TW569459B - GaAs-based semiconductor field-effect transistor - Google Patents

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569459 五、發明說明（1) 本發明係有關於砷化鎵系半導體場效電晶體。 石申化鎵系半導體場效電晶體係在砷化鎵的動作層上步 成源極/沒極電極、凹部後，使用在凹部中央部上具有開〆 口部的光阻作為罩幕，進行閘極金屬的蒸鍍、剝離，以#形 成閉極電極，最後形成護層膜而製成。在使用此種剝離^ 時’為了在除去光阻後完全地除去光阻的殘渣，透過氧電 浆或光臭氧進行灰化，以完全地除去光阻的殘渣。又，在 ^申化鎵系半導體場效電晶體上，因為砷化鎵表面的表面位 準之電子的捕獲/放出成為電晶體的閘極滯後（gate lag) 現象（脈衝遲延）的原因（例如，參照「生駒英明、應用 理、69(2000) ρ· 159」）。 為了避免此種存在於凹部表面的砷化鎵表面位準的影 響，可嘗試各種方法。例如，對砷化鎵表面施加硫化銨溶 液處理或氮電漿處理等的表面改質處理，以嘗試抑制對砷 化鎵表面位準的電子捕獲/放出，又，嘗試迴避將閘極電 極埋^凹部内的砷化鎵表面的影響（埋入閘極構造的砷化 鎵系半導體_場效電晶體），或者，如圖7所示，可藉由將全 ，以5 0 0表tf的2段凹部構造，嘗試減低實際上珅化嫁表面 的影響（2段凹部型電晶體）。 2段凹部型電晶體5 〇 〇係在砷化鎵半絕緣性基板5 ^ j，，儿積神化鎵緩衝層502、砷化鎵活性層5〇3、及神化嫁 :層504;。在砷化鎵活性層5〇3上，形成2段凹部5〇5，並 、、中央叹置閘極電極5〇6。又，在碎化鎵接觸層5〇4上， ^刀別設置源極/沒極電極5〇7，以夾著閘極電極5〇6。再
569459 五、發明說明（2) 者’形成由氮化矽膜構成的護層膜508，以覆蓋其表面。 在此種2段凹部電晶體500上，實際上可使得閘極電極 附近的凹部寬度變窄，可減低上述表面位準陷阱回應閘極 電極的偏壓而給予伸縮的空乏層的影響，而可謀求脈衝遲 延現象的減低。 [發明欲解決之問題] 然而，2段凹部型電晶體500，第1是其製程複雜，造 成其成品率低下。第2是因為閘極電極附近的凹部寬度變 窄’而產生閘極/沒極财壓變差的問題。 對此，發明人經銳意研究的結果，上述脈衝遲延現象 的原因，並非是向來認為的是起因於钟化鎵表面的界面位 準陷阱，而是起因於在剝離步驟後進行的灰化步驟中於凹 部表面形成的珅化鎵氧化物509，又，此種砷化鎵氧化物 5 0 9係有助於閘極/汲極耐壓的變化。 也就是說，習知的2段凹部型電晶體5〇〇係藉由採用2 段凹部構造，利用實際上將凹部寬度變窄，以減低存在於 凹部表面上的砷化鎵氧化膜509的影響。 因此，本發明的目的即在於提供a有關於減低砷化鎵系 半導體場效電晶體中的脈衝遲延現象（閘極滯後），同 昇問極耐壓控制性或雜音特性等的電晶體諸種特性的技 巧。 * [解決問題的手段]
五、發明說明（3) 因此，發明人精銳意研究的結果，無須灰化步 高剝離步驟的光阻剝離力，再者，藉由使形成於_化 面的珅化鎵氧化物的膜厚，與钟化鎵系半導體的晶格常數 為相同的程度，可不採用2段凹部構造，而減低脈衝遲延 兮象。又，不對元件造成影響’且透過不要灰化步驟，提 尚剝離步驟的光阻剝離力，可提昇閘極/汲極耐壓控制性 或雜音特性等的電晶體諸種特性。 具體而言，剝離步驟係透過使用成分為
Niethy卜2-Pyrr〇lidone(NMp)的剝離液，可除去光阻層 的殘渣，在剝離步驟後的灰化步驟變得不需要。其次，可 將在灰化步驟產生㈣化鎵氧化物的膜厚，控制為神化鎵 y曰格常數程度的膜#，彳冑求場⑨電晶體的脈衝遲延現 象的減低’而完成本發明。 又，在特開平1 0-335352號公報中，記載有砷化鎵氧 化物的膜厚為20 A以下的内容。本發明更進一步，透過將 砷化鎵氧化膜的膜厚限定在砷化鎵的晶格常數的程度可 更有效的減低脈衝遲延現象，提昇閘極耐壓控制性、 音特性等電晶體的諸種特性。 換e之，本發明係依據輸入至閘極電極的脈衝信號， 控f在源極電極與汲極電極間的電子移動之砷化鎵系半導 體場效電晶體，其包含由碎化鎵系半導體構成的活性層， 形成於該活性層上的源極電極與汲極電極，以及設置於該 源極電極與該汲極電極間的該活性層上的閘極電極，且其 特徵為該活性層上的_化鎵系半導體的氧化物的膜厚與該 569459
钟化嫁系半導體的晶格常數大略相等。 在此料化鎵系半導體場效電晶體上，可抑制在活性 陷/Λ 界面附近（碎化鎵系氧化膜附近）的漏電流或 4Φ 4丨搞φ此，可減低脈衝遲延現象（閘極滞後現象），並可 ,β ' 散，而可得到雜音特性優良的砷化鎵系半導體 场效電晶體。 ^，藉由使活性層上的砷化鎵系半導體的氧化物的膜 i 一砷化鎵系半導體的晶格常數大略相等，雖然以活性 :表面的懸浮鍵（dangUng b〇nd)作為終端，但可抑制漏 電流等。
、上述砷化鎵系半導體的氧化物係被形成於形成在上述 活性層上的凹部表面。 上述氧化物的膜厚最好是大約4〜6 a。 上述氧化物的膜厚最好是大約5A。 上述活性層的表面附近的界面位準密度大略為 1012/cm2eV ^如此，在本發明中，未減低界面位準密度， 可減低電晶體的脈衝遲延現象。 也可以是從珅化鎵場效電晶體、坤化銘鎵/坤化鎵高 電子遷移率電晶體、砷化鋁鎵/砷化銦鎵高電子遷移率電
晶體構成的群中選擇的一個砷化鎵系場效電晶體所構成 者。 [發明的實施例] 實施例1
569459 五、發明說明（5) 圖1係有關本實施例，全體以1 〇 〇矣千沾站& μ β 晶體的剖面圖。 王體表不的坤化鎵場效電 ^砰化鎵場效電晶體i 00中’在珅化鎵半絕緣性基 t依序沉積珅化鎵緩衝層2、作為動作層的n_砷化鎵活性 f(l〇17/cm3)3、n+砷化鎵接觸層（1〇18/cm3)4。將〇+砷化鎵 接觸層4及η-砷化鎵活性層3的一部份蝕刻以形成凹 在大約是凹部中央上形成閘極電極6，又，在夾 極6的砷化鎵接觸層4上形成源極/汲極電極7。 在凹部5的η-砷化鎵活性層3的表面上形成砷化鎵 二。坤化鎵氧化膜9的膜厚為砰化鎵的晶格常數(5氧 的程度，最好是大約為4〜6 Α的程度。 表面：成由氮切所構成的護層膜8，以作為覆蓋 表面的保護膜。 法其次，簡單說明有關砷化鎵場效電晶體丨00的製造方 與習知的製造方法相同，在神化嫁半絕緣性基板丨 上’例如透過MBE法等，依序成長钟化鎵緩衝層2 η 嫁活性層3、η+砷化鎵接觸層4。接著，在η+砷化鎵 上利用蒸鍍剝離法等形成源極/汲極/ 刻形成凹部5。 且_由# 其次，使用蒸鍍剝離法形成閘極電極6。也就是， 成在閘極電極形成部分有開口的光阻（未圖示）後， 鍵法形成例如銘等的閘極電極材料層。然後，藉由^ = 阻，在凹部5内的η-碎化鎵活性層3上殘餘閘極電極材料
2065-4991-PF(N);Ahddub.ptd 第9頁 569459 五、發明說明（6) 層’以此作為閘極電極6。至於光阻的去除，則使用成分 為N-methyl-2-pyrrol i done(NMP)的剝離劑。 習知中，在形成閘極電極6之後，利用藉由氧電聚或 光臭氧的灰化以除去殘餘在凹部5内的η -砷化鎵活性層3上 的光阻殘渣。但是，在本實施例中，因為使用以上述ΝΜρ 作為成分的剝離劑，由於可不剩下殘渣的除去光阻，而不 需要灰化的步驟。 在此種狀態中，在利用橢圓儀分析凹部5内的η〜坤化 鎵活性層3的表面時，得知存在有膜厚大約5 a的砷化錄氣 化物。 其次，形成由氮化矽構成的護層膜8，以覆蓋表面。 至於護層膜8，除了氮化矽外，也可使用氧化矽、氮氧化 矽等。透過以上的製造步驟，完成砷化鎵場效電晶體 100 〇 其次，說明有關本實施例的砷化鎵場效電晶體1〇〇與 在剝離步驟後進行氧電漿灰化步驟所製作的習知的坤化' 場效電晶體的c_v測定結果。 霉 圖2、3是有關本實施例的砷化鎵場效電晶體丨〇 〇的石申 化鎵-護層膜界面的測定結果。界面位準密度的測定係使 用Four Dimensions公司製作的水銀探針評價裝置，圖 中，橫轴表示電極間電壓，縱軸表示電極間電容。又c 低頻電容，Ch ·係高頻電容。 Q # 圖2係η-砷化鎵活性層3的η型不純物的濃度約為3 〇 1017/Cm3的場合，圖3係η-神化鎵活性層3的η型&純物的&
2065-4991-PF(N);Ahddub.ptd 第10頁 569459 五、發明說明（7) 度約為3」Ο X i〇ivcm3的場合。由圖2、3的結果，砷化鎵活 14層3/羞層膜8界面的界面位準密度在圖2的場合中 為Dit = 4.7x l〇i2/cm2eV，在圖3 的場合中為Dit = 2 6x l〇12/cm2eV。如此，不管砷化鎵活性層3的不純物濃度，界 面位準畨度大約為l〇i2/cm2ey。在以往，此種密度的界面 位準可推定係成為電晶體的閘極滯後現象（脈衝遲延）的原 =二因此，對砷化鎵系半導體場效電晶體，為了要減低此 種界面位準密《，在砷化鎵表面可嘗試例如硫化紹溶液處 理或氮電漿氣體處理等。 另一方面，圓4、5係習知的砷化鎵場效電晶體的c_v 測定結果，圖4係珅化鎵活性層的n型不純物的濃度約為3 Ox 1(F/Cm3的場合，圖5係砷化鎵活性層的n型不純物的濃 度約為3··0χ l〇i«/cm3的場合。又，神化鎵氧化膜9的膜厚 約為3 0 A。 比較圖4、5與圖2、3可知，C(^Ch的上下關係在兩者 間有部分相反。在圖4、5中，具有Cq<Ch的部分的場合， 被視為是在砷化鎵活性層/護層膜的界面附近發生漏電 流。又，如圖5…的,資料具有紐結的部#，被視為是在 砷化鎵活性層/護層膜的界面附近存在有陷拼。 發明人銳意研究的結果係如上述，砷化鎵場效電晶體 的脈衝遲延現象並非根據以往推定的界面位準的現象，而 發現主要是起‘因於在石申化鎵氧化膜附近的界 的現象。 亦即，在本實施例之砷化鎵場效電晶體丨〇〇上，藉由
569459 五、發明說明（8) 使2化鎵活性層3上的砷化鎵氧化膜9的膜厚為砷化鎵的晶 格常數程度的膜厚，可抑制在砷化鎵活性層3/護層膜8的 界面附近（砷化鎵氧化膜9附近）的漏電流或陷阱。藉此， 了防止使用石申化蘇场效電晶體做脈衝動作時的脈衝遲延現 象（閘極滯後現象）。又，可抑制可被認為根據習知的砷化 鎵界面位準者的汲極電流（Id)、相互電容等根據閘極 輸入的頻率而變化的頻率分散效果。進而，可減低電晶 的雜音。 — 有關本實施例的砷化鎵場效電晶體i 〇〇的界面位準密 度（Dit)大約是l〇12/cm2eV。 如此’本發明為了避免在此種凹部表面存在的珅化鎵 表面位準的影響，嘗試避免習知施行的對砷化鎵表面的硫 化鋁溶液處理或氮電漿氣體處理，及將閘極電極埋在凹部 =的砷化鎵表面的影響（埋入閘極構造的砷化鎵系場效電 晶體），或者，如圖7所示，與全體以500表示之2段凹部 電晶體等的構造不同，利用將界面位準密度（Dit)控制為 大約是，而控制閉極滯後等。 利為 又’本發明在砷化鎵氧化物9的膜厚為砷化鎵晶格 數程度的膜厚時，可最有效的被實現。另一方面，若砷 $氧化膜9的膜厚較大，會觀察到閘極滯後現象的發生、 ^ I 9大）、漏電流增加專的元件特性的劣 /μ # ^ : ί ^本發明係將砷化鎵氧化物9的膜厚規定為3 、日日吊數（5· 65人）的程度，最好是大約4〜6入， 實現良好的元件特性。 h
569459
實施例2 圖6係有關本實施例之全體以2 〇 〇表示的砷化鋁鎵/石申 化銦鎵p(假型）-HEMT的剖面圖。 在p-HEMT 200中，係在砷化鎵半絕緣性基板21上，依 序沉積砷化銦鎵層22、n_砷化鋁鎵層23、n+-砷化鎵接觸 層24。將n+-砷化鎵接觸層24與η-砷化鋁鎵層23的部分蝕 刻以形成凹部25。在大約凹部25的中央形成閘極電極26， 又，在夾著閘極電極26的η+-砷化鎵接觸層24上形成源極/ 汲極電極27。 在凹部25的部分之砷化鋁鎵活性層23的表面上形成 神化紹鎵氧化膜29。砷化鋁鎵氧化膜2 9的膜厚為砷化鋁鎵 的晶格常數的程度’最好是大約為4〜6Α的程度。 並且’形成由氮化矽所構成的護層膜2 8，以作為覆蓋 表面的保護膜。 即使在可更高速動作的砷化銦鎵/砷化鋁鎵系ρ_ΗΕΜΤ 200等中，透過控制活性層（動作層）上的氧化膜的膜厚， 可得到同樣的效果。 [發明的效果] 從以上的說明可知，透過使用有關本發明之砷化鎵系 半導體場效電晶體，可謀求電晶體的脈衝遲延（閘極滯後） 現象的減低、4閘極耐壓變化的防止、及雜音特性的提昇。
569459 圖式簡單說明 圖1係有關本發明之實施例1的砷化鎵場效電晶體的剖 面圖。 圖2係有關本發明之實施例1的砷化鎵場效電晶體中的 石申化鎵表面-護層膜界面的C _ V測定結果。 圖3係有關本發明之實施例1的砷化鎵場效電晶體中的 神化鎵表面-護層膜界面的c_v測定結果。 圖4係習知的砷化鎵場效電晶體中的砷化鎵表面-護層 膜界面的C-V測定結果。 圖5係習知的砷化鎵場效電晶體中的砷化鎵表面-護層 膜界面的C-V測定結果。 圓6係有關本發明之實施例2的砷化鋁鎵/砷化銦鎵系 p-HEMT的剖面圖。 圖7係習知的二段凹部型場效電晶體的剖面圖。 [符號的說明] 砷化鎵半絕緣性基板、2 砷化鎵緩衝層、 η-砷化鎵活性層、 4 η+砷化鎵接觸層、 凹部、 、 6 閘極電極、 源極/汲極電極、 8 護層膜、
神化鎵氧化膜、 100砷化鎵場效電晶體。
2065-4991-PF(N);Ahddub.ptd 第14頁

Claims (1)

  1. 569459 六、申請專利範圍 1 · 一種砷化鎵系半 電極的信號控制源極電 括： 活性層，由碎化鎵 源極電極與汲極電 閘極電極，被設置 該活性層上； 其特徵在於： 以該活性層上的钟 等於該砷化鎵系半導體 2·如申請專利範圍 電晶體，其中上述珅化 成在上述活性層的凹部 3 ·如申請專利範圍 電晶體，其中上述氧化 4·如申請專利範圍 電晶體，其中上述氧化 5 ·如申請專利範圍 電晶體，其中上述活性 1012/cm2eV。 6 ·如申請專利範圍 電晶體，其中從砷化鎵 電子遷移率電晶體、砷 晶體構成的群中選擇的 導體場效電晶體’藉由輸入至閘極 極與汲極電極件的電子的移動，包 係半導體所構成； 極，被形成於該活性層之上；及 於該源極電極與該汲極電極之間的 化鎵系半導體之氧化物的膜厚大約 的晶格常數為特徵。 第1項所述的砷化鎵系半導體場效 鎵系半導體的氧化物為被形成於形 之表面者。 第1項所述的砷化鎵系半導體場效 物的膜厚約為4〜6 A。 第1項所述的砷化鎵系半導體場效 物的膜厚約為5 A。 第1項所述的砷化鎵系半導體場效 層的表面附近的界面位準密度約為 項所述的砷化鎵系半導體場效 场效電晶體、砷化鋁鎵/砷化鎵高 化鋁鎵/砷化銦鎵高電子遷移率電 一個電晶體所構成者。 2065-4991-PF(N);Ahddub.ptd 第15頁 569459
    2065-4991-PF(N);Ahddub.ptd 第16頁
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