JP4228250B2 - Compound semiconductor device - Google Patents

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    • H01L29/20Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L29/2003Nitride compounds

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は化合物半導体装置に関するものであり、特に、化合物半導体MISFET等における界面準位密度を低減させるとともに、コンタクト抵抗を低減するための界面保護膜の構成に特徴のある化合物半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
MESFET(ショットキーバリアゲートFET)やHEMT(高電子移動度トランジスタ)等の化合物半導体電界効果型トランジスタやHBT(ヘテロ接合バイポーラトランジスタ)等の化合物半導体装置は、高周波動作素子として用いられており、高周波応用の一つとして、例えば、携帯電話基地局の送信用パワー増幅器に用いる高出力FETや、携帯電話用のマイクロ波やミリ波での増幅器があり、さらには、光通信用の信号処理回路等に応用が期待される。
【0003】
しかし、化合物半導体装置においては、Siに対するSiO2 膜のような界面準位密度の低い絶縁膜界面を形成することが困難であった。例えば、GaAsに対する絶縁膜としてはSiN、SiO2 、或いは、Ga2 3 等の絶縁膜が検討されたが、GaAsにはピンニング(pinning)を引き起こす独特の界面準位が存在するので、界面準位密度を低減することが困難であり、そのため、GaAs等のIII-V族化合物半導体においてはMISFETは実用化されず、MESFETやHEMT構造で界面の問題を回避してきた。
なお、化合物半導体における通常の界面準位密度は、1013〜1014eV-1cm-2程度である。
【0004】
ここで、図7(a)を参照して、GaAsにおけるピンニング効果を説明する。
図7(a)参照
図7(a)は、金属とn型GaAsとを接合させた場合のバンドダイヤグラムであり、GaAsに対しどの様な金属を接合させた場合にも、詳細な因果関係は判明していないものの、ピンニング効果により金属の種類によらない一定のバンドベンディングがあり、それによってバリアハイトは一定になって半導体/金属界面に整流特性が生じ、n型GaAsへのオーミックコンタクトの抵抗が高くなる傾向がある。
【0005】
この様なピンニング効果を改善するために、GaAsの表面を(NH4 2 x やNa2 Sの溶液中で処理してGaAs表面のダングリング・ボンドをS(硫黄)により終端処理(ターミネート)することや(必要ならば、特開平4−199518号公報参照)、或いは、GaAs表面をH2 Sガスによって処理し、GaAs表面のダングリング・ボンドをSによりターミネートすること(必要ならば、特開平2−170417号公報参照)が知られている。
【0006】
この様に、GaAs表面のダングリング・ボンドをSによりターミネートすることによって形成されたGa−S結合によって表面が安定化され、PL(フォトルミネッセンス)強度の増加や、バリアハイトの金属仕事関数依存性がもたらされることになるので、この事情を図7(b)を参照して説明する。
【0007】
図7(b)参照
図7(b)は、n型GaAsの表面をSによってターミネートしたのち、金属を接合させた場合のバンドダイヤグラムであり、ターミネートにより形成されたGaSの存在によりn型GaAs表面のピンニングが解除されるため、金属の仕事関数を反映したショットキーバリアが形成され、バリアハイトが低くなる金属、例えば、Tiを選択するとn型GaAs表面におけるバンドベンディングが小さくなり、金属とn型GaAsとがGaSにおけるトンネル電流を介してオーミックに接続されることになる。
【0008】
しかし、この様なSによるターミネートにより形成されたGaS層は1原子層(モノレーヤ)と極端に薄い膜であるため、S処理により安定化した表面をそのまま安定に保持することが困難であるという問題がある。
例えば、S処理を施したGaAs表面に、表面保護膜としてSiN膜やSiO2 膜を堆積させた場合、PL強度が著しく減少して、ピンニングを解除する効果が減少してしまうという問題がある。
【0009】
また、S処理を施したGaAsの表面に金属を堆積させてオーミック電極を形成する場合、熱処理に伴って金属とGaAsとが反応してショットキー特性が急激に変化して、オーミック電極の形成と同時にピンニングを解除する効果が減少してしまうという問題がある。
【0010】
この様な、S処理における安定性、特に、熱的安定性を改善するために、本発明者等は、ターシャリブチルガリウムサルファキュベン〔((t−Bu)GaS)4 〕の昇華により形成した30nm程度の厚いアモルファスGaS層をゲート絶縁膜として用いることによってGaAs表面のピンニングを解除し、化合物半導体MISFETを構成することを提案している(必要ならば、特開平10−98185号公報参照)。
なお、GaS層はGaAsとの格子不整を緩和するためにアモルファス状としているが、GaSを結晶化させた場合には、組成比が1:1の立方晶系の構造をとる。
【0011】
さらに、本発明者等は、この様な厚いGaS層によるピンニングの解除をオーミック電極の形成のために用いることも提案しているので(必要ならば、特願平9−351633号参照)、この様な改良型MISFETを図8を参照して説明する。
【0012】
図8(a)参照
図8(a)は、従来の改良型MISFETの断面図であり、まず、半絶縁性GaAs基板61上に、MOVPE法(有機金属気相成長法)を用いてC(炭素)濃度が3×1015cm-3で厚さが300nm(=3000Å)のp- 型GaAsチャネル層62をエピタキシャル成長させたのち、固体原料であるターシャリブチルガリウムサルファキュベンを真空中で昇華させることによって、厚さ5nm〜20nmのGaS層63を堆積させ、次いで、プラズマ励起型CVD法によって厚さ50nmのSiN層64を堆積させる。
【0013】
次いで、レジストパターン(図示せず)をマスクとして、バッファードフッ酸を用いてエッチングを行って露出するSiN層64を選択的に除去してソース・ドレイン電極を形成するための開口部を形成したのち、レジストパターンを除去し、次いで、新たなレジストパターン(図示せず)を用いたリフトオフ法によって、Ti/Pt/Au層からなるゲート電極66、ソース電極67、及び、ドレイン電極68を形成することによって化合物半導体MISFETの基本構造が完成する。
なお、この場合のゲート絶縁膜65は、GaS層63とSiN層64との2層構造となる。
【0014】
この様な改良型MISFETにおいては、モノレーヤに比べてかなり厚いGaS層を介してソース電極67及びドレイン電極68を設けているので、p- 型GaAsチャネル層62の表面におけるピンニング効果が解除されたままとなり、その結果、低抵抗のオーミックコンタクトを形成することができる。
【0015】
この場合のコンタクト抵抗率のGaSの膜厚依存性は既に上記の特願平9−351633号において開示しているが、改めて、この事情を図8(b)を参照して説明する。
図8(b)参照
図8(b)は、GaAs上にGaS層の膜厚を変えてTi電極を形成したのち、300℃において10分熱処理した場合のコンタクト抵抗率(Ω・cm2 )を測定した結果を示す図であり、膜厚が0Åの高抵抗のショットキーバリアから、準ショットキーバリア(schottky like)を経て、150Å(=15nm)程度における抵抗率が最低になり、膜厚が20nm程度で再び準ショットキーバリアとなり、それ以上では、高抵抗の絶縁膜となる。
したがって、GaS層の膜厚を適宜選択することによって、絶縁膜としても、コンタクト抵抗を低減するための膜としても使用できるものである。
なお、この場合のGaS層の膜厚は、堆積時の膜厚であり、熱処理によりTiと反応した反応層がTi電極側に形成されて、実際の膜厚はこの数値よりも低減しているものと考えられる。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平10−98185号公報において開示されているMISFETの様に、GaS層のみによってゲート絶縁膜を構成した場合、ゲート絶縁膜となるGaS層を薄くすると、GaS層の絶縁耐圧が低いためにMIS構造部において大きなリーク電流が流れるという問題がある。
【0017】
また、図8(a)に示した改良型MISFETにおいては、オーミック電極を形成するための熱処理工程において、GaS層と金属電極との反応が進行してオーミックの特性が最も良くなる膜厚に応じた熱処理時間範囲があり、反応しすぎると特性が悪化するという問題があるので、GaS層を絶縁膜及びコンタクト抵抗を低減するための膜として同時に用いた場合には、GaS層の膜厚については、絶縁膜用とコンタクト抵抗の低減用とは、互いにトレードオフの関係になり、採用する膜厚が問題となり、さらに、熱処理時間にも問題があるので、プロセスの自由度が制限されるという問題がある。
【0018】
さらに、図8(a)に示した改良型MISFETにおいては、GaS層とSiN層とを堆積させるための成長装置が全く異なるため、製造装置構成が複雑化し、それに伴って製造工程数が増加するので、スループットが低下するという問題がある。
【0019】
したがって、本発明は、III- V族化合物半導体における界面準位密度の低減、及び、オーミック抵抗の低減を簡単な製造装置構成によって行うことを目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】
図1は本発明の原理的構成の説明図であり、この図1を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図1参照
(1)本発明は、化合物半導体装置において、III-V族化合物半導体からなる化合物半導体層2の表面を覆う、2原子層以上の厚さの第1のGaS層と前記第1のGaS層の少なくとも一部を覆う第1のGaN層とを含む絶縁膜を備えたことを特徴とする。
【0021】
この様に、III- V族化合物半導体からなる化合物半導体層2の表面を少なくともGaSを含む層3で覆うことによってS(硫黄)により表面のダングリング・ボンドをターミネートさせて界面準位密度を低減することができ、且つ、その膜厚を2原子層以上の厚さにすることによって、熱的安定性を高めることができるとともに、図8(b)から明らかなようにコンタクト抵抗を低減することができ、界面準位密度の低減が困難なIn x Al y Ga 1-x-y As w 1-W やナイトライド系化合物半導体等の III- V族化合物半導体に対して好適である。
特に、GaAsの場合にはピンニングを解除することができる。
なお、「少なくともGaSを含む層3」とは、GaS層自体、AlGaS層或いはGaSSe層等のIII-VI族化合物半導体層、或いは、これらに他の金属元素が混入した層を意味する。
【0022】
さらに、この少なくともGaSを含む層3をSiN層の代わりにGaN層4で覆うことによって製造装置を共通化することができ、それによって製造工程が簡素化してスループットが向上する。
特に、半絶縁性化合物半導体基板1上に化合物半導体層2を成長させる場合、化合物半導体層2、少なくともGaSを含む層3、及び、GaN層4を同じ製造装置を用いて製造することができる。
【0023】
また、この少なくともGaSを含む層3をGaN層4で覆うことによって、プラズマアッシング工程等における少なくともGaSを含む層3の剥離を防止することができるとともに、オーミック電極を設ける場合に、少なくともGaSを含む層3の膜厚を最適範囲に制御することが容易になる。
【0024】
(2)また、本発明は、上記(1)において、前記絶縁膜は、前記第1のGaN層を覆う、第2のGaS層を更に含むことを特徴とする。
【0025】
一般に、GaN層4を少なくともGaSを含む層3上に厚く堆積させることは容易ではないので、GaN層4の上に少なくともGaSを含む層をさらに設けることによって、全体の厚さを厚くすることができ、それによって、絶縁耐圧を高めることができる。
【0026】
(3)また、本発明は、上記(1)において、前記絶縁膜は、前記第1のGaN層を覆う、第2のGaS層と、前記第2のGaS層の表面を覆う第2のGaN層を更に含むことを特徴とする。
【0027】
この様に、最上層をGaN層にすることによって、プラズマアッシング工程等における剥離等の少なくともGaSを含む層のプロセス不安定性を改善することができる。
【0030】
(4)また、本発明は、上記(1)乃至(3)のいずれかにおいて、前記化合物半導体層とオーミック接触する少なくとも一つのオーミック電極を、前記第1のGaS層に接するように設けたことを特徴とする。
【0031】
この様に、表面を被覆するGaN層4を除去して露出した少なくともGaSを含む層3の表面にソース電極7及びドレイン電極8等のオーミック電極を設けることによって、少なくともGaSを含む層3の膜厚を堆積時の条件で精度良く制御することができるので、コンタクト抵抗を再現性良く低減することができる。なお、HBT等に適用する場合には、例えば、ベース電極のみを少なくともGaSを含む層3の表面に設け、エミッタ電極或いはコレクタ電極は化合物半導体層2の表面に直接設けても良い。
【0032】
(5)また、本発明は、上記(1)乃至(3)のいずれかにおいて、前記化合物半導体層とオーミック接触する少なくとも一つのオーミック電極を、前記第1のGaN層に接するように設けたことを特徴とする。
【0033】
上述の様に、GaN層4の厚さは一般に薄いので、GaN層4の表面に電極を設けても、トンネル電流を介して電極と化合物半導体層2がオーミックに接続され、それによって、コンタクトホールの形成工程を必要としないので製造工程数を削減することができる。
【0034】
(6)また、本発明は、上記(4)または(5)において、前記絶縁膜上に形成されたゲート電極を更に含むことを特徴とする。
(7)また、本発明は、上記(1)乃至(6)のいずれかにおいて、化合物半導体層は、GaAsを含むことを特徴とする。
【0035】
この様に、少なくともGaSを含む層3とGaN層4の積層構造を用いることにより、低抵抗のソース電極7及びドレイン電極8等のオーミック電極と、界面準位密度が低く且つ絶縁耐圧に優れた金属−絶縁体−半導体構造(MIS構造)を同時に構成することができるので、MIS型化合物半導体装置の実現が可能になる。
なお、この場合のゲート絶縁膜5は、少なくともGaSを含む層3とGaN層4の積層構造膜となる。
【0036】
【発明の実施の形態】
ここで、図2を参照して、本発明の第1の実施の形態のMISFETの製造工程を説明する。
図2(a)参照
まず、半絶縁性GaAs基板11上に、MOVPE法を用いて、厚さが、例えば、300nmで、炭素濃度が、例えば、3×1015cm-3のチャネル層となるp- 型GaAs層12を成長させたのち、チャンバー内に収納した固体原料であるターシャリブチルガリウムサルファキュベンを、350〜500℃、例えば、350℃の基板温度において昇華させることによって、厚さが、2原子層〜20nm、例えば、10nmのアモルファス状態のGaS層13成長させる。
【0037】
引き続いて、同じチャンバー内で、基板温度を400〜450℃、例えば、400℃とした状態で、TEGa(トリエチルガリウム)を0.25sccm、及び、350Wの高周波電力によって励起した窒素ラジカルを1sccm流すことによって、GaS層13上に、厚さが、0.5〜5nm、例えば、5nmのGaN層14を成長させる。
なお、この場合のGaN層14の成長速度は、約20〜40nm/時である。
【0038】
図2(b)参照
次いで、ソース・ドレイン領域に対応する開口部16を設けたレジストパターン15をマスクとしてホットH3 PO4 を用いたウェット・エッチングを施すことによって、GaN層14を選択的に除去してGaS層13を露出させる。
【0039】
図2(c)参照
次いで、レジストパターン15を除去したのち、ゲート電極及びソース・ドレイン電極に対応する開口部を有する新たなレジストパターン17を設け、全面に、厚さが、例えば、10nmのTi膜、厚さが、例えば、30nmのPt膜、及び、厚さが、例えば、300nmのAu膜を順次堆積させることによってTi/Pt/Au層18を堆積させる。
【0040】
図2(d)参照
次いで、レジストパターン17を除去することによって、レジストパターン17上に堆積したTi/Pt/Au層18をリフトオフすることによって、ゲート電極20、ソース電極21、及び、ドレイン電極22を形成する。
なお、この場合のゲート絶縁膜19は、GaS層13とGaN層14との積層構造となる。
【0041】
この第1の実施の形態のMISFETにおいては、p- 型GaAs層12に接するようにGaS層13を設けているので、GaS層13によるターミネート効果により界面準位密度を1011eV-1cm-2以下にすることができ、それによって、p- 型GaAs層12の表面に反転層、即ち、n型のチャネル層が形成される。
【0042】
また、ゲート絶縁膜19は、GaS層13とGaN層14との2層構造で構成されるので、GaS層13の絶縁耐圧の低さをワイドギャップのGaN層14によって補うことができ、ゲート絶縁耐圧を高め、リーク電流を低減することができる。
【0043】
なお、この場合のGaN層14の作用は、上述の図8(a)に示したSiN層64と同様であるが、GaN層14は、SiN層64と異なりGaS層13と同じチャンバー内で一連の工程として堆積することができるので、製造装置が簡素化され、また、製造装置間を移動させる場合の清浄化工程等が不要になるのでスループットが向上する。
【0044】
また、ソース電極21及びドレイン電極22は、厚さが、例えば、10nmのGaS層13を介して設けているので、ピンニング効果が解除されてコンタクト抵抗率の低いオーミック電極として形成することができる。
なお、この場合のGaS層13の膜厚は、成膜時の膜厚で決まるので、コンタクト抵抗率を図8(b)に示した最適範囲に精度良く制御することができ、それによって、化合物半導体MISFETを再現性良く製造することができる。
【0045】
次に、図3を参照して、本発明の第2の実施の形態のMISFETを説明する。
なお、図3(a)は、オーミック電極をGaS層上に設けた場合の断面図であり、また、図3(b)は、オーミック電極をGaN層を介して設けた場合の断面図である。
図3(a)参照
まず、上記の第1の実施の形態と全く同様に、半絶縁性GaAs基板11上に、MOVPE法を用いて、厚さが、例えば、300nmで、炭素濃度が、例えば、3×1015cm-3のチャネル層となるp- 型GaAs層12を成長させたのち、チャンバー内に収納したターシャリブチルガリウムサルファキュベンを、350〜500℃、例えば、350℃の基板温度において昇華させることによって、厚さが、2原子層〜20nm、例えば、10nmのアモルファス状態のGaS層13成長させる。
【0046】
引き続いて、同じチャンバー内で、基板温度を400〜450℃、例えば、400℃とした状態で、TEGaを0.25sccm、及び、350Wの高周波電力によって励起した窒素ラジカルを1sccm流すことによって、GaS層13上に、厚さが、0.5〜5nm、例えば、2nmのGaN層23を成長させる。
【0047】
引き続いて、同じチャンバー内で、ターシャリブチルガリウムサルファキュベンを、350〜500℃、例えば、350℃の基板温度において昇華させることによって、厚さが、2原子層〜20nm、例えば、10nmのアモルファス状態のGaS層24成長させる。
【0048】
次いで、ソース・ドレイン領域に対応する開口部を設けたレジストパターン(図示せず)をマスクとしてH3 PO4 +HClの混合液を用いたウェット・エッチングを施すことによって、GaS層24を選択的に除去してGaN層23を露出させ、次いで、ホットH3 PO4 を用いたウェット・エッチングを施すことによって、GaN層23を選択的に除去してGaS層13を露出させる。
【0049】
以降は上記の第1の実施の形態と全く同様に、レジストパターンを除去したのち、ゲート電極及びソース・ドレイン電極に対応する開口部を有する新たなレジストパターンを設け、全面に、厚さが、例えば、10nmのTi膜、厚さが、例えば、30nmのPt膜、及び、厚さが、例えば、300nmのAu膜を順次堆積させることによってTi/Pt/Au層を堆積させ、次いで、レジストパターンを除去して、レジストパターン上に堆積したTi/Pt/Au層をリフトオフすることによって、ゲート電極20、ソース電極21、及び、ドレイン電極22を形成する。
なお、この場合のゲート絶縁膜25は、GaS層13/GaN層23/GaS層24の積層構造となる。
【0050】
この第2の実施の形態のMISFETの素子特性は上記の第1の実施の形態と基本的に同様であるが、比較的低温におけるGaN層の堆積工程において、上記の第1の実施の形態のGaN層13のように、厚く堆積させることは一般には容易ではないので、GaN層23を薄くする代わりに、GaS層の総計の厚さを厚くしてゲート絶縁耐圧を高めたものである。
【0051】
この場合、GaS層13を20nmとしてGaS層24を省略することも考えられるが、その場合には、ソース・ドレイン領域におけるGaS層24厚さが厚くなりすぎコンタクト抵抗率が高くなりすぎるが、この第2の実施の形態においては薄いGaN層23をエッチングストッパー的に用いているので、コンタクト抵抗率を図8(b)に示した最適範囲に精度良く制御することができ、それによって、化合物半導体MISFETを再現性良く製造することができる。
【0052】
図3(b)参照
図3(b)に示すMISFETは図3(a)の変形例であり、成膜工程は図3(a)の場合と同様であるので説明を省略するが、ソース・ドレイン領域に対応する開口部を形成する際に、GaS層24のみを除去するだけで、薄いGaN層23をそのまま残しておき、GaN層23の表面にソース電極21及びドレイン電極22を設けたものである。
【0053】
この場合、GaN層23は2nm程度と非常に薄いので、トンネル電流を介してソース電極21及びドレイン電極22とp- 型GaAs層12とがオーミックに接続されることになる。
この様な構成を採用することによって、GaN層23のエッチング工程が不要となるので、製造工程数を削減することができ、スループットが向上することになる。
【0054】
次に、図4を参照して、本発明の第3の実施の形態のMISFETを説明する。
なお、図4(a)は、オーミック電極をGaS層上に設けた場合の断面図であり、また、図4(b)は、オーミック電極をGaN層を介して設けた場合の断面図である。
図4(a)参照
まず、上記の第1の実施の形態と全く同様に、半絶縁性GaAs基板11上に、MOVPE法を用いて、厚さが、例えば、300nmで、炭素濃度が、例えば、3×1015cm-3のチャネル層となるp- 型GaAs層12を成長させたのち、チャンバー内に収納したターシャリブチルガリウムサルファキュベンを、350〜500℃、例えば、350℃の基板温度において昇華させることによって、厚さが、2原子層〜20nm、例えば、10nmのアモルファス状態のGaS層13成長させる。
【0055】
引き続いて、同じチャンバー内で、基板温度を400〜450℃、例えば、400℃とした状態で、TEGaを0.25sccm、及び、350Wの高周波電力によって励起した窒素ラジカルを1sccm流すことによって、GaS層13上に、厚さが、0.5〜5nm、例えば、2nmのGaN層23を成長させる。
【0056】
引き続いて、同じチャンバー内で、ターシャリブチルガリウムサルファキュベンを、350〜500℃、例えば、350℃の基板温度において昇華させることによって、厚さが、2原子層〜20nm、例えば、10nmのアモルファス状態のGaS層24成長させたのち、引き続いて、同じチャンバー内で、基板温度を400〜450℃、例えば、400℃とした状態で、TEGaを0.25sccm、及び、350Wの高周波電力によって励起した窒素ラジカルを1sccm流すことによって、GaS層24上に、厚さが、0.5〜5nm、例えば、2nmのGaN層26を成長させる。
【0057】
次いで、ソース・ドレイン領域に対応する開口部を設けたレジストパターン(図示せず)をマスクとしてホットH3 PO4 を用いたウェット・エッチングを施すことによって、GaN層26を選択的に除去してGaS層24を露出させたのち、H3 PO4 +HClの混合液を用いたウェット・エッチングを施すことによって、GaS層24を選択的に除去してGaN層23を露出させ、次いで、再び、ホットH3 PO4 を用いたウェット・エッチングを施すことによって、GaN層23を選択的に除去してGaS層13を露出させる。
【0058】
以降は上記の第1の実施の形態と全く同様に、レジストパターンを除去したのち、ゲート電極及びソース・ドレイン電極に対応する開口部を有する新たなレジストパターンを設け、全面に、厚さが、例えば、10nmのTi膜、厚さが、例えば、30nmのPt膜、及び、厚さが、例えば、300nmのAu膜を順次堆積させることによってTi/Pt/Au層を堆積させ、次いで、レジストパターンを除去して、レジストパターン上に堆積したTi/Pt/Au層をリフトオフすることによって、ゲート電極20、ソース電極21、及び、ドレイン電極22を形成する。
なお、この場合のゲート絶縁膜27は、GaS層13/GaN層23/GaS層24/GaN層26の積層構造となる。
【0059】
この第3の実施の形態のMISFETの素子特性は上記の第2の実施の形態と基本的に同様であるが、レジストパターンを除去するプラズマアッシング工程等において、GaS層24が剥離しやすい等のプロセス不安定性があるので、最上層にGaN層26を設けておくことによってプロセス安定性が向上する。
また、GaN層26を設けることによって、ゲートの絶縁耐圧はさらに向上する。
【0060】
また、この第3の実施の形態においても、下層のGaN層23をエッチングストッパー的に用いているので、コンタクト抵抗率を図8(b)に示した最適範囲に精度良く制御することができ、それによって、化合物半導体MISFETを再現性良く製造することができる。
【0061】
図4(b)参照
図4(b)に示したMISFETは図4(a)の変形例で、図3(b)のMISFETに対応するものであり、成膜工程は図4(a)の場合と同様であるので説明を省略するが、ソース・ドレイン領域に対応する開口部を形成する際に、GaN層26及びGaS層24を除去するだけで、薄いGaN層23をそのまま残しておき、GaN層23の表面にソース電極21及びドレイン電極22を設けたものである。
【0062】
この場合にも、GaN層23は2nm程度と非常に薄いので、トンネル電流を介してソース電極21及びドレイン電極22とp- 型GaAs層12とがオーミックに接続されることになる。
この様な構成を採用することによって、GaN層23のエッチング工程が不要となるので、製造工程数を削減することができ、スループットが向上することになる。
【0063】
次に、図5を参照して、本発明の第4の実施の形態のHEMTを説明する。
なお、図5(a)は、オーミック電極をGaS層上に設けた場合のHEMTの断面図であり、また、図5(b)は、オーミック電極をGaN層を介して設けた場合のHEMTの断面図である。
図5(a)参照
まず、半絶縁性GaAs基板31上に、MOVPE法を用いて、TEGa(トリエチルガリウム)、AsH3 、及び、キャリアガスとしてのH2 を流して厚さが、例えば、500nmのアンドープのi型GaAsバッファ層32を成長させたのち、TMIn(トリメチルインジウム)を加えて、厚さが、例えば、14nmで、In組成比が0.2のノン・ドープのi型InGaAsチャネル層32を堆積させ、次いで、AsH3 をPH3 に切り替えるとともに、不純物源としてSiH4 を加えて、例えば、厚さが25nmで、Si濃度が2×1018cm-3で、In組成比が0.49のn型InGaPキャリア供給層33を成長させ、次いで、TMInの供給を停止するとともに、PH3 を再びAsH3 に替えて厚さが、例えば、70nmで、Si濃度が、例えば、5×1018cm-3のn+ 型GaAsコンタクト層35を堆積させる。
【0064】
次いで、n+ 型GaAsコンタクト層35をH3 PO4 +H2 2 +H2 Oの混合液を用いたウェット・エッチングによりソース・ドレイン領域に対応するようにパターニングしてゲートリセス部を形成したのち、GaS堆積用チャンバー内に収容し、チャンバー内においてターシャリブチルガリウムサルファキュベンを、350〜500℃、例えば、350℃の基板温度において昇華させることによって、厚さが、2原子層〜20nm、例えば、10nmのアモルファス状態のGaS層36成長させ、引き続いて、同じチャンバー内で、基板温度を400〜450℃、例えば、400℃とした状態で、TEGaを0.25sccm、及び、350Wの高周波電力によって励起した窒素ラジカルを1sccm流すことによって、GaS層36上に、厚さが、0.5〜5nm、例えば、2nmのGaN層37を成長させる。
【0065】
次いで、ゲート形成用の開口部を設けたレジストパターン(図示せず)をマスクとしてホットH3 PO4 を用いたウェット・エッチングを施すことによってGaN層37を選択的除去したのち、H3 PO4 とHClの混合液を用いたウェット・エッチングを施すことによってGaS層36を選択的に除去する。
【0066】
次いで、レジストパターンを除去したのち、ソース・ドレイン領域に対応する開口部を有する新たなレジストパターン(図示せず)をマスクとしてホットH3 PO4 を用いたウェット・エッチングを施すことによってGaN層37を選択的除去したのち、全面に厚さが、例えば、500nmのAl膜を蒸着し、レジストパターンとともにリフトオフすることによってソース電極39及びドレイン電極40を形成する。
【0067】
次いで、レジストパターンを除去したのち、ゲート電極形成用の開口部を設けた新たなレジストパターン(図示せず)を設け、全面に厚さが、例えば、500nmのAl膜を蒸着し、レジストパターンとともにリフトオフしてゲート電極38を形成することによってHEMTの基本構成が完成する。
【0068】
この本発明の第4の実施の形態のHEMTにおいては、n型InGaPキャリア供給層34の表面の内、ゲート電極38と接する部分を除いたチャネル領域をGaS層36で被覆しているので、n型InGaPキャリア供給層34の表面のダングリング・ボンドをSでターミネートして安定化することができ、それによって界面準位密度が低減するのでHEMTの動作を安定化することができる。
【0069】
この場合も、10nm程度の膜厚のGaS層36を介してソース電極39及びドレイン電極40を設けているので、ソース電極39及びドレイン電極40を低抵抗のオーミック電極とすることができる。
【0070】
また、この第4の実施の形態において、GaS層36の表面はGaN層37で被覆されているので、レジストパターンを除去するためにプラズマアッシングを行う際に、GaS層36が剥離することがなく、プロセス安定性が向上する。
【0071】
図5(b)参照
図5(b)に示すHEMTは図5(a)の変形例であり、成膜工程は図5(a)の場合と同様であるので説明を省略するが、薄いGaN層37を介してソース電極39及びドレイン電極40を設けたもので、ゲート形成用の開口部を設けるだけで良いので、エッチング工程を少なくすることができ、スループットが向上する。
【0072】
また、この場合には、ゲート電極38、ソース電極39、及び、ドレイン電極40を一度の成膜工程及びリフトオフ工程によって形成することができるので、製造工程をさらに少なくすることができる。
なお、GaN層37は2nm程度と非常に薄いので、トンネル電流を介してソース電極39及びドレイン電極40とn+ 型GaAsコンタクト層35とがオーミックに接続されることになる。
【0073】
次に、図6を参照して、本発明の第5の実施の形態のHBTを説明する。
なお、図6(a)は、オーミック電極をGaS層上に設けた場合のHBTの断面図であり、また、図6(b)は、オーミック電極をGaN層を介して設けた場合のHBTの断面図である。
図6(a)参照
まず、半絶縁性GaAs基板41上に、MOVPE法を用いて、TEGa、AsH3 、不純物源としてSiH4 、及び、キャリアガスとしてのH2 を流して、例えば、厚さが500nmで、Si濃度が3×1018cm-3のn+ 型GaAsサブコレクタ層42、及び、例えば、厚さが450nmで、Si濃度が3×1016cm-3のn型GaAsコレクタ層43を順次堆積させる。
【0074】
次いで、SiH4 をCBr4 に切り替えて、例えば、厚さが70nmで、C濃度が4×1019cm-3のp+ 型GaAsベース層44を堆積させたのち、CBr4 を再びSiH4 に切り替えるとともに、AsH3 をPH3 に切り替え、TMInを供給して、例えば、厚さが50nmで、Si濃度が3×1017cm-3で、In組成比が0.49のn型InGaPエミッタ層45を堆積させ、次いで、TMInの供給を停止するとともに、PH3 をAsH3 に切り替えて、例えば、厚さが200nmのn+ 型GaAsエミッタキャップ層46を堆積させる。
なお、n+ 型GaAsエミッタキャップ層46は、n型InGaPエミッタ層45側の150nmの厚さの部分のSi濃度は3×1017cm-3であり、残りの上側の50nmの厚さの部分のSi濃度は3×1018cm-3である。
【0075】
次いで、メサエッチングを施すことによって、n+ 型GaAsエミッタキャップ層46及びn型InGaPエミッタ層45からなるエミッタメサを形成し、次いで、再びメサエッチングを行うことによって、p+ 型GaAsベース層44及びn型GaAsコレクタ層43からなるベースメサを形成する。
このメサエッチング工程において、GaAs層のエッチングには、H3 PO4 +H2 2 +H2 Oの混合液を用い、InGaPのエッチングには、H3 PO4 とHClの混合液を用いる
なお、このHBTを集積化する場合には、素子分離を行うために半絶縁性GaAs基板41に達するメサエッチングを行ってコレクタメサを形成する。
【0076】
次いで、基板をGaS堆積用チャンバー内に収容し、チャンバー内においてターシャリブチルガリウムサルファキュベンを、350〜500℃、例えば、350℃の基板温度において昇華させることによって、厚さが、2原子層〜20nm、例えば、10nmのアモルファス状態のGaS層47成長させ、引き続いて、同じチャンバー内で、基板温度を400〜450℃、例えば、400℃とした状態で、TEGaを0.25sccm、及び、350Wの高周波電力によって励起した窒素ラジカルを1sccm流すことによって、GaS層47上に、厚さが、0.5〜5nm、例えば、2nmのGaN層48を成長させる。
【0077】
次いで、ベース電極形成用の開口部を設けたレジストパターン(図示せず)をマスクとしてホットH3 PO4 を用いたウェット・エッチングを施すことによってGaN層48を選択的除去したのち、全面に厚さが20nmのPt膜及び150nmのAu膜を順次堆積させ、レジストパターンととも除去することによって、ベース電極50を形成する。
【0078】
次いで、レジストパターンを除去したのち、エミッタ電極及びコレクタ電極形成用の開口部を有する新たなレジストパターン(図示せず)を設け、このレジストパターンをマスクとしてホットH3 PO4 を用いたウェット・エッチングを施すことによってGaN層48を選択的除去したのち、全面に厚さが、例えば、厚さが10nmTi膜、厚さが30nmPt膜、及び、厚さが300nmのAu膜を順次蒸着し、レジストパターンとともにリフトオフしてエミッタ電極49及びドレイン電極51を形成することによってHBTの基本構成が完成する。
【0079】
この本発明の第5の実施の形態のHBTにおいては、p+ 型GaAsベース層44の露出表面及びn型InGaPエミッタ層45の側面がGaS層47によって覆われているので、ベース−エミッタ間のpn接合近傍の領域がSによってターミネートされて界面準位密度が低減し、それによって、pn接合領域における表面再結合が抑制されるので電流利得を大きくすることができる。
【0080】
また、この場合も、10nm程度の膜厚のGaS層36を介してエミッタ電極49、ベース電極50、及び、コレクタ電極51を設けているので、エミッタ電極49、ベース電極50、及び、コレクタ電極51を低抵抗のオーミック電極とすることができる。
【0081】
また、この第5の実施の形態においても、GaS層47の表面はGaN層48で被覆されているので、レジストパターンを除去するためのプラズマアッシング工程において、GaS層47が剥離することがなく、プロセス安定性が向上する。
【0082】
図6(b)参照
図6(b)に示すHBTは図6(a)の変形例であり、成膜工程は図6(a)の場合と同様であるので説明を省略するが、薄いGaN層48を介してエミッタ電極49、ベース電極50、及び、コレクタ電極51を設けたもので、GaN層48を除去する必要がないので、エッチング工程を少なくすることができ、スループットが向上する。
なお、GaN層48は2nm程度と非常に薄いので、トンネル電流によってエミッタ電極49、ベース電極50、及び、コレクタ電極51がオーミック電極となる。
【0083】
以上、本発明の各実施の形態を説明してきたが、本発明は各実施の形態に記載された構成に限られるものでなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の第1乃至第3の実施の形態においては、半絶縁性GaAs基板11を出発材料とし、この上にp- 型GaAs層12、GaS層13、及び、GaN層13,23等を一連の成長工程によって成膜しているが、半絶縁性GaAs基板11上にp- 型GaAs層12を成長させたエピタキシャルウェハを出発材料としても良いものである。
【0084】
この様な、エピタキシャルウェハを用いる場合には、GaS堆積用チャンバー内において、トリスジメチルアミノアルシンを用いて、例えば、500℃の基板温度で10分間処理を行うことによって、エピタキシャルウェハの表面の自然酸化膜を除去し、引き続いて、HClガスを用いて、例えば、500℃の基板温度で処理を行うことによって、p- 型GaAs層12の表面を数原子層程度エッチングして、表面を清浄化したのち、GaS層13等の堆積を行えば良い。
【0085】
また、この様なクリーニング工程は、上記の第4及び第5の実施の形態における、半導体層のエッチング工程後に行うGaS層36,47の成膜工程の前にも行うことが望ましく、第4の実施の形態においては、n型InGaPキャリア供給層34の表面も数原子層除去することになる。
【0086】
また、上記の第1乃至第3の実施の形態においては、GaS層13上に、或いは、GaN層23を介してソース電極21及びドレイン電極22を設けているが、GaS層13も選択的に除去し、ゲート電極20とは別個の工程で、20nmのAu・Ge膜/5nmのNi膜/300nmのAu膜からなる三層構造膜等のアロイ系のオーミック電極を形成しても良いものであり、上記の第5の実施の形態のエミッタ電極49及びコレクタ電極51の場合も全く同様である。
【0087】
また、上記の第4の実施の形態においてはHEMTとして説明しているが、i型InGaAsチャネル層33をn型InGaAsチャネル層に置き換えることによってMESFETとして動作させることが可能になり、本発明は、この様なMESFETも対象とするものである。
【0088】
また、上記の各実施の形態においては、GaS層をターシャリブチルガリウムサルファキュベンを用いて成膜しているが、ターシャリブチルガリウムサルファキュベンに限られるものではなく、2〔(tBu)2 Ga(μ−SH)〕2 を用いても良いものである。
【0089】
また、上記の各実施の形態においては、ピンニング効果の発現が著しいGaAsの表面安定化を主目的としているが、上記の第4及び第5の実施の形態の様にInGaPの表面安定化にも寄与するものであり、ピンニング効果の解除には直接関係がなくとも、Sによって表面のダングリング・ボンドをターミネートすることにより界面準位密度を低減することができるので、素子特性の向上に寄与することができるものであり、したがって、Inx Aly Ga1-x-y Asw 1-W やInx Aly Ga1-x-y Asw 1-w で表される他のIII-V族化合物半導体の表面安定化にも用いることができるものである。
【0090】
また、上記の各実施の形態においては、表面安定化を行う層をGaS層として説明しているが、純粋なGaS層に限られるものではなく、AlGaSやGaSSe等のIII-VI族化合物半導体でも良く、また、オーミック電極との固相拡散反応によって金属成分がドープまたは合金化されたGaS層等でも良い。
【0091】
また、上記の各実施の形態においては、GaS層を絶縁体として捉え、トンネル電流によって実効的にオーミック化するとしているが、必ずしも、純粋に絶縁性である必要はなく、上述のオーミック電極との固相拡散反応によって金属成分がドープされることによって多少の導電性を有していてもかまわないものである。
【0092】
また、上記の各実施の形態におけるGaS層の厚さとしては、2原子層〜20nmとしているが、熱的安定性を増すためには、5nm以上の膜厚であることがより望ましく、また、GaS層を除去してオーミック電極を形成する場合には、GaS層は純粋に絶縁体として作用するものであるので、20nm以上の膜厚でも良いのである。
【0093】
【発明の効果】
本発明によれば、GaAs等の化合物半導体層の表面を少なくとも2原子層以上の厚さのGaS層とGaN層の2層構造膜で覆っているので、化合物半導体層の表面をその後の熱処理工程においても変化しないように安定化することができ、且つ、GaN層を用いることによって製造装置を共通化することができ、さらに、GaS層上に或いはGaN層を介してオーミック電極を設けているので、オーミック電極のコンタクト抵抗を低減することができるとともに、エッチング工程を削減することができるので、化合物半導体装置の高性能化及び低コスト化に寄与するところが大きい。
【0094】
特に、化合物半導体層としてGaAs層を用いた場合には、ピンニング効果を解除することができるとともに、良好な反転層を形成することができるので、化合物半導体MISFETの実用化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理的構成の説明図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態のMISFETの製造工程の説明図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態のMISFETの断面図である。
【図4】本発明の第3の実施の形態のMISFETの断面図である。
【図5】本発明の第4の実施の形態のHEMTの断面図である。
【図6】本発明の第5の実施の形態のHBTの断面図である。
【図7】GaAsにおけるピンニング効果とその防止法の説明図である。
【図8】従来の改良型MISFETの構造とコンタクト抵抗率の説明図である。
【符号の説明】
1 半絶縁性化合物半導体基板
2 化合物半導体層
3 少なくともGaSを含む層
4 GaN層
5 ゲート絶縁膜
6 ゲート電極
7 ソース電極
8 ドレイン電極
11 半絶縁性GaAs基板
12 p- 型GaAs層
13 GaS層
14 GaN層
15 レジストパターン
16 開口部
17 レジストパターン
18 Ti/Pt/Au層
19 ゲート絶縁膜
20 ゲート電極
21 ソース電極
22 ドレイン電極
23 GaN層
24 GaS層
25 ゲート絶縁膜
26 GaN層
27 ゲート絶縁膜
31 半絶縁性GaAs基板
32 i型GaAsバッファ層
33 i型InGaAsチャネル層
34 n型InGaPキャリア供給層
35 n+ 型GaAsコンタクト層
36 GaS層
37 GaN層
38 ゲート電極
39 ソース電極
40 ドレイン電極
41 半絶縁性GaAs基板
42 n+ 型GaAsサブコレクタ層
43 n型GaAsコレクタ層
44 p+ 型GaAsベース層
45 n型InGaPエミッタ層
46 n+ 型GaAsエミッタキャップ層
47 GaS層
48 GaN層
49 エミッタ電極
50 ベース電極
51 コレクタ電極
61 半絶縁性GaAs基板
62 p- 型GaAsチャネル層
63 GaS層
64 SiN層
65 ゲート絶縁膜
66 ゲート電極
67 ソース電極
68 ドレイン電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a compound semiconductor device, and more particularly to a compound semiconductor device characterized by a configuration of an interface protective film for reducing interface state density and reducing contact resistance in a compound semiconductor MISFET or the like. .
[0002]
[Prior art]
Compound semiconductor field effect transistors such as MESFETs (Schottky barrier gate FETs) and HEMTs (high electron mobility transistors) and compound semiconductor devices such as HBTs (heterojunction bipolar transistors) are used as high-frequency operating elements. One of the applications is, for example, high-power FETs used for power amplifiers for transmission of mobile phone base stations, microwave and millimeter-wave amplifiers for mobile phones, and signal processing circuits for optical communication, etc. Application is expected.
[0003]
However, in a compound semiconductor device, SiO with respect to Si2It has been difficult to form an insulating film interface having a low interface state density such as a film. For example, as an insulating film for GaAs, SiN, SiO2Or Ga2OThreeHowever, it is difficult to reduce the interface state density because GaAs has a unique interface state that causes pinning. MISFETs have not been put to practical use in group compound semiconductors, and interface problems have been avoided with MESFETs and HEMT structures.
Note that a normal interface state density in a compound semiconductor is 1013-1014eV-1cm-2Degree.
[0004]
Here, the pinning effect in GaAs will be described with reference to FIG.
See Fig. 7 (a)
FIG. 7A is a band diagram in the case where a metal and n-type GaAs are bonded, and no detailed causal relationship has been found when any metal is bonded to GaAs. Due to the pinning effect, there is a certain band bending that does not depend on the type of metal, whereby the barrier height is constant, a rectifying characteristic is generated at the semiconductor / metal interface, and the resistance of the ohmic contact to the n-type GaAs tends to increase.
[0005]
In order to improve such pinning effect, the surface of GaAs is changed to (NHFour)2SxAnd Na2Terminate (terminate) dangling bonds on the GaAs surface with S (sulfur) by treatment in a solution of S (see Japanese Patent Laid-Open No. 4-199518 if necessary), or treat the GaAs surface with H2It is known to treat with S gas and terminate dangling bonds on the GaAs surface with S (if necessary, see JP-A-2-170417).
[0006]
In this way, the surface is stabilized by Ga-S bonds formed by terminating dangling bonds on the GaAs surface with S, and the PL (photoluminescence) intensity increases and the barrier height depends on the metal work function. This situation will be described with reference to FIG. 7 (b).
[0007]
See Fig. 7 (b)
FIG. 7B is a band diagram when the surface of the n-type GaAs is terminated with S and then a metal is bonded. The pinning of the n-type GaAs surface is released by the presence of GaS formed by the termination. Therefore, when a metal having a Schottky barrier reflecting the work function of the metal is formed and the barrier height is lowered, for example, Ti, band bending on the n-type GaAs surface is reduced, and the tunnel current in the GaS is reduced between the metal and the n-type GaAs. It will be connected ohmic through.
[0008]
However, since the GaS layer formed by such S termination is an extremely thin film with one atomic layer (monolayer), it is difficult to stably keep the surface stabilized by the S treatment as it is. There is.
For example, a SiN film or SiO as a surface protective film on the GaAs surface subjected to S treatment2When a film is deposited, there is a problem that the PL intensity is remarkably reduced and the effect of releasing pinning is reduced.
[0009]
In addition, when an ohmic electrode is formed by depositing a metal on the surface of GaAs that has been subjected to S treatment, the metal and GaAs react with the heat treatment, and the Schottky characteristics change abruptly. At the same time, there is a problem that the effect of releasing pinning is reduced.
[0010]
In order to improve the stability in the S treatment, particularly the thermal stability, the present inventors have made tertiary butyl gallium sulfacuben [((t-Bu) GaS).FourIn this case, it is proposed that a compound semiconductor MISFET is formed by releasing the pinning of the GaAs surface by using a thick amorphous GaS layer of about 30 nm formed by sublimation as a gate insulating film. No. 98185).
The GaS layer is amorphous in order to alleviate the lattice mismatch with GaAs. However, when GaS is crystallized, it has a cubic structure with a composition ratio of 1: 1.
[0011]
Furthermore, the present inventors have proposed that the release of pinning by such a thick GaS layer is used for forming an ohmic electrode (see Japanese Patent Application No. 9-351633, if necessary). Such an improved MISFET will be described with reference to FIG.
[0012]
Refer to FIG.
FIG. 8A is a cross-sectional view of a conventional improved MISFET. First, the C (carbon) concentration is 3 × on the semi-insulating GaAs substrate 61 by using the MOVPE method (metal organic vapor phase epitaxy). 1015cm-3P with a thickness of 300 nm (= 3000 mm)-After epitaxially growing the type GaAs channel layer 62, a solid source tertiary butyl gallium sulfacubene is sublimated in vacuum to deposit a GaS layer 63 having a thickness of 5 nm to 20 nm, and then plasma enhanced CVD A SiN layer 64 having a thickness of 50 nm is deposited by the method.
[0013]
Next, using the resist pattern (not shown) as a mask, etching was performed using buffered hydrofluoric acid to selectively remove the exposed SiN layer 64 to form openings for forming source / drain electrodes. After that, the resist pattern is removed, and then a gate electrode 66, a source electrode 67, and a drain electrode 68 made of a Ti / Pt / Au layer are formed by a lift-off method using a new resist pattern (not shown). Thus, the basic structure of the compound semiconductor MISFET is completed.
In this case, the gate insulating film 65 has a two-layer structure of the GaS layer 63 and the SiN layer 64.
[0014]
In such an improved MISFET, since the source electrode 67 and the drain electrode 68 are provided via a GaS layer that is considerably thicker than that of the monolayer, p-The pinning effect on the surface of the type GaAs channel layer 62 remains released, and as a result, a low-resistance ohmic contact can be formed.
[0015]
The GaS film thickness dependence of the contact resistivity in this case has already been disclosed in the above Japanese Patent Application No. 9-351633, and this situation will be described again with reference to FIG.
Refer to FIG.
FIG. 8B shows the contact resistivity (Ω · cm) when a Ti electrode is formed on GaAs by changing the thickness of the GaS layer and then heat-treated at 300 ° C. for 10 minutes.2), And the resistivity at about 150 mm (= 15 nm) becomes the lowest through a quasi-Schottky barrier from a high resistance Schottky barrier with a film thickness of 0 mm. When the thickness is about 20 nm, it becomes a quasi-Schottky barrier again, and above that, it becomes a high-resistance insulating film.
Therefore, by appropriately selecting the thickness of the GaS layer, it can be used as an insulating film or a film for reducing contact resistance.
The film thickness of the GaS layer in this case is the film thickness at the time of deposition, and a reaction layer that has reacted with Ti is formed on the Ti electrode side by heat treatment, and the actual film thickness is reduced below this value. It is considered a thing.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case where the gate insulating film is constituted only by the GaS layer as in the MISFET disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-98185, if the GaS layer serving as the gate insulating film is thinned, the dielectric breakdown voltage of the GaS layer is low. In addition, there is a problem that a large leak current flows in the MIS structure.
[0017]
Further, in the improved MISFET shown in FIG. 8A, in the heat treatment step for forming the ohmic electrode, the reaction between the GaS layer and the metal electrode proceeds, and the ohmic characteristics are optimized. If the GaS layer is used simultaneously as an insulating film and a film for reducing contact resistance, the film thickness of the GaS layer is about as follows. The insulation film and the contact resistance reduction are in a trade-off relationship with each other, and the film thickness to be employed becomes a problem, and furthermore, the heat treatment time is also a problem, so the degree of freedom of the process is limited. There is.
[0018]
Further, in the improved MISFET shown in FIG. 8A, since the growth apparatuses for depositing the GaS layer and the SiN layer are completely different, the configuration of the manufacturing apparatus becomes complicated, and the number of manufacturing processes increases accordingly. Therefore, there is a problem that the throughput is lowered.
[0019]
  Therefore, the present inventionIII- Group VIn compound semiconductorsWorldIt is an object of the present invention to reduce the surface state density and the ohmic resistance with a simple manufacturing apparatus configuration.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
  FIG. 1 is an explanatory diagram of the principle configuration of the present invention. Means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
  See Figure 1
  (1) In the compound semiconductor device of the present invention, the surface of the compound semiconductor layer 2 made of a III-V compound semiconductor is formed.coverMore than two atomic layers thickA first GaS layer and,The first GaS layer;At least someCovering firstGaNWith an insulating film including a layerIt is characterized by that.
[0021]
  Like this,III- Made of Group V compound semiconductorBy covering the surface of the compound semiconductor layer 2 with a layer 3 containing at least GaSTerminate surface dangling bonds with S (sulfur)Reduce interface state densityIt is possible,In addition, by making the film thickness more than two atomic layers, the thermal stability can be improved and the contact resistance can be reduced as is apparent from FIG. 8B.In In difficult to reduce interface state density x Al y Ga 1-xy As w P 1-W And nitride compound semiconductors III- Suitable for Group V compound semiconductors.
  Especially in the case of GaAsCancel pinningcan do.
  The “layer 3 containing at least GaS” means a GaS layer itself, a III-VI compound semiconductor layer such as an AlGaS layer or a GaSSe layer, or a layer mixed with other metal elements.
[0022]
Further, by covering the layer 3 containing at least GaS with the GaN layer 4 instead of the SiN layer, the manufacturing apparatus can be made common, thereby simplifying the manufacturing process and improving the throughput.
In particular, when the compound semiconductor layer 2 is grown on the semi-insulating compound semiconductor substrate 1, the compound semiconductor layer 2, the layer 3 containing at least GaS, and the GaN layer 4 can be manufactured using the same manufacturing apparatus.
[0023]
Further, by covering the layer 3 containing at least GaS with the GaN layer 4, it is possible to prevent peeling of the layer 3 containing at least GaS in a plasma ashing process or the like, and at least include GaS when an ohmic electrode is provided. It becomes easy to control the film thickness of the layer 3 within the optimum range.
[0024]
  (2) Further, the present invention provides the above (1),The insulating film further includes a second GaS layer covering the first GaN layer.It is characterized by that.
[0025]
In general, since it is not easy to deposit the GaN layer 4 thickly on the layer 3 containing at least GaS, it is possible to increase the overall thickness by further providing a layer containing at least GaS on the GaN layer 4. This can increase the withstand voltage.
[0026]
  (3) Further, the present invention provides the above (1),The insulating film further includes a second GaS layer that covers the first GaN layer and a second GaN layer that covers the surface of the second GaS layer.It is characterized by that.
[0027]
Thus, by making the uppermost layer a GaN layer, process instability of a layer containing at least GaS, such as peeling in a plasma ashing process or the like, can be improved.
[0030]
  (4) Moreover, the present invention provides any of the above (1) to (3),At least one ohmic electrode in ohmic contact with the compound semiconductor layer is formed on the first GaS layer.It is provided so that it may touch.
[0031]
In this manner, by providing ohmic electrodes such as the source electrode 7 and the drain electrode 8 on the surface of the layer 3 containing at least GaS exposed by removing the GaN layer 4 covering the surface, the film of the layer 3 containing at least GaS. Since the thickness can be accurately controlled according to the deposition conditions, the contact resistance can be reduced with good reproducibility. When applied to HBT or the like, for example, only the base electrode may be provided on the surface of the layer 3 containing at least GaS, and the emitter electrode or the collector electrode may be provided directly on the surface of the compound semiconductor layer 2.
[0032]
  (5) Moreover, the present invention provides any of the above (1) to (3),At least one ohmic electrode in ohmic contact with the compound semiconductor layer is formed on the first GaN layer.It is provided so that it may touch.
[0033]
As described above, since the thickness of the GaN layer 4 is generally thin, even if an electrode is provided on the surface of the GaN layer 4, the electrode and the compound semiconductor layer 2 are ohmically connected via a tunnel current, whereby contact holes are formed. Therefore, the number of manufacturing steps can be reduced.
[0034]
  (6) Moreover, the present invention provides the above (4) or (5),A gate electrode formed on the insulating layer;It is characterized by that.
  (7) Further, in the present invention according to any one of (1) to (6), the compound semiconductor layer includes GaAs.
[0035]
Thus, by using a laminated structure of the layer 3 containing at least GaS and the GaN layer 4, ohmic electrodes such as the low-resistance source electrode 7 and the drain electrode 8 have a low interface state density and an excellent withstand voltage. Since a metal-insulator-semiconductor structure (MIS structure) can be formed at the same time, an MIS type compound semiconductor device can be realized.
In this case, the gate insulating film 5 is a laminated structure film of the layer 3 containing at least GaS and the GaN layer 4.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Here, with reference to FIG. 2, the manufacturing process of the MISFET according to the first embodiment of the present invention will be described.
See Fig. 2 (a)
First, on the semi-insulating GaAs substrate 11, using the MOVPE method, the thickness is, for example, 300 nm, and the carbon concentration is, for example, 3 × 10.15cm-3P to be the channel layer of-After the type GaAs layer 12 is grown, the thickness is increased by sublimating tertiary butyl gallium sulfacuben, which is a solid material housed in the chamber, at a substrate temperature of 350 to 500 ° C., for example, 350 ° C. An amorphous GaS layer 13 having a thickness of 2 atomic layers to 20 nm, for example, 10 nm is grown.
[0037]
Subsequently, in a state where the substrate temperature is 400 to 450 ° C., for example, 400 ° C. in the same chamber, 1 sccm of nitrogen radicals excited by 0.25 sccm of TEGa (triethyl gallium) and high frequency power of 350 W is flowed. Thus, the GaN layer 14 having a thickness of 0.5 to 5 nm, for example, 5 nm is grown on the GaS layer 13.
In this case, the growth rate of the GaN layer 14 is about 20 to 40 nm / hour.
[0038]
Refer to FIG.
Next, hot H is used using the resist pattern 15 provided with the openings 16 corresponding to the source / drain regions as a mask.ThreePOFourThe GaS layer 13 is exposed by selectively removing the GaN layer 14 by performing wet etching using.
[0039]
Refer to FIG.
Next, after removing the resist pattern 15, a new resist pattern 17 having openings corresponding to the gate electrode and the source / drain electrode is provided, and a Ti film having a thickness of, for example, 10 nm is formed on the entire surface. For example, the Ti / Pt / Au layer 18 is deposited by sequentially depositing a Pt film having a thickness of 30 nm and an Au film having a thickness of, for example, 300 nm.
[0040]
Refer to FIG.
Next, the resist pattern 17 is removed, and the Ti / Pt / Au layer 18 deposited on the resist pattern 17 is lifted off, thereby forming the gate electrode 20, the source electrode 21, and the drain electrode 22.
In this case, the gate insulating film 19 has a laminated structure of the GaS layer 13 and the GaN layer 14.
[0041]
In the MISFET of the first embodiment, p-Since the GaS layer 13 is provided so as to be in contact with the type GaAs layer 12, the interface state density is 10 by the termination effect by the GaS layer 13.11eV-1cm-2Can be reduced to p-An inversion layer, that is, an n-type channel layer is formed on the surface of the type GaAs layer 12.
[0042]
Further, since the gate insulating film 19 has a two-layer structure of the GaS layer 13 and the GaN layer 14, the low dielectric breakdown voltage of the GaS layer 13 can be compensated for by the wide gap GaN layer 14. Withstand voltage can be increased and leakage current can be reduced.
[0043]
The operation of the GaN layer 14 in this case is the same as that of the SiN layer 64 shown in FIG. 8A described above, but the GaN layer 14 is different from the SiN layer 64 in the same chamber as the GaS layer 13. Therefore, the manufacturing apparatus is simplified, and the throughput is improved because a cleaning process or the like when moving between the manufacturing apparatuses becomes unnecessary.
[0044]
Further, since the source electrode 21 and the drain electrode 22 are provided via the GaS layer 13 having a thickness of, for example, 10 nm, the pinning effect is canceled and the ohmic electrodes having a low contact resistivity can be formed.
In addition, since the film thickness of the GaS layer 13 in this case is determined by the film thickness at the time of film formation, the contact resistivity can be accurately controlled within the optimum range shown in FIG. A semiconductor MISFET can be manufactured with good reproducibility.
[0045]
Next, a MISFET according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
3A is a cross-sectional view when the ohmic electrode is provided on the GaS layer, and FIG. 3B is a cross-sectional view when the ohmic electrode is provided via the GaN layer. .
See Fig. 3 (a)
First, in exactly the same manner as in the first embodiment, the thickness is, for example, 300 nm and the carbon concentration is, for example, 3 × 10 on the semi-insulating GaAs substrate 11 by using the MOVPE method.15cm-3P to be the channel layer of-After the growth of the type GaAs layer 12, the tertiary butyl gallium sulfacuben housed in the chamber is sublimated at a substrate temperature of 350 to 500 ° C., for example, 350 ° C. A GaS layer 13 in an amorphous state of 20 nm, for example, 10 nm is grown.
[0046]
Subsequently, in the same chamber, with the substrate temperature set at 400 to 450 ° C., for example, 400 ° C., 1 Gacm of nitrogen radicals excited by 0.25 sccm of TEGa and high frequency power of 350 W are allowed to flow, thereby causing GaS layers to flow. A GaN layer 23 having a thickness of 0.5 to 5 nm, for example, 2 nm, is grown on 13.
[0047]
Subsequently, by sublimating tertiary butyl gallium sulfacuben in the same chamber at a substrate temperature of 350 to 500 ° C., for example, 350 ° C., an amorphous film having a thickness of 2 to 20 nm, for example, 10 nm. The GaS layer 24 in the state is grown.
[0048]
Next, a resist pattern (not shown) provided with openings corresponding to the source / drain regions is used as a mask.ThreePOFourThe GaS layer 24 is selectively removed to expose the GaN layer 23 by wet etching using a mixed solution of + HCl, and then hot HThreePOFourThe GaS layer 13 is exposed by selectively removing the GaN layer 23 by performing wet etching using.
[0049]
Thereafter, in exactly the same manner as in the first embodiment, after removing the resist pattern, a new resist pattern having openings corresponding to the gate electrode and the source / drain electrodes is provided. For example, a Ti / Pt / Au layer is deposited by sequentially depositing a 10 nm Ti film, a Pt film having a thickness of, for example, 30 nm, and an Au film having a thickness of, for example, 300 nm, and then a resist pattern. Then, the Ti / Pt / Au layer deposited on the resist pattern is lifted off to form the gate electrode 20, the source electrode 21, and the drain electrode 22.
In this case, the gate insulating film 25 has a laminated structure of GaS layer 13 / GaN layer 23 / GaS layer 24.
[0050]
The device characteristics of the MISFET of the second embodiment are basically the same as those of the first embodiment. However, in the GaN layer deposition process at a relatively low temperature, the device characteristics of the first embodiment are the same. In general, it is not easy to deposit the GaN layer 13 thickly. Instead of thinning the GaN layer 23, the gate insulation breakdown voltage is increased by increasing the total thickness of the GaS layer.
[0051]
In this case, the GaS layer 13 may be 20 nm and the GaS layer 24 may be omitted. In this case, the GaS layer 24 in the source / drain region is too thick, and the contact resistivity is too high. Since the thin GaN layer 23 is used as an etching stopper in the second embodiment, the contact resistivity can be accurately controlled within the optimum range shown in FIG. A MISFET can be manufactured with good reproducibility.
[0052]
Refer to FIG.
The MISFET shown in FIG. 3B is a modification of FIG. 3A, and the film forming process is the same as that in FIG. In forming the portion, only the GaS layer 24 is removed, and the thin GaN layer 23 is left as it is, and the source electrode 21 and the drain electrode 22 are provided on the surface of the GaN layer 23.
[0053]
In this case, since the GaN layer 23 is very thin, about 2 nm, the source electrode 21 and the drain electrode 22 are connected to the p-type via the tunnel current.-The type GaAs layer 12 is ohmicly connected.
By adopting such a configuration, the etching process of the GaN layer 23 becomes unnecessary, so that the number of manufacturing processes can be reduced and the throughput is improved.
[0054]
Next, a MISFET according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
4A is a cross-sectional view when the ohmic electrode is provided on the GaS layer, and FIG. 4B is a cross-sectional view when the ohmic electrode is provided via the GaN layer. .
See Fig. 4 (a)
First, in exactly the same manner as in the first embodiment, the thickness is, for example, 300 nm and the carbon concentration is, for example, 3 × 10 6 on the semi-insulating GaAs substrate 11 by using the MOVPE method.15cm-3P to be the channel layer of-After the growth of the type GaAs layer 12, the tertiary butyl gallium sulfacuben housed in the chamber is sublimated at a substrate temperature of 350 to 500 ° C., for example, 350 ° C. A GaS layer 13 in an amorphous state of 20 nm, for example, 10 nm is grown.
[0055]
Subsequently, in the same chamber, with the substrate temperature set at 400 to 450 ° C., for example, 400 ° C., 1 Gacm of nitrogen radicals excited by 0.25 sccm of TEGa and high frequency power of 350 W are allowed to flow, thereby causing GaS layers to flow. A GaN layer 23 having a thickness of 0.5 to 5 nm, for example, 2 nm, is grown on 13.
[0056]
Subsequently, by sublimating tertiary butyl gallium sulfacuben in the same chamber at a substrate temperature of 350 to 500 ° C., for example, 350 ° C., an amorphous film having a thickness of 2 to 20 nm, for example, 10 nm. After the growth of the GaS layer 24 in the state, the TEGa was subsequently excited by high-frequency power of 0.25 sccm and 350 W in a state where the substrate temperature was 400 to 450 ° C., for example, 400 ° C., in the same chamber. By flowing 1 sccm of nitrogen radicals, a GaN layer 26 having a thickness of 0.5 to 5 nm, for example, 2 nm is grown on the GaS layer 24.
[0057]
Next, hot H is used using a resist pattern (not shown) provided with openings corresponding to the source / drain regions as a mask.ThreePOFourAfter selectively removing the GaN layer 26 and exposing the GaS layer 24 by performing wet etching usingThreePOFourThe GaS layer 24 is selectively removed to expose the GaN layer 23 by wet etching using a mixed solution of + HCl, and then again hot HThreePOFourThe GaS layer 13 is exposed by selectively removing the GaN layer 23 by performing wet etching using.
[0058]
Thereafter, in exactly the same manner as in the first embodiment, after removing the resist pattern, a new resist pattern having openings corresponding to the gate electrode and the source / drain electrodes is provided. For example, a Ti / Pt / Au layer is deposited by sequentially depositing a 10 nm Ti film, a Pt film having a thickness of, for example, 30 nm, and an Au film having a thickness of, for example, 300 nm, and then a resist pattern. Then, the Ti / Pt / Au layer deposited on the resist pattern is lifted off to form the gate electrode 20, the source electrode 21, and the drain electrode 22.
In this case, the gate insulating film 27 has a laminated structure of GaS layer 13 / GaN layer 23 / GaS layer 24 / GaN layer 26.
[0059]
The element characteristics of the MISFET of the third embodiment are basically the same as those of the second embodiment, but the GaS layer 24 is easily peeled off in the plasma ashing process for removing the resist pattern. Since there is process instability, the process stability is improved by providing the GaN layer 26 as the uppermost layer.
Further, by providing the GaN layer 26, the dielectric strength of the gate is further improved.
[0060]
Also in this third embodiment, since the lower GaN layer 23 is used as an etching stopper, the contact resistivity can be accurately controlled within the optimum range shown in FIG. Thereby, the compound semiconductor MISFET can be manufactured with good reproducibility.
[0061]
Refer to FIG.
The MISFET shown in FIG. 4B is a modification of FIG. 4A and corresponds to the MISFET of FIG. 3B, and the film forming process is the same as in FIG. 4A. Although the description is omitted, when forming the opening corresponding to the source / drain region, the GaN layer 26 and the GaS layer 24 are simply removed, leaving the thin GaN layer 23 as it is, and on the surface of the GaN layer 23. A source electrode 21 and a drain electrode 22 are provided.
[0062]
Also in this case, since the GaN layer 23 is very thin, about 2 nm, the source electrode 21 and the drain electrode 22 are connected to the p-type via the tunnel current.-The type GaAs layer 12 is ohmicly connected.
By adopting such a configuration, the etching process of the GaN layer 23 becomes unnecessary, so that the number of manufacturing processes can be reduced and the throughput is improved.
[0063]
Next, a HEMT according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
5A is a cross-sectional view of the HEMT when the ohmic electrode is provided on the GaS layer, and FIG. 5B is a HEMT when the ohmic electrode is provided via the GaN layer. It is sectional drawing.
Refer to FIG.
First, TEGa (triethyl gallium), AsH on the semi-insulating GaAs substrate 31 using the MOVPE method.ThreeAnd H as a carrier gas2After flowing an undoped i-type GaAs buffer layer 32 having a thickness of, for example, 500 nm, TMIn (trimethylindium) is added to form a thickness of, for example, 14 nm and an In composition ratio of 0.2. A non-doped i-type InGaAs channel layer 32 and then AsHThreePHThreeSiH as an impurity sourceFourFor example, the thickness is 25 nm and the Si concentration is 2 × 1018cm-3Then, an n-type InGaP carrier supply layer 33 having an In composition ratio of 0.49 is grown, and then the supply of TMIn is stopped and PHThreeAgain AsHThreeThe thickness is, for example, 70 nm, and the Si concentration is, for example, 5 × 1018cm-3N+A type GaAs contact layer 35 is deposited.
[0064]
Then n+Type GaAs contact layer 35 with HThreePOFour+ H2O2+ H2After forming a gate recess portion by patterning so as to correspond to the source / drain regions by wet etching using a mixed solution of O, it is accommodated in a GaS deposition chamber, and tertiary butyl gallium sulfacubene is contained in the chamber. , By sublimation at a substrate temperature of 350 to 500 ° C., for example 350 ° C., to grow an amorphous GaS layer 36 having a thickness of 2 to 20 nm, for example 10 nm, and subsequently in the same chamber, By flowing 1 sccm of nitrogen radicals excited by high frequency power of 0.25 sccm and 350 W of TEGa in a state where the substrate temperature is 400 to 450 ° C., for example, 400 ° C., the thickness is increased on the GaS layer 36. GaN layer 37 of 0.5-5 nm, for example 2 nm is grown That.
[0065]
Next, hot H is used using a resist pattern (not shown) provided with an opening for forming a gate as a mask.ThreePOFourAfter selectively removing the GaN layer 37 by performing wet etching usingThreePOFourThe GaS layer 36 is selectively removed by wet etching using a mixed solution of HCl and HCl.
[0066]
Next, after removing the resist pattern, a new resist pattern (not shown) having openings corresponding to the source / drain regions is used as a mask to form hot HThreePOFourAfter selectively removing the GaN layer 37 by performing wet etching using, an Al film having a thickness of, for example, 500 nm is deposited on the entire surface, and lifted off together with the resist pattern to thereby form the source electrode 39 and the drain electrode 40. Form.
[0067]
Next, after removing the resist pattern, a new resist pattern (not shown) having an opening for forming a gate electrode is provided, and an Al film having a thickness of, for example, 500 nm is deposited on the entire surface, together with the resist pattern. The basic structure of the HEMT is completed by forming the gate electrode 38 by lifting off.
[0068]
In the HEMT according to the fourth embodiment of the present invention, the channel region excluding the portion in contact with the gate electrode 38 in the surface of the n-type InGaP carrier supply layer 34 is covered with the GaS layer 36. The dangling bonds on the surface of the type InGaP carrier supply layer 34 can be stabilized by termination with S, and thereby the interface state density is reduced, so that the operation of the HEMT can be stabilized.
[0069]
Also in this case, since the source electrode 39 and the drain electrode 40 are provided via the GaS layer 36 having a film thickness of about 10 nm, the source electrode 39 and the drain electrode 40 can be low-resistance ohmic electrodes.
[0070]
In the fourth embodiment, since the surface of the GaS layer 36 is covered with the GaN layer 37, the GaS layer 36 does not peel off when performing plasma ashing to remove the resist pattern. , Process stability is improved.
[0071]
Refer to FIG.
The HEMT shown in FIG. 5 (b) is a modification of FIG. 5 (a), and the film forming process is the same as that in FIG. Since the electrode 39 and the drain electrode 40 are provided and it is only necessary to provide an opening for forming a gate, the number of etching steps can be reduced and the throughput is improved.
[0072]
In this case, since the gate electrode 38, the source electrode 39, and the drain electrode 40 can be formed by a single film formation process and a lift-off process, the number of manufacturing processes can be further reduced.
Since the GaN layer 37 is very thin, about 2 nm, the source electrode 39, the drain electrode 40, and the n+The type GaAs contact layer 35 is connected to the ohmic contact.
[0073]
Next, an HBT according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
6A is a cross-sectional view of the HBT when the ohmic electrode is provided on the GaS layer, and FIG. 6B is a cross-sectional view of the HBT when the ohmic electrode is provided via the GaN layer. It is sectional drawing.
See Fig. 6 (a)
First, TEGa, AsH is formed on a semi-insulating GaAs substrate 41 by using the MOVPE method.ThreeSiH as impurity sourceFourAnd H as a carrier gas2For example, the thickness is 500 nm and the Si concentration is 3 × 1018cm-3N+Type GaAs subcollector layer 42 and, for example, a thickness of 450 nm and a Si concentration of 3 × 1016cm-3The n-type GaAs collector layer 43 is sequentially deposited.
[0074]
Next, SiHFourCBrFourFor example, the thickness is 70 nm and the C concentration is 4 × 10.19cm-3P+After depositing the type GaAs base layer 44, CBrFourAgain SiHFourAnd switch to AsHThreePHThreeFor example, the thickness is 50 nm and the Si concentration is 3 × 10.17cm-3Then, an n-type InGaP emitter layer 45 having an In composition ratio of 0.49 is deposited, and then the supply of TMIn is stopped and PHThreeAsHThreeFor example, n having a thickness of 200 nm+A type GaAs emitter cap layer 46 is deposited.
N+The type GaAs emitter cap layer 46 has a Si concentration of 3 × 10 5 at a thickness of 150 nm on the n-type InGaP emitter layer 45 side.17cm-3And the Si concentration in the remaining 50 nm thick portion on the upper side is 3 × 1018cm-3It is.
[0075]
Then, by applying mesa etching, n+By forming an emitter mesa composed of the n-type GaAs emitter cap layer 46 and the n-type InGaP emitter layer 45, and then performing mesa etching again, p+A base mesa composed of the n-type GaAs base layer 44 and the n-type GaAs collector layer 43 is formed.
In this mesa etching process, the GaAs layer is etched by HThreePOFour+ H2O2+ H2For etching InGaP using a mixed solution of O, HThreePOFourUse a mixture of HCl and HCl
When this HBT is integrated, mesa etching reaching the semi-insulating GaAs substrate 41 is performed to form a collector mesa in order to perform element isolation.
[0076]
The substrate is then housed in a GaS deposition chamber and the tert-butyl gallium sulfacuben is sublimated in the chamber at a substrate temperature of 350-500 ° C., eg, 350 ° C., to achieve a thickness of 2 atomic layers. A GaS layer 47 having an amorphous state of ˜20 nm, for example, 10 nm is grown, and subsequently, TEGa is 0.25 sccm and 350 W in a state where the substrate temperature is 400 to 450 ° C., for example, 400 ° C., in the same chamber. By flowing 1 sccm of nitrogen radicals excited by the high-frequency power, a GaN layer 48 having a thickness of 0.5 to 5 nm, for example, 2 nm is grown on the GaS layer 47.
[0077]
Next, hot H is used using a resist pattern (not shown) provided with an opening for forming a base electrode as a mask.ThreePOFourAfter selectively removing the GaN layer 48 by performing wet etching using a Pt film, a Pt film having a thickness of 20 nm and an Au film having a thickness of 150 nm are sequentially deposited on the entire surface, and then removed together with the resist pattern, thereby removing the base electrode. 50 is formed.
[0078]
Next, after removing the resist pattern, a new resist pattern (not shown) having openings for forming an emitter electrode and a collector electrode is provided.ThreePOFourAfter selectively removing the GaN layer 48 by performing wet etching using, for example, a 10 nm Ti film, a 30 nm Pt film, and a 300 nm Au film are formed on the entire surface. The basic structure of the HBT is completed by sequentially depositing and lifting off together with the resist pattern to form the emitter electrode 49 and the drain electrode 51.
[0079]
In the HBT according to the fifth embodiment of the present invention, p+Since the exposed surface of the n-type GaAs base layer 44 and the side surface of the n-type InGaP emitter layer 45 are covered with the GaS layer 47, the region in the vicinity of the pn junction between the base and emitter is terminated by S, and the interface state density is reduced. As a result, the surface recombination in the pn junction region is suppressed, so that the current gain can be increased.
[0080]
Also in this case, since the emitter electrode 49, the base electrode 50, and the collector electrode 51 are provided via the GaS layer 36 having a thickness of about 10 nm, the emitter electrode 49, the base electrode 50, and the collector electrode 51 are provided. Can be a low-resistance ohmic electrode.
[0081]
Also in the fifth embodiment, since the surface of the GaS layer 47 is covered with the GaN layer 48, the GaS layer 47 does not peel off in the plasma ashing process for removing the resist pattern. Process stability is improved.
[0082]
Refer to FIG.
The HBT shown in FIG. 6B is a modified example of FIG. 6A, and the film forming process is the same as that in FIG. Since the electrode 49, the base electrode 50, and the collector electrode 51 are provided and it is not necessary to remove the GaN layer 48, the number of etching steps can be reduced and the throughput is improved.
Since the GaN layer 48 is very thin, about 2 nm, the emitter electrode 49, the base electrode 50, and the collector electrode 51 become ohmic electrodes due to the tunnel current.
[0083]
As mentioned above, although each embodiment of the present invention has been described, the present invention is not limited to the configuration described in each embodiment, and various modifications are possible.
For example, in the first to third embodiments described above, the semi-insulating GaAs substrate 11 is used as a starting material, and p is further formed thereon.-The type GaAs layer 12, the GaS layer 13, the GaN layers 13 and 23, etc. are formed by a series of growth processes.-An epitaxial wafer on which the type GaAs layer 12 is grown may be used as a starting material.
[0084]
When such an epitaxial wafer is used, the surface of the epitaxial wafer is naturally oxidized by performing a treatment for 10 minutes at a substrate temperature of 500 ° C., for example, using trisdimethylaminoarsine in a GaS deposition chamber. The film is removed and subsequently processed using HCl gas, for example, at a substrate temperature of 500 ° C., p-After the surface of the type GaAs layer 12 is etched by several atomic layers to clean the surface, the GaS layer 13 and the like may be deposited.
[0085]
Further, such a cleaning process is desirably performed before the film forming process of the GaS layers 36 and 47 performed after the semiconductor layer etching process in the fourth and fifth embodiments. In the embodiment, several atomic layers of the surface of the n-type InGaP carrier supply layer 34 are also removed.
[0086]
In the first to third embodiments, the source electrode 21 and the drain electrode 22 are provided on the GaS layer 13 or via the GaN layer 23. However, the GaS layer 13 is also selectively formed. It is possible to remove and form an alloy ohmic electrode such as a three-layer structure film made of 20 nm Au / Ge film / 5 nm Ni film / 300 nm Au film in a separate process from the gate electrode 20. The same applies to the case of the emitter electrode 49 and the collector electrode 51 of the fifth embodiment.
[0087]
In the fourth embodiment, the HEMT is described. However, by replacing the i-type InGaAs channel layer 33 with an n-type InGaAs channel layer, it is possible to operate as a MESFET. Such MESFETs are also targeted.
[0088]
In each of the above-described embodiments, the GaS layer is formed using tertiary butyl gallium sulfacuben. However, the GaS layer is not limited to tert-butyl gallium sulfacuben, and 2 [(tBu)2Ga (μ-SH)]2May be used.
[0089]
In each of the above-described embodiments, the main purpose is to stabilize the surface of GaAs, which exhibits a remarkable pinning effect. However, as in the fourth and fifth embodiments, the surface stabilization of InGaP is also performed. Even if there is no direct relationship to the cancellation of the pinning effect, the interface state density can be reduced by terminating the surface dangling bonds with S, which contributes to the improvement of device characteristics. And therefore InxAlyGa1-xyAswP1-WAnd InxAlyGa1-xyAswN1-wIt can also be used for surface stabilization of other III-V compound semiconductors represented by
[0090]
In each of the above embodiments, the surface stabilization layer is described as a GaS layer. However, the layer is not limited to a pure GaS layer, and may be a III-VI group compound semiconductor such as AlGaS or GaSSe. Alternatively, a GaS layer or the like in which a metal component is doped or alloyed by a solid phase diffusion reaction with an ohmic electrode may be used.
[0091]
In each of the above embodiments, the GaS layer is regarded as an insulator and is effectively ohmicized by a tunnel current. However, it is not necessarily purely insulative, A metal component may be doped by a solid phase diffusion reaction to have some conductivity.
[0092]
In addition, the thickness of the GaS layer in each of the above embodiments is set to 2 to 20 nm, but in order to increase the thermal stability, it is more desirable that the film thickness is 5 nm or more. When the ohmic electrode is formed by removing the GaS layer, the GaS layer functions purely as an insulator, and thus may have a thickness of 20 nm or more.
[0093]
【The invention's effect】
According to the present invention, the surface of the compound semiconductor layer such as GaAs is covered with the two-layer structure film of the GaS layer and the GaN layer having a thickness of at least two atomic layers or more. In addition, the GaN layer can be used to stabilize the manufacturing apparatus, and the manufacturing apparatus can be shared, and the ohmic electrode is provided on the GaS layer or via the GaN layer. Since the contact resistance of the ohmic electrode can be reduced and the etching process can be reduced, it greatly contributes to high performance and low cost of the compound semiconductor device.
[0094]
In particular, when a GaAs layer is used as the compound semiconductor layer, the pinning effect can be canceled and a good inversion layer can be formed, which greatly contributes to the practical use of the compound semiconductor MISFET.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic configuration of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a manufacturing process of the MISFET according to the first embodiment of the invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a MISFET according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a MISFET according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a HEMT according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of an HBT according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a pinning effect and its prevention method in GaAs.
FIG. 8 is an explanatory diagram of the structure and contact resistivity of a conventional improved MISFET.
[Explanation of symbols]
1 Semi-insulating compound semiconductor substrate
2 Compound semiconductor layer
3 Layer containing at least GaS
4 GaN layer
5 Gate insulation film
6 Gate electrode
7 Source electrode
8 Drain electrode
11 Semi-insulating GaAs substrate
12 p-Type GaAs layer
13 GaS layer
14 GaN layer
15 resist pattern
16 opening
17 resist pattern
18 Ti / Pt / Au layer
19 Gate insulation film
20 Gate electrode
21 Source electrode
22 Drain electrode
23 GaN layer
24 GaS layer
25 Gate insulation film
26 GaN layer
27 Gate insulation film
31 Semi-insulating GaAs substrate
32 i-type GaAs buffer layer
33 i-type InGaAs channel layer
34 n-type InGaP carrier supply layer
35 n+Type GaAs contact layer
36 GaS layer
37 GaN layer
38 Gate electrode
39 Source electrode
40 Drain electrode
41 Semi-insulating GaAs substrate
42 n+Type GaAs subcollector layer
43 n-type GaAs collector layer
44 p+Type GaAs base layer
45 n-type InGaP emitter layer
46 n+Type GaAs emitter cap layer
47 GaS layer
48 GaN layer
49 Emitter electrode
50 Base electrode
51 Collector electrode
61 Semi-insulating GaAs substrate
62 p-Type GaAs channel layer
63 GaS layer
64 SiN layer
65 Gate insulation film
66 Gate electrode
67 Source electrode
68 Drain electrode

Claims (7)

III-V族化合物半導体からなる化合物半導体層の表面を覆う、2原子層以上の厚さの第1のGaS層と、前記第1のGaS層の少なくとも一部を覆う第1のGaN層とを含む絶縁膜を備えたことを特徴とする化合物半導体装置。 Covering the surface of the III-V compound formed of a semiconductor compound semiconductor layer, a first GaS layer of two or more atomic layers thick, and a first GaN layer covering at least a portion of said first GaS layer A compound semiconductor device comprising an insulating film . 前記絶縁膜は、前記第1のGaN層を覆う第2のGaS層を更に含むことを特徴とする請求項1記載の化合物半導体装置。 2. The compound semiconductor device according to claim 1 , wherein the insulating film further includes a second GaS layer covering the first GaN layer. 前記絶縁膜は、前記第1のGaN層を覆う第2のGaS層と、前記第2のGaS層の表面を覆う第2のGaN層を更に含むことを特徴とする請求項1記載の化合物半導体装置。 The insulating layer, the first covering the GaN layer, and the second GaS layer, the compound of claim 1, wherein the further comprising a second second GaN layer covering the surface of the GaS layer Semiconductor device. 前記化合物半導体層とオーミック接触する少なくとも一つのオーミック電極を、前記第1のGaS層に接するように設けたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。 4. The compound semiconductor device according to claim 1 , wherein at least one ohmic electrode that is in ohmic contact with the compound semiconductor layer is provided so as to be in contact with the first GaS layer. 5. 前記化合物半導体層とオーミック接触する少なくとも一つのオーミック電極を、前記第1のGaN層に接するように設けたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。 4. The compound semiconductor device according to claim 1 , wherein at least one ohmic electrode that is in ohmic contact with the compound semiconductor layer is provided so as to be in contact with the first GaN layer. 5. 前記絶縁膜上に形成されたゲート電極を更に含むことを特徴とする請求項4または5に記載の化合物半導体装置。The compound semiconductor device according to claim 4, further comprising a gate electrode formed on the insulating film . 前記化合物半導体層は、GaAsを含むことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。  The compound semiconductor device according to claim 1, wherein the compound semiconductor layer contains GaAs.
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