JP6541879B2 - Heterojunction field effect transistor and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物を含む半導体(窒化物半導体)からなるヘテロ接合電界効果型トランジスタおよびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a heterojunction field effect transistor made of a semiconductor containing nitride (nitride semiconductor) and a method of manufacturing the same.
窒化物半導体からなるヘテロ接合電界効果型トランジスタにおいて、窒化物半導体は、エピタキシャル成長時に形成される不純物準位の影響で基本的にn型寄りの特性を示す。そのため、特に対策を打たない限り、バルク結晶を介してのドレインリーク電流(「バッファリーク電流」とも呼ばれる)が発生してしまう。従って、バッファリーク電流を抑制する目的で、ドナー型不純物を補償するアクセプタ型不純物を意図的にバッファ層へ導入することが一般的に行われている(例えば、下記の特許文献1,2)。その際、導入するアクセプタ型不純物としては、例えばFe、C、Zn、Mg等が用いられている。
In a heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor, the nitride semiconductor basically exhibits an n-type characteristic due to the influence of impurity levels formed at the time of epitaxial growth. Therefore, unless a countermeasure is taken, drain leak current (also called "buffer leak current") is generated through the bulk crystal. Therefore, for the purpose of suppressing the buffer leak current, it is generally practiced to intentionally introduce an acceptor-type impurity that compensates for the donor-type impurity into the buffer layer (for example,
窒化物半導体からなるヘテロ接合電界効果型トランジスタにおいて、バッファリーク電流を抑制するために、アクセプタ型不純物をバッファ層中へ均一に添加(ドーピング)するという従来の手法をとった場合、添加するアクセプタ型不純物の濃度をバッファリーク電流が消失するまで増やす必要がある。しかし、バッファ層のエピタキシャル成長時に形成されるドナー型不純物準位は、バッファ層と基板との界面や、エピタキシャル成長中に条件を変化させたときにできる界面(「成長中断界面」という)で、高濃度に偏析する傾向がある。従って、バルク濃度としてはドナー型不純物を補償するのに十分な量のアクセプタ型不純物をドーピングしたとしても、界面で偏析したドナー型不純物を補償しきることができず、バッファリーク電流を十分に消失させることができない。 In the heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor, the acceptor type is added when the conventional method of uniformly adding (doping) acceptor type impurities into the buffer layer in order to suppress the buffer leak current. It is necessary to increase the concentration of impurities until the buffer leak current disappears. However, the donor-type impurity levels formed at the time of epitaxial growth of the buffer layer are high concentration at the interface between the buffer layer and the substrate or at the interface formed when the conditions are changed during epitaxial growth (referred to as "growth interrupted interface"). Tend to segregate. Therefore, even if the bulk concentration is doped with an acceptor type impurity sufficient to compensate for the donor type impurity, the donor type impurity segregated at the interface can not be completely compensated, and the buffer leak current is sufficiently eliminated. I can not do it.
また、不必要なアクセプタ型不純物は半導体中に準位を形成する。そのため、バッファリーク電流を消失させる目的でアクセプタ型不純物のドーピング濃度を無闇に増やすと、アクセプタ型不純物により形成された準位に電子がトラップされることで電流コラプスを誘発してしまい、高周波特性が劣化するという別の問題が生じる。 Further, unnecessary acceptor type impurities form a level in the semiconductor. Therefore, if the doping concentration of the acceptor-type impurity is increased silently for the purpose of eliminating the buffer leak current, the electrons are trapped at the level formed by the acceptor-type impurity to induce current collapse, resulting in high frequency characteristics. Another problem arises of deterioration.
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、バッファリーク電流および電流コラプスの発生を効果的に抑制可能なヘテロ接合電界効果型トランジスタおよびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a heterojunction field effect transistor capable of effectively suppressing the occurrence of buffer leak current and current collapse, and a method of manufacturing the same. I assume.
本発明に係るヘテロ接合電界効果型トランジスタは、窒化物半導体基板(1)と、前記窒化物半導体基板(1)上に形成され、最上層の電子供給層(4)および前記電子供給層(4)の下のチャネル層(3)を含む窒化物半導体からなるエピタキシャル成長層(2,3,4)と、前記電子供給層(4)上に形成されたドレイン電極(7)およびソース電極(8)と、前記電子供給層(4)上に形成され、前記ドレイン電極(7)と前記ソース電極(8)との間の領域に、前記ドレイン電極(7)および前記ソース電極(8)から離間して配設されたゲート電極(9)と、を備え、前記窒化物半導体基板(1)と前記エピタキシャル成長層(2,3,4)との界面におけるドナー型不純物濃度Nd1およびアクセプタ型不純物濃度Na1と、前記エピタキシャル成長層(2,3,4)におけるドナー型不純物濃度Nd2およびアクセプタ型不純物濃度Na2とが、前記ドレイン電極(7)および前記ソース電極(8)の下方の領域においてのみ、1.6×1019cm−3≧Na1−Nd1≧0、Nd1/10≧Nd2、Na1/10≧Na2の関係を満たす。
The heterojunction field effect transistor according to the present invention comprises a nitride semiconductor substrate (1), an electron supply layer (4) formed on the nitride semiconductor substrate (1), and the electron supply layer (4). And an epitaxial growth layer (2, 3, 4) made of a nitride semiconductor including the lower channel layer (3), and a drain electrode (7) and a source electrode (8) formed on the electron supply layer (4). And the electron supply layer (4), in a region between the drain electrode (7) and the source electrode (8), spaced from the drain electrode (7) and the source electrode (8). A donor-type impurity concentration Nd1 and an acceptor-type impurity concentration Na1 at the interface between the nitride semiconductor substrate (1) and the epitaxial growth layer (2, 3, 4); A donor type impurity concentration Nd2 and an acceptor type impurity in the epitaxial growth layer (2, 3, 4) Objects concentration Na2 and is pre-Symbol drain electrode (7) and only in the lower region of the source electrode (8), 1.6 × 10 19 cm -3 ≧ Na1-Nd1 ≧ 0, Nd1 / 10 ≧ Nd2, Na1 The relationship of / 10 ≧ Na2 is satisfied.
本発明によれば、窒化物半導体基板とエピタキシャル成長層との界面に十分な濃度のアクセプタ型不純物が導入されているため、当該界面におけるドナー型不純物の偏析部を介したバッファリーク電流を抑制することができる。また、窒化物半導体基板とエピタキシャル成長層との界面に局所的にアクセプタ型不純物を導入することで、不必要なアクセプタ型不純物が導入されることを防止し、電流コラプスの増大を防止することができる。 According to the present invention, the acceptor-type impurity having a sufficient concentration is introduced into the interface between the nitride semiconductor substrate and the epitaxial growth layer, so that the buffer leak current through the segregated portion of the donor-type impurity in the interface is suppressed. Can. Further, by locally introducing the acceptor type impurity into the interface between the nitride semiconductor substrate and the epitaxial growth layer, it is possible to prevent the introduction of unnecessary acceptor type impurity and to prevent an increase in current collapse. .
<実施の形態1>
図1は、本発明の実施の形態1に係るヘテロ接合電界効果型トランジスタの構成の一例を示す断面図である。このヘテロ接合電界効果型トランジスタは、半絶縁性GaNからなる半絶縁性窒化物半導体基板1(以下、単に「窒化物半導体基板」と称す)を用いて形成されている。窒化物半導体基板1の上には、GaNからなるバッファ層2が形成され、バッファ層2の上に同じくGaNからなるチャネル層3が形成されている。チャネル層3の上には、Al0.17Ga0.83Nからなる電子供給層4が、厚さ32nmで形成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the heterojunction field effect transistor according to the first embodiment of the present invention. The heterojunction field effect transistor is formed using a semi-insulating nitride semiconductor substrate 1 (hereinafter simply referred to as a "nitride semiconductor substrate") made of semi-insulating GaN. A
電子供給層4とチャネル層3の界面近傍(具体的には、チャネル層3における、電子供給層4との界面から一定深さの部分)には、自発分極とピエゾ分極とによって発生する分極電荷からなる2次元電子ガス11が誘起される。
Polarization charges generated by spontaneous polarization and piezoelectric polarization in the vicinity of the interface between the
ここでは電子供給層4におけるAlの混晶比を0.17、電子供給層4の厚さを32nmとしたが、電子供給層4の組成および厚さはこれに限定されず、最終的にトランジスタとして要求されるスペックに応じて調整してもよい。例えば、上記の構成では電子供給層4とチャネル層3の界面近傍に6.2×1012cm−2程度の2次元電子ガス11が誘起されるが、そのシートキャリア濃度をより少なく調整したければ、電子供給層4のAl混晶比を下げるか、厚さを小さくするか、あるいはその両方を行えばよい。逆に、2次元電子ガス11のシートキャリア濃度をより高く調整したい場合は、電子供給層4のAl混晶比を上げるか、厚さを大きくするか、あるいはその両方を実施すればよい。Here, the mixed crystal ratio of Al in the
以下、バッファ層2、チャネル層3および電子供給層4からなる窒化物半導体層を、「エピタキシャル成長層」と総称する。すなわち、エピタキシャル成長層は、最上層の電子供給層4と、電子供給層4の下のチャネル層3と、窒化物半導体基板1とチャネル層3との間に挟まれて位置するバッファ層2とを含む積層構造である。例えば、窒化物半導体基板1とエピタキシャル成長層との界面は、窒化物半導体基板1とバッファ層2との界面を指している。ただし、後述するように、バッファ層2はエピタキシャル成長層に設けられない場合もある。その場合、チャネル層3が窒化物半導体基板1に接するように設けられるため、窒化物半導体基板1とエピタキシャル成長層との界面は、窒化物半導体基板1とチャネル層3との界面となる。
Hereinafter, the nitride semiconductor layer including the
エピタキシャル成長層の最上層である電子供給層4の上面には、TiとAlとの積層膜(以下「Ti/Al膜」と称す)からなるドレイン電極7およびソース電極8と、NiとAuとの積層膜(以下「Ni/Au膜」と称す)からなるゲート電極9とが配設されている。ドレイン電極7とソース電極8とは互いに離間して設けられており、その間の領域に、ゲート電極9がドレイン電極7およびソース電極8から離間して設けられている。
On the top surface of the
なお、ドレイン電極7およびソース電極8は、エピタキシャル成長層とのオーミック接触が得られれば、その材料はTi/Al膜以外のものでもよく、例えば、Ti、Al、Nb、Hf、Zr、Sr、Ni、Ta、Au、Pt、Mo、W等の金属、もしくはそれらの2以上から構成される多層膜などでもよい。また、ゲート電極9の材料も、Ni/Au膜以外のものでもよく、例えば、Ti、Al、Cu、Cr、Mo、W、Pt、Au、Ni、Pd等の金属、IrSi、PtSi、NiSi2等のシリサイド、或いはTiN、WN等の窒化物金属、またはそれらを組み合わせた多層膜などでもよい。The
エピタキシャル成長層におけるドレイン電極7およびソース電極8それぞれの下の部分には、少なくとも電子供給層4に、n型不純物が添加されたn型不純物注入領域5,6が形成されている。n型不純物注入領域5,6は、上部が電子供給層4の上面に達しており、その深さは電子供給層4の厚さより大きく、底部がチャネル層3に達している。ここでは、n型不純物注入領域5,6に添加するn型不純物としてSiが用いられている。ただし、n型不純物注入領域5,6に添加するn型不純物は、Siに限られず、窒化物半導体中でn型の不純物準位を形成する他の材料(O、Ge、N空孔等)であってもよい。
In portions under the
電子供給層4の上面は、ドレイン電極7、ソース電極8およびゲート電極9が形成された部分を除いて、表面保護膜10で覆われている。ここでは、表面保護膜10は、ECR(Electron Cyclotron Resonance)−SiNにより形成されており、その厚さは80nmとしている。
The upper surface of the
窒化物半導体基板1とエピタキシャル成長層との界面、すなわち窒化物半導体基板1とバッファ層2との界面には、界面不純物が存在する。図1には、界面不純物のうち、アクセプタ型の不純物12(以下「界面アクセプタ型不純物」と称す)のみを表記している。ここでは、界面アクセプタ型不純物12のピーク濃度を1×1019cm−3とした。Interface impurities exist at the interface between the
図2は、従来のヘテロ接合電界効果型トランジスタにおける不純物濃度の分布を、二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry:SIMS)により実測した結果を模式的に示す図である。図2には、ドナー型不純物であるSiと、アクセプタ型不純物であるCの濃度分布が示されている。横軸はエピタキシャル成長層の上面からの深さを表し、縦軸は濃度を表している。 FIG. 2 is a view schematically showing the results of measurement of the distribution of impurity concentration in the conventional heterojunction field effect transistor by secondary ion mass spectrometry (SIMS). FIG. 2 shows the concentration distribution of Si which is a donor type impurity and C which is an acceptor type impurity. The horizontal axis represents the depth from the upper surface of the epitaxial growth layer, and the vertical axis represents the concentration.
図2において、基板とエピタキシャル成長層との界面(深さが約1.4μmの位置)で、SiおよびCが偏析を起こして凝集していることが分かる。図2に示した場合の当該界面では、ドナー型不純物(Si)のピーク濃度が、アクセプタ型不純物(C)のピーク濃度よりも、2桁程度大きくなっている。この場合、当該界面でのバッファリーク電流が誘引される。図3に、CとSiのピーク濃度の差と、バッファリーク電流の大きさとの関係を示す。Siのピーク濃度がCのピーク濃度よりも大きくなると、バッファリーク電流が増大することが分かる。 In FIG. 2, it can be seen that Si and C are segregated and aggregated at the interface between the substrate and the epitaxial growth layer (at a depth of about 1.4 μm). At the interface shown in FIG. 2, the peak concentration of the donor-type impurity (Si) is about two orders of magnitude larger than the peak concentration of the acceptor-type impurity (C). In this case, buffer leak current at the interface is induced. FIG. 3 shows the relationship between the difference in peak concentration between C and Si and the magnitude of the buffer leak current. It can be seen that when the peak concentration of Si becomes larger than the peak concentration of C, the buffer leak current increases.
なお、不純物の凝集は、基板をエピタキシャル成長炉に導入するまでの大気搬送に由来する不純物や、エピタキシャル成長層を成長させるときの雰囲気に由来する不純物が取り込まれた結果と考えられる。そのため、基板の洗浄の条件や、エピタキシャル成長時の条件を変えることによって、各不純物の濃度分布は変わる。 The aggregation of the impurities is considered to be the result of taking in the impurities derived from atmospheric transportation until the substrate is introduced into the epitaxial growth furnace, and the impurities derived from the atmosphere when growing the epitaxial growth layer. Therefore, the concentration distribution of each impurity changes by changing the conditions for cleaning the substrate and the conditions for epitaxial growth.
図4は、実施の形態1に係るヘテロ接合電界効果型トランジスタにおける不純物濃度の分布を、SIMSにより実測した結果を模式的に示す図である。図4においても、窒化物半導体基板とエピタキシャル成長層との界面(深さが約1.2μmの位置)において、SiおよびCが偏析を起こして凝集しているが、図2とは異なり、アクセプタ型不純物(C)のピーク濃度が、ドナー型不純物(Si)のピーク濃度よりも1桁程度大きくなっている。 FIG. 4 is a view schematically showing the results of measurement of the impurity concentration distribution in the heterojunction field effect transistor according to the first embodiment by SIMS. Also in FIG. 4, Si and C are segregated and aggregated at the interface between the nitride semiconductor substrate and the epitaxial growth layer (at a depth of about 1.2 μm), but unlike FIG. The peak concentration of the impurity (C) is about one digit larger than the peak concentration of the donor type impurity (Si).
アクセプタ型不純物のピーク濃度とドナー型不純物のピーク濃度との差は1桁もなくてよく、アクセプタ型不純物がドナー型不純物以上に導入されていればよい。つまり、窒化物半導体基板1とエピタキシャル成長層との界面(窒化物半導体基板1とバッファ層2との界面)におけるドナー型不純物濃度をNd1、同界面におけるアクセプタ型不純物濃度Na1とすると、Na1≧Nd1の関係(すなわち、Na1−Nd1≧0の関係)を満たしていればよい。
The difference between the peak concentration of the acceptor-type impurity and the peak concentration of the donor-type impurity may be less than one digit, as long as the acceptor-type impurity is introduced more than the donor-type impurity. That is, assuming that the donor-type impurity concentration at the interface between
また、図3に示すようにNa1を大きくしてNa1−Nd1の値が大きくなればリーク電流を抑制できるが、Na1が極端に大きくなると電流コラプスの増大は避けられない。本発明者らがNa1−Nd1と電流コラプスとの依存性について検討を繰り返した結果、Na1−Nd1>1.6×1019cm−3を満たすときには電流コラプスによる特性劣化が許容できない程度になることが分かった。つまり、電流コラプス抑制の観点から、Na1およびNd1は、1.6×1019cm−3≧Na1−Nd1の関係を満たすように設定されるとよい。Further, as shown in FIG. 3, the leak current can be suppressed if Na1 is increased to increase the value of Na1-Nd1, but if Na1 becomes extremely large, an increase in current collapse can not be avoided. As a result of the present inventors repeating studies on the dependence of Na1-Nd1 on current collapse, it is found that the characteristic degradation due to current collapse becomes unacceptable when Na1-Nd1> 1.6 × 10 19 cm −3 is satisfied. I understand. That is, from the viewpoint of current collapse suppression, Na1 and Nd1 may be set to satisfy the relationship of 1.6 × 10 19 cm −3 NaNa 1 −
ここで、ドナー型不純物およびアクセプタ型不純物は、窒化物半導体基板1とエピタキシャル成長層との界面で偏析を起こして凝集しているため、当該界面でのドナー型不純物およびアクセプタ型不純物の濃度はエピタキシャル成長層におけるそれらの濃度より1桁以上高くなっている。すなわち、エピタキシャル成長層におけるドナー型不純物濃度およびアクセプタ型不純物濃度をそれぞれNd2およびNa2とすると、Nd1/10≧Nd2、Na1/10≧Na2となっている。
Here, since the donor type impurity and the acceptor type impurity are segregated and aggregated at the interface between the
Na1≧Nd1の関係が満たされるかどうかは、ドナー型不純物の濃度にも依存するため、アクセプタ型不純物の濃度の絶対値に大きな意味はないが、例えば、アクセプタ型不純物のピーク濃度が、2×1018cm−3となるように、アクセプタ型不純物を添加するとよい。ただし、不純物濃度の関係をバルクのピーク濃度だけで規定すると、膜厚方向に分布があった場合に、界面の近傍でのアクセプタ型不純物の量とドナー型不純物の量とが逆転してしまうことも考えられる。そのため、シート濃度で、アクセプタ型不純物がドナー型不純物と同量かそれよりも多く添加されることが望ましい。The absolute value of the acceptor-type impurity concentration does not have a large meaning because whether the relationship Na1 ≧ Nd1 is satisfied also depends on the concentration of the donor-type impurity. For example, the peak concentration of the acceptor-type impurity is 2 × It is good to add an acceptor type impurity so that it may be 10 < 18 > cm <-3 >. However, if the relationship between the impurity concentrations is defined only by the peak concentration of the bulk, the amount of acceptor-type impurities and the amount of donor-type impurities in the vicinity of the interface are reversed when there is a distribution in the film thickness direction. Is also conceivable. Therefore, it is desirable that the acceptor type impurity be added in the same amount or more as the donor type impurity at the sheet concentration.
また、図4のように、窒化物半導体基板1とエピタキシャル成長層との界面よりも浅い領域においても、アクセプタ型不純物(C)の濃度は、ドナー型不純物(Si)の濃度よりも、大きくなっている。よって、バッファ層2とチャネル層3との界面におけるドナー型不純物濃度をNd3、アクセプタ型不純物濃度をNa3とすると、Na3≧Nd3の関係となっている。
Further, as shown in FIG. 4, the concentration of the acceptor-type impurity (C) is larger than the concentration of the donor-type impurity (Si) even in a region shallower than the interface between the
図4では、深さ0.8μmから1.2μmの近傍にかけてCの濃度が局所的に高くなっており、その領域でCの濃度がテラス状の分布となっている。これは、バッファ層2へ意図的にCを3×1016cm−3だけドーピングしたことによるものである。GaN系の結晶には、結晶欠陥として導入されるN空孔が存在し、N空孔がドナー型不純物として機能するため、意図的なドーピングを行わなければn型寄りの特性を示す。そのため、ドナー型不純物を補償するために、低濃度のアクセプタ型不純物としてCを意図的に導入している。特に、本発明では、基板とエピタキシャル成長層との界面での不純物凝集を補償するために、ドナー型不純物の濃度を超えるピーク濃度で、当該界面にアクセプタ型不純物を局所的にドーピングしている点で、従来技術(例えば特許文献1,2)とは異なっている。In FIG. 4, the concentration of C is locally increased in the vicinity of a depth of 0.8 μm to 1.2 μm, and the concentration of C has a terrace-like distribution in that region. This is because the
本実施の形態のヘテロ接合電界効果型トランジスタによれば、窒化物半導体基板1とエピタキシャル成長層との界面に高濃度に導入されたアクセプタ型不純物によって、当該界面に凝集したドナー型不純物に起因するバッファリーク電流を抑制することができる。さらに、アクセプタ型不純物を高濃度に導入する領域を、エピタキシャル成長層との界面近傍(図4における深さ0.8μm〜1.2μmの領域)に制限されていることで、バッファ層2のバルク結晶中のアクセプタ型不純物濃度が必要以上に高くなることが防止され、電流コラプスの発生も抑制することができる。従って、窒化物半導体からなるヘテロ接合電界効果型トランジスタの電気的特性を改善することが可能となる。
According to the heterojunction field effect transistor of the present embodiment, a buffer caused by a donor-type impurity aggregated at the interface between the
図5〜図9は、図1に示したヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造方法を説明するための図である。これらの図において、図1に示したものと同一または対応する要素には、同一の符号を付している。 5 to 9 are views for explaining a method of manufacturing the heterojunction field effect transistor shown in FIG. In these figures, the same or corresponding elements as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
まず、窒化物半導体基板1をエピタキシャル成長装置内に設置し、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法などのエピタキシャル成長法を用いて、窒化物半導体基板1上に、GaNからなるバッファ層2を形成する。このとき、窒化物半導体基板1とバッファ層2との界面(窒化物半導体基板1とエピタキシャル成長層との界面)で、ドナー型不純物よりもアクセプタ型不純物が多くなるように、バッファ層2の成長条件を調整する。続いて、バッファ層2上に、GaNからなるチャネル層3をエピタキシャル成長させる。このとき、バッファ層2とチャネル層3の界面で、ドナー型不純物よりもアクセプタ型不純物が多くなるように、チャネル層3の成長条件を調整する。さらに、チャネル層3の上に、Al0.17Ga0.83Nからなる電子供給層4をエピタキシャル成長させる。その結果、図5のように、バッファ層2、チャネル層3および電子供給層4を含むエピタキシャル成長層が形成される。First,
バッファ層2、チャネル層3および電子供給層4が形成された窒化物半導体基板1を、エピタキシャル成長装置から取り出す。そして、フォトリソグラフィ技術を用いて、電子供給層4上に、ドレイン電極7およびソース電極8の形成領域に開口を有するレジストマスク14を形成する。そして、レジストマスク14をマスクにするイオン注入により、注入ドーズ量1×1013〜1×1017cm−2、注入エネルギー10〜1000keVの条件で、例えばSiなどのn型の不純物をエピタキシャル成長層に導入する。それにより、図6のようにn型不純物注入領域5,6が形成される。The
レジストマスク14を除去した後、例えば蒸着法またはスパッタリング法などを用いて、Ti、Al、Nb、Hf、Zr、Sr、Ni、Ta、Au、Mo、W等の金属、もしくはそれらの2以上を含む多層膜を電子供給層4上に堆積し、さらに、リフトオフ法またはフォトリソグラフィ法などを用いて、図7のようにドレイン電極7およびソース電極8を形成する。
After the resist
次に、例えば蒸着法またはスパッタリング法などを用いて、Ti、Al、Cu、Cr、Mo、W、Pt、Au、Ni、Pd等の金属、IrSi、PtSi、NiSi2等のシリサイド、あるいはTiN、WN等の窒化物金属を電子供給層4上に堆積し、さらに、リフトオフ法またはフォトリソグラフィ法などを用いて、図8のようにゲート電極9を形成する。Next, a metal such as Ti, Al, Cu, Cr, Mo, W, Pt, Au, Ni, Pd, a silicide such as IrSi, PtSi, NiSi 2 or TiN using, for example, a vapor deposition method or a sputtering method. A nitride metal such as WN is deposited on the
その後、例えばALD(Atomic Layer Deposition)法など、被覆性が高い成膜手法を用いて、SiもしくはAlの酸化膜あるいは窒化膜からなる電子供給層4の表面に表面保護膜10を形成する。そして、ドレイン電極7、ソース電極8およびゲート電極9が表面保護膜10から露出するように、ドライエッチング等で表面保護膜10をパターニングする。それにより、図9のように、電子供給層4の表面を覆う表面保護膜10が形成される。表面保護膜10の形成手法は、ALD法に限られず、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法やスパッタリング法など他の手法を用いてもよいし、それらの組み合わせてもよい。
Thereafter, a
以上の工程により、図1に示したヘテロ接合電界効果型トランジスタの構成が形成される。この後、配線やバイアホール等の形成工程を経て、半導体デバイスとしてのヘテロ接合電界効果型トランジスタが完成する。 Through the above steps, the configuration of the heterojunction field effect transistor shown in FIG. 1 is formed. Thereafter, through processes for forming interconnections, via holes and the like, a heterojunction field effect transistor as a semiconductor device is completed.
上の説明では、ヘテロ接合電界効果型トランジスタの代表的な構造を示したが、以下のような変形例が考えられる。 In the above description, the typical structure of the heterojunction field effect transistor is described, but the following modifications can be considered.
チャネル層3のバンドギャップの大きさをE3、電子供給層4のバンドギャップの大きさをE4とすると、E3<E4という関係を満たせば、ヘテロ接合電界効果型トランジスタを動作させるのに十分である。そのため、必ずしも窒化物半導体基板1、バッファ層2およびチャネル層3をGaNで形成し、電子供給層4をAl0.17Ga0.83Nで形成しなくてもよい。チャネル層3および電子供給層4は、それを構成する元素の組成が互いに異なっており、且つ、Al、Ga及びNのうちのNを含む2種類以上の元素からなる化合物で構成されていればよい。例えば、窒化物半導体基板1、バッファ層2およびチャネル層3も、AlxGa1−xN(0≦x≦1)を主成分とする材料で形成してもよい。Assuming that the size of the band gap of the
E3<E4の関係を満たすためには、チャネル層3を構成する窒化物半導体をAlxGa1−xN、電子供給層4を構成する窒化物半導体をAlyGa1−yNとすると、0≦x<1、0<y<1、x<yという関係が満たされていればよい。さらに、チャネル層3および電子供給層4は、Al、Ga及びNのうちのNを含む2元素以上の元素にInを加えてなる窒化物半導体で構成されていてもよい。In order to satisfy the relationship of E 3 <E 4 , the nitride semiconductor constituting the
上記のような各種の窒化物半導体からなるチャネル層3および電子供給層4は、その成長工程において、窒化物半導体の原料ガスであるトリメチルアンモニウム、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニア、あるいは、n型ドーパントの原料ガスであるシラン等の圧力や流量、温度、導入時間を調整して、チャネル層3および電子供給層4が所望の組成、膜厚、ドーピング濃度となるようにすることで、形成することができる。
The
チャネル層3および電子供給層4が、Al、Ga及びNのうちのNを含む2種類以上の元素からなる化合物で構成される場合、電子供給層4に大きな分極効果が発生するため、高濃度の2次元電子ガス11を発生させることができる。2次元電子ガス11の濃度が高いと、トランジスタの大電流化、さらには高出力化に有利である。ただし、チャネル層3に限っては、AlNの2元結晶を採用することはできない。これは、窒化物半導体においてAlNを超えるバンドギャップを持つ材料が無いため、電子供給層4に使用できる材料が存在しなくなるからである。
When the
チャネル層3の絶縁破壊電界が高いほど、ヘテロ接合電界効果型トランジスタの耐圧は高くなる。AlxGa1−xNは、Al組成が高いほど、バンドギャップが大きくなり、絶縁破壊電界が高くなるため、チャネル層3に用いるAlxGa1−xNは、Al組成がより高い(xが1に近い)方が好ましい。また、電子供給層4のバンドギャップが大きいほど、電子供給層4を介してゲート電極9からヘテロ界面へ流れるゲートリーク電流を抑制できるため、電子供給層4に用いるAlyGa1−yNも、Al組成がより高い(yが1に近い)方が好ましい。As the dielectric breakdown field of the
ゲート電極9の断面形状は、図1に示したような矩形である必要はなく、例えば、T字型、Y字型、あるいはΓ型であってもよい。また、図10のように、ゲート電極9と電気的に接続し、表面保護膜10上に延在するフィールドプレート電極13を設けてもよい。図10では、フィールドプレート電極13がゲート電極9からドレイン電極7側へと伸びる構成を示しているが、フィールドプレート電極13は、ソース電極8側へ伸びるように設けられてもよいし、ドレイン電極7側とソース電極8側の両方へ伸びるように設けられてもよい。フィールドプレート電極13が設けられることで、ゲート電極9の端部における電界集中を抑えることができ、電流コラプスの低減に効果的である。フィールドプレート電極13の材料は、ゲート電極9と電気的に接続でき、エピタキシャル成長層と接触しないように形成できれば、どのような材料でもよい。
The cross-sectional shape of the
なお、フィールドプレート電極13の形成は、表面保護膜10を形成した後、その上に蒸着法等でフィールドプレート電極13の材料となる導電膜を形成し、リフトオフ法などを用いて当該導電膜を所望のパターンに加工することよって行うことができる。
The
窒化物半導体基板1は、AlN、InNもしくはこれらの混晶等で形成されていてもよい。ただし、格子定数の異なる結晶を連続して成長することは難しく、エピタキシャル成長層内へ格子歪緩和層を挿入するなどして、バッファリーク電流に与える影響を考慮する必要がある。そのため、窒化物半導体基板1の格子定数とバッファ層2およびチャネル層3の格子定数は、揃えておくことが好ましい。また、格子歪緩和の観点からすれば、窒化物半導体基板1上にバッファ層2を形成せずに、チャネル層3および電子供給層4を形成することもできる。つまり、窒化物半導体基板1の上に必ずしもバッファ層2を形成する必要はなく、形成しなくてもよい。
The
チャネル層3および電子供給層4のそれぞれは、必ずしも単一組成の単層構造である必要はなく、バンドギャップの大きさの条件(E3<E4)を満たせば、チャネル層3および電子供給層4内でIn組成、Al組成、Ga組成が空間的に変化していてもよいし、チャネル層3および電子供給層4が、組成の異なる複数の層からなる多層構造であってもよい。また、チャネル層3および電子供給層4には、窒化物半導体中でn型またはp型を示す不純物が含まれていてもよい。Each of the
図1においては、界面アクセプタ型不純物12が、窒化物半導体基板1とバッファ層2との界面のみに示されているが、界面アクセプタ型不純物の導入箇所は窒化物半導体基板1とバッファ層2との界面だけに限られない。上記したように、窒化物半導体基板1とバッファ層2で格子定数の異なる材料を用いた場合、エピタキシャル成長層に格子歪緩和層を挿入することがある。その場合、エピタキシャル成長中にプロセスの中断が入ることになり、条件によっては、その中断で生じる界面(成長中断界面)でも不純物の凝集が発生する可能性がある。そのような場合には、バッファ層2とチャネル層3との界面にも、アクセプタ型不純物を導入した方がよい場合もある。
In FIG. 1, the interface
ドレイン電極7およびソース電極8が、電子供給層4とチャネル層3の界面近傍に発生する2次元電子ガス11とのオーミックコンタクトが形成されるのであれば、図11のように、ドレイン電極7およびソース電極8の下にn型不純物注入領域5,6を設けなくてもよい。ドレイン電極7およびソース電極8は、図11のように電子供給層4の上面と接触するように設けられてもよいし、図12のように電子供給層4に形成されたリセス内で電子供給層4と接触するように設けられてもよい。ただし、ドレイン電極7およびソース電極8の下にn型不純物注入領域5,6が形成されていた方が、ドレイン電極7およびソース電極8と2次元電子ガス11との間の抵抗を低減することができるため、トランジスタの大電流化および高出力化に有利である。
If the
図11の構成は、図6に示したn型不純物のイオン注入を省略することによって形成できる。また、図12の構成は、図6に示した工程の代わりに、例えばCl2系のエッチングガスを用いて電子供給層4を選択的に除去する工程を行うことで形成できる。The configuration of FIG. 11 can be formed by omitting the ion implantation of the n-type impurity shown in FIG. Further, the configuration of FIG. 12 can be formed by performing a step of selectively removing the
なお、上述した各変形例は、互いに組み合わせて実施することもできる。 In addition, each modification mentioned above can also be implemented in combination with each other.
<実施の形態2>
図13は、実施の形態2に係るヘテロ接合電界効果型トランジスタの構造を示す図である。図13においては、窒化物半導体基板1とバッファ層2の界面に存在する界面アクセプタ型不純物12の配置が、実施の形態1とは異なっている。すなわち、実施の形態1では、当該界面の全体にわたって一律にドナー型不純物を補償するだけの界面アクセプタ型不純物12を添加したが、実施の形態2では、ドレイン電極7およびソース電極8の下方(n型不純物注入領域5,6の下方)の部分のみに界面アクセプタ型不純物12を添加している。よって、本実施の形態では、ドレイン電極7およびソース電極8の下方の領域でのみ、上記したドナー型不純物濃度とアクセプタ型不純物濃度との関係、すなわち1.6×1019cm−3≧Na1−Nd1≧0、Nd1/10≧Nd2、Na1/10≧Na2の関係が満たされている。Second Embodiment
FIG. 13 is a diagram showing the structure of the heterojunction field effect transistor according to the second embodiment. In FIG. 13, the arrangement of interface
図13のヘテロ接合電界効果型トランジスタでは、n型不純物注入領域5,6から、窒化物半導体基板1とバッファ層2との界面におけるドナー型不純物の偏析部を介したバッファリーク電流が、界面アクセプタ型不純物12によって低減される。さらに、ソース電極8からドレイン電極7にかけてのアクセス領域(チャネル層3におけるドレイン電極7とゲート電極9との間、および、ソース電極8とゲート電極9の間の領域のことをいう)およびチャネル領域(ゲート電極9の下の領域のことをいう)の直下では、界面アクセプタ型不純物12が無いため、電子捕獲確率を低減することができ、これによって電流コラプスを抑制することができる。従って、実施の形態1よりも電流コラプスを抑制することができる。
In the heterojunction field effect transistor of FIG. 13, the buffer leak current from the n-type impurity implanted
また、図13においては、ドレイン電極7およびソース電極8の下方の領域のみに界面アクセプタ型不純物12が示されているが、界面アクセプタ型不純物12は、少なくともドレイン電極7およびソース電極8の下をカバーしていればよい。特に、電流コラプスの抑制という観点からは、高電界が印加される領域の電子捕獲を低減すればよいため、界面アクセプタ型不純物12がソース電極8とゲート電極9の間の領域にまで延伸されていても大きな影響はない。また、界面アクセプタ型不純物12は、ドレイン電極7およびソース電極8の下方の領域以外に全く存在してはならないのではなく、ドレイン電極7およびソース電極8の下方の領域とそれ以外の領域とで、界面アクセプタ型不純物12に濃度差があれば一定の効果が期待できる。
Further, in FIG. 13, the interface
図13の構造は、例えば、エピタキシャル成長層の形成工程の前に、窒化物半導体基板1における界面アクセプタ型不純物12の形成領域に、アクセプタ型不純物元素を選択的に注入しておくことによって実現することができる。具体的には、窒化物半導体基板1上に、界面アクセプタ型不純物12の形成領域を開口したレジストマスクを形成し、それをマスクとするイオン注入によって、アクセプタ型不純物元素を注入する方法が考えられる。
The structure of FIG. 13 is realized, for example, by selectively implanting the acceptor-type impurity element in the formation region of the interface acceptor-
実施の形態1で説明した各変形例は、実施の形態2のヘテロ接合電界効果型トランジスタに対しても適用可能である。 Each modification described in the first embodiment is also applicable to the heterojunction field effect transistor of the second embodiment.
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 In the present invention, within the scope of the invention, each embodiment can be freely combined, or each embodiment can be appropriately modified or omitted.
1 窒化物半導体基板、2 バッファ層、3 チャネル層、4 電子供給層、5 n型不純物注入領域、6 n型不純物注入領域、7 ドレイン電極、8 ソース電極、9 ゲート電極、10 表面保護膜、11 2次元電子ガス、12 界面アクセプタ型不純物、13 フィールドプレート電極、14 レジストマスク。
Claims (8)
前記窒化物半導体基板(1)上に形成され、最上層の電子供給層(4)および前記電子供給層(4)の下のチャネル層(3)を含む窒化物半導体からなるエピタキシャル成長層(2,3,4)と、
前記電子供給層(4)上に形成されたドレイン電極(7)およびソース電極(8)と、
前記電子供給層(4)上に形成され、前記ドレイン電極(7)と前記ソース電極(8)との間の領域に、前記ドレイン電極(7)および前記ソース電極(8)から離間して配設されたゲート電極(9)と、
を備え、
前記窒化物半導体基板(1)と前記エピタキシャル成長層(2,3,4)との界面におけるドナー型不純物濃度Nd1およびアクセプタ型不純物濃度Na1と、前記エピタキシャル成長層(2,3,4)におけるドナー型不純物濃度Nd2およびアクセプタ型不純物濃度Na2とが、前記ドレイン電極(7)および前記ソース電極(8)の下方の領域においてのみ、1.6×1019cm−3≧Na1−Nd1≧0、Nd1/10≧Nd2、Na1/10≧Na2の関係を満たす、
ヘテロ接合電界効果型トランジスタ。 A nitride semiconductor substrate (1),
An epitaxially grown layer (2, 2) formed on the nitride semiconductor substrate (1), comprising an electron supply layer (4) as the uppermost layer and a channel layer (3) under the electron supply layer (4) 3, 4),
A drain electrode (7) and a source electrode (8) formed on the electron supply layer (4);
It is formed on the electron supply layer (4), and it is spaced apart from the drain electrode (7) and the source electrode (8) in the region between the drain electrode (7) and the source electrode (8). A gate electrode (9) provided,
Equipped with
Donor-type impurity concentration Nd1 and acceptor-type impurity concentration Na1 at the interface between the nitride semiconductor substrate (1) and the epitaxial growth layer (2, 3, 4) and donor-type impurity in the epitaxial growth layer (2, 3, 4) and density Nd2 and acceptor-type impurity concentration Na2 is, only in the lower region of the front Symbol drain electrode (7) and the source electrode (8), 1.6 × 10 19 cm -3 ≧ Na1-Nd1 ≧ 0, Nd1 / Satisfy the following relationship: 10 ≧ Nd2, Na1 / 10 ≧ Na2
Heterojunction field effect transistor.
請求項1に記載のヘテロ接合電界効果型トランジスタ。 The acceptor-type impurity concentration in the epitaxial growth layer (2, 3, 4) is pre-SL only in the region below the drain electrode (7) and the source electrode (8), the epitaxially grown layer and the nitride semiconductor substrate (1) ( 2. A heterojunction field effect transistor according to claim 1, wherein the heterojunction field effect transistor is locally high near the interface with (2, 3, 4).
請求項1または請求項2に記載のヘテロ接合電界効果型トランジスタ。 The heterojunction field effect according to claim 1 or 2, wherein the nitride semiconductor substrate (1) and the channel layer (3) contain Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) as main components. Type transistor.
前記バッファ層(2)と前記チャネル層(3)との界面におけるドナー型不純物濃度Nd3およびアクセプタ型不純物濃度Na3が、Na3≧Nd3の関係を満たす、
請求項1または請求項2に記載のヘテロ接合電界効果型トランジスタ。 The epitaxial growth layer (2, 3, 4) further includes a buffer layer (2) located between the nitride semiconductor substrate (1) and the channel layer (3).
The donor-type impurity concentration Nd3 and the acceptor-type impurity concentration Na3 at the interface between the buffer layer (2) and the channel layer (3) satisfy the relationship Na33Nd3.
A heterojunction field effect transistor according to claim 1 or claim 2.
請求項4に記載のヘテロ接合電界効果型トランジスタ。 The hetero according to claim 4, wherein the nitride semiconductor substrate (1), the buffer layer (2) and the channel layer (3) contain Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) as main components. Junction field effect transistor.
前記電子供給層(4)上にドレイン電極(7)、ソース電極(8)およびゲート電極(9)を形成する工程と、を備え、
前記エピタキシャル成長層(2,3,4)の形成工程では、前記窒化物半導体基板(1)と前記エピタキシャル成長層(2,3,4)との界面におけるドナー型不純物濃度Nd1およびアクセプタ型不純物濃度Na1と、前記エピタキシャル成長層(2,3,4)におけるドナー型不純物濃度Nd2およびアクセプタ型不純物濃度Na2とが、前記ドレイン電極(7)および前記ソース電極(8)の形成領域の下方の領域においてのみ、1.6×1019cm−3≧Na1−Nd1≧0、Nd1/10≧Nd2、Na1/10≧Na2の関係を満たすように、前記エピタキシャル成長層(2,3,4)が形成される、
ヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造方法。 Epitaxial growth layers (2, 3, 4) made of a nitride semiconductor including a top electron supply layer (4) and a channel layer (3) under the electron supply layer (4) on a nitride semiconductor substrate (1) Forming a)
Forming a drain electrode (7), a source electrode (8) and a gate electrode (9) on the electron supply layer (4),
In the step of forming the epitaxial growth layer (2, 3, 4), a donor-type impurity concentration Nd1 and an acceptor-type impurity concentration Na1 at the interface between the nitride semiconductor substrate (1) and the epitaxial growth layer (2, 3, 4) the epitaxial growth layer (2, 3, 4) and the donor-type impurity concentration Nd2 and acceptor-type impurity concentration Na2 in is only before SL below the region of the formation region of the drain electrode (7) and the source electrode (8), The epitaxial growth layers (2, 3, 4) are formed so as to satisfy the relationship of 1.6 × 10 19 cm −3 NaNa 1 −Nd 1 ≦ 0, Nd 1/10 ≦ Nd 2, and Na 1/10 ≦ Na 2.
Method of manufacturing a heterojunction field effect transistor
請求項6に記載のヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造方法。 Wherein in the step of forming the epitaxial growth layer (2, 3, 4), the epitaxially grown layer acceptor-type impurity concentration in the (2,3,4), the lower region of the front Symbol drain electrode (7) and the source electrode (8) The epitaxial growth layer (2, 3, 4) is formed so as to be locally high near the interface between the nitride semiconductor substrate (1) and the epitaxial growth layer (2, 3, 4) only in
A method of manufacturing a heterojunction field effect transistor according to claim 6 .
前記エピタキシャル成長層(2,3,4)の形成工程は、
前記窒化物半導体基板(1)上にバッファ層(2)を形成する工程と、
前記バッファ層(2)上に前記チャネル層(3)を形成する工程と、
前記チャネル層(3)上に前記電子供給層(4)を形成する工程と、
を含んでおり、
前記チャネル層(3)の形成工程では、前記バッファ層(2)と前記チャネル層(3)との界面におけるドナー型不純物濃度Nd3およびアクセプタ型不純物濃度Na3が、Na3≧Nd3の関係を満たすように、前記チャネル層(3)が形成される
請求項6または請求項7に記載のヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造方法。 The epitaxial growth layer (2, 3, 4) further includes a buffer layer (2) located between the nitride semiconductor substrate (1) and the channel layer (3).
In the step of forming the epitaxial growth layers (2, 3, 4),
Forming a buffer layer (2) on the nitride semiconductor substrate (1);
Forming the channel layer (3) on the buffer layer (2);
Forming the electron supply layer (4) on the channel layer (3);
Contains and
In the step of forming the channel layer (3), the donor type impurity concentration Nd3 and the acceptor type impurity concentration Na3 at the interface between the buffer layer (2) and the channel layer (3) satisfy the relationship Na3 Nd Nd3. , The channel layer (3) is formed
A method of manufacturing a heterojunction field effect transistor according to claim 6 or 7 .
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