JP5906004B2 - 電界効果トランジスタおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
図6の電界効果トランジスタは、サファイア基板のような、高抵抗の基板1と、この基板1上に設けられた厚さ50nmのGaNからなるバッファ層2とを有する。バッファ層2上には、厚さ400nmのGaNからなる電子走行層3、厚さ1nmのAlNからなる中間層9、厚さ30nmのアンドープAl0.2Ga0.8Nからなる電子供給層4が、順次積層され、ヘテロ接合構造が形成されている。そして、ソース電極S、ゲート電極G、ドレイン電極Dが平面配置されている。
部分8以外では、AlNからなる中間層9とGaNからなる電子走行層3とのヘテロ接合界面に、アンドープAl0.2Ga0.8Nからなる電子供給層4から供給される電子が蓄積される。このAlNからなる中間層9とGaNからなる電子走行層3とのヘテロ接合界面に蓄積される電子は、2次元電子ガス6を構成している。
従って、ゲート電極Gに印加するゲート電圧VGが0Vである状態では、ソース電極Sとドレイン電極Dとの間にドレイン電圧VDを印加しても、ドレイン電流IDが流れない、ノーマリオフ状態が達成されている。一方で、ゲート電極Gに印加するゲート電圧VGを、閾値電圧よりも高い正電圧にバイアスすると、ドレイン電流IDが流れ出す。これにより、エンハンスメント(ノーマリオフ)型電界効果トランジスタが実現されている。
まず、サファイア基板1をMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置内に導入し、ターボポンプでMOCVD装置内の真空度を1×10−6hPa以下になるまで真空引きする。その後、真空度を100hPaとし、基板1を1100℃に昇温する。温度が安定したところで、基板1を900rpmで回転させる。原料となるトリメチルガリウム(TMG)を100cm3/min、アンモニアを12リットル/minの流量で、基板1の表面に導入し、GaNからなるバッファ層2の成長を行う。成長時間は4min(240sec)でバッファ層2の膜厚は50nm程度である。
ゲート電極Gを正にバイアスして、ゲート電圧VGを閾値バイアスVthより高く設定し、「オン状態」となった時点でのソース・ドレイン間の抵抗、所謂オン抵抗が高いために消費電力が大きくなってしまう。この原因としては以下の点が考えられる。
図6に示す構成の、従来技術に係るエンハンスメント(ノーマリオフ)型電界効果トランジスタでは、凹部7の端とゲート電極Gとの間に隙間を設けている。ゲート電極Gを正にバイアスして、ゲート電圧VGが閾値バイアスVthに達すると、ゲート電極Gの直下の電子走行層3内には2次元電子ガス6が発生する。一方、前記凹部7の端とゲート電極Gとの隙間部に関しては、電子供給層4の表面の電位は、ゲート電極Gの直下の電子供給層4の表面の電位と相違し、前記隙間部直下の電子走行層3では2次元電子ガス6が消失したままとなる。結果として、この部分が高い抵抗となることにより、オン抵抗が高くなる。
仮に、上述した凹部7とゲート電極Gとの隙間部分の2次元電子ガス6が、凹部以外の部分に比べて、1/1000になっている、すなわち、この部分のシート抵抗が500Ω/□の1000倍の500kΩ/□程度になっているものとする。図6に示す構造においては、ゲート電極Gを凹部7内に形成するには、位置合わせ精度を考慮すると、少なくとも、0.2μmの隙間をゲート電極と凹部7の端との間に設けなければならない。仮に、ゲート電極Gと凹部7の端との隙間を、0.2μmと仮定すると、この隙間の直下の領域の抵抗は、ゲート幅1mm(=1000μm)あたり、500000×0.2/1000=100Ωmmとなる。このゲート電極Gと凹部7の端との隙間の抵抗は、凹部7以外の部分での抵抗に比べて、20倍ものオン抵抗への寄与がある。そのため、ゲート電極Gと凹部7の端との隙間がある程度小さくても、著しくオン抵抗を増加させてしまう要因となっていることがわかる。
凹部7の底面が平坦に形成されず、同一トランジスタ内で閾値バイアスVthを均一に制御することが困難である。この凹部7の底面が平坦にならない要因(原因)を以下に説明する。
現在、製造可能な窒化物系半導体エピタキシャルウェハは、SiやGaAsなど従来用いられている半導体基板およびそのエピタキシャルウェハに比べて、基板からエピタキシャル層表面へ至る貫通転位の密度が極めて大きいことが知られている。基板としてサファイア、炭化ケイ素(SiC)、Siなど窒化物系半導体でない材料を用いたものでは、その転位密度は108〜109cm−2と極めて大きく、また、近年の青紫レーザーダイオードの開発で注目されているGaN基板を用いた場合でも転位密度は106cm−2程度である。
一方、ノーマリオフ型の実現が期待されるパワーデバイスの分野においては、10A以上の大電流を流す必要から、電界効果トランジスタのゲート幅(Wg)は、少なくとも10mm以上に設計される。図6における凹部7の幅は通常数μm程度に設計されるが、ここでは仮に1μm=10−4cmとすると、Wg=10mm=1cmの単一トランジスタには凹部7の領域が10−4×1=10−4cm2の面積で存在する。従って、基板にサファイア、SiC、Siなどを用いた場合、単一のトランジスタの凹部7の領域には104〜105個の転位が存在することになり、基板にGaNを用いた場合でも、凹部7の領域には102個程度の転位が存在する。このように、パワーデバイスの分野に利用する大電流トランジスタの製造においては、凹部7の領域に転位が存在しないようにすることは困難である。
製造した電界効果トランジスタの閾値バイアスVthは、凹部7の底部に残った電子供給層4の厚さで決まるため、凹部7の底面に凹凸があるということは、単一のトランジスタであるにも関わらず、その内部で領域毎に閾値バイアスVthが異なってしまうという問題が生じる。
・リセス中、このリセス内に形成されるゲート電極の両側に残余する領域のサイズ(長さ)を、それぞれ、0.2μm以下に抑えることが困難であること;
・かかるゲート電極の両側に残余する領域では、電子供給層の膜厚が薄くなっており、その直下は、「2次元電子ガスが消失している」状態となっていること;
また、図7に示す従来のエンハンスメント(ノーマリオフ)型電界効果トランジスタの製造方法において、閾値バイアスVthの制御性が悪い主要な要因は、下記の三点に集約されることを見出した。
・貫通転位密度の十分小さい窒化物系半導体エピタキシャルウェハの製造が困難であること;
・かかるウェハを用いて凹部7の領域を熱酸化すると、貫通転位の周辺とそれ以外の領域で酸化層の形成速度が大きくことなること;
・底面を平坦にするため、ドライエッチングにて、凹部7を形成した場合、ウェハ面内でのエッチング速度のばらつきによって生じる閾値バイアスのばらつきが大きいこと。
これらの課題を解決する手段として、下記の構造及び製造方法を選択することが有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明の電界効果トランジスタの製造方法は、GaNまたはInGaNを含む電子走行層を形成する工程と、前記電子走行層上にInxAlyGa1−x−yN(0≦x<1、0<y<1、0<x+y<1)を含む第1の電子供給層を形成する工程と、前記第1の電子供給層上に、InAlNを含む第1の層を形成する工程と、前記第1の層上に、InaAlbGa1−a−bN(0≦a<1、0<b<1、0<a+b<1)を含む第2の電子供給層を形成する工程と、前記第2の電子供給層上に、ソース電極およびドレイン電極を離間配置する工程と、前記ソース電極と前記ドレイン電極の間となる領域に開口が形成された第1のマスクを、前記第2の電子供給層上に形成する工程と、ドライエッチングにより、前記第1のマスクの開口から露出した前記第2の電子供給層を除去するとともに、第2の電子供給層の下部の第1の層を除去し、第1の層が底面となる孔を形成する工程と、ウェットエッチングにより、前記孔の底面を構成する第1の層を除去して、第1の電子供給層を露出させ、第1のリセスを形成する工程と、前記第1のリセス内に、ゲート電極を埋め込む工程とを含み、前記各層表面側からの平面視において、前記第2の電子供給層が、前記第1の電子供給層と前記電子走行層との界面のうち、前記ゲート電極に被覆されている前記第1のリセスの底面の下方領域をのぞいた領域と重なる電界効果トランジスタを形成する電界効果トランジスタの製造方法である。
(第1実施形態)
図1〜図3を参照して、第1実施形態にかかる電界効果トランジスタについて説明する。
はじめに図1を参照して、本実施形態の電界効果トランジスタの概要について説明する。
図1は、第1実施形態にかかる電界効果トランジスタの構造を模式的に示す断面図である。
本実施形態の電界効果トランジスタは、GaNまたはInGaNを主成分として含む電子走行層103と、電子走行層103上に配置され、InxAlyGa1−x−yN(0≦x<1、0<y<1、0<x+y<1)を主成分として含む第1の電子供給層104と、第1の電子供給層104上に配置され、InAlNを主成分として含む第1のエッチングストッパ層(第1の層)105と、第1のエッチングストッパ層105上に設けられ、InaAlbGa1−a−bN(0≦a<1、0<b<1、0<a+b<1)を主成分として含む第2の電子供給層106と、第2の電子供給層106上に設けられ、離間配置されたソース電極107およびドレイン電極108と、前記ソース電極107と、ドレイン電極108との間に設けられるゲート電極109とを備える。
第2の電子供給層106および第1のエッチングストッパ層105には、これらを貫通し、第1の電子供給層104表面を底面とする第1のリセス111が形成されている。
ゲート電極109は、第1のリセス111の底面を被覆し、前記第1のリセス111内に配置されている。
第2の電子供給層106は、各層の表面側からの平面視(換言すると基板101の基板面側からの平面視)において、第1の電子供給層104と電子走行層103との界面のうち、ゲート電極109に被覆されている第1のリセス111の底面の下方領域をのぞいた領域全面を被覆する。
ここで、ゲート電極109に被覆されている第1のリセス111の底面の下方領域とは、ゲート電極に被覆されている部分の直下の領域と、この直下の領域から層の平面方向に数100Åの範囲にある領域をいう。すなわち、ゲート電極に被覆されている部分の直下の領域と、第2の電子供給層に覆われていなくてもオン抵抗が増加しない領域とを含む。
電界効果トランジスタは、前述した電子走行層103、第1の電子供給層104、第1のエッチングストッパ層105、第2の電子供給層106、ソース電極107、ドレイン電極108、ゲート電極109に加え、基板101、バッファ層102、第1の絶縁膜110を有している。
なお、第1の電子供給層104と、第1のエッチングストッパ層105との間に厚さ0.5nm以上、10nm以下のGaNからなる(GaNを主成分とする)中間層Aを形成してもよい(図8参照)。この場合には、第1のリセス111は、中間層Aを貫通するものとなる。
なお、基板101としては、サファイア基板、SiC基板、Si基板を使用してもよい。また、バッファ層102もGaNに限られるものではない。
基板101上にバッファ層102が積層されている。そして、本実施形態では、このバッファ層102上に、厚さ1μmのGaNからなる電子走行層103、厚さ5nmのアンドープAl0.2Ga0.8Nからなる第1の電子供給層104、厚さ5nmのIn0.17Al0.83Nからなる第1のエッチングストッパ層105、厚さ25nmのアンドープAl0.2Ga0.8Nからなる第2の電子供給層106が、この順にエピタキシャル成長され、積層構造を形成している。
なお、各層の厚みや、組成比は、例示であり、上述したものに限られるものではない。
本実施形態では、第1の電子供給層104のAl組成比は20%であり、第1のエッチングストッパ層105のAl組成比は、83%である。
このように第1の電子供給層104のAl組成比と、第1のエッチングストッパ層105のAl組成比との差を大きくすることで、後述するウェットエッチングの際の選択比を大きくとることができる。
また、第1の電子供給層104の厚みは、均一であり、第1のリセス111の直下の部分と、他の部分との厚みは等しい。すなわち、第1のリセス111を形成する際に、第1の電子供給層104はほとんどエッチングされていない。
AlGaNからなる第1の電子供給層104の膜厚は、厚さを2〜15nmの範囲に制御することが好ましい。これにより、ゲート電圧VG=0Vを印加した状態で、ゲート電極直下の2次元電子ガスを確実に消失させることができる。
さらに、第2の電子供給層106を構成するAlGaNのAl組成(b)は、第1の電子供給層104を構成するAlGaNのAl組成(y)と等しいか、それより大きいことが好ましい。本実施形態では、第2の電子供給層106を構成するAlGaNのAl組成(b)は、第1の電子供給層104を構成するAlGaNのAl組成(y)と等しくなっている。bをy以上とすることで、第1のリセス111以外の領域で2次元電子ガスを確実に発生させ、低オン抵抗とすることができる。
さらには、bをyよりも大きくすればするほど第1のリセス111以外の領域での2次元電子ガス濃度を高めることができ、この領域の抵抗が低減される。ただし、bを大きくしすぎると、第2の電子供給層106表面に形成されるソース電極107およびドレイン電極108との接触抵抗が増加する。低いオン抵抗の電界効果トランジスタを実現するためには、bを15%〜35%の範囲に、より好ましくは20%〜30%の範囲に制御するとよい。
なお、第1の電子供給層104のAl組成(y)は、チャネル層内に十分な濃度の2次元電子ガスを得ること、および十分高い移動度の2次元電子ガスを得るという観点から15%以上25%以下であることが好ましい。
この第1のリセス111は、第2の電子供給層106および第1のエッチングストッパ層105を貫通し、側面が、第2の電子供給層106および第1のエッチングストッパ層105で構成され、底面が第1の電子供給層104で構成される。この第1のリセス111の幅は、底面側から上面(開口)側に至るまで略均一である。すなわち、各層の表面と直交する断面(層の積層方向に沿った断面)において、第1のリセス111は、断面矩形形状であり、底面の幅と、第2の電子供給層106で構成される側面間の幅と、第1のエッチングストッパ層105で構成される側面間の幅とが略等しい。
また、第1のリセス111は平面矩形形状である。
すなわち、オン状態において、2次元電子ガスの消失した高抵抗領域が形成されない程度、第1のエッチングストッパ層105で構成される側面間の幅が第1のリセス111の底面の幅および第2の電子供給層106で構成される側面間の幅よりも広くてもよい。
後述するウェットエッチングでのエッチング停止機能を利用して、InAlNからなる第1のエッチングストッパ層105をわずかにオーバーエッチングすることによって、ゲート電極109と第1のエッチングストッパ層105とが接触しない隙間のあいた構造としてもよい。
さらに、この隙間のあいた構造では、第1のエッチングストッパ層105にn型不純物を添加することで、ゲートリーク電流を増加させることなく、2次元電子ガスとソース電極107およびドレイン電極108との間のアクセス抵抗を低減することができる。これは、n型不純物添加によって、第1のエッチングストッパ層105に生じるポテンシャルバリアが下がることによる。n型不純物添加量としては、5×1018cm−3〜1×1019cm−3の範囲に制御することが好ましい。
このゲート電極109は、断面T字型形状であり、第1のリセス111内に埋め込まれる断面矩形状部分と、この断面矩形状部分上部に接続された庇部分とを有している。
始めに、有機金属気相成長法(MOVPE: Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)を用いて、基板101上に、バッファ層102、厚さ1μmのGaNからなる電子走行層103、厚さ5nmのアンドープAl0.2Ga0.8Nからなる第1の電子供給層104、厚さ5nmのIn0.17Al0.83Nからなる第1のエッチングストッパ層105、厚さ25nmのアンドープAl0.2Ga0.8Nからなる第2の電子供給層106、をこの順にエピタキシャル成長する。そして、窒化物半導体の積層構造を得る(図2(a))。
このフォトレジスト・マスクを利用し、RIE(Reactive Ion Etching)法を用いて、SiNからなる第1の絶縁膜110を選択的にエッチングし、開口110Aを形成する(図2(c))。この第1の絶縁膜110をマスクとし、ICP(Inductively Coupled Plasma)ドライエッチング法を用いて、第2の電子供給層106および第1のエッチングストッパ層105の一部を選択的に除去する(図3(a))。これにより、第1のエッチングストッパ層105が底面となる孔105Aが形成されることとなる。
次いで、蒸着・リフトオフ法を用いて、Ni/Au(30/300nm)を、第1のリセス111を埋め込むように形成する。その結果、パターニングされたNi/Au(30/300nm)の断面形状は、T型となり、T型のゲート電極109を得ることで電界効果トランジスタが完成する(図3(c))。なお、前述したGaNからなる中間層を形成する場合には、第1の電子供給層上に前記中間層を形成した後、第1のエッチングストッパ層を設ければよい。
第1実施形態にかかる電界効果トランジスタでは、第1のリセス111を形成する際に、ドライエッチング法にて第1のエッチングストッパ層105の途中までをエッチング除去し、残りをウェットエッチング法で除去しているために、トランジスタの閾値バイアスVthを高い精度で制御することが可能である。
これは、以下のような理由による。
ドライエッチングでは、AlGaNからなる第2の電子供給層106とInAlNからなる第1のエッチングストッパ層105との間のエッチング速度比(所謂「選択比」)が50〜80程度と低いため、エッチングは第1のエッチングストッパ層105表面では停止せず、その一部がエッチング除去されてしまう。一方、このドライエッチング工程の後に続くウェットエッチングでは、InAlNからなる第1のエッチングストッパ層105とAlGaNからなる第1の電子供給層104との間の選択比が2000以上と高いため、エッチングは第1の電子供給層104表面で高精度に停止する。電界効果トランジスタの閾値バイアスVthは、このエッチング底面に形成されたゲート電極直下のAlGaNからなる電子供給層104の厚さで決まるため、高精度にエッチング停止できることは、閾値バイアスVthを高精度に制御できることを意味する。
また、GaNからなる中間層を挿入することにより、第1の電子供給層の膜厚が同じで、中間層がない場合に比べて、閾値バイアスVthがより大きくなる。これにより、オフ状態でのリーク電流を低減できる。
ただし、GaNからなる中間層は、第1のリセス以外の領域の2次元電子ガスを減少させてオン抵抗を増加させる機能があるため、低いオン抵抗のエンハンスメント(ノーマリオフ)型電界効果トランジスタを実現するためには、GaNからなる中間層の厚さを0.5〜5nmの範囲に選択することが好ましい。
従来のリセス構造電界効果トランジスタにおける「オン抵抗」は、5.5Ωmm程度であったのに対して、第1実施形態にかかる電界効果トランジスタにおける「オン抵抗」は、2.3Ωmmとなり、従来の半分以下に低減された。さらに、第1のエッチングストッパ層105にn型不純物としてSiを4×1019cm−3の濃度で添加し、T型ゲート電極109と第1のエッチングストッパ層105との間に20nm=0.02μmの隙間を設ける構成としたところ、オン抵抗を1.8Ωmmまで低減できた。
次に、図4を参照して、本発明の第2実施形態について説明する。
前記実施形態においては、T型ゲート電極109が第1の電子供給層104にショットキー接触して形成される、ショットキーゲート構造となっていたが、本実施形態では、T型のゲート電極109と第1の電子供給層304との間にゲート絶縁膜312を形成したMISゲート構造となっている。
第2実施形態にかかる電界効果トランジスタにおいて利用される窒化物半導体は、下記の層状構造を有している。基板101上に、バッファ層102、厚さ1μmのGaNからなる第2のバッファ層313、厚さ15nmのIn0.05Ga0.95Nからなる電子走行層303、厚さ5nmのアンドープAl0.17Ga0.83Nからなる第1の電子供給層304、厚さ5nmでn型不純物としてSiを5×1019cm−3の濃度に添加したIn0.17Al0.83Nからなる第1のエッチングストッパ層(第1の層)305、厚さ25nmのアンドープAl0.25Ga0.75Nからなる第2の電子供給層306が、この順にエピタキシャル成長され、積層構造を形成している。該第2の電子供給層306上に、ソース電極107とドレイン電極108が形成されている。ソース電極107とドレイン電極108との間に、T型ゲート電極109を設けている。
なお、各層の厚みや、組成比は、例示であり、上述したものに限られるものではない。また、各層の好ましい厚み、好ましい組成は、前記実施形態と同様である。
また、第1の電子供給層304の厚みは、均一であり、第1のリセス311の直下の部分と、他の部分との厚みは等しい。すなわち、第1のリセス311を形成する際に、第1の電子供給層304はほとんどエッチングされていない。
この第1のリセス311は、ソース電極107とドレイン電極108との間に形成されている。
第2の電子供給層306上であって第1のリセス311以外の領域に、厚さ200nmのSiONからなる第1の絶縁膜310が形成されている。この第1の絶縁膜310は、第2の電子供給層306、ソース電極107、ドレイン電極108を被覆する。また、この第1の絶縁膜310には第1の絶縁膜310を貫通し、第1のリセス311に連通する開口310Aが形成されている。この開口310Aには、ゲート電極109が埋め込まれている。なお、T型のゲート電極109の庇部分は、第1の絶縁膜310上に位置している。
また、第1のリセス311中および第1の絶縁膜310上に渡って厚さ30nmのAl2O3からなるゲート絶縁膜312が形成されており、T型ゲート電極109の断面矩形状部分が第1のリセス311および開口310A内を隙間なく、埋め込むように形成されている。
ゲート電極109は、第1のリセス311の側面全面および底面全面、開口310Aの内面に対し、ゲート絶縁膜312を介して接触している。
本実施形態の電界効果トランジスタでは、MISゲート構造を採用したことにより、トランジスタをオン状態にしたとき、T型ゲート電極直下の2次元電子ガス濃度がショットキーゲート構造に比べて高くなる。
また、第2の電子供給層306のAl組成を第1の電子供給層304のAl組成より大きくした結果、第1のリセス311以外の領域の2次元電子ガス濃度が高くなる。
さらに、第1のエッチングストッパ層305にn型不純物を添加した結果、ソース電極107およびドレイン電極108と2次元電子ガスとの間のアクセス抵抗が低減される。これらの効果により、第2実施形態になる電界効果トランジスタでは、オン抵抗を1.5Ωmmまで低減することができた。
本発明者は、n型ドーピングが施されていないAl0.2Ga0.8Nの表面にソース電極Sおよびドレイン電極Dを設けた場合について検討した。ソース電極S,ドレイン電極Dとしては、Al/Ti/Auを用いた。
本発明者の検討では、ソース電極Sあるいはドレイン電極Dと2次元電子ガス6との間のアクセス抵抗は1Ωmm程度であり、これより低い抵抗を得ることはできなかった。
これに対し、本実施形態では第1のエッチングストッパ層305にn型不純物を添加することで、ソース電極107およびドレイン電極108と2次元電子ガスとの間のアクセス抵抗が低減され、さらに、第2の電子供給層306にn型不純物を添加することで、ソース電極307およびドレイン電極308との接触抵抗を低減することができる。
しかしながら、一般にゲート絶縁膜312の厚みは非常に薄いため、オン状態において、第1の電子供給層304と電子走行層303との界面において2次電子ガスが消失している領域が発生してしまうことを抑制できる。
なお、ゲート絶縁膜312の厚みは、オン状態における2次電子ガス消失防止の観点から100nm以下とすることが好ましい。また、十分高いゲート耐圧を確保するという観点から、ゲート絶縁膜312の厚みは10nm以上であることが好ましい。
図5を参照して、本実施形態の電界効果トランジスタについて説明する。
本実施形態では、第1のリセス411に連通する第2のリセス416が形成されている。
第3実施形態にかかる電界効果トランジスタにおいて利用される窒化物半導体は、下記の層状構造を有している。基板101上に、バッファ層102、厚さ1μmのGaNからなる第2のバッファ層413、厚さ15nmのIn0.05Ga0.95Nからなる電子走行層403、厚さ5nmのアンドープAl0.17Ga0.83Nからなる第1の電子供給層404、厚さ5nmでn型不純物としてSiを5×1019cm−3の濃度に添加したIn0.17Al0.83Nからなる第1のエッチングストッパ層(第1の層)405、厚さ25nmのアンドープAl0.2Ga0.8Nからなる第2の電子供給層406、厚さ5nmでn型不純物としてSiを8×1019cm−3の濃度に添加したIn0.17Al0.83Nからなる第2のエッチングストッパ層(第2の層)414、厚さ6nmでn型不純物としてSiを5×1019cm−3の濃度に添加したAl0.25Ga0.75Nからなる第3の電子供給層415が、この順にエピタキシャル成長され、積層構造を形成している。該第3の電子供給層415上に、ソース電極107とドレイン電極108とが離間配置されている。ソース電極107とドレイン電極108との間に、T型のゲート電極109が設けられている。
ゲート電極109は、第1のリセス411、第2のリセス416内に設けられている。
また、第1の電子供給層404の厚みは、均一であり、第1のリセス411の直下の部分と、他の部分との厚みは等しい。すなわち、第1のリセス411を形成する際に、第1の電子供給層404はほとんどエッチングされていない。
第3の電子供給層415の全体あるいは表面側の一部には、5×1018〜1×1020cm−3の範囲でn型不純物を添加されていることが好ましい。これにより、ソース電極107およびドレイン電極108との接触抵抗が低減されることとなる。
この第2のエッチングストッパ層414には、5×1018〜1×1020cm−3の範囲でn型不純物を添加することが好ましい。第2のエッチングストッパ層414にn型不純物を添加した結果、ソース電極107およびドレイン電極108と2次元電子ガスとの間のアクセス抵抗が低減される。
この第1のリセス411は、第2の電子供給層406および第1のエッチングストッパ層405を貫通し、側面が、第2の電子供給層406および第1のエッチングストッパ層405で構成され、底面が第1の電子供給層404で構成される。各層の積層方向に沿った断面において、この第1のリセス411の幅は、底面側から上面側に至るまでほぼ均一である。
第1の絶縁膜410は、第3の電子供給層415上、さらには、ソース電極107、ドレイン電極108を被覆している。さらに、この第1の絶縁膜410は、第2のリセス416の内側を被覆しており、第1の絶縁膜410のうち、第2のリセス416内に位置する部分には、第1のリセス411に連通する開口410Aが形成されている。この開口410Aは、第1の絶縁膜410を貫通している。
また、ゲート電極109は、第1の絶縁膜410、ゲート絶縁膜412を介して、第2のリセス416内面に接する。
ソース電極107とドレイン電極108を離間配置する工程では、ソース電極107およびドレイン電極108を、第3の電子供給層415上に配置する。
そして、第3の電子供給層415上にソース電極107およびドレイン電極108間の領域に開口が形成された第2の絶縁膜(図示略)を形成する。ドライエッチングにより、マスクとしての第2の絶縁膜の開口から露出した第3の電子供給層415を選択的に除去するとともに、第3の電子供給層415の下部の第2のエッチングストッパ層414を選択的に除去する。これにより、第2のエッチングストッパ層414が底面となる孔が形成される。さらに、ウェットエッチングにより、前記孔の底面を構成する第2のエッチングストッパ層414を選択的に除去して、第2の電子供給層406を露出させ、第2のリセス416を形成する。
その後、マスクとしての第2の絶縁膜を除去して、前記実施形態と同様の方法で、第1の絶縁膜410を形成する。この第1の絶縁膜410の開口410Aは、第2のリセス416の内側に位置するようにする。
本実施形態では、第2のリセス416を形成する際に、ドライエッチングにより、第3の電子供給層415を選択的に除去するとともに、第3の電子供給層415の下部の第2のエッチングストッパ層414を選択的に除去し、第2のエッチングストッパ層414が底面となる孔を形成している。さらに、ウェットエッチングにより、前記孔の底面を構成する第2のエッチングストッパ層414を除去して、第2の電子供給層406を露出させ、第2のリセス416を形成している。
このようにして第2のリセス416を形成することで、第2の電子供給層406表面に凹凸が形成されてしまうことを抑制できる。
これに加え、上記のようにして第2のリセス416を形成することで、第2の電子供給層406表面でエッチングを正確に停止することができる。第2の電子供給層406表面でエッチングが正確に停止できない場合には、第1のリセスを形成する際に、第2の電子供給層406の厚みを把握することが難しく、第2の電子供給層406のエッチング量を決定することが困難となる。
これに対し、本実施形態では、第2の電子供給層406表面でエッチングを正確に停止することができるため、第1のリセス411の形成を行う際に第2の電子供給層406のエッチング量を容易に決定することができる。
上記第3実施形態においては、T型ゲート電極109と第1の電子供給層404との間にゲート絶縁膜412を具えたMISゲート構造としたが、ゲート絶縁膜412のないショットキーゲート構造においても同様に2段リセス構造を製造することが可能である。
すなわち、第1の電子供給層が、InxAlyGa1−x−yN(0≦x<1、0<y<1、0<x+y<1)であり、第2の電子供給層が、InaAlbGa1−a−bN(0≦a<1、0<b<1、0<a+b<1)であり、第3の電子供給層がIncAldGa1−c−dN(0≦c<1、0<d<1、0<c+d<1)であればよい。
さらに、第1の層、第2の層のInAlNは前記実施形態の組成に限らず、InAlNを主成分として含むものであることが好ましい。
また、第2実施形態、第3実施形態において、第1実施形態と同様に、第1の電子供給層と、第一のエッチングストッパ層との間に、0.5nm以上、10nm以下のGaNからなる中間層を形成してもよい。
さらに、前記各実施形態では、ソース電極S、ドレイン電極Dを形成した後、第1の絶縁膜110を形成したが、これに限られるものではない。たとえば、ソース電極S、ドレイン電極Dを形成するまえに、第1の絶縁膜110を形成してもよい。ソース電極S、ドレイン電極Dは第1の絶縁膜110により被覆されないものとなる。
さらには、ゲート電極Gを形成した後、ソース電極S、ドレイン電極Dを形成してもよい。ただし、ソース電極Sおよびドレイン電極Dを形成する際の高温の熱がゲート電極Gに加わることとなるため、ドレイン電極Dおよびソース電極Sをゲート電極Gよりも先に形成することが望ましい。
また、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
この出願は、2007年11月19日に出願された日本出願特願2007−299383号を基礎とする優先権を主張するものであり、その開示の全ては、本明細書の一部として援用(incorporation herein by reference)される。
Claims (12)
- GaNまたはInGaNを含む電子走行層と、
前記電子走行層上に配置され、InxAlyGa1−x−yN(0≦x<1、0<y<1、0<x+y<1)を含む第1の電子供給層と、
前記第1の電子供給層上に配置され、InAlNを含む第1のエッチングストッパ層と、
前記第1のエッチングストッパ層上に設けられ、InaAlbGa1−a−bN(0≦a<1、0<b<1、0<a+b<1)を含む第2の電子供給層と、
前記第2の電子供給層上に設けられ、互いに離間配置されたソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられるゲート電極とを備え、
前記第2の電子供給層および前記第1のエッチングストッパ層には、これらを貫通し、前記第1の電子供給層表面を底面とする第1のリセスが形成されており、
前記ゲート電極は、前記第1のリセスの底面を被覆するとともに、前記第1のリセス内に埋め込まれ、
前記各層表面側からの平面視において前記第2の電子供給層は、前記第1の電子供給層と前記電子走行層との界面のうち、前記ゲート電極に被覆されている前記第1のリセスの底面の下方領域をのぞいた全領域と重なるように設けられ、
前記第1の電子供給層より前記第1のエッチングストッパ層のAl組成比が高く、
前記第1の電子供給層と前記第1のエッチングストッパ層の間には格子不整合が存在している電界効果トランジスタ。 - 請求項1に記載の電界効果トランジスタにおいて、
各層の積層方向に沿った断面において、前記第1のリセスの幅は、前記第1のリセスの底面側から開口側に至るまで均一であり、
前記ゲート電極は、前記第1のリセスの底面と、前記第2の電子供給層で構成される側面とに直接接触している電界効果トランジスタ。 - 請求項1に記載の電界効果トランジスタにおいて、
各層の積層方向に沿った断面において、前記第1のリセスの幅は、前記第1のリセスの底面側から開口側に至るまで均一であり、
前記ゲート電極は、前記第1のリセスの底面および前記第2の電子供給層で構成される側面に対し、ゲート絶縁膜を介して接触している電界効果トランジスタ。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記第2の電子供給層上には、InAlNを含む第2の層が設けられるとともに、前記第2の層上には、IncAldGa1−c−dN(0≦c<1、0<d<1、0<c+d<1)を含む第3の電子供給層が設けられ、
前記ソース電極および前記ゲート電極は、前記第3の電子供給層上に配置され、
前記第3の電子供給層および前記第2の層には、前記第3の電子供給層および前記第2の層を貫通し、前記第1のリセスと連通する第2のリセスが形成され、
前記ゲート電極は、前記第2のリセスおよび前記第1のリセス内に設けられている電界効果トランジスタ。 - 請求項4に記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記第2のリセスは、前記第1のリセスよりも幅広であり、
前記第2のリセス内の一部を埋め込むとともに、前記第3の電子供給層を被覆する第1の絶縁膜が設けられ、
前記第1の絶縁膜のうち、前記第2のリセス内側の部分には、前記第1のリセスに連通する開口が形成されており、
前記ゲート電極は、前記第2のリセス内の前記第1の絶縁膜の開口内および前記第1のリセス内に設けられている電界効果トランジスタ。 - 請求項1乃至5のいずれかに記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記第1の電子供給層および前記第2の電子供給層はAlGaNで構成され、
前記第2の電子供給層のAl組成比は、前記第1の電子供給層のAl組成比以上である電界効果トランジスタ。 - GaNまたはInGaNを含む電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層上にInxAlyGa1−x−yN(0≦x<1、0<y<1、0<x+y<1)を含む第1の電子供給層を形成する工程と、
前記第1の電子供給層上に、InAlNを含む第1のエッチングストッパ層を形成する工程と、
前記第1のエッチングストッパ層上に、InaAlbGa1−a−bN(0≦a<1、0<b<1、0<a+b<1)を含む第2の電子供給層を形成する工程と、
前記第2の電子供給層上に、ソース電極およびドレイン電極を離間配置する工程と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間となる領域に開口が形成された第1のマスクを、前記第2の電子供給層上に形成する工程と、
ドライエッチングにより、前記第1のマスクの開口から露出した前記第2の電子供給層を除去するとともに、前記第2の電子供給層の下部の前記第1のエッチングストッパ層の一部を除去し、前記第1のエッチングストッパ層が底面となる孔を形成する工程と、
ウェットエッチングにより、前記孔の底面を構成する前記第1のエッチングストッパ層を除去して、前記第1の電子供給層を露出させ、第1のリセスを形成する工程と、
前記第1のリセス内に、ゲート電極を埋め込む工程とを含み、
前記各層表面側からの平面視において、前記第2の電子供給層が、前記第1の電子供給層と前記電子走行層との界面のうち、前記ゲート電極に被覆されている前記第1のリセスの底面の下方領域をのぞいた全領域と重なり、
前記第1の電子供給層より前記第1のエッチングストッパ層のAl組成比が高く、
前記第1の電子供給層と前記第1のエッチングストッパ層の間には格子不整合が存在している電界効果トランジスタを形成する電界効果トランジスタの製造方法。 - 請求項1乃至6のいずれかに記載の電界効果トランジスタにおいて、
InAlNを含む前記第1のエッチングストッパ層は、厚さが0.5nm以上5nm以下であり、かつ、Al組成が80%以上である電界効果トランジスタ。 - 請求項8に記載の電界効果トランジスタにおいて、
InAlNを含む前記第1のエッチングストッパ層のAl組成が、81%以上85%以下である電界効果トランジスタ。 - 請求項1に記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記ゲート電極は、前記第1のリセス底面および側面全面に直接またはゲート絶縁膜を介して接触している電界効果トランジスタ。 - 請求項1に記載の電界効果トランジスタにおいて、
前記第1の電子供給層のAl組成比は30%以下であり、前記第1のエッチングストッパ層のAl組成比は80%以上である電界効果トランジスタ。 - 請求項7に記載の電界効果トランジスタの製造方法において、
前記第1の電子供給層のAl組成比は30%以下であり、前記第1のエッチングストッパ層のAl組成比は80%以上である電界効果トランジスタの製造方法。
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