JP6233090B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
InP系HEMTでは、その基本構造として、電子走行層(チャネル層)にInGaAsを用い、電子供給層(バリア層)にInAlAsを用いる。このうち、チャネル層には、InP基板に格子整合するIn0.53Ga0.47Asチャネル層、高速性を高めるためにInGaAsチャネル層中のInAs組成を約0.7〜約0.8に高めた擬格子整合系チャネル層、InGaAs層中にInAs極薄層を含むコンポジットチャネル層などが用いられる。
HEMTの高速化は、主に、ゲート長Lgの微細化、電子の有効質量の軽い半導体材料をチャネルに用いることによる電子速度vの増大によって実現される。これらは、HEMTの真性遅延時間の短縮に相当する。そして、現在も、HEMTの高速化のためにゲート長Lgの微細化が行われている。
一方、バリア層中には、チャネル層への電子供給源としてSiがδドーピングされている。この場合、バリア層を薄くすると、チャネル層に供給される電子の量が減少するため、シート抵抗低減のため、Siのδドーピング量を増やして高濃度化することになる。
このように、バリア層の薄膜化とSiの高濃度δドーピングに伴い、チャネル層内までSiが拡散してしまうと、チャネル層内に拡散したSiによるイオン化不純物散乱によってチャネル層中の電子速度や電子移動度が低下してしまうことになる。この現象はHEMTの高速化にとってマイナス要因となる。
そこで、イオン化不純物散乱による電子速度や電子移動度の低下を抑制したい。
本実施形態にかかる半導体装置は、例えば通信に用いられる超高速トランジスタの一つであるInP系HEMTを備える。つまり、本半導体装置は、例えば、InP基板上に、InAlAs/InGaAs系の化合物半導体を用いた半導体積層構造を有するInP系HEMTを備える。このInP系HEMTは、例えば、ミリ波(約30〜約300GHz)やサブミリ波(約300GHz〜約3THz)の領域で動作可能なトランジスタである。なお、InAlAs/InGaAs系化合物半導体を、III−V族化合物半導体ともいう。また、InP系HEMTを、InAlAs/InGaAs系HEMTともいう。
本実施形態では、基板10は、半絶縁性InP基板(例えば半絶縁性(100)InP基板;半導体基板)である。なお、基板10としては、GaAs基板やSi基板を用いることもできる。
本実施形態では、バッファ層11は、例えば、厚さが約1000nmである。なお、バッファ層11に用いる材料は、基板10に応じて異なる。
電子走行層13は、InGaAs層である。つまり、電子走行層13は、InGaAsを含む。ここでは、アンドープのInGaAs層である。例えば、i−In0.53Ga0.47As層であり、その厚さは約10nmである。なお、電子走行層13としては、InPに格子整合するIn0.53Ga0.47As層でなくても良く、圧縮歪みの加わるIn0.7Ga0.3As層等、InAs組成を0.53よりも高くしても良い。
ここで、InAlAsスペーサ層14とInAlAsバリア層18の間に挟まれたAlSb層15、17は、それぞれ、例えば2原子層程度の厚さの極薄層である。このため、AlSb層15、17を設けたとしても、オーミック抵抗に与える影響は小さい。また、Te−δドーピング層16は、例えば2原子層程度の厚さの極薄層であるAlSb層15、17の間に設けられた、例えば1原子層以下の厚さの極薄層である。このTe−δドーピング層16は、上下2原子層程度の厚さの極薄層であるAlSb層15、17の中にTeをδドーピングして形成される、例えば1原子層以下の厚さの極薄層である。TeはAlSbなどのSbを含むSb系半導体材料中でn型ドーパントとして作用する。そして、ドーピングされるTeはSiよりも原子半径が大きいため、格子定数の小さいInAlAs層(スペーサ層14やバリア層18)やInGaAs層(チャネル層13)の中では拡散係数が小さくなる。つまり、TeはSiよりも大きく重いため、InAlAs層(スペーサ層14やバリア層18)やInGaAs層(チャネル層13)への拡散が小さくなる。そして、TeがドーピングされるAlSb層15、17を、これよりも格子定数が小さいInAlAs層14、18の中に設けることで、ドーピングされたTeが、AlSb層15、17中に留まるようにし、InAlAs層(スペーサ層14やバリア層18)やInGaAs層(チャネル層13)へ拡散してしまうのを抑制することができる(例えば図16参照)。このようにして、電子供給源となる不純物原子(ここではTe)がInAlAsスペーサ層14やInGaAsチャネル層13へ拡散してしまうのを抑制することができる。この結果、イオン化不純物散乱による電子速度や電子移動度の低下、即ち、特性の劣化を抑制することができる。このように、エピタキシャル成長させる半導体積層構造を改良することによって、特性向上を実現することができる。なお、Te−δドーピング層16を、Teドーピング層、Teプレーナドーピング層、Te層又はTe原子層ともいう。また、InAlAs、InGaAsの格子定数(結晶格子定数)は約0.5869nm(InPに格子整合する場合)であり、AlSbの格子定数は約0.6136nmである。また、Teの原子半径は約0.123nmであり、Siの原子半径は約0.111nmである。また、Teのイオン半径は約0.140nmであり、Siのイオン半径は約0.110nmである。また、Teの共有結合半径は約0.135nmであり、Siの共有結合半径は約0.111nmである。このように、TeはSiよりもイオン半径や共有結合半径も大きい。
キャップ層20は、InGaAs層である。ここでは、Siをドープしてn型導電性を付与したn−InGaAs層である。例えば、n−In0.53Ga0.47As層であり、その厚さは約20nmであり、Siドーピング量は約2×1019cm−3程度である。なお、n−In0.53Ga0.47As層に、n−In0.70Ga0.30As層を積層して、2層構造のキャップ層にしても良い。また、n型InGaAs層とn型InAlAs層を積層して、2層構造のキャップ層にしても良い。
なお、半導体積層構造22は、基板10の上方に少なくとも電子走行層13及び電子供給層23を含むものであれば良く、他の積層構造になっていても良い。また、半導体積層構造22を、ヘテロ構造半導体層ともいう。
ここでは、n−InGaAsキャップ層20上に、電極金属として例えばTi/Pt/Auを用いたソース電極(金属電極)31及びドレイン電極(金属電極)32が設けられている。また、i−InP層19上に、電極金属として例えばTi/Pt/Auを用いたゲート電極(金属電極)33が設けられている。
HEMTの高速化のためのゲート長Lgの微細化に際しては、スケーリングという観点から、ゲート・チャネル間距離も短縮することになる。このため、電子供給層を薄くすることになる。
このような電子供給層(特にスペーサ層)の薄膜化とSiの高濃度δドーピングに伴い、δドーピングされたSiが、InAlAs電子供給層、場合によってはInGaAs電子走行層まで広く拡散してしまうことになる。
まず、図6に示すように、半絶縁性InP基板10上に、例えば分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy;MBE)法によって、バッファ層11、i−In0.52Al0.48As層12、i−InGaAs電子走行層13、電子供給層23を構成するi−In0.52Al0.48Asスペーサ層14、i−AlSb層15、Te−δドーピング層16、i−AlSb層17、i−In0.52Al0.48Asバリア層18、i−InPエッチング停止層19、n−In0.53Ga0.47Asキャップ層20を順に積層させて、半導体積層構造22を形成する。なお、結晶成長法は、MBE法に限られるものではなく、例えば、有機金属化学堆積(MOCVD;Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いることも可能である。
次に、図8に示すように、ソース電極31とドレイン電極32の間のn−In0.53Ga0.47Asキャップ層20上に、例えばプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって、SiO2膜21を形成する。ここでは、SiO2膜21は、厚さを約20nm程度とする。
つまり、まず、図9に示すように、3層構造のレジスト膜41〜43を形成する。ここでは、ZEPレジスト(日本ゼオン製)、PMGI(Poly-dimethylglutarimide)レジスト、ZEPレジストを順に塗布して、ZEPレジスト膜41、PMGIレジスト膜42、ZEPレジスト膜43を順に積層させた3層構造のレジスト膜を形成する。
そして、n型In0.53Ga0.47Asキャップ層20を電気的に分離するために、例えばエッチング液としてクエン酸(C6H8O7)と過酸化水素水(H2O2)の混合溶液を用いてウェットエッチングを行なって、図13に示すように、リセスを形成する。
したがって、本実施形態にかかる半導体装置によれば、イオン化不純物散乱による電子速度や電子移動度の低下を抑制できるという利点がある。
例えば、電子供給層23を、InPスペーサ層(第2部分)、InAlAsスペーサ層(第2部分)、AlSb層(第1部分)、Te−δドーピング層(第1部分;面状ドーピング部)、AlSb層(第1部分)、InAlAsバリア層(第2部分)、InPバリア層(第2部分)を順に積層させた構造を有するものとしても良い。具体的には、電子供給層23を、i−InPスペーサ層、i−In0.52Al0.48Asスペーサ層、AlSb層、Te−δドーピング層、AlSb層、i−In0.52Al0.48Asバリア層、i−InPバリア層を順に積層させた構造を有するものとすれば良い。なお、この場合、InPバリア層がエッチング停止層も兼ねることになる。
なお、この場合、Teをドーピングする半導体層(第1部分)は、AlSb層でなくても良く、Sbを含むものであれば良い。例えば、Teをドーピングする半導体層(第1部分)は、Sb及びIII族元素を含むもの(III−Sb系半導体材料を含むもの)とするのが好ましい。つまり、Teをドーピングする半導体層(第1部分)は、Sb及びIII族半導体層(III−Sb系半導体層)とするのが好ましい。また、Teをドーピングする半導体層(第1部分)は、AlSb、GaSb、AlGaSb、AlInSb、AlGaInSbのいずれかを含むものとするのが好ましい。つまり、Teをドーピングする半導体層(第1部分)は、AlSb層、GaSb層、AlGaSb層、AlInSb層、AlGaInSb層のいずれかであるのが好ましい。また、第2部分を構成するスペーサ層及びバリア層は、InAlAs層とInP層とを積層させたものとなる。つまり、第2部分を構成するスペーサ層及びバリア層は、InAlAsを含み、さらに、InPを含むことになる。
例えば図17に示すように、電子走行層13Xを、InGaAs層とInAs層とを積層させたものとし、さらに、キャップ層20Xを、InAlAs層とInGaAs層とを積層させたものとしても良い。具体的には、電子走行層13Xを、i−InGaAs層13XA、i−InAs層13XB、i−InGaAs層13XCを積層させたものとし、さらに、キャップ層20Xを、n−InAlAs層(例えばn−In0.52Al0.48As層)20XA、n−InGaAs層(例えばn−In0.53Ga0.47As層)20XBを積層させたものとすれば良い。このように構成する場合、伝導帯バンド構造は、図18に示すようになる。なお、図18中、細い点線はフェルミ準位Efを示しており、太い点線はこの部分にTe−δドーピングが施されていることを示しており、InGaAs層とInAs層とを積層させた電子走行層13X中の波形は電子分布を示している。なお、その他の詳細は、上述の実施形態の場合と同じである。これを第1変形例という。
また、上述の実施形態では、InP系HEMT(InAlAs/InGaAs系HEMT)を例に挙げて説明しているが、材料系はこれに限られるものではない。
例えば図19に示すように、GaAs基板10A上に、バッファ層11A、AlGaAs下部バリア層12A、GaAs電子走行層(チャネル層)13A、電子供給層(上部バリア層)23A、GaAsキャップ層20Aを順に積層した半導体積層構造22Aを備えるものとすれば良い。例えば、GaAs基板10A上に、バッファ層11A、i−Al0.3Ga0.7As下部バリア層12A、i−GaAs電子走行層13A、電子供給層23A、n−GaAsキャップ層20Aを順に積層した半導体積層構造22Aを備えるものとすれば良い。そして、電子供給層23Aを、AlGaAsスペーサ層14A(第2部分)、AlSb層15A(第1部分)、Te−δドーピング層16A(第1部分;面状ドーピング部)、AlSb層17A(第1部分)、AlGaAsバリア層18A(第2部分)を順に積層させた構造を有するものとしても良い。具体的には、電子供給層23Aを、i−Al0.3Ga0.7Asスペーサ層14A(第2部分)、i−AlSb層15A(第1部分)、Te−δドーピング層16A(第1部分;面状ドーピング部)、i−AlSb層17A(第1部分)、i−Al0.3Ga0.7Asバリア層18A(第2部分)を順に積層させた構造を有するものとすれば良い。これをAlGaAs/GaAs系HEMTという。このように構成する場合、伝導帯バンド構造は、図20に示すようになる。なお、図20中、細い点線はフェルミ準位Efを示しており、太い点線はこの部分にTe−δドーピングが施されていることを示しており、GaAsチャネル層13A中の波形は電子分布を示している。
また、電子走行層13Aは、多少のInAsを添加して、例えばi−InxGa1−xAs電子走行層;x=約0.15〜約0.25)のようなInGaAs層としても良い。つまり、電子走行層13Aは、GaAs又はInGaAsを含むものであれば良い。この場合、キャップ層20Aは、GaAs層(n型GaAs層)、InGaAs層(n型InGaAs層)、又は、InGaAs層とGaAs層とを積層したもの(n型InGaAs層とn型GaAs層とを積層したもの)とすれば良い。これをAlGaAs/InGaAs系HEMTという。
例えば、HEMTの結晶成長条件である成長温度(約500℃〜約540℃)におけるSi、Teの拡散係数、不純物δドーピング後の結晶成長時間(約2〜3分)を用いて拡散長√Dt(D:拡散係数、t:時間)を計算することで、AlGaAs中でSiはかなり拡散するのに対し、Teはほとんど拡散しないことがわかる。
例えば、図21に示すように、上述のように構成される電子供給層を、電子走行層13の下側に接する下部電子供給層(下部バリア層)23Yに適用するようにしても良い。つまり、半導体積層構造22Yを、バッファ層11、電子供給層(下部電子供給層;下部バリア層)23Y、電子走行層(チャネル層)13、上部バリア層18Y、エッチング停止層19、キャップ層20を順に積層した構造にし、電子供給層23Yを、InAlAsバリア層12Y、AlSb層15、Te−δドーピング層16、AlSb層17、InAlAsスペーサ層14を順に積層した構造にしても良い。このように、半導体装置を、基板の上方に少なくとも電子走行層及び電子走行層の下側に接する下部電子供給層を含む半導体積層構造を備えるものとし、下部電子供給層を、Sbを含み、少なくとも一部にTeがドーピングされている第1部分と、第1部分よりも電子走行層の側に位置し、第1部分よりも格子定数が小さい第2部分とを備えるものとしても良い。なお、図21では、上述の実施形態(図1参照)の構成を変更したものを示しているが、上述の各変形例の構成を変更したものとして構成することもできる。これを第3変形例という。
以下、上述の実施形態及び変形例に関し、更に、付記を開示する。
(付記1)
基板の上方に少なくとも電子走行層及び電子供給層を含む半導体積層構造を備え、
前記電子供給層は、Sbを含み、少なくとも一部にTeがドーピングされている第1部分と、前記第1部分よりも前記電子走行層の側に位置し、前記第1部分よりも格子定数が小さい第2部分とを備えることを特徴とする半導体装置。
前記第1部分は、前記第2部分よりも伝導帯のエネルギーが高いことを特徴とする、付記1に記載の半導体装置。
(付記3)
前記電子供給層は、前記電子走行層の上側に接する上部電子供給層であることを特徴とする、付記1又は2に記載の半導体装置。
前記電子供給層は、前記電子走行層の下側に接する下部電子供給層であることを特徴とする、付記1又は2に記載の半導体装置。
(付記5)
前記電子供給層は、前記電子走行層の上側に接する上部電子供給層及び前記電子走行層の下側に接する下部電子供給層であることを特徴とする、付記1又は2に記載の半導体装置。
(付記6)
前記第1部分は、Teが面状にドーピングされた面状ドーピング部を含むことを特徴とする、付記1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。
前記第1部分は、複数の前記面状ドーピング部を含むことを特徴とする、付記6に記載の半導体装置。
(付記8)
前記第2部分は、Sbを含まないことを特徴とする、付記1〜7のいずれか1項に記載の半導体装置。
前記電子走行層は、InGaAsを含み、
前記第1部分は、Sb及びIII族元素を含み、
前記第2部分は、InAlAsを含むことを特徴とする、付記1〜8のいずれか1項に記載の半導体装置。
前記電子走行層は、InGaAsを含み、
前記第1部分は、AlSb、GaSb、AlGaSb、AlInSb、AlGaInSbのいずれかを含み、
前記第2部分は、InAlAsを含むことを特徴とする、付記1〜8のいずれか1項に記載の半導体装置。
前記電子走行層は、GaAs又はInGaAsを含み、
前記第1部分は、Sb及びIII族元素を含み、
前記第2部分は、AlGaAsを含むことを特徴とする、付記1〜8のいずれか1項に記載の半導体装置。
前記電子走行層は、GaAs又はInGaAsを含み、
前記第1部分は、AlSb、GaSb、AlGaSb、AlInSb、AlGaInSbのいずれかを含み、
前記第2部分は、AlGaAsを含むことを特徴とする、付記1〜8のいずれか1項に記載の半導体装置。
10A 基板(GaAs基板)
11、11A バッファ層
12 InAlAs下部バリア層
12A AlGaAs下部バリア層
12Y InAlAsバリア層
13 InGaAs電子走行層
13A GaAs電子走行層
13X 電子走行層
13XA InGaAs層
13XB InAs層
13XC InGaAs層
14 InAlAsスペーサ層
14A AlGaAsスペーサ層
14Y InAlAsスペーサ層
15、15A、15Y AlSb層
16、16A、16Y、16Z Te―δドーピング層
16X Si―δドーピング層
17、17A、17Y AlSb層
157 AlSb層
18 InAlAsバリア層
18A AlGaAsバリア層
18Y InAlAs上部バリア層
19 InPエッチング停止層
20 InGaAsキャップ層
20A GaAsキャップ層
20X キャップ層
20XA InAlAs層
20XB InGaAs層
21 SiO2膜
22、22A、22X、22Y 半導体積層構造
23、23A、23X、23Y、23Z 電子供給層
31 ソース電極
32 ドレイン電極
33 ゲート電極
41 レジスト膜(ZEP)
42 レジスト膜(PMGI)
43 レジスト膜(ZEP)
Claims (5)
- 基板の上方に少なくとも電子走行層及び電子供給層を含む半導体積層構造を備え、
前記電子供給層は、Sbを含み、少なくとも一部にTeがドーピングされている第1部分と、前記第1部分よりも前記電子走行層の側に位置し、前記第1部分よりも格子定数が小さく、かつ、前記基板に格子整合する第2部分とを備えることを特徴とする半導体装置。 - 前記第1部分は、前記第2部分よりも伝導帯のエネルギーが高いことを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1部分は、Teが面状にドーピングされた面状ドーピング部を含むことを特徴とする、請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記電子走行層は、InGaAsを含み、
前記第1部分は、Sb及びIII族元素を含み、
前記第2部分は、InAlAsを含むことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記電子走行層は、GaAs又はInGaAsを含み、
前記第1部分は、Sb及びIII族元素を含み、
前記第2部分は、AlGaAsを含むことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
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