JP4993673B2 - MIS field effect transistor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、III-V族窒化物半導体を用いたMIS型電界効果トランジスタおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a MIS field effect transistor using a group III-V nitride semiconductor and a method for manufacturing the same.
従来から、パワーアンプ回路、電源回路、モータ駆動回路等には、シリコン半導体を用いたパワーデバイスが用いられている。
しかし、シリコン半導体の理論限界から、シリコンデバイスの高耐圧化、低抵抗化および高速化は限界に達しつつあり、市場の要求に応えることが困難になりつつある。
そこで、高耐圧、高温動作、大電流密度、高速スイッチングおよび小オン抵抗といった特徴を有するGaNデバイスの開発が検討されている(下記非特許文献1)。
However, due to the theoretical limits of silicon semiconductors, the increase in breakdown voltage, reduction in resistance, and increase in speed of silicon devices are reaching their limits, and it is becoming difficult to meet market demands.
Therefore, development of a GaN device having features such as high breakdown voltage, high temperature operation, large current density, high-speed switching, and small on-resistance has been studied (Non-Patent
しかし、これまでに提案されているGaNデバイスは、いずれも、基板表面に沿ってソース、ゲートおよびドレインを配列した横型構造となっており、大電流が必要なパワーデバイスには必ずしも適さず、また、耐圧も不足する。さらに、パワーデバイスにおいて必須とも言えるノーマリオフ動作の実現が必ずしも容易ではないという問題がある。
そこで、この発明の目的は、パワーデバイスへの適用に適したIII-V族窒化物半導体MIS型電界効果トランジスタおよびその製造方法を提供することである。
However, all the GaN devices proposed so far have a lateral structure in which the source, gate and drain are arranged along the substrate surface, and are not necessarily suitable for power devices that require a large current. , Pressure resistance is insufficient. Furthermore, there is a problem that it is not always easy to realize a normally-off operation that can be said to be essential in a power device.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a group III-V nitride semiconductor MIS field effect transistor suitable for application to a power device and a method for manufacturing the same.
上記の目的を達成するための請求項1記載の発明は、第1導電型の第1III-V族窒化物半導体層(5)、この第1III-V族窒化物半導体層に積層された第2導電型の第2III-V族窒化物半導体層(6)、およびこの第2III-V族窒化物半導体層に積層された前記第1導電型の第3III-V族窒化物半導体層(7)を含み、前記第1および第3III-V族窒化物半導体層のうちの少なくともいずれか一方が組成の異なる窒化物からなる超格子半導体層である、窒化物半導体積層構造部(2)と、前記第1、第2および第3III-V族窒化物半導体層に跨って形成された壁面(17)に、これら第1、第2および第3III-V族窒化物半導体層に跨るように形成されたゲート絶縁膜(19,50)と、このゲート絶縁膜を挟んで前記第2III-V族窒化物半導体層(より好ましくは、第1〜第3III-V族窒化物半導体層に跨る領域)に対向するように形成された導電性材料からなるゲート電極(20)と、前記第1III-V族窒化物半導体層に電気的に接続されたドレイン電極(15)と、前記第3III-V族窒化物半導体層に電気的に接続されたソース電極(25)とを含む、MIS型電界効果トランジスタである。なお、括弧内の英数字は後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。
In order to achieve the above object, the invention according to
この構成によれば、第1III-V族窒化物半導体層、第2III-V族窒化物半導体層および第3III-V族窒化物半導体層を積層することによって、NPN構造またはPNP構造の窒化物半導体積層構造部が形成されており、第1〜第3III-V族窒化物半導体層に跨って形成された壁面に、ゲート絶縁膜が配置されている。そして、このゲート絶縁膜を挟んで、前記第2III-V族窒化物半導体層の前記壁面を形成する部分がチャネル領域を形成し、このチャネル領域にゲート電極が対向している。さらに、第1III-V族窒化物半導体層に電気的に接続されるようにドレイン電極が設けられ、第3III-V族窒化物半導体層に電気的に接続されるようにソース電極が設けられている。こうして、縦型のMIS(Metal Insulator Semiconductor)型の電界効果トランジスタが構成されている。 According to this configuration, the first III-V nitride semiconductor layer, the second III-V nitride semiconductor layer, and the third III-V nitride semiconductor layer are stacked to form an NPN structure or PNP structure nitride semiconductor. A laminated structure is formed, and a gate insulating film is disposed on a wall surface formed across the first to third group III-V nitride semiconductor layers. A portion of the second group III-V nitride semiconductor layer that forms the wall surface forms a channel region with the gate insulating film interposed therebetween, and a gate electrode faces the channel region. Furthermore, a drain electrode is provided so as to be electrically connected to the first III-V nitride semiconductor layer, and a source electrode is provided so as to be electrically connected to the third III-V nitride semiconductor layer. Yes. Thus, a vertical MIS (Metal Insulator Semiconductor) type field effect transistor is formed.
このように、縦型のMIS型電界効果トランジスタとしての基本構造を有することにより、ノーマリオフ動作、すなわち、ゲート電極にバイアスを印加しないときにソース−ドレイン間をオフ状態とする動作を、容易に実現することができる。さらに、縦型構造であるので、大電流を容易に流すことができ、かつ、高耐圧を確保できるので、有効なパワーデバイスを提供することができる。むろん、III-V族窒化物半導体層によって電界効果トランジスタを構成していることにより、シリコン半導体を用いたデバイスに比較して、高耐圧、高温動作、大電流密度、高速スイッチングおよび小オン抵抗といった特徴を享受することができる。特に、高耐圧で低損失な動作が可能であるから、良好なパワーデバイスを実現することができる。 Thus, by having the basic structure as a vertical MIS field effect transistor, a normally-off operation, that is, an operation in which the source and drain are turned off when no bias is applied to the gate electrode is easily realized. can do. Furthermore, since it has a vertical structure, a large current can be flowed easily and a high breakdown voltage can be secured, so that an effective power device can be provided. Of course, the field effect transistor is composed of a III-V nitride semiconductor layer, so that it has a higher breakdown voltage, higher temperature operation, higher current density, higher speed switching and lower on-resistance than a device using a silicon semiconductor. You can enjoy the features. In particular, since a high voltage and low loss operation is possible, a good power device can be realized.
しかも、この実施形態では、前記第1および第3III-V族窒化物半導体層のうちの少なくともいずれか一方が組成の異なる窒化物からなる超格子半導体層で構成されているので、超格子半導体層で構成されたIII−V族窒化物半導体層において、横方向のオン抵抗を低減できる。さらにまた、超格子半導体層によって横方向へ電流を拡散することができるので、電流の集中を抑制することができる。これにより、オン抵抗の低減にさらに寄与することができる。 Moreover, in this embodiment, since at least one of the first and third group III-V nitride semiconductor layers is composed of a superlattice semiconductor layer made of nitrides having different compositions, the superlattice semiconductor layer The on-resistance in the lateral direction can be reduced in the group III-V nitride semiconductor layer configured as follows. Furthermore, since current can be diffused in the lateral direction by the superlattice semiconductor layer, current concentration can be suppressed. This can further contribute to the reduction of on-resistance.
なお、III-V族窒化物半導体とは、III-V族半導体において、V族元素として窒素を用いた半導体であり、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)が代表例である。一般には、AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)と表わすことができる。
たとえば、第1III-V族窒化物半導体層および第3III-V族窒化物半導体層をN型とし、第2III-V族窒化物半導体層をP型として、Nチャネル型のMIS型電界効果トランジスタを構成する場合の動作について説明する。この場合に、ソース−ドレイン間には、ドレイン側が正となるバイアスが与えられる。このとき、第1および第2III-V族窒化物半導体層の界面のPN接合部には、逆方向電圧が印加されることになるから、これにより、ソース−ドレイン間は遮断状態となる。この状態から、ゲート電極に対して、第2III-V族窒化物半導体層に対して正となるバイアス電圧を印加すると、第2III-V族窒化物半導体層においてゲート電極に対向する壁面付近の領域(チャネル領域)に電子が誘起され、反転チャネルが形成される。この反転チャネルを介して、第1および第3III-V族窒化物半導体層間が導通し、したがって、ソース−ドレイン間が導通することになる。こうして、ゲート電極に適切なバイアスを与えたときにソース−ドレイン間が導通する一方で、ゲート電極にバイアスを与えないときにはソース−ドレイン間が遮断状態となる。つまり、ノーマリオフ動作が実現される。第1および第3III-V族窒化物半導体層をP型とし、第2III-V族窒化物半導体層をN型としてPチャネル型電界効果トランジスタを構成する場合は、バイアス電圧の極性が逆となるが、前述の場合と類似の動作となる。
The III-V group nitride semiconductor is a group III-V semiconductor in which nitrogen is used as a group V element. Typical examples include aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), and indium nitride (InN). It is an example. In general, it can be expressed as Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).
For example, a first III-V nitride semiconductor layer and a third III-V nitride semiconductor layer are N-type, and a second III-V nitride semiconductor layer is P-type. The operation when configured will be described. In this case, a bias with a positive drain side is applied between the source and the drain. At this time, a reverse voltage is applied to the PN junction at the interface between the first and second group III-V nitride semiconductor layers, so that the source and drain are cut off. In this state, when a bias voltage that is positive with respect to the second group III-V nitride semiconductor layer is applied to the gate electrode, a region near the wall surface facing the gate electrode in the second group III-V nitride semiconductor layer Electrons are induced in the (channel region), and an inversion channel is formed. The first and third group III-V nitride semiconductor layers conduct through the inversion channel, and therefore, the source and the drain conduct. In this way, the source-drain conducts when an appropriate bias is applied to the gate electrode, while the source-drain is cut off when no bias is applied to the gate electrode. That is, a normally-off operation is realized. When the first and third group III-V nitride semiconductor layers are P-type and the second group III-V nitride semiconductor layer is N-type to form a P-channel field effect transistor, the polarity of the bias voltage is reversed. However, the operation is similar to that described above.
請求項2記載の発明は、前記超格子半導体層が、Al組成の異なるAlGaN(Al組成が0%〜100%)の超格子層からなる、請求項1記載のMIS型電界効果トランジスタである。たとえば、AlGaN超格子層とGaN超格子層とによって超格子半導体層を構成することができる。超格子層の膜厚は、請求項3に記載されているように、10Å〜100Åであることが好ましい。
The invention according to
請求項4記載の発明は、前記第3III-V族窒化物半導体層から、前記第2III-V族窒化物半導体層を貫通して、前記第1III-V族窒化物半導体層に達するトレンチ(16)が形成されており、このトレンチの側壁が前記壁面を形成している、請求項1〜3のいずれか一項に記載のMIS型電界効果トランジスタである。この構成により、窒化物半導体積層構造部にトレンチを形成することによって、チャネル領域を提供する第2III-V族窒化物半導体層の壁面を露出させることができる。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a trench (16) which penetrates the second group III-V nitride semiconductor layer from the third group III-V nitride semiconductor layer and reaches the first group III-V nitride semiconductor layer. The MIS field effect transistor according to any one of
前記トレンチは、断面V字形のトレンチであってもよく、断面U字形のトレンチであってもよく、断面矩形のトレンチであってもよい。また、底部に平坦面を有するV型のトレンチ(逆台形形状の溝)であってもよいし、台形の断面形状を有するトレンチであってもよい。
請求項5記載の発明は、前記ソース電極は、前記第2III-V族窒化物半導体層および前記第3III-V族窒化物半導体層の両方に接触するように設けられている、請求項1〜4のいずれか一項に記載のMIS型電界効果トランジスタである。
The trench may be a V-shaped trench, a U-shaped trench, or a rectangular trench. Further, it may be a V-shaped trench (inverted trapezoidal groove) having a flat surface at the bottom, or a trench having a trapezoidal cross-sectional shape.
According to a fifth aspect of the present invention, the source electrode is provided so as to be in contact with both the second III-V group nitride semiconductor layer and the third III-V group nitride semiconductor layer. 5. An MIS field effect transistor according to any one of 4 above.
この構成によれば、ソース電極が第2および第3III-V族窒化物半導体層の両方に接触しているので、第3III-V族窒化物半導体層に対するソース電極の接続が確保されると同時に、第2III-V族窒化物半導体層をソースと同電位に固定することができる。したがって、ソース電位を基準としてゲート電極にバイアスを与えることにより、第2III-V族窒化物半導体層の前記壁面に対向する部分(チャネル領域)に反転チャネルを形成することができる。 According to this configuration, since the source electrode is in contact with both the second and third group III-V nitride semiconductor layers, the connection of the source electrode to the third group III-V nitride semiconductor layer is ensured at the same time. The second group III-V nitride semiconductor layer can be fixed at the same potential as the source. Therefore, by applying a bias to the gate electrode with reference to the source potential, an inversion channel can be formed in a portion (channel region) of the second III-V nitride semiconductor layer facing the wall surface.
たとえば、窒化物半導体積層構造部の前記壁面とは別の位置にソース電極埋め込み用のトレンチ(24)を形成し、このトレンチにソース電極を埋め込むようにすればよい。この場合に、ソース電極用トレンチは、第3III-V族窒化物半導体層から第2III-V族窒化物半導体層に達する深さに形成すればよい。
請求項6記載の発明は、前記窒化物半導体積層構造部が、前記第1III-V族窒化物半導体層に対して、前記第2III-V族窒化物半導体層とは反対側に配置(接触配置でもよい)された前記第1導電型の第4III-V族窒化物半導体層(9)をさらに含み、前記ドレイン電極は、前記第4III-V族窒化物半導体層に接続されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載のMIS型電界効果トランジスタである。
For example, a trench (24) for burying a source electrode may be formed at a position different from the wall surface of the nitride semiconductor multilayer structure portion, and the source electrode may be buried in this trench. In this case, the source electrode trench may be formed to a depth reaching the second III-V nitride semiconductor layer from the third III-V nitride semiconductor layer.
According to a sixth aspect of the present invention, the nitride semiconductor multilayer structure is disposed on the opposite side of the second III-V nitride semiconductor layer with respect to the first III-V nitride semiconductor layer (contact arrangement). The third conductivity type 4III-V nitride semiconductor layer (9) of the first conductivity type may be further included, and the drain electrode is connected to the fourth III-V nitride semiconductor layer. It is a MIS field effect transistor as described in any one of 1-5.
この構成によれば、第1III-V族窒化物半導体層に接触して形成された第4III-V族窒化物半導体層にドレイン電極が接続されているので、この第4III-V族窒化物半導体層を介して、第1III-V族窒化物半導体層にドレイン電極を電気的に接続することができる。そして、窒化物半導体積層構造部が絶縁性基板上に設けられる場合であっても、ドレイン電極と第1III-V族窒化物半導体層との間の電気的接続を、第4III-V族窒化物半導体層を介して達成することができる。 According to this configuration, since the drain electrode is connected to the fourth group III-V nitride semiconductor layer formed in contact with the first group III-V nitride semiconductor layer, the fourth group III-V nitride semiconductor is provided. The drain electrode can be electrically connected to the first III-V nitride semiconductor layer through the layer. Even when the nitride semiconductor multilayer structure is provided on the insulating substrate, the electrical connection between the drain electrode and the first group III-V nitride semiconductor layer is made with the group III-V nitride. This can be achieved via the semiconductor layer.
請求項7記載の発明は、前記窒化物半導体積層構造部が、前記第1III-V族窒化物半導体層に対して、前記第2III-V族窒化物半導体層とは反対側に配置(接触配置でもよい)され、Alを含有する前記第1導電型の第4III-V族窒化物半導体層(9)をさらに含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載のMIS型電界効果トランジスタである。
この構成によれば、第1III-V族窒化物半導体と同じ導電型の第4III-V族窒化物半導体層が、当該第1III-V族窒化物半導体層と積層関係をなすように設けられている。この第4III-V族窒化物半導体層は、耐圧の向上および低抵抗化に寄与する。
According to the seventh aspect of the present invention, the nitride semiconductor multilayer structure is disposed on a side opposite to the second III-V nitride semiconductor layer with respect to the first III-V nitride semiconductor layer (contact arrangement). The MIS type field effect transistor according to any one of
According to this configuration, the fourth group III-V nitride semiconductor layer having the same conductivity type as the first group III-V nitride semiconductor is provided so as to form a stacked relationship with the first group III-V nitride semiconductor layer. Yes. The fourth group III-V nitride semiconductor layer contributes to an improvement in breakdown voltage and a reduction in resistance.
請求項8記載の発明は、前記ドレイン電極が、前記第4III-V族窒化物半導体層に接続(接触)されている、請求項7記載のMIS型電界効果トランジスタである。
この構成により、第4III-V族窒化物半導体層を介してドレイン電極を第1III-V族窒化物半導体層に電気的に接続することができる。そして、窒化物半導体積層構造部が基板上に配置されるときには、当該基板が絶縁性基板である場合でも、第4III-V族窒化物半導体層を利用してドレイン電極の接続を行うことができる。
The invention according to
With this configuration, the drain electrode can be electrically connected to the first group III-V nitride semiconductor layer through the fourth group III-V nitride semiconductor layer. When the nitride semiconductor multilayer structure is disposed on the substrate, the drain electrode can be connected using the group III-V nitride semiconductor layer even when the substrate is an insulating substrate. .
前記窒化物半導体積層構造部は、前記第4III-V族窒化物半導体層に対して、前記第1III-V族窒化物半導体層とは反対側に配置(接触配置が好ましい)された真性半導体層(アンドープ)である第5III-V族窒化物半導体層(8)をさらに含むことが好ましい。
この構成では、第4III-V族窒化物半導体層と、真性半導体層からなる第5III-V族窒化物半導体層とが、積層関係で配置される。これらの第4および第5III−V族窒化物半導体層の境界部付近では、第5III-V族窒化物半導体層内に、高濃度の二次元電子ガス(28)が形成される。この二次元電子ガスを利用することにより、第1III-V族窒化物半導体層からドレイン電極に至る部分の抵抗値を低減することができ、より一層の低抵抗化を図ることができる。とくに、たとえば、第4III−V族窒化物半導体層を利用して、窒化物半導体積層構造部の横方向にドレインを引き出す場合であっても、第1III−V族窒化物半導体層の広い範囲に、前記二次元電子ガスとの間に流れる電流を分散させることができる。これにより、電流の集中を抑制することができ、デバイスの低抵抗化が実現される。
The intrinsic structure of the nitride semiconductor multilayer structure is disposed on the opposite side of the fourth III-V nitride semiconductor layer from the first III-V nitride semiconductor layer (contact arrangement is preferred). It is preferable to further include a fifth III-V nitride semiconductor layer (8) which is (undoped).
In this configuration, the fourth group III-V nitride semiconductor layer and the fifth group III-V nitride semiconductor layer made of an intrinsic semiconductor layer are arranged in a stacked relationship. In the vicinity of the boundary between the fourth and fifth III-V nitride semiconductor layers, a high concentration two-dimensional electron gas (28) is formed in the fifth III-V nitride semiconductor layer. By utilizing this two-dimensional electron gas, the resistance value from the first III-V nitride semiconductor layer to the drain electrode can be reduced, and the resistance can be further reduced. In particular, for example, even in the case where the drain is led out in the lateral direction of the nitride semiconductor multilayer structure using the fourth III-V nitride semiconductor layer, the wide range of the first III-V nitride semiconductor layer is used. The current flowing between the two-dimensional electron gas can be dispersed. As a result, current concentration can be suppressed, and the resistance of the device can be reduced.
前記第5III-V族窒化物半導体層は、Mg、CまたはFeがドーピングされた層であることが好ましい。窒化物半導体は、その形成(エピタキシャル成長)時に、若干N型となる傾向があるので、これを打ち消すために、Mg、CまたはFeをP型ドーパントとしてドーピングすることにより、第5III-V族窒化物半導体層を真性半導体層とすることができる。 The fifth III-V nitride semiconductor layer is preferably a layer doped with Mg, C, or Fe. Nitride semiconductors tend to be slightly N-type during the formation (epitaxial growth), and in order to counteract this, doping with Mg, C, or Fe as a P-type dopant allows group III-V nitrides to be formed. The semiconductor layer can be an intrinsic semiconductor layer.
請求項9記載の発明は、前記窒化物半導体積層構造部が、基板(1,41)上に形成(成長)されている、請求項1〜8のいずれかに記載のMIS型電界効果トランジスタである。
また、請求項10記載の発明は、前記基板が絶縁性基板(1)である、請求項9記載のMIS型電界効果トランジスタである。典型的な絶縁性基板は、サファイア(Al2O3)基板である。このような絶縁性基板を用いる場合においても、請求項6または8のような構成をとったり、第1III-V族窒化物半導体層にドレイン電極を直接接触させる構成としたりすることにより、第1III-V族窒化物半導体層に対してドレイン電極を電気的に接続することができる。
The invention according to
The invention according to
請求項11記載の発明は、前記基板が、Al2O3基板、ZnO基板、Si基板、GaAs基板、GaN基板またはSiC基板である、請求項9記載のMIS型電界効果トランジスタである。窒化物半導体積層構造部との格子定数の整合性の観点からは、GaN基板が最良であり、GaN基板を用いることによって、転位の少ない窒化物半導体層を形成することができる。また、コスト低減の観点からは、Al2O3基板(サファイア基板)を用いることが好ましく、また、放熱性(熱伝導率)を重視する場合には、SiC基板を用いればよい。
The invention according to claim 11 is the MIS field effect transistor according to
請求項12記載の発明は、前記基板が、基板表面に沿う方向に転位密度の高い領域と転位密度が少ない領域とを有する基板であり、前記ゲート電極が、転位密度の低い領域から成長された領域に対向するように配置されている、請求項9〜11のいずれか一項に記載のMIS型電界効果トランジスタである。
たとえば、特許文献2に記載されているような横方向選択エピタキシャル成長(ELO:エピタキシャル ラテラル オーバーグロース)によって形成されたエピタキシャル成長層を有する基板には、そのエピタキシャル成長層には、転位密度の低い領域(無転位領域)と転位密度の高い領域とが存在している。この場合、転位密度の低い領域から成長された領域に前記第2III-V族窒化物半導体層のチャネル領域(前記壁面に対向する領域)が位置するようにすれば、チャネル領域の転位密度が低くなるので、リーク電流を抑制することができる。
The invention according to claim 12 is a substrate in which the substrate has a region having a high dislocation density and a region having a low dislocation density in a direction along the substrate surface, and the gate electrode is grown from a region having a low dislocation density. The MIS field effect transistor according to any one of
For example, a substrate having an epitaxially grown layer formed by lateral selective epitaxial growth (ELO: epitaxial lateral overgrowth) as described in
請求項13記載の発明は、前記窒化物半導体積層構造部が導電性基板(41)の一方表面上に配置されており、前記ドレイン電極が、前記導電性基板の他方表面に接続(接触)されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載のMIS型電界効果トランジスタである。
この構成では、導電性基板の一方表面上に窒化物半導体積層構造部が配置されていて、導電性基板の他方表面にドレイン電極が接続されることにより、このドレイン電極を第1III-V族窒化物半導体層に電気的に接続するようになっている。これにより、窒化物半導体積層構造部の広い範囲を通って電流が流れるので、電流狭窄を抑制できるとともに、高耐圧化を併せて図ることができる。
According to a thirteenth aspect of the present invention, the nitride semiconductor multilayer structure is disposed on one surface of the conductive substrate (41), and the drain electrode is connected (contacted) to the other surface of the conductive substrate. The MIS field effect transistor according to any one of
In this configuration, the nitride semiconductor multilayer structure is disposed on one surface of the conductive substrate, and the drain electrode is connected to the other surface of the conductive substrate. It is electrically connected to the physical semiconductor layer. Thereby, since current flows through a wide range of the nitride semiconductor multilayer structure portion, current confinement can be suppressed and high breakdown voltage can be achieved.
前記導電性基板としては、ZnO基板、Si基板、GaAs基板、GaN基板またはSiC基板を適用することができる。なかでも、GaN基板は窒化物半導体積層構造部との格子定数が整合するので、GaN基板を用いることによって、窒化物半導体積層構造部の結晶性を向上することができる。
請求項14記載の発明は、前記ドレイン電極は、前記第1III-V族窒化物半導体層に接続(接触)されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載のMIS型電界効果トランジスタである。この構成により、ドレイン電極を第1III-V族窒化物半導体層に電気的に接続できる。
As the conductive substrate, a ZnO substrate, Si substrate, GaAs substrate, GaN substrate, or SiC substrate can be applied. Especially, since the lattice constant of the GaN substrate matches that of the nitride semiconductor multilayer structure, the crystallinity of the nitride semiconductor multilayer structure can be improved by using the GaN substrate.
The MIS field effect transistor according to any one of
請求項15記載の発明は、前記ドレイン電極が、前記窒化物半導体積層構造部に対して、前記ゲート電極とは反対側の表面に接触して形成されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載のMIS型電界効果トランジスタである。
この構成によれば、窒化物半導体積層構造部に対して、ゲート電極とは反対側の表面にドレイン電極が接触して形成されており、したがって、基板を省くことができる。より具体的には、前記ドレイン電極は、前記第1III-V族窒化物半導体層に対して、前記第2III-V族窒化物半導体層とは反対側の表面に接触して形成されていてもよい。このような構成により、たとえば、厚みが30μm以下のMIS型電界効果トランジスタを実現することができる。
The invention according to
According to this configuration, the drain electrode is formed in contact with the surface opposite to the gate electrode with respect to the nitride semiconductor multilayer structure portion, and thus the substrate can be omitted. More specifically, the drain electrode may be formed in contact with the surface of the first III-V nitride semiconductor layer opposite to the second III-V nitride semiconductor layer. Good. With such a configuration, for example, a MIS field effect transistor having a thickness of 30 μm or less can be realized.
請求項16に記載されているように、前記第1、第2および第3III-V族窒化物半導体層は、C面(0001)を主面として積層されていてもよい。
また、請求項17に記載されているように、前記第1、第2および第3III-V族窒化物半導体層は、無極性面(m面(10-10)もしくはa面(11-20))またはセミポーラ面((10-1-1)、(10-1-3)、(11-22)など)を主面として積層されていてもよい。
According to a sixteenth aspect of the present invention, the first, second and third group III-V nitride semiconductor layers may be stacked with a C plane (0001) as a main surface.
In addition, as described in
さらにまた、請求項18に記載されているように、前記ゲート絶縁膜が形成される前記第1、第2および第3III-V族窒化物半導体層の壁面が、無極性面(m面(10-10)もしくはa面(11-20))またはセミポーラ面((10-1-1)、(10-1-3)、(11-22)など)であることが好ましい。
また、請求項19に記載されているように、前記ゲート絶縁膜は、窒化物または酸化物であってもよい。とくに、請求項20に記載されているように、前記ゲート絶縁膜が、窒化シリコンまたは酸化シリコンからなることが好ましい。
Furthermore, as described in claim 18, the wall surfaces of the first, second, and third group III-V nitride semiconductor layers on which the gate insulating film is formed are nonpolar surfaces (m-plane (10 -10) or a-plane (11-20)) or a semipolar plane ((10-1-1), (10-1-3), (11-22), etc.).
In addition, the gate insulating film may be a nitride or an oxide. In particular, it is preferable that the gate insulating film is made of silicon nitride or silicon oxide.
前記ゲート絶縁膜は、Alを含む(好ましくはInを含まない)III-V族窒化物真性半導体ゲート層(51:再成長層)を含むものであってもよい。この構成によれば、Alを含むIII-V族窒化物真性半導体ゲート層は第1〜第3III−V族窒化物半導体層の壁面との間に良好な界面を形成する。したがって、酸化膜等の絶縁膜を第1〜第3III-V族窒化物半導体層の壁面に接触形成する場合とは異なり、不安定な界面に起因して、チャネル領域のキャリア移動度が低下したり、デバイスの信頼性が低下したりするといった不具合を抑制または回避することができる。 The gate insulating film may include a group III-V nitride intrinsic semiconductor gate layer (51: regrowth layer) containing Al (preferably not containing In). According to this configuration, the III-V nitride intrinsic semiconductor gate layer containing Al forms a good interface with the wall surfaces of the first to third III-V nitride semiconductor layers. Therefore, unlike the case where an insulating film such as an oxide film is formed in contact with the wall surfaces of the first to third III-V nitride semiconductor layers, the carrier mobility in the channel region is reduced due to the unstable interface. Or problems such as a decrease in device reliability can be suppressed or avoided.
前記ゲート絶縁膜は、前記Alを含むIII-V族窒化物真性半導体ゲート層に積層された別の絶縁膜(52)を含むものであってもよい。この場合に、当該別の絶縁膜は、III-V族窒化物真性半導体ゲート層に対して、前記壁面とは反対側に積層されていることが好ましい。この構成により、ゲートリーク電流を低減することができる。Alを含むIII-V族窒化物真性半導体ゲート層は、Al組成が少ない場合に、絶縁性が不足する場合がある。このような場合に、別の絶縁膜によってAlを含むIII-V族窒化物真性半導体ゲート層の絶縁性不足を補うことが好ましい。 The gate insulating film may include another insulating film (52) stacked on the III-V nitride intrinsic semiconductor gate layer containing Al. In this case, the another insulating film is preferably laminated on the opposite side of the wall surface with respect to the III-V nitride intrinsic semiconductor gate layer. With this configuration, the gate leakage current can be reduced. The III-V nitride intrinsic semiconductor gate layer containing Al may have insufficient insulation when the Al composition is small. In such a case, it is preferable to compensate for the lack of insulation of the III-V nitride intrinsic semiconductor gate layer containing Al by another insulating film.
前記Alを含むIII-V族窒化物真性半導体ゲート層におけるAl組成は、50〜100重量%(50重量%以上100重量%未満)であることが好ましい。これにより、必要な絶縁性を確保できる。
また、請求項21に記載されているように、前記ゲート電極を構成する導電性材料は、Al、AuおよびPtのうちの少なくともいずれか一種を含む単体金属または合金からなるものであることが好ましい。また、請求項22に記載されているように、前記ゲート電極を構成する導電性材料は、ポリシリコンを含むものであってもよい。
The Al composition in the III-V nitride intrinsic semiconductor gate layer containing Al is preferably 50 to 100 wt% (50 wt% or more and less than 100 wt%). Thereby, necessary insulation can be ensured.
In addition, as described in
一方、請求項23に記載されているように、前記ソース電極またはドレイン電極は、少なくともAlを含む材料からなることが好ましい。より具体的には、請求項24に記載されているように、前記ソース電極またはドレイン電極は、少なくともTiおよびAlを含む合金材料からなることが好ましい。これにより、ソース電極またはドレイン電極に対して、配線のためのコンタクトを良好にとることができる。また、請求項25に記載されているように、前記ソース電極またはドレイン電極を構成する材料は、MoもしくはMo化合物、TiもしくはTi化合物、またはWもしくはW化合物を含むものであってもよい。
On the other hand, as described in claim 23, the source electrode or the drain electrode is preferably made of a material containing at least Al. More specifically, as described in
請求項26記載の発明は、基板(1,41,45)上に第1導電型の第1III-V族窒化物半導体層(5)を形成する工程と、この第1III-V族窒化物半導体層上に、第2導電型の第2III-V族窒化物半導体層(6)を積層して形成する工程と、この第2III-V族窒化物半導体層上に、前記第1導電型の第3III-V族窒化物半導体層(7)を積層して形成する工程と、前記第1、第2および第3III-V族窒化物半導体層に跨る壁面(17)を形成する壁面形成工程と、前記壁面に、前記第1、第2および第3III-V族窒化物半導体層に跨るようにゲート絶縁膜(19)を形成するゲート絶縁膜形成工程と、前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第2III-V族窒化物半導体層に対向するように、導電性材料からなるゲート電極(20)を形成する工程と、前記第1III-V族窒化物半導体層に電気的に接続されるようにドレイン電極(15)を形成する工程と、前記第3III-V族窒化物半導体層に電気的に接続されるようにソース電極(25)を形成する工程とを含み、前記第1III-V族窒化物半導体層を形成する工程および第3III-V族窒化物半導体層を形成する工程のうちの少なくともいずれか一方は、組成の異なる窒化物からなる超格子半導体層を形成する工程を含む、MIS型電界効果トランジスタの製造方法である。この方法により、請求項1に記載されている構造のMIS型電界効果トランジスタを製造することができる。
According to a twenty-sixth aspect of the present invention, there is provided a step of forming a first group III-V nitride semiconductor layer (5) of the first conductivity type on a substrate (1, 41, 45), and the first group III-V nitride semiconductor. A step of forming a second conductivity type second III-V nitride semiconductor layer (6) on the layer, and a step of forming the first conductivity type second III-V nitride semiconductor layer on the second III-V nitride semiconductor layer. A step of laminating and forming a 3III-V nitride semiconductor layer (7), and a wall surface forming step of forming a wall surface (17) straddling the first, second and third III-V nitride semiconductor layers, A gate insulating film forming step of forming a gate insulating film on the wall surface so as to straddle the first, second and third group III-V nitride semiconductor layers; and the second III with the gate insulating film interposed therebetween Forming a gate electrode (20) made of a conductive material so as to face the -V group nitride semiconductor layer, and the first II Forming a drain electrode (15) so as to be electrically connected to the group I-V nitride semiconductor layer; and a source electrode (10) so as to be electrically connected to the third group III-V nitride semiconductor layer. 25), and at least one of the step of forming the first group III-V nitride semiconductor layer and the step of forming the third group III-V nitride semiconductor layer has a different composition. A method for manufacturing a MIS field effect transistor, which includes a step of forming a superlattice semiconductor layer made of nitride. By this method, the MIS field effect transistor having the structure described in
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、この発明の第1の実施形態に係るMIS型電界効果トランジスタの構造を説明するための図解的な断面図である。この電界効果トランジスタは、絶縁性基板であるサファイア基板1と、このサファイア基板1上に成長させられたGaN化合物半導体層からなる窒化物半導体積層構造部2とを備えている。窒化物半導体積層構造部2は、超格子N型層5(ドレイン層)と、この超格子N型層5の上に積層されたP型GaN層6と、このP型GaN層6の上に積層された超格子N型層7(ソース層)とを備えている。さらに、窒化物半導体積層構造部2は、サファイア基板1に接触して形成された真性(アンドープ)GaN層8と、この真性GaN層8の上に積層されたN型AlGaN層9とを備えており、このN型AlGaN層9の上に前記超格子N型層5が積層されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a MIS field effect transistor according to a first embodiment of the present invention. The field effect transistor includes a
超格子N型層5,7は、N型III−V族窒化物半導体層であり、組成の異なる窒化物からなる超格子層で構成された超格子半導体層である。具体的には、Al組成の異なるAlGaN超格子層で構成されている。さらに具体的には、AlGaN超格子層とGaN超格子層とで構成されている。各超格子層の膜厚は、10Å〜100Åの範囲とされることが好ましい。
The superlattice N-
窒化物半導体積層構造部2は、断面がほぼ矩形となるように超格子N型層7からN型AlGaN層9が露出する深さまでエッチングされている。そして、N型AlGaN層9は、窒化物半導体積層構造部2の両側から、サファイア基板1の表面に沿う横方向に引き出された引き出し部10を有している。この引き出し部10の表面にドレイン電極15が接触して形成されている。すなわち、窒化物半導体積層構造部2から横方向に引き出された引き出し部10は、この実施形態では、N型AlGaN層9の延長部で構成されている。
The nitride semiconductor
一方、窒化物半導体積層構造部2の幅方向中間付近には、超格子N型層7からP型GaN層6を貫通して超格子N型層5の途中部に至る深さのトレンチ16が形成されている。この実施形態では、トレンチ16は、断面V字形に形成されており、その傾斜した側面は、超格子N型層5、P型GaN層6および超格子N型層7に跨がる壁面17を形成している。この壁面17の全域を覆い、さらに、超格子N型層7の上面においてトレンチ16の縁部に至る領域に、ゲート絶縁膜19が形成されている。さらに、このゲート絶縁膜19上には、ゲート電極20が形成されている。すなわち、ゲート電極20は、ゲート絶縁膜19を介して前記壁面17、すなわち超格子N型層5、P型GaN層6および超格子N型層7に対向しており、さらに、超格子N型層7の上面においてトレンチ16の縁部付近にまで延びて形成されている。
On the other hand, a
P型GaN層6において前記壁面17付近の領域は、ゲート電極20に対向したチャネル領域21である。このチャネル領域21には、ゲート電極20に適切なバイアス電圧が与えられることにより、超格子N型層5,7間を電気的に導通させる反転チャネルが形成される。
窒化物半導体積層構造部2には、前記トレンチ16とは別の場所に、ソース電極用トレンチ24が形成されている。この実施形態では、トレンチ16の両側に、一対のソース電極用トレンチ24が形成されている。ソース電極用トレンチ24は、超格子N型層7の表面からP型GaN層6に至る深さにまで形成されている。このソース電極用トレンチ24にソース電極25が埋め込まれている。したがって、ソース電極25は、超格子N型層7およびP型GaN層6の両方に電気的に接続されることになる。
A region near the
In the nitride semiconductor
真性GaN層8とN型AlGaN層9との界面付近において真性GaN層8内には、ピエゾ効果によって、二次元電子ガス28が生じている。
真性GaN層8は、サファイア基板1上に、いわゆる選択横方向エピタキシャル成長(ELO)によって形成されており、基板表面に沿う水平方向に転位密度の高い領域と転位密度の少ない領域(無転位領域)とを有している。そして、トレンチ16は、転位密度の少ない領域(無転位領域)が、チャネル領域21の直下に位置するように、その形成位置が選択されている。真性GaN層8は、その主面(サファイア基板1に平行な表面)が、たとえばC面(0001)となるようにサファイア基板1上に成長させられる。この場合、真性GaN層8上にエピタキシャル成長によって積層されるN型AlGaN層9、超格子N型層5、P型GaN層6および超格子N型層7は、やはりC面(0001)を主面として積層されることになる。また、断面V字形のトレンチ16の壁面は、たとえば、無極性面(m面(10-10)もしくはa面(11-20))、またはセミポーラ面((10-1-1)、(10-1-3)、(11-22)など)となる。
Near the interface between the
The
真性GaN層8は、その主面が無極性面(m面(10-10)もしくはa面(11-20))、またはセミポーラ面((10-1-1)、(10-1-3)、(11-22)など)となるようにサファイア基板1上に成長させられてもよい。この場合には、それに応じて、N型AlGaN層9、超格子N型層5、P型GaN層6および超格子N型層7は、対応する結晶面を主面として積層されることになる。
The
ゲート絶縁膜19は、たとえば窒化物または酸化物で構成することができる。より具体的には、ゲート絶縁膜を窒化シリコン(SixNy)または酸化シリコンで構成すれば、P型GaN層6との界面の電荷を低減することができ、チャネル領域21におけるキャリア移動度を向上することができる。すなわち、チャネル抵抗を低減することができる。
ゲート電極20は、Ni−Au合金、Ni−Ti−Au合金、Pd−Au合金、Pd−Ti−Au合金、Pd−Pt−Au合金、Pt、Al、ポリシリコンなどの導電性材料で構成される。
The
The
ドレイン電極15は、少なくともAlを含む金属で構成することが好ましく、たとえばTi−Al合金で構成することができる。ソース電極25も同様に、Alを含む金属で構成することが好ましく、たとえばTi−Al合金で構成することができる。Alを含む金属でドレイン電極15およびソース電極25を構成しておくことにより、配線層(図示せず)との良好なコンタクトをとることができる。その他、ドレイン電極15およびソース電極25は、MoもしくはMo化合物(たとえば、モリブデンシリサイド)、TiもしくはTi化合物(たとえば、チタンシリサイド)、またはWもしくはW化合物(たとえば、タングステンシリサイド)で構成してもよい。
The
次に、上記のMIS型電界効果トランジスタの動作について説明する。
ソース電極25とドレイン電極15との間には、ドレイン電極15側が正となるバイアス電圧が与えられる。これにより、超格子N型層5とP型GaN層6との界面のPN接合には逆方向電圧が与えられ、その結果、超格子N型層5,7の間、すなわち、ソース−ドレイン間は、遮断状態となる。この状態で、ソース電極25とゲート電極20との間に、ゲート電極20側が正となる所定の電圧を与えると、P型GaN層6に対するバイアスがゲート電極20に与えられる。これにより、P型GaN層6のチャネル領域21には、電子が誘起されて、反転チャネルが形成される。この反転チャネルを介して、超格子N型層5,7間が導通する。こうして、ソース−ドレイン間が導通することになる。すなわち、ゲート電極20に所定のバイアスを与えたときにソース−ドレイン間が導通し、ゲート電極20にバイアスを与えないときにはソース−ドレイン間が遮断状態となる。このようにして、ノーマリオフ動作が可能となる。
Next, the operation of the MIS field effect transistor will be described.
A bias voltage that is positive on the
チャネル領域21に反転チャネルが形成されているとき、ソース電極25から供給される電子は、超格子N型層7から、チャネル領域21を通って、超格子N型層5に流れ込み、二次元電子ガス28を経由して、ドレイン電極15へと向かう。二次元電子ガス28は、真性GaN層8とN型AlGaN層9との界面に広く分布しているため、チャネル領域21から超格子N型層5に流れ込んだ電子は、超格子N型層5の広い範囲を通って二次元電子ガス28へと流れ込む。このようにして、ドレイン電極15を窒化物半導体積層構造部2の横方向に取り出す構造であるにも拘わらず、電流の集中を緩和することができ、オン抵抗を抑制できる。
When an inversion channel is formed in the
また、ソース層としての超格子N型層7は、それ自体低抵抗であり、また、超格子構造によって横方向への電流拡散が促される。したがって、ソース電極25からチャネル領域21に至る抵抗を抑制できる構造となっている。
さらに、ドレイン層としての超格子N型層5は、それ自体低抵抗であり、また、超格子構造によって横方向への電流拡散が促される。したがって、チャネル領域21からの電子を広い範囲に拡散させることができるので、電流の集中を抑制して、低抵抗化を図ることができる。
The superlattice N-
Further, the superlattice N-
このように、超格子N型層5,7の働きにより、全体としてのオン抵抗を低く抑えることができる。
むろん、P型GaN層6を挟む超格子N型層5,7のいずれか一方のみを通常のN型III−V族窒化物半導体層(N型GaN層またはN型AlGaN層など)としても、オン抵抗低減効果は得られる。
Thus, the on-resistance as a whole can be kept low by the action of the superlattice N-
Of course, only one of the superlattice N-
図2A〜2Eは、図1のMIS型電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。
まず、サファイア基板1の上に、横方向選択エピタキシャル成長法(特許文献2参照)により、真性GaN層8が形成される。そして、この真性GaN層8の上に、エピタキシャル成長によって、順に、N型AlGaN層9、超格子N型層5、P型GaN層6および超格子N型層7が成長させられる。こうして、サファイア基板1上に、窒化物半導体積層構造部2が形成される(図2A参照)。超格子N型層5,7の形成は、たとえば、分子線エピタキシー法によって行うことができる。
2A to 2E are schematic cross-sectional views showing a method of manufacturing the MIS field effect transistor of FIG. 1 in the order of steps.
First, an
なお、サファイア基板1に横方向選択エピタキシャル成長によって真性GaN層8を形成したものを「基板」とみなして、この真性GaN層8よりも上に積層されるIII−V族窒化物半導体層によって「窒化物半導体積層構造部」が構成されるものと考えてもよい。また、サファイア基板(ベア基板)上に予め横方向選択エピタキシャル成長法によってGaN層を形成したものをサファイア基板1として用い、このようなサファイア基板1上に通常のエピタキシャル成長によって真性GaN層8を形成するようにしてもよい。この場合でも、真性GaN層8は、その下地層からの転位を受け継ぐので、転位密度の高い領域と転位密度の低い領域(無転位領域)とを有することになる。
The
真性GaN層8を形成するときには、意図的に不純物をドーピングしなくてもよいし、P型ドーパントとしてのMg、CまたはFeをドーピングしながら、エピタキシャル成長を行ってもよい。これは、P型ドーパントを添加することなくGaN層をエピタキシャル成長させると、若干N型となるので、これを補正するためである。P型GaN層6をエピタキシャル成長させるときに添加するP型のドーパントとしてもMg、CまたはFeを用いればよい。
When the
N型AlGaN層9、超格子N型層5,7をエピタキシャル成長させるときのN型ドーパントとしては、たとえばSiを用いればよい。
窒化物半導体積層構造部2が形成された後には、図2Bに示すように、窒化物半導体積層構造部2がストライプ状にエッチングされる。すなわち、超格子N型層7から、P型GaN層6、超格子N型層5を貫通して、N型AlGaN層9の層厚中間部に至る断面矩形の溝30がエッチングによって形成される。これにより、サファイア基板1上に、複数本の窒化物半導体積層構造部2がストライプ状に整形されるとともに、超格子N型層9の延長部からなる引き出し部10が同時に形成される。そして、整形された各窒化物半導体積層構造部2の両側辺に沿って、それぞれ一対のソース電極用トレンチ24が形成される。このソース電極用トレンチ24は、前述のとおり、超格子N型層7からP型GaN層6に達する断面矩形の溝部である。
For example, Si may be used as an N-type dopant when epitaxially growing the N-
After the nitride semiconductor
ソース電極用トレンチ24の形成は、たとえば、プラズマを用いたドライエッチング(異方性エッチング)によって行うことができる。さらに、その後、必要に応じて、ドライエッチングによってダメージを受けたトレンチ内壁面を改善するためのウェットエッチング処理を行ってもよい。これにより、ソース電極25のコンタクト抵抗を低減できる。ウェットエッチングには、KOH(水酸化カリウム)やNH4OH(アンモニア水)などの塩基性溶液を用いることが好ましい。
The
こうして、ソース電極用トレンチ24が形成された後に、ドレイン電極15およびソース電極25がそれぞれ形成されることにより、図2Bの状態となる。ドレイン電極15は、溝30の底面、すなわち、引き出し部10(N型AlGaN層9の延長部)の表面に接触するように形成される。
次に、図2Cに示すように、各窒化物半導体積層構造部2の幅方向中間部付近に、断面V字形のトレンチ16が、窒化物半導体積層構造部2の長手方向に沿って形成される。トレンチ16の形成位置は、その側壁からP型GaN層6の無転位領域が露出して壁面17を形成するように定められる。このトレンチ16の形成は、プラズマを用いたドライエッチング(異方性エッチング)によって、超格子N型層7からP型GaN層6を貫通して超格子N型層5に至るV字形のトレンチ16を形成する工程と、ドライエッチングによってダメージを受けた露出面を改善するためのウェットエッチング工程とを含む。すなわち、ドライエッチングによってダメージを受けた壁面17に対して、ウェットエッチング処理を施すことにより、ダメージを受けた表層を除去した新たな壁面17が現れることになる。
In this way, after the
Next, as shown in FIG. 2C, a
ウェットエッチングには、KOH(水酸化カリウム)やNH4OH(アンモニア水)などの塩基性溶液を用いることが好ましい。これにより、ダメージの少ない壁面17を得ることができる。壁面17のダメージを低減しておくことにより、チャネル領域21の結晶状態を良好に保つことができ、また、壁面17とゲート絶縁膜19との界面を良好な界面とすることができるので、界面準位を低減することができる。これにより、チャネル抵抗を低減することができるとともに、リーク電流を抑制することができる。
For wet etching, it is preferable to use a basic solution such as KOH (potassium hydroxide) or NH 4 OH (ammonia water). Thereby, the
次に、図2Dに示すとおり、V字形のトレンチ16の壁面17を覆うとともに、トレンチ16の縁部を覆うゲート絶縁膜19が形成される。ゲート絶縁膜19の形成には、ECR(Electron Cyclotron Resonance:電子サイクロトロン共鳴)スパッタ法を適用することが好ましい。
その後、図2Eに示すように、ゲート電極20が形成されることにより、図1に示す構造のMIS型電界効果トランジスタを得ることができる。
Next, as shown in FIG. 2D, a
Thereafter, as shown in FIG. 2E, the
サファイア基板1上にストライプ上に形成された複数の窒化物半導体積層構造部2は、それぞれ単位セルを形成している。複数の窒化物半導体積層構造部2のドレイン電極15、ゲート電極20およびソース電極25は、それぞれ、図示しない位置で共通接続されている。ドレイン電極15は、隣接する窒化物半導体積層構造部2間で共有することができる。
The plurality of nitride
以上のように、この実施形態によれば、超格子N型層5、P型GaN層6および超格子N型層7を積層した縦型のトランジスタ構造を採用することにより、ノーマリオフ動作が可能で、大電流を流すことができ、かつ、高耐圧の電界効果トランジスタを実現することができる。また、サファイア基板1上に真性GaN層8およびN型AlGaN層9を積層し、N型AlGaN層9の引き出し部10にドレイン電極15を接触形成した構造であるので、超格子N型層5に流れ込んだ電子は、この超格子N型層5の広い範囲を通って二次元電子ガス28へと流れ込み、窒化物半導体積層構造部2の側方に設けられたドレイン電極15に向かって移動する。これにより、ドレイン電極15を横方向に取り出す構造を採用しながら、大電流の集中を緩和でき、したがって、オン抵抗を効果的に低減することができる。しかも、絶縁性のサファイア基板1を用いながらも、縦型の電界効果トランジスタを構成でき、かつ、電流の集中を緩和することができる。
As described above, according to this embodiment, normally-off operation is possible by adopting a vertical transistor structure in which the superlattice N-
また、前述のとおり、超格子N型層5,7を用いていることにより、全体のオン抵抗を低減することができる。さらに、P型GaN層6は、超格子N型層5上にエピタキシャル成長させられるので、良好な結晶性を有することができる。これにより、チャネル領域21は優れた結晶性を有するので、信頼性を向上できる。しかも、P型GaN層6の結晶性が良好であることから、このP型GaN層6のエピタキシャル成長時に添加すべきP型ドーパントの量を少なくすることができる。
Further, as described above, the use of the superlattice N-
図3は、この発明の第2の実施形態に係るMIS型電界効果トランジスタの構成を説明するための図解的な断面図である。この図3において、前述の図1に対応する部分には、図1の場合と同一の参照符号を付して示す。
この実施形態では、導電性基板41が用いられている。そして、この導電性基板41の一方表面に窒化物半導体積層構造部2が形成されている。この実施形態では、窒化物半導体積層構造部2は、導電性基板41の表面に形成された超格子N型層5と、その上に積層されたP型GaN層6と、その上に積層された超格子N型層7とで構成されている。そして、導電性基板41の他方表面にドレイン電極15が接触形成されている。したがって、この実施形態では、ドレイン電極15は、導電性基板41を介して超格子N型層5に電気的に接続されることになる。その他の構成は、前述の第1の実施形態の場合と同様であり、動作もまた、同様である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of a MIS field effect transistor according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 3, the same reference numerals as those in FIG. 1 are given to the portions corresponding to those in FIG.
In this embodiment, a
超格子N型層5には、その表面全域に渡って導電性基板41が接触しているから、チャネル領域21を通って超格子N型層5に供給された電子は、この超格子N型層5の広い範囲を通って導電性基板41へと向かい、この導電性基板41を介してドレイン電極15に流れ込む。こうして、電流の集中を抑制することができる
導電性基板41としては、ZnO基板、Si基板、GaAs基板、GaN基板またはSiC基板を適用することができる。この中で、GaN基板を用いることが最も好ましい。GaN基板を導電性基板41として用いることにより、その表面に形成される超格子N型層5との格子定数を整合させることができる。したがって、導電性基板41としてGaN基板を用い、この導電性基板41の表面に超格子N型層5、P型GaN層6および超格子N型層7を順にエピタキシャル成長させることによって、格子欠陥の少ない窒化物半導体積層構造部2を得ることができる。
Since the
主面がC面(0001)の導電性基板41を用いると、この導電性基板41上にエピタキシャル成長によって積層される超格子N型層5、P型GaN層6および超格子N型層7は、やはりC面(0001)を主面として積層されることになる。また、断面V字形のトレンチ16の壁面17は、たとえば、無極性面(m面(10-10)もしくはa面(11-20))、またはセミポーラ面((10-1-1)、(10-1-3)、(11-22)など)となる。
When a
導電性基板41として、その主面が無極性面(m面(10-10)もしくはa面(11-20))またはセミポーラ面((10-1-1)、(10-1-3)、(11-22)など)のものを用いてもよい。この場合には、それに応じて、超格子N型層5、P型GaN層6および超格子N型層7は、対応する結晶面を主面として積層されることになる。
図4A〜4Eは、図3の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。導電性基板41上に、超格子N型層5、P型GaN層6および超格子N型層7が順にエピタキシャル成長させられることによって、窒化物半導体積層構造部2が形成される(図4A参照)。
As the
4A to 4E are schematic cross-sectional views showing the method of manufacturing the field effect transistor of FIG. 3 in the order of steps. The superlattice N-
次に、窒化物半導体積層構造部2に対して、断面矩形のソース電極用トレンチ24がストライプ状に形成され、ソース電極用トレンチ24内にソース電極25が埋め込まれる(図4B)。この実施形態の電界効果トランジスタは、ドレイン電極15を導電性基板41の下面側(窒化物半導体積層構造部2とは反対側)から取り出す構造であるので、窒化物半導体積層構造部2を複数個に分割する必要はなく、導電性基板41上で一体化した状態で用いることができる。
Next,
次に、隣接するソース電極用トレンチ24の間の中間部付近に、第1の実施形態の場合と同様に、ドライエッチングによって断面V字形のトレンチ16が形成され、さらにウェットエッチングによって壁面17のダメージ層が除去される(図4C参照)。そして、図4Dに示すように、トレンチ16の壁面17を覆うゲート絶縁膜19が形成された後、図4Eに示すように、ドレイン電極15およびゲート電極20が形成される。ドレイン電極15は、この場合、導電性基板41の下面に接触するように形成される。
Next, as in the case of the first embodiment, a
こうして、個々のトレンチ16の部分を単位セルとして、複数のセルを有する電界効果トランジスタを作製することができる。隣接するセルは、その間に配置されるソース電極25を共有している。そして、前述の第1の実施形態の場合と同様に、複数のセルのゲート電極20およびソース電極25は、それぞれ、図示しない位置で共通接続されている。ドレイン電極15は、導電性基板41に接触して形成されており、すべてのセルに対して共通の電極となっている。
In this manner, a field effect transistor having a plurality of cells can be manufactured using each
図5は、この発明の第3の実施形態に係るMIS型電界効果トランジスタの構成を説明するための図解的な断面図である。この図5において、前述の図3に示された各部に対応する部分には同一の参照符号を付して示す。この実施形態では、基板が設けられておらず、窒化物半導体積層構造部2においてゲート電極20とは反対側の表面にドレイン電極15が接触して形成されている。より具体的には、超格子N型層5の下面(ゲート電極20とは反対側の表面)のほぼ全域を覆うようにドレイン電極15が被着形成されている。したがって、この電界効果トランジスタは極めて薄型に形成することができ、ドレイン電極15からゲート電極20またはソース電極25の上面に至る素子全体の厚みを30μm以下とすることが可能である。また、超格子N型層5に流れ込んだ電子は、この超格子N型層5の広い範囲に拡散して流れ、ドレイン電極15へと流れ込む。したがって、電流の集中を抑制することができる。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of a MIS field effect transistor according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 5, parts corresponding to the parts shown in FIG. 3 are given the same reference numerals. In this embodiment, the substrate is not provided, and the
図6A〜6Fは、図5の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。基板45上に、超格子N型層5、P型GaN層6および超格子N型層7が順にエピタキシャル成長させられることによって、窒化物半導体積層構造部2が形成される(図6A参照)。
基板45としては、サファイア基板、ZnO基板、Si基板、GaAs基板、GaN基板、またはSiC基板を適用することができる。GaN基板を用いることが、窒化物半導体層との格子定数を整合性の観点から最も好ましい。しかし、たとえばサファイア基板の上に、横方向選択エピタキシャル成長によってGaNエピタキシャル成長層を形成し、これを基板45として用い、前記GaNエピタキシャル成長層上に、超格子N型層5、P型GaN層6および超格子N型層7を順にエピタキシャル成長させてもよい。
6A to 6F are schematic sectional views showing a method of manufacturing the field effect transistor of FIG. 5 in the order of steps. The superlattice N-
As the
主面がC面(0001)の基板45を用いれば、この基板45上にエピタキシャル成長によって積層される超格子N型層5、P型GaN層6および超格子N型層7は、C面(0001)を主面として積層されることになる。また、後に形成される断面V字形のトレンチ16の壁面17は、たとえば、無極性面(m面(10-10)もしくはa面(11-20))またはセミポーラ面((10-1-1)、(10-1-3)、(11-22)など)となる。基板45として、その主面が無極性面(m面(10-10)もしくはa面(11-20))またはセミポーラ面((10-1-1)、(10-1-3)、(11-22)など)のものを用いてもよい。この場合には、それに応じて、超格子N型層5、P型GaN層6および超格子N型層7は、対応する結晶面を主面として積層されることになる。
If a
次に、窒化物半導体積層構造部2に対して、断面矩形のソース電極用トレンチ24がストライプ状に形成され、このソース電極用トレンチ24内にソース電極25が埋め込まれる(図6B)。この実施形態の電界効果トランジスタは、ドレイン電極15を窒化物半導体積層構造部2の下面側(ゲート電極20とは反対側)から取り出す構造であるので、窒化物半導体積層構造部2を複数個に分割する必要はない。
Next, the
次に、隣接するソース電極用トレンチ24の間の中間部付近に、第1の実施形態の場合と同様に、ドライエッチングによって断面V字形のトレンチ16が形成され、さらにウェットエッチングによって壁面17のダメージ層が除去される(図6C参照)。さらに、図6Dに示すように、トレンチ16の壁面17を覆うゲート絶縁膜19が形成され、これを覆うようにゲート電極20が形成される。
Next, as in the case of the first embodiment, a
ついで、図6Eに示すように、基板45が除去される。基板45の除去は、基板45の面からレーザ光を当てて基板45を剥離するレーザリフトオフ法によって行うことができるほか、CMP(化学的機械的研磨)処理や、エッチング処理によっても行うことができる。
その後、図6Fに示すように、ドレイン電極15が形成される。ドレイン電極15は、この場合、超格子N型層5に接触して形成される。
Next, as shown in FIG. 6E, the
Thereafter, as shown in FIG. 6F, the
こうして、個々のトレンチ16の部分を単位セルとして、複数のセルを有する電界効果トランジスタを作製することができる。前述の第2の実施形態の場合と同様に、隣接するセルは、その間に配置されるソース電極25を共有している。そして、複数のセルのゲート電極20およびソース電極25は、それぞれ、図示しない位置で共通接続されている。ドレイン電極15は、超格子N型層5に接触して形成されており、すべてのセルに対して共通の電極となっている。
In this manner, a field effect transistor having a plurality of cells can be manufactured using each
図7は、この発明の第4の実施形態に係るMIS型電界効果トランジスタの構成を説明するための図解的な断面図である。この図7において、前述の図3に示された各部に相当する部分には、図3の場合と同一の参照符号を付して示す。この実施形態では、トレンチ16の壁面17から再成長(エピタキシャル成長)させたAlGaN再成長層51と、このAlGaN再成長層51の表面に積層して形成された絶縁膜52とによって、ゲート絶縁膜50が形成されている。このゲート絶縁膜50は、前述の実施形態におけるゲート絶縁膜19と同様に、トレンチ16の壁面17を覆い、さらに、超格子N型層7の上面においてトレンチ16の縁部に至る領域にわたって形成されている。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of a MIS field effect transistor according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 7, parts corresponding to the parts shown in FIG. 3 are given the same reference numerals as in FIG. In this embodiment, the
AlGaN再成長層51は、ドライエッチングによってトレンチ16を形成し、ウェットエッチング処理によって壁面17を整えた後に、GaN結晶表面である壁面17からエピタキシャル成長させられる。このAlGaN再成長層51のアルミニウム組成は、50%以上100%未満とされる。AlGaN再成長層51には、Inは含まれていないことが好ましい。また、AlGaN再成長層51が形成される壁面17は、無極性面(m面(10-10)もしくはa面(11-20))またはセミポーラ面((10-1-1)、(10-1-3)、(11-22)など)であることが好ましい。
The
AlGaN再成長層51に積層される絶縁膜52は、たとえば窒化物または酸化物とすることができる。この絶縁膜52は、ゲート絶縁膜50の全体としての絶縁性を向上し、これにより、ゲートリーク電流の抑制に寄与している。AlGaN再成長層51の絶縁性が十分であれば、絶縁膜52は省かれてもよい。
この実施形態の構成によれば、ゲート絶縁膜50と壁面17との界面は、GaN結晶とAlGaN結晶との接合面となっているので、安定した界面となっており、これにより、界面電荷を減少させることができる。これにより、チャネル領域21の移動度を向上でき、また、リーク電流を抑制することができる結果、デバイスの信頼性を向上することができる。
The insulating
According to the configuration of this embodiment, since the interface between the
図8A〜8Fは、図7の電界効果トランジスタの製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。導電性基板41上に、超格子N型層5、P型GaN層6および超格子N型層7が順にエピタキシャル成長させられることによって、窒化物半導体積層構造部2が形成される(図8A参照)。
次に、窒化物半導体積層構造部2に対して、ドライエッチングによって断面V字形のトレンチ16がストライプ状に形成され、さらにウェットエッチングによって壁面17のダメージ層が除去される(図8B参照)。そして、図8Cに示すように、トレンチ16の壁面17からのエピタキシャル成長によって、AlGaN再成長層51が形成される。このAlGaN再成長層51は、真性半導体層であり、たとえば、層厚1000Å程度に成長させられる。
8A to 8F are schematic sectional views showing the method of manufacturing the field effect transistor of FIG. 7 in the order of steps. The superlattice N-
Next,
この後、図8Dに示すように、隣接するV字形トレンチ16の中間部付近に、断面矩形のソース電極用トレンチ24がストライプ状に形成され、これを埋め込むようにソース電極25が形成される。
この後、図8Eに示すように、AlGaN再成長層51上に絶縁膜52が積層される。
こうしてゲート絶縁膜50が形成された後、ゲート電極20が形成される。その後、図8Fに示すように、ドレイン電極15が形成される。ドレイン電極15は、導電性基板41の下面に接触するように形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 8D, a
Thereafter, as shown in FIG. 8E, an insulating
After the
こうして、個々のトレンチ16の部分を単位セルとして、複数のセルを有する電界効果トランジスタを作製することができる。複数のセルのゲート電極20およびソース電極25は、それぞれ、図示しない位置で共通接続されている。ドレイン電極15は、導電性基板41に接触して形成されており、すべてのセルに対して共通の電極となっている。
以上、この発明の4つの実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、図7に示したゲート絶縁膜50の構造は、第1実施形態(図1)および第3実施形態(図5)のゲート絶縁膜19と置き換えて用いることができる。
In this manner, a field effect transistor having a plurality of cells can be manufactured using each
As mentioned above, although four embodiment of this invention was described, this invention can also be implemented with another form. For example, the structure of the
さらに、前述の実施形態では、窒化物半導体積層構造部2に断面V型のトレンチ16が形成される例について説明したが、トレンチ16の形状は、逆台形、U形、矩形、台形等の他の形状であってもよい。また、壁面17は、基板に対して傾斜した傾斜面である必要はなく、また、平面である必要もない。すなわち、壁面17は、基板に垂直な平面であってもよいし、湾曲面であってもよい。
Furthermore, in the above-described embodiment, the example in which the V-shaped
また、前述の実施形態では、トレンチ16の一対の壁面17の両方にゲート絶縁膜19およびゲート電極20を積層して形成しているが、一方の壁面17にだけこれらの積層構造を形成することとしてもよい。さらに、たとえば、図3において二点鎖線60で示す位置で窒化物半導体積層構造部2をエッチングすることとし、この二点鎖線60のいずれか一方側のみを用いてデバイスを形成するようにしてもよい。この場合、窒化物半導体積層構造部2には断面V字形のトレンチは形成されないが、超格子N型層5、P型GaN層6および超格子N型層7にまたがる壁面17は形成されることになる。
In the above-described embodiment, the
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。 In addition, various design changes can be made within the scope of matters described in the claims.
1 サファイア基板
2 窒化物半導体積層構造部
5 超格子N型層
6 P型GaN層
7 超格子N型層
8 真正GaN層
9 N型AlGaN層
10 引き出し部
15 ドレイン電極
16 トレンチ
17 壁面
19 ゲート絶縁膜
20 ゲート電極
21 チャネル領域
24 ソース電極用トレンチ
25 ソース電極
28 二次元電子ガス
30 溝
41 導電性基板
45 基板
50 ゲート絶縁膜
51 AlGaN再成長層
52 絶縁膜
DESCRIPTION OF
Claims (26)
前記第1、第2および第3III-V族窒化物半導体層に跨って形成された壁面に、これら第1、第2および第3III-V族窒化物半導体層に跨るように形成されたゲート絶縁膜と、
このゲート絶縁膜を挟んで前記第2III-V族窒化物半導体層に対向するように形成された導電性材料からなるゲート電極と、
前記第1III-V族窒化物半導体層に電気的に接続されたドレイン電極と、
前記第3III-V族窒化物半導体層に電気的に接続されたソース電極とを含む、MIS型電界効果トランジスタ。 First conductivity type first group III-V nitride semiconductor layer, second conductivity type second group III-V nitride semiconductor layer stacked on the first group III-V nitride semiconductor layer, and second type III-V A third group III-V nitride semiconductor layer of the first conductivity type stacked on a group nitride semiconductor layer, wherein at least one of the first and third group III-V nitride semiconductor layers has a composition A nitride semiconductor multilayer structure, which is a superlattice semiconductor layer made of different nitrides, and
Gate insulation formed on the wall formed across the first, second and third III-V nitride semiconductor layers so as to straddle the first, second and third III-V nitride semiconductor layers A membrane,
A gate electrode made of a conductive material formed to face the second group III-V nitride semiconductor layer with the gate insulating film interposed therebetween;
A drain electrode electrically connected to the first III-V nitride semiconductor layer;
A MIS field-effect transistor including a source electrode electrically connected to the third III-V nitride semiconductor layer.
前記ドレイン電極は、前記第4III-V族窒化物半導体層に接続されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載のMIS型電界効果トランジスタ。 The nitride semiconductor multilayer structure is disposed on the opposite side of the first III-V group nitride semiconductor layer from the second group III-V nitride semiconductor layer. Further comprising a group V nitride semiconductor layer;
The MIS field effect transistor according to claim 1, wherein the drain electrode is connected to the fourth group III-V nitride semiconductor layer.
前記ドレイン電極が、前記導電性基板の他方表面に接続されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載のMIS型電界効果トランジスタ。 The nitride semiconductor multilayer structure is disposed on one surface of a conductive substrate;
The MIS field effect transistor according to claim 1, wherein the drain electrode is connected to the other surface of the conductive substrate.
この第1III-V族窒化物半導体層上に、第2導電型の第2III-V族窒化物半導体層を積層して形成する工程と、
この第2III-V族窒化物半導体層上に、前記第1導電型の第3III-V族窒化物半導体層を積層して形成する工程と、
前記第1、第2および第3III-V族窒化物半導体層に跨る壁面を形成する壁面形成工程と、
前記壁面に、前記第1、第2および第3III-V族窒化物半導体層に跨るようにゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、
前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第2III-V族窒化物半導体層に対向するように、導電性材料からなるゲート電極を形成する工程と、
前記第1III-V族窒化物半導体層に電気的に接続されるようにドレイン電極を形成する工程と、
前記第3III-V族窒化物半導体層に電気的に接続されるようにソース電極を形成する工程とを含み、
前記第1III-V族窒化物半導体層を形成する工程および第3III-V族窒化物半導体層を形成する工程のうちの少なくともいずれか一方は、組成の異なる窒化物からなる超格子半導体層を形成する工程を含む、MIS型電界効果トランジスタの製造方法。 Forming a first III-V nitride semiconductor layer of a first conductivity type on a substrate;
Forming a second conductivity type second group III-V nitride semiconductor layer on the first group III-V nitride semiconductor layer; and
A step of stacking and forming the first conductivity type third group III-V nitride semiconductor layer on the second group III-V nitride semiconductor layer;
A wall surface forming step of forming a wall surface straddling the first, second and third group III-V nitride semiconductor layers;
Forming a gate insulating film on the wall surface so as to straddle the first, second, and third group III-V nitride semiconductor layers;
Forming a gate electrode made of a conductive material so as to face the second group III-V nitride semiconductor layer with the gate insulating film interposed therebetween;
Forming a drain electrode so as to be electrically connected to the first III-V nitride semiconductor layer;
Forming a source electrode so as to be electrically connected to the third group III-V nitride semiconductor layer,
At least one of the step of forming the first III-V group nitride semiconductor layer and the step of forming the third group III-V nitride semiconductor layer forms a superlattice semiconductor layer made of nitride having a different composition A method for manufacturing a MIS field effect transistor.
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