JP2011124246A - Heterojunction field effect transistor and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、窒化物を含む半導体からなるヘテロ接合電解効果型トランジスタの構造およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a structure of a heterojunction field effect transistor made of a semiconductor containing nitride and a method for manufacturing the same.
従来の窒化物を含む半導体から成るヘテロ接合電界効果トランジスタ(へテロ接合FET:Field Effect Transistor)において、半導体表面に直接ゲート電極を形成した構造では、ゲート電極にパルスの電圧を印加して動作させた場合にドレイン電流が大きく減少してしまう現象(電流コラプス)が発生し、これによって、実際に高周波動作させた際にDC特性から予測できる出力や効率に比べて大きく減少してしまう。電流コラプスは半導体表面に形成されるトラップ準位によって生じるため、これを抑制するためには最も強く電界が掛かるゲート電極/半導体界面を半導体表面から遠ざけることが効果的であり、それにはゲート電極を形成する領域のみエッチングした後にゲート電極を形成するリセスゲート構造とすることが望ましい。さらに、エッチング深さは深ければ深いほど、ゲート電極/半導体界面を半導体表面から遠ざけるため効果が大きい。 In a conventional heterojunction field effect transistor (heterojunction FET) made of a semiconductor containing nitride, in a structure in which a gate electrode is formed directly on the semiconductor surface, a pulse voltage is applied to the gate electrode to operate. In this case, a phenomenon (current collapse) in which the drain current is greatly reduced occurs, and this greatly reduces the output and efficiency that can be predicted from the DC characteristics when actually operating at a high frequency. Since current collapse caused by trap level is formed on the semiconductor surface, in order to suppress this is effective to distance the gate electrode / semiconductor interface takes strongest electric field from the semiconductor surface, the gate electrode to it A recess gate structure in which a gate electrode is formed after etching only a region to be formed is desirable. Furthermore, the deeper the etching depth, the greater the effect because the gate electrode / semiconductor interface is further away from the semiconductor surface.
しかし、リセスゲート構造を適用するためには、ゲート電極直下の半導体層のエッチング深さを制御性よくエッチングする必要があり、エッチングレートのみで制御することが難しい。この対策として、例えばAlGaN/GaN系へテロ構造を用いたHEMTの場合には、最表面にエッチング深さと等しいGaNキャップ層を形成してGaN/AlGaN/GaN構造とし、GaNとAlGaNのエッチングレートの差を用いて選択的にGaNキャップ層のみをエッチングする手法が取られている。例えば、非特許文献1に記載されている窒化物半導体からなるヘテロ接合FETが、上記の構造に該当している。
However, in order to apply the recess gate structure, it is necessary to etch the etching depth of the semiconductor layer directly under the gate electrode with good controllability, and it is difficult to control only by the etching rate. As a countermeasure, for example, in the case of a HEMT using AlGaN / GaN heterostructure system, a GaN / AlGaN / GaN structure by an etching depth equal GaN cap layer on the outermost surface, the etching rate of GaN and AlGaN A technique is employed in which only the GaN cap layer is selectively etched using the difference. For example, a heterojunction FET made of a nitride semiconductor described in
非特許文献1に記載されているように、電流コラプスを抑制するために窒化物半導体からなるヘテロ接合FETに深いリセスゲート構造を適用した場合、AlGaNバリア層のピエゾ分極の効果が表面近傍まで及ばず、リセスを形成した窒化物半導体層中に存在するn型不純物が活性化することで電子が誘起される。その結果、ゲートリーク電流が増大し、出力や効率の低下につながる耐圧の低下や、ノイズ特性の劣化、信頼性の低下等が生じる。
As described in
本発明は、上記のような特性や信頼性の劣化を防ぐためになされたものであり、ゲートリーク電流を抑制する、窒化物半導体からなるリセスゲート構造のヘテロ接合FET及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to prevent the deterioration of characteristics and reliability as described above, and provides a heterojunction FET having a recessed gate structure made of a nitride semiconductor and suppressing the gate leakage current, and a method of manufacturing the same. Objective.
本発明のヘテロ接合電界効果トランジスタは、窒化物半導体からなり、バリア層とバリア層の上に形成されたキャップ層を含む半導体層と、半導体層に下部を埋没するようにして半導体層上に設けられたゲート電極と、ゲート電極の側面と半導体層の間に設けられた絶縁膜と、を備え、ゲート電極は、下面のみが半導体層と接触することを特徴とする。 The heterojunction field effect transistor of the present invention is formed of a nitride semiconductor, and includes a semiconductor layer including a barrier layer and a cap layer formed on the barrier layer, and the semiconductor layer is provided on the semiconductor layer so that a lower portion is buried in the semiconductor layer. And an insulating film provided between the side surface of the gate electrode and the semiconductor layer, and only the lower surface of the gate electrode is in contact with the semiconductor layer.
また、本発明の別のヘテロ接合電界効果トランジスタは、窒化物半導体からなり、バリア層とバリア層の上に形成されたキャップ層を含む半導体層と、半導体層に下部を埋没するようにして半導体層上に設けられたゲート電極と、を備え、キャップ層の底部から、キャップ層とゲート電極の側面の接触面の上部までの長さが28nm以下であることを特徴とする。 Another heterojunction field effect transistor according to the present invention is a semiconductor layer made of a nitride semiconductor, including a barrier layer, a semiconductor layer including a cap layer formed on the barrier layer, and a semiconductor layer buried under the semiconductor layer. And a gate electrode provided on the layer, wherein a length from the bottom of the cap layer to an upper portion of the contact surface between the side surface of the cap layer and the gate electrode is 28 nm or less.
本発明のヘテロ接合電界効果トランジスタの製造方法は、窒化物半導体からなるヘテロ接合電界効果トランジスタの製造方法であって、(a)バリア層の上にキャップ層を形成してこれら2層を半導体層とする工程と、(b)半導体層をエッチングして所定長のトレンチを形成する工程と、(c)トレンチにゲート電極を形成し、ゲート電極側面と半導体層との間に絶縁膜を形成する工程と、を備える。 The method of manufacturing a heterojunction field effect transistor according to the present invention is a method of manufacturing a heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor. (A) A cap layer is formed on a barrier layer, and these two layers are formed as a semiconductor layer. (B) forming a trench having a predetermined length by etching the semiconductor layer, and (c) forming a gate electrode in the trench, and forming an insulating film between the side surface of the gate electrode and the semiconductor layer. A process.
また、本発明の別のヘテロ接合電界効果トランジスタの製造方法は、窒化物半導体からなるヘテロ接合電界効果トランジスタの製造方法であって、(a)バリア層の上にキャップ層を形成してこれら2層を半導体層とする工程と、(b)半導体層をエッチングして所定長のトレンチを形成する工程と、(c)キャップ層の底部から、キャップ層とゲート電極の側面の接触面の上部までの長さが28nm以下となるように、トレンチにゲート電極を形成する工程と、を備える。 Another method of manufacturing a heterojunction field effect transistor according to the present invention is a method of manufacturing a heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor. (A) A cap layer is formed on a barrier layer, and A step of forming a layer as a semiconductor layer, (b) a step of etching the semiconductor layer to form a trench having a predetermined length, and (c) from the bottom of the cap layer to the top of the contact surface of the side surface of the cap layer and the gate electrode Forming a gate electrode in the trench so as to have a length of 28 nm or less.
本発明のヘテロ接合電界効果トランジスタは、半導体層に下部を埋没するようにして半導体層上に設けられたゲート電極と、ゲート電極の側面と半導体層の間に設けられた絶縁膜と、を備え、ゲート電極は、下面のみが半導体層と接触することを特徴とする。半導体層と接触する部分をゲート電極の底面のみに制限することにより、リセスゲート構造においてゲートリーク電流を抑制することが出来る。 A heterojunction field effect transistor of the present invention includes a gate electrode provided on a semiconductor layer so that the lower part is buried in the semiconductor layer, and an insulating film provided between a side surface of the gate electrode and the semiconductor layer. The gate electrode is characterized in that only the lower surface is in contact with the semiconductor layer. By limiting the portion in contact with the semiconductor layer only to the bottom surface of the gate electrode, gate leakage current can be suppressed in the recessed gate structure.
また、本発明の別のヘテロ接合電界効果トランジスタは、窒化物半導体からなり、バリア層とバリア層の上に形成されたキャップ層を含む半導体層と、半導体層に下部を埋没するようにして半導体層上に設けられたゲート電極と、を備え、キャップ層の底部から、キャップ層とゲート電極の側面の接触面の上部までの長さが28nm以下であることを特徴とする。半導体層と接触する部分をゲート電極の底面と側面の一部分に制限することにより、リセスゲート構造においてゲートリーク電流を抑制することが出来る。 Another heterojunction field effect transistor according to the present invention is a semiconductor layer made of a nitride semiconductor, including a barrier layer, a semiconductor layer including a cap layer formed on the barrier layer, and a semiconductor layer buried under the semiconductor layer. And a gate electrode provided on the layer, wherein a length from the bottom of the cap layer to an upper portion of the contact surface between the side surface of the cap layer and the gate electrode is 28 nm or less. By limiting the portion in contact with the semiconductor layer to a part of the bottom surface and side surface of the gate electrode, gate leakage current can be suppressed in the recessed gate structure.
本発明のヘテロ接合電界効果トランジスタの製造方法は、窒化物半導体からなるヘテロ接合電界効果トランジスタの製造方法であって、(b)半導体層をエッチングして所定長のトレンチを形成する工程と、(c)トレンチにゲート電極を形成し、ゲート電極側面と半導体層との間に絶縁膜を形成する工程と、を備える。ゲート電極はその下面のみが半導体層と接触し、側面は絶縁膜で覆われるように形成することによって、キャップ層が厚いリセスゲート構造であっても、電流コラプス抑制の効果を維持したままゲートリーク電流を十分に低く保つことが可能になる。 The method for producing a heterojunction field effect transistor of the present invention is a method for producing a heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor, and (b) a step of etching a semiconductor layer to form a trench having a predetermined length; c) forming a gate electrode in the trench and forming an insulating film between the side surface of the gate electrode and the semiconductor layer. The gate electrode is in contact only a lower surface thereof and the semiconductor layer, side by forming so as to be covered with an insulating film, even thicker recess gate structure is a cap layer, the current collapse while the gate leakage current was maintained the effect of suppressing Can be kept sufficiently low.
また、本発明の別のヘテロ接合電界効果トランジスタの製造方法は、窒化物半導体からなるヘテロ接合電界効果トランジスタの製造方法であって、(b)半導体層をエッチングして所定長のトレンチを形成する工程と、(c)キャップ層の底部から、キャップ層とゲート電極の側面の接触面の上部までの長さが28nm以下となるように、トレンチにゲート電極を形成する工程と、を備える。ゲート電極はその下面と側面の一部のみが半導体層と接触し、それ以外は半導体層との間に絶縁膜を形成することによって、キャップ層が厚いリセスゲート構造であっても、電流コラプス抑制の効果を維持したままゲートリーク電流を十分に低く保つことが可能になる。さらに、ゲート電極は側面の一部が半導体層と接触するように形成するため、密着性が増加し信頼性が向上する。 Another method for manufacturing a heterojunction field effect transistor according to the present invention is a method for manufacturing a heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor, and (b) a semiconductor layer is etched to form a trench having a predetermined length. And (c) forming a gate electrode in the trench so that the length from the bottom of the cap layer to the upper part of the contact surface of the side surface of the cap layer and the gate electrode is 28 nm or less. Only part of the lower and side surfaces of the gate electrode are in contact with the semiconductor layer, and by forming an insulating film between the other parts of the gate electrode, the current collapse can be suppressed even in a recessed gate structure with a thick cap layer. It is possible to keep the gate leakage current sufficiently low while maintaining the effect. Further, since the gate electrode is formed so that part of the side surface is in contact with the semiconductor layer, the adhesion is increased and the reliability is improved.
(実施の形態1)
<構成>
図1は、本実施の形態の窒化物半導体からなるヘテロ接合FETの構造を示す断面図である。本実施の形態のヘテロ接合FETは、SiCからなる半絶縁性基板1と、基板1上に形成されたバッファ層2と、バッファ層2上に形成されたGaNからなるチャネル層3と、チャネル層3上に形成されたAlGaNからなるバリア層4と、バリア層4上に形成されたNi/Auからなるゲート電極9及びGaNからなるバリア層4よりもバンドギャップの狭いキャップ層5と、を備えている。
(Embodiment 1)
<Configuration>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a heterojunction FET made of a nitride semiconductor according to the present embodiment. The heterojunction FET of the present embodiment includes a
さらに、本実施の形態のヘテロ接合FETは、ゲート電極9の両側にTi/Alからなるソース電極7及びドレイン電極8を備え、さらに素子分離領域6を備える。
Further, the heterojunction FET of the present embodiment includes a
ゲート電極9はキャップ層5のトレンチに下部を埋め込むようにして形成されるリセスゲート構造であり、図1では一例としてゲート電極9の下面がバリア層4に接している。該トレンチはゲート長よりも長く形成され、絶縁膜10が半導体表面だけでなくキャップ層5とゲート電極9の間にも設けられる。
The
すなわち、本実施の形態の窒化物半導体からなるヘテロ接合FETは、バリア層4とバリア層4の上に形成されたキャップ層5を含む半導体層と、半導体層に下部を埋没するようにして半導体層上に設けられたゲート電極9と、ゲート電極9の側面と半導体層の間に設けられた絶縁膜10と、を備え、ゲート電極9は、下面のみが半導体層と接触することを特徴とする。このように、ゲート電極9はその下面のみが半導体層と接触し、側面は絶縁膜10で覆われる構造にすることにより、キャップ層5が厚く形成されたリセスゲート構造であっても、電流コラプス抑制の効果を維持したままゲートリーク電流を十分に低く保つことが可能になる。
That is, the heterojunction FET made of a nitride semiconductor according to the present embodiment includes a semiconductor layer including a
<変形例>
図2〜図10に示すようなヘテロ接合FETの変形例でも、上記の効果を奏する。図2〜図10において、図1の構成要素と同一又は対応する構成要素には同一の番号を付している。
<Modification>
The modification of the heterojunction FET as shown in FIGS. 2 to 10, the same or corresponding components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
例えば、図2に示すように、チャネル層3とバリア層4の間にこれらの層を形成する材料よりもバンドギャップが大きい材料(例えばAlN)からなるスペーサ層100が形成されても良い。これにより、チャネル層3のバリア層4側に発生する2次元電子ガス11の閉じ込め効果が大きくなるためキャリア濃度が増大し、また合金散乱も減少するため移動度が向上し、トランジスタの大電流化や高出力化を図ることが出来る。
For example, as shown in FIG. 2, a
チャネル層3、スペーサ層100、バリア層4、キャップ層5のバンドギャップをそれぞれE3,E100,E4,E5としたとき、これらがE3<E4<E100、E5≦E4という関係にあれば、ヘテロ接合FETを動作させ、且つスペーサ層100による2次元電子ガス11の濃度及び移動度を向上させ、且つ選択的にゲート電極9の領域のキャップ層5のみを除去することが出来る。よって、必ずしも上記に示したようにキャップ層をGaN、スペーサ層をAlN、バリア層をAlGaNとする必要はなく、構成する元素の組成が異なるAl,Ga,NのうちNを含む少なくとも2元素から成る窒化物半導体で構成されていれば良い。
When the band gaps of the
例えば、チャネル層3、スペーサ層100、バリア層4、キャップ層5を構成する化合物半導体をそれぞれAlX3Ga1-X3N、AlX100Ga1-X100N、AlX4Ga1-X4N、AlX5Ga1-X5Nとすると、0≦X3<1、0≦X100<1、0≦X4<1、0≦X5<1、X3<X4<X100、X5≦X4という関係を満たせば良い。すなわち、前述した4層のバンドギャップがE3<E4<E100、E5≦E4という関係を満たす窒化物半導体で構成されていれば良い。
For example, the compound semiconductors constituting the
チャネル層3、スペーサ層100、バリア層4、キャップ層5は、AlとGaとNのうちNを含む少なくとも2元素から成る窒化物半導体で構成される場合、バリア層4に大きな分極効果が発生するためチャネル層3のバリア層4側に高濃度の2次元電子ガス11を発生させることができ、トランジスタの大電流化や高出力化に有利である。
When the
さらに言えば、Al,Ga,NのうちNを含む少なくとも2元素から成る化合物で構成される必要もなく、例えばIn,Al,Ga,NのうちNを含む少なくとも2種類からなる窒化物半導体で構成されていても良い。 Furthermore, it is not necessary to be composed of a compound composed of at least two elements including N among Al, Ga, and N. For example, a nitride semiconductor composed of at least two kinds including N among In, Al, Ga, and N It may be configured.
また、ヘテロ接合FETは、チャネル層3に用いる半導体材料の絶縁破壊電界が高いほど耐圧が高くなる。AlXGa1-XNはAl組成がより高いほどバンドギャップが大きく絶縁破壊電界が高いため、上述のようにチャネル層3をAlX3Ga1-X3Nで構成する場合、よりAl組成が高い(X3が1に近い)方が好ましい。また、バリア層4に用いる半導体材料のバンドギャップが大きいほど、バリア層4を介してゲート電極9からヘテロ界面へ流れるゲートリーク電流が抑制されるため、バリア層4として用いるAlX4Ga1-X4Nも同様に、よりAl組成が高いほうが好ましい(X3<X4)。
The heterojunction FET has a higher breakdown voltage as the dielectric breakdown field of the semiconductor material used for the
また、チャネル層3、スペーサ層100、バリア層4、キャップ層5は、必ずしも同一組成の1層からなる構造である必要はなく、上述のバンドギャップについての条件を満たす限りにおいてIn組成、Al組成、Ga組成が空間的に変化していても良いし、これらが異なる数層からなる多層膜でも良い。また、これらの層にはn型、p型の不純物が含まれていても良い。
The
半絶縁性基板1はSiCからなるとしたが、Si、サファイア、GaN、AlNなどでも良い。ただ、基板1にGaNを使用した場合には、バッファ層2を形成しなくてもその上のチャネル層3、スペーサ層100、バリア層4などを形成することが出来る。従って、基板1の上にバッファ層2を形成する必要はない。
The
また、図3に示すように、ソース電極7及びドレイン電極8の下側の少なくとも一部の半導体層内には、n型不純物が高濃度にドーピングされたドーピング領域110が形成されていても良い。このような構造にすることによって、ソース電極7及びドレイン電極8と半導体層(キャップ層5)との接触抵抗が低減されるだけでなく、チャネル層3のバリア層4側に発生する2次元電子ガス11(図1参照)とソース/ドレイン電極間の抵抗を低減することができ、トランジスタの高効率化や大電流化による高出力化に有利であり、より好ましい構造といえる。n型不純物としてはSiだけでなく、O,C,N空孔等、窒化物半導体中でn型の不純物準位を形成する材料がドーピングされる。なお、図中、ドーピング領域110は半導体表面からチャネル層3にいたる領域まで形成されているが、必ずしもこの領域に限る必要はなく、その領域が大きくても小さくても、ソース電極7及びドレイン電極8の下側の少なくとも一部の半導体層内に形成されていれば、上述の効果を奏する。
Further, as shown in FIG. 3, a
ソース電極7及びドレイン電極8の下側の少なくとも一部の半導体層は、図4に示すように除去されていても構わない。このような構造にすることによって、チャネル層3のバリア層4側に発生する2次元電子ガス11(図1参照)とソース/ドレイン電極側の抵抗を低減することができ、トランジスタの高効率化や大電流化による高出力化に有利であり、より好ましい構造といえる。なお、図4において、ソース/ドレイン電極の形成のために半導体表面からバリア層4に至る領域までが除去されているが、必ずしもこの領域に限る必要はなく、その領域が大きくても小さくても、ソース電極7及びドレイン電極8の下側の少なくとも一部の半導体層内が除去されていれば上述の効果が得られる。
At least a part of the semiconductor layer below the
また、ソース電極7及びドレイン電極8は必ずしもTi/Alである必要はなく、オーミック特性が得られればTi,Al,Nb,Hf,Zr,Sr,Ni,Ta,Au,Pt,V,Mo,Wなどの金属、もしくはこれらから構成される多層膜で形成されていても構わない。
Moreover, it is not necessary the
ゲート電極9は、その底面がキャップ層5の表面と接していなければ、接している場合に比べて電流コラプスを抑制することが出来るため、ゲート電極9の下面はバリア層4と接していなくても良い。例えば、ゲート電極9の下面がキャップ層5の内部と接触した構造(図5)や、バリア層4の内部と接触した構造(図6)でも良い。ただし、ゲート電極9直下の半導体層のエッチング深さを制御性よくエッチングするためには、構造の異なる層をエッチングする際のレートの違いを用いて行う事が好ましく、その場合には、図1〜図4に示すように、ゲート電極9の底面がバリア層4の上面と接する構造がより好ましい。
The
また、ゲート電極9は必ずしも断面が四角形である必要はなく、例えば図7に示すようなT型やY型構造のゲート電極91でも良い。このような構造にすることにより、ゲート電極91が半導体と接触する面積を維持したまま、ゲート抵抗を低減することが出来る。図7ではT型ゲート電極91の傘下が絶縁膜10と接していない構造を示したが、図8に示すように、ゲート電極91の傘下が絶縁膜10と接する構造にすることによって、高電圧動作時においてゲート電極91のドレイン電極8側のエッジ部分に集中する電界を緩和することができ、電流コラプスを抑制すると同時に耐圧を高くすることが出来る。さらに、図9に示すように、絶縁膜10をゲート電極91の傘下にのみ形成することによって、ソース電極7とゲート電極91の間や、ゲート電極91とドレイン電極8の間に発生する容量を低減することができ、高周波動作時の利得や効率を向上することが出来る。
The
また、図1〜図9に示した絶縁膜10は、Al,Ga,Si,Hf,Ti,Zr,Ta,V等のうち少なくとも1種類以上の原子の酸化物、窒化物、酸窒化物など、もしくはこれらから構成される多層膜で形成されていても良い。
In addition, the insulating
また、図1〜図6に示したゲート電極9や図7〜9に示したゲート電極91は、必ずしもNi/Auである必要はなく、Ti,Al,Pt,Au,Ni,Pd等の金属、IrSi,PtSi,NiSi2等のシリサイドやTiN,WN,TaN等の窒化物金属、もしくはこれらから構成される多層膜などで形成されていても構わない。
Further, the
以上、様々な変形例を述べたが、上述の構造は全て個々に採用する必要はなく、例えば図10に示すように、それぞれを組み合わせた構造としても良い。 Although various modifications have been described above, it is not necessary to employ all of the above-described structures individually. For example, as shown in FIG.
なお、上記にはトランジスタとして動作する必要最小限の要素しか記載していないが、最終的には保護膜、配線、バイアホール等が形成された構造においてデバイスとして用いられる。 Although only the minimum necessary elements that operate as a transistor are described above, the element is finally used as a device in a structure in which a protective film, a wiring, a via hole, and the like are formed.
<製造工程>
図11に沿って、本実施の形態のヘテロ接合FETの製造工程を説明する。図11において、図1〜図10の構成要素と同一又は対応する構成要素には同一の符号を付している。
<Manufacturing process>
A manufacturing process of the heterojunction FET of the present embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 11, the same or corresponding components as those in FIGS. 1 to 10 are denoted by the same reference numerals.
まず、半絶縁性基板1上にMOCVD法、MBE法などのエピタキシャル成長法を適用して、バッファ層2、GaNからなるチャネル層3、AlGaNからなるバリア層4、GaNからなるキャップ層5をそれぞれ下から順に形成する(図11(a))。窒化物半導体の原料ガスとなるトリメチルアンモニウム、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニア、あるいはn型ドーパントの原料ガスとなるシランなどの流量や圧力、温度、時間を調整することによって、チャネル層3、バリア層4、キャップ層5を所望の組成、膜厚、ドーピング濃度に形成することができる。
First, a semi-insulating MOCVD method on the
なお、図2のようにスペーサ層100を設ける場合には、バッファ2上にチャネル層3を成長させた後に、チャネル層3、バリア層4を形成する材料よりバンドギャップが大きい材料からなるスペーサ層100を形成し、その後スペーサ層100の上にバリア層4を形成する。
In the case of providing the
次に、Ti,Al,Nb、Hf,Zr,Sr,Ni,Ta,Au,Pt,V,Mo,Wなどの金属や、またはこれらから構成される多層膜からなるソース電極7及びドレイン電極8を蒸着法やスパッタ法を用いて堆積し、リフトオフ法により形成する(図11(b))。
Next, a
なお、図3に示すヘテロ接合FETのようにドーピング領域110を設ける場合は、ソース電極7及びドレイン電極8を形成する前に、レジストパターンをマスク15bとして、ソース電極7とドレイン電極8を形成する領域下の少なくとも一部の半導体層に対し、イオン注入法などにより、シリコン等の窒化物半導体に対してn型となるイオンを所望の領域に打ち込む。注入ドーズ量は1×1013〜1×1017cm-2、注入エネルギーは10〜1000keVとする。その後、熱処理を行って注入したイオンを活性化させることによりドーピング領域110を形成する(図12)。
In the case where the
また、図4に示すヘテロ接合FETのように、ソース/ドレイン電極の下面をバリア層4内部とする場合は、図13に示すように、ソース電極7及びドレイン電極8を形成する前にレジストパターンをマスク15cとして、Cl2などを用いたドライエッチング法などにより、ソース電極7とドレイン電極8を形成する領域の下側の少なくとも一部の半導体層内を除去してトレンチを作成し、該トレンチにソース電極7やドレイン電極8を形成する。
In addition, when the lower surface of the source / drain electrode is inside the
そして、トランジスタを作製する領域外のチャネル層3、バリア層4、キャップ層5に、例えばイオン注入法やエッチングなどを用いて素子分離領域6を形成する(図11(c))。
Then, an
次に、レジストパターン等をマスク15aとして、Cl2等を用いたドライエッチング法などにて、ゲート電極9を形成する領域のキャップ層5を除去してリセス領域12を形成する(図11(d))。リセス領域12のゲート長方向の長さは、ゲート電極9のゲート長よりも長い。この工程においてエッチング時間やガス流量を変えてリセス領域12の深さを調整することにより、図5や図6に示す様々なリセス深さを持つ構造のヘテロ接合FETを作製することができる。キャップ層5とバリア層4のAl組成比が異なる場合には、エッチングの際にCl2等の塩素系ガスに加えて例えば酸素やSF6等のフッソ系ガスを用いることによって、選択的にキャップ層5のみエッチングすることができ、エッチング深さの制御性がよくなる。
Next, using the resist pattern or the like as a
マスク15aを除去した後、Ti,Al,Pt,Au,Ni,Pdなどの金属や、IrSi,PtSi,NiSi2などのシリサイド、TiN,WN,TaNなどの窒化物金属、またはこれらから構成される多層膜からなるゲート電極9を蒸着法やスパッタ法により堆積し、リフトオフ法などにより形成する(図11(e))。この際、ゲート電極9のゲート長はリセス領域12のゲート長方向の長さよりも短く、かつゲート電極9の側面は、リセスエッチングされたキャップ層5の側面とは接触しないように形成される。ここで、キャップ層5のリセス領域12よりも広いレジストパターンを利用して蒸着法などにより電極を堆積すれば、図8に示す断面形状のゲート電極9が形成される。
After removing the
そして、Al,Ga,Si,Hf,Ti,Zr,Ta,Vのうち少なくとも1種類以上の原子の酸化物、窒化物、酸窒化物など、もしくはこれらから構成される多層膜からなる絶縁膜10をプラズマCVD法、cat−CVD法やスパッタ法によって形成する。
The insulating
すなわち、本実施の形態の窒化物半導体からなるヘテロ接合FETの製造方法は、(a)バリア層4の上にキャップ層5を形成してこれら2層を半導体層とする工程と、(b)半導体層をエッチングして所定長のトレンチを形成する工程と、(c)該トレンチにゲート電極9を形成し、ゲート電極9側面と半導体層との間に絶縁膜10を形成する工程と、を備える。このように、ゲート電極9はその下面のみが半導体層と接触し、側面は絶縁膜10で覆われるように形成することによって、キャップ層5が厚いリセスゲート構造であっても、電流コラプス抑制の効果を維持したままゲートリーク電流を十分に低く保つことが可能になる。
That is, in the method for manufacturing a heterojunction FET made of a nitride semiconductor according to the present embodiment, (a) a step of forming a
以上の方法により、本実施の形態のヘテロ接合FETが作製できる。ソース/ドレイン電極7,8形成、素子分離領域6形成、キャップ層5のリセス領域12形成、ゲート電極9形成、絶縁膜10形成の順にエピ結晶作製後の製造工程を説明した。しかし、ソース/ドレイン電極7,8形成工程と、素子分離領域6形成工程、ゲート電極9形成工程は必ずしもこの順に行う必要はなく、工程の順番を入れ替えても良い。例えば、ソース/ドレイン電極を形成する前に素子分離領域6を形成しても良いし、ゲート電極9を形成した後に素子分離領域6を形成しても良い。また、リセス領域12の形成後に絶縁膜10を形成し、ゲート形成領域の絶縁膜10を除去した後にゲート電極9を形成しても良い。
With the above method, the heterojunction FET of this embodiment can be manufactured. The manufacturing process after the epicrystal fabrication was described in the order of forming the source /
すなわち、図11(d)に示すリセス領域12のエッチングを行った後に、例えば蒸着法やプラズマCVD法などを用いて、Al,Ga,Si,Hf,Ti,Zr,Ta,Vのうち少なくとも1種類以上の原子の酸化物、窒化物、酸窒化物などからなる絶縁膜10を堆積する(図14)。その後、ゲート電極9を形成する領域の絶縁膜10をレジストマスクや酸化膜マスクなどを介してドライエッチングやウェットエッチングにて除去し、形成するゲート電極9の底部よりも広い開口を有するレジストパターンを利用して、蒸着法により電極金属を堆積してゲート電極9を形成する。その後、絶縁膜10を半導体表面に覆ってもよい。これにより、図7や図8に示す構造のヘテロ接合FETを作製することが出来る。
That is, after the
なお、ゲート電極を形成する領域の絶縁膜10をエッチングする工程において、レジストパターンの開口がキャップ層5のリセス領域12よりも狭いため、微細パターンを位置精度良く形成する必要がある。図11(d)のリセスエッチング後に絶縁膜10を堆積したリセス領域12の断面は、絶縁膜10が厚膜でない場合、図15(a)に示すようにリセス段差を反映した形状となる。この後、絶縁膜10をエッチバックすればリセス領域の断面は図15(b)に示す形状となり、バリア層4上にリセス領域12よりも狭い絶縁膜10の開口部16が形成される。この絶縁膜10の開口部16よりも広い開口を有するレジストパターンをマスク15dとし(図15(c))、蒸着法によって電極金属を堆積し、マスク15dを除去すれば、図8に示すゲート構造が形成される(図15(d))。この後、半導体表面を絶縁膜で覆って保護しても良い。
In the step of etching the insulating
また、図8に示すヘテロ接合FETのゲート構造を形成した後、フッ酸などを用いたウェットエッチングの処理条件(時間や濃度)を調整することによって、ゲート電極の周囲のみに絶縁膜10を残した図9に示す構造のヘテロ接合FETを作製することが出来る。
In addition, after forming the gate structure of the heterojunction FET shown in FIG. 8, the insulating
なお、上述したプロセスは全て個々に採用する必要は無く、夫々を組み合わせたプロセスとしても良い。 Note that it is not necessary to individually adopt all the processes described above, and a process combining them may be used.
以上、トランジスタとして動作する必要最小限の要素について記載したが、最終的には保護膜、配線、バイアホールなどの形成プロセスを経てデバイスとして用いられる。 Although the minimum necessary elements that operate as a transistor have been described above, they are finally used as a device through a formation process of a protective film, a wiring, a via hole, and the like.
<効果>
本実施の形態のヘテロ接合FETは、既に述べたとおり以下の効果を奏する。すなわち、本実施の形態の窒化物半導体からなるヘテロ接合FETは、バリア層4とバリア層4の上に形成されたキャップ層5を含む半導体層と、半導体層に下部を埋没するようにして半導体層上に設けられたゲート電極9と、ゲート電極9の側面と半導体層の間に設けられた絶縁膜10と、を備え、ゲート電極9は、下面のみが半導体層と接触することを特徴とする。このように、ゲート電極9はその下面のみが半導体層と接触し、側面は絶縁膜10で覆われる構造にすることにより、キャップ層5が厚く形成されたリセスゲート構造であっても、電流コラプス抑制の効果を維持したままゲートリーク電流を十分に低く保つことが可能になる。
<Effect>
The heterojunction FET of this embodiment has the following effects as already described. That is, the heterojunction FET made of a nitride semiconductor according to the present embodiment includes a semiconductor layer including a
また、ゲート電極9の下面は、バリア層4の上面と接するものとする。このような構造は、キャップ層5とその下のバリア層4とのエッチングレートの違いを用いて制御性よくキャップ層5のみをエッチングすることが出来るという製造プロセス上の利点を有する。
Further, the lower surface of the
あるいは、ゲート電極9の下面は、バリア層4内に位置しても良い。このような構造であっても、ゲートリーク電流を低減することができ、ゲート電極9の下面がキャップ層5の表面と接している場合に比べて電流コラプスを抑制することも可能である。
Alternatively, the lower surface of the
あるいは、ゲート電極9の下面は、キャップ層5内に位置してもよい。このような構造によっても、ゲートリーク電流を低減することができ、ゲート電極9の下面がキャップ層5の表面と接している場合に比べて電流コラプスを抑制することも可能である。
Alternatively, the lower surface of the
また、本実施の形態のヘテロ接合FETの製造方法によれば、既に述べたとおり以下の効果を奏する。すなわち、本実施の形態の窒化物半導体からなるヘテロ接合FETの製造方法は、(a)バリア層4の上にキャップ層5を形成してこれら2層を半導体層とする工程と、(b)半導体層をエッチングして所定長のトレンチを形成する工程と、(c)該トレンチにゲート電極9を形成し、ゲート電極9側面と半導体層との間に絶縁膜10を形成する工程と、を備える。このように、ゲート電極9はその下面のみが半導体層と接触し、側面は絶縁膜10で覆われるように形成することによって、キャップ層5が厚いリセスゲート構造であっても、電流コラプス抑制の効果を維持したままゲートリーク電流を十分に低く保つことが可能になる。
In addition, according to the method of manufacturing the heterojunction FET of the present embodiment, the following effects can be obtained as already described. That is, in the method for manufacturing a heterojunction FET made of a nitride semiconductor according to the present embodiment, (a) a step of forming a
(実施の形態2)
<構成>
実施の形態1のヘテロ接合FETでは、ゲート電極9は下面のみが半導体層に接触し、その側面は絶縁膜によって半導体層と接触しない構成としたが、実施の形態2のヘテロ接合FETでは、ゲート電極9はその側面においてキャップ層5と28nm以下の接触高さを持つことを許容する。
(Embodiment 2)
<Configuration>
In the heterojunction FET of the first embodiment, the
<接触高さ>
以下に、キャップ層5とゲート電極9の側面での接触高さを28nm以下とした根拠について説明する。
<Contact height>
The grounds for setting the contact height on the side surfaces of the
図16は、実際に作製したデバイスを用いてゲート電極に−10Vの電圧を印加した際に、ゲート電極9とドレイン電極8との間に流れた電流値を測定した結果を示している。横軸はキャップ層5の膜厚を表し、縦軸はゲート電流及びゲート電極端電界強度を表している。GaNキャップ層5の厚さが0,20,50,100nmと異なる4種類のデバイスを作製し、ゲート電極9はキャップ層5をリセスエッチングした後にバリア層4上に形成した。その際、ゲート電極9の側壁とキャップ層5の側壁は接触しており、各キャップ層厚さに相当する接触高さを有している。そのため、図16の横軸は、キャップ層5とゲート電極9の側面での接触高さを表しているともいえる。
FIG. 16 shows the result of measuring the value of the current that flows between the
キャップ層5が20nmよりも薄い場合、ゲートリーク電流は2.0×10-6(A/mm)以下の十分に低い値であるが、キャップ層5が50nmより厚くなると、ゲートリーク電流は2桁大きくなって1.0×10-4(A/mm)程度になり、耐圧や信頼性の劣化が懸念される。このような大きなゲートリーク電流が発生する要因としては、エピ成長やHEMT作製プロセスの過程においてGaNキャップ層5中の主に表面側に混入したn型不純物によるキャリアが挙げられる。バリア層4との界面側に混入するキャップ層5中のn型不純物はバリア層4から分極の効果を受けて空乏化され、キャリアとしては振舞わないため電流リークパスにはならない。それに対して、バリア層4から遠く離れたキャップ層5の表面側では分極の効果が及ばないため、そこに存在するn型不純物は空乏化されずキャリアとして振舞うことができ、電流リークパスとなりリーク電流が発生する。
When the
図16には、ゲートリーク電流の計算値を実測値と併せて示している。この計算では、まず、キャップ層5の表面側に発生するキャリアの濃度を、キャップ層5の厚さが異なる構造に対してポアソン方程式を用いて計算したバンド構造から導いた。続いて、それらを用いてゲート電極9からキャップ層5中にショットキー障壁をトンネルして流れる電流を計算した。最後に、キャップ層5を設けないHEMTで測定した電流値(実測値)をキャップ層5以外を流れる電流値と仮定し、これをトンネル電流に足し合わせて図16にゲート電流(計算値)としてプロットした。計算値は実測値とよく一致し、キャップ層5の厚さが28nm以上の場合に大きなリーク電流が発生することがわかる。従って、ゲートリーク電流を十分に小さな値に抑えるためには、キャップ層の厚さを28nm以下とする必要があるといえる。
FIG. 16 shows the calculated value of the gate leakage current together with the actually measured value. In this calculation, first, the concentration of carriers generated on the surface side of the
さらに、図16には、ドレイン電極側のゲート電極9の電極端に生じる電界強度をキャップ層5の厚さを変えてデバイスシミュレータで計算した結果も示している。これにより、キャップ層5が厚いほど、ドレイン電極8側のゲート電極9の電極端に生じる電界強度が低減されることが分かる。電流コラプスは、ドレイン電極8側のゲート電極9の電極端に生じる電界強度が弱いほど小さくなるため、キャップ層5を厚くすることで電流コラプスは抑制されることがわかる。
Further, FIG. 16 also shows the result of calculating the electric field strength generated at the electrode end of the
以上より、リーク電流と電流コラプスとはキャップ層5の厚さに対してトレードオフの関係にあり、電流コラプスの抑制という観点からはキャップ層5の厚さはできるだけ厚い方が好ましい。そこで、前述したように図16の横軸をキャップ層5とゲート電極9の側面における接触高さと見ると、キャップ層5とゲート電極9の側面での接触高さを28nm以下にすることでリーク電流を小さくすることが可能となる。
From the above, the leakage current and the current collapse are in a trade-off relationship with the thickness of the
すなわち、電流コラプスを抑制するために厚いキャップ層5を用いた場合、ゲートリセスエッチングによってキャップ層5を除去した後に形成するゲート電極9と、キャップ層5との側面での接触高さが28nm以下であれば、リーク電流が小さくなる。さらに、絶縁膜10をキャップ層5とゲート電極9との側面間に形成すれば、2層間の絶縁をさらに高めてリーク電流を更に低減する。また、キャップ層5の表面を絶縁膜10で覆うことによって半導体表面のトラップを低減し、電流コラプスをさらに抑制することが可能である。
That is, when the
<構造例>
図17に、本実施の形態のヘテロ接合FETの構造例を示す。図17において、ゲート電極9は下部から上部に向けて細くなる台形形状であり、ゲート電極9とキャップ層5の側面における接触高さ13は28nm以下とする。
<Example of structure>
FIG. 17 shows a structural example of the heterojunction FET of this embodiment. In FIG. 17, the
このように、本実施の形態の窒化物半導体からなるヘテロ接合FETは、バリア層4とバリア層4の上に形成されたキャップ層5を含む半導体層と、半導体層に下部を埋没するようにして半導体層上に設けられたゲート電極と、を備え、キャップ層5の底部から、キャップ層5とゲート電極9の側面の接触面の上部までの長さは28nm以下とする。これにより、厚いキャップ層5を有するリセスゲート構造において、電流コラプスを抑制したままゲートリーク電流を十分に低く保つという効果が得られる。さらに、ゲート電極9はその側面でも半導体層と接触することによって、密着性が増加し信頼性が向上する。
As described above, the heterojunction FET made of the nitride semiconductor of the present embodiment is configured such that the
あるいは、ゲート電極9を図18に示すように上部のゲート長が下部よりも短い2段構造とし、ゲート電極9の上部側面と半導体層(キャップ層)の間に絶縁膜10を設けてもよい。ゲート電極9の下部(一段目)がキャップ層5と接触する接触高さ13は28nm以下とする。このような構成によっても、低リーク電流と電流コラプスの低減の両立が可能である。
Alternatively, the
なお、図17、図18に示したヘテロ接合FETにおけるゲート電極9は、その底面がキャップ層5の表面と接していなければ、接している場合に比べて電流コラプスを抑制することが出来るため、ゲート電極9の下面はバリア層4に接していなくても良い。例えば、ゲート電極9の下面がキャップ層5内に位置する構造(図20)や、バリア層4内に位置する構造(図21)でも良い。ただし、図20に示すようにゲート電極9の下面がキャップ層5内に位置する構造の場合、ゲート電極9の下部に残るキャップ層5の厚さは28nm以下とし、ゲート電極9の側面とキャップ層5の接触高さ13は、28nmからゲート電極9の下部に残るキャップ層5の厚さ14を差し引いた高さ以内とすることにより、ゲートリーク電流を低減することができる。
Incidentally, FIG. 17, the
また、図21に示すようにゲート電極9の下部がバリア層4の内部と接触する構造の場合、ゲート電極9の側面とキャップ層5の接触高さ13は28nm以下で、且つゲート電極の底面と側面が、バリア層4と接触することが望ましい。ただし、ゲート電極直下の半導体層のエッチング深さを制御性よくエッチングする観点からは、構造の異なる層をエッチングする際のレートの違いを用いて行う事が好ましいため、図17〜図19に示すようにゲート電極9の底面がバリア層4とキャップ層5との界面近傍付近と接する構造が良い。
In the case where the lower portion of the
<変形例>
図17や図18に示したヘテロ接合FETでは、キャップ層5のリセスエッチング側面が半導体表面に対してほぼ垂直であったが、図19にはリセスエッチング側面が順メサ形状である例を示す。ゲート電極9とキャップ層5の側面における接触高さ13を28nm以下とすることにより、低リーク電流と電流コラプスの低減の両立が可能となる。
<Modification>
In the heterojunction FET shown in FIGS. 17 and 18, the recess etching side surface of the
ゲート電極9を形成するために半導体層に設けられるリセス領域12(トレンチ)を順メサ形状にすると、リセス領域12の側面を半導体表面に対してほぼ垂直に形成する場合と比べて、図19(b)に示すようにゲート端の形状が鈍角に形成されるため、電界強度が低減され耐圧向上が可能となる。また、図19(c)に示すようにリセス側面と底部のなす角をθとすると、ゲート電極9を形成するにあたりレジストパターンの開口寸法に片側−28/tanθ(nm)の余裕ができ(図中18)、プロセスマージンが広がる。
When the recess region 12 (trench) provided in the semiconductor layer for forming the
なお、図19のようなゲート構造でも、図20や図21に示すようにゲート電極9の下面をキャップ層5内部にしたり、バリア層4内部にすることが出来る。
Even in the gate structure as shown in FIG. 19, the lower surface of the
本実施の形態の変形例ではゲート電極9周辺の構造について説明したが、ヘテロ接合FETを構成するゲート電極9以外の構成要素については、実施の形態1の変形例で述べたような様々な構成が適用できる。
In the modification of the present embodiment, the structure around the
<製造工程>
図22に沿って、本実施の形態のヘテロ接合FETの製造工程を説明する。図22において、これまでに示した図の構成要素と同一又は対応する構成要素には同一の符号を付している。
<Manufacturing process>
A manufacturing process of the heterojunction FET of the present embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 22, the same reference numerals are given to the same or corresponding components as those in the drawings shown so far.
実施の形態1のヘテロ接合FETの製造工程(図11)と同様にして、半絶縁性基板1の上にバッファ層2、チャネル層3、バリア層4、キャップ層5を順に形成し、キャップ層5上にソース電極7とドレイン電極8を形成し、素子分離領域6を形成し、キャップ層5にリセス領域12を形成する。
In the same manner as in the heterojunction FET manufacturing process of the first embodiment (FIG. 11), the
キャップ層5のリセス領域12と開口を同じくするレジストマスク15を写真製版にて形成し(図22(a))、Ti,Al,Pt,Au,Ni,Pdなどの金属や、IrSi,PtSi,NiSi2等のシリサイド、TiN,WN,TaNなどの窒化物金属、もしくはこれらから構成される多層膜からなるゲート電極9を蒸着法で堆積する。理想的に考えると、マスク15の開口を通ってきたゲートメタルとなる粒子はキャップ層5のリセス領域12に付着堆積して、図22(b)のようにゲート電極9の側面はキャップ層5のリセス側面と接触する。しかし、現実にはゲートメタルとなる粒子はマスク15の開口側面にも徐々に付着堆積するため、マスク15の開口径は徐々に小さくなる。そのため、ゲート電極9の断面形状は図22(c)に示すように徐々に細くなり、その側面はキャップ層5のリセス側面に接触しなくなる図17に示すゲート電極9が形成される。
A resist mask 15 having the same opening as the
ゲート電極9の中で初期に堆積する下側の部分はキャップ層5と接触するが、その接触高さはせいぜい10〜15nm程度であるため、本実施の形態のヘテロ接合FETの条件である28nmは超えない。ただし、蒸着装置内での蒸着源と試料の位置関係は、堆積粒子が基板面に垂直に入射するように調整することが必要である。
The lower part of the
その後、絶縁膜10を半導体表面に形成すれば、図17に示すヘテロ接合FETが形成される。
Thereafter, when the insulating
このように、本実施の形態の窒化物半導体からなるヘテロ接合FETの製造方法は、(a)バリア層4の上にキャップ層5を形成してこれら2層を半導体層とする工程と、(b)半導体層をエッチングして所定長のリセス領域12(トレンチ)を形成する工程と、(c)キャップ層5の底部からキャップ層5とゲート電極9の側面の接触面の上部までの長さが28nm以下となるように、リセス領域12にゲート電極を形成する工程と、を備える。これにより、厚いキャップ層5を有するリセスゲート構造において、電流コラプスを抑制したままゲートリーク電流を十分に低く保つことの出来るヘテロ接合FETが作成できる。さらに、ゲート電極9はその側面でも半導体層と接触するように形成するため、密着性が増加し信頼性が向上する。
As described above, the method for manufacturing a heterojunction FET made of a nitride semiconductor according to the present embodiment includes (a) a step of forming a
次に、図18に示すヘテロ接合FETの製造工程について、図23に沿って説明する。図17に示すヘテロ接合FETの製造工程において図22(a)で示したのと同様に、キャップ層5のリセス領域12と開口を同じくするレジストマスク15を写真製版にて形成する(図23(a))。1段目のゲート電極9aをスパッタ法を用いて堆積し、リフトオフ法などにより形成する。この際、堆積厚さは28nm以下とする。ここでスパッタ法を用いるのは、ゲート電極9aとキャップ層との接触性を良くするためであり、粒子の拡散が蒸着法よりも勝っているために、堆積粒子がマスク15eの側面に付着しにくく、キャップ層5との密着性が良い堆積厚さ28nm以下のゲート電極9aが形成される。
Next, a manufacturing process of the heterojunction FET shown in FIG. 18 will be described with reference to FIG. In the manufacturing process of the heterojunction FET shown in FIG. 17, a resist mask 15 having the same opening as that of the
その後、マスク15eを除去し、絶縁膜10を形成した後にレジストマスクや酸化膜などの絶縁膜マスク15fを用いて図23(b)に示す開口16を有するように絶縁膜加工を行い、蒸着法やスパッタ法などを用いて2段目のゲート電極を形成し、図18に示すヘテロ接合FETが形成される。
Thereafter, after removing the
ここでは、マスク15fを用いて絶縁膜10を加工し2段目のゲート電極を形成する方法を示したが、図23(c)に示すように、エッチバックによって絶縁膜10を薄くして1段目のゲート電極9aの上に絶縁膜10の開口16を形成し、2段目のゲート電極を形成しても良い。さらには、1段目のゲート電極9aを形成した後、レジストマスクを用いて蒸着法やリフトオフ法で2段目のゲート電極を形成し、その後に絶縁膜10で覆うという工程でも良い。
Here, the method of forming the second-stage gate electrode by processing the insulating
次に、図19に示す構造のヘテロ接合FETの製造工程について、図24に沿って説明する。キャップ層5にリセス領域12を形成するまでは図17や図18に示すヘテロ接合FETの製造工程と同様であるが、リセス領域12が順メサ形状になる条件でキャップ層5をエッチング除去する(図24(a))。レジストを除去した後、開口したバリア層4上面と開口寸法を同じくするレジストパターン15gを形成し、上述した蒸着法によりゲートメタルを堆積し、リフトオフにてゲート金属9を形成する(図24(b))。キャップ層5のリセス側面が順メサ形状であるため、ゲート電極9の側面はキャップ層5のリセス側面に接触することなく形成できる。この後、絶縁膜10で半導体表面を覆うことにより、図19に示す構造のヘテロ接合FETが形成される。
Next, a manufacturing process of the heterojunction FET having the structure shown in FIG. 19 will be described with reference to FIG. The process until the
図24(c)は、キャップ層5が順メサ形状にリセスエッチングされた後に、所定開口を有するレジストパターン15gが形成され、ゲート電極9が堆積された状態を示している。この図において、ゲート電極9の側面はキャップ層5のリセス側面と接触しておらず、接触高さ13は0nmである。図24(d)は接触高さ13が28nmの場合を示している。バリア層4の表面と順メサにリセスエッチングされた側壁面とのなす角17をθとすると、接触高さ13が28nmの場合(図24(d))のレジストパターン15gの開口寸法は、接触高さが0nmの場合に比べて(図24(c))開口片側で−28/tanθnm広くなる(図中18)。
FIG. 24C shows a state in which a resist
図16より、低いゲートリーク電流を得るにはゲート電極9の側面とリセスされたキャップ層5との接触高さ13が28nm以下とする必要があるが、キャップ層5のリセス領域を順メサ形状にすることにより、レジストパターン15gの開口寸法には片側で−28/tanθnmの余裕を持たせることができ、製造プロセスマージンの拡張に寄与する。
As shown in FIG. 16, in order to obtain a low gate leakage current, the
なお、図20に示すようにゲート電極9の下面がキャップ層5内部に位置する構造の場合は、キャップ層5をリセスエッチングする工程において、エッチングせずに残すキャップ層5の厚さ14と、ゲート電極9の側面とキャップ層5の接触高さ13の和が28nm以下となるように、残すキャップ層5の厚さ14と接触高さ13を調整する必要がある。残すキャップ層5の厚さ14を28nmにすると、接触高さ13は0nmにする必要があり、ゲート電極9は下面のみがリセス面と接触する図5のような構造となる。あるいは、キャップ層5に順メサ形状のリセスエッチングを行い、ゲート電極9の下面のみがリセス領域と接触するような構造となる。
In the case where the lower surface of the
図21に示すようにリセスエッチングをバリア層4まで行った場合、ゲート電極9とバリア層4の側面は密着してよく、ゲート電極9とキャップ層5の側面での接触高さ13を28nm以下にする必要がある。そのため、例えば図23に示したように、リセス領域12の底面に28nm以下の一段目のゲート電極9aを形成し、その後、リセス領域12よりも狭い開口を有するマスクや、あるいは絶縁膜のエッチバックによって、一段目のゲート電極9aよりも細い形状を有する2段目のゲート電極を形成すればよい。
When the recess etching is performed up to the
なお、上述したプロセスは全て個々に採用する必要は無く、夫々を組み合わせたプロセスとしても良い。また、上記にはトランジスタとして動作する必要最小限の要素しか記載していないが、最終的には保護膜、配線、バイアホール等が形成された構造においてデバイスとして用いられる。 Note that it is not necessary to individually adopt all the processes described above, and a process combining them may be used. Further, although only the minimum necessary elements that operate as a transistor are described above, the element is finally used as a device in a structure in which a protective film, a wiring, a via hole, and the like are formed.
<効果>
本実施の形態のヘテロ接合FETによれば、既に述べたとおり以下の効果を奏する。すなわち、本実施の形態のヘテロ接合FETは、窒化物半導体からなるヘテロ接合FETであって、バリア層4とバリア層4の上に形成されたキャップ層5を含む半導体層と、半導体層に下部を埋没するようにして半導体層上に設けられたゲート電極9と、を備え、キャップ層5の底部から、キャップ層5とゲート電極9の側面の接触面の上部までの長さは28nm以下とする。これにより、厚いキャップ層5を有するリセスゲート構造において、電流コラプスを抑制したままゲートリーク電流を十分に低く保つという効果が得られる。さらに、ゲート電極9はその側面でも半導体層と接触することによって、密着性が増加し信頼性が向上する。
<Effect>
According to the heterojunction FET of the present embodiment, the following effects can be obtained as described above. That is, the heterojunction FET of this embodiment is a heterojunction FET made of a nitride semiconductor, and includes a
ゲート電極9の下面は、バリア層4の上面と接することとする。このような構造は、キャップ層5とその下のバリア層4とのエッチングレートの違いを用いて制御性よくキャップ層5のみをエッチングすることが出来るという製造プロセス上の利点を有する。
The lower surface of the
あるいは、ゲート電極9の下面は、バリア層4内に位置しても良い。このような構造であっても、ゲートリーク電流を低減することができ、ゲート電極9の下面がキャップ層5の表面と接している場合に比べて電流コラプスを抑制することも可能である。
Alternatively, the lower surface of the
また、ゲート電極9の下面は、キャップ層5内に位置しても良い。このような構造であっても、ゲート電極9の下面がキャップ層5の表面と接している場合に比べて電流コラプスを抑制することができる。また、ゲート電極9の下部に残るキャップ層5の厚さを28nm以下とし、ゲート電極9の側面とキャップ層5の接触高さ13を、28nmからゲート電極9の下部に残るキャップ層5の厚さ14を差し引いた高さ以内とすれば、ゲートリーク電流の低減も可能である。
Further, the lower surface of the
また、本実施の形態のヘテロ接合FETにおいて、ゲート電極9は上部のゲート長が下部よりも短い2段構造であり、ゲート電極9の上部側面と半導体層の間に設けられる絶縁膜10をさらに備える事とする。これにより、厚いキャップ層5を有するリセスゲート構造において、電流コラプスを抑制したままゲートリーク電流を十分に低く保つという効果が得られる。さらに、ゲート電極9の下部が半導体層と接触することによって、密着性が増加し信頼性が向上する。
In the heterojunction FET of the present embodiment, the
また、ゲート電極9を形成するために半導体層に設けられるリセス領域12(トレンチ)は順メサ形状としても良い。このような構造にすると、リセス領域12の側面を半導体表面に対してほぼ垂直に形成する場合と比べて、ゲート端の形状が鈍角に形成されるため、電界強度が低減され耐圧向上が可能となる。また、ゲート電極9を形成するにあたりレジストパターンの開口寸法に一定の余裕が形成され、プロセスマージンが広がる。
Also, the recess region 12 (trench) provided in the semiconductor layer for forming the
また、本実施の形態のヘテロ接合FETの製造方法によれば、すでに述べたとおり以下の効果を奏する。すなわち、本実施の形態の窒化物半導体からなるヘテロ接合FETの製造方法は、窒化物半導体からなるヘテロ接合FETの製造方法であって、(a)バリア層4の上にキャップ層5を形成してこれら2層を半導体層とする工程と、(b)半導体層をエッチングして所定長のリセス領域12(トレンチ)を形成する工程と、(c)キャップ層5の底部からキャップ層5とゲート電極9の側面の接触面の上部までの長さが28nm以下となるように、リセス領域12にゲート電極を形成する工程と、を備える。これにより、厚いキャップ層5を有するリセスゲート構造において、電流コラプスを抑制したままゲートリーク電流を十分に低く保つことの出来るヘテロ接合FETが作成できる。さらに、ゲート電極9はその側面でも半導体層と接触するように形成するため、密着性が増加し信頼性が向上する。
Further, according to the method of manufacturing the heterojunction FET of the present embodiment, the following effects can be obtained as described above. That is, the method of manufacturing a heterojunction FET made of a nitride semiconductor according to the present embodiment is a method of manufacturing a heterojunction FET made of a nitride semiconductor, and (a) a
1 半絶縁性基板、2 バッファ層、3 チャネル層、4 バリア層、5 キャップ層、6 素子分離領域、7 ソース電極、8 ドレイン電極、9,9a,91 ゲート電極、10 絶縁膜、12 リセス領域、15 マスク、100 スペーサ層、110 ドーピング領域。 1 semi-insulating substrate, 2 buffer layer, 3 channel layer, 4 barrier layer, 5 cap layer, 6 element isolation region, 7 source electrode, 8 drain electrode, 9, 9a, 91 gate electrode, 10 insulating film, 12 recess region , 15 mask, 100 spacer layer, 110 doping region.
Claims (12)
バリア層と前記バリア層の上に形成されたキャップ層を含む半導体層と、
前記半導体層に下部を埋没するようにして前記半導体層上に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極の側面と前記半導体層の間に設けられた絶縁膜と、を備え、
前記ゲート電極は、下面のみが前記半導体層と接触することを特徴とするヘテロ接合電界効果トランジスタ。 A heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor,
A semiconductor layer including a barrier layer and a cap layer formed on the barrier layer;
A gate electrode provided on the semiconductor layer so as to bury a lower part in the semiconductor layer;
An insulating film provided between a side surface of the gate electrode and the semiconductor layer;
The heterojunction field effect transistor according to claim 1, wherein only the lower surface of the gate electrode is in contact with the semiconductor layer.
バリア層と前記バリア層の上に形成されたキャップ層を含む半導体層と、
前記半導体層に下部を埋没するようにして前記半導体層上に設けられたゲート電極と、を備え、
前記キャップ層の底部から、前記キャップ層と前記ゲート電極の側面の接触面の上部までの長さが28nm以下であることを特徴とする、ヘテロ接合電界効果トランジスタ。 A heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor,
A semiconductor layer including a barrier layer and a cap layer formed on the barrier layer;
A gate electrode provided on the semiconductor layer so as to bury a lower part in the semiconductor layer,
A heterojunction field effect transistor characterized in that the length from the bottom of the cap layer to the upper part of the contact surface of the side surface of the cap layer and the gate electrode is 28 nm or less.
前記ゲート電極の前記上部側面と前記半導体層の間に設けられる絶縁膜をさらに備えた、請求項5〜8のいずれかに記載のヘテロ接合電界効果トランジスタ。 The gate electrode has a two-stage structure in which an upper gate length is shorter than a lower portion,
The heterojunction field effect transistor according to claim 5, further comprising an insulating film provided between the upper side surface of the gate electrode and the semiconductor layer.
(a)バリア層の上にキャップ層を形成してこれら2層を半導体層とする工程と、
(b)前記半導体層をエッチングして所定長のトレンチを形成する工程と、
(c)前記トレンチにゲート電極を形成し、前記ゲート電極側面と前記半導体層との間に絶縁膜を形成する工程と、を備えたヘテロ接合電界効果トランジスタの製造方法。 A method of manufacturing a heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor,
(A) forming a cap layer on the barrier layer and using these two layers as semiconductor layers;
(B) etching the semiconductor layer to form a predetermined length trench;
(C) forming a gate electrode in the trench and forming an insulating film between a side surface of the gate electrode and the semiconductor layer.
(a)バリア層の上にキャップ層を形成してこれら2層を半導体層とする工程と、
(b)前記半導体層をエッチングして所定長のトレンチを形成する工程と、
(c)前記キャップ層の底部から、前記キャップ層と前記ゲート電極の側面の接触面の上部までの長さが28nm以下となるように、前記トレンチにゲート電極を形成する工程と、を備えたヘテロ接合電界効果トランジスタの製造方法。 A method of manufacturing a heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor,
(A) forming a cap layer on the barrier layer and using these two layers as semiconductor layers;
(B) etching the semiconductor layer to form a predetermined length trench;
(C) forming a gate electrode in the trench so that the length from the bottom of the cap layer to the upper part of the contact surface between the cap layer and the side surface of the gate electrode is 28 nm or less. A method of manufacturing a heterojunction field effect transistor.
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