JP2011171440A - Group iii nitride-based hetero field-effect transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、III族窒化物系へテロ電界効果トランジスタに関し、特に窒化物系半導体を用いたIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタに関する。 The present invention relates to a group III nitride hetero field effect transistor, and more particularly to a group III nitride hetero field effect transistor using a nitride semiconductor.
GaN、AlGaN、InGaN等に代表されるIII族窒化物系半導体は、電子デバイスに用いた場合に、高耐圧、高速動作、高耐熱性、低オン抵抗等の特性を良好にし得る材料である。このため、III族窒化物系半導体は、従来のSiに代わる半導体材料として電子デバイスに用いる試みがなされている。 Group III nitride semiconductors typified by GaN, AlGaN, InGaN, and the like are materials that can improve characteristics such as high breakdown voltage, high speed operation, high heat resistance, and low on-resistance when used in electronic devices. For this reason, group III nitride semiconductors have been attempted to be used in electronic devices as a semiconductor material that replaces conventional Si.
たとえばIII族窒化物系半導体を用いたIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタ(HFET:Heterostructure Field Effect Transistor)は、高効率電力変換デバイスおよび高周波パワーデバイスへの応用が期待されている。 For example, group III nitride hetero-field effect transistors (HFETs) using group III nitride semiconductors are expected to be applied to high-efficiency power conversion devices and high-frequency power devices.
一般的に、III族窒化物系HFETでは、GaN層とAlGaN層とを積層して用いる。GaN層とAlGaN層とを積層させることにより、これら二層の間に自発分極およびピエゾ分極を生じさせることができ、これらに起因して分極電界が生じる。この分極電界の効果によりGaN層とAlGaN層との界面近傍に高濃度の二次元電子ガス(2DEG:2 Dimensional Electron Gas)が形成される。ここに、2DEGが形成されることにより、デバイスのオン動作時のキャリアの抵抗を低減することができる。 Generally, in a group III nitride HFET, a GaN layer and an AlGaN layer are stacked and used. By laminating the GaN layer and the AlGaN layer, spontaneous polarization and piezoelectric polarization can be generated between the two layers, and a polarization electric field is generated due to these. Due to the effect of this polarization electric field, a high-concentration two-dimensional electron gas (2DEG: 2 Dimensional Electron Gas) is formed in the vicinity of the interface between the GaN layer and the AlGaN layer. Here, by forming 2DEG, the resistance of the carrier during the on-operation of the device can be reduced.
一方、III族窒化物系HFETを大電圧・大電力用のスイッチング素子として用いるためには、ゲート電極に電圧を印加していないオフ状態で、III族窒化物系HFETのソース電極とドレイン電極との間に電流が流れない、いわゆるノーマリオフ型にする必要がある。たとえば特許文献1には、ノーマリオフ型のIII族窒化物系HFETが開示されている。特許文献1に開示されるIII族窒化物系HFETを図を参照して説明する。 On the other hand, in order to use a group III nitride HFET as a switching element for large voltage / high power, the source electrode and drain electrode of the group III nitride HFET are turned off in a state where no voltage is applied to the gate electrode. It is necessary to use a so-called normally-off type in which no current flows between the two. For example, Patent Document 1 discloses a normally-off group III nitride HFET. A group III nitride HFET disclosed in Patent Document 1 will be described with reference to the drawings.
図13は、従来のIII族窒化物系ヘテロ電界効果トランジスタの一例を示す模式的な断面図である。従来のIII族窒化物系ヘテロ電界効果トランジスタ111は、図13に示されるように、Siからなる基板112上に、アンドープAlN層とアンドープGaN層との多重窒化物層からなるバッファ層(図示せず)と、p型GaNからなる窒化物半導体層113と、アンドープGaNからなるキャリア走行層114と、アンドープAlN、アンドープAl0.3Ga0.7N、およびアンドープGaNからなる障壁層115とをこの順に積層している。
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional group III nitride hetero-field effect transistor. As shown in FIG. 13, a conventional group III nitride hetero-
そして、障壁層115上の一部からキャリア走行層114の部分的深さまで掘り込まれたリセス構造125が形成されており、リセス構造125以外の障壁層115の上面の一部に、ソース電極120およびドレイン電極121が設けられる。さらに、ソース電極120およびドレイン電極121以外の障壁層115の表面は、絶縁層141により被覆される。
A
また、リセス構造125の内面上の絶縁層141上には、ゲート電極122が形成される。この構造において、キャリア走行層114と障壁層115との界面には2DEG116が形成されることにより、オン動作時の抵抗を低く抑えることができる。
A
上記のように特許文献1のIII族窒化物半導体HFET111は、オン動作時の抵抗が低いという利点を有する一方、絶縁層141の側面部分が2DEG116に直接接するため、ゲート電極122に印加される電圧が0、すなわちIII族窒化物半導体HFET111のオフ動作時には、リセス構造125の側面方向の2DEG116からゲート電極122にゲートリーク電流が流れやすいという問題がある。ここで、「ゲートリーク電流」とは、主として絶縁層141が薄いことにより流れるトンネル電流、および絶縁層141の内部に形成される欠陥を介して流れるリーク電流のことをいう。
As described above, the Group III
しかも、絶縁層141の成膜にはスパッタリング法もしくはCVD法を用いられることが多いが、これらの成膜方法で絶縁層141を成膜すると、リセス構造125の側面の絶縁層141の厚みがリセス構造125の底面の絶縁層141の厚みに比して薄くなる傾向があり、オフ動作時のゲートリーク電流の発生を助長し、上記問題の解決を難しくしていた。
Moreover, the
本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、オン動作時には電子移動の抵抗が低く、かつオフ動作時にはゲート電極からのリーク電流を抑制したIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a current situation, and is a group III nitride hetero-field effect transistor that has low resistance to electron transfer during on operation and suppresses leakage current from the gate electrode during off operation. The purpose is to provide.
本発明のIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタは、基板と、該基板の上に設けられるキャリア走行層と、該キャリア走行層上に、ヘテロ界面を形成するように設けられる障壁層と、該障壁層上の一部からキャリア走行層の内部まで掘り込まれたリセス構造と、該リセス構造上に設けられる絶縁層と、該絶縁層上に設けられるゲート電極とを含み、キャリア走行層および障壁層はいずれも、III族窒化物半導体からなり、絶縁層は、リセス構造の側面上に形成される側面絶縁層と、リセス構造の底面上に形成される底面絶縁層とを含み、側面絶縁層の厚みは、前記底面絶縁層の厚みよりも厚いことを特徴とする。 The group III nitride hetero-field effect transistor of the present invention includes a substrate, a carrier traveling layer provided on the substrate, a barrier layer provided on the carrier traveling layer so as to form a heterointerface, A recess structure dug from a part on the barrier layer to the inside of the carrier travel layer, an insulating layer provided on the recess structure, and a gate electrode provided on the insulating layer, Each of the barrier layers is made of a group III nitride semiconductor, and the insulating layer includes a side surface insulating layer formed on the side surface of the recess structure and a bottom surface insulating layer formed on the bottom surface of the recess structure. The thickness of the layer is greater than the thickness of the bottom insulating layer.
このような絶縁層は、SiO2、Si3N4、TiO2、HfO2、HfAlO、HfAlON、HfSiO、HfSiON、ZrO2、ZrAlO、ZrAlON、ZrSiO、ZrSiON、HfZrSiON、HfZrAlON、MgF2、CaF2、SrF2、BaF2、Al2O3、AlON、Ta2O5、ZnO、MgO、CaO、LaAlO2およびLaAlO3からなる群より選ばれた1種以上の材料を含むことが好ましい。
Such an insulating layer, SiO 2, Si 3 N 4 ,
底面絶縁層の厚みをTとし、側面絶縁層の厚みをSとすると、1.05≦S/T≦2であることが好ましい。 When the thickness of the bottom insulating layer is T and the thickness of the side insulating layer is S, it is preferable that 1.05 ≦ S / T ≦ 2.
本発明のIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタは、上記の各構成を有することにより、オン動作時には電子移動の抵抗が低く、かつオフ動作時には二次元電子ガスからゲート電極へのゲートリーク電流が発生しにくいという効果を有する。 The group III nitride hetero-field effect transistor of the present invention has the above-described configurations, so that the resistance of electron transfer is low during the on operation, and the gate leakage current from the two-dimensional electron gas to the gate electrode during the off operation. It has the effect that it is hard to generate | occur | produce.
以下、図面を参照しつつ、本発明のIII族窒化物半導体HFETについて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。本願の図面において、同一の参照番号は、同一部分または相当部分を表している。また、長さ、幅、厚さ等の寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。 Hereinafter, the group III nitride semiconductor HFET of the present invention will be described with reference to the drawings. The configurations shown in the drawings and the following description are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to those shown in the drawings and the following description. In the drawings of the present application, the same reference numerals represent the same or corresponding parts. In addition, dimensional relationships such as length, width, and thickness are appropriately changed for clarity and simplification of the drawings, and do not represent actual dimensional relationships.
本発明に用いられるIII族窒化物半導体HFETは、BvAlwGaxInyTlzN(0≦v≦1、0≦w≦1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、v+w+x+y+z=1)の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる。ここで、Bはホウ素を、Alはアルミニウムを、Gaはガリウムを、Inはインジウムを、Tlはタリウムを、Nは窒素を示す。また、vはホウ素の含有比率を、wはアルミニウムの含有比率を、xはガリウムの含有比率を、yはインジウムの含有比率を、zはタリウムの含有比率をそれぞれ示す。本明細書において、たとえばAlwGaxN(0<w<1、0<x<1、w+x=1)の式で表わされる窒化物半導体結晶からなる窒化物半導体層のことを便宜的に「AlGaN層」と略記することもある。 The group III nitride semiconductor HFET used in the present invention has B v Al w Ga x In y Tl z N (0 ≦ v ≦ 1, 0 ≦ w ≦ 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, v + w + x + y + z = 1). Here, B represents boron, Al represents aluminum, Ga represents gallium, In represents indium, Tl represents thallium, and N represents nitrogen. Further, v represents the content ratio of boron, w represents the content ratio of aluminum, x represents the content ratio of gallium, y represents the content ratio of indium, and z represents the content ratio of thallium. In this specification, for example, a nitride semiconductor layer made of a nitride semiconductor crystal represented by the formula of Al w Ga x N (0 <w <1, 0 <x <1, w + x = 1) is referred to as “ It may be abbreviated as “AlGaN layer”.
(実施の形態1)
<III族窒化物系へテロ電界効果トランジスタ>
図1は、本実施の形態のIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタの模式的な断面図である。本実施の形態のIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタ11は、図1に示されるように、基板12上に窒化物半導体層13が形成されており、当該窒化物半導体層13上にキャリア走行層14、および障壁層15がこの順に積層されたエピタキシャルウエハである。
(Embodiment 1)
<III-nitride hetero-field effect transistor>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a group III nitride hetero-field effect transistor according to the present embodiment. In the group III nitride hetero-
なお、窒化物半導体層13、キャリア走行層14、および障壁層15のことを総称して窒化物積層体30といい、キャリア走行層14と障壁層15との界面のことをヘテロ接合界面という。ここで、キャリア走行層14および障壁層15は、その組成が調整され、分極電解の効果により二次元電子ガス16が発生するように設定されている。
The
また、ソース電極20およびドレイン電極21が、障壁層15にオーミックコンタクトするように障壁層15の上面に接して設けられる。そして、ソース電極20およびドレイン電極21の間の窒化物積層体30の一部に、キャリア走行層14の一部および障壁層15を形成していない領域がある。この領域のことをリセス構造25と呼ぶ。そして、リセス構造25の上面および側壁面ならびに障壁層15の上面に絶縁層が形成される。そして、特にリセス構造25の絶縁層上にはゲート電極22が形成される。
Further, the
ここで、リセス構造25の底面上に形成される絶縁層のことを底面絶縁層41といい、リセス構造25の側面上に形成される絶縁層のことを側面絶縁層43、44という。本実施の形態のIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタ11は、リセス構造25の底面絶縁層41の厚みよりも、側面絶縁層43、44の合計厚みが厚いことを特徴とする。
Here, the insulating layer formed on the bottom surface of the
このように側面絶縁層43、44の合計厚みが底面絶縁層41の厚みよりも厚いことにより、オン動作時にはリセス構造の底面での電流チャネルの抵抗を下げ、かつオフ動作時に二次元電子ガス16からゲート電極22へのゲートリーク電流を発生しにくくすることができる。
Thus, since the total thickness of the
以下においては、本実施の形態のIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタの動作を説明する。 In the following, the operation of the group III nitride hetero-field effect transistor of the present embodiment will be described.
<III族窒化物系へテロ電界効果トランジスタの動作>
本実施の形態のIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタは、ソース電極20側の二次元電子ガス16とドレイン電極21側の二次元電子ガス16とがリセス構造25により分離されている、いわゆるノーマリオフ型の電界効果トランジスタである。このため、ゲート電極22に電圧を印加しない状態、または0Vを印加した状態では、ソース電極20およびドレイン電極21の間に電圧を印加してもチャネルに電流が流れないオフの状態になっている。
<Operation of Group III Nitride Hetero Field Effect Transistor>
In the group III nitride hetero-field effect transistor of the present embodiment, the two-
一方、ゲート電極22に正の電圧を印加すると、底面絶縁層41および側面絶縁層43、44と接するキャリア走行層14に電子が蓄積される。当該電子によりソース電極20側の二次元電子ガス16とドレイン電極21側の二次元電子ガス16とが電気的に接続される。この状態で、ソース電極20およびドレイン電極21に電圧を印加すると、チャネルに電流が流れオン動作が生じる。
On the other hand, when a positive voltage is applied to the
以下においては、本実施の形態のIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタを構成する各部を説明する。 Below, each part which comprises the group III nitride type | system | group hetero field effect transistor of this Embodiment is demonstrated.
<基板>
本実施の形態において、基板12は、電界効果トランジスタに用いられる基板12であれば、従来公知のものを用いることができる。このような基板12の材料としては、たとえばSi、GaN、SiC、AlN、GaAs、ZnO等を挙げることができる。基板12としてSiを用いる場合には、高抵抗Si基板を用いることが好ましい。
<Board>
In the present embodiment, the
<窒化物半導体層>
本実施の形態において、基板12とキャリア走行層14との間には窒化物半導体層13を設けることが好ましい。このように窒化物半導体層13を設けることにより、基板12の結晶格子と、キャリア走行層14の結晶格子との歪みを緩和することができる。なお、基板12の結晶格子と、キャリア走行層14の結晶格子とに歪みが生じにくい場合は、窒化物半導体層13を形成しなくてもよい。
<Nitride semiconductor layer>
In the present embodiment,
このような窒化物半導体層13は、単層または複数層のいずれであってもよい。窒化物半導体層13が単層である場合、その材料としてはたとえばAlN、GaN、AlGaN等を用いることができる。一方、窒化物半導体層13が複数層である場合、窒化物半導体層13にはAlN/GaN多重層、AlGaN/GaN多重層等を用いることができる。窒化物半導体層13は、薄いアンドープAlN層上に厚いアンドープGaN層を積層した多重層であることが好ましい。なお、「GaN/AlN」と表記する場合、上面がGaNであり、下面がAlNであることを示す。
Such a
本実施の形態のIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタにおいて、窒化物半導体層13としては、GaN、AlGaN、InGaN、AlInN、AlGaInN等のアンドープまたはドーピングされた窒化物半導体を用いることが好ましく、In1-xGaxN(0<x≦1)であることがより好ましい。
In the group III nitride hetero-field effect transistor of the present embodiment, as the
<キャリア走行層>
本実施の形態において、キャリア走行層14は、単層または多層の窒化物半導体層のいずれであってもよい。キャリア走行層14が単層の窒化物半導体層からなる場合、アンドープのAlGaNまたはドーピングされたAlGaN、AlInN、AlGaInN等を用いてもよい。
<Carrier travel layer>
In the present embodiment, the
一方、キャリア走行層14が多層の窒化物半導体層からなる場合、Al組成比およびドーピング濃度の異なる複数のAlGaN層を含む多重AlGaN層、GaN/Al0.25Ga0.75N/AlN、GaN/AlGaN、InGaN/AlGaN、InGaN/AlGaN/AlN等を用いてもよい。なお、多層の窒化物半導体層を構成する各層にはドーピングされた他の窒化物半導体層を用いることもできる。
On the other hand, when the
<障壁層>
本実施の形態において、障壁層15は、窒化物半導体層13およびキャリア走行層14の禁制帯幅に比べて広い禁制帯幅を有することが好ましい。障壁層15の材料としてはGaN、AlGaN、InGaN、AlInN、AlGaInN等のアンドープまたはドーピングされた窒化物半導体等を用いることができる。
<Barrier layer>
In the present embodiment, it is preferable that
<リセス構造>
本実施の形態において、リセス構造25は、窒化物積層体30のうちの障壁層15およびキャリア走行層14の一部が形成されていない部分に相当する。図1においては、リセス構造25の側面は、キャリア走行層14の表面に対して傾斜したものを示しているが、このような形態のみに限られるものではなく、リセス構造25の側面がキャリア走行層14の表面に対し垂直であってもよい。
<Recess structure>
In the present embodiment, the
<絶縁層>
本実施の形態において、絶縁層は、図1に示されるように、リセス構造25の底面上に形成される底面絶縁層41と、リセス構造25の側壁上に形成される側面絶縁層43、44と、障壁層15上に形成される絶縁層とからなる。底面絶縁層41および側面絶縁層43、44は、キャリア走行層14および障壁層15(以下、これら2層のことを「半導体層」とも記す)とゲート電極22との間にMISキャパシタ構造を形成し、正のゲート電圧印加時に半導体層内に電荷を発生させ、電流チャネルを形成するために設けられる。また、障壁層15上に形成される絶縁層は、素子表面の保護や、特にIII族窒化物HFETで問題となる電流コラプス現象の抑制のために設けられる。
<Insulating layer>
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the insulating layers are a bottom
そして、側面絶縁層43、44の厚みは、底面絶縁層41の厚みよりも厚いことを特徴とする。側面絶縁層43、44の厚みが厚いことにより、オフ動作時に二次元電子ガス16からゲート電極22へのゲートリーク電流を抑制することができる。
And the thickness of the side
上述の底面絶縁層41の厚みは、オン動作時の抵抗制御およびオン動作時の絶縁耐性とを考慮して、適切な厚みとすることが好ましい。このような底面絶縁層41の厚みは、用いる材料により好適な厚みが異なるが、1nm以上500nm以下であることが好ましく、より好ましくは2.5nm以上100nm以下である。底面絶縁層41の厚みが500nmを超えると、オン動作時にリセス構造25の底面のゲートチャネル部分に発生する電荷の密度が低くなることにより、チャネルのオン抵抗が増大することになるため好ましくない。一方、底面絶縁層41の厚みが1nm未満であると、ゲート絶縁膜としての絶縁性が十分に確保されないため好ましくない。
The thickness of the bottom insulating
これに対し、側面絶縁層43、44の厚みは、オフ動作時に電界が集中するリセス構造25の側面からリークゲート電流が発生しないように、底面絶縁層よりも厚く設定されていればよい。
On the other hand, the thickness of the
リセス構造25の内面に形成される絶縁層は、その材料の誘電率が高いものを用いることが好ましい。誘電率が高い材料を用いることにより、ゲート電極22と接する部分のキャリア走行層14の内部に形成される電流チャネルの電気抵抗を小さくすることができ、オン動作時の抵抗を低減することができる。
The insulating layer formed on the inner surface of the
ここで、底面絶縁層41の厚みをTとし、側面絶縁層43、44の厚みをSとすると、1.05≦S/T≦2であることが好ましい。このような底面絶縁層41および側面絶縁層43、44の厚みは、オン時の電子移動の抵抗を低下し、かつオフ時のゲートリーク電流の発生を抑制する効果を顕著に得ることができる。より好ましくは1.1≦S/T≦1.5である。
Here, when the thickness of the bottom insulating
図2は、本発明のIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタの別の一形態を示す模式的な断面図である。図1においては、説明の便宜上、底面絶縁層41と、絶縁層42と、側面絶縁層43、44との間にはそれぞれを分割する境界があるように描いているが、実際には図2に示されるように各絶縁層が分割されていなくてもよい。すなわちたとえば、リセス構造25の底面および側面ならびに障壁層15上に形成される絶縁層がすべて同一の材料である場合には、図2に示されるように、各絶縁層40の間の境界が明確になくてもよい。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another embodiment of the group III nitride hetero-field effect transistor of the present invention. In FIG. 1, for convenience of explanation, the bottom insulating
このような絶縁層は、リセス構造25の底面に多量の電子を蓄積させるという観点から、誘電率が高い材料のものを用いることが好ましい。すなわち、絶縁層に用いる材料は、SiO2、Si3N4、TiO2、HfO2、HfAlO、HfAlON、HfSiO、HfSiON、ZrO2、ZrAlO、ZrAlON、ZrSiO、ZrSiON、HfZrSiON、HfZrAlON、MgF2、CaF2、SrF2、BaF2、Al2O3、AlON、Ta2O5、ZnO、MgO、CaO、LaAlO2、およびLaAlO3からなる群より選ばれた1種以上の材料を含むことが好ましい。
Such an insulating layer is preferably made of a material having a high dielectric constant from the viewpoint of accumulating a large amount of electrons on the bottom surface of the
底面絶縁層41および側面絶縁層43、44は、同一の材料からなるものであってもよいし、異なる材料のものであってもよい。上記の絶縁層を構成する材料の中でも、電流コラプス抑制効果、熱的安定性、化学的安定性、電流リーク耐性等、各々の素子の必要に応じた材料を選択をすることが好ましく、特に絶縁層に好適な材料としては、HfO2、HfAlO、HfAlON、HfSiO、HfSiON、ZrO2、ZrAlO、ZrAlON、ZrSiO、ZrSiON、HfZrSiON、HfZrAlON、Ta2O5等を挙げることができる。
The bottom
また、絶縁層は、その構成が単一の層のみに限られるものではなく、複数の部位からなることもできる。絶縁層を複数の部位とする場合、SiNx/SiO2、SiO2/SiNx、SiNx/SiO2/SiNx等の構成を用いることができる。なお、「SiO2/SiNx」と表記する場合、キャリア走行層14と接する側がSiO2であり、リセス構造25と接する側がSiNxであることを示す。このように絶縁層がSiO2/SiNxからなる場合、リセス構造25と接する絶縁層によりコラプス現象を抑制し、さらに高い電子移動度を得ることができる。
Further, the configuration of the insulating layer is not limited to a single layer, and may be composed of a plurality of parts. When the insulating layer has a plurality of portions, a configuration such as SiN x / SiO 2 , SiO 2 / SiN x , SiN x / SiO 2 / SiN x can be used. In addition, the notation “SiO 2 / SiN x ” indicates that the side in contact with the
また、複数の部位からなる絶縁層を形成する場合、絶縁層を形成した後に800℃以上1200℃以下の高温で熱処理を行なうことが好ましい。このような高温で熱処理を行なうことにより、絶縁層を構成する各層を一体化させることができる。これにより電荷トラップの起源となる各層の接触面をなくし、ゲート電極22の特性にヒステリシスが発生しにくくなる。
In the case where an insulating layer including a plurality of parts is formed, it is preferable to perform heat treatment at a high temperature of 800 ° C. to 1200 ° C. after the insulating layer is formed. By performing the heat treatment at such a high temperature, the layers constituting the insulating layer can be integrated. This eliminates the contact surface of each layer that is the source of charge trapping, and makes it difficult for hysteresis to occur in the characteristics of the
<ソース電極、ドレイン電極>
本実施の形態において、ソース電極20およびドレイン電極21は、障壁層15とオーミックコンタクトするオーミック電極であり、いずれも単層または多層の金属層により形成されることが好ましい。ソース電極20およびドレイン電極21に用いられる電極材料としては、Hf/Al/Hf/Au、Ti/Al、Ni/Au、Ti/Au、Pt/Au、Ni/Au、W、WNx、WSix等を挙げることができる。
<Source electrode, drain electrode>
In the present embodiment, the
<ゲート電極>
本実施の形態において、ゲート電極22は、絶縁層とキャリア走行層14とが接する界面における電子の濃度を制御するショットキー電極である。このゲート電極22に印加するバイアス電圧を調整することにより、絶縁層とキャリア走行層14とが接する界面における電子の濃度を制御することができ、チャネル形成を制御することができる。ゲート電極22に用いられる金属材料としては、Ti/Al、Ni/Au、Ti/Au、Pt/Au、Ni/Au、W、WNx、WSix等を挙げることができる。
<Gate electrode>
In the present embodiment, the
(製造方法)
本実施の形態のIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタは、以下のようにして製造することができる。
(Production method)
The group III nitride hetero-field effect transistor of the present embodiment can be manufactured as follows.
図3は、基板上に第1窒化物半導体層を形成した後の状態を示す模式的な断面図である。本実施の形態においては、図3に示されるように、基板12上に窒化物半導体層13、キャリア走行層14、および障壁層15の順に積層することにより、窒化物積層体30を形成する。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a state after the first nitride semiconductor layer is formed on the substrate. In the present embodiment, as shown in FIG. 3,
窒化物積層体30を形成する方法としては、有機金属化学気相堆積(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、ハライド気相成長(HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy)法等を用いることが好ましい。MOCVD法を用いて窒化物積層体30を形成する場合、MOCVD装置内にトリメチルガリウム(TMG:TriMethyl Gallium)、トリメチルアンモニウム(TMA)、アンモニア(NH3)等を導入することが好ましい。
Methods for forming the
図4は、窒化物積層体上に第1レジストを形成した後の状態を示す模式的な断面図である。上記で得られた窒化物積層体30の障壁層15の上面に対し、リセス構造を形成する部分以外の部分に第1レジスト51を形成する。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a state after the first resist is formed on the nitride laminate. A first resist 51 is formed on the upper surface of the
図5は、窒化物積層体にリセス構造を形成した後の状態を示す模式的な断面図である。上記で窒化物積層体30上に形成した第1レジスト51をエッチングマスクとして、該エッチングマスクが形成されていない部分に対し、窒化物積層体30の厚みT1(すなわち障壁層15の全ておよびキャリア走行層14の上部)をドライエッチングで除去することにより、窒化物積層体30にリセス構造25を形成する(図5)。そして、リセス構造25を形成した後に、第1レジスト51を除去する。次に、リセス構造25の上面および内壁面、ならびに障壁層15の上面を硫酸/過酸化水素水で洗浄し、さらに塩酸/過酸化水素水で洗浄する。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a state after the recess structure is formed in the nitride laminate. Using the first resist 51 formed on the
図6は、障壁層の一部のみに第2レジストを形成した後の状態を示す模式的な断面図である。上記で洗浄した障壁層15の上面に対し、図6に示されるように、第2レジスト52を形成する。これにより後の工程で、第2レジスト52が形成されていないリセス構造25および障壁層15の上面に絶縁層を形成することができる。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a state after the second resist is formed on only a part of the barrier layer. As shown in FIG. 6, a second resist 52 is formed on the upper surface of the
図7は、リセス構造および障壁層の一部上に絶縁層を形成した後の状態を示す模式的な断面図である。上記のようにして形成した第2レジスト52以外の障壁層15およびリセス構造25上に絶縁層41を形成する。そして、第2レジスト52をリフトオフすることにより、リセス構造25および障壁層15の一部上のみに絶縁層41が形成される(図7)。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a state after an insulating layer is formed on a part of the recess structure and the barrier layer. An insulating
図8は、絶縁層上に第3レジストを形成した後の状態を示す模式的な断面図である。図8に示されるように、絶縁層41を覆うように第3レジスト53を形成する。このように第3レジスト53を形成することにより、後の工程で障壁層15が露出している部分のみに絶縁層を形成することができる(図8)。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a state after the third resist is formed on the insulating layer. As shown in FIG. 8, a third resist 53 is formed so as to cover the insulating
図9は、障壁層の上面に絶縁層を形成した後の状態を示す模式的な断面図である。図8
の状態において、障壁層15の上面のうちの第3レジスト53で覆われていない部分上に絶縁層42を形成した後に、第3レジスト53を除去する(図9)。なお、上記の絶縁層41、42を形成する方法としては、CVD法、電子ビーム真空蒸着法、真空スパッタリング法等を挙げることができる。このようにしてリセス構造25および障壁層15上に絶縁層41、42を形成する。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a state after an insulating layer is formed on the upper surface of the barrier layer. FIG.
In this state, after the insulating
図10は、絶縁層上に第4レジストを形成した後の状態を示す模式的な断面図である。次に、上記の障壁層15およびリセス構造25の底面上に第4レジスト54を形成する。図10に示されるようにリセス構造25の側壁を除く部分を第4レジスト54で覆うことにより、後の工程でリセス構造25の側壁の部分のみにさらに側面絶縁層44を形成することができる。
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a state after the fourth resist is formed on the insulating layer. Next, a fourth resist 54 is formed on the bottom surfaces of the
図11は、リセス構造の側面に側面絶縁層を形成した後の状態を示す模式的な断面図である。図10に示されるように第4レジストを形成した後に、図11に示されるように、リセス構造25の側面の絶縁層41上に側面絶縁層44を形成する。このようにして側面絶縁層の厚みを底面絶縁層の厚みよりも厚くすることができる。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a state after the side surface insulating layer is formed on the side surface of the recess structure. After the fourth resist is formed as shown in FIG. 10, a
次に、底面絶縁層41と側面絶縁層44との界面を一体化させるために熱処理を行なうことが好ましい。このように底面絶縁層41と側面絶縁層44とをなじませることにより、それらの界面での電荷トラップをなくし、ゲート電極22の特性にヒステリシスが発生しにくくなる。
Next, it is preferable to perform a heat treatment to integrate the interface between the bottom insulating
ここで、熱処理の温度は、800℃以上1200℃以下であることが好ましく、その雰囲気はO2、N2、NO、NO2およびこれらの混合気体等を用いることが好ましい。ただし、底面絶縁層41と側面絶縁層44との一体化を促進するという観点から、O2を含むことがより好ましい。また、熱処理の時間は、3分以上100分以下であることが好ましい。また、この熱処理は、底面絶縁層41と、側面絶縁層44と、窒化物積層体30とが接する面の界面順位を低減させる効果もある。
Here, the heat treatment temperature is preferably 800 ° C. or more and 1200 ° C. or less, and the atmosphere is preferably O 2 , N 2 , NO, NO 2, a mixed gas thereof, or the like. However, from the viewpoint of promoting integration of the bottom
そして、障壁層の上面のうちのソース電極およびドレイン電極が形成される部分の絶縁層42を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により除去し、コンタクト領域を形成する。
Then, a portion of the insulating
図12は、ソース電極およびドレイン電極を形成した後の状態を示す模式的な断面図である。上記のアニールを行なった後、図12に示されるように、障壁層15上の絶縁層42を除去したコンタクト領域上に、フォトリソグラフィ技術とEB蒸着法とを用いてソース電極20およびドレイン電極21を形成する。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a state after forming the source electrode and the drain electrode. After performing the above annealing, as shown in FIG. 12, the
そして、熱処理による合金化によりソース電極20およびドレイン電極21と、チャネルとをオーミックコンタクトさせる。オーミックコンタクトを得る方法としては、熱処理による合金化する方法のみに限られるものではなく、トンネル電流機構によりオーミックコンタクトを形成する方法、コンタクト領域にSi等のn型不純物をイオン注入等により高濃度にドーピングした上で、当該コンタクト領域にソース電極20およびドレイン電極21を形成する方法、コンタクト領域を障壁層15の表面からキャリア走行層14の内部までエッチング除去し、該エッチング面にソース電極20およびドレイン電極21を接触させる方法等を用いることができる。
Then, ohmic contact is made between the
次に、フォトリソグラフィ技術とEB蒸着法とを用いることにより、絶縁層41上にたとえばNi/Auからなるゲート電極22を形成する。以上の各工程により、図1に示されるような、本実施の形態のIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタを作製することができる。
Next, the
以下のようにして、図1に示されるIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタを作製した。 The group III nitride hetero-field effect transistor shown in FIG. 1 was produced as follows.
本実施例では、まず、図3に示されるように、高抵抗Si基板12を準備し、当該高抵抗Si基板12上に、有機金属化学気相堆積(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いて、AlNおよびGaNからなる窒化物半導体層13と、厚さ100nmのi−GaNからなるキャリア走行層14と、厚さ100nmのアンドープAl0.25Ga0.75Nからなる障壁層15とをこの順に形成した。
In this embodiment, first, as shown in FIG. 3, a high
次に、CVD法を用いて、障壁層15上に第1レジスト51を形成した。そして、図4に示されるように、フォトリソグラフィ技術を用いてリセス構造25となる部分の第1レジスト51を除去した。
Next, a first resist 51 was formed on the
次いで、図5に示されるように、障壁層15のうちの第1レジスト51が形成されていない部分、すなわち障壁層15が露出している部分に対し、ICP(Inductively Coupled Plasma)−RIE装置を用いて障壁層15と、キャリア走行層14のうちの上から厚み50nmの部分とを除去することによりリセス構造25を形成した。そして、その後第1レジスト51を除去した。
Next, as shown in FIG. 5, an ICP (Inductively Coupled Plasma) -RIE apparatus is applied to a portion of the
次に、リセス構造25の上面および内壁面を硫酸/過酸化水素水で洗浄した後に、さらに塩酸/過酸化水素水で洗浄した後に、障壁層15上に第2レジスト52を形成した(図6)。そして、第2レジスト52で覆われていない障壁層15およびリセス構造25上にプラズマCVD法を用いて30nmの厚みのSiO2からなる絶縁層41を形成し、第2レジストを除去した(図7)。
Next, after cleaning the upper surface and inner wall surface of the
この後、絶縁層41の上面を覆うように第3レジスト53を形成した(図8)。そして、プラズマCVD法を用いて30nmの厚みのSi3N4からなる絶縁層42を障壁層15上に形成した後に、第3レジスト53を除去した(図9)。なお、Si3N4はいわゆる電流コラプスの低減に効果があり、障壁層15の表面に積層されることでオン時のキャリア抵抗の増大を抑制することができる。次に、障壁層15およびリセス構造25の底面上に第4レジスト54を形成した(図10)。
Thereafter, a third resist 53 was formed so as to cover the upper surface of the insulating layer 41 (FIG. 8). Then, after forming an insulating
このようにして底面絶縁層41、42上を第4レジストで覆い、プラズマCVD法を用いてリセス構造25の内壁面上の絶縁層41上に30nmの厚みのSiO2からなる側面絶縁層44を形成した(図11)。このSiO2の比誘電率は3.9と比較的小さいため、ゲート電極22に一定電圧を印加した際にリセス構造25の底面と絶縁層41との界面に多量の電子を蓄積しないが、電子の移動度を高く保つことにより、オン抵抗を低減することができる。
In this way, the bottom insulating
上記で側面絶縁層44を形成した後、絶縁層41と側面絶縁層44とを酸素雰囲気の下で1000℃で60分間熱処理を行なった。なお、本実施例では、図1において、底面絶縁層41と側面絶縁層43との材料は同一のものであるため、これら両層を分離する境界線は明瞭ではない。
After forming the
そして、障壁層15の上面のうちのソース電極およびドレイン電極が形成される部分の絶縁層42をフォトリソグラフィ技術により除去した。そして、窒素雰囲気の下で1000℃でアニールを行なうことにより、絶縁層42と窒化物積層体30との接する面の界面準位を低減させた。
Then, the insulating
その後、図12に示されるように、障壁層15のコンタクト領域に、フォトリソグラフィ技術とEB蒸着法とを用いてHf/Al/Hf/Auの積層構造からなるソース電極20、およびソース電極20と同一組成のドレイン電極21を形成した。そして、真空雰囲気で800℃、1分間熱処理を行なうことにより、ソース電極20およびドレイン電極21を障壁層15とオーミックコンタクトさせた。
Thereafter, as shown in FIG. 12, the
次に、フォトリソグラフィ技術とEB蒸着法とを用いることにより、リセス構造25の底面絶縁層41上にWNをベースとしたショットキー電極であるゲート電極22を形成した。以上の工程により、本実施例のIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタを作製した。
Next, the
上記のようにして作製した実施例1のIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタは、そのオフ時においても二次元電子ガスからゲート電極へのゲートリーク電流が発生しにくいことにより、その素子が劣化しにくかった。これは、側面絶縁層の厚みが、底面絶縁層の厚みよりも厚いことによる効果があるものと考えられる。 The group III nitride hetero-field effect transistor of Example 1 fabricated as described above is less susceptible to gate leakage current from the two-dimensional electron gas to the gate electrode even when the transistor is turned off. It was hard to deteriorate. This is considered to be effective because the thickness of the side surface insulating layer is larger than the thickness of the bottom surface insulating layer.
(比較例1)
実施例1のIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタに対し、側面絶縁層44を形成しなかったことを除いては実施例1と同様の方法により、比較例1のIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタを作製した。
(Comparative Example 1)
For the Group III nitride hetero-field effect transistor of Example 1, the Group III nitride system of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the
このようにして作製した比較例1のIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタは、そのオフ時において二次元電子ガスからゲート電極へとゲートリーク電流が発生しやすく、その素子が劣化しやすいものであった。 The group III nitride hetero-field effect transistor of Comparative Example 1 produced in this way is prone to gate leakage current from the two-dimensional electron gas to the gate electrode when the transistor is off, and the device is likely to deteriorate. Met.
以上の説明からも明らかなように、実施例1の本発明に係るIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタは、比較例1のIII族窒化物系へテロ電界効果トランジスタに比し、オフ時の二次元電子ガスからゲート電極へのゲートリーク電流を抑制していることが明らかである。このことから、側面絶縁層の厚みが、底面絶縁層の厚みよりも厚いことにより、そのオフ時のゲートリーク電流を抑制することができることを確認した。 As is apparent from the above description, the Group III nitride hetero-field effect transistor according to the present invention of Example 1 is in an off state as compared with the Group III nitride hetero-field effect transistor of Comparative Example 1. It is clear that the gate leakage current from the two-dimensional electron gas to the gate electrode is suppressed. From this, it was confirmed that the gate leakage current at the off time can be suppressed when the thickness of the side surface insulating layer is larger than the thickness of the bottom surface insulating layer.
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。 Although the embodiments and examples of the present invention have been described as described above, it is also planned from the beginning to appropriately combine the configurations of the above-described embodiments and examples.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は、キャリア走行層と障壁層との界面に形成される2次元キャリアガスを電流チャネルに利用する半導体素子に適用した場合に、リセス構造上からのゲートリーク電流を抑制することをもって、素子特性の劣化を抑制することができる。このような半導体素子としては、たとえばHFET、電界効果ダイオード等を挙げることができる。 The present invention suppresses a gate leakage current from a recess structure when a two-dimensional carrier gas formed at an interface between a carrier transit layer and a barrier layer is applied to a semiconductor device that uses a current channel. Deterioration of characteristics can be suppressed. Examples of such semiconductor elements include HFETs and field effect diodes.
11,111 III族窒化物系へテロ電界効果トランジスタ、12,112 基板、13,113 窒化物半導体層、14,114 キャリア走行層、15,115 障壁層、16,116 二次元電子ガス、20,120 ソース電極、21,121 ドレイン電極、22,122 ゲート電極、25,125 リセス構造、30 窒化物積層体、40,141 絶縁層、41 底面絶縁層、42 絶縁層、43,44 側面絶縁層、51 第1レジスト、52 第2レジスト、53 第3レジスト、54 第4レジスト。 11, 111 III-nitride hetero-field effect transistor, 12, 112 substrate, 13, 113 nitride semiconductor layer, 14, 114 carrier transit layer, 15, 115 barrier layer, 16, 116 two-dimensional electron gas, 20, 120 source electrode, 21, 121 drain electrode, 22, 122 gate electrode, 25, 125 recess structure, 30 nitride laminate, 40, 141 insulating layer, 41 bottom insulating layer, 42 insulating layer, 43, 44 side insulating layer, 51 1st resist, 52 2nd resist, 53 3rd resist, 54 4th resist.
Claims (3)
前記基板の上に設けられるキャリア走行層と、
前記キャリア走行層上に、ヘテロ界面を形成するように設けられる障壁層と、
前記障壁層上の一部から前記キャリア走行層の内部まで掘り込まれたリセス構造と、
前記リセス構造上に設けられる絶縁層と、
前記絶縁層上に設けられるゲート電極とを含み、
前記キャリア走行層および前記障壁層はいずれも、III族窒化物半導体からなり、
前記絶縁層は、前記リセス構造の側面上に形成される側面絶縁層と、前記リセス構造の底面上に形成される底面絶縁層とを含み、
前記側面絶縁層の厚みは、前記底面絶縁層の厚みよりも厚い、III族窒化物系ヘテロ電界効果トランジスタ。 A substrate,
A carrier running layer provided on the substrate;
A barrier layer provided on the carrier traveling layer so as to form a heterointerface;
A recess structure dug from a part on the barrier layer to the inside of the carrier traveling layer;
An insulating layer provided on the recess structure;
A gate electrode provided on the insulating layer,
Both the carrier traveling layer and the barrier layer are made of a group III nitride semiconductor,
The insulating layer includes a side insulating layer formed on a side surface of the recess structure, and a bottom insulating layer formed on a bottom surface of the recess structure,
The group III nitride hetero field effect transistor, wherein the side insulating layer is thicker than the bottom insulating layer.
1.05≦S/T≦2である、請求項1または2に記載のIII族窒化物系ヘテロ電界効果トランジスタ。 When the thickness of the bottom insulating layer is T and the thickness of the side insulating layer is S,
The group III nitride hetero field effect transistor according to claim 1 or 2, wherein 1.05≤S / T≤2.
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