窒化物半導体装置及びその製造方法
【課題】窒化物半導体層上の層間絶縁膜の開口部が、電界の集中が緩和される形状に安定して精度良く形成された窒化物半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】窒化物半導体層３０と、窒化物半導体層３０上に配置された第１の絶縁膜４１と、第１の絶縁膜４１上に配置された第２の絶縁膜４２と、窒化物半導体層３０上に互いに離間して配置された第１及び第２の主電極５１，５２と、第１及び第２の主電極５１，５２間で第２の絶縁膜４２上に配置され、第１及び第２の絶縁膜に設けられた開口部を介して窒化物半導体層に接続するフィールドプレート６０とを備える窒化物半導体装置であって、開口部において、窒化物半導体層３０の表面と第１の絶縁膜４１の側面とのなす第１の傾斜角が、窒化物半導体層３０の表面と第２の絶縁膜４２の側面を延長した線とのなす第２の傾斜角よりも小さく形成されている。
【解決手段】窒化物半導体層３０と、窒化物半導体層３０上に配置された第１の絶縁膜４１と、第１の絶縁膜４１上に配置された第２の絶縁膜４２と、窒化物半導体層３０上に互いに離間して配置された第１及び第２の主電極５１，５２と、第１及び第２の主電極５１，５２間で第２の絶縁膜４２上に配置され、第１及び第２の絶縁膜に設けられた開口部を介して窒化物半導体層に接続するフィールドプレート６０とを備える窒化物半導体装置であって、開口部において、窒化物半導体層３０の表面と第１の絶縁膜４１の側面とのなす第１の傾斜角が、窒化物半導体層３０の表面と第２の絶縁膜４２の側面を延長した線とのなす第２の傾斜角よりも小さく形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体層に接するフィールドプレートを有する窒化物半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合を有する横型電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などにおいて、オフ動作時に高電圧がソース電極とドレイン電極間に印加された場合、ゲート電極のドレイン電極側の端部（以下において、「ドレイン側端部」という。）に強い電界が発生する。この電界に依存してドレイン電極からゲート電極に電流が流れるため、オフ動作時における漏れ電流量を抑制するために、ゲート電極のドレイン側端部における電界を緩和することが求められている。
【０００３】
例えば、ゲート電極とドレイン電極間で層間絶縁膜上にフィールドプレートを形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２７７６０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
窒化物半導体層上に電極を形成する場合、窒化物半導体層上に形成された絶縁膜である保護膜をエッチングして開口部を形成する。そして、この開口部において電極が窒化物半導体層に接するように保護膜上に電極を形成する。保護膜の開口部を形成する際には、窒化物半導体層が受けるダメージを回避するために、「ウェットエッチング」プロセス又は「ドライエッチング＋ウェットエッチング」プロセスが採用されている。
【０００６】
このとき、ウェットエッチングのプロセス精度や層間絶縁膜とフォトレジスト膜との密着性に依存して、層間絶縁膜の開口部の形状が変化する。この形状の変化が漏れ電流特性に影響する。このため、窒化物半導体装置の安定した特性を得るために、層間絶縁膜の開口部の形状を高い精度で形成することが求められている。
【０００７】
上記要求に応えるために、本発明は、窒化物半導体層上の層間絶縁膜の開口部が、電界の集中が緩和される形状に安定して精度良く形成された窒化物半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、窒化物半導体層と、窒化物半導体層上に配置された第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上に配置された第２の絶縁膜と、窒化物半導体層上に互いに離間して配置された第１及び第２の主電極と、第１及び第２の主電極間で第２の絶縁膜上に配置され、第１及び第２の絶縁膜に設けられた開口部を介して窒化物半導体層に接続するフィールドプレートとを備え、開口部において、窒化物半導体層の表面と第１の絶縁膜の側面とのなす第１の傾斜角が、窒化物半導体層の表面と第２の絶縁膜の側面を延長した線とのなす第２の傾斜角よりも小さい窒化物半導体装置が提供される。
【０００９】
本発明の他の態様によれば、主面上に第１及び第２の主電極を有する窒化物半導体装置の製造方法であって、窒化物半導体層上に第１の絶縁膜を形成するステップと、第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を形成するステップと、窒化物半導体層の表面の一部が露出するまで第１及び第２の絶縁膜の一部をそれぞれ選択的にエッチング除去して、窒化物半導体層の表面と第１の絶縁膜の側面とのなす角が窒化物半導体層の表面と第２の絶縁膜の側面を延長した線とのなす角よりも小さいように開口部を形成するステップと、第１及び第２の主電極間で第２の絶縁膜上にフィールドプレートを形成し、開口部を介して窒化物半導体層とフィールドプレートとを接続させるステップとを含む窒化物半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、窒化物半導体層上の層間絶縁膜の開口部が、電界の集中が緩和される形状に安定して精度良く形成された窒化物半導体装置及びその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
【図２】窒化物半導体装置のデバイスシミュレーションモデルの構造を示す模式図である。
【図３】窒化物半導体装置のゲートリーク電流特性を示すグラフであり、図３（ａ）はデバイスシミュレーション結果、図３（ｂ）は作製したデバイスの測定結果である。
【図４】ゲート電極端部の電界分布を示す模式図であり、図４（ａ）はデバイスモデルＡの電界分布、図４（ｂ）はデバイスモデルＢの電界分布、図４（ｃ）は窒化物半導体層内部のチャネル方向の電界分布である。
【図５】本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その１）。
【図６】本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その２）。
【図７】本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その３）。
【図８】本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その４）。
【図９】本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その５）。
【図１０】本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その６）。
【図１１】比較例の窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図であり、図１１（ａ）はドライエッチング後の層間絶縁膜の形状、図１１（ｂ）はウェットエッチング後の層間絶縁膜の形状を示す。
【図１２】本発明の実施形態の第１の変形例に係る窒化物半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
【図１３】本発明の実施形態の第２の変形例に係る窒化物半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部の長さの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１３】
又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１４】
本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置１は、図１に示すように、窒化物半導体層３０と、窒化物半導体層３０上に配置された第１の絶縁膜４１と、第１の絶縁膜４１上に配置された第２の絶縁膜４２と、窒化物半導体層３０上に互いに離間して配置された第１の主電極５１及び第２の主電極５２と、第１の主電極５１と第２の主電極５２間で第２の絶縁膜４２上に配置されたフィールドプレート６０とを備える。
【００１５】
図１は、窒化物半導体装置１が高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）である場合を例示的に示している。即ち、基板１０上にバッファ層２０が配置され、バッファ層２０上に窒化物半導体層３０が配置されている。そして、第１の主電極５１と第２の主電極５２間の窒化物半導体層３０上に制御電極５３が配置されている。制御電極５３と連結してフィールドプレート６０が制御電極５３と第２の主電極５２間に配置されている。
【００１６】
フィールドプレート６０は、第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２とが積層された層間絶縁膜４０に設けられた開口部４００を介して窒化物半導体層３０に接続する。具体的には、フィールドプレート６０が端部に連結した制御電極５３が、開口部４００を埋め込むようにして窒化物半導体層３０上に配置されている。なお、第１の主電極５１及び第２の主電極５２も、層間絶縁膜４０に形成された開口部において、窒化物半導体層３０と接している。
【００１７】
図１に示すように、開口部４００はテーパ形状に形成されている。より詳細には、開口部４００は、窒化物半導体層３０の表面３００と第１の絶縁膜４１の側面４１０とのなす第１の傾斜角θ１が、窒化物半導体層３０の表面３００と第２の絶縁膜４２の側面４２０を延長した線Ｌとのなす第２の傾斜角θ２よりも小さいように形成されている。したがって、窒化物半導体層３０の表面３００と垂直な切断面において、第１の絶縁膜４１の開口部及び第２の絶縁膜４２の開口部は、上底が下底より広い台形形状をなしている。
【００１８】
第１の主電極５１がソース電極、第２の主電極５２がドレイン電極、制御電極５３がゲート電極として使用される場合に、フィールドプレート６０により、ゲート電極のドレイン側端部の空乏層の曲率が制御されて、ゲート電極のドレイン側端部に集中する電界の集中が緩和される。このため、窒化物半導体装置１では、窒化物半導体装置１のオフ動作時にドレイン電極からゲート電極に流れる漏れ電流（以下において、「ゲートリーク電流」という。）が抑制される。
【００１９】
更に、窒化物半導体層３０と接するフィールドプレート６０の底面に接続する側面に図１に示すように傾斜をつけることにより、電界を緩和することができる。２次元デバイスシミュレーションによって、フィールドプレート６０の底部に傾斜をつけることによる電界緩和を検証した例を以下に説明する。
【００２０】
２次元デバイスシミュレーションに用いたデバイスモデルの構造を図２に示す。窒化物半導体層３０Ｍとして、ノンドープのＧａＮ層３１Ｍ上に、Ａｌ組成０．２６で膜厚が２５ｎｍのＡｌＧａＮ層３２Ｍを配置した積層体を用いた。窒化物半導体層３０Ｍ上に、ソース電極５１Ｍ、ドレイン電極５２Ｍ、ゲート電極５３Ｍが配置されている。ゲート電極長は２μｍ、ゲート電極５３Ｍとドレイン電極５２Ｍ間は１２μｍとした。窒化物半導体層３０Ｍ上の層間絶縁膜４０Ｍは、膜厚が５００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜である。図２に示したように、ゲート電極５３Ｍに接続されたフィールドプレート６０Ｍをドレイン電極側に配置し、開口部４００Ｍにおいて層間絶縁膜４０Ｍの側面に傾斜を設けた。なお、実際のデバイス作製可能範囲を考慮して、傾斜角θが異なる２種類のデバイスモデルＡ、Ｂを設定した。デバイスモデルＡの傾斜角θは、デバイスモデルＢの傾斜角θよりも大きいとする。
【００２１】
図３（ａ）、図３（ｂ）にオフ動作時のゲートリーク電流特性を示す。横軸はドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓであり、縦軸はゲートリーク電流Ｉｇである。ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓは−６Ｖである。図３（ａ）はシミュレーション結果であり、図３（ｂ）は実際に作製したデバイスの測定結果である。図３（ａ）、図３（ｂ）において、特性ＡがデバイスモデルＡの特性であり、特性ＢがデバイスモデルＢの特性である。図３（ａ）に示すように、傾斜角θの小さいデバイスモデルＢの方が、デバイスモデルＡよりもゲートリーク電流Ｉｇが抑制されている。図３（ｂ）に示すように、実際のデバイスでも同様の傾向が見られる。
【００２２】
図４（ａ）〜図４（ｂ）に、ドレイン電圧２００Ｖにおけるゲート電極５３Ｍ端部の電界分布を示す。図４（ａ）はデバイスモデルＡの電界分布、図４（ｂ）はデバイスモデルＢの電界分布である。また、図４（ｃ）に、ＡｌＧａＮ層３２Ｍの表面から深さ５μｍにおけるチャネル方向の電界分布を示す。特性ＡがデバイスモデルＡの特性であり、特性ＢがデバイスモデルＢの特性である。図４（ａ）〜図４（ｃ）の横軸は窒化物半導体層３０Ｍ上の層間絶縁膜４０Ｍの端部からの距離ｄであり、図４（ｃ）の縦軸は電界の大きさである。図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すように、デバイスモデルＢの方がデバイスモデルＡよりもゲート電極５３Ｍ端部における電界が緩和されている。
【００２３】
上記のように、電界の集中を緩和してゲートリーク電流を抑制するためには、層間絶縁膜４０Ｍに形成される開口部４００Ｍの底面端部に傾斜角θを設けることが有効であり、更に、傾斜角θが小さいほど電界緩和の効果が大きいことが確認された。しかしながら、傾斜角θを小さくした場合、開口部４００Ｍの面積が非常に大きくなるという問題がある。
【００２４】
特に、層間絶縁膜の膜厚が厚くなるほど、層間絶縁膜の上面における開口部の面積が増大し、窒化物半導体装置の面積が増大する問題がある。一方、以下の理由によって、層間絶縁膜の膜厚を厚くすることが望まれている。
【００２５】
半導体製造工程でのプロセスマージンを取るために、層間絶縁膜上面における開口部の面積よりも広い面積で各電極が形成される。このため、各電極と窒化物半導体層とが層間絶縁膜を挟んで対向する領域（以下において、「フランジ部」という。）が形成される。このフランジ部はフィールドプレートとしての機能を有する。このとき、ドレイン電極と電気的に接続するフィールドプレートが、電流コラプス現象を悪化させることが知られている。このため、ドレイン電極におけるフランジ部のフィールドプレートとしての機能を低下させるために、層間絶縁膜の膜厚を厚くする必要がある。しかしながら、電流コラプス現象を悪化させないために層間絶縁膜の膜厚を厚くした場合には、電界緩和のために層間絶縁膜の側面の傾斜角を小さくすると、窒化物半導体装置の面積が大きくなってしまう。
【００２６】
これに対し、図１に示した窒化物半導体装置１では、窒化物半導体層３０上に配置される層間絶縁膜４０を第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２との２層構造とし、且つ、窒化物半導体層３０の表面３００と第２の絶縁膜４２の側面４２０を延長した線Ｌとのなす第２の傾斜角θ２が、窒化物半導体層３０の表面３００と第１の絶縁膜４１の側面４１０とのなす第１の傾斜角θ１よりも大きいように開口部４００が形成されている。
【００２７】
このため、窒化物半導体装置１では、第１の傾斜角θ１をできるだけ小さくすることで電界の集中を緩和する効果を大きくし、且つ、第２の傾斜角θ２を第１の傾斜角θ１よりも大きくすることで、開口部４００の面積の増大を抑制できる。電界集中を緩和するために、第１の傾斜角θ１は、例えば４５°以下であることが好ましく、より好ましくは１０°〜１５°である。第２の傾斜角θ２は、窒化物半導体装置１の面積増大を抑制するためには急峻であることが好ましい。例えば、開口部４００の所望の面積、層間絶縁膜４０の所望の膜厚などに応じて、第２の傾斜角θ２は決定される。
【００２８】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置１では、電界の緩和に有効な、側面が緩やかな傾斜を有する開口部４００を介して、フィールドプレート６０が窒化物半導体層３０に接している。更に、開口部４００の側面の傾斜を、緩やかな第１の傾斜角θ１を有する第１の絶縁膜４１の側面と、第１の傾斜角θ１よりも大きな第２の傾斜角θ２を有する第２の絶縁膜４２の側面とによって構成する。これにより、窒化物半導体装置１によれば、開口部４００の面積を増大させることなく、電界が緩和されて、ゲートリーク電流が抑制される。
【００２９】
なお、ＨＥＭＴである窒化物半導体装置１の窒化物半導体層３０は、図１に示したように、キャリア供給層３２、及びキャリア供給層３２とヘテロ接合を形成するキャリア走行層３１を積層した構造である。
【００３０】
バッファ層２０上に配置されたキャリア走行層３１は、例えば不純物が添加されていないノンドープＧａＮを、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等によりエピタキシャル成長させて形成する。ノンドープとは、不純物が意図的に添加されていないことを意味する。
【００３１】
キャリア走行層３１上に配置されたキャリア供給層３２は、キャリア走行層３１よりもバンドギャップが大きく、且つキャリア走行層３１より格子定数の小さい窒化物半導体からなる。キャリア供給層３２としてノンドープのＡｌxＧａ1-xＮが採用可能である。
【００３２】
キャリア供給層３２は、ＭＯＣＶＤ法等によるエピタキシャル成長によってキャリア走行層３１上に形成される。キャリア供給層３２とキャリア走行層３１は格子定数が異なるため、格子歪みによるピエゾ分極が生じる。このピエゾ分極とキャリア供給層３２の結晶が有する自発分極により、ヘテロ接合付近のキャリア走行層３１に高密度のキャリアが生じ、電流通路（チャネル）としての二次元キャリアガス層３３が形成される。
【００３３】
以下に、図５〜図１０を用いて、本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置１の製造方法を説明する。ここでは、図１に示した窒化物半導体装置１について例示的に製造方法を述べる。なお、以下に述べる窒化物半導体装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
【００３４】
（イ）図５に示すように、基板１０上にバッファ層２０を形成する。更に、バッファ層２０上に、キャリア走行層３１及びキャリア供給層３２をこの順にエピタキシャル成長させ、窒化物半導体層３０を形成する。
【００３５】
（ロ）次いで、図６に示すように、キャリア供給層３２上に第１の絶縁膜４１を形成する。更に、第１の絶縁膜４１上全面に第２の絶縁膜４２を形成する。なお、少なくとも後述の開口部４００形成時の等方性エッチングにおけるエッチングレートが、第２の絶縁膜４２が第１の絶縁膜４１よりも大きいように、第１の絶縁膜４１及び第２の絶縁膜４２の材料が選択される。
【００３６】
（ハ）フォトリソグラフィ技術などを用いて、図７に示すように、第１の絶縁膜４１及び第２の絶縁膜４２の所定の位置に開口部５１０、５２０を形成する。例えば、第１の主電極５１と第２の主電極５２がそれぞれ配置される位置の第１の絶縁膜４１及び第２の絶縁膜４２を、フォトレジスト膜をマスクにしてエッチング除去する。
【００３７】
（ニ）開口部５１０、５２０を埋め込むように、第２の絶縁膜４２上に金属膜を形成する。その後、この金属膜をフォトリソグラフィ技術などを用いてパターニングする。これにより、図８に示すように、開口部５１０を埋め込んで配置された第１の主電極５１、及び開口部５２０を埋め込んで配置された第２の主電極５２が形成される。
【００３８】
（ホ）フォトレジスト膜９０をエッチングマスクにして、ドライエッチングなどの異方性エッチングによって、制御電極５３が配置される位置の第２の絶縁膜４２を膜厚方向にエッチング除去する。このとき、図９に示すように、第２の絶縁膜４２の一部が第１の絶縁膜４１上に残るように、第２の絶縁膜４２をエッチングすることが好ましい。これは、この後の工程でウェットエッチングを用いて第１の絶縁膜４１をエッチング除去する際に、第２の絶縁膜４２が残っていない状態で第１の絶縁膜４１をエッチングすると、第１の絶縁膜４１の側面４１０の表面に段差が生じ、傾斜面が一様な傾斜にならないおそれがあるためである。このため、異方性エッチングでは、第２の絶縁膜４２を膜厚方向の途中まで除去することが好ましい。例えば、１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度の膜厚で第２の絶縁膜４２を残す。
【００３９】
（ヘ）フォトレジスト膜９０をエッチングマスクにして、ウェットエッチングなどの等方性エッチングによって、窒化物半導体層３０の表面の一部が露出するまで第２の絶縁膜４２の残余の部分及び第１の絶縁膜４１を除去する。第２の絶縁膜４２よりも第１の絶縁膜４１の方が等方性エッチングのエッチングレートが小さい。したがって、第２の絶縁膜４２に対するエッチングレートよりも第１の絶縁膜４１に対するエッチングレートが小さい等方性エッチングによって、第２の絶縁膜４２及び第１の絶縁膜４１が除去される。その結果、図１０に示すように、窒化物半導体層３０の表面３００と第１の絶縁膜４１の側面４１０とのなす第１の傾斜角θ１が、窒化物半導体層３０の表面３００と第２の絶縁膜４２の側面４２０を延長した線Ｌとのなす第２の傾斜角θ２よりも小さいように、開口部４００が形成される。
【００４０】
（ト）フォトレジスト膜９０を除去した後、開口部４００を埋め込むように第２の絶縁膜４２上に金属膜を形成し、この金属膜をパターニングする。これにより、開口部４００において窒化物半導体層３０と接するように、制御電極５３と共にフィールドプレート６０が形成される。なお、リフトオフ法を用いて、制御電極５３及びフィールドプレート６０を形成してもよい。以上により、図１に示した窒化物半導体装置１が完成する。
【００４１】
等方性エッチングにおけるエッチングレートが第１の絶縁膜４１の方が第２の絶縁膜４２より小さいという条件以外は、第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２に対する特別な条件はない。このため、層間絶縁膜として一般的に用いられる酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）膜、ボロン・リン添加ガラス（ＢＰＳＧ）膜、リン添加ガラス（ＰＳＧ）膜などを第１の絶縁膜４１、第２の絶縁膜４２に採用可能である。
【００４２】
例えば、第１の絶縁膜４１にＢＰＳＧ膜を使用し、第２の絶縁膜にＳｉＯｘ膜又はＴＥＯＳ膜を使用する。或いは、第１の絶縁膜４１にＴＥＯＳ膜を使用し、第２の絶縁膜にＳｉＯｘ膜を使用する。
【００４３】
また、第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２に同一の材料を用いてもよい。この場合には、第２の絶縁膜４２よりも第１の絶縁膜４１の方がエッチングレートが小さくなるように、第１の絶縁膜４１を改質すればよい。例えば、第１の絶縁膜４１を形成した後、熱処理などによって第１の絶縁膜４１のエッチングレートを小さくする。その後、この第１の絶縁膜４１上に第１の絶縁膜４１と同一材料の膜を第２の絶縁膜４２として形成する。
【００４４】
第１の絶縁膜４１の膜厚は、第１の傾斜角θ１が所望の角度で確実に形成される膜厚であればよく、プロセス精度に依存するが、例えば１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度である。ただし、ドライエッチング時に窒化物半導体層３０の表面３００が露出しないように、一定のマージンをもって第１の絶縁膜４１の膜厚は決定される。第２の絶縁膜４２の膜厚は、第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２のトータルの膜厚が所望の層間膜厚になるように設定される。例えば、第２の絶縁膜４２の膜厚は２５０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度である。
【００４５】
各電極に要求される膜厚、第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２とのエッチングレートの差などに応じて、第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２の膜厚は決定される。
【００４６】
なお、第１の絶縁膜４１又は第２の絶縁膜４２にＢＰＳＧ膜を使用した場合には、窒化物半導体層３０から比較的近い位置にＢＰＳＧ膜が存在することになる。このため、ＢＰＳＧ膜によって外部からの浮遊イオンなどの影響を防止でき、動作時における窒化物半導体装置１中の電位の安定を確保できる。
【００４７】
基板１０には、シリコン（Ｓｉ）基板、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）基板、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板等の半導体基板や、サファイア基板、セラミック基板等の絶縁体基板を採用可能である。例えば、基板１０に大口径化が容易なシリコン基板を採用することにより、窒化物半導体装置１の製造コストを低減できる。
【００４８】
バッファ層２０は、ＭＯＣＶＤ法等のエピタキシャル成長法で形成できる。図１では、バッファ層２０を１つの層として図示しているが、バッファ層２０を複数の層で形成してもよい。例えば、バッファ層２０を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる第１のサブレイヤー（第１の副層）とＧａＮからなる第２のサブレイヤー（第２の副層）とを交互に積層した多層構造バッファとしてもよい。なお、バッファ層２０はＨＥＭＴの動作に直接には関係しないため、バッファ層２０を省いてもよい。バッファ層２０の構造、配置は、基板１０の材料等に応じて決定される。
【００４９】
第１の主電極５１及び第２の主電極５２は、窒化物半導体層３０と低抵抗接触（オーミック接触）可能な金属により形成される。例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）などが第１の主電極５１及び第２の主電極５２に採用可能である。或いはＴｉとＡｌの積層体として、第１の主電極５１及び第２の主電極５２は形成される。制御電極５３、フィールドプレート６０には、例えばニッケル金（ＮｉＡｕ）などが採用可能である。
【００５０】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置１の製造方法によれば、制御電極５３のドレイン側端部における電界の緩和に有効な、端部が緩やかな傾斜の底部を有するフィールドプレート６０を安定して精度良く形成できる。特に、異方性エッチング後の開口部４００に第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２とが存在する状態で等方性エッチングを行うことにより、第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２とのエッチングレート差に依存した形状の開口部４００を安定して得ることができる。
【００５１】
ウェットエッチングなどの等方性エッチングのみで開口部４００を形成する場合と比べて、上記のように異方性エッチングと等方性エッチングを組み合わせることにより、開口部４００を精度良く形成できる。即ち、開口部４００の開口寸法の広がりを抑制でき、開口部４００の微細設計、微細加工が容易である。
【００５２】
更に、窒化物半導体層３０上の層間絶縁膜が１層である場合には、開口部４００の傾斜を緩やかにすることが困難である。例えば、図１１（ａ）に示すようにフォトレジスト膜９０をマスクにした異方性エッチングによって層間絶縁膜４０を途中まで膜厚方向にエッチング除去し、その後、図１１（ｂ）に示すように等方性エッチングによって窒化物半導体層３０の表面が露出するまで層間絶縁膜４０をエッチング除去した場合には、開口部４００の側面の傾斜を緩やかにすることはできない。仮に開口部４００の側面の傾斜を緩やかにしようとすれば、開口部４００の面積が増大し、窒化物半導体装置１が大型化してしまう。
【００５３】
したがって、本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置１の製造方法のように、エッチングレートが異なる第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２を積層することによって、開口部４００の面積を増大させることなく、開口部４００の底部での側面の傾斜を緩やかにすることができるのである。これにより、電界集中が緩和され、ゲートリーク電流が抑制された窒化物半導体装置１を製造することができる。電流コラプス現象を悪化させないためなどの理由によって層間絶縁膜４０の膜厚が厚い場合において、窒化物半導体装置１の構造は特に有効である。
【００５４】
また、上記に説明した製造方法によれば、汎用の設備、技術によって窒化物半導体装置１の製造が可能であり、特別な装置や高度なプロセス技術を必要としない。
【００５５】
なお、制御電極５３が配置される開口部４００の底面において窒化物半導体層３０の上部の一部をエッチングし、窒化物半導体装置１をゲートリセス構造にしてもよい。これにより、ノーマリオフ特性を実現することができる。
【００５６】
＜第１の変形例＞
図１２に示すように、制御電極５３と第２の主電極５２間に、窒化物半導体層３０上にフィールドプレート６０Ｓを配置してもよい。フィールドプレート６０Ｓと第１の主電極５１は電気的に接続される。
【００５７】
フィールドプレート６０Ｓが制御電極５３（ゲート電極）と第２の主電極５２（ドレイン電極）の間に配置されることにより、ゲート電極のドレイン側端部における電界集中が更に緩和される。このとき、図１２に示したように、フィールドプレート６０Ｓが埋め込まれる層間絶縁膜４０の開口部において、図１に示した開口部４００と同様に、第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２の側面に傾斜がつけられ、且つ、第１の絶縁膜４１の斜面の第１の傾斜角θ１よりも第２の絶縁膜４２の斜面の第２の傾斜角θ２の方が大きい。このため、図１２に示した窒化物半導体装置１においても、窒化物半導体装置１の面積を増大させることなく、電界が緩和されて、ゲートリーク電流が抑制される。
【００５８】
更に、図１２に示す窒化物半導体装置１では、制御電極５３の第２の主電極５２に対向する側面が、フィールドプレート６０Ｓによってシールドされている。このため、フィールドプレート６０Ｓと第１の主電極５１（ソース電極）とを電気的に接続することにより、窒化物半導体装置１のミラー容量を低減することができる。つまり、フィールドプレート６０Ｓがゲート電極とドレイン電極間に配置されていることにより、ゲート電極とドレイン電極間の容量が低減される。これにより、窒化物半導体装置１の高速動作が可能になる。
【００５９】
＜第２の変形例＞
図１３に、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）として窒化物半導体装置１を形成した例を示す。図１３に示した窒化物半導体装置１では、ＨＥＭＴの場合と同様に、例えばＧａＮ膜からなるキャリア走行層３１とＡｌＧａＮ膜からなるキャリア供給層３２とによって、窒化物半導体層３０が構成されている。そして、窒化物半導体層３０上に第１の主電極であるアノード電極７１と第２の主電極であるカソード電極７２が互いに離間して配置されている。
【００６０】
アノード電極７１とキャリア供給層３２との間にショットキー接合が形成され、カソード電極７２とキャリア供給層３２との間にオーミック接合が形成される。これにより、二次元キャリアガス層３３を介して、アノード電極７１とカソード電極７２間に電流が流れる。
【００６１】
図１３に示す窒化物半導体装置１では、アノード電極７１のカソード電極７２側の端部（以下において、「カソード側端部」という。）と連結してフィールドプレート６０が層間絶縁膜４０上に配置されている。フィールドプレート６０により、アノード電極７１のカソード側端部の空乏層の曲率が制御されて、アノード電極７１のカソード側端部に集中する電界の集中が緩和される。このため、図１３に示した窒化物半導体装置１では、オフ動作時のリーク電流が抑制される。
【００６２】
このとき、図１３に示すように、フィールドプレート６０と連結するアノード電極７１が窒化物半導体層３０と接する開口部４００では、図１に示した開口部４００と同様に、第１の絶縁膜４１及び第２の絶縁膜４２の側面に傾斜がつけられている。即ち、窒化物半導体層３０の表面３００と第１の絶縁膜４１の側面４１０とのなす第１の傾斜角θ１が、窒化物半導体層３０の表面３００と第２の絶縁膜４２の側面４２０を延長した線Ｌとのなす第２の傾斜角θ２よりも小さいように、開口部４００が形成されている。
【００６３】
このため、図１３に示した窒化物半導体装置１においても、窒化物半導体装置１の面積を増大させることなく、電界が緩和されて、ゲートリーク電流が抑制される。
【００６４】
（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００６５】
例えば、フィールドプレート６０を第１の主電極５１又は制御電極５３以外の、一定値に固定された電圧を供給する固定電極に接続してもよい。つまり、フィールドプレート６０を交流的にＧＮＤにみえる一定電位に設定することにより、制御電極５３の端部における電界の集中を緩和する効果が得られる。フィールドプレート６０をＧＮＤに接続してもよい。
【００６６】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００６７】
１…窒化物半導体装置
１０…基板
２０…バッファ層
３０…窒化物半導体層
３１…キャリア走行層
３２…キャリア供給層
３３…二次元キャリアガス層
４０…層間絶縁膜
４１…第１の絶縁膜
４２…第２の絶縁膜
５１…第１の主電極
５２…第２の主電極
５３…制御電極
６０…フィールドプレート
６０Ｓ…フィールドプレート
９０…フォトレジスト膜
４００…開口部
４１０…側面
４２０…側面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体層に接するフィールドプレートを有する窒化物半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合を有する横型電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などにおいて、オフ動作時に高電圧がソース電極とドレイン電極間に印加された場合、ゲート電極のドレイン電極側の端部（以下において、「ドレイン側端部」という。）に強い電界が発生する。この電界に依存してドレイン電極からゲート電極に電流が流れるため、オフ動作時における漏れ電流量を抑制するために、ゲート電極のドレイン側端部における電界を緩和することが求められている。
【０００３】
例えば、ゲート電極とドレイン電極間で層間絶縁膜上にフィールドプレートを形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２７７６０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
窒化物半導体層上に電極を形成する場合、窒化物半導体層上に形成された絶縁膜である保護膜をエッチングして開口部を形成する。そして、この開口部において電極が窒化物半導体層に接するように保護膜上に電極を形成する。保護膜の開口部を形成する際には、窒化物半導体層が受けるダメージを回避するために、「ウェットエッチング」プロセス又は「ドライエッチング＋ウェットエッチング」プロセスが採用されている。
【０００６】
このとき、ウェットエッチングのプロセス精度や層間絶縁膜とフォトレジスト膜との密着性に依存して、層間絶縁膜の開口部の形状が変化する。この形状の変化が漏れ電流特性に影響する。このため、窒化物半導体装置の安定した特性を得るために、層間絶縁膜の開口部の形状を高い精度で形成することが求められている。
【０００７】
上記要求に応えるために、本発明は、窒化物半導体層上の層間絶縁膜の開口部が、電界の集中が緩和される形状に安定して精度良く形成された窒化物半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、窒化物半導体層と、窒化物半導体層上に配置された第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上に配置された第２の絶縁膜と、窒化物半導体層上に互いに離間して配置された第１及び第２の主電極と、第１及び第２の主電極間で第２の絶縁膜上に配置され、第１及び第２の絶縁膜に設けられた開口部を介して窒化物半導体層に接続するフィールドプレートとを備え、開口部において、窒化物半導体層の表面と第１の絶縁膜の側面とのなす第１の傾斜角が、窒化物半導体層の表面と第２の絶縁膜の側面を延長した線とのなす第２の傾斜角よりも小さい窒化物半導体装置が提供される。
【０００９】
本発明の他の態様によれば、主面上に第１及び第２の主電極を有する窒化物半導体装置の製造方法であって、窒化物半導体層上に第１の絶縁膜を形成するステップと、第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を形成するステップと、窒化物半導体層の表面の一部が露出するまで第１及び第２の絶縁膜の一部をそれぞれ選択的にエッチング除去して、窒化物半導体層の表面と第１の絶縁膜の側面とのなす角が窒化物半導体層の表面と第２の絶縁膜の側面を延長した線とのなす角よりも小さいように開口部を形成するステップと、第１及び第２の主電極間で第２の絶縁膜上にフィールドプレートを形成し、開口部を介して窒化物半導体層とフィールドプレートとを接続させるステップとを含む窒化物半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、窒化物半導体層上の層間絶縁膜の開口部が、電界の集中が緩和される形状に安定して精度良く形成された窒化物半導体装置及びその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
【図２】窒化物半導体装置のデバイスシミュレーションモデルの構造を示す模式図である。
【図３】窒化物半導体装置のゲートリーク電流特性を示すグラフであり、図３（ａ）はデバイスシミュレーション結果、図３（ｂ）は作製したデバイスの測定結果である。
【図４】ゲート電極端部の電界分布を示す模式図であり、図４（ａ）はデバイスモデルＡの電界分布、図４（ｂ）はデバイスモデルＢの電界分布、図４（ｃ）は窒化物半導体層内部のチャネル方向の電界分布である。
【図５】本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その１）。
【図６】本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その２）。
【図７】本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その３）。
【図８】本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その４）。
【図９】本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その５）。
【図１０】本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である（その６）。
【図１１】比較例の窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図であり、図１１（ａ）はドライエッチング後の層間絶縁膜の形状、図１１（ｂ）はウェットエッチング後の層間絶縁膜の形状を示す。
【図１２】本発明の実施形態の第１の変形例に係る窒化物半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
【図１３】本発明の実施形態の第２の変形例に係る窒化物半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部の長さの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１３】
又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１４】
本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置１は、図１に示すように、窒化物半導体層３０と、窒化物半導体層３０上に配置された第１の絶縁膜４１と、第１の絶縁膜４１上に配置された第２の絶縁膜４２と、窒化物半導体層３０上に互いに離間して配置された第１の主電極５１及び第２の主電極５２と、第１の主電極５１と第２の主電極５２間で第２の絶縁膜４２上に配置されたフィールドプレート６０とを備える。
【００１５】
図１は、窒化物半導体装置１が高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）である場合を例示的に示している。即ち、基板１０上にバッファ層２０が配置され、バッファ層２０上に窒化物半導体層３０が配置されている。そして、第１の主電極５１と第２の主電極５２間の窒化物半導体層３０上に制御電極５３が配置されている。制御電極５３と連結してフィールドプレート６０が制御電極５３と第２の主電極５２間に配置されている。
【００１６】
フィールドプレート６０は、第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２とが積層された層間絶縁膜４０に設けられた開口部４００を介して窒化物半導体層３０に接続する。具体的には、フィールドプレート６０が端部に連結した制御電極５３が、開口部４００を埋め込むようにして窒化物半導体層３０上に配置されている。なお、第１の主電極５１及び第２の主電極５２も、層間絶縁膜４０に形成された開口部において、窒化物半導体層３０と接している。
【００１７】
図１に示すように、開口部４００はテーパ形状に形成されている。より詳細には、開口部４００は、窒化物半導体層３０の表面３００と第１の絶縁膜４１の側面４１０とのなす第１の傾斜角θ１が、窒化物半導体層３０の表面３００と第２の絶縁膜４２の側面４２０を延長した線Ｌとのなす第２の傾斜角θ２よりも小さいように形成されている。したがって、窒化物半導体層３０の表面３００と垂直な切断面において、第１の絶縁膜４１の開口部及び第２の絶縁膜４２の開口部は、上底が下底より広い台形形状をなしている。
【００１８】
第１の主電極５１がソース電極、第２の主電極５２がドレイン電極、制御電極５３がゲート電極として使用される場合に、フィールドプレート６０により、ゲート電極のドレイン側端部の空乏層の曲率が制御されて、ゲート電極のドレイン側端部に集中する電界の集中が緩和される。このため、窒化物半導体装置１では、窒化物半導体装置１のオフ動作時にドレイン電極からゲート電極に流れる漏れ電流（以下において、「ゲートリーク電流」という。）が抑制される。
【００１９】
更に、窒化物半導体層３０と接するフィールドプレート６０の底面に接続する側面に図１に示すように傾斜をつけることにより、電界を緩和することができる。２次元デバイスシミュレーションによって、フィールドプレート６０の底部に傾斜をつけることによる電界緩和を検証した例を以下に説明する。
【００２０】
２次元デバイスシミュレーションに用いたデバイスモデルの構造を図２に示す。窒化物半導体層３０Ｍとして、ノンドープのＧａＮ層３１Ｍ上に、Ａｌ組成０．２６で膜厚が２５ｎｍのＡｌＧａＮ層３２Ｍを配置した積層体を用いた。窒化物半導体層３０Ｍ上に、ソース電極５１Ｍ、ドレイン電極５２Ｍ、ゲート電極５３Ｍが配置されている。ゲート電極長は２μｍ、ゲート電極５３Ｍとドレイン電極５２Ｍ間は１２μｍとした。窒化物半導体層３０Ｍ上の層間絶縁膜４０Ｍは、膜厚が５００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜である。図２に示したように、ゲート電極５３Ｍに接続されたフィールドプレート６０Ｍをドレイン電極側に配置し、開口部４００Ｍにおいて層間絶縁膜４０Ｍの側面に傾斜を設けた。なお、実際のデバイス作製可能範囲を考慮して、傾斜角θが異なる２種類のデバイスモデルＡ、Ｂを設定した。デバイスモデルＡの傾斜角θは、デバイスモデルＢの傾斜角θよりも大きいとする。
【００２１】
図３（ａ）、図３（ｂ）にオフ動作時のゲートリーク電流特性を示す。横軸はドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓであり、縦軸はゲートリーク電流Ｉｇである。ゲート−ソース間電圧Ｖｇｓは−６Ｖである。図３（ａ）はシミュレーション結果であり、図３（ｂ）は実際に作製したデバイスの測定結果である。図３（ａ）、図３（ｂ）において、特性ＡがデバイスモデルＡの特性であり、特性ＢがデバイスモデルＢの特性である。図３（ａ）に示すように、傾斜角θの小さいデバイスモデルＢの方が、デバイスモデルＡよりもゲートリーク電流Ｉｇが抑制されている。図３（ｂ）に示すように、実際のデバイスでも同様の傾向が見られる。
【００２２】
図４（ａ）〜図４（ｂ）に、ドレイン電圧２００Ｖにおけるゲート電極５３Ｍ端部の電界分布を示す。図４（ａ）はデバイスモデルＡの電界分布、図４（ｂ）はデバイスモデルＢの電界分布である。また、図４（ｃ）に、ＡｌＧａＮ層３２Ｍの表面から深さ５μｍにおけるチャネル方向の電界分布を示す。特性ＡがデバイスモデルＡの特性であり、特性ＢがデバイスモデルＢの特性である。図４（ａ）〜図４（ｃ）の横軸は窒化物半導体層３０Ｍ上の層間絶縁膜４０Ｍの端部からの距離ｄであり、図４（ｃ）の縦軸は電界の大きさである。図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すように、デバイスモデルＢの方がデバイスモデルＡよりもゲート電極５３Ｍ端部における電界が緩和されている。
【００２３】
上記のように、電界の集中を緩和してゲートリーク電流を抑制するためには、層間絶縁膜４０Ｍに形成される開口部４００Ｍの底面端部に傾斜角θを設けることが有効であり、更に、傾斜角θが小さいほど電界緩和の効果が大きいことが確認された。しかしながら、傾斜角θを小さくした場合、開口部４００Ｍの面積が非常に大きくなるという問題がある。
【００２４】
特に、層間絶縁膜の膜厚が厚くなるほど、層間絶縁膜の上面における開口部の面積が増大し、窒化物半導体装置の面積が増大する問題がある。一方、以下の理由によって、層間絶縁膜の膜厚を厚くすることが望まれている。
【００２５】
半導体製造工程でのプロセスマージンを取るために、層間絶縁膜上面における開口部の面積よりも広い面積で各電極が形成される。このため、各電極と窒化物半導体層とが層間絶縁膜を挟んで対向する領域（以下において、「フランジ部」という。）が形成される。このフランジ部はフィールドプレートとしての機能を有する。このとき、ドレイン電極と電気的に接続するフィールドプレートが、電流コラプス現象を悪化させることが知られている。このため、ドレイン電極におけるフランジ部のフィールドプレートとしての機能を低下させるために、層間絶縁膜の膜厚を厚くする必要がある。しかしながら、電流コラプス現象を悪化させないために層間絶縁膜の膜厚を厚くした場合には、電界緩和のために層間絶縁膜の側面の傾斜角を小さくすると、窒化物半導体装置の面積が大きくなってしまう。
【００２６】
これに対し、図１に示した窒化物半導体装置１では、窒化物半導体層３０上に配置される層間絶縁膜４０を第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２との２層構造とし、且つ、窒化物半導体層３０の表面３００と第２の絶縁膜４２の側面４２０を延長した線Ｌとのなす第２の傾斜角θ２が、窒化物半導体層３０の表面３００と第１の絶縁膜４１の側面４１０とのなす第１の傾斜角θ１よりも大きいように開口部４００が形成されている。
【００２７】
このため、窒化物半導体装置１では、第１の傾斜角θ１をできるだけ小さくすることで電界の集中を緩和する効果を大きくし、且つ、第２の傾斜角θ２を第１の傾斜角θ１よりも大きくすることで、開口部４００の面積の増大を抑制できる。電界集中を緩和するために、第１の傾斜角θ１は、例えば４５°以下であることが好ましく、より好ましくは１０°〜１５°である。第２の傾斜角θ２は、窒化物半導体装置１の面積増大を抑制するためには急峻であることが好ましい。例えば、開口部４００の所望の面積、層間絶縁膜４０の所望の膜厚などに応じて、第２の傾斜角θ２は決定される。
【００２８】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置１では、電界の緩和に有効な、側面が緩やかな傾斜を有する開口部４００を介して、フィールドプレート６０が窒化物半導体層３０に接している。更に、開口部４００の側面の傾斜を、緩やかな第１の傾斜角θ１を有する第１の絶縁膜４１の側面と、第１の傾斜角θ１よりも大きな第２の傾斜角θ２を有する第２の絶縁膜４２の側面とによって構成する。これにより、窒化物半導体装置１によれば、開口部４００の面積を増大させることなく、電界が緩和されて、ゲートリーク電流が抑制される。
【００２９】
なお、ＨＥＭＴである窒化物半導体装置１の窒化物半導体層３０は、図１に示したように、キャリア供給層３２、及びキャリア供給層３２とヘテロ接合を形成するキャリア走行層３１を積層した構造である。
【００３０】
バッファ層２０上に配置されたキャリア走行層３１は、例えば不純物が添加されていないノンドープＧａＮを、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等によりエピタキシャル成長させて形成する。ノンドープとは、不純物が意図的に添加されていないことを意味する。
【００３１】
キャリア走行層３１上に配置されたキャリア供給層３２は、キャリア走行層３１よりもバンドギャップが大きく、且つキャリア走行層３１より格子定数の小さい窒化物半導体からなる。キャリア供給層３２としてノンドープのＡｌxＧａ1-xＮが採用可能である。
【００３２】
キャリア供給層３２は、ＭＯＣＶＤ法等によるエピタキシャル成長によってキャリア走行層３１上に形成される。キャリア供給層３２とキャリア走行層３１は格子定数が異なるため、格子歪みによるピエゾ分極が生じる。このピエゾ分極とキャリア供給層３２の結晶が有する自発分極により、ヘテロ接合付近のキャリア走行層３１に高密度のキャリアが生じ、電流通路（チャネル）としての二次元キャリアガス層３３が形成される。
【００３３】
以下に、図５〜図１０を用いて、本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置１の製造方法を説明する。ここでは、図１に示した窒化物半導体装置１について例示的に製造方法を述べる。なお、以下に述べる窒化物半導体装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
【００３４】
（イ）図５に示すように、基板１０上にバッファ層２０を形成する。更に、バッファ層２０上に、キャリア走行層３１及びキャリア供給層３２をこの順にエピタキシャル成長させ、窒化物半導体層３０を形成する。
【００３５】
（ロ）次いで、図６に示すように、キャリア供給層３２上に第１の絶縁膜４１を形成する。更に、第１の絶縁膜４１上全面に第２の絶縁膜４２を形成する。なお、少なくとも後述の開口部４００形成時の等方性エッチングにおけるエッチングレートが、第２の絶縁膜４２が第１の絶縁膜４１よりも大きいように、第１の絶縁膜４１及び第２の絶縁膜４２の材料が選択される。
【００３６】
（ハ）フォトリソグラフィ技術などを用いて、図７に示すように、第１の絶縁膜４１及び第２の絶縁膜４２の所定の位置に開口部５１０、５２０を形成する。例えば、第１の主電極５１と第２の主電極５２がそれぞれ配置される位置の第１の絶縁膜４１及び第２の絶縁膜４２を、フォトレジスト膜をマスクにしてエッチング除去する。
【００３７】
（ニ）開口部５１０、５２０を埋め込むように、第２の絶縁膜４２上に金属膜を形成する。その後、この金属膜をフォトリソグラフィ技術などを用いてパターニングする。これにより、図８に示すように、開口部５１０を埋め込んで配置された第１の主電極５１、及び開口部５２０を埋め込んで配置された第２の主電極５２が形成される。
【００３８】
（ホ）フォトレジスト膜９０をエッチングマスクにして、ドライエッチングなどの異方性エッチングによって、制御電極５３が配置される位置の第２の絶縁膜４２を膜厚方向にエッチング除去する。このとき、図９に示すように、第２の絶縁膜４２の一部が第１の絶縁膜４１上に残るように、第２の絶縁膜４２をエッチングすることが好ましい。これは、この後の工程でウェットエッチングを用いて第１の絶縁膜４１をエッチング除去する際に、第２の絶縁膜４２が残っていない状態で第１の絶縁膜４１をエッチングすると、第１の絶縁膜４１の側面４１０の表面に段差が生じ、傾斜面が一様な傾斜にならないおそれがあるためである。このため、異方性エッチングでは、第２の絶縁膜４２を膜厚方向の途中まで除去することが好ましい。例えば、１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度の膜厚で第２の絶縁膜４２を残す。
【００３９】
（ヘ）フォトレジスト膜９０をエッチングマスクにして、ウェットエッチングなどの等方性エッチングによって、窒化物半導体層３０の表面の一部が露出するまで第２の絶縁膜４２の残余の部分及び第１の絶縁膜４１を除去する。第２の絶縁膜４２よりも第１の絶縁膜４１の方が等方性エッチングのエッチングレートが小さい。したがって、第２の絶縁膜４２に対するエッチングレートよりも第１の絶縁膜４１に対するエッチングレートが小さい等方性エッチングによって、第２の絶縁膜４２及び第１の絶縁膜４１が除去される。その結果、図１０に示すように、窒化物半導体層３０の表面３００と第１の絶縁膜４１の側面４１０とのなす第１の傾斜角θ１が、窒化物半導体層３０の表面３００と第２の絶縁膜４２の側面４２０を延長した線Ｌとのなす第２の傾斜角θ２よりも小さいように、開口部４００が形成される。
【００４０】
（ト）フォトレジスト膜９０を除去した後、開口部４００を埋め込むように第２の絶縁膜４２上に金属膜を形成し、この金属膜をパターニングする。これにより、開口部４００において窒化物半導体層３０と接するように、制御電極５３と共にフィールドプレート６０が形成される。なお、リフトオフ法を用いて、制御電極５３及びフィールドプレート６０を形成してもよい。以上により、図１に示した窒化物半導体装置１が完成する。
【００４１】
等方性エッチングにおけるエッチングレートが第１の絶縁膜４１の方が第２の絶縁膜４２より小さいという条件以外は、第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２に対する特別な条件はない。このため、層間絶縁膜として一般的に用いられる酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）膜、ボロン・リン添加ガラス（ＢＰＳＧ）膜、リン添加ガラス（ＰＳＧ）膜などを第１の絶縁膜４１、第２の絶縁膜４２に採用可能である。
【００４２】
例えば、第１の絶縁膜４１にＢＰＳＧ膜を使用し、第２の絶縁膜にＳｉＯｘ膜又はＴＥＯＳ膜を使用する。或いは、第１の絶縁膜４１にＴＥＯＳ膜を使用し、第２の絶縁膜にＳｉＯｘ膜を使用する。
【００４３】
また、第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２に同一の材料を用いてもよい。この場合には、第２の絶縁膜４２よりも第１の絶縁膜４１の方がエッチングレートが小さくなるように、第１の絶縁膜４１を改質すればよい。例えば、第１の絶縁膜４１を形成した後、熱処理などによって第１の絶縁膜４１のエッチングレートを小さくする。その後、この第１の絶縁膜４１上に第１の絶縁膜４１と同一材料の膜を第２の絶縁膜４２として形成する。
【００４４】
第１の絶縁膜４１の膜厚は、第１の傾斜角θ１が所望の角度で確実に形成される膜厚であればよく、プロセス精度に依存するが、例えば１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度である。ただし、ドライエッチング時に窒化物半導体層３０の表面３００が露出しないように、一定のマージンをもって第１の絶縁膜４１の膜厚は決定される。第２の絶縁膜４２の膜厚は、第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２のトータルの膜厚が所望の層間膜厚になるように設定される。例えば、第２の絶縁膜４２の膜厚は２５０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度である。
【００４５】
各電極に要求される膜厚、第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２とのエッチングレートの差などに応じて、第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２の膜厚は決定される。
【００４６】
なお、第１の絶縁膜４１又は第２の絶縁膜４２にＢＰＳＧ膜を使用した場合には、窒化物半導体層３０から比較的近い位置にＢＰＳＧ膜が存在することになる。このため、ＢＰＳＧ膜によって外部からの浮遊イオンなどの影響を防止でき、動作時における窒化物半導体装置１中の電位の安定を確保できる。
【００４７】
基板１０には、シリコン（Ｓｉ）基板、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）基板、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板等の半導体基板や、サファイア基板、セラミック基板等の絶縁体基板を採用可能である。例えば、基板１０に大口径化が容易なシリコン基板を採用することにより、窒化物半導体装置１の製造コストを低減できる。
【００４８】
バッファ層２０は、ＭＯＣＶＤ法等のエピタキシャル成長法で形成できる。図１では、バッファ層２０を１つの層として図示しているが、バッファ層２０を複数の層で形成してもよい。例えば、バッファ層２０を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる第１のサブレイヤー（第１の副層）とＧａＮからなる第２のサブレイヤー（第２の副層）とを交互に積層した多層構造バッファとしてもよい。なお、バッファ層２０はＨＥＭＴの動作に直接には関係しないため、バッファ層２０を省いてもよい。バッファ層２０の構造、配置は、基板１０の材料等に応じて決定される。
【００４９】
第１の主電極５１及び第２の主電極５２は、窒化物半導体層３０と低抵抗接触（オーミック接触）可能な金属により形成される。例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）などが第１の主電極５１及び第２の主電極５２に採用可能である。或いはＴｉとＡｌの積層体として、第１の主電極５１及び第２の主電極５２は形成される。制御電極５３、フィールドプレート６０には、例えばニッケル金（ＮｉＡｕ）などが採用可能である。
【００５０】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置１の製造方法によれば、制御電極５３のドレイン側端部における電界の緩和に有効な、端部が緩やかな傾斜の底部を有するフィールドプレート６０を安定して精度良く形成できる。特に、異方性エッチング後の開口部４００に第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２とが存在する状態で等方性エッチングを行うことにより、第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２とのエッチングレート差に依存した形状の開口部４００を安定して得ることができる。
【００５１】
ウェットエッチングなどの等方性エッチングのみで開口部４００を形成する場合と比べて、上記のように異方性エッチングと等方性エッチングを組み合わせることにより、開口部４００を精度良く形成できる。即ち、開口部４００の開口寸法の広がりを抑制でき、開口部４００の微細設計、微細加工が容易である。
【００５２】
更に、窒化物半導体層３０上の層間絶縁膜が１層である場合には、開口部４００の傾斜を緩やかにすることが困難である。例えば、図１１（ａ）に示すようにフォトレジスト膜９０をマスクにした異方性エッチングによって層間絶縁膜４０を途中まで膜厚方向にエッチング除去し、その後、図１１（ｂ）に示すように等方性エッチングによって窒化物半導体層３０の表面が露出するまで層間絶縁膜４０をエッチング除去した場合には、開口部４００の側面の傾斜を緩やかにすることはできない。仮に開口部４００の側面の傾斜を緩やかにしようとすれば、開口部４００の面積が増大し、窒化物半導体装置１が大型化してしまう。
【００５３】
したがって、本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置１の製造方法のように、エッチングレートが異なる第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２を積層することによって、開口部４００の面積を増大させることなく、開口部４００の底部での側面の傾斜を緩やかにすることができるのである。これにより、電界集中が緩和され、ゲートリーク電流が抑制された窒化物半導体装置１を製造することができる。電流コラプス現象を悪化させないためなどの理由によって層間絶縁膜４０の膜厚が厚い場合において、窒化物半導体装置１の構造は特に有効である。
【００５４】
また、上記に説明した製造方法によれば、汎用の設備、技術によって窒化物半導体装置１の製造が可能であり、特別な装置や高度なプロセス技術を必要としない。
【００５５】
なお、制御電極５３が配置される開口部４００の底面において窒化物半導体層３０の上部の一部をエッチングし、窒化物半導体装置１をゲートリセス構造にしてもよい。これにより、ノーマリオフ特性を実現することができる。
【００５６】
＜第１の変形例＞
図１２に示すように、制御電極５３と第２の主電極５２間に、窒化物半導体層３０上にフィールドプレート６０Ｓを配置してもよい。フィールドプレート６０Ｓと第１の主電極５１は電気的に接続される。
【００５７】
フィールドプレート６０Ｓが制御電極５３（ゲート電極）と第２の主電極５２（ドレイン電極）の間に配置されることにより、ゲート電極のドレイン側端部における電界集中が更に緩和される。このとき、図１２に示したように、フィールドプレート６０Ｓが埋め込まれる層間絶縁膜４０の開口部において、図１に示した開口部４００と同様に、第１の絶縁膜４１と第２の絶縁膜４２の側面に傾斜がつけられ、且つ、第１の絶縁膜４１の斜面の第１の傾斜角θ１よりも第２の絶縁膜４２の斜面の第２の傾斜角θ２の方が大きい。このため、図１２に示した窒化物半導体装置１においても、窒化物半導体装置１の面積を増大させることなく、電界が緩和されて、ゲートリーク電流が抑制される。
【００５８】
更に、図１２に示す窒化物半導体装置１では、制御電極５３の第２の主電極５２に対向する側面が、フィールドプレート６０Ｓによってシールドされている。このため、フィールドプレート６０Ｓと第１の主電極５１（ソース電極）とを電気的に接続することにより、窒化物半導体装置１のミラー容量を低減することができる。つまり、フィールドプレート６０Ｓがゲート電極とドレイン電極間に配置されていることにより、ゲート電極とドレイン電極間の容量が低減される。これにより、窒化物半導体装置１の高速動作が可能になる。
【００５９】
＜第２の変形例＞
図１３に、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）として窒化物半導体装置１を形成した例を示す。図１３に示した窒化物半導体装置１では、ＨＥＭＴの場合と同様に、例えばＧａＮ膜からなるキャリア走行層３１とＡｌＧａＮ膜からなるキャリア供給層３２とによって、窒化物半導体層３０が構成されている。そして、窒化物半導体層３０上に第１の主電極であるアノード電極７１と第２の主電極であるカソード電極７２が互いに離間して配置されている。
【００６０】
アノード電極７１とキャリア供給層３２との間にショットキー接合が形成され、カソード電極７２とキャリア供給層３２との間にオーミック接合が形成される。これにより、二次元キャリアガス層３３を介して、アノード電極７１とカソード電極７２間に電流が流れる。
【００６１】
図１３に示す窒化物半導体装置１では、アノード電極７１のカソード電極７２側の端部（以下において、「カソード側端部」という。）と連結してフィールドプレート６０が層間絶縁膜４０上に配置されている。フィールドプレート６０により、アノード電極７１のカソード側端部の空乏層の曲率が制御されて、アノード電極７１のカソード側端部に集中する電界の集中が緩和される。このため、図１３に示した窒化物半導体装置１では、オフ動作時のリーク電流が抑制される。
【００６２】
このとき、図１３に示すように、フィールドプレート６０と連結するアノード電極７１が窒化物半導体層３０と接する開口部４００では、図１に示した開口部４００と同様に、第１の絶縁膜４１及び第２の絶縁膜４２の側面に傾斜がつけられている。即ち、窒化物半導体層３０の表面３００と第１の絶縁膜４１の側面４１０とのなす第１の傾斜角θ１が、窒化物半導体層３０の表面３００と第２の絶縁膜４２の側面４２０を延長した線Ｌとのなす第２の傾斜角θ２よりも小さいように、開口部４００が形成されている。
【００６３】
このため、図１３に示した窒化物半導体装置１においても、窒化物半導体装置１の面積を増大させることなく、電界が緩和されて、ゲートリーク電流が抑制される。
【００６４】
（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００６５】
例えば、フィールドプレート６０を第１の主電極５１又は制御電極５３以外の、一定値に固定された電圧を供給する固定電極に接続してもよい。つまり、フィールドプレート６０を交流的にＧＮＤにみえる一定電位に設定することにより、制御電極５３の端部における電界の集中を緩和する効果が得られる。フィールドプレート６０をＧＮＤに接続してもよい。
【００６６】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００６７】
１…窒化物半導体装置
１０…基板
２０…バッファ層
３０…窒化物半導体層
３１…キャリア走行層
３２…キャリア供給層
３３…二次元キャリアガス層
４０…層間絶縁膜
４１…第１の絶縁膜
４２…第２の絶縁膜
５１…第１の主電極
５２…第２の主電極
５３…制御電極
６０…フィールドプレート
６０Ｓ…フィールドプレート
９０…フォトレジスト膜
４００…開口部
４１０…側面
４２０…側面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層上に配置された第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に配置された第２の絶縁膜と、
前記窒化物半導体層上に互いに離間して配置された第１及び第２の主電極と、
前記第１及び第２の主電極間で前記第２の絶縁膜上に配置され、前記第１及び第２の絶縁膜に設けられた開口部を介して前記窒化物半導体層に接続するフィールドプレートと
を備え、
前記開口部において、前記窒化物半導体層の表面と前記第１の絶縁膜の側面とのなす第１の傾斜角が、前記窒化物半導体層の表面と前記第２の絶縁膜の側面を延長した線とのなす第２の傾斜角よりも小さいことを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記第１の絶縁膜のエッチングレートが前記第２の絶縁膜のエッチングレートよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項３】
前記第１の主電極と前記第２の主電極間で前記窒化物半導体層上に配置された制御電極を更に備え、前記制御電極と連結して前記フィールドプレートが前記制御電極と前記第２の主電極間に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体装置。
【請求項４】
前記第１の主電極と前記第２の主電極間で前記窒化物半導体層上に配置された制御電極を更に備え、前記フィールドプレートが前記制御電極と前記第２の主電極間で前記窒化物半導体層上に配置され、且つ、前記フィールドプレートが前記第１の主電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体装置。
【請求項５】
前記第１の主電極と前記第２の主電極のいずれか一方と前記フィールドプレートが連結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体装置。
【請求項６】
主面上に第１及び第２の主電極を有する窒化物半導体装置の製造方法であって、
窒化物半導体層上に第１の絶縁膜を形成するステップと、
前記第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を形成するステップと、
前記窒化物半導体層の表面の一部が露出するまで前記第１及び第２の絶縁膜の一部をそれぞれ選択的にエッチング除去して、前記窒化物半導体層の表面と前記第１の絶縁膜の側面とのなす第１の傾斜角が前記窒化物半導体層の表面と前記第２の絶縁膜の側面を延長した線とのなす第２の傾斜角よりも小さいように開口部を形成するステップと、
前記第１及び第２の主電極間で前記第２の絶縁膜上にフィールドプレートを形成し、前記開口部を介して前記窒化物半導体層と前記フィールドプレートとを接続させるステップと
を含むことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１】
窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層上に配置された第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に配置された第２の絶縁膜と、
前記窒化物半導体層上に互いに離間して配置された第１及び第２の主電極と、
前記第１及び第２の主電極間で前記第２の絶縁膜上に配置され、前記第１及び第２の絶縁膜に設けられた開口部を介して前記窒化物半導体層に接続するフィールドプレートと
を備え、
前記開口部において、前記窒化物半導体層の表面と前記第１の絶縁膜の側面とのなす第１の傾斜角が、前記窒化物半導体層の表面と前記第２の絶縁膜の側面を延長した線とのなす第２の傾斜角よりも小さいことを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記第１の絶縁膜のエッチングレートが前記第２の絶縁膜のエッチングレートよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項３】
前記第１の主電極と前記第２の主電極間で前記窒化物半導体層上に配置された制御電極を更に備え、前記制御電極と連結して前記フィールドプレートが前記制御電極と前記第２の主電極間に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体装置。
【請求項４】
前記第１の主電極と前記第２の主電極間で前記窒化物半導体層上に配置された制御電極を更に備え、前記フィールドプレートが前記制御電極と前記第２の主電極間で前記窒化物半導体層上に配置され、且つ、前記フィールドプレートが前記第１の主電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体装置。
【請求項５】
前記第１の主電極と前記第２の主電極のいずれか一方と前記フィールドプレートが連結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体装置。
【請求項６】
主面上に第１及び第２の主電極を有する窒化物半導体装置の製造方法であって、
窒化物半導体層上に第１の絶縁膜を形成するステップと、
前記第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を形成するステップと、
前記窒化物半導体層の表面の一部が露出するまで前記第１及び第２の絶縁膜の一部をそれぞれ選択的にエッチング除去して、前記窒化物半導体層の表面と前記第１の絶縁膜の側面とのなす第１の傾斜角が前記窒化物半導体層の表面と前記第２の絶縁膜の側面を延長した線とのなす第２の傾斜角よりも小さいように開口部を形成するステップと、
前記第１及び第２の主電極間で前記第２の絶縁膜上にフィールドプレートを形成し、前記開口部を介して前記窒化物半導体層と前記フィールドプレートとを接続させるステップと
を含むことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−２６４４２（Ｐ２０１３−２６４４２Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５９９３８（Ｐ２０１１−１５９９３８）
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００１０６２７６）サンケン電気株式会社 (982)
【出願人】（５１１２４０３３５）ユナイテッド・マイクロエレクトロニクス・コーポレイション (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００１０６２７６）サンケン電気株式会社 (982)
【出願人】（５１１２４０３３５）ユナイテッド・マイクロエレクトロニクス・コーポレイション (2)
【Ｆターム（参考）】
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