JP3393017B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその製造方法

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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、MISFETなど
のMIS構造を有する半導体装置及びその製造方法に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】化合物半導体の電界効果トランジスタ
(FET)としては、主にゲート電極にショットキーバ
リアを使用するMESFETが使用されている。しかし
ながら、ショットキー素子は順バイアスで導通状態にな
るため振幅に制限が生じ、動作条件の自由度は小さい。
そのため、理論振幅を自由に設計でき、低消費電力のC
MOS集積回路にも適用できる絶縁膜と半導体界面の電
気的特性を利用したMIS( Metal Insulator Semicond
uctor )構造のFET(MISFET)が注目されてい
る。
【0003】上記従来のMISFETは、図5に示すように、
半絶縁性GaAs基板21上にn型GaAsのエピタキシャル層2
2、ゲート酸化膜23、ゲート電極24、ソース電極25及び
ドレイン電極26が形成された構造となっている。ゲート
酸化膜23の作成方法は、GaAsエピタキシャル層22の表面
を酸化してゲート酸化膜とする方法と、エピタキシャル
層22の表面にゲート酸化膜となる酸化膜や窒化膜を堆積
する堆積法とに大別される。前者の方法としては、エピ
タキシャル層22の表面を酸素雰囲気中で加熱する加熱酸
化法や陽極酸化法があり、後者の方法としては、エピタ
キシャル層22の表面にCVD 法によりAl203 膜やSiO2膜な
どを堆積する方法がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】化合物半導体層上にゲ
ート酸化膜を生成する方法は、上述の加熱酸化、陽極酸
化、堆積のいずれによる場合でも、化合物半導体と酸化
膜との界面に高密度の界面準位が形成されてしまい、電
気的特性が劣化するという問題がある。この界面準位の
形成による電気的特性の劣化は、図6に示す静電容量の
周波数依存性や、CーV曲線のヒステリシスとして観察
される。図6の実験データは、GaAsの表面に堆積法によ
り厚さ1000ÅのSi3N4 膜を形成したMIS構造について
報告された実験データである(Inst.Phys.Conf.Ser.NO.5
0:Chapter 4 pp280 〜286)。
【0005】特に、GaAsなどの化合物半導体の場合、蒸
気圧の高い一方の元素が他方の元素よりも多量に半導体
層の表面から外部に散逸し、化学量論性が崩れて物理的
性質が劣化するという問題もある。このような問題を回
避するため化合物半導体の酸化膜を低温で形成すると、
低温で形成した酸化膜は、酸やアルカリへの耐性が低か
ったり、蒸気圧が高く、高温の処理で構造や組成が変化
し易いなど安定性の点で問題がある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明に係わる半導体装
置は、半導体の層の表面に白金族元素の酸化物の還元に
よって形成された白金族元素を含む層と、この白金族元
素を含む層の直下に前記半導体の酸化によって形成され
た前記半導体の酸化物の層とを備えている。このような
構成の半導体装置は、半導体の層の表面に白金族元素の
酸化物の層を形成したのち、この半導体の層の表面を白
金族元素の酸化物の熱分解温度以上に加熱することによ
り、白金族元素の酸化物を還元して白金族元素を含む層
を形成すると共に、この白金族元素を含む層の直下の前
記半導体の層を酸化し、半導体の酸化物の層を形成する
ことにより製造される。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明の好適な実施の形態によれ
ば、半導体はGaAs、InGaAs又はInP などの化合物半導体
であり、この半導体の絶縁物の層はMISFETのゲー
ト絶縁膜であり、白金族元素の層はゲート電極の一部又
は全部を形成する。
【0008】
【実施例】図1は、本発明の一実施例のMISFETの
構成を示す断面図であり、1は半絶縁性のGaAs基板、2
はこのGaAs基板上にエピタキシャル成長によって形成さ
れたキャリア濃度が1×1017/cm3程度のn型GaAs層、3
はGaAs酸化膜で構成されるゲート酸化膜、4,5はそれ
ぞれ低抵抗のソース拡散層とドレイン拡散層、6はソー
ス電極、7はドレイン電極、8はゲート電極、9はパッ
シベーション膜である。
【0009】このMISFETでは、ゲート電極8が下
部のルテニウム及びその酸化物が混在した(Ru/RuO2
膜8aとその上に積層された金の膜8bから成り、下
部のRu/RuO2 の膜8aの直下にGaAs酸化膜から成るゲー
ト酸化膜3が形成されている。なお、ゲート酸化膜3上
に形成されるゲート電極8はルテニウム酸化物が混在し
ないルテニウム膜と、その上に積層された金の膜であっ
てもよい。
【0010】図2は、図1に示した本発明の一実施例の
MISFETのゲート部分のMIS構造の電気的特性を
評価するために製造したMISダイオードの製造方法を
示す断面図である。まず、 (A) に示すように、n+ Ga
As基板11上に、クロライドVPE 法により、1×1015cm
ー3 の濃度の Si をドープした 5μmの厚みのn型GaAs
のエピタキシャル層12を成長させる。
【0011】次に、(B)に示すように、DCマグネトロ
ンスパッタ装置を使用して、50%の酸素(O2)と50%の
アルゴン(Ar)の混合ガス中で、ルテニウム(Ru)のター
ゲットを用いて、500Wの電力で、1000Åの酸化ルテニウ
ム(RuO2)膜13’をエピタキシャル層12の上部に形
成する。
【0012】続いて、(C)に示すように、Rapid Ther
mal Anealing ( RTA )装置を用いて窒素(N2)雰囲気中で
10秒間にわたって、試料を 900o C に保つという熱処理
を行う。この熱処理により、RuO2膜13’の内部ではRu
と酸素とが分離し、RuO2の少なくとも一部が還元され、
RuO2とRuとが混在するか又はRuのみを含む膜13に変化
する。以下では、このような膜13をルテニウムを含む
膜13と称する。これと同時に、分離した酸素がn型Ga
Asのエピタキシャル層12の表面に侵入し、そこにGaAs
の酸化膜14を形成する。
【0013】この 900o C という熱処理温度はGaAs半導
体結晶にとってはかなりの高温ではあるが、GaAsエピタ
キシャル層12の表面がルテニウムを含む膜13によっ
て塞がれているため、蒸気圧の高い砒素元素であっても
このルテニウムを含む膜13を通して外部に散逸するこ
とができず、ガリウム元素との間の化学量論的関係が保
たれる。
【0014】次に、(D)に示すように、ルテニウムを
含む膜13上に直径 400μmのドット状のAu薄膜から成
るマスク15を形成し、このマスク15を用いて逆スパ
ッタによりルテニウムを含む膜13の外周部の不要な部
分を除去する。最後に、n+GaAs基板1の裏面にAuGeNi/
Au を素材とする裏面電極16を形成することにより、
評価用のMISダイオードが完成する。
【0010】図3は、上記製造方法に従って製造した評
価用のMISダイオードの蓄積容量の周波数分散特性の
実験データを示している。10KHz から 1MHz までの周波
数範囲において、このMISダイオードの蓄積容量の周
波数分散は、図6に示した従来のMISFETに比べて
かなり小さい。
【0016】図4は、上記製造方法に従って製造したM
ISダイオードのヒステリシス特性の実験データを示し
ている。このシステリシス特性は、バイアス電圧を増加
させながら1 MHzの周波数で静電容量の値を測定し、次
にバイアス電圧を減少させながら1 MHzの周波数で静電
容量値を測定して得た実験データである。このMISダ
イオードでは、システリシスが殆ど生じないことが判
る。図3と図4の実験データから、本実施例の評価用M
ISダイオードは、酸化膜と半導体との界面の準位密度
が従来のものに比べて大幅に低減され、これに伴い電気
的特性が大幅に改良されていることが判る。
【0017】なお、図1に示した構造のMISFETの
製造に際しては、図2に示したMISダイオードの製造
工程の最終工程(D)を、いずれも周知のソース、ドレ
イン拡散層4,5及びソース,ドレイン電極6、7の製
造工程で置き換えればよい。これらソース/ドレイン拡
散領域と各電極の製造は、周知のフォトリソグラフィの
手法を利用したマスクやレジスト層の形成や、これらマ
スクやレジストを利用した選択的エッチングや成膜や、
イオン注入や、熱拡散など周知の適宜な手法の組合せに
よって容易に実現できる。
【0018】上記実施例では、RuO2膜13’をリアクテ
ィブ・スパッタ法によって形成する方法を例示した。し
かしながら、Ru(DPM)3を原料としてMOCVD 法を適用する
ことによりこのRuO2膜13’を生成することも可能であ
り、この場合、エピタキシャル層12の表面に与える損
傷を低減できる。
【0019】また、RuO2膜13’をルテニウムを含む膜
13に変化させる構成を例示した。これは、RuO2の導電
率がRuと大差ないため、RuO2とRuとが混在する膜をゲー
ト電極の一部として利用することができるからである。
この点は、他の白金族元素の酸化物についてもほぼ同様
である。しかしながら、RuO2の厚みによって半導体の酸
化膜の形成に必要な酸素の総量を制御し、これによって
半導体の酸化膜の厚みを制御するような場合などには、
RuO2膜13’を完全に還元しRuのみを含む膜とする構成
とすることもできる。
【0020】白金族系金属としてルテニウム(Ru)を使用
する構成を例示した。しかしながら、白金族系金属とし
て白金(Pt)を使用して半導体のエピタキシャル層の表面
にその酸化物のPtO2膜を形成した場合、RuO2膜の場合よ
りも低い500 o C 〜600 o Cの温度で熱処理を行うこと
によりその直下に半導体の酸化膜を形成することが可能
であり、熱処理に伴う半導体基板やエピタキシャル層の
損傷を軽減できる。
【0021】さらに、RuやPtの酸化物はRuO2やPtO2に限
らず、RuO やPtO の構造式で表されるような酸化物であ
ってもよい。同様に、Rh,Os,Ir等の白金族元素(M) の酸
化物(MOx) の膜を半導体層上に形成し、その直下に半導
体層の酸化膜を形成する構成とすることもできる。ま
た、必要に応じて、白金族元素の酸化物の層中に他の物
質を混在させる構成とすることもできる。
【0022】また、上記実施例では、GaAsのエピタキシ
ャル層上に酸化膜を形成する場合を例示した。しかしな
がら、GaAsのエピタキシャル層ではなく基板上に酸化膜
を形成したり、あるいは、InP やInGaAsなどGaAs以外の
化合物半導体、さらには、Siなどの化合物半導体以外の
半導体結晶や多結晶上に酸化膜を形成する場合について
も本発明を適用できる。このとき、白金族元素に比べて
半導体層の方が酸化物を生成し易い白金族元素の酸化物
の膜及び半導体層の組合せを選択する必要がある。
【0023】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の半
導体装置は、半導体の層の表面に白金族元素の酸化物の
層を形成したのち加熱することにより白金族元素を含む
層の直下にゲート酸化膜などの半導体の酸化物の層を形
成する構成であるから、GaAsなどの化合物半導体につい
ても化学量論性を損なうことなく高温の熱処理が適用で
き、実験データによって示したように電気特性の点で
も、また酸やアリカリへの耐性や安定性など化学的性質
の点でも良質の酸化膜が形成できるという効果が奏され
る。従って、このような酸化膜を用いたMIS構造を備
えた半導体装置の電気的特性は良好となる。
【0024】また、本発明の半導体装置は、酸化物でも
金属単体と同様の導電性を有する白金族元素を使用する
構成であるから、装置の電極などを構成する白金族元素
を含む層は金属単体から成っていても酸化物が混在され
ていてもよく、製造上の自由度が増すという利点もあ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のMISFETの構成を示す
断面図である。
【図2】上記MISFETのゲート部分を評価するため
のMISダイオードの製造方法を示す工程図である。
【図3】上記MISダイオードの電気特性の実験データ
である。
【図4】上記MISダイオードの電気特性の実験データ
である。
【図5】従来のMISFETの構成を示す断面図であ
る。
【図6】従来のMISFETの電気特性を示す実験デー
タである。
【符号の説明】
1,11 GaAs基板 2,12 GaAsエピタキシャル層 3,14 GaAs酸化膜から成るゲート酸化膜 4 ソース拡散層 5 ドレイン拡散層 8 ゲート電極 8a Ru/RuO2膜 8b,15 金膜 13 ルテニウムを含む膜 13’ Ru02
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/78

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体の層の表面に、白金族元素の酸化物
    を還元して形成した白金族元素を含む層と、この白金族
    元素を含む層の直下に、前記半導体の層を酸化して形成
    した半導体の酸化物の層とを備えたことを特徴とする半
    導体装置。
  2. 【請求項2】 請求項1において、 前記半導体装置は、 前記白金族元素を含む層をゲート電極の一部又は全部と
    し、前記半導体の酸化物の層をゲート酸化膜とすること
    を特徴とする半導体装置。
  3. 【請求項3】半導体の層の表面に白金族元素の酸化物を
    含む層を形成する工程と、 この半導体の層の表面を、前記白金族元素の酸化物の熱
    分解温度以上に加熱することにより、前記白金族元素の
    酸化物を還元して白金族元素を含む層を形成すると共
    に、この白金族元素を含む層の直下の前記半導体の層を
    酸化し、前記半導体の酸化物の層を形成する工程とを備
    えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 請求項3において、 前記白金族元素を含む層によってゲート電極の一部又は
    全部が形成され、前記半導体の酸化物の層によってゲー
    ト酸化膜が形成されることを特徴とする半導体装置の製
    造方法。
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