JP2013055224A - Semiconductor device and manufacturing method therefor - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method therefor Download PDF

Info

Publication number
JP2013055224A
JP2013055224A JP2011192571A JP2011192571A JP2013055224A JP 2013055224 A JP2013055224 A JP 2013055224A JP 2011192571 A JP2011192571 A JP 2011192571A JP 2011192571 A JP2011192571 A JP 2011192571A JP 2013055224 A JP2013055224 A JP 2013055224A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
region
nitride semiconductor
layer
semiconductor layer
barrier layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2011192571A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takuma Nanjo
拓真 南條
Akifumi Imai
章文 今井
Yosuke Suzuki
洋介 鈴木
Muneyoshi Suita
宗義 吹田
Katsuomi Shiozawa
勝臣 塩沢
Yuji Abe
雄次 阿部
Eiji Yagyu
栄治 柳生
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP2011192571A priority Critical patent/JP2013055224A/en
Publication of JP2013055224A publication Critical patent/JP2013055224A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device including a heterojunction field effect transistor capable of achieving normally-off operation by suppressing formation of a damage layer to a semiconductor layer in a region facing a gate electrode, and to provide a manufacturing method therefor.SOLUTION: An impurity doping region 26 is formed by doping impurities for forming a level in a bandgap having an energy depth up to the energy sum (ΔEc+ΔEp) of a band discontinuous amount ΔEc, from the conduction band of a barrier layer 24 to the heterointerface of a channel layer 23 and the barrier layer 24, and the energy difference ΔEp between the gate electrode 29 side of the barrier layer 24 and the heterointerface side due to polarization generated in the barrier layer 24, in a region of the barrier layer 24 forming a heterojunction and the channel layer 23 excepting a region facing the gate electrode 29.

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、より詳細には、窒化物半導体を用いたヘテロ接合電界効果型トランジスタを備える半導体装置およ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 including a heterojunction field effect transistor using a nitride semiconductor and a manufacturing method thereof.

窒化物半導体を用いたノーマリオフ型のヘテロ構造電界効果型トランジスタでは、ゲート電極に臨む領域(以下「ゲート領域」という場合がある)の半導体層の二次元電子ガスを消失させるために、ゲート電極を形成する前に、ゲート領域の半導体層に何らかのプロセス処理が施される(たとえば、特許文献1,2および非特許文献1参照)。   In a normally-off heterostructure field effect transistor using a nitride semiconductor, in order to eliminate the two-dimensional electron gas in the semiconductor layer in the region facing the gate electrode (hereinafter sometimes referred to as “gate region”), Before the formation, some process treatment is performed on the semiconductor layer in the gate region (see, for example, Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1).

たとえば特許文献1には、ゲート領域の半導体層の一部分をドライエッチングで除去した構造が開示されている。特許文献2には、ゲート領域の半導体層の一部分に、p型の不純物をドーピングした構造が開示されている。非特許文献1には、ゲート領域の半導体層に、フッ素系ガスを用いたプラズマ処理を施した構造が開示されている。   For example, Patent Document 1 discloses a structure in which a part of a semiconductor layer in a gate region is removed by dry etching. Patent Document 2 discloses a structure in which a part of a semiconductor layer in a gate region is doped with a p-type impurity. Non-Patent Document 1 discloses a structure in which a plasma treatment using a fluorine-based gas is performed on a semiconductor layer in a gate region.

特開2005−183733号公報JP 2005-183733 A 特開2004−273486号公報JP 2004-273486 A

ヨン・ツァイ(Yong Cai)、外3名、「High-Performance Enhancement-Mode AlGaN/GaN HEMTs Using Fluoride-Based Plasma Treatment」、IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS、JULY 2005、VOL.26、No.7、pp435−437Yong Cai, three others, “High-Performance Enhancement-Mode AlGaN / GaN HEMTs Using Fluoride-Based Plasma Treatment”, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, JULY 2005, VOL. 26, no. 7, pp 435-437

前述の特許文献1、特許文献2および非特許文献1に開示されるように、窒化物半導体を用いたノーマリオフ型のヘテロ構造電界効果型トランジスタでは、ゲート領域の半導体層の二次元電子ガスを消失させるために、ゲート電極を形成する前に、ゲート領域の半導体層に何らかのプロセス処理が施される。このプロセス処理によって、ゲート領域の半導体層、およびゲート電極と半導体層との界面には、何らかのダメージ層が形成される。   As disclosed in Patent Document 1, Patent Document 2, and Non-Patent Document 1 described above, in a normally-off heterostructure field effect transistor using a nitride semiconductor, the two-dimensional electron gas in the semiconductor layer in the gate region disappears. In order to achieve this, some process treatment is performed on the semiconductor layer in the gate region before forming the gate electrode. By this process treatment, some damage layer is formed at the semiconductor layer in the gate region and at the interface between the gate electrode and the semiconductor layer.

このダメージ層は、トランジスタの電流を制御する役割を有するゲート電極と近接するので、トランジスタの特性に及ぼす影響が大きい。たとえば、ダメージ層は、オフ状態におけるリーク電流の増加、およびパルス動作時にドレイン電流が減少する電流コラプスといった悪影響を引き起こす原因となりやすい。   Since this damaged layer is close to the gate electrode that plays a role in controlling the current of the transistor, it has a great influence on the characteristics of the transistor. For example, the damage layer tends to cause adverse effects such as an increase in leakage current in the off state and current collapse in which the drain current decreases during pulse operation.

本発明の目的は、ゲート電極に臨む領域の半導体層、およびゲート電極と半導体層との界面へのダメージ層の形成を抑制、ノーマリオフ動作を実現することができるヘテロ接合電界効果型トランジスタを備える半導体装置およびその製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a semiconductor having a heterojunction field effect transistor capable of suppressing a formation of a semiconductor layer in a region facing a gate electrode and a damage layer at an interface between the gate electrode and the semiconductor layer and realizing a normally-off operation. An apparatus and a method for manufacturing the same are provided.

本発明の半導体装置は、窒化物半導体層を備えるヘテロ接合電界効果型トランジスタを備える半導体装置であって、前記へテロ接合電界効果型トランジスタは、基板上に設けられる第1の窒化物半導体層と、前記第1の窒化物半導体層上に設けられ、前記第1の窒化物半導体層よりも大きいバンドギャップを有し、前記第1の窒化物半導体層とヘテロ接合を形成する第2の窒化物半導体層と、前記第2の窒化物半導体層上に設けられるゲート電極、ソース電極およびドレイン電極とを備え、前記ゲート電極は、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に介在され、前記第2の窒化物半導体層は、前記第2の窒化物半導体層の伝導帯から、前記第1の窒化物半導体層と前記第2の窒化物半導体層とのヘテロ界面のバンド不連続量ΔEcと、前記第2の窒化物半導体層に発生する分極による前記第2の窒化物半導体層の前記ゲート電極側と前記ヘテロ界面側とのエネルギー差ΔEpとを足し合わせたエネルギー(ΔEc+ΔEp)までのエネルギー深さのバンドギャップ中に準位を形成する不純物を含み、前記第2の窒化物半導体層のうち、前記ゲート電極に臨む領域の少なくとも一部分における前記不純物の濃度は、前記第2の窒化物半導体層の前記ゲート電極に臨む領域を除く他の領域の少なくとも一部分における前記不純物の濃度よりも低いことを特徴とする。   The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device including a heterojunction field effect transistor including a nitride semiconductor layer, and the heterojunction field effect transistor includes a first nitride semiconductor layer provided on a substrate, A second nitride provided on the first nitride semiconductor layer and having a larger band gap than the first nitride semiconductor layer and forming a heterojunction with the first nitride semiconductor layer A semiconductor layer; and a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode provided on the second nitride semiconductor layer, the gate electrode being interposed between the source electrode and the drain electrode, The nitride semiconductor layer includes a band discontinuity amount ΔEc at the heterointerface between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer, from the conduction band of the second nitride semiconductor layer, An energy depth up to an energy (ΔEc + ΔEp) obtained by adding an energy difference ΔEp between the gate electrode side and the heterointerface side of the second nitride semiconductor layer due to polarization generated in the second nitride semiconductor layer An impurity that forms a level in a band gap includes a concentration of the impurity in at least a part of a region facing the gate electrode in the second nitride semiconductor layer. It is characterized in that it is lower than the concentration of the impurity in at least a part of the other region excluding the region facing the gate electrode.

本発明の半導体装置の製造方法は、窒化物半導体層を備えるヘテロ接合電界効果型トランジスタを備える半導体装置の製造方法であって、基板上に第1の窒化物半導体層を形成する第1層形成工程と、前記第1の窒化物半導体層上に、前記第1の窒化物半導体層とヘテロ接合を形成する第2の窒化物半導体層を形成する第2層形成工程と、前記第2の窒化物半導体層上にゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を形成する電極形成工程とを備え、前記電極形成工程では、前記ゲート電極を、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に介在されるように形成し、前記第2層形成工程と前記電極形成工程との間に、前記第2の窒化物半導体層のうち、前記ゲート電極を形成する領域として予め定める領域の少なくとも一部分を除く領域に、前記第2の窒化物半導体層の伝導帯から、前記第1の窒化物半導体層と前記第2の窒化物半導体層とのヘテロ界面のバンド不連続量ΔEcと、前記第2の窒化物半導体層に発生する分極による前記第2の窒化物半導体層の前記ゲート電極側と前記ヘテロ界面側とのエネルギー差ΔEpとを足し合わせたエネルギー(ΔEc+ΔEp)までのエネルギー深さのバンドギャップ中に準位を形成する不純物をドーピングするドーピング工程を備えることを特徴とする。   A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device including a heterojunction field effect transistor including a nitride semiconductor layer, wherein the first layer is formed on the substrate. A second layer forming step of forming a second nitride semiconductor layer forming a heterojunction with the first nitride semiconductor layer on the first nitride semiconductor layer, and the second nitride An electrode forming step of forming a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode on the physical semiconductor layer, wherein the gate electrode is interposed between the source electrode and the drain electrode in the electrode forming step. Formed between the second layer forming step and the electrode forming step, in a region excluding at least a part of a region predetermined as a region for forming the gate electrode in the second nitride semiconductor layer, From the conduction band of the second nitride semiconductor layer, the band discontinuity ΔEc at the heterointerface between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer, and the second nitride semiconductor layer In the band gap of the energy depth up to the energy (ΔEc + ΔEp) obtained by adding the energy difference ΔEp between the gate electrode side and the heterointerface side of the second nitride semiconductor layer due to the polarization generated in A doping step of doping impurities to be formed is provided.

本発明の半導体装置によれば、ヘテロ接合電界効果型トランジスタの第1の窒化物半導体層とヘテロ接合を形成する第2の窒化物半導体層には、第2の窒化物半導体層の伝導帯から、第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層とのヘテロ界面のバンド不連続量ΔEcと、第2の窒化物半導体層に発生する分極による第2の窒化物半導体層のゲート電極側とヘテロ界面側とのエネルギー差ΔEpとを足し合わせたエネルギー(ΔEc+ΔEp)までのエネルギー深さのバンドギャップ中に準位を形成する不純物(以下「準位形成不純物」という場合がある)が含まれる。第2の窒化物半導体層のうち、ゲート電極に臨む領域(以下「ゲート領域」という場合がある)の少なくとも一部分における準位形成不純物の濃度は、第2の窒化物半導体層のゲート領域を除く他の領域の少なくとも一部分における準位形成不純物の濃度よりも低い。   According to the semiconductor device of the present invention, the second nitride semiconductor layer forming the heterojunction with the first nitride semiconductor layer of the heterojunction field effect transistor has a conduction band of the second nitride semiconductor layer. The band discontinuity ΔEc at the heterointerface between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer and the gate electrode of the second nitride semiconductor layer due to the polarization generated in the second nitride semiconductor layer Includes an impurity that forms a level in the band gap of energy depth up to the energy (ΔEc + ΔEp) obtained by adding the energy difference ΔEp between the side and the hetero interface side (hereinafter sometimes referred to as “level-forming impurity”) It is. In the second nitride semiconductor layer, the concentration of the level forming impurity in at least a part of the region facing the gate electrode (hereinafter sometimes referred to as “gate region”) excludes the gate region of the second nitride semiconductor layer. It is lower than the concentration of the level forming impurity in at least a part of the other region.

このように構成することによって、第2の窒化物半導体層のゲート領域を除く他の領域に発生する二次元電子ガスの濃度を、ゲート領域の少なくとも一部分に発生する二次元電子ガスの濃度よりも高くすることができる。これによって、第2の窒化物半導体層のゲート領域を除く他の領域の電気抵抗を、第2の窒化物半導体層のゲート領域の少なくとも一部分の電気抵抗よりも低くすることができる。   By configuring in this way, the concentration of the two-dimensional electron gas generated in other regions other than the gate region of the second nitride semiconductor layer is made higher than the concentration of the two-dimensional electron gas generated in at least a part of the gate region. Can be high. As a result, the electric resistance of the other region excluding the gate region of the second nitride semiconductor layer can be made lower than the electric resistance of at least a portion of the gate region of the second nitride semiconductor layer.

したがって、ゲート電極に電圧を加えていない状態で、ソース電極とドレイン電極との間に電流が流れることを防ぐことができるので、ヘテロ接合電界効果型トランジスタのノーマリオフ動作を実現することができる。   Therefore, current can be prevented from flowing between the source electrode and the drain electrode when no voltage is applied to the gate electrode, so that a normally-off operation of the heterojunction field effect transistor can be realized.

このノーマリオフ動作の実現にあたっては、前述のように第2の窒化物半導体層のうち、ゲート領域の少なくとも一部分における準位形成不純物の濃度を、第2の窒化物半導体層のゲート領域を除く他の領域の少なくとも一部分における準位形成不純物の濃度よりも低くすればよい。つまり、ゲート領域の第2の窒化物半導体層、およびゲート電極と第2の窒化物半導体層との界面にダメージ層が形成されるような処理を第2の窒化物半導体層に施す必要はない。   In realizing this normally-off operation, as described above, in the second nitride semiconductor layer, the concentration of the level forming impurity in at least a part of the gate region is set to other than the gate region of the second nitride semiconductor layer. The concentration may be lower than the concentration of the level forming impurity in at least a part of the region. In other words, it is not necessary to perform a process on the second nitride semiconductor layer such that a damage layer is formed at the interface between the second nitride semiconductor layer in the gate region and the gate electrode and the second nitride semiconductor layer. .

したがって、ゲート領域の第2の窒化物半導体層、およびゲート電極と第2の窒化物半導体層との界面へのダメージ層の形成を抑制して、ノーマリオフ動作を実現することができるヘテロ接合電界効果型トランジスタを備える半導体装置を得ることができる。このようにダメージ層の形成が抑制されることによって、ヘテロ接合電界効果型トランジスタにおいて、リーク電流の増加および電流コプラスの発生などを抑制することができるので、ヘテロ接合電界効果型トランジスタの特性が劣化することを防ぐことができる。   Therefore, it is possible to suppress the formation of the second nitride semiconductor layer in the gate region and the damage layer at the interface between the gate electrode and the second nitride semiconductor layer, and to achieve a normally-off operation, and the heterojunction field effect A semiconductor device including a type transistor can be obtained. By suppressing the formation of the damage layer in this way, in the heterojunction field effect transistor, it is possible to suppress an increase in leakage current and generation of current coplus, etc., so that the characteristics of the heterojunction field effect transistor deteriorate. Can be prevented.

本発明の半導体装置の製造方法によれば、第1層形成工程において、基板上に第1の窒化物半導体層が形成される。第2層形成工程において、第1の窒化物半導体層上に第2の窒化物半導体層が形成され、第1の窒化物半導体層とヘテロ接合が形成される。ドーピング工程において、第2の窒化物半導体層のうち、ゲート電極を形成する領域として予め定める領域の少なくとも一部分を除く領域に、準位形成不純物がドーピングされる。次いで、電極形成工程において、第2の窒化物半導体層上に、ゲート電極がソース電極とドレイン電極との間に介在されるように、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極が形成される。   According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the first nitride semiconductor layer is formed on the substrate in the first layer forming step. In the second layer forming step, a second nitride semiconductor layer is formed on the first nitride semiconductor layer, and a heterojunction is formed with the first nitride semiconductor layer. In the doping step, a level forming impurity is doped into a region of the second nitride semiconductor layer excluding at least a part of a region predetermined as a region for forming the gate electrode. Next, in the electrode formation step, the gate electrode, the source electrode, and the drain electrode are formed on the second nitride semiconductor layer so that the gate electrode is interposed between the source electrode and the drain electrode.

これによって、ゲート領域の第2の窒化物半導体層、およびゲート電極と第2の窒化物半導体層との界面にダメージ層が形成されるような処理を第2の窒化物半導体層に施すことなく、第2の窒化物半導体層のうち、ゲート領域の少なくとも一部分における準位形成不純物の濃度が、第2の窒化物半導体層のゲート領域を除く他の領域の少なくとも一部分における準位形成不純物の濃度よりも低いヘテロ接合電界効果型トランジスタを備える半導体装置を得ることができる。   As a result, the second nitride semiconductor layer is not subjected to a process in which a damage layer is formed at the interface between the second nitride semiconductor layer in the gate region and the gate electrode and the second nitride semiconductor layer. In the second nitride semiconductor layer, the concentration of the level forming impurity in at least a part of the gate region is such that the concentration of the level forming impurity in at least a part of the other region excluding the gate region of the second nitride semiconductor layer. A semiconductor device including a lower heterojunction field effect transistor can be obtained.

このような構成を有する半導体装置は、前述のようにヘテロ接合電界効果型トランジスタのノーマリオフ動作を実現することができる。したがって、ゲート領域の第2の窒化物半導体層、およびゲート電極と第2の窒化物半導体層との界面へのダメージ層の形成を抑制して、ノーマリオフ動作を実現することができるヘテロ接合電界効果型トランジスタを備える半導体装置を得ることができる。   The semiconductor device having such a configuration can realize the normally-off operation of the heterojunction field effect transistor as described above. Therefore, it is possible to suppress the formation of the second nitride semiconductor layer in the gate region and the damage layer at the interface between the gate electrode and the second nitride semiconductor layer, and to achieve a normally-off operation, and the heterojunction field effect A semiconductor device including a type transistor can be obtained.

本発明の実施の一形態である半導体装置101の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device 101 which is one Embodiment of this invention. 基板21上へのバッファ層22、キャリア層23およびバリア層24の積層が終了した段階の状態を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state in which the stacking of the buffer layer 22, the carrier layer 23, and the barrier layer 24 on the substrate 21 is completed. 不純物ドーピング領域26の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。7 is a cross-sectional view showing a state at a stage where the formation of the impurity doping region is completed. FIG. ソース電極27およびドレイン電極28の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state at a stage where the formation of the source electrode 27 and the drain electrode 28 is completed. 素子分離領域25の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a state in which the formation of the element isolation region 25 is completed. ゲート電極29の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state in the stage where formation of the gate electrode 29 was complete | finished. 本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the semiconductor device of this invention. 高濃度n型不純物領域35の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing a state at a stage where the formation of the high-concentration n-type impurity region 35 is completed. FIG. 本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the semiconductor device of this invention. 絶縁膜40の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state in the stage where formation of the insulating film 40 was complete | finished. 本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the semiconductor device of this invention. 絶縁膜45の一部分の除去が終了した段階を示す断面図である。7 is a cross-sectional view showing a stage where removal of a part of the insulating film 45 is completed. FIG. 本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the semiconductor device of this invention.

図1は、本発明の実施の一形態である半導体装置101の構成を示す断面図である。本実施の形態の半導体装置101は、窒化物半導体を用いたヘテロ接合電界効果型トランジスタ(以下、単に「トランジスタ」という場合がある)1を備える。本実施の形態では、半導体装置101は、トランジスタ1と、不図示の他の半導体素子とを含んで構成される。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device 101 according to an embodiment of the present invention. The semiconductor device 101 according to the present embodiment includes a heterojunction field effect transistor (hereinafter sometimes simply referred to as “transistor”) 1 using a nitride semiconductor. In the present embodiment, the semiconductor device 101 includes the transistor 1 and other semiconductor elements (not shown).

半導体装置101は、図1に示すように、基板21、バッファ層22、チャネル層23、バリア層24、素子分離領域25、不純物ドーピング領域26、ソース電極27、ドレイン電極28およびゲート電極29を備えて構成される。バッファ層22、チャネル層23、バリア層24、不純物ドーピング領域26、ソース電極27、ドレイン電極28およびゲート電極29は、トランジスタ1を構成する。   As shown in FIG. 1, the semiconductor device 101 includes a substrate 21, a buffer layer 22, a channel layer 23, a barrier layer 24, an element isolation region 25, an impurity doping region 26, a source electrode 27, a drain electrode 28, and a gate electrode 29. Configured. The buffer layer 22, the channel layer 23, the barrier layer 24, the impurity doping region 26, the source electrode 27, the drain electrode 28, and the gate electrode 29 constitute the transistor 1.

基板21は、炭化珪素(SiC)によって実現される。基板21の材料は、SiCに限らず、基板21上に窒化物半導体層を形成できる材料、より詳細には、基板21上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長できる材料であればよい。具体的には、基板21の材料は、シリコン(Si)、サファイア、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)などであってもよい。   The substrate 21 is realized by silicon carbide (SiC). The material of the substrate 21 is not limited to SiC, and may be any material that can form a nitride semiconductor layer on the substrate 21, more specifically, any material that can epitaxially grow the nitride semiconductor layer on the substrate 21. Specifically, the material of the substrate 21 may be silicon (Si), sapphire, gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), or the like.

基板21の厚み方向一方側の表面上には、バッファ層22が設けられている。バッファ層22の厚み方向一方側の表面上には、チャネル層23が設けられている。チャネル層3の厚み方向一方側の表面上には、バリア層24が設けられている。バッファ層22、チャネル層23およびバリア層24は、窒化物半導体層であり、窒化物半導体から成る。チャネル層23とバリア層24とは、ヘテロ接合を形成する。バリア層24は、チャネル層23よりも大きいバンドギャップを有する。チャネル層23は、第1の窒化物半導体層に相当する。バリア層24は、第2の窒化物半導体層に相当する。   A buffer layer 22 is provided on the surface of one side in the thickness direction of the substrate 21. A channel layer 23 is provided on the surface of one side in the thickness direction of the buffer layer 22. A barrier layer 24 is provided on the surface of the channel layer 3 on one side in the thickness direction. The buffer layer 22, the channel layer 23, and the barrier layer 24 are nitride semiconductor layers and are made of a nitride semiconductor. The channel layer 23 and the barrier layer 24 form a heterojunction. The barrier layer 24 has a larger band gap than the channel layer 23. The channel layer 23 corresponds to a first nitride semiconductor layer. The barrier layer 24 corresponds to a second nitride semiconductor layer.

不純物ドーピング領域26は、バリア層24中に形成されている。不純物ドーピング領域26は、不純物を含む。不純物ドーピング領域26は、バリア層24に不純物がドーピングされて形成される。不純物ドーピング領域26に含まれる不純物としては、バリア層24を構成する窒化物半導体において、伝導帯から後述する準位形成可能幅ΔEtまでのエネルギー深さのバンドギャップ中に準位を形成するものが挙げられる。このようなものとしては、Si、酸素原子(O)、窒素空孔などが挙げられる。   The impurity doping region 26 is formed in the barrier layer 24. The impurity doping region 26 contains impurities. The impurity doping region 26 is formed by doping the barrier layer 24 with impurities. As the impurities contained in the impurity doping region 26, in the nitride semiconductor constituting the barrier layer 24, an impurity that forms a level in a band gap of an energy depth from a conduction band to a level formable width ΔEt described later. Can be mentioned. Examples of such a material include Si, oxygen atoms (O), and nitrogen vacancies.

ゲート電極29は、バリア層24の厚み方向一方側の表面上に設けられる。ゲート電極29は、ショットキー電極として機能する。   The gate electrode 29 is provided on the surface on one side in the thickness direction of the barrier layer 24. The gate electrode 29 functions as a Schottky electrode.

ゲート電極29は、ショットキー特性が得られればよく、たとえば、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)、金(Au)、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)などの金属、イリジウムシリサイド(IrSi)、白金シリサイド(PtSi)、ニッケルシリサイド(NiSi2)などのシリサイド、もしくは窒化チタン(TiN)、窒化タングステン(WN)などの窒化物金属、またはこれらから構成される多層膜などで形成される。 The gate electrode 29 only needs to obtain Schottky characteristics. For example, titanium (Ti), aluminum (Al), platinum (Pt), gold (Au), nickel (Ni), palladium (Pd), and other metals, iridium Formed by silicide such as silicide (IrSi), platinum silicide (PtSi), nickel silicide (NiSi 2 ), nitride metal such as titanium nitride (TiN), tungsten nitride (WN), or a multilayer film composed of these. Is done.

ソース電極27およびドレイン電極28は、ゲート電極29を挟んで対向するように、バリア層24の厚み方向一方側の表面上に設けられる。ソース電極27およびドレイン電極28は、いずれも、ゲート電極29から間隔をあけて設けられる。換言すれば、ゲート電極29は、ソース電極27とドレイン電極28との間に介在される。   The source electrode 27 and the drain electrode 28 are provided on the surface on one side in the thickness direction of the barrier layer 24 so as to face each other with the gate electrode 29 interposed therebetween. Both the source electrode 27 and the drain electrode 28 are provided at a distance from the gate electrode 29. In other words, the gate electrode 29 is interposed between the source electrode 27 and the drain electrode 28.

ソース電極27およびドレイン電極28は、オーミック特性が得られればよく、たとえば、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、ニオブ(Nb)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、ストロンチウム(Sr)、ニッケル(Ni)、タンタル(Ta)、金(Au)、モリブデン(Mo)もしくはタングステン(W)などの金属、またはこれらから構成される多層膜で形成される。   For example, titanium (Ti), aluminum (Al), niobium (Nb), hafnium (Hf), zirconium (Zr), strontium (Sr), nickel may be used for the source electrode 27 and the drain electrode 28. It is formed of a metal such as (Ni), tantalum (Ta), gold (Au), molybdenum (Mo) or tungsten (W), or a multilayer film composed of these metals.

素子分離領域25は、トランジスタ1と、基板21上に設けられる不図示の他の半導体素子とを分離する。本実施の形態では、基板21上にトランジスタ1以外の他の半導体素子が設けられ、半導体装置101は、トランジスタ1と他の半導体素子とを含んで構成される。本発明の他の実施の形態では、半導体装置は、他の半導体素子を含まなくてもよい。この場合、素子分離領域25は、設けられなくてもよい。   The element isolation region 25 isolates the transistor 1 from other semiconductor elements (not shown) provided on the substrate 21. In this embodiment mode, a semiconductor element other than the transistor 1 is provided over the substrate 21, and the semiconductor device 101 includes the transistor 1 and another semiconductor element. In another embodiment of the present invention, the semiconductor device may not include other semiconductor elements. In this case, the element isolation region 25 may not be provided.

素子分離領域25は、トランジスタ1が形成される領域以外の領域のエピタキシャル結晶層に形成される。より詳細には、素子分離領域25は、トランジスタ1が形成される領域と、他の半導体素子が形成される領域との間のエピタキシャル結晶層に形成される。本実施の形態では、エピタキシャル結晶層は、バッファ層22、チャネル層23およびバリア層24であり、素子分離領域25は、チャネル層23およびバリア層24に形成される。   The element isolation region 25 is formed in an epitaxial crystal layer in a region other than the region where the transistor 1 is formed. More specifically, the element isolation region 25 is formed in an epitaxial crystal layer between a region where the transistor 1 is formed and a region where another semiconductor element is formed. In the present embodiment, the epitaxial crystal layers are the buffer layer 22, the channel layer 23, and the barrier layer 24, and the element isolation region 25 is formed in the channel layer 23 and the barrier layer 24.

バリア層24について、さらに具体的に説明する。チャネル層23とバリア層24とのヘテロ界面に形成されるバンド不連続量をΔEcとする。チャネル層23とバリア層24とがヘテロ結合を形成すると、バリア層24に分極が発生する。このバリア層24に発生する分極によるバリア層24のゲート電極29側とヘテロ界面側とのエネルギー差をΔEpとする。バンド不連続量ΔEcと、バリア層24のゲート電極29側とヘテロ界面側とのエネルギー差ΔEpとを足し合わせたエネルギー(ΔEc+ΔEp、以下「準位形成可能幅」という)を、ΔEtとする(ΔEt=ΔEc+ΔEp)。   The barrier layer 24 will be described more specifically. A band discontinuity formed at the heterointerface between the channel layer 23 and the barrier layer 24 is represented by ΔEc. When the channel layer 23 and the barrier layer 24 form a hetero bond, polarization occurs in the barrier layer 24. An energy difference between the gate electrode 29 side and the heterointerface side of the barrier layer 24 due to polarization generated in the barrier layer 24 is represented by ΔEp. The energy obtained by adding the band discontinuity amount ΔEc and the energy difference ΔEp between the gate electrode 29 side and the heterointerface side of the barrier layer 24 (ΔEc + ΔEp, hereinafter referred to as “level-formable width”) is denoted as ΔEt (ΔEt = ΔEc + ΔEp).

ここで、バリア層24のヘテロ界面側とは、バリア層24のチャネル層23と接する表面側、すなわちバリア層24の厚み方向他方側の表面側をいう。バリア層24のゲート電極29側とは、バリア層24のゲート電極29に臨む表面側をいう。バリア層24のゲート電極29側は、具体的には、バリア層24のチャネル層23と接する表面とは反対の表面側、すなわちバリア層24の厚み方向一方側の表面側(以下「バリア層24の表面側」という場合がある)である。   Here, the heterointerface side of the barrier layer 24 refers to the surface side of the barrier layer 24 in contact with the channel layer 23, that is, the surface side of the other side in the thickness direction of the barrier layer 24. The gate electrode 29 side of the barrier layer 24 refers to the surface side facing the gate electrode 29 of the barrier layer 24. Specifically, the gate electrode 29 side of the barrier layer 24 is the surface side opposite to the surface in contact with the channel layer 23 of the barrier layer 24, that is, the surface side on one side in the thickness direction of the barrier layer 24 (hereinafter referred to as “barrier layer 24”). It may be referred to as “the front side of the surface”).

本実施の形態のトランジスタ1では、バリア層24は、不純物ドーピング領域26を有する。不純物ドーピング領域26には、バリア層24の伝導帯から準位形成可能幅ΔEtまでのエネルギー深さのバンドギャップ中に準位を形成する不純物(以下「準位形成不純物」という)がドーピングされている。換言すれば、不純物ドーピング領域26は、準位形成不純物を含んでいる。   In the transistor 1 of the present embodiment, the barrier layer 24 has an impurity doping region 26. The impurity doping region 26 is doped with an impurity (hereinafter referred to as a “level-forming impurity”) that forms a level in a band gap having an energy depth from the conduction band of the barrier layer 24 to the level-formable width ΔEt. Yes. In other words, the impurity doping region 26 includes a level forming impurity.

不純物ドーピング領域26は、バリア層24のうち、ゲート電極29に臨む領域(以下「ゲート領域」という場合がある)を除く他の領域の少なくとも一部分に形成されている。具体的には、不純物ドーピング領域26は、バリア層24のゲート電極29側の部分のうち、ゲート領域を除く他の領域の少なくとも一部分に形成されている。バリア層24のゲート電極29に臨む領域であるゲート領域は、具体的には、バリア層24のゲート電極29に近接する領域である。バリア層24のゲート電極29に近接する領域は、バリア層24のゲート電極29に接する部分と、その近傍部分とを含む。   The impurity-doped region 26 is formed in at least a part of the barrier layer 24 other than a region facing the gate electrode 29 (hereinafter sometimes referred to as “gate region”). Specifically, the impurity doping region 26 is formed in at least a part of a region other than the gate region in the portion of the barrier layer 24 on the gate electrode 29 side. Specifically, the gate region that is the region facing the gate electrode 29 of the barrier layer 24 is a region adjacent to the gate electrode 29 of the barrier layer 24. The region of the barrier layer 24 adjacent to the gate electrode 29 includes a portion in contact with the gate electrode 29 of the barrier layer 24 and a portion in the vicinity thereof.

バリア層24に不純物ドーピング領域26を形成することによって、バリア層24のうち、ゲート領域の少なくとも一部分における準位形成不純物の濃度を、バリア層24のゲート領域を除く他の領域の少なくとも一部分における準位形成不純物の濃度よりも低くすることができる。換言すれば、バリア層24のうち、ゲート領域を除く他の領域の少なくとも一部分における準位形成不純物の濃度を、ゲート領域の少なくとも一部分における準位形成不純物の濃度よりも高くすることができる。   By forming the impurity doped region 26 in the barrier layer 24, the concentration of the level forming impurity in at least a part of the gate region of the barrier layer 24 is changed to a quasi level in at least a part of other regions of the barrier layer 24 except for the gate region. The concentration can be lower than the concentration of the potential forming impurities. In other words, the concentration of the level forming impurity in at least a part of the barrier layer 24 other than the gate region can be higher than the concentration of the level forming impurity in at least a part of the gate region.

ここで、バリア層24のゲート領域の少なくとも一部分は、バリア層24のゲート領域のうち、不純物ドーピング領域26が形成されていない部分のことであり、本実施の形態では、バリア層24のゲート領域の全体である。バリア層24のゲート領域を除く他の領域の少なくとも一部分は、バリア層24のゲート領域を除く他の領域のうち、不純物ドーピング領域26が形成されている部分のことである。本実施の形態では、不純物ドーピング領域26は、バリア層24のゲート電極29側の部分のうち、ゲート領域および素子分離領域25を除く領域に形成されている。   Here, at least a part of the gate region of the barrier layer 24 is a portion of the gate region of the barrier layer 24 where the impurity doping region 26 is not formed. In the present embodiment, the gate region of the barrier layer 24 is formed. Of the whole. At least a part of the other region excluding the gate region of the barrier layer 24 is a portion of the other region other than the gate region of the barrier layer 24 where the impurity doping region 26 is formed. In the present embodiment, the impurity doping region 26 is formed in a region excluding the gate region and the element isolation region 25 in the portion of the barrier layer 24 on the gate electrode 29 side.

つまり、本実施の形態では、バリア層24のゲート領域における準位形成不純物の濃度は、バリア層24のゲート領域を除く他の領域の少なくとも一部分である、不純物ドーピング領域26における準位形成不純物の濃度よりも低くなっている。   In other words, in the present embodiment, the concentration of the level formation impurity in the gate region of the barrier layer 24 is at least a part of the other region excluding the gate region of the barrier layer 24. It is lower than the concentration.

具体的には、バリア層24のうち、ゲート領域では、ヘテロ界面に二次元電子ガスが発生しないように、準位形成不純物の濃度は、たとえば1×1012cm-2以下に十分に低くされる。ゲート領域を除く他の領域、具体的には不純物ドーピング領域26では、ヘテロ界面に二次元電子ガスが発生するように、準位形成不純物の濃度は、ゲート領域における準位形成不純物の濃度を超える程度に十分に高くされる。たとえば、ゲート領域の準位形成不純物の濃度が1×1012cm-2以下とされる場合には、不純物ドーピング領域26の準位形成不純物の濃度は、1×1012cm-2を超える程度、具体的には1×1013cm-2程度に十分に高くされる。 Specifically, in the gate layer of the barrier layer 24, the concentration of the level forming impurity is sufficiently lowered to, for example, 1 × 10 12 cm −2 or less so that two-dimensional electron gas is not generated at the heterointerface. . In other regions except the gate region, specifically, the impurity doping region 26, the level forming impurity concentration exceeds the level forming impurity concentration in the gate region so that a two-dimensional electron gas is generated at the heterointerface. Be high enough to the extent. For example, when the concentration of the level formation impurity in the gate region is 1 × 10 12 cm −2 or less, the concentration of the level formation impurity in the impurity doping region 26 exceeds about 1 × 10 12 cm −2. Specifically, it is made sufficiently high to about 1 × 10 13 cm −2 .

以上のように本実施の形態では、バリア層24のゲート領域における準位形成不純物の濃度は、バリア層24のゲート領域を除く他の領域の少なくとも一部分、具体的には不純物ドーピング領域26における準位形成不純物の濃度よりも低くなっている。このように構成することによって、バリア層24のゲート領域を除く他の領域に発生する二次元電子ガスの濃度を、ゲート領域に発生する二次元電子ガスの濃度よりも高くすることができる。これによって、バリア層24のゲート領域を除く他の領域の電気抵抗を、バリア層24のゲート領域の電気抵抗よりも低くすることができる。   As described above, in the present embodiment, the concentration of the level formation impurity in the gate region of the barrier layer 24 is at least a part of other regions except the gate region of the barrier layer 24, specifically, the quasi level in the impurity doping region 26. It is lower than the concentration of the potential forming impurities. With such a configuration, the concentration of the two-dimensional electron gas generated in other regions of the barrier layer 24 other than the gate region can be made higher than the concentration of the two-dimensional electron gas generated in the gate region. As a result, the electric resistance of the other region except the gate region of the barrier layer 24 can be made lower than the electric resistance of the gate region of the barrier layer 24.

したがって、ゲート電極29に電圧を加えていない状態で、ソース電極27とドレイン電極28との間に電流が流れることを防ぐことができるので、ヘテロ接合電界効果型トランジスタ1のノーマリオフ動作を実現することができる。   Therefore, it is possible to prevent a current from flowing between the source electrode 27 and the drain electrode 28 in a state where no voltage is applied to the gate electrode 29, thereby realizing a normally-off operation of the heterojunction field effect transistor 1. Can do.

このノーマリオフ動作の実現にあたっては、前述のようにバリア層24のうち、ゲート領域の少なくとも一部分における準位形成不純物の濃度を、バリア層24のゲート領域を除く他の領域の少なくとも一部分における準位形成不純物の濃度よりも低くすればよい。つまり、ゲート領域のバリア層24、およびゲート電極29とバリア層24との界面にダメージ層が形成されるような処理をバリア層24に施す必要はない。   In realizing the normally-off operation, as described above, the concentration of the level forming impurity in at least a part of the gate region in the barrier layer 24 is set to the level formation in at least a part of the other region of the barrier layer 24 except for the gate region. The concentration may be lower than the impurity concentration. That is, it is not necessary to perform a treatment on the barrier layer 24 such that a damage layer is formed at the barrier layer 24 in the gate region and at the interface between the gate electrode 29 and the barrier layer 24.

したがって、ゲート領域のバリア層24、およびゲート電極29とバリア層24との界面へのダメージ層の形成を抑制して、ノーマリオフ動作を実現することができるヘテロ接合電界効果型トランジスタ1を備える半導体装置101を得ることができる。このようにダメージ層の形成が抑制されることによって、トランジスタ1において、リーク電流の増加および電流コプラスの発生などを抑制することができるので、トランジスタ1の特性が劣化することを防ぐことができる。   Therefore, the semiconductor device including the heterojunction field effect transistor 1 capable of realizing the normally-off operation by suppressing the formation of the damage layer at the barrier layer 24 in the gate region and the interface between the gate electrode 29 and the barrier layer 24. 101 can be obtained. By suppressing the formation of the damaged layer in this manner, in the transistor 1, an increase in leakage current and generation of current coplus can be suppressed, so that the characteristics of the transistor 1 can be prevented from being deteriorated.

以下に、バリア層24における準位形成不純物の濃度と二次元電子ガスの濃度との関係について説明する。バンドギャップの大きさが異なる窒化物半導体を用いてヘテロ構造を形成した場合、ヘテロ構造を構成する窒化物半導体層のうち、バンドギャップが相対的に大きい層には分極が発生する。本実施の形態では、チャネル層23とバリア層24とによってヘテロ構造が構成されており、バリア層24の方が、相対的に大きいバンドギャップを有するので、バリア層24に分極が発生する。これによって、バリア層24のゲート電極29側の部分のエネルギーが高くなる。   Below, the relationship between the density | concentration of the level formation impurity in the barrier layer 24 and the density | concentration of two-dimensional electron gas is demonstrated. When a heterostructure is formed using nitride semiconductors having different bandgap sizes, polarization occurs in a layer having a relatively large bandgap among the nitride semiconductor layers constituting the heterostructure. In the present embodiment, the channel layer 23 and the barrier layer 24 form a heterostructure, and the barrier layer 24 has a relatively large band gap, so that the barrier layer 24 is polarized. This increases the energy of the portion of the barrier layer 24 on the gate electrode 29 side.

このとき、バリア層24のバンドギャップ中に不純物準位が形成され、その準位が伝導帯から準位形成可能幅ΔEtのエネルギー深さのバンドギャップ内にあれば、分極によって高エネルギー側にシフトしたバリア層24のゲート電極29の部分では、不純物準位が空乏化される。そして、バリア層24のゲート電極29の部分では、系の電気的平衡状態を保存するために、ヘテロ界面に空乏化された濃度分だけの二次元電子ガスが形成される。したがって、バリア層24中の伝導体から準位形成可能幅ΔEtまでのエネルギー深さのバンドギャップ中に不純物準位を形成する準位形成不純物の濃度は、二次元電子ガスの濃度と密接な関係を有する。   At this time, if an impurity level is formed in the band gap of the barrier layer 24 and the level is within the band gap of the energy depth of the level formation width ΔEt from the conduction band, it is shifted to the high energy side by polarization. In the portion of the gate electrode 29 of the barrier layer 24, the impurity level is depleted. In the gate electrode 29 portion of the barrier layer 24, a two-dimensional electron gas corresponding to the depleted concentration is formed at the hetero interface in order to preserve the electrical equilibrium state of the system. Therefore, the concentration of the level-forming impurity that forms the impurity level in the band gap of the energy depth from the conductor in the barrier layer 24 to the level formation width ΔEt is closely related to the concentration of the two-dimensional electron gas. Have

以上のことから、本実施の形態では、前述のようにバリア層24のうち、ゲート領域の準位形成不純物の濃度を、ゲート領域を除く他の領域の準位形成不純物の濃度よりも低くしている。これによって、ゲート領域のバリア層24、およびゲート電極29とバリア層24との界面にダメージ層が形成されるような処理をバリア層24に施すことなく、バリア層24のうち、ゲート領域を除く他の領域に発生する二次元電子ガスの濃度が、ゲート領域に発生する二次元電子ガスの濃度よりも高い構成を実現している。   From the above, in the present embodiment, as described above, the concentration of the level formation impurity in the gate region of the barrier layer 24 is set lower than the concentration of the level formation impurity in other regions other than the gate region. ing. As a result, the gate region is removed from the barrier layer 24 without subjecting the barrier layer 24 to a process in which a damage layer is formed at the barrier layer 24 in the gate region and at the interface between the gate electrode 29 and the barrier layer 24. A configuration is realized in which the concentration of the two-dimensional electron gas generated in the other region is higher than the concentration of the two-dimensional electron gas generated in the gate region.

また本実施の形態では、前述のようにバリア層24のゲート電極29側の部分のうち、ゲート領域を除く他の領域に、準位形成不純物を含む不純物ドーピング領域26が形成されている。これによって、バリア層24のゲート電極29側の部分のうち、ゲート領域を除く他の領域の準位形成不純物の濃度が、ゲート領域の準位形成不純物の濃度よりも高い構成を容易に実現することができる。   In the present embodiment, as described above, the impurity doping region 26 containing the level forming impurity is formed in the region other than the gate region in the portion of the barrier layer 24 on the gate electrode 29 side. This easily realizes a configuration in which the concentration of the level forming impurity in the region other than the gate region in the portion on the gate electrode 29 side of the barrier layer 24 is higher than the concentration of the level forming impurity in the gate region. be able to.

次に、前述の図1に示す本発明の実施の一形態である半導体装置101の製造方法について説明する。図2〜図6は、本発明の実施の一形態である半導体装置101の製造方法を説明するための図である。図2〜図6の説明において、図1に対応する部分については、同一の参照符を付して共通する説明を省略する。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device 101 according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 will be described. 2 to 6 are views for explaining a method of manufacturing the semiconductor device 101 according to the embodiment of the present invention. 2 to 6, portions corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and common description is omitted.

図2は、基板21上へのバッファ層22、キャリア層23およびバリア層24の積層が終了した段階の状態を示す断面図である。基板21上、具体的には基板21の厚み方向一方側の表面上に、バッファ層22、チャネル層23およびバリア層24をこの順に積層して形成する。チャネル層23を形成する工程は、第1層形成工程に相当する。バリア層24を形成する工程は、第2層形成工程に相当する。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in which the stacking of the buffer layer 22, the carrier layer 23, and the barrier layer 24 on the substrate 21 is completed. A buffer layer 22, a channel layer 23, and a barrier layer 24 are stacked in this order on the substrate 21, specifically, on the surface on one side in the thickness direction of the substrate 21. The step of forming the channel layer 23 corresponds to the first layer forming step. The step of forming the barrier layer 24 corresponds to the second layer forming step.

バッファ層22、チャネル層23およびバリア層24は、それぞれ、有機金属気相成長(Metal Organic Chemical Vapor Deposition;略称:MOCVD)法または分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy;略称:MBE)法などのエピタキシャル成長法を用いて、エピタキシャル成長させることによって形成される。   The buffer layer 22, the channel layer 23, and the barrier layer 24 are each formed by an epitaxial growth method such as a metal organic chemical vapor deposition (abbreviation: MOCVD) method or a molecular beam epitaxy (abbreviation: MBE) method. Is formed by epitaxial growth.

図3は、不純物ドーピング領域26の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。バリア層24のうち、不純物ドーピング領域26を形成する領域として予め定める領域(以下「ドーピング領域形成領域」という場合がある)に、不純物ドーピング領域26を形成する。ドーピング領域形成領域は、バリア層24のうち、ゲート電極29を形成する領域として予め定める領域の少なくとも一部分を除く領域である。本実施形態では、ドーピング領域形成領域は、バリア層24のうち、ゲート電極29を形成する領域として予め定める領域の全体を除く領域である。   FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state in which the formation of the impurity doping region 26 is completed. In the barrier layer 24, the impurity doping region 26 is formed in a region that is predetermined as a region for forming the impurity doping region 26 (hereinafter sometimes referred to as “doping region formation region”). The doping region forming region is a region excluding at least a part of a region predetermined as a region for forming the gate electrode 29 in the barrier layer 24. In the present embodiment, the doping region forming region is a region excluding the entire region predetermined as a region for forming the gate electrode 29 in the barrier layer 24.

不純物ドーピング領域26は、具体的には以下のようにして形成される。バリア層24のドーピング領域形成領域に、レジストパターンなどをマスクとして、イオン注入法などを用いて、Si、Oなどのイオンを打ち込むことによって、ドーピングする。次いで、レジストパターンなどのマスクを除去した後、急速熱アニール(Rapid Thermal Annealing;略称:RTA)法などを用いて、ドーピングしたイオンを活性化させる。このようにして、バリア層24の厚み方向一方側の表面側の部分に、不純物ドーピング領域26を形成する。不純物ドーピング領域26は、2箇所に形成される。不純物ドーピング領域26を形成する工程は、ドーピング工程に相当する。   Specifically, the impurity doping region 26 is formed as follows. Doping is performed by implanting ions such as Si and O into the doping region forming region of the barrier layer 24 using an ion implantation method or the like using a resist pattern or the like as a mask. Next, after removing a mask such as a resist pattern, the doped ions are activated using a rapid thermal annealing (abbreviation: RTA) method or the like. In this manner, the impurity doping region 26 is formed in the surface side portion on one side in the thickness direction of the barrier layer 24. Impurity doping regions 26 are formed in two places. The step of forming the impurity doping region 26 corresponds to a doping step.

図4は、ソース電極27およびドレイン電極28の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。不純物ドーピング領域26上に、ソース電極27およびドレイン電極28となる金属膜を、蒸着法またはスパッタ法を用いてリフトオフ法などによって堆積した後、RTA法などを用いて合金化して、ソース電極27およびドレイン電極28を形成する。ソース電極27およびドレイン電極28となる金属膜は、たとえばチタン(Ti)、アルミニウム(Al)、ニオブ(Nb)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、ストロンチウム(Sr)、ニッケル(Ni)、タンタル(Ta)、金(Au)、モリブデン(Mo)もしくはタングステン(W)などの金属から成る単層膜、またはこれらのから構成される多層膜である。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state where the formation of the source electrode 27 and the drain electrode 28 is completed. A metal film to be a source electrode 27 and a drain electrode 28 is deposited on the impurity doping region 26 by a lift-off method or the like using an evaporation method or a sputtering method, and then alloyed using an RTA method or the like to form the source electrode 27 and A drain electrode 28 is formed. The metal film to be the source electrode 27 and the drain electrode 28 is, for example, titanium (Ti), aluminum (Al), niobium (Nb), hafnium (Hf), zirconium (Zr), strontium (Sr), nickel (Ni), tantalum. It is a single layer film made of a metal such as (Ta), gold (Au), molybdenum (Mo) or tungsten (W), or a multilayer film made of these.

図5は、素子分離領域25の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。トランジスタ1を作製する領域外のチャネル層23およびバリア層24に、たとえばイオン注入法またはエッチングなどを用いて、素子分離領域25を形成する。図5には、イオン注入法によって素子分離領域25を形成する場合を示している。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state in which the formation of the element isolation region 25 has been completed. An element isolation region 25 is formed in the channel layer 23 and the barrier layer 24 outside the region for manufacturing the transistor 1 by using, for example, an ion implantation method or etching. FIG. 5 shows a case where the element isolation region 25 is formed by ion implantation.

図6は、ゲート電極29の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。不純物ドーピング領域26が形成されたバリア層24上に、ゲート電極29となる金属膜を、蒸着法またはスパッタ法を用いて堆積し、リフトオフ法などによって所定の領域にゲート電極29を形成する。ゲート電極29は、不純物ドーピング領域26同士の間のバリア層24上に形成される。ゲート電極29となる金属膜は、たとえばチタン(Ti)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)、金(Au)、ニッケル(Ni)およびパラジウム(Pd)などの金属、イリジウムシリサイド(IrSi)、白金シリサイド(PtSi)、ニッケルシリサイド(NiSi2)などのシリサイド、もしくは窒化チタン(TiN)、窒化タングステン(WN)などの窒化物金属から成る単層膜、またはこれらから構成される多層膜である。 FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state where the formation of the gate electrode 29 is completed. A metal film to be the gate electrode 29 is deposited on the barrier layer 24 in which the impurity doping region 26 is formed by using an evaporation method or a sputtering method, and the gate electrode 29 is formed in a predetermined region by a lift-off method or the like. The gate electrode 29 is formed on the barrier layer 24 between the impurity doping regions 26. The metal film to be the gate electrode 29 is, for example, a metal such as titanium (Ti), aluminum (Al), platinum (Pt), gold (Au), nickel (Ni) and palladium (Pd), iridium silicide (IrSi), platinum It is a single layer film made of silicide such as silicide (PtSi), nickel silicide (NiSi 2 ), or nitride metal such as titanium nitride (TiN) or tungsten nitride (WN), or a multilayer film composed of these.

前述の図4に示すソース電極27およびドレイン電極28を形成する工程、および図6に示すゲート電極29を形成する工程は、電極形成工程に相当する。   The process for forming the source electrode 27 and the drain electrode 28 shown in FIG. 4 and the process for forming the gate electrode 29 shown in FIG. 6 correspond to an electrode formation process.

以上の方法によって、図1に示す構造のヘテロ接合電界効果型トランジスタ1を作製することができる。本実施の形態では、トランジスタとして動作する必要最小限の要素しか記載していないが、最終的には保護膜、配線、バイアホールなどの形成プロセスを経て、デバイスとして用いられる。本実施の形態のように半導体装置101が他の半導体素子を備える場合には、さらに、他の半導体素子の形成プロセスを経て、半導体装置101が得られる。   By the above method, the heterojunction field effect transistor 1 having the structure shown in FIG. 1 can be manufactured. In this embodiment mode, only a minimum necessary element that operates as a transistor is described, but finally, a device is formed through a formation process of a protective film, a wiring, a via hole, and the like. When the semiconductor device 101 includes another semiconductor element as in this embodiment, the semiconductor device 101 is obtained through a process for forming another semiconductor element.

以上のように本実施の形態によれば、図3に示す不純物ドーピング領域26を形成する工程では、バリア層24のうち、ゲート電極29が形成される部分には、不純物ドーピング領域26を形成しない。そして、図6に示すゲート電極29を形成する工程では、不純物ドーピング領域26同士の間のバリア層24上に、ゲート電極29を形成する。   As described above, according to the present embodiment, in the step of forming the impurity doped region 26 shown in FIG. 3, the impurity doped region 26 is not formed in the portion of the barrier layer 24 where the gate electrode 29 is formed. . In the step of forming the gate electrode 29 shown in FIG. 6, the gate electrode 29 is formed on the barrier layer 24 between the impurity doping regions 26.

これによって、ゲート領域のバリア層24、およびゲート電極29とバリア層24との界面にダメージ層が形成されるような処理をバリア層24に施すことなく、ゲート領域のバリア層24に不純物ドーピング領域26が形成されていないトランジスタ1を備える半導体装置101を製造することができる。換言すれば、ゲート領域のバリア層24、およびゲート電極29とバリア層24との界面にダメージ層が形成されるような処理をバリア層24に施すことなく、バリア層24のうち、ゲート領域の少なくとも一部分における準位形成不純物の濃度が、バリア層24のゲート領域を除く他の領域の少なくとも一部分における準位形成不純物の濃度よりも低いトランジスタ1を備える半導体装置101を得ることができる。   Accordingly, the barrier layer 24 in the gate region is not subjected to a treatment such that a damage layer is formed at the interface between the barrier layer 24 in the gate region and the gate electrode 29 and the barrier layer 24. The semiconductor device 101 including the transistor 1 in which the 26 is not formed can be manufactured. In other words, in the barrier layer 24, the gate region of the gate region is not subjected to a treatment such that a damage layer is formed at the barrier layer 24 in the gate region and the interface between the gate electrode 29 and the barrier layer 24. The semiconductor device 101 including the transistor 1 can be obtained in which the concentration of the level formation impurity in at least a portion is lower than the concentration of the level formation impurity in at least a portion of the other region except the gate region of the barrier layer 24.

このような構成を有する本実施の形態の半導体装置101は、前述のようにトランジスタ1のノーマリオフ動作を実現することができる。したがって、ゲート領域のバリア層24、およびゲート電極29とバリア層24との界面へのダメージ層の形成を抑制して、ノーマリオフ動作を実現することができるトランジスタ1を備える半導体装置101を得ることができる。   The semiconductor device 101 of this embodiment having such a configuration can realize the normally-off operation of the transistor 1 as described above. Therefore, it is possible to obtain the semiconductor device 101 including the transistor 1 that can realize the normally-off operation by suppressing the formation of the damage layer at the barrier layer 24 in the gate region and the interface between the gate electrode 29 and the barrier layer 24. it can.

また本実施の形態では、不純物ドーピング領域26を形成するときには、イオン注入法によって準位形成不純物をドーピングする。これによって、不純物ドーピング領域26を所望の領域に容易に形成することができる。   Further, in the present embodiment, when the impurity doping region 26 is formed, the level forming impurity is doped by an ion implantation method. Thereby, the impurity doped region 26 can be easily formed in a desired region.

本実施の形態の半導体装置101およびその製造方法について、以下にさらに述べる。図2に示すチャネル層23およびバリア層24をエピタキシャル成長させる工程では、AlGaNの原料ガスとなるトリメチルアンモニウム、トリメチルガリウム、アンモニアなどの流量、圧力および温度を調整し、チャネル層23およびバリア層24を所望の組成とする。これによって、種々の特性を有するトランジスタ1を備える半導体装置101を製造することができる。   The semiconductor device 101 of this embodiment and the manufacturing method thereof will be further described below. In the step of epitaxially growing the channel layer 23 and the barrier layer 24 shown in FIG. 2, the flow rate, pressure, and temperature of trimethylammonium, trimethylgallium, ammonia, etc., which are AlGaN source gases, are adjusted, and the channel layer 23 and the barrier layer 24 are desired. The composition is as follows. Thereby, the semiconductor device 101 including the transistor 1 having various characteristics can be manufactured.

チャネル層23およびバリア層24は、バリア層24に分極が発生するヘテロ接合を形成できる材料であればよい。たとえば、チャネル層23は、InaAlbGa1-a-bN(0≦a≦1,0≦b≦1)で構成され、バリア層24は、IncAldGa1-c-dN(0≦c≦1,0≦d≦1)で構成されていればよい。 The channel layer 23 and the barrier layer 24 may be any material that can form a heterojunction in which polarization occurs in the barrier layer 24. For example, the channel layer 23 is made of In a Al b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1), and the barrier layer 24 is made of In c Al d Ga 1-cd N (0 ≦ c ≦ 1, 0 ≦ d ≦ 1).

このうち、チャネル層23がAlbGa1-bNで構成され、バリア層24がAldGa1-dNで構成される場合を考える。ただしb<dである。この場合、バリア層24に大きな分極効果が発生するので、チャネル層23とバリア層24とのヘテロ界面に、高濃度の二次元電子ガスを発生させることができる。したがって、この構造は、トランジスタ1の大電流化、さらには高出力化に有利であり、より好ましい構造である。 Among these, the case where the channel layer 23 is made of Al b Ga 1-b N and the barrier layer 24 is made of Al d Ga 1-d N is considered. However, b <d. In this case, since a large polarization effect is generated in the barrier layer 24, a high concentration two-dimensional electron gas can be generated at the heterointerface between the channel layer 23 and the barrier layer 24. Therefore, this structure is advantageous for increasing the current and further increasing the output of the transistor 1, and is a more preferable structure.

ヘテロ構造電界効果型トランジスタ1は、チャネル層23に用いる半導体材料の絶縁破壊電界が高いほど耐圧が高くなる。AlbGa1-bNは、Al組成がより高いほどバンドギャップが大きく、絶縁破壊電界が高い。したがって、上記の構造において、チャネル層23に用いるAlbGa1-bNは、よりAl組成が高い、換言すればbが1に近い方が好ましい。 In the heterostructure field effect transistor 1, the breakdown voltage increases as the breakdown electric field of the semiconductor material used for the channel layer 23 increases. Al b Ga 1-b N, the higher Al composition higher band gap is large, the dielectric breakdown electric field is high. Therefore, in the above structure, Al b Ga 1-b N used for the channel layer 23 preferably has a higher Al composition, in other words, b is close to 1.

また、バリア層24に用いる半導体材料のバンドギャップが大きいほど、バリア層24を介してゲート電極29からチャネル層23とバリア層24とのヘテロ界面へ流れるゲートリーク電流が流れにくくなる。したがって、バリア層24として用いるAldGa1-dNも同様に、よりAl組成が高い方が好ましい。具体的には、AldGa1-dNのdが1の場合であるAlNを用いた場合に、最もリーク電流を低減することができる。 Further, as the band gap of the semiconductor material used for the barrier layer 24 is larger, the gate leakage current flowing from the gate electrode 29 to the hetero interface between the channel layer 23 and the barrier layer 24 through the barrier layer 24 becomes less likely to flow. Therefore, Al d Ga 1-d N used as the barrier layer 24 is also preferably higher in Al composition. Specifically, when AlN, which is a case where d of Al d Ga 1-d N is 1, the leakage current can be reduced most.

チャネル層23およびバリア層24は、必ずしも同一組成の単一層から成る構造である必要はなく、In組成、Al組成、Ga組成(a,b,c,d)が異なる複数層から成る多層膜で構成されてもよい。また、チャネル層23およびバリア層24を構成する各層には、窒化物半導体に対してn型不純物またはp型不純物として機能する不純物が含まれていてもよい。   The channel layer 23 and the barrier layer 24 do not necessarily have a structure composed of a single layer having the same composition, and are a multilayer film composed of a plurality of layers having different In composition, Al composition, and Ga composition (a, b, c, d). It may be configured. In addition, each layer constituting the channel layer 23 and the barrier layer 24 may contain an impurity that functions as an n-type impurity or a p-type impurity with respect to the nitride semiconductor.

図3に示す不純物ドーピング層26の形成工程では、イオン注入法によって不純物ドーピング領域26を形成する場合を示したが、不純物ドーピング領域26の形成方法は、これに限定されない。たとえば、SiまたはOなどの不純物となる元素を含む材料を所望の領域に堆積した後、高温でアニールして熱拡散させてもよい。または、不純物となる元素を含む雰囲気中でプラズマ処理してもよい。または、低気圧状態で熱処理を行い、バリア層24を構成する窒化物半導体の窒素を脱離させて、窒素空孔を形成してもよい。   In the step of forming the impurity doped layer 26 shown in FIG. 3, the case where the impurity doped region 26 is formed by the ion implantation method is shown, but the method of forming the impurity doped region 26 is not limited to this. For example, a material containing an element that becomes an impurity such as Si or O may be deposited in a desired region, and then annealed at a high temperature and thermally diffused. Alternatively, plasma treatment may be performed in an atmosphere containing an element that becomes an impurity. Alternatively, nitrogen vacancies may be formed by performing heat treatment in a low-pressure state to desorb nitrogen of the nitride semiconductor constituting the barrier layer 24.

また図3に示す不純物ドーピング領域26の形成工程では、レジストパターンの形成およびイオン注入を、レジストパターンと、注入エネルギーおよび注入量などの注入条件とを変えて、数回繰返して行う。これによって、前述の図1、ならびに後述する図9、図10および図11に示すような種々の構造の不純物ドーピング領域26,32,33,34を形成することができる。   In the step of forming the impurity doped region 26 shown in FIG. 3, the formation of the resist pattern and the ion implantation are repeated several times while changing the resist pattern and the implantation conditions such as the implantation energy and the implantation amount. As a result, impurity doped regions 26, 32, 33 and 34 having various structures as shown in FIG. 1 described above and FIGS. 9, 10 and 11 described later can be formed.

図4に示すソース電極27およびドレイン電極28の形成工程、図5に示す素子分離領域25の形成工程、および図6に示すゲート電極29の形成工程の3つの工程は、必ずしもこの順に行う必要はなく、工程の順番を入れ替えてもよい。たとえば、ソース電極27およびドレイン電極28を形成する工程の前に、素子分離領域25を形成する工程を行ってもよい。   The three steps of forming the source electrode 27 and the drain electrode 28 shown in FIG. 4, the forming step of the element isolation region 25 shown in FIG. 5, and the forming step of the gate electrode 29 shown in FIG. Alternatively, the order of the steps may be changed. For example, the step of forming the element isolation region 25 may be performed before the step of forming the source electrode 27 and the drain electrode 28.

図7は、本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。本発明の実施の他の形態の半導体装置102では、トランジスタ2は、図7に示すように、前述の図1に示すトランジスタ1におけるチャネル層23とバリア層24との間に、スペーサ層30が介在されていてもよい。スペーサ層30は、比較的薄く形成される。スペーサ層30の厚さは、たとえば0.1nm〜5nmである。スペーサ層30は、窒化インジウム(InN)、GaNまたはAlNなどの二元系半導体から成る。   FIG. 7 is a cross-sectional view showing another example of the semiconductor device of the present invention. In the semiconductor device 102 according to another embodiment of the present invention, as shown in FIG. 7, the transistor 2 includes a spacer layer 30 between the channel layer 23 and the barrier layer 24 in the transistor 1 shown in FIG. It may be interposed. The spacer layer 30 is formed relatively thin. The thickness of the spacer layer 30 is, for example, 0.1 nm to 5 nm. The spacer layer 30 is made of a binary semiconductor such as indium nitride (InN), GaN, or AlN.

このように二元系半導体から成るスペーサ層30をチャネル層23とバリア層24との間に介在させることによって、ヘテロ界面の電子移動度を向上させることができる。したがって、トランジスタ2に、大きなドレイン電流を流すことができる。   Thus, by interposing the spacer layer 30 made of a binary semiconductor between the channel layer 23 and the barrier layer 24, the electron mobility at the heterointerface can be improved. Therefore, a large drain current can flow through the transistor 2.

図7に示す半導体装置2は、前述の図2に示す工程において、チャネル層23を形成した後に、スペーサ層30を形成し、その後バリア層24を形成することによって製造することができる。スペーサ層30は、チャネル層23およびバリア層24と同様に、たとえばエピタキシャル成長によって形成される。スペーサ層30は、たとえばInN、GaNまたはAlNなどの二元系半導体によって形成される。スペーサ層30は、たとえば厚さが0.1nm〜5nmに形成される。   The semiconductor device 2 shown in FIG. 7 can be manufactured by forming the spacer layer 30 after forming the channel layer 23 and then forming the barrier layer 24 in the step shown in FIG. As with the channel layer 23 and the barrier layer 24, the spacer layer 30 is formed by, for example, epitaxial growth. The spacer layer 30 is formed of a binary semiconductor such as InN, GaN, or AlN. The spacer layer 30 is formed with a thickness of 0.1 nm to 5 nm, for example.

図8は、本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。本発明の他の実施の形態の半導体装置102では、トランジスタ3は、図8に示すように、前述の図1に示すトランジスタ1におけるバリア層24のうち、ゲート電極29に臨む領域が、キャップ層31で覆われていてもよい。バリア層24のうち、ゲート電極29に臨む領域は、具体的には、バリア層24の厚み方向一方側の表面部のうち、不純物ドーピング領域26同士の間の領域である。キャップ層31は、比較的薄く形成される。キャップ層31の厚さは、たとえば0.1nm〜5nmである。キャップ層31は、たとえばGaNから成る。   FIG. 8 is a cross-sectional view showing another example of the semiconductor device of the present invention. In the semiconductor device 102 according to another embodiment of the present invention, as shown in FIG. 8, the transistor 3 has a cap layer in which the region facing the gate electrode 29 in the barrier layer 24 in the transistor 1 shown in FIG. 31 may be covered. In the barrier layer 24, the region facing the gate electrode 29 is specifically a region between the impurity doping regions 26 in the surface portion on one side in the thickness direction of the barrier layer 24. The cap layer 31 is formed relatively thin. The thickness of the cap layer 31 is, for example, 0.1 nm to 5 nm. The cap layer 31 is made of, for example, GaN.

このようにバリア層24のゲート電極29に臨む領域をキャップ層31で覆うことによって、ゲート電極29のショットキー障壁が高くなるので、トランジスタ3の耐圧を高くすることができる。   By covering the region of the barrier layer 24 that faces the gate electrode 29 with the cap layer 31 in this way, the Schottky barrier of the gate electrode 29 is increased, so that the breakdown voltage of the transistor 3 can be increased.

図8に示す半導体装置3は、前述の図2に示す工程でバリア層24を形成した後に、キャップ層31を形成し、その後、前述の図3に示す工程で、バリア層24およびキャップ層11の所定の領域に不純物ドーピング領域26を形成することによって製造することができる。キャップ層31は、チャネル層23およびバリア層24と同様に、たとえばエピタキシャル成長によって形成される。キャップ層31は、たとえばGaNによって形成される。キャップ層31は、たとえば厚さが0.1nm〜5nmに形成される。   In the semiconductor device 3 shown in FIG. 8, the cap layer 31 is formed after the barrier layer 24 is formed in the step shown in FIG. 2, and then the barrier layer 24 and the cap layer 11 are formed in the step shown in FIG. It can be manufactured by forming the impurity doped region 26 in the predetermined region. Similar to the channel layer 23 and the barrier layer 24, the cap layer 31 is formed by, for example, epitaxial growth. The cap layer 31 is made of, for example, GaN. The cap layer 31 is formed with a thickness of 0.1 nm to 5 nm, for example.

図9および図10は、本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。前述の図1に示す本実施の形態の半導体装置101では、不純物ドーピング領域26は、バリア層24の表面側の部分のうち、ソース電極27およびドレイン電極28に接する部分にまで形成されている。本発明の他の実施の形態では、不純物ドーピング領域32は、図9および図10に示すように、バリア層24の表面側の部分のうち、ソース電極27とゲート電極29との間の領域の少なくとも一部分、およびドレイン電極28とゲート電極29との間の領域の少なくとも一部分に形成されていればよい。   9 and 10 are cross-sectional views showing other examples of the semiconductor device of the present invention. In the semiconductor device 101 of the present embodiment shown in FIG. 1 described above, the impurity doping region 26 is formed up to the portion in contact with the source electrode 27 and the drain electrode 28 in the portion on the surface side of the barrier layer 24. In another embodiment of the present invention, the impurity doping region 32 is a region between the source electrode 27 and the gate electrode 29 in the portion on the surface side of the barrier layer 24 as shown in FIGS. It suffices if it is formed at least in part and in at least part of the region between the drain electrode 28 and the gate electrode 29.

たとえば、図9に示す半導体装置104のトランジスタ4では、不純物ドーピング領域32は、バリア層24の表面側の部分のうち、ソース電極27とゲート電極29との間の領域の一部分、およびドレイン電極28とゲート電極29との間の領域の一部分に形成される。換言すれば、不純物ドーピング領域32は、ソース電極27とゲート電極29との間の領域に、ソース電極27およびゲート電極29からそれぞれ間隔をあけて形成される。また不純物ドーピング領域32は、ドレイン電極28とゲート電極29との間の領域に、ドレイン電極28およびゲート電極29からそれぞれ間隔をあけて形成される。   For example, in the transistor 4 of the semiconductor device 104 shown in FIG. 9, the impurity doping region 32 includes a part of the region between the source electrode 27 and the gate electrode 29 in the portion on the surface side of the barrier layer 24, and the drain electrode 28. And part of the region between the gate electrode 29 and the gate electrode 29. In other words, the impurity doping region 32 is formed in a region between the source electrode 27 and the gate electrode 29 with a distance from the source electrode 27 and the gate electrode 29. Further, the impurity doping region 32 is formed in a region between the drain electrode 28 and the gate electrode 29 and spaced from the drain electrode 28 and the gate electrode 29.

図10に示す半導体装置105のトランジスタ5では、不純物ドーピング領域33は、バリア層24の表面側の部分のうち、ソース電極27とゲート電極29との間の全ての領域、およびドレイン電極28とゲート電極29との間の全ての領域に形成される。   In the transistor 5 of the semiconductor device 105 shown in FIG. 10, the impurity doping region 33 includes all regions between the source electrode 27 and the gate electrode 29 in the portion on the surface side of the barrier layer 24, and the drain electrode 28 and the gate. It is formed in all regions between the electrodes 29.

不純物ドーピング領域32,33は、ソース電極27とゲート電極29との間の領域の少なくとも一部分、およびドレイン電極28とゲート電極29との間の領域の少なくとも一部分に形成されていれば、この領域の二次元電子ガス濃度を増加させて、ソース電極27とドレイン電極28との間の抵抗を低くすることができる。したがって、不純物ドーピング領域32,33は、図9および図10に示すように、ソース電極27とゲート電極29との間の領域の少なくとも一部分、およびドレイン電極28とゲート電極29との間の領域の少なくとも一部分に形成されていればよい。   If the impurity doping regions 32 and 33 are formed in at least a part of the region between the source electrode 27 and the gate electrode 29 and at least a part of the region between the drain electrode 28 and the gate electrode 29, The resistance between the source electrode 27 and the drain electrode 28 can be lowered by increasing the two-dimensional electron gas concentration. Therefore, as shown in FIGS. 9 and 10, the impurity doping regions 32 and 33 are at least a part of the region between the source electrode 27 and the gate electrode 29 and the region between the drain electrode 28 and the gate electrode 29. What is necessary is just to be formed in at least one part.

図9および図10に示す構造を比較すると、図10に示すように、ソース電極27とゲート電極29との間の全ての領域、およびドレイン電極28とゲート電極29との間の全ての領域に不純物ドーピング領域33を形成した方が、図9に示すように不純物ドーピング領域32を前記領域の一部分に形成した場合に比べて、ソース電極27とドレイン電極28との間の抵抗をより低くすることができる。したがって、ソース電極27とドレイン電極28との間の抵抗を低減するという観点からは、図10に示すように、ソース電極27とゲート電極29との間の全ての領域、およびドレイン電極28とゲート電極29との間の全ての領域に、不純物ドーピング領域33が形成されている構造の方が好ましい。   Comparing the structures shown in FIGS. 9 and 10, as shown in FIG. 10, all regions between the source electrode 27 and the gate electrode 29 and all regions between the drain electrode 28 and the gate electrode 29 are shown. When the impurity-doped region 33 is formed, the resistance between the source electrode 27 and the drain electrode 28 is made lower than when the impurity-doped region 32 is formed in a part of the region as shown in FIG. Can do. Therefore, from the viewpoint of reducing the resistance between the source electrode 27 and the drain electrode 28, as shown in FIG. 10, the entire region between the source electrode 27 and the gate electrode 29, and the drain electrode 28 and the gate are arranged. A structure in which the impurity doping region 33 is formed in all regions between the electrode 29 is preferable.

図9および図10に示す構造と前述の図1に示す構造とを比較すると、バリア層24のソース電極27およびドレイン電極28に接する部分の二次元電子ガス濃度が高い方が、コンタクト抵抗を低くすることができる。したがって、図1に示すように、ソース電極27およびドレイン電極28に接する部分のバリア層24にも不純物ドーピング領域26が形成されている構造の方が好ましい。   Comparing the structure shown in FIGS. 9 and 10 with the structure shown in FIG. 1 described above, the contact resistance is lower when the two-dimensional electron gas concentration in the portion of the barrier layer 24 in contact with the source electrode 27 and the drain electrode 28 is higher. can do. Therefore, as shown in FIG. 1, a structure in which an impurity doping region 26 is also formed in the barrier layer 24 in contact with the source electrode 27 and the drain electrode 28 is preferable.

図9に示す半導体装置104および図10に示す半導体装置105は、不純物ドーピング領域32が形成される領域が異なること以外は、前述の図2〜図6に示す本実施の形態の半導体装置101の製造方法と同様にして製造することができる。   The semiconductor device 104 shown in FIG. 9 and the semiconductor device 105 shown in FIG. 10 are different from the semiconductor device 101 of the present embodiment shown in FIGS. 2 to 6 except that the region where the impurity doping region 32 is formed is different. It can be manufactured in the same manner as the manufacturing method.

図11は、本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。本発明の実施の他の形態における半導体装置106のトランジスタでは、不純物ドーピング領域34は、バリア層24の内部に形成されている。   FIG. 11 is a cross-sectional view showing another example of the semiconductor device of the present invention. In the transistor of the semiconductor device 106 according to another embodiment of the present invention, the impurity doping region 34 is formed inside the barrier layer 24.

図1に示す不純物ドーピング領域26は、二次元電子ガスが発生するヘテロ界面よりもバリア層24の表面側に形成されていれば、分極の効果を受けて二次元電子ガスの源となる。したがって、不純物ドーピング領域は、図1に示す不純物ドーピング領域26のように必ずしもバリア層24の表面側の部分の最表面に形成する必要はなく、図11に示す不純物ドーピング領域34のようにバリア層24の内部に形成されてもよい。   If the impurity doping region 26 shown in FIG. 1 is formed on the surface side of the barrier layer 24 with respect to the heterointerface where the two-dimensional electron gas is generated, it becomes a source of the two-dimensional electron gas under the effect of polarization. Therefore, the impurity doping region does not necessarily have to be formed on the outermost surface of the portion on the surface side of the barrier layer 24 as in the impurity doping region 26 shown in FIG. 1, and the barrier layer as in the impurity doping region 34 shown in FIG. 24 may be formed inside.

不純物ドーピング領域26,34に形成された不純物準位は、バリア層24の表面に近いほど分極の効果を受けやすく、エネルギーが深い準位も空乏化され、二次元電子ガスの源になりやすい。また、不純物ドーピング領域26,34は、二次元電子ガスが発生するヘテロ界面に近いほど、二次元電子ガスの散乱因子となりやすい。   Impurity levels formed in the impurity doping regions 26 and 34 are more susceptible to polarization as they are closer to the surface of the barrier layer 24, and deeper energy levels are also depleted, which easily becomes a source of two-dimensional electron gas. In addition, the impurity doping regions 26 and 34 are more likely to be a scattering factor of the two-dimensional electron gas as they are closer to the heterointerface where the two-dimensional electron gas is generated.

したがって、不純物ドーピング領域26,34は、バリア層24の表面側の部分の最表面により近い領域に浅く形成する方が好ましい。たとえば、図1に示す構造と図11に示す構造とを比較した場合、図1に示す不純物ドーピング領域26のようにバリア層24の表面側の部分の最表面に形成する方が、図2に示す不純物ドーピング領域34のようにバリア層24の内部に形成するよりも好ましい。   Therefore, it is preferable to form the impurity doping regions 26 and 34 shallowly in a region closer to the outermost surface of the surface side portion of the barrier layer 24. For example, when the structure shown in FIG. 1 is compared with the structure shown in FIG. 11, it is more preferable to form it on the outermost surface of the portion on the surface side of the barrier layer 24 like the impurity doping region 26 shown in FIG. The impurity doping region 34 shown is more preferable than being formed inside the barrier layer 24.

図11に示す不純物ドーピング領域34は、前述の図3に示す不純物ドーピング領域の形成工程において、注入エネルギーなどを調整することによって形成することができる。   The impurity doping region 34 shown in FIG. 11 can be formed by adjusting the implantation energy in the impurity doping region forming step shown in FIG.

図12は、本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。本発明の他の実施の形態における半導体装置107のトランジスタ7では、エピタキシャル結晶層であるチャネル層23およびバリア層24のうち、ソース電極27およびドレイン電極28に臨む領域の少なくとも一部分には、高濃度n型不純物領域35が形成されていてもよい。高濃度n型不純物領域35を形成することによって、ソース電極27と半導体層とのコンタクト抵抗、およびドレイン電極28と半導体層とのコンタクト抵抗を低くすることができる。ここで、半導体層とは、基板21上に形成される半導体層をいい、具体的には、チャネル層23およびバリア層24をいう。   FIG. 12 is a cross-sectional view showing another example of the semiconductor device of the present invention. In the transistor 7 of the semiconductor device 107 according to another embodiment of the present invention, at least a part of the region facing the source electrode 27 and the drain electrode 28 in the channel layer 23 and the barrier layer 24 which are epitaxial crystal layers has a high concentration. An n-type impurity region 35 may be formed. By forming the high-concentration n-type impurity region 35, the contact resistance between the source electrode 27 and the semiconductor layer and the contact resistance between the drain electrode 28 and the semiconductor layer can be reduced. Here, the semiconductor layer refers to a semiconductor layer formed on the substrate 21, and specifically refers to a channel layer 23 and a barrier layer 24.

高濃度n型不純物領域35は、必ずしもn型不純物の濃度が一定である必要はなく、濃度が分布していてもよい。高濃度n型不純物領域35は、ゲート電極29側からドレイン電極28側に向けてn型不純物の濃度が高くなるような構造にすることが好ましい。このような構造にすることによって、ドレイン電極28に高電圧を印加したときに、ゲート電極29のドレイン電極28側の端部に集中する電界を緩和することができるので、トランジスタ7の高耐圧化を図ることができる。   In the high-concentration n-type impurity region 35, the concentration of the n-type impurity is not necessarily constant, and the concentration may be distributed. The high concentration n-type impurity region 35 is preferably structured so that the concentration of the n-type impurity increases from the gate electrode 29 side to the drain electrode 28 side. With such a structure, when a high voltage is applied to the drain electrode 28, the electric field concentrated on the end of the gate electrode 29 on the drain electrode 28 side can be relaxed. Can be achieved.

図13は、高濃度n型不純物領域35の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。図12に示す半導体装置107は、前述の図4に示すソース電極27およびドレイン電極28の形成工程の前に、図13に示すように高濃度n型不純物領域35を形成することによって製造することができる。   FIG. 13 is a cross-sectional view showing a state where the formation of the high concentration n-type impurity region 35 is completed. The semiconductor device 107 shown in FIG. 12 is manufactured by forming the high-concentration n-type impurity region 35 as shown in FIG. 13 before the step of forming the source electrode 27 and the drain electrode 28 shown in FIG. Can do.

図13に示す高濃度n型不純物領域35の形成工程では、不純物ドーピング領域26が形成されたバリア層24およびチャネル層23の所望の領域に、レジストパターンなどをマスクとして、イオン注入法などを用いて、Siなどのイオンを打ち込んでドーピングする。次いで、レジストパターンなどのマスクを除去した後、RTA(Rapid Thermal Annealing)法などを用いて、ドーピングしたイオンを活性化させる。これによって、高濃度n型不純物領域35が形成される。   In the step of forming the high-concentration n-type impurity region 35 shown in FIG. 13, an ion implantation method or the like is used in a desired region of the barrier layer 24 and the channel layer 23 in which the impurity doping region 26 is formed, using a resist pattern or the like as a mask. Then, ions such as Si are implanted and doped. Next, after removing a mask such as a resist pattern, the doped ions are activated using an RTA (Rapid Thermal Annealing) method or the like. Thereby, a high concentration n-type impurity region 35 is formed.

高濃度n型不純物領域35は、チャネル層23およびバリア層24のうち、ソース電極27およびドレイン電極28に臨む領域の少なくとも一部分に形成される。図12に示す例では、高濃度n型不純物領域35は、不純物ドーピング領域26が形成された領域のバリア層24およびチャネル層23に形成される。   The high-concentration n-type impurity region 35 is formed in at least a part of a region facing the source electrode 27 and the drain electrode 28 in the channel layer 23 and the barrier layer 24. In the example shown in FIG. 12, the high-concentration n-type impurity region 35 is formed in the barrier layer 24 and the channel layer 23 in the region where the impurity doping region 26 is formed.

高濃度n型不純物領域35は、図12に示す構造に限定されない。図13に示す工程におけるレジストパターンの形成およびイオン注入を、レジストパターン、ならびに注入エネルギーおよび注入量などの注入条件を変えて複数回繰返して行うことによって、種々の構造の高濃度n型不純物領域35を形成することができる。   The high concentration n-type impurity region 35 is not limited to the structure shown in FIG. The formation of the resist pattern and the ion implantation in the process shown in FIG. 13 are repeated a plurality of times by changing the resist pattern and the implantation conditions such as the implantation energy and the implantation amount, whereby high-concentration n-type impurity regions 35 having various structures are formed. Can be formed.

図14は、本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。本発明の他の実施の形態における半導体装置108のトランジスタ8では、ソース電極37およびドレイン電極38に臨む領域のバリア層50には、凹所が形成されていてもよい。図14に示す例では、バリア層50のうち、バリア層50の表面側の部分に形成された不純物ドーピング領域36に、凹所が形成されている。この凹所にソース電極37およびドレイン電極38が設けられている。   FIG. 14 is a cross-sectional view showing another example of the semiconductor device of the present invention. In the transistor 8 of the semiconductor device 108 according to another embodiment of the present invention, a recess may be formed in the barrier layer 50 in a region facing the source electrode 37 and the drain electrode 38. In the example shown in FIG. 14, a recess is formed in the impurity doping region 36 formed in a portion of the barrier layer 50 on the surface side of the barrier layer 50. A source electrode 37 and a drain electrode 38 are provided in this recess.

このような構造にすることによって、前述の図12に示すように高濃度n型不純物領域35を形成する場合と同様に、ソース電極37と半導体層とのコンタクト抵抗、およびドレイン電極38と半導体層とのコンタクト抵抗を低くすることができる。   With such a structure, the contact resistance between the source electrode 37 and the semiconductor layer, and the drain electrode 38 and the semiconductor layer are formed as in the case where the high concentration n-type impurity region 35 is formed as shown in FIG. Contact resistance can be reduced.

図14に示す半導体装置108は、前述の図4に示すソース電極およびドレイン電極の形成工程の前に、バリア層24に凹所を形成し、その後、図4に示すソース電極およびドレイン電極の形成工程と同様にして、凹所にソース電極37およびドレイン電極38を形成することによって製造することができる。凹所は、たとえばイオンミリングまたはCl2を用いたドライエッチング法によって、ソース電極37およびドレイン電極38を形成する領域のバリア層24の少なくとも一部分を除去することによって形成される。 In the semiconductor device 108 shown in FIG. 14, a recess is formed in the barrier layer 24 before the step of forming the source electrode and the drain electrode shown in FIG. 4, and then the formation of the source electrode and the drain electrode shown in FIG. In the same manner as in the process, it can be manufactured by forming the source electrode 37 and the drain electrode 38 in the recess. The recess is formed by removing at least a part of the barrier layer 24 in the region where the source electrode 37 and the drain electrode 38 are to be formed, for example, by dry etching using ion milling or Cl 2 .

図15は、本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。本発明の他の実施の形態における半導体装置109のトランジスタ9では、ゲート電極39は、不純物ドーピング領域26の一部分に重なっていてもよい。不純物ドーピング領域26にドーピングされた全ての不純物は、バリア層24に生じる分極によって空乏化されているので、トランジスタ9の動作を妨げるほど大きなゲートリーク電流の要因にはならない。したがって、バリア層24のうち、不純物をドーピングしていない領域の全てがゲート電極39で覆われていれば、不純物ドーピング領域26の一部分に、ゲート電極39が重なっていてもよい。   FIG. 15 is a cross-sectional view showing another example of the semiconductor device of the present invention. In the transistor 9 of the semiconductor device 109 according to another embodiment of the present invention, the gate electrode 39 may overlap a part of the impurity doping region 26. Since all the impurities doped in the impurity doping region 26 are depleted by the polarization generated in the barrier layer 24, they do not cause a gate leakage current that is so large as to hinder the operation of the transistor 9. Therefore, the gate electrode 39 may overlap a part of the impurity doped region 26 as long as the entire region of the barrier layer 24 not doped with impurities is covered with the gate electrode 39.

図15に示す半導体装置109は、前述の図6に示すゲート電極の形成工程において、リフトオフ法に用いるレジストパターンを所望の領域に形成することによって製造することができる。   The semiconductor device 109 shown in FIG. 15 can be manufactured by forming a resist pattern used in the lift-off method in a desired region in the gate electrode formation step shown in FIG.

図16は、本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。本発明の他の実施の形態における半導体装置110のトランジスタ10では、ゲート電極29とバリア層24との間には、絶縁膜40が介在されている。このようにゲート電極29は、必ずしも直接バリア層24に接している必要はなく、バリア24層上に形成された絶縁膜40上に形成されていてもよい。このようにゲート電極29とバリア層24との間に絶縁膜40を設けることによって、ゲートリーク電流を低減することができる。   FIG. 16 is a cross-sectional view showing another example of the semiconductor device of the present invention. In the transistor 10 of the semiconductor device 110 according to another embodiment of the present invention, an insulating film 40 is interposed between the gate electrode 29 and the barrier layer 24. Thus, the gate electrode 29 is not necessarily in direct contact with the barrier layer 24 and may be formed on the insulating film 40 formed on the barrier 24 layer. Thus, by providing the insulating film 40 between the gate electrode 29 and the barrier layer 24, the gate leakage current can be reduced.

絶縁膜40は、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、シリコン(Si)、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)などのうちの少なくとも1種類以上の原子の酸化物、窒化物、または酸窒化物などによって構成される。   The insulating film 40 includes an oxide, nitride, or oxynitride of at least one atom selected from aluminum (Al), gallium (Ga), silicon (Si), hafnium (Hf), titanium (Ti), and the like. Consists of.

図17は、絶縁膜40の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。図16に示す半導体装置110は、前述の図6に示すゲート電極29を形成する工程の前に、絶縁膜40を形成した後、ゲート電極29を形成することによって製造することができる。   FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating a state in which the formation of the insulating film 40 has been completed. The semiconductor device 110 shown in FIG. 16 can be manufactured by forming the gate electrode 29 after forming the insulating film 40 before the step of forming the gate electrode 29 shown in FIG.

具体的には、バリア層24、不純物ドーピング領域26、素子分離領域25、ソース電極27およびドレイン電極28を覆うように、たとえば蒸着法またはプラズマCVD法を用いて、酸化アルミニウム(AlOx)、窒化珪素(SiNx)、酸化珪素(SiOx)、酸化ハフニウム(HfOx)、酸化チタン(TiOx)などから成る絶縁膜40を堆積する。   Specifically, aluminum oxide (AlOx), silicon nitride, for example, using a vapor deposition method or a plasma CVD method so as to cover the barrier layer 24, the impurity doping region 26, the element isolation region 25, the source electrode 27, and the drain electrode 28. An insulating film 40 made of (SiNx), silicon oxide (SiOx), hafnium oxide (HfOx), titanium oxide (TiOx), or the like is deposited.

その後、ソース電極27とドレイン電極28との間の絶縁膜40上に、前述の図6に示す工程と同様にして、ゲート電極29を形成する。次いで、ソース電極27およびドレイン電極28の一部分が露出するように、ソース電極27上およびドレイン電極28上に形成された絶縁膜40の一部分を除去する。これによって、図16に示す構造の半導体装置110が得られる。   Thereafter, the gate electrode 29 is formed on the insulating film 40 between the source electrode 27 and the drain electrode 28 in the same manner as the process shown in FIG. Next, a part of the insulating film 40 formed on the source electrode 27 and the drain electrode 28 is removed so that a part of the source electrode 27 and the drain electrode 28 is exposed. As a result, the semiconductor device 110 having the structure shown in FIG. 16 is obtained.

図18および図19は、本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。ゲート電極29とバリア層24との間に介在される絶縁膜40,41は、図16に示すように、ソース電極27とドレイン電極28との間のバリア層24の全ての領域を覆うように形成される必要はなく、バリア層24のゲート電極29に臨む領域の少なくとも一部分に形成されていればよい。   18 and 19 are cross-sectional views showing other examples of the semiconductor device of the present invention. The insulating films 40 and 41 interposed between the gate electrode 29 and the barrier layer 24 cover the entire region of the barrier layer 24 between the source electrode 27 and the drain electrode 28 as shown in FIG. It is not necessary to form it, and it is sufficient that it is formed in at least a part of the region facing the gate electrode 29 of the barrier layer 24.

たとえば図18に示す半導体装置111のトランジスタ11のように、絶縁膜41は、ゲート電極29とバリア層24との間のみに、バリア層24のゲート電極29に臨む領域全体を覆って形成されていてもよい。また図19に示す半導体装置112のトランジスタ12のように、絶縁膜41は、ゲート電極29に臨む領域のバリア層の一部分を覆って形成されていてもよい。   For example, like the transistor 11 of the semiconductor device 111 shown in FIG. 18, the insulating film 41 is formed only between the gate electrode 29 and the barrier layer 24 so as to cover the entire region facing the gate electrode 29 of the barrier layer 24. May be. Further, like the transistor 12 of the semiconductor device 112 illustrated in FIG. 19, the insulating film 41 may be formed so as to cover a part of the barrier layer in the region facing the gate electrode 29.

図18に示す半導体装置111および図19に示す半導体装置112は、前述の図17に示す絶縁膜の形成工程と同様にして絶縁膜41を形成した後、前述の図6に示すゲート電極29の形成工程と同様にしてゲート電極29を形成し、その後、所望の領域以外に形成された絶縁膜41を除去することによって製造することができる。所望の領域以外に形成された絶縁膜41の除去は、たとえばゲート電極29の形成後に、たとえばレジストパターンまたはゲート電極29自体をマスクとして、たとえばフッ酸などを用いたウェットエッチング、またはフッ素系ガスを用いたプラズマエッチングによって行われる。   In the semiconductor device 111 shown in FIG. 18 and the semiconductor device 112 shown in FIG. 19, after forming the insulating film 41 in the same manner as the insulating film forming step shown in FIG. 17, the gate electrode 29 shown in FIG. It can be manufactured by forming the gate electrode 29 in the same manner as the forming step, and then removing the insulating film 41 formed outside the desired region. For example, after the gate electrode 29 is formed, the resist film or the gate electrode 29 itself is used as a mask, for example, wet etching using hydrofluoric acid, or fluorine gas is used to remove the insulating film 41 formed outside the desired region. It is performed by the plasma etching used.

図20は、本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。ゲート電極は、必ずしも前述の図1に示すゲート電極29のように、基板21に垂直な仮想平面における断面形状(以下、単に「断面形状」という場合がある)が四角形状である必要はない。ゲート電極は、断面形状が四角形状である場合に比べて、バリア層24と接触する領域の面積が小さくなる形状であってもよい。   FIG. 20 is a cross-sectional view showing another example of the semiconductor device of the present invention. As in the gate electrode 29 shown in FIG. 1 described above, the gate electrode does not necessarily have a quadrangular cross-sectional shape in a virtual plane perpendicular to the substrate 21 (hereinafter may be simply referred to as “cross-sectional shape”). The gate electrode may have a shape in which the area of the region in contact with the barrier layer 24 is smaller than that in the case where the cross-sectional shape is a square shape.

このような形状としては、たとえば図20に示す形状が挙げられる。図20に示す本発明の他の実施の形態における半導体装置113のトランジスタ13では、ゲート電極44は、断面形状がY字型形状である。   An example of such a shape is the shape shown in FIG. In the transistor 13 of the semiconductor device 113 according to another embodiment of the present invention shown in FIG. 20, the gate electrode 44 has a Y-shaped cross section.

断面形状が四角形状である場合に比べて、バリア層24と接触する領域の面積が小さくなる形状のゲート電極は、図20に示すように断面形状がY字型形状であってもよいし、断面形状がT字型形状であってもよい。   Compared with the case where the cross-sectional shape is a square shape, the gate electrode having a shape in which the area of the region in contact with the barrier layer 24 is small may have a Y-shaped cross-section as shown in FIG. The cross-sectional shape may be a T-shape.

このようにゲート電極を、断面形状が四角形状である場合に比べて、バリア層24と接触する領域の面積が小さくなる形状にすることによって、ゲート電極がバリア層24と接触する面積を維持したまま、ゲート電極の断面形状が四角形状であるに比べて、ゲート電流の流れる方向に垂直なゲート電極の断面積を大きくすることができる。したがって、ゲート抵抗を低減することができる。   Thus, the area where the gate electrode is in contact with the barrier layer 24 is maintained by making the gate electrode into a shape in which the area of the region in contact with the barrier layer 24 is smaller than when the cross-sectional shape is a quadrangle. The cross-sectional area of the gate electrode perpendicular to the direction in which the gate current flows can be increased as compared with the case where the cross-sectional shape of the gate electrode is rectangular. Therefore, gate resistance can be reduced.

図21は、絶縁膜45の一部分の除去が終了した段階を示す断面図である。図20に示す半導体装置113は、以下のようにして製造することができる。前述の図17に示す絶縁膜40の形成工程と同様にして絶縁膜45を堆積した後に、たとえばフッ素系ガスを用いたプラズマエッチング、またはフッ酸を用いたウェットエッチングによって、絶縁膜45の一部分を除去する。絶縁膜45は、図21に示すように、ソース電極27とドレイン電極28とによって挟まれた領域の絶縁膜45の一部分、具体的には不純物ドーピング領域26および素子分離領域25が形成されていない部分のバリア層24上に形成された部分が除去される。   FIG. 21 is a cross-sectional view showing a stage where the removal of a part of the insulating film 45 is completed. The semiconductor device 113 shown in FIG. 20 can be manufactured as follows. After the insulating film 45 is deposited in the same manner as the insulating film 40 shown in FIG. 17 described above, a part of the insulating film 45 is formed by, for example, plasma etching using a fluorine-based gas or wet etching using hydrofluoric acid. Remove. As shown in FIG. 21, in the insulating film 45, a part of the insulating film 45 in a region sandwiched between the source electrode 27 and the drain electrode 28, specifically, the impurity doping region 26 and the element isolation region 25 are not formed. A portion formed on the barrier layer 24 is removed.

絶縁膜45が除去された部分を充填するように、前述の図6に示すゲート電極29の形成工程と同様にしてゲート電極44を形成する。その後、全ての絶縁膜45をウェットエッチングなどによって除去する。これによって、前述の図20に示すように、断面形状がY字型形状のゲート電極44が形成される。断面形状がT字型形状のゲート電極も同様にして形成することができる。   The gate electrode 44 is formed in the same manner as the formation process of the gate electrode 29 shown in FIG. 6 so as to fill the portion from which the insulating film 45 has been removed. Thereafter, all the insulating film 45 is removed by wet etching or the like. As a result, as shown in FIG. 20, the gate electrode 44 having a Y-shaped cross section is formed. A gate electrode having a T-shaped cross section can be formed in a similar manner.

図22および図23は、本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。本発明の他の実施の形態では、ゲート電極44,46のバリア層24と接触してない部分と、バリア層24との間の領域の少なくとも一部分には、絶縁膜41,45が設けられていてもよい。絶縁膜41,45は、Al、Ga、Si、Hf、Tiなどのうちの少なくとも1種類以上の原子の酸化物、窒化物または酸窒化物などから成る。   22 and 23 are cross-sectional views showing other examples of the semiconductor device of the present invention. In another embodiment of the present invention, insulating films 41 and 45 are provided in at least a part of a region between the portions of the gate electrodes 44 and 46 that are not in contact with the barrier layer 24 and the barrier layer 24. May be. The insulating films 41 and 45 are made of an oxide, nitride or oxynitride of at least one kind of atoms of Al, Ga, Si, Hf, Ti and the like.

図22に示す半導体装置114のトランジスタ14は、前述の図20に示す半導体装置113のトランジスタ13において、ゲート電極44のバリア層24と接触していない部分と、バリア層24との間に絶縁膜45が設けられた構造である。図22に示す例では、絶縁膜45は、バリア層24のソース電極27、ドレイン電極28およびゲート電極44に接触していない部分と、ソース電極27の一部分と、ドレイン電極28の一部分とを覆うように設けられる。   The transistor 14 of the semiconductor device 114 illustrated in FIG. 22 includes an insulating film between the barrier layer 24 and the portion of the gate electrode 44 that is not in contact with the barrier layer 24 in the transistor 13 of the semiconductor device 113 illustrated in FIG. 45 is provided. In the example illustrated in FIG. 22, the insulating film 45 covers a portion of the barrier layer 24 that is not in contact with the source electrode 27, the drain electrode 28, and the gate electrode 44, a portion of the source electrode 27, and a portion of the drain electrode 28. It is provided as follows.

図23に示す半導体装置115のトランジスタ15は、前述の図20に示す半導体装置113のトランジスタ13において、ゲート電極44に代えて、断面形状がU字型形状のゲート電極46が設けられ、ゲート電極46とバリア層24との間に絶縁膜41が設けられた構造である。図23に示す例では、絶縁膜41は、ゲート電極46のバリア層24と接触していない部分と、バリア層24との間の領域の全体に設けられている。   The transistor 15 of the semiconductor device 115 illustrated in FIG. 23 includes a gate electrode 46 having a U-shaped cross section instead of the gate electrode 44 in the transistor 13 of the semiconductor device 113 illustrated in FIG. Insulating film 41 is provided between 46 and barrier layer 24. In the example illustrated in FIG. 23, the insulating film 41 is provided in the entire region between the portion of the gate electrode 46 that is not in contact with the barrier layer 24 and the barrier layer 24.

このようにゲート電極44,46のバリア層24と接触してない部分と、バリア層24との間の領域の少なくとも一部分に絶縁膜41,45が設けられた構造にすることによって、高電圧で動作させるときに、ゲート電極44,46のドレイン電極28側の端部に集中する電界を緩和することができる。したがって、トランジスタ14,15の耐圧を高くすることができる。   As described above, the structure in which the insulating films 41 and 45 are provided in at least a part of the region between the gate electrode 44 and 46 that is not in contact with the barrier layer 24 and the barrier layer 24 can provide a high voltage. When operated, the electric field concentrated on the end of the gate electrodes 44 and 46 on the drain electrode 28 side can be relaxed. Therefore, the breakdown voltage of the transistors 14 and 15 can be increased.

図22に示す半導体装置114は、以下のようにして製造することができる。前述の図20に示す半導体装置113と同様にして、前述の図21に示す絶縁膜45の除去された部分を充填するようにゲート電極44を形成する。その後、ソース電極27およびドレイン電極28の一部分が露出するように、ソース電極27上およびドレイン電極28上に形成された絶縁膜45の一部分を除去する。これによって、図22に示す半導体装置114が得られる。   The semiconductor device 114 shown in FIG. 22 can be manufactured as follows. Similarly to the semiconductor device 113 shown in FIG. 20, the gate electrode 44 is formed so as to fill the removed portion of the insulating film 45 shown in FIG. Thereafter, a part of the insulating film 45 formed on the source electrode 27 and the drain electrode 28 is removed so that a part of the source electrode 27 and the drain electrode 28 is exposed. As a result, the semiconductor device 114 shown in FIG. 22 is obtained.

図23に示す半導体装置115は、以下のようにして製造することができる。前述の図21に示す絶縁膜の形成工程と同様にして絶縁膜45を形成した後、絶縁膜45の除去を行わずに、前述の図6に示すゲート電極29の形成工程と同様にしてゲート電極46を形成する。その後、フッ酸を用いたウェットエッチングなどによって、絶縁膜45のうち、ゲート電極46とバリア層24との間の部分以外の絶縁膜45を除去する。   The semiconductor device 115 shown in FIG. 23 can be manufactured as follows. After the insulating film 45 is formed in the same manner as the insulating film forming step shown in FIG. 21, the insulating film 45 is not removed, and the gate electrode 29 is formed in the same manner as the gate electrode 29 forming step shown in FIG. An electrode 46 is formed. Thereafter, the insulating film 45 other than the portion between the gate electrode 46 and the barrier layer 24 is removed from the insulating film 45 by wet etching using hydrofluoric acid.

フッ酸などを用いたウェットエッチングの処理条件、たとえば処理時間およびフッ酸などのエッチング液の濃度を調整することによって、所望の領域の絶縁膜45を残すことができ、図23に示す構造のトランジスタ15を備える半導体装置115を製造することができる。   By adjusting the processing conditions of wet etching using hydrofluoric acid, for example, the processing time and the concentration of the etchant such as hydrofluoric acid, the insulating film 45 in a desired region can be left, and the transistor having the structure shown in FIG. The semiconductor device 115 including 15 can be manufactured.

以上に述べた半導体装置101〜115の構造は、全て個々に採用する必要はなく、幾つかの構造、または全ての構造を組み合わせた構造としてもよい。また以上に述べた半導体装置1〜115では、トランジスタとして動作する必要最小限の要素しか記載していないが、最終的には保護膜、配線、バイアホールなどの形成された構造においてデバイスとして用いられる。   The structures of the semiconductor devices 101 to 115 described above do not have to be individually adopted, and some structures or a combination of all structures may be used. Further, in the semiconductor devices 1 to 115 described above, only the minimum necessary elements that operate as a transistor are described, but finally, they are used as devices in a structure in which a protective film, a wiring, a via hole, and the like are formed. .

1〜15 トランジスタ、21 基板、22 バッファ層、23 チャネル層、24,50 バリア層、25 素子分離領域、26,32,33,34,36,43 不純物ドーピング領域、27,37 ソース電極、28,38 ドレイン電極、29,39,42,43,46 ゲート電極、30 スペーサ層、31 キャップ層、35 高濃度n型不純物領域、40,41,45 絶縁膜、101〜115 半導体装置。   1 to 15 transistor, 21 substrate, 22 buffer layer, 23 channel layer, 24, 50 barrier layer, 25 element isolation region, 26, 32, 33, 34, 36, 43 impurity doping region, 27, 37 source electrode, 28, 38 drain electrode, 29, 39, 42, 43, 46 gate electrode, 30 spacer layer, 31 cap layer, 35 high-concentration n-type impurity region, 40, 41, 45 insulating film, 101-115 semiconductor device.

Claims (4)

窒化物半導体層を備えるヘテロ接合電界効果型トランジスタを備える半導体装置であって、
前記へテロ接合電界効果型トランジスタは、
基板上に設けられる第1の窒化物半導体層と、
前記第1の窒化物半導体層上に設けられ、前記第1の窒化物半導体層よりも大きいバンドギャップを有し、前記第1の窒化物半導体層とヘテロ接合を形成する第2の窒化物半導体層と、
前記第2の窒化物半導体層上に設けられるゲート電極、ソース電極およびドレイン電極とを備え、
前記ゲート電極は、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に介在され、
前記第2の窒化物半導体層は、前記第2の窒化物半導体層の伝導帯から、前記第1の窒化物半導体層と前記第2の窒化物半導体層とのヘテロ界面のバンド不連続量ΔEcと、前記第2の窒化物半導体層に発生する分極による前記第2の窒化物半導体層の前記ゲート電極側と前記ヘテロ界面側とのエネルギー差ΔEpとを足し合わせたエネルギー(ΔEc+ΔEp)までのエネルギー深さのバンドギャップ中に準位を形成する不純物を含み、
前記第2の窒化物半導体層のうち、前記ゲート電極に臨む領域の少なくとも一部分における前記不純物の濃度は、前記第2の窒化物半導体層の前記ゲート電極に臨む領域を除く他の領域の少なくとも一部分における前記不純物の濃度よりも低いことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device comprising a heterojunction field effect transistor comprising a nitride semiconductor layer,
The heterojunction field effect transistor is
A first nitride semiconductor layer provided on the substrate;
A second nitride semiconductor provided on the first nitride semiconductor layer and having a larger band gap than the first nitride semiconductor layer and forming a heterojunction with the first nitride semiconductor layer Layers,
A gate electrode, a source electrode and a drain electrode provided on the second nitride semiconductor layer;
The gate electrode is interposed between the source electrode and the drain electrode;
The second nitride semiconductor layer has a band discontinuity ΔEc at the heterointerface between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer from the conduction band of the second nitride semiconductor layer. And an energy up to an energy (ΔEc + ΔEp) obtained by adding the energy difference ΔEp between the gate electrode side and the heterointerface side of the second nitride semiconductor layer due to polarization generated in the second nitride semiconductor layer An impurity that forms a level in the band gap of depth;
The concentration of the impurity in at least a part of the region facing the gate electrode in the second nitride semiconductor layer is at least a part of the other region except for the region facing the gate electrode of the second nitride semiconductor layer. A semiconductor device, wherein the concentration of the impurity is lower than that of the impurity.
前記第2の窒化物半導体層は、前記他の領域の少なくとも一部分に、前記不純物を含む領域を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second nitride semiconductor layer has a region containing the impurity in at least a part of the other region. 窒化物半導体層を備えるヘテロ接合電界効果型トランジスタを備える半導体装置の製造方法であって、
基板上に第1の窒化物半導体層を形成する第1層形成工程と、
前記第1の窒化物半導体層上に、前記第1の窒化物半導体層とヘテロ接合を形成する第2の窒化物半導体層を形成する第2層形成工程と、
前記第2の窒化物半導体層上にゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を形成する電極形成工程とを備え、
前記電極形成工程では、前記ゲート電極を、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に介在されるように形成し、
前記第2層形成工程と前記電極形成工程との間に、
前記第2の窒化物半導体層のうち、前記ゲート電極を形成する領域として予め定める領域の少なくとも一部分を除く領域に、前記第2の窒化物半導体層の伝導帯から、前記第1の窒化物半導体層と前記第2の窒化物半導体層とのヘテロ界面のバンド不連続量ΔEcと、前記第2の窒化物半導体層に発生する分極による前記第2の窒化物半導体層の前記ゲート電極側と前記ヘテロ界面側とのエネルギー差ΔEpとを足し合わせたエネルギー(ΔEc+ΔEp)までのエネルギー深さのバンドギャップ中に準位を形成する不純物をドーピングするドーピング工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device including a heterojunction field effect transistor including a nitride semiconductor layer,
A first layer forming step of forming a first nitride semiconductor layer on the substrate;
A second layer forming step of forming a second nitride semiconductor layer that forms a heterojunction with the first nitride semiconductor layer on the first nitride semiconductor layer;
An electrode forming step of forming a gate electrode, a source electrode and a drain electrode on the second nitride semiconductor layer,
In the electrode formation step, the gate electrode is formed so as to be interposed between the source electrode and the drain electrode,
Between the second layer forming step and the electrode forming step,
In the second nitride semiconductor layer, a region excluding at least a part of a region predetermined as a region for forming the gate electrode is removed from the conduction band of the second nitride semiconductor layer. A band discontinuity ΔEc at the heterointerface between the second nitride semiconductor layer and the gate electrode side of the second nitride semiconductor layer due to polarization generated in the second nitride semiconductor layer; A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a doping step of doping an impurity forming a level in a band gap having an energy depth up to an energy (ΔEc + ΔEp) obtained by adding an energy difference ΔEp with the heterointerface side .
前記ドーピング工程では、イオン注入法によって前記不純物をドーピングすることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。   4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein in the doping step, the impurity is doped by an ion implantation method.
JP2011192571A 2011-09-05 2011-09-05 Semiconductor device and manufacturing method therefor Pending JP2013055224A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011192571A JP2013055224A (en) 2011-09-05 2011-09-05 Semiconductor device and manufacturing method therefor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011192571A JP2013055224A (en) 2011-09-05 2011-09-05 Semiconductor device and manufacturing method therefor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2013055224A true JP2013055224A (en) 2013-03-21

Family

ID=48131944

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011192571A Pending JP2013055224A (en) 2011-09-05 2011-09-05 Semiconductor device and manufacturing method therefor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2013055224A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015032675A (en) * 2013-08-01 2015-02-16 株式会社東芝 Semiconductor device
JP2015065241A (en) * 2013-09-24 2015-04-09 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Method of manufacturing semiconductor device and semiconductor device
JP2016225426A (en) * 2015-05-29 2016-12-28 三菱電機株式会社 Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2017147320A (en) * 2016-02-17 2017-08-24 三菱電機株式会社 Semiconductor device
CN111129118A (en) * 2019-12-27 2020-05-08 英诺赛科(珠海)科技有限公司 Semiconductor device and method for manufacturing the same

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005243727A (en) * 2004-02-24 2005-09-08 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor device and its manufacturing method
JP2006114795A (en) * 2004-10-18 2006-04-27 Matsushita Electric Ind Co Ltd Semiconductor device
JP2009289827A (en) * 2008-05-27 2009-12-10 Toyota Central R&D Labs Inc Semiconductor device having heterojunction and manufacturing method thereof
JP2010056340A (en) * 2008-08-28 2010-03-11 Sanken Electric Co Ltd Semiconductor device
JP2010182854A (en) * 2009-02-05 2010-08-19 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005243727A (en) * 2004-02-24 2005-09-08 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor device and its manufacturing method
JP2006114795A (en) * 2004-10-18 2006-04-27 Matsushita Electric Ind Co Ltd Semiconductor device
JP2009289827A (en) * 2008-05-27 2009-12-10 Toyota Central R&D Labs Inc Semiconductor device having heterojunction and manufacturing method thereof
JP2010056340A (en) * 2008-08-28 2010-03-11 Sanken Electric Co Ltd Semiconductor device
JP2010182854A (en) * 2009-02-05 2010-08-19 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor device

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015032675A (en) * 2013-08-01 2015-02-16 株式会社東芝 Semiconductor device
JP2015065241A (en) * 2013-09-24 2015-04-09 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Method of manufacturing semiconductor device and semiconductor device
JP2016225426A (en) * 2015-05-29 2016-12-28 三菱電機株式会社 Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2017147320A (en) * 2016-02-17 2017-08-24 三菱電機株式会社 Semiconductor device
CN111129118A (en) * 2019-12-27 2020-05-08 英诺赛科(珠海)科技有限公司 Semiconductor device and method for manufacturing the same
US11784221B2 (en) 2019-12-27 2023-10-10 Innoscienc (Zhuhai) Technology Co., Ltd. Semiconductor device and manufacturing method therefor
US11837633B2 (en) 2019-12-27 2023-12-05 Innoscience (Zhuhai) Technology Co., Ltd. Semiconductor device and manufacturing method therefor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI431770B (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
JP6251071B2 (en) Semiconductor device
JP5495257B2 (en) Group III nitride field effect transistor and method of manufacturing the same
JP2008305816A (en) Semiconductor device and manufacturing method therefor
JP5641821B2 (en) Method for manufacturing heterojunction field effect transistor
JP2009032796A (en) Nitride semiconductor device and manufacturing method therefor
JP2008243881A (en) Semiconductor device and its manufacturing method
JP2013115362A (en) Nitride semiconductor diode
JP2011146613A (en) Heterojunction field effect transistor, and method of manufacturing the same
JP2011233612A (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2017037982A (en) Semiconductor device and manufacturing method of the same
JP5300514B2 (en) Semiconductor device
JP2013055224A (en) Semiconductor device and manufacturing method therefor
JP2013149732A (en) Hetero junction field effect transistor and manufacturing method of the same
JP2016100450A (en) Heterojunction field effect transistor and manufacturing method of the same
JP2009152353A (en) Hetero-junction field effect transistor and method of producing the same
JP2010251391A (en) Semiconductor device
JP2013120871A (en) Heterojunction field effect transistor and manufacturing method therefor
JP5991000B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2011124246A (en) Heterojunction field effect transistor and method of manufacturing the same
JP2008305894A (en) Semiconductor device and manufacturing method therefor
JP2014099523A (en) Heterojunction field effect transistor and manufacturing thereof
JP5339718B2 (en) Heterojunction field effect transistor and method of manufacturing the same
JP2009289827A (en) Semiconductor device having heterojunction and manufacturing method thereof
JP2015008244A (en) Heterojunction field-effect transistor, and method of manufacturing the same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130926

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20141028

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20141031

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20150317