(57)【要約】【課題】スパッタ雰囲気に窒素を導入したコリメートスパッタ法でＷＳｉＮを堆積してゲート電極を形成するトランジスタの特性が向上できるようにする。【解決手段】基板１０１の上にメサ部１０２を跨いで形成されたショットキー接続によるＷＳｉＮからなるゲート電極部１０３を備える。ゲート電極部１０３は、基板１０１の垂直方向の導電率が基板１０１の平面方向の導電率より大きい状態に形成されている。メサ部１０２側面とゲート電極部１０３との間に形成された拡散防止層１０６を備える。拡散防止層１０６は、メサ部１０２の側面において、ゲート電極部１０３からメサ部１０２へのＷの拡散を防止する。【選択図】  図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された化合物半導体からなる半導体層によるメサ部と、
前記基板の上に前記メサ部を跨いで形成されたＷＳｉＮからなるゲート電極部と、
前記ゲート電極部を挟んで前記メサ部の上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、
前記メサ部側面と前記ゲート電極部との間に形成されて前記前記ゲート電極部から前記メサ部へのタングステンの拡散を防止する拡散防止層と
を備え、
前記ゲート電極部は、前記基板の垂直方向の導電率が前記基板の平面方向の導電率より大きい状態に形成されていることを特徴とするトランジスタ。
【請求項２】
請求項１記載のトランジスタにおいて、
前記ゲート電極部は、ショットキー接続によるゲート電極から構成されていることを特徴とするトランジスタ。
【請求項３】
請求項２記載のトランジスタにおいて、
前記メサ部は、
前記基板の上に形成されたチャネル層と、
前記チャネル層の上に形成されたＩｎＡｌＡｓからなる障壁層と、
前記障壁層の上の前記ソース電極およびドレイン電極が形成されている領域にそれぞれ形成された２つのオーミックキャップ層と
を備え、
前記ゲート電極部は、前記障壁層の上の２つの前記オーミックキャップ層に挾まれた領域内に形成されている
ことを特徴とするトランジスタ。
【請求項４】
基板の上に化合物半導体からなる半導体層によるメサ部を形成するメサ部形成工程と、
ショットキー接続によるＷＳｉＮからなるゲート電極部を前記基板の上に前記メサ部を跨いで形成するゲート形成工程と、
ソース電極およびドレイン電極を前記ゲート電極部を挟んで前記メサ部の上に形成するソース・ドレイン形成工程と、
前記メサ部側面と前記ゲート電極部との間に前記前記ゲート電極部から前記メサ部へのタングステンの拡散を防止する拡散防止層を形成する中間層形成工程と
を備え、
前記ゲート電極部は、窒素ガスを用いたコリメートスパッタ法によりＷＳｉＮを堆積することで形成することを特徴とするトランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲート電極にＷＳｉＮを用いた電界効果型のトランジスタおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体を用いた電界効果型のトランジスタとして、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、金属−半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）、および金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などが知られている。
【０００３】
ここで、化合物半導体を用いたＨＥＭＴについて図５を用いて簡単に説明する。このＨＥＭＴは、まず、例えばＩｎＰやＧａＡｓなどから構成された基板３０１と、基板３０１の上に形成されたバッファ層３０２と、バッファ層３０２の上に形成されたＩｎＧａＡｓからなるチャネル層３０３を備える。また、このＨＥＭＴは、チャネル層３０３の上に形成されたＩｎＡｌＡｓからなる障壁層３０４を備える。障壁層３０４には、シートドープ層などによるキャリア供給層が設けられている。
【０００４】
また、障壁層３０４の上のソース領域およびドレイン領域には、オーミックキャップ層３０５ａ，オーミックキャップ層３０５ｂが形成されている。また、障壁層３０４の上のソース領域およびドレイン領域の間のゲート領域には、ショットキー接続するゲート電極３０６が形成されている。また、オーミックキャップ層３０５ａの上には、ソース電極３０７が形成されている。またオーミックキャップ層３０５ｂの上には、ドレイン電極３０８が形成されている。
【０００５】
このＨＥＭＴは、ゲート電極３０６に印加した電圧により、チャネル層３０３に形成される２次元電子ガスの濃度を変化させ、ソース電極３０７とドレイン電極３０８との間に流れる電流を制御することにより、トランジスタ動作を得る。このように動作するＨＥＭＴにおいて、ゲート電極３０６が形成されている領域の障壁層３０４を薄くし、ゲート電極３０６をよりチャネル層３０３に近づけることで、トランジスタにおける高周波特性を向上させている（非特許文献１参照）。
【０００６】
ここで、発明者らは、ゲート電極３０６の材料としてＷＳｉの適用を検討した。この検討では、コリメートスパッタ法によりＷＳｉを堆積することで、ゲート電極３０６を形成した。しかしながら、このように形成したＨＥＭＴにおいて、良好な特性が得られないという問題が発生した。この原因の調査において、まず、図６に示すように、ゲート電極３０６の形成領域における障壁層３０４の表面にＡｌの結合が弱くなる表面酸化層３４１の形成が確認された。また、図６に矢印で示すように、ゲート電極３０６から下層の半導体層へのＷの拡散する経路の存在が確認された。
【０００７】
上述した問題を解消するために、発明者らは、スパッタ法によるＷＳｉを堆積する工程において、スパッタ雰囲気に窒素を導入することを検討した。これにより、障壁層３０４の表面の酸化を抑制し、ＤＣ特性が良好になるものと推測した。実際、窒素雰囲気でＷＳｉＮをスパッタ成膜することでゲート電極を形成した場合、図７に示すように、良好なＤＣ特性と良好なトランジスタ特性とが得られている。
【０００８】
ＷＳｉＮは、ＨＥＭＴをはじめとしたトランジスタのゲート材料として広く用いられている（非特許文献２、非特許文献３参照）。これは、ＷＳｉＮをゲート電極に用いることで、ゲート抵抗（ＲＧ）が小さくなり、結果として、トランジスタの最大発振周波数ｆmaxを上昇させることができるという利点のためである。また、Ｗは、いわゆる高融点金属であり、耐熱性があることから、ＷＳｉＮをゲート電極に用いたトランジスタは、信頼性面においても有利である。
【０００９】
また、よく知られたスパッタ法によりＷＳｉＮを堆積することで形成したゲート電極は、ゲート電極下側のヘテロ構造の応力を大きく低減し、機械的応力に起因する閾値電圧のシフト量が減少する（非特許文献４，非特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】W. R. Deal, "InP HEMT for Sub-Millimeter Wave Space Applications: Status and Challenges", Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz), 39th International Conference on, pp.14-19, 2014.
【非特許文献２】K. Onodera et al., "Extremely Low-Noise Performance of GaAs MESFET’s with Wide-Head T-Shaped Gate", IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, vol.46, no.2, pp.310-319, 1999.
【非特許文献３】A. Hirata et al., "Effect of thinning a WSiNOWSix barrier layer on its barrier capability", Journal of Vacuum Science & Technology B, vol.19, no.3, pp.788-793, 2001.
【非特許文献４】S. D. Mertens et al., "Hydrogen Sensitivity of InP HEMTs With WSiN-Based Gate Stack", IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, vol.52, no.3, pp.305-310, 2005.
【非特許文献５】H. Sorimachi and T. Hoaoya, "Properties of sputtered W-Si-N thin film resistors", Electronics Components Conference, Proceedings of the 38th, pp.598-603, 1988.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、スパッタ雰囲気に窒素を導入することで、ＷＳｉＮを堆積してゲート電極を形成しても、コリメートスパッタ法を用いた場合、ＤＣ特性が劣化してドレイン電流も減少することが確認された（図８）。
【００１２】
コリメートスパッタ法によりＷＳｉＮを堆積して形成した場合、スパッタ法に比較してゲート抵抗が小さく、高周波性能に優れたトランジスタが形成可能であることが知られている。これは、コリメートスパッタ法では、垂直スパッタ成分が増加し、傾斜スパッタ成分が抑制されるため、形成されたゲート電極における厚さ方向（垂直方向）の導電率が大きくなることに起因している。
【００１３】
しかしながら、前述したように、スパッタ雰囲気に窒素を導入したコリメートスパッタ法でＷＳｉＮを堆積してゲート電極を形成しても、良好な特性が得られないという問題があった。
【００１４】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、スパッタ雰囲気に窒素を導入したコリメートスパッタ法でＷＳｉＮを堆積してゲート電極を形成するトランジスタの特性が向上できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係るトランジスタは、基板の上に形成された化合物半導体からなる半導体層によるメサ部と、基板の上にメサ部を跨いで形成されたＷＳｉＮからなるゲート電極部と、ゲート電極部を挟んでメサ部の上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、メサ部側面とゲート電極部との間に形成されてゲート電極部からメサ部へのタングステンの拡散を防止する拡散防止層とを備え、ゲート電極部は、基板の垂直方向の導電率が基板の平面方向の導電率より大きい状態に形成されている。なお、ゲート電極部は、ショットキー接続によるゲート電極から構成されている。
【００１６】
上記トランジスタにおいて、メサ部は、基板の上に形成されたチャネル層と、チャネル層の上に形成されたＩｎＡｌＡｓからなる障壁層と、障壁層の上のソース電極およびドレイン電極が形成されている領域にそれぞれ形成された２つのオーミックキャップ層とを備え、ゲート電極部は、障壁層の上の２つのオーミックキャップ層に挾まれた領域内に形成されている。
【００１７】
本発明に係るトランジスタの製造方法は、基板の上に化合物半導体からなる半導体層によるメサ部を形成するメサ部形成工程と、ショットキー接続によるＷＳｉＮからなるゲート電極部を基板の上にメサ部を跨いで形成するゲート形成工程と、ソース電極およびドレイン電極を、ゲート電極部を挟んでメサ部の上に形成するソース・ドレイン形成工程と、メサ部側面とゲート電極部との間にゲート電極部からメサ部へのタングステンの拡散を防止する拡散防止層を形成する中間層形成工程とを備え、ゲート電極部は、窒素ガスを用いたコリメートスパッタ法によりＷＳｉＮを堆積することで形成する。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、メサ部の側面とゲート電極部との間に拡散防止層を備えるようにしたので、スパッタ雰囲気に窒素を導入したコリメートスパッタ法でＷＳｉＮを堆積してゲート電極を形成するトランジスタの特性が向上できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態におけるトランジスタの一部構成を示す断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態におけるトランジスタの一部構成を示す平面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の実施の形態におけるトランジスタの一部構成を示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施の形態におけるトランジスタの製造方法を説明するための途中工程の状態を模式的に示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の実施の形態におけるトランジスタの製造方法を説明するための途中工程の状態を模式的に示す断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の実施の形態におけるトランジスタの製造方法を説明するための途中工程の状態を模式的に示す断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明の実施の形態におけるトランジスタの製造方法を説明するための途中工程の状態を模式的に示す断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、本発明の実施の形態におけるトランジスタの製造方法を説明するための途中工程の状態を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、メサ部２０２が形成されている基板２０１の上に通常のスパッタ法により堆積して形成したＷＳｉＮ膜２０３の状態を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、メサ部２０２が形成されている基板２０１の上にコリメートスパッタ法により堆積して形成したＷＳｉＮ膜２０４の状態を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、ＨＥＭＴの構成を示す断面図である。
【図６】図６は、図５に示したＨＥＭＴの一部構成を拡大して示す断面図である。
【図７】図７は、通常のスパッタ法によりスパッタ雰囲気に窒素を導入して堆積したＷＳｉＮによりゲート電極を形成したＨＥＭＴの特性を示す特性図である。
【図８】図８は、コリメートスパッタ法によりスパッタ雰囲気に窒素を導入して堆積したＷＳｉＮによりゲート電極を形成したＨＥＭＴの特性を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態におけるトランジスタの一部構成を示す断面図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態におけるトランジスタの一部構成を示す平面図である。図１Ｃは、本発明の実施の形態におけるトランジスタの一部構成を示す断面図である。図１Ａは、図１Ｂのａａ’線の断面を示している。図１Ｃは、図１Ｂのｃｃ’線の断面を示している。
【００２１】
このトランジスタは、まず、基板１０１の上に形成された化合物半導体からなる半導体層によるメサ部１０２を備える。また、このトランジスタは、基板１０１の上にメサ部１０２を跨いで形成されたＷＳｉＮからなるゲート電極部１０３を備える。ゲート電極部１０３は、ショットキー接続によるゲート電極から構成されている。ゲート電極部１０３は、基板１０１の垂直方向（厚さ方向）の導電率が基板１０１の平面方向の導電率より大きい状態に形成されている。また、このトランジスタは、ゲート電極部１０３を挟んでメサ部１０２の上に形成されたソース電極１０４およびドレイン電極１０５を備える。
【００２２】
図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃでは、メサ部１０２を模式的に示している。メサ部１０２は、例えば、図５を用いて説明したＨＥＭＴと同様に、基板１０１の上に形成されたチャネル層と、チャネル層の上に形成されたＩｎＡｌＡｓからなる障壁層と、ソース電極１０４およびドレイン電極１０５が形成されている領域の障壁層の上に形成された２つのオーミックキャップ層とを備える。ゲート電極部１０３は、２つのオーミックキャップ層に挾まれた領域の障壁層の上に形成されている。
【００２３】
上述した構成に加え、実施の形態におけるトランジスタは、メサ部１０２側面とゲート電極部１０３との間に形成された拡散防止層１０６を備える。拡散防止層１０６は、メサ部１０２の側面において、ゲート電極部１０３からメサ部１０２へのＷの拡散を防止する。
【００２４】
なお、実施の形態では、メサ部１０２の側面に加えて上面も覆って拡散防止層１０６を形成した場合について図示している。従って、実施の形態では、図１Ｃに示すように、ゲート電極部１０３とメサ部１０２との間にも、拡散防止層１０６が形成された状態となる。なお、ゲート電極部１０３とメサ部１０２との間には、拡散防止層１０６は無くてもよい。
【００２５】
次に、本発明の実施の形態におけるトランジスタの製造方法について、図２Ａ〜図２Ｅを用いて説明する。図２Ａ〜図２Ｅは、実施の形態におけるトランジスタの製造方法を説明するための途中工程の状態を模式的に示す断面図である。
【００２６】
まず、図２Ａに示すように、基板１０１の上に化合物半導体からなる半導体層によるメサ部１０２を形成する（メサ部形成工程）。
【００２７】
例えば、ＩｎＰからなる基板１０１の上に、まず、アンドープのＩｎＡｌＡｓからなるバッファ層、アンドープのＩｎＧａＡｓからなるチャネル層、アンドープのＩｎＡｌＡｓからなる障壁層、高濃度にｎ型不純物を導入したｎ+−ＩｎＧａＡｓ層を順次に堆積する。例えば、よく知られた有機金属気相成長法により、上述した各層を堆積すればよい。また、障壁層にはよく知られたシートドープによりキャリア供給層を形成しておく。
【００２８】
次に、上述した各層の積層構造を、よく知られたリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、メサ部１０２を形成する。また、ｎ+−ＩｎＧａＡｓ層においては、ゲート形成領域を除去するパターニングをすることで、２つのオーミックキャップ層とする。２つのオーミックキャップ層は、ソース・ドレイン形成領域に配置された状態とする。２つのオーミックキャップ層の間のゲート形成領域においては、チャネル層の表面を露出させる。
【００２９】
また、ゲート形成領域に露出したチャネル層をエッチングすることで、ゲート形成領域におけるチャネル層を、ソース・ドレイン形成領域に比較して薄くしてもよい。前述したように、ゲート形成領域のチャネル層をより薄くすることで、ゲート電極部１０３をよりチャネル層により近づけることが可能となる。この構成とすることで、トランジスタにおける高周波特性をより向上させることが可能となる。
【００３０】
以上のように、メサ部１０２を形成した後、図２Ｂに示すように、メサ部１０２側面と、この後で形成するゲート電極部１０３との間となる部分に、拡散防止層１０６を形成する（中間層形成工程）。図２Ｂに示す例では、メサ部１０２を覆う状態に拡散防止層１０６を形成している。なお、拡散防止層１０６は、メサ部１０２の側面に形成されていればよい。拡散防止層１０６は、メサ部１０２の側面において、ゲート電極部１０３からメサ部１０２へのＷの拡散を防止するための層である。
【００３１】
例えば、よく知られたＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法などにより、例えば、ＷＳｉＮを堆積することで、拡散防止層１０６を形成すればよい。拡散防止層１０６は、例えば、厚さ１０〜２０ｎｍ程度に形成すればよい。ここで、拡散防止層１０６をＷＳｉＮから構成する場合、窒素の組成比が化学量論組成より多い状態となっていることが重要となる。窒素の組成比が化学量論組成より小さい状態のＷＳｉＮでは、ＷＳｉに近い状態となり、Ｗが拡散しやすい状態となる。拡散防止層１０６は、ＷＳｉＮに限らず、Ｗの拡散が防止できる材料から構成すればよく、他の金属、酸化物、窒化物など様々な材料から構成することが可能である。また、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法に限らず、スパッタ法、蒸着法など他の堆積法により形成してもよい。
【００３２】
次に、図２Ｃおよび図２Ｄに示すように、ショットキー接続するゲート電極部１０３を、基板１０１の上にメサ部１０２を跨いで形成する（ゲート形成工）。この例では、メサ部１０２の最上層のＩｎＡｌＡｓからなる障壁層に、ショットキー接続した状態でゲート電極部１０３が形成される。また、ゲート電極部１０３は、メサ部１０２の周囲に設けられるゲートコンタクト部にかけて、メサ部１０２を跨いで形成される。また、この例では、拡散防止層１０６は、メサ部１０２の全域に形成しているので、メサ部１０２の上面とゲート電極部１０３との間にも、拡散防止層１０６が形成される。
【００３３】
例えば、まず、拡散防止層１０６が形成されているメサ部１０２の上に、ゲート形成領域が開口したリフトオフマスクを形成する。次に、形成したリフトオフマスクの上に、よく知られたコリメートスパッタ法により、ＷＳｉＮを堆積する。ＷＳｉをターゲットとし、スパッタガスとしてアルゴンに加えて窒素を導入し、窒素が存在する雰囲気でスパッタを実施すればよい。次いで、リフトオフマスクを除去すれば、ゲート電極部１０３が形成される。コリメートスパッタ法によりＷＳｉＮを堆積しているので、形成されるゲート電極部１０３は、厚さ方向の導電率が、基板１０１の平面方向の導電率より大きい状態となる。
【００３４】
コリメートスパッタ法は、ターゲットと基板との間にコリメータを設けることにより、基板に対して垂直成分をもつスパッタ粒子を選択的に基板上に堆積する技術である。通常のスパッタ法では、スパッタ粒子には様々な方向の成分をもった粒子が含まれている。このため、通常のスパッタ法では、メサ部１０２の上面および側面に対して同様の厚さで膜が形成される。これに対し、コリメートスパッタ法では、スパッタ粒子の多くが垂直成分をもつようになる。このため、コリメートスパッタ法では、メサ部１０２の上面には、所望の厚さの膜が形成されるが、メサ部１０２の側面に形成される膜は、非常に薄い状態となる。例えば、コリメートスパッタ法によりゲート電極部１０３を形成した場合、メサ部１０２の側面に形成される部分の厚さは、１ｎｍ以下となる。
【００３５】
次に、図２Ｅに示すように、ソース電極１０４およびドレイン電極１０５を、ゲート電極部１０３を挟んでメサ部１０２の上に形成する（ソース・ドレイン形成工程）。
【００３６】
ここで、本発明に至った経緯について説明する。前述したように、コリメートスパッタ法を用いた場合、スパッタ雰囲気に窒素を導入することで、ＷＳｉＮからなるゲート電極部を形成すると、ＤＣ特性が劣化してドレイン電流も減少することが確認された。発明者らの鋭意の検討の結果、コリメートスパッタ法で形成されたＷＳｉＮ膜の厚さが、メサ部１０２の側面において非常に薄くなることが、上述した問題の原因であることを見出した。
【００３７】
図３に示すように、基板２０１の上にメサ部２０２が形成されている状態で、通常のスパッタ法により堆積する場合、メサ部２０２の上面および側面に同様の厚さの状態でＷＳｉＮ膜２０３が形成される。これに対し、コリメートスパッタ法の場合、図４に示すように、堆積したＷＳｉＮ膜２０４の、メサ部２０２の側面に形成される部分２０４ａは、非常に薄くなる。また、部分２０４ａにおいては、窒素が含まれにくい状態となり、窒素の組成が化学量論組成より小さい状態のＷＳｉＮが形成される。このように、窒素が少ない状態では、この部分のＷがメサ部２０２に拡散しやすい状態となる。
【００３８】
上述したことにより、メサ部の側面の窒素組成比が低いゲート電極部から、メサ部の障壁層を通じてＷが拡散し、ゲート特性全体に寄生効果が生じ、この結果としてＨＥＭＴのＤＣ特性が劣化したものと考えられる。
【００３９】
本発明によれば、メサ部の側面とゲート電極部との間に拡散防止層を備えるようにしたので、上述したメサ側部におけるＷＳｉからなるゲート電極部からの、Ｗの拡散が抑制できるようになる。この結果、スパッタ雰囲気に窒素を導入したコリメートスパッタ法でＷＳｉＮを堆積してゲート電極を形成するトランジスタの特性が向上できるようになる。
【００４０】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、ＨＥＭＴを例に説明したが、これに限るものではない。ＷＳｉＮからなるゲート電極が接する障壁層がＡｌを含む化合物半導体から構成され、メサ部の側面に渡ってゲート電極部が形成されている電界効果型トランジスタであれば、同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００４１】
１０１…基板、１０２…メサ部、１０３…ゲート電極部、１０４…ソース電極、１０５…ドレイン電極、１０６…拡散防止層。
【図１Ａ】
2018082023.tif 000003
【図１Ｂ】
2018082023.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
2018082023.tif 000009
【図２Ｅ】
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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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