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JP7743873B2 - Method for fabricating field-effect transistors - Google Patents
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JP7743873B2 - Method for fabricating field-effect transistors - Google Patents

Method for fabricating field-effect transistors

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JP7743873B2 JP2023563404A JP2023563404A JP7743873B2 JP 7743873 B2 JP7743873 B2 JP 7743873B2 JP 2023563404 A JP2023563404 A JP 2023563404A JP 2023563404 A JP2023563404 A JP 2023563404A JP 7743873 B2 JP7743873 B2 JP 7743873B2
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Description

本発明は、電界効果トランジスタの作製方法に関する。 The present invention relates to a method for fabricating a field effect transistor .

ヘテロ接合電界効果トランジスタ(heterojunction field effect transistor:HFET)、または高電子移動度トランジスタ(high electron mobility transistor:HEMT,以下HEMT)は、ゲート電圧により生じる電界によってチャネル層のキャリア密度を変化させることで、ON/OFFを行うトランジスタである。 A heterojunction field effect transistor (HFET), or high electron mobility transistor (HEMT), is a transistor that switches on and off by changing the carrier density in the channel layer using an electric field generated by a gate voltage.

上述したトランジスタをGaNなどの窒化物半導体から構成する場合、例えば、AlGaN/GaNによるヘテロ接合において、AlGaNの層とGaNの層との分極の大きさの差を補償するようにして界面に電子が集まって形成される2次元電子ガス(2 dimensional electron gas:2DEG)を用いることが多い。一般的なGa極性GaNからなるHEMT(GaN系-HEMT)では、数nm~数10nm程度の厚さのAlGaN層の上にゲート電極を形成し、AlGaN/GaN界面の2DEG濃度を制御する。 When the above-mentioned transistors are constructed from nitride semiconductors such as GaN, for example, in an AlGaN/GaN heterojunction, a two-dimensional electron gas (2DEG) is often used, where electrons gather at the interface to compensate for the difference in polarization between the AlGaN layer and the GaN layer. In a typical Ga-polarity GaN HEMT (GaN-based HEMT), a gate electrode is formed on an AlGaN layer several nanometers to several tens of nanometers thick to control the 2DEG concentration at the AlGaN/GaN interface.

GaN系-HEMTの高周波応用を考える際には、キャリアをAlGaN/GaN界面の薄い領域に閉じ込め、かつその他のリークパスを除くことが重要になる。これによってゲート電極にかけた電圧に対する応答動作を高速化し、安定した動作を実現できる。 When considering high-frequency applications of GaN-based HEMTs, it is important to confine carriers to the thin region at the AlGaN/GaN interface and eliminate other leakage paths. This speeds up the response to voltage applied to the gate electrode and achieves stable operation.

GaNを用いたHEMTでは、2DEGの高移動度を活かした高周波デバイス応用が進められているが、Ga極性のHEMTでは、デバイス表面にバンドギャップの大きいAlGaNが配置されることから、(1)コンタクト抵抗が高い、(2)キャリア密度維持のためにAlGaN層を薄くできず、短チャネル効果につながるといった課題を抱える。 HEMTs using GaN are being developed for use in high-frequency devices, taking advantage of the high mobility of 2DEG. However, Ga-polar HEMTs have AlGaN, which has a large band gap, placed on the device surface, which presents challenges such as (1) high contact resistance and (2) the AlGaN layer cannot be made thin to maintain carrier density, leading to short-channel effects.

これらの課題がGaN HEMTの高周波特性向上の妨げとなっている。課題の解決手法として、(1)コンタクト抵抗低減のために、ソース電極・ドレイン電極などのオーミック電極直下の領域の再成長を行ったり、(2)短チャネル効果の抑制のために、Al組成を高めてAlGaN層を薄くしたりといった技術が検討されているが、オーミックコンタクト抵抗を低減するには制限がある。These issues are hindering improvements to the high-frequency characteristics of GaN HEMTs. Techniques being considered to address these issues include (1) regrowing the regions directly under ohmic electrodes, such as source and drain electrodes, to reduce contact resistance, and (2) increasing the Al composition to thin the AlGaN layer to suppress short-channel effects. However, there are limitations to how much ohmic contact resistance can be reduced.

N極性GaNはGa極性GaNを反転させた結晶であり、HEMTを作る際には以下の3つの利点を有する。第1に、キャリアを供給するために高いAl組成と20nm程度の厚さを必要とし、高抵抗であるAlGaN層がGaNチャネル層の下にあり、オーミック電極とチャネルの間に配置されないため、コンタクト抵抗を低くできる。第2に、表面GaN層の厚さは、キャリア密度に大きく影響しないため、薄くして短チャネル効果を抑制できる。第3に、チャネル直下のAlGaN層がバックバリアとなり、短チャネル効果を抑制できる。これらの利点から、N極性GaNを用いてHEMTを作製することでGaN HEMTのさらなる高周波特性の向上が期待できる(非特許文献3)。N-polar GaN is a crystal formed by inverting Ga-polar GaN, and offers the following three advantages when fabricating HEMTs. First, it requires a high Al composition and a thickness of approximately 20 nm to supply carriers. The highly resistive AlGaN layer is located below the GaN channel layer and is not positioned between the ohmic electrode and the channel, thereby reducing contact resistance. Second, the thickness of the surface GaN layer does not significantly affect carrier density, so it can be made thin to suppress short-channel effects. Third, the AlGaN layer directly below the channel acts as a back barrier, suppressing short-channel effects. Due to these advantages, fabricating HEMTs using N-polar GaN is expected to further improve the high-frequency characteristics of GaN HEMTs (Non-Patent Document 3).

Ga極性のGaN系-HEMTに比べて、エピ構造のためにコンタクト抵抗低減に有利であるN極性GaN系-HEMTであるが、プロセスによるさらなるコンタクト抵抗の低減が研究されている。この1つが、オーミック電極下の領域にn型にドーピングされたGaNを再成長する技術である。GaNチャネル層は、不純物が2DEGの移動度を下げて電子デバイスの特性を劣化させてしまうため、ドーピングされていない。 Compared to Ga-polar GaN-based HEMTs, N-polar GaN-based HEMTs have the advantage of reduced contact resistance due to their epitaxial structure, but research is underway to further reduce contact resistance through processes. One such technique is to regrow n-type doped GaN in the region below the ohmic electrode. The GaN channel layer is not doped because impurities reduce the mobility of the 2DEG and degrade the performance of the electronic device.

GaNのバンドギャップは、AlGaNに比べると小さいが、半導体材料の中では大きいため、ドーピングされていないGaNの抵抗は他の半導体材料に比べて大きい。そこで、不純物による電子デバイスの特性劣化を起こさずにコンタクト抵抗を低減するために、ドーピング無しに成長したGaNチャネル層において、オーミック電極下の領域のみをエッチングして、この箇所にn型にドーピングしたGaNを再成長して再成長層を形成する技術がある。この技術では、ドーピングされている再成長層によってコンタクト抵抗を下げ、かつゲート電極下のチャネル部分はドーピングの影響なく高移動度を維持できるデバイス構造が実現できる。 The bandgap of GaN is smaller than that of AlGaN, but is still large among semiconductor materials, meaning that the resistance of undoped GaN is higher than that of other semiconductor materials. Therefore, to reduce contact resistance without causing degradation of electronic device characteristics due to impurities, one technique involves etching only the region below the ohmic electrode in an undoped GaN channel layer, and then regrowing n-type doped GaN in this area to form a regrowth layer. This technique reduces contact resistance with the doped regrowth layer, while achieving a device structure that maintains high mobility in the channel portion below the gate electrode without being affected by doping.

上述した技術によってオーミック抵抗を下げることが可能だが、デバイス特性のさらなる向上のために、以下2つの点で課題がある。 The above-mentioned technology can reduce ohmic resistance, but there are two challenges to be overcome in order to further improve device characteristics:

第1に、GaNを利用することによる課題である。再成長したGaNはn型にドーピングされているが、バンドギャップの大きいGaNを利用している点は変わらないため、同程度のドーピング濃度の他のn型半導体で比較した場合、他の半導体材料に比べてコンタクト抵抗は高くなる。例えば、Siを1.5×1018cm-3ドープしたn型GaNのコンタクト抵抗は、1×10-5Ωcm2程度を示す報告がある(非特許文献1)。また、Siを1×1018cm-3ドープしたn型GaAsのコンタクト抵抗は、5×10-7Ωcm2との報告(非特許文献2)もある。 First, there are issues associated with using GaN. Although the regrown GaN is doped n-type, the fact remains that GaN with a large band gap is used, and therefore the contact resistance is higher than that of other n-type semiconductors with similar doping concentrations. For example, it has been reported that the contact resistance of n-type GaN doped with Si at 1.5×10 18 cm −3 is approximately 1×10 −5 Ωcm 2 (Non-Patent Document 1). It has also been reported that the contact resistance of n-type GaAs doped with Si at 1×10 18 cm −3 is 5×10 −7 Ωcm 2 (Non-Patent Document 2).

Siドーピング濃度には限界があり、再成長GaN層のSiドーピング濃度も1018cm-3台(非特許文献4)であることが多いことから、バンドギャップが大きいために同程度のドーピング濃度の場合にコンタクト抵抗が高くなってしまうことは、GaNを再成長層の材料として使用する際の課題点であると言える。 There is a limit to the Si doping concentration, and the Si doping concentration of the regrown GaN layer is often on the order of 10 cm (Non-Patent Document 4). Therefore, the large band gap results in high contact resistance for similar doping concentrations, which can be said to be an issue when using GaN as a material for the regrown layer.

第2に、工程上の課題である。再成長を行うためには、一度成長したGaNチャネル層をエッチングする必要がある。この工程において、チャネル領域の2DEGと再成長層とのコンタクトを良好にするために、GaNを完全にエッチングせず2DEGを残すことが望ましい。2DEGは、チャネル層下部のGaN/AlGaN界面から1~2nm程度の位置にある。このため、2DEGを残すためには、チャネル層を厚さ5nm前後残すエッチングが求められる。チャネル層は、厚さが20nm程度かそれ以下の薄い層であり、必要なエッチング深さ(厚さ)は数nmから十数nm程度となる。 The second issue is the process. Regrowth requires etching the GaN channel layer once it has been grown. In this process, it is desirable to leave the 2DEG without completely etching the GaN, in order to ensure good contact between the 2DEG in the channel region and the regrowth layer. The 2DEG is located approximately 1 to 2 nm from the GaN/AlGaN interface at the bottom of the channel layer. Therefore, in order to leave the 2DEG, etching is required to leave a thickness of approximately 5 nm of the channel layer. The channel layer is a thin layer, approximately 20 nm or less thick, and the required etching depth (thickness) is several nm to several tens of nm.

エッチング深さが大きいと2DEGのキャリア密度を大きく減少させることになり、エッチング深さが小さいと2DEGと再成長層との距離を取りすぎることになる。どちらの場合にもコンタクト抵抗は増大する結果になるため、エッチング深さの制御が重要になる。エッチング深さを制御する方法としては、選択性エッチングを用いるものとエッチング時間によるものがある。しかし、N極性GaN系-HEMTにおいては、エッチングしないゲート電極下の領域でチャネル層中にGaN以外から構成された層が含まれることは好ましくないため、エッチング停止層を要する選択性エッチングを用いることができない。このため、エッチングの深さ制御は、主にエッチング時間の制御によるものとなる。 A large etching depth significantly reduces the carrier density of the 2DEG, while a small etching depth leaves too much distance between the 2DEG and the regrowth layer. In either case, contact resistance increases, so controlling the etching depth is important. Methods for controlling the etching depth include using selective etching and controlling the etching time. However, in N-polarity GaN-based HEMTs, it is undesirable for the channel layer to contain layers composed of materials other than GaN in the region under the gate electrode that is not etched, so selective etching, which requires an etching stop layer, cannot be used. For this reason, etching depth control is primarily achieved by controlling the etching time.

しかし、GaNのエッチングで用いられる、誘導性結合により生成した塩素系ガスのプラズマによる反応性イオンエッチング(ICP-RIE)では、エッチングレートが一般的に十数から数十nm/min程度と大きい。このため、このエッチング処理では、数秒の処理時間のずれが、1nmかそれ以上のエッチング深さ誤差に繋がるため、上記のような再成長層のエッチングに求められる精度を再現性良く得る技術としては十分でない。However, the etching rate of reactive ion etching (ICP-RIE) using a chlorine-based gas plasma generated by inductive coupling, which is used to etch GaN, is generally high, ranging from several dozen to several tens of nm/min. Therefore, a deviation in processing time of a few seconds in this etching process can lead to an etching depth error of 1 nm or more, making it insufficient as a technology for reproducibly achieving the precision required for etching the regrowth layer described above.

また、エッチングされた薄膜は再成長を行う結晶成長炉に導入するために、一度大気に暴露する必要がある。大気暴露することで、再成長前の表面には大気中の不純物が多数吸着する状態となり、これが界面および再成長層中に取り込まれることで、ドーピング濃度のバラつきとそれに伴うコンタクト抵抗の変動のようにデバイス特性に意図しない影響を与えてしまう。 In addition, the etched thin film must be exposed to the atmosphere before it can be introduced into a crystal growth furnace where regrowth will occur. This exposure causes a large number of impurities from the atmosphere to be adsorbed onto the surface prior to regrowth. These impurities are then incorporated into the interface and regrowth layer, causing unintended effects on device characteristics, such as variations in doping concentration and the resulting fluctuations in contact resistance.

近年、GaNのエッチングに塩素ガスを用いた原子層エッチング(Atomic Layer Etching:ALE)技術が研究されており、エッチング深さの制御性向上が進められている。しかしながらこの場合においても、エッチング後の大気暴露は避けられず、ウェハ洗浄方法などの検討が盛んになされているが、大気からの不純物取り込みを完全に除去できるわけではなく、大気中不純物によるデバイス特性への意図しない影響を避けることができない。In recent years, atomic layer etching (ALE) technology using chlorine gas for etching GaN has been researched, and progress has been made in improving the controllability of etching depth. However, even in this case, exposure to the atmosphere after etching is unavoidable, and while wafer cleaning methods have been actively investigated, it is not possible to completely eliminate impurities from the atmosphere, and it is impossible to avoid unintended effects of atmospheric impurities on device characteristics.

K. Hotta et al., "Annealing temperature dependence of alloy contact for N-polar GaN HEMT structure", Japanese Journal of Applied Physics, vol. 58, SCCD14, 2019.K. Hotta et al., "Annealing temperature dependence of alloy contact for N-polar GaN HEMT structure", Japanese Journal of Applied Physics, vol. 58, SCCD14, 2019. K. S. Chen et al., "A Cu-based alloyed Ohmic contact system on n-type GaAs", Applied Physics Letters, vol. 91, no. 23, 233511, 2007.K. S. Chen et al., "A Cu-based alloyed Ohmic contact system on n-type GaAs", Applied Physics Letters, vol. 91, no. 23, 233511, 2007. M. H. Wong et al., "INVITED REVIEW N-polar GaN epitaxy and high electron mobility transistors", Semiconductor Science and Technology, vol. 28, 074009, 2013.M. H. Wong et al., "INVITED REVIEW N-polar GaN epitaxy and high electron mobility transistors", Semiconductor Science and Technology, vol. 28, 074009, 2013. S. Kolluri et al., "N-Polar GaN MIS-HEMTs With a 12.1-W/mm Continuous-Wave Output Power Density at 4 GHz on Sapphire Substrate", IEEE Electron Device Letters, vol. 32, no. 5, pp. 635-637, 2111.S. Kolluri et al., "N-Polar GaN MIS-HEMTs With a 12.1-W/mm Continuous-Wave Output Power Density at 4 GHz on Sapphire Substrate", IEEE Electron Device Letters, vol. 32, no. 5, pp. 635-637, 2111.

上述したように、N極性GaN系-HEMTにおけるオーミック電極のコンタクト抵抗低減には、次に示す問題があった。まず、n型GaNの再成長だけではGaNの物性上の限界があり、デバイス特性の向上を制限している。また、再成長において、再成長界面を大気に晒すことが避けられず、再成長界面や再成長層への不純物取り込みなどにより、デバイス特性への影響が生じる。このように、従来、N極性GaN系-HEMTにおけるオーミック電極のコンタクト抵抗低減が、容易に実現できないという問題があった。As mentioned above, reducing the contact resistance of ohmic electrodes in N-polar GaN-based HEMTs has the following problems. First, regrowth of n-type GaN alone is limited by the physical properties of GaN, restricting improvements in device characteristics. Furthermore, regrowth inevitably exposes the regrowth interface to the atmosphere, which affects device characteristics due to impurity incorporation into the regrowth interface and regrowth layer. Thus, in the past, there was a problem in that reducing the contact resistance of ohmic electrodes in N-polar GaN-based HEMTs was not easily achieved.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、N極性GaN系-HEMTにおけるオーミック電極のコンタクト抵抗低減が、容易に実現できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and aims to make it easy to reduce the contact resistance of ohmic electrodes in N-polar GaN-based HEMTs.

本発明に係る電界効果トランジスタの作製方法は、基板の上に、窒化物半導体から構成されたバリア層を、主表面をN極性として形成する第1工程と、バリア層の上に、窒化物半導体から構成されたチャネル層を、主表面をN極性として形成する第2工程と、互いにヘテロ接合するバリア層とチャネル層との界面近傍のチャネル層に形成される2次元電子ガスによるチャネルに電気的に接続するオーミック電極が配置される箇所のチャネル層をAs化してAs化層を形成し、形成したAs化層を加熱して除去することで、チャネル層に凹部を形成する第3工程と、V族元素としてP、As、Sbの少なくとも1つを含むn型のIII-V族化合物半導体を凹部を埋めるように成長してコンタクト層を形成する第4工程と、コンタクト層の上にオーミック電極を形成する第5工程とを備える。The method for fabricating a field-effect transistor according to the present invention comprises the following steps: a first step of forming a barrier layer made of a nitride semiconductor on a substrate, the main surface of which is N-polar; a second step of forming a channel layer made of a nitride semiconductor on the barrier layer, the main surface of which is N-polar; a third step of forming an arsenic-doped layer by converting the channel layer to As at a location where an ohmic electrode will be located, the ohmic electrode being electrically connected to a two-dimensional electron gas channel formed in the channel layer near the interface between the heterojunction barrier layer and the channel layer, and then heating and removing the formed arsenic-doped layer to form a recess in the channel layer; a fourth step of growing an n-type III-V compound semiconductor containing at least one of P, As, and Sb as a group V element so as to fill the recess, thereby forming a contact layer; and a fifth step of forming an ohmic electrode on the contact layer.

また、電界効果トランジスタは、窒化物半導体から構成されて主表面をN極性として基板の上に形成されたバリア層と、窒化物半導体から構成されて主表面をN極性としてバリア層の上に形成され、バリア層とヘテロ接合するチャネル層と、バリア層とチャネル層との界面近傍のチャネル層に形成される2次元電子ガスによるチャネルに電気的に接続するオーミック電極が配置される箇所のチャネル層に形成された凹部と、凹部を埋めるように形成された、V族元素としてP、As、Sbの少なくとも1つを含むn型のIII-V族化合物半導体から構成されたコンタクト層と、コンタクト層の上に接して形成されたオーミック電極とを備える。 The field- effect transistor also includes: a barrier layer made of a nitride semiconductor and having an N-polarity main surface formed on a substrate; a channel layer made of a nitride semiconductor and having an N-polarity main surface formed on the barrier layer and forming a heterojunction with the barrier layer; a recess formed in the channel layer at a location where an ohmic electrode is to be disposed, the ohmic electrode being electrically connected to a channel formed by two-dimensional electron gas formed in the channel layer near the interface between the barrier layer and the channel layer; a contact layer made of an n-type III-V compound semiconductor containing at least one of P, As, and Sb as a group V element, formed so as to fill the recess; and an ohmic electrode formed in contact with the contact layer.

以上説明したことにより、本発明によれば、N極性GaN系-HEMTにおけるオーミック電極のコンタクト抵抗低減が、容易に実現できる。 As explained above, according to the present invention, it is possible to easily reduce the contact resistance of ohmic electrodes in N-polar GaN-based HEMTs.

図1Aは、本発明の実施の形態に係る電界効果トランジスタの作製方法を説明するための途中工程の電界効果トランジスタの状態を示す断面図である。FIG. 1A is a cross-sectional view showing the state of a field effect transistor in the middle of a process for explaining a method for manufacturing a field effect transistor according to an embodiment of the present invention. 図1Bは、本発明の実施の形態に係る電界効果トランジスタの作製方法を説明するための途中工程の電界効果トランジスタの状態を示す断面図である。FIG. 1B is a cross-sectional view showing the state of a field effect transistor in the middle of a process for explaining a method for manufacturing a field effect transistor according to an embodiment of the present invention. 図1Cは、本発明の実施の形態に係る電界効果トランジスタの作製方法を説明するための途中工程の電界効果トランジスタの状態を示す断面図である。FIG. 1C is a cross-sectional view showing the state of a field effect transistor in the middle of a process for explaining a method for manufacturing a field effect transistor according to an embodiment of the present invention. 図1Dは、本発明の実施の形態に係る電界効果トランジスタの作製方法を説明するための途中工程の電界効果トランジスタの状態を示す断面図である。FIG. 1D is a cross-sectional view showing the state of a field effect transistor in the middle of a process for explaining a method for manufacturing a field effect transistor according to an embodiment of the present invention. 図1Eは、本発明の実施の形態に係る電界効果トランジスタの作製方法を説明するための途中工程の電界効果トランジスタの状態を示す断面図である。FIG. 1E is a cross-sectional view showing the state of a field effect transistor in the middle of a process for explaining a method for manufacturing a field effect transistor according to an embodiment of the present invention. 図1Fは、本発明の実施の形態に係る電界効果トランジスタの一部の作製方法を説明するためのフローチャートである。FIG. 1F is a flowchart illustrating a method for fabricating a portion of a field effect transistor according to an embodiment of the present invention. 図1Gは、本発明の実施の形態に係る電界効果トランジスタの一部の作製方法を説明するためのタイミングチャートである。FIG. 1G is a timing chart for explaining a method for manufacturing a part of a field effect transistor according to an embodiment of the present invention. 図1Hは、本発明の実施の形態に係る電界効果トランジスタの作製方法を説明するための途中工程の電界効果トランジスタの状態を示す断面図である。FIG. 1H is a cross-sectional view showing the state of a field effect transistor in the middle of a process for explaining a method for manufacturing a field effect transistor according to an embodiment of the present invention. 図1Iは、本発明の実施の形態に係る電界効果トランジスタの作製方法を説明するための途中工程の電界効果トランジスタの状態を示す断面図である。FIG. 1I is a cross-sectional view showing the state of a field effect transistor in the middle of a process for explaining a method for manufacturing a field effect transistor according to an embodiment of the present invention. 図1Jは、本発明の実施の形態に係る電界効果トランジスタの作製方法を説明するための途中工程の電界効果トランジスタの状態を示す断面図である。FIG. 1J is a cross-sectional view showing a state of a field effect transistor in the middle of a process for explaining a method for manufacturing a field effect transistor according to an embodiment of the present invention. 図1Kは、本発明の実施の形態に係る電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。FIG. 1K is a cross-sectional view showing the configuration of a field effect transistor according to an embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施の形態に係る電界効果トランジスタの作製方法について図1A~図1Jを参照して説明する。 Below, a method for manufacturing a field effect transistor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to Figures 1A to 1J.

まず、図1Aに示すように、基板101の上に、バッファ層102を形成し、この上に、窒化物半導体から構成されたバリア層103を、主表面をN極性(V族極性)として形成する(第1工程)。引き続き、バリア層103の上に、窒化物半導体から構成されたチャネル層104を、主表面をN極性として形成する(第2工程)。引き続き、チャネル層104の上に、ゲート絶縁層105を形成する。 First, as shown in Figure 1A, a buffer layer 102 is formed on a substrate 101, and a barrier layer 103 made of a nitride semiconductor is formed on this, with its main surface being N-polar (group V polarity) (step 1). Subsequently, a channel layer 104 made of a nitride semiconductor is formed on the barrier layer 103, with its main surface being N-polar (step 2). Subsequently, a gate insulating layer 105 is formed on the channel layer 104.

基板101は、例えば、サファイア、炭化ケイ素、シリコン、GaNなどとすることができる。バッファ層102は、例えば、GaNから構成することができる。バリア層103は、例えば、AlGaNから構成することができる。チャネル層104は、例えば、GaNから構成することができる。ゲート絶縁層105は、例えば、SiNなどの絶縁材料から構成することができる。 The substrate 101 may be made of, for example, sapphire, silicon carbide, silicon, GaN, etc. The buffer layer 102 may be made of, for example, GaN. The barrier layer 103 may be made of, for example, AlGaN. The channel layer 104 may be made of, for example, GaN. The gate insulating layer 105 may be made of, for example, an insulating material such as SiN.

例えば、基板101をサファイア基板とした場合は、基板101の表面をアンモニアなどの原料ガス雰囲気下で高温熱処理することで基板表面を窒化し、次いで、厚さ20nm程度に核形成層を成長する。この後、欠陥を十分に減少させるために厚さ数百nm程度にバッファ層102を成長する。バッファ層102は、主表面をN極性として形成される。このように形成されたバッファ層102の上には、N極性面を主面方位とする窒化物半導体(GaNやAlGaNなど)を結晶成長することができる。一方、N極性面を主面方位とするGaN単結晶基板またはAlN単結晶基板を基板101とする場合、上述した窒化や核形成層の成長などをせずに、N極性面を主面方位とする窒化物半導体が結晶成長できる。For example, if the substrate 101 is a sapphire substrate, the surface of the substrate 101 is nitrided by high-temperature heat treatment in a source gas atmosphere such as ammonia, and then a nucleation layer is grown to a thickness of approximately 20 nm. After this, a buffer layer 102 is grown to a thickness of approximately several hundred nm to sufficiently reduce defects. The buffer layer 102 is formed with its main surface being N-polar. A nitride semiconductor (such as GaN or AlGaN) with an N-polarity as its main surface orientation can be grown on the buffer layer 102 thus formed. On the other hand, if the substrate 101 is a GaN single crystal substrate or an AlN single crystal substrate with an N-polarity as its main surface orientation, a nitride semiconductor with an N-polarity as its main surface orientation can be grown without the above-mentioned nitriding or nucleation layer growth.

また、III族面を主面方位として成長基板の上に結晶成長したチャネル層、バリア層の積層構造を、基板101に接合し、成長基板を除去することで、基板101の上に、N面を主面方位とするバリア層103、チャネル層104がこの順に積層した状態とすることができる。 In addition, by bonding a layered structure of a channel layer and a barrier layer crystal-grown on a growth substrate with a group III plane as the primary surface orientation to the substrate 101 and then removing the growth substrate, it is possible to obtain a state in which a barrier layer 103 and a channel layer 104 with an N plane as the primary surface orientation are layered in this order on the substrate 101.

なお、ゲート絶縁層105は、例えば、SiNから構成する場合、例えば、スパッタ法などにより堆積することで形成できる。 When the gate insulating layer 105 is made of, for example, SiN, it can be formed by deposition using, for example, a sputtering method.

次に、図1Bに示すように、電極形成領域151に開口領域を備えるマスクパターン121を形成する。電極形成領域151は、互いにヘテロ接合するバリア層103とチャネル層104との界面近傍のチャネル層104に形成される2次元電子ガスによるチャネルに電気的に接続するオーミック電極が配置される箇所である。マスクパターン121は、後述するように、後工程において高温に晒されるため、例えば、酸化シリコンなどの耐熱性を有する材料から構成することができる。 Next, as shown in FIG. 1B, a mask pattern 121 having an opening area in the electrode formation region 151 is formed. The electrode formation region 151 is where an ohmic electrode is disposed that electrically connects to a channel formed by two-dimensional electron gas in the channel layer 104 near the interface between the barrier layer 103 and the channel layer 104, which are heterojunctions. As described below, the mask pattern 121 will be exposed to high temperatures in subsequent processes, and therefore can be made of a heat-resistant material such as silicon oxide.

次いで、マスクパターン121を用いた選択エッチングによりゲート絶縁層105をパターニングし、図1Cに、電極形成領域151におけるチャネル層104の上面を露出させる。例えば、F系のガスを用いたRIEによって、SiNから構成されたゲート絶縁層105のエッチングが可能である。Next, the gate insulating layer 105 is patterned by selective etching using the mask pattern 121, exposing the upper surface of the channel layer 104 in the electrode formation region 151, as shown in Figure 1C. For example, the gate insulating layer 105 made of SiN can be etched by RIE using an F-based gas.

次に、図1Dに示すように、電極形成領域151のチャネル層104の厚さ方向の一部をAs化してAs化層122を形成し、次いで、形成したAs化層122を加熱して除去することで、図1Eに示すように、チャネル層104aに凹部123を形成する(第3工程)。凹部123の形成は、As化層122の形成と、形成したAs化層122の除去とを繰り返すことで実施する。Next, as shown in Figure 1D, a portion of the channel layer 104 in the electrode formation region 151 in the thickness direction is converted to As to form an As-doped layer 122, and then the As-doped layer 122 is heated and removed to form a recess 123 in the channel layer 104a as shown in Figure 1E (third step). The recess 123 is formed by repeatedly forming the As-doped layer 122 and removing the As-doped layer 122.

ここで、凹部123の形成について、図1F,図1Gを参照してより詳細に説明する。まず、ステップS101で、チャネル層104が露出した状態で、基板101を、処理装置の成長室の中に搬入する。処理装置は、成長室内にAsH3およびH2を導入することが可能であり、かつ、処理室内に搬入した処理対象を700℃以上に試料を加熱できるものであれば良い。例えば、GaAsの結晶成長が実施できるMOCVD炉を用いることができるが、これに限るものではなく、専用の処理装置を用いることができる。 The formation of the recess 123 will now be described in more detail with reference to FIGS. 1F and 1G. First, in step S101, the substrate 101 is loaded into a growth chamber of a processing apparatus with the channel layer 104 exposed. The processing apparatus may be any apparatus capable of introducing AsH and H into the growth chamber and heating the sample loaded into the processing chamber to 700° C. or higher. For example, an MOCVD furnace capable of growing GaAs crystals may be used, but the present invention is not limited thereto, and a dedicated processing apparatus may also be used.

次に、ステップS102で、成長室内を所定の処理温度、例えば700℃に昇温する。成長室内を、例えば、水素を利用する熱分解反応を抑えることができるN2雰囲気として、昇温を実施することが望ましい。ただし、H2雰囲気下でも700℃程度ではGaNは、ほとんど熱分解しないため、H2雰囲気、N2/H2雰囲気とすることができる。 Next, in step S102, the temperature inside the growth chamber is raised to a predetermined processing temperature, for example, 700° C. It is desirable to raise the temperature in an N atmosphere, which can suppress thermal decomposition reactions using hydrogen. However, since GaN hardly decomposes at about 700° C. even in an H atmosphere, an H atmosphere or an N / H atmosphere can also be used.

成長室内が設定した温度に到達したら(ステップS103のyes)、成長室内を、H2雰囲気とし、ステップS104で、成長室内にH2とともにAsH3を供給し、成長室内を、AsH3を含むH2雰囲気として保持する。このように、AsH3が供給されてAsが存在している雰囲気において、700℃程度に加熱されているチャネル層104は、構成しているV族元素であるNが、雰囲気中のAsと置き換わり、As化層122が形成される(図1D)。成長室の内温度やAsH3を流す(供給する)時間によって、形成されるAs化層122の厚さは変わるが、この厚さは1~2nm程度である。GaNから構成されているチャネル層104の表面に形成されるAs化層122は、GaAsから構成されたものとなる。 Once the growth chamber reaches the set temperature (step S103: yes), the growth chamber is set to an H atmosphere. In step S104, AsH is supplied into the growth chamber along with H to maintain the AsH -containing H atmosphere. In this manner, in the channel layer 104 heated to approximately 700° C in an atmosphere containing As, the N element, a group V element, replaces the As in the atmosphere, forming an As-doped layer 122 ( FIG. 1D ). The thickness of the As-doped layer 122 varies depending on the temperature inside the growth chamber and the time for which AsH is flowed (supplied), but is typically approximately 1 to 2 nm. The As-doped layer 122 formed on the surface of the GaN channel layer 104 is composed of GaAs.

上述したAs化の工程を設定されている時間実施したら(ステップS105のyes)、ステップS106で、成長室内へのAsH3の供給を停止して、成長室内をH2雰囲気として保持し、この状態を設定されている時間継続する。この状態で加熱されるAs化層122は、H2による熱分解反応が起こり除去される(図1E)。 After the As-containing layer 122 is heated for a set time (step S105: yes), the supply of AsH3 to the growth chamber is stopped and the growth chamber is maintained in a H2 atmosphere for a set time (step S106). The As-containing layer 122 is heated in this state and is removed by a thermal decomposition reaction caused by H2 (FIG. 1E).

成長室内をH2雰囲気として保持する時間が設定されている時間となったら(ステップS107)、As化とAs化層の除去とを繰り返しが、設定されている回数実施するまで(ステップS108のyesとなるまで)、ステップS104~ステップS107を繰り返す。設定されている回数が実施されたら(ステップS108のyes)、ステップS109で、処理室内を降温し、処理室内のガスを排気した後、ステップS110で、処理室内より処理対象の基板101を搬出する。 When the time for maintaining the H atmosphere in the growth chamber reaches a set time (step S107), steps S104 to S107 are repeated until the As formation and removal of the As formation layer are repeated a set number of times (until step S108 returns "yes"). After the set number of times has been performed (step S108 returns "yes"), the temperature inside the processing chamber is lowered and the gas inside the processing chamber is evacuated in step S109, and then the substrate 101 to be processed is carried out of the processing chamber in step S110.

As化層122の下のチャネル層104を構成するGaNは、700℃程度の温度ではほとんど熱分解が起こらないため、表面のAs化層122の厚さ分だけエッチングが進み、As化層122が完全に除去されてチャネル層104aの表面が露出するとエッチングは停止する。 The GaN that constitutes the channel layer 104 below the As layer 122 hardly undergoes thermal decomposition at temperatures of around 700°C, so etching proceeds only through the thickness of the As layer 122 on the surface, and the etching stops when the As layer 122 is completely removed and the surface of the channel layer 104a is exposed.

このようにして、AsH3/H2雰囲気下で表面をAs化してAs化層122を形成し、AsH3の供給を止めてH2雰囲気下でAs化層122を熱分解させる工程(ステップS104~ステップS106)を、繰り返すことによって、1~2nmずつチャネル層104の電極形成領域151をエッチングしていくことが可能である。 In this way, by repeating the process (steps S104 to S106) of forming an As-layer 122 by assimilating the surface in an AsH 3 /H 2 atmosphere, and then thermally decomposing the As-layer 122 in an H 2 atmosphere after stopping the supply of AsH 3 , it is possible to etch the electrode formation region 151 of the channel layer 104 by 1 to 2 nm at a time.

このエッチング技術では、1サイクルのエッチング量が、形成されるAs化層の厚さで決定される。As化層の厚さは処理室内の温度やAsH3を流す時間によって制御することが可能である。さらにAs化層の熱分解反応は、GaNなどの窒化物半導体との熱分解温度の違いから自己停止する反応であるため、1サイクルごとにエッチング量を細かく制御した再現性の高いエッチングが可能である。 In this etching technique, the etching amount per cycle is determined by the thickness of the As-doped layer that is formed. The thickness of the As-doped layer can be controlled by the temperature in the processing chamber and the time for which AsH3 is flowed. Furthermore, the thermal decomposition reaction of the As-doped layer is a self-limiting reaction due to the difference in thermal decomposition temperature between the As-doped layer and nitride semiconductors such as GaN. This allows for highly reproducible etching by precisely controlling the etching amount for each cycle.

また、このエッチング方法では、エッチング中に薄膜表面にほとんどダメージ層を形成しない点にもメリットがある。GaNのエッチングで一般的なRIEなどのエッチング方法では、イオンなどの粒子がエッチング表面に照射されるため、これによってエッチング後の表面に欠陥の多く含まれるダメージ層が形成される。Another advantage of this etching method is that it hardly forms a damaged layer on the thin film surface during etching. In etching methods such as RIE, which are commonly used for etching GaN, ions and other particles are irradiated onto the etching surface, which creates a damaged layer containing many defects on the surface after etching.

上述したAs化とAs化層の熱分解とによるエッチング方法では、物理的な粒子照射がなされないため、エッチング後のチャネル層104aの表面に欠陥を生成する要因が少なく、ダメージの抑制につながっている。 The etching method using As formation and thermal decomposition of the As formation layer described above does not involve physical particle irradiation, which reduces the factors that create defects on the surface of the channel layer 104a after etching, thereby reducing damage.

以上のように、As化とAs化層の熱分解を設定されている回数実施することで、図1Hに示すように、電極形成領域151に、所定の深さの凹部123が形成されたチャネル層104aとする。凹部123が形成されたチャネル層104aの、電極形成領域151における厚さは、例えば、5nm程度とすることができる。このように、電極形成領域151に、薄いチャネル層104aを残すことは、電極形成領域151に、チャネル層104aとバリア層103との界面近傍に形成される2DEGを残すことを意図したものである。As described above, by performing the As conversion and thermal decomposition of the As layer a set number of times, a channel layer 104a is formed in the electrode formation region 151, with a recess 123 of a predetermined depth, as shown in Figure 1H. The thickness of the channel layer 104a with the recess 123 formed in the electrode formation region 151 can be, for example, approximately 5 nm. In this way, leaving a thin channel layer 104a in the electrode formation region 151 is intended to leave a 2DEG formed near the interface between the channel layer 104a and the barrier layer 103 in the electrode formation region 151.

上述した電極形成領域151のチャネル層104aの薄い部分は、薄くなると2DEGのキャリア密度が減少し、厚くなると2DEGと後述するコンタクト層との距離が増大するので、上述した薄い部分の厚さの変動がコンタクト抵抗に影響を与える。このため、凹部123のエッチングは、再現性が高い処理であることが必要である。前述したAs化とAs化層の熱分解とによるエッチングは、極めて再現性が高い処理であり、凹部123の形成に好適である。 As the thin portion of the channel layer 104a in the electrode formation region 151 described above becomes thinner, the carrier density of the 2DEG decreases, and as it becomes thicker, the distance between the 2DEG and the contact layer described below increases, so variations in the thickness of the thin portion described above affect the contact resistance. For this reason, etching of the recess 123 must be a highly reproducible process. The etching by As formation and thermal decomposition of the As formation layer described above is an extremely reproducible process and is suitable for forming the recess 123.

次いで、V族元素としてP、As、Sbの少なくとも1つを含むn型のIII-V族化合物半導体を凹部123を埋めるように成長(再成長)することで、図1Iに示すように、電極形成領域151に、コンタクト層106、コンタクト層107を形成する(第4工程)。コンタクト層106、コンタクト層107は、例えば、GaAsやInAs、InGaAs、およびそれらを積層した多層構造とすることができる。この後、コンタクト層106、107の上にソース電極108、ドレイン電極109を形成する(第5工程)。また、チャネル層104の上にゲート電極110を形成する(第6工程)。この例では、ゲート電極110を挟んで配置されるソース電極108およびドレイン電極109が、オーミック電極となる。Next, an n-type III-V compound semiconductor containing at least one of P, As, and Sb as a group V element is grown (regrown) to fill the recess 123, thereby forming contact layers 106 and 107 in the electrode formation region 151, as shown in FIG. 1I (Step 4). The contact layers 106 and 107 can be made of, for example, GaAs, InAs, InGaAs, or a multilayer structure formed by stacking these elements. After this, a source electrode 108 and a drain electrode 109 are formed on the contact layers 106 and 107 (Step 5). A gate electrode 110 is also formed on the channel layer 104 (Step 6). In this example, the source electrode 108 and the drain electrode 109, which are disposed on either side of the gate electrode 110, serve as ohmic electrodes.

上述した作製方法により得られる電界効果トランジスタは、図1Jに示すように、窒化物半導体から構成されて主表面をN極性として基板101の上に形成されたバリア層103と、窒化物半導体から構成されて主表面をN極性としてバリア層103の上に形成され、バリア層103とヘテロ接合するチャネル層104と、バリア層103とチャネル層104との界面近傍のチャネル層104に形成される2次元電子ガスによるチャネルに電気的に接続するオーミック電極が配置される箇所のチャネル層104に形成された凹部123と、凹部123を埋めるように形成された、V族元素としてP、As、Sbの少なくとも1つを含むn型のIII-V族化合物半導体から構成されたコンタクト層106、コンタクト層107と、コンタクト層106、コンタクト層107の上に接して形成されたオーミック電極とを備えるものとなる。なお、この例では、チャネル層104の上に形成されたゲート電極110を備え、オーミック電極は、ゲート電極110を挟んで配置されるソース電極108およびドレイン電極109である。As shown in Figure 1J, the field-effect transistor obtained by the above-described fabrication method includes a barrier layer 103 made of a nitride semiconductor with its main surface being N-polar and formed on a substrate 101; a channel layer 104 made of a nitride semiconductor with its main surface being N-polar and formed on the barrier layer 103, forming a heterojunction with the barrier layer 103; a recess 123 formed in the channel layer 104 at a location where an ohmic electrode is to be located, the ohmic electrode electrically connecting to a two-dimensional electron gas channel formed in the channel layer 104 near the interface between the barrier layer 103 and the channel layer 104; contact layers 106 and 107 made of an n-type III-V compound semiconductor containing at least one of P, As, and Sb as a group V element, formed to fill the recess 123; and ohmic electrodes formed on and in contact with the contact layers 106 and 107. In this example, a gate electrode 110 is formed on the channel layer 104, and the ohmic electrodes are a source electrode 108 and a drain electrode 109 disposed on either side of the gate electrode 110.

ところで、図1Kに示すように、ソース電極108およびドレイン電極109の下側が完全に除去されたチャネル層104bとなるように、凹部をチャネル層104bを貫通して形成することができる。この構成では、コンタクト層106、コンタクト層107の下側に、チャネル層が無く、2DEGが形成されない。この構成では、コンタクト層106およびコンタクト層107は、これらが配置される方向(基板101の平面に平行な方向)において、バリア層103とチャネル層104bとの界面近傍のチャネル層104bに形成される2DEGと接触(接続)する。言い換えると、チャネル層104bの側面において、コンタクト層106およびコンタクト層107が、2DEGに接触(接続)する。 As shown in Figure 1K, a recess can be formed through the channel layer 104b so that the channel layer 104b is completely removed below the source electrode 108 and drain electrode 109. In this configuration, there is no channel layer below the contact layers 106 and 107, and no 2DEG is formed. In this configuration, the contact layers 106 and 107 contact (connect) with the 2DEG formed in the channel layer 104b near the interface between the barrier layer 103 and the channel layer 104b in the direction in which they are arranged (the direction parallel to the plane of the substrate 101). In other words, the contact layers 106 and 107 contact (connect) with the 2DEG on the side surfaces of the channel layer 104b.

この構成では、作成の過程で、2DEGが形成されるチャネル層104bの側面が露出することになるため、この側面におけるダメージを小さく抑えることが大切になる。2DEGが形成されるチャネル層104bの側面に、例えば、エッチング処理によりダメージが導入されると、ダメージにより形成される欠陥によるキャリアトラップなどの形でデバイスの電気特性に大きく影響する。しかしながら、前述したAs化とAs化層の熱分解とによるエッチングは、反応性イオンなどの粒子照射によるダメージ導入が原理的に起きないため、低ダメージでのエッチングが可能である。In this configuration, the side surfaces of the channel layer 104b where the 2DEG is formed are exposed during the fabrication process, making it important to minimize damage to these surfaces. If damage is introduced to the side surfaces of the channel layer 104b where the 2DEG is formed, for example, by an etching process, this can significantly affect the electrical characteristics of the device, such as through carrier trapping due to defects formed by the damage. However, etching using the aforementioned As conversion and thermal decomposition of the As conversion layer does not, in principle, introduce damage due to particle irradiation such as reactive ions, making it possible to perform etching with low damage.

以上に説明したように、本発明によれば、主表面をN極性として基板の上に形成されたバリア層の上にヘテロ接合するチャネル層に、例えば、As化とAs化層の熱分解とによるエッチングなどにより凹部を形成してn型のIII-V族化合物半導体を充填してコンタクト層を形成したので、N極性GaN系-HEMTにおけるオーミック電極のコンタクト抵抗低減が、容易に実現できるようになる。 As explained above, according to the present invention, a contact layer is formed by forming a recess in a channel layer that forms a heterojunction on a barrier layer formed on a substrate with an N-polar main surface, for example, by etching using As-conversion and thermal decomposition of the As-conversion layer, and filling the recess with an n-type III-V compound semiconductor. This makes it easy to reduce the contact resistance of the ohmic electrode in an N-polarity GaN-based HEMT.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 It is to be understood that the present invention is not limited to the embodiments described above, and that many modifications and combinations can be made by a person skilled in the art within the technical spirit of the present invention.

101…基板、102…バッファ層、103…バリア層、104,104a…チャネル層、105…ゲート絶縁層、106…コンタクト層、107…コンタクト層、108…ソース電極、109…ドレイン電極、110…ゲート電極、121…マスクパターン、122…As化層、123…凹部、151…電極形成領域。 101...substrate, 102...buffer layer, 103...barrier layer, 104, 104a...channel layer, 105...gate insulating layer, 106...contact layer, 107...contact layer, 108...source electrode, 109...drain electrode, 110...gate electrode, 121...mask pattern, 122...As layer, 123...recess, 151...electrode formation area.

Claims (4)

基板の上に、窒化物半導体から構成されたバリア層を、主表面をN極性として形成する第1工程と、
前記バリア層の上に、窒化物半導体から構成されたチャネル層を、主表面をN極性として形成する第2工程と、
互いにヘテロ接合する前記バリア層と前記チャネル層との界面近傍の前記チャネル層に形成される2次元電子ガスによるチャネルに電気的に接続するオーミック電極が配置される箇所の前記チャネル層をAs化してAs化層を形成し、形成した前記As化層を加熱して除去することで、前記チャネル層に凹部を形成する第3工程と、
V族元素としてP、As、Sbの少なくとも1つを含むn型のIII-V族化合物半導体を前記凹部を埋めるように成長してコンタクト層を形成する第4工程と、
前記コンタクト層の上に前記オーミック電極を形成する第5工程と
を備える電界効果トランジスタの作製方法。
a first step of forming a barrier layer made of a nitride semiconductor on a substrate, the barrier layer having an N-polar main surface;
a second step of forming a channel layer made of a nitride semiconductor on the barrier layer, the channel layer having an N-polarity main surface;
a third step of forming an As-doped layer by converting the channel layer to As at a location where an ohmic electrode electrically connected to a channel of two-dimensional electron gas formed in the channel layer near an interface between the barrier layer and the channel layer, which are heterojunction with each other, is to be disposed, and removing the As-doped layer by heating, thereby forming a recess in the channel layer;
a fourth step of growing an n-type III-V compound semiconductor containing at least one of P, As, and Sb as a V-group element so as to fill the recess to form a contact layer;
and a fifth step of forming the ohmic electrode on the contact layer.
請求項1記載の電界効果トランジスタの作製方法において、
前記凹部の形成は、前記As化層の形成と、形成した前記As化層の除去とを繰り返すことで実施することを特徴とする電界効果トランジスタの作製方法。
2. The method for fabricating a field effect transistor according to claim 1,
The method for producing a field effect transistor is characterized in that the recess is formed by repeating the steps of forming the As-doped layer and removing the As-doped layer.
請求項1または2記載の電界効果トランジスタの作製方法において、
前記凹部は、前記チャネル層を貫通して形成することを特徴とする電界効果トランジスタの作製方法。
3. The method for fabricating a field effect transistor according to claim 1,
The method for manufacturing a field effect transistor, wherein the recess is formed so as to penetrate the channel layer.
請求項1~3のいずれか1項に記載の電界効果トランジスタの作製方法において、
前記チャネル層の上にゲート電極を形成する第6工程を備え、
前記オーミック電極は、前記ゲート電極を挟んで配置されるソース電極およびドレイン電極であることを特徴とする電界効果トランジスタの作製方法。
The method for producing a field effect transistor according to any one of claims 1 to 3,
a sixth step of forming a gate electrode on the channel layer;
a source electrode and a drain electrode disposed on either side of the gate electrode;
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