JPWO2007007589A1 - Field effect transistor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
動作安定性に優れ、高歩留まりで製造可能なIII族窒化物半導体電界効果トランジスタを提供する。HJFET100は、GaNチャネル層112とAlGaN電子供給層113とのヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体層構造と、III族窒化物半導体層構造上に離間して形成されたソース電極101およびドレイン電極103と、ソース電極101とドレイン電極103の間に配置されたゲート電極102と、を備える。ゲート電極102とドレイン電極103との間の領域において、III族窒化物半導体層構造の上部にSiN膜121を有する。SiN膜121とAlGaN電子供給層113との界面におけるAlGaN電子供給層113中の不純物濃度が、1E17atoms/cm3以下である。
A group III nitride semiconductor field effect transistor having excellent operational stability and capable of being manufactured at a high yield is provided. The HJFET 100 includes a group III nitride semiconductor layer structure including a heterojunction of the GaN channel layer 112 and the AlGaN electron supply layer 113, and a source electrode 101 and a drain electrode 103 formed separately on the group III nitride semiconductor layer structure. And a gate electrode 102 disposed between the source electrode 101 and the drain electrode 103. In a region between the gate electrode 102 and the drain electrode 103, an SiN film 121 is provided on the upper part of the group III nitride semiconductor layer structure. The impurity concentration in the AlGaN electron supply layer 113 at the interface between the SiN film 121 and the AlGaN electron supply layer 113 is 1E17 atoms / cm 3 or less.
Description
本発明は、III族窒化物半導体を用いた電界効果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 field effect transistor using a group III nitride semiconductor and a method for manufacturing the same.
GaNをはじめとするIII族窒化物半導体は、GaAs系半導体に比べ大きなバンドギャップ、高い絶縁破壊電界、そして大きな電子の飽和ドリフト速度を有するため、高温動作、高速スイッチング動作、大電力動作等の点で優れた電子素子を実現する材料として期待を集めている。 Group III nitride semiconductors such as GaN have higher band gaps, higher dielectric breakdown electric fields, and higher electron saturation drift speeds than GaAs-based semiconductors. As a material that realizes an excellent electronic device, it has been expected.
また、III族窒化物半導体は、圧電性を有するため、ヘテロ接合構造によって、自発分極とピエゾ分極からヘテロ接合部に生成される高濃度二次元キャリアガスの利用が可能であり、不純物ドーピングによる発生したキャリアによって駆動するGaAs系半導体電界効果トランジスタとは異なった機構での動作が可能であるという特徴を持っている。 In addition, since group III nitride semiconductors have piezoelectricity, the heterojunction structure allows the use of high-concentration two-dimensional carrier gas generated in the heterojunction from spontaneous polarization and piezopolarization, and is generated by impurity doping. It has a feature that it can operate with a mechanism different from that of a GaAs-based semiconductor field effect transistor driven by a carrier.
このようなIII族窒化物半導体素子においては、ヘテロ接合部でキャリアガスが発生するのに伴い、半導体層構造表面に負電荷が誘起され、これがトランジスタの諸特性に大きな影響を及ぼすことから、表面負電荷の制御技術の開発が重要である。以下、この点について説明する。 In such a III-nitride semiconductor device, a negative charge is induced on the surface of the semiconductor layer structure as carrier gas is generated at the heterojunction, which greatly affects various characteristics of the transistor. Development of negative charge control technology is important. Hereinafter, this point will be described.
ヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体の積層構造では、ピエゾ分極等によりチャネル層に大きな電荷が発生する一方、AlGaN等の半導体層表面に負電荷が発生することが知られている(非特許文献1)。こうした負電荷は、ドレイン電流に直接作用し、素子性能に強い影響を及ぼす。具体的には、表面に大きな負電荷が発生すると、交流動作時の最大ドレイン電流が直流時に比べ劣化する。この現象を以下、電流コラプスと称する。電流コラプスは、GaAs系へテロ接合素子においては、分極電荷の発生が極めて小さいためみられず、III族窒化物半導体素子において顕著にみられる特有の現象である。 In a layered structure of a group III nitride semiconductor including a heterojunction, it is known that a large charge is generated in the channel layer due to piezoelectric polarization or the like, while a negative charge is generated on the surface of the semiconductor layer such as AlGaN (non-patent document). 1). Such negative charges directly affect the drain current and have a strong influence on device performance. Specifically, when a large negative charge is generated on the surface, the maximum drain current during AC operation is deteriorated as compared with DC. This phenomenon is hereinafter referred to as current collapse. Current collapse is not seen in GaAs heterojunction devices because the generation of polarization charge is extremely small, and is a unique phenomenon that is noticeable in group III nitride semiconductor devices.
こうした問題に対し、従来、表面保護層を形成することで電流コラプスの低減がなされていた。保護膜を設けない構造では、電流コラプスのため、高電圧印加時に充分なドレイン電流が得られず、III族窒化物半導体材料を用いる利点を得ることが困難である。また、電流コラプス抑制の効果は、保護膜を用いる材料によっても異なっており、一般にはSiNが電流コラプス抑制の効果が高いことが知られている。以下、保護膜を有する従来のトランジスタの一例について説明する。 Conventionally, the current collapse has been reduced by forming a surface protective layer for such problems. In the structure in which the protective film is not provided, due to current collapse, a sufficient drain current cannot be obtained when a high voltage is applied, and it is difficult to obtain the advantage of using a group III nitride semiconductor material. In addition, the effect of suppressing current collapse varies depending on the material using the protective film, and it is generally known that SiN has a high effect of suppressing current collapse. Hereinafter, an example of a conventional transistor having a protective film will be described.
図28は、従来のヘテロ接合電界効果トランジスタ(Hetero−Junction Field Effect Transistor:以下HJFETと称する)の構成を示す断面図である。図28に示したHJFETは、たとえば非特許文献2に報告されている。
FIG. 28 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional hetero-junction field effect transistor (hereinafter referred to as HJFET). The HJFET shown in FIG. 28 is reported in
図28のHJFET200においては、サファイア基板209の上にAlNからなるバッファ層211、GaNチャネル層212およびAlGaN電子供給層213がこの順で積層されている。その上に、ソース電極201とドレイン電極203とが形成されており、これらの電極は、AlGaN電子供給層213とオーム性接触している。また、ソース電極201とドレイン電極203の間にゲート電極202が形成され、このゲート電極202は、AlGaN電子供給層213にショットキー性接触している。最上層には、表面保護膜としてSiN膜221が形成されている。
In the HJFET 200 of FIG. 28, a
次に、HJFET200の製造方法を説明する。まず、サファイアからなる基板209上に、たとえば分子線エピタキシ(Molecular Beam Epitaxy:MBE)成長法や有機金属気相エピタキシ(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:MOVPE)成長法等によって半導体を成長させる。このようにして、基板側から順に、アンドープAlNからなるバッファ層211(膜厚20nm)、アンドープのGaNチャネル層212(膜厚2μm)、およびアンドープAlGaNからなるAlGaN電子供給層213(膜厚25nm)が積層した半導体層構造が得られる。
Next, a method for manufacturing the HJFET 200 will be described. First, a semiconductor is grown on a
次いで、GaNチャネル層212が露出するまでエピタキシャル層構造の一部をエッチング除去することにより、素子間分離メサ(不図示)を形成する。そして、AlGaN電子供給層213の所定の領域にフォトレジストを形成した後、AlGaN電子供給層213上にたとえばTi/Al等の金属を蒸着し、リフトオフ法等を用い、ソース電極201およびドレイン電極203を形成する。そして、これを650℃でアニールすることにより、これらの電極とAlGaN電子供給層213との間にオーム性接合を形成する。
Next, a part of the epitaxial layer structure is removed by etching until the GaN
つづいて、AlGaN電子供給層213の所定の領域にフォトレジストを形成した後、AlGaN電子供給層213上に、たとえばゲート電極用の金属膜としてNi(上層)/Au(下層)を蒸着し、リフトオフすることにより、AlGaN電子供給層213とショットキー接合されたゲート電極202を形成する。そして、プラズマCVD法等により、SiN膜221(膜厚50nm)を形成する。以上の手順により、図28に示したHJFET200が得られる。
ところが、上述した製造方法で得られたHJFETについて本発明者が検討したところ、表面保護膜を設けた場合においても、得られたトランジスタの特性にばらつきが生じる場合や、充分なドレイン電流が得られない場合があることが明らかになった。 However, the present inventors have examined the HJFET obtained by the above-described manufacturing method. As a result, even when a surface protective film is provided, the characteristics of the obtained transistor vary, and a sufficient drain current can be obtained. It became clear that there might not be.
本発明者は、こうした原因について以下のように推察した。
第一に、充分なドレイン電流が流れない原因として、製造過程でAlGaN電子供給層213とSiN膜221との界面に導入された不純物が界面準位を形成し、キャリアがトラップされてしまうことが推察された。不純物により界面準位が形成されると、電流コラプスが発生するため、ドレイン電流を低下させる要因となる。The inventor presumed the cause as follows.
First, a sufficient drain current does not flow because impurities introduced into the interface between the AlGaN
ここで、電流コラプスは、ゲート耐圧とトレードオフの関係となっている。AlGaN表面に発生する負の分極電荷は、その上に堆積する保護膜(パッシベーション膜)の電気的性質によっては、そのトランジスタ特性に大きな影響を与える。一般に、表面に大きな負の固定電荷が存在すると、高いゲート耐圧が得られるが、交流動作時の電流コラプスが大きくなる傾向が見られる。一方、表面の負電荷量が少ないと、ゲート耐圧は低いが、電流コラプスが小さい。トランジスタの動作は、一般にこのトレードオフ関係に支配されるが、AlGaN(上層)/GaN(下層)ヘテロ構造では、たとえば表面に1E13atoms/cm2オーダーの負電荷が発生するため、表面パッシベーションの品質により、前述のトレードオフ関係が極めて顕著に現れる。耐圧の値が、表面パッシベーションの状態により1桁以上変化することも珍しくない。このような大きな変化は、GaAs系トランジスタでは見られない現象である。逆に言えば、III族窒化物半導体系トランジスタは表面状態に極めて敏感なデバイスであり、その電気特性において高い性能を高歩留まりで安定的に得るためには、表面状態の制御に細心の注意を払う必要がある。Here, the current collapse has a trade-off relationship with the gate breakdown voltage. The negative polarization charge generated on the AlGaN surface has a great influence on the transistor characteristics depending on the electrical properties of the protective film (passivation film) deposited thereon. In general, when a large negative fixed charge is present on the surface, a high gate breakdown voltage can be obtained, but a current collapse during AC operation tends to increase. On the other hand, when the negative charge amount on the surface is small, the gate breakdown voltage is low, but the current collapse is small. The operation of the transistor is generally governed by this trade-off relationship. However, in the AlGaN (upper layer) / GaN (lower layer) heterostructure, for example, a negative charge of the order of 1E13 atoms / cm 2 is generated on the surface. The trade-off relationship described above appears very remarkably. It is not uncommon for the withstand voltage value to change by an order of magnitude or more depending on the state of surface passivation. Such a large change is a phenomenon that cannot be seen in GaAs transistors. Conversely, III-nitride semiconductor transistors are devices that are extremely sensitive to the surface state, and in order to stably obtain high performance in terms of electrical characteristics at a high yield, careful attention must be paid to the control of the surface state. I need to pay.
第二に、SiN膜221を設けてもなお生じるトランジスタ特性のばらつきとしては、たとえば、トランジスタの動作時の効率のばらつきが挙げられる。これについて本発明者が検討した結果、トランジスタの動作時の効率がばらつく原因として、ゲート電極202のショットキー特性のばらつきによりHJFET200のゲートリーク電流にばらつきが生じることが推察された。そこで、HJFET200のショットキー特性のばらつきの原因についてさらに検討を行ったところ、AlGaN電子供給層213とSiN膜221との界面に導入された不純物がショットキー特性にも影響を与えていることが見出された。以下、この点について説明する。
Second, the variation in transistor characteristics that still occurs even when the SiN
従来のHJFET200の製造途中においては、AlGaN電子供給層213の表面が剥き出しの状態となる。このため、製造工程において、AlGaN電子供給層213の表面にフォトレジストが形成さる。また、レジストを除去する際に、プラズマアッシングによるプラズマダメージに数回曝される。さらには、AlGaN電子供給層213の表面が剥き出しのまま、オーム性電極形成時の高温アニールが行われる。
During the production of the
このような製造工程を経て得られたHJFET200のIII族窒化物半導体層213の表面とゲート電極202との界面における酸素等の不純物濃度をSIMS(二次イオン質量分析法)により測定したところ、1E18atoms/cm3〜1E19atoms/cm3程度であった。このように不純物濃度が高くなるのは、AlGaN電子供給層213の表面が、前述した電極形成工程時のプラズマダメージを受けたり、高温アニールの後大気に曝されたりすることで、より酸化されやすくなるためであると考えられる。AlGaN電子供給層213の表面を清浄な状態にするためには、酸等によるエッチングが有効であるが、オーム性電極等を形成した後では、レジストで覆っていてもエッチング液の周り込みがあり、金属が侵され、オーミック性の劣化等が起きる。このため電極形成後はエッチングにより表面状態を充分に清浄な状態することは困難である。When the concentration of impurities such as oxygen at the interface between the surface of the group III
このように、HJFET200において、AlGaN電子供給層の表面状態はプロセスによる影響を受けやすい。このため、AlGaN電子供給層213の表面は、半導体の結晶性の変化等を受け、初期の清浄な状態と異なった状態となる。こうした状態としては、たとえば、
(i)プラズマダメージや高温アニールによって半導体結晶が変化した状態、および
(ii)大気に曝されることによってAlGaN電子供給層表面に酸素が混入した状態
が挙げられる。Thus, in the
(I) a state in which the semiconductor crystal has changed due to plasma damage or high-temperature annealing, and (ii) a state in which oxygen is mixed into the surface of the AlGaN electron supply layer by exposure to the atmosphere.
次に、得られたHJFET200のショットキー特性の測定結果を説明する。図25(a)および図25(b)は、従来の製造方法で得られたHJFET200(図28)と、後述する実施例のHJFET100(図1)との特性を比較する図である。ここでは、3インチウェーハ10枚で得られたHJFETでのショットキー障壁高さφB(eV)(図25(a))および理想化因子n(図25(b))が示されている。理想化因子nは、理想的にショットキー接合した場合のショットキー障壁高さφBからのずれの程度を示す指標であり、n=1の場合が理想的にショットキー接合されている場合に対応し、n値が1に近いほど、ショットキー性は良好である。図25より、従来の製造方法で得られたHJFET200においては、理想的なショットキー接合に比べφBが下がり、また、nが1から大きくずれている。Next, the measurement result of the Schottky characteristic of the obtained
以上の検討より、実際のデバイスにおいては、表面に結晶欠陥等が存在するため、n値が理想値n=1からずれ、結果として、見かけ上のφBを低下させることがわかる。これは、交流動作時のゲートリーク電流の増加を引き起こし、素子の安定動作の妨げになる。また、結晶欠陥に何らかの分布がある場合、それに伴いショットキー特性にばらつきが生じ、素子特性の再現性を劣化させる。したがって、素子の安定動作と特性の再現性を向上するためには、n値を1に近づけることと、および、結晶状態を均一にすること、つまりはゲート電極を形成する半導体表面の結晶性を制御することが重要である。From the above examination, it can be seen that in an actual device, crystal defects and the like exist on the surface, so that the n value deviates from the ideal value n = 1, and as a result, the apparent φ B decreases. This causes an increase in gate leakage current during AC operation, which hinders stable operation of the element. In addition, when there is some distribution of crystal defects, the Schottky characteristics vary accordingly, degrading the reproducibility of element characteristics. Therefore, in order to improve the stable operation of the element and the reproducibility of the characteristics, the n value is brought close to 1 and the crystal state is made uniform, that is, the crystallinity of the semiconductor surface forming the gate electrode is increased. It is important to control.
本発明者は、こうした観点から検討を進め、III族窒化物半導体トランジスタに表面保護膜を設けるとともに半導体表面の清浄度を向上させることにより、電流コラプスが少なく、またショットキー特性に優れたトランジスタを実現できることを見出した。本発明はこうした新規な知見に基づきなされたものである。 The present inventor has made studies from this point of view, and by providing a surface protection film on the group III nitride semiconductor transistor and improving the cleanliness of the semiconductor surface, a transistor with less current collapse and excellent Schottky characteristics is obtained. I found out that it could be realized. The present invention has been made based on such novel findings.
本発明によれば、
ヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体層構造と、
該III族窒化物半導体層構造上に離間して形成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の間に配置されたゲート電極と、
を備え、
前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の領域において、前記III族窒化物半導体層構造上に絶縁膜を有し、
前記絶縁膜と前記III族窒化物半導体層構造との界面における前記III族窒化物半導体層構造中の不純物濃度が、1E17atoms/cm3以下であることを特徴とする電界効果トランジスタが提供される。According to the present invention,
A group III nitride semiconductor layer structure including a heterojunction;
A source electrode and a drain electrode formed separately on the group III nitride semiconductor layer structure;
A gate electrode disposed between the source electrode and the drain electrode;
With
In the region between the gate electrode and the drain electrode, an insulating film is provided on the group III nitride semiconductor layer structure,
A field effect transistor is provided, wherein an impurity concentration in the group III nitride semiconductor layer structure at an interface between the insulating film and the group III nitride semiconductor layer structure is 1E17 atoms / cm 3 or less.
本発明の電界効果トランジスタにおいては、ゲート電極とドレイン電極との間の領域において、ヘテロ界面を有するIII族窒化物半導体層構造上に設けられた絶縁膜とIII族窒化物半導体層構造との界面における不純物濃度が、1E17atoms/cm3以下である。このため、本発明のトランジスタにおいては、III族窒化物半導体層構造における不純物による界面準位形成が抑制され、電流コラプスが効果的に抑制される。また、本発明のトランジスタは優れたショットキー特性を有する。界面の不純物濃度を1E17atoms/cm3以下とすることによりショットキー特性が優れる理由として、III族窒化物半導体層構造の結晶性が向上することが推察される。また、本発明のトランジスタは、動作安定性に優れ、高い歩留まりで安定的に製造可能な構成となっている。In the field effect transistor of the present invention, in the region between the gate electrode and the drain electrode, the interface between the insulating film provided on the group III nitride semiconductor layer structure having a heterointerface and the group III nitride semiconductor layer structure The impurity concentration in is 1E17 atoms / cm 3 or less. For this reason, in the transistor of the present invention, the formation of interface states due to impurities in the group III nitride semiconductor layer structure is suppressed, and current collapse is effectively suppressed. The transistor of the present invention has excellent Schottky characteristics. It is presumed that the crystallinity of the group III nitride semiconductor layer structure is improved as the reason why the Schottky characteristics are excellent by setting the impurity concentration of the interface to 1E17 atoms / cm 3 or less. In addition, the transistor of the present invention is excellent in operational stability and has a structure that can be stably manufactured with high yield.
なお、本発明において、不純物濃度は、たとえばSIMS(二次イオン質量分析法)により測定することができる。 In the present invention, the impurity concentration can be measured, for example, by SIMS (secondary ion mass spectrometry).
本発明において、電流コラプスの抑制の観点では、前記絶縁膜を、たとえば窒素を含む絶縁膜、好ましくはシリコンと窒素からなるSiN膜とすることができる。 In the present invention, from the viewpoint of suppressing current collapse, the insulating film can be, for example, an insulating film containing nitrogen, preferably a SiN film made of silicon and nitrogen.
また、本発明によれば、
上記電界効果トランジスタの製造方法であって、
成膜室中で、ヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体層構造を形成する工程と、
前記III族窒化物半導体層構造上に前記絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の所定の領域をエッチングにより選択的に除去して開口部を形成し、前記III族窒化物半導体層構造上に、前記開口部を埋め込むように前記ゲート電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法が提供される。Moreover, according to the present invention,
A method for producing the field effect transistor, comprising:
Forming a group III nitride semiconductor layer structure including a heterojunction in the deposition chamber;
Forming the insulating film on the group III nitride semiconductor layer structure;
A step of selectively removing a predetermined region of the insulating film by etching to form an opening, and forming the gate electrode on the group III nitride semiconductor layer structure so as to embed the opening;
A method of manufacturing a field effect transistor is provided.
本発明の方法によれば、絶縁膜がゲート電極作製前に形成される。従来の方法においては、背景技術の項で図28を参照して前述したように、ゲート電極形成後、表面保護膜が形成されるのに対し、この方法によれば、絶縁膜形成後の製造工程で、III族窒化物半導体層表面にフォトレジストが形成されたり、表面がプラズマに侵されることがない。よって、本発明の製造方法によれば、経時変化による窒化物半導体表面の酸化を抑制することができる。したがって、絶縁膜とIII族窒化物半導体層構造との界面が清浄な電界効果トランジスタを安定して製造することができる。このため、本発明によれば、III族窒化物半導体層の酸化による電流コラプスを抑制することができる。また、ショットキー界面の均一性に優れた電界効果トランジスタを安定的に製造することができる。また、ゲート電極とドレイン電極との間の領域におけるIII族窒化物半導体層表面の結晶状態を良好なものとすることができる。また、結晶状態の均一性を向上させることができる。 According to the method of the present invention, the insulating film is formed before forming the gate electrode. In the conventional method, as described above with reference to FIG. 28 in the section of the background art, the surface protective film is formed after the gate electrode is formed. In the process, a photoresist is not formed on the surface of the group III nitride semiconductor layer, and the surface is not affected by plasma. Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to suppress oxidation of the nitride semiconductor surface due to aging. Therefore, a field effect transistor having a clean interface between the insulating film and the group III nitride semiconductor layer structure can be stably manufactured. Therefore, according to the present invention, current collapse due to oxidation of the group III nitride semiconductor layer can be suppressed. In addition, a field effect transistor with excellent uniformity of the Schottky interface can be stably manufactured. In addition, the crystal state of the surface of the group III nitride semiconductor layer in the region between the gate electrode and the drain electrode can be made favorable. In addition, the uniformity of the crystalline state can be improved.
また、本発明によれば、
成膜室中でヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体層構造を形成する工程と、
前記III族窒化物半導体層構造上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の所定の領域をエッチングにより選択的に除去して開口部を形成し、前記III族窒化物半導体層構造上に、前記開口部を埋め込むようにゲート電極を形成する工程と、
を含み、
前記III族窒化物半導体層構造を形成する工程の後、前記III族窒化物半導体層構造を前記成膜室から取り出すことなく前記絶縁膜を形成する工程を行うことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法が提供される。Moreover, according to the present invention,
Forming a group III nitride semiconductor layer structure including a heterojunction in the deposition chamber;
Forming an insulating film on the group III nitride semiconductor layer structure;
A step of selectively removing a predetermined region of the insulating film by etching to form an opening, and forming a gate electrode on the group III nitride semiconductor layer structure so as to embed the opening;
Including
A step of forming the insulating film without removing the group III nitride semiconductor layer structure from the film formation chamber after the step of forming the group III nitride semiconductor layer structure. A manufacturing method is provided.
また、本発明によれば、
成膜室中でヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体層構造を形成する工程と、
前記III族窒化物半導体層構造上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の所定の領域をエッチングにより選択的に除去して開口部を形成し、前記III族窒化物半導体層構造上に、前記開口部を埋め込むようにゲート電極を形成する工程と、
前記III族窒化物半導体層構造を形成する工程の後、前記絶縁膜を形成する工程の前に、
酸を用いたウェットエッチングにより、前記III族窒化物半導体層構造の表面を洗浄する工程と、
を含むことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法が提供される。Moreover, according to the present invention,
Forming a group III nitride semiconductor layer structure including a heterojunction in the deposition chamber;
Forming an insulating film on the group III nitride semiconductor layer structure;
A step of selectively removing a predetermined region of the insulating film by etching to form an opening, and forming a gate electrode on the group III nitride semiconductor layer structure so as to embed the opening;
After the step of forming the group III nitride semiconductor layer structure, before the step of forming the insulating film,
Cleaning the surface of the group III nitride semiconductor layer structure by wet etching using an acid;
A method of manufacturing a field effect transistor is provided.
本発明の製造方法においては、III族窒化物半導体層構造の表面が清浄な状態で絶縁膜を形成する。電流コラプスを抑制するためにIII族窒化物半導体層構造上に絶縁膜を形成する従来の製造方法においては、絶縁膜の形成を電極形成後に行っていたのが通常であったため、III族窒化物半導体層構造の表面の不純物により界面順位が形成されてしまっていた。これに対し、本発明の製造方法によれば、III族窒化物半導体層構造上に絶縁膜を成膜する工程を工夫することにより、これらの界面が清浄な電界効果トランジスタを得ることができる。このため、界面の酸化により生じる電流コラプスが抑制され、またショットキー特性に優れた電界効果トランジスタを安定的に製造することができる。 In the manufacturing method of the present invention, the insulating film is formed in a state where the surface of the group III nitride semiconductor layer structure is clean. In the conventional manufacturing method in which an insulating film is formed on a group III nitride semiconductor layer structure in order to suppress current collapse, the insulating film is usually formed after electrode formation. The interface order has been formed by impurities on the surface of the semiconductor layer structure. On the other hand, according to the manufacturing method of the present invention, a field effect transistor having a clean interface can be obtained by devising a process of forming an insulating film on the group III nitride semiconductor layer structure. Therefore, current collapse caused by interface oxidation is suppressed, and a field effect transistor having excellent Schottky characteristics can be stably manufactured.
なお、本発明において、前記絶縁膜を形成する工程の後、前記絶縁膜の所定の領域をエッチングにより選択的に除去し、前記III族窒化物半導体層構造上に、除去された領域を埋め込むようにソース電極とドレイン電極とを離間して形成してもよい。このとき、ソース電極とドレイン電極とを形成する工程と、ゲート電極を形成する工程は、どちらを先に行ってもよい。 In the present invention, after the step of forming the insulating film, a predetermined region of the insulating film is selectively removed by etching so that the removed region is embedded on the group III nitride semiconductor layer structure. The source electrode and the drain electrode may be formed separately from each other. At this time, either the step of forming the source electrode and the drain electrode or the step of forming the gate electrode may be performed first.
以上説明したように、本発明によれば、動作安定性に優れ、高い歩留まりで製造可能なIII族窒化物半導体電界効果トランジスタが実現される。 As described above, according to the present invention, a group III nitride semiconductor field effect transistor that is excellent in operational stability and can be manufactured with high yield is realized.
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。 The above-described object and other objects, features, and advantages will become more apparent from the preferred embodiments described below and the accompanying drawings.
以下、III族窒化物半導体構造として、AlGaN電子供給層/GaNチャネル層および表面保護膜(以下、単に「保護膜」とも呼ぶ。)を有するHJFETを例に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、共通の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。また、本明細書においては、積層構造を「上層/下層(基板側)」と表記する。 Hereinafter, an HJFET having an AlGaN electron supply layer / GaN channel layer and a surface protective film (hereinafter also simply referred to as “protective film”) as an example of a group III nitride semiconductor structure will be described with reference to the drawings for embodiments of the present invention. To explain. In all the drawings, common constituent elements are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted as appropriate. Further, in this specification, the laminated structure is expressed as “upper layer / lower layer (substrate side)”.
図1は、本実施形態の電界効果トランジスタの基本構成を示す図である。この電界効果トランジスタ(HJFET100)は、ヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体層構造(GaNチャネル層112、AlGaN電子供給層113)と、これらのIII族窒化物半導体層構造上に離間して形成されたソース電極101およびドレイン電極103と、ソース電極101とドレイン電極103との間に配置されたゲート電極102と、を備える。HJFET100は、ヘテロ接合構造を有するため、自発分極とピエゾ分極からヘテロ接合部に生成される高濃度二次元キャリアガスの利用が可能である。
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of the field effect transistor of the present embodiment. This field effect transistor (HJFET 100) is formed on a group III nitride semiconductor layer structure (
III族窒化物半導体層構造は、InxGa1−xN(0≦x≦1)からなるチャネル層と、AlyGa1−yN(0≦y≦1)とからなる電子供給層を含み、ヘテロ界面は、InxGa1−xNとAlyGa1−yNとの界面である。ただし、上記式において、xとyが同時にゼロにならないようにすることが必要である。The group III nitride semiconductor layer structure includes a channel layer made of In x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) and an electron supply layer made of Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 1). The hetero interface is an interface between In x Ga 1-x N and Al y Ga 1-y N. However, in the above formula, it is necessary to prevent x and y from simultaneously becoming zero.
HJFET100は、ゲート電極102とドレイン電極103との間の領域において、GaNチャネル層112およびAlGaN電子供給層113の積層構造上に保護膜として絶縁膜(SiN膜121)を有する。
The
保護膜は、上記SiN膜121のように、絶縁材料から構成される。SiN膜121は、ゲート電極102とドレイン電極103との間の領域の全面に設けられていてもよいし、当該領域の一部に設けられていてもよい。ゲート電極102とドレイン電極103との間の領域全面をSiN膜121が被覆する構成とすることにより、電流コラプスをさらに効果的に抑制することができる。
The protective film is made of an insulating material like the
SiN膜121は、GaNチャネル層112およびAlGaN電子供給層113の積層構造を構成する元素のうち少なくとも一つとして窒素を含む絶縁膜である。保護膜中の元素がAlGaN電子供給層113と保護膜との界面に移動すると、界面の不純物として準位が形成される懸念があるが、SiN膜121中の窒素はAlGaN電子供給層113を構成するNと共通するため、AlGaN電子供給層113に対して不純物とならず、界面準位が形成されないようにすることができる。このため、電流コラプスの発生をさらに効果的に抑制できる。また、保護膜をSiN膜121とすることにより、AlGaN電子供給層113と共通の材料を用いることが可能となる。
The
また、AlGaN電子供給層113であるAlGaNエピタキシャル層上にSiNを成長させる場合、成長条件に応じて、成長初期に、下層のAlGaNと格子整合しようとして下地の結晶性を反映するようにSiNがいわゆるエピタキシャル成長する。このとき、SiN膜121は、GaNチャネル層112およびAlGaN電子供給層113の積層構造上に、エピタキシャル成長した領域を含む膜である。エピタキシャル成長した領域を含む膜とすることにより、III族窒化物半導体層構造とSiN膜121とを連続工程で製造することが可能となる。また、得られたSiN膜121の膜質の安定性を向上させることができる。
In addition, when SiN is grown on the AlGaN epitaxial layer which is the AlGaN
SiN膜121は、構成元素として酸素を実質的に含まない膜である。酸素は、III族窒化物半導体中で準位を形成しやすいため、酸素を実質的に含まない構成とすることにより、電流コラプスの発生をさらに確実に抑制することができる。なお、「酸素を実質的に含まない」とは、膜中に酸素を意図的に含有させていないことをいい、酸素の不純物準位形成による電流コラプスの発生を抑制できる程度であれば、非意図的に含まれる酸素が存在してもよい。また、酸素濃度がSIMSにおける検出限界以下であることが好ましい。
The
SiN膜121の厚さは、たとえば5nm以上200nm以下、さらに具体的には5nm以上100nm以下である。5nm以上とすることにより、界面における電流コラプスをさらに確実に抑制することができる。また、SiN膜121の厚さは、たとえば200nm以下、好ましくは150nm以下、さらに好ましくは100nm以下とする。こうすることによって、電流コラプスを抑制するとともに、ゲート耐圧を向上させることが可能となり、両者のトレードオフの問題をさらに有効に解決することができる。
The thickness of the
また、SiN膜121は、清浄なAlGaN電子供給層113の表面に成長した膜である。HJFET100においては、SiN膜121とGaNチャネル層112およびAlGaN電子供給層113の積層構造との界面における不純物濃度が、1E17atoms/cm3以下、好ましくは1E15atoms/cm3以下である。こうすることにより、AlGaN電子供給層113における界面準位形成を抑制し、電流コラプスの発生を抑制できる。また、ショットキー特性を向上させることができる。なお、本明細書において、不純物濃度は、界面に含まれる炭素と酸素の合計濃度である。本実施形態および以下の実施例において、不純物濃度は、たとえばSIMS(二次イオン質量分析法)により測定することができる。The
ただし、上記界面不純物濃度を満たすHJFET100を、上述の従来の方法で得ることは困難である。本実施形態においては、電流コラプスの発生を効果的に抑制する表面保護膜としてSiN膜121を用いるとともに、AlGaN電子供給層113の表面が清浄な状態でSiN膜121の形成を行うことにより、上記不純物濃度のHJFET100を得ることができる。AlGaN電子供給層113の表面が清浄な状態でSiN膜121の形成を行う方法として、たとえば、
(i)AlGaN電子供給層113形成後、大気暴露することなく同じ成膜室内でSiN膜121を形成する方法、
(ii)AlGaN電子供給層113の表面を酸等でエッチングした後SiN膜121を形成する方法、
が挙げられる。これらの方法によりHJFETを作製したところ、上記(i)の方法ではAlGaN電子供給層113表面とSiN膜121およびゲート電極102との界面における不純物濃度が1E15atoms/cm3以下のHJFETが得られた。また、上記(ii)の方法ではAlGaN電子供給層113表面とSiN膜121およびゲート電極102との界面における不純物濃度が1E17atoms/cm3以下のHJFETが得られた。なお、これらの方法については、後述する実施例においてさらに詳細に説明する。However, it is difficult to obtain the
(I) a method of forming the
(Ii) a method of forming the
Is mentioned. When an HJFET was manufactured by these methods, an HJFET having an impurity concentration of 1E15 atoms / cm 3 or less at the interface between the surface of the AlGaN
また、上記方法によれば、AlGaN電子供給層113形成後、電極形成前にSiN膜121が形成されるため、ソース電極101とドレイン電極103とがSiN膜121の上に乗り上げた構造になっている。このことによって、高電圧動作時のドレイン電極103のゲート電極側端部での電界集中が緩和され、ゲート耐圧が改善される効果が得られる。
Further, according to the above method, since the
(実施例)
以下、III族窒化物半導体層の成長基板としてc面SiCを用いる場合を例に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、共通の構成要素には同一の符号を付し、以下の説明において共通する説明を適宜省略する。(Example)
Hereinafter, examples of the present invention will be described with reference to the drawings, taking as an example the case where c-plane SiC is used as a growth substrate for a group III nitride semiconductor layer. In all the drawings, common constituent elements are given the same reference numerals, and common descriptions in the following description are omitted as appropriate.
(実施例1)
本実施例は、図1に示した構成を有するHJFETに関する。本実施例において、HJFET100は、SiC等の基板110上に形成される。基板110上には半導体層からなるバッファ層111が形成されている。このバッファ層111上にGaNチャネル層112が形成されている。GaNチャネル層112の上には、AlGaN電子供給層113が形成されている。このAlGaN電子供給層113上には、ソース電極101とドレイン電極103とがオーム性接触しており、AlGaN電子供給層113の表面はSiN膜121で覆われている。Example 1
This example relates to an HJFET having the configuration shown in FIG. In this embodiment, the
図7〜図9は、本実施例のHJFET100の製造方法を示す図である。
この製造方法は、以下の工程を含む。
ステップ101:ヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体層構造(AlGaN電子供給層113とGaNチャネル層112との積層構造)を形成する工程、具体的には、基板110上に、エピタキシャル成長法によりGaNチャネル層112およびAlGaN電子供給層113を順次形成する工程、
ステップ103:AlGaN電子供給層113の表面が清浄な状態で保護膜(SiN膜121)を形成する工程、
ステップ105:SiN膜121の所定の領域をエッチングにより選択的に除去して開口部を形成し、AlGaN電子供給層113とGaNチャネル層112との積層構造上に、当該開口部を埋め込むようにゲート電極102を形成する工程、および
ステップ107:SiN膜121を形成する工程の後、SiN膜121の所定の領域をエッチングにより選択的に除去し、AlGaN電子供給層113上に、除去された領域を埋め込むようにソース電極101とドレイン電極103とを離間して形成する工程。7-9 is a figure which shows the manufacturing method of HJFET100 of a present Example.
This manufacturing method includes the following steps.
Step 101: A step of forming a group III nitride semiconductor layer structure (a laminated structure of an AlGaN
Step 103: forming a protective film (SiN film 121) in a state where the surface of the AlGaN
Step 105: A predetermined region of the
なお、ここでは、ステップ105においてゲート電極102を形成した後、ステップ107にてソース電極101とドレイン電極103とを形成する手順の場合を例示したが、ゲート電極102、ソース電極101およびドレイン電極103の形成前にSiN膜121が形成される手順であれば、ステップ105およびステップ107のどちらを先に行ってもよい。たとえば各電極に用いる金属の種類等を考慮して、いずれのステップから行うかを決めることができる。
Note that, here, the case where the
ステップ103のSiN膜121は、少なくともゲート電極102の形成領域とドレイン電極103の形成領域との間に形成される。
The
本実施例では、ステップ101において、エピタキシャル成長法によりIII族窒化物半導体層構造を形成した後、成膜室から取り出すことなく、清浄な雰囲気で、引き続きSiN膜121を形成するステップ103の工程を行っている。清浄な雰囲気とは、具体的には実質的に酸素を含まない雰囲気である。こうすれば、AlGaN電子供給層113の表面が途中で大気中に曝されることがないので、AlGaN電子供給層113とSiN膜121との界面における不純物濃度をさらに効果的に低減させ、電流コラプスをさらに効果的に抑制可能な構成とすることができる。
In this embodiment, in
なお、本明細書において、成膜室は、一つの室から構成されていてもよいし、複数の小室を含んでいてもよい。複数の小室を含む成膜室を用いる場合、一つのAlGaN電子供給層113を形成した後、真空解除による大気暴露をせずに基板110を他の小室に搬送し、SiN膜121の形成を行ってもよい。真空解除による大気暴露を行わないため、AlGaN電子供給層113の表面汚染を効果的に抑制することができる。
Note that in this specification, the deposition chamber may be formed of a single chamber or may include a plurality of small chambers. In the case of using a film formation chamber including a plurality of small chambers, after forming one AlGaN
以下、HJFET100の製造工程をさらに具体的に説明する。
まず、図7(a)に示したように、SiCからなる基板110上に、エピタキシャル成長法を用いて半導体を成長させて、基板110側から順に、アンドープAlNからなるバッファ層111(膜厚20nm)、アンドープのGaNチャネル層112(膜厚2μm)、アンドープAlGaNからなるAlGaN電子供給層113(膜厚25nm)が積層した半導体層構造を得る(図7(a))。エピタキシャル成長法として、たとえば、分子線エピタキシ(Molecular Beam Epitaxy:MBE)成長法や有機金属気相エピタキシ(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:MOVPE)成長法を用いる。Hereinafter, the manufacturing process of the
First, as shown in FIG. 7A, a semiconductor is grown on a
そして、AlGaN電子供給層113上にSiN膜121(膜厚60nm)を形成する(図7(b))。このとき、AlGaN電子供給層113形成後、大気曝露せずに同一の成膜装置内でSiN膜121を形成する。SiN膜121は、AlGaN電子供給層113およびGaNチャネル層112の成長法と同一の成長法により形成される。
Then, a SiN film 121 (film thickness 60 nm) is formed on the AlGaN electron supply layer 113 (FIG. 7B). At this time, after the AlGaN
つづいて、SiN膜121の一部をGaNチャネル層112が露出するまでエッチング除去することにより、素子間分離メサ(不図示)を形成する。そして、SiN膜121表面の所定の領域にフォトレジストを形成し、SiN膜121の露出部を選択的にエッチング除去してAlGaN電子供給層113を露出させる(図8(c))。
Subsequently, a part of the
そして、AlGaN電子供給層113上に、たとえばTi/Al等の金属を蒸着することにより、ソース電極101およびドレイン電極103を形成し(図8(d))、650℃でアニールを行うことにより、AlGaN電子供給層113とオーム性接合させる。
Then, a
次いで、SiN膜121表面の所定の領域にフォトレジストを形成し、SiN膜121の露出部を選択的にエッチング除去して、AlGaN電子供給層113の露出する開口部を設ける(図9(e))。露出したAlGaN電子供給層113上に、たとえばNi/Auのゲート金属を蒸着して、ショットキー接触のゲート電極102を形成する(図9(f))。以上の手順により、図1に示したHJFET100が得られる。
Next, a photoresist is formed in a predetermined region on the surface of the
図25および図26は、本実施例の製造方法と従来の製造方法とを比較する図である。 25 and 26 are diagrams for comparing the manufacturing method of the present embodiment and the conventional manufacturing method.
まず、図25(a)および図25(b)は、それぞれ、上述した本実施例のHJFET100の製造方法と、従来のHJFET200(図28)の製造方法において、各々10枚の3インチウェーハで得られたHJFETでのショットキー障壁高さφBおよび理想化因子nを示す図である。First, FIG. 25A and FIG. 25B are respectively obtained with 10 3-inch wafers in the above-described method of manufacturing the
図25(a)および図25(b)からわかるように、本実施例のHJFET100では、理想的なショットキー接合に近い優れたショットキー性が得られ、さらに、ウェーハ間のばらつきが抑制されて均一性が向上していることがわかる。これは、ゲート電極102形成領域におけるAlGaN電子供給層113の表面が、ゲート電極102の形成時まで大気やプラズマに曝されず、AlGaN電子供給層113表面が汚染されないためと推察される。
As can be seen from FIGS. 25 (a) and 25 (b), the
また、図26は、本実施例の作製方法と従来の作製方法において、各々10枚の3インチウェーハに素子を試作した時の電流コラプス量を示す図である。 FIG. 26 is a diagram showing the amount of current collapse when the device is prototyped on ten 3-inch wafers in the manufacturing method of this example and the conventional manufacturing method.
図26に示した従来の作製方法で得られた電界効果トランジスタ200では、ゲート電極202とドレイン電極203と間に設けられるAlGaN電子供給層213の表面は様々な工程を経るため、その表面に誘起される負電荷の制御は困難であり、SiN膜221による保護膜を形成し電流コラプスの抑制を行っても、電流コラプスの低減の程度にばらつきが生じている。
In the
これに対し、本実施例のHJFET100では、電流コラプス量が少なく、かつ、そのばらつきが小さいことがわかる。本実施例においては、半導体層と同じ成長装置にて、AlGaN電子供給層113を形成後、大気やプラズマ中に暴露することなく、引き続きSiN膜121を成長させる。このため、ゲート電極102の形成前にSiN膜121が形成され、半導体とSiN膜121との界面はプロセスによる損傷を受けることなく、均一で良質な界面が形成されている。以上より、特に本発明の如く表面負電荷の影響が大きな問題となっているIII族窒化物半導体素子では、この均一な界面形成と界面不純物濃度が低いことによる電流コラプス低減と特性の均一性向上の効果は著しい。
In contrast, in the
さらに、得られたHJFETにおいて、SiN膜とAlGaN電子供給層との界面におけるAlGaN電子供給層中の酸素濃度を分析したところ、本実施例のHJFET100の場合、1E15atoms/cm3以下であった。SiN膜121の膜厚が5〜200nm程度である場合について、このような不純物濃度を界面において有するAlGaN電子供給層113およびSiN膜121を形成することができた。Further, in the obtained HJFET, when the oxygen concentration in the AlGaN electron supply layer at the interface between the SiN film and the AlGaN electron supply layer was analyzed, it was 1E15 atoms / cm 3 or less in the case of the
これに対し、図28に示したHJFET200について、電極形成後、SiN膜221をプラズマCVD法により形成した結果、AlGaN電子供給層213とSiN膜221との界面におけるAlGaN電子供給層213中の酸素濃度が1E19atoms/cm3程度であった。On the other hand, in the
また、HJFET100の製造工程において、エピタキシャル成長法によりAlGaN電子供給層113を形成した後、SiN膜121を形成する前に大気暴露を行った場合、SiN膜121とAlGaN電子供給層113との界面におけるAlGaN電子供給層113中の酸素濃度が1E19atoms/cm3程度であった。Further, in the manufacturing process of the
このように、本実施例のHJFET100においては、AlGaN電子供給層113形成後、大気暴露することなく同じ成膜室内でSiN膜121が形成されるため、HJFET100は、ショットキー性に優れるとともに、電流コラプスが抑制され、高出力で信頼性に優れた構成を有する。また、HJFET100は、ウェーハ間のばらつきが抑制されているため、設計通りの構造を高い歩留まりで安定的に製造可能な構成となっている。本実施例の方法でHJFETを作製したところ、AlGaN電子供給層113とSiN膜121との界面における不純物濃度、ここでは酸素濃度が、1E15atoms/cm3以下のトランジスタが得られた。As described above, in the
また、本実施例では、保護膜として機能するSiN膜121が、III族窒化物半導体層であるAlGaN電子供給層113の構成元素である窒素を含むため、AlGaN電子供給層113形成後、大気暴露することなく連続工程でSiN膜121を形成することができる。また、得られるSiN膜121の膜質の安定性を向上させることができる。
In this embodiment, since the
また、本実施例においては、ソース電極101およびゲート電極102が、保護膜であるSiN膜121上に乗り上げた構造になっているため、高電圧動作時において、ドレイン電極103のゲート電極側端部での電界集中を緩和することができる。よって、ゲート耐圧が改善された構成となっている。
Further, in this embodiment, since the
(実施例2)
図2は、本実施例のHJFETの構成を示す断面図である。図2に示したHJFET130の基本構成は実施例1のHJFET100(図1)と同様、基板110上に、バッファ層111、GaNチャネル層112、AlGaN電子供給層113およびSiN膜121が基板110側からこの順に積層され、AlGaN電子供給層113上に、ソース電極101、ドレイン電極103およびゲート電極102が設けられた構成であるが、AlGaN電子供給層113とSiN膜121との界面の清浄度を保つ方法が実施例1と異なる。(Example 2)
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the HJFET of this example. The basic configuration of the
このようなHJFET130は、以下の手順で製造される。
図10〜図13は、本実施例におけるHJFETの製造方法を示す図である。実施例1では、III族窒化物半導体層構造を形成する工程の後、汚染雰囲気(たとえば大気)に曝露せずにSiNを成膜したが、本実施例の製造方法は、III族窒化物半導体層構造を形成する工程の後、III族窒化物半導体層構造を汚染雰囲気に曝す場合を考慮したものである。本実施例においては、III族窒化物半導体層構造の表面で界面準位を形成する不純物を除去するためにSiN膜121を形成する工程の前に、
ステップ109:酸を用いたウェットエッチングにより、III族窒化物半導体層構造の表面を洗浄する工程、
を含んでいる。Such an
10 to 13 are diagrams showing a method for manufacturing the HJFET in this example. In Example 1, after the step of forming the group III nitride semiconductor layer structure, the SiN film was formed without being exposed to the contaminated atmosphere (for example, air). However, the manufacturing method of this example is based on the group III nitride semiconductor. This is a case where the group III nitride semiconductor layer structure is exposed to a contaminated atmosphere after the step of forming the layer structure. In this embodiment, before the step of forming the
Step 109: cleaning the surface of the group III nitride semiconductor layer structure by wet etching using an acid,
Is included.
まず、SiCからなる基板110上にたとえば分子線エピタキシ(Molecular Beam Epitaxy:MBE)成長法や有機金属気相エピタキシ(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:MOVPE)成長法等によって半導体を成長させる。このようにして、基板110側から順に、アンドープAlNからなるバッファ層111(膜厚20nm)、アンドープのGaNチャネル層112(膜厚2μm)、アンドープAlGaNからなるAlGaN電子供給層113(膜厚25nm)が積層した半導体層構造が得られる(図10(a))。
First, a semiconductor is grown on a
次いで、AlGaN電子供給層113の表面が大気等により汚染される場合は、AlGaN電子供給層113上を酸等によりウェットエッチングして半導体層表面を清浄化した後(図10(b))、清浄な雰囲気でプラズマCVD法等によりSiN膜121(60nm)を形成する(図11(c))。具体的には、酸としてフッ酸または塩酸を用い、たとえば室温中で30秒〜1分程度エッチングした後、水洗し、乾燥する。
Next, when the surface of the AlGaN
図10(b)における清浄化の処理により、AlGaN電子供給層113が大気等に曝されていた場合にも、その表面を洗浄し、完成したHJFET130において、AlGaN電子供給層113とSiN膜121との界面における不純物の濃度を1E17atoms/cm3以下とすることができる。Even when the AlGaN
続いて、GaNチャネル層112が露出するまで、SiN膜121の一部とエピタキシャル層構造の一部をエッチング除去することにより、素子間分離メサ(不図示)を形成する。そして、SiN膜121表面の所定の領域にフォトレジストを形成し、SiN膜121の露出部を選択的にエッチング除去してAlGaN電子供給層113を露出させ(図11(d))、露出したAlGaN電子供給層113上に、たとえばTi/Al等の金属を蒸着することにより、ソース電極101およびドレイン電極103を形成する(図12(e))。そして、650℃でアニールを行うことにより、AlGaN電子供給層113とオーム性接合させる。SiN膜121表面の所定の領域にフォトレジストを形成し、SiN膜121の露出部を選択的にエッチング除去し、AlGaN電子供給層113の露出する開口部を設ける(図12(f))。露出したAlGaN電子供給層113上にたとえばNi/Auのゲート金属を蒸着して、ショットキー接触のゲート電極102を形成する(図13)。以上により、図2に示したHJFET130が得られる。
Subsequently, part of the
本実施例においては、電極構造を形成する前に、半導体表面を酸等でエッチングすることにより清浄化している(図10(b))。なお、酸による清浄化処理により、その後の表面の酸化を抑制するように終端させることもできる。また、酸等によりAlGaN電子供給層113の表面をエッチングした後、SiN膜121を成膜するまでの間に、AlGaN電子供給層113にわずかに汚染が生じた場合にも、プラズマCVD法によりSiN膜121を成膜すれば、プラズマ照射により汚染物を除去することができる。
In this embodiment, before the electrode structure is formed, the semiconductor surface is cleaned by etching with an acid or the like (FIG. 10B). In addition, it can also be made to terminate so that the oxidation of the surface after that may be suppressed by the cleaning process by an acid. In addition, even if the AlGaN
このように、本実施例では、AlGaN電子供給層113の清浄化表面にSiN膜121が形成されるため、表面負電荷の影響が大きな問題となっているIII族窒化物半導体素子における電流コラプスが抑制される。
As described above, in this example, since the
また、本実施例では、ゲート電極102の形成前に一旦大気に曝されたAlGaN電子供給層113の大気等で汚染された箇所がエッチングにより除去されている。また、ゲート電極102およびドレイン電極103の形成時に、AlGaN電子供給層113上にSiN膜121が形成されているため、電極形成時にAlGaN電子供給層113の表面がプラズマに曝されることがない。よって、その後の製造工程でAlGaN電子供給層113上にフォトレジストが形成されたり、AlGaN電子供給層113がプラズマに侵されることなく、理想的に近いショットキー性を有するゲート電極102が得られる。また、清浄化処理をしているため、ゲート電極102とドレイン電極103との間の領域におけるAlGaN電子供給層113の表面の結晶状態が良好で均一であり、表面状態の安定化が可能である。このため、優れたショットキー性を有するとともに、高歩留まりで安定的に製造可能な構成とすることができる。本実施例の方法でHJFETを作製したところ、AlGaN電子供給層113とSiN膜121との界面における不純物濃度、ここでは酸素濃度が、1E17atoms/cm3以下のトランジスタが得られた。In the present embodiment, the AlGaN
また、本実施例においても、実施例1の場合と同様に、ソース電極101およびゲート電極102がSiN膜121上に乗り上げた構造になっているため、高電圧動作時においてドレイン電極のゲート電極側端部での電界集中の緩和が起き、ゲート耐圧が改善された素子の作製が可能である。
Also in this embodiment, since the
(実施例3)
図3は、本実施例のHJFETの断面構造を示す図である。
図3に示したHJFET132の基本構成は、実施例1または実施例2のHJFETと同様であるが、保護膜が、第一の絶縁膜(SiN膜121)と、SiN膜121上に積層された第二の絶縁膜(SiO2膜122)と、から構成される点が異なる。ここでは、SiO2膜122がSiN膜121に直接接して設けられているが、第一の絶縁膜と第二の絶縁膜との間に、介在層としてさらに別の絶縁膜が設けられていてもよい。(Example 3)
FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional structure of the HJFET of this example.
The basic configuration of the
さらに具体的には、HJFET132は、SiC等の基板110上に形成される。基板110上には半導体層からなるバッファ層111が形成されている。このバッファ層111上にGaNチャネル層112が形成されている。GaNチャネル層112の上には、AlGaN電子供給層113が形成されている。このAlGaN電子供給層113上には、ソース電極101およびドレイン電極103がオーム性接合されており、AlGaN電子供給層113の表面はSiN膜121で覆われ、さらにそのSiN膜121はSiO2膜122で覆われている。More specifically, the
図14〜図17は、図3に示したHJFETの製造方法を示す図である。
まず、SiCからなる基板110上にたとえばMBE成長法や有機金属気相エピタキシMOVPE成長法等によって半導体を成長させる。このようにして、基板110側から順に、アンドープAlNからなるバッファ層111(膜厚20nm)、アンドープのGaNチャネル層112(膜厚2μm)、アンドープAlGaNからなるAlGaN電子供給層113(膜厚25nm)が積層した半導体層構造が得られる(図14(a))。14 to 17 are views showing a method of manufacturing the HJFET shown in FIG.
First, a semiconductor is grown on a
次いで、実施例1と同様に、大気暴露を行わずに引き続きAlGaN電子供給層113上に、プラズマCVD法等によりSiN膜121(60nm)を形成する(図14(b))。なお、AlGaN電子供給層113が大気に曝された場合は、実施例2と同様に、酸等によりエッチングを施し、半導体層表面を清浄化した後にSiN膜121を形成する。
Next, similarly to Example 1, a SiN film 121 (60 nm) is formed on the AlGaN
そして、SiN膜121上に常圧CVD法等によりSiO2膜122(100nm)を形成する(図15(c))。Then, an SiO 2 film 122 (100 nm) is formed on the
その後、SiN膜121およびSiO2膜122の一部とエピタキシャル層構造の一部をGaNチャネル層112が露出するまでエッチング除去することにより、素子間分離メサ(不図示)を形成する。そして、SiO2膜122表面の所定の領域にフォトレジストを形成し、SiN膜121およびSiO2膜122の所定の領域をAlGaN電子供給層113が露出するまで選択的にエッチング除去し(図15(d))、AlGaN電子供給層113上に、たとえばTi/Al金属を蒸着することにより、ソース電極101およびドレイン電極103を形成し(図16(e))、650℃でアニールを行うことによりオーム性接合を形成する。Thereafter, a part of the
つづいて、SiO2膜122表面の所定の領域にフォトレジストを形成し、SiN膜121およびSiO2膜122の所定の領域を選択的にエッチング除去することによって、AlGaN電子供給層113の露出する開口部を設ける(図16(f))。露出したAlGaN電子供給層113上にたとえばNi/Auのゲート金属を蒸着して、ショットキー接合されたゲート電極102を形成する(図17)。以上により、図3に示したHJFET132が得られる。Subsequently, a photoresist is formed in a predetermined region on the surface of the SiO 2 film 122, and the predetermined region of the
本実施例においても、電極構造の形成前に大気暴露を行わないか、または、AlGaN電子供給層113の表面を酸等により洗浄する方法を採用することにより、AlGaN電子供給層113とSiN膜121との界面が清浄な状態に保たれている。このため、実施例1または実施例2と同様の効果が得られる。
Also in this embodiment, the AlGaN
さらに、本実施例では、III族窒化物半導体層の表面に形成されたSiN膜121をSiO2膜122で覆う構成になっているため、SiN膜121の経時劣化をさらに確実に抑制することができる。よって、素子特性の長寿命化を図ることができる。Furthermore, in this embodiment, since the
なお、SiO2膜122は、SiN膜121と同じ成膜装置を用いて形成してもよいし、異なる成膜装置を用いて形成してもよい。また、SiO2膜122の平面形状は、SiN膜121と同じでも異なる構成でもよい。また、ゲート電極102とドレイン電極103との間の領域において、AlGaN電子供給層113の上部のSiN膜121を介してフィールドプレート部105が形成されていてもよい。この構成については、実施例4および実施例5にて後述する。The SiO 2 film 122 may be formed using the same film forming apparatus as the
(実施例4)
図4は、本実施例のHJFETの構成を示す断面図である。
図4に示したHJFET134の基本構成は、実施例1のHJFET100と同様であるが、ゲート電極102が、ドレイン電極103側に庇状に張り出してSiN膜121の上部に形成されたフィールドプレート部105を有する点がHJFET100と異なる。(Example 4)
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the HJFET of this example.
The basic configuration of the
HJFET134は、SiC等の基板110上に形成される。基板110上には半導体層からなるバッファ層111が形成されている。このバッファ層111上にGaNチャネル層112が形成されている。GaNチャネル層112の上には、AlGaN電子供給層113が形成されている。このAlGaN電子供給層113上に、ソース電極101およびドレイン電極103がオーム性接合されている。これらの電極の間に、ゲート電極102が設けられている。ゲート電極102は、フィールドプレート部105を有し、AlGaN電子供給層113とショットキー接合している。AlGaN電子供給層113の表面はSiN膜121で覆われている。
The
フィールドプレート部105のゲート長方向の長さは、たとえば0.3μm以上、好ましくは0.5μm以上とする。こうすることにより、さらに確実に電流コラプスを抑制できる。また、フィールドプレート部105が、ドレイン電極103とオーバーラップしない構成とし、好ましくは、フィールドプレート部105のゲート長方向の長さを、ゲート電極とドレイン電極との間隔の70%以下とする。フィールドプレート部105の延出部の長さが大きいほど電流コラプス抑制の効果は高いが、フィールドプレート部105が長すぎると、フィールドプレート部105とドレイン電極103との間の電界集中により、ゲート耐圧が低下する。なお、ゲート電極102とドレイン電極103との間隔とは、ゲート電極102のドレイン電極側端部からドレイン電極103のゲート電極側端部までの長さを指す。
The length of the
図18〜図20は、図4のHJFETの製造方法を示す図である。
まず、SiCからなる基板110上に、たとえばMBE成長法やMOCVD成長法等によって半導体を成長させる。このようにして、基板110側から順に、アンドープAlNからなるバッファ層111(膜厚20nm)、アンドープのGaNチャネル層112(膜厚2μm)、アンドープAlGaNからなるAlGaN電子供給層113(膜厚25nm)が積層した半導体層構造が得られる(図18(a))。18 to 20 are views showing a method of manufacturing the HJFET of FIG.
First, a semiconductor is grown on the
次いで、実施例1と同様に、大気暴露を行わずに引き続きAlGaN電子供給層113上に、プラズマCVD法等によりSiN膜121(60nm)を形成する(図18(b))。なお、AlGaN電子供給層113が大気に曝された場合は、実施例2と同様に、酸等によりエッチングを施し、半導体層表面を清浄化した後にSiN膜121を形成する。
Next, as in Example 1, an SiN film 121 (60 nm) is formed on the AlGaN
続いて、SiN膜121の一部とエピタキシャル層構造の一部をGaNチャネル層112が露出するまでエッチング除去することにより、素子間分離メサ(不図示)を形成する。そして、SiN膜121の所定の領域にフォトレジストを形成し、SiN膜121の露出部をAlGaN電子供給層113が露出するまで選択的にエッチング除去する(図19(c))。露出したAlGaN電子供給層113上に、たとえばTi/Al等の金属を蒸着して、ソース電極101およびドレイン電極103を形成し(図19(d))、650℃でアニールを行うことにより、これらの電極とAlGaN電子供給層113とをオーム性接合させる。SiN膜121の所定の領域にフォトレジストを形成し、SiN膜121の露出部を選択的にエッチング除去して開口部を設け、AlGaN電子供給層113を露出させる(図20(e))。
Subsequently, a part of the
そして、露出したAlGaN電子供給層113上に、ゲート電極102となる金属膜として、たとえばNi/Auを蒸着して、ショットキー接触のゲート電極102を形成する(図20(f))。またこれと同時に、Ni/Auよりなるフィールドプレート部105をゲート電極102と連続一体に形成する。以上により、図4に示したHJFET134が得られる。
Then, for example, Ni / Au is deposited on the exposed AlGaN
なお、本実施例ではゲート電極102とフィールドプレート部105を同時に形成する例を示したが、これらを別々の工程で行ってもよい。所定の位置に開口部が設けられたレジストをSiN膜121上に形成し、開口部を埋め込むようにフィールドプレート部105を形成することもできる。この場合、ゲート電極102とフィールドプレート部105との間隔をより狭い間隔で形成できる。
In this embodiment, the
本実施例においても、電極構造の形成前に大気暴露を行わないか、または、AlGaN電子供給層113の表面を酸等により洗浄する方法を採用することにより、AlGaN電子供給層113とSiN膜121との界面が清浄な状態に保たれている。このため、実施例1または実施例2と同様の効果が得られる。
Also in this embodiment, the AlGaN
さらに、HJFET134は、フィールドプレート部105を有する。このため、ゲート電極102とドレイン電極103の間に高い逆方向電圧がかかった場合にも、ゲート電極102のドレイン電極側端部にかかる電界が、フィールドプレート部105の働きにより緩和される。よって、ゲート電極102のドレイン電極側端部における電界集中をさらに確実に抑制し、ゲート耐圧を向上させることができる。さらに、大信号動作時には、表面電位をフィールドプレート部105によって変調できるため、表面トラップの応答速度を速めて電流コラプスを抑制する効果がある。したがって、本発明によれば、電流コラプス、ゲート耐圧および利得のバランスを顕著に改善できる。また、製造プロセス上のばらつきにより表面状態が変動した場合でも、こうした良好な性能を安定して実現することができる。
Further, the
なお、以上においては、ゲート電極102と同じ部材から構成されるとともに電界制御部として機能するフィールドプレート部105が設けられた場合を例に説明したが、電界制御部がゲート電極と連続一体である構成には限られず、ゲート電極102と前記ドレイン電極103との間の領域において、III族窒化物半導体層構造の上部にSiN膜121を介してゲート電極102と独立に電界制御電極が設けられた構成とすることもできる。
In the above description, the case where the
図27は、このようなHJFETの構成を示す断面図である。図27においては、フィールドプレート部105を有するゲート電極102にかえて、ゲート電極102と、ゲート電極102から離隔して設けられた電界制御電極106とを有する。
FIG. 27 is a cross-sectional view showing the configuration of such an HJFET. In FIG. 27, in place of the
なお、電界制御電極106はゲート電極102と同時に形成してもよいし、別工程で形成してもよい。別工程とする場合、所定の位置に開口部が設けられたレジストをSiN膜121上に形成し、開口部を埋め込むように電界制御電極106を形成することもできる。この場合、ゲート電極102と電界制御電極106との間隔をより狭い間隔で形成できる。
Note that the electric
また、図27において、電界制御電極106が、ゲート電極102に対して独立に制御可能であってもよく、電界制御電極106およびゲート電極102に対して互いに異なる電位を付与することもできる。こうした構成とすることにより、電界効果トランジスタを最適な条件で駆動することが可能である。そして、表面電位を固定することにより、表面トラップの応答を抑止できるため、電界制御電極106をゲート電極102と同電位とし、表面電位を変調した場合よりも、さらに効果的に電流コラプスを抑制できる。特に、表面負電荷の影響が大きな問題となるIII族窒化物半導体素子では、この電界制御電極106を独立に制御できることの効果は著しい。
In FIG. 27, the electric
また、上記のように電界制御電極106の電位を固定した場合、ゲート電極102の電位が変化してもゲート容量がほとんど変化しないため、利得の低下を大幅に抑制することができる。
Further, when the electric potential of the electric
(実施例5)
フィールドプレート部105を有する実施例4のHJFET134において、さらに、実施例3のように、絶縁膜を積層構造としてもよい。図5は、本実施例のHJFETの構成を示す断面図である。(Example 5)
In the
図5に示したHJFET136は、HJFET136は、SiC等の基板110上に形成される。基板110上には、半導体層からなるバッファ層111が形成されている。このバッファ層111上にGaNチャネル層112が形成されている。GaNチャネル層112の上には、AlGaN電子供給層113が形成されている。このAlGaN電子供給層113上に、ソース電極101およびドレイン電極103がオーム性接合している。これらの電極間にゲート電極102が設けられている。ゲート電極102は、フィールドプレート部105を有し、AlGaN電子供給層113とショットキー性接合している。AlGaN電子供給層113の表面はSiN膜121で覆われており、さらにその上層にはSiO2膜122が設けられている。フィールドプレート部105はSiO2膜122上に設けられており、フィールドプレート部105の直下にはこのSiN膜121およびSiO2膜122が設けられている。The
図21〜図24は、HJFET136の製造方法を示す図である。
まず、SiCからなる基板110上にたとえばMBE成長法やMOVPE成長法等によって半導体を成長させる。このようにして、基板110側から順に、アンドープAlNからなるバッファ層111(膜厚20nm)、アンドープのGaNチャネル層112(膜厚2μm)、アンドープAlGaNからなるAlGaN電子供給層113(膜厚25nm)が積層した半導体層構造が得られる(図21(a))。21 to 24 are views showing a method for manufacturing the
First, a semiconductor is grown on the
次いで、AlGaN電子供給層113形成後、これを大気暴露することなく、AlGaN電子供給層113上に、プラズマCVD法等によりSiN膜121(60nm)を形成する(図21(b))。なお、AlGaN電子供給層113が大気に曝された場合には、酸等によりエッチングを施し、半導体層表面を清浄化した後にSiN膜121を形成する。
Next, after forming the AlGaN
続いて、SiN膜121上に常圧CVD法等によりSiO2膜122(100nm)を形成する(図22(c))。Subsequently, an SiO 2 film 122 (100 nm) is formed on the
そして、SiN膜121およびSiO2膜122の一部とエピタキシャル層構造の一部をGaNチャネル層112が露出するまでエッチング除去することにより、素子間分離メサ(不図示)を形成する。そして、SiO2膜122の表面の所定の領域にフォトレジストを形成し、SiN膜121およびSiO2膜122の所定の領域をAlGaN電子供給層113が露出するまで選択的にエッチング除去し(図22(d))、AlGaN電子供給層113上に、たとえばTi/Al等の金属を蒸着することにより、ソース電極101およびドレイン電極103を形成し(図23(e))、650℃でアニールを行うことにより、これらの電極とAlGaN電子供給層113とをオーム性接合させる。Then, a part of the
つづいて、SiO2膜122の表面の所定の領域にフォトレジストを形成し、SiN膜121およびSiO2膜122の所定の領域を選択的にエッチング除去することによって、AlGaN電子供給層113の露出する開口部を設ける(図23(f))。Subsequently, a photoresist is formed in a predetermined region on the surface of the SiO 2 film 122, and the predetermined region of the
次に、露出したAlGaN電子供給層113上に、ゲート電極102となる金属膜として、たとえばNi/Auを蒸着して、AlGaN電子供給層113とショットキー接合されたゲート電極102を形成する(図24)。またこれと同時にNi/Auよりなるフィールドプレート部105も形成する。このようにして、図5に示したHJFET136が得られる。
Next, for example, Ni / Au is vapor-deposited on the exposed AlGaN
なお、本実施例ではゲート電極102とフィールドプレート部105を同時に形成する例を示したが、別々の工程(開口を設けたレジストを形成し、開口部にフィールドプレート部105を形成する工程を別々に行う)で形成してもよい。この場合、ゲート電極102とフィールドプレート部105との間隔をより狭い間隔で形成できる。
In this embodiment, an example in which the
本実施例によれば、実施例4の効果に加えて、以下の効果が得られる。すなわち、HJFET136では、フィールドプレート部105の直下に、SiN膜121とSiO2膜122の積層膜からなる保護膜が設けられている。保護膜がSiN膜121のみからなる構成に比べて、誘電率の低いSiO2膜122を用いることにより、フィールドプレート部105により生じる寄生容量の増大を抑制することができる。また、特に、SiN膜121を膜質経時変化しない程度に薄く形成し(150nm以下、より好ましくは100nm以下)、そしてSiO2膜122を厚く積層することにより、容量の増大をさらに効果的に抑制することができる。According to the present embodiment, in addition to the effects of the fourth embodiment, the following effects can be obtained. That is, in the
なお、本実施例においても、フィールドプレート部105を有するゲート電極102にかえて、ゲート電極102と、ゲート電極102から離隔して設けられた電界制御電極106とを有する構成としてもよい。
In this embodiment, the
また、電界制御電極106はゲート電極102と同時に形成してもよいし、別工程で形成してもよい。別工程とする場合、所定の位置に開口部が設けられたレジストをSiN膜121上に形成し、開口部を埋め込むように電界制御電極106を形成することもできる。この場合、ゲート電極102と電界制御電極106との間隔をより狭い間隔で形成できる。
The electric
また、本実施例では、III族窒化物半導体層の表面に形成されたSiN膜121をSiO2膜122で覆う構成になっているため、SiN膜121の経時劣化をさらに確実に抑制することができる。よって、実施例3と同様に、素子特性の長寿命化を図ることができる。Further, in this embodiment, since the
また、本実施例においても、実施例3と同様に、ソース電極101およびゲート電極102がSiN膜121およびSiO2膜122に乗り上げた構造になっている。このため、高電圧動作時において、ドレイン電極103のゲート側端部における電界集中を緩和させて、ゲート耐圧を向上させることができる。Also in this embodiment, as in the third embodiment, the
なお、本実施例では表面保護膜が、上層として、SiO2膜122を有する例を示したが、利得の向上および信頼性の向上の観点から、比誘電率が4以下の低誘電率膜を用いることがさらに好ましい。こうした低誘電率材料として、SiOC(SiOCHと呼ばれる場合もある)、BCB(ベンゾシクロブテン)、FSG(Flouro Silicate Glass:SiOF)、HSQ(Hydrogen−Silisesquioxane)、MSQ(Methyl−Silsesquioxane)、有機ポリマー、あるいはこれらをポーラス化した材料が例示される。In this embodiment, the surface protective film has the SiO 2 film 122 as the upper layer. However, a low dielectric constant film having a relative dielectric constant of 4 or less is used from the viewpoint of improving gain and improving reliability. More preferably, it is used. Examples of such low dielectric constant materials include SiOC (sometimes referred to as SiOCH), BCB (benzocyclobutene), FSG (Fluorosilicate Glass: SiOF), HSQ (Hydrogen-Silicesquioxane), MSQ (Methyl-Silsequioxane), polymer. Or the material which made these porous is illustrated.
保護膜、さらに具体的には、表面保護膜の上層を構成する絶縁膜が構成元素としてC(炭素)を含む場合にも、AlGaN電子供給層113とSiN膜121との界面を清浄化することにより、上述した効果を得ることができる。
Protecting the interface between the AlGaN
(実施例6)
本実施例は、ワイドリセス構造を採用したHJFETの例である。
図6は、本実施例のHJFETの構成を示す断面図である。図6に示したHJFET138においては、ソース電極101とAlGaN電子供給層113との間およびドレイン電極103とAlGaN電子供給層113との間に、アンドープAlGaN層により構成されたコンタクト層114が介在する。HJFET138においては、ソース電極101およびドレイン電極103の形成領域において、AlGaN電子供給層113上にコンタクト層114が設けられている。コンタクト層114は開口部を有し、開口部からAlGaN電子供給層113が露出している。コンタクト層114の上面に対して開口部の底面がリセス面となっている。コンタクト層114の上面に接してソース電極101およびドレイン電極103が設けられている。そして、AlGaN電子供給層113の露出部に接してゲート電極102が設けられている。ソース電極101およびドレイン電極103の底面が、ゲート電極102の底面よりも上方(基板110から遠ざかる側)に位置する。(Example 6)
The present embodiment is an example of an HJFET that employs a wide recess structure.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the HJFET of this example. In the
HJFET138は、SiC等の基板110上に形成される。基板110上には半導体層からなるバッファ層111が形成されている。このバッファ層111上にGaNチャネル層112が形成されている。GaNチャネル層112の上には、AlGaN電子供給層113が形成されている。このAlGaN電子供給層113上にコンタクト層114が形成されている。コンタクト層114の表面にソース電極101およびドレイン電極103がオーム性接合されている。AlGaN電子供給層113の表面はSiN膜121で覆われている。
The
図6のHJFET138は、実施例1のHJFET100(図1)にコンタクト層114を追加した構成である。この構成により、実施例1で述べた効果に加え、さらにコンタクト抵抗を低減する効果を奏する。
The
また、ワイドリセス構造の採用により、ゲート電極102のドレイン電極側端部の電界分布が変化するため、より一層優れた電界緩和効果が得られる。
In addition, the adoption of the wide recess structure changes the electric field distribution at the end of the
さらに、本実施例においても、実施例1、実施例2および実施例4同様、ソース電極101およびゲート電極102がSiN膜121に乗り上げた構造になっているため、高電圧動作時においてドレイン電極103のゲート電極側端部での電界集中を緩和させて、ゲート耐圧を向上させることができる。
Further, in the present embodiment, similarly to the first embodiment, the second embodiment, and the fourth embodiment, the
なお、本実施例では、AlGaN電子供給層113上に設ける保護膜が単層である例を示したが、前述した実施例3や実施例4の場合のように、絶縁膜を二層構造としたり、フィールドプレート部105を形成することもできる。たとえば、フィールドプレート部105は保護膜をSiN膜121とSiO2膜122とから構成される二層構造とし、フィールドプレート部105がSiO2膜122上に設けられていてもよい。この場合にも、実施例3と同様に、SiO2膜122を、SiN膜121よりも低い誘電率を有する絶縁膜とすることが好ましい。このような絶縁膜として、たとえば、第一の絶縁膜がSiNであった場合、窒素を含まない膜を用いることができる。こうすることにより、フィールドプレート部105の下方の領域における絶縁膜の膜質の経時変化および容量増大を有効に抑制することができる。よって、HJFET138の信頼性および高周波特性をさらに向上させることができる。また、フィールドプレート部105は、コンタクト層114の上部まで延在していてもよい。こうすることにより、ゲート電極102のドレイン側端部の電界集中をより効果的に分散・緩和することができる。なおリセス構造とする場合、多段リセスとすることもできる。In the present embodiment, an example in which the protective film provided on the AlGaN
また、本実施例において、ドレイン電極103の一部がAlGaN電子供給層113中に埋設されたゲートリセス構造を採用することもできる。
In this embodiment, a gate recess structure in which a part of the
また、以上においてはコンタクト層114がアンドープAlGaN層により構成された場合を例に説明したが、本実施例において、コンタクト層114に所定の不純物がドーピングされた構成とすることもできる。
In the above description, the case where the
以上、本発明について実施形態および実施例をもとに説明した。これらの実施例は例示であり、各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 In the above, this invention was demonstrated based on embodiment and an Example. These embodiments are examples, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications can be made to each component and combination of each processing process, and such modifications are also within the scope of the present invention. .
たとえば、上記実施例では、基板110の材料としてSiCを用いた場合を例に説明したが、他に、サファイア等他の異種基板材料やGaN、AlGaN等のIII族窒化物半導体基板等を用いてもよい。
For example, in the above-described embodiment, the case where SiC is used as the material of the
また、以上の実施例では、III族窒化物半導体層構造を構成する元素のうち少なくとも一つを含む絶縁性の保護膜としてSiN膜を設ける場合を例に説明したが、III族窒化物半導体層構造を構成する元素のうち少なくとも一つを含む絶縁膜の材料は、SiNには限られず、他に、たとえばBN等の窒化物が挙げられる。こうした膜を用いた場合にも、電流コラプスの発生を抑制できる。 In the above embodiment, the case where the SiN film is provided as an insulating protective film containing at least one of the elements constituting the group III nitride semiconductor layer structure has been described as an example. The material of the insulating film containing at least one of the elements constituting the structure is not limited to SiN, and other examples include nitrides such as BN. Even when such a film is used, generation of current collapse can be suppressed.
また、ゲート電極102の下部における半導体層の構造としては、例示したものに限られず種々の態様が可能である。たとえばGaNチャネル層112の上部だけでなく、下部にもAlGaN電子供給層113を併設した構造とすることも可能である。
In addition, the structure of the semiconductor layer below the
また、この半導体層構造に、適宜、中間層やキャップ層を設けてもよい。たとえば、III族窒化物半導体層構造が、InxGa1−xN(0≦x≦1)からなるチャネル層、AlyGa1−yN(0≦y≦1)からなる電子供給層およびGaNからなるキャップ層がこの順で積層した構造を有する構成とすることができる。このようにすれば、実効的なショットキー高さを高くでき、さらに高いゲート耐圧が実現できる。ただし、上記式において、x=y=0の場合は除く。In addition, an intermediate layer or a cap layer may be appropriately provided in this semiconductor layer structure. For example, the group III nitride semiconductor layer structure has a channel layer made of In x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1), an electron supply layer made of Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 1), and It can be set as the structure which has the structure which the cap layer which consists of GaN laminated | stacked in this order. In this way, the effective Schottky height can be increased and a higher gate breakdown voltage can be realized. However, in the above formula, the case where x = y = 0 is excluded.
また、以上の各実施例において、ゲート電極102の下部を一部、AlGaN電子供給層113中に埋め込んだ、いわゆるゲートリセス構造を採用することができる。これにより、優れたゲート耐圧が得られる。
In each of the above embodiments, a so-called gate recess structure in which a part of the lower portion of the
また、以上の各実施例において、ゲート電極102とドレイン電極103との距離を、ゲート電極102とソース電極101との間よりも長くすることもできる。いわゆるオフセット構造と呼ばれるものであり、ゲート電極102のドレイン電極側端部の電界集中をより効果的に分散・緩和することができる。
In each of the above embodiments, the distance between the
Claims (16)
該III族窒化物半導体層構造上に離間して形成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配置されたゲート電極と、
を備え、
前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の領域において、前記III族窒化物半導体層構造上に絶縁膜を有し、
前記絶縁膜と前記III族窒化物半導体層構造との界面における前記III族窒化物半導体層構造中の不純物濃度が、1E17atoms/cm3以下であることを特徴とする電界効果トランジスタ。A group III nitride semiconductor layer structure including a heterojunction;
A source electrode and a drain electrode formed separately on the group III nitride semiconductor layer structure;
A gate electrode disposed between the source electrode and the drain electrode;
With
In the region between the gate electrode and the drain electrode, an insulating film is provided on the group III nitride semiconductor layer structure,
A field effect transistor, wherein an impurity concentration in the group III nitride semiconductor layer structure at an interface between the insulating film and the group III nitride semiconductor layer structure is 1E17 atoms / cm 3 or less.
前記絶縁膜が、前記III族窒化物半導体層構造を構成する元素のうち少なくとも一つを含む絶縁膜であることを特徴とする電界効果トランジスタ。The field effect transistor according to claim 1.
The field effect transistor according to claim 1, wherein the insulating film is an insulating film containing at least one of elements constituting the group III nitride semiconductor layer structure.
III族窒化物半導体層構造を構成する前記元素が窒素であることを特徴とする電界効果トランジスタ。The field effect transistor according to claim 2.
A field effect transistor, wherein the element constituting the group III nitride semiconductor layer structure is nitrogen.
前記絶縁膜が、構成元素として酸素を実質的に含まない膜であることを特徴とする電界効果トランジスタ。The field effect transistor according to any one of claims 1 to 3,
A field effect transistor, wherein the insulating film is a film that substantially does not contain oxygen as a constituent element.
前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の領域において、前記III族窒化物半導体層構造の上部に前記絶縁膜を介して電界制御電極が設けられたことを特徴とする電界効果トランジスタ。The field effect transistor according to any one of claims 1 to 4,
A field effect transistor, wherein an electric field control electrode is provided above the group III nitride semiconductor layer structure through the insulating film in a region between the gate electrode and the drain electrode.
前記電界制御電極が、前記ゲート電極に対して独立に制御可能であることを特徴とする電界効果トランジスタ。The field effect transistor according to claim 5,
The field effect transistor, wherein the field control electrode can be controlled independently of the gate electrode.
前記絶縁膜の厚さが、5nm以上100nm以下であることを特徴とする電界効果トランジスタ。The field effect transistor according to any one of claims 1 to 7,
A field effect transistor, wherein the insulating film has a thickness of 5 nm to 100 nm.
前記絶縁膜が、第一の絶縁膜と、該第一の絶縁膜上に積層された第二の絶縁膜と、から構成されることを特徴とする電界効果トランジスタ。The field effect transistor according to any one of claims 1 to 8,
2. The field effect transistor according to claim 1, wherein the insulating film includes a first insulating film and a second insulating film stacked on the first insulating film.
前記ソース電極と前記III族窒化物半導体層構造との間および前記ドレイン電極と前記III族窒化物半導体層構造との間に、コンタクト層が介在することを特徴とする電界効果トランジスタ。The field effect transistor according to any one of claims 1 to 9,
A field effect transistor, wherein a contact layer is interposed between the source electrode and the group III nitride semiconductor layer structure and between the drain electrode and the group III nitride semiconductor layer structure.
前記コンタクト層がアンドープAlGaN層により構成されていることを特徴とする電界効果トランジスタ。The field effect transistor according to claim 10.
The field effect transistor according to claim 1, wherein the contact layer comprises an undoped AlGaN layer.
成膜室中でヘテロ接合を含む前記III族窒化物半導体層構造を形成する工程と、
前記III族窒化物半導体層構造上に前記絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の所定の領域をエッチングにより選択的に除去して開口部を形成し、前記III族窒化物半導体層構造上に、前記開口部を埋め込むように前記ゲート電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。A method of manufacturing a field effect transistor according to any one of claims 1 to 12,
Forming the group III nitride semiconductor layer structure including a heterojunction in a film formation chamber;
Forming the insulating film on the group III nitride semiconductor layer structure;
A step of selectively removing a predetermined region of the insulating film by etching to form an opening, and forming the gate electrode on the group III nitride semiconductor layer structure so as to embed the opening;
A method of manufacturing a field effect transistor comprising:
前記III族窒化物半導体層構造上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の所定の領域をエッチングにより選択的に除去して開口部を形成し、前記III族窒化物半導体層構造上に、前記開口部を埋め込むようにゲート電極を形成する工程と、
を含み、
前記III族窒化物半導体層構造を形成する工程の後、前記III族窒化物半導体層構造を前記成膜室から取り出すことなく前記絶縁膜を形成する工程を行うことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。Forming a group III nitride semiconductor layer structure including a heterojunction in the deposition chamber;
Forming an insulating film on the group III nitride semiconductor layer structure;
A step of selectively removing a predetermined region of the insulating film by etching to form an opening, and forming a gate electrode on the group III nitride semiconductor layer structure so as to embed the opening;
Including
A step of forming the insulating film without removing the group III nitride semiconductor layer structure from the film formation chamber after the step of forming the group III nitride semiconductor layer structure. Production method.
前記III族窒化物半導体層構造上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の所定の領域をエッチングにより選択的に除去して開口部を形成し、前記III族窒化物半導体層構造上に、前記開口部を埋め込むようにゲート電極を形成する工程と、
前記III族窒化物半導体層構造を形成する工程の後、前記絶縁膜を形成する工程の前に、
酸を用いたウェットエッチングにより、前記III族窒化物半導体層構造の表面を洗浄する工程と、
を含むことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。Forming a group III nitride semiconductor layer structure including a heterojunction in the deposition chamber;
Forming an insulating film on the group III nitride semiconductor layer structure;
A step of selectively removing a predetermined region of the insulating film by etching to form an opening, and forming a gate electrode on the group III nitride semiconductor layer structure so as to embed the opening;
After the step of forming the group III nitride semiconductor layer structure, before the step of forming the insulating film,
Cleaning the surface of the group III nitride semiconductor layer structure by wet etching using an acid;
A method of manufacturing a field effect transistor comprising:
前記絶縁膜を形成する工程の後、前記絶縁膜の所定の領域をエッチングにより選択的に除去し、前記III族窒化物半導体層構造上に、除去された領域を埋め込むようにソース電極とドレイン電極とを離間して形成する工程を含むことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
In the manufacturing method of the field effect transistor in any one of Claims 13 thru | or 15,
After the step of forming the insulating film, a predetermined region of the insulating film is selectively removed by etching, and a source electrode and a drain electrode are embedded on the group III nitride semiconductor layer structure so as to embed the removed region And a step of forming the field effect transistors apart from each other.
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