JP2010165987A - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に窒化物半導体からなる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 particularly to a semiconductor device made of a nitride semiconductor and a manufacturing method thereof.
窒化ガリウム(GaN)系窒化物半導体は、シリコン(Si)半導体又は砒化ガリウム(GaAs)等の化合物半導体と比べてバンドギャップが大きいことから高い絶縁破壊電界を有すると共に、高い飽和ドリフト速度を有しており、高耐圧パワーデバイス及び高速高出力トランジスタ等の電子デバイスの応用に向け、注目されている。 Gallium nitride (GaN) -based nitride semiconductors have a high dielectric breakdown field and a high saturation drift velocity because of their large band gap compared to compound semiconductors such as silicon (Si) semiconductors or gallium arsenide (GaAs). Therefore, it is attracting attention for application of electronic devices such as high voltage power devices and high-speed high-power transistors.
特に、このGaN系窒化物半導体は、一般に面方位の(0001)面に形成される、例えばAlGaN/GaNからなるへテロ接合では、アンドープであっても分極の影響により1013cm−2以上の高いシートキャリア濃度を得られることが大きな特徴である。これにより、ドレイン電流が大きいAlGaN/GaNへテロ接合電界効果トランジスタ(Heterojunction Field Effect Transistor:HFET)を実現することができる。このように、大電流動作が可能であるという特徴を活かしたGaN系電子デバイスの応用分野としてパワースイッチング素子が有望視されている。これを実用化するには、高耐圧化と、ゲート電極に電圧が印加されない状態で電流を流さないようにするノーマリオフ化とが強く求められる。 In particular, this GaN-based nitride semiconductor is generally formed in the (0001) plane of the plane orientation, for example, in a heterojunction made of AlGaN / GaN, it is 10 13 cm −2 or more due to the influence of polarization even if it is undoped. A great feature is that a high sheet carrier concentration can be obtained. Thereby, an AlGaN / GaN heterojunction field effect transistor (HFET) with a large drain current can be realized. Thus, power switching elements are promising as an application field of GaN-based electronic devices that take advantage of the feature of being capable of large current operation. In order to put this into practical use, there is a strong demand for a high breakdown voltage and a normally-off configuration that prevents current from flowing when no voltage is applied to the gate electrode.
以下、ノーマリオフ型と低オン抵抗化とを両立させる構造として、ゲート部にp型GaN層を形成した接合型電界効果トランジスタについて説明する(例えば、特許文献1を参照。)
図7は従来例に係るノーマリオフ化を実現する接合型電界効果トランジスタの断面構成を示している。図7に示すように、GaNからなるチャネル層2の上面には、AlGaNからなるバリア層4が形成されている。n型バリア層4の上には、ソース電極12とドレイン電極14とが形成され、ソース電極12とドレイン電極14との間には、p型GaNからなるp型ベース層6を介在させたゲート電極16が形成されている。
Hereinafter, a junction field effect transistor in which a p-type GaN layer is formed in a gate portion will be described as a structure that achieves both a normally-off type and a low on-resistance (see, for example, Patent Document 1).
FIG. 7 shows a cross-sectional configuration of a junction field effect transistor that realizes normally-off according to a conventional example. As shown in FIG. 7, a
ここでは、バリア層4の上にp型ベース層6を形成した後、塩素ガス等を用いたドライエッチングにより、p型ベース層6におけるゲート電極形成領域を除く領域を選択的にエッチングしている。
しかしながら、前記従来の接合型電界効果トランジスタは、p型ベース層6を構成するp型GaNとバリア層4を構成するAlGaNとを選択的にエッチングすることが困難である。このため、p型ベース層6の一部がエッチングされずに残るか、逆にバリア層4に対するオーバエッチングが生じる。その結果、トランジスタの電気的特性にばらつきが生じたり、製造歩留まりが悪化したりするという問題が生じる。
However, it is difficult for the conventional junction field effect transistor to selectively etch p-type GaN constituting the p-
本発明は、前記従来の問題を解決し、製造工程を簡略化しながらも、特性のばらつきがなく、信頼性に優れたノーマリオフ特性を有する窒化物半導体からなる半導体装置を実現できるようにすることを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems and to realize a semiconductor device made of a nitride semiconductor having normally-off characteristics with excellent characteristics and no variation in characteristics while simplifying the manufacturing process. Objective.
前記の目的を達成するため、本発明に係る第1の半導体装置は、ゲート電極の下側に設けるp型半導体層に六方晶のII−VI族化合物半導体を用いる構成とする。 In order to achieve the above object, a first semiconductor device according to the present invention is configured to use a hexagonal II-VI group compound semiconductor for a p-type semiconductor layer provided below a gate electrode.
具体的に、本発明に係る第1の半導体装置は、窒化物半導体からなる第1の半導体層と、第1の半導体層の上に形成され、第1の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体からなる第2の半導体層と、第2の半導体層の上に選択的に形成され、六方晶のII−VI族化合物半導体からなり且つp型の第3の半導体層と、第3の半導体層の上に形成されたゲート電極と、ゲート電極の両側方の領域に形成されたソース電極及びドレイン電極とを備えていることを特徴とする。 Specifically, a first semiconductor device according to the present invention is formed on a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor and the first semiconductor layer, and has a band gap energy larger than that of the first semiconductor layer. A second semiconductor layer made of a nitride semiconductor, a p-type third semiconductor layer made of a hexagonal II-VI group compound semiconductor and selectively formed on the second semiconductor layer; A gate electrode formed on the semiconductor layer, and a source electrode and a drain electrode formed on regions on both sides of the gate electrode.
本発明の第1の半導体装置によると、ゲート電極が形成される第3の半導体層として、六方晶のp型II−VI族化合物半導体を用いているため、第3の半導体層の下側に形成された窒化物半導体からなる第2の半導体層に対して選択的に加工することが容易となる。このため、電気的特性のばらつきが小さい信頼性に優れたノーマリオフ型の電界効果トランジスタを実現することができる。 According to the first semiconductor device of the present invention, since the hexagonal p-type II-VI compound semiconductor is used as the third semiconductor layer on which the gate electrode is formed, the lower side of the third semiconductor layer is used. It becomes easy to selectively process the formed second semiconductor layer made of a nitride semiconductor. Therefore, a normally-off field effect transistor with small variations in electrical characteristics and excellent reliability can be realized.
本発明の第1の半導体装置において、第3の半導体層には、Zn1−xMgxO(但し、xは0≦x<1である。)を用いることができる。 In the first semiconductor device of the present invention, Zn 1-x Mg x O (where x is 0 ≦ x <1) can be used for the third semiconductor layer.
本発明の第1の半導体装置において、第2の半導体層は凹部を有し、第3の半導体層は、凹部の底面を覆うように形成されていてもよい。 In the first semiconductor device of the present invention, the second semiconductor layer may have a recess, and the third semiconductor layer may be formed to cover the bottom surface of the recess.
このように、電子供給層である第2の半導体層におけるゲート電極形成領域を掘り込んだ構造とすることにより、チャネル層である第1の半導体層のキャリア濃度を低下させることなく、ゲート閾値電圧を正電圧側にシフトすることができる。これにより、ノーマリオフ化とオン抵抗の低減との両立が可能となり、また、電流コラプス現象を抑制することができる。 As described above, the structure in which the gate electrode formation region in the second semiconductor layer that is the electron supply layer is dug out allows the gate threshold voltage to be reduced without lowering the carrier concentration of the first semiconductor layer that is the channel layer. Can be shifted to the positive voltage side. As a result, it is possible to achieve both normally-off and reduction of on-resistance, and it is possible to suppress the current collapse phenomenon.
本発明の第1の半導体装置において、第3の半導体層は、少なくとも2層からなる積層構造を有していてもよい。 In the first semiconductor device of the present invention, the third semiconductor layer may have a stacked structure including at least two layers.
このようにすると、第3の半導体層におけるバンドギャップエネルギーを、例えばZnMgOにおけるMgの含有量により変化させることができるため、ゲート閾値電圧の制御をより広範囲に行うことができる。 In this case, since the band gap energy in the third semiconductor layer can be changed, for example, by the Mg content in ZnMgO, the gate threshold voltage can be controlled in a wider range.
本発明の第1の半導体装置は、第3の半導体層にZn1−xMgxO(但し、xは0≦x<1である。)を用いる場合に、第3の半導体層におけるMgの組成xの値は実質的に一定であり、第2の半導体層と第3の半導体層とは格子整合することが好ましい。 In the first semiconductor device of the present invention, when Zn 1-x Mg x O (where x is 0 ≦ x <1) is used for the third semiconductor layer, Mg in the third semiconductor layer The value of the composition x is substantially constant, and the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are preferably lattice-matched.
このようにすると、第3の半導体層の結晶性を向上することができる。 Thus, the crystallinity of the third semiconductor layer can be improved.
また、本発明の第1の半導体装置が、第3の半導体層にZn1−xMgxO(但し、xは0≦x<1である。)を用いる場合に、第3の半導体層におけるMgの組成xの値は、第2の半導体層側からゲート電極側に向けて大きくなるように形成されていてもよい。 In the case where the first semiconductor device of the present invention uses Zn 1-x Mg x O (where x is 0 ≦ x <1) in the third semiconductor layer, the third semiconductor layer includes The Mg composition x may be formed so as to increase from the second semiconductor layer side toward the gate electrode side.
このようにすると、第3の半導体層において格子定数が第2の半導体層側からゲート電極側に向かって大きくなるため、第3の半導体層にクラックを発生させることなく、ZnO/ZnMgOからなる積層構造を形成できるので、ZnMgOの組成設計によりゲート閾値電圧を制御することができる。 In this case, the lattice constant of the third semiconductor layer increases from the second semiconductor layer side to the gate electrode side, so that the stacked layer made of ZnO / ZnMgO does not generate cracks in the third semiconductor layer. Since the structure can be formed, the gate threshold voltage can be controlled by the composition design of ZnMgO.
また、本発明に係る第2の半導体装置は、ゲート電極の下側に設けるp型半導体層に、構成元素に酸素若しくは硫黄を含むデラフォサイト構造又はカルコゲナイド構造の化合物半導体を用いる構成とする。 In the second semiconductor device according to the present invention, a compound semiconductor having a delafossite structure or a chalcogenide structure containing oxygen or sulfur as a constituent element is used for the p-type semiconductor layer provided below the gate electrode.
具体的には、本発明に係る第2の半導体装置は、窒化物半導体からなる第1の半導体層と、第1の半導体層の上に形成され、第1の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体からなる第2の半導体層と、第2の半導体層の上に選択的に形成され、構成元素に酸素若しくは硫黄を含むデラフォサイト構造又はカルコゲナイド構造の化合物半導体からなり、且つp型の第3の半導体層と、第3の半導体層の上に形成されたゲート電極と、ゲート電極の両側方の領域に形成されたソース電極及びドレイン電極とを備えていることを特徴とする。 Specifically, a second semiconductor device according to the present invention is formed on a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor and the first semiconductor layer, and has a band gap energy higher than that of the first semiconductor layer. A second semiconductor layer made of a large nitride semiconductor, a compound semiconductor having a delafossite structure or a chalcogenide structure selectively formed on the second semiconductor layer and containing oxygen or sulfur as a constituent element, and p A third semiconductor layer of the type; a gate electrode formed on the third semiconductor layer; and a source electrode and a drain electrode formed in regions on both sides of the gate electrode. .
本発明の第2の半導体装置によると、ゲート電極が形成される第3の半導体層として、構成元素に酸素若しくは硫黄を含むデラフォサイト構造又はカルコゲナイド構造のp型化合物半導体化合物半導体を用いているため、第3の半導体層の下側に形成された窒化物半導体からなる第2の半導体層に対して選択的に加工することが容易となる。このため、電気的特性のばらつきが小さい信頼性に優れたノーマリオフ型の電界効果トランジスタを実現することができる。 According to the second semiconductor device of the present invention, a p-type compound semiconductor compound semiconductor having a delafossite structure or a chalcogenide structure containing oxygen or sulfur as a constituent element is used as the third semiconductor layer in which the gate electrode is formed. Therefore, it becomes easy to selectively process the second semiconductor layer made of the nitride semiconductor formed below the third semiconductor layer. Therefore, a normally-off field effect transistor with small variations in electrical characteristics and excellent reliability can be realized.
本発明の第2の半導体装置において、第3の半導体層は、構成元素に遷移金属元素を含むことが好ましい。 In the second semiconductor device of the present invention, the third semiconductor layer preferably includes a transition metal element as a constituent element.
この場合に、遷移金属は、Cuであることが好ましい。 In this case, the transition metal is preferably Cu.
本発明の第2の半導体装置において、第3の半導体層は、CuAlO2、SrCu2O2、LaCuOS及びLaCuOSeのうちのいずれかであることが好ましい。 In the second semiconductor device of the present invention, the third semiconductor layer is preferably any one of CuAlO 2 , SrCu 2 O 2 , LaCuOS, and LaCuOSe.
本発明に係る第1の半導体装置の製造方法は、基板の上に、窒化物半導体からなる第1の半導体層を形成する工程(a)と、第1の半導体層の上に、該第1の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体からなる第2の半導体層を形成する工程(b)と、第2の半導体層の上に、六方晶のII−VI族化合物からなり且つp型の第3の半導体層を形成する工程(c)と、工程(c)よりも後に、第3の半導体層におけるゲート電極形成領域を除く領域を選択的に除去する工程(d)と、第3半導体層の上にゲート電極を選択的に形成する工程(e)とを備えていることを特徴とする。 The first method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step (a) of forming a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor on a substrate, and a first semiconductor layer on the first semiconductor layer. A step (b) of forming a second semiconductor layer made of a nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the semiconductor layer, and a hexagonal II-VI group compound on the second semiconductor layer and p A step (c) of forming a third semiconductor layer of the mold, a step (d) of selectively removing a region excluding the gate electrode formation region in the third semiconductor layer after the step (c), And (e) a step of selectively forming a gate electrode on the three semiconductor layers.
本発明の第1の半導体装置の製造方法によると、第2の半導体層の上に六方晶のII−VI族化合物からなり且つp型の第3の半導体層を形成し、その後、第3の半導体層におけるゲート電極形成領域を除く領域を選択的に除去する。このため、第3の半導体層の下側に形成された窒化物半導体からなる第2の半導体層に対して第3の半導体層を選択的にエッチングすることができる。これにより、電気的特性のばらつきが小さい信頼性に優れたノーマリオフ型の電界効果トランジスタを実現することができる。 According to the first method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a p-type third semiconductor layer made of a hexagonal II-VI group compound and formed on the second semiconductor layer is formed. A region excluding the gate electrode formation region in the semiconductor layer is selectively removed. For this reason, the third semiconductor layer can be selectively etched with respect to the second semiconductor layer made of a nitride semiconductor formed below the third semiconductor layer. As a result, a normally-off field effect transistor with small variations in electrical characteristics and excellent reliability can be realized.
また、本発明に係る第2の半導体装置の製造方法は、基板の上に、窒化物半導体からなる第1の半導体層を形成する工程(a)と、第1の半導体層の上に、該第1の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体からなる第2の半導体層を形成する工程(b)と、第2の半導体層の上に、構成元素に酸素若しくは硫黄を含むデラフォサイト構造又はカルコゲナイド構造の化合物半導体からなり、且つp型の第3の半導体層を形成する工程(c)と、工程(c)よりも後に、第3の半導体層におけるゲート電極形成領域を除く領域を選択的に除去する工程(d)と、第3半導体層の上にゲート電極を選択的に形成する工程(e)とを備えていることを特徴とする。 The second method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step (a) of forming a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor on a substrate; A step (b) of forming a second semiconductor layer made of a nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the first semiconductor layer; and a delafolite containing oxygen or sulfur as a constituent element on the second semiconductor layer. Step (c) of forming compound semiconductor of site structure or chalcogenide structure and forming p-type third semiconductor layer, and region after gate electrode formation region in third semiconductor layer after step (c) A step (d) of selectively removing the gate electrode and a step (e) of selectively forming a gate electrode on the third semiconductor layer.
本発明の第2の半導体装置の製造方法によると、第2の半導体層の上に、構成元素に酸素若しくは硫黄を含むデラフォサイト構造又はカルコゲナイド構造の化合物半導体からなり、且つp型の第3の半導体層を形成し、その後、第3の半導体層におけるゲート電極形成領域を除く領域を選択的に除去する。このため、第3の半導体層の下側に形成された窒化物半導体からなる第2の半導体層に対して第3の半導体層を選択的にエッチングすることができる。これにより、電気的特性のばらつきが小さい信頼性に優れたノーマリオフ型の電界効果トランジスタを実現することができる。 According to the second method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the p-type third layer is made of a compound semiconductor having a delafossite structure or a chalcogenide structure containing oxygen or sulfur as a constituent element on the second semiconductor layer. After that, the region excluding the gate electrode formation region in the third semiconductor layer is selectively removed. For this reason, the third semiconductor layer can be selectively etched with respect to the second semiconductor layer made of a nitride semiconductor formed below the third semiconductor layer. As a result, a normally-off field effect transistor with small variations in electrical characteristics and excellent reliability can be realized.
本発明の第1又は第2の半導体装置の製造方法は、工程(d)において、第3の半導体層は、ウェットエッチングにより除去することが好ましい。 In the first or second method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, in the step (d), the third semiconductor layer is preferably removed by wet etching.
このようにすると、第3の半導体層を高い選択性でエッチングすることができ、また、エッチングによるダメージを低減することができる。 Thus, the third semiconductor layer can be etched with high selectivity, and damage caused by etching can be reduced.
本発明の第1又は第2の半導体装置の製造方法は、工程(c)において、第3の半導体層は、物理的気相堆積法により形成することができる。 In the manufacturing method of the first or second semiconductor device of the present invention, in the step (c), the third semiconductor layer can be formed by a physical vapor deposition method.
本発明の第1又は第2の半導体装置の製造方法は、工程(d)よりも後に、第2の半導体層における第3の半導体層の両側方の領域に、ソース電極及びドレイン電極をそれぞれ形成する工程(f)をさらに備えていてもよい。 In the manufacturing method of the first or second semiconductor device of the present invention, after the step (d), the source electrode and the drain electrode are respectively formed in regions on both sides of the third semiconductor layer in the second semiconductor layer. The process (f) to perform may be further provided.
本発明の第1又は第2の半導体装置の製造方法は、工程(f)において、ソース電極及びドレイン電極は、第1の半導体層にも接するように形成してもよい。 In the manufacturing method of the first or second semiconductor device of the present invention, in the step (f), the source electrode and the drain electrode may be formed so as to be in contact with the first semiconductor layer.
本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、電気的特性のばらつきを抑え、且つ製造歩留まりが高いノーマリオフ特性を有する半導体装置を実現することができる。 According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, it is possible to realize a semiconductor device having normally-off characteristics that suppresses variations in electrical characteristics and has a high manufacturing yield.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置であって、ヘテロ接合電界効果トランジスタの断面構成を模式的に示している。 FIG. 1 is a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, and schematically shows a cross-sectional configuration of a heterojunction field effect transistor.
図1に示すように、第1の実施形態に係る電界効果トランジスタは、シリコン、サファイア、又は窒化ガリウム(GaN)等のIII族窒化物半導体が結晶成長可能な基板101の主面上に順次形成された、GaN又は窒化アルミニウム(AlN)等からなるバッファ層102と、厚さが約3μmのアンドープGaNからなるチャネル層103と、厚さが25nmのAl0.15Ga0.85Nからなる電子供給層104とを有している。
As shown in FIG. 1, the field effect transistor according to the first embodiment is sequentially formed on the main surface of a
電子供給層104の上には、厚さが200nmでp型不純物を含む酸化亜鉛(ZnO)からなるp型半導体層105が選択的に形成されている。p型半導体層105の上には、該p型半導体層105とオーミック接合し、例えばパラジウム(Pd)からなるゲート電極106が設けられている。また、電子供給層104の上におけるp型半導体層105の両側方の領域には、それぞれチタン(Ti)/アルミニウム(Al)からなるソース電極107及びドレイン電極108が設けられている。なお、ソース電極107及びドレイン電極108は、電子供給層104を掘り込むように形成することにより、各電極107、108の下部がチャネル層103とそれぞれ接するように設けてもよい。
A p-
また、素子形成領域の周囲には、例えばホウ素(B)等のイオンを注入して高抵抗化された素子分離領域109を形成している。
Further, around the element formation region, an
以下、前記のように構成された電界効果トランジスタの製造方法について図2(a)〜図2(e)を用いて説明する。 Hereinafter, a method of manufacturing the field effect transistor configured as described above will be described with reference to FIGS.
まず、図2(a)に示すように、例えば有機金属気相成長(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)法により、基板101の主面上に、バッファ層102、アンドープGaNからなるチャネル層103及びAl0.15Ga0.85Nからなる電子供給層104を順次エピタキシャル成長する。
First, as shown in FIG. 2A, a
次に、図2(b)に示すように、エピタキシャル成長した半導体層における素子形成領域の周囲で且つ電子供給層104からチャネル層103に至る領域に、例えばホウ素イオンをイオン注入することにより、素子分離領域109を形成する。
Next, as shown in FIG. 2B, element isolation is performed by implanting boron ions, for example, into the region from the
次に、図2(c)に示すように、例えばスパッタ法又はパルスレーザ蒸着(Pulsed Laser Deposition:PLD)法等の物理的気相堆積法により、素子分離領域109を含む電子供給層104の上に、厚さが200nmのp型ZnO層105Aを形成する。ここで、p型ドーパントには、例えば窒素(N)又は砒素(As)等を用いることができる。ZnOは、GaN又はAlNと格子定数が近いため、AlGaNからなる電子供給層104の上に結晶性及び平坦性に優れたp型ZnO層105Aを形成することができる。
Next, as shown in FIG. 2C, the
次に、図2(d)に示すように、リソグラフィ法及び硝酸(HNO3)を用いたウェットエッチング法により、p型ZnO層105Aにおけるゲート電極形成領域を除く領域を選択的にエッチングして、p型ZnO層105Aからp型半導体層105を形成する。このとき、窒化物半導体であるGaN及びAlGaNは硝酸ではエッチングされないため、p型ZnO層105Aのみを選択的にエッチングすることができる。従って、p型ZnO層105Aのエッチング残り又は電子供給層104に対するオーバエッチによる製造歩留まりの悪化及び電気的特性のばらつきを防止することができる。また、ウェットエッチは、ドライエッチと比較してエッチング界面に生じる欠陥を少なくすることができる。
Next, as shown in FIG. 2D, a region except the gate electrode formation region in the p-
次に、リソグラフィ法により、p型半導体層105を含む電子供給層104の上に、ソース電極及びドレイン電極の各電極形成領域に開口部を有するレジストパターン(図示せず)を形成する。続いて、電子ビーム蒸着法により、開口部を含むレジストパターンの上に、Ti/Alからなる積層膜を堆積し、その後、レジストパターンを除去する、いわゆるリフトオフ法により、図2(e)に示すように、Ti/Alからなるソース電極107及びドレイン電極108をそれぞれ形成する。続いて、電子ビーム蒸着法及びリフトオフ法により、p型半導体層105上に、Pdからなるゲート電極106を選択的に形成する。
Next, a resist pattern (not shown) having openings in the electrode formation regions of the source electrode and the drain electrode is formed on the
なお、第1の実施形態においては、p型半導体層105に、Mgを含むp型Zn1−xMgxO(但し、xは0≦x<1である。)を用いてもよい。このとき、Mgの組成xの値は、実質的に一定とし、p型Zn1−xMgxOからなるp型半導体層105とAlGaNからなる電子供給層104とを格子整合させることが好ましい。このようにすると、電子供給層104の組成を変えた場合であっても、p型半導体層105のMg含有量を調整することにより、該p型半導体層105を電子供給層104に格子整合させることができるため、p型半導体層105の結晶性が向上する。
In the first embodiment, p-type Zn 1-x Mg x O containing Mg (where x is 0 ≦ x <1) may be used for the p-
ここで、Mgの組成xの値が実質的に一定であるとは、必ずしも厳密に一定値である必要はなく、p型半導体層105と電子供給層104との間で格子不整合が生じない程度には変化していてもよい。例えば、Mgの組成xの値の最大値と最小値とが、組成xの値の平均値に対し、±5%以内(すなわち、組成xの平均値が0.5のときはx=0.525〜0.475)であることが好ましく、±1%以内であれば、さらに好ましい。Mgの組成x=0、すなわちp型半導体層105がMgを含まない場合は、Mgの含有量が測定値のバックグラウンド以下であればよい。
Here, the value of the Mg composition x being substantially constant does not necessarily have to be strictly constant, and no lattice mismatch occurs between the p-
以上説明したように、第1の実施形態によると、ゲート電極106と接合するp型半導体層105に、六方晶のII−VI族化合物半導体、例えばp型Zn1−xMgxO(但し、xは0≦x<1である。)を形成することにより、p型半導体層105の下側に形成される、AlGaNからなる電子供給層104に対して選択的にパターニングすることを容易に行えるようになる。その結果、トランジスタの電気的特性のばらつきを抑えられる共に、製造歩留まりが高いノーマリオフ特性を有する接合型電界効果トランジスタを得ることができる。
As described above, according to the first embodiment, the p-
(第1の実施形態の第1変形例)
以下、本発明の第1の実施形態の第1変形例について図面を参照しながら説明する。
(First modification of the first embodiment)
Hereinafter, a first modification of the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図3は本発明の第1の実施形態の第1変形例に係る半導体装置であって、ヘテロ接合電界効果トランジスタの断面構成を模式的に示している。図3において、図1に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。 FIG. 3 is a semiconductor device according to a first modification of the first embodiment of the present invention, and schematically shows a cross-sectional configuration of a heterojunction field effect transistor. In FIG. 3, the same components as those shown in FIG.
第1変形例においては、Al0.15Ga0.85Nからなる電子供給層104Aとして、その厚さを50nmとし、さらに、p型半導体層105の形成領域に例えば深さが30nmの凹部104aを設けている。
In the first modification, the
厚さが200nmのp型ZnOからなるp型半導体層105は、その下部を電子供給層104Aに設けられた凹部104aに充填されるように形成されている。
The p-
以下、前記のように構成された電界効果トランジスタの製造方法について図4(a)〜図4(f)を用いて説明する。 Hereinafter, a method of manufacturing the field effect transistor configured as described above will be described with reference to FIGS.
まず、図4(a)に示すように、例えばMOCVD法により、基板101の主面上に、バッファ層102、アンドープGaNからなるチャネル層103及びAl0.15Ga0.85Nからなる電子供給層104Aを順次エピタキシャル成長する。
First, as shown in FIG. 4A, an electron supply made of a
次に、図4(b)に示すように、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、厚さが50nmの電子供給層104Aに深さが30nmの凹部104aを形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, a
次に、図4(c)に示すように、エピタキシャル成長した半導体層における素子形成領域の周囲で且つ電子供給層104Aからチャネル層103に至る領域に、例えばホウ素イオンをイオン注入することにより、素子分離領域109を形成する。
Next, as shown in FIG. 4C, element isolation is performed by implanting boron ions, for example, into the region from the
次に、図4(d)に示すように、例えばスパッタ法又はPLD法により、素子分離領域109及び凹部104aを含む電子供給層104Aの上に、厚さが200nmのp型ZnO層105Aを形成する。
Next, as shown in FIG. 4D, a p-
次に、図4(e)に示すように、リソグラフィ法及びHNO3を用いたウェットエッチング法により、p型ZnO層105Aにおけるゲート電極形成領域を除く領域を選択的にエッチングして、p型ZnO層105Aからp型半導体層105を形成する。このとき、前述したように、GaN及びAlGaNは硝酸ではエッチングされないため、p型ZnO層105Aのみを選択的にエッチングすることができる。
Next, as shown in FIG. 4E, a region except the gate electrode formation region in the p-
次に、図4(f)に示すように、第1の実施形態と同様に、電子供給層104Aの上におけるp型半導体層105の両側方の領域に、Ti/Alからなるソース電極107及びドレイン電極108をそれぞれ形成する。続いて、p型半導体層105の上に、Pdからなるゲート電極106を選択的に形成する。
Next, as shown in FIG. 4F, similarly to the first embodiment, the
このように、第1変形例によると、電子供給層104Aにおけるゲート電極106の下方の領域に凹部104aを形成し、形成した凹部104aにp型半導体層105の下部を形成している。これにより、チャネル層103におけるキャリア濃度を低下させることなく、ゲート閾値電圧を正電圧側にシフトすることができるため、ノーマリオフ化をより確実に行えるようになる。
As described above, according to the first modification, the
(第1の実施形態の第2変形例)
以下、本発明の第1の実施形態の第2変形例について図面を参照しながら説明する。
(Second modification of the first embodiment)
Hereinafter, a second modification of the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図5は本発明の第1の実施形態の第2変形例に係る半導体装置であって、ヘテロ接合電界効果トランジスタの断面構成を模式的に示している。図5において、図1に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。 FIG. 5 is a semiconductor device according to a second modification of the first embodiment of the present invention, and schematically shows a cross-sectional configuration of a heterojunction field effect transistor. In FIG. 5, the same components as those shown in FIG.
第2変形例においては、p型ZnOからなるp型半導体層105とゲート電極106との間に、p型のZn1−xMgxO(但し、xは0<x<1である。)層110を設けている。
In the second modification, p-type Zn 1-x Mg x O is provided between the p-
ここで、p型半導体層105の厚さは、例えば20nmであり、Zn1−xMgxO層110の厚さは、例えば180nmである。
Here, the thickness of the p-
このようにすると、酸化亜鉛マグネシウム(ZnMgO)は、酸化亜鉛(ZnO)よりもバンドギャップエネルギーが大きいため、ゲート電極106の下側部分でのポテンシャルエネルギーの持ち上がり量(増加量)を大きくできる。このため、ゲート閾値電圧を正電圧側にシフトさせたノーマリオフ状態をより確実に実現することができる。
In this manner, since zinc magnesium oxide (ZnMgO) has a larger band gap energy than zinc oxide (ZnO), the amount of increase (increase) in potential energy at the lower portion of the
また、AlGaNからなる電子供給層104側にp型ZnOからなるp型半導体層105を設け、且つ、ゲート電極106側にZn1−xMgxO層110を設けている。これにより、電子供給層104側からゲート電極106側に向けて、Zn1−xMgxO層110におけるMgの組成xの値が大きくなる構成となる。ZnMgOはZnOと比べて格子定数が大きいため、クラックを発生させることなく、ZnO/ZnMgOからなる積層構造を形成することができる。従って、Zn1−xMgxO層110の組成設計により、ゲート閾値電圧を制御することができる。
A p-
なお、Zn1−xMgxO層110を形成するには、p型ZnOからなるp型半導体層105を成長した後に、p型半導体層105の上に、原料に所定量のMgを追加して成長すればよい。
In order to form the Zn 1-x Mg x O layer 110, after a p-
以上により、高耐圧且つ大電流動作が可能なノーマリオフ型電界効果トランジスタを実現することができる。 As described above, a normally-off type field effect transistor capable of high withstand voltage and large current operation can be realized.
(第1の実施形態の第3変形例)
以下、本発明の第1の実施形態の第3変形例について図面を参照しながら説明する。
(Third Modification of First Embodiment)
Hereinafter, a third modification of the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図6は本発明の第1の実施形態の第3変形例に係る半導体装置であって、ヘテロ接合電界効果トランジスタの断面構成を模式的に示している。図6において、図1及び図3に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。 FIG. 6 is a semiconductor device according to a third modification of the first embodiment of the present invention, and schematically shows a cross-sectional configuration of a heterojunction field effect transistor. In FIG. 6, the same components as those shown in FIG. 1 and FIG.
第3変形例においては、第1変形例と同様に、Al0.15Ga0.85Nからなる電子供給層104Aとして、その厚さを50nmとし、さらに、p型半導体層105の形成領域に例えば深さが30nmの凹部104aを設けている。
In the third modified example, as in the first modified example, the
厚さが20nmのp型ZnOからなるp型半導体層105は、その下部を電子供給層104Aに設けられた凹部104aに充填されるように形成されている。さらに、第2変形例と同様に、p型半導体層105の上に、厚さが180nmのp型のZn1−xMgxO(但し、xは0<x<1である。)層110を設けている。
The p-
このようにすると、ZnMgOは、ZnOよりもバンドギャップエネルギーが大きいため、ゲート電極106の下側部分でのポテンシャルエネルギーの持ち上がり量(増加量)を大きくでき、ゲート閾値電圧を正電圧側にシフトさせたノーマリオフ状態をより確実に実現することができる。
In this way, since ZnMgO has a larger band gap energy than ZnO, the amount of increase (increase) in potential energy at the lower portion of the
また、AlGaNからなる電子供給層104側にp型ZnOからなるp型半導体層105を設け、且つ、ゲート電極106側にZn1−xMgxO層110を設けている。これにより、電子供給層104側からゲート電極106側に向けて、Zn1−xMgxO層110におけるMgの組成xの値が大きくなる構成となる。ZnMgOはZnOと比べて格子定数が大きいため、クラックを発生させることなく、ZnO/ZnMgOからなる積層構造を形成することができる。従って、Zn1−xMgxO層110の組成設計により、ゲート閾値電圧を制御することができる。
A p-
また、電子供給層104におけるゲート電極106の下方の領域を掘り込んで凹部104aを形成することにより、チャネル層103におけるキャリア濃度を低下させることなく、ゲート閾値電圧を正電圧側にシフトすることができる。
Further, by digging a region below the
以上により、高耐圧且つ大電流動作が可能なノーマリオフ型電界効果トランジスタを実現することができる。 As described above, a normally-off type field effect transistor capable of high withstand voltage and large current operation can be realized.
なお、第1の実施形態及びその変形例において、p型半導体層105にp型ZnO層を用いたが、これに限られず、結晶構造が六方晶であって、他のp型のII−VI族化合物半導体を用いることができ、例えば、硫化亜鉛(ZnS)、硫化カドミウム(CdS)又はセレン化カドミウム(CdSe)等を用いることができる。
In the first embodiment and the modification thereof, the p-type ZnO layer is used for the p-
なお、第1の実施形態及びその変形例において、p型半導体層105にp型ZnO層を用いたが、これに限られず、ZnO以外の六方晶のp型II−VI族化合物半導体を用いてもよい。六方晶であれば、窒化物半導体からなる第2の半導体層と結晶構造が同一であるため、第2の半導体層の上に直接形成した場合でも格子整合させることが容易である。例えば、硫化亜鉛(ZnS)、硫化カドミウム(CdS)又はセレン化カドミウム(CdSe)等を用いることができる。
In the first embodiment and the modifications thereof, the p-type ZnO layer is used as the p-
また、第1の実施形態及びその変形例において、p型半導体層105に、構成元素に酸素若しくは硫黄を含む他のp型化合物半導体を用いても良く、ZnOと同様にp型層の選択エッチングを容易に実現することができる。さらに、構成元素に遷移金属を含むデラフォサイト構造又はカルコゲナイド構造の化合物半導体とすることがより望ましい。例えば、CuAlO2、SrCu2O2、LaCuOS又はLaCuOSe等を用いることにより、第2の窒化物半導体層と良好な接合を実現でき、p型化も比較的容易に実現することができる。
In the first embodiment and its modifications, the p-
本発明に係る半導体装置及びその製造方法は、電気的特性のばらつきを抑え且つ製造歩留まりが高いノーマリオフ特性を有する接合型電界効果トランジスタを実現することができ、窒化物半導体からなる半導体装置及びその製造方法等に有用である。 The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention can realize a junction field effect transistor having a normally-off characteristic that suppresses variations in electrical characteristics and has a high manufacturing yield, and a semiconductor device made of a nitride semiconductor and its manufacturing Useful for methods and the like.
101 基板
102 バッファ層
103 チャネル層
104 電子供給層
104a 凹部
105 p型半導体層
106 ゲート電極
107 ソース電極
108 ドレイン電極
109 素子分離領域
110 Zn1−xMgxO層
101
Claims (16)
前記第1の半導体層の上に形成され、前記第1の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体からなる第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上に選択的に形成され、六方晶のII−VI族化合物半導体からなり且つp型の第3の半導体層と、
前記第3の半導体層の上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側方の領域に形成されたソース電極及びドレイン電極とを備えていることを特徴とする半導体装置。 A first semiconductor layer made of a nitride semiconductor;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and made of a nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the first semiconductor layer;
A p-type third semiconductor layer selectively formed on the second semiconductor layer and made of a hexagonal II-VI group compound semiconductor;
A gate electrode formed on the third semiconductor layer;
A semiconductor device comprising a source electrode and a drain electrode formed in regions on both sides of the gate electrode.
前記第3の半導体層は、前記凹部の底面を覆うように形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 The second semiconductor layer has a recess;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the third semiconductor layer is formed so as to cover a bottom surface of the recess.
前記第2の半導体層と前記第3の半導体層とは格子整合することを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。 The value of the Mg composition x in the third semiconductor layer is substantially constant;
5. The semiconductor device according to claim 2, wherein the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are lattice-matched.
前記第1の半導体層の上に形成され、前記第1の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体からなる第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上に選択的に形成され、構成元素に酸素若しくは硫黄を含むデラフォサイト構造又はカルコゲナイド構造の化合物半導体からなり、且つp型の第3の半導体層と、
前記第3の半導体層の上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側方の領域に形成されたソース電極及びドレイン電極とを備えていることを特徴とする半導体装置。 A first semiconductor layer made of a nitride semiconductor;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and made of a nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the first semiconductor layer;
A p-type third semiconductor layer which is selectively formed on the second semiconductor layer, is made of a compound semiconductor having a delafossite structure or a chalcogenide structure containing oxygen or sulfur as a constituent element;
A gate electrode formed on the third semiconductor layer;
A semiconductor device comprising a source electrode and a drain electrode formed in regions on both sides of the gate electrode.
前記第1の半導体層の上に、該第1の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体からなる第2の半導体層を形成する工程(b)と、
前記第2の半導体層の上に、六方晶のII−VI族化合物からなり且つp型の第3の半導体層を形成する工程(c)と、
前記工程(c)よりも後に、前記第3の半導体層におけるゲート電極形成領域を除く領域を選択的に除去する工程(d)と、
前記第3半導体層の上にゲート電極を選択的に形成する工程(e)とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A step (a) of forming a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor on a substrate;
Forming a second semiconductor layer made of a nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the first semiconductor layer on the first semiconductor layer;
A step (c) of forming a p-type third semiconductor layer comprising a hexagonal II-VI group compound on the second semiconductor layer;
A step (d) of selectively removing a region excluding the gate electrode formation region in the third semiconductor layer after the step (c);
And a step (e) of selectively forming a gate electrode on the third semiconductor layer.
前記第1の半導体層の上に、該第1の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体からなる第2の半導体層を形成する工程(b)と、
前記第2の半導体層の上に、構成元素に酸素若しくは硫黄を含むデラフォサイト構造又はカルコゲナイド構造の化合物半導体からなり、且つp型の第3の半導体層を形成する工程(c)と、
前記工程(c)よりも後に、前記第3の半導体層におけるゲート電極形成領域を除く領域を選択的に除去する工程(d)と、
前記第3半導体層の上にゲート電極を選択的に形成する工程(e)とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A step (a) of forming a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor on a substrate;
Forming a second semiconductor layer made of a nitride semiconductor having a band gap energy larger than that of the first semiconductor layer on the first semiconductor layer;
A step (c) of forming a p-type third semiconductor layer comprising a compound semiconductor having a delafossite structure or a chalcogenide structure containing oxygen or sulfur as a constituent element on the second semiconductor layer;
A step (d) of selectively removing a region excluding the gate electrode formation region in the third semiconductor layer after the step (c);
And a step (e) of selectively forming a gate electrode on the third semiconductor layer.
前記第2の半導体層における前記第3の半導体層の両側方の領域に、ソース電極及びドレイン電極をそれぞれ形成する工程(f)をさらに備えていることを特徴とする請求項11又は12に記載の半導体装置の製造方法。 After the step (d),
The step (f) of forming a source electrode and a drain electrode in regions on both sides of the third semiconductor layer in the second semiconductor layer, respectively, is further provided. Semiconductor device manufacturing method.
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