JP4190754B2 - Method for manufacturing field effect transistor - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、FET(Field Effect Transistor;電界効果トランジスタ)及びその製造方法に係り、特に、チャネル層にワイドギャップ半導体を用いたMIS(Metal-Insulator-Semiconductor)FET及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
GaNやAlGaN等のワイドギャップ半導体をチャネル層に用いたMISFETは、SiやGaAs等を用いたMISFETに比べ、動作時のオン抵抗が1桁以上も小さく、高耐圧で高温動作や大電流動作が可能となるデバイスとして注目されている。
【0003】
従来のGaN系MISFETの一例を、図15を用いて説明する。
サファイア基板50上に、GaNバッファ層(図示せず)、アンドープGaN層(図示せず)、Mg(マグネシウム)不純物がドープされたp型GaNチャネル層52が順に積層されている。また、このp型GaNチャネル層52の表面には、p型GaNチャネル層52上にフォトリソグラフィ技術を用いて形成したレジストパターンをマスクとして例えばSi(シリコン)等のn型不純物を添加することにより、n型GaNソース領域54及びn型GaNドレイン領域56がn型不純物を添加しない中央部の両側に相対して形成されている。
【0004】
また、n型GaNソース領域54及びn型GaNドレイン領域56の上には、例えばAl(アルミニウム)及びTi(チタン)を順に蒸着して積層したAl/Ti積層構造のソース電極58及びドレイン電極60がそれぞれ形成されている。また、n型GaNソース領域54とn型GaNドレイン領域56とに挟まれた中央部のp型GaNチャネル層52上には、例えばSiO2膜からなるゲート絶縁膜62を介して、Al/Ti積層構造のゲート電極64が形成されている。
【0005】
ここで、相対するn型GaNソース領域54とn型GaNドレイン領域56とに挟まれたp型GaNチャネル層52がこのMISFETのチャネル領域となり、その長さがチャネル長Lとなる。
このように従来のGaN系MISFETにおいては、SiやGaAsを用いるMISFETの場合と略同様のプレーナ構造をなしている。
【0006】
また、なお、ソース領域及びドレイン領域の形成に関しては、上記した方法の代わりに、p型GaNチャネル層52上にフォトリソグラフィ技術を用いてレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてp型GaNチャネル層52を選択的にエッチングして2つの凹部を相対して形成し、この凹部内にn型GaN層を選択的に埋め込み成長させる方法もある。
【0007】
何れの場合においても、n型GaNソース領域54とn型GaNドレイン領域56とに挟まれたp型GaNチャネル層52の長さ、即ちチャネル長Lは、p型GaNチャネル層52上に形成されるレジストパターンの寸法精度に規定されるので、余り短くすることできず、通常の場合、GaN系MISFETのチャネル長Lは6μm程度であった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように従来のGaN系のMISFETにおいては、チャネル長Lがフォトリソグラフィ技術による加工精度に規定されるため、充分な短チャネル長化を図ることには限界があった。このために、p型GaNチャネル層52はSiやGaAs等よりも広いバンドギャップをもっているにも拘らず、MISFETの動作時のオン抵抗を充分に小さくすることができないという問題があった。
【0009】
また、Al/Ti積層構造のソース電極58及びドレイン電極60を用いているため、n型GaNソース領域54及びn型GaNドレイン領域56とのコンタクト抵抗は、例えば平均で2×10-4Ωcm2と非常に高くなるという問題もあった。
このようにGaNやAlGaN等のワイドギャップ半導体をチャネル層に用いる従来のMISFETは、SiやGaAsを用いるMISFETと比較して、理論的に動作時のオン抵抗を1桁以上も小さくすることが可能であるにも拘らず、このようなワイドギャップ半導体の利点を活用するための好適なデバイス構造は未だ不明であった。
【0010】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、動作時のオン抵抗を充分に小さくすることが可能な高耐圧のFET及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
発明においては、基板上に、連続的な結晶成長を行って、窒化物系 III −V族化合物半導体からなるチャネル層の上下にソース層及びドレイン層が配置された積層構造を形成する第1の工程と、前記積層構造を選択的にエッチング除去して、前記積層構造の側面に所定の角度をもつ傾斜面又は垂直面を表出させると共に、前記ソース層及び前記ドレイン層の表面を表出させる第2の工程と、前記ソース層及び前記ドレイン層並びに前記傾斜面又は前記垂直面の全面に、ゲート絶縁膜を形成した後、前記ゲート絶縁膜上に、絶縁膜を形成する第3の工程と、前記絶縁膜を選択的にエッチング除去して、前記傾斜面又は前記垂直面における前記チャネル層の箇所に前記ゲート絶縁膜が露出するコンタクトホールを開口した後、前記コンタクトホール内に所定の導電性材料を充填して、ゲート電極を形成する第4の工程と、を有することを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法が提供される。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について添付図面を参照しつつ説明する。
図1に示されるように、本実施形態に係るGaN系MISFETの一例においては、例えば半絶縁性のサファイア基板10上に、GaNバッファ層(図示せず)、アンドープGaN層12、n型GaNドレイン層14、例えば厚さ30nmのp型GaNチャネル層16、及びn型GaNソース層18が順に積層されている。即ち、p型GaNチャネル層16の上下にn型GaNソース層18及びn型GaNドレイン層14が配置された積層構造を有している。
【0015】
また、これらn型GaNソース層18、p型GaNチャネル層16、及びn型GaNドレイン層14からなる積層構造は、両側面がそれぞれ積層方向に所定の角度をもった傾斜面となるメサ形状に加工されている。即ち、p型GaNチャネル層16の両側面がそれぞれこのメサ形状の傾斜面の一部をなしている。
また、このメサ形状の全面にSiO2ゲート絶縁膜24が形成されており、このSiO2ゲート絶縁膜24によって、p型GaNチャネル層16の傾斜した両側面が被覆されている。また、このSiO2ゲート絶縁膜24上には、前述した積層構造の傾斜面以外の箇所と後述するゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極の箇所を除いた部分に、耐圧・耐熱性樹脂としてのポリイミドからなる層間絶縁膜26が形成されている。
【0016】
そして、層間絶縁膜26及びSiO2ゲート絶縁膜24に開口されたコンタクトホールを介して、n型GaNソース層18及びn型GaNドレイン層14にそれぞれオーミック接続するソース電極32S及び2つのドレイン電極32Da、32Dbが形成されており、また層間絶縁膜26及びSiO2ゲート絶縁膜24に開口されたコンタクトホールを介して、p型GaNチャネル層16の傾斜した両側面上のSiO2ゲート絶縁膜24にそれぞれ接触する2つのゲート電極40Ga、40Gbが形成されている。
【0017】
そして、ソース電極32S及びドレイン電極32Da、32Dbは、SiO2ゲート絶縁膜24との密着性が良好でn型GaNソース層18及びn型GaNドレイン層14とのコンタクト抵抗の小さい電極材料であるTaSi及びAu(金)が下から順に積層されたTaSi/Au積層構造となっている。また、ゲート電極40Ga、40Gbは、Ni(ニッケル)及びAuが順に積層されたNi/Au積層構造となっている。
【0018】
ここで、ソース電極32S及びドレイン電極32Da、32Db、ゲート電極40Ga、40Gb、並びに層間絶縁膜26からなる表面は面一の平坦面となっている。
こうして、n型GaNソース層18及びn型GaNドレイン層14にそれぞれソース電極32S及びドレイン電極32Daがオーミック接続し、n型GaNソース層18及びn型GaNドレイン層14によって上下を挟まれたp型GaNチャネル層16の傾斜した一方の側面上にSiO2ゲート絶縁膜24を介してゲート電極40Gaが設けられ、エンハンスメント型の第1のMISFET42aを構成している。
【0019】
同様に、n型GaNソース層18及びn型GaNドレイン層14にそれぞれソース電極32S及びドレイン電極32Dbがオーミック接続し、p型GaNチャネル層16の傾斜した他方の側面上にSiO2ゲート絶縁膜24を介してゲート電極40Gbが設けられ、エンハンスメント型の第2のMISFET42bを構成している。そして、これら第1及び第2のMISFET42a、42bは、メサ形状の相対する両側に隣接して配置されている。
【0020】
このFET構造において、n型GaNソース層18及びn型GaNドレイン層14により上下を挟まれた厚さ30nmのp型GaNチャネル層16の傾斜した両側面の近傍が、図で示したチャネル長Lを有するチャネル領域となる。このチャネル長Lは、チャネル層16の厚さと積層構造に形成した傾斜面の立ち上がり角度との関数である。例えばこの傾斜面の立ち上がり角度をθ、チャネル層16の厚さをdとすると、d・sin-1θとなる。
【0021】
それ故、このFET構造におけるチャネル長Lは、積層構造の傾斜面の立ち上がり角度θが同じであるとすれば、p型GaNチャネル層16の厚さによって制御することが可能となるため、従来のレジストパターンの寸法精度で制御していたμmオーダーからnmオーダーへの飛躍的な短チャネル長化を容易かつ高精度に達成することができる。従って、オン抵抗の充分に小さいスイッチング動作が可能なMISFETを実現することができる。
【0022】
このように本実施形態によれば、SiやGaAs等と比較してバンドギャップが充分に大きいp型GaNチャネル層16を用いるため、高温動作が可能になると共に、ゲート耐圧を大幅に高くすることができる。
因みに、本発明者らが図1に示されるようなGaN系MISFETを試作し、その特性を測定したところ、ゲート・ソース間電圧VGS=0Vのときのオン抵抗は、従来の場合よりも1桁程度小さくなり、10mΩcm2となった。また、ゲート耐圧は400Vを超える値が得られた。
【0023】
また、メサ形状の相対する2つの傾斜面を利用して第1及び第2のMISFET42a、42bを形成しているため、これら2個のMISFETを組み合わせることにより、大電流動作が容易に可能になる。また、これらのMISFETから構成される集積回路の高密度化・高集積化に寄与することができる。
なお、上記実施形態においては、厚さ30nmのp型GaNチャネル層16を用い、このp型GaNチャネル層16の傾斜面に沿ったチャネル長Lが40nmとなる場合について説明したが、p型GaNチャネル層16の厚さ及びこの厚さ及び傾斜角度に規定されるチャネル長Lは上記の場合に限定されるものではなく、要求されるMISFET特性に応じて種々の値をとることが可能である。
【0024】
因みに、本発明者らがp型GaNチャネル層16の厚さを変化させた場合のオン抵抗の変化を計算したところ、図2のグラフに示されるような結果になった。このグラフから明らかなように、p型GaNチャネル層16の厚さが薄くなるにつれてオン抵抗が小さくなることが確認される。但し、p型GaNチャネル層16が余り薄くなり過ぎると、ゲートのコントロールが効かなくなり、良好なFET動作が困難になるという点にも留意する必要がある。
【0025】
また、上記実施形態のようにメサ形状の相対する2つの傾斜面を利用して第1及び第2のMISFET42a、42bを隣接して形成する代わりに、一方の傾斜面のみを利用して1個のMISFETを形成することも当然に可能である。また、この場合と逆に、メサ形状が多角錐台、例えば四角錐台形状であれば、その4つの傾斜面を利用して4個のMISFETを隣接して形成することが可能になる。この場合、更なる大電流動作が可能になると共に、集積回路の更なる高密度化・高集積化に寄与することができる。
【0026】
また、メサ形状として矩形形状を採用して、メサ形状の側面を垂直面にし、上記実施形態における傾斜面の代わりに、この垂直面を利用してMISFETを形成することも可能である。この場合のFET構造においては、n型GaNソース層及びn型GaNドレイン層により上下を挟まれたp型GaNチャネル層の垂直側面の近傍がチャネル領域となり、p型GaNチャネル層の厚さが、即チャネル長Lとなる。
【0027】
また、半絶縁性のサファイア基板10の代わりに、例えばSiC、Si、GaAs、GaP等からなる導電性の半導体基板を用いてもよい。
また、p型GaNチャネル層16の代わりに、Mg不純物をドープしたGaN、InGaN、AlGaN、InGaNAs、InGaNP、若しくはAlInGaNP、又はAl不純物若しくはB(硼素)不純物をドープしたSiCからなるp型チャネル層を用いてもよい。
【0028】
更に、n型GaNソース層18及びn型GaNドレイン層14の代わりに、Si不純物をドープしたInGaN、AlGaN、InGaNAs、InGaNP、若しくはAlInGaNP、又はN(窒素)不純物若しくはP(リン)不純物をドープしたSiCからなるn型ソース層及びn型ドレイン層を用いてもよい。
【0029】
【実施例】
上記実施形態に係るGaN系MISFETの製造方法の一例について、図3〜図14を用いて説明する。
先ず、半絶縁性のサファイア基板10上に、例えば超真空成長装置を用いたガスソースMBE(Molecular Beam Epitaxy;分子線エピタキシャル成長)法により、一連の結晶成長を行った。
【0030】
即ち、成長温度640℃において、原料ガスとして分圧4×10-5PaのGa(ガリウム)とラジカル化した分圧4×10-4PaのNを用い、GaNバッファ層(図示せず)を厚さ50nmに成長させた。連続して、成長温度850℃において、分圧1.33×10-3PaのGaと分圧6.65×10-3PaのNを用い、アンドープGaN層12を厚さ1000nmに成長させた。
【0031】
また連続して、成長温度850℃において、分圧6.65×10-4PaのGaと分圧6.65×10-3PaのNを用い、分圧6.65×10-6PaのSiをドーパントとして加え、キャリア濃度1×1019cm-3程度のn型GaNドレイン層14を厚さ200nmに成長させた。更に連続して、成長温度850℃において、分圧6.65×10-7PaのGaと分圧6.65×10-3PaのNを用い、分圧6.65×10-6PaのMgをドーパントとして加えて、キャリア濃度5×1018cm-3程度のp型GaNチャネル層16を厚さ30nmに成長させた。
【0032】
更に連続して、成長温度850℃において、分圧6.65×10-4PaのGaと分圧6.65×10-3PaのNを用い、分圧6.65×10-4PaのSiをドーパントとして加え、キャリア濃度1×1019cm-3程度のn型GaNソース層18を厚さ200nmに成長させた。こうして、p型GaNチャネル層16がその上下をn型GaNソース層18及びn型GaNドレイン層14によって挟まれた積層構造を形成した(図3参照)。
【0033】
なお、このとき、Ga源には、例えばTEG(Ga(C25 3 ;トリエチルガリウム)やTMG(Ga(CH33;トリメチルガリウム)等の有機金属ガスを用いた。また、N源には、例えば(CH32・N24;ジメチルヒドラジン)や(CH32・N24;ジメチルヒドラジン)やNH3(アンモニア)等を用いた。また、Si源には、SiH4(モノシラン)等を用いた。また、Mg源には、例えばジシクロペンタジエニエルMg等の有機系Mgを用いた。
【0034】
また、ガスソースMBE法の代わりに、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition ;有機金属化学気相成長)法を用いて一連の結晶成長を行ってもよい。
次いで、n型GaNソース層18上に、例えばプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition ;化学的気相成長)法により、SiO2膜20を厚さ200nmに形成した。なお、このSiO2膜20の代わりに、SiNX膜やAlN膜を形成してもよい。続いて、SiO2膜20上にレジスト膜を塗布した後、リソグラフィ技術を用いてパターニングし、所定の形状のレジストパターン22を形成した(図4参照)。
【0035】
次いで、このレジストパターン22をマスクとして、例えばBHFを用いたウエットエッチング法又はCF4を用いたドライエッチング法により、SiO2膜20を選択的にエッチング除去して、所定の形状にパターニングした。その後、例えばアセトンやメタノールを用いた方法やO2アッシング法により、レジストパターン22を除去した。
【0036】
続いて、メタン系ガスを用いたECR(Electron Cyclotron Resonance;電子サイクロトロン共鳴)プラズマエッチング法又はRIBE(Reactive Ion Beam Etching;反応性イオンビームエッチング)法により、パターニングされたSiO2膜20をマスクとして、n型GaNソース層18、p型GaNチャネル層16、及びn型GaNドレイン層14の一部を順に選択的にエッチング除去し、メサ形状を形成した。このメサ形状の相対する両側面は、n型GaNソース層18、p型GaNチャネル層16、及びn型GaNドレイン層14の一部が露出した傾斜面となった。即ち、p型GaNチャネル層16の傾斜した側面が、メサ形状の傾斜面の一部をなした。
【0037】
このとき、n型GaNソース層18及びn型GaNドレイン層14によって上下を挟まれたp型GaNチャネル層16の傾斜した両側面が、作製予定のMISFETのチャネル領域となり、このチャネル領域の傾斜面に沿った長さがチャネル長Lとなった。このチャネル長Lは、p型GaNチャネル層16の厚さとメサ加工の条件によって規定され、主要にはp型GaNチャネル層16の厚さによって規定され、ここでは40nmとなった(図5参照)。
【0038】
次いで、SiO2膜20を除去した後、メサ形状の全面に、例えば熱CVD法やプラズマCVD法により、SiO2ゲート絶縁膜24を厚さ50nmに形成した。こうしてp型GaNチャネル層16の傾斜した両側面をSiO2ゲート絶縁膜24によって被覆した。続いて、SiO2ゲート絶縁膜24の全面に、耐圧・耐熱性樹脂としてのポリイミドから構成される層間絶縁膜26を厚さ3000nmに形成した(図6参照)。
【0039】
次いで、この層間絶縁膜26上にEB(Electron Beam;電子線)レジスト膜を塗布した後、EBリソグラフィ技術を用いてパターニングし、ソース及びドレイン形成予定領域を開口するレジストパターン28を形成した(図7参照)。
次いで、このレジストパターン28をマスクとして、ドライエッチング装置を用いたRIBE法により、層間絶縁膜26及びSiO2ゲート絶縁膜24を選択的に順にエッチング除去して、n型GaNソース層18が露出するコンタクトホール30Sを開口すると同時に、n型GaNドレイン層14が露出する2つのコンタクトホール30Da、30Dbを開口した。その後、例えばアセトンやメタノールを用いた方法やO2アッシング法により、レジストパターン28を除去した(図8参照)。
【0040】
次いで、コンタクトホール30S、30Da、30Dbが開口された層間絶縁膜26全面に、例えばArプラズマを用いたスパッタ蒸着法により、SiO2ゲート絶縁膜24との密着性が良好でn型GaNソース層18及びn型GaNドレイン層14とのコンタクト抵抗の小さい電極材料であるTaSi及びAuを下から順に積層して、TaSi/Au層32を形成すると共に、このTaSi/Au層32によってコンタクトホール30S、30Da、30Db内を充填した。なお、このTaSi/Au層32の代わりに、例えばWSi/Au層やTaSi層やAlSi/Au層やNiSi/Au層等を形成してもよい(図9参照)。
【0041】
次いで、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing;化学的機械研磨)法により、TaSi/Au層32及び層間絶縁膜26を研磨し、コンタクトホール30S、30Da、30Db内のみにTaSi/Au層32を分離して残存させると共に、このTaSi/Au層32及び層間絶縁膜26からなる表面を面一の平坦面とした。
【0042】
こうして、n型GaNソース層18にオーミック接続するコンタクトホール30S内のTaSi/Au層32からなるソース電極32Sを形成した。同時に、n型GaNドレイン層14にオーミック接続するコンタクトホール30Da、30Db内のTaSi/Au層32からなる2つのドレイン電極32Da、32Dbを形成した(図10参照)。
【0043】
次いで、層間絶縁膜26並びにソース電極32S及びドレイン電極32Da、32Dbの全面に、例えばプラズマCVD法により、SiO2膜34を厚さ200nmに形成した。続いて、このSiO2膜34上にEBレジスト膜を塗布した後、EBリソグラフィ技術を用いてパターニングし、ゲート形成予定領域を開口するレジストパターン36を形成した(図11参照)。
【0044】
次いで、このレジストパターン36をマスクとして、ドライエッチング装置を用いたRIBE法により、SiO2膜34及び層間絶縁膜26を選択的に順にエッチング除去して、p型GaNチャネル層16の傾斜した両側面を被覆するSiO2ゲート絶縁膜24が露出する2つのコンタクトホール38Ga、38Gbを開口した。その後、例えばアセトンやメタノールを用いた方法やO2アッシング法により、レジストパターン36を除去した。(図12参照)。
【0045】
次いで、コンタクトホール38Ga、38Gbが開口されたSiO2膜34の全面に、例えばArプラズマを用いたスパッタ蒸着法により、Ni及びAuを下から順に積層して、Ni/Au層40を形成すると共に、このNi/Au層40によってコンタクトホール38Ga、38Gb内を充填する(図13参照)。
次いで、例えばCMP法により、Ni/Au層40及びSiO2膜34をソース電極32S及びドレイン電極32Da、32Db等の表面が露出するまで研磨して、コンタクトホール38Ga、38Gb内のみにNi/Au層40を分離して残存させると共に、このNi/Au層40、ソース電極32S及びドレイン電極32Da、32Db、並びに層間絶縁膜26からなる表面を面一の平坦面とした。そして、SiO2ゲート絶縁膜24に接触するコンタクトホール38Ga、38Gb内のNi/Au層40からなる2つのゲート電極40Ga、40Gbを形成した。
【0046】
こうして、n型GaNソース層18及びn型GaNドレイン層14にそれぞれソース電極32S及びドレイン電極32Da、32Dbがオーミック接続し、n型GaNソース層18及びn型GaNドレイン層14によって上下を挟まれたp型GaNチャネル層16の傾斜した両方の側面上にSiO2ゲート絶縁膜24を介してゲート電極40Ga、40Gbが設けられたエンハンスメント型の第1及び第2のMISFET42a、42bを隣接して形成した(図14参照)。
【0047】
次いで、図示は省略するが、多層配線技術を用いて、これらの各電極及び層間絶縁膜26の上に例えばポリイミドからなる層間絶縁膜を形成し、この層間絶縁膜に開口したコンタクトホールを介して、ソース電極32S及びドレイン電極32Da、32Db並びにゲート電極40Ga、40Gbに適宜接続する配線層を形成した。こうして配線層によって互いに接続される第1及び第2のMISFET42a、42b等から構成される所定の集積回路を形成した。
【0048】
以上のような一連の工程を経て、図1に示されるようなGaN系MISFETを作製した。
このように本実施例に係る製造方法よれば、ソース電極32S、ドレイン電極32Da、32Db、及びゲート電極40Ga、40Gbの形成の際にCMP法を用いているため、各電極が接触しているn型GaNソース層18、n型GaNドレイン層14、及びSiO2ゲート絶縁膜24の高さは互いに異なるものの、これらの電極及び層間絶縁膜26からなる表面を面一の平坦面とすることが可能になる。従って、第1及び第2のMISFET42a、42bの形成後の多層配線工程を容易にすることができる。
【0049】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、ワイドギャップ半導体からなるチャネル層の上下をソース層及びドレイン層によって挟まれた積層構造に設けられた傾斜面又は垂直面におけるチャネル層側面上にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられているため、この傾斜面又は垂直面におけるチャネル層の側面がチャネル領域となり、そのチャネル長をチャネル層の厚さによって制御することが可能となる。従って、容易かつ高精度に短チャネル長化を達成することができ、オン抵抗の充分に小さいスイッチング動作が可能なMISFETを実現することができる。
【0050】
また、チャネル層にワイドギャップ半導体を用いるため、高温動作が可能になると共に、ゲート耐圧を大幅に高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るGaN系MISFETを示す概略断面図である。
【図2】図1のGaN系MISFETにおけるp型GaNチャネル層の厚さとオン抵抗との関係を示すグラフである。
【図3】図1に示されるGaN系MISFETの製造方法を説明するための工程断面図(その1)である。
【図4】図1に示されるGaN系MISFETの製造方法を説明するための工程断面図(その2)である。
【図5】図1に示されるGaN系MISFETの製造方法を説明するための工程断面図(その3)である。
【図6】図1に示されるGaN系MISFETの製造方法を説明するための工程断面図(その4)である。
【図7】図1に示されるGaN系MISFETの製造方法を説明するための工程断面図(その5)である。
【図8】図1に示されるGaN系MISFETの製造方法を説明するための工程断面図(その6)である。
【図9】図1に示されるGaN系MISFETの製造方法を説明するための工程断面図(その7)である。
【図10】図1に示されるGaN系MISFETの製造方法を説明するための工程断面図(その8)である。
【図11】図1に示されるGaN系MISFETの製造方法を説明するための工程断面図(その9)である。
【図12】図1に示されるGaN系MISFETの製造方法を説明するための工程断面図(その10)である。
【図13】図1に示されるGaN系MISFETの製造方法を説明するための工程断面図(その11)である。
【図14】図1に示されるGaN系MISFETの製造方法を説明するための工程断面図(その12)である。
【図15】従来のGaN系MISFETを示す概略断面図である。
【符号の説明】
10 サファイア基板
12 アンドープGaN層
14 n型GaNドレイン層
16 p型GaNチャネル層
18 n型GaNソース層
20 SiO2
22 レジストパターン
24 SiO2ゲート絶縁膜
26 層間絶縁膜
28 レジストパターン
30S、30Da、30Db コンタクトホール
32 TaSi/Au層
32S ソース電極
32Da、32Db ドレイン電極
34 SiO2
36 レジストパターン
38Ga、38Gb コンタクトホール
40 Ni/Au層
40Ga、40Gb ゲート電極
42a 第1のMISFET
42b 第2のMISFET
L チャネル長
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a field effect transistor (FET) and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a metal-insulator-semiconductor (MIS) FET using a wide gap semiconductor in a channel layer and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
MISFETs using wide-gap semiconductors such as GaN and AlGaN for the channel layer have an on-resistance that is more than an order of magnitude lower than MISFETs using Si, GaAs, etc., and have high withstand voltage, high-temperature operation and large current operation. It is attracting attention as a possible device.
[0003]
An example of a conventional GaN-based MISFET will be described with reference to FIG.
On the sapphire substrate 50, a GaN buffer layer (not shown), an undoped GaN layer (not shown), and a p-type GaN channel layer 52 doped with Mg (magnesium) impurities are sequentially laminated. Further, an n-type impurity such as Si (silicon) is added to the surface of the p-type GaN channel layer 52 using a resist pattern formed on the p-type GaN channel layer 52 by photolithography as a mask. The n-type GaN source region 54 and the n-type GaN drain region 56 are formed opposite to both sides of the central portion to which no n-type impurity is added.
[0004]
Further, on the n-type GaN source region 54 and the n-type GaN drain region 56, for example, Al (aluminum) and Ti (titanium) are sequentially deposited and stacked, and the source electrode 58 and the drain electrode 60 having an Al / Ti stacked structure are stacked. Are formed respectively. Further, on the n-type GaN source region 54 and the n-type GaN drain region 56 and the p-type GaN channel layer 52 in the central portion sandwiched between, for example via a gate insulating film 62 made of SiO 2 film, Al / Ti A gate electrode 64 having a laminated structure is formed.
[0005]
Here, the p-type GaN channel layer 52 sandwiched between the opposing n-type GaN source region 54 and n-type GaN drain region 56 becomes the channel region of the MISFET, and the length thereof becomes the channel length L.
Thus, the conventional GaN-based MISFET has a planar structure substantially the same as that of a MISFET using Si or GaAs.
[0006]
In addition, regarding the formation of the source region and the drain region, instead of the above method, a resist pattern is formed on the p-type GaN channel layer 52 using a photolithography technique, and the p-type GaN is formed using this resist pattern as a mask. There is also a method in which the channel layer 52 is selectively etched to form two recesses facing each other, and an n-type GaN layer is selectively embedded and grown in the recess.
[0007]
In any case, the length of the p-type GaN channel layer 52 sandwiched between the n-type GaN source region 54 and the n-type GaN drain region 56, that is, the channel length L is formed on the p-type GaN channel layer 52. Therefore, the channel length L of the GaN-based MISFET is about 6 μm.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional GaN-based MISFET, since the channel length L is defined by the processing accuracy by the photolithography technique, there is a limit to achieving a sufficiently short channel length. For this reason, although the p-type GaN channel layer 52 has a wider band gap than Si, GaAs, etc., there is a problem that the on-resistance during the operation of the MISFET cannot be sufficiently reduced.
[0009]
Further, since the source electrode 58 and the drain electrode 60 having an Al / Ti laminated structure are used, the contact resistance with the n-type GaN source region 54 and the n-type GaN drain region 56 is, for example, 2 × 10 −4 Ωcm 2 on average. There was also a problem of becoming very high.
In this way, the conventional MISFET using a wide gap semiconductor such as GaN or AlGaN for the channel layer can theoretically reduce the on-resistance during operation by an order of magnitude or more compared to the MISFET using Si or GaAs. Nevertheless, a suitable device structure for utilizing the advantages of such a wide gap semiconductor has not yet been clarified.
[0010]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a high breakdown voltage FET capable of sufficiently reducing the on-resistance during operation and a method for manufacturing the same.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, the first crystal is formed on the substrate by continuous crystal growth to form a stacked structure in which a source layer and a drain layer are arranged above and below a channel layer made of a nitride III- V compound semiconductor. and steps, is selectively removed by etching the laminated structure, the to expose an inclined surface or a vertical surface having a predetermined angle to the side surface of the laminated structure, exposed surfaces of the source layer and the drain layer a second step of, on the entire surface of the source layer and the drain layer and the inclined surface or the vertical surface, after forming a gate insulating film, on the gate insulating film, a third step of forming an insulating film When the insulating film is selectively etched away, after the gate insulating film at a position of the channel layer in the inclined surface or the vertical surface is a contact hole for exposing the contact holes And a fourth step of forming a gate electrode by filling a predetermined conductive material in the cell. A method of manufacturing a field effect transistor is provided.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
As shown in FIG. 1, in an example of the GaN-based MISFET according to the present embodiment, for example, a GaN buffer layer (not shown), an undoped GaN layer 12, an n-type GaN drain on a semi-insulating sapphire substrate 10. A layer 14, for example, a p-type GaN channel layer 16 having a thickness of 30 nm, and an n-type GaN source layer 18 are sequentially stacked. That is, the n-type GaN source layer 18 and the n-type GaN drain layer 14 are disposed above and below the p-type GaN channel layer 16.
[0015]
Further, the laminated structure composed of the n-type GaN source layer 18, the p-type GaN channel layer 16, and the n-type GaN drain layer 14 has a mesa shape in which both side surfaces are inclined surfaces having a predetermined angle in the lamination direction. Has been processed. That is, both side surfaces of the p-type GaN channel layer 16 form part of this mesa-shaped inclined surface.
Further, the SiO 2 gate insulating film 24 is formed on the entire surface of the mesa shape, and the inclined both side surfaces of the p-type GaN channel layer 16 are covered with the SiO 2 gate insulating film 24. In addition, on the SiO 2 gate insulating film 24, a portion other than the inclined surface of the laminated structure described above and a portion excluding a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode, which will be described later, are provided as a pressure-resistant and heat-resistant resin. An interlayer insulating film 26 made of polyimide is formed.
[0016]
Then, the source electrode 32S and the two drain electrodes 32Da that are ohmic-connected to the n-type GaN source layer 18 and the n-type GaN drain layer 14 through contact holes opened in the interlayer insulating film 26 and the SiO 2 gate insulating film 24, respectively. , 32 dB is formed, also through the opened contact holes in the interlayer insulating film 26 and the SiO 2 gate insulating film 24, the SiO 2 gate insulating film 24 on both sides which are inclined in the p-type GaN channel layer 16 Two gate electrodes 40Ga and 40Gb that are in contact with each other are formed.
[0017]
The source electrode 32S and the drain electrodes 32Da and 32Db are TaSi, which is an electrode material having good adhesion to the SiO 2 gate insulating film 24 and having low contact resistance with the n-type GaN source layer 18 and the n-type GaN drain layer 14. In addition, a TaSi / Au laminated structure in which Au (gold) is laminated in order from the bottom. The gate electrodes 40Ga and 40Gb have a Ni / Au stacked structure in which Ni (nickel) and Au are sequentially stacked.
[0018]
Here, the surface composed of the source electrode 32S and the drain electrodes 32Da and 32Db, the gate electrodes 40Ga and 40Gb, and the interlayer insulating film 26 is a flat surface.
In this way, the source electrode 32S and the drain electrode 32Da are ohmically connected to the n-type GaN source layer 18 and the n-type GaN drain layer 14, respectively, and the p-type is sandwiched between the n-type GaN source layer 18 and the n-type GaN drain layer 14. A gate electrode 40Ga is provided on one inclined side surface of the GaN channel layer 16 via an SiO 2 gate insulating film 24, thereby constituting an enhancement type first MISFET 42a.
[0019]
Similarly, the source electrode 32S and the drain electrode 32Db are ohmically connected to the n-type GaN source layer 18 and the n-type GaN drain layer 14, respectively, and the SiO 2 gate insulating film 24 is formed on the other inclined side surface of the p-type GaN channel layer 16. A gate electrode 40Gb is provided through the second electrode, thereby forming an enhancement type second MISFET 42b. And these 1st and 2nd MISFET42a, 42b is arrange | positioned adjacent to the both sides which mesa shape opposes.
[0020]
In this FET structure, the vicinity of the inclined side surfaces of the p-type GaN channel layer 16 having a thickness of 30 nm sandwiched between the n-type GaN source layer 18 and the n-type GaN drain layer 14 is the channel length L shown in the figure. A channel region having The channel length L is a function of the thickness of the channel layer 16 and the rising angle of the inclined surface formed in the laminated structure. For example, if the rising angle of the inclined surface is θ and the thickness of the channel layer 16 is d, d · sin −1 θ is obtained.
[0021]
Therefore, the channel length L in this FET structure can be controlled by the thickness of the p-type GaN channel layer 16 if the rising angles θ of the inclined surfaces of the stacked structure are the same. A dramatic shortening of the channel length from the μm order to the nm order, which is controlled by the dimensional accuracy of the resist pattern, can be achieved easily and with high precision. Therefore, it is possible to realize a MISFET that can perform a switching operation with a sufficiently small on-resistance.
[0022]
As described above, according to the present embodiment, since the p-type GaN channel layer 16 having a sufficiently large band gap as compared with Si, GaAs or the like is used, high-temperature operation is possible and gate breakdown voltage is significantly increased. Can do.
Incidentally, when the inventors made a prototype of a GaN-based MISFET as shown in FIG. 1 and measured its characteristics, the on-resistance when the gate-source voltage V GS = 0 V was 1 as compared with the conventional case. about digit decreases, it became 10mΩcm 2. Moreover, the gate breakdown voltage exceeded 400V.
[0023]
In addition, since the first and second MISFETs 42a and 42b are formed using two opposed mesa-shaped inclined surfaces, a combination of these two MISFETs facilitates a large current operation. . Further, it is possible to contribute to higher density and higher integration of an integrated circuit composed of these MISFETs.
In the above embodiment, the case where the p-type GaN channel layer 16 having a thickness of 30 nm is used and the channel length L along the inclined surface of the p-type GaN channel layer 16 is 40 nm has been described. The thickness of the channel layer 16 and the channel length L defined by the thickness and the inclination angle are not limited to the above case, and can take various values depending on the required MISFET characteristics. .
[0024]
Incidentally, when the inventors calculated the change in the on-resistance when the thickness of the p-type GaN channel layer 16 was changed, the result shown in the graph of FIG. 2 was obtained. As is apparent from this graph, it is confirmed that the on-resistance decreases as the thickness of the p-type GaN channel layer 16 decreases. However, it should also be noted that if the p-type GaN channel layer 16 becomes too thin, gate control becomes ineffective, and good FET operation becomes difficult.
[0025]
In addition, instead of forming the first and second MISFETs 42a and 42b adjacent to each other using two opposed mesa-shaped inclined surfaces as in the above-described embodiment, only one inclined surface is used. Of course, it is also possible to form a MISFET. On the other hand, if the mesa shape is a polygonal frustum shape, for example, a quadrangular frustum shape, four MISFETs can be formed adjacent to each other using the four inclined surfaces. In this case, it is possible to operate at a higher current and contribute to further higher density and higher integration of the integrated circuit.
[0026]
It is also possible to adopt a rectangular shape as the mesa shape, make the side surface of the mesa shape a vertical surface, and use this vertical surface instead of the inclined surface in the above embodiment to form a MISFET. In the FET structure in this case, the vicinity of the vertical side surface of the p-type GaN channel layer sandwiched between the n-type GaN source layer and the n-type GaN drain layer is a channel region, and the thickness of the p-type GaN channel layer is Immediate channel length L is obtained.
[0027]
Further, instead of the semi-insulating sapphire substrate 10, a conductive semiconductor substrate made of, for example, SiC, Si, GaAs, GaP or the like may be used.
Further, instead of the p-type GaN channel layer 16, a p-type channel layer made of GaN doped with Mg impurities, InGaN, AlGaN, InGaNAs, InGaNP, or AlInGaNP, or SiC doped with Al impurities or B (boron) impurities. It may be used.
[0028]
Further, in place of the n-type GaN source layer 18 and the n-type GaN drain layer 14, doped with Si impurity doped InGaN, AlGaN, InGaNAs, InGaNP, or AlInGaNP, or N (nitrogen) impurity or P (phosphorus) impurity. An n-type source layer and an n-type drain layer made of SiC may be used.
[0029]
【Example】
An example of a method for manufacturing the GaN-based MISFET according to the above embodiment will be described with reference to FIGS.
First, a series of crystal growth was performed on the semi-insulating sapphire substrate 10 by, for example, a gas source MBE (Molecular Beam Epitaxy) method using an ultra vacuum growth apparatus.
[0030]
That is, at a growth temperature of 640 ° C., Ga (gallium) with a partial pressure of 4 × 10 −5 Pa and N radicalized with a partial pressure of 4 × 10 −4 Pa are used as a source gas, and a GaN buffer layer (not shown) is formed. The film was grown to a thickness of 50 nm. Continuously, at a growth temperature of 850 ° C., an undoped GaN layer 12 was grown to a thickness of 1000 nm using Ga with a partial pressure of 1.33 × 10 −3 Pa and N with a partial pressure of 6.65 × 10 −3 Pa. .
[0031]
The continuous, at a growth temperature 850 ° C., a partial pressure of 6.65 × 10 -4 Pa of Ga and partial pressure 6.65 × 10 -3 Pa using an N, the partial pressure of 6.65 × 10 -6 Pa Si was added as a dopant, and an n-type GaN drain layer 14 having a carrier concentration of about 1 × 10 19 cm −3 was grown to a thickness of 200 nm. Further continuously, at a growth temperature 850 ° C., using N of the partial pressure 6.65 × 10 -7 Pa of Ga and partial pressure 6.65 × 10 -3 Pa, the partial pressure of 6.65 × 10 -6 Pa Mg was added as a dopant to grow a p-type GaN channel layer 16 having a carrier concentration of about 5 × 10 18 cm −3 to a thickness of 30 nm.
[0032]
Further continuously, at a growth temperature 850 ° C., using N of the partial pressure 6.65 × 10 -4 Pa of Ga and partial pressure 6.65 × 10 -3 Pa, the partial pressure of 6.65 × 10 -4 Pa Si was added as a dopant, and an n-type GaN source layer 18 having a carrier concentration of about 1 × 10 19 cm −3 was grown to a thickness of 200 nm. Thus, a stacked structure was formed in which the p-type GaN channel layer 16 was sandwiched between the n-type GaN source layer 18 and the n-type GaN drain layer 14 (see FIG. 3).
[0033]
At this time, an organic metal gas such as TEG (Ga (C 2 H 5 ) 3 ; triethylgallium) or TMG (Ga (CH 3 ) 3 ; trimethylgallium) was used as the Ga source. As the N source, for example, (CH 3 ) 2 · N 2 H 4 ; dimethylhydrazine), (CH 3 ) 2 · N 2 H 4 ; dimethylhydrazine), NH 3 (ammonia), or the like was used. SiH 4 (monosilane) or the like was used as the Si source. As the Mg source, organic Mg such as dicyclopentadienyl Mg was used.
[0034]
Further, instead of the gas source MBE method, a series of crystal growth may be performed using a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method.
Next, an SiO 2 film 20 having a thickness of 200 nm was formed on the n-type GaN source layer 18 by, for example, a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Instead of the SiO 2 film 20, an SiN x film or an AlN film may be formed. Subsequently, a resist film was applied onto the SiO 2 film 20 and then patterned using a lithography technique to form a resist pattern 22 having a predetermined shape (see FIG. 4).
[0035]
Then, using the resist pattern 22 as a mask, for example, a dry etching method using a wet etching method or CF 4 using BHF, and selectively removed by etching the SiO 2 film 20 was patterned into a predetermined shape. Thereafter, the resist pattern 22 was removed by, for example, a method using acetone or methanol or an O 2 ashing method.
[0036]
Subsequently, by using a patterned SiO 2 film 20 as a mask by an ECR (Electron Cyclotron Resonance) plasma etching method or a RIBE (Reactive Ion Beam Etching) method using a methane-based gas, A part of the n-type GaN source layer 18, the p-type GaN channel layer 16, and the n-type GaN drain layer 14 was selectively etched away in order to form a mesa shape. The opposite side surfaces of the mesa shape are inclined surfaces in which a part of the n-type GaN source layer 18, the p-type GaN channel layer 16, and the n-type GaN drain layer 14 are exposed. That is, the inclined side surface of the p-type GaN channel layer 16 forms a part of the mesa-shaped inclined surface.
[0037]
At this time, both inclined side surfaces of the p-type GaN channel layer 16 sandwiched between the n-type GaN source layer 18 and the n-type GaN drain layer 14 become channel regions of the MISFET to be manufactured. The channel length L is the channel length L. This channel length L is defined by the thickness of the p-type GaN channel layer 16 and the conditions of mesa processing, and is mainly defined by the thickness of the p-type GaN channel layer 16 and is 40 nm here (see FIG. 5). .
[0038]
Next, after the SiO 2 film 20 was removed, a SiO 2 gate insulating film 24 was formed to a thickness of 50 nm on the entire mesa shape by, eg, thermal CVD or plasma CVD. Thus, the inclined both side surfaces of the p-type GaN channel layer 16 were covered with the SiO 2 gate insulating film 24. Subsequently, an interlayer insulating film 26 made of polyimide as a pressure resistant and heat resistant resin was formed on the entire surface of the SiO 2 gate insulating film 24 to a thickness of 3000 nm (see FIG. 6).
[0039]
Next, after applying an EB (Electron Beam) resist film on the interlayer insulating film 26, patterning is performed using the EB lithography technique to form a resist pattern 28 that opens the source and drain formation planned regions (FIG. 7).
Next, by using this resist pattern 28 as a mask, the interlayer insulating film 26 and the SiO 2 gate insulating film 24 are selectively removed by etching sequentially by the RIBE method using a dry etching apparatus, so that the n-type GaN source layer 18 is exposed. At the same time when the contact hole 30S was opened, two contact holes 30Da and 30Db where the n-type GaN drain layer 14 was exposed were opened. Thereafter, the resist pattern 28 was removed by, for example, a method using acetone or methanol or an O 2 ashing method (see FIG. 8).
[0040]
Next, the n-type GaN source layer 18 has good adhesion to the SiO 2 gate insulating film 24 over the entire surface of the interlayer insulating film 26 where the contact holes 30S, 30Da, 30Db are opened by, for example, sputtering deposition using Ar plasma. In addition, TaSi and Au, which are electrode materials having a low contact resistance with the n-type GaN drain layer 14, are stacked in order from the bottom to form a TaSi / Au layer 32, and contact holes 30 </ b> S and 30 Da are formed by the TaSi / Au layer 32. , 30 Db was filled. Instead of the TaSi / Au layer 32, for example, a WSi / Au layer, a TaSi layer, an AlSi / Au layer, a NiSi / Au layer, or the like may be formed (see FIG. 9).
[0041]
Next, the TaSi / Au layer 32 and the interlayer insulating film 26 are polished by, for example, CMP (Chemical Mechanical Polishing), and the TaSi / Au layer 32 is separated only in the contact holes 30S, 30Da, and 30Db. While remaining, the surface composed of the TaSi / Au layer 32 and the interlayer insulating film 26 was made a flat surface.
[0042]
Thus, the source electrode 32S composed of the TaSi / Au layer 32 in the contact hole 30S that is in ohmic contact with the n-type GaN source layer 18 was formed. At the same time, two drain electrodes 32Da and 32Db composed of the TaSi / Au layer 32 in the contact holes 30Da and 30Db that are ohmic-connected to the n-type GaN drain layer 14 were formed (see FIG. 10).
[0043]
Next, an SiO 2 film 34 having a thickness of 200 nm was formed on the entire surface of the interlayer insulating film 26, the source electrode 32S, and the drain electrodes 32Da and 32Db by, for example, plasma CVD. Subsequently, after applying an EB resist film on the SiO 2 film 34, patterning was performed using an EB lithography technique to form a resist pattern 36 having an opening in a gate formation scheduled region (see FIG. 11).
[0044]
Next, by using the resist pattern 36 as a mask, the SiO 2 film 34 and the interlayer insulating film 26 are selectively removed in order by the RIBE method using a dry etching apparatus, and the inclined both side surfaces of the p-type GaN channel layer 16 are removed. Two contact holes 38Ga and 38Gb were opened to expose the SiO 2 gate insulating film 24 covering the substrate. Thereafter, the resist pattern 36 was removed by, for example, a method using acetone or methanol or an O 2 ashing method. (See FIG. 12).
[0045]
Next, Ni and Au are stacked in this order from the bottom on the entire surface of the SiO 2 film 34 in which the contact holes 38Ga and 38Gb are opened, for example, by sputtering using Ar plasma to form the Ni / Au layer 40. The Ni / Au layer 40 fills the contact holes 38Ga and 38Gb (see FIG. 13).
Then, for example, CMP to polish the Ni / Au layer 40 and the SiO 2 film 34 to the source electrode 32S and the drain electrode 32 Da, the surface of such 32Db exposed, contact holes 38Ga, only Ni / Au layer 38Gb 40 was separated and left, and the surface composed of the Ni / Au layer 40, the source electrode 32S, the drain electrodes 32Da and 32Db, and the interlayer insulating film 26 was made flat. Then, two gate electrodes 40Ga and 40Gb made of the Ni / Au layer 40 in the contact holes 38Ga and 38Gb in contact with the SiO 2 gate insulating film 24 were formed.
[0046]
Thus, the source electrode 32S and the drain electrodes 32Da and 32Db are ohmically connected to the n-type GaN source layer 18 and the n-type GaN drain layer 14, respectively, and the upper and lower sides are sandwiched between the n-type GaN source layer 18 and the n-type GaN drain layer 14. Enhancement-type first and second MISFETs 42a and 42b provided with gate electrodes 40Ga and 40Gb provided on both inclined side surfaces of the p-type GaN channel layer 16 via the SiO 2 gate insulating film 24 are formed adjacent to each other. (See FIG. 14).
[0047]
Next, although illustration is omitted, an interlayer insulating film made of, for example, polyimide is formed on each of these electrodes and the interlayer insulating film 26 by using a multilayer wiring technique, and through a contact hole opened in the interlayer insulating film. Then, wiring layers were formed which were appropriately connected to the source electrode 32S, the drain electrodes 32Da and 32Db, and the gate electrodes 40Ga and 40Gb. Thus, a predetermined integrated circuit composed of the first and second MISFETs 42a, 42b and the like connected to each other by the wiring layer was formed.
[0048]
Through a series of steps as described above, a GaN-based MISFET as shown in FIG. 1 was produced.
As described above, according to the manufacturing method according to the present embodiment, since the CMP method is used when forming the source electrode 32S, the drain electrodes 32Da and 32Db, and the gate electrodes 40Ga and 40Gb, each electrode is in contact with each other. Although the heights of the n-type GaN source layer 18, the n-type GaN drain layer 14, and the SiO 2 gate insulating film 24 are different from each other, the surface formed of these electrodes and the interlayer insulating film 26 can be made flush with each other. become. Accordingly, the multilayer wiring process after the formation of the first and second MISFETs 42a and 42b can be facilitated.
[0049]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the channel layer made of a wide gap semiconductor is formed on the channel layer side surface in the inclined surface or the vertical surface provided in the stacked structure sandwiched between the source layer and the drain layer. Since the gate electrode is provided through the gate insulating film, the side surface of the channel layer on the inclined surface or the vertical surface becomes a channel region, and the channel length can be controlled by the thickness of the channel layer. Accordingly, it is possible to realize a MISFET that can achieve a short channel length easily and with high accuracy and can perform a switching operation with a sufficiently small on-resistance.
[0050]
In addition, since a wide gap semiconductor is used for the channel layer, high-temperature operation is possible and the gate breakdown voltage can be significantly increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a GaN-based MISFET according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing the relationship between the p-type GaN channel layer thickness and on-resistance in the GaN-based MISFET of FIG.
3 is a process cross-sectional view (No. 1) for explaining the method of manufacturing the GaN-based MISFET shown in FIG. 1; FIG.
4 is a process cross-sectional view (No. 2) for explaining the method of manufacturing the GaN-based MISFET shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 5 is a process cross-sectional view (part 3) for explaining the method of manufacturing the GaN-based MISFET shown in FIG. 1;
6 is a process cross-sectional view (No. 4) for explaining the manufacturing method of the GaN-based MISFET shown in FIG. 1; FIG.
7 is a process cross-sectional view (No. 5) for explaining the method of manufacturing the GaN-based MISFET shown in FIG. 1; FIG.
8 is a process cross-sectional view (No. 6) for explaining the manufacturing method of the GaN-based MISFET shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 9 is a process cross-sectional view (No. 7) for explaining the method of manufacturing the GaN-based MISFET shown in FIG. 1;
10 is a process cross-sectional view (No. 8) for explaining the method of manufacturing the GaN-based MISFET shown in FIG. 1; FIG.
11 is a process cross-sectional view (No. 9) for explaining the manufacturing method of the GaN-based MISFET shown in FIG. 1; FIG.
12 is a process cross-sectional view (No. 10) for explaining the method of manufacturing the GaN-based MISFET shown in FIG. 1; FIG.
13 is a process cross-sectional view (No. 11) for explaining the method of manufacturing the GaN-based MISFET shown in FIG. 1; FIG.
14 is a process cross-sectional view (No. 12) for explaining the method of manufacturing the GaN-based MISFET shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view showing a conventional GaN-based MISFET.
[Explanation of symbols]
10 Sapphire substrate 12 Undoped GaN layer 14 n-type GaN drain layer 16 p-type GaN channel layer 18 n-type GaN source layer 20 SiO 2 film 22 resist pattern 24 SiO 2 gate insulating film 26 interlayer insulating film 28 resist patterns 30S, 30Da, 30Db Contact hole 32 TaSi / Au layer 32S Source electrode 32Da, 32Db Drain electrode 34 SiO 2 film 36 Resist pattern 38Ga, 38Gb Contact hole 40 Ni / Au layer 40Ga, 40Gb Gate electrode 42a First MISFET
42b Second MISFET
L channel length

Claims (3)

基板上に、連続的な結晶成長を行って、窒化物系III−V族化合物半導体からなるチャネル層の上下にソース層及びドレイン層が配置された積層構造を形成する第1の工程と、前記積層構造を選択的にエッチング除去して、前記積層構造の側面に所定の角度をもつ傾斜面又は垂直面を表出させると共に、前記ソース層及び前記ドレイン層の表面を表出させる第2の工程と、前記ソース層及び前記ドレイン層並びに前記傾斜面又は前記垂直面の全面に、ゲート絶縁膜を形成した後、前記ゲート絶縁膜上に、絶縁膜を形成する第3の工程と、
前記絶縁膜を選択的にエッチング除去して、前記傾斜面又は前記垂直面における前記チャネル層の箇所に前記ゲート絶縁膜が露出するコンタクトホールを開口した後、前記コンタクトホール内に所定の導電性材料を充填して、ゲート電極を形成する第4の工程と、
を有することを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
A first step of performing continuous crystal growth on a substrate to form a stacked structure in which a source layer and a drain layer are disposed above and below a channel layer made of a nitride-based III-V compound semiconductor; A second step of selectively removing the laminated structure by etching to expose an inclined surface or a vertical surface having a predetermined angle on the side surface of the laminated structure and exposing the surfaces of the source layer and the drain layer; And a third step of forming an insulating film on the gate insulating film after forming a gate insulating film on the entire surface of the source layer, the drain layer, and the inclined surface or the vertical surface;
After selectively removing the insulating film by etching to open a contact hole where the gate insulating film is exposed at the channel layer on the inclined surface or the vertical surface, a predetermined conductive material is formed in the contact hole. A fourth step of forming a gate electrode,
A method for producing a field effect transistor, comprising:
前記第4の工程において前記ゲート電極を形成する際に、前記コンタクトホールが開口された前記絶縁膜の全面に所定の導電性材料を堆積した後、前記導電性材料を研磨して、前記コンタクトホール内に前記導電性材料を分離して充填する、請求項記載の電界効果トランジスタの製造方法。When forming the gate electrode in the fourth step, a predetermined conductive material is deposited on the entire surface of the insulating film in which the contact hole is opened, and then the conductive material is polished to form the contact hole. the filled with a conductive material separated, a method of manufacturing a field effect transistor of claim 1 wherein within. 前記第3の工程の後に、前記絶縁膜及び前記ゲート絶縁膜を選択的に順にエッチング除去して前記ソース層及び前記ドレイン層が露出するコンタクトホールを開口し、前記コンタクトホールが開口された前記絶縁膜の全面に所定の導電性材料を堆積し、前記導電性材料を研磨して前記コンタクトホール内に前記導電性材料を分離して充填して、前記導電性材料からなるソース電極及びドレイン電極をそれぞれ前記ソース層及び前記ドレイン層に接続して形成する工程を有する、請求項記載の電界効果トランジスタの製造方法。After the third step, the insulating film and the gate insulating film are selectively removed by etching in order to form a contact hole exposing the source layer and the drain layer, and the insulation in which the contact hole is opened A predetermined conductive material is deposited on the entire surface of the film, the conductive material is polished and the conductive material is separated and filled in the contact holes, and a source electrode and a drain electrode made of the conductive material are provided. The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 2 , further comprising a step of forming the source layer and the drain layer, respectively.
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