JP2004158772A - Fet - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は化合物半導体を用いた電界効果トランジスタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、GaAsをはじめとする化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ(FET)は無線通信、とりわけ携帯電話端末のパワーアンプやスイッチ等に広く用いられるようになった。このGaAsFETではPHEMT(pseudomorphic high electron mobility transistor:疑似ヘテロ接合電界効果トランジスタ)と呼ばれるAlGaAsをショットキー接合として用いたFETが一般的である。しかし、このPHEMTはゲート電極の両側にリセスエッチングによりAlGaAs層がむき出しになるため、たとえ保護絶縁膜により保護したとしても、表面準位密度が高く、特にパワーFET等に用いた場合には電流特性の周波数分散により十分にパワーが引き出せないといった課題があった。そこで、AlGaAsに対して表面準位密度の小さなInGaP等の半導体層をゲート脇表面に用いたFETが開発されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
図5は、従来のInGaP表面保護層を有する電界効果トランジスタの断面図である。図5において、半絶縁性GaAsからなる基板51の上に、後に成長するエピタキシャル層と基板51との格子不整合を緩和するための、アンドープGaAsで構成された厚さ1μmのバッファー層52、アンドープAlGaAsで構成されたバッファー層53、厚さ20nmのアンドープIn0.2Ga0.8Asで構成されキャリアが走行するチャネル層54、厚さ5nmのアンドープInGaPで構成されたスペーサー層55、n型不純物イオンであるSiが1原子層のみプレーナードーピングされてなるキャリア供給層56、厚さ30nmのアンドープInGaPで構成されたショットキー層57と、厚さ100nmのn+型GaAsで構成されたキャップ層58が順次積層されている。さらに、キャップ層58上の2カ所にソース電極及びドレイン電極であるオーミック電極60が形成されている。また、ショットキー層57上には、ゲート電極62が形成されている。また、オーミック電極60の近傍には、素子分離領域61が形成されている。さらに、ゲート電極62付近には、SiNやSiOからなる絶縁膜63が形成されている。
【0004】
【特許文献1】
特開平8−340012号公報(第3頁−4頁、第1図)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のInGaP表面保護層を有するFETは以下に説明するような問題を有している。
【0006】
InGaP上に例えばTi等のゲート電極を形成した際には、FETの製造プロセスを経る上での熱(通常300℃程度)により、TiとInGaP層のショットキー界面において拡散が起こり、ショットキー特性が劣化する。特にゲート・ドレイン間のショットキー接合の逆方向リーク電流量が、AlGaAsをショットキー層として用いた従来のPHEMTよりも増加する。これにより、RF特性においてもデバイスの歪等に劣化が見られる。
【0007】
本発明は上記の課題を克服し、InGaPを表面保護層として用い表面準位密度をAlGaAsに対して抑制しながら、AlGaAs並みの良好なショットキー特性を有する電界効果トランジスタを提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の電界効果トランジスタは、絶縁性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第1の半導体層と、前記第1の半導体層上に形成された第2の半導体層と、前記第2の半導体層上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の両側に形成されたソース電極およびドレイン電極とを備えた電界効果トランジスタにおいて、前記ゲート電極を構成する材料が前記第2の半導体層内から前記第1の半導体層内へ達して拡散していることを特徴とする。この構成によれば、第2の半導体層を通して第1の半導体層に接触してショットキー接合を得るため、PHEMTで用いるショットキー電極と同等の逆方向リーク電流を得ることができる。
【0009】
さらに第1の半導体層がAlXGa1−XAs(0<X<1)からなり、第2の半導体層はInGaP又はInP又はInAlGaPからなるものである。特にAlXGa1−XAsのAl組成Xを大きくするとショットキー特性の障壁高さφBが向上し、ゲート電極の順方向の耐圧が向上し、FET特性のゲート方向へかけることのできる電圧が向上し、最大ドレイン電流を大きくとることが可能となる。特にエンハンスメント型のFETを実現しようとした場合には有効である。第1の半導体層がInXAl1−XAs(0<X<1)であっても同様の効果がある。
【0010】
また、特にAlXGa1−XAsのAl組成を基板側から段階的又は連続的に増加させた構造を特徴とする。これによりゲート電極から拡散したゲート材料と高Al組成のAlXGa1−XAs(例えばAl0.75Ga0.25As)とで高い順方向耐圧を有するショットキー接合を形成しながら、オン抵抗の増大を抑止することができる。
【0011】
また、第2の半導体層の膜厚が10nm以下であることを特徴とするものである。第2の半導体層の膜厚は薄いほど水平方向への拡散によるゲート長の広がりを抑制することが可能である。
【0012】
さらにゲート電極材料の最下層がPt又はTi又はAl又はPd又はNiからなるという構成を付加するものであり、これらの材料はInGaPを含む材料中を拡散することによりAlGaAsと特に良好なショットキー接合を得ることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図1は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の断面構成を示している。
【0014】
半絶縁性GaAsからなる基板1の上に、後に成長するエピタキシャル層と基板1との格子不整合を緩和するための、アンドープGaAsで構成された厚さ1μmのバッファー層2、アンドープAlGaAsで構成された厚さ100nmのバッファー層3、厚さ20nmのアンドープIn0.2Ga0.8Asで構成され、キャリアが走行するチャネル層4、厚さ5nmのアンドープAl0.25Ga0.75Asで構成されたスペーサー層5、n型不純物イオンであるSiがドーズ量5×1012cm−2となるように1原子層のみプレーナードーピングされてなるキャリア供給層6、厚さ20nmでAlの組成比を基板側X=0.25から表面側X=0.75へ段階的又は連続的に増加させたアンドープAlXGa1−XAsで構成された第1の半導体層7と、厚さ10nmのアンドープIn0.48Ga0.52Pで構成された第2の半導体層8と、厚さ100nmのn+型GaAsで構成されたキャップ層9が順次積層されている。さらに、キャップ層9上の2カ所にソース電極及びドレイン電極となるオーミック電極11が形成されている。また、第2の半導体層層8上には、ゲート電極13が形成されている。このゲート電極材料は熱を加えることにより厚さ10nmのアンドープIn0.48Ga0.52Pからなる第2の半導体層8中を抜け、表面の組成比がAl0.75Ga0.25Asからなる第1の半導体層7の表面へ拡散しており、拡散層14を形成している。
【0015】
また、オーミック電極11の近傍には、素子分離領域12が形成されている。さらに、ゲート電極12付近は、SiN又はSiOの絶縁膜15により保護されている。
【0016】
次に、前記のように構成された半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。まず、図2(a)に示すように、半絶縁性GaAsで構成された基板1上に、MO−CVD法又はMBE法等を用いてGaAsバッファー層2、AlGaAsバッファー層3、チャネル層4、スペーサー層5、キャリア供給層6、AlGaAsからなる第1の半導体層7、InGaPからなる第2の半導体層8、キャップ層9を順次エピタキシャル成長する。第1の半導体層7はAlの組成比Xをスペーサー層5組成比0.25であるAl0.25Ga0.75Asから徐々に段階的又は連続的に増加させ、表面の組成がAl0.75Ga0.25Asとなるように表面を高Al組成にするようにエピタキシャル成長させる。
【0017】
次に、所定の位置にフォトレジスト16によりパターンを形成し、所望の位置を保護し、イオン注入を行うことにより素子分離領域12を形成する。なお、エピタキシャル成長させたバッファー層2からキャップ層9までのエピタキシャル層10の所定の位置をメサエッチングすることによっても素子分離は可能である。
【0018】
次に、フォトレジストパターンを形成し、全面にNi/Au/Ge合金からなるオーミック金属を蒸着し(図示せず)リフトオフすることによって、図2(b)に示すように、オーミック電極11を形成する。
【0019】
次に、図2(c)に示すように、フォトレジスト17をマスクとしてキャップ層9のオーミック電極間の所定位置にリセスエッチングを行うことにより、開口9aを得る。このリセスエッチングでは例えばリン酸、過酸化水素水、水の混合液を用いることにより、キャップ層9とInGaPからなる第2の半導体層のエッチング選択比が大きいことから、キャップ層9を選択的に除去が可能であり、安定なリセスエッチングが可能である。
【0020】
次に、全面にゲート金属を蒸着し、リフトオフすることによって、図3(a)に示すように、Ptからなるゲート電極13を形成する。さらにこのゲート金属を厚さ10nmのアンドープIn0.48Ga0.52Pの第2の半導体層内を拡散させ、第1の半導体層まで到達させるために熱処理を行う。この熱処理は300℃のホットプレートアニール装置でエピ構造等のデバイスの特性を損なわないように行う。この熱により、図3(b)に示すようにPtのゲート金属14が表面が高Al組成(X=0.75)であるAlXGa1−XAsの第1の半導体層まで拡散し、第1の半導体層と良好なショットキー接続を得ることができることとなる。すなわちAl組成Xが高いため、ショットキー特性の障壁高さφBが向上し、ゲート電極の順方向の耐圧が向上し、FET特性のゲート方向へかけることのできる電圧が向上し、最大ドレイン電流を大きくとることが可能となる。
【0021】
ゲート電極を形成するための開口9aは1μmであり、In0.48Ga0.52Pの第2の半導体層の膜厚が10nmを超えると、ショットキー接続するための熱処理により、ゲート金属であるPtが第2の半導体層の水平方向への拡散もすすむため、ゲート長が広がりFETのデバイス特性が劣化する。第2の半導体層の膜厚は薄いほど水平方向への拡散によるゲート長の広がりを抑制することが可能である。
【0022】
また、ゲート電極材料としてTiを用いた場合には、Tiは第2の半導体層であるInGaP内を拡散するが、InGaP下のAlGaAsに接触した時点で基板側への拡散は止まり、良好なショットキー特性を得ることができる。なお、ゲート電極材料としてAl又はPd又はNiを用いても同様に良好なショットキー特性を得ることができる。
【0023】
図4に上記実施の形態におけるFETと従来のInGaP表面保護層を有するFETにおける逆方向リーク電流低減効果を示す。この結果は実際のデバイスを測定した結果であり、このように従来例に対して約1桁のリーク電流の低減が得られる。
【0024】
なお、上記実施の形態におけるFETでは第2の半導体層はInGaPを用いたが、InP又はInAlGaPであってもよい。これらはチャネル以下の構造に依存し、例えばInP基板に整合したHEMTにおいては第2の半導体層としてはInPが最適であり、第2の半導体層としてはInAlAsが用いられる。
【0025】
また、上記実施の形態におけるFETでは第1の半導体層はAlGaAsを用いたが、InAlAsを用いたものであってもAlの組成比を表面側で高くすることにより同様の効果があるのはいうまでもない。
【0026】
【発明の効果】
本発明では良好なショットキー接合を得ることが困難であるInGaP(第2の半導体層)上にゲート電極を形成しながら、InGaP内にゲート電極材料を拡散させることにより、InGaPの下層のAlGaAs(第1の半導体)とショットキー接合を得ることができる。これにより、ゲート・ドレイン間逆方向リーク電流を低減した良好な電界効果トランジスタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電界効果トランジスタを示す断面図
【図2】本発明の電界効果トランジスタの製造方法を示す断面図
【図3】本発明の電界効果トランジスタの製造方法を示す断面図
【図4】本発明の電界効果トランジスタにおけるゲート・ドレイン間逆方向リーク電流量を示した特性図
【図5】従来の電界効果トランジスタを示す断面図
【符号の説明】
1、51 半絶縁性半導体基板
2、52 GaAsバッファー層
3、53 AlGaAsバッファー層
4、54 チャネル層
5、55 スペーサー層
6、56 Siドープ層
7 第1の半導体層
8 第2の半導体層
9、58 n+型GaAsキャップ層
10、59 エピタキシャル層
11、60 オーミック電極
12、61 素子分離領域
13、62 ゲート電極
14 金属拡散層
15、63 層間膜層
16 レジスト
17 レジスト
57 ショットキー層(InGaP)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a field effect transistor using a compound semiconductor.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, field effect transistors (FETs) using compound semiconductors such as GaAs have been widely used for wireless communication, particularly for power amplifiers and switches of mobile phone terminals. In this GaAs FET, a FET using AlGaAs as a Schottky junction, which is called a PHEMT (pseudomorphic high mobility transistor), is generally used. However, since the AlGaAs layer is exposed by recess etching on both sides of the gate electrode, the PHEMT has a high surface state density even if it is protected by a protective insulating film. However, there is a problem that power cannot be sufficiently extracted due to the frequency dispersion. Therefore, an FET using a semiconductor layer such as InGaP having a smaller surface state density than AlGaAs on the side surface of the gate has been developed (for example, see Patent Document 1).
[0003]
FIG. 5 is a cross-sectional view of a field-effect transistor having a conventional InGaP surface protective layer. In FIG. 5, a 1 μm
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-8-340012 (pages 3-4, FIG. 1)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, a conventional FET having an InGaP surface protective layer has the following problems.
[0006]
When a gate electrode made of, for example, Ti or the like is formed on InGaP, heat (usually about 300 ° C.) during the manufacturing process of the FET causes diffusion at the Schottky interface between Ti and the InGaP layer, and the Schottky characteristics Deteriorates. In particular, the amount of reverse leakage current of the Schottky junction between the gate and the drain is larger than that of a conventional PHEMT using AlGaAs as a Schottky layer. As a result, degradation of device distortion and the like is observed in the RF characteristics.
[0007]
The present invention overcomes the above problems and provides a field effect transistor having good Schottky characteristics comparable to AlGaAs while suppressing surface state density with respect to AlGaAs by using InGaP as a surface protective layer.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a field effect transistor according to the present invention includes a channel layer formed on an insulating substrate, a first semiconductor layer formed on the channel layer, and a first semiconductor layer formed on the channel layer. A field effect transistor comprising: a formed second semiconductor layer; a gate electrode formed on the second semiconductor layer; and source and drain electrodes formed on both sides of the gate electrode. It is characterized in that a material constituting the electrode is diffused from inside the second semiconductor layer to inside the first semiconductor layer. According to this configuration, since the Schottky junction is obtained by contacting the first semiconductor layer through the second semiconductor layer, a reverse leakage current equivalent to the Schottky electrode used in the PHEMT can be obtained.
[0009]
Further comprising a first semiconductor layer is Al X Ga 1-X As ( 0 <X <1), the second semiconductor layer is made of InGaP or InP or InAlGaP. Especially improved Al X Ga 1-X barrier height of the Schottky characteristics when the Al composition X increase in As phi B, improves the forward withstand voltage of the gate electrode, the voltage that can be applied to the gate direction of the FET characteristics And the maximum drain current can be increased. This is especially effective when an enhancement type FET is to be realized. The first semiconductor layer has the same effect even In X Al 1-X As ( 0 <X <1).
[0010]
Also features a stepwise or continuously increased so structure particularly Al composition of Al X Ga 1-X As from the substrate side. As a result, the gate material diffused from the gate electrode and a high Al composition Al x Ga 1 -x As (for example, Al 0.75 Ga 0.25 As) form a Schottky junction having a high forward breakdown voltage, An increase in resistance can be suppressed.
[0011]
Further, the semiconductor device is characterized in that the thickness of the second semiconductor layer is 10 nm or less. As the thickness of the second semiconductor layer is smaller, it is possible to suppress an increase in the gate length due to diffusion in the horizontal direction.
[0012]
Further, a structure is added in which the lowermost layer of the gate electrode material is made of Pt or Ti or Al or Pd or Ni. These materials are particularly good Schottky junctions with AlGaAs by diffusing in a material containing InGaP. Can be obtained.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
[0014]
On a substrate 1 made of semi-insulating GaAs, a
[0015]
An
[0016]
Next, a method for manufacturing the semiconductor device configured as described above will be described with reference to the drawings. First, as shown in FIG. 2A, a
[0017]
Next, a pattern is formed at a predetermined position by a
[0018]
Next, a photoresist pattern is formed, an ohmic metal made of a Ni / Au / Ge alloy is vapor-deposited on the entire surface (not shown), and lift-off is performed to form an
[0019]
Next, as shown in FIG. 2C, an opening 9a is obtained by performing recess etching at a predetermined position between the ohmic electrodes of the cap layer 9 using the
[0020]
Next, a gate metal is deposited on the entire surface and lifted off to form a
[0021]
The opening 9a for forming the gate electrode is 1 μm, and when the thickness of the second semiconductor layer of In 0.48 Ga 0.52 P exceeds 10 nm, heat treatment for Schottky connection causes Since some Pt also diffuses in the second semiconductor layer in the horizontal direction, the gate length increases and the device characteristics of the FET deteriorate. As the thickness of the second semiconductor layer is smaller, it is possible to suppress an increase in the gate length due to diffusion in the horizontal direction.
[0022]
When Ti is used as a gate electrode material, Ti diffuses in the second semiconductor layer, InGaP, but stops contacting the AlGaAs under the InGaP, and stops diffusing to the substrate side. Key characteristics can be obtained. Note that similarly good Schottky characteristics can be obtained even when Al, Pd, or Ni is used as a gate electrode material.
[0023]
FIG. 4 shows the effect of reducing the reverse leakage current in the FET according to the above embodiment and the FET having the conventional InGaP surface protective layer. This result is a result of measurement of an actual device. Thus, the leakage current can be reduced by about one digit as compared with the conventional example.
[0024]
In addition, although InGaP is used for the second semiconductor layer in the FET in the above embodiment, it may be InP or InAlGaP. These depend on the structure below the channel. For example, In a HEMT matched to an InP substrate, InP is optimal as the second semiconductor layer, and InAlAs is used as the second semiconductor layer.
[0025]
In the FET of the above embodiment, the first semiconductor layer is made of AlGaAs. However, even if InAlAs is used, the same effect can be obtained by increasing the Al composition ratio on the surface side. Not even.
[0026]
【The invention's effect】
In the present invention, while forming a gate electrode on InGaP (second semiconductor layer), it is difficult to obtain a good Schottky junction, by diffusing the gate electrode material into InGaP, AlGaAs (lower layer) of InGaP is formed. Schottky junction with the first semiconductor) can be obtained. This makes it possible to obtain a favorable field-effect transistor in which the reverse leakage current between the gate and the drain is reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a field-effect transistor of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a field-effect transistor of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a field-effect transistor of the present invention. 4 is a characteristic diagram showing the amount of reverse leakage current between the gate and the drain in the field effect transistor of the present invention. FIG. 5 is a sectional view showing a conventional field effect transistor.
1, 51
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- 2002-11-08 JP JP2002325182A patent/JP2004158772A/en active Pending
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090630 |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20091027 |