(57)【要約】【課題】電流コラプス特性を十分に抑制する。【解決手段】ＴＥＯＳ酸化膜４２、酸化膜４１を貫通する大きな開口（第１の開口）が形成された上で、これら全体を覆う薄い酸化膜（第３絶縁層）４３が形成される。第１の開口中における酸化膜４３には、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０を露出させる開口（第２の開口）が設けられる。ゲート電極５０は、第２の開口を含む第１の開口の傾斜部に形成される。酸化膜４１のテーパー角よりも、ＴＥＯＳ酸化膜４２の開口部のテーパー角は小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層の上に形成された絶縁層の一部に形成された電極層が用いられた半導体装置であって、
前記絶縁層は、前記半導体層と接する第１絶縁層と、前記第１絶縁層の上に形成された第２絶縁層と、を具備し、
前記第２絶縁層及び前記第１絶縁層を貫通する第１の開口が形成され、
前記第１の開口の内部を覆うように連続的に前記第１絶縁層よりも薄く形成された第３絶縁層を具備し、
前記第１の開口の内部における前記第３絶縁層の一部に、前記半導体層を露出させる第２の開口が形成され、
前記第２絶縁層は前記第１絶縁層よりも薄く、前記第１の開口を構成する前記第１絶縁層の第１の側面よりも、前記第１の側面の直上にあり前記第１の開口を構成する前記第２絶縁層の第２の側面は緩やかに構成され、
前記第１の側面及び前記第２の側面に、前記電極層が接することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１絶縁層及び前記第３絶縁層はプラズマシリコン酸化膜で構成され、前記第２絶縁層はＴＥＯＳ酸化膜で構成された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】
前記第３絶縁層の厚さは０．０５μｍ〜０．３μｍの範囲であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体層はＩＩＩ族窒化物半導体で構成されたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか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、半導体基板の上に絶縁層と電極とが形成された半導体装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物半導体（ＧａＮ等）を用いた半導体装置として、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ））が用いられている。ＨＥＭＴにおいては電流コラプス現象が問題になるが、電流コラプス現象の緩和のためには、ゲート電極の一部の下に絶縁層を挟んでＩＩＩ族窒化物半導体層と対向させたフィールドプレート構造が有効である。フィールドプレート構造によって、その下側のＩＩＩ族窒化物半導体層の表面電位及びＩＩＩ族窒化物半導体層中での電界が制御され、電流コラプス現象が緩和されることが知られている。
【０００３】
特許文献１には、このようなフィールドプレート構造を具備するゲート電極が用いられる半導体装置の構造、製造工程が記載されている。図４（ａ）〜（ｈ）、図５（ｉ）〜（ｍ）は、この半導体装置９の製造工程を示す工程断面図である。
【０００４】
図４（ａ）においては、ＨＥＭＴの能動層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体層（半導体層）１０の上において、酸化膜（シリコン酸化膜）２１、酸化膜２１よりも厚いＴＥＯＳ酸化膜２２が順次形成される。ここで、酸化膜２１はシラン（ＳｉＨ４）を原料として例えばプラズマＣＶＤ等によって形成されたプラズマシリコン酸化膜であり、ＴＥＯＳ酸化膜２２は、常温で液体であるＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を原料として例えばプラズマＣＶＤ等によって形成された膜であり、どちらもＳｉＯ２に近い組成をもつ絶縁膜であるが、酸化膜２１とＴＥＯＳ酸化膜２２とは組成、膜質は異なる。
【０００５】
その後、図４（ｂ）に示されたようにマスクとなるフォトレジスト層１００をフォトリソグラフィにより形成する。この場合におけるフォトレジスト層１００の開口は、ゲート電極部分（ＨＥＭＴにおけるゲートとして機能する部分）に対応する。この状態でドライエッチングを行うことにより、図４（ｃ）に示されたようにＴＥＯＳ酸化膜２２に開口が形成される。ドライエッチングは異方性であるため、この際にエッチングされたＴＥＯＳ酸化膜２２の側面はほぼ垂直となる。
【０００６】
次に、この状態からウェットエッチングを行うことにより、図４（ｄ）に示されたように酸化膜２１にも開口が形成される。この際、ＴＥＯＳ酸化膜２２、酸化膜２１は厳密な組成や膜質は異なるものの、どちらも組成はＳｉＯ２に近い膜であるため、この際にＴＥＯＳ酸化膜２２、酸化膜２１のどちらも同一のエッチャントによりエッチングされ、エッチング速度は、ＴＥＯＳ酸化膜２２の方が酸化膜２１よりも速い。また、前記のドライエッチングとは異なりウェットエッチングは等方性であるため、酸化膜２１がエッチングされる際にＴＥＯＳ酸化膜２２は横方向にエッチングされる。ただし、前記の通り、酸化膜２１は薄いため、酸化膜２１をウェットエッチングで除去する際のＴＥＯＳ酸化膜２２の横方向のエッチング量を小さく留めることができる。その結果、図４（ｄ）に示されるように、ＴＥＯＳ酸化膜２２／酸化膜２１を貫通する開口はテーパー形状となる。
【０００７】
その後、図４（ｅ）に示されるようにフォトレジスト層１００を除去した後に、再びフォトリソグラフィにより新たにフォトレジスト層１００を図４（ｆ）に示されるように形成する。図４（ｆ）においては左右のフォトレジスト層１００が覆う範囲は開口に対して非対称となっている。
【０００８】
この状態で前記と同様のウェットエッチングを行うと、ＴＥＯＳ酸化膜２２、酸化膜２１のどちらも等方的にエッチングされ、かつＴＥＯＳ酸化膜２２の方がエッチング速度が速いため、図４（ｇ）に示されるような緩やかに段差が設けられた断面形状が得られる。その後、フォトレジスト層１００を除去した（図４（ｈ））後に、ＴＥＯＳ酸化膜２３を薄く形成すれば、図５（ｉ）に示されるようになる。
【０００９】
その後、図５（ｊ）に示されるように、再びフォトレジスト層１００を形成する。この際のフォトレジスト層１００の開口は、ゲート電極がＩＩＩ族窒化物半導体層１０と接する部分（ＨＥＭＴにおけるゲートとして機能する部分）に対応する。その後、この開口部分でＩＩＩ族窒化物半導体層１０上の薄いＴＥＯＳ酸化膜２３をウェットエッチングで除去することにより、図５（ｋ）に示されるようにこの部分でＩＩＩ族窒化物半導体層１０を露出させることができる。その後、フォトレジスト層１００を除去した（図５（ｌ））後に、上記のように形成された凹部全体の内部を充填するようにゲート電極３０を形成することによって、図５（ｍ）の形態となる。
【００１０】
図５（ｍ）において、ゲート電極３０は、領域ＣにおいてはＩＩＩ族窒化物半導体層１０と接してＨＥＭＴにおけるゲート（ショットキーゲート）として機能する。一方、領域Ｄにおいては、ゲート電極３０は、薄いＴＥＯＳ酸化膜２３、酸化膜２１、ＴＥＯＳ酸化膜２２を介してＩＩＩ族窒化物半導体層１０と対向するフィールドプレートとして機能する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１８−６４８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１に記載の構造の半導体装置においては、歩留まりは向上したものの、電流コラプス特性を緩和するという効果は十分ではなかった。これは、以下の原因によると推定された。
【００１３】
上記の構造においては、フィールドプレート直下における最も絶縁層の薄い部分は、領域Ｃの外側のＴＥＯＳ酸化膜２３のみで構成された部分であり、この部分ではＩＩＩ族窒化物半導体層１０とＴＥＯＳ酸化膜２３とが直接接する。前記の通り、原料に起因してＴＥＯＳ酸化膜２３と酸化膜２１の組成や膜質は異なる。特に、有機材料であるＴＥＯＳが用いられたＴＥＯＳ酸化膜２３には不純物が多く含まれ、特にこの不純物として炭素（Ｃ）が多く含まれ、これに起因して膜質は酸化膜２１と比べて劣る。
【００１４】
このため、電流コラプス特性を十分に抑制する事ができなかった。
【００１５】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明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】
【００１６】
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、半導体層の上に形成された絶縁層の一部に形成された電極層が用いられた半導体装置であって、前記絶縁層は、前記半導体層と接する第１絶縁層と、前記第１絶縁層の上に形成された第２絶縁層と、を具備し、前記第２絶縁層及び前記第１絶縁層を貫通する第１の開口が形成され、前記第１の開口の内部を覆うように連続的に前記第１絶縁層よりも薄く形成された第３絶縁層を具備し、前記第１の開口の内部における前記第３絶縁層の一部に、前記半導体層を露出させる第２の開口が形成され、前記第２絶縁層は前記第１絶縁層よりも薄く、前記第１の開口を構成する前記第１絶縁層の第１の側面よりも、前記第１の側面の直上にあり前記第１の開口を構成する前記第２絶縁層の第２の側面は緩やかに構成され、前記第１の側面及び前記第２の側面に、前記電極層が接することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は以上のように構成されているので、電流コラプス特性が十分に抑制された半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図３】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図４】従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図５】従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態となる半導体装置について説明する。この半導体装置は、ＩＩＩ族窒化物化合物半導体上にゲート電極があり、そのゲート電極は、フィールドプレート構造を具備する。このため、電流コラプス特性が緩和される。
【００２０】
図１は、この半導体装置１におけるゲート電極周囲の構造を示す断面図である。この半導体装置１においても、前記の半導体装置９と同様にＩＩＩ族窒化物半導体（半導体層）１０が用いられる。なお、実際にはＩＩＩ族窒化物半導体層１０はエピタキシャル成長によって得られるため、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０の下側にもバッファ層や基板が存在しても良い。
【００２１】
ＩＩＩ族窒化物半導体層１０の上には、酸化膜（シリコン酸化膜：第１絶縁層）４１、酸化膜４１上のＴＥＯＳ酸化膜（第２絶縁層）４２が形成されている。酸化膜４１は前記の酸化膜２１と同様のプラズマシリコン酸化膜であり、ＴＥＯＳ酸化膜４２は前記のＴＥＯＳ酸化膜２２と同様のＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を原料として形成された膜である。ここで、ＴＥＯＳ酸化膜４２は酸化膜４１よりも薄く形成される。ＴＥＯＳ酸化膜４２、酸化膜４１を貫通する大きな開口（第１の開口）が形成された上で、これら全体を覆う薄い酸化膜（第３絶縁層）４３が形成される。酸化膜４３は前記の酸化膜４１と同様のシリコン酸化膜であり、酸化膜４１よりも薄く形成される。第３絶縁膜４３としては酸化膜の代わりに窒化膜を用いてもよい。また、酸化膜と窒化膜の組合わせ（例えば、酸化膜上に窒化膜が積層されたもの）を用いてもよい。第１の開口中における酸化膜４３には、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０を露出させる開口（第２の開口）が設けられ、酸化膜４３はＩＩＩ族窒化物半導体と接している。
【００２２】
ゲート電極５０は、第２の開口を含む第１の開口の内部を充填するように形成される。なお、図１においてはゲート電極５０は単層構造として記載されているが、実際にはゲート電極５０は、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０と接触をする第１の電極（例えばＮｉＯ）からなる層と、第１の電極よりも低抵抗の第２の電極（例えばＡｌ）からなる層の２層構造で形成される。図１において、ゲート電極５０は第１の開口上まで延びており、領域ＡにおいてはＩＩＩ族窒化物半導体層１０と直接接してゲートとして機能し、領域Ｂにおいては薄い酸化膜４３を介してＩＩＩ族窒化物半導体層１０と対向するフィールドプレートとして機能する。
【００２３】
ここで、後述するように、第１の開口は、ＴＥＯＳ酸化膜４２、酸化膜４１をエッチング（ウェットエッチング又はドライエッチングあるいはこれらの併用）することによって形成される。この際、ＴＥＯＳ酸化膜４２と酸化膜４１の膜質が異なるため、同一のエッチング条件下においては、エッチング速度はＴＥＯＳ酸化膜４２の方が速い。このため、図１に示されるように、酸化膜４１のテーパー角よりも、ＴＥＯＳ酸化膜４２のエッチング端面のテーパー角を小さくすることができる。すなわち、酸化膜４１の上側にＴＥＯＳ酸化膜４２を形成した積層構造に対して第１の開口を形成することにより、第１の開口の周辺の断面形状のＩＩＩ族窒化物半導体層１０の上面に対する角度を緩やかにし、ゲート電極５０の端部近傍の電界集中を抑制し、電流コラプス特性が緩和される。
【００２４】
また、この半導体装置１においては、フィールドプレート構造の直下において、膜質が劣り炭素（Ｃ）等の不純物が多く含まれるＴＥＯＳ酸化膜が直接ＩＩＩ族窒化物半導体層１０と接することがない。このため、ＴＥＯＳ酸化膜中の不純物がＩＩＩ族窒化物半導体層１０の表面へ拡散することや、ＴＥＯＳ酸化膜の吸湿（水分）がＩＩＩ族窒化物半導体層１０の表面に与える悪影響を抑制することができる。
【００２５】
この半導体装置１は、以下に説明する製造方法によって製造することができる。図２（ａ）〜（ｈ）、図３（ｉ）（ｊ）は、この製造方法を示す工程断面図である。ここでは、図２（ａ）に示されるように、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０の上において、酸化膜４１、ＴＥＯＳ酸化膜４２が順次形成される。ここで、ＴＥＯＳ酸化膜４２は酸化膜４１よりも薄く設定される。
【００２６】
その後、図２（ｂ）に示されたようにマスクとなるフォトレジスト層１００をフォトリソグラフィにより形成する。この場合におけるフォトレジスト層１００の開口は、ゲート電極５０がＩＩＩ族窒化物半導体層１０と接する部分（ＨＥＭＴにおけるゲートとして機能する部分）及びゲート電極５０がフィールドプレートとして機能する部分に対応する。この状態でＴＥＯＳ酸化膜４２に対してドライエッチングを行うことにより、図２（ｃ）に示されたように、エッチング速度の高いＴＥＯＳ酸化膜４２を開口することができる。その後、この状態からウェットエッチングを引き続き行うことにより、図２（ｄ）に示されたように、開口（第1の開口Ｅ）が下側の酸化膜４１にも形成される。この際、エッチング速度は酸化膜４１よりもＴＥＯＳ酸化膜４２の方が高く、かつウェットエッチングは等方性であるため、上側のＴＥＯＳ酸化膜４２を特にテーパー化することができる。その後、フォトレジスト層１００を除去することにより、図２（ｅ）の形状が得られる。すなわち、この工程によって、第１の開口Ｅを構成するＴＥＯＳ酸化膜４２の側面（第２の側面４２Ａ）は、その直下にある酸化膜４１の側面（第１の側面４１Ａ）よりも傾斜した角度となり、第１の開口Ｅの断面形状は緩やかとなる。
【００２７】
なお、図２（ｃ）においては、ドライエッチングによって酸化膜４１は開口（貫通）されておらず、ウェットエッチング（図２（ｄ））によって酸化膜４１が開口されＩＩＩ族窒化物半導体層１０の表面が露出する。このため、、ドライエッチングによってＩＩＩ族窒化物半導体層１０がエッチングされて結晶欠陥を生じることが抑制される。また、フォトレジスト１００を残してウェットエッチングすることにより、フォトレジスト１００の下のＴＥＯＳ酸化膜４２の上面がウェットエッチングされることが抑制され、その結果、薄いＴＥＯＳ酸化膜４２の厚さがこの工程で減少することが抑制される。
【００２８】
その後、図２（ｆ）に示されるように、薄い酸化膜４３を前面に形成する。この際に、第１の開口Ｅの断面形状は上記のように緩やかとなっているために、第１の開口Ｅの内部から外部にわたり、高い被覆性で酸化膜４３を形成することができる。
【００２９】
その後、図２（ｇ）に示されるように、ゲート電極５０がＩＩＩ族窒化物半導体層１０と接する部分に対応する開口をもつフォトレジスト層１００を形成し、図２（ｈ）に示されるようにこの部分の酸化膜４３をウェットエッチングにより除去することにより、図３（ｉ）に示されるように、第２の開口Ｆが酸化膜４３に形成される。この際、ウェットエッチングで形成することによって、第２の開口Ｆを構成する酸化膜４３の端部にも傾斜を形成することができる。
【００３０】
その後、ゲート電極５０を構成する材料を上記のように形成された凹部の内部を充填するように全面に形成した後に、パターニング（フォトリソグラフィによりフォトレジスト層１００をゲート電極５０となる部分にマスクとして形成した後にドライエッチングによりこの材料をエッチング）することによって、図３（ｊ）に示されるように、半導体装置１が得られる。
【００３１】
前記の半導体装置９においては、図５（ｍ）のフィールドプレートとして機能する領域Ｄにおける、ゲート電極３０（フィールドプレート）とＩＩＩ族窒化物半導体層１０の間の絶縁層のうち主となるのは、図４（ｇ）においてウェットエッチングが施された後の酸化膜２１であり、ウェットエッチングの工程におけるばらつきに起因して、フィールドプレート直下における酸化膜２１の膜厚を正確に制御することが困難である。このため、この場合におけるフィールドプレートとしての効果のばらつきも大きくなる。
【００３２】
これに対して、図１の半導体装置１においては、フィールドプレートとして機能する領域Ｂにおける、ゲート電極５０（フィールドプレート）とＩＩＩ族窒化物半導体層１０の間の絶縁層は、図２（ｆ）において成膜された酸化膜４３であり、少なくとも領域Ｂにおける酸化膜４３にはウェットエッチング等は全く施されず、その膜厚は成膜時（図２（ｆ））と変わりがない。酸化膜４３の成膜時の膜厚は高精度で制御することが可能であるため、この膜厚は精密に制御され、領域Ｂにおけるフィールドプレートの効果のばらつきは小さい。
【００３３】
また、上記の半導体装置１においても、図２（ｅ）に示されたように、第１の開口Ｅにおける端面のテーパー角を制御するために、ウェットエッチングが用いられたが、このエッチング時間は短い（エッチング量が小さい）ため、これにより形成される形状のばらつきは小さい。更に、この際に形状や膜厚のばらつきが発生しても、ゲート電極５０においてフィールドプレートとして機能する領域Ｂは第１の開口Ｅの内部であるため、これらがフィールドプレートとしての効果に与える影響も小さい。このため、この半導体装置１の特性のばらつきを小さくすることができる。
【００３４】
また、前記の半導体装置９の製造方法（図４、５）と、この半導体装置１の製造方法（図２、３）を比べると、フォトリソグラフィを行う（フォトレジストパターン１００を形成する）回数が、前者の場合には３回であったのに対して、後者の場合には、第１の開口、第２の開口をそれぞれ形成するための２回のみとなっている。このため、この半導体装置１を安価に製造することができる。
【００３５】
上記の構造においては、ＴＥＯＳ酸化膜４２は、主にゲート電極５０（フィールドプレート）直下の絶縁層の表面の傾斜を緩やかにする。ただし、ＴＥＯＳ酸化膜４２が薄すぎる場合には、段差部分を緩やかにする効果が小さくなる。このため、図２（ａ）において形成されるＴＥＯＳ酸化膜４２の厚さは０．２〜０．５μｍの範囲とすることが好ましく、これに対応して、酸化膜４１の厚さは、ＴＥＯＳ酸化膜４２よりも厚く、０．３５〜０．７５μｍの範囲とすることが好ましい。酸化膜４３は、フィールドプレートの効果を大きくするために、酸化膜４１よりも薄く、０．０５〜０．３μｍの範囲とすることが好ましい。
【００３６】
また、ＴＥＯＳ酸化膜４２が一つの要因となって電流コラプスが発生することもある。この場合、酸化膜４１をＴＥＯＳ酸化膜４２よりも厚くすることで、電流コラプスを緩和することができる。
【００３７】
なお、上記の例においては、ゲート電極にフィールドプレート構造（フィールドプレートとして機能する部分）が設けられたが、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０上の他の電極（ソース電極、ドレイン電極）においても、フィールドプレート構造を設ける場合には、同様の構造、製造方法を用いることができる。
【００３８】
また、上記の例では、ＩＩＩ族窒化物半導体層（半導体層）１０の上の絶縁層として、酸化膜（第１絶縁層）４１、ＴＥＯＳ酸化膜（第２絶縁層）４２、酸化膜（第３絶縁層）４３が用いられ、第１絶縁層及び第３絶縁層として、プラズマシリコン酸化膜が、第２絶縁層としてＴＥＯＳ酸化膜が用いられた。しかしながら、上記と同様の構成が実現できる限りにおいて、各絶縁層として各種のものを用いることができる。
【００３９】
この場合、半導体層と直接接する第１絶縁層、第３絶縁層としては、不純物が少なく半導体層との間の界面特性が良好である絶縁層を用いることができ、第２絶縁層としては、第１絶縁層よりもエッチング速度が高く図２（ｅ）の形状を容易に実現することができる絶縁層が特に好ましい。第３絶縁層と第１絶縁層を同一種の絶縁層とする必要もない。また、例えば一般的に絶縁層はその成膜条件により不純物や膜質が変動するため、各絶縁層で成膜条件を変えことによって、上記の半導体装置を製造することもできる。
【００４０】
また、上記の例は、半導体層がＧａＮ層である半導体装置であるが、同様にフィールドプレート構造が有効となる半導体装置において、上記の構造は有効である。このような半導体層を構成する材料としては、ＧａＮ以外のＩＩＩ族窒化物半導体がある。
【符号の説明】
【００４１】
１、９  半導体装置
１０  ＩＩＩ族窒化物半導体層（半導体層）
２１  酸化膜（シリコン酸化膜）
２２、２３  ＴＥＯＳ酸化膜
３０、５０  ゲート電極
４１  酸化膜（シリコン酸化膜：第１絶縁層）
４１Ａ  第１の側面
４２  ＴＥＯＳ酸化膜（第２絶縁層）
４２Ａ  第２の側面
４３  酸化膜（シリコン酸化膜：第３絶縁層）
１００  フォトレジスト層
Ｅ  第１の開口
Ｆ  第２の開口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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