JP2007281453A - Semiconductor field effect transistor, and method for manufacturing same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体電界効果トランジスタ、半導体集積回路及びそれらの製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor field effect transistor, a semiconductor integrated circuit, and a manufacturing method thereof.
電界効果トランジスタは増幅器、スイッチなどの電子部品として広く使われており、電流の経路(チャネル)の形態によりいくつかに分類される。一形態に2次元電子ガス(2DEG)を利用したものがあるが、2DEGを利用した電界効果トランジスタは2DEGを形成する界面の形態により2種に分かれる。一つは酸化膜/半導体結晶界面に形成したものであり、もうひとつは同系の半導体結晶/半導体結晶界面に形成したものである。前者の代表例としてSi−MOS電界効果トランジスタがあり、後者の代表例としてGaN系の高電子移動度電界効果トランジスタ(GaN−HEMT)がある。 Field effect transistors are widely used as electronic components such as amplifiers and switches, and are classified into several types according to the form of a current path (channel). Although one type uses a two-dimensional electron gas (2DEG), a field effect transistor using 2DEG is divided into two types depending on the form of the interface forming the 2DEG. One is formed at the oxide film / semiconductor crystal interface, and the other is formed at the same semiconductor crystal / semiconductor crystal interface. A typical example of the former is a Si-MOS field effect transistor, and a typical example of the latter is a GaN-based high electron mobility field effect transistor (GaN-HEMT).
Si−MOS電界効果トランジスタは、ゲートバイアスを制御することにより、Si酸化膜/ Si半導体結晶界面に極性の反転したチャネルを形成する構成となっており、ゲートバイアスを順方向(n型チャネルであれば正の電圧)に印加すれば、酸化膜の耐圧の範囲内において、より多くのキャリアを該界面に誘起することができ、より高い電流密度を得ることができるという優れた面を有している。しかし、電子が結晶系の異なる界面を走行するため、界面の結晶格子の乱れによる散乱を受け、十分な電子走行速度が得られず、高周波信号の増幅や高速なスイッチイングには限界があるという問題点を有している。 The Si-MOS field effect transistor is configured to form a channel with reversed polarity at the Si oxide film / Si semiconductor crystal interface by controlling the gate bias. If applied to a positive voltage), more carriers can be induced at the interface within the range of the breakdown voltage of the oxide film, and a higher current density can be obtained. Yes. However, since electrons travel through different interfaces of the crystal system, they are scattered by the disorder of the crystal lattice at the interface, and sufficient electron travel speed cannot be obtained, and there is a limit to amplification of high-frequency signals and high-speed switching. Has a problem.
一方、GaN−HEMTの場合には、親和力の異なる同系の半導体結晶であるAlGaN層とGaN層とを接合することにより、その接合界面にキャリアを誘起しチャネルを形成する構成となっている。この界面は同系結晶のヘテロ接合界面であるため、電子の散乱は小さく、高い電子走行速度が実現できるため、高周波信号の増幅や高速なスイッチイングに適している。しかし、GaN−HEMTの場合、順方向ゲートバイアスを印加することにより、ドレイン電流密度を向上させることはほぼ不可能である。それは同系の結晶間では電子親和力の差が小さいため、誘起されたキャリアが容易に電子親和力の小さい結晶を通り抜けてゲート電極に流れこむ、所謂ゲートリークを生じるためである。この問題点を改善するため、AlGaN層のAl組成を増やすことによりAlGaN層とGaN層との電子親和力の差を大きくする手法が公知である(非特許文献1)。順方向ゲートリークを低減する他の手法として、半導体結晶層に接して該半導体結晶層よりも小さな電子親和力を有する材料による膜を積層する手法も公知である(非特許文献2)。
しかし、AlGaN層のAl組成を増やす方法によると、界面での合金散の増加や界面の格子不整合拡大による結晶性の悪化などの問題点を生じ、期待されるほどの効果は挙げられない。 However, according to the method of increasing the Al composition of the AlGaN layer, problems such as an increase in alloy dispersion at the interface and deterioration of crystallinity due to the expansion of lattice mismatch at the interface occur, and the expected effect cannot be obtained.
また、半導体結晶層に接して該半導体結晶層よりも小さな電子親和力を有する材料による膜を積層する手法によると、逆方向のリーク電流は大きく低減できたが、順方向のリーク電流を下げる効果は充分ではなく、そのため十分な順方向ゲートバイアスは印加できず、実用には限界があった。 Also, according to the method of laminating a film made of a material having an electron affinity smaller than that of the semiconductor crystal layer in contact with the semiconductor crystal layer, the reverse leakage current can be greatly reduced, but the effect of reducing the forward leakage current is Therefore, a sufficient forward gate bias cannot be applied, and there is a limit to practical use.
このように、従来技術によると、高い電子走行速度、高い利得、高いドレイン電流密度を兼ね備えた電界効果トランジスタを作製することは困難であった。 Thus, according to the prior art, it has been difficult to produce a field effect transistor having a high electron traveling speed, a high gain, and a high drain current density.
本発明の目的は、従来技術における上述の問題を解決することができる、高性能のガリウムナイトライド系電界効果トランジスタを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a high-performance gallium nitride field effect transistor that can solve the above-mentioned problems in the prior art.
本発明の他の目的は、電流ヒステリシス特性が良好で順方向ゲートリークを低減させることができる、ガリウムナイトライド系電界効果トランジスタを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a gallium nitride field effect transistor that has good current hysteresis characteristics and can reduce forward gate leakage.
本発明の他の目的は、高い電子速度、高い利得、高いドレイン電流密度を実現することができるガリウムナイトライド系電界効果トランジスタを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a gallium nitride field effect transistor capable of realizing a high electron velocity, a high gain, and a high drain current density.
上記課題を解決するため、本発明による電界効果トランジスタは、ガリウムナイトライド系の半導体結晶層Aと半導体結晶層Bとの間のヘテロ界面に誘起されたキャリアをチャネルとしており、半導体結晶層Aとゲート電極との間にゲート絶縁膜を設け、該ゲート絶縁膜の材料の少なくとも一部に酸化ハフニウムを含むようにしたものである。 In order to solve the above problems, a field effect transistor according to the present invention uses carriers induced at a heterointerface between a gallium nitride semiconductor crystal layer A and a semiconductor crystal layer B as a channel. A gate insulating film is provided between the gate electrode and at least a part of the material of the gate insulating film contains hafnium oxide.
請求項1の発明によれば、ゲート絶縁膜を有するガリウムナイトライド系電界効果トランジスタであって、該ゲート絶縁膜に接する半導体結晶層Aと、該半導体結晶Aよりも大きな電子親和力を有しており該半導体結晶層Aに近接して設けられた半導体結晶層Bとから構成されるヘテロ接合を有しており、該ゲート絶縁膜を構成する材料の一部もしくは全部が比誘電率9以上22以下の誘電体であることを特徴とする半導体電界効果トランジスタが提案される。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a gallium nitride field effect transistor having a gate insulating film, wherein the semiconductor crystal layer A is in contact with the gate insulating film, and has a higher electron affinity than the semiconductor crystal A. And has a heterojunction composed of a semiconductor crystal layer B provided close to the semiconductor crystal layer A, and a part or all of the material constituting the gate insulating film has a relative dielectric constant of 9 or more and 22 A semiconductor field effect transistor characterized by the following dielectric is proposed.
請求項2の発明によれば、請求項1の発明において、前記半導体結晶層Aが、Alx Iny Ga(1-x-y) N系結晶(0≦x、y≦1、x+y≦1)である半導体電界効果トランジスタが提案される。
According to the invention of
請求項3の発明によれば、請求項1又2の発明において、前記ゲート絶縁膜を構成する材料の一部または全部が酸化ハフニウムを含む半導体電界効果トランジスタが提案される。 According to a third aspect of the invention, there is proposed a semiconductor field effect transistor according to the first or second aspect of the invention, wherein a part or all of the material constituting the gate insulating film contains hafnium oxide.
請求項4の発明によれば、請求項1、2又は3の発明において、前記ゲート絶縁膜を構成する材料の一部または全部がHfx Al1-x Oy (0<x<1、1≦y≦2)を含む半導体電界効果トランジスタが提案される。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first, second, or third aspect of the present invention, part or all of the material constituting the gate insulating film is Hf x Al 1-x O y (0 <x <1, 1 A semiconductor field effect transistor including ≦ y ≦ 2) is proposed.
請求項5の発明によれば、請求項1、2、3又は4の発明において、前記半導体層Aのゲート下部の厚さが、前記半導体層Aの他の部位の厚さより薄くなっている半導体電界効果トランジスタが提案される。
According to the invention of
請求項6の発明によれば、請求項1〜5のいずれかに記載の半導体電界効果トランジスタが構成要素となっていることを特徴とする半導体集積回路が提案される。
According to the invention of
請求項7の発明によれば、請求項1〜5のいずれかに記載の半導体電界効果トランジスタの製造方法において、ゲート絶縁膜を形成した後、300℃以上で熱処理を加えることを特徴とする半導体電界効果トランジスタの製造方法が提案される。 According to a seventh aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor field effect transistor according to any one of the first to fifth aspects, a heat treatment is performed at 300 ° C. or higher after forming the gate insulating film. A method of manufacturing a field effect transistor is proposed.
請求項8の発明によれば、請求項7の発明において、前記熱処理がゲート電極の形成後に実施される半導体電界効果トランジスタの製造方法が提案される。 According to an eighth aspect of the present invention, there is proposed a method for manufacturing a semiconductor field effect transistor according to the seventh aspect of the present invention, wherein the heat treatment is performed after the formation of the gate electrode.
請求項9の発明によれば、請求項7又は8の発明において、前記半導体層Aのゲート下部の厚さを前記半導体層Aの他の部位の厚さより薄くする工程をさらに含む半導体電界効果トランジスタの製造方法が提案される。 According to a ninth aspect of the present invention, in the seventh or eighth aspect of the present invention, the semiconductor field effect transistor further comprises a step of making the thickness of the lower part of the gate of the semiconductor layer A thinner than the thickness of the other part of the semiconductor layer A. A manufacturing method is proposed.
請求項10の発明によれば、請求項1、2、3、4、5、7、8又は9に記載の半導体電界効果トランジスタの製造方法であって、ゲート金属又はゲート絶縁膜が接する半導体層の表面を、少なくとも塩素系ガスを含むプラズマに暴露する工程を含むことを特徴とする半導体電界効果トランジスタの製造方法が提案される。 According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor field effect transistor according to the first, second, third, fourth, fifth, seventh, eighth or ninth aspect, wherein the semiconductor layer is in contact with a gate metal or a gate insulating film. A method for manufacturing a semiconductor field effect transistor is proposed, which includes a step of exposing the surface of the substrate to a plasma containing at least a chlorine-based gas.
請求項11の発明によれば、請求項6に記載の半導体集積回路の製造方法において、前記ゲート絶縁膜を形成した後、300℃以上で熱処理を加えることを特徴とする半導体集積回路の製造方法が提案される。
According to the invention of claim 11, in the method of manufacturing a semiconductor integrated circuit according to
請求項12の発明によれば、請求項11に記載の発明において、前記熱処理が、ゲート電極の形成後に実施される半導体集積回路の製造方法が提案される。 According to a twelfth aspect of the invention, there is proposed a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit according to the eleventh aspect of the invention, wherein the heat treatment is performed after the formation of the gate electrode.
請求項13の発明によれば、請求項11又は12に記載の発明において、前記半導体層Aのゲート下部の厚さを前記半導体層Aの他の部位の厚さより薄くする工程をさらに含む半導体集積回路の製造方法が提案される。 According to a thirteenth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the eleventh or twelfth aspect, the semiconductor integrated circuit further includes a step of making the thickness of the lower portion of the gate of the semiconductor layer A thinner than the thickness of other portions of the semiconductor layer A. A circuit manufacturing method is proposed.
請求項14の発明によれば、請求項6、11、12又は13に記載の半導体集積回路の製造方法であって、ゲート金属またはゲート絶縁膜が接する半導体層表面を少なくとも塩素系ガスを含むプラズマに暴露することを特徴とする半導体集積回路の製造方法が提案される。 According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided the semiconductor integrated circuit manufacturing method according to the sixth, eleventh, twelfth or thirteenth aspect of the present invention, wherein the semiconductor layer surface in contact with the gate metal or the gate insulating film is plasma containing at least a chlorine-based gas. A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit is proposed, which is characterized by exposure to the following.
本発明によれば、チャネル層が電子の散乱の小さな同系の半導体結晶層界面に形成されることにより高い移動度を有し、かつ最適な誘電率をもつゲート絶縁膜が結晶層表面に配されることにより、大きな順方向ゲートバイアスが印加でき、それにより極めて大きなドレイン電流密度を実現した高性能の電界効果トランジスタを提供することができ、その工業的な意義はきわめて大きい。 According to the present invention, a gate insulating film having a high mobility and an optimum dielectric constant is disposed on the surface of the crystal layer by forming the channel layer at the interface of the semiconductor crystal layer with the same electron scattering property. Thus, a high-performance field effect transistor that can apply a large forward gate bias and thereby realize a very large drain current density can be provided, and its industrial significance is extremely great.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
図1は、本発明による電界効果トランジスタの実施の形態の一例の断面図である。本実施の形態では、下地基板101上に、本発明による、ゲート絶縁膜を有するガリウムナイトライド系電界効果トランジスタであるGaN−HEMTを複数形成してなる、半導体集積回路の場合を例にとって説明するが、本発明はGaN−HEMTに限定されるものではなく、また半導体集積回路に限定されるものでもない。
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of an example of an embodiment of a field effect transistor according to the present invention. In this embodiment mode, a case of a semiconductor integrated circuit in which a plurality of GaN-HEMTs, which are gallium nitride field effect transistors having a gate insulating film according to the present invention, are formed over a
図1に示す半導体集積回路1は、下地基板101上に本発明による電界効果トランジスタ100が複数形成されて成っているが、図1では、簡単化のため、電界効果トランジスタ100は1つだけ示されている。半導体集積回路1には、電界効果トランジスタ100以外の各種デバイスが設けられていても良いことは勿論であるが、電界効果トランジスタ100のみを複数設けた構成であってもよい。ここでは、電界効果トランジスタ101は、ガリウムナイトライド系電界効果トランジスタであるGaN−HEMTとして構成されている。
The semiconductor integrated
以下、図1を参照しながら、1つの電界効果トランジスタ100に着目してその構成、動作につき説明するが、図示していない他の電界効果トランジスタについても同様である。電界効果トランジスタ100は、下地基板101の上に緩衝層102が形成されて成る基板上に形成されている。
Hereinafter, the configuration and operation of one
下地基板101としては、SiC基板、サファイヤ基板、Si基板、GaN基板など、下地基板101上に形成されるエピタキシャル層との間で格子乗数差が小さいか又は殆ど無い単結晶基板を用いることができる。下地基板101は、半絶縁性のものが好ましいが、導電性のものであっても使用できる。様々なサイズのものが市販されているが大きさに制限は無い。また、様々なオフ角度およびオフ方位のものが市販されているがこれらにも制限はなく、どのようなものでも使用できる。下地基板101の面方位は極性面でも無極性面でも制限無く使用できる。このように、下地基板101は市販されているものを使用することができる。
As the
下地基板101の上に設けられている緩衝層102は、下地基板101の上に設けられる各種の半導体結晶層と下地基板101との間の格子定数差に因り生じるひずみの緩和や、下地基板101に含まれている不純物の影響を防止するなどの目的で導入されている。緩衝層102の材料としてはAlN、AlGaN、GaNなどが使用できる。緩衝層102は、下地基板101上にこれらの材料をMOVPE法、MBE法、HVPE法などにより積層して形成することができる。使用する原料は各成長方法に適した原料が市販されているのでこれを用いるのがよい。緩衝層102の厚みに特に制限は無いが通常3000Åから20μmの範囲である。
The
緩衝層102の上には、半導体結晶層B103が形成されており、半導体結晶層B103の上には別の半導体結晶層A104が形成されている。半導体結晶層A104はゲート絶縁膜108に接しており、半導体結晶層A104よりも大きな電子親和力を有しており半導体結晶層A104に近接して設けられた半導体結晶層B103とによりヘテロ接合が構成されている。図1に示される例では、半導体結晶層B103の一方の面は半導体結晶層A104の一方の面と直接接する構成となっており、ゲートバイアス印加時に半導体結晶層B103と半導体結晶層A104との界面であって半導体結晶層B103側にチャネルを形成することができるようになっている。
A semiconductor crystal layer B103 is formed on the
上記チャネルが形成されるようにするため、半導体結晶層B103は、半導体結晶層A104よりも電子親和力が大きくなるようにすることが必要である。以下に、上記チャネルを構成するために設けられている、2つの半導体結晶層B103、及び半導体結晶層A104について詳しく説明する。 In order to form the channel, the semiconductor crystal layer B103 needs to have higher electron affinity than the semiconductor crystal layer A104. Hereinafter, the two semiconductor crystal layers B103 and the semiconductor crystal layer A104 provided to constitute the channel will be described in detail.
半導体結晶層B103の材料としてはGaNを使用することができる。半導体結晶層B103の積層は、緩衝層102の場合と同様に、MOVPE法、MBE法、HVPE法などを使用して行うことができる。使用する原料は、緩衝層102の場合と同様に、各成長方法に応じて原料が市販されているのでこれを用いることができる。半導体結晶層B103の厚みは、特に制限は無いが3000Åから5μmの範囲であり、より好ましくは5000Åから3μmの範囲であり、さらに好ましくは700Åから2μmの範囲である。
GaN can be used as the material of the semiconductor crystal layer B103. The semiconductor crystal layer B103 can be stacked using the MOVPE method, the MBE method, the HVPE method, or the like, as in the case of the
半導体結晶層A104は、半導体結晶層B103上にAlGaNもしくはAlInGaNを結晶成長させて形成することができ、半導体結晶層B103の結晶成長方法は、半導体結晶層B103の場合と同様である。半導体結晶層A104として、AlGaNを結晶成長させると、半導体結晶層B103と半導体結晶層A104との間で格子定数差が生じ、これによりピエゾ電界を発生させ、界面であって半導体結晶層B103側(GaN層側)にフリーキャリアを誘起させることができる。 The semiconductor crystal layer A104 can be formed by crystal growth of AlGaN or AlInGaN on the semiconductor crystal layer B103, and the crystal growth method of the semiconductor crystal layer B103 is the same as that of the semiconductor crystal layer B103. When AlGaN is grown as the semiconductor crystal layer A104, a lattice constant difference is generated between the semiconductor crystal layer B103 and the semiconductor crystal layer A104, thereby generating a piezo electric field, which is an interface at the side of the semiconductor crystal layer B103 ( Free carriers can be induced on the GaN layer side).
一方、半導体結晶層A104としてAlInGaNを結晶成長させると、AlとInとの組成比を調整し半導体結晶層B103、及び半導体結晶層A104を格子整合させることにより、ピエゾ電界が発生するのを防ぎ、ゲートバイアスゼロにおいてフリーキャリアが発生せずチャネルが形成されない状態、すなわちE−mode動作する電界効果トランジスタを作製することができる。 On the other hand, when AlInGaN is grown as the semiconductor crystal layer A104, the composition ratio of Al and In is adjusted, and the semiconductor crystal layer B103 and the semiconductor crystal layer A104 are lattice-matched to prevent the generation of a piezoelectric field, A field effect transistor can be manufactured in a state where free carriers are not generated at zero gate bias and a channel is not formed, that is, an E-mode operation.
本発明による電界効果トランジスタの半導体結晶層A104は、いずれでもよいが、いずれの場合であっても、ゲートバイアス印加時に半導体結晶層B103と半導体結晶層A104との界面の半導体結晶層B103側にチャネルが形成されるように、半導体結晶層B103は導体結晶層A104よりも電子親和力が大きくなるように材料系および組成を選択することが重要である。 The semiconductor crystal layer A104 of the field effect transistor according to the present invention may be any, but in any case, a channel is formed on the semiconductor crystal layer B103 side of the interface between the semiconductor crystal layer B103 and the semiconductor crystal layer A104 when a gate bias is applied. It is important to select a material system and a composition so that the semiconductor crystal layer B103 has an electron affinity higher than that of the conductor crystal layer A104.
半導体結晶層A104において、そのAlの組成は、半導体結晶層B103に比べて半導体結晶層A104が十分小さな電子親和力となるよう、大きくすることが好ましい。しかし、先に述べたとおり、Alの組成を大きくするとAlGaN層の結晶性の劣化が起こり、得られた電界効果トランジスタの性能の低下や動作不良を起こすことなどから、これらの要因を勘案して最適値を選ぶことが必要である。このような事情から、Alの組成の範囲としては通常0.1から0.6が好ましく、より好ましくは0.15から0.5の範囲であり、さらに好ましくは0.2から0.4の範囲である。 In the semiconductor crystal layer A104, the Al composition is preferably increased so that the semiconductor crystal layer A104 has a sufficiently small electron affinity compared to the semiconductor crystal layer B103. However, as described above, if the Al composition is increased, the crystallinity of the AlGaN layer is deteriorated, and the performance of the obtained field-effect transistor is deteriorated or malfunctions. It is necessary to choose the optimum value. For these reasons, the Al composition range is usually preferably 0.1 to 0.6, more preferably 0.15 to 0.5, and still more preferably 0.2 to 0.4. It is a range.
半導体結晶層A104の積層は、緩衝層102や半導体結晶層B103の場合と同様に、MOVPE法、MBE法、HVPE法などを使用して行うことができる。使用する原料は各成長方法に応じて原料が市販されているのでこれを用いるのが好ましい。半導体結晶層A104の厚みは、特に制限は無いが、30Åから600Åの範囲であり、より好ましくは100Åから500Åの範囲であり、さらに好ましくは150Åから400Åの範囲である。
The semiconductor crystal layer A104 can be stacked using the MOVPE method, the MBE method, the HVPE method, or the like, similarly to the
本実施の形態では、半導体結晶層A104を単層とした。しかし、半導体結晶層A104を弾性変形限界内の厚みを持つGaN層とAlGaN層との繰り返し積層構造や、InGaNとAlGaNとの繰り返し積層構造としてもよい。 In this embodiment mode, the semiconductor crystal layer A104 is a single layer. However, the semiconductor crystal layer A104 may have a repeated stacked structure of a GaN layer and an AlGaN layer having a thickness within the elastic deformation limit, or a repeated stacked structure of InGaN and AlGaN.
半導体結晶層A104上には、ソース電極105およびドレイン電極106が形成されているほか、ゲート絶縁膜108を介してゲート電極109が形成されている。符号107で示されるのは、素子分離のための分離層であり、分離層107を設けることによって、基板上に、上記した層構造を有する複数の電界効果トランジスタ100が相互に電気的に干渉しないようにして形成されている。
On the semiconductor
ゲート絶縁膜108を設けることにより、ゲート電極109に順方向バイアス電圧を印加したときのリーク電流を小さくできるので、大きな順方向電圧を印加することができるようになる。この場合、ゲート絶縁膜108の膜厚を厚くする程、リーク電流を小さく抑えることができるが、ゲート絶縁膜108の膜厚が厚くなると、ゲート絶縁膜108と半導体結晶層A104との界面に電子の中間準位が形成されやすく、電流ヒステリシスを起こす。
By providing the
そこで、本発明者は、ガリウムナイトライド系電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の材料につき鋭意検討した結果、ゲート絶縁膜の材料として酸化ハフニウムを含む材料を使用することにより、電流ヒステリシスの発生を抑えて、順方向バイアス電圧印加時のリーク電流を小さくできる、高性能のガリウムナイトライド系電界効果トランジスタを実現できることを見出した。 Therefore, as a result of intensive studies on the material of the gate insulating film of the gallium nitride field effect transistor, the present inventor has suppressed the generation of current hysteresis by using a material containing hafnium oxide as the material of the gate insulating film. The present inventors have found that a high-performance gallium nitride field effect transistor that can reduce the leakage current when a forward bias voltage is applied can be realized.
半導体結晶層A104上にゲート絶縁膜108として比誘電率9より大きく22以下の誘電体を形成する。この範囲を逸脱した場合、順方向リーク電流を効果的に抑止できない。比誘電率9以上22以下の誘電体であれば効果があるが、この範囲においてもゲートリーク低減には13から18の範囲がより好ましい。誘電率が9より大きく22以下である材料としてはCr2 O3 、CuO、FeO、PbCO3 、PbCl2 、PbSO4 、SnO2 、ZrO2 、ZrSiO4 、Ta2 O5 、TiO2 、BaTiO、HfSiO2 、HfAlO、La2 O3 、CaHfO、HfAlONなどがある。これらの材料系はいずれも効果があるが、駆動時の電流ヒステリシスの少なさなどからLa2 O3 、CuO、ZrSiO4 、HfSiO2 、HfO2 、HfAlO、CaHfOがより好ましく、HfO2 、HfAlON、HfAlO、HfSiOがさらに好ましく、もっとも好ましくはHfAlOである。 On the semiconductor crystal layer A104, a dielectric having a dielectric constant greater than 9 and less than or equal to 22 is formed as a gate insulating film. When deviating from this range, the forward leakage current cannot be effectively suppressed. A dielectric having a relative dielectric constant of 9 or more and 22 or less is effective, but even in this range, the range of 13 to 18 is more preferable for reducing gate leakage. Materials having a dielectric constant greater than 9 and less than or equal to 22 include Cr 2 O 3 , CuO, FeO, PbCO 3 , PbCl 2 , PbSO 4 , SnO 2 , ZrO 2 , ZrSiO 4 , Ta 2 O 5 , TiO 2 , BaTiO, There are HfSiO 2 , HfAlO, La 2 O 3 , CaHfO, HfAlON, and the like. All of these material systems are effective, but La 2 O 3 , CuO, ZrSiO 4 , HfSiO 2 , HfO 2 , HfAlO, and CaHfO are more preferable, and HfO 2 , HfAlON, HfAlO and HfSiO are more preferable, and HfAlO is most preferable.
これらの材料の結晶系はリークが小さいことなどの理由から、ゲート絶縁膜108として用いるのにアモルファスもしくは単結晶が好ましく、製膜の容易さなどからアモルファスであることがより好ましい。
The crystal system of these materials is preferably amorphous or single crystal for use as the
このように、ゲート絶縁膜108を構成する材料の一部また全部が酸化ハフニウムを含む場合、例えば、ゲート絶縁膜を構成する材料の一部または全部がHfx Al1-x Oy (0<x<1、1≦y≦2)を含む場合、リーク電流を効果的に減少させることができ、その調節を可能にすることができる。
As described above, when part or all of the material forming the
ゲート絶縁膜108は上記材料と他の材料との積層構造としても良い。例えば、電流コラプス現象を抑制できる絶縁膜として知られるSiNを、ゲート絶縁膜108に用いることができるとして例示した上記材料との間に、1nmから10nmの膜厚で挿入するようにした積層構造を採用することができる。この場合において、組み合わせる絶縁膜材料の種類に制限は無い。厚みとしては、効果的なリーク電流抑制と相互コンダクタンス、ヒステリシスなどを勘案して、3nmから40nmの範囲が好ましく、5nmから30nmの範囲がより好ましく、7nmから20nmがもっとも好ましい。
The
また、半導体結晶層B103及び又は半導体結晶層A104の一部をエッチングにより除去した構造(リセス構造)としてもよい。これにより、電界効果トランジスタの利得を向上させたり、閾値電圧を正になるよう調整することによりE−mode動作させることが可能である。 Alternatively, a structure (recess structure) in which part of the semiconductor crystal layer B103 and / or the semiconductor crystal layer A104 is removed by etching may be used. Thus, the E-mode operation can be performed by improving the gain of the field effect transistor or adjusting the threshold voltage to be positive.
ゲート絶縁膜108の形成法としては、熱CVD法、プラズマCVD法、ALCVD法、MOCVD法、MBE法、蒸着法、スパッタリング法などが利用できる。
As a method for forming the
これらの手法でゲート絶縁膜108を形成した後、アニール処理することにより、電流ヒステリシスを低減させることができる。したがって、図1に示す半導体集積回路1を製造する場合、または図1に示す構成の電界効果トランジスタ100を単体で製造する場合、その電流ヒステリシス特性を改善させるために、ゲート絶縁膜108を形成した後、アニール処理するのが効果的である。
After forming the
このアニール処理は、ゲート絶縁膜108の形成後からデバイス封止までの間の適宜のタイミングで実施すればよい。該アニール処理は300℃以上の温度でかつゲート絶縁膜108の耐熱性の範囲内(アモルファス維持できる範囲)で実施するが、通常は300℃から900℃の範囲である。アニール処理温度を300℃〜900℃の範囲で行うことにより、アニール処理をしない場合に比べて、その電流ヒステリシス特性をより一層改善させることができる。アニール処理時間は特に制限は無いが、効果と工業的効率性の兼ね合いの観点から10秒から60分の範囲が好ましい。雰囲気は窒素および/あるいはArが好ましく、より好ましくは窒素である。
This annealing process may be performed at an appropriate timing between the formation of the
ゲート絶縁膜108の上に形成されるゲート電極109、ソース電極105、ドレイン電極106の材料としては、通常のGaN−HEMTデバイスで使用する材料、および手法がそのまま利用できる。すなわち、ゲート電極108の材料としては、Ni/Au、Ptなどである。ソース電極105、ドレイン電極106の材料としてはTi/Al、Ti/Moなどである。それらの形成は、スパッタリング法、蒸着法、CVD法などを用いることができる。
As materials for the
アニール処理はゲート電極形成後に実施しても良い。その場合、ヒステリシスが低減できかつゲート電極材料にダメージを与えない温度範囲で実施する。このような温度範囲はゲート電極材料の耐熱性との兼ね合いで決定されるが、一般的には300から600の範囲である。 The annealing process may be performed after the gate electrode is formed. In that case, the process is performed in a temperature range in which hysteresis can be reduced and the gate electrode material is not damaged. Such a temperature range is determined in consideration of the heat resistance of the gate electrode material, but is generally in the range of 300 to 600.
上記において、本発明を実施の形態の一例に基づいて説明したが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されない。本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及びその範囲内でのすべての変形を含むものである。 In the above, the present invention has been described based on an example of the embodiment. However, the embodiment of the present invention disclosed above is merely an example, and the technical scope of the present invention is limited to these embodiments. It is not limited. The technical scope of the present invention is defined by the scope of claims, and further includes the meaning equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.
以下に実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、以下に示す実施例はあくまで例示であって、本発明はこれにより制限されるものではない。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the examples shown below are merely examples, and the present invention is not limited thereto.
(実施例1)
図1に示した構成のGaN−HEMTを以下のようにして作成した。
下地基板101として用意された半絶縁性のSiC基板を硫酸と過酸化水素水の混合液で洗浄処理した後、MOCVD炉中で600℃に加熱し、キャリアガスとして水素を60SLM、アンモニアを40SLM、恒温槽温度30℃に設定した容器からTMAを40sccm流し、AlNを緩衝層102として500Å成長した。
Example 1
A GaN-HEMT having the configuration shown in FIG. 1 was prepared as follows.
A semi-insulating SiC substrate prepared as the
ついで下地基板101の温度を1150℃に変更し、TMA流量を0sccmにしたのち、恒温槽温度30℃に設定した容器からTMGを40sccm流し、緩衝層102上にGaN層を半導体結晶層B103として2μm積層した。
Next, the temperature of the
ついでTMGの流量を100sccmに変更し、高温槽温度30℃の容器からTMAを33sccm流し、Al組成0.20のud−AlGaNを半導体結晶層A104として400Å成長した。ついで下地基板101を室温付近まで降温した後、反応炉より取り出した。
Next, the flow rate of TMG was changed to 100 sccm, TMA was flown from a vessel having a high temperature bath temperature of 30 ° C., and 33 μcm of ud-AlGaN having an Al composition of 0.20 was grown as a semiconductor crystal layer A104. Next, after the temperature of the
その後、ホトリソグラフィー法でソース電極およびドレイン電極形状にレジスト開口を形成し、Ti/Al/Ni/Au金属膜を200Å/1500Å/250Å/500Åの厚みにEB蒸着法で積層した。ついでリフトオフ法により開口部以外の金属膜を除去しソース電極105とドレイン電極106を形成した。引き続きオーミック性を上げるため窒素雰囲気中にて800℃で30秒間RTA処理をした。
Thereafter, resist openings were formed in the shape of the source electrode and the drain electrode by a photolithography method, and a Ti / Al / Ni / Au metal film was laminated to a thickness of 200 / 1,500 / 250/500 by EB vapor deposition. Subsequently, the metal film other than the opening was removed by a lift-off method to form the
基板を取り出し、ホトリソグラフィー法によりレジストパターンを形成した後、これをマスクとし、N+ イオンのイオン打ち込みにより、3000Åの深さまで分離層107を形成した。N+ イオンのdose量は、2×1014/cm2 とした。イオン打ち込み後、レジストを除去した。
After the substrate was taken out and a resist pattern was formed by photolithography, the
その後、ホトリソグラフィー法により、ゲート絶縁膜を形成する領域にレジスト開口を設けた後、開口部を希釈したHCl水溶液で洗浄した。スパッタリング装置に移し、RFスパッタリング法により、Hf0.6 Al0.4 O2 を堆積した。膜厚について、8nm(サンプル1)、16nm(サンプル2)、24nm(サンプル3)の3水準のサンプルを作製した。下地基板101をスパッタリングするガスとしてArを用いた。スパッタ電力は0.48kWとした。スパッタリング時の反応炉圧力は0.45Paとした。スパッタリングターゲットとしてはHf0.6 Al0.4 O2 の焼結体を用いた。その後、リフトオフによりゲート絶縁膜108を形成した。
Thereafter, a resist opening was provided in a region where a gate insulating film was to be formed by photolithography, and the opening was then washed with a diluted HCl aqueous solution. Transferred to a sputtering apparatus, an RF sputtering method to deposit the Hf 0.6 Al 0.4 O 2. Regarding the film thickness, samples of three levels of 8 nm (sample 1), 16 nm (sample 2), and 24 nm (sample 3) were produced. Ar was used as a gas for sputtering the
ついで、同じくホトリソグラフィー法にてゲート電極形状の開口を形成した後、Ni/Au金属膜を200Å/1000Åの厚みに電子ビーム蒸着法で形成し、ソース電極と同様の手法でリフトオフし、ゲート電極109を形成した。 Next, after forming a gate electrode-shaped opening by the same photolithography method, a Ni / Au metal film is formed to a thickness of 200 mm / 1000 mm by electron beam evaporation, and lifted off by the same method as the source electrode. 109 was formed.
ついで、以上のように処理された下地基板101をアニール炉に移し、窒素中にて500℃で30分アニールした。
Next, the
このようにしてゲート長2μm、ゲート幅30μmであるが、ゲート絶縁膜の厚さのみが異なる3つのGaN−HEMT、GaN−HEMT1(ゲート絶縁膜8nm)、GaN−HEMT2(ゲート絶縁膜16nm)、GaN−HEMT3(ゲート絶縁膜24nm)を作製した。
In this way, three GaN-HEMTs, GaN-HEMT1 (
GaN−HEMT1について同一の加工プロセスで作製したショットキーダイオードについてCV測定を行い、ゲート絶縁膜の比誘電率を求めたところ、16であった。 CV measurement was performed on the Schottky diode manufactured by the same processing process for GaN-HEMT1, and the relative dielectric constant of the gate insulating film was determined to be 16.
以上のようにして作製された、GaN−HEMT1、GaN−HEMT2、及びGaN−HEMT3のそれぞれにつき、ドレイン電極接地で2端子という条件で、ゲート電流密度―ゲート電圧特性を測定した。この測定結果を図3に示す。 For each of the GaN-HEMT1, GaN-HEMT2, and GaN-HEMT3 produced as described above, the gate current density-gate voltage characteristics were measured under the condition that the drain electrode is grounded and has two terminals. The measurement results are shown in FIG.
さらに、GaN−HEMT1、GaN−HEMT2、及びGaN−HEMT3のそれぞれにつき、ソース電極接地で3端子という条件で、ドレイン電流密度の遷移特性を測定した。この際、ドレイン電極には20Vのバイアスを印加した。この測定結果を図4に示す。 Furthermore, the transition characteristics of the drain current density were measured for each of GaN-HEMT1, GaN-HEMT2, and GaN-HEMT3 under the condition that the source electrode is grounded and three terminals. At this time, a bias of 20 V was applied to the drain electrode. The measurement results are shown in FIG.
GaN−HEMT1のドレイン電流密度−ドレイン電圧曲線のヒステリシス特性を測定した。この際、ゲート電極には−2Vを印加した。この測定結果を図6に示す。 The hysteresis characteristic of the drain current density-drain voltage curve of GaN-HEMT1 was measured. At this time, −2 V was applied to the gate electrode. The measurement results are shown in FIG.
(比較例1)
図2に比較例として作製したGaN−HEMTを含む半導体集積回路の断面概略図を示す。図1に示した本発明の一実施形態と図2に示す比較例との構造上の違いは、比較例にあっては、各電界効果トランジスタにゲート絶縁膜が設けられていないことであり、その他の構造は両者とも同じである。図2において、201は下地基板、202は緩衝層、203は半導体結晶層B、204は半導体結晶層A、205はソース電極、206はドレイン電極、207は分離層、208はゲート電極である。
(Comparative Example 1)
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor integrated circuit including a GaN-HEMT manufactured as a comparative example. The structural difference between the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 and the comparative example shown in FIG. 2 is that the gate insulating film is not provided in each field effect transistor in the comparative example. The other structures are the same for both. In FIG. 2, 201 is a base substrate, 202 is a buffer layer, 203 is a semiconductor crystal layer B, 204 is a semiconductor crystal layer A, 205 is a source electrode, 206 is a drain electrode, 207 is a separation layer, and 208 is a gate electrode.
実施例1と同様の手法で、SiC基板を下地基板201とし、その上にAlN層を緩衝層202として500Åの厚さに形成し、、GaN層を半導体結晶層B203として2μmの厚さに形成し、Al組成0.20のud−AlGaN層を半導体結晶層A204として400Å厚に形成した。つぎに、上述のように処理された下地基板201を室温付近まで降温した後、反応炉よりエピタキシャル基板として取り出した。
In the same manner as in Example 1, a SiC substrate is used as a
反応炉より取り出したエピタキシャル基板に、実施例1と同じ手法でソース電極205ドレイン電極206、分離層207を形成した後、ゲート絶縁膜を積層せず、リソグラフィー法でゲート電極形状に開口を形成し、開口部を希釈したHCl水溶液で洗浄した。ついで実施例1と同じ手法で、ゲート電極208を形成した。このようにしてゲート長2μm、ゲート幅30μmのGaN−HEMT4を作成した。
After the
このGaN−HEMT4につき、ドレイン電極接地で2端子の条件で、ゲート電流密度―ゲート電圧特性を測定した。この測定結果が図3に示されている。 For this GaN-HEMT4, the gate current density-gate voltage characteristics were measured under the condition of two terminals with the drain electrode grounded. The measurement results are shown in FIG.
また、GaN−HEMT4につき、ソース電極接地で3端子の条件で、ドレイン電流密度の遷移特性を測定した。この際、ドレイン電極には20Vのバイアスを印加した。この測定結果が図4に示されている。 Further, for GaN-HEMT4, the transition characteristics of the drain current density were measured under the condition of three terminals with the source electrode grounded. At this time, a bias of 20 V was applied to the drain electrode. The measurement results are shown in FIG.
(比較例2)
実施例1と同様の手法で、下地基板201としてのSiC基板上に、AlNの緩衝層202を500Å、GaNの半導体結晶層B203を2μm、Al組成0.20のud−AlGaNの半導体結晶層A204を400Å、順次成長した。
(Comparative Example 2)
In the same manner as in Example 1, on the SiC substrate as the
ついで、以上のように処理された下地基板201に、実施例1と同じ手法で分離層207、ソース電極205、ドレイン電極206、ゲート絶縁膜(厚み8nm)、ゲート電極208を形成した後、所要の電極を形成した。アニール処理は行わなかった。このようにしてゲート長2μm、ゲート幅30μmのGaN−HEMT5を作製した。
Next, the
GaN−HEMT5のドレイン電流密度−ドレイン電圧曲線のヒステリシス特性を測定した。この際、ゲート電極には−2Vを印加した。この測定結果を図5に示す。 The hysteresis characteristic of the drain current density-drain voltage curve of GaN-HEMT5 was measured. At this time, −2 V was applied to the gate electrode. The measurement results are shown in FIG.
図3を参照すると、実施例1で作製したGaN−HEMT1、GaN−HEMT2、GaN−HEMT3は、比較例1のGaN−HEMT4と比べて、大幅にゲート電流が低減された。特に順方向のゲートバイアス印加時のゲート電流の抑制効果が著しく改善されたことが判る。図3から明らかなように、GaN−HEMT1、GaN−HEMT2では+8Vまで、GaN−HEMT3では+9Vまで順方向の電圧の印加幅を拡大できた。 Referring to FIG. 3, the gate current of GaN-HEMT1, GaN-HEMT2, and GaN-HEMT3 produced in Example 1 was significantly reduced as compared with GaN-HEMT4 of Comparative Example 1. In particular, it can be seen that the effect of suppressing the gate current when applying a forward gate bias is remarkably improved. As can be seen from FIG. 3, the forward voltage application width can be expanded to + 8V for GaN-HEMT1 and GaN-HEMT2, and to + 9V for GaN-HEMT3.
一方、GaN−HEMT4ではゲート電圧が0Vを超えると、大きなリーク電流が発生するため、0Vより大きなゲート電圧を印加することが出来なかった。 On the other hand, in the GaN-HEMT4, when the gate voltage exceeds 0V, a large leak current is generated, so that a gate voltage higher than 0V cannot be applied.
図4を参照すると、実施例1のGaN−HEMT1、GaN−HEMT2、GaN−HEMT3の各最大ドレイン電流密度を、比較例1のGaN−HEMT4のそれと比べた場合、GaN−HEMT1で約95%、GaN−HEMT2で105%、GaN−HEMT3で115%向上した。 Referring to FIG. 4, when each maximum drain current density of GaN-HEMT1, GaN-HEMT2, and GaN-HEMT3 of Example 1 is compared with that of GaN-HEMT4 of Comparative Example 1, it is about 95% in GaN-HEMT1. GaN-HEMT2 improved by 105% and GaN-HEMT3 improved by 115%.
図6における実施例1のGaN−HEMT1のドレイン電流密度―ドレイン電圧曲線の掃引方向を変えた場合の差は、図5に示されたGaN−HEMT4におけるそれと比べて大幅に小さく、アニール処理によりヒステリシスが大幅に低減したことが確認できた。
The difference when the sweep direction of the drain current density-drain voltage curve of the GaN-
(実施例2)
図7に示した構成のGaN−HEMTを以下のようにして作成した。なお、図7の各部のうち、図1の各部に対応する部分には同一の符号を付してある。実施例1に示したと同様の手法で下地基板101の洗浄から、N+打ち込みまでを行い、ついで実施例1と同様の手法でゲート絶縁膜を形成する領域にレジスト開口を設けた。
(Example 2)
A GaN-HEMT having the configuration shown in FIG. 7 was prepared as follows. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part corresponding to each part of FIG. 1 among each part of FIG. From the cleaning of the
その後、基板をICPプラズマ装置に移し、アルゴン、2塩化メタン(CH2Cl2)、塩素の混合ガスの放電ガス(プラズマ)で開口部に露出した半導体基板をエッチングした。すなわち、ゲート金属またはゲート絶縁膜が接する半導体層である半導体結晶層A104の表面を少なくとも塩素系ガスを含むプラズマに暴露することによりエッチングした。その際、ゲート絶縁膜108を設ける部分の半導体結晶層A104の厚さが、半導体結晶層A104のその他の部分の厚さよりも薄くなるようにエッチングを行った。このようなエッチング工程により、半導体結晶層A104のゲート下部の厚さを半導体結晶層A104の他の部位の厚さより薄くする工程を施し、結局、半導体結晶層B103のゲート電極109の配設位置に凹部を形成した。
Thereafter, the substrate was transferred to an ICP plasma apparatus, and the semiconductor substrate exposed to the opening was etched with a discharge gas (plasma) of a mixed gas of argon, dichloromethane (CH2Cl2), and chlorine. That is, etching was performed by exposing the surface of the semiconductor crystal layer A104, which is a semiconductor layer in contact with the gate metal or the gate insulating film, to plasma containing at least a chlorine-based gas. At that time, etching was performed so that the thickness of the semiconductor crystal layer A104 in the portion where the
その後、基板をICPプラズマ装置から取り出し、基板を取り出した後、実施例1に示した同様の手法でゲート絶縁膜、ゲート電極を形成し、その後実施例1に示したと同様の処理を行い、GaN−HEMT5を作製した。したがって、実施例2の場合には、図7に示されるように、ゲート絶縁膜108は半導体結晶層A104のゲート電極109の配設位置に形成された凹部内に形成され、凹部内のゲート絶縁膜108の上にゲート電極109が形成されている。図7の例では、ゲート電極109の下部は凹部内に形成され、ゲート電極109の上部は半導体結晶層A104の表面から突出した形態となっている。
Thereafter, the substrate is taken out from the ICP plasma apparatus, and after taking out the substrate, a gate insulating film and a gate electrode are formed by the same method as shown in Example 1, and then the same processing as shown in Example 1 is performed, -HEMT5 was produced. Therefore, in the case of Example 2, as shown in FIG. 7, the
このようにして得られた実施例2のGaN−HEMTのドレイン電流密度の遷移特性を評価した。ゲート電圧0Vにおいてドレイン電流密度がゼロを示した(真性エンハンスメントモード)。閾値電圧は+1.9Vであった。また、最大電流密度はゲート電圧+3.6Vにおいて273mA/mmであり、真性エンハンスメントモードを特性を有するGaN−HEMTとしては非常に大きな値を示した。 The transition characteristics of the drain current density of the GaN-HEMT of Example 2 obtained in this way were evaluated. The drain current density was zero at a gate voltage of 0 V (intrinsic enhancement mode). The threshold voltage was + 1.9V. Further, the maximum current density was 273 mA / mm at a gate voltage of +3.6 V, and showed a very large value as a GaN-HEMT having the characteristic of the intrinsic enhancement mode.
101、201 下地基板
102、202 緩衝層
103、203 半導体結晶層B
104、204 半導体結晶層A
105、205 ソース電極
106、206 ドレイン電極
107、207 分離層
108 ゲート絶縁膜
109、208 ゲート電極
101, 201
104, 204 Semiconductor crystal layer A
105, 205
Claims (14)
該ゲート絶縁膜に接する半導体結晶層Aと、該半導体結晶Aよりも大きな電子親和力を有しており該半導体結晶層Aに近接して設けられた半導体結晶層Bとから構成されるヘテロ接合を有しており、
該ゲート絶縁膜を構成する材料の一部もしくは全部が比誘電率9以上22以下の誘電体である
ことを特徴とする半導体電界効果トランジスタ。 A gallium nitride field effect transistor having a gate insulating film,
A heterojunction comprising a semiconductor crystal layer A in contact with the gate insulating film and a semiconductor crystal layer B having a higher electron affinity than the semiconductor crystal A and provided in the vicinity of the semiconductor crystal layer A Have
A semiconductor field effect transistor, wherein a part or all of a material constituting the gate insulating film is a dielectric having a relative dielectric constant of 9 or more and 22 or less.
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