(57)【要約】【課題】縦方向における不純物分布が急峻な、炭素のプレーナドープ層を形成して、ドーパントの拡散による素子特性の低下を効果的に防止する。【解決手段】バリヤ層の一部を構成するスペーサ層（１０５）およびショットキー接合形成層（１０７）を、Ｐを一成分元素ととして含むアンドープの化合物半導体層（ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＰなど）から形成し、スペーサ層（１０５）のショットキー接合形成層（１０７）に接する面に、炭素のプレーナドープ層（１０６）を形成する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体基板と、当該化合物半導体基板上に順次積層して形成された化合物半導体からなるバッファー層と、チャネル層およびバリア層と、当該バリア層上の所定部分に形成されたゲート電極と、ソース電極およびドレイン電極を具備し、上記バリア層中にはＰを一成分元素として含むアンドープの化合物半導体層を含み、かつ、当該Ｐを一成分元素として含むアンドーブの化合物半導体層中には、炭素を不純物とするブレーナドープ層が形成されていることを特徴とするヘテロ接合型電界効果トランジスタ。
【請求項２】
上記Ｐを一成分元素として含むアンドープの化合物半導体層は、アンドーブのスペーサ層および当該アンドープのスペーサ層上に積層して形成されたアンドーブのショットキー接合形成層を含み、上記プレーナドープ層は、上記アンドープのスペーサ層の上記アンドープのショットキー接合形成層に接する面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のヘテロ接合型電界効果トランジスタ。
【請求項３】
上記Ｐを一成分元素として含むアンドープの化合物半導体層の上には、当該アンドープの化合物半導体層とは組成の異なるショットキーバリア接合層が形成されており、当該組成の異なるショットキーバリア接合層の所定の位置上には、上記ゲート電極およびコンタクト層がそれぞれ形成され、当該コンタクト層の上には、上記ソース電極およびドレイン電極が、互いに所定の間隔を介して形成されていることを特徴とする請求項１若しくは２に記載のヘテロ接合型電界効果トランジスタ。
【請求項４】
上記化合物半導体基板がＩｎＰからなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載のヘテロ接合型電界効果トランジスタ。
【請求項５】
上記チャネル層がＧａＡｓとＩｎＡｓの混晶からなることを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載のヘテロ接合型電界効果トランジスタ。
【請求項６】
上記Ｐを一成分元素として含むアンドープの化合物半導体層は、ＩｎＰ、ＡｌＰ、ＧａＰおよびこれらの混晶から選ばれた材料からなることを特徴とする請求項１から５のいずれか１に記載のヘテロ接合型電界効果トランジスタ。
【請求項７】
上記バリア層の上記Ｐを一成分元素として含むアンドープの化合物半導体層以外の層が、Ａ１ＡｓおよびＩｎＡｓの混晶からなることを特徴とする請求項１から６のいずれか１に記載のヘテロ接合型電界効果トランジスタ。
【請求項８】
上記プレーナドープ層は、トリメチルフォスフィン、トリエチルアルシン、ターシャリブチルアルシン、炭素を成分元素とするハロゲン化物およびカーボンから選択された材料を用いて形成された層であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１に記載のヘテロ接合型電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はヘテロ接合型電界効果トランジスタに関し、詳しくは、超高速集積回路、ミリ波およびマイクロ波集積回路等の能動素子として利用することができ、高周波数、高利得および低ノイズ等の優れた特性を有するヘテロ接合型電界効果トランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に用いられている、ＩｎＰを基板として用いたヘテロ接合型電界効果トランジスタをにおいては、図２に示したように、ＩｎＰからなる基板２０１の上に、アンドープのＩｎＡ１Ａｓからなるバッファー層２０２、アンドープのＩｎＧａＡｓからなるチャネル層２０３およびアンドープのＩｎＡ１Ａｓからなるスペーサ層２０４が、順次積層して形成されている。上記スペーサ層２０４の上部には、ｎ型のキャリアが発生するように、Ｓｉが原子面状に添加されたプレーナドープ（デルタドープともいう）層２０５が形成され、その上には、アンドープのＩｎＡｌＡｓからなるショットキー接合形成層２０６が形成されている。
【０００３】
さらに、上記ショットキー接合形成層２０６の所定部分上には、当該ショットキー接合形成層２０６とショットキー接合されたゲート電極２０８が配置されており、当該ゲート電極２０８とは所定の間隔を介して、バルクドープされたｎ−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２０７が形成されている。当該コンタクト層２０７上には、ソース電極２０９およびドレイン電極２１０が形成され、当該ソース電極２０９およびドレイン電極２１０は、上記コンタクト層２０７を介して、上記ショットキー接合形成層２０６にそれぞれオーミック接合されている。
【０００４】
すなわち、上記従来のヘテロ接合型電界効果トランジスタの層構成においては、スペーサ層２０４とショットキー接合形成層２０６から構成されたバリア層が同一のＡｓ系の化合物半導体層（この場合はＩｎＡｌＡｓ層）から形成されており、このようなバリア層に、Ｓｉプレーナドープ層２０５が形成されているという特徴がある。
【０００５】
このようなヘテロ接合型電界効果トランジスタにおいては、プレーナドープ層２０５から供給された電子によって、チャネル層２０３内のスペーサ層２０４の側の界面付近に二次元電子ガスが形成される。この二次元電子ガスの流れを、ゲート電極２０８に印加される電圧によって、ソース電極２０９下の領域とドレイン電極２１０下の領域との間で制御し、これによって装置が動作される。キャリアである電子は二次元電子となり、アンドープ（低不純物濃度）のチャネル層２０３中を移動するので、不純物による散乱が抑制されて、高速で移動することが可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ヘテロ接合型電界効果トランジスタ等で用いられる化合物半導体結晶の積層構造の形成（成長）には、一般に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）や分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）が用いられる。
【０００７】
ＭＯＶＰＥによって化合物半導体を成長する際には、化合物半導体を構成する砒素、インジュウム、ガリウムおよびアルミニウムの原料ガスとして、アルシン（ＡｓＨ３）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）およびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などがそれぞれ用いられ、また、不純物であるＳｉの原料としてはシラン（ＳｉＨ４）やジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）が用いられることが多い。一方、ＭＢＥによって成長を行う場合は、Ａｓ、Ｉｎ、Ｇａ、Ａ１、Ｓｉの金属原料がそれぞれ用いられている。
【０００８】
ＭＯＶＰＥでは、高温に加熱された基板上で、上記原料ガスを熱分解することによって化合物半導体結晶を成長させる。また、ＭＢＥでは、金属原料をルツボ内で高温に加熱することによって蒸発した金属分子を用いて、化合物半導体結晶の形成を行っているが、この場合も、平坦な表面を得るためには、基板加熱を行って、成長層表面における分子の移動を促進させる必要がある。すなわち、いずれの場合においても、化合物半導体の結晶成長を行う際には、基板温度を５００℃以上の高温に設定する必要がある。
【０００９】
しかし、例えば図２に示した従来技術における層構成において、化合物半導体の成長温度が高温であると、原子面状にドーピングされなければならいプレーナドープのＳｉが、実際には、熱拡散によってプレーナドープ層２０５を挟む上下のＩｎＡｌＡｓスペーサ層２０４とＩｎＡｌＡｓショットキー接合形成層２０６内へ、拡散してしまうという問題が生ずる。
【００１０】
その結果、例えば、Ｓｉ不純物がＩｎＡｌＡｓスペーサ層２４を通過して、ＩｎＧａＡｓチャネル層２０３まで拡散して混入した場合は、チャネル層２０３における不純物散乱が増大することによって、二次元電子ガスの電子移動度が低下してしまう。また、ショットキー接合形成層２０６側にＳｉ不純物が拡散した場合は、実効的なショットキー障壁の厚さが薄くなるため、ゲートリークが増大して、トランジスタの素子特性が劣化してしまう。
【００１１】
このようなプレーナドープ層２０５からの不純物拡散の問題を解決するため、例えば、プレーナドープ層２０５の上下にそれぞれ接するスペーサ層２０４とショットキー接合形成層２０６の膜厚を厚くすることが考えられる。しかし、ヘテロ接合型電界効果トランジスタを高速動作させるためには、ゲート電極２０８からチャネル層２０３までの距離を極力短くすることが必要であり、この方法によってトランジスタの特性を向上させることは困難である。
【００１２】
本発明の目的は、従来のヘテロ接合型電界効果トランジスタの有する上記問題を解決し、すぐれた素子特性を有するヘテロ接合型電界効果トランジスタを提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、プレーナドープされた上記不純物の拡散を抑制し、ゲート電極からチャネル層までの距離を長くすることなしに、素子特性の低下を効果的に防止することができるヘテロ接合型電界効果トランジスタを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明のヘテロ接合電界効果型トランジスタは、化合物半導体基板と、当該化合物半導体基板上に順次積層して形成された化合物半導体からなるバッファー層と、チャネル層およびバリア層と、当該バリア層上の所定部分に形成されたゲート電極と、ソース電極およびドレイン電極を具備し、上記バリア層中にはＰを一成分元素として含むアンドープの化合物半導体層を含み、かつ、当該Ｐを一成分元素として含むアンドーブの化合物半導体層中には、炭素を不純物とするブレーナドープ層が形成されていることを特徴とする。
【００１５】
すなわち、ＩｎＡｌＡｓに対するＳｉ以外のｎ型不純物としては、ＳやＳｅ等が考えられるが、ＳやＳｅ等の熱拡散係数はＳｉと同等か、またはＳｉよりも大きいので、Ｓｉの代わりにＳやＳｅを用いても、上記問題の解決は期待できない。熱拡散が非常に小さい不純物として炭素が知られているが（Ｎ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ　ｅｔ　ａｌ，ＡｐｐＩ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５０（１９８７）１４３５）、ＩｎＡｌＡｓなどＡｓ系材料中では、炭素はＰ型のキャリアを発生する不純物であり、ｎ型不純物としては使用できない。
【００１６】
一方、金属Ｉｎとプレクラッキングしたターシャリブチルアルシン（ＴＢＰ）を原料として用い、有機金属分子線エピタキシャル成長法（ＭＯＭＢＥ）によって、炭素を添加したバルクドープのＩｎＰ成長を行ったことが報告されている（Ｊｅ−Ｈｗａｎ　Ｏｈ　ｅｔ　ａＩ，ＡｐｐＩ．Ｐｈｙ．Ｌｅｔｔ．，６６（１９９５）２８９１）。この報告によれば、２５０℃という非常に低い成長温度で、最大で４×１０１９ｃｍ−３の炭素を添加した後、ホール効果測定によって、５．８×１０１８ｃｍ−３のｎ型のキャリア濃度を得ており、炭素がＰ系材料中でｎ型のキャリアを発生する不純物として作用することが示されている。
【００１７】
しかし、成長温度が高温である場合は、添加できる炭素の濃度およびキャリア濃度が、いずれも著しく低下してしまうため、トランジスタ構造の形成に必要な高温（５００℃以上）では、この方法を用いても、十分な炭素のドーピングを行うことができず、実用は困難であった。
【００１８】
半導体結晶に不純物を添加してキャリアを発生させる方法としては、半導体結晶の成長を行いながら不純物を添加してドーピングを行うバルクドープと、成長を中断してから、不純物を成長面に二次元的に添加するプレーナドープが知られている。
【００１９】
また、キャリアを発生させるためには、添加した不純物が結晶格子位置のサイトに入る必要があるが、一般に、バルクドープよりプレーナドープの方が、不純物をより高い面密度で上記サイトに入れることが可能である。例えば、ＧａＡｓ中へのＳｉのバルクドープの場合、ドーピング可能な最大密度は約７×１０１８ｃｍ−３であるので、サイトを占める不純物の最大面密度は約２×１０１１ｃｍ−２程度である。しかし、プレーナドープでは１０１３ｃｍ−２以上の面密度でドーピングが可能である。
【００２０】
本発明においては、バリア層の一部にＰを一成分元素として含む化合物半導体層を用い、このＰを一成分元素として含む化合物半導体層に炭素がプレーナドープされる。これにより、従来は使用が困難であった熱拡散が小さな炭素を、ｎ型不純物として使用することが可能になったばかりでなく、高温成長を行っても、十分な量の炭素をドーピングすることが実現された。その結果、従来のヘテロ接合型電界効果トランジスタの製造においては困難であった、プレーナドープされた不純物の拡散を、効果的に防止することが可能になり、急峻な深さ方向分布を有する炭素のプレーナドープ層が実現された。
【００２１】
上記Ｐを一成分元素として含むアンドープの化合物半導体層は、アンドーブのスペーサ層および当該アンドープのスペーサ層上に積層して形成されたアンドーブのショットキー接合形成層を含み、上記プレーナドープ層は、上記アンドープのスペーサ層の上記アンドープのショットキー接合形成層に接する面に形成されている。このような構造は、アンドープのスペーサ層の上面に、炭素のプレーナドープ層を形成した後、その上にアンドーブのショットキー接合形成層を形成することによって容易に形成される。
【００２２】
上記Ｐを一成分元素として含むアンドープの化合物半導体層の上には、当該アンドープの化合物半導体層とは組成の異なるショットキーバリア接合層が形成されており、当該組成の異なるショットキーバリア接合層の所定の位置上には上記ゲート電極およびコンタクト層がそれぞれ形成され、当該コンタクト層の上には、上記ソース電極およびドレイン電極が、互いに所定の間隔を介して形成されている。そのため、上記ゲート電極は上記ショットキーバリア接合層とはショットキー接合し、上記ソース電極およびドレイン電極は、それぞれ上記コンタクト層を介して、上記ショットキーバリア形成層とオーミック接合されている。
【００２３】
上記化合物半導体基板としては、ＩｎＰからなる基板を用いることができる。上記チャネル層としてＧａＡｓとＩｎＡｓの混晶（ＩｎＧａＡｓ）からなる層を用いることができ、また、上記Ｐを一成分元素として含む化合物半導体層としては、ＩｎＰ、ＡｌＰ、ＧａＰおよびこれらの混晶から選ばれた材料からなる層を用いることができる。
【００２４】
上記Ｐを一成分元素として含むアンドープの化合物半導体層以外の上記バリア層としては、Ａ１ＡｓおよびＩｎＡｓの混晶（ＩｎＡｌＡｓ）の層を用いることができ、このような層を、上記Ｐを一成分元素として含むアンドープの化合物半導体層の上に形成すればよい。
【００２５】
上記炭素を不純物とするプレーナドープ層は、トリメチルフォスフィン、トリエチルアルシン、ターシャリブチルアルシン、炭素を成分元素とするハロゲン化物（ＣＢｒ４等）およびカーボンから選択された材料を用いて形成することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２７】
実施例１
図１は、本発明の電界効果型トランジスタの断面構造の一例を示す図である。図１において、ＩｎＰからなる基板１０１上に、アンドープのＩｎＡｌＡｓからなるバッファー層１０２が形成され、その上にアンドープのＩｎＧａＡｓからなるチャネル層１０３が形成されている。
【００２８】
上記チャネル層１０３の上には、アンドープのＩｎＡｌＡｓからなるスペーサ層１０４、アンドープのＩｎＰからなるスペーサ層１０５、炭素によるプレーナドープ層１０６、アンドープのＩｎＰからなるショットキー接合形成層１０７およびアンドープのＩｎＡｌＡｓからなるショットキー接合形成層１０８が形成されている。
【００２９】
上記ＩｎＡｌＡｓからなるショットキー接合形成層１０８の所定部分上には、当該ショットキー接合形成層１０８とショットキー接合して、ゲート電極１１０が形成されている。また、上記ショットキー接合形成層１０８の他の部分上には、Ｓｉがバルクドープされたｎ−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１０９が形成され、当該コンタクト層１０９上には、上記ゲート電極１１０から所定の間隔を介して、ソース電極１１１とドレイン電極１１２が、それぞれ上記コンタクト層１０９とオーミック接合して形成されている。そのため、これらソース電極１１１およびドレイン電極１１２は、上記コンタクト層１０９を介して、上記ショットキー接合形成層１０８とオーミック接合されている。上記ゲート電極１１０としては、たとえばＷＳｉなどの金属膜を用いることができ、ソース電極１１１およびドレイン電極１１２としては、たとえばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕなどの積層膜を使用することができる。
【００３０】
本実施例において、上記ＩｎＰ基板１０１上に積層して形成されたバッファ層１０２、チャネル層１０３、スペーサ層１０４、１０５、ショットキー接合形成層１０７、１０８およびコンタクト層１０９は、いずれもＭＯＰＶＥによって成長させて形成した。ＭＯＰＶＥにおけるＶ族元素ＡｓおよびＰの原料には、水素化物ガスであるアルシン（ＡｓＨ３）およびフォスフィン（ＰＨ３）を、ＩＩ１族元素Ｉｎ、ＡｌおよびＧａの原料には、有機金属ガスであるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およびトリエチルガリウム（ＴＥＧ）をそれぞれ用いた。炭素のプレーナドープは、トリメチルフォスフィン（ＴＭＰ）の水素によるバブリングによって行い、また、コンタクト層１０９の形成の際におけるＳｉのバルクドープは、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を用いて行った。
【００３１】
次に、本実施例において、上記炭素プレーナドープ層１０６の形成の際に用いた炭素のプレーナドープ法について説明する。図３は炭素のプレーナドープにおける各原料ガスの供給シーケンスを示している。図３において、（ａ）はＰの供給ガスであるＰＨ３の供給状態、（ｂ）はインジウムを供給するためのＴＭＩの供給状態、（ｃ）は炭素のドーピング源であるＴＭＰの供給状態を、それぞれ示している。
【００３２】
まず、ＰＨ３およびＴＭＩを所定時間供給して、ＩｎＰスペーサ層１０５を形成した後、時間Ｔ１だけＰＨ３およびＴＭＩを成長炉からパージした。次に時間Ｔ２だけＴＭＰを水素によってバブリングして、炭素プレーナドープ層１０６を形成し、さらに時間Ｔ３だけＴＭＰのパージを行った後、再びＰＨ３およびＴＭＩを供給して、ＩｎＰショットキー接合形成層１０７を形成した。
【００３３】
プレーナドープする炭素の濃度は、ＴＭＰを供給する時間（Ｔ２）、またはＴＭＰをバブリングする際における水素流量を変化させることによって調整した。Ｔ１およびＴ３は、成長炉中の残留ガスを除去するためのパージ時間である。本実施例では、パージ時間Ｔ１およびＴ３を３秒、ＴＭＰの供給時間Ｔ２を１０秒で固定し、ＴＭＰのバブリング水素流の流量を変化させた。
【００３４】
シートキャリア濃度のＴＭＰバブリング水素流量依存性を、ホール効果測定によって求め、図４に示す結果が得られた。図４から明らかなように、バブリング水素流量を変化させることによって、シートキャリア濃度を高い精度で制御し、変化させることができた。また、図４に示したシートキャリア濃度では、いずれも極めて良好な素子特性が得られることが確認された。
【００３５】
さらに、図１に示した本発明、および図２に示した従来のヘテロ接合型電界効果トランジスタの熱的安定性を比較した。チャネル層からプレーナドープ層までのスペー層の厚さは同一とした。また、熱的安定性の評価は、作製したサンプルを高温で３０分アニールした後、ホール効果測定を行ってその移動度の変化を調べることで行った。アニールは、サンプル表面からのＡｓ脱離によってサンプル表面が劣化しないように、ＡｓＨ３雰囲気中で行った。
【００３６】
このようにして測定した、アニール温度による移動度の変化を図５にを示した。図５において（ａ）は本発明、（ｂ）は従来技術の結果をそれぞれ示す。まず、アニールを行わないとき（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）のサンプルの移動度は、従来技術のものが約８０００ｃｍ２／ｖｓであるのに対して、本発明では約１２０００ｃｍ２／ｖｓであり、著しく大きな値が得られた。また、温度５５０℃以上のアニールを行うと、従来構造の場合は移動度が著しく低下したのに対し、本発明では６５０℃のアニールを行っても移動度の低下は認められなかった。
【００３７】
このようなａｓ−ｇｒｏｗｎの状態における移動度が高いこと、およびアニールによっても移動度が低下しないという本発明の特長は、プレーナドープされた炭素の深さ方向における分布が、従来技術と比較してはるかに急峻であり、かつ、熱的にも安定であることを示している。
【００３８】
なお、本実施例では各層の形成にＭＯＶＰＥを用い、Ｐ系材料としてＩｎＰを用いたが、ＭＢＥやＭＯＭＢＥなど、他の成長法を用いることができる。炭素のプレーナドープが行われるスペーサー層１０５も、ＩｎＰのみではなく、ＧａＰやＡｌＰ、またはこれらの混晶を用いても同様の効果が得られた。また、炭素のプレーナドープ原料には、ＴＭＰの他、トリエチルアルシン（ＴＥＰ）、ターシャリブチルアルシン（ＴＢＰ）、炭素を含むハロゲン化物（ＣＢｒ４等）若しくはカーボンを使用することができる。
【００３９】
【発明の効果】
上記説明から明らかなように、本発明によれば、プレーナドープされた不純物である炭素の拡散は効果的に抑制され、深さ方向における炭素の分布がきわめて急峻で熱的にも安定なプレーナドープ層が形成された。その結果、設計値通りのデバイス特性を得ることが可能となり、ヘテロ接合型電界効果トランジスタのさらなる高速化が実現された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヘテロ接合型電界効果トランジスタの一例を示す断面図。
【図２】従来のヘテロ接合型電界効果トランジスタを説明するための断面図。
【図３】炭素のプレーナドープ時における原料ガスの供給シーケンスの一例を示す図。
【図４】シートキャリア濃度のＴＭＰ水素バブリング流量依存性の一例を示す図。
【図５】本発明および従来構造における熱的安定性を比較した図。
【符号の説明】
１０１…ＩｎＰ基板、１０２…ＩｎＡｌＡｓバツフアー層、１０３…ＩｎＧａＡｓチャネル層、１０４…ＩｎＡｌＡｓスペ−サ層、１０５…ＩｎＰスペーサ層、１０６…炭素プレーナドープ層、１０７…ＩｎＰショットキー接合形成層、１０８…ＩｎＡｌＡｓショットキー接合形成層、１０９…ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、１１０…ゲート電極、１１１…ソース電極、１１２…ドレイン電極、２０１…ＩｎＰ基板、２０２…ＩｎＡｌＡｓバッファー層、２０３…ＩｎＧａＡｓチャネル層、２０４…ＩｎＡｌＡｓスペーサー層、２０５…Ｓｉプレーナドープ層、２０６…ＩｎＡｌＡｓショットキー接合形成層、２０７…ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、２０８…ゲート電極、２０９…ソース電極、２１０…ドレイン電極。
【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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