JP2003037118A - Field effect transistor - Google Patents

Field effect transistor

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JP2003037118A
JP2003037118A JP2001223872A JP2001223872A JP2003037118A JP 2003037118 A JP2003037118 A JP 2003037118A JP 2001223872 A JP2001223872 A JP 2001223872A JP 2001223872 A JP2001223872 A JP 2001223872A JP 2003037118 A JP2003037118 A JP 2003037118A
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semiconductor multilayer
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Takatomo Enoki
孝知 榎木
Kenji Shiojima
謙次 塩島
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a transistor which has a positive threshold voltage and low parasitic resistances by controlling the threshold voltage of the nitride compound semiconductor field effect transistor. SOLUTION: In the regions between a source electrode 17 and a gate electrode 110 and between a drain electrode 18 and the gate electrode 110, insulation layers 111, 112 accompanied with a compressive stress are formed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、耐圧特性及び高周
波パワー特性に優れたナイトライド系化合物半導体材料
からなるn型電界効果トランジスタに関するものであ
り、特に正の閾値電圧と小さな寄生抵抗を実現するn型
電界効果トランジスタに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an n-type field effect transistor made of a nitride-based compound semiconductor material which is excellent in withstand voltage characteristics and high frequency power characteristics, and particularly realizes a positive threshold voltage and a small parasitic resistance. The present invention relates to an n-type field effect transistor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来のナイトライド系化合物半導体材料
からなる電界効果トランジスタ(以下、FET=Field
Effect Transistor という)について説明する。図5は
従来のFETの第1の代表的な構造を示す説明図であ
る。サファイア(0001)基板50上にAlN(40
nm)のバッファ層51,GaN(3μm)のチャネル
層52、Al0.25Ga0.75N(3nm)のスペーサ層5
3、所定の濃度のSiドナをドープしたAl0.25Ga0.75
N(8nm)キャリア供給層54、GaN(4nm)の
ショットキー層55が順次エピタキシャル成長(例え
ば、MOCVDやRF MBE等)され、半導体多層構
造56が形成されている。
2. Description of the Related Art A field effect transistor (hereinafter referred to as FET = Field) made of a conventional nitride compound semiconductor material.
Effect Transistor). FIG. 5 is an explanatory diagram showing a first typical structure of a conventional FET. On a sapphire (0001) substrate 50, AlN (40
nm) buffer layer 51, GaN (3 μm) channel layer 52, and Al 0.25 Ga 0.75 N (3 nm) spacer layer 5
3. Al 0.25 Ga 0.75 doped with a predetermined concentration of Si donor
An N (8 nm) carrier supply layer 54 and a GaN (4 nm) Schottky layer 55 are sequentially epitaxially grown (for example, MOCVD or RF MBE) to form a semiconductor multilayer structure 56.

【0003】本多層構造においては、熱平衡状態におけ
るAl0.25Ga0.75NとGaNの格子定数の違いにより、
Al0.25Ga0.75Nスペーサ層53及びキャリア供給層5
4中に伸張性のひずみが発生する。Al0.25Ga0.75Nの
ピエゾ電気効果により、同ひずみによってAl0.25Ga
0.75Nスペーサ層53とGaNチャネル層52の界面に
正の電荷が誘起される。また、Al0.25Ga0.75NとGa
Nの自発分極の違いによって同界面に正の電荷が誘起さ
れる。更に、Al0.25Ga0.75Nキャリア供給層54中の
ドナは正の電荷を有するイオンとなる。
In this multilayer structure, due to the difference in the lattice constants of Al 0.25 Ga 0.75 N and GaN in the thermal equilibrium state,
Al 0.25 Ga 0.75 N spacer layer 53 and carrier supply layer 5
An extensible strain is generated during 4. Due to the piezoelectric effect of Al 0.25 Ga 0.75 N, the same strain causes Al 0.25 Ga
Positive charges are induced at the interface between the 0.75 N spacer layer 53 and the GaN channel layer 52. Also, Al 0.25 Ga 0.75 N and Ga
A positive charge is induced at the same interface due to the difference in spontaneous polarization of N. Further, the donor in the Al 0.25 Ga 0.75 N carrier supply layer 54 becomes an ion having a positive charge.

【0004】これらの正の電荷を中和する作用を有する
2次元電子ガスがチャネル層52中のスペーサ層53と
の界面付近に形成されている。このようにして作製され
た半導体多層構造の表面には、例えばTi/Al等による
ソース電極57、ドレイン電極58のオーミックコンタ
クト領域が形成され、チャネル層52に形成される2次
元電子ガスと電気的に接続されている。また、ショット
キー層55の表面に例えばWSiN/Auを順次堆積して
ゲート電極510が形成される。
A two-dimensional electron gas having a function of neutralizing these positive charges is formed in the channel layer 52 near the interface with the spacer layer 53. On the surface of the semiconductor multi-layer structure thus manufactured, ohmic contact regions of the source electrode 57 and the drain electrode 58 are formed of, for example, Ti / Al, and are electrically connected to the two-dimensional electron gas formed in the channel layer 52. It is connected to the. Further, for example, WSiN / Au is sequentially deposited on the surface of the Schottky layer 55 to form the gate electrode 510.

【0005】図6は従来のFETの第2の代表的な構造
を示す説明図である。サファイア(0001)基板60
上にAlN(40nm)のバッファ層61,GaN(3μ
m)のチャネル層62が順次エピタキシャル成長(例え
ば、MOCVDやRF MBE等)され、半導体多層構
造66が形成されている。チャネル層62の表面側の所
定の厚さの部分には所定の濃度のSiドナがドープされ
ている。本多層構造においては、チャネル層62中のド
ナは正の電荷を有するイオンとなる。
FIG. 6 is an explanatory view showing a second typical structure of a conventional FET. Sapphire (0001) substrate 60
A buffer layer 61 of AlN (40 nm) and GaN (3 μ
m) of the channel layer 62 is sequentially epitaxially grown (for example, MOCVD or RF MBE) to form a semiconductor multilayer structure 66. A portion of the surface of the channel layer 62 having a predetermined thickness is doped with Si donor having a predetermined concentration. In the present multilayer structure, the donor in the channel layer 62 becomes an ion having a positive charge.

【0006】この正の電荷を中和する作用を有する電子
ガスがチャネル層62中に形成されている。また、チャ
ネル層62の表面には正のイオンとなったドナは存在す
るものの電子ガスは存在せず、表面空乏層によるショッ
トキーバリアが形成されている。このようにして作製さ
れた半導体多層構造の表面には、例えばTi/Al等によ
るソース電極67、ドレイン電極68のオーミックコン
タクト領域が形成され、チャネル層62に形成される電
子ガスと電気的に接続されている。
An electron gas having a function of neutralizing this positive charge is formed in the channel layer 62. On the surface of the channel layer 62, donors that have become positive ions exist, but electron gas does not exist, and a Schottky barrier is formed by the surface depletion layer. On the surface of the semiconductor multilayer structure thus manufactured, ohmic contact regions of the source electrode 67 and the drain electrode 68 are formed by, for example, Ti / Al or the like, and are electrically connected to the electron gas formed in the channel layer 62. Has been done.

【0007】また、チャネル層62の表面に例えばWS
iN/Auを順次堆磧してゲート電極610が形成され
る。本構造を有するFETにおいては、ゲート電極へ印
加されるゲート電圧を変化させることによりチャネル層
中の空乏層の厚さが変化し、ドレイン電流が変調され
る。
Further, for example, WS is formed on the surface of the channel layer 62.
A gate electrode 610 is formed by sequentially depositing iN / Au. In the FET having this structure, the thickness of the depletion layer in the channel layer is changed by changing the gate voltage applied to the gate electrode, and the drain current is modulated.

【0008】上記2件の従来構造においては、そのいず
れにおいてもゲート電極にバイアス電圧を印加しない状
態で、その直下のチャネル層中に電子ガスが存在し、ソ
ース電極・ドレイン電極間が電気的に導通する。ソース
電極・ドレイン電極間の電気的導通を絶つためにはゲー
ト電極に負の電圧を印加する必要がある。即ち、上記従
来構造はそのいずれもが負の閾値電圧を有するノーマリ
オン型のトランジスタである。
In any of the above-mentioned two conventional structures, electron gas exists in the channel layer immediately below the gate electrode without applying a bias voltage to the gate electrode, and the electric potential is electrically generated between the source electrode and the drain electrode. Conduct. It is necessary to apply a negative voltage to the gate electrode in order to cut off electrical conduction between the source electrode and the drain electrode. That is, each of the above-described conventional structures is a normally-on type transistor having a negative threshold voltage.

【0009】一方、回路設計の観点からは、ゲート電極
にバイアス電圧を印加しない状態ではソース電極・ドレ
イン電極間が電気的に導通せず、ゲート電極に正の電圧
を印加してはじめてソース電極・ドレイン電極間に電気
的導通が発生するという特徴を備えたトランジスタ、即
ち、正の閾値電圧を有するノーマリオフ型のトランジス
タの実現が不可欠である。
On the other hand, from the viewpoint of circuit design, when the bias voltage is not applied to the gate electrode, the source electrode and the drain electrode are not electrically connected to each other. It is essential to realize a transistor having a characteristic that electrical conduction occurs between drain electrodes, that is, a normally-off type transistor having a positive threshold voltage.

【0010】上記の従来構造の範疇で正の閾値電圧を有
するノーマリオフ型のトランジスタを実現するための手
段としては、例えば、第1の従来構造については、半導
体多層構造56を形成する際に、スペーサ層53及びキ
ャリア供給層54のAlN組成(第1の従来構造では
0.25)を減少させ、これらの層に発生する伸張性の
ひずみを低下させ、ピエゾ電気効果によってスペーサ層
53とGaNチャネル層52の界面に誘起される正の電
荷の量を減少させるという方法、或いはキャリア供給層
54中のドナのドーピング濃度を減少させるという方
法、或いはゲート電極510を形成するに先立ち、その
直下領域の半導体多層構造56を局所的にエッチングす
るという方法、或いはこれらの方法の組み合わせが考え
られる。
As a means for realizing a normally-off type transistor having a positive threshold voltage within the above-mentioned conventional structure, for example, in the first conventional structure, a spacer is formed when the semiconductor multilayer structure 56 is formed. The AlN composition of the layer 53 and the carrier supply layer 54 (0.25 in the first conventional structure) is reduced to reduce the tensile strain generated in these layers, and the spacer layer 53 and the GaN channel layer are formed by the piezoelectric effect. A method of reducing the amount of positive charges induced at the interface of 52, a method of reducing the doping concentration of the donor in the carrier supply layer 54, or a method of forming a semiconductor immediately below the gate electrode 510 before forming the gate electrode 510. A method of locally etching the multilayer structure 56 or a combination of these methods is possible.

【0011】また、第2の従来構造については、半導体
多層構造66を形成する際に、チャネル層62の表面側
のSiドナがドーピングされている部分を薄くするとい
う方法、或いは、ドナのドーピング濃度を減少させると
いう方法、或いはゲート電極610を形成するに先立
ち、その直下領域の半導体多層構造66を局所的にエッ
チングし、その領域のみのチャネル層62の表面側のS
iドナがドーピングされている部分を薄くするという方
法、或いはこれらの方法の組み合わせが考えられる。
In the second conventional structure, when the semiconductor multilayer structure 66 is formed, the portion of the surface of the channel layer 62 that is doped with Si donor is thinned, or the doping concentration of the donor is reduced. Before the gate electrode 610 is formed or the gate electrode 610 is formed, the semiconductor multilayer structure 66 in the region directly under the gate electrode 610 is locally etched, and S on the surface side of the channel layer 62 in only that region is locally etched.
A method of thinning a portion where i-dona is doped, or a combination of these methods is considered.

【0012】しかしながら、これらの方法には以下のよ
うな問題点が伴う。半導体多層構造を形成する際にSi
ドナ濃度を含む層の厚さ、そのドナ濃度を制御するか若
しくは第1の従来構造についてはスペーサ層及びバリア
層のAlN組成を制御するという方法においては、ゲー
ト電極にバイアス電圧を印加しない状態ではゲート電極
直下のチャネル層中に電子ガスは存在しないが、ソース
電極・ゲート電極間、及びドレイン電極・ゲート電極間
のチャネル層中にも電子ガスが殆ど存在しない。
However, these methods have the following problems. Si is used when forming a semiconductor multilayer structure.
In the method of controlling the thickness of the layer containing the donor concentration, the donor concentration thereof, or the AlN composition of the spacer layer and the barrier layer in the first conventional structure, the bias voltage is not applied to the gate electrode. There is no electron gas in the channel layer immediately below the gate electrode, but almost no electron gas exists in the channel layer between the source electrode and the gate electrode and between the drain electrode and the gate electrode.

【0013】従って、寄生抵抗が著しく増大し優れたト
ランジスタ動作の実現は不可能である。また、ゲート電
極形成に先立ち、その直下部分の半導体多層構造を局所
的にエッチングするという方法においては、チャネル層
のゲート電極直下の領域に隣接する部分の電子ガス濃度
は高いままに保持されるため寄生抵抗の増大は起こらな
いものの、エッチング深さの正確な制御が不可能である
ため特性の揃ったトランジスタを作成することが不可能
である。
Therefore, the parasitic resistance increases remarkably and it is impossible to realize excellent transistor operation. Further, in the method of locally etching the semiconductor multilayer structure immediately below the gate electrode before forming the gate electrode, the electron gas concentration in the portion of the channel layer adjacent to the region immediately below the gate electrode is kept high. Although the parasitic resistance does not increase, it is impossible to accurately control the etching depth, and thus it is impossible to manufacture a transistor having uniform characteristics.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】このように、従来はナ
イトライド系化合物半導体材料からなり、寄生抵抗が小
さく、かつ正の閾値電圧を有するノーマリオフ型のトラ
ンジスタを精度良く実現することは困難であった。本発
明はこのような課題を解決するためのものであり、寄生
抵抗が小さく、かつ正の閾値電圧を有するノーマリオフ
型のナイトライド系化合物半導体材料からなるトランジ
スタを、再現性及び制御性良く提供することを目的とす
る。
As described above, conventionally, it is difficult to accurately realize a normally-off type transistor made of a nitride compound semiconductor material, having a small parasitic resistance and a positive threshold voltage. It was The present invention is to solve such a problem, and provides a transistor made of a normally-off type nitride compound semiconductor material having a small parasitic resistance and a positive threshold voltage with good reproducibility and controllability. The purpose is to

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の請求項1に係る電界効果トランジス
タは、図1に例示するように、基板10上にバッファ層
11とチャネル層12とスペーサ層13とキャリア供給
層14とショットキー層15が順次堆積されることによ
り半導体多層構造16が形成され、ソース電極17、ド
レイン電極18及びゲート電極110が該半導体多層構
造16表面に形成されている電界効果トランジスタにお
いて、ソース電極・ゲート電極間の半導体多層構造16
表面の全面及びドレイン電極・ゲート電極間の半導体多
層構造16表面の全面を被覆する形状を伴って、圧縮性
の応力を伴う絶縁層111及び112が形成されること
に特徴を有している。
In order to achieve such an object, the field effect transistor according to claim 1 of the present invention has a buffer layer 11 and a channel layer on a substrate 10, as shown in FIG. A semiconductor multilayer structure 16 is formed by sequentially depositing 12, a spacer layer 13, a carrier supply layer 14, and a Schottky layer 15, and a source electrode 17, a drain electrode 18, and a gate electrode 110 are formed on the surface of the semiconductor multilayer structure 16. In a field effect transistor which is used, a semiconductor multilayer structure 16 between a source electrode and a gate electrode is provided.
It is characterized in that the insulating layers 111 and 112 accompanied by compressive stress are formed with a shape covering the entire surface and the entire surface of the semiconductor multilayer structure 16 between the drain electrode and the gate electrode.

【0016】また、本発明の請求項2に係る電界効果ト
ランジスタは、図2に例示するように、基板20上にバ
ッファ層21とチャネル層22とスペーサ層23とキャ
リア供給層24とショットキー層25が順次堆積される
ことにより半導体多層構造26が形成され、ソース電極
27、ドレイン電極28が該半導体多層構造26表面に
形成されている電界効果トランジスタにおいて、前記半
導体多層構造26表面のソース電極・ドレイン電極間に
圧縮性の応力を伴うバリア層29を形成し、該バリア層
29上に局所的にゲート電極210を形成し、ソース電
極・ゲート電極間のバリア層2一9表面の全面及びドレ
イン電極・ゲート電極間のバリア層29表面の全面を被
覆する形状を伴って、圧縮性の応力を伴う絶縁層211
及び212が形成されることに特徴を有している。
The field effect transistor according to claim 2 of the present invention has a buffer layer 21, a channel layer 22, a spacer layer 23, a carrier supply layer 24 and a Schottky layer on a substrate 20, as illustrated in FIG. In a field effect transistor in which a semiconductor multilayer structure 26 is formed by sequentially depositing 25, and a source electrode 27 and a drain electrode 28 are formed on the surface of the semiconductor multilayer structure 26, A barrier layer 29 accompanied by compressive stress is formed between drain electrodes, a gate electrode 210 is locally formed on the barrier layer 29, and the entire surface of the barrier layer 219 between the source electrode and the gate electrode and the drain are formed. The insulating layer 211 having a compressive stress with a shape covering the entire surface of the barrier layer 29 between the electrode and the gate electrode.
And 212 are formed.

【0017】また、本発明の請求項3に係る電界効果ト
ランジスタは、図3に例示するように、基板30上にバ
ッファ層31とチャネル層32が順次堆積されることに
より半導体多層構造36が形成され、ソース電極37、
ドレイン電極38及びゲート電極310が該半導体多層
構造36表面に形成されている電界効果トランジスタに
おいて、ソース電極・ゲート電極間の半導体多層構造3
6表面の全面及びドレイン電極・ゲート電極間の半導体
多層構造36表面の全面を被覆する形状を伴って、圧縮
性の応力を伴う絶縁層311及び312が形成されるこ
とに特徴を有している。
In the field effect transistor according to claim 3 of the present invention, as shown in FIG. 3, the semiconductor multilayer structure 36 is formed by sequentially depositing the buffer layer 31 and the channel layer 32 on the substrate 30. The source electrode 37,
In the field effect transistor in which the drain electrode 38 and the gate electrode 310 are formed on the surface of the semiconductor multilayer structure 36, in the semiconductor multilayer structure 3 between the source electrode and the gate electrode.
6 is characterized in that insulating layers 311 and 312 with compressive stress are formed with a shape that covers the entire surface and the entire surface of the semiconductor multilayer structure 36 between the drain electrode and the gate electrode. .

【0018】更に、本発明の請求項4に係る電界効果ト
ランジスタは、図4に例示するように、基板40上にバ
ッファ層41とチャネル層42が順次堆積されることに
より半導体多層構造46が形成され、ソース電極47、
ドレイン電極48が該半導体多層構造46表面に形成さ
れている電界効果トランジスタにおいて、前記半導体多
層構造46表面のソース電極・ドレイン電極間に圧縮性
の応力を伴うバリア層49を形成し、該バリア層49上
に局所的にゲート電極410を形成し、ソース電極・ゲ
ート電極間のバリア層49表面の全面及びドレイン電極
・ゲート電極間のバリア層49表面の全面を被覆する形
状を伴って、圧縮性の応力を伴う絶縁層411及び41
2が形成されることに特徴を有している。
Furthermore, in the field effect transistor according to claim 4 of the present invention, as illustrated in FIG. 4, a semiconductor multilayer structure 46 is formed by sequentially depositing a buffer layer 41 and a channel layer 42 on a substrate 40. The source electrode 47,
In the field effect transistor in which the drain electrode 48 is formed on the surface of the semiconductor multilayer structure 46, a barrier layer 49 accompanied by compressive stress is formed between the source electrode and the drain electrode on the surface of the semiconductor multilayer structure 46, and the barrier layer is formed. A gate electrode 410 is locally formed on the surface of the barrier layer 49 to cover the entire surface of the barrier layer 49 between the source electrode and the gate electrode and the entire surface of the barrier layer 49 between the drain electrode and the gate electrode. Layers 411 and 41 with stress
2 is formed.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】本発明に係る電界効果トランジス
タは、半導体多層構造表面に、圧縮性の応力を伴う絶縁
層を、ソース電極・ゲート電極間の半導体多層構造表面
全面及びドレイン電極・ゲート電極間の半導体多層構造
表面全面を被覆する形状を伴って堆積する。半導体多層
構造の絶縁層の直下の領域は、絶縁層中の応力の反作用
として伸張性のひずみを伴っているのに対して、ゲート
電極直下の領域は、圧縮性のひずみを伴っている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A field effect transistor according to the present invention comprises an insulating layer having compressive stress on the surface of a semiconductor multilayer structure, the entire surface of the semiconductor multilayer structure between a source electrode and a gate electrode, and a drain electrode / gate electrode. Deposition is performed with a shape that covers the entire surface of the semiconductor multilayer structure in between. The region directly below the insulating layer of the semiconductor multilayer structure is accompanied by tensile strain as a reaction of stress in the insulating layer, whereas the region immediately below the gate electrode is accompanied by compressive strain.

【0020】半導体多層構造のゲート電極直下の領域に
発生する圧縮性のひずみの効果により、ピエゾ電気効果
によって該トランジスタの閾値電圧は絶縁層がない場合
と比較して正の方向へと変化するので、絶縁層中に発生
する応力及び絶縁層の厚さを制御し、半導体多層構造に
所定のひずみを発生させることにより所望の正の閾値電
圧を有するトランジスタが実現される。また、絶縁層直
下の領域に発生する伸張性のひずみにより、ピエゾ電気
効果によってこの領域におけるチャネル層中の電子濃度
が増加する。
Due to the effect of compressive strain generated in the region immediately below the gate electrode of the semiconductor multi-layer structure, the threshold voltage of the transistor is changed in the positive direction by the piezoelectric effect as compared with the case without the insulating layer. By controlling the stress generated in the insulating layer and the thickness of the insulating layer to generate a predetermined strain in the semiconductor multilayer structure, a transistor having a desired positive threshold voltage is realized. Further, due to the tensile strain generated in the region immediately below the insulating layer, the electron concentration in the channel layer in this region increases due to the piezoelectric effect.

【0021】半導体多層構造中の伸張性のひずみを伴う
領域と圧縮性のひずみを伴う領域の境界は、ゲート電極
と絶縁層の境界と一致するのであるから、上記チャネル
層中の電子濃度が高い領域はゲート電極に対して自己整
合的に形成される。従って、本発明により該領域に起因
する寄生抵抗が抑制された電界効果トランジスタが実現
される。更に、高い精度及び再現性を伴って上記絶縁層
の応力及び絶縁層の厚さを制御することが可能なので、
上記の特徴を備えた電界効果トランジスタが再現性及び
制御性良く提供される。
Since the boundary between the region with the tensile strain and the region with the compressive strain in the semiconductor multilayer structure coincides with the boundary between the gate electrode and the insulating layer, the electron concentration in the channel layer is high. The region is formed in self-alignment with the gate electrode. Therefore, the present invention realizes a field effect transistor in which the parasitic resistance due to the region is suppressed. Furthermore, since it is possible to control the stress of the insulating layer and the thickness of the insulating layer with high accuracy and reproducibility,
A field effect transistor having the above characteristics is provided with good reproducibility and controllability.

【0022】[0022]

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。 [実施例1]図1は本発明に係る第1の実施の例を示す
説明図である。同図において、サファイア(0001)
基板10上にAlN(40nm)のバッファ層11、Ga
N(3μm)のチャネル層12、Al0.25Ga0.75N(3
nm)のスペーサ層13、所定の濃度のSiドナをドー
プしたAl0.25Ga0.75N(8nm)キャリア供給層1
4,GaN(4nm)のショットキー層15が順次エピ
タキシャル成長(例えば、MOCVDやRF MBE
等)され、半導体多層構造16が形成されている。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. [Embodiment 1] FIG. 1 is an explanatory view showing a first embodiment of the present invention. In the figure, sapphire (0001)
AlN (40 nm) buffer layer 11 on the substrate 10, Ga
N (3 μm) channel layer 12, Al 0.25 Ga 0.75 N (3
nm) spacer layer 13 and Al 0.25 Ga 0.75 N (8 nm) carrier supply layer 1 doped with a predetermined concentration of Si donor.
4, GaN (4 nm) Schottky layer 15 is sequentially epitaxially grown (for example, MOCVD or RF MBE).
Etc.), and the semiconductor multilayer structure 16 is formed.

【0023】このようにして作製された多層構造の表面
には、例えばTi/Alを局所的に堆積し熱処理する事に
よるソース電極17、ドレイン電極18のオーミックコ
ンタクト領域が形成され、チャネル層12に形成される
2次元電子ガスと電気的に接続されている。引き続き、
例えばWSiN/Auを局所的に堆積することにより、例
えば長さ0.1μmのゲート電極110が形成される。
Ohmic contact regions of the source electrode 17 and the drain electrode 18 are formed on the surface of the multi-layer structure thus manufactured, for example, by locally depositing Ti / Al and heat-treating, and the channel layer 12 is formed. It is electrically connected to the formed two-dimensional electron gas. Continuing,
By locally depositing WSiN / Au, for example, the gate electrode 110 having a length of 0.1 μm is formed.

【0024】更に、例えば1×1010dyn/cm2
る圧縮性の応力を伴う絶縁層を、例えば0.5μmなる
厚さを伴って全面に堆積し、更に、例えばリアクティブ
イオンエッチング法により、ソース電極17、ドレイン
電極18及びゲート電極110への上部に付着した絶縁
層を削除することにより、各電極への電気的接続が達成
されるとともにソース電極・ゲート電極間の半導体多層
構造16表面の全面及びドレイン電極・ゲート電極間の
半導体多層構造16表面の全面を被覆する形状を伴っ
て、圧縮性の応力を伴う絶縁層111及び112が形成
され、もって本実施例に係る電界効果トランジスタが形
成される。
Further, an insulating layer with compressive stress of, for example, 1 × 10 10 dyn / cm 2 is deposited on the entire surface with a thickness of, for example, 0.5 μm, and further, for example, by a reactive ion etching method. By removing the insulating layer deposited on the source electrode 17, the drain electrode 18 and the gate electrode 110, the electrical connection to each electrode is achieved and the surface of the semiconductor multilayer structure 16 between the source electrode and the gate electrode 16 is formed. Insulating layers 111 and 112 having a compressive stress are formed with a shape covering the entire surface and the entire surface of the semiconductor multilayer structure 16 between the drain electrode and the gate electrode, thereby forming the field effect transistor according to the present embodiment. To be done.

【0025】本実施例の電界効果トランジスタとしての
動作原理は第1の従来構造と同様であるので詳細な説明
は省略する。本実施例においては、ゲート電極直下の半
導体多層構造中に圧縮性のひずみが発生し、その大きさ
は絶縁層中の応力及び絶縁層の厚さとゲート長の比によ
って決定される。本実施例においては、上記圧縮性ひず
みの大きさは、それが原因となってピエゾ電気効果によ
って生ずる負の電荷の総量が、キャリア供給層14中の
ドナがイオン化して生ずる正電荷量とチャネル層12と
スペーサ層13及びキャリア供給層14中の自発分極の
相違に起因する正電荷量の総和を上回る。
Since the operating principle of the field effect transistor of this embodiment is the same as that of the first conventional structure, detailed description thereof will be omitted. In this embodiment, compressive strain is generated in the semiconductor multilayer structure immediately below the gate electrode, and its magnitude is determined by the stress in the insulating layer and the ratio of the thickness of the insulating layer to the gate length. In the present embodiment, the magnitude of the compressive strain is the total amount of negative charges generated by the piezoelectric effect due to the compressive strain, and the amount of positive charges generated by ionization of the donor in the carrier supply layer 14 and the channel. The total amount of positive charges due to the difference in spontaneous polarization among the layer 12, the spacer layer 13, and the carrier supply layer 14 is exceeded.

【0026】従って、ゲート電極直下のチャネル層中に
はゲート電極にゲート電圧を印加していない状態で二次
元電子ガスが存在せず、正の閾値を有するトランジスタ
動作が実現される。更に、本実施例においては絶縁層1
11及び112の直下の半導体多層構造中に伸張性のひ
ずみが生じ、それが原因となってピエゾ電気効果による
正の電荷が発生する。それを中和するために、絶縁層1
11及び112の直下のチャネル層12中の二次元電子
ガス濃度が増加する。
Therefore, the two-dimensional electron gas does not exist in the channel layer immediately below the gate electrode when the gate voltage is not applied to the gate electrode, and the transistor operation having a positive threshold value is realized. Further, in this embodiment, the insulating layer 1
An expansive strain is generated in the semiconductor multilayer structure immediately below 11 and 112, which causes a positive charge due to the piezoelectric effect. Insulating layer 1 to neutralize it
The two-dimensional electron gas concentration in the channel layer 12 immediately below 11 and 112 increases.

【0027】チャネル層12中の二次元電子ガス濃度の
高い領域はゲート電極に対して自己整合的に形成され
る、即ち、二次元電子ガス濃度の高い領域と二次元電子
ガスが存在しない領域の境界の位置は、伸張性のひずみ
が生じている領域と圧縮性のひずみが生じている領域の
境界の位置、言い換えるならば、ゲート電極110と絶
縁層111及び112の境界の位置に合致するので、本
実施例による電界効果トランジスタの寄生抵抗は従来構
造と比較して著しく低下する。加えて、絶縁層111及
び112中の応力の大きさ、絶縁層の厚さ、及びゲート
長は極めて高精度かつ高再現性を伴って制御されるので
あるから、本実施例による電界効果トランジスタにおい
ては、高精度かつ高再現性を有するトランジスタ動作特
性が実現される。
The region where the two-dimensional electron gas concentration is high in the channel layer 12 is formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode, that is, the region where the two-dimensional electron gas concentration is high and the region where the two-dimensional electron gas is absent. The position of the boundary matches the position of the boundary between the region where the tensile strain is generated and the region where the compressive strain is generated, in other words, the position of the boundary between the gate electrode 110 and the insulating layers 111 and 112. The parasitic resistance of the field effect transistor according to this embodiment is significantly reduced as compared with the conventional structure. In addition, since the magnitude of the stress in the insulating layers 111 and 112, the thickness of the insulating layer, and the gate length are controlled with extremely high accuracy and high reproducibility, the field effect transistor according to the present embodiment has the following features. Realizes transistor operating characteristics with high accuracy and high reproducibility.

【0028】[実施例2]図2は本発明に係る第2の実
施の例を示す説明図である。同図において、図1と同様
の符号は同一または同等の部材を示す。即ち、サファイ
ア(0001)基板20上にAlN(40nm)のバッ
ファ層21,GaN(3μm)のチャネル層22、Al
0.25Ga0.75N(3nm)のスペーサ層23、所定の濃
度のSiドナをドープしたAl0.25Ga0.75N(8nm)
キャリア供給層24,GaN(4nm)のショットキー
層25が順次エピタキシャル成長(例えば、MOCVD
やRF MBE等)され、半導体多層構造26が形成さ
れている。
[Embodiment 2] FIG. 2 is an explanatory view showing a second embodiment of the present invention. In the figure, the same symbols as those in FIG. 1 indicate the same or equivalent members. That is, a buffer layer 21 of AlN (40 nm), a channel layer 22 of GaN (3 μm), and Al on a sapphire (0001) substrate 20.
Spacer layer 23 of 0.25 Ga 0.75 N (3 nm), Al 0.25 Ga 0.75 N (8 nm) doped with a predetermined concentration of Si donor
The carrier supply layer 24 and the GaN (4 nm) Schottky layer 25 are sequentially epitaxially grown (for example, by MOCVD).
Or RF MBE) to form a semiconductor multilayer structure 26.

【0029】このようにして作製された半導体多層構造
の表面には、例えばTi/Alを局所的に堆積し熱処理す
る事によるソース電極27、ドレイン電極28のオーミ
ックコンタクト領域が形成され、チャネル層22に形成
される2次元電子ガスと電気的に接続されている。引き
続き、バリア層29を、例えば5nmなる厚さを伴って
半導体多層構造26のソース電極・ドレイン電極間の部
分の全面に堆積し、更に例えばWSiN/Auを局所的に
堆積することにより、例えば長さ0.1μmのゲート電
極210が形成される。
On the surface of the semiconductor multilayer structure thus manufactured, ohmic contact regions of the source electrode 27 and the drain electrode 28 are formed by locally depositing Ti / Al and heat-treating, for example, and the channel layer 22 is formed. Is electrically connected to the two-dimensional electron gas formed in. Subsequently, the barrier layer 29 is deposited on the entire surface of the portion between the source electrode and the drain electrode of the semiconductor multilayer structure 26 with a thickness of, for example, 5 nm, and further, for example, WSiN / Au is locally deposited to form a long layer, for example. A gate electrode 210 having a thickness of 0.1 μm is formed.

【0030】更に、例えば、1×1010dyn/cm2
なる圧縮性の応力を伴う絶縁層を、例えば1.5μmな
る厚さを伴って全面に堆積し、更に、例えばリアクティ
ブイオンエッチング法により、ソース電極27、ドレイ
ン電極28及びゲート電極210への上部に付着した絶
縁層を削除することにより、各電極への電気的接続が達
成されるとともにソース電極・ゲート電極間のバリア層
29表面の全面及びドレイン電極・ゲート電極間のバリ
ア層29表面の全面を被覆する形状を伴って、圧縮性の
応力を伴う絶縁層111及び112が形成され、もって
本実施例に係る電界効果トランジスタが形成される。
Further, for example, 1 × 10 10 dyn / cm 2
An insulating layer with compressive stress is deposited on the entire surface with a thickness of, for example, 1.5 μm, and is further deposited on the source electrode 27, the drain electrode 28, and the gate electrode 210 by, for example, a reactive ion etching method. By removing the insulating layer adhering to the electrodes, electrical connection to each electrode is achieved and the entire surface of the barrier layer 29 between the source electrode and the gate electrode and the entire surface of the barrier layer 29 between the drain electrode and the gate electrode are achieved. Insulating layers 111 and 112 having a compressive stress are formed in accordance with the shape for covering, and thus the field effect transistor according to the present embodiment is formed.

【0031】本実施例の電界効果トランジスタとしての
動作原理は第1の従来構造と同様であるので詳細な説明
は省略する。第1の実施例と同様に、本実施例において
も、ゲート電極直下の半導体多層構造中に圧縮性のひず
みが発生し、その大きさは絶縁層中の応力及び絶縁層の
厚さとゲート長の比によって決定される。本実施例にお
いては、上記圧縮性ひずみの大きさは、それが原因とな
ってピエゾ電気効果によって生ずる負の電荷の総量が、
キャリア供給層24中のドナがイオン化して生ずる正電
荷量とチャネル層22とスペーサ層23及びキャリア供
給層24中の自発分極の相違に起因する正電荷量の総和
を上回る。
The principle of operation of the field effect transistor of this embodiment is the same as that of the first conventional structure, so a detailed description will be omitted. Similar to the first embodiment, also in the present embodiment, compressive strain is generated in the semiconductor multilayer structure immediately below the gate electrode, and the magnitude thereof depends on the stress in the insulating layer and the thickness of the insulating layer and the gate length. Determined by the ratio. In this embodiment, the magnitude of the compressive strain is such that the total amount of negative charges generated by the piezoelectric effect due to it is
The sum of the positive charge amount generated by ionization of the donor in the carrier supply layer 24 and the positive charge amount due to the difference in spontaneous polarization in the channel layer 22, the spacer layer 23 and the carrier supply layer 24 is exceeded.

【0032】従ってゲート電極直下のチャネル層中には
ゲート電極にゲート電圧を印加していない状態で二次元
電子ガスが存在せず、正の閾値を有するトランジスタ動
作が実現される。更に、第1の実施例と同様に、本実施
例においては絶縁層211及び212の直下の半導体多
層構造中に伸張性のひずみが生じ、それが原因となって
ピエゾ電気効果による正の電荷が発生する。それを中和
するために、絶縁層211及び212の直下のチャネル
層22中の二次元電子ガス濃度が増加する。
Therefore, the two-dimensional electron gas does not exist in the channel layer immediately below the gate electrode in the state where the gate voltage is not applied to the gate electrode, and the transistor operation having a positive threshold value is realized. Further, similarly to the first embodiment, in this embodiment, tensile strain is generated in the semiconductor multilayer structure immediately below the insulating layers 211 and 212, which causes positive charge due to the piezoelectric effect. Occur. In order to neutralize it, the two-dimensional electron gas concentration in the channel layer 22 directly below the insulating layers 211 and 212 increases.

【0033】チャネル層22中の二次元電子ガス濃度の
高い領域はゲート電極に対して自己整合的に形成され
る、即ち、二次元電子ガス濃度の高い領域と二次元電子
ガスが存在しない領域の境界の位置は、伸張性のひずみ
が生じている領域と圧縮性のひずみが生じている領域の
境界の位置、言い換えるならばゲート電極210と絶縁
層211及び212の境界の位置に合致するので、本実
施例による電界効果トランジスタの寄生抵抗は従来構造
と比較して著しく低下する。
The region where the two-dimensional electron gas concentration is high in the channel layer 22 is formed in self-alignment with the gate electrode, that is, the region where the two-dimensional electron gas concentration is high and the region where the two-dimensional electron gas is absent. The boundary position matches the position of the boundary between the region where the tensile strain is generated and the region where the compressive strain is generated, in other words, the position of the boundary between the gate electrode 210 and the insulating layers 211 and 212. The parasitic resistance of the field effect transistor according to this embodiment is significantly reduced as compared with the conventional structure.

【0034】更に本実施例においては、ゲート電極の直
下にバリア層29が位置している。この結果、第1の実
施例と比較して同一ゲート電圧を印加した際のゲートリ
ーク電流は著しく抑制されるので、更に優れたトランジ
スタ動作特性が実現される。加えて、第1の実施例と同
様に、絶縁層211及び212中の応力の大きさ、絶縁
層の厚さ、及びゲート長は極めて高精度かつ高再現性を
伴って制御されるのであるから、本実施例による電界効
果トランジスタにおいては、高精度かつ高再現性を有す
るトランジスタ動作特性が実現される。
Further, in this embodiment, the barrier layer 29 is located immediately below the gate electrode. As a result, the gate leakage current when the same gate voltage is applied is remarkably suppressed as compared with the first embodiment, so that more excellent transistor operating characteristics are realized. In addition, as in the first embodiment, the magnitude of stress in the insulating layers 211 and 212, the thickness of the insulating layer, and the gate length are controlled with extremely high precision and high reproducibility. In the field effect transistor according to this embodiment, the transistor operating characteristics with high accuracy and high reproducibility are realized.

【0035】[実施例3]図3は本発明に係る第3の実
施の例を示す説明図である。同図において、図1と同様
の符号は同一または同等の部材を示す。即ち、サファイ
ア(0001)基板30上にAlN(40nm)のバッ
ファ層31,GaN(3μm)のチャネル層32が順次
エピタキシャル成長(例えば、MOCVDやRF MB
E等)され、半導体多層構造36が形成されている。チ
ャネル層32の表面側の所定の厚さの部分には所定の濃
度のSiドナがドープされている。
[Embodiment 3] FIG. 3 is an explanatory view showing a third embodiment of the present invention. In the figure, the same symbols as those in FIG. 1 indicate the same or equivalent members. That is, a buffer layer 31 of AlN (40 nm) and a channel layer 32 of GaN (3 μm) are sequentially epitaxially grown (for example, MOCVD or RF MB) on a sapphire (0001) substrate 30.
E) and the semiconductor multilayer structure 36 is formed. The surface of the channel layer 32 having a predetermined thickness is doped with Si donor having a predetermined concentration.

【0036】このようにして作製された半導体多層構造
36の表面には、例えばTi/Al等によるソース電極3
7、ドレイン電極38のオーミックコンタクト領域が形
成され、チャネル層32に形成される電子ガスと電気的
に接続されている。引き続き、例えばWSiN/Auを局
所的に堆積することにより、例えば長さ0.1μmのゲ
ート電極310が形成される。
On the surface of the semiconductor multi-layer structure 36 thus manufactured, the source electrode 3 made of Ti / Al or the like is used.
7, an ohmic contact region of the drain electrode 38 is formed and electrically connected to the electron gas formed in the channel layer 32. Subsequently, for example, WSiN / Au is locally deposited to form a gate electrode 310 having a length of 0.1 μm, for example.

【0037】更に、例えば、1×1010dyn/cm2
なる圧縮性の応力を伴う絶縁層を、例えば0.5μmな
る厚さを伴って全面に堆積し、更に、例えばリアクティ
ブエッチング法により、ソース電極37、ドレイン電極
38及びゲート電極310への上部に付着した絶縁層を
削除することにより、各電極への電気的接続が達成され
るとともにソース電極・ゲート電極間の半導体多層構造
36表面の全面及びドレイン電極・ゲート電極間の半導
体多層構造36表面の全面を被覆する形状を伴って、圧
縮性の応力を伴う絶縁層311及び312が形成され、
もって本実施例に係る電界効果トランジスタが形成され
る。
Further, for example, 1 × 10 10 dyn / cm 2
An insulating layer with compressive stress is deposited on the entire surface with a thickness of, for example, 0.5 μm, and is further formed on the source electrode 37, the drain electrode 38, and the gate electrode 310 by, for example, a reactive etching method. By removing the attached insulating layer, electrical connection to each electrode is achieved, and the entire surface of the semiconductor multilayer structure 36 between the source electrode and the gate electrode and the surface of the semiconductor multilayer structure 36 between the drain electrode and the gate electrode are covered. Insulating layers 311 and 312 with compressive stress are formed with a shape covering the entire surface,
Thus, the field effect transistor according to this example is formed.

【0038】本実施例の電界効果トランジスタとしての
動作原理は第2の従来構造と同様であるので詳細な説明
は省略する。第1及び弟2の実施例と同様に、本実施例
においても、ゲート電極直下の半導体多層構造中に圧縮
性のひずみが発生し、その大きさは絶縁層中の応力及び
絶縁層の厚さとゲート長の比によって決定される。本実
施例においては、上記圧縮性ひずみの大きさは、それが
原因となってピエゾ電気効果によって生ずる負の電荷の
総量が、チャネル層34中のドナがイオン化して生ずる
正電荷量を上回る。
Since the operating principle of the field effect transistor of this embodiment is similar to that of the second conventional structure, detailed description thereof will be omitted. Similar to the first and second embodiments, also in this embodiment, compressive strain is generated in the semiconductor multi-layer structure immediately below the gate electrode, and its magnitude depends on the stress in the insulating layer and the thickness of the insulating layer. It is determined by the ratio of gate lengths. In the present embodiment, the magnitude of the compressive strain is such that the total amount of negative charges generated by the piezoelectric effect exceeds the amount of positive charges generated by the ionization of the donor in the channel layer 34.

【0039】従ってゲート電極直下のチャネル層中には
ゲート電極にゲート電圧を印加していない状態で電子ガ
スが存在せず、正の閾値を有するトランジスタ動作が実
現される。更に、第1及び第2の実施例と同様に、本実
施例においては絶縁層311及び312の直下の半導体
多層構造中に伸張性のひずみが生じ、それが原因となっ
てピエゾ電気効果による正の電荷が発生する。それを中
和するために、絶縁層311及び312の直下のチャネ
ル層32中の電子密度が増加する。
Therefore, no electron gas is present in the channel layer immediately below the gate electrode without applying a gate voltage to the gate electrode, and a transistor operation having a positive threshold value is realized. Further, similarly to the first and second embodiments, in this embodiment, a tensile strain is generated in the semiconductor multilayer structure immediately below the insulating layers 311 and 312, which causes a positive strain due to the piezoelectric effect. Is generated. In order to neutralize it, the electron density in the channel layer 32 directly below the insulating layers 311 and 312 increases.

【0040】チャネル層32中の電子密度の高い領域は
ゲート電極に対して自己整合的に形成される、即ち、電
子密度の高い領域と電子ガスが存在しない領域の境界の
位置は、伸張性のひずみが生じている領域と圧縮性のひ
ずみが生じている領域の境界の位置、言い換えるなら
ば、ゲート電極310と絶縁層311及び312の境界
の位置に合致するので、本実施例による電界効果トラン
ジスタの寄生抵抗は従来構造と比較して著しく低下す
る。
The region having a high electron density in the channel layer 32 is formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode, that is, the boundary between the region having a high electron density and the region where the electron gas does not exist is extensible. Since the position of the boundary between the strained region and the region where the compressive strain is generated, in other words, the position of the boundary between the gate electrode 310 and the insulating layers 311 and 312, is matched, the field effect transistor according to the present embodiment. The parasitic resistance of is significantly lower than that of the conventional structure.

【0041】加えて、絶縁層311及び312中の応力
の大きさ、絶縁層の厚さ、及びゲート長は極めて高精度
かつ高再現性を伴って制御されるのであるから、本実施
例による電界効果トランジスタにおいては、高精度かつ
高再現性を有するトランジスタ動作特性が実現される。
In addition, since the magnitude of the stress in the insulating layers 311 and 312, the thickness of the insulating layer, and the gate length are controlled with extremely high precision and high reproducibility, the electric field according to the present embodiment is controlled. In the effect transistor, transistor operating characteristics with high accuracy and high reproducibility are realized.

【0042】[実施例4]図4は本発明に係る第4の実
施の例を示す説明図である。同図において、図1と同様
の符号は同一または同等の部材を示す。即ち、サファイ
ア(0001)基板40上にAlN(40nm)のバッ
ファ層41,GaN(3μm)のチャネル層42が順次
エピタキシャル成長(例えば、MOCVDやRF MB
E等)され、半導体多層構造46が形成されている。チ
ャネル層42の表面側の所定の厚さの部分には所定の濃
度のSiドナがドープされている。
[Embodiment 4] FIG. 4 is an explanatory view showing a fourth embodiment of the present invention. In the figure, the same symbols as those in FIG. 1 indicate the same or equivalent members. That is, a buffer layer 41 of AlN (40 nm) and a channel layer 42 of GaN (3 μm) are sequentially epitaxially grown (for example, MOCVD or RF MB) on a sapphire (0001) substrate 40.
E) and the semiconductor multilayer structure 46 is formed. The surface of the channel layer 42 having a predetermined thickness is doped with Si donor having a predetermined concentration.

【0043】このようにして作製された半導体多層構造
46の表面には、例えばTi/Al等によるソース電極4
7、ドレイン電極48のオーミックコンタクト領域が形
成され、チャネル層42に形成される電子ガスと電気的
に接続されている。引き続き、バリア層49を、例えば
5nmなる厚さを伴って半導体多層構造46のソース電
極・ドレイン電極間の部分の全面に堆積し、更に例えば
WSiN/Auを局所的に堆積することにより、例えば長
さ0.1μmのゲート電極410が形成される。
On the surface of the semiconductor multi-layer structure 46 thus manufactured, the source electrode 4 made of, for example, Ti / Al or the like is used.
7, an ohmic contact region of the drain electrode 48 is formed, and is electrically connected to the electron gas formed in the channel layer 42. Subsequently, the barrier layer 49 is deposited on the entire surface of the portion between the source electrode and the drain electrode of the semiconductor multilayer structure 46 with a thickness of, for example, 5 nm, and further, for example, WSiN / Au is locally deposited, so that, for example, a long layer A gate electrode 410 having a thickness of 0.1 μm is formed.

【0044】更に、例えば、1×1010dyn/cm2
なる圧縮性の応力を伴う絶縁層を一列えば0.5μmな
る厚さを伴って全面に堆積し、更に、例えばリアクティ
ブエッチング法により、ソース電極47、ドレイン電極
48及びゲート電極410への上部に付着した絶縁層を
削除することにより、各電極への電気的接続が達成され
るとともにソース電極・ゲート電極間のバリア層49表
面の全面及びドレイン電極・ゲート電極間のバリア層4
9表面の全面を被覆する形状を伴って、圧縮性の応力を
伴う絶縁層411及び412が形成され、もって本実施
例に係る電界効果トランジスタが形成される。
Further, for example, 1 × 10 10 dyn / cm 2
The insulating layer with compressive stress is deposited on the entire surface with a thickness of 0.5 μm, and is further deposited on the source electrode 47, the drain electrode 48, and the gate electrode 410 by reactive etching, for example. By removing the attached insulating layer, electrical connection to each electrode is achieved, and the entire surface of the barrier layer 49 between the source electrode and the gate electrode and the barrier layer 4 between the drain electrode and the gate electrode 4 are formed.
Insulating layers 411 and 412 with a compressive stress are formed with a shape that covers the entire surface of the surface, and thus the field effect transistor according to the present embodiment is formed.

【0045】本実施例の電界効果トランジスタとしての
動作原理は第2の従来構造と同様であるので詳細な説明
は省略する。第1〜第3の実施例と同様に、本実施例に
おいても、ゲート電極直下の半導体多層構造中に圧縮性
のひずみが発生し、その大きさは絶縁層中の応力及び絶
縁層の厚さとゲート長の比によって決定される。本実施
例においては、上記圧縮性ひずみの大きさは、それが原
因となってピエゾ電気効果によって生ずる負の電荷の総
量が、チャネル層42中のドナがイオン化して生ずる正
電荷量を上回る。
Since the operating principle of the field effect transistor of this embodiment is the same as that of the second conventional structure, detailed description will be omitted. Similar to the first to third embodiments, also in the present embodiment, compressive strain is generated in the semiconductor multilayer structure immediately below the gate electrode, and its magnitude depends on the stress in the insulating layer and the thickness of the insulating layer. It is determined by the ratio of gate lengths. In the present embodiment, the magnitude of the compressive strain is such that the total amount of negative charges generated by the piezoelectric effect exceeds the amount of positive charges generated by ionization of the donor in the channel layer 42.

【0046】従って、ゲート電極直下のチャネル層中に
はゲート電極にゲート電圧を印加していない状態で電子
ガスが存在せず、正の閾値を有するトランジスタ動作が
実現される。更に、第2の実施例と同様に、本実施例に
おいては絶縁層411及び412の直下の半導体多層構
造中に伸張性のひずみが生じ、それが原因となってピエ
ゾ電気効果による正の電荷が発生する。それを中和する
ために、絶縁層411及び412の直下のチャネル層4
2中の電子密度が増加する。
Therefore, no electron gas is present in the channel layer immediately below the gate electrode when no gate voltage is applied to the gate electrode, and a transistor operation having a positive threshold value is realized. Further, similarly to the second embodiment, in this embodiment, tensile strain is generated in the semiconductor multilayer structure immediately below the insulating layers 411 and 412, which causes positive charge due to the piezoelectric effect. Occur. In order to neutralize it, the channel layer 4 directly below the insulating layers 411 and 412
The electron density in 2 increases.

【0047】チャネル層32中の電子密度の高い領域は
ゲート電極に対して自己整合的に形成される、即ち、電
子密度の高い領域と電子ガスが存在しない領域の境界の
位置は、伸張性のひずみが生じている領域と圧縮性のひ
ずみが生じている領域の境界の位置、言い換えるなら
ば、ゲート電極410と絶縁層411及び412の境界
の位置に合致するので、本実施例による電界効果トラン
ジスタの寄生抵抗は従来構造と比較して著しく低下す
る。
The region having a high electron density in the channel layer 32 is formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode, that is, the position of the boundary between the region having a high electron density and the region where no electron gas exists is extensible. Since the position of the boundary between the strained region and the region where the compressive strain is generated, in other words, the position of the boundary between the gate electrode 410 and the insulating layers 411 and 412, is matched, the field effect transistor according to the present embodiment. The parasitic resistance of is significantly lower than that of the conventional structure.

【0048】更に本実施例においては、第2の実施例と
同様にゲート電極の直下にバリア層49が位置してい
る。この結果、第3の実施例と比較して同一ゲート電圧
を印加した際のゲートリーク電流は著しく抑制されるの
で、更に優れたトランジスタ動作特性が実現される。加
えて、絶縁層411及び412中の応力の大きさ、絶縁
層の厚さ、及びゲート長は極めて高精度かつ高再現性を
伴って制御されるのであるから、本実施例による電界効
果トランジスタにおいては、高精度かつ高再現性を有す
るトランジスタ動作特性が実現される。
Further, in this embodiment, the barrier layer 49 is located immediately below the gate electrode as in the second embodiment. As a result, the gate leakage current when the same gate voltage is applied is remarkably suppressed as compared with the third embodiment, so that more excellent transistor operating characteristics are realized. In addition, since the magnitude of stress in the insulating layers 411 and 412, the thickness of the insulating layer, and the gate length are controlled with extremely high accuracy and high reproducibility, the field effect transistor according to this embodiment has Realizes transistor operating characteristics with high accuracy and high reproducibility.

【0049】このように本発明の趣旨はソース電極・ゲ
ート電極間及びドレイン電極・ゲート電極間に圧縮性の
応力を伴う絶縁層を形成することにあるので、ソース電
極、ドレイン電極、ゲート電極の材料及びその形成方法
に関して変更を行った電界効果トランジスタも本発明に
含まれることは明らかである。変更の例としては、ソー
ス電極及びドレイン電極を、例えばTi/Alを局所的に
堆積し、例えばWSiからなる高融点金属を前記Ti/A
lの表面及び側面を覆う形状を伴って局所的に堆磧した
後に、熱処理することによって形成するという変更が可
能である。また、ゲート電極を例えば、Ni/Auを順次
堆積した後リフトオフにより形成するという変更が可能
である。
As described above, the gist of the present invention is to form the insulating layer with compressive stress between the source electrode / gate electrode and between the drain electrode / gate electrode. It is obvious that the present invention also includes a field effect transistor in which the material and the forming method thereof are changed. As a modification, for example, Ti / Al is locally deposited on the source electrode and the drain electrode, and a refractory metal made of, for example, WSi is added to the Ti / A.
A modification is possible in which it is formed by locally heat-depositing it with a shape that covers the surface and side surfaces of l and then heat-treating it. Further, the gate electrode may be formed by lift-off after sequentially depositing Ni / Au, for example.

【0050】更に、第1の実施例及び第3の実施例にお
いては、先にゲート電極を形成した後に圧縮性の応力を
伴う絶縁層を形成するという手法により本発明の効果を
説明したが、先ず圧縮性の応力を伴う絶縁層を形成した
後に、ゲート開口部分を形成し、その後にゲート電極を
形成するという変更が可能である。尚、本発明は実施例
で示した半導体多層構造からなる電界効果トランジスタ
のみならず同様の機能を有する他の半導体多層構造から
なる電界効果トランジスタにも適用可能である。
Further, in the first and third embodiments, the effect of the present invention is explained by the method of forming the gate electrode first and then forming the insulating layer accompanied by compressive stress. It is possible to first change the formation of the insulating layer accompanied by compressive stress, the formation of the gate opening, and then the formation of the gate electrode. The present invention can be applied not only to the field effect transistor having the semiconductor multilayer structure shown in the embodiments but also to the field effect transistor having another semiconductor multilayer structure having the same function.

【0051】[0051]

【発明の効果】以上、実施例に基づいて詳細に説明した
ように、本発明は、ソース電極・ゲート電極間及びドレ
イン電極・ゲート電極間に所定の圧縮性の応力及び所定
の厚さを伴う絶縁層を形成することにより、半導体多層
構造中のゲート電極直下の部分に圧縮性のひずみを発生
させるとともに半導体多層構造の絶縁層直下の部分に伸
張性のひずみを発生させ・正の閾値電圧を伴うとともに
寄生抵抗の低い電界効果トランジスタを提供するもので
ある。これにより、優れたトランジスタ特性を有するノ
ーマリオフ型のナイトライド系化合物半導体材料からな
る電界効果トランジスタが提供される。
As described above in detail based on the embodiments, the present invention involves a predetermined compressive stress and a predetermined thickness between the source electrode / gate electrode and between the drain electrode / gate electrode. By forming an insulating layer, a compressive strain is generated in the portion of the semiconductor multilayer structure directly below the gate electrode, and an expansive strain is generated in the portion of the semiconductor multilayer structure directly below the insulating layer. Along with this, a field effect transistor having a low parasitic resistance is provided. This provides a field-effect transistor made of a normally-off type nitride compound semiconductor material having excellent transistor characteristics.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係る第1の実施例を示す説明図であ
る。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a first embodiment according to the present invention.

【図2】本発明に係る第2の実施例を示す説明図であ
る。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a second embodiment according to the present invention.

【図3】本発明に係る第3の実施例を示す説明図であ
る。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a third embodiment according to the present invention.

【図4】本発明に係る第4の実施例を示す説明図であ
る。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a fourth embodiment according to the present invention.

【図5】第1の従来例を示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing a first conventional example.

【図6】第2の従来例を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing a second conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10,20,30,40,50,60 基板 11,21,31,41,51,61 バッファ層 12,22,32,42,52,62 チャネル層 13,23,53 スペーサ層 14,24,54, キャリア供給層 15,25,55, ショットキー層 16,26,36,46,56,66 半導体多層構造 17,27,37,47,57,67 ソース電極 18,28,38,48,58,68 ドレイン電極 29,49 バリア層 100,210,310,410,510,610 ゲ
ート電極 111,112,211,212,311,312,4
11,412 絶縁層
10, 20, 30, 40, 50, 60 Substrates 11, 21, 31, 41, 51, 61 Buffer layers 12, 22, 32, 42, 52, 62 Channel layers 13, 23, 53 Spacer layers 14, 24, 54 , Carrier supply layers 15, 25, 55, Schottky layers 16, 26, 36, 46, 56, 66 semiconductor multilayer structure 17, 27, 37, 47, 57, 67 source electrodes 18, 28, 38, 48, 58, 68 Drain electrodes 29, 49 Barrier layers 100, 210, 310, 410, 510, 610 Gate electrodes 111, 112, 211, 212, 311, 312, 4
11,412 insulating layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塩島 謙次 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日 本電信電話株式会社内 Fターム(参考) 5F102 FA01 FA02 GB01 GC01 GD01 GJ10 GK04 GL04 GM04 GM07 GM08 GQ01 GR07 GR09 GT03 GV05 GV08 HC01 HC10    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Kenji Shiojima             2-3-1, Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo             Inside Telegraph and Telephone Corporation F-term (reference) 5F102 FA01 FA02 GB01 GC01 GD01                       GJ10 GK04 GL04 GM04 GM07                       GM08 GQ01 GR07 GR09 GT03                       GV05 GV08 HC01 HC10

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上にバッファ層とチャネル層とスペ
ーサ層とキャリア供給層とショットキー層が順次堆積さ
れることにより半導体多層構造が形成され、ソース電
極、ドレイン電極及びゲート電極が該半導体多層構造表
面に形成されている電界効果トランジスタにおいて、ソ
ース電極・ゲート電極間の半導体多層構造表面の全面及
びドレイン電極・ゲート電極間の半導体多層構造表面の
全面を被覆する形状を伴って、圧縮性の応力を伴う絶縁
層が形成されることを特徴とする電界効果トランジス
タ。
1. A semiconductor multilayer structure is formed by sequentially depositing a buffer layer, a channel layer, a spacer layer, a carrier supply layer, and a Schottky layer on a substrate, and a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode are the semiconductor multilayer structure. In the field effect transistor formed on the structure surface, a compressive property is provided with a shape covering the entire surface of the semiconductor multilayer structure surface between the source electrode and the gate electrode and the entire surface of the semiconductor multilayer structure surface between the drain electrode and the gate electrode. A field-effect transistor characterized in that an insulating layer with stress is formed.
【請求項2】 基板上にバッファ層とチャネル層とスペ
ーサ層とキャリア供給層とショットキー層が順次堆積さ
れることにより半導体多層構造が形成され、ソース電
極、ドレイン電極が該半導体多層構造表面に形成されて
いる電界効果トランジスタにおいて、前記半導体多層構
造表面のソース電極・ドレイン電極間にバリア層を形成
し、該バリア層上に局所的にゲート電極を形成し、ソー
ス電極・ゲート電極間のバリア層表面の全面及びドレイ
ン電極・ゲート電極間のバリア層表面の全面を被覆する
形状を伴って、圧縮性の応力を伴う絶線層が形成される
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
2. A semiconductor multilayer structure is formed by sequentially depositing a buffer layer, a channel layer, a spacer layer, a carrier supply layer and a Schottky layer on a substrate, and a source electrode and a drain electrode are formed on the surface of the semiconductor multilayer structure. In the formed field effect transistor, a barrier layer is formed between the source electrode and the drain electrode on the surface of the semiconductor multilayer structure, a gate electrode is locally formed on the barrier layer, and a barrier between the source electrode and the gate electrode is formed. A field effect transistor, characterized in that a break line layer with compressive stress is formed with a shape covering the entire surface of the layer and the entire surface of the barrier layer between the drain electrode and the gate electrode.
【請求項3】 基板上にバッファ層とチャネル層が順次
堆積されることにより半導体多層構造が形成され、ソー
ス電極、ドレイン電極及びゲート電極が該半導体多層構
造表面に形成されている電界効果トランジスタにおい
て、ソース電極・ゲート電極間の半導体多層構造表面の
全面及びドレイン電極・ゲート電極間の半導体多層構造
表面の全面を被覆する形状を伴って、圧縮性の応力を伴
う絶縁層が形成されることを特徴とする電界効果トラン
ジスタ。
3. A field effect transistor in which a semiconductor multilayer structure is formed by sequentially depositing a buffer layer and a channel layer on a substrate, and a source electrode, a drain electrode and a gate electrode are formed on the surface of the semiconductor multilayer structure. , An insulating layer with compressive stress is formed with a shape covering the entire surface of the semiconductor multilayer structure between the source electrode and the gate electrode and the entire surface of the semiconductor multilayer structure between the drain electrode and the gate electrode. Characteristic field effect transistor.
【請求項4】 基板上にバッファ層とチャネル層が順次
堆積されることにより半導体多層構造が形成され、ソー
ス電極、ドレイン電極が該半導体多層構造表面に形成さ
れている電界効果トランジスタにおいて、前記半導体多
層構造表面のソース電極・ドレイン電極間にバリア層を
形成し、該バリア層上に局所的にゲート電極を形成し、
ソース電極・ゲート電極間のバリア層表面の全面及びド
レイン電極・ゲート電極間のバリア層表面の全面を被覆
する形状を伴って、圧縮性の応力を伴う絶縁層が形成さ
れることを特徴とする電界効果トランジスタ。
4. A field effect transistor in which a semiconductor multilayer structure is formed by sequentially depositing a buffer layer and a channel layer on a substrate, and a source electrode and a drain electrode are formed on the surface of the semiconductor multilayer structure. A barrier layer is formed between the source electrode and the drain electrode on the surface of the multilayer structure, and a gate electrode is locally formed on the barrier layer,
An insulating layer with compressive stress is formed with a shape covering the entire surface of the barrier layer between the source electrode and the gate electrode and the entire surface of the barrier layer between the drain electrode and the gate electrode. Field effect transistor.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004273486A (en) * 2003-03-05 2004-09-30 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor device and its manufacturing method
JP2005183551A (en) * 2003-12-17 2005-07-07 Nec Corp Semiconductor device, field effect transistor, and method for manufacturing same
JP2006228891A (en) * 2005-02-16 2006-08-31 New Japan Radio Co Ltd Nitride semiconductor device
JP2007096203A (en) * 2005-09-30 2007-04-12 Sanken Electric Co Ltd Field-effect transistor having 2-dimensional carrier gas layer
JP2007329483A (en) * 2006-06-07 2007-12-20 Interuniv Micro Electronica Centrum Vzw Enhancement mode field effect device, and manufacturing method thereof
JP2009004743A (en) * 2007-05-18 2009-01-08 Sanken Electric Co Ltd Field-effect semiconductor device
JP2009503810A (en) * 2005-07-06 2009-01-29 インターナショナル レクティファイアー コーポレイション Group III nitride enhancement type devices
JP2011023617A (en) * 2009-07-17 2011-02-03 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> GaN BASED HETEROSTRUCTURE FIELD EFFECT TRANSISTOR

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004273486A (en) * 2003-03-05 2004-09-30 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor device and its manufacturing method
JP2005183551A (en) * 2003-12-17 2005-07-07 Nec Corp Semiconductor device, field effect transistor, and method for manufacturing same
JP2006228891A (en) * 2005-02-16 2006-08-31 New Japan Radio Co Ltd Nitride semiconductor device
JP2009503810A (en) * 2005-07-06 2009-01-29 インターナショナル レクティファイアー コーポレイション Group III nitride enhancement type devices
JP2007096203A (en) * 2005-09-30 2007-04-12 Sanken Electric Co Ltd Field-effect transistor having 2-dimensional carrier gas layer
JP2007329483A (en) * 2006-06-07 2007-12-20 Interuniv Micro Electronica Centrum Vzw Enhancement mode field effect device, and manufacturing method thereof
JP2009004743A (en) * 2007-05-18 2009-01-08 Sanken Electric Co Ltd Field-effect semiconductor device
JP2011023617A (en) * 2009-07-17 2011-02-03 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> GaN BASED HETEROSTRUCTURE FIELD EFFECT TRANSISTOR

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