JP2012043938A - Method of manufacturing field effect transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、チャネル層をInAsから構成した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 having a channel layer made of InAs.
より速い演算およびより高い周波数発振のために、より高速動作可能な電界効果トランジスタ(FET)が求められている。高速な電界効果トランジスタでは、高い電子移動度および高い電子飽和速度が要求されている。例えば、電子のチャネル層をGaAsから構成するGaAs/AlGaAsヘテロ構造や、電子チャネル層をInGaAsから構成するInGaAs/InAlAs/InPヘテロ構造を基本構造とした電界効果トランジスタで、500GHz以上の動作が実現されている。 There is a need for field effect transistors (FETs) that can operate at higher speeds for faster computations and higher frequency oscillations. High-speed field effect transistors require high electron mobility and high electron saturation speed. For example, a field effect transistor having a basic structure of a GaAs / AlGaAs heterostructure in which an electron channel layer is made of GaAs and an InGaAs / InAlAs / InP heterostructure in which an electron channel layer is made of InGaAs, and an operation of 500 GHz or more is realized. ing.
このような中で、上述したGaAsやInGaAsよりもさらに高移動度で高い電子飽和密度を持つ材料としてInAsがあり、チャネル層をInAsから構成するヘテロ構造の電界効果トランジスタが、より高速な動作を可能するものとして期待されている。この電界効果トランジスタは、図8に示すように、基板801の上に形成されたAlGaSbからなる第1障壁層802と、第1障壁層802の上に形成されたInAsからなるチャネル層803と、チャネル層803の上に形成されたAlGaSbからなる第2障壁層804とを備える。また、この電界効果トランジスタは、第2障壁層804の上に形成されたGaSbからなるキャップ層805と、キャップ層805の上に形成されたゲート絶縁層806と、ゲート絶縁層806の上に形成されたゲート電極807と、ゲート電極807を挟んで配置されてチャネル層803にオーミック接続するソース電極808およびドレイン電極809とを備える。 Under such circumstances, InAs is a material having higher electron saturation density and higher mobility than the above-described GaAs and InGaAs, and a heterostructure field effect transistor having a channel layer made of InAs is capable of operating at higher speed. Expected to be possible. As shown in FIG. 8, the field effect transistor includes a first barrier layer 802 made of AlGaSb formed on a substrate 801, a channel layer 803 made of InAs formed on the first barrier layer 802, And a second barrier layer 804 made of AlGaSb formed on the channel layer 803. The field effect transistor is formed on a cap layer 805 made of GaSb formed on the second barrier layer 804, a gate insulating layer 806 formed on the cap layer 805, and a gate insulating layer 806. And a source electrode 808 and a drain electrode 809 which are arranged with the gate electrode 807 interposed therebetween and are ohmically connected to the channel layer 803.
一般に、チャネル層にInAsを用いるヘテロ構造の電界効果トランジスタには、InAsによるチャネル層803を、InAsに格子定数の近いAlSbもしくはAlGaSbよりなる第1障壁層802および第2障壁層804で挟んだ量子井戸構造が用いられている。これらの構造の作製では、化合物半導体からなる各層の堆積が、分子線エピタキシー法(MBE)や有機金属気相成長法(MOVPE)で行われる。 In general, in a heterostructure field effect transistor using InAs for a channel layer, a quantum layer in which a channel layer 803 made of InAs is sandwiched between a first barrier layer 802 and a second barrier layer 804 made of AlSb or AlGaSb having a lattice constant close to InAs. A well structure is used. In the production of these structures, each layer made of a compound semiconductor is deposited by molecular beam epitaxy (MBE) or metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE).
InAsよりなるチャネル層803がある程度厚ければ(10nm程度以上)、各障壁層を構成するAlSb(もしくはAlGaSb)中の深いアクセプタエネルギー準位よりもInAs中の電子のエネルギー準位が低くなり、1×1012cm-2程度の電子が、チャネル層803に蓄積する(非特許文献1,2,3参照)。 If the channel layer 803 made of InAs is thick to some extent (about 10 nm or more), the energy level of electrons in InAs becomes lower than the deep acceptor energy level in AlSb (or AlGaSb) constituting each barrier layer. Electrons of about × 10 12 cm −2 accumulate in the channel layer 803 (see Non-Patent Documents 1, 2, and 3).
ところで、障壁層を構成するAlSb(もしくはAlGaSb)は、Alを含むために酸化し易く、また、大気中で潮解性がある。このため、チャネル層をInAsより構成する量子井戸構造の作製では、一般に、第2障壁層804の上に、これと格子定数の近いGaSbからなるキャップ層805を形成し、下層に用いられているAlを含む層の酸化および潮解を防いでいる。 By the way, AlSb (or AlGaSb) constituting the barrier layer is easily oxidized because it contains Al and has deliquescence in the atmosphere. For this reason, in the production of a quantum well structure in which the channel layer is made of InAs, generally, a cap layer 805 made of GaSb having a lattice constant close to that of the second barrier layer 804 is formed and used as a lower layer. Oxidation and deliquescence of the Al-containing layer is prevented.
また、上述した量子井戸構造を用いて電界効果トランジスタを構成するためには、チャネル層803とゲート電極807との間に、絶縁層が必要となる。例えば、シリコンを用いた電界効果トランジスタでは、酸化シリコンからなる絶縁層をゲート絶縁層として用いている。また、GaAs/AlGaAsヘテロ構造の電界効果トランジスタでは、障壁層として用いているAlGaAs層が、ゲート絶縁層となる。 In order to form a field effect transistor using the above-described quantum well structure, an insulating layer is required between the channel layer 803 and the gate electrode 807. For example, in a field effect transistor using silicon, an insulating layer made of silicon oxide is used as a gate insulating layer. In a field effect transistor having a GaAs / AlGaAs heterostructure, an AlGaAs layer used as a barrier layer is a gate insulating layer.
これらに対し、チャネル層にInAsを用いる電界効果トランジスタの場合、AlSbやAlGaSbによる第2障壁層804およびGaSbによるキャップ層805の絶縁性が低い。このため、ゲート絶縁層806を用いずに、キャップ層805の上に直接ゲート電極807を形成すると、ゲート−チャネル間に漏れ電流が流れ、電界を印加することができず、電界効果トランジスタとして機能しない。このため、キャップ層805の上に、例えば、酸化アルミニウムなどのゲート絶縁層806を形成し、この上にゲート電極807を配置している。なお、ゲート絶縁層806は、例えば、プラズマ誘起化学気相成長法(PECVD)(非特許文献4参照)、原子層堆積法(ALD)(非特許文献5参照)などにより形成できる。 On the other hand, in the case of a field effect transistor using InAs for the channel layer, the insulating properties of the second barrier layer 804 made of AlSb or AlGaSb and the cap layer 805 made of GaSb are low. For this reason, when the gate electrode 807 is formed directly on the cap layer 805 without using the gate insulating layer 806, a leakage current flows between the gate and the channel, and an electric field cannot be applied, so that it functions as a field effect transistor. do not do. Therefore, for example, a gate insulating layer 806 such as aluminum oxide is formed on the cap layer 805, and a gate electrode 807 is disposed thereon. Note that the gate insulating layer 806 can be formed by, for example, plasma induced chemical vapor deposition (PECVD) (see Non-Patent Document 4), atomic layer deposition (ALD) (see Non-Patent Document 5), or the like.
しかしながら、チャネル層にInAsを用いる場合、キャップ層805の表面に形成される酸化層や、キャップ層805とゲート絶縁層806との界面に形成される欠陥などにより、ゲート電圧による正常なトランジスタの制御ができなくなるという問題がある。上述した酸化層および欠陥などは、電子のトラップなり、ゲート電圧の印加による電界を打ち消し、ゲート電圧変化に対する電子濃度の変化を抑制し、ゲート電圧変化に対する電子濃度変化の効率を低下させるようになる。 However, when InAs is used for the channel layer, normal transistor control by the gate voltage is caused by an oxide layer formed on the surface of the cap layer 805 or a defect formed at the interface between the cap layer 805 and the gate insulating layer 806. There is a problem that it becomes impossible. The oxide layer and defects described above become traps of electrons, cancel the electric field due to the application of the gate voltage, suppress the change of the electron concentration with respect to the gate voltage change, and lower the efficiency of the electron concentration change with respect to the gate voltage change. .
キャップ層805の界面に酸化層や欠陥などが形成されると、図9の(a)に示すように、キャップ層805とゲート絶縁層806との界面に、点線の白丸で示すように電子トラップ準位が形成される。ゲート電圧が0の時は、一部の電子トラップ準位に電子が収容され、一部のトラップ準位は空の状態となる。界面の全体では、図9の(b)に黒点で示すように、ほぼ電気的に中性の状態である。 When an oxide layer or a defect is formed at the interface of the cap layer 805, as shown in FIG. 9A, an electron trap is formed at the interface between the cap layer 805 and the gate insulating layer 806 as indicated by a dotted white circle. A level is formed. When the gate voltage is 0, electrons are accommodated in some of the electron trap levels and some of the trap levels are empty. The entire interface is in an almost electrically neutral state as indicated by black dots in FIG.
次に、正のゲート電圧が印加されると、図10の(a)に示すように、電子トラップ準位に電子が満たされていく。電子トラップ準位に電子が満たされていくゲート電圧印加の過程では、正のゲート電圧印加による電界を打ち消すようになる。このため、正のゲート電圧を印加すると、図10の(b)に実線で示すように、正のゲート電圧が小さい状態では、チャネル層803にはあまり電子が蓄積されない状態となり、印加電圧が上昇して全ての電子トラップ準位に電子が満たされると、「Q=CV+α」の直線に沿って、チャネル層803の電子が増加していく。なお、Qは、チャネル層803における電荷量であり、電子濃度nおよび電荷素量eとすると、Q/e=nとなる。αは定数である。 Next, when a positive gate voltage is applied, electrons are filled in the electron trap level as shown in FIG. In the process of applying the gate voltage in which electrons are filled in the electron trap level, the electric field due to the application of the positive gate voltage is canceled. For this reason, when a positive gate voltage is applied, as shown by a solid line in FIG. 10B, when the positive gate voltage is small, the channel layer 803 does not accumulate much electrons, and the applied voltage increases. When all the electron trap levels are filled with electrons, the electrons in the channel layer 803 increase along the straight line “Q = CV + α”. Note that Q is the amount of charge in the channel layer 803, and Q / e = n when the electron concentration n and the elementary charge amount e are used. α is a constant.
また、負のゲート電圧が印加されると、図11の(a)に示すように、電子トラップ準位から電子が出て行いき、正電荷分が残る。電子トラップ準位より電子が出て行くゲート電圧印加の過程では、負のゲート電圧印加による電界を打ち消すようにる。このため、負のゲート電圧を印加すると、図11の(b)に実線で示すように、負のゲート電圧が小さい状態では、チャネル層803の電子が放出されずに残り、負の印加電圧が大きくなって全ての電子トラップ準位が空になると、「Q=CV+β」の直線に沿って、チャネル層803の電子が減少していく。なお、βは定数である。 Further, when a negative gate voltage is applied, as shown in FIG. 11A, electrons are emitted from the electron trap level, and a positive charge remains. In the process of applying a gate voltage in which electrons exit from the electron trap level, the electric field due to the negative gate voltage application is canceled. For this reason, when a negative gate voltage is applied, as shown by a solid line in FIG. 11B, in a state where the negative gate voltage is small, electrons in the channel layer 803 remain without being emitted, and the negative applied voltage is reduced. When the electron trap level becomes larger and all the electron trap levels become empty, the electrons in the channel layer 803 decrease along the straight line “Q = CV + β”. Note that β is a constant.
以上に説明したように、キャップ層805の表面に酸化層および欠陥などが形成されると、トランジスタの動作が阻害され、高速で安定した動作ができないという問題があった。 As described above, when an oxide layer, a defect, or the like is formed on the surface of the cap layer 805, there is a problem that the operation of the transistor is hindered and a stable operation cannot be performed at high speed.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、チャネル層をInAsから構成するヘテロ構造の電界効果トランジスタで、高速で安定した動作ができるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to be a heterostructure field effect transistor having a channel layer made of InAs and capable of stable operation at high speed. To do.
本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法は、基板の上にAlGaSbおよびAlSbより選択された化合物半導体からなる第1障壁層を形成する工程と、この第1障壁層の上にInAsからなるチャネル層を形成する工程と、このチャネル層の上にAlGaSbおよびAlSbより選択された化合物半導体からなる第2障壁層を形成する工程と、この第2障壁層の上にGaSbからなるキャップ層を形成する工程と、キャップ層を形成した後にキャップ層の表面を塩酸からなる処理液で処理する工程と、キャップ層の表面を処理液で処理した後に水を用いることなく処理液を除去する工程と、処理液を除去した後にキャップ層の表面が酸化される前にキャップ層の上にゲート絶縁層を形成する工程と、このゲート絶縁層の上にゲート電極を形成する工程と、このゲート電極を挟んで配置されてチャネル層にオーミック接続するソース電極およびドレイン電極とを形成する工程とを少なくとも備える。 The field effect transistor manufacturing method according to the present invention includes a step of forming a first barrier layer made of a compound semiconductor selected from AlGaSb and AlSb on a substrate, and a channel layer made of InAs on the first barrier layer. A step of forming a second barrier layer made of a compound semiconductor selected from AlGaSb and AlSb on the channel layer, and a step of forming a cap layer made of GaSb on the second barrier layer And a step of treating the surface of the cap layer with a treatment liquid comprising hydrochloric acid after forming the cap layer, a step of removing the treatment liquid without using water after treating the surface of the cap layer with the treatment liquid, and a treatment liquid A step of forming a gate insulating layer on the cap layer before the surface of the cap layer is oxidized after removing the gate electrode, and a gate electrode on the gate insulating layer. Comprising at least a step of forming, and the forming the source electrode and the drain electrode in ohmic connections are arranged to sandwich the gate electrode to the channel layer.
上記電界効果トランジスタの製造方法において、キャップ層の表面を処理液で処理した後に、不活性なガスを吹き付けることで処理液を除去すればよい。 In the method for manufacturing the field effect transistor, the treatment liquid may be removed by blowing an inert gas after treating the surface of the cap layer with the treatment liquid.
以上説明したように、本発明によれば、キャップ層を形成した後にキャップ層の表面を塩酸からなる処理液で処理し、この後に水を用いることなく処理液を除去するようにしたので、チャネル層をInAsから構成するヘテロ構造の電界効果トランジスタで、高速で安定した動作ができるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, after the cap layer is formed, the surface of the cap layer is treated with the treatment liquid composed of hydrochloric acid, and then the treatment liquid is removed without using water. A field effect transistor having a heterostructure whose layer is made of InAs has an excellent effect of being able to operate stably at high speed.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1A〜図1Eは、本発明の実施の形態における電界効果トランジスタの製造方法を説明するための、各工程における断面を示す断面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A to 1E are cross-sectional views showing cross sections in each step for explaining a method of manufacturing a field effect transistor according to an embodiment of the present invention.
まず、図1Aに示すように、InAsもしくはGaAsからなる基板101を用意し、この上に、分子線エピタキシー法により、層厚2.5nmのAlSb層および層厚2.5nmのGaSb層を交互に10周期積層して超格子層121を形成する。引き続き、AlGaSbからなる層厚500nmの半導体層122を形成し、この上に、層厚2.5nmのAlSb層および層厚2.5nmのGaSb層を交互に10周期積層して超格子層123を形成する。これらの層は、この後に形成する各層に対するバッファ層となる。 First, as shown in FIG. 1A, a substrate 101 made of InAs or GaAs is prepared, and an AlSb layer having a thickness of 2.5 nm and a GaSb layer having a thickness of 2.5 nm are alternately formed thereon by molecular beam epitaxy. Superlattice layer 121 is formed by laminating 10 periods. Subsequently, a semiconductor layer 122 made of AlGaSb and having a layer thickness of 500 nm is formed, and an AlSb layer having a layer thickness of 2.5 nm and a GaSb layer having a layer thickness of 2.5 nm are alternately stacked thereon for 10 periods to form a superlattice layer 123. Form. These layers serve as buffer layers for each layer to be formed later.
引き続き、図1Bに示すように、超格子層123の上に、分子線エピタキシー法により、Al0.7Ga0.3Sbからなる層厚50nmの第1障壁層102、InAsからなる層厚15nmのチャネル層103、Al0.7Ga0.3Sbからなる層厚30nmの第2障壁層104、およびGaSbからなる層厚5nmのキャップ層105を順次に積層する。上述した各化合物半導体層の形成は、同じ成膜装置内で、対応する原料のビームに切り替えることで、連続して行う。 Subsequently, as shown in FIG. 1B, on the superlattice layer 123, a first barrier layer 102 made of Al 0.7 Ga 0.3 Sb with a thickness of 50 nm and a channel layer 103 made of InAs with a thickness of 15 nm are formed by molecular beam epitaxy. Then, a second barrier layer 104 made of Al 0.7 Ga 0.3 Sb with a thickness of 30 nm and a cap layer 105 made of GaSb with a thickness of 5 nm are sequentially stacked. Each of the compound semiconductor layers described above is continuously formed by switching to the corresponding source beam in the same film forming apparatus.
次に、キャップ層105まで形成した基板101を成膜装置より搬出し、図1Cに示すように、チャネル層103にオーミック接続するソース電極108およびドレイン電極109を形成する。ソース電極108およびドレイン電極109は、AuGeNi合金から構成すればよい。また、これら電極は、Inから構成してもよい。ソース電極108およびドレイン電極109は、キャップ層105より合金層を形成することで、チャネル層103に電気的に接続している。例えば、レジストを塗布し、公知のリソグラフィー技術でパターンニングし、電極部分のレジストを剥がし、全面に電極材料となる金属をスパッタ法や蒸着法により堆積して電極材料層を形成した後、リフトオフすることで、ソース電極108およびドレイン電極109を形成すればよい。 Next, the substrate 101 formed up to the cap layer 105 is unloaded from the film formation apparatus, and as illustrated in FIG. 1C, the source electrode 108 and the drain electrode 109 that are in ohmic contact with the channel layer 103 are formed. The source electrode 108 and the drain electrode 109 may be made of an AuGeNi alloy. These electrodes may be made of In. The source electrode 108 and the drain electrode 109 are electrically connected to the channel layer 103 by forming an alloy layer from the cap layer 105. For example, a resist is applied, patterning is performed by a known lithography technique, the resist on the electrode portion is peeled off, and a metal as an electrode material is deposited on the entire surface by sputtering or vapor deposition to form an electrode material layer and then lifted off. Thus, the source electrode 108 and the drain electrode 109 may be formed.
以上のようにソース電極108およびドレイン電極109を形成した後、この段階で露出しているキャップ層105の表面を、アセトンおよびイソプロパノールを用いて洗浄(脱脂処理)する。まず、キャップ層105の表面をアセトンに浸漬し、引き続き、表面に付着しているアセトンが乾燥する前に、イソプロパノールに浸漬する。この後、基板101をイソプロパノール液中より引き上げ、例えば、キャップ層105の表面に窒素ガスを吹き付けて乾燥する。なお、キャップ層105の表面が清浄であれば、上述した脱脂処理は行わなくてもよい。 After forming the source electrode 108 and the drain electrode 109 as described above, the surface of the cap layer 105 exposed at this stage is cleaned (degreased) with acetone and isopropanol. First, the surface of the cap layer 105 is immersed in acetone, and subsequently immersed in isopropanol before acetone adhering to the surface is dried. Thereafter, the substrate 101 is pulled up from the isopropanol solution and, for example, nitrogen gas is blown onto the surface of the cap layer 105 to dry it. In addition, if the surface of the cap layer 105 is clean, the degreasing process described above may not be performed.
次に、キャップ層105の表面を塩酸からなる処理液で処理する。処理液は、例えば、塩化水素の37質量%水溶液を、水で5倍(体積)に希釈したものである。この処理液に、基板101を10秒間程度浸漬することで、キャップ層105の表面に形成されているガリウム酸化物およびアンチモン酸化物などから構成されている酸化層を溶解させて除去する。また、GaSbは塩酸にはほとんど溶解しないが、キャップ層105の表面に形成されている微小な凸部は、溶解して削られる。この結果、塩酸の処理液による処理で、キャップ層105の表面の平坦性が増加する。 Next, the surface of the cap layer 105 is treated with a treatment liquid made of hydrochloric acid. The treatment liquid is, for example, one obtained by diluting a 37% by mass aqueous solution of hydrogen chloride with water 5 times (volume). By immersing the substrate 101 in this treatment solution for about 10 seconds, the oxide layer formed of gallium oxide, antimony oxide, or the like formed on the surface of the cap layer 105 is dissolved and removed. GaSb hardly dissolves in hydrochloric acid, but minute protrusions formed on the surface of the cap layer 105 are dissolved and shaved. As a result, the surface flatness of the cap layer 105 is increased by the treatment with the hydrochloric acid treatment solution.
次に、基板101を処理液中より引き上げ、直ちにキャップ層105の表面に付着している塩酸を除去する。この塩酸の除去では、水を用いることなく、例えば、キャップ層105の表面に窒素ガスを吹き付けることで付着している塩酸を除去する。例えば、圧力1MPa程度の窒素ガスを吹き付ければよい。また、目視により、キャップ層105の表面に液滴が無くなるまで窒素ガスの吹き付けを行えばよい。 Next, the substrate 101 is pulled up from the processing solution, and hydrochloric acid adhering to the surface of the cap layer 105 is immediately removed. In this removal of hydrochloric acid, for example, the attached hydrochloric acid is removed by blowing nitrogen gas onto the surface of the cap layer 105 without using water. For example, nitrogen gas having a pressure of about 1 MPa may be blown. Further, the nitrogen gas may be sprayed until the liquid droplets disappear on the surface of the cap layer 105 by visual inspection.
ここで、GaSbは、塩酸には難溶であるが、Ga2O3、Sb2O3などの酸化物は塩酸に溶解する。従って、キャップ層105の表面の酸化層の除去に用いることができる。これに対し、硫酸は、InAsやGaAsなど、基板101を含めて全てが溶解するため、キャップ層105表面の処理には用いることができない。また、リン酸は、GaSbおよびAlGaSbを溶解するため、やはり用いることができない。また、NaOHやNH3などのアルカリでも、GaSb、AlGaSbを溶解するため、用いることができない。 Here, GaSb is hardly soluble in hydrochloric acid, but oxides such as Ga 2 O 3 and Sb 2 O 3 are dissolved in hydrochloric acid. Therefore, it can be used to remove the oxide layer on the surface of the cap layer 105. In contrast, sulfuric acid such as InAs and GaAs, including the substrate 101, is completely dissolved, and thus cannot be used for the treatment of the cap layer 105 surface. Furthermore, phosphoric acid cannot be used because it dissolves GaSb and AlGaSb. In addition, even alkali such as NaOH and NH 3 can not be used because it dissolves GaSb and AlGaSb.
以上のように、塩酸からなる処理液による処理をして乾燥させた後、表面に再び酸化層が形成される前に、図1Dに示すように、酸化アルミニウム(Al2O3)からなる層厚20nmのゲート絶縁層106を形成する。GaSbは、大気中において20分程度で酸化されて酸化層が形成されるので、このようにして酸化層が形成される前に、ゲート絶縁層106を形成する。例えば、トリメチルアルミニウムもしくはトリエチルアルミニウムからなるアルミニウム原料および酸化剤としての水蒸気を、各々窒素ガスをキャリアーとして用い、間欠的に交互に供給して1原子層ずつ酸化アルミニウムの層を形成する原子層成長法により形成すればよい。トリメチルアルミニウム、もしくはトリエチルアルミニウムを使う原子層成長法では、GaSbの表面酸化膜を除去し、電子トラップ準位を低減する効果もある。この原子層成長において、原子層成長装置の成膜室内の圧力は、10hPa程度とし、成長温度は190℃とすればよい。 As described above, after the treatment with the treatment liquid made of hydrochloric acid and drying, before the oxide layer is formed again on the surface, as shown in FIG. 1D, the layer made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) A gate insulating layer 106 having a thickness of 20 nm is formed. Since GaSb is oxidized in the atmosphere in about 20 minutes to form an oxide layer, the gate insulating layer 106 is formed before the oxide layer is formed in this way. For example, an atomic layer growth method in which an aluminum raw material composed of trimethylaluminum or triethylaluminum and water vapor as an oxidant are supplied alternately and intermittently to form an aluminum oxide layer one atomic layer at a time. May be formed. The atomic layer growth method using trimethylaluminum or triethylaluminum also has the effect of removing the surface oxide film of GaSb and reducing the electron trap level. In this atomic layer growth, the pressure in the deposition chamber of the atomic layer growth apparatus may be about 10 hPa, and the growth temperature may be 190 ° C.
次に、図1Eに示すように、ソース電極108とドレイン電極109と間のゲート絶縁層106の上に、ゲート電極107を形成する。例えば、ゲート絶縁層106の上に,ゲート電極107の形成位置が開口したレジストパターンを形成する。次に、膜厚5nmのチタン膜を蒸着し、また、チタン膜の上に膜厚95nmのAu膜を形成する。この後、レジストパターンを除去すれば、Ti/Auからなるゲート電極107が形成できる(リフトオフ法)。なお、図1Eでは、ソース電極108およびドレイン電極109の上にゲート絶縁層106が形成されているが、ソース電極108およびドレイン電極109に配線を接続するときに、接続箇所のゲート絶縁層106を除去すればよい。 Next, as illustrated in FIG. 1E, the gate electrode 107 is formed over the gate insulating layer 106 between the source electrode 108 and the drain electrode 109. For example, a resist pattern in which the formation position of the gate electrode 107 is opened is formed on the gate insulating layer 106. Next, a titanium film having a thickness of 5 nm is deposited, and an Au film having a thickness of 95 nm is formed on the titanium film. Thereafter, if the resist pattern is removed, the gate electrode 107 made of Ti / Au can be formed (lift-off method). In FIG. 1E, the gate insulating layer 106 is formed over the source electrode 108 and the drain electrode 109; however, when wiring is connected to the source electrode 108 and the drain electrode 109, the gate insulating layer 106 at the connection portion is changed. Remove it.
以上に説明した本実施の形態によれば、キャップ層105の表面を塩酸よりなる処理液で処理した後に、水を用いることなく(水洗することなく)処理液を除去し、直ちにゲート絶縁層106を形成するので、キャップ層105とゲート絶縁層106との界面に、電子のトラップとなる酸化層や欠陥などが形成されることが抑制されるようになる。この結果、キャップ層105表面の酸化層や欠陥などの存在により、トランジスタの動作が阻害されることなく、高速で安定した動作ができるようになる。 According to the present embodiment described above, after the surface of the cap layer 105 is treated with the treatment liquid made of hydrochloric acid, the treatment liquid is removed without using water (without washing with water), and the gate insulating layer 106 is immediately removed. Therefore, the formation of an oxide layer, a defect, or the like serving as an electron trap at the interface between the cap layer 105 and the gate insulating layer 106 is suppressed. As a result, the operation of the transistor is not hindered by the presence of an oxide layer or a defect on the surface of the cap layer 105, and stable operation can be performed at high speed.
以下、実際に作製した素子の実験結果について説明する。まず、測定は、上述した本実施の形態の製造方法で製造した電界効果トランジスタに加え、他の製造方法で作製した第1比較素子および第2比較素子を対象とする。また、この実験では、ゲート電圧の掃引速度(1V/30分)に対するチャネル層における電子濃度の変化を測定する。 Hereinafter, experimental results of the actually fabricated elements will be described. First, the measurement is performed on the first comparison element and the second comparison element manufactured by another manufacturing method in addition to the field effect transistor manufactured by the manufacturing method of the present embodiment described above. In this experiment, the change in the electron concentration in the channel layer with respect to the gate voltage sweep rate (1 V / 30 minutes) is measured.
第1比較素子は、キャップ層105の表面に対し、アセトンおよびイソプロパノールによる脱脂処理をしたものである。第1比較素子では、キャップ層105の表面対する塩酸の処理は行っていない。また、第1比較素子では、キャップ層105の表面に対する水洗処理も行っていない。 In the first comparison element, the surface of the cap layer 105 is degreased with acetone and isopropanol. In the first comparison element, the surface of the cap layer 105 is not treated with hydrochloric acid. In the first comparison element, the surface of the cap layer 105 is not washed with water.
第2比較素子は、キャップ層105の表面に対し、アセトンおよびイソプロパノールによる脱脂処理をした後、塩酸の処理および水洗処理を行ったものである。水洗処理は、塩酸処理をした後に塩酸の除去のために行う処理である。なお、第1比較素子、第2比較素子、および実施の形態の製造方法による電界効果トランジスタの全てにおいて、この実験では、チャネル層の層厚を12nmとし、チャネル層と第1障壁層との間に、層厚18nmのGaSb層を備えている。 In the second comparison element, the surface of the cap layer 105 is degreased with acetone and isopropanol, and then treated with hydrochloric acid and washed with water. The water washing treatment is a treatment performed for removing hydrochloric acid after the hydrochloric acid treatment. In all of the field effect transistors according to the first comparison element, the second comparison element, and the manufacturing method according to the embodiment, in this experiment, the channel layer has a layer thickness of 12 nm and is between the channel layer and the first barrier layer. In addition, a GaSb layer having a layer thickness of 18 nm is provided.
第1比較素子では、図2に示すように、領域201においては、ゲート電圧の変化に対して電子濃度があまり変化していない。なお、矢印は掃引の方向である。 In the first comparison element, as shown in FIG. 2, in the region 201, the electron concentration does not change much with respect to the change in the gate voltage. The arrow indicates the sweep direction.
本実施の形態における電界効果トランジスタでは、図3に示すように、ゲート電圧の変化に対して電子濃度が変化しており、電子濃度が変化していない領域がない。なお、矢印は掃引の方向である。 In the field effect transistor in this embodiment, as shown in FIG. 3, the electron concentration changes with the change of the gate voltage, and there is no region where the electron concentration does not change. The arrow indicates the sweep direction.
第2比較素子では、図4に示すように、領域401においては、ゲート電圧の変化に対して電子濃度があまり変化していない。また、第1比較素子に比較して、電子濃度があまり変化しない領域がより広い電圧範囲となっている。なお、矢印は掃引の方向である。 In the second comparison element, as shown in FIG. 4, in the region 401, the electron concentration does not change much with respect to the change of the gate voltage. Compared with the first comparison element, a region where the electron concentration does not change so much is a wider voltage range. The arrow indicates the sweep direction.
以上に説明したように、本実施の形態によれば、ゲート電圧の印加による電界が打ち消されることなく、ゲート電圧の変化に対してほぼ比例して電子濃度が変化するようになる。 As described above, according to the present embodiment, the electron concentration changes substantially in proportion to the change in the gate voltage without canceling out the electric field due to the application of the gate voltage.
次に、第1比較素子、第2比較素子、および本実施の形態による電界効果トランジスタにおいて、キャップ層に対する表面処理直後のキャップ層表面状態を、原子間力顕微鏡で観察した結果について説明する。この観察は、常温(20〜25℃)で行った。 Next, in the first comparison element, the second comparison element, and the field effect transistor according to the present embodiment, the result of observation of the cap layer surface state immediately after the surface treatment for the cap layer with an atomic force microscope will be described. This observation was performed at room temperature (20 to 25 ° C.).
第1比較素子および本実施の形態による処理では、図5の写真および図6の写真に示すように、大きな差は観察されていない。これらに対し、第2比較素子では、図7の写真に示すように、画像が荒れたように見える多数の微小黒点が観察される。これは、水洗処理により形成された酸化層などの欠陥と考えられる。上述した電気的な測定の結果と併せると、水洗処理をすることは、キャップ層表面の欠陥形成につながることがわかる。従って、塩酸による欠陥除去および窒素吹き付けによる塩酸除去が、キャップ層表面の欠陥の形成防止に有効であることがわかる。なお、図5,図6,図7は、2μm×2μmの領域を示している。 In the process according to the first comparison element and the present embodiment, as shown in the photograph of FIG. 5 and the photograph of FIG. 6, no great difference is observed. On the other hand, in the second comparison element, as shown in the photograph of FIG. 7, a large number of minute black spots that look like a rough image are observed. This is considered to be a defect such as an oxide layer formed by the water washing treatment. When combined with the result of the electrical measurement described above, it can be understood that the water washing treatment leads to defect formation on the surface of the cap layer. Therefore, it can be seen that removal of defects by hydrochloric acid and removal of hydrochloric acid by blowing nitrogen are effective in preventing formation of defects on the surface of the cap layer. 5, FIG. 6 and FIG. 7 show an area of 2 μm × 2 μm.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、上述では、窒素ガスを吹き付けることで処理液を除去するようにしたが、窒素ガスに限らず、ヘリウムおよびアルゴンなどの不活性なガスを用いるようにしてもよい。また、塩酸処理の後、塩酸を窒素ガスの吹き付けにより除去したが、これに限るものではなく、所謂スピンナーを用いて基板を回転させることで、遠心力により塩酸を除去するようにしてもよい。また、上述では、AlGaSbから障壁層を構成したが、AlSbより障壁層を構成してもよい。 It should be noted that the present invention is not limited to the embodiment described above, and that many modifications can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, in the above description, the treatment liquid is removed by blowing nitrogen gas, but not limited to nitrogen gas, inert gas such as helium and argon may be used. Further, after the hydrochloric acid treatment, hydrochloric acid is removed by blowing nitrogen gas. However, the present invention is not limited to this, and the substrate may be rotated using a so-called spinner to remove hydrochloric acid by centrifugal force. In the above description, the barrier layer is made of AlGaSb. However, the barrier layer may be made of AlSb.
また、本発明は、GaSbからなるキャップ層の表面を塩酸による処理液で処理した後、水洗処理無しに処理液を除去し、この後、直ちにキャップ層の上にゲート絶縁層を形成するところに特徴がある。従って、ソース電極およびドレイン電極の形成は、例えば、ゲート絶縁層を形成した後で行ってもよく、上述した実施の形態を用いて説明した製造工程の順番に限られるものではない。 In the present invention, the surface of the cap layer made of GaSb is treated with a treatment solution with hydrochloric acid, and then the treatment solution is removed without washing with water. Thereafter, a gate insulating layer is immediately formed on the cap layer. There are features. Therefore, the formation of the source electrode and the drain electrode may be performed, for example, after forming the gate insulating layer, and is not limited to the order of the manufacturing steps described using the above-described embodiment.
101…基板、102…第1障壁層、103…チャネル層、104…第2障壁層、105…キャップ層、106…ゲート絶縁層、107…ゲート電極、108…ソース電極、109…ドレイン電極、121,123…超格子層、122…半導体層。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Substrate, 102 ... First barrier layer, 103 ... Channel layer, 104 ... Second barrier layer, 105 ... Cap layer, 106 ... Gate insulating layer, 107 ... Gate electrode, 108 ... Source electrode, 109 ... Drain electrode, 121 , 123 ... superlattice layer, 122 ... semiconductor layer.
Claims (2)
この第1障壁層の上にInAsからなるチャネル層を形成する工程と、
このチャネル層の上にAlGaSbおよびAlSbより選択された化合物半導体からなる第2障壁層を形成する工程と、
この第2障壁層の上にGaSbからなるキャップ層を形成する工程と、
前記キャップ層を形成した後にキャップ層の表面を塩酸からなる処理液で処理する工程と、
前記キャップ層の表面を前記処理液で処理した後に水を用いることなく前記処理液を除去する工程と、
前記処理液を除去した後に前記キャップ層の表面が酸化される前に前記キャップ層の上にゲート絶縁層を形成する工程と、
このゲート絶縁層の上にゲート電極を形成する工程と、
このゲート電極を挟んで配置されて前記チャネル層にオーミック接続するソース電極およびドレイン電極とを形成する工程と
を少なくとも備えることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。 Forming a first barrier layer made of a compound semiconductor selected from AlGaSb and AlSb on a substrate;
Forming a channel layer made of InAs on the first barrier layer;
Forming a second barrier layer made of a compound semiconductor selected from AlGaSb and AlSb on the channel layer;
Forming a cap layer made of GaSb on the second barrier layer;
Treating the surface of the cap layer with a treatment liquid comprising hydrochloric acid after forming the cap layer;
Removing the treatment liquid without using water after treating the surface of the cap layer with the treatment liquid;
Forming a gate insulating layer on the cap layer before the surface of the cap layer is oxidized after removing the treatment liquid;
Forming a gate electrode on the gate insulating layer;
And a step of forming a source electrode and a drain electrode which are disposed with the gate electrode interposed therebetween and are in ohmic contact with the channel layer.
前記キャップ層の表面を前記処理液で処理した後に、不活性なガスを吹き付けることで前記処理液を除去することを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。 In the manufacturing method of the field effect transistor of Claim 1,
A method for producing a field effect transistor, comprising: treating the surface of the cap layer with the treatment liquid; and removing the treatment liquid by spraying an inert gas.
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