JP2011061094A - Method of manufacturing field effect transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パワーエレクトロニクス用デバイスや高周波増幅デバイスとして用いられる窒化物系化合物半導体からなる電界効果トランジスタの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a field effect transistor made of a nitride compound semiconductor used as a power electronics device or a high frequency amplification device.
化学式AlxInyGa1-x-yAsuPvN1-u-v(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1、0≦u<1、0≦v<1、u+v<1)で表されるIII−V族窒化物系化合物に代表されるワイドバンドギャップ半導体は、高い絶縁破壊耐圧、良好な電子輸送特性、良好な熱伝導度を持つので、高温環境用、大パワー用、あるいは高周波用半導体デバイスの材料として非常に魅力的である。また、たとえばAlGaN/GaNヘテロ接合構造を有する電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)は、ピエゾ効果によって、ヘテロ接合界面に2次元電子ガスが発生している。この2次元電子ガスは、高い電子移動度とキャリア密度を有しているため、AlGaN/GaNヘテロ構造を用いたヘテロ接合FET(HFET)は、低いオン抵抗、および速いスイッチング速度を持ち、高温動作が可能である。これらの特徴は、パワースイッチング応用に非常に好適である。 Formula Al x In y Ga 1-xy As u P v N 1-uv ( although, 0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1,0 ≦ u <1,0 ≦ v <1, u + v < Wide band gap semiconductors represented by III-V group nitride compounds represented by 1) have high dielectric breakdown voltage, good electron transport properties, and good thermal conductivity. It is very attractive as a material for semiconductor devices for high frequency or high frequency applications. For example, in a field effect transistor (FET) having an AlGaN / GaN heterojunction structure, a two-dimensional electron gas is generated at the heterojunction interface due to the piezoelectric effect. Since this two-dimensional electron gas has a high electron mobility and carrier density, a heterojunction FET (HFET) using an AlGaN / GaN heterostructure has a low on-resistance and a high switching speed, and operates at a high temperature. Is possible. These features are very suitable for power switching applications.
通常のAlGaN/GaN HFETは、ゲートにバイアスが印加されていないときに電流が流れ、ゲートに負電位を印加することによって電流が遮断されるノーマリーオン型デバイスである。一方、パワースイッチング応用においては、デバイスが壊れたときの安全性確保のために、ゲートにバイアスが印加されていないときには電流が流れず、ゲートに正電位を印加することによって電流が流れるノーマリオフ型デバイスが好ましい。そこで、ノーマリオフ型デバイスを実現するためにMOS構造を採用した電界効果トランジスタ(MOSFET)が開示されている(非特許文献1、特許文献1参照)。
A normal AlGaN / GaN HFET is a normally-on type device in which a current flows when a bias is not applied to the gate, and the current is interrupted by applying a negative potential to the gate. On the other hand, in power switching applications, in order to ensure safety when the device breaks, a normally-off type device in which no current flows when no bias is applied to the gate and a current flows by applying a positive potential to the gate Is preferred. Therefore, a field effect transistor (MOSFET) employing a MOS structure to realize a normally-off device has been disclosed (see Non-Patent
ところで、窒化化合物半導体からなるMOS型FET(MOSFET)におけるゲート長はたとえば20μm程度である(特許文献2参照)。低オン抵抗や高速動作を実現するためには、ゲート長がよりいっそう短いことが好ましい。 Incidentally, the gate length of a MOS FET (MOSFET) made of a nitride compound semiconductor is, for example, about 20 μm (see Patent Document 2). In order to realize low on-resistance and high-speed operation, it is preferable that the gate length be much shorter.
しかしながら、従来の技術では、ゲート長は、デバイスのパターン形成をするための露光装置の露光パターンの最小線幅よりも短くすることは困難である。したがって、ゲート長を短くしたい場合は、より最小線幅が狭い高価な露光装置が必要となるため、製造コストが高くなるという問題があった。 However, in the conventional technique, it is difficult to make the gate length shorter than the minimum line width of the exposure pattern of the exposure apparatus for forming the pattern of the device. Therefore, when it is desired to shorten the gate length, an expensive exposure apparatus with a narrower minimum line width is required, which raises a problem that the manufacturing cost increases.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ゲート長が短い電界効果トランジスタを低コストで製造できる電界効果トランジスタの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a field effect transistor capable of manufacturing a field effect transistor having a short gate length at low cost.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法は、MOS構造を有し、窒化物系化合物半導体からなる電界効果トランジスタの製造方法であって、基板上に、窒化物系化合物半導体からなるチャネル層および該チャネル層上に積層した上部層を含む半導体層を形成する半導体層形成工程と、前記半導体層の一部領域を少なくとも前記上部層から前記チャネル層に到る深さまでエッチングして、該チャネル層の表面の一部を底面部とし、エッチングによって露出した前記半導体層の側面を側壁部とする段差部を形成する段差部形成工程と、前記段差部を含む前記半導体層の表面を覆うようにマスク層を形成し、該マスク層をエッチバックして該段差部のマスク層を残留させたマスク部を形成するマスク部形成工程と、イオン注入法によって、前記底面部の前記マスク部を除く領域にコンタクト領域を形成するコンタクト領域形成工程と、前記マスク部を除去した後に、少なくとも前記段差部の前記底面部と前記側壁部とを覆うようにゲート絶縁膜およびゲート電極を順次形成するゲート部形成工程と、を含むことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a method of manufacturing a field effect transistor according to the present invention is a method of manufacturing a field effect transistor having a MOS structure and made of a nitride-based compound semiconductor. A semiconductor layer forming step of forming a semiconductor layer including a channel layer made of a nitride-based compound semiconductor and an upper layer laminated on the channel layer; and a partial region of the semiconductor layer from at least the upper layer to the channel Etching to a depth reaching the layer, forming a step portion having a part of the surface of the channel layer as a bottom portion and a side portion of the side surface of the semiconductor layer exposed by etching as a side portion; and A mask layer is formed so as to cover the surface of the semiconductor layer including the portion, and the mask layer is etched back to form a mask portion in which the mask layer of the step portion remains. A contact region forming step of forming a contact region in a region excluding the mask portion of the bottom surface portion by ion implantation, and at least the bottom surface portion of the stepped portion after removing the mask portion And a gate part forming step of sequentially forming a gate insulating film and a gate electrode so as to cover the side wall part.
また、本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法は、上記発明において、前記マスク部形成工程において、PCVD法によってSiO2からなる前記マスク層を形成し、異方性ドライエッチングによって該マスク層をエッチングすることを特徴とする。 In the field effect transistor manufacturing method according to the present invention, in the above invention, in the mask portion forming step, the mask layer made of SiO 2 is formed by a PCVD method, and the mask layer is etched by anisotropic dry etching. It is characterized by doing.
また、本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法は、上記発明において、前記マスク層の厚さが250〜3750nmであることを特徴とする。 The field effect transistor manufacturing method according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the mask layer has a thickness of 250 to 3750 nm.
本発明によれば、露光装置の最小線幅に依存せずに、ゲート長が短い電界効果トランジスタを低コストで製造できるという効果を奏する。 According to the present invention, a field effect transistor having a short gate length can be produced at low cost without depending on the minimum line width of the exposure apparatus.
以下に、図面を参照して本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Embodiments of a method for producing a field effect transistor according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態に係る製造方法により製造するMOSFETの模式的な断面図である。このMOSFET100は、GaN、サファイア、SiC、(111)面を主面とするSiなどからなる基板1上に、AlN層を最下層としてAlN層とGaN層とを交互に積層したバッファ層2と、アンドープのu−GaNからなるチャネル層3と、AlGaNからなる上部層としての電子供給層4とが順次形成されている。チャネル層3と電子供給層4とはAlGaN/GaNヘテロ構造を形成しており、チャネル層3の界面近傍には2次元電子ガスが発生している。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a MOSFET manufactured by a manufacturing method according to an embodiment of the present invention. The
このMOSFET100は、電子供給層4からチャネル層3に至る深さまでの半導体層が、一部の領域において除去されており、チャネル層3の表面の一部を底面部5aとし、上記除去により露出した側面を側壁部5bとする段差部5が形成されている。段差部5の底面部5aの一部には、チャネル層3の内部にわたってn+−GaNからなるコンタクト領域6が形成されている。また、チャネル層3の表面から段差部5、および電子供給層4の表面にわたってゲート絶縁膜7が形成されている。ゲート絶縁膜7上には、電子供給層4の一部、段差部5の側壁部5b、およびコンタクト領域6と側壁部5bとの間の領域を覆うようにゲート電極8が形成されており、ゲート部Gが形成されている。また、コンタクト領域6に接触するようにソース電極9が形成されている。また、電子供給層4上にドレイン電極10が形成されている。
In this
このMOSFET100においては、チャネル層3内におけるコンタクト領域6と段差部5の側壁部5bとの間の領域がチャネル領域11となる。このMOSFET100は、以下に説明する本実施の形態に係る製造方法によって、このチャネル領域11の幅すなわちゲート長を、露光装置の最小線幅に依存せず短くすることができる。
In this
以下、本実施の形態に係る製造方法について、図2〜図8を用いて具体的に説明する。はじめに、図2に示すように、基板1上に、バッファ層2、チャネル層3、およびチャネル層3上に積層した上部層である電子供給層4を、たとえばMOCVD法によって順次エピタキシャル成長する。なお、各層の原料としては、TMGa、TMAl、NH3等を適宜組み合わせて用いる。その後、電子供給層4上に、たとえばSiO2などの誘電体膜からなるマスク層M1を形成する。なお、マスク層M1は、たとえばSiH4とN2Oを用いて、プラズマ化学気相成長(PCVD)法により500nmの厚さで形成する。
Hereinafter, the manufacturing method according to the present embodiment will be specifically described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 2, a
つぎに、マスク層M1上にレジストRを塗布し、フォトリソグラフィによって、レジストRに対して段差部5を形成するためのパターニングを行う。そして、図3に示すように、このパターニングしたレジストRをマスクとして、マスク層M1、および電子供給層4の表面から電子供給層4の厚さ以上の深さ、すなわち少なくともチャネル層3に到る深さまでエッチング除去し、底面部5aと側壁部5bとからなる段差部5を形成する。なお、マスク層M1のエッチングには緩衝フッ酸等を用いるのが好適である。また、電子供給層4およびチャネル層3のエッチングには塩素系ガスを用いたICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)−RIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)等のドライエッチング法を用いるのが好適である。
Next, a resist R is applied on the mask layer M1, and patterning for forming the
レジストRを除去した後、図4に示すように、SiO2などの誘電体膜からなるマスク層M2を形成する。このマスク層M2は全面に形成し、段差部5を覆い、かつマスク層M1を介して電子供給層4を覆うようにする。また、マスク層M2の厚さはたとえば750nmとする。なお、マスク層M2を形成する際に、マスク層M2の厚さが段差部5の底面部5aおよび側壁部5b、並びに電子供給層4の表面において略同じ厚さとなるように適宜成膜の条件を設定することが好ましい。
After removing the resist R, a mask layer M2 made of a dielectric film such as SiO 2 is formed as shown in FIG. The mask layer M2 is formed on the entire surface, covers the
つぎに、図5に示すように、たとえばCF4ガスを用いたICP−RIEによりマスク層M2をエッチバックする。このエッチバックは、少なくとも段差部5の底面部5aが露出するまで行なう。
Next, as shown in FIG. 5, the mask layer M2 is etched back by ICP-RIE using, for example, CF 4 gas. This etch back is performed until at least the
ここで、RIEによるエッチングでは、圧力が低いため、エッチングイオンは基板面に略垂直に入射する。エッチングガスの入射方向から見た場合、マスク層M2のうち、段差部5の側壁部5bに沿って形成された部分の厚さは、750nmに側壁部5bの長さを加算した厚さとなっている。一方、マスク層M2のうち、その他の部分の厚さは750nmである。そのため、段差部5の底面部5aが露出するまでエッチバックを行った場合には、マスク層M2のうち基板の主面に対して厚さが750nmの部分は除去されるが、側壁部5bに沿って形成された部分(以下、マスク部M2aとする)は残留する。したがって、このマスク部M2aは、段差部5の底面部5aの一部領域5aaと側壁部5bとを覆うこととなる。なお、エッチングイオンは基板の側面側からは殆ど入射しないため、底面5aに沿った方向におけるマスク部M2aの幅(領域5aaの幅)は、マスク層M2の厚さである750nmに略等しい600nm程度となる。
Here, since the pressure is low in the etching by RIE, the etching ions are incident on the substrate surface substantially perpendicularly. When viewed from the incident direction of the etching gas, the thickness of the portion of the mask layer M2 formed along the
つぎに、図6に示すように、全面にたとえばSiO2からなるスクリーン酸化膜M3を20nmの厚さで成膜する。その後、全面にn型ドーパントであるSiイオンをイオン注入する。なお、注入エネルギーは、スクリーン酸化膜M3と底面5aとの界面が最高の濃度となるように設定し、ドーズ量はたとえば1×1015cm−2とする。このとき、マスク部M2aがイオン注入のマスクとなるので、Siイオンは、底面5aのうち、マスク部M2aで覆われた領域5aa以外の領域において、チャネル層3に注入される。なお、電子供給層4へのイオン注入は、マスク層M1によって防止される。
Next, as shown in FIG. 6, a screen oxide film M3 made of, for example, SiO 2 is formed to a thickness of 20 nm on the entire surface. Thereafter, Si ions, which are n-type dopants, are implanted into the entire surface. The implantation energy is set so that the interface between the screen oxide film M3 and the
その後、SiO2膜を500nmの厚さで成膜し、これをアニールの保護膜として、注入したSiイオンの活性化アニールとして1000℃、4分の熱処理を行う。これによって、底面部5aにチャネル層3の内部にわたってn+−GaNからなるコンタクト領域6が形成される。このコンタクト領域6は実質的にソース電極の一部となるため、コンタクト領域6と側壁部5bとの間の領域が、チャネル領域11となる。このチャネル領域11の幅すなわちゲート長は、マスク部M2aの幅、すなわち形成するマスク層M2の厚さに略相当する長さとなるため、他の工程等で使用される露光装置の最小線幅に依存せず短くすることができる。
Thereafter, a SiO 2 film is formed to a thickness of 500 nm, and this is used as a protective film for annealing, and heat treatment is performed at 1000 ° C. for 4 minutes as activation annealing of the implanted Si ions. As a result, a
つぎに、フッ酸等によってスクリーン酸化膜M3、マスク層M1、マスク部M2aを除去し、RCA洗浄を行なう。その後、図7に示すように、全面にSiO2からなるゲート絶縁膜7をたとえば厚さ60nmで成膜する。
Next, the screen oxide film M3, the mask layer M1, and the mask portion M2a are removed with hydrofluoric acid or the like, and RCA cleaning is performed. Thereafter, as shown in FIG. 7, a
つぎに、フォトリソグラフィと緩衝フッ酸を用いたエッチングによって、ソース電極9、ドレイン電極10を形成すべき領域のゲート絶縁膜7を除去する。そして、図8に示すように、除去した部分にスパッタ法とリフトオフ法とを用いて、ソース電極9、ドレイン電極10を形成する。なお、ソース電極9、ドレイン電極10は、たとえばTi/Al=25nm/200nmの構造を有するオーミック電極であり、形成後にたとえば600℃、10分の熱処理を行い焼成する。
Next, the
その後、スパッタ法とリフトオフ法とを用いて、ゲート絶縁膜7上にゲート電極8を形成して、ゲート部Gを形成する。これによって、MOSFET100が完成する。なお、ゲート電極8は、たとえばNi/Au=50nm/100nmの構造を有するショットキー電極である。
Thereafter, the
以上説明したように、本実施の形態に係る製造方法によれば、MOSFET100のゲート長を、マスク部M2aの幅すなわちマスク層M2の厚さに略相当するゲート長とすることができ、他の工程等で使用される露光装置の最小線幅とは無関係に短いゲート長とすることができる。その結果、高価な露光装置を準備せずに、従来よりもゲート長がいっそう短いMOSFET100を低コストで製造することができる。また、このチャネル領域11を形成するプロセスはセルフアラインプロセスであるため、露光装置の精度に左右されず位置精度が高いものとなるとともに、ソース−チャネル間の寄生領域の長さをほぼゼロにすることができる。したがって、MOSFET100は、ソース−チャネル間の寄生容量の影響が少なく、高速スイッチング動作が可能となる。
As described above, according to the manufacturing method according to the present embodiment, the gate length of
なお、上記実施の形態では、マスク層M2の厚さを750nmとしたが、この厚さは、たとえば通常のPCVD法を用いて、250〜3750nmの範囲で形成することができる。したがって、形成できるゲート長についても、おおよそ200〜3000nmとすることができる。なお、ゲート長が200nm以上であれば、ゲート部分の電界が強くなりすぎないため、パンチスルー現象が防止され、ゲートがOFF状態の場合の漏れ電流も少なくなるので好ましい。また、ゲート長が3μm以下のものは、コンタクトアライナーを用いた従来の方法では製造が困難であるから、本発明に係る製造方法が特に好適である。 In the above embodiment, the thickness of the mask layer M2 is set to 750 nm. However, this thickness can be formed in the range of 250 to 3750 nm using, for example, a normal PCVD method. Therefore, the gate length that can be formed can be approximately 200 to 3000 nm. Note that it is preferable that the gate length is 200 nm or more because the electric field at the gate portion does not become too strong, which prevents the punch-through phenomenon and reduces the leakage current when the gate is in the OFF state. In addition, since a gate length of 3 μm or less is difficult to manufacture by a conventional method using a contact aligner, the manufacturing method according to the present invention is particularly suitable.
また、本発明に係る製造方法によって製造できる電界効果トランジスタは、図1に示すものに限られない。たとえば、図1に示す構造において、チャネル層の材料をp−GaNに置き換えたり、電子供給層をn+−GaNからなるコンタクト層に置き換えた構造を有し、ゲート長が短い電界効果トランジスタを製造することもできる。
さらに、本発明のMOSFETの半導体層は、チャネル層と電子供給層の間に、p−GaNまたはアンドープのGaNからなるドリフト層を更に備えていても良い。
The field effect transistor that can be manufactured by the manufacturing method according to the present invention is not limited to that shown in FIG. For example, in the structure shown in FIG. 1, a field effect transistor having a structure in which the material of the channel layer is replaced with p-GaN or the electron supply layer is replaced with a contact layer made of n + -GaN, and the gate length is short is manufactured. You can also
Furthermore, the semiconductor layer of the MOSFET of the present invention may further include a drift layer made of p-GaN or undoped GaN between the channel layer and the electron supply layer.
また、上記各実施の形態では、窒化物系化合物半導体としてGaN、AlGaN、AlN等を用いているが、本発明はこれに限らず、化学式AlxInyGa1-x-yAsuPvN1-u-v(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1、0≦u<1、0≦v<1、u+v<1)で表される窒化物系化合物半導体を適宜使用することができる。 In the above embodiment, GaN as a nitride-based compound semiconductor, AlGaN, but using AlN or the like, the present invention is not limited to this, the chemical formula Al x In y Ga 1-xy As u P v N 1 A nitride compound semiconductor represented by −uv (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1, 0 ≦ u <1, 0 ≦ v <1, u + v <1) is appropriately used. be able to.
1 基板
2 バッファ層
3 チャネル層
4 電子供給層
5 段差部
5a 底面部
5aa 領域
5b 側壁部
6 コンタクト領域
7 ゲート絶縁膜
8 ゲート電極
9 ソース電極
10 ドレイン電極
11 チャネル領域
M1、M2 マスク層
M2a マスク部
M3 スクリーン酸化膜
R レジスト
DESCRIPTION OF
Claims (3)
基板上に、窒化物系化合物半導体からなるチャネル層および該チャネル層上に積層した上部層を含む半導体層を形成する半導体層形成工程と、
前記半導体層の一部領域を少なくとも前記上部層から前記チャネル層に到る深さまでエッチングして、該チャネル層の表面の一部を底面部とし、エッチングによって露出した前記半導体層の側面を側壁部とする段差部を形成する段差部形成工程と、
前記段差部を含む前記半導体層の表面を覆うようにマスク層を形成し、該マスク層をエッチバックして該段差部のマスク層を残留させたマスク部を形成するマスク部形成工程と、
イオン注入法によって、前記底面部の前記マスク部を除く領域にコンタクト領域を形成するコンタクト領域形成工程と、
前記マスク部を除去した後に、少なくとも前記段差部の前記底面部と前記側壁部とを覆うようにゲート絶縁膜およびゲート電極を順次形成するゲート部形成工程と、
を含むことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。 A method of manufacturing a field effect transistor having a MOS structure and made of a nitride compound semiconductor,
Forming a semiconductor layer including a channel layer made of a nitride-based compound semiconductor and an upper layer stacked on the channel layer on a substrate; and
Etching a partial region of the semiconductor layer at least to a depth from the upper layer to the channel layer, using a part of the surface of the channel layer as a bottom surface, and side surfaces of the semiconductor layer exposed by the etching as side walls A step forming step for forming a step with
Forming a mask layer so as to cover the surface of the semiconductor layer including the stepped portion, and forming a mask portion by etching back the mask layer to leave the mask layer of the stepped portion; and
A contact region forming step of forming a contact region in a region excluding the mask portion of the bottom portion by ion implantation;
A gate portion forming step of sequentially forming a gate insulating film and a gate electrode so as to cover at least the bottom surface portion and the side wall portion of the stepped portion after removing the mask portion;
A method of manufacturing a field effect transistor comprising:
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