JP3393797B2 - 電界効果トランジスタ - Google Patents

電界効果トランジスタ

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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は電界効果トランジス
タに関し、特にマイクロ波帯やミリ波帯で使用される電
界効果トランジスタに関する。 【0002】 【従来の技術および発明が解決しようとする課題】近年
急激に普及が進む移動体通信や実用化が間近いミリ波応
用のキーデバイスとしてGaAsFET(Field Effect
Transistor)など化合物半導体素子の応用分野が急速に
拡大している。 【0003】現在、800MHz〜1.9GHz帯の移
動帯通信携帯端末には、Siバイポーラトランジスタが
多く用いられている。Siバイポーラトランジスタは、
低コストに加え、この周波数帯で充分な雑音性能、低位
相雑音性能をもち、アナログ回路の集積化が最も容易で
ある。しかしながら、Siバイポーラトランジスタは、
ひずみ特性で原理的にFETデバイスに劣る欠点をも
ち、その約0.7Vある接合のビルトインポテンシャル
のため低電圧化の障害となっている。一方、GaAsF
ETはその高利得超低雑音特性、低ひずみ性能また高ド
レイン効率を有するため、低雑音アンプ、ミクサ、パワ
ーアンプとして用いられており、それぞれのデバイスは
その特徴を生かした使い分けが行われている。 【0004】また、高集積化の手段として、Siおよび
GaAsデバイスを1パッケージ化したマルチチップモ
ジュール、またSi基板上にGaAs系結晶を成長さ
せ、それぞれのデバイスを取り込むことで1チップ化し
ようとする試みも行われている。 【0005】Si基板上にGaAs系結晶を成長させた
従来の電界効果トランジスタを図3に示す。図3におい
て、11はシリコン基板、12はバッファ層、13は能
動層、14はコンタクト層、15はゲート電極、16は
ソース・ドレイン電極である。バッファ層12、能動層
13、コンタクト層14は、それぞれガリウム砒素、ア
ルミニウムガリウム砒素、インジウム燐などの化合物半
導体層などから成る。 【0006】このバッファ層12、能動層13、コンタ
クト層14は、隣接する素子同志をそれぞれ分離するた
めに、突出して島状に形成されている。この島状部の略
中央で能動層13が一部露出するようにコンタクト層1
4が除去され、この能動層13上にゲート電極15が形
成されている。また、コンタクト層14上から島状部の
側壁部にかけてソース・ドレイン電極16が形成されて
いる。なお、図3中、17は保護膜である。上記バッフ
ァ層12、能動層13、コンタクト層14は、それぞれ
MOCVD法、VPE法、MBE法などによって連続し
て積層して形成され、例えば燐酸系のエッチング液を用
いて島状に形成される。 【0007】ところが、この従来の電界効果トランジス
タでは、バッファ層12を設けているものの、シリコン
から成る基板11とガリウム砒素などから能動層13と
の格子定数の相違に基づくミスフィット転位が避けられ
ず、FETを形成した場合に電子や正孔がこの転位にト
ラップされて特性低下の大きな要因になるという問題が
あった。 【0008】また、Si基板11上にGaAs層をエピ
タキシャル成長させるときに、基板11が高温になり、
基板11からSi原子がオートドーピングされることか
ら、高抵抗のバッファ層を得るためには、Si原子がオ
ートドーピングされる以上の膜厚にしなければならない
こと、及びバッファ層12上に形成される各素子を電気
的に分離するために、バッファ層12は通常数μm程度
に厚く形成されるため、島状に形成するためのメサエッ
チングを1μm程度に深くしなければならず、デバイス
の段差が大きくなって、断線などの不良を生じ易くなる
という問題があった。 【0009】さらに、特開平4−34920号公報で
は、エピタキシャル成長層のミスフィット転位の転位密
度を低減させるために、シリコン基板11の一主面側に
U溝を形成して、このU溝内にガリウム砒素などをエピ
タキシャル成長させることが記載されているが、MES
FET(Metal Semiconductor Field Effect Transist
o)を形成する場合、コンタクト層はシリコン基板11
から分離された位置に形成される必要があり、結局シリ
コン基板11上にバッファ層を形成しなければならず、
平坦なMESFETは形成できないという問題があっ
た。 【0010】本発明は、このような従来装置の問題点に
鑑みてなされたものであり、化合物半導体膜中のミスフ
ィット転位の増加とデバイス内の段差が大きくなること
を解消した電界効果トランジスタを提供することを目的
とする。 【0011】 【問題点を解決するための手段】上記目的を達成するた
めに、本発明に係る電界効果トランジスタでは、シリコ
ン基板の一主面上にV溝を設けて、このV溝内から前記
シリコン基板の一主面上にかけて化合物半導体からなる
バッファ層を設け、このV溝内の前記バッファ層上に化
合物半導体からなる能動層とゲート電極を設け、この能
動層上の前記ゲート電極両側にコンタクト層を設け、こ
のコンタクト層上から前記シリコン基板の一主面上にか
けてソース・ドレイン電極を設けた。 【0012】 【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面に基づき
詳細に説明する。図1は、本発明に係る電界効果トラン
ジスタの一実施形態を示す断面図であり、1はシリコン
基板、2はバッファ層、3は能動層、4はコンタクト
層、5はゲート電極、6はソース・ドレイン電極であ
る。 【0013】シリコン基板1は、比抵抗が1×102
104 Ω・cm程度の高抵抗基板が用いられる。このシ
リコン基板1 の一主面側には、溝Gが設けられている。
この溝Gの寸法は、FETのパターンによって決定され
る。すなわち、V溝Gの開口幅Wは、ソース・ドレイン
間距離をWSD、メサエッチによるバッファ層2の厚みを
B として、W>WSD+2WB (+5μm程度)となる
ように設定される。 【0014】この溝G内からシリコン基板1の一主面上
にかけてバッファ層2が形成されている。このバッファ
層2は、ガリウム砒素、アルミニウムガリウム砒素、ガ
リウム燐などから成り、4μm程度の厚みに形成され
る。 【0015】このバッファ層2は、シリコン基板1と、
このシリコン基板1上に形成される半導体層との格子定
数の相違に基づくミスフィット転位を防止するために設
ける。また、本発明では、V溝上にエピタキシャル成長
させるため、成長表面が中央部でぶつかり合うことによ
り、転位が合体して消滅して減少することから、従来構
造に比べて転位を低減できる。 【0016】溝G内のバッファ層2上には、能動層3が
断面V字状に形成されている。この能動層3もガリウム
砒素、アルミニウムガリウム砒素、ガリウム燐などから
成り、0.2μm程度の厚みに形成され、シリコンなど
のドナーを1×1017atoms・cm-3程度含有す
る。 【0017】この能動層3の略中央部には、ゲート電極
5が設けられている。このゲート電極5は、アルミニウ
ム(Al)やタングステンシリサイド(WSi)などで
形成される。ゲート電極5は、能動層3上に形成される
が、能動層3の表面が湾曲しているため、チャネル部は
それにそって形成され、パターン上のゲート長に対し
て、実際のゲート長は1.2〜1.7倍になる。 【0018】V溝G内のゲート電極5の両側には、コン
タクト層4が形成されている。このコンタクト層4は、
ガリウム砒素、アルミニウムガリウム砒素、ガリウム燐
などから成り、0.2μm程度の厚みに形成される。こ
のコンタクト層4はシリコンなどのドナーを1×1018
〜1019atoms・cm-3程度含有する。 【0019】このコンタクト層4の上端部は、能動層3
の上端部とバッファ層2の上面と同一面となるように形
成されている。 【0020】このコンタクト層4には、その上端部分で
ソース・ドレイン電極6が接続される。このソース・ド
レイン電極6は、例えば金ゲルマニウム・ニッケル(A
uGe/Ni)などを蒸着して合金化することにより形
成される。 【0021】この場合、コンタクト層4の上端部は、能
動層3の上端部やバッファ層2の上面部分と同一面にな
るように形成されていることから、デバイスの段差が小
さく、またゲート電極5が表面より下に形成されるた
め、平坦化の点で有利である。 【0022】次に、本発明に係る電界効果トランジスタ
の製造方法を図2に基づいて説明する。 【0023】同図(a)のシリコン基板1表面に、Si
2 、SiN等から成るフォトマスクをスパッタリング
法やCVD法で300nm程度成膜して、フォトリソグ
ラフィーによってパターニングを行ったのち、KOH等
の異方性エッチャントでマスク7の開口部のシリコン基
板1をエッチングしてV溝Gを形成する。 【0024】次に、同図(b)に示すように、エッチン
グマスク7を除去し、シリコン基板1上の全面にMOC
VD法、VPE法、MBE法等によってガリウム砒素、
アルミニウムガリウム砒素、インジウム燐等の化合物半
導体膜をヘテロエピタキシャル成長させる。例えばME
SFETでは、バッファ層2となる高抵抗層、能動層
3、コンタクト層4となる低抵抗層の順に成長させる。
この成長工程は同一の装置によって連続して行う。 【0025】次に、同図(c)に示すように、素子間の
メサ分離を行う。まず、メサ分離パターンのフォトリソ
を行うが、レジスト膜8の端部をテーパー状に加工す
る。これをマスク8としてコンタクト層4、能動層3、
及びバッファ層2の中ほどまでをドライエッチングで除
去して、素子間を電気的に分離する。 【0026】次に、同図(d)に示すように、全面にS
iO2 から成る絶縁膜9をスパッタリング法やCVD法
などで100〜500nm程度成膜する。 【0027】次に、同図(e)に示すように、ゲートパ
ターン用マスク(不図示)をフォトレジストによって形
成する。これを用いて絶縁膜9、コンタクト層4、及び
能動層3までの一部を連続してエッチングする。エッチ
ング液はBHFなどのウエットエッチングが望ましい。 【0028】次に、同図(f)に示すように、レジスト
パターンを残したままゲート電極となる金属膜5を蒸着
によって成膜して、アセトンなどでレジスト膜を除去す
ることによってリフトオフを行う。SiO2 などの絶縁
膜はエッチングの際に、サイドエッチングが生じるた
め、1〜2μmオーバーエッチングさせることによっ
て、リフトオフの際に、バリなどが生じることを防止す
る。。金属膜5はTi等のバリアメタルとAl等の低抵
抗金属の積層構造とし、膜厚は100〜500nmとす
る。 【0029】次に、同図(g)に示すように、ソース・
ドレイン電極を形成するためのパターン用マスク10を
フォトレジストによって形成する。これによって絶縁膜
9を除去した後、ソース・ドレインとなる金属6(図1
参照)を蒸着等により成膜してリフトオフする。この金
属はAu/AuGe等の積層膜である。 【0030】最後に、図1に示すように、熱処理によっ
てソース・ドレイン電極6をコンタクト層4とオーミッ
クコンタクトとなるようにする。熱処理は例えば450
℃で8分程度行う。 【0031】 【発明の効果】以上のように、本発明に係る電界効果ト
ランジスタでは、シリコン基板の一主面側にV溝を設け
て、このV溝内から前記一主面上にかけて化合物半導体
からなるバッファ層を設け、このV溝内の前記バッファ
層上に化合物半導体からなる能動層とゲート電極を設
け、この能動層上の前記ゲート電極両側にコンタクト層
を設け、このコンタクト層上から前記シリコン基板の一
面上にかけてソース・ドレイン電極を設けたことから、
シリコン基板のV溝上にデバイスを形成するため、メサ
エッチングの段差を解消でき、厚いバッファ層を成長し
ても表面を平坦化できる。これによって、ソースドレイ
ン配線のメサの段差による断線などの影響を防止でき
る。また、エピタキシャル成長による応力をV溝部で緩
和でき、電界効果トランジスタの性能向上を図ることが
できる。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明に係る電界効果トランジスタの一実施形
態を示す断面図である。 【図2】本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法
を示す工程図である。 【図3】従来の電界効果トランジスタを示す断面図であ
る。 【符号の説明】 1‥‥‥基板、2‥‥‥バッファ層、3‥‥‥能動層、
4‥‥‥コンタクト層、5‥‥‥ゲート電極、6‥‥‥
ソース・ドレイン電極

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 シリコン基板の一主面上にV溝を設け
    て、このV溝内から前記シリコン基板の一主面上にかけ
    化合物半導体からなるバッファ層を設け、このV溝内
    の前記バッファ層上に化合物半導体からなる能動層とゲ
    ート電極を設け、この能動層上の前記ゲート電極両側に
    コンタクト層を設け、このコンタクト層上から前記シリ
    コン基板の一主面上にかけてソース・ドレイン電極を設
    けてなる電界効果トランジスタ。
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