JP2004281926A - Field-effect transistor and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波素子などに用いられる高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor :以下、「HEMT」という)などの電界効果トランジスタ及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、ミリ波帯(30〜300GHz)やサブミリ波帯(300GHz〜3THz)で動作する半導体素子を得るために、HEMTの微細化に関する研究が盛んに行われている。特に、InP基板の上にInAlAsからなる電子供給層とInGaAsからなるチャネル層とを格子整合したHEMTは、InAlAsとInGaAsとの伝導帯のエネルギーギャップが0.53eVと大きく、チャネル層であるInGaAsの室温での電子の移動度及び飽和速度が大きいために有望視され、主な研究対象となっている。
【0003】
これらの材料よりなるHEMTにおいて、チャネル層のIn組成比を0.7程度にまで多くして、電子の移動度及び飽和速度を高める試みも行われている。これまでに、これらの材料よりなるHEMTでは、ゲート長を25nm程度まで微細化し、更にゲート電極とチャネル層との間の距離を短くすることによって、遮断周波数が500GHz以上の特性を得ている。
【0004】
また、特開2002−184786号公報には、ソース−ドレイン間の耐電圧を改善するために、ソース−ゲート間の距離よりもゲート−ドレイン間の距離を大きくした非対称リセス型HEMT及びその製造方法が記載されている。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−184786号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ゲート長の微細化、ゲート電極−チャネル層間の距離の短縮、及び材料組成の変更だけでは高周波特性を更に向上させることが難しく、例えば遮断周波数が1THzを超えるHEMTを製造するためには新たな概念を導入することが必要である。その一つとして、チャネルを数十nm以下に量子細線化して電子の移動速度を高くすることが提案されている。しかし、チャネルを量子細線化する実用的な方法は開発されていない。
【0007】
以上から、本発明の目的は、量子細線化したチャネルを有する電界効果トランジスタを提供することを目的とする。
【0008】
また、本発明の他の目的は、量子細線化したチャネルを有する電界効果トランジスタを比較的容易に製造することができる電界効果トランジスタの製造方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、化合物半導体基板と、前記化合物半導体基板の上に積層して形成された化合物半導体からなるチャネル層、キャリア供給層、エッチングストッパ層及びキャップ層と、前記キャップ層上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜に設けられた開口部から前記エッチングストッパ層までの半導体を除去して形成されたリセスと、前記チャネル層に形成された空乏層と、前記空乏層の上方の部分の前記エッチングストッパ層にショットキー接続したゲート電極と、前記チャネル層の前記空乏層を挟む位置にそれぞれ形成され、前記ゲート電極のショットキー接続部に向けて線状に延びる2次元電子存在領域を備えたソース及びドレインとを有し、前記ソース及び前記ドレインの形状が前記キャップ層の形状と同じことを特徴とする電界効果トランジスタにより解決する。
【0010】
上記した課題は、化合物半導体基板上に、化合物半導体からなるチャネル層、キャリア供給層、エッチングストッパ層及びキャップ層を順次形成する工程と、前記キャップ層上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に第1のフォトレジスト膜を形成するレジスト膜形成工程と、前記第1のフォトレジスト膜に第1のスリットを形成するとともに、前記第1のスリットを挟む位置にそれぞれ前記第1のスリットよりもスリット幅が小さい第2のスリットを形成する工程と、前記フォトレジスト膜の前記第1のスリット及び前記第2のスリットを介して前記絶縁膜の上面から前記エッチングストッパ層までリセスエッチングすることにより、前記チャネル層に2次元電子が存在しない空乏層と該空乏層の両側に配置されて前記第1のスリットに向けて延びる線状の2次元電子存在領域を備えたソース及びドレインとを形成する工程と、前記第1のスリットを通過する金属原子のみを前記エッチングストッパ層上に堆積させてゲート電極を形成するゲート電極形成工程とを有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により解決する。
【0011】
本発明においては、化合物半導体基板の上に、化合物半導体からなるチャネル層、キャリア供給層、エッチングストッパ層及びキャップ層を形成する。このような積層構造では、チャネル層の上部に2次元電子(2DEG:2 Dimensional Electron Gas)が発生する。その後、エッチングによりエッチングストッパ層よりも上の半導体を除去すると、半導体を除去した部分の下方の2次元電子が消失して空乏層が形成され、空乏層の両側が2次元電子が存在する領域、すなわちソース・ドレインとなる。
【0012】
この場合に、第1のスリットのソース・ドレイン方向の両側にスリットを形成せず、ソース・ドレイン方向に交差する方向に第2のスリットを形成することにより、ソース・ドレインに線状の2次元電子存在領域を設けることができる。デート電極及びソース・ドレイン間に所定の電圧を印加すると、これらの2次元電子存在領域間に量子細線化したチャネルが形成される。
【0013】
このように、本発明においては、チャネル層をエッチングすることなく線状の2次元電子存在領域を形成することが可能であり、高周波特性が優れた電界効果トランジスタを比較的容易に製造することができる。また、本発明においては、リセスの形成に用いたレジスト膜のスリットを利用して、ゲート電極を形成する。これにより、製造工程が簡略化される。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
【0015】
一般的に、HEMTでは、ソース電極及びドレイン電極とのオーミック接合を得るためにn型半導体からなるキャップ層が用いられている。また、ゲート電極のショットキー接合部分ではn型半導体キャップ層が取り除かれている。n型半導体キャップ層を取り除いた部分をリセスと呼ぶ。本発明ではリセスの形状を工夫することで、HEMTのチャネルを量子細線化する。なお、本発明においては、特開2002−184786号公報に記載されている非対称リセス型HEMTの製造方法を応用してリセスを形成する。
【0016】
図1は本発明の実施の形態の電界効果トランジスタの全体構造を示す上面図、図2(a)は図1のA−A線による断面図、図2(b)は図1のB−B線による断面図である。
【0017】
本実施の形態の電界効果トランジスタは、InP基板1と、その上に形成されたi型(intrinsic )InAlAsバッファ層2、i型InGaAsチャネル層3、i型InAlAsスペーサ層4、δドープシート(キャリア供給層)5、i型InAlAs層6、i型InP層(エッチングストッパ層)7、i型InAlAs層8、n型InGaAsキャップ層9、SiO2からなる絶縁膜10、ドレイン電極11、ソース電極12及びゲート電極13により構成されている。なお、51はチャネル層3の表層部の2次元電子が存在する領域(2次元電子存在領域)を示している。また、ゲート電極13は、ゲート電極13に直角に交差する配線14に接続している。
【0018】
図2(a),(b)に示すように、本実施の形態においては、n型InGaAsキャップ層9の下にi型InAlAs層8が形成され、更にその下にi型InP層7が形成されている。i型InP層7からチャネル層3までの距離が十分に小さい場合、リセスエッチングによってn型InGaAsキャップ層9とi型InAlAs層8とを除去すると、これらの層8,9を除去した部分の下方では2次元電子が消失する。本発明では、このような現象を利用して量子細線化したチャネルを形成する。
【0019】
以下、本実施の形態の電界効果トランジスタの製造方法の概略を説明する。
【0020】
本実施の形態では、リセスエッチング時に使用するレジスト膜に図3に示すようなスリット(開口部)P1,P2を形成し、これらのスリットP1,P2からn型InGaAsキャップ層9及びi型InAlAs層8をエッチングする。エッチング液として、H3PO4とH2O2とH2Oとの混合液(H3PO4:H2O2:H2O=1:1:38)を使用すると、温度が20℃のときに、n型InGaAsキャップ層9及びi型InAlAs層8のエッチング速度は約100nm/分となる。一方、i型InP層7は上記のエッチング液では殆どエッチングされないので、厚さ方向のエッチングはi型InP層7が露出した時点で実質的に停止する。
【0021】
i型InP層7が露出した後も更にエッチングを継続すると、n型InGaAsキャップ層9及びi型InAlAs層8が横方向にエッチングされて、図1に示すような形状の2次元電子存在領域(図中ハッチングを施した部分)と空乏層(図中白抜きの部分)とを形成することができる。すなわち、本実施の形態においては、チャネル層3の上方のn型InGaAsキャップ層9及びi型InAlAs層8をリセスエッチングする際のレジスト膜のパターンを工夫することにより、極めて幅が狭い2次元電子存在領域55を形成する。このような構成のHEMTに所定の電圧を印加すると、ゲート電極13を挟んだ一対の2次元電子存在領域55の間に幅が数十nm以下であり、電子の移動方向が一次元に制限された量子細線チャネルが形成される。
【0022】
リセスエッチング時に使用するレジスト膜のパターン(スリットパターン)について、図3を参照して更に説明する。レジスト膜には、横の長さがa、縦の長さがbのスリットP2と、横の長さがLg、縦の長さがWgのスリットP1とがゲート電極形成領域の中心線50に沿って一定のピッチcで形成されている。スリットP1は中心線50上にのみ形成されており、隣接するスリットP1間には2個のスリットP2が配置されている。また、中心線50上のスリットP2からソース電極側にLsだけ離れた位置及びドレイン電極側にLdだけ離れた位置にも、それぞれスリットP2が形成されている。
【0023】
ここで、Wg>b、Ls<2c−b、Ld<2c−bとする。通常は、リセスをゲート電極形成領域の中心線50に対し左右対称に形成するので、Ls=Ldである。Ls/2、Ld/2、(c−b)/2の中で最大の大きさのものに至るまでn型InGaAsキャップ層4及びi型InAlAs層8を横方向にエッチングをすると、図1に示すような空乏層と、ソース電極12側及びドレイン電極11側からゲート電極形成領域の中心線50に向けて延びる線状の2次元電子存在領域55が得られる。
【0024】
このようにして、幅が狭い2次元電子存在領域55を形成した後、i型InP層7と電気的に接続するゲート電極13を金属の真空蒸着(又はスパッタ)により形成する。本実施の形態では、スリットP1を介してi型InP層7上に金属を真空蒸着することでゲート電極13を形成する。このとき、スリットP2を通過してi型InP層7へ金属原子が到達することを防止することが必要となる。そのために、本実施の形態においては、金属原子が飛来する方向に対し基板1を傾けて蒸着を行う。すなわち、ゲート電極形成領域の中心線50に対し直交する方向を軸として、図4に示すように基板1を金属原子の照射方向に対し角度αだけ傾ける。ここで、レジスト膜21とSiO2絶縁膜10との合計の膜厚をd、リセスされた半導体層(n型InGaAsキャップ層9+i型InAlAs層8)の厚さをdrとする。角度αは、下記(1)式を満たすように設定することが必要である。
【0025】
tan−1(b/d)<α<tan−1(Wg/(d+dr)) …(1)
この(1)式を満たすように角度αを設定すると、金属原子はスリットP1を通過してi型InP層7の上に堆積するが、スリットP2を通過することができない。また、スリットP1,P2の側壁面には金属が堆積して、開口面積が減少していく。
【0026】
側壁面に堆積した金属によりスリットP2の開口面積が半分になったところで真空蒸着を一旦停止し、基板1を逆の方向に角度−αだけ傾ける。そして、スリットP2が金属により閉塞されるまで再度蒸着を行う。
【0027】
このようにしてスリットP2が金属により閉塞された後、基板1に対し垂直方向から金属を蒸着して所定の厚さとする。その後、ゲート電極13を形成し、レジスト膜21,22,23を除去する。このようにして、ソース電極側及びドレイン電極側から線状に延びる2次元電子存在領域55と、それらの2次元電子存在領域55の間でi型InP層7に電気的に接続したゲート電極13とを形成することができる。
【0028】
図5〜図11は、本実施の形態のHEMTの製造方法を工程順に示す断面図である。これらの図を使用して、HEMTの製造方法を具体的に説明する。なお、図9〜図11において、(a)は図1のA−A線の位置における断面図、(b)は図1のB−B線の位置における断面図を示している。
【0029】
まず、図5に示すように、InPよりなる化合物半導体基板1の上に、MOCVD法(有機金属気相成長法)により、i型InAlAsバッファ層2を300nm、i型InGaAsチャネル層3を15nm、i型InAlAsスペーサ層4を3nm、Si−δドープシート5(ドーピング量:5×1012cm−2)、i型InAlAs層6を1nm、i型InP層7を2nm、i型InAlAs層8を10nm、及びn型InGaAsキャップ層9を20nmの厚さに順次形成する。キャップ層のn型ドーパントとしてはSiを使用し、ドーピング濃度は例えば1×1019cm−3とする。このような積層構造では、チャネル層3の上部全域に2次元電子が発生し、2次元電子存在領域55が形成される。その後、例えばCVD法により、キャップ層9の上にSiO2よりなる絶縁膜10を30nmの厚さに形成する。
【0030】
次に、図6のように、フォトリソグラフィ法によって絶縁膜10を所定の形状にパターニングする。その後、真空蒸着により基板1の上側全面にTi/Pt/Auよりなる金属膜を形成し、この金属膜をパターニングして、n型InGaAsキャップ層9に電気的に接続したソース電極12及びドレイン電極11をそれぞれ形成する。
【0031】
次に、図7に示すように、ソース電極12、ドレイン電極11及び絶縁膜10の上に、フォトレジスト膜(第1のフォトレジスト膜)21、フォトレジスト膜(第2のフォトレジスト膜)22及びフォトレジスト膜(第3のフォトレジスト膜)23を下側からこの順に積層する。ここで、フォトレジスト膜22はフォトレジスト膜21及びフォトレジスト膜23よりも露光感度が高いフォトレジストにより形成する。例えば、下層のフォトレジスト膜21及び上層のフォトレジスト膜23を日本ゼオン社製ZEPにより形成し、中間のフォトレジスト膜22をMCC社(Microlithography Cheminal Corporation )製PMGIにより形成する。また、フォトレジスト膜21の厚さは170nm、フォトレジスト膜22の厚さは450nm、フォトレジスト膜23の厚さは240nmとする。
【0032】
次に、電子ビーム露光装置を用いてゲート電極形成部の上方のフォトレジスト膜22,23に電子ビームを照射する。このとき、電子ビームの照射条件を加速電圧が50kV、照射量が100μC/cmとすると、最下層のフォトレジスト膜21は殆ど露光さず、中間層及び最上層のフォトレジスト膜22,23のみを露光することができる。
【0033】
その後、フォトレジスト膜23の現像にはメチルイソブチルケトンとメチルエチルケトンの混合溶液(高感度現像液)を用い、フォトレジスト膜22の現像にはシプレー社製SD1を用いて、これらのフォトレジスト膜22,23を順次現像する。これにより、図8に示すように、ゲート電極形成領域上のレジスト膜22,23が除去される。このとき、前述したように、フォトレジスト膜22はフォトレジスト膜23よりも感度が高いので、中間のフォトレジスト膜22の開口幅は上層のフォトレジスト膜23の開口幅より大きくなる。
【0034】
次に、図9(a),(b)に示すように、下層のフォトレジスト膜21に、前述したスリットP1,P2を形成する。すなわち、上記と同じ電子ビーム露光装置を用いて加速電圧50kV、照射量1nC/cmの条件でスリット形成部を露光する。その後、メチルイソブチルケトンとイソプロピルアルコールの混合溶液(低感度現像液)を用いてフォトレジスト膜21を現像処理して、図3に示すようなスリットP1,P2を形成する。
【0035】
この例では、スリットP1を50nm(Lg)×30nm(Wg)、スリットP2を50nm(a)×15nm(b)、中心線50上のスリットP2とソース側のスリットP2との間隔Lsを50nm、中心線50上のスリットP2とドレイン側のスリットP2との間隔Ldを50nm、スリットP1,P2のピッチcを50nmとしている。
【0036】
次に、フォトレジスト膜21をマスクとして、SiO2絶縁膜10をCF4ガスによる反応性イオンエッチング法によりエッチングして、n型InGaAs層9を部分的に露出させる。
【0037】
次に、図10(a),(b)に示すように、フォトレジスト膜21及び絶縁膜10をマスクとして、キャップ層9及びi型InAlAs層8をウェットエッチング(リセスエッチング)する。このとき、エッチング液にはH3PO4:H2:H2O=1:1:38の混合比の溶液を用い、温度は20℃で行う。また、スリットP1,P2から横方向に25nmエッチングされた時点でエッチングを終了する。
【0038】
これにより、図1に白抜きで示す部分のn型InGaAsキャップ層9及びi型InAlAs層8が除去される。また、n型InGaAsキャップ層9及びi型InAlAs層8が除去された部分の下方では、2次元電子が消失する。
【0039】
本実施の形態では、スリットP1の左右に他のスリットが設けられていないので、図1のように、ソース電極12側及びドレイン電極11側からそれぞれスリットP1に向けて延びる幅が狭い2次元電子存在領域55が形成される。スリットP1,P2のサイズ及び配置を前述したようにしたとき、この2次元電子存在領域55の幅は35nm、2次元電子存在領域55とスリットP1との間隔は25nmとなる。
【0040】
次に、真空蒸着法及びリフトオフ法を使用してゲート電極13を形成する。すなわち、図4に示すように、金属原子の飛来する方向に対し基板1を5°(α=5°)傾けて真空蒸着を行う。そして、側壁面に堆積した金属によりスリットP2の開口面積が半分になったところで真空蒸着を一旦停止し、基板1を逆の方向に−5°(α=−5°)傾ける。そして、スリットP2が金属により閉塞されるまで真空蒸着を行う。
【0041】
このようにして、スリットP2が金属により閉塞された後、基板1に対し垂直方向から金属を蒸着する。これにより、図11(a),(b)に示すように,スリットP1を介してi型InP層7と電気的に接続するゲート電極13が形成される。
【0042】
その後、レジスト膜22,23を、その上の金属膜(図示せず)とともに除去した後、更にレジスト膜21を除去する。これにより、図1,図2(a),(b)に示す本実施の形態の電界効果トランジスタ(HEMT)が完成する。
【0043】
本実施の形態では、従来のHEMTの製造に使用されている製造装置及び製造プロセスをほとんど変更することなく、幅が数十nmの線状の2次元電子存在領域55を有する電界効果トランジスタを比較的容易に製造することができる。また、本実施の形態では、チャネル層3に直接パターンを形成しないので、チャネル層3に不純物汚染や格子欠陥を生じることはない。従って、良好な電気特性を有する電界効果トランジスタを製造することができる。
【0044】
なお、本実施の形態において、量子細線チャネルのサイズ及び密度(間隔)は、スリットP1,P2のサイズと配置により任意に変えることが可能である。また、本実施の形態においては、相互に隣接するスリットP1間に2個のスリットP2を2列に配置するものとしたが、所望のリセス長に応じてスリットP1間に配置するスリットP2の数を変化させてもよい。
【0045】
次に、本発明の電界効果トランジスタの動作について、図2(a),(b)及び図12(a),(b)を参照して説明する。
【0046】
ゲート電極13に電圧を印加しない場合、又は負の電圧を印加した場合は、図2(a),(b)に示すように2次元電子が存在する領域51の形状は、上方のキャップ層9及びi型InAlAs層8と同じである。つまり、ゲート電極13の下方には2次元電子は存在していない。
【0047】
ゲート電極13に所定の正電圧を印加すると、ゲート電極13より生じる電界によりゲート電極13の下方に電子が誘起され、図12(a),(b)に示すように、ソース側から延びる2次元電子存在層とドレイン側から延びる2次元電子存在層とが繋がり、量子細線チャネル56が形成される。この量子細線チャネル56を介してソース・ドレイン間に電流が流れる。
【0048】
以上のように、本実施の形態によれば、ソース・ドレイン間に極めて幅が狭いチャネル(量子細線チャネル)を形成できるので、電子の移動速度が速く、高周波特性が優れた電界効果トランジスタが得られる。
【0049】
(付記1)化合物半導体基板と、前記化合物半導体基板の上に積層して形成された化合物半導体からなるチャネル層、キャリア供給層、エッチングストッパ層及びキャップ層と、前記キャップ層上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜に設けられた開口部から前記エッチングストッパ層までの半導体を除去して形成されたリセスと、前記チャネル層に形成された空乏層と、前記空乏層の上方の部分の前記エッチングストッパ層にショットキー接続したゲート電極と、前記チャネル層の前記空乏層を挟む位置にそれぞれ形成され、前記ゲート電極のショットキー接続部に向けて線状に延びる2次元電子存在領域を備えたソース及びドレインとを有し、前記ソース及び前記ドレインの形状が前記キャップ層の形状と同じことを特徴とする電界効果トランジスタ。
【0050】
(付記2)前記ソース及び前記ドレインの前記線状の2次元電子存在領域の幅が、量子細線チャネルを得られる幅であることを特徴とする付記1に記載の電界効果トランジスタ。
【0051】
(付記3)化合物半導体基板上に、化合物半導体からなるチャネル層、キャリア供給層、エッチングストッパ層及びキャップ層を順次形成する工程と、前記キャップ層上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に第1のフォトレジスト膜を形成するレジスト膜形成工程と、前記第1のフォトレジスト膜に第1のスリットを形成するとともに、前記第1のスリットを挟む位置にそれぞれ前記第1のスリットよりもスリット幅が小さい第2のスリットを形成する工程と、前記フォトレジスト膜の前記第1のスリット及び前記第2のスリットを介して前記絶縁膜の上面から前記エッチングストッパ層までリセスエッチングすることにより、前記チャネル層に2次元電子が存在しない空乏層と該空乏層の両側に配置されて前記第1のスリットに向けて延びる線状の2次元電子存在領域を備えたソース及びドレインとを形成する工程と、前記第1のスリットを通過する金属原子のみを前記エッチングストッパ層上に堆積させてゲート電極を形成するゲート電極形成工程とを有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。
【0052】
(付記4)前記第1のスリットの両側にそれぞれ、前記第2のスリットを複数個づつ行列状に並べて形成することを特徴とする付記3に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
【0053】
(付記5)前記第2のスリットのソース・ドレイン方向の長さを、ソース・ドレイン方向に直交する方向の長さよりも大きくすることを特徴とする付記3に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
【0054】
(付記6)前記第1のスリット及び前記第2のスリットを、ソース・ドレイン方向に直交する方向に一定のピッチで配列させて形成することを特徴とする付記3に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
【0055】
(付記7)前記レジスト膜形成工程では、前記第1のフォトレジスト膜上に第1のフォトレジスト膜よりも感度が高い第2のフォトレジスト膜を形成し、前記第2のフォトレジスト膜上に第2のフォトレジスト膜よりも感度が低い第3のフォトレジスト膜を形成し、前記第1のフォトレジスト膜及び前記第2のフォトレジスト膜を露光した後に現像処理を施して、前記第2のフォトレジスト膜に前記第3のフォトレジスト膜の開口部よりも大きな開口部を形成し、該第2のフォトレジスト膜の開口部の内側に露出した前記第1のフォトレジスト膜を露光及び現像処理して、前記第1のスリット及び前記第2のスリットを形成することを特徴とする付記3に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
【0056】
(付記8)前記ゲート電極を、前記第1のフォトレジスト膜上に堆積した金属により形成することを特徴とする付記3又は7に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
【0057】
(付記9)前記ゲート電極形成工程では、前記基板を金属原子が飛来する方向に対し傾けた状態で前記第2のスリットの壁面に金属を堆積させて第2のスリットを閉塞し、その後、前記基板を金属原子が飛来する方向に対し垂直に配置して前記エッチングストッパ層上に金属を堆積させることを特徴とする付記3に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
【0058】
(付記10)前記第1のスリット及び前記第2のスリットのソース・ドレイン方向の長さを同じとし、前記第1のスリット及び前記第2のスリットの前記ソース・ドレインに直交する方向の長さをそれぞれWg,bとし、前記絶縁膜と前記第1のフォトレジスト膜との合計の厚さをd、リセスされた半導体層の厚さをdr とし、前記ゲート電極形成時に金属原子が飛来する方向に対し基板を傾ける角度をαとしたときに、tan−1(b/d)<α<tan−1(Wg/(d+dr))の不等式を満たすことを特徴とする付記9に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
【0059】
(付記11)前記複数の第2のスリットを、ゲート電極形成領域の中心線に対し対称に形成することを特徴とする付記3に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
【0060】
(付記12)前記ソース及び前記ドレインの線状の2次元電子存在領域の幅を、量子細線チャネルが得られる幅とすることを特徴とする付記3に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
【0061】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、化合物半導体基板の上に、化合物半導体からなるチャネル層、キャリア供給層、エッチングストッパ層及びキャップ層を形成した後、エッチングストッパ層上の半導体を除去することによって、線状の2次元電子存在領域を備えたソース・ドレインを形成する。従って、本発明においては、チャネル層をエッチングすることなく線状の2次元電子存在領域を形成することが可能であり、高周波特性が優れた電界効果トランジスタを比較的容易に製造することができる。また、本発明においては、リセスの形成に用いたレジスト膜のスリットを利用して、ゲート電極を形成する。これにより、製造工程が簡略化される。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の実施の形態の電界効果トランジスタの全体構造を示す上面図である。
【図2】図2(a)は図1のA−A線による断面図、図2(b)は図1のB−B線による断面図である。
【図3】図3は、リセスエッチング時に使用するレジスト膜に設けられたスリットの形状及び配置を示す模式図である。
【図4】図4は、金属原子の飛来する方向に対する基板の傾斜角度を示す模式図である。
【図5】図5は、本発明の実施の形態のHEMTの製造方法を示す断面図(その1)である。
【図6】図6は、本発明の実施の形態のHEMTの製造方法を示す断面図(その2)である。
【図7】図7は、本発明の実施の形態のHEMTの製造方法を示す断面図(その3)である。
【図8】図8は、本発明の実施の形態のHEMTの製造方法を示す断面図(その4)である。
【図9】図9は本発明の実施の形態のHEMTの製造方法を示す断面図(その5)であり、図9(a)は図1のA−A線の位置における断面、図9(b)は図1のB−B線の位置における断面を示している。
【図10】図10は本発明の実施の形態のHEMTの製造方法を示す断面図(その6)であり、図10(a)は図1のA−A線の位置における断面、図10(b)は図1のB−B線の位置における断面を示している。
【図11】図11は本発明の実施の形態のHEMTの製造方法を示す断面図(その7)であり、図11(a)は図1のA−A線の位置における断面、図11(b)は図1のB−B線の位置における断面を示している。
【図12】図12(a),(b)は、本発明の電界効果トランジスタの動作を示す模式図である。
【符号の説明】
1…InP基板、
2…i型InAlAsバッファ層、
3…i型InGaAsチャネル層、
4…i型InAlAsスペーサ層、
5…δドープシート(キャリア供給層)、
6…i型InAlAs層、
7…i型InP層(エッチングストッパ層)、
8…i型InAlAs層、
9…n型InGaAsキャップ層、
10…絶縁膜、
11…ドレイン電極、
12…ソース電極、
13…ゲート電極、
14…配線、
21,22,23…フォトレジスト膜、
51,55…2次元電子存在領域、
56…量子細線チャネル。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a field-effect transistor such as a high electron mobility transistor (hereinafter, referred to as “HEMT”) used for a high-frequency device or the like, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in order to obtain a semiconductor device operating in a millimeter wave band (30 to 300 GHz) or a submillimeter wave band (300 GHz to 3 THz), research on miniaturization of HEMTs has been actively conducted. In particular, the HEMT in which an electron supply layer made of InAlAs and a channel layer made of InGaAs are lattice-matched on an InP substrate has a large energy gap of 0.53 eV in the conduction band between InAlAs and InGaAs, and has a large energy gap of InGaAs as a channel layer. Promising due to the high electron mobility and saturation velocity at room temperature, it has been the main research target.
[0003]
In HEMTs made of these materials, attempts have been made to increase the In composition ratio of the channel layer to about 0.7 to increase electron mobility and saturation speed. Heretofore, in HEMTs made of these materials, a cutoff frequency of 500 GHz or more has been obtained by reducing the gate length to about 25 nm and further reducing the distance between the gate electrode and the channel layer.
[0004]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-184786 discloses an asymmetric recess type HEMT in which the distance between the gate and the drain is made larger than the distance between the source and the gate in order to improve the withstand voltage between the source and the drain, and a method of manufacturing the same. Is described.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2002-184786 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, it is difficult to further improve the high-frequency characteristics only by reducing the gate length, shortening the distance between the gate electrode and the channel layer, and changing the material composition. For example, a new HEMT having a cutoff frequency exceeding 1 THz is required. It is necessary to introduce a new concept. As one of them, it has been proposed to increase the electron moving speed by making the channel into a quantum wire of several tens nm or less. However, no practical method has been developed for quantum thinning the channel.
[0007]
As described above, an object of the present invention is to provide a field-effect transistor having a channel with a quantum wire.
[0008]
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a field-effect transistor that can relatively easily manufacture a field-effect transistor having a quantum-wired channel.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The above-mentioned problems are formed on a compound semiconductor substrate, a channel layer, a carrier supply layer, an etching stopper layer and a cap layer made of a compound semiconductor formed by being laminated on the compound semiconductor substrate, and on the cap layer. An insulating film, a recess formed by removing a semiconductor from an opening provided in the insulating film to the etching stopper layer, a depletion layer formed in the channel layer, and a portion above the depletion layer. A gate electrode that is Schottky-connected to the etching stopper layer; and a two-dimensional electron existence region that is formed at a position sandwiching the depletion layer of the channel layer and extends linearly toward the Schottky connection of the gate electrode. A source and a drain, wherein the shape of the source and the drain is the same as the shape of the cap layer. It is solved by fruit transistor.
[0010]
The above-described problem is that a channel layer, a carrier supply layer, an etching stopper layer, and a cap layer made of a compound semiconductor are sequentially formed on a compound semiconductor substrate; a step of forming an insulating film on the cap layer; A resist film forming step of forming a first photoresist film on the film, forming a first slit in the first photoresist film, and forming the first slit at a position sandwiching the first slit. Forming a second slit having a smaller slit width than the above, and recess etching from the upper surface of the insulating film to the etching stopper layer through the first slit and the second slit of the photoresist film. A depletion layer in which two-dimensional electrons do not exist in the channel layer and the first slit disposed on both sides of the depletion layer Forming a source and a drain having a linear two-dimensional electron existence region extending toward the gate; and forming a gate electrode by depositing only metal atoms passing through the first slit on the etching stopper layer. And a step of forming a gate electrode.
[0011]
In the present invention, a channel layer, a carrier supply layer, an etching stopper layer, and a cap layer made of a compound semiconductor are formed on a compound semiconductor substrate. In such a laminated structure, two-dimensional electrons (2DEG: 2 Dimensional Electron Gas) are generated above the channel layer. Thereafter, when the semiconductor above the etching stopper layer is removed by etching, two-dimensional electrons below the portion from which the semiconductor has been removed disappear and a depletion layer is formed, and a region where two-dimensional electrons exist on both sides of the depletion layer, That is, it becomes a source / drain.
[0012]
In this case, by forming no slit on both sides of the first slit in the source / drain direction and forming the second slit in a direction intersecting the source / drain direction, a linear two-dimensional An electron presence area can be provided. When a predetermined voltage is applied between the date electrode and the source / drain, a channel having a quantum wire is formed between these two-dimensional electron existence regions.
[0013]
As described above, in the present invention, it is possible to form a linear two-dimensional electron existence region without etching the channel layer, and it is possible to relatively easily manufacture a field-effect transistor having excellent high-frequency characteristics. it can. Further, in the present invention, a gate electrode is formed using a slit of a resist film used for forming a recess. This simplifies the manufacturing process.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0015]
Generally, in the HEMT, a cap layer made of an n-type semiconductor is used to obtain an ohmic junction with a source electrode and a drain electrode. In addition, the n-type semiconductor cap layer is removed from the Schottky junction of the gate electrode. The portion from which the n-type semiconductor cap layer is removed is called a recess. In the present invention, the channel of the HEMT is made into a quantum wire by devising the shape of the recess. In the present invention, the recess is formed by applying the method of manufacturing an asymmetric recess type HEMT described in JP-A-2002-184786.
[0016]
FIG. 1 is a top view showing the overall structure of a field effect transistor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1, and FIG. 2B is BB in FIG. It is sectional drawing by a line.
[0017]
The field-effect transistor of the present embodiment includes an
[0018]
As shown in FIGS. 2A and 2B, in the present embodiment, an i-
[0019]
Hereinafter, an outline of a method for manufacturing the field-effect transistor of the present embodiment will be described.
[0020]
In this embodiment, slits (openings) P1 and P2 as shown in FIG. 3 are formed in a resist film used at the time of recess etching, and n-type
[0021]
If the etching is further continued after the i-
[0022]
The pattern (slit pattern) of the resist film used during the recess etching will be further described with reference to FIG. In the resist film, a slit P2 having a horizontal length of a and a vertical length of b, and a slit P1 having a horizontal length of Lg and a vertical length of Wg are formed on the
[0023]
Here, it is assumed that Wg> b, Ls <2c-b, and Ld <2c-b. Usually, since the recess is formed symmetrically with respect to the
[0024]
After forming the narrow two-dimensional
[0025]
tan -1 (B / d) <α <tan -1 (Wg / (d + dr)) (1)
If the angle α is set so as to satisfy the equation (1), metal atoms pass through the slit P1 and deposit on the i-
[0026]
When the opening area of the slit P2 becomes half by the metal deposited on the side wall surface, the vacuum deposition is temporarily stopped, and the
[0027]
After the slit P2 is closed by the metal in this manner, a metal is vapor-deposited on the
[0028]
5 to 11 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the HEMT according to the present embodiment in the order of steps. The manufacturing method of the HEMT will be specifically described with reference to these drawings. 9A to 11, (a) is a cross-sectional view taken along a line AA in FIG. 1, and (b) is a cross-sectional view taken along a line BB in FIG. 1.
[0029]
First, as shown in FIG. 5, an i-type
[0030]
Next, as shown in FIG. 6, the insulating
[0031]
Next, as shown in FIG. 7, a photoresist film (first photoresist film) 21 and a photoresist film (second photoresist film) 22 are formed on the
[0032]
Next, an electron beam is applied to the
[0033]
Thereafter, a mixed solution of methyl isobutyl ketone and methyl ethyl ketone (high-sensitivity developer) is used for developing the
[0034]
Next, as shown in FIGS. 9A and 9B, the slits P1 and P2 described above are formed in the
[0035]
In this example, the slit P1 is 50 nm (Lg) × 30 nm (Wg), the slit P2 is 50 nm (a) × 15 nm (b), the distance Ls between the slit P2 on the
[0036]
Next, using the
[0037]
Next, as shown in FIGS. 10A and 10B, the
[0038]
As a result, the portions of the n-type
[0039]
In the present embodiment, since no other slits are provided on the left and right of the slit P1, as shown in FIG. 1, the two-dimensional electron having a narrow width extending from the
[0040]
Next, the
[0041]
In this way, after the slit P2 is closed by the metal, the metal is vapor-deposited on the
[0042]
Then, after removing the resist
[0043]
In the present embodiment, a field effect transistor having a linear two-dimensional
[0044]
In the present embodiment, the size and density (interval) of the quantum wire channel can be arbitrarily changed depending on the size and arrangement of the slits P1 and P2. Further, in this embodiment, two slits P2 are arranged in two rows between mutually adjacent slits P1, but the number of slits P2 arranged between slits P1 according to a desired recess length is set. May be changed.
[0045]
Next, the operation of the field effect transistor of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 (a) and 2 (b) and FIGS. 12 (a) and 12 (b).
[0046]
When a voltage is not applied to the
[0047]
When a predetermined positive voltage is applied to the
[0048]
As described above, according to the present embodiment, a very narrow channel (quantum wire channel) can be formed between the source and the drain, so that a field-effect transistor having a high electron moving speed and excellent high-frequency characteristics can be obtained. Can be
[0049]
(Supplementary Note 1) A compound semiconductor substrate, a channel layer, a carrier supply layer, an etching stopper layer, and a cap layer made of a compound semiconductor formed by being laminated on the compound semiconductor substrate, and an insulating layer formed on the cap layer A film, a recess formed by removing a semiconductor from an opening provided in the insulating film to the etching stopper layer, a depletion layer formed in the channel layer, and a portion above the depletion layer. A gate electrode that is Schottky-connected to the etching stopper layer; and a two-dimensional electron existence region that is formed at a position sandwiching the depletion layer of the channel layer and extends linearly toward the Schottky connection of the gate electrode. A field effect transistor having a source and a drain, wherein the shape of the source and the drain is the same as the shape of the cap layer. Njisuta.
[0050]
(Supplementary note 2) The field-effect transistor according to
[0051]
(Supplementary Note 3) a step of sequentially forming a channel layer, a carrier supply layer, an etching stopper layer, and a cap layer made of a compound semiconductor on a compound semiconductor substrate; a step of forming an insulating film on the cap layer; A resist film forming step of forming a first photoresist film thereon, forming a first slit in the first photoresist film, and positioning the first slit at a position sandwiching the first slit from the first slit. Forming a second slit having a small slit width, and recess etching from the upper surface of the insulating film to the etching stopper layer through the first slit and the second slit of the photoresist film. A depletion layer in which two-dimensional electrons do not exist in the channel layer, and a depletion layer disposed on both sides of the depletion layer and facing the first slit. Forming a source and a drain having an extended linear two-dimensional electron existence region; and forming a gate electrode by depositing only metal atoms passing through the first slit on the etching stopper layer. Forming a field effect transistor.
[0052]
(Supplementary Note 4) The method for manufacturing a field-effect transistor according to
[0053]
(Supplementary note 5) The method for manufacturing a field-effect transistor according to
[0054]
(Supplementary Note 6) The manufacturing of the field-effect transistor according to
[0055]
(Supplementary Note 7) In the resist film forming step, a second photoresist film having higher sensitivity than the first photoresist film is formed on the first photoresist film, and the second photoresist film is formed on the second photoresist film. Forming a third photoresist film having a lower sensitivity than the second photoresist film, performing a developing process after exposing the first photoresist film and the second photoresist film, and An opening larger than the opening of the third photoresist film is formed in the photoresist film, and the first photoresist film exposed inside the opening of the second photoresist film is exposed and developed. The method for manufacturing a field-effect transistor according to
[0056]
(Supplementary note 8) The method for manufacturing a field-effect transistor according to
[0057]
(Supplementary Note 9) In the gate electrode forming step, a metal is deposited on a wall surface of the second slit to close the second slit while the substrate is inclined with respect to a direction in which metal atoms fly, and then the second slit is closed. 4. The method for manufacturing a field-effect transistor according to
[0058]
(Supplementary Note 10) The length of the first slit and the second slit in the source / drain direction is the same, and the length of the first slit and the second slit in the direction orthogonal to the source / drain Are respectively Wg and b, the total thickness of the insulating film and the first photoresist film is d, the thickness of the recessed semiconductor layer is dr, and the direction in which metal atoms fly when the gate electrode is formed. When the angle of tilting the substrate with respect to -1 (B / d) <α <tan -1 The method for manufacturing a field effect transistor according to
[0059]
(Supplementary note 11) The method for manufacturing a field-effect transistor according to
[0060]
(Supplementary note 12) The method for manufacturing a field-effect transistor according to
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, after forming a channel layer, a carrier supply layer, an etching stopper layer, and a cap layer made of a compound semiconductor on a compound semiconductor substrate, the semiconductor on the etching stopper layer is removed. As a result, a source / drain having a linear two-dimensional electron existence region is formed. Therefore, in the present invention, a linear two-dimensional electron existence region can be formed without etching the channel layer, and a field effect transistor having excellent high-frequency characteristics can be relatively easily manufactured. Further, in the present invention, a gate electrode is formed using a slit of a resist film used for forming a recess. This simplifies the manufacturing process.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view showing the overall structure of a field effect transistor according to an embodiment of the present invention.
2A is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line BB of FIG.
FIG. 3 is a schematic view showing the shape and arrangement of slits provided in a resist film used during recess etching.
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a tilt angle of a substrate with respect to a direction in which metal atoms fly.
FIG. 5 is a sectional view (part 1) illustrating the method of manufacturing the HEMT according to the embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a sectional view (part 2) illustrating the method of manufacturing the HEMT according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view (part 3) illustrating the method of manufacturing the HEMT according to the embodiment of the present invention;
FIG. 8 is a sectional view (part 4) illustrating the method of manufacturing the HEMT according to the embodiment of the present invention;
FIG. 9 is a cross-sectional view (part 5) illustrating the method of manufacturing the HEMT according to the embodiment of the present invention; FIG. 9 (a) is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1; b) shows a cross section at the position of line BB in FIG.
FIG. 10 is a sectional view (part 6) illustrating the method of manufacturing the HEMT according to the embodiment of the present invention; FIG. 10 (a) is a sectional view taken along the line AA in FIG. 1; b) shows a cross section at the position of line BB in FIG.
FIG. 11 is a sectional view (part 7) showing the method for manufacturing the HEMT according to the embodiment of the present invention; FIG. 11 (a) is a sectional view taken along line AA of FIG. 1; b) shows a cross section at the position of line BB in FIG.
FIGS. 12A and 12B are schematic diagrams showing the operation of the field-effect transistor of the present invention.
[Explanation of symbols]
1. InP substrate,
2 ... i-type InAlAs buffer layer,
3 ... i-type InGaAs channel layer,
4 ... i-type InAlAs spacer layer,
5 ... δ-doped sheet (carrier supply layer),
6 ... i-type InAlAs layer,
7 ... i-type InP layer (etching stopper layer),
8 ... i-type InAlAs layer,
9 ... n-type InGaAs cap layer,
10 ... insulating film,
11 ... Drain electrode,
12 ... source electrode,
13 ... gate electrode,
14. Wiring,
21, 22, 23 ... photoresist film,
51, 55 ... two-dimensional electron existence region,
56 ... Quantum wire channel.
Claims (5)
前記化合物半導体基板の上に積層して形成された化合物半導体からなるチャネル層、キャリア供給層、エッチングストッパ層及びキャップ層と、
前記キャップ層上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に設けられた開口部から前記エッチングストッパ層までの半導体を除去して形成されたリセスと、
前記チャネル層に形成された空乏層と、
前記空乏層の上方の部分の前記エッチングストッパ層にショットキー接続したゲート電極と、
前記チャネル層の前記空乏層を挟む位置にそれぞれ形成され、前記ゲート電極のショットキー接続部に向けて線状に延びる2次元電子存在領域を備えたソース及びドレインとを有し、
前記ソース及び前記ドレインの形状が前記キャップ層の形状と同じことを特徴とする電界効果トランジスタ。A compound semiconductor substrate;
A channel layer, a carrier supply layer, an etching stopper layer, and a cap layer made of a compound semiconductor formed by being stacked on the compound semiconductor substrate,
An insulating film formed on the cap layer,
A recess formed by removing the semiconductor from the opening provided in the insulating film to the etching stopper layer,
A depletion layer formed in the channel layer;
A gate electrode Schottky-connected to the etching stopper layer in a portion above the depletion layer;
A source and a drain each formed at a position sandwiching the depletion layer of the channel layer and having a two-dimensional electron existence region linearly extending toward a Schottky connection portion of the gate electrode;
A field effect transistor, wherein the shape of the source and the drain is the same as the shape of the cap layer.
前記キャップ層上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に第1のフォトレジスト膜を形成するレジスト膜形成工程と、
前記第1のフォトレジスト膜に第1のスリットを形成するとともに、前記第1のスリットを挟む位置にそれぞれ前記第1のスリットよりもスリット幅が小さい第2のスリットを形成する工程と、
前記フォトレジスト膜の前記第1のスリット及び前記第2のスリットを介して前記絶縁膜の上面から前記エッチングストッパ層までリセスエッチングすることにより、前記チャネル層に2次元電子が存在しない空乏層と該空乏層の両側に配置されて前記第1のスリットに向けて延びる線状の2次元電子存在領域を備えたソース及びドレインとを形成する工程と、
前記第1のスリットを通過する金属原子のみを前記エッチングストッパ層上に堆積させてゲート電極を形成するゲート電極形成工程と
を有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。A step of sequentially forming a channel layer made of a compound semiconductor, a carrier supply layer, an etching stopper layer and a cap layer on a compound semiconductor substrate,
Forming an insulating film on the cap layer;
A resist film forming step of forming a first photoresist film on the insulating film;
Forming a first slit in the first photoresist film and forming a second slit having a smaller slit width than the first slit at a position sandwiching the first slit,
By performing recess etching from the upper surface of the insulating film to the etching stopper layer through the first slit and the second slit of the photoresist film, a depletion layer in which two-dimensional electrons do not exist in the channel layer, Forming a source and a drain having a linear two-dimensional electron existence region disposed on both sides of the depletion layer and extending toward the first slit;
Forming a gate electrode by depositing only metal atoms passing through the first slit on the etching stopper layer, thereby forming a gate electrode.
前記第1のフォトレジスト膜上に第1のフォトレジスト膜よりも感度が高い第2のフォトレジスト膜を形成し、
前記第2のフォトレジスト膜上に第2のフォトレジスト膜よりも感度が低い第3のフォトレジスト膜を形成し、
前記第1のフォトレジスト膜及び前記第2のフォトレジスト膜を露光した後に現像処理を施して、前記第2のフォトレジスト膜に前記第3のフォトレジスト膜の開口部よりも大きな開口部を形成し、
該第2のフォトレジスト膜の開口部の内側に露出した前記第1のフォトレジスト膜を露光及び現像処理して、前記第1のスリット及び前記第2のスリットを形成することを特徴とする請求項2に記載の電界効果トランジスタの製造方法。In the resist film forming step,
Forming a second photoresist film having a higher sensitivity than the first photoresist film on the first photoresist film;
Forming a third photoresist film having lower sensitivity than the second photoresist film on the second photoresist film;
After the first photoresist film and the second photoresist film are exposed, a development process is performed to form an opening in the second photoresist film larger than the opening of the third photoresist film. And
The first photoresist film exposed inside the opening of the second photoresist film is exposed and developed to form the first slit and the second slit. Item 3. A method for manufacturing a field-effect transistor according to Item 2.
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