JP2009246307A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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Futoshi Hiroya
太志 廣谷
Tadashi Niimura
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device capable of obtaining a lower contact resistance to a nitride semiconductor containing Al, and to provide a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: The semiconductor device includes a substrate, a first semiconductor layer provided on the substrate and consisting of nitride semiconductor, a second semiconductor layer provided on the first semiconductor layer and consisting of a nitride semiconductor higher in the concentration of aluminum than the first semiconductor layer and an electrode provided on the second semiconductor layer while a plurality of holes are formed on the second semiconductor layer and the respective plurality of holes are filled with a material same as that of the electrode. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、具体的には、窒化ガリウムを用いた半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more specifically, to a semiconductor device using gallium nitride and a manufacturing method thereof.

窒化ガリウムなどの窒化物半導体を用いた半導体装置としては、例えば、青色〜紫外線領域で発光可能な発光ダイオードや半導体レーザなどの発光素子や、2次元電子ガスを利用した電界効果トランジスタなどの電子素子を挙げることができる。一例として、窒化ガリウム(GaN)と窒化アルミニウム・ガリウム(AlGaN)とのヘテロ接合を用いた高移動度トランジスタ(high electron mobility transistor:HEMT)は、携帯基地局用の高周波パワートランジスタなどへの応用が期待されている(例えば、特許文献1)。   As a semiconductor device using a nitride semiconductor such as gallium nitride, for example, a light emitting element such as a light emitting diode or a semiconductor laser capable of emitting light in a blue to ultraviolet region, or an electronic element such as a field effect transistor using a two-dimensional electron gas Can be mentioned. As an example, a high electron mobility transistor (HEMT) using a heterojunction of gallium nitride (GaN) and aluminum gallium nitride (AlGaN) can be applied to a high-frequency power transistor for a mobile base station. It is expected (for example, Patent Document 1).

具体的には、AlGaN/GaNヘテロ構造においては、(0001)面上で自発分極及びピエゾ分極効果によりヘテロ界面に電荷が集中し、ドーパントの注入なしに1×1013/cm−2以上のシートキャリア濃度が得られる。ヘテロ界面にできる電荷の集中を2次元電子ガス(2-dimensional electron gas:2−DEG)と呼び、このキャリア層を利用することにより、電流密度の大きなヘテロ接合電界効果トランジスタを実現できる。 Specifically, in the AlGaN / GaN heterostructure, charges concentrate on the heterointerface due to spontaneous polarization and piezopolarization effects on the (0001) plane, and a sheet of 1 × 10 13 / cm −2 or more without dopant injection Carrier concentration is obtained. Concentration of charges generated at the heterointerface is called 2-dimensional electron gas (2-DEG), and by using this carrier layer, a heterojunction field effect transistor having a large current density can be realized.

このような窒化物半導体を用いた電子素子や発光素子においては、コンタクト抵抗の低い電極取り出し構造が重要である。ところが、AlGaNはバンドギャップが広く、電極を接触させたときに、低いコンタクト抵抗を得ることが容易ではない。
特開2007−207820号公報
In an electronic device or a light emitting device using such a nitride semiconductor, an electrode extraction structure with low contact resistance is important. However, AlGaN has a wide band gap, and it is not easy to obtain a low contact resistance when the electrodes are brought into contact with each other.
JP 2007-207820 A

本発明は、Alを含む窒化物半導体に対して、より低いコンタクト抵抗が得られる半導体装置及びその製造方法を提供する。   The present invention provides a semiconductor device capable of obtaining a lower contact resistance with respect to a nitride semiconductor containing Al and a method for manufacturing the same.

本発明の一態様によれば、基板と、前記基板の上に設けられた窒化物半導体からなる第1の半導体層と、前記第1の半導体層の上に設けられ、前記第1の半導体層よりもアルミニウムの濃度が高い窒化物半導体からなる第2の半導体層と、前記第2の半導体層の上に設けられた電極と、を備え、前記第2の半導体層に複数の孔が形成され、前記複数の孔のそれぞれは、前記電極と同種の材料により充填されてなることを特徴とする半導体装置が提供される。   According to one aspect of the present invention, a substrate, a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided on the substrate, and the first semiconductor layer provided on the first semiconductor layer A second semiconductor layer made of a nitride semiconductor having a higher aluminum concentration, and an electrode provided on the second semiconductor layer, wherein a plurality of holes are formed in the second semiconductor layer. Each of the plurality of holes is filled with the same kind of material as that of the electrode.

また、本発明の他の一態様によれば、基板と、前記基板の上に設けられた窒化物半導体からなる第1の半導体層と、前記第1の半導体層の上に設けられ前記第1の半導体層よりもアルミニウムの濃度が高い窒化物半導体からなる第2の半導体層と、を有する積層体を用意し、前記積層体の前記第2の半導体層を燐酸によりエッチングして複数の孔を形成する工程と、前記第2の半導体層の上に電極を形成する工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, a substrate, a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided on the substrate, and the first semiconductor layer provided on the first semiconductor layer. And a second semiconductor layer made of a nitride semiconductor having a higher aluminum concentration than that of the semiconductor layer, and etching the second semiconductor layer of the stack with phosphoric acid to form a plurality of holes. There is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a step of forming; and a step of forming an electrode on the second semiconductor layer.

本発明によれば、Alを含む窒化物半導体に対して、より低いコンタクト抵抗が得られる半導体装置及びその製造方法が提供される。
が提供される。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor device which can obtain lower contact resistance with respect to the nitride semiconductor containing Al, and its manufacturing method are provided.
Is provided.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の一部を拡大した断面図である。
すなわち、図1は、半導体装置の電極部を表す。本実施形態の半導体装置は、第1の半導体層10と、その上に設けられた第2の半導体層20と、その上に設けられた電極30と、を備える。第1の半導体層10は、アルミニウム(Al)の濃度が相対的に低い窒化物半導体からなる。第2の層20は、Alの濃度が相対的に高い窒化物半導体からなる。 そして、第2の半導体層20には、その厚み方向に貫通する複数の孔20Hが形成され、これら孔20Hは、電極30と実質的に同種の材料により充填されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view of a part of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
That is, FIG. 1 shows an electrode portion of the semiconductor device. The semiconductor device of this embodiment includes a first semiconductor layer 10, a second semiconductor layer 20 provided thereon, and an electrode 30 provided thereon. The first semiconductor layer 10 is made of a nitride semiconductor having a relatively low aluminum (Al) concentration. The second layer 20 is made of a nitride semiconductor having a relatively high Al concentration. The second semiconductor layer 20 is formed with a plurality of holes 20H penetrating in the thickness direction, and these holes 20H are filled with substantially the same kind of material as the electrode 30.

本実施形態によれば、複数の孔20Hを介して電極30は、Al濃度が相対的に低い第2の半導体層10に接触する。その結果として、第1の半導体層10と第2の半導体層20とのヘテロ接合を維持しつつ、コンタクト抵抗を下げることができる。
ここで、孔20Hの開口形状は、例えば丸状とすることができる。また、その開口の直径は、例えば、数10ナノメータ〜数100ナノメータ程度とすることができる。
According to the present embodiment, the electrode 30 contacts the second semiconductor layer 10 having a relatively low Al concentration through the plurality of holes 20H. As a result, the contact resistance can be lowered while maintaining the heterojunction between the first semiconductor layer 10 and the second semiconductor layer 20.
Here, the opening shape of the hole 20H can be, for example, round. Moreover, the diameter of the opening can be set to about several tens nanometers to several hundred nanometers, for example.

図2は、本実施形態の半導体装置の変型例の一部を拡大した断面図である。なお、図2以降の各図については、既出の図について説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。   FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a part of a modification of the semiconductor device of the present embodiment. 2 and the subsequent drawings, the same reference numerals are given to the same elements as those described in the previous drawings, and detailed description thereof will be omitted as appropriate.

本変型例においては、孔20Hは、第2の半導体層20を貫通していない。そして、この孔20Hに電極30と同種の材料が充填されている。このように、孔20Hが第2の半導体層20を貫通していない場合でも、そこに電極30と同種の材料を充填することにより、第1の半導体層10に接近させ、トンネル効果などによる電荷の移動が促進される。その結果として、コンタクト抵抗を下げることができる。   In this modified example, the hole 20H does not penetrate the second semiconductor layer 20. The hole 20H is filled with the same material as the electrode 30. In this way, even when the hole 20H does not penetrate the second semiconductor layer 20, by filling the same type of material as the electrode 30 there, the hole 20H can be brought closer to the first semiconductor layer 10 and charge due to the tunnel effect or the like. Movement is promoted. As a result, the contact resistance can be lowered.

図1及び図2に例示した孔20Hは、例えば、ドライエッチングにより形成することが可能である。具体的には、第2の半導体層20の上に図示しないマスクを形成し、このマスクに形成された開口に露出した第2の半導体層20をエッチングすることにより、孔20Hを形成することができる。AlGaNなどの窒化物半導体の場合、例えば、塩素系ガスを用いたドライエッチングにより、孔20Hを開口することが可能である。
または、マスクを用いることなく、ウエットエッチングにより孔20Hを形成することが可能である。すなわち、後に詳述するように、熱燐酸によりエッチングすると、貫通転位などの欠陥の部分がコアとなり、優先的にエッチングされる。その結果として、図1及び図2に表したような複数の孔20Hを形成することができる。
The holes 20H illustrated in FIGS. 1 and 2 can be formed by dry etching, for example. Specifically, a hole (not shown) is formed on the second semiconductor layer 20, and the hole 20H is formed by etching the second semiconductor layer 20 exposed in the opening formed in the mask. it can. In the case of a nitride semiconductor such as AlGaN, for example, the hole 20H can be opened by dry etching using a chlorine-based gas.
Alternatively, the hole 20H can be formed by wet etching without using a mask. That is, as will be described in detail later, when etching is performed with hot phosphoric acid, a defect portion such as threading dislocation becomes a core and is preferentially etched. As a result, a plurality of holes 20H as shown in FIGS. 1 and 2 can be formed.

図3及び図4は、貫通転位などの欠陥が存在する場合を例示する模式断面図である。
例えば、図示しない基板の上にGaN層(第1の半導体層)10とAlGaN層(第2の半導体層)20をエピタキシャル成長した場合、これら半導体層を厚み方向に貫通する転位10Dが形成されることがある。そして、本実施形態によれば、後に詳述するように、熱燐酸などのエッチャントを用いてAlGaN層20の貫通転位の部分を優先的にエッチングすることが可能となる。その場合、下地のGaN層10は殆どエッチングされない。従って、この場合には、孔20Hの下のGaN層10には、貫通転位10Dが存在する。
3 and 4 are schematic cross-sectional views illustrating the case where defects such as threading dislocations are present.
For example, when a GaN layer (first semiconductor layer) 10 and an AlGaN layer (second semiconductor layer) 20 are epitaxially grown on a substrate (not shown), dislocations 10D penetrating these semiconductor layers in the thickness direction are formed. There is. According to the present embodiment, as will be described in detail later, the threading dislocation portion of the AlGaN layer 20 can be preferentially etched using an etchant such as hot phosphoric acid. In that case, the underlying GaN layer 10 is hardly etched. Therefore, in this case, threading dislocations 10D exist in the GaN layer 10 below the holes 20H.

なお、図3及び図4には、欠陥の一例として貫通転位10Dが存在する場合を例示したが、本発明はこれには限定されない。すなわち、貫通転位以外の欠陥10Dが存在していてもよく、あるいはこのような欠陥が存在していなくてもよい。   3 and 4 exemplify the case where threading dislocations 10D exist as an example of the defect, the present invention is not limited to this. That is, defects 10D other than threading dislocations may exist or such defects may not exist.

図1〜図4に表した具体例は、例えば、発光ダイオードや半導体レーザなどの発光素子に適用できる。具体的には、例えば、活性層をクラッド層や光ガイド層などで挟んだダブルヘテロ構造において、その少なくともいずれかの側において、Alの濃度が相対的に高い半導体層に電極を形成する場合に、図1または図2に表した構造を採用することにより、コンタクト抵抗を下げることができる。   The specific examples shown in FIGS. 1 to 4 can be applied to a light emitting element such as a light emitting diode or a semiconductor laser. Specifically, for example, in the case of forming an electrode on a semiconductor layer having a relatively high Al concentration on at least one side of a double hetero structure in which an active layer is sandwiched between a clad layer and a light guide layer By adopting the structure shown in FIG. 1 or FIG. 2, the contact resistance can be lowered.

このようにすれば、駆動電流を大きくしても電極部での発熱などを抑制でき、高出力の光素子を実現できる。また、GaNなどのバンドギャップの狭いコンタクト層を省略できるので、デバイス構造とプロセスを簡略化できる。   In this way, even when the drive current is increased, heat generation at the electrode portion can be suppressed, and a high output optical element can be realized. Further, since a contact layer having a narrow band gap such as GaN can be omitted, the device structure and process can be simplified.

一方、図1〜図4に表した具体例は、電界効果トランジスタなどの電子素子にも適用できる。   On the other hand, the specific examples shown in FIGS. 1 to 4 can be applied to an electronic device such as a field effect transistor.

図5は、本実施形態を電界効果トランジスタに適用した具体例を表す断面図である。
図5(a)に表したように、電界効果トランジスタは、例えばGaNからなる第1の半導体層10と、その上に設けられた例えばAlGaNからなる第2の半導体層20と、を備える。第1の半導体層10は、例えばサファイアやSiC、GaNなどの基板100の上に形成されている。第1の半導体層10と第2の半導体層20は、例えば、HVPE(hydride vapour phase epitaxy)、MOCVD(metal-organic chemical vapour deposition)、MBE(molecular beam epitaxy)などの手法により形成することができる。なお、基板100と第1の半導体層10との間には、図示しないAlNなどからなるバッファ層が設けられていてもよい。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a specific example in which the present embodiment is applied to a field effect transistor.
As shown in FIG. 5A, the field effect transistor includes a first semiconductor layer 10 made of, for example, GaN, and a second semiconductor layer 20 made of, for example, AlGaN provided thereon. The first semiconductor layer 10 is formed on a substrate 100 such as sapphire, SiC, or GaN. The first semiconductor layer 10 and the second semiconductor layer 20 can be formed by a technique such as HVPE (hydride vapor phase epitaxy), MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition), MBE (molecular beam epitaxy), or the like. . Note that a buffer layer made of AlN or the like (not shown) may be provided between the substrate 100 and the first semiconductor layer 10.

第2の半導体層20の上には、ソース電極30及びドレイン電極30が設けられている。また、これらソース電極30とドレイン電極30との間には、ゲート電極50が設けられている。
このように、窒化物半導体からなる第1の半導体層10と第2の半導体層20とを接触させることにより、そのヘテロ接合には、2DEGが形成される。この2DEGを利用することにより、電流密度の大きなヘテロ接合電界効果トランジスタを実現できる。
A source electrode 30 and a drain electrode 30 are provided on the second semiconductor layer 20. A gate electrode 50 is provided between the source electrode 30 and the drain electrode 30.
As described above, by bringing the first semiconductor layer 10 and the second semiconductor layer 20 made of a nitride semiconductor into contact with each other, 2DEG is formed at the heterojunction. By using this 2DEG, a heterojunction field effect transistor having a large current density can be realized.

すなわち、ゲート電極50に電圧を印加しない状態において、ソース電極30とドレイン電極30との間には、2DEGにより高い電流密度の電流が導通可能な状態(オン状態)とされる。一方、ゲート電極50に所定の電圧を印加すると、その下において2DEGが空乏化し、ソース電極30とドレイン電極30との間は、非導通状態(オフ状態)となる。   That is, in a state where no voltage is applied to the gate electrode 50, a current having a high current density can be conducted by the 2DEG between the source electrode 30 and the drain electrode 30 (on state). On the other hand, when a predetermined voltage is applied to the gate electrode 50, 2DEG is depleted thereunder, and the source electrode 30 and the drain electrode 30 are in a non-conducting state (off state).

そして、ソース電極30とドレイン電極30の下において、第2の半導体層20は、複数の孔20Hが設けられている。   Under the source electrode 30 and the drain electrode 30, the second semiconductor layer 20 is provided with a plurality of holes 20H.

図5(b)及び(c)は、図5(a)における破線部の拡大図である。
孔20Hは、図5(b)に表したように、第2の半導体層20を貫通していてもよく、図5(c)に表したように、第2の半導体層20を貫通していなくてもよい。なお、図3及び図4に表したように、貫通転位などの欠陥10Dが第1の半導体層10に存在していてもよい。そして、これら孔20Hは、ソース電極30、ドレイン電極30と同種の材料により充填されている。
5 (b) and 5 (c) are enlarged views of a broken line portion in FIG. 5 (a).
The hole 20H may pass through the second semiconductor layer 20 as shown in FIG. 5B, or pass through the second semiconductor layer 20 as shown in FIG. 5C. It does not have to be. As shown in FIGS. 3 and 4, a defect 10 </ b> D such as threading dislocation may exist in the first semiconductor layer 10. These holes 20H are filled with the same material as the source electrode 30 and the drain electrode 30.

そして、本実施形態によれば、ソース電極30とドレイン電極30のコンタクト部分において、孔20Hを設け、そこにこれら電極と同種の材料を充填することにより、コンタクト抵抗を顕著に下げることができる。
従来、このようなトランジスタのソース電極とドレイン電極のコンタクトを形成する場合には、例えば、コンタクト部分のAlGaN(第2の半導体層20)をエッチングにより除去して、GaN(第1の半導体層10)に電極を接触させる方法が提案されている。しかし、このように第2の半導体層20を選択的に除去すると、プロセス的な負担となるばかりでなく、GaN(第1の半導体層10)にダメージを与えてしまうことが多い。またさらに、第2の半導体層20を除去してしまうと、その部分には2DEGが発生しないため、チャネル領域(ゲート50の下の部分)に発生する2DEGを電極30に効率よく取り出すことが困難となる。すなわち、ソース、ドレイン間の直列抵抗が高くなり、発熱などによりトランジスタの動作特性は低下する傾向が強い。
According to this embodiment, the contact resistance of the source electrode 30 and the drain electrode 30 can be significantly reduced by providing the hole 20H and filling the hole 20H with the same type of material as those electrodes.
Conventionally, when a contact between the source electrode and the drain electrode of such a transistor is formed, for example, AlGaN (second semiconductor layer 20) in the contact portion is removed by etching, and GaN (first semiconductor layer 10) is formed. ) Has been proposed. However, when the second semiconductor layer 20 is selectively removed in this manner, not only is the process burden imposed, but the GaN (first semiconductor layer 10) is often damaged. Further, if the second semiconductor layer 20 is removed, 2DEG is not generated in that portion, so that it is difficult to efficiently extract 2DEG generated in the channel region (portion below the gate 50) to the electrode 30. It becomes. That is, the series resistance between the source and the drain increases, and the operation characteristics of the transistor tend to deteriorate due to heat generation.

また一方、ソース電極30とドレイン電極30のコンタクト部分において、AlGaN(第2の半導体層20)を高い濃度にドーピングする方法も提案されている。しかし、AlGaNに高い濃度で不純物をドーピングしても、コンタクト抵抗を十分に下げることは容易でなく、改善の余地があった。   On the other hand, a method of doping AlGaN (second semiconductor layer 20) at a high concentration at the contact portion between the source electrode 30 and the drain electrode 30 has also been proposed. However, even if AlGaN is doped with an impurity at a high concentration, it is not easy to sufficiently reduce the contact resistance, and there is room for improvement.

これに対して、本実施形態によれば、第2の半導体層20に複数の微細な孔20Hを設け、電極30の材料で充填することにより、ヘテロ接合を維持しつつ、コンタクト抵抗を顕著に下げることができる。   On the other hand, according to the present embodiment, by providing a plurality of fine holes 20H in the second semiconductor layer 20 and filling with the material of the electrode 30, the contact resistance is remarkably maintained while maintaining the heterojunction. Can be lowered.

すなわち、ソース電極30とドレイン電極30の下においても、第1の半導体層10と第2の半導体層20のヘテロ接合が形成されているので、2DEGを発生させることができる。そして、孔20Hを介して第1の半導体層10との界面近くまで電極30を接近させることにより、コンタクト抵抗を顕著に下げることができる。   That is, since the heterojunction of the first semiconductor layer 10 and the second semiconductor layer 20 is formed also under the source electrode 30 and the drain electrode 30, 2DEG can be generated. The contact resistance can be remarkably lowered by bringing the electrode 30 close to the interface with the first semiconductor layer 10 through the hole 20H.

以下、実施例を参照しつつ、本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。
図5に表した電界効果トランジスタとして、サファイア基板100の上に、GaN層10、とAl0.28Ga0.72N層20をエピタキシャル成長させた。GaN層10の厚みは、3000ナノメータとし、AlGaN層20の厚みは20ナノメータとすることができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to examples.
As the field effect transistor shown in FIG. 5, the GaN layer 10 and the Al 0.28 Ga 0.72 N layer 20 were epitaxially grown on the sapphire substrate 100. The thickness of the GaN layer 10 can be 3000 nanometers, and the thickness of the AlGaN layer 20 can be 20 nanometers.

そして、熱燐酸によりエッチングし、AlGaN層20に孔20Hを形成した。なお、OFPRなどの一般的なレジストをマスクとしてパターニングすることで、ソース電極30とドレイン電極30の部分のみを選択的に熱燐酸によりエッチングできる。   Then, etching was performed with hot phosphoric acid to form holes 20H in the AlGaN layer 20. Note that by patterning using a general resist such as OFPR as a mask, only the portions of the source electrode 30 and the drain electrode 30 can be selectively etched with hot phosphoric acid.

孔20Hを形成した後は、一般的に知られている電界効果トランジスタの製造方法と同様に、ソース電極30、ドレイン電極30の材料を蒸着し、シンターアニールを行う。そして、ゲート電極50を形成するパターンのレジストを塗布し、ゲート電極50材料を蒸着してリフトオフによりゲート電極50を形成することができる。   After forming the hole 20H, the material for the source electrode 30 and the drain electrode 30 is vapor-deposited and sintered annealing is performed in the same manner as a generally known method for manufacturing a field effect transistor. Then, a resist having a pattern for forming the gate electrode 50 is applied, the gate electrode 50 material is deposited, and the gate electrode 50 can be formed by lift-off.

ソース電極30及びドレイン電極30としては、例えば、チタンを用いることができる。なお、チタンの上にアルミニウムなどを積層させてもよい。
一方、ショットキー型のゲート電極50としては、例えば、ニッケルを用いることができる。この場合も、ニッケルの上に金などを積層してもよい。
As the source electrode 30 and the drain electrode 30, for example, titanium can be used. Note that aluminum or the like may be stacked over titanium.
On the other hand, as the Schottky gate electrode 50, for example, nickel can be used. Also in this case, gold or the like may be laminated on nickel.

ここで、本発明者は、熱燐酸による孔20Hの形成について、原子間力顕微鏡(atomic force micrography:AFM)を用いて観察した。
図6は、熱燐酸によるエッチング効果を表すAFM像である。
すなわち、図6(a)及び(b)は、それぞれエッチング前のGaN層とAl0.28Ga0.72N層の表面のAFM像である。また、図6(c)及び(d)は、熱燐酸によるエッチング後のGaN層とAlGaN層のAFM像である。
Here, the present inventor observed the formation of the holes 20H by hot phosphoric acid using an atomic force microscope (AFM).
FIG. 6 is an AFM image showing the etching effect by hot phosphoric acid.
6A and 6B are AFM images of the surfaces of the GaN layer and the Al 0.28 Ga 0.72 N layer before etching, respectively. 6C and 6D are AFM images of the GaN layer and the AlGaN layer after etching with hot phosphoric acid.

ここで、熱燐酸は、濃度98パーセント、温度70℃の燐酸であり、エッチング時間は20分間である。   Here, the hot phosphoric acid is phosphoric acid having a concentration of 98 percent and a temperature of 70 ° C., and the etching time is 20 minutes.

図6(a)及び(b)に表したように、エッチング前のGaN、AlGaNには孔は存在していない。これに対して、熱燐酸によるエッチング後についてみると、図6(c)に表したように、GaNの表面には殆ど変化が見られない。これに対して、図6(d)に表したように、AlGaNの表面には複数の孔20Hが開口していることが分かる。また、GaN、AlGaNともに、熱燐酸によるウェットエッチング後も原子テラス構造が残っていることがわかる。
これらの結果から、孔20Hは、AlGaN層を貫通する転位などの欠陥をコアとして、AlGaNがエッチングされたことにより形成されたものと推測される。また、GaN層の場合には、エッチングされないことを考慮すると、アルミニウム(Al)が存在することにより、燐酸によるエッチングが促進されることが推測される。なお、貫通転位がAlGaNのエッチングを促進させる場合には、基板100(図1〜図4参照)として、サファイアなどを用いたほうが有利であることも考えられる。すなわち、サファイアは、GaNとの格子定数のミスマッチが比較的大きいために、GaNなどの窒化物半導体層に貫通転位などの結晶欠陥が形成されやすい。本実施形態においては、これらの欠陥を利用して、AlGaN層20に孔20Hを形成することができる。
As shown in FIGS. 6A and 6B, there is no hole in GaN and AlGaN before etching. On the other hand, after the etching with hot phosphoric acid, as shown in FIG. 6C, almost no change is observed on the surface of GaN. In contrast, as shown in FIG. 6D, it can be seen that a plurality of holes 20H are opened on the surface of AlGaN. It can also be seen that both GaN and AlGaN have an atomic terrace structure after wet etching with hot phosphoric acid.
From these results, it is surmised that the hole 20H was formed by etching AlGaN with a defect such as a dislocation penetrating the AlGaN layer as a core. In the case of the GaN layer, it is presumed that the etching with phosphoric acid is promoted by the presence of aluminum (Al), considering that the GaN layer is not etched. When threading dislocations promote AlGaN etching, it may be advantageous to use sapphire or the like as the substrate 100 (see FIGS. 1 to 4). That is, since sapphire has a relatively large lattice constant mismatch with GaN, crystal defects such as threading dislocations are easily formed in a nitride semiconductor layer such as GaN. In the present embodiment, the holes 20H can be formed in the AlGaN layer 20 using these defects.

一方、GaNが殆どエッチングされないことから、図1〜図5に例示したような積層構造において、第1の半導体層10をエッチングストップ層として用いることができることが分かる。ここで、第1の半導体層10がアルミニウムを含有している場合でも、第2の半導体層20よりもアルミニウム濃度が低ければ、熱燐酸に対するエッチング速度は低いものと考えられる。従って、第2の半導体層20に孔20Hを形成し、その下の第1の半導体層10によってエッチングの進行を抑制することが可能である。   On the other hand, since GaN is hardly etched, it turns out that the 1st semiconductor layer 10 can be used as an etching stop layer in the laminated structure as illustrated in FIGS. Here, even when the first semiconductor layer 10 contains aluminum, if the aluminum concentration is lower than that of the second semiconductor layer 20, the etching rate with respect to hot phosphoric acid is considered to be low. Therefore, it is possible to form the hole 20H in the second semiconductor layer 20 and suppress the progress of etching by the first semiconductor layer 10 below the hole 20H.

次に、Al0.28Ga0.72N層を95℃の熱燐酸によりエッチングした結果について説明する。 Next, the result of etching the Al 0.28 Ga 0.72 N layer with hot phosphoric acid at 95 ° C. will be described.

図7は、95℃の熱燐酸によりエッチングしたときのエッチング時間と、孔20Hの深さと、孔20句の径と、の関係を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸は、エッチング時間(分)を表し、左側の縦軸は孔20Hの深さ(ナノメータ)を表し、右側の縦軸は孔20Hの直径(半値全幅)を表す。
ここで、孔20Hの深さと、直径(半値全幅)は、それぞれAFMにより測定した。なお、AFMのプローブの先端部の曲率は、およそ20ナノメータである。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the etching time when etched with hot phosphoric acid at 95 ° C., the depth of the hole 20H, and the diameter of the hole 20 phrase. That is, the horizontal axis of the figure represents the etching time (minutes), the left vertical axis represents the depth (nanometer) of the hole 20H, and the right vertical axis represents the diameter (full width at half maximum) of the hole 20H.
Here, the depth and diameter (full width at half maximum) of the hole 20H were each measured by AFM. The curvature of the tip of the AFM probe is approximately 20 nanometers.

図7から、10分間のエッチングで孔20Hの深さは10ナノメータ弱で直径(半値全幅)は100ナノメータ程度であることが分かる。また、20分間のエッチングにより、孔20Hの深さは10ナノメータを超え、直径(半値全幅)は150ナノメータ程度となり、30分間のエッチングにより、孔20Hの深さは20ナノメータに達し、直径(半値全幅)は150ナノメータ程度であることが分かる。   From FIG. 7, it can be seen that the depth of the hole 20H is less than 10 nanometers and the diameter (full width at half maximum) is about 100 nanometers after etching for 10 minutes. Moreover, the depth of the hole 20H exceeds 10 nanometers by etching for 20 minutes, and the diameter (full width at half maximum) becomes about 150 nanometers. The depth of the hole 20H reaches 20 nanometers by etching for 30 minutes, and the diameter (half value) It can be seen that the total width is about 150 nanometers.

この結果から、孔20Hの深さがおよそ20ナノメータで飽和していることが確認できる。これはGaN層が95℃の熱燐酸においてもエッチングされないことを示している。   From this result, it can be confirmed that the depth of the hole 20H is saturated at about 20 nanometers. This indicates that the GaN layer is not etched even in hot phosphoric acid at 95 ° C.

本発明者はまた、このようにして形成した孔20Hに電極を充填してコンタクト抵抗を測定した。
ここで用いたウェーハは、サファイア基板の上にGaN層10とAl0.28Ga0.72N層20をこの順に積層した構造を有する。GaN層10の厚みは3200ナノメータとし、AlGaN層20の厚みは20ナノメータとした。このヘテロ接合に生ずる2DEGのキャリア濃度は、およそ1.15×1013cm−2であり、移動度は1235cm/Vsである。
The present inventor also measured the contact resistance by filling the hole 20H thus formed with an electrode.
The wafer used here has a structure in which a GaN layer 10 and an Al 0.28 Ga 0.72 N layer 20 are stacked in this order on a sapphire substrate. The thickness of the GaN layer 10 was 3200 nanometers, and the thickness of the AlGaN layer 20 was 20 nanometers. The carrier concentration of the 2DEG generated in the heterojunction is approximately 1.15 × 10 13 cm -2, the mobility is 1235cm 2 / Vs.

このウェーハに対して、前処理として、アセトンボイルを20分間、エタノールを用いた超音波洗浄を10分間、純水による置換洗浄を3分間施した。その前処理の後に、以下の3種類のエッチャントを用いてエッチングを実施した。なお、エッチング時間は、いずれも20分間とした。

(サンプル1)塩酸(34パーセント):純水=1:2
(サンプル2)過酸化水素水:硫酸(96パーセント)=2:1 (110℃)
(サンプル3)熱燐酸(85パーセント:95℃)

このエッチングの後に、チタンを厚さ30ナノメータ蒸着し、さらにアルミニウムを厚さ200ナノメータ蒸着し、窒素雰囲気において800℃で30分間シンターアニールした。
As pretreatment, this wafer was subjected to acetone boiling for 20 minutes, ultrasonic cleaning using ethanol for 10 minutes, and replacement cleaning with pure water for 3 minutes. After the pretreatment, etching was performed using the following three types of etchants. Note that the etching time was 20 minutes.

(Sample 1) hydrochloric acid (34 percent): pure water = 1: 2
(Sample 2) Hydrogen peroxide solution: sulfuric acid (96 percent) = 2: 1 (110 ° C.)
(Sample 3) Hot phosphoric acid (85 percent: 95 ° C)

After this etching, titanium was deposited to a thickness of 30 nanometers, and aluminum was further deposited to a thickness of 200 nanometers, followed by sintering annealing at 800 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere.

そして、これらのサンプルについて、プローバでI−V(電流−電圧)測定してコンタクト抵抗を測定した。

その結果、上述した(1)〜(3)のエッチングによるサンプルのコンタクト抵抗(Ωcm)の相対値は、それぞれ以下の如くであった。

(サンプル1)2.9
(サンプル2)3.4
(サンプル3)0.38

すなわち、熱燐酸を用いたサンプル3のコンタクト抵抗は、他の2種類のエッチングによるものと比較して10分の1程度と低いことが分かった。これは、図1〜図6に関して前述したように、AlGaN層20に複数の孔20Hが形成され、ここに電極30の材料を充電することにより、下地のGaN層10とのコンタクトが飛躍的に向上したことによると考えられる。特に、本実施例の場合には、GaN層とその上のAlGaN層とのヘテロ界面には2DEGが形成されるが、本実施形態によれば、その2DEGを維持しつつ、電極による取り出しが可能となる。
And about these samples, IV (current-voltage) measurement was carried out with the prober, and contact resistance was measured.

As a result, the relative values of the contact resistance (Ωcm 2 ) of the samples obtained by etching (1) to (3) described above were as follows.

(Sample 1) 2.9
(Sample 2) 3.4
(Sample 3) 0.38

That is, it was found that the contact resistance of Sample 3 using hot phosphoric acid was as low as about 1/10 compared to the other two types of etching. As described above with reference to FIGS. 1 to 6, a plurality of holes 20 </ b> H are formed in the AlGaN layer 20, and by charging the material of the electrode 30 here, the contact with the underlying GaN layer 10 is dramatically increased. This is thought to be due to the improvement. In particular, in the case of the present example, 2DEG is formed at the heterointerface between the GaN layer and the AlGaN layer on the GaN layer. However, according to this embodiment, the 2DEG can be maintained and taken out by the electrode. It becomes.

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
例えば、熱燐酸によるウエットエッチングの代わりに、燐酸を含むガスを用いたドライエッチングによっても、複数の孔20Hを形成することが可能である。
また、図5においては、ゲート電極50にゲート電圧を印加しない状態でオンとなる、いわゆるノーマリオン型のトランジスタを表したが、本発明はこれには限定されない。すなわち、ゲート電極50にゲート電圧を印加しない時にオフ状態で、印加するとオン状態となる、いわゆるノーマリオフ型のトランジスタについても、本発明を同様に適用して同様の効果を得ることができる。
The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples.
For example, the plurality of holes 20H can be formed by dry etching using a gas containing phosphoric acid instead of wet etching with hot phosphoric acid.
5 illustrates a so-called normally-on transistor that is turned on when no gate voltage is applied to the gate electrode 50, the present invention is not limited to this. In other words, the present invention can be similarly applied to a so-called normally-off transistor that is turned off when no gate voltage is applied to the gate electrode 50 and is turned on when the gate voltage is applied.

また、図5においては、ショットキー型のゲート電極50を用いた構造を例示したが、その代わりにゲート絶縁膜と、その上に設けたゲート電極と、を備えたものとしてもよい。また、AlGaN層20の代わりに、AlN層を用いてもよい。   5 illustrates the structure using the Schottky type gate electrode 50, the gate insulating film may be provided instead of the gate electrode provided thereon. Further, instead of the AlGaN layer 20, an AlN layer may be used.

その他、本発明の実施の形態として上述した半導体装置及びその製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体装置及びその製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。   In addition, all semiconductor devices and manufacturing methods that can be implemented by those skilled in the art based on the above-described semiconductor device and manufacturing method described above as embodiments of the present invention include the gist of the present invention. As long as it belongs to the scope of the present invention.

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。   In addition, in the category of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention. .

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、BInAlGa1−x−y−zN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,x+y+z≦1)なる化学式において組成比x,y及びzをそれぞれの範囲内で変化させたすべての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、N(窒素)以外のV族元素もさらに含むものや、導電型などを制御するために添加される各種のドーパントのいずれかをさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。 In this specification, “nitride semiconductor” means B x In y Al z Ga 1-xyz N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z ≦ 1) Semiconductors having all compositions in which the composition ratios x, y, and z are changed within the respective ranges are included. Furthermore, in the above chemical formula, those further including a group V element other than N (nitrogen) and those further including any of various dopants added for controlling the conductivity type are also referred to as “nitride semiconductors”. Shall be included.

本発明の実施の形態に係る半導体装置の一部を拡大した断面図である。It is sectional drawing to which some semiconductor devices based on embodiment of this invention were expanded. 本実施形態の半導体装置の変型例の一部を拡大した断面図である。It is sectional drawing which expanded a part of modification of the semiconductor device of this embodiment. 貫通転位などの欠陥が存在する場合を例示する模式断面図である。It is a schematic cross section which illustrates the case where defects, such as a threading dislocation, exist. 貫通転位などの欠陥が存在する場合を例示する模式断面図である。It is a schematic cross section which illustrates the case where defects, such as a threading dislocation, exist. 本発明の実施形態を電界効果トランジスタに適用した具体例を表す断面図である。It is sectional drawing showing the specific example which applied embodiment of this invention to the field effect transistor. 熱燐酸によるエッチング効果を表すAFM像である。It is an AFM image showing the etching effect by hot phosphoric acid. 95℃の熱燐酸によりエッチングしたときのエッチング時間と、孔20Hの深さと、孔20句の径と、の関係を表すグラフ図である。It is a graph showing the relationship between the etching time when etched with hot phosphoric acid at 95 ° C., the depth of the hole 20H, and the diameter of the hole 20 phrase.

符号の説明Explanation of symbols

10 第1の半導体層
10D 欠陥
20 第2の半導体層
20H 孔
30 電極(ソース電極、ドレイン電極)
50 ゲート電極
100 基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 1st semiconductor layer 10D Defect 20 2nd semiconductor layer 20H Hole 30 Electrode (source electrode, drain electrode)
50 Gate electrode 100 Substrate

Claims (7)

基板と、
前記基板の上に設けられた窒化物半導体からなる第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に設けられ、前記第1の半導体層よりもアルミニウムの濃度が高い窒化物半導体からなる第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上に設けられた電極と、
を備え、
前記第2の半導体層に複数の孔が形成され、前記複数の孔のそれぞれは、前記電極と同種の材料により充填されてなることを特徴とする半導体装置。
A substrate,
A first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided on the substrate;
A second semiconductor layer provided on the first semiconductor layer and made of a nitride semiconductor having a higher aluminum concentration than the first semiconductor layer;
An electrode provided on the second semiconductor layer;
With
A semiconductor device, wherein a plurality of holes are formed in the second semiconductor layer, and each of the plurality of holes is filled with the same kind of material as the electrode.
前記孔は、前記第2の半導体層を貫通してなることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the hole penetrates the second semiconductor layer. 前記孔は、前記第2の半導体層を第1の半導体層まで貫通していないことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the hole does not penetrate the second semiconductor layer to the first semiconductor layer. 前記電極は、ソース電極及びドレイン電極の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the electrode is at least one of a source electrode and a drain electrode. 前記第1は、前記孔の下の部分に貫通転位を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the first has threading dislocations in a portion below the hole. 基板と、前記基板の上に設けられた窒化物半導体からなる第1の半導体層と、前記第1の半導体層の上に設けられ前記第1の半導体層よりもアルミニウムの濃度が高い窒化物半導体からなる第2の半導体層と、を有する積層体を用意し、
前記積層体の前記第2の半導体層を燐酸によりエッチングして複数の孔を形成する工程と、
前記第2の半導体層の上に電極を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A substrate, a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor provided on the substrate, and a nitride semiconductor provided on the first semiconductor layer and having a higher aluminum concentration than the first semiconductor layer A laminated body having a second semiconductor layer comprising:
Etching the second semiconductor layer of the stack with phosphoric acid to form a plurality of holes;
Forming an electrode on the second semiconductor layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記電極を形成する工程は、前記第2の半導体層の上に導電性材料を堆積して前記複数の孔を前記導電性材料により充填する工程を含むことを特徴とする請求項6記載の半導体装置の製造方法。   7. The semiconductor according to claim 6, wherein the step of forming the electrode includes a step of depositing a conductive material on the second semiconductor layer and filling the plurality of holes with the conductive material. Device manufacturing method.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2017085051A (en) * 2015-10-30 2017-05-18 富士通株式会社 Compound semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2018503254A (en) * 2014-12-16 2018-02-01 トランスフォーム インコーポレーテッド Ohmic contact formed in recess of III-N device
JP2018064027A (en) * 2016-10-13 2018-04-19 富士通株式会社 Compound semiconductor device, and method for manufacturing the same

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