JP5504428B2 - Field effect transistor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、電界効果トランジスタ及びその製造方法に関し、より詳細には、携帯電話や無線LANの送受信用増幅素子や高速データ転送用素子として好適な、電界効果トランジスタの一種である高電子移動度トランジスタ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a field effect transistor and a method of manufacturing the same, and more particularly, a high electron mobility transistor which is a kind of field effect transistor suitable as a transmission / reception amplifying element or a high-speed data transfer element of a cellular phone or wireless LAN And a manufacturing method thereof.
一般に、携帯電話や無線LANの送受信用増幅素子等に代表されるGHz帯の高周波素子として、高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor;HEMT)が知られている。代表的なものには、GaAs基板上のGaAs層やInP基板上のIn0.53Ga0.47As層を電子走行層として用いたものなどがあり、これらはいずれも、GaAsとAlGaAs、InGaAsとInAlAsのヘテロ構造界面に蓄積する2次元電子ガス層を利用したものである。 2. Description of the Related Art Generally, a high electron mobility transistor (HEMT) is known as a high-frequency element in the GHz band typified by a cellular phone or a wireless LAN transmission / reception amplifying element. Typical examples include those in which a GaAs layer on a GaAs substrate or an In 0.53 Ga 0.47 As layer on an InP substrate is used as an electron transit layer, all of which are heterogeneous of GaAs and AlGaAs, InGaAs and InAlAs. It utilizes a two-dimensional electron gas layer that accumulates at the structure interface.
つまり、これらの素子を用いて、十数GHz帯の電波の送受信が可能な素子を得るためには、0.2μm以下の極めて短いゲート長を有するHEMTが必要になる。このような長さのゲート電極を形成するには、光リソグラフィーや電子線リソグラフィーが用いられることもあるが、高度の技術が必要になり、安定的に生産するのは容易ではない。しかもゲート長を短くすると、ゲート抵抗の増大によるノイズの増大、さらにはゲインの低下などの原因にもなるなどトランジスタの特性としても問題が生じてくる。このため、微細化技術が容易で、量産性があり、かつ、従来以上に高い周波数帯に対応できる新しい構造の高周波素子が求められている。 That is, in order to obtain an element capable of transmitting and receiving radio waves in the tens of GHz band using these elements, a HEMT having an extremely short gate length of 0.2 μm or less is required. In order to form a gate electrode having such a length, optical lithography or electron beam lithography may be used, but advanced techniques are required, and stable production is not easy. In addition, if the gate length is shortened, there is a problem in transistor characteristics such as an increase in noise due to an increase in gate resistance and a decrease in gain. Therefore, there is a demand for a high-frequency device having a new structure that can be easily miniaturized, is mass-productive, and can handle a higher frequency band than before.
ところで、電界効果トランジスタの場合、高周波特性を劣化させる原因のひとつに寄生抵抗成分が挙げられる。実際のトランジスタでは、真性のトランジスタ以外に様々な抵抗成分が付加された形になるが、特にソース及びドレイン電極の接触抵抗の増加は、トランジスタの総合コンダクタンスGmを劣化させるのはもとより、それに伴って最大有能電流利得周波数fTなどを劣化させる。したがって、この電極の接触抵抗を低下させるために、電極が接する最表面のキャップ層にドーピングを行い、電子密度を上げて接触抵抗を下げる様々な試みがなされている。 By the way, in the case of a field effect transistor, a parasitic resistance component is mentioned as one of the causes which degrade a high frequency characteristic. In an actual transistor, various resistance components are added in addition to the intrinsic transistor, but especially the increase in the contact resistance of the source and drain electrodes not only deteriorates the overall conductance Gm of the transistor, but also accompanies it. Degrading the maximum available current gain frequency fT and the like. Therefore, various attempts have been made to lower the contact resistance by doping the outermost cap layer in contact with the electrode to increase the electron density in order to reduce the contact resistance of the electrode.
一方で、InGaAsチャネルを有する電界効果トランジスタのための多層膜を成膜する手法としては様々な手法が実施されているが、なかでもMBE(分子線エピタキシー)は、比較的低温成長が可能であり、熱膨張係数の違いによる欠陥の生成が少ないなど多くの利点を有しており、本件にかかる多層膜の成膜には好適に用いることができる。 On the other hand, various methods have been implemented as a method for forming a multilayer film for a field effect transistor having an InGaAs channel. In particular, MBE (molecular beam epitaxy) can be grown at a relatively low temperature. It has many advantages such as fewer generation of defects due to the difference in thermal expansion coefficient, and can be suitably used for forming a multilayer film according to the present invention.
MBEを用いてGaAs基板やInP基板上に、InGaAsチャネルを有する電界効果トランジスタのための多層膜を形成する際、最表面を酸化から保護するためのキャップ層として様々な材料を用いることは可能であるが、格子定数のミスマッチが少ないことや比較的低抵抗な電極コンタクトを形成しやすいことから、InGaAsを採用することが多い。このInGaAsキャップ層と電極の接触抵抗を下げるために、従来はn型ドーピング材料としてSi(シリコン)を用いてきた。MBEを用いてドーピング濃度を上げようとすると、ドーピング材料の蒸気圧を上げるために坩堝(るつぼ)温度を上げることになる。 When forming a multilayer film for a field effect transistor having an InGaAs channel on a GaAs substrate or InP substrate using MBE, it is possible to use various materials as a cap layer for protecting the outermost surface from oxidation. However, InGaAs is often adopted because it has few mismatches in lattice constant and it is easy to form a relatively low resistance electrode contact. In order to reduce the contact resistance between the InGaAs cap layer and the electrode, conventionally, Si (silicon) has been used as an n-type doping material. When attempting to increase the doping concentration using MBE, the crucible temperature is increased in order to increase the vapor pressure of the doping material.
ところが、MBEでSiを高濃度にドーピングしようとするとSi坩堝のヒーター温度が非常に高くなり、ヒーターや坩堝からの輻射熱で基板が熱せられるため所望の温度での成膜が困難となり、実質5×1018/cm3程度の電子密度が上限となってしまう。このため、InGaAsキャップ層のSiドーピング濃度には限界があり、ソース電極及びドレイン電極の接触抵抗の低減にも限界があることになる。 However, when trying to dope Si with MBE at a high concentration, the heater temperature of the Si crucible becomes very high, and the substrate is heated by the radiant heat from the heater and the crucible, making it difficult to form a film at a desired temperature. An electron density of about 10 18 / cm 3 is the upper limit. For this reason, there is a limit to the Si doping concentration of the InGaAs cap layer, and there is a limit to reducing the contact resistance between the source electrode and the drain electrode.
また、特許文献1に開示されるように、InxGa1−xAsySb1−yにSnをドーピング材料として用いることにより、温度依存性の低い磁気抵抗素子を形成する方法については開示されているが、電界効果トランジスタの電極の接触抵抗の低減を図る方法については、これまで開示されていなかった。
Further, as disclosed in
しかしながら、従来のドーピング材料では、高濃度ドーピングに限界があり、より低いメタルと半導体との接触抵抗を実現することが困難であった。したがって、より高周波特性に優れた電界効果トランジスタを作成することも困難であった。 However, with conventional doping materials, there is a limit to high-concentration doping, and it has been difficult to achieve a lower metal-semiconductor contact resistance. Therefore, it has been difficult to produce a field effect transistor having more excellent high frequency characteristics.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電極の接触抵抗の低減を図るようにした高周波特性の良い電界効果トランジスタ及びその製造方法に関する。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention relates to a field effect transistor having good high-frequency characteristics and a method for manufacturing the same, which is intended to reduce the contact resistance of an electrode.
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、特定の製造方法を用いて電界効果トランジスタを作成することにより、上記目的に適合することを見いだし、この知見に基づいて本発明をなすに至った。 As a result of intensive research in order to solve the above problems, the present inventor found that a field effect transistor was produced using a specific manufacturing method, and found that the above object was met. Invented the invention.
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、III−V族化合物半導体薄膜をエピタキシャル結晶成長させてなる多層膜半導体構造を有する電界効果トランジスタにおいて、前記多層膜半導体構造が、基板と、該基板上に形成されたバッファ層と、該バッファ層上に形成された電子走行層と、該電子走行層上に形成されたスペーサ層と、該スペーサ層上に形成された電子供給層と、該電子供給層上に形成されたバリア層と、該バリア層上に形成された高電子濃度キャップ層とを備え、さらに、前記多層膜半導体構造上に、該高電子濃度キャップ層上に形成されたオーミック接続するソース電極及びドレイン電極と、該ソース電極及び該ドレイン電極の間の前記高電子濃度キャップ層を選択的に除去してリセス構造を形成し、該リセス構造の露出した前記バリア層の表面にショットキー接続するように形成されたゲート電極を備えており、前記高電子濃度キャップ層は、5×10 18 /cm 3 以上1×10 20 /cm 3 以下の濃度のSnがドーピングされていることを特徴とする。
The present invention has been made to achieve such an object, and the invention according to
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記高電子濃度キャップ層の厚さが、5nm以上、100nm以下であることを特徴とする。
The invention according to
また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記基板がGaAsで、前記電子走行層がInGaAsで、前記スペーサ層がInAlAsで、前記バリア層がInAlAsで、前記高電子濃度キャップ層がInGaAsであることを特徴とする。
The invention according to
また、請求項4に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記基板がGaAsで、前記電子走行層がInGaAsで、前記スペーサ層がAlGaAsSbで、前記バリア層がAlGaAsSbで、前記高電子濃度キャップ層がInGaAsであることを特徴とする。
The invention according to claim 4 is the invention according to
また、請求項5に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記基板がInPで、前記電子走行層がInGaAsで、前記スペーサ層がInAlAsで、前記バリア層がInAlAsで、前記高電子濃度キャップ層がInGaAsであることを特徴とする。
The invention according to
また、請求項6に記載の発明は、III−V族化合物半導体薄膜をエピタキシャル結晶成長させてなる多層膜半導体構造を形成する電界効果トランジスタの製造方法において、前記多層膜半導体構造の製造工程が、基板上にバッファ層を形成する工程と、該バッファ層上に電子走行層を形成する工程と、該電子走行層上にスペーサ層を形成する工程と、該スペーサ層上に電子供給層を形成する工程と、該電子供給層上にバリア層を形成する工程と、該バリア層上に高電子濃度キャップ層を形成する工程とを有し、さらに、該高電子濃度キャップ層上にオーミック接続するソース電極及びドレイン電極を形成するためのメタルを形成する工程と、該ソース電極及び該ドレイン電極の間の前記高電子濃度キャップ層を選択的に除去してリセス構造を形成する工程と、該リセス構造の露出した前記バリア層の表面にショットキー接続するゲート電極を形成する工程を有しており、前記高電子濃度キャップ層のドーピングに5×10 18 /cm 3 以上1×10 20 /cm 3 以下の濃度のSnを用いたことを特徴とする。
The invention according to
また、請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の発明において、前記高電子濃度キャップ層の厚さが、5nm以上、100nm以下であることを特徴とする。
The invention according to
また、請求項8に記載の発明は、請求項6又は7に記載の発明において、前記基板がGaAsで、前記電子走行層がInGaAsで、前記スペーサ層がInAlAsで、前記バリア層がInAlAsで、前記高電子濃度キャップ層がInGaAsであることを特徴とする。
The invention according to claim 8 is the invention according to
また、請求項9に記載の発明は、請求項6又は7に記載の発明において、前記基板がGaAsで、前記電子走行層がInGaAsで、前記スペーサ層がAlGaAsSbで、前記バリア層がAlGaAsSbで、前記高電子濃度キャップ層がInGaAsであることを特徴とする。
The invention according to claim 9 is the invention according to
また、請求項10に記載の発明は、請求項6又は7に記載の発明において、前記基板がInPで、前記電子走行層がInGaAsで、前記スペーサ層がInAlAsで、前記バリア層がInAlAsで、前記高電子濃度キャップ層がInGaAsであることを特徴とする。
The invention according to claim 10 is the invention according to
本発明によれば、従来はより低抵抗化が困難であったソース及びドレイン電極の接触抵抗を、さらに低抵抗化することが可能となり、これを元により高周波特性の良好な電界効果トランジスタを製造することができる。 According to the present invention, it is possible to further reduce the contact resistance of the source and drain electrodes, which has conventionally been difficult to lower, and based on this, a field effect transistor with good high frequency characteristics can be manufactured. can do.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明に係る電界効果トランジスタの製造に用いられる多層膜半導体構造の断面図である。基板1は、基板であれば何でも良いが、GaAs基板,もしくはInP基板,表面に単結晶のGaAsを成長させたSi基板,サファイア基板などが好適である。なかでも半絶縁性で良質の単結晶基板が得られるGaAs基板やInP基板は、特に好ましい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a multilayer semiconductor structure used for manufacturing a field effect transistor according to the present invention. The
ここで言う半絶縁性とは、抵抗率が107Ω・cm以上のものを指す。単結晶基板を用いる場合、基板の面方位は(100)、(111)、(110)等が好ましい。これらの面方位から1°から5°ずらした面方位を用いることもある。なかでも(100)は、良質の薄膜を成長させる上で最適である。 Here, the semi-insulating property means a material having a resistivity of 10 7 Ω · cm or more. When a single crystal substrate is used, the surface orientation of the substrate is preferably (100), (111), (110), or the like. A plane orientation shifted from 1 ° to 5 ° from these plane orientations may be used. Among these, (100) is optimal for growing a high-quality thin film.
通常行われるように、基板の表面を平坦化させ、清浄化させる目的で、基板と同じ材質の半導体を成長させたものを本発明の基板として使用しても良い。GaAs基板上にGaAsを成長させるのは、この最も代表的な一例である。 As is usually done, for the purpose of flattening and cleaning the surface of the substrate, a grown semiconductor of the same material as the substrate may be used as the substrate of the present invention. The most typical example is the growth of GaAs on a GaAs substrate.
バッファ層2としては、(a)InGaAs電子走行層3と格子定数が近く、(b)InGaAs電子走行層3と比べて抵抗率が十分高く、(c)InGaAs電子走行層3と大きく格子定数の異なるGaAsなどの基板上に直接積層した場合でも、欠陥の少ない平坦な表面を有していることが好ましい。この目的で、AlGaAs,InAlAs,AlGaAs/InAlAsグレーデッド層,AlGaAsSbなどが好適に用いられる。
As the
このバッファ層2上に直接InGaAs電子走行層3が形成されてもよいが、InGaAs電子走行層3の格子定数に最も近い層をバッファ層2上に設けることもできる。この方法により、格子欠陥の少ないInGaAs電子走行層3を形成することができる。バッファ層2の表面の平坦性は、膜厚が厚いほど良好であるが、工業上はなるべく薄くすることが望ましい。すなわち、バッファ層2の膜厚は、5nm以上3000nm以下の範囲が好ましく、より好ましくは10nm以上1000nmである。
The InGaAs
また、バッファ層2をInGaAs電子走行層3への電子供給層5として用いるのも好ましい態様のひとつである。その場合、ドーパントは厚さ方向に均一にドープされていても、分布があっても良く、局所的にデルタドープされていても良い。ここでデルタドープとは、MBEを用いたIII−V族化合物半導体の薄膜成長において、ドーパントとV族元素を同時に照射して行なうドーピングの手法である。電子供給層5のドーパントとしては、SnやSiが本発明では好適に用いられる。
In addition, it is one of preferred embodiments that the
InGaAs電子走行層3は、ゲート電極102などの制御電極にかかる電圧によって電子密度を変化させ、その電気伝導を制御させるものである。InxGa1−xAs(0≦x≦1)電子走行層3は、In組成xが大きいほど高い電子移動度が得られるので好ましく、特に、In組成xは0.53以上1以下であることが好ましい。
The InGaAs
InGaAs電子走行層3はその厚みが薄すぎると、界面の平坦度や欠陥の影響を受けやすくなり、また厚すぎると制御電極による制御性に影響がでるため、膜厚として、好ましくは2000nm以下であり、より好ましくは2nm以上100nm以下、更に好ましくは5nm以上60nm以下である。
If the thickness of the InGaAs
また、InxGa1−xAs電子走行層3の電子濃度は、3×1017cm−3以上2×1018cm−3以下のとき、高い電子移動度を有し好ましい。しかしながら、その電子濃度は半導体デバイスのシート抵抗や高速応答性などデバイス特性上適宜決められるので、この濃度に限るものではない。
The electron concentration of the In x Ga 1-x As
スペーサ層4は、(a)InGaAs電子走行層3との格子定数が近く、(b)InGaAs電子走行層3と比べて抵抗率が十分高いことが好ましい。スペーサ層4とInGaAs電子走行層3の格子定数は、InGaAs電子走行層3の膜厚が臨界膜厚を超えない程度に近ければ良い。この目的で、AlGaAs,InAlAs,AlGaAsSbが好適に用いられる。
The spacer layer 4 preferably has a lattice constant close to (a) the InGaAs
スペーサ層4の膜厚は、薄すぎると界面散乱の影響を受けるようになり厚すぎるとゲート電極102からの制御性に影響がでるため1nm以上20nm以下の範囲が好ましい。更に好ましくは3nm以上10nm以下である。
If the spacer layer 4 is too thin, it is affected by interface scattering, and if it is too thick, the controllability from the
次に、本発明に用いられる電子供給層5は、(a)InGaAs電子走行層3との格子定数が近く、(b)InGaAs電子走行層3に所望の濃度の電子を与える。この目的で、スペーサ層4と同じ材料であるAlGaAs,InAlAs,AlGaAsSbが好適に用いられ、所望の濃度の電子を供給するためにドーピングを実施される。ドーピングは、電子供給層5の厚み方向に均一でも、分布があっても、また所望の厚みのところにデルタドープを行っても良い。電子供給層5のドーパントとしては、SnやSiが本発明では好適に用いられる。
Next, the
電子供給層5の膜厚は、好ましくは1nm以上10nm以下、更に好ましくは2nm以上5nm以下である。また、電子供給層5をデルタドープ層のみとする場合は、膜厚は限りなくゼロに近く、厳密には数原子層程度の膜厚である。
The film thickness of the
バリア層6は、(a)電子供給層5との格子定数が近く、(b)ゲートなどの制御電極と電子供給層5の絶縁性を確保するためのものであり、この目的に合致すれば材料は特に限定されない。また、後に成膜する高電子濃度キャップ層7が、上述した目的に適合し、酸化に対する耐性が高いものを選択する場合は、バリア層6と高電子濃度キャップ層7は兼用して1層としても構わない。
The
つまり、通常はIn1−yAlyAsを使ってスペーサ層4や電子供給層5と同じ元素組成としたり、それら以上にAl濃度が高いIn1−yAlyAsとすることも可能である。ただし、スペーサ層4と同様素子化プロセス中に酸化しやすいという懸念があるため、Al濃度yとしては0.5から0.85が好ましい。
That is, usually, In 1-y Al y As can be used to have the same elemental composition as the spacer layer 4 and the
バリア層6の膜厚は、薄すぎると絶縁性に問題があり、厚すぎるとゲート電極102によるInGaAs電子走行層3の制御に影響を及ぼすため、好ましくは1nm以上50nm以下、更に好ましくは2nm以上20nm以下である。
If the thickness of the
高電子濃度キャップ層7は、バリア層6上に形成されるものであり、その目的は、(a)バリア層6との格子定数が近く、(b)その下の層の酸化による変質を抑制し、(c)デバイス作成時のプラズマ加工によるダメージを軽減し、(d)メタルと半導体の間の接触抵抗を低減し、かつ(e)高周波特性上問題となるソース抵抗の低減に寄与するものである。これらの目的に適合すれば、任意の材料を選択することができる。しかし、電子供給層5やバリア層6と同一の成膜装置内で順次成膜を行った方が、その下にある層の酸素への暴露を防止できるため、通常は半導体膜を用いる。
The high electron
さらに、後のゲート電極102を形成する工程においては、このゲート電極102を形成する領域のみ選択的に高電子濃度キャップ層7を除去する必要が生じることから、高電子濃度キャップ層7として用いることができる半導体膜としては、InGaAsが好適である。また、上述したように、高電子濃度キャップ層7自身がメタルと半導体との接触抵抗の低抵抗化やソース抵抗の低減化の機能を持つことが求められることから、通常はn型ドーピングを実施する。
Further, in the subsequent step of forming the
n型ドーパントとしては、通常Siを用いることが多いが、本発明においてはSnを用いる。かかる理由は、MBE法にてSiをドーパントとして用いると必要な蒸気圧を確保するためには、Si坩堝の温度を上げなければならないが、坩堝ヒーターの温度が1300℃を超え、ヒーターからの輻射熱が成長基板に伝播するため、目的とする成膜温度に影響を与えてしまい、実質5×1018/cm3の電子濃度がSiによるドーピング濃度の上限となる。 As the n-type dopant, Si is usually often used, but Sn is used in the present invention. The reason for this is that when Si is used as a dopant in the MBE method, the temperature of the Si crucible must be increased in order to ensure the necessary vapor pressure. However, the temperature of the crucible heater exceeds 1300 ° C. Is propagated to the growth substrate, affecting the target film formation temperature, and an electron concentration of substantially 5 × 10 18 / cm 3 becomes the upper limit of the doping concentration by Si.
これに対して、Snの場合は蒸気圧が高いため、ヒーター温度による上限は緩和される。ただし、高電子濃度キャップ層7としてのInGaAs結晶の健全性を確保するには、ドーピング濃度の上限が存在する。このため、本発明のSnを用いたドーピングにおける電子密度は、好ましくは5×1018/cm3以上、1×1020/cm3以下である。さらに好ましくは、1×1019/cm3以上、4×1019/cm3以下である。
On the other hand, since Sn has a high vapor pressure, the upper limit due to the heater temperature is relaxed. However, in order to ensure the soundness of the InGaAs crystal as the high electron
また、本発明の高電子濃度キャップ層7の膜厚は、薄すぎる場合は高電子濃度キャップ層7下の半導体層の酸化や加工時のプラズマダメージを抑制するのに不十分である。また、厚すぎる場合はメタルとInGaAs電子走行層3の距離が増加することによる接触抵抗の増加を招いたり、ゲート工程の高電子濃度キャップ層7の除去の際に横方向へ幅広く除去されてしまい、ソース電極101及びドレイン電極103からゲート電極102へ横方向に伸びるInGaAs電子走行層3をオーバーラップする領域が少なくなるため、ソース抵抗の増加を招くことになり好ましくない。したがって、本発明の高電子濃度キャップ層7としては、好ましくは5nm以上、100nm以下である。さらに好ましくは7nm以上、30nm以下である。
Moreover, when the film thickness of the high electron
以上の手順を経て、本発明に用いられる多層膜半導体構造が形成される。
図2は、図1に示した多層膜半導体構造を用いた本発明に係る電界効果トランジスタを説明するための断面構成図である。
Through the above procedure, the multilayer semiconductor structure used in the present invention is formed.
FIG. 2 is a cross-sectional configuration diagram for explaining a field effect transistor according to the present invention using the multilayer semiconductor structure shown in FIG.
本発明の電界効果トランジスタは、III−V族化合物半導体薄膜をエピタキシャル結晶成長させてなる多層膜半導体構造を有している。この多層膜半導体構造は、基板1と、基板1上に形成されたバッファ層2と、バッファ層2上に形成された電子走行層3と、電子走行層3上に形成されたスペーサ層4と、スペーサ層4上に形成された電子供給層5と、電子供給層5上に形成されたバリア層6と、バリア層6上に形成された高電子濃度キャップ層7とを備えている。
The field effect transistor of the present invention has a multilayer semiconductor structure formed by epitaxially growing a III-V compound semiconductor thin film. The multilayer semiconductor structure includes a
さらに、多層膜半導体構造上に、高電子濃度キャップ層7上に形成されたオーミック接続するソース電極101及びドレイン電極103と、ソース電極101及びドレイン電極103の間の高電子濃度キャップ層7を選択的に除去してリセス構造を形成し、このリセス構造の露出したバリア層6の表面にショットキー接続するように形成されたゲート電極102とを備えている。
Further, the
また、高電子濃度キャップ層7は、Snでドーピングされている。また、高電子濃度キャップ層7の電子密度は、5×1018/cm3以上、1×1020/cm3以下であることが好ましい。また、高電子濃度キャップ層7の厚さは、5nm以上、100nm以下であることが好ましい。
The high electron
また、基板1がGaAsで、電子走行層3がInGaAsで、スペーサ層4がInAlAsで、バリア層6がInAlAsで、高電子濃度キャップ層7がInGaAsである。
The
また、基板1がGaAsで、電子走行層3がInGaAsで、スペーサ層4がAlGaAsSbで、バリア層6がAlGaAsSbで、高電子濃度キャップ層7がInGaAsであってもよい。
The
また、基板1がInPで、電子走行層3がInGaAsで、スペーサ層4がInAlAsで、バリア層6がInAlAsで、高電子濃度キャップ層7がInGaAsであってもよい。
The
次に、上述した多層膜半導体構造を用いた本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法について説明する。図3乃至図6は、本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法を説明するための断面工程図である。 Next, a method for manufacturing a field effect transistor according to the present invention using the multilayer semiconductor structure described above will be described. 3 to 6 are cross-sectional process diagrams for explaining a method of manufacturing a field effect transistor according to the present invention.
まず、図3に示されるように、電界効果トランジスタ素子の各々を電気的に分離するためウェットエッチングにより、多層膜半導体構造の高電子濃度キャップ層7とバッファ層6と電子供給層5とスペーサ層4と電子走行層3の側面が露出するまでエッチングを行う。特に、バッファ層6が露出する又はバッファ層6の一部を除去するまでエッチングを行う。
First, as shown in FIG. 3, a high electron
次に、図4に示されるように、素子分離された領域の高電子濃度キャップ層7の表面に、蒸着法によりメタルを蒸着して、それぞれオーミック接続するためのソース電極101とドレイン電極103を形成する。その後、より低い接触抵抗を実現するためアニールを実施してメタルを電子走行層3まで拡散させる。続いて、ゲート電極102を形成するため、ソース電極101とドレイン電極103の間にレジストを用いた溝を形成する。
Next, as shown in FIG. 4, a metal is deposited on the surface of the high electron
この溝を通じてエッチング液を供給し、図5に示されるようなInGaAsキャップ層7の選択的エッチングを行い、その下のバリア層6を露出させたリセス構造を形成する。この状態で、蒸着法でメタルを蒸着し、レジスト上に付着したメタルをレジストと共に除去するリフトオフ法により、図6に示されるような所望のゲート電極102のみを残す。以上の製造プロセスを経て、図2に示したような電界効果トランジスタが形成される。
An etching solution is supplied through this groove, and the
以上の製造方法は、本発明の電界効果トランジスタの製造方法の一例であり、その他の手法や手順を用いても、電界効果トランジスタを製造することは可能である。 The above manufacturing method is an example of the manufacturing method of the field effect transistor of the present invention, and it is possible to manufacture the field effect transistor using other methods and procedures.
本発明の実施例1について、電界効果トランジスタの一種である高電子移動度トランジスタ(HEMT)を例として説明する。 Example 1 of the present invention will be described using a high electron mobility transistor (HEMT), which is a kind of field effect transistor, as an example.
本実施例1の電界効果トランジスタを製造するための多層膜半導体基板は、図1に示されている。MBE装置を用いて、GaAs基板1上に、In0.53Ga0.47As電子走行層3と格子整合するようにAlGaAs/InAlAsグレーデッド層及びIn0.52Al0.48Asバッファ層2を順に成膜する。次に、In0.53Ga0.47As電子走行層3を膜厚が20nmになるように成膜し、その上に膜厚が4nmのIn0.52Al0.48Asスペーサ層4を成膜し、Siをドーパントとするデルタドーピング層を形成した後、膜厚が12nmのIn0.52Al0.48Asバリア層6を成膜し、最後に膜厚が10nmのIn0.53Ga0.47Asキャップ層7を、電子密度が2×1019/cm3となるようにSnをドーピングしながら成膜を行った。
A multilayer semiconductor substrate for manufacturing the field effect transistor of Example 1 is shown in FIG. Using an MBE apparatus, an AlGaAs / InAlAs graded layer and an In 0.52 Al 0.48 As
この多層膜半導体基板を使い、ウェットエッチング法により素子分離を行った後、Au/Ge/Auの3層構造メタルを蒸着してソース電極101及びドレイン電極103を形成し、アニールにより8×10−7Ω・cm2の接触抵抗を得た。さらに、ソース電極とドレイン電極との間に、選択エッチングでリセス構造を形成し、Pt/Ti/Pt/Auの4層構造メタルを蒸着してLg=0.1μmのゲート電極102を形成した。この構造のトランジスタの電流利得遮断周波数fTは250GHzであった。
Using this multilayer semiconductor substrate, element isolation was performed by wet etching, and then a three-layer metal of Au / Ge / Au was deposited to form a
本実施例2の電界効果トランジスタを製造するための多層膜半導体基板、図1に示されている。MBE装置を用いて、GaAs基板1上に、In0.53Ga0.47As電子走行層3と格子整合するようにAlGaAsSbバッファ層2を成膜する。次に、In0.53Ga0.47As電子走行層3を膜厚が20nmになるように成膜し、その上に膜厚が4nmのAlGaAsSbスペーサ層4を成膜し、Snをドーパントとするデルタドーピング層を形成した後、膜厚が12nmのAlGaAsSbバリア層6を成膜し、最後に膜厚が10nmのIn0.53Ga0.47Asキャップ層7を、電子密度が2×1019/cm3となるようにSnをドーピングしながら成膜を行った。
A multilayer semiconductor substrate for manufacturing the field effect transistor of Example 2 is shown in FIG. The
この多層膜半導体基板を使い、ウェットエッチング法により素子分離を行った後、Au/Ge/Auの3層構造メタルを蒸着してソース電極101及びドレイン電極103を形成し、アニールにより9×10−7Ω・cm2の接触抵抗を得た。さらに、ソース電極とドレイン電極との間に、選択エッチングでリセス構造を形成し、Pt/Ti/Pt/Auの4層構造メタルを蒸着してLg=0.1μmのゲート電極102を形成した。この構造のトランジスタの電流利得遮断周波数fTは250GHzであった。
Using this multilayer semiconductor substrate, element isolation was performed by wet etching, and then a three-layer metal of Au / Ge / Au was deposited to form the
本実施例3の電界効果トランジスタを製造するための多層膜半導体基板、図1に示されている。MBE装置を用いて、InP基板1上に、InPバッファ層2をホモ成膜する。次に、In0.53Ga0.47As電子走行層3を膜厚が20nmになるように成膜し、その上に膜厚が4nmのIn0.52Al0.48Asスペーサ層4を成膜し、Siをドーパントとするデルタドーピング層を形成した後、膜厚が12nmのIn0.52Al0.48Asバリア層6を成膜し、最後に膜厚が10nmのIn0.53Ga0.47Asキャップ層7を、電子密度が2×1019/cm3となるようにSnをドーピングしながら成膜を行った。
A multilayer semiconductor substrate for manufacturing the field effect transistor of Example 3 is shown in FIG. An
この多層膜半導体基板を使い、ウェットエッチング法により素子分離を行った後、Au/Ge/Auの3層構造メタルを蒸着してソース電極101及びドレイン電極103を形成し、アニールにより8×10−7Ω・cm2の接触抵抗を得た。さらに、ソース電極とドレイン電極との間に、選択エッチングでリセス構造を形成し、Pt/Ti/Pt/Auの4層構造メタルを蒸着してLg=0.1μmのゲート電極102を形成した。この構造のトランジスタの電流利得遮断周波数fTは250GHzであった。
Using this multilayer semiconductor substrate, element isolation was performed by a wet etching method, and then an Au / Ge / Au three-layer metal was deposited to form a
1 基板
2 バッファ層
3 電子走行層(InGaAs)
4 スペーサ層
5 電子供給層
6 バリア層
7 高電子濃度キャップ層
101 ソース電極
102 ゲート電極
103 ドレイン電極
1
4
Claims (10)
基板と、
該基板上に形成されたバッファ層と、
該バッファ層上に形成された電子走行層と、
該電子走行層上に形成されたスペーサ層と、
該スペーサ層上に形成された電子供給層と、
該電子供給層上に形成されたバリア層と、
該バリア層上に形成された高電子濃度キャップ層とを備え、さらに、前記多層膜半導体構造上に、
該高電子濃度キャップ層上に形成されたオーミック接続するソース電極及びドレイン電極と、
該ソース電極及び該ドレイン電極の間の前記高電子濃度キャップ層を選択的に除去してリセス構造を形成し、該リセス構造の露出した前記バリア層の表面にショットキー接続するように形成されたゲート電極を備えており、前記高電子濃度キャップ層は、5×10 18 /cm 3 以上1×10 20 /cm 3 以下の濃度のSnがドーピングされていることを特徴とする電界効果トランジスタ。 In a field effect transistor having a multilayer semiconductor structure obtained by epitaxially growing a group III-V compound semiconductor thin film, the multilayer semiconductor structure includes:
A substrate,
A buffer layer formed on the substrate;
An electron transit layer formed on the buffer layer;
A spacer layer formed on the electron transit layer;
An electron supply layer formed on the spacer layer;
A barrier layer formed on the electron supply layer;
A high electron concentration cap layer formed on the barrier layer, and further on the multilayer semiconductor structure,
A source electrode and a drain electrode which are ohmic-connected and formed on the high electron concentration cap layer;
A recess structure is formed by selectively removing the high electron concentration cap layer between the source electrode and the drain electrode, and a Schottky connection is formed to the surface of the barrier layer where the recess structure is exposed. A field effect transistor comprising a gate electrode, wherein the high electron concentration cap layer is doped with Sn having a concentration of 5 × 10 18 / cm 3 or more and 1 × 10 20 / cm 3 or less .
基板上にバッファ層を形成する工程と、
該バッファ層上に電子走行層を形成する工程と、
該電子走行層上にスペーサ層を形成する工程と、
該スペーサ層上に電子供給層を形成する工程と、
該電子供給層上にバリア層を形成する工程と、
該バリア層上に高電子濃度キャップ層を形成する工程とを有し、さらに、
該高電子濃度キャップ層上にオーミック接続するソース電極及びドレイン電極を形成するためのメタルを形成する工程と、
該ソース電極及び該ドレイン電極の間の前記高電子濃度キャップ層を選択的に除去してリセス構造を形成する工程と、
該リセス構造の露出した前記バリア層の表面にショットキー接続するゲート電極を形成する工程を有しており、前記高電子濃度キャップ層のドーピングに5×10 18 /cm 3 以上1×10 20 /cm 3 以下の濃度のSnを用いたことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。 In the method of manufacturing a field effect transistor for forming a multilayer semiconductor structure obtained by epitaxially growing a III-V compound semiconductor thin film, the manufacturing process of the multilayer semiconductor structure includes:
Forming a buffer layer on the substrate;
Forming an electron transit layer on the buffer layer;
Forming a spacer layer on the electron transit layer;
Forming an electron supply layer on the spacer layer;
Forming a barrier layer on the electron supply layer;
Forming a high electron concentration cap layer on the barrier layer, and
Forming a metal for forming a source electrode and a drain electrode in ohmic contact on the high electron concentration cap layer;
Selectively removing the high electron concentration cap layer between the source electrode and the drain electrode to form a recess structure;
Forming a gate electrode for Schottky connection on the surface of the exposed barrier layer of the recess structure, and doping the high electron concentration cap layer to 5 × 10 18 / cm 3 or more 1 × 10 20 / A method of manufacturing a field effect transistor, characterized by using Sn having a concentration of cm 3 or less .
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