WO2014097369A1 - 窒化物半導体を用いたトランジスタおよびその製造方法 - Google Patents

窒化物半導体を用いたトランジスタおよびその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2014097369A1
WO2014097369A1 PCT/JP2012/082660 JP2012082660W WO2014097369A1 WO 2014097369 A1 WO2014097369 A1 WO 2014097369A1 JP 2012082660 W JP2012082660 W JP 2012082660W WO 2014097369 A1 WO2014097369 A1 WO 2014097369A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
gate electrode
spacer layer
insulating film
transistor
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/082660
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
裕太郎 山口
大石　敏之
大塚　浩志
山中　宏治
Original Assignee
三菱電機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三菱電機株式会社 filed Critical 三菱電機株式会社
Priority to EP12890237.6A priority Critical patent/EP2933827B1/en
Priority to PCT/JP2012/082660 priority patent/WO2014097369A1/ja
Priority to US14/427,960 priority patent/US9570599B2/en
Priority to JP2014552768A priority patent/JP5744346B2/ja
Publication of WO2014097369A1 publication Critical patent/WO2014097369A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66227—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
    • H01L29/66409—Unipolar field-effect transistors
    • H01L29/66446—Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET]
    • H01L29/66462—Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET] with a heterojunction interface channel or gate, e.g. HFET, HIGFET, SISFET, HJFET, HEMT
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
    • H01L29/7786—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with direct single heterostructure, i.e. with wide bandgap layer formed on top of active layer, e.g. direct single heterostructure MIS-like HEMT
    • H01L29/7787—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with direct single heterostructure, i.e. with wide bandgap layer formed on top of active layer, e.g. direct single heterostructure MIS-like HEMT with wide bandgap charge-carrier supplying layer, e.g. direct single heterostructure MODFET
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/10—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode not carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/1025—Channel region of field-effect devices
    • H01L29/1029—Channel region of field-effect devices of field-effect transistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/20—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L29/201—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including two or more compounds, e.g. alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/20—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L29/201—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including two or more compounds, e.g. alloys
    • H01L29/205—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including two or more compounds, e.g. alloys in different semiconductor regions, e.g. heterojunctions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/41—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
    • H01L29/423—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions not carrying the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/42312—Gate electrodes for field effect devices
    • H01L29/42316—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors
    • H01L29/4232—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate
    • H01L29/42372—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate characterised by the conducting layer, e.g. the length, the sectional shape or the lay-out
    • H01L29/42376—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate characterised by the conducting layer, e.g. the length, the sectional shape or the lay-out characterised by the length or the sectional shape
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
    • H01L29/7786—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with direct single heterostructure, i.e. with wide bandgap layer formed on top of active layer, e.g. direct single heterostructure MIS-like HEMT
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/20—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L29/2003—Nitride compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/41—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
    • H01L29/423—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions not carrying the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/42312—Gate electrodes for field effect devices
    • H01L29/42316—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
    • H01L29/7782—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with confinement of carriers by at least two heterojunctions, e.g. DHHEMT, quantum well HEMT, DHMODFET
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/778—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
    • H01L29/7788—Vertical transistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11—Device type
    • H01L2924/13—Discrete devices, e.g. 3 terminal devices
    • H01L2924/1304—Transistor
    • H01L2924/1306—Field-effect transistor [FET]
    • H01L2924/13064—High Electron Mobility Transistor [HEMT, HFET [heterostructure FET], MODFET]

Definitions

  • the present invention relates to a nitride semiconductor high electron mobility transistor (HEMT) typified by GaN (gallium nitride) and a method for manufacturing the transistor.
  • HEMT nitride semiconductor high electron mobility transistor
  • FIG. 1 of Non-Patent Document 1 shows a structural cross-sectional view of a GaN HEMT having an AlN spacer.
  • AlN spacer layer AlN
  • AlGaN barrier layer
  • Si3N4 nitride film
  • GaN HEMTs are used for high-power high-frequency amplifiers and power switch circuits.
  • it is necessary to reduce the access resistance existing in series between the source electrode and the drain electrode.
  • an AlN spacer is inserted between AlGaN (aluminum gallium nitride) and GaN. Since AlN has a polarization greater than that of AlGaN, the insertion of an AlN spacer increases the two-dimensional electron gas concentration and reduces the access resistance.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of a conventional high electron mobility transistor (GaN HEMT) using a nitride semiconductor.
  • this conventional GaN HEMT has an AlN spacer inserted therein, and includes a substrate 1, a buffer layer 2, a channel layer 3, a spacer layer 4, a barrier layer 5, an insulating film layer 6, a source electrode 7, A drain electrode 8 and a gate electrode 9 are provided.
  • This conventional structure has a structure in which the AlN spacer layer 4 is present on the entire surface including immediately below the gate electrode 9.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to provide a highly reliable transistor using a nitride semiconductor and a method of manufacturing the same while suppressing an increase in access resistance.
  • the present invention provides a channel layer in which electrons travel and one of indium, aluminum, and gallium provided above the channel layer for forming a two-dimensional electron gas in the channel layer.
  • a transistor using a nitride semiconductor including a barrier layer containing one or more and nitrogen, and a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode above the barrier layer, the transistor is inserted between the barrier layer and the channel layer And a spacer layer having a polarization greater than that of the barrier layer, wherein the spacer layer does not exist only near the gate electrode.
  • the AlN spacer layer does not exist only in the vicinity immediately under the gate electrode, the gate electrode end electric field is reduced and the gate leakage current is reduced and the reliability is ensured as compared with the conventional transistor.
  • the length of the portion where the AlN spacer layer does not exist is sufficiently smaller than the distance between the source electrode and the drain electrode, the access resistance reduction by the AlN spacer layer can be maintained at the same level as the conventional structure. The increase in access resistance can be suppressed.
  • FIG. 3 is a schematic cross section which shows an example of the structure of the high electron mobility transistor (GaN HEMT) using the conventional nitride semiconductor.
  • 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a structure of a high electron mobility transistor (GaN HEMT) using the nitride semiconductor according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating an example of a configuration of a sound processing unit according to Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure which shows the W / Lg dependence of the access resistance Ron and the reverse direction gate current -Igd of the structure by the conventional structure and this Embodiment 1.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of a structure of a high electron mobility transistor (GaN HEMT) using a nitride semiconductor according to Embodiment 2.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of a structure of a high electron mobility transistor (GaN HEMT) using a nitride semiconductor in Embodiment 3.
  • FIG. 3 it is a figure which shows the manufacturing method which forms a gate electrode after the manufacturing method shown in FIG.
  • FIG. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of a high electron mobility transistor (GaN HEMT) using a nitride semiconductor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • GaN HEMT high electron mobility transistor
  • FIG. 1 the same code
  • symbol is attached
  • the first embodiment shown below differs from the conventional diagram (FIG. 1) in that there is a portion where the AlN spacer layer 4 does not exist.
  • Lg10 indicates the length in the left-right direction of the gate electrode 9
  • W11 indicates the length in the left-right direction of the portion where the spacer layer 4 does not exist
  • Lsd12 indicates the length in the left-right direction between the source electrode 7 and the drain electrode 8.
  • the GaN HEMT according to the first embodiment is used as a single amplifier, but can also be applied to a transistor constituting an MMIC (monolithic microwave integrated circuit).
  • the substrate sapphire, SiC (silicon carbide), Si (silicon), a GaN substrate or the like is used.
  • a semi-insulating SiC substrate having a good thermal conductivity is generally used, but a very general Si substrate as a semiconductor substrate is often used because of its low price.
  • the buffer layer 2 is a layer inserted between the substrate 1 and the channel layer 3, and is intended to improve the crystallinity of the channel layer 3 and to confine electrons in the channel, so that AlN, AlGaN, GaN / InGaN, AlN Various structures such as / AlGaN and their superlattices are used.
  • the channel layer 3 is a layer in which electrons (current) necessary for transistor operation travel.
  • a typical channel layer 3 is GaN, but InGaN (indium gallium nitride), AlGaN, or a multilayer structure thereof can also be used.
  • the spacer layer 4 is inserted between the channel layer 3 and the barrier layer 5, and in the conventional structure (FIG. 1), exists on the entire surface of the source electrode 7 and the drain electrode 8 (the entire surface including immediately below the gate electrode 9).
  • the AlN spacer layer 4 does not exist only near the gate electrode 9. It is assumed that the midpoint of Lg10 and the midpoint of W11 coincide with each other in the horizontal direction.
  • the spacer layer 4 is not limited to AlN, and may be any material such as InGaN or AlGaN that has a higher polarization than the barrier layer 5.
  • the barrier layer 5 is provided above the channel layer 3 to form a two-dimensional electron gas in the channel layer 3, and one or more of In (indium), Al (aluminum), Ga (gallium) and N ( Nitrogen).
  • the interface between the channel layer 3 and the AlN spacer layer 4 is formed by a heterojunction having a wider band gap than the channel layer 3. Any structure from the substrate 1 to the channel layer 3 can be applied to the present invention.
  • the insulating film layer 6 on the barrier layer 5 serves as a film for suppressing the number of traps on the surface of the barrier layer 5.
  • the insulating film layer 6 may be formed of an insulating film containing Si serving as a donor such as SiN (silicon nitride) or SiO (silicon oxide) as a material. If Si is contained, electrons can be supplied to the barrier layer 5 as a donor, and the number of traps on the surface of the barrier layer 5 can be reduced.
  • the source electrode 7 and the drain electrode 8 are electrodes for taking out current (electrons) in the channel layer 3 out of the HEMT. For this reason, it forms so that resistance between an electrode and two-dimensional electron gas may be reduced as much as possible.
  • FIG. 2 shows an example in which the source electrode 7 and the drain electrode 8 are formed so as to be in contact with the barrier layer 5, they may be formed so as to be in direct contact with a two-dimensional electron gas (2DEG). Further, an n + region may be formed under the source electrode 7 and the drain electrode 8.
  • the gate electrode 9 is formed so as to include a metal in Schottky contact with the barrier layer 5, and the transistor operation is realized by controlling the 2DEG concentration under the gate electrode 9.
  • the gate electrode 9 has a gate field plate structure (GFP structure) such that a part thereof protrudes onto the insulating film layer 6.
  • GFP structure has a role of relaxing the electric field concentration on the surface of the barrier layer 5.
  • the principle that the gate leakage current is reduced and the reliability is ensured as compared with the conventional structure, and the effect of reducing the access resistance is maintained at the same level as the conventional structure will be described.
  • an AlN spacer layer 4 is inserted between the source electrode 7 and the drain electrode 8 over the entire surface. Since the polarization of the AlN spacer layer 4 is larger than that of the barrier layer 5, the concentration of the two-dimensional electron gas existing in the channel layer 3 can be increased by inserting the AlN spacer layer 4 than when only the barrier layer 5 is present. .
  • the access resistance existing between the source electrode 7 and the drain electrode 8 can be reduced.
  • the electric field concentrated especially on the gate electrode end increases.
  • An increase in the electric field at the end of the gate electrode increases a tunnel current from the electrons toward the barrier layer 5 from the gate electrode 9, so that the reverse gate leakage current during the off operation increases.
  • An increase in reverse gate leakage current can be a factor that degrades the reliability of GaN HEMTs.
  • the AlN spacer layer 4 in the vicinity immediately under the gate electrode 9 that caused the increase in the electric field at the gate electrode end is eliminated, thereby The electric field can be reduced and the reverse gate leakage current can be reduced. Further, since the length W11 of the portion from which the AlN spacer layer 4 is deleted is sufficiently smaller than the length Lsd12 between the source electrode 7 and the drain electrode 8, the access resistance can be reduced even if the AlN spacer layer 4 is deleted. Is considered to be kept almost the same as the conventional structure.
  • the principle described above was verified by device simulation.
  • the GaN HEMT having the conventional structure shown in FIG. 1 and the structure according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 2, an electric field 0.5 nm below the surface of the barrier layer 5 when the gate voltage is ⁇ 5V and the drain voltage is 30V.
  • the channel layer 3 was GaN
  • the spacer layer 4 was AlN
  • the barrier layer 5 was AlGaN (Al composition: 0.23).
  • the thickness of the channel layer 3 was 1.2 ⁇ m
  • the thickness of the spacer layer 4 was 1 nm
  • the thickness of the barrier layer 5 was 20 nm.
  • the ratio (W / Lg) of the length W11 of the portion from which the AlN spacer layer 4 is deleted in the structure of the first embodiment of the present invention to the gate length Lg10 is set to “2”.
  • the polarization of the portion where the AlN spacer layer 4 is present is 5.27E-12 cm ⁇ 3 , which is the average value of the polarization of the AlGaN barrier layer 5 and the polarization of the AlN spacer layer 4, and the polarization of the portion where the AlN spacer layer 4 is not present is AlGaN
  • the polarization of the barrier layer 5 was set to 8.85E-12 cm ⁇ 3 .
  • FIG. 3 is a diagram showing the electric field at the gate electrode end with respect to the lateral distance (position from the lateral center) 0.5 nm below the surface of the barrier layer 5. As shown in FIG. 3, it can be seen that the electric field in the vicinity of the gate electrode can be reduced in the structure according to the first embodiment as compared with the conventional structure.
  • the reverse current ⁇ Igd is greatly reduced until W / Lg is 2, but when W / Lg is greater than 2, (W It can be seen that the reverse current ⁇ Igd gradually saturates (when the current becomes twice Lg). Further, the access resistance Ron increases as W / Lg increases. This is because when the W / Lg increases, the length of the AlN spacer layer 4 with respect to Lsd12 decreases, so that the effect of increasing the two-dimensional electron gas by the AlN spacer is reduced.
  • FIG. 5 is a view showing a manufacturing method up to forming the buffer layer 2, the channel layer 3, the spacer layer 4, the barrier layer 5, the insulating film layer 6, the source electrode 7 and the drain electrode 8 on the substrate 1. is there.
  • FIG. 6 is a view showing a manufacturing method for forming the gate electrode 9 thereafter.
  • a buffer layer 2, a channel layer 3, and a spacer layer 4 are formed on a substrate 1.
  • MOCVD Metal-Organic-Chemical-Vapor-Deposition
  • MBE Molecular-Beam Epitaxy
  • the spacer layer 4 may be made of a material having polarization larger than that of the barrier layer 5 as well as AlN.
  • the manufacturing method up to the formation of the spacer layer 4 on the channel layer 3 is the same as the conventional method.
  • a pattern having an opening in the region where the AlN spacer layer 4 near the gate electrode 9 is removed by photolithography is formed with a resist 13. That is, the resist 13 is patterned on the spacer layer 4 except for a portion where the spacer layer 4 is removed. Then, using the patterned resist 13 as a mask, the AlN spacer layer 4 in a region immediately below the gate electrode 9 is removed by etching, and then the patterned resist 13 is removed.
  • the barrier layer 5 is regrown and formed on the channel layer 3 and the AlN spacer layer 4.
  • MOCVD can be used.
  • an insulating film layer 6 is formed on the barrier layer 5 as shown in FIG.
  • the material of the insulating film layer 6 is typically SiN or SiO, but other materials may be used as long as the insulating film contains Si.
  • the source electrode 7 and the drain electrode 8 in order to form the source electrode 7 and the drain electrode 8, a portion of the insulating film corresponding to the position where the source electrode 7 and the drain electrode 8 are formed on a mask made of resist or SiO. Layer 6 is removed. Thereafter, the source electrode 7 and the drain electrode 8 can be formed by forming a metal such as Ti / Al / Ni / Au and Ti / Al and performing heat treatment. In this step, it is possible to add a heat treatment in which a dopant such as Si ions is implanted and electrically activated.
  • a pattern having an opening in a region to be a gate electrode by photolithography is formed with a resist 13. That is, the resist 13 is re-patterned on the insulating film layer 6, the source electrode 7 and the drain electrode 8 except for the portion where the gate electrode 9 is formed. Then, as shown in FIG. 6B, using the re-patterned resist 13 as a mask, the insulating film layer 6 in the region to be the gate electrode 9 is removed by etching, and then the re-patterned resist 13 is removed. remove.
  • a pattern having an opening larger than the region etched in FIG. 6B is formed so that the gate electrode 9 is also formed on the insulating film layer 6 by photolithography.
  • a resist 13 is used. That is, the resist 13 having an opening larger than the region where the insulating film layer 6 is removed by etching is finally patterned.
  • a gate electrode 9 is formed on the region where the insulating film layer 6 has been removed by etching and the insulating film layer 6, and the final patterned resist is removed.
  • a metal having a Schottky characteristic is deposited (EB (electron beam) deposition or sputtering can be used), and the resist 13 is removed (lifted off), whereby a structure as shown in FIG. Can be formed.
  • a protective film, wiring, via-hole wiring, capacitance, resistance, and the like are manufactured as necessary, but illustration and description are omitted here.
  • the AlN spacer layer does not exist only in the immediate vicinity of the gate electrode, so that the gate electrode end electric field is reduced and the gate leakage current is reduced as compared with the conventional transistor. Reliability.
  • the length of the portion where the AlN spacer layer does not exist is sufficiently smaller than the distance between the source electrode and the drain electrode, the access resistance reduction by the AlN spacer layer can be maintained at the same level as the conventional structure. The increase in access resistance can be suppressed.
  • FIG. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of a high electron mobility transistor (GaN HEMT) using a nitride semiconductor according to Embodiment 2 of the present invention.
  • GaN HEMT high electron mobility transistor
  • FIG. 7 the same code
  • the structure of the gate electrode 9 is different from that in the first embodiment, and the gate electrode 9 on the insulating film layer 6 has a two-stage structure.
  • the effect of dispersing the electric field concentrated on the end of the gate electrode is increased. Therefore, a larger electric field can be reduced than in the first embodiment, the reverse gate leakage current is reduced, and the reliability is further improved.
  • the buffer layer 2, the channel layer 3, the spacer layer 4, the barrier layer 5, the insulating film layer 6, the source electrode 7 and the drain electrode 8 are formed on the substrate 1.
  • the manufacturing method up to this point is the same as the method described with reference to FIG. 6 in the first embodiment.
  • a pattern having an opening in a region to be a gate electrode by photolithography is formed with the resist 13 as in the first embodiment.
  • a two-layer structure is formed with an insulating film having a slow etching rate as a lower layer and an insulating film having a fast etching rate as an upper layer.
  • a method for forming this two-layer structure there are various methods such as cat-CVD (Catalytic Chemical Vapor Deposition), plasma CVD, and sputtering.
  • the insulating film layer 6 In order to make the insulating film layer 6 have a two-layer structure with different etching rates in this way, as shown in FIG. 6B, after the insulating film layer 6 in the region to be the gate electrode is etched, before the resist 13 is removed. Only the upper layer is wet etched. Of the two layers of the insulating film layer 6, the upper layer has a high etching rate, so that the side surface of the etched portion can be formed in two steps, and the insulating film layer 6 having the two-layer structure in the second embodiment can be formed.
  • an opening larger than the region etched in FIG. 6B is formed so that the gate electrode 9 is also formed on the insulating film 6 by photolithography as shown in FIG. 6C.
  • the held pattern is formed with the resist 13.
  • a metal having Schottky characteristics is deposited (EB (electron beam) deposition or sputtering can be used), and the resist 13 is removed (lifted off), thereby forming a structure as shown in FIG. .
  • a protective film, wiring, via-hole wiring, capacitance, resistance, and the like are manufactured as necessary, but illustration and description are omitted here.
  • the gate electrode since the gate electrode has a two-stage structure, the edge is increased, and the effect of dispersing the electric field concentrated on the gate electrode end is increased.
  • the electric field can be reduced more than that of the transistor in FIG. 1, the reverse gate leakage current is reduced, and the reliability is further improved.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of a high electron mobility transistor (GaN HEMT) using a nitride semiconductor according to Embodiment 3 of the present invention.
  • GaN HEMT high electron mobility transistor
  • FIG. 8 the same code
  • the structure of the gate electrode 9 is different from that in the first embodiment, and the side surface of the gate electrode 9 on the insulating film layer 6 has an oblique structure.
  • the electric field is averaged by making the gate electrode 9 slant, the electric field concentrated on the end of the gate electrode can be reduced. Therefore, a larger electric field can be reduced than in the first embodiment, the reverse gate leakage current is reduced, and the reliability is further improved.
  • FIG. 9 is a diagram showing a manufacturing method for forming the gate electrode 9 after the manufacturing method shown in FIG. 5 in the third embodiment.
  • a pattern having an opening in a region to be a gate electrode by photolithography is formed with a resist 13.
  • the side surface of the etched portion is inclined according to the etching conditions at this time, the insulating film layer 6 in the region to be the gate electrode is removed by etching, and then the resist 13 is removed. .
  • a pattern having an opening larger than the region etched in FIG. 9B is formed on the resist 13 so that the gate electrode 9 is also formed on the insulating film layer 6 by photolithography.
  • a metal having Schottky characteristics is deposited (EB (electron beam) deposition or sputtering can be used), and the resist 13 is removed (lifted off), whereby a structure as shown in FIG. 8 can be formed.
  • EB electron beam
  • sputtering can be used
  • a protective film, wiring, via-hole wiring, capacitance, resistance, and the like are manufactured as necessary, but illustration and description are omitted here.
  • the electric field is averaged and the electric field concentrated on the end of the gate electrode can be reduced.
  • the electric field can be reduced larger than that of the transistor, the reverse gate leakage current is reduced, and the reliability is further improved.
  • the transistor using the nitride semiconductor of the present invention and the manufacturing method thereof can be applied to amplifiers and power switch circuits.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Abstract

　この発明によれば、窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ（ＧａＮ　ＨＥＭＴ）のＡｌＮスペーサ層をゲート電極の直下近傍のみ除去して存在しないようにしたため、従来構造のトランジスタに比べて、ゲート電極端電界が小さくなり、ゲートリーク電流が低減されて信頼性が確保される。また、ＡｌＮスペーサ層の存在しない部分の長さは、ソース電極とドレイン電極との間の距離に比べて十分小さいため、ＡｌＮスペーサ層によるアクセス抵抗の低減は従来構造と同程度に保つことができ、アクセス抵抗の増大を抑えることができる。

Description

窒化物半導体を用いたトランジスタおよびその製造方法
　この発明は、ＧａＮ（窒化ガリウム）に代表される窒化物半導体の高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：ＨＥＭＴ）およびこのトランジスタの製造方法に関するものである。
　ＡｌＮ（窒化アルミニウム）スペーサを有するＧａＮ　ＨＥＭＴの構造を非特許文献１を例に説明する。非特許文献１の図１にＡｌＮスペーサを有するＧａＮ　ＨＥＭＴの構造断面図が掲載されている。この従来構造ではチャネル層（GaN buffer）の上にＡｌＮスペーサ層（AlN）が全面に結晶成長され、その上にバリア層（AlGaN）が結晶成長され、バリア層上に窒化膜（Si3N4）、電極（ソース電極（Source）、ゲート電極（Gate）、ドレイン電極（Drain））が形成されている。この従来構造の特徴は単純にＡｌＮスペーサが全面に結晶成長されている点である。
　ＧａＮ　ＨＥＭＴは高出力高周波増幅器やパワースイッチ回路に用いられる。
　増幅器やスイッチ回路の効率を上げるためには、ソース電極とドレイン電極の間に直列に存在するアクセス抵抗を低減する必要がある。このアクセス抵抗を低減させる手法のひとつとして、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）とＧａＮの間にＡｌＮスペーサを挿入方法がとられてきた。ＡｌＮは分極がＡｌＧａＮより大きいため、ＡｌＮスペーサを入れることで２次元電子ガス濃度が増大し、アクセス抵抗を低減することができる。
　図１は、従来の窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ（ＧａＮ　ＨＥＭＴ）の構造の一例を示す模式断面図である。図１に示すとおり、この従来のＧａＮ　ＨＥＭＴは、ＡｌＮスペーサを挿入したものであり、基板１、バッファ層２、チャネル層３、スペーサ層４、バリア層５、絶縁膜層６、ソース電極７、ドレイン電極８、ゲート電極９を備えている。この従来構造では、ＡｌＮスペーサ層４がゲート電極９の直下周辺も含めて全面に存在する構造になっている。
Balaji Padmanabhan，Dragica Vasileska and Stephen.M Goodnick，"Modeling Reliability of GaN/AlGaN/AlN/GaN HEMT"，ISDRS 2011，December 7-9，2011
　しかしながら、例えば図１や非特許文献１に示すような従来構造のトランジスタでは、ＡｌＮスペーサを全面に挿入することによりアクセス抵抗は低減して効率が向上するが、信頼性が劣化するという課題があった。
　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、アクセス抵抗の増大を抑えつつ、信頼性の高い、窒化物半導体を用いた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。
　上記目的を達成するため、この発明は、電子が走行するチャネル層と、当該チャネル層に２次元電子ガスを形成するための前記チャネル層の上方に設けられたインジウム、アルミニウム、ガリウムのうちの１つ以上と窒素とを含むバリア層と、当該バリア層の上部にゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を具備する、窒化物半導体を用いたトランジスタにおいて、前記バリア層と前記チャネル層との間に挿入され、前記バリア層より分極が大きいスペーサ層をさらに備え、当該スペーサ層は、前記ゲート電極の直下近傍のみ存在しないことを特徴とする。
　この発明によれば、ゲート電極の直下近傍のみＡｌＮスペーサ層が存在しないため、従来構造のトランジスタに比べて、ゲート電極端電界が小さくなり、ゲートリーク電流が低減されて信頼性が確保される。また、ＡｌＮスペーサ層の存在しない部分の長さは、ソース電極とドレイン電極との間の距離に比べて十分小さいため、ＡｌＮスペーサ層によるアクセス抵抗の低減は従来構造と同程度に保つことができ、アクセス抵抗の増大を抑えることができる。
従来の窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ（ＧａＮ　ＨＥＭＴ）の構造の一例を示す模式断面図である。 実施の形態１における窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ（ＧａＮ　ＨＥＭＴ）の構造の一例を示す模式断面図である。 実施の形態１における音声処理部の構成の一例を示すブロック図である。 従来構造とこの実施の形態１による構造の、アクセス抵抗Ｒｏｎと逆方向ゲート電流－ＩｇｄのＷ／Ｌｇ依存性を示す図である。 基板の上に、バッファ層、チャネル層、スペーサ層、バリア層、絶縁膜層、ソース電極およびドレイン電極を形成するところまでの製造方法を示す図である。 実施の形態１において、図５に示す製造方法の後に、ゲート電極を形成する製造方法を示す図である。 実施の形態２における窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ（ＧａＮ　ＨＥＭＴ）の構造の一例を示す模式断面図である。 実施の形態３における窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ（ＧａＮ　ＨＥＭＴ）の構造の一例を示す模式断面図である。 実施の形態３において、図５に示す製造方法の後に、ゲート電極を形成する製造方法を示す図である。
　以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
　図２は、この発明の実施の形態１における窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ（ＧａＮ　ＨＥＭＴ）の構造の一例を示す模式断面図である。なお、従来図（図１）で説明したものと同様の構成には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。以下に示す実施の形態１では、従来図（図１）と比べると、ＡｌＮスペーサ層４が存在しない部分がある点が異なる。
　図２において、Ｌｇ１０は、ゲート電極９の左右方向の長さを示し、Ｗ１１は、スペーサ層４が存在しない部分の左右方向の長さを示す。また、Ｌｓｄ１２は、ソース電極７とドレイン電極８の間の左右方向の長さを示している。なお、実際には、素子分離領域や配線などがあるが、この発明の動作とは関連がないため図示および説明を省略する。
　また、この実施の形態１のＧａＮ　ＨＥＭＴは単体の増幅器として利用するが、ＭＭＩＣ（monolithic microwave integrated circuit：モノリシックマイクロ波集積回路）を構成するトランジスタにも適用可能である。
　基板１には、サファイア、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、Ｓｉ（ケイ素）、ＧａＮ基板などが用いられる。特に、熱伝導率の良好な半絶縁性ＳｉＣ基板が一般的に利用されるが、半導体基板として非常に一般的なＳｉ基板も価格が安いため、よく用いられている。
　バッファ層２は、基板１とチャネル層３の間に挿入される層で、チャネル層３の結晶性を向上させること、電子をチャネルに閉じ込めることを目的に、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ、および、これらの超格子などの様々な構造が用いられる。
　チャネル層３は、トランジスタ動作に必要な電子（電流）が走行する層である。典型的なチャネル層３はＧａＮであるが、ＩｎＧａＮ（インジウム窒化ガリウム）、ＡｌＧａＮやこれらの多層構造も使うことができる。
　スペーサ層４は、チャネル層３とバリア層５の間に挿入されており、従来構造（図１）においては、ソース電極７とドレイン電極８の全面（ゲート電極９直下近傍も含む全面）に存在するが、この実施の形態１における構造では、ゲート電極９直下近傍にのみＡｌＮスペーサ層４が存在しない構造になっている。なお、Ｌｇ１０の中点とＷ１１の中点の横方向の位置は一致しているとする。このスペーサ層４は、ＡｌＮに限られず、ＩｎＧａＮやＡｌＧａＮなど、バリア層５より分極が大きいものであればよい。
　バリア層５は、チャネル層３に２次元電子ガスを形成するため、チャネル層３の上方に設けられ、Ｉｎ（インジウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）のうちの１つ以上とＮ（窒素）とを含む層である。このバリア層５としては、ＡｌＧａＮ単層がよく用いられるが、これ以外に組成、層厚、不純物濃度の異なる複数のＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮとＧａＮやＡｌＮとの組合せであっても、この発明の効果は得られる。
　チャネル層３とＡｌＮスペーサ層４が接触する界面は、チャネル層３よりバンドギャップが広いヘテロ接合で形成させる。基板１からチャネル層３に至る構造のいかなるものでも、この発明に適用できる。
　バリア層５の上の絶縁膜層６は、バリア層５の表面のトラップ数を抑制するための膜としての役割を果たす。絶縁膜層６が存在する部分には材料としてＳｉＮ（窒化ケイ素）やＳｉＯ（酸化ケイ素）などドナーの役割を果たすＳｉを含む絶縁膜であればよい。Ｓｉを含んでいればドナーとしてバリア層５に電子を供給して、バリア層５表面上のトラップ数を減らすことができる。
　ソース電極７、ドレイン電極８は、チャネル層３中の電流（電子）をＨＥＭＴの外に取出す電極である。このため、電極と２次元電子ガス間の抵抗をできるだけ少なくするように形成される。図２では、ソース電極７、ドレイン電極８がバリア層５に接するように形成された例を示したが、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）に直接、接するように形成しても良い。また、ソース電極７とドレイン電極８の下にｎ＋領域を形成しても良い。
　ゲート電極９は、バリア層５とショットキー接触する金属を含むように形成され、ゲート電極９下の２ＤＥＧ濃度を制御することでトランジスタ動作を実現する。ゲート電極９は、その一部が絶縁膜層６上にせり出すようなゲートフィールドプレート構造（ＧＦＰ構造）をしている。ＧＦＰ構造はバリア層５表面の電界集中を緩和する役割がある。
　この実施の形態１におけるトランジスタの構造において、従来構造よりゲートリーク電流が低減されて信頼性が確保されるとともに、アクセス抵抗の低減効果が従来構造と同程度に保たれる原理について説明する。
　図１に示すように従来構造はソース電極７とドレイン電極８の間にＡｌＮスペーサ層４が全面に挿入されている。ＡｌＮスペーサ層４は分極がバリア層５に比べて大きいため、バリア層５しか存在しない場合よりＡｌＮスペーサ層４を挿入することでチャネル層３に存在する２次元電子ガス濃度を増大させることができる。
　そのため、ソース電極７とドレイン電極８の間に存在するアクセス抵抗を低減することができる。しかし、その反面分極が大きくなると、特にゲート電極端に集中する電界が大きくなる。ゲート電極端の電界増大は電子がゲート電極９からバリア層５へ向かうトンネル電流を増大させるため、オフ動作時の逆方向ゲートリーク電流が増大する。逆方向ゲートリーク電流の増大はＧａＮ　ＨＥＭＴの信頼性を劣化させる要因となりうる。
　この発明の実施の形態１におけるトランジスタの構造では、図２に示すようにゲート電極端の電界増大の原因となっていたゲート電極９直下近傍のＡｌＮスペーサ層４を削除することでゲート電極端の電界を低減し、逆方向ゲートリーク電流を低減することができる。また、ＡｌＮスペーサ層４を削除した部分の長さＷ１１はソース電極７とドレイン電極８の間の長さＬｓｄ１２に比べて十分に小さいので、ＡｌＮスペーサ層４を削除したとしてもアクセス抵抗の低減効果は従来構造とほぼ同等に保たれると考えられる。
　上記で述べた原理をデバイスシミュレーションで検証した。図１に示す従来構造と図２に示すこの発明の実施の形態１における構造のＧａＮ　ＨＥＭＴで、ゲート電圧－５Ｖ、ドレイン電圧３０Ｖとしたときのバリア層５の表面から０．５ｎｍ下の電界を計算した。チャネル層３はＧａＮ、スペーサ層４はＡｌＮ、バリア層５はＡｌＧａＮ（Ａｌ組成：０．２３）とした。また、チャネル層３の厚みは１．２μｍ、スペーサ層４の厚みは１ｎｍ、バリア層５の厚みは２０ｎｍとした。
　また、この発明の実施の形態１の構造におけるＡｌＮスペーサ層４を削除した部分の長さＷ１１のゲート長Ｌｇ１０に対する比（Ｗ／Ｌｇ）は「２」とした。ＡｌＮスペーサ層４が存在する部分の分極はＡｌＧａＮのバリア層５の分極とＡｌＮスペーサ層４の分極の平均値で５．２７Ｅ－１２ｃｍ－３とし、ＡｌＮスペーサ層４が存在しない部分の分極はＡｌＧａＮのバリア層５の分極８．８５Ｅ－１２ｃｍ－３に設定した。
　図３は、バリア層５の表面から０．５ｎｍ下の、横方向距離（横方向の中心からの位置）に対するゲート電極端の電界を示す図である。この図３に示すように、この実施の形態１における構造では、従来構造に比べて、ゲート電極近傍の電界を低減できていることがわかる。
　図４は、従来構造とこの実施の形態１による構造の、アクセス抵抗Ｒｏｎと逆方向ゲートリーク電流－ＩｇｄのＷ／Ｌｇ依存性を示す図である。従来構造においてはＷ＝０であるので、図４における横軸Ｗ／Ｌｇ＝０のときの値が、従来構造におけるアクセス抵抗Ｒｏｎと－Ｖｇｄ＝１００Ｖであるときの逆方向ゲートリーク電流－Ｉｇｄを示している。
　そして、この発明の実施の形態１による構造では、図４に示すように、Ｗ／Ｌｇが２までは逆方向電流－Ｉｇｄは大幅に低減されるが、Ｗ／Ｌｇが２より大きくなると（ＷがＬｇの２倍になると）、逆方向電流－Ｉｇｄは徐々に飽和することがわかる。
　また、アクセス抵抗Ｒｏｎは、Ｗ／Ｌｇが増大すると増大する。これはＷ／Ｌｇが増大するとＬｓｄ１２に対するＡｌＮスペーサ層４が存在する長さが減少するためＡｌＮスペーサによる２次元電子ガス増大効果が薄れるためである。Ｗ／Ｌｇが２のとき、すなわち、スペーサ層４が存在しない部分の左右方向の長さＷ１１が、ゲート電極９の左右方向の長さＬｇ１０の２倍のときに、ＡｌＮスペーサ層４が削除されている部分がゲート電極９直下の近傍であるため、アクセス抵抗Ｒｏｎの増大を抑えつつ、逆方向ゲートリーク電流－Ｉｇｄを大幅に低減できると言える。
　ここまでは、この発明の実施の形態１における構造およびその動作について述べ、その有効性を計算にて実証した。次に、この実施の形態１におけるＧａＮ　ＨＥＭＴの製造方法について、図５および図６を参照しながら具体的に説明する。
　図５は、基板１の上に、バッファ層２、チャネル層３、スペーサ層４、バリア層５、絶縁膜層６、ソース電極７およびドレイン電極８を形成するところまでの製造方法を示す図である。また図６は、その後にゲート電極９を形成する製造方法を示す図である。
　まず、図５（ａ）に示すように、基板１の上にバッファ層２、チャネル層３、スペーサ層４を形成する。これにはＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長法）、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシー法）を用いることができる。スペーサ層４はＡｌＮだけでなくバリア層５より分極が大きい物質であればよい。この、チャネル層３の上にスペーサ層４を形成するところまでの製造方法は、従来と同じである。
　次に、図５（ｂ）に示すように、写真製版でゲート電極９直下近傍のＡｌＮスペーサ層４を除去する領域に開口を持ったパターンをレジスト１３で形成する。すなわち、スペーサ層４の上に、当該スペーサ層４を除去する部分を除いてレジスト１３をパターニングする。
　そして、パターニングされたレジスト１３をマスクとして用いて、ゲート電極９の直下となる領域のＡｌＮスペーサ層４をエッチングにより除去してから、パターニングされたレジスト１３を取り除く。
　次に、図５（ｃ）に示すように、チャネル層３およびＡｌＮスペーサ層４の上部にバリア層５を再成長させて形成する。これにはＭＯＣＶＤを用いることができる。
　さらに、図５（ｄ）に示すように、バリア層５の上に絶縁膜層６を形成する。絶縁膜層６の材料はＳｉＮ、ＳｉＯが典型的であるがＳｉを含んだ絶縁膜であれば他の材料であっても良い。
　そして、図５（ｅ）に示すように、ソース電極７、ドレイン電極８を形成するため、レジストやＳｉＯなどのマスクにソース電極７、ドレイン電極８が形成される位置に対応する部分の絶縁膜層６を除去する。その後、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌなどの金属形成をし、熱処理することでソース電極７、ドレイン電極８を形成することができる。この工程で、Ｓｉイオンなどのドーパントを注入し、電気的に活性化する熱処理を追加することも可能である。
　次に、図６（ａ）に示すように、写真製版でゲート電極となる領域に開口を持ったパターンをレジスト１３で形成する。すなわち、絶縁膜層６、ソース電極７およびドレイン電極８の上に、ゲート電極９を形成する部分を除いてレジスト１３を再パターニングする。
　そして、図６（ｂ）に示すように、再パターニングされたレジスト１３をマスクとして用いて、ゲート電極９となる領域の絶縁膜層６をエッチングにより除去してから、再パターニングされたレジスト１３を取り除く。
　次に、図６（ｃ）に示すように、写真製版で絶縁膜層６上にもゲート電極９が形成されるように、図６（ｂ）でエッチングした領域より大きい開口を持ったパターンをレジスト１３で形成する。すなわち、絶縁膜層６をエッチング除去した領域より大きい開口を持ったレジスト１３を最終パターニングする。
　その後、絶縁膜層６をエッチング除去した領域および絶縁膜層６の上にゲート電極９を形成し、最終パターニングされたレジストを除去する。具体的には、ショットキー特性を持つ金属を蒸着（ＥＢ（electron beam：電子ビーム）蒸着やスパッタ法が使用できる）し、レジスト１３を除去（リフトオフ）することで、図２に示すような構造を形成できる。最後に、保護膜や配線、ビアホール配線、容量、抵抗等を必要に応じて作製するが、ここでは図示および説明を省略する。
　以上のように、この実施の形態１によれば、ゲート電極の直下近傍のみＡｌＮスペーサ層が存在しないため、従来構造のトランジスタに比べて、ゲート電極端電界が小さくなり、ゲートリーク電流が低減されて信頼性が確保される。また、ＡｌＮスペーサ層の存在しない部分の長さは、ソース電極とドレイン電極との間の距離に比べて十分小さいため、ＡｌＮスペーサ層によるアクセス抵抗の低減は従来構造と同程度に保つことができ、アクセス抵抗の増大を抑えることができる。
実施の形態２．
　図７は、この発明の実施の形態２における窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ（ＧａＮ　ＨＥＭＴ）の構造の一例を示す模式断面図である。なお、従来図（図１）および実施の形態１で説明したものと同様の構成には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。以下に示す実施の形態２では、実施の形態１と比べると、ゲート電極９の構造が異なっており、絶縁膜層６上のゲート電極９が２段構造になっている。
　このように、ゲート電極９を２段にすることでエッジが増えるため、ゲート電極端に集中する電界を分散する効果が大きくなる。そのため、実施の形態１の場合より大きな電界低減が可能になり、逆方向ゲートリーク電流が低減し、さらに信頼性が向上する。
　また、この実施の形態２のＧａＮ　ＨＥＭＴについても、基板１の上に、バッファ層２、チャネル層３、スペーサ層４、バリア層５、絶縁膜層６、ソース電極７およびドレイン電極８を形成するところまでの製造方法については、実施の形態１において図６を用いて説明した方法と同じである。
　次に、図６（ａ）に示すように、写真製版でゲート電極となる領域に開口を持ったパターンをレジスト１３で形成するのも実施の形態１と同じである。
　ここで、図７に示す構造を形成する場合は、絶縁膜層６を形成する際にウエットエッチングのエッチングレートが異なる２種類の絶縁膜を形成する必要がある。そこで、２種類の絶縁膜のうちエッチングレートが遅い絶縁膜を下層にし、エッチングレートが早い絶縁膜を上層にして２層構造にする。この２層構造の形成方法としては、ｃａｔ－ＣＶＤ（Catalytic Chemical Vapor Deposition：触媒化学気相成長法）、プラズマＣＶＤ、スパッタなど、様々な方法がある。
　このように絶縁膜層６をエッチングレートが異なる２層構造にするため、図６（ｂ）に示すように、ゲート電極となる領域の絶縁膜層６をエッチングした後、レジスト１３をとる前に上層のみウエットエッチングする。絶縁膜層６の２層のうち、上層はエッチングレートが早いのでエッチング部分の側面を２段にすることができ、実施の形態２における２層構造の絶縁膜層６を形成することができる。
　その後、レジスト１３を取り除いた後に、図６（ｃ）に示すように写真製版で絶縁膜６上にもゲート電極９が形成されるように、図６（ｂ）でエッチングした領域より大きい開口を持ったパターンをレジスト１３で形成する。
　そして、ショットキー特性を持つ金属を蒸着（ＥＢ（electron beam：電子ビーム）蒸着やスパッタ法が使用できる）し、レジスト１３を除去（リフトオフ）することで、図７に示すような構造を形成できる。最後に、保護膜や配線、ビアホール配線、容量、抵抗等を必要に応じて作製するが、ここでは図示および説明を省略する。
　以上のように、この実施の形態２によれば、ゲート電極が２段構造になっていることにより、エッジが増え、ゲート電極端に集中する電界を分散する効果が大きくなるため、実施の形態１におけるトランジスタよりも大きな電界低減が可能になり、逆方向ゲートリーク電流が低減し、さらに信頼性が向上する。
実施の形態３．
　図８は、この発明の実施の形態３における窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ（ＧａＮ　ＨＥＭＴ）の構造の一例を示す模式断面図である。なお、従来図（図１）および実施の形態１，２で説明したものと同様の構成には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。以下に示す実施の形態３では、実施の形態１と比べると、ゲート電極９の構造が異なっており、絶縁膜層６上のゲート電極９の側面が斜め構造になっている。
　このように、ゲート電極９を斜めにすることで電界が平均化されるため、ゲート電極端に集中する電界を低減できる。そのため、実施の形態１の場合より大きな電界低減が可能になり、逆方向ゲートリーク電流が低減し、さらに信頼性が向上する。
　また、この実施の形態３のＧａＮ　ＨＥＭＴについても、基板１の上に、バッファ層２、チャネル層３、スペーサ層４、バリア層５、絶縁膜層６、ソース電極７およびドレイン電極８を形成するところまでの製造方法については、実施の形態１において図５を用いて説明した方法と同じである。
　図９は、実施の形態３において、図５に示す製造方法の後に、ゲート電極９を形成する製造方法を示す図である。
　図９（ａ）に示すように、写真製版でゲート電極となる領域に開口を持ったパターンをレジスト１３で形成する。
　そして、図９（ｂ）に示すように、この時のエッチングの条件によってエッチング部分の側面を斜めにして、エッチングによってゲート電極となる領域の絶縁膜層６を除去してから、レジスト１３を取り除く。
　その後、図６（ｃ）に示すように写真製版で絶縁膜層６上にもゲート電極９が形成されるように、図９（ｂ）でエッチングした領域より大きい開口を持ったパターンをレジスト１３で形成する。
　そして、ショットキー特性を持つ金属を蒸着（ＥＢ（electron beam：電子ビーム）蒸着やスパッタ法が使用できる）し、レジスト１３を除去（リフトオフ）することで、図８に示すような構造を形成できる。最後に、保護膜や配線、ビアホール配線、容量、抵抗等を必要に応じて作製するが、ここでは図示および説明を省略する。
　以上のように、この実施の形態３によれば、ゲート電極の側面が斜めになっていることにより、電界が平均化され、ゲート電極端に集中する電界を低減できるため、実施の形態１におけるトランジスタよりも大きな電界低減が可能になり、逆方向ゲートリーク電流が低減し、さらに信頼性が向上する。
　なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
　この発明の窒化物半導体を用いたトランジスタおよびその製造方法は、増幅器やパワースイッチ回路に適用することができる。
　１　基板、２　バッファ層、３　チャネル層、４　スペーサ層、５　バリア層、６　絶縁膜層、７　ソース電極、８　ドレイン電極、９　ゲート電極、１０　ゲート電極９の長さ（Ｌｇ）、１１　スペーサ層４が存在しない部分の長さ（Ｗ）、１２　ソース電極７とドレイン電極８の間の長さ（Ｌｓｄ）、１３　レジスト。

Claims (6)

  1. 　電子が走行するチャネル層と、当該チャネル層に２次元電子ガスを形成するための前記チャネル層の上方に設けられたインジウム、アルミニウム、ガリウムのうちの１つ以上と窒素とを含むバリア層と、当該バリア層の上部にゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を具備する、窒化物半導体を用いたトランジスタにおいて、
    　前記バリア層と前記チャネル層との間に挿入され、前記バリア層より分極が大きいスペーサ層をさらに備え、
    　当該スペーサ層は、前記ゲート電極の直下近傍のみ存在しない
    　ことを特徴とする窒化物半導体を用いたドランジスタ。
  2. 　前記スペーサ層が窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１記載のトランジスタ。
  3. 　前記スペーサ層が存在しない部分の左右方向の長さが、前記ゲート電極の左右方向の長さの２倍であることを特徴とする請求項１記載のトランジスタ。
  4. 　前記ゲート電極が２段構造になっていることを特徴とする請求項１記載のトランジスタ。
  5. 　前記ゲート電極の側面が斜めになっていることを特徴とする請求項１記載のトランジスタ。
  6. 　電子が走行するチャネル層と、当該チャネル層に２次元電子ガスを形成するための前記チャネル層の上方に設けられたインジウム、アルミニウム、ガリウムのうちの１つ以上と窒素とを含むバリア層と、当該バリア層の上部にゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を具備する、窒化物半導体を用いたトランジスタの製造方法であって、
    　前記チャネル層の上に、前記バリア層より分極が大きいスペーサ層を形成するステップと、
    　前記スペーサ層の上に、当該スペーサ層を除去する部分を除いてレジストをパターニングするステップと、
    　前記パターニングされたレジストをマスクとして用いて前記ゲート電極の直下となる領域の前記スペーサ層をエッチング除去するステップと、
    　前記パターニングされたレジストを除去するステップと、
    　前記チャネル層および前記スペーサ層の上部に前記バリア層を形成するステップと、
    　前記バリア層の上に絶縁膜層を形成するステップと、
    　前記ソース電極および前記ドレイン電極が形成される位置に対応する前記絶縁膜層を除去した後に、前記ソース電極および前記ドレイン電極を形成するステップと、
    　前記絶縁膜層、前記ソース電極および前記ドレイン電極の上に、前記ゲート電極を形成する部分を除いてレジストを再パターニングするステップと、
    　前記再パターニングされたレジストをマスクとして用いて前記ゲート電極となる領域の前記絶縁膜層をエッチング除去するステップと、
    　前記再パターニングされたレジストを除去するステップと、
    　前記絶縁膜層をエッチング除去した領域より大きい開口を持ったレジストを最終パターニングするステップと、
    　前記絶縁膜層をエッチング除去した領域および前記絶縁膜層の上に前記ゲート電極を形成するステップと、
    　前記最終パターニングされたレジストを除去するステップと
    　を備えることを特徴とするトランジスタの製造方法。
PCT/JP2012/082660 2012-12-17 2012-12-17 窒化物半導体を用いたトランジスタおよびその製造方法 WO2014097369A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP12890237.6A EP2933827B1 (en) 2012-12-17 2012-12-17 Transistor having nitride semiconductor used therein and method for manufacturing transistor having nitride semiconductor used therein
PCT/JP2012/082660 WO2014097369A1 (ja) 2012-12-17 2012-12-17 窒化物半導体を用いたトランジスタおよびその製造方法
US14/427,960 US9570599B2 (en) 2012-12-17 2012-12-17 Transistor having nitride semiconductor used therein and method for manufacturing transistor having nitride semiconductor used therein
JP2014552768A JP5744346B2 (ja) 2012-12-17 2012-12-17 窒化物半導体を用いたトランジスタおよびその製造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2012/082660 WO2014097369A1 (ja) 2012-12-17 2012-12-17 窒化物半導体を用いたトランジスタおよびその製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014097369A1 true WO2014097369A1 (ja) 2014-06-26

Family

ID=50977758

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2012/082660 WO2014097369A1 (ja) 2012-12-17 2012-12-17 窒化物半導体を用いたトランジスタおよびその製造方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9570599B2 (ja)
EP (1) EP2933827B1 (ja)
JP (1) JP5744346B2 (ja)
WO (1) WO2014097369A1 (ja)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9761438B1 (en) * 2014-05-08 2017-09-12 Hrl Laboratories, Llc Method for manufacturing a semiconductor structure having a passivated III-nitride layer
US9780176B2 (en) 2015-11-05 2017-10-03 Electronics And Telecommunications Research Institute High reliability field effect power device and manufacturing method thereof
US10608102B2 (en) * 2017-09-29 2020-03-31 Electronics And Telecommunications Research Institute Semiconductor device having a drain electrode contacting an epi material inside a through-hole and method of manufacturing the same

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008306130A (ja) * 2007-06-11 2008-12-18 Sanken Electric Co Ltd 電界効果型半導体装置及びその製造方法
JP2009099691A (ja) * 2007-10-15 2009-05-07 Sanken Electric Co Ltd 電界効果半導体装置の製造方法
JP2009152349A (ja) * 2007-12-20 2009-07-09 Mitsubishi Electric Corp 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

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3372470B2 (ja) 1998-01-20 2003-02-04 シャープ株式会社 窒化物系ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体装置
US7030428B2 (en) * 2001-12-03 2006-04-18 Cree, Inc. Strain balanced nitride heterojunction transistors
JP4865189B2 (ja) * 2002-02-21 2012-02-01 古河電気工業株式会社 ＧａＮ系電界効果トランジスタ
JP2006286698A (ja) 2005-03-31 2006-10-19 Furukawa Electric Co Ltd:The 電子デバイス及び電力変換装置
JP5348364B2 (ja) * 2007-08-27 2013-11-20 サンケン電気株式会社 ヘテロ接合型電界効果半導体装置
JP4794656B2 (ja) * 2009-06-11 2011-10-19 シャープ株式会社 半導体装置
WO2010151721A1 (en) * 2009-06-25 2010-12-29 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Transistor with enhanced channel charge inducing material layer and threshold voltage control

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008306130A (ja) * 2007-06-11 2008-12-18 Sanken Electric Co Ltd 電界効果型半導体装置及びその製造方法
JP2009099691A (ja) * 2007-10-15 2009-05-07 Sanken Electric Co Ltd 電界効果半導体装置の製造方法
JP2009152349A (ja) * 2007-12-20 2009-07-09 Mitsubishi Electric Corp 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

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BALAJI PADMANABHAN; DRAGICA VASILESKA; STEPHEN. M GOODNICK: "Modeling Reliability of GaN/AlGaN/AlN/GaN HEMT", ISDRS 2011, 7 December 2011 (2011-12-07)
See also references of EP2933827A4

Also Published As

Publication number Publication date
EP2933827B1 (en) 2021-09-15
JPWO2014097369A1 (ja) 2017-01-12
JP5744346B2 (ja) 2015-07-08
EP2933827A1 (en) 2015-10-21
US20150249150A1 (en) 2015-09-03
US9570599B2 (en) 2017-02-14
EP2933827A4 (en) 2016-10-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4845872B2 (ja) Ｍｉｓ構造を有する半導体装置及びその製造方法
JP5217157B2 (ja) 電界効果トランジスタおよびその製造方法
US7429534B2 (en) Etching a nitride-based heterostructure
JP5348364B2 (ja) ヘテロ接合型電界効果半導体装置
US8604486B2 (en) Enhancement mode group III-V high electron mobility transistor (HEMT) and method for fabrication
TWI546864B (zh) 具有低漏電流和改善的可靠性的增強型氮化鎵金氧半場效電晶體
JP5550740B2 (ja) 半導体装置、および半導体装置の製造方法
JP5386829B2 (ja) 半導体装置
WO2007108055A1 (ja) 化合物半導体装置及びその製造方法
US20200381422A1 (en) Nitride semiconductor device
JP2008306083A (ja) Ｉｉｉ−ｖ族窒化物半導体電界効果型トランジスタおよびその製造方法
JP6834546B2 (ja) 半導体装置及びその製造方法
JP2014222724A (ja) 窒化物半導体を用いたトランジスタおよびその製造方法
JP2018157100A (ja) 窒化物半導体装置
JP5744346B2 (ja) 窒化物半導体を用いたトランジスタおよびその製造方法
US10373833B2 (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
US10312095B1 (en) Recessed solid state apparatuses
JP2014229767A (ja) ヘテロ接合電界効果型トランジスタ及びその製造方法
JP5666992B2 (ja) 電界効果型トランジスタおよびその製造方法
KR20190112523A (ko) 이종접합 전계효과 트랜지스터 및 그 제조 방법
JP2016531420A (ja) 窒化ガリウムデバイス及び集積回路において自己整合分離を製作する方法
JP2013222939A (ja) 窒化物半導体を用いたトランジスタおよびその製造方法
JP6171441B2 (ja) 半導体装置の製造方法
KR101985897B1 (ko) Hemt 제조방법
JP2010278150A (ja) 化合物半導体装置及びその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12890237

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2014552768

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2012890237

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14427960

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE