JP2006165314A - Nitride semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、能動層に窒化物半導体を用いた窒化物半導体装置及びその製造方法に関し、特に高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)や電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)のような、半導体装置にショットキー接触する制御電極を有する窒化物半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor device using a nitride semiconductor as an active layer and a method for manufacturing the same, and more particularly to a high electron mobility transistor (HEMT) or a field effect transistor (FET). The present invention also relates to a nitride semiconductor device having a control electrode in Schottky contact with the semiconductor device and a method for manufacturing the same.
図6は、従来のIII−V族窒化物半導体からなる半導体装置の断面図を示している。図6に示す半導体装置は、いわゆるHEMT構造を示しており、サファイアからなる基板11上には、窒化ガリウム(GaN)からなるバッファ層12、窒化ガリウムからなるチャネル層13、ノンドープ窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなるスペーサ層14、n型窒化アルミニウムガリウムからなるキャリア供給層15、ノンドープの窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層16が順次積層した構造となっており、チャネル層13とスペーサ層14とからなるヘテロ接合界面近傍には、ポテンシャル井戸からなる電子移動度が極めて大きい2次元電子ガス層が形成される。このような構造の窒化物半導体装置では、ショットキ層16にショットキ接触するゲート電極20(制御電極)に印加する電圧を制御することにより、ソース電極19aとドレイン電極19bとの間を流れるキャリア(2次元電子ガス)を制御している。
FIG. 6 shows a cross-sectional view of a conventional semiconductor device made of a group III-V nitride semiconductor. The semiconductor device shown in FIG. 6 has a so-called HEMT structure, on a
この種の半導体装置は、上記構造の他、例えば特許文献1に開示されているような様々な構造が提案されている。
しかしながら従来の窒化物半導体装置の耐圧は、ゲート金属と窒化物半導体層との接触で形成されるショットキ特性に大きく左右されていた。一般的に窒化物半導体層、例えば窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)層や窒化ガリウム(GaN)層上に形成されるゲート金属のショットキ特性は、高いゲートリーク電流が流れ、ガリウム砒素(GaAs)系HEMTに比べ、ゲートリーク電流は2桁程度大きくなる傾向がある。このリーク電流が衝突イオン化のトリガーとなり、高出力素子の窒化物半導体装置の重要なパラメータであるオフ耐圧(FETがオフ状態でのドレイン耐圧)を予想される数値よりも低下させ、ワイドギャップ材料の高耐圧という性能を十分に引き出すことができないという問題があった。一方、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)層や窒化ガリウム(GaN)層などの窒化物半導体層上にゲート電極を形成した半導体装置においても、窒化物半導体層の表面準位にトラップされた電子により、表面のポテンシャルが揺らぎ、電流−電圧特性の周波数分散が生じるという問題があった。 However, the breakdown voltage of the conventional nitride semiconductor device is greatly influenced by the Schottky characteristic formed by the contact between the gate metal and the nitride semiconductor layer. In general, Schottky characteristics of a gate metal formed on a nitride semiconductor layer, for example, an aluminum gallium nitride (AlGaN) layer or a gallium nitride (GaN) layer, has a high gate leakage current, which causes a gallium arsenide (GaAs) HEMT to flow. In comparison, the gate leakage current tends to increase by about two digits. This leakage current triggers impact ionization, lowering the off breakdown voltage (drain breakdown voltage when the FET is off), which is an important parameter for nitride semiconductor devices with high output elements, from the expected value. There was a problem that the performance of high withstand voltage could not be fully exploited. On the other hand, even in a semiconductor device in which a gate electrode is formed on a nitride semiconductor layer such as an aluminum gallium nitride (AlGaN) layer or a gallium nitride (GaN) layer, the surface is trapped by electrons trapped in the surface level of the nitride semiconductor layer. The potential fluctuates and frequency dispersion of the current-voltage characteristics occurs.
また、高出力素子における高利得・高効率化のために、いわゆるリセス構造をとるゲート電極形成やオーミック電極形成が試みられているが、リセス構造を形成する際のエッチングがばらつき、再現性良く窒化物半導体装置を形成できないという問題があった。更に、窒化物半導体の化学的結合力の強さのため、エッチングには主としてドライエッチングが用いられ、ドライエッチングの際に生じるダメージが素子特性を劣化させるという問題があった。 In addition, in order to achieve high gain and high efficiency in high-power devices, gate electrode formation and ohmic electrode formation with a so-called recess structure have been attempted, but etching at the time of forming the recess structure varies, and nitriding is performed with good reproducibility. There is a problem that a physical semiconductor device cannot be formed. Furthermore, due to the strong chemical bonding strength of nitride semiconductors, dry etching is mainly used for etching, and damage that occurs during dry etching has a problem of deteriorating device characteristics.
本発明は、上記問題点を解消し、窒化物半導体層に形成される制御電極(ゲート電極)のショットキ特性におけるリーク電流を大幅に低減し、窒化物半導体層内での衝突イオン化を抑制することにより高耐圧化を実現し、更には周波数分散を抑制することができる窒化物半導体装置を提供することを目的とする。また、再現性良く、制御電極やオーミック電極を形成をすることができる窒化物半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above problems, significantly reduces the leakage current in the Schottky characteristics of the control electrode (gate electrode) formed in the nitride semiconductor layer, and suppresses impact ionization in the nitride semiconductor layer. An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device capable of realizing a high breakdown voltage and further suppressing frequency dispersion. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a nitride semiconductor device capable of forming a control electrode and an ohmic electrode with good reproducibility.
上記目的を達成するため、本願請求項1に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも1つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むV族元素で構成されたIII−V族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、基板上に積層した前記III−V族窒化物半導体層からなる第1の窒化物半導体層と、少なくとも制御電極形成領域を除く前記第1の窒化物半導体層上に選択的に積層した前記III−V族窒化物半導体層からなり、アルミニウムを含まない第2の窒化物半導体層と、前記第1の窒化物半導体層に直接、あるいは絶縁膜を介して接続する制御電極とを備え、前記第2の窒化物半導体層は、不純物として鉄、炭素、亜鉛あるいはマグネシウムの少なくとも1つを含むことを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the invention according to
本願請求項2に係る発明は、請求項1記載の窒化物半導体装置において、前記制御電極形成領域及び前記第1の窒化物半導体層にオーミック接触するオーミック電極形成領域を除く前記第1の窒化物半導体層上に選択的に積層した前記第2の窒化物半導体層と、前記第1の窒化物半導体層に直接、あるいは絶縁膜を介して接触する前記制御電極と、前記第1の窒化物半導体層にオーミック接触する前記オーミック電極とを備えたことを特徴とするものである。
The invention according to
本願請求項3に係る発明は、請求項1または2いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記基板と前記第1の窒化物半導体層との間に、前記第1の窒化物半導体層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ、前記III−V族窒化物半導体層からなる第3の窒化物半導体層を備えたことを特徴とするものである。
The invention according to
本願請求項4に係る発明は、 請求項1乃至3いずれか記載の窒化物半導体装置において、前記第1の窒化物半導体層にオーミック接触する前記オーミック電極となるソース電極及びドレイン電極を備え、前記第1の窒化物半導体層からなるチャネル、あるいは前記第3の窒化物半導体層と前記第1の窒化物半導体層との間に形成されるチャネルを流れる電流を前記制御電極に印加する電圧により制御することを特徴とするものである。
The invention according to
本願請求項5に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも1つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むV族元素で構成されたIII−V族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置の製造方法において、基板上に、前記III−V族窒化物半導体層からからなる第1の窒化物半導体層を形成する工程と、該第1の窒化物半導体層上に、制御電極形成領域を被覆する絶縁膜からなるマスク材を形成する工程と、露出する前記第1の窒化物半導体層上に、不純物として鉄、炭素、亜鉛あるいはマグネシウムの少なくとも1つをドーピングした、アルミニウムを含まない前記III−V族窒化物半導体層からなる第2の窒化物半導体層を選択的に形成する工程と、前記マスク材上に、あるいは前記マスク材を除去して露出する前記第1の窒化物半導体層上に、制御電極を形成する工程とを含むことを特徴とするものである。
The invention according to
本願請求項6に係る発明は、請求項5記載の窒化物半導体装置の製造方法において、前記第2の窒化物半導体層を形成する工程は、前記露出する前記第1の窒化物半導体層上に、前記III−V属窒化物からなり、かつアルミニウムを含まない窒化物半導体層を選択的に形成する工程と、該窒化物半導体層の一部あるいは全部に、鉄、炭素、亜鉛あるいはマグネシウムの少なくとも1つを不純物としてドーピングする工程とを含むことを特徴とするものである。
The invention according to
本願請求項7に係る発明は、請求項5乃至6いずれか記載の窒化物半導体装置の製造方法において、前記基板上に、前記第1の窒化物半導体層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ、前記III−V族窒化物半導体層からなる第3の窒化物半導体層を形成する工程を含み、該第3の窒化物半導体層上に、前記第1の窒化物半導体層を形成することを特徴とするものである。
The invention according to
本願請求項8に係る発明は、 請求項5乃至7いずれか記載の窒化物半導体装置の製造方法において、酸化珪素、窒化珪素、窒化チタン、窒化タングステン、窒化モリブデン、窒化ニッケル、窒化アルミニウム、酸化チタン、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ニッケル、酸化アルミニウムからなる絶縁物で前記マスク材を形成し、MOCVD法により、露出する前記第1の窒化物半導体層上に、前記第2の窒化物半導体層を選択的に形成することを特徴とするものである。
The invention according to
本発明による窒化物半導体装置は、制御電極を絶縁膜を介して窒化物半導体層に接触させる構造とするため、リーク電流を少なくすることができる。本発明の制御電極をFETあるいはHEMT等のゲート電極とした場合、ゲートリーク電流は減少し、さらにチャネルでの衝突イオン化が抑制されることにより、高耐圧化が実現できる。 Since the nitride semiconductor device according to the present invention has a structure in which the control electrode is in contact with the nitride semiconductor layer through the insulating film, the leakage current can be reduced. When the control electrode of the present invention is a gate electrode such as an FET or HEMT, the gate leakage current is reduced, and the collision ionization in the channel is further suppressed, so that a high breakdown voltage can be realized.
また、本発明による窒化物半導体装置では、ゲート−ドレイン電極の間に絶縁性の高い鉄、炭素、亜鉛あるいはマグネシウムの少なくとも1つを不純物としてドーピングした窒化物半導体層を備える構造とするため、ゲート−ドレイン電極の間の表面準位にトラップされる電子の抑制若しくは表面準位密度の低減により電流コラプス現象が抑制され、高周波特性も改善される。 In addition, the nitride semiconductor device according to the present invention has a structure including a nitride semiconductor layer doped with at least one of highly insulating iron, carbon, zinc, or magnesium as an impurity between the gate-drain electrodes. -The current collapse phenomenon is suppressed and the high-frequency characteristics are improved by suppressing electrons trapped in the surface level between the drain electrodes or reducing the surface state density.
さらにオーミック電極をリセス構造とした窒化物半導体装置では、チャネル近傍にオーミック電極が形成され、コンタクト抵抗が低減し、窒化物半導体装置の高利得、高効率化が図られ、高出力半導体装置として好適である。 Furthermore, in a nitride semiconductor device having an ohmic electrode with a recess structure, an ohmic electrode is formed in the vicinity of the channel, the contact resistance is reduced, the high gain and high efficiency of the nitride semiconductor device are achieved, and it is suitable as a high output semiconductor device It is.
本発明による窒化物半導体装置の製造方法は、通常の窒化物半導体装置の製造工程による絶縁膜のパターン形成や、選択成長法等のみにより、窒化物半導体層をエッチングすることなく、所望の構造の窒化物半導体装置を形成することができるため、製造工程の制御性が良く、特性の優れた窒化物半導体装置をばらつきなく、歩留まり良く製造することができる。 A method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention has a desired structure without etching a nitride semiconductor layer only by pattern formation of an insulating film by a normal nitride semiconductor device manufacturing process, a selective growth method, or the like. Since a nitride semiconductor device can be formed, a nitride semiconductor device having good controllability of the manufacturing process and excellent characteristics can be manufactured without variation and with a high yield.
本発明による制御電極をリセス構造とした窒化物半導体装置の製造方法では、制御電極が接触する第1の窒化物半導体層を薄くすることができ、しきい値電圧(ピンチオフ電圧)を浅くすることが可能となる。しかも、制御電極が接触する第1の窒化物半導体層は、エピタキシャル成長後に、ドライエッチングのようなダメージを受けることがないので、ダメージに起因するようは特性劣化の発生がない窒化物半導体装置を形成することができる。 In the method of manufacturing a nitride semiconductor device having a recess structure in the control electrode according to the present invention, the first nitride semiconductor layer in contact with the control electrode can be thinned, and the threshold voltage (pinch-off voltage) is reduced. Is possible. In addition, since the first nitride semiconductor layer in contact with the control electrode is not damaged by dry etching after the epitaxial growth, a nitride semiconductor device in which characteristic deterioration does not occur as a result of damage is formed. can do.
また制御電極及びオーミック電極をリセス構造とした窒化物半導体装置の製造方法では、チャネル近傍にソース電極を形成することができるので、ソース抵抗が低減し、それに伴い、相互コンダクタンス(gm)も改善される窒化物半導体装置を、簡便に形成することができる。 Further, in the method of manufacturing a nitride semiconductor device having a recess structure of the control electrode and the ohmic electrode, the source electrode can be formed in the vicinity of the channel, so that the source resistance is reduced and the mutual conductance (gm) is also improved accordingly. The nitride semiconductor device can be easily formed.
以下、本発明の窒化物半導体装置及び窒化物半導体装置の製造方法について、主に、不純物として鉄をドーピングする場合を例にとり、実施例を順に説明する。 Hereinafter, the nitride semiconductor device and the method for manufacturing the nitride semiconductor device according to the present invention will be described in order of embodiments, mainly using iron as an impurity as an example.
まず本発明の窒化物半導体装置について、III−V族窒化物半導体装置であるHEMTを例にとり、詳細に説明する。図1は本発明の第1の実施例であるIII−V族窒化物半導体装置であるHEMTの断面図を示している。図1に示すように炭化珪素(SiC)からなる基板11上に、厚さ200nm程度の窒化アルミニウム(AlN)からなるバッファ層12、後述するキャリア供給層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ厚さ2μmのノンドープ窒化ガリウム(GaN)からなるチャネル層13(第3の窒化物半導体層)、厚さ7nmのノンドープ窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなるスペーサ層14、厚さ15nmのn型窒化アルミニウムガリウムからなるキャリア供給層15、厚さ3nmのノンドープ窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層16(第1の窒化物半導体層)が積層形成し、さらにショットキ層16上に酸化珪素からなる厚さ15nmの絶縁膜17(マスク材)と、厚さ10nmの鉄(Fe)をドーピングした窒化ガリウムからなるキャップ層18(第2の窒化物半導体層)を積層形成している。ショットキ層16上には、オーミック接触するチタン(Ti)/アルミニウム(Al)の積層体等からなるソース電極19a、ドレイン電極19b(オーミック電極)を備え、キャリア供給層15にオーミック接触している。また、絶縁膜17上には、ニッケル(Ni)/金(Au)の積層体等からなるゲート電極20(制御電極)を備え、ショットキ接触を形成している。
First, the nitride semiconductor device of the present invention will be described in detail by taking a HEMT as a group III-V nitride semiconductor device as an example. FIG. 1 shows a sectional view of a HEMT which is a III-V nitride semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, on a
鉄(Fe)をドーピングしたキャップ層18は、絶縁膜17が設けられた領域を除き、ショットキ層16上に選択的に積層している。またそのシート抵抗は、109Ω/□以上の高抵抗となっている。
The
本発明の窒化物半導体装置は、ゲート電極20の下に絶縁膜17が設けられた構造であるため、ゲートリーク電流が低減し、チャネルでの衝突イオン化が抑制され、オフ耐圧が改善される。
Since the nitride semiconductor device of the present invention has a structure in which the insulating
また本発明の窒化物半導体装置は、ゲート−ドレイン電極の間に絶縁性の高いキャップ層18が設けられているため、ゲート−ドレイン電極の間の表面準位にトラップされる電子の抑制若しくは表面準位密度の低減により、電流−電圧特性の周波数分散を抑制することができる。
In the nitride semiconductor device of the present invention, since the highly
次に図1に示す窒化物半導体装置の製造方法について説明する。まず、炭化珪素(SiC)からなる基板11上に、MOCVD(有機金属化学的気相堆積)法あるいはMBE(電子ビームエピタキシャル)法により、厚さ200nm程度の窒化アルミニウム(AlN)のバッファ層12、厚さ2μmのノンドープ窒化ガリウム(GaN)からなるチャネル層13、厚さ7nmのノンドープ窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなるスペーサ層14、厚さ15nmのn型窒化アルミニウムガリウムからなるキャリア供給層15、厚さ3nmのノンドープ窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層16を順次積層成長させる(図2a)。
Next, a method for manufacturing the nitride semiconductor device shown in FIG. 1 will be described. First, an aluminum nitride (AlN)
次に、プラズマCVD法、減圧CVD法またはEB(電子ビーム)蒸着等によりショットキ層16上に酸化珪素からなる厚さ15nmの絶縁膜17(マスク材)を形成する。その後、通常のリソグラフ法及びエッチング法により、ゲート電極形成領域及びオーミック電極形成領域に絶縁膜17を残し、それ以外の絶縁膜17を除去し、ショットキ層16を露出させる(図2b)。なお、オーミック電極形成領域に絶縁膜17を残すことは必ずしも必須ではないが、後述するオーミック電極の形成の際、チャネル近傍にオーミック接触を形成し、コンタクト抵抗を低減することができ好ましい。
Next, an insulating film 17 (mask material) made of silicon oxide and having a thickness of 15 nm is formed on the
ここで絶縁膜17は、高い絶縁性を有し、絶縁膜17上にキャップ層18が成長しない膜であれば、本実施例の酸化珪素に限定されるものではない。他の絶縁膜材料としては、窒化珪素、窒化チタン、窒化タングステン、窒化モリブデン、窒化ニッケル、窒化アルミニウム、酸化チタン、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ニッケル、酸化アルミニウムが、パターン形成や除去が容易で好ましい。また絶縁膜17の厚さは、キャップ層18の選択成長が可能で、制御電極に印加される電圧により、チャネルを流れるキャリアを制御できる厚さに適宜設定すれば良い。
Here, the insulating
その後、ドーピングソースとして二シクロペンタジエニール(bis(cyclopentadienyl)iron、Cp2Fe)を同時供給し、再度厚さ10nmの鉄(Fe)をドーピングした窒化ガリウム(GaN)からなるキャップ層18を成長させる。このように鉄(Fe)をドーピングすることにより、絶縁特性の高い層となる。また絶縁膜17表面には、鉄(Fe)をドーピングした窒化ガリウムは成長しないので、図2cに示すように、選択的にキャップ層18を形成することができる。
Thereafter, dicyclopentadienyl (bis (cyclopentadienyl) iron, Cp 2 Fe) is simultaneously supplied as a doping source, and a
次に、通常のリソグラフ法及びエッチング法により、オーミック電極形成領域の絶縁膜17bを除去し、リフトオフ法により露出するショットキ層16上に電子ビーム蒸着法などで厚さ10nm程度のチタン(Ti)膜、厚さ200nm程度のアルミニウム(Al)膜を堆積させ、熱処理を行うことにより、少なくともキャリア供給層15にオーミック接触するソース電極19a、ドレイン電極19bを形成する(図2d)。このようにオーミック電極を、いわゆるリセス構造として形成すると、低抵抗化が可能となる。
Next, the insulating
続いて、通常のリソグラフ法及ぶリフトオフ法により、絶縁膜17上に、厚さ20nmのニッケル(Ni)/厚さ300nmの金(Au)からなる積層体等を電子ビーム蒸着法などにより積層してパターニングすることにより、ショットキ接触するゲート電極20を形成する(図2e)。以下、通常の半導体装置の製造工程に従い、HEMTを完成させる。
Subsequently, a laminate made of nickel (Ni) with a thickness of 20 nm / gold (Au) with a thickness of 300 nm is laminated on the insulating
本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、通常の窒化物半導体装置の製造工程のみで構成され、所望の構造の窒化物半導体装置を形成することができるため、製造工程の制御性が良く、特性の優れた窒化物半導体装置をばらつきなく、歩留まり良く製造することができる。 The method for manufacturing a nitride semiconductor device of the present invention includes only a normal nitride semiconductor device manufacturing process, and a nitride semiconductor device having a desired structure can be formed. Nitride semiconductor devices having excellent characteristics can be manufactured without variation and with high yield.
図3は、別の窒化物半導体装置からなる第2の実施例の断面図を示している。第1の実施例同様、炭化珪素(SiC)からなる基板11上に、厚さ200nm程度の窒化アルミニウム(AlN)からなるバッファ層12、後述するキャリア供給層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ厚さ2μmのノンドープ窒化ガリウム(GaN)からなるチャネル層13(第3の窒化物半導体層)、厚さ7nmのノンドープ窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなるスペーサ層14、厚さ15nmのn型窒化アルミニウムガリウムからなるキャリア供給層15、厚さ3nmのノンドープ窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層16(第1の窒化物半導体層)が積層形成し、さらにショットキ層16上に厚さ10nmの鉄(Fe)をドーピングした窒化ガリウムからなるキャップ層18(第2の窒化物半導体層)を積層形成している。ショットキ層16上には、オーミック接触するチタン(Ti)/アルミニウム(Al)の積層体等からなるソース電極19a、ドレイン電極19b(オーミック電極)を備え、キャリア供給層15にオーミック接触している。本実施例では、第1の実施例と異なり、絶縁膜17が除かれ、露出するショットキ層16上に、ニッケル(Ni)/金(Au)の積層体等からなるゲート電極20(制御電極)を備え、ショットキ層16にショットキ接触を形成している。
FIG. 3 shows a cross-sectional view of a second embodiment made of another nitride semiconductor device. Similar to the first embodiment, on a
第1の実施例同様、鉄(Fe)をドーピングしたキャップ層18は、ゲート電極20形成領域、ソース電極19a、ドレイン電極19b形成領域を除き、ショットキ層16上に選択的に積層している。またそのシート抵抗は、109Ω/□以上の高抵抗となっている。
As in the first embodiment, the
本発明の窒化物半導体装置は、ゲート−ドレイン電極の間に絶縁性の高いキャップ層18が設けられているため、ゲート−ドレイン電極の間の表面準位にトラップされる電子の抑制若しくは表面準位密度の低減により電流−電圧特性の周波数分散を抑制することができる。
In the nitride semiconductor device of the present invention, since the highly
次に図3に示す窒化物半導体装置の製造方法について説明する。第1の実施例同様、まず炭化珪素(SiC)からなる基板11上に、MOCVD法あるいはMBE法により、厚さ200nm程度の窒化アルミニウム(AlN)のバッファ層12、厚さ2μmのノンドープ窒化ガリウム(GaN)からなるチャネル層13、厚さ7nmのノンドープ窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなるスペーサ層14、厚さ15nmのn型窒化アルミニウムガリウムからなるキャリア供給層15、厚さ3nmのノンドープ窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層16を順次積層成長させる。(図4a)。
Next, a method for manufacturing the nitride semiconductor device shown in FIG. 3 will be described. As in the first embodiment, an aluminum nitride (AlN)
次に、プラズマCVD法、減圧CVD法またはEB(電子ビーム)蒸着等によりショットキ層16上に酸化珪素からなる厚さ15nmの絶縁膜17(マスク材)を形成する。その後、通常のリソグラフ法及びエッチング法により、絶縁膜17の一部を除去し、ショットキ層16を露出する(図4b)。
Next, an insulating film 17 (mask material) made of silicon oxide and having a thickness of 15 nm is formed on the
絶縁膜17は、絶縁膜17上にキャップ層18が成長しない膜であれば、本実施例の酸化珪素に限定されるものではない。他の絶縁膜材料としては、窒化珪素、窒化チタン、窒化タングステン、窒化モリブデン、窒化ニッケル、窒化アルミニウム、酸化チタン、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ニッケル、酸化アルミニウムが、パターン形成や除去が容易で好ましい。また絶縁膜17の厚さは、ショットキ層16の選択成長が可能で、制御電極に印加される電圧により、チャネルを流れるキャリアを制御できる厚さに適宜設定すれば良い。
The insulating
その後、ドーピングソースとして二シクロペンタジエニール(bis(cyclopentadienyl)iron、Cp2Fe)を原料ガスと共に供給し、再度厚さ10nmの鉄(Fe)をドーピングした窒化ガリウム(GaN)からなるキャップ層18を成長させる。このように鉄(Fe)をドーピングすることにより、絶縁特性の優れた層となる(図4c)。
Thereafter, bis (cyclopentadienyl) iron (bis (cyclopentadienyl) iron, Cp 2 Fe) is supplied as a doping source together with the raw material gas, and the
更に、通常のリソグラフ法及びエッチング法により絶縁膜17bを除去し、ショットキ層16を露出する(図4d)。続いて、通常のリソグラフ法及びリフトオフ法により、厚さ20nm程度のチタン(Ti)膜、厚さ200nm程度のアルミニウム(Al)膜を電子ビーム蒸着法などによりショットキ層16に堆積させ、熱処理を行い、ソース電極19a、ドレイン電極19bを形成する。
Further, the insulating
続いて、通常のリソグラフ法及びリフトオフ法により、ショットキ層16上に、厚さ20nmのニッケル(Ni)/厚さ300nmの金(Au)からなる積層体等を電子ビーム蒸着法などにより積層してパターニングすることにより、ショットキ接触するゲート電極20を形成する(図4e)。以下、通常の半導体装置の製造工程に従い、HEMTを完成させる。
Subsequently, a laminated body made of nickel (Ni) with a thickness of 20 nm / gold (Au) with a thickness of 300 nm is laminated on the
本実施例では、ゲート電極20をいわゆるリセス構造としているため、ソース抵抗の低減ならびに相互コンダクタンス(gm)が改善され、しきい値電圧を浅くすることも可能となる。また、ソース電極19a、ドレイン電極19bも同様にリセス構造として形成しているため、低抵抗化が可能となる。
In this embodiment, since the
また本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、窒化物半導体層をエッチングすることなく、通常の半導体装置の製造工程に従うため、極めて制御性が良く、歩留まり良く製造することができる。 In addition, since the nitride semiconductor device manufacturing method of the present invention follows a normal semiconductor device manufacturing process without etching the nitride semiconductor layer, it can be manufactured with extremely good controllability and high yield.
次にキャップ層18の別の製造方法について説明する。図5に示すように、炭化珪素(SiC)からなる基板11上に、MOCVD法あるいはMBE法により、厚さ200nm程度の窒化アルミニウム(AlN)のバッファ層12、厚さ2μmのノンドープ窒化ガリウム(GaN)からなるチャネル層13、厚さ7nmのノンドープ窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなるスペーサ層14、厚さ15nmのn型窒化アルミニウムガリウムからなるキャリア供給層15、厚さ3nmのノンドープ窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層16を順次積層成長させる。(図5a)。
Next, another method for manufacturing the
次に、プラズマCVD法、減圧CVD法またはEB蒸着法等によりショットキ層16上に、酸化珪素からなる厚さ15nmの絶縁膜17を形成する。その後、通常のリソグラフ法及びエッチング法により、絶縁膜17の一部を除去し、ショットキ層16を露出する(図5b)。
Next, an insulating
その後、本実施例では、不純物を含まない厚さ10nmのノンドープ窒化ガリウム層21を、露出するショットキ層16上に選択的に積層形成する(図5c)。
Thereafter, in this embodiment, a 10 nm thick non-doped
次に、このノンドープ窒化ガリウム層21表面に、鉄化合物を添加したSOG(スピンオングラス)膜22を形成する。具体的には、シラノール化合物(RnSi(OH)4-n)を含む有機溶剤(例えば東京応化社製OCDtype−1)100mlに対し、鉄化合物(Fe(NO3)3・9H2O)を1g添加した溶液を用意し、ノンドープ窒化ガリウム層21表面および絶縁膜17上に回転塗布する。これを焼成してSOG膜22を形成する(図5d)。
Next, an SOG (spin-on-glass)
その後加熱することで、SOG膜に添加されている鉄(Fe)をノンドープ窒化ガリウム層21中に拡散させ、鉄(Fe)が拡散したキャップ層18を形成する。このキャップ層18は、高い絶縁性(シート抵抗1×109Ω/□以上)を示す高抵抗膜となる。キャップ層18上及び絶縁膜17上に残るSOG膜22を除去した後、前述の実施例1及び実施例2同様、絶縁膜17bを除去して露出するショットキ層16上にオーミック接触するチタン(Ti)/アルミニウム(Al)の積層体等からなるソース電極19a、ドレイン電極19bを形成する。更に絶縁膜17a上(図5f)、あるいは絶縁膜17aを除去して露出するショットキ層16上に、ニッケル(Ni)/金(Au)の積層体等からなるゲート電極20をパターン形成し、窒化物半導体を形成することができる。
After that, by heating, iron (Fe) added to the SOG film is diffused into the non-doped
本実施例についても、実施例1、実施例2同様、ゲート−ドレイン電極の間に絶縁性の高い鉄(Fe)をドーピングした窒化物半導体キャップ層18が設けられているため、ゲート−ドレイン電極の間の表面準位にトラップされる電子の抑制若しくは表面準位密度の低減により電流−電圧特性の周波数分散を抑制する窒化物半導体装置を、ばらつきなく、歩留まり良く製造することができる。
Also in this example, as in the first and second examples, the gate-drain electrode is provided with the nitride
以上本発明の実施例についてHEMT構造の窒化物半導体装置について説明したが、本発明は、FET構造の窒化物半導体装置に適用することも可能である。即ち、半導体基板の構成が異なるのみで、本発明を適用することができる。以下、本発明の第3の実施例であるIII−V族窒化物半導体装置であるFETについて、製造工程に従い、説明する。まず、炭化珪素(SiC)からなる基板上に、MOCVD法あるいはMBE法により、厚さ200nm程度の窒化アルミニウム(AlN)からなるバッファ層を成長させ、厚さ3μm程度のn型窒化ガリウム(GaN)からなる能動層(第1の窒化物半導体層)を順次積層成長する。 Although the embodiments of the present invention have been described with respect to the nitride semiconductor device having the HEMT structure, the present invention can also be applied to the nitride semiconductor device having the FET structure. That is, the present invention can be applied only in the configuration of the semiconductor substrate. Hereinafter, an FET which is a group III-V nitride semiconductor device according to a third embodiment of the present invention will be described in accordance with the manufacturing process. First, a buffer layer made of aluminum nitride (AlN) having a thickness of about 200 nm is grown on a substrate made of silicon carbide (SiC) by MOCVD or MBE, and n-type gallium nitride (GaN) having a thickness of about 3 μm. An active layer (first nitride semiconductor layer) is sequentially stacked and grown.
次に、プラズマCVD法、減圧CVD法またはEB蒸着法等により能動層上に酸化珪素からなる厚さ15nmの絶縁膜(マスク材)を形成する。その後、通常のリソグラフ法及びエッチング法により、ゲート電極形成領域等の絶縁膜を残し、それ以外の絶縁膜を除去し、能動層を露出する。 Next, an insulating film (mask material) having a thickness of 15 nm made of silicon oxide is formed on the active layer by plasma CVD, low pressure CVD, EB vapor deposition, or the like. Thereafter, by an ordinary lithographic method and an etching method, an insulating film such as a gate electrode formation region is left, the other insulating films are removed, and the active layer is exposed.
その後、MOCVD法により能動層上に、不純物として鉄(Fe)をドーピングした窒化ガリウムからなるキャップ層(第2の窒化物半導体層)を成長させる。次に、通常のリソグラフ法及びリフトオフ法により、キャップ層上にEB蒸着法などにより、能動層にオーミック接触するソース電極及びドレイン電極と、絶縁膜上に、あるいは絶縁膜を除去して露出する能動層上に、ショットキ接触するゲート電極を形成する。以下、通常の半導体装置の製造工程に従い、FETを完成する。 Thereafter, a cap layer (second nitride semiconductor layer) made of gallium nitride doped with iron (Fe) as an impurity is grown on the active layer by MOCVD. Next, a source electrode and a drain electrode that are in ohmic contact with the active layer by an EB deposition method on the cap layer by an ordinary lithographic method and a lift-off method, and an active material that is exposed on the insulating film or by removing the insulating film. A gate electrode in Schottky contact is formed on the layer. Thereafter, the FET is completed according to the normal manufacturing process of the semiconductor device.
本発明はFET構造の窒化物半導体装置であっても、ゲート電極の下に絶縁膜が設けられた構造であるため、ゲートリーク電流が低減され、チャネルでの衝突イオン化が抑制され、オフ耐圧が改善される。また、ゲート−ドレイン電極の間に絶縁性の高いキャップ層が設けられているため、ゲート−ドレイン電極の間の表面準位にトラップされる電子の抑制若しくは表面準位密度の低減により、電流−電圧特性の周波数分散を抑制することができる。 Even if the present invention is a nitride semiconductor device having an FET structure, since the insulating film is provided under the gate electrode, the gate leakage current is reduced, collision ionization in the channel is suppressed, and the off breakdown voltage is reduced. Improved. In addition, since a highly insulating cap layer is provided between the gate and the drain electrode, the current − is suppressed by suppressing electrons trapped in the surface level between the gate and the drain electrode or by reducing the surface level density. Frequency dispersion of voltage characteristics can be suppressed.
本発明はFET構造の窒化物半導体装置を製造する場合であっても、通常の窒化物半導体装置の製造工程のみで構成され、所望の構造の窒化物半導体装置を形成することができるため、製造工程の制御性がよく、特性の優れた窒化物半導体装置をばらつきなく、歩留まり良く製造することができる。 Even if the present invention manufactures a nitride semiconductor device having an FET structure, it can be formed only by a normal nitride semiconductor device manufacturing process, and a nitride semiconductor device having a desired structure can be formed. A nitride semiconductor device having good process controllability and excellent characteristics can be manufactured without variation and with a high yield.
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでなく種々変更可能である。窒化物半導体層は、GaN/AlGaN系に限定されるものでなく、制御電極が形成される窒化物半導体層(上記実施例ではショットキー層16に相当)は、GaN、InNあるいはこれらの混晶化合物を含み、かつアルミニウムを含まない層で構成することができる。また第1の窒化物半導体層(上記実施例ではキャリア供給層15に相当)は、GaN、InN、AlNあるいはこれらの混晶半導体を含み、かつ少なくともアルミニウムを含む層で形成することができる。実施例において使用した炭化珪素(SiC)基板の代わりにサファイア基板を用いても構わない。その場合はバッファ層12として低温成長の窒化ガリウム(GaN)を用いるほうが望ましい。また実施例において使用した炭化珪素(SiC)基板の代わりにシリコン基板(Si)を用いても構わない。また窒化物半導体とショットキ接触を形成する制御電極、オーミック接触する電極の組成は、使用する窒化物半導体層、絶縁膜等の種類に応じて、適宜選択されることは言うまでもない。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments and can be variously modified. The nitride semiconductor layer is not limited to the GaN / AlGaN system, and the nitride semiconductor layer (corresponding to the
以上、不純物として鉄(Fe)をドーピングした場合について詳細に説明したが、本発明のドーピングされる不純物は、鉄(Fe)の他、炭素(C)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)であっても良い。これらを不純物としてドーピングする場合には、周知の製造法に従う。 As described above, the case where iron (Fe) is doped as an impurity has been described in detail. However, the impurity doped in the present invention is not only iron (Fe) but also carbon (C), zinc (Zn), and magnesium (Mg). There may be. When doping these as impurities, a well-known manufacturing method is followed.
たとえば、MOCVD法により窒化物半導体層を形成する場合には、ドーピングソースとしてジエチル亜鉛(di-ethyl zinc)を用いて亜鉛(Zn)を、二シクロペンタジエニールマグネシウム(bis(cyclopentadienyl)magnesium、Cp2Mg)を用いてマグネシウム(Mg)をそれぞれドーピングした窒化物半導体層を形成することができる。またMBE法により窒化物半導体層を形成する場合には、金属亜鉛、金属マグネシウムをドーパントとして用いることができる。炭素(C)をドーピングする場合は、MOCVD法により、ドーピングソースとして四臭化炭素(CBr4)を用いることができる。 For example, when a nitride semiconductor layer is formed by MOCVD, zinc (Zn) is used as a doping source using di-ethyl zinc, and dicyclopentadienyl magnesium (bis (cyclopentadienyl) magnesium, Cp 2 Mg) can be used to form a nitride semiconductor layer doped with magnesium (Mg). Further, when the nitride semiconductor layer is formed by the MBE method, metallic zinc or metallic magnesium can be used as a dopant. When carbon (C) is doped, carbon tetrabromide (CBr 4 ) can be used as a doping source by MOCVD.
また、SOG膜を用いて亜鉛(Zn)又はマグネシウム(Mg)をドーピングする場合には、シラノール化合物(RnSi(OH)4-n)を含む有機溶剤に所望の金属化合物を添加した溶液を用意し、半導体層上に回転塗布した後、焼成して形成することができる。その他、イオン注入法によって、不純物をドーピングすることもできる。 In addition, when doping with zinc (Zn) or magnesium (Mg) using an SOG film, a solution in which a desired metal compound is added to an organic solvent containing a silanol compound (R n Si (OH) 4 -n ) is used. It can be formed by firing after spin coating on the semiconductor layer. In addition, impurities can be doped by ion implantation.
11;基板、12;バッファ層、13;チャネル層、14; スペーサ層、
15;キャリア供給層、16;ショットキ層、17;絶縁膜、18;キャップ層、
19a;ソース電極、19b;ドレイン電極、20;ゲート電極、
21;ノンドープ窒化ガリウム層、22;SOG膜
11; substrate; 12; buffer layer; 13; channel layer; 14; spacer layer;
15; carrier supply layer, 16; Schottky layer, 17; insulating film, 18; cap layer,
19a; source electrode, 19b; drain electrode, 20; gate electrode,
21; Non-doped gallium nitride layer, 22; SOG film
Claims (8)
基板上に積層した前記III−V族窒化物半導体層からなる第1の窒化物半導体層と、少なくとも制御電極形成領域を除く前記第1の窒化物半導体層上に選択的に積層した前記III−V族窒化物半導体層からなり、アルミニウムを含まない第2の窒化物半導体層と、前記第1の窒化物半導体層に直接、あるいは絶縁膜を介して接続する制御電極とを備え、
前記第2の窒化物半導体層は、不純物として鉄、炭素、亜鉛あるいはマグネシウムの少なくとも1つを含むことを特徴とする窒化物半導体装置。 Group III-V nitride composed of a group III element consisting of at least one of the group consisting of gallium, aluminum, boron and indium and a group V element containing at least nitrogen from the group consisting of nitrogen, phosphorus and arsenic In a nitride semiconductor device composed of a semiconductor layer,
A first nitride semiconductor layer made of the III-V nitride semiconductor layer stacked on a substrate, and the III- layer selectively stacked on the first nitride semiconductor layer excluding at least the control electrode formation region; A second nitride semiconductor layer made of a group V nitride semiconductor layer and containing no aluminum, and a control electrode connected to the first nitride semiconductor layer directly or via an insulating film;
The second nitride semiconductor layer includes at least one of iron, carbon, zinc, or magnesium as an impurity.
前記制御電極形成領域及び前記第1の窒化物半導体層にオーミック接触するオーミック電極形成領域を除く前記第1の窒化物半導体層上に選択的に積層した前記第2の窒化物半導体層と、前記第1の窒化物半導体層に直接、あるいは絶縁膜を介して接触する前記制御電極と、前記第1の窒化物半導体層にオーミック接触する前記オーミック電極とを備えたことを特徴とする窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 1,
The second nitride semiconductor layer selectively stacked on the first nitride semiconductor layer excluding the control electrode formation region and the ohmic electrode formation region in ohmic contact with the first nitride semiconductor layer; and A nitride semiconductor comprising: the control electrode in contact with the first nitride semiconductor layer directly or through an insulating film; and the ohmic electrode in ohmic contact with the first nitride semiconductor layer apparatus.
前記基板と前記第1の窒化物半導体層との間に、前記第1の窒化物半導体層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ、前記III−V族窒化物半導体層からなる第3の窒化物半導体層を備えたことを特徴とする窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to claim 1 or 2,
A third nitride composed of the group III-V nitride semiconductor layer having an energy gap smaller than that of the first nitride semiconductor layer between the substrate and the first nitride semiconductor layer. A nitride semiconductor device comprising a semiconductor layer.
前記第1の窒化物半導体層にオーミック接触する前記オーミック電極となるソース電極及びドレイン電極を備え、前記第1の窒化物半導体層からなるチャネル、あるいは前記第3の窒化物半導体層と前記第1の窒化物半導体層との間に形成されるチャネルを流れる電流を前記制御電極に印加する電圧により制御することを特徴とする窒化物半導体装置。 The nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
A source electrode and a drain electrode serving as the ohmic electrode in ohmic contact with the first nitride semiconductor layer; a channel formed of the first nitride semiconductor layer; or the third nitride semiconductor layer and the first A nitride semiconductor device, wherein a current flowing through a channel formed between the first and second nitride semiconductor layers is controlled by a voltage applied to the control electrode.
基板上に、前記III−V族窒化物半導体層からからなる第1の窒化物半導体層を形成する工程と、
該第1の窒化物半導体層上に、制御電極形成領域を被覆する絶縁膜からなるマスク材を形成する工程と、
露出する前記第1の窒化物半導体層上に、不純物として鉄、炭素、亜鉛あるいはマグネシウムの少なくとも1つをドーピングした、アルミニウムを含まない前記III−V族窒化物半導体層からなる第2の窒化物半導体層を選択的に形成する工程と、
前記マスク材上に、あるいは前記マスク材を除去して露出する前記第1の窒化物半導体層上に、制御電極を形成する工程とを含むことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。 Group III-V nitride composed of a group III element consisting of at least one of the group consisting of gallium, aluminum, boron and indium and a group V element containing at least nitrogen from the group consisting of nitrogen, phosphorus and arsenic In a method for manufacturing a nitride semiconductor device comprising a semiconductor layer,
Forming a first nitride semiconductor layer comprising the group III-V nitride semiconductor layer on a substrate;
Forming a mask material made of an insulating film covering the control electrode formation region on the first nitride semiconductor layer;
A second nitride composed of the group III-V nitride semiconductor layer not containing aluminum, doped with at least one of iron, carbon, zinc, or magnesium as an impurity on the exposed first nitride semiconductor layer Selectively forming a semiconductor layer;
Forming a control electrode on the mask material or on the first nitride semiconductor layer exposed by removing the mask material.
前記露出する前記第1の窒化物半導体層上に、前記III−V属窒化物からなり、かつアルミニウムを含まない窒化物半導体層を選択的に形成する工程と、
該窒化物半導体層の一部あるいは全部に、鉄、炭素、亜鉛あるいはマグネシウムの少なくとも1つを不純物としてドーピングする工程とを含むことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。 6. The method of manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 5, wherein the step of forming the second nitride semiconductor layer includes:
Selectively forming a nitride semiconductor layer made of Group III-V nitride and not containing aluminum on the exposed first nitride semiconductor layer;
And a step of doping at least one of iron, carbon, zinc, and magnesium as an impurity into a part or all of the nitride semiconductor layer.
前記基板上に、前記第1の窒化物半導体層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ、前記III−V族窒化物半導体層からなる第3の窒化物半導体層を形成する工程を含み、該第3の窒化物半導体層上に、前記第1の窒化物半導体層を形成することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the nitride semiconductor device according to claim 5,
Forming a third nitride semiconductor layer made of the group III-V nitride semiconductor layer having an energy gap smaller than that of the first nitride semiconductor layer on the substrate; 3. A method of manufacturing a nitride semiconductor device, comprising: forming the first nitride semiconductor layer on the nitride semiconductor layer 3.
酸化珪素、窒化珪素、窒化チタン、窒化タングステン、窒化モリブデン、窒化ニッケル、窒化アルミニウム、酸化チタン、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ニッケル、酸化アルミニウムからなる絶縁物で前記マスク材を形成し、MOCVD法により、露出する前記第1の窒化物半導体層上に、前記第2の窒化物半導体層を選択的に形成することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the nitride semiconductor device according to claim 5,
The mask material is formed of an insulator made of silicon oxide, silicon nitride, titanium nitride, tungsten nitride, molybdenum nitride, nickel nitride, aluminum nitride, titanium oxide, tungsten oxide, molybdenum oxide, nickel oxide, aluminum oxide, and MOCVD method is used. The method of manufacturing a nitride semiconductor device, wherein the second nitride semiconductor layer is selectively formed on the exposed first nitride semiconductor layer.
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