JP6565376B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、フィールドプレート効果を用い、電界を緩和した高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）に関する。

高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）においてはリーク電流を少なくするために、フィールドプレートを有効に活用し、電界を緩和する必要がある。

公開特許公報 特開２００９−７６８４５号

先行文献には、図１で示すように、電子走行層１と、電子供給層２と、ソース電極（図示せず）と、ドレイン電極（図示せず）と、ゲート電極６aと、シリコン酸化物から成る絶縁膜４と、絶縁膜４とゲート電極６aとの間に設けられた膜として、例えばｐ型金属酸化物半導体膜を有するヘテロ接合型電界効果半導体装置（半導体素子）が記載されている。
また、電子供給層２には凹部（リセス部）が形成され、これにより、ノーマリオフ特性を有し且つオン抵抗及びゲートリーク電流が小さいヘテロ接合型電界効果半導体装置を得るとされている。しかし、図１の半導体装置では、絶縁膜４とゲート電極６aとの間に設けられた膜の端部と、絶縁膜４上に配置されたゲート電極６aの端部とが同じ位置に配置されているため、ゲート電極６aによるフィールドプレート効果が効果的に発揮されず、電界の緩和が充分ではなく、ゲートリークやコラプス現象が発生し易いという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決し、ゲート電極によるフィールドプレート効果を有効に発揮させ、電界を効果的に緩和することで、ゲートリーク、コラプス現象を以前よりも抑制できるＨＥＭＴを提供することを目的とするものである。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置は、電子走行層および電子供給層を備える半導体基板と、半導体基板の表面に形成された絶縁膜およびゲート電極と、を備える高電子移動度トランジスタにおいて、ゲート電極は、ゲートとして機能する第１の部分と、第１の部分から絶縁膜の表面に延伸してフィールドプレートとして機能する第２の部分とを有し、絶縁膜とゲート電極の第２の部分との間には、酸素を含む金属膜が形成されており、ゲート電極の第２の部分は、酸素を含む金属膜よりも半導体基板の外周側に延伸しており、絶縁膜の表面が、ゲート電極の第１の部分側では酸素を含む金属膜により被覆されており、半導体基板の外周側ではゲート電極の第２の部分により被覆されていることを特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、電子走行層および電子供給層を備える半導体基板と、半導体基板の表面に形成された絶縁膜およびゲート電極と、を備える高電子移動度トランジスタにおいて、ゲート電極は、絶縁膜に形成された開口内に配置された第１の部分と、絶縁膜の表面に配置された第２の部分とを有し、絶縁膜の開口側の表面は、酸素を含む金属膜を介してゲート電極の第２の部分に被覆されており、絶縁膜の開口側から離間した側の表面は、酸素を含む金属膜を介さずにゲート電極の第２の部分に被覆されていることを特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、電子走行層および電子供給層を備える半導体基板と、半導体基板の表面に形成された絶縁膜、ゲート電極、ドレイン電極およびソース電極と、を備える高電子移動度トランジスタにおいて、ゲート電極は、絶縁膜に形成された開口内に配置された電極部と、絶縁膜の表面に配置されたフィールドプレート部とを有し、ゲート電極の電極部とドレイン電極との間においては、絶縁膜の開口側の表面は酸素を含む金属膜を介してフィールドプレート部に被覆されており、絶縁膜の開口側から離間した側の表面は酸素を含む金属膜を介さずにフィールドプレート部に被覆されており、ゲート電極の電極部とソース電極との間においては、絶縁膜の表面は酸素を含む金属膜を介してフィールドプレート部に被覆されており、ゲート電極の電極部とソース電極との間におけるフィールドプレート部の延伸長は、ゲート電極の電極部とドレイン電極との間におけるフィールドプレート部の延伸長に比べて短いことを特徴とする。

本発明によれば、フィールドプレートの効果を良好に活用でき、電界を緩和することができる。

従来のＨＥＭＴのゲート電極部分の断面図である。 本発明の一実施の形態に係るＨＥＭＴのゲート電極部分の断面図である。 従来品のＨＥＭＴと本発明の一実施の形態に係るＨＥＭＴのＶｄｓ（ドレイン・ソース間電圧）と電流コラプスの関係を示したものである。

以下、本発明の実施の形態となる構造について説明する。

図２は本発明の一実施の形態に係る高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）のゲート電極部分の断面図である。本発明はゲート電極部分に特徴があるため、その他の部分の説明は省略する。
本実施形態の半導体装置（半導体素子）では、第１の窒化物半導体材料（例えばＧａＮ）からなる電子走行層１上に、第１の窒化物半導体材料とは異なる格子定数を有する第２の窒化物半導体材料（例えばＡｌＧａＮ）からなる電子供給層２と、第３の窒化物半導体材料（例えばＧａＮ）からなるキャップ層３が順次積層されている。本願明細書では、便宜上、この電子走行層１と電子供給層２とキャップ層３とを合わせて半導体基板と総称する。

半導体基板の表面には、絶縁膜としての酸化膜４と、酸素を含む金属膜５と、チタン上にアルミ銅と窒化チタンを順次積層してなるゲート電極６とが形成されている。また、図２では図示を省略しているが、図面に向かって右側の半導体基板の表面上にはドレイン電極が配置されており、図面に向かって左側の半導体基板の表面上にはソース電極が配置されている。

酸化膜４はシリコン酸化物からなり、その一部には図示のように開口（ゲート開口）が設けられている。このゲート開口からは、半導体基板の表面が露出している。本実施形態の半導体装置（半導体素子）では、平面視において、ゲート開口の内側の半導体基板表面に凹部（リセス部）が形成されている。凹部（リセス部）はキャップ層３よりも深く形成されているため、本実施形態の半導体装置では、ゲート開口を通じての電子供給層２の表面が露出している。

酸素を含む金属膜５は、ゲート開口の内側に形成された第１の部分と、ゲート開口の外側に形成され酸化膜４の表面を被覆する第２の部分とを有する。
酸素を含む金属膜５の第１の部分は、図示のように、その中央側はリセス部の底面と側面に形成されており、その外周側はゲート開口を構成する酸化膜４の側面を被覆している。
すなわち、酸素を含む金属膜５の第１の部分は、リセス部の底面に露出した電子供給層２の表面と、リセス部の側面に露出した電子供給層２の表面とキャップ層３の表面、リセス部の外側に露出した半導体基板の表面、およびゲート開口の側面（酸化膜４の側面）を被覆している。

酸素を含む金属膜５の第２の部分は、第１の部分に連続して形成され、半導体基板の外周側に向かって延伸してゲート開口の外側の酸化膜４の表面を被覆する。ここで、図２では１つのゲート電極６しか記載されていないが、本発明を半導体基板に複数のゲート電極６を備える複数のセルに適応する場合、便宜上、半導体基板の外周は各セルの外周の意味であることは言うまでも無い。
ゲート電極６は、ゲート開口の内側に形成された第１の部分と、ゲート開口の外側に形成された第２の部分とを有する。

ゲート電極６の第１の部分は、図示のように、その中央側はリセス部の底面と側面に形成されており、その外周側はゲート開口を構成する酸化膜４の側面を被覆している。すなわち、ゲート電極６の第１の部分は、リセス部の底面に露出した電子供給層２の表面と、リセス部の側面に露出した電子供給層２の表面とキャップ層３の表面、リセス部の外側に露出した半導体基板の表面、およびゲート開口の側面（酸化膜４の側面）を酸素を含む金属膜５を介して被覆している。

ゲート電極６の第２の部分は、第１の部分に連続して形成され、半導体基板の外周側に向かって延伸してゲート開口の外側の酸化膜４の表面を被覆する。ここで、ゲート電極６の第２の部分のうちドレイン電極に向かって延伸する部分は、酸素を含む金属膜５の第２の部分よりもドレイン電極側、すなわち半導体基板の外周側まで延伸している。つまり、ゲート電極６の第２の部分のうちドレイン電極に向かって延伸する部分の端部は、酸素を含む金属膜５の第２の部分のうちドレイン電極に向かって延伸する部分の端部よりも、ドレイン電極側、すなわち半導体基板の外周側まで延伸している。

この結果、ゲート電極６の第２の部分のうちドレイン電極に向かって延伸する部分は、リセス部側では酸素を含む金属膜５の第２の部分の表面を被覆しており、半導体基板の外周側では酸化膜４の表面を被覆している。つまり、リセス部側の酸化膜４上では、酸化膜４とゲート電極６との間に酸素を含む金属膜５が介在しているが、半導体基板の外周側の酸化膜４上では、酸化膜４とゲート電極６とが直接接触している。このように、酸化膜４の表面が、半導体基板の外周側ではゲート電極６に接触し、リセス部側では、金属膜よりも導電率が低いが酸化膜４よりも導電率が高い酸素を含む金属膜に接触していることで、段階的に緩やかな電界緩和効果が得られ、コラプス現象の抑制効果が良好に発揮される。図３は、従来のＨＥＭＴと本発明の一実施形態に係るＨＥＭＴのＶｄｓ・電流コラプス関係を示すが、図示のように、本発明の一実施形態のＨＥＭＴによれば、従来例に比較して電流コラプスを良好に抑制出来ることが分かる。さらに、本出願人が確認したところによれば、酸素を含む金属膜５をＮｉＯ_Ｘ膜とした場合、特に良好にゲートリークの低減、コラプス現象の抑制が図られることがわかっている。なお、この場合でも、ＮｉＯ_Ｘの導電率はゲート電極６の導電率よりも低く、酸化膜４の導電率よりも高くする。すなわち、ＮｉＯ_Ｘ膜の酸素の組成比は、完全な絶縁膜（酸化膜）を構成する場合の酸素組成比X=1よりも多い状態、すなわち酸素過剰の状態とすべきである。また、酸素を含む金属膜５は、ｐ型導電型の性質を備える金属酸化物膜とするのが良い。

なお、酸素を含む金属膜５については、その第１の部分を酸素プアの金属膜、すなわち実質的に絶縁膜としても良い。この場合、ＭＩＳ構造のトランジスタを構成する。更には、第１の部分を酸素プアの金属膜の代わりに窒化膜や酸化膜などを適用することもできる。

ゲート電極６の第２の部分のうちソース電極に向かって延伸する部分においては、従来の半導体装置と同様に、その端部が酸素を含む金属膜５の端部と同じ位置にある。また、ゲート電極６の第２の部分の延伸長は、ドレイン電極側に比べてソース電極側で短くなっている。この結果、半導体基板の面積、すなわちチップ面積を小さくできる。なお、ゲート電極６の第２の部分のうちソース電極に向かって延伸する部分についても、ドレイン電極に向かって延伸する部分と同様に、その端部を金属膜５の端部よりも半導体基板の外周側に位置させてもよいが、ゲートリークの低減、コラプス現象の抑制効果は期待されるほどには得られず、チップ面積が大きくなる。本実施形態のように、電位差が大きいゲート・ドレイン間で本発明を採用することで、チップ面積の小型化と電流コラプス低減効果の両方でその効果が最大限発揮される。

なお、ゲート電極６のうち第２の部分はいわゆるゲートフィールドプレートとして機能する部分であるが、本発明では、ドレイン電極とソース電極間の電流を制御するゲート部として機能する第１の部分と合わせてゲート電極と総称する。
更に、本出願人が確認したところ、ゲート開口の端部から酸素を含む金属膜５の端部までの距離をa、酸素を含む金属膜５の端部からゲート電極６の端部までの距離をｂとした場合、ＨＥＭＴのゲートリーク低減とコラプス現象の抑制の為には、０μｍ＜a＜２．０μｍ、０μｍ＜ｂ＜２．０μｍであることが望ましく、ｂ/aを1から１２０の範囲で設定することが望ましいことが分かった。

また、ゲート電極６の第２の部分の下側において、酸化膜４の厚みを変化させることで段階的に緩やかに電界緩和効果を得ることができる。特に、酸化膜４の厚みを半導体基板の外周側に向けて薄くなるように、その厚みを段階的にあるいは連続的に反化させると、本願発明の作用効果と相まって、更に緩やかな電界緩和効果を得ることができる。

図２の本発明の一実施の形態のＨＥＭＴにおいて、ＧａＮキャップ層３を設けない構造としても良い。また、半導体基板に凹部（リセス部）を設けていない構造としても良い。また、本発明は、ノーマリオン型、ノーマリオフ型のいずれのＨＥＭＴにも適用できる。また、酸素を含む金属膜の表面をタングステンによって被覆すると、金属膜中の酸素が製造工程の過程、あるいは経年的なデバイスの使用によって変化することが良好に防止され、高い信頼性が得られる。

１、電子走行層
２、電子供給層
３、ＧａＮキャップ層
４、酸化膜
５、酸素を含む金属膜
６、ゲート電極

Claims (7)

1. 電子走行層および電子供給層を備える半導体基板と、
   該半導体基板の表面に形成された絶縁膜およびゲート電極と、を備える高電子移動度トランジスタにおいて、
   前記ゲート電極は、ゲートとして機能する第１の部分と、該第１の部分から前記絶縁膜の表面に延伸してフィールドプレートとして機能する第２の部分とを有し、
   前記絶縁膜と前記ゲート電極の第２の部分との間には、酸素を含む金属膜が形成されており、
   前記ゲート電極の第２の部分は、前記酸素を含む金属膜よりも前記半導体基板の外周側に延伸しており、
   前記絶縁膜の表面が、前記ゲート電極の第１の部分側では前記酸素を含む金属膜により被覆されており、前記半導体基板の外周側では前記ゲート電極の第２の部分により被覆されており、
   前記ゲート電極と接する部分における前記絶縁膜の膜厚が、前記ゲート電極の端部に向かって平坦部を有して段階的に厚くなり、
   前記酸素を含む金属膜の端部が前記平坦部上に位置することを特徴とする半導体装置。
2. 電子走行層および電子供給層を備える半導体基板と、
   該半導体基板の表面に形成された絶縁膜およびゲート電極と、を備える高電子移動度トランジスタにおいて、
   前記ゲート電極は、前記絶縁膜に形成された開口内に配置された第１の部分と、前記絶縁膜の表面に配置された第２の部分とを有し、
   前記絶縁膜の前記開口側の表面は、酸素を含む金属膜を介して前記ゲート電極の第２の部分により被覆されており、
   前記絶縁膜の前記開口側から離間した側の表面は、前記酸素を含む金属膜を介さずに前記ゲート電極の第２の部分により被覆されており、
   前記ゲート電極と接する部分における前記絶縁膜の膜厚が、前記ゲート電極の端部に向かって平坦部を有して段階的に厚くなり、
   前記酸素を含む金属膜の端部が前記平坦部上に位置することを特徴とする半導体装置。
3. 前記酸素を含む金属膜の導電率は、前記絶縁膜の導電率よりも高く、前記ゲート電極の導電率よりも低いことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記酸素を含む金属膜は、酸素を含むニッケル膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
5. 電子走行層および電子供給層を備える半導体基板と、
   該半導体基板の表面に形成された絶縁膜、ゲート電極、ドレイン電極およびソース電極と、を備える高電子移動度トランジスタにおいて、
   前記ゲート電極は、前記絶縁膜に形成された開口内に配置された電極部と、前記絶縁膜の表面に配置されたフィールドプレート部とを有し、
   前記ゲート電極の電極部と前記ドレイン電極との間においては、前記絶縁膜の前記開口側の表面は酸素を含む金属膜を介して前記フィールドプレート部により被覆されており、
   前記絶縁膜の前記開口側から離間した側の表面は前記酸素を含む金属膜を介さずに前記フィールドプレート部により被覆されており、前記ゲート電極と接する部分における前記絶縁膜の膜厚が、前記ゲート電極の端部に向かって平坦部を有して段階的に厚くなり、前記酸素を含む金属膜の端部が前記平坦部上に位置し、
   前記ゲート電極の電極部と前記ソース電極との間においては、前記絶縁膜の表面は酸素を含む金属膜を介して前記フィールドプレート部に被覆されており、
   前記ゲート電極の電極部と前記ソース電極との間における前記フィールドプレート部の延伸長は、前記ゲート電極の電極部と前記ドレイン電極との間における前記フィールドプ
   レート部の延伸長に比べて短いことを特徴とする半導体装置。
6. 電子走行層上に電子供給層を備え、
   前記電子供給層上にキャップ層を備え、
   前記キャップ層上に酸化膜を備える構造の高電子移動度トランジスタＨＥＭＴにおいて、
   ゲート電極の下部に前記電子供給層と電気的に接続されたｐ型金属酸化物半導体膜を有し、
   前記ゲート電極より前記ｐ型金属酸化物半導体膜の長さが短く、前記ゲート電極が前記酸化膜と接する部分を有し、
   前記ゲート電極と接する部分における前記酸化膜の膜厚が、前記ゲート電極の端部に向かって平坦部を有して段階的に厚くなり、
   前記ｐ型金属酸化物半導体膜の端部が前記平坦部上に位置することを特徴とする半導体装置。
7. 前記開口の端部から前記酸素を含む金属膜の端部までの距離をaとし、
   前記酸素を含む金属膜の端部から前記ゲート電極の端部までの距離をｂとした場合、
   ０μｍ＜a＜２．０ μｍ、０μｍ＜ｂ＜２．０μｍ、ｂ/aが1〜１２０の範囲であることを特徴とする請求項２または５に記載の半導体装置。

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