JP2721513B2 - 化合物半導体装置の製造方法 - Google Patents

化合物半導体装置の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [概要] 分子線エピタキシャル成長した化合物半導体層を用
い、素子分離領域を備えた半導体装置の製造方法に関
し、 制限した素子分離領域で良好にサイドゲート効果を低
減できる半導体装置の製造方法を提供することを目的と
し、 半絶縁性化合物半導体の基板上にノンドープ化合物半
導体のバッファ層をサイドゲート効果を低減する低い基
板温度で分子線エピタキシャル成長する工程と、基板温
度を連続的あるいは段階的に所定温度まで上げて、該バ
ッファ層上に化合物半導体の中間層および化合物半導体
の能動層を分子線エピタキシャル成長する工程と、 該能動層を貫通して、下の該中間層の途中まで達する
素子分離領域を形成する工程とを含むように構成する。
[産業上の利用分野] 本発明は、化合物半導体を用いた化合物半導体装置の
製造方法に関し、特に分子線エピタキシャル成長した化
合物半導体層を用い、素子分離領域を備えた化合物半導
体装置の製造方法に関する。
近年コンピュータの高速化の要求に伴い、動作速度の
速い化合物半導体を分子線エピタキシャル成長(MBE)
した半導体構造を用いたMESFET,HEMT等の集積回路が多
く生産されており、これらの集積回路の高速化、生産コ
ストの低下のためには分離領域の面積を制限した高集積
化が必要となっている。
[従来の技術] 分子線エピタキシャル成長した化合物半導体を用いた
従来の化合物半導体装置としては、MESFET,HEMT等があ
る。以下、例としてGaAsとAlGaAsを用いたHEMTを第5図
を参照して説明する。分離領域を挾んで2つの同等構成
のトランジスタTr1,Tr2が形成されている。
半絶縁性GaAsの基板31上に分子線エピタキシャル成長
法(MBE)により、例えば第5図右部分に概略を示すよ
うに基板温度680℃でノンドープのi(intrinsic真性)
型GaAs層32,n型Al0.3Ga0.7As層33、n型GaAs層34を次々
に積層してある。その後、化学エッチング又は不活性化
O+イオン注入等でi型GaAs層32の途中まで達する素子分
離領域36を形成し、電極37,38,39を形成してある。ソー
ス電極37、ドレイン電極38はAuGe及びAuで構成し、ゲー
ト電極39はn型GaAs層34をリセスエッチング後、ショッ
トキ金属、例えばAlを堆積して形成する。
[発明が解決しようとする課題] 上述の従来技術によると、素子分離が完全でなく、素
子分離領域を隔てた半導体素子相互の干渉が起こりやす
かった。従って、素子間の干渉を避けるには、素子分離
領域の幅を数μm〜数十μmにする必要があった。
すなわち、素子分離の不完全性により、サイドゲート
効果と呼ばれる現象が見られた。この現象は、素子分離
領域36を隔てた2つのトランジスタT1r,Tr2が互いに干
渉する現象である。たとえば、第5図の第1のトランジ
スタTr1のソース電圧を0V、ドレイン電圧を1Vとした
時、その閾値電圧が約1μm幅の分離領域を隔てた第2
のトランジスタTr2のソース電圧によって変化してしま
う。この閾値変化の測定結果を第6図に示す。
第6図において、横軸は第2のトランジスタTr2のソ
ース電流に加えた電圧をボルトで表し、縦軸は第1のト
ランジスタTr2の閾値をボルトで表す。すなわち、縦軸
の値の変化が本来は一定であることが望まれる閾値の変
化を表す。第2のトランジスタTr2のソース電圧の絶対
値が僅かに0Vから1Vに向かって上昇するにつれ、第1の
トランジスタTr1の閾値電圧は顕著に変化してしまうの
が認められる。この現象は素子分離領域の幅が狭くなる
とさらに大きくなる。隣(サイド)の素子のバイアス
が、あたかもゲート電圧のように働くのでサイドゲート
効果と呼ばれる。
したがって、このような素子を集積化する場合、サイ
ドゲート効果が生じないよう、ないしは影響しない程度
まで低減するよう素子分離領域36の幅を広げる必要があ
った。たとえば、第2のトランジスタTr2に−3V印加さ
れる場合、第1、第2のトランジスタTr1,Tr2間の素子
分離幅は数十μmも必要になる。
サイドゲート効果の原因の1つとして、基板31とノン
ドープ化合物半導体層32の界面が考えられている(IEE
E,Electron Device Letters,vol.EDL−8,No.6,p280(19
87))。
そこで、界面を分離させるため、第7図のように、素
子分離領域36をノンドープ化合物半導体層32を貫通させ
て、基板31内にまで達するように形成することによりサ
イドゲート効果を低減することが考えられる。しかし、
表面から基板31までの深さは通常1μm程度はある。こ
の深さの素子分離をエッチングで行う場合は、後に残る
段差により、配線金属の段切れが生じ、信頼性が得られ
ない。そこでイオン注入により、素子分離を行うことが
考えられるが、イオンの横方向の拡がりのため、たとえ
ば3μm程度の、広い素子分離領域の幅が必要となって
しまう。
このように、従来技術によれば、素子分離領域を制限
して良好な素子分離を行うことはできなかった。
本発明の目的は、制限した素子分離領域で良好にサイ
ドゲート効果を低減できる半導体装置の製造方法を提供
することである。
[課題を解決するための手段] 第1図のごとく、半絶縁性化合物半導体基板1上にノ
ンドープ化合物半導体のバッファ層2をサイドゲート効
果を低減する低い基板温度で分子線エピタキシャル成長
する。その上に化合物半導体の中間層12を基板温度を連
続的あるいは段階的に所定温度まで上昇しながら分子線
エピタキシャル成長した層で構成する。中間層12の上に
能動層3を分子線エピタキシャル成長する。能動層3を
貫通し、少なくとも中間化合物半導体層12の途中まで達
する素子分離領域6を設ける。
また、半絶縁性化合物半導体の基板1の上に、サイド
ゲート効果を低減する低い基板温度でノンドープ化合物
半導体のバッファ層2を分子線エピタキシャル成長法で
成長し、基板温度を連続的或いは段階的に上昇して化合
物半導体の中間層12、化合物半導体の能動層3を分子線
エピタキシャル成長する。能動層3を貫通し、少なくと
も中間化合物半導体層12の途中まで達する分離領域6を
形成する。
[作用] 低い基板温度で分子線エピタキシャル成長したノンド
ープ化合物半導体層は、高電界下のキャリア移動に対
し、優れた遮蔽効果を有すると考えられる。これにより
サイドゲート効果を減ずることができる。
この様なノンドープ化合物半導体層を有する半導体装
置においては、素子分離領域を基板まで達しさせる必要
はない。能動層を貫通し、下の中間層の途中まで達する
素子分離領域を設ければ十分な素子分離効果が得られ
る。
[実施例] 第2図(A),(B),(C)は本発明の実施例によ
るHEMT素子の製造工程のいくつかの段階について示して
いる。
半絶縁性GaAs基板21を分子線エピタキシャル成長(MB
E)装置内に設置し、基板温度を約200℃として、第2図
(A)に示すように、ノンドープGaAsのバッファ層22a
を約500ÅMBE法でエピタキシャル成長する。
後にさらに説明するように、このような低い基板温度
で成長したノンドープ半導体のバッファ層はサイドゲー
ト効果を低減することができる。このバッファ層22aの
厚さは良好なサイドゲート効果の防止のためには200Å
以上あることが望ましい。
低い基板温度とは高々400℃の温度であり、好ましく
は約300℃以下、より好ましくは約200℃程度以下の温度
である。但し、150℃より低くない温度である。
サイドゲート効果は、高電界の下でキャリアが移動
し、素子下の基板あるいは基板・MBE層界面のある種の
トラップに蓄積されてポテンシャルが変化してしまうと
考えると説明ができる。
低い基板温度で成長したMBEエピタキシャル成長層は
多くの欠陥を導入すると考えられる。このような結晶欠
陥に付随して、深い準位のキャリアトラップが形成され
ると考えられる。このような深い準位のキャリアトラッ
プを多数含む半導体層は以下のように高電界下でのキャ
リア移動に対して優れた遮蔽効果を持つと考えられる。
深い準位のキャリアトラップは、電子等のキャリアが移
動してくると、それらのキャリアを捕らえ、強く束縛す
る。これにより、キャリアの通過を阻止することができ
る。このようにして、基板とその上のノンドープ化合物
半導体層との界面に起因すると考えられるサイドゲート
効果の原因を遮蔽することができるものと考えられる。
良好な半導体装置を形成するためにはノンドープ化合
物半導体のバッファ層は単結晶であって、その上に結晶
性の良い化合物半導体の能動層が成長できなくてはなら
ない。低い基板温度とは、このような深い準位のキャリ
アトラップを多数形成しつつ、MBE法で単結晶を成長さ
せる温度である。
低い基板温度でノンドープGaAsのバッファ層22aを成
長した後、第2図(B)に示すように、基板温度を連続
的に上昇しつつノンドープGaAs層22bを成長し、基板温
度を680℃で一定としさらにノンドープGaAs層22cを成長
する。GaAs層22b、22cを合計5500Åの厚さ形成する。つ
ぎに、基板温度を680℃に保ったまま、Siを2×1018cm
-3ドープしたn型Al0.3Ga0.7As層23を厚さ400Å、同様
にSiをドープしたn型GaAs層24を1000Å成長する。
ノンドープGaAs層22cとn型AlGaAs層23との接触電位
と不純物濃度との差等により、ノンドープGaAs層22cの
表面近傍に2次元キャリア(この場合は電子)ガス25が
生成する。
第2図(C)に示すように、まず、2つのトランジス
タTr1とTr2との間に、O+イオンを打ち込んで、素子分離
領域26を形成する。素子分離領域26は能動層23,24を貫
通し、その下のi型GaAs層22c表面の2次元キャリアガ
ス25の下まで到達する。次に、n型GaAs層24の上にソー
ス電極27、ドレイン電極28を形成し、n型GaAs層24をリ
セスエッチングして、ゲート電極29を形成する。ソース
電極27、ドレイン電極28は、たとえばn型GaAs層24に45
0℃で合金化された厚さ約4000ÅのAuGeおよびAu層であ
り、ゲート電極29は、たとえば厚さ約4000ÅのAl層であ
る。
この構造の上にSiO2などの層間絶縁膜、電極間を接続
する配線金属層など(図示せず)が形成されて集積回路
を構成する。
一方GaAs層22c,n型AlGaAs層23、n型GaAS層24をMBE成
長する温度は、結晶欠陥を積極的に作るノンドープのGa
ASのバッファ層22aの成長と異なり、良好な結晶性の半
導体層をMBE成長するものである。680℃に限らず500〜7
00℃の範囲から選ぶことができる。
第3図に他の実施例による化合物半導体装置の断面図
を示す。第2図(B)においては、まず基板温度を所定
基板温度まで連続的に上昇させつつi型GaAs層22bをMBE
成長した後、さらに所定基板温度でGaAs層22cをMBE成長
したが、第3図の実施例では、低い基板温度200℃でi
型GaAs層22aを成長した後、段階的に680℃まで昇温し、
i型GaAs層22cを約0.5μmMBE成長する。その他は第2図
の実施例と同様である。
第3図に示す構成の化合物半導体装置において、第1
のトランジスタTr1のソース電圧、ドレイン電圧をそれ
ぞれ0.1Vとして、第2のトランジスタTr2のソース電極
に印加した電圧を変化させ、第1のトランジスタTr1の
閾値を測定した。ここで、測定に用いた半導体装置の素
子分離幅は1μmであった。測定結果を第4図に示す。
第4図において、横軸は第2のトランジスタのソース
電極に印加した電圧を表し、縦軸は第1のトランジスタ
の閾値を表す。第6図の従来技術による例の場合には、
第2のトランジスタのソース電圧の大きさが0から大き
くなると直ちにサイドゲート効果が観察されたが、第4
図の場合は第2のトランジスタのソース電圧が約−4Vま
では閾値は変化を示さず、ほとんどサイドゲート効果を
示していない。従来例と比較したとき、上記実施例によ
りサイドゲート効果を大巾に低減できることが判る。
なお、単独のトランジスタとしての性能の低下は見ら
れず、ノンドープGaAs層22aを200℃で成長したことによ
る影響は、その上に昇温した基板温度でi型GaAs層22c
を成長した後、能動層23,24を形成することによって、
防止できたものと考えられる。
酸素イオンO+打ち込みによる素子分離領域の深さを2
次元キャリアガス25の下までとできたので、素子分離領
域の幅も約1μmとすることができた。
また、能動層下のi型GaAs層22cに、短チャネル効果
を防止するためのp型GaAs層あるいはAlGaAs層を挿入す
ることも可能である。
なお、HEMTの場合を説明したが、本発明がこれに限ら
ないのは自明であろう。たとえば、通常のFETを作るこ
ともできる。この場合は、たとえばGaAs基板上に低い基
板温度でノンドープi型GaAs層をMBE成長し、さらに基
板温度を上げてi型GaAs層を成長し、さらにn型GaAs層
を成長してチャネルを形成する活性層とすることができ
る。
以上、いくつかの実施例にそって本発明を説明した
が、本発明の精神から逸脱することなく、種々の組み合
わせ、変更、修正等ができることは当業者に自明であろ
う。
[発明の効果] 素子の性能劣化を伴わずに、制限した素子分離領域で
サイドゲート効果を低減した、素子分離の良好な半導体
装置が得られる。
集積回路化した時に、高集積度を実現できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の原理図、 第2図(A),(B),(C)は本発明の実施例による
半導体装置の製造方法を示す断面図、 第3図は、本発明の他の実施例による半導体装置の断面
図、 第4図は第3図の構成の具体例によるサイドゲート効果
低減の程度を表す測定データを示すグラフ、 第5図は、従来技術による半導体装置の断面図、 第6図は、第5図の従来例の構成例による半導体装置の
サイドゲート効果を表す測定データを示すグラフ、 第7図は第5図の半導体装置の素子分離領域を深くした
場合の構成を示す断面図である。 図において、 1,21……半絶縁性半導体基板 2,22a……低い基板温度でMBE法によって成長したノンド
ープ化合物半導体のバッファ層 3,23,24……化合物半導体の能動層 6,26……素子分離領域 12,22b,22c……化合物半導体の中間層 25……2次元キャリアガス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石川 知則 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半絶縁性化合物半導体の基板上にノンドー
    プ化合物半導体のバッファ層をサイドゲート効果を低減
    する低い基板温度で分子線エピタキシャル成長する工程
    と、 基板温度を連続的あるいは段階的に所定温度まで上げな
    がら、該バッファ層上に化合物半導体の中間層を分子線
    エピタキシャル成長する工程と、 該中間層上に化合物半導体の能動層を分子線エピタキシ
    ャル成長する工程と、 該能動層を貫通して、下の該中間層の途中まで達する素
    子分離領域を形成する工程と、 を含むことを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
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JP2713122B2 (ja) * 1993-10-26 1998-02-16 日本電気株式会社 半導体装置の製造方法
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