JP2005327890A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関するもので、詳しくはデュアルゲート型のHEMT(High Electron Mobility Transistor)を簡便な方法で作製することが容易な半導体装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device in which a dual gate HEMT (High Electron Mobility Transistor) can be easily manufactured.
ソース・ドレイン間に2本のゲートを備えた電界効果トランジスタ(FET)をデュアルゲートFETと呼ぶ。一例として、図11の概略構成斜視図および平面レイアウト図に示すように、半絶縁性GaAs基板上にn−GaAs層が形成され、n−GaAs層に形成されるソース、ドレイン間上部に第一ゲートと第二ゲートとが形成された、デュアルゲート電界効果トランジスタ(デュアルゲートFET)が開示されている(例えば、非特許文献1参照。)。 A field effect transistor (FET) having two gates between a source and a drain is called a dual gate FET. As an example, an n-GaAs layer is formed on a semi-insulating GaAs substrate as shown in the schematic configuration perspective view and the plan layout diagram of FIG. 11, and the first is formed between the source and drain formed in the n-GaAs layer. A dual gate field effect transistor (dual gate FET) in which a gate and a second gate are formed is disclosed (for example, see Non-Patent Document 1).
デュアルゲートFETは制御用電極(第一ゲート、第二ゲート)が2本あることにより2系統の信号を独立印加でき、また高効率化、高耐圧化に効果がある。さらに、それぞれをエンハンスメントとデプレションの相異なるしきい値を持つゲート電極にすると、単一電源で動作可能な、高効率・高耐圧増幅器ができる。しかし、相異なるしきい値を持つ2つのゲート電極を形成するためには、半導体に接するゲート電極を構成する金属が異なるため、それぞれのゲート電極を別工程で形成する必要があり工程が複雑になるという問題があった。 Since the dual gate FET has two control electrodes (first gate and second gate), two systems of signals can be independently applied, and it is effective in increasing the efficiency and withstanding voltage. Furthermore, if each of the gate electrodes has different threshold values for enhancement and depletion, a high-efficiency and high-voltage amplifier capable of operating with a single power source can be obtained. However, in order to form two gate electrodes having different threshold values, since the metals constituting the gate electrode in contact with the semiconductor are different, it is necessary to form each gate electrode in a separate process, and the process is complicated. There was a problem of becoming.
解決しようとする問題点は、相異なるしきい値を持つ2つのゲート電極を形成するためには、半導体に接するゲート電極を構成する金属が異なるため、それぞれのゲート電極を別工程で形成する必要があり工程が複雑になる点である。 The problem to be solved is that in order to form two gate electrodes having different threshold values, the metal constituting the gate electrode in contact with the semiconductor is different, so that each gate electrode must be formed in a separate process. The process is complicated.
本発明の半導体装置は、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ショットキーバリア層と、前記ショットキーバリア層上に形成されたキャップ層からなるソースと、前記ショットキーバリア層上に形成された前記キャップ層と同一層からなるもので前記ソースと電気的に分離された状態に形成されたドレインと、前記ショットキーバリア層上に形成された前記キャップ層と同一層からなるもので前記ソースおよび前記ドレインと電気的に分離された状態に前記ソースと前記ドレインとの間に形成された第1ゲート電極と、前記ソースと前記第1ゲート電極との間に前記ソースおよび前記第1ゲート電極と電気的に分離された状態に形成されたもので前記ショットキーバリア層上部に一部が埋め込まれた第2ゲート電極とを備えたことを最も主要な特徴とする。 The semiconductor device of the present invention includes a channel layer formed on a substrate, a Schottky barrier layer formed on the channel layer, a source including a cap layer formed on the Schottky barrier layer, and the shot A drain made of the same layer as the cap layer formed on the key barrier layer and formed in a state of being electrically separated from the source, and the same cap layer as the cap layer formed on the Schottky barrier layer A first gate electrode formed between the source and the drain in a state of being electrically separated from the source and the drain; and between the source and the first gate electrode. A second gate electrode formed in a state of being electrically separated from the source and the first gate electrode and partially embedded in the upper part of the Schottky barrier layer. And most important, comprising the and.
本発明の半導体装置の製造方法は、基板上にチャネル層、ショットキーバリア層およびキャップ層を順次積層して形成する工程と、前記基板の上部、前記チャネル層、前記ショットキーバリア層および前記キャップ層を凸型に加工してトランジスタ領域を形成する工程と、前記トランジスタ領域を被覆する絶縁膜を形成する工程と、第1ゲート電極となる領域上とドレインとなる領域上との間の前記絶縁膜に一列もしくは複数列の孔を形成するとともに、第1ゲート電極となる領域上とソースとなる領域上との間の前記絶縁膜に前記孔の列に平行に長孔を形成する工程と、前記孔および前記長孔より前記キャップ層をエッチング加工して、前記キャップ層からなるソースと、前記キャップ層からなるもので前記ソースと電気的に分離されたドレインと、前記キャップ層からなるもので前記ソースと前記ドレインとの間に前記ソースおよび前記ドレインと電気的に分離された第1ゲート電極を形成する工程と、前記長孔を通じて前記ショットキーバリア層に達するもので、前記ソースと前記第1ゲート電極との間に前記ソースおよび前記第1ゲート電極と電気的に分離された第2ゲート電極を形成する工程とを備えたことを最も主要な特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of sequentially forming a channel layer, a Schottky barrier layer, and a cap layer on a substrate, and an upper portion of the substrate, the channel layer, the Schottky barrier layer, and the cap. Forming the transistor region by processing the layer into a convex shape, forming the insulating film covering the transistor region, and the insulation between the region serving as the first gate electrode and the region serving as the drain Forming a single or a plurality of rows of holes in the film, and forming a long hole parallel to the row of holes in the insulating film between the region serving as the first gate electrode and the region serving as the source; The cap layer is etched from the holes and the long holes, and a source made of the cap layer and a gate made of the cap layer and electrically separated from the source are formed. And a step of forming a first gate electrode made of the cap layer and electrically isolated from the source and the drain between the source and the drain; and the Schottky barrier layer through the slot And the step of forming a second gate electrode electrically isolated from the source and the first gate electrode between the source and the first gate electrode. And
本発明の半導体装置は、ソース、ドレインを形成するキャップ層でソースおよびドレインと電気的に分離された第1ゲート電極が形成されているため、キャップ層を加工することで、ソースとドレインと第1ゲート電極とを同時形成することができるようになるという利点がある。またショットキーバリア層上部に一部が埋め込まれた状態に第2ゲート電極が形成されているため、デプレッション型で設計された薄膜構造に対してもゲート・チャネル間を短くすることになるので、デプレション型HEMTを容易に実現できるようになる。 In the semiconductor device of the present invention, the first gate electrode that is electrically separated from the source and the drain is formed in the cap layer that forms the source and the drain. There is an advantage that one gate electrode can be formed simultaneously. In addition, since the second gate electrode is formed in a state of being partially buried above the Schottky barrier layer, the gate-channel distance is shortened even for a thin film structure designed in a depletion type. A depletion type HEMT can be easily realized.
本発明の半導体装置の製造方法は、ソース、ドレインを形成するキャップ層でソースおよびドレインと電気的に分離された第1ゲート電極を形成するため、キャップ層を加工することで、ソース、ドレインと第1ゲート電極とを同時形成することができるという利点がある。またショットキーバリア層上部に一部が埋め込まれた状態に第2ゲート電極を形成するので、デプレッション型で設計された薄膜構造に対してもゲート・チャネル間を短くすることによってエンハンスメントン型HEMTを容易に実現できるようになる。 According to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a cap layer for forming a source and a drain forms a first gate electrode that is electrically separated from the source and the drain. There is an advantage that the first gate electrode can be formed simultaneously. In addition, since the second gate electrode is formed in a state where the Schottky barrier layer is partially embedded, the enhancement type HEMT can be formed by shortening the distance between the gate and the channel even for the thin film structure designed for the depression type. It can be easily realized.
また、第1ゲート電極となる領域上とドレインとなる領域上との間の前記絶縁膜に一列もしくは複数列の孔を形成するとともに、第1ゲート電極となる領域上とソースとなる領域上との間の絶縁膜に孔の列と平行に長孔を形成し、孔および長孔よりキャップ層をエッチング加工するので、孔の列よりキャップ層は深さ方向とともに平面方向にエッチングされて、隣接する孔からエッチングされた部分はつながり、長孔からキャップ層をエッチングした部分と同様に線状にかつ互いが平行になるようにエッチング加工される。したがって、キャップ層からなるソース、第1ゲート電極、ドレインが互いに電気的に分離された状態に形成することが可能となる。 In addition, one or a plurality of rows of holes are formed in the insulating film between the region serving as the first gate electrode and the region serving as the drain, and the region serving as the first gate electrode and the region serving as the source Since a long hole is formed in the insulating film between the hole and the cap layer is etched from the hole and the long hole, the cap layer is etched in the plane direction along with the depth direction from the hole line, and adjacent to the hole layer. The portions etched from the holes to be connected are connected, and are etched so as to be linear and parallel to each other in the same manner as the portion where the cap layer is etched from the long holes. Accordingly, it is possible to form the source made of the cap layer, the first gate electrode, and the drain in a state where they are electrically separated from each other.
またショットキーバリア層上部に一部が埋め込まれた状態に第2ゲート電極を形成するので、デプレッション型で設計された薄膜構造に対してもゲート・チャネル間を短くすることによってデプレション型HEMTを容易に実現できるようになる。 In addition, since the second gate electrode is formed in a state where a part of the Schottky barrier layer is buried, the depletion type HEMT is formed by shortening the distance between the gate and the channel even for the thin film structure designed for the depletion type. It can be easily realized.
したがって、上記デュアルゲートHEMTの半導体装置では、第2ゲート電極を用いたエンハンスメント型のHEMTおよびキャップ層からなる第1ゲート電極を用いたデブレション型のHEMTの構造を、パターニングの層を増やすことなく形成することができ、デュアルゲートHEMTを簡便な方法で作製することが可能になる。 Therefore, in the dual gate HEMT semiconductor device, the enhancement type HEMT using the second gate electrode and the depletion type HEMT using the first gate electrode made of the cap layer are formed without increasing the patterning layer. Therefore, the dual gate HEMT can be manufactured by a simple method.
相異なるしきい値を持つ2つのゲート電極を有するデュアルゲートトランジスタを容易な製造プロセスで実現するという目的を、キャップ層でソース、ドレイン、第1ゲート電極を形成し、斜め蒸着法を用いて第2ゲート電極を金属ゲート電極で形成することで、プロセス的負荷を増大させずに実現した。 For the purpose of realizing a dual gate transistor having two gate electrodes having different threshold values by an easy manufacturing process, a source, a drain, and a first gate electrode are formed with a cap layer, and a first deposition is performed using an oblique deposition method. By forming the two gate electrodes with a metal gate electrode, it was realized without increasing the process load.
本発明の半導体装置に係る一実施例を、図1によって説明する。図1(1)は概略構成断面図であり、図1(2)は平面レイアウト図である。 One embodiment of the semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 (1) is a schematic sectional view, and FIG. 1 (2) is a plan layout view.
図1に示すように、基板10には、インジウムリン(InP)基板上にインジウムアルミニウムヒ素(InAlAs)層を形成したものを用いている。上記基板10上にチャネル層12、ショットキーバリア層13、キャップ層14が下層より順に積層されている。上記チャネル層12は、例えばインジウムガリウムヒ素(i−InGaAs)層からなり、例えば15nmの厚さに形成されている。上記ショットキーバリア層13は、例えば、インジウムアルミニウムヒ素(i−InAlAs)層からなり、例えば18nm(6nm+12nm)の厚さに形成されている。6nmと12nmのInAlAs層の間にはシリコンのデルタドープ層がある。上記キャップ層14は、例えばシリコン(Si)がドーピングされたn+インジウムガリウムヒ素(InGaAs)層からなり、例えば50nmの厚さに形成されている。シリコンのドーピング濃度は、例えば9×1018cm-3である。
As shown in FIG. 1, the
上記ショットキーバリア層13上には、上記キャップ層14からなるソース15と、上記キャップ層14からなるもので上記ソース15と電気的に分離されたドレインと16と、上記キャップ層14からなるもので上記ソース15および上記ドレイン16と電気的に分離された状態に上記ソース15と上記ドレイン16との間に第1ゲート電極17が形成されている。さらに、上記キャップ層14上には絶縁膜31が形成され、上記ソース15と上記第1ゲート電極17との間における上記絶縁膜31には開口部32が形成されている。そして上記開口部32を通して上記ショットキーバリア層13に達するもので、前記ソース15および上記第1ゲート電極17と電気的に絶縁された状態に第2ゲート電極18が形成されている。
On the Schottky
上記第2ゲート電極18は、少なくとも白金層を有し、例えば下層より白金(Pt)層、チタン(Ti)層、白金(Pt)層、金(Au)層を積層した電極からなる。具体的には、一例として、下層より白金層(厚さ=2.5nm)、チタン層(厚さ=30nm)、白金層(厚さ=30nm)、金層(厚さ=1500nm)を積層した電極からなる。またショットキーバリア層13側の白金層は少なくとも一部がショットキーバリア層13中に拡散され、第2ゲート電極18はショットキーバリア層13上部に一部が埋め込まれた構成となっている。
The
上記第2ゲート電極18を多層電極構造とした理由を以下に説明する。最下層(第1層)白金(Pt)層は、アニールによって、ショットキーバリア層13のInAlAsと反応して、埋め込み電極を形成するものである。埋め込み深さは最下層の白金層の厚さと関係しており、膜厚を厚くすると、厚くした分だけアニール時間とアニール温度の上昇に応じて埋め込み深さも深くなる。InAlAsからなるショットキーバリア層13の厚さや、キャリア濃度に応じて適切な白金層の膜厚を設定する必要がある。本実施例で示したデバイス構造の場合は、5nm〜6nmの厚さに白金層を蒸着した後、290℃で5分間のアニールを施すことでエンハンスメント型になるような埋め込みゲート電極を形成することができる。
The reason why the
第2層のチタン(Ti)層は第3層の白金(Pt)層の白金(Pt)の拡散を防ぐブロック材料であり、上記アニールによって第3層の白金が半導体表面に達するのを防ぐためのものである。チタンの代わりにモリブデン(Mo)、タングステン(W)等の高融点金属を用いても同様の効果が得られる。 The second titanium (Ti) layer is a block material that prevents the diffusion of platinum (Pt) in the third platinum (Pt) layer. In order to prevent the third layer platinum from reaching the semiconductor surface by the annealing. belongs to. The same effect can be obtained by using a refractory metal such as molybdenum (Mo) or tungsten (W) instead of titanium.
第3層の白金(Pt)層は第4層の金(Au)層の拡散を防ぐブロック材料であり、上記アニールによって第4層の金が半導体表面に達するのを防ぐためのものである。白金の代わりにモリブデン(Mo)、タングステン(W)等の高融点金属を用いても同様の効果が得られる。 The third platinum (Pt) layer is a block material that prevents the diffusion of the fourth gold (Au) layer, and prevents the fourth gold from reaching the semiconductor surface by the annealing. The same effect can be obtained by using a refractory metal such as molybdenum (Mo) or tungsten (W) instead of platinum.
第4層の金(Au)層は、ゲート電極の厚さを稼いで、ゲート抵抗を低減するためのものである。Auの代わりに銅(Cu)、アルミニウム(Al)等も用いることができる。 The fourth gold (Au) layer is for increasing the thickness of the gate electrode and reducing the gate resistance. Copper (Cu), aluminum (Al), or the like can be used instead of Au.
上記第2ゲート電極18の最下層に白金層を形成し、その白金層を拡散してなる埋め込みゲートを使用する理由は、白金の埋め込み操作でゲート・チャネル間を短くすることによってデプレション型HEMTを実現するためである。これによって、デプレッション型で設計された薄膜構造に対して、エンハンスメント型HEMTを構成することができる。
The reason for using a buried gate formed by forming a platinum layer in the lowermost layer of the
上記第2ゲート電極18は、図示したように、T型ゲート電極に形成することが可能である。T型ゲート電極とすることによって、エンハンスメント型HEMTのゲート抵抗を低減することが可能となり、これによって素子の高周波特性が向上される。
As shown in the drawing, the
また、上記ソース15上、ドレイン16上および第1ゲート電極17上の上記絶縁膜31には開口部33、34および35が形成され、各開口部33、34および35にはそれぞれソース15に接続するソース電極21、ドレイン16に接続するドレイン電極22および第1ゲート電極17に接続する電極パッド23が形成されている。なお、絶縁膜31には、キャップ層14を加工する際に形成した複数の孔の列からなる開口部36が形成されている。
上記構成のデュアルゲート型HEMT(High Electron Mobility Transistor)からなる半導体装置1は、上記第1ゲート電極17を有するトランジスタ部分がデプレッション型で動作し、上記第2ゲート電極18を有するトランジスタ部分がエンハンスメント型で動作するものとなる。
In the
本発明の半導体装置1は、ソース15、ドレイン16を形成するキャップ層14でソース15およびドレイン16と電気的に分離された第1ゲート電極17が形成されているため、キャップ層14の一層を加工することで、ソース15とドレイン16と第1ゲート電極17とを同時形成することができるようになるという利点がある。またショットキーバリア層13上部に一部が埋め込まれた状態に第2ゲート電極18が形成されているため、デプレッション型で設計された薄膜構造に対してもゲート・チャネル間を短くすることになるので、デプレション型HEMTを容易に実現できるようになる。
In the
次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る第1実施例を、図2〜図8の製造工程図によって説明する。図2、図4、図5、図7および図8の各図面においては、上図は平面レイアウト図を示し、下図は下図の平面レイアウト図中のA−A線断面図を示す。また、図3は基板からキャップ層までのエピタキシャル構造の一例を示す。また、図6は、平面レイアウト図および平面レイアウト図中のA−A線断面図および平面レイアウト図中のB−B線断面図を示す。 Next, a first embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to manufacturing process diagrams of FIGS. 2, 4, 5, 7, and 8, the upper diagram shows a plan layout diagram, and the lower diagram shows a cross-sectional view taken along line AA in the plan layout diagram of the lower diagram. FIG. 3 shows an example of an epitaxial structure from the substrate to the cap layer. FIG. 6 shows a cross-sectional view taken along the line AA in the plan layout view and the plan layout view and a cross-sectional view taken along the line BB in the plan layout view.
図2に示すように、基板10には、(001)インジウムリン(InP)基板上にインジウムアルミニウムヒ素(InAlAs)層11を形成したものを用いている。上記基板10上にチャネル層12、ショットキーバリア層13、キャップ層14を下層より順に積層して形成する。上記チャネル層12は、例えばインジウムガリウムヒ素(i−InGaAs)層で形成し、例えば15nmの厚さに形成する。上記ショットキーバリア層13は、例えば、インジウムアルミニウムヒ素(i−InAlAs)層で形成し、例えば18nm(6nm+12nm)の厚さに形成する。6nmと12nmのInAlAs層の間にはシリコンのデルタドープ層がある。上記キャップ層14は、例えばシリコン(Si)がドーピングされたn+インジウムガリウムヒ素(InGaAs)層で形成し、例えば50nmの厚さに形成する。シリコンのドーピング濃度は、例えば9×1018cm-3とする。
As shown in FIG. 2, the
具体的には、上記基板からキャップ層までのエピタキシャル構造の一例としては、図3に示す膜構造とすることができる。 Specifically, as an example of the epitaxial structure from the substrate to the cap layer, the film structure shown in FIG. 3 can be used.
上記トランジスタ領域2を形成する際には、上記チャネル層12の側部を、凸型に形成された基板10の側部およびショットキーバリア層13の側部およびキャップ層14の側部よりも内側になるように形成する。すなわち、チャネル層12の側部にアンダーカット部12uを形成する。
When the
上記アンダーカット部12uを形成することにより、後の形成されるソース電極、ドレイン電極がチャネル層12と接触するのを防ぐことができる。これによりゲートリーク電流を低減することができる。この方法は、従来から知られている技術であり、例えば、IEEE Electron Device Lett. Vol13, No.4 (1992) p.195.に開示されている。
By forming the undercut
次に、通常のリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、上記基板10の上部、チャネル層12、ショットキーバリア層13およびキャップ層14を凸型に加工してトランジスタ領域2を形成する。次いで、トランジスタ領域2を被覆する絶縁膜31を形成する。
Next, the
次に、図4に示すように、上記絶縁膜31上にレジストを塗布してレジスト膜41を形成した後、リソグラフィー技術により第1ゲート電極となる領域上とドレインとなる領域上との間の上記レジスト膜41に一列もしくは複数列の孔42を形成するとともに、第1ゲート電極となる領域上とソースとなる領域上との間の上記レジスト膜41に上記孔42の列に平行に長孔43を形成する。上記リソグラフィー技術には、例えば、電子線リソグラフィー技術を用いることが好ましいが、紫外線リソグラフィー技術等の光リソグラフィー技術を用いることもできる。また、上記孔42は、例えば矩形パターンで形成されている。また、上記長孔43は、例えば長い矩形パターンで形成されている。
Next, as shown in FIG. 4, after a resist is applied on the insulating
次に、図5に示すように、上記レジスト膜41をエッチングマスクに用いて、孔42および長孔43から上記絶縁膜31をエッチングする。その結果、第1ゲート電極となる領域上とドレインとなる領域上との間の上記絶縁膜31に一列もしくは複数列の孔からなる開口部36を形成するとともに、第1ゲート電極となる領域上とソースとなる領域上との間の上記絶縁膜31に上記孔36の列に平行に長孔からなる開口部32を形成する。
Next, as shown in FIG. 5, the insulating
さらに、上記レジスト膜41および絶縁膜31をエッチングマスクに用いて、上記キャップ層14をエッチング加工する。その結果、キャップ層14からなるソース15と、キャップ層14からなるものでソース15と電気的に分離されたドレイン16と、キャップ層14からなるものでソース15とドレイン16との間にソース15およびドレイン16と電気的に分離された第1ゲート電極17が形成される。上記エッチングでは、InAlAsはエッチングしないエッチング液に浸漬することによって行う。エッチング液の具体例としては、アジピン酸、琥珀酸、クエン酸などのカルボン酸と過酸化水素水との混合液を使用するのが良い。
Further, the
次に、図6に示すように、開口部32(長孔)の長手方向からの斜め蒸着法によって、上記長孔からなる開口部32を通じてショットキーバリア層13に達するもので、上記ソース15と第1ゲート電極17との間にソース15および第1ゲート電極17と電気的に分離された第2ゲート電極18を形成する。このとき、複数の孔からなる開口部36には側壁部に蒸着物51は付着するが、レジスト膜41等の陰になるためショットキーバリア層13上にまで蒸着物51は到達しない。したがって、開口部32の部分のみに選択的に蒸着物を堆積して第2ゲート電極18を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 6, the
上記斜め蒸着法における蒸着角度は、概ねレジスト膜41の厚さと開口部のサイズによって適切な値を設定する必要がある。例えば、300nmの厚さのレジスト膜41に対して、200nmの矩形パタンからなる開口部36を開口した場合を考えると、蒸着原料の入射方向は、基板10の法線に対して例えばθ=55度傾けた方向から入射すると良い。
The deposition angle in the oblique deposition method needs to be set to an appropriate value depending on the thickness of the resist
上記第2ゲート電極18の材料にはエンハンスメント型のHEMTを形成しうるゲート電極材料が選択される。例えば下層より、白金(Pt)層、チタン(Ti)層、白金(Pt)層、金(Au)層を積層して形成する。具体的には、一例として、下層より白金層(厚さ=2.5nm)、チタン層(厚さ=30nm)、白金層(厚さ=30nm)、金層(厚さ=1500nm)を積層する。
As the material of the
その後、リフトオフ法によって、上記レジスト膜41を除去するとともに、レジスト膜41に付着している蒸着物51も併せて除去する。この結果、図7に示すように、開口部32の部分のみに選択的に第2ゲート電極18が形成される。次いで、水素と窒素の混合ガス雰囲気中で、約300℃、1分間のアニールを行う。このアニールによって、第2ゲート電極18を構成する最下層に形成された白金層の白金(Pt)がショットキーバリア層13のInAlAsと反応して、第2ゲート電極18とチャネル層12との間の距離が数nmほど短くなる。すなわち、ショットキーバリア層13側の白金層は少なくとも一部がショットキーバリア層13中に拡散され、第2ゲート電極18はショットキーバリア層13上部に一部が埋め込まれた構成となる。この技術は、IEEE Transactions on Electron Devices, vol.45, No.12,(1998) p.2422に開示されている。これにより、ソース15と第1ゲート電極17との間に第2ゲート電極18を有するエンハンスメント型のHEMTが形成される。
Thereafter, the resist
次に、上記第2ゲート電極18を多層電極構造として形成した理由を以下に説明する。最下層(第1層)白金層は、上記アニールによって、ショットキーバリア層13のInAlAsと反応させて、埋め込み電極を形成する。これにより形成される第2ゲート電極18の埋め込み深さは最下層の白金層の厚さと関係し、膜厚を厚く形成することにより、厚くした分だけアニール時間とアニール温度の上昇に応じて埋め込み深さも深くすることができる。上記最下層の白金層は、InAlAsからなるショットキーバリア層13の厚さや、キャリア濃度に応じて適切な膜厚に設定する必要がある。少なくとも、ショットキーバリア層13を突き抜けるようなことがあってはならない。本実施例で示した製造方法では、最下層の白金層を2nm〜3nmの厚さに形成し、上記アニールを290℃で5分間施すことで、エンハンスメント型になるような埋め込みゲート電極を形成することができる。
Next, the reason why the
上記第2層のチタン層は第3層の白金層の拡散を防ぐブロック材料であり、上記アニールによって第3層の白金が半導体表面に達するのを防ぐためのものである。チタンの代わりにモリブデン(Mo)、タングステン(W)等の高融点金属を用いても同様の効果が得られる。 The second titanium layer is a block material that prevents diffusion of the third platinum layer, and is intended to prevent the third platinum layer from reaching the semiconductor surface by the annealing. The same effect can be obtained by using a refractory metal such as molybdenum (Mo) or tungsten (W) instead of titanium.
上記第3層の白金層は第4層の金層の拡散を防ぐブロック材料であり、上記アニールによって第4層の金が半導体表面に達するのを防ぐためのものである。白金の代わりにモリブデン(Mo)、タングステン(W)等の高融点金属を用いても同様の効果が得られる。 The third platinum layer is a block material that prevents diffusion of the fourth gold layer, and prevents the fourth gold layer from reaching the semiconductor surface by the annealing. The same effect can be obtained by using a refractory metal such as molybdenum (Mo) or tungsten (W) instead of platinum.
上記第4層の金層は、ゲート電極の厚さを稼いで、ゲート抵抗を低減するためのものである。金の代わりに銅(Cu)、アルミニウム(Al)等も用いることができる。 The fourth gold layer is for increasing the thickness of the gate electrode and reducing the gate resistance. Copper (Cu), aluminum (Al), or the like can be used instead of gold.
上記第2ゲート電極18の最下層に白金層を形成し、その白金層を拡散してなる埋め込みゲートに形成する理由は、白金の埋め込み操作でゲート・チャネル間を短くすることによってデプレション型HEMTを実現するためである。これによって、デプレッション型で設計された薄膜構造に対して、エンハンスメント型HEMTを構成することができる。
The reason why the platinum layer is formed in the bottom layer of the
上記第2ゲート電極18は、T型ゲート電極に形成することが可能である。T型ゲート電極とすることによって、エンハンスメント型HEMTのゲート抵抗を低減することが可能となり、これによって素子の高周波特性が向上される。このT型ゲートに形成する製造方法は後に詳細を説明する。
The
次に、図8に示すように、上記絶縁膜31上にレジストを塗布してレジスト膜(図示せず)を形成した後、リソグラフィー技術により第1ゲート電極17上の上記レジスト膜に孔を形成する。上記リソグラフィー技術には、例えば、電子線リソグラフィー技術を用いることが好ましいが、紫外線リソグラフィー技術等も光リソグラフィー技術を用いることもできる。次いで、上記レジスト膜をエッチングマスクに用いて、上記絶縁膜31をエッチングする。その結果、上記第1ゲート電極17上の上記絶縁膜31に開口部35が形成される。
Next, as shown in FIG. 8, a resist is applied on the insulating
次に、蒸着法によって、開口部35から上記第1ゲート電極17上に電極材料を堆積して、開口部34に第1ゲート電極17に接続する電極パッド23を形成する。その後、リフトオフ法によって、上記レジスト膜を除去するとともに、上記レジスト膜に付着した蒸着物も除去する。
Next, an electrode material is deposited on the
さらに、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術によって、ソース15およびドレイン領域16を露出させた後、通常の電極形成技術によって、ソース15およびドレイン16に接続するオーミック電極となるソース電極21、ドレイン電極22を形成する。
Further, after the
このようにして形成された、デュアルゲートHEMTの半導体装置1は、第1ゲート電極17を有するトランジスタ部がデプレション型となり、第2ゲート電極18を有するトランジスタ部がエンハンスメント型となる。
In the dual gate
次に、上記実施例において最下層に白金層を含む第2ゲート電極18を形成した理由を以下に説明する。それは、デプレッション型で設計された薄膜構造に対して、エンハンスメント型HEMTを作る必要があるためであり、本実施例では白金層をショットキーバリア層13中に反応(拡散反応)させることで第2ゲート電極18を埋め込み操作して、第2ゲート電極18とチャネル層12との間隔を小さくすることによって、第2ゲート電極18を有するトランジスタでデプレション型HEMTを実現している。なお、薄膜構造をエンハンスメント型で設計した場合、埋め込みゲートを使う必要がなくなり、電極材料の選択幅が広がるのではないかという考えもあるが、初めから薄膜構造をエンハンスメント型で設計すると次の理由で所望のトランジスタ素子構造が得られない。すなわち、キャップ層14が高抵抗になり、トランジスタ特性は得られない、もしくは著しく悪くなる。
Next, the reason why the
その理由とは、デプレション型のHEMT部(半導体キャップ層を用いたゲート電極部)が作製できないことである。何故ならば、InAlAsからなるショットキーバリア層上にキャップ層があるとしても、概ねフェルミレベルの位置は変わらず、薄膜構造の設計通りのデプレション型になってしまうと推測されるからである。 The reason is that a depletion type HEMT part (a gate electrode part using a semiconductor cap layer) cannot be produced. This is because even if there is a cap layer on the Schottky barrier layer made of InAlAs, it is presumed that the position of the Fermi level does not change and it becomes a depletion type as designed in the thin film structure.
したがって、本実施例では、薄膜構造はデプレション型で設計して、エンハンスメント型HEMT部の第2ゲート電極18を白金(Pt)の埋め込みゲート構造にて作製するという方法がもっとも良いと判断される。
Therefore, in this embodiment, it is judged that the best method is to design the thin film structure in a depletion type and to produce the
本発明の半導体装置の製造方法は、ソース15、ドレイン16を形成するキャップ層14でソース15およびドレイン16と電気的に分離された第1ゲート電極17を形成するため、キャップ層14の一層を加工することで、ソース15、ドレイン16と第1ゲート電極17とを同時形成することができるという利点がある。またショットキーバリア層13上部に一部が埋め込まれた状態に第2ゲート電極18を形成するので、デプレッション型で設計された薄膜構造に対してもゲート・チャネル間を短くすることによってエンハンスメントン型HEMTを容易に実現できるようになる。
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the
また、第1ゲート電極17となる領域上とドレイン16となる領域上との間の絶縁膜31に一列もしくは複数列の孔からなる開口部36を形成するとともに、第1ゲート電極17となる領域上とソース15となる領域上との間の絶縁膜31に孔の列と平行に長孔からなる開口部32を形成し、開口部36および開口部32よりキャップ層14をエッチング加工するので、開口部36の列よりキャップ層14は深さ方向とともに平面方向にエッチングされて、隣接する開口部36からエッチングされた部分はつながり、開口部36からキャップ層14をエッチングした部分と同様に線状にかつ互いが平行になるようにエッチング加工される。したがって、キャップ層14からなるソース15、第1ゲート電極17、ドレイン16が互いに電気的に分離された状態に形成することが可能となる。
In addition, an
また、ソース15と第1ゲート電極17との間にソース15および第1ゲート電極17と電気的に分離された状態でショットキーバリア層13上部に一部が埋め込まれた状態に第2ゲート電極18を形成することから、第2ゲート電極18は第1ゲート電極17とは異なるしきい値の材料で形成することが容易となる。またショットキーバリア層13上部に一部が埋め込まれた状態に第2ゲート電極17を形成するので、デプレッション型で設計された薄膜構造に対しても第2ゲート電極17とチャネル層12との間を短くすることによってデプレション型HEMTを容易に実現できるようになる。
In addition, the second gate electrode is partially embedded in the upper part of the
したがって、上記デュアルゲートHEMTの半導体装置1では、第2ゲート電極18を用いたエンハンスメント型のHEMTおよびキャップ層14からなる第1ゲート電極17を用いたデブレション型のHEMTの構造を、パターニングの層を増やすことなく形成することができ、デュアルゲートHEMTを簡便な方法で作製することが可能になる。
Therefore, in the dual gate
次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る第2実施例を、図9〜図10の製造工程断面図によって説明する。第2実施例は、第2ゲート電極をT型ゲート電極に形成する方法を説明する。第2ゲート電極の形成工程以外の工程は前記第1実施例の製造方法と同様である。 Next, a second embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to the manufacturing process sectional views of FIGS. In the second embodiment, a method of forming a second gate electrode on a T-type gate electrode will be described. Processes other than the process of forming the second gate electrode are the same as those in the manufacturing method of the first embodiment.
図9(1)に示すように、前記図2によって説明したように、基板10上にチャネル層12、ショットキーバリア層13、キャップ層14を形成し、凸状に加工してトランジスタ領域2を形成する。その後トランジスタ領域2を被覆する絶縁膜31を形成する。次いでレジストを塗布して第1層のレジスト膜61(第1実施例のレジスト膜41と同様)を形成する。続いてリソグラフィー技術によって、第1実施例と同様にレジスト膜61に孔62(第1実施例の孔42と同様)と長孔63(第1実施例の長孔43と同様)を形成する。上記第1レジスト膜61は、例えばポリメチルメタクリレートやPMMA等が挙げられる。
As shown in FIG. 9A, as described with reference to FIG. 2, the
次に、図9(2)に示すように、上記レジスト膜61上に上記孔62および長孔63を埋め込む状態に、第2層のレジスト膜64を、第1層のレジスト膜61と後に形成される第3層のレジスト膜とは異なる種類のレジストを塗布して形成する。この第2層のレジスト膜64には、例えばPMGI(ポリメチルグルタルイミド)を用いることができる。この第2層のレジスト材料としては、第2層のレジスト塗布時に第1層のレジスト膜61を溶かすことなく、また第3層の塗布および現像時に溶かされることの無い材料が選択される。次いで、上記レジスト膜64上に、第3層のレジスト膜65を形成する。
Next, as shown in FIG. 9 (2), a second resist
次に、図10(3)に示すように、リソグラフィー技術によって第3層のレジスト膜65をパターニングして、上記孔62上および長孔63上にそれらよりも大きい開口部66、67を形成する。
Next, as shown in FIG. 10 (3), the third-layer resist
上記のように第3層のレジスト膜65を現像してパターニングしたのち、第2層のレジスト膜64だけを溶解する溶液を用いて、レジスト膜64をエッチングし、再び孔62および長孔63を開口する。またレジスト膜64は、孔62および長孔63の幅よりも大きくエッチングされ、開口部68、69が形成される。このエッチングには、例えばテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液を用いることができる。
After developing and patterning the third layer resist
その後、図示はしないが、前記第1実施例の図5および図6によって説明したのと同様に、ソース、ドレイン、第1ゲート電極を形成した後、斜め蒸着法およびリフトオフ法によって、第2ゲート電極を形成すればよい。この結果、開口部63および開口部69にショットキーバリア層に達するT型構造の第2ゲート電極を得ることができる。
Thereafter, although not shown, after the source, drain, and first gate electrodes are formed in the same manner as described with reference to FIGS. 5 and 6 of the first embodiment, the second gate is formed by oblique deposition and lift-off. An electrode may be formed. As a result, a second gate electrode having a T-type structure that reaches the Schottky barrier layer in the
上記第2実施例で説明したように、多層(3層)レジスト構造を用いることによって、エンハンスメント型のトランジスタを構成する第2ゲート電極をT型ゲート電極に形成することが可能となる。このようにT型ゲートにすることによって、エンハンスメント型HEMTのゲート抵抗を低減することが可能になり、素子の高周波特性を向上せることができる。 As described in the second embodiment, by using a multilayer (three-layer) resist structure, the second gate electrode constituting the enhancement type transistor can be formed on the T-type gate electrode. By using a T-type gate in this way, the gate resistance of the enhancement type HEMT can be reduced, and the high-frequency characteristics of the element can be improved.
本発明の半導体装置およびその製造方法は、デュアルゲートHEMTおよびその製造方法に適用することが好適である。 The semiconductor device and the manufacturing method thereof of the present invention are preferably applied to the dual gate HEMT and the manufacturing method thereof.
1…半導体装置、10…基板、12…チャネル層、13…ショットキーバリア層、14…キャップ層、15…ソース、16…ドレイン、17…第1ゲート電極、18…第2ゲート電極
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記チャネル層上に形成されたショットキーバリア層と、
前記ショットキーバリア層上に形成されたキャップ層からなるソースと、
前記ショットキーバリア層上に形成された前記キャップ層と同一層からなるもので前記ソースと電気的に分離された状態に形成されたドレインと、
前記ショットキーバリア層上に形成された前記キャップ層と同一層からなるもので前記ソースおよび前記ドレインと電気的に分離された状態に前記ソースと前記ドレインとの間に形成された第1ゲート電極と、
前記ソースと前記第1ゲート電極との間に前記ソースおよび前記第1ゲート電極と電気的に分離された状態に形成されたもので前記ショットキーバリア層上部に一部が埋め込まれた第2ゲート電極と
を備えたことを特徴とする半導体装置。 A channel layer formed on the substrate;
A Schottky barrier layer formed on the channel layer;
A source comprising a cap layer formed on the Schottky barrier layer;
A drain formed of the same layer as the cap layer formed on the Schottky barrier layer and formed in a state of being electrically separated from the source;
A first gate electrode made of the same layer as the cap layer formed on the Schottky barrier layer and formed between the source and the drain so as to be electrically separated from the source and the drain When,
A second gate formed between the source and the first gate electrode and being electrically isolated from the source and the first gate electrode and partially embedded in the upper part of the Schottky barrier layer A semiconductor device comprising: an electrode.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the second gate electrode has a platinum layer at least on the Schottky barrier layer side.
ことを特徴とする請求項2記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2, wherein the second gate electrode includes an electrode in which a platinum layer, a titanium layer, a platinum layer, and a gold layer are stacked from a lower layer.
ことを特徴とする請求項2記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2, wherein at least a part of the platinum layer on the Schottky barrier layer side is diffused in the Schottky barrier layer.
前記第2ゲート電極を有するトランジスタ部分はエンハンスメント型で動作するものである
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 The transistor portion having the first gate electrode operates in a depletion type,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the transistor portion having the second gate electrode operates in an enhancement type.
前記凸型に形成された基板部分上に前記チャネル層、前記ショットキーバリア層、前記キャップ層が形成され、
前記チャネル層の側部は前記凸型に形成された基板部分の側部および前記ショットキーバリア層の側部および前記チャネル層の側部よりも内側になるように形成されている
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 The substrate is formed in a convex shape at the top,
The channel layer, the Schottky barrier layer, and the cap layer are formed on the convex-formed substrate portion,
The side part of the channel layer is formed so as to be inside the side part of the substrate portion formed in the convex shape, the side part of the Schottky barrier layer, and the side part of the channel layer. The semiconductor device according to claim 1.
前記基板の上部、前記チャネル層、前記ショットキーバリア層および前記キャップ層を凸型に加工してトランジスタ領域を形成する工程と、
前記トランジスタ領域を被覆する絶縁膜を形成する工程と、
第1ゲート電極となる領域上とドレインとなる領域上との間の前記絶縁膜に一列もしくは複数列の孔を形成するとともに、第1ゲート電極となる領域上とソースとなる領域上との間の前記絶縁膜に前記孔の列に平行に長孔を形成する工程と、
前記孔および前記長孔より前記キャップ層をエッチング加工して、前記キャップ層からなるソースと、前記キャップ層からなるもので前記ソースと電気的に分離されたドレインと、前記キャップ層からなるもので前記ソースと前記ドレインとの間に前記ソースおよび前記ドレインと電気的に分離された第1ゲート電極を形成する工程と、
前記長孔を通じて前記ショットキーバリア層に達するもので、前記ソースと前記第1ゲート電極との間に前記ソースおよび前記第1ゲート電極と電気的に分離された第2ゲート電極を形成する工程と
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A step of sequentially laminating a channel layer, a Schottky barrier layer and a cap layer on a substrate;
Processing the upper part of the substrate, the channel layer, the Schottky barrier layer, and the cap layer into a convex shape to form a transistor region;
Forming an insulating film covering the transistor region;
One or more holes are formed in the insulating film between the region serving as the first gate electrode and the region serving as the drain, and between the region serving as the first gate electrode and the region serving as the source. Forming a long hole in the insulating film parallel to the row of holes;
The cap layer is etched from the holes and the long holes, the source is made of the cap layer, the drain is made of the cap layer and is electrically separated from the source, and the cap layer is made of Forming a first gate electrode electrically isolated from the source and the drain between the source and the drain;
Forming a second gate electrode that reaches the Schottky barrier layer through the elongated hole and is electrically separated from the source and the first gate electrode between the source and the first gate electrode; A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記絶縁膜に前記孔および前記長孔を形成する際に用いたレジストマスクを利用して、
前記長孔の長手方向からの斜め蒸着法によって、前記長孔を通じて前記第2ゲート電極を形成する材料を前記ショットキーバリア層上に堆積する工程と、
前記レジストマスクを除去するとともに前記レジストマスクに付着した前記第2ゲート電極を形成する材料を除去する工程と
を備えたことを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。 The step of forming the second gate electrode includes:
Using the resist mask used when forming the hole and the long hole in the insulating film,
Depositing a material for forming the second gate electrode on the Schottky barrier layer through the long hole by oblique vapor deposition from the longitudinal direction of the long hole;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7, further comprising: removing the resist mask and removing a material for forming the second gate electrode attached to the resist mask.
ことを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein in the step of forming the second gate electrode, a platinum layer is formed at least on the Schottky barrier layer side.
ことを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the second gate electrode is formed by stacking a platinum layer, a titanium layer, a platinum layer, and a gold layer from a lower layer.
ことを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein at least a part of the platinum layer on the Schottky barrier layer side diffuses into the Schottky barrier layer.
ことを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。 The side portion of the channel layer is formed so as to be inside the side portion of the substrate portion formed in the convex shape, the side portion of the Schottky barrier layer, and the side portion of the cap layer. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7.
前記ソース、前記ドレインおよび前記第1ゲート電極に接続するソース電極、ドレイン電極およびパッド電極を形成する工程と
を備えたことを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。 Processing the insulating film to expose at least a portion of the source, the drain, and the first gate electrode;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, further comprising: forming a source electrode, a drain electrode, and a pad electrode connected to the source, the drain, and the first gate electrode.
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JP2013522906A (en) * | 2010-03-17 | 2013-06-13 | クリー インコーポレイテッド | Multi-layer diffusion barrier for wide band gap Schottky barrier devices |
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2004
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