氮化物半导体装置及其制造方法
阅读说明：本技术 氮化物半导体装置及其制造方法 (Nitride semiconductor device and method for manufacturing the same ) 是由 大岳浩隆 近松健太郎 高堂真也 长濑和也 于 2020-03-06 设计创作，主要内容包括：本发明的氮化物半导体装置1包含：第1氮化物半导体层4,构成电子移行层；第2氮化物半导体层5,形成在第1氮化物半导体层上,且构成电子供给层；及栅极部20,形成在第2氮化物半导体层上；栅极部20包含：隆脊形状的半导体栅极层21,形成在第2氮化物半导体层上,包括包含受体型杂质的氮化物半导体；及栅极电极22,形成在半导体栅极层上。半导体栅极层包括形成在第2氮化物半导体层上的栅极层主体部211、及形成在栅极层主体部的上表面的宽度中间部上的上方突出部212,在上方突出部的顶面上形成着栅极电极。(The nitride semiconductor device 1 of the present invention includes: a 1 st nitride semiconductor layer 4 constituting an electron transit layer; a 2 nd nitride semiconductor layer 5 formed on the 1 st nitride semiconductor layer and constituting an electron supply layer; and a gate portion 20 formed on the 2 nd nitride semiconductor layer; the gate portion 20 includes: a ridge-shaped semiconductor gate layer 21 formed on the 2 nd nitride semiconductor layer and including a nitride semiconductor containing acceptor-type impurities; and a gate electrode 22 formed on the semiconductor gate layer. The semiconductor gate layer includes a gate layer main body portion 211 formed on the 2 nd nitride semiconductor layer, and an upper protruding portion 212 formed on a width intermediate portion of an upper surface of the gate layer main body portion, and a gate electrode is formed on a top surface of the upper protruding portion.)
技术领域
本发明涉及一种包括III族氮化物半导体(以下，存在简称为“氮化物半导体”的情况)的氮化物半导体装置及其制造方法。
背景技术
所谓III族氮化物半导体是指在III-V族半导体中作为V族元素使用氮的半导体。氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)为代表例。一般来说，可表示为AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1，0≦y≦1，0≦x+y≦1)。
提出有使用这样的氮化物半导体的HEMT(High Electron Mobility Transistor；高电子迁移率晶体管)。这样的HEMT例如包含：电子移行层，包括GaN；及电子供给层，包括AlGaN，在该电子移行层上外延生长。以与电子供给层相接的方式形成一对源极电极及漏极电极，在它们之间配置栅极电极。
由于起因于GaN与AlGaN的晶格失配的极化，而在电子移行层内，在从电子移行层与电子供给层的界面向内侧数的位置，形成二维电子气。以该二维电子气作为通道，将源极、漏极间连接。如果通过对栅极电极施加控制电压，而将二维电子气遮断，那么源极、漏极间被遮断。在未对栅极电极施加控制电压的状态下，由于源极、漏极间导通，所以成为常导通型的器件。
使用氮化物半导体的器件由于具有高耐压、高温动作、大电流密度、高速切换及低导通电阻等特征，所以在例如专利文献1中提出有对功率装置的应用。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开2017-73506号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
专利文献1揭示有如下构成：在AlGaN电子供给层积层p型GaN栅极层(氮化物半导体栅极层)，在其上配置栅极电极，通过从所述p型GaN栅极层扩散的耗尽层而使通道消失，由此达成常断开。
在这样的构成中，由于电场容易集中在p型GaN栅极层的上表面与栅极电极的下表面的侧缘的接触部(栅极电极的下表面的宽度方向端)，所以存在栅极泄漏电流较大的问题。
在栅极泄漏电流较大的情况下，导致无法确保为了获得所期望的导通电阻所需要的栅极电压，或栅极驱动电路中的消耗电力增加等问题，担心功率电路、及控制电路部中的效率降低、发热增加。其对提出高频切换为特长的HEMT来说成为较大的问题。
本发明的目的在于提供一种可减少栅极泄漏电流且可抑止作为能够稳定地施加至栅极的最大值的栅极额定电压的降低的氮化物半导体装置及其制造方法。
[解决问题的技术手段]
本发明的一实施方式提供一种氮化物半导体装置，包含：第1氮化物半导体层，构成电子移行层；第2氮化物半导体层，形成在所述第1氮化物半导体层上，带隙比所述第1氮化物半导体层更大，构成电子供给层；及栅极部，形成在所述第2氮化物半导体层上；所述栅极部包含：隆脊形状的半导体栅极层，形成在所述第2氮化物半导体层上，包括包含受体型杂质的氮化物半导体；及栅极电极，形成在所述半导体栅极层上；所述半导体栅极层包括形成在所述第2氮化物半导体层上的栅极层主体部、及形成在所述栅极层主体部的上表面的宽度中间部上的上方突出部，在所述上方突出部的顶面上形成着所述栅极电极。
在该构成中，电场集中在半导体栅极层的栅极层主体部的上表面与上方突出部的侧面相交的部位。也就是说，在该构成中，可使电场集中的位置远离栅极电极的下表面的宽度方向端。由此，能够抑制来自栅极电极的宽度方向端的栅极泄漏电流。由此，能够实现可减少栅极泄漏电流且可抑止作为能够稳定地施加至栅极的最大值的栅极额定电压的降低的氮化物半导体装置。
在本发明的一实施方式中，还包含：第1介电膜，覆盖所述上方突出部的侧面与连接在该侧面的下缘的所述栅极层主体部的上表面；及第2介电膜，覆盖所述栅极层主体部的侧面与所述第2氮化物半导体层的表面。
在本发明的一实施方式中，在所述第2介电膜形成着在厚度方向贯通所述第2介电膜的源极接触孔及漏极接触孔，所述氮化物半导体装置还包含分别贯通源极接触孔及漏极接触孔而与所述第2氮化物半导体层欧姆接触的源极电极及漏极电极。
在本发明的一实施方式中，所述上方突出部的厚度比所述栅极层主体部的厚度薄。
在本发明的一实施方式中，所述上方突出部的厚度比所述栅极层主体部的厚度厚。
在本发明的一实施方式中，所述栅极层主体部的两侧面形成为所述栅极层主体部的宽度朝向所述栅极电极侧逐渐变窄的倾斜面，所述上方突出部的两侧面形成为所述栅极层主体部的宽度朝向所述栅极电极侧逐渐变窄的倾斜面。
在本发明的一实施方式中，所述栅极层主体部的侧面的平均倾斜角度与所述上方突出部的侧面的平均倾斜角度不同。
在本发明的一实施方式中，将所述上方突出部的两侧面的下缘与所述栅极层主体部的对应的侧面的上缘分别连接的栅极层主体部的两侧部的上表面形成为朝向所述栅极层主体部的宽度中央逐渐变厚的倾斜面。
在本发明的一实施方式中，所述栅极电极以覆盖所述上方突出部的顶面整体的方式形成。
在本发明的一实施方式中，在俯视时，所述栅极电极的下表面的两侧缘比所述上方突出部的顶面的对应的侧缘更向内侧后退。
在本发明的一实施方式中，所述第1氮化物半导体层由GaN层构成，所述第2氮化物半导体层由AlxGa1-xN(0＜x≦1)层构成，所述半导体栅极层由p型GaN层构成。
在本发明的一实施方式中，如果将所述半导体栅极层设为第1半导体栅极层，那么在所述第1半导体栅极层与所述栅极电极之间，介置有带隙比所述第1半导体栅极层更大且包括氮化物半导体的第2半导体栅极层。
在本发明的一实施方式中，如果将所述半导体栅极层设为第1半导体栅极层，那么在所述第1半导体栅极层与所述栅极电极之间，介置有包括氮化物半导体的第2半导体栅极层，所述第2半导体栅极层由AlyGa1-yN(0≦y＜1，y≦x)层构成。
在本发明的一实施方式中，所述栅极电极由Ti膜、TiN膜及TiW膜中的任一种单膜或包含其中2种以上的任意组合的复合膜构成。
在本发明的一实施方式中，还包含形成在所述栅极电极的上表面的第3介电层。
在本发明的一实施方式中，还包含形成在所述栅极电极的上表面的第3介电层，所述第3介电层的厚度比所述第2介电层的厚度厚。
在本发明的一实施方式中，所述第1介电层及所述第2介电层由SiN膜、SiO2膜、SiON膜、Al2O3膜、AlN膜、及AlON膜中的任一种单膜或包含其中2个以上的任意组合的复合膜构成。
在本发明的一实施方式中，所述第1介电层与所述第2介电层由相同的材料构成。
在本发明的一实施方式中，所述第1介电层与所述第2介电层由不同的材料构成。
本发明的一实施方式提供一种氮化物半导体装置的制造方法，包括如下步骤：在衬底上依次形成构成电子移行层的第1氮化物半导体层、构成电子供给层的第2氮化物半导体层、及包括包含受体型杂质的氮化物半导体的半导体栅极材料膜；在所述半导体栅极材料膜上形成栅极电极膜；在所述栅极电极膜上选择性地形成顶部用介电膜；通过利用以所述顶部用介电膜为掩模的干式蚀刻将所述栅极电极膜及所述半导体栅极材料膜选择性地去除至所述半导体栅极材料膜的厚度中途为止，而形成包括所述栅极电极膜的栅极电极、配置在所述栅极电极上且包括所述顶部用介电膜的顶壁、及在所述栅极电极正下方具有上方突出部的所述半导体栅极材料膜；形成覆盖所述顶壁、所述栅极电极及所述半导体栅极材料膜的露出面的侧部用介电膜；通过将所述侧部用介电膜中除了覆盖所述顶壁、所述栅极电极膜及所述上方突出部的侧面的部分以外的部分利用蚀刻去除，而形成由所述侧部用介电膜构成且覆盖所述顶壁、所述栅极电极及所述上方突出部的侧面的侧壁；以及半导体栅极层形成步骤，通过利用以所述顶壁及所述侧壁为掩模的干式蚀刻将所述半导体栅极材料膜选择性地去除直至所述第2氮化物半导体层的表面露出为止，而形成包括形成在所述第2氮化物半导体层上的栅极层主体、及形成在所述栅极层主体上表面的宽度中间部上的所述上方突出部的半导体栅极层。
根据该制造方法，能够制造可减少栅极泄漏电流且可抑止作为能够稳定地施加至栅极的最大值的栅极额定电压的降低的氮化物半导体装置。
在本发明的一实施方式中，还包括如下步骤：在所述半导体栅极层形成步骤之后，形成覆盖所述顶壁、所述侧壁及所述第2氮化物半导体层的露出面的钝化膜；在所述钝化膜形成沿厚度方向贯通所述钝化膜的源极接触孔及漏极接触孔；以及形成分别贯通所述源极接触孔及漏极接触孔而与所述第2氮化物半导体层欧姆接触的源极电极及漏极电极。
本发明中的所述或进而其它目的、特征及效果通过参照附图在下文叙述的实施方式的说明而明了。
附图说明
图1是用来说明本发明的第1实施方式的氮化物半导体装置的构成的剖视图。
图2A是表示图1的氮化物半导体装置的制造步骤的一例的剖视图。
图2B是表示图2A的下一步骤的剖视图。
图2C是表示图2B的下一步骤的剖视图。
图2D是表示图2C的下一步骤的剖视图。
图2E是表示图2D的下一步骤的剖视图。
图2F是表示图2E的下一步骤的剖视图。
图2G是表示图2F的下一步骤的剖视图。
图2H是表示图2G的下一步骤的剖视图。
图3是表示比较例的氮化物半导体装置的剖视图。
图4是用来说明本发明的第2实施方式的氮化物半导体装置的构成的剖视图。
图5是用来说明本发明的第3实施方式的氮化物半导体装置的构成的剖视图。
图6是用来说明本发明的第4实施方式的氮化物半导体装置的构成的剖视图。
图7是用来说明本发明的第5实施方式的氮化物半导体装置的构成的剖视图。
图8是用来说明本发明的第6实施方式的氮化物半导体装置的构成的剖视图。
图9是用来说明本发明的第7实施方式的氮化物半导体装置的构成的剖视图。
图10是用来说明本发明的第8实施方式的氮化物半导体装置的构成的剖视图。
具体实施方式
图1是用来说明本发明的第1实施方式的氮化物半导体装置的构成的剖视图。
氮化物半导体装置1包含：衬底2；缓冲层3，形成在衬底2的表面；第1氮化物半导体层4，外延生长在缓冲层3上；第2氮化物半导体层5，外延生长在第1氮化物半导体层4上；及栅极部20，形成在第2氮化物半导体层5上。
进而，该氮化物半导体装置1包含第2氮化物半导体层5及覆盖栅极部20的钝化膜(第2介电膜)6。进而，该氮化物半导体装置1包含贯通形成在钝化膜6的源极接触孔7及漏极接触孔8而与第2氮化物半导体层5欧姆接触的源极电极9及漏极电极10。源极电极9及漏极电极10空开间隔而配置。源极电极9以覆盖栅极部20的方式形成。
衬底2例如也可为低电阻的硅衬底。低电阻的硅衬底例如也可为具有0.001Ωmm～0.5Ωmm(更具体来说为0.01Ωmm～0.1Ωmm左右)的电阻率的p型衬底。又，衬底2除了低电阻的硅衬底以外，也可为低电阻的SiC衬底、低电阻的GaN衬底等。衬底2的厚度在半导体工艺中，例如为650μm左右，在芯片化的前阶段中，被研削为约300μm以下。衬底2电连接于源极电极9。
缓冲层3在该实施方式中，由积层着多个氮化物半导体膜的多层缓冲层构成。在该实施方式中，缓冲层3由与衬底2的表面相接且包括AlN膜的第1缓冲层(省略图示)、及积层在该第1缓冲层的表面(与衬底2相反侧的表面)且包括AlN/AlGaN超晶格层的第2缓冲层(省略图示)构成。第1缓冲层的膜厚为100nm～500nm左右。第2缓冲层的膜厚为500nm～2μm左右。缓冲层3例如也可由AlGaN的单膜或复合膜构成。
第1氮化物半导体层4构成电子移行层。在该实施方式中，第1氮化物半导体层4由GaN层构成，其厚度为0.5μm～2μm左右。又，为了抑制在第1氮化物半导体层4中流动的泄漏电流，也可对表面区域以外导入用以设为半绝缘性的杂质。在该情况下，杂质的浓度优选为4×1016cm-3以上。又，杂质例如为C或Fe。
第2氮化物半导体层5构成电子供给层。第2氮化物半导体层5包括带隙比第1氮化物半导体层4更大的氮化物半导体。具体来说，第2氮化物半导体层5包括Al组成较第1氮化物半导体层4更高的氮化物半导体。在氮化物半导体中，Al组成越高，那么带隙越大。在该实施方式中，第2氮化物半导体层5由AlxGa1-xN层(0＜x≦1)构成，其厚度为5nm～15nm左右。
这样，第1氮化物半导体层(电子移行层)4与第2氮化物半导体层(电子供给层)5包括带隙(Al组成)不同的氮化物半导体，在它们之间产生晶格失配。而且，通过第1氮化物半导体层4及第2氮化物半导体层5的自发极化与起因于它们之间的晶格失配的压电极化，而第1氮化物半导体层4与第2氮化物半导体层5的界面处的第1氮化物半导体层4的传导带的能级低于费米能级。由此，在第1氮化物半导体层4内，在接近第1氮化物半导体层4与第2氮化物半导体层5的界面的位置(例如距界面数左右的距离)，二维电子气(2DEG)11扩散。
栅极部20包含在第2氮化物半导体层5上外延生长的隆脊形状的半导体栅极层21、及形成在半导体栅极层21上的栅极电极22。栅极部20偏靠在源极接触孔7而配置。
在该实施方式中，半导体栅极层21包括横截面为大致矩形的栅极层主体部211、及形成在栅极层主体部211的上表面的宽度中间部上且横截面为大致矩形的上方突出部212。在上方突出部212的顶面(上表面)212b与栅极层主体部211的一侧的上表面211b之间形成阶差，并且在上方突出部212的顶面212b与栅极层主体部211的另一侧的上表面211b之间形成阶差。
栅极层主体部211的一侧部的上表面211b将上方突出部212的一侧面212a的下缘与栅极层主体部211的一侧面211a的上缘连接。栅极层主体部211的另一侧部的上表面211b将上方突出部212的另一侧面212a的下缘与栅极层主体部211的另一侧面211a的上缘连接。
在上方突出部212的顶面形成着栅极电极22。在该实施方式中，栅极电极22以覆盖上方突出部212的顶面212b整体的方式形成。
半导体栅极层21包括掺杂着受体型杂质的氮化物半导体。在该实施方式中，半导体栅极层21由掺杂着受体型杂质的GaN层(p型GaN层)构成。半导体栅极层21的膜厚为了使阈值电压为适当的大小，优选为50nm以上，更优选为70nm以上。
在该实施方式中，上方突出部212的厚度比栅极层主体部211的厚度薄。栅极层主体部211的厚度为40nm～60nm左右，上方突出部212的厚度为10nm～40nm左右。
注入至半导体栅极层21的受体型杂质的浓度优选为1×1019cm-3以上。在该实施方式中，受体型杂质为Mg(镁)。受体型杂质也可为Zn(锌)等除Mg以外的受体型杂质。半导体栅极层21是为了在栅极部20的正下方的区域中使第1氮化物半导体层4(电子移行层)与第2氮化物半导体层5(电子供给层)的界面附近所产生的二维电子气11抵消而设置。
栅极电极22与半导体栅极层21的上方突出部212肖特基接合。栅极电极22包括TiN。栅极电极22的膜厚为50nm～150nm左右。栅极电极22也可由Ti膜、TiN膜及TiW膜中的任一种单膜或包含其中2种以上的任意组合的复合膜构成。
栅极部20还包含覆盖栅极电极22的上表面的顶壁(第3介电膜)23、及分别覆盖顶壁23及上方突出部212的两侧面212a的侧壁(第1介电膜)24。各侧壁24也覆盖栅极层主体部211中的对应的侧部的上表面211b。在该实施方式中，顶壁23及侧壁24由SiN膜构成。
钝化膜6覆盖第2氮化物半导体层5的表面(将接触孔7、8面临的区域除外)及栅极部20的侧面及表面。在该实施方式中，钝化膜6由SiN膜构成。
顶壁23的膜厚为50nm～200nm左右。侧壁24的膜厚为110nm～390nm左右。钝化膜6的膜厚为50nm～200nm左右。为了抑制来自栅极电极22上表面的栅极泄漏电流，优选为顶壁23的膜厚比钝化膜6的膜厚厚。
顶壁23、侧壁24及钝化膜6也可由SiN膜、SiO2膜、SiON膜、Al2O3膜、AlN膜、及AlON膜中的任一种单膜或包含其中2种以上的任意组合的复合膜构成。侧壁24与钝化膜6既可由相同的材料构成，也可由不同的材料构成。
源极电极9及漏极电极10例如包括与第2氮化物半导体层5欧姆接触的第1金属层(欧姆金属层)、积层在第1金属层的第2金属层(主电极金属层)、积层在第2金属层的第3金属层(密接层)、及积层在第3金属层的第4金属层(障壁金属层)。第1金属层例如是厚度为10nm～20nm左右的Ti层。第2金属层例如是厚度为100nm～300nm左右的Al层。第3金属层例如是厚度为10nm～20nm左右的Ti层。第4金属层例如是厚度为10nm～50nm左右的TiN层。
在该氮化物半导体装置1中，在第1氮化物半导体层4(电子移行层)上形成带隙(Al组成)不同的第2氮化物半导体层5(电子供给层)而形成异质接面。由此，在第1氮化物半导体层4与第2氮化物半导体层5的界面附近的第1氮化物半导体层4内形成二维电子气11，形成将该二维电子气11用作通道的HEMT。栅极电极22隔着半导体栅极层21而与第2氮化物半导体层5对向。
在栅极电极22的下方，通过以p型GaN层构成的半导体栅极层21中所包含的离子化受体，而使第1氮化物半导体层4及第2氮化物半导体层5的能级得以提升。因此，第1氮化物半导体层4与第2氮化物半导体层5之间的异质结界面处的传导带的能级大于费米能级。因此，在栅极电极22(栅极部20)的正下方，未形成起因于第1氮化物半导体层4及第2氮化物半导体层5的自发极化以及由它们的晶格失配所致的压电极化的二维电子气11。
由此，在未对栅极电极22施加偏压时(零偏压时)，二维电子气11的通道在栅极电极22的正下方被遮断。如此一来，实现常断开型的HEMT。如果对栅极电极22施加适当的导通电压(例如5V)，那么在栅极电极22的正下方的第1氮化物半导体层4内诱发通道，将栅极电极22的两侧的二维电子气11连接。由此，源极-漏极间导通。
在使用时，例如，对源极电极9与漏极电极10之间，施加漏极电极10侧为正的特定的电压(例如10V～500V)。在该状态下，对栅极电极22以源极电极9为基准电位(0V)而施加断开电压(0V)或导通电压(5V)。
图2A～图2I是用来说明所述氮化物半导体装置1的制造步骤的一例的剖视图，表示制造步骤中的多个阶段中的截面构造。
首先，如图2A所示，通过MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化学气相沉积)法，而在衬底2上，外延生长缓冲层3、第1氮化物半导体层(电子移行层)4及第2氮化物半导体层(电子供给层)5。进而，通过MOCVD法，而在第2氮化物半导体层5上，外延生长作为半导体栅极层21的材料膜的半导体栅极材料膜71。
接下来，如图2B所示，通过溅镀法，以覆盖所露出的表面整体的方式，形成作为栅极电极22的材料膜的栅极电极膜72。然后，在栅极电极膜72上，以覆盖栅极电极形成预定区域的方式形成作为顶壁23的材料的第3介电膜73。第3介电膜73例如包括SiN。
接下来，如图2C所示，通过以第3介电膜73为掩模的干式蚀刻，将栅极电极膜72及半导体栅极材料膜71选择性地去除至半导体栅极材料膜71的厚度中途为止。而被蚀刻。由此，形成包括栅极电极膜72的栅极电极22、配置在栅极电极22上且包括第3介电膜73的顶壁23、及在栅极电极22正下方具有上方突出部212的半导体栅极材料膜71。
接下来，如图2D所示，以覆盖顶壁23、栅极电极22及半导体栅极材料膜71的露出面的方式，形成作为侧壁24的材料的第1介电膜74。第1介电膜74例如包括SiN。
接下来，如图2E所示，将第1介电膜74中除了覆盖顶壁23、栅极电极22及上方突出部212的侧面212a的部分以外的部分通过各向异性干式蚀刻而去除。由此，形成包括第1介电膜74且覆盖顶壁23、栅极电极22及上方突出部212的侧面212a的侧壁24。
接下来，如图2F所示，通过以顶壁23及侧壁24为掩模的干式蚀刻，将半导体栅极材料膜71选择性地去除直至第2氮化物半导体层5的表面露出为止。由此，形成包括形成在第2氮化物半导体层5上的栅极层主体部211与形成在栅极层主体上表面的宽度中间部上的上方突出部212的半导体栅极层21。由此，形成包括半导体栅极层21、栅极电极22、顶壁23、及侧壁24的栅极部20。
接下来，如图2G所示，以覆盖所露出的表面整体的方式，形成钝化膜6。钝化膜6例如包括SiN。而且，在钝化膜6形成到达至第2氮化物半导体层5的源极接触孔7及漏极接触孔8。
接下来，如图2H所示，以覆盖所露出的表面整体的方式形成源极·漏极电极膜75。
最后，通过利用光刻法及蚀刻将源极·漏极电极膜75图案化，而形成与第2氮化物半导体层5欧姆接触的源极电极9及漏极电极10。如此一来，获得如图1所示的构造的氮化物半导体装置1。
图3是表示比较例的氮化物半导体装置101的剖视图。在图3中，对与所述图1的各部对应的部分标注与图1相同的符号而表示。比较例的氮化物半导体装置101与第1实施方式的氮化物半导体装置1相比，半导体栅极层21的形状不同。比较例的半导体栅极层21的横截面形状是宽度与图1的主体部211的宽度相同且厚度与图1的半导体栅极层21的厚度相同的矩形。而且，在半导体栅极层21的上表面整体形成栅极电极22。在该比较例中，也形成覆盖栅极电极22的上表面的顶壁，但未形成侧壁24。
在比较例的氮化物半导体装置101中，由于电场容易集中在半导体栅极层21的上表面与栅极电极22的下表面的侧缘的接触部C，所以来自栅极电极22的宽度方向端C的栅极泄漏电流变大。
相对于此，在第1实施方式的氮化物半导体装置1中，电场集中在半导体栅极层21的栅极层主体部211的上表面211b与上方突出部212的侧面212a相交的部位A(参照图1)。也就是说，在第1实施方式的氮化物半导体装置1中，可使电场集中的位置远离栅极电极22的下表面的宽度方向端B。由此，能够抑制来自栅极电极22的宽度方向端B的栅极泄漏电流。由此，能够实现可减少栅极泄漏电流且可抑止作为能够稳定地施加至栅极的最大值的栅极额定电压的降低的氮化物半导体装置。
又，由于半导体栅极层21的上方突出部212的厚度比半导体栅极层21的栅极层主体部211的厚度薄，所以在半导体栅极层21内电场容易跨及横向全域变得均匀。因此，由于栅极部20正下方的二维电子气11的密度也容易变得均匀，所以可抑制导通电阻上升。
又，由于栅极电极22以覆盖上方突出部212的顶面212b整体的方式形成，所以栅极电极22与上方突出部212的交界部附近的电场跨及横向全域大致均匀。由此，由于不存在栅极电极22的两侧部的肖特基障壁降低的区域，所以可减少栅极泄漏电流，可抑止作为能够稳定地施加至栅极的最大值的栅极额定电压的降低。
图4～图10是用来说明本发明的第2～第8实施方式的氮化物半导体装置1A～1F的构成的剖视图。在图4～图10中，对与所述图1的各部对应的部分标注与图1相同的符号而表示。
参照图4，在第2实施方式的氮化物半导体装置1A中，栅极电极22的宽度较半导体栅极层21的上方突出部212的宽度更窄。而且，栅极电极22形成在上方突出部212的顶面212b的宽度中间部上。因此，在俯视时，栅极电极22的下表面的两侧缘比上方突出部212的顶面212b的对应的侧缘更向内侧后退。
在第2实施方式的氮化物半导体装置1A中，由于从栅极电极22的两侧缘至半导体栅极层21的侧面为止的电阻增加，所以可减少通过半导体栅极层21的侧壁附近的路径的栅极泄漏电流。
参照图5，第3实施方式的氮化物半导体装置1B中，半导体栅极层21的上方突出部212的厚度比半导体栅极层21的栅极层主体部211的厚度厚。在该情况下，栅极层主体部211的厚度为20nm～40nm左右，上方突出部212的厚度为30nm～60m左右。
在第3实施方式的氮化物半导体装置1B中，与第1实施方式的氮化物半导体装置1相比，由于可使电场集中的部位A远离栅极电极22的下表面的宽度方向端B，所以可抑制上方突出部212与栅极电极22的接合部的栅极泄漏电流增加。
参照图6及图7，在本发明的第4及第5实施方式的氮化物半导体装置1C、1D中，栅极层主体部211的两侧面211a形成为栅极层主体部211的宽度朝向栅极电极22侧逐渐变窄的倾斜面。又，上方突出部212的两侧面212a形成为上方突出部212的宽度朝向栅极电极22侧逐渐变窄的倾斜面。
在第4实施方式的氮化物半导体装置1C中，栅极层主体部211的侧面211a相对于第2氮化物半导体层5的表面的平均倾斜角度大于上方突出部212的侧面212a相对于第2氮化物半导体层5的表面的平均倾斜角度。
在第5实施方式的氮化物半导体装置1D中，栅极层主体部211的侧面211a相对于第2氮化物半导体层5的表面的平均倾斜角度小于上方突出部212的侧面212a相对于第2氮化物半导体层5的表面的平均倾斜角度。
栅极层主体部211的侧面211a的平均倾斜角度及上方突出部212的侧面212a的平均倾斜角度的任一者较大是指构造形成用的蚀刻条件不同，但通过由于栅极层侧面的中途存在电浆损伤较小的区域(电阻较高的区域)，可减少栅极泄漏电流，抑止作为能够稳定地施加至栅极的最大值的栅极额定电压的降低。
参照图8，在本发明的第6实施方式的氮化物半导体装置1E中，将上方突出部212的两侧面212a的下缘与栅极层主体部211的对应的侧面211a的上缘分别连接的栅极层主体部211的两侧部的上表面211b形成为栅极层主体部211的两侧部的厚度朝向栅极层主体部211的宽度中央变厚的倾斜面。
在第6实施方式的氮化物半导体装置1E中，与第1实施方式的氮化物半导体装置1相比，由于可缓和电场集中的部位A处的电场集中，所以可减少栅极泄漏电流，可抑止作为稳定地施加至栅极的最大值的栅极额定电压的降低。
参照图9，在本发明的第7实施方式的氮化物半导体装置1F中，如果将半导体栅极层21设为第1半导体栅极层21，那么在第1半导体栅极层21与栅极电极22之间，介置有包括氮化物半导体的第2半导体栅极层25。
第2半导体栅极层25包括带隙比第1半导体栅极层21更大的氮化物半导体。在第7实施方式中，第2半导体栅极层25由AlyGa1-yN(0≦y＜1，y≦x)层构成，其厚度为10nm左右。在注入至第1半导体栅极层21的受体型杂质为Mg的情况下，通过存储效应，而将Mg注入至第2半导体栅极层25。
在第7实施方式的氮化物半导体装置1E中，在第1半导体栅极层(pGaN)21与第2半导体栅极层(AlGaN)25的交界，在价带中形成相对于空穴的障壁。由此，由于可抑制空穴从栅极电极22向第1半导体栅极层(pGaN)21注入，所以可更加减少栅极泄漏电流，可抑止作为能够稳定地施加至栅极的最大值的栅极额定电压的降低。
参照图10，本发明的第8实施方式的氮化物半导体装置1G在未形成顶壁23及侧壁24的方面与图1的氮化物半导体装置1不同。其由包括上方突出部211及上方突出部212的半导体栅极层21与形成在上方突出部212上的栅极电极22构成。
以上，对本发明的第1～第7实施方式进行了说明，但本发明也可进而以其它实施方式实施。例如，在所述实施方式中，作为衬底2的材料例，例示了硅，但除此以外也可应用蓝宝石衬底或绝缘衬底等任意的衬底材料。
对本发明的实施方式详细地进行了说明，但它们仅是为了使本发明的技术内容明确而使用的具体例，本发明不应限定于该等具体例而解释，本发明的范围仅由随附的权利要求书而限定。
本申请案对应于2019年4月15日在日本专利厅提出的特愿2019-077283号，该申请案的全部内容以引用的形式并入本文中。
[符号的说明]
1、1A～1G 氮化物半导体装置
2 衬底
3 缓冲层
4 第1氮化物半导体层
5 第2氮化物半导体层
6 钝化膜(第2介电膜)
7 源极接触孔
8 漏极接触孔
9 源极电极
10 漏极电极
11 二维电子气(2DEG)
20 栅极部
21 半导体栅极层(第1半导体栅极层)
211 栅极层主体部
211a 侧面
211b 上表面
212 上方突出部
212a 侧面
212b 顶面(上表面)
22 栅极电极
23 顶壁
24 侧壁
25 第2半导体栅极层
71 半导体栅极材料膜
72 栅极电极膜
73 第3介电膜
74 第1介电膜
75 源极·漏极电极膜。
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