JP3633587B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、複数の半導体層の積層構造内部に電荷を高速走行可能に閉じ込めた半導体装置、例えば高電子移動度トランジスタの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯電話などの移動体通信システムにおいて、端末の小型化及び低消費電力化が強く求められている。そのため、それを構成するトランジスタ等のデバイスにおいても同様な要求がなされている。
例えば、現在の移動体通信の柱ともいえるデジタルセルラー用パワーアンプについては、単一正電源の動作が可能で、かつ低電圧、高効率駆動のものが求められている。
【0003】
現在、パワーアンプ用として実用化されているデバイスの1つに、高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor )や、エピタキシャル構造でのある程度の格子不整合を許容し更に高い電子移動度を実現する疑似格子整合高電子移動度トランジスタ(PHEMT:Pseudomorphic HEMT)等がある。
これは、いずれもヘテロ接合構造を利用して電流変調を行うものである。
【0004】
図10に、上記のPHEMTの一構成例の断面図を示す。
図10に示すPHEMTは、半絶縁性単結晶GaAsよりなる基板31の上に、不純物が添加されていないGaAsよりなるバッファ層32を介して、AlGaAsよりなる第1の障壁層33と、InGaAsよりなるチャネル層34と、AlGaAsよりなる第2の障壁層35が順次積層されている。
各障壁層33,35は、第1導電型、例えばn型の不純物を含むキャリア供給層33a,35aと、高抵抗層33b,33cおよび35b,35cをそれぞれ有している。
【0005】
第2の障壁層35の上には、n型の不純物を含有するn型GaAs層36を介して、絶縁膜37が形成されている。
絶縁膜37には開口部が形成されており、当該開口部にn型GaAs層36を介してソース電極39aおよびドレイン電極39bが形成されている。
絶縁膜37の他の開口部には、ゲート電極38が形成されており、ゲート電極38に電圧を印加するとソース電極39aとドレイン電極39bとの間を流れる電流が変調されるようになっている。
【0006】
上記のPHEMTでは、一般には、他の構成例として、第2の障壁層35の厚さをゲート電極下で薄くするリセス構造とすることが多く、この場合には、その直下のチャネル層の領域にはキャリアが空乏化、あるいは他のチャネル領域に比べてキャリアが少ない領域が形成される。
【0007】
このような構造を有するPHEMTでは、ゲート電極38に正電圧を印加することでチャネル層34にキャリアが蓄積され、原理的にショットキー接合型電界効果トランジスタ(MES−FET:Metal Semiconductor FET )に比べて、相互コンダクタンスGmのゲート電圧Vgに対する線形性に優れているという特徴を有している。これは、パワーアンプの高効率化を目指す上で大きな利点となっている。
【0008】
一方、単一正電源動作に関しては、ゲート電極直下に第2導電型、例えば、p型の不純物をドーピングすることで、チャネル層の第1導電型の半導体とゲート直下の第2導電型の半導体とのΦbi(ビルトインポテンシャル)を大きくし、正の動作電源のみを用いることを可能とする接合型電界効果トランジスタ(JFET:Junction FET)が存在する。
また、この時、Φbiを大きくする為に、第2導電型の不純物をドーピングするという手法以外に、ゲート直下の半導体層にチャネル層よりもバンドギャップの大きい半導体を選択するという手法があり、上記の図10に示したPHEMTはその手法を採用しているものである。
【0009】
上記のJFETとPHEMTの利点を組み合わせた接合型ー疑似格子整合高電子移動度トランジスタ(JPHEMT:Junction PHEMT)の一構成例を図11に示す。
【0010】
図11に示すJPHEMTは、半絶縁性単結晶GaAsよりなる基板41の上に、不純物が添加されていないGaAsよりなるバッファ層42を介して、AlGaAsよりなる第1の障壁層43と、InGaAsよりなるチャネル層44と、AlGaAsよりなる第2の障壁壁45が順次積層されている。
各障壁層43,45は、第1導電型(n型)の不純物を含むキャリア供給層43a,45aと、高抵抗層43b,43cおよび45b,45cをそれぞれ有している。
【0011】
第2の障壁層45の上には、開口を有する絶縁膜47が形成されており、当該開口部にソース電極49aおよびドレイン電極49bが形成されている。
絶縁膜47の他の開口部には、ゲート電極48が形成されており、ゲート直下の第2の障壁層45内には、第2導電型(p型)の不純物(Zn)が導入されたゲート不純物領域50が形成されている。
上記構成のJPHEMTによっても、ゲート電極48に電圧を印加するとソース電極49aとドレイン電極49bとの間を流れる電流が変調されることとなる。
【0012】
上記構成のJPHEMTにおいては、ゲート不純物領域50とチャネル層44との距離dが小さければ小さいほど、チャネル層44を構成する半導体とゲート直下のゲート不純物領域50とのΦbi(ビルトインポテンシャル)を大きくすることができ、正の動作電源のみを用いることを可能とすることができる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図11に示すJPHEMTにおいて、第2の障壁層45にAlGaAsを用い、ゲート直下に第2導電型(p型)の不純物(Zn)を気相拡散により導入した場合、AlGaAs層中でのZnの拡散係数が大きくAlGaAs層内でZnが速く拡散し、少量のZnでZn拡散領域の底面がチャネル層44からの距離dの深さまで到達してしまう。このため、第2の障壁層45にGaAsを用いた場合に比して、第2の障壁層45の最表面における第2導電型不純物(Zn)濃度が約1/2になってしまい、良好なオーミック接触が得られないという問題がある。この場合、一般に言われるゲート抵抗が高くなり、パワーアンプの利得に対して悪い影響を及ぼす。
【0014】
以上のように、Φbiを大きくして単一正電源動作を可能にする為に第2の障壁層45にバンドギャップの大きなAlGaAs等の半導体を用いつつ、かつ、ゲート電極との良オーミック接触を実現する為に、第2の障壁層45の最表面の第2導電型不純物濃度を高める事が望まれている。
【0015】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、単一正電源動作を可能にしつつ、ゲート抵抗を低減することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0023】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、チャネル層を形成する工程と、チャネル層上に、第1の半導体層を形成する工程と、第1の半導体層上に、第1の導電性不純物を含有する第2の半導体層を形成する工程と、第2の半導体層の一部に開口を有するマスク層を形成する工程と、マスク層をマスクとして、第2および第1の半導体層に第1の導電性不純物と同導電型の第2の導電性不純物を導入してゲート不純物領域を形成する工程と、少なくとも開口内に露出した第2の半導体層上にゲート電極を形成する工程を有する。
【0024】
好適には、第2の半導体層を形成する工程において、第1の導電性不純物を添加したエピタキシャル成長法により形成する。
【0025】
好適には、第2および第1の半導体層に第2の導電性不純物を導入する工程において、気相拡散またはイオン注入により第2の導電性不純物を導入する
【0026】
好適には、第1の導電性不純物と第2の導電性不純物は、同一材料である。
例えば、第1の導電性不純物と第2の導電性不純物は、Znを含む。
【0028】
好適には、第1の半導体層を形成する工程の後、第2の半導体層とエッチング選択比を有するストッパ層を形成し、ストッパ層上に第2の半導体層を形成し、ゲート電極を形成する工程の後に、このゲート電極をマスクとして、ゲート電極下に形成されたマスク層および第2の半導体層を残しながら、他の領域に形成されたマスク層および第2の半導体層をストッパ層が露出するまでエッチングにより除去する工程をさらに有する。
【0029】
好適には、マスク層および第2の半導体層をエッチングにより除去する工程の後に、ゲート電極を挟んでストッパ層上に互いに分離してソース電極およびドレイン電極を形成する工程をさらに有する。
【0030】
例えば、チャネル層を形成する工程において、このチャネル層をInGaAsにより形成し、第1の半導体層を形成する工程において、この第1の半導体層をAlGaAsにより形成する。
【0031】
上記の本発明の半導体装置の製造方法では、チャネル層上に第1の半導体層を形成し、第1の半導体層上に、第1の導電性不純物を含有する第2の半導体層を形成し、第2の半導体層の一部に開口を有するマスク層を形成し、マスク層をマスクとして、第2および第1の半導体層に第1の導電性不純物を導入してゲート不純物領域を形成し、少なくとも開口内に露出した第2の半導体層上にゲート電極を形成している。
そして、例えば、第1の導電性不純物を添加したエピタキシャル成長法により、第2の半導体層を形成することで、この第2の半導体層に、ゲート電極との接触抵抗を低減させる程度の濃度で第1の導電性不純物を導入することができる。
また、その後に、第2および第1の半導体層に第2導電型の不純物を気相拡散またはイオン注入により導入することで、所望の深さまで第2の導電性不純物を導入して当該深さを制御することができ、これによりチャネル層を流れる電流のしきい値が制御される。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0033】
図1は、本実施形態に係る半導体装置の一構成例を示す断面図である。
図1に示す半導体装置は、例えば、半絶縁性の単結晶GaAsよりなる基板11の上に、不純物が添加されていないundoped−GaAsよりなるバッファ層12を介して、III−V族化合物半導体よりなる第1の障壁層13、チャネル層14及び第2の障壁層15が順次積層されている。
【0034】
第2の障壁層15の上には後述するエッチングのストッパ層16が、所要の厚さ、例えば5nm程度堆積されており、ストッパ層16の一部分には島状の高濃度ゲート不純物層17が堆積されている。
【0035】
高濃度ゲート不純物層17の上には、絶縁膜18が所要の厚さ、例えば300nm程度堆積されている。絶縁膜18には、開口部18aが設けられており、この開口部18aを介してゲート電極21が形成されている。
【0036】
ストッパ層16およびゲート電極21を被覆して、絶縁膜19が所要の厚さ、例えば300nm程度堆積されている。絶縁膜19には、ストッパ層16上で適当な間隔を空けて2つの開口部19a,19bが設けられ、この開口部19a,19bにソース電極22aとドレイン電極22bが形成されている。
【0037】
ゲート電極21下における高濃度ゲート不純物層17、ストッパ層16および第2の障壁層15には、第2導電型の不純物がドーピングされたゲート不純物領域20が形成されている。例えば、p型不純物として亜鉛(Zn)が、気相拡散によってドーピングされている。
【0038】
以下、各層について詳細に説明する。
障壁層13,15は、チャネル層14を構成する半導体よりも広いバンドギャップを有する半導体で構成されている。例えば、Alx Ga1−x As混晶が好ましく、通常アルミニウム(Al)の組成比は、x=0.2〜0.3である。
【0039】
またこの障壁層13,15は、基本的に不純物を含まない高抵抗層であるが、チャネル層14から所要の距離、例えば約2〜4nm離れた所に、高濃度のn型不純物を含むキャリア供給層13a,15aを有している。
【0040】
ここで、キャリア供給層13a,15aは、所要の厚さを有し、例えば厚さが約4nmでありn型不純物としてシリコン(Si)を所要のドーズ量、例えば1.0×1012〜2.0×1012/cm2 程度添加してある。また、キャリア供給層13a,15aとチャネル層14の間の不純物を添加していない高抵抗層13b,15bは、キャリア供給層13a,15aより薄い厚さ、例えば厚さが約2nmとなった構造を有している。
【0041】
チャネル層14は、ソース電極22aとドレイン電極22bとの間の電流経路であり、障壁層13,15を構成する半導体よりも狭いバンドギャップを有する半導体により構成されている。
例えば、Inx Ga1−x Asが好ましく、通常Inの組成比がx=0.1〜0.2程度の不純物を添加していないundoped−InGaAs混晶により構成される。これにより、チャネル層14には、第1の障壁層13のキャリア供給層13a、及び第2の障壁層15のキャリア供給層15aから供給されたキャリアが蓄積されるようになっている。
【0042】
ストッパ層16は、高濃度ゲート不純物層17を選択エッチングする時に、エッチングを止める役割を果たしている。例えば、高濃度ゲート不純物層17がAlGaAsにより形成されている場合に、ストッパ層16はGaAs、もしくは高濃度ゲート不純物層17と組成比の異なるAlGaAsであり、さらにゲート電極との接触抵抗を下げるために、高濃度ゲート不純物層17としてGaAsを用いたその時は、ストッパ層16はAl組成比がx=約0.5のAlx Ga1−x Asが好ましい。
【0043】
高濃度ゲート不純物17は、チャネル層14を構成する半導体よりも広いバンドギャップを有する半導体層により構成されている。例えばAlx Ga1−x Asが好ましく、アルミニウム(Al)組成比がx=0.2〜0.3である。また、高濃度ゲート不純物層17は、p型不純物、例えば亜鉛(Zn)が所要の不純物濃度、例えば約2×1019/cm3 以上ドーピングされている。
【0044】
ゲート電極21は、基板側からチタン(Ti)、白金(Pt)および金(Au)を順次積層した構成となっている。
【0045】
ソース電極22a及びドレイン電極22bは、基板側から金ゲルマニウム(AuGe)、ニッケル(Ni)及び金(Au)を順次積層して合金化したものにより構成されており、障壁層15とストッパ層16を介してオーミック接触している。
【0046】
次に、上記の本実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図2〜図8を用いて説明する。
【0047】
まず、図2(a)に示すように、半絶縁性の単結晶GaAsよりなる基板11の上に、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposotion )法により、不純物を添加しないundoped−GaAsを、所要の厚さ、例えば3〜5μm程度エピタキシャル成長させてバッファ層12を形成する。
【0048】
次に、図2(b)に示すように、バッファ層12の上に、例えばMOCVD法により、不純物を添加しないundoped−AlGaAsを、例えば200nm程度エピタキシャル成長させて高抵抗層13cを形成する。
【0049】
次に、図2(c)に示すように、高抵抗層13c上に、例えばMOCVD法により、n型不純物としてシリコンを添加したn型AlGaAsを、例えば約4nm程度エピタキシャル成長させてキャリア供給層13aを形成する。
【0050】
次に、図3(d)に示すように、キャリア供給層13a上に、例えばMOCVD法により、不純物を添加しないundoped−AlGaAsを、例えば約2nm程度エピタキシャル成長させて高抵抗層13bを形成する。これにより、高抵抗層13c、キャリア供給層13a、高抵抗層13bからなる第1の障壁層13が形成される。
【0051】
次に、図3(e)に示すように、第1の障壁層13上に、例えはMOCVD法により、不純物を添加しないundoped−InGaAsを、例えば10nm程度エピタキシャル成長させて、チャネル層14を形成する。
【0052】
次に、図3(f)に示すように、チャネル層14上に、例えばMOCVD法により、不純物を添加しないundoped−AlGaAsを、例えば約2nm程度エピタキシャル成長させて高抵抗層15bを形成する。
【0053】
次に、図4(g)に示すように、高抵抗層15b上に、例えばMOCVD法により、n型不純物としてシリコンを添加したn型AlGaAsを、例えば約4nm程度エピタキシャル成長させてキャリア供給層15aを形成する。
【0054】
次に、図4(h)に示すように、キャリア供給層15a上に、例えばMOCVD法により、不純物を添加しないundoped−AlGaAsを、例えば約130nm程度エピタキシャル成長させて高抵抗層15cを形成する。
これにより、高抵抗層15c、キャリア供給層15a、高抵抗層15bからなる第2の障壁層15が形成される。
【0055】
次に、図5(i)に示すように、第2の障壁層15上に、例えばMOCVD法により、GaAsを約130nm程度エピタキシャル成長させて、ストッパ層16を形成する。
【0056】
次に、図5(j)に示すように、ストッパ層16上に、例えばMOCVD法により、例えば2×1019/cm3 以上の高濃度のZnを不純物として添加してあるp型のAlGaAsをエピタキシャル成長させて、高濃度ゲート不純物用層170を形成する。
その後、メサエッチングによりトランジスタを形成する領域以外のエピタキシャル層を除去する事によって素子間分離を行う。
【0057】
次に、図6(k)に示すように、高濃度ゲート不純物用層170上に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposotion )法により、窒化珪素膜SiNを堆積し絶縁膜(マスク層)180を形成する。その後、所定パターンのレジストをマスクとしてエッチングを行い、ゲート不純物領域形成の為に、絶縁膜180に開口部18aを形成する。
【0058】
次に、図6(l)に示すように、絶縁膜180をマスクとして、p型不純物となる亜鉛Znを気相拡散して、絶縁膜180の開口部18aから亜鉛を拡散させて、高濃度ゲート不純物用層170、ストッパ層16、および障壁層15に、ゲート不純物領域20を形成する。
または、p型不純物のドーピングをイオン注入で行うことも可能であるが、この場合、高温熱処理によってドーピングした不純物を活性化させる必要があるので、気相拡散の方が好ましい。ここで、気相拡散をする場合は、時間制御によって拡散深さを制御する。
【0059】
次に、図7(m)に示すように、絶縁膜180の開口部18aを含む全面に、ゲートメタルとして、Ti/Pt/Auをそれぞれ例えば100nm/50nm/220nmずつ蒸着し、所定パターンのレジストをマスクとして、ゲート電極部以外のゲートメタルをスパッタエッチングしゲート電極21を形成する。
このとき、ゲート電極21との接触部には、高濃度ゲート不純物用層170が形成されていることから、トランジスタのゲート部のメタル/半導体において、良オーミック接触が実現される。
【0060】
次に、図7(n)に示すように、ゲート電極部以外における絶縁膜180をエッチングし、絶縁膜18を形成する。このエッチングは、p型の不純物が導入されたAlGaAsからなる高濃度ゲート不純物用層170が露出するまで行う。
【0061】
次に、図8(o)に示すように、ゲート電極21および絶縁膜18をマスクとして、ストッパ層16が露出するまで、高濃度ゲート不純物用層170をエッチングして、島状の高濃度ゲート不純物層17を形成する。
【0062】
次に、図8(p)に示すように、ゲート電極21およびストッパ層16を被覆して全面に、例えばCVD法により、窒化珪素膜SiNを堆積して絶縁膜19を形成し、レジストを用いたエッチングにより選択的に除去して、ソース電極形成領域およびドレイン電極形成領域に開口部19a,19bを設ける。
【0063】
以降の工程としては、当該開口部19a,19bを含む絶縁膜19の全面に、例えば金ゲルマニウム合金AuGe、ニッケルNiおよび金Auを順次蒸着してパターニングを行う。続いて、例えば400℃程度の熱処理により合金化させソース電極22aおよびドレイン電極22bを形成し、図1に示した半導体装置を製造することができる。
【0064】
上記の本実施形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、ゲート電極21直下に、高濃度ゲート不純物層17を基板作成段階で予め用意しておく事により、不純物を含まない障壁層15へp型不純物を気相拡散してその上にゲート電極を形成する場合に比して、ゲート電極21と高濃度ゲート不純物層17間のオーミック接触を良好にし、パワーアンプ用デバイスの特性を向上させる事ができる。
【0065】
また、ゲート電極21直下において、気相拡散によってゲート不純物領域20の深さを制御して、当該ゲート不純物領域20とチャネル層14との距離dを制御することで、チャネル層14を構成する半導体とゲート直下のゲート不純物領域20とのΦbi(ビルトインポテンシャル)を大きくすることができ、正の動作電源のみを用いることを可能とすることができる。
【0066】
また、チャネル層14とゲート電極21との間にチャネル層14を構成する半導体よりも広いバンドギャップを有する半導体よりなる高濃度ゲート不純物層17を備えるようにしたので、相互コンダクタンスGmおよびゲート・ソース間容量Cgsのゲート電圧Vgに対する依存性が少なく、電力付加効率を高くする事ができる。
以上のように、半導体装置の相互コンダクタンス特性を維持したまま、立ち上り電圧Vthの制御性を向上させることが出来る。
【0067】
図9は、半導体装置、すなわち高速電子移動度トランジスタの参考例を示す。この半導体装置では、高抵抗層15c上の全面に例えば、p型不純物が導入されたAlGaAsによるp型半導体領域25が形成され、ゲート電極21直下に対応する部分のp型半導体領域25及び高抵抗層15cにp型不純物の例えばZnが気相拡散され、ゲート不純物領域20が形成される。そして、ゲート不純物領域20の表面に接続するゲート電極21が形成され、ゲート電極21を挟んでp型半導体領域25上に互いに分離してソース電極22aおよびドレイン電極22bが形成される。ここで、p型半導体領域25は、ソース電極22a及びドレイン電極22bとゲート電極21との間の領域で空乏化するように膜厚、不純物濃度が設定される。p型半導体領域は膜厚が薄く形成されるので、ソース電極22a及びドレイン電極22b直下では合金化されている。その他の構成は、前述の図1と同様であるので対応する部分に同一符号を付して重複説明を省略する。なお、ソース電極22aおよびドレイン電極22bはp型半導体領域25上にn型GaAs層を介して形成することもできる。
製造に際して、p型半導体領域25は、p型不純物をドーピングしながらエピタキシャル成長して形成される。その他の各層、電極の形成は前述の工程と同様である。
図9の半導体装置においても、単一正電源動作を可能にしつつ、ゲート抵抗を低減することができる。その他、図1の半導体装置と同様の効果を奏する。
【0068】
本発明の半導体装置は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、バッファ層12、高抵抗層13c、およびキャリア供給層13aを省略して、シングルヘテロ構造にしてもよい。
ゲート不純物領域20を形成するための例えばp型不純物としては、亜鉛(Zn)の他、炭素)C)を用いることもできる。
【0069】
また、本発明は、GaAs系基板上のみならず、InP系基板上にも適応されるものである。例えば、基板11がInPからなる場合には、バッファ層12は不純物を添加しないInPにより形成し、高抵抗層(13b,13c,15b,15c)は不純物を添加しないAlx In1−x As(x=0.4〜0.5)により形成し、チャネル層14は、アンドープのInx Ga1−x As(x=0.5〜0.6)により形成し、キャリア供給層(13a,15a)はn型のAlx In1−x As(x=0.4〜0.5)により形成すればよい。そして、AlX In1−X Asの高抵抗層13c上にこれとはInの組成比を変えたAlInAsのストッパ層16を形成し、その上に例えばp型不純物を含むAlInAs又はInPの島状の高濃度ゲート不純物層17を形成する。その後、p型不純物としてZn又はCを例えば気相拡散によりゲート不純物領域20を形成する。AlInAs又はInPの島状の高濃度ゲート不純物層17に絶縁膜18の開口を介して前述と同様のTi/Pt/Auのゲート電極21を形成し、また、ストッパ層16上に前述と同様のAuGe、Ni及びAuの積層膜を熱処理して合金化した層によるソース電極22aおよびドレイン電極22bを形成する。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【0070】
本発明によれば、単一正電源動作を可能にしつつ、ゲート抵抗を低減することができる半導体装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態の製造方法で得られる半導体装置の一構成例を示す断面図である。
【図2】本実施形態に係る半導体装置の製造において、第1の障壁層のキャリア供給層の形成後の断面図である。
【図3】図2に続く、第2の障壁層の高抵抗層の形成後の断面図である。
【図4】図3に続く、第2の障壁層の形成後の断面図である。
【図5】図4に続く、高濃度ゲート不純物用層の形成後の断面図である。
【図6】図5に続く、ゲート不純物領域の形成後の断面図である。
【図7】図6に続く、ゲート電極の形成後の断面図である。
【図8】図7に続く、絶縁膜の形成後の断面図である。
【図9】参考例に係る半導体装置の構成例を示す断面図である。
【図10】従来例に係るPHEMTの一構成例を示す断面図である。
【図11】従来例に係るJPHEMTの一構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
11…基板、12…バッファ層、13…第1の障壁層、13a…キャリア供給層、13b,13c…高抵抗層、14…チャネル層、15…第2の障壁層、15a…キャリア供給層、15b,15c…高抵抗層、16…ストッパ層、17…高濃度ゲート不純物層、18…絶縁膜、19…絶縁膜、20…ゲート不純物領域、21…ゲート電極、22a…ソース電極、22b…ドレイン電極、25…p型半導体層、31,41…基板、32,42…バッファ層、33,43…第1の障壁層、33a,43a…キャリア供給層、33b,33c,43b,43c…高抵抗層、34,44…チャネル層、35,45…第2の障壁層、35a,45a…キャリア供給層、35b,35c,45b,45c…高抵抗層、36…キャップ層、37,47…絶縁膜、38,48…ゲート電極、39a,49a…ソース電極、39b,49b…ドレイン電極、50…ゲート不純物領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to, for example, a semiconductor device in which charges are confined in a stacked structure of a plurality of semiconductor layers so as to be able to run at high speed, such as a high electron mobility transistor.OfIt relates to a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in mobile communication systems such as mobile phones, miniaturization of terminals and low power consumption have been strongly demanded. For this reason, similar demands have been made for devices such as transistors constituting the same.
For example, a digital cellular power amplifier that can be said to be a pillar of current mobile communication is required to be capable of operating a single positive power source and having a low voltage and high efficiency.
[0003]
One of the devices currently in practical use for power amplifiers is a high electron mobility transistor (HEMT) and a certain degree of lattice mismatch in the epitaxial structure, allowing higher electron mobility. Realized pseudo latticeAlignmentExamples include a high electron mobility transistor (PHEMT: Pseudomorphic HEMT).
In either case, current modulation is performed using a heterojunction structure.
[0004]
FIG. 10 shows a cross-sectional view of one configuration example of the above-described PHEMT.
The PHEMT shown in FIG. 10 includes a
Each of the
[0005]
An
An opening is formed in the
A
[0006]
In the above-described PHEMT, generally, as another configuration example, a recess structure in which the thickness of the
[0007]
In the PHEMT having such a structure, carriers are accumulated in the
[0008]
On the other hand, for the single positive power supply operation, the first conductivity type semiconductor in the channel layer and the second conductivity type semiconductor directly under the gate are doped by doping a second conductivity type, for example, a p-type impurity, directly under the gate electrode. There is a junction field effect transistor (JFET: Junction FET) that can increase the Φbi (built-in potential) and the positive operating power supply.
At this time, in order to increase Φbi, there is a method of selecting a semiconductor having a band gap larger than that of the channel layer for the semiconductor layer immediately below the gate, in addition to the method of doping the impurity of the second conductivity type. The PHEMT shown in FIG. 10 adopts this method.
[0009]
Junction-pseudo lattice combining the advantages of JFET and PHEMTAlignmentOne structural example of a high electron mobility transistor (JPEMMT: Junction PHEMT) is shown in FIG.
[0010]
The JPHEMT shown in FIG. 11 includes a
Each of the
[0011]
An
A
Also in the JPHEMT configured as described above, when a voltage is applied to the
[0012]
In the JPHEMT configured as described above, the smaller the distance d between the
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the JPHEMT shown in FIG. 11, when AlGaAs is used for the
[0014]
As described above, in order to increase the Φbi and enable the single positive power supply operation, the
[0015]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of reducing gate resistance while enabling single positive power supply operation.SetIt is to provide a manufacturing method.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of forming a channel layer, a step of forming a first semiconductor layer on the channel layer, and a step of forming on the first semiconductor layer.First conductivityForming a second semiconductor layer containing impurities; forming a mask layer having an opening in a part of the second semiconductor layer; and using the mask layer as a mask, the second and first semiconductor layersSecond conductive impurity of the same conductivity type as the first conductive impurityAnd forming a gate impurity region and forming a gate electrode on at least the second semiconductor layer exposed in the opening.
[0024]
Preferably, in the step of forming the second semiconductor layer,First conductive impurityIt is formed by an epitaxial growth method to which is added.
[0025]
Preferably, the second and first semiconductor layersSecond conductive impurityIn the process of introducing gas phase diffusion or ion implantationSecond conductive impurityIntroduce
[0026]
Preferably,First conductive impurity and second conductive impurityAre the same material.
For example,The first conductive impurity and the second conductive impurity areZn is contained.
[0028]
Preferably,After the step of forming the first semiconductor layer, a stopper layer having an etching selectivity with the second semiconductor layer is formed, and the second semiconductor layer is formed on the stopper layer,After the step of forming the gate electrode, using the gate electrode as a mask, the mask layer and the second semiconductor layer formed in other regions while leaving the mask layer and the second semiconductor layer formed under the gate electrode Is further removed by etching until the stopper layer is exposed.
[0029]
Preferably, after the step of removing the mask layer and the second semiconductor layer by etching, the method further includes the step of forming the source electrode and the drain electrode separately from each other on the stopper layer with the gate electrode interposed therebetween.
[0030]
For example, in the step of forming the channel layer, the channel layer is formed of InGaAs, and in the step of forming the first semiconductor layer, the first semiconductor layer is formed of AlGaAs.
[0031]
In the semiconductor device manufacturing method of the present invention, the first semiconductor layer is formed on the channel layer, and the first semiconductor layer is formed on the first semiconductor layer.First conductive impurityA second semiconductor layer containing the first semiconductor layer, a mask layer having an opening in a part of the second semiconductor layer, and the mask layer as a mask in the second and first semiconductor layersFirst conductive impurityTo form a gate impurity region, and a gate electrode is formed on at least the second semiconductor layer exposed in the opening.
And for example,First conductive impurityBy forming the second semiconductor layer by an epitaxial growth method to which is added, the second semiconductor layer has a concentration enough to reduce the contact resistance with the gate electrode.First conductive impurityCan be introduced.
After that, by introducing a second conductivity type impurity into the second and first semiconductor layers by vapor phase diffusion or ion implantation, to a desired depth.Second conductive impurityTo control the depth, thereby controlling the threshold value of the current flowing through the channel layer.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0033]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of the semiconductor device according to the present embodiment.
The semiconductor device shown in FIG. 1 is made of, for example, a III-V compound semiconductor on a
[0034]
An
[0035]
On the high-concentration
[0036]
An insulating
[0037]
A
[0038]
Hereinafter, each layer will be described in detail.
The barrier layers 13 and 15 are made of a semiconductor having a wider band gap than the semiconductor constituting the
[0039]
The barrier layers 13 and 15 are basically high-resistance layers that do not contain impurities, but carriers containing high-concentration n-type impurities at a required distance from the
[0040]
Here, the
[0041]
The
For example, InxGa1-xAs is preferable, and is usually composed of an undoped-InGaAs mixed crystal to which an impurity having an In composition ratio of about x = 0.1 to 0.2 is not added. Thus, carriers supplied from the
[0042]
The
[0043]
The high
[0044]
The
[0045]
The
[0046]
Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0047]
First, as shown in FIG. 2A, on a
[0048]
Next, as shown in FIG. 2B, the
[0049]
Next, as shown in FIG. 2C, n-type AlGaAs doped with silicon as an n-type impurity is epitaxially grown on the
[0050]
Next, as shown in FIG. 3D, on the
[0051]
Next, as shown in FIG. 3E,
[0052]
Next, as shown in FIG. 3F, the
[0053]
Next, as shown in FIG. 4G, n-type AlGaAs doped with silicon as an n-type impurity is epitaxially grown on the
[0054]
Next, as shown in FIG. 4 (h), on the
Thus, the
[0055]
Next, as shown in FIG. 5I, the
[0056]
Next, as shown in FIG. 5J, on the
Thereafter, element isolation is performed by removing the epitaxial layer other than the region where the transistor is formed by mesa etching.
[0057]
Next, as shown in FIG. 6K, a silicon nitride film SiN is deposited on the high-concentration
[0058]
Next, as shown in FIG. 6L, using the insulating
Alternatively, the p-type impurity can be doped by ion implantation. In this case, since the doped impurity needs to be activated by high-temperature heat treatment, vapor phase diffusion is preferable. Here, when vapor phase diffusion is performed, the diffusion depth is controlled by time control.
[0059]
Next, as shown in FIG. 7 (m), Ti / Pt / Au is deposited as a gate metal on the entire surface including the
At this time, since the high concentration
[0060]
Next, as shown in FIG. 7N, the insulating
[0061]
Next, as shown in FIG. 8 (o), using the
[0062]
Next, as shown in FIG. 8 (p), the
[0063]
As a subsequent process, for example, gold germanium alloy AuGe, nickel Ni, and gold Au are sequentially deposited on the entire surface of the insulating
[0064]
According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the above-described embodiment, the high-concentration
[0065]
Further, the semiconductor constituting the
[0066]
Further, since the high-concentration
As described above, the controllability of the rising voltage Vth can be improved while maintaining the mutual conductance characteristics of the semiconductor device.
[0067]
FIG.A reference example of a semiconductor device, that is, a high-speed electron mobility transistor is shown. thisIn the semiconductor device, for example, a p-
In manufacturing, the p-
Also in the semiconductor device of FIG. 9, the gate resistance can be reduced while enabling a single positive power supply operation. In addition, the same effects as the semiconductor device of FIG.
[0068]
BookThe semiconductor device of the invention is not limited to the description of the above embodiment.
For example, the
As a p-type impurity for forming the
[0069]
The present invention is applicable not only to GaAs substrates but also to InP substrates. For example, when the
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0070]
According to the present invention, the gate resistance can be reduced while enabling a single positive power supply operation.A semiconductor device can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 embodimentObtained by the manufacturing methodIt is sectional drawing which shows the example of 1 structure of a semiconductor device.
FIG. 2 is a cross-sectional view after forming a carrier supply layer of a first barrier layer in manufacturing a semiconductor device according to the embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view after the formation of the high resistance layer of the second barrier layer, continued from FIG. 2;
4 is a cross-sectional view after the formation of the second barrier layer, continued from FIG. 3;
5 is a cross-sectional view after the formation of the high concentration gate impurity layer, continued from FIG. 4; FIG.
6 is a cross-sectional view after the formation of the gate impurity region, continued from FIG. 5;
7 is a cross-sectional view after the formation of the gate electrode, continued from FIG. 6;
FIG. 8 is a cross-sectional view after the formation of the insulating film, continued from FIG. 7;
FIG. 9Reference exampleSemiconductor device according toStructureIt is sectional drawing which shows a composition example.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration example of a PHEMT according to a conventional example.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a configuration example of a JPHEMT according to a conventional example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記チャネル層上に、第1の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層上に、第1の導電性不純物を含有する第2の半導体層を形成する工程と、
前記第2の半導体層の一部に開口を有するマスク層を形成する工程と、
前記マスク層をマスクとして、前記第2および前記第1の半導体層に前記第1の導電性不純物と同導電型の第2の導電性不純物を導入してゲート不純物領域を形成する工程と、
少なくとも前記開口内に露出した前記第2の半導体層上にゲート電極を形成する工程を有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a channel layer;
Forming a first semiconductor layer on the channel layer;
Forming a second semiconductor layer containing a first conductive impurity on the first semiconductor layer;
Forming a mask layer having an opening in a part of the second semiconductor layer;
Using the mask layer as a mask, introducing a second conductive impurity of the same conductivity type as the first conductive impurity into the second and first semiconductor layers to form a gate impurity region;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a gate electrode on at least the second semiconductor layer exposed in the opening.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the step of forming the second semiconductor layer, the second semiconductor layer is formed by an epitaxial growth method to which the first conductive impurity is added.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。In the second and introducing said second conductive impurity into the first semiconductor layer, according to claim 1, wherein introducing said second conductive impurity by vapor-phase diffusion or ion implantation Semiconductor device manufacturing method.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the first conductive impurity and the second conductive impurity are made of the same material.
ことを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。 5. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the first conductive impurity and the second conductive impurity contain Zn.
前記ゲート電極を形成する工程の後に、当該ゲート電極をマスクとして、当該ゲート電極下に形成された前記マスク層および前記第2の半導体層を残しながら、他の領域に形成された前記マスク層および前記第2の半導体層を前記ストッパ層が露出するまでエッチングにより除去する工程をさらに有する
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。After the step of forming the first semiconductor layer, a stopper layer having an etching selectivity with respect to the second semiconductor layer is formed, and the second semiconductor layer is formed on the stopper layer,
After the step of forming the gate electrode, using the gate electrode as a mask, leaving the mask layer and the second semiconductor layer formed under the gate electrode, the mask layer formed in another region, and 2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of removing the second semiconductor layer by etching until the stopper layer is exposed.
ことを特徴とする請求項6記載の半導体装置の製造方法。The method further comprises a step of forming a source electrode and a drain electrode separately from each other on the stopper layer with the gate electrode interposed therebetween, after the step of removing the mask layer and the second semiconductor layer by etching. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6.
前記第1の半導体層を形成する工程において、当該第1の半導体層をAlGaAsにより形成する
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。In the step of forming the channel layer, the channel layer is formed of InGaAs,
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the step of forming the first semiconductor layer, the first semiconductor layer is formed of AlGaAs.
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