JP3377022B2 - ヘテロ接合型電界効果トランジスタの製造方法 - Google Patents

ヘテロ接合型電界効果トランジスタの製造方法

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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、超高速集積回路の
能動素子である化合物半導体電界効果トランジスタに関
し、特に寄生抵抗の減少と耐圧の向上を同時に実現する
ヘテロ接合型電界効果トランジスタとその製造方法に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】従来のヘテロ接合型電界効果トランジス
タ(以下、 HEMT : High ElectronMobility Transisto
rという)について説明する。
【0003】図8(a)は従来のHEMTの代表的な構
造を示す説明図である。同図において、InP基板4−
0上にはIn0.52Al0.48As(200nm)のバッフ
ァ層4−1、In0.53Ga0.47As(15nm)のチャネ
ル層4−2、In0.52Al0. 48As(3nm)のスペー
サ層4−3、不純物としてSiを1×1019cm-3ドー
プしたIn0.52Al0.48As(5nm)のキャリア供給
層4−4、In0.52Al0.48As(10nm)のショッ
トキーバリア層4−5、不純物としてSiを1×1019
cm-3ドープしたIn0.53Ga0.47As(15nm)の
キャップ層4−7が順次エピタキシャル成長されてい
る。
【0004】さらに、キャップ層4−7のソースおよび
ドレイン領域には、例えばAuGe/Ni等のソース電
極4−8、ドレイン電極4−9のオーミックコンタクト
領域が形成されている。これらソース電極4−8および
ドレイン電極4−9は、上記作製されたエピタキシャル
層を介してチャネル層4−2の2次元電子ガスと電気的
に接続されている。
【0005】また、ゲート領域は、酸化還元剤を含有す
る溶液によってウェットエッチングされてから作製され
る。すなわち、この溶液によってキャップ層4−7を除
去してショットキーバリア層4−5を露出させてから、
このショットキーバリア層4−5の表面にゲート電極4
−10としてTi/Pt/Auを順次形成する。
【0006】次に、図8(a)に係るHEMTの性質に
ついて説明する。トランジスタ動作は、ゲート電極4−
10に印加した電圧によって2次元電子ガスの濃度を変
化させることにより、ソース電極4−8とドレイン電極
4−9との間に流れる電流を制御して実施される。
【0007】ところで、HEMTの性能を律則する大き
な要因としては、ゲート開口時のウェットエッチングに
よって発生するキャップ層4−7とゲート電極4−10
との間の領域(すなわち、サイドエッチング領域4−1
1)における寄生抵抗がある。
【0008】このサイドエッチング領域4−11では、
キャップ層4−7が除去され、ショットキーバリア層4
−6の表面が露出して高い表面準位が形成される。その
ため、キャリア供給層4−4から供給されるキャリア電
子のうち表面空乏層に捕獲される電子の割合が他の領域
よりも高くなり、2次元電子ガス濃度は他の領域に比べ
て低くなる。その結果、寄生抵抗が大きくなり、相互コ
ンダクタンスや遮断周波数等のトランジスタ性能が悪化
する。したがって、HEMTの性能を向上させるために
は、サイドエッチング領域4−11を小さくする必要が
ある。
【0009】一方、トランジスタの耐圧はゲート−ドレ
イン間の逆方向耐圧によって決定される。すなわち、サ
イドエッチング領域4−11が小さいとゲート−ドレイ
ン間に印加された電圧は、この狭いサイドエッチング領
域に集中するため耐圧が著しく劣化する。したがって、
HEMTの耐圧を向上させるためには、サイドエッチン
グ領域4−11を大きくする必要がある。このように、
HEMTの性能向上と耐圧向上の条件は互いに矛盾して
おり、従来の方法ではこれらを同時に満たすことができ
ないという問題点があった。
【0010】また、サイドエッチング領域4−11の2
次元電子ガス濃度は、ゲート電極やその他の電極に印加
する電圧等によって外部から制御することはできない。
そのため、エピタキシャル層構造の設計の際には、サイ
ドエッチング領域における2次元電子ガス濃度が十分に
保たれるように注意しなければならない。
【0011】したがって、無バイアス状態でチャネルが
ピンチオフするようなしきい値電圧をもつHEMTを作
製することは困難である。これは言い換えれば、電子を
キャリアとするHEMTの場合、しきい値が正値になる
ようなHEMT(すなわち、エンハンスメント型HEM
T)、または0Vに近い負値になるようなHEMTの作
製が困難であることを意味する。
【0012】図8(b)はこのような困難を解消するた
めの従来の方法を示す説明図である。同図において、エ
ピタキシャル層構造はキャップ層4−7を除去した時点
で十分大きな負のしきい値をとるように設計されてい
る。ゲート領域に酸化還元剤を含有する溶液のウェット
エッチングによってキャップ層4−7を除去し、その後
ショットキーバリア層4−5の表面にゲート電極4−1
0としてPt/Ti/Pt/Auを順次形成する。
【0013】さらに、ウエハを250℃でアニールする
ことによってゲート電極のPtをショットキーバリア層
4−5内に拡散させる。その結果、ゲート直下のみ実効
的なショットキーバリア層4−5の厚さが小さくなり、
サイドエッチング領域には2次元電子ガスの濃度を十分
確保することができる。しかし、この方法はアニールに
よるPtの拡散の制御性に乏しいため各素子のしきい値
を制御することは困難であり、ウエハ上における各素子
の面内均一性を確保することはできない。
【0014】また、このような方法以外のものとして
は、特願平4−290917号の明細書には、ゲート直
下の領域の実効的なバリア層厚を再現性良く簿くするた
めにエッチングストッパ層を用いる方法が開示されてい
る。すなわち、エッチングストッパ層を挟む各2層に対
して高い選択性を有する異なるエッチング液を用い、ゲ
ート電極形成面を再現性良く露出させることが記載され
ている。
【0015】しかしながら、エッチングストッパ層を除
去する際に選択性ウェットエッチングを採用しているた
め、サイドエッチングによってエッチングストッパ層の
開口部の断面が広くなってしまい、ゲート電極の周囲に
ショットキーバリア層が露出して寄生抵抗が増加すると
いう問題点があった。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来、ア
ニールによってゲート電極の金属(Pt)を拡散させた
場合、Ptの拡散の制御性に乏しいことから各素子のし
きい値制御が困難であるという問題点があった。また、
エッチングストッパ層を用いた場合、エッチングストッ
パ層の除去にウェットエッチングを利用しているため、
ゲート電極の周囲にショットキーバリア層の露出する領
域が拡大して寄生抵抗が増加するという問題点があっ
た。本発明は、このような課題を解決するためのもので
あり、特性と耐圧を同時に向上させるヘテロ接合型電界
効果トランジスタとその製造方法を提供することを目的
とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明に係るヘテロ接合型電界効果トランジ
スタは、ソース電極とゲート電極との間の領域およびド
レイン電極とゲート電極との間の領域にあるショットキ
ーバリア層は少なくともエッチングストッパ層によって
覆われ、ゲート電極はキャップ層とは離隔している。ま
た、本発明に係るヘテロ接合型電界効果トランジスタの
製造方法は、キャップ層表面に絶縁膜を形成する工程
と、絶縁膜のゲート形成領域に、キャップ層に達する深
さの第1の開口部を形成する工程と、エッチングストッ
パ層に対してキャップ層の方が高い選択性を有する溶液
を用いて第1の開口部により露出したキャップ層を等方
性エッチングによって除去し、第1の開口部の面積より
も広い面積を持つサイドエッチング領域を形成し、エッ
チングストッパ層を露出させる工程と、ショットキーバ
リア層に対してエッチングストッパ層の方が高い選択性
を有するガスを用い、第1の開口部直下のエッチングス
トッパ層を異方性エッチングによって除去し、第1の
口部の面積とほぼ同面積を有する第2の開口部を形成す
ることによりショットキーバリア層を露出させる工程
と、第2の開口部に露出したショットキーバリア層表面
を完全に覆うように、前記第2の開口部の縁を構成する
エッチングストッパ層に乗り上げてゲート電極を形成す
る工程とを有するこのように構成することにより、本
発明に係るヘテロ接合型電界効果トランジスタおよびそ
の製造方法は、ゲート電極周辺のショットキーバリア層
が少なくともエッチングストッパ層によって覆われるた
め、ゲートリセス時におけるサイドエッチングによる寄
生抵抗の増加を抑制することができる。また、ゲート電
極とキャップ層とは互いに離隔してサイドエッチング領
域が大きくとられているため、トランジスタの耐圧を向
上させることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】次に、本発明の一つの実施の形態
について図を用いて説明する。 [実施の形態1]図1は本発明に係る第1の実施の形態
を示す説明図である。同図において、InP基板1−0
上にIn0.52Al0.48As(200nm)のバッファ層
1−1、In0.53Ga0.47As(15nm)のチャネル
層1−2、In0.52Al0.48As(3nm)のスペーサ
層1−3、面密度5×1012cm-2のSi原子層ドーピ
ング面で構成されるキャリア供給層1−4、In0.52
0.48As(10nm)のショットキーバリア層1−
5、InP(6nm)のエッチングストッパ層1−6、
不純物としてSiを1×1019cm-3ドープしたIn
0.53Ga0.47As(15nm)のキャップ層1−7が順
次エピタキシャル成長(例えば、MOCVDやMBE
等)され、多層構造が形成されている。
【0019】なお、しきい値電圧が−0.5VのHEM
Tを作製する場合、エッチングストッパ層1−6より上
部のエピタキシャル層を除去した場合にしきい値が−
1.0Vとなるように設計し、ショットキーバリア層1
−5より上部のエピタキシャル層を除去した場合にしき
い値が−0.5Vとなるように設計する。このように設
計することにより、サイドエッチング領域1−11で2
次元電子ガス濃度を高濃度に維持することができ、寄生
抵抗が低下して相互コンダクタンスや遮断周波数等のF
ET特性を向上させることができる。
【0020】すなわち、電子をキャリアとするFETに
おいては、しきい値が負であるということはチャネルを
ピンチオフさせるためにゲートに負のバイアスを印加す
る必要があるということである。逆に、しきい値が正値
であるときは、チャネルは無バイアス時にはピンチオフ
しており、ソース−ドレイン間に電流を流すためにはゲ
ートに正のバイアスを印加する必要があることを意味し
ている。また、無バイアス時のゲート直下におけるキャ
リア電子濃度は、しきい値が負の大きな値になるほど大
きく、しきい値が正の時にはゼロになる。
【0021】次に、高しきい値HEMTやエンハンスメ
ント型HEMTを作製する場合も同様の手法で可能とな
る。例えばエッチングストッパ層1−6より上部のエピ
タキシャル層を除去したときにしきい値が−0.5Vと
なるように設計し、ショットキーバリア層1−5より上
部のエピタキシャル層を除去した場合にしきい値が+
0.1Vとなるように設計するとエンハンスメント型H
EMTとして動作することが期待できる。
【0022】このようにして作製されたエピタキシャル
層の表面には、例えばAuGe/Ni等によるソース電
極1−8,ドレイン電極1−9のオーミックコンタクト
領域が形成され、チャネル層1−2に形成される2次元
電子ガスと電気的に接続されている。また、ゲート電極
2−10は、キャップ層1−7を等方性のウェットエッ
チングによって除去し、その後異方性のドライエッチン
グによってエッチングストッパ層1−6にリセスを行っ
た後にTi/Pt/Auを順次堆積して形成される。
【0023】なお、エッチングストッパ層1−6によっ
て深さ方向のエッチングが阻止されるため、ウェットエ
ッチング時間を長くとることによってサイドエッチング
領域が大きくなり、耐圧が向上する。この場合、サイド
エッチング領域1−11は少なくともエッチングストッ
パ層1−6によって覆われているため2次元電子ガス濃
度を高く維持でき、従来構造に比べて寄生抵抗による特
性の悪化を抑えることができる。
【0024】次に、上記[実施の形態1]の製造工程に
ついて図を用いて詳細に説明する。図3,4は[実施の
形態1]に係るHEMTの製造工程を示す説明図であ
る。
【0025】まず、図3(a)において、InP基板上
にバッファ層1−1〜キャップ層1−7を堆積させて多
層構造を形成し、素子間分離のため所望のHEMT領域
を残して他のエピタキシャル層をクエン酸と過酸化水素
水との混合溶液によってバッファ層1−1までエッチン
グする。そして、このエピタキシャル層にAuGe/N
iの積層電極をソースおよびドレイン領域にリフトオフ
する。その後、350℃のアニールによってこれら積層
電極とチャネル層1−2の2次元電子ガスとを電気的に
接続させ、ソース電極1−8およびドレイン電極1−9
を作製する。
【0026】図3(b)において、上記エピタキシャル
層上にフォトレジストを塗布してっ絶縁膜1−12を形
成し、光リソグラフィ技術によってゲート領域に開口部
を作製する。
【0027】図3(c)において、この開口部に、エッ
チングストッパ層1−6に対してはエッチング速度が遅
く、キャップ層1−7に対してはエッチング速度の速い
溶液を注入してウェットエッチングを実施する。例え
ば、このエッチング溶液としてはクエン酸と過酸化水素
水との混合溶液を用いる。このとき、HEMTの耐圧向
上を目的としてサイドエッチング領域を大きくとるた
め、エッチング時間をエッチング深さがエッチングスト
ッパ層1−6に達する時間よりも十分に長くとる。
【0028】図4(d)において、ウエハを高真空チャ
ンバに導入し、不活性ガス(ここでは、Arガス)雰囲
気中で逆スパッタリングを行い、ゲート開口部直下のエ
ッチングストッパ層1−6を除去する。なお、このとき
のショットキーバリア層1−5のエッチング速度は、エ
ッチングストッパ層1−6よりも十分に遅いものであ
り、エッチングストッパ層1−6およびショットキーバ
リア層1−5のArガスに対するスパッタ率の違いを利
用している。
【0029】図4(e)において、真空状態のまま、T
i/Pt/Auをリフトオフして開口部にゲート電極を
形成する。図4(f)において、絶縁膜1−12を除去
して上記製造工程を完了する。
【0030】[実施の形態2]次に、図2は本発明に係
る第2の実施の形態を示す説明図である。同図におい
て、図1と同様の符号は同一または同等の部材を示す。
すなわち、InP基板2−0上にIn0.52Al0.48As
(200nm)のバッファ層2−1、In0.53Ga0.47
As(15nm)のチャネル層2−2、In0. 52Al
0.48As(3nm)のスペーサ層2−3、面密度5×1
12cm-2のSi原子層ドーピング面で構成されるキャ
リア供給層2−4、In0.52Al0.48As(10nm)
のショットキーバリア層2−5、InP(6nm)のエ
ッチングストッパ層2−6、不純物としてSiを1×1
19cm-3ドープしたIn0.53Ga0.47As(15n
m)のキャップ層2−7が順次エピタキシャル成長(例
えば、MOCVDやMBE等)され、多層構造が形成さ
れている。
【0031】なお、この多層構造のしきい値については
図1と同様に設定する。また、ソースおよびドレイン電
極についても同様に形成する。ゲート電極2−10は、
例えばSiN等の絶縁体薄膜2−12を光CVDにより
堆積した後、ゲート開口を行いウェットエッチングおよ
びドライエッチングでリセスを行った後にWSiN薄膜
2−13を堆積し、その上にTi/Pt/Auを堆積し
て形成する。
【0032】次に、[実施の形態2]の製造工程につい
て図を用いて詳細に説明する。図5,6は[実施の形態
2]に係るHEMTの製造工程を示す説明図である。
【0033】まず、図5(a)において、InP基板上
にバッファ層2−1〜キャップ層2−7の多層構造を形
成し、素子間分離のためHEMT領域を残して他のエピ
タキシャル層をクエン酸と過酸化水素水の混合溶液によ
ってバッファ層2−1までエッチングする。そして、こ
のエピタキシャル層にAuGe/Niの積層電極をソー
スおよびドレイン領域にリフトオフする。その後、35
0℃のアニールによってこれら積層電極とチャネル層2
−2の2次元電子ガスとを電気的に接続させ、ソース電
極2−8およびドレイン電極2−9を作製する。
【0034】さらに、ウエハ全面にSiNの絶縁体薄膜
2−12を光CVDにより堆積し、ソース,ドレイン電
極およびゲート領域を開口するためのパタンを光リソグ
ラフィ技術によって転写し、反応性イオンエッチングに
よって開口する。
【0035】図5(b)において、この開口部に、エッ
チングストッパ層2−6に対してはエッチング速度が遅
く、キャップ層2−7に対してはエッチング速度の速い
溶液を注入してウェットエッチングを実施する。例え
ば、このエッチング溶液としてはクエン酸と過酸化水素
水との混合溶液を用いる。このとき、HEMTの耐圧向
上を目的としてサイドエッチング領域を大きくとるた
め、エッチング時間をエッチング深さがエッチングスト
ッパ層2−6に達する時間よりも十分に長くとる。
【0036】図5(c)において、ウエハを高真空チャ
ンバに導入し、Arガス雰囲気中で逆スパッタリングを
行い、ゲート開口部直下のエッチングストッパ層2−6
を除去する。なお、このときのショットキーバリア層2
−5のエッチング速度は、エッチングストッパ層2−6
よりも十分に遅いものであり、エッチングストッパ層2
−6およびショットキーバリア層2−5のArガスに対
するスパッタ率の違いを利用している。
【0037】図6(d)において、引き続き真空状態の
まま、Ar:90%,N2:10%の雰囲気中でWSi
N薄膜2−13をスパッタによってウエハ全面に堆積さ
せる。 図6(e)において、ゲート電極用パタンを光
リソグラフィ技術等によって形成し、Ti/Pt/Au
をリフトオフする。図6(f)において、反応性イオン
エッチングによってゲート電極2−10部分以外のWS
iN薄膜2−13を除去して上記製造工程を完了する。
【0038】なお、この[実施の形態2]においては、
ショットキーバリア層とエッチングストッパ層の厚さを
変えることによってエンハンスメント型HEMTを作製
することができる。すなわち、ショットキーバリア層2
−5の層厚を4nmとし、エッチングストッパ層2−6
の層厚を7nmとすることにより、エッチングストッパ
層2−6よりも上部のエピタキシャル層を除去した場合
にしきい値は−0.5Vとなり、ショットキーバリア層
2−5よりも上部のエピタキシャル層を除去した場合に
しきい値は0Vとなる。ただし、上記[実施の形態2]
と比べてサイドエッチング領域における2次元電子ガス
濃度が低いため、上記[実施の形態2]ほどサイドエッ
チング領域を大きくとることはできない。
【0039】[実施の形態3]次に、図7は本発明に係
る第3の実施の形態を示す説明図である。同図におい
て、A素子はエッチングストッパ層3−6の直上にゲー
ト電極3−10が形成されており、また、B素子はエッ
チングストッパ層3−6が除去されてショットキーバリ
ア層3−5の直上にゲート電極3−10aが形成されて
いる。
【0040】なお、これら各素子の構造は、[実施の形
態1]と同様な構造を有している。すなわち、エッチン
グストッパ層3−6より上部を除去した場合にしきい値
が−0.5Vとなるように設計し、ショットキーバリア
層3−5より上部を除去した場合にしきい値が+0.1
Vとなるように設計されている。
【0041】また、A,B素子の構造の違いは、ゲート
電極直下におけるエッチングストッパ層3−6の有無だ
けである。したがって、エッチングストッパ層3−6に
対する製造工程のみを変えることにより、エンハンスメ
ント型HEMTとディプリション型HEMTを同一基板
上の同一エピタキシャル層に対して容易に作製すること
ができる。
【0042】
【発明の効果】以上説明したように、本発明はゲート電
極の周囲にショットキーバリア層が露出しないようにエ
ッチングストッパ層を設けることにより、サイドエッチ
ング領域における寄生抵抗の増加を抑制することができ
る。さらに、ゲート−ドレイン間耐圧を向上させるため
にサイドエッチング領域を大きくとることもできてHE
MTの耐圧が向上し、優れたデバイス特性を維持するH
EMTを実現することができる。このように、本発明
は、従来技術では十分な特性と均一性を得られなかった
高しきい値HEMTやエンハンスメント型HEMTの実
現が可能となり、超高速集積回路の設計自由度の拡大が
期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る第1の実施の形態を示す説明図
である。
【図2】 本発明に係る第2の実施の形態を示す説明図
である。
【図3】 図1に係るヘテロ接合型電界効果トランジス
タの製造工程を示す説明図である。
【図4】 図1に係るヘテロ接合型電界効果トランジス
タの製造工程を示す説明図である。
【図5】 図2に係るヘテロ接合型電界効果トランジス
タの製造工程を示す説明図である。
【図6】 図2に係るヘテロ接合型電界効果トランジス
タの製造工程を示す説明図である。
【図7】 本発明に係る第3の実施の形態を示す説明図
である。
【図8】 従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
1−0…基板、1−1…バッファ層、1−2…チャネル
層、1−3…スペーサ層、1−4…キャリア供給層、1
−5…ショットキーバリア層、1−6…エッチングスト
ッパ層、1−7…キャップ層、1−8…ソース電極、1
−9…ドレイン電極、1−10…ゲート電極、1−11
…サイドエッチング領域。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−120258(JP,A) 特開 平5−114588(JP,A) 特開 平5−102195(JP,A) 特開 平6−232179(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/337 - 21/338 H01L 27/095 H01L 27/098 H01L 29/775 - 29/778 H01L 29/80 - 29/812

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上にバッファ層とチャネル層
    とスペーサ層とキャリア供給層とショットキーバリア層
    とエッチングストッパ層とキャップ層とを順次堆積させ
    て多層膜を形成し、前記キャップ層表面にソースおよび
    ドレイン電極を形成したヘテロ接合型電界効果トランジ
    スタの製造方法において、 前記キャップ層表面に絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜のゲート形成領域に、前記キャップ層に達す
    る深さの第1の開口部を形成する工程と、 前記エッチングストッパ層に対して前記キャップ層の方
    が高い選択性を有する溶液を用い、前記第1の開口部に
    より露出した前記キャップ層を等方性エッチングによっ
    て除去し、前記第1の開口部の面積よりも広い面積を有
    するサイドエッチング領域を形成し、前記エッチングス
    トッパ層を露出させる工程と、 前記ショットキーバリア層に対して前記エッチングスト
    ッパ層の方が高い選択性を有するガスを用い、前記第1
    の開口部直下のエッチングストッパ層を異方性エッチン
    グによって除去して前記第1の開口部の面積とほぼ同面
    積を有する第2の開口部を形成することにより前記ショ
    ットキーバリア層を露出させる工程と、 前記第2の開口部に露出したショットキーバリア層表面
    を完全に覆うように、前記第2の開口部の縁を構成する
    エッチングストッパ層に乗り上げてゲート電極を形成す
    る工程とを有することを特徴とするへテロ接合型電界効
    果トランジスタの製造方法。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のヘテロ接合型電界効果
    トランジスタの製造方法において、 前記異方性エッチングは、前記エッチングストッパ層の
    スパッタ率と前記ショットキーバリア層のスパッタ率と
    の違いを利用して選択性を得ることを特徴とするへテロ
    接合型電界効果トランジスタの製造方法。
  3. 【請求項3】 請求項記載のヘテロ接合型電界効果ト
    ランジスタの製造方法において、前記ガスとしてアルゴン(Ar)を用い、前記エッチン
    グストッパ層をインジウムリン(InP)で形成し、前
    記ショットキーバリア層をインジウムアルミニ ウムヒ素
    (InAlAs)で形成することを特徴とするへテロ接
    合型電界効果トランジスタの製造方法。
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