JP2007081371A - 不定形高電子移動度トランジスタの製造方法 - Google Patents

不定形高電子移動度トランジスタの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】活性領域が露出されず、かつ素子の破壊電圧が高い不定形高電子移動度トランジスタの製造方法を提供すること。
【解決手段】キャップ層24が形成された基板を用意し、キャップ層24上にソース電極25及びドレイン電極26を形成し、第1保護膜27を形成した後、キャップ層24が露出するように第1保護膜27をパターニングし、そのキャップ層24を除去して、第1リセス構造を形成し、第2保護膜29を形成した後、基板が露出するように第2保護膜29をパターニングして、第2リセス構造を形成し、感光膜31,32,33を形成した後、基板20が露出し、ゲート電極の形状の開口部を有するように感光膜31,32,33をパターニングし、開口部が埋め込まれるように金属を蒸着した後、感光膜31,32,33を除去して、基板20に連結されるゲート電極34を形成する。
【選択図】図2k

Description

本発明は、不定形高電子移動度トランジスタの製造方法に関し、より詳細には、異種接合半導体素子を用いた不定形高電子移動度トランジスタの製造方法に関する。
一般に、化合物半導体素子である不定形高電子移動度トランジスタ(pseudomorphic high electron mobility transistor;PHEMT)は、素子内に組み込まれる1つ又はそれ以上の層が素子内の他の物質の格子定数と異なる格子定数を有し、このような格子の不一致に起因して、チャンネル層を形成する物質の構造が変形するようになる。
このような格子の不一致に起因する応力変形のため、不定形高電子移動度トランジスタの製造過程において基板上に層を成長させるのに困難性があるが、この不定形高電子移動度トランジスタは、チャンネル層に伝達される電荷密度が高く、かつ高電子移動度を有するので、従来の素子と比べて電力及びノイズ特性に優れている。
したがって、高い周波数でも動作することができ、シリコンを用いた素子に比べて電子の速度特性に優れているので、マイクロ波又はミリメートル波帯域の素子に広く応用されている。特に、優れた超高周波ノイズ特性などの長所は、高性能のミリメートル波帯域無線通信用回路及び部品や、数十Gbps級以上の光通信用回路及び部品の開発に重要である。
高速素子は、高い変調動作のためにゲート電極の長さを短く、優れたノイズ特性のために低い抵抗値を有するようにゲート電極の断面積を広くしなければならない。このために、近年、T字状のゲート電極やキノコ形状のゲート電極が使われている。このようなT字状ゲート電極やキノコ形状のゲート電極は、通常、電子ビームリソグラフィ又はフォトリソグラフィ方法で形成することができるが、フォトリソグラフィ方法を用いて微細な線幅のゲート電極を形成するには、装備の解像力が不足することが現状なので、電子ビームリソグラフィ方法を用いてゲート電極を形成している。
図1は、従来の不定形高電子移動度トランジスタの製造方法の一例を説明するための断面図で、特許文献1には、AlGaAs/InGaAs/GaAs構造の基板を使用するPHEMTが概略的に示されている。
従来の不定形高電子移動度トランジスタは、所定の層を備える半絶縁GaAs基板1上に、DEG(Demensional Electron Gas)層を含むチャンネル層2と、AlGaAsスペーサ層3と、Siデルタドーピング層4と、n−AlGaAs層5と、エッチング停止層6と、n−GaAs層7及びGaAsキャップ層8を形成し、このGaAsキャップ層8上にソース電極9及びドレイン電極10を形成している。
上部面の全体に感光膜(図示せず)を形成した後、パターニングし、パターニングされた感光膜をマスクとして用いたエッチング工程によりチャンネル領域の前記エッチング停止層6が露出するように、GaAsキャップ層8及びn−GaAs層7をパターニングして、二重構造のリセス構造を形成している。
その後、二重リセス構造が埋め込まれるように、上部面の全体に金属を蒸着した後、所定の感光膜パターンをマスクとして用いたエッチング工程により金属をパターニングし、二重構造のリセス構造によりエッチング停止層6に連結されるようにゲート電極11を形成している。
米国特許第6,242,293号明細書
しかしながら、上述したような従来の製造方法は、ウェットエッチングを用いて二重構造のリセス構造を形成するので、GaAsキャップ層8及びn−GaAs層7の側面エッチングにより線幅を正確に調節することが難しく、かつ活性領域の露出による酸化などの問題により素子の電気的特性が低下する。また、基板をエッチングする過程で、アンダーカットが発生して、ゲート電極11の長さが増加し、ソース抵抗の増加を引き起こす。したがって、このような問題点により、素子の電気的特性が低下し、素子の高集積化が難しくなるという問題がある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、活性領域が露出されず、かつ素子の破壊電圧が高い不定形高電子移動度トランジスタの製造方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、ゲート電極の線幅を最小化させ、ソース及びゲート抵抗を效果的に減少させることができ、ゲート電極とソース電極及びドレイン電極間のキャパシタンスを減少させることができる不定形高電子移動度トランジスタの製造方法を提供することにある。
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、チャンネル層を有し、最上部にキャップ層が形成された基板を提供する段階と、前記キャップ層上にソース電極及びドレイン電極を形成する段階と、上部面の全体に第1保護膜を形成した後、チャンネル領域の前記キャップ層が露出するように前記第1保護膜をパターニングする段階と、露出した部分の前記キャップ層を除去して、第1リセス構造を形成する段階と、上部面の全体に第2保護膜を形成した後、前記第1リセス構造内の前記基板が露出するように前記第2保護膜をパターニングして、第2リセス構造を形成する段階と、上部面の全体に多層構造の感光膜を形成した後、前記第2リセス構造を介して前記基板が露出し、ゲート電極の形状の開口部を有するように、前記多層構造の感光膜をパターニングする段階と、前記開口部が埋め込まれるように金属を蒸着した後、前記多層構造の感光膜を除去して、前記第2リセス構造を介して前記基板に連結される前記ゲート電極を形成する段階とを有することを特徴とする。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第1及び第2保護膜は、シリコン窒化膜又はシリコン酸化膜で形成することを特徴とする。
また、請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第1及び第2保護膜は、非等方性エッチング方法でパターニングすることを特徴とする。
また、請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第1及び第2保護膜は、200乃至500Åの厚さで形成することを特徴とする。
また、請求項5に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第1リセス構造の幅は、0.5乃至0.8μm、前記第2リセス構造の幅は、0.1乃至0.15μmとなるようにすることを特徴とする。
また、請求項6に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記多層構造の感光膜は、PMMA/コポリマー/PMMA構造で形成することを特徴とする。
また、請求項7に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記ゲート電極の形状の開口部は、T字状又はキノコ形状で形成することを特徴とする。
また、請求項8に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記多層構造の感光膜をパターニングする段階を進行した後、前記開口部を介して露出する前記基板の厚さの一部をエッチングする段階をさらに有することを特徴とする。
また、請求項9に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記多層構造の感光膜は、リフト−オフ方法で除去することを特徴とする。
本発明によれば、保護膜を形成し、ドライエッチング方法で前記保護膜をエッチングして、二重構造のリセス構造を形成することによって、保護膜により活性領域が露出されないので、素子の電気的特性の低下を防止することができ、素子の破壊電圧を増加させることができる。
また、ドライエッチングを用いて形成した二重構造のリセス構造を通じて微細線幅を容易に具現することができ、それにより、ゲート電極の長さを最小化させることができ、ソース及びゲート抵抗と、ゲート電極とソース電極及びドレイン電極間のキャパシタンスを效果的に減少させることができる。従って、優れた電気的特性と高い高周波及び高速特性を有し、高周波用素子への応用が可能な不定形高電子移動度トランジスタを容易に具現することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
以下で説明する実施例は、当業者に本発明の思想が十分に伝達され得るようにするために一例として提示されるものである。したがって、本発明は、以下で説明する実施例に限らず、様々な変形が可能である。なお、図面において、或る層が他の層上に位置すると記述されている場合、他の層上に直接に形成されることができ、又はそれらの間に第3の層が介在されることもできる。また、図面で、各層の厚さや大きさは、説明の便宜及び明確を図るために、誇張して図示している。なお、本明細書において、同一の参照番号は、同一の構成要素を示している。
図2a乃至図2kは、本発明に係る不定形高電子移動度トランジスタ製造方法の一実施例を説明するための工程断面図である。
図2aを参照すれば、まず、半絶縁基板20上に、GaAs層21aと、AlGaAs/GaAs超格子層21bと、ドーピングしないAlGaAs層21cと、Si面ドーピング層21d及びAlGaAsスペーサ層21eを形成し、このAlGaAsスペーサ層21e上にチャンネル層22を形成する。
次に、このチャンネル層22上に、キャリアが基板20へ移動することを防止し、チャンネル層22とのバッファ層の役目をするAlGaAsスペーサ層23aを形成し、このAlGaAsスペーサ層23a上に、Si面ドーピング層23b及びゲートとショットキー接合を果たすためのAlGaAsショットキー層23cを形成する。
次に、AlGaAsショットキー層23c上にキャップ層24を形成した後、キャップ層24上にソース電極25及びドレイン電極26を形成する。
基板20は、GaAs基板を使用し、GaAs層21aと、AlGaAs/GaAs超格子層21bと、ドーピングしないAlGaAs層21cと、Si面ドーピング層21dと、AlGaAsスペーサ層21eと、チャンネル層22と、AlGaAsスペーサ層23aと、Si面ドーピング層23b及びAlGaAsショットキー層23cは、エピー成長法で形成することができる。
チャンネル層22は、InGaAs層で形成し、キャップ層24は、N+ドーピングしたGaAs層で形成する。ソース電極25及びドレイン電極26は、AuGe/Ni/Auなどの金属で形成し、金属を蒸着した後、急速熱処理して合金に作る。
図2bを参照すれば、ソース電極25及びドレイン電極26を含む上部面の全体に第1保護膜27を200乃至500Åの厚さで形成する。この第1保護膜27は、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜で形成することができ、プラズマ化学気相蒸着(PECVD;Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)又はスパッターなどの方法で蒸着する。
図2cを参照すれば、第1保護膜27上に感光膜28を形成した後、パターニングして、ソース電極25とドレイン電極26間のチャンネル領域の第1保護膜27を露出させる。この時、ゲート電極(図示せず)がキャップ層24と接触しないようにするために、感光膜28の開口部の幅w1が0.5乃至0.8μm程度となるようにする。感光膜28は、塗布後、硬化(baking)させ、パターニング工程は、所定のマスクを用いた露光及び現像工程により進行する。
図2dを参照すれば、パターニングされた感光膜28をマスクとして用いたドライエッチング工程により、露出された部分の第1保護膜27を除去する。ドライエッチング工程は、非等方性エッチングが行われることができる反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching)方法を利用し、この時、キャップ層24は、損傷されず、かつ第1保護膜27は完全に除去され得る条件で過度エッチングを実施する。
図2eを参照すれば、パターニングされた感光膜28をマスクとして用いたドライエッチング工程により、露出された部分のキャップ層24を除去する。ドライエッチング工程は、ECR(Electron Cyclotron Resonance)方法を利用し、この時、BCl3/SF6ガスを用いてキャップ層24だけがエッチングされようにすることが好ましい。
図2fを参照すれば、感光膜28を除去すれば、0.5乃至0.8μm程度の幅w1を有する第1リセス構造が完成される。第1保護膜27を用いて第1リセス構造を形成することによって、キャップ層24間の間隔が広く維持され、素子の破壊電圧が高くなることができ、活性領域が第1保護膜27で保護され、後続工程での酸化が防止される。
図2gを参照すれば、上部面の全体に第2保護膜29を200乃至500Åの厚さで形成する。第2保護膜29は、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜で形成することができる。
図2hを参照すれば、上部面の全体に厚さが約2500Åの感光膜30を形成した後、パターニングして、第1リセス構造内の第2保護膜29を露出させる。この時、電子ビームを用いた露光(照射)及び現像工程を用いて感光膜30の開口部の幅w2が開口部の幅w1より小さい0.1乃至0.15μm程度の微細線幅となるように感光膜30をパターニングする。感光膜30には、PMMA(Poly Methyl Methacrylate)を利用し、塗布後、硬化工程を進行する。
次いで、非等方性エッチングが行われることができる反応性イオンエッチング方法を用いたドライエッチング工程により、露出された部分の第2保護膜29を除去し、ショットキー層23cを露出させる。この時、ショットキー層23cは損傷されず、かつ第2保護膜29は完全に除去できる条件で過度エッチングを実施する。その後、感光膜30を除去する。
感光膜30を除去すれば、0.1乃至0.15μm程度の幅を有する第2リセス構造が完成される。第2保護膜29を用いて第1リセス構造内に微細線幅の第2リセス構造を形成することによって、ゲート電極の長さを最小化させることができる。
図2iを参照すれば、上部面の全体に三重層構造の感光膜31乃至33を形成した後、T字状ゲート電極を形成するためのマスクを使用して感光膜31乃至33をパターニングする。T字状ゲート電極を容易に形成するために、感光膜31及び33にはPMMAを利用し、感光膜32にはコポリマーを利用する。感光膜31乃至33は、各々2500Å、10000Å及び1400Åの厚さで塗布した後、硬化させ、パターニング工程は、電子ビームを用いた露光(照射)及び現像工程により進行する。
上述したように、T字状ゲート電極の形状の開口部を有するように感光膜33,32,31をパターニングすることによって、感光膜31により第2リセス構造を介してショットキー層23cに連結されるゲート電極のレッグ部が定義され、感光膜32によりゲート電極のヘッド部が定義される。感光膜33は、後続の金属リフト−オフ工程を容易にするために使われる。
ここで、感光膜31の開口部の幅w3を第2リセス構造の幅w2より広く、例えば、0.3乃至0.4μm程度となるようにすれば、ゲート電極の断面積が増加し、抵抗が減少する。
図2jを参照すれば、電子サイクロトロン共鳴(Electron Cyclotron Resonance、ECR)を用いたドライエッチング方法で、露出された部分のショットキー層23cの厚さの一部をエッチングする。この時、ショットキー層23cだけがエッチングされるようにするためにBCl3/SF6などのガスを使用する。エッチング過程により、第2リセス構造の幅w2と同じ0.1乃至0.15μm程度の微細線幅を有する第3リセス構造を形成することによって、ソース電極25とドレイン電極26間に流れる電流を所望に応じて調節することができるようになる。
図2kを参照すれば、パターニングされた感光膜31乃至33の開口部が埋め込まれるように、上部面の全体に厚さが6000乃至7000Åの金属を蒸着した後、リフト−オフ工程により、感光膜33、32及び31及び感光膜33上に蒸着された金属を除去すれば、T字状ゲート電極34が形成される。金属は、Ti/Pt/Auなどを使用し、電子線真空蒸着法で蒸着する。
図3は、本発明の製造方法によって製造された不定形高電子移動度トランジスタの電気的特性を説明するためのグラフを示す図で、ドレイン電極に1.5Vの電圧が印加された状態でのゲート電圧によるトランスコンダクタンスGm及びドレイン電流Idsの変化を示している。ゲート電圧が増加するほどドレイン電流が増加し、ゲート電圧が0.4Vの時、トランスコンダクタンスGmが最大値765mS/mmを示すことが分かる。
図4は、本発明の製造方法によって製造された不定形高電子移動度トランジスタのドレイン電流−電圧特性を説明するためのグラフを示す図で、素子のニー電圧(knee voltage)は0.5Vと測定され、ピンチ−オフ電圧Vpは、0.9Vと測定され、ゲート電圧が0V、ドレイン電圧が5Vで、ドレイン電流の電流密度は約250mA/mmと測定された。
図5は、本発明の製造方法によって製作された不定形高電子移動度トランジスタの高周波特性を説明するためのグラフを示す図で、ドレイン電圧が1.2V、ゲート電圧が0.4Vの時、素子の遮断周波数fT及び最大共振周波数fmaxは、各々124GHz及び247GHzと測定された。このような結果は、ゲート電極34とソース電極25及びドレイン電極26間に形成された第1及び第2保護膜27及び29による寄生キャパシタンスの減少によって得られるものと推定され、このような結果から、本発明による不定形高電子移動度トランジスタは、高い高周波及び高速特性を有することが分かり、これにより、高周波用素子への応用が可能であることを確認することができる。
以上において説明した本発明は、本発明が属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形及び変更が可能であるので、上述した実施例及び添付された図面に限定されるものではない。
従来の不定形高電子移動度トランジスタの製造方法の一例を説明するための断面図である。 本発明に係る不定形高電子移動度トランジスタの製造方法の一実施例を説明するための工程断面図(その1)である。 本発明に係る不定形高電子移動度トランジスタの製造方法の一実施例を説明するための工程断面図(その2)である。 本発明に係る不定形高電子移動度トランジスタの製造方法の一実施例を説明するための工程断面図(その3)である。 本発明に係る不定形高電子移動度トランジスタの製造方法の一実施例を説明するための工程断面図(その4)である。 本発明に係る不定形高電子移動度トランジスタの製造方法の一実施例を説明するための工程断面図(その5)である。 本発明に係る不定形高電子移動度トランジスタの製造方法の一実施例を説明するための工程断面図(その6)である。 本発明に係る不定形高電子移動度トランジスタの製造方法の一実施例を説明するための工程断面図(その7)である。 本発明に係る不定形高電子移動度トランジスタの製造方法の一実施例を説明するための工程断面図(その8)である。 本発明に係る不定形高電子移動度トランジスタの製造方法の一実施例を説明するための工程断面図(その9)である。 本発明に係る不定形高電子移動度トランジスタの製造方法の一実施例を説明するための工程断面図(その10)である。 本発明に係る不定形高電子移動度トランジスタの製造方法の一実施例を説明するための工程断面図(その11)である。 本発明の製造方法によって製造された不定形高電子移動度トランジスタの電気的特性を説明するためのグラフを示す図である。 本発明の製造方法によって製造された不定形高電子移動度トランジスタのドレイン電流−電圧特性を説明するためのグラフを示す図である。 本発明の製造方法によって製作された不定形高電子移動度トランジスタの高周波特性を説明するためのグラフを示す図である。
符号の説明
1,20 基板
2,22 チャンネル層
3 AlGaAsスペーサ層
4 Siデルタドーピング層
5 n−AlGaAs層
6 エッチング停止層
7 n−GaAs層
8 GaAsキャップ層
9,25 ソース電極
10,26 ドレイン電極
11,34 ゲート電極
21 バッファ層
21a GaAs層
21b AlGaAs/GaAs超格子層
21c AlGaAs層
21d,23b Si面ドーピング層
21e,23a AlGaAsスペーサ層
23c AlGaAsショットキー層
24 キャップ層
27 第1保護膜
28,30乃至33 感光膜
29 第2保護膜

Claims (9)

  1. チャンネル層を有し、最上部にキャップ層が形成された基板を提供する段階と、
    前記キャップ層上にソース電極及びドレイン電極を形成する段階と、
    上部面の全体に第1保護膜を形成した後、チャンネル領域の前記キャップ層が露出するように前記第1保護膜をパターニングする段階と、
    露出した部分の前記キャップ層を除去して、第1リセス構造を形成する段階と、
    上部面の全体に第2保護膜を形成した後、前記第1リセス構造内の前記基板が露出するように前記第2保護膜をパターニングして、第2リセス構造を形成する段階と、
    上部面の全体に多層構造の感光膜を形成した後、前記第2リセス構造を介して前記基板が露出し、ゲート電極の形状の開口部を有するように、前記多層構造の感光膜をパターニングする段階と、
    前記開口部が埋め込まれるように金属を蒸着した後、前記多層構造の感光膜を除去して、前記第2リセス構造を介して前記基板に連結される前記ゲート電極を形成する段階と
    を有することを特徴とする不定形高電子移動度トランジスタの製造方法。
  2. 前記第1及び第2保護膜は、シリコン窒化膜又はシリコン酸化膜で形成することを特徴とする請求項1に記載の不定形高電子移動度トランジスタの製造方法。
  3. 前記第1及び第2保護膜は、非等方性エッチング方法でパターニングすることを特徴とする請求項1に記載の不定形高電子移動度トランジスタの製造方法。
  4. 前記第1及び第2保護膜は、200乃至500Åの厚さで形成することを特徴とする請求項1に記載の不定形高電子移動度トランジスタの製造方法。
  5. 前記第1リセス構造の幅は、0.5乃至0.8μm、前記第2リセス構造の幅は、0.1乃至0.15μmとなるようにすることを特徴とする請求項1に記載の不定形高電子移動度トランジスタの製造方法。
  6. 前記多層構造の感光膜は、PMMA/コポリマー/PMMA構造で形成することを特徴とする請求項1に記載の不定形高電子移動度トランジスタの製造方法。
  7. 前記ゲート電極の形状の開口部は、T字状又はキノコ形状で形成することを特徴とする請求項1に記載の不定形高電子移動度トランジスタの製造方法。
  8. 前記多層構造の感光膜をパターニングする段階を進行した後、前記開口部を介して露出する前記基板の厚さの一部をエッチングする段階をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の不定形高電子移動度トランジスタの製造方法。
  9. 前記多層構造の感光膜は、リフト−オフ方法で除去することを特徴とする請求項1に記載の不定形高電子移動度トランジスタの製造方法。
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