JP2008243881A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に係る発明であって、特に、ヘテロ接合電界効果型トランジスタの半導体装置及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a semiconductor device of a heterojunction field effect transistor and a manufacturing method thereof.
従来の窒化物を含む半導体装置のヘテロ接合電界効果型トランジスタでは、チャネル層にGaN層が用いられていた。具体的な構成については、非特許文献1に開示されている。非特許文献1では、SiC基板上のL帯高出力AlGaN/GaNヘテロ接合FETが開示されており、チャネル層にGaN層を用いた窒化物半導体からなるヘテロ接合電界効果型トランジスタである。
In a conventional heterojunction field effect transistor of a semiconductor device containing nitride, a GaN layer is used as a channel layer. A specific configuration is disclosed in Non-Patent
しかし、従来の窒化物半導体からなるヘテロ接合電界効果型トランジスタでは、所望の出力が得られず、高出力化が必要であった。また、ヘテロ接合電界効果型トランジスタを高出力化するためには、デバイスを高耐圧化することが有効な手段の1つであった。 However, in the conventional heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor, a desired output cannot be obtained and a high output is required. In order to increase the output of the heterojunction field effect transistor, increasing the breakdown voltage of the device has been one effective means.
そこで、本発明は、高出力化及び高耐圧化が可能なヘテロ接合電界効果型トランジスタの半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device of a heterojunction field effect transistor capable of increasing the output and the withstand voltage, and a method for manufacturing the same.
本発明に係る解決手段は、基板上に形成されたAlの組成比x(0<x<1)とするAlxGa1-xNのチャネル層と、チャネル層上に形成されたAlの組成比y(0<y≦1)とするAlyGa1-yNのバリア層と、バリア層上に形成されたソース/ドレイン電極及びゲート電極とを備えるヘテロ接合電界効果型トランジスタの半導体装置であって、組成比yは、組成比xより大きい。 The solution according to the present invention includes an Al x Ga 1-x N channel layer having an Al composition ratio x (0 <x <1) formed on a substrate and an Al composition formed on the channel layer. A heterojunction field effect transistor semiconductor device comprising an Al y Ga 1-y N barrier layer having a ratio y (0 <y ≦ 1), and source / drain electrodes and a gate electrode formed on the barrier layer. The composition ratio y is larger than the composition ratio x.
本発明に記載の半導体装置は、チャネル層にGaNよりバンドギャップが大きく、絶縁破壊電界が大きいAlxGa1-xN(0<x<1)用いているので、高出力化及び高耐圧化が可能なヘテロ接合電界効果型トランジスタの半導体装置を提供することができる。 Since the semiconductor device described in the present invention uses Al x Ga 1-x N (0 <x <1) having a larger band gap than GaN and a larger breakdown electric field for the channel layer, higher output and higher breakdown voltage are achieved. It is possible to provide a heterojunction field-effect transistor semiconductor device capable of achieving the above.
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態に係るヘテロ接合電界効果型トランジスタの構造を示す断面図である。図1に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタでは、最下層に半絶縁性のSiC基板1を設け、その上にバッファ層2を介してAl0.6Ga0.4Nからなる厚さ1μmのチャネル層3を設けている。さらに、図1に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタでは、チャネル層3とヘテロ接合するAlNからなる厚さ10nmのバリア層4を設けている。また、図1に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタは、図中の両側の領域に素子分離領域5を設け、バリア層4上にTi/Alからなるソース/ドレイン電極6と、Ni/Auからなるゲート電極7とを設けている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a heterojunction field effect transistor according to the present embodiment. In the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 1, a
ヘテロ接合電界効果型トランジスタのオフ耐圧は、チャネル層3の絶縁破壊電界に依存する。そのため、ヘテロ接合電界効果型トランジスタを高耐圧化するには、絶縁破壊電界の大きな材料をチャネル層3に使う必要がある。以下に、ヘテロ接合電界効果型トランジスタのオフ耐圧について詳しく説明する。
The off breakdown voltage of the heterojunction field effect transistor depends on the breakdown electric field of the
まず、ゲート電極7の直下にあるチャネル層3が空乏化された後に、当該空乏層はチャネル層3の横方向(ドレイン電極側)にのみ伸びると仮定した場合、生じる電界がチャネル層3を構成する材料の絶縁破壊電界に達するときの電圧を、電界効果型トランジスタのオフ耐圧として計算することができる。以下に、その計算方法を示す。空乏層の長さをx、チャネル層3のキャリア濃度をNdとすると、空乏層の長さがxの場合に生じる電界E(x)と電位差V(x)とは、以下の数1に示すポアソンの方程式を用いて解くことができる。
First, when the
空乏層が伸びていない(x=0)ときは、電界E(0),電位差V(0)ともに発生していないため(E(0)=0,V(0)=0)であり、これを境界条件として数1を解くと、電界E(x),V(x)は、数2及び数3のように求まる。
When the depletion layer is not extended (x = 0), neither the electric field E (0) nor the potential difference V (0) is generated (E (0) = 0, V (0) = 0). When
発生する電界E(x)がチャネル層3を構成する材料の絶縁破壊電界(Ea)に達したときにオフ状態の破壊が生じるので、そのときの電圧(オフ耐圧)VBDは、数4のように計算される。
Since the off-state breakdown occurs when the generated electric field E (x) reaches the dielectric breakdown electric field (Ea) of the material constituting the
数4に従うとオフ耐圧は、チャネル層3を構成する材料の絶縁破壊電界の2乗に比例することになる。半導体材料の絶縁破壊電界はバンドギャップに依存し、バンドギャップが大きいほど絶縁破壊電界が高い。従って、AlNの絶縁破壊電界はGaNのそれよりも高く、GaNの絶縁破壊電界が5.0×106(V/cm)であるのに対して、AlNの絶縁破壊電界は1.2×107(V/cm)と高い。
According to
一般的に、AlGaNの絶縁破壊電界は、GaNの絶縁破壊電界とAlNの絶縁破壊電界とをAl組成比で線形に内挿して求める。従って、AlGaNの絶縁破壊電界は、Al組成比が高いほど絶縁破壊電界が高く、当該AlGaNをチャネル層3に用いたヘテロ接合電界効果型トランジスタのオフ耐圧は高くなる。例えば、図1に示すチャネル層3にAl組成比が0.8となるAlGaNを使用すると、絶縁破壊電界は9.2×106(V/cm)なり、GaNの絶縁破壊電界の約2倍となる。そのため、ヘテロ接合電界効果型トランジスタのオフ耐圧は、チャネル層3にGaNを使用した場合に比べて約4倍になると考えられる。
Generally, the breakdown electric field of AlGaN is obtained by linearly interpolating the breakdown electric field of GaN and the breakdown electric field of AlN with an Al composition ratio. Accordingly, the breakdown electric field of AlGaN increases as the Al composition ratio increases, and the off breakdown voltage of the heterojunction field effect transistor using the AlGaN as the
なお、本発明に係るヘテロ接合電界効果型トランジスタは、図1に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタに限られず、以下に述べる構造であっても同様の効果が得られる。まず、図1に示すSiC基板1に代えて、Si,サファイア,GaN,AlN等を基板に用いても良い。また、図1に示すチャネル層3及びバリア層4は、必ずしも上述したAlの組成比に限定されない。チャネル層3を構成するAlGaNのAl組成比をx、バリア層4を構成するAlGaNのAl組成比をyとした場合に、x<yの関係が成り立つように構成すれば本発明に係るヘテロ接合電界効果型トランジスタは、どのような組成比であっても良い。但し、組成比xは0<x<1で、組成比yは0<y≦1とする。
The heterojunction field effect transistor according to the present invention is not limited to the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 1, and the same effect can be obtained even with the structure described below. First, instead of the
なお、上述したように、チャネル層3のAl組成比xが高いほど絶縁破壊電界が高くなり、それに伴ってオフ耐圧も向上することから、チャネル層3のAl組成比xはより高い方が好ましい。また、バリア層4を形成するAlGaNもAl組成比yがより高い方がバンドギャップが大きくなるため、ゲート電極7からドレイン電極6に流れるリーク電流を抑制することができる。なお、A組成比yが最も大きいAlNにおいてバンドギャップが最も大きくなる。従って、バリア層4のAl組成比yは、チャネル層3のAl組成比xより高い方が好ましい。これらの層は、必ずしも同一組成の1層から構成する必要はなく、Al組成比の異なる多層膜で構成しても良い。また、これらの層にn型又はp型の不純物が含まれていても良い。
As described above, the higher the Al composition ratio x of the
さらに、図1に示すバリア層4の膜厚は、2次元電子ガスが発生する厚さであれば、必ずしも10nmにする必要はない。なお、2次元電子ガスが発生するためのバリア層4の膜厚については、実施の形態2で詳しく述べる。また、図1に示すチャネル層3の厚さは、必ずしも1μmにする必要はなく、0.005μm〜4μmであっても良い。
Furthermore, the thickness of the
また、図1に示すソース/ドレイン電極6は、必ずしもTi/Alで形成する必要はなく、オーミック特性が得られるのであれば、Ti,Al,Ni,Ta,Au,Mo,Wなどの金属、或いはこれらから構成される多層膜で形成しても良い。
Further, the source /
また、図1に示すゲート電極7は、必ずしもNi/Auで形成する必要はなく、Al,Pt,Au,Ni,Pd等の金属、IrSi,PtSi,NiSi2等のシリサイド、或いはTiN、WN等の窒化物金属などで形成しても良い。
Further, the
次に、図1に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタの変形例として、図2のヘテロ接合電界効果型トランジスタを示す。図2に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタでは、チャネル層3とバリア層4との間に、膜厚が0.1nm〜5nmのGaN或いはAlNからなるスペーサ層10を形成している。図2に示すように2元系の半導体(スペーサ層10)を挿入することによって、ヘテロ界面の電子移動度を向上させ大きなドレイン電流を流すことができる。
Next, as a modification of the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 1, the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 2 is shown. In the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 2, a
次に、図1に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタの変形例として、図3のヘテロ接合電界効果型トランジスタを示す。図3に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタでは、バリア層4上に膜厚が0.1nm〜5nmのGaNからなるキャップ層11を形成している。図3に示すようにキャップ層11を設けることで、ゲート電極7のショットキー障壁が高くなり、オフ耐圧を高くすることができる。
Next, as a modification of the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 1, the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 3 is shown. In the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 3, a
次に、図1に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタの変形例として、図4のヘテロ接合電界効果型トランジスタを示す。図4に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタでは、ソース/ドレイン電極6の直下のバリア層4及びチャネル層3の一部に、Si等でn型となる不純物を高濃度に含む領域12を形成している。図5に示す領域12を形成することで、コンタクト抵抗を低くすることができる。
Next, as a modification of the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 1, the heterojunction field effect transistor of FIG. 4 is shown. In the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 4, a
次に、図1に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタの変形例として、図5のヘテロ接合電界効果型トランジスタを示す。図5に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタは、ソース/ドレイン電極6の直下のバリア層4の一部又は全てを除去する構成である。さらに、本変形例では、ソース/ドレイン電極6の直下のバリア層4の全て及びチャネル層3の一部を除去する構成でも良い。なお、図5に示す例では、ソース/ドレイン電極6の直下のバリア層4の一部を除去した構成である。図5に示すような構成にすることで、コンタクト抵抗を低くすることができる。
Next, the heterojunction field effect transistor of FIG. 5 is shown as a modification of the heterojunction field effect transistor shown in FIG. The heterojunction field effect transistor shown in FIG. 5 has a configuration in which part or all of the
次に、図1に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタの変形例として、図6のヘテロ接合電界効果型トランジスタを示す。図6に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタでは、ゲート電極7の直下を含むバリア層4上に、AlOx,SiNx,SiOx,HfOx,TiOx等の絶縁膜層13を形成する。図6に示す例では、ソース/ドレイン電極6が形成されたバリア層4以外の部分と、素子分離領域5上に絶縁膜層13が形成されている。図6に示すように、絶縁膜層13を設けることで、ゲートリーク電流を低減し、またゲート−ドレイン間の耐圧を向上させることができる。
Next, as a modification of the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 1, the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 6 is shown. In the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 6, an insulating
次に、図1に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタの変形例として、図7のヘテロ接合電界効果型トランジスタを示す。図7に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタでは、ゲート電極構造がプレーナ構造ではなく、ソース/ドレイン電極6間のバリア層4の一部をエッチングした領域の内側にゲート電極7を形成するリセスゲート構造を採用している。図7に示すようにゲート電極構造をリセスゲート構造にすることで、プレーナ構造の場合に比べてソース抵抗の低減ができる。
Next, the heterojunction field effect transistor of FIG. 7 is shown as a modification of the heterojunction field effect transistor of FIG. In the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 7, the gate electrode structure is not a planar structure, but a recess gate structure in which the
次に、図1に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタの変形例として、図8のヘテロ接合電界効果型トランジスタを示す。図8に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタでは、ゲート電極構造がプレーナ構造ではなく、ソース/ドレイン電極6間のバリア層4の一部をエッチングした領域を覆うようにゲート電極7を形成する埋め込みゲート構造を採用している。図8に示すようにゲート電極構造を埋め込みゲート構造にすることによって、プレーナ構造の場合に比べてソース抵抗の低減ができる。また、高電圧動作時においてゲート電極7のドレイン電極側のエッジ部分に集中する電界を緩和することができ、耐圧を高くできる。
Next, as a modified example of the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 1, the heterojunction field effect transistor of FIG. 8 is shown. In the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 8, the gate electrode structure is not a planar structure, and a buried gate in which the
なお、上述した変形例の構成は、必ずしも個々別々に採用する必要はなく、それぞれを組み合わせてヘテロ接合電界効果型トランジスタを構成しても良い。 Note that the configurations of the above-described modifications are not necessarily employed separately, and a heterojunction field effect transistor may be configured by combining them.
(実施の形態2)
図9に、図1で示したヘテロ接合電界効果型トランジスタのバリア層4及びチャネル層3の深さ方向(depth(nm))におけるエネルギーバンド構造(Energy(eV))及びキャリア濃度(Carrier concentration(cm-3))の計算結果を示す。当該計算結果は、ポアソン方程式とシュレディンガー方程式とを自己無撞着に解いたものである。なお、上記の計算に用いた物性値は、一般的に用いられる値を使用している。
(Embodiment 2)
FIG. 9 shows the energy band structure (Energy (eV)) and carrier concentration (Carrier concentration) in the depth direction (depth (nm)) of the
図9に示すグラフでは、キャリア濃度を深さ方向で積分した値をシートキャリア濃度(Ns)とし、図1に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタのシートキャリア濃度が1.6×1013(cm-2)と求められる。 In the graph shown in FIG. 9, the integrated value of the carrier concentration in the depth direction and the sheet carrier concentration (Ns), the sheet carrier concentration of 1.6 × 10 13 heterojunction field effect transistor shown in FIG. 1 (cm - 2 ).
同様に、チャネル層3のAl組成比xと、バリア層4のAl組成比yとを組み合わせ他場合のシートキャリア濃度(Ns)(Sheet carrier density(cm-2))とバリア層4の膜厚(t)(Barrier layer thickness(nm))との関係を図10〜図14に示す。図10は、チャネル層3のAl組成比xを0に固定し、バリア層4のAl組成比yを0.2〜1.0まで変化したグラフである。図11は、チャネル層3のAl組成比xを0.2に固定し、バリア層4のAl組成比yを0.4〜1.0まで変化したグラフである。図12は、チャネル層3のAl組成比xを0.4に固定し、バリア層4のAl組成比yを0.6〜1.0まで変化したグラフである。図13は、チャネル層3のAl組成比xを0.6に固定し、バリア層4のAl組成比yを0.8〜1.0まで変化したグラフである。図14は、チャネル層3のAl組成比xを0.8に、バリア層4のAl組成比yを1.0にしたグラフである。
Similarly, when the Al composition ratio x of the
図10〜図14のグラフから分かるように、バリア層4がある膜厚になるとシートキャリア濃度が急激に増加し始める。この急激にシートキャリア濃度が増加するバリア層4の膜厚を、Al組成比x及びAl組成比yの組み合わせ毎に示した結果が表1である。
As can be seen from the graphs of FIGS. 10 to 14, when the
表1では、例えばチャネル層3のAl組成比xを0.2、バリア層4のAl組成比yを0.4とした場合、バリア層4の膜厚を5nm以上の厚さにすれば良いことが分かる。バリア層4が表1に示す値(上記の例では5nm)以上の厚さにすることで、十分に高いシートキャリア濃度が得られ、電界効果型トランジスタを作製した際に十分に高いドレイン電流が得られる。
In Table 1, for example, when the Al composition ratio x of the
なお、本実施の形態では、表1に基づく値からバリア層4の膜厚を決定するが、表1に示されていないAl組成比x,yの部分については、当該部分に隣接する値を内分することで求める。つまり、あるAl組成比xがx1とx2との間、Al組成比yがy1とy2との間である場合、まずt(x1,y1)とt(x1,y2)とを内分し、t(x2,y1)とt(x2,y2)とを内分する。そして、上記内分で得られたt(x1,y)とt(x2,y)をさらに内分することで得たt(x,y)の値以上のバリア層4の膜厚を形成する。
In the present embodiment, the film thickness of the
より具体的に説明すると、バリア層の厚さt(nm)は、Al組成比x及びAl組成比yが表1に記載されている場合、表1中のt(x,y)の値よりも厚くする。例えば、Al組成比xが0.1で、Al組成比yが0.2の場合、表1からバリア層の厚さtは8nm以上にすればよいことが分かる。 More specifically, when the Al composition ratio x and the Al composition ratio y are listed in Table 1, the thickness t (nm) of the barrier layer is determined from the value of t (x, y) in Table 1. Also thicken. For example, when the Al composition ratio x is 0.1 and the Al composition ratio y is 0.2, it can be seen from Table 1 that the thickness t of the barrier layer should be 8 nm or more.
また、Al組成比x及びAl組成比yが表1に記載されておらず、且つx+0.05≦y<x+0.1の関係を有している場合、Al組成比x以下の0.05ステップの範囲内において表1記載の最大値をx1とし、x1に0.05を加えた値をx2とし、Al組成比y以下の0.05ステップの範囲内において表1記載の最大値をy1とし、y1に0.05を加えた値をy2とする。そして、表1のt(x1,y1)及びt(x1,y2)の値から、y2×t(x1,y1)−y1×t(x1,y2)+{t(x1,y2)−t(x1,y1)}×y]/0.05=t(x1,y)の値を求める。さらに、表1のt(x2,y2)の値と、前記t(x1,y)の値とから[x2×t(x1,y)−x1×t(x2,y2)+{t(x2,y2)−t(x1,y)}×x]/0.05=t(x,y)の値を求め、バリア層の厚さt(nm)は、当該t(x,y)の値以上の厚さとする。 Further, when the Al composition ratio x and the Al composition ratio y are not described in Table 1 and have a relationship of x + 0.05 ≦ y <x + 0.1, 0.05 step of the Al composition ratio x or less The maximum value described in Table 1 is x1, the value obtained by adding 0.05 to x1 is x2, and the maximum value described in Table 1 is y1 within the 0.05 step range below the Al composition ratio y. , Y1 plus 0.05 is y2. Then, from the values of t (x1, y1) and t (x1, y2) in Table 1, y2 × t (x1, y1) −y1 × t (x1, y2) + {t (x1, y2) −t ( x1, y1)} × y] /0.05=t (x1, y) is obtained. Further, from the value of t (x2, y2) in Table 1 and the value of t (x1, y), [x2 × t (x1, y) −x1 × t (x2, y2) + {t (x2, y2) −t (x1, y)} × x] /0.05=t (x, y) is obtained, and the thickness t (nm) of the barrier layer is equal to or greater than the value of t (x, y). Of thickness.
例えば、Al組成比xが0.13で、Al組成比yが0.19の場合、上記の関係を満たしている。そのため、0.13のAl組成比x以下の0.05ステップの範囲内(0.13〜0.08)において表1に記載されている最大値は0.1となり、当該値をx1とする。そして、x1である0.1に0.05を加えた0.15がx2となる。同様に、0.19のAl組成比y以下の0.05ステップの範囲内(0.19〜0.14)において表1に記載されている最大値は0.15となり、当該値をy1とする。そして、y1である0.15に0.05を加えた0.2がy2となる。 For example, when the Al composition ratio x is 0.13 and the Al composition ratio y is 0.19, the above relationship is satisfied. Therefore, the maximum value described in Table 1 is 0.1 within the range of 0.05 step (0.13 to 0.08) below the Al composition ratio x of 0.13, and that value is x1. . And 0.15 which added 0.05 to 0.1 which is x1 becomes x2. Similarly, the maximum value described in Table 1 is 0.15 within the range of 0.05 step (0.19 to 0.14) below the Al composition ratio y of 0.19. To do. And 0.2 which added 0.05 to 0.15 which is y1 becomes y2.
そして、t(x1,y)は、t(0.1,0.19)=[0.2×t(0.1,0.15)−0.15×t(0.1,0.2)+{t(0.1,0.2)−t(0.1,0.15)}×0.19]/0.05=[0.2×15−0.15×8+{8−15}×0.19]/0.05=9.4と求まる。さらに、t(x,y)は、t(0.13,0.19)=[0.15×t(0.1,0.19)−0.1×t(0.15,0.2)+{t(0.15,0.2)−t(0.1,0.19)}×0.13]/0.05=[0.15×9.4−0.1×16+{16−9.4}×0.13]/0.05=13.36と求まる。その結果、バリア層の厚さt(nm)は、当該t(0.13,0.19)=13.36nm以上の厚さとすることになる。 T (x1, y) is t (0.1,0.19) = [0.2 × t (0.1,0.15) −0.15 × t (0.1,0.2). ) + {T (0.1,0.2) -t (0.1,0.15)} × 0.19] /0.05= [0.2 × 15−0.15 × 8 + {8− 15} × 0.19] /0.05=9.4. Further, t (x, y) is t (0.13, 0.19) = [0.15 × t (0.1, 0.19) −0.1 × t (0.15, 0.2). ) + {T (0.15,0.2) -t (0.1,0.19)} × 0.13] /0.05= [0.15 × 9.4-0.1 × 16 + { 16−9.4} × 0.13] /0.05=13.36. As a result, the thickness t (nm) of the barrier layer is t (0.13, 0.19) = 13.36 nm or more.
また、Al組成比x及びAl組成比yが表1に記載されておらず、且つy≧x+0.1の関係を有している場合、Al組成比xより0.05ステップ小さい範囲内において表1記載の最大値をx1とし、x1に0.05を加えた値をx2とし、Al組成比yより0.05ステップ小さい範囲内において表1記載の最大値をy1とし、y1に0.05を加えた値をy2とする。そして、表1のt(x1,y1)及びt(x2,y1)の値から[x2×t(x1,y1)−x1×t(x2,y1)+{t(x2,y1)−t(x1,y1)}×x]/0.05=t(x,y1)の値を求める。表1のt(x1,y2)及びt(x2,y2)の値から[x2×t(x1,y2)−x1×t(x2,y2)+{t(x2,y2)−t(x1,y2)}×x]/0.05=t(x,y2)の値を求める。さらに、t(x,y1)の値と、t(x,y2)の値とから求めた[y2×t(x,y1)−y1×t(x,y2)+{t(x,y2)−t(x,y1)}×y]/0.05=t(x,y)の値を求め、バリア層の厚さt(nm)は、当該t(x,y)の値以上の厚さとする。 In addition, when the Al composition ratio x and the Al composition ratio y are not described in Table 1 and have a relationship of y ≧ x + 0.1, the Al composition ratio x and the Al composition ratio y are within a range 0.05 steps smaller than the Al composition ratio x. The maximum value described in 1 is x1, the value obtained by adding 0.05 to x1 is x2, the maximum value described in Table 1 is y1 within a range 0.05 steps smaller than the Al composition ratio y, and y1 is 0.05. Let y2 be the value obtained by adding. Then, from the values of t (x1, y1) and t (x2, y1) in Table 1, [x2 × t (x1, y1) −x1 × t (x2, y1) + {t (x2, y1) −t ( x1, y1)} × x] /0.05=t (x, y1) is obtained. From the values of t (x1, y2) and t (x2, y2) in Table 1, [x2 × t (x1, y2) −x1 × t (x2, y2) + {t (x2, y2) −t (x1, y2)} × x] /0.05=t (x, y2) is obtained. Further, [y2 × t (x, y1) −y1 × t (x, y2) + {t (x, y2)) obtained from the value of t (x, y1) and the value of t (x, y2). −t (x, y1)} × y] /0.05=t (x, y) is obtained, and the thickness t (nm) of the barrier layer is equal to or greater than the value of t (x, y). Say it.
例えば、Al組成比xが0.22で、Al組成比yが0.42の場合、上記の関係を満たしている。そのため、0.22のAl組成比xより0.05ステップ小さい範囲内(0.22〜0.17)において表1に記載されている最大値は0.2となり、当該値をx1とする。そして、x1である0.2に0.05を加えた0.25がx2となる。同様に、0.42のAl組成比yより0.05ステップ小さい範囲内(0.42〜0.37)において表1に記載されている最大値は0.4となり、当該値をy1とする。そして、y1である0.4に0.05を加えた0.45がy2となる。 For example, when the Al composition ratio x is 0.22 and the Al composition ratio y is 0.42, the above relationship is satisfied. Therefore, the maximum value described in Table 1 is 0.2 within a range 0.05 steps smaller than the Al composition ratio x of 0.22 (0.22 to 0.17), and this value is x1. And 0.25 which added 0.05 to 0.2 which is x1 becomes x2. Similarly, in the range 0.05 steps smaller than the Al composition ratio y of 0.42 (0.42 to 0.37), the maximum value described in Table 1 is 0.4, and this value is y1. . And 0.45 which added 0.05 to y1 0.4 turns into y2.
そして、t(x,y1)は、t(0.22,0.4)=[0.25×t(0.2,0.4)−0.2×t(0.25,0.4)+{t(0.25,0.4)−t(0.2,0.4)}×0.22]/0.05=[0.25×5−0.2×8+{8−5}×0.22]/0.05=6.2と求まる。t(x,y2)は、t(0.22,0.45)=0.25×t(0.2,0.45)−0.2×t(0.25,0.45)+{t(0.25,0.45)−t(0.2,0.45)}×0.22]/0.05=0.25×4−0.2×6+{6−4}×0.22]/0.05=4.8と求まる。 T (x, y1) is t (0.22,0.4) = [0.25 × t (0.2,0.4) −0.2 × t (0.25,0.4). ) + {T (0.25,0.4) -t (0.2,0.4)} × 0.22] /0.05= [0.25 × 5-0.2 × 8 + {8− 5} × 0.22] /0.05=6.2. t (x, y2) is t (0.22,0.45) = 0.25 × t (0.2,0.45) −0.2 × t (0.25,0.45) + { t (0.25,0.45) -t (0.2,0.45)} × 0.22] /0.05=0.25×4-0.2×6+ {6-4} × 0 .22] /0.05=4.8.
さらに、t(x,y)は、t(0.22,0.42)=[0.45×t(0.22,0.4)−0.4×t(0.22,0.45)+{t(0.22,0.45)−t(0.22,0.4)}×0.42]/0.05=[0.45×6.2−0.4×4.8+{4.8−6.2}×0.42]/0.05=5.64と求まる。その結果、バリア層の厚さt(nm)は、当該t(0.22,0.42)=5.64nm以上の厚さとすることになる。 Furthermore, t (x, y) is t (0.22,0.42) = [0.45 × t (0.22,0.4) −0.4 × t (0.22,0.45). ) + {T (0.22,0.45) -t (0.22,0.4)} × 0.42] /0.05= [0.45 × 6.2-0.4 × 4. 8+ {4.8−6.2} × 0.42] /0.05=5.64. As a result, the thickness t (nm) of the barrier layer is t (0.22, 0.42) = 5.64 nm or more.
なお、表1に記載されていない部分の求め方は、上述の方法に限られず当該部分に適用できる関数を求め、当該関数を用いてバリア層の膜厚tの値を補完する方法等でも良い。 In addition, the method of calculating | requiring the part which is not described in Table 1 is not restricted to the above-mentioned method, The function applicable to the said part is calculated | required, The method of complementing the value of the film thickness t of a barrier layer using the said function etc. .
(実施の形態3)
図15〜図18に、図1に示したヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造プロセスを示す。なお、図15〜図18において、図1に示す構成要素と同じ構成要素については、同一の符号を付し詳細な説明は省略する。
(Embodiment 3)
15 to 18 show a manufacturing process of the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 15 to 18, the same components as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.
まず、図15では、SiC基板1上にMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法やMBE(Molecular Beam Epitaxy)法などのエピタキシャル成長法を適用し、バッファ層2、Al0.6Ga0.4Nからなるチャネル層3及びAlNからなるバリア層4を順にエピタキシャル成長させる。
First, in FIG. 15, an epitaxial growth method such as MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method or MBE (Molecular Beam Epitaxy) method is applied to the
次に、図16では、例えばTi,Al,Ni,Ta,Au,Mo,Wなどの金属層を蒸着法やスパッタ法を用いて堆積させ、リフトオフ法などによりソース/ドレイン電極6に形成する。
Next, in FIG. 16, for example, a metal layer such as Ti, Al, Ni, Ta, Au, Mo, and W is deposited using a vapor deposition method or a sputtering method, and formed on the source /
次に、図17では、ヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製する領域外のチャネル層3及びバリア層4に、イオン注入法やエッチング法などを用いて素子分離領域5を形成する。図17に示す素子分離領域5では、イオン注入法を用いて形成した。
Next, in FIG. 17, the
次に、図18では、例えばAl,Pt,Au,Ni,Pd等の金属、或いはIrSi,PtSi,NiSi2等のシリサイド、或いはTiN,WN等の窒化物金属からなる層を蒸着法やスパッタ法を用いて堆積させ、リフトオフ法などによりゲート電極7を形成する。
Next, in FIG. 18, a layer made of a metal such as Al, Pt, Au, Ni, Pd, a silicide such as IrSi, PtSi, NiSi 2 or a nitride metal such as TiN, WN is deposited or sputtered. The
以上に示す製造プロセスを行うことで、図1に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製できる。なお、上述の製造プロセスでは、トランジスタとして動作する必要最小限のプロセスしか記載していないが、最終的には保護膜、配線、バイアホール等を形成するプロセスを経てデバイスとして完成する。 By performing the manufacturing process described above, the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 1 can be manufactured. Note that although the above-described manufacturing process describes only the minimum necessary process to operate as a transistor, the device is finally completed through a process of forming a protective film, a wiring, a via hole, and the like.
なお、上記では代表的な条件について述べたが、下記に示すような条件でも本発明の効果が得られるヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製することができる。 Although typical conditions have been described above, a heterojunction field effect transistor capable of obtaining the effects of the present invention can be manufactured even under the following conditions.
まず、図15に示すチャネル層3及びバリア層4のエピタキシャル成長時に、AlGaNの原料ガスとなるトリメチルアンモニウム、トリメチルガリウム、アンモニア等の流量や圧力、温度を調整し、チャネル層3及びバリア層4を所望のAl組成比にすることができる。これにより、実施の形態1で示したAl組成比の条件を満足するヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製することができる。
First, when the
また、図15に示すチャネル層3をエピタキシャル成長した後に、厚さ0.1〜5nmのGaN或いはAlNからなる薄い層(スペーサ層10)をエピタキシャル成長させ、当該スペーサ層10上にバリア層4をエピタキシャル成長させても良い。これにより、実施の形態1で説明した図2に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製することができ、電子の移動度を向上させ、大きなドレイン電流を流すことができるヘテロ接合電界効果型トランジスタを得ることができる。
Further, after the
また、図15に示すバリア層4をエピタキシャル成長した後に、厚さ0.1〜5nmのGaNからなる薄い層(キャップ層11)をエピタキシャル成長させても良い。これにより、実施の形態1で説明した図3に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製することができ、オフ耐圧を高くすることができる。
Further, after the
また、図16に示すソース/ドレイン電極6の形成、図17に示す素子分離領域5の形成、図18に示すゲート電極7の形成は、必ずしも上述の順で行う必要はなく、工程の順番を入れ替えても良い。例えば、ソース/ドレイン電極6を形成する前に、素子分離領域5を形成する製造プロセスであっても良い。
Further, the formation of the source /
また、図16に示すソース/ドレイン電極6の形成では、Si等の半導体でn型となるイオンをイオン注入法などを用いて高濃度にドーピングした領域12を形成し、当該領域12上にソース/ドレイン電極6を形成しても良い。これにより、実施の形態1で説明した図4に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製することができ、コンタクト抵抗を低減することができる。
Further, in the formation of the source /
また、図16に示すソース/ドレイン電極6の形成では、例えばCl2等を使用するドライエッチング法などを用いて、ソース/ドレイン電極6直下のバリア層4の一部又は全てを除去した後に、ソース/ドレイン電極6を形成しても良い。なお、上述の例以外に、ソース/ドレイン電極6直下のバリア層4の全てを除去し、且つチャネル層3の一部を除去した後に、ソース/ドレイン電極6を形成しても良い。これにより、実施の形態1で説明した図5に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製することができ、コンタクト抵抗を低減することができる。
In the formation of the source /
また、図17に示すゲート電極7の形成では、例えば蒸着法やプラズマCVD法などを用いて、バリア層4上にAlOx,SiNx,SiOx,HfOx,TiOx等の絶縁膜13を堆積させ、当該絶縁膜13上にゲート電極7を形成しても良い。これにより、実施の形態1で説明した図6に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製することができ、ゲートリーク電流を低減し、且つゲート−ドレイン間の耐圧を向上させることができる。なお、最終的にデバイスとして使用するためには、絶縁膜13で覆われたソース/ドレイン電極6の一部を、例えばフッ酸等を用いてウェットエッチングして除去し、当該部分に配線を形成する必要がある。
Further, in the formation of the
また、図17に示すゲート電極7の形成では、例えばCl2等を使用するドライエッチング法などを用いて、ソース/ドレイン電極6間の一部のバリア層4を除去し、予めリセスを形成してからゲート電極7を形成しても良い。これにより、実施の形態1で説明した図7,8に示すヘテロ接合電界効果型トランジスタを作製することができ、プレーナ構造の場合に比べてソース抵抗の低減ができる。
In the formation of the
1 SiC基板、2 バッファ層、3 チャネル層、4 バリア層、5 素子分離領域、6 ソース/ドレイン電極、7 ゲート電極、10 スペーサ層、11 キャップ層、12 領域、13 絶縁膜層。 1 SiC substrate, 2 buffer layer, 3 channel layer, 4 barrier layer, 5 element isolation region, 6 source / drain electrode, 7 gate electrode, 10 spacer layer, 11 cap layer, 12 region, 13 insulating film layer.
Claims (4)
前記チャネル層上に形成されたAlの組成比y(0<y≦1)とするAlyGa1-yNのバリア層と、
前記バリア層上に形成されたソース/ドレイン電極及びゲート電極とを備えるヘテロ接合電界効果型トランジスタの半導体装置であって、
前記組成比yは、前記組成比xより大きいことを特徴とする半導体装置。 An Al x Ga 1-x N channel layer having an Al composition ratio x (0 <x <1) formed on the substrate;
A barrier layer of Al y Ga 1-y N having an Al composition ratio y (0 <y ≦ 1) formed on the channel layer;
A heterojunction field effect transistor semiconductor device comprising a source / drain electrode and a gate electrode formed on the barrier layer,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the composition ratio y is larger than the composition ratio x.
前記バリア層は、AlNであることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the barrier layer is AlN.
前記バリア層の厚さt(nm)は、
(1)前記組成比x及び前記組成比yが表1に記載されている場合、前記表1中のt(x,y)の値以上の厚さにし、
(2)前記組成比x及び前記組成比yが前記表1に記載されておらず、且つx+0.05≦y<x+0.1の関係を有している場合、
前記組成比x以下の0.05ステップの範囲内において前記表1記載の最大値をx1とし、前記x1に0.05を加えた値をx2とし、前記組成比y以下の0.05ステップの範囲内において前記表1記載の最大値をy1とし、前記y1に0.05を加えた値をy2とし、
前記表1のt(x1,y1)及びt(x1,y2)の値から、y2×t(x1,y1)−y1×t(x1,y2)+{t(x1,y2)−t(x1,y1)}×y]/0.05=t(x1,y)の値を求め、
前記表1のt(x2,y2)の値と、前記t(x1,y)の値とから求めた[x2×t(x1,y)−x1×t(x2,y2)+{t(x2,y2)−t(x1,y)}×x]/0.05=t(x,y)の値以上の厚さにし、
(3)前記組成比x及び前記組成比yが前記表1に記載されておらず、且つy≧x+0.1の関係を有している場合、
前記組成比xより0.05ステップ小さい範囲内において前記表1記載の最大値をx1とし、前記x1に0.05を加えた値をx2とし、前記組成比yより0.05ステップ小さい範囲内において前記表1記載の最大値をy1とし、前記y1に0.05を加えた値をy2とし、
前記表1のt(x1,y1)及びt(x2,y1)の値から[x2×t(x1,y1)−x1×t(x2,y1)+{t(x2,y1)−t(x1,y1)}×x]/0.05=t(x,y1)の値を求め、
前記表1のt(x1,y2)及びt(x2,y2)の値から[x2×t(x1,y2)−x1×t(x2,y2)+{t(x2,y2)−t(x1,y2)}×x]/0.05=t(x,y2)の値を求め、
前記t(x,y1)の値と、前記t(x,y2)の値とから求めた[y2×t(x,y1)−y1×t(x,y2)+{t(x,y2)−t(x,y1)}×y]/0.05=t(x,y)の値以上の厚さにすることを特徴とする半導体装置。
The thickness t (nm) of the barrier layer is
(1) When the composition ratio x and the composition ratio y are listed in Table 1, the thickness is not less than the value of t (x, y) in Table 1.
(2) When the composition ratio x and the composition ratio y are not described in Table 1 and have a relationship of x + 0.05 ≦ y <x + 0.1,
Within the range of 0.05 steps below the composition ratio x, the maximum value described in Table 1 is x1, the value obtained by adding 0.05 to the x1 is x2, and 0.05 steps below the composition ratio y Within the range, the maximum value described in Table 1 is y1, the value obtained by adding 0.05 to the y1 is y2,
From the values of t (x1, y1) and t (x1, y2) in Table 1, y2 × t (x1, y1) −y1 × t (x1, y2) + {t (x1, y2) −t (x1 , Y1)} × y] /0.05=t (x1, y)
[X2 × t (x1, y) −x1 × t (x2, y2) + {t (x2) obtained from the value of t (x2, y2) in Table 1 and the value of t (x1, y) , Y2) −t (x1, y)} × x] /0.05=t (x, y) or more.
(3) When the composition ratio x and the composition ratio y are not described in Table 1 and y ≧ x + 0.1,
Within a range 0.05 steps smaller than the composition ratio x, the maximum value described in Table 1 is x1, and a value obtained by adding 0.05 to the x1 is x2, and within a range 0.05 steps smaller than the composition ratio y. In Table 1, the maximum value described in Table 1 is y1, the value obtained by adding 0.05 to y1 is y2,
From the values of t (x1, y1) and t (x2, y1) in Table 1, [x2 × t (x1, y1) −x1 × t (x2, y1) + {t (x2, y1) −t (x1) , Y1)} × x] /0.05=t (x, y1)
From the values of t (x1, y2) and t (x2, y2) in Table 1, [x2 × t (x1, y2) −x1 × t (x2, y2) + {t (x2, y2) −t (x1) , Y2)} × x] /0.05=t (x, y2)
[Y2 × t (x, y1) −y1 × t (x, y2) + {t (x, y2)) obtained from the value of t (x, y1) and the value of t (x, y2) -T (x, y1)} * y] /0.05=thickness equal to or greater than t (x, y).
前記チャネル層上にAlの組成比y(0<y≦1)とし、且つ組成比yが組成比xより大きいAlyGa1-yNのバリア層を形成するステップと、
前記バリア層上にソース/ドレイン電極及びゲート電極を形成するステップとを備えるヘテロ接合電界効果型トランジスタの半導体装置の製造方法。 Forming an Al x Ga 1-x N channel layer having an Al composition ratio x (0 <x <1) on the substrate;
Forming an Al y Ga 1-y N barrier layer having an Al composition ratio y (0 <y ≦ 1) and a composition ratio y larger than the composition ratio x on the channel layer;
Forming a source / drain electrode and a gate electrode on the barrier layer; and a method for manufacturing a semiconductor device of a heterojunction field effect transistor.
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