JP2668418B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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【発明の詳細な説明】 〔概要〕 III−V族化合物半導体からなるチャネル層及びキャ
リヤ供給層のヘテロ界面近傍に於けるチャネル層側に生
成される二次元キャリヤ・ガスをチャネルとして利用す
る半導体装置の改良に関し、 ゲート・リセスを形成する為のエッチング停止層に起
因するソース抵抗値の増加が皆無である半導体装置を提
供することを目的とし、 第一のGaAs層上にAlGaAs層と第二のGaAs層とInxGa1-x
As(x=0.2〜0.5)層と第三のGaAs層とが順に積層され
たヘテロ接合構造と、前記第三のGaAs層上に形成されソ
ース及びドレインをなすオーミック電極とを備え、前記
第一のGaAs層と前記AlGaAs層とのヘテロ界面近傍の該第
一のGaAs層側に二次元キャリヤ・ガス層が生成されるよ
う構成する。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、III−V族化合物半導体からなるチャネル
層及びキャリヤ供給層のヘテロ界面近傍に於けるチャネ
ル層側に生成される二次元キャリヤ・ガスをチャネルと
して利用する半導体装置の改良に関する。
この種の半導体装置として高電子移動度トランジスタ
(high electron mobility transistor:HEMT)と呼
ばれている電界効果トランジスタが知られていて、この
トランジスタは、二次元電子ガスに於ける電子の移動度
が極めて速いことを利用して動作を高速化したものであ
り、現在、特に集積化した場合の特性を向上することが
望まれている。
〔従来の技術〕
一般に、エンハンスメント/デプレション(E/D)型
トランジスタは集積回路の基本になっていることは云う
までもなく、前記HEMTも例外ではない。
第2図は従来のE/D型HEMTを説明する為の要部切断側
面図を表している。
図に於いて、1は半絶縁性GaAs基板、2はノン・ドー
プGaAsチャネル層、3はn型AlGaAsキャリヤ供給層、4
はn型GaAsE/D間差電圧生成層、5はn型AlGaAsエッチ
ング停止層、6はn型GaAsキャップ層、7は酸素を導入
した素子間分離領域、8はエンハンスメント型トランジ
スタ部分のソース電極、9はエンハンスメント型トラン
ジスタ部分のドレイン電極、10はデプレション型トラン
ジスタ部分のソース電極、11はデプレション型トランジ
スタ部分のドレイン電極、12はエンハンスメント型トラ
ンジスタ部分のゲート電極、13はデプレション型トラン
ジスタ部分のゲート電極、14は二次元電子ガス層、14A
は二次元電子ガス層が生成されない箇所、Eはノーマリ
・オフ型であるエンハンスメント型トランジスタ部分、
Dはノーマリ・オン型であるデプレション型トランジス
タ部分をそれぞれ示している。
このE/D型HEMTを製造する工程は次の通りである。
(1) 分子線エピタキシャル成長(molecular beam
epitaxy:MBE)法或いは有機金属化学気相堆積(metal
organic chemical vapor deposition:MOCVD)法など
適宜の技法を適用することに依り、半絶縁性GaAs基板1
にノン・ドープGaAsチャネル層2、n型AlGaAsキャリヤ
供給層3、n型GaAsE/D間差電圧生成層4、n型AlGaAs
エッチング停止層5、n型GaAsキャップ層6を成長させ
る。
(2) 通常のフォト・リソグラフィ技術に於けるレジ
スト・プロセス及びイオン注入法などを適用することに
依り、酸素イオンの打ち込みを行って素子間分離領域7
を形成する。
(3) スパッタリング法及び通常のフォト・リソグラ
フィ技術に於けるレジスト・プロセス及びリフト・オフ
法などを適用することに依り、AuGeからなるソース電極
8、ドレイン電極9、ソース電極10、ドレイン電極11な
どのオーミック電極を形成する。
(4) 通常のフォト・リソグラフィ技術に於けるレジ
スト・プロセスを適用することに依り、ゲート・リセス
形成予定領域に開口を有するフォト・レジスト膜を形成
する。
(5) エッチング・ガスをCCl2F2+Heとするドライ・
エッチング法を適用することに依り、前記工程(4)で
形成したフォト・レジスト膜をマスクとしてn型GaAsキ
ャップ層6の選択的エッチングを行ってゲート・リセス
6A及び6Bを形成する。尚、このエッチングはn型AlGaAs
エッチング停止層5の表面で自動的に停止する。
(6) エッチャントを例えばH2SO4+H2O+H2O2とする
ウエット・エッチング法を適用することに依り、ゲート
・リセス6A並びに6B内に表出されているn型AlGaAsエッ
チング停止層5をエッチングして除去する。
(7) さきに形成したフォト・レジスト膜を除去して
から改めて同様なレジスト・プロセスを適用し、デプレ
ション型トランジスタ部分Dのゲート電極パターンに対
応する開口を有するフォト・レジスト膜を形成する。
(8) スパッタリング法を適用することに依り、例え
ばAl膜を形成し、前記工程(7)で形成したフォト・レ
ジスト膜を溶解・除去を行って該Al膜をリフト・オフ法
でパターニングし、デプレション型トランジスタ部分D
のゲート電極13を形成する。
(9) 前記工程(7)で形成したフォト・レジスト膜
を除去してから更に改めて同様なレジスト・プロセスを
適用し、エンハンスメント型トランジスタ部分Eのゲー
ト電極パターンに対応する開口を有するフォト・レジス
ト膜を形成する。
(10) 再び、エッチング・ガスとしてCCl2F2+Heを用
いるドライ・エッチング法を適用することに依り、前記
工程(9)で形成したフォト・レジスト膜をマスクとし
てn型GaAsE/D間差電圧生成層4の選択的エッチングを
行ってゲート・リセス6Aを深くする。尚、このエッチン
グはn型AlGaAsキャリヤ供給層3の表面で自動的に停止
する。
(11) スパッタリング法を適用することに依り、ゲー
ト・リセス6Aを深くエッチングした際のマスクであるフ
ォト・レジスト膜をそのまま残した状態でAl膜を形成
し、該フォト・レジスト膜を溶解・除去することでAl膜
のリフト・オフ法に依るパターニングを行い、エンハン
スメント型トランジスタ部分Eのゲート電極12を形成す
る。
図から明らかであるが、デプレション型トランジスタ
部分Dに於いては、ゲート電極13の直下からGaAsチャネ
ル層2に至るまでの間にn型GaAsE/D間差電圧生成層4
とn型AlGaAsキャリヤ供給層3とが存在している為、Ga
Asチャネル層2のヘテロ界面近傍には二次元電子ガス層
14が生成されノーマリ・オン型のHEMTとなる。また、エ
ンハンスメント型トランジスタ部分Eに於ける二次元電
子ガス層14は、ゲート電極12の直下に対応する部分に記
号14Aで指示してあるように切れていて、所謂、ノーマ
リ・オフ型のHEMTになっている。
このように、従来のE/D型HEMTに於いては、GaAsとAlG
aAsとの間にドライ・エッチングのエッチング・レート
に大きな差があることを利用して同一基板にE型HEMTと
D型HEMTとを作り分けている。
〔発明が解決しようとする課題〕
前記説明したE/D型HEMTに於いては、その製造には不
可欠であるエッチング停止層5の存在で、電子がオーミ
ック電極からチャネルである二次元電子ガス層に到達す
るまでの間に障壁が生成されてしまう旨の問題がある。
第3図は第2図に見られるE/D型HEMTに於けるオーミ
ック電極、例えば、ソース電極8から基板1側を見た場
合のエネルギ・バンド・ダイヤグラムを表し、第3図に
於いて用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ
意味を持つものとする。
図に於いて、EFはフェルミ・レベル、ECは伝導帯の底
をそれぞれ示している。
図から判るように、ソース電極8からキャップ層6に
注入された電子がE/D間差電圧生成層4へと流れる間に
エッチング停止層5がバリヤとして存在する為、その間
の抵抗値は大きくなっている。この抵抗値は、HEMTの場
合、ソース抵抗の増加となって現れ、デバイス特性、例
えば相互コンダクタンスgmなどの劣化を生ずる。
本発明は、ゲート・リセスを形成する為のエッチング
停止層に起因するソース抵抗値の増加が皆無である半導
体装置を提供しようとする。
〔課題を解決するための手段〕
第1図は本発明の原理を説明する為のエネルギ・バン
ド・ダイヤグラムを表し、第3図に於いて用いた記号と
同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものとす
る。
図に於いて、5′はn型InxGa1-xAsエッチング停止層
を示している。尚、この場合、x値は0.2〜0.5である。
即ち、第3図について説明した従来例に於いては、エ
ッチング停止層の構成材料としてAlGaAsを用いているの
に対し、本発明に於いては、InxGa1-xAs(x=0.2〜0.
5)を用いている。
第1図から明らかなように、GaAs及びInGaAsのヘテロ
構造では、従来のGaAs及びAlGaAsのヘテロ構造に於ける
ような障壁は存在せず、また、従来と全く同じエッチン
グ・ガスを用いてドライ・エッチングを用いても充分に
大きなエッチング・レートが得られる。
前記したようなところから、本発明に依る半導体装置
では、第一のGaAs層(例えばノン・ドープGaAsチャネル
層2)上にAlGaAs層(例えばn型AlGaAsキャリヤ供給層
3)と第二のGaAs層(例えばn型GaAsE/D間差電圧生成
層4)とInxGa1-xAs(x=0.2〜0.5)層(例えばn型In
xGa1-xAs(x=0.2〜0.5)エッチング停止層5′)と第
三のGaAs層(例えばn型GaAsキャップ層6)とが順に積
層されたヘテロ接合構造と、前記第三のGaAs層上に形成
されソース及びドレインをなすオーミック電極(例えば
ソース電極8及び10、ドレイン電極9及び11)とを備
え、前記第一のGaAs層と前記AlGaAs層とのヘテロ界面近
傍の該第一のGaAs層側に二次元キャリヤ・ガス層が生成
されるよう構成する。
〔作用〕
InGaAsはGaAsに比較して電子親和力が大きいので電子
に対する障壁にはならず、従って、抵抗値は低減され
る。また、GaAsとInGaAsとを従来のプロセスで採用して
いるエッチング・ガスと同じものでドライ・エッチング
すると、エッチング速度の比はGaAs:InGaAs=100:1の程
度になる。この理由については、InGaAsの表面にIn2O5
等の酸化膜が生成され、エッチングの進行が妨げられる
のではないかと考えられる。
ところで、InGaAsとGaAsとの間には1.5〜3.5〔%〕程
度の格子不整合があり、従って、結晶内に歪が発生し、
二次元電子ガスの特性を劣化させる虞がある。然しなが
ら、実際にInGaAsをエッチング停止層とした選択ドープ
・ヘテロ構造を作成し、van der Pauw法でホール移動
度を測定したところ、従来技術に依るものと全く変わり
ない結果を得た。これはエッチング停止層の厚さが100
〔Å〕以下に薄くしてあることから、歪が該層内で緩和
されている為と考えられる。
〔実施例〕
本発明を実施するには、例えば、第2図に見られるE/
D型HEMTに於けるエッチング停止層5の構成材料をInxGa
1-xAs(x=0.2〜0.5)とすることで足り、他は全く変
わりないものを採用することができる。
ここで、主要なデータを例示すると次の通りである。
(1) チャネル層2について 材料ノン・ドープGaAs 厚さ:5000〔Å〕 (2) キャリヤ供給層3について 材料:n型Al0.3Ga0.7As 厚さ:400〔Å〕 不純物:Si 不純物濃度:1.5×1018〔cm-3〕 (3) E/D間差電圧生成層4 材料:n型GaAs 厚さ:80〔Å〕 不純物:Si 不純物濃度:1.5×1018〔cm-3〕 (4) エッチング停止層5′について 材料:n型Al0.2Ga0.8As 厚さ:50〔Å〕 不純物:Si 不純物濃度:2×1018〔cm-3〕 (5) キャップ層6について 材料:n型GaAs 厚さ:500〔Å〕 不純物:Si 不純物濃度:1.5×1018〔cm-3〕 本実施例を製造するプロセスは第2図について説明し
た従来例と全く変わらず、5〔cm〕ウエハ(2〔吋〕ウ
エハ)の全面に亙り、E型HEMTとD型HEMTとを作り分け
ることができた。
本実施例の特性を従来例のそれと比較して示すと次の
通りである。
本発明 従来例 Rs〔Ω・mm〕 1.33 1.44 K 〔mA/V2・mm〕 230 218 gm〔nS/mm〕 220 208 これから明らかなように、ソース抵抗Rsの低減と、そ
れに伴うK値及び相互コンダクタンスgm増加が見られ、
予想通りの結果を得ることができた。
〔発明の効果〕
本発明の半導体装置では、ゲート・リセスを形成する
為にエッチングされるGaAs層の下地としてInxGa1-xAs
(x=0.2〜0.5)からなるエッチング停止層を形成して
ある。
この構成を採ることに依り、ソース抵抗を著しく低減
させることが可能になり、従って、デバイス特性は向上
し、動作速度を更に向上することができる。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の原理を説明する為のエネルギ・バンド
・ダイヤグラム、第2図はE/D型HEMTを説明する為の要
部切断側面図、第3図は第2図に見られるE/D型HEMTの
要所に於けるエネルギ・バンド・ダイヤグラムをそれぞ
れ表している。 図に於いて、1は半絶縁性GaAs基板、2はノン・ドープ
GaAsチャネル層、3はn型AlGaAsキャリヤ供給層、4は
n型GaAsE/D間差電圧生成層、5はn型GaAsエッチング
停止層、5′はn型InxGa1-xAs(x=0.2〜0.5)エッチ
ング停止層、6はn型GaAsキャップ層、7は酸素を導入
した素子間分離領域、8はエンハンスメント型トランジ
スタ部分のソース電極、9はエンハンスメント型トラン
ジスタ部分のドレイン電極、10はデプレション型トラン
ジスタ部分のソース電極、11はデプレション型トランジ
スタ部分のドレイン電極、12はエンハンスメント型トラ
ンジスタ部分のゲート電極、13はデプレション型トラン
ジスタ部分のゲート電極、14は二次元電子ガス層、14A
は二次元電子ガス層が生成されない箇所、Eはノーマリ
・オフ型であるエンハンスメント型トランジスタ部分、
Dはノーマリ・オン型であるデプレション型トランジス
タ部分をそれぞれ示している。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第一のGaAs層上にAlGaAs層と第二のGaAs層
    とInxGa1-xAs(x=0.2〜0.5)層と第三のGaAs層とが順
    に積層されたヘテロ接合構造と、 前記第三のGaAs層上に形成されソース及びドレインをな
    すオーミック電極とを備え、 前記第一のGaAs層と前記AlGaAs層とのヘテロ界面近傍の
    該第一のGaAs層側に二次元キャリヤ・ガス層が生成され
    ること を特徴とする半導体装置。
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