JP2013030667A - Nitride semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a normally-off type nitride semiconductor device, along with its manufacturing method, capable of suppressing increase in on-resistance and reducing a gate leak current and a drain leak current during off period.SOLUTION: A nitride semiconductor layer 15 in an upper layer is such material as has a larger lattice constant than that of a nitride semiconductor layer 14 in a lower layer. A surface of the nitride semiconductor layer 15 in the upper layer among a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode is applied with a plasma treatment with nitrogen gas. By performing the plasma treatment, a two-dimensional electronic gas layer 16 is formed which has a carrier concentration higher than that of a two-dimensional electronic gas layer formed with a lamination structure of the nitride semiconductor layer with no plasma treatment, which makes a normally-off type nitride semiconductor device having an excellent characteristic.

Description

本発明は、能動層に窒化物半導体層を用いた窒化物半導体装置に関し、特に高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility
Transistor)のような、半導体装置に接触する制御電極を有し、インバーターやコンバーターなどのスイッチング装置に応用されるノーマリオフ型の窒化物半導体装置およびその製造方法に関する。
The present invention relates to a nitride semiconductor device using a nitride semiconductor layer as an active layer, and more particularly to a high electron mobility transistor (HEMT).
The present invention relates to a normally-off type nitride semiconductor device having a control electrode in contact with a semiconductor device, such as a transistor, and applied to a switching device such as an inverter or a converter, and a manufacturing method thereof.

図5は、従来のIII−V族窒化物半導体からなる半導体装置の断面図を示している。図5に示す半導体装置は、いわゆるHEMT構造を示しており、サファイア基板からなる基板11上には、低温で成長した窒化ガリウム(GaN)からなるバッファ層12、窒化ガリウムからなるチャネル層13、ノンドープの窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなるキャリア供給層14、ノンドープの窒化インジウムガリウム(InGaN)からなるキャップ層15が順次積層した構造となっており、ゲート電極18(制御電極)の形成領域を除き、キャップ層15が除去され、凹部20が形成されている。ここで、キャップ層15を構成する窒化インジウムガリウムは、下層のキャリア供給層14を構成する窒化アルミニウムと比べて、格子定数が大きいため、圧縮応力が加わった状態となっている。   FIG. 5 shows a cross-sectional view of a conventional semiconductor device made of a group III-V nitride semiconductor. The semiconductor device shown in FIG. 5 has a so-called HEMT structure, on a substrate 11 made of a sapphire substrate, a buffer layer 12 made of gallium nitride (GaN) grown at a low temperature, a channel layer 13 made of gallium nitride, and non-doped. The carrier supply layer 14 made of aluminum gallium nitride (AlGaN) and the cap layer 15 made of non-doped indium gallium nitride (InGaN) are sequentially stacked, except for the formation region of the gate electrode 18 (control electrode), The cap layer 15 is removed, and the recess 20 is formed. Here, indium gallium nitride constituting the cap layer 15 has a larger lattice constant than aluminum nitride constituting the lower carrier supply layer 14, and therefore is in a state where compressive stress is applied.

この種の半導体装置は、ゲート電極18直下には、ゲート電極18に印加する電圧0Vのとき、キャリアが存在せず、ゲート電極18直下以外の領域のチャネル層13とキャリア供給層14とからなるヘテロ接合界面近傍に、ポテンシャル井戸からなる電子移動度が極めて大きい2次元電子ガス層16が形成されている。このような構造の半導体装置では、ゲート電極18に印加する電圧を制御することにより、ソース電極17aとドレイン電極17bとの間を流れる2次元電子ガス層16(チャネル)を制御している。即ち、ゲート電極18に印加する制御電圧が0Vのとき、キャップ層15に加わっている圧縮応力の影響により、ゲート電極18直下のチャネルにはキャリアが存在せず、ゲート電極18直下以外のチャネルにはキャリアが存在しているノーマリオフ型となっている。   This type of semiconductor device includes a channel layer 13 and a carrier supply layer 14 in a region other than immediately below the gate electrode 18, when no voltage is applied to the gate electrode 18, just below the gate electrode 18. Near the heterojunction interface, a two-dimensional electron gas layer 16 made of a potential well and having a very high electron mobility is formed. In the semiconductor device having such a structure, the two-dimensional electron gas layer 16 (channel) flowing between the source electrode 17a and the drain electrode 17b is controlled by controlling the voltage applied to the gate electrode 18. That is, when the control voltage applied to the gate electrode 18 is 0 V, carriers do not exist in the channel immediately below the gate electrode 18 due to the effect of the compressive stress applied to the cap layer 15, and the channels other than directly below the gate electrode 18 Is a normally-off type where carriers exist.

図6は、従来の別のIII−V族窒化物半導体からなる半導体装置の断面図を示している。図6に示す半導体装置は、図5で説明したキャップ層15を形成する代わりに、キャリア供給層14の組成を窒化アルミニウムインジウムガリウム(AlInGaN)として、チャネル層13と格子整合させ、さらにキャリア供給層14のアルミニウムの組成を0.1程度まで下げて2次元電子ガス層16のシートキャリア濃度を低減させることでピンチオフ電圧を浅くし、ノーマリオフ型としている。この種の半導体装置は、例えば非特許文献1に開示されている。   FIG. 6 shows a cross-sectional view of another conventional semiconductor device made of a group III-V nitride semiconductor. In the semiconductor device shown in FIG. 6, instead of forming the cap layer 15 described in FIG. 5, the composition of the carrier supply layer 14 is made of aluminum indium gallium nitride (AlInGaN) and lattice-matched with the channel layer 13, and the carrier supply layer The pinch-off voltage is reduced by reducing the sheet carrier concentration of the two-dimensional electron gas layer 16 by reducing the composition of the aluminum 14 to about 0.1, so that a normally-off type is achieved. This type of semiconductor device is disclosed in Non-Patent Document 1, for example.

林、他3名、「Sapphire 基板上AlInGaN/GaN HEMTの特性評価」、2005年(平成17年)秋季第66回応用物理学会学術講演会講演予稿集第3分冊、応用物理学会、平成17年9月7日、1258頁Hayashi, et al., “Characteristic evaluation of AlInGaN / GaN HEMT on Sapphire substrate”, 3rd volume of the 66th JSAP Autumn Meeting, 2005, JSAP, 2005 September 7, p. 1258

図5に示す従来の窒化物半導体装置では、ゲート電極18形成領域以外のキャップ層15を、反応性エッチングガスを用いたドライエッチング法によりエッチング除去して凹部20を形成するため、露出するキャリア供給層14表面に、プラズマによる損傷や表面欠陥が発生してしまう。その結果、チャネル層13とキャリア供給層14の界面に形成される2次元電子ガス層16が減少してしまい、ソース−ゲート間あるいはゲート−ドレイン間のチャネル抵抗が増加し、オン抵抗が高くなるという問題があった。   In the conventional nitride semiconductor device shown in FIG. 5, the cap layer 15 other than the region where the gate electrode 18 is formed is etched away by a dry etching method using a reactive etching gas to form the recess 20, so that the exposed carrier is supplied. Damage or surface defects due to plasma occur on the surface of the layer 14. As a result, the two-dimensional electron gas layer 16 formed at the interface between the channel layer 13 and the carrier supply layer 14 decreases, the channel resistance between the source and gate or between the gate and drain increases, and the on-resistance increases. There was a problem.

また図6に示す従来の別の窒化物半導体装置では、キャリア供給層14をインジウムを含む組成としてチャネル層13と格子整合させることでピエゾ分極を無くし、さらにアルミニウムの組成を0.1程度まで下げて2次元電子ガス層16のシートキャリア濃度を低減させるため、動作時のチャネル抵抗が高く、オン抵抗も高いという問題があった。   In another conventional nitride semiconductor device shown in FIG. 6, the carrier supply layer 14 is lattice-matched with the channel layer 13 as a composition containing indium, thereby eliminating piezo-polarization and further reducing the aluminum composition to about 0.1. In order to reduce the sheet carrier concentration of the two-dimensional electron gas layer 16, there is a problem that the channel resistance during operation is high and the on-resistance is also high.

本発明は、上記問題点を解消し、オン抵抗の増加を抑制でき、さらにオフ時のゲートリーク電流およびドレインリーク電流を低減できるノーマリオフ型の窒化物半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a normally-off type nitride semiconductor device that can solve the above problems, suppress an increase in on-resistance, and can reduce gate leakage current and drain leakage current when off, and a method for manufacturing the same. And

上記目的を達成するため、本願請求項1に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素およびインジウムからなる群のうち少なくとも1つからなるIII族元素と、窒素、リンおよび砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むV族元素で構成されたIII−V族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、基板上に積層した前記III−V族窒化物半導体層からなる第1の窒化物半導体層と、該第1の窒化物半導体層上に積層した前記III−V族窒化物半導体層からなり、前記第1の窒化物半導体層より格子定数が大きく、前記第1の窒化物半導体層から圧縮応力を受けている第2の窒化物半導体層と、前記第1の窒化物半導体層にオーミック接触し、離間して配置された2つのオーミック電極と、前記オーミック電極間に配置され、前記第2の窒化物半導体層に接触する制御電極と、前記制御電極と前記オーミック電極との間に露出する前記第2の窒化物半導体層表面にプラズマ処理領域とを備え、前記制御電極に印加する電圧が0Vのとき、前記制御電極直下にキャリアが存在せず、前記プラズマ処理領域直下に前記プラズマ処理領域を形成することによって発生したキャリアが存在することを特徴とする。   In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 of the present application provides a group III element consisting of at least one of the group consisting of gallium, aluminum, boron and indium, and at least one of the group consisting of nitrogen, phosphorus and arsenic. In a nitride semiconductor device including a group III-V nitride semiconductor layer composed of a group V element containing nitrogen, a first nitride semiconductor layer including the group III-V nitride semiconductor layer stacked on a substrate; And the group III-V nitride semiconductor layer laminated on the first nitride semiconductor layer, and has a lattice constant larger than that of the first nitride semiconductor layer, and compressive stress from the first nitride semiconductor layer. Receiving the second nitride semiconductor layer, two ohmic electrodes in ohmic contact with the first nitride semiconductor layer, spaced apart, and disposed between the ohmic electrodes, A control electrode in contact with the nitride semiconductor layer, a plasma treatment region on the surface of the second nitride semiconductor layer exposed between the control electrode and the ohmic electrode, and a voltage applied to the control electrode When 0 V, no carrier exists immediately below the control electrode, and carriers generated by forming the plasma processing region immediately below the plasma processing region exist.

本願請求項2に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素およびインジウムからなる群のうち少なくとも1つからなるIII族元素と、窒素、リンおよび砒素からなる群のうち少なくとも窒素を含むV族元素で構成された前記III−V族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置の製造方法において、基板上に、前記III−V族窒化物半導体層からなる第1の窒化物半導体層と、前記III−V族窒化物半導体層からなり、前記第1の窒化物半導体層より格子定数が大きく、前記第1の窒化物半導体層から圧縮応力を受ける第2の窒化物半導体層とを積層形成する工程と、前記第1の窒化物半導体層にオーミック接触し、離間して配置された2つのオーミック電極を形成する工程と、前記オーミック電極間に、前記第2の窒化物半導体層に接触し、印加する電圧が0Vのとき、その直下にキャリアが存在しない制御電極を形成する工程と、前記制御電極と前記オーミック電極との間に露出する前記第2の窒化物半導体層表面をプラズマ処理し、該プラズマ処理領域直下にプラズマ処理前に存在しなかったキャリアを発生させる工程と、を含むことを特徴とする。   The invention according to claim 2 of the present application is composed of a group III element consisting of at least one of the group consisting of gallium, aluminum, boron and indium, and a group V element containing at least nitrogen among the group consisting of nitrogen, phosphorus and arsenic. In the method for manufacturing a nitride semiconductor device comprising the group III-V nitride semiconductor layer, a first nitride semiconductor layer comprising the group III-V nitride semiconductor layer on a substrate, and the III-V Forming a second nitride semiconductor layer comprising a group nitride semiconductor layer and having a lattice constant larger than that of the first nitride semiconductor layer and receiving compressive stress from the first nitride semiconductor layer; Forming an ohmic contact with the first nitride semiconductor layer and forming two ohmic electrodes spaced apart from each other; contacting the second nitride semiconductor layer between the ohmic electrodes; When the voltage to be applied is 0 V, a step of forming a control electrode in which no carrier exists immediately below, and a surface of the second nitride semiconductor layer exposed between the control electrode and the ohmic electrode are subjected to plasma treatment, And a step of generating carriers that were not present before the plasma treatment immediately below the plasma treatment region.

本発明の窒化物半導体装置は、制御電極形成領域の近傍の第2の窒化物半導体層表面に、不活性ガスのプラズマに晒されたプラズマ処理領域が形成されることで、制御電極形成領域の近傍にキャリアが生成する。そのため、従来の窒化物半導体装置と比べて、動作時のチャネル抵抗が低く、オン抵抗も低くなり、良好な特性の窒化物半導体装置を得ることができる。   In the nitride semiconductor device of the present invention, the plasma treatment region exposed to the plasma of the inert gas is formed on the surface of the second nitride semiconductor layer in the vicinity of the control electrode formation region. Carriers are generated in the vicinity. Therefore, the channel resistance during operation is lower and the on-resistance is lower than that of a conventional nitride semiconductor device, and a nitride semiconductor device with favorable characteristics can be obtained.

特に、制御電極形成領域以外の第2の窒化物半導体層を完全に除去して第1の窒化物半導体層を露出させた構造の従来の窒化物半導体装置と比べて、オン電流の増大とオフ電流の低減を確認することができた。   In particular, compared to a conventional nitride semiconductor device having a structure in which the second nitride semiconductor layer other than the control electrode formation region is completely removed to expose the first nitride semiconductor layer, the on-current is increased and turned off. The reduction in current could be confirmed.

また本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、通常の半導体装置の製造工程で使用する不活性ガスのプラズマ処理を施すのみで良く、特別な製造装置を必要とせず、簡便な製造方法である。   The nitride semiconductor device manufacturing method of the present invention is a simple manufacturing method that does not require a special manufacturing apparatus, and only requires plasma treatment of an inert gas used in a normal semiconductor device manufacturing process. .

本発明に係る第1の実施例の窒化物半導体装置の断面図である。1 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 本発明に係る第1の実施例である窒化物半導体装置の製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method of the nitride semiconductor device which is 1st Example based on this invention. 本発明に係る第2の実施例である窒化物半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the nitride semiconductor device which is 2nd Example based on this invention. 本発明の窒化物半導体装置の伝達特性を示す図である。It is a figure which shows the transfer characteristic of the nitride semiconductor device of this invention. 従来の窒化物半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the conventional nitride semiconductor device. 従来の別の窒化物半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of another conventional nitride semiconductor device.

本発明は、下層の窒化物半導体層の格子定数が、上層の窒化物半導体層の格子定数より小さい材料からなるように選択された窒化物半導体層が積層形成されている窒化物半導体装置であって、上層の窒化物半導体層に制御電極(ゲート電極)が形成されている。さらに、上層の窒化物半導体層表面は、不活性ガスのプラズマに晒されたプラズマ処理領域となっている。以下、本発明の窒化物半導体装置について、III−V族窒化物半導体装置であるHEMTを例にとり、製造工程に従い、詳細に説明する。   The present invention is a nitride semiconductor device in which nitride semiconductor layers selected so that the lattice constant of the lower nitride semiconductor layer is made of a material smaller than the lattice constant of the upper nitride semiconductor layer are stacked. A control electrode (gate electrode) is formed on the upper nitride semiconductor layer. Furthermore, the surface of the upper nitride semiconductor layer is a plasma processing region exposed to an inert gas plasma. Hereinafter, the nitride semiconductor device of the present invention will be described in detail according to a manufacturing process, taking a HEMT as a group III-V nitride semiconductor device as an example.

図1は本発明の第1の実施例の窒化物半導体装置の断面図であり、図2はその製造方法の説明図である。従来例同様、サファイアからなる基板11上に、厚さ30nm程度の低温成長した窒化ガリウムからなるバッファ層12、通常の成膜温度で後述するキャリア供給層14のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ、厚さ2μmのノンドープ窒化ガリウムからなるチャネル層13、チャネル層13との界面にキャリアとなる2次元電子ガス層を形成する厚さ10nmのノンドープ窒化アルミニウムガリウムからなるキャリア供給層14(第1の窒化物半導体層に相当)、厚さ10nmのノンドープ窒化インジウムガリウムからなるキャップ層15(第2の窒化物半導体層に相当)を順次積層した基板を用意する(図2a)。ここで、図2(a)に示すように、キャップ層15が積層されているため、チャネル層13とキャリア供給層14の界面には、2次元電子ガス層は形成されていない。   FIG. 1 is a sectional view of a nitride semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an explanatory view of the manufacturing method. As in the conventional example, a buffer layer 12 made of gallium nitride grown at a low temperature of about 30 nm on a substrate 11 made of sapphire, and has an energy gap smaller than the energy gap of a carrier supply layer 14 described later at a normal film formation temperature. A channel layer 13 made of non-doped gallium nitride having a thickness of 2 μm, and a carrier supply layer 14 made of non-doped aluminum gallium nitride having a thickness of 10 nm forming a two-dimensional electron gas layer serving as a carrier at the interface with the channel layer 13 (first nitride) A substrate in which a cap layer 15 (corresponding to a second nitride semiconductor layer) made of non-doped indium gallium nitride having a thickness of 10 nm is sequentially laminated is prepared (FIG. 2a). Here, as shown in FIG. 2A, since the cap layer 15 is laminated, a two-dimensional electron gas layer is not formed at the interface between the channel layer 13 and the carrier supply layer 14.

次に、通常のフォトリソグラフ法により、ソース電極およびドレイン電極形成予定領域を開口するホトレジストをキャップ層15上にパターニングし、露出するキャップ層15表面を塩素系のドライエッチング法によりエッチング除去する。その後、通常のリフトオフ法により、チタン(Ti)/アルミニウム(Al)/チタン(Ti)/金(Au)からなる積層膜を形成し、850℃30秒のRTA処理で形成することで、キャリア供給層14にオーミック接触するソース電極17a、ドレイン電極17bを形成する(図2b)。ここで、キャップ層15が除去されることにより、ソース電極17a、ドレイン電極17bの直下のチャネル層13とキャリア供給層14の界面に、2次元電素ガス層16が形成される。   Next, a photoresist that opens the source electrode and drain electrode formation scheduled regions is patterned on the cap layer 15 by a normal photolithographic method, and the exposed surface of the cap layer 15 is etched away by a chlorine-based dry etching method. After that, a carrier film is formed by forming a laminated film of titanium (Ti) / aluminum (Al) / titanium (Ti) / gold (Au) by RTA treatment at 850 ° C. for 30 seconds by a normal lift-off method. A source electrode 17a and a drain electrode 17b are formed in ohmic contact with the layer 14 (FIG. 2b). Here, by removing the cap layer 15, a two-dimensional element gas layer 16 is formed at the interface between the channel layer 13 and the carrier supply layer 14 immediately below the source electrode 17a and the drain electrode 17b.

次に、キャップ層15上にニッケル(Ni)/金(Au)の積層膜等からなるゲート電極18を形成し、キャップ層15との間にショットキー接触を形成する(図2c)。   Next, a gate electrode 18 made of a nickel (Ni) / gold (Au) laminated film or the like is formed on the cap layer 15, and a Schottky contact is formed with the cap layer 15 (FIG. 2c).

その後、ゲート電極18、ソース電極17aおよびドレイン電極17bをマスクとして使用し、露出するキャップ層15表面を不活性ガスのプラズマに曝して窒化物半導体装置を完成する。ここで、不活性ガスとして窒素を用いた場合、キャップ層15表面を窒素プラズマ処理する。その結果、ゲート電極18形成領域以外のチャネル層13とキャリア供給層14の界面に2次元電子ガス層16が生成する(図2d)。ここで、キャップ層15表面のプラズマ処理は、例えば、ICP(誘導結合プラズマ)方式のドライエッチング装置を用い、RF電力30W、RFバイアス10W、圧力0.5Pa、窒素流量20sccm、処理時間5分間等の条件で行う。なお、不活性ガスは、窒素ガスの他、ヘリウム、アルゴン、キセノン等を使用することができる。   Thereafter, using the gate electrode 18, the source electrode 17a and the drain electrode 17b as a mask, the exposed surface of the cap layer 15 is exposed to an inert gas plasma to complete the nitride semiconductor device. Here, when nitrogen is used as the inert gas, the surface of the cap layer 15 is subjected to nitrogen plasma treatment. As a result, a two-dimensional electron gas layer 16 is generated at the interface between the channel layer 13 and the carrier supply layer 14 other than the gate electrode 18 formation region (FIG. 2d). Here, the plasma treatment of the surface of the cap layer 15 uses, for example, an ICP (inductively coupled plasma) type dry etching apparatus, RF power 30 W, RF bias 10 W, pressure 0.5 Pa, nitrogen flow rate 20 sccm, treatment time 5 minutes, etc. Perform under the conditions of In addition to nitrogen gas, helium, argon, xenon, etc. can be used as the inert gas.

このように形成した窒化物半導体装置の伝達特性(ドレイン電圧Vd=5Vの場合における電流−電圧特性)を図4に示す。このグラフにおいて横軸はゲート−ソース電極間電圧Vg(V)を、縦軸はソース-ドレイン間の電流Id(A)を示している。なお、図4(a)を対数表示にしたものが図4(b)である。また比較のため、従来例で説明した図6に示す構造の窒化物半導体装置の伝達特性を実線で、図4において第1の実施例(■)で示す。本実施例の窒化物半導体装置は、ゲート電圧0V以上におけるオン電流が、従来例に比べて2倍程度高くなっていることがわかる。さらに、オフ電流は約1桁低減した。このように本実施例では、特性の優れた窒化物半導体装置を提供できることが確認できた。   FIG. 4 shows the transfer characteristics (current-voltage characteristics when the drain voltage Vd = 5 V) of the nitride semiconductor device thus formed. In this graph, the horizontal axis indicates the gate-source electrode voltage Vg (V), and the vertical axis indicates the source-drain current Id (A). FIG. 4B is a logarithmic display of FIG. For comparison, the transfer characteristic of the nitride semiconductor device having the structure shown in FIG. 6 described in the conventional example is shown by a solid line, and the first example (■) in FIG. 4 is shown. In the nitride semiconductor device of this example, it can be seen that the on-current at a gate voltage of 0 V or higher is about twice as high as that of the conventional example. Furthermore, the off-current was reduced by about one digit. Thus, in this example, it was confirmed that a nitride semiconductor device having excellent characteristics can be provided.

これは、キャップ層15を窒素プラズマ処理することで、圧縮応力がかかったキャップ層15にプラズマによる損傷や欠陥が発生し、圧縮応力が緩和し、あるいは表面準位が変化し、2次元電子ガス層16が生成したためと考えられる。一方、プラズマ処理の条件によっては、例えば、印加するパワーが大きい場合やプラズマ処理の時間が長いと、キャップ層15内やキャリア供給層14にも新たな欠陥が生じてしまい、2次元電子ガスの生成量が低減してしまう場合がある。したがって、印加パワーや処理時間等は、2次元電子ガスを生成し、キャリア供給層14に2次元電子ガスの生成量を低減させるほどの欠陥等を生じさせない程度に調整する必要がある。   This is because, when the cap layer 15 is treated with nitrogen plasma, damage or defects due to plasma occurs in the cap layer 15 to which compressive stress is applied, the compressive stress is relaxed, or the surface level is changed, so that the two-dimensional electron gas is changed. This is probably because the layer 16 was generated. On the other hand, depending on the conditions of the plasma treatment, for example, when the power to be applied is large or the plasma treatment time is long, new defects also occur in the cap layer 15 and the carrier supply layer 14, and the two-dimensional electron gas The generation amount may be reduced. Therefore, it is necessary to adjust the applied power, the processing time, and the like to such an extent that the two-dimensional electron gas is generated and the carrier supply layer 14 does not cause defects or the like that reduce the generation amount of the two-dimensional electron gas.

図3は本発明の第2の実施例の窒化物半導体装置の断面図である。本実施例では、実施例1で説明したゲート電極18を形成する工程(図2c)までは同じとなる。その後、本実施例では、ゲート電極18、ソース電極17aおよびドレイン電極17bをマスクとして使用し、キャップ層15を四塩化硅素ガスで2nmプラズマエッチングする。その後、露出したキャップ層15表面を不活性ガスのプラズマ処理し、窒化物半導体装置を完成する(図3)。ここで、不活性ガスとして窒素を用いた場合、キャップ層15表面を窒素プラズマ処理する。その結果、ゲート電極18下部領域以外のチャネル層13とキャリア供給層14の界面に2次元電子ガス層16が生成される。ここで、キャップ層15表面のプラズマ処理は、例えば、ICP(誘導結合プラズマ)方式のドライエッチング装置を用い、RF電力30W、RFバイアス10W、圧力0.5Pa、窒素流量20sccm、処理時間5分間等の条件で行う。なお、不活性ガスは、窒素ガスの他、ヘリウム、アルゴン、キセノン等を使用することができる。   FIG. 3 is a sectional view of a nitride semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In this embodiment, the process is the same up to the step of forming the gate electrode 18 described in Embodiment 1 (FIG. 2c). Thereafter, in this embodiment, the gate electrode 18, the source electrode 17a, and the drain electrode 17b are used as a mask, and the cap layer 15 is plasma-etched by 2 nm with silicon tetrachloride gas. Thereafter, the exposed surface of the cap layer 15 is treated with an inert gas plasma to complete the nitride semiconductor device (FIG. 3). Here, when nitrogen is used as the inert gas, the surface of the cap layer 15 is subjected to nitrogen plasma treatment. As a result, a two-dimensional electron gas layer 16 is generated at the interface between the channel layer 13 and the carrier supply layer 14 other than the region below the gate electrode 18. Here, the plasma treatment of the surface of the cap layer 15 uses, for example, an ICP (inductively coupled plasma) type dry etching apparatus, RF power 30 W, RF bias 10 W, pressure 0.5 Pa, nitrogen flow rate 20 sccm, treatment time 5 minutes, etc. Perform under the conditions of In addition to nitrogen gas, helium, argon, xenon, etc. can be used as the inert gas.

このように形成した窒化物半導体装置の伝達特性(ドレイン電圧Vd=5Vの場合における電流−電圧特性)を図4に示す。図4において第2の実施例(▲)で示すように、本実施例に係る窒化物半導体装置は、ゲート電圧0V以上におけるオン電流が、比較例に比べて2倍程度高く、実施例1とほぼ同じ値になっていることがわかった。さらに、オフ電流は実施例1よりも低く、従来例よりも約3桁低減したことがわかる。このように本実施例でも、特性の優れた窒化物半導体装置を提供できることが確認できた。   FIG. 4 shows the transfer characteristics (current-voltage characteristics when the drain voltage Vd = 5 V) of the nitride semiconductor device thus formed. As shown in FIG. 4 in the second embodiment (▲), the nitride semiconductor device according to this embodiment has an on-current that is about twice as high as that of the comparative example when the gate voltage is 0 V or higher. It was found that the values were almost the same. Further, it can be seen that the off-state current is lower than that of the first embodiment and is reduced by about three orders of magnitude compared to the conventional example. Thus, it was confirmed that the nitride semiconductor device having excellent characteristics can be provided also in this example.

これは、キャップ層15表面をエッチングする工程を加えることによって、ゲートリーク電流の主要因であるエピ成長後の表面自然酸化膜やプロセス中の表面欠陥をエッチング除去できたためと考えられる。   This is presumably because the step of etching the surface of the cap layer 15 can remove the surface natural oxide film after epi growth and the surface defects during the process, which are the main factors of the gate leakage current.

なお、本実施例で用いた四塩化硅素プラズマのエッチングレートは、1.4nm/minと極めて低くすることができるので、本実施例のように浅いエッチングにおいても容易に制御できる。また、エッチングした表面を原子間力顕微鏡(AFM)によって測定したところ、RMS値はエッチング後でも0.56nmであり、平坦性は非常に優れている。   Note that since the etching rate of the silicon tetrachloride plasma used in this embodiment can be made extremely low as 1.4 nm / min, it can be easily controlled even in shallow etching as in this embodiment. Further, when the etched surface was measured by an atomic force microscope (AFM), the RMS value was 0.56 nm even after etching, and the flatness was very excellent.

本実施例においても、プラズマエッチングや窒素プラズマ処理を行う際、その条件によっては、キャップ層15内やキャリア供給層14にも新たな欠陥が生じてしまい、2次元電子ガスの生成量が低減してしまう場合がある。したがって、印加パワーや処理時間等は、2次元電子ガスを生成し、キャリア供給層14に2次元電子ガス生成量を低減させる程の欠陥等の影響が生じない程度に調整する必要がある。   Also in this embodiment, when plasma etching or nitrogen plasma treatment is performed, new defects are generated in the cap layer 15 or the carrier supply layer 14 depending on the conditions, and the generation amount of the two-dimensional electron gas is reduced. May end up. Therefore, it is necessary to adjust the applied power, the processing time, etc. to such an extent that the two-dimensional electron gas is generated and the carrier supply layer 14 is not affected by defects or the like that reduce the two-dimensional electron gas generation amount.

なお、エッチング領域には、反応生成物が残るので、反応生成物を除去するために、電極表面を保護した上で、酸系、あるいはアルカリ系の処理液でエッチング領域を処理し、反応生成物を溶解除去するのが好ましい。この処理によって、反応生成物が除去され、エッチング領域表面を清浄化することができる。   In addition, since a reaction product remains in the etching region, in order to remove the reaction product, the electrode surface is protected, and then the etching region is treated with an acid-based or alkali-based treatment liquid. Is preferably dissolved and removed. By this treatment, reaction products are removed, and the etching region surface can be cleaned.

以上説明したとおり本発明によれば、チャネル抵抗が低く、ドレイン電流のON/OFF比が高いノーマリオフ型動作の窒化物半導体装置を提供できることが確認できた。   As described above, according to the present invention, it was confirmed that a normally-off type nitride semiconductor device having a low channel resistance and a high drain current ON / OFF ratio can be provided.

なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく種々変更可能である。例えば、制御電極の種類、キャップ層およびキャリア供給層の厚さやアルミニウムあるいはインジウムの組成比は、制御電極直下のチャネルにキャリアが存在せず、制御電極直下以外のチャネルにキャリアが存在するように適宜選択、設定することができる。   The present invention is not limited to these examples and can be variously modified. For example, the type of the control electrode, the thickness of the cap layer and the carrier supply layer, and the composition ratio of aluminum or indium are appropriately set so that carriers do not exist in the channel directly below the control electrode and carriers exist in channels other than immediately below the control electrode. Can be selected and set.

また、窒化物半導体層は、GaN/AlGaN系に限定されるものでなく、第1の窒化物半導体層(上記実施例ではキャリア供給層14に相当)は、GaN、InN、AlNあるいはこれらの混晶化合物を含み、かつ少なくともアルミニウムを含む層で形成することができる。また、制御電極が形成される第2の窒化物半導体層(上記実施例ではキャップ層15に相当)は、GaN、InN、AlNあるいはこれらの混晶化合物を含み、第1の窒化物半導体層上に製膜されることで、圧縮応力を受ける層で形成することができる。また第2の窒化物半導体層はp型の導電性を有する膜で形成することもできる。実施例において使用したサファイア基板の代わりに炭化珪素(SiC)基板を用いてもかまわない。その場合は、バッファ層12として窒化アルミニウム(AlN)を用いる方が好ましい。またサファイア基板の代わりにシリコン(Si)基板を用いてもかまわない。   The nitride semiconductor layer is not limited to the GaN / AlGaN system, and the first nitride semiconductor layer (corresponding to the carrier supply layer 14 in the above embodiment) is GaN, InN, AlN, or a mixture thereof. It can be formed of a layer containing a crystal compound and containing at least aluminum. The second nitride semiconductor layer (corresponding to the cap layer 15 in the above embodiment) on which the control electrode is formed contains GaN, InN, AlN, or a mixed crystal compound thereof, and is on the first nitride semiconductor layer. By forming into a film, it can be formed with a layer that receives compressive stress. The second nitride semiconductor layer can also be formed of a p-type conductive film. A silicon carbide (SiC) substrate may be used instead of the sapphire substrate used in the examples. In that case, it is preferable to use aluminum nitride (AlN) as the buffer layer 12. A silicon (Si) substrate may be used instead of the sapphire substrate.

また、第1の窒化物半導体層とオーミック接触する電極の組成は、使用する窒化物半導体層の種類等に応じて、適宜選択すればよい。   The composition of the electrode that is in ohmic contact with the first nitride semiconductor layer may be appropriately selected according to the type of the nitride semiconductor layer to be used.

11:基板、12:バッファ層、13:チャネル層、14:キャリア供給層、15:キャップ層、16:2次元電子ガス層、17a:ソース電極、17b:ドレイン電極、18:ゲート電極、19:凹部、20:プラズマ処理領域 11: substrate, 12: buffer layer, 13: channel layer, 14: carrier supply layer, 15: cap layer, 16: two-dimensional electron gas layer, 17a: source electrode, 17b: drain electrode, 18: gate electrode, 19: Recess, 20: Plasma treatment region

Claims (2)

ガリウム、アルミニウム、ホウ素およびインジウムからなる群のうち少なくとも1つからなるIII族元素と、窒素、リンおよび砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むV族元素で構成されたIII−V族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置において、
基板上に積層した前記III−V族窒化物半導体層からなる第1の窒化物半導体層と、該第1の窒化物半導体層上に積層した前記III−V族窒化物半導体層からなり、前記第1の窒化物半導体層より格子定数が大きく、前記第1の窒化物半導体層から圧縮応力を受けている第2の窒化物半導体層と、前記第1の窒化物半導体層にオーミック接触し、離間して配置された2つのオーミック電極と、前記オーミック電極間に配置され、前記第2の窒化物半導体層に接触する制御電極と、前記制御電極と前記オーミック電極との間に露出する前記第2の窒化物半導体層表面にプラズマ処理領域とを備え、
前記制御電極に印加する電圧が0Vのとき、前記制御電極直下にキャリアが存在せず、前記プラズマ処理領域直下に前記プラズマ処理領域を形成することによって発生したキャリアが存在することを特徴とする窒化物半導体装置。
Group III-V nitride composed of a group III element consisting of at least one of the group consisting of gallium, aluminum, boron and indium and a group V element containing at least nitrogen from the group consisting of nitrogen, phosphorus and arsenic In a nitride semiconductor device composed of a semiconductor layer,
A first nitride semiconductor layer made of the group III-V nitride semiconductor layer stacked on a substrate, and the group III-V nitride semiconductor layer stacked on the first nitride semiconductor layer, A second nitride semiconductor layer having a lattice constant larger than that of the first nitride semiconductor layer and receiving compressive stress from the first nitride semiconductor layer; and ohmic contact with the first nitride semiconductor layer; Two ohmic electrodes disposed apart from each other, a control electrode disposed between the ohmic electrodes and in contact with the second nitride semiconductor layer, and the first electrode exposed between the control electrode and the ohmic electrode A plasma treatment region on the surface of the nitride semiconductor layer of 2;
The nitriding is characterized in that when the voltage applied to the control electrode is 0 V, no carrier exists immediately below the control electrode, and carriers generated by forming the plasma processing region immediately below the plasma processing region exist. Semiconductor device.
ガリウム、アルミニウム、ホウ素およびインジウムからなる群のうち少なくとも1つからなるIII族元素と、窒素、リンおよび砒素からなる群のうち少なくとも窒素を含むV族元素で構成された前記III−V族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置の製造方法において、
基板上に、前記III−V族窒化物半導体層からなる第1の窒化物半導体層と、前記III−V族窒化物半導体層からなり、前記第1の窒化物半導体層より格子定数が大きく、前記第1の窒化物半導体層から圧縮応力を受ける第2の窒化物半導体層とを積層形成する工程と、
前記第1の窒化物半導体層にオーミック接触し、離間して配置された2つのオーミック電極を形成する工程と、
前記オーミック電極間に、前記第2の窒化物半導体層に接触し、印加する電圧が0Vのとき、その直下にキャリアが存在しない制御電極を形成する工程と、
前記制御電極と前記オーミック電極との間に露出する前記第2の窒化物半導体層表面をプラズマ処理し、該プラズマ処理領域直下にプラズマ処理前に存在しなかったキャリアを発生させる工程と、を含むことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
The group III-V nitride comprising a group III element consisting of at least one of the group consisting of gallium, aluminum, boron and indium, and a group V element containing at least nitrogen among the group consisting of nitrogen, phosphorus and arsenic In a method for manufacturing a nitride semiconductor device comprising a semiconductor layer,
On the substrate, the first nitride semiconductor layer made of the group III-V nitride semiconductor layer and the group III-V nitride semiconductor layer, the lattice constant is larger than the first nitride semiconductor layer, Stacking a second nitride semiconductor layer that receives compressive stress from the first nitride semiconductor layer;
Forming two ohmic electrodes that are in ohmic contact with and spaced apart from the first nitride semiconductor layer;
Forming a control electrode that is in contact with the second nitride semiconductor layer between the ohmic electrodes and has no carriers immediately below when the applied voltage is 0 V;
Plasma treating the surface of the second nitride semiconductor layer exposed between the control electrode and the ohmic electrode, and generating carriers that were not present immediately before the plasma treatment immediately below the plasma treatment region. A method for manufacturing a nitride semiconductor device.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014225606A (en) * 2013-05-17 2014-12-04 富士通株式会社 Compound semiconductor device and method of manufacturing the same
CN105204190A (en) * 2014-06-10 2015-12-30 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 Terahertz modulator based on low-dimension electron plasma waves and manufacturing method thereof

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007109830A (en) * 2005-10-12 2007-04-26 Univ Nagoya Field effect transistor
JP2008244419A (en) * 2007-02-27 2008-10-09 Sanken Electric Co Ltd High electron mobility transistor and method of forming same
JP2010212495A (en) * 2009-03-11 2010-09-24 Toyoda Gosei Co Ltd Method of manufacturing hfet composed of group-iii nitride semiconductor
JP2011044457A (en) * 2009-08-19 2011-03-03 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Semiconductor device, and method of manufacturing semiconductor device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007109830A (en) * 2005-10-12 2007-04-26 Univ Nagoya Field effect transistor
JP2008244419A (en) * 2007-02-27 2008-10-09 Sanken Electric Co Ltd High electron mobility transistor and method of forming same
JP2010212495A (en) * 2009-03-11 2010-09-24 Toyoda Gosei Co Ltd Method of manufacturing hfet composed of group-iii nitride semiconductor
JP2011044457A (en) * 2009-08-19 2011-03-03 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Semiconductor device, and method of manufacturing semiconductor device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014225606A (en) * 2013-05-17 2014-12-04 富士通株式会社 Compound semiconductor device and method of manufacturing the same
CN105204190A (en) * 2014-06-10 2015-12-30 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 Terahertz modulator based on low-dimension electron plasma waves and manufacturing method thereof
JP2017526015A (en) * 2014-06-10 2017-09-07 中国科学院蘇州納米技術与納米倣生研究所Suzhou Institute Of Nano−Tech And Nano−Bionics(Sinano),Chinese Academy Of Science Terahertz modulator based on low-dimensional electron plasma wave and manufacturing method thereof

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