JP6764375B2 - Field effect transistor - Google Patents
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Description
本発明は、ゲート短縮による高周波動作を実現し、かつ電界集中に伴う短チャネル効果を抑制可能な電界効果型トランジスタの構造に関する。 The present invention relates to the structure of a field effect transistor that can realize high frequency operation by shortening the gate and suppress the short channel effect associated with electric field concentration.
0.3〜3.0THzの電磁波周波数帯であるテラヘルツ波には、数10Gb/sを超える高速無線通信や、3次元イメージングによる非破壊内部検査、電磁波吸収を利用した成分分析など、これまでにはない新たなアプリケーション創出の可能性が秘められている。 For terahertz waves, which are in the electromagnetic wave frequency band of 0.3 to 3.0 THz, high-speed wireless communication exceeding several tens of Gb / s, non-destructive internal inspection by three-dimensional imaging, and component analysis using electromagnetic wave absorption have been conducted so far. There is a potential to create new applications.
テラヘルツ波によるアプリケーションを実現するためには、それを構成する電子デバイスについて良好な高周波特性が必要とされる。一般的に良好な高周波特性を有する電子デバイスとして、物性的に特に高い電子移動度を有する化合物半導体を材料とした電界効果型トランジスタが用いられる。今後テラヘルツ波技術の更なる発展に向けては、より良好な高周波特性を有する電界効果型トランジスタが必要である。 In order to realize an application using terahertz waves, good high-frequency characteristics are required for the electronic devices that compose the application. Generally, as an electronic device having good high-frequency characteristics, a field-effect transistor made of a compound semiconductor having a particularly high electron mobility in terms of physical properties is used. For the further development of terahertz wave technology in the future, field-effect transistors with better high-frequency characteristics are required.
電界効果型トランジスタは、半導体基板と、半導体基板上に形成された半導体層と、半導体層上に形成されたゲート電極と、ゲート電極の両脇に形成されるソース電極及びドレイン電極とで構成される。特に、周波特性に優れる高電子移動度トランジスタ(HEMT)は、半導体基板上に対して積層方向に、バッファ層、伝導チャネル層、キャリア供給層、障壁層、オーミックキャップ層などから構成される。 The field-effect transistor is composed of a semiconductor substrate, a semiconductor layer formed on the semiconductor substrate, a gate electrode formed on the semiconductor layer, and a source electrode and a drain electrode formed on both sides of the gate electrode. To. In particular, a high electron mobility transistor (HEMT) having excellent frequency characteristics is composed of a buffer layer, a conduction channel layer, a carrier supply layer, a barrier layer, an ohmic cap layer, and the like in the stacking direction with respect to the semiconductor substrate.
電界効果型トランジスタでは、ゲート電極に対して電位を印加すると、その強度に応じ、キャリア供給層から伝導チャネル層に対してキャリアが供給されて形成される2次元電子ガスの濃度が変調され、ソース電極とドレイン電極との間に形成された伝導チャネル層を通じて電子が移動する。この際、キャリアが走行する伝導チャネル層と電子供給層は空間的に分離されて不純物による散乱が抑制されるため、電子移動度を向上させることができる。その結果、電界効果型トランジスタでは、高周波動作を実現することができる。 In a field-effect transistor, when a potential is applied to the gate electrode, the concentration of two-dimensional electron gas formed by supplying carriers from the carrier supply layer to the conduction channel layer is modulated according to the intensity of the potential, and the source is Electrons move through a conduction channel layer formed between the electrodes and the drain electrode. At this time, the conduction channel layer on which the carrier travels and the electron supply layer are spatially separated to suppress scattering due to impurities, so that the electron mobility can be improved. As a result, the field effect transistor can realize high frequency operation.
優れた高周波特性を有する電界効果型トランジスタを実現するためには、この伝導チャネル層における変調速度を向上させることが必要である。この変調速度を向上させるためには、ゲート長を短縮し、伝導チャネル層におけるキャリア走行時間を短縮させることが必要である。 In order to realize a field effect transistor having excellent high frequency characteristics, it is necessary to improve the modulation rate in this conduction channel layer. In order to improve this modulation rate, it is necessary to shorten the gate length and shorten the carrier travel time in the conduction channel layer.
しかしながら、ゲート長の短縮を推し進めた場合、伝導チャネル長も同時に短くなる。この状態でドレイン電圧を印加すると、ゲート電極直下の伝導チャネル層においてドレイン電極からの電界が作用し、伝導チャネル層を走行するキャリアの分布に偏りを生じさせる。この悪影響を短チャネル効果と呼び、DIBL(Drain induced barrier lowering)やインパクトイオン化と呼ばれる現象を引き起こす。電界効果型トランジスタに対して、DIBLはしきい値電圧の低下、ピンチオフ特性の劣化、サブスレッショルド特性の劣化などを主に引き起こし、インパクトイオン化はデバイスの信頼性劣化やキンクの発生などを主に引き起こす。 However, if the gate length is shortened, the conduction channel length is also shortened at the same time. When a drain voltage is applied in this state, an electric field from the drain electrode acts on the conduction channel layer directly under the gate electrode, causing a bias in the distribution of carriers traveling in the conduction channel layer. This adverse effect is called the short channel effect, and causes a phenomenon called DIBL (Drain induced barrier lowering) or impact ionization. For field-effect transistors, DIBL mainly causes a decrease in threshold voltage, deterioration of pinch-off characteristics, deterioration of subthreshold characteristics, etc., and impact ionization mainly causes deterioration of device reliability and generation of kink. ..
その結果、ゲート長を短縮してキャリア走行時間を短くする効果よりも、短チャネル効果による特性劣化の影響が大きくなり、高周波特性は著しく劣化する。よって、ゲート短縮に伴い発生する電界集中による短チャネル効果を抑制しながら、高周波特性を向上させた電界効果型トランジスタを実現する必要がある。 As a result, the effect of characteristic deterioration due to the short channel effect is greater than the effect of shortening the gate length and shortening the carrier travel time, and the high frequency characteristics are significantly deteriorated. Therefore, it is necessary to realize a field effect transistor having improved high frequency characteristics while suppressing the short channel effect due to the electric field concentration generated by shortening the gate.
ゲート電極直下のドレイン電極側付近の伝導チャネル層を含めて、ゲート電極及びドレイン電極間の電界強度を緩和する代表的な従来技術として、フィールドプレート構造がある(例えば特許文献1及び2参照)。 There is a field plate structure as a typical conventional technique for relaxing the electric field strength between the gate electrode and the drain electrode, including the conduction channel layer near the drain electrode side directly under the gate electrode (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
図1は、特許文献1に記載された電界効果型トランジスタの構成を示す。図1には、半導体基板11と、半導体基板11上に形成された伝導チャネル層12と、ソース電極13と、ドレイン電極14と、ゲート電極15と、ゲート電極15と接してチャネル層12上に形成された第1の誘電体層16と、少なくともソース電極13とゲート電極15との間の伝導チャネル層12上に形成された第2の誘電体層17と、ゲート電極15を上方から覆うとともに第1の誘電体層16の上面に垂下する先端部19を備えたソースウォール18と、を備えた、フィールドプレート構造を有する電界効果型トランジスタが記載されている。図1に示される電界効果型トランジスタでは、第1の誘電体層16は、第2の誘電体層17よりも誘電率が高い。
FIG. 1 shows the configuration of the field effect transistor described in Patent Document 1. In FIG. 1, the
図1に示す特許文献1に記載の構成によると、ドレイン電極14とゲート電極15との間の電気力線が、第2の誘電体層17よりも高誘電率の第1の誘電体層16を介してソースウォール18の先端部19の方に引き寄せられるため、ゲート電極15直下のドレイン電極側付近の伝導チャネル層12を含めて、ドレイン電極14とゲート電極15との間の電界集中を緩和させることができる。
According to the configuration described in Patent Document 1 shown in FIG. 1, the electric power line between the
図2は、特許文献2に記載された電界効果型トランジスタの構成を示す。図2には、半導体基板21と、半導体基板21上に形成された窒化物半導体層22と、ソース電極23と、ドレイン電極24と、ゲート電極25と、ドレイン電極24とゲート電極25との間の領域において形成される第1のフィールドプレート26と、第1のフィールドプレート26と絶縁されて上部に形成される第2のフィールドプレート27と、ドレイン電極24とゲート電極25との間の領域において窒化物半導体層22の表面を被覆する第1の絶縁膜28と、第1のフィールドプレート26とドレイン電極24との間の領域において、第1の絶縁膜28上に設けられた第2の絶縁膜29と、を備えた、デュアルフィールドプレート構造を有する電界効果型トランジスタが示されている。
FIG. 2 shows the configuration of the field effect transistor described in Patent Document 2. In FIG. 2, between the
第2のフィールドプレート27は、第1のフィールドプレート26とドレイン電極24との間の領域にあって第1のフィールドプレート26をドレイン電極24から遮蔽する遮蔽部30を含む。遮蔽部30の上端は、第1のフィールドプレート26の上端よりも上部に位置しており、ゲート電極25及び第1のフィールドプレート26から形成される構造体の上部に第2のフィールドプレート27がオーバーラップしている。
The
図2に示す電界効果型トランジスタによると、該デュアルフィールドプレート構造によって、ゲート電極25直下のドレイン電極側付近の窒化物半導体層22を含めて、ドレイン電極24とゲート電極25との間の電界集中を効率的に緩和させることができる。
According to the field effect transistor shown in FIG. 2, due to the dual field plate structure, the electric field concentration between the
しかしながら、上述した従来技術は、いずれも高出力応用の電界効果型トランジスタにおいて耐圧特性向上のために供される。つまり、ゲート電極やドレイン電極に対して10Vから数100V程度か、それ以上の電圧を印加した場合において、ゲート電極下端からドレイン電極の全領域にわたって、電界集中を緩和させ、絶縁破壊を抑制するための構造であり、高周波特性を向上させるための構造ではない。 However, all of the above-mentioned conventional techniques are used for improving withstand voltage characteristics in field effect transistors for high output applications. That is, in order to relax the electric field concentration and suppress dielectric breakdown from the lower end of the gate electrode to the entire region of the drain electrode when a voltage of about 10 V to several 100 V or more is applied to the gate electrode and the drain electrode. It is not a structure for improving high frequency characteristics.
実際にフィールドプレート構造を採用した場合、実効的にはゲート電極やソース電極の面積が拡大される分だけ寄生容量を増大させてしまう。寄生容量の増大は、電界効果型トランジスタを伝搬する信号の伝送遅延を増加させ、高速化を阻害する。これは、電界効果型トランジスタの高周波動作の実現の妨げとなる。 When the field plate structure is actually adopted, the parasitic capacitance is effectively increased by the amount that the area of the gate electrode and the source electrode is expanded. Increasing the parasitic capacitance increases the transmission delay of the signal propagating through the field effect transistor and hinders the speedup. This hinders the realization of high-frequency operation of the field-effect transistor.
以上をまとめると、ゲート短縮による短チャネル効果を精度よく制御し、かつ寄生容量を増大させないことによって高周波動作を実現可能な電界効果型トランジスタの構造の実現が大きな課題である。 Summarizing the above, it is a big issue to realize a structure of a field effect transistor that can realize high frequency operation by accurately controlling the short channel effect due to gate shortening and not increasing the parasitic capacitance.
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る電界効果型トランジスタは、半導体基板の回路形成面側に、バッファ層と、伝導チャネル層と、スペーサ層と、キャリア供給層と、障壁層と、が順次積層され、前記障壁層上に離間して形成された2つのオーミックキャップ層と、前記2つのオーミックキャップ層上にそれぞれ形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記障壁層上で前記ソース電極及び前記ドレイン電極間に形成されたゲート電極と、を備えた電界効果型トランジスタであって、前記回路形成面側とは反対側の前記半導体基板の裏面側であって、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の位置に、前記伝導チャネル層に接しないように前記半導体基板に埋め込まれて形成された電界緩和用電極をさらに備え、前記電界緩和用電極は、電位を印加可能に構成されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the electric field effect transistor according to one aspect of the present invention has a buffer layer, a conduction channel layer, a spacer layer, a carrier supply layer, and a barrier layer on the circuit forming surface side of the semiconductor substrate. , And two ohmic cap layers formed on the barrier layer apart from each other, a source electrode and a drain electrode formed on the two ohmic cap layers, respectively, and the above-mentioned on the barrier layer. An electric field effect transistor including a gate electrode formed between a source electrode and a drain electrode, which is a back surface side of the semiconductor substrate opposite to the circuit forming surface side and is a gate electrode. An electric field relaxation electrode formed by being embedded in the semiconductor substrate so as not to come into contact with the conduction channel layer is further provided at a position between the drain electrode and the electric field relaxation electrode so that a potential can be applied. It is characterized by being done.
本発明に係る電界効果型トランジスタによると、フィールドプレート構造を形成することなく、ゲート電極直下のドレイン電極側付近の伝導チャネル層の電界集中を緩和させる構造であるため、寄生容量を低減して高周波化を図りながら短チャネル効果を抑制することができる。 According to the field effect transistor according to the present invention, since the structure is such that the electric field concentration of the conduction channel layer near the drain electrode side directly under the gate electrode is relaxed without forming the field plate structure, the parasitic capacitance is reduced and the high frequency is generated. It is possible to suppress the short-channel effect while trying to improve the quality.
本発明は、高周波性能を維持することを前提としている。例えばInP系のゲート長100nm以下のテラヘルツ帯の動作が期待できる電界効果型トランジスタの場合には、最大数V程度の電圧をゲート電極やドレイン電極に対して印加して動作させる場合を想定している。この場合、ゲート電極下端におけるドレイン電極からの電界集中は、電子などの伝導キャリアに影響を及ぼす程度、つまり特許文献1及び2に記載のようなフィールドプレート構造を高出力応用する場合よりも微弱である。つまり、高速動作する電界効果型トランジスタの短チャネル効果の抑制には、このわずかな電界集中を緩和させれば充分である。 The present invention is premised on maintaining high frequency performance. For example, in the case of a field-effect transistor that can be expected to operate in the terahertz band with an InP gate length of 100 nm or less, it is assumed that a voltage of about several V at the maximum is applied to the gate electrode and drain electrode for operation. There is. In this case, the electric field concentration from the drain electrode at the lower end of the gate electrode is weaker than the case where the field plate structure as described in Patent Documents 1 and 2 is applied with high output to the extent that it affects the conduction carrier such as electrons. is there. That is, in order to suppress the short-channel effect of the field-effect transistor operating at high speed, it is sufficient to alleviate this slight electric field concentration.
本発明は、高周波動作を実現するためにゲート長を短縮した電界効果型トランジスタにおいて、ゲート電極直下のドレイン電極側付近の伝導チャネル層における電界集中を精度良く緩和し、かつ寄生容量の増加を抑えることによって高周波動作化を実現する。 The present invention accurately alleviates the electric field concentration in the conduction channel layer near the drain electrode side directly under the gate electrode and suppresses the increase in parasitic capacitance in the field effect transistor in which the gate length is shortened to realize high frequency operation. By doing so, high frequency operation is realized.
(実施例1)
図3は、本発明の実施例1に係る電界効果型トランジスタの構成を示す模式的な断面拡大図(後述の図4のIII-III’断面図)である。図3には、半導体基板101と、半導体基板101上に形成されたバッファ層102と、バッファ層102上に形成された伝導チャネル層103と、伝導チャネル層103上に形成されたスペーサ層104と、スペーサ層104上に形成されたキャリア供給層105と、キャリア供給層105上に形成された障壁層106と、障壁層106上に離間して形成された2つのオーミックキャップ層107と、2つのオーミックキャップ層107上にそれぞれ形成されたソース電極108及びドレイン電極109と、障壁層106上でソース電極108及びドレイン電極109間に形成されたゲート電極110と、ソース電極108及びドレイン電極109のゲート電極110側の側部にそれぞれ形成されたゲートマスク用絶縁膜111と、半導体基板101の裏面側に形成された電界緩和用電極112と、を備えた電界効果型トランジスタが示されている。ここで、図1において半導体基板101上にバッファ層102等が形成されている面を回路形成面とし、その反対側の面を裏面とする。
(Example 1)
FIG. 3 is a schematic cross-sectional enlarged view (III-III'cross-sectional view of FIG. 4 described later) showing the configuration of the field-effect transistor according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 3, the
図3に示されるように、ゲート電極110に対してソース電極108及びドレイン電極109側方向の両脇には、リセス領域113が存在する。また、ソース電極108及びドレイン電極109の各々の直下に形成されたスペーサ層104、キャリア供給層105、障壁層106及びオーミックキャップ層107により、オーミック領域114が構成されている。
As shown in FIG. 3,
電界緩和用電極112は、半導体基板101の裏面であってドレイン電極109及びゲート電極110間の位置に、伝導チャネル層103に接しないように半導体基板101に埋め込まれて形成されている。電界緩和用電極112は、ゲート電極110直下のドレイン電極109側付近の伝導チャネル層103における電界集中を緩和するように補償電位を印加するように構成されている。
The electric
図4は、本発明の実施例1に係る電界効果型トランジスタの上面図である。図4に示されるように、電界緩和用電極112は、ソース電極108、ドレイン電極109及びゲート電極110と平行に形成されており、半導体基板101の裏面と回路形成面との間を貫通する基板貫通ヴィア115に接続されている。また、半導体基板101の回路形成面には、端部に電界緩和用電極パッド116、及び反対側の端部にゲート電極パッド117が形成されている。電界緩和用電極112は基板貫通ヴィア115を介して電界緩和用電極パッド116に接続されており、ゲート電極110はゲート電極パッド117に接続されている。
FIG. 4 is a top view of the field effect transistor according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the electric
以下の実施例では、InPを用いたInP−HEMTを例に説明する。伝導チャネルは電子が多数キャリアとなる。しかし、本発明は、InP系材料に限定されず、本発明の原理を逸脱しない限り、他の半導体材料を用いた電界効果型トランジスタにも適用可能である。 In the following examples, InP-HEMT using InP will be described as an example. The conduction channel has a large number of electrons as carriers. However, the present invention is not limited to InP-based materials, and can be applied to field-effect transistors using other semiconductor materials as long as the principle of the present invention is not deviated.
まず、InPからなる半導体基板101上に、InAlAsからなる膜厚100〜300nmのバッファ層102、InGaAsからなる膜厚5〜20nmの伝導チャネル層103、InAlAsからなる膜厚2〜5nmのスペーサ層104、不純物としてSiが1×1019〜2×1019cm-3ドープされたInAlAsからなるキャリア供給層105、InAlAsからなる膜厚5〜20nmの障壁層106、及びSiが1×1019〜2×1019cm-3ドープされたInGaAsからなるオーミックキャップ層107を、有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法などによって結晶成長させることにより順次積層する。
First, on the
オーミックキャップ層107のオーミック領域114の部分に、例えば、Ti/Pt/Ni、もしくは少なくともこれらの金属を含んだ複数種の金属の組み合わせからなるソース電極108及びドレイン電極109を形成する。ソース電極108及びドレイン電極109の直下にオーミック領域114のオーミックキャップ層107が存在することにより、ソース電極108及びドレイン電極109は、半導体基板101に対してオーミック接合する。
A
オーミックキャップ層107、ソース電極108及びドレイン電極109上に、ゲートマスク用絶縁膜111を形成する。ゲートマスク用絶縁膜111は、例えば酸化シリコンや窒化シリコンで構成することができ、典型的な厚さは例えば20〜200nmである。この厚さでゲートマスク用絶縁膜111を形成することによって、短いゲート長及び高い歩留まりを兼ね備えた電界効果型トランジスタの実現が可能になる。
An insulating
次に、ソース電極108とドレイン電極109との間のゲートマスク用絶縁膜111及びオーミックキャップ層107を部分的に除去することにより障壁層106が部分的に露出するように開口部に形成する。その後、開口部の側壁部分のオーミックキャップ層107を選択的に除去することにより、開口部から横方向にオーミックキャップ層107が除去されたリセス領域113を形成する。
Next, the
次に、開口部に、下端が障壁層106に達するゲート電極110を形成する。ゲート電極110の主材料には、Au、Ag、Cuなどの低抵抗金属が用いられ、その形成方法には例えば電界めっき、無電解めっき法、スパッタリング法、真空蒸着法が用いられる。
Next, a
ゲート電極110のサイズや形状は、それぞれソース電極108及びドレイン電極109に対して寄生容量が発生せず、かつゲート電極110全体の抵抗が十分低くなるように設計される。ゲート長(チャネル)と平行な方向(以下、この方向をゲート長方向とする)におけるゲート電極110の長さは、例えば典型的には0.01〜5μmに設計される。また、ゲート電極110のゲート長方向の長さは、例えばT字型にするなど、ゲート電極110の回路形成面側の端部のゲート長方向の長さが、ゲート電極110の裏面側の端部のゲート長方向の長さよりも大きくなるように設計してもよい。
The size and shape of the
ゲート電極110とソース電極108との間の間隔、及びゲート電極110とドレイン電極109との間の間隔は、例えば、概ね200〜3000nmとすることができる。特に、トランジスタの出力特性をより良好なものとするために、ゲート電極110とソース電極108との間の間隔に比べ、ゲート電極110とドレイン電極109との間の間隔を大きくするように設定してもよい。
The distance between the
上記の手法を用いてゲート電極110を形成することにより、ゲート電極110の抵抗を十分小さくし、良好な高周波特性を具備する電界効果型トランジスタを実現できる。
By forming the
さらに、ゲート電極110の両脇にはリセス領域113が存在する。リセス領域113のサイズは、寄生抵抗の増大効果と寄生容量やドレインコンダクタンスの低減効果のバランスに基づいて設計される。例えば典型的には、ソース電極108側のリセス領域113のゲート長方向の長さは20〜200nm、ドレイン電極109側のリセス領域113のゲート長方向の長さは50〜300nmとすることができる。
Further,
半導体基板101の裏面であって、ドレイン電極109及びゲート電極110間の位置に、電界緩和用電極112を伝導チャネル層103に接しないように半導体基板101に埋め込んで形成する。電界緩和用電極112は、半導体基板101の回路形成面側を別の支持基板などで支持し、各種エッチングを行うことによって深堀構造を形成し、その後に導電性材料を充填もしくは深堀構造の側壁に被膜することによって形成される。当該エッチングには、クエン酸や塩酸、リン酸系のエッチャントを用いたウェットエッチング法、HI、HBr、Cl2などのガスプラズマを用いたドライエッチング法、もしくはその組み合わせを用いる。
The electric
該深堀構造は、半導体基板101の回路形成面まで貫通して形成されないように、電界緩和用電極112の回路形成面側の端部から伝導チャネル層103の底面までの距離が0.01〜1μm程度になるように形成することができる。それにより、電界集中を効率に緩和し、短チャネル効果の抑制効果を最大化することができる。ただし、電界集中の緩和の効果の程度を考慮し、電界緩和用電極112を上記以外の位置に形成しても構わない。
The deep moat structure has a distance of 0.01 to 1 μm from the end of the electric
半導体基板101の回路形成面まで貫通させず、精度良く電界緩和用電極112の深堀構造を実現するため、エッチングストップ層を半導体基板101に形成してもよい。このエッチングストップ層は、バッファ層102の裏面側に一層形成され、ドライエッチングもしくはウェットエッチングの速度が選択的に遅い性質を持つ。この性質により、上記深掘構造の精度を高めることができる。
An etching stop layer may be formed on the
この時、半導体基板101を所望の厚さまで薄く加工してもよい。所望の厚さに半導体基板101を薄くすることで、電界緩和用電極112の深さ方向における加工精度を十分高め、電界緩和用電極112によるゲート電極110直下のドレイン電極側付近の伝導チャネル層103における電界制御性を高めることができる。典型的な加工後の半導体基板101の厚さは20〜300μmであるが、電界緩和用電極112の形成サイズによってはこれ以上に薄くしてもかまわない。
At this time, the
電界緩和用電極112の形成位置は、ゲート電極110からドレイン電極109間の距離に対し、ゲート電極110とドレイン電極109の間をゲート電極110から0〜30%に内分する位置に形成すれば、短チャネル効果を抑制するため、最も有効に伝導チャネル層103を制御することができる。ただし、電界集中の緩和の効果の程度を考慮し、電界緩和用電極112を上記以外の位置に形成しても構わない。
The electric
電界緩和用電極112のゲート長方向の長さは、ゲート電極110のゲート長方向の長さ以下か、同程度のスケールで形成される。このような長さに設定することによって、性能を維持しながら電界緩和効果を最大化することができる。ただし、電界集中の緩和の効果を考慮し、電界緩和用電極112のゲート長方向の長さを上記以下としても構わない。また、電界緩和用電極112のゲート長方向の長さの下限は、これを形成するための製造技術によって制限されることはあっても、所望する本発明の効果の程度を勘案した設計事項として決定される。
The length of the electric
電界緩和用電極112は、その内部に金属材料が充填された構成としてもよい。金属材料の主材料にはゲート電極110と同様にAu、Ag、Cuなどの低抵抗金属を用いることができ、その形成方法には例えば電界めっき、無電解めっき法、スパッタリング法、真空蒸着法などが用いられる。
The electric
また、電界緩和用電極112は、その側壁にのみ金属被膜が形成された構成としてもよく、その金属被膜内部を強度の確保のために適当な充填材料で充填してもよい。充填材料としては、例えば、ベンゾシクロブテンやポリイミド系樹脂、エポキシ樹脂UVなどの有機樹脂や、Au、Ag、Cuなどの金属などが挙げられる。充填方法は、電界めっき法や無電解めっき法でもよいし、適当な粘度を持つ材料をディスペンス法、スキージ法、インクジェット法によって充填してもよい。ただし、電界緩和用電極112を充填しなくとも十分な強度が得られる場合には、必ずしも充填材料で充填する必要はない。
Further, the electric
尚、本発明に係る構造は、上述したようなフィールドプレート構造とよく似た構造を採用しているが、その作用効果はそれと異なるものである。フィールドプレート構造は、例えば閾値の制御を作用効果としてチャネル全体のポテンシャルを変調することを目的に、ゲート印加電圧によってチャネル部に形成されるゲート電界が十分に強い電界となるように、設置する電極の位置や大きさを調整する構造である。フィールドプレート構造の場合、実効的にゲート−チャネル間の容量を大きく増やすことになるため、高速動作は望めない。 The structure according to the present invention adopts a structure similar to the field plate structure as described above, but its action and effect are different from that. The field plate structure is an electrode installed so that the gate electric field formed in the channel portion by the gate applied voltage becomes a sufficiently strong electric field for the purpose of modulating the potential of the entire channel by, for example, controlling the threshold value. It is a structure that adjusts the position and size of. In the case of the field plate structure, high-speed operation cannot be expected because the capacitance between the gate and the channel is effectively increased significantly.
一方、本発明では、半導体基板101の裏面に形成される電界緩和用電極112は物理的大きさも小さいため、顕著な容量増加は生じさせない。また、そもそもチャネル全体のポテンシャル変調を狙うものでなく、ゲート電極110の直下のドレイン電極側付近の伝導チャネル層103における電界を緩和することを目的として、電界緩和用電極112の位置と大きさを調整し、設置したものである。そのため、本発明に係る構造は、いわゆる電界緩和用構造とは、物理構造、設置の目的、作用効果が全く異なることは明確である。
On the other hand, in the present invention, since the electric
図5及び図6を用いて、本発明の実施例1に係る電界効果型トランジスタによる短チャネル効果の抑制効果を説明する。図5及び図6はそれぞれ、電界緩和用電極112の形成前及び形成後において、ソース電極108からドレイン電極109へ電子をドリフトさせるために、ソース電極108を接地し、ドレイン電極109に対して正のバイアス電位を印加した状態を示している。図5及び図6では、伝導チャネル層103に電子を供給するため、ゲート電極110には正のバイアス電位が入力されている状態を想定している。実際には、ゲート電極110には高周波信号が印加されることになる。
The effect of suppressing the short-channel effect of the field-effect transistor according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 and 6. 5 and 6, respectively, show that the
まず、図5に示す電界緩和用電極112が形成されていない状態について説明する。ゲート長が短縮された電界効果型トランジスタにおいては、ドレイン電極109に印加された正のバイアス電位によって、ゲート電極110直下のドレイン電極側付近の伝導チャネル層103における電界が集中する。その結果、伝導チャネル層103中の電子がドレイン電極109側に引き寄せられ、伝導チャネル層103における電子分布がドレイン電極109側に偏ることになる。
First, a state in which the electric
理想的には、ゲート電極110直下のドレイン電極側付近の伝導チャネル層103における電界強度は、ゲート電位のみによって影響され、電子の走行方向に対して平行に電位勾配が生じる状態が望ましいが、ゲート長又はチャネル長が短くなると、ドレイン電極109に印加された電圧の影響がゲート電極110直下のドレイン電極側付近の伝導チャネル層103やその周囲にも無視できない程度に及ぶ。このことによって、閾値電圧の低下、ピンチオフ特性の劣化、サブスレッショルド特性の劣化が顕著となる。
Ideally, the electric field strength in the
次に、図6に示すように、電界緩和用電極112が形成され、電界緩和用電極112に対して負のバイアス電位を印加した状態について説明する。この場合、伝導チャネル層103に対し、ドレイン電極109に印加された正のバイアスによる電界集中を、電界緩和用電極112からの負の電位が緩和するように作用させることができる。その結果、DIBLを起因とする閾値電圧の低下及びサブスレッショルド特性の劣化を抑止することができる。
Next, as shown in FIG. 6, a state in which the electric
伝導チャネル層103の電子を制御するために必要な電界緩和用電極112に対する負のバイアスの印加量は、本発明に係る構造を平行平板構造として単純化して考えると、以下の式を目安として見積もることができる。
The amount of negative bias applied to the electric
ここで、Vbは電界緩和用電極112からの必要なバイアスの印加量、Dch、backは伝導チャネル層103の底面と電界緩和用電極112の回路形成面側の端部との間の距離、Dchは伝導チャネル層103の厚さ、Vgはゲート電極110に印加される高周波信号の最大電位である。例えば、Dch、back=0.1μm、Dch=0.2μm、Vg=0.5Vの場合には、Vbは−0.25V程度を目安とすればよい。
Here, V b is the amount of the required bias applied from the electric
本実施例では、主にDIBLを抑制するため、電界緩和用電極112に対して負のバイアスを印加するケースを想定した。一方、チャネルの短縮に伴うインパクトイオン化を抑止したい場合には、電界緩和用電極112に対して正のバイアスを印加してもよい。電界緩和用電極112に対して正のバイアスを印加することによって、ドレイン電極109においてインパクトイオン化により生じるホットキャリアを中和させ、信頼性劣化やキンクの抑制を図ることができる。もちろん、前述のDIBL抑制を考慮し、両者を効率的に低減するバイアスを電界緩和用電極112に対して印加してもかまわず、電界緩和用電極112に印加するバイアスは、正負及びその印加量を含め、目的に応じて適宜調整すればよい。
In this embodiment, it is assumed that a negative bias is applied to the electric
以上、本発明によると、上記のように電界緩和用電極112を形成することによって、伝導チャネル層103に対して、寄生容量を増やすことなく、有効に短チャネル効果を抑制可能なように補償電位を印加することができる。
As described above, according to the present invention, by forming the electric
(実施例2)
図7は、本発明の実施例2に係る電界効果型トランジスタの構成を示す模式的な断面拡大図である。本実施例2に係る電界効果型トランジスタは、裏面側の端部から回路形成面側の端部にかけてゲート長方向の長さが徐々に小さくなるようなテーパ形状を有する電界緩和用電極212が設けられている点で、実施例1に係る電界効果型トランジスタと異なる。
(Example 2)
FIG. 7 is a schematic enlarged cross-sectional view showing the configuration of the field effect transistor according to the second embodiment of the present invention. The field effect transistor according to the second embodiment is provided with an electric
電界緩和用電極212が該テーパ形状を有することにより、回路形成面に対して電界を集中できるようになるため、電界緩和用電極212に対してより小さな電位を印加することにより、伝導チャネル層103の電位偏りを制御することができ、短チャネル効果を抑制することができる。
Since the electric
電界緩和用電極112の形成方法としては、例えば以下の2つの方法が挙げられる。1つめの方法としては、ウェットエッチング法を用い、結晶方位に対してエッチング速度が異なるエッチング異方性を利用し、裏面側から電界緩和用電極212を形成する方法がある。2つめの方法としては、ドライエッチング法を用い、裏面から積層方向にかけてのサイドエッチング量が小さいことを利用して逆テーパ形状を形成する方法がある。もちろん、これら2つの方法を組み合わせて逆テーパ形状の電界緩和用電極212を形成してもかまわない。
Examples of the method for forming the electric
本実施例2では、電界緩和用電極212のゲート長方向の長さは、例えば、裏面側の端部が5μmの場合、回路形成面側の端部が1μm程度になるように設定することが好ましい。
In the second embodiment, the length of the electric
(実施例3)
図8は、本発明の実施例3に係る電界効果型トランジスタの構成を示す上面図であり、図9は、図8のIX-IX’断面拡大図である。図8及び図9に示されるように、本実施例3では、複数の電界緩和用電極312が、ゲート電極110の形成方向と平行に直線状に一定間隔で円状もしくは矩形状に形成されている。これらの複数の電界緩和用電極312は、半導体基板101の裏面に形成された裏面配線301によって電気的に接続されている。
(Example 3)
FIG. 8 is a top view showing the configuration of the field effect transistor according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of IX-IX'of FIG. As shown in FIGS. 8 and 9, in the third embodiment, a plurality of electric
上述の実施例1及び2においては、電界緩和用電極112は、半導体基板101をゲート電極110の形成方向と平行に直線状にエッチング加工することによって形成されるため、機械的強度を著しく劣化させる恐れがあった。一方で、本実施例3に係る構造では、ゲート電極110の形成方向と平行に直線状に一定間隔で円状もしくは矩形状にエッチング加工することにより、複数の電界緩和用電極312を形成している。この結果、本実施例3に係る電界効果型トランジスタでは、機械的強度を高く保つことができるようになる。
In the above-mentioned Examples 1 and 2, since the electric
裏面配線301は、電界緩和用電極312の材料や形成方法と同様に形成され、かつまた電界緩和用電極312と同時形成しても構わない。
The
電界緩和用電極312は、実施例1と同様に、電界緩和用電極312の回路形成面側の端部から伝導チャネル層103の底面までの距離が0.01〜1μm程度になるように形成することができる。また、電界緩和用電極312のゲート長方向の長さは、実施例1と同様である。
The electric
裏面配線301のゲート長方向の長さは、電界緩和用電極312と同程度か、やや広い程度で形成される。これによって、本実施例3のように一定間隔で円状もしくは矩形状に複数の電界緩和用電極312を形成したとしても、電界緩和用電極312からの電位を均一に伝導チャネル層103に対して作用させ、短チャネル効果を抑止することができる。
The length of the
(実施例4)
図10は、本発明の実施例4に係る電界効果型トランジスタの構成を示す模式的な断面拡大図である。図10に示されるように、本実施例4では、電界緩和用電極112の半導体基板101側の表面が非導電性で低誘電率の誘電体401で被膜されている。
(Example 4)
FIG. 10 is a schematic cross-sectional enlarged view showing the configuration of the field effect transistor according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 10, in the fourth embodiment, the surface of the electric
誘電体401としては、半導体基板101の比誘電率よりも低い材料、理想的には、比誘電率が4以下の材料を用いることができる。電界緩和用電極112は、実施例1と同様に、電界緩和用電極112の回路形成面側の端部から伝導チャネル層103の底面までの距離が0.01〜1μm程度になるように形成することができる。また、電界緩和用電極112のゲート長方向の長さは、実施例1と同様である。
As the dielectric 401, a material having a relative permittivity lower than that of the
電界緩和用電極112を非導電性で低誘電率の誘電体401で被膜することによって、より効率的・選択的に伝導チャネル層103に対して電界緩和用電極112からの電界を作用させ、ゲート長短縮時におけるドレイン電極109からの電界集中をより効果的に緩和させることができる。
By coating the electric
(実施例5)
図11は、本発明の実施例5に係る電界効果型トランジスタの構成を示す模式的な断面拡大図である。図11に示されるように、本実施例5では、短チャネル効果を抑制するために最適な電界緩和用電極112への印加電位を制御可能な制御回路501を半導体基板101の回路形成面に集積している。
(Example 5)
FIG. 11 is a schematic cross-sectional enlarged view showing the configuration of the field effect transistor according to the fifth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 11, in the fifth embodiment, the
制御回路501は、ドレイン電圧値とドレイン電流値とのうち、少なくともドレイン電圧値をモニタする機構を備え、そのモニタ値に基づいて短チャネル効果を補償するための最適な電界緩和用電極112の印加電位を計算する機能を備える。例えば、高周波アンプを想定する場合、制御回路501は、出力ゲインを最大化するように電界緩和用電極112の印加電位を計算して制御することができる。
The
本実施例5によると、様々なサイズの電界効果型トランジスタが混在する場合や、様々なドレイン電圧が印加される回路の場合においても、それぞれの場合において電界緩和用電極112に印加すべき最適な電位を設定することができる。
According to the fifth embodiment, even in the case where various sizes of field effect transistors are mixed or in the case of a circuit to which various drain voltages are applied, the optimum value to be applied to the electric
Claims (6)
前記回路形成面側とは反対側の前記半導体基板の裏面側であって、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の位置に、前記伝導チャネル層に接しないように前記半導体基板に埋め込まれて形成された電界緩和用電極をさらに備え、
前記電界緩和用電極は、電位を印加可能に構成されていることを特徴とする電界効果型トランジスタ。 A buffer layer, a conduction channel layer, a spacer layer, a carrier supply layer, and a barrier layer are sequentially laminated on the circuit forming surface side of the semiconductor substrate, and two ohmics formed separately on the barrier layer. A field effect type including a cap layer, a source electrode and a drain electrode formed on the two ohmic cap layers, respectively, and a gate electrode formed between the source electrode and the drain electrode on the barrier layer. It ’s a transistor,
It is embedded in the semiconductor substrate at a position between the gate electrode and the drain electrode on the back surface side of the semiconductor substrate opposite to the circuit forming surface side so as not to contact the conduction channel layer. Further equipped with a formed electrode for electric field relaxation,
The field effect relaxation electrode is a field effect transistor characterized in that it is configured to be able to apply an electric potential.
前記半導体基板の前記回路形成面側に形成された電界緩和用電極パッドと、をさらに備え、
前記電界緩和用電極は、前記基板貫通ヴィアを介して前記電界緩和用電極パッドに接続されていることを特徴とする請求項1に記載の電界効果型トランジスタ。 A substrate-penetrating via that penetrates the semiconductor substrate and
An electric field relaxation electrode pad formed on the circuit forming surface side of the semiconductor substrate is further provided.
The field effect transistor according to claim 1, wherein the electric field relaxation electrode is connected to the electric field relaxation electrode pad via the substrate penetrating via.
前記制御回路は、ドレイン電圧値とドレイン電流値のうち、少なくともドレイン電圧値をモニタする機構を備え、当該モニタ値に基づいて前記電界緩和用電極に対して印加する電位を制御することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の電界効果型トランジスタ。 A control circuit for controlling the potential applied to the electric field relaxation electrode is further provided.
The control circuit includes a mechanism for monitoring at least the drain voltage value among the drain voltage value and the drain current value, and controls the potential applied to the field relaxation electrode based on the monitor value. The field effect transistor according to any one of claims 1 to 5.
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