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記載の化合物半導体装置。
(付記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乃至のいずれか1に記載の化合物半導体装置。
(付記) 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) 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-type cap layer 53 is formed on a HEMT constituent layer 52 provided on a semi-insulating InP substrate 51. An RTD component layer is formed through the patterning, and the RTD component layer 54 is patterned to form the RTD element portion 54.
[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-type gate electrode 61 provided in the gate recess region 60 is formed using a lift-off pattern obtained by patterning a three-layer resist by electron beam lithography. Therefore, it is necessary to reduce the step between the RTD and the HEMT.
[0006]
Therefore, the HEMT n-type cap layer 53 is used as it is for the lateral extraction of the lower electrode 56, and the film thickness of the RTD element portion 54 is as small as possible, for example, about 140 nm.
Reference numerals 55, 58, and 59 in the figure denote an upper electrode, a source electrode, and a drain electrode, respectively.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the parasitic resistance 57 due to the n-type cap layer 53 of the HEMT has a problem that the high-speed operation of the RTD is hindered.
In order to solve such a problem, the lower electrode 56 may be as close as possible to the RTD element portion 54. However, there is a lift-off problem in the process using the conventional photolithography technique, and this distance may be reduced. Can not.
[0008]
On the other hand, by using the self-alignment process, it is possible to reduce the parasitic resistance due to the n-type cap layer 53 of the HEMT by bringing the RTD element portion 54 and the lower electrode 56 close to the limit.
[0009]
However, since the lower electrode 56 needs to have a certain thickness, for example, about 300 nm, in order to reduce damage in the subsequent wiring process, when the thickness of the RTD element portion 54 is smaller than the lower electrode 56 as described above, self-alignment is required. If the process is applied as it is, it causes a serious problem that the upper electrode 55 and the lower electrode 57 are short-circuited.
[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.
Reference numeral 1 in the figure denotes a substrate such as a semi-insulating InP substrate.
See Figure 1
In order to achieve the above object, the present invention provides a first compound semiconductor layer 2 on the first compound semiconductor layer 2. A diode is formed, or a diode is formed by using a joint surface with the first compound semiconductor layer 2. A second compound semiconductor layer 3 is formed and formed on the first compound semiconductor layer 2 One electrode of the diode While providing the 1st electrode 5, on the said 2nd compound semiconductor layer 3 The other electrode of the diode In the compound semiconductor device provided with the second electrode 4, the first electrode 5 is at least close to the second compound semiconductor layer 3. And thinner than the second compound semiconductor layer 3 A distance from the first region 6 to the second compound semiconductor layer 3 is longer than the first region 6 and in contact with the first region 6, and is thicker than the first region 6. It is configured.
[0012]
Thus, even if the electrode is formed by a self-alignment process, the first region 6 is formed by a two-stage structure including the first region 5 which is the lower electrode and the second region which is sufficiently thick. Then, since the film thickness is small, the first electrode 5 and the second electrode 4 are not short-circuited.
In addition, since the film thickness of the second region 7 of the first electrode 5 can be sufficiently increased, the wiring process is not damaged.
[0013]
In addition, the thickness of the first region 6 of the first electrode 5 is thinner than that of the second compound semiconductor multilayer structure, and the boundary between the first region 6 and the second compound semiconductor layer 3 By providing the electrode 4 in a self-aligned manner, the parasitic resistance on the surface of the first compound semiconductor layer 2 is reduced, and high-speed operation is possible.
[0014]
This self-alignment process may be formed by forming an eaves-like overhanging portion on the second electrode 4 or may be performed by making the cross section of the second compound semiconductor layer 3 reversely tapered. May be.
[0015]
In addition, by providing a sidewall made of an insulating material at the boundary between the first region 6 and the second compound semiconductor layer 3, the distance between the sidewalls may be increased.
[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 compound semiconductor layer 3 or the junction surface between the first compound semiconductor layer 2 and the second compound semiconductor layer 3. Alternatively, it is desirable to form either a Schottky barrier diode.
In this case, when a Schottky barrier diode is formed, a portion of the second electrode 4 provided in the second compound semiconductor layer 3 that is in contact with the second compound semiconductor layer 3 is made of a Schottky barrier forming metal. good.
[0017]
Further, by forming at least one of a bipolar transistor or a field effect transistor in the first compound semiconductor layer 2, a high-speed switching semiconductor device for optical communication can be configured.
[0018]
Further, when manufacturing the above-described compound semiconductor device, a conductive material constituting the first electrode 5 is formed after forming an eaves-like protruding portion on the second electrode 4 provided on the second compound semiconductor layer 3. Is deposited from above, and the boundary between the second compound semiconductor layer 3 and the first electrode 5 may be formed in a self-aligned manner with respect to the second electrode 4.
[0019]
Alternatively, after providing a sidewall made of an insulating material on the sidewall of the second compound semiconductor layer 3, the conductive material constituting the first electrode 5 is deposited from above, and then obliquely with respect to the deposition direction. The first electrode 5 in the vicinity of the second compound semiconductor layer 3 can be formed by selectively removing the conductive material on the sidewall by performing ion milling.
[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 semi-insulating InP substrate 11 to form an i-type InAlAs buffer layer 13 having a thickness of, for example, 200 nm, and an i-type InGaAs having a thickness of, for example, 25 nm. Channel layer 14, i-type InAlAs spacer layer 15 with a thickness of 3 nm, for example, thickness of 7 nm with an impurity concentration of 5 × 10 5 18 cm -3 N-type InAlAs electron supply layer 16, i-type InAlAs barrier layer 17 having a thickness of, for example, 7 nm, i-type InP etching stop layer 18 having a thickness of, for example, 6 nm, and thickness of, for example, 50 nm Impurity concentration is 1 × 10 19 cm -3 The n-type InGaAs cap layer 19 is sequentially grown.
This is the HEMT constituent layer. Here, for convenience of the following description, the i-type InGaAs buffer layer 12 to the i-type InP etching stop layer 18 are referred to as the HEMT constituent layer 12 and separated from the n-type InGaAs cap layer 19. Separately illustrated.
[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 InGaAs spacer layer 22, for example, an i-type InGaAs spacer layer 23 having a thickness of, for example, 30 nm, an i-type InAlAs barrier layer 24 having a thickness of, for example, 3 nm, and an i-type InGaAs well having a thickness of, for example, 4 nm Layer 25, i-type InAlAs barrier layer 26 with a thickness of, for example, 3 nm, i-type InGaAs spacer layer 27 with a thickness of, for example, 30 nm, and thickness of, for example, 50 nm and an impurity concentration of 1 × 10 19 cm -3 The n-type InGaAs spacer layer 28 is sequentially deposited to form the RTD constituent layer 20.
[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 upper electrode 29.
[0024]
Refer to FIG.
Next, after removing the resist pattern, the RTD component layer 20 is etched by RTD using the TiW upper electrode 29 as a mask and wet etching using an etchant made of a mixed solution of phosphoric acid, hydrogen peroxide, and water. The element part 30 is formed.
In this case, when a (001) -oriented substrate is used as the substrate, the side wall of the RTD component layer 20 is formed by the (111) A plane, and when viewed from one side, takes a forward mesa shape and is orthogonal thereto. When viewed from the direction, it has a reverse mesa shape.
[0025]
In this case, the RTD constituent layer 20 is excessively etched to form an eave-like overhanging portion in the TiW upper electrode 29, but the etching stops at the lowermost i-type InP etching stop layer 21 of the RTD constituent layer 20.
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 InGaAs cap layer 19.
[0026]
Refer to FIG.
Next, using the new resist pattern (not shown) as a mask, the n-type InGaAs cap layer 18 is first removed by wet etching using an etchant composed of a mixture of phosphoric acid, hydrogen peroxide, and water. The i-type InP etching stop layer 18 on the surface of the HEMT component layer 12 is etched using a mixed solution of hydrochloric acid and phosphoric acid, and then again using an etchant made of a mixed solution of phosphoric acid, hydrogen peroxide, and water. By performing wet etching, the i-type InAlAs barrier layer 17 to the i-type InAlAs buffer layer 13 are removed, and the isolation groove 31 is formed.
In this case, the i-type InAlAs buffer layer 13 is etched to a depth of 70 nm, for example.
[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 / Au layer 32 is formed by removing the lift-off resist pattern.
In this case, the Ti / Mo / Au layer 32 formed on the n-type InGaAs cap layer 18 is the first stage of the annular lower electrode and is formed in a self-aligned manner with respect to the TiW upper electrode 29.
[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 / Au layer 33 is formed by removing the lift-off resist pattern.
[0029]
In this case, on the n-type InGaAs cap layer 18, the lower electrode 34 is formed by the Ti / Mo / Au layer 32 and the Ti / Pt / Au layer 33. For example, the Ti / Pt / Au layer 33 is formed at a distance of 1.5 μm from the end face of the RTD element portion 30.
Further, the Ti / Pt / Au layer 33 formed simultaneously in the other mesa region serves as a source / drain electrode of the HEMT.
[0030]
Refer to FIG.
Next, the n-type InGaAs cap layer 19 is etched using an etchant made of a mixture of citric acid, hydrogen peroxide, and water using a new resist pattern (not shown) as a mask in the other mesa region, thereby forming a gate recess region 35. Form.
At this time, the etching stops at the i-type InP etching stop layer 18.
[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-type gate electrode 36, thereby obtaining the basic structure of the compound semiconductor device of the first embodiment of the present invention. It is done.
[0032]
Thus, in the first embodiment of the present invention, the lower electrode 34 is formed by the first stage made of the thin Ti / Mo / Au layer 32 and the second stage made of the thick Ti / Pt / Au layer 33. Since it is formed, the lower electrode 34 can be formed in a self-aligned process with respect to the TiW upper electrode 29, thereby reducing the parasitic resistance.
[0033]
Further, since the second stage made of the thick Ti / Pt / Au layer 33 is provided on the lower electrode 34, the lower electrode 34 is not damaged in the wiring process, and a highly reliable compound semiconductor device is configured. be able to.
[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 constituent layer 12, the n-type InGaAs cap layer 19, and the RTD constituent layer 20 are sequentially deposited on the semi-insulating InP substrate 11 using the MOCVD method. .
[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 separation groove 31.
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 InGaAs buffer layer 13 is etched to a depth of 70 nm, for example. .
[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 element part 37 is formed, and the RTD constituent layer 20 in the other mesa region is removed.
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 RTD component layer 20 is formed by the (111) A plane, and when viewed from one side, takes a forward mesa shape and is orthogonal thereto. When viewed from the direction, it has a reverse mesa shape.
[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 / Au layer 32 is formed by removing the lift-off resist pattern.
In this case, the Ti / Mo / Au layer 32 formed on the n-type InGaAs cap layer 18 is the first stage of the annular lower electrode, and the Ti / Mo / Au layer formed on the RTD element portion 37. 32 is the first stage of the upper electrode and is formed in a self-aligned manner.
Here, since the Ti / Mo / Au layer 32 is deposited only in the reverse mesa shape, that is, the reverse taper direction in the RTD element portion 37 by devising the lift-off resist pattern, the Ti / Mo / Au layer 32 is deposited. The Mo / Au layer 32 is separated by disconnection.
[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 / Au layer 33 is formed by removing the lift-off resist pattern.
[0039]
In this case, on the n-type InGaAs cap layer 18, the lower electrode 34 is formed by the Ti / Mo / Au layer 32 and the Ti / Pt / Au layer 33. For example, the Ti / Pt / Au layer 33 is formed at a distance of 1.5 μm from the end face of the RTD element portion 37.
[0040]
On the other hand, the upper electrode 38 is formed by the Ti / Mo / Au layer 32 and the Ti / Pt / Au layer 33 formed on the RTD element portion 37.
Further, the Ti / Pt / Au layer 33 formed simultaneously in the other mesa region serves as a source / drain electrode of the HEMT.
[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 gate recess region 35 is formed by etching the n-type InGaAs cap layer 19.
At this time, the etching stops at the i-type InP etching stop layer 18.
[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-type gate electrode 36, thereby obtaining the basic structure of the compound semiconductor device of the second embodiment of the present invention. It is done.
[0043]
As described above, in the second embodiment of the present invention, the reverse tapered RTD element portion 37 is used for the self-alignment process, and this reverse tapered shape is formed by a crystal plane of a specific orientation. Therefore, the gap between the RTD element portion 37 and the first stage Ti / Mo / Au layer 32 of the lower electrode 34 is defined by the thickness of the RTD constituent layer 20 and does not depend on the excessive etching time. 37 and the lower electrode 34 can be brought close to each other with good reproducibility.
[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 constituent layer 12, the n-type InGaAs cap layer 19, and the RTD constituent layer 20 are sequentially deposited on the semi-insulating InP substrate 11 using the MOCVD method. .
[0045]
Next, the RTD element unit 39 is formed by etching using an etchant made of a mixed solution of phosphoric acid, hydrogen peroxide, and water using a resist pattern (not shown) as a mask.
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 sidewall 40 is formed by performing anisotropic dry etching. .
[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 separation groove 31.
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 InGaAs buffer layer 13 is etched to a depth of 70 nm, for example. .
[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 / Au layer 32 covering the RTD element portion 39 and its vicinity.
[0049]
Refer to FIG.
Next, by performing Ar ion milling from an obliquely upward direction, the Ti / Mo / Au layer 32 deposited above the sidewall 40 is removed, and the Ti / Mo / Au layer 32 is separated vertically.
In this case, the Ti / Mo / Au layer 32 formed on the n-type InGaAs cap layer 18 is the first stage of the annular lower electrode, and the Ti / Mo / Au layer formed on the RTD element portion 39. 32 is the first stage of the upper electrode.
[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 / Au layer 33 is formed by removing the lift-off resist pattern.
[0051]
In this case, on the n-type InGaAs cap layer 18, the lower electrode 34 is formed by the Ti / Mo / Au layer 32 and the Ti / Pt / Au layer 33. For example, the Ti / Pt / Au layer 33 is formed at a distance of 1.5 μm from the end face of the RTD element portion 39.
[0052]
On the other hand, the upper electrode 38 is formed by the Ti / Mo / Au layer 32 and the Ti / Pt / Au layer 33 formed on the RTD element portion 39.
Further, the Ti / Pt / Au layer 33 formed simultaneously in the other mesa region serves as a source / drain electrode of the HEMT.
[0053]
Next, the n-type InGaAs cap layer 19 is etched using an etchant made of a mixture of citric acid, hydrogen peroxide, and water using a new resist pattern (not shown) as a mask in the other mesa region, thereby forming a gate recess region 35. Form.
At this time, the etching stops at the i-type InP etching stop layer 18.
[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-type gate electrode 36, thereby obtaining the basic structure of the compound semiconductor device of the third embodiment of the present invention. It is done.
[0055]
As described above, in the third embodiment of the present invention, the gap between the RTD element portion 39 and the first stage Ti / Mo / Au layer 32 of the lower electrode 34 is defined by the thickness of the sidewall 40. Since it does not depend on the excessive etching time, the RTD element part 39 and the lower electrode 34 can be brought close to each other with good reproducibility.
[0056]
Further, since the upper and lower electrodes are separated using the side wall 40 and using Ar ion milling, the raw material is deposited when the Ti / Mo / Au layer 32 is deposited as in the first or second embodiment. There is no possibility that the gas will wrap around and a short circuit will occur through the side wall of the RTD element.
[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 InGaAs cap layer 19. In the case of a pn junction diode, a pin diode, or a Schottky barrier diode, an RTD is used. A constituent layer is not necessary.
[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 compound semiconductor layer 2. A second compound semiconductor layer 3 is formed and formed on the first compound semiconductor layer 2 One electrode of the diode While providing the 1st electrode 5, on the said 2nd compound semiconductor layer 3 The other electrode of the diode In the compound semiconductor device provided with the second electrode 4, the first electrode 5 is at least close to the second compound semiconductor layer 3. And thinner than the second compound semiconductor layer 3 A second region 7 having a distance from the first region 6 and the second compound semiconductor layer 3 farther than the first region 6 and in contact with the first region 6 and thicker than the first region 6. A compound semiconductor device comprising:
(Appendix 2) The first area 6 And the boundary between the second compound semiconductor layer 3 and Said Supplementary note 1 characterized by being provided in a self-aligned manner with respect to the second electrode 4 In The compound semiconductor device described.
(Appendix 3) Said The thickness of the first region 6 of the first electrode 5 is Said The second compound semiconductor layer 3 is thinner than the second compound semiconductor layer 3 and the cross section of the second compound semiconductor layer 3 is inversely tapered, and the boundary between the first region 6 and the second compound semiconductor layer 3 is Supplementary note 1 characterized by being provided in a self-aligned manner with respect to the top surface of the second compound semiconductor layer 3 In The compound semiconductor device described.
(Appendix 4) Said The thickness of the first region 6 of the first electrode 5 is Said Note that a sidewall made of an insulating material is provided at the boundary between the first region 6 and the second compound semiconductor layer 3, which is thinner than the second compound semiconductor layer 3. 1 In The compound semiconductor device described.
(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 4 The compound semiconductor device described.
(Appendix 6 ) Said The first compound semiconductor layer 2 is formed with at least one of a bipolar transistor and a field effect transistor. 5 The compound semiconductor device according to any one of the above.
(Appendix 7 Note 1 or Appendix 2. The compound semiconductor device according to 2 A manufacturing method for manufacturing , Said After forming an eaves-like overhanging portion on the second electrode 4 provided on the second compound semiconductor layer 3, Said By depositing the conductive material constituting the first electrode 5 from above, the boundary between the second compound semiconductor layer 3 and the first electrode 5 is self-aligned with the second electrode 4. Forming a compound semiconductor device.
(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 compound semiconductor layer 3, Said The conductive material on the side wall is selectively removed by depositing the conductive material constituting the first electrode 5 from above and then performing ion milling from an oblique direction with respect to the deposition direction. A method of manufacturing a compound semiconductor device.
[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

Claims (4)

第1の化合物半導体層上に、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の化合物半導体層が形成され、前記第1の化合物半導体層上に前記ダイオードの一方の電極となる第1の電極を設けるとともに、前記第2の化合物半導体層上に前記ダイオードの他方の電極となる第2の電極を設けた化合物半導体装置において、前記第1の電極が、少なくとも前記第2の化合物半導体層に近接するとともに前記第2の化合物半導体層より薄い第1の領域と、前記第2の化合物半導体層からの距離が前記第1の領域よりも遠く且つ第1の領域に接し、第1の領域よりも厚い第2の領域と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。A first compound semiconductor layer is formed on the first compound semiconductor layer, and a second compound semiconductor layer constituting the diode is formed using a junction surface with the first compound semiconductor layer. provided with a first electrode serving as one electrode of the diode above, in the compound semiconductor device having a second electrode serving as the other electrode of the diode to the second compound semiconductor layer, the first The first electrode is adjacent to at least the second compound semiconductor layer and is thinner than the second compound semiconductor layer, and the distance from the second compound semiconductor layer is farther than the first region. A compound semiconductor device comprising: a second region that is in contact with the first region and is thicker than the first region. 前記第1の領域と前記第2の化合物半導体層との境界が、前記第2の電極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請求項1記載の化合物半導体装置。 Wherein the first region boundary between the second compound semiconductor layer, a compound semiconductor device according to claim 1, characterized in that provided in a self-aligned manner with respect to the second electrode. 前記第1の化合物半導体層に、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請求項1または請求項2に記載の化合物半導体装置。 Wherein the first compound semiconductor layer, a compound semiconductor device according to claim 1 or claim 2, wherein at least one of bipolar transistors or field effect transistor are formed. 請求項1乃至請求項3のいずれか1項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の化合物半導体層上に設ける第2の電極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の化合物半導体層と前記第1の電極との境界を、前記第2の電極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。 4. A manufacturing method for manufacturing the compound semiconductor device according to claim 1 , wherein an eaves-like projecting portion is formed on a second electrode provided on the second compound semiconductor layer. 5. later, by depositing a conductive material constituting the first electrode from above, the boundary between the said second compound semiconductor layer and the first electrode, a self-aligned manner with respect to the second electrode A method of manufacturing a compound semiconductor device, comprising:
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