JP3272259B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP3272259B2 JP07100197A JP7100197A JP3272259B2 JP 3272259 B2 JP3272259 B2 JP 3272259B2 JP 07100197 A JP07100197 A JP 07100197A JP 7100197 A JP7100197 A JP 7100197A JP 3272259 B2 JP3272259 B2 JP 3272259B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に係わ
り、特に、III −V族化合物半導体等からなる電界効果
トランジスタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来から電界効果トランジスタ(FE
T)の一種として、半絶縁性GaAs基板上に、ノンド
ープInGaAsチャネルと、InGaAsより電子親
和力が小さくn型の不純物が高濃度にドーピングされた
半導体による電子供給層とのヘテロ接合を有する高電子
移動度トランジスタ(HEMT)が知られている。HE
MTの特徴は、高純度なInGaAsチャネル層中に形
成された電子移動度が高い2次元電子ガス(2DEG)
をキャリアとすることによって、高速性や雑音特性に優
れているという点である。電子供給層の材料としては、
AlGaAs、InGaP、あるいはInGaAlPが
用いられることが多い。
【0003】図2に従来のInGaPを電子供給層とす
るHEMTの断面構造の一例を示す。このHEMTの製
造方法を以下に述べる。まず、有機金属気相成長法(M
OCVD法)等によって、半絶縁性GaAs基板201
上にノンドープGaAsバッファ層202、ノンドープ
InGaAsチャネル層203、ノンドープInGaP
スペーサー層204、Siドープn型InGaP電子供
給層205、ノンドープInGaPショットキーコンタ
クト層206、及びSiドープn型GaAsオーミック
コンタクト層208を順次形成する。
【0004】その後、GaAsオーミックコンタクト層
208上に図示しないレジストパターンを設け、電極金
属の蒸着工程、リフトオフ工程、合金化工程によりソー
ス電極209及びドレイン電極210を形成する。
【0005】さらに、電子ビーム露光により図示しない
レジストパターンを作製し、一部分だけ露出させたn型
GaAsオーミックコンタクト層208をエッチング除
去(リセスエッチング)して、ノンドープInGaPシ
ョットキーコンタクト層206の表面を露出させて、そ
の上にゲート電極211を形成する。このゲート電極2
11の材料としては、InGaPショットキーコンタク
ト層206との障壁高さやリーク電流、あるいは安定性
を考慮してTiを用いる場合が多い。
【0006】しかしながら、比較的融点が高いTiでは
あるが、InGaPに対する熱拡散は否めず、信頼性試
験の結果、しきい値電圧が変動し、しかも面内に不均一
に分布するようになった。これは、TiがInGaP層
中に不均一に拡散した結果によるものであることが明ら
かになってきた。Tiに代わる電極金属材料としては、
高融点であるMoをはじめとしてPtなどショットキー
特性を示す金属がある。本発明者等はこれらの金属を用
いてトランジスタを試作したが、障壁高さ、リーク電
流、安定性の問題があり、初期特性や信頼性特性におい
てTiを凌駕する金属を見つけられていない。一方、T
i以外の金属元素の拡散も上記したTiについての問題
と同様に、素子特性において重大な問題を引き起こす。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
HEMTでは、ショットキーコンタクト層との障壁高さ
やリーク電流、あるいは安定性を考慮してTi等を用い
る場合が多いが、かかる金属元素の半導体層に対する熱
拡散は否めず、信頼性試験等の結果、しきい値電圧の変
動等の素子特性の劣化が起こり、しかも面内不均一化が
生ずるという問題があった。本発明は、かかる問題を解
決し、従来よりも優れた素子特性や面内均一性を有する
半導体装置を提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、半絶縁性半導
体基板上に形成されたチャネル層と、このチャネル層上
に形成され、チャネルに電子を供給する電子供給層と、
この電子供給層上に形成され、Tiからなるゲート電極と
ショットキーコンタクトを形成するInGaPからなる
ショットキーコンタクト層と、ショットキーコンタクト
層の間に、前記ゲート電極を構成する金属の前記チャネ
ル層への拡散を防止するAlAsからなる拡散防止層と、前
記ショットキーコンタクト層上に前記ゲート電極を挟む
ように形成され、ソース及びドレイン電極とオーミック
コンタクトを形成するオーミックコンタクト層を具備し
たことを特徴とする電界効果トランジスタを具備したこ
とを特徴とする
【0009】前記チャネル層及び前記ショットキーコン
タクト層は、ノンドープ若しくはn型不純物が導入され
た層であり、前記オーミックコンタクト層はn型不純物
が導入された層であることを特徴とする。
【0010】
【0011】
【0012】
【0013】
【0014】
【0015】
【0016】
【0017】
【0018】
【0019】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。 (第1の実施形態)第1の実施形態では、ショットキー
コンタクト層にInGaP層を用いたFETを例にとっ
て説明する。ゲート電極材料としてはTiを用いてい
る。
【0020】まず、本発明者らは、ショットキーコンタ
クト層の材料であるInGaPを含む様々なIII −V族
化合物半導体材料におけるTiの熱拡散を調べた。熱拡
散の評価は、RBS(Rutherford back scattering)法
により金属の拡散プロファイルや半導体界面での格子の
乱れから解析した。
【0021】その結果、Tiにおいては、接合相手であ
る半導体の種類によって拡散のメカニズムが異なり、拡
散が大きい材料にはその構成元素について幾つかの傾向
があることを把握することができた。
【0022】一つは、二次元系よりも三元系、多元系に
なるほど拡散しやすいということである。例えば、Ga
AsやInPに比較してInGaP、InGaAs、あ
るいはInAlAsとの接合でTiがより拡散しやすい
結果を得た。また、III 族元素ではInやGaで構成さ
れている方がAlで構成されているよりも、V族元素で
はPで構成されている方がAsで構成されているより
も,Tiに対して界面における格子の乱れが大きくな
り、移動度に悪影響を与える傾向にあることがわかっ
た。この結果を図3に示した。
【0023】つまり、Tiにとって、III −V族化合物
中でのIII 族とV族との組み合わせの中でInGaP層
は最も拡散しやすい層であったということになる。そこ
で、Tiが最も安定に存在し得る組み合わせとして考え
られるAlAs層を、InGaP層中に拡散ストッパー
層として挿入することにより、その場所でのTiの拡散
を均一に止められることがわかった。
【0024】InGaPショットキーコンタクト層とA
lAs層とは格子整合をしており、AlAs層を挿入す
ることによる欠陥の生成などの新たな特性劣化の原因は
生ずることはない。InGaPとのショットキー接合に
支障がないことも確かめられている。
【0025】次に、上記した拡散ストッパー層を用いた
本発明のHEMTの製造方法について説明する。図1は
本発明のHEMTの断面図である。まず、MOCVD法
により、半絶縁性GaAs基板101上に、ノンドープ
のGaAs若しくはAlGaAsバッファ層102、ノ
ンドープ若しくはn型InGaAsチャネル層103、
ノンドープInGaPスペーサー層104、Siドープ
n型InGaP電子供給層105、ノンドープ若しくは
n型InGaPショットキーコンタクト層106を成長
し、さらにノンドープAlAs拡散ストッパー層10
7、続けてさらにノンドープ若しくはn型InGaPシ
ョットキーコンタクト層106、Siドープn型GaA
sオーミックコンタクト層108を順次成長する。
【0026】その後、GaAsオーミックコンタクト層
108上に図示しないレジストパターンを設け、電極金
属の蒸着工程、リフトオフ工程、合金化工程によりソー
ス電極109及びドレイン電極110を形成する。
【0027】さらに、電子ビーム露光により図示しない
レジストパターンを作製し、一部分だけ露出させたn型
GaAsオーミックコンタクト層108をエッチング除
去(リセスエッチング)して、ノンドープInGaPシ
ョットキーコンタクト層106の表面を露出させて、そ
の上にゲート電極111を形成する。
【0028】本実施形態において、ノンドープAlAs
拡散ストッパー層107は、ゲート電極111の金属材
料の拡散を抑制する機能を果たし、かかる拡散ストッパ
ー層107を挿入することによって、InGaPとのシ
ョットキーコンタクトが劣化することはない。
【0029】(第2の実施形態)本実施形態において
は、InGaP系HEMTの断面構造について図1を用
いて説明する。このHEMTの各層の構造は、半絶縁性
GaAs基板101、800nmのノンドープGaAs
バッファ層102、12nmのノンドープIn0.2Ga
0.8 Asチャネル層103、3nmのノンドープIn
0.48Ga0.52Pスペーサー層104、10nmでドナー
濃度Nd =5×1018cm-3のSiドープn型In0.48
Ga0.52P電子供給層105、10nmのノンドープI
0.48Ga0.52Pショットキーコンタクト層(106に
相当。)、そのショットキーコンタクト層106内の最
上部から2nmの位置の数モノレイヤーのノンドープA
lAs拡散ストッパー層107、20nmでドナー濃度
d =5×1018cm-3のSiドープn型GaAsオー
ミックコンタクト層108からなる。ソース、ドレイン
電極109、110はAuGeからなり、ゲート電極1
11は下から順にTi(20nm)/Pt(30nm)
/Au(150nm)の積層構造からなる。
【0030】本実施形態において、ショットキーコンタ
クト層106であるノンドープのInGaPは、Siド
ープn型GaAsオーミックコンタクト層108をエッ
チングする際のエッチングストッパーとしての作用があ
るため、ショットキーコンタクト層106の最上部2n
m以上はInGaPである必要がある。
【0031】また、ノンドープAlAs拡散ストッパー
層107は、数モノレイヤーあればTiの拡散をほぼ抑
制することが可能であり、TiとInGaPとの間で良
好なショットキー特性を得ることができる。この結果、
本実施形態のHEMTは従来のHEMTに比べてしきい
値の制御が容易になり、面内均一性も向上して、素子特
性の向上が図られることがわかった。
【0032】
【0033】
【0034】
【0035】(第の実施形態) 図は本発明の第の実施形態に係る歪みショットキー
コンタクトInGaP−InP系HEMTの断面構造を
示す断面図である。このHEMTの各層の構造は、半絶
縁性InP基板501、800nmのノンドープInP
バッファ層502、12nmのノンドープIn48Ga
0.52Asチャネル層503、3nmのノンドープIn
0.48Al0.52Asスペーサー層504、10nmでドナ
ー濃度Nd=5×1018cm-3のSiドープn型In
0.48Al0.52As電子供給層505、10nmのノンド
ープIn0.48Ga0.52Pショットキーコンタクト層(5
06に相当。)、そのショットキーコンタクト層内の中
間部に3モノレイヤーのノンドープAlAs拡散ストッ
パー層507、20nmでドナー濃度Nd =5×10
18cm-3のSiドープn型GaAsオーミックコンタク
ト層508からなる。ソース、ドレイン電極509、5
10はAuGeからなり、ゲート電極511はTiから
なる。
【0036】この歪みショットキーコンタクトInGa
P構造のHEMTは、通常のInPと比較してゲート耐
圧が高くなるというメリットを持つが、InGaP材料
がゲート電極と接触するために、ゲート電極金属(Ti
等)が拡散しやすく、特性劣化やばらつきの原因となっ
ていた。本実施形態に示すように中間部に3モノレイヤ
ーのAlAs層507を拡散ストッパー層として挿入す
ることにより、劣化を防ぎバラツキを低減できた。
【0037】本実施形態において、ショットキーコンタ
クト層506であるノンドープのInGaPは、Siド
ープn型GaAsオーミックコンタクト層508をエッ
チングする際のエッチングストッパーとしての作用があ
るため、ショットキーコンタクト層506の最上部2n
m以上はInGaPである必要がある。
【0038】また、ノンドープAlAs拡散ストッパー
層507は、数モノレイヤーあればTiの拡散をほぼ抑
制することが可能であり、TiとInGaPとの間で良
好なショットキー特性を得ることができる。この結果、
本実施形態のHEMTは従来のHEMTに比べてしきい
値の制御が容易になり、面内均一性も向上して、素子特
性の向上が図られることがわかった。
【0039】以上述べた本発明は、第1乃至第の実施
形態に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形し
て実施することが可能である。例えば、ゲート電極をT
iに代えて他の適当な金属あるいは合金材料を持つFE
Tにおいては、その材料の拡散を抑える作用をする半導
体層を所望の位置(例えば、基板全面以外に、ゲート電
極下の限定された領域)に拡散ストッパ層として挿入し
て特性の制御やばらつきの低減ができる。また、ショッ
トキー電極を持つ様々な半導体装置に適用することがで
きる。
【0040】
【0041】
【0042】
【0043】
【0044】
【0045】
【0046】
【0047】
【0048】
【0049】
【0050】
【0051】
【0052】
【0053】
【0054】
【0055】
【0056】
【0057】
【0058】
【0059】
【0060】
【0061】
【0062】
【0063】
【0064】
【0065】
【0066】
【0067】
【0068】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電極からの金属元素の拡散を防止することが可能であ
り、素子特性の制御性、面内均一化、素子寿命に優れた
半導体装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1及び第2の実施形態に係る半導
体装置の構成を示す断面図。
【図2】 従来の半導体装置の構成を示す断面図。
【図3】 従来の拡散の問題を示す特性図。
【図4】 本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の
構成を示す断面図。
【符号の説明】
101…半絶縁性基板 102…バッファ層 103…チャネル層 104…スペーサ層 105…電子供給層 106…ショットキーコンタクト層 107…拡散防止層 108…オーミックコンタクト層 109…ソース電極層 110…ドレイン電極層 111…ゲート電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉浦 政幸 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝 研究開発センター内 (72)発明者 野田 隆夫 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝 研究開発センター内 (72)発明者 佐々木 晶 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝 研究開発センター内 (72)発明者 芦沢 康夫 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝 研究開発センター内 (56)参考文献 特開 昭64−74765(JP,A) 特開 平6−244218(JP,A) 特開 平9−45897(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/338 H01L 29/812

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半絶縁性半導体基板上に形成されたチャ
    ネル層と、 このチャネル層上に形成され、チャネルに電子を供給す
    る電子供給層と、 この電子供給層上に形成され、Tiからなる ゲート電極と
    ショットキーコンタクトを形成するInGaPからなる
    ショットキーコンタクト層と、 ショットキーコンタクト層のに、前記ゲート電極を構
    成する金属の前記チャネル層への拡散を防止するAlAs
    らなる拡散防止層と、前記ショットキーコンタクト層上に前記ゲート電極を挟
    むように形成され、ソース及びドレイン電極とオーミッ
    クコンタクトを形成するオーミックコンタクト層 を具備
    したことを特徴とする電界効果トランジスタを具備した
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記チャネル層及び前記ショットキーコ
    ンタクト層は、ノンドープ若しくはn型不純物が導入さ
    れた層であり、前記オーミックコンタクト層はn型不純
    物が導入された層であることを特徴とする請求項記載
    の半導体装置。
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