JPH02189978A - 細線電界効果トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は共通したオーミック電極及び共通したゲート電
極から構成され、且つ動作幅の狭い２つ以上の動作層を
持つことを特徴とする電界効果トランジスタ、すなわち
細線、量子細線、１次元細線、擬１次元細線電界効果ト
ランジスタ等と呼ばれている電界効果トランジスタに関
するものである。

（従来の技術） 近年、分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅ
ａｍＥｐｉｔａｘｙ；　ＭＢＥ）や原子層エピタキシー
（Ａｔｏｍｉｃ　ＬａｙｅｒＥｐｉｔａｘｙ；　ＡＬＥ
）等に代表されるようなエピタキシャル成長技術をはじ
め、原子層単位で膜厚を制御し、界面の乱れが１，２原
子層に抑えれらな良質のへテロ構造の作製が可能となっ
ている。又、不純物の添加を選択的に行うことにより、
ペテロ界面上に高移動度の２次元電子ガス系を形成しう
るようになってきた。一方半導体素子の集積化、高速化
の要請から、素子の微細化が叫ばれ、その加工技術も大
きく発展を遂げている。量産レベルでは既に１／Ｑｍ級
のゲート加工が行われつつあり、研究レベルでは実に０
．１１１ｍを下回る微細加工も可能となっている。

以上の結晶成長技術と微細加工技術により高速デバイス
素子の作製がなされ、その素子特性の向上がなされてき
ている。特に２次元系のデバイス素子として選択ドープ
構造２次元電子ガス電界効果Ｉ・ランジスタはその飛躍
的な高速特性及び雑音特性による既に広く実用化されて
いる。上記技術をもってすれば更に低次元の電子系の形
成が可能である。ド・ブロイ波長程度の径をもつ細線を
作製した場合には高移動度が期待できることもあって、
その１次元系の伝導現象の研究解明、更にデバイスへの
応用が試みられている。

１次元系量子細線を応用した半導体装置としていくつか
の構造が提案されている。例えばＹ、　Ｃ。

Ｃｈａｎｇらがアプライド・フィジックス・レターズ（
Ａｐｐｌｙｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）第
４７巻１３２４頁で提案しているものがあげられる。第
３図はそのＦｉｇ、　１として示されているものである
。第３図（ａ）に示ずようにＡｌの組成の異なるＡｌｘ
ｌＧａ１−ｘｌＡｓ／Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ａｓ超格子
構造の側面にＧａＡｓ井戸層、Ａｌｘ３Ｇａ１，３ＡＳ
障壁層を再成長し、ＡｌＸｌＧａ１−ｘｌＡｓ／ＧａＡ
ｓ／Ａｌｘ３Ｇａ１−Ｘ３Ａｓ、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２
Ａｓ／ＧａＡｓ／Ａｌｘ３Ｇａ１−Ｘ３Ａｓ量子井戸の
エネルギー順位に差が生じるのを利用しており、ＧａＡ
ｓバッファー層中に１次元細線が形成される。第３図（
ｂ）、　（ｃ）は各々ｘｙ平面上、ｚｘ平面」−でみた
場合のエネルギー準位の構造を示している。又、Ｄ、　
Ｂ。

Ｒｅｎ５ｃｈらがアイ・イー・イー・イー、トランザク
ションの第ＥＤ−３４巻２２３２頁に示しているような
ものもある。第４図に示しているのはそのＦｉｇ、　１
として掲載されている図である。不純物無添加ＧａＡｓ
基板に対し、ソース、ドレイン方向に平行に集束イオン
ビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ　Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ；　ＦＩＢ
）により細線状にＳｉイオンを複数本イオン注入し、伝
導層を形成している。又、この他にも、干渉露光により
ストライプ状のゲートを形成したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡ
ｓ選択ドープ構造電界効果トランジスタに対し、ゲート
電圧をかけて伝導層を擬１次元化するなどの例も発表さ
れている。以上に示したこれらの例は共に総合コンダク
タンスの向上が確認されており、量子細線構造の電界効
果トランジスタの有効性を示しているといえる。

（発明が解決しようとする問題点） 細線擬１次元の動作層を得るもっとも簡単な方法は２次
元電子ガス層をメサにより細がないくっがの部分に分割
することである。その上で各動作層」二に共通したゲー
ト電極を形成する。その場合最も問題となるのは、メサ
エッヂに於て２次元電子ガス層とゲート電極金属の接触
部分が増え、実質上の接触面積が増大する。これはゲー
トリークの増大を引き起こし、又耐圧の低減を招くこと
となる。

通常の選択ドープ構造２次元電子ガス電界効果トランジ
スタの場合にはこのような箇所が少ないため動作する上
ではほとんど問題とならないが、ここで考えているよう
な構造の電界効果トランジスタに対してはこの問題は深
刻であり、２次元電子ガス層構造ではなく通常の活性層
を持ったＧａＡｓウェハを用いるような場合や、ＩｎＧ
ａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系等の材料系を用いた２次元電子
ガス構造のものを用いるような場合等に於てはこのゲー
トリーク及び低耐圧が装置作動上の大きな欠点となる。

（問題点を解決するだめの手段） 本発明の細線電界効果トランジスタは、動作層がメサに
より２つ以上の細線部分に分割され、該動作層各部分に
共通するオーミック電極が形成されており、かつ該各動
作層に共通ずるゲート電極が形成されてなることを特徴
とする電界効果トランジスタ、において、前記動作層の
各メサエッヂ部分に絶縁膜が形成されてなることを特徴
とする。

又、本発明の構造をした細線電界効果トランジスタの製
造方法は、半絶縁性半導体基板上に動作層を結晶成長さ
せる工程と、前記動作層をエツチングすることで動作部
分を２つ以上の部分に分割形成する工程と、該動作部分
を挟み込むような位置にオーミック電極を形成する工程
と、動作層上に絶縁膜を形成する工程と該絶縁膜を方向
性エツチングにより基板に垂直方向にエツチングするこ
とで各動作層のエッチ部分に絶縁膜の側壁を形成する工
程と該各動作部分に対し共通のゲート電極を形成する工
程とを備えたことを特徴する。

（作用） 本発明の目的は、２次元系の電子ガスを動作層とする電
界効果トランジスタにおいて、メサエッヂ部分でゲート
電極金属と能動層である２次元電子ガス層が接触するこ
とでき起こる数々の問題を回避することにある。メサは
細線構造のチャネルを形成するのには最も容易で確実な
方法であるが、この能動部分が多数にのぼるような細線
構造電界効果トランジスタに於ては先に述べたようにゲ
ートノーク、低耐圧化などの問題が生じてくる。そのた
めメサエッヂ部分で２次元電子ガス層とゲート電極金属
の接触を回避させることを意図してメサエッヂ部分に絶
縁膜を形成する。絶縁膜によってゲートは電子層に直接
接触することはなくその結果上記のような問題は起きな
くなる。

（実施例） 以下に図面を参照して本発明の電界効果トランジスタの
構造、及びその製造方法を詳細に説明する。

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明の電界効果トランジスタ
の一実施例を示している。半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に
ノンドープＧａＡｓ層２、高濃度ＡｌＧａＡｓ層３、高
濃度ＧａＡｓ層４がこの順に積層成長されている半導体
基板に於て上記三層が第１図（ａ）に示すように細線状
にエツチングされている。エツチングはここではノンド
ープＧａＡｓ層２の途中で止まっている。該ノンドープ
ＧａＡｓ層２の高濃度ＡｌＧａＡｓ層３側の界面に２次
元電子ガス層５が形成されるがその両側面に絶縁膜の側
壁９が形成されている。この細線状の動作層に対して細
線方向とは垂直方向にゲート電極８が形成されているが
２次元電子ガス層５とゲート電極８は絶縁膜９を介して
いるので直接の接触は避けられている。オーミック電極
６，７は第１図（ｂ）に示すようにゲート電極８と平行
してゲート電極８を挟み込む位置に形成されている。

次にこのような電界効果トランジスタを製造するための
本発明に於ける遣方法を説明する。第２図（ａ）〜（ｅ
）はその概略図である。半絶縁性ＧａＡｓ基板１上にノ
ンドープＧａＡｓ層２を適当な厚みで成長させ、続いて
高濃度ＡｌＧａＡｓ層３例えば３×１０１８ｃｍ−２の
濃度のＡｌＧａＡｓ層３を適当な厚みたとえば３００人
の厚さで成長させ、最後に高濃度ＧａＡｓ層例えば３×
１０１８０ｍ２の濃度のＧａＡｓ層４を適当な厚さ例え
ば５００人の厚さで成長させる。次に素子間分離を意図
してメサエッチングを行うわけであるが、細線状の動作
層を形成させるためゲート電極が形成されるであろう箇
所を２つ以上の部分に細かく分割する工程もこのメサ形
成時に同時に行うものとする。メサは少なくとも２次元
電子ガス層５の形成されるであろう深さ以上にエツチン
グすることで形成する必要がある。この基板構造ならす
くなくともノンドープＧａＡｓ層２にまで届く深さ８０
０Å以上エツチングすることによりメサを形成する必要
がある。この工程により動作層の細線部１０が形成され
ることになる。続いてソース電極金属６及びドレイン電
極金属７として例えばＡｕＧｅ、　Ｎｉ、　Ａｕを積層
蒸着し、高温アロイによりオーミック電極６，７を形成
する。続いて各動作層のメサエッヂ部分で露出している
２次元電子ガス層５のエッチ部分が後に形成するゲート
電極８と接触しないようにすることを意図して、ウェハ
全面に絶縁膜９を例えば化学堆積法で形成する。

ここでは絶縁膜として酸化膜を用い、その厚みを例えば
１００ＯＡとする。続いて半導体基板に対して垂直方向
に例えばＣＦ４等のガスを用いた反応性イオンエツチン
グ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｃｈｉｎｇ；　ＲＩ
Ｅ）などの方向性ガスエツチング１１を行い各動作層上
の絶縁膜９を完全に除去してしまう。この工程により各
動作層の側面に酸化膜の側壁９が形成されることになる
。この時絶縁膜の側壁が２次元電子ガス層のエッチが露
出しないようにする。つまり絶縁膜の厚みは基板構造に
即した値を設定する必要がある。次いでオーミック電極
６，７間にゲート電極８を形成するわけだが、まず基板
にゲート電極のパターニングを行ったレジスト層を形成
しそれをマスクとして、露出した高濃度ＧａＡｓ層４表
面を例えばアンモニアと過酸化水素の混合液をエッチャ
ントとじてリセスエッチングを行う。このリセスエッチ
ングによりキャップ層に当たる高濃度ＧａＡｓ層４を完
全にエツチングし高濃度ＡｌＧａＡｓ層３の表面を露出
させ、更にこの層のエツチングを続けて行うことにより
オミック間に流れる電流量の調整を行う。所望の値に電
流量の調整が終わった段階で例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ、
あるいはＴｉＡ１等のゲート金属の蒸着、リフトオフを
行いゲート電極８の形成を行う。以上で本発明の半導体
装置の製造工程は完了する。

尚、本発明の実施例は特定の材料、特定の値を用いて説
明したがこれは理解を容易にするためのものであり、例
えば前記絶縁膜として必ずしも酸化膜を用いる必要はな
く絶縁体であれば例えば窒化膜などであっても発明の本
質的な効果は変わるものではない。又オーミック金属や
ゲート金属を構成する材料についても同様である。又、
２次元電子ガスを形成する２層の半導体層は必ずしも不
純物無添加ＧａＡｓ層と不純物添加ＡｌＧａＡｓ層でな
くてもよく例えば不純物無添加ＩｎＧａＡｓ層と不純物
添加ＩｎＡＩＡｓ層等の組合せであっても良い。但し、
その際はエピタキシャル成長させる半導体基板も格子整
合する材料この場合ではＩｎＰ基板などにする必要が生
じ、又、オーミックアロイ温度等のオーミック電極の形
成条件も変更を要する。つまり基板構造も特定のものに
限定するものではない。

（発明の効果） 本発明においては絶縁膜の存在によりメサエッヂに於て
ゲート金属と動作層が直接接触することはなく、したが
ってゲートリークの心配はない。

又、耐圧の向上も期待できる。本発明によりこれらの利
点を活かし、ピンチオフ特性良く、高相互コンダクタン
ス、及び小雑音が期待できる細線構造の電界効果トラン
ジスタが得られる。又、反応性イオン、Ｔ−７チング（
Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｃｈｉｎｇ；　ＲＩＥ）
等の方向性エツチングを利用により絶縁膜の側壁を形成
することは容易であり、プロセスの条件設定に於て大幅
な簡略化が可能である。

【図面の簡単な説明】

昏２） 第１図（ａ）、（ｂ）は本発明に於ける電界効果トラン
ジスタの構造を示す図であり、第２図（ａ）〜（ｅ）は
本発明に於ける電界効果トランジスタ製造方法を示す工
程図、第３図（ａ）〜（Ｃ）、第４図は従来量子細線半
導体装置を説明するための図である。 １・・・半絶縁性ＧａＡｓ基板 ２・・・ノンドープＧａＡｓ層 ３・・・高濃度ＡｌＧａＡｓ層 ４・・・高濃度ＧａＡｓ層 ５・・・２次元電子ガス ６・・・ソース電極 ７・・・ドレイン電極 ８・・・ゲート電極 ９・・・絶縁膜 １０・・・細線部 １１・・・方向性エツチングガス

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）動作層がメサにより細線状の２つ以上の部分に分
   割され、該細線間の動作層で共通するオーミック電極と
   ゲート電極が形成されてなることを特徴とする細線電界
   効果トランジスタにおいて、前記動作層の各メサの側壁
   部分に絶縁膜が形成されてなることを特徴とする細線電
   界効果トランジスタ。
2. （２）半絶縁性半導体基板上に動作層を結晶成長させる
   工程と、前記動作層をエッチングすることで動作部分を
   ２つ以上の細線部分に分割形成する工程と、該動作部分
   を分割方向と垂直方向に挟み込むような位置にオーミッ
   ク電極を形成する工程と、動作層上に絶縁膜を形成する
   工程と該絶縁膜を方向性エッチングにより基板に垂直方
   向にエッチングすることで動作層のエッヂ部分に絶縁膜
   の側壁を形成する工程と該各動作部分に対し共通のゲー
   ト電極を形成する工程とを備えたことを特徴とする細線
   電界効果トランジスタの製造方法。