特開 2023-51475 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023051475

(43)【公開日】2023-04-11

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/337 20060101AFI20230404BHJP

   H01L 21/338 20060101ALI20230404BHJP

   H01L 21/28 20060101ALI20230404BHJP

   H01L 29/41 20060101ALI20230404BHJP

   H01L 29/423 20060101ALI20230404BHJP

【ＦＩ】

H01L29/80 C

H01L29/80 H

H01L21/28 301B

H01L29/44 Y

H01L29/44 S

H01L29/58 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021162182

(22)【出願日】2021-09-30

(71)【出願人】

【識別番号】000106276

【氏名又は名称】サンケン電気株式会社

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 憲

【テーマコード（参考）】

4M104

5F102

【Ｆターム（参考）】

4M104AA04

4M104AA07

4M104BB02

4M104BB14

4M104BB30

4M104CC01

4M104EE06

4M104EE16

4M104EE17

4M104FF10

4M104FF13

4M104FF17

4M104FF18

5F102FA01

5F102GB01

5F102GC01

5F102GD04

5F102GL04

5F102GM04

5F102GQ01

5F102GS02

5F102GS04

5F102GT03

5F102GV05

5F102GV07

5F102GV08

5F102HC11

(57)【要約】      （修正有）

【課題】ゲートリーク、コラプス現象のばらつきを抑制する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を提供する。
【解決手段】ＨＥＭＴ１００は、ＧａＮからなる電子走行層１上に、ＡｌＧａＮからなる電子供給層２を、電子供給層２上にＧａＮキャップ層３を、ＧａＮキャップ層３上に酸化膜４を備え、ソース電極とドレイン電極に挟まれるようにゲート電極６が設けられている。ｐ型金属酸化物半導体膜５の部分からドレイン電極に向かって酸化膜の厚みが、一部分において薄くなるように、酸化膜の凹部７が設けられている。酸化膜は、電子供給層と接続されたｐ型金属酸化物半導体膜の部分Ａから徐々に厚みが増し、ドレイン電極側では酸化膜の厚みは略一定となっている。凹部の底面は、略一定の厚みの部分よりも薄くなっており、酸化膜の厚みは徐々に厚みが増している。ｐ型金属酸化物半導体膜上のゲート電極は、凹部を越えて更にドレイン電極側まで延伸している。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電子走行層上の電子供給層と、
前記電子供給層上の絶縁膜と、
ドレイン電極とソース電極とその間のゲート電極とを備える構造の高電子移動度トランジスタにおいて、
前記絶縁膜は
前記ドレイン電極に向かって徐々に厚くなる第1の部分と、
前記第1の部分より前記ドレイン電極側であって、上面に凹部を含む第２の部分と、
前記第２の部分より前記ドレイン電極側であって、前記ドレイン電極に向かって徐々に厚くなる第３の部分と、を備え、
前記ゲート電極は第１の部分よりも前記ソース電極側から、前記第１の部分、第２の部分、第３の部分に至るまで延伸し、前記凹部上で落ち込んでいることを特徴とする半導体装置。

【請求項2】

前記ゲート電極と前記前記電子供給層との間に挟まれたｐ型金属酸化物半導体層を備え、
前記ｐ型金属酸化物半導体層は前記第1の部分並びに前記第2の部分上にあって、
前記ｐ型金属酸化物半導体層の前記ドレイン電極側の端は前記凹部上まで延びていないことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記凹部下の前記電子供給層の表面における電界強度は、前記第1の部分の前記ソース電極側の端の前記電子供給層の表面における電界強度よりも高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。

【請求項4】

前記第2の部分において、前記凹部より前記ソース電極側に前記絶縁膜の厚みが一定の部分が設けられ、そこから前記ドレイン電極側に向かって前記凹部へと続いていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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

【背景技術】

【0002】

高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）においてはリーク電流を減らし高い耐圧を得るため、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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６－０９２３９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１には、電子走行層と、電子供給層と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極と、シリコン酸化物から成る絶縁膜と、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が記載されている。ｐ型金属酸化物半導体膜とその上のゲート電極は絶縁膜の無い電子供給層上、並びに、そこから絶縁膜上にも延びている。絶縁膜上のｐ型金属酸化物半導体膜とゲート電極はフィールドプレートを構成し、ゲート電極並びにその近傍の電界集中を緩和している。
しかしながら、特許文献１の半導体装置では、絶縁膜の無い電子供給層上から絶縁膜上に持ち上げられるｐ型金属酸化物半導体膜のコーナー（図１のA）において電界強度が最大となっており、電解集中する箇所となっている。このため絶縁膜の傾斜角度、ｐ型金属酸化物半導体の成膜状態（結晶性）のばらつきなどによりゲートリーク特性や電流コラプス特性がばらつく要因となっていた。

【0005】

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を効果的に利用して、電界強度分布を制御することで、ゲートリーク、コラプス現象のばらつきを抑制し、高い動作安定性を持つＨＥＭＴを提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明の実施例に係る第１の特徴は、電子走行層上に電子供給層を備え、電子供給層上に絶縁膜を備え、ドレイン電極とソース電極とその間のゲート電極を備える構造の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）において、絶縁膜はドレイン電極に向かって徐々に厚くなる第1の部分と、第1の部分よりドレイン電極側であって、上面に凹部を含む第２の部分と、第２の部分よりドレイン電極側であって、ドレイン電極に向かって徐々に厚くなる第３の部分と、を備え、ゲート電極は第１の部分よりもソース電極側から、第１の部分、第２の部分、第３の部分に至るまで延伸し、凹部上で落ち込んでいることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によればフィールドプレートの効果を活用でき、ゲートリーク、コラプス現象のばらつきを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】従来品のＨＥＭＴのゲート電極部分の断面図である。

【図2】本発明のＨＥＭＴのゲート電極部分の断面図である

【図3】従来品のＨＥＭＴのゲート電極部分からドレイン電極側にむかっての電界分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図4】本発明のＨＥＭＴのゲート電極部分からドレイン電極側にむかっての電界分布のシミュレーション結果を示す図である。

【図5】従来品と本発明のＨＥＭＴのゲート電極部分からドレイン電極側にむかっての電界分布のシミュレーション結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施の形態となる構造について説明する。

【実施例0010】

図２は実施例１に係る高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）１００のゲート電極部分の断面図である。実施例１に係るＨＥＭＴ１００は、ＧａＮからなる電子走行層１上に、ＡｌＧａＮからなる電子供給層２を備え、電子供給層２上にＧａＮキャップ層３を備え、ＧａＮキャップ層３上に酸化膜４を備える。ＨＥＭＴ１００は図示しないソース電極とドレイン電極に挟まれるようにゲート電極６が設けられている。ＨＥＭＴ１００において、ゲート電極６の下部に電子供給層２との間に挟まれたｐ型金属酸化物半導体膜５を具備し、且つ、ゲート電極６よりｐ型金属酸化物半導体膜５の長さが短い構造になっている。このようにｐ型金属酸化物半導体膜５の長さを短くし、部分的にゲート電極６下にｐ型金属酸化物半導体膜５のない領域を作り、ゲート電極６が酸化膜４に接する領域を設けることでフィールドプレート効果が得られ、効果的に電界緩和を行うことができる。また、ゲート電極６が酸化膜４に接している部分と接していない部分を設けることで段階的に緩やかに電界緩和を行うことができる効果が得られる。また、ゲート電極５が酸化膜４に接している部分において、酸化膜４の厚みを変化させることでも段階的に緩やかに電界緩和効果を得ることができる。
ここで、電子供給層２と接続されたｐ型金属酸化物半導体膜５の部分からドレイン電極に向かって酸化膜４の厚みが、一定又は厚くなるのではなく、一部分において薄くなるように、酸化膜４の凹部７が設けられている。ＨＥＭＴ１００では、酸化膜４は、電子供給層２と接続されたｐ型金属酸化物半導体膜５の部分（図２のA）から徐々に厚みが増している（絶縁膜の第1の部分）。更にドレイン電極側では、酸化膜４の厚みはほぼ一定となっている。更にドレイン電極側では、凹部７が設けられており、凹部７の底面は前述のほぼ一定の厚みの部分よりも薄くなっている（絶縁膜の第2の部分）。更にドレイン電極側では、酸化膜４の厚みは徐々に厚みが増している（絶縁膜の第３の部分）。この酸化膜４の上のｐ型金属酸化物半導体膜５は凹部７の手前まで延伸しているが、酸化膜４の凹部７を超えて更にドレイン電極側まで延伸してもよい。ｐ型金属酸化物半導体膜５上のゲート電極６は凹部７を越えて更にドレイン電極側まで延伸しており、ｐ型金属酸化物半導体膜５の先端よりもドレイン電極側まで延伸していることが望ましい。
ＨＥＭＴ１００によれば、図５で示すように、電子供給層２と接続されたｐ型金属酸化物半導体膜５の部分のドレイン電極側の端(図５のA)よりもドレイン電極側にある酸化膜４の凹部７下の電子供給層２の部分(図５のB)で電界集中を高めることによって、電子供給層２と接続されたｐ型金属酸化物半導体膜５の部分のドレイン電極側の端における電界を効果的に緩和でき、酸化膜４の立ち上がり角度、ｐ型金属酸化物半導体膜５の成膜状態（結晶性）のばらつきにより、ゲートリーク特性や電流コラプス特性がばらつくことを抑制することができる。
特にｐ型金属酸化物半導体膜５はスパッタ法等で形成され多結晶の状態で用いられることが多いが、酸化膜４はＣＶＤ法で形成されるので、ｐ型金属酸化物半導体膜５に比べて膜質が安定に形成できるとともに、半導体層との界面準位の発生を抑制する効果が期待できる。なお、図５において、実線が図１の従来品のＨＥＭＴのゲート電極部分からドレイン電極側にむかっての電界分布のシミュレーション結果を示し、点線が図２の本発明のＨＥＭＴのゲート電極部分からドレイン電極側にむかっての電界分布のシミュレーション結果を示す。

【0011】

ｐ型金属酸化物半導体膜５は、酸化ニッケルＮｉＯから成り、ゲート電極はチタンＴｉ上に、アルミ銅ＡｌＣｕ、窒化チタンＴｉＮの金属を積層した三層構造からなる。Ｐ型金属酸化物半導体膜、ゲート電極の材料は上記以外の材料を用いてもよい。また酸化膜（シリコン酸化膜）４のかわりに、酸化アルミ膜、シリコン窒化膜、窒化アルミ膜などの絶縁膜を用いてもよい。また、凹部７よりもｐ型金属酸化物半導体膜５がドレイン電極側まで延伸していてもよい。また、凹部７が複数形成されており、それぞれの凹部７の深さは異なっていてもよい。さらに、凹部７が複数形成されているとき、ドレイン電極に近い側の凹部７よりもｐ型金属酸化物半導体膜５がドレイン電極側まで延伸していてもよい。ｐ型金属酸化物半導体膜５が凹部７を越えて形成されているとき、凹部７内にｐ型金属酸化物半導体膜５が落ち込んでいることは言うまでもない。

【符号の説明】

【0012】

１、電子走行層
２、電子供給層
３、ＧａＮキャップ層
４、酸化膜
５、Ｐ型金属半導体酸化膜
６、ゲート電極
７、凹部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】