JPH03225874A - 半導体装置及びその製造方法 - 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、且つ動作層が細線状に仕切られており
、量子細線を形成している半導体装置及びその製造方法
に関する。

〔従来の技術〕

近年、分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅ
ａｍＥｐｉ　ｔａｘｙ　；　Ｍ　Ｂ　Ｅ　）や原子層エ
ピタキシー（Ａｔｏｍ−ｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｅｐｉｔａ
ｘｙ　；　ＡＬ　Ｅ　）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原子層に抑えられた良質のヘテｃ７
＃ＩＩ造の結晶層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、ヘテロ界面上に高
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、高速化の要論から、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１／４μｍ級のゲート加工が
行われつつあり、研究レベルでは実にα１μｍ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例により高速デバイス
集子の作製がなされ、その素子特性の同上がなされてき
ている。特に２次元糸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トランジスタは、その飛躍
的な高速特性及び雑音特性によシ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。

細線中の電子の振舞いに於いては、普遍的伝導度揺らぎ
と呼ばれる磁場に対する伝導度の揺らぎが存在する。こ
れは細線中の電子の流れるいくつかの複数の経路に於い
て、その長さにそれぞれ微妙な距離の相違が存在するこ
とによるものである。

細線中の不純物散乱体の配置が原因となって細線中の各
経路を伝わってきた各電子波間に干渉が生じ、伝導度に
影響を及ばずことになる。磁場によシミ子波の位相には
変化が誘起される。電子波間の干渉は複雑に変化し、伝
導度にるる徨の揺らぎを引き起こす。これが普遍的伝導
度揺らぎである。

この揺らぎはパリスチック伝導に近いと考えられるが、
量子干渉効果のデバイス応用に当たってはこの現象は本
質的な雑音源となってしまい特性向上の妨げとなる。揺
らぎを回避するには散乱体を減らすこと、あるいは細＃
＠を狭くし電子の伝導経路を少なく抑えることが必要で
ある。細線の寸法を小さくして行くことにより電子の運
動は量子化され１次元的な蚕舞いをするようになる。１
次元系に於いては不純物ホテンシャルの影４１ヲ受けに
くくなシ紋乱確立は低下し、従って移動度は増加するこ
とになる。

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（
Ａｐｐｉｙｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　）
第４７巻１３２４頁で提案しているものがおけられる。

Ｙ、Ｃ９Ｃｈａｎｇらは図３に示すように、Ａｌの組成
の異なるＡｌｘｌＧａ１−ｘＩ　Ａｓ　ｍ　１２とＡｌ
ｘｚＧａｓ−Ｘ２ＡＳ層１３からなる超格子構造の側面
にＧ　ａ　Ａ　ｓ層１１からなる井戸層とＡ／？ｘ３（
ｊａｌ−ｘ３Ａｓ　＠　ｌ　４からなる障壁層をＭｊｌ
ｉ！長し、ＡｌｘＩ　Ｇ　ａｌ−ｘＩ　Ａｓ／　（ｊ　
ａＡｓ　／　ＡＬ３　ｏａｌ−ｘ３Ａｓ　１Ａ／？ｙ２
　Ｇａ　１−Ｘ２ＡＳ　／　Ｇ　ａＡ　Ｓ　／　ＡＡ！
ｘ３　（ｊａ　１−Ｘ３　Ａｓ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Ｆ）、ＧａＡｓバッファ
ー層甲に１次元細線が形成される。又、Ｄ、Ｂ、Ｒｅｎ
５ｃｈらがアイ・イー・イー１−４ランサクシ−＋ン（
ＩＥＥＥ　　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ）の第ＥＤ−３４
巻２２３２負に示しているようなものもある。これは不
純物無添加Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板に対し、ソース・ドレイ
ン方向に平行にＦ　Ｉ　Ｂ　（Ｆｏｃｕｓｅｄｉｏｎ　
Ｂｅａｍ　）によりａ線状に８１イオンを複数本イオン
注入し、伝４層を形成している。又、両日らが第２０回
ンリット・ステート・デバイスズ・アンド争マテリアル
ス・コンファレンス（Ｓｏｌｉｄ５ｔａｔｅ　Ｄｅｖｉ
ｃｅｓ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅ
ｎｃｅ　）のアブストラクト５０３頁に報告しているよ
うな構造、すなわちＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ選択ドーフ
構造による２次元電子ガス層（２ＤＥＧ層）を用いキャ
ップＧ　ａ　Ａ　ｓ　ＮｆＩのみを細線状に形成したＦ
ＥＴも報告されている。この他にも、干渉露光によりス
トライブ状のゲートを形成しだＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ
選択ドーフ゛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検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相互コンダク
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ボしているといえる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の技術で述べた例の中のいくつかに示したような再
成長を含むプロセスにょシ作製される構造の半導体装置
は、デバイス作製上その条件設定が困難でおり、プロセ
ス自体の複雑化を州く。

動作層が量子細線構造であるような半導体装置分祷るも
っとも簡単な方法は、２次元電子ガス層をメサにより細
かないくつかの部分に分割することである。その上で各
動作層上に共通したゲート電極を形成する。この場合厳
密な微細量子細線を形成するのは困難であるが、擬１次
元細線構造の半導体装置を作製する上では充分であシ、
この構造によっても量子細線の効果をデバイス性能に反
映させる上では大いに期待できる。この場合最も問題と
なるのは、メサエッチに於て２次元ｉｔ子ガス層とゲー
ト電極金楓の接触部分が増え、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ＦＥＴ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ＦＥ
Ｔに対してはこの問題は深刻であり、特にＩｎＧａＡｓ
／ＩｎＡｌＡｓ系等の材料系を用いる場合なとは装置作
動上の大きな欠点となる。

この問題を避けるため、チャネル層のすぐ上に数十Ａの
不純物無添加スペーサを設け、エツチングをそこで停止
させることでゲート金属とチャネルの直接的な接触を回
避し、ゲートリークの問題を解消する方法も考えられる
。しかしエツチングをスペーサで停止させるような選択
的なエツチングプロセスは大ＫＩＩ＆シい。

本発明の目的は上記のような問題を解決し、しかも特性
の向上が期待できる新規構造の量子細線半導体装置と共
に、その製造方法を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

第１の発明の半導体装置は、半絶縁性Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基
板上ｅこチャネル層として順次形成された不純物無添加
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層と不純物添加Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ
層と、このチャネル層上に形成されたソース電極とドレ
イン電極と、このソース電極及びドレイン電極間のチャ
ネル層の一部のチャネル方向で前記不純物添加ＡｌＧａ
ＡｓＩＭが細線状にエツチングされたチャネル層上に、
チャネル層に対し垂直方向に形成されたゲート電極とを
備えてなる半導体装置において、前記不純物添加ＡｌＵ
ａＡｓ／Ｉｉ甲のＡ１モル比が表面側から基板側に行く
にしたがって段階的に減少していくように設定されてい
るものである。

第２の発明の半導体装置の製造方法は、半絶縁性Ｇ　ａ
　Ａ　ｓ基板に不純物無添加Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層と段階的
にＡｌ０モル比が基板側から表面側へ増加するように変
化させた不純物添加ＡｌＧａＡｓ層をこの順に結晶成長
させる工程と、前記不純物添加ＡｌＧａＡｓ層をＡ／の
モル比によってエツチングがとまる選択エツチング法に
より細線状にエツチング形成する工程と、前記不純物添
加ＡｌＧａＡｓｌｉｌ上にソース電極及びドレイン電極
を形成する工程と、このソース電極及びドレイン電極間
にあって前記不純物添加Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層上に
ゲート電極を形成する工程とをこの順に行うものである
。

第３の発明の半導体装置の製造方法は、半絶縁性Ｇ　ａ
　Ａ　ｓ基板に不純物無添加（ｊ　ａ　Ａ　ｓ層と段階
的にＡｌのモル比が基板側から表面側へ増加するように
変化させた不純物添加ＡｊＧａＡｓ＃をこの順に結晶成
長させる工程と、前記不純物添加ＡｊｉＧａＡｓ層上に
ソース電極及びドレイン電極全形成する工程と、前記不
純物添加ＡｊｉＧａＡｓ層をＡｌのモル比によってエツ
チングがとまる選択エツチング法により細線状にエツチ
ング形成する工程と、前記ソース電極及びドレイン電極
間にあって前記不純物添加Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層上
にゲート電極を形成する工程とをこの順に行うものであ
る。

〔作用〕

ゲート電極は常にＡ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層にあること
から、メサエッチ部分でゲート電極全域とチャネルであ
る２ＤＥＧ層が接触することで起こるゲートｌ）−りの
問題を回避することが可能となる。加えて不純物添加Ａ
　ＩＧ　ａ　Ａ　ｓ層のＡ７モル比を表面側から基板側
に行くにしたがって段階的に増加するように設定しであ
ることにより、前記不純物添＠　ＡＡｉＧ　ａＡ　ｓ層
中の所望の位置でエツチングが止まるような選択エツチ
ングが可能である様な条件を設定するこ、とによシ、量
子細線形成時におけるメサエッチングの際に、エツチン
グが２ＤＥＧ＃にまで達しないようにすることが可能と
なる。ゲート電極金Ｆ４は常に不細物添加Ａ　Ｉ　Ｇ　
ａ　Ａ　ｓ層上に形成されていることになり、２ＤＥＧ
層と直接接触することはない。

従ってゲートリークの心配がなく耐圧の劣化も避けられ
る。

エツチング後の残りのＡ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　ｆ＠を
、表面空乏層によシ直下では２ＤＥＧキヤリアが形成さ
れない程度に薄層化することで、チャネルの細線化は光
分になすことが可能である。細線パターン形成１７−ス
・ドレイン電極であるオーミック電極形成Ｎ１１に行う
１柱は、細春パターンを大きくするこ、！：に！リパタ
ーンをオーミック電極内に食い込んだ形状を構成するこ
とが可能であり、つまりチャネルに対するオーミックコ
ンタクトの仕方が２次元的ではなく３次元的に取るよう
な形状を構成することが可能となる。逆に、細吻バメー
ン形成ケオーミックを体形成後に行う工程は、＃Ｉｆｉ
！パターンをオーミック電極間にいれ込むことが在島と
なり目合わせ精度の向上が期待できるといツメリットが
ある。

〔実施例〕

以下に図面を参照して本発明の実施例を評軸に説明する
。

図１（ａ）〜（ｅ）ｔｉ本発明の一実施例の製造方法を
説明するための工程順に示した半導体チップの断面図、
図２は本発明の一実施例の側面図である。

まず図１（ａ）に示すように、半絶縁性のＧ　ａ　Ａ　
ｓ基板１上に不純物無添加（ｉ）ＧａＡｓ　層２を適当
な厚みで成長させる。この時の厚みはチャネルに対しく
）　ａ　Ａ　ｓ基板１からの影響が無視できる程度の厚
みを意味する。続いて不純物添加ＡｌｘＧａＪ　−ｘＡ
ｓ層３を成長させるわけであるが、ここのＡ１モル比Ｘ
は、基板側から表面側へいくにしたがって段階的に増加
するように設定する。ここでは例えばＸ＝０．１からα
３までをα１づつ１００Ａづつ設定するものとする。つ
まり不純物添加Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層３をｎ＋−Ａ
ｌｏ、ｔ　Ｇａｏ、ｓ　Ａｓ　Ｎｔ　３Ａ　、　ｎ　＋
−Ａｌｏ、ｚ　Ｇａｏ、ｓＡｓ層３Ｂ、　ｎ”−ＡｌＯ
，３Ｇａ□、ｌＡｓ３Ｃと連続して成長させる。ここで
の不純物濃度は例えば２Ｘ１０”ロー３とする。最後に
ソース抵抗の低減を意図して不細物泳方Ωｎ＋−ＧａＡ
ｓ層４を例えば２Ｘ１０　　ｃｔｎの濃度で例えば５０
０Ａ成長させる。以上で基板の成長工程を終了する。

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、量子細線を形成させるためゲート電極が形成さ
れるチャネル部分を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。分割方向
はチャ坏ル方向である。細線の形成にあたる表面不純物
添加ＧａＡｓ１４及び不細物添加Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　
ｓ層３のエツチングにオイテは不純物添加ｎ”−ＡｌＧ
ａＡｓ層３Ａ〜３Ｂ中のＡ１モル比によってエツチング
を不細物添加Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層３中の特定箇所
でエツチング速度を遅くあるいは停止させることができ
る。このような選択エツチングには退散化水素水と、酸
あるいはアルカリと、水を主成分とする混合液を用いる
ことによシ容易に可能である。このような選択的エツチ
ングには例えばｐＨを７付近に調整したアンモニア水と
退散化水素水と水の混合液により可能である。これは通
常Ｇ　ａ　Ａ　ｓとＡ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓの選択エッ
チャントとして知られているが、適宜ｐＨを調整するこ
とでＡ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層中のＡｌモル比の違いＫ
よるエツチング速度の違いを利用することが可能である
。

エツチング工程の実際は図１（ｂ）に示すように、フォ
トレジスト膜８を用いた無光現像工程によりチャネルに
相当する部分のバターニングを行う。

次に図１　（ｃａ　、　（ｄｌに示すように、このフォ
トレジスト膜８をマスクとして結晶のエツチングを行っ
たのち、フォトレジスト膜８を除去する。パターニング
の際には光学マスクによる露光でも良いが、量子効果等
のデバイス特性向上を期待するためにはよシ細線の間隔
を狭くすることが要求されるため現状では荷電粒子線、
あるいはＸ線、エキシマレーザ等の微細パターン形成可
能な露光法を用いることが望ましいといえる。また、プ
ロセスによってはフォトレジスト膜のパターンを高温下
でも支障のないように例えば絶縁膜等に転写する事も考
えられる。

続いて図２に示すように、ソース電極６及びドレイン電
極７を、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ　／Ａｕをレジストを用
いた蒸着リフトオフ法により形成し、アロイ化によジオ
−ミック電極とする。あるいはイオン注入によシ導電部
分を形成することも考えられよう。ソース電極６及びド
レイン電極７が形成された時点でチャネル部分は細い細
線状に分割されていることになる。

ここでこのチャネル部分にゲートを形成するわけでおる
が、例えばレジストを用いた蒸着リフトオフによりゲー
ト形成を行うのが一般的である。

ゲート電極５は、図１（ｅ）および図２に示すように、
例えばＴ　ｉ　／　ｋｌあるいはＴ　ｉ　／　Ｐ　ｔ　
／　Ａｕ等を蒸着し、リフトオフすることＫよシ形成す
る。ゲート電極５はオーミック電極間のエツチングされ
た形状を反映して波うった形を示すことになる。

以上により本発明におけるデバイスの作製を終了する。

ここではオーミック電極形成前に細線パターンの形成を
行なったが、こうすることによシ細線パターンが大きい
場合にオーミック電極に細線パターンを食い込ませるよ
うな構造が可能となる等、オーミック電極に対する細線
パターンの位置関係を比較的自白に設定することが可能
である。又、この順を逆にし、オーミック電極形成後に
細線パターンの形成を行なってもよい、この場合はオー
ミック電極に対する細線パターンの位置精度を向上させ
ることが出来るという効果が期待できる。

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
えばゲート電極に用いる金属として使用できるものはＴ
　ｉ　／Ａｌ＋Ｔ　ｉ　／Ｐ　ｔ　／Ａｕに限るもので
はなく、ショットキー接合を形成するものであればよく
、この全島組成が本発明の本質的な効果に変化をもたら
せるものではない。又、不純物添加ＡＡ！ＧａＡｓ層の
Ａ１組成の変化率及びその厚みであるが、必ずしもここ
に示したものと同様である必要もなく、構造とプロセス
を勘案して設定することはｂ］能である。又エッチャン
トの組成についても同様であシ、選択性のあるエッチャ
ントを用いれば良く、ここに例として示したものに限ら
ない。

〔発明の効果〕

本発明においてはゲートが不純物添加Ａ　ＩＧ　ａ　Ａ
　ｓ層中の特定箇所に形成されるため、ゲート金属と量
子井戸層に於ける電子ガスが直接接触することはなく、
シたがってゲートリークの心配はない。

本発明によシこれらの利点を活かし、ピンチオフ特性が
良く、高相互コンダクタンスが期待できる擬１次元細線
構造の半導体装置が得られる。又、不純物添加Ａ　Ｉ　
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層中のＡ１モル比を操作することＫより
、エツチングに於ける選択比を得ることができるので、
このような構造の半導体装置の製造に関しては過酸化水
素水と、酸あるいはアルカリと、水の混合液を主成分と
するエツチング液を使用することで容易に可能であり、
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】

図１（ａ）〜（ｅ）は本発明の一実施例の製造方法を説
明するための半導体チップの断面図、図２ｉｉ−実施例
の側面図、図３は従来例の断面図である。 １・・、ＧａＡｓ基板、２・・・不純物無添加Ｇ　ａ　
Ａ　ｓ層）３　Ａ−ｎ”−Ａｌｏｌｏａｏ、　Ａ　ｓ層
、３　Ｂ−ｎ”−１ｏ２Ｇａｏ、ａ　ＡＳｒｔｌ　％　
３　Ｃ・・・ｎ”−Ａｊ？　（１３Ｇ　ａｏ、Ｔ　Ａ　
ｓ層、４０．。 ｎ−ＧａＡｓ層、５・・・ゲート電極、６・・・ソース
電極、７・・・ドレイン電極、８・・・フォトレジスト
膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半絶縁性ＧａＡｓ基板上にチャネル層として順次形
   成された不純物無添加ＧａＡｓ層と不純物添加ＡｌＧａ
   Ａｓ層と、このチャネル層上に形成されたソース電極と
   ドレイン電極と、このソース電極及びドレイン電極間の
   チャネル層の一部のチャネル方向で前記不純物添加Ａｌ
   ＧａＡｓ層が細線状にエッチングされたチャネル層上に
   、チャネル層に対し垂直方向に形成されたゲート電極と
   を備えてなる半導体装置において、前記不純物添加Ａｌ
   ＧａＡｓ層中のＡｌモル比が表面側から基板側に行くに
   したがって段階的に減少していくように設定されている
   ことを特徴とする半導体装置。 ２、半絶縁性ＧａＡｓ基板に不純物無添加ＧａＡｓ層と
   段階的にＡｌのモル比が基板側から表面側へ増加するよ
   うに変化させた不純物添加ＡｌＧａＡｓ層をこの順に結
   晶成長させる工程と、前記不純物添加ＡｌＧａＡｓ層を
   Ａｌのモル比によってエッチングがとまる選択エッチン
   グ法により細線状にエッチング形成する工程と、前記不
   純物添加ＡｌＧａＡｓ層上にソース電極及びドレイン電
   極を形成する工程と、このソース電極及びドレイン電極
   間にあって前記不純物添加ＡｌＧａＡｓ層上にゲート電
   極を形成する工程とをこの順に行うことを特徴とする半
   導体装置の製造方法。 ３、半絶縁性ＧａＡｓ基板に不純物無添加ＧａＡｓ層と
   段階的にＡｌのモル比が基板側から表面側へ増加するよ
   うに変化させた不純物添加ＡｌＧａＡｓ層をこの順に結
   晶成長させる工程と、前記不純物添加ＡｌＧａＡｓ層上
   にソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、前記
   不純物添加ＡｌＧａＡｓ層をＡｌのモル比によってエッ
   チングがとまる選択エッチング法により細線状にエッチ
   ング形成する工程と、前記ソース電極及びドレイン電極
   間にあって前記不純物添加ＡｌＧａＡｓ層上にゲート電
   極を形成する工程とをこの順に行うことを特徴とする半
   導体装置の製造方法。