(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャネル層及びこのチャネル層に比して電子親和力の小なる半導体層で形成されるヘテロ接合を備え、前記電子親和力の小なる半導体層の全部若しくは一部をｎ形のドープ層として形成すると共に、前記ドープ層から前記チャネル層にキャリアとしての電子を供給する半導体装置において、
前記ドープ層への不純物ドープ量を小なる値から大なる値に変化させた場合に、基板シート抵抗の変化が比較的急峻となる領域における前記基板シート抵抗の実測値から第１の抵抗値変化線を得る第１ステップと、
前記ドープ層への不純物ドープ量を小なる値から大なる値に変化させた場合に、基板シート抵抗の変化が比較的緩慢となる領域における前記基板シート抵抗の実測値から第２の抵抗値変化線を得る第２ステップと、
前記第１及び第２の抵抗値変化線とから得られる交点を余剰キャリア発生点として特定し、前記不純物ドープ量を、前記余剰キャリア発生点未満に決定する第３ステップとを備えたことを特徴とする半導体装置の不純物ドープ量決定方法。
【請求項２】
前記第１及び第２ステップは、前記第１及び第２の抵抗値変化線を直線近似によって得ることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の不純物ドープ量決定方法。
【請求項３】
チャネル層及びこのチャネル層に比して電子親和力の小なる半導体層で形成されるヘテロ接合を備え、前記電子親和力の小なる半導体層の全部若しくは一部をｎ形のドープ層として形成すると共に、前記ドープ層から前記チャネル層にキャリアとしての電子を供給する半導体装置において、
前記ドープ層の膜厚を小なる値から大なる値に変化させた場合に、基板シート抵抗の変化が比較的急峻となる領域における前記基板シート抵抗の実測値から第１の抵抗値変化線を得る第１ステップと、
前記ドープ層の膜厚を小なる値から大なる値に変化させた場合に、基板シート抵抗の変化が比較的緩慢となる領域における前記基板シート抵抗の実測値から第２の抵抗値変化線を得る第２ステップと、
前記第１及び第２の抵抗値変化線の交点を余剰キャリア発生点として特定し、前記ドープ層の膜厚を、前記余剰キャリア発生点未満に決定する第３ステップとを備えたことを特徴とする半導体装置のドープ層の膜厚決定方法。
【請求項４】
前記第１及び第２ステップは、前記第１及び第２の抵抗値変化線を直線近似によって得ることを特徴とする請求項３記載の半導体装置のドープ層の膜厚決定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チャネル層及びこのチャネル層に比して電子親和力の小なる半導体層で形成されるヘテロ接合を備えた半導体装置の不純物ドープ量決定方法、並びに半導体装置のドープ層の膜厚決定方法に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
ヘテロ接合形の電界効果トランジスタである高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor;以下、ＨＥＭＴと称す）は、電子親和力の大なるチャネル層を形成すると共に、このチャネル層に比して電子親和力の小さい半導体層をｎ型の不純物ドープ層として形成することでヘテロ接合をなす膜構造を有している。
【０００３】
そして、ドープ層からチャネル層にキャリアたる電子が供給され、供給された電子は、チャネル層を移動（走行）するようになっている。このように、キャリアを供給するドープ層とキャリアが走行するチャネル層とを分離することによって、チャネル層における不純物散乱による移動度低下を防止し、より高い周波数領域での動作を可能にしている。
【０００４】
斯様な構造のＨＥＭＴでは、電子親和力の小さなドープ層に不純物をドープすると、そこで発生したキャリア電子は電子親和力が大きなチャネル層に蓄積されるようになる。従って、チャネル層の潜在的なキャリア濃度を低減し、より電子親和力が大きく、バンドギャップが大きく、電子の有効質量が小である材料を選定することによって、より高速での動作が可能となる。
【０００５】
また、ＨＥＭＴの利得などの性能を向上させるためには、例えば、特開平３−２２７５３３号公報に開示されているように、ドープ層からチャネル層へできるだけ多くのキャリアを供給して蓄積させることが重要である。しかし、ドープ層に不純物を過剰にドープすると、キャリアがチャネル層から溢れてしまい、溢れたキャリアはドープ層近傍に余剰キャリアとして存在してしまう。本来は、完全に空乏化しているべきゲート−チャネル層間に斯様な余剰キャリアが存在すると、余剰キャリアを介して流れるゲートリーク電流が増加することになる。
【０００６】
従って、やみくもにドープ量を増やすだけではＨＥＭＴの性能を向上させることはできず、余剰キャリアが発生しないようにドープ量を適切に制御する必要がある。しかしながら、そのような制御手法は明らかとなっていない。
【０００７】
ところで、ＨＥＭＴには、リセスゲート構造を用いることが一般に行われている。リセスゲート構造は、ソース及びドレイン電極を、不純物が高濃度にドープされた同電層であるオーミックコンタクト層にオーミック接触させ、また、ゲート電極の形成部分は、オーミックコンタクト層をエッチングなどにより除去して、下層にあるキャリア濃度の低いショットキーコンタクト層を露出させ、その表面にゲート電極をショットキー接触させるものである。
【０００８】
斯様に構成することによって、ソース及びドレイン電極におけるコンタクト抵抗の低減を図ると共に、低抵抗のオーミックコンタクト層をゲート電極の近傍まで接近させることができ、ゲート電極−ソース，ドレイン電極間の半導体層の直列抵抗を低減することができる。
【０００９】
リセスゲート構造を有するＨＥＭＴにおいては、キャリアは、チャネル層及びオーミックコンタクト層を走行する。加えて、ドープ量がある程度以上になった場合には、ドープ層近傍にもキャリア走行層が形成される。従って、３つのキャリア走行層が存在するため、ドープ量を、余剰キャリアが発生しないような適切な値に制御することは一層困難となる。
【００１０】
例えば、ドープ層に対する不純物ドープ量を変数として、実際にＨＥＭＴを作成することにより最適化を図ることも考えられるが、この場合には、余剰キャリア以外にも、ゲート耐圧に影響を及ぼす作成工程上の問題などが介在するため、最適化を図ることは困難である。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、余剰キャリアの発生を防止した上で、性能の向上を最大限に図ることができる半導体装置の不純物ドープ量決定方法並びに半導体装置のドープ層の膜厚決定方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
請求項１記載の半導体装置の不純物ドープ量決定方法及び請求項３記載の半導体装置のドープ層の膜厚決定方法によれば、ドープ層への不純物ドープ量（請求項１）またはドープ層の膜厚（請求項３）を小なる値から大なる値に変化させた場合に、基板シート抵抗の変化が比較的急峻となる領域における基板シート抵抗の実測値から得られた抵抗値変化線と、基板シート抵抗の変化が比較的緩慢となる領域における基板シート抵抗の実測値から得られた抵抗値変化線とから得られる交点を余剰キャリア発生点として特定し、ドープ層への不純物ドープ量（請求項１）またはドープ層の膜厚（請求項３）を、その余剰キャリア発生点未満に設定する。
【００１７】
即ち、ドープ層への不純物ドープ量（請求項１）またはドープ層の膜厚（請求項３）を変化させた場合に、基板シート抵抗の変化が比較的急峻となる領域と比較的緩慢となる領域とにおいて得た実測値から回帰分析を行い、各領域における抵抗値変化線を夫々得る。そして、それらの抵抗値変化線から交点を得ることにより、基板シート抵抗の変化傾向が変わる臨界点を、余剰キャリア発生点として妥当に求めることができる。従って、キャリア濃度を余剰キャリア発生点未満にすることによって、確実に適切な値に設定することができる。
【００１８】
請求項２記載の半導体装置の不純物ドープ量決定方法及び請求項４記載の半導体装置のドープ層の膜厚決定方法によれば、抵抗値変化線を直線近似によって得るので、各領域において最低２点ずつ実測値を得ることによって、簡易に余剰キャリア発生点を特定することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１実施例）
以下、本発明の第１実施例について図１及び図２を参照して説明する。図１は、本発明の膜構造の断面を模式的に示すものである。この図１において、半絶縁性のＩｎＰ基板１の上に、膜厚１００ｎｍの不純物がドープされていないｉ形のＩｎＡｌＡｓで構成されるバッファ層２，膜厚２０ｎｍのｉ形のＩｎＧａＡｓで構成されるチャネル層３，膜厚５ｎｍのｉ形のＩｎＡｌＡｓで構成されるスペーサ層４，膜厚８ｎｍのｎ形不純物がドープされたＩｎＡｌＡｓで構成されるドープ層５，膜厚１０ｎｍのｉ形のＩｎＡｌＡｓで構成されるショットキーコンタクト層６，膜厚２０ｎｍのｎ形不純物がドープされたＩｎＧａＡｓで構成されるオーミックコンタクト層７を順次エピタキシャル成長させて形成し、ＨＥＭＴ基板（半導体装置）８を構成したものである。
【００２０】
ここで、ＩｎＰ基板１に格子整合させるため、ＩｎＡｌＡｓで構成される各層２，４，５及び６の組成はＩｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓであり、オーミックコンタクト層７の組成はＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓである。また、チャネル層３は、膜厚１６ｎｍのノンドープＩｎ０．８Ｇａ０．２Ａｓからなる第１チャネル層３ａ及び膜厚４ｎｍのＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓからなる第２チャネル層３ｂで構成された２層構造となっている。尚、オーミックコンタクト層７は、ソース及びドレイン電極を低抵抗でオーミック接触させるために設けられている。
【００２１】
図２は、本発明の発明者らが行った実測結果を示すもので、ドープ層５の不純物ドープ濃度を、５．０×１０１８ｃｍ−３から１．４×１０１９ｃｍ−３までの範囲で複数のドープ濃度を選んで変化させて作成したサンプルの、ＨＥＭＴ基板８のシート抵抗（単位：Ω／□）の変化を示すものである。この図２を参照すると、ＨＥＭＴ基板８のシート抵抗の変化の傾向は、大別して、変化が比較的急峻な領域Ａと変化が比較的緩慢な領域Ｂとに分けることができる。
【００２２】
領域Ａは、チャネル層３に蓄積されるキャリア電子が飽和しない領域であり、ドープ層５の不純物ドープ濃度が増加した分だけチャネル層３に蓄積されるキャリア電子は増えるので、ＨＥＭＴ基板８のシート抵抗は比較的急峻に低下する。一方、領域Ｂは、チャネル層３に蓄積されるキャリア電子が略飽和した領域であり、ドープ層５の不純物ドープ濃度が増加しても、チャネル層３から溢れ出たキャリア電子がドープ層５の近傍に余剰キャリアとなって滞留するだけで、シート抵抗の低下には殆ど寄与しない。従って、ＨＥＭＴ基板８のシート抵抗は比較的緩慢に低下する。
【００２３】
故に、領域Ａから領域Ｂに移行する臨界点を、余剰キャリアが発生し始める点、即ち、余剰キャリア発生点と推定することができる。従って、ドープ層５に対する不純物ドープ量を、基板シート抵抗の変化が比較的緩慢となる領域に至る臨界値（即ち、余剰キャリア発生点）未満に設定することによって、余剰キャリアの発生を防止することができると考えられる。しかし、この余剰キャリア発生点を特定するために、ドープ層５の不純物ドープ濃度を僅かずつ変化させたＨＥＭＴ基板８を一々作成してシート抵抗を実測するのは、実際には困難である。
【００２４】
そこで、領域Ａ及びＢにおいて得られた数点の測定点から、図２に示すように夫々の領域において直線近似を行い、抵抗値変化線Ｌ１及びＬ２を求める（第１及び第２ステップ）。そして、抵抗値変化線Ｌ１及びＬ２の交点を、余剰キャリア発生点として特定する（第３ステップ）。この場合余剰キャリア発生点は、不純物ドープ量が７．５×１０１８ｃｍ−３である点として特定される。
【００２５】
尚、上述のように、直線近似で臨界値を推定できる理由は以下のとおりである。即ち、領域Ａ及び領域Ｂの夫々においては、ドープ量に対するシート抵抗の変化の傾向が略直線的に変化していることが発明者らの理論的な計算結果から得られているからである。つまり、この様に各領域Ａ，Ｂにおいて、直線近似を行うことによって臨界値を推定できることが認識されたので、直線の傾きを特定するためのポイントとして、最低２つのドープ量を設定した場合のシート抵抗を測定することで足りるのである。
【００２６】
従って、ドープ層５に対する不純物ドープ量を、７．５×１０１８ｃｍ−３未満に設定することによって、余剰キャリアが発生することなく、ゲートリーク電流の増加を防止した上で、チャネル層３に蓄積されるキャリア電子の濃度を略最大にすることができる。
【００２７】
以上のように本実施例によれば、ドープ層５への不純物ドープ量を小なる値から大なる値に変化させた場合に、基板シート抵抗の変化が比較的急峻となる領域Ａにおける基板シート抵抗の実測値から直線近似によって得た抵抗値変化線Ｌ１と、基板シート抵抗の変化が比較的緩慢となる領域Ｂにおける基板シート抵抗の実測値から直線近似によって得た抵抗値変化線Ｌ２とから得られる交点を余剰キャリア発生点として特定し、ドープ層５への不純物ドープ量を、その余剰キャリア発生点未満に設定した。
【００２８】
従って、ＨＥＭＴ基板８のシート抵抗の変化傾向が変わる臨界点を、余剰キャリア発生点として簡単且つ妥当に求めることができる。そして、ドープ層５を、チャネル層３から溢れる余剰キャリアの発生を防止するように形成し得て、且つ、ＨＥＭＴの利得を略最大に設定することができる。
【００２９】
（第２実施例）
図３及び図４は本発明の第２実施例を示すものであり、第１実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。図３に示すように、第２実施例におけるＨＥＭＴ基板（半導体装置）９は、第１実施例のＨＥＭＴ基板８におけるドープ層５をｎ形不純物がドープされたＩｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓで構成されるプレーナドープ層１０に置き換えたものであり、その他の層構造は第１実施例と同様である。
【００３０】
図４は、本発明の発明者らが行った、プレーナドープ層１０の不純物ドープ濃度を４．０×１０１２ｃｍ−２から１．４×１０１３ｃｍ−２まで変化させた場合の、ＨＥＭＴ基板９のシート抵抗（単位：Ω／□）の変化を実測した結果を示すものである。この図４を参照すると、ＨＥＭＴ基板９のシート抵抗の変化の傾向は、第１実施例の場合と同様に、大別して変化が比較的急峻な領域Ａ′と変化が比較的緩慢な領域Ｂ′とに分けられる。
【００３１】
そこで、第１実施例と同様の手法により、領域Ａ′及びＢ′において得られた数点の測定点から夫々の領域において直線近似を行い、抵抗値変化線Ｌ１′及びＬ２′を求め（第１及び第２ステップ）、抵抗値変化線Ｌ１′及びＬ２′の交点を余剰キャリア発生点として特定する（第３ステップ）。この場合余剰キャリア発生点は、不純物ドープ量が６．５×１０１２ｃｍ−２である点として特定される。  従って、プレーナドープ層１０に対する不純物ドープ量を、６．５×１０１２ｃｍ−２未満に設定することによって、余剰キャリアが発生することなく、ゲートリーク電流の増加を防止した上で、チャネル層３に蓄積されるキャリア電子の濃度を略最大にすることができる。
【００３２】
以上のように第２実施例によれば、プレーナドープ層１０を有するＨＥＭＴ基板９についても、第１実施例と同様の手法によって余剰キャリア発生点を特定し、プレーナドープ層１０への不純物ドープ量を、その余剰キャリア発生点未満に設定した。従って、ＨＥＭＴ基板９についても、第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３３】
本発明は上記し且つ図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
所定膜厚のドープ層５の不純物ドープ濃度を変化させる代わりに、同様の効果を得る方法として、不純物ドープ濃度を所定の値に固定して、ドープ層５の膜厚を最適な膜厚となるように設定することができる。これは、ドープ層５の膜厚を変化させて第１実施例と同様の測定を行い、その結果に対して同様の手法を適用して余剰キャリアの発生点を特定することで得られる。即ち、ドープ層５の膜厚を増減させることは、チャネル層３へのキャリア供給量を増減させることになるので、ドープ層５の膜厚を変化させた場合でも、基板シート抵抗の変化は第１実施例と略同様の傾向を示すからである。
【００３４】
抵抗値変化線は、直線近似することで理論的な臨界値にほぼ近い値を得られるが、データ数を多く取得することができ、且つ、実際に作成する半導体装置の層構造をシミュレーションした結果から、曲線近似することにより正確な結果が得られると思われる場合は曲線近似を行っても良い。例えば、領域Ａ，Ｂ夫々において各３点ずつの実測値を得て、２次曲線近似した抵抗値変化線Ｃ１，Ｃ２を描き、両者の交点から余剰キャリア発生点を特定することができる。また、３次以上の曲線近似を行っても良い。
オーミックコンタクト層７は、必要に応じて設ければ良い。オーミックコンタクト層７を有しない半導体装置の場合には、基板シート抵抗値は、例えば図２に示す抵抗値変化線Ｌ１及びＬ２が高抵抗側に平行移動することが分かっているので、同様に適用が可能である。
【００３５】
リセスゲート構造を有する半導体装置に適用しても良い。その場合は、オーミックコンタクト層７に対してリセスエッチングが施されるため、ＨＥＭＴ基板にオーミックコンタクト層７を形成せず、また、その下層にあるショットキーコンタクト層６を、リセスエッチング後の膜減りを考慮した厚さに形成することにより、第１及び第２実施例と同様の手法を適用して余剰キャリアの発生点を特定することができる。そして、リセスゲート構造を有する半導体装置では、前述したように、３つのキャリア走行層が存在するためドープ量を余剰キャリアが発生しないような適切な値に制御することは一層困難であり、従って、第１及び第２実施例と同様の手法を有効に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例における半導体装置の膜構造を模式的に示す断面図
【図２】ドープ層の不純物ドープ濃度を変化させた場合の、ＨＥＭＴ基板のシート抵抗の変化を実測した結果を示す図
【図３】本発明の第２実施例を示す図１相当図
【図４】ドープ層をプレーナドープ層に置き換えた場合の図２相当図
【符号の説明】
３はチャネル層、５はドープ層、７はオーミックコンタクト層、８及び９はＨＥＭＴ基板（半導体装置）、１０はプレーナドープ層を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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