JP4182376B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゲートに於ける順方向及び逆方向の耐圧が共に高く、且つ、ソース及びドレインなどの良好なオーミック・コンタクトをとることができる電界効果トランジスタを含む半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
高周波特性及び高速動作特性が良好な化合物半導体電界効果トランジスタの一つとして高電子移動度トランジスタ(high electron mobility transistor:HEMT)が知られている。
【0003】
HEMTには、必要な特性に応じて種々なバリエーションがあり、例えば高耐圧が必要であれば、電子供給層の不純物ドーピングを全てに亙って一様にすることなく、プレーナ・ドーピングにしたり、電子供給層上に低濃度ドーピング層或いはアンドープ層を積層するなどの手段が採られている。
【0004】
このような構成をもつHEMTに於いては、標準的な構造をもつHEMT、即ち、高耐圧を意図していないHEMTに比較し、オーミック・コンタクトを取り難いとされている。
【0005】
図12は標準的な構造をもつHEMTを説明する為の要部切断側面図であり、図に於いて、1は基板、2はバッファ層、3はチャネル層、4はスペーサ層、5aは電子供給層、6はキャップ層、7はソース電極、8はドレイン電極、9はゲート電極、11は合金化領域、13は電流パス、14はリーク電流パスをそれぞれ示している。
【0006】
このHEMTでは、ゲートに於ける順方向及び逆方向の耐圧をそれ程高く要求されない為、ゲート電極9は電子供給層5aに直接コンタクトする構造になっていて、その電子供給層5a及びキャップ層6は共に高濃度にドーピングされている為、ソース電極7及びドレイン電極8と二次元電子ガス層とは容易にオーミック・コンタクトさせることができる。
【0007】
図13及び図14はゲートに於ける順方向及び逆方向の耐圧を高くする構造をもつHEMTを説明する為の要部切断側面図であり、図12に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0008】
図13に於いて、5bは電子供給層5aとキャップ層6との間に在って電子供給層5a上の全面に形成したバリヤ層を示している。
【0009】
図14に於いて、12はバリヤ層5B上に形成した低不純物濃度ゲート電極埋め込み層を示している。
【0010】
図13或いは図14に見られるHEMTに於いては、バリヤ層5b、低不純物濃度ゲート電極埋め込み層12の存在で、ソース電極7やドレイン電極8を形成する領域の抵抗が高い為、オーミック・コンタクトをとり難い。
【0011】
図15は図13或いは図14について説明した従来例の問題を解消する為のHEMTを説明する為の要部切断側面図であり、図12乃至図14に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0012】
図15に於いて、21はキャップ層6の表面からチャネル層3に達するリセスを示している。
【0013】
図15に見られるHEMTに於いては、低不純物濃度ゲート電極埋め込み層12やバリヤ層5bなど抵抗が高い層を除去し、ソース電極7やドレイン電極8をチャネル層3に直接コンタクトさせているので、図13或いは図14について説明したHEMTの問題を解消されたが、その構造に起因して新たな問題が派生する。
【0014】
即ち、図15のHEMTに於いて、リセス21のゲート側壁面とオーミック電極との間に空隙を生ずるので、その空隙の直下に於けるチャネル層3の部分に空乏層が拡がり、寄生抵抗が増大することになる。
【0015】
このような空乏層を生成させないようにする為には、前記のような空隙を生成させないようにすれば良いと思われようが、そのようにした場合、また、新たな不都合が生ずることになる。
【0016】
図16は図15について説明したHEMTに於ける空隙をなくしたHEMTを説明する為の要部切断側面図であり、図12乃至図15に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0017】
図16に見られるHEMTに於いては、リセスの壁面とソース電極7或いはドレイン電極8とが接触した状態に在り、このような構造では、ソース電極7及びドレイン電極8とチャネル層3との合金化熱処理を行った場合、合金化領域11が横方向に異常拡散し、ゲート電極9とオーミック電極とが接近してゲートに於ける順方向及び逆方向の耐圧が共に低下してしまう。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、キャップ層とチャネル層との間に低濃度ドーピング層やノンドープ層を介在させてゲートに於ける順方向及び逆方向の耐圧を向上させたHEMTであっても、何らの問題も派生することなく、ソース電極やドレイン電極などのオーミック・コンタクトを良好にとれるようにする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明では、オーミック電極の形成領域にリセスを形成し、オーミック・コンタクトを必要とする半導体層に直接接触させる点に於いては従来の技術と変わりないが、リセスの壁面とオーミック電極との間に空隙を生じない構成、そして、オーミック電極の合金化領域がゲート方向に拡がらない構成にすることが基本になっている。
【0020】
図1は本発明の原理を解説する為の半導体装置を表す要部切断側面図であり、図に於いて、1は基板、2はバッファ層、3はチャネル層、4はスペーサ層、5aは電子供給層、5bはバリヤ層、6はキャップ層、7はソース電極、8はドレイン電極、9はゲート電極、10は耐熱金属層、11は合金化領域、12は低濃度ゲート電極埋め込み層をそれぞれ示している。
【0021】
図1に見られる半導体装置に於ける特徴的な構成は、ソース電極7或いはドレイン電極8を形成する為のリセスに於ける壁面と各オーミック電極との間に耐熱金属層10を介在させたことである。
【0022】
この構成を採ることで、リセスの壁面とオーミック電極との間の直下に在るチャネル層3に空乏層が拡がって寄生抵抗が増大する旨の問題を解消することができ、また、オーミック電極と半導体との合金化熱処理を行った場合、合金化領域がゲート方向に延伸して耐圧が低下する旨の問題も起こらない。
【0023】
前記したところから、本発明に依る半導体装置に於いては、
(1)
半導体基板(例えば基板1)上に形成されて少なくともチャネル層(例えばチャネル層3)及びキャリヤ供給層(例えば電子供給層5a)及びバリヤ層(例えばバリヤ層5b)を含む半導体層積層構造と、前記半導体層積層構造に於けるソース領域に穿設されたリセス内に形成されたソース電極(例えばソース電極7)と、前記リセスの壁面と前記ソース電極との間に介在すると共に双方に接触し且つ合金化熱処理時に合金化領域(例えば合金化領域11)が異常拡散することを有効に防止することができる耐熱金属層(例えば耐熱金属層10)とを備えてなることを特徴とし、この構成に依れば、通常、ドレインに比較してゲート電極に近い位置に設けられるソースに於いて、リセスを形成した後にソース電極を形成しても、合金化熱処理時に合金化領域が異常拡散することを耐熱金属層で有効に防止することができ、また、
【0024】
(2)
前記(1)に於いて、半導体層積層構造に於けるドレイン領域に穿設されたリセス内に形成されたドレイン電極(例えばドレイン電極8)と、前記リセスの壁面と前記ドレイン電極との間に介在すると共に双方に接触し且つ合金化熱処理時に合金化領域が異常拡散することを有効に防止することができる耐熱金属層とを備えてなることを特徴とし、この構成に依れば、通常、ドレインに於いて、リセスを形成した後にドレイン電極を形成しても、合金化熱処理時に合金化領域が異常拡散することを耐熱金属層で有効に防止することができ、また、
【0025】
(3)
前記(1)或いは(2)に於いて、リセスがバリヤ層に達していることを特徴とし、また、
【0026】
(4)
前記(1)或いは(2)に於いて、リセスがチャネル層に達していることを特徴とし、この構成及び前記(3)に見られる構成に依れば、半導体層積層構造に応じてリセスの深さを選択し、合金化熱処理に依って合金化領域が良好にチャネル層とオーミック・コンタクトさせることができ、また、
【0027】
(5)
前記(1)乃至(4)の何れか1に於いて、キャリヤ供給層が含有する不純物がプレーナ・ドーピングされたものであることを特徴とし、また、
【0028】
(6)
前記(1)乃至(5)の何れか1に於いて、キャリヤ供給層が電子供給層(例えば電子供給層105a:図2参照、以下同じ)であって且つ該電子供給層上にi層(例えばバリヤ層105b)或いは電子供給層に比較して低不純物濃度であるn層(例えばn- 層)が積層形成されてなることを特徴とし、また、
【0029】
(7)
前記(1)乃至(5)の何れか1に於いて、キャリヤ供給層が正孔供給層であって且つ該正孔供給層上にi層或いは正孔供給層に比較して低不純物濃度であるp層が積層形成されてなることを特徴とし、また、
【0030】
(8)
前記(1)乃至(7)の何れか1に於いて、キャリヤ供給層(例えば電子供給層135a:図9参照、以下同じ)をチャネル層(例えばチャネル層133)と半導体基板(例えば基板131)との間に介在させてなることを特徴とし、この構成に依れば、いわゆる逆HEMT構造が実現される。
【0031】
前記手段を採ることに依り、HEMTに於けるキャップ層とチャネル層との間に低濃度ドーピング層やノンドープ層を介在させてゲートに於ける順方向及び逆方向の耐圧を向上させ、そして、そのような半導体層構成であってもソース電極やドレイン電極などのオーミック・コンタクトを良好に実現させ、しかも、その構成に起因する問題、例えば、リセス壁面とオーミック電極との間の空隙に起因する空乏層の発生やオーミック電極の合金化領域がゲートに接近するなどの問題は皆無である。
【0032】
【発明の実施の形態】
図2は本発明に於ける実施の形態1を説明する為の半導体装置を表す要部切断側面図である。
【0033】
図に於いて、101は基板、102aはバッファ層、102bはバッファ層、103はチャネル層、104はスペーサ層、105aは電子供給層、105bはバリヤ層、106はキャップ層、107はソース電極、108はドレイン電極、109はゲート電極、110は耐熱金属層、111は合金化領域をそれぞれ示している。
【0034】
図3乃至図7は図2に見られる半導体装置の製造工程を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図であり、以下、これ等の図を参照しつつ説明する。
【0035】
図3(A)参照
3−(1)
MOVPE(metalorganic vapor phase epitaxy)法を適用することに依って、基板101上に第一バッファ層102a、第二バッファ層102b、チャネル層103、スペーサ層104、電子供給層105a、バリヤ層105b、キャップ層106を形成する。
【0036】
上記各半導体部分に関する主要なデータを例示すると次の通りである。
▲1▼ 基板101について
材料:半絶縁性InP
▲2▼ 第一バッファ層102aについて
材料:i−InP
厚さ:50〔nm〕
▲3▼ 第二バッファ層102bについて
材料:i−InAlAs(In組成0.52)
厚さ:300〔nm〕
▲4▼ チャネル層103について
材料:i−InGaAs(In組成0.53)
厚さ:20〔nm〕
▲5▼ スペーサ層104について
材料:i−InAlAs
厚さ:3〔nm〕
▲6▼ 電子供給層105aについて
材料:n−InAlAs(In組成0.52)
不純物濃度:5×1018〔cm-3
厚さ:5〔nm〕
▲7▼ バリヤ層105bについて
材料:i−InAlAs(In組成0.52)
厚さ:20〔nm〕
▲8▼ キャップ層106 について
材料:n−InGaAs(In組成0.53)
不純物濃度:1×1019〔cm-3
厚さ:50〔nm〕
【0037】
図3(B)参照
3−(2)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、リセス形成予定部分に開口をもつレジスト膜161を形成する。
【0038】
3−(3)
エッチャントをリン酸系エッチング液とするウエット・エッチング法を適用することに依り、レジスト膜161をマスクとしてキャップ層106、バリヤ層105b、電子供給層105a、スペーサ層104をエッチングしてリセス104Aを形成する。
【0039】
図4(A)参照
4−(1)
スパッタリング法を適用することに依り、全面に厚さが5〔nm〕程度のWSi膜162を形成する。
【0040】
図4(B)参照
4−(2)
エッチング・ガスをSF6 とするドライ・エッチング法を適用することに依り、WSi膜162の異方性エッチングを行って、リセス104Aの壁面にのみWSi膜162を残す。
【0041】
図5(A)参照
5−(1)
真空蒸着法を適用することに依り、厚さが30〔nm〕/300〔nm〕であるAuGe/Auからなる電極材料膜163を形成する。
【0042】
図5(B)参照
5−(2)
レジスト剥離液中に浸漬することに依り、レジスト膜161を積層されている電極材料膜163と共に剥離することでパターニングを行う。
【0043】
このリフト・オフ工程を経て残った電極材料膜163がソース電極107及びドレイン電極108となる。
【0044】
5−(3)
イオン・ミリング法を適用することに依り、リセス壁面に於いて突出している電極材料膜163とWSi膜162を斜め方向からのミリングで除去する。
【0045】
5−(4)
温度を400〔℃〕、時間を3〔分〕として、ソース電極107及びドレイン電極108と半導体との合金化熱処理を行って、チャネル層3、従って、二次元電子ガス層とコンタクトする合金化領域111を生成させる。
【0046】
図6(A)参照
6−(1)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、感度を異にする電子ビーム(electron beam:EB)・レジスト膜164a及び164bを形成する。尚、EBレジスト膜164a及び164bの感度は164a<164bである。
【0047】
6−(2)
EB描画を行ってゲート電極形成予定部分のレジスト膜164b及び164aに横断面T字形のゲート電極に於ける横方向張り出し部分に対応する形状の開口164B及び同じく脚部分に対応する形状の開口164Aを形成する。
【0048】
図6(B)参照
6−(3)
エッチャントをクエン酸系エッチング液とするウエット・エッチング法を適用することに依り、レジスト膜164b及び164aをマスクとしてキャップ層106のエッチングを行う。
【0049】
ここでのエッチングはオーバ・エッチングであり、キャップ層106に対して、横方向に例えば0.1〔μm〕程度のサイド・エッチングが加わり、その結果、レジスト膜164aの開口164A(図5(A)参照)の範囲を越えて延在する空所106Hが生成されることになる。尚、クエン酸系エッチング液はキャップ層106の下地であるi−InAlAsからなるバリヤ層105bはエッチングしない。
【0050】
6−(4)
真空蒸着法を適用することに依り、全面に厚さが30〔nm〕程度のAl膜を形成する。
【0051】
Al膜はレジスト膜164b及び164aの開口を介してキャップ層106の除去部分内に入り込み、その先端はバリヤ層105bにショットキ・コンタクトする。
【0052】
図7参照
7−(1)
レジスト剥離液中に浸漬することに依り、レジスト膜164b及び164aを積層されているAl膜と共に剥離することで、そのAl膜のパターニングを行ってゲート電極165を形成する。
【0053】
前記工程を経て製造された半導体装置は、ソース電極107或いはドレイン電極108とリセス壁との間にはWSi膜162が介在しているので、チャネル層103に空乏層は発生せず、従って、寄生抵抗が大きくなることはなく、また、合金化領域111がソース電極107或いはドレイン電極108の側面から延び出てゲート電極165に近付くなどの問題も起こらないから、ゲート耐圧が低下することはない。
【0054】
図8は本発明に於ける実施の形態2を説明する為の半導体装置を表す要部切断側面図であり、図2乃至図7に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0055】
図に於いて、121は基板、122aはバッファ層、122bはバッファ層、123はチャネル層、124はスペーサ層、125aは電子供給層、125bはバリヤ層、126はキャップ層をそれぞれ示している。
【0056】
実施の形態2と実施の形態1との主な相違点は、半導体部分の構成とオーミック電極用リセスの形成方法であり、以下、これについて説明する。
【0057】
▲1▼ 基板121について
材料:半絶縁性GaAs
▲2▼ バッファ層122aについて
材料:i−GaAs
厚さ:50〔nm〕
▲3▼ バッファ層122bについて
材料:i−AlGaAs(Al組成0.3)
厚さ:300〔nm〕
▲4▼ チャネル層123について
材料:i−InGaAs(In組成0.15)
厚さ:15〔nm〕
▲5▼ スペーサ層124について
材料:i−InGaP(In組成0.5)
厚さ:3〔nm〕
▲6▼ 電子供給層125aについて
材料:n−InGaP(In組成0.5)
不純物濃度:2×1018〔cm-3
厚さ:20〔nm〕
▲7▼ バリヤ層125bについて
材料:i−InGaP(In組成0.5)
厚さ:10〔nm〕
▲8▼ キャップ層126について
材料:n−GaAs
不純物濃度:2×1018〔cm-3
厚さ:50〔nm〕
【0058】
オーミック電極用リセスの形成方法としては、
▲1▼ GaAsに対しては、エッチング・ガスをSiCl4 とするドライ・エッチング、或いは、エッチャントをアンモニア系エッチング液とするウエット・エッチングを適用する。
▲2▼ InGaPに対しては、エッチャントをHCl系エッチング液とするウエット・エッチングを適用する。
【0059】
図9は本発明に於ける実施の形態3を説明する為の半導体装置を表す要部切断側面図であり、図2乃至図8に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0060】
図に於いて、131は基板、132aはバッファ層、132bはバッファ層、133はチャネル層、134はスペーサ層、135aは電子供給層、135bはバリヤ層、136はキャップ層をそれぞれ示している。
【0061】
実施の形態3と実施の形態1との主な相違点は、半導体部分の構成とオーミック電極用リセスの形成方法であり、以下、これについて説明する。
【0062】
▲1▼ 基板131について
材料:半絶縁性GaAs
▲2▼ バッファ層132aについて
材料:i−GaAs
厚さ:50〔nm〕
▲3▼ バッファ層132bについて
材料:i−AlGaAs(Al組成0.3)
厚さ:300〔nm〕
▲4▼ チャネル層133について
材料:i−InGaAs(In組成0.15)
厚さ:15〔nm〕
▲5▼ スペーサ層134について
材料:i−AlGaAs(Al組成0.3)
厚さ:3〔nm〕
▲6▼ 電子供給層135aについて
材料:n−AlGaAs(Al組成0.3)
不純物濃度:2×1018〔cm-3
厚さ:20〔nm〕
▲7▼ バリヤ層135bについて
材料:i−AlGaAs(Al組成0.5)
厚さ:20〔nm〕
▲8▼ キャップ層136について
材料:n−GaAs
不純物濃度:2×1018〔cm-3
厚さ:50〔nm〕
尚、バリヤ層としてAl組成が0.4以上のAlGaAsを用いた場合、オーミック電極をキャップ層136上に形成する構成を採ると、オーミック接触をとり難くなるので、オーミック電極をリセス内に形成する構成では、その問題は解消されるので有利になる。
【0063】
オーミック電極用リセスの形成方法としては、エッチング・ガスをSiCl4 とするドライ・エッチング、或いは、エッチャントをアンモニア系エッチング液とするウエット・エッチングを適用する。
【0064】
図10は本発明に於ける実施の形態4を説明する為の半導体装置を表す要部切断側面図であり、図2乃至図9に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0065】
図に於いて、141は基板、142aはバッファ層、142bはバッファ層、143はチャネル層、144はスペーサ層、145aは電子供給層、145bはバリヤ層、145cはゲート埋め込み層、146はキャップ層をそれぞれ示している。
【0066】
実施の形態4と実施の形態1との主な相違点は、半導体部分の構成、オーミック電極用リセスの形成方法とエッチング深さ、ゲートの作製方法であり、以下、これについて説明する。
【0067】
▲1▼ 基板141について
材料:半絶縁性GaAs
▲2▼ バッファ層142aについて
材料:i−GaAs
厚さ:50〔nm〕
▲3▼ バッファ層142bについて
材料:i−AlGaAs(Al組成0.3)
厚さ:300〔nm〕
▲4▼ チャネル層143について
材料:i−InGaAs(In組成0.15)
厚さ:15〔nm〕
▲5▼ スペーサ層144について
材料:i−AlGaAs(Al組成0.3)
厚さ:3〔nm〕
▲6▼ 電子供給層145aについて
材料:n−AlGaAs(Al組成0.3)
不純物濃度:2×1018〔cm-3
厚さ:20〔nm〕
▲7▼ バリヤ層145bについて
材料:i−AlGaAs(Al組成0.3)
厚さ:10〔nm〕
▲8▼ ゲート埋め込み層145cについて
材料:i−GaAs
厚さ:30〔nm〕
▲9▼ キャップ層146について
材料:n−GaAs
不純物濃度:2×1018〔cm-3
厚さ:50〔nm〕
【0068】
オーミック電極用リセスの形成方法としては、エッチング・ガスをSiCl4 とするドライ・エッチング、或いは、エッチャントをアンモニア系エッチング液とするウエット・エッチングを適用し、そのリセスはキャップ層146及びゲート埋め込み層145cを除去した深さとなる。
【0069】
また、ゲートの作製方法としては、実施の形態1と同様、キャップ層146をエッチングしてから、引き続いてゲート埋め込み層145cのエッチングを行った後、ゲート金属を蒸着してからリフト・オフ法でパターニングする。
【0070】
図11は本発明に於ける実施の形態5を説明する為の半導体装置を表す要部切断側面図であり、図2乃至図10に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0071】
図に於いて、151は基板、152aはバッファ層、152bはバッファ層、153はチャネル層、154はスペーサ層、155aは電子供給層、155bは高いAl組成のバリヤ層、155cはバリヤ層、155dはゲート埋め込み層、156はキャップ層をそれぞれ示している。
【0072】
実施の形態5と実施の形態1との主な相違点は、半導体部分の構成、オーミック電極用リセスの形成方法とエッチング深さ、ゲートの作製方法であり、以下、これについて説明する。
【0073】
(1) 基板151について
材料:半絶縁性GaAs
(2) バッファ層152aについて
材料:i−GaAs
厚さ:50〔nm〕
(3) バッファ層152bについて
材料:i−AlGaAs(Al組成0.3)
厚さ:300〔nm〕
(4) チャネル層153について
材料:i−InGaAs(In組成0.15)
厚さ:15〔nm〕
(5) スペーサ層154について
材料:i−AlGaAs(Al組成0.3)
厚さ:3〔nm〕
(6) 電子供給層155aについて
材料:n−AlGaAs(Al組成0.3)
不純物濃度:2×1018〔cm-3
厚さ:20〔nm〕
(7) 高いAl組成のバリヤ層155bについて
材料:i−AlGaAs(Al組成0.5)
厚さ:7〔nm〕
(8) バリヤ層155cについて
材料:i−AlGaAs(Al組成0.3)
厚さ:3〔nm〕
(9) ゲート埋め込み層155dについて
材料:i−GaAs
厚さ:30〔nm〕
(10) キャップ層156について
材料:n−GaAs
不純物濃度:2×1018〔cm-3
厚さ:50〔nm〕
【0074】
オーミック電極用リセスの形成方法としては、エッチング・ガスをSiCl4 とするドライ・エッチング、或いは、エッチャントをアンモニア系エッチング液とするウエット・エッチングを適用し、そのリセスはキャップ層156及びゲート埋め込み層155cを除去した深さである。
【0075】
また、ゲートの作製方法としては、実施の形態1と同様、キャップ層156をエッチングしてから、引き続いてゲート埋め込み層155cのエッチングを行った後、ゲート金属を蒸着してからリフト・オフ法でパターニングする。
【0076】
次に、キャリヤ供給層をプレーナ・ドーピングで作成した例を本発明に於ける実施の形態6として説明するが、半導体装置の構成としては、図2乃至図10について説明した実施の形態1に於いて、n−InAlAs電子供給層105aをプレーナ・ドーピング層に代替するのみであるから図示は省略する。
【0077】
プレーナ・ドーピングを用いた半導体装置を作成するには、実施の形態1と同じ工程を採って基板101上にスペーサ層104までの各半導体層を積層形成してから、As原料、例えばアルシン(AsH3 )と共にSi原料、例えばジシラン(Si2 6 )を供給してSiプレーナ・ドーピング層を形成する。
【0078】
ここで、As原料を供給する理由は、スペーサ層104からAsが再蒸発するのを抑止する為であり、また、Siプレーナ・ドーピング層に於ける不純物濃度は5×1012〔cm-2〕である。
【0079】
Siプレーナ・ドーピング層を形成した後は、再び実施の形態1と同じ工程、即ち、バリヤ層105b及びキャップ層106の成長、WSi膜162の形成、ソース電極107及びドレイン電極108の形成、ゲート電極165の形成などを行って完成させれば良い。
【0080】
実施の形態6に於いては、キャリヤ供給層である電子供給層或いは正孔供給層が単原子層となる為、ゲート電極とチャネル層との距離が短くなり、短チャネル効果が起こり難い旨の利点があり、短ゲート長半導体装置に適している。
【0081】
本発明では、前記実施の形態に限られことなく、他に多くの改変を実現することができ、例えば、各半導体層の導電型を適切に選択するなどして、電子供給層を正孔供給層に代替し、キャリヤに正孔を用いる半導体装置にすることも容易である。
【0082】
また、各半導体層の材料、例えば、キャリヤ供給層にInAlAs、InGaP、AlGaAsなど適宜のものを選択して使用することができ、更にまた、各半導体層の厚さなどの寸法的な条件、ドーピング濃度、不純物添加の条件、金属材料、製造プロセスなどは適切に選択することが可能であり、特に耐熱金属層の材料としては、前記実施の形態で用いたWSiの他、WSiN、TiW、TiWN、Moなどから一種以上を選択することができる。
【0083】
【発明の効果】
本発明に依る半導体装置に於いては、半導体基板上に形成されて少なくともチャネル層及びキャリヤ供給層及びバリヤ層を含む半導体層積層構造と、前記半導体層積層構造に於けるソース領域(或いはドレイン領域)に穿設されたリセス内に形成されたソース電極(或いはドレイン電極)と、前記リセスの壁面と前記ソース電極(或いはドレイン電極)との間に介在すると共に双方に接触し且つ合金化熱処理時に合金化領域が異常拡散することを有効に防止することができる耐熱金属層とを備える。
【0084】
前記構成を採ることに依り、HEMTに於けるキャップ層とチャネル層との間に低濃度ドーピング層やノンドープ層を介在させてゲートに於ける順方向及び逆方向の耐圧を向上させ、そして、そのような半導体層構成であってもソース電極やドレイン電極などのオーミック・コンタクトを良好に実現させ、しかも、その構成に起因する問題、例えば、リセス壁面とオーミック電極との間の空隙に起因する空乏層の発生やオーミック電極の合金化領域がゲートに接近するなどの問題は皆無である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を解説する為の半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図2】本発明に於ける実施の形態1を説明する為の半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図3】図2に見られる半導体装置の製造工程を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図4】図2に見られる半導体装置の製造工程を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図5】図2に見られる半導体装置の製造工程を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図6】図2に見られる半導体装置の製造工程を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図7】図2に見られる半導体装置の製造工程を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図8】本発明に於ける実施の形態2を説明する為の半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図9】本発明に於ける実施の形態3を説明する為の半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図10】本発明に於ける実施の形態4を説明する為の半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図11】本発明に於ける実施の形態5を説明する為の半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図12】標準的な構造をもつHEMTを説明する為の要部切断側面図である。
【図13】ゲートに於ける順方向及び逆方向の耐圧を高くする構造をもつHEMTを説明する為の要部切断側面図である。
【図14】ゲートに於ける順方向及び逆方向の耐圧を高くする構造をもつHEMTを説明する為の要部切断側面図である。
【図15】図13或いは図14について説明した従来例の問題を解消する為のHEMTを説明する為の要部切断側面図である。
【図16】図15について説明したHEMTに於ける空隙をなくしたHEMTを説明する為の要部切断側面図である。
【符号の説明】
1 基板
2 バッファ層
3 チャネル層
4 スペーサ層
5a 電子供給層
5b バリヤ層
6 キャップ層
7 ソース電極
8 ドレイン電極
9 ゲート電極
10 耐熱金属層
11 合金化領域
12 低不純物濃度ゲート電極埋め込み層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device including a field effect transistor that has high forward and reverse breakdown voltages at a gate and can have good ohmic contacts such as a source and a drain.
[0002]
[Prior art]
A high electron mobility transistor (HEMT) is known as one of compound semiconductor field effect transistors having good high-frequency characteristics and high-speed operation characteristics.
[0003]
There are various variations in the HEMT depending on the required characteristics. For example, if a high breakdown voltage is required, the doping of the electron supply layer is made uniform without planarization, Means such as laminating a low-concentration doped layer or an undoped layer on the electron supply layer is employed.
[0004]
In the HEMT having such a configuration, it is difficult to obtain an ohmic contact as compared with a HEMT having a standard structure, that is, a HEMT not intended to have a high breakdown voltage.
[0005]
FIG. 12 is a cutaway side view of a main part for explaining a HEMT having a standard structure. In FIG. 12, 1 is a substrate, 2 is a buffer layer, 3 is a channel layer, 4 is a spacer layer, and 5a is an electron. The supply layer, 6 is a cap layer, 7 is a source electrode, 8 is a drain electrode, 9 is a gate electrode, 11 is an alloying region, 13 is a current path, and 14 is a leakage current path.
[0006]
In this HEMT, the forward and reverse breakdown voltages at the gate are not required to be so high, so the gate electrode 9 is in direct contact with the electron supply layer 5a, and the electron supply layer 5a and the cap layer 6 are Since both are highly doped, the source electrode 7 and the drain electrode 8 and the two-dimensional electron gas layer can be easily brought into ohmic contact.
[0007]
FIGS. 13 and 14 are side cross-sectional side views for explaining a HEMT having a structure that increases the breakdown voltage in the forward direction and the reverse direction in the gate, and the same symbols as those used in FIG. Represent parts or have the same meaning.
[0008]
In FIG. 13, reference numeral 5b denotes a barrier layer formed between the electron supply layer 5a and the cap layer 6 and formed on the entire surface of the electron supply layer 5a.
[0009]
In FIG. 14, reference numeral 12 denotes a low impurity concentration gate electrode buried layer formed on the barrier layer 5B.
[0010]
In the HEMT shown in FIG. 13 or FIG. 14, the presence of the barrier layer 5 b and the low impurity concentration gate electrode buried layer 12 has a high resistance in the region where the source electrode 7 and the drain electrode 8 are formed. It is difficult to take.
[0011]
FIG. 15 is a cutaway side view of the main part for explaining the HEMT for solving the problem of the conventional example explained with reference to FIG. 13 or FIG. 14, and the same symbols as those used in FIGS. Represent parts or have the same meaning.
[0012]
In FIG. 15, reference numeral 21 denotes a recess reaching the channel layer 3 from the surface of the cap layer 6.
[0013]
In the HEMT shown in FIG. 15, layers having high resistance such as the low impurity concentration gate electrode buried layer 12 and the barrier layer 5b are removed, and the source electrode 7 and the drain electrode 8 are in direct contact with the channel layer 3. Although the HEMT problem described with reference to FIG. 13 or FIG. 14 has been solved, a new problem is derived due to the structure.
[0014]
That is, in the HEMT of FIG. 15, since a gap is formed between the gate side wall surface of the recess 21 and the ohmic electrode, a depletion layer spreads in the portion of the channel layer 3 immediately below the gap, and the parasitic resistance increases. Will do.
[0015]
In order to prevent the generation of such a depletion layer, it may be considered that it is not necessary to generate the voids as described above. However, in such a case, a new inconvenience occurs. .
[0016]
FIG. 16 is a cutaway side view of the main part for explaining the HEMT in which the gap in the HEMT described with reference to FIG. 15 is eliminated. Does the same symbol as that used in FIGS. 12 to 15 represent the same part? Or it shall have the same meaning.
[0017]
In the HEMT shown in FIG. 16, the wall surface of the recess and the source electrode 7 or the drain electrode 8 are in contact with each other. In such a structure, the alloy of the source electrode 7 and the drain electrode 8 and the channel layer 3 is present. When the alloying heat treatment is performed, the alloying region 11 is abnormally diffused in the lateral direction, the gate electrode 9 and the ohmic electrode are brought close to each other, and both the forward and reverse breakdown voltages at the gate are lowered.
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
In the present invention, even a HEMT in which a low-concentration doped layer or a non-doped layer is interposed between the cap layer and the channel layer to improve the breakdown voltage in the forward direction and the reverse direction in the gate causes any problems. Therefore, it is possible to satisfactorily make ohmic contacts such as a source electrode and a drain electrode.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, a recess is formed in the region where the ohmic electrode is formed, and is in direct contact with a semiconductor layer that requires an ohmic contact. Basically, there is a structure in which no voids are formed in the electrode, and an alloying region of the ohmic electrode does not extend in the gate direction.
[0020]
FIG. 1 is a cutaway side view showing a principal part of a semiconductor device for explaining the principle of the present invention. In FIG. 1, 1 is a substrate, 2 is a buffer layer, 3 is a channel layer, 4 is a spacer layer, 5a is An electron supply layer, 5b is a barrier layer, 6 is a cap layer, 7 is a source electrode, 8 is a drain electrode, 9 is a gate electrode, 10 is a refractory metal layer, 11 is an alloyed region, and 12 is a low-concentration gate electrode buried layer. Each is shown.
[0021]
A characteristic configuration in the semiconductor device shown in FIG. 1 is that a refractory metal layer 10 is interposed between a wall surface in each recess for forming the source electrode 7 or the drain electrode 8 and each ohmic electrode. It is.
[0022]
By adopting this configuration, the problem that the depletion layer expands in the channel layer 3 immediately below the wall surface of the recess and the ohmic electrode and the parasitic resistance increases can be solved. When an alloying heat treatment with a semiconductor is performed, there is no problem that the alloying region extends in the gate direction and the breakdown voltage decreases.
[0023]
From the foregoing, in the semiconductor device according to the present invention,
(1)
A semiconductor layer stacked structure formed on a semiconductor substrate (for example, substrate 1) and including at least a channel layer (for example, channel layer 3), a carrier supply layer (for example, electron supply layer 5a), and a barrier layer (for example, barrier layer 5b); A source electrode (for example, source electrode 7) formed in a recess drilled in a source region in a semiconductor layer stacked structure, and interposed between the wall surface of the recess and the source electrode As well as Contact both sides In addition, it is possible to effectively prevent abnormal diffusion of the alloying region (for example, the alloying region 11) during the alloying heat treatment. It is characterized by comprising a refractory metal layer (for example, refractory metal layer 10). According to this structure, a recess is usually formed in a source provided closer to the gate electrode than the drain. Even after the source electrode is formed, the heat-resistant metal layer can effectively prevent the alloying region from abnormally diffusing during the alloying heat treatment,
[0024]
(2)
In the above (1), a drain electrode (for example, drain electrode 8) formed in a recess formed in a drain region in the semiconductor layer laminated structure, and a wall surface of the recess and the drain electrode Intervention As well as Contact both sides In addition, it is possible to effectively prevent abnormal diffusion of the alloying region during the alloying heat treatment. A refractory metal layer, and according to this configuration, usually at the drain. And Even if the drain electrode is formed after forming the recess, the refractory metal layer can effectively prevent abnormal diffusion of the alloying region during the alloying heat treatment,
[0025]
(3)
In the above (1) or (2), the recess reaches the barrier layer, and
[0026]
(4)
In the above (1) or (2), the recess reaches the channel layer. According to this configuration and the configuration seen in (3), the recess is formed according to the semiconductor layer stacked structure. The depth can be selected and the alloying region can be in ohmic contact with the channel layer well by alloying heat treatment,
[0027]
(5)
In any one of the above (1) to (4), the impurity contained in the carrier supply layer is planar-doped, and
[0028]
(6)
In any one of the above (1) to (5), the carrier supply layer is an electron supply layer (for example, an electron supply layer 105a: see FIG. 2, the same applies hereinafter), and an i layer (on the electron supply layer) For example, an n layer (for example, n layer) having a lower impurity concentration than the barrier layer 105b) or the electron supply layer. - Layer) is formed by lamination, and
[0029]
(7)
In any one of the above (1) to (5), the carrier supply layer is a hole supply layer and has a lower impurity concentration on the hole supply layer than the i layer or the hole supply layer. It is characterized in that a certain p-layer is laminated, and
[0030]
(8)
In any one of the above (1) to (7), the carrier supply layer (for example, the electron supply layer 135a: see FIG. 9, the same applies hereinafter) is replaced with the channel layer (for example, the channel layer 133) and the semiconductor substrate (for example, the substrate 131). In this structure, a so-called reverse HEMT structure is realized.
[0031]
By adopting the above means, a lightly doped layer or a non-doped layer is interposed between the cap layer and the channel layer in the HEMT to improve the forward and reverse breakdown voltage in the gate, and Even in such a semiconductor layer configuration, the ohmic contact such as the source electrode and the drain electrode can be realized satisfactorily, and problems caused by the configuration, for example, depletion caused by a gap between the recess wall surface and the ohmic electrode There are no problems such as the generation of layers and the alloyed region of the ohmic electrode approaching the gate.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 2 is a cutaway side view showing a main part of the semiconductor device for explaining the first embodiment of the present invention.
[0033]
In the figure, 101 is a substrate, 102a is a buffer layer, 102b is a buffer layer, 103 is a channel layer, 104 is a spacer layer, 105a is an electron supply layer, 105b is a barrier layer, 106 is a cap layer, 107 is a source electrode, Reference numeral 108 denotes a drain electrode, 109 denotes a gate electrode, 110 denotes a refractory metal layer, and 111 denotes an alloying region.
[0034]
3 to 7 are fragmentary cutaway side views showing the semiconductor device at process points for explaining the manufacturing process of the semiconductor device shown in FIG. 2, and will be described below with reference to these drawings. To do.
[0035]
Refer to FIG.
3- (1)
By applying a MOVPE (metalorganic vapor phase epitaxy) method, the first buffer layer 102a, the second buffer layer 102b, the channel layer 103, the spacer layer 104, the electron supply layer 105a, the barrier layer 105b, and the cap are formed on the substrate 101. Layer 106 is formed.
[0036]
The main data relating to each of the semiconductor parts is exemplified as follows.
(1) About substrate 101
Material: Semi-insulating InP
(2) About the first buffer layer 102a
Material: i-InP
Thickness: 50 [nm]
(3) About the second buffer layer 102b
Material: i-InAlAs (In composition 0.52)
Thickness: 300 [nm]
(4) Channel layer 103
Material: i-InGaAs (In composition 0.53)
Thickness: 20 [nm]
(5) About spacer layer 104
Material: i-InAlAs
Thickness: 3 [nm]
(6) About the electron supply layer 105a
Material: n-InAlAs (In composition 0.52)
Impurity concentration: 5 × 10 18 〔cm -3 ]
Thickness: 5 [nm]
(7) About the barrier layer 105b
Material: i-InAlAs (In composition 0.52)
Thickness: 20 [nm]
▲ 8 ▼ Cap layer 106
Material: n-InGaAs (In composition 0.53)
Impurity concentration: 1 × 10 19 〔cm -3 ]
Thickness: 50 [nm]
[0037]
Refer to FIG.
3- (2)
By applying a resist process in lithography technology, a resist film 161 having an opening at a recess formation scheduled portion is formed.
[0038]
3- (3)
By applying a wet etching method using an etchant as a phosphoric acid-based etching solution, the cap layer 106, the barrier layer 105b, the electron supply layer 105a, and the spacer layer 104 are etched using the resist film 161 as a mask to form a recess 104A. To do.
[0039]
Refer to FIG.
4- (1)
By applying the sputtering method, a WSi film 162 having a thickness of about 5 nm is formed on the entire surface.
[0040]
Refer to FIG.
4- (2)
Etching gas SF 6 The WSi film 162 is anisotropically etched to leave the WSi film 162 only on the wall surface of the recess 104A.
[0041]
Refer to FIG.
5- (1)
By applying the vacuum deposition method, an electrode material film 163 made of AuGe / Au having a thickness of 30 [nm] / 300 [nm] is formed.
[0042]
Refer to FIG.
5- (2)
Patterning is performed by peeling the resist film 161 together with the laminated electrode material film 163 by immersing it in a resist stripping solution.
[0043]
The electrode material film 163 remaining after the lift-off process becomes the source electrode 107 and the drain electrode 108.
[0044]
5- (3)
By applying the ion milling method, the electrode material film 163 and the WSi film 162 protruding on the recess wall surface are removed by milling from an oblique direction.
[0045]
5- (4)
An alloying region in contact with the channel layer 3 and hence the two-dimensional electron gas layer is obtained by performing an alloying heat treatment of the source electrode 107 and the drain electrode 108 and the semiconductor at a temperature of 400 ° C. and a time of 3 minutes 111 is generated.
[0046]
Refer to FIG.
6- (1)
Electron beam (EB) resist films 164a and 164b having different sensitivities are formed by applying a resist process in lithography technology. The sensitivity of the EB resist films 164a and 164b is 164a <164b.
[0047]
6- (2)
EB drawing is performed, and openings 164B having a shape corresponding to the laterally projecting portion of the gate electrode having a T-shaped cross section and openings 164A having a shape corresponding to the leg portion are formed in the resist films 164b and 164a at the gate electrode formation scheduled portions. Form.
[0048]
Refer to FIG.
6- (3)
The cap layer 106 is etched using the resist films 164b and 164a as a mask by applying a wet etching method in which an etchant is a citric acid-based etching solution.
[0049]
Etching here is over-etching, and side etching of about 0.1 μm, for example, is applied to the cap layer 106 in the lateral direction. As a result, the opening 164A of the resist film 164a (FIG. 5A). A void 106H extending beyond the range of ()) is generated. The citric acid-based etching solution does not etch the barrier layer 105b made of i-InAlAs, which is the base of the cap layer 106.
[0050]
6- (4)
By applying the vacuum deposition method, an Al film having a thickness of about 30 [nm] is formed on the entire surface.
[0051]
The Al film enters the removed portion of the cap layer 106 through the openings of the resist films 164b and 164a, and the tip thereof makes Schottky contact with the barrier layer 105b.
[0052]
See FIG.
7- (1)
By immersing in the resist stripping solution, the resist films 164b and 164a are stripped together with the laminated Al film, thereby patterning the Al film to form the gate electrode 165.
[0053]
In the semiconductor device manufactured through the above process, since the WSi film 162 is interposed between the source electrode 107 or the drain electrode 108 and the recess wall, no depletion layer is generated in the channel layer 103, and therefore, the parasitic device is parasitic. The resistance does not increase, and the problem that the alloyed region 111 extends from the side surface of the source electrode 107 or the drain electrode 108 and approaches the gate electrode 165 does not occur, so that the gate breakdown voltage does not decrease.
[0054]
FIG. 8 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor device for explaining the second embodiment of the present invention. The same reference numerals as those used in FIGS. 2 to 7 represent the same parts. It shall have the same meaning.
[0055]
In the figure, 121 is a substrate, 122a is a buffer layer, 122b is a buffer layer, 123 is a channel layer, 124 is a spacer layer, 125a is an electron supply layer, 125b is a barrier layer, and 126 is a cap layer.
[0056]
The main differences between the second embodiment and the first embodiment are the configuration of the semiconductor portion and the method for forming the recess for the ohmic electrode, which will be described below.
[0057]
(1) About the board 121
Material: Semi-insulating GaAs
(2) About the buffer layer 122a
Material: i-GaAs
Thickness: 50 [nm]
(3) About the buffer layer 122b
Material: i-AlGaAs (Al composition 0.3)
Thickness: 300 [nm]
(4) Channel layer 123
Material: i-InGaAs (In composition 0.15)
Thickness: 15 [nm]
(5) About spacer layer 124
Material: i-InGaP (In composition 0.5)
Thickness: 3 [nm]
(6) About the electron supply layer 125a
Material: n-InGaP (In composition 0.5)
Impurity concentration: 2 × 10 18 〔cm -3 ]
Thickness: 20 [nm]
▲ 7 ▼ About the barrier layer 125b
Material: i-InGaP (In composition 0.5)
Thickness: 10 [nm]
▲ 8 ▼ Cap layer 126
Material: n-GaAs
Impurity concentration: 2 × 10 18 〔cm -3 ]
Thickness: 50 [nm]
[0058]
As a method for forming a recess for an ohmic electrode,
(1) For GaAs, the etching gas is SiCl. Four Dry etching or wet etching using an etchant as an ammonia-based etching solution is applied.
(2) For InGaP, wet etching using an etchant as an HCl-based etchant is applied.
[0059]
FIG. 9 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor device for explaining the third embodiment of the present invention. The same reference numerals as those used in FIGS. It shall have the same meaning.
[0060]
In the figure, 131 denotes a substrate, 132a denotes a buffer layer, 132b denotes a buffer layer, 133 denotes a channel layer, 134 denotes a spacer layer, 135a denotes an electron supply layer, 135b denotes a barrier layer, and 136 denotes a cap layer.
[0061]
The main differences between the third embodiment and the first embodiment are the configuration of the semiconductor portion and the method for forming the recess for the ohmic electrode, which will be described below.
[0062]
(1) About substrate 131
Material: Semi-insulating GaAs
(2) About the buffer layer 132a
Material: i-GaAs
Thickness: 50 [nm]
(3) About the buffer layer 132b
Material: i-AlGaAs (Al composition 0.3)
Thickness: 300 [nm]
(4) Channel layer 133
Material: i-InGaAs (In composition 0.15)
Thickness: 15 [nm]
(5) About spacer layer 134
Material: i-AlGaAs (Al composition 0.3)
Thickness: 3 [nm]
(6) About the electron supply layer 135a
Material: n-AlGaAs (Al composition 0.3)
Impurity concentration: 2 × 10 18 〔cm -3 ]
Thickness: 20 [nm]
▲ 7 ▼ About the barrier layer 135b
Material: i-AlGaAs (Al composition 0.5)
Thickness: 20 [nm]
▲ 8 ▼ Cap layer 136
Material: n-GaAs
Impurity concentration: 2 × 10 18 〔cm -3 ]
Thickness: 50 [nm]
In the case where AlGaAs having an Al composition of 0.4 or more is used as the barrier layer, if an ohmic electrode is formed on the cap layer 136, it is difficult to make an ohmic contact. Therefore, the ohmic electrode is formed in the recess. The configuration is advantageous because the problem is eliminated.
[0063]
As a method for forming the recess for the ohmic electrode, the etching gas is SiCl. Four Dry etching or wet etching using an etchant as an ammonia-based etching solution is applied.
[0064]
FIG. 10 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor device for explaining the fourth embodiment of the present invention. The same reference numerals as those used in FIGS. 2 to 9 represent the same parts. It shall have the same meaning.
[0065]
In the figure, 141 is a substrate, 142a is a buffer layer, 142b is a buffer layer, 143 is a channel layer, 144 is a spacer layer, 145a is an electron supply layer, 145b is a barrier layer, 145c is a gate buried layer, and 146 is a cap layer. Respectively.
[0066]
The main differences between the fourth embodiment and the first embodiment are the structure of the semiconductor portion, the method of forming the ohmic electrode recess and the etching depth, and the method of manufacturing the gate, which will be described below.
[0067]
(1) About the substrate 141
Material: Semi-insulating GaAs
(2) About the buffer layer 142a
Material: i-GaAs
Thickness: 50 [nm]
(3) About the buffer layer 142b
Material: i-AlGaAs (Al composition 0.3)
Thickness: 300 [nm]
(4) Channel layer 143
Material: i-InGaAs (In composition 0.15)
Thickness: 15 [nm]
(5) About spacer layer 144
Material: i-AlGaAs (Al composition 0.3)
Thickness: 3 [nm]
(6) About the electron supply layer 145a
Material: n-AlGaAs (Al composition 0.3)
Impurity concentration: 2 × 10 18 〔cm -3 ]
Thickness: 20 [nm]
▲ 7 ▼ About the barrier layer 145b
Material: i-AlGaAs (Al composition 0.3)
Thickness: 10 [nm]
(8) About gate buried layer 145c
Material: i-GaAs
Thickness: 30 [nm]
▲ 9 ▼ Cap layer 146
Material: n-GaAs
Impurity concentration: 2 × 10 18 〔cm -3 ]
Thickness: 50 [nm]
[0068]
As a method for forming the recess for the ohmic electrode, the etching gas is SiCl. Four The dry etching or wet etching using an etchant as an ammonia-based etching solution is applied, and the recess has a depth obtained by removing the cap layer 146 and the gate buried layer 145c.
[0069]
As in the first embodiment, the gate is manufactured by the lift-off method after the cap layer 146 is etched, the gate buried layer 145c is subsequently etched, and then the gate metal is deposited. Pattern.
[0070]
FIG. 11 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor device for explaining the fifth embodiment of the present invention. The same symbols as those used in FIGS. 2 to 10 represent the same parts. It shall have the same meaning.
[0071]
In the figure, 151 is a substrate, 152a is a buffer layer, 152b is a buffer layer, 153 is a channel layer, 154 is a spacer layer, 155a is an electron supply layer, 155b is a high Al composition barrier layer, 155c is a barrier layer, 155d. Denotes a gate buried layer and 156 denotes a cap layer.
[0072]
The main differences between the fifth embodiment and the first embodiment are the configuration of the semiconductor portion, the method of forming the ohmic electrode recess and the etching depth, and the method of manufacturing the gate, which will be described below.
[0073]
(1) About the substrate 151
Material: Semi-insulating GaAs
(2) About the buffer layer 152a
Material: i-GaAs
Thickness: 50 [nm]
(3) About the buffer layer 152b
Material: i-AlGaAs (Al composition 0.3)
Thickness: 300 [nm]
(4) About the channel layer 153
Material: i-InGaAs (In composition 0.15)
Thickness: 15 [nm]
(5) About the spacer layer 154
Material: i-AlGaAs (Al composition 0.3)
Thickness: 3 [nm]
(6) About the electron supply layer 155a
Material: n-AlGaAs (Al composition 0.3)
Impurity concentration: 2 × 10 18 〔cm -3 ]
Thickness: 20 [nm]
(7) About high Al composition barrier layer 155b
Material: i-AlGaAs (Al composition 0.5)
Thickness: 7 [nm]
(8) About the barrier layer 155c
Material: i-AlGaAs (Al composition 0.3)
Thickness: 3 [nm]
(9) About the gate buried layer 155d
Material: i-GaAs
Thickness: 30 [nm]
(10) About the cap layer 156
Material: n-GaAs
Impurity concentration: 2 × 10 18 〔cm -3 ]
Thickness: 50 [nm]
[0074]
As a method for forming the recess for the ohmic electrode, the etching gas is SiCl. Four The dry etching or wet etching using an etchant as an ammonia-based etching solution is applied, and the recess is a depth obtained by removing the cap layer 156 and the gate buried layer 155c.
[0075]
As in the first embodiment, the gate is manufactured by the lift-off method after the cap layer 156 is etched, the gate buried layer 155c is subsequently etched, the gate metal is evaporated, and the like. Pattern.
[0076]
Next, an example in which the carrier supply layer is formed by planar doping will be described as a sixth embodiment of the present invention. As a configuration of the semiconductor device, the first embodiment described with reference to FIGS. In this case, the n-InAlAs electron supply layer 105a is merely replaced with a planar doping layer, and the illustration is omitted.
[0077]
In order to fabricate a semiconductor device using planar doping, the same steps as in the first embodiment are employed to form each semiconductor layer up to the spacer layer 104 on the substrate 101, and then an As raw material such as arsine (AsH). Three ) Together with Si raw materials such as disilane (Si 2 H 6 ) To form a Si planar doping layer.
[0078]
Here, the reason for supplying the As raw material is to prevent As from re-evaporating from the spacer layer 104, and the impurity concentration in the Si planar doping layer is 5 × 10 5. 12 〔cm -2 ].
[0079]
After the Si planar doping layer is formed, the same steps as in the first embodiment are again performed, that is, the growth of the barrier layer 105b and the cap layer 106, the formation of the WSi film 162, the formation of the source electrode 107 and the drain electrode 108, and the gate electrode It may be completed by forming 165 or the like.
[0080]
In the sixth embodiment, since the electron supply layer or hole supply layer, which is the carrier supply layer, is a monoatomic layer, the distance between the gate electrode and the channel layer is shortened, and the short channel effect is unlikely to occur. It has advantages and is suitable for short gate length semiconductor devices.
[0081]
The present invention is not limited to the above embodiment, and many other modifications can be realized. For example, by appropriately selecting the conductivity type of each semiconductor layer, the electron supply layer is supplied with holes. It is easy to replace the layer with a semiconductor device using holes as carriers.
[0082]
In addition, a material for each semiconductor layer, for example, an appropriate material such as InAlAs, InGaP, or AlGaAs can be selected and used for the carrier supply layer. Further, dimensional conditions such as the thickness of each semiconductor layer, doping, etc. The concentration, impurity addition conditions, metal material, manufacturing process, and the like can be appropriately selected. In particular, as the material of the refractory metal layer, WSiN, TiW, TiWN, in addition to WSi used in the above embodiment, One or more types can be selected from Mo and the like.
[0083]
【The invention's effect】
In a semiconductor device according to the present invention, a semiconductor layer stacked structure formed on a semiconductor substrate and including at least a channel layer, a carrier supply layer, and a barrier layer; Above A source electrode (or drain electrode) formed in a recess formed in a source region (or drain region) in a semiconductor layer stacked structure, and between the wall surface of the recess and the source electrode (or drain electrode) Intervening As well as Contact both sides In addition, it is possible to effectively prevent abnormal diffusion of the alloying region during the alloying heat treatment. A heat-resistant metal layer.
[0084]
By adopting the above-described configuration, a low-concentration doped layer or a non-doped layer is interposed between the cap layer and the channel layer in the HEMT to improve the forward and reverse breakdown voltage in the gate, and Even with such a semiconductor layer configuration, it is possible to satisfactorily achieve ohmic contact such as a source electrode and a drain electrode, and problems due to the configuration, for example, depletion due to a gap between the recess wall surface and the ohmic electrode There are no problems such as the generation of layers and the alloyed region of the ohmic electrode approaching the gate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cutaway side view of a main part showing a semiconductor device for explaining the principle of the present invention.
FIG. 2 is a cutaway side view showing a main part of the semiconductor device for explaining the first embodiment in the present invention;
FIG. 3 is a cutaway side view showing a main part of the semiconductor device at a process point for explaining a manufacturing process of the semiconductor device shown in FIG. 2;
4 is a cutaway side view showing a main part of the semiconductor device at a process point for explaining a manufacturing process of the semiconductor device shown in FIG. 2; FIG.
FIG. 5 is a cutaway side view showing the main part of the semiconductor device at the main points of the process for explaining the manufacturing process of the semiconductor device shown in FIG. 2;
FIG. 6 is a cutaway side view showing a main part of the semiconductor device at a process point for explaining a manufacturing process of the semiconductor device shown in FIG. 2;
FIG. 7 is a cutaway side view showing a main part of the semiconductor device at a process point for explaining a manufacturing process of the semiconductor device shown in FIG. 2;
FIG. 8 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor device for explaining a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor device for illustrating a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor device for explaining a fourth embodiment of the invention.
FIG. 11 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor device for explaining a fifth embodiment of the invention.
FIG. 12 is a cut-away side view of a main part for explaining a HEMT having a standard structure.
FIG. 13 is a cutaway side view of a main part for explaining a HEMT having a structure for increasing the breakdown voltage in the forward direction and the reverse direction at the gate.
FIG. 14 is a cutaway side view of a main part for explaining a HEMT having a structure for increasing the breakdown voltage in the forward direction and the reverse direction at the gate.
FIG. 15 is a cutaway side view of an essential part for explaining a HEMT for solving the problem of the conventional example described with reference to FIG. 13 or FIG. 14;
FIG. 16 is a cutaway side view of an essential part for explaining the HEMT in which the gap in the HEMT described with reference to FIG. 15 is eliminated;
[Explanation of symbols]
1 Substrate
2 Buffer layer
3 channel layer
4 Spacer layer
5a Electron supply layer
5b Barrier layer
6 Cap layer
7 Source electrode
8 Drain electrode
9 Gate electrode
10 Heat-resistant metal layer
11 Alloying region
12 Low impurity concentration gate electrode buried layer

Claims (8)

半導体基板上に形成されて少なくともチャネル層及びキャリヤ供給層及びバリヤ層を含む半導体層積層構造と、
前記半導体層積層構造に於けるソース領域に穿設されたリセス内に形成されたソース電極と、
前記リセスの壁面と前記ソース電極との間に介在すると共に双方に接触し且つ合金化熱処理時に合金化領域が異常拡散することを有効に防止することができる耐熱金属層と
を備えてなることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor layer stack structure formed on a semiconductor substrate and including at least a channel layer, a carrier supply layer, and a barrier layer;
A source electrode formed in a recess drilled in a source region in the semiconductor layer laminated structure;
A refractory metal layer that is interposed between the wall surface of the recess and the source electrode and is in contact with both, and can effectively prevent abnormal diffusion of the alloying region during the alloying heat treatment. A featured semiconductor device.
半導体層積層構造に於けるドレイン領域に穿設されたリセス内に形成されたドレイン電極と、
前記リセスの壁面と前記ドレイン電極との間に介在すると共に双方に接触し且つ合金化熱処理時に合金化領域が異常拡散することを有効に防止することができる耐熱金属層と
を備えてなることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
A drain electrode formed in a recess formed in the drain region in the semiconductor layer stack structure;
A refractory metal layer that is interposed between the wall surface of the recess and the drain electrode and is in contact with both, and can effectively prevent abnormal diffusion of the alloyed region during the alloying heat treatment. The semiconductor device according to claim 1.
リセスがバリヤ層に達していること
を特徴とする請求項1或いは2記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the recess reaches the barrier layer.
リセスがチャネル層に達していること
を特徴とする請求項1或いは2記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the recess reaches the channel layer.
キャリヤ供給層が含有する不純物がプレーナ・ドーピングされたものであること
を特徴とする請求項1乃至4の何れか1記載の半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the impurity contained in the carrier supply layer is planar-doped.
キャリヤ供給層が電子供給層であって且つ該電子供給層上にi層或いは電子供給層に比較して低不純物濃度であるn層が積層形成されてなること
を特徴とする請求項1乃至5の何れか1記載の半導体装置。
6. The carrier supply layer is an electron supply layer, and an i layer or an n layer having a lower impurity concentration than that of the electron supply layer is laminated on the electron supply layer. The semiconductor device according to any one of the above.
キャリヤ供給層が正孔供給層であって且つ該正孔供給層上にi層或いは正孔供給層に比較して低不純物濃度であるp層が積層形成されてなること
を特徴とする請求項1乃至5の何れか1記載の半導体装置。
The carrier supply layer is a hole supply layer, and an i layer or a p layer having a lower impurity concentration than the hole supply layer is laminated on the hole supply layer. The semiconductor device according to any one of 1 to 5.
キャリヤ供給層をチャネル層と半導体基板との間に介在させてなること
を特徴とする請求項1乃至7の何れか1記載の半導体装置。
8. The semiconductor device according to claim 1, wherein a carrier supply layer is interposed between the channel layer and the semiconductor substrate.
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