JP4413472B2 - Compound semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は化合物半導体装置及びその製造方法に関するものであり、例えば、高速光通信用デバイスへの応用が期待されている、負性微分抵抗を持つ共鳴トンネルダイオード(RTD)と高電子移動度トランジスタ(HEMT)を集積化した化合物半導体装置における自己整合電極の構成に特徴のある化合物半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年の光通信の高速化・大容量化に伴い、通信インフラの分野では、波長多重レーザ、光変調器等の様々な光デバイスの開発の必要に迫られているが、この様な光デバイスを高速に駆動するためには、高速スイッチング半導体デバイス等が必要になる。
【0003】
この様な光通信用の高速スイッチング半導体デバイスとしては、負性微分抵抗を持つRTDとHEMTを集積化した化合物半導体装置が知られているので、ここで、図12を参照して従来のRTD集積化HEMTを説明する。
【0004】
図12参照
図12は、従来のRTD集積化HEMTの概略的断面図であり、RTDを集積化するために、半絶縁性InP基板51上に設けたHEMT構成層52の上に、n型キャップ層53を介してRTD構成層を形成し、このRTD構成層をパターニングすることによってRTD素子部54としている。
【0005】
この場合、電子ビームリソグラフィを用いるゲート電極形成工程の問題からRTDとHEMTとの段差を極力小さくすることが重要である。
即ち、ゲートリセス領域60に設けるT型ゲート電極61は、3層構造のレジストを電子ビームリソグラフィによってパターニングしたリフトオフ用パターンを利用して形成しているので、3層構造のレジストを精度良く平坦に塗布することが必要となり、そのためにRTDとHEMTとの段差を少なくすることが必要となる。
【0006】
そのため、下部電極56の横方向の引き出しのためにHEMTのn型キャップ層53をそのまま用い、また、RTD素子部54の膜厚をできるだけ小さく、例えば、約140nm程度にしていた。
なお、図における符号55,58,59は、夫々上部電極、ソース電極、及び、ドレイン電極である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このHEMTのn型キャップ層53による寄生抵抗57は、RTDの高速動作を阻害するという問題がある。
この様な問題を解決するためには、下部電極56をRTD素子部54にできる限り近づければ良いが、従来のフォトリソグラフィ技術を用いるプロセスではリフトオフの問題があり、この距離を小さくすることができない。
【0008】
一方、自己整合プロセスを用いることによって、RTD素子部54と下部電極56とを極限まで近づけて、HEMTのn型キャップ層53による寄生抵抗を低減させることは一応可能である。
【0009】
しかし、下部電極56はその後の配線工程におけるダメージ軽減のため、ある程度の厚み、例えば、300nm程度が必要であるため、上述のようにRTD素子部54の厚みが下部電極56より小さい場合、自己整合プロセスをそのまま適用すると上部電極55と下部電極57とがショートするという深刻な問題を招来する。
【0010】
したがって、本発明は、段差を小さく保ったまま自己整合プロセスにより電極を形成して寄生抵抗を低減化し、高速動作を可能にすることを目的とする。
【0011】
【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、ここで、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。
なお、図における符号1は、半絶縁性InP基板等の基板である。
図1参照
上記の目的を達成するために、本発明は、第1の化合物半導体層2上に、ダイオードを構成する或いは前記第1の化合物半導体層2との接合面を利用してダイオードを構成する第2の化合物半導体層3が形成され、前記第1の化合物半導体層2上に前記ダイオードの一方の電極となる第1の電極5を設けるとともに、前記第2の化合物半導体層3上に前記ダイオードの他方の電極となる第2の電極4を設けた化合物半導体装置において、前記第1の電極5が、少なくとも前記第2の化合物半導体層3に近接するとともに前記第2の化合物半導体層3より薄い第1の領域6と、前記第2の化合物半導体層3からの距離が前記第1の領域6よりも遠く且つ第1の領域6に接し、第1の領域6より厚い第2の領域7により構成されていることを特徴とする。
【0012】
この様に、下部電極となる第1の電極5を薄い第1領域と充分厚い第2領域とからなる2段構造にすることで、自己整合プロセスで電極を形成しても第1の領域6では膜厚が薄いために第1の電極5と第2の電極4とがショートすることがない。
また、第1の電極5の第2の領域7の膜厚を充分に厚くすることができるので、配線工程のダメージを受けることもない。
【0013】
また、第1の電極5の第1の領域6の厚みを第2の化合物半導体多層構造よりも薄く、且つ、第1の領域6と第2の化合物半導体層3との境界を、第2の電極4に対して自己整合的に設けることによって、第1の化合物半導体層2の表面における寄生抵抗が低減し、高速動作が可能になる。
【0014】
この自己整合プロセスは、第2の電極4にひさし状の張出部分を形成することによって形成しても良いし、或いは、第2の化合物半導体層3の断面を逆テーパ状にすることによって行っても良い。
【0015】
また、第1の領域6と第2の化合物半導体層3との境界に、絶縁性物質からなるサイドウォールを設けることによって、このサイドウォールの間隔だけ離間させても良いものである。
【0016】
また、第2の化合物半導体層3、或いは、第1の化合物半導体層2と第2の化合物半導体層3との接合面のいずれかにダイオード構造、例えば、共鳴トンネルダイオード、pn接合ダイオード、pinダイオード、或いは、ショットキーバリアダイオードのいずれかを形成することが望ましい。
この場合、ショットキーバリアダイオードを形成する場合には、第2の化合物半導体層3に設ける第2の電極4の第2の化合物半導体層3と接する部分をショットキーバリア形成用金属で構成すれば良い。
【0017】
また、第1の化合物半導体層2に、バイポーラトランジスタ或いは電界効果型トランジスタの少なくとも一方を形成することによって、光通信用の高速スイッチング半導体デバイスを構成することができる。
【0018】
また、上述の化合物半導体装置を製造する際には、第2の化合物半導体層3上に設ける第2の電極4にひさし状の張り出し部分を形成したのち、第1の電極5を構成する導電材料を上方向から堆積させることで、第2の化合物半導体層3と第1の電極5との境界を、第2の電極4に対して自己整合的に形成すれば良い。
【0019】
或いは、第2の化合物半導体層3の側壁に絶縁性物質からなるサイドウォールを設けたのち、第1の電極5を構成する導電材料を上方向から堆積させ、ついで、堆積方向に対して斜め方向からイオンミリングを施すことによって、サイドウォール上の導電材料を選択的に除去することによって、第2の化合物半導体層3に近接した第1の電極5を形成することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
ここで、図2乃至図5を参照して、本発明の第1の実施の形態の化合物半導体装置の製造工程を説明するが、ここにおいては、化合物半導体装置として共鳴トンネルダイオード(RTD)と高電子移動度トランジスタ(HEMT)とを集積化した例を示す。
【0021】
図2(a)参照
まず、半絶縁性InP基板11上にMOCVD法(有機金属気相成長法)を用いて、厚さが、例えば、200nmのi型InAlAsバッファ層13、厚さが、例えば、25nmのi型InGaAsチャネル層14、厚さが、例えば、3nmのi型InAlAsスペーサ層15、厚さが、例えば、7nmで不純物濃度が5×1018cm-3のn型InAlAs電子供給層16、厚さが、例えば、7nmのi型InAlAsバリア層17、厚さが、例えば、6nmのi型InPエッチング停止層18、及び、厚さが、例えば、50nmで、不純物濃度が1×1019cm-3のn型InGaAsキャップ層19を順次成長させる。
ここまでがHEMT構成層であるが、ここでは、以下の説明の便宜上、i型InGaAsバッファ層12乃至i型InPエッチング停止層18までを、HEMT構成層12とし、n型InGaAsキャップ層19と区別して図示する。
【0022】
引き続いて、厚さが、例えば、6nmのi型InPエッチング停止層21、厚さが、例えば、50nmで不純物濃度が1×1019cm-3のn型InGaAsスペーサ層22、厚さが、例えば、30nmのi型InGaAsスペーサ層23、厚さが、例えば、3nmのi型InAlAs障壁層24、厚さが、例えば、4nmのi型InGaAs井戸層25、厚さが、例えば、3nmのi型InAlAs障壁層26、厚さが、例えば、30nmのi型InGaAsスペーサ層27、及び、厚さが、例えば、50nmで不純物濃度が1×1019cm-3のn型InGaAsスペーサ層28を順次堆積させてRTD構成層20とする。
【0023】
図3(b)参照
次いで、全面にスパッタリング法を用いて厚さが、例えば、100nmのTiW層を堆積させたのち、レジストパターン(図示を省略)をマスクとしてドライエッチングを施すことによってTiW上部電極29を形成する。
【0024】
図3(c)参照
次いで、レジストパターンを除去したのち、TiW上部電極29をマスクとして、リン酸、過酸化水素、水の混合液からなるエッチャントを用いてウェット・エッチングすることによって、RTD構成層20をエッチングしてRTD素子部30を形成する。
なお、この場合、基板として(001)方位の基板を用いると、RTD構成層20の側壁は(111)A面で構成され、一方の側から見た場合には順メサ状とり、それと直交する方向から見た場合には逆メサ状となっている。
【0025】
この場合、RTD構成層20を過剰エッチングしてTiW上部電極29にひさし状の張出部を形成するが、RTD構成層20の最下層のi型InPエッチング停止層21でエッチングは停止する。
次いで、このi型InPエッチング停止層21を塩酸及びリン酸の混合液を用いてエッチング除去することによって、n型InGaAsキャップ層19を露出させる。
【0026】
図4(d)参照
次いで、新たなレジストパターン(図示を省略)をマスクとして、まず、リン酸、過酸化水素、水の混合液からなるエッチャントを用いてウェット・エッチングすることによってn型InGaAsキャップ層18を除去したのち、塩酸及びリン酸の混合液を用いてHEMT構成層12の表面のi型InPエッチング停止層18をエッチングし、次いで、再び、リン酸、過酸化水素、水の混合液からなるエッチャントを用いてウェット・エッチングすることによってi型InAlAsバリア層17乃至i型InAlAsバッファ層13を除去して分離溝31を形成する。
この場合、i型InAlAsバッファ層13を例えば、70nmの深さにエッチングする。
【0027】
図4(e)参照
次いで、レジストパターンを除去したのち、新たなリフトオフ用レジストパターン(図示を省略)を設け、厚さが、例えば、5nmTi膜、厚さが、例えば、10nmのMo膜、及び、厚さが、例えば、35nmのAu膜を順次蒸着したのち、リフトオフ用レジストパターンを除去することによってTi/Mo/Au層32を形成する。
この場合、n型InGaAsキャップ層18上に形成されるTi/Mo/Au層32が環状の下部電極の第1段目となり、TiW上部電極29に対して自己整合的に形成される。
【0028】
図5(f)参照
次いで、新たなリフトオフ用レジストパターン(図示を省略)を設け、厚さが、例えば、10nmTi膜、厚さが、例えば、30nmのPt膜、及び、厚さが、例えば、250nmのAu膜を順次蒸着したのち、リフトオフ用レジストパターンを除去することによってTi/Pt/Au層33を形成する。
【0029】
この場合、n型InGaAsキャップ層18上においては、Ti/Mo/Au層32とTi/Pt/Au層33とによって下部電極34を形成することになるが、この下部電極34の第2段目を構成するTi/Pt/Au層33はRTD素子部30の端面から例えば、1.5μm離して形成する。
また、他方のメサ領域に同時に形成したTi/Pt/Au層33はHEMTのソース・ドレイン電極となる。
【0030】
図5(g)参照
次いで、他方のメサ領域に新たなレジストパターン(図示を省略)をマスクとしてクエン酸、過酸化水素、水の混合液からなるエッチャントを用いてn型InGaAsキャップ層19をエッチングすることによってゲートリセス領域35を形成する。
このときエッチングはi型InPエッチング停止層18で止まる。
【0031】
次いで、レジストパターンを除去したのち、新たな3層構造のリフトオフ用のレジストパターンを設け、厚さが、例えば、10nmTi膜、厚さが、例えば、30nmのPt膜、及び、厚さが、例えば、600nmのAu膜を順次蒸着したのち、リフトオフ用のレジストパターンを除去することによって、T型ゲート電極36を形成することによって本発明の第1の実施の形態の化合物半導体装置の基本構造が得られる。
【0032】
この様に、本発明の第1の実施の形態においては、下部電極34を薄いTi/Mo/Au層32からなる第1段目と厚いTi/Pt/Au層33からなる第2段目によって形成しているので、下部電極34をTiW上部電極29に対して自己整合プロセスで形成することができ、それによって、寄生抵抗を低減することができる。
【0033】
また、下部電極34に厚いTi/Pt/Au層33からなる第2段目を設けているので、配線工程において下部電極34がダメージを受けることがなく、信頼性の高い化合物半導体装置を構成することができる。
【0034】
次に、図6乃至図8を参照して、本発明の第2の実施の形態の化合物半導体装置の製造工程を説明する。
図6(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InP基板11上にMOCVD法を用いてHEMT構成層12、n型InGaAsキャップ層19、及び、RTD構成層20を順次堆積させる。
【0035】
次いで、レジストパターン(図示を省略)をマスクとして、リン酸、過酸化水素、水の混合液からなるエッチャントを用いてウェット・エッチングを施すことによって、分離溝31を形成する。
なお、途中に存在するi型InPエッチング停止層18,21は、塩酸、リン酸の混合液で除去するものであり、また、i型InGaAsバッファ層13については、例えば、70nmの深さまでエッチングする。
【0036】
図6(b)参照
次いで、レジストパターンを除去したのち、新たなレジストパターン(図示を省略)をマスクとして、リン酸、過酸化水素、水の混合液からなるエッチャントを用いてエッチングすることによって断面が逆テーパ状のRTD素子部37を形成するとともに、他のメサ領域のRTD構成層20を除去する。
この場合、エッチングはi型InPエッチング停止層21で停止するので、さらに、このi型InPエッチング停止層21を塩酸、リン酸の混合液で除去する。
なお、この場合、基板として(001)方位の基板を用いると、RTD構成層20の側壁は(111)A面で構成され、一方の側から見た場合には順メサ状とり、それと直交する方向から見た場合には逆メサ状となっている。
【0037】
図7(c)参照
次いで、レジストパターンを除去したのち、新たなリフトオフ用レジストパターン(図示を省略)を設け、厚さが、例えば、5nmTi膜、厚さが、例えば、10nmのMo膜、及び、厚さが、例えば、35nmのAu膜を順次蒸着したのち、リフトオフ用レジストパターンを除去することによってTi/Mo/Au層32を形成する。
この場合、n型InGaAsキャップ層18上に形成されるTi/Mo/Au層32が環状の下部電極の第1段目となり、また、RTD素子部37上に形成されるTi/Mo/Au層32が上部電極の第1段目となり、互いに、自己整合的に形成される。
なお、ここでは、リフトオフ用レジストパターンを工夫することによりRTD素子部37においては、逆メサ状、即ち、逆テーパ状の方向に対してのみTi/Mo/Au層32を堆積させるので、Ti/Mo/Au層32が段切れにより分離される。
【0038】
図7(d)参照
次いで、新たなリフトオフ用レジストパターン(図示を省略)を設け、厚さが、例えば、10nmTi膜、厚さが、例えば、30nmのPt膜、及び、厚さが、例えば、250nmのAu膜を順次蒸着したのち、リフトオフ用レジストパターンを除去することによってTi/Pt/Au層33を形成する。
【0039】
この場合、n型InGaAsキャップ層18上においては、Ti/Mo/Au層32とTi/Pt/Au層33とによって下部電極34を形成することになるが、この下部電極34の第2段目を構成するTi/Pt/Au層33はRTD素子部37の端面から例えば、1.5μm離して形成する。
【0040】
一方、RTD素子部37上に形成されるTi/Mo/Au層32とTi/Pt/Au層33とによって上部電極38を形成することになる。
また、他方のメサ領域に同時に形成したTi/Pt/Au層33はHEMTのソース・ドレイン電極となる。
【0041】
図8(e)参照
以降は、上記の第1の実施の形態と全く同様に、他方のメサ領域に新たなレジストパターン(図示を省略)をマスクとしてクエン酸、過酸化水素、水の混合液からなるエッチャントを用いてn型InGaAsキャップ層19をエッチングすることによってゲートリセス領域35を形成する。
このときエッチングはi型InPエッチング停止層18で止まる。
【0042】
次いで、レジストパターンを除去したのち、新たな3層構造のリフトオフ用のレジストパターンを設け、厚さが、例えば、10nmTi膜、厚さが、例えば、30nmのPt膜、及び、厚さが、例えば、600nmのAu膜を順次蒸着したのち、リフトオフ用のレジストパターンを除去することによって、T型ゲート電極36を形成することによって本発明の第2の実施の形態の化合物半導体装置の基本構造が得られる。
【0043】
この様に、本発明の第2の実施の形態においては、自己整合プロセスに逆テーパ状のRTD素子部37を利用しているが、この逆テーパ形状は特定の方位の結晶面により形成されるので、RTD素子部37と下部電極34の第1段目のTi/Mo/Au層32との間隙はRTD構成層20の厚さによって規定され、過剰エッチング時間には依存しないので、RTD素子部37と下部電極34とを再現性良く近接させることができる。
【0044】
次いで、図9乃至図11を参照して、本発明の第3の実施の形態の化合物半導体装置の製造工程を説明する。
図9(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InP基板11上にMOCVD法を用いてHEMT構成層12、n型InGaAsキャップ層19、及び、RTD構成層20を順次堆積させる。
【0045】
次いで、レジストパターン(図示を省略)をマスクとして、リン酸、過酸化水素、水の混合液からなるエッチャントを用いてエッチングすることによってRTD素子部39を形成する。
このとき、エッチングはi型InPエッチング停止層21で停止するので、さらに、i型InPエッチング停止層21を塩酸、リン酸の混合液で除去する。
【0046】
図9(b)参照
次いで、レジストパターンを除去したのち、全面にプラズマCVD法を用いて厚さが、例えば、100〜200nmのSiON膜を形成したのち、異方性のドライエッチングを施すことによってサイドウォール40を形成する。
【0047】
図10(c)参照
次いで、レジストパターン(図示を省略)をマスクとして、リン酸、過酸化水素、水の混合液からなるエッチャントを用いてウェット・エッチングを施すことによって、分離溝31を形成する。
なお、途中に存在するi型InPエッチング停止層18,21は、塩酸、リン酸の混合液で除去するものであり、また、i型InGaAsバッファ層13については、例えば、70nmの深さまでエッチングする。
【0048】
図10(d)参照
次いで、レジストパターンを除去したのち、新たなリフトオフ用レジストパターン(図示を省略)を設け、厚さが、例えば、5nmTi膜、厚さが、例えば、10nmのMo膜、及び、厚さが、例えば、35nmのAu膜を順次蒸着してRTD素子部39及びその近傍を覆うTi/Mo/Au層32を形成する。
【0049】
図11(e)参照
次いで、斜め上方向からArイオンミリングを施すことによって、サイドウォール40の上方に堆積したTi/Mo/Au層32を除去してTi/Mo/Au層32を上下に分離する。
この場合、n型InGaAsキャップ層18上に形成されるTi/Mo/Au層32が環状の下部電極の第1段目となり、また、RTD素子部39上に形成されるTi/Mo/Au層32が上部電極の第1段目となる。
【0050】
図11(f)参照
以降は、上記の第1の実施の形態と同様に、新たなリフトオフ用レジストパターン(図示を省略)を設け、厚さが、例えば、10nmTi膜、厚さが、例えば、30nmのPt膜、及び、厚さが、例えば、250nmのAu膜を順次蒸着したのち、リフトオフ用レジストパターンを除去することによってTi/Pt/Au層33を形成する。
【0051】
この場合、n型InGaAsキャップ層18上においては、Ti/Mo/Au層32とTi/Pt/Au層33とによって下部電極34を形成することになるが、この下部電極34の第2段目を構成するTi/Pt/Au層33はRTD素子部39の端面から例えば、1.5μm離して形成する。
【0052】
一方、RTD素子部39上に形成されるTi/Mo/Au層32とTi/Pt/Au層33とによって上部電極38を形成することになる。
また、他方のメサ領域に同時に形成したTi/Pt/Au層33はHEMTのソース・ドレイン電極となる。
【0053】
次いで、他方のメサ領域に新たなレジストパターン(図示を省略)をマスクとしてクエン酸、過酸化水素、水の混合液からなるエッチャントを用いてn型InGaAsキャップ層19をエッチングすることによってゲートリセス領域35を形成する。
このときエッチングはi型InPエッチング停止層18で止まる。
【0054】
次いで、レジストパターンを除去したのち、新たな3層構造のリフトオフ用のレジストパターンを設け、厚さが、例えば、10nmTi膜、厚さが、例えば、30nmのPt膜、及び、厚さが、例えば、600nmのAu膜を順次蒸着したのち、リフトオフ用のレジストパターンを除去することによって、T型ゲート電極36を形成することによって本発明の第3の実施の形態の化合物半導体装置の基本構造が得られる。
【0055】
この様に、本発明の第3の実施の形態においては、RTD素子部39と下部電極34の第1段目のTi/Mo/Au層32との間隙はサイドウォール40の厚さによって規定され、過剰エッチング時間には依存しないので、RTD素子部39と下部電極34とを再現性良く近接させることができる。
【0056】
また、サイドウォール40を用いるとともに、Arイオンミーリングを用いて上下の電極を分離しているので、上記の第1或いは第2の実施の形態の様にTi/Mo/Au層32の堆積時に原料ガスが回り込んでRTD素子部の側壁を介した短絡が発生する虞がなくなる。
【0057】
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した構成に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の各実施の形態においては、特定の順序で工程を構成しているが、その内の幾つかの工程は、互いに入れ換えても良いものである。
【0058】
例えば、上記の第1の実施の形態においては、分離溝の形成工程、下部電極の第1段目の形成工程、及び、下部電極の第2断面の形成工程は入れ換えても良いものであり、また、分離溝は、第2の実施の形態と同じにRTD素子部の形成前に形成しても良いものである。
【0059】
また、上記の第2の実施の形態においても、分離溝の形成工程、下部電極の第1段目の形成工程、及び、下部電極の第2断面の形成工程は入れ換えても良いものであり、また、分離溝は、第1の実施の形態と同じにRTD素子部の形成後に形成しても良いものである。
【0060】
また、上記の第3の実施の形態においては、分離溝はTi/Mo/Au層の堆積直後、Ti/Mo/Au層の分離直後、或いは、Ti/Pt/Au層の堆積直後に行っても良いものである。
【0061】
また、上記の第1の実施の形態においては、RTD素子部上には予めTiW上部電極が形成されているので、原理的にはこのTiW上部電極上には、Ti/Mo/Au層及びTi/Pt/Au層は必ずしも形成する必要はない。
但し、自己整合プロセスを設けているので、Ti/Mo/Au層は形成されることになる。
【0062】
また、上記の各実施の形態においては、下部電極をTi/Mo/Au層及びTi/Pt/Au層の2段構造で構成しているが、必ずしも2段構造に限られるものではなく、3段以上の多層構造で構成しても良いものである。
【0063】
また、上記の各実施の形態においては、HEMTのソース・ドレイン電極を第2段目のTi/Pt/Au層で構成しているが、第1段目のTi/Mo/Au層で形成しても良いし、Ti/Mo/Au層及びTi/Pt/Au層の2段構造で構成しても良いものである。
【0064】
また、上記の各実施の形態においては、下部電極を環状に形成しているが、必ずしも環状である必要はなく、RTD素子部の少なくとも一端に近接して設ければ良いものである。
【0065】
また、上記の各実施の形態においては、ダイオードをRTDで構成しているが、必ずしもRTDに限られるものではなく、pn接合ダイオード、pinダイオード、或いは、ショットキーバリアダイオードでも良いものであり、ショットキーバリアダイオードの場合には、上部電極をショットキーバリア電極によって形成すれば良い。
【0066】
また、pn接合ダイオードを形成する場合には、n型InGaAsキャップ層19上にp型InGaAs層を形成しても良く、pn接合ダイオード、pinダイオード、或いは、ショットキーバリアダイオードの場合には、RTD構成層は必要がないものである。
【0067】
また、上記の各実施の形態においては、主要素子としてHEMTを用いているが、必ずしもHEMTである必要はなく、HEMT動作をしない通常のMESFETでも良いものである。
【0068】
さらに、主要素子は、電界効果型化合物半導体素子に限られるものではなく、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)等のバイポーラトランジスタでも良く、或いは、電界効果型化合物半導体素子と組み合わせて用いても良いものである。
【0069】
また、上記の各実施の形態においては、素子分離を分離溝によって行っているが、必ずしも分離溝に限られるものではなく、酸素イオンを注入して絶縁化した領域により素子分離をしても良いものである。
【0070】
また、上記の各実施の形態においては、InP基板を用い、InGaAs/InAlAs系として説明しているが、これらの材料系に限られるものではなく、GaAs基板を用い、GaAs/AlGaAs系等の他の材料系により構成しても良いものである。
【0071】
ここで、再び、図1を参照して、改めて本発明の詳細な特徴を説明する。
図1参照
(付記1) 第1の化合物半導体層2上に、ダイオードを構成する或いは前記第1の化合物半導体層2との接合面を利用してダイオードを構成する第2の化合物半導体層3が形成され、前記第1の化合物半導体層2上に前記ダイオードの一方の電極となる第1の電極5を設けるとともに、前記第2の化合物半導体層3上に前記ダイオードの他方の電極となる第2の電極4を設けた化合物半導体装置において、前記第1の電極5が、少なくとも前記第2の化合物半導体層3に近接するとともに前記第2の化合物半導体層3より薄い第1の領域6と、前記第2の化合物半導体層3からの距離が前記第1の領域6よりも遠く且つ第1の領域6に接し、第1の領域6よりも厚い第2の領域7により構成されていることを特徴とする化合物半導体装置。
(付記2) 前記第1の領域6と前記第2の化合物半導体層3との境界が、前記第2の電極4に対して自己整合的に設けられていることを特徴とする付記1に記載の化合物半導体装置。
(付記3) 前記第1の電極5の第1の領域6の厚みが前記第2の化合物半導体層3よりも薄く、且つ、前記第2の化合物半導体層3の断面が逆テーパ状であり、前記第1の領域6と前記第2の化合物半導体層3との境界が、前記第2の化合物半導体層3の頂面に対して自己整合的に設けられていることを特徴とする付記1に記載の化合物半導体装置。
(付記4) 前記第1の電極5の第1の領域6の厚みが前記第2の化合物半導体層3よりも薄く、且つ、前記第1の領域6と前記第2の化合物半導体層3との境界に、絶縁性物質からなるサイドウォールが設けられていること特徴とする付記1に記載の化合物半導体装置。
(付記5) 前記ダイオード構造が、共鳴トンネルダイオード、pn接合ダイオード、pinダイオード、或いは、ショットキーバリアダイオードのいずれかであることを特徴とする付記1乃至付記4のいずれか1に記載の化合物半導体装置。
(付記6) 前記第1の化合物半導体層2に、バイポーラトランジスタ或いは電界効果型トランジスタの少なくとも一方が形成されていることを特徴とする付記1乃至5のいずれか1に記載の化合物半導体装置。
(付記7) 付記1または付記2に記載の化合物半導体装置を製造する製造方法であって、前記第2の化合物半導体層3上に設ける第2の電極4にひさし状の張り出し部分を形成したのち、前記第1の電極5を構成する導電材料を上方向から堆積させることで、前記第2の化合物半導体層3と前記第1の電極5との境界を、前記第2の電極4に対して自己整合的に形成することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
(付記8) 付記4記載の化合物半導体装置を製造する製造方法であって、前記第2の化合物半導体層3の側壁に絶縁性物質からなるサイドウォールを設けたのち、前記第1の電極5を構成する導電材料を上方向から堆積させ、ついで、堆積方向に対して斜め方向からイオンミリングを施すことによって、前記サイドウォール上の導電材料を選択的に除去することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
【0072】
【発明の効果】
本発明によれば、下部電極を少なくとも2段構造としているので、電極金属より膜厚の薄い半導体能動層に対する下部電極を自己整合的に設けることが可能になり、それにより、寄生抵抗が低減するので、高速動作が可能な優れた化合物半導体装置の実現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の実施の形態の化合物半導体装置の途中までの製造工程の説明図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態の化合物半導体装置の図2以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態の化合物半導体装置の図3以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態の化合物半導体装置の図4以降の製造工程の説明図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態の化合物半導体装置の途中までの製造工程の説明図である。
【図7】本発明の第2の実施の形態の化合物半導体装置の図6以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図8】本発明の第2の実施の形態の化合物半導体装置の図7以降の製造工程の説明図である。
【図9】本発明の第3の実施の形態の化合物半導体装置の途中までの製造工程の説明図である。
【図10】本発明の第3の実施の形態の化合物半導体装置の図9以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図11】本発明の第3の実施の形態の化合物半導体装置の図10以降の製造工程の説明図である。
【図12】従来のRTD集積化HEMTの概略的断面図である。
【符号の説明】
1 基板
2 第1の化合物半導体層
3 第2の化合物半導体層
4 第2の電極
5 第1の電極
6 第1の領域
7 第2の領域
11 半絶縁性InP基板
12 HEMT構成層
13 i型InAlAsバッファ層
14 i型InGaAsチャネル層
15 i型InAlAsスペーサ層
16 n型InAlAs電子供給層
17 i型InAlAsバリア層
18 i型InPエッチング停止層
19 n型InGaAsキャップ層
20 RTD構成層
21 n型InPエッチング停止層
22 n型InGaAsスペーサ層
23 i型InGaAsスペーサ層
24 i型InAlAs障壁層
25 i型InGaAs井戸層
26 i型InAlAs障壁層
27 i型InGaAsスペーサ層
28 n型InGaAsスペーサ層
29 TiW上部電極
30 RTD素子部
31 分離溝
32 Ti/Mo/Au層
33 Ti/Pt/Au層
34 下部電極
35 ゲートリセス領域
36 T型ゲート電極
37 RTD素子部
38 上部電極
39 RTD素子部
40 サイドウォール
51 半絶縁性InP基板
52 HEMT構成層
53 n型キャップ層
54 RTD素子部
55 上部電極
56 下部電極
57 寄生抵抗
58 ソース電極
59 ドレイン電極
60 ゲートリセス領域
61 T型ゲート電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a compound semiconductor device and a method for manufacturing the same. For example, a resonant tunneling diode (RTD) having a negative differential resistance and a high electron mobility transistor (which are expected to be applied to a device for high-speed optical communication) The present invention relates to a compound semiconductor device characterized by the structure of a self-aligned electrode in a compound semiconductor device in which HEMTs are integrated, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
With the recent increase in speed and capacity of optical communications, in the field of communications infrastructure, there is an urgent need to develop various optical devices such as wavelength multiplexing lasers and optical modulators. In order to drive at high speed, a high-speed switching semiconductor device or the like is required.
[0003]
As such a high-speed switching semiconductor device for optical communication, a compound semiconductor device in which an RTD having a negative differential resistance and a HEMT are integrated is known. Here, referring to FIG. The HEMT will be described.
[0004]
See FIG.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a conventional RTD integrated HEMT. In order to integrate an RTD, an n-
[0005]
In this case, it is important to minimize the step between the RTD and the HEMT from the problem of the gate electrode formation process using electron beam lithography.
That is, the T-
[0006]
Therefore, the HEMT n-
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the
In order to solve such a problem, the
[0008]
On the other hand, by using the self-alignment process, it is possible to reduce the parasitic resistance due to the n-
[0009]
However, since the
[0010]
Therefore, an object of the present invention is to reduce the parasitic resistance by forming an electrode by a self-alignment process while keeping the step small, and to enable high-speed operation.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 1 is an explanatory diagram of the principle configuration of the present invention. Here, means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
See Figure 1
In order to achieve the above object, the present invention provides a first
[0012]
Thus, even if the electrode is formed by a self-alignment process, the
In addition, since the film thickness of the
[0013]
In addition, the thickness of the
[0014]
This self-alignment process may be formed by forming an eaves-like overhanging portion on the
[0015]
In addition, by providing a sidewall made of an insulating material at the boundary between the
[0016]
Further, a diode structure, for example, a resonant tunnel diode, a pn junction diode, or a pin diode, is provided on either the second
In this case, when a Schottky barrier diode is formed, a portion of the
[0017]
Further, by forming at least one of a bipolar transistor or a field effect transistor in the first
[0018]
Further, when manufacturing the above-described compound semiconductor device, a conductive material constituting the
[0019]
Alternatively, after providing a sidewall made of an insulating material on the sidewall of the second
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Here, the manufacturing process of the compound semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 5. Here, as the compound semiconductor device, a resonant tunnel diode (RTD) and a high-voltage semiconductor device are used. An example in which an electron mobility transistor (HEMT) is integrated is shown.
[0021]
See Fig. 2 (a)
First, an MOCVD method (metal organic chemical vapor deposition method) is used on a
This is the HEMT constituent layer. Here, for convenience of the following description, the i-type
[0022]
Subsequently, the i-type InP etching stop layer 21 having a thickness of, for example, 6 nm, the thickness of, for example, 50 nm, and the impurity concentration of 1 × 10 5 19 cm -3 N-type
[0023]
Refer to FIG.
Next, a TiW layer having a thickness of, for example, 100 nm is deposited on the entire surface by sputtering, and then dry etching is performed using a resist pattern (not shown) as a mask to form the TiW
[0024]
Refer to FIG.
Next, after removing the resist pattern, the
In this case, when a (001) -oriented substrate is used as the substrate, the side wall of the
[0025]
In this case, the RTD
Next, the i-type InP etching stop layer 21 is removed by etching using a mixed solution of hydrochloric acid and phosphoric acid, thereby exposing the n-type
[0026]
Refer to FIG.
Next, using the new resist pattern (not shown) as a mask, the n-type
In this case, the i-type
[0027]
See Fig. 4 (e)
Next, after removing the resist pattern, a new lift-off resist pattern (not shown) is provided, and the thickness is, for example, a 5 nm Ti film, the thickness is, for example, 10 nm, and the thickness is, for example, After sequentially depositing a 35 nm Au film, the Ti / Mo /
In this case, the Ti / Mo /
[0028]
Refer to FIG.
Next, a new lift-off resist pattern (not shown) is provided, and a 10 nm Ti film having a thickness of, for example, a Pt film having a thickness of, for example, 30 nm, and an Au film having a thickness of, for example, 250 nm are sequentially formed. After the vapor deposition, the Ti / Pt /
[0029]
In this case, on the n-type
Further, the Ti / Pt /
[0030]
Refer to FIG.
Next, the n-type
At this time, the etching stops at the i-type InP
[0031]
Next, after removing the resist pattern, a resist pattern for lift-off having a new three-layer structure is provided, and the thickness is, for example, a 10 nm Ti film, the thickness is, for example, 30 nm, and the thickness is, for example, After sequentially depositing a 600 nm Au film, the lift-off resist pattern is removed to form the T-
[0032]
Thus, in the first embodiment of the present invention, the
[0033]
Further, since the second stage made of the thick Ti / Pt /
[0034]
Next, with reference to FIGS. 6 to 8, a manufacturing process of the compound semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described.
See Fig. 6 (a)
First, in exactly the same manner as in the first embodiment, the HEMT
[0035]
Next, using the resist pattern (not shown) as a mask, wet etching is performed using an etchant made of a mixture of phosphoric acid, hydrogen peroxide, and water, thereby forming the
The i-type InP etching stop layers 18 and 21 existing in the middle are removed with a mixed solution of hydrochloric acid and phosphoric acid, and the i-type
[0036]
See Fig. 6 (b)
Next, after removing the resist pattern, the new resist pattern (not shown) is used as a mask, and etching is performed using an etchant made of a mixture of phosphoric acid, hydrogen peroxide, and water, so that the RTD has an inversely tapered cross section. The
In this case, since the etching stops at the i-type InP etching stop layer 21, the i-type InP etching stop layer 21 is further removed with a mixed solution of hydrochloric acid and phosphoric acid.
In this case, when a (001) -oriented substrate is used as the substrate, the side wall of the
[0037]
See Fig. 7 (c)
Next, after removing the resist pattern, a new lift-off resist pattern (not shown) is provided, and the thickness is, for example, a 5 nm Ti film, the thickness is, for example, 10 nm, and the thickness is, for example, After sequentially depositing a 35 nm Au film, the Ti / Mo /
In this case, the Ti / Mo /
Here, since the Ti / Mo /
[0038]
Refer to FIG.
Next, a new lift-off resist pattern (not shown) is provided, and a 10 nm Ti film having a thickness of, for example, a Pt film having a thickness of, for example, 30 nm, and an Au film having a thickness of, for example, 250 nm are sequentially formed. After the vapor deposition, the Ti / Pt /
[0039]
In this case, on the n-type
[0040]
On the other hand, the
Further, the Ti / Pt /
[0041]
Refer to FIG.
Thereafter, in exactly the same manner as in the first embodiment, an etchant made of a mixed solution of citric acid, hydrogen peroxide, and water is used as a mask for a new resist pattern (not shown) in the other mesa region. The
At this time, the etching stops at the i-type InP
[0042]
Next, after removing the resist pattern, a resist pattern for lift-off having a new three-layer structure is provided, and the thickness is, for example, a 10 nm Ti film, the thickness is, for example, 30 nm, and the thickness is, for example, After sequentially depositing a 600 nm Au film, the resist pattern for lift-off is removed to form the T-
[0043]
As described above, in the second embodiment of the present invention, the reverse tapered
[0044]
Next, with reference to FIGS. 9 to 11, a manufacturing process of the compound semiconductor device according to the third embodiment of the invention will be described.
See Fig. 9 (a)
First, in exactly the same manner as in the first embodiment, the HEMT
[0045]
Next, the
At this time, since the etching stops at the i-type InP etching stop layer 21, the i-type InP etching stop layer 21 is further removed with a mixed solution of hydrochloric acid and phosphoric acid.
[0046]
Refer to FIG. 9B.
Next, after removing the resist pattern, an SiON film having a thickness of, for example, 100 to 200 nm is formed on the entire surface by plasma CVD, and then the
[0047]
Refer to FIG.
Next, using the resist pattern (not shown) as a mask, wet etching is performed using an etchant made of a mixture of phosphoric acid, hydrogen peroxide, and water, thereby forming the
The i-type InP etching stop layers 18 and 21 existing in the middle are removed with a mixed solution of hydrochloric acid and phosphoric acid, and the i-type
[0048]
Refer to FIG.
Next, after removing the resist pattern, a new lift-off resist pattern (not shown) is provided, and the thickness is, for example, a 5 nm Ti film, the thickness is, for example, 10 nm, and the thickness is, for example, Then, a 35 nm Au film is sequentially deposited to form a Ti / Mo /
[0049]
Refer to FIG.
Next, by performing Ar ion milling from an obliquely upward direction, the Ti / Mo /
In this case, the Ti / Mo /
[0050]
Refer to FIG.
Thereafter, as in the first embodiment, a new lift-off resist pattern (not shown) is provided, and the thickness is, for example, a 10 nm Ti film, the thickness is, for example, a 30 nm Pt film, and Then, after sequentially depositing an Au film having a thickness of, for example, 250 nm, the Ti / Pt /
[0051]
In this case, on the n-type
[0052]
On the other hand, the
Further, the Ti / Pt /
[0053]
Next, the n-type
At this time, the etching stops at the i-type InP
[0054]
Next, after removing the resist pattern, a resist pattern for lift-off having a new three-layer structure is provided, and the thickness is, for example, a 10 nm Ti film, the thickness is, for example, 30 nm, and the thickness is, for example, After sequentially depositing a 600 nm Au film, the lift-off resist pattern is removed to form the T-
[0055]
As described above, in the third embodiment of the present invention, the gap between the
[0056]
Further, since the upper and lower electrodes are separated using the
[0057]
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 can be made.
For example, in each of the above embodiments, the steps are configured in a specific order, but some of the steps may be interchanged.
[0058]
For example, in the first embodiment, the separation groove forming step, the lower electrode first step forming step, and the lower electrode second cross-section forming step may be interchanged, Further, the separation groove may be formed before the formation of the RTD element portion as in the second embodiment.
[0059]
Also in the second embodiment, the step of forming the separation groove, the first step of forming the lower electrode, and the step of forming the second cross section of the lower electrode may be interchanged. Further, the separation groove may be formed after the formation of the RTD element portion as in the first embodiment.
[0060]
In the third embodiment, the separation groove is formed immediately after deposition of the Ti / Mo / Au layer, immediately after separation of the Ti / Mo / Au layer, or immediately after deposition of the Ti / Pt / Au layer. Is also good.
[0061]
In the first embodiment, since the TiW upper electrode is formed on the RTD element portion in advance, in principle, the Ti / Mo / Au layer and the TiW are formed on the TiW upper electrode. The / Pt / Au layer is not necessarily formed.
However, since a self-alignment process is provided, a Ti / Mo / Au layer is formed.
[0062]
In each of the above embodiments, the lower electrode has a two-stage structure of a Ti / Mo / Au layer and a Ti / Pt / Au layer. However, the lower electrode is not necessarily limited to a two-stage structure. A multi-layer structure having more than one stage may be used.
[0063]
In each of the above embodiments, the source / drain electrodes of the HEMT are constituted by the second stage Ti / Pt / Au layer, but are formed by the first stage Ti / Mo / Au layer. Alternatively, a two-stage structure of a Ti / Mo / Au layer and a Ti / Pt / Au layer may be used.
[0064]
Further, in each of the above embodiments, the lower electrode is formed in a ring shape, but it is not always necessary to have a ring shape, and it may be provided in the vicinity of at least one end of the RTD element portion.
[0065]
Further, in each of the above embodiments, the diode is configured by the RTD, but is not necessarily limited to the RTD, and may be a pn junction diode, a pin diode, or a Schottky barrier diode. In the case of a key barrier diode, the upper electrode may be formed of a Schottky barrier electrode.
[0066]
In the case of forming a pn junction diode, a p-type InGaAs layer may be formed on the n-type
[0067]
In each of the above embodiments, the HEMT is used as the main element. However, the HEMT is not necessarily required, and a normal MESFET that does not perform the HEMT operation may be used.
[0068]
Further, the main element is not limited to the field effect type compound semiconductor element, but may be a bipolar transistor such as a heterojunction bipolar transistor (HBT), or may be used in combination with a field effect type compound semiconductor element. is there.
[0069]
In each of the above embodiments, the element isolation is performed by the isolation groove. However, the isolation is not necessarily limited to the isolation groove, and the element isolation may be performed by a region in which oxygen ions are implanted and insulated. Is.
[0070]
In each of the above-described embodiments, the InP substrate is used and the InGaAs / InAlAs system is described. However, the present invention is not limited to these materials, and other materials such as a GaAs substrate, a GaAs / AlGaAs system, and the like are used. This material system may be used.
[0071]
Here, the detailed features of the present invention will be described again with reference to FIG.
See Figure 1
(Supplementary Note 1) On the first compound semiconductor layer 2 A diode is formed, or a diode is formed by using a joint surface with the first
(Appendix 2) The
(Appendix 3) Said The thickness of the
(Appendix 4) Said The thickness of the
(Appendix 5 ) Said Note that the diode structure is a resonant tunnel diode, a pn junction diode, a pin diode, or a Schottky barrier diode. 1 to any one of
(Appendix 6 ) Said The first
(
(Appendix 8 ) Compound semiconductor device according to appendix 4 A manufacturing method for manufacturing , Said After providing a sidewall made of an insulating material on the sidewall of the second
[0072]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the lower electrode has at least a two-stage structure, it is possible to provide the lower electrode with respect to the semiconductor active layer having a thickness smaller than that of the electrode metal in a self-aligned manner, thereby reducing the parasitic resistance. Therefore, it greatly contributes to the realization of an excellent compound semiconductor device capable of high-speed operation.
[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 until halfway through the compound semiconductor device according to the first embodiment of this invention;
FIG. 3 is an explanatory diagram of the manufacturing process of the compound semiconductor device according to the first embodiment of this invention up to the middle of FIG. 2 and subsequent steps.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a manufacturing process up to the middle of FIG. 3 and subsequent drawings of the compound semiconductor device according to the first embodiment of the invention;
5 is an explanatory diagram of a manufacturing process of the compound semiconductor device according to the first embodiment of the present invention after FIG. 4;
FIG. 6 is an explanatory diagram of a manufacturing process until halfway through the compound semiconductor device according to the second embodiment of the invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram of the manufacturing process of the compound semiconductor device according to the second embodiment of the present invention until the middle of FIG. 6 and subsequent steps.
FIG. 8 is an explanatory diagram of the manufacturing process after FIG. 7 for the compound semiconductor device according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 9 is an explanatory diagram of a manufacturing process until halfway through the compound semiconductor device according to the third embodiment of the invention;
FIG. 10 is an explanatory diagram of the manufacturing process of the compound semiconductor device according to the third embodiment of the present invention until halfway through FIG. 9;
FIG. 11 is an explanatory diagram of the manufacturing process after FIG. 10 for the compound semiconductor device according to the third embodiment of the present invention;
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a conventional RTD integrated HEMT.
[Explanation of symbols]
1 Substrate
2 First compound semiconductor layer
3 Second compound semiconductor layer
4 Second electrode
5 First electrode
6 First area
7 Second area
11 Semi-insulating InP substrate
12 HEMT component layer
13 i-type InAlAs buffer layer
14 i-type InGaAs channel layer
15 i-type InAlAs spacer layer
16 n-type InAlAs electron supply layer
17 i-type InAlAs barrier layer
18 i-type InP etching stop layer
19 n-type InGaAs cap layer
20 RTD component layers
21 n-type InP etching stop layer
22 n-type InGaAs spacer layer
23 i-type InGaAs spacer layer
24 i-type InAlAs barrier layer
25 i-type InGaAs well layer
26 i-type InAlAs barrier layer
27 i-type InGaAs spacer layer
28 n-type InGaAs spacer layer
29 TiW upper electrode
30 RTD element
31 Separation groove
32 Ti / Mo / Au layer
33 Ti / Pt / Au layer
34 Lower electrode
35 Gate recess area
36 T-type gate electrode
37 RTD element
38 Upper electrode
39 RTD element
40 sidewall
51 Semi-insulating InP substrate
52 HEMT component layer
53 n-type cap layer
54 RTD element
55 Upper electrode
56 Lower electrode
57 Parasitic resistance
58 Source electrode
59 Drain electrode
60 Gate recess area
61 T-type gate electrode
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