JP6908240B2 - Nitride semiconductor transistor manufacturing method and nitride semiconductor transistor - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体トランジスタの製造方法及び窒化物半導体トランジスタに関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor transistor and a nitride semiconductor transistor.
特許文献1には、GaN系半導体を用いた高電子移動度トランジスタ(HEMT)が開示されている。このHEMTは、第1のGaN系半導体層と、第1のGaN系半導体層上に設けられ、第1のGaN系半導体層よりバンドギャップの大きい第2のGaN系半導体層とを備える。第2のGaN系半導体層には、ソース電極及びトレイン電極が電気的に接続される。ソース電極とドレイン電極との間には、ゲート電極が設けられる。ソース電極及びドレイン電極と、ゲート電極との間の第2のGaN系半導体層上には、膜厚が0.2nm以上2nm未満の窒素を含む第1の絶縁膜が設けられる。第1の絶縁膜上には、酸素を含む第2の絶縁膜が設けられる。 Patent Document 1 discloses a high electron mobility transistor (HEMT) using a GaN-based semiconductor. This HEMT includes a first GaN-based semiconductor layer and a second GaN-based semiconductor layer provided on the first GaN-based semiconductor layer and having a bandgap larger than that of the first GaN-based semiconductor layer. A source electrode and a train electrode are electrically connected to the second GaN-based semiconductor layer. A gate electrode is provided between the source electrode and the drain electrode. A first insulating film containing nitrogen having a film thickness of 0.2 nm or more and less than 2 nm is provided on the second GaN-based semiconductor layer between the source electrode and the drain electrode and the gate electrode. A second insulating film containing oxygen is provided on the first insulating film.
近年、例えばGaNといった窒化物系半導体を用いたHEMTが知られている。HEMTは、例えば結晶成長用基板上に順にエピタキシャル成長した、チャネル層、バリア層及びキャップ層を有している。チャネル層中のバリア層との界面に2次元電子ガス(2DEG)が形成され、この2次元電子ガスがチャネル層として機能する。 In recent years, HEMTs using nitride semiconductors such as GaN have been known. The HEMT has, for example, a channel layer, a barrier layer, and a cap layer which are epitaxially grown on a crystal growth substrate. A two-dimensional electron gas (2DEG) is formed at the interface with the barrier layer in the channel layer, and this two-dimensional electron gas functions as a channel layer.
キャップ層との表面には、電子捕獲準位(トラップ)が形成される。ゲートに逆バイアスを印加した状態でドレインバイアスを印加すると、ドレイン電極からゲート電極に向けて表面リーク電流が生じるが、その一部の電子は電子捕獲準位に捕獲される。捕獲準位の寿命(捕獲した電子を吐き出すまでの時間)は、マイクロ秒オーダであり、HEMTの用途によってはオン/オフ周期よりも十分に長い時間となる。電子捕獲準位に電子が捕獲されると、チャネル層の表面が負に帯電した状態で維持される。これは、ゲート−ドレイン間のチャネル幅を狭くする(ゲート−ドレイン間の空乏領域を広げる)作用をもたらし、オン/オフ動作が連続して繰り返されると、ドレイン電圧が次第に減少する。このような現象は、電流コプラスと呼ばれる。窒化物系半導体を用いたHEMTにおいては、さらなる高速動作の実現のため、電流コラプスの低減が望まれている。 An electron capture level (trap) is formed on the surface of the cap layer. When a drain bias is applied to the gate with a reverse bias applied, a surface leak current is generated from the drain electrode toward the gate electrode, but some of the electrons are captured at the electron capture level. The lifetime of the capture level (the time until the captured electrons are ejected) is on the order of microseconds, which is sufficiently longer than the on / off cycle depending on the application of HEMT. When an electron is captured at the electron capture level, the surface of the channel layer is maintained in a negatively charged state. This has the effect of narrowing the channel width between the gate and drain (widening the depletion region between the gate and drain), and the drain voltage gradually decreases when the on / off operation is repeated continuously. Such a phenomenon is called current coplus. In HEMTs using nitride semiconductors, reduction of current collapse is desired in order to realize higher speed operation.
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、電流コラプスを低減可能な窒化物半導体トランジスタの製造方法及び窒化物半導体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 problems, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a nitride semiconductor transistor capable of reducing current collapse and a nitride semiconductor transistor.
上述した課題を解決するために、一実施形態に係る窒化物半導体トランジスタの製造方法は、チャネル層、バリア層、及びGaを組成に含むキャップ層を基板上に順次成長してエピタキシャル基板を作製する成長工程と、金属イオンを含む溶液中にエピタキシャル基板を浸漬し、金属イオンをキャップ層の表面上に付着させる浸漬工程と、溶液中からエピタキシャル基板を取り出し、キャップ層の表面上に窒化シリコン膜を形成する成膜工程と、を含む。 In order to solve the above-mentioned problems, in the method for manufacturing a nitride semiconductor transistor according to one embodiment, an epitaxial substrate is produced by sequentially growing a channel layer, a barrier layer, and a cap layer containing Ga in the composition on the substrate. The growth step, the immersion step of immersing the epitaxial substrate in a solution containing metal ions and adhering the metal ions on the surface of the cap layer, and the epitaxial substrate taken out from the solution and forming a silicon nitride film on the surface of the cap layer. It includes a film forming step of forming.
また、一実施形態に係る窒化物半導体トランジスタは、基板と、基板上に設けられたチャネル層と、チャネル層上に設けられたバリア層と、Gaを組成に含みバリア層上に設けられたキャップ層と、キャップ層上に設けられた窒化シリコン膜と、バリア層に接するソース電極及びドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極との間に設けられたゲート電極と、少なくともゲート電極とドレイン電極との間の領域におけるキャップ層と窒化シリコン膜との界面において1.0×1011cm−2〜1.0×1012cm−2の範囲内の密度で配置された金属原子と、を備える。 Further, the nitride semiconductor transistor according to the embodiment includes a substrate, a channel layer provided on the substrate, a barrier layer provided on the channel layer, and a cap provided on the barrier layer including Ga in the composition. A layer, a silicon nitride film provided on the cap layer, a source electrode and a drain electrode in contact with the barrier layer, a gate electrode provided between the source electrode and the drain electrode, and at least a gate electrode and a drain electrode. It comprises metal atoms arranged at a density in the range of 1.0 × 10 11 cm- 2 to 1.0 × 10 12 cm- 2 at the interface between the cap layer and the silicon nitride film in the interstitial region.
本発明による窒化物半導体トランジスタの製造方法及び窒化物半導体トランジスタによれば、電流コラプスを低減できる。 According to the method for manufacturing a nitride semiconductor transistor and the nitride semiconductor transistor according to the present invention, current collapse can be reduced.
本発明の実施形態に係る窒化物半導体トランジスタの製造方法及び窒化物半導体トランジスタの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、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及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。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 A method for manufacturing a nitride semiconductor transistor and a specific example of the nitride semiconductor transistor according to the embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited to these examples, and is indicated by the scope of claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims. In the following description, the same elements will be designated by the same reference numerals in the description of the drawings, and duplicate description will be omitted.
図1は、本実施形態に係る高電子移動度トランジスタ(以下、「HEMT」とする)を示す断面図である。このHEMT1Aは、主に窒化物系半導体によって構成されている。具体的には、HEMT1Aは、基板10、チャネル層11、バリア層12、キャップ層13、窒化シリコン(SiN)膜16、ドレイン電極21、ソース電極22、及びゲート電極23を備えている。チャネル層11、バリア層12及びキャップ層13は、基板10上においてこの順に設けられている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a high electron mobility transistor (hereinafter referred to as “HEMT”) according to the present embodiment. This HEMT1A is mainly composed of a nitride semiconductor. Specifically, HEMT1A includes a
基板10は、チャネル層11、バリア層12、及びキャップ層13を結晶成長させるための表面を有する基板である。基板10は、半絶縁性を有している。基板10は、例えばSiC基板である。なお、基板10とチャネル層11との間に、チャネル層11の結晶性を向上するためのAlN層及び/又はAlGaN層といったバッファ層が設けられてもよい。
The
チャネル層11は、基板10上にエピタキシャル成長した電子走行層であり、例えばGaNといったIII−V族窒化物半導体によって構成される。チャネル層11の厚さは、例えば0.2μm以上1.0μm以下である。
The
バリア層12は、チャネル層11上にエピタキシャル成長した電子供給層であり、例えばAlGaNといった、チャネル層11よりもバンドギャップの大きいIII−V族窒化物半導体によって構成される。バリア層12の厚さは、例えば10nm以上30nm以下である。バリア層12は、n型化していてもよい。
The
キャップ層13は、バリア層12上にエピタキシャル成長した層であり、例えばGaNといった、Gaを組成に含むIII−V族窒化物半導体によって構成される。キャップ層13の厚さは、例えば3nm以上10nm以下である。キャップ層13は、n型化していてもよい。キャップ層13の表面には、自然酸化層14が形成されている。自然酸化層14は、キャップ層13に含まれるGaが酸化してなるGaOX層である。自然酸化層14の厚さは、例えば0.5nm以上2nm以下である。
The
ドレイン電極21及びソース電極22は、キャップ層13の一部が除去された部分に設けられている。ドレイン電極21及びソース電極22のそれぞれは、バリア層12の表面に接している。ドレイン電極21及びソース電極22のそれぞれは、オーミック電極であり、例えばチタン(Ti)層とアルミニウム(Al)層との積層構造を有する。この場合、バリア層12とチタン層とが接触する。
The
ゲート電極23は、キャップ層13上であって、ドレイン電極21とソース電極22との間に設けられている。ゲート電極23は、例えばニッケル(Ni)層と金(Au)層との積層構造を有する。ゲート電極23は、バリア層12の表面に接するように設けられてもよく、バリア層12の表面との間にSiN膜16を挟んで設けられてもよい。
The
SiN膜16は、チャネル層11、バリア層12、及びキャップ層13を保護する膜であり、キャップ層13上に設けられてキャップ層13を覆っている。SiN膜16の厚さは、例えば1nm以上50nm以下である。
The SiN
少なくともドレイン電極21とゲート電極23との間の領域において、キャップ層13とSiN膜16との界面(より詳細には自然酸化層14とSiN膜16との界面)には、多数の金属原子を含む金属拡散層15が存在している。本実施形態では、金属拡散層15は、ドレイン電極21とソース電極22との間にわたって存在している。金属拡散層15において、金属原子は、例えば1.0×1011cm−2〜1.0×1012cm−2の範囲内の密度で分布している。なお、このような密度の大きさは、SIMS分析によって検出可能な大きさである。つまり、金属拡散層15では、金属原子が積層方向と垂直な面内において平面的(二次元的)に分布している。金属拡散層15は、ドレイン電極21とゲート電極23との間の表面伝導度を高め、表面リーク電流を増大させる。金属拡散層15に含まれる金属は、例えば高融点金属またはその化合物であって、Ti、Ta、W、及びTiWのうち少なくとも一つである。後述するように、金属拡散層15は金属イオンをキャップ層13の表面に付着させることにより形成される。但し、金属イオンは、キャップ層13の表面に付着後、乾燥した時点でイオン化金属から金属に変化する。
At least in the region between the
このようなHEMT1Aにおいては、チャネル層11とバリア層12との界面に2次元電子ガス(2DEG)が生じることにより、チャネル領域11aがチャネル層11におけるバリア層12との界面に形成される。このチャネル領域11aが電流経路となって、ドレイン電極21とソース電極22との間に電流が流れ、HEMT1Aがオン状態となる。
In such HEMT1A, a two-dimensional electron gas (2DEG) is generated at the interface between the
続いて、図2(a)〜図2(c)及び図3(a),図3(b)を参照しながら、本実施形態に係るHEMT1Aの製造方法について説明する。図2(a)〜図2(c)及び図3(a),図3(b)は、本実施形態に係るHEMT1Aの製造方法を説明する図である。 Subsequently, the method for producing HEMT1A according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 (a) to 2 (c) and FIGS. 3 (a) and 3 (b). 2 (a) to 2 (c), 3 (a), and 3 (b) are diagrams illustrating a method for producing HEMT1A according to the present embodiment.
まず、基板10を用意する。基板10を成長炉に投入し、図2(a)に示されるように、例えば有機金属気相成長法(Organometallic Vapor Phase Epitaxy;OMVPE)によって、チャネル層11、バリア層12、及びキャップ層13を基板10の表面上に順に成長する(成長工程)。この工程によって、基板10、チャネル層11、バリア層12、及びキャップ層13を備えるエピタキシャル基板2Aが作製される。チャネル層11及びキャップ層13がGaN層である場合、その原料は例えばTMGガス及びNH3ガスである。バリア層12がAlGaN層である場合、その原料は例えばTMAガス、TMGガス、及びNH3ガスである。
First, the
その後、エピタキシャル基板2Aを成長炉から取り出す。このとき、エピタキシャル基板2Aの表面が大気に晒されるので、キャップ層13の表面のGaが酸化し、GaOXからなる自然酸化層14が形成される。
Then, the
次に、図2(b)に示されるように、金属イオンを含む溶液31を貯めた水槽30を用意する。そして、溶液31中にエピタキシャル基板2Aを浸漬する(浸漬工程)。この工程では、例えば、金属イオンの基となる金属の膜32aが表面に成膜された別の基板32を、エピタキシャル基板2Aとともに溶液31中に浸漬する。このとき、膜32aから溶け出した金属イオンがキャップ層13の表面上に付着(析出)する。金属イオンは高融点金属またはその化合物のイオンであり、高融点金属は、例えばTi、Ta、W、及びTiWのうち少なくとも一つである。溶液31は、例えば過水硫酸液(一般的に、過酸化水素水+硫酸の混合液を過硫酸、カロ酸、付着SPM処理などという)または希硫酸液である。この工程では、キャップ層13の表面上の金属面密度が1.0×1011cm−2〜1.0×1012cm−2の範囲内になるまでエピタキシャル基板2Aを溶液31中に浸漬する。金属面密度は、基板32の枚数、溶液31の温度、及びエピタキシャル基板2Aの浸漬時間のうち少なくとも1つを調整することによって制御可能である。その後、溶液31中からエピタキシャル基板2Aを取り出す。この浸漬工程によって、図2(c)に示されるように、キャップ層13上(より正確には自然酸化層14上)に金属拡散層15が形成される。
Next, as shown in FIG. 2B, a
続いて、水槽30からエピタキシャル基板2Aを取り出し、図3(a)に示されるように、キャップ層13の表面上にSiN膜16を形成する(成膜工程)。この工程では、例えば、プラズマCVDによってSiN膜16を形成する。
Subsequently, the
続いて、通常のフォトリソグラフィ技術を用いてSiN膜16上にマスクを形成し、SiN膜16及びキャップ層13の一部にエッチングを行う。これにより、SiN膜16及びキャップ層13に開口が形成される。そして、図3(b)に示されるように、該開口から露出したバリア層12上に、ソース電極22及びドレイン電極21を例えばリフトオフ法を用いて形成する。同時に、ソース電極22とドレイン電極21との間のSiN膜16上に(或いは、SiN膜16がエッチングされて露出したキャップ層13上に)、ゲート電極23を形成する。そして、加熱によりソース電極22及びドレイン電極21を合金化して、バリア層12とのオーミック接触を実現する。以上の工程を経て、本実施形態のHEMT1Aが作製される。
Subsequently, a mask is formed on the
なお、図3(a)〜図3(b)に示される工程では、SiN膜16、ドレイン電極21、ソース電極22、及びゲート電極23を次の順序で形成してもよい。まず、ソース電極22及びドレイン電極21が形成される領域の自然酸化層14を除去し、該領域上にソース電極22及びドレイン電極21を形成し、加熱によりこれらを合金化してバリア層12とのオーミック接触を実現する。次いで、バリア層12上、ソース電極22上、及びドレイン電極21上にSiN膜16を形成し、バリア層12上のSiN膜16の上に(或いは、SiN膜16がエッチングされて露出したキャップ層13上に)ゲート電極23を形成する。
In the steps shown in FIGS. 3A to 3B, the
以上に説明した、本実施形態のHEMT1A及びその製造方法によって得られる効果について説明する。図4(a)〜図4(c)は、比較例に係るHEMTの製造方法を示す図である。この比較例では、まず、図4(a)に示されるように、本実施形態と同様にしてエピタキシャル基板2Aを作製する。前述したように、成長炉からエピタキシャル基板2Aを取り出す際、キャップ層13の表面には自然酸化層14が形成される。次に、図4(b)に示されるように、キャップ層13の表面上にSiN膜16を形成する。その後、SiN膜16及びキャップ層13に開口を形成する。そして、図4(c)に示されるように、該開口から露出したバリア層12上に、ソース電極22及びドレイン電極21を形成する。同時に、ソース電極22とドレイン電極21との間のSiN膜16上に、ゲート電極23を形成する。こうして、比較例に係るHEMT100が作製される。
The effects obtained by the HEMT1A of the present embodiment and the method for producing the same described above will be described. 4 (a) to 4 (c) are diagrams showing a method for producing a HEMT according to a comparative example. In this comparative example, first, as shown in FIG. 4A, the
このようなHEMT100において、キャップ層13の表面には、電子捕獲準位(トラップ)が形成される。電子捕獲準位は、例えば、キャップ層13を成長させる際のGaN最表層のN抜け、成長条件のばらつきによるGaN最表層の組成比のずれ、自然酸化層14などに起因して形成される。
In
ゲート電極23に逆バイアス電圧を印加した状態でドレイン電極21にバイアス電圧を印加すると、ドレイン電極21からゲート電極23に向けて表面リーク電流が生じる。そして、その一部の電子17は、電子捕獲準位に捕獲される。これにより、ゲート−ドレイン間のチャネル幅が狭くなり、オン/オフ動作が連続して繰り返されると、ドレイン電圧が次第に減少する。従って、例えば携帯電話の基地局における信号増幅にHEMTが用いられるような場合、高周波且つ高出力での動作に影響を及ぼしてしまう。
When a bias voltage is applied to the
図5は、本実施形態のHEMT1Aと比較例のHEMT100とにおいて、ゲート−ドレイン間電圧と表面リーク電流との関係を示すグラフである。このグラフは、ソース電極22をオープンにした状態でゲート−ドレイン間にバイアス(ドレイン側が高く、ゲートショットキ接合は逆バイアス状態)を印加した際に、ドレイン電極21からゲート電極23に向けて流れる表面リーク電流を測定した結果である。図5において、横軸はゲート−ドレイン間電圧(単位:V)を表し、横軸は表面リーク電流(単位:A/mm)を表す。グラフG1は本実施形態のHEMT1Aの測定結果を示し、グラフG2は比較例のHEMT100の測定結果を示す。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the gate-drain voltage and the surface leakage current in the HEMT1A of the present embodiment and the HEMT100 of the comparative example. This graph shows the surface flowing from the
図5を参照すると、本実施形態のHEMT1Aでは、いずれのゲート−ドレイン間電圧においても、比較例に係るHEMT100と比較して、表面リーク電流が顕著に増大していることがわかる。本実施形態の製造方法では、前述したように、金属イオンを含む溶液31中にエピタキシャル基板2Aを浸漬することにより(図2(b))、キャップ層13上に金属拡散層15を形成する(図2(c))。また、本実施形態のHEMT1Aでは、キャップ層13上に金属拡散層15が設けられている。すなわち、少なくともゲート電極23とドレイン電極21との間の領域におけるキャップ層13とSiN膜16との界面に、金属原子が配置されている。この金属原子によってHEMT1Aの表面伝導度が増し、表面リーク電流が増大したものと考えられる。
With reference to FIG. 5, it can be seen that in the HEMT1A of the present embodiment, the surface leakage current is remarkably increased as compared with the HEMT100 according to the comparative example at any of the gate-drain voltages. In the production method of the present embodiment, as described above, the
ここで、本実施形態のHEMT1Aと比較例のHEMT100とについて、電流コプラスの影響を確認するために次のような実験を行った。まず、厚さ1000nmのアンドープGaNチャネル層11、厚さ20nmのAlGaNバリア層12、及び厚さ5nmのGaNキャップ層13を備えるHEMT1A,100を作製した。そして、HEMT1A,100の双方に対し、ドレインバイアスVdsを50Vに設定し、更に、ドレイン電流Idが600mAとなるようゲートバイアスVgsを設定した。このとき、HEMT1A,100においてゲートバイアスVgsの大きさは互いに異なる。この状態を第1の状態とする。次に、ドレイン電流Idが実質的にオフとなるようなゲートバイアスVgsを印加した。このとき、十分に低い(負方向に大きな)ゲートバイアスVgsとして、−5Vを印加した。HEMTのターンオン電圧Vthは通常−3V程度であるので、ゲートバイアスVgsはこれよりも低い電圧であればよい。この状態を第2の状態とする。続いて、ドレインバイアスVds及びゲートバイアスVgsを再び第1の状態に戻した。
Here, the following experiments were conducted on the HEMT1A of the present embodiment and the HEMT100 of the comparative example in order to confirm the influence of the current coplus. First, HEMT1A, 100 including an undoped
図6は、ドレインバイアスVds及びゲートバイアスVgsを第1の状態に戻したときに最初に流れるゲート−ドレイン間電流の大きさをプロットしたグラフである。横軸はゲート−ドレイン間電流(単位:A/mm)を示し、縦軸は最大パルス電流(単位:mA/mm)を示す。また、プロットP1,P2は比較例を示し、プロットP3は本実施形態を示す。図6を参照すると、本実施形態においては、比較例に対し、第1の状態に戻したときに最初に流れるゲート−ドレイン間電流が顕著に大きくなっていることが理解される。この結果は、本実施形態において電流コプラス現象が比較例から格段に低減されていることを示す。これは、以下に説明する作用によるものと考えられる。 FIG. 6 is a graph plotting the magnitude of the gate-drain current that first flows when the drain bias Vds and the gate bias Vgs are returned to the first state. The horizontal axis shows the gate-drain current (unit: A / mm), and the vertical axis shows the maximum pulse current (unit: mA / mm). Further, plots P1 and P2 show comparative examples, and plot P3 shows the present embodiment. With reference to FIG. 6, it is understood that in the present embodiment, the gate-drain current that initially flows when the state is returned to the first state is significantly larger than that of the comparative example. This result shows that the current coplus phenomenon is remarkably reduced from the comparative example in the present embodiment. This is considered to be due to the action described below.
一回目の第1の状態において、表面リーク電流が大きい本実施形態のHEMT1Aでは、表面リーク電流が小さい比較例のHEMT100に対して、電子を捕獲しているトラップの割合が大きくなる。逆に、表面リーク電流が小さい比較例のHEMT100では、表面リーク電流が大きい本実施形態のHEMT1Aと比較して、電子を捕獲しているトラップの割合が小さくなる。 In the first state of the first time, in the HEMT1A of the present embodiment in which the surface leakage current is large, the ratio of traps capturing electrons is large with respect to the HEMT100 of the comparative example in which the surface leakage current is small. On the contrary, in the HEMT100 of the comparative example in which the surface leakage current is small, the proportion of traps capturing electrons is smaller than that of the HEMT1A of the present embodiment in which the surface leakage current is large.
そして、第2の状態においても、表面リーク電流によりトラップへの電子の捕獲は進行する。しかし、比較例のHEMT100では、その前の第1の状態において電子を捕獲しているトラップの割合が小さいので、新たに電子を捕獲するトラップの割合が相対的に大きくなる。また、第2の状態では負方向に大きなゲートバイアスVgsを印加するので、表面のフェルミ準位が上昇し、トラップが新たに空乏化される。この新たに空乏化されたトラップもまた、表面リーク電流に由来する電子を捕獲する。比較例のHEMT100では、その前の第1の状態において電子を捕獲しているトラップの割合が小さいので、新たに電子を捕獲するトラップの影響(負電荷)が、本実施形態のHEMT1Aと比較して顕著に現れる。 Then, even in the second state, the capture of electrons into the trap proceeds due to the surface leakage current. However, in the HEMT100 of the comparative example, since the proportion of traps that capture electrons in the first state before that is small, the proportion of traps that newly capture electrons is relatively large. Further, in the second state, since a large gate bias Vgs is applied in the negative direction, the Fermi level on the surface rises and the trap is newly depleted. This newly depleted trap also captures electrons from the surface leak current. In the HEMT100 of the comparative example, since the proportion of traps that capture electrons in the first state before that is small, the influence (negative charge) of the trap that newly captures electrons is compared with that of HEMT1A of the present embodiment. Appears prominently.
その後、再びゲートバイアスVgsを第1の状態に戻したときに、比較例のHEMT100では、第2の状態で新たに電子を捕獲したトラップの相対的な割合が大きくなるので、この表面負電荷の影響が大きく現れ、チャネルの幅を狭くするため、電流コラプスが大きくなる。逆に、本実施形態のHEMT1Aでは、第2の状態で新たに電子を捕獲したトラップの相対的な割合が小さくなるので、この表面負電荷の影響が小さくなり、チャネル幅の狭小化の割合が抑えられ、電流コラプスが低減される。 After that, when the gate bias Vgs is returned to the first state again, in the HEMT100 of the comparative example, the relative ratio of the traps newly trapped in the second state becomes large, so that the surface negative charge of this surface negative charge becomes large. The effect is large and the width of the channel is narrowed, resulting in a large current collapse. On the contrary, in HEMT1A of the present embodiment, since the relative ratio of the trap newly trapped in the second state becomes small, the influence of this surface negative charge becomes small, and the ratio of narrowing the channel width becomes small. It is suppressed and the current collapse is reduced.
このように、本実施形態のHEMT1A及び製造方法によれば、電流コラプスを効果的に低減することができる。従って、HEMT1Aの動作特性のばらつきを低減し、信頼性を高めることができる。 As described above, according to the HEMT1A and the manufacturing method of the present embodiment, the current collapse can be effectively reduced. Therefore, it is possible to reduce variations in the operating characteristics of HEMT1A and improve reliability.
また、本実施形態のように、金属拡散層15における金属原子の密度は、1.0×1011cm−2〜1.0×1012cm−2の範囲内であってもよい。また、浸漬工程において、キャップ層13の表面上の金属密度が1.0×1011cm−2〜1.0×1012cm−2の範囲内になるまでエピタキシャル基板2Aを溶液31中に浸漬してもよい。金属密度が1.0×1012cm−2以下であることにより、耐圧不良を抑制し、ピンチオフ不良を低減できる。また、金属密度が1.0×1011cm−2以上であることにより、コラプス改善効果を有効に得ることができる。
Further, as in the present embodiment, the density of metal atoms in the
また、本実施形態のように、金属イオンは高融点金属またはその化合物のイオンであり、溶液31は過水硫酸液または希硫酸液であってもよい。特に、高融点金属またはその化合物は、Ti、Ta、W、及びTiWのうち少なくとも一つであってもよい。高融点金属は、過水硫酸液または希硫酸液といった溶液31中において比較的安定して存在することができるからである。
Further, as in the present embodiment, the metal ion may be an ion of a refractory metal or a compound thereof, and the
また、本実施形態のように、浸漬工程において、金属イオンの基となる金属の膜32aが表面に成膜された基板32をエピタキシャル基板2Aとともに溶液31中に浸漬してもよい。これにより、簡易な方法によって溶液31中に金属イオンを含ませることができる。なお、他の方法によって溶液31中に金属イオンを含ませてもよい。
Further, as in the present embodiment, in the dipping step, the
1A…HEMT、2A…エピタキシャル基板、10…基板、11…チャネル層、11a…チャネル領域、12…バリア層、13…キャップ層、14…自然酸化層、15…金属拡散層、16…SiN膜、17…電子、21…ドレイン電極、22…ソース電極、23…ゲート電極、30…水槽、31…溶液、32…基板、32a…金属の膜。 1A ... HEMT, 2A ... epitaxial substrate, 10 ... substrate, 11 ... channel layer, 11a ... channel region, 12 ... barrier layer, 13 ... cap layer, 14 ... natural oxide layer, 15 ... metal diffusion layer, 16 ... SiN film, 17 ... electron, 21 ... drain electrode, 22 ... source electrode, 23 ... gate electrode, 30 ... water tank, 31 ... solution, 32 ... substrate, 32a ... metal film.
Claims (5)
チャネル層、バリア層、及びGaを組成に含むキャップ層を基板上に順次成長してエピタキシャル基板を作製する成長工程と、
金属イオンを含む溶液中に前記エピタキシャル基板を浸漬し、前記金属イオンを前記キャップ層の表面上に付着させる浸漬工程と、
前記溶液中から前記エピタキシャル基板を取り出し、前記キャップ層の表面上に窒化シリコン膜を形成する成膜工程と、を含み、
前記金属イオンは、Ti、Ta、W、及びTiWのうち少なくとも一つのイオンである、窒化物半導体トランジスタの製造方法。 A method for manufacturing nitride semiconductor transistors.
A growth step of sequentially growing a channel layer, a barrier layer, and a cap layer containing Ga in the composition on the substrate to prepare an epitaxial substrate.
A dipping step of immersing the epitaxial substrate in a solution containing metal ions and adhering the metal ions on the surface of the cap layer.
The epitaxial substrate was taken out, see containing and a film forming step of forming a silicon nitride film on a surface of the cap layer from said solution,
A method for producing a nitride semiconductor transistor, wherein the metal ion is at least one ion of Ti, Ta, W, and TiW.
前記基板上に設けられたチャネル層と、
前記チャネル層上に設けられたバリア層と、
Gaを組成に含み前記バリア層上に設けられたキャップ層と、
前記キャップ層上に設けられた窒化シリコン膜と、
前記バリア層に接するソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられたゲート電極と、
少なくとも前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の領域における前記キャップ層と前記窒化シリコン膜との界面において1.0×1011cm−2〜1.0×1012cm−2の範囲内の密度で配置された金属原子と、
を備え、
前記金属原子は、Ti、Ta、W、及びTiWのうち少なくとも一つである、窒化物半導体トランジスタ。 With the board
The channel layer provided on the substrate and
A barrier layer provided on the channel layer and
A cap layer containing Ga in the composition and provided on the barrier layer, and
A silicon nitride film provided on the cap layer and
The source electrode and drain electrode in contact with the barrier layer,
A gate electrode provided between the source electrode and the drain electrode,
Density within the range of 1.0 × 10 11 cm- 2 to 1.0 × 10 12 cm- 2 at least at the interface between the cap layer and the silicon nitride film in the region between the gate electrode and the drain electrode. With the metal atoms arranged in
Bei to give a,
A nitride semiconductor transistor in which the metal atom is at least one of Ti, Ta, W, and TiW.
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