JP2010153748A - Method of manufacturing field effect semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高電子移動度トランジスタ即ちHEMT( High Electron Mobility Transistor)、2次元電子キャリアガス層を電流通路とするダイオード、メタル・セミコンダクタ電界効果トランジスタ即ちMESFET(Metal Semiconductor Filed Effect Transistor)等の電界効果半導体装置及びその製造方法に関する。
The present invention relates to a field effect such as a high electron mobility transistor (HEMT), a diode having a two-dimensional electron carrier gas layer as a current path, a metal semiconductor field effect transistor (MESFET), or the like. The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
電界効果トランジスタの一種である従来のHEMTは、シリコン、サファイア等の基板の上にバッファ層を介して形成されたアンドープGaN等の窒化物半導体から成る電子走行層と、n型不純物がドープされた又はアンドープのAlGaN等の窒化物半導体から成る電子供給層又はバリア層と、電子供給層の上に形成されたソース電極とドレイン電極とゲート電極(ショットキー電極)とを有している。AlGaN等から成る電子供給層のバンドギャップはGaN等から成る電子走行層のバンドギャップよりも大きく、またAlGaN等から成る電子供給層の格子定数はGaN等から成る電子走行層の格子定数よりも小さい。電子走行層の上にこれよりも格子定数が小さい電子供給層を配置すると、電子供給層に伸張性歪み即ち引っ張り応力が生じ、ピエゾ分極する。電子供給層は自発分極もするので、ピエゾ分極と自発分極とに基づく電界の作用で電子走行層と電子供給層とのヘテロ接合面の近傍に周知の2次元電子ガス層即ち2DEG層が生じる。2DEG層は周知のようにドレイン電極とソース電極との間の電流通路(チャネル)として機能し、この電流通路を流れる電流はゲート電極に印加されるバイアス電圧で制御される。
A conventional HEMT, which is a kind of field effect transistor, has an electron transit layer made of a nitride semiconductor such as undoped GaN formed on a substrate such as silicon or sapphire via a buffer layer, and is doped with an n-type impurity. Or it has the electron supply layer or barrier layer which consists of nitride semiconductors, such as undoped AlGaN, and the source electrode, drain electrode, and gate electrode (Schottky electrode) which were formed on the electron supply layer. The band gap of the electron supply layer made of AlGaN or the like is larger than the band gap of the electron transit layer made of GaN or the like, and the lattice constant of the electron supply layer made of AlGaN or the like is smaller than the lattice constant of the electron transit layer made of GaN or the like. . When an electron supply layer having a smaller lattice constant than this is disposed on the electron transit layer, an extensible strain, that is, a tensile stress, is generated in the electron supply layer, resulting in piezoelectric polarization. Since the electron supply layer also spontaneously polarizes, a well-known two-dimensional electron gas layer, that is, a 2DEG layer is formed in the vicinity of the heterojunction surface between the electron transit layer and the electron supply layer by the action of an electric field based on piezo polarization and spontaneous polarization. As is well known, the 2DEG layer functions as a current path (channel) between the drain electrode and the source electrode, and the current flowing through the current path is controlled by a bias voltage applied to the gate electrode.
ところで、一般的な構成のHEMTは、ゲート電極にゲート制御電圧を印加しない状態(ノーマリ状態)でソース電極とドレイン電極との間に電流が流れる特性即ちノーマリオン(normally - on)特性を有する。ノーマリオン特性のHEMTをオフ状態に保つためにはゲート電極を負電位にするための負電源が必要になり、電気回路が必然的に高価になる。従って、従来のノーマリオン特性のHEMTの使い勝手は良くない。
By the way, a HEMT having a general configuration has a characteristic that a current flows between a source electrode and a drain electrode in a state where a gate control voltage is not applied to the gate electrode (normally state), that is, a normally-on characteristic. In order to keep the normally-on HEMT in an off state, a negative power source for setting the gate electrode to a negative potential is required, and the electric circuit is necessarily expensive. Therefore, the ease of use of a conventional normally-on HEMT is not good.
そこで、ノーマリオフ(normally - off)特性を有するヘテロ接合電界効果半導体装
置の開発が進められている。ノーマリオフ特性を得るための代表的の方法として、
(1)電子供給層にリセス(凹部)を形成し、このリセスで薄くなった電子供給層の上に
ゲート電極を形成する方法、
(2)特開2004−273486号公報(特許文献1)に開示されているように、ゲー
ト電極と電子供給層との間にp型窒化物半導体から成るp型半導体層を配置する方法等が知られている。
Therefore, development of a heterojunction field effect semiconductor device having normally-off characteristics is underway. As a typical method for obtaining normally-off characteristics,
(1) A method of forming a recess (concave portion) in the electron supply layer and forming a gate electrode on the electron supply layer thinned by the recess,
(2) As disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-273486 (Patent Document 1), there is a method of disposing a p-type semiconductor layer made of a p-type nitride semiconductor between a gate electrode and an electron supply layer. Are known.
上記(1)の方法に従ってリセスによって電子供給層が部分的に薄くなると、電子供給層の薄くなった部分のピエゾ分極及び自発分極に基づく電界が弱くなる。このため、リセスのために弱くなった電子供給層のピエゾ分極及び自発分極に基づく電界が、ゲート電極と電子供給層との間のビルトインポテンシャル(built−in potential)、即ち、ゲート電極のバイアス電圧がゼロの状態におけるゲート電極と電子供給層との間の電位差によって打ち消され、電子走行層のゲート電極に対向する部分から2DEG層が消失する。この結果、ゲート電極にゲート制御電圧を加えない状態においてドレイン・ソース間がオフ状態になり、ノーマリオフ特性が得られる。
When the electron supply layer is partially thinned by the recess according to the method of (1) above, the electric field based on piezoelectric polarization and spontaneous polarization in the thinned portion of the electron supply layer is weakened. Therefore, the electric field based on the piezo polarization and spontaneous polarization of the electron supply layer weakened due to the recess is a built-in potential between the gate electrode and the electron supply layer, that is, the bias voltage of the gate electrode. Is canceled by the potential difference between the gate electrode and the electron supply layer in a state where the zero is zero, and the 2DEG layer disappears from the portion of the electron transit layer facing the gate electrode. As a result, the drain-source is turned off in a state where no gate control voltage is applied to the gate electrode, and a normally-off characteristic is obtained.
上記(2)の方法に従ってゲート電極の下にp型半導体層を配置すると、p型半導体層がゲート電極の直下の電子走行層の電位を持ち上げて2DEG層の電子を枯渇させ、ゲート電極の下の2DEG層が消失し、ノーマリオフ特性が得られる。
しかしながら、上記の方法を用いた場合、以下のような問題点がある。
上記(1)の方法に従うHEMTの閾値は例えば+1V以下のように比較的小さく、ノイズによって誤動作し易いという問題点、及びショットキー電極から成るゲート電極にプラスのゲート制御電圧が印加されると、比較的大きいリーク電流が流れるという問題点、リセスの深さのバラツキによって閾値電圧が大きく変化するという問題点、及びゲート電極の下の電子供給層(バリア層)の薄い部分は、HEMTをオン状態(導通状態)にするための制御電圧がゲート電極に印加された時においても電子走行層に対して電子を供給する能力が低いため、ゲート電極に対向する電子走行層に電子濃度が十分に高い2DEG層を形成することができず、ドレイン電極とソース電極との間のオン抵抗が比較的高くなる。
また、上記(2)の方法は、高い正孔濃度を有するp型窒化物半導体から成るp型半導体層を容易に得ることが難しいという問題点、高い正孔濃度を有するp型半導体層を得ることができない時には、電子供給層を薄く形成するか、又はAlGaN又はAlInGaN等から成る電子供給層のAlの割合を低くすることが要求され、この結果として2DEG層の電子濃度が低下し、ソース電極とドレイン電極との間のオン抵抗が高くなる。
However, when the above method is used, there are the following problems.
The threshold value of the HEMT according to the method (1) is relatively small, for example, +1 V or less, and it is easy to malfunction due to noise, and when a positive gate control voltage is applied to the gate electrode composed of a Schottky electrode, The problem that a relatively large leak current flows, the problem that the threshold voltage changes greatly due to variations in the depth of the recess, and the thin part of the electron supply layer (barrier layer) under the gate electrode are in the ON state. Even when a control voltage for switching to the conductive state is applied to the gate electrode, the electron concentration in the electron transit layer facing the gate electrode is sufficiently high because the ability to supply electrons to the electron transit layer is low. The 2DEG layer cannot be formed, and the on-resistance between the drain electrode and the source electrode becomes relatively high.
The method (2) has a problem that it is difficult to easily obtain a p-type semiconductor layer made of a p-type nitride semiconductor having a high hole concentration, and a p-type semiconductor layer having a high hole concentration is obtained. When this is not possible, it is required to make the electron supply layer thin or to reduce the Al ratio of the electron supply layer made of AlGaN or AlInGaN. As a result, the electron concentration of the 2DEG layer decreases, and the source electrode ON resistance between the drain electrode and the drain electrode increases.
上述のHEMTと同様な問題は、2DEG層を利用したダイオード、及びHEMT以外の電界効果半導体装置(例えばMESFET)等においてもある。
The same problem as the above-described HEMT also exists in a diode using a 2DEG layer, a field effect semiconductor device (for example, MESFET) other than the HEMT, and the like.
従って、本発明が解決しようとする課題は、オン抵抗及びゲートリーク電流の小さいノーマリオフ型の電界効果半導体装置が要求されていることであり、本発明は上記要求に応えることができる電界効果半導体装置及びその製造方法を提供することである。
Accordingly, the problem to be solved by the present invention is that a normally-off type field effect semiconductor device with small on-resistance and gate leakage current is required, and the present invention can meet the above-mentioned requirements. And a method of manufacturing the same.
上記の課題を解決するため、本発明の発明者らは、ゲート電極と電子供給層との間にp型金属酸化物半導体膜を配置した電界効果半導体装置及びその製造方法を開発した(特願2008−73603)。本発明は、この発見に基づいてなされたものである。
In order to solve the above problems, the inventors of the present invention have developed a field effect semiconductor device in which a p-type metal oxide semiconductor film is disposed between a gate electrode and an electron supply layer and a method for manufacturing the same (Japanese Patent Application). 2008-73603). The present invention has been made based on this discovery.
請求項1の発明に係る電界効果半導体装置の製造方法は、電流通路を形成するための少なくとも1つの半導体層を有している主半導体領域と、前記主半導体領域の一方の主面上に配置され且つ前記電流通路を形成するための前記半導体層に電気的に結合された第1の主電極と、前記主半導体領域の一方の主面上に前記第1の主電極から離間して配置され且つ前記電流通路を形成するための前記半導体層に電気的に結合された第2の主電極と、前記半導体層の前記電流通路を制御するために前記主半導体領域の一方の主面上における前記第1の主電極と前記第2の主電極との間に配置されたゲート電極と、前記主半導体領域と前記ゲート電極との間に配置され且つ前記電流通路を形成するための前記半導体層のキャリアを低減する機能を有している金属酸化物半導体膜とを備えている電界効果半導体装置の製造方法であって、前記金属酸化物半導体膜を構成する金属材料を含有する薄膜を、前記主半導体領域上に蒸着させることを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a field effect semiconductor device, comprising: a main semiconductor region having at least one semiconductor layer for forming a current path; and a main semiconductor region disposed on one main surface of the main semiconductor region. And a first main electrode electrically coupled to the semiconductor layer for forming the current path, and disposed on one main surface of the main semiconductor region, spaced apart from the first main electrode. And a second main electrode electrically coupled to the semiconductor layer for forming the current path, and the first main surface of the main semiconductor region for controlling the current path of the semiconductor layer. A gate electrode disposed between the first main electrode and the second main electrode; and a semiconductor layer disposed between the main semiconductor region and the gate electrode and forming the current path. Has the function to reduce the carrier A method of manufacturing a field effect semiconductor device comprising a metal oxide semiconductor film comprising: depositing a thin film containing a metal material constituting the metal oxide semiconductor film on the main semiconductor region. And
また、請求項2の発明に係る電界効果半導体装置の製造方法は、前記前記キャリアを低減する機能を高くするために、酸素を前記薄膜にイオン注入することを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a field effect semiconductor device, wherein oxygen is ion-implanted into the thin film in order to enhance a function of reducing the carriers.
本発明の各請求項に係る発明によれば、オン抵抗及びゲートリーク電流の小さいノーマリオフ型の電界効果半導体装置を提供することができる。
According to the invention according to each claim of the present invention, a normally-off type field effect semiconductor device with small on-resistance and gate leakage current can be provided.
次に、図面を参照して本発明の実施形態に係るヘテロ接合型電界効果半導体装置を説明する。
Next, a heterojunction field effect semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施例)
図1(A)に示す本発明の実施例1に従うヘテロ接合型電界効果半導体装置は、単結晶シリコン半導体から成る基板1と、この基板1の一方の主面1aの上にバッファ層2を介して順次に配置された第1の半導体層としての電子走行層4と第2の半導体層としての電子供給層5とから成る主半導体領域3と、主半導体領域3の上に配置された第1の主電極としてのソース電極6、第2の主電極としてのドレイン電極7及びゲート電極8と、主半導体領域3の上に配置されたシリコン酸化物から成る絶縁膜9と、本発明に従うp型金属酸化物半導体膜10と、ゲートフィールドプレート11と、を備えている。このヘテロ接合型電界効果半導体装置は典型的なHEMTと異なる絶縁ゲート構造を有するが、典型的なHEMTと同様な原理で動作するので、HEMT又はHEMT型半導体装置と呼ぶこともできる。以下、図1の各部を詳しく説明する。
(First embodiment)
A heterojunction field effect semiconductor device according to
基板1は、一方の主面1aとこれに対向する他方の主面1bとを有し、且つバッファ層2及び主半導体領域3のための半導体材料をエピタキシャル成長させるための成長基板として機能し、且つこれ等を機械的に支持するための支持基板として機能する。本実施例では、コストの低減を図るために基板1がシリコンで形成されている。しかし、基板1をシリコン以外のシリコンカーバイト(SiC)等の半導体、又はサファイア、セラミック等の絶縁体で形成することもできる。
The
基板1の一方の主面1a上のバッファ層2は、周知のMOCVD法等のエピタキシャル成長法で形成されている。図1では、図示を簡略化するためにバッファ層2が1つの層で示されているが、実際には複数の層で形成されている。即ち、このバッファ層2は、AlN(窒化アルミニウム)から成る第1のサブレイヤ−(第1の副層)とGaN(窒化ガリウム)から成る第2のサブレイヤー(第2の副層)とが交互に積層された多層構造バッファである。なお、このバッファ層2はHEMTの動作に直接に関係していないので、これを省くこともできる。また、バッファ層2の半導体材料をAlN、GaN以外の窒化物半導体又は3−5族化合物半導体に置き換えること、又は単層構造のバッファ層にすることもできる。
The
主半導体領域3は互いに対向する一方の主面13と他方の主面14とを有し、第1の半導体層としての電子走行層4は一方の主面13側に配置され、第2の半導体層としての電子供給層5は電子走行層4と他方の主面14との間に配置されている。電子走行層4は、第1の窒化物半導体から成り、0.3〜10μmの厚さに形成されている。この電子走行層4は、この上の電子供給層5とのヘテロ接合面の近傍に電流通路(チャネル)として機能する2次元キャリアガス層としての2次元電子ガス層(2DEG層)12(点線で示す)を得るためのものであって、周知のMOCVD法でエピタキシャル成長されたアンドープGaN(窒化ガリウム)から成る。なお、電子供給層5は、GaN以外の例えば
AlaInbGa1-a-bN,
ここで、aは0≦a<1、bは0≦b<1を満足する数値、
等の窒化物半導体、又は別の化合物半導体で形成することもできる。
The
Here, a is a numerical value satisfying 0 ≦ a <1, b is 0 ≦ b <1,
It can also be formed of a nitride semiconductor such as, or another compound semiconductor.
電子走行層4の上に形成された電子供給層5は、電子走行層4よりも大きいバンドギャップを有し且つ電子走行層4よりも小さい格子定数を有する第2の窒化物半導体によって好ましくは10〜50nm(例えば25nm)の厚みに形成されている。この実施例の電子供給層5は、周知のMOCVD法でエピタキシャル成長されたアンドープAl0.3Ga0.7Nから成る。なお、電子供給層5を、Al0.3Ga0.7N以外の例えば次式で示す窒化物半導体で形成することもできる。
AlxInyGa1-x-yN,
ここで、xは0<x<1、yは0≦y<1を満足する数値であり、xの好ましい値は0.1〜0.4であり、より好ましい値は0.3である。
The electron supply layer 5 formed on the electron transit layer 4 is preferably 10 by a second nitride semiconductor having a band gap larger than that of the electron transit layer 4 and having a lattice constant smaller than that of the electron transit layer 4. It is formed to a thickness of ˜50 nm (for example, 25 nm). The electron supply layer 5 of this embodiment is made of undoped Al0.3Ga0.7N epitaxially grown by a known MOCVD method. Note that the electron supply layer 5 may be formed of a nitride semiconductor other than Al0.3Ga0.7N, for example, represented by the following formula.
AlxInyGa1-x-yN,
Here, x is a numerical value satisfying 0 <x <1, y is 0 ≦ y <1, a preferable value of x is 0.1 to 0.4, and a more preferable value is 0.3.
この電子供給層5を、アンドープのAlxInyGa1-x-yNで形成する代りに、n型(第1導電型)の不純物を添加したAlxInyGa1-x-yNから成る窒化物半導体、又は別の組成の窒化物半導体、又は別の化合物半導体で形成することもできる。
Instead of forming the electron supply layer 5 with undoped AlxInyGa1-x-yN, a nitride semiconductor made of AlxInyGa1-x-yN doped with an n-type (first conductivity type) impurity, or nitrided with another composition It can also be formed of a physical semiconductor or another compound semiconductor.
主半導体領域3の一方の主面13にソース電極6及びドレイン電極7が配置され且つ凹部(リセス)15が設けられている。凹部15は、主半導体領域3の一方の主面13のソース電極6及びドレイン電極7との間にドライエッチングで形成され、且つ底面16と対の側面17とを有し、且つ電子供給層5の厚みよりも浅く形成されている。従って、凹部15の底面16と電子走行層4との間に電子供給層5の薄い残存部18がある。この電子供給層5の残存部18の厚みは0〜20nm、より好ましくは2〜15nm、最も好ましくは3〜8nmであり、図1では5nmである。
A source electrode 6 and a
なお、凹部15を設けなくともノーマリオフ特性が得られる場合には、凹部15を省き、電子供給層5の平坦な主面上にp型金属酸化物半導体膜10を配置することもできる。また、凹部15の側面17を傾斜面とすることもできる。
If normally-off characteristics can be obtained without providing the
シリコン酸化物から成る絶縁膜9は、主半導体領域3の一方の主面13即ち電子供給層5の一方の主面のソース電極6、ドレイン電極7及び凹部15が形成されている部分以外に配置されている。更に詳細には、シリコン酸化物から成る絶縁膜9は、SiOX(ここで、xは1〜2の数値を示し、好ましくは2である。)から成り、好ましくはプラズマCVD(化学気相成長法)によって、好ましくは300〜700nm(例えば500nm)の厚みに形成され、圧縮応力即ち圧縮性歪み(例えば4.00×109dyn/cm2)を発生する性質を有し、2次元キャリアガス層12のキャリア濃度を高めるために寄与する。即ち、シリコン酸化物から成る絶縁膜9の下にはAlGaNから成る電子供給層5が配置されているので、シリコン酸化物から成る絶縁膜9の圧縮応力が電子供給層5に作用すると、この反作用で電子供給層5に伸張性歪み即ち引張り応力が生じ、電子供給層5のピエゾ分極が強められ、2次元電子ガス層(2DEG層)12における電子濃度が増大する。この電子濃度の増大はヘテロ接合型電界効果半導体装置のオン時におけるソース電極6とドレイン電極7との間の抵抗の低減に寄与する。シリコン酸化物から成る絶縁膜9は凹部15の中には配置されず、凹部15に対応した開口を有する。シリコン酸化物から成る絶縁膜9の開口の壁面即ち凹部15の入口に隣接している側面19は5〜60度の傾斜を有している。
The insulating film 9 made of silicon oxide is disposed in a portion other than the portion where the source electrode 6, the
なお、シリコン酸化物から成る絶縁膜9を、スパッタリング等の別の方法で形成することもできる。しかし、主半導体領域3の一方の主面13の結晶ダメージを少なくし、表面準位(トラップ)を少なくし、電流コラプスを抑制するために、プラズマCVDが最も優れている。また、絶縁膜9をシリコン酸化物以外の別な絶縁材料(例えばシリコン窒化物)等で形成することもできる。
The insulating film 9 made of silicon oxide can be formed by another method such as sputtering. However, plasma CVD is most excellent for reducing crystal damage on one
本発明に従うp型金属酸化物半導体膜10は、凹部15の底面16、側面17及びシリコン酸化物から成る絶縁膜9の一部を覆うように配置され、電子供給層5よりも大きい抵抗率を有する金属酸化物半導体材料で形成され、好ましくは3〜1000nm、より好ましくは10〜500nmの厚みを有する。p型金属酸化物半導体膜10が3nmよりも薄くなると、ノーマリオフ特性が良好に得られなくなり、1000nmよりも厚くなると、ゲート電極8の制御によるターンオン特性が悪くなる。
The p-type metal
なお、p型金属酸化物半導体膜10を絶縁膜9の上に延在させないように凹部15に限定して形成することもできる。
Note that the p-type metal
この実施例のp型金属酸化物半導体膜10はマグネトロンスパッタリングで形成された厚み200nmの酸化ニッケル(NiOx、ここでxは任意の数値であり、例えば1である。)から成る。このp型金属酸化物半導体膜10を形成する時には、基板1の一方の主面1aの上にバッファ層2を介して主半導体領域3を設け、更にシリコン酸化物から成る絶縁膜9を設けたものをマグネトロンスパッタリング装置内に配置し、マグネトロンスパッタリング装置内を、酸素を含む雰囲気(好ましくはアルゴンと酸素の混合ガス)とし、ニッケル酸化物(NiO)をスパッタリングすることによってp型金属酸化物半導体膜10を得る。酸素を含む雰囲気でニッケル酸化物をスパッタリングすると、正孔濃度の高いp型金属酸化物半導体膜10を容易に得ることができる。
The p-type metal
この実施例では、p型金属酸化物半導体膜10のパターニングがゲートフィールドプレート11及びゲート電極8のパターニングと同時に行われているが、p型金属酸化物半導体膜10を独立の工程でパターニングすることもできる。
In this embodiment, the p-type metal
酸素を含む雰囲気でニッケル酸化物をスパッタリングすることによって形成されたp型金属酸化物半導体膜10は、従来のp型不純物が添加されたGaNよりも高い正孔濃度を有し、且つ比較的大きい抵抗率を有する。従って、p型金属酸化物半導体膜10は、ゲート電極8の下のポテンシャルを比較的高く引き上げて電子走行層4のゲート電極8の下の部分に2次元電子ガス層が形成されることを阻止する。これにより、良好なノーマリオフ特性を有するヘテロ接合型電界効果半導体装置が得られる。また、p型金属酸化物半導体膜10はHEMTの動作時にゲートリーク電流(漏れ電流)の低減に寄与する。
A p-type metal
p型金属酸化物半導体膜10を上記酸化ニッケルで形成する代わりに、酸化鉄(FeOx、ここでxは任意の数値であり、例えば2である。),酸化コバルト(CoOx、ここでxは任意の数値であり、例えば2である。)、酸化マンガン(MnOx、ここでxは任意の数値であり、例えば1である。),及び酸化銅(CuOx、ここでxは任意の数値であり、例えば1である。)から選択された少なくとも1つで形成することもできる。酸化ニッケル以外の金属酸化物から成るp型金属酸化物半導体膜も、酸素を含む雰囲気で金属材料をスパッタリングすることによって形成することが望ましい。
Instead of forming the p-type metal
なお、p型金属酸化物半導体膜10を、酸素を含む雰囲気での金属材料のスパッタリングによって形成する代わりに、スパッタリング等で金属膜を形成し、しかる後金属膜を酸化することで形成することもできる。
The p-type metal
また、p型金属酸化物半導体膜10を、上記マグネトロンスパッタ以外に反応性スパッタによって形成することもでき、周知の分子線エピタキシー(MBE)法、パルスレーザ堆積(PLD)法といった物理的蒸着法、或いは周知のMOCVD法等の化学的蒸着法によって成長させることもできる。
Further, the p-type metal
例えば、マグネトロンスパッタ法を用いれば、p型金属酸化物半導体膜10を高成膜速度で形成することができる。また、金属酸化物をターゲットとしてp型金属酸化物半導体膜10を形成する場合、反応性スパッタ、ECRスパッタ又はレーザ部レーション等の物理的蒸着法を用いれば、膜組成を均一化することができる。また、MBE法又はPLD法を用いれば、成膜速度が遅くなる一方で、膜組成に加え膜厚を均一化することができる。また、MOCVD法を用いれば、p型金属酸化物半導体膜10を高成膜速度で形成することができ、電子供給層5の凹部(リセス)のような凹凸面においても膜厚を均一化することができる。以上のように、本発明におけるp型金属酸化物半導体膜10は、物理的或いは化学的いずれの蒸着法を用いても形成することができる。
For example, if the magnetron sputtering method is used, the p-type metal
また、p型金属酸化物半導体膜10のp型特性を強めるために、p型金属酸化物半導体膜10に熱処理を施すこと、又はオゾンアッシング(ozone ashing)処理を施すこと、又はO2(酸素)アッシング処理を施すこと、或いはp型金属酸化物半導体膜10にO2をイオン注入し、活性化させることができる。
Further, in order to enhance the p-type characteristics of the p-type metal
ソース電極6及びドレイン電極7は、主半導体領域3の一方の主面13即ち電子供給層5の一方の主面に例えばチタン(Ti)を所望の厚み(例えば25nm)に蒸着し、続いてアルミニウム(Al)を所望の厚み(例えば300nm)に蒸着し、その後フォトリソグラフイ技術で所望のパターンにすることによってそれぞれ形成されている。この実施例のソース電極6及びドレイン電極7は、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)との積層体でそれぞれ形成されているが、これ以外の低抵抗性接触(オーミック接触)可能な金属で形成することもできる。なお、主半導体領域3の電子供給層5は極めて薄いので、この厚み方向の抵抗は無視できるほど小さい。従って、ソース電極6及びドレイン電極7は、電流通路としての2DEG層12に電気的に結合されている。
For the source electrode 6 and the
ゲート電極8はp型金属酸化物半導体膜10の上に被着された金属層から成り、凹部15の底面16に対してp型金属酸化物半導体膜10を介して対向している。この実施例のゲート電極8は、図1(B)に示すように酸化ニッケル(NiOx)から成るp型金属酸化物半導体膜10の上に蒸着で形成された厚み30nmのニッケル(Ni)層81とこのニッケル層81の上に蒸着で形成された厚み300nmの金(Au)層82とから成る。酸化ニッケル(NiOx)から成るp型金属酸化物半導体膜10とニッケル(Ni)層81と金(Au)層82との組み合せによってはゲートリーク電流を良好に低減することができる。しかし、ゲート電極8を、ニッケル(Ni)層と金(Au)層とチタン層との多層膜、又はアルミニウム層、又導電性を有するポリシリコン層等で形成することもできる。
The gate electrode 8 is made of a metal layer deposited on the p-type metal
ゲートフィールドプレート11はゲート電極8に電気的に接続され且つゲート電極8と連続的に形成され、電子供給層5の表面にシリコン酸化物から成る絶縁膜9及びp型金属酸化物半導体膜10を介して対向している。シリコン酸化物から成る絶縁膜9は5〜60度の傾斜側面19を有するので、ゲートフィールドプレート11と電子供給層5との間隔は凹部15の底面16上のゲート電極8から離れるに従って徐々に増大している。これにより、ゲート電極8の端における電界集中の緩和を良好に達成できる。
The gate field plate 11 is electrically connected to the gate electrode 8 and is formed continuously with the gate electrode 8. An insulating film 9 made of silicon oxide and a p-type metal
図1のヘテロ接合型電界効果半導体装置において、ゲート電極8にゲート制御電圧が印加されていないノーマリ時(ゲート電圧がゼロの時)には、たとえドレイン電極7の電位がソース電極6の電位よりも高くても、ゲート電極8に対応して凹部15が設けられ、電子供給層5がゲート電極8の下で薄くなり、且つp型金属酸化物半導体膜10がゲート電極8と電子供給層5との間に配置されているので、ゲート電極8の下の電子走行層4に2DEG層が形成されず、2DEG層12が分断され、ソース電極6とドレイン電極7との間はオフ状態になる。
In the heterojunction field effect semiconductor device of FIG. 1, when the gate control voltage is not applied to the gate electrode 8 (when the gate voltage is zero), even if the potential of the
図2(A)は図1のヘテロ接合型電界効果半導体装置の凹部のエネルギー準位図、図2(B)は従来のショットキーゲート構造のHEMT(以下比較例1と言う。)のエネルギー準位図、図2(C)はゲート電極直下の電子供給層を薄く加工した従来のショットキーゲート構造のHEMTつまり図1からp型金属酸化物半導体膜10を除去した構造のHEMT(以下比較例2と言う。)のエネルギー準位図を示す。これ等の図でEFはフェルミ準位を示し、ECは伝導帯と禁止帯との境界レベルを示す。また、Niはゲート電極8、NiOはp型金属酸化物半導体膜10、AlGaNは電子供給層5、GaNは電子走行層4を示す。
2A is an energy level diagram of a recess of the heterojunction field-effect semiconductor device of FIG. 1, and FIG. 2B is an energy level of a conventional Schottky gate structure HEMT (hereinafter referred to as Comparative Example 1). FIG. 2C is a HEMT having a conventional Schottky gate structure in which an electron supply layer immediately below the gate electrode is thinly processed, that is, a HEMT having a structure in which the p-type metal
図1のヘテロ接合型電界効果半導体装置においては、ゲート電極8の下の電子供給層5は5nm以下と薄いので、図2(C)と同様にゲート電極8の下の電子供給層5に格子緩和が生じ、ピエゾ分極に起因する電荷が低減すると共にバルクの特性が薄れて自発分極に起因する電荷も低減する。電子供給層5におけるこれ等の電荷の低減はフェルミレベルの低下をもたらし、ゲート電極8の下のポテンシャルが相対的に上昇する。更に、p型金属酸化物半導体膜10が設けられているので、ゲート電極8の下のポテンシャルが図2(A)に示すように引き上げられる。この結果、電子走行層4のゲート電極8に対向する部分に2次元キャリアガス層が形成されず、ノーマリオフ特性を有するヘテロ接合型電界効果半導体装置が得られる。換言すれば、ノーマリ時において、電子供給層5の凹部(リセス)15の下の残存部18の分極が、p型金属酸化物半導体膜10によって打ち消され、電子走行層4のゲート電極8に対向する部分に2次元キャリアガス層が形成されない。
In the heterojunction field effect semiconductor device of FIG. 1, since the electron supply layer 5 under the gate electrode 8 is as thin as 5 nm or less, the lattice is formed in the electron supply layer 5 under the gate electrode 8 as in FIG. Relaxation occurs, the charge due to piezo polarization is reduced, and the bulk characteristics are diminished and the charge due to spontaneous polarization is also reduced. The reduction of these charges in the electron supply layer 5 causes a decrease in Fermi level, and the potential under the gate electrode 8 is relatively increased. Further, since the p-type metal
ドレイン電極7の電位がソース電極6の電位よりも高い状態で、ゲート電極8とソース電極6との間に所定の閾値電圧よりも高い正のゲート制御電圧を印加すると、電子走行層4のゲート電極8に対向する部分にチャネル(電流通路)が形成される。即ち、ゲート電極8に正のゲート制御電圧が印加されると、p型金属酸化物半導体膜10に分極が生じ、p型金属酸化物半導体膜10の電子供給層5側に正孔が集まり、電子走行層4の電子供給層5に接する側に電子が誘起され、チャネルが形成される。これにより、ソース電極6とドレイン電極7との間がオン状態になり、電子がソース電極6、電子供給層5、2DEG層12、チャネル、2DEG層12、電子供給層5、及びドレイン電極7の経路で流れる。周知のように電子供給層5は極く薄いので、この厚み方向には電子がトンネル効果で通過する。
When a positive gate control voltage higher than a predetermined threshold voltage is applied between the gate electrode 8 and the source electrode 6 in a state where the potential of the
図3の特性線Aは、図1の実施例1のヘテロ接合型電界効果半導体装置のドレイン・ソース間電圧Vdsとゲートリーク電流(漏れ電流)Igとの関係を示し、特性線Bは比較例1のドレイン・ソース間電圧Vdsとゲートリーク電流Igとの関係を示し、特性線Cは比較例2のドレイン・ソース間電圧Vdsとゲートリーク電流Igとの関係を示す。なお、特性線A、B,Cにおけるゲートリーク電流Igは、ゲート・ソース間電圧Vgsをゼロに保った時におけるゲート・ドレイン間電流を示す。
The characteristic line A in FIG. 3 shows the relationship between the drain-source voltage Vds and the gate leakage current (leakage current) Ig of the heterojunction field effect semiconductor device of Example 1 in FIG. 1, and the characteristic line B is a comparative example. 1 shows the relationship between the drain-source voltage Vds and the gate leakage current Ig, and the characteristic line C shows the relationship between the drain-source voltage Vds and the gate leakage current Ig of Comparative Example 2. The gate leakage current Ig on the characteristic lines A, B, and C indicates the gate-drain current when the gate-source voltage Vgs is kept at zero.
この図3の特性線A、B,Cの比較から明らかなように実施例1のヘテロ接合型電界効果半導体装置のゲートリーク電流Igは比較例1及び2のゲートリーク電流Igよりも大幅に小さい。
As is clear from the comparison of the characteristic lines A, B, and C in FIG. 3, the gate leakage current Ig of the heterojunction field effect semiconductor device of Example 1 is significantly smaller than the gate leakage current Ig of Comparative Examples 1 and 2. .
図1の実施例1のヘテロ接合型電界効果半導体装置は次の効果を有する。
(1)酸素を含む雰囲気でスパッタリング(マグネトロンスパッタ又は反応性スパッタ)によって形成されたp型金属酸化物半導体膜10は、従来のp型不純物が添加されたGaNよりも高い正孔濃度を有する。この高い正孔濃度を有するp型金属酸化物半導体膜10は、ゲート電極8の下のポテンシャルを良好に引き上げ、ノーマリ時にゲート電極8の下の電子走行層4に2次元電子ガス層が形成されることを良好に抑制する。これにより、良好なノーマリオフ特性を有するヘテロ接合型電界効果半導体装置が得られる。
(2)p型金属酸化物半導体膜10は比較的高い抵抗率(絶縁性)を有し、且つ比較的厚く(例えば10〜500nm)形成されている。このため、ヘテロ接合型電界効果半導体装置の動作時におけるゲートリーク電流が低減し、ヘテロ接合型電界効果半導体装置の耐圧が向上し、信頼性が向上する。なお、p型金属酸化物半導体膜10を比較的厚く形成しても閾値電圧が負側にシフトすることはない。特に、p型金属酸化物半導体膜10が酸化ニッケル(NiOx)から成り、ゲート電極8が図1(B)に示すようにニッケル(Ni)層81と金(Au)層82とか成る場合に、ゲートリーク電流の低減効果が良好に得られる。
(3)p型金属酸化物半導体膜10は化学的に安定した物質からなり、且つ酸素を含む雰囲気で形成できるので、製造が容易である。
(4)ノーマリオフ特性を電子供給層5の凹部(リセス)15の下の残存部18の厚みを薄くするのみで得るのではなく、凹部(リセス)15とp型金属酸化物半導体膜10との組合せで得る。従って、電子供給層5の凹部(リセス)15の下の残存部18の厚みを3〜8nmのように比較的厚くすることができる。この結果、ゲート電極8にヘテロ接合型電界効果半導体装置をオン状態にする制御電圧が印加された時に、電子走行層4のゲート電極8に対向する部分の電子濃度を比較的高くすることができ、オン抵抗を比較的低くすることができ、ヘテロ接合型電界効果半導体装置の最大許容電流Imaxを増大させることができる。
(5)電子供給層5のソース電極6とゲート電極8との間及びドレイン電極7とゲート電極8との間の部分が10nm以上のように比較的厚く形成され、且つ電子供給層5におけるAl(アルミニウム)の割合が例えば0.1以上のように比較的大きい。このため、ヘテロ接合型電界効果半導体装置がノーマリオフ特性を有しているにも拘わらず、2DEG層12の電子濃度が比較的大きく、オン抵抗が比較的低い。これにより、ヘテロ接合型電界効果半導体装置の最大許容電流Imaxを増大させることができる。
(6)主半導体領域3の一方の主面13に形成されたシリコン酸化物から成る絶縁膜9は、圧縮応力(例えば4.00×109dyn/cm2)を生じる性質を有する。このシリコン酸化物から成る絶縁膜9の圧縮応力が主半導体領域3の一方の主面13即ち電子供給層5の主面に作用すると、電子供給層5のピエゾ分極に基づく2DEG層12における電子が多くなる。これにより、ヘテロ接合型電界効果半導体装置のオン抵抗が、主半導体領域3の一方の主面13にシリコン窒化膜を形成した従来のヘテロ接合型電界効果半導体装置に比較して低くなる。また、シリコン酸化物から成る絶縁膜9によってゲートリーク電流が低減する。
(7)ゲートフィールドプレート11が設けられ、且つシリコン酸化物から成る絶縁膜9に5〜60度の傾斜側面19が設けられているので、ゲート電極8の端部における電界集中を良好に緩和することができ、高耐圧化を図ることができる。
(8)ゲートフィールドプレート11が設けられているので、ドレイン・ソース間に逆方向電圧が印加された時に主半導体領域3の表面準位にトラップされた電子をゲートフィールドプレート11を介してゲート電極8に引き抜くことができ、電流コラプスの低減を図ることができる。
(9)p型金属酸化物半導体膜10を、酸素を含む雰囲気でのマグネトロンスパッタリングで形成することにより、比較的厚く且つ正孔濃度が比較的高いp型金属酸化物半導体膜10を容易に得ることができる。
(10)p型金属酸化物半導体膜10を、反応性スパッタリングで形成することにより、均一な膜質を有するp型金属酸化物半導体膜10を容易に得ることができる。
(11)p型金属酸化物半導体膜10に熱処理を施すこと、又はオゾンアッシング(ozone ashing)処理を施すこと、又はO2(酸素)アッシング処理を施すこと、或いはp型金属酸化物半導体膜10にO2をイオン注入し、活性化させることによって、p型金属酸化物半導体膜10のp型特性(正孔濃度)を容易に強めることができる。そのため、p型金属酸化物半導体膜10が、ゲート電極8の下のポテンシャルを引き上げる効果が強くなり、比較的大きな閾値電圧を有する電界効果半導体装置を得ることができる。
The heterojunction field effect semiconductor device of Example 1 of FIG. 1 has the following effects.
(1) The p-type metal
(2) The p-type metal
(3) Since the p-type metal
(4) The normally-off characteristic is not only obtained by reducing the thickness of the remaining
(5) The portions of the electron supply layer 5 between the source electrode 6 and the gate electrode 8 and between the
(6) The insulating film 9 made of silicon oxide formed on one
(7) Since the gate field plate 11 is provided, and the inclined side surface 19 of 5 to 60 degrees is provided in the insulating film 9 made of silicon oxide, the electric field concentration at the end of the gate electrode 8 is satisfactorily reduced. And a high breakdown voltage can be achieved.
(8) Since the gate field plate 11 is provided, the electrons trapped in the surface level of the
(9) By forming the p-type metal
(10) By forming the p-type metal
(11) The p-type metal
(第2の実施例)
次に、図4に示す実施例2に従うヘテロ接合型電界効果半導体装置を説明する。但し、図4において図1と実質的に同一の部分には同一の参照符号を付してその説明を省略する。
(Second embodiment)
Next, a heterojunction field effect semiconductor device according to the second embodiment shown in FIG. 4 will be described. 4 that are substantially the same as those in FIG. 1 are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
図4の実施例2のヘテロ接合型電界効果半導体装置は、変形された主半導体領域3aを有する他は図1と実質的に同一に形成されている。変形された主半導体領域3aは、図1と同一に形成された第1の半導体層としての電子走行層4と、第2、第3及び第4の半導体層としての第1、第2及び第3の電子供給層21,22,23とから成る。即ち、図4の主半導体領域3aは図1の1つの電子供給層5の代わりに順次に積層された第1、第2及び第3の電子供給層21,22,23を有する。また、図4の主半導体領域3aは、図1の凹部(リセス)15に対応した凹部(リセス)15aを有する。図4の凹部(リセス)15aは傾斜側壁17aを有する他は、図1の凹部(リセス)15と同様に形成されている。
The heterojunction field effect semiconductor device of Example 2 of FIG. 4 is formed substantially the same as FIG. 1 except that it has a modified
電子走行層4にヘテロ接合している第1の電子供給層21は、電子走行層4よりも大きいバンドギャップを有し且つ電子走行層4よりも小さい格子定数を有し且つAl(アルミニウム)を好ましいくは0.1〜0.3の割合で含む窒化物半導体から成り、好ましいくは5nm〜10nmの厚みを有する。この実施例2の第1の電子供給層21は、周知のMOCVD法でエピタキシャル成長されたアンドープAl0.26Ga0.74Nから成り、7nmの厚みを有する。従って、第1の電子供給層21のAlの割合は図1の電子供給層5におけるAlの割合よりも小さく、且つこの厚みは図1の電子供給層5よりも薄い。図1の電子供給層5に比べてAlの割合が小さい第1の電子供給層21は、ヘテロ接合型電界効果半導体装置の閾値電圧をよりプラス側にする働き、及び凹部(リセス)15aの深さのバラツキに起因する閾値電圧のバラツキを低減する働きを有する。
The first electron supply layer 21 heterojunction with the electron transit layer 4 has a band gap larger than that of the electron transit layer 4 and a lattice constant smaller than that of the electron transit layer 4 and is made of Al (aluminum). Preferably it consists of a nitride semiconductor contained in a proportion of 0.1 to 0.3, and preferably has a thickness of 5 nm to 10 nm. The first electron supply layer 21 of Example 2 is made of undoped Al0.26Ga0.74N epitaxially grown by a known MOCVD method and has a thickness of 7 nm. Therefore, the proportion of Al in the first electron supply layer 21 is smaller than the proportion of Al in the electron supply layer 5 of FIG. 1, and the thickness is thinner than that of the electron supply layer 5 in FIG. The first electron supply layer 21 having a smaller Al ratio than the electron supply layer 5 in FIG. 1 functions to make the threshold voltage of the heterojunction field effect semiconductor device more positive, and the depth of the
なお、第1の電子供給層21を、Al0.26Ga0.74N以外の例えば次式で示す窒化物半導体で形成することもできる。
AlxInyGa1-x-yN,
ここで、xは0.1<x<0.3、yは0≦y<1を満足する数値である。
Note that the first electron supply layer 21 may be formed of a nitride semiconductor other than Al0.26Ga0.74N, for example, represented by the following formula.
AlxInyGa1-x-yN,
Here, x is a numerical value satisfying 0.1 <x <0.3 and y is 0 ≦ y <1.
第1の電子供給層21の上に配置された第2の電子供給層22は、電子走行層4よりも大きいバンドギャップを有し且つ電子走行層4よりも小さい格子定数を有し且つ第1の電子供給層21よりも大きい割合でAl(アルミニウム)を含むn型窒化物半導体から成り、5nmの厚みを有する。この第2の電子供給層22の厚みは、3nm〜25nmの範囲であることが望ましい。この実施例の第2の電子供給層22は、周知のMOCVD法でエピタキシャル成長されたAl0.34Ga0.66Nから成り且つn型不純物としてのSiを含んでいる。従って、第2の電子供給層22のAlの割合は第1の電子供給層21のAlの割合よりも大きく且つ第2の電子供給層22の電子濃度は第1の電子供給層21の電子濃度よりも高い。第2の電子供給層22は電子走行層4の2DEG層12における電子濃度を増大させることに寄与する。しかし、ゲート電極8の下の凹部(リセス)15は第2の電子供給層22を貫通するように形成されているので、第2の電子供給層22はノーマリオフ特性を悪化させない。
The second
なお、第2の電子供給層22を、Al0.34Ga0.66N以外の例えば次式で示す窒化物半導体で形成することもできる。
AlxInyGa1-x-yN,
ここで、xは0.2<x<0.5、yは0≦y<1を満足する数値である。
Note that the second
AlxInyGa1-x-yN,
Here, x is a numerical value satisfying 0.2 <x <0.5, and y is 0 ≦ y <1.
第2の電子供給層22の上に配置された第3の電子供給層23は、電子走行層4よりも大きいバンドギャップを有し且つ電子走行層4よりも小さい格子定数を有し且つ第2の電子供給層22よりも小さい割合でAl(アルミニウム)を含むアンドープ窒化物半導体から成り、13nmの厚みを有する。この第3の電子供給層23の厚みは、10nm〜150nmの範囲であることが望ましい。この実施例の第3の電子供給層23は、周知のMOCVD法でエピタキシャル成長されたアンドープAl0.30Ga0.70Nから成る。従って、第3の電子供給層23のAlの割合は第2の電子供給層22のAlの割合よりも小さい。アンドープであり且つAlの割合が第2の電子供給層22のよりも小さい窒化物半導体から成る第3の電子供給層23は、主半導体領域3aの表面電荷のコントロールに寄与する。なお、第3の電子供給層23を、Al0.30Ga0.70N以外の例えば次式で示す窒化物半導体で形成することもできる。
AlxInyGa1-x-yN,
ここで、xは0≦x<0.4、yは0≦y<1を満足する数値である。
The third
AlxInyGa1-x-yN,
Here, x is a numerical value satisfying 0 ≦ x <0.4, and y is 0 ≦ y <1.
凹部(リセス)15aは、主半導体領域3aの一方の主面1aから第3の電子供給層23と第2の電子供給層22とを貫通して第1の電子供給層21に至り更に第1の電子供給層21の中に食い込むように形成されている。従って、凹部(リセス)15aと電子走行層4との間に、第1の電子供給層21の残存部18のみが配置されている。図4の実施例では、凹部15aが第1の電子供給層21の中に食い込んでいるが、第1の電子供給層21の中に食い込まないように凹部15aを変形することができる。いずれの場合においても、もし、p型金属酸化物半導体膜10を設けない場合には、ノーマリ状態で電子走行層4のゲート電極8に対向する部分に2DEG層が生じ、p型金属酸化物半導体膜10を設けた場合には、ノーマリ状態で電子走行層4のゲート電極8に対向する部分に2DEG層が生じないように凹部15aの深さが設定される。
The
凹部(リセス)15aの側面17aは、凹部(リセス)15aが先細になるように15〜80度の傾斜を有する。この凹部(リセス)15aの側面17aの傾斜角度は、絶縁膜9の開口の側面19の傾斜角度(5〜60度)よりも少し大きい。勿論、図4においても凹部(リセス)15aの側面17aを図1の凹部15の側面17と同様にほぼ垂直に形成することもできる。p型金属酸化物半導体膜10は比較的高い抵抗を有しているので、フィールドプレート11がp型金属酸化物半導体膜10を介して主半導体領域3aに対向することにより、フィールドプレート11が絶縁膜9を介して主半導体領域3aに対向することによって得られる電界集中の緩和効果と同様な効果を得ることができる。また、凹部(リセス)15aの側面17aに電子濃度が比較的高い第2の電子供給層22が露出しているので、フィールドプレート11による電界集中の緩和効果が良好に得られる。
The
図5は、図4の実施例2のヘテロ接合型電界効果半導体装置、及び第1、第2及び第3の比較例のヘテロ接合型電界効果半導体装置のゲート・ソース間電圧Vgsとドレイン・ソース間電流Idsとの関係を示す。
5 shows the gate-source voltage Vgs and drain-source of the heterojunction field effect semiconductor device of Example 2 of FIG. 4 and the heterojunction field effect semiconductor devices of the first, second and third comparative examples. The relationship with the inter-current Ids is shown.
即ち、特性線A1は、図4から凹部(リセス)15a及びp型金属酸化物半導体膜10を省き、主半導体領域3aの一方の主面13にNi/Au積層体から成るゲート電極を設けた構造の第1の比較例のヘテロ接合型電界効果半導体装置のVgs―Ids特性を示す。特性線A2は、図4からp型金属酸化物半導体膜10省き、凹部(リセス)15a及びフィールドプレート11は設け、凹部(リセス)15aの上にNi/Au積層体から成るゲート電極を設けた構造の第2の比較例のヘテロ接合型電界効果半導体装置のVgs―Ids特性を示す。
That is, in the characteristic line A1, the recess (recess) 15a and the p-type metal
特性線B1は、図4から凹部(リセス)15aを省き、酸化ニッケル(NiOx)から成る200nm厚さのp型金属酸化物半導体膜10を設け、p型金属酸化物半導体膜10の上にNi/Au積層体から成るゲート電極を設けた構造の第3の比較例のヘテロ接合型電界効果半導体装置のVgs―Ids特性を示す。
The characteristic line B1 is obtained by removing the
特性線B2は、図4に示す構造、即ち第3の比較例に凹部(リセス)15a及びフィールドプレート11を追加した構造、即ち実施例2に従う構造のテロ接合型電界効果半導体装置のVgs―Ids特性を示す。
The characteristic line B2 indicates the structure shown in FIG. 4, that is, the structure obtained by adding the
図5の第1、第2及び第3の比較例の特性線A1,A2、B1の閾値電圧はいずれもマイナスである。これに対し、実施例2の特性線B2の閾値電圧はプラスである。従って、実施例2によってプラスの閾値電圧を有するノーマリオフ型ヘテロ接合型電界効果半導体装置、即ち、HEMT又はHEMT類似構造の電界効果半導体装置を得ることができる。
The threshold voltages of the characteristic lines A1, A2, and B1 of the first, second, and third comparative examples in FIG. 5 are all negative. On the other hand, the threshold voltage of the characteristic line B2 of Example 2 is positive. Accordingly, a normally-off type heterojunction field effect semiconductor device having a positive threshold voltage, that is, a field effect semiconductor device having a HEMT or a HEMT-like structure can be obtained according to the second embodiment.
図6は図4の実施例2のヘテロ接合型電界効果半導体装置、及び前述の第1、第2及び第3の比較例のヘテロ接合型電界効果半導体装置のドレイン・ソース間電圧Vdsとゲートリーク電流Igとの関係を示す。
即ち、特性線C1は第1の比較例のVds―Ig特性を示す。
特性線C2は第2の比較例のVds―Ig特性を示す。
特性線D1は第3の比較例からフィールドプレート11を省いた構造のヘテロ接合型電界効果半導体装置のVds―Ig特性を示す。
特性線D2は実施例2のVds―Ig特性を示す。
FIG. 6 shows the drain-source voltage Vds and gate leakage of the heterojunction field effect semiconductor device of Example 2 of FIG. 4 and the heterojunction field effect semiconductor devices of the first, second and third comparative examples. The relationship with the current Ig is shown.
That is, the characteristic line C1 shows the Vds-Ig characteristic of the first comparative example.
A characteristic line C2 shows the Vds-Ig characteristic of the second comparative example.
A characteristic line D1 indicates the Vds-Ig characteristic of the heterojunction field effect semiconductor device having a structure in which the field plate 11 is omitted from the third comparative example.
A characteristic line D2 shows the Vds-Ig characteristic of Example 2.
なお、図6の各特性におけるゲートリーク電流Igは、ゲート・ソース間電圧Vgsをゼロに保つた時におけるゲート・ドレイン間電流を示す。
Note that the gate leakage current Ig in each characteristic of FIG. 6 indicates the gate-drain current when the gate-source voltage Vgs is kept at zero.
特性線D2に示す実施例2のゲートリーク電流Igは、特性線C1,C2,D1の第1、第2及び第3の比較例のゲートリーク電流Igよりも小さい。即ち、フィールドプレート11設け且つ抵抗率が高いp型金属酸化物半導体膜10を設けると、ゲートリーク電流が抑制され且つ耐圧が向上する。
The gate leakage current Ig of Example 2 indicated by the characteristic line D2 is smaller than the gate leakage currents Ig of the first, second, and third comparative examples of the characteristic lines C1, C2, and D1. That is, when the field plate 11 is provided and the p-type metal
図4の実施例2は図1の実施例1と同様な効果を有する他に、次の効果も有する。
(1)電子走行層4に隣接してAlの割合の低い第1の電子供給層21が配置しているため、プラスの閾値電圧を確実に得ることができる。
(2)第1の電子供給層21に隣接配置された第2の電子供給層22は、第1の電子供給層21よりも高いAlの割合を有し且つ第1の電子供給層21よりも高い電子濃度を有するので、主半導体領域3aの凹部15a以外の部分における2DEG層12の電子濃度を高めることができ、ヘテロ接合型電界効果半導体装置のオン抵抗を低減させることができる。即ち、もし、図4において第2及び第3の電子供給層22,23を省き、Alの割合が図1の電子供給層5よりも低い第1の電子供給層21のみで電子供給層を構成すれば、2DEG層12の電子濃度が図1の2DEG層12の電子濃度よりも低くなる。しかし、図4に示すように第1の電子供給層21の上に、第1の電子供給層21よりも高いAlの割合を有し且つ第1の電子供給層21よりも高い電子濃度を有する第2の電子供給層22を配置すると、第1の電子供給層21を設けたことによる2DEG層12の電子濃度の低下を、第2の電子供給層22によって補償することができる。これにより、図4のヘテロ接合型電界効果半導体装置のオン抵抗は、図1のヘテロ接合型電界効果半導体装置のオン抵抗と同一又はこれよりも低くなる。なお、凹部15aは第2の電子供給層22を貫通しているので、第2の電子供給層22はノーマリオフ特性を妨害しない。
(3)Alの割合が低い第1の電子供給層21に至るように凹部15aが設けられているので、凹部15aの深さのバラツキに起因する閾値電圧のバラツキが小さくなる。即ち、もし、凹部15aの下の第1の電子供給層21の残存部18のAlの割合及び電子濃度が大きいと、残存部18の厚みのバラツキに起因する閾値電圧のバラツキが大きくなるが、図4では残存部18のAlの割合が図1の残存部18のAlの割合に比べて小さいので、残存部18の厚みのバラツキに起因する閾値電圧のバラツキも小さくなる。
(4)凹部15aは傾斜した側面17aを有し、この傾斜した側面17aに電子濃度の高い第2の電子供給層22が露出する構造であるので、ゲート電極8の近傍における電界集中を緩和することができる。凹部15aの傾斜した側面17a上に絶縁体と見なすこともできるほど抵抗率が大きいp型金属酸化物半導体膜10を介してフィールドプレート11が設けられているので、凹部15aの傾斜した側面17a近傍においてもフィールドプレート効果が得られる。これによりゲート電極8の近傍における電界集中が更に緩和され、高耐化が達成される。
(5)第2の電子供給層22よりもAlの割合が低い第3の電子供給層23が設けられ、この表面が主半導体領域3aの一方の主面になっているので、主半導体領域3aの一方の主面を安定化することができ、リーク電流の低減及び電流コラプスの抑制が可能になる。
In addition to the same effects as the first embodiment of FIG. 1, the second embodiment of FIG. 4 has the following effects.
(1) Since the first electron supply layer 21 having a low Al ratio is disposed adjacent to the electron transit layer 4, a positive threshold voltage can be obtained with certainty.
(2) The second
(3) Since the
(4) Since the
(5) Since the third
(第3の実施例)
次に、図7に示す実施例3に従うMESFETに類似の電界効果半導体装置を説明する。但し、図7において図1及び図4と実質的に同一の部分には同一の参照符号を付してその説明を省略する。
(Third embodiment)
Next, a field effect semiconductor device similar to the MESFET according to the third embodiment shown in FIG. 7 will be described. 7 that are substantially the same as those in FIGS. 1 and 4 are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
図7の実施例3の電界効果半導体装置は、変形された主半導体領域3eを除いて図4と同一に構成されている。図7の主半導体領域3eは図4の電子走行層4と同一な材料で形成された第1の半導体層4´とn型不純物(例えばSi)がドープされた第2の半導体層5´とから成る。第2の半導体層5´は例えば図4の第2の電子供給層22と同一の材料で形成され、ソース電極6とドレイン電極7との間の電流通路として利用される。ノーマリオフ特性を得るために図4と同様に主半導体領域3eに凹部15aが設けられている。即ち、凹部15aは第2の半導体層5´の一部を除去することによって形成され、凹部15aと第1の半導体層4´との間に第2の半導体層5´の残存部18´が生じている。凹部15aの深さ及び残存部18´の厚みはp型金属酸化物半導体膜10の助けを借りて残存部18´から電子が排出され、残存部18´が空乏層で埋まるように決定されている。
The field effect semiconductor device of Example 3 in FIG. 7 has the same configuration as that in FIG. 4 except for the deformed
図7の実施例3の電界効果半導体装置は、接合型電界効果トランジスタ(FET)と同様に動作し、ドレイン電極7の電位がソース電極6の電位よりも高い状態でソース電極6とゲート電極8との間に閾値電圧以上の電圧を印加すると、ドレイン電極7と第2の半導体層5´とソース電極6との経路にドレイン電流が流れる。
The field effect semiconductor device of Example 3 in FIG. 7 operates in the same manner as a junction field effect transistor (FET), and the source electrode 6 and the gate electrode 8 with the potential of the
図7の実施例3は次の効果を有する。
(1)p型金属酸化物半導体膜10の助けを借りてノーマリオフ特性が確実に得られる。
(2)第2の半導体層5´のゲート電極8の下の残存部18´は比較的厚いので、ここでの電力損失が少ない。
(3)フィールドプレート11による効果を図1及び図4の実施例1,2と同様に得ることができる。
Example 3 of FIG. 7 has the following effects.
(1) With the help of the p-type metal
(2) Since the remaining portion 18 'under the gate electrode 8 of the second semiconductor layer 5' is relatively thick, the power loss here is small.
(3) The effect of the field plate 11 can be obtained in the same manner as the first and second embodiments shown in FIGS.
また、図7の実施例3の電界効果半導体装置にゲート電極8とソース電極6とを接続するダイオード形成用導体50´を設けることもできる。
In addition, a
(第4の実施例)
図8は実施例4に従うヘテロ接合型電界効果半導体装置の変形されたp型金属酸化物半導体膜10aの一部を示す。図8のp型金属酸化物半導体膜10aは図1の実施例1のp型金属酸化物半導体膜10を変形したものであり、酸化ニッケルから成る第1の層51と酸化鉄から成る第2の層52と酸化コバルトから成る第3の層53との積層体から成る。図8のp型金属酸化物半導体膜10aの一方の主面(下面)54は電子供給層5に接する面であり、他方の主面(上面)55はゲート電極8に接する面である。なお、第1の層51の正孔濃度を最も高くし、第3の層53の正孔濃度を最も低くすることが望ましい。
(Fourth embodiment)
FIG. 8 shows a part of a modified p-type metal oxide semiconductor film 10a of the heterojunction field effect semiconductor device according to the fourth embodiment. A p-type metal oxide semiconductor film 10a in FIG. 8 is a modification of the p-type metal
このように互いに異なる複数のp型金属酸化物半導体材料の積層体で構成されたp型金属酸化物半導体膜10aは、図1の実施例1のp型金属酸化物半導体膜10と同様な効果を有する。
Thus, the p-type metal oxide semiconductor film 10a composed of a stack of a plurality of different p-type metal oxide semiconductor materials has the same effect as the p-type metal
なお、p型金属酸化物半導体膜10aを実施例1以外の実施例2、3のp型金属酸化物半導体膜10の代りに使用することができる。
The p-type metal oxide semiconductor film 10a can be used in place of the p-type metal
また、p型金属酸化物半導体膜10aの第1〜第3の層51〜53の材料を例えば酸化ニッケル、酸化鉄,酸化コバルト、酸化マンガン,及び酸化銅から選択された別な材料に変えることができる。また、p型金属酸化物半導体膜10aの第1〜第3の層51〜53から例えば第3の層53を省くこと、又は更に別な層を追加することができる。
Further, the material of the first to
(第5の実施例)
図9は実施例5に従うヘテロ接合型電界効果半導体装置の変形されたp型金属酸化物半導体膜10bの一部を示す。図9のp型金属酸化物半導体膜10bは図1の実施例1のp型金属酸化物半導体膜10を変形したものであり、正孔濃度が一方の主面54から他方の主面55に向って順次に低くなっている第1、第2及び第3の層51a,52a,53aの積層体から成る。図9のp型金属酸化物半導体膜10bの一方の主面(下面)54は電子供給層5に接する面であり、他方の主面(上面)55はゲート電極8に接する面である。従って、正孔濃度の最も高い第1の層51aが電子供給層5に接する。
(Fifth embodiment)
FIG. 9 shows a part of a modified p-type metal
正孔濃度の異なる第1、第2及び第3の層51a,52a,53aは、例えばマグネトロンスパッタリング装置でニッケル酸化物(NiO)をスパッタリングする時に酸素の添加量を段階的に減らすことによって形成される。
The first, second, and
このように正孔濃度の異なる第1、第2及び第3の層51a,52a,53aの積層体で構成されたp型金属酸化物半導体膜10bは、図1の実施例1のp型金属酸化物半導体膜10と同様な効果を有する。また、正孔濃度の最も高い第1の層51aが電子供給層5に接しているので、ノーマリオフ特性を良好に得ることができる。
As described above, the p-type metal
なお、p型金属酸化物半導体膜10bを実施例1のみでなく、これ以外の実施例2、3のp型金属酸化物半導体膜10の代りにも使用することができる。
The p-type metal
また、p型金属酸化物半導体膜10bの第1〜第3の層51a〜53aから例えば第3の層53aを省くこと、又は更に別な層を追加することができる。
Further, for example, the third layer 53a can be omitted from the first to third layers 51a to 53a of the p-type metal
また、p型金属酸化物半導体膜10bの正孔濃度を段階的に変える代りに、正孔濃度を一方の主面(下面)54から他方の主面(上面)55に向って徐々に減少即ち傾斜を有して減少させることができる。このようにp型金属酸化物半導体膜10bの正孔濃度を徐々に減少させるために、例えばニッケル酸化物(NiOx)をマグネトロンスパッタリングによる成膜の進行と共に酸素の添加量を徐々に減少させる。
Further, instead of stepwise changing the hole concentration of the p-type metal
また、p型金属酸化物半導体膜の厚み方向の正孔濃度を変えるために、成膜の進行と共にp型金属酸化物半導体膜の熱処理の条件、又はオゾンアッシング処理条件、又はO2(酸素)アッシング処理条件を変えることができる。
In addition, in order to change the hole concentration in the thickness direction of the p-type metal oxide semiconductor film, conditions for heat treatment of the p-type metal oxide semiconductor film, ozone ashing treatment conditions, or O2 (oxygen) ashing with the progress of film formation Processing conditions can be changed.
また、p型金属酸化物半導体膜の厚み方向の正孔濃度を変えるために、金属膜又はp型金属酸化物半導体膜10bにO2イオンを注入することができる。この方法によれば、所望の正孔濃度と正孔濃度の傾斜を容易に得ることができる。
Further, in order to change the hole concentration in the thickness direction of the p-type metal oxide semiconductor film, O2 ions can be implanted into the metal film or the p-type metal
また、p型金属酸化物半導体膜の厚み方向の正孔濃度を変えるために、リチウム(Li)のドープ量を成膜の進行と共に変えることができる。
Further, in order to change the hole concentration in the thickness direction of the p-type metal oxide semiconductor film, the doping amount of lithium (Li) can be changed with the progress of film formation.
以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、各実施例或いは各変形例の組合せが可能であり、また例えば、次の変形が可能である。
(1)主半導体領域3、3a及び3eを、GaN、AlGaN以外のInGaN、AllnGaN、AlN、InAlN、AlP、GaP、AllnP、GalnP、AlGaP、AlGaAs、GaAs、AlAs、InAs、InP,InN、GaAsP等の別の3−5族化合物半導体、又はZnO等の2−6族化合物半導体、又は更に別の化合物半導体で形成することができる。
(2)周知のソースフィールドプレート、及びドレインフィールドプレートを設けることができる。
(3)各実施例を示す図面に、1つのソース電極6、1つのドレイン電極7及び1つのゲート電極8が示されているが、それぞれを複数個設けることができる。即ち、1チップに微小FET(単位FET)を複数個設け、これらを並列に接続することができる。
(4)実施例1〜3の電子供給層を正孔供給層に置き換え、2DEG層12に対応する領域に2次元キャリアガス層として2次元正孔ガス層が生じるヘテロ接合型電界効果半導体装置を構成することができる。この場合には、p型金属酸化物半導体膜10の代わりにn型金属酸化物半導体膜を設ける。また、図7においてn型の第2の半導体層5´の代わりにp型の第2の半導体層を設け、この上にn型金属酸化物半導体膜を設けることができる。
(5)p型金属酸化物半導体膜10を得る時に酸素を添加又は注入する代わりにリチウム(Li)を添加又は注入することができる。
(6)p型金属酸化物半導体膜10にO2をイオン注入する代わりに金属膜にO2をイオン注入することができる。
As mentioned above, although an example of an embodiment of the present invention was explained, the present invention is not limited to the specific embodiment concerned, and each example is within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Or the combination of each modification is possible, for example, the following modification is possible.
(1) The
(2) A well-known source field plate and drain field plate can be provided.
(3) Although one source electrode 6, one
(4) A heterojunction field effect semiconductor device in which the electron supply layer of Examples 1 to 3 is replaced with a hole supply layer and a two-dimensional hole gas layer is formed as a two-dimensional carrier gas layer in a region corresponding to the
(5) Lithium (Li) can be added or injected instead of adding or injecting oxygen when obtaining the p-type metal
(6) Instead of implanting O2 ions into the p-type metal
1 基板
2 バッファ層
3 主半導体領域
4 電子走行層(第1の半導体層
5 電子供給層(第2の半導体層
6 ソース電極
7 ドレイン電極
8 ゲート電極
9 シリコン酸化物から成る絶縁膜
10 p型金属酸化物半導体膜
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記金属酸化物半導体膜を構成する金属材料を含有する薄膜を、前記主半導体領域上に蒸着させることを特徴とする電界効果半導体装置の製造方法。
A main semiconductor region having at least one semiconductor layer for forming a current path; and an electrical connection to the semiconductor layer disposed on one main surface of the main semiconductor region and forming the current path A first main electrode coupled to the semiconductor layer, and electrically disposed on the one main surface of the main semiconductor region and spaced apart from the first main electrode and electrically forming the current path A second main electrode coupled between the first main electrode and the second main electrode on one main surface of the main semiconductor region to control the current path of the semiconductor layer; And a metal oxide semiconductor film disposed between the main semiconductor region and the gate electrode and having a function of reducing carriers of the semiconductor layer for forming the current path, Field effect semiconductor device comprising A method of production,
A method of manufacturing a field effect semiconductor device, comprising: depositing a thin film containing a metal material constituting the metal oxide semiconductor film on the main semiconductor region.
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