JP2006278953A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に係り、特に、電極とチャネル層間のオーミック抵抗を低減したヘテロ接合電界効果型トランジスタ等の半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device such as a heterojunction field effect transistor with reduced ohmic resistance between an electrode and a channel layer.
化合物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ(HEMT)等を含むヘテロ接合電界効果型トランジスタ(HFET)は、良好な高周波特性を有し、特にマイクロ波帯の半導体装置として広く用いられている。 A heterojunction field effect transistor (HFET) including a high electron mobility transistor (HEMT) using a compound semiconductor has good high frequency characteristics and is widely used particularly as a semiconductor device in a microwave band.
化合物半導体としてガリウム砒素(GaAs)を用いた、従来のヘテロ接合電界効果型トランジスタの断面の一例を図3に示す。このヘテロ接合電界効果型トランジスタ30は、半絶縁性半導体基板31上にバッファ層としてのアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)層32、活性層としてのn型ガリウム砒素(GaAs)層33及びアンドープアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)層34、ならびにキャップ層としてのアンドープガリウム砒素(GaAs)層35が順次積層された半導体層基板上に、このアンドープガリウム砒素(GaAs)層35とオーム性接触させたドレイン電極36及びソース電極37、ならびにアンドープガリウム砒素(GaAs)層35に埋め込まれ、アンドープアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)層34とショットキ接合させたゲート電極38を有している。
An example of a cross section of a conventional heterojunction field effect transistor using gallium arsenide (GaAs) as a compound semiconductor is shown in FIG. The heterojunction field effect transistor 30 includes an aluminum gallium arsenide (AlGaAs)
このヘテロ接合電界効果型トランジスタ30では、ゲート電極38をアンドープガリウム砒素(GaAs)層35に埋め込むようにアンドープアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)層34まで貫通させることによって、アンドープガリウム砒素(GaAs)層35の表面に形成される表面準位の変動がチャネル層としてのn型ガリウム砒素(GaAs)層33に及ぼす影響を軽減している。
In the heterojunction field effect transistor 30, the
このような従来の半導体装置は、特許文献1などに開示されている。
上述のように、アンドープガリウム砒素(GaAs)層35により、表面準位の変動によるヘテロ接合電界効果型トランジスタ30の諸特性の変動を抑えることができるが、この層の厚さを増すにつれてゲート電極38との間に生じる寄生容量が増大し、このヘテロ接合電界効果型トランジスタ30の高周波特性を損ねてしまう。このため、アンドープガリウム砒素(GaAs)層35の厚さは、対象とする周波数帯に適応させて、100nm乃至500nm程度としている。
As described above, the undoped gallium arsenide (GaAs)
しかしながら、キャップ層としてのアンドープガリウム砒素(GaAs)層35を上記の範囲のような厚さにした場合、図3に例示した従来のヘテロ接合電界効果型トランジスタ30では、ドレイン電極36及びソース電極37の各電極と、チャネル層としてのn型ガリウム砒素(GaAs)層33との距離が長くなる。また、そのあいだに存在する2つの層、すなわち、アンドープアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)層34、及びアンドープガリウム砒素(GaAs)層35が、いずれもアンドープ層となっている。このため、ドレイン電極36及びソース電極37の各電極とn型ガリウム砒素(GaAs)層33とのあいだのオーミック抵抗が増大して、このヘテロ接合電界効果型トランジスタ30の高周波特性を悪化させるという問題があった。
However, when the undoped gallium arsenide (GaAs)
本発明は、上述の事情を考慮してなされたものであり、電極とチャネル層間のオーミック抵抗の少ない良好な高周波特性を有する半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device having good high frequency characteristics with low ohmic resistance between an electrode and a channel layer.
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、半絶縁性半導体基板上にバッファ層、活性層、及びキャップ層が順次積層された半導体層基板にドレイン電極、ソース電極、及びゲート電極が形成された半導体装置において、前記キャップ層内の所定の位置にこのキャップ層と組成の異なるエッチングストッパー層が挿入され、前記ドレイン電極及びソース電極は、前記キャップ層内の前記エッチングストッパー層あるいは前記エッチングストッパー層よりも深くエッチング除去された凹状の溝の底面、側面、及びこの溝の周縁の前記キャップ層の表面に張り出してオーム性接触により形成し、前記ゲート電極は、前記キャップ層を貫通して前記活性層にショットキ接合により形成したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a semiconductor device of the present invention has a drain electrode, a source electrode, and a gate electrode on a semiconductor layer substrate in which a buffer layer, an active layer, and a cap layer are sequentially stacked on a semi-insulating semiconductor substrate. In the formed semiconductor device, an etching stopper layer having a composition different from that of the cap layer is inserted into a predetermined position in the cap layer, and the drain electrode and the source electrode are connected to the etching stopper layer in the cap layer or the etching layer. The bottom surface and side surface of the concave groove etched away deeper than the stopper layer, and the surface of the cap layer protruding from the surface of the cap layer are formed by ohmic contact, and the gate electrode penetrates the cap layer. The active layer is formed by Schottky junction.
本発明によれば、電極とチャネル層間のオーミック抵抗の少ない良好な高周波特性を有する半導体装置を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a semiconductor device having good high frequency characteristics with little ohmic resistance between the electrode and the channel layer.
以下に、本発明に係る半導体装置を実施するための最良の形態について、図1及び図2を参照して説明する。 The best mode for carrying out a semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
図1は、本発明に係る半導体装置の第1の実施例をモデル化して示す断面図である。この図1の半導体装置1は、半導体層基板に、ガリウム砒素(GaAs)、及びアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)を含む場合を例示している。
FIG. 1 is a sectional view showing a model of a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention. The
図1に示すように、この半導体装置1は、例えばガリウム砒素(GaAs)の半絶縁性半導体基板11上に、バッファ層としてのアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)層12、活性層としてのn型ガリウム砒素(GaAs)層13及びアンドープアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)層14、ならびにキャップ層として、アンドープアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)層15bをエッチングストッパー層として層内に挿入されたアンドープガリウム砒素(GaAs)層15aが順次積層された、半導体層基板をなしている。これら半絶縁性半導体基板11上に積層された各層は、一層ごとに例えばMOCVD法等を用いてエピタキシャル成長させ、順次堆積することによって形成される。
As shown in FIG. 1, the
また、本実施例では、アンドープアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)層15bが層内に挿入されたアンドープガリウム砒素(GaAs)層15aを、100nm程度以上の厚さに堆積するものとしている。エッチングストッパー層としてのアンドープアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)層15bは、アンドープガリウム砒素(GaAs)層15aとのエッチングレートの差を利用し、所定の深さでエッチングを止める目的で設けている。一般に、アンドープアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)上へのオーム性接触の抵抗は高いため、ドレイン電極16、及びソース電極17を形成する際には、アンドープアルミニウムガリウム砒素を除去するのが望ましい。
In this embodiment, an undoped gallium arsenide (GaAs)
アンドープガリウム砒素(GaAs)層15の表面には、ドレイン電極16、ソース電極17、及びゲート電極18が形成されている。ドレイン電極16及びソース電極17は、いずれも、アンドープガリウム砒素(GaAs)層15aをエッチングストッパー層15bまで掘り下げるように形成された凹状の溝16a及び17aの底面、及び側面を覆ってこれらの溝16a及び17aの周縁の層表面に張り出した形状をなしており、アンドープガリウム砒素(GaAs)層15aとオーム性接触により形成されている。本実施例では、溝16a及び17aの深さは、チャネル層としてのn型ガリウム砒素(GaAs)層13までの残し厚が50〜80nm程度となる深さとしている。
A
また、ゲート電極18は、ドレイン電極16とソース電極17とのあいだに配置され、アンドープガリウム砒素(GaAs)層15aに埋め込まれるように、この層を貫通してアンドープアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)層14にショットキ接合されて形成されている。
The
上記した構成の半導体装置1においては、キャップ層としてのアンドープガリウム砒素(GaAs)層15a上のドレイン電極16及びソース電極17の形成位置に、凹状の溝16a及び17aを設けている。そして、これらの溝16a及び17aにそれぞれドレイン電極16及びソース電極を17を形成している。従って、それぞれの電極とチャネル層としてのn型ガリウム砒素(GaAs)層13との距離を短くして、その間のオーミック抵抗を低減することができるので、良好な高周波特性を得ることができる。
In the
また、ドレイン電極16及びソース電極17は、キャップ層としてのアンドープガリウム砒素(GaAs)層15aの表面に張り出すような形状に形成されている。これによって、溝16a及び17aの周縁部が露出されなくなり、この部位における表面準位の変動がチャネル層としてのn型ガリウム砒素(GaAs)層13に及ぼす影響を減らすことができるので、良好な高周波特性を得ることができる。
In addition, the
図2は、本発明に係る半導体装置の第2の実施例をモデル化して示す断面図である。この第2の実施例の各部について、図1に示す第1の実施例の各部と同一の部分は同一の符号で示し、その説明は省略する。第2の実施例が第1の実施例と異なる点は、キャップ層の上に、さらに絶縁膜を積層し、各電極をこの絶縁膜上まで延在させた点である。以下、図2を参照してその相違点のみを説明する。 FIG. 2 is a sectional view showing a second embodiment of the semiconductor device according to the present invention as a model. Regarding the respective parts of the second embodiment, the same parts as those of the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted. The second embodiment is different from the first embodiment in that an insulating film is further laminated on the cap layer, and each electrode extends to the insulating film. Only the differences will be described below with reference to FIG.
図2に示すように、この半導体装置2には、半絶縁性半導体基板11上に、アルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)層12、n型ガリウム砒素(GaAs)層13、アンドープアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)層14、及びアンドープアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)層15bをエッチングストッパー層として層内に挿入されたアンドープガリウム砒素(GaAs)層15aを順次積層した半導体層基板上に、さらに絶縁膜19が積層されている。この絶縁膜19は、例えば、プラズマCVD法等によって堆積された窒化シリコン(SiN)膜としている。
As shown in FIG. 2, the semiconductor device 2 includes an aluminum gallium arsenide (AlGaAs)
ドレイン電極16、ソース電極17、及びゲート電極18は、これら電極の形成部位にあたる絶縁膜19を、例えばRIE等により除去して形成される。このときに、ドレイン電極16及びソース電極17は、それぞれキャップ層としてのアンドープガリウム砒素(GaAs)層15aの溝16a及び17aの全面を覆い、絶縁膜19の表面まで延在させた形状をなしており、アンドープガリウム砒素(GaAs)層15aとオーム性接触により形成されている。また、アンドープアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)層14にショットキ接合されたゲート電極18も、絶縁膜19の表面まで延在させた形状としている。
The
上記のように構成した半導体装置2においては、キャップ層としてのアンドープガリウム砒素(GaAs)層15aの上に、さらに絶縁膜19を積層している。この絶縁膜19は、半導体装置2の表面準位の変動を減らすとともに、その密着性を高め、界面を安定なものにしている。従って、前述の実施例1の効果に加え、界面からチャネル層への影響をさらに低減でき、より安定した高周波特性を得ることができる。
In the semiconductor device 2 configured as described above, the
なお、以上説明した実施例1及び実施例2においては、半導体層基板としてガリウム砒素(GaAs)及びアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)を含む構成を例示したが、これを、インジウムガリウム砒素(InGaAs)、及びインジウムアルミニウムガリウム砒素(InAlGaAs)を含む構成とすることもできる。また、窒化ガリウム(GaN)、及び窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)を含む構成とすることもできる。そして、いずれの構成においても、ガリウム砒素(GaAs)及びアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)を含む構成の場合と同様の効果を得ることができる。 In the first and second embodiments described above, the configuration including gallium arsenide (GaAs) and aluminum gallium arsenide (AlGaAs) as the semiconductor layer substrate has been illustrated, but this is not limited to indium gallium arsenide (InGaAs), and A structure containing indium aluminum gallium arsenide (InAlGaAs) can also be used. Alternatively, a structure including gallium nitride (GaN) and aluminum gallium nitride (AlGaN) can be used. In any configuration, the same effects as those in the configuration including gallium arsenide (GaAs) and aluminum gallium arsenide (AlGaAs) can be obtained.
1、2 半導体装置
11 半絶縁性半導体基板
12 アルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)層
13 n型ガリウム砒素(GaAs)層
14 アンドープアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)層
15a アンドープガリウム砒素(GaAs)層
15b アンドープアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)層
16 ドレイン電極
16a、17a 溝
17 ソース電極
18 ゲート電極
19 絶縁膜
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記キャップ層内の所定の位置にこのキャップ層と組成の異なるエッチングストッパー層が挿入され、
前記ドレイン電極及びソース電極は、前記キャップ層内の前記エッチングストッパー層あるいは前記エッチングストッパー層よりも深くエッチング除去された凹状の溝の底面、側面、及びこの溝の周縁の前記キャップ層の表面に張り出してオーム性接触により形成し、
前記ゲート電極は、前記キャップ層を貫通して前記活性層にショットキ接合により形成したことを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device in which a drain electrode, a source electrode, and a gate electrode are formed on a semiconductor layer substrate in which a buffer layer, an active layer, and a cap layer are sequentially stacked on a semi-insulating semiconductor substrate.
An etching stopper layer having a composition different from that of the cap layer is inserted at a predetermined position in the cap layer,
The drain electrode and the source electrode protrude from the etching stopper layer in the cap layer or the bottom and side surfaces of the concave groove etched away deeper than the etching stopper layer, and the surface of the cap layer at the periphery of the groove. Formed by ohmic contact,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode penetrates the cap layer and is formed on the active layer by a Schottky junction.
Priority Applications (1)
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