JP2003059944A - 電界効果トランジスタおよびこの製造方法 - Google Patents
電界効果トランジスタおよびこの製造方法Info
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Abstract
対称構造を実現できるようにする。 【解決手段】 絶縁膜110を形成にゲート開口部11
1a,非対称リセス形成用開口部111bを形成した
ら、ゲート開口部111a,非対称リセス形成用開口部
111bをリセス形成用の開口領域とし、この開口領域
よりコンタクト層107を、クエン酸などのエッチング
液を用いたウエットエッチングで等方的にエッチング
し、異なる広さのリセス領域113a,リセス領域11
3bを形成する。
Description
を備えた電界効果トランジスタおよびこの製造方法に関
する。
ET)において、ソース・ドレイン間に電圧を印加する
と、ソース・ドレイン間のチャネル中を電子などのキャ
リアが移動する。このとき、チャネルを構成している半
導体層に存在するイオン化したドナーの存在により、キ
ャリアとしての電子の移動度は影響を受ける。これに対
し、ヘテロ構造型電界効果トランジスタ(HFET)
は、キャリアとしての電子が走行する層と、電子を供給
する層とをヘテロ接合により空間的に分離し、電子がド
ナーによって散乱されるのを抑制し、電子移動度を増大
させて高速性を向上させたトランジスタである。
に示す。このHFETは、まず、半絶縁性のInPから
なる基板601上に、InAlAsからなる膜厚200
nmのバッファ層602,InGaAsからなる膜厚1
5nmのチャネル層603,InAlAsからなる膜厚
3nmのスペーサ層604,不純物としてSiが1×1
019cm-3ドープされたInAlAsからなる膜厚5n
mのキャリア供給層605,InAlAsからなる膜厚
10nmのショットキー接合形成層606,Siが高濃
度(2×1019cm-3)にドープされたInGaAsか
らなるコンタクト層607が、有機金属気相成長法など
により結晶成長されて順次積層されている。
e合金などの金属からなるソース電極608,ドレイン
電極609が形成され、各々コンタクト層607とオー
ミック接合されている。一方、コンタクト層607上の
ソース電極608とドレイン電極609との間には、図
6の紙面の法線方向に延在するストライプ状の開口部6
11を備えた絶縁膜610を備え、コンタクト層607
を開口部611よりエッチング除去して空間を形成し、
また、開口部611より上記空間に進入してショットキ
ー接合形成層606にショットキー接続するWSiなど
の金属からなるゲート電極612を備え、リセスゲート
構造としている。
07のエッチングを再現性よく行うために、選択エッチ
ングがしばしば用いられる。選択エッチングは、コンタ
クト層とショットキー接合形成層とを別材料とすること
で、各々異なるエッチング特性を持たせ、コンタクト層
がよりエッチングされやすい条件とするものである。あ
るいは、コンタクト層とショットキー接合形成層との間
に、これらとは別材料でエッチング停止層を形成して挿
入し、コンタクト層のエッチングでは、ショットキー接
合層がエッチングされないようにするものである。
ゲート電極612に印加した電圧により、チャネル層6
03の2次元電子ガスの濃度を変化させ、ソース電極6
08とドレイン電極609との間に流れる電流を制御す
ることにより、トランジスタ動作を得る。また、図6に
示すHFETは、リセスゲート構造とすることで寄生抵
抗を低減させ、また、断面視「T」字形のゲート電極と
することで、ゲート電極の抵抗を低減させたものであ
る。
来のHFETでは、つぎに示すような問題がある。ゲー
ト電極を形成するためのコンタクト層除去の際、ゲート
電極の両脇にはショットキー接合形成層の表面が露出す
る領域、すなわち、リセス領域613a,613bが形
成される。このリセス領域の大きさは、トランジスタ特
性に大きな影響を与える。リセス領域が広くなると、ト
ランジスタの寄生抵抗を大きくする。特に、ソース・ゲ
ート間の寄生抵抗が大きくなると、トランジスタの相互
コンダクタンスを低下させることになり、これを用いた
回路の増幅特性や周波数特定を律速する要因となる。
・ドレイン間に電界集中を起こしやすくなり、僅かなド
レイン電圧でトランジスタを破壊に至らしめる。また、
電界集中により生じるホットキャリアが、ゲート・ドレ
イン間の電流経路にダメージを与え、トランジスタの劣
化の要因となりうる。以上のことから、リセス領域の広
がりについては、ソース側とドレイン側で異なる要求が
あることが判る。ソース側では寄生抵抗を押さえるため
にリセス広がりは小さくし、ドレイン側では電界集中を
押さえるために、ある程度リセス広がりを大きめにする
のが理想である。
は、シリコン半導体を用いたMOSFETなど、イオン
注入によりソースおよびドレインのオーミック領域を形
成するトランジスタでは、LDD(Lightly-Doped Drai
n)構造として知られている。ところが、LDD構造の
ように不純物濃度のプロファイル制御によって非対称構
造を形成することは、結晶成長により活性層を形成する
HFETには適用できない。
を実現する手法として考えられるのは、まず1回目の露
光工程によりリセス領域を形成した後、2回目の露光工
程によりゲート電極を形成するものである。しかしなが
ら、リセス領域の大きさは、通常0.05〜0.5μm
程度であり、非対称構造を再現性よく実現するために
は、この2回の露光の位置合わせ精度として0.01μ
mオーダーという極めて厳しい値が要求され、実現的で
はない。
ためになされたものであり、より容易にリセス形成によ
るゲート構造で非対称構造を実現できるようにすること
を目的とする。
電界効果トランジスタは、半導体基板上に形成されたチ
ャネル層と、このチャネル層上に形成されたショットキ
ー接合層と、このショットキー接合層上に形成されて所
定領域にショットキー接合層が露出するリセス領域を備
えたコンタクト層と、このコンタクト層上のリセス領域
を覆う所定領域に形成され、リセス領域内に配置されて
形成されたゲート開口部、およびリセス領域内に配置さ
れてゲート開口部から所定距離離れた箇所に形成された
非対称リセス形成用開口部を備えた絶縁膜と、この絶縁
膜上に形成されて一部がゲート開口部のみよりリセス領
域に嵌入してショットキー接合層にショットキー接続し
たゲート電極と、コンタクト層上のゲート電極のゲート
長方向の非対称リセス形成用開口部側に他方に形成され
たドレイン電極と、コンタクト層上のゲート電極のゲー
ト長方向のドレイン電極とは反対の側に形成されたソー
ス電極とを備え、非対称リセス形成用開口部は、短い方
の開口寸法が絶縁膜の厚さより小さく形成され、リセス
領域のゲート電極のショットキー接合部で区切られたド
レイン電極側の領域は、ソース電極側の領域より広く形
成されたものである。この発明によれば、ドレイン側の
リセス領域がソース側のリセス領域より広く形成されて
いるので、ドレイン側では電界集中が抑制された状態と
なる。
ネル層は、例えば、半導体基板上に形成された電子走行
層と、この電子走行層にヘテロ接合して形成された電子
供給層とから構成されたものである。
スタの製造方法は、半導体基板上にチャネル層を形成す
る工程と、チャネル層上にショットキー接合層を形成す
る工程と、ショットキー接合層上にコンタクト層を形成
する工程と、コンタクト層上に所定の間隔をあけてソー
ス電極およびドレイン電極を形成する工程と、コンタク
ト層上のソース電極とドレイン電極の間に絶縁膜を形成
する工程と、絶縁膜にゲート開口部およびこのゲート開
口部からドレイン電極配置方向に所定距離離れた箇所に
配置されて短い方の開口寸法が絶縁膜の膜厚より小さい
非対称リセス形成用開口部を形成する工程と、ゲート開
口部および非対称リセス形成用開口部を備えた絶縁膜を
マスクとしてコンタクト層をエッチングし、ゲート開口
部および非対称リセス形成用開口部下の領域に、ショッ
トキー接合層表面が連続して露出したリセス領域を形成
する工程と、絶縁膜上に金属を堆積して金属膜を形成
し、この金属膜の一部がゲート開口部のみよりリセス領
域に嵌入してショットキー接合層にショットキー接続し
た状態とする工程と、金属膜を加工して、絶縁膜上に配
置されて一部がゲート開口部よりリセス領域に嵌入して
ショットキー接合層にショットキー接続したゲート電極
を形成する工程とを備え、コンタクト層のエッチングで
は、コンタクト層を等方的にエッチングするようにした
ものである。この発明によれば、ドレイン側のリセス領
域がソース側のリセス領域より広く形成されるようにな
る。
いて、ゲート電極を形成した後、絶縁膜を除去するよう
にしても良い。また、上記電界効果トランジスタの製造
方法において、半導体基板上に電子走行層を形成する工
程と、電子走行層にヘテロ接合する電子供給層を形成す
る工程とによりチャネル層を形成するようにしてもよ
い。
て図を参照して説明する。 <実施の形態1>はじめに、本発明の第1の実施の形態
について説明する。図1は、第1の実施の形態における
電界効果トランジスタの一例である、ヘテロ構造型電界
効果トランジスタ(HFET)の構成例を示す模式的な
断面図である。このHFETの形成では、まず、半絶縁
性のInPからなる基板101上に、InAlAsから
なる膜厚200nmのバッファ層102,InGaAs
からなる膜厚15nmのチャネル層103,InAlA
sからなる膜厚3nmのスペーサ層104,不純物とし
てSiが1×1019cm-3ドープされたInAlAsか
らなる膜厚5nmのキャリア供給層105,InAlA
sからなる膜厚10nmのショットキー接合形成層10
6,Siが高濃度(2×1019cm-3)にドープされた
InGaAsからなるコンタクト層107を、有機金属
気相成長法などにより結晶成長することで順次積層す
る。
Pt/Auを堆積して金属膜を形成した後、この金属膜
を公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とに
よりパターニングし、図2(a)に示すように、ソース
電極108とドレイン電極109とが形成された状態と
する。コンタクト層107が存在するので、ソース電極
108,ドレイン電極109は、オーミック接合する。
109の形成により露出したショットキー接合形成層1
06表面に、酸化シリコンからなる膜厚50nmの絶縁
膜110を形成し、これに、公知の電子線リソグラフィ
技術とエッチング技術とにより、図2(b)の紙面の法
線方向に延在するストライプ状のゲート開口部111
a,非対称リセス形成用開口部111bを形成する。ゲ
ート開口部111aは、幅100nmに形成し、非対称
リセス形成用開口部111bは、ゲート開口部111a
よりドレイン側100nm離れて幅20nmに形成す
る。
示すように、ゲート開口部111a,非対称リセス形成
用開口部111bをリセス形成用の開口領域とし、この
開口領域よりコンタクト層107を、クエン酸などのエ
ッチング液を用いたウエットエッチングで等方的にエッ
チングする。このエッチングで、エッチング種であるク
エン酸(エッチング液)は、2つの開口部からコンタク
ト層107を浸食し、エッチングの横方向の広がりによ
って1つのつながった空間を形成し、ゲート開口部11
1aを堺に異なる広さのリセス領域113a,リセス領
域113bを形成する。
ゲート長方向を見ると、ゲート開口部111aからドレ
イン側に形成されている空間は、ゲート開口部111a
からソース側に側に形成されているより広く形成され
る。従って、本実施の形態によれば、ゲート開口部を形
成するときに、新たな工程を追加することなく、ゲート
開口部を中心にした非対称なリセス領域が形成されるこ
とになる。
てこれ以外のソース電極108,ドレイン電極109を
含む領域が被覆されたマスク層を形成し、このマスク層
上よりTi/Pt/Auを堆積して金属膜を形成した
後、マスク層を除去することで、図2(d)に示すよう
に、ゲート電極112を形成する。金属膜の形成におい
て、堆積した金属の一部が、ゲート開口部111aより
望めるショットキー接合形成層106の露出面にショッ
トキー接合する。従って、形成したゲート電極112
は、一部がゲート開口部111aを通過してショットキ
ー接続形成層106に到達してショットキー接合する。
は、開口寸法が狭いので、金属を堆積するときにこの一
部が空間内部にあまり進入することが無く、この領域に
おいて、ゲート電極112の一部がショットキー接合形
成層106に接触する部分が形成されることがない。ま
た、非対称リセス形成用開口部111bを通過してショ
ットキー接合形成層106上に形成された金属部分は、
ゲート電極とは絶縁分離された状態となっている。
圧は、ゲート開口部111a直下のショットキー接合形
成層106にのみ印加されるので、ゲート長はゲート開
口部111aの、図1の紙面横方向の寸法によって定義
される。また、非対称リセス形成用開口部111bの存
在により、ゲート開口部111aを堺に分けられたリセ
ス領域113a,リセス領域113bは、ドレイン側の
リセス領域113bの方が広く形成され、非対称のリセ
ス領域が形成される。
bは、ゲート開口部111aよりドレイン側に配置す
る。かつ、前述した金属の堆積時に、非対称リセス形成
用開口部111bより進入する金属の堆積量を抑制し、
この堆積部分がゲート電極112に接触しないように、
非対称リセス形成用開口部111bの開口広さを小さく
する。図3(a)に示すように、開口部の寸法が絶縁膜
110aの厚さ相当、あるいは絶縁膜110aの厚さよ
り大きい場合、開口部より見込めるショットキー接合形
成層106上に堆積する金属部分301の上部は、絶縁
膜110aに堆積する金属部分302に接触した状態と
なる。
口部の寸法が絶縁膜110の厚さに比べて十分に小さい
場合、金属部分311が大きく成長する前に、開口部側
部への横方向の金属の成長により、開口部が塞がれる。
この結果、絶縁膜110下への金属の供給が無くなり、
ショットキー接合形成層106上に堆積する金属部分3
11の成長が停止する。このため、図3(b)の場合、
金属部分311は、金属部分312、すなわちゲート電
極に接触することがない。
は、図4(a)の断面図に示すように、絶縁膜110に
対してゲート開口部111a,非対称リセス形成用開口
部111bを形成した。従って、形成したゲート開口部
111aと非対称リセス形成用開口部111bの間の部
分は、図4(b)の平面図に示すように、リセス領域上
では何ら支持されている部分が無く、リセス領域端部の
絶縁膜110に連続している部分で支持されているのみ
である。この場合、トランジスタの最大許容電流を増加
させるために、ゲート幅Wgを増加させると、ゲート開
口部111aと非対称リセス形成用開口部111bの間
の部分の強度が不十分となる可能性がある。
した非対称リセス形成用開口部111bではなく、図4
(c),図4(d)に示すように、絶縁膜110に、部
分的に開口した複数の非対称リセス形成用開口部410
b,420bを備えるようにしても良い。非対称リセス
形成用開口部410bは、ゲート長方向の幅が20n
m,ゲート幅方向の長さが100nmであり、ゲート開
口部111aより100nmドレイン側に、ゲート幅方
向に100nm毎に周期的に配置されている。
は、ゲート長方向の幅が10nm,ゲート幅方向の長さ
が100nmであり、まずこれが、ゲート開口部111
aより100nmドレイン側にゲート幅方向に100n
m毎に周期的に配置されて第1の列を構成している。加
えて、非対称リセス形成用開口部420bは、第1の列
より50nmドレイン側に、第1の列の周期より50n
mずれて100nm毎に周期的に配置されて第2の列を
構成している。このように非対称リセス形成用開口部4
20bを配列することで、非対称リセス形成用開口部4
10bの配列に比較して、ドレイン側のリセス領域の広
がりを、ゲート幅方向により均一に形成することができ
る。
態について説明する。本実施の形態におけるHFETの
製造方法について説明すると、まず、図1にも示したよ
うに、半絶縁性のInPからなる基板101上に、In
AlAsからなる膜厚200nmのバッファ層102,
InGaAsからなる膜厚15nmのチャネル層10
3,InAlAsからなる膜厚3nmのスペーサ層10
4,不純物としてSiが1×1019cm-3ドープされた
InAlAsからなる膜厚5nmのキャリア供給層10
5,InAlAsからなる膜厚10nmのショットキー
接合形成層106,Siが高濃度(2×1019cm-3)
にドープされたInGaAsからなるコンタクト層10
7を、有機金属気相成長法などにより結晶成長すること
で順次積層する。
クト層107上に、前述した実施の形態と同様にしてソ
ース電極108,ドレイン電極109を形成した後、こ
れらを含むコンタクト層107上に、ポリメタクリル酸
メチル(PMMA)からなる電子線レジスト層501
と、PMGIからなる電子線レジスト層502とを、塗
布することで順次形成する。
などを除去した後、ゲート電極形成領域が開口するよう
に、電子線レジスト層502に電子線を露光して潜像を
形成し、これを現像することで、図5(b)に示すよう
に、電子線レジスト層502に開口部502aを形成す
る。つぎに、電子線レジスト層501に電子線を露光し
て所定のパターンの潜像を形成し、これを現像すること
で、図5(c)に示すように、ゲート開口部501a
と、非対称リセス形成用開口部501bとを、電子線レ
ジスト層501に形成する。この後、電子線レジスト層
501をマスクパターンとし、クエン酸溶液を用いてコ
ンタクト層107をエッチングしてリセス領域を形成す
る。
レジスト層502上に、例えば蒸着法などによりTi/
Pt/Auを堆積し、図5(d)に示すように、ゲート
電極112および金属層503を形成する。次いで、電
子線レジスト層502および電子線レジスト層501
を、レジスト剥離液によって除去し、図5(e)に示す
ように、コンタクト素107のリセス領域内に露出する
ショットキー接合形成層106にショットキー接合する
ゲート電極112が形成された状態とする。このように
リセスゲート構造を形成した場合、ゲート電極112を
形成した後、半導体層の露出している表面に、改めて保
護膜を形成することができるようになる。
造型電界効果トランジスタを例に説明したが、これに限
るものではなく、ゲートリセス構造を備えた他の電界効
果トランジスタに対しても、本発明が適用できることは
言うまでもない。
新たな工程を付加することなく、ドレイン側のリセス領
域がソース側のリセス領域より広く形成されるようにな
るので、より容易にリセス形成によるゲート構造で非対
称構造を実現できるというすぐれた効果が得られる。
ジスタ(ヘテロ構造型電界効果トランジスタ)の構成例
を示す模式的な断面図である。
ジスタの製造方法を説明するための工程図である。
関係を示す説明図である。
示す断面図と平面図である。
スタの製造方法を説明するための工程図である。
スタの構成例を示す模式的な断面図である。
層、104…スペーサ層、105…キャリア供給層、1
06…ショットキー接合形成層、107…コンタクト
層、108…ソース電極、109…ドレイン電極、11
0…絶縁膜、111a…ゲート開口部、111b…非対
称リセス形成用開口部、112…ゲート電極、113
a,113b…リセス領域。
Claims (5)
- 【請求項1】 半導体基板上に形成されたチャネル層
と、 このチャネル層上に形成されたショットキー接合層と、 このショットキー接合層上に形成されて所定領域に前記
ショットキー接合層が露出するリセス領域を備えたコン
タクト層と、 このコンタクト層上の前記リセス領域を覆う所定領域に
形成され、前記リセス領域内に配置されて形成されたゲ
ート開口部、および前記リセス領域内に配置されて前記
ゲート開口部から所定距離離れた箇所に形成された非対
称リセス形成用開口部を備えた絶縁膜と、 この絶縁膜上に形成されて一部が前記ゲート開口部のみ
より前記リセス領域に嵌入して前記ショットキー接合層
にショットキー接続したゲート電極と、 前記コンタクト層上の前記ゲート電極のゲート長方向の
非対称リセス形成用開口部側に他方に形成されたドレイ
ン電極と、 前記コンタクト層上の前記ゲート電極のゲート長方向の
前記ドレイン電極とは反対の側に形成されたソース電極
とを備え、 前記非対称リセス形成用開口部は、短い方の開口寸法が
前記絶縁膜の厚さより小さく形成され、 前記リセス領域の前記ゲート電極のショットキー接合部
で区切られた前記ドレイン電極側の領域は、前記ソース
電極側の領域より広く形成されたことを特徴とする電界
効果トランジスタ。 - 【請求項2】 請求項1記載の電界効果トランジスタに
おいて、 前記チャネル層は、 前記半導体基板上に形成された電子走行層と、 この電子走行層にヘテロ接合して形成された電子供給層
とから構成されたものであることを特徴とする電界効果
トランジスタ。 - 【請求項3】 半導体基板上にチャネル層を形成する工
程と、 前記チャネル層上にショットキー接合層を形成する工程
と、 前記ショットキー接合層上にコンタクト層を形成する工
程と、 前記コンタクト層上に所定の間隔をあけてソース電極お
よびドレイン電極を形成する工程と、 前記コンタクト層上の前記ソース電極とドレイン電極の
間に絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜にゲート開口部およびこのゲート開口部から
前記ドレイン電極配置方向に所定距離離れた箇所に配置
されて短い方の開口寸法が前記絶縁膜の膜厚より小さい
非対称リセス形成用開口部を形成する工程と、 前記ゲート開口部および非対称リセス形成用開口部を備
えた絶縁膜をマスクとして前記コンタクト層をエッチン
グし、前記ゲート開口部および非対称リセス形成用開口
部下の領域に、前記ショットキー接合層表面が連続して
露出したリセス領域を形成する工程と、 前記絶縁膜上に金属を堆積して金属膜を形成し、この金
属膜の一部が前記ゲート開口部のみより前記リセス領域
に嵌入して前記ショットキー接合層にショットキー接続
した状態とする工程と、 前記金属膜を加工して、前記絶縁膜上に配置されて一部
が前記ゲート開口部より前記リセス領域に嵌入して前記
ショットキー接合層にショットキー接続したゲート電極
を形成する工程とを備え、 前記エッチングでは、前記コンタクト層を等方的にエッ
チングすることを特徴とする電界効果トランジスタの製
造方法。 - 【請求項4】 請求項3記載の電界効果トランジスタの
製造方法において、 前記ゲート電極を形成した後、前記絶縁膜を除去するこ
とを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。 - 【請求項5】 請求項3または4記載の電界効果トラン
ジスタの製造方法において、 前記半導体基板上に電子走行層を形成する工程と、 前記電子走行層にヘテロ接合する電子供給層を形成する
工程とにより前記チャネル層を形成することを特徴とす
る電界効果トランジスタの製造方法。
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