板を準備する。   FIG. 11 is a cross-sectional view showing a state where the stacking of the first to fifth nitride semiconductor layers 2 to 6 on the substrate 1 has been completed. First, for example, a substrate 1 made of sapphire, silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), Si, or the like is prepared. In the present embodiment, a SiC substrate is prepared as the substrate 1.

次に、たとえば、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy;略称:MBE)法または気相成長(Chemical Vapor Deposition;略称:CVD)法によって、基板1の厚み方向一方側の表面上に、第1の窒化物半導体層2、第2の窒化物半導体層3、第3の窒化物半導体層4、第4の窒化物半導体層5、および第5の窒化物半導体層6を、この順序で積層する。前述のように、第3の窒化物半導体層4は、バックバリア層として機能する。第4の窒化物半導体層5は、チャネル層として機能する。第5の窒化物半導体層6は、バリア層として機能する。   Next, the first nitridation is performed on the surface on one side in the thickness direction of the substrate 1 by, for example, a molecular beam epitaxy (abbreviation: MBE) method or a chemical vapor deposition (abbreviation: CVD) method. The semiconductor layer 2, the second nitride semiconductor layer 3, the third nitride semiconductor layer 4, the fourth nitride semiconductor layer 5, and the fifth nitride semiconductor layer 6 are stacked in this order. As described above, the third nitride semiconductor layer 4 functions as a back barrier layer. The fourth nitride semiconductor layer 5 functions as a channel layer. The fifth nitride semiconductor layer 6 functions as a barrier layer.

本実施の形態では、第1〜第5の窒化物半導体層2〜6として、Al0.2Ga0.8N/GaN/In0.15Ga0.85N/GaN/Al0.03Ga0.97Nの構造をSiC基板上にエピタキシャル成長させる場合について説明する。 In the present embodiment, a structure of Al 0.2 Ga 0.8 N / GaN / In 0.15 Ga 0.85 N / GaN / Al 0.03 Ga 0.97 N is epitaxially grown on the SiC substrate as the first to fifth nitride semiconductor layers 2 to 6. The case where it is made to explain is demonstrated.

第1の窒化物半導体層2のバンドギャップは、チャネル層である第4の窒化物半導体層5に高い濃度で分布する二次元電子ガス11の閉じ込めに影響を与える。したがって、第1の窒化物半導体層2のバンドギャップは、チャネル層5と等しいバンドギャップを有する第2の窒化物半導体層3よりも大きいことが望ましい。このことから、第1の窒化物半導体層2を構成する窒化物半導体におけるAl、InおよびGaの組成は、第1の窒化物半導体層2のバンドギャップが、第2の窒化物半導体層3のバンドギャップよりも大きくなるように選ぶことが望ましい。   The band gap of the first nitride semiconductor layer 2 affects the confinement of the two-dimensional electron gas 11 distributed at a high concentration in the fourth nitride semiconductor layer 5 that is the channel layer. Therefore, the band gap of the first nitride semiconductor layer 2 is desirably larger than that of the second nitride semiconductor layer 3 having a band gap equal to that of the channel layer 5. From this, the composition of Al, In and Ga in the nitride semiconductor constituting the first nitride semiconductor layer 2 is such that the band gap of the first nitride semiconductor layer 2 is that of the second nitride semiconductor layer 3. It is desirable to choose so as to be larger than the band gap.

また第1の窒化物半導体層2の厚み寸法(以下「厚さ」という場合がある)は、基板1との格子不整による転移を上層のエピタキシャル結晶層に及ぼさない厚さが望ましい。具体的には、第1の窒化物半導体層2の厚さは、100nm以上1000nm以下であることが望ましい。このように第1の窒化物半導体層2を100nm以上1000nm以下と厚くすることによって、第1の窒化物半導体層2の結晶性が良くなり、その後に積層する第2の窒化物半導体層3以降の窒化物半導体層の結晶性を向上させることができる。本実施の形態では、第1の窒化物半導体層2をAl0.03Ga0.97Nによって構成し、その厚さを200nmとする。 The thickness dimension of the first nitride semiconductor layer 2 (hereinafter sometimes referred to as “thickness”) is preferably a thickness that does not affect the upper epitaxial crystal layer due to lattice mismatch with the substrate 1. Specifically, the thickness of the first nitride semiconductor layer 2 is desirably 100 nm or more and 1000 nm or less. Thus, by increasing the thickness of the first nitride semiconductor layer 2 to 100 nm or more and 1000 nm or less, the crystallinity of the first nitride semiconductor layer 2 is improved, and the second nitride semiconductor layer 3 and subsequent layers to be stacked thereafter are formed. The crystallinity of the nitride semiconductor layer can be improved. In the present embodiment, the first nitride semiconductor layer 2 is made of Al 0.03 Ga 0.97 N and has a thickness of 200 nm.

また本実施の形態では、第2の窒化物半導体層3、およびチャネル層である第4の窒化物半導体層5は、GaNによって構成し、その厚さを50nmとする。第2および第4の窒化物半導体層3,5の厚さは、これに限定されるものではないが、第1の窒化物半導体層2の厚さよりも小さく、かつ第3の窒化物半導体層4の厚さよりも大きい値に選ばれる。具体的には、第2および第4の窒化物半導体層3,5の厚さは、10nm以上200nm以下であることが望ましい。この範囲の中でも、特に第2の窒化物半導体層3の厚さは、厚い方が望ましい。第2の窒化物半導体層3の厚さを、たとえば200nm程度と厚くすることによって、第2の窒化物半導体層3の結晶性が良くなり、その後に積層する第3の窒化物半導体層4であるInGaN層の結晶性を向上させることができる。   In the present embodiment, the second nitride semiconductor layer 3 and the fourth nitride semiconductor layer 5 that is the channel layer are made of GaN and have a thickness of 50 nm. The thickness of the second and fourth nitride semiconductor layers 3 and 5 is not limited to this, but is smaller than the thickness of the first nitride semiconductor layer 2 and the third nitride semiconductor layer. A thickness greater than 4 is selected. Specifically, the thickness of the second and fourth nitride semiconductor layers 3 and 5 is desirably 10 nm or more and 200 nm or less. Within this range, it is desirable that the thickness of the second nitride semiconductor layer 3 is particularly thick. By increasing the thickness of the second nitride semiconductor layer 3 to, for example, about 200 nm, the crystallinity of the second nitride semiconductor layer 3 is improved, and the third nitride semiconductor layer 4 stacked thereafter is used. The crystallinity of a certain InGaN layer can be improved.

バックバリア層である第3の窒化物半導体層4は、前述のように、組成式IneGa1-eN(0<e≦1)で表される窒化物半導体から成る。第3の窒化物半導体層4のバンドギャップは、第2の窒化物半導体層3および第4の窒化物半導体層5のバンドギャップよりも小さくする。 As described above, the third nitride semiconductor layer 4 serving as the back barrier layer is made of a nitride semiconductor represented by the composition formula In e Ga 1-e N (0 <e ≦ 1). The band gap of the third nitride semiconductor layer 4 is made smaller than the band gap of the second nitride semiconductor layer 3 and the fourth nitride semiconductor layer 5.

第2の窒化物半導体層3および第4の窒化物半導体層5は、第3の窒化物半導体層4の上下の層であり、かつバンドギャップが等しい。この第2および第4の窒化物半導体層3,5のバンドギャップよりも、第3の窒化物半導体層4のバンドギャップを前述のように小さくすることによって、第2の窒化物半導体層3と第4の窒化物半導体層5とにエネルギー差(以下「ノッチ」という場合がある)を生じさせることができる。このエネルギー差が、電子に対する障壁、すなわちバックバリアとなる。   The second nitride semiconductor layer 3 and the fourth nitride semiconductor layer 5 are upper and lower layers of the third nitride semiconductor layer 4 and have the same band gap. By making the band gap of the third nitride semiconductor layer 4 smaller than the band gap of the second and fourth nitride semiconductor layers 3 and 5 as described above, An energy difference (hereinafter sometimes referred to as “notch”) can be generated in the fourth nitride semiconductor layer 5. This energy difference becomes a barrier against electrons, that is, a back barrier.

したがって、バックバリア層となる第3の窒化物半導体層4の厚さは、5nm以下程度と小さい方が、急激なバンドギャップ差を生じさせることができるので、望ましい。ただし、第3の窒化物半導体層4のバンドギャップは、前述のように第2および第4の窒化物半導体層3,5のバンドギャップよりも小さくしたときに、正孔、すなわちホールの形成が生じない程度のバンドギャップであることが望ましい。   Therefore, it is desirable that the thickness of the third nitride semiconductor layer 4 serving as the back barrier layer be as small as about 5 nm or less because a steep band gap difference can be generated. However, when the band gap of the third nitride semiconductor layer 4 is made smaller than the band gaps of the second and fourth nitride semiconductor layers 3 and 5 as described above, formation of holes, that is, holes, is not possible. It is desirable that the band gap is such that it does not occur.

以上のことから、本実施の形態では、バックバリア層である第3の窒化物半導体層4は、In0.15Ga0.85Nによって構成し、その厚さを2nmとする。第3の窒化物半導体層4の厚さは、これに限定されるものではないが、前述のように5nm以下であることが望ましく、より望ましくは1nm以上5nm以下である。第3の窒化物半導体層4の厚さは、第2および第4の窒化物半導体層3,5の厚さよりも小さい値に選ばれる。 From the above, in the present embodiment, the third nitride semiconductor layer 4 that is the back barrier layer is made of In 0.15 Ga 0.85 N and has a thickness of 2 nm. The thickness of the third nitride semiconductor layer 4 is not limited to this, but is desirably 5 nm or less as described above, and more desirably 1 nm or more and 5 nm or less. The thickness of the third nitride semiconductor layer 4 is selected to be smaller than the thickness of the second and fourth nitride semiconductor layers 3 and 5.

またバリア層である第5の窒化物半導体層6は、本実施の形態では、Al0.2Ga0.8Nによって構成し、その厚さを15nmとする。第5の窒化物半導体層6の厚さは、これに限定されるものではない。所望の二次元電子ガス濃度と耐圧とを鑑みて、第5の窒化物半導体層6と第4の窒化物半導体層5とのバンドギャップ差が決められ、それに基づいて、第5の窒化物半導体層6の構成元素の組成と、第5の窒化物半導体層6の厚さとが決められる。すなわち、第5の窒化物半導体層6の組成および厚さは、所望の二次元電子ガス濃度と耐圧とに基づいて決められる。具体的には、第5の窒化物半導体層6の厚さは、5nm以上50nm以下であることが望ましい。 In the present embodiment, the fifth nitride semiconductor layer 6 that is a barrier layer is made of Al 0.2 Ga 0.8 N and has a thickness of 15 nm. The thickness of the fifth nitride semiconductor layer 6 is not limited to this. In view of the desired two-dimensional electron gas concentration and breakdown voltage, the band gap difference between the fifth nitride semiconductor layer 6 and the fourth nitride semiconductor layer 5 is determined, and based on this, the fifth nitride semiconductor is determined. The composition of the constituent elements of the layer 6 and the thickness of the fifth nitride semiconductor layer 6 are determined. That is, the composition and thickness of the fifth nitride semiconductor layer 6 are determined based on the desired two-dimensional electron gas concentration and breakdown voltage. Specifically, the thickness of the fifth nitride semiconductor layer 6 is preferably 5 nm or more and 50 nm or less.

第1〜第5の窒化物半導体層2〜6の不純物濃度は、1×1018cm-3以下であればよい。特に、バリア層である第5の窒化物半導体層6の不純物濃度は、バリア層6を高耐圧層とするために、1×1018cm-3以下に設定される。本実施の形態では、不純物の導電型は、常にn型である。窒化物半導体は、意図的に不純物を導入しない場合、すなわちノンドープの場合においても、成長炉または雰囲気ガス中から不純物が窒化物半導体中に入り、n型の不純物を含むこととなる。したがって、第1〜第5の窒化物半導体層2〜6は、結晶成長においてノンドープであっても、実際の不純物濃度が1×1018cm-3以下であればよく、この不純物濃度が低い方が望ましい。 The impurity concentration of the first to fifth nitride semiconductor layers 2 to 6 may be 1 × 10 18 cm −3 or less. In particular, the impurity concentration of the fifth nitride semiconductor layer 6 serving as the barrier layer is set to 1 × 10 18 cm −3 or less in order to make the barrier layer 6 a high breakdown voltage layer. In the present embodiment, the conductivity type of the impurity is always n-type. In a nitride semiconductor, even when impurities are not intentionally introduced, that is, in the case of non-doping, impurities enter the nitride semiconductor from a growth furnace or atmospheric gas, and include n-type impurities. Therefore, even if the first to fifth nitride semiconductor layers 2 to 6 are non-doped in crystal growth, the actual impurity concentration only needs to be 1 × 10 18 cm −3 or less. Is desirable.

図12は、ソース電極8aおよびドレイン電極8bの形成が終了した段階の状態を示す断面図である。第1〜第5の窒化物半導体層2〜6の形成後は、たとえば蒸着法またはスパッタ法を用いて、ソース電極8aおよびドレイン電極8bとなる導電膜を堆積し、リフトオフ法などによってソース電極8aおよびドレイン電極8bを形成する。ソース電極8aおよびドレイン電極8bとなる導電膜としては、たとえばチタン(Ti)、アルミニウム(Al)、ニオブ(Nb)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、ストロンチウム(Sr)、ニッケル(Ni)、タンタル(Ta)、金(Au)、白金(Pt)、バナジウム(V)、モリブデン(Mo)もしくはタングステン(W)などの金属から成る単層膜、またはこれらの単層膜で構成される多層膜を用いる。   FIG. 12 is a cross-sectional view showing a state where the formation of the source electrode 8a and the drain electrode 8b has been completed. After the formation of the first to fifth nitride semiconductor layers 2 to 6, a conductive film to be the source electrode 8a and the drain electrode 8b is deposited by using, for example, a vapor deposition method or a sputtering method, and the source electrode 8a is formed by a lift-off method or the like. And the drain electrode 8b is formed. As the conductive film to be the source electrode 8a and the drain electrode 8b, for example, titanium (Ti), aluminum (Al), niobium (Nb), hafnium (Hf), zirconium (Zr), strontium (Sr), nickel (Ni), A single layer film made of a metal such as tantalum (Ta), gold (Au), platinum (Pt), vanadium (V), molybdenum (Mo) or tungsten (W), or a multilayer film composed of these single layer films Is used.

ソース電極8aおよびドレイン電極8bの形成後には、熱処理を行ってもよい。熱処理を行うことによって、ソース電極8aおよびドレイン電極8bを構成する金属層と、半導体表面層である第5の窒化物半導体層6とを反応させて、反応層として、合金層を形成することができる。これによって、接触抵抗およびアクセス抵抗を更に低減することができる。   Heat treatment may be performed after the formation of the source electrode 8a and the drain electrode 8b. By performing heat treatment, the metal layer constituting the source electrode 8a and the drain electrode 8b and the fifth nitride semiconductor layer 6 which is the semiconductor surface layer are reacted to form an alloy layer as a reaction layer. it can. Thereby, contact resistance and access resistance can be further reduced.

図13は、素子分離領域9の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。ソース電極8aおよびドレイン電極8bの形成後は、レジストパターンなどをマスク31として、トランジスタを作製する領域以外の領域のエピタキシャル結晶層に素子分離領域9を形成する。素子分離領域9は、本実施の形態では、第5の窒化物半導体層6の表面から、基板1の方向に向けて、第4の窒化物半導体層5の内部にわたって形成される。素子分離領域9は、これに限定されるものではなく、第5の窒化物半導体層6の表面から、基板1の方向に向けて、エピタキシャル結晶層である第5〜第1の窒化物半導体層6〜2のいずれかの内部にわたって形成される。   FIG. 13 is a cross-sectional view showing a state in which the formation of the element isolation region 9 has been completed. After the formation of the source electrode 8a and the drain electrode 8b, the element isolation region 9 is formed in the epitaxial crystal layer in a region other than the region for forming the transistor, using the resist pattern or the like as a mask 31. In the present embodiment, the element isolation region 9 is formed from the surface of the fifth nitride semiconductor layer 6 to the inside of the fourth nitride semiconductor layer 5 toward the substrate 1. The element isolation region 9 is not limited to this, and the fifth to first nitride semiconductor layers which are epitaxial crystal layers from the surface of the fifth nitride semiconductor layer 6 toward the substrate 1. It is formed over any one of 6-2.

本実施の形態では、イオン32を照射するイオン注入法によって素子分離領域9を形成する。照射するイオン32としては、たとえば、ヘリウム(He)、窒素(N)、酸素(O)、マグネシウム(Mg)、アルゴン(Ar)、カルシウム(Ca)、鉄(Fe)、亜鉛(Zn)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)などのイオンが挙げられる。素子分離領域9の形成方法は、イオン注入法に限定されない。たとえば、エッチングなどを用いて、第1〜第5の窒化物半導体層の一部分を除去し、素子分離領域9を形成してもよい。   In the present embodiment, the element isolation region 9 is formed by an ion implantation method in which the ions 32 are irradiated. Examples of the ions 32 to be irradiated include helium (He), nitrogen (N), oxygen (O), magnesium (Mg), argon (Ar), calcium (Ca), iron (Fe), zinc (Zn), and strontium. And ions such as (Sr) and barium (Ba). The method for forming the element isolation region 9 is not limited to the ion implantation method. For example, part of the first to fifth nitride semiconductor layers may be removed using etching or the like to form the element isolation region 9.

図14は、ゲート電極7の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。素子分離領域9の形成後は、たとえば蒸着法またはスパッタ法を用いて、ゲート電極7となる導電膜を堆積し、リフトオフ法などによってゲート電極7を形成する。ゲート電極7となる導電膜としては、たとえば、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)、金(Au)、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)などの金属、珪化イリジウム(IrSi)、珪化白金(PtSi)、珪化ニッケル(NiSi2)などのシリサイド、もしくは窒化チタン(TiN)、窒化タングステン(WN)、窒化タンタル(TaN)などの窒化物金属などから成る単層膜、またはこれらの単層膜で構成される多層膜を用いる。 FIG. 14 is a cross-sectional view showing a state in which the formation of the gate electrode 7 has been completed. After the element isolation region 9 is formed, a conductive film to be the gate electrode 7 is deposited by using, for example, an evaporation method or a sputtering method, and the gate electrode 7 is formed by a lift-off method or the like. Examples of the conductive film to be the gate electrode 7 include titanium (Ti), aluminum (Al), platinum (Pt), gold (Au), nickel (Ni), palladium (Pd), and other metals, iridium silicide (IrSi), and the like. , Single layer films made of silicide such as platinum silicide (PtSi), nickel silicide (NiSi 2 ), or nitride metal such as titanium nitride (TiN), tungsten nitride (WN), tantalum nitride (TaN), or the like A multilayer film composed of a single layer film is used.

図15は、絶縁膜10の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。ゲート電極7の形成後は、第5の窒化物半導体層6の厚み方向一方側の表面のうち、少なくともゲート電極7、ソース電極8aおよびドレイン電極8bが形成されていない部分を覆うように、絶縁膜10を形成する。具体的には、たとえばプラズマCVD法、触媒化学気相成長(Catalytic Chemical Vapor Deposition;略称:Cat−CVD)法、原子成長(Atomic Layer Deposition;略称:ALD)法、MOCVD法、MBE法またはスパッタ法によって、絶縁膜10を形成する。   FIG. 15 is a cross-sectional view showing a state in which the formation of the insulating film 10 has been completed. After the formation of the gate electrode 7, the fifth nitride semiconductor layer 6 is insulated so as to cover at least a portion where the gate electrode 7, the source electrode 8 a and the drain electrode 8 b are not formed on the surface on one side in the thickness direction. A film 10 is formed. Specifically, for example, a plasma CVD method, a catalytic chemical vapor deposition (abbreviation: Cat-CVD) method, an atomic growth (Atomic Layer Deposition; abbreviation: ALD) method, an MOCVD method, an MBE method, or a sputtering method. Thus, the insulating film 10 is formed.

絶縁膜10としては、たとえばアルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、ケイ素(Si)、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、バナジウム(V)などのうちの少なくとも1種類以上の原子の酸化物、窒化物もしくは酸窒化物などから成る単層膜、またはこれらの単層膜で構成される多層膜を形成する。   Examples of the insulating film 10 include aluminum (Al), gallium (Ga), silicon (Si), hafnium (Hf), titanium (Ti), zirconium (Zr), tantalum (Ta), and vanadium (V). A single-layer film made of an oxide, nitride, or oxynitride of at least one kind of atom or a multilayer film composed of these single-layer films is formed.

以上に述べた半導体装置の製造方法によれば、前述の図1に示す構造を有し、前述のように優れた効果を有するヘテロ接合電界効果型トランジスタである半導体装置100を製造することができる。本実施の形態では、トランジスタとして動作する必要最小限の要素しか記載していないが、半導体装置100は、最終的には保護膜、配線、バイアホールなどの形成プロセスを経てデバイスとして用いられる。   According to the semiconductor device manufacturing method described above, it is possible to manufacture the semiconductor device 100 which is the heterojunction field effect transistor having the structure shown in FIG. 1 and having excellent effects as described above. . In this embodiment, only the minimum necessary elements that operate as a transistor are described, but the semiconductor device 100 is finally used as a device through a formation process of a protective film, a wiring, a via hole, and the like.

また本実施の形態では、エピタキシャル結晶層である第1〜第5の窒化物半導体層6の形成後に、ソース電極8aおよびドレイン電極8bの形成、素子分離領域9の形成、ゲート電極7の形成、絶縁膜10の形成の各工程が、この順に行われている。これらの工程は、必ずしもこの順番で行う必要はなく、工程の順番を入れ替えてもよい。   In the present embodiment, after the formation of the first to fifth nitride semiconductor layers 6 that are epitaxial crystal layers, the source electrode 8a and the drain electrode 8b are formed, the element isolation region 9 is formed, the gate electrode 7 is formed, Each process of forming the insulating film 10 is performed in this order. These steps are not necessarily performed in this order, and the order of the steps may be changed.

たとえば、ソース電極8aおよびドレイン電極8bを形成する前に、素子分離領域9の形成を行ってもよい。またゲート電極7の形成後に素子分離領域9の形成を行ってもよい。また絶縁膜10の形成を行い、形成した絶縁膜10のうち、ゲート電極7を形成する領域の絶縁膜10を除去した後に、ゲート電極7を形成してもよい。また絶縁膜10の形成後に素子分離領域9の形成を行い、次いでゲート形成領域の絶縁膜10を除去した後に、ゲート電極7を形成してもよい。   For example, the element isolation region 9 may be formed before forming the source electrode 8a and the drain electrode 8b. The element isolation region 9 may be formed after the gate electrode 7 is formed. Alternatively, the gate electrode 7 may be formed after forming the insulating film 10 and removing the insulating film 10 in the region where the gate electrode 7 is to be formed in the formed insulating film 10. Alternatively, the element isolation region 9 may be formed after the insulating film 10 is formed, and then the gate electrode 7 may be formed after the insulating film 10 in the gate forming region is removed.

また本実施の形態では、前述の図11に示す第1〜第5の窒化物半導体層2〜6として、Al0.2Ga0.8N/GaN/In0.15Ga0.85N/GaN/Al0.03Ga0.97Nの構造をSiC基板上にエピタキシャル成長させる場合について説明したが、第1〜第5の窒化物半導体層2〜6を形成するときの条件を適宜に変更することによって、実施の形態と同様の効果を達成する種々のヘテロ接合電界効果型トランジスタを半導体装置として製造することができる。 In the present embodiment, the first to fifth nitride semiconductor layers 2 to 6 shown in FIG. 11 are made of Al 0.2 Ga 0.8 N / GaN / In 0.15 Ga 0.85 N / GaN / Al 0.03 Ga 0.97 N. Although the case where the structure is epitaxially grown on the SiC substrate has been described, the same effects as those of the embodiment are achieved by appropriately changing the conditions for forming the first to fifth nitride semiconductor layers 2 to 6. Various heterojunction field effect transistors can be manufactured as a semiconductor device.

具体的には、図11に示すエピタキシャル構造を、MOCVD法を用いて、基板1上にエピタキシャル成長させるときに、窒化物半導体の原料ガスとなるトリメチルアンモニウム、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニア、あるいは、n型ドーパントの原料ガスとなるシランなどの流量、圧力、温度および時間を調整し、各層を所望の組成、膜厚およびドーピング濃度とする。これによって、さまざまな窒化物半導体ヘテロ接合電界効果型トランジスタを半導体装置として製造することができる。   Specifically, when the epitaxial structure shown in FIG. 11 is epitaxially grown on the substrate 1 using the MOCVD method, trimethylammonium, trimethylgallium, trimethylindium, ammonia, or n, which is a material gas for a nitride semiconductor, is used. The flow rate, pressure, temperature, and time of silane that is a source gas of the type dopant are adjusted, and each layer has a desired composition, film thickness, and doping concentration. Accordingly, various nitride semiconductor heterojunction field effect transistors can be manufactured as semiconductor devices.

また前述の図11〜図15に示す本実施の形態の半導体装置100の製造方法における各工程を適宜に変更することによって、前述の図4〜図10に示す他の半導体装置101〜107を製造することができる。たとえば、前述の図4に示す半導体装置101は、以下のようにして製造することができる。   Further, other semiconductor devices 101 to 107 shown in FIGS. 4 to 10 are manufactured by appropriately changing each step in the manufacturing method of the semiconductor device 100 of the present embodiment shown in FIGS. can do. For example, the semiconductor device 101 shown in FIG. 4 can be manufactured as follows.

図16は、高濃度n型不純物領域12の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。まず、前述の本実施の形態と同様にして、前述の図11に示すように第1〜第5の窒化物半導体層2〜6を基板1上に形成する。   FIG. 16 is a cross-sectional view showing a state where the formation of the high-concentration n-type impurity region 12 has been completed. First, as in the above-described embodiment, first to fifth nitride semiconductor layers 2 to 6 are formed on the substrate 1 as shown in FIG.

次いで、図16に示すように、レジストパターンなどを注入マスク33として、ソース電極8aおよびドレイン電極8bを形成する領域の下側、すなわち基板1側の少なくとも一部の窒化物半導体層2〜6内に、窒化物半導体においてn型となるSiなどの不純物を注入する。具体的には、イオン注入法などを用いて、前述の不純物のイオン34を所望の領域に打ち込む。次いで、熱処理することによって、高濃度n型不純物領域12を形成する。イオン34を打ち込むときの条件は、本実施の形態では、注入ドーズ量を1×1013cm-2〜1×1017cm-2とし、注入エネルギーを10keV〜1000keVとする。 Next, as shown in FIG. 16, the resist pattern or the like is used as an implantation mask 33, and at least part of the nitride semiconductor layers 2 to 6 below the region where the source electrode 8a and the drain electrode 8b are formed, that is, on the substrate 1 side. Next, an impurity such as Si that becomes n-type in the nitride semiconductor is implanted. Specifically, the impurity ions 34 are implanted into a desired region by using an ion implantation method or the like. Next, a high concentration n-type impurity region 12 is formed by heat treatment. In this embodiment, the conditions for implanting ions 34 are an implantation dose of 1 × 10 13 cm −2 to 1 × 10 17 cm −2 and an implantation energy of 10 keV to 1000 keV.

高濃度n型不純物領域12の不純物濃度は、結晶成長時に、意図的にn型のGaNまたはAlGaNを形成するときに用いられる不純物濃度と同等か、またはそれ以上が望ましい。具体的には、高濃度n型不純物領域12の不純物濃度は、1×1018cm-3以上であることが好ましく、より好ましくは1×1019cm-3以上である。 The impurity concentration of the high-concentration n-type impurity region 12 is preferably equal to or higher than the impurity concentration used when intentionally forming n-type GaN or AlGaN during crystal growth. Specifically, the impurity concentration of the high-concentration n-type impurity region 12 is preferably 1 × 10 18 cm −3 or more, more preferably 1 × 10 19 cm −3 or more.

高濃度n型不純物領域12内の不純物の望ましい分布の一つとして、ソース電極8aおよびドレイン電極8b下の半導体表面から、電子の流れるバリア層6とチャネル層5との界面までの領域と、この界面からチャネル層5側に10nm程度までの領域との双方で、1×1018cm-3以上といった高い不純物濃度を有する構造が挙げられる。このような不純物分布を形成する注入ドーズ量および注入エネルギーの決め方としては、注入エネルギーおよび照射対象物の構造をパラメータとして、モンテカルロ計算によって、イオンの飛程をシミュレートする方法が挙げられる。この方法によって、前記条件を満たす注入エネルギーおよび注入ドーズ量を決めることができる。 One desirable distribution of impurities in the high-concentration n-type impurity region 12 is a region from the semiconductor surface under the source electrode 8a and the drain electrode 8b to the interface between the barrier layer 6 and the channel layer 5 through which electrons flow. Examples include a structure having a high impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more in both the region from the interface to the channel layer 5 side up to about 10 nm. As a method for determining the implantation dose and the implantation energy for forming such an impurity distribution, there is a method of simulating the ion range by Monte Carlo calculation using the implantation energy and the structure of the irradiation object as parameters. By this method, the implantation energy and the implantation dose satisfying the above conditions can be determined.

注入マスク33としてレジストパターンを用いる場合、レジストパターンは、バリア層6上に窒化膜または酸化膜を形成した後で形成されてもよい。このようにバリア層6上に窒化膜または酸化膜を形成することによって、注入されたイオン34で、バリア層6を構成する原子、具体的にはアルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、窒素(N)などが真空中に跳ね飛ばされることを抑制することができる。バリア層6上に形成する窒化膜または酸化膜としては、たとえば、窒化シリコン(SiNX)膜もしくは窒化アルミニウム(AlN)膜などの窒化膜、または二酸化シリコン(SiO2)膜もしくは酸化アルミニウム(Al23)などの酸化膜を、10nm〜100nm程度の厚さで形成する。 When a resist pattern is used as the implantation mask 33, the resist pattern may be formed after forming a nitride film or an oxide film on the barrier layer 6. By forming a nitride film or an oxide film on the barrier layer 6 in this way, the implanted ions 34 are atoms constituting the barrier layer 6, specifically, aluminum (Al), gallium (Ga), indium ( In), nitrogen (N), and the like can be prevented from jumping into the vacuum. Examples of the nitride film or oxide film formed on the barrier layer 6 include a nitride film such as a silicon nitride (SiN x ) film or an aluminum nitride (AlN) film, a silicon dioxide (SiO 2 ) film, or an aluminum oxide (Al 2). An oxide film such as O 3 ) is formed with a thickness of about 10 nm to 100 nm.

前述のように、注入マスク33を用いてイオン34を注入した後は、熱処理を行い、注入したイオン34を活性化させることによって、ソース電極8aおよびドレイン電極8bの下側の高濃度n型不純物領域12を低抵抗化する。この熱処理は、窒化膜または酸化膜で窒化物半導体の表面を被った後に行われてもよい。このように窒化膜または酸化膜で窒化物半導体の表面を被った後に熱処理を行うことによって、この熱処理のときに、半導体表面から窒素原子が抜けることを防止することができる。   As described above, after the ions 34 are implanted using the implantation mask 33, heat treatment is performed and the implanted ions 34 are activated, whereby the high-concentration n-type impurities below the source electrode 8a and the drain electrode 8b are activated. The resistance of the region 12 is reduced. This heat treatment may be performed after covering the surface of the nitride semiconductor with a nitride film or an oxide film. By performing the heat treatment after covering the surface of the nitride semiconductor with the nitride film or the oxide film in this way, it is possible to prevent nitrogen atoms from escaping from the semiconductor surface during the heat treatment.

窒化物半導体の表面を被う窒化膜または酸化膜としては、たとえばバリア層6上に、窒化シリコン(SiNX)膜もしくは窒化アルミニウム(AlN)膜などの窒化膜、または二酸化シリコン(SiO2)膜もしくは酸化アルミニウム(Al23)などの酸化膜を、10nm〜100nm程度の厚さで形成する。このように窒化膜または酸化膜で窒化物半導体の表面を被った後に、熱処理を行ってもよい。 As the nitride film or oxide film covering the surface of the nitride semiconductor, for example, a nitride film such as a silicon nitride (SiN x ) film or an aluminum nitride (AlN) film, or a silicon dioxide (SiO 2 ) film on the barrier layer 6. Alternatively, an oxide film such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is formed with a thickness of about 10 nm to 100 nm. Thus, after covering the surface of the nitride semiconductor with a nitride film or an oxide film, heat treatment may be performed.

図17は、ソース電極8aおよびドレイン電極8bの形成が終了した段階の状態を示す断面図である。高濃度n型不純物領域12を形成した後は、前述の図12に示す場合と同様にして、リフトオフ法などによって、ソース電極8aおよびドレイン電極8bを形成する。   FIG. 17 is a cross-sectional view showing a state where the formation of the source electrode 8a and the drain electrode 8b has been completed. After the high-concentration n-type impurity region 12 is formed, the source electrode 8a and the drain electrode 8b are formed by a lift-off method or the like, similar to the case shown in FIG.

図18は、素子分離領域9の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。ソース電極8aおよびドレイン電極8bの形成後は、前述の図13に示す場合と同様にして、レジストパターンなどをマスク31として、トランジスタを作製する領域以外の領域のエピタキシャル結晶層に素子分離領域9を形成する。その後は、前述の図14および図15に示す場合と同様にして、ゲート電極7および絶縁膜10を形成する。以上の工程を経ることによって、前述の図4に示す半導体装置101を製造することができる。   FIG. 18 is a cross-sectional view showing a state where the formation of the element isolation region 9 is completed. After the formation of the source electrode 8a and the drain electrode 8b, the element isolation region 9 is formed in the epitaxial crystal layer in a region other than the region where the transistor is manufactured using the resist pattern as a mask 31 in the same manner as shown in FIG. Form. Thereafter, the gate electrode 7 and the insulating film 10 are formed in the same manner as shown in FIGS. Through the above steps, the semiconductor device 101 shown in FIG. 4 can be manufactured.

以上に述べた半導体装置101の製造方法では、図16に示す高濃度n型不純物領域12の形成工程、図17に示すソース電極8aおよびドレイン電極8bの形成工程、および図18に示す素子分離領域9の形成工程を、この順番で行っている。これら3つの工程は、必ずしもこの順番で行う必要はなく、工程の順番を入れ替えてもよい。たとえば、ソース電極8aおよびドレイン電極8bを形成する前に、素子分離領域9を形成してもよい。   In the manufacturing method of the semiconductor device 101 described above, the step of forming the high concentration n-type impurity region 12 shown in FIG. 16, the step of forming the source electrode 8a and the drain electrode 8b shown in FIG. 17, and the element isolation region shown in FIG. 9 are performed in this order. These three steps are not necessarily performed in this order, and the order of the steps may be changed. For example, the element isolation region 9 may be formed before forming the source electrode 8a and the drain electrode 8b.

図19は、孔部13の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。前述の図5に示す半導体装置102を製造する場合には、前述の図11に示す第1〜第5の窒化物半導体層2〜6の形成後であって、図12に示すソース電極8aおよびドレイン電極8bの形成前に、図19に示すように、孔部13を形成する。   FIG. 19 is a cross-sectional view showing a state in which the formation of the hole 13 has been completed. When manufacturing the semiconductor device 102 shown in FIG. 5, the source electrode 8a shown in FIG. 12 is formed after the formation of the first to fifth nitride semiconductor layers 2 to 6 shown in FIG. Before forming the drain electrode 8b, the hole 13 is formed as shown in FIG.

具体的には、レジストパターンなどをマスク35として、塩素(Cl2)ガスなどを用いたドライエッチング法などによってエッチングすることによって、第1〜第5の窒化物半導体層2〜6のうち、ソース電極8aおよびドレイン電極8bを形成する領域の下側の少なくとも一部の半導体層を除去する。図5に示す半導体装置102を製造する場合には、図17に示すように、第5の窒化物半導体層6の一部を除去する。これによって、第5の窒化物半導体層6に孔部13が形成される。次いで、前述の図12に示す場合と同様にして、孔部13の孔に充填されるようにソース電極18aおよびドレイン電極18bを形成する。 Specifically, the source of the first to fifth nitride semiconductor layers 2 to 6 is etched by dry etching using chlorine (Cl 2 ) gas or the like using the resist pattern as a mask 35. At least a part of the semiconductor layer under the region where the electrode 8a and the drain electrode 8b are to be formed is removed. When the semiconductor device 102 shown in FIG. 5 is manufactured, a part of the fifth nitride semiconductor layer 6 is removed as shown in FIG. As a result, a hole 13 is formed in the fifth nitride semiconductor layer 6. Next, similarly to the case shown in FIG. 12 described above, the source electrode 18a and the drain electrode 18b are formed so as to fill the hole of the hole 13.

その後は、前述の図13〜図15に示す場合と同様にして、素子分離領域9、ゲート電極7および絶縁膜10を形成する。以上の工程を経ることによって、前述の図5に示す半導体装置102を製造することができる。   Thereafter, the element isolation region 9, the gate electrode 7 and the insulating film 10 are formed in the same manner as shown in FIGS. Through the above steps, the semiconductor device 102 shown in FIG. 5 can be manufactured.

図19に示すエッチング工程の前または後には、前述の図16に示す高濃度n型不純物領域12の形成工程を行ってもよい。これによって、図4に示す半導体装置101と図5に示す半導体装置102とを組み合わせた半導体装置、すなわち高濃度n型不純物領域12を有し、かつ高濃度n型不純物領域12の一部が除去されて形成された孔部13の孔に、ソース電極18aおよびドレイン電極18bが充填された半導体装置を製造することができる。   Before or after the etching step shown in FIG. 19, the step of forming the high concentration n-type impurity region 12 shown in FIG. 16 may be performed. Thus, a semiconductor device in which the semiconductor device 101 shown in FIG. 4 and the semiconductor device 102 shown in FIG. 5 are combined, that is, the high concentration n-type impurity region 12 is provided and a part of the high concentration n-type impurity region 12 is removed. A semiconductor device in which the holes 13 formed in this way are filled with the source electrode 18a and the drain electrode 18b can be manufactured.

図20は、リセス14の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。前述の図6に示す半導体装置103を製造する場合には、前述の図13に示す素子分離領域9の形成後であって、前述の図14に示すゲート電極7を形成する前に、図20に示すように、リセス14を形成する。   FIG. 20 is a cross-sectional view showing a state in which the formation of the recess 14 is completed. When the semiconductor device 103 shown in FIG. 6 is manufactured, after forming the element isolation region 9 shown in FIG. 13 and before forming the gate electrode 7 shown in FIG. The recess 14 is formed as shown in FIG.

具体的には、レジストパターンなどをマスク36として、マスク36の開口36aを通して、塩素(Cl2)ガスなどを用いたドライエッチング法などによってエッチングすることによって、ゲート電極7を形成する領域(以下「ゲート電極形成領域」という)Sのバリア層6の一部を除去する。これによって、バリア層である第5の窒化物半導体層6にリセス14が形成される。エッチングを行うときに、エッチング時間およびガス流量を調整することによって、所望の深さまでエッチングを行うことができるので、所望の深さのリセス14を形成することができる。 Specifically, the resist pattern or the like is used as a mask 36, and etching is performed by a dry etching method using chlorine (Cl 2 ) gas or the like through an opening 36a of the mask 36, thereby forming a region (hereinafter referred to as “a gate electrode 7”). Part of the S barrier layer 6 (referred to as “gate electrode formation region”) is removed. As a result, the recess 14 is formed in the fifth nitride semiconductor layer 6 which is a barrier layer. When etching is performed, the etching can be performed to a desired depth by adjusting the etching time and the gas flow rate, so that the recess 14 having a desired depth can be formed.

その後は、前述の図14に示す場合と同様にして、リセス14に充填されるようにゲート電極17を形成した後、図15に示す場合と同様にして絶縁膜10を形成する。以上の工程を経ることによって、前述の図6に示すようにリセス14にゲート電極17が埋め込まれた構造の半導体装置103を製造することができる。   After that, after the gate electrode 17 is formed so as to fill the recess 14 as in the case shown in FIG. 14, the insulating film 10 is formed as in the case shown in FIG. Through the above steps, the semiconductor device 103 having a structure in which the gate electrode 17 is embedded in the recess 14 as shown in FIG. 6 can be manufactured.

図21は、ゲート電極形成領域Sの絶縁膜10の除去が終了した段階の状態を示す断面図である。前述の図8に示す半導体装置105を製造する場合には、前述の図13に示す素子分離領域9の形成後であって、前述の図14に示すゲート電極7を形成する前に、前述の図15に示す場合と同様にして、半導体表面すなわち第5の窒化物半導体層6の表面に、絶縁膜10を形成する。具体的には、半導体表面に、たとえば蒸着法、プラズマCVD法、Cat−CVD法、MOCVD法、MBE法またはALD法などを用いて、絶縁膜10を堆積する。   FIG. 21 is a cross-sectional view showing a state at the stage where the removal of the insulating film 10 in the gate electrode formation region S is completed. When the semiconductor device 105 shown in FIG. 8 is manufactured, after the formation of the element isolation region 9 shown in FIG. 13 and before the formation of the gate electrode 7 shown in FIG. In the same manner as shown in FIG. 15, the insulating film 10 is formed on the semiconductor surface, that is, the surface of the fifth nitride semiconductor layer 6. Specifically, the insulating film 10 is deposited on the semiconductor surface by using, for example, an evaporation method, a plasma CVD method, a Cat-CVD method, an MOCVD method, an MBE method, or an ALD method.

半導体表面に形成する絶縁膜10は、保護膜としての役割も有するので、良質な膜であることが望ましい。このような絶縁膜10として、たとえば、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、ケイ素(Si)、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、バナジウム(V)などのうちの少なくとも1種類以上の原子を含む酸化物、窒化物または酸窒化物などから成る絶縁膜を堆積する。   Since the insulating film 10 formed on the semiconductor surface also serves as a protective film, it is desirable that the insulating film 10 be a high-quality film. As such an insulating film 10, for example, aluminum (Al), gallium (Ga), silicon (Si), hafnium (Hf), titanium (Ti), zirconium (Zr), tantalum (Ta), vanadium (V), etc. An insulating film made of oxide, nitride, oxynitride or the like containing at least one kind of atoms is deposited.

次いで、ゲート電極形成領域Sに開口37aが形成されたマスク37を介して、ドライエッチングまたはウェットエッチングによって、ゲート電極形成領域Sの絶縁膜10を除去する。マスク37としては、たとえばレジストマスクまたは酸化膜マスクなどを用いる。   Next, the insulating film 10 in the gate electrode formation region S is removed by dry etching or wet etching through the mask 37 in which the opening 37a is formed in the gate electrode formation region S. For example, a resist mask or an oxide film mask is used as the mask 37.

マスク37を除去した後、エッチングによって形成された絶縁膜10の開口よりも広い開口が形成されたレジストパターンを用いて、蒸着法によってゲートメタルとなる電極金属を堆積し、リフトオフ法などによってゲート電極72を形成する。これによって、前述の図8に示す構造の半導体装置105を製造することができる。   After removing the mask 37, an electrode metal to be a gate metal is deposited by an evaporation method using a resist pattern having an opening wider than the opening of the insulating film 10 formed by etching, and a gate electrode is formed by a lift-off method or the like. 72 is formed. Thereby, the semiconductor device 105 having the structure shown in FIG. 8 can be manufactured.

以上に述べた図8に示す半導体装置105の製造方法を用いることによって、前述の図9に示す構造の半導体装置106を製造することができる。具体的には、まず、図8に示す半導体装置105を製造する場合と同様にして、前述の図13に示す素子分離領域9の形成後に、半導体表面である第5の窒化物半導体層6の表面に絶縁膜を形成する。このとき、絶縁膜として、前述の図9に示すゲート電極71の傘下部分と半導体表面との距離に等しい厚さの絶縁膜70を形成する。次いで、前述の図8に示す半導体装置105を製造する場合と同様にして、図21に示すようにゲート電極形成領域Sの絶縁膜70を除去し、ゲート電極71を形成する。   By using the method for manufacturing the semiconductor device 105 shown in FIG. 8 described above, the semiconductor device 106 having the structure shown in FIG. 9 can be manufactured. Specifically, first, as in the case of manufacturing the semiconductor device 105 shown in FIG. 8, after the formation of the element isolation region 9 shown in FIG. 13, the fifth nitride semiconductor layer 6, which is a semiconductor surface, is formed. An insulating film is formed on the surface. At this time, the insulating film 70 having a thickness equal to the distance between the portion under the gate electrode 71 shown in FIG. 9 and the semiconductor surface is formed as the insulating film. Next, as in the case of manufacturing the semiconductor device 105 shown in FIG. 8, the insulating film 70 in the gate electrode formation region S is removed and the gate electrode 71 is formed as shown in FIG.

次いで、バッファードフッ酸、すなわちフッ酸緩衝液などのエッチング液を用いたウェットエッチングによって、絶縁膜70を除去する。このときに、ウェットエッチングの処理条件、たとえば処理時間およびエッチング液の濃度を調整することによって、絶縁膜70を所望の領域に残すことが可能である。これによって、図9に示すように、ゲート電極71の傘下部分のみに絶縁膜70が残る形状が得られる。   Next, the insulating film 70 is removed by wet etching using an etching solution such as buffered hydrofluoric acid, that is, a hydrofluoric acid buffer solution. At this time, the insulating film 70 can be left in a desired region by adjusting the processing conditions of the wet etching, for example, the processing time and the concentration of the etching solution. As a result, as shown in FIG. 9, a shape is obtained in which the insulating film 70 remains only in the part under the gate electrode 71.

以上のようにすることによって、図9に示すように、ゲート電極71の傘下部分のみに絶縁膜70が残る構造の半導体装置106を製造することができる。   As described above, the semiconductor device 106 having a structure in which the insulating film 70 remains only in the part under the gate electrode 71 as shown in FIG. 9 can be manufactured.

図22は、ゲート電極形成領域Sの絶縁膜70の除去が終了した段階の状態を示す断面図である。前述の図7に示す半導体装置104は、前述の図8に示す半導体装置105と同様にして製造することができる。具体的には、前述の図13に示す素子分離領域9の形成後であって、前述の図14に示すゲート電極7を形成する前に、前述の図21に示す場合と同様にして、半導体表面である第5の窒化物半導体層6の表面に、絶縁膜10を形成する。   FIG. 22 is a cross-sectional view showing a state where the removal of the insulating film 70 in the gate electrode formation region S is completed. The semiconductor device 104 shown in FIG. 7 can be manufactured in the same manner as the semiconductor device 105 shown in FIG. Specifically, after the formation of the element isolation region 9 shown in FIG. 13 and before the formation of the gate electrode 7 shown in FIG. 14, a semiconductor is formed in the same manner as shown in FIG. An insulating film 10 is formed on the surface of the fifth nitride semiconductor layer 6 that is the surface.

半導体装置104を最終的にデバイスとして使用するためには、ソース電極8aおよびドレイン電極8bを覆った絶縁膜10の一部を、たとえばフッ酸などを用いてウェットエッチングして除去した後、配線電極を形成する必要がある。したがって、絶縁膜10としては、たとえばフッ酸などを用いたウェットエッチングによって除去可能な絶縁膜を形成する。   In order to finally use the semiconductor device 104 as a device, a part of the insulating film 10 covering the source electrode 8a and the drain electrode 8b is removed by wet etching using, for example, hydrofluoric acid, and then the wiring electrode Need to form. Therefore, as the insulating film 10, an insulating film that can be removed by wet etching using, for example, hydrofluoric acid is formed.

次いで、絶縁膜10の厚み方向一方側の表面上に、第2の絶縁膜40を形成する。これによって、絶縁膜10および第2の絶縁膜40の2つの絶縁膜で構成される絶縁膜70が形成される。第2の絶縁膜40としては、絶縁膜10に比べて、ウェットエッチングによって容易に除去することができる絶縁膜、たとえばシリコン酸化膜(SiO)を形成する。   Next, the second insulating film 40 is formed on the surface on one side in the thickness direction of the insulating film 10. As a result, an insulating film 70 composed of the two insulating films of the insulating film 10 and the second insulating film 40 is formed. As the second insulating film 40, an insulating film that can be easily removed by wet etching, for example, a silicon oxide film (SiO), is formed as compared with the insulating film 10.

次いで、ゲート電極形成領域Sに開口38aが形成されたマスク38を介して、ドライエッチングまたはウェットエッチングによって、ゲート電極形成領域Sの第2の絶縁膜40および絶縁膜10を順次除去する。マスク38としては、たとえばレジストマスクまたは酸化膜マスクなどを用いる。   Next, the second insulating film 40 and the insulating film 10 in the gate electrode formation region S are sequentially removed by dry etching or wet etching through the mask 38 in which the opening 38a is formed in the gate electrode formation region S. For example, a resist mask or an oxide film mask is used as the mask 38.

マスク38を除去した後、エッチングによって形成された第2の絶縁膜40および絶縁膜10の開口よりも広い開口が形成されたレジストパターンを用いて、蒸着法によってゲートメタルとなる電極金属を堆積し、リフトオフ法などによってゲート電極71を形成する。   After removing the mask 38, an electrode metal to be a gate metal is deposited by vapor deposition using a resist pattern in which an opening wider than the opening of the second insulating film 40 and the insulating film 10 formed by etching is formed. Then, the gate electrode 71 is formed by a lift-off method or the like.

絶縁膜70のうち、ウェットエッチングされやすい方の絶縁膜である第2の絶縁膜40を、たとえばバッファードフッ酸、すなわちフッ酸緩衝液などのエッチング液を用いたウェットエッチングによって除去する。これによって、ゲート電極71の傘下部分が絶縁膜10と接していない構造である、図7に示す構造の半導体装置104を製造することができる。   Of the insulating film 70, the second insulating film 40, which is the insulating film that is more easily wet-etched, is removed by wet etching using an etching solution such as buffered hydrofluoric acid, ie, a hydrofluoric acid buffer solution. As a result, the semiconductor device 104 having the structure shown in FIG. 7, which has a structure in which the subordinate portion of the gate electrode 71 is not in contact with the insulating film 10, can be manufactured.

また、第2の絶縁膜40のウェットエッチングの処理条件、たとえば処理時間およびエッチング液の濃度を調整することによって、所望の領域の第2の絶縁膜40を残すことができる。これによって、たとえば図23に示す構造の半導体装置108を製造することができる。図23は、半導体装置のさらに他の例である半導体装置108を示す断面図である。前述のように第2の絶縁膜40のウェットエッチングの処理条件を調整することによって、図23に示すように、絶縁膜10が半導体表面を覆い、かつ第2の絶縁膜40がゲート電極71の傘下部分のみに残る形状を得ることができる。   Further, the second insulating film 40 in a desired region can be left by adjusting the wet etching processing conditions of the second insulating film 40, for example, the processing time and the concentration of the etching solution. Thereby, for example, the semiconductor device 108 having the structure shown in FIG. 23 can be manufactured. FIG. 23 is a cross-sectional view showing a semiconductor device 108 which is still another example of the semiconductor device. By adjusting the wet etching process conditions of the second insulating film 40 as described above, the insulating film 10 covers the semiconductor surface and the second insulating film 40 is formed on the gate electrode 71 as shown in FIG. It is possible to obtain a shape that remains only in the part under the umbrella.

以上に述べた半導体装置の製造方法は、全て個々に採用する必要はなく、適宜に組み合わせることができる。前述の半導体装置の製造方法を適宜に組み合わせることによって、たとえば前述の図10に示す半導体装置107を製造することができる。   The semiconductor device manufacturing methods described above do not have to be employed individually and can be combined as appropriate. For example, the semiconductor device 107 shown in FIG. 10 can be manufactured by appropriately combining the above-described manufacturing methods of the semiconductor device.

具体的には、まず、前述の図1に示す半導体装置100を製造する場合と同様にして、前述の図11に示すように、基板1上に第1〜第5の窒化物半導体層2〜6を形成する。次いで、前述の図4に示す半導体装置101を製造する場合と同様にして、前述の図16〜図18に示すように高濃度不純物領域12、ソース電極8a、ドレイン電極8bおよび素子分離領域9を形成する。   Specifically, first, as in the case of manufacturing the semiconductor device 100 shown in FIG. 1, the first to fifth nitride semiconductor layers 2 to 2 are formed on the substrate 1 as shown in FIG. 6 is formed. Next, as in the case of manufacturing the semiconductor device 101 shown in FIG. 4, the high concentration impurity region 12, the source electrode 8a, the drain electrode 8b, and the element isolation region 9 are formed as shown in FIGS. Form.

次いで、前述の図8に示す半導体装置105を製造する場合と同様にして、前述の図21に示すように、半導体表面である第5の窒化物半導体層6の表面のうち、少なくともソース電極8aおよびドレイン電極8bが形成されていない部分を覆うように、絶縁膜を形成する。このとき、絶縁膜として、前述の図10に示すゲート電極73の傘下部分と半導体表面との距離に等しい厚さの絶縁膜70を形成する。   Next, in the same manner as in the case of manufacturing the semiconductor device 105 shown in FIG. 8, as shown in FIG. 21 described above, at least the source electrode 8a in the surface of the fifth nitride semiconductor layer 6 which is the semiconductor surface. An insulating film is formed so as to cover the portion where the drain electrode 8b is not formed. At this time, the insulating film 70 having a thickness equal to the distance between the portion under the gate electrode 73 shown in FIG. 10 and the semiconductor surface is formed as the insulating film.

その後、前述の図6に示す半導体装置103を製造する場合と同様にして、前述の図20に示すように、ゲート電極形成領域Sにリセス14を形成する。次いで、リセス14に充填されるように、前述の図7〜図9に示すゲート電極71,72と同様の形状のゲート電極73を形成する。   Thereafter, as in the case of manufacturing the semiconductor device 103 shown in FIG. 6, the recess 14 is formed in the gate electrode formation region S as shown in FIG. Next, the gate electrode 73 having the same shape as the gate electrodes 71 and 72 shown in FIGS. 7 to 9 is formed so as to fill the recess 14.

次いで、バッファードフッ酸などのエッチング液で絶縁膜70を除去する。このときに、ウェットエッチングの処理条件を調整することによって、絶縁膜70を所望の領域に残すことが可能である。これによって、前述の図10に示すように、ゲート電極73の傘下部分のみに絶縁膜70が残る形状が得られる。   Next, the insulating film 70 is removed with an etchant such as buffered hydrofluoric acid. At this time, the insulating film 70 can be left in a desired region by adjusting the wet etching process conditions. As a result, as shown in FIG. 10 described above, a shape is obtained in which the insulating film 70 remains only in the portion under the gate electrode 73.

以上のようにすることによって、前述の図10に示すように、リセス14に底部が埋め込まれたT型ゲート電極73の傘下部分のみに絶縁膜70が残る形状の半導体装置107を製造することができる。   As described above, as shown in FIG. 10 described above, the semiconductor device 107 having a shape in which the insulating film 70 remains only in the subordinate portion of the T-type gate electrode 73 with the bottom embedded in the recess 14 can be manufactured. it can.

また前述の半導体装置の製造方法を適宜に組み合わせることによって、たとえば図24に示す半導体装置109を製造することもできる。図24は、半導体装置のさらに他の例である半導体装置109を示す断面図である。半導体装置109では、前述の図23に示す半導体装置108と同様に、絶縁膜10が半導体表面を覆い、かつ第2の絶縁膜40がゲート電極73の傘下部分のみに残る形状となっている。   Further, for example, the semiconductor device 109 shown in FIG. 24 can be manufactured by appropriately combining the above-described semiconductor device manufacturing methods. FIG. 24 is a cross-sectional view showing a semiconductor device 109 which is still another example of the semiconductor device. In the semiconductor device 109, like the semiconductor device 108 shown in FIG. 23 described above, the insulating film 10 covers the semiconductor surface and the second insulating film 40 remains only in the part under the gate electrode 73.

図24に示す半導体装置109の製造方法を具体的に述べると、まず、前述の図10に示す半導体装置107を製造する場合と同様にして、基板1上に第1〜第5の窒化物半導体層2〜6を形成した後、高濃度不純物領域12、ソース電極8a、ドレイン電極8bおよび素子分離領域9を形成する。   The manufacturing method of the semiconductor device 109 shown in FIG. 24 will be specifically described. First, the first to fifth nitride semiconductors are formed on the substrate 1 in the same manner as in the case of manufacturing the semiconductor device 107 shown in FIG. After the layers 2 to 6 are formed, the high concentration impurity region 12, the source electrode 8a, the drain electrode 8b, and the element isolation region 9 are formed.

次いで、前述の図7に示す半導体装置104を製造する場合と同様にして、前述の図22に示すように、半導体表面である第5の窒化物半導体層6の表面のうち、少なくともソース電極8aおよびドレイン電極8bが形成されていない部分を覆うように、絶縁膜10を形成する。次いで、絶縁膜10の厚み方向一方側の表面上に、第2の絶縁膜40を形成して、絶縁膜10および第2の絶縁膜40の2つの絶縁膜で構成される絶縁膜70を形成する。   Next, in the same manner as in the case of manufacturing the semiconductor device 104 shown in FIG. 7, as shown in FIG. 22 described above, at least the source electrode 8a in the surface of the fifth nitride semiconductor layer 6 which is the semiconductor surface. And the insulating film 10 is formed so that the part in which the drain electrode 8b is not formed may be covered. Next, the second insulating film 40 is formed on the surface on one side in the thickness direction of the insulating film 10, and the insulating film 70 composed of the two insulating films of the insulating film 10 and the second insulating film 40 is formed. To do.

その後、前述の図20に示す場合と同様にして、ゲート電極形成領域Sにリセス14を形成した後に、前述の図7〜図9に示すゲート電極71,72と同様の形状のゲート電極73を形成し、バッファードフッ酸などのエッチング液で第2の絶縁膜40を除去する。このときに、ウェットエッチングの処理条件を調整することによって、第2の絶縁膜40を所望の領域に残すことが可能である。これによって、図24に示すように、ゲート電極73の傘下部分のみに第2の絶縁膜40が残る形状が得られる。   Then, after forming the recess 14 in the gate electrode formation region S in the same manner as shown in FIG. 20, the gate electrode 73 having the same shape as the gate electrodes 71 and 72 shown in FIGS. Then, the second insulating film 40 is removed with an etching solution such as buffered hydrofluoric acid. At this time, it is possible to leave the second insulating film 40 in a desired region by adjusting the processing conditions of the wet etching. As a result, as shown in FIG. 24, a shape is obtained in which the second insulating film 40 remains only in the part under the gate electrode 73.

以上のようにすることによって、図24に示すように、絶縁膜10が半導体表面を覆い、かつリセス14に底部が埋め込まれたT型ゲート電極73の傘下部分のみに第2の絶縁膜40が残る構造の半導体装置109を製造することができる。   As described above, as shown in FIG. 24, the second insulating film 40 is formed only on the part of the T-type gate electrode 73 where the insulating film 10 covers the semiconductor surface and the bottom is buried in the recess 14. The remaining semiconductor device 109 can be manufactured.

1 基板、2 第1の窒化物半導体層、3 第2の窒化物半導体層、4 第3の窒化物半導体層(バックバリア層)、5 第4の窒化物半導体層(チャネル層)、6 第5の窒化物半導体層(バリア層)、7,17,71〜73 ゲート電極、8a,18a ソース電極、8b,18b ドレイン電極、9 素子分離領域、10,70 絶縁膜、11 二次元電子ガス、12 高濃度n型不純物領域、40 第2の絶縁膜、100〜109 半導体装置。   1 substrate 2 first nitride semiconductor layer 3 second nitride semiconductor layer 4 third nitride semiconductor layer (back barrier layer) 5 fourth nitride semiconductor layer (channel layer) 6 second 5, nitride semiconductor layer (barrier layer), 7, 17, 71 to 73 gate electrode, 8a, 18a source electrode, 8b, 18b drain electrode, 9 element isolation region, 10, 70 insulating film, 11 two-dimensional electron gas, 12 High-concentration n-type impurity region, 40 Second insulating film, 100 to 109 Semiconductor device.

Claims (4)

基板と、
前記基板上に設けられ、組成式AlaInbGa1-(a+b)N(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)で表される窒化物半導体から成る第1の窒化物半導体層と、
前記第1の窒化物半導体層上に設けられ、組成式AlcIndGa1-(c+d)N(0≦c≦1、0≦d≦1、0≦c+d≦1)で表される窒化物半導体から成る第2の窒化物半導体層と、
前記第2の窒化物半導体層上に設けられ、組成式IneGa1-eN(0<e≦1)で表される窒化物半導体から成る第3の窒化物半導体層と、
前記第3の窒化物半導体層上に設けられ、組成式AlfIngGa1-(f+g)N(0≦f≦1、0≦g≦1、0≦f+g≦1)で表される窒化物半導体から成る第4の窒化物半導体層と、
前記第4の窒化物半導体層上に設けられ、組成式AlhIniGa1-(h+i)N(0≦h≦1、0≦i≦1、0≦h+i≦1)で表される窒化物半導体から成る第5の窒化物半導体層とを備え、
前記第1の窒化物半導体層のバンドギャップは、前記第2の窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きく、
前記第3の窒化物半導体層のバンドギャップは、前記第2の窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さく、
前記第4の窒化物半導体層のバンドギャップは、前記第2の窒化物半導体層のバンドギャップと等しく、
前記第5の窒化物半導体層のバンドギャップは、前記第4の窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする半導体装置。
A substrate,
The nitride semiconductor is provided on the substrate and is represented by the composition formula Al a In b Ga 1− (a + b) N (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1). A first nitride semiconductor layer;
Provided on the first nitride semiconductor layer and represented by the composition formula Al c In d Ga 1-(c + d) N (0 ≦ c ≦ 1, 0 ≦ d ≦ 1, 0 ≦ c + d ≦ 1). A second nitride semiconductor layer comprising a nitride semiconductor;
A third nitride semiconductor layer formed on the second nitride semiconductor layer and made of a nitride semiconductor represented by a composition formula In e Ga 1-e N (0 <e ≦ 1);
Provided on the third nitride semiconductor layer and represented by the composition formula Al f In g Ga 1-(f + g) N (0 ≦ f ≦ 1, 0 ≦ g ≦ 1, 0 ≦ f + g ≦ 1). A fourth nitride semiconductor layer comprising a nitride semiconductor;
Provided on the fourth nitride semiconductor layer and represented by the composition formula Al h In i Ga 1-(h + i) N (0 ≦ h ≦ 1, 0 ≦ i ≦ 1, 0 ≦ h + i ≦ 1). And a fifth nitride semiconductor layer made of a nitride semiconductor,
The band gap of the first nitride semiconductor layer is larger than the band gap of the second nitride semiconductor layer,
The band gap of the third nitride semiconductor layer is smaller than the band gap of the second nitride semiconductor layer,
The band gap of the fourth nitride semiconductor layer is equal to the band gap of the second nitride semiconductor layer,
A semiconductor device, wherein a band gap of the fifth nitride semiconductor layer is larger than a band gap of the fourth nitride semiconductor layer.
前記第1、第2、第4および第5の各窒化物半導体層におけるアルミニウム(Al)、インジウム(In)およびガリウム(Ga)の組成は、前記第1、第2、第4および第5の各窒化物半導体層の格子定数と、前記第3の窒化物半導体層の格子定数とが一致するように選ばれることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The composition of aluminum (Al), indium (In), and gallium (Ga) in each of the first, second, fourth, and fifth nitride semiconductor layers is the first, second, fourth, and fifth. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a lattice constant of each nitride semiconductor layer and a lattice constant of the third nitride semiconductor layer are selected to coincide with each other. 前記第2の窒化物半導体層と前記第4の窒化物半導体層とは、同一の組成の窒化物半導体から成り、
前記第2および第4の窒化物半導体層のバンドギャップは、3.47eV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。
The second nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer are made of a nitride semiconductor having the same composition,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a band gap of the second and fourth nitride semiconductor layers is 3.47 eV or more.
基板上に、組成式AlaInbGa1-(a+b)N(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)で表される窒化物半導体によって、第1の窒化物半導体層を形成する第1層形成工程と、
前記第1の窒化物半導体層上に、組成式AlcIndGa1-(c+d)N(0≦c≦1、0≦d≦1、0≦c+d≦1)で表される窒化物半導体によって、第2の窒化物半導体層を形成する第2層形成工程と、
前記第2の窒化物半導体層上に、組成式IneGa1-eN(0<e≦1)で表される窒化物半導体によって、第3の窒化物半導体層を形成する第3層形成工程と、
前記第3の窒化物半導体層上に、組成式AlfIngGa1-(f+g)N(0≦f≦1、0≦g≦1、0≦f+g≦1)で表される窒化物半導体によって、第4の窒化物半導体層を形成する第4層形成工程と、
前記第4の窒化物半導体層上に、組成式AlhIniGa1-(h+i)N(0≦h≦1、0≦i≦1、0≦h+i≦1)で表される窒化物半導体によって、第5の窒化物半導体層を形成する第5層形成工程とを備え、
前記第1層形成工程では、前記第1の窒化物半導体層のバンドギャップが、前記第2の窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きくなるように、前記第1の窒化物半導体層を形成し、
前記第3層形成工程では、前記第3の窒化物半導体層のバンドギャップが、前記第2の窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さくなるように、前記第3の窒化物半導体層を形成し、
前記第4層形成工程では、前記第4の窒化物半導体層のバンドギャップが、前記第2の窒化物半導体層のバンドギャップと等しくなるように、前記第4の窒化物半導体層を形成し、
前記第5層形成工程では、前記第5の窒化物半導体層のバンドギャップが、前記第4の窒化物半導体層のバンドギャップよりも大きくなるように、前記第5の窒化物半導体層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The nitride semiconductor represented by the composition formula Al a In b Ga 1- (a + b) N (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1) is formed on the substrate by the first A first layer forming step of forming a nitride semiconductor layer;
On the first nitride semiconductor layer, nitride represented by the composition formula Al c In d Ga 1-(c + d) N (0 ≦ c ≦ 1, 0 ≦ d ≦ 1, 0 ≦ c + d ≦ 1) A second layer forming step of forming a second nitride semiconductor layer with a physical semiconductor;
Forming a third layer on the second nitride semiconductor layer by forming a third nitride semiconductor layer from a nitride semiconductor represented by the composition formula In e Ga 1-e N (0 <e ≦ 1) Process,
On the third nitride semiconductor layer, a nitride represented by the composition formula Al f In g Ga 1-(f + g) N (0 ≦ f ≦ 1, 0 ≦ g ≦ 1, 0 ≦ f + g ≦ 1). A fourth layer forming step of forming a fourth nitride semiconductor layer with a physical semiconductor;
On the fourth nitride semiconductor layer, a nitride represented by the composition formula Al h In i Ga 1− (h + i) N (0 ≦ h ≦ 1, 0 ≦ i ≦ 1, 0 ≦ h + i ≦ 1) A fifth layer forming step of forming a fifth nitride semiconductor layer with a physical semiconductor,
In the first layer forming step, the first nitride semiconductor layer is formed such that a band gap of the first nitride semiconductor layer is larger than a band gap of the second nitride semiconductor layer. ,
In the third layer forming step, the third nitride semiconductor layer is formed so that a band gap of the third nitride semiconductor layer is smaller than a band gap of the second nitride semiconductor layer. ,
In the fourth layer forming step, the fourth nitride semiconductor layer is formed so that a band gap of the fourth nitride semiconductor layer is equal to a band gap of the second nitride semiconductor layer,
In the fifth layer forming step, the fifth nitride semiconductor layer is formed such that a band gap of the fifth nitride semiconductor layer is larger than a band gap of the fourth nitride semiconductor layer. A method for manufacturing a semiconductor device.
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