JP4819338B2 - 半導体結合超伝導三端子素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＩｎＧａＡｓからなるチャネル層から構成された高電子移動度トランジスタを接合部にもつ半導体結合超伝導三端子素子及びその製造方法に関するものである。

トンネル型ジョセフソン接合素子に始まる半導体におけるバイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に対応する超伝導３端子素子の研究が、従来より数多く行われている。このなかで、半導体結合超伝導素子は、半導体に対する電気的制御による３端子動作の可能性から多くの試みがなされ、高電子移動度トランジスタのソースドレイン電極に超伝導材料を用いたものが提案されている（特許文献１参照）。これは、チャネル層をＩｎＧａＡｓから構成し、超伝導電極との間でオーミック接触を可能とすることで、高キャリア濃度、高移動度で、かつ高いトランスコンダクタンスgｍが得られるようにしたものである。

上述した半導体結合超伝導トランジスタについて説明すると、図２に示すように、半絶縁性のＩｎＰからなる基板２０１の上に、ノンドープのＩｎＡｌＡｓからなるバッファ層２０２，ｎ形のＩｎＡｌＡｓからなるキャリア供給層２０３，ノンドープのＩｎＡｌＡｓからなるスペーサ層２０４，ＩｎＧａＡｓからなるチャネル層２０５，ＩｎＡｌＡｓからなるゲートコンタクト層２０８を備え、ゲートコンタクト層２０８を挟むようにチャネル層２０５の上にソース電極２０９及びドレイン電極２１０を備え、ゲートコンタクト層２０８の上にゲート電極２１１を備えたものである。ソース電極２０９，ドレイン電極２１０は、超伝導材料であるＮｂから構成され、チャネル層２０５とオーミック接続している。

次に、図２に示す素子の製造方法について、図３を用いて簡単に説明する。まず、図３（ａ）に示すように、基板２０１の上に、ノンドープのＩｎＡｌＡｓ，ｎ形のＩｎＡｌＡｓ，ノンドープのＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓを、例えば有機金属気相成長法により結晶成長させ、バッファ層２０２，キャリア供給層２０３，スペーサ層２０４，チャネル層２０５，ＩｎＡｌＡｓ層２２８が形成された状態とする。ついで、ＩｎＡｌＡｓ層２２８の上に、電子ビーム露光用の感光性樹脂層２２１が形成された状態とする。

次に、電子ビーム露光と現像とにより感光性樹脂層２２１をパターニングし、図３（ｂ）に示すように、レジストパターン２２２が形成された状態とする。ついで、レジストパターン２２２をマスクとしてＩｎＡｌＡｓ層２２８をエッチング除去し、図３（ｃ）に示すように、ゲートコンタクト層２０８が形成され、この両脇にチャネル層２０５の上面が露出された状態とする。ついで、これらの上に電子ビーム蒸着法によりＮｂを堆積し、図３（ｄ）に示すように、超伝導金属層２２３が形成された状態とする。

次に、レジスト剥離液を用いてレジストパターン２２２を溶解除去し、図３（ｅ）に示すように、ゲートコンタクト層２０８を挟むようにチャネル層２０５の上にソース電極２０９及びドレイン電極２１０が形成された状態とする。次に、これらの上に電子ビーム露光用の感光性樹脂を塗布し、図３（ｆ）に示すように、感光性樹脂層２２４が形成された状態とする。ついで、電子ビーム露光と現像とにより、図３（ｇ）に示すように、感光性樹脂層２２４に開口部２２４ａが形成された状態とする。

次に、ゲート電極となる金属材料を堆積して金属層が形成された状態とし、この後、金属層の開口部２２４ａ内に堆積された部分を残すように感光性樹脂層２２４を除去することで、図３（ｈ）に示すように、ゲートコンタクト層２０８の上にゲート電極２１１が形成された状態とする。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特許第３１３１２９１号公報

しかしながら、図３を用いて説明した従来の製造方法では、ソース電極２０９及びドレイン電極２１０とチャネル層２０５との間の良好なオーミック接触が、容易に形成できないという問題があった。この原因は、ＩｎＡｌＡｓ層２２８のエッチングでは、この下のＩｎＧａＡｓからなるチャネル層２０５との間に選択性が得にくいためである。

前述したように、良好なオーミック接触を得るために、レジストパターン２２２をマスクとしたＩｎＡｌＡｓ層２２８のエッチングでは、所定の領域がＩｎＡｌＡｓ層２２８が全て除去され、チャネル層２０５の上面が露出している必要がある。例えば、ソース・ドレイン電極が形成されるチャネル層２０５の上面に、ＩｎＡｌＡｓ層２２８が残っている場合、これが絶縁バリアとなり、超伝導金属からなるソースドレイン電極の良好なオーミック接触が得られない（不良状態１）。また、ＩｎＡｌＡｓ層２２８が残らないようにオーバーエッチングをしすぎると、エッチング領域におけるチャネル層２０５が無くなる場合がある。この状態では、ソースドレイン電極は、チャネル層２０５の側部で接触することになり、接触面積が著しく小さくなる（不良状態２）。

ここで、ＩｎＧａＡｓに対して選択的にＩｎＡｌＡｓがエッチングできれば、不良状態１と不良状態２の間の状態のエッチング処理をすることは容易である。ところが、ＩｎＧａＡｓに対して選択的にＩｎＡｌＡｓをエッチングするエッチング方法はあるが、この方法では、樹脂から成るレジストパターン２２２の耐性が得にくいという問題がある。ゲート耐圧を得るためにゲートコンタクト層２０８は膜厚２０ｎｍ以上とある程度の厚さが必要になるため、この厚さを上述したエッチング方法でエッチングすると、レジストパターン２２２が耐えられず、高い精度のパターニングができない。

従って、高い精度でパターニングを行うためには、ＩｎＧａＡｓに対して選択比が得られない状態でＩｎＡｌＡｓをエッチングすることになる。このように、ＩｎＡｌＡｓ層２２８とチャネル層２０５との間にエッチングの選択性が得られないため、ＩｎＡｌＡｓ層２２８のエッチングは、主に処理時間で制御することになる。このため、前述した不良状態１と不良状態２の間の状態のエッチング処理をすることが容易ではなく、従来の製造方法では、良好なオーミック接触で超伝導金属からなるソースドレイン電極を形成することが容易ではなかった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、超伝導金属からなるソースドレイン電極を、高電子移動度トランジスタのＩｎＧａＡｓからなるチャネル層にオーミック接続し、ゲート電極を用いて超伝導電流を制御する半導体超伝導三端子素子を、より容易に製造できるようにすることを目的とする。

本発明に係る半導体結合超伝導三端子素子の製造方法は、基板の上にｎ形のＩｎＡｌＡｓからなるキャリア供給層が形成された状態とする第１工程と、キャリア供給層の上にＩｎＧａＡｓからなるチャネル層が形成された状態とする第２工程と、チャネル層の上にＩｎＰからなるエッチングストップ層が形成された状態とする第３工程と、エッチングストップ層の上にＩｎＡｌＡｓからなる半導体層が形成された状態とする第４工程と、半導体層の上に所定の形状のマスクパターンが形成された状態とする第５工程と、ＩｎＰに対してＩｎＡｌＡｓが選択的にエッチングされる第１エッチングにより、マスクパターンをマスクとして半導体層を選択的にエッチングし、所定領域のエッチングストップ層が露出した状態でＩｎＡｌＡｓからなるゲートコンタクト層が形成された状態とする第６工程と、ＩｎＧａＡｓに対してＩｎＰが選択的にエッチングされる第２エッチングにより、マスクパターンをマスクとしてエッチングストップ層を選択的にエッチングし、所定領域のチャネル層が露出した状態とする第７工程と、露出したチャネル層の上に選択的に超伝導金属を堆積することで、ゲートコンタクト層の両脇のチャネル層の上にオーミック接触して形成された超伝導金属からなるソース電極及びドレイン電極が形成された状態とする第８工程と、ゲートコンタクト層の上にゲート電極が形成された状態とする第９工程とを少なくとも備えるようにしたものである。この製造方法によれば、ゲートコンタクト層のエッチング加工においてチャネル層の膜厚が減少することなく、ソース電極及びドレイン電極が形成されるチャネル層の表面が露出され、これらの良好なオーミックコンタクトが得られるようになる。

上記製造方法において、エッチングストップ層を形成する前に、チャネル層の上にチャネル層より薄いＩｎＡｌＡｓからなる追加エッチングストップ層が形成された状態とし、第７工程では、エッチングストップ層を選択的にエッチングした後、スパッタエッチングにより、マスクパターンをマスクとして追加エッチングストップ層をエッチングして所定領域のチャネル層が露出した状態とする。

また、本発明に係る半導体結合超伝導三端子素子は、基板の上に形成されたｎ形のＩｎＡｌＡｓからなるキャリア供給層と、このキャリア供給層の上に形成されたＩｎＧａＡｓからなるチャネル層と、このチャネル層の上に形成されたＩｎＰからなるエッチングストップ層と、このエッチングストップ層の上に形成されたＩｎＡｌＡｓからなるゲートコンタクト層と、このゲートコンタクト層の上に形成されたゲート電極と、ゲートコンタクト層の両脇のチャネル層の上にオーミック接触して形成された超伝導金属からなるソース電極及びドレイン電極とを少なくとも備え、キャリア供給層から供給されたキャリアによりチャネル層に二次元電子ガスが形成されるようにしたものである。この素子では、ゲートコンタクト層の形成において、エッチングストップ層によりチャネル層が保護できるようになる。この半導体結合超伝導三端子素子において、チャネル層とエッチングストップ層との間に、チャネル層より薄いＩｎＡｌＡｓからなる追加エッチングストップ層を備える。

以上説明したように、本発明によれば、チャネル層とゲートコンタクト層との間に、インジウムリンからなるエッチングストップ層を設けるようにしたので、ゲートコンタクト層のエッチング加工においてチャネル層の膜厚が減少することなく、ソース電極及びドレイン電極が形成されるチャネル層の表面が露出され、これらの良好なオーミックコンタクトが得られるようになる。この結果、超伝導金属からなるソースドレイン電極を、高電子移動度トランジスタのＩｎＧａＡｓからなるチャネル層にオーミック接続し、ゲート電極を用いて超伝導電流を制御する半導体超伝導三端子素子が、より容易に製造できるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１（ａ）〜図１（ｉ）は、本発明の実施の形態における半導体結合超伝導三端子素子の製造方法例を説明するための工程図である。まず、図１（ａ）に示すように、半絶縁性のＩｎＰからなる基板１０１の上に、ノンドープのＩｎＡｌＡｓ，ｎ形のＩｎＡｌＡｓ，ノンドープのＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓを、例えば有機金属気相成長法により結晶成長させ、バッファ層１０２，キャリア供給層１０３，スペーサ層１０４，チャネル層１０５が形成された状態とする。引き続き、ＩｎＰ，ＩｎＡｌＡｓを例えば有機金属気相成長法により結晶成長させ、ＩｎＰからなるエッチングストップ層１０６，及びＩｎＡｌＡｓ層（半導体層）１２８が形成された状態とする。ついで、ＩｎＡｌＡｓ層１２８の上に、電子ビーム露光用の感光性樹脂層１２１が形成された状態とする。

次に、電子ビーム露光と現像とにより感光性樹脂層１２１をパターニングし、図１（ｂ）に示すように、レジストパターン１２２が形成された状態とする。ついで、レジストパターン１２２をマスクとしてＩｎＡｌＡｓ層１２８を選択的にエッチング除去し、図１（ｃ）に示すように、ゲートコンタクト層１０８が形成され、この両脇にエッチングストップ層１０６の上面が露出された状態とする。このエッチングでは、例えば、クエン酸と過酸化水素からなるエッチング液を用いたウエットエッチングにより行えばよい。このように、ＩｎＰに対してＩｎＡｌＡｓを選択的にエッチング除去できるエッチング方法を用いることで、ＩｎＡｌＡｓ層１２８のパターニング工程で、ＩｎＡｌＡｓ層１２８のみを選択的に加工できる。

次に、レジストパターン１２２をマスクとし、露出しているエッチングストップ層１０６をエッチング除去し、この両脇にチャネル層１０５が露出された状態とする。このエッチングでは、例えば、塩酸，リン酸，酢酸，及び水らなるエッチング液を用いたウエットエッチングにより行えばよい。また、塩化水素水をエッチング液としたウエットエッチングを用いるようにしてもよい。これらのように、ＩｎＧａＡｓに対してＩｎＰを選択的にエッチング除去できるエッチング方法を用いることで、エッチングストップ層１０６を選択的に除去できる。従って、エッチングストップ層１０６を完全に除去するためにオーバーエッチングをしても、チャネル層１０５がエッチングされて膜厚が減少することが抑制されるようになる。

次に、これらの上に電子ビーム蒸着法により例えばＮｂなどの超伝導金属を堆積し、図１（ｅ）に示すように、超伝導金属層１２３が形成された状態とする。なお、Ｎｂに限らず、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-xなどの他の超伝導材料を用いるようにしてもよいことは、言うまでもない。次に、レジスト剥離液を用いてレジストパターン１２２を溶解除去し、図１（ｆ）に示すように、ゲートコンタクト層１０８の領域を挟むようにチャネル層１０５の上にソース電極１０９及びドレイン電極１１０が形成された状態とする。なお、この後、素子を分離するために素子領域をメサ形状に加工し、この後、以降に示すゲート電極１１１の形成を行う。

次に、電子ビーム露光用の感光性樹脂を塗布し、図１（ｇ）に示すように、感光性樹脂層１２４が形成された状態とする。ついで、電子ビーム露光と現像とにより、図１（ｈ）に示すように、感光性樹脂層１２４に開口部１２４ａが形成された状態とする。開口部１２４ａは、例えば、図１の紙面に垂直な方向に延在する溝である。次に、金（Ａｕ）などのゲート電極となる金属材料を堆積して金属層が形成された状態とし、この後、金属層の開口部１２４ａ内に堆積された部分を残すように感光性樹脂層１２４を除去することで、図１（ｉ）に示すように、ゲートコンタクト層１０８の上にゲート電極１１１が形成された状態とする。なお、形成されたゲート電極１１１は、必要な領域でチャネル層１０５の上に配置され、他の領域では、チャネル層１０５に形成される二次元電子ガスと電気的に分離されているようにする。

以上のことにより、本実施の形態における半導体結合超伝導三端子素が形成された状態が得られる。上述した製造方法によれば、チャネル層１０５をほぼエッチングすることなく、チャネル層１０５の表面を露出させることができる。従って、本製造方法によれば、ソース電極１０９及びドレイン電極１１０とチャネル層１０５との良好なオーミック接触を容易に得ることが可能となる。

ところで、ＩｎＰからなるエッチングストップ層１０６の選択的なエッチングは、ウエット処理であり、超伝導金属層１２３の形成は、真空容器内における堆積処理となる。従って、エッチングストップ層１０６の選択エッチングの後、超伝導金属層１２３を形成するまでの間、チャネル層１０５の露出している領域は、空気に晒されることになる。この結果、上述した製造方法では、チャネル層１０５の露出している領域、言い換えると、ソース電極１０９及びドレイン電極１１０とのオーミック接触を形成しようとする領域に、自然酸化による酸化膜が形成される場合がある。このように酸化膜が形成されると、良好なオーミック接触が得られない。

このような問題を解消するためには、例えば、チャネル層１０５とエッチングストップ層１０６との間に、膜厚５ｎｍ程度の薄いＩｎＡｌＡｓ層（追加エッチングストップ層）を備えるようにすればよい。ＩｎＡｌＡｓは、ＩｎＧａＡｓと同様に、ＩｎＰの層に対して高い選択性をもつエッチングストップ層として機能する。加えて、エッチングストップ層１０６の選択的なエッチングの後、薄いＩｎＡｌＡｓ層が存在することで、上述した、チャネル層１０５のソース電極１０９及びドレイン電極１１０とのオーミック接触を形成しようとする領域の酸化膜の形成が抑制されるようになる。

また、薄いＩｎＡｌＡｓ層は、膜厚が５ｎｍ程度であれば、スパッタエッチングなどの選択性のないエッチング方法を用いても、チャネル層１０５にあまり影響を与えることが無く、薄いＩｎＡｌＡｓ層を完全に除去してチャネル層１０５の表面を露出させることは容易である。なお、薄いＩｎＡｌＡｓ層は、チャネル層１０５より薄ければよい。従って、エッチングストップ層１０６の選択的なエッチングの後、ドライプロセスで薄いＩｎＡｌＡｓ層を除去し、真空状態を維持したまま超伝導金属層１２３の堆積処理が可能となる。このように、チャネル層１０５とエッチングストップ層１０６との間に、膜厚５ｎｍ程度の薄いＩｎＡｌＡｓ層を備えることで、超伝導金属層１２３の形成までの間に、チャネル層１０５の露出面を空気に晒すことが防げるようになる。

本発明の実施の形態における半導体結合超伝導トランジスタの製造方法例を説明するための工程図である。 従来よりある半導体結合超伝導トランジスタの構成を示す模式的な断面図である。 従来よりある半導体結合超伝導トランジスタの製造方法を説明するための工程図である。

符号の説明

１０１…基板、１０２…バッファ層、１０３…キャリア供給層、１０４…スペーサ層、１０５…チャネル層、１０６…エッチングストップ層、１０８…ゲートコンタクト層、１０９…ソース電極、１１０…ドレイン電極、１１１…ゲート電極、１２１…感光性樹脂層、１２２…レジストパターン、１２３…超伝導金属層、１２４…光性樹脂膜、１２４ａ…開口部、１２８…ＩｎＡｌＡｓ層。

Claims (2)

1. 基板の上にｎ形のＩｎＡｌＡｓからなるキャリア供給層が形成された状態とする第１工程と、
   前記キャリア供給層の上にＩｎＧａＡｓからなるチャネル層が形成された状態とする第２工程と、
   前記チャネル層の上にＩｎＰからなるエッチングストップ層が形成された状態とする第３工程と、
   前記エッチングストップ層の上にＩｎＡｌＡｓからなる半導体層が形成された状態とする第４工程と、
   前記半導体層の上に所定の形状のマスクパターンが形成された状態とする第５工程と、
   ＩｎＰに対してＩｎＡｌＡｓが選択的にエッチングされる第１エッチングにより、前記マスクパターンをマスクとして前記半導体層を選択的にエッチングし、所定領域の前記エッチングストップ層が露出した状態でＩｎＡｌＡｓからなるゲートコンタクト層が形成された状態とする第６工程と、
   ＩｎＧａＡｓに対してＩｎＰが選択的にエッチングされる第２エッチングにより、前記マスクパターンをマスクとして前記エッチングストップ層を選択的にエッチングし、所定領域の前記チャネル層が露出した状態とする第７工程と、
   露出した前記チャネル層の上に選択的に超伝導金属を堆積することで、前記ゲートコンタクト層の両脇の前記チャネル層の上にオーミック接触して形成された超伝導金属からなるソース電極及びドレイン電極が形成された状態とする第８工程と、
   前記ゲートコンタクト層の上にゲート電極が形成された状態とする第９工程と
   を少なくとも備え、
   前記エッチングストップ層を形成する前に、前記チャネル層の上に前記チャネル層より薄いＩｎＡｌＡｓからなる追加エッチングストップ層が形成された状態とし、
   前記第７工程では、前記エッチングストップ層を選択的にエッチングした後、スパッタエッチングにより、前記マスクパターンをマスクとして追加エッチングストップ層をエッチングして所定領域の前記チャネル層が露出した状態とする
   ことを特徴とする半導体結合超伝導三端子素子の製造方法。
2. 基板の上に形成されたｎ形のＩｎＡｌＡｓからなるキャリア供給層と、
   このキャリア供給層の上に形成されたＩｎＧａＡｓからなるチャネル層と、
   このチャネル層の上に形成されたＩｎＰからなるエッチングストップ層と、
   このエッチングストップ層の上に形成されたＩｎＡｌＡｓからなるゲートコンタクト層と、
   このゲートコンタクト層の上に形成されたゲート電極と、
   前記ゲートコンタクト層の両脇の前記チャネル層の上にオーミック接触して形成された超伝導金属からなるソース電極及びドレイン電極と
   を少なくとも備え、
   前記キャリア供給層から供給されたキャリアにより前記チャネル層に二次元電子ガスが形成され、
   前記チャネル層と前記エッチングストップ層との間に、前記チャネル層より薄いＩｎＡｌＡｓからなる追加エッチングストップ層を備えることを特徴とする半導体結合超伝導三端子素子。

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