(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁性基板上にエピタキシャル成長により形成され、少なくともオーミック電極側高濃度半導体層とショットキー電極側低濃度半導体層が順次積層されたショットキーダイオード特性を有する積層構造と、
上記ショットキーダイオード特性を有する積層構造上にエピタキシャル成長により形成された負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造とを備えた半導体装置であって、
上記負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造に設けられ、アノードオーミック電極とカソードオーミック電極が形成された負性抵抗を有するダイオードと、上記負性抵抗を有するダイオードの形成領域以外の領域に設けられ、上記負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造の活性層上にショットキー電極が形成された第１ショットキーダイオードと、
上記負性抵抗を有するダイオードの形成領域および上記第１ショットキーダイオードの形成領域以外の領域に設けられ、上記ショットキーダイオード特性を有する積層構造の上記ショットキー電極側低濃度半導体層上にショットキー電極が形成され、上記オーミック電極側高濃度半導体層上にオーミック電極が形成された第２ショットキーダイオードとを備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半絶縁性基板上にエピタキシャル成長により形成された負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造と、
上記負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造上にエピタキシャル成長により形成され、少なくともオーミック電極側高濃度半導体層とショットキー電極側低濃度半導体層が順次積層されたショットキーダイオード特性を有する積層構造とを備えた半導体装置であって、
上記負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造に設けられ、アノードオーミック電極とカソードオーミック電極が形成された負性抵抗を有するダイオードと、上記負性抵抗を有するダイオードの形成領域以外の領域に設けられ、上記負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造の活性層上にショットキー電極が形成された第１ショットキーダイオードと、
上記負性抵抗を有するダイオードの形成領域および上記第１ショットキーダイオードの形成領域以外の領域に設けられ、上記ショットキーダイオード特性を有する積層構造の上記ショットキー電極側低濃度半導体層上にショットキー電極が形成され、上記オーミック電極側高濃度半導体層上にオーミック電極が形成された第２ショットキーダイオードとを備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体装置において、
上記ショットキー電極側低濃度半導体層上にエッチングストップ層が積層されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項２に記載の半導体装置において、
上記ショットキー電極側低濃度半導体層下にエッチングストップ層が積層されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか1つに記載の半導体装置において、
上記負性抵抗を有するダイオードがガンダイオードであることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１または２に記載の半導体装置において、
上記負性抵抗を有するダイオード,上記第１ショットキーダイオードおよび上記第２ショットキーダイオードのうちの少なくとも２つが伝送線路により接続されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
半絶縁性基板上に、少なくともオーミック電極側高濃度半導体層とショットキー電極側低濃度半導体層が順次積層されたショットキーダイオード特性を有する積層構造をエピタキシャル成長により形成する工程と、
上記ショットキーダイオード特性を有する積層構造上に、少なくともアノードオーミック電極側高濃度半導体層,活性層およびカソードオーミック電極側高濃度半導体層が順次積層された負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造をエピタキシャル成長により形成する工程と、
上記負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造を選択的にエッチングすることにより負性抵抗を有するダイオード領域および第１ショットキーダイオード領域を形成する工程と、
上記負性抵抗を有するダイオード領域および上記第１ショットキーダイオード領域以外の領域において、上記ショットキーダイオード特性を有する積層構造を選択的にエッチングすることにより第２ショットキーダイオード領域を形成する工程と、
上記負性抵抗を有するダイオード領域および上記第１ショットキーダイオード領域および上記第２ショットキーダイオード領域を分離する分離領域を形成する工程と、
上記負性抵抗を有するダイオード領域にアノードオーミック電極およびカソードオーミック電極を形成すると共に、上記第１,第２ショットキーダイオード領域にオーミック電極を形成する工程と、
上記第１,第２ショットキーダイオード領域にショットキー電極を形成する工程と、
上記負性抵抗を有するダイオード領域のアノードオーミック電極,カソードオーミック電極と上記第１ショットキーダイオード領域のオーミック電極,ショットキー電極および上記第２ショットキーダイオード領域のオーミック電極,ショットキー電極のうちの少なくとも２つを接続する伝送線路を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項２に記載の半導体装置の製造方法であって、
半絶縁性基板上に、少なくともアノードオーミック電極側高濃度半導体層,活性層およびカソードオーミック電極側高濃度半導体層が順次積層された負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造をエピタキシャル成長により形成する工程と、上記負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造上に、少なくともオーミック電極側高濃度半導体層とショットキー電極側低濃度半導体層が順次積層されたショットキーダイオード特性を有する積層構造をエピタキシャル成長により形成する工程と、
上記ショットキーダイオード特性を有する積層構造を選択的にエッチングすることにより第２ショットキーダイオード領域を形成する工程と、
上記負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造を選択的にエッチングすることにより上記負性抵抗を有するダイオード領域および第１ショットキーダイオード領域を形成する工程と、
上記負性抵抗を有するダイオード領域および上記第１ショットキーダイオード領域および上記第２ショットキーダイオード領域を分離する分離領域を形成する工程と、
上記負性抵抗を有するダイオード領域にアノードオーミック電極およびカソードオーミック電極を形成すると共に、上記第１,第２ショットキーダイオード領域にオーミック電極を形成する工程と、
上記第１,第２ショットキーダイオード領域にショットキー電極を形成する工程と、
上記負性抵抗を有するダイオード領域のアノードオーミック電極,カソードオーミック電極と上記第１ショットキーダイオード領域のオーミック電極,ショットキー電極および上記第２ショットキーダイオード領域のオーミック電極,ショットキー電極のうちの少なくとも２つを接続する伝送線路を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項６に記載の半導体装置を用いたミリ波帯通信装置であって、
上記負性抵抗を有するダイオードを発振素子として用い、
上記伝送線路をオープンスタブまたはショートスタブとして用い、
上記第１ショットキーダイオードをバラクターダイオードとして用い、
上記第２ショットキーダイオードをミキサーとして用いたことを特徴とするミリ波帯通信装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のミリ波帯通信装置において、
上記負性抵抗を有するダイオードがガンダイオードであることを特徴とするミリ波帯通信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、同一基板上に異なる半導体素子が集積された半導体装置およびその製造方法およびミリ波帯通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ミリ波帯(３０ＧＨz〜９０ＧＨz)においては、ＨＢＴ(ヘテロ接合バイポーラトランジスタ)やＨＥＭＴ(高電子移動度トランジスタ)等のトランジスタを発振素子や増幅器として用い、ショットキーダイオードをバラクターやミキサーに用いることが行われている。さらに、それらの素子を同一基板上に作製することにより集積化された半導体装置がある(特開平３−６４９２９号公報や特開昭６３−１２９６５６号公報)。
【０００３】
しかしながら、ミリ波帯において、発振素子にＨＢＴやＨＥＭＴを用いる場合、トランジスタの高周波化に対応するためには、エミッタ幅の微細化(１μｍ以下)やゲート長の微細化(０.２μｍ以下)等による寄生容量の低減や寄生抵抗の低減が必要となり、それらを行うには複雑なプロセスとなるので、歩留まりの低下を引き起こしている。さらに、エミッタ幅やゲート長の微細化を行うと、電流量が小さくなり発振素子として必要な出力パワーを得るのが難しくなるといった問題があった。
【０００４】
そこで、これらの問題を解決する半導体装置として、発振素子にＨＢＴやＨＥＭＴの代わりに負性抵抗を有するダイオードを用いたものがある(特開平１−１１２８２７号公報)。この半導体装置では、図１８(ｃ)に示すように、ｐ+-ＧaＡs層８０５上にＴiＷ８０６／Ａu８０７の電極が設けられ、ｎ+-ＧaＡs層８０２上にＴi８０８／Ａu８０９の電極が設けられた負性抵抗を有するＩＭＰＡＴＴ(Impact Ionization Avalanche Transit Time)ダイオードが構成され、半絶縁性ＧaＡs基板８０１上にＴi８１０／Ａu８１１からなるマイクロストリップ・パッチが構成されている。さらに、半絶縁性ＧaＡs基板８０１上に他の装置を集積できること、ｎ+-ＧaＡs層８０２を利用して他の装置を集積できることが開示されている。
【０００５】
以下、上記半導体装置の構造と製造方法を図１８を参照して説明する。
【０００６】
図１８(ａ)に示すように、まず半絶縁性ＧaＡs基板８０１上に、ｎ+-ＧaＡs層８０２(濃度１×１０19ｃｍ-3,厚さ１.５μｍ)、ｎ-ＧaＡs層８０３(濃度２×１０17ｃｍ-3,厚さ０.２５μｍ)、ｐ-ＧaＡs層８０４(濃度２×１０17ｃｍ-3,厚さ０.２５μｍ)、ｐ+-ＧaＡs層８０５(濃度１×１０19ｃｍ-3,厚さ０.２μｍ)を順次エピタキシャル成長させる。次に、フォトレジストを塗布した後に直径５μｍの円をパターニングして、ＴiＷ８０６(厚さ１００ｎｍ)／Ａu８０７(４００ｎｍ)の電極を形成する。次に、湿式エッチングにより、ＴiＷ８０６(厚さ１００ｎｍ)／Ａu８０７(４００ｎｍ)の電極をエッチングマスクとして、ｐ+-ＧaＡs層８０５、ｐ-ＧaＡs層８０４、ｎ-ＧaＡ層８０３、ｎ+-ＧaＡs層８０２をエッチングし、ｎ+-ＧaＡs層８０２内でエッチングを停止する。
【０００７】
次に、図１８(ｂ)に示すように、フォトレジストを塗布して、１辺７５μｍの四角をパターニングし、リフトオフ法によりＴi８０８(１００ｎｍ)／Ａu８０９(４００ｍｎ)の電極を形成する。このとき、電極(８０８,８０９)は、電極(８０６,８０７)に対してセルフアラインになる。
【０００８】
次に、図１８(ｃ)に示すように、ｎ+-ＧaＡs層８０２および半絶縁性ＧaＡs基板８０１の一部(約１００ｎｍ)を異方性プラズマエッチングする。これによって、ＩＭＰＡＴＴダイオードが半絶縁性ＧaＡs基板８０１上のメサとして隔離される。その後、リフトオフ法によりＴi８１０(１００ｎｍ)／Ａu８１１(４００ｎｍ)からなるマイクロストリップ・パッチを半絶縁性ＧaＡs基板８０１上に形成する。
【０００９】
また、上記負性抵抗を有するＩＭＰＡＴＴダイオードを用いた半導体装置では、マイクロストリップ・パッチ(８１０,８１１)を形成する直前に、半絶縁性ＧaＡs基板８０１上に他の素子を集積することができる。特に、ＩＭＰＡＴＴダイオードおよびマイクロストリップ・パッチの領域から離して、半絶縁性ＧaＡs基板８０１内にイオン注入することで、能動素子領域を形成することができる。この代わりに、ｎ+-ＧaＡs層８０２をエッチングする工程で、別の写真製版マスクを用いてＩＭＰＡＴＴダイオードおよびマイクロストリップ・パッチの領域から離して、他の能動素子を製造するためにｎ+形にドープされたＧaＡs層８０２の領域を保存することができる。このように作製されたＩＭＰＡＴＴダイオードは、ＨＢＴやＨＥＭＴに比べて微細化せずともミリ波帯に対応できるため、プロセスが容易であると共に、発振素子としての出力パワーも大きいなどのメリットがある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記負性抵抗を有するＩＭＰＡＴＴダイオードを用いた半導体素子では、ＩＭＰＡＴＴダイオード以外の能動素子等を半絶縁性基板上に作製する方法としてイオン注入を用いているため、イオン注入された領域を活性化させるためにイオン注入後に高温(例えば６００℃程度)の熱処理(アニール)を行う必要が生じる。この熱処理によって、先に作製されたＩＭＰＡＴＴダイオード部分のコンタクト抵抗の劣化やエピタキシャル構造が劣化(ヘテロ接合の劣化、濃度プロファイルの劣化)するという問題がある。
【００１１】
また、ＩＭＰＡＴＴダイオードのコンタクト層であるｎ+-ＧaＡs層８０２は、電極(８０８,８０９)のコンタクト抵抗を低減するためにｎ+型に高ドープされており、ｎ+-ＧaＡs層８０２をＩＭＰＡＴＴダイオード以外の能動素子の作製に利用するとき、例えばＭＥＳＦＥＴのゲート電極やショットキーダイオードのショットキー電極に必要なショットキー特性が高濃度のｎ+-ＧaＡs層８０２では得られないという問題がある。
【００１２】
以上のように、上記半導体装置では、負性抵抗を有するダイオードとショットキーダイオードを同一基板上に形成しても所望の特性を得るのが困難であり、さらに再現性も得られない。
【００１３】
そこで、この発明の目的は、コンタクト抵抗の劣化やエピタキシャル構造の劣化のない負性抵抗を有するダイオードと良好なショットキー特性を有するショットキーダイオードとを同一基板上に容易に集積できる半導体装置およびその製造方法を提供すると共に、上記半導体装置を用いて低損失で高性能なミリ波帯通信装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、第１の発明の半導体装置は、半絶縁性基板上にエピタキシャル成長により形成され、少なくともオーミック電極側高濃度半導体層とショットキー電極側低濃度半導体層が順次積層されたショットキーダイオード特性を有する積層構造と、上記ショットキーダイオード特性を有する積層構造上にエピタキシャル成長により形成された負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造とを備えた半導体装置であって、上記負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造に設けられ、アノードオーミック電極とカソードオーミック電極が形成された負性抵抗を有するダイオードと、上記負性抵抗を有するダイオードの形成領域以外の領域に設けられ、上記負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造の活性層上にショットキー電極が形成された第１ショットキーダイオードと、上記負性抵抗を有するダイオードの形成領域および上記第１ショットキーダイオードの形成領域以外の領域に設けられ、上記ショットキーダイオード特性を有する積層構造の上記ショットキー電極側低濃度半導体層上にショットキー電極が形成され、上記オーミック電極側高濃度半導体層上にオーミック電極が形成された第２ショットキーダイオードとを備えたことを特徴としている。
【００１５】
上記構成の半導体装置によれば、上記エピタキシャル成長により形成された負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造にアノードオーミック電極とカソードオーミック電極が形成された負性抵抗を有するダイオードを設けると共に、その負性抵抗を有するダイオードの形成領域以外の領域において、上記負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造の活性層上にショットキー電極が形成された第１ショットキーダイオードを設ける。さらに、上記負性抵抗を有するダイオードの形成領域および第１ショットキーダイオードの形成領域以外の領域において、上記半絶縁性基板上にエピタキシャル成長により形成されたショットキーダイオード特性を有する積層構造のショットキー電極側低濃度半導体層,オーミック電極側高濃度半導体層上にショットキー電極,オーミック電極が形成された第２ショットキーダイオードを設ける。したがって、イオン注入と高温の熱処理を行う必要がないので、上記負性抵抗を有するダイオードのエピタキシャル構造やコンタクト抵抗の劣化といった問題がなくなる。また、上記第１ショットキーダイオードでは、負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造の活性層上にショットキー電極を形成するので、バラクタダイオード等に用いるのに適した容量変化の大きいショットキーダイオードが得られると共に、上記第２ショットキーダイオードでは、ショットキー電極側低濃度半導体層上にショットキー電極を形成し、オーミック電極側高濃度半導体層上にオーミック電極を形成するので、ミキサー等に用いるのに適した抵抗成分が小さく容量が小さいショットキーダイオードが得られる。このような容量変化の大きい第１ショットキーダイオードおよび抵抗成分が小さく容量が小さい第２ショットキーダイオードと、負性抵抗を有するダイオードとを同一基板上に集積することができ、信号損失の低減と小型化を図ることができる。
【００１６】
また、第２の発明の半導体装置は、半絶縁性基板上にエピタキシャル成長により形成された負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造と、上記負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造上にエピタキシャル成長により形成され、少なくともオーミック電極側高濃度半導体層とショットキー電極側低濃度半導体層が順次積層されたショットキーダイオード特性を有する積層構造とを備えた半導体装置であって、上記負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造に設けられ、アノードオーミック電極とカソードオーミック電極が形成された負性抵抗を有するダイオードと、上記負性抵抗を有するダイオードの形成領域以外の領域に設けられ、上記負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造の活性層上にショットキー電極が形成された第１ショットキーダイオードと、上記負性抵抗を有するダイオードの形成領域および上記第１ショットキーダイオードの形成領域以外の領域に設けられ、上記ショットキーダイオード特性を有する積層構造の上記ショットキー電極側低濃度半導体層上にショットキー電極が形成され、上記オーミック電極側高濃度半導体層上にオーミック電極が形成された第２ショットキーダイオードとを備えたことを特徴としている。
【００１７】
上記実施形態の半導体装置によれば、上記半絶縁性基板上にエピタキシャル成長により形成された負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造にアノードオーミック電極とカソードオーミック電極が形成された負性抵抗を有するダイオードを設けると共に、その負性抵抗を有するダイオードの形成領域以外の領域において、上記負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造の活性層上にショットキー電極が形成された第１ショットキーダイオードを設ける。さらに、上記負性抵抗を有するダイオードの形成領域および第１ショットキーダイオードの形成領域以外の領域において、上記エピタキシャル成長により形成されたショットキーダイオード特性を有する積層構造のショットキー電極側低濃度半導体層,オーミック電極側高濃度半導体層上にショットキー電極,オーミック電極が形成された第２ショットキーダイオードを設ける。したがって、イオン注入と高温の熱処理を行う必要がないので、上記負性抵抗を有するダイオードのエピタキシャル構造やコンタクト抵抗の劣化といった問題がなくなる。また、上記第１ショットキーダイオードでは、負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造の活性層上にショットキー電極を形成するので、バラクタダイオード等に用いるのに適した容量変化の大きいショットキーダイオードが得られると共に、上記第２ショットキーダイオードでは、ショットキー電極側低濃度半導体層上にショットキー電極を形成し、オーミック電極側高濃度半導体層上にオーミック電極を形成するので、ミキサー等に用いるのに適した抵抗成分が小さく容量が小さいショットキーダイオードが得られる。このような容量変化の大きい第１ショットキーダイオードおよび抵抗成分が小さく容量が小さい第２ショットキーダイオードと、負性抵抗を有するダイオードとを同一基板上に集積することができ、信号損失の低減と小型化を図ることができる。
【００１８】
また、一実施形態の半導体装置は、上記第１の発明の半導体装置において、上記ショットキー電極側低濃度半導体層上にエッチングストップ層が積層されていることを特徴としている。
【００１９】
上記実施形態の半導体装置によれば、上記ショットキー電極側低濃度半導体層上にエッチングストップ層を積層することにより、上記負性抵抗を有するダイオード特性を有する積層構造を選択的にエッチングして除去することが可能となり、第２ショットキーダイオードのショットキー電極側低濃度半導体層をオーバーエッチングすることがなくなり、ショットキー電極側低濃度半導体層の厚みをエピタキシャル成長時の厚みでウエハ面内で制御することができ、ウエハ間でのばらつきも小さくすることができる。これによって、第２ショットキーダイオードの特性の再現性が得られる。
【００２０】
また、一実施形態の半導体装置は、上記第２の発明の半導体装置において、上記ショットキー電極側低濃度半導体層下にエッチングストップ層が積層されていることを特徴としている。
【００２１】
上記実施形態の半導体装置によれば、上記ショットキーダイオード特性を有する積層構造のショットキー電極側低濃度半導体層下にエッチングストップ層を積層することにより、上記ショットキー電極側低濃度半導体層を選択的にエッチングして除去することが可能となり、負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造をオーバーエッチングすることがなくなり、負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造の活性層をエピタキシャル成長時の厚みでウエハ面内で制御することができ、ウエハ間でのばらつきも小さくすることができる。これによって、負性抵抗を有するダイオードの特性の再現性が得られる。
【００２２】
また、一実施形態の半導体装置は、上記負性抵抗を有するダイオードがガンダイオードであることを特徴としている。
【００２３】
上記実施形態の半導体装置によれば、上記負性抵抗を有するダイオードがガンダイオードであることにより、位相雑音の小さい発振素子とショットキーダイオードを同一基板上に集積できる。
【００２４】
また、一実施形態の半導体装置は、上記負性抵抗を有するダイオード,上記第１ショットキーダイオードおよび上記第２ショットキーダイオードのうちの少なくとも２つが伝送線路により接続されていることを特徴としている。
【００２５】
上記実施形態の半導体装置によれば、上記負性抵抗を有するダイオードと第１,第２ショットキーダイオードを同一基板上に作製することによって、各デバイス間を接続する伝送線路を短縮することができ、信号損失の低減に非常に有効である。
【００２６】
また、この発明の半導体装置の製造方法は、上記第１の発明の半導体装置の製造方法であって、半絶縁性基板上に、少なくともオーミック電極側高濃度半導体層とショットキー電極側低濃度半導体層が順次積層されたショットキーダイオード特性を有する積層構造をエピタキシャル成長により形成する工程と、上記ショットキーダイオード特性を有する積層構造上に、少なくともアノードオーミック電極側高濃度半導体層,活性層およびカソードオーミック電極側高濃度半導体層が順次積層された負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造をエピタキシャル成長により形成する工程と、上記負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造を選択的にエッチングすることにより負性抵抗を有するダイオード領域および第１ショットキーダイオード領域を形成する工程と、上記負性抵抗を有するダイオード領域および上記第１ショットキーダイオード領域以外の領域において、上記ショットキーダイオード特性を有する積層構造を選択的にエッチングすることにより第２ショットキーダイオード領域を形成する工程と、上記負性抵抗を有するダイオード領域および上記第１ショットキーダイオード領域および上記第２ショットキーダイオード領域を分離する分離領域を形成する工程と、上記負性抵抗を有するダイオード領域にアノードオーミック電極およびカソードオーミック電極を形成すると共に、上記第１,第２ショットキーダイオード領域にオーミック電極を形成する工程と、上記第１,第２ショットキーダイオード領域にショットキー電極を形成する工程と、上記負性抵抗を有するダイオード領域のアノードオーミック電極,カソードオーミック電極と上記第１ショットキーダイオード領域のオーミック電極,ショットキー電極および上記第２ショットキーダイオード領域のオーミック電極,ショットキー電極のうちの少なくとも２つを接続する伝送線路を形成する工程とを有することを特徴としている。
【００２７】
上記半導体装置の製造方法によれば、イオン注入と高温の熱処理を行う必要がないので、負性抵抗を有するダイオードのエピタキシャル構造やコンタクト抵抗の劣化といった問題がなくなる。また、上記第１ショットキーダイオードでは、負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造の活性層上にショットキー電極を形成するので、バラクタダイオード等に用いるのに適した容量変化の大きいショットキーダイオードが得られると共に、上記第２ショットキーダイオードでは、ショットキー電極側低濃度半導体層上にショットキー電極を形成し、オーミック電極側高濃度半導体層上にオーミック電極を形成するので、ミキサー等に用いるのに適した抵抗成分が小さく容量が小さいショットキーダイオードが得られる。このような容量変化の大きい第１ショットキーダイオードおよび抵抗成分が小さく容量が小さい第２ショットキーダイオードと、負性抵抗を有するダイオードとを同一基板上に集積することができ、信号損失の低減と小型化を図ることができる。また、負性抵抗を有するダイオードと第１,第２ショットキーダイオードそれぞれの特性の面内バラツキの小さい半導体装置を同一基板上に容易に作製することができる。
【００２８】
また、この発明の半導体装置の製造方法は、上記第２の発明の半導体装置の製造方法であって、半絶縁性基板上に、少なくともアノードオーミック電極側高濃度半導体層,活性層およびカソードオーミック電極側高濃度半導体層が順次積層された負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造をエピタキシャル成長により形成する工程と、上記負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造上に、少なくともオーミック電極側高濃度半導体層とショットキー電極側低濃度半導体層が順次積層されたショットキーダイオード特性を有する積層構造をエピタキシャル成長により形成する工程と、上記ショットキーダイオード特性を有する積層構造を選択的にエッチングすることにより第２ショットキーダイオード領域を形成する工程と、上記負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造を選択的にエッチングすることにより上記負性抵抗を有するダイオード領域および第１ショットキーダイオード領域を形成する工程と、上記負性抵抗を有するダイオード領域および上記第１ショットキーダイオード領域および上記第２ショットキーダイオード領域を分離する分離領域を形成する工程と、上記負性抵抗を有するダイオード領域にアノードオーミック電極およびカソードオーミック電極を形成すると共に、上記第１,第２ショットキーダイオード領域にオーミック電極を形成する工程と、上記第１,第２ショットキーダイオード領域にショットキー電極を形成する工程と、上記負性抵抗を有するダイオード領域のアノードオーミック電極,カソードオーミック電極と上記第１ショットキーダイオード領域のオーミック電極,ショットキー電極および上記第２ショットキーダイオード領域のオーミック電極,ショットキー電極のうちの少なくとも２つを接続する伝送線路を形成する工程とを有することを特徴としている。
【００２９】
上記半導体装置の製造方法によれば、イオン注入と高温の熱処理を行う必要がないので、負性抵抗を有するダイオードのエピタキシャル構造やコンタクト抵抗の劣化といった問題がなくなる。また、上記第１ショットキーダイオードでは、負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造の活性層上にショットキー電極を形成するので、バラクタダイオード等に用いるのに適した容量変化の大きいショットキーダイオードが得られると共に、上記第２ショットキーダイオードでは、ショットキー電極側低濃度半導体層上にショットキー電極を形成し、オーミック電極側高濃度半導体層上にオーミック電極を形成するので、ミキサー等に用いるのに適した抵抗成分が小さく容量が小さいショットキーダイオードが得られる。このような容量変化の大きい第１ショットキーダイオードおよび抵抗成分が小さく容量が小さい第２ショットキーダイオードと、負性抵抗を有するダイオードとを同一基板上に集積することができ、信号損失の低減と小型化を図ることができる。また、負性抵抗を有するダイオードと第１,第２ショットキーダイオードそれぞれの特性の面内バラツキの小さい半導体装置を同一基板上に容易に作製することができる。
【００３０】
また、この発明のミリ波帯通信装置は、上記半導体装置を用いたミリ波帯通信装置であって、上記負性抵抗を有するダイオードを発振素子として用い、上記伝送線路をオープンスタブまたはショートスタブとして用い、上記第１ショットキーダイオードをバラクターダイオードとして用い、上記第２ショットキーダイオードをミキサーとして用いたことを特徴としている。
【００３１】
上記構成のミリ波帯通信装置によれば、上記発振器として用いる負性抵抗を有するダイオードと、オープンスタブまたはショートスタブとして用いる伝送線路と、バラクターダイオードとして用いる第１ショットキーダイオードと、ミキサーとして用いる第２ショットキーダイオードとを同一基板上に集積することができるので、発振素子である負性抵抗を有するダイオードとショットキーダイオードを異なるウエハで作製して実装を行った回路と比べ、伝送線路での損失や実装時の損失(ワイヤボンドの損失等)を小さくでき、位相雑音が悪くなる等の性能の低下を防ぐことができる。
【００３２】
また、一実施形態のミリ波帯通信装置は、上記負性抵抗を有するダイオードがガンダイオードであることを特徴としている。
【００３３】
上記実施形態のミリ波帯通信装置によれば、負性抵抗を有するダイオードをガンダイオードにすることにより、位相雑音の小さい発振素子が得られ、特に発振器の発振素子に用いた場合は発振器の性能が向上する。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の半導体装置およびその製造方法およびミリ波帯通信装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３５】
(第１実施形態)
図１はこの発明の第１実施形態の半導体装置のガンダイオード・ショットキーダイオード集積回路の断面図である。
【００３６】
図１において、領域Ａに負性抵抗を有するダイオードとしてガンダイオード１１、領域Ｂに容量変化の大きい第１ショットキーダイオード１２、領域Ｃに抵抗成分が小さく容量の小さい第２ショットキーダイオード１３、領域Ｄに伝送線路１４が夫々設けられている。
【００３７】
上記領域Ａにおいて、ＡuＧe／Ｎi／Ａuからなるカソードオーミック電極１１２とアノードオーミック電極１１１が設けられ、活性層となるｎ-ＧaＡs層１０７を有するガンダイオード１１が構成されている。一方、領域Ｂにおいて、ＡuＧe／Ｎi／Ａuからなるオーミック電極１１３と、活性層となるｎ-ＧaＡs層１０７と、その活性層となるｎ-ＧaＡs層１０７上のＴi／Ａuからなる導電性膜１１６により形成されたショットキー特性を有する第１ショットキーダイオード１２が構成されている。また、領域Ｃにおいて、ＡuＧe／Ｎi／Ａuからなるオーミック電極１１４およびショットキー電極側低濃度半導体層１０３上に、Ｔi／Ａuからなる導電性膜１１６により形成されたショットキー特性を有する第２ショットキーダイオード１３が構成されている。上記ガンダイオード１１および第１,第２ショットキーダイオード１２,１３の周囲はエッチングされ、素子間を分離する分離領域１３０が形成されている。また、領域Ｄにおいて、導電性膜１１６とＡu１１７からなる伝送線路１４が構成されている。
【００３８】
次に、図２〜図７は上記ガンダイオード・ショットキーダイオード集積回路の製造方法を説明する工程の断面図である。
【００３９】
図２に示すように、ＭＢＥ(分子線エピタキシャル成長)法またはＭＯＣＶＤ(有機金属気相成長)法等により、半絶縁性ＧaＡs基板１０１上に、ショットキーダイオード用のオーミック電極側高濃度半導体層となるｎ+-ＧaＡs層１０２(Ｓiドーピング濃度５×１０18ｃｍ-3,厚さ５００ｎｍ)、ショットキー電極側低濃度半導体層となるｎ-ＧaＡs層１０３(Ｓiドーピング濃度３×１０16ｃｍ-3,厚さ３００ｎｍ)、エッチングストッパ層となるｎ-ＩnＧaＰ層１０４(Ｓiドーピング濃度５×１０18ｃｍ-3,厚さ２０ｎｍ)、ガンダイオード用のアノードオーミック電極側高濃度半導体層となるｎ+-ＧaＡs層１０５(Ｓiドーピング濃度５×１０18ｃｍ-3,厚さ５００ｎｍ)、エッチングストッパ層となるｎ-ＩnＧaＰ層１０６(Ｓiドーピング濃度３×１０18ｃｍ-3,厚さ２０ｎｍ)、活性層となるｎ-ＧaＡs層１０７(Ｓiドーピング濃度２×１０16ｃｍ-3,厚さ２０００ｎｍ)、ワイドバンドギャップ層からなるカソード層となるｎ-ＡlxＧa1-xＡs層１０８(Ｘ＝０.３５,Ｓiドーピング濃度５×１０17ｃｍ-3,厚さ５０ｎｍ)、ｎ-ＡlxＧa1-xＡs層１０９(Ｘ＝０.３５→０Ｓiドーピング濃度５×１０17ｃｍ-3,厚さ２０ｎｍ)、カソードオーミック電極側高濃度半導体層となるｎ+-ＧaＡs層１１０(Ｓiドーピング濃度５×１０18ｃｍ-3,厚さ５００ｎｍ)を順次エピタキシャル成長させる。
【００４０】
上記ｎ+-ＧaＡs層１０２およびｎ-ＧaＡs層１０３でショットキーダイオード特性を有する積層構造を構成している。また、上記ｎ+-ＧaＡs層１０５,ｎ-ＩnＧaＰ層１０６,ｎ-ＧaＡs層１０７,ｎ-ＡlxＧa1-xＡs層１０８,ｎ-ＡlxＧa1-xＡs層１０９およびｎ+-ＧaＡs層１１０で負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造を構成している。
【００４１】
その後、図３に示すように、ガンダイオードのカソードとなる領域をＳiＮ膜１１９でマスクし、硫酸,過酸化水素水を含むエッチング液やりん酸,過酸化水素水を含むエッチング液等を使用し、ｎ-ＧaＡs層１０７が露出するまでｎ+-ＧaＡs層１１０、ｎ-ＡlxＧa1-xＡs層１０９、ｎ-ＡlxＧa1-xＡs層１０８の所定の領域をエッチングして除去する。次に、上記ＳiＮ膜マスク１１９を残したまま、領域Ｂのショットキーダイオード用のショットキー電極領域をレジストマスク１２０でマスクし、硫酸,過酸化水素水を含むエッチング液やりん酸,過酸化水素水を含むエッチング液等を使用し、ｎ-ＧaＡs層１０７をエッチングして除去する。上記エッチング液では、ｎ-ＩnＧaＰ層１０６をほとんどエッチングしない。次に、塩酸を用いてｎ-ＩnＧaＰ層１０６をエッチングして除去し、アノードオーミック電極側高濃度半導体層となるｎ+-ＧaＡs層１０５を露出させる。このとき、塩酸はｎ-ＩnＧaＰ層１０６のみを選択的にエッチングして除去する。
【００４２】
このようにして合計膜厚２０００ｎｍ以上のエッチングをウエハ面内で均一に精度よく行うことができる。さらに、ショットキー電極領域形成用マスクの形成時にガンダイオード１１のカソード領域のマスクを新たに形成せず、ＳiＮ膜マスク１１９を再利用することにより、ガンダイオード１１(図１に示す)のｎ-ＧaＡs層１０７の側壁に不規則な段差がなく滑らかにエッチングすることができる。上記ｎ-ＧaＡs層１０７の側壁に不規則な段差があると、ガンダイオード１１の発振に不要な周波数成分が発生し、ひいては発振パワーや発振効率の低下となる。
【００４３】
次に、図４に示すように、領域Ａのガンダイオード１１(図１に示す)となる部分と、領域Ｂの第１ショットキーダイオード１２(図１に示す)となる部分をフォトレジストパターン等でマスクした後、上記選択エッチングと同様に、ｎ-ＩnＧaＰ層１０４が露出するまでｎ+-ＧaＡs層１０５を選択的にエッチングして除去する。ひきつづき、ｎ-ＩnＧaＰ層１０４をｎ-ＧaＡs層１０３が露出するまで選択的にエッチングして除去する。このとき、上記ｎ-ＩnＧaＰ層１０４を用いて選択エッチングを行うことにより、ｎ-ＧaＡs層１０３の膜厚が正確に制御される。上記ｎ-ＧaＡs層１０３の膜厚のばらつきは、領域Ｃの第２ショットキーダイオード１３(図１に示す)の特性のばらつきになる。
【００４４】
次に、領域Ａのガンダイオード１１(図１に示す)となる部分と、領域Ｂの第１ショットキーダイオード１２(図１に示す)となる部分と、領域Ｃの第２ショットキーダイオード１３(図１に示す)用のショットキー電極領域をフォトレジストパターン等でマスクし、ｎ-ＧaＡs層１０３をエッチングして除去し、ｎ+-ＧaＡs層１０２を露出させる。この第１実施形態では、ｎ-ＧaＡs層１０３とｎ+-ＧaＡs層１０２との間にエッチングストッパ層となるｎ-ＩnＧaＰ層を設けていない。これは、ｎ-ＧaＡs層１０３の膜厚が厚くなく、ｎ+-ＧaＡs層１０２を少しオーバーエッチングしても、第２ショットキーダイオード１３のために十分問題のないオーミック電極を形成できるからである。なお、所望のショットキーダイオード特性を得るためにｎ-ＧaＡs層１０３の膜厚を厚くする場合は、エッチングストッパ層となるｎ-ＩnＧaＰ層を設けることが望ましい。
【００４５】
次に、図５に示すように、領域Ａのガンダイオード１１(図１に示す)となる部分と、領域Ｂの第１ショットキーダイオード１２(図１に示す)となる部分と、領域Ｃの第２ショットキーダイオード１３(図１に示す)となる部分を素子分離するようにレジストパターニングを行ってレジストマスクを形成した後、ｎ+-ＧaＡs層１０２をエッチングしてメサ分離する。このとき、メサ分離のかわりにイオン注入による分離を行うと段差がメサ分離に比べ低くなり、その後のレジスト塗布パターニングが容易となる。
【００４６】
次に、図６に示すように、ガンダイオード１１(図１に示す)のアノードオーミック電極形成領域と、カソードオーミック電極形成領域と、領域Ｂの第１ショットキーダイオード１２(図１に示す)のオーミック電極形成領域と、領域Ｃの第２ショットキーダイオード１３(図１に示す)のオーミック電極形成領域に、蒸着法等によりＡuＧe(１００ｎｍ)／Ｎi(１５ｎｍ)／Ａu(１００ｎｍ)を形成し、３９０℃の熱処理によるオーミック電極の合金化処理を行う。そうすることによって、アノードオーミック電極１１１,カソードオーミック電極１１２,オーミック電極１１３およびオーミック電極１１４を形成する。その後、保護膜となるシリコン窒化膜(図示せず)を厚さ２００ｎｍ堆積することにより信頼性を向上させる。好ましくは、シリコン窒化膜の屈折率は１.９以上がよい。
【００４７】
次に、図７に示すように、各デバイス(図１に示す１１,１２,１３)の段差部の伝送線路(配線)が通る場所にレジストパターニングによりレジストを残し、その後レジストが軟化する温度で熱処理を行ってリフローさせて、段差部を覆うレジスト１１５を形成する。このレジスト１１５によって、段差部で伝送線路が断線することを防ぐ。
【００４８】
次に、図１に示すように、ガンダイオード１１のアノードオーミック電極１１１およびカソードオーミック電極１１２上、領域Ｂの第１ショットキーダイオード１２の活性層ｎＧaＡs１０７のショットキー電極形成領域およびオーミック電極１１３上、領域Ｃのショットキー電極側低濃度半導体層１０３のショットキー電極形成領域およびオーミック電極１１４上にコンタクトホール(図示せず)を形成する。その後、蒸着法等により全面にＴi(１００ｎｍ)／Ａu(１００ｎｍ)からなる導電性膜１１６を堆積する。この導電性膜１１６は、この後の伝送線路(配線)をメッキにより形成するための給電メタルの役割だけでなく、ショットキー電極としても用いる。ショットキー電極と伝送線路１４をメッキにより形成するための給電メタルを同時に形成しているが、ショットキー電極をショットキーダイオードのオーミック電極形成後に形成することもできる。この場合、ショットキー電極材料としてＴi、Ｗ、Ｍoなどの高融点金属、高融点窒化物、高融点珪化物やＡlなどを用いることもできるが、安定なショットキー障壁を形成できる材料を選ぶのが望ましい。
【００４９】
次に、膜厚１５μｍからなるレジストを塗布し、伝送線路１４(１１６,１１７)となる領域のパターニングを行った後に厚さ９μｍのＡuメッキを行う。その後、上記レジストを除去して、不要な導電性膜１１６をエッチングして除去し、さらにリフローされたレジスト１１５を除去することにより、伝送線路１４(図１に示す)を形成する。この第１実施形態では、伝送線路１４としてコプレーナ線路を用いているが、半絶縁性ＧaＡs基板１０１裏面の全面に金属膜を形成して、その金属膜を接地導体とするマイクロストリップ線路を用いてもよい。また、伝送線路としてＮＲＤ(ノン・ラジエイティブ・ダイエレクトリック)ガイドを用いてもよく、特にミリ波帯においてＮＲＤガイドを用いることによって、コプレーナ線路やマイクロストリップ線路に比べて、より低損失な伝送線路となり性能低下を防ぐことができる。
【００５０】
また、上記伝送線路１４の形成にＡuメッキを用いているが、コスト低減のためにＣｕメッキを用いることもできる。
【００５１】
この第１実施形態では、ウエットエッチングを行っているが、代わりに塩素系ガスを用いたドライエッチングを用いてもよい。ドライエッチングの場合、Ｉnを含む層をエッチングすることが困難なため、ｎ-ＩnＧaＰ層は、ウエットエッチング時と同様にエッチングの進行がとまる。この実施形態では、領域Ｃの第２ショットキーダイオード１３のショットキー電極側低濃度半導体層に、ｎ型半導体を用いているが、ｐ型半導体を用いてもよく、この場合、ｎ型の場合とは異なるショットキー電極材料が使用できるため、プロセス構築時の選択幅が広がる。また、領域Ｃの第２ショットキーダイオード１３のショットキー電極側低濃度半導体層のドーピング濃度ついては、例えば６０ＧＨｚ帯で用いるミキサー用とした場合には、ショットキーダイオードのインピーダンスに対して内部抵抗が低くなるようにすることが必要であり、具体的にはドーピング濃度２×１０17ｃｍ-3以下とするのが好ましく、膜厚も１００ｎｍから２００ｎｍとするのがよい。
【００５２】
この第１実施形態では、各デバイス(１１,１２,１３)の段差部の伝送線路１４が断線しないようにリフローされたレジスト１１５を用いているが、代わりにポリイミド,ベンゾシクロブテンまたはスピンオングラス等を塗布して、平坦化膜を形成してもよい。たとえば、図８に示すように、平坦化膜１１８を形成し、各電極上にコンタクトホールマスクを形成し、平坦化膜１１８をドライエッチングにより加工してコンタクトホールを形成した後、各電極より配線を引出して平坦化膜１１８上に伝送線路１４を形成してもよい。この場合、コンタクトホールマスクを平坦化膜１１８上に形成するので、１μｍ以下のフォトリソグラフィが容易となり微細なコンタクトホールを形成することができ、各デバイスサイズも微細化することができる。
【００５３】
この発明では、ＧaＡs／ＡlＧaＡs系を用いているが、その他の負性抵抗を発生する半導体を用いてもよい。例えばＩnＰ／ＩnＧaＡs系を用いると、ＧaＡs／ＡlＧaＡs系に比べてガンダイオードの高周波での効率等の特性がよくなる。
【００５４】
このような容量変化の大きい第１ショットキーダイオード１２および抵抗成分が小さく容量が小さい第２ショットキーダイオード１３と、ガンダイオード１１とを同一基板上に集積することができ、信号損失の低減と小型化を図ることができる。
【００５５】
また、上記ショットキー電極側低濃度半導体層となるｎ-ＧaＡs層１０３上にエッチングストッパ層となるｎ-ＩnＧaＰ層１０４を積層することにより、上記負性抵抗を有するダイオード特性を有する積層構造を選択的にエッチングして除去することが可能となり、第２ショットキーダイオード１３のショットキー電極側低濃度半導体層となるｎ-ＧaＡs層１０３をオーバーエッチングすることがなくなり、ｎ-ＧaＡs層１０３の厚みをエピタキシャル成長時の厚みのままにすることができ、ウエハ間でのばらつきも小さくすることができる。したがって、再現性のよい第２ショットキーダイオード１３の特性が得られる。
【００５６】
また、上記負性抵抗を有するダイオードがガンダイオード１１であることにより、位相雑音の小さい発振素子と第１,第２ショットキーダイオード１２,１３を同一基板上に集積することができる。
【００５７】
また、上記ガンダイオード１１と第１,第２ショットキーダイオード１２,１３を同一基板上に作製することによって、デバイス間を接続する伝送線路を短縮することができ、信号損失の低減に非常に有効である。
【００５８】
(第２実施形態)
一般的に言って、エピタキシャル成長は下層の状態に大きく作用する。第１実施形態では、ショットキーダイオード１２の材料の上にガンダイオード１１の材料を積層したため、ガンダイオード１１の構造下に結晶格子を歪ませる原因となるＩｎＧａＰ層やｐ型ＧａＡｓが多く存在することになる。しかも、ガンダイオード１１の活性層は低濃度でかつ膜厚が厚いため、エピタキシャル成長が難しい。具体的には、活性層の格子が歪み、欠陥が増えるとキャリア濃度が低下し、安定した活性層の特性を得ることが困難となる。このような活性層の特性の変化は、ガンダイオードの発振周波数,効率および雑音特性などに大きな影響を与える。
【００５９】
そこで、この発明の第２実施形態では、ガンダイオードの構造上にショットキーダイオードの構造を積層することによって、ガンダイオードの活性層の特性を安定させたガンダイオード・ショットキーダイオード集積回路について説明する。
【００６０】
図９において、領域Ａに負性抵抗を有するダイオードとしてのガンダイオード２１、領域Ｂに容量変化の大きい第１ショットキーダイオード２２、領域Ｃに抵抗成分が小さく容量の小さい第２ショットキーダイオード２３、領域Ｄに伝送線路２４が設けられている。
【００６１】
上記領域Ａにおいて、ＡuＧe／Ｎi／Ａuからなるカソードオーミック電極２１２とアノードオーミック電極２１１が設けられ、活性層となるｎ-ＧaＡs層２０７を有するガンダイオード２１が構成されている。一方、領域Ｂにおいて、ＡuＧe／Ｎi／Ａuからなるオーミック電極２１３と活性層となるｎ-ＧaＡs層２０７上とＴi／Ａuからなる導電性膜２１６により形成されたショットキー特性を有する第１ショットキーダイオード２２が構成されている。また、領域Ｃにおいて、ＡuＧe／Ｎi／Ａuからなるオーミック電極２１４およびショットキー電極側低濃度半導体層となるｎ-ＧaＡs層２２１上に、Ｔi／Ａuからなる導電性膜２１６により形成されたショットキー特性を有する第２ショットキーダイオード２３が構成されている。上記ガンダイオード２１および第１,第２ショットキーダイオード２２,２３の周囲はエッチングされ、素子間を分離する分離領域２３０が形成されている。また、領域Ｄにおいて、導電性膜２１６とＡu２１７からなる伝送線路２４が構成されている。
【００６２】
図１０〜図１４は上記ガンダイオード・ショットキーダイオード集積回路の製造方法の工程を説明する断面図である。
【００６３】
図１０に示すように、半絶縁性ＧaＡs基板２０１上に、ＭＢＥ(分子線エピタキシャル成長)法またはＭＯＣＶＤ(有機金属気相成長)法等により、ガンダイオード用のアノードオーミック電極側高濃度半導体層となるｎ+-ＧaＡs層２０５(Ｓiドーピング濃度５×１０18ｃｍ-3,厚さ５００ｎｍ)、エッチングストッパ層となるｎ-ＩnＧaＰ層２０６(Ｓiドーピング濃度３×１０18ｃｍ-3,厚さ２０ｎｍ)、活性層となるｎ-ＧaＡs層２０７(Ｓiドーピング濃度２×１０16ｃｍ-3,厚さ２０００ｎｍ)、ワイドバンドギャップ層からなるカソード層となるｎ-ＡlxＧa1-xＡs層２０８(Ｘ＝０.３５,Ｓiドーピング濃度５×１０17ｃｍ-3,厚さ５０ｎｍ)、ｎ-ＡlxＧa1-xＡs層２０９(Ｘ＝０.３５→０,Ｓiドーピング濃度５×１０17ｃｍ-3,厚さ２０ｎｍ)、カソードオーミック電極側高濃度半導体層(および第２ショットキーダイオード２３用のオーミック電極側高濃度半導体層)となるｎ+-ＧaＡs層２１０(Ｓiドーピング濃度５×１０18ｃｍ-3,厚さ５００ｎｍ)、エッチングストッパ層となるｎ-ＩnＧaＰ層２０４(Ｓiドーピング濃度５×１０18ｃｍ-3,厚さ２０ｎｍ)、ショットキー電極側低濃度半導体層となるｎ-ＧaＡs層２２１(Ｓiドーピング濃度１×１０17ｃｍ-3,厚さ１５０ｎｍ)を順次エピタキシャル成長させる。
【００６４】
その後、図１１に示すように、第２ショットキーダイオード２２となる領域をフォトレジストパターン等でマスクし、ｎ-ＩnＧaＰ層２０４が露出するまでｎ-ＧaＡs層２２１を選択的にエッチングして除去する。次に、塩酸を用いてｎ-ＩnＧaＰ層２０４をエッチングして除去し、カソードオーミック電極側高濃度半導体層となるｎ+-ＧaＡs層２１０を露出させる。このとき、ｎ-ＩnＧaＰ層２０４をエッチングストッパ層として用いたが、エッチングストッパ層としてＡlＧaＡs層を用いてもよい。
【００６５】
次に、ガンダイオード２１(図９に示す)のカソード領域と第２ショットキーダイオード２２(図９に示す)の領域をＳiＮ膜２１９でマスクし、ｎ-ＧaＡs層２０７が露出するまでｎ+-ＧaＡs層２１０,ｎ-ＡlxＧa1-xＡs層２０９およびｎ-ＡlxＧa1-xＡs層２０８をエッチングして除去する。次に、上記ＳiＮ膜マスク２１９を残したまま領域Ｂの第２ショットキーダイオード２３(図９に示す)用のショットキー電極領域をレジストマスク２２０でマスクし、ｎ-ＧaＡs層２０７をエッチングして除去する。ひきつづき、ｎ-ＩnＧaＰ層２０６を選択的にエッチングして除去し、ｎ+-ＧaＡs層２０５を露出させる。
【００６６】
次に、図１２に示すように、領域Ａのガンダイオード２１(図９に示す)の部分と、領域Ｂの第１ショットキーダイオード２２(図９に示す)の部分と、領域Ｃの第２ショットキーダイオード２３(図９に示す)の部分を素子分離するようにレジストパターニングを行ってレジストマスク(図示せず)を形成し、ｎ+-ＧaＡs層２０５をエッチングしてメサ分離する。
【００６７】
次に、図１３に示すように、領域Ａのガンダイオード２１のアノードオーミック電極形成領域およびカソードオーミック電極形成領域と、領域Ｂの第１ショットキーダイオード２２のオーミック電極形成領域と、領域Ｃの第２ショットキーダイオード２３のオーミック電極形成領域に、蒸着法等によりＡuＧe(１００ｎｍ)／Ｎi(１５ｎｍ)／Ａu(１００ｎｍ)を形成し、３９０℃の熱処理によるオーミック電極の合金化処理を行う。そうすることによって、アノードオーミック電極２１１,カソードオーミック電極２１２,オーミック電極２１３およびオーミック電極２１４を形成する。その後、保護膜となるシリコン窒化膜(図示せず)を厚さ２００ｎｍ堆積する。
【００６８】
次に、図１４に示すように、各デバイス(図９に示す２１,２２,２３)の段差部の伝送線路(配線)が通る場所にレジストパターニングによりレジストを残し、その後、レジストが軟化する温度で熱処理を行ってリフローさせて、段差部を覆うレジスト２１５を形成する。このレジスト２１５によって、段差部で伝送線路が断線するのを防ぐ。
【００６９】
次に、図９に示すように、領域Ａのガンダイオード２１のアノードオーミック電極２１１およびカソードオーミック電極２１２上、領域Ｂの第１ショットキーダイオード２２の活性層となるｎ-ＧaＡs層２０７のショットキー電極形成領域およびオーミック電極２１３上、領域Ｃの第２ショットキーダイオード２３のオーミック電極２１４およびショットキー電極側低濃度半導体層となるｎ-ＧaＡs層２２１上のショットキー電極形成領域に、コンタクトホール(図示せず)を夫々形成する。その後、蒸着法等により基板全面にＴi(１００ｎｍ)／Ａu(１００ｎｍ)からなる導電性膜２１６を堆積する。この導電性膜２１６は、この後の伝送線路２４(配線)をメッキにより形成するための給電メタルの役割だけでなく、ショットキー電極としても用いる。このとき、ショットキー電極と伝送線路２４をメッキにより形成するための給電メタルを同時に形成しているが、ショットキー電極をショットキーダイオードのオーミック電極形成後に形成することもできる。この場合、ショットキー電極材料としてＴi、Ｗ、Ｍoなどの高融点金属、高融点窒化物、高融点珪化物やＡlなどを用いることもできるが、安定なショットキー障壁を形成できる材料を選ぶのが望ましい。
【００７０】
次に、膜厚１５μｍからなるレジストを塗布し、伝送線路２４となる領域のパターニングを行った後に厚さ９μｍのＡuメッキを行う。その後、レジストを除去して不要な導電性膜２１６をエッチングして除去し、リフローされたレジスト２１４を除去して、伝送線路２４を形成する。
【００７１】
このような容量変化の大きい第１ショットキーダイオード２２および抵抗成分が小さく容量が小さい第２ショットキーダイオード２３と、ガンダイオード２１とを同一基板上に集積することができ、信号損失の低減と小型化を図ることができる。
【００７２】
また、ショットキー電極側低濃度半導体層となるｎ-ＧaＡs層２２１下にエッチングストッパ層となるｎ-ＩnＧaＰ層２０４を積層することにより、ショットキー電極側低濃度半導体層となるｎ-ＧaＡs層２２１を選択的にエッチングして除去することが可能となり、上記負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造をオーバーエッチングすることがなくなり、負性抵抗ダイオード特性を有する積層構造の活性層となるｎ-ＧaＡs層２０７をエピタキシャル成長時の厚みのままにすることができ、ウエハ間でのばらつきも小さくすることができる。これによって、再現性のよい負性抵抗を有するダイオードの特性が得られる。
【００７３】
また、上記負性抵抗を有するダイオードがガンダイオード２１であることにより、位相雑音の小さい発振素子と第１,第２ショットキーダイオード２２,２３を同一基板上に集積することができる。
【００７４】
また、上記ガンダイオード２１と第１,第２ショットキーダイオード２２,２３を同一基板上に作製することによって、デバイス間を接続する伝送線路を短縮することができ、信号損失の低減に非常に有効である。
【００７５】
(第３実施形態)
図１５はこの発明の第３実施形態の半導体装置を用いた電圧制御発振器の当か回路を示す図である。この電圧制御発振器(以下、ＶＣＯという)に、上記第１,第２実施形態の半導体装置において同一基板上に作製されたガンダイオードとショットキーダイオードを用いている。
【００７６】
上記ＶＣＯでは、ガンダイオード(図１または図９の領域Ａ)を用いた発振素子６０１と、第２ショットキーダイオード(図１または図９の領域Ｂ)を用いたバラクターダイオード６０２と、伝送線路(図１または図９の領域Ｄ)を共振器として用いたλ／４長スタブ６０４と、伝送線路(図１,図９の領域Ｄ)をグラウンドとして用いたλ／４長スタブ６０３とを備えている。上記発振素子６０１の一端をグランドに接続し、発振素子６０１の他端をガンダイオードバイアス回路(図示せず)に接続している。上記発振素子６０１の他端をλ／４長スタブ６０４の一端に接続し、λ／４長スタブ６０４の他端をバラクターダイオード６０２の一端に接続している。そして、上記バラクターダイオード６０２の他端にバラクタバイアス回路(図示せず)を接続すると共に、λ／４長スタブ６０３の一端を接続している。上記発振素子６０１とλ／４長スタブ６０４の接続点からＲＦ(無線周波数)出力させる。
【００７７】
ミリ波帯(３０ＧＨｚ〜９０ＧＨｚ)では、ガンダイオードとショットキーダイオードを異なるウエハで作製して実装を行ってＶＣＯを構成すると、伝送線路での損失や実装時の損失(ワイヤボンドの損失等)が大きくなり、Ｑ値が低くなって位相雑音が悪くなる等の性能の低下につながる。よって、発振素子であるガンダイオードとショットキーダイオードを同一基板上に作製して、デバイス間の伝送線路を短縮することは、信号損失の低減と小型化に非常に有効である。
【００７８】
このとき、上記バラクターダイオード６０２の容量は、第１ショットキーダイオードのデバイス面積でも変更することができる。例えば、第１,第２実施形態のショットキー接合容量は、デバイス面積が５０μｍ2でバイアスがかかっていない状態で約３０ｆＦであり、バイアスをかけて空乏層を伸ばすことにより容量をさらに小さくできる。よって、面積を大きくすると容量も面積に比例して大きくなるので、設計時に考慮することで柔軟に対応できる。また、バラクターダイオード６０２は、ｎ-ＧaＡs層の不純物濃度と膜厚を変更することにより、必要な周波数帯で用いる容量値を選択できる。
【００７９】
またさらに、ＶＣＯのＱ値を上げる必要がある場合、誘電体共振器を基板上に設けることが有効であるが、従来はハイブリッド型でＶＣＯを構成していたため、別に作製された誘電体共振器を実装していた。このような方法では、誘電体共振器の実装時の精度が悪いと電磁界の結合が悪くなり十分な効果が得られないといった問題がある。特にミリ波帯では波長が短いため、高い精度が要求されている。これに対して、この第３実施形態では、モノリシック化されたウエハ状態のため、各チップに同時に精度よく誘電体共振器を形成することができ、各チップ間の特性のバラツキも小さくなる。具体的には、伝送線路の形成後、誘電体をスパッタリング,蒸着といった方法により誘電体を堆積させるか、または、ゾル・ゲル状になった誘電体をスピンコートして、ウエハ全面に形成する。その後、レジスト等を用いたフォトリソグラフィを利用してエッチングマスクを形成し、不要な誘電体をエッチングして除去することにより誘電体共振器を作製できる。上記フォトリソグラフィによるエッチングマスクの作製精度は１μｍ以下にできるため、誘電体共振器と伝送線路との距離も精度よく制御できる。
【００８０】
また、この第３実施形態のＶＣＯによれば、損失低減・小型化以外に、パッケージに実装された状態で発振周波数が安定するという利点が得られる。詳しくは図１６を用いて説明する。図１６(ａ)は、あるパッケージにこの実施形態のＶＣＯチップ９１１を実装した例を示している。このパッケージは、メタルグランド９１０上に積層された凹部を有するアルミナ部材９１２と、側壁をなすアルミナ部材９１３と、蓋９１５とを備えている。上記アルミナ部材９１２の凹部にＶＣＯチップ９１１が収容され、ＶＣＯチップ９１１の伝送線路(図示せず)とアルミナ部材９１２の上面に形成された伝送線路(図示せず)とをＡuワイヤ９１４によって接続している。これに対して図１６(ｂ)は、同タイプのパッケージに、ガンダイオード９１６とショットキーダイオード９１７とを別チップとして実装した従来例を示している。この従来例では、ガンダイオード９１６はアルミナ部材９１２の凹部に収容されるが、ショットキーダイオード９１７はアルミナ部材９１２の上面に搭載されている。したがって、図１６(ｂ)のアルミナ部材９１３Ｂは図１６(ａ)よりも高くなっている。このように、図１６(ａ)の実装形態では、アルミナ部材９１２の上面にチップ状の素子を搭載する必要がないので、その分だけパッケージのアルミナ部材９１３の高さｈを低くすることができる。
【００８１】
このパッケージの高さの違いは、パッケージ内の浮遊容量の違いとなり、浮遊容量が大きいとパッケージ内で不要な発振が発生したり、ＶＣＯの発振が止まったりする。よって、パッケージの高さｈを低く抑えることは非常に重要である。特に、ミリ波帯のＶＣＯでは、発振周波数が高いため、必要な発振周波数より低い発振が発生しやすい傾向がある。したがって、図１６(ａ)の実装形態を用いたＶＣＯはミリ波帯に好適といえる。
【００８２】
また、図１７(ａ)は上記ＶＣＯを用いたミリ波帯通信装置としての送信機の構成図であり、図１７(ｂ)は上記ＶＣＯを用いたミリ波帯通信装置としての受信機の構成図である。
【００８３】
図１７(ａ)に示す送信機は、発振器９０１に加えて、ミキサー９０２と、フィルタ９０３と、パワーアンプ９０４と、アンテナ９０５を備えている。上記発振器９０１の出力端子にミキサー９０２の入力端子に接続し、ミキサー９０２の出力端子にフィルタ９０３の一端を接続している。上記フィルタ９０３の他端にパワーアンプ９０４の入力を接続し、パワーアンプ９０４の出力端子にアンテナ９０５を接続している。
【００８４】
また、図１７(ｂ)に示す受信機は、発振器９０１に加えて、ミキサー９０２と、フィルタ９０３と、ローノイズアンプ９０６と、アンテナ９０５を備えている。上記アンテナ９０５にローノイズアンプ９０６の入力端子を接続し、ローノイズアンプ９０６の出力端子にフィルタ９０３の一端を接続している。上記フィルタ９０３の他端にミキサー９０２の一方の入力端子を接続し、ミキサー９０２の他方の入力端子に発振器９０１の出力端子を接続している。
【００８５】
上記送信器と受信器に第３実施形態で構成されたＶＣＯを用いており、発振器９０１に図１５のＶＣＯを用い、フィルター９０３に伝送線路(図１または図９の領域Ｄ)を用い、ミキサー９０２に第２ショットキーダイオード(図１または図９の領域Ｂ)を用いている。上記ミキサー９０２で良好な特性を得るには、抵抗が小さく容量の小さい第２ショットキーダイオードが必要となるが、第１,第２実施形態のようにガンダイオードのエピタキシャル構造の上層または下層に専用の層を設けることによって容易に作製できる。もし、ガンダイオードの活性層を利用して作製する場合は、エッチングにより活性層を薄くする必要が生じてコントロールが非常に困難となるだけでなく、容量変化の大きい第２ショットキーダイオードが得られなくなってしまう。
【００８６】
このように、上記送信器,受信器では、特性の異なるショットキーダイオードを容易に作製できるので、発振器機能とミキサー機能を備えた回路を同一基板に集積することができる。なお、上記パワーアンプ９０４,ローノイズアンプ９０６には、別途トランジスタを実装する必要があるが、発振器９０１からのローカル信号が十分大きければ、パワーアンプ９０４,ローノイズアンプ９０６は必要なく、ミリ波帯の送信機と受信機をモノリシック化できる。また、ミリ波帯では、発振器９０１とミキサー９０２との間の伝送線路の損失が大きい場合に、ミキサー９０２を大信号動作させることができなくなるという問題に対しては、同様に発振素子であるガンダイオードおよびミキサーを構成するショットキーダイオードを同一基板上に作製して、デバイス間の伝送線路を短縮することによって、信号損失の低減に非常に有効である。
【００８７】
上記第１〜第３実施形態では、負性抵抗ダイオードとしてガンダイオードを用いたが、トンネルダイオードやインパットダイオード等の負性抵抗ダイオードでもよい。
【００８８】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の半導体装置およびその製造方法によれば、複雑なプロセスを用いることなく、高周波パワーが大きく位相雑音の低い発振素子である負性抵抗を有するダイオードと、容量変化の大きい第１ショットキーダイオードと、抵抗成分が小さく容量の小さい第２ショットキーダイオードを同一基板上に容易に集積することができる。
【００８９】
また、この発明のミリ波帯通信装置によれば、信号損失の低減と小型化を図ることができ、高性能なミリ波帯通信装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１はこの発明の第１実施形態の半導体装置としてのガンダイオード・ショットキーダイオード集積回路の断面図である。
【図２】  図２は上記半導体装置の製造プロセスの一工程を説明する断面図である。
【図３】  図３は図２に続く上記半導体装置の製造プロセスの一工程を説明する断面図である。
【図４】  図４は図３に続く上記半導体装置の製造プロセスの一工程を説明する断面図である。
【図５】  図５は図４に続く上記半導体装置の製造プロセスの一工程を説明する断面図である。
【図６】  図６は図５に続く上記半導体装置の製造プロセスの一工程を説明する断面図である。
【図７】  図７は図６に続く上記半導体装置の製造プロセスの一工程を説明する断面図である。
【図８】  図８は図７に続く上記半導体装置の製造プロセスの一工程を説明する断面図である。
【図９】  図８はこの発明の第２実施形態の半導体装置としてのガンダイオード・ショットキーダイオード集積回路の断面図である。
【図１０】  図１０は上記半導体装置の製造プロセスの一工程を説明する断面図である。
【図１１】  図１１は図１０に続く上記半導体装置の製造プロセスの一工程を説明する断面図である。
【図１２】  図１２は図１１に続く上記半導体装置の製造プロセスの一工程を説明する断面図である。
【図１３】  図１３は図１２に続く上記半導体装置の製造プロセスの一工程を説明する断面図である。
【図１４】  図１４は図１３に続く上記半導体装置の製造プロセスの一工程を説明する断面図である。
【図１５】  図１５はこの発明の第３実施形態の半導体装置を用いたＶＣＯの等価回路を示す図である。
【図１６】  図１６(ａ)は上記ＶＣＯをパッケージに実装した断面図であり、図１６(ｂ)はハイブリッド構成でＶＣＯをパッケージに実装した断面図である。
【図１７】  図１７(ａ)は上記ＶＣＯを用いた送信機の構成図であり、図１７(ｂ)は上記ＶＣＯを用いた受信機の構成図である。
【図１８】  図１８は従来の半導体装置を説明する断面図である。
【符号の説明】
１１,２１…ガンダイオード、
１２,２２…第１ショットキーダイオード、
１３,２３…第２ショットキーダイオード、
１４,２４…伝送線路、
１０１…半絶縁性ＧaＡs基板、
１０２…ｎ+-ＧaＡs層、
１０３…ｎ-ＧaＡs層、
１０４…ｎ-ＩnＧaＰ層、
１０５…ｎ+-ＧaＡs層、
１０６…ｎ-ＩnＧaＰ層、
１０７…ｎ-ＧaＡs層、
１０８…ｎ-ＡlxＧa1-xＡs層、
１０９…ｎ-ＡlxＧa1-xＡs層、
１１０…ｎ+-ＧaＡs層、
１１１…アノードオーミック電極、
１１２…カソードオーミック電極、
１１３…オーミック電極、
１１４…オーミック電極、
１１５…レジスト、
１１６…導電性膜、
１１７…伝送線路、
１１８…平坦化膜、
１１９…ＳiＮ膜、
１２０…レジストマスク、
１２１…ｎ-ＧaＡs層、
１３０…分離領域、
２０１…半絶縁性ＧaＡs基板、
２０４…ｎ-ＩnＧaＰ層、
２０５…ｎ+-ＧaＡs層、
２０６…ｎ-ＩnＧaＰ層、
２０７…ｎ-ＧaＡs層、
２０８…ｎ-ＡlxＧa1-xＡs層、
２０９…ｎ-ＡlxＧa1-xＡs層、
２１０…ｎ+-ＧaＡs層、
２１１…アノードオーミック電極、
２１２…カソードオーミック電極、
２１３…オーミック電極、
２１４…オーミック電極、
２１５…レジスト、
２１６…導電性膜、
２１７…Ａu、
２２１…ｎ-ＧaＡs層、
２３０…分離領域、
６０１…発振素子、
６０２…バラクタダイオード、
６０３…λ／４長スタブ、
６０４…λ／４長スタブ、
８０１…半絶縁性ＧaＡs基板、
８０２…ｎ+-ＧaＡs層、
８０３…ｎ-ＧaＡs層、
８０４…ｐ-ＧaＡs層、
８０５…ｐ+-ＧaＡs層、
８０６…ＴiＷ、
８０７…Ａu、
８０８…Ｔi、
８０９…Ａu、
８１０…Ｔi、
８１１…Ａu、
９０１…発振器、
９０２…ミキサー、
９０３…フィルター、
９０４…パワーアンプ、
９０５…アンテナ、
９０６…ローノイズアンプ、
９１０…メタルグランド、
９１１…ＶＣＯ、
９１２,９１３,９１３Ｂ…アルミナ部材、
９１４…Ａuワイヤ、
９１５…蓋、
９１６…ガンダイオード、
９１７…ショットキーダイオード。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0003658332.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
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