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JP2015165530A - Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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JP2015165530A
JP2015165530A JP2014040038A JP2014040038A JP2015165530A JP 2015165530 A JP2015165530 A JP 2015165530A JP 2014040038 A JP2014040038 A JP 2014040038A JP 2014040038 A JP2014040038 A JP 2014040038A JP 2015165530 A JP2015165530 A JP 2015165530A
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barrier layer
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gate electrode
cap layer
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JP2014040038A
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鈴木 洋介
Yosuke Suzuki
洋介 鈴木
柳生 栄治
Eiji Yagyu
栄治 柳生
吹田 宗義
Muneyoshi Suita
宗義 吹田
南條 拓真
Takuma Nanjo
拓真 南條
章文 今井
Akifumi Imai
章文 今井
健一郎 倉橋
Kenichiro Kurahashi
健一郎 倉橋
茉里香 中村
Marika Nakamura
茉里香 中村
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

【課題】本発明は、電流コラプスを抑制することができる半導体装置、およびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明は、半導体基板1上に形成されたチャネル層3と、チャネル層3上に形成された、Inを含む窒化物半導体からなるバリア層4と、バリア層4上に部分的に形成されたゲート電極8と、バリア層4上に部分的に形成された、窒化物半導体からなるキャップ層5と、キャップ層5上に部分的に形成されたドレイン電極7とを備える。ゲート電極8のドレイン電極7に近い側の端部とキャップ層5とは、互いに離間して形成されている。【選択図】図1The present invention provides a semiconductor device capable of suppressing current collapse and a method for manufacturing the same. The present invention relates to a channel layer 3 formed on a semiconductor substrate 1, a barrier layer 4 made of a nitride semiconductor containing In and formed on the channel layer 3, and partially on the barrier layer 4. , A cap layer 5 made of a nitride semiconductor and partially formed on the barrier layer 4, and a drain electrode 7 partially formed on the cap layer 5. The end of the gate electrode 8 on the side close to the drain electrode 7 and the cap layer 5 are formed apart from each other. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、窒化物半導体を備えるヘテロ接合電界効果型トランジスタである半導体装置、およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device which is a heterojunction field effect transistor including a nitride semiconductor, and a manufacturing method thereof.

Inを含む窒化物半導体、特にInAlGa1−x−yN(0<x≦1、0<y≦1、0<x+y≦1)をバリア層として用いたヘテロ接合電界効果型トランジスタは、高いキャリア濃度を有することからトランジスタの高出力化に寄与することが期待されている。 Heterojunction field effect transistor using a nitride semiconductor containing In, in particular, In x Al y Ga 1-xy N (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 0 <x + y ≦ 1) as a barrier layer Is expected to contribute to higher output of the transistor since it has a high carrier concentration.

しかしながら、InAlGaNがバリア層として用いられる場合には、バリア層とチャネル層との間の格子不整合を小さくするために、バリア層に高いAl組成が要求される。そのため、バリア層とオーミック電極との間のコンタクト抵抗が増大しやすい。また、バリア層表面が酸化されやすい。   However, when InAlGaN is used as a barrier layer, a high Al composition is required for the barrier layer in order to reduce lattice mismatch between the barrier layer and the channel layer. Therefore, the contact resistance between the barrier layer and the ohmic electrode tends to increase. Moreover, the barrier layer surface is easily oxidized.

その結果として、トランジスタの高出力化が実現できなかったり、トランジスタ特性が経時的に変化したり、電流コラプスと呼ばれるパルス駆動が生じたり、または、高周波動作時の電流低下現象が発生したりするという問題があった。   As a result, high output of the transistor cannot be realized, transistor characteristics change over time, pulse driving called current collapse occurs, or current reduction phenomenon occurs during high-frequency operation. There was a problem.

これに対し、InAlNバリア層上にGaNからなるキャップ層を形成し、キャップ層上にゲート電極を形成する技術が開示されている(例えば、特許文献1)。当該技術は、Inを含まないAlGaNをバリア層として用いたトランジスタでも適用されてきた手法である(例えば、特許文献2)。   On the other hand, a technique is disclosed in which a cap layer made of GaN is formed on an InAlN barrier layer, and a gate electrode is formed on the cap layer (for example, Patent Document 1). This technique has been applied to a transistor using AlGaN that does not contain In as a barrier layer (for example, Patent Document 2).

特開2012−33653号公報JP 2012-33653 A 特開2005−286135号公報JP-A-2005-286135

しかし、InAlNバリア層上にGaNからなるキャップ層を形成し、さらに、キャップ層上にゲート電極を形成する構造により得られる特性では、特に電流コラプスの点で実用上求められるレベルを満たすことは困難であり、さらなる特性改善が求められている。   However, it is difficult to meet the practically required level particularly in terms of current collapse in the characteristics obtained by the structure in which the cap layer made of GaN is formed on the InAlN barrier layer and the gate electrode is formed on the cap layer. There is a need for further improvement in characteristics.

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、Inを含む窒化物半導体をバリア層として用いたヘテロ接合電界効果型トランジスタであり、電流コラプスを抑制することができる半導体装置、およびその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a heterojunction field effect transistor using a nitride semiconductor containing In as a barrier layer, and a semiconductor capable of suppressing current collapse. It is an object of the present invention to provide an apparatus and a manufacturing method thereof.

本発明の一態様に関する半導体装置は、窒化物半導体を備えるヘテロ接合電界効果型トランジスタであり、半導体基板上に形成されたチャネル層と、前記チャネル層上に形成された、Inを含む前記窒化物半導体からなるバリア層と、前記バリア層上に部分的に形成されたゲート電極と、前記バリア層上に部分的に形成された、前記窒化物半導体からなるキャップ層と、前記キャップ層上に部分的に形成されたドレイン電極とを備え、少なくとも、前記ゲート電極の前記ドレイン電極に近い側の端部と前記キャップ層とは、互いに離間して形成されている。   A semiconductor device according to one embodiment of the present invention is a heterojunction field effect transistor including a nitride semiconductor, the channel layer formed over a semiconductor substrate, and the nitride containing In formed over the channel layer A barrier layer made of a semiconductor, a gate electrode partially formed on the barrier layer, a cap layer made of the nitride semiconductor partially formed on the barrier layer, and a portion on the cap layer And at least an end portion of the gate electrode closer to the drain electrode and the cap layer are formed apart from each other.

本発明の一態様に関する半導体装置の製造方法は、窒化物半導体を備えるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造方法であり、半導体基板上に、エピタキシャル成長法を用いて、チャネル層、Inを含む前記窒化物半導体からなるバリア層および前記窒化物半導体からなるキャップ層を順に形成する層構造形成工程と、前記キャップ層上において、ソース電極およびドレイン電極を互いに離間させて形成する電極形成工程と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に位置する前記キャップ層の一部を除去する除去工程と、少なくとも、前記除去工程において露出した前記バリア層を含む領域を覆う絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に位置する前記絶縁膜の一部を除去し、前記バリア層を露出させる露出工程と、前記露出工程において露出した前記バリア層上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程とを備え、前記露出工程が、前記ドレイン電極に近い側の前記キャップ層を露出させずに、前記バリア層を露出させる工程である。   A method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment of the present invention is a method for manufacturing a heterojunction field effect transistor including a nitride semiconductor, and the nitride including a channel layer and In is formed on a semiconductor substrate using an epitaxial growth method. A layer structure forming step of sequentially forming a barrier layer made of a semiconductor and a cap layer made of the nitride semiconductor, an electrode forming step of forming a source electrode and a drain electrode apart from each other on the cap layer, and the source electrode A removing step of removing a part of the cap layer located between the drain electrode and an insulating film forming step of forming an insulating film covering at least the region including the barrier layer exposed in the removing step; A part of the insulating film located between the source electrode and the drain electrode is removed to expose the barrier layer. An exposure step, and a gate electrode formation step for forming a gate electrode on the barrier layer exposed in the exposure step, the exposure step without exposing the cap layer on the side close to the drain electrode, A step of exposing the barrier layer;

本発明の別の態様に関する半導体装置の製造方法は、窒化物半導体を備えるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造方法であり、半導体基板上に、エピタキシャル成長法を用いて、チャネル層およびInを含む前記窒化物半導体からなるバリア層を順に形成する層構造形成工程と、前記バリア層上において、マスク層を部分的に形成するマスク層形成工程と、前記バリア層上において、エピタキシャル成長法を用いて、前記窒化物半導体からなるキャップ層を形成するキャップ層形成工程と、前記マスク層を除去する除去工程と、前記キャップ層上において、ソース電極およびドレイン電極を互いに離間させて形成する電極形成工程と、少なくとも、前記除去工程において露出した前記バリア層を含む領域を覆う絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に位置する前記絶縁膜の一部を除去し、前記バリア層を露出させる露出工程と、前記露出工程において露出した前記バリア層上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程とを備え、前記露出工程が、前記ドレイン電極に近い側の前記キャップ層を露出させずに、前記バリア層を露出させる工程である。   A method for manufacturing a semiconductor device according to another aspect of the present invention is a method for manufacturing a heterojunction field effect transistor including a nitride semiconductor, and the nitride including the channel layer and In on a semiconductor substrate using an epitaxial growth method. A layer structure forming step of sequentially forming a barrier layer made of a physical semiconductor; a mask layer forming step of partially forming a mask layer on the barrier layer; and the nitridation using an epitaxial growth method on the barrier layer. A cap layer forming step of forming a cap layer made of a physical semiconductor, a removing step of removing the mask layer, an electrode forming step of forming a source electrode and a drain electrode separately from each other on the cap layer, Insulating film type for forming an insulating film covering the region including the barrier layer exposed in the removing step A step of removing a part of the insulating film located between the source electrode and the drain electrode to expose the barrier layer; and a gate electrode on the barrier layer exposed in the exposing step. A gate electrode forming step to be formed, and the exposing step is a step of exposing the barrier layer without exposing the cap layer on the side close to the drain electrode.

本発明の上記態様によれば、ゲート電極のドレイン電極に近い側の端部とキャップ層とが、互いに離間して形成されている。そのため、強電界が印加される箇所である、ドレイン電極に近い側の端部のキャップ層が除去されており、当該箇所における電子のトラップが抑制されるため、電流コラプス(パルス駆動時の電流低下)を抑制することができる。   According to the above aspect of the present invention, the end portion of the gate electrode close to the drain electrode and the cap layer are formed apart from each other. Therefore, the cap layer at the end close to the drain electrode, where the strong electric field is applied, is removed, and the trapping of electrons at the location is suppressed, so that current collapse (current drop during pulse driving) ) Can be suppressed.

本発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。   The objects, features, aspects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.

実施形態に関する半導体装置の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device regarding embodiment. 実施形態に関する半導体装置の構造を示す上面図である。It is a top view which shows the structure of the semiconductor device regarding embodiment. ゲート電極およびその近傍においてキャップ層が存在する場合のヘテロ接合電界効果型トランジスタの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of a heterojunction field effect transistor in case a cap layer exists in the gate electrode and its vicinity. 図1に示された構造および図3に示された構造それぞれの、直流駆動時およびパルス駆動時のドレイン電流−ドレイン電圧特性を示した図である。It is the figure which showed the drain current-drain voltage characteristic at the time of direct current drive and pulse drive of the structure shown in FIG. 1 and the structure shown in FIG. 実施形態に関する半導体装置の、熱処理温度と電子移動度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the heat processing temperature and the electron mobility of the semiconductor device regarding embodiment. 実施形態に関する半導体装置の製造工程を例示する図である。It is a figure which illustrates the manufacturing process of the semiconductor device regarding an embodiment. 実施形態に関する半導体装置の製造工程を例示する図である。It is a figure which illustrates the manufacturing process of the semiconductor device regarding an embodiment. 実施形態に関する半導体装置の製造工程を例示する図である。It is a figure which illustrates the manufacturing process of the semiconductor device regarding an embodiment. 実施形態に関する半導体装置の製造工程を例示する図である。It is a figure which illustrates the manufacturing process of the semiconductor device regarding an embodiment. 実施形態に関する半導体装置の製造工程を例示する図である。It is a figure which illustrates the manufacturing process of the semiconductor device regarding an embodiment. 実施形態に関する半導体装置の製造工程を例示する図である。It is a figure which illustrates the manufacturing process of the semiconductor device regarding an embodiment. 実施形態に関する半導体装置の製造工程を例示する図である。It is a figure which illustrates the manufacturing process of the semiconductor device regarding an embodiment. 実施形態に関する半導体装置の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device regarding embodiment. 実施形態に関する半導体装置の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device regarding embodiment. 実施形態に関する半導体装置の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device regarding embodiment. 実施形態に関する半導体装置の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device regarding embodiment. 実施形態に関する半導体装置の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device regarding embodiment. 実施形態に関する半導体装置の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device regarding embodiment. 実施形態に関する半導体装置の製造工程を例示する図である。It is a figure which illustrates the manufacturing process of the semiconductor device regarding an embodiment. 実施形態に関する半導体装置の製造工程を例示する図である。It is a figure which illustrates the manufacturing process of the semiconductor device regarding an embodiment. 実施形態に関する半導体装置の製造工程を例示する図である。It is a figure which illustrates the manufacturing process of the semiconductor device regarding an embodiment. 実施形態に関する半導体装置の製造工程を例示する図である。It is a figure which illustrates the manufacturing process of the semiconductor device regarding an embodiment.

以下、添付の図面を参照しながら実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings.

<第1実施形態>
<構成>
図1は、本実施形態に関する窒化物半導体からなるヘテロ接合電界効果型トランジスタの構造を例示する断面図である。また、図2は、その上面図である。
<First Embodiment>
<Configuration>
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the structure of a heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor according to this embodiment. FIG. 2 is a top view thereof.

図1に示されるように、本実施形態に関する半導体装置としてのヘテロ接合電界効果型トランジスタは、半導体基板1と、半導体基板1の(0001)面上に形成されたバッファ層2と、チャネル層3と、バリア層4と、キャップ層5と、ソース電極6と、ドレイン電極7と、ゲート電極8と、保護膜9と、素子分離領域10とを備える。   As shown in FIG. 1, a heterojunction field effect transistor as a semiconductor device according to this embodiment includes a semiconductor substrate 1, a buffer layer 2 formed on the (0001) plane of the semiconductor substrate 1, and a channel layer 3. A barrier layer 4, a cap layer 5, a source electrode 6, a drain electrode 7, a gate electrode 8, a protective film 9, and an element isolation region 10.

チャネル層3は、バッファ層2上に形成される。チャネル層3は、AlGa1−zN(0≦z≦1、z=0のときGaN)で表される。 The channel layer 3 is formed on the buffer layer 2. The channel layer 3 is represented by Al z Ga 1-z N (0 ≦ z ≦ 1, GaN when z = 0).

バリア層4は、チャネル層3上に形成される。バリア層4は、InAlGa1−x−yN(0<x≦1、0<y≦1、0<x+y≦1)で表される。 The barrier layer 4 is formed on the channel layer 3. The barrier layer 4 is represented by In x Al y Ga 1-xy N (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 0 <x + y ≦ 1).

半導体基板1の(0001)面上に、バッファ層2を介してチャネル層3およびバリア層4が形成された場合、ヘテロ界面に2次元電子ガス(2−Dimensional Electron Gas、2DEG)と呼ばれる高濃度のキャリアが発生する。チャネル層3にはアンドープの半導体が用いられるため、2DEGは高い移動度を有する。よって、本構造を用いたトランジスタは高周波化および大電流化を実現することができる。   When the channel layer 3 and the barrier layer 4 are formed on the (0001) plane of the semiconductor substrate 1 via the buffer layer 2, a high concentration called a two-dimensional electron gas (2-Dimensional Electron Gas, 2DEG) is formed at the heterointerface. A career occurs. Since an undoped semiconductor is used for the channel layer 3, 2DEG has high mobility. Therefore, a transistor using this structure can achieve high frequency and high current.

キャップ層5は、バリア層4上の一部分に形成されている。キャップ層5は、窒化物半導体からなる。   The cap layer 5 is formed on a part of the barrier layer 4. The cap layer 5 is made of a nitride semiconductor.

ゲート電極8は、バリア層4上の一部分に形成されている。また、ゲート電極8が形成された領域の周辺(ドレイン電極7に近い側だけでなく、ソース電極6に近い側も含む)においては、キャップ層5は形成されていない。   The gate electrode 8 is formed in a part on the barrier layer 4. Further, the cap layer 5 is not formed in the periphery of the region where the gate electrode 8 is formed (including not only the side close to the drain electrode 7 but also the side close to the source electrode 6).

ソース電極6は、キャップ層5上の一部分に形成されている。   The source electrode 6 is formed on a part of the cap layer 5.

ドレイン電極7は、キャップ層5上の一部分に形成されている。また、ソース電極6とドレイン電極7とは、ゲート電極8から見た異なる側にそれぞれ配置されている。   The drain electrode 7 is formed on a part of the cap layer 5. Further, the source electrode 6 and the drain electrode 7 are disposed on different sides as viewed from the gate electrode 8.

これらのゲート電極8、ソース電極6およびドレイン電極7に適切に電圧が印加されることにより、ヘテロ接合電界効果型トランジスタが動作する。   When a voltage is appropriately applied to the gate electrode 8, the source electrode 6 and the drain electrode 7, the heterojunction field effect transistor operates.

素子分離領域10は、チャネル層3上のバリア層4が形成されていない領域に形成されている。   The element isolation region 10 is formed in a region on the channel layer 3 where the barrier layer 4 is not formed.

保護膜9は、バリア層4、キャップ層5および素子分離領域10を覆って形成されている。なお、保護膜9は、ゲート電極8、ソース電極6およびドレイン電極7が形成された領域を除く領域に形成されている。   The protective film 9 is formed so as to cover the barrier layer 4, the cap layer 5, and the element isolation region 10. The protective film 9 is formed in a region excluding the region where the gate electrode 8, the source electrode 6 and the drain electrode 7 are formed.

このような構成によれば、ソース電極6およびドレイン電極7は、バリア層4よりもバンドギャップの小さい、GaNからなるキャップ層5の上に形成されるため、低コンタクト抵抗化、および、高出力化を実現することができる。   According to such a configuration, the source electrode 6 and the drain electrode 7 are formed on the cap layer 5 made of GaN having a band gap smaller than that of the barrier layer 4. Can be realized.

また、上記のとおり、ゲート電極8およびゲート電極8のドレイン側端近傍には、キャップ層5が存在しない。すなわち、ゲート電極8のドレイン電極7に近い側の端部とキャップ層5とは、互いに離間して形成されている。   Further, as described above, the cap layer 5 does not exist in the vicinity of the gate electrode 8 and the drain side end of the gate electrode 8. That is, the end of the gate electrode 8 on the side close to the drain electrode 7 and the cap layer 5 are formed to be separated from each other.

図3は、ゲート電極8aおよびその近傍においてキャップ層5aが存在する場合のヘテロ接合電界効果型トランジスタの構造を示す断面図である。   FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the heterojunction field effect transistor in the case where the cap layer 5a exists in the vicinity of the gate electrode 8a.

また、図4は、図1に示された構造および図3に示された構造それぞれの、直流駆動時およびパルス駆動時のドレイン電流−ドレイン電圧特性を示した図である。図4において、縦軸はドレイン電流[a.u.]、横軸はドレイン電圧[V]をそれぞれ示している。なお、直流駆動時のドレイン電流−ドレイン電圧特性は、キャップ層の有無によらずほぼ同等なので、図4では、キャップ層が存在しない構造(図1に示された構造)の、直流駆動時のドレイン電流−ドレイン電圧特性のみが示されている。なお、パルス駆動条件は、パルス幅1[μsec]、デューティ比0.1[%]の矩形波である。   FIG. 4 is a diagram showing drain current-drain voltage characteristics at the time of DC driving and pulse driving of the structure shown in FIG. 1 and the structure shown in FIG. In FIG. 4, the vertical axis represents the drain current [a. u. ], The horizontal axis represents the drain voltage [V], respectively. Since the drain current-drain voltage characteristics at the time of DC driving are almost the same regardless of the presence or absence of the cap layer, in FIG. 4, the structure without the cap layer (the structure shown in FIG. 1) is the same at the time of DC driving. Only the drain current-drain voltage characteristics are shown. The pulse driving condition is a rectangular wave having a pulse width of 1 [μsec] and a duty ratio of 0.1 [%].

図4に示されるように、直流駆動時のドレイン電流値に比べ、パルス駆動時のドレイン電流値は低下している。これは、窒化物半導体トランジスタでよく知られる、電流コラプスと呼ばれる現象である。   As shown in FIG. 4, the drain current value during pulse driving is lower than the drain current value during DC driving. This is a phenomenon called current collapse, which is well known for nitride semiconductor transistors.

さらに、その低下量を比較すると、図1に示された構造(GaNキャップ無しパルスに対応)は、図3に示された構造(GaNキャップ有りパルスに対応)に比べて、電流コラプスによる電流低下の効果が著しく抑制されていることがわかる。   Further, when the amount of decrease is compared, the structure shown in FIG. 1 (corresponding to a pulse without GaN cap) has a current drop due to current collapse compared to the structure shown in FIG. 3 (corresponding to a pulse with GaN cap). It can be seen that the effect of is significantly suppressed.

この電流コラプスは、例えば従来のAlGaNバリア/GaNチャネル構造のトランジスタでは生じない現象であり、Inを含む窒化物半導体をバリア層として用いたトランジスタに特有の現象である。そして、その原因は、キャップ層5の表面、あるいは結晶中において結晶欠陥が多数形成されている場合に、当該欠陥に電子がトラップされることであると、発明者らは見いだした。パルス駆動時に上記欠陥に電子がトラップされるため、電流低下が生じていると発明者らは見いだした。   This current collapse is a phenomenon that does not occur in, for example, a conventional transistor having an AlGaN barrier / GaN channel structure, and is a phenomenon peculiar to a transistor using a nitride semiconductor containing In as a barrier layer. The inventors have found that the cause is that when a large number of crystal defects are formed on the surface of the cap layer 5 or in the crystal, electrons are trapped in the defect. The inventors have found that the current is reduced because electrons are trapped in the defect during pulse driving.

Inを含む窒化物半導体をバリア層4として用いる場合、Inの凝集または脱離による結晶品質の劣化を防ぐために、その結晶成長温度は900℃以下とすることが望ましい。   When a nitride semiconductor containing In is used as the barrier layer 4, the crystal growth temperature is desirably 900 ° C. or lower in order to prevent deterioration of crystal quality due to In aggregation or desorption.

一方、良好な結晶品質のGaN層を形成するためには、一般的に1000℃以上の結晶成長温度が必要である。しかし、1000℃以上の高温でGaNからなるキャップ層5を形成すると、Inを含む窒化物半導体からなるバリア層4においてInの凝集、脱離、または、窒素の脱離が発生する。そのため、結晶品質が劣化し、キャリア濃度または移動度が低下するということが発明者らの検討によりわかった。   On the other hand, in order to form a GaN layer with good crystal quality, a crystal growth temperature of 1000 ° C. or higher is generally required. However, when the cap layer 5 made of GaN is formed at a high temperature of 1000 ° C. or more, In aggregation, desorption, or nitrogen desorption occurs in the barrier layer 4 made of a nitride semiconductor containing In. Therefore, the inventors have found that the crystal quality is deteriorated and the carrier concentration or mobility is lowered.

図5は、熱処理温度と電子移動度との関係を示す図である。図5において、縦軸は電子移動度[cm/Vs]、横軸は温度[℃]をそれぞれ示している。図5に示される関係を考慮すると、GaNからなるキャップ層5の結晶成長温度は、上記結晶品質の劣化が発生しない900℃以下で行うことが望ましい。 FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the heat treatment temperature and the electron mobility. In FIG. 5, the vertical axis represents electron mobility [cm 2 / Vs], and the horizontal axis represents temperature [° C.]. Considering the relationship shown in FIG. 5, it is desirable that the crystal growth temperature of the cap layer 5 made of GaN is 900 ° C. or less at which the deterioration of the crystal quality does not occur.

ただし、900℃以下で形成されたGaNからなるキャップ層5は多くの結晶欠陥を含むため、図4に示されるように電流コラプスによる電流低下が発生する。この問題を解決するため、電界が集中するゲート電極下およびゲート電極端、特に、ドレイン側のゲート電極端においては、キャップ層5が存在しない構造とする。   However, since the cap layer 5 made of GaN formed at 900 ° C. or less contains many crystal defects, a current drop due to current collapse occurs as shown in FIG. In order to solve this problem, the cap layer 5 does not exist under the gate electrode where the electric field is concentrated and at the gate electrode end, particularly at the drain-side gate electrode end.

電界強度はドレイン側のゲート電極端を最大として、ゲート電極端から離れるにつれて急激に低下するため、キャップ層5が存在しない領域が少しでもあれば電流コラプス抑制効果が得られる。また、当該領域が広がれば、電流コラプス抑制効果は高まる。ただし、バリア層4の長期的な表面状態変化を抑制するためには、キャップ層5があったほうが好ましいため、所望の素子寿命、電気特性、または加工プロセスの精度に応じて、キャップ層5が存在しない領域の幅を設計すればよい。   The electric field strength is maximized at the gate electrode end on the drain side and rapidly decreases as the distance from the gate electrode end increases. Therefore, if there is even a region where the cap layer 5 does not exist, a current collapse suppressing effect can be obtained. Moreover, if the said area | region becomes large, the current collapse suppression effect will increase. However, since it is preferable to have the cap layer 5 in order to suppress the long-term surface state change of the barrier layer 4, the cap layer 5 may be formed according to the desired element lifetime, electrical characteristics, or processing process accuracy. What is necessary is just to design the width | variety of the area | region which does not exist.

さらに、ゲート電極8の端部からドレイン電極7側のバリア層4上には保護膜9を形成し、バリア層4表面に形成される欠陥準位を低減することで、さらに電流コラプスを抑制することができる。   Further, a protective film 9 is formed on the barrier layer 4 on the drain electrode 7 side from the end of the gate electrode 8 to further reduce current collapse by reducing the defect level formed on the surface of the barrier layer 4. be able to.

これらによって、Inを含む窒化物半導体をバリア層として用いた場合に大電流化を実現でき、高出力トランジスタを得ることができる。   As a result, when a nitride semiconductor containing In is used as a barrier layer, a large current can be realized and a high output transistor can be obtained.

<製造方法>
次に、図1に示された窒化物半導体からなるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造方法の一例を示す。
<Manufacturing method>
Next, an example of a manufacturing method of the heterojunction field effect transistor made of the nitride semiconductor shown in FIG. 1 will be described.

まず、SiCからなる半導体基板1上に、metal organic chemical vapor deposition(MOCVD)法、または、molecular beam epitaxy(MBE)法等のエピタキシャル成長法を適用することで、結晶格子歪みを低減するためのバッファ層2、AlGa1−zN(0≦z≦1)からなるチャネル層3、InAlGa1−x−yN(0<x≦1、0<y≦1、0<x+y≦1)からなるバリア層4、GaNからなるキャップ層5をそれぞれエピタキシャル成長させる(図6)。 First, a buffer layer for reducing crystal lattice distortion by applying an epitaxial growth method such as a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method or a molecular beam epitaxy (MBE) method on a semiconductor substrate 1 made of SiC. 2, channel layer 3 made of Al z Ga 1-z N (0 ≦ z ≦ 1), In x Al y Ga 1-xy N (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 0 <x + y ≦ The barrier layer 4 made of 1) and the cap layer 5 made of GaN are epitaxially grown (FIG. 6).

なお、半導体基板1は、SiCからなるものに限られず、サファイア、Si、GaNまたはAlN等からなるものであってもよい。また、チャネル層の格子定数と近い格子定数である半導体基板を用いる場合には、バッファ層2が備えられなくともよい。   The semiconductor substrate 1 is not limited to one made of SiC, but may be one made of sapphire, Si, GaN, AlN, or the like. When a semiconductor substrate having a lattice constant close to that of the channel layer is used, the buffer layer 2 may not be provided.

次に、キャップ層5上に、ソース電極6およびドレイン電極7を互いに離間させて形成する。当該形成には、蒸着法またはスパッタ法を用いて層構造を堆積させ、さらに、リフトオフ法等により形成する方法が採用できる(図7)。ソース電極6およびドレイン電極7は、例えばTi/Al/Ti/Auがそれぞれ20/40/20/50[nm]の厚さで積層されているものが採用できる。   Next, the source electrode 6 and the drain electrode 7 are formed on the cap layer 5 so as to be separated from each other. For the formation, a method of depositing a layer structure using an evaporation method or a sputtering method, and further forming by a lift-off method or the like can be employed (FIG. 7). As the source electrode 6 and the drain electrode 7, for example, Ti / Al / Ti / Au laminated with a thickness of 20/40/20/50 [nm] can be employed.

これらの電極のコンタクト抵抗を低減するため、rapid thermal anneal(RTA)法を用いて850℃、1分間の熱処理を行う。なお、ソース電極6およびドレイン電極7には、Ti、AlまたはAuの他にも、Pt、Nb、Au、Hf、Zr、Sr、Ni、Ta、MoまたはW等の材料が用いられてもよく、低抵抗化のためには電子線照射またはレーザー照射等の手法が用いられてもよい。   In order to reduce the contact resistance of these electrodes, heat treatment is performed at 850 ° C. for 1 minute using a rapid thermal annealing (RTA) method. The source electrode 6 and the drain electrode 7 may be made of materials such as Pt, Nb, Au, Hf, Zr, Sr, Ni, Ta, Mo, or W in addition to Ti, Al, or Au. In order to reduce the resistance, a technique such as electron beam irradiation or laser irradiation may be used.

次に、トランジスタを作製する領域外のチャネル層3およびバリア層4に、例えばイオン注入法またはエッチング等を用いて素子分離領域10を形成する(図8)。イオン注入法を用いる場合には、例えばArを加速エネルギー300[keV]で、ドーズ量5×1014[cm−2]を注入すればよい。図8では、イオン注入法による方法が示されている。 Next, the element isolation region 10 is formed in the channel layer 3 and the barrier layer 4 outside the region for manufacturing the transistor by using, for example, ion implantation or etching (FIG. 8). In the case of using an ion implantation method, for example, Ar may be implanted with an acceleration energy of 300 [keV] and a dose of 5 × 10 14 [cm −2 ]. FIG. 8 shows a method by an ion implantation method.

次に、レジスト等でキャップ層5上に形成されたパターンを用いて、reactive ion etching(RIE)法等により、後にゲート電極8を形成する領域とその近傍に相当する領域(ソース電極6とドレイン電極7との間に位置する領域)のキャップ層5を選択的に除去し、バリア層4を露出させる(図9)。   Next, using a pattern formed on the cap layer 5 with a resist or the like, by a reactive ion etching (RIE) method or the like, a region where the gate electrode 8 is to be formed later and a region corresponding to the region (source electrode 6 and drain) are formed. The cap layer 5 in a region located between the electrodes 7) is selectively removed to expose the barrier layer 4 (FIG. 9).

続いて、酸化アルミニウムAl、窒化シリコンSiNまたは酸化シリコンSiO等からなる保護膜9を、スパッタ法、chemical vapor deposition(CVD)法、または、atomic layer deposition(ALD)法等を用いて、例えば50[nm]形成する(図10)。 Subsequently, the protective film 9 made of aluminum oxide Al 2 O 3 , silicon nitride SiN, silicon oxide SiO 2 or the like is formed using a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD) method, an atomic layer deposition (ALD) method, or the like. For example, 50 [nm] is formed (FIG. 10).

ここで、図10においては、半導体表面全体が保護膜9により覆われているが、必ずしも全面が覆われている必要はない。ただ、本発明の効果を得るためには、少なくとも、キャップ層5を除去して露出したバリア層4のうち、ゲート電極8の端部となる部分からドレイン電極7側の領域は覆われている必要がある。これは、トランジスタを動作させたときに電流コラプスの原因となるのは、強電界が印加されるゲート電極8のドレイン側の端部と半導体表面が接している領域だからである。   Here, in FIG. 10, the entire semiconductor surface is covered with the protective film 9, but the entire surface is not necessarily covered. However, in order to obtain the effect of the present invention, at least the region on the drain electrode 7 side from the end portion of the gate electrode 8 in the barrier layer 4 exposed by removing the cap layer 5 is covered. There is a need. This is because, when the transistor is operated, current collapse is caused by a region where the end of the gate electrode 8 to which a strong electric field is applied is in contact with the semiconductor surface.

次に、レジスト等により保護膜9上に形成したパターンを用いて、reactive ion etching(RIE)法またはウェットエッチング法等を用いてゲート電極を形成する領域(ソース電極6とドレイン電極7との間に位置する領域)の保護膜9を選択的に除去し、バリア層4を露出させる(図11)。ここで、当該工程においては、ドレイン電極7に近い側のキャップ層5を露出させない。   Next, using a pattern formed on the protective film 9 with a resist or the like, a region in which a gate electrode is formed using a reactive ion etching (RIE) method or a wet etching method (between the source electrode 6 and the drain electrode 7). The protective film 9 in the region located at (5) is selectively removed to expose the barrier layer 4 (FIG. 11). Here, in this step, the cap layer 5 on the side close to the drain electrode 7 is not exposed.

続いて、Ni/Auがそれぞれ30/100[nm]の厚さで積層されたゲート電極8を、蒸着法またはスパッタ法を用いて堆積し、リフトオフ法等により上記の領域に形成する(図12)。ゲート電極8は、ショットキー特性が得られればよく、Pt、Ir、Pd、NiまたはAu等の仕事関数が高い材料を含む単層または積層膜で形成されればよい。   Subsequently, a gate electrode 8 in which Ni / Au is laminated at a thickness of 30/100 [nm] is deposited using an evaporation method or a sputtering method, and is formed in the above region by a lift-off method or the like (FIG. 12). ). The gate electrode 8 only needs to obtain Schottky characteristics, and may be formed of a single layer or a laminated film containing a material having a high work function such as Pt, Ir, Pd, Ni, or Au.

以上の方法により、図1および図12に示された構造のヘテロ接合電界効果型トランジスタが作製される。以上では、トランジスタとして動作する必要最小限の要素しか記載されていないが、最終的には配線電極形成、バイアホール形成、さらには電極保護膜形成等のプロセスを経てデバイスとして用いられる。したがって、電極および保護膜については多層構造となってもよい。また、複数のトランジスタが接続されたマルチフィンガー型構造としても良い。   With the above method, the heterojunction field effect transistor having the structure shown in FIGS. 1 and 12 is manufactured. Although only the minimum necessary elements that operate as a transistor are described above, they are finally used as a device through processes such as wiring electrode formation, via hole formation, and electrode protection film formation. Therefore, the electrode and the protective film may have a multilayer structure. Alternatively, a multi-finger structure in which a plurality of transistors are connected may be employed.

また、ソース電極6、ドレイン電極7、ゲート電極8、保護膜9および素子分離領域10の形成プロセスの順序が入れ替えられても良い。例えば、ソース電極6およびドレイン電極7を形成する前に、素子分離領域10を形成してもかまわない。   Moreover, the order of the formation process of the source electrode 6, the drain electrode 7, the gate electrode 8, the protective film 9, and the element isolation region 10 may be changed. For example, the element isolation region 10 may be formed before the source electrode 6 and the drain electrode 7 are formed.

また、上記の製造方法および図において、バリア層4上のキャップ層5を除去した領域のほぼ中心にゲート電極8および保護膜9を開口した領域が記載されているが、当該領域が形成される位置は中心からずれても本発明の効果が得られるため、その形成位置は中心には限定されない。   Further, in the manufacturing method and the drawings described above, a region where the gate electrode 8 and the protective film 9 are opened is described in the approximate center of the region where the cap layer 5 on the barrier layer 4 is removed. Since the effect of the present invention can be obtained even if the position is deviated from the center, the formation position is not limited to the center.

また、図13および図14に示されるように、ゲート電極とソース電極6との間においては、キャップ層5とゲート電極とは接触している構造とすることもできる(図13におけるゲート電極8b、および、図14におけるゲート電極8c)。電流コラプスの主な原因となるのは、前述したとおり、電界が集中するドレイン電極側のゲート電極端における電子のトラップであり、ソース電極側のゲート電極端においてキャップ層5を除去することは、電流コラプス低減に効果はあるがあまり寄与しない。したがって、ソース電極6とゲート電極との間の距離を短くし、アクセス抵抗を低減することで、さらに高出力化したい場合には、キャップ層5とゲート電極とが接触した構造としてもよい。   13 and 14, the cap layer 5 and the gate electrode may be in contact with each other between the gate electrode and the source electrode 6 (the gate electrode 8b in FIG. 13). , And the gate electrode 8c in FIG. As described above, the main cause of current collapse is the trapping of electrons at the gate electrode end on the drain electrode side where the electric field is concentrated, and removing the cap layer 5 at the gate electrode end on the source electrode side Although effective in reducing current collapse, it does not contribute much. Therefore, when the distance between the source electrode 6 and the gate electrode is shortened and the access resistance is reduced to further increase the output, the cap layer 5 and the gate electrode may be in contact with each other.

また、ゲート電極の形状は、保護膜上にゲート電極の一部が張り出したT型形状(図15におけるゲート電極8d)、または、ドレイン側のみに張り出したΓ型形状(図16におけるゲート電極8e)であってもよい。すなわち、ゲート電極のドレイン電極7に近い側の側面が段差形状(階段状)であってもよい。このような構造であれば、張り出し部分の端部近傍にも電界が集中するため、ゲート電極端における電界強度が低減され、電流コラプスが抑制できる。なお、図15に示されたT型ゲート電極構造において、張り出す長さは電界強度に応じて決定すればよく、ソース電極側およびドレイン電極側の張り出す長さが異なっていてもよい。   The gate electrode has a T-shaped shape (a gate electrode 8d in FIG. 15) in which a part of the gate electrode projects on the protective film, or a Γ-shaped shape (a gate electrode 8e in FIG. 16) that projects only on the drain side. ). That is, the side surface of the gate electrode closer to the drain electrode 7 may be stepped (stepped). With such a structure, the electric field concentrates also in the vicinity of the end portion of the overhanging portion, so that the electric field strength at the gate electrode end is reduced and current collapse can be suppressed. Note that in the T-type gate electrode structure shown in FIG. 15, the overhanging length may be determined according to the electric field strength, and the overhanging lengths on the source electrode side and the drain electrode side may be different.

さらには、このゲート電極の張り出し部分が、ドレイン電極側のキャップ層5を除去した領域の上で少なくとも1段以上の階段状になっている構造(図17におけるゲート電極8f、および図18におけるゲート電極8g)とすることで、ゲート電極のドレイン電極側端部とバリア層4とが接する領域の電界強度を著しく低減し、電流コラプスを大きく抑制することができる。   Further, the protruding portion of the gate electrode has a stepped shape of at least one step above the region where the cap layer 5 on the drain electrode side is removed (the gate electrode 8f in FIG. 17 and the gate in FIG. 18). By using the electrode 8g), the electric field strength in the region where the drain electrode side end of the gate electrode is in contact with the barrier layer 4 can be significantly reduced, and current collapse can be greatly suppressed.

当該構造の製造手法の一例を述べる。図10において保護膜9を形成する際、例えばSiNの上にSiOを形成した2層以上の絶縁膜で構成される保護膜9を形成する。次に、異方性の高いドライエッチングを行うことで、2層の保護膜9を開口し、図11に示される構造を形成する。続いて、希フッ酸等を用いたウェットエッチングを行うと、絶縁膜ごとにエッチングレートが異なるため、ドライエッチングで除去された保護膜9の側面が段差形状(階段状)となる。当該箇所にゲート電極を形成すれば、側面が段差形状(階段状)であるゲート電極を形成することができる。 An example of a manufacturing method of the structure will be described. In forming the protective film 9 in FIG. 10, the protective film 9 composed of two or more insulating films in which SiO 2 is formed on SiN, for example, is formed. Next, by performing dry etching with high anisotropy, the two-layer protective film 9 is opened, and the structure shown in FIG. 11 is formed. Subsequently, when wet etching using dilute hydrofluoric acid or the like is performed, the etching rate differs for each insulating film, so that the side surface of the protective film 9 removed by dry etching becomes a stepped shape (stepped shape). If a gate electrode is formed at this position, a gate electrode having a stepped shape (stepped shape) on the side surface can be formed.

絶縁膜としては、上記のような異種材料を用いてもよいし、上層側の絶縁膜には、膜の緻密性が低くエッチングレートが下層側より高い同一材料の絶縁膜を用いてもよい。   As the insulating film, the above-mentioned different materials may be used, and as the upper insulating film, an insulating film of the same material having a low film density and a higher etching rate than that of the lower layer may be used.

<効果>
以下に、本実施形態による効果を例示する。
<Effect>
Below, the effect by this embodiment is illustrated.

本実施形態によれば、半導体装置が、窒化物半導体を備えるヘテロ接合電界効果型トランジスタであり、半導体基板1上に形成されたチャネル層3と、チャネル層3上に形成された、Inを含む窒化物半導体からなるバリア層4と、バリア層4上に部分的に形成されたゲート電極8と、バリア層4上に部分的に形成された、窒化物半導体からなるキャップ層5と、キャップ層5上に部分的に形成されたドレイン電極7とを備える。   According to the present embodiment, the semiconductor device is a heterojunction field effect transistor including a nitride semiconductor and includes a channel layer 3 formed on the semiconductor substrate 1 and In formed on the channel layer 3. A barrier layer 4 made of a nitride semiconductor; a gate electrode 8 partially formed on the barrier layer 4; a cap layer 5 made of a nitride semiconductor partially formed on the barrier layer 4; 5 and a drain electrode 7 partially formed on the substrate 5.

そして、少なくとも、ゲート電極8のドレイン電極7に近い側の端部とキャップ層5とは、互いに離間して形成されている。   At least the end of the gate electrode 8 on the side close to the drain electrode 7 and the cap layer 5 are formed to be separated from each other.

このような構成によれば、ゲート電極8のドレイン電極7に近い側の端部とキャップ層5とが、互いに離間して形成されている。そのため、強電界が印加される箇所である、ドレイン電極7に近い側の端部のキャップ層5が除去されており、当該箇所における電子のトラップが抑制されるため、電流コラプス(パルス駆動時の電流低下)を抑制することができる。   According to such a configuration, the end of the gate electrode 8 on the side close to the drain electrode 7 and the cap layer 5 are formed to be separated from each other. For this reason, the cap layer 5 at the end close to the drain electrode 7 where the strong electric field is applied is removed, and the trapping of electrons at the location is suppressed, so that the current collapse (at the time of pulse driving) Current drop) can be suppressed.

また、このような構成によれば、オーミック電極のコンタクト抵抗を低減することができる。また、このような構成によれば、安定的な高出力動作をする高出力高周波トランジスタを実現することができる。   Moreover, according to such a configuration, the contact resistance of the ohmic electrode can be reduced. Further, according to such a configuration, it is possible to realize a high-output high-frequency transistor that performs a stable high-output operation.

なお、ソース電極6に近い側では、ゲート電極8とキャップ層5とが接触する構造とすることで、ソース電極6とゲート電極8との間の距離を短く設定することができる。このように構成することで、アクセス抵抗を低減して高出力化を図ることができる。   Note that the distance between the source electrode 6 and the gate electrode 8 can be set short by adopting a structure in which the gate electrode 8 and the cap layer 5 are in contact with each other on the side close to the source electrode 6. With this configuration, it is possible to reduce the access resistance and increase the output.

また、本実施形態によれば、ゲート電極8d(ゲート電極8e、ゲート電極8fまたはゲート電極8g)のドレイン電極7に近い側の側面が、段差形状である。   Further, according to the present embodiment, the side surface of the gate electrode 8d (gate electrode 8e, gate electrode 8f, or gate electrode 8g) near the drain electrode 7 has a step shape.

このような構成によれば、ゲート電極の端部における電界集中を抑制し、電流コラプスを低減することができる。   According to such a configuration, electric field concentration at the end of the gate electrode can be suppressed, and current collapse can be reduced.

また、本実施形態によれば、半導体装置が、キャップ層5上に部分的に形成されたソース電極6を備える。   Further, according to the present embodiment, the semiconductor device includes the source electrode 6 partially formed on the cap layer 5.

そして、ゲート電極8(ゲート電極8d、ゲート電極8eまたはゲート電極8f)のソース電極6に近い側の端部とキャップ層5とは、互いに離間して形成されている。   The end of the gate electrode 8 (gate electrode 8d, gate electrode 8e, or gate electrode 8f) near the source electrode 6 and the cap layer 5 are formed to be separated from each other.

このような構成によれば、ソース電極6に近い側の端部のキャップ層5も除去され、電流コラプス(パルス駆動時の電流低下)を抑制することができる。   According to such a configuration, the cap layer 5 at the end close to the source electrode 6 is also removed, and current collapse (current reduction during pulse driving) can be suppressed.

また、本実施形態によれば、半導体装置が、バリア層4およびキャップ層5を覆って形成された絶縁膜としての保護膜9を備える。   In addition, according to the present embodiment, the semiconductor device includes the protective film 9 as an insulating film formed so as to cover the barrier layer 4 and the cap layer 5.

このような構成によれば、バリア層4表面に形成される欠陥準位を低減することができるため、電流コラプスを抑制することができる。   According to such a configuration, since the defect level formed on the surface of the barrier layer 4 can be reduced, current collapse can be suppressed.

また、本実施形態によれば、キャップ層5はGaNであり、その結晶成長温度は900℃以下である。   Further, according to the present embodiment, the cap layer 5 is GaN, and the crystal growth temperature thereof is 900 ° C. or lower.

このような構成によれば、キャップ層5を低温で成長させることで、Inを含むバリア層4の結晶品質低下を抑制することができる。   According to such a configuration, the crystal quality of the barrier layer 4 containing In can be prevented from being lowered by growing the cap layer 5 at a low temperature.

また、本実施形態によれば、バリア層4は、InAlGa1−x−yN(0<x≦1、0<y≦1、0<x+y≦1)からなり、チャネル層3は、AlGa1−zN(0≦z≦1)からなる。 Further, according to this embodiment, the barrier layer 4, In x Al y Ga 1- x-y N (0 <x ≦ 1,0 <y ≦ 1,0 <x + y ≦ 1) consists, the channel layer 3 Is made of Al z Ga 1-z N (0 ≦ z ≦ 1).

このような構成によれば、ヘテロ界面に高濃度の2次元電子ガスを発生させることができる。   According to such a configuration, a high concentration two-dimensional electron gas can be generated at the heterointerface.

また、本実施形態によれば、半導体装置の製造方法が、窒化物半導体を備えるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造方法であり、層構造形成工程と、電極形成工程と、除去工程と、絶縁膜形成工程と、露出工程と、ゲート電極形成工程とを備える。   According to the present embodiment, the method for manufacturing a semiconductor device is a method for manufacturing a heterojunction field effect transistor including a nitride semiconductor, and includes a layer structure forming step, an electrode forming step, a removing step, and an insulating film. A formation step, an exposure step, and a gate electrode formation step.

層構造形成工程は、半導体基板1上に、エピタキシャル成長法を用いて、チャネル層3、Inを含む窒化物半導体からなるバリア層4および窒化物半導体からなるキャップ層5を順に形成する工程である。電極形成工程は、キャップ層5上において、ソース電極6およびドレイン電極7を互いに離間させて形成する工程である。除去工程は、ソース電極6とドレイン電極7との間に位置するキャップ層5の一部を除去する工程である。絶縁膜形成工程は、少なくとも、除去工程において露出したバリア層4を含む領域を覆う絶縁膜としての保護膜9を形成する工程である。露出工程は、ソース電極6とドレイン電極7との間に位置する保護膜9の一部を除去し、バリア層4を露出させる工程である。ゲート電極形成工程は、露出工程において露出したバリア層4上にゲート電極8を形成する工程である。   The layer structure forming step is a step of sequentially forming the channel layer 3, the barrier layer 4 made of a nitride semiconductor containing In, and the cap layer 5 made of a nitride semiconductor on the semiconductor substrate 1 by using an epitaxial growth method. The electrode forming step is a step of forming the source electrode 6 and the drain electrode 7 on the cap layer 5 so as to be separated from each other. The removing step is a step of removing a part of the cap layer 5 located between the source electrode 6 and the drain electrode 7. The insulating film forming step is a step of forming a protective film 9 as an insulating film covering at least the region including the barrier layer 4 exposed in the removing step. The exposure process is a process of removing a part of the protective film 9 located between the source electrode 6 and the drain electrode 7 to expose the barrier layer 4. The gate electrode formation step is a step of forming the gate electrode 8 on the barrier layer 4 exposed in the exposure step.

そして、露出工程は、ドレイン電極7に近い側のキャップ層5を露出させずに、バリア層4を露出させる工程である。   The exposure step is a step of exposing the barrier layer 4 without exposing the cap layer 5 on the side close to the drain electrode 7.

このような構成によれば、ゲート電極8のドレイン電極7に近い側の端部とキャップ層5とが、互いに離間して形成されている。そのため、強電界が印加される箇所である、ドレイン電極7に近い側の端部のキャップ層5が除去されており、当該箇所における電子のトラップが抑制されるため、電流コラプス(パルス駆動時の電流低下)を抑制することができる。   According to such a configuration, the end of the gate electrode 8 on the side close to the drain electrode 7 and the cap layer 5 are formed to be separated from each other. For this reason, the cap layer 5 at the end close to the drain electrode 7 where the strong electric field is applied is removed, and the trapping of electrons at the location is suppressed, so that the current collapse (at the time of pulse driving) Current drop) can be suppressed.

また、本実施形態によれば、絶縁膜形成工程は、露出工程で除去される領域において、エッチングレートの異なる2層以上の保護膜9を形成する工程であり、露出工程において除去された保護膜9の側面が段差形状であり、ゲート電極形成工程は、側面が段差形状であるゲート電極8d(ゲート電極8e、ゲート電極8fまたはゲート電極8g)を形成する工程である。   Further, according to the present embodiment, the insulating film forming step is a step of forming two or more protective films 9 having different etching rates in the region removed in the exposing step, and the protective film removed in the exposing step The side surface 9 has a step shape, and the gate electrode formation step is a step of forming a gate electrode 8d (gate electrode 8e, gate electrode 8f or gate electrode 8g) having a side surface having a step shape.

このような構成によれば、ゲート電極の端部における電界集中を抑制し、電流コラプスを低減することができる。   According to such a configuration, electric field concentration at the end of the gate electrode can be suppressed, and current collapse can be reduced.

<第2実施形態>
<製造方法>
本実施形態に関する窒化物半導体からなるヘテロ接合電界効果型トランジスタは、GaNからなるキャップ層5が、選択再成長を用いて形成される点で第1実施形態と異なっている。なお、上記実施形態で説明した構成と同様の構成については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略する。また、上記実施形態で説明した製造方法と同様の製造については、その詳細な説明については適宜省略する。
Second Embodiment
<Manufacturing method>
The heterojunction field effect transistor made of a nitride semiconductor according to this embodiment is different from the first embodiment in that the cap layer 5 made of GaN is formed using selective regrowth. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and shown about the structure similar to the structure demonstrated in the said embodiment, and the detailed description is abbreviate | omitted suitably. Moreover, about the manufacture similar to the manufacturing method demonstrated by the said embodiment, the detailed description is abbreviate | omitted suitably.

まず、半導体基板1上にバッファ層2、チャネル層3、バリア層4をそれぞれエピタキシャル成長させる(図19)。   First, the buffer layer 2, the channel layer 3, and the barrier layer 4 are epitaxially grown on the semiconductor substrate 1 (FIG. 19).

次に、酸化シリコンSiO等をバリア層4上に30[nm]程度形成し、パターニングしたレジスト等を用いた選択的エッチングにより、マスク層11を形成する(図20)。 Next, silicon oxide SiO 2 or the like is formed on the barrier layer 4 to a thickness of about 30 [nm], and the mask layer 11 is formed by selective etching using a patterned resist or the like (FIG. 20).

続いて、再びエピタキシャル成長法によりGaN層を形成し、マスク層11以外の部分に選択的に、窒化物半導体からなるキャップ層5を形成する。このとき、Inを含む窒化物半導体からなるバリア層4に対するダメージを抑制するため、成長温度は900℃以下であることが望ましい。続いて、フッ酸等を用いたウェットエッチングによりマスク層11を除去することで、図21に示される構造を得る。   Subsequently, a GaN layer is formed again by the epitaxial growth method, and a cap layer 5 made of a nitride semiconductor is selectively formed in a portion other than the mask layer 11. At this time, the growth temperature is desirably 900 ° C. or lower in order to suppress damage to the barrier layer 4 made of a nitride semiconductor containing In. Subsequently, the structure shown in FIG. 21 is obtained by removing the mask layer 11 by wet etching using hydrofluoric acid or the like.

続いて、ソース電極6およびドレイン電極7を蒸着法またはスパッタ法を用いて形成し、イオン注入法等を用いて素子分離領域10を形成する(図22)。図22に示される構造は、第1実施形態における図9に示される構造と同等の形状である。   Subsequently, the source electrode 6 and the drain electrode 7 are formed using an evaporation method or a sputtering method, and the element isolation region 10 is formed using an ion implantation method or the like (FIG. 22). The structure shown in FIG. 22 has the same shape as the structure shown in FIG. 9 in the first embodiment.

この製造方法を用いることで、後にゲート電極が形成される領域の近傍において、プラズマ等を用いたキャップ層5のドライエッチングプロセスを用いなくとも、図1に示されるトランジスタ構造を得ることができる。これによって、バリア層4表面へのエッチングダメージが発生せず、電流コラプスの原因となるトラップ準位の形成を抑えられる。したがって、パルス駆動または高周波駆動時にも高出力を実現するトランジスタを得ることができる。   By using this manufacturing method, the transistor structure shown in FIG. 1 can be obtained without using a dry etching process of the cap layer 5 using plasma or the like in the vicinity of a region where a gate electrode is formed later. As a result, etching damage to the surface of the barrier layer 4 does not occur, and the formation of trap levels that cause current collapse can be suppressed. Therefore, it is possible to obtain a transistor that achieves high output even during pulse driving or high frequency driving.

この後の工程は第1実施形態に示されたものと同様である。すなわち、AlまたはSiN等からなる保護膜9を形成し、レジスト等を使って保護膜9上に形成したパターンを用いて、reactive ion etching(RIE)法、または、ウェットエッチング法等を用いて選択的に保護膜9の一部を除去する。 The subsequent steps are the same as those shown in the first embodiment. That is, a protective film 9 made of Al 2 O 3 or SiN or the like is formed, and a reactive ion etching (RIE) method or a wet etching method is used using a pattern formed on the protective film 9 using a resist or the like. A part of the protective film 9 is selectively removed by using.

続いて、Ni/Auからなるゲート電極8を蒸着法またはスパッタ法を用いて堆積し、リフトオフ法等により形成することで、図1に示される構造が得られる。   Subsequently, a gate electrode 8 made of Ni / Au is deposited by vapor deposition or sputtering, and formed by a lift-off method or the like, whereby the structure shown in FIG. 1 is obtained.

<効果>
以下に、本実施形態による効果を例示する。
<Effect>
Below, the effect by this embodiment is illustrated.

本実施形態によれば、半導体装置の製造方法が、窒化物半導体を備えるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造方法であり、層構造形成工程と、マスク層形成工程と、キャップ層形成工程と、除去工程と、電極形成工程と、絶縁膜形成工程と、露出工程と、ゲート電極形成工程とを備える。   According to the present embodiment, the method for manufacturing a semiconductor device is a method for manufacturing a heterojunction field effect transistor including a nitride semiconductor, a layer structure forming step, a mask layer forming step, a cap layer forming step, and a removal A process, an electrode formation process, an insulating film formation process, an exposure process, and a gate electrode formation process.

層構造形成工程は、半導体基板1上に、エピタキシャル成長法を用いて、チャネル層3およびInを含む窒化物半導体からなるバリア層4を順に形成する工程である。マスク層形成工程は、バリア層4上において、マスク層11を部分的に形成する工程である。キャップ層形成工程は、バリア層4上において、エピタキシャル成長法を用いて、窒化物半導体からなるキャップ層5を形成する工程である。除去工程は、マスク層11を除去する工程である。電極形成工程は、キャップ層5上において、ソース電極6およびドレイン電極7を互いに離間させて形成する工程である。絶縁膜形成工程は、少なくとも、除去工程において露出したバリア層4を含む領域を覆う絶縁膜としての保護膜9を形成する工程である。露出工程は、ソース電極6とドレイン電極7との間に位置する保護膜9の一部を除去し、バリア層4を露出させる工程である。ゲート電極形成工程は、露出工程において露出したバリア層4上にゲート電極8を形成する工程である。   The layer structure forming step is a step of sequentially forming the channel layer 3 and the barrier layer 4 made of a nitride semiconductor containing In on the semiconductor substrate 1 by using an epitaxial growth method. The mask layer forming step is a step of partially forming the mask layer 11 on the barrier layer 4. The cap layer forming step is a step of forming the cap layer 5 made of a nitride semiconductor on the barrier layer 4 using an epitaxial growth method. The removal process is a process of removing the mask layer 11. The electrode forming step is a step of forming the source electrode 6 and the drain electrode 7 on the cap layer 5 so as to be separated from each other. The insulating film forming step is a step of forming a protective film 9 as an insulating film covering at least the region including the barrier layer 4 exposed in the removing step. The exposure process is a process of removing a part of the protective film 9 located between the source electrode 6 and the drain electrode 7 to expose the barrier layer 4. The gate electrode formation step is a step of forming the gate electrode 8 on the barrier layer 4 exposed in the exposure step.

そして、露出工程は、ドレイン電極7に近い側のキャップ層5を露出させずに、バリア層4を露出させる工程である。   The exposure step is a step of exposing the barrier layer 4 without exposing the cap layer 5 on the side close to the drain electrode 7.

このような構成によれば、バリア層4上にマスク層11を部分的に形成し、その後、バリア層4上においてキャップ層5を形成する。そのため、さらにその後にマスク層11を除去することで、ドライエッチングを用いずにキャップ層5が除去された領域を形成することができる。ドライエッチングを必要としないため、キャップ層5をドライエッチングした場合に発生する、結晶ダメージを抑制することができる。   According to such a configuration, the mask layer 11 is partially formed on the barrier layer 4, and then the cap layer 5 is formed on the barrier layer 4. Therefore, by further removing the mask layer 11 after that, it is possible to form a region where the cap layer 5 is removed without using dry etching. Since dry etching is not required, crystal damage that occurs when the cap layer 5 is dry etched can be suppressed.

上記実施形態では、各構成要素の材質、材料または実施の条件等についても記載しているが、これらはすべての局面において例示であって、本発明が記載したものに限られるものではない。よって、例示されていない無数の変形例(任意の構成要素の変形または省略、さらには、異なる実施形態間の自由な組み合わせを含む)が、本発明の範囲内において想定され得る。   In the said embodiment, although the material of each component, material, or the conditions of implementation etc. are described, these are illustrations in all the aspects, Comprising: It is not restricted to what this invention described. Accordingly, countless variations that are not illustrated (including modifications or omissions of arbitrary components and free combinations between different embodiments) can be envisaged within the scope of the present invention.

1 半導体基板、2 バッファ層、3 チャネル層、4 バリア層、5,5a キャップ層、6 ソース電極、7 ドレイン電極、8,8a,8b,8c,8d,8f,8g ゲート電極、9 保護膜、10 素子分離領域、11 マスク層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate, 2 Buffer layer, 3 Channel layer, 4 Barrier layer, 5, 5a Cap layer, 6 Source electrode, 7 Drain electrode, 8, 8a, 8b, 8c, 8d, 8f, 8g Gate electrode, 9 Protective film, 10 element isolation region, 11 mask layer.

Claims (9)

窒化物半導体を備えるヘテロ接合電界効果型トランジスタであり、
半導体基板上に形成されたチャネル層と、
前記チャネル層上に形成された、Inを含む前記窒化物半導体からなるバリア層と、
前記バリア層上に部分的に形成されたゲート電極と、
前記バリア層上に部分的に形成された、前記窒化物半導体からなるキャップ層と、
前記キャップ層上に部分的に形成されたドレイン電極とを備え、
少なくとも、前記ゲート電極の前記ドレイン電極に近い側の端部と前記キャップ層とは、互いに離間して形成されている、
半導体装置。
A heterojunction field effect transistor comprising a nitride semiconductor,
A channel layer formed on a semiconductor substrate;
A barrier layer made of the nitride semiconductor containing In, formed on the channel layer;
A gate electrode partially formed on the barrier layer;
A cap layer made of the nitride semiconductor and partially formed on the barrier layer;
A drain electrode partially formed on the cap layer,
At least the end of the gate electrode on the side close to the drain electrode and the cap layer are formed apart from each other.
Semiconductor device.
前記ゲート電極の前記ドレイン電極に近い側の側面が、段差形状である、
請求項1に記載の半導体装置。
The side surface of the gate electrode close to the drain electrode has a step shape.
The semiconductor device according to claim 1.
前記キャップ層上に部分的に形成されたソース電極をさらに備え、
前記ゲート電極の前記ソース電極に近い側の端部と前記キャップ層とは、互いに離間して形成されている、
請求項1または2に記載の半導体装置。
A source electrode partially formed on the cap layer;
The end of the gate electrode on the side close to the source electrode and the cap layer are formed apart from each other.
The semiconductor device according to claim 1.
前記バリア層および前記キャップ層を覆って形成された絶縁膜をさらに備える、
請求項1から3のうちのいずれか1項に記載の半導体装置。
An insulating film formed to cover the barrier layer and the cap layer;
The semiconductor device according to claim 1.
前記キャップ層はGaNであり、その結晶成長温度は900℃以下である、
請求項1から4のうちのいずれか1項に記載の半導体装置。
The cap layer is GaN, and the crystal growth temperature is 900 ° C. or lower.
The semiconductor device according to claim 1.
前記バリア層は、InAlGa1−x−yN(0<x≦1、0<y≦1、0<x+y≦1)からなり、
前記チャネル層は、AlGa1−zN(0≦z≦1)からなる、
請求項1から5のうちのいずれか1項に記載の半導体装置。
The barrier layer is made of In x Al y Ga 1-x -y N (0 <x ≦ 1,0 <y ≦ 1,0 <x + y ≦ 1),
The channel layer is made of Al z Ga 1-z N (0 ≦ z ≦ 1).
The semiconductor device according to claim 1.
窒化物半導体を備えるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造方法であり、
半導体基板上に、エピタキシャル成長法を用いて、チャネル層、Inを含む前記窒化物半導体からなるバリア層および前記窒化物半導体からなるキャップ層を順に形成する層構造形成工程と、
前記キャップ層上において、ソース電極およびドレイン電極を互いに離間させて形成する電極形成工程と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に位置する前記キャップ層の一部を除去する除去工程と、
少なくとも、前記除去工程において露出した前記バリア層を含む領域を覆う絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に位置する前記絶縁膜の一部を除去し、前記バリア層を露出させる露出工程と、
前記露出工程において露出した前記バリア層上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程とを備え、
前記露出工程が、前記ドレイン電極に近い側の前記キャップ層を露出させずに、前記バリア層を露出させる工程である、
半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a heterojunction field effect transistor comprising a nitride semiconductor,
A layer structure forming step of sequentially forming a channel layer, a barrier layer made of the nitride semiconductor containing In, and a cap layer made of the nitride semiconductor on the semiconductor substrate using an epitaxial growth method;
An electrode forming step of forming a source electrode and a drain electrode apart from each other on the cap layer;
A removing step of removing a part of the cap layer located between the source electrode and the drain electrode;
An insulating film forming step of forming an insulating film covering at least the region including the barrier layer exposed in the removing step;
An exposing step of removing a part of the insulating film located between the source electrode and the drain electrode to expose the barrier layer;
A gate electrode forming step of forming a gate electrode on the barrier layer exposed in the exposing step,
The exposing step is a step of exposing the barrier layer without exposing the cap layer on the side close to the drain electrode.
A method for manufacturing a semiconductor device.
窒化物半導体を備えるヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造方法であり、
半導体基板上に、エピタキシャル成長法を用いて、チャネル層およびInを含む前記窒化物半導体からなるバリア層を順に形成する層構造形成工程と、
前記バリア層上において、マスク層を部分的に形成するマスク層形成工程と、
前記バリア層上において、エピタキシャル成長法を用いて、前記窒化物半導体からなるキャップ層を形成するキャップ層形成工程と、
前記マスク層を除去する除去工程と、
前記キャップ層上において、ソース電極およびドレイン電極を互いに離間させて形成する電極形成工程と、
少なくとも、前記除去工程において露出した前記バリア層を含む領域を覆う絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に位置する前記絶縁膜の一部を除去し、前記バリア層を露出させる露出工程と、
前記露出工程において露出した前記バリア層上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程とを備え、
前記露出工程が、前記ドレイン電極に近い側の前記キャップ層を露出させずに、前記バリア層を露出させる工程である、
半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a heterojunction field effect transistor comprising a nitride semiconductor,
A layer structure forming step of sequentially forming a channel layer and a barrier layer made of the nitride semiconductor including In on a semiconductor substrate by using an epitaxial growth method;
A mask layer forming step of partially forming a mask layer on the barrier layer;
A cap layer forming step of forming a cap layer made of the nitride semiconductor on the barrier layer using an epitaxial growth method;
A removing step of removing the mask layer;
An electrode forming step of forming a source electrode and a drain electrode apart from each other on the cap layer;
An insulating film forming step of forming an insulating film covering at least the region including the barrier layer exposed in the removing step;
An exposing step of removing a part of the insulating film located between the source electrode and the drain electrode to expose the barrier layer;
A gate electrode forming step of forming a gate electrode on the barrier layer exposed in the exposing step,
The exposing step is a step of exposing the barrier layer without exposing the cap layer on the side close to the drain electrode.
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記絶縁膜形成工程は、前記露出工程で除去される領域において、エッチングレートの異なる2層以上の前記絶縁膜を形成する工程であり、
前記露出工程において除去された前記絶縁膜の側面が段差形状であり、
前記ゲート電極形成工程は、側面が段差形状である前記ゲート電極を形成する工程である、
請求項7または8に記載の半導体装置の製造方法。
The insulating film forming step is a step of forming the insulating film of two or more layers having different etching rates in the region removed in the exposing step,
The side surface of the insulating film removed in the exposing step has a step shape,
The gate electrode forming step is a step of forming the gate electrode having a stepped side surface.
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7 or 8.
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