JP2022176439A - 電界効果トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】閾値電圧の向上が可能である電界効果トランジスタ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】チャネルが形成される第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第２窒化物半導体層と、ソース電極と、ドレイン電極と、平面視において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に位置するゲート電極と、前記第２窒化物半導体層の一部と前記ゲート電極との間に配置されたゲートコンタクト層と、を備え、前記ゲートコンタクト層は、前記ゲート電極と接触するＡｌＧａＮ層を有し、前記ゲート電極は、少なくともその一部にニッケルと酸素を有する、電界効果トランジスタ。
【選択図】図２
【解決手段】チャネルが形成される第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第２窒化物半導体層と、ソース電極と、ドレイン電極と、平面視において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に位置するゲート電極と、前記第２窒化物半導体層の一部と前記ゲート電極との間に配置されたゲートコンタクト層と、を備え、前記ゲートコンタクト層は、前記ゲート電極と接触するＡｌＧａＮ層を有し、前記ゲート電極は、少なくともその一部にニッケルと酸素を有する、電界効果トランジスタ。
【選択図】図２
Description
本発明は、電界効果トランジスタ及びその製造方法に関する。
窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタのゲート電極として、Ｎｉを含むゲート電極が知られている（例えば、特許文献１～３参照）。
窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタは、閾値電圧の更なる向上が求められている。
本発明の一態様の電界効果トランジスタは、チャネルが形成される第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第２窒化物半導体層と、ソース電極と、ドレイン電極と、平面視において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に位置するゲート電極と、前記第２窒化物半導体層の一部と前記ゲート電極との間に配置されたゲートコンタクト層と、を備え、前記ゲートコンタクト層は、前記ゲート電極と接触するＡｌＧａＮ層を有し、前記ゲート電極は、少なくともその一部にニッケルと酸素を有する。
本発明の一態様の電界効果トランジスタの製造方法は、第１窒化物半導体層を形成する工程と、前記第１窒化物半導体層の上に、前記第１窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第２窒化物半導体層を形成する工程と、前記第２窒化物半導体層の上の一部に、最表面をＡｌＧａＮ層とするゲートコンタクト層を形成する工程と、前記ＡｌＧａＮ層に接して、少なくともその一部にニッケルと酸素を有するゲート電極を形成する工程と、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、を有する。
本発明の他の一態様の電界効果トランジスタの製造方法は、第１窒化物半導体層を形成する工程と、前記第１窒化物半導体層の上に、前記第１窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第２窒化物半導体層を形成する工程と、前記第２窒化物半導体層の上の一部に、ゲートコンタクト層を形成する工程と、前記ゲートコンタクト層に接して、酸素を含む雰囲気でニッケルを成膜することにより、少なくともその一部にニッケルと酸素を有するゲート電極を形成する工程と、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、を有する。
本発明の一態様の電界効果トランジスタによれば、閾値電圧の向上が可能である。本発明の一態様の電界効果トランジスタの製造方法によれば、閾値電圧が向上した電界効果トランジスタを得ることが可能である。
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。
（電界効果トランジスタ１００）
図１は、本実施形態の電界効果トランジスタ１００を示す模式平面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線における模式断面図である。図１および図２に示すとおり、本実施形態の電界効果トランジスタ１００は、第１窒化物半導体層１１と、第２窒化物半導体層１２と、ゲートコンタクト層１３と、ソース電極２１と、ドレイン電極２２と、ゲート電極２３と、を有する。ゲート電極２３は、少なくともその一部にニッケル（Ｎｉ）と酸素を有する。本実施形態の電界効果トランジスタ１００は、電界効果トランジスタ１００がオンになる閾値電圧の向上が可能である。本実施形態の電界効果トランジスタ１００は、ゲートリーク電流の低減が可能である。
図１は、本実施形態の電界効果トランジスタ１００を示す模式平面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線における模式断面図である。図１および図２に示すとおり、本実施形態の電界効果トランジスタ１００は、第１窒化物半導体層１１と、第２窒化物半導体層１２と、ゲートコンタクト層１３と、ソース電極２１と、ドレイン電極２２と、ゲート電極２３と、を有する。ゲート電極２３は、少なくともその一部にニッケル（Ｎｉ）と酸素を有する。本実施形態の電界効果トランジスタ１００は、電界効果トランジスタ１００がオンになる閾値電圧の向上が可能である。本実施形態の電界効果トランジスタ１００は、ゲートリーク電流の低減が可能である。
第１窒化物半導体層１１と第２窒化物半導体層１２とゲートコンタクト層１３とを含む窒化物半導体構造は、基板１０の上に配置されていてもよい。基板１０は、例えばサファイア基板である。窒化物半導体構造を構成する窒化物半導体としてはＩＩＩ族窒化物半導体が挙げられる。ＩＩＩ族窒化物半導体は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）である。
第１窒化物半導体層１１は、チャネルが形成される層である。チャネルは例えば二次元電子ガス層である。第１窒化物半導体層１１は、例えば、ＧａＮから構成される。第２窒化物半導体層１２は、第１窒化物半導体層１１の上に設けられており、第１窒化物半導体層１１よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する。第２窒化物半導体層１２は、例えば、ＡｌＧａＮから構成される。第２窒化物半導体層１２がＡｌＧａＮ層である場合、第２窒化物半導体層１２と第１窒化物半導体層１１との間に第２窒化物半導体層１２よりも膜厚が小さなＡｌＮ層を設けてもよい。
ゲートコンタクト層１３は、第２窒化物半導体層１２の一部とゲート電極２３との間に配置されている。ゲートコンタクト層１３は、１以上の半導体層を有する。ゲートコンタクト層１３は、ゲート電極２３と接触するＡｌＧａＮ層１５を有することが好ましい。ＡｌＧａＮ層１５は、ＧａＮよりもバンドギャップエネルギーが大きいため、ゲート電極２３と接触する層をＧａＮ層とする場合と比較して、ゲートコンタクト層１３とゲート電極２３とをショットキー接続させやすい。これにより、閾値電圧を上昇させることができる。また、後述するとおり、ＡｌＧａＮ層１５に、Ｎｉと酸素を含むゲート電極２３を接触させることにより、閾値電圧をより効果的に上昇させることができる。ゲートコンタクト層１３は、ＡｌＧａＮ層１５と第２窒化物半導体層１２との間に、ｐ型不純物を含有するｐ型不純物含有層１４を有していてもよい。ゲートコンタクト層１３は、さらに他の層を有していてもよい。
ＡｌＧａＮ層１５は、ＡｌＸＧａ１－ＸＮ（０＜Ｘ＜１）からなる。ＡｌＧａＮ層１５のＡｌ混晶比Ｘは、０．０５以上であることが好ましく、０．１以上であることがより好ましい。これにより、閾値電圧をより上昇させることができる。ＡｌＧａＮ層１５のＡｌ混晶比Ｘは、０．５以下とすることができ、０．３以下であることが好ましい。これにより、ＡｌＧａＮ層１５の結晶性を向上させることができる。ＡｌＧａＮ層１５の膜厚は、１ｎｍ以上とすることができ、１０ｎｍ以上とすることができる。ＡｌＧａＮ層１５の膜厚は、１０００ｎｍ以下とすることができ、３００ｎｍ以下とすることができる。ＡｌＧａＮ層１５は、ｐ型不純物を含有しない、または、ｐ型不純物含有層１４のｐ型不純物濃度よりも低い濃度でｐ型不純物を含有する。ｐ型不純物をドープしたｐ型不純物含有層１４の上にアンドープでＡｌＧａＮ層１５を形成した場合、例えば、ＡｌＧａＮ層１５の下面から上面に向かってｐ型不純物が減少する濃度分布となる。ｐ型不純物は例えばマグネシウム（Ｍｇ）である。
ｐ型不純物含有層１４を有することにより、第１窒化物半導体層１１と第２窒化物半導体層１２のポテンシャルエネルギーを引き上げることができ、閾値電圧を上昇させることができる。ｐ型不純物は例えばＭｇである。ｐ型不純物含有層１４は、例えば、ｐ型不純物を含有するＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、またはＡｌＧａＮ層である。ｐ型不純物含有層１４は、ｐ型不純物を含有するＧａＮからなることが好ましい。これにより、ｐ型不純物の活性化率を向上させることができる。ｐ型不純物含有層１４のｐ型不純物濃度は、１×１０１９ｃｍ－３以上とすることができる。ｐ型不純物含有層１４の膜厚は、５ｎｍ以上とすることができ、１０ｎｍ以上とすることが好ましい。これにより、ｐ型不純物含有層１４を設けることによる閾値電圧上昇の効果を得やすい。ｐ型不純物含有層１４の膜厚は、１０００ｎｍ以下とすることができ、１００ｎｍ以下とすることが好ましい。このようにｐ型不純物含有層１４がある程度の膜厚以下であることで、ゲートバイアスをより確実にチャネルに届かせることができる。
図１に示すように、ゲート電極２３は、平面視においてソース電極２１とドレイン電極２２との間に位置する。ゲート電極２３は、少なくともその一部にＮｉと酸素を有する。これにより、電界効果トランジスタ１００がオンとなる閾値電圧を向上させることが可能である。閾値電圧の向上が可能な理由としては、ゲート電極２３がＮｉと酸素を有することで、ＡｌＧａＮ層との間のショットキーバリアが高くなったことが考えらえる。あるいは、ＡｌＧａＮ層１５は例えばＧａＮよりも酸化されやすいため、ＡｌＧａＮ層１５を形成してからゲート電極２３を形成するまでに表面が酸化されており、ゲート電極２３を形成することで、ＡｌＧａＮ層１５の表面の酸素がゲート電極２３へ移動し、これによってショットキー特性が向上した可能性がある。また、同様の理由から、本実施形態の電界効果トランジスタ１００はゲートリーク電流を低減することが可能である。
ゲート電極２３は、Ｎｉと酸素を有する酸化部を有することができる。この酸化部はＡｌＧａＮ層１５と接している。ゲート電極２３は、例えば、Ｎｉ部と、Ｎｉ部の上面から側面にわたって設けられたＮｉと酸素を有する酸化部と、を有することができる。Ｎｉ部の酸素含有量は、酸化部の酸素含有量よりも小さい。Ｎｉ部は実質的に酸素を含まなくてもよい。Ｎｉ部と酸化部とからなる複合膜の膜厚は、１０ｎｍ以上とすることができ、２００ｎｍ以上とすることが好ましい。ゲート電極２３が細長い形状であるため、複合膜の膜厚が２００ｎｍ以上であることで、導電性を向上することができる。複合膜の膜厚は、１０００ｎｍ以下とすることができる。一断面において、Ｎｉ部の厚さは酸化部の厚さよりも大きいことが好ましい。これにより、酸化部を設けることによるゲート電極２３の導電性の低下の程度を小さくすることができる。Ｎｉ部の厚さは酸化部の厚さの１倍より大きく、１．２倍以上とすることができる。Ｎｉ部の厚さは酸化部の厚さの３倍以下とすることができる。なお、Ｎｉ部および酸化部の厚さとは、一断面において、Ｎｉ部の上面のうちゲートコンタクト層１３から最も遠い箇所とゲートコンタクト層１３とを最短距離で結ぶ直線上の厚さを指す。
ゲート電極２３は、ＡｌＧａＮ層１５と接する部分のすべてがＮｉと酸素を有する酸化部で構成されていてもよい。ゲート電極２３は、少なくとも一部にＮｉと酸素を有する第１膜と、その上の第２膜とを有していてもよい。第１膜はＡｌＧａＮ層１５と接している。第１膜は、その一部または全部がＮｉと酸素を有する酸化部である。第１膜の全部がＮｉと酸素を有する酸化部である場合、金属からなる第２膜を設けることが好ましい。これにより、ゲート電極２３の導電性を向上させることができる。第２膜は、例えば、Ｎｉ層である。第２膜の膜厚は、１００ｎｍ以上であることが好ましい。これにより、ゲート電極２３の導電性をより向上させることができる。第２膜の膜厚は、１０００ｎｍ以下とすることができ、８００ｎｍ以下としてもよい。第２膜の膜厚は、第１膜の膜厚よりも大きくすることができる。第１膜の膜厚は、１０ｎｍ以上とすることができる。第１膜の膜厚は、３００ｎｍ以下とすることができ、１００ｎｍ以下としてもよい。これにより、ゲート電極２３の導電性の低下の程度を小さくすることができる。ゲート電極２３は、第２膜の上にさらに第３膜を有していてもよい。第３膜は、例えば、プラチナ（Ｐｔ）層である。
ゲート電極２３は、金（Ａｕ）層またはＡｕ合金層を含まないことが好ましい。Ａｕ層またはＡｕ合金層は加熱で酸化部または酸化部の付近のＮｉと混ざる可能性があるためである。ゲート電極２３の上にパッド電極が設けられていてもよい。
ソース電極２１およびドレイン電極２２は、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ等の金属、および／または導電性酸化物等の導電性に優れた材料で構成される。ソース電極２１及びドレイン電極２２は、２層以上の積層構造であってもよい。ソース電極２１及びドレイン電極２２は、例えば、Ｔｉ層とＡｌ層とがこの順に積層されている。ソース電極２１及びドレイン電極２２の上にパッド電極が設けられていてもよい。
電界効果トランジスタ１００は、ＡｌＧａＮ層１５の表面に設けられたパッシベーション膜を有していてもよい。パッシベーション膜としては、例えば、シリコンと窒素を含む膜（例えばＳｉＮ膜）、シリコンと酸素を含む膜（例えばＳｉＯ２膜）、アルミニウムと窒素を含む膜（例えばＡｌＮ膜）、またはアルミニウムと酸素を含む膜（例えばＡｌ２Ｏ３膜）が挙げられる。電界効果トランジスタ１００は、フィールドプレート電極などの他の部材を有していてもよい。
（電界効果トランジスタの製造方法）
図３は、電界効果トランジスタ１００の製造方法を示すフローチャートである。図４～図７は、電界効果トランジスタ１００の製造方法を示す模式断面図である。図３に示すとおり、電界効果トランジスタ１００の製造方法は、第１窒化物半導体層形成工程Ｓ１０１と、第２窒化物半導体層形成工程Ｓ１０２と、ゲートコンタクト層形成工程Ｓ１０３と、ゲート電極形成工程Ｓ１０４と、ソース電極及びドレイン電極形成工程Ｓ１０５と、を有する。電界効果トランジスタ１００の製造方法における各部材の材料や膜厚等は、上述の電界効果トランジスタ１００で述べた材料や膜厚等と同じものを採用することができる。
図３は、電界効果トランジスタ１００の製造方法を示すフローチャートである。図４～図７は、電界効果トランジスタ１００の製造方法を示す模式断面図である。図３に示すとおり、電界効果トランジスタ１００の製造方法は、第１窒化物半導体層形成工程Ｓ１０１と、第２窒化物半導体層形成工程Ｓ１０２と、ゲートコンタクト層形成工程Ｓ１０３と、ゲート電極形成工程Ｓ１０４と、ソース電極及びドレイン電極形成工程Ｓ１０５と、を有する。電界効果トランジスタ１００の製造方法における各部材の材料や膜厚等は、上述の電界効果トランジスタ１００で述べた材料や膜厚等と同じものを採用することができる。
まず、第１窒化物半導体層１１と、第２窒化物半導体層１２と、ゲートコンタクト層１３とを含む積層体を形成する。積層体は、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により形成することができる。
図４に示すように、第１窒化物半導体層形成工程Ｓ１０１において、第１窒化物半導体層１１を形成する。第１窒化物半導体層１１は、基板１０の上に形成することができる。基板１０は、例えばサファイア基板である。第１窒化物半導体層１１を形成する前に、バッファ層等の別の層を基板１０の上に形成してもよい。
図５に示すように、第２窒化物半導体層形成工程Ｓ１０２において、第１窒化物半導体層１１の上に、第２窒化物半導体層１２を形成する。第２窒化物半導体層１２は、第１窒化物半導体層１１のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する。第２窒化物半導体層１２を形成する前に、ＡｌＮ層等の別の層を第１窒化物半導体層１１の上に形成してもよい。
図６及び図７に示すように、ゲートコンタクト層形成工程Ｓ１０３において、第２窒化物半導体層１２の上の一部に、最表面をＡｌＧａＮ層１５とするゲートコンタクト層１３を形成する。このようなゲートコンタクト層１３は、まず、図６に示すように、第２窒化物半導体層１２の上にゲートコンタクト層１３を形成し、その後、図７に示すように、ゲートコンタクト層１３の一部を除去することで形成することができる。ゲートコンタクト層１３の一部を除去する工程は、ゲート電極形成工程Ｓ１０４の前に行ってもよく、後に行ってもよい。ゲートコンタクト層１３の一部を除去する工程をゲート電極形成工程Ｓ１０４の後に行うことで、ゲート電極２３をマスクとしてゲートコンタクト層１３を除去することができるため、ゲートコンタクト層１３をゲート電極２３の直下のみに残存させることができる。ゲートコンタクト層形成工程Ｓ１０３は、ｐ型不純物を含有するガスを供給しながらｐ型不純物含有層１４を形成する工程と、ｐ型不純物含有層１４の上に、ｐ型不純物を含有するガスを供給せずに、ＡｌＧａＮ層１５を形成する工程と、を有することができる。
図７に示すように、ゲート電極形成工程Ｓ１０４において、ＡｌＧａＮ層１５に接して、少なくともその一部にＮｉと酸素を有するゲート電極２３を形成する。ゲート電極２３のパターン化は、例えば、リフトオフ法により行うことができる。
ゲート電極形成工程Ｓ１０４は、ＡｌＧａＮ層１５の表面にＮｉ膜を形成する工程と、酸素を含む雰囲気でＮｉ膜をアニールすることにより、Ｎｉ膜の少なくとも一部を酸化する工程と、を有することができる。この方法によって得られるゲート電極２３は、主としてＮｉを有するＮｉ部と、その表面に形成されたＮｉと酸素を含む酸化部とを有する。酸素を含む雰囲気でＮｉ膜をアニールする酸化アニールは、４５０℃以上で行うことが好ましい。これにより、得られる電界効果トランジスタ１００の閾値電圧をより向上させることができる。また、ゲートリーク電流をより減少させることができる。この酸化アニールをソース電極２１およびドレイン電極２２を形成した後で行う場合は、５００℃以上で行うことが好ましい。これにより、酸化アニールがソース電極２１およびドレイン電極２２のオーミックアニールを兼ねることができる。酸化アニールは、例えば、４５０℃以上または５００℃以上の温度を１分以上維持することにより行うことができる。酸化アニールにおいて、４５０℃以上または５００℃以上を維持する時間は１時間以下であってもよい。なお、アニールの温度は、例えば、用いる炉のサンプルステージの部分の温度である。酸化アニールは、酸素を含む雰囲気で行う。酸素を含む雰囲気は、酸素ガス濃度が、例えば、１体積％以上、５体積％以上、または２０体積％以上であればよく、また例えば、１００体積％以下、または５０体積％以下であってよい。酸素を含む雰囲気は、例えば、酸素の分圧が０．００１Ｐａ以上である雰囲気であってもよい。酸素を含む雰囲気は、酸素以外に窒素ガス、アルゴン等の希ガス、二酸化炭素ガス等をさらに含んでいてもよく、大気雰囲気であってよい。酸化アニールは、例えば酸素ガスと窒素ガスの混合雰囲気で行うことができる。酸化アニールは意図的には酸素ガスを導入しない雰囲気で行ってもよい。混入した程度の酸素であってもＮｉ膜の酸化は可能である。例えば、酸化アニールは窒素ガス雰囲気で行ってもよい。
Ｎｉ膜は、例えば、スパッタ法または化学気相成長（ＣＶＤ）法により形成することができ、スパッタ法で形成することが好ましい。Ｎｉ膜をスパッタ法で形成することにより、リフトオフ法でパターニングすることができる。Ｎｉ膜の膜厚は、１０ｎｍ以上とすることができ、２００ｎｍ以上とすることが好ましい。ゲート電極２３が細長い形状であるため、Ｎｉ膜の膜厚が２００ｎｍ以上であることで、導電性を向上することができる。Ｎｉ膜の膜厚は、１０００ｎｍ以下とすることができる。
Ｎｉ膜の少なくとも一部を酸化する工程は、Ｎｉ膜を第１膜として、その上にＰｔ層等の別の層を形成した後で行ってもよい。Ｎｉ膜の少なくとも一部を酸化する工程は、ソース電極２１およびドレイン電極２２を形成した後に行ってもよい。これにより、Ｎｉ膜の少なくとも一部を酸化する工程における酸化アニールが、ソース電極２１およびドレイン電極２２のオーミックアニールを兼ねることができるため、製造工程の簡略化が可能である。
あるいは、ゲート電極形成工程Ｓ１０４は、酸素を含む雰囲気で、ＡｌＧａＮ層１５の表面にＮｉを成膜することにより、少なくともその一部にＮｉと酸素を有するゲート電極２３を形成することができる。これにより、Ｎｉ膜を形成した後で酸化アニールを行う場合と比較して、閾値電圧をさらに向上させることができる。また、電界効果トランジスタ１００が破壊されるゲート電圧の値を上昇させることができるため、ゲート電圧の破壊マージンを拡大することが可能であるといえる。この方法によって得られるゲート電極２３は、例えば一断面において、ＡｌＧａＮ層１５と接触する部分が、全体としてＮｉと酸素を有する酸化部のみで構成される。酸素を含む雰囲気でＮｉを成膜した後で、上述の酸化アニールと同様の条件でアニールを行ってもよい。これにより、より確実にＮｉと酸素を含む酸化部を形成することができる。
第１膜として、酸素を含む雰囲気でＮｉを成膜する方法としては、例えば、スパッタ法または化学気相成長（ＣＶＤ）法を用いることができ、スパッタ法で形成することが好ましい。これにより、リフトオフ法でパターニングすることができる。Ｎｉを成膜する際の酸素を含む雰囲気は、例えばＮｉを成膜するスパッタ装置等の装置内に酸素ガスを供給することにより形成することができる。酸素ガスの分圧は、０．００５Ｐａ以上とすることができ、１０Ｐａ以下とすることができる。酸素を含む雰囲気は、酸素以外に窒素ガス、アルゴン等の希ガス、二酸化炭素ガス等をさらに含んでいてもよい。酸素を含む雰囲気でＮｉを成膜する方法により得られる酸化部は、例えば主としてＮｉＯから構成される。例えば、酸化部は、X線光電子分光法（ＸＰＳ）で測定したＮｉＯとＮｉ２Ｏ３との比率が９０：１０以上であり、９５：５以上であってもよい。
ソース電極及びドレイン電極形成工程Ｓ１０５において、ソース電極２１及びドレイン電極２２を形成する。これによって、図１に示す電界効果トランジスタ１００を得ることができる。ソース電極２１及びドレイン電極２２は、例えば、第１窒化物半導体層１１および第２窒化物半導体層１２の一部を除去し、チャネルと接触する位置に形成する。ソース電極及びドレイン電極形成工程Ｓ１０５は、ゲート電極形成工程Ｓ１０４の前に行ってもよい。
以上の実施形態の電界効果トランジスタ１００の製造方法によれば、閾値電圧が向上した電界効果トランジスタ１００を得ることが可能である。
（実施例１）
実施例１として、図１及び図２に示す電界効果トランジスタ１００と同じ構造の素子を作製した。まず、サファイアからなる基板１０の上に、バッファ層と、第１窒化物半導体層１１として６００ｎｍのアンドープＧａＮ層と、１ｎｍのアンドープＡｌＮ層と、第２窒化物半導体層１２として９ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層と、ｐ型不純物含有層１４として１０ｎｍのＭｇドープＧａＮ層と、２０ｎｍのアンドープＧａＮ層と、ＡｌＧａＮ層１５として２０ｎｍのアンドープＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ層とをこの順に積層した。積層後、後にソース電極２１とドレイン電極２２を形成する側面を露出するように第１窒化物半導体層１１等の一部と、後にＮｉ膜を形成する部分のみを残すようにＡｌＧａＮ層１５からｐ型不純物含有層１４までのゲートコンタクト層１３の一部と、を除去した。ソース電極２１とドレイン電極２２は、第１窒化物半導体層１１等の一部を除去することによって露出した側面を被覆する位置に形成した。ソース電極２１とドレイン電極２２の積層構造は、基板１０側から順にＴｉ／Ａｌとした。ソース電極２１とドレイン電極２２を形成した後、５５０℃でオーミックアニールを行った。次に、ＡｌＧａＮ層１５の表面に、スパッタ装置を用いてＮｉ膜を膜厚８００ｎｍで形成した。Ｎｉ膜の形成は酸素ガスを供給せずに行った。その後、９５体積％の窒素ガスと５体積％の酸素ガスを含む雰囲気で４５０℃で１０分保持するアニールを行った。このアニールによってＮｉ膜の一部が酸化され、Ｎｉと酸素を含むゲート電極２３が得られた。その後、パッシベーション膜を形成した。
実施例１として、図１及び図２に示す電界効果トランジスタ１００と同じ構造の素子を作製した。まず、サファイアからなる基板１０の上に、バッファ層と、第１窒化物半導体層１１として６００ｎｍのアンドープＧａＮ層と、１ｎｍのアンドープＡｌＮ層と、第２窒化物半導体層１２として９ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層と、ｐ型不純物含有層１４として１０ｎｍのＭｇドープＧａＮ層と、２０ｎｍのアンドープＧａＮ層と、ＡｌＧａＮ層１５として２０ｎｍのアンドープＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ層とをこの順に積層した。積層後、後にソース電極２１とドレイン電極２２を形成する側面を露出するように第１窒化物半導体層１１等の一部と、後にＮｉ膜を形成する部分のみを残すようにＡｌＧａＮ層１５からｐ型不純物含有層１４までのゲートコンタクト層１３の一部と、を除去した。ソース電極２１とドレイン電極２２は、第１窒化物半導体層１１等の一部を除去することによって露出した側面を被覆する位置に形成した。ソース電極２１とドレイン電極２２の積層構造は、基板１０側から順にＴｉ／Ａｌとした。ソース電極２１とドレイン電極２２を形成した後、５５０℃でオーミックアニールを行った。次に、ＡｌＧａＮ層１５の表面に、スパッタ装置を用いてＮｉ膜を膜厚８００ｎｍで形成した。Ｎｉ膜の形成は酸素ガスを供給せずに行った。その後、９５体積％の窒素ガスと５体積％の酸素ガスを含む雰囲気で４５０℃で１０分保持するアニールを行った。このアニールによってＮｉ膜の一部が酸化され、Ｎｉと酸素を含むゲート電極２３が得られた。その後、パッシベーション膜を形成した。
（実施例２）
Ｎｉ膜を形成した後のアニールの温度を５００℃とする以外は実施例１の電界効果トランジスタ１００と同様にして、実施例２の電界効果トランジスタ１００を作製した。
Ｎｉ膜を形成した後のアニールの温度を５００℃とする以外は実施例１の電界効果トランジスタ１００と同様にして、実施例２の電界効果トランジスタ１００を作製した。
（実施例３）
ソース電極２１とドレイン電極２２とゲート電極２３の形成方法が異なる以外は実施例１の電界効果トランジスタ１００と同様にして、実施例３の電界効果トランジスタ１００を作製した。実施例３では、ＡｌＧａＮ層１５までを積層した後、まずＮｉ膜を形成し、その後、ゲートコンタクト層１３のＮｉ膜を形成した部分以外を除去し、その後にソース電極２１とドレイン電極２２を形成し、５５０℃でアニールを行った。すなわち、実施例３の電界効果トランジスタ１００では、Ｎｉ膜を形成した後の５５０℃のアニールによって、ソース電極２１とドレイン電極２２のオーミックアニールを兼ねた。
ソース電極２１とドレイン電極２２とゲート電極２３の形成方法が異なる以外は実施例１の電界効果トランジスタ１００と同様にして、実施例３の電界効果トランジスタ１００を作製した。実施例３では、ＡｌＧａＮ層１５までを積層した後、まずＮｉ膜を形成し、その後、ゲートコンタクト層１３のＮｉ膜を形成した部分以外を除去し、その後にソース電極２１とドレイン電極２２を形成し、５５０℃でアニールを行った。すなわち、実施例３の電界効果トランジスタ１００では、Ｎｉ膜を形成した後の５５０℃のアニールによって、ソース電極２１とドレイン電極２２のオーミックアニールを兼ねた。
（実施例４）
ＡｌＧａＮ層１５として２０ｎｍのアンドープＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層を形成する以外は実施例３の電界効果トランジスタ１００と同様にして、実施例４の電界効果トランジスタ１００を作製した。
ＡｌＧａＮ層１５として２０ｎｍのアンドープＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層を形成する以外は実施例３の電界効果トランジスタ１００と同様にして、実施例４の電界効果トランジスタ１００を作製した。
（実施例５）
ゲート電極２３として、アルゴンガスの流量４０ｓｃｃｍに対して酸素ガスの流量を２０ｓｃｃｍで供給してＮｉを１０ｎｍで成膜する第１膜と、酸素ガスの供給を止めてＮｉを７０ｎｍで成膜する第２膜とをこの順に形成したこと以外は実施例３の電界効果トランジスタ１００と同様にして、実施例５の電界効果トランジスタ１００を作製した。
ゲート電極２３として、アルゴンガスの流量４０ｓｃｃｍに対して酸素ガスの流量を２０ｓｃｃｍで供給してＮｉを１０ｎｍで成膜する第１膜と、酸素ガスの供給を止めてＮｉを７０ｎｍで成膜する第２膜とをこの順に形成したこと以外は実施例３の電界効果トランジスタ１００と同様にして、実施例５の電界効果トランジスタ１００を作製した。
（比較例１）
Ｎｉ膜を形成した後のアニールを行わない以外は実施例１の電界効果トランジスタ１００と同様にして、比較例１の電界効果トランジスタを作製した。
Ｎｉ膜を形成した後のアニールを行わない以外は実施例１の電界効果トランジスタ１００と同様にして、比較例１の電界効果トランジスタを作製した。
（比較例２）
ＡｌＧａＮ層１５に替えて２０ｎｍのアンドープＧａＮ層を形成する以外は実施例３の電界効果トランジスタ１００と同様にして、比較例２の電界効果トランジスタを作製した。すなわち、比較例２の電界効果トランジスタは、ｐ型不純物含有層１４の上に４０ｎｍのアンドープＧａＮ層を形成した。
ＡｌＧａＮ層１５に替えて２０ｎｍのアンドープＧａＮ層を形成する以外は実施例３の電界効果トランジスタ１００と同様にして、比較例２の電界効果トランジスタを作製した。すなわち、比較例２の電界効果トランジスタは、ｐ型不純物含有層１４の上に４０ｎｍのアンドープＧａＮ層を形成した。
（評価）
実施例１～３の電界効果トランジスタ１００および比較例１の電界効果トランジスタについて、電界効果トランジスタがオンになる閾値電圧Ｖｔｈを測定した。その結果を図８に示す。図８は、実施例１～３および比較例１の電界効果トランジスタのアニール温度と閾値電圧の関係を示すグラフである。また、実施例３の電界効果トランジスタ１００および比較例１の電界効果トランジスタについて、ゲートリーク電流を測定した。
実施例１～３の電界効果トランジスタ１００および比較例１の電界効果トランジスタについて、電界効果トランジスタがオンになる閾値電圧Ｖｔｈを測定した。その結果を図８に示す。図８は、実施例１～３および比較例１の電界効果トランジスタのアニール温度と閾値電圧の関係を示すグラフである。また、実施例３の電界効果トランジスタ１００および比較例１の電界効果トランジスタについて、ゲートリーク電流を測定した。
図８から、実施例１～３の電界効果トランジスタ１００とすることで、閾値電圧が上昇するといえる。また、アニールを行わない比較例１の電界効果トランジスタのゲートリーク電流は約１００ｍＡであるが、酸素を含む雰囲気でアニールした実施例３の電界効果トランジスタ１００のゲートリーク電流は１ｍＡ未満であった。したがって、酸素を含む雰囲気でアニールすることで、ゲートリーク電流が低減可能であるといえる。
実施例３および４の電界効果トランジスタ１００と、比較例２の電界効果トランジスタについて、ゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄを測定した。ドレイン電圧は１０Ｖとした。その結果を図９に示す。図９は、実施例３と実施例４と比較例２の電界効果トランジスタのゲート電圧とドレイン電流の関係を示すグラフである。図９から、ゲート電極２３と接する半導体層がＧａＮの場合は、閾値電圧が１Ｖ未満と低く、ゲート電極２３と接する層をＡｌＧａＮ層１５とすることで閾値電圧の上昇が可能であるといえる。
実施例３および実施例５の電界効果トランジスタ１００について、ゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄとゲート電流Ｉｇを測定した。その結果を図１０および図１１に示す。図１０は、ドレイン電圧を１０Ｖとしたときの、実施例３および実施例５の電界効果トランジスタのゲート電圧とドレイン電流の関係を示すグラフである。図１１は、ドレイン電圧およびソース電圧を０Ｖとしたときの、実施例３および実施例５の電界効果トランジスタのゲート電圧とゲート電流の関係を示すグラフである。図１０から、実施例５の電界効果トランジスタ１００は、実施例３の電界効果トランジスタ１００よりもさらに閾値電圧が上昇したことがわかった。また、図１１から、実施例５の電界効果トランジスタ１００は、実施例３の電界効果トランジスタ１００よりもさらにゲートリーク電流が減少したことがわかった。
実施例３および実施例５の電界効果トランジスタ１００について、出力特性を測定した。図１２は実施例３の電界効果トランジスタ１００の出力特性を示すグラフである。図１３は実施例５の電界効果トランジスタ１００の出力特性を示すグラフである。図１２および図１３において、ドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓをパラメータとしてゲート電圧Ｖｇを条件としてドレイン電流Ｉｄをプロットした。図１３から、実施例５の電界効果トランジスタ１００は、ゲート電圧Ｖｇが１４Ｖ以上でドレイン電流Ｉｄがほぼ飽和し、ゲート電圧Ｖｇが２０Ｖにおいても破壊されなかったことがわかる。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。本発明の上述した実施形態を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての形態も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
１００ 電界効果トランジスタ
１０ 基板
１１ 第１窒化物半導体層
１２ 第２窒化物半導体層
１３ ゲートコンタクト層
１４ ｐ型不純物含有層
１５ ＡｌＧａＮ層
２１ ソース電極
２２ ドレイン電極
２３ ゲート電極
１０ 基板
１１ 第１窒化物半導体層
１２ 第２窒化物半導体層
１３ ゲートコンタクト層
１４ ｐ型不純物含有層
１５ ＡｌＧａＮ層
２１ ソース電極
２２ ドレイン電極
２３ ゲート電極
Claims (11)
- チャネルが形成される第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第２窒化物半導体層と、
ソース電極と、
ドレイン電極と、
平面視において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に位置するゲート電極と、
前記第２窒化物半導体層の一部と前記ゲート電極との間に配置されたゲートコンタクト層と、を備え、
前記ゲートコンタクト層は、前記ゲート電極と接触するＡｌＧａＮ層を有し、
前記ゲート電極は、少なくともその一部にニッケルと酸素を有する、電界効果トランジスタ。 - 前記ゲート電極は、ニッケルと酸素を有する酸化部を有し、
前記酸化部は前記ＡｌＧａＮ層と接している、請求項１に記載の電界効果トランジスタ。 - 前記ゲートコンタクト層は、前記ＡｌＧａＮ層と前記第２窒化物半導体層との間に、ｐ型不純物含有層を有する、請求項１または２に記載の電界効果トランジスタ。
- 前記ＡｌＧａＮ層は、ｐ型不純物を含有しない、または、前記ｐ型不純物含有層のｐ型不純物濃度よりも低い濃度でｐ型不純物を含有する、請求項３に記載の電界効果トランジスタ。
- 前記ｐ型不純物含有層は、ｐ型不純物を含有するＧａＮからなる、請求項３または４に記載の電界効果トランジスタ。
- 前記ＡｌＧａＮ層のＡｌ混晶比は、０．１以上である、請求項１～５のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタ。
- 第１窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第１窒化物半導体層の上に、前記第１窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第２窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第２窒化物半導体層の上の一部に、最表面をＡｌＧａＮ層とするゲートコンタクト層を形成する工程と、
前記ＡｌＧａＮ層に接して、少なくともその一部にニッケルと酸素を有するゲート電極を形成する工程と、
ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、を有する、電界効果トランジスタの製造方法。 - 前記ゲート電極を形成する工程は、
前記ＡｌＧａＮ層の表面にニッケル膜を形成する工程と、
酸素を含む雰囲気で前記ニッケル膜をアニールすることにより、前記ニッケル膜の少なくとも一部を酸化する工程と、
を有する、請求項７に記載の電界効果トランジスタの製造方法。 - 前記ニッケル膜の少なくとも一部を酸化する工程において、４５０℃以上でアニールする、請求項８に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
- 前記ゲートコンタクト層を形成する工程は、
ｐ型不純物を含有するガスを供給しながらｐ型不純物含有層を形成する工程と、
前記ｐ型不純物含有層の上に、ｐ型不純物を含有するガスを供給せずに、前記ＡｌＧａＮ層を形成する工程と、
を有する、請求項７～９のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタの製造方法。 - 第１窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第１窒化物半導体層の上に、前記第１窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する第２窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第２窒化物半導体層の上の一部に、ゲートコンタクト層を形成する工程と、
前記ゲートコンタクト層に接して、酸素を含む雰囲気でニッケルを成膜することにより、少なくともその一部にニッケルと酸素を有するゲート電極を形成する工程と、
ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、を有する、電界効果トランジスタの製造方法。
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| JP2021082875A JP2022176439A (ja) | 2021-05-17 | 2021-05-17 | 電界効果トランジスタ及びその製造方法 |
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| JP2021082875A Pending JP2022176439A (ja) | 2021-05-17 | 2021-05-17 | 電界効果トランジスタ及びその製造方法 |
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