JP2014107423A - Hetero junction field effect transistor and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体を含むヘテロ接合電界効果トランジスタ及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a heterojunction field effect transistor including a nitride semiconductor and a method for manufacturing the same.
窒化物を含む半導体からなるヘテロ接合電界効果トランジスタでは、ゲート長を短くすると、信号の高周波化に対応することができるが、ゲート断面積が減少し、ゲート抵抗が増大してしまうことが知られている。これを回避するために、ゲート電極上部にその側方に突出する突出部を設ける構成、すなわち、ゲート電極を傘形状(T字型)に形成する構成が提案されている。このような構成によれば、ゲート電極が半導体層と実際に接触するゲート長を短くした状態で、ゲート断面積を大きくすることができるので、ゲート抵抗を低減することが可能となる。 In a heterojunction field effect transistor made of a semiconductor containing nitride, it is known that if the gate length is shortened, it is possible to cope with higher frequency signals, but the gate cross-sectional area is reduced and the gate resistance is increased. ing. In order to avoid this, a configuration has been proposed in which a protruding portion that protrudes to the side of the gate electrode is provided, that is, a configuration in which the gate electrode is formed in an umbrella shape (T-shape). According to such a configuration, the gate cross-sectional area can be increased while the gate length where the gate electrode is actually in contact with the semiconductor layer is shortened, so that the gate resistance can be reduced.
特許文献1には、上述のような構成の一つとして、ゲート電極の突出部と半導体層との隙間に一端が挿入され、他端がドレイン電極まで延在する誘電膜を設けた構成が開示されている。このような構成によれば、ドレイン電極に高電圧を印加した際にドレイン電極側のゲート電極端に集中する電界を緩和することができる。これにより、窒化物を含む半導体からなるヘテロ接合電界効果トランジスタにおいて特徴的な電流コラプスを抑制することが可能となっている。
上述のような、突出部を有するゲート電極と、誘電膜とを備えるヘテロ接合電界効果トランジスタの製造工程では、ゲート電極を形成する前に半導体層上に誘電膜を形成した後、ゲート電極を形成する領域の誘電膜をドライエッチング法にて除去し、それから、誘電膜が除去されて露出する半導体層上にゲート電極を積層させている。 In the manufacturing process of the heterojunction field effect transistor including the gate electrode having the protruding portion and the dielectric film as described above, the gate electrode is formed after forming the dielectric film on the semiconductor layer before forming the gate electrode. The dielectric film in the region to be removed is removed by a dry etching method, and then the gate electrode is laminated on the semiconductor layer exposed by removing the dielectric film.
しかしながら、このような製造工程では、上記ドライエッチングの際に半導体層にダメージが加わってしまい、ゲートリーク電流や電流コラプスなどの特性が劣化するという問題があった。また、ゲート電極を形成した後に誘電膜を形成しようとしても、ゲート電極の突出部と半導体層との隙間に誘電膜を挿入することが困難となる。 However, in such a manufacturing process, there is a problem in that the semiconductor layer is damaged during the dry etching, and characteristics such as gate leakage current and current collapse are deteriorated. Further, even if an attempt is made to form a dielectric film after forming the gate electrode, it becomes difficult to insert the dielectric film into the gap between the protruding portion of the gate electrode and the semiconductor layer.
また、上記ゲート電極の一部となる矩形の部分電極を形成した後に、部分電極を覆うように誘電膜を形成し、さらに部分電極直上の誘電膜を除去した後に、部分電極上部と接続する電極を形成することも考えられる。このような製造工程によれば、半導体層にダメージが加わるのを避けることができるが、通常、誘電膜の除去精度が悪く、誘電膜を予定よりも大きく除去してしまう。そのため、ゲート電極よりも高精度の解像度で誘電膜にリソグラフィを行う必要が生じたり、ゲート電極が設計よりも長くなって高い周波数特性を得ることができなかったりするという問題があった。 In addition, after forming a rectangular partial electrode to be a part of the gate electrode, a dielectric film is formed so as to cover the partial electrode, and after further removing the dielectric film immediately above the partial electrode, an electrode connected to the upper part of the partial electrode Can also be considered. According to such a manufacturing process, damage to the semiconductor layer can be avoided, but usually the removal accuracy of the dielectric film is poor and the dielectric film is removed larger than planned. For this reason, there is a problem that it is necessary to perform lithography on the dielectric film with a higher resolution than that of the gate electrode, or that the gate electrode is longer than the design and high frequency characteristics cannot be obtained.
そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、ヘテロ接合電界効果トランジスタの製造工程における半導体基体表面へのダメージを抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a technique capable of suppressing damage to the surface of a semiconductor substrate in a manufacturing process of a heterojunction field effect transistor. And
本発明に係るヘテロ接合電界効果トランジスタの製造方法は、(a)窒化物半導体を含む半導体基体上にソース・ドレイン電極を形成する工程と、(b)前記ソース・ドレイン電極の間の前記半導体基体上において第1及び第2ゲート電極をこの順に積層したゲート電極体を形成する工程と、(c)前記ソース・ドレイン電極、前記半導体基体及び前記ゲート電極体上に、誘電膜を形成する工程と、(d)前記ゲート電極体上の前記誘電膜を除去する工程と、(e)前記第1ゲート電極周辺の前記誘電膜上に、前記第1ゲート電極から側方に突出する電界緩和電極を形成する工程とを備える。 The method of manufacturing a heterojunction field effect transistor according to the present invention includes: (a) a step of forming a source / drain electrode on a semiconductor substrate containing a nitride semiconductor; and (b) the semiconductor substrate between the source / drain electrodes. Forming a gate electrode body in which the first and second gate electrodes are laminated in this order; and (c) forming a dielectric film on the source / drain electrodes, the semiconductor substrate, and the gate electrode body; (D) removing the dielectric film on the gate electrode body; and (e) an electric field relaxation electrode protruding laterally from the first gate electrode on the dielectric film around the first gate electrode. Forming.
本発明によれば、ゲート電極体上の誘電膜を除去する際に、半導体基体表面の露出が抑制されることから、半導体基体表面にダメージが加わるのを抑制することができる。 According to the present invention, when the dielectric film on the gate electrode body is removed, the exposure of the surface of the semiconductor substrate is suppressed, so that damage to the surface of the semiconductor substrate can be suppressed.
<実施の形態1>
図1は、本発明の実施の形態1に係るヘテロ接合電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。図1に示すように、このヘテロ接合電界効果トランジスタは、半導体基体1と、ソース・ドレイン電極2a,2bと、ゲート電極体3と、誘電膜4と、電界緩和電極5とを備えて構成されている。以下、これらの構成要素について詳細に説明する。
<
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a heterojunction field effect transistor according to
半導体基体1は、最下層の基板1aと、基板1a上に形成されたバッファ層1bと、バッファ層1b上に形成された窒化物半導体からなるチャネル層1cと、チャネル層1c上に形成された窒化物半導体からなるバリア層1dとを備える。チャネル層1c及びバリア層1dは、ヘテロ接合電界効果トランジスタにおけるヘテロ接合を形成している。
The
ソース電極2a及びドレイン電極2bは、例えば一または複数の金属膜から構成され、互いに離間されて半導体基体1上(バリア層1d上)に形成されている。
The
ゲート電極体3は、ソース・ドレイン電極2a,2bの間の半導体基体1上(バリア層1d上)に直接形成されている。このゲート電極体3は、例えば一または複数の金属膜から構成される。本実施の形態1では、ゲート電極体3は、第1ゲート電極3aを備えて構成されているが、これに限ったものではなく、後述の実施の形態2,3において説明する第2ゲート電極3bをさらに備えて構成されてもよい。
The
誘電膜4は、例えばSiNxの表面保護膜から構成されており、ゲート電極体3(第1ゲート電極3a)とソース電極2aとの間、及び、ゲート電極体3(第1ゲート電極3a)とドレイン電極2bとの間の半導体基体1上(バリア層1d上)に形成されている。
The
電界緩和電極5は、第1ゲート電極3a周辺の誘電膜4上において、第1ゲート電極3aと電気的に接続されて形成されており、第1ゲート電極3aから側方に突出している。すなわち、横方向において第1ゲート電極3aとドレイン電極2bとの間に形成された誘電膜4の一端は、縦方向において電界緩和電極5と半導体基体1との間に挿入されている。
The electric
また、本実施の形態1では、この電界緩和電極5は、第1ゲート電極3aからドレイン電極2bにのみ向かって突出している。なお、ゲート電極体3(第1ゲート電極3a)及び電界緩和電極5は、後で扱い易ければ同じ金属から構成されてもよいし、異なる金属から構成されてもよいし、例えば、配線等と同じ金属から構成されてもよい。
In the first embodiment, the electric
以上のように構成された本実施の形態1に係るヘテロ接合電界効果トランジスタによれば、半導体基体1上に直接形成されたゲート電極体3と、ゲート電極体3上部から側方に突出する電界緩和電極5とが構成されている。したがって、実際のゲート長を短くした状態で、ゲート断面積を大きくしてゲート抵抗を低減することが可能となる。すなわち、信号の高周波化に対応可能であり、かつ、ゲート抵抗の増大が抑制されたヘテロ接合電界効果トランジスタを実現することができる。
According to the heterojunction field effect transistor according to the first embodiment configured as described above, the
また、本実施の形態1では、ゲート電極体3と接続された電界緩和電極5と半導体基体1との間に誘電膜4が挿入されていることから、ゲートリーク電流や電流コラプスを抑制することができる。
In the first embodiment, since the
また、本実施の形態1によれば、電界緩和電極5は、ドレイン電極2b側にのみ突出していることから、電界緩和電極5がソース電極2a側にも突出した構成と比べて、電界緩和電極5下部の容量を低減することができる。
Further, according to the first embodiment, since the electric
なお、半導体基体1は、ヘテロ接合電界効果トランジスタとして動作できるのであれば、必ずしもバッファ層1b、チャネル層1c及びバリア層1dからなる3層を備えなくてもよい。例えば、半導体基体1は、これら3層の半導体層の代わりに、窒化物半導体を含むN(N=1,2,4,…)層の半導体層を備えてもよい。
Note that the
また、誘電膜4は、ドレイン電極2b側のゲート電極体3及び電界緩和電極5の端にかかる電界を緩和できるのであれば、SiNxの表面保護膜から構成されなくてもよく、例えば、SiOx、SiOxNy、AlxNy、AlOxNy、HfOxNyなどの表面保護膜から構成されもよい。
Further, the
また、以上では、ヘテロ接合電界効果トランジスタとして動作する必要最低限の要素しか記載していないが、実際には、当該ヘテロ接合電界効果トランジスタに配線、バイアホール等も形成されたデバイスとして構成される。 Although only the minimum necessary elements to operate as a heterojunction field effect transistor are described above, the device is actually configured as a device in which wirings, via holes, etc. are formed in the heterojunction field effect transistor. .
<実施の形態2>
本発明の実施の形態2では、実施の形態1で説明したヘテロ接合電界効果トランジスタの製造方法の一例について、図2〜図6を用いて説明する。
<
In
まず、図2に示されるように、基板1a上に、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法またはMBE(Molecular Beam Epitaxy)法などのエピタキシャル成長法を適用することでバッファ層1b、チャネル層1c及びバリア層1dをこの順にエピタキシャル成長させる。
First, as shown in FIG. 2, by applying an epitaxial growth method such as MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method or MBE (Molecular Beam Epitaxy) method on the
次に、半導体基体1上に、例えばTi、Al、Nb、Hf、Zr、Sr、Ni、Ta、Au、Mo、Wなどの金属膜、もしくはこれら金属の多層膜を蒸着法やスパッタ法を用いて堆積し、それにより得られた堆積膜をリフトオフ法などによりパターン化する。その後、図3に示されるように、パターン化した堆積膜をRTA(Rapid Thermal Annealing)法などを用いて合金化して、オーミック特性となるソース・ドレイン電極2a,2bを形成する。
Next, on the
それから、図4に示されるように、ソース・ドレイン電極2a,2bの間の半導体基体1上にて、金属の多層膜を蒸着法やスパッタ法を用いて堆積し、それにより得られた堆積膜をリフトオフ法などによりパターン化する。この工程により、第1及び第2ゲート電極3a,3bをこの順に積層したゲート電極体3を形成する。本実施の形態2では、第2ゲート電極3bが、ソース・ドレイン電極2a,2bの金属よりも酸への溶解性が高い金属から構成されるように、上記金属の多層膜を堆積する。なお、第1ゲート電極3aの下面は、半導体基体1表面との接地領域となることから、ゲート長が極力短くなるように第1ゲート電極3aをパターン化することが好ましい。
Then, as shown in FIG. 4, a metal multilayer film is deposited on the
その後、図5に示されるように、ソース・ドレイン電極2a,2b、半導体基体1及びゲート電極体3(第2ゲート電極3b)上に、例えば、SiNx、SiOx、SiOxNy、AlxNy、AlOxNy、HfOxNyなどの表面保護膜を、誘電膜4として形成する。本実施の形態2では、例えば膜形成に異方性を有するCat−CVD(Catalytic Chemical Vapor Deposition)法、または、ECR(Electron Cyclotron Resonance)スパッタ法を用いて、半導体基体1表面と垂直な方向に誘電膜4を形成する。このような製造方法によれば、第2ゲート電極3b側面に誘電膜4が形成されるのを抑制することができるので、次工程における誘電膜4の除去を確実に行うことができる。
Thereafter, as shown in FIG. 5, on the source /
次に、図6に示されるように、ゲート電極体3上の誘電膜4を除去する。本実施の形態2では、第2ゲート電極3bを、例えば、HCl、HNO3、H2SO4、王水(HNO3:HCl=1:3)などの酸に溶解させるウェットエッチングにより、ゲート電極体3上の誘電膜4を第2ゲート電極3bとともに除去する。このような製造方法によれば、ゲート電極体3上の誘電膜4を除去する際に、半導体基体1表面、及び、他の誘電膜4にダメージが加わるのを抑制することが可能となる。
Next, as shown in FIG. 6, the
それから、第1ゲート電極3a及び誘電膜4上にて、例えばTi、Al、Nb、Hf、Zr、Sr、Ni、Ta、Au、Mo、W、Ptなどの金属膜、もしくはこれら金属の多層膜を蒸着法やスパッタ法を用いて堆積し、それにより得られた堆積膜をリフトオフ法などによりパターン化する。この工程により、第1ゲート電極3aから突出する電界緩和電極5を,第1ゲート電極3a周辺の誘電膜4上に形成する。以上により、図1に示したヘテロ接合電界効果トランジスタが完成する。
Then, on the
以上のような本実施の形態2に係るヘテロ接合電界効果トランジスタ製造方法によれば、実施の形態1で説明した構成及び効果を有するヘテロ接合電界効果トランジスタを形成することができる。しかも、ゲート電極体3上の誘電膜4を除去する際に、半導体基体1表面の露出が抑制されることから、半導体基体1表面にダメージが加わるのを抑制することができる。よって、ゲートリーク電流や電流コラプスなどの特性の劣化が抑制されたヘテロ接合電界効果トランジスタを実現することができる。
According to the heterojunction field effect transistor manufacturing method according to the second embodiment as described above, the heterojunction field effect transistor having the configuration and effects described in the first embodiment can be formed. In addition, since the exposure of the surface of the
また、本実施の形態2では、ソース・ドレイン電極2a,2bよりも酸への溶解性が高い第2ゲート電極3bを酸に溶解させることにより、ゲート電極体3上の誘電膜4を第2ゲート電極3bとともに除去する。したがって、所望の誘電膜4を残したまま、ゲート電極体3上の誘電膜4を除去することができる。
In the second embodiment, the
なお、第2ゲート電極3bの金属の候補としては、上述の酸にHFを用いる場合には、これに溶けやすい例えばNb、Ta、Ti、Zrなどを用い、上述の酸にHClを用いる場合には、これに溶けやすい例えばCr、Fe、Niなどを用い、上述の酸にHNO3を用いる場合には、これに溶けやすい例えばAg、Hg、Se、Znなどを用い、上述の酸にH2SO4を用いる場合には、これに溶けやすい例えばBe、As、Mo、Nb、Re、Sbなどを用い、上述の酸に王水を用いる場合には、これに溶けやすい例えばAu、Mo、Pd、Pt、Wなどを用いればよい。
In addition, as a metal candidate for the
また、以上では、第2ゲート電極3bを酸に溶解させることにより第2ゲート電極3b及びその上の誘電膜4を除去することについて説明した。しかし、上記説明において酸に代わりにアルカリを用いてもよく、この場合にも上述と同様の効果を得ることができる。
In the above description, the
<実施の形態3>
実施の形態2では、ヘテロ接合電界効果トランジスタの製造工程の途中で、第2ゲート電極3bが除去されるものであった。これに対して、本発明の実施の形態3では、第2ゲート電極3bを除去されないものとなっている。すなわち、図7に示すように、本実施の形態3では、ゲート電極体3は、第1ゲート電極3aと、第2ゲート電極3bとを備えて構成されている。
<
In the second embodiment, the
図8は、本実施の形態3において、ゲート電極体3上の誘電膜4を除去する工程(図6に対応する工程)を示した断面図である。なお、本実施の形態3に係るヘテロ接合電界効果トランジスタにおいて、実施の形態1,2で説明した構成要素と同一または類似するものについては同じ符号を付している。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a step of removing the
本実施の形態3では、概ね、実施の形態2とほぼ同様の製造工程が行われる。ただし、図3及び図4に示した工程と同様の工程において、本実施の形態3では、第2ゲート電極3b(最上面)が、ソース・ドレイン電極2a,2b(最上面)の金属よりも誘電膜4との密着性が低い金属から構成される。例えば、ソース・ドレイン電極2a,2bの最上面をAlから構成し、第2ゲート電極3bの最上面をAuから構成する。
In the third embodiment, substantially the same manufacturing process as in the second embodiment is performed. However, in the same process as that shown in FIGS. 3 and 4, in the third embodiment, the
また、図6に示した工程に対応する図8に示す工程において、本実施の形態3では、超音波を用いてゲート電極体3上の誘電膜4を第2ゲート電極3bから剥離することにより、ゲート電極体3上の誘電膜4を除去する。
Further, in the process shown in FIG. 8 corresponding to the process shown in FIG. 6, in the third embodiment, the
以上のような本実施の形態3に係るヘテロ接合電界効果トランジスタ製造方法によれば、実施の形態2と同様に、ゲート電極体3上の誘電膜4を除去する際に、半導体基体1表面の露出が抑制されることから、半導体基体1表面にダメージが加わるのを抑制することができる。よって、ゲートリーク電流や電流コラプスなどの特性の劣化が抑制されたヘテロ接合電界効果トランジスタを実現することができる。
According to the heterojunction field effect transistor manufacturing method according to the third embodiment as described above, when the
また、本実施の形態3では、ソース・ドレイン電極2a,2bよりも誘電膜4との密着性が低い第2ゲート電極3bを形成し、超音波を用いてゲート電極体3上の誘電膜4を剥離して除去する。したがって、所望の誘電膜4を残したまま、ゲート電極体3上の誘電膜4を除去することができる。
In the third embodiment, the
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。 It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.
1 半導体基体、2a ソース電極、2b ドレイン電極、3 ゲート電極体、3a 第1ゲート電極、3b 第2ゲート電極、4 誘電膜、5 電界緩和電極。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
(b)前記ソース・ドレイン電極の間の前記半導体基体上において第1及び第2ゲート電極をこの順に積層したゲート電極体を形成する工程と、
(c)前記ソース・ドレイン電極、前記半導体基体及び前記ゲート電極体上に、誘電膜を形成する工程と、
(d)前記ゲート電極体上の前記誘電膜を除去する工程と、
(e)前記第1ゲート電極周辺の前記誘電膜上に、前記第1ゲート電極から側方に突出する電界緩和電極を形成する工程と
を備える、ヘテロ接合電界効果トランジスタの製造方法。 (A) forming a source / drain electrode on a semiconductor substrate including a nitride semiconductor;
(B) forming a gate electrode body in which the first and second gate electrodes are stacked in this order on the semiconductor substrate between the source / drain electrodes;
(C) forming a dielectric film on the source / drain electrodes, the semiconductor substrate and the gate electrode body;
(D) removing the dielectric film on the gate electrode body;
(E) forming a field relaxation electrode projecting laterally from the first gate electrode on the dielectric film around the first gate electrode; and a method of manufacturing a heterojunction field effect transistor.
前記第2ゲート電極の金属は、前記ソース・ドレイン電極の金属よりも酸またはアルカリへの溶解性が高い、ヘテロ接合電界効果トランジスタの製造方法。 A method of manufacturing a heterojunction field effect transistor according to claim 1,
The method of manufacturing a heterojunction field effect transistor, wherein the metal of the second gate electrode has higher solubility in acid or alkali than the metal of the source / drain electrode.
前記第2ゲート電極の金属は、前記ソース・ドレイン電極の金属よりも前記誘電膜との密着性が低い、ヘテロ接合電界効果トランジスタの製造方法。 A method of manufacturing a heterojunction field effect transistor according to claim 1,
The method of manufacturing a heterojunction field effect transistor, wherein the metal of the second gate electrode has lower adhesion to the dielectric film than the metal of the source / drain electrode.
前記工程(c)において、Cat−CVD(Catalytic Chemical Vapor Deposition)法を用いて前記誘電膜を堆積する、ヘテロ接合電界効果トランジスタの製造方法。 A method of manufacturing a heterojunction field effect transistor according to any one of claims 1 to 3,
A method of manufacturing a heterojunction field effect transistor, wherein the dielectric film is deposited using a Cat-CVD (Catalytic Chemical Vapor Deposition) method in the step (c).
前記工程(c)において、ECR(Electron Cyclotron Resonance)スパッタ法を用いて前記誘電膜を堆積する、ヘテロ接合電界効果トランジスタの製造方法。 A method of manufacturing a heterojunction field effect transistor according to any one of claims 1 to 3,
A method of manufacturing a heterojunction field effect transistor, wherein in the step (c), the dielectric film is deposited using an ECR (Electron Cyclotron Resonance) sputtering method.
前記工程(d)において、前記第2ゲート電極を酸またはアルカリに溶解させることにより、前記ゲート電極体上の前記誘電膜を前記第2ゲート電極とともに除去する、ヘテロ接合電界効果トランジスタの製造方法。 A method of manufacturing a heterojunction field effect transistor according to claim 1 or claim 2,
In the step (d), the dielectric film on the gate electrode body and the second gate electrode are removed together with the second gate electrode by dissolving the second gate electrode in an acid or an alkali.
前記工程(d)において、超音波を用いて前記ゲート電極体上の前記誘電膜を前記第2ゲート電極から剥離することにより、前記ゲート電極体上の前記誘電膜を除去する、ヘテロ接合電界効果トランジスタの製造方法。 A method of manufacturing a heterojunction field effect transistor according to claim 1 or 3,
In the step (d), the dielectric film on the gate electrode body is removed from the second gate electrode by peeling off the dielectric film on the gate electrode body using ultrasonic waves. A method for manufacturing a transistor.
前記電界緩和電極は、前記第1ゲート電極から前記ドレイン電極にのみ向かって突出する、ヘテロ接合電界効果トランジスタ。 A heterojunction field effect transistor formed by the method of manufacturing a heterojunction field effect transistor according to any one of claims 1 to 7,
The field relaxation electrode is a heterojunction field effect transistor that protrudes only from the first gate electrode toward the drain electrode.
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