JP2009027085A - Field-effect transistor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えばGaAsなどの化合物半導体を用いた高周波パワーデバイス(以下RFデバイスと記す)として用いられる電界効果型トランジスタに関する。 The present invention relates to a field effect transistor used as a high frequency power device (hereinafter referred to as an RF device) using a compound semiconductor such as GaAs.
近年、インバータ回路やスイッチング素子の高機能化に伴い、HEMT(High Electron Mobility Transistor)、FET(Field Effect Transistor)といった、RFデバイスとして用いられる電界効果型トランジスタ(Tr)において、さらなる微細化、高性能化が要求されている。 In recent years, with the enhancement of functions of inverter circuits and switching elements, field effect transistors (Tr) used as RF devices, such as HEMT (High Electron Mobility Transistor) and FET (Field Effect Transistor), are further miniaturized and high performance. Is required.
このようなRFデバイスにおいて、2つの異なる信号を増幅するためのデュアルバンドデバイスとして、1つのFETに特定の2つの周波数帯域の信号だけが入るようにフィルタを挿入するという手法(例えば非特許文献1など参照)が用いられている。この場合、用いられるFETは、2つの周波数帯域全体が増幅できるものである必要がある、すなわち、2つの周波数帯域のどちらにも最適化された特性を持つものでなければならない。しかしながら、これら2つの周波数が、例えば1GHzと10GHzなど10倍異なる場合、このような周波数帯域において、FETが均一な増幅特性を持つことが困難である。 In such an RF device, as a dual-band device for amplifying two different signals, a method of inserting a filter so that only signals in two specific frequency bands enter one FET (for example, Non-Patent Document 1). Etc.) is used. In this case, the FET used must be capable of amplifying the entire two frequency bands, i.e. it must have optimized characteristics in both of the two frequency bands. However, when these two frequencies are different from each other by 10 times, for example, 1 GHz and 10 GHz, it is difficult for the FET to have uniform amplification characteristics in such a frequency band.
また、異なる特性を持つ2つのFETに別々に信号を入力するという手法(例えば特許文献1など参照)が用いられている。この場合は、それぞれの周波数帯域で、最適化されたFETを用いることが可能であるが、2つのFETを配置する必要があり、微細化を図ることが困難である。 Further, a technique of inputting signals separately to two FETs having different characteristics (see, for example, Patent Document 1) is used. In this case, it is possible to use an optimized FET in each frequency band, but it is necessary to arrange two FETs, and it is difficult to achieve miniaturization.
このように、RFデュアルバンドデバイスにおいて、微細化と高性能化をともに実現することが困難であるという問題がある。 Thus, there is a problem that it is difficult to realize both miniaturization and high performance in the RF dual-band device.
一方、近年、Si−LSIにおいて、次世代のトランジスタとしてFinFETが注目されている。FinFETは、例えば、特許文献2に記載されているように、SOI(Silicon on Insulator)基板上に、フィン状の凸型の半導体層を形成し、これを挟むようにゲート電極を形成するとともに、その両端をソース・ドレイン電極と接続することにより、ゲート電極に挟まれた領域にチャネル領域を形成する三次元ダブルゲート型デバイスである。このような構造を採ることにより、既存の半導体製造技術により形成可能であり、高効率化、高速化が期待できる。しかしながら、RFデバイスへの適用は未だ検討されていない。
本発明は、RFデュアルバンドデバイスとして用いられ、微細化と高性能化をともに実現することが可能な電界効果型トランジスタを提供することを目的とするものである。 An object of the present invention is to provide a field-effect transistor that can be used as an RF dual-band device and can realize both miniaturization and high performance.
本発明の一態様によれば、基板上に形成され、ソース領域、ドレイン領域およびこれらの間に形成されるフィン状領域を有する化合物半導体層と、フィン状領域の第1の側面に形成され、第1の信号が入力されるための第1のゲート電極と、フィン状領域の第2の側面に形成され、第2の信号が入力されるための第2のゲート電極を備えることを特徴とする電界効果型トランジスタが提供される。 According to one embodiment of the present invention, a compound semiconductor layer formed over a substrate and having a source region, a drain region, and a fin-like region formed therebetween, and formed on a first side surface of the fin-like region, A first gate electrode for inputting a first signal and a second gate electrode formed on the second side surface of the fin-like region for receiving a second signal are provided. A field effect transistor is provided.
本発明の一態様によれば、基板上に化合物半導体層を形成し、化合物半導体層上にマスクを形成し、マスクを用いて化合物半導体層をパターニングしソース領域、ドレイン領域およびこれらの間に配置されるフィン状領域を同時に形成し、フィン状領域の側面に、それぞれ異なる信号が入力されるためのゲート電極を形成することを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法が提供される。 According to one embodiment of the present invention, a compound semiconductor layer is formed over a substrate, a mask is formed over the compound semiconductor layer, the compound semiconductor layer is patterned using the mask, and a source region, a drain region, and a region between them are disposed. The present invention provides a method for manufacturing a field effect transistor, in which a fin-like region is formed at the same time, and gate electrodes for inputting different signals are formed on the side surfaces of the fin-like region.
本発明の一態様の電界効果型トランジスタによれば、微細化と高性能化をともに実現することができ、良好な特性のRFデュアルバンドデバイスとして用いることが可能となる。 According to the field-effect transistor of one embodiment of the present invention, both miniaturization and high performance can be realized, and it can be used as an RF dual-band device having favorable characteristics.
また、本発明の一態様の電界効果型トランジスタの製造方法によれば、微細化と高性能化をともに実現することができ、良好な特性のRFデュアルバンドデバイスを形成することが可能となる。 In addition, according to the method for manufacturing a field effect transistor of one embodiment of the present invention, both miniaturization and high performance can be realized, and an RF dual-band device having favorable characteristics can be formed.
以下本発明の実施形態について、図を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施形態1)
図1に本実施形態のFET素子の斜視図を、図2にその上面図を示す。図に示すように、Si、GaAsなどの基板w上に、GaAs、GaNなどからなる半導体層11が形成されている。半導体層11は、ソース領域12、ドレイン領域13と、これらの間でリセスが形成されるフィン状領域14から構成されている。そして、フィン状領域14には、ドレイン方向において傾斜が急峻で、幅方向で対称となるようにリセスが形成されており、その側面には、これを挟むようにゲート電極16、17が形成されている。ゲート電極16、17は、絶縁膜18により電気的に分離されている。フィン状領域14のゲート電極16、17側には、それぞれチャネル領域19が形成される。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view of the FET element of this embodiment, and FIG. 2 is a top view thereof. As shown in the figure, a
このようなFET素子は、以下のようにして形成される。先ず、図3に示すように、Si、GaAsなどの基板w上に、GaAs、GaNなどからなる半導体層11、SiN、SiO2、フォトレジストなどの絶縁膜18を順次形成し、例えば一般的な光やEB(Electron Beam)を用いたリソグラフィ法により、絶縁膜18をパターニングする。
Such an FET element is formed as follows. First, as shown in FIG. 3, a
そして、絶縁膜18をマスクとして、エッチングすることにより、半導体層11をパターニングして、ソース領域12、ドレイン領域13とともにフィン状領域14を形成し、この状態で、不純物のドーピングを行う。例えば、2つのFET素子を素子A、素子Bとして、図4に示すように、FET不純物イオンをインプランテーションする。この場合、フィン状領域の側面に対して、水平とならない所定の角度とする。素子Aに対して、イオン注入するときには、素子A自体が素子Bに対して影となる、あるいはマスクとして働くため、素子Bにはドーピングされず、素子Aにのみドーピングされ、例えばn型領域が形成される。同様に、素子Bに対して、イオン注入するときには、素子Bにのみドーピングされ、例えば素子Aと濃度の異なるn型領域が形成される。
Then, by etching using the
そして、ソース領域12、ドレイン領域13の両端に、n+領域を形成した後、金属層を形成してアニールすることにより、半導体層11との間にオーミックコンタクトを有するソース電極(図示せず)、ドレイン電極(図示せず)を形成した後、チャネル領域19を挟むように、絶縁膜18によりそれぞれが電気的に分離されたゲート電極16、17を形成して、図1、2に示すようなFET素子が形成される。
Then, after forming n + regions at both ends of the
このようにして形成された2つのFET素子は、ゲート電極16、17によりフィン状領域14の両壁面より、それぞれ異なる電圧信号が印加され、チャネル電流が制御されることにより、それぞれの信号が増幅される。
In the two FET elements formed in this way, different voltage signals are applied from both wall surfaces of the fin-
本実施形態のFET素子において、ゲート電極を絶縁膜により分離しているだけの構造であるため、1つのTrと同等のスペースの2つのTr機能を形成することができ、省スペース化が可能となる。また、このような2つのFET素子において、チャネルが形成されるフィン状領域14にリセスが形成されているため、プレーナ型において適用されているリセス構造(埋め込みゲート構造)と同様に、半導体層表面からチャネル層を遠ざけ、半導体層表面に存在する表面準位の影響を軽減し、ひずみ特性の改善を図ることが可能となる。そして、プレーナ型と異なり、1つのマスクでリセスを形成することができるので、2つのTr素子のリセス位置を高精度で制御することが可能となるとともに、リセス加工工程にかかるコスト、時間、エネルギーを削減することが可能である。
In the FET element of the present embodiment, since the gate electrode is only separated by an insulating film, two Tr functions having a space equivalent to one Tr can be formed, and space saving is possible. Become. Further, in such two FET elements, since the recess is formed in the fin-
尚、本実施形態において、絶縁膜18を用いて半導体層11をパターニングし、これを、ゲート電極16、17を絶縁するための絶縁膜として用いているが、パターニングを行うためのマスクを別途形成し、このマスクを用いて半導体層11をパターニングしてもよい。
In this embodiment, the
また、このような2つのFET素子を用いて、さらにモード制御を行うことも可能である。1つのFET素子に信号が入力され、増幅される際、残りのFET素子がOFF状態になっているか、ON状態になっているかの2つのモードが存在する。例えば、2つのFET素子を素子A、素子Bとして、素子Aに信号が入力され、増幅されるとき、素子Bに素子Aのゲート電圧と同じ型の電圧が印加されているモード(OFFモード)では、素子Aのゲート下のチャネルを浅く(半分に)することができる。これにより、小さいゲート信号にも反応できるため、消費エネルギーの低減が可能となるとともに、無駄な電流を抑制することによる高相互コンダクタンス(gm)化が可能となる。反対に、素子Bに電圧が印加されていないモード(ONモード)では、素子Aのゲート下のチャネルを深くすることができる。これにより、大電流化、ハイパワー駆動が可能となる。このように、高gmモードと、ハイパワーモードの2つのモードに制御することができる。 Further, mode control can be further performed using such two FET elements. When a signal is input to one FET element and amplified, there are two modes, that is, whether the remaining FET elements are in an OFF state or an ON state. For example, a mode in which two FET elements are an element A and an element B, and when a signal is input to the element A and amplified, a voltage of the same type as the gate voltage of the element A is applied to the element B (OFF mode) Then, the channel under the gate of the element A can be made shallow (halved). As a result, it is possible to react even to a small gate signal, so that it is possible to reduce energy consumption and increase the mutual conductance (gm) by suppressing useless current. On the contrary, in the mode in which no voltage is applied to the element B (ON mode), the channel under the gate of the element A can be deepened. This makes it possible to increase the current and drive at high power. In this way, it is possible to control to the two modes of the high gm mode and the high power mode.
また、本実施例において、2つのFET素子のドーピングレベルを変えて、異なる所望の特性となるように制御しているが、図5に示すように、素子Aと素子Bのリセス形状を変える、すなわち、非対称とすることにより、異なる所望の特性となるように制御してもよい。このようなリセス形状は、非対称のマスクを用いることにより、1回のパターニングで形成することが可能である。そして、FET素子のドーピングレベルとリセス形状をそれぞれ適宜変えることが可能であるため、FET素子の設計自由度を向上させることができる。 Further, in this embodiment, the doping levels of the two FET elements are changed to control different desired characteristics. However, as shown in FIG. 5, the recess shapes of the elements A and B are changed. That is, it may be controlled to have different desired characteristics by making it asymmetric. Such a recess shape can be formed by one patterning by using an asymmetric mask. Since the doping level and the recess shape of the FET element can be changed as appropriate, the design freedom of the FET element can be improved.
(実施形態2)
図6に本実施形態のFET素子の斜視図を、図7にその上面図を示す。図に示すように、Si、GaAsなどの基板w上に、GaAs、GaNなどからなる半導体層21が形成されている。半導体層21は、ソース領域22、ドレイン領域23と、これらの間でチャネルが形成されるフィン状領域24、25から構成されている。そして、フィン状領域24、25には、それぞれリセス(開口部)が形成されており、その側面には、それぞれ対向するようにゲート電極26、27が形成されている。
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a perspective view of the FET element of this embodiment, and FIG. 7 is a top view thereof. As shown in the figure, a
このようなFET素子は、マスクパターンを変えるだけで、実施形態1と同様にして形成される。 Such an FET element is formed in the same manner as in the first embodiment only by changing the mask pattern.
本実施形態のFET素子において、実施例1におけるモード制御以外について、同様の効果が得られるとともに、2つの信号を同時に入力する際に、それぞれの信号の干渉を抑えることが可能となる。 In the FET element of the present embodiment, the same effects as those other than the mode control in Example 1 can be obtained, and interference between the two signals can be suppressed when two signals are input simultaneously.
これら実施形態において、FET素子を一対としたが、図8に示すように、ソース領域32、ドレイン領域33を並列に接続して、絶縁膜38により分離された複数のゲート電極36を配置してもよい。このように配置することにより、さらに大電流とすることができ、高パワーアンプへの適用が可能となる。
In these embodiments, a pair of FET elements is used. As shown in FIG. 8, a plurality of
また、これら実施形態において、基板w上に半導体層を形成してフィン状領域を形成したが、バルク基板を用いて同様の構造を形成することも可能である。 In these embodiments, the semiconductor layer is formed on the substrate w to form the fin-like region, but it is also possible to form a similar structure using a bulk substrate.
また、フィン状領域の壁面に、フィン状領域とヘテロ接合するn±AlGaAsなどの化合物半導体からなる電子供給層を形成することにより、HEMT素子を形成してもよい。この場合も、上述のFET素子と同様にRFデュアルバンドデバイスとして機能させることが可能である。 Further, the HEMT element may be formed by forming an electron supply layer made of a compound semiconductor such as n ± AlGaAs that is heterojunction with the fin-like region on the wall surface of the fin-like region. In this case as well, it is possible to function as an RF dual-band device as with the above-described FET element.
また、ソース−ドレイン間距離は、ストライプ部分(フィン状領域)の長さを変えることにより変動させることができ、要求される耐圧などにより適宜設定することができる。 Further, the distance between the source and the drain can be changed by changing the length of the stripe portion (fin-like region), and can be appropriately set depending on the required breakdown voltage.
また、図9、図10に示すように、フィン状領域44に形成されるリセスにおいて、リセス角度θは、必ずしも90度である必要はなく、テーパーを有していてもよい。例えば、図9に示すように、90度より大きくても、図10に示すように、90度より小さくてもよい。さらに、図11に示すように、電流が流れる表面45の角度(面角度)は、必ずしもソース−ドレイン方向と平行である必要はなく、テーパーを有していてもよい。これは、フィン状領域において電流が流れる表面の電荷分布は、デバイスの耐圧に大きく影響すると考えられるためである。すなわち、リセス角度、面角度を変化させることにより、表面の電荷分布を変えることができるため、要求に応じて所定の角度に設定し、所定のデバイスの耐圧とすることが可能となる。
As shown in FIGS. 9 and 10, in the recess formed in the fin-
そして、このように、リセス角度θが90度でない場合、あるいは電流の流れる面がソース−ドレイン方向と平行でない場合、従来のプレーナ構造では、これらリセス角度や面角度を高精度で再現性高く制御することは困難である。しかしながら、このようなFin構造においては、これらを所望の角度としたマスクを用いることによりパターニングすることができるため、高精度で再現性高く制御することが可能となる。 As described above, when the recess angle θ is not 90 degrees, or when the current flowing surface is not parallel to the source-drain direction, the conventional planar structure can control the recess angle and the surface angle with high accuracy and high reproducibility. It is difficult to do. However, in such a Fin structure, patterning can be performed by using a mask having a desired angle, so that it is possible to control with high accuracy and high reproducibility.
さらに、ソース−ドレイン間において、適宜ゲート電極のソース側、ドレイン側にフィールドプレート電極を形成することも可能である。 Furthermore, it is also possible to form field plate electrodes on the source and drain sides of the gate electrode as appropriate between the source and drain.
また、基板としては、Si、GaAsの他RFデバイスに用いられるGaNや、SiC、ダイヤモンドなどの基板を用いることができる。 In addition to Si and GaAs, GaN used for RF devices, SiC, diamond, and other substrates can be used as the substrate.
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。その他要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above. Various other modifications can be made without departing from the scope of the invention.
w…基板、11、21…半導体層、12、22、32…ソース領域、13、23、33…ドレイン領域、14、24、25、44…フィン状領域、16、17、26、27、36…ゲート電極、18、38…絶縁膜、45…電流が流れる表面。 w ... substrate, 11, 21 ... semiconductor layer, 12, 22, 32 ... source region, 13, 23, 33 ... drain region, 14, 24, 25, 44 ... fin-like region, 16, 17, 26, 27, 36 ... Gate electrode, 18, 38 ... Insulating film, 45 ... Surface through which current flows.
Claims (8)
前記フィン状領域の第1の側面に形成され、第1の信号が入力されるための第1のゲート電極と、
前記フィン状領域の第2の側面に形成され、第2の信号が入力されるための第2のゲート電極を備えることを特徴とする電界効果型トランジスタ。 A compound semiconductor layer formed on a substrate and having a source region, a drain region, and a fin-like region formed therebetween;
A first gate electrode formed on a first side surface of the fin-like region for receiving a first signal;
A field effect transistor, comprising: a second gate electrode formed on a second side surface of the fin-like region for receiving a second signal.
前記第1のゲート電極側のリセスと、前記第2のゲート電極側のリセスが非対称であることを特徴とする請求項1に記載の電界効果型トランジスタ。 Recesses are formed on both side surfaces of the fin-shaped region,
2. The field effect transistor according to claim 1, wherein the recess on the first gate electrode side and the recess on the second gate electrode side are asymmetric.
化合物半導体層上にマスクを形成し、
前記マスクを用いて前記化合物半導体層をパターニングし、ソース領域、ドレイン領域およびこれらの間に配置されるフィン状領域を同時に形成し、
前記フィン状領域の側面に、それぞれ異なる信号が入力されるためのゲート電極を形成することを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法。 Forming a compound semiconductor layer on the substrate;
Forming a mask on the compound semiconductor layer;
Patterning the compound semiconductor layer using the mask, and simultaneously forming a source region, a drain region and a fin-like region disposed therebetween;
A method of manufacturing a field effect transistor, comprising forming a gate electrode for inputting different signals on side surfaces of the fin-like region.
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2007
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