JP6752304B2 - Field effect transistor - Google Patents

Field effect transistor Download PDF

Info

Publication number
JP6752304B2
JP6752304B2 JP2019005729A JP2019005729A JP6752304B2 JP 6752304 B2 JP6752304 B2 JP 6752304B2 JP 2019005729 A JP2019005729 A JP 2019005729A JP 2019005729 A JP2019005729 A JP 2019005729A JP 6752304 B2 JP6752304 B2 JP 6752304B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
insulating film
opening
supply layer
electron supply
effect transistor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019005729A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2019186527A (en
Inventor
洋一 野上
洋一 野上
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP2019005729A priority Critical patent/JP6752304B2/en
Publication of JP2019186527A publication Critical patent/JP2019186527A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6752304B2 publication Critical patent/JP6752304B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Description

本願は、電界効果型トランジスタに関するものである。特に、窒化物半導体を用いて作製された高電子移動度トランジスタに関する。 The present application relates to field effect transistors. In particular, the present invention relates to a high electron mobility transistor manufactured by using a nitride semiconductor.

近年、AlGaN/GaN高電子移動度トランジスタ(略称はHEMT:High Electron Mobility Transistor。以下HEMTと呼ぶ)に代表されるGaN系HEMTを中心とする窒化物半導体を用いた電界効果型トランジスタの製品実用化が進んでおり、携帯電話基地局向けの増幅器への応用はその代表であり、今後も高周波通信機器関連の市場分野へ普及拡大が期待される。 In recent years, commercialization of electric field effect transistors using nitride semiconductors centered on GaN-based HEMTs represented by AlGaN / GaN High Electron Mobility Transistors (abbreviated as HEMT). Is progressing, and its application to amplifiers for mobile phone base stations is a typical example, and it is expected that it will continue to spread and expand into the market field related to high-frequency communication equipment.

上記GaN系HEMTについては、ゲートリーク電流の制御が難しく、そのためにリーク電流が大きくなり品質を維持できない場合が生じ、より安定した小さいゲートリーク電流を有するGaN系HEMTが要求されている。
この理由としては、GaN系HEMTにおいては、ウェハプロセス工程におけるウェット処理、あるいはドライ処理の影響を受けゲートリーク電流が大きく変動する事例、あるいは半導体エピ層表面を保護する絶縁膜の影響を受けゲートリーク電流が大きく変動する事例が既に数多く報告されていることから、半導体エピ層表面が敏感であることが大きな要因になっていると考えられる。
With respect to the above-mentioned GaN-based HEMT, it is difficult to control the gate leak current, and therefore the leak current becomes large and the quality cannot be maintained. Therefore, a GaN-based HEMT having a more stable and smaller gate leak current is required.
The reason for this is that in a GaN-based HEMT, the gate leak current fluctuates greatly due to the influence of wet treatment or dry treatment in the wafer process process, or the gate leak is affected by the insulating film that protects the semiconductor epi layer surface. Since many cases in which the current fluctuates significantly have already been reported, it is considered that the sensitivity of the semiconductor epilayer surface is a major factor.

従来は、電子供給層上に形成したシリコン酸化物が有する圧縮応力によって、ゲートリーク電流が小さい窒化物半導体電界効果型トランジスタが得られるとしている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, it has been said that a nitride semiconductor field-effect transistor having a small gate leakage current can be obtained by the compressive stress of the silicon oxide formed on the electron supply layer (see, for example, Patent Document 1).

また、従来は、半導体動作層上に形成した絶縁膜の開口部の内部、及び、前記絶縁膜上に乗り上げるように形成したゲート電極構造において、開口部の側面がテーパー型に傾斜した形状(絶縁膜開口部の表面側がドレイン側に傾斜した形状)とすることで、ゲート電極の開口端部における電界集中を緩和する効果によって耐圧が向上できる(つまりゲートリーク電流小さくなる)としている(例えば、特許文献2参照)。 Further, conventionally, in the inside of the opening of the insulating film formed on the semiconductor operating layer and in the gate electrode structure formed so as to ride on the insulating film, the side surface of the opening is inclined in a tapered shape (insulation). By making the surface side of the film opening inclined toward the drain side), the withstand voltage can be improved (that is, the gate leak current becomes smaller) due to the effect of relaxing the electric field concentration at the opening end of the gate electrode (for example, patented). Reference 2).

特開2008−244001号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-244001 特開2004−253620号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-253620

しかしながら、後述するように、絶縁膜の残留応力がGaN系HEMTの電気特性に及ぼす影響をシミュレーション検討した結果、上記特許文献1に記載の技術については、逆にゲートリーク電流が増大する懸念があり、十分な効果が期待できない問題があることが判った。また、特許文献2に記載の技術については、ゲート電極の開口部の形状(傾斜角)だけではなく、絶縁膜の残留応力を考慮することでゲートリーク電流を更に小さくできると考えられることが判った。 However, as described later, as a result of simulating the influence of the residual stress of the insulating film on the electrical characteristics of the GaN-based HEMT, there is a concern that the gate leak current may increase with respect to the technique described in Patent Document 1 above. , It turned out that there is a problem that sufficient effect cannot be expected. Further, regarding the technique described in Patent Document 2, it was found that the gate leakage current can be further reduced by considering not only the shape (inclination angle) of the opening of the gate electrode but also the residual stress of the insulating film. It was.

本願は上記のような問題点を解消するための技術を開示するものであり、半導体表面の状態、あるいは表面を保護する絶縁保護膜の膜質の影響に左右されることなく、ゲートリーク電流を低減できる電界効果型トランジスタを得ることを目的とする。 The present application discloses a technique for solving the above-mentioned problems, and reduces the gate leak current without being influenced by the state of the semiconductor surface or the film quality of the insulating protective film that protects the surface. The purpose is to obtain a possible field effect transistor.

本願に開示される電界効果型トランジスタは、
電子供給層の面上に形成されたゲート電極、ソース電極、ドレイン電極を有する電界効果型トランジスタであって、
引張応力を有する、前記電子供給層の表面に形成された第1の絶縁膜、および、圧縮応力を有する、当該第1の絶縁膜の表面に形成した第2の絶縁膜、を持ち、前記電子供給層を被覆する絶縁膜と、
当該絶縁膜中の前記ゲート電極を形成する領域に形成され、前記電子供給層と一面で接する台形四角柱状輪郭面を有する前記絶縁膜の開口部と、
を備え、
前記ゲート電極は、前記開口部により前記電子供給層が露出した領域で当該電子供給層とショットキー接合され、
前記絶縁膜は、前記開口部の台形四角柱状輪郭面、および前記電子供給層と接する面とは逆の表面で、前記ゲート電極と接しているとともに、
前記開口部の台形四角柱状輪郭面の断面形状は、前記電子供給層の表面に対する傾斜角度が60度から75度の範囲に設定されていることを特徴とするものである。

The field effect transistor disclosed in the present application is
A field-effect transistor having a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode formed on the surface of an electron supply layer.
Having a tensile stress, the first insulating film formed on the surface of the electron supply layer, and has a compressive stress, a second insulating film formed on the surface of those first insulating film, having a said An insulating film that covers the electron supply layer and
An opening of the insulating film formed in a region forming the gate electrode in the insulating film and having a trapezoidal square columnar contour surface which is in contact with the electron supply layer on one surface.
With
The gate electrode is Schottky-bonded to the electron supply layer in a region where the electron supply layer is exposed by the opening.
The insulating film is in contact with the gate electrode on a surface opposite to the trapezoidal square columnar contour surface of the opening and the surface in contact with the electron supply layer.
The cross-sectional shape of the trapezoidal square columnar contour surface of the opening is characterized in that the inclination angle of the electron supply layer with respect to the surface is set in the range of 60 degrees to 75 degrees.

本願に開示される電界効果型トランジスタによれば、
電界効果型トランジスタを構成する各層の状態、あるいは表面を保護する絶縁膜の膜質に影響されることなく、ゲートリーク電流を一律に低減できる電界効果型トランジスタが得られる。
According to the field effect transistor disclosed in the present application,
A field-effect transistor that can uniformly reduce the gate leakage current can be obtained without being affected by the state of each layer constituting the field-effect transistor or the film quality of the insulating film that protects the surface.

実施の形態1による電界効果型トランジスタの一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the field effect transistor according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態2による電界効果型トランジスタの一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the field effect transistor according to Embodiment 2. FIG. 実施の形態3による電界効果型トランジスタの一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the field effect transistor according to Embodiment 3. FIG. 図2の電界効果型トランジスタを用いた場合のゲートリーク電流の実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result of the gate leak current when the field effect transistor of FIG. 2 is used. 図3の電界効果型トランジスタを用いた場合のゲートリーク電流の実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result of the gate leak current when the field effect transistor of FIG. 3 is used. 実施の形態4による電界効果型トランジスタの一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the field effect transistor according to Embodiment 4. FIG. 電界効果型トランジスタのゲートリーク電流特性に関わる開口部形状の影響を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the influence of the opening shape on the gate leak current characteristic of a field effect transistor. 電界効果型トランジスタの結晶歪みに関わる開口部形状(開口部が直方体状輪郭面を持つ場合)の影響を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the influence of the opening shape (when the opening has a rectangular parallelepiped contour surface) related to the crystal distortion of a field effect transistor. 電界効果型トランジスタの結晶歪みに関わる開口部形状(開口部が台形四角柱状輪郭面を持つ場合)の影響を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the influence of the opening shape (when the opening has a trapezoidal square columnar contour surface) related to the crystal distortion of a field effect transistor. 電界効果型トランジスタの電界強度に関わる開口部形状(開口部が直方体状輪郭面を持つ場合)の影響を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the influence of the opening shape (when the opening has a rectangular parallelepiped contour surface) related to the electric field strength of a field effect transistor. 電界効果型トランジスタの電界強度に関わる開口部形状(開口部が台形四角柱状輪郭面を持つ場合)の影響を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the influence of the opening shape (when the opening has a trapezoidal square columnar contour surface) which concerns on the electric field strength of a field effect transistor. 電界効果型トランジスタのゲートリーク電流特性に関わる絶縁膜の残留応力の影響を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the influence of the residual stress of an insulating film on the gate leak current characteristic of a field effect transistor.

本願の実施の形態を具体的に説明する前に、本願の実施の形態に示す電界効果型トランジスタの構成を決める際に検討した内容について、まず説明する。本検討内容が本願の構成を理解する上からも重要だからである。 Before concretely explaining the embodiment of the present application, first, the contents examined when determining the configuration of the field effect transistor shown in the embodiment of the present application will be described. This is because the content of this study is important for understanding the structure of the present application.

まず、絶縁膜の残留応力がGaN系HEMTの電気特性に及ぼす影響を体系的に理解するために、デバイスシミュレーションを用いた解析を実施した。
具体的には半導体表面(後述する図1に示す電子供給層の表面と言い換えられる)直上に形成した絶縁膜の残留応力を圧縮応力(残留応力値が−1GPa)、残留応力無し、引張応力(残留応力値が+1GPa)の範囲に設定し、GaN系HEMTのゲート電極部の構造として現在広く採用されている、当該絶縁膜の開口部の内部、及び、前記絶縁膜上に乗り上げるように形成したゲート電極構造を用い、開口部の断面形状が長方形の場合(絶縁膜の開口部が直方体状輪郭面を持つ場合で、前記半導体表面に対して直交する断面の輪郭線が前記半導体表面と直交する場合)と、開口部の断面形状が、上底が下底より大きい台形の場合(絶縁膜の開口部が台形四角柱状輪郭面を持つ場合で、前記半導体表面に対して直交する断面の輪郭線が前記半導体表面に対して傾斜している場合)で、かつ半導体表面に対して交わる2つの直線の前記半導体表面との傾斜角度を共に45度とした場合のゲートリーク電流値がどのような依存性を示すかを計算した。
First, in order to systematically understand the effect of the residual stress of the insulating film on the electrical characteristics of the GaN-based HEMT, an analysis using device simulation was performed.
Specifically, the residual stress of the insulating film formed directly above the semiconductor surface (which can be rephrased as the surface of the electron supply layer shown in FIG. 1 to be described later) is compressive stress (residual stress value is -1 GPa), no residual stress, and tensile stress (remaining stress). The residual stress value was set in the range of +1 GPa), and it was formed so as to ride on the inside of the opening of the insulating film and on the insulating film, which is currently widely used as the structure of the gate electrode portion of the GaN-based HEMT. When the gate electrode structure is used and the cross-sectional shape of the opening is rectangular (when the opening of the insulating film has a rectangular contour surface, the contour line of the cross section orthogonal to the semiconductor surface is orthogonal to the semiconductor surface. When the cross-sectional shape of the opening is trapezoidal with the upper base larger than the lower base (when the opening of the insulating film has a trapezoidal square columnar contour surface, the contour line of the cross section orthogonal to the semiconductor surface) Depends on the gate leak current value when the inclination angle of the two straight lines intersecting the semiconductor surface with respect to the semiconductor surface is 45 degrees. It was calculated whether it showed sex.

この結果を図7に示す。図7(a)は、開口部が直方体状輪郭面を持つ場合の結果を示している。この場合には、絶縁膜の残留応力が引張応力(図中、「+1GPa」で示した曲線参照。以下同様)のときにゲートリーク電流は低減し、絶縁膜の残留応力が圧縮応力(図中、残留応力の値として「−1GPa」で示した曲線参照。以下同様)のときにゲートリーク電流は増大した。なお、図中、残留応力の値として「0Pa」で示した曲線は、残留応力がゼロの場合(以下同様)のゲートリーク電流の値である。 The result is shown in FIG. FIG. 7A shows the result when the opening has a rectangular parallelepiped contour surface. In this case, when the residual stress of the insulating film is tensile stress (see the curve shown by "+1 GPa" in the figure. The same applies hereinafter), the gate leak current is reduced and the residual stress of the insulating film is the compressive stress (in the figure). , Refer to the curve shown by "-1 GPa" as the value of residual stress. The same applies hereinafter), the gate leak current increased. In the figure, the curve indicated by “0 Pa” as the residual stress value is the value of the gate leak current when the residual stress is zero (the same applies hereinafter).

これに対し、図7(b)に示すように、開口部が台形四角柱状輪郭面を持つ場合(開口部の輪郭線の半導体表面に対する傾斜角度が45度のとき)は、絶縁膜の残留応力が圧縮応力(−1GPa)のときにゲートリーク電流は低減し、引張応力(図中、残留応力の値として「+1GPa」で示した曲線参照。以下同様)のときにゲートリーク電流は増大する計算結果となった。 On the other hand, as shown in FIG. 7B, when the opening has a trapezoidal square columnar contour surface (when the inclination angle of the contour line of the opening with respect to the semiconductor surface is 45 degrees), the residual stress of the insulating film Calculation that the gate leak current decreases when is compressive stress (-1 GPa), and increases when tensile stress (see the curve shown by "+1 GPa" as the value of residual stress in the figure. The same applies hereinafter). The result was.

この原因について図8から図11を用いて説明する。まず、図8、図9は、ゲート電極領域の半導体表面(具体的にはAlGaN)から基板方向へ0.5nmの深さの位置(図1の一点鎖線Ps参照)における結晶歪みのYY成分(図1における垂直方向(紙面上下方向)への半導体結晶(具体的にはAlGaN)の歪み。符号は、プラスのときには結晶が伸びる方向で、マイナスのときには結晶が縮む方向、を各々指す)についてのデバイスシミュレーションによる計算結果である。図8は、開口部が直方体状輪郭面を持つ場合の結果を示している。また、図9は、開口部が台形四角柱状輪郭面を持つ場合(開口部の輪郭線の半導体表面に対する傾斜角度が45度のとき)の結果を示している。なお、図8、図9のいずれの図においても、位置参照用の一点鎖線S、および一点鎖線Dを合わせて記載した。一点鎖線Sは、ソース電極側のゲート開口端部の位置を示し、一点鎖線Dはドレイン電極側のゲート開口端部の位置を示したものである(一点鎖線S、一点鎖線Dについては、以下に説明する図10、図11においても同様)。 The cause of this will be described with reference to FIGS. 8 to 11. First, FIGS. 8 and 9 show the YY component of crystal strain (see the one-point chain line Ps in FIG. 1) at a depth of 0.5 nm from the semiconductor surface (specifically, AlGaN) in the gate electrode region toward the substrate. Distortion of a semiconductor crystal (specifically, AlGaN) in the vertical direction (vertical direction on the paper surface) in FIG. 1. The reference numerals indicate the direction in which the crystal expands when it is positive, and the direction in which the crystal shrinks when it is negative). This is the calculation result by device simulation. FIG. 8 shows the result when the opening has a rectangular parallelepiped contour surface. Further, FIG. 9 shows the result when the opening has a trapezoidal square columnar contour surface (when the inclination angle of the contour line of the opening with respect to the semiconductor surface is 45 degrees). In both FIGS. 8 and 9, the alternate long and short dash line S for position reference and the alternate long and short dash line D are shown together. The alternate long and short dash line S indicates the position of the gate opening end on the source electrode side, and the alternate long and short dash line D indicates the position of the gate opening end on the drain electrode side (the alternate long and short dash line S and the alternate long and short dash line D are as follows. The same applies to FIGS. 10 and 11 described in FIG.

これらの結果から、ゲート電極の開口部が直方体状輪郭面を持つ場合と、開口部が台形四角柱状輪郭面を持つ場合(開口部の輪郭線の半導体表面に対する傾斜角度が45度のとき)とで、ゲート電極の開口端部の結晶歪みのYY成分の値の、位置による変化が特徴的に異なっていることがわかった。結晶歪みの符号の正負が反転する箇所が、前者の場合(開口部が直方体状輪郭面を持つ場合)には、ゲート開口端部に位置する。一方、後者の場合(開口部が台形四角柱状輪郭面を持つ場合)には、ゲート開口端部よりもソース電極、もしくはドレイン電極に近付いた位置、つまり半導体表面上に位置することがわかった。後者の場合には、通常、最も大きな電界が加わるゲート開口端部において、結晶歪み成分が増大する傾向を示すこと、つまり、絶縁膜の残留応力の影響を受けやすい傾向にあることが推定された。 From these results, when the opening of the gate electrode has a rectangular parallelepiped contour surface and when the opening has a trapezoidal square columnar contour surface (when the inclination angle of the contour line of the opening with respect to the semiconductor surface is 45 degrees). It was found that the change in the value of the YY component of the crystal strain at the open end of the gate electrode depending on the position was characteristically different. In the former case (when the opening has a rectangular parallelepiped contour surface), the place where the sign of the crystal strain is reversed is located at the gate opening end. On the other hand, in the latter case (when the opening has a trapezoidal square columnar contour surface), it was found that the position is closer to the source electrode or the drain electrode than the gate opening end, that is, the position is on the semiconductor surface. In the latter case, it was estimated that the crystal strain component tends to increase at the gate opening end where the largest electric field is applied, that is, it tends to be easily affected by the residual stress of the insulating film. ..

そこで、次に、ゲート電極の開口端部付近の電界強度をデバイスシミュレーションによる計算で求めた。この結果を図10、図11に示す。図10は、開口部が直方体状輪郭面を持つ場合の開口端部付近の電界強度を示している。この図10において、図10(b)は、図10(a)の符号Eで示す点線で囲んだ部分の拡大図である。また、図11は、開口部が台形四角柱状輪郭面を持つ場合(開口部の輪郭線の半導体表面に対する傾斜角度が45度のとき)の開口端部付近の電界強度を示している。この図11において、図11(b)は、図11(a)の符号Fで示す点線で囲んだ部分の拡大図である。 Therefore, next, the electric field strength near the open end of the gate electrode was calculated by device simulation. The results are shown in FIGS. 10 and 11. FIG. 10 shows the electric field strength near the opening end when the opening has a rectangular parallelepiped contour surface. In FIG. 10, FIG. 10 (b) is an enlarged view of a portion surrounded by a dotted line indicated by reference numeral E in FIG. 10 (a). Further, FIG. 11 shows the electric field strength near the opening end when the opening has a trapezoidal square columnar contour surface (when the inclination angle of the contour line of the opening with respect to the semiconductor surface is 45 degrees). In FIG. 11, FIG. 11B is an enlarged view of a portion surrounded by a dotted line indicated by reference numeral F in FIG. 11A.

図10に示すように、このゲート電極の開口端部付近の結晶歪み成分の変化が影響し、開口部が直方体状輪郭面を持つ場合には、ゲート電極の開口端部付近の電界強度は、絶縁膜の残留応力が引張応力(+1GPa)のときにゲート電極の開口端部付近の電界強度が相対的に低く、圧縮応力(−1GPa)のときには増大した。 As shown in FIG. 10, when the change in the crystal strain component near the opening end of the gate electrode has an effect and the opening has a rectangular contour surface, the electric field strength near the opening end of the gate electrode is determined. When the residual stress of the insulating film was tensile stress (+1 GPa), the electric field strength near the opening end of the gate electrode was relatively low, and when it was compressive stress (-1 GPa), it increased.

これに対して、開口部が台形四角柱状輪郭面を持つ場合(開口部の輪郭線の半導体表面に対する傾斜角度が45度のとき)には、図11に示すように、図10の結果とは逆に、絶縁膜の残留応力が圧縮応力(−1GPa)のときにゲート電極の開口端部付近の電界強度は相対的に低く、引張応力(+1GPa)のときには増大した。 On the other hand, when the opening has a trapezoidal square columnar contour surface (when the inclination angle of the contour line of the opening with respect to the semiconductor surface is 45 degrees), as shown in FIG. 11, the result of FIG. 10 is different. On the contrary, when the residual stress of the insulating film was compressive stress (-1 GPa), the electric field strength near the open end of the gate electrode was relatively low, and when it was tensile stress (+1 GPa), it increased.

以上、絶縁膜の残留応力とゲート電極の開口部の形状(傾斜角)によって、ゲート電極の開口端部の電界強度が影響を受け、ゲートリーク電流が増減することが、一連のシミュレーションによって新たに判明した。 As described above, a series of simulations newly show that the electric field strength at the opening end of the gate electrode is affected by the residual stress of the insulating film and the shape (tilt angle) of the opening of the gate electrode, and the gate leakage current increases or decreases. found.

そこで、半導体表面直上に形成した絶縁膜の残留応力の、ゲートリーク電流に及ぼす影響をシミュレーションにより検討した。この結果を図12に示す。図12(の横軸)に示すように、残留応力については、圧縮応力(−1GPa)、残留応力無し、引張応力(+1GPa)のそれぞれの場合において、断面図における、ゲート電極の開口部の傾斜角をパラメータとして、半導体表面を基準にして25度から75度の範囲で変化させたときのゲートリーク電流を計算した。 Therefore, the effect of the residual stress of the insulating film formed directly above the semiconductor surface on the gate leak current was examined by simulation. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 12 (horizontal axis), the residual stress is the inclination of the opening of the gate electrode in the cross-sectional view in each case of compressive stress (-1 GPa), no residual stress, and tensile stress (+1 GPa). Using the angle as a parameter, the gate leak current was calculated when the temperature was changed in the range of 25 to 75 degrees with respect to the semiconductor surface.

この結果、図12に示したとおり、凡そ傾斜角度の角度パラメータが45度を境に、45度以下のときは、圧縮応力(−1GPa)を有する絶縁膜のほうがゲートリーク電流は小さくなり、逆に、45度以上では引張応力(+1GPa)を有する絶縁膜のほうがゲートリーク電流は小さくなることが判った。 As a result, as shown in FIG. 12, when the angle parameter of the inclination angle is 45 degrees or less, the gate leak current is smaller in the insulating film having compressive stress (-1 GPa), and the reverse is true. It was found that the gate leak current of the insulating film having a tensile stress (+1 GPa) is smaller at 45 degrees or higher.

以上の結果は、絶縁膜の残留応力とゲート電極の開口部の形状(傾斜角)を最適に設計することで、より小さいゲートリーク電流を有するGaN系HEMTを提供できることを示唆している。 The above results suggest that a GaN-based HEMT having a smaller gate leakage current can be provided by optimally designing the residual stress of the insulating film and the shape (inclination angle) of the opening of the gate electrode.

以上を踏まえて、次に、本願の実施の形態について図を用いて具体的に説明する。
実施の形態1.
以下、実施の形態1による電界効果型トランジスタについて、図1をもとにして説明する。図1において、GaN系HEMTに用いられる半導体基板101としては、主としてSiC基板、GaN基板、Si基板、サファイア基板などが挙げられる。この半導体基板101上には成長したチャネル層102が形成され、GaN系HEMTに用いられるチャネル層としてはGaN層が代表的である。チャネル層102上には成長した電子供給層103が形成されており、GaN系HEMTに用いられる電子供給層としてはAlGaN層が代表的である。Al組成と膜厚を調整し、2×1012/cm〜4×1013/cmの範囲で製品の目標性能に適するシートキャリア濃度Nsを得る。なお、AlGaN層上にGaNキャップ層と呼ばれる半導体表面を安定化させる層を形成する場合がある。
Based on the above, next, the embodiment of the present application will be specifically described with reference to the drawings.
Embodiment 1.
Hereinafter, the field effect transistor according to the first embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 1, examples of the semiconductor substrate 101 used in the GaN-based HEMT include a SiC substrate, a GaN substrate, a Si substrate, and a sapphire substrate. A grown channel layer 102 is formed on the semiconductor substrate 101, and a GaN layer is typical as a channel layer used for a GaN-based HEMT. The grown electron supply layer 103 is formed on the channel layer 102, and the AlGaN layer is typical as the electron supply layer used for the GaN-based HEMT. The Al composition and film thickness are adjusted to obtain a sheet carrier concentration Ns suitable for the target performance of the product in the range of 2 × 10 12 / cm 2 to 4 × 10 13 / cm 2 . A layer called a GaN cap layer that stabilizes the semiconductor surface may be formed on the AlGaN layer.

また、半導体表面には、オーミック接合したソース電極104、およびオーミック接合したドレイン電極105が形成される。さらに、半導体表面には、この半導体表面を直接被覆する絶縁膜106が形成される。この絶縁膜106は、圧縮応力を有することを特徴とし、GaN系HEMTではSiN膜(窒化シリコン膜に同じ。以下同様)が広く用いられる。 Further, an ohmic-bonded source electrode 104 and an ohmic-bonded drain electrode 105 are formed on the semiconductor surface. Further, an insulating film 106 that directly covers the semiconductor surface is formed on the semiconductor surface. The insulating film 106 is characterized by having a compressive stress, and a SiN film (same as a silicon nitride film; the same applies hereinafter) is widely used in a GaN-based HEMT.

また、半導体表面にはショットキー接合したゲート電極108が形成され、図1に示すとおり、ソース電極104とドレイン電極105の間の絶縁膜106が開口された領域内と、一部が絶縁膜上に乗り上げる、言わばT型のような形状(擬似T型形状)をなす。 Further, a Schottky-bonded gate electrode 108 is formed on the semiconductor surface, and as shown in FIG. 1, in the region where the insulating film 106 between the source electrode 104 and the drain electrode 105 is opened, and partly on the insulating film. It has a T-shaped shape (pseudo-T-shaped shape).

また、ゲート電極部の絶縁膜106の開口部は図1の破線で囲んだ箇所に示すように、テーパー型に傾斜した形状、具体的には絶縁膜開口部の表面側がドレイン側、及びソース側に傾斜した形状になるよう形成する。なお、トランジスタの動作部を保護するための絶縁保護膜109が、ゲート電極108および絶縁膜106を覆うように形成され、この絶縁保護膜109には、GaN系HEMTではSiN膜が広く用いられる。 Further, as shown in the portion surrounded by the broken line in FIG. 1, the opening of the insulating film 106 of the gate electrode portion has a tapered shape, specifically, the surface side of the insulating film opening is the drain side and the source side. It is formed so as to have an inclined shape. An insulating protective film 109 for protecting the operating portion of the transistor is formed so as to cover the gate electrode 108 and the insulating film 106, and a SiN film is widely used for the insulating protective film 109 in the GaN-based HEMT.

さらに、ソース電極104、ドレイン電極105、及びトランジスタの動作部の外側へ延伸して引き出されたゲート電極108と各々接続される(図示しない)外部回路と接続するための配線電極110が形成される。 Further, a wiring electrode 110 for connecting to an external circuit (not shown) connected to the source electrode 104, the drain electrode 105, and the gate electrode 108 drawn out by extending to the outside of the operating portion of the transistor is formed. ..

次に、図1に示す電界効果型トランジスタの製造方法について以下詳しく説明する。図1の電界効果型トランジスタは、例えば以下に説明する、GaN系HEMTの一般的な製造方法により作製することが可能である。 Next, the method for manufacturing the field-effect transistor shown in FIG. 1 will be described in detail below. The field-effect transistor of FIG. 1 can be manufactured by, for example, a general manufacturing method of a GaN-based HEMT described below.

まず、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長)法により、SiC基板101上にAlN核形成層(図示せず)、アンドープされたチャネル層102(ここではGaNチャネル層)、アンドープされた電子供給層103(ここではAlGaN電子供給層)を順次積層する。AlGaN/GaNのヘテロ界面に2次元電子ガスが発生して、これが半導体層中の電流走行層となる。2×1012/cm〜4×1013/cmの範囲で製品の目標性能に適するシートキャリア濃度Nsを得るために、上記のAlGaN電子供給層のAl組成と膜厚を調整するが、例えばAl組成は10%〜30%、膜厚は10nm〜40nmの範囲で調整されることが多い。必要に応じて、AlGaN電子供給層の上にアンドープされたGaNキャップ層、もしくはn−GaNキャップ層をさらに積層することがある。 First, by the MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, the AlN nucleation layer (not shown), the undoped channel layer 102 (here, the GaN channel layer), and the undoped are undoped on the SiC substrate 101. The electron supply layer 103 (here, the AlGaN electron supply layer) is sequentially laminated. Two-dimensional electron gas is generated at the hetero interface of AlGaN / GaN, and this becomes a current traveling layer in the semiconductor layer. In order to obtain a sheet carrier concentration Ns suitable for the target performance of the product in the range of 2 × 10 12 / cm 2 to 4 × 10 13 / cm 2 , the Al composition and film thickness of the above AlGaN electron supply layer are adjusted. For example, the Al composition is often adjusted in the range of 10% to 30%, and the film thickness is often adjusted in the range of 10 nm to 40 nm. If necessary, an undoped GaN cap layer or an n-GaN cap layer may be further laminated on the AlGaN electron supply layer.

なお、GaN系HEMTを得るための基板としては、サファイア、Si、GaNを用いることもでき、基板材料に適したエピタキシャル層を成長させれば良く、本願ではこれを制限しない。 Sapphire, Si, and GaN can also be used as the substrate for obtaining the GaN-based HEMT, and an epitaxial layer suitable for the substrate material may be grown, and this is not limited in the present application.

次に、作製した半導体表面層の上に、一般的なフォトリソグラフィ工程によりパターンニングを行ったフォトレジストの開口部を介して、例えば、一般的な蒸着法によって、Ti/Al/Ti/Au積層金属を形成する。その後、リフトオフによってフォトレジストを剥離した後、半導体表面とTi/Al/Ti/Au積層金属との界面において、オーミック接触を得るための熱処理(800℃〜950℃)を行う。以上により、ソース電極104、およびドレイン電極105を得る。 Next, Ti / Al / Ti / Au is laminated on the produced semiconductor surface layer through the openings of the photoresist that has been patterned by a general photolithography process, for example, by a general vapor deposition method. Form metal. Then, after the photoresist is peeled off by lift-off, a heat treatment (800 ° C. to 950 ° C.) is performed at the interface between the semiconductor surface and the Ti / Al / Ti / Au laminated metal to obtain ohmic contact. From the above, the source electrode 104 and the drain electrode 105 are obtained.

次に、半導体表面を覆う絶縁膜106を形成する。GaN系HEMTではSiN膜が広く用いられる。絶縁膜の形成方法としてはプラズマCVD法、熱CVD法、触媒CVD(Cat−CVD)法、ECRスパッタ法等を用いて形成する。このとき、半導体表面に異種材料である絶縁膜の1つであるSiN膜を形成するため、残留応力が生じる。その応力は成膜方法、成長条件によって変化する。今回実験に用いたSiN膜は、プラズマCVD法あるいはECRスパッタ法で作製した膜とし、単層膜、もしくは積層膜を、目的に沿って形成した。 Next, the insulating film 106 that covers the semiconductor surface is formed. SiN films are widely used in GaN-based HEMTs. As a method for forming the insulating film, a plasma CVD method, a thermal CVD method, a catalytic CVD (Cat-CVD) method, an ECR sputtering method or the like is used to form the insulating film. At this time, since a SiN film, which is one of the insulating films of different materials, is formed on the semiconductor surface, residual stress is generated. The stress changes depending on the film formation method and growth conditions. The SiN film used in this experiment was a film produced by a plasma CVD method or an ECR sputtering method, and a single-layer film or a laminated film was formed according to the purpose.

次に、上記絶縁膜106の上に、一般的なフォトリソグラフィ工程によりパターンニングを行ったフォトレジストの開口部を介して、ゲート電極108を形成するためのテーパー形状のゲートの開口部111を形成する。この開口部111を形成するための方法は、例えばバッファードフッ酸(BHF)を用いたウェットエッチング、RIE(Reactive Ion Etching)法、ECR(Electron Cyclotron Resonance)法、あるいはICP(Inductive Coupled Plasma)法によるドライエッチングが一般的である。 Next, on the insulating film 106, a tapered gate opening 111 for forming the gate electrode 108 is formed through a photoresist opening patterned by a general photolithography process. To do. The method for forming the opening 111 is, for example, wet etching using buffered hydrofluoric acid (BHF), RIE (Reactive Ion Etching) method, ECR (Electron Cyclotron Resonance) method, or ICP (Inductive Coupled Plasma) method. Dry etching by is common.

今回の特徴である図1に示すテーパー形状を有する開口部111を得るための手段として、本願では、絶縁膜106とフォトレジストとの間に、絶縁膜106よりもドライエッチングレートの高い、開口部111の形成のための犠牲絶縁膜(SiN膜)をプラズマCVDによって、所定の膜厚で形成したうえで、ICP法によるドライエッチングによって開口部111を形成する方法を取った。 As a means for obtaining the opening 111 having the tapered shape shown in FIG. 1, which is a feature of this time, in the present application, an opening having a higher dry etching rate than the insulating film 106 between the insulating film 106 and the photoresist. A sacrificial insulating film (SiN film) for forming the 111 was formed with a predetermined film thickness by plasma CVD, and then the opening 111 was formed by dry etching by the ICP method.

本手法によれば、フォトレジストの開口部からのサイドエッチングが、絶縁膜106よりも上記犠牲絶縁膜のほうが早期に進行することで(ドライエッチングレートの差を利用することで)、犠牲絶縁膜の膜厚に依存して、絶縁膜106の開口部の表面側が、ドレイン側、及びソース側に傾斜した所望の角度(25度〜75度)を有するテーパー形状(台形四角柱状の輪郭面)を得ることができる。 According to this method, the side etching from the opening of the photoresist proceeds earlier in the sacrificial insulating film than in the insulating film 106 (by utilizing the difference in the dry etching rate), so that the sacrificial insulating film Depending on the thickness of the insulating film 106, the surface side of the opening of the insulating film 106 has a tapered shape (trapezoidal square columnar contour surface) having a desired angle (25 degrees to 75 degrees) inclined toward the drain side and the source side. Obtainable.

次に、前記開口部111の領域に、一般的なフォトリソグラフィ工程によりパターンニングを行ったフォトレジストの開口部を介して、例えば、一般的な蒸着法によって、GaN系HEMTにおいて良好なショットキー接合を得るのに有効な積層金属として、例えば、Ni/Au、Pt/Au、Pt/Ti/Auのうち、いずれか1つの積層金属を選択して形成し、ゲート電極108を得る。 Next, a good Schottky junction in a GaN-based HEMT is performed in the region of the opening 111 through the opening of the photoresist that has been patterned by a general photolithography process, for example, by a general vapor deposition method. As an effective laminated metal for obtaining the above, for example, any one of Ni / Au, Pt / Au, and Pt / Ti / Au is selected and formed to obtain the gate electrode 108.

次に、トランジスタの動作部を保護するための絶縁保護膜109を形成し、さらに、一般的なフォトリソグラフィ工程により、所定の箇所の絶縁保護膜109を開口した後、ソース電極104、ドレイン電極105、及びトランジスタの動作部の外側へ延伸して引き出されたゲート電極108と、各々接続された(図示しない)外部回路と接続するために形成される配線電極110を形成して、図1のGaN系HEMTの電界効果型トランジスタが得られる。 Next, an insulating protective film 109 for protecting the operating portion of the transistor is formed, and further, after opening the insulating protective film 109 at a predetermined position by a general photolithography step, the source electrode 104 and the drain electrode 105 , And the gate electrode 108 drawn out by extending to the outside of the operating portion of the transistor, and the wiring electrode 110 formed for connecting to each connected (not shown) external circuit are formed to form the GaN of FIG. A field effect transistor of the system HEMT can be obtained.

実施の形態1の作用、及び効果を確認するために、実際にAlGaN/GaN HEMTトランジスタの試作を実施し、ゲートリーク電流の評価を行った。
まず、実験には、絶縁膜106には、−2GPaの圧縮応力を有するSiN膜を用いた。プラズマCVD法によって形成されるSiN膜は、−400MPaの圧縮応力から400MPaの引張応力の範囲が、一般的な調整の範囲である。
In order to confirm the operation and effect of the first embodiment, an AlGaN / GaN HEMT transistor was actually prototyped and the gate leak current was evaluated.
First, in the experiment, a SiN film having a compressive stress of -2 GPa was used as the insulating film 106. The SiN film formed by the plasma CVD method has a range of a compressive stress of −400 MPa to a tensile stress of 400 MPa, which is a general adjustment range.

そこで、今回は、−2GPaの圧縮応力の絶縁膜106を得るためにECRスパッタ装置を用いることよりこれを実現した。絶縁膜106の膜厚は80nmとした。ただし、絶縁膜の残留応力が大きくなると、絶縁膜の割れ、あるいは剥離といった不具合が生じる懸念が高まる。今回の一連の検証では、少なくとも−3GPaの圧縮応力までは、絶縁膜106で適用される膜厚としてほぼ最大値と想定される200nmであっても、絶縁膜の割れ、あるいは剥離といった不具合が生じなかった。また、今回の製造プロセスでは、図1の符号111で示した開口部のテーパー形状部分の傾斜角度は60度が得られた。 Therefore, this time, this was realized by using an ECR sputtering apparatus to obtain an insulating film 106 having a compressive stress of -2 GPa. The film thickness of the insulating film 106 was 80 nm. However, when the residual stress of the insulating film becomes large, there is a growing concern that problems such as cracking or peeling of the insulating film will occur. In this series of verifications, problems such as cracking or peeling of the insulating film occur even at 200 nm, which is assumed to be the maximum film thickness applied to the insulating film 106, up to a compressive stress of at least -3 GPa. There wasn't. Further, in the present manufacturing process, the inclination angle of the tapered portion of the opening indicated by reference numeral 111 in FIG. 1 was 60 degrees.

ここで、ひとつの問題点として、GaN系HEMTはウェハプロセス工程におけるウェット処理、またはドライ処理の影響を受け、ゲートリーク電流が大きく変動する事例、あるいは半導体エピ表面を保護する絶縁膜の影響を受けゲートリーク電流が大きく変動する事例がある。 Here, as one problem, the GaN-based HEMT is affected by the wet treatment or the dry treatment in the wafer process process, and the gate leakage current fluctuates greatly, or is affected by the insulating film that protects the semiconductor epi surface. There are cases where the gate leak current fluctuates greatly.

さらに、絶縁膜の応力値を各種成膜装置の成長条件の変更で調整した場合、ゲートリーク電流が仮に変化した場合に、その原因が膜質によるものなのか、絶縁膜の応力によるものなのか、切り分けることは、実際にはかなり困難である。 Furthermore, when the stress value of the insulating film is adjusted by changing the growth conditions of various film forming devices, if the gate leak current changes, is it due to the film quality or the stress of the insulating film? Separation is actually quite difficult.

そこで今回は、半導体表面へのウェハプロセスによる影響、あるいは絶縁膜の膜質の影響を極限に排除するために、図1のトランジスタ構造に加えて、図2と図3に示すようなトランジスタ構造を組み合わせて評価することとした。 Therefore, this time, in order to eliminate the influence of the wafer process on the semiconductor surface or the influence of the film quality of the insulating film to the utmost limit, in addition to the transistor structure of FIG. 1, the transistor structures as shown in FIGS. 2 and 3 are combined. I decided to evaluate it.

図2に示すゲート部の構造では、図1における絶縁膜106の領域に対し、電子供給層203の直上には、圧縮応力を有する第1の絶縁膜206と、第1の絶縁膜206の上には、引張応力を有する第2の絶縁膜207との2層に分けて積層して形成した。総厚は図1の80nm厚に統一し、膜厚によるゲートリーク電流の差が生じないようにした。 In the structure of the gate portion shown in FIG. 2, with respect to the region of the insulating film 106 in FIG. 1, directly above the electron supply layer 203, above the first insulating film 206 having compressive stress and the first insulating film 206. Was formed by being divided into two layers and laminated with a second insulating film 207 having tensile stress. The total thickness was unified to 80 nm in FIG. 1 so that there would be no difference in gate leakage current due to the film thickness.

圧縮応力を有する第1の絶縁膜206と引張応力を有する第2の絶縁膜207との膜厚比を10nm/70nm、20nm/60nm、30nm/50nmのいずれかとなるように、図2に係る3つの電界効果トランジスタを作製した。
なお、引張応力を有する第2の絶縁膜207は、プラズマCVDによって形成し、応力値は130MPaを得た。ここで、第1の絶縁膜206の圧縮応力は−2GPaである。図2の丸の破線で囲んだテーパー形状の開口部211の傾斜角度は60度である。
3 according to FIG. 2 so that the film thickness ratio of the first insulating film 206 having compressive stress and the second insulating film 207 having tensile stress is any one of 10 nm / 70 nm, 20 nm / 60 nm, and 30 nm / 50 nm. Two field effect transistors were made.
The second insulating film 207 having a tensile stress was formed by plasma CVD, and the stress value was 130 MPa. Here, the compressive stress of the first insulating film 206 is -2 GPa. The angle of inclination of the tapered opening 211 surrounded by the broken line of the circle in FIG. 2 is 60 degrees.

一方、図3に示すゲート部の構造では、図1における絶縁膜106の領域に対し、電子供給層303の直上には引張応力を有する第1の絶縁膜307と、この第1の絶縁膜307の上には圧縮応力を有する第2の絶縁膜306との2層に分けて積層して形成した。総厚は図1の80nm厚に統一し、膜厚によるゲートリーク電流の差が生じないようにした。 On the other hand, in the structure of the gate portion shown in FIG. 3, the first insulating film 307 having a tensile stress directly above the electron supply layer 303 and the first insulating film 307 with respect to the region of the insulating film 106 in FIG. It was formed by laminating it in two layers with a second insulating film 306 having compressive stress. The total thickness was unified to 80 nm in FIG. 1 so that there would be no difference in gate leakage current due to the film thickness.

引張応力を有する第1の絶縁膜307と圧縮応力を有する第2の絶縁膜306との膜厚比を10nm/70nm、20nm/60nm、80nm/0nm(この場合には第2の絶縁膜306は形成しない)のいずれかとなるように、図3に係る3つの電界効果トランジスタを作製した。 The film thickness ratios of the first insulating film 307 having tensile stress and the second insulating film 306 having compressive stress are 10 nm / 70 nm, 20 nm / 60 nm, and 80 nm / 0 nm (in this case, the second insulating film 306 is Three field-effect transistors according to FIG. 3 were manufactured so as to be one of (not formed).

なお、引張応力を有する第1の絶縁膜307はプラズマCVDによって形成し、応力値は130MPaを得た。圧縮応力を有する第2の絶縁膜306の応力値は−2GPaである。なお、図3のテーパー形状の開口部311の傾斜角度は60度である。 The first insulating film 307 having a tensile stress was formed by plasma CVD, and the stress value was 130 MPa. The stress value of the second insulating film 306 having a compressive stress is -2 GPa. The inclination angle of the tapered opening 311 in FIG. 3 is 60 degrees.

圧縮応力を有する第1の絶縁膜206と引張応力を有する第2の絶縁膜207との膜厚比が、10nm/70nm、20nm/60nm、30nm/50nm、80nm/0nm(この場合には引張応力の絶縁膜は形成していない。図1の構造を参照)であるときのゲートリーク電流の測定結果を図4に示す。図4で上層絶縁膜には引張応力が、下層絶縁膜には圧縮応力が生じている。また、図中の符号Aで示した点線の枠は、図2に示すトランジスタ構造に該当する膜厚比であり、符号Bで示した丸の点線の枠は、図1に示すトランジスタ構造に該当する。また、三角の記号は、該当する膜厚比に設定した場合の評価したリーク電流値を示す。この図4に示すとおり、圧縮応力を有する絶縁膜(下側の下層絶縁膜の値を参照)の膜厚が増加するほどゲートリーク電流が小さくなる結果となった。 The film thickness ratios of the first insulating film 206 having compressive stress and the second insulating film 207 having tensile stress are 10 nm / 70 nm, 20 nm / 60 nm, 30 nm / 50 nm, and 80 nm / 0 nm (in this case, tensile stress). The measurement result of the gate leak current when the insulating film is not formed (see the structure of FIG. 1) is shown in FIG. In FIG. 4, tensile stress is generated in the upper insulating film and compressive stress is generated in the lower insulating film. The dotted frame indicated by reference numeral A in the figure is the film thickness ratio corresponding to the transistor structure shown in FIG. 2, and the circled dotted frame indicated by reference numeral B corresponds to the transistor structure shown in FIG. To do. Further, the triangular symbol indicates the evaluated leak current value when the corresponding film thickness ratio is set. As shown in FIG. 4, as the film thickness of the insulating film having compressive stress (see the value of the lower lower insulating film) increases, the gate leakage current becomes smaller.

次に、引張応力を有する第1の絶縁膜307と圧縮応力を有する第2の絶縁膜306との膜厚比が、10nm/70nm、20nm/60nm、80nm/0nm(この場合には第2の絶縁膜306は形成していない) であるときのゲートリーク電流の測定結果を図5に示す。図5で上層絶縁膜には圧縮応力が、下層絶縁膜には引張応力が生じている。また、図中の符号Cで示した点線の枠は、図3に示すトランジスタ構造に該当する膜厚比である。枠中の丸印は上記3つの膜厚比にした各場合の評価したゲートリーク電流の値である。 Next, the film thickness ratios of the first insulating film 307 having tensile stress and the second insulating film 306 having compressive stress are 10 nm / 70 nm, 20 nm / 60 nm, and 80 nm / 0 nm (in this case, the second). The measurement result of the gate leak current when the insulating film 306 is not formed) is shown in FIG. In FIG. 5, compressive stress is generated in the upper insulating film and tensile stress is generated in the lower insulating film. The dotted line frame indicated by the reference numeral C in the drawing is the film thickness ratio corresponding to the transistor structure shown in FIG. The circles in the frame are the values of the gate leak current evaluated in each of the above three film thickness ratios.

図5に示すとおり、引張応力を有する絶縁膜の膜厚が増加するほどゲートリーク電流が大きくなる結果、すなわち圧縮応力を有する絶縁膜の膜厚が厚いほどゲートリーク電流は小さくなった。 As shown in FIG. 5, the gate leakage current increased as the film thickness of the insulating film having tensile stress increased, that is, the gate leak current decreased as the film thickness of the insulating film having compressive stress increased.

図4、図5の結果より、半導体表面上に直接形成していることに依らず、圧縮応力を有する絶縁膜の膜厚を増加させると、一様にゲートリーク電流が小さくなることから、絶縁膜の残留応力による電界強度を低減させる作用が働いたことは明らかである。 From the results shown in FIGS. 4 and 5, the gate leakage current becomes uniformly smaller when the film thickness of the insulating film having compressive stress is increased regardless of the fact that the insulating film is formed directly on the semiconductor surface. It is clear that the action of reducing the electric current strength due to the residual stress of the film worked.

さらに、図2の圧縮応力を有する第1の絶縁膜206と引張応力を有する第2の絶縁膜207との膜厚比が70nm/10nmとなる構造の電界効果トランジスタを仮に作製したとき、図3の引張応力を有する第1の絶縁膜307と圧縮応力を有する第2の絶縁膜306との膜厚比が10nm/70nmとなる構造の電界効果トランジスタは、図2の膜厚比70nm/10nmのトランジスタよりもゲートリーク電流が大きくなることは、上述の図4、図5の結果から明らかである。これは、半導体表面上に直接形成した絶縁膜の膜種が影響している可能性を強く示唆する興味深い結果である。 Further, when a field effect transistor having a structure in which the film thickness ratio of the first insulating film 206 having the compressive stress and the second insulating film 207 having the tensile stress in FIG. 2 is 70 nm / 10 nm is tentatively manufactured, FIG. The field-effect transistor having a structure in which the film thickness ratio of the first insulating film 307 having the tensile stress and the second insulating film 306 having the compressive stress is 10 nm / 70 nm has a film thickness ratio of 70 nm / 10 nm in FIG. It is clear from the results of FIGS. 4 and 5 described above that the gate leakage current is larger than that of the transistor. This is an interesting result that strongly suggests that the type of insulating film formed directly on the semiconductor surface may have an effect.

今回の実験結果では、絶縁膜のテーパー型開口部の傾斜角度が60度でも、圧縮応力を有する絶縁膜のほうがゲートリーク電流を小さくするうえで有効であった。 According to the results of this experiment, even if the inclination angle of the tapered opening of the insulating film is 60 degrees, the insulating film having compressive stress is more effective in reducing the gate leakage current.

これに対して、図12のシミュレーション結果では、絶縁膜のテーパー型開口部の傾斜角度が60度では、引張応力の値が大きい方がゲートリーク電流は小さい結果となり、絶対値として、上記の実験結果とは乖離がある。 On the other hand, in the simulation result of FIG. 12, when the inclination angle of the tapered opening of the insulating film is 60 degrees, the larger the tensile stress value, the smaller the gate leak current, and the absolute value is the above experiment. There is a discrepancy with the result.

しかし、デバイスシミュレーションは、与えた電界効果トランジスタの構造と構造を構成する各種材料の物性値に基づき算出される結果であって、ゲート部の構造と材料の残留応力によって生じるゲートリーク電流に対する作用が、物性値をパラメータとして検討していることから、その定性的な傾向については普遍的であることは理解されたい。 However, the device simulation is a result calculated based on the structure of the given field effect transistor and the physical property values of various materials constituting the structure, and the action on the gate leak current caused by the structure of the gate and the residual stress of the material is exerted. It should be understood that the qualitative tendency is universal because the physical property value is examined as a parameter.

一方、実験的には、絶縁膜のテーパー形状を持つ開口部の傾斜角度が75度でも、圧縮応力を有する絶縁膜のほうがゲートリーク電流を小さくできると判断される結果(図示せず)も、別途得ている。 On the other hand, experimentally, even if the inclination angle of the tapered opening of the insulating film is 75 degrees, it is judged that the insulating film having compressive stress can reduce the gate leakage current (not shown). Obtained separately.

すでに上記で説明したとおり、ゲート端部の半導体表面の結晶歪みが絶縁膜開口部の傾斜角度と絶縁膜の残留応力との組み合わせの作用で変化し、所定の条件を満たしたときにゲート端部の電界強度が緩和される作用が得られる。 As already explained above, the crystal strain on the semiconductor surface at the gate end changes due to the combination of the inclination angle of the insulating film opening and the residual stress of the insulating film, and when a predetermined condition is satisfied, the gate end The effect of relaxing the electric field strength of the above is obtained.

以上説明した内容を考慮することで、半導体表面の状態、あるいは表面を保護する絶縁保護膜の膜質に影響されることなく、ゲートリーク電流を一律に低減できる電界効果型トランジスタが得られる。 By considering the contents described above, a field effect transistor capable of uniformly reducing the gate leakage current can be obtained without being affected by the state of the semiconductor surface or the film quality of the insulating protective film that protects the surface.

実施の形態2.
先に記した図1における絶縁膜106の領域に対して、図2に示すように、電子供給層203の直上には、圧縮応力を有する絶縁膜である第1の絶縁膜206と、この第1の絶縁膜206の上には引張応力を有する絶縁膜である第2の絶縁膜207との2層に分けて積層して形成したゲート構造の形態が考えられる。なお、第1の絶縁膜206は、例えば、GaN層で構成されたチャネル層202、AlGaN層で構成された電子供給層203が、順に積層された後に、積層されることになる。
電界効果トランジスタを設計あるいは製造する上では、第1の絶縁膜206、第2の絶縁膜207以外の絶縁膜を形成することが多いが(例えば、ゲート電極208の表面を保護するための絶縁保護膜209は多くの場合、長期信頼性を確保する観点から形成される。すなわち、図2に示すように、ゲート電極208、および第2の絶縁膜207は、いずれも絶縁保護膜209により、その表面を覆われて保護されている)、トランジスタを保護する絶縁膜の総厚によって決まる応力を所定の範囲に制御するために引張応力の膜を当該工程で使用しなければならない場合などに、本実施の形態の2層積層構造の絶縁膜を使用することが考えられる。
Embodiment 2.
With respect to the region of the insulating film 106 in FIG. 1 described above, as shown in FIG. 2, a first insulating film 206, which is an insulating film having compressive stress, and the first insulating film 206 directly above the electron supply layer 203 A form of a gate structure formed by dividing into two layers and laminating a second insulating film 207, which is an insulating film having tensile stress, on the insulating film 206 of 1 can be considered. The first insulating film 206 is laminated after, for example, the channel layer 202 composed of the GaN layer and the electron supply layer 203 composed of the AlGaN layer are laminated in this order.
In designing or manufacturing a field effect transistor, an insulating film other than the first insulating film 206 and the second insulating film 207 is often formed (for example, insulation protection for protecting the surface of the gate electrode 208). The film 209 is often formed from the viewpoint of ensuring long-term reliability. That is, as shown in FIG. 2, the gate electrode 208 and the second insulating film 207 are both formed by the insulating protective film 209. The surface is covered and protected), and a tensile stress film must be used in the process to control the stress determined by the total thickness of the insulating film that protects the transistor within a predetermined range. It is conceivable to use the insulating film having the two-layer laminated structure of the embodiment.

図4の実験結果に示したとおり、実施の形態2の構成でも、実施の形態1と同じ作用が得られることが判る。 As shown in the experimental results of FIG. 4, it can be seen that the same operation as that of the first embodiment can be obtained even with the configuration of the second embodiment.

上述のように、圧縮応力の絶縁膜を使用することにより、ゲートリーク電流の悪化を最小限に留めることができる。 As described above, the deterioration of the gate leakage current can be minimized by using the insulating film with compressive stress.

実施の形態3.
先に既に記したが、図3に示す、図1における絶縁膜106の領域に対し、電子供給層303の直上には引張応力を有する第1の絶縁膜307と、この第1の絶縁膜307の上には圧縮応力を有する第2の絶縁膜306との2層に分けて積層して形成したゲート構造の形態が考えられる。なお、図中、第1の絶縁膜307は、例えば、GaN層で構成されたチャネル層302、AlGaN層で構成された電子供給層303が、順に積層された後に、積層されることになる。また、第2の絶縁膜306およびゲート電極308は、絶縁保護膜309により、それらの表面が覆われて保護されている。
Embodiment 3.
As described above, the first insulating film 307 having a tensile stress directly above the electron supply layer 303 and the first insulating film 307 with respect to the region of the insulating film 106 in FIG. 1 shown in FIG. A form of a gate structure formed by dividing into two layers and laminating with a second insulating film 306 having compressive stress can be considered. In the figure, the first insulating film 307 is laminated after, for example, the channel layer 302 composed of the GaN layer and the electron supply layer 303 composed of the AlGaN layer are laminated in this order. Further, the surfaces of the second insulating film 306 and the gate electrode 308 are covered and protected by the insulating protective film 309.

GaN系 HEMTの性能あるいは信頼性は、半導体表面の状態、あるいは表面を保護する絶縁膜の膜質の影響を強く受けることは既に述べてきた。膜の種類、膜厚、膜形成のプロセスなどによって決まる制約により、引張応力を有する絶縁膜のほうを半導体表面側に採用しなければならない場合が考えられる。 It has already been mentioned that the performance or reliability of GaN-based HEMTs is strongly influenced by the state of the semiconductor surface or the film quality of the insulating film that protects the surface. Due to restrictions determined by the type of film, film thickness, film formation process, etc., it may be necessary to use an insulating film with tensile stress on the semiconductor surface side.

図5の実験結果に示したとおり、実施の形態3の構成でも、実施の形態1と同じ作用が得られることが判る。 As shown in the experimental results of FIG. 5, it can be seen that the same operation as that of the first embodiment can be obtained even with the configuration of the third embodiment.

上述のように、圧縮応力を有する絶縁膜の使用により、ゲートリーク電流の悪化を最小限に留めることができることがわかる。 As described above, it can be seen that the deterioration of the gate leakage current can be minimized by using the insulating film having compressive stress.

実施の形態4.
GaN系 HEMTの性能あるいは信頼性は半導体表面の状態、あるいは表面を保護する絶縁膜の膜質の影響を強く受けることは既に述べてきた。さらには、膜の種類、膜厚、膜形成のプロセスなどによって決まる制約により、引張応力を有する絶縁膜のほうを半導体表面側に採用しなければならない場合が考えられる。
Embodiment 4.
It has already been mentioned that the performance or reliability of GaN-based HEMTs is strongly influenced by the state of the semiconductor surface or the film quality of the insulating film that protects the surface. Furthermore, it may be necessary to adopt an insulating film having tensile stress on the semiconductor surface side due to restrictions determined by the type of film, the film thickness, the process of film formation, and the like.

このような場合、図12のシミュレーションの結果は有用となる。具体的には、図6に示すように、半導体表面は、絶縁膜407により直接被覆されており、この絶縁膜407は、引張応力を有する絶縁膜である。そして、絶縁膜407の開口部が電子供給層403上面に対し90度(開口部が直方体状輪郭面を持つ場合)、ないし、電子供給層403上面から見て75度〜90度未満の傾斜角度を持つ(開口部が台形四角柱状輪郭面を持つ場合。図中の丸の点線で示した開口部411を参照)ように形成されている。なお、図中、絶縁膜407は、例えば、GaN層で構成されたチャネル層402、AlGaN層で構成された電子供給層403が、順に積層された後に、積層されることになる。また、この絶縁膜407、およびゲート電極408は、いずれも、絶縁保護膜409により、その表面を覆われることにより保護されている。 In such a case, the simulation result of FIG. 12 is useful. Specifically, as shown in FIG. 6, the semiconductor surface is directly coated with the insulating film 407, and the insulating film 407 is an insulating film having tensile stress. The opening of the insulating film 407 is 90 degrees with respect to the upper surface of the electron supply layer 403 (when the opening has a rectangular parallelepiped contour surface), or an inclination angle of 75 degrees to less than 90 degrees when viewed from the upper surface of the electron supply layer 403. (When the opening has a trapezoidal square columnar contour surface. See the opening 411 indicated by the dotted circle in the figure). In the figure, the insulating film 407 is laminated after, for example, the channel layer 402 composed of the GaN layer and the electron supply layer 403 composed of the AlGaN layer are laminated in this order. Further, both the insulating film 407 and the gate electrode 408 are protected by covering the surface thereof with the insulating protective film 409.

図10、図11のシミュレーションの結果によれば、実施の形態4により作製したトランジスタは、仮に絶縁膜407に圧縮応力を有する絶縁膜で形成したトランジスタよりもゲート端部の電界強度が緩和される作用が得られる。 According to the results of the simulations of FIGS. 10 and 11, the transistor produced according to the fourth embodiment has a lower electric field strength at the gate end than the transistor formed of the insulating film having compressive stress on the insulating film 407. The action is obtained.

また、図12のシミュレーションの結果によれば、半導体表面の状態、あるいは表面を保護する絶縁保護膜の膜質に左右されることなくゲートリーク電流を一律に低減できる電界効果型トランジスタ(具体的には、図12の角度パラメータが75度の場合を参照)が得られる。 Further, according to the result of the simulation of FIG. 12, a field effect transistor (specifically, a field effect transistor) capable of uniformly reducing the gate leakage current regardless of the state of the semiconductor surface or the film quality of the insulating protective film that protects the surface. , See the case where the angle parameter in FIG. 12 is 75 degrees).

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Although the present application describes various exemplary embodiments and examples, various features, aspects, and functions described in one or more of the embodiments are applicable to particular embodiments. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to the embodiments alone or in various combinations.
Therefore, innumerable variations not illustrated are envisioned within the scope of the techniques disclosed herein. For example, it is assumed that at least one component is modified, added or omitted, and further, at least one component is extracted and combined with the components of other embodiments.

101 半導体基板、102、202、302、402 チャネル層、103、203、303、403 電子供給層、104 ソース電極、105 ドレイン電極、106 絶縁膜、108、208、308、408 ゲート電極、109、209、309、409 絶縁保護膜、110 配線電極、111、211、311、411 開口部、206、307 第1の絶縁膜、207、306 第2の絶縁膜、407 絶縁膜(引張応力有り) 101 Semiconductor substrate, 102, 202, 302, 402 channel layer, 103, 203, 303, 403 electron supply layer, 104 source electrode, 105 drain electrode, 106 insulating film, 108, 208, 308, 408 gate electrode, 109, 209 , 309, 409 Insulation protective film, 110 Wiring electrode, 111, 211, 311, 411 openings, 206, 307 First insulating film, 207, 306 Second insulating film, 407 Insulating film (with tensile stress)

Claims (6)

電子供給層の面上に形成されたゲート電極、ソース電極、ドレイン電極を有する電界効果型トランジスタであって、
引張応力を有する、前記電子供給層の表面に形成された第1の絶縁膜、および、圧縮応力を有する、当該第1の絶縁膜の表面に形成した第2の絶縁膜、を持ち、前記電子供給層を被覆する絶縁膜と、
当該絶縁膜中の前記ゲート電極を形成する領域に形成され、前記電子供給層と一面で接する台形四角柱状輪郭面を有する前記絶縁膜の開口部と、
を備え、
前記ゲート電極は、前記開口部により前記電子供給層が露出した領域で当該電子供給層とショットキー接合され、
前記絶縁膜は、前記開口部の台形四角柱状輪郭面、および前記電子供給層と接する面とは逆の表面で、前記ゲート電極と接しているとともに、
前記開口部の台形四角柱状輪郭面の断面形状は、前記電子供給層の表面に対する傾斜角度が60度から75度の範囲に設定されていることを特徴とする電界効果型トランジスタ。
A field-effect transistor having a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode formed on the surface of an electron supply layer.
Having a tensile stress, the first insulating film formed on the surface of the electron supply layer, and has a compressive stress, a second insulating film formed on the surface of those first insulating film, having a said An insulating film that covers the electron supply layer and
An opening of the insulating film formed in a region forming the gate electrode in the insulating film and having a trapezoidal square columnar contour surface which is in contact with the electron supply layer on one surface.
With
The gate electrode is Schottky-bonded to the electron supply layer in a region where the electron supply layer is exposed by the opening.
The insulating film is in contact with the gate electrode on a surface opposite to the trapezoidal square columnar contour surface of the opening and the surface in contact with the electron supply layer.
A field-effect transistor characterized in that the cross-sectional shape of the trapezoidal square columnar contour surface of the opening is set in an inclination angle of 60 degrees to 75 degrees with respect to the surface of the electron supply layer.
前記第2の絶縁膜の応力は−2GPaより大きく0未満の範囲に設定されていることを特徴とする請求項1に記載の電界効果型トランジスタ。 The field-effect transistor according to claim 1, wherein the stress of the second insulating film is set in a range larger than -2 GPa and less than 0 . 前記絶縁膜は窒化シリコン膜であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電界効果型トランジスタ。 The field-effect transistor according to claim 1 or 2, wherein the insulating film is a silicon nitride film. 前記電子供給層は、SiC、GaN、あるいはサファイアでできた半導体基板上に形成されたチャネル層上に形成されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の電界効果型トランジスタ。 The electric field effect according to any one of claims 1 to 3, wherein the electron supply layer is formed on a channel layer formed on a semiconductor substrate made of SiC, GaN, or sapphire. Type transistor. GaN系の高電子移動度トランジスタであることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の電界効果型トランジスタ。 The field effect transistor according to any one of claims 1 to 4, which is a GaN-based high electron mobility transistor. 前記GaN系の高電子移動度トランジスタは、AlGaN/GaN高電子移動度トランジスタであることを特徴とする請求項5に記載の電界効果型トランジスタ。 The field effect transistor according to claim 5, wherein the GaN-based high electron mobility transistor is an AlGaN / GaN high electron mobility transistor.
JP2019005729A 2019-01-17 2019-01-17 Field effect transistor Active JP6752304B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019005729A JP6752304B2 (en) 2019-01-17 2019-01-17 Field effect transistor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019005729A JP6752304B2 (en) 2019-01-17 2019-01-17 Field effect transistor

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018545232A Division JP6470480B1 (en) 2018-04-13 2018-04-13 Field effect transistor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019186527A JP2019186527A (en) 2019-10-24
JP6752304B2 true JP6752304B2 (en) 2020-09-09

Family

ID=68337846

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019005729A Active JP6752304B2 (en) 2019-01-17 2019-01-17 Field effect transistor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6752304B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113035715B (en) * 2019-12-25 2022-11-22 华润微电子(重庆)有限公司 Shielded gate trench field effect transistor and method of making same

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7071498B2 (en) * 2003-12-17 2006-07-04 Nitronex Corporation Gallium nitride material devices including an electrode-defining layer and methods of forming the same
JP2006120694A (en) * 2004-10-19 2006-05-11 Oki Electric Ind Co Ltd Semiconductor device and its manufacturing method
US7709269B2 (en) * 2006-01-17 2010-05-04 Cree, Inc. Methods of fabricating transistors including dielectrically-supported gate electrodes
JP2008243848A (en) * 2007-03-23 2008-10-09 Sanken Electric Co Ltd Semiconductor device
JP4719210B2 (en) * 2007-12-28 2011-07-06 富士通株式会社 Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP6085178B2 (en) * 2013-01-18 2017-02-22 住友電気工業株式会社 Method for manufacturing MES structure transistor, MES structure transistor

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019186527A (en) 2019-10-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6050579B2 (en) Nitride-based transistor with protective layer and low damage recess and method of fabrication
US10283632B2 (en) Nitride semiconductor device and manufacturing method thereof
US9368609B2 (en) Semiconductor device including a trench with a corner having plural tapered portions
JP2012028725A (en) Enhancement-mode high-electron-mobility transistor and manufacturing method thereof
WO2013108844A1 (en) Nitride semiconductor device
TW202025258A (en) Method of manufacturing gate structure for gallium nitride hemt
JP6470480B1 (en) Field effect transistor
JP6171250B2 (en) Semiconductor device
JP6752304B2 (en) Field effect transistor
JP2024042046A (en) Enhancement type metal-insulator-semiconductor high electron mobility transistor
CN112216741B (en) Insulating structure of high electron mobility transistor and manufacturing method thereof
US10249750B2 (en) Semiconductor device
EP3140868B1 (en) Semiconductor structure having a passivated iii-nitride layer and method for manufacturing thereof
JP5486166B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
WO2014181556A1 (en) Field effect transistor
WO2013021822A1 (en) Gan-based compound semiconductor device
KR101985897B1 (en) Method of manufacturing high-electron-mobility transistor with high linearlity and high power
CN111937125B (en) Field effect transistor
KR20220083619A (en) High electron mobility transistor and fabricating method thereof
JP2011204823A (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190117

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200212

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20200213

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20200410

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20200410

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200521

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200721

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200818

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6752304

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250