(57)【要約】【課題】高周波領域で動作する通信機器や自動車の電子システムが求められており、それらに対応できる優れた高周波特性を有する半導体装置を提供する。【解決手段】本発明は低誘電率を有するホウ素、炭素、窒素原子を含む膜を化合物半導体デバイスに導入することにより半導体表面の不活性化によるトランジスタ特性の向上および高周波特性の向上を実現し、更に低誘電率膜を配線の層間絶縁体膜としても用いることにより半導体デバイスの周波数特性を格段に向上させた半導体装置を実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホウ素、炭素、窒素原子を含む膜を有することを特徴とする化合物半導体装置
【請求項２】
前記半導体により構成された電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、ダイオードのいずれかを含んでいる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】
前記膜の炭素原子の組成比が10％以上であることを特徴とする請求項１および２に記載の半導体装置
【請求項４】
前記膜に酸素原子を含んでいることを特徴とする請求項１から３に記載の半導体装置
【請求項５】
前記膜に珪素、チタン、タリウム、配線金属のいずれかの材料またはそれらの元素を含む化合物が接することを特徴とする請求項１から４に記載の半導体装置
【請求項６】
前記膜が電界効果トランジスタのゲート電極直下に存在することを特徴とする請求項１から５に記載の半導体装置
【請求項７】
前記膜が電界効果トランジスタのゲート−ソース間、ゲート−ドレイン間に存在することを特徴とする請求項１から６に記載の半導体装置
【請求項８】
前記膜がダイオード電極直下に存在することを特徴とする請求項１から５に記載の半導体装置
【請求項９】
前記膜がバイポーラトランジスタのベースに接していることを特徴とする請求項１から５に記載の半導体装置
【請求項１０】
前記半導体装置を用いて構成されることを特徴とする応用システム
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は低誘電率をもつホウ素、炭素、窒素原子を含む膜を備えた化合物半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波通信に不可欠な高速電子デバイスはGaAsやInPを基板材料としてその上にIII-V族化合物半導体膜を1層または多層作製して構成される。電子デバイスとして電界効果トランジスタ（高移動度トランジスタを含む）やバイポーラトランジスタが作製されるが、目的とする機能を達成するために通常１チップ上に集積回路が構成される。現在ギガヘルツの周波数領域で動作する半導体デバイスが作製されているが、更に高周波対応の半導体デバイスの開発が強く望まれている。これまで、半導体デバイスの性能向上のために個々のトランジスタの高周波特性の向上が目指され、高移動度トランジスタ構造の導入やゲート電極の微細化が進められてきた。また、GaAsよりも高移動度を有するInGaAsの導入も行われている。トランジスタの特性向上には半導体表面の不活性化が重要であるが、これまではSiO2やSiNxなどの絶縁体膜を用いて行われてきており、大きな技術的なブレークスルーがなされていない。また、半導体デバイス内における配線間の絶縁性を維持するための膜としてもSiO2やSiNx膜またはポリイミド膜が用いられてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
今後更に半導体デバイスの高周波特性の向上が要求され、それに対応していくためには個々のトランジスタの周波数特性の向上は言うまでもなく、それ以外に配線遅延による特性劣化を防止することが不可欠となる。個々のトランジスタの特性の向上にはこれまでなされてきたゲートの微細化は不可欠であるが、更に、ゲート−ソース間およびゲート−ドレイン間の半導体表面の不活性化膜による浮遊容量の低減が重要となる。このため低誘電率を有する膜を用いて半導体表面の不活性化の実現が望まれる。また、配線遅延による特性劣化を防止するためには配線層間絶縁体膜として低誘電率を有する良好な膜の導入が必要である。更に近年、高周波高出力デバイスとして窒化物半導体の利用が期待され、デバイス作製に関する研究開発が進められている。特にこの材料による高出力デバイスの具現化には半導体表面の不活性化やゲート電極での漏れ電流の低減などが不可欠となる。
【０００４】
本発明は上記の状況に鑑みてなされたもので、低誘電率を有する絶縁体膜を半導体デバイスの作製のために導入し、高周波動作に対応できる高性能半導体装置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】
【０００５】
前記課題を解決するために請求項１に記載された発明は、低誘電率を持つホウ素、炭素、窒素原子を含む膜を有することを特徴とする化合物半導体装置である。GaAs／AlGaAs系、InGaAs／InP系およびGaN／AlGaN系の半導体デバイスに対して用いられ、特にGaN／AlGaN系デバイスに効果的である。
【０００６】
請求項２に記載された発明は前記化合物半導体により構成された電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、ダイオードのいずれかを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置である。
【０００７】
請求項３に記載された発明は前記膜の炭素原子の組成比が１０％以上であることを特徴とする請求項１および２に記載の半導体装置である。炭素原子の組成比が１０％以上になれば、ＢＣＮ薄膜の耐水性が向上し、剥がれや割れが起こらなくなる。なお、％は原子％である。
【０００８】
請求項４に記載された発明は前記膜に酸素原子を含んでいることを特徴とする請求項１から３に記載の半導体装置である。酸素を膜中に含有したことにより、誘電率を低下させることになる。
【０００９】
請求項５に記載された発明は前記膜に珪素、チタン、タリウム、配線金属のいずれかの材料またはそれらの元素を含む化合物が接することを特徴とする請求項１から４に記載の半導体装置である。本出願でＢＣＮ膜（ホウ素、炭素、窒素原子を含む膜）は半導体デバイス表面に付けられ半導体表面の不活性膜として用いると同時に半導体チップ内でのデバイス間の配線に対して低誘電率を有する絶縁体薄膜として用いることが出来、高周波特性の改善に効果を表す。このときＢＣＮ膜は配線金属と接することになる。また、この絶縁体膜と配線金属との付着を良好にするためには珪素、チタン、タリウムやそれらの化合物を間に用いることが有効である。
【００１０】
請求項６に記載された発明は前記膜が電界効果トランジスタのゲート電極直下に存在することを特徴とする請求項１から５に記載の半導体装置である。ゲート電極における耐圧を向上させるのに効果的である。
【００１１】
請求項７に記載された発明は前記膜が電界効果トランジスタのゲート−ソース間、ゲート−ドレイン間に存在することを特徴とする請求項１から６に記載の半導体装置である。半導体表面の不活性化膜として用いることによりトランジスタの性能を向上させることができる。
【００１２】
請求項８に記載された発明は前記膜がダイオード電極直下に存在することを特徴とする請求項１から５に記載の半導体装置である。
【００１３】
請求項９に記載された発明は前記膜がバイポーラトランジスタのベースに接していることを特徴とする請求項１から５に記載の半導体装置である。請求項6から請求項９に関する発明は特に、窒素原子を共通に持っているGaN／AlGaN系高出力デバイスに対して有効である。
【００１４】
請求項10に記載された発明は前記半導体装置を用いて構成されることを特徴とする応用システムである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明はホウ素、炭素、窒素原子を含む低誘電率を持つ膜を半導体デバイスにおけるトランジスタの表面不活性化膜として用い、また、配線の層間絶縁体膜として用いることにより、トランジスタの性能向上および半導体デバイスの周波数特性を向上させた高性能な半導体デバイスを提供することであり、本発明の技術を用いて作製された半導体装置は高性能情報処理装置、通信用機器、自動車の電子システムなどのキーデバイスとして用いることにより機能や、安全性の格段な向上が期待でき、有用と考えられる。
【００１６】
そして、現在、携帯電話の動画処理や動画などの大きな情報を送信することが多くなっている。携帯電話などマイクロ波通信をする場合、送信部においてマイクロ波を発振しなければならず、高速で高出力に対応できる電子デバイスが不可欠である。これに対して本発明の窒化ガリウム系のデバイスが期待されているから、本発明の半導体装置を用いることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に本発明の実施例を図面を用いて詳しく説明する。しかし、本発明はここに示す実施例のみに限定されるものではない。
【実施例１】
【００１８】
図１は本発明の第１実施例の半導体装置として高電子移動度電界効果トランジスタ（HEMT）を示す概略側面図である。有機金属気相成長法（MOCVD）により炭化珪素（SiC）基板１１上に無添加GaN膜１２を成長させた後、ｎ−型AlGaNキャリア供給層１３を成長する。その上に、オーミック接合を形成し、ソース電極１４とドレイン電極１５を形成する。素子分離の後、ソース１４−ドレイン１５間のAlGaN層１３上に本発明の窒化ホウ素炭素膜１６を堆積させる。プラズマＣＶＤ装置を用い、試料温度を３００℃にして表面を水素プラズマで５分間処理し、続いて窒素プラズマで２０分間処理した後、窒素とメタンのプラズマと三塩化ホウ素を用いて窒化ホウ素炭素膜１６を１０ｎｍ堆積させる。フォトリソグラフィーによりソース１４−ドレイン１５間にゲート電極１７形成のための窓を開け、ショットキー接合を形成し、ゲート電極１７を設ける。その後、ソース１４−ゲート１７間およびゲート１７−ドレイン１５間に窒化ホウ素炭素膜１８を３００ｎｍ堆積させる。
【００１９】
なお、低誘電率膜に酸素が約１０％程度含まれていて、現状の合成方法では残留ガスから酸素が取り込まれている。
【００２０】
このようにして作製したHEMTのゲート電極構造は金属−絶縁体−半導体（MIS）構造を有しており、MISショットキー接合になっており、ゲート漏れ電流を抑制することができる。また、ソース−ゲートおよびゲート−ドレイン間の表面保護として酸化珪素膜や窒化珪素膜のみを用いたものに比べて浮遊容量が２分の１以下に低減した。また、半導体表面を不活性化でき、ドレイン電流の増加を実現できた。
【００２１】
本実施例においてはGaN／AlGaN系のHEMTを用いたが、GaAs系やInP系のヘテロＦＥＴ、ＨＥＭＴをはじめ、それらと類似のＦＥＴに対しても使用することができる。また、１つの基板上に作製される複数個の上記電子デバイスの配線のための層間絶縁体膜としても用いることができる。
【実施例２】
【００２２】
図２は本発明の第２実施例の半導体装置としてヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を示す概略側面図である。有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によりｎ型SiC基板２１上にｎ型GaNコレクタ層２２を２μｍ、ｐ型GaNベース層２３を２ｎｍ、ｎ型AlGaNエミッタ層２４を１μｍ、ｎ型GaNコンタクト層２５を５０ｎｍ成長させる。素子分離の後、エミッタ部を残してコンタクト層２５およびエミッタ層２４を除去し、ベース層２３を露出させ、本発明の表面保護膜２６を堆積させる。プラズマＣＶＤ装置内で試料温度を３００℃にして表面を水素プラズマで５分間処理し、続いて窒素プラズマで２０分間処理した後、窒素とメタンのプラズマと三塩化ホウ素を用いて窒化ホウ素炭素膜２６を３００ｎｍ堆積させる。フォトリソグラフィーによりエミッタ電極２７部の表面保護膜２６をエッチングし、エミッタ電極２７を形成する。同様にフォトリソグラフィーによりベース電極２８部の表面保護膜２６をエッチングし、ベース電極２８を形成する。最後に基板２１裏面にコレクタ電極２９を形成して完成する。
【００２３】
なお、低誘電率膜に酸素が約１０％程度含まれていて、現状の合成方法では残留ガスから酸素が取り込まれている。
【００２４】
このようにしてＨＢＴを作製することにより、ベース層２３の表面保護として酸化珪素膜や窒化珪素膜のみを用いたものに比べエミッタ接地電流増幅率が５０％以上増加した。
【００２５】
本実施例においてはGaN/AlGaN構造を有するＨＢＴを示したが、それに制限されることなく、他のGaAs系やInP系のIII−Ｖ族化合物半導体で構成されるＨＢＴに対しても同様に用いられる。また、１つの基板上に作製される複数個の上記電子デバイスの配線のための層間絶縁体膜としても用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例１による半導体装置を示す断面図
【図２】本発明の実施例２による半導体装置を示す断面図
【符号の説明】
【００２７】
１１・・炭化珪素（SiC）基板
１２・・無添加GaN膜 
１３・・ｎ−型AlGaNキャリア供給層
１４・・ソース電極
１５・・ドレイン電極
１６・・窒化ホウ素炭素膜
１７・・ゲート電極
１８・・窒化ホウ素炭素膜
２１・・ｎ型SiC基板
２２・・ｎ型GaNコレクタ層
２３・・ｐ型GaNベース層
２４・・ｎ型AlGaNエミッタ層
２５・・ｎ型GaNコンタクト層
２６・・窒化ホウ素炭素膜
２７・・エミッタ電極
２８・・ベース電極
２９・・コレクタ電極
【図１】
2005243802.tif 000003
【図２】
2005243802.tif 000004