(57)【要約】【課題】化合物半導体装置に関し、高信頼性を実現可能なダブルドープ構造ＩｎＰ系ＨＥＭＴ又は逆ＨＥＭＴ構造ＩｎＰ系ＨＥＭＴに於いて、微細化が可能なノンアロイオーミック電極構造の場合にも接触抵抗を低減させ、ＩｎＰ系ＨＥＭＴの高速性能を実現する。【解決手段】基板１に形成したＩｎＧａＡｓチャネル層３と、基板１とチャネル層３との間に形成されチャネル層３と比較してエネルギーバンドギャップが広く、且つ、ｎ型にドーピングされた電子供給層５Ａと、チャネル層３とゲート電極９との間に形成されチャネル層３と比較してエネルギーバンドギャップが広く、且つ、ｎ型にドーピングされた電子供給層５Ｂと、チャネル層３とゲート電極９の間に形成されチャネル層３と比較してエネルギーバンドギャップが広い半導体層と、チャネル層３に合金化されることなく直接接触して形成されたソース電極１２及びドレイン電極１３を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたＩｎＧａＡｓからなるチャネル層と、
前記基板と前記チャネル層との間に形成され前記チャネル層と比較してエネルギーバンドギャップが広く、且つ、ｎ型にドーピングされた電子供給層と、
前記チャネル層とゲート電極の間に形成され前記チャネル層と比較してエネルギーバンドギャップが広い半導体層と、
前記チャネル層に合金化されることなく直接接触して形成されたソース電極及びドレイン電極と
を備えてなることを特徴とする化合物半導体装置。
【請求項２】
基板とチャネル層の間に形成され前記チャネル層に比較してエネルギーバンドギャップが広く、且つ、ｎ型にドーピングされた第一の電子供給層と、
前記チャネル層とゲート電極の間に形成され前記チャネル層に比較してエネルギーバンドギャップが広く、且つ、ｎ型にドーピングされた第二の電子供給層と
を備えてなることを特徴とする請求項１記載の化合物半導体装置。
【請求項３】
基板とチャネル層の間に形成され前記チャネル層に比較してエネルギーバンドギャップが広く、且つ、ｎ型にドーピングされた唯一の電子供給層
を備えてなることを特徴とする請求項１記載の化合物半導体装置。
【請求項４】
電子供給層がＩｎＡｌＡｓを材料とするものであること
を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１記載の化合物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超高速動作集積回路やミリ波帯ＭＭＩＣ（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔｓ）に用いて好適なＩｎＧａＡｓチャネル層をもつ高電子移動度トランジスタ（ｈｉｇｈ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｏｂｉｌｉｔｙ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＥＭＴ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＨＥＭＴは、高周波特性及び高速動作性が良好な素子として、高周波デバイス・高速デバイスとして用いられている。中でも、ＩｎＧａＡｓ（Ｉｎ組成＞０．５３）をチャネル層として有する、所謂、ＩｎＰ系ＨＥＭＴは遮断周波数５００ＧＨｚ以上の高速特性が得られる超高速デバイスとして、超高速動作集積回路やミリ波帯ＭＭＩＣへの応用が期待されている。
【０００３】
図３は通常のＩｎＰ系ＨＥＭＴの構造を表す要部切断側面図であり（例えば、非特許文献１を参照。）、半絶縁性ＩｎＰ基板１上にアンドープＩｎＡｌＡｓバッファ層２、アンドープＩｎＧａＡｓチャネル層３、アンドープＩｎＡｌＡｓスペーサ層４、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ電子供給層５、アンドープＩｎＡｌＡｓバリア層６、ＩｎＰストッパ層７、ｎ型ＩｎＧａＡｓキャップ層８が順に積層されたシングルドープ構造になっていて、ＩｎＰストッパ層７にはゲート電極９が、また、ｎ型ＩｎＧａＡｓキャップ層８にソース電極１０及びドレイン電極１１がそれぞれコンタクトしている。尚、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ電子供給層５は∂ドープ層に代替されることもある。
【０００４】
上記説明したＩｎＰ系ＨＥＭＴに於いては、ｎ型ＩｎＧａＡｓキャップ層８が高濃度にドーピングされているため、ソース電極１０及びドレイン電極１１は合金化（アロイ）を行うことなく、ノンアロイであっても、ｎ型ＩｎＧａＡｓキャップ層８とのオーミック接触を得ることができる。
【０００５】
ところで、このＩｎＰ系ＨＥＭＴは、高速動作を実現するために採用しているＩｎＧａＡｓチャネル層３内で衝突イオン化が起きやすいため、例えば２Ｖ以上の高ドレイン電圧印加時の信頼性が低く、従って、高電圧が加わらないような回路設計が求められるなど、設計マージンが小さいという問題点の存在が報告されている（例えば、非特許文献２を参照。）。
【０００６】
上記報告では、図３に見られるＩｎＰ系ＨＥＭＴに於ける信頼度を改善するには、ダブルドープ構造にすると有効である旨が記述されている。
【０００７】
図４は信頼度を改善したＩｎＰ系ＨＥＭＴの構造を表す要部切断側面図であり、図３に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。
【０００８】
図４に見られる信頼度を改善したＩｎＰ系ＨＥＭＴでは、ＩｎＧａＡｓチャネル層３を上下からＩｎＡｌＡｓスペーサ層４Ａ及び４Ｂ、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ電子供給層５Ａ及び５Ｂ、アンドープＩｎＡｌＡｓバリア層６Ａ及び６Ｂからなる積層体で挟んだダブルドープ構造が有効であるとしている。
【０００９】
然しながら、図４に見られる構造では、表面側の電子供給層５Ｂが薄い為、通常のＩｎＰ系ＨＥＭＴで用いているようなキャップ層８上からノンアロイでオーミック・コンタクトをとる電極構造を採った場合には、接触抵抗が高く、ＩｎＰ系ＨＥＭＴ本来の高速性能が実現されていない。実際、シングルドープ構造で相互コンダクタンス（ｇm ）が８７３ｍＳ／ｍｍであるのに対し、ダブルドープ構造の相互コンダクタンス（ｇm ）は７２９ｍＳ／ｍｍと低い。
【００１０】
ダブルドープ構造であってもアロイオーミックを用いて、コンタクトを取る手段もあるが、Ｉｎを多く含む半導体に対するアロイオーミックでは、電極表面が荒れるため、電極端面（側面）に凹凸が生じ、微細化を進める障害となる。
【００１１】
また、逆ＨＥＭＴ構造にした場合、前記ダブルドープ構造と同様、電界集中緩和効果があるので信頼性は向上する。然しながら、オーミック接触抵抗が高いこともダブルドープ構造と同様である。
【００１２】
要するに、ＩｎＰ系ＨＥＭＴに関する従来の技術では、高速性、高信頼性、微細化の３つを同時に実現することはできなかった。
【非特許文献１】Ｎ．Ｈａｒａ  他、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，Ｖｏｌｕｍｅ  １６，Ｉｓｓｕｅ  ３，ｐｐ．３７０−３７５（２００３年８月）
【非特許文献２】Ｎ．Ｈａｒａ  他、２００４  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｉｎｄｉｕｍ  Ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，ｐｐ．６１５−６１８（２００４年５月）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明では、高信頼性を実現可能なダブルドープ構造ＩｎＰ系ＨＥＭＴ若しくは逆ＨＥＭＴ構造ＩｎＰ系ＨＥＭＴに於いて、微細化が可能であるノンアロイオーミック電極構造にした場合であっても接触抵抗を低減させ、ＩｎＰ系ＨＥＭＴ本来の高速性能を実現できるようにする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に依る化合物半導体装置に於いては、基板上に形成されたＩｎＧａＡｓからなるチャネル層と、前記基板と前記チャネル層との間に形成され前記チャネル層と比較してエネルギーバンドギャップが広く、且つ、ｎ型にドーピングされた電子供給層と、前記チャネル層とゲート電極の間に形成され前記チャネル層と比較してエネルギーバンドギャップが広い半導体層と、前記チャネル層に合金化されることなく直接接触して形成されたソース電極及びドレイン電極とを備えてなることが基本になっている。
【発明の効果】
【００１５】
前記手段を採ることに依り、ダブルドープ構造ＩｎＰ系ＨＥＭＴ、若しくは、逆ＨＥＭＴ構造ＩｎＰ系ＨＥＭＴに於いて、チャネル層に直接接触するノンアロイオーミック電極を形成することで、高速性、高信頼性、微細化の３要件を同時に実現することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明では、図４について説明した従来のダブルドープ構造ＩｎＰ系ＨＥＭＴに於けるオーミック電極構造並びに逆ＨＥＭＴ構造ＩｎＰ系ＨＥＭＴに於けるオーミック電極構造を改善する。
【００１７】
ノンアロイオーミックで接触抵抗が高くなるのは、ＩｎＰストッパ層７とＩｎＡｌＡｓバリア層６Ｂの間のバンド不連続に原因がある。従って、ＩｎＧａＡｓチャネル層３に直接接触させるようにソース電極やドレイン電極などのオーミック電極を形成すると良い。
【００１８】
同様に、逆ＨＥＭＴ構造においても、ＩｎＧａＡｓチャネル層に直接接触するオーミック電極を形成すれば良い。
【００１９】
図１は本発明を実施したダブルドープ構造ＩｎＰ系ＨＥＭＴを表す要部切断側面図であり、図３及び図４に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。尚、図に於いて、１２はソース電極、１３はドレイン電極をそれぞれ示している。
【００２０】
このダブルドープ構造ＩｎＰ系ＨＥＭＴを作製する場合、ソース電極１２及びドレイン電極１３の形成予定領域に於けるＩｎＧａＡｓキャップ層８、ＩｎＰストッパ層７、ＩｎＡｌＡｓバリア層６Ｂ、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ電子供給層５Ｂ、ＩｎＡｌＡｓスペーサ層４Ｂを除去して開口を形成し、該開口の底に表出されたＩｎＧａＡｓチャネル層３上にソース電極１２及びドレイン電極１３を形成する。
【００２１】
図２は本発明を実施した逆ＨＥＭＴ構造ＩｎＰ系ＨＥＭＴを表す要部切断側面図であり、図１に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。
【００２２】
この逆ＨＥＭＴ構造ＩｎＰ系ＨＥＭＴを作製する場合も、前記説明したダブルドープ構造ＩｎＰ系ＨＥＭＴを作製する場合と同じであり、ソース電極１２及びドレイン電極１３の形成予定部分に於けるＩｎＧａＡｓキャップ層８、ＩｎＰストッパ層７、ＩｎＡｌＡｓバリア層６Ｂを除去して開口を形成し、該開口の底に表出されたＩｎＧａＡｓチャネル層３上にソース電極１２及びドレイン電極１３を形成する。
【００２３】
ソース電極１２及びドレイン電極１３を形成する場合、アロイ化熱処理は行わず、本発明の特徴の一つであるノンアロイオーミック電極とするが、ノンアロイであっても、ＩｎＧａＡｓチャネル層３に於けるＩｎ組成は０．５３であるから、アロイ化熱処理なしでも充分に接触抵抗が小さいオーミック接触を得ることができる。
【実施例１】
【００２４】
図１について説明したダブルドープ構造ＩｎＰ系ＨＥＭＴを作製する場合について説明する。
【００２５】
（１）
ＭＯＶＰＥ（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  ｖａｐｏｒ  ｐｈａｓｅ  ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いることに依り、半絶縁性ＩｎＰ基板１上にアンドープＩｎＡｌＡｓバッファ層２（Ｉｎ組成 0 .５２、膜厚３００ｎｍ）、アンドープＩｎＡｌＡｓバリア層６Ａ（Ｉｎ組成 0 .５２、膜厚５ｎｍ）、ＳｉドープＩｎＡｌＡｓ電子供給層５Ａ（Ｉｎ組成 0 .５２、膜厚３ｎｍ、ドーピング濃度５×１０18ｃｍ-3）、アンドープＩｎＡｌＡｓスペーサ層４Ａ（Ｉｎ組成 0 .５２、膜厚３ｎｍ）、アンドープＩｎＧａＡｓチャネル層３（Ｉｎ組成 0 .５３、膜厚１５ｎｍ）、アンドープＩｎＡｌＡｓスペーサ層４Ｂ（Ｉｎ組成 0 .５２、膜厚３ｎｍ）、ＳｉドープＩｎＡｌＡｓ電子供給層５Ｂ（Ｉｎ組成 0 .５２、膜厚７ｎｍ、ドーピング濃度５×１０18ｃｍ-3）、アンドープＩｎＡｌＡｓバリア層６Ｂ（Ｉｎ組成 0 .５２、膜厚５ｎｍ）、アンドープＩｎＰストッパ層７（膜厚５ｎｍ）、ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８（Ｉｎ組成 0 .５３、膜厚５０ｎｍ、ドーピング濃度１×１０19ｃｍ-3）を成長する。尚、ＳｉドープＩｎＡｌＡｓ電子供給層５Ａ、５ＢはＳｉ−∂ドープ層を用いても良い。
【００２６】
（２）
次に、リソグラフィ技術およびウェットエッチング技術を用いることに依り、素子作製予定部分以外を表面からバッファ層２に達するまでエッチングして素子分離を行う。本発明に於いて、ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＡｌＡｓのエッチングには、例えば燐酸系のエッチャントを、また、ＩｎＰのエッチングには、例えば塩酸系のエッチャントを用いる。
【００２７】
（３）
次に、リソグラフィ技術およびウェットエッチング技術を用いることにより、ソース電極１２およびドレイン電極１３の形成予定領域に於いて表面からチャネル層３に達するまでエッチングを行った後、蒸着技術及びリフトオフ技術を用いることに依り、Ｍｏ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるソース電極１２およびドレイン電極１３を形成する。勿論、電極形成後のアロイ化熱処理は行わない。
【００２８】
（４）
次に、リソグラフィ技術およびウェットエッチング技術を用いることに依り、ゲートリセス領域形成予定部分のＩｎＧａＡｓキャップ層８を除去した後、リソグラフィ技術、蒸着技術、リフトオフ技術を用いることに依り、ゲート電極９を形成する。ここで、代表的なゲート長は 0 .１μｍである。尚、完成したＨＥＭＴの相互コンダクタンス（ｇm ）は８９０ｍＳ／ｍｍであり、シングルドープ構造のＨＥＭＴと同様の特性が得られた。
【実施例２】
【００２９】
図２について説明した逆ＨＥＭＴ構造ＩｎＰ系ＨＥＭＴを作製する場合について説明する。
【００３０】
（１）
ＭＯＶＰＥ法を用いることに依り、半絶縁性ＩｎＰ基板１上にアンドープＩｎＡｌＡｓバッファ層２（Ｉｎ組成 0 .５２、膜厚３００ｎｍ）、アンドープＩｎＡｌＡｓバリア層６Ａ（Ｉｎ組成 0 .５２、膜厚５ｎｍ）、ＳｉドープＩｎＡｌＡｓ電子供給層５（Ｉｎ組成 0 .５２、膜厚１０ｎｍ、ドーピング濃度５×１０18ｃｍ-3）、アンドープＩｎＡｌＡｓスペーサ層４（Ｉｎ組成 0 .５２、膜厚３ｎｍ）、アンドープＩｎＧａＡｓチャネル層３（Ｉｎ組成 0 .５３、膜厚１５ｎｍ）、アンドープＩｎＡｌＡｓバリア層６Ｂ（Ｉｎ組成 0 .５２、膜厚２０ｎｍ）、アンドープＩｎＰストッパ層７（膜厚５ｎｍ）、ＳｉドープＩｎＧａＡｓキャップ層８（Ｉｎ組成 0 .５３、膜厚５０ｎｍ、ドーピング濃度１×１０19ｃｍ-3）を成長する。尚、ＳｉドープＩｎＡｌＡｓ電子供給層５はＳｉ−∂ドープ層を用いても良い。
【００３１】
（２）
この後、実施例１と同様のプロセスを経て、素子分離を行い、ソース電極１２及びドレイン電極１３を形成し、ゲートリセスを形成し、ゲート電極９を形成して逆ＨＥＭＴ構造ＩｎＰ系ＨＥＭＴを完成させる。尚、完成したＨＥＭＴの相互コンダクタンス（ｇm ）は８８０ｍＳ／ｍｍであり、シングルドープ構造のＨＥＭＴと同様の特性が得られた。
【００３２】
下記の表は、前出の各化合物半導体装置について、高速特性を比較して示したものであり、本発明に依る化合物半導体装置が従来の技術に依る化合物半導体装置と比べると優れていることが看取できよう。
【表１】
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【００３３】
上記説明した例では、ＩｎＰ基板を用いてデバイスを作製したのであるが、他に基板としては、ＳｉやＧａＡｓを用いることもできる。また、ドーパントとしては、上記Ｓｉ以外にＳなど他のｎ型ドーパントを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明を実施したダブルドープ構造ＩｎＰ系ＨＥＭＴを表す要部切断側面図である。
【図２】本発明を実施した逆ＨＥＭＴ構造ＩｎＰ系ＨＥＭＴを表す要部切断側面図である。
【図３】通常のＩｎＰ系ＨＥＭＴの構造を表す要部切断側面図である。
【図４】信頼度を改善したＩｎＰ系ＨＥＭＴの構造を表す要部切断側面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  ＩｎＰ基板
２  アンドープＩｎＡｌＡｓバッファ層
３  アンドープＩｎＧａＡｓチャネル層
４、４Ａ、４Ｂ  アンドープＩｎＡｌＡｓスペーサ層
５、５Ａ、５Ｂ  ｎ型ＩｎＡｌＡｓ電子供給層
６、６Ａ、６Ｂ  アンドープＩｎＡｌＡｓバリア層
７  アンドープＩｎＰストッパ層
８  ｎ型ＩｎＧａＡｓキャップ層
９  ゲート電極
１０  ソース電極（従来例）
１１  ドレイン電極（従来例）
１２  ソース電極（本発明）
１３  ドレイン電極（本発明）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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