JP2010165783A - Field effect transistor, and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、窒化物系III‐V族化合物半導体からなるノーマリオフタイプの電界効果型トランジスタおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a normally-off type field effect transistor made of a nitride III-V compound semiconductor and a method for manufacturing the same.
従来、窒化物系III‐V化合物半導体を用いたAlGaN/GaNへテロ構造を有する電界効果型トランジスタ(HFET)においては、ウルツ鉱構造を採る窒化物系III‐V化合物半導体のC面を基板表面と並行にしているため、ピエゾ効果や自発分極によって電子が誘起され、AlGaN/GaN界面に2次元電子ガス(2DEG)が形成される。その結果、ゲート電圧がゼロの場合であっても、ソース‐ドレイン間に電圧を印加するとドレイン電流が流れる。そのため、ノーマリオンタイプのトランジスタと呼ばれている。 Conventionally, in a field effect transistor (HFET) having an AlGaN / GaN heterostructure using a nitride III-V compound semiconductor, the C surface of the nitride III-V compound semiconductor having a wurtzite structure is used as the substrate surface. Therefore, electrons are induced by the piezo effect and spontaneous polarization, and a two-dimensional electron gas (2DEG) is formed at the AlGaN / GaN interface. As a result, even when the gate voltage is zero, when a voltage is applied between the source and the drain, a drain current flows. Therefore, it is called a normally-on type transistor.
しかしながら、負電源を用いない一般的な回路への応用を考えた場合には、ゲート電圧がゼロの場合にドレイン電流が流れることの無いノーマリオフタイプのトランジスタの方がより望ましい。そこで、窒化物系III‐V化合物半導体を用いたHFETのノーマリオフ化の方法が幾つか試みられている。 However, when considering application to a general circuit that does not use a negative power supply, a normally-off type transistor in which a drain current does not flow when the gate voltage is zero is more desirable. Therefore, several methods for normally-off HFETs using nitride III-V compound semiconductors have been tried.
その1つは、特開2000−277724号公報(特許文献1)に開示された電界効果トランジスタである。上記特許文献1に開示された電界効果トランジスタでは、サファイア基板1の(0001)面上に、低温GaNバッファ層,アンドープGaN層,n‐AlxGa1-xN電子供給層およびn+‐AlyGa1-yNコンタクト層を順次成長させる。次に、上記n+‐AlyGa1-yNコンタクト層上にソース電極およびドレイン電極を形成し、ゲート領域直下の上記n+‐AlyGa1-yNコンタクト層をエッチング除去して上記n‐AlxGa1-xN電子供給層のゲート領域を露出させ、このゲート領域にゲート電極を形成する。その際に、上記n‐AlxGa1-xN電子供給層のゲート領域を、例えばドライエッチングによって薄層化することによって、上記アンドープGaN層における上記n‐AlxGa1-xN電子供給層との境界付近に形成される上記2DEGの量を調整してノーマリオフ化を図るようにしている。
One of them is a field effect transistor disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-277724 (Patent Document 1). In the field effect transistor disclosed in
他の1つは、電子情報通信学会技術研究報告ED2005−199〜208、P35〜P39(非特許文献1)に開示された「無極性(11−20)面上に形成されたAlGaN/GaNへテロ接合トランジスタのノーマリオフ動作」である。この非特許文献1には、サファイアR面基板上に、アンドープGaNおよびAlGaNをこの順にMOCVD(有機金属化学気相蒸着法:Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)成長することにより、自発分極およびピエゾ分極の生じないウルツ鉱構造の無極性a面AlGaN/GaNへテロ構造を形成することができ、このa面AlGaN/GaNへテロ構造を用いてHFETを形成することによって、ノーマリオフ動作が得られることが開示されている。
The other one is “To AlGaN / GaN formed on a nonpolar (11-20) surface disclosed in IEICE Technical Report ED2005-199-208, P35-P39 (Non-Patent Document 1). “Normally off operation of terror junction transistor”. In this
他の1つは、IWN2006テクニカルダイジェスト WeED1−1 p144(非特許文献2)に開示された、SiのMOSトランジスタと同様のAlGaN/GaNヘテロ構造を用いないMIS構造トランジスタを用いる方法である。 The other is a method using a MIS structure transistor which does not use an AlGaN / GaN heterostructure similar to the Si MOS transistor disclosed in IWN2006 Technical Digest WeED1-1 p144 (Non-Patent Document 2).
しかしながら、上記従来の窒化物系III‐V化合物半導体HFETのノーマリオフ化には以下のような問題がある。 However, the conventional nitride-based III-V compound semiconductor HFET normally has the following problems.
すなわち、上記ノーマリオフ化時における問題点は、如何にして、
(1)オン抵抗の増大を避けられるか。
(2)高いチャネル移動度を維持できるか。
という点にある。この点から上記従来のノーマリオフ化を検証すると、
上記特許文献1に開示された電界効果トランジスタにおいては、ソース領域およびドレイン領域におけるAlGaN/GaN界面には上記2DEGが存在するため、ソース領域およびドレイン領域におけるオン抵抗の増大は回避できる。しかしながら、チャネル領域の上記2DEGは減少し、然も上記n‐AlGaN電子供給層に対するドライエッチングによる薄層化のダメージがチャネル移動度を低下させるため、チャネル領域ではオン抵抗の増大が生ずるという問題がある。
That is, the problem at the time of the normally-off is how,
(1) Is it possible to avoid an increase in on-resistance?
(2) Can high channel mobility be maintained?
It is in that point. From this point, verifying the conventional normally-off,
In the field effect transistor disclosed in
また、上記非特許文献1に開示されたa面AlGaN/GaNへテロ構造を用いたHFETにおいては、ウルツ鉱構造の無極性面(例えばa面やm面)を用いているため、AlGaAs/GaAsの場合と同様に、キャリアを生じさせるためにはAlGaN層にドーピングを行なう必要がある。その際に、ソース領域あるいはドレイン領域における上記AlGaN層とのコンタクト抵抗を低減するためには、AlGaN層のドーピング濃度を増やす必要がある。ところが、ドーピング濃度を増やし過ぎるとゲートリーク電流が増大してしまうという問題がある。
In addition, the HFET using the a-plane AlGaN / GaN heterostructure disclosed in Non-Patent
また、上記非特許文献2に開示されたAlGaN/GaNヘテロ構造を用いないMIS構造トランジスタの場合には、AlGaN/GaN界面に形成される上記2DEGに比べてチャネル移動度が低いため、どうしてもオン抵抗を低減できないという問題がある。
Further, in the case of the MIS structure transistor that does not use the AlGaN / GaN heterostructure disclosed in
このように、窒化物系III‐V化合物半導体を用いたHFETにおいて、高いチャネル移動度を維持し、オン抵抗の増大を抑制した状態で、ノーマリオフ化を図ることは非常に困難なのである。 Thus, in an HFET using a nitride III-V compound semiconductor, it is very difficult to achieve a normally-off state while maintaining a high channel mobility and suppressing an increase in on-resistance.
そこで、この発明の課題は、高いチャネル移動度を維持して低いオン抵抗を呈する窒化物系III‐V化合物半導体からなるノーマリオフタイプの電界効果型トランジスタおよびその製造方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a normally-off type field effect transistor made of a nitride III-V compound semiconductor that maintains a high channel mobility and exhibits a low on-resistance, and a method for manufacturing the same.
上記課題を解決するため、この発明の電界効果型トランジスタは、
基板上に形成された第1窒化物系III‐V族化合物半導体層と、
上記第1窒化物系III‐V族化合物半導体層上に積層されて形成されると共に、上記第1窒化物系III‐V族化合物半導体層とヘテロ接合を構成する第2窒化物系III‐V族化合物半導体層と、
上記第2窒化物系III‐V族化合物半導体層上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、
上記第1窒化物系III‐V族化合物半導体層および上記第2窒化物系III‐V族化合物半導体層のうち、少なくとも上記第2窒化物系III‐V族化合物半導体層のゲート電極形成領域における少なくとも転位部分を含む領域に選択的に形成された大きさおよび形状がランダムな複数の凹部と、
上記複数の凹部内に埋め込まれると共に、上記第2窒化物系III‐V族化合物半導体層上にまで突出して形成されたゲート電極と
を備えたことを特徴としている。
In order to solve the above problems, the field effect transistor of the present invention is
A first nitride-based III-V compound semiconductor layer formed on a substrate;
The second nitride III-V is formed by being stacked on the first nitride III-V compound semiconductor layer and forms a heterojunction with the first nitride III-V compound semiconductor layer. A group compound semiconductor layer;
A source electrode and a drain electrode formed on the second nitride-based III-V compound semiconductor layer;
Of the first nitride III-V compound semiconductor layer and the second nitride III-V compound semiconductor layer, at least in the gate electrode formation region of the second nitride III-V compound semiconductor layer. A plurality of recesses having a random size and shape formed selectively in a region including at least a dislocation portion; and
And a gate electrode embedded in the plurality of recesses and projecting to the second nitride III-V compound semiconductor layer.
上記構成によれば、上記ゲート電極は、上記窒化物系III‐V族化合物半導体層のゲート電極形成領域に形成された大きさおよび形状がランダムな複数の凹部内に埋め込まれて形成されている。したがって、上記第1,第2窒化物系III‐V族化合物半導体層からなるヘテロ接合部分に発生する2次元電子ガスの面積を減少させることができ、全体の2次元電子ガス密度を低減してノーマリオフ化を図ることができる。 According to the above configuration, the gate electrode is formed by being embedded in a plurality of concave portions having a random size and shape formed in the gate electrode formation region of the nitride-based III-V compound semiconductor layer. . Accordingly, the area of the two-dimensional electron gas generated in the heterojunction portion composed of the first and second nitride III-V compound semiconductor layers can be reduced, and the overall two-dimensional electron gas density is reduced. Normally off can be achieved.
その場合、上記窒化物系III‐V族化合物半導体層のゲート電極形成領域に形成された大きさおよび形状がランダムな複数の凹部は、例えばウェットエッチングによって少なくとも転位部分を含む領域に選択的に形成されている。したがって、ドライエッチングによるダメージを伴う方法で形成された場合とは異なり、チャネル移動度の低下を伴うことがなく、オン抵抗の上昇を抑制することができる。 In that case, a plurality of recesses having random sizes and shapes formed in the gate electrode formation region of the nitride-based III-V compound semiconductor layer are selectively formed in a region including at least a dislocation portion by wet etching, for example. Has been. Therefore, unlike the case where it is formed by a method involving damage due to dry etching, it is possible to suppress an increase in on-resistance without accompanying a decrease in channel mobility.
また、1実施の形態の電界効果型トランジスタでは、
上記ゲート電極と上記窒化物系III‐V族化合物半導体層との間に、絶縁層が形成されている。
In the field effect transistor of one embodiment,
An insulating layer is formed between the gate electrode and the nitride III-V compound semiconductor layer.
上記ゲート電極と上記窒化物系III‐V族化合物半導体層との間に絶縁層が形成されていない場合には、ピンチオフ電圧が0V程度となるためノイス等の原因で0.5V程度の電圧が上記ゲート電極に入力された場合にオンすることがあり、一般の回路に用いるのに適してはいない。 When an insulating layer is not formed between the gate electrode and the nitride III-V compound semiconductor layer, the pinch-off voltage is about 0V, so that a voltage of about 0.5V is caused due to noise or the like. It may turn on when it is input to the gate electrode and is not suitable for use in a general circuit.
この実施の形態によれば、上記ゲート電極と上記窒化物系III‐V族化合物半導体層との間に絶縁層が形成されている。したがって、ピンチオフ電圧を+2V〜+3V程度にすることができるためノイス等の原因で0.5V程度の電圧がゲート電極に入力されてもオンすることはなく、一般の回路に用いるのに適した電界効果型トランジスタを得ることができるのである。 According to this embodiment, an insulating layer is formed between the gate electrode and the nitride III-V compound semiconductor layer. Accordingly, since the pinch-off voltage can be set to about +2 V to +3 V, it does not turn on even when a voltage of about 0.5 V is input to the gate electrode due to noise or the like, and an electric field suitable for use in a general circuit. An effect transistor can be obtained.
また、この発明の電界効果型トランジスタの製造方法は、
基板上に、第1の窒化物系III‐V族化合物半導体層を形成する工程と、
上記第1の窒化物系III‐V族化合物半導体層上に積層させて第2の窒化物系III‐V族化合物半導体層を形成して、上記第1の窒化物系III‐V族化合物半導体層と上記第2の窒化物系III‐V族化合物半導体層とで成るヘテロ接合を形成する工程と、
上記第2の窒化物系III‐V族化合物半導体層上にソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
上記第1の窒化物系III‐V族化合物半導体層および上記第2の窒化物系III‐V族化合物半導体層のうち、少なくとも上記第2の窒化物系III‐V族化合物半導体層のゲート電極形成領域における少なくとも転位部分を含む領域を選択的にエッチングすることによって、大きさおよび形状がランダムな複数の凹部を形成する工程と、
上記複数の凹部内に埋め込まれると共に、上記第2の窒化物系III‐V族化合物半導体層上にまで突出させてゲート電極を形成する工程と
を備えたことを特徴としている。
In addition, the manufacturing method of the field effect transistor of the present invention includes
Forming a first nitride-based III-V compound semiconductor layer on a substrate;
A first nitride-based III-V compound semiconductor layer is formed on the first nitride-based III-V compound semiconductor layer to form a second nitride-based III-V compound semiconductor layer. Forming a heterojunction comprising a layer and the second nitride III-V compound semiconductor layer;
Forming a source electrode and a drain electrode on the second nitride-based III-V compound semiconductor layer;
Of the first nitride III-V compound semiconductor layer and the second nitride III-V compound semiconductor layer, at least a gate electrode of the second nitride III-V compound semiconductor layer Forming a plurality of recesses having random sizes and shapes by selectively etching a region including at least a dislocation portion in the formation region;
And a step of forming a gate electrode by being embedded in the plurality of recesses and protruding onto the second nitride III-V compound semiconductor layer.
上記構成によれば、上記ゲート電極は、上記窒化物系III‐V族化合物半導体層のゲート電極形成領域に形成された大きさおよび形状がランダムな複数の凹部内に埋め込まれて形成されている。したがって、上記第1,第2窒化物系III‐V族化合物半導体層からなるヘテロ接合部分に発生する2次元電子ガスの面積を減少させることができ、全体の2次元電子ガス密度を低減してノーマリオフ化を図ることができる。 According to the above configuration, the gate electrode is formed by being embedded in a plurality of concave portions having a random size and shape formed in the gate electrode formation region of the nitride-based III-V compound semiconductor layer. . Accordingly, the area of the two-dimensional electron gas generated in the heterojunction portion composed of the first and second nitride III-V compound semiconductor layers can be reduced, and the overall two-dimensional electron gas density is reduced. Normally off can be achieved.
窒化物系III‐V族化合物半導体は、GaAs等の他のIII‐V族化合物半導体に比べて結晶欠陥が多い。したがって、上記特許文献1にあるようなドライエッチングによる薄層化を行った場合にはダメージが有るためにチャネル移動度の低下が生じる。
Nitride III-V compound semiconductors have more crystal defects than other III-V compound semiconductors such as GaAs. Therefore, when thinning is performed by dry etching as described in
上記構成においては、上記窒化物系III‐V族化合物半導体層のゲート電極形成領域に形成するゲート電極形成用の複数の凹部を、少なくとも転位部分を含む領域を選択的にエッチングすることによって形成している。したがって、ドライエッチングによるダメージを伴う方法で形成された場合とは異なり、チャネル移動度の低下を伴うことがなく、オン抵抗の上昇を抑制することができる。 In the above configuration, the plurality of recesses for forming the gate electrode formed in the gate electrode formation region of the nitride-based III-V compound semiconductor layer are formed by selectively etching the region including at least the dislocation portion. ing. Therefore, unlike the case where it is formed by a method involving damage due to dry etching, it is possible to suppress an increase in on-resistance without accompanying a decrease in channel mobility.
また、1実施の形態の電界効果型トランジスタの製造方法では、
上記窒化物系III‐V族化合物半導体層のゲート電極形成領域に形成される上記複数の凹部の大きさの合計値を、上記転位部分の総てを選択的にエッチングして得られる複数の凹部の大きさの合計値とは異ならせる。
In the method of manufacturing a field effect transistor according to one embodiment,
A plurality of recesses obtained by selectively etching all of the dislocation portions as the total size of the plurality of recesses formed in the gate electrode formation region of the nitride-based III-V compound semiconductor layer It is different from the total size of.
この実施の形態によれば、上記窒化物系III‐V族化合物半導体層のゲート電極形成領域に形成するゲート電極形成用の複数の凹部を、少なくとも転位部分を含む領域を選択的にエッチングすることによって形成している。したがって、ピンチオフする電圧を調節するには、転位密度に応じて上記凹部の大きさの合計値を変える必要がある。すなわち、転位密度が、例えば上記凹部における最上部での総断面積の必要値を得るには小さい場合は、上記凹部の上記総断面積を、転位部分の総てを選択的にエッチングして得られる凹部の上記総面積よりも大きくする。一方、上記転位密度が大きい場合には、上記凹部の上記総断面積を、転位部分の総てを選択的にエッチングして得られる凹部の上記総面積よりも小さくする。こうして、0Vでピンチオフできるように調節するのである。 According to this embodiment, the plurality of recesses for forming the gate electrode formed in the gate electrode formation region of the nitride III-V compound semiconductor layer are selectively etched at least in the region including the dislocation portion. Is formed by. Therefore, to adjust the pinch-off voltage, it is necessary to change the total size of the recesses in accordance with the dislocation density. That is, when the dislocation density is small, for example, to obtain the required value of the total cross-sectional area at the top of the recess, the total cross-sectional area of the recess is obtained by selectively etching all of the dislocations. Larger than the total area of the recesses to be formed. On the other hand, when the dislocation density is high, the total cross-sectional area of the concave portion is made smaller than the total area of the concave portion obtained by selectively etching all of the dislocation portions. Thus, adjustment is performed so that pinch-off can be performed at 0V.
また、1実施の形態の電界効果型トランジスタの製造方法では、
上記転位部分に対する選択的エッチングは、アルカリ溶液を用いたウェットエッチングで行う。
In the method of manufacturing a field effect transistor according to one embodiment,
The selective etching for the dislocation portion is performed by wet etching using an alkaline solution.
この実施の形態によれば、上記転位部分に対する選択的エッチングを、アルカリ溶液を用いたウェットエッチングで行っている。したがって、加熱のみによって容易に上記転位部分を選択的にエッチングすることが可能になる。 According to this embodiment, selective etching for the dislocation portion is performed by wet etching using an alkaline solution. Therefore, the dislocation portion can be selectively etched easily only by heating.
また、1実施の形態の電界効果型トランジスタの製造方法では、
上記アルカリ溶液は、水酸化カリウムあるいは水酸化テトラメチルアンモニウムを含む溶液である。
In the method of manufacturing a field effect transistor according to one embodiment,
The alkaline solution is a solution containing potassium hydroxide or tetramethylammonium hydroxide.
この実施の形態によれば、水酸化カリウムあるいは水酸化テトラメチルアンモニウムを含むアルカリ溶液を用いるので、上記転位部分対する選択的エッチングを有効に行うことができる。 According to this embodiment, since the alkaline solution containing potassium hydroxide or tetramethylammonium hydroxide is used, the selective etching with respect to the dislocation portion can be effectively performed.
以上より明らかなように、この発明によれば、ゲート電極を、窒化物系III‐V族化合物半導体層のゲート電極形成領域に形成された大きさおよび形状がランダムな複数の凹部内に埋め込んで形成したので、第1,第2窒化物系III‐V族化合物半導体層からなるヘテロ接合部分に発生する2次元電子ガスの面積を減少させることができ、全体の2次元電子ガス密度を低減してノーマリオフ化を図ることができる。 As is clear from the above, according to the present invention, the gate electrode is embedded in a plurality of recesses having random sizes and shapes formed in the gate electrode formation region of the nitride-based III-V compound semiconductor layer. Since it is formed, the area of the two-dimensional electron gas generated at the heterojunction portion composed of the first and second nitride III-V compound semiconductor layers can be reduced, and the overall two-dimensional electron gas density is reduced. Normally off.
その場合、上記窒化物系III‐V族化合物半導体層のゲート電極形成領域に形成された大きさおよび形状がランダムな複数の凹部は、ウェットエッチングによって少なくとも転位部分を含む領域に選択的に形成されている。したがって、ドライエッチングによるダメージを伴う方法で形成された場合とは異なり、チャネル移動度の低下を伴うことがなく、オン抵抗の上昇を抑制することができる。 In that case, the plurality of concave portions having random sizes and shapes formed in the gate electrode formation region of the nitride-based III-V compound semiconductor layer are selectively formed in a region including at least a dislocation portion by wet etching. ing. Therefore, unlike the case where it is formed by a method involving damage due to dry etching, it is possible to suppress an increase in on-resistance without accompanying a decrease in channel mobility.
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
・第1実施の形態
図1は、本実施の形態の電界効果型トランジスタにおける縦断面図である。本実施の形態における電界効果型トランジスタは、高いチャネル移動度を有するAlGaN/GaNヘテロ構造を有する電界効果型トランジスタを用い、ゲート領域下でエッチングダメージが無く且つチャネル領域のオン抵抗が小さいノーマリオフ化を図った電界効果型トランジスタである。
First Embodiment FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a field effect transistor according to the present embodiment. The field effect transistor in this embodiment uses a field effect transistor having an AlGaN / GaN heterostructure having high channel mobility, and is normally off with no etching damage under the gate region and low on-resistance of the channel region. This is a field effect transistor.
図1において、本実施の形態における電界効果型トランジスタは、サファイア基板1上に、GaN低温バッファ層2,GaNチャネル層3およびAl0.2Ga0.8N障壁層4を、この順序で積層している。AlGaN障壁層4上にはソース電極5とドレイン電極6とが形成されており、ソース電極5とドレイン電極6との間にはゲート電極7が形成されている。すなわち、本実施の形態においては、上記第1窒化物系III‐V族化合物半導体層をGaNチャネル層3で構成する一方、上記第2窒化物系III‐V族化合物半導体層をAl0.2Ga0.8N障壁層4で構成しているのである。
In FIG. 1, the field effect transistor according to the present embodiment has a GaN low
ここで、上記ゲート電極7は、AlGaN障壁層4上に所定の厚みを有して形成されると共に、AlGaN障壁層4とGaNチャネル層3の表層部とにおけるゲート領域に形成された大きさおよび形状がランダムな(以下、不規則性を有すると言う)凹部8内にも形成されている。その場合、上記不規則性を有する凹部8は、ドライエッチングのごとくダメージを伴う方法で形成されたものではなく、ウェットエッチングの様にダメージを伴わない方法によって形成されたものである。そのため、チャネル領域における電子移動度の低下を伴わないのである。
Here, the
尚、9は、上記GaNチャネル層3の表層における電子供給層として機能するAlGaN障壁層4との境界部分に形成された2次元電子ガス(2DEG)の領域である。
図2および図3は、上記AlGaN/GaNヘテロ構造電界効果型トランジスタの各製造工程での断面を示す図である。以下、図2および図3に従って、本AlGaN/GaNヘテロ構造電界効果型トランジスタの製造方法について説明する。 2 and 3 are cross-sectional views showing the manufacturing steps of the AlGaN / GaN heterostructure field effect transistor. A method for manufacturing the present AlGaN / GaN heterostructure field effect transistor will be described below with reference to FIGS.
先ず、図2(a)に示すように、上記サファイア基板1上に、上記GaN低温バッファ層2(成長温度550℃,膜厚20nm)、GaNチャネル層3(成長温度1150℃,膜厚2μm)、Al0.2Ga0.8N障壁層4(成長温度1150℃,膜厚20nm)を、エピタキシャル成長によって順次形成する。
First, as shown in FIG. 2A, on the
次に、図2(b)に示すように、図2(a)のごとく形成されたウェハの全面に、エッチングマスク10としてSiO2を20nm程度堆積する。尚、上記SiO2に換えてSiNxを堆積してもよい。ここで、SiO2またはSiNxの堆積方法としては、熱CVD(Chemical Vapor Deposition:化学蒸着法)やプラズマCVDあるいはスパッタ法の何れを用いてもよい。さらに、図2(c)に示すように、SiO2層10上にフォトマスク11を形成した後ゲートエッチング領域のパターニングを行う。
Next, as shown in FIG. 2B, about 20 nm of SiO 2 is deposited as an
次に、図2(d)に示すように、上記SiO2層10におけるゲートエッチング領域を、バッファードフッ酸でエッチングする。そうした後、図3(e)に示すように、ゲートエッチング領域における少なくともAlGaN障壁層4に対して、10%の水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)水溶液を100℃に加熱したエッチャントで、15分間エッチングを行う。この場合、上記エッチングは、エッチング領域全体を均一にエッチングするのではなく、特に転位部分(結晶欠陥部分)を選択的にエッチングすることによって行う。そうした後、図3(f)に示すようにSiO2層10を除去する。
Next, as shown in FIG. 2D, the gate etching region in the SiO 2 layer 10 is etched with buffered hydrofluoric acid. After that, as shown in FIG. 3 (e), at least the
図3(g)に示すように、上記AlGaN障壁層4上にフォトマスク12を形成した後、ソース領域およびドレイン領域のパターニングを行う。その後、図3(h)に示すように、オーミック電極用の金属を堆積し、リフトオフした後、熱処理によってオーミック化を図る。こうして、ソース電極5およびドレイン電極6を形成する。その際に、上記オーミック化によって、ソース電極5の直下におけるAlGaN障壁層4からGaNチャネル層3表層の2DEG領域9に掛けてソース領域13が形成される一方、ドレイン電極6の直下におけるAlGaN障壁層4からGaNチャネル層3表層の2DEG領域9に掛けて、ドレイン領域14が形成される。
As shown in FIG. 3G, after the
尚、上記オーミック電極用の金属としては、Hf/Al/Hf/AuやTi/Al/Mo/Auを用いることができる。また、上記熱処理の条件は、金属の膜厚によっても異なるが、本実施の形態においては800℃/1minとしている。 As the metal for the ohmic electrode, Hf / Al / Hf / Au and Ti / Al / Mo / Au can be used. In addition, although the heat treatment condition varies depending on the thickness of the metal, it is set to 800 ° C./1 min in the present embodiment.
その後に、図3(i)に示すように、上記ソース電極5およびドレイン電極6を含むウェハの全面にフォトマスク15を形成した後、ゲート領域のパターニングを行う。そして、図3(j)に示すように、ゲート電極形成用の金属を堆積した後リフトオフし、上記転位部分に選択的に形成された不規則性を有する凹部8内にまで埋め込まれたゲート電極7を形成する。その場合におけるゲート電極形成用の金属としては、Pt,Ni,Pd,WN等を用いることができるが、本実施の形態においてはWNを用いた。こうして、AlGaN/GaNヘテロ構造電界効果型トランジスタが完成する。
Thereafter, as shown in FIG. 3I, a
こうして製造されたAlGaN/GaNヘテロ構造電界効果型トランジスタは、ピンチオフ電圧0Vのノーマリオフ動作を示した。 The thus manufactured AlGaN / GaN heterostructure field effect transistor exhibited a normally-off operation with a pinch-off voltage of 0V.
以上の如く、本実施の形態においては、上記GaNチャネル層3上に積層されたAl0.2Ga0.8N障壁層4に不規則性を有して形成された凹部8内を埋めるようにゲート電極7を形成している。したがって、AlGaN障壁層4上のみに平面的に形成されたゲート電極によって形成される空乏層よりも、凹部8内にまで立体的に形成されたゲート電極7によって形成される本実施の形態における空乏層はより3次元的に拡がることができ、GaNチャネル層3の表層におけるAlGaN障壁層4との境界部分に上記2DEGが発生する面積を減少させることができる。その結果、全体の2DEG密度を低減して、ノーマリオフ化を図ることができるのである。
As described above, in the present embodiment, the
その場合、上記特許文献1に開示された電界効果トランジスタのごとく、ゲート領域が平面的に薄層化されたAlGaN電子供給層にゲート電極を形成する場合に比べて、不規則性を有する凹部8内にゲート電極7を形成することによって、ゲート電圧が0Vの場合であってもピンチオフできるように、AlGaN障壁層4の表層における凹部8の総断面積を調整することができる。したがって、上記2DEG密度の低減とチャネル移動度の維持との両立を図ることができるのである。
In that case, as in the case of the field effect transistor disclosed in
すなわち、本実施の形態においては、特許請求の範囲における「大きさ」の一例として上記総断面積を用いるのである。 That is, in the present embodiment, the total cross-sectional area is used as an example of “size” in the claims.
ところで、窒化物系III‐V族化合物半導体は、GaAs等の他のIII‐V族化合物半導体に比べて結晶欠陥が多い。また、上記特許文献1に記載されているようなドライエッチングによる薄層化では、ダメージが生ずるためにチャネル移動度の低下が生じる。そこで、本実施の形態においては、AlGaN障壁層4およびGaNチャネル層3における上記結晶欠陥を選択的にウェットエッチングすることにより、ダメージを生じさせることなく不規則性を有する凹部8を形成し、チャネル移動度の低下を抑制してチャネル領域でのオン抵抗の増大を防止するのである。
By the way, the nitride III-V compound semiconductor has more crystal defects than other III-V compound semiconductors such as GaAs. Further, in the thinning by dry etching as described in the above-mentioned
その際に、上述したように、ゲート電圧が0Vの場合であってもピンチオフできるように、AlGaN障壁層4の表層における凹部8の総断面積を調整するのであるが、転位密度に応じて凹部8の大きさを変えなければピンチオフの電圧を調節することができない。すなわち、転位密度が小さい場合には凹部8の上記総断面積を大きくする一方、転位密度が大きい場合には凹部8の上記総断面積を小さくして、0Vでピンチオフできるように調節する必要がある。そこで、本実施の形態においては、転位密度が、凹部8における上記総断面積の必要値を得るには小さ過ぎる場合、つまり転位部分の総てを選択的にエッチングして得られる凹部の上記総断面積が、目標とする凹部8の上記総面積よりも小さい場合には、上記TMAH水溶液の濃度,温度またはエッチング時間等のエッチング条件を調整することにより、凹部8の上記総断面積を大きくする。一方、転位密度が大き過ぎる場合、つまり転位部分の総てを選択的にエッチングして得られる凹部の上記総断面積が、目標とする凹部8の上記総面積よりも大きい場合には、凹部8の上記総断面積を小さくするのである。したがって、本実施の形態においては、凹部8の先端がGaNチャネル層3の表層部にまで達しているが必ずしもその必要はなく、AlGaN障壁層4のみに形成されていても差し支えない。要は、ゲート電極7によって形成される空乏層が2DEG領域9に掛かって、0Vでピンチオフできるように凹部8を形成すればよいのである。
At that time, as described above, the total cross-sectional area of the
尚、本実施の形態においては、上記AlGaN障壁層4に対する上記転位部分を含む領域の選択的エッチングを、上記TMAH水溶液をエッチャントして行っているが、この発明はこれに限定されるものではなく、水酸化カリウム(KOH)等のアルカリ溶液を用いればよい。
In this embodiment, the selective etching of the region including the dislocation portion with respect to the
・第2実施の形態
図4は、本実施の形態の電界効果型トランジスタにおける縦断面図である。本実施の形態における電界効果型トランジスタは、シリコン基板を用いたAlGaN/GaNヘテロ構造を有する電界効果型トランジスタである。
Second Embodiment FIG. 4 is a longitudinal sectional view of a field effect transistor according to the present embodiment. The field effect transistor in the present embodiment is a field effect transistor having an AlGaN / GaN heterostructure using a silicon substrate.
図4において、本実施の形態における電界効果型トランジスタは、シリコン(Si)基板21上に、AlN/AlGaNからなる初期成長層22,AlN/GaN多層膜からなるバッファ層23,GaNチャネル層24及びAl0.2Ga0.8N障壁層25を、この順序で積層している。そして、AlGaN障壁層25上にはソース電極26とドレイン電極27とが形成されており、ソース電極26とドレイン電極27との間にはゲート電極28が形成されている。
4, the field effect transistor according to the present embodiment includes an
上記ゲート電極28は、上記第1実施の形態の場合と同様に、AlGaN障壁層25上に所定の厚みを有して形成されると共に、AlGaN障壁層25におけるゲート領域に不規則性を持って形成された凹部29内にも形成されている。尚、30は、上記GaNチャネル層24の表層における電子供給層として機能するAlGaN障壁層25との境界部分に形成された2次元電子ガス(2DEG)の領域である。
As in the case of the first embodiment, the
本AlGaN/GaNヘテロ構造電界効果型トランジスタの製造プロセスは、上記第1実施の形態の場合と略同じである。但し、AlN/GaN多層膜からなるバッファ層23は、AlN層とGaN層とを交互に複数層繰り返して形成する。また、本実施の形態が、上記第1実施の形態と大きく異なる点は、AlGaN障壁層25をエッチングする条件にある。
The manufacturing process of the AlGaN / GaN heterostructure field effect transistor is substantially the same as that in the first embodiment. However, the
サファイア基板上のAlGaN層に比べて、シリコン基板上のAlGaN層は、転位密度が1桁〜2桁程度大きくなっている。したがって、設定するAlGaN障壁層25の表層における凹部29の総断面積を、サファイア基板を用いる場合よりも小さくしなければならない。そのために、上記総断面積が上記第1実施の形態の場合と同じ凹部を形成する場合には、本実施の形態においては、上記第1実施の形態の場合よりも、より緩やかなエッチング条件でエッチングを行う必要がある。本実施の形態においては、5%のTMAH水溶液を50℃に加熱したエッチャントで、10分間エッチングを行った。
Compared to the AlGaN layer on the sapphire substrate, the AlGaN layer on the silicon substrate has a dislocation density that is about one to two digits higher. Therefore, the total cross-sectional area of the
以上のようにして形成されたAlGaN/GaNヘテロ構造電界効果型トランジスタは、ピンチオフ電圧0Vのノーマリオフ動作を示した。 The AlGaN / GaN heterostructure field effect transistor formed as described above exhibited a normally-off operation with a pinch-off voltage of 0V.
・第3実施の形態
本実施の形態における電界効果型トランジスタは、上記第1実施の形態または上記第2実施の形態におけるAlGaN/GaNヘテロ構造電界効果型トランジスタにおいて、上記ゲート電極と上記窒化物系III‐V族化合物半導体層との間に、絶縁体層を形成したAlGaN/GaNヘテロ構造電界効果型トランジスタである。
Third Embodiment The field effect transistor according to the present embodiment is the same as the gate electrode and the nitride system in the AlGaN / GaN heterostructure field effect transistor according to the first embodiment or the second embodiment. This is an AlGaN / GaN heterostructure field effect transistor in which an insulator layer is formed between the III-V compound semiconductor layer.
上記第1実施の形態および上記第2実施の形態の場合のように、上記ゲート電極と上記窒化物系III‐V族化合物半導体層との間に絶縁体が形成されていない状態では、ピンチオフ電圧は0V程度である。そのため、ノイス等の原因で0.5V程度の電圧が上記ゲート電極に入力された場合にオンすることがあり、一般の回路に用いるのには適さない。そこで、ピンチオフ電圧を+2V〜+3V程度にするために、絶縁体を上記ゲート電極と上記窒化物系III‐V族化合物半導体との間に形成することが好ましい。 As in the case of the first embodiment and the second embodiment, in the state where no insulator is formed between the gate electrode and the nitride III-V compound semiconductor layer, the pinch-off voltage is Is about 0V. Therefore, it may turn on when a voltage of about 0.5 V is input to the gate electrode due to noise or the like, and is not suitable for use in a general circuit. Therefore, in order to set the pinch-off voltage to about + 2V to + 3V, it is preferable to form an insulator between the gate electrode and the nitride III-V compound semiconductor.
そこで、本実施の形態においては、ゲート電極を形成する前に、つまり、例えば上記第1実施の形態に適用する場合には、図3(i)に示すフォトマスクにおけるゲート領域のパターニング工程と、図3(j)に示すゲート電極の形成工程との間に、膜厚が10nmのSiO2からなるゲート絶縁膜を堆積する工程を設ける。そして、その後に、ゲート電極を堆積してAlGaN/GaNヘテロ構造を有するMIS型の電界効果型トランジスタを製造するのである。尚、ゲート絶縁膜を堆積する工程以外の各工程条件は、上記第1実施の形態の場合と同様である。また、本実施の形態を上記第2実施の形態に適用する場合も同様である。 Therefore, in this embodiment, before forming the gate electrode, that is, for example, when applied to the first embodiment, a patterning process of the gate region in the photomask shown in FIG. A step of depositing a gate insulating film made of SiO 2 having a thickness of 10 nm is provided between the step of forming the gate electrode shown in FIG. Thereafter, a gate electrode is deposited to manufacture a MIS field effect transistor having an AlGaN / GaN heterostructure. The process conditions other than the process of depositing the gate insulating film are the same as those in the first embodiment. The same applies to the case where the present embodiment is applied to the second embodiment.
上述したように、本実施の形態によれば、上記ゲート電極と上記窒化物系III‐V族化合物半導体層との間にゲート絶縁膜を形成することによって、ピンチオフ電圧を約+3Vに上昇させることができ、より望ましいノーマリオフ動作が実現可能となるのである。 As described above, according to the present embodiment, the pinch-off voltage is increased to about +3 V by forming a gate insulating film between the gate electrode and the nitride III-V compound semiconductor layer. Therefore, a more desirable normally-off operation can be realized.
1…サファイア基板、
2…GaN低温バッファ層、
3,24…GaNチャネル層、
4,25…Al0.2Ga0.8N障壁層、
5,26…ソース電極、
6,27…ドレイン電極、
7,28…ゲート電極、
8,29…凹部、
9,30…2DEG領域、
10…エッチングマスク、
11,12,15…フォトマスク、
13…ソース領域、
14…ドレイン領域、
21…シリコン基板、
22…AlN/AlGaN初期成長層、
23…AlN/GaN多層バッファ層。
1 ... sapphire substrate,
2 ... GaN low temperature buffer layer,
3, 24 ... GaN channel layer,
4,25 ... Al 0.2 Ga 0.8 N barrier layer,
5, 26 ... source electrode,
6, 27 ... drain electrode,
7, 28 ... gate electrode,
8,29 ... concave,
9, 30 ... 2 DEG region,
10 ... Etching mask,
11, 12, 15 ... Photomask,
13 ... source region,
14 ... drain region,
21 ... Silicon substrate,
22 ... AlN / AlGaN initial growth layer,
23: AlN / GaN multilayer buffer layer.
Claims (6)
上記第1窒化物系III‐V族化合物半導体層上に積層されて形成されると共に、上記第1窒化物系III‐V族化合物半導体層とヘテロ接合を構成する第2窒化物系III‐V族化合物半導体層と、
上記第2窒化物系III‐V族化合物半導体層上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、
上記第1窒化物系III‐V族化合物半導体層および上記第2窒化物系III‐V族化合物半導体層のうち、少なくとも上記第2窒化物系III‐V族化合物半導体層のゲート電極形成領域における少なくとも転位部分を含む領域に選択的に形成された大きさおよび形状がランダムな複数の凹部と、
上記複数の凹部内に埋め込まれると共に、上記第2窒化物系III‐V族化合物半導体層上にまで突出して形成されたゲート電極と
を備えたことを特徴とする電界効果型トランジスタ。 A first nitride-based III-V compound semiconductor layer formed on a substrate;
The second nitride III-V is formed by being stacked on the first nitride III-V compound semiconductor layer and forms a heterojunction with the first nitride III-V compound semiconductor layer. A group compound semiconductor layer;
A source electrode and a drain electrode formed on the second nitride-based III-V compound semiconductor layer;
Of the first nitride III-V compound semiconductor layer and the second nitride III-V compound semiconductor layer, at least in the gate electrode formation region of the second nitride III-V compound semiconductor layer. A plurality of recesses having a random size and shape formed selectively in a region including at least a dislocation portion; and
A field effect transistor comprising: a gate electrode embedded in the plurality of recesses and formed so as to protrude onto the second nitride III-V compound semiconductor layer.
上記ゲート電極と上記窒化物系III‐V族化合物半導体層との間に、絶縁層が形成されている
ことを特徴とする電界効果型トランジスタ。 The field effect transistor according to claim 1,
A field effect transistor, wherein an insulating layer is formed between the gate electrode and the nitride III-V compound semiconductor layer.
上記第1の窒化物系III‐V族化合物半導体層上に積層させて第2の窒化物系III‐V族化合物半導体層を形成して、上記第1の窒化物系III‐V族化合物半導体層と上記第2の窒化物系III‐V族化合物半導体層とで成るヘテロ接合を形成する工程と、
上記第2の窒化物系III‐V族化合物半導体層上にソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
上記第1の窒化物系III‐V族化合物半導体層および上記第2の窒化物系III‐V族化合物半導体層のうち、少なくとも上記第2の窒化物系III‐V族化合物半導体層のゲート電極形成領域における少なくとも転位部分を含む領域を選択的にエッチングすることによって、大きさおよび形状がランダムな複数の凹部を形成する工程と、
上記複数の凹部内に埋め込まれると共に、上記第2の窒化物系III‐V族化合物半導体層上にまで突出させてゲート電極を形成する工程と
を備えた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 first nitride-based III-V compound semiconductor layer on a substrate;
A first nitride-based III-V compound semiconductor layer is formed on the first nitride-based III-V compound semiconductor layer to form a second nitride-based III-V compound semiconductor layer. Forming a heterojunction comprising a layer and the second nitride III-V compound semiconductor layer;
Forming a source electrode and a drain electrode on the second nitride-based III-V compound semiconductor layer;
Of the first nitride III-V compound semiconductor layer and the second nitride III-V compound semiconductor layer, at least a gate electrode of the second nitride III-V compound semiconductor layer Forming a plurality of recesses having random sizes and shapes by selectively etching a region including at least a dislocation portion in the formation region;
And a step of forming a gate electrode by being embedded in the plurality of recesses and protruding onto the second nitride III-V compound semiconductor layer. Production method.
上記窒化物系III‐V族化合物半導体層のゲート電極形成領域に形成される上記複数の凹部の大きさの合計値を、上記転位部分の総てを選択的にエッチングして得られる複数の凹部の大きさの合計値とは異ならせる
ことを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法。 In the manufacturing method of the field effect transistor according to claim 3,
A plurality of recesses obtained by selectively etching all of the dislocation portions as the total size of the plurality of recesses formed in the gate electrode formation region of the nitride-based III-V compound semiconductor layer A method for producing a field-effect transistor, characterized in that the total value is different from the total value of the field effect transistors.
上記少なくとも転位部分を含む領域に対する選択的エッチングは、アルカリ溶液を用いたウェットエッチングで行う
ことを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法。 In the manufacturing method of the field effect transistor according to claim 3 or claim 4,
The method of manufacturing a field effect transistor, wherein the selective etching for the region including at least the dislocation portion is performed by wet etching using an alkaline solution.
上記アルカリ溶液は、水酸化カリウムあるいは水酸化テトラメチルアンモニウムを含む溶液である
ことを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方法。 In the manufacturing method of the field effect transistor according to claim 5,
The method for producing a field effect transistor, wherein the alkaline solution is a solution containing potassium hydroxide or tetramethylammonium hydroxide.
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