JP2005209969A - 半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】素子分離のためのメサ構造部により良好な素子分離特性を得つつ、ショットキー障壁が低いことに基因するゲートリーク電流の増大を防止する。
【解決手段】半導体素子10は、半絶縁性基板12と、メサ構造部18である、チャネル活性層14を含む化合物半導体の積層構造体20と、この積層構造体上に設けられている第1及び第2金属主電極22a及び22bと、チャネル層よりも深い位置にまで設けられている第1及び第2イオン注入領域40a及び40bと、第1イオン注入領域内から、チャネル活性層の上側を越えて第2イオン注入領域内へとチャネル幅方向に沿って設けられている金属制御電極26とを具える。
【選択図】図1

Description

この発明は、半導体素子及びその製造方法に関し、特に電界効果トランジスタ(以下、単にFETとも称する。)及びその製造方法に関する。
例えば、InAlAs/InGaAsヘテロ構造を有するFETにおいて、素子分離を行うために、メサ構造が採用される場合がある。このとき、InGaAsチャネル層とゲート電極とが接触してしまうと、ゲートリーク電流が発生して、素子の特性が大幅に劣化してしまう。
また、素子分離を行うために形成されるサイドウォールと、このサイドウォールから露出しているInGaAsチャネル層とに、ゲート電極を接触させないための構造として、InGaAsチャネルのみを選択的にエッチングすることで、ゲート電極とInGaAsチャネルとの間にリセスを形成する構成が知られている(例えば、非特許文献1参照)。
さらに、InAlAs/InGaAsヘテロ構造と、素子分離を行うために形成されるいわゆるメサ構造とを有するFETにおいて、このメサ構造から露出しているInGaAsチャネル層に、ゲート電極を接触させないための構造として、InGaAsチャネル層のみを選択的にエッチングすることで、ゲート電極とInGaAsチャネル層との間に空隙が形成される構造が知られている(例えば、非特許文献2参照)。
さらにまた、素子分離を行うための構成として、InGaAsチャネル層とゲート電極とが接触することによるゲートリーク電流の増大が懸念されるメサ構造を形成する代わりに、アクティブ領域以外の全ての領域を、イオン注入により半絶縁状態とするいわゆるプレーナ型FET構造をとることで、InGaAsチャネル層の露出を避けることにより、ゲートリーク電流の発生を防止する構成が知られている(例えば、非特許文献3参照)。
加えて、素子分離を行うための構成としてメサ構造を形成し、このメサ構造からInGaAsチャネル層が露出している側壁部にイオン注入を行うことで、InGaAsチャネル層とゲート電極とを分離する構成も知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開平8−279520号公報 S. R. Bahl and J. A. Alamo "Elimination of Mesa-Sidewall Gate Leakage in InAlAs/InGaAs Heterostructures by Selective Sidewall Recessing." IEEE Electron Device Lett., vol.13 no.4,p.195,1992. A. Fathimulla J.Abrahams,T.Loughran and H.Hier,"High-Performance InAlAs/InGaAs HEMT's and MESFET's," IEEE Electron Device Lett., vol.26,no.15,p.1172,1990. A. S. Brown et al., "Low-Temperature Buffer AlInAs/GaInAs on InP HEMT Technology for Ultra-high-speed Integlated Circuits," in Proc. IEEE GaAs IC Symp., 1989,P143
例えば、上述の非特許文献1に記載されている技術によれば、ゲート電極とInGaAsチャネル層との間のリセスに、このリセスを形成するためのリセスエッチング工程に使用されるエッチャントが残留してしまう。この残留エッチャントは、一般に過酸化水素等の酸化剤を含有している。従って、残留エッチャントが電子を供給するInAlAs層を酸化してしまうので、FETの動作の信頼性が低下してしまう。
また、上述の非特許文献2に記載されている技術によれば、ゲート電極を形成した後に、エアブリッジを形成するため、ゲート電極が露出した状態で、ゲート電極の直下をエッチングする必要がある。一般に金属により形成されているゲート電極が露出した状態で、半導体層のエッチングを行うと、いわゆる電池効果現象により半導体層が異常エッチングされてしまう。結果として、FETの素子特性が悪化してしまう。
さらに、上述の非特許文献3に記載されている技術によれば、バンドギャップ幅を考慮すると、アクティブ領域以外の全ての領域を、イオン注入により半絶縁状態として、良好な素子間分離特性を得ることは、困難である。
上述したように、素子分離のためのメサ構造を具えている電界効果トランジスタにおいて、ショットキー障壁が低いことに基因するゲートリーク電流の発生を効果的に防止する構成は、依然として実現されていないのが現状である。従って、いわゆるメサ構造により良好な素子分離特性を得つつ、ゲートリーク電流の発生を効果的に防止した半導体素子を実現するための技術が嘱望されている。
この発明は、上記課題に鑑みてなされたものである。上述した課題を解決するにあたり、この発明の半導体素子は、下記のような構成上の特徴を有している。
すなわち、この発明の半導体素子は、半絶縁性基板と、化合物半導体の積層構造体と、第1及び第2金属主電極と、第1及び第2イオン注入領域と、金属制御電極とを具えている。この化合物半導体積層構造体は、半絶縁性基板上にメサ構造部として設けられていて、かつチャネル活性層を含む。
第1金属主電極及び第2金属主電極は、化合物半導体の積層構造体上にそれぞれ設けられていて、メサ構造部の上面においてチャネル長方向に、互いに離間して設けられている。
第1及び第2イオン注入領域は、第1及び第2金属主電極間のメサ構造部の領域であって、チャネル幅方向に対向する当該領域の端部領域にメサ構造部の上面からチャネル層よりも深い位置にまで、互いに離間して設けられている。
金属制御電極は、第1イオン注入領域内から、チャネル活性層の上側を越えて、第2イオン注入領域内へとチャネル幅方向に沿って設けられている。
また、この発明の半導体素子の製造方法によれば、主として、下記のような工程を含んでいる。
先ず、半絶縁性基板上に、チャネル活性層を中間層として含む、化合物半導体の積層構造体を形成する。
次いで、積層構造体に対し、イオン注入を行って、第1及び第2膨大部及びこれら膨大部間を連結するくびれ部を有する非イオン注入領域と、この非イオン注入領域によって囲まれ、くびれ部を挟んで対向して設けられ、及び積層構造体の表面からチャネル活性層よりも深い位置にまで達する第1及び第2イオン注入層とに区画する。
次に、積層構造体の表面に、平面的にみてくびれ部を中心として、その周辺の第1及び第2膨大部及び第1及び第2イオン注入層の一部分にわたる内側領域を設定し、この内側領域の外周領域を、積層構造体の表面から半絶縁性基板が露出するまでエッチングして、第1及び第2メサ膨大部と第1及び第2メサイオン注入領域とを含む、メサ構造部を形成する。
さらに、第1及び第2メサ膨大部上に、第1及び第2金属主電極を、それぞれ形成する。
次に、第1及び第2金属主電極が設けられているメサ構造部の上側全面を覆う層間絶縁膜を形成する。
次いで、層間絶縁膜に、第1及び第2金属主電極間をこの主電極間方向と直交する方向に延在し、くびれ部の非イオン注入領域の表面及び第1及び第2メサイオン注入領域の表面の一部分を連続的に露出する細長の第1開口部を形成する。
さらにまた、第1開口部に露出する非イオン注入領域の部分及び第1及び第2メサイオン注入領域の部分を、チャネル活性層に非到達の深さまでエッチングして、電極間方向の幅が、第1開口部の幅よりも幅広のリセスを形成する。
然る後、リセスの底面に直立し、第1開口部を貫通し、第1開口部の延在方向の両端部分が第1及び第2メサイオン注入領域内にある金属制御電極を形成する。
この発明の半導体素子の構成によれば、メサ構造により良好な素子分離特性を得つつ、ショットキー障壁が低いことに基因するゲートリーク電流の増大を効果的に防止することができる。従って、動作の信頼性が向上した半導体素子を提供することができる。
また、この発明の半導体素子の製造方法によれば、金属制御電極を形成する際に行われるいわゆるリセスエッチング工程を行う場合でも、層間絶縁膜又はレジストパターンにより、チャネル活性層は露出せず、保護されることとなるので、チャネル活性層が不純物に汚染されて、その機能が低下又は喪失してしまうのを防止することができる。
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。なお、図面には、この発明が理解できる程度に各構成成分の形状、大きさ及び配置関係が概略的に示されているに過ぎず、これによりこの発明が特に限定されるものではない。また、以下の説明において、特定の材料、条件及び数値条件等を用いることがあるが、これらは好適例の1つに過ぎず、従って、何らこれらに限定されない。
〈第1の実施の形態〉
1−1−1.半導体素子の構成
この発明の半導体素子10の構成例について、図1及び図2を参照して説明する。
図1(A)は、基板に形成される1つの半導体素子10が占める領域を上方から見た、構成要素の配置関係を説明するための概略的な平面図である。この発明の構成例では、基板に形成される多数の素子のうち、1つの素子であるFETとして、InP基板を使用したシングルリセスを有する高電子移動度トランジスタ(以下、単にHEMTとも称する。)の構成を例にとって説明する。
図1(B)は、図1(A)のI−I’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す模式的な図である。図1(C)は、図1(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す模式的な図である。
この発明の半導体素子10は、半絶縁性基板12を含んでいる。この例では、半絶縁性基板12を、InP基板12とする。しかしながら、この半絶縁性基板12は、FET(以下、単に素子とも称する。)の設計に応じて選択される任意好適な基板を選択することができる。
この半絶縁性基板12の一方の主面(基板面とも称する。)12a上には、チャネル活性層14を含む、化合物半導体の積層構造(単に、積層構造体とも称する。)20が設けられている。この例の化合物半導体の積層構造20は、下層の層13、中間層としての2つの層14、15及び上層の層16を含んでいる。この例では、半絶縁性基板であるInP基板12上に、InAlAsバッファ層13が設けられている。このInAlAsバッファ層13上には、電子走行層であるチャネル活性層14、すなわちこの例ではInGaAsチャネル活性層14が設けられている。
InGaAsチャネル活性層14上には、電子供給層であるドナー層15、すなわちこの例ではInAlAsドナー層15が設けられている。
図1(B)及び図1(C)に示す構成例では、ドナー層15として、InAlAs層の単層とする例を図示したが、単層とする代わりに、ドナー層15を一部に含む、複数の層からなる積層体とすることもできる。
このような積層体とする場合には、チャネル活性層14よりもバンドギャップが大きく、かつ半絶縁性基板12上にエピタキシャル成長させることが可能な2種類以上の半導体材料、例えばInAlAs又はInPからなる層を任意好適な層数だけ積層する構造とすることができる。
この積層体の具体例につき、図2を参照して説明する。図2は、図1(A)のI−I’で示した一点鎖線と同じ位置で切断した切り口を示す模式的な図である。図2に示す構成例では、チャネル活性層14上に、アンドープInAlAsスペーサ層150と電子供給層であるInAlAsドナー層15とアンドープInAlAsショットキー接合層152とを順次に積層させた積層体を設けてある。なお、スペーサ層150は、ドナー層15とチャネル活性層14とを分離するための層であり、ショットキー接合層152は、制御電極26とのショットキー接合を形成するための層である。
このような積層体により、制御電極26とドナー層15とのより良好なショットキー接合を得ることができる。
単層としてのInAlAsドナー層15上又は上述の積層体上には、n+−InGaAsキャップ層16が設けられている。
すなわち、この例の半導体素子10は、InGaAsチャネル活性層14とInAlAsドナー層15とのヘテロ構造を含む積層構造体20を有するHEMTである。
この積層構造体20は、半導体素子10の主要構成成分であって、この主要構成成分をメサ構造の部分(単にメサ構造又はメサ構造部とも称する。)18として形成してある。このメサ構造部18は、InAlAsバッファ層13の一部分と、チャネル活性層14と、ドナー層15と、n+−InGaAsキャップ層16とを含んでいる。
このような構造の半導体素子10の、主要構成成分をメサ構造部18として形成することにより、基板12に互いに隣接している半導体素子間を確実に素子分離することができる。
この例では、このメサ構造部18は、全体的に、四角錐台の形状を有していて、上方から見た平面形状は、矩形である。
積層構造体20の最上層として、n+−InGaAsキャップ層16が形成されている。このキャップ層16は、オーミックメタルと接続するためのコンタクト層である。この上面16x上には、オーミックメタルである、第1金属主電極22a及び第2金属主電極22bがそれぞれ設けられている。周知の通り、これら第1及び第2金属主電極は、そのいずれか一方がソース電極として、また、他方がドレイン電極として用いられる。
第1金属主電極22a及び第2金属主電極22bは、上面16x上で互いに離間して並置されている。これら第1及び第2金属主電極22a及び22bの対向辺23a及び23bは、平行となっている。メサ構造部18の上面16xと側面18aとの境界は、エッジ部を形成している。第1及び第2主電極22a及び22bの対向辺23a及び23bと平行な一組のエッジ部18b及び18bと、このエッジ部18b、18bと直交する一組のエッジ部18c及び18cとを有している。上述した第1及び第2金属主電極22a及び22bは、メサ構造部18の上面16xからエッジ部18bを経て、メサ構造部18の側面18aを覆って延在するように、それぞれ設けられている。
第1及び第2金属主電極22a及び22bは、積層構造体20の最上層であるキャップ層とオーミックコンタクトがとれる任意好適な材料で形成される。この材料を好ましくは、チタン(Ti)、プラチナ(Pt)、金(Au)又は金−ゲルマニウム(AuGe系)合金とするのがよい。
第1及び第2金属主電極22a及び22b間に露出している、メサ構造部18の露出領域内には、2つのイオン注入領域、すなわち第1及び第2の半絶縁性のイオン注入領域40ab及び40bbが互いに離間して島状領域として設けられている。なお、以下の説明において、両イオン注入領域を代表して符号40で示す場合もある。
この第1及び第2のイオン注入領域40ab及び40bbは、メサ構造部18の露出面から、基板面12aに対し垂直な方向に、電子走行層であるチャネル活性層14が形成されている深さより、深い位置まで設けられている。
また、メサ構造部18の上面16xにおいては、イオン注入領域40は、基板面12aに平行な方向に、対向する2つのエッジ部18c、18cと第1及び第2金属主電極22a及び22bの対向辺23a、23bとで囲まれている領域内へ、エッジ部18c、18cから半導体素子10の機能を損なわない距離の範囲にまで、形成される。この構成例では、図1(A)の平面図からも理解できるように、メサ構造部18を上方からみたときの、第1及び第2イオン注入領域40ab及び40bbの輪郭形状は、矩形である。
ここでいう「機能を損なわない範囲」は、製造される半導体素子に求められる機能及び特性を十分に保持することができる距離として決定すればよい。好ましくは、この距離を、エッジ部18cからメサ構造部18の構成領域の内側へと向かって、0.5μm〜1μmの範囲内とするのがよい。
また、第1及び第2イオン注入領域40ab及び40bbは、図中、エッジ部18cに沿う方向、従ってチャネル長方向については、第1及び第2金属主電極22a及び22b間の間隙全体に渡るように、延在させて設ける例を示してある。しかしながら、このイオン注入領域40を形成する目的は、チャネル活性層14と後述する金属制御電極26とを離間させて電気的に分離することにある。従って、この第1及び第2イオン注入領域40ab及び40bbは、金属制御電極26の直下に相当する領域のみ、すなわち金属制御電極の輪郭の幅と等しい程度に形成してもよい。
化合物半導体の積層構造体20及び第1及び第2の金属主電極22a及び22b上には、これらを被覆するスペーサ層間膜30が設けられている。このスペーサ層間膜30は、SiON、SiN等というシリコン酸化膜とかシリコン窒化膜等といった絶縁性の材料により形成するのがよい。
スペーサ層間膜30には、これを厚み方向に貫通するとともに第1及び第2の金属主電極22a及び22b間の領域であって、主電極間方向に直交する方向、すなわち対向辺23a及び23bに沿う方向に延在する長尺の開口部30aが形成されている。この開口部30aの直下のn+−InGaAsキャップ層16には、開口部30aと連通し、かつこれに沿う形状でリセス17が設けられている。図1に示す構成例では、このリセス17は、InAlAsドナー層15の上面を露出させている。一方、図2に示す構成例では、リセス17は、アンドープInAlAsショットキー接合層152の上面を露出させている。
このリセス17の、長尺方向と直交する、チャネル長方向における幅は、開口部30aの幅よりも広くして設けられている。また、このリセス17の長尺方向は、開口部30aから露出するInAlAsドナー層15又はアンドープInAlAsショットキー接合層152がより大きく露出するように、開口部30aの下端の輪郭よりも拡大されている。
リセス17の、第1及び第2の金属主電極22a及び22bの対向辺23a及び23bと平行に延在する方向の両端は、チャネル幅方向に沿って、第1及び第2イオン注入領域40ab及び40bb各々内にそれぞれ位置している(図1(C)に位置的に示してある。)。
上述したInAlAsドナー層15の上面には、スペーサ層間膜30を貫通する金属制御電極26が設けられている。この金属制御電極26は、リセス17及び開口部30aを、すなわち、n+−InGaAsキャップ層を非接触で突き抜けて、鉛直に直立するように設けられている。また、図1に示す構成例では、この金属制御電極26は、開口部30aを埋め込む幅で、かつリセス17の幅及び長さよりも狭い幅で設けられている。また、金属制御電極26の頂部は、幅広にしてスペーサ層間膜30上に設けられている。
一方、図2の構成例では、金属制御電極26の頂面は、スペーサ層間膜30の上面と同一レベルに形成されている。この金属制御電極26は、第1及び第2金属主電極22a及び22bから露出しているメサ構造18のエッジ部18cと直交して交差して、延在している。すなわち、金属制御電極26は、対向する2つのエッジ部18c及び18cを越えて、メサ構造部18の外側にまで延在している。
金属制御電極26は、製造される半導体装置の仕様に準じて選択される任意好適な材料により形成される。好ましくは、例えばチタン(Ti)、プラチナ(Pt)、金(Au)、アルミニウム(Al)等のいずれかの金属又はこれらの合金により形成するのがよい。
このように、この発明の半導体素子10は、チャネル活性層14及び金属制御電極26を互いに離間させる半絶縁性の第1及び第2イオン注入領域40ab及び40bbを島状領域として具えている。従って、チャネル活性層14及び金属制御電極26が直接的に接触しないので、ゲートリーク電流の増大を効果的に防止することができる。従って、素子の動作の信頼性をより向上させることができる。
1−1−2.半導体素子の製造方法
次に、図1(A)、(B)及び(C)及び図2を参照して説明した半導体素子10の製造方法について、図3から図9を参照して説明する。
図3(A)は、製造工程を説明するための概略的な平面図であり、図3(B)は、製造中途の半導体素子を、図3(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図である。
図4(A)及び(B)は、図3(A)及び(B)に続く、概略的な平面図(A)及び、図4(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図(B)である。
図5(A)及び(B)は、図4(A)及び(B)に続く、概略的な平面図(A)及び、図5(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図(B)である。
図6(A)及び(B)は、図5(A)及び(B)に続く、概略的な平面図(A)及び、図6(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図(B)である。
図7(A)及び(B)は、図6(A)及び(B)に続く、概略的な平面図(A)及び、図7(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図(B)である。
図8(A)及び(B)は、図7(A)及び(B)に続く、概略的な平面図(A)及び、図8(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図(B)である。
図9(A)及び(B)は、図8(A)及び(B)に続く、概略的な平面図(A)及び、図9(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図(B)である。
先ず、図3(B)に示すように、半絶縁性基板12上に、チャネル活性層14を含む化合物半導体の積層構造体20を形成する。この積層構造体20は、複数の化合物半導体層を、順次に、エピタキシャル成長させることにより形成する。
この例では、InAlAs予備バッファ層13aを、半絶縁性基板であるInP基板12上に形成する。この形成は、従来公知の任意好適な条件で行われるエピタキシャル成長工程により行われる。
同様に、InAlAs予備バッファ層13a上に、予備チャネル活性層14a、すなわちInGaAs予備チャネル活性層14aを形成する。
次いで、InGaAs予備チャネル活性層14a上に、図1の構成例では、予備ドナー層15a、すなわちInGaAs予備ドナー層15aを形成する。また、図2の構成例では、スペーサ層150、ドナー層15及びショットキー接合層152を順次に成膜して積層体を形成する。なお、図2の積層体は、以下の説明では、ドナー層の形成と特に変わるところがないので、特に言及する場合を除き、ドナー層15の説明で代表する。
次に、InGaAs予備ドナー層15a上に、n+−InGaAs予備キャップ層16aを形成する。
このようにして、エピタキシャル成長層が積層された、化合物半導体の積層構造体20を形成する。
なお、製造するデバイスの仕様により、積層構造体20を形成する各層のエピタキシャル成長工程については、必要ならば、格子整合を考慮したエピタキシャル成長層として形成することができる。
図3(A)及び(B)に示すように、積層構造体20には、内側領域、すなわち活性層形成領域20’を予め設定しておく。ここでいう活性層形成領域20’とは、積層構造体20のうち、後述する工程により、イオン注入領域又はエアギャップが形成されたときに、チャネル活性層14が残存する部分領域である。この活性層形成領域20’の上方からみた平面形状は、例えば矩形状とする。
次いで、図4(A)及び(B)に示すように、設定された活性層形成領域20’を覆う活性層形成用レジスト層(レジストパターン)19aを形成する。このレジストパターン19aの平面形状は、例えば、矩形状のくびれ部19abを中心として、その両側に、矩形状の膨大部19aa1及び19aa2を有した形状となっている。
この活性層形成用レジスト層19aのレジスト材料としては、従来公知の任意好適な材料を使用することができる。好ましくはノボラック樹脂系のレジスト材料で、従来公知の方法で2μm以上の厚さの層19aとして形成するのがよい。
次に、活性層形成用レジストパターン19aをマスクとして用いて、積層構造体20に、従来公知のイオン注入装置を使用したイオン注入工程により、イオン21をイオン注入(Ion Implantation)する。このイオン注入は、イオン注入層40が、予備キャップ層16aの上面から予備チャネル活性層14aより深い位置にわたって形成されるように行われる。この例では、このイオン注入層40を、予備キャップ層16aの上面すなわち積層構造体20の上面からInAlAs予備バッファ層13a内の中途の深さ(レベル)まで形成する。イオン注入が行われない領域は、バッファ層13、チャネル活性層14、ドナー層15及びキャップ層16として残存している領域である。図中、この領域を符号19’aとして示す。非イオン注入領域19’aは、マスクパターンの両膨大部19aa1及び19aa2下側に対応する第1及び第2膨大部19’aa1及び19’aa2の領域とマスクパターン19aのくびれ部19abの下側に対応する、これら第1及び第2の膨大部間を連結するくびれ部19’abの領域とを有している。
このイオン注入工程により、マスクパターン19aで覆われていない領域が、イオン注入層40に変えられる。また、マスクパターン19aで覆われている領域が非イオン注入領域19’aとなる。イオン注入層40は、マスク(レジスト)パターン19aのくびれ部19abの下側に残存形成されるくびれ形状の非イオン注入領域19’abの両側に、非イオン注入領域19’abを挟むようにして、第1及び第2イオン注入層40a及び40bとして区画されて形成される。
これら第1及び第2のイオン注入層40a及び40bは、積層構造体20を構成する元の各層の性質が半絶縁性に変化した層領域である。また、この構成例では、第1及び第2イオン注入層40a及び40bの対向辺は、互いに平行となっている。
イオン注入層40、すなわち半絶縁性の領域を形成するために注入するイオンとしては、好ましくはボロン(B)又は酸素(O)のイオンを選択するのがよい。
注入条件としては、例えば、注入エネルギーを好ましくは10KeVから30KeVの範囲内とし、イオン注入量を、好ましくは、1.0×1014ions/cm2とするのがよい。
次いで、活性層形成用レジストパターン19aを除去する。以上の工程により、積層構造体20に半絶縁性のイオン注入層40(40a、40b)が形成される。
先ず、図4(A)に示すように、イオン注入領域40を含む積層構造体20上に、メサ構造形成用レジスト層(レジストパターン)19bを形成するために、積層構造体20表面に、平面的にみて、非イオン注入領域19’aのくびれ部19’abを中心として、その周辺の第1及び第2膨大部19’aa1、19’aa2と、第1及び第2イオン注入層40a及び40bの一部分とにわたる矩形状の領域、すなわち矩形区域18’を設定しておく。
次に、図5(A)及び(B)に示すように、イオン注入領域40を含む積層構造体20上に、メサ構造形成用レジスト層(レジストパターン)19bを形成する。この構成例では、レジストパターン19bは、素子分離のためのメサ構造部18を形成する領域を覆うマスクであり、このレジストパターン19bを、イオン注入領域40との関係で上方から平面的に見たときに、キャップ層16を中心として、対称的な、この例では上述した矩形区域18’上に設ける。
次に、レジストパターン19bをマスクとして用いて、レジストパターン19bから露出しているイオン注入層40を含む積層構造体20に対し、エッチングを行う(以下、このエッチングをメサエッチングとも称する。)。また、このエッチングは、上述した矩形区域18’の外周区域を、積層構造体20の表面から、イオン注入領域40a及び40bのイオン注入が行われていない領域まで行う。例えば、半絶縁性基板が露出するまで、あるいは図示したように層13の中途までメサエッチングを行えばよい。
このメサエッチング工程は、例えば、常温(25℃)で、H3PO4系エッチャントにより常法に従って行うことができる。
次いで、メサ構造形成用レジストパターン19bを除去することにより、傾斜した側面18aを有するメサ構造体18が得られる。メサ構造体18は、第1及び第2メサ膨大部(19ba、19bb)と、第1及び第2メサイオン注入領域(40ab、40bb)とを含でいる。第1及び第2メサ膨大部(19ba、19bb)は、第1及び第2膨大部(19aa1、19aa2)(図4(A)参照。)から得られた領域であり、また、第1及び第2メサイオン注入領域(40ab、40bb)は、第1及び第2イオン注入領域(40a、40b)から得られた領域である。
このメサ構造部18については、図1(A)に、その平面的輪郭を、エッジ部18b及び18bと、18c及び18cとして示してある。このようにイオン注入層40をエッチング加工して、チャネル幅方向に、キャップ層16を中心として、2つに分離した第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbを得る。
図6(A)に示すように、形成されたメサ構造部18に、互いに離間する第1金属主電極22a及び第2金属主電極22bを形成する(図1(B)及び図2参照。)。第1金属主電極22a及び第2金属主電極22b間には、メサ構造18の中心に対して対称に離間するように設ける。このとき、第1金属主電極22a及び第2金属主電極22bは、対向するエッジ部18c、18cの一部及びこのエッジ部18c、18cの一部分に隣接する側面18aを露出している。
第1及び第2金属主電極22a及び22bは、既に説明した材料を用いて、従来公知のマスク工程、金属蒸着工程及びリフトオフ工程を任意好適な条件で行うことにより形成することができる。
次いで、図6(A)及び(B)に示すように、メサ構造部18並びに第1及び第2金属主電極22a及び22bとを含むバッファ層13上の全面に、層間絶縁膜としてスペーサ層間膜30を形成する。スペーサ層間膜30は、既に説明した材料を用いて、従来公知の例えばプラズマCVD法により、任意好適な条件で、堆積させることにより形成することができる。
次に、図6(A)及び(B)に示すように、スペーサ層間膜30上に、開口19caを有する開口部形成用レジスト層(レジストパターン)19cを形成する。
然る後、この開口部形成用レジストパターン19cをマスクとして用いて、スペーサ層間膜30の一部分をエッチング除去して、n+−InGaAsキャップ層16を露出する細長の開口部30aを第1開口部として形成する。この開口部30aは、金属制御電極を形成するための開口であるので、金属制御電極が延在する長さ及び幅方向に、当該金属制御電極の形状に準じて形成される。開口部形成用レジストパターン19cは、エッジ部18c及び18c(側面18a)に渡る方向に沿って延在する開口部19caを有している。従って、レジストパターン19cにより形成される開口部30aは、第1及び第2金属主電極間を、これら主電極間方向と直交する方向に、延在するように形成される。さらに、この開口部30aは、くびれ部19’abの非イオン注入領域の表面と、第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbの表面の一部分とを、連続的に露出する。
この開口部30aの形成は、従来公知のEBリソグラフィ工程によりパターニングされたマスクパターン19cを用いた、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)工程により、任意好適な条件で、スペーサ層間膜30をパターニングすることで行われる。この反応性イオンエッチング工程においては、好ましくは、例えばSF6ガスを用い、圧力3.5Pa(パスカル)、電力(Power)を100W(ワット)の反応条件として行うのがよい。
この開口部30aの形成後、レジストパターン19cを除去する。
図7(A)及び(B)に示すように、この開口部30aのチャネル幅方向の幅L1は、ドナー層15の、チャネル方向の幅よりも大きくとってある。次に、金属制御電極形成用レジスト層(レジストパターン)19dを形成する。この金属制御電極形成用レジストパターン19dの形状は、形成される金属制御電極26の形状に準じた開口部を有するものとする。
すなわち、金属制御電極形成用レジストパターン19dは、スペーサ層間膜30上に、矩形状の開口部19daを有するレジストパターンとして形成する。このレジストパターン19dの開口部19daは、第1及び第2金属主電極22a及び22bから露出しているメサ構造部18の対向するエッジ部18cにそれぞれ直交する方向、すなわちチャネル幅方向に延在し、その開口幅をL2(>L1)とする。
図8(A)及び(B)に示すように、開口部19daの両端は、メサ構造部18のエッジ部18cよりも外側に位置している。一方、この開口部19daのチャネル長方向の幅w1は、形成しようとする金属制御電極の幅と実質的に同一幅としてある。
次いで、金属制御電極形成用レジストパターン19dを残した状態のまま開口部30aから露出するn+−InGaAsキャップ層16のみを選択的に、エッチングする(以下、この工程をリセスエッチング(工程)とも称する。)。このリセスエッチングは、くびれ部19’abの非イオン注入領域の部分と、第1及び第2メサイオン注入領域40a及び40bの部分とを、キャップ層16よりも深いが、チャネル活性層14には達しない深さまで行う。さらにこのリセスエッチングは、好ましくは、例えば、従来公知のクエン酸系エッチャントを用いて、常温(25℃)の条件でInGaAs/InAlAs選択的な等方性エッチングにより行うのがよい。このとき、キャップ層16がエッチングされるとともに、このキャップ層16の周囲の第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbもエッチングされて除去される。従って、金属制御電極形成用レジストパターン19dから露出するスペーサ層間膜30は、この工程によってはエッチングされない。その結果、このエッチング工程中、チャネル活性層14は、エッチャントに曝される恐れはない。
また、図8(B)に示すように、リセス17は、金属制御電極の長さ方向に一致する延在方向の両端が、第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bb内に位置するように形成される。
このようなリセスエッチングにより、開口部30aの下部に、この開口部30aと連通し、かつリセス17の電極間方向の幅w2が開口部の幅w1よりも幅広いリセス17が形成される。
次いで、図9(A)及び(B)に示すように、上述の金属制御電極形成用レジストパターン19dをマスクとして用いて、金属蒸着工程を任意好適な条件で行うことで、金属制御電極26を形成する。金属蒸着膜が、ドナー層15上に、開口部30aと、この開口部30aと連通して設けられているリセス17の一部分とを埋め込むとともに、スペーサ層間膜30上に、連結して形成される。すなわち、この金属制御電極26は、リセス17の底面に直立して開口部30aを貫通して設けられるとともに、開口部30aの延在方向の制御電極の終端部が、第1及び第2メサイオン注入領域の部分の露出面と接触して形成される。また、制御電極26の幅は、開口部30aの幅w1と同一幅に形成される。
その後、レジストパターン19dを、従来公知のリフトオフ工程によって、除去する。このリフトオフ工程により、残存した金属蒸着膜が、金属制御電極26となる。
金属制御電極26は、第1及び第2金属主電極22a及び22bから露出しているメサ構造部18のエッジ部18cと直交して、延在している。すなわち、金属制御電極26は、対向する2つのエッジ部18c及び18cを越えて、メサ構造部18の外側にまでスペーサ層間膜30上を延在するように形成されている。
このように半導体素子10を形成すれば、特にリセスエッチング工程において、チャネル活性層は層間絶縁膜により覆われている。結果として、チャネル活性層はエッチャントから保護されている。従って、金属制御電極26を形成する工程において、チャネル活性層14がエッチャントにより汚染されて、チャネル活性層14の機能が低下又は喪失してしまうのを防止することができる。
〈第1の実施の形態の変形例〉
1−2−1.半導体素子の構成
第1の実施の形態の半導体素子の変形例の構成について、図10を参照して説明する。なお、第1の実施の形態において既に説明した構成要素と同様の構成要素については、同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。また、製造工程の説明において、材料及び条件については、第1の実施の形態とほぼ同様であるのでその詳細な説明は省略する。
図10(A)は、変形例の半導体素子10を上方から見た、構成要素の配置関係を説明するための概略的な平面図である。
図10(B)は、図10(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す模式的な図である。
この変形例の半導体素子10は、図1(A)、(B)及び図2を参照して説明した第1の実施の形態の半導体素子の場合とは、第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bb、すなわち半絶縁性の分離領域の形成範囲が異なっているが、その他の構成は実質的に同じであるので、この相違点についてのみ説明する。
この変形例の半導体素子10においては、第1及び第2金属主電極22a及び22bから露出しているメサ構造部18のエッジ部18cより内側に形成されている領域(図1(A)及び(C)参照。)に連続させて、メサ構造部18の構成領域の外側にも、すなわちエッジ部18cを外側に越えて、半絶縁性の第1及び第2メサイオン注入層40ab及び40bbを延在させてそれぞれ設けられた構造としている(図5(A)及び図5(B)参照。)。なお、この場合にも、図5(A)に鎖線で示すように、第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbを上方からみた平面的な輪郭形状は矩形としている。また、この変形例での第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbを拡張されたイオン注入領域と称する。
この拡張された第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbが設けられた化合物半導体の積層構造体20上と、第1及び第2の金属主電極22a及び22b上には、これらを被覆するスペーサ層間膜30が設けられている。
スペーサ層間膜30自体は、第1の実施の形態の半導体素子の場合と同様に形成されている。
このように、この構成例では、チャネル活性層14及び金属制御電極26を互いに離間させる半絶縁性の第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbをメサ構造部18の構成領域の外側へ向かう方向にも具えている。従って、チャネル活性層14と金属制御電極26とをより確実に離間して、ゲートリーク電流の増大を効果的に防止することができる。従って、第1の実施の形態の半導体素子10と同様に、素子の動作の信頼性をより向上させるという作用効果を得ることができる。
1−2−2.半導体素子の製造方法
次に、図10(A)及び(B)を参照して説明した第1の実施の形態の変形例の半導体素子10の製造方法について、図11から図16を参照して説明する。なお、後述する各工程における材料及び条件は、第1の実施の形態と同様とすることができるので、その詳細な説明は省略する。
図11(A)は、製造工程を説明するための概略的な平面図であり、図11(B)は、製造中途の半導体素子を、図11(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図である。
図12(A)及び(B)は、図11(A)及び(B)に続く、概略的な平面図(A)及び、図12(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図(B)である。
図13(A)及び(B)は、図12(A)及び(B)に続く、概略的な平面図(A)及び、図13(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図(B)である。
図14(A)及び(B)は、図13(A)及び(B)に続く、概略的な平面図(A)及び、図14(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図(B)である。
図15(A)及び(B)は、図14(A)及び(B)に続く、概略的な平面図(A)及び、図15(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図(B)である。
図16(A)及び(B)は、図15(A)及び(B)に続く、概略的な平面図(A)及び、図16(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図(B)である。
化合物半導体の積層構造体20の形成工程及び活性層形成領域20’及びメサ構造形成領域18’の設定は、第1の実施の形態と同様であるので、図3を参照して説明し、その図示は省略する。図3(A)及び(B)に示すように、半絶縁性基板12上に、チャネル活性層14を含む化合物半導体の積層構造体20を形成する。この積層構造体20は、複数の化合物半導体層13a、14a、15a及び16aを、順次に、エピタキシャル成長させることにより形成する。
この例では、まず、InAlAs予備バッファ層13aを、半絶縁性基板であるInP基板12上に形成する。
この積層構造体20上には、活性層形成領域20’及びメサ構造形成領域18’を、図3に示すように、予め設定しておく。ここでいう活性層形成領域20’は、チャネル活性層14が最終的に残存する部分領域である。
このメサ構造形成領域18’に、図11(A)及び(B)に示すように、後述するメサエッチング工程によりメサ構造部18を形成する。
そのため、まず、化合物半導体積層構造20の表面に矩形区域とされた、メサ構造形成領域18’(図4(A)参照。)を覆うメサ構造形成用レジスト層(レジストパターン)19bを形成する。
積層構造体20に対して、メサ構造形成用レジストパターン19bをマスクとしてメサエッチングを行う。このメサエッチングは、レジストパターン19bの外周区域を、積層構造体20の上面すなわち予備キャップ層16aの上面からチャネル活性層14の下側の領域が露出するまで、例えば予備バッファ層13aの厚みの中途に達するレベルまで行う。
次いで、メサ構造形成用レジストパターン19bを除去することにより、積層構造体20の残存部分によって、メサ構造部18が得られる。このメサ構造部18は、バッファ層13、チャネル活性層14、ドナー層15及び及びキャップ層16として残存している領域である。
然る後、図12(A)及び(B)に示すように、第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbを形成する。そのために、まず、活性層形成用レジストパターン19aを、メサ構造部18の部分領域である活性層形成領域20’を覆うマスクパターン(レジストパターン)として形成する。
次いで、従来公知のイオン注入装置により、レジストパターン19aの周囲の露出された、メサ構造部18の領域に対し、所要のイオン21をバッファ層13上面からその厚みの中途に達するレベルまで注入する。ここでは、例えばメサ構造部18の表面からチャネル活性層14よりも深い位置にまでイオン注入する。次いで、活性層形成用レジストパターン19aを除去する。このイオン注入工程により、活性層形成用レジストパターン19aのマスクパターンに覆われていない領域であって、バッファ層13の上面側に、第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbが形成される。
すなわち、化合物半導体の積層構造体20に半絶縁性の第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbが形成される。第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbは、メサ構造部18のエッジ部18cより内側の領域はもとより、エッジ部18cの外側の領域も、すなわち、メサ構造部18の構成領域の外側にも連続して形成される。
また、これら第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbは、マスクパターン19aに覆われてイオンが注入されなかった非イオン注入領域のくびれ部を挟んで対向して形成される。すなわち、このイオン注入工程によって、メサ構造部18のマスクパターン19aで覆われていない部分は非イオン注入領域として残存する。この残存領域は、第1及び第2メサ膨大部と、これらメサ膨大部間を連結するくびれ部の領域を有している。
次に、図13(A)に示すように、メサ構造部18に、互いに離間する第1金属主電極22a及び第2金属主電極22bを形成する。
次いで、第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bb、バッファ層16並びに第1及び第2の金属主電極22a及び22bを覆う、スペーサ層間膜(層間絶縁膜)30を形成する。
然る後、図13(A)及び(B)に示すように、スペーサ層間膜30上に、このスペーサ層間膜30に開口部30a(図14(B)参照。)を開けるための開口部形成用レジストパターン19cを形成する。このレジストパターン19cの開口部を符号19caで示す。
図14(A)及び(B)に示すように、開口部形成用レジストパターン19cをマスクとして用いて、スペーサ層間膜30の一部分をエッチング除去して当該スペーサ層間膜30に、InGaAsキャップ層16を露出する開口部30aを形成する。この開口部30aは、その長さL1がドナー層15と接触する金属制御電極のチャネル幅方向の接触長よりも長く、かつその幅w1がチャネル長方向の接触幅の大きさとして形成されている。
次に、図15(A)及び(B)にも示すように、金属制御電極形成用レジスト層(レジストパターン)19dを形成する。金属制御電極形成用レジストパターン19dの開口部19daの形状は、第1の実施の形態と同様に、形成される金属制御電極26に準じて任意好適な形状及び大きさの開口形状とすればよい。
次いで、第1の実施の形態と同様に、n+−InGaAsキャップ層16をリセスエッチングする。このとき、リセス17は、その延在方向の両端が、第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bb内にそれぞれ位置するように形成される。
次いで、図16(A)及び(B)に示すように、金属制御電極形成用レジストパターン19dをマスクとして、金属蒸着工程を任意好適な条件で行って、金属制御電極26を形成する。金属蒸着膜がドナー層15上に、開口部30aと、この開口部30aと連続して設けられているリセス17の一部分とを埋め込むとともに、スペーサ層間膜30上に、連続して形成される。その後、レジストパターン19dのリフトオフ工程を行って、これを除去する。このリフトオフ工程により、残存する金属蒸着膜が、第1の実施の形態と同様に金属制御電極26となる。
上述した一連の工程により、変形例の半導体装置10が製造される。このように、半導体素子10を形成すれば、特にリセスエッチング工程において、チャネル活性層は層間絶縁膜により覆われている。従って、チャネル活性層をより確実に保護することができるので、第1の実施の形態の作用効果と同様に、金属制御電極26を形成する工程において、チャネル活性層14がエッチャントにより汚染されて、その機能が低下又は喪失してしまうのを防止することができる。
〈第2の実施の形態〉
2−1.半導体素子の構成
第2の実施の形態の半導体素子の構成について、図17を参照して説明する。なお、第1の実施の形態において既に説明した構成要素と同様の構成要素については、同一符号を付して、その詳細な説明を省略する場合もある。
図17(A)は、第2の実施の形態の半導体素子10を上方から見た、構成要素の配置関係を説明するための概略的な平面図である。
図17(B)は、図17(A)のI−I’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す模式的な図である。図17(C)は、図17(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す模式的な図である。
第2の実施の形態の構成例においても、第1の実施の形態と同様に、半絶縁性基板12上には、チャネル活性層14を含むメサ構造部18として形成された化合物半導体の積層構造体20が設けられている。さらに第1及び第2金属主電極22a及び22b間に露出している、メサ構造部18の露出領域に、第1の実施の形態と同様の半絶縁性の第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbが、島状領域として設けられている。
この第2の実施の形態の半導体素子10が、第1の実施の形態の半導体素子と異なる点は、第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbと、金属制御電極26との間にスペーサ層間膜30を設ける代わりに、空隙によるエアブリッジを設けた点にある。
この第1及び第2イオン注入領域40ab及び40bbは、基板面に対し、垂直な方向の深さについては、電子走行層であるチャネル活性層14が形成されている深さより、深く設けられている。
図17(A)及び図17(C)に示す図からも理解できるように、メサ構造部18の一部領域である第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbの上側であって、金属制御電極26の直下には、第1及び第2メサイオン注入領域40aa及び40bbと金属制御電極26とをメサ構造部18の上面の一部分及び側面領域に渡って離間させる空隙すなわち、エッジ部18c、18cの両側をそれぞれ乗り越える第1及び第2のエアブリッジ44a及び44bが設けられている。すなわち、金属制御電極26は、この第1及び第2のエアブリッジ44a及び44bにより、メサ構造部18の傾斜を有する表面18aに接触せず、これを乗り越えるように設けられている。すなわち、エアリッジ44a及び44bはメサ構造部18の表面18aと、金属制御電極26とを離間させている。
このように、この実施の形態の半導体素子10によれば、第1の実施の形態と同様の半絶縁性の第1及び第2メサイオン注入領域40a及び40bに加えて、これらの上側にそれぞれ第1及び第2のエアブリッジ44a及び44bが組み込まれている。従って、チャネル活性層14と金属制御電極26とをより確実に離間して、ゲートリーク電流の増大を効果的に防止することができる。従って、第1の実施の形態の半導体素子10の構成と同様に、素子の動作の信頼性をより向上させるという作用効果を得ることができる。
2−2.半導体素子の製造方法
次に、図17(A)、(B)及び(C)を参照して説明した第2の実施の形態の半導体素子10の製造方法について、図18から図21を参照して説明する。なお、後述する各工程における材料及び条件のうち、第1の実施の形態と同様の工程とすることができるものについては、その詳細な説明を省略する。
図18(A)、(B)及び(C)は、製造中途の半導体素子を、図17(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図である。平面図については、第1の実施の形態と同様であるのでここでは省略する。
図19(A)及び(B)は、図18(A)、(B)及び(C)に続く、概略的な平面図(A)及び、図19(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図(B)である。
図20(A)及び(B)は、図19(A)及び(B)に続く、概略的な平面図(A)及び、図20(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図(B)である。
図21(A)及び(B)は、図20(A)及び(B)に続く、概略的な平面図(A)及び、図21(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図(B)である。
図18(A)に示すように、この化合物半導体の積層構造体20は、既に図3(A)を参照して説明した第1の実施の形態と同様に、複数の化合物半導体層13a、14a、15a及び16aを、順次に、エピタキシャル成長させることにより形成する。
積層構造体20上には、第1の実施の形態と同様に、活性層形成領域20’及びメサ構造形成領域18’を予め設定しておく。
次いで、図18(B)に示すように、設定された活性層形成領域20’を覆う活性層形成用レジスト層(レジストパターン)19aを形成する。
活性層形成用レジストパターン19aが設けられている積層構造体20に対して、従来公知のイオン注入装置を使用して、所要のイオン21をイオン注入して、第1の実施の形態で説明したと同様に、イオン注入層(領域)40を形成する。
第1及び第2イオン注入層40a及び40bの深さは、予備チャネル活性層14aより深いレベルとする。この例では、イオン21は、InAlAs予備バッファ層13aの上面からその中途の深さ(レベル)にまで注入する。
このイオン注入工程により、活性層形成用レジストパターン19aで覆われた、積層構造体20外の領域に、半絶縁性の第1及び第2メサイオン注入層40a及び40bが島状領域として形成される。
次いで、活性層形成用レジストパターン19aを除去してキャップ層16を露出させる。
次に、図18(C)に示すように、キャップ層16と、イオン注入層40(40a、40b)とを覆うメサ構造形成用レジスト層(レジストパターン)19bを形成する。このレジストパターン19bは、第1の実施の形態で説明したと同様な、第1及び第2膨大部19aa1及び19aa2と、これら膨大部間を連結するくびれ部19abを有するマスクパターンである(図4(A)参照。)。
また、既に説明したとおり、このメサ構造18は、素子分離を行うために採用された構造である。
次に、イオン注入層40の露出している領域に対して、メサ構造形成用レジスト層19bをマスクとして用いて、エッチングを行うことで、当該露出部分を除去する。このエッチングにより、残存したイオン注入層部分が第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbとなる。また、マスクパターン19bの下側には、非イオン注入領域が残存し、この非イオン注入領域は、マスクパターン19bに対応して、第1及び第2メサ膨大部19ba及び19bbの領域と、くびれ部19abの領域とを有している(図5(A)参照。)。
次いで、メサ構造形成用レジスト層19bを除去することにより、第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbと、各層14、15及び16とを含むメサ構造部18が得られる。
図19(A)及び(B)に示すように、形成されたメサ構造部18に、互いに離間する第1金属主電極22a及び第2金属主電極22bを形成する。
次に、リセス形成用レジスト層(レジストパターン)19h及びエアブリッジ形成用レジスト層(レジストパターン)19i並びに第1及び第2開口部30a及び19haを、それぞれ周知のフォトリソグラフィ技術を用いて形成する。この場合、好ましくは、先ず、レジストパターン19iを第1レジスト層として形成し、次いでレジストパターン19hを第2レジスト層として形成するが、もちろん設計に応じて逆の順で形成してもよい。この構成例では、第1レジスト層19iの上側に第2レジスト層19hが重ねられて形成される。但し、第1レジスト層の第1開口部30aと、第2レジスト層19hの第2開口部19haは、第1開口部30aを中心として、基板面に垂直方向に、これと連通するように設けられる。これら第1及び第2開口部30a及び19haの両主電極間方向にとった幅は、メサ構造部18上に形成される制御電極の幅w1と同じ幅とする。
エアブリッジ形成用レジスト層(第1レジスト層)19iは、第1及び第2の金属主電極からチャネル活性層14が露出する領域であって、第1開口部30aの両端を画成し、かつ後に形成される金属制御電極26の直下に対応する領域を覆うように細長の矩形状に形成する。すなわち、第1レジスト層19iは、互いに離間する2つの部分からなり、第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bb上から露出して対向する2カ所の18c、18cに個別にまたがって、メサ構造18の側面18aの2カ所を覆っている。
上述したリセス形成用レジストパターン19hは、後述する金属制御電極26の形成にも使用されるマスクパターンであるので、リセス17及び金属制御電極26形成のための兼用マスクパターンである。
従って、このリセス形成用レジスト層19hの第2開口部19haの形状は、形成される金属制御電極26の形状に準じた開口形状とする。
すなわち、リセス形成用レジスト層(第2レジスト層)19hは、第1の実施の形態で説明したレジストパターン19dと同様に形成される。
この第2レジスト層19hは、第2開口部19haを開口し、それ以外の領域を覆うマスクパターンである。この第2レジスト層19hにより開口される第2開口部19haの延在方向の長さL2は、少なくとも一方の側のメサ構造部18の表面18aを横切って、対向する側のメサ構造部18の表面18aを越える長さとする。従って、この第2開口部19haからは、第1レジスト層19iが露出している。
この例で使用されるリセス形成用レジスト層19hのレジスト材料としては、好ましくは、株式会社冨士薬品製LMR(商品名)を使用するのがよい。
エアブリッジ形成用レジスト層19iのレジスト材料としては、リセスエッチング工程に使用されるリセス形成用レジスト層19hのレジスト材料及びエッチャントにより浸食されない性質を有するレジスト材料を選択する。
例えば、上述したLMRをリセス形成用レジスト層19hの材料とする場合には、エアブリッジ形成用レジスト層19iの材料として、好ましくは、東京応化株式会社製のODUR(商品名)を組み合わせて使用するのがよい。
次に、図20(A)及び(B)に示すように、リセス形成用レジスト層19h及びエアブリッジ形成用レジスト層19iをマスクとして用いて、InAlAsドナー層15を露出するリセス17を、第1の実施の形態と同様にエッチングすることにより形成する。
このとき、キャップ層16がエッチングされるとともに、このキャップ層の周囲のInGaAsの第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbの領域部分も、エッチングされて除去されるが、露出しているバッファ層13はエッチングされない。
図20(B)に示すように、リセス17は、そのチャネル幅方向の両端が、第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bb内に位置するように形成される。
このように、エアブリッジ形成用レジストパターン19iと第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbとによりチャネル活性層14が保護された状態で、リセスエッチング工程が行われるので、側面18aからチャネル活性層14が露出しない。従って、リセスエッチング工程で使用されるエッチャントが、チャネル活性層14を浸食する恐れがない。
次いで、図21(A)及び(B)に示すように、上述のリセス形成用レジストパターン19h及びエアブリッジ形成用レジストパターン19iをマスクとして用いて、第1の実施の形態と同様に、金属蒸着工程を任意好適な条件で行うことにより、第2開口部19haを埋め込むように第1及び第2レジスト層19i及び19hの上側全面に金属蒸着膜を形成する。この金属膜は、リセス17の一部分を埋め込んで形成される。然る後、リフトオフ工程を行って、金属制御電極26を形成する。
このレジストパターン19hのリフトオフ工程により、エアブリッジ形成用レジスト層19iは溶解する。従って、第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbと、金属制御電極26との間の領域に、空隙、すなわち第1及び第2のエアブリッジ44a及び44bがそれぞれ形成される。このように、エアブリッジ形成用レジスト層19iの材料は、リフトオフ工程により溶解する性質を有する材料を選択するのがよい。
上述したような一連の工程により、第2の実施の形態の半導体装置10が製造される。このようにして半導体素子10を形成すれば、側面18aからチャネル活性層14が露出せず、エアブリッジ形成用レジストパターン19iによりチャネル活性層14が保護された状態で、リセスエッチング工程が行われる。従って、チャネル活性層をより確実に保護することができる。また、第1の実施の形態の作用効果と同様に、金属制御電極26を形成するためのリセスエッチング工程において、チャネル活性層14がエッチャントにより汚染されて、機能が低下又は喪失してしまうのを防止することができる。さらに、リセスエッチング工程を実施する際には、金属制御電極が露出していないので、従来の方法で懸念される、電池効果による異常エッチングが引き起こす素子の機能の劣化の懸念がない。
〈第3の実施の形態〉
3−1.半導体素子の構成
次に、第3の実施の形態の半導体素子の構成について、図22を参照して説明する。なお、第1及び第2の実施の形態において既に説明した構成要素と同様の構成要素については、同一符号を付して、その詳細な説明を省略する場合もある。また、製造工程の説明において、材料及び条件については、第1及び第2の実施の形態と同様であるものについてはその詳細な説明は省略する。
図22(A)は、第3の実施の形態の半導体素子10を上方から見た、構成要素の配置関係を説明するための概略的な平面図である。
図22(B)は、図22(A)のI−I’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す模式的な図である。図22(C)は、図22(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す模式的な図である。
第3の実施の形態の構成の特色は、第1及び第2の実施の形態の構成において含まれていた第1及び第2メサイオン注入領域40ab及び40bbを用いる代わりに、バッファ層13とドナー層15とに挟まれたチャネル活性層14の周囲に空隙を形成してある点である。以下、この構成例につき説明する。
半導体素子10は、半絶縁性基板12を含んでいる。この半絶縁性基板12上には、チャネル活性層14を含む化合物半導体の積層構造体20が設けられている。この例の積層構造体20は、基板12側から積層された複数の層13、14、15及び16の積層体を含んでいる。この例では、半絶縁性基板であるInP基板12上に、InAlAsバッファ層13が設けられている。このInAlAsバッファ層13上には、電子走行層であるチャネル活性層14、すなわちこの例ではInGaAsチャネル活性層14が設けられている。
InGaAsチャネル活性層14上には、電子供給層であるドナー層15、すなわちこの例ではInAlAsドナー層15が設けられている。
さらに、積層構造体20の最上層として、オーミックメタルと接続するためのコンタクト層であるn+−InGaAsキャップ層16が形成されている。
この積層構造体20は、半導体素子10の主要構成成分であって、この構成をメサ構造部18として形成してある。すなわち、このメサ構造部18は、InAlAsバッファ層13の一部分と、チャネル活性層14と、ドナー層15と、n+−InGaAsキャップ層16とを含んでいる。
メサ構造部を形成するn+−InGaAsキャップ層16の上面16x上には、オーミックメタル、すなわちソース電極又はドレイン電極である第1金属主電極22a及び第2金属主電極22bがそれぞれ設けられている。
第1金属主電極22a及び第2金属主電極22bは、上面16x上で互いに離間して並置されている。
第3の実施の形態の構成例の半導体素子10では、第1及び第2金属主電極22a及び22bから露出しているメサ構造部18の互いに対向するエッジ部18b及び18cより内側の領域に、チャネル活性層14に隣接して、このチャネル活性層14を囲むように、エアギャップ42が開けられている。すなわち、このエアギャップ42は、メサ構造部18の傾斜を有する側面18aからチャネル活性層14を離間する空隙として設けられている。
また、このエアギャップ42は、InAlAsバッファ層13とInAlAsドナー層15とを離間する空隙として設けられている。
エアギャップ42の、互いに対向するエッジ部18b及び18cより内側の領域における形成範囲は、半導体素子10の機能を損なわない範囲で形成する。
エアギャップ42の、エッジ部18b及び18cに沿う方向での延在範囲は、図中、第1及び第2金属主電極22a及び22bの間隙全体に渡るように設ける例を示してある。しかしながら、金属制御電極26の直下に相当する領域のみ、すなわち金属制御電極26の輪郭の幅と等しい程度に設けてもよい。
InAlAsバッファ層13上に設けられている化合物半導体積層構造20及び第1及び第2の金属主電極22a及び22b上には、これらを被覆するスペーサ層間膜30が設けられている。
スペーサ層間膜30は、メサ構造部18の側面18a側からメサ構造の内側に向かって空隙42’の一部分に入り込むことで、結果として、エアギャップ42を閉鎖空間として封止するように設けられている。
スペーサ層間膜30には、これを厚み方向に貫通するとともに第1及び第2の主電極間、すなわち対向辺23a及び23bに沿って延在する長尺の開口部30aが形成されている。この開口部30aは、第1及び第2金属主電極22a及び22b間の領域部分に設けられている。この開口部30aの直下のn+−InGaAsキャップ層16には、開口部30aと連通し、かつこれに沿ってInAlAsドナー層15を露出させるリセス17が設けられている。
n+−InGaAsキャップ層16の上面16xのうち、第1及び第2金属主電極22a及び22b間の間隙の露出領域上に、金属制御電極26が設けられている。この金属制御電極26は、第1及び第2金属主電極22a及び22bから露出しているメサ構造18のエッジ部18bと直交し、かつキャップ層16の上面16xに対し垂直に交差して、延在している。すなわち、金属制御電極26は、対向する2つのエッジ部18b、18bを越えて、メサ構造18の外側にまで延在している。
このように、この実施の形態の半導体素子10によれば、エアギャップ42が形成されている。このエアギャップ42により、チャネル活性層14と金属制御電極26とを離間して、ゲートリーク電流の増大をより効果的に防止することができる。すなわち、第1及び第2の実施の形態の半導体素子10の構成と比較して、ゲートリーク電流の増大を防止するという観点からより大きな効果を得ることができる。また、素子の動作の信頼性をより向上させるという作用効果を得ることができる。
3−2.半導体素子の製造方法
次に、図22(A)、(B)及び(C)を参照して説明した第3の実施の形態の半導体素子10の製造方法について、図23から図29を参照して説明する。なお、後述する各工程における材料及び条件のうち、第1及び第2の実施の形態と同様の工程とすることができるものについては、その詳細な説明を省略する。
図23(A)は、製造工程を説明するための概略的な平面図であり、図23(B)は、製造中途の半導体素子を、図23(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図である。
図24(A)及び(B)は、図23(A)及び(B)に続く、概略的な平面図(A)及び、図24(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図(B)である。
図25(A)及び(B)は、図24(A)及び(B)に続く、概略的な平面図(A)及び、図25(A)のII−II’一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図(B)である。
図26(A)及び(B)は、図25(A)及び(B)に続く、概略的な平面図(A)及び、図26(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図(B)である。
図27(A)及び(B)は、図26(A)及び(B)に続く、概略的な平面図(A)及び、図27(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図(B)である。
図28(A)及び(B)は、図27(A)及び(B)に続く、概略的な平面図(A)及び、図28(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図(B)である。
図29(A)及び(B)は、図28(A)及び(B)に続く、概略的な平面図(A)及び、図29(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図(B)である。
第3の実施の形態の構成例においても、第1の実施の形態と同様に、半絶縁性基板12上には、チャネル活性層14を含むメサ構造部18として形成された化合物半導体の積層構造体20が設けられている。
この第3の実施の形態の半導体素子10が、第1及び2の実施の形態の半導体素子と構成上異なるのは、第3の実施の形態の構成例では、第1及び第2メサイオン注入領域を設ける代わりに、空隙、すなわちエアギャップ42を形成することにある。
図23(A)及び(B)に示すように、基板12上に化合物半導体の積層構造体20(13a、14a、15a及び16a)を形成して、この積層構造体20上には、活性層形成領域20’及びその周囲を囲むエアギャップ(空隙)形成領域42aを予め設定しておく。
然る後、図24(A)及び(B)に示すように、活性層形成用兼エアギャップ形成用レジスト層(レジストパターン)19jを、この積層構造体20の上面の部分領域である活性層形成領域20’及びエアギャップ形成領域42aを覆うように形成する。
次いで、積層構造体20に対して、エッチングを行う。この構成例では、先ず、活性層形成用兼エアギャップ形成用レジストパターン19iをマスクとして用いて、第1の実施の形態と同様に、メサエッチングを行って、メサ構造部18を形成する(図11(A)及び(B)参照。)。
引き続き、活性層形成用兼エアギャップ形成用レジストパターン19jをマスクとして、このメサ構造部18に対して、InGaAs/InAlAs選択エッチングを行い、変形メサ構造部18xを得る。このInGaAs/InAlAs選択エッチングは、好ましくは、クエン酸系エッチャントを用いて、常温(25℃)で行うのがよい。この選択エッチングによって、予備バッファ層13a、予備チャネル活性層14a、予備ドナー層15a及び予備キャップ層16aは、それぞれエッチングされて、バッファ層13、チャネル活性層14、ドナー層15及びキャップ層16となり、これらの層により変形メサ構造部18xが得られる。さらにこの構成例では、メサ構造部18のチャネル活性層14及びキャップ層16はそれぞれの全周にわたる周壁(表面18a)のエッチングがバッファ層13及びドナー層15よりも進む。その結果、チャネル活性層14は、バッファ層13とドナー層15とに挟まれて、バッファ層13及びドナー層15の周壁よりも内側に均等に後退した周壁を有する。同様にキャップ層16もドナー層15上のチャネル活性層14と対向する位置にチャネル活性層14とほぼ同形かつほぼ同一の大きさで残存する。
この工程により、第1及び第2金属主電極22a及び22bから露出している変形メサ構造部18xの2組のエッジ部18b、18b及び18c、18c(図22(A)参照。)より内側である領域であって、チャネル活性層14に隣接して、メサ構造18の側面18aに開口し、かつチャネル活性層14を囲む形状の空隙42’が形成される(図24(B)参照。)。この空隙42’は、変形メサ構造部18xの側面18aからチャネル活性層14を離間する空隙である。
また、空隙42’は、InAlAsバッファ層13とInAlAsドナー層15を離間する空隙でもある。
空隙42’のエッジ部18b、18bより内側の領域における形成範囲は、半導体素子10の機能を損なわない程度の範囲とすればよい。
さらに、変形メサ構造部18x上に、互いに離間する第1金属主電極22a及び第2金属主電極22bを形成する。
次いで、図25(A)及び(B)に示すように、変形メサ構造部18x並びに第1及び第2の金属主電極22a及び22bとを含むバッファ層13上の全面に、スペーサ層間膜30を形成する。
このとき、スペーサ層間膜30は、バッファ層13と変形メサ構造部18xとの間の間隙に、変形メサ構造部18の外側の周囲からメサ構造部18の下側の空隙42’の一部分の領域に入り込む。結果として、スペーサ層間膜30が、空隙42’を外側から封止して内側に閉空間としてのエアギャップ42が形成される。
然る後、図26及び図27に示すように、第1の実施の形態と同様に、層間絶縁膜30に、レジストパターン19cを用いて、第1及び第2金属主電極22a及び22b間を主電極間方向と直交する方向に、キャップ層16の表面16xの一部分とドナー層15の一部分とを連続的に露出する細長の第1開口部30aを形成する。
さらに、図28に示すように、レジストパターン19dを用いて、第1開口部30aに露出するキャップ層16の一部分をチャネル活性層14に非到達の深さまでエッチングして、電極間方向の幅が第1開口部30aの幅よりも幅広のリセス17を形成する。
次いで、図29に示すように、リセス17の底面に直立し、第1開口部30aを貫通し、第1開口部30aの延在方向にドナー層15を横切る金属制御電極26を形成する。
上述したような一連の工程により、第3の実施の形態の半導体装置10が製造される。
このように半導体素子10を形成すれば、チャネル活性層をより確実に保護することができる。すなわち、第1の実施の形態の作用効果と同様に、金属制御電極26を形成するためのリセスエッチング工程の際には、チャネル活性層14は、スペーサ層間膜30が空隙42’の一部分に入り込むことで封止されているエアギャップ42により保護されている。従って、チャネル活性層14がリセスエッチング工程で使用されるエッチャントにより汚染されることによって、チャネル活性層14の機能が低下又は喪失してしまうのを防止することができる。
なお、この発明の半導体素子10は、上述した構成例のみならず、一般的にメサ構造により素子分離が行われる電界効果トランジスタ素子、すなわちMESFET及びHEMTに適用することができる。例えば、メサ構造により素子分離が行われるInP系HEMT、メタモルフィックHEMT、歪みチャネルを用いるInP系p−HEMT及びGaAs系MESFETに適用して特に好適である。
また、上述の実施の形態の説明においてシングルリセスを有するHEMTの構成を例にとって説明したが、いわゆるダブルリセスを具えたHEMTに適用することもできる。
この発明の電界効果トランジスタ素子の構成によれば、素子分離のためのメサ構造により良好な素子分離特性を得つつ、ショットキー障壁が低いことに基因するゲートリーク電流の増大を効果的に防止することができる。
また、この発明の製造方法によれば、金属制御電極を形成するためのいわゆるリセスエッチング工程を行う時点では、チャネル活性層は露出せず、保護されているので、チャネル活性層が不純物に汚染されて、機能が低下又は喪失してしまうのを防止することができる。
(A)は、第1の実施の形態の半導体素子を上方から見た、構成要素の配置関係を説明するための概略的な平面図、(B)は、(A)のI−I’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す模式的な図、(C)は、(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す模式的な図である。 図1(A)のI−I’で示した一点鎖線と同じ位置で切断した切り口を示す模式的な図である。 (A)は、第1の実施の形態の半導体素子の製造工程を説明するための概略的な平面図であり、(B)は、製造中途の半導体素子を、(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図である。 図3(A)及び(B)に続く、説明図である。 図4(A)及び(B)に続く、説明図である。 図5(A)及び(B)に続く、説明図である。 図6(A)及び(B)に続く、説明図である。 図7(A)及び(B)に続く、説明図である。 図8(A)及び(B)に続く、説明図である。 (A)は、第1の実施の形態の変形例の半導体素子を上方から見た、構成要素の配置関係を説明するための概略的な平面図で、(B)は、(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す模式的な図である。 (A)は、第1の実施の形態の変形例の半導体素子の製造工程を説明するための概略的な平面図であり、(B)は、製造中途の半導体素子を、(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図である。 図11(A)及び(B)に続く、説明図である。 図12(A)及び(B)に続く、説明図である。 図13(A)及び(B)に続く、説明図である。 図14(A)及び(B)に続く、説明図である。 図15(A)及び(B)に続く、説明図である。 (A)は、第2の実施の形態の半導体素子を上方から見た、構成要素の配置関係を説明するための概略的な平面図、(B)は、(A)のI−I’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す模式的な図、(C)は、(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す模式的な図である。 (A)〜(C)は、製造中途の第2の実施の形態の半導体素子の製造方法説明するための切断面を示す概略的な図である。 図18に続く、説明図である。 図19(A)及び(B)に続く、説明図である。 図20(A)及び(B)に続く、説明図である。 (A)は、第3の実施の形態の半導体素子を上方から見た、構成要素の配置関係を説明するための概略的な平面図、(B)は、(A)のI−I’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す模式的な図、(C)は、(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す模式的な図である。 (A)は、第3の実施の形態の半導体素子の製造工程を説明するための概略的な平面図であり、(B)は、製造中途の半導体素子を、(A)のII−II’で示した一点鎖線で切断した切り口を示す概略的な図である。 図23(A)及び(B)に続く、説明図である。 図24(A)及び(B)に続く、説明図である。 図25(A)及び(B)に続く、説明図である。 図26(A)及び(B)に続く、説明図である。 図27(A)及び(B)に続く、説明図である。 図28(A)及び(B)に続く、説明図である。
符号の説明
10:半導体素子
12:半絶縁性基板(InP基板)
12a:主面(基板面)
13:InAlAsバッファ層
13a:予備バッファ層
14:チャネル活性層(InGaAsチャネル活性層)
14a:予備チャネル活性層
15:ドナー層(InAlAsドナー層)
15a:予備ドナー層
16:n+−InGaAsキャップ層
16a:予備キャップ層
16x:キャップ層上面(化合物半導体積層構造表面)
17:リセス
18:メサ構造部
18’:メサ構造形成領域
18a:側面
18b、18c:エッジ部
18x:変形メサ構造部
19a:活性層形成用レジスト層(レジストパターン)
19b:メサ構造形成用レジスト層(レジストパターン)
19c:開口部形成用レジスト層(レジストパターン)
19ca、19da、19ha:開口部
19h:リセス形成用レジスト層(レジストパターン)
19i:エアブリッジ形成用レジスト層(レジストパターン)
19j:活性層形成用兼エアギャップ形成用レジスト層
20:積層構造体
20’:活性層形成領域
22a:第1金属主電極
22b:第2金属主電極
23a、23b:対向辺
26:金属制御電極
30:スペーサ層間膜(層間絶縁膜)
30a:開口部
40:イオン注入層(領域)
40a:第1イオン注入層(領域)
40ab:第1のメサイオン注入領域
40b:第2イオン注入層(領域)
40bb:第2メサイオン注入領域
42:エアギャップ
42’:空隙
42a:エアギャップ形成領域
44a:第1のエアブリッジ
44b:第2のエアブリッジ
150:アンドープInAlAsスペーサ層
152:アンドープInAlAsショットキー接合層

Claims (16)

  1. 半絶縁性基板と、
    前記半絶縁性基板上にメサ構造部として設けられていて、かつチャネル活性層を中間層として含む化合物半導体の積層構造体と、
    前記積層構造体上にそれぞれ設けられていて、前記メサ構造部の上面においてチャネル長方向に、互いに離間して設けられている第1金属主電極及び第2金属主電極と、
    前記第1及び第2金属主電極間の前記メサ構造部の領域であって、チャネル幅方向に対向する当該領域の端部領域に、前記メサ構造部の上面から前記チャネル層よりも深い位置にまで、互いに離間して設けられている第1及び第2イオン注入領域と、
    前記第1イオン注入領域内から、前記チャネル活性層の上側を越えて、前記第2イオン注入領域内へと前記チャネル幅方向に沿って設けられている金属制御電極と
    を具えることを特徴とする半導体素子。
  2. 半絶縁性基板と、
    前記半絶縁性基板上にメサ構造部として設けられていて、かつチャネル活性層及び該チャネル活性層とヘテロ接合しているドナー層をそれぞれ中間層として含む、化合物半導体の積層構造体と、
    前記積層構造体上にそれぞれ設けられていて、前記メサ構造部の上面においてチャネル長方向に、互いに離間して設けられている第1金属主電極及び第2金属主電極と、
    前記第1及び第2金属主電極間の前記メサ構造部の領域であって、チャネル幅方向に対向する当該領域の端部領域に前記メサ構造部の上面から前記チャネル層よりも深い位置にまで、互いに離間して設けられている第1及び第2イオン注入領域と、
    前記第1イオン注入領域内から、前記チャネル活性層の上側を越えて、前記第2イオン注入領域内へと前記チャネル幅方向に沿って設けられている金属制御電極と
    を具えることを特徴とする半導体素子。
  3. InP基板と、
    前記InP基板上に、InAlAsバッファ層、該InAlAsバッファ層上に設けられているInGaAsチャネル活性層、該InGaAsチャネル活性層上に形成されているInAlAsドナー層及び該InAlAsドナー層上に形成されているn+−InGaAsキャップ層を含み、メサ構造部として形成されている化合物半導体の積層構造体と、
    前記積層構造体上にそれぞれ設けられていて、n+−InGaAsキャップ層の上面において互いに離間して設けられている第1金属主電極及び第2金属主電極と、
    前記メサ構造部内である前記第1及び第2金属主電極間の領域であって、チャネル幅方向に対向する当該領域の端部領域に前記キャップ層の上面から、前記InGaAsチャネル活性層よりも深い位置にまで互いに離間して設けられている第1及び第2イオン注入領域と、
    前記第1及び第2金属主電極を含む前記メサ構造部の上側に設けられているスペーサ層間膜と、
    前記第1金属主電極と前記第2金属主電極との間の、前記InAlAsドナー層上に、前記n+−InGaAsキャップ層を非接触で貫通し、前記スペーサ層間膜を貫通して直立して設けられている金属制御電極とを具え、
    前記金属制御電極は、チャネル幅方向に沿って、前記第1及び第2イオン注入領域内まで延在しており、かつ前記スペーサ層間膜上を前記メサ構造部の外側まで延在している
    ことを特徴とする半導体素子。
  4. 前記第1及び第2イオン注入領域は、前記チャネル幅方向に前記メサ構造部の外側にまで延在していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体素子。
  5. InP基板と、
    前記InP基板上に、InAlAsバッファ層、該InAlAsバッファ層上に設けられているInGaAsチャネル活性層、該InGaAsチャネル活性層上に形成されているInAlAsドナー層及び該InAlAsドナー層上に形成されているn+−InGaAsキャップ層を含み、メサ構造部として形成されている化合物半導体の積層構造体と、
    前記積層構造体上にそれぞれ設けられていて、n+−InGaAsキャップ層の上面において互いに離間して設けられている第1金属主電極及び第2金属主電極と、
    前記メサ構造部内である前記第1及び第2金属主電極間の領域であって、チャネル幅方向に対向する当該領域の端部領域に前記キャップ層の上面から、前記InGaAsチャネル活性層よりも深い位置にまで互いに離間して設けられている第1及び第2イオン注入領域と、
    前記第1金属主電極と前記第2金属主電極との間の、前記InAlAsドナー層上に、前記n+−InGaAsキャップ層を非接触で貫通して直立して設けられている金属制御電極とを具え、
    前記金属制御電極は、チャネル幅方向に沿って、前記第1及び第2イオン注入領域内まで延在しており、かつ前記メサ構造部の外側まで延在していて、前記金属制御電極と、前記メサ構造体の側面とは空隙であるエアリッジにより離間されている
    ことを特徴とする半導体素子。
  6. 前記第1及び第2イオン注入領域は、前記金属制御電極の直下の領域のみに形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体素子。
  7. 前記第1及び第2イオン注入領域は、上方から平面的にみたとき、メサ構造部の上面のエッジ部から0.5μm〜1μm内側の範囲にまで設けられている領域であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体素子。
  8. 前記第1及び第2イオン注入領域は、ボロン(B)又は酸素(O)のイオンが注入された半絶縁性領域であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体素子。
  9. InP基板と、
    前記InP基板上に、メサ構造部として設けられているInAlAsバッファ層、該InAlAsバッファ層上に設けられているInGaAsチャネル活性層及び該InGaAsチャネル活性層上に形成されているInAlAsドナー層、該InAlAsドナー層上に形成されているn+−InGaAsキャップ層を含む、化合物半導体の積層構造体と、
    前記積層構造体上にそれぞれ設けられていて、n+−InGaAsキャップ層の上面において互いに離間して設けられている第1金属主電極及び第2金属主電極と、
    前記第1及び第2金属主電極を含む前記メサ構造部の上側に設けられているスペーサ層間膜と、
    前記第1金属主電極と前記第2金属主電極との間の、前記InAlAsドナー層上に、前記n+−InGaAsキャップ層を非接触で貫通し、前記スペーサ層間膜を貫通して直立して設けられている金属制御電極とを具え、
    前記金属制御電極がまたがる側のメサ構造部の側面よりも内側である前記金属制御電極の下側であって、前記InAlAsバッファ層及び前記InAlAsドナー層の間に、前記スペーサ層間膜及び前記InGaAsチャネル層に囲まれる空隙として設けられているエアギャップにより、前記b金属制御電極と前記InGaAsチャネル層とを離間している
    ことを特徴とする半導体素子。
  10. 半絶縁性基板上に、チャネル活性層を中間層として含む、化合物半導体の積層構造体を形成する工程と、
    前記積層構造体に対し、イオン注入を行って、第1及び第2膨大部及びこれら膨大部間を連結するくびれ部を有する非イオン注入領域と、該非イオン注入領域によって囲まれ、該くびれ部を挟んで対向して設けられ、及び前記積層構造体の表面から前記チャネル活性層よりも深い位置にまで達する第1及び第2イオン注入層とに区画する工程と、
    前記積層構造体の表面に、平面的にみて前記くびれ部を中心として、その周辺の前記第1及び第2膨大部、及び第1及び第2イオン注入層の一部分にわたる内側領域を設定し、該内側領域の外周領域を、前記積層構造体の表面から前記半絶縁性基板が露出するまでエッチングして、第1及び第2メサ膨大部と第1及び第2メサイオン注入領域とを含む、メサ構造部を形成する工程と、
    前記第1及び第2メサ膨大部上に、第1及び第2金属主電極を、それぞれ形成する工程と、
    前記第1及び第2金属主電極が設けられている前記メサ構造部の上側全面を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記層間絶縁膜に、前記第1及び第2金属主電極間を該電極間方向と直交する方向に延在し、前記くびれ部の非イオン注入領域の表面及び前記第1及び第2メサイオン注入領域の表面の一部分を連続的に露出する細長の第1開口部を形成する工程と、
    前記第1開口部に露出する前記非イオン注入領域の部分及び前記第1及び第2メサイオン注入領域の部分を、前記チャネル活性層に非到達の深さまでエッチングして、前記電極間方向の幅が、前記第1開口部の幅よりも幅広のリセスを形成する工程と、
    前記リセスの底面に直立し、前記第1開口部を貫通し、該第1開口部の延在方向の両端部分が前記第1及び第2メサイオン注入領域内にある金属制御電極を形成する工程と
    を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  11. 半絶縁性基板上に、チャネル活性層を中間層として含む、化合物半導体の積層構造体を形成する工程と、
    前記積層構造体に対し、イオン注入を行って、第1及び第2膨大部及びこれら膨大部間を連結するくびれ部を有する非イオン注入領域と、該非イオン注入領域によって囲まれ、前記くびれ部を挟んで対向して設けられ、及び前記積層構造体の表面から前記チャネル活性層よりも深い位置にまで達する第1及び第2イオン注入層とに区画する工程と、
    前記積層構造体の表面に、平面的にみて前記くびれ部を中心として、その周辺の前記第1及び第2膨大部、及び第1及び第2イオン注入層の一部分にわたる内側領域を設定し、該内側領域の外周領域を、前記積層構造体の表面から前記イオン注入が行われていない領域が露出するまでエッチングして、第1及び第2メサ膨大部と第1及び第2メサイオン注入領域とを含む、メサ構造部を形成する工程と、
    前記第1及び第2メサ膨大部上に、第1及び第2金属主電極を、それぞれ形成する工程と、
    前記第1及び第2金属主電極が設けられている前記メサ構造部の上側全面を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記層間絶縁膜に、前記第1及び第2金属主電極間を該主電極間方向と直交する方向に延在し、前記くびれ部の非イオン注入領域の表面及び前記第1及び第2メサイオン注入領域の表面の一部分を連続的に露出する細長の第1開口部を形成する工程と、
    前記第1開口部に露出する前記非イオン注入領域の部分及び前記第1及び第2メサイオン注入領域の部分を、前記チャネル活性層に非到達の深さまでエッチングして、前記電極間方向の幅が、前記第1開口部の幅よりも幅広のリセスを形成する工程と、
    前記リセスの底面に直立し、前記第1開口部を貫通し、該第1開口部の延在方向の両端部分が前記第1及び第2メサイオン注入領域内にある金属制御電極を形成する工程と
    を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  12. 半絶縁性基板上に、チャネル活性層を中間層として含む、化合物半導体の積層構造体を形成する工程と、
    前記積層構造体の表面に内側領域を設定し、該内側領域の外周領域を、該積層構造体の表面から前記半絶縁性基板が露出するまでエッチングして、メサ構造部を形成する工程と、
    前記メサ構造部に対しイオン注入を行って、第1及び第2メサ膨大部及びこれらメサ膨大部間を連結するくびれ部を有する非イオン注入領域と、該非イオン注入領域によって囲まれ、該くびれ部を挟んで対向して設けられ、及び前記メサ構造部の表面から前記チャネル活性層よりも深い位置まで達する第1及び第2メサイオン注入領域とを形成する工程と、
    前記第1及び第2メサ膨大部上に、第1及び第2金属主電極を、それぞれ形成する工程と、
    前記第1及び第2金属主電極が設けられている前記メサ構造部の上側全面を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記層間絶縁膜に、前記第1及び第2金属主電極間を該主電極間方向と直交する方向に延在し、前記くびれ部の非イオン注入領域の表面及び前記第1及び第2メサイオン注入領域の表面の一部分を連続的に露出する細長の第1開口部を形成する工程と、
    前記第1開口部に露出する前記非イオン注入領域の部分及び前記第1及び第2メサイオン注入領域の部分を、前記チャネル活性層に非到達の深さまでエッチングして、前記電極間方向の幅が、前記第1開口部の幅よりも幅広のリセスを形成する工程と、
    前記リセスの底面に直立し、前記第1開口部を貫通し、該第1開口部の延在方向の両端部分が前記第1及び第2メサイオン注入領域内にある金属制御電極を形成する工程と
    を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  13. 半絶縁性基板上に、チャネル活性層を中間層として含む、化合物半導体の積層構造体を形成する工程と、
    前記積層構造体の表面に内側領域を設定し、該内側領域の外周領域を、該積層構造体の表面から前記チャネル活性層よりも下側の領域であって、前記半導体基板には非到達の領域までエッチングして、メサ構造部を形成する工程と、
    前記メサ構造部に対しイオン注入を行って、第1及び第2メサ膨大部及びこれらメサ膨大部間を連結するくびれ部を有する非イオン注入領域と、該非イオン注入領域によって囲まれ、該くびれ部を挟んで対向して設けられ、及び前記メサ構造部の表面から前記チャネル活性層よりも深い位置まで達する第1及び第2メサイオン注入領域とを形成する工程と、
    前記第1及び第2メサ膨大部上に、第1及び第2金属主電極を、それぞれ形成する工程と、
    前記第1及び第2金属主電極が設けられている前記メサ構造部の上側全面を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記層間絶縁膜に、前記第1及び第2金属主電極間を該主電極間方向と直交する方向に延在し、前記くびれ部の非イオン注入領域の表面及び前記第1及び第2メサイオン注入領域の表面の一部分を連続的に露出する細長の第1開口部を形成する工程と、
    前記第1開口部に露出する前記非イオン注入領域の部分及び前記第1及び第2メサイオン注入領域の部分を、前記チャネル活性層に非到達の深さまでエッチングして、前記電極間方向の幅が、前記第1開口部の幅よりも幅広のリセスを形成する工程と、
    前記リセスの底面に直立し、前記第1開口部を貫通し、該第1開口部の延在方向の両端部分が前記第1及び第2メサイオン注入領域内にある金属制御電極を形成する工程と
    を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  14. 半絶縁性基板上に、チャネル活性層を中間層として含む、化合物半導体の積層構造体を形成する工程と、
    前記積層構造体に対し、イオン注入を行って、第1及び第2膨大部及びこれら膨大部間を連結するくびれ部を有する非イオン注入領域と、該非イオン注入領域によって囲まれ、該くびれ部を挟んで対向して設けられ、及び前記積層構造体の表面から前記チャネル活性層よりも深い位置にまで達する第1及び第2イオン注入層とに区画する工程と、
    前記積層構造体の表面に平面的にみて前記くびれ部を中心として、その周辺の前記第1及び第2膨大部及び第1及び第2イオン注入層の一部分にわたる内側領域を設定し、該内側領域の外周領域を、前記積層構造体の表面から前記半絶縁性基板が露出するまでエッチングして、第1及び第2メサ膨大部と第1及び第2メサイオン注入領域とを含む、メサ構造部を形成する工程と、
    前記第1及び第2メサ膨大部を覆う第1及び第2金属主電極をそれぞれ形成する工程と、
    前記第1及び第2金属主電極間を、該主電極間方向と直交する方向に延在する第1開口部であって、前記くびれ部の非イオン注入領域の表面及び前記第1及び第2メサイオン注入領域の表面の一部分を連続的に露出する細長の当該第1開口部を有し、及び前記くびれ部の非イオン注入領域及び前記第1及び第2メサイオン注入領域を覆う第1レジスト層を形成する工程と、
    前記第1の開口部の幅と同一幅で連通するとともに、該第1開口部の延在方向の両端側から前記メサ構造部外へと延在する第2開口部を有し、
    及び前記第1レジスト層と前記第1及び第2金属主電極とを含む前記基板の上側全面を覆う第2レジスト層を形成する工程と、
    前記第2のレジスト層と前記第2開口部とを含む上側全面に金属層を蒸着形成した後にリフトオフ工程を行って、前記第1及び第2レジスト層を除去して前記金属層の残存部分で金属制御電極を形成するとともに、該金属制御電極と前記第1及び第2メサイオン注入領域との間に空隙を形成する工程と
    を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  15. 半絶縁性基板上に、チャネル活性層を中間層として含む、化合物半導体の積層構造体を形成する工程と、
    前記積層構造体に対し、イオン注入を行って、第1及び第2膨大部及びこれら膨大部間を連結するくびれ部を有する非イオン注入領域と、該非イオン注入領域によって囲まれ、該くびれ部を挟んで対向して設けられ、及び前記積層構造体の表面から前記チャネル活性層よりも深い位置にまで達する第1及び第2イオン注入層とに区画する工程と、
    前記積層構造体の表面に平面的にみて前記くびれ部を中心として、その周辺の前記第1及び第2膨大部及び第1及び第2イオン注入層の一部分にわたる内側領域を設定し、該内側領域の外周領域を、前記積層構造体の表面から前記イオン注入が行われていない領域が露出するまでエッチングして、第1及び第2メサ膨大部と第1及び第2メサイオン注入領域とを含む、メサ構造部を形成する工程と、
    前記第1及び第2メサ膨大部を覆う第1及び第2金属主電極をそれぞれ形成する工程と、
    前記第1及び第2金属主電極間を、該主電極間方向と直交する方向に延在する第1開口部であって、前記くびれ部の非イオン注入領域の表面及び前記第1及び第2メサイオン注入領域の表面の一部分を連続的に露出する細長の当該第1開口部を有し、及び前記くびれ部の非イオン注入領域及び前記第1及び第2メサイオン注入領域を覆う第1レジスト層を形成する工程と、
    前記第1の開口部の幅と同一幅で連通するとともに、該第1開口部の延在方向の両端側から前記メサ構造部外へと延在する第2開口部を有し、
    及び前記第1レジスト層と前記第1及び第2金属主電極とを含む前記基板の上側全面を覆う第2レジスト層を形成する工程と、
    前記第2のレジスト層と前記第2開口部とを含む上側全面に金属層を蒸着形成した後にリフトオフ工程を行って、前記第1及び第2レジスト層を除去して前記金属層の残存部分で金属制御電極を形成するとともに、該金属制御電極と前記第1及び第2メサイオン注入領域との間に空隙を形成する工程と
    を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  16. 半絶縁性基板上に、予備バッファ層、該予備バッファ層の材料よりもエッチング速度が速い材料の予備チャネル活性層、前記バッファ層と同一の材料の予備キャップ層を順次に積層して化合物半導体の積層構造体を形成する工程と、
    前記積層構造体の表面に内側領域を設定し、該内側領域の外周領域を前記積層構造体の表面から前記予備バッファ層の厚みの一部分まで、メサエッチングとこれに続くエッチングの速度の差を利用する選択エッチングとを行って、前記予備バッファ層、予備チャネル活性層、予備ドナー層及び予備キャップ層を、バッファ層と、ドナー層と、該バッファ層及びドナー層間に挟まれていて、全周にわたる周壁がこれら層の周壁よりも内側に後退して形成されたチャネル活性層と、前記ドナー層の、該チャネル活性層と対向する側に、該チャネル活性層と同形かつ同一の大きさのキャップ層とに加工してなる、平面形状が矩形の変形メサ構造部を得る工程と、
    前記変形メサ構造部の両端部をそれぞれ覆い、かつその中央部を露出させて第1及び第2金属主電極をそれぞれ設ける工程と、
    前記第1及び第2主電極と、前記変形メサ構造部を含む前記バッファ層の上側全面に、前記バッファ層及びドナー層間の、前記チャネル活性層の周壁の外側に空隙を残すようにして、層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記層間絶縁膜に、前記第1及び第2金属主電極間を該主電極間方向と直交する方向に、前記キャップ層の表面の一部分と前記ドナー層の一部分とを連続的に露出する細長の第1開口部を形成する工程と、
    前記第1開口部に露出する前記キャップ層の一部分を前記チャネル活性層に非到達の深さまでエッチングして、前記電極間方向の幅が前記第1開口部の幅よりも幅広のリセスを形成する工程と、
    前記リセスの底面に直立し、前記第1開口部を貫通し、該第1開口部の延在方向に前記ドナー層を横切る金属制御電極を形成する工程と
    を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
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