JP2003023016A - 増強/空乏モード擬似形態高電子移動度トランジスタデバイス - Google Patents

増強/空乏モード擬似形態高電子移動度トランジスタデバイス

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JP2003023016A
JP2003023016A JP2002143381A JP2002143381A JP2003023016A JP 2003023016 A JP2003023016 A JP 2003023016A JP 2002143381 A JP2002143381 A JP 2002143381A JP 2002143381 A JP2002143381 A JP 2002143381A JP 2003023016 A JP2003023016 A JP 2003023016A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】増強モードトランジスタ及び空乏モードトラン
ジスタの両方を含むPHEMTデバイスの提供。 【解決手段】増強/空乏PHEMTは、半導体基板、バ
ッファ領域、バッファ領域上のチャンネル層、電子ドナ
ー層、第1ショットキー層、第1InGaP層、第2ショッ
トキー層、第2ショットキー層上の第2InGaP層、第2I
nGaP層上のコンタクト層、第1活性領域及び第2活性領
域を画定する分離構造、第1活性領域内のコンタクト層
に配置された増強オーミックコンタクト、第1InGaP層
を貫通する増強ゲート凹部、第1ショットキー層上に配
置された増強ゲートコンタクト、第2活性領域内に配置
された空乏オーミックコンタクト、第2InGaP層を貫通
する空乏ゲート凹部、及び空乏ゲート凹部内の第2ショ
ットキー層上に配置された空乏ゲートコンタクトを具備
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、増強(enhancemen
t)モード及び空乏(depletion)モードの両モードの擬
似形態(pseudomorphic)高電子移動度トランジスタ
(PHEMT)デバイスを具備する集積回路、及びその
製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】いくつかのタイプの電界効果トランジス
タ(FET)が、マイクロ波周波数及びミリ波周波数で
利用できる。これらの高周波FETには、金属半導体電
界効果トランジスタ(MESFET)及び高電子移動度
トランジスタ(HEMT)が含まれる。各トランジスタ
は、III−V属材料(III−V属半導体)から製造される
のが典型的である。HEMTは、電荷がHEMTの電荷
ドナー層から非ドープチャンネル層に移送される点で、
MESFETと識別される。
【0003】一般的に2タイプのMEMTがある。一方
のタイプは単にHEMTと称され、他方のタイプは擬似
形態HEMT又はPHEMTと称される。HEMT及び
PHEMT間の相違は、PHEMTにおいて、デバイス
に組み込まれた1以上の層がデバイスの他の材料の格子
定数と若干異なった格子定数を有することである。この
格子不整合の結果、チャンネル層を形成する材料の結晶
構造は歪む。この格子不整合及びそれに伴う歪はこのよ
うなデバイスの成長をHEMTの成長より困難にする
が、いくつかの性能上の利点が得られる。例えば、チャ
ンネル層に移送される電荷密度が増強し、高電子移動度
及び高電子飽和速度が観測される。その結果、デバイス
は、より高い電力レベルに発展でき、より高周波で作動
可能でありノイズ特性が改善される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】直接結合FETロジッ
ク(DCFL)デバイス等の、増強モード電界効果トラ
ンジスタ及び空乏モード電界効果トランジスタの両方を
含むデバイスは公知である。これらデバイスは、低消費
電力で特長付けられ、大きな集積密度を有する高速集積
回路に適する。
【0005】増強型トランジスタは、ゲート・ソース電
圧が印加されていない場合、電流の流れを阻止するトラ
ンジスタである(常オフトランジスタとも称される)。
空乏型トランジスタは、ゲート・ソース電圧が印加され
ていない場合、電流の流れを許容するトランジスタであ
る(常オントランジスタとも称される)。代表的には、
ゲートコンタクトが表面に形成された活性領域の厚さ
は、これらトランジスタ各々で異なっており、空乏型ト
ランジスタよりも増強型トランジスタの方が小さい。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、増強モード及
び欠乏モードの両方のトランジスタを有する新規なPH
EMTデバイス(増強/空乏PHEMTデバイス)、及
びそれを製造する方法に関する。
【0007】本発明の第1の側面によれば、空乏/増強
PHEMTデバイス構造が提供される。この構造は以下
の要素を具備する。即ち、(a)半導体基板、(b)半
導体基板上に1以上の半導体バッファ層を有するバッフ
ァ領域、(c)バッファ領域上のIII−V属半導体チャ
ンネル層、(d)チャンネル層上の電子ドナー層、
(e)電子ドナー上のGaAs又はAlGaAsの第1ショットキ
ー層、(f)第1ショットキー層上の第1InGaP層、
(g)第1InGaP層上のGaAs又はAlGaAsの第2ショット
キー層、(h)第2ショットキー層上の第2InGaP層、
(i)第2InGaP層上のドープされたGaAsコンタクト
層、(j)第1活性領域及び第2活性領域を画定し、コ
ンタクト層の上面から少なくともバッファ領域に延びる
分離構造、(k)第1活性領域内のドープされたGaAsコ
ンタクト層に配置された増強オーミックソースコンタク
ト及び増強オーミックドレーンコンタクト、(l)コン
タクト層の上面から延びて第1活性領域内の第1InGaP
層を貫通する増強ゲート凹部、(m)増強ゲート凹部内
の第1ショットキー層上に配置された増強ゲートコンタ
クト、(n)第2活性領域内のドープされたGaAsコンタ
クト層上に配置された空乏オーミックソースコンタクト
及び空乏オーミックドレーンコンタクト、(o)コンタ
クト層の上面から延びて第2活性領域内の第2InGaP層
を貫通する空乏ゲート凹部、及び(p)空乏ゲート凹部
内の第2ショットキー層上に配置された空乏ゲートコン
タクト。
【0008】好適には、半導体基板はGaAs基板であり、
III−V属半導体チャンネル層はInGaAsチャンネル層で
あり、電子ドナー層はケイ素原子の平面である。
【0009】バッファ領域は、好適には1以上のIII−
V属半導体層を具備する領域であり、より好適にはGaAs
層と、GaAs及びAlGaAsの交互層を有する超格子バッファ
とを具備する。
【0010】第1ショットキー層は、好適には厚さ500
〜1500nmであり、好適にはAlxGa1 -xAs層である。ここ
で、xは0.35〜0.75の範囲であり、好適には非ドープで
ある。第2ショットキー層は、好適には厚さ500〜1500n
mであり、好適にはAlxGa1 -xAs層である。ここで、xは
0.15〜0.25の範囲であり、好適にはドープされている。
【0011】第1及び第2InGaP層は、好適にはInzGa1
-zP層である。ここで、zは0.4〜0.6の範囲であり、層
の厚さは好適には100nm〜500nmの範囲である。
【0012】分離構造は好適にはイオン注入(implante
d)構造である。
【0013】いくつかの好適実施形態において、空乏/
増強PHEMTデバイス構造は、(a)第2InGaP層及
びドープされたGaAsコンタクト層間のドープされたGaAs
又はAlGaAs過渡層であって、コンタクト層よりも低い正
味ドープ濃度を有する過渡層、(b)第1ショットキー
層及び第1InGaP層間の非ドープGaAsキャップ層であっ
て、厚さが150〜500nmの範囲であるキャップ層、及び/
又は(c)チャンネル層及び電子ドナー層間のAlGaAsス
ペーサ層をさらに具備する。
【0014】いくつかの実施形態において、空乏ゲート
凹部はその下部内よりも上部内でより大きく開口し、増
強ゲート凹部はその下部内よりも上部内でより大きく開
口する。より好適には、空乏ゲート凹部は第2InGaP内
よりもドープされたGaAsコンタクト層内でより大きく開
口するが、増強凹部は第2ショットキー層及び第1InGa
P層内よりもドープされたGaAsコンタクト層及び第2InG
aP層内でより大きく開口する。
【0015】本発明の第2の側面によれば、空乏/増強
PHEMTデバイス構造の形成方法が提供される。この
方法は以下の工程を具備する。即ち、(1)以下の構成
を具備する多層構造を形成する工程、(a)半導体基
板、(b)半導体基板上に1以上の半導体バッファ層を
有するバッファ領域、(c)バッファ領域上のIII−V
属半導体チャンネル層、(d)チャンネル層上の電子ド
ナー層、(e)電子ドナー上のGaAs又はAlGaAsの第1シ
ョットキー層、(f)第1ショットキー層上の第1InGa
P層、(g)第1InGaP層上のGaAs又はAlGaAsの第2ショ
ットキー層、(h)第2ショットキー層上の第2InGaP
層、(i)第2InGaP層上のドープされたGaAsコンタク
ト層、(j)ドープされたGaAsコンタクト層に配置され
たオーミックコンタクト、及び(k)コンタクト層の上
面から少なくともバッファ領域まで延び、第1活性領域
及び第2活性領域を画定する分離構造、(2)第1活性
領域内で、コンタクト層の上面から延びて第1InGaP層
を貫通する増強ゲート凹部をエッチングする工程、
(3)増強ゲート凹部内の第1ショットキー層上に増強
ゲートコンタクトを付着する工程、(4)第2活性領域
内で、コンタクト層の上面から延びて第2InGaP層を貫
通する空乏ゲート凹部をエッチングする工程、及び
(5)空乏ゲート凹部内の第2ショットキー層上に空乏
ゲートコンタクトを付着する工程。
【0016】増強ゲート凹部及び空乏ゲート凹部は、好
適にはウエットエッチング法を用いてエッチングされ
る。
【0017】第1グループの好適実施形態において、増
強ゲート凹部は、以下の工程を有する方法によりエッチ
ングされる。すなわち、(a)第1増強凹部エッチング
工程で、コンタクト層の上面から第2InGaP層の上面ま
で第1活性領域凹部をエッチングする工程、(b)第2
増強凹部エッチング工程で、第2InGaP層を貫通して第
1活性領域凹部をさらにエッチングする工程、(c)第
3増強凹部エッチング工程で、第1InGaP層の上面まで
第1活性領域凹部をさらにエッチングする工程、及び
(d)第4増強凹部エッチング工程で、第1InGaP層を
貫通して第1活性領域凹部をさらにエッチングし、増強
ゲート凹部を完成する工程。
【0018】また、このグループの実施形態内では、空
乏ゲート凹部は、好適には以下の工程を有する方法によ
りエッチングされる。すなわち、(a)第1空乏凹部エ
ッチング工程で、コンタクト層の上面から第2InGaP層
の上面まで第2活性領域凹部をエッチングする工程、及
び(b)第2空乏凹部エッチング工程で、第2InGaP層
を貫通して第2活性領域凹部をさらにエッチングし、空
乏ゲート凹部を完成する工程。
【0019】第1グループの好適実施形態において、第
1増強凹部エッチング工程、第3増強凹部エッチング工
程及び第1空乏凹部エッチング工程は、好適には硫酸及
び過酸化水素からなるエッチング水溶液を用いて実行さ
れる。他方、第2増強凹部エッチング工程、第4増強凹
部エッチング工程及び第2空乏エッチング工程は、好適
には塩酸からなるエッチング水溶液を用いて実行され
る。
【0020】この第1グループの好適実施形態内では、
第1及び第2増強凹部エッチング工程は、好適には第1
開口を有する上側第1活性領域凹部が、ドープされたGa
Asコンタクト層内で且つ第2InGaP層内に形成されるよ
うに実行される。第3及び第4増強凹部エッチング工程
は、好適には第1開口より狭い第2開口を有する下側第
1活性領域凹部が第2ショットキー層内で且つ第1InGa
P層内に形成されるように実行される。
【0021】さらに、この第1グループの好適実施形態
内では、第3増強凹部エッチング工程は好適には第1空
乏凹部エッチング工程と同時に実行され、第4増強凹部
エッチング工程は好適には第2空乏凹部エッチング工程
と同時に実行され、そして増強ゲートコンタクトは好適
には空乏ゲートコンタクトと同時に付着される。これら
工程は、独立して実行することもできる。
【0022】第2グループの好適実施形態において、多
層構造は、第2InGaP層及びドープされたGaAsコンタク
ト層間に、ドープされたGaAs又はAlGaAs過渡層をさらに
具備する。過渡層はコンタクト層より正味ドープ濃度が
低い。
【0023】また、このグループの実施形態内で、増強
ゲート凹部は以下の工程を有する方法によってエッチン
グされる。すなわち、(a)第1増強凹部エッチング工
程で、コンタクト層の上面から第2InGaP層の上面まで
第1活性領域凹部をエッチングする工程、(b)第2増
強凹部エッチング工程で、第2InGaP層を貫通して第1
活性領域凹部をさらにエッチングする工程、(c)第3
増強凹部エッチング工程で、第1InGaP層の上面まで第
1活性領域凹部をさらにエッチングする工程、及び
(d)第4増強凹部エッチング工程で、第1InGaP層を
貫通して第1活性領域凹部をさらにエッチングし、増強
ゲート凹部を完成する工程。
【0024】さらにまた、このグループの実施形態内
で、空乏ゲート凹部は以下の工程を有する方法によって
エッチングされる。すなわち、(a)第1空乏凹部エッ
チング工程で、コンタクト層の上面から過渡層の上面ま
で第2活性領域凹部をエッチングする工程、(b)第2
空乏凹部エッチング工程で、第2InGaP層の上面まで第
2活性領域凹部をさらにエッチングする工程、及び
(c)第3空乏凹部エッチング工程で、第2InGaP層を
貫通して第2活性領域凹部をさらにエッチングし、空乏
ゲート凹部を完成する工程。
【0025】この第2のグループの好適実施形態内で
は、(a)第1及び第2増強凹部エッチング工程は、好
適には第1開口を有する上側第1活性領域凹部が、ドー
プされたGaAsコンタクト層内、過渡層内且つ第2InGaP
層内に形成されるように実行され、(b)第3及び第4
増強凹部エッチング工程は、好適には第1開口より狭い
第2開口を有する下側第1活性領域凹部が第2ショット
キー層内で且つ第1InGaP層内に形成されるように実行
され、(c)第1空乏凹部エッチング工程は、好適には
第3開口を有する上側第2活性領域凹部が、ドープされ
たGaAsコンタクト層内に形成されるように実行され、そ
して(d)第2及び第3空乏凹部エッチング工程は、好
適には第3開口より狭い第4開口を有する下側第2活性
領域凹部が過渡層内で且つ第2InGaP層内に形成される
ように実行される。
【0026】また、第2グループの好適実施形態内で
は、第3増強凹部エッチング工程は好適には第2空乏凹
部エッチング工程と同時に実行され、第4増強凹部エッ
チング工程は好適には第3空乏凹部エッチング工程と同
時に実行され、そして増強ゲートコンタクトは好適には
空乏ゲートコンタクトと同時に付着される。
【0027】さらに、第2グループの好適実施形態内で
は、第1増強凹部エッチング工程、第3増強凹部エッチ
ング工程及び第2空乏凹部エッチング工程の各々は、好
適には硫酸及び過酸化水素からなるエッチング水溶液を
用いて実行され、第2増強凹部エッチング工程、第4増
強凹部エッチング工程及び第3空乏エッチング工程の各
々は、好適には塩酸からなるエッチング水溶液を用いて
実行される。
【0028】
【発明の効果】本発明の利点は、(1)ゲート金属に隣
接した活性領域の厚さが良好に制御され、(2)トラン
ジスタソース抵抗を増強させるエッチング停止材料を用
いることなく、増強モードトランジスタ及び空乏モード
トランジスタの両方を含むPHEMTデバイスを得るこ
とができる。
【0029】エッチング停止材料を使用しているので、
本発明の別の利点は、増強モード及び空乏モードの表方
向含むPHEMTデバイスが以下のエッチング技法を用
いて実現できる。すなわち、(1)従来の容易に制御さ
れるエッチング成分を含み、(2)高い選択性を提供
し、(3)大量のバッチモードエッチング操作が可能で
あり、デバイスに関連した資本設備、労力及びサイクル
タイムを大きく低減する。
【0030】本発明の別の利点は、増強モードトランジ
スタ及び空乏モードトランジスタを有するPHEMTデ
バイスを比較的少ない処理工程を用いて実現できる点で
ある。
【0031】本発明のさらに別の利点は、増強モード及
び空乏モードトランジスタを有するPHEMTデバイス
を、高効率のバッチモード処理の実施ができず、結晶の
欠損及びトランジスタ性能の低化を招く反応(reactiv
e)イオンエッチング技法等の技法に頼らないで実現で
きる点である。
【0032】本発明のこれら及び他の実施形態並びに利
点は、いわゆる当業者には発明の実施の形態及び特許請
求の範囲を読むとよく理解されよう。
【0033】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適実施形態が示
された添付図面を参照して本発明を説明する。しかし、
本発明は異なる形態でも実施可能であり、本明細書に記
載された実施形態に限定されたものとして解釈すべきで
ない。
【0034】本発明の一実施形態による、増強モード及
び空乏モードトランジスタの両方を含む第1PHEMT
デバイス及びその製造方法を、図1ないし図5と絡めて
説明する。
【0035】図1は多層構造を示し、その底層は半導体
基板102である。半導体基板102は、好適にはIII
−V属半導体基板であり、より好適には非ドープGaAs基
板である。
【0036】半導体基板102の表面には、1以上の半
導体バッファ層を有するバッファ領域が配置される。本
実施形態で使用される特定バッファ領域は、(例えば10
000〜100000nmの厚さになり得る)非ドープGaAsのバッ
ファ層と、好適には(例えば150〜500nmの厚さになり得
る)GaAs及び(例えば150〜3000nmの厚さになり得る)A
lxGa1 -xAsの交互層からなる超格子バッファ106とを
有する。ここで、xは0.1〜0.4の範囲が代表的である。
超格子バッファ106は、一般に5〜30周期(10〜60の
交互層)を有し、好適にはAlxGa1 -xAsの層で終端する。
【0037】バッファ層104及び超格子バッファ10
4に対応する上の層は、以下で説明する層と共に、好適
には分子ビームエピタキシー(MBE)、金属有機化学
蒸着(MOCVD)等の当業界で広く使用される技法に
より、基板上に成長する。
【0038】超バッファ106の最上層には、III−V
属半導体チャンネル層108が配置される。チャンネル
層108は、好適にはInGaP層であり、より好適には非
ドープInyGa1 -yAsチャンネル層である。ここで、yは好
適には0.1〜0.3の範囲であり、厚さは600〜1800nmの範
囲である。
【0039】或る好適実施形態において、スペーサ層
(図示せず)はチャンネル層108に設けられる。スペ
ーサ層は、例えば非ドープAlGaAs層になり得、より好適
には200〜600nmのAlxGa1 -xAs層である。ここで、xは0.
15〜0.25の範囲である。
【0040】次に、電荷ドナー層110、より好適には
電子ドナー層が設けられる。この目的のために、当業界
で公知の適当な電荷ドナー層110を用いることができ
る。図1の特定例では、この層がケイ素原子の平面であ
る。
【0041】次に、ドープされてもされていなくてもよ
いGaAs又はAlGaAsの第1ショットキー層112が付着さ
れる。より好適には、第1ショットキー層は、厚さが50
0〜1500nmの非ドープAlxGa1 -xAs層である。ここで、x
は好適には0.35〜0.75の範囲である。
【0042】或る好適実施形態において、薄いキャップ
層(図示せず)が、酸化からの保護のために第1ショッ
トキー層112上に設けられる。例えば、キャップ層
は、薄い(例えば150から500nm)非ドープGaAsキャップ
層になり得る。
【0043】次に、第1InGaPエッチング停止層114
が構造物上に付着される。エッチング停止層114は、
好適にはInzGa1 -zP層である。ここで、zは好適には0.4
〜0.6の範囲であり、層の厚さは100〜500nmの範囲であ
る。
【0044】次に、ドープされてもされていなくてもよ
いGaAs又はAlGaAsの第2ショットキー層116が付着さ
れる。好適には、第2ショットキー層は、厚さが500〜1
500nmのnドープAlxGa1 -xAs層である。ここで、xは好
適には0.15〜0.25の範囲であり、正味ドープ濃度は好適
には1016〜1018cm-3の範囲である。
【0045】第2InGaPエッチング停止層118が第2
ショットキー層116の上に配置される。第1エッチン
グ停止層と同様に、第2エッチング停止層118は、好
適にはInzGa1 -zP層である。ここで、zは0.4〜0.6の範
囲であり、層の厚さは好適には100〜500nmの範囲であ
る。
【0046】図1の最上層はドープされたGaAsコンタク
ト層122である。好適には、ドープされたGaAsコンタ
クト層122は、2000〜10000nmの厚さで1018〜1019cm
-3の正味ドープ濃度を有するn+ドープされたGaAsコン
タクト層である。
【0047】図示の実施形態を含む或る実施形態におい
て、過渡層120は、第2InGaPエッチング停止層11
8及びn+ドープされたGaAsコンタクト層122の間に
設けられる。過渡層120は、好適には2000〜5000nmの
厚さで1x1017〜1x1018cm-3の正味ドープ濃度を有するn
GaAsである。その結果得られる多層構造は図1に示され
る。
【0048】その後、オーミックコンタクト124(4
個のコンタクトが図示され、その1個に参照番号が付さ
れている)が、好適にはモノリシックマイクロウエーブ
集積回路(MMIC)の製造において広く使用されるフォト
リソグラフィーの金属付着技法を用いてコンタクト層1
22上に形成される。その結果得られる構造は図2に示
される。図示される4個のオーミックコンタクト124
は、最終的に増強及び空乏PHEMT用のソースコンタ
クト及びドレーンコンタクトとして使用される。好適な
金属付着技法は蒸着技法である。AuGeがオーミックコン
タクト124に好適な材料である。
【0049】図3を参照すると、分離構造126が形成
されている。分離構造126は、好適には多層構造の上
面からバッファ領域まで、より好適にはバッファ層10
4まで延びる。分離構造126は、例えば当業界では周
知であるように、イオン注入に引き続いて所望の面積を
画定するフォトリソグラフ処理を用いて形成することが
できる。この工程は2個の活性領域を画定する。1個
は、分離構造126の左側(一連の図において最終的に
は空乏モードPHEMTに対応)である。もう1個は、
分離構造126の右側(増強モードPHEMTに対応)
である。
【0050】次に、適当なフォトリソグラフ処理が好適
には用いられ、空乏モードPHEMTのゲートに対応し
た開口を有するフォトレジストパターンを画定する。こ
のフォトリソグラフ処理は、適当なエッチング手順に引
き続き、空乏モードゲート凹部を形成する。例えば、第
1選択的エッチング工程は、例えばコンタクト層122
及び過渡層120を貫通して第2InGaPエッチング停止
層118で止まる硫酸及び過酸化水素水溶液を用いて実
行することができる。次に、第2InGaPエッチング停止
層118は、例えば塩酸水溶液を使用する第2選択的エ
ッチング工程によりエッチングされる。このエッチング
工程は、第2InGaPエッチング停止層118を貫通して
ゲート凹部まで延びる。次に、空乏モードゲート金属化
(metalization)128が、フォトレジストパターンに
画定される開口を貫通して第2ショットキー層116上
に付着され、空乏モードPHEMTのゲート電極として使用
されるショットキーコンタクトを形成する。好適な金属
付着技法は蒸着技法である。好適な金属化はTi/Pt/Auを
含む。フォトレジストパターンは除去され、図4の構造
になる。
【0051】次に、付加的なフォトリソグラフ処理が使
用され、増強モードPHEMTのゲート用の開口を含む
フォトレジストパターンを画定する。このフォトリソグ
ラフ工程は、適当なエッチング手順に引き続く。例え
ば、選択的ゲート凹部エッチングは、第2InGaPエッチ
ング停止層118で止まる硫酸及び過酸化水素水溶液を
用いて実行することができる。次に、第2InGaPエッチ
ング停止層118が、例えば塩酸水溶液を用いてエッチ
ングされる。次に、第2ショットキー層116が、第1
InGaPエッチング停止層114で止まる硫酸及び過酸化
水素水溶液を用いてエッチングされる。次に、第1InGa
Pエッチング停止層114が塩酸水溶液を用いて除去さ
れる。次に、増強モードゲート金属化130がフォトレ
ジストパターンに画定される開口を貫通して第1ショッ
トキー層112上に付着され、増強モードPHEMTの
ゲート電極として使用されるショットキーコンタクトを
形成する。フォトレジストは除去され、図5に示される
空乏・増強PHEMT構造になる。
【0052】本発明による増強モードトランジスタ及び
空乏モードトランジスタの両方を含むPHEMTデバイ
スを形成する第2方法を、図6及び図7に絡めて説明す
る。本実施形態において、増強モードPHEMTは、
(上側凹部及び下側凹部からなる)2段凹部構造を具備
する。この2段凹部形状は、典型的には図5に示される
ような単一凹部構造に対して優位な破壊電圧を有する。
【0053】最初に、オーミックコンタクト124及び
分離構造126を有する多層構造が、図1ないし図3に
絡めて上述したように形成される。
【0054】続いて、適当なフォトリソグラフ処理が使
用され、増強モードPHEMT用のゲート凹部の上部に
対応する開口を有するフォトレジストパターンを画定す
る。このフォトリソグラフ工程は適当なエッチング工程
に引き続く。例えば、選択的ゲート凹部エッチングは、
第2InGaPエッチング停止層188で止まる硫酸及び過
酸化水素水溶液を用いて実行できる。次に、第2InGaP
エッチング停止層118は、例えば塩酸水溶液を用いて
除去される。その結果の構造は図6に示される。
【0055】次に、さらに適当なフォトリソグラフ処理
が用いられ、増強モードPHEMTのゲート凹部の下部
及び空乏モードPHEMT用ゲート凹部全体の両方のた
めの開口を有するフォトレジストパターンを形成する。
増強モードPHEMTに対応するこれらのフォトレジス
ト開口は、前の工程よりもこの工程の方が狭く、エッチ
ング後に2段凹部増強モードPHEMTを形成する。次
に、選択的エッチング工程が、例えば硫酸及び過酸化水
素水溶液を用いて実行される。エッチングは、増強モー
ドゲートの領域の第1InGaPエッチング停止層114
と、空乏モードゲートの領域(これは図6に示される初
期増強モード凹部の形成により形成可能である)の第2
InGaPエッチング停止層118とで停止する。次に、例
えば塩酸水溶液を使用して、増強モードゲートの領域の
第1InGaPエッチング停止層114を除去し、空乏モー
ドゲートの領域の第2InGaPエッチング停止層118を
除去する。次に、増強モード金属化130及び空乏モー
ドゲート金属化128は、フォトレジストパターンに形
成された開口を貫通して付着され、増強モードPHEM
T及び空乏モードPHEMTのゲート電極として使用さ
れるショットキーコンタクトを形成する。フォトレジス
トパターンは除去され、図7に示される構造を形成す
る。増強モードゲート金属化用の段付き(すなわち2
段)凹部は、この図から明瞭に見ることができる。
【0056】図7の空乏モードゲート金属化128は段
付き凹部を含まないことに留意されたい。しかし、本発
明の別の実施形態による、増強モードゲート金属化13
0及び空乏モードゲート金属化128の両方が段付き凹
部を有する増強/空乏PHEMTデバイスの形成方法
を、図8ないし図10に絡めて説明する。
【0057】最初に、オーミックコンタクト124及び
分離構造126を有する多層構造が、図1ないし図3に
絡めて上述したように形成される。続いて、適当なフォ
トリソグラフ処理が用いられ、空乏モードPHEMT用
の上側ゲート凹部に対応する開口を有するフォトレジス
トパターンを画定する。これは、非選択的ゲート凹部エ
ッチング工程に引き続き、当業界では公知の多数の適当
なGaAsエッチング溶液のうちのいずれか一つを用いて、
過渡層120まで構造物をエッチングする。フォトレジ
ストは除去され、図8の構造になる。
【0058】増強モードPHEMT用の上側ゲート凹部
に対応する開口を有する付加的なフォトレジストパター
ンが画定される。このフォトリソグラフ工程は適当なエ
ッチング工程に引き続く。例えば選択的ゲート凹部エッ
チングが、第2InGaPエッチング停止層118で止まる
例えば硫酸及び過酸化水素水溶液を用いて実行すること
ができる。次に、第2InGaPエッチング停止層118
が、例えば塩酸水溶液を用いて除去される。次に、フォ
トレジストが除去され、その結果の構造は図9に示され
る。
【0059】増強モードPHEMTの下側ゲート凹部及
び空乏モードPHEMTの下側ゲート凹部の両方のため
の開口を有する別のフォトレジストパターンが画定され
る。増強モードPHEMT及び空乏モードPHEMTの
下側ゲート凹部用開口は、上側ゲート凹部用の対応する
開口より狭く、エッチング後に2段凹部を形成する。最
初に、選択的ゲート凹部エッチングは、(a)増強モー
ドゲートの領域での第1InGaPエッチング停止層114
で、及び(b)空乏モードゲートの領域での第2InGaP
エッチング層118で、例えば硫酸及び過酸化水素水溶
液を用いて実行する。次に、例えば塩酸水溶液を用い
て、(a)増強モードゲートの領域の第1InGaPエッチ
ング停止層114、及び(b)空乏モードゲートの領域
の第2InGaPエッチング停止層118を除去する別の選
択的エッチングを実行する。次に、増強モードゲート金
属化130及び空乏モードゲート金属化128は、フォ
トレジストパターンに画定された開口を貫通して付着
し、増強モードPHEMT及び空乏モードPHEMTの
ゲート電極として使用されるショットキーコンタクトを
形成する。次に、フォトレジストパターンが除去され、
図10に示される構造になる。2段凹部構造のため、図
示の形状は、増強モードPHEMT及び空乏モードPH
EMTの両方に関して優位な破壊電圧を有する。
【0060】以上、いくつかの例示的実施形態に関して
本発明を説明したが、当業者に明らかな上述の実施形態
の多数の変形例がある。これら変形例は本発明の教示の
範囲内であり、本発明は特許請求の範囲によってのみ限
定されるべきであることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態による、増強モードトラン
ジスタ及び空乏モードトランジスタの両方を含むPHE
MTの形成を順に示す概略断面図である。
【図2】本発明の一実施形態による、増強モードトラン
ジスタ及び空乏モードトランジスタの両方を含むPHE
MTの形成を順に示す概略断面図である。
【図3】本発明の一実施形態による、増強モードトラン
ジスタ及び空乏モードトランジスタの両方を含むPHE
MTの形成を順に示す概略断面図である。
【図4】本発明の一実施形態による、増強モードトラン
ジスタ及び空乏モードトランジスタの両方を含むPHE
MTデバイスの形成を順に示す概略断面図である。
【図5】本発明の一実施形態による、増強モードトラン
ジスタ及び空乏モードトランジスタの両方を含むPHE
MTの形成を順に示す概略断面図である。
【図6】本発明の別の実施形態による、増強モードトラ
ンジスタ及び空乏モードトランジスタの両方を含むPH
EMTの形成を順に示す概略断面図である。
【図7】本発明の別の実施形態による、増強モードトラ
ンジスタ及び空乏モードトランジスタの両方を含むPH
EMTの形成を順に示す概略断面図である。
【図8】本発明のさらに別の実施形態による、増強モー
ドトランジスタ及び空乏モードトランジスタの両方を含
むPHEMTの形成を順に示す概略断面図である。
【図9】本発明のさらに別の実施形態による、増強モー
ドトランジスタ及び空乏モードトランジスタの両方を含
むPHEMTの形成を順に示す概略断面図である。
【図10】本発明のさらに別の実施形態による、増強モ
ードトランジスタ及び空乏モードトランジスタの両方を
含むPHEMTの形成を順に示す概略断面図である。
【符号の説明】
102 半導体基板 104 バッファ領域 106 超格子バッファ 108 チャンネル層 110 電子ドナー層 112 第1ショットキー層 114 第1InGaP層 116 第2ショットキー層 118 第2InGaP層 120 過渡層 122 ドープされたGaAsコンタクト層 126 分離構造 128,130 ゲート金属化
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 29/872 (72)発明者 デビッド マーク ダンジリオ アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 01749 ハドソン ヒッコリーレーン 6 Fターム(参考) 4M104 AA04 AA05 BB15 CC03 DD34 FF27 GG12 5F043 AA13 AA20 BB06 BB08 DD24 FF06 GG04 5F102 FA01 GA02 GB01 GC01 GD01 GJ05 GK05 GK06 GK08 GL04 GL09 GM05 GM06 GM07 GM08 GN05 GN07 GN08 GQ01 GR04 GR09 GR10 GS02 GT03 HC01 HC10 HC15

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板、 該半導体基板上に1以上の半導体バッファ層を有するバ
    ッファ領域、 該バッファ領域上のIII−V属半導体チャンネル層、 該チャンネル層上の電子ドナー層、 該電子ドナー上のGaAs又はAlGaAsの第1ショットキー
    層、 該第1ショットキー層上の第1InGaP層、 該第1InGaP層上のGaAs又はAlGaAsの第2ショットキー
    層、 該第2ショットキー層上の第2InGaP層、 該第2InGaP層上のドープされたGaAsコンタクト層、 第1活性領域及び第2活性領域を画定し、前記コンタク
    ト層の上面から少なくとも前記バッファ領域に延びる分
    離構造、 前記第1活性領域内の前記ドープされたGaAsコンタクト
    層に配置された増強オーミックソースコンタクト及び増
    強オーミックドレーンコンタクト、 前記コンタクト層の上面から延びて前記第1活性領域内
    の前記第1InGaP層を貫通する増強ゲート凹部、 該増強ゲート凹部内の前記第1ショットキー層上に配置
    された増強ゲートコンタクト、 前記第2活性領域内の前記ドープされたGaAsコンタクト
    層上に配置された空乏オーミックソースコンタクト及び
    空乏オーミックドレーンコンタクト、 前記コンタクト層の上面から延びて前記第2活性領域内
    の前記第2InGaP層を貫通する空乏ゲート凹部、及び該
    空乏ゲート凹部内の前記第2ショットキー層上に配置さ
    れた空乏ゲートコンタクトを具備することを特徴とする
    増強/空乏モード擬似形態高電子移動度トランジスタデ
    バイス構造。
  2. 【請求項2】前記半導体基板がGaAs基板であることを特
    徴とする請求項1記載の増強/空乏モード擬似形態高電
    子移動度トランジスタデバイス構造。
  3. 【請求項3】前記1以上のバッファ層が1以上のIII−V
    属半導体層からなることを特徴とする請求項1記載の増
    強/空乏モード擬似形態高電子移動度トランジスタデバ
    イス構造。
  4. 【請求項4】前記1以上のバッファ層は、GaAsバッファ
    層と、GaAs及びAlGaAsの交互層を有する超格子バッファ
    とを具備することを特徴とする請求項3記載の増強/空
    乏モード擬似形態高電子移動度トランジスタデバイス構
    造。
  5. 【請求項5】前記III−V属半導体チャンネル層はInGaAs
    チャンネル層であることを特徴とする請求項1記載の増
    強/空乏モード擬似形態高電子移動度トランジスタデバ
    イス構造。
  6. 【請求項6】前記電子ドナー層はケイ素原子の平面であ
    ることを特徴とする請求項1記載の増強/空乏モード擬
    似形態高電子移動度トランジスタデバイス構造。
  7. 【請求項7】前記第1ショットキー層は、厚さ500〜150
    0nmのAlxGa1 -xAs層(xは0.35〜0.75の範囲)であり、 前記第2ショットキー層は、厚さ500〜1500nmのAlxGa1
    -xAs層(xは0.15〜0.25の範囲)であることを特徴とす
    る請求項1記載の増強/空乏モード擬似形態高電子移動
    度トランジスタデバイス構造。
  8. 【請求項8】前記第1ショットキー層はドープされてお
    らず、 前記第2ショットキー層はドープされていることを特徴
    とする請求項7記載の増強/空乏モード擬似形態高電子
    移動度トランジスタデバイス構造。
  9. 【請求項9】前記第1及び第2InGaP層は、厚さ100nm〜
    500nmのInzGa1 -zP層(zは0.4〜0.6の範囲)であること
    を特徴とする請求項1記載の増強/空乏モード擬似形態
    高電子移動度トランジスタデバイス構造。
  10. 【請求項10】前記分離構造はイオン注入構造であるこ
    とを特徴とする請求項1記載の増強/空乏モード擬似形
    態高電子移動度トランジスタデバイス構造。
  11. 【請求項11】前記第2InGaP層及び前記ドープされたG
    aAsコンタクト層間に、ドープされたGaAs又はAlGaAs過
    渡層をさらに具備し、 該過渡層は、前記コンタクト層より低い正味ドープ濃度
    を有することを特徴とする請求項1記載の増強/空乏モ
    ード擬似形態高電子移動度トランジスタデバイス構造。
  12. 【請求項12】前記第1ショットキー層及び前記第1In
    GaP層の間に、非ドープGaAsキャップ層をさらに具備
    し、 該キャップ層は厚さが150〜500nmであることを特徴とす
    る請求項7記載の増強/空乏モード擬似形態高電子移動
    度トランジスタデバイス構造。
  13. 【請求項13】前記チャンネル層及び前記電子ドナー層
    の間に、AlGaAsスペーサ層をさらに具備することを特徴
    とする請求項1記載の増強/空乏モード擬似形態高電子
    移動度トランジスタデバイス構造。
  14. 【請求項14】前記空乏ゲート凹部は、下部内よりも上
    部内で大きく開口し、 前記増強ゲート凹部は、下部内よりも上部内で大きく開
    口することを特徴とする請求項1記載の増強/空乏モー
    ド擬似形態高電子移動度トランジスタデバイス構造。
  15. 【請求項15】前記空乏ゲート凹部は、前記第2InGaP
    層内よりも前記ドープされたGaAsコンタクト層内で大き
    く開口し、 前記増強ゲート凹部は、前記第2ショットキー層及び前
    記第1InGaP層内よりも、前記ドープされたGaAsコンタ
    クト層及び前記第2InGaP層内で大きく開口することを
    特徴とする請求項1記載の増強/空乏モード擬似形態高
    電子移動度トランジスタデバイス構造。
  16. 【請求項16】以下の構成を具備する多層構造を形成す
    る工程と、 (a)半導体基板、 (b)該半導体基板上に1以上の半導体バッファ層を有
    するバッファ領域、 (c)該バッファ領域上のIII−V属半導体チャンネル
    層、 (d)該チャンネル層上の電子ドナー層、 (e)該電子ドナー上のGaAs又はAlGaAsの第1ショット
    キー層、 (f)該第1ショットキー層上の第1InGaP層、 (g)該第1InGaP層上のGaAs又はAlGaAsの第2ショッ
    トキー層、 (h)該第2ショットキー層上の第2InGaP層、 (i)該第2InGaP層上のドープされたGaAsコンタクト
    層、 (j)該ドープされたGaAsコンタクト層に配置されたオ
    ーミックコンタクト、及び (k)前記コンタクト層の上面から少なくとも前記バッ
    ファ領域まで延び、第1活性領域及び第2活性領域を画
    定する分離構造、 前記第1活性領域内で、前記コンタクト層の上面から延
    びて前記第1InGaP層を貫通する増強ゲート凹部をエッ
    チングする工程と、 前記増強ゲート凹部内の前記第1ショットキー層上に増
    強ゲートコンタクトを付着する工程と、 前記第2活性領域内で、前記コンタクト層の上面から延
    びて前記第2InGaP層を貫通する空乏ゲート凹部をエッ
    チングする工程と、 前記空乏ゲート凹部内の前記第2ショットキー層上に空
    乏ゲートコンタクトを付着する工程とからなることを特
    徴とする増強/空乏モード擬似形態高電子移動度トラン
    ジスタデバイス構造の形成方法。
  17. 【請求項17】前記増強ゲート凹部が以下の工程により
    エッチングされ、 (a)第1増強凹部エッチング工程で、前記コンタクト
    層の上面から前記第2InGaP層の上面まで第1活性領域
    凹部をエッチングする工程、 (b)第2増強凹部エッチング工程で、前記第2InGaP
    層を貫通して前記第1活性領域凹部をさらにエッチング
    する工程、 (c)第3増強凹部エッチング工程で、前記第1InGaP
    層の上面まで前記第1活性領域凹部をさらにエッチング
    する工程、及び (d)第4増強凹部エッチング工程で、前記第1InGaP
    層を貫通して前記第1活性領域凹部をさらにエッチング
    し、前記増強ゲート凹部を完成する工程、 前記空乏ゲート凹部が、(a)第1空乏凹部エッチング
    工程で、コンタクト層の上面から第2InGaP層の上面ま
    で第2活性領域凹部をエッチングする工程、及び(b)
    第2空乏凹部エッチング工程で、第2InGaP層を貫通し
    て第2活性領域凹部をさらにエッチングし、空乏ゲート
    凹部を完成する工程でエッチングされることを特徴とす
    る請求項16記載の増強/空乏モード擬似形態高電子移
    動度トランジスタデバイス構造の形成方法。
  18. 【請求項18】前記増強ゲート凹部及び前記空乏ゲート
    凹部は、ウエットエッチング処理でエッチングされるこ
    とを特徴とする請求項16記載の増強/空乏モード擬似
    形態高電子移動度トランジスタデバイス構造の形成方
    法。
  19. 【請求項19】前記第1増強凹部エッチング工程、前記
    第3増強凹部エッチング工程及び前記第1空乏凹部エッ
    チング工程は、硫酸及び過酸化水素からなるエッチング
    水溶液を用いて実行され、 前記第2増強凹部エッチング工程、前記第4増強凹部エ
    ッチング工程及び前記第2空乏エッチング工程は、塩酸
    からなるエッチング水溶液を用いて実行されることを特
    徴とする請求項17記載の増強/空乏モード擬似形態高
    電子移動度トランジスタデバイス構造の形成方法。
  20. 【請求項20】前記第1及び第2増強凹部エッチング工
    程は、第1開口を有する上側第1活性領域凹部が、前記
    ドープされたGaAsコンタクト層内で且つ前記第2InGaP
    層内に形成されるように実行され、 前記第3及び第4増強凹部エッチング工程は、第2開口
    を有する下側第1活性領域凹部が前記第2ショットキー
    層内で且つ前記第1InGaP層内に形成されるように実行
    され、 前記第2開口は前記第1開口より狭いことを特徴とする
    請求項20記載の増強/空乏モード擬似形態高電子移動
    度トランジスタデバイス構造の形成方法。
  21. 【請求項21】前記第3増強凹部エッチング工程は前記
    第1空乏凹部エッチング工程と同時に実行され、 前記第4増強凹部エッチング工程は前記第2空乏凹部エ
    ッチング工程と同時に実行され、 前記増強ゲートコンタクトは前記空乏ゲートコンタクト
    と同時に付着されることを特徴とする請求項17記載の
    増強/空乏モード擬似形態高電子移動度トランジスタデ
    バイス構造の形成方法。
  22. 【請求項22】前記第1空乏凹部エッチング工程、前記
    第2空乏凹部エッチング工程、前記第1増強凹部エッチ
    ング工程、前記第2増強凹部エッチング工程、前記第3
    増強凹部エッチング工程及び前記第4増強凹部エッチン
    グ工程の2つが同時に実行されないことを特徴とする請
    求項17記載の増強/空乏モード擬似形態高電子移動度
    トランジスタデバイス構造の形成方法。
  23. 【請求項23】前記多層構造は、前記第2InGaP層及び
    前記ドープされたGaAsコンタクト層間に、前記コンタク
    ト層より正味ドープ濃度が低い、ドープされたGaAs又は
    AlGaAs過渡層をさらに具備し、 前記増強ゲート凹部は、 (a)第1増強凹部エッチング工程で、前記コンタクト
    層の上面から前記第2InGaP層の上面まで第1活性領域
    凹部をエッチングする工程、 (b)第2増強凹部エッチング工程で、前記第2InGaP
    層を貫通して前記第1活性領域凹部をさらにエッチング
    する工程、 (c)第3増強凹部エッチング工程で、前記第1InGaP
    層の上面まで前記第1活性領域凹部をさらにエッチング
    する工程、及び (d)第4増強凹部エッチング工程で、前記第1InGaP
    層を貫通して前記第1活性領域凹部をさらにエッチング
    し、前記増強ゲート凹部を完成する工程、によりエッチ
    ングされ、 前記空乏ゲート凹部は、 (a)第1空乏凹部エッチング工程で、前記コンタクト
    層の上面から前記過渡層の上面まで第2活性領域凹部を
    エッチングする工程、 (b)第2空乏凹部エッチング工程で、前記第2InGaP
    層の上面まで前記第2活性領域凹部をさらにエッチング
    する工程、及び (c)第3空乏凹部エッチング工程で、前記第2InGaP
    層を貫通して前記第2活性領域凹部をさらにエッチング
    し、前記空乏ゲート凹部を完成する工程、によりエッチ
    ングされることを特徴とする請求項16記載の増強/空
    乏モード擬似形態高電子移動度トランジスタデバイス構
    造の形成方法。
  24. 【請求項24】前記第1及び第2増強凹部エッチング工
    程は、第1開口を有する上側第1活性領域凹部が、前記
    ドープされたGaAsコンタクト層内、前記過渡層内且つ前
    記第2InGaP層内に形成されるように実行され、 前記第3及び第4増強凹部エッチング工程は、前記第1
    開口より狭い第2開口を有する下側第1活性領域凹部が
    前記第2ショットキー層内で且つ前記第1InGaP層内に
    形成されるように実行され、 前記第1空乏凹部エッチング工程は、第3開口を有する
    上側第2活性領域凹部が、前記ドープされたGaAsコンタ
    クト層内に形成されるように実行され、 前記第2及び第3空乏凹部エッチング工程は、前記第3
    開口より狭い第4開口を有する下側第2活性領域凹部が
    前記過渡層内で且つ前記第2InGaP層内に形成されるよ
    うに実行されることを特徴とする請求項23記載の増強
    /空乏モード擬似形態高電子移動度トランジスタデバイ
    ス構造の形成方法。
  25. 【請求項25】前記第3増強凹部エッチング工程は前記
    第2空乏凹部エッチング工程と同時に実行され、 前記第4増強凹部エッチング工程は前記第3空乏凹部エ
    ッチング工程と同時に実行され、 前記増強ゲートコンタクトは前記空乏ゲートコンタクト
    と同時に付着されることを特徴とする請求項23記載の
    増強/空乏モード擬似形態高電子移動度トランジスタデ
    バイス構造の形成方法。
  26. 【請求項26】前記第1増強凹部エッチング工程、前記
    第3増強凹部エッチング工程及び前記第2空乏凹部エッ
    チング工程の各々は、硫酸及び過酸化水素からなるエッ
    チング水溶液を用いて実行され、 前記第2増強凹部エッチング工程、前記第4増強凹部エ
    ッチング工程及び前記第3空乏エッチング工程の各々
    は、塩酸からなるエッチング水溶液を用いて実行される
    ことを特徴とする請求項23記載の増強/空乏モード擬
    似形態高電子移動度トランジスタデバイス構造の形成方
    法。
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