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JP3952383B2 - Compound field effect semiconductor device - Google Patents

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JP3952383B2
JP3952383B2 JP2002145605A JP2002145605A JP3952383B2 JP 3952383 B2 JP3952383 B2 JP 3952383B2 JP 2002145605 A JP2002145605 A JP 2002145605A JP 2002145605 A JP2002145605 A JP 2002145605A JP 3952383 B2 JP3952383 B2 JP 3952383B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界或いは電流の集中に起因して発生する衝突イオン化を抑止できるようにして素子が破壊されることを防止し、信頼性を向上した化合物電界効果半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
化合物半導体を材料とする例えばHEMT(high electron mobility transistor)などの電界効果トランジスタに於いては、高速動作化する為、チャネル材料にInGaAs、InAs、InSb等の狭エネルギ・バンド・ギャップ材料が用いられている。
【0003】
また、オーミック・コンタクト電極が形成されるキャップ層には、格子定数がInGaAs、InAs、InSb等に近く、且つ、低接触抵抗が得られる高濃度ドーピングInGaAsやInAlAsが用いられていて、これ等の材料を半導体層中に含む電界効果トランジスタ作製用半導体層積層構造に於いては、素子間分離をイオン注入に依って行うことは困難であるところから、活性部分をメサ化することで素子間分離を実現している。
【0004】
図13はメサに依って素子間分離した従来の電界効果トランジスタを表す要部説明図であり、(A)は要部切断側面、(B)は要部切断平面をそれぞれ示している。尚、(A)の要部切断側面は、(B)に見られる線X−Xに沿って切断した側面である。
【0005】
図に於いて、1は基板、2はバッファ層、3はチャネル層、4は電子供給層、5はキャップ層、5Gはゲート・リセス、6Sはソース側ノン・アロイ・オーミック電極、6Dはドレイン側ノン・アロイ・オーミック電極、7はゲート電極、8Aは電界集中部分をそれぞれ示している。
【0006】
図示の電界効果トランジスタに於けるオーミック電極6S及び6Dは、良好な接触抵抗を実現する為に高濃度ドーピングしたキャップ層5上にノンアロイで形成されている。
【0007】
ノン・アロイ・オーミック電極構造は、例えばJounal of Vac.Sci.Technol.B13(5)1995 p.2092、JJAP Vol35(1996)p.5642に開示されている。
【0008】
図示の電界効果トランジスタに於いて、チャネル層3の材料にInGaAs、InAs、InSb等の狭エネルギ・バンド・ギャップ材料を用いた場合、チャネル材料の衝突イオン化率が大きい為、素子動作時にチャネルに流れる電流に依って衝突イオン化が起こり、発生した正孔が過剰にゲート電極に流れ込む際、素子を破壊してしまう旨の問題がある。
【0009】
この衝突イオン化は素子内で電界や電流が集中する箇所で起こる為、その箇所に於ける電界或いは電流の集中を緩和することができれば、衝突イオン化は抑制され、素子の信頼性は向上する。
【0010】
また、前記したInGaAs、InAs、InSb等の狭エネルギ・バンド・ギャップ材料からなる半導体層、及び、InAlAs、InAlP等の半導体層のヘテロ接合をもつ素子に於いては、ノン・アロイのオーミック電極構造を形成すると素子内に電流集中部分が生成され、衝突イオン化が大きくなってしまう。
【0011】
そこで、オーミック電極構造を異なる構造に変えることで、素子内の電界や電流の集中を緩和し、衝突イオン化を抑制することが考えられるのであるが、従来から知られているオーミック電極構造のなかで、前記衝突イオン化抑制効果があるのではないかと思われるものとして、トランジスタのソース抵抗を低減する目的で用いられているアロイ・オーミック構造及びリセス・オーミック構造が期待される。
【0012】
アロイ・オーミック構造については、例えばJournal of Vac.Sci.Technol.B13(1)1995 p.163、特開平10−107259号公報、特開平10−107261号公報、特開平5−29353号公報などに開示がある。
【0013】
GaAsに対する一般的なオーミック電極として、Au系やAuGe系の材料を用い、電極形成後にアロイすることで半導体とのオーミック・コンタクトを得る方法があり、この方法をInGaAsに対するオーミック電極の形成に応用する。
【0014】
図14は従来のアロイ・オーミック電極構造を説明する為の電界効果半導体装置の要部説明図であり、(A)は要部切断側面を、また、(B)は要部切断平面をそれぞれ示し、図13に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0015】
図に於いて、9Sはソース側アロイ・オーミック電極、9Dはドレイン側アロイ・オーミック電極をそれぞれ示している。
【0016】
図14に表された電界効果半導体装置は、図13について説明した電界効果半導体装置に於けるノン・アロイ・オーミック電極をアロイ・オーミック電極に置き換えたところが異なっている。
【0017】
リセス・オーミック構造については、例えば特開平6−124965号公報に開示がある。
【0018】
図15は従来のリセス・オーミック電極構造を説明する為の電界効果半導体装置を表す要部切断側面図であり、図13及び図14に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0019】
図に於いて、4S及び4Dはキャップ層5の表面からチャネル層3の表面に達するオーミック電極形成用リセスであり、そのリセス4S内にソース側ノン・アロイ・オーミック電極6Sが、リセス4D内にドレイン側ノン・アロイ・オーミック電極6Dが形成される。
【0020】
また、素子内の衝突イオン化を低減させる為、電界強度を緩和する構造として非対称リセス構造が知られ、特開平5−218090号公報に開示されている。
【0021】
図16は従来の非対称リセス構造を説明する為の電界効果半導体装置を表す要部説明図であり、(A)は要部切断側面を、また、(B)は要部切断平面をそれぞれ示し、図13乃至図15に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0022】
非対称リセス構造は、図16から明らかなように、ソース・ゲート間に対してゲート・ドレイン間のリセス長が大きくなっている点に特徴があり、その非対称リセス構造の代表的な製造方法としては、リセス5Gを形成した後、ゲート電極7をソース側に偏位して形成する。
【0023】
以上列挙説明した従来の電界効果半導体装置のうち、ノン・アロイ・オーミック電極構造をもつ電界効果半導体装置について、素子破壊が発生する現象を詳細に解析してあるので説明する。
【0024】
図13について説明したノン・アロイ・オーミック電極構造に於いては、電界集中部分8Aとして表示してあるように、ゲート幅方向のオーミック電極端部で素子動作時に電界と電流の集中が起こり、その部分で素子破壊が起こる旨の問題がある。
【0025】
図17はノン・アロイ・オーミック電極構造をもつ電界効果半導体装置に於いて素子破壊が発生する過程を詳細に説明する為の電界効果半導体装置を表す要部切断側面図であり、図13に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0026】
図示の電界効果半導体装置は、InGaAs、InAs、InSb等の狭エネルギ・バンド・ギャップ半導体層、及び、InAlAs、InAlP等の半導体層からなるヘテロ接合をもち、そのヘテロ接合界面の内部抵抗は大きい。
【0027】
ソース側ノン・アロイ・オーミック電極6Sからキャップ層5に注入された電流はキャップ層5中を通ってゲート・リセス5Gのソース側の際でチャネル層3に流れ込み、チャネル層3中を通ってゲート・リセス5Gのドレイン側の際に達するとキャップ層5中へと流れ出る経路をたどる。
【0028】
そのような経路をたどる電流がチャネル層3からキャップ層5中へと流れ出る際、即ち、ゲート・リセス5Gのドレイン側の際を縦方向に流れる箇所に電流集中部分8Bが発生し、従って、図13について説明した電界集中部分8Aと一致することになり、従って、素子動作時にチャネルに流れる電流に依って衝突イオン化が起こり、発生した正孔が過剰にゲート電極7に流れ込んで素子が破壊されるのである。
【0029】
ここで、従来から知られている電極構造のうち、先に挙げたように素子内の電界や電流の集中を緩和して衝突イオンを抑制できるであろうと期待されているアロイ・オーミック電極構造、リセス・オーミック電極構造、非対称リセス構造について更に詳細に説明する。
【0030】
図14について説明したアロイ・オーミック電極構造もゲート幅方向のアロイ・オーミック電極9S及び9D端部に電界集中部分8Aが存在する。また、アロイ化する為には、キャップ層5上から熱処理を加えることで電極材料と半導体とを反応させ、アロイ・オーミック電極9S及び9Dの先端がチャネル層3に届くようにしている。
【0031】
然しながら、前記熱処理の際、半導体層がInを含むInGaAsやInAlAsである場合、AuGeやAuなどのAu系材料がInと過剰に熱反応して接触抵抗が上昇してしまう為、不都合な電流経路が生成される。
【0032】
図18は電極構造に依存して生じる電流経路を説明する為の電界効果半導体装置を表す要部切断側面図であり、(A)はアロイ・オーミック電極構造の場合、(B)はリセス・オーミック電極構造の場合をそれぞれ示し、図13乃至図17に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか又は同じ意味を持つものとする。
【0033】
図18(A)に見られるように、アロイ・オーミック電極構造の場合、素子内の電流について、アロイ・オーミック電極9Sからキャップ層5や電子供給層4に流れ込む経路は存在せず、アロイ・オーミック電極9Sからチャネル層3に直接流れ込み、そのまま対向するアロイ・オーミック電極9Dへと流れてゆく経路を採り、その際、チャネル層3のゲート・ドレイン間には電流集中部分8Bが生成される。
【0034】
従って、この場合も電流集中部分8Bと図14(B)に示した電界集中部分8Aとは一致することになり、従って、素子動作時にチャネルに流れる電流に依って衝突イオン化が起こり、発生した正孔が過剰にゲート電極7に流れ込んで素子が破壊される現象が起こる。
【0035】
図18(B)に見られるように、リセス・オーミック電極構造にした場合、オーミック電極6S及び6Dがチャネル層3に直接コンタクトしている為、電流はオーミック電極6Sからチャネル層3に直接流れ込み、そのまま対向するオーミック電極6Dへと流れてゆく経路を採り、その際、チャネル層3のゲート・ドレイン間には電流集中部分8Bが生成される。
【0036】
従って、この場合も図18(A)について説明したアロイ・オーミック電極の場合と同様に電流集中部分8Bと電界集中部分8Aとが一致することになり、素子動作時にチャネルに流れる電流に依って衝突イオン化が起こり、発生した正孔が過剰にゲート電極7に流れ込んで素子が破壊される現象が起こる。
【0037】
図19は非対称リセス構造に於いて発生する電流経路を説明する為の電界効果半導体装置を表す要部切断側面図であり、図13乃至図18に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0038】
図16について説明したように、非対称リセス構造にしてもゲート幅方向のノン・アロイ・オーミック電極6S及び6D端部に電界集中部分8Aが存在し、そして、ゲート・ドレイン間の距離が大きくなっても、ヘテロ接合界面の内部抵抗が大きい為、図19に示してあるようにソース側ノン・アロイ・オーミック電極6Sからキャップ層5に注入された電流はキャップ層5中を通ってゲート・リセス5Gのソース側の際でチャネル層3に流れ込み、チャネル層3中を通ってゲート・リセス5Gのドレイン側の際に達するとキャップ層5中へと流れ出る経路をたどる。
【0039】
そのような経路をたどる電流がチャネル層3からキャップ層5中へと流れ出るとき、即ち、ゲート・リセス5Gのドレイン側の際を縦方向に流れる箇所に電流集中部分8Bが発生し、従って、図16について説明した電界集中部分8Aと一致することになり、従って、素子動作時にチャネルに流れる電流に依って衝突イオン化が起こり、発生した正孔が過剰にゲート電極7に流れ込んで素子が破壊される。
【0040】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、化合物電界効果半導体装置のオーミック電極及びリセスの構造に簡単な改変を加えることで、素子動作時にチャネルに流れる電流に依る衝突イオン化を起こり難くして素子の信頼性を向上しようとする。
【0041】
【課題を解決するための手段】
本発明に依る化合物電界効果半導体装置に於いては、ゲート幅方向の両端に生成される電界集中部分から電流集中部分をずらせる為にドレイン電極領域に於けるゲート幅方向端部のキャップ層を完全に除去して形成したオーミック・リセスと、キャップ層上に形成され且つアロイ化されたソース側オーミック電極及び該オーミック・リセス内を含めて形成され且つアロイ化されたドレイン側リセス・オーミック電極とを備えてなることが基本になっている。
【0042】
前記手段を採ることに依り、素子動作時にチャネルに流れる電流に依る衝突イオン化が起こり難くなり、素子の信頼性を向上する。
【0043】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の実施の形態1を説明する為の化合物電界効果半導体装置を表す要部切断平面図、図2は同じく要部切断側面図で(A)は図1の線X1−X1に沿う断面、(B)は図1の線X2−X2に沿う断面をそれぞれ示し、図13乃至図19に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0044】
図に於いて、11Sはソース側オーミック電極、11Dはドレイン側オーミック電極、12Dはドレイン側リセス・オーミック電極をそれぞれ示している。
【0045】
実施の形態1では、図1及び図2(A)に見られるように、ドレイン側電極領域に於けるゲート幅方向の端部にキャップ層5をエッチングに依って除去したオーミック電極形成用リセスが設けられ、その後、ソース側オーミック電極11S及びドレイン側オーミック電極11Dが形成される。
【0046】
ここで、アロイ化の熱処理を行うのであるが、そのアロイ化は、ドレイン側リセス・オーミック電極12Dが延伸してチャネル層3にコンタクトする程度に実施される。従って、ソース側オーミック電極11S及びドレイン側オーミック電極11Dの延伸はキャップ層5中に留まっている。
【0047】
図3は本発明の実施の形態2を説明する為の化合物電界効果半導体装置を表す要部切断平面図、図4は同じく要部切断側面図で(A)は図3の線X1−X1に沿う断面、(B)は図3の線X2−X2に沿う断面をそれぞれ示し、図1及び図2に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0048】
図に於いて、21Sはソース側リセス・オーミック電極、21Dはドレイン側リセス・オーミック電極、22Dはドレイン側オーミック電極をそれぞれ示している。
【0049】
実施の形態2では、図3及び図4に見られるように、ソース側電極領域の全域及びドレイン側電極領域に於けるゲート幅方向の端部を除く全域に於いてキャップ層5をエッチングに依って除去したオーミック電極形成用リセスが設けられ、その後、ソース側リセス・オーミック電極21S、ドレイン側リセス・オーミック電極21D、ドレイン側オーミック電極22Dが形成される。
【0050】
ここで、アロイ化の熱処理を行うのであるが、そのアロイ化は、ソース側リセス・オーミック電極21S及びドレイン側リセス・オーミック電極21Dが延伸してチャネル層3にコンタクトする程度に実施される。従って、ドレイン側オーミック電極22Dの延伸はキャップ層5中に留まっている。
【0051】
図5は本発明の実施の形態3を説明する為の化合物電界効果半導体装置を表す要部切断平面図であり、図1乃至図4に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0052】
図に於いて、23Sはソース側オーミック電極、23Dはドレイン側オーミック電極、25Gはゲート・リセス、26Gはゲート長方向に長さを拡大したゲート・リセスをそれぞれ示している。
【0053】
実施の形態3では、ゲート幅方向のオーミック電極端部近傍に於けるゲート・リセスのゲート長方向リセス長が他の部分のゲート長方向リセス長に比較して大きくしてある。尚、この場合のオーミック電極は、ソース側であるとドレイン側であるとに拘わらずノン・アロイ電極及びアロイ電極の何れでも良く、また、オーミック電極形成用リセスの有無は問わない。
【0054】
ところで、アロイ・オーミック電極とチャネル層との接触抵抗がヘテロ接合を乗り越える場合の抵抗に比較して大きい場合、図1及び図2について説明した実施の形態1の構造にすることで、ソース側の電流経路は、図2(A)及び(B)に見られるように、ヘテロ接合を乗り越えてチャネル層3に流入するものとなって低いソース抵抗が得られる。
【0055】
ドレイン側の電流経路は、ゲート幅方向の端部では、図2(A)に見られるように、チャネル層3を通ってドレイン側リセス・オーミック電極12Dに流れ込むものとなり、そして、ゲート幅方向の端部以外では、図2(B)に見られるように、チャネル層3からヘテロ接合を乗り越えてドレイン側オーミック電極11Dに流れ込むものとなる。
【0056】
従って、ゲート幅方向の端部に於ける素子内電流経路の方が抵抗が大きくなる為、電流量はゲート幅方向の端部以外に於ける素子内電流経路の方に比較して少なくなり、その結果、ゲート幅方向の端部に於ける電界集中部分と素子内の電流集中部分とは一致せず、素子の破壊は抑止されることになる。
【0057】
また、アロイ・オーミック電極とチャネル層との接触抵抗がヘテロ接合を乗り越える場合の抵抗に比較して小さい場合、図3及び図4について説明した実施の形態2の構造にすることで、ソース側の電流経路は、図4(A)及び(B)に見られるように、リセス・オーミック電極21Sからチャネル層3に直接流れ込むものとなるから、低いソース抵抗が得られる。
【0058】
ドレイン側の電流経路は、ゲート幅方向の端部では、図4(A)に見られるように、チャネル層3からヘテロ接合を乗り越えてドレイン側オーミック電極22Dに流れ込むものとなり、ゲート幅方向の端部以外では、図4(B)に見られるように、チャネル層3からドレイン側リセス・オーミック電極21Dに直接流れ込むこととなり、従って、ゲート幅方向の端部に於ける素子内の電流経路の方が抵抗が大きくなって、電流量はゲート幅方向の端部以外よりも少なくなり、その結果、ゲート幅方向の端部に於ける電界集中部分と素子内の電流集中部分とは一致せず、素子の破壊は抑止されることになる。
【0059】
図5について説明した実施の形態3に於いて、ゲート幅方向の端部では、ゲート・リセスのゲート長方向リセス長が他の部分のゲート長方向リセス長に比較して大きくしてあることから、ゲート幅方向の端部に於ける素子内の電流経路の抵抗値が大きくなって、電流量はゲート幅方向の端部以外に比較して少なくなり、その結果、ゲート幅方向の端部に於ける電界集中部分と素子内の電流集中部分とは一致せず、素子の破壊は抑止されることになる。
【0060】
半導体装置の製造工程例1
図6乃至図9は本発明に依る化合物電界効果半導体装置の製造工程を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図であり、以下、これ等の図を参照して説明する。尚、図1乃至図5に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0061】
図6(A)参照
(1)
MOCVD(metalorganic chemical vapourdeposition)法を適用することに依って、基板1上にバッファ層2、チャネル層3、電子供給層4、キャップ層5を成長させる。尚、ここで適用する成膜方法としては、MOCVD法の他に種々な公知の成膜方法を採ることができる。尚、電子供給層4は、実際には、スペーサ層、供給層、バリア層
層の積層体からなっている。
【0062】
各半導体部分に関する主要なデータを例示すると次の通りである。
▲1▼ 基板1
材料:InP
▲2▼ バッファ層2
材料:InAlAs
厚さ:200〔nm〕
▲3▼ チャネル層3
材料:InGaAs
厚さ:25〔nm〕
▲4▼ 電子供給層4
スペーサ層材料:i−InAlAs
厚さ:3〔nm〕
供給層材料:n−InAlAs
不純物濃度:5×1018〔cm-3
バリア層材料:i−InAlAs
▲5▼ キャップ層5
材料:n−InGaAs
厚さ:50〔nm〕
【0063】
ここで作製したウエハは、前記説明した各実施の形態に共通して用いることができ、電子供給層4を構成するi−InAlAsスペーサ層とn−InAlAs供給層の厚さが15〔nm〕と10〔nm〕である場合、図1及び図2について説明したヘテロ接合乗り越えの抵抗は0.1〔Ω・mm〕であって、アロイ・オーミック電極とチャネル層との接触抵抗である0.2〔Ω・mm〕より小さく、また、i−InAlAsスペーサ層とn−InAlAs供給層の厚さが10〔nm〕と5〔nm〕である場合、図3及び図4について説明したヘテロ接合乗り越えの抵抗は0.35〔Ω・mm〕であって、アロイ・オーミック電極とチャネル層との接触抵抗である0.2〔Ω・mm〕より大きくなる。
【0064】
(2)
図6(A)に見られるウエハを用い、活性領域のキャップ層5からバッファ層2までをメサ・エッチングして素子間分離を行う。尚、ここでは、素子間分離された部分のみを取り出して図示してある。
【0065】
以下の工程説明では、図1及び図2について説明した半導体装置を作製する場合について説明するが、他の半導体装置、例えば図3及び図4について説明した半導体装置を作製する場合に容易に応用することができる。
【0066】
図6(B)参照
(3)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、ドレイン側電極形成予定領域に於けるリセス形成予定領域に開口31Aをもつレジスト膜31を形成する。
【0067】
図7(A)参照
(4)
リン酸系、クエン酸系、コハク酸系から選択されたエッチング液を用いるウエット・エッチング法を適用することに依り、レジスト膜31をマスクとしてキャップ層5をエッチングしてオーミック電極リセス5Aを形成する。
【0068】
(5)
レジスト膜31を除去してから、新たにリソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、ソース側電極形成予定領域及びドレイン側電極形成予定領域に開口32Aをもつレジスト膜32を形成する。
【0069】
図7(B)参照
(6)
蒸着法及びリフト・オフ法を適用することに依り、Ni/AuGe/Auからなるソース側オーミック電極11S及びドレイン側オーミック電極11D及びドレイン側リセス・オーミック電極12Dを形成する。尚、ここで参照している図は、図1に於ける線X1−X1に沿う切断側面であるから、ドレイン側オーミック電極11Dは表されていない。
【0070】
図8(A)参照
(7)
電子ビーム・リソグラフィ技術を適用することに依り、ゲート・リセス形成予定領域に開口をもつレジスト膜を形成する。
【0071】
(8)
リン酸系、クエン酸系、コハク酸系から選択されたエッチング液を用いるウエット・エッチング法を適用することに依り、工程(7)で形成したレジスト膜をマスクとしてキャップ層5をエッチングしてゲート・リセス5Gを形成する。
【0072】
図8(B)参照
(9)
温度を300〔℃〕、時間を5〔分〕とする熱処理を行って、ソース側オーミック電極11S及びドレイン側オーミック電極11D及びドレイン側リセス・オーミック電極12Dと半導体とをアロイ化する。
【0073】
前記したように、電極は最下層に反応制御層であるNi層を用いたこと及び熱処理温度を300〔℃〕に抑えたことに依って、反応深さが25〔nm〕〜50〔nm〕程度であるアロイ・オーミック電極とすることができ、キャップ層5の半導体材料とAu系オーミック電極材料とが過剰に反応して接触抵抗が上昇することはない。
【0074】
尚、この場合、反応制御層の材料はNiの他にPdやTiを用いることができ、また、熱処理温度は250〔℃〕〜300〔℃〕の範囲で選択して良い。
【0075】
図9参照
(10)
電子ビーム・リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、真空蒸着法、リフト・オフ法を適用することに依り、ゲート・リセス5G内にTi/Pt/Auからなるゲート電極7を形成する。
【0076】
半導体装置の製造工程例2
図10及び図11は図5について説明した実施の形態3である半導体装置を製造する工程例を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断平面図であり、以下、これ等の図を参照して説明する。尚、図1乃至図9に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0077】
図5に見られる半導体装置を製造する場合、ソース側オーミック電極23S及びドレイン側オーミック電極23Dを形成するまでの工程は具体例1の製造工程と変わりないので省略し、その次の段階から説明する。尚、この場合のオーミック電極は、ソース側であるとドレイン側であるとに拘わらずノン・アロイ電極及びアロイ電極の何れでも良く、また、オーミック電極形成用リセスの有無は問わないことは前記した通りである。
【0078】
図10(A)参照
(1)
電子ビーム・リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、成膜したレジスト膜(図示せず)にゲート・リセス形成予定部分に対応する開口を形成する為の電子線描画を行う。
【0079】
この際、留意すべきことは、ゲート幅方向の端部には二重露光、或いは、多ドーズ量露光などゲート長方向のリセス長を拡大した開口を形成する為の描画領域33A及び通常の描画領域33について電子線描画を行うことである。
【0080】
図10(B)参照
(2)
前記のようにして露光したレジスト膜(図示せず)を現像すると、ゲート・リセス形成予定部分に開口34及びゲート長方向に拡大された開口34Aが形成される。
【0081】
(3)
エッチャントをリン酸系或いはクエン酸系或いはコハク酸系とするウエット・エッチング法を適用することに依り、開口34及び34Aを介してキャップ層5のエッチングを行ってゲート・リセス25G及び26Gを形成する。
【0082】
図11参照
(4)
ソース側オーミック電極23S及びドレイン側オーミック電極23Dがアロイ・オーミックである場合、温度300〔℃〕、時間5〔分〕のアロイ化熱処理を行う。
【0083】
(5)
電子ビーム・リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセス、真空蒸着法、
リフト・オフ法を適用することに依り、Ti/Pt/Auからなるゲート電極8を形成する。
【0084】
図12は本発明に依る電界効果半導体装置及び従来の技術に依る電界効果半導体装置に於けるゲート幅方向に沿ったリセス面からの電子正孔対の発光強度を比較して表した線図であり、横軸にゲート幅方向の長さ、縦軸に発光強度をそれぞれ採ってある。
【0085】
図に於いて、実線は本発明の電界効果半導体装置に依って得られた発光強度、破線は従来の電界効果半導体装置に依って得られた発光強度をそれぞれ示していて、これ等のデータは、本発明の電界効果半導体装置として図3及び図4について説明したものを用い、従来の電界効果半導体装置として図13について説明したものを用いて得られたものである。
【0086】
図からすると、従来の電界効果半導体装置に於けるデータでは、矢印で指示したゲート幅方向のオーミック電極端部で強い発光が見られて電流が集中しているものと認識されるが、本発明に依る電界効果半導体装置に於けるデータでは、ゲート幅方向のオーミック電極端部で電流の集中は緩和されていることが看取される。
【0087】
【発明の効果】
本発明に依る化合物電界効果半導体装置に於いては、ゲート幅方向の両端に生成される電界集中部分から電流集中部分をずらせる為にドレイン電極領域に於けるゲート幅方向端部のキャップ層を完全に除去して形成したオーミック・リセスと、キャップ層上に形成され且つアロイ化されたソース側オーミック電極及び該オーミック・リセス内を含めて形成され且つアロイ化されたドレイン側リセス・オーミック電極とを備えてなることが基本になっている。
【0088】
前記構成を採ることに依り、素子動作時にチャネルに流れる電流に依る衝突イオン化を起こり難くなり、素子の信頼性を向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1を説明する為の化合物電界効果半導体装置を表す要部切断平面図である。
【図2】本発明の実施の形態1を説明する為の化合物電界効果半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図3】本発明の実施の形態2を説明する為の化合物電界効果半導体装置を表す要部切断平面図である。
【図4】本発明の実施の形態2を説明する為の化合物電界効果半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図5】本発明の実施の形態3を説明する為の化合物電界効果半導体装置を表す要部切断平面図である。
【図6】本発明に依る化合物電界効果半導体装置の製造工程を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図7】本発明に依る化合物電界効果半導体装置の製造工程を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図8】本発明に依る化合物電界効果半導体装置の製造工程を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図9】本発明に依る化合物電界効果半導体装置の製造工程を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図10】図5について説明した実施の形態3である半導体装置を製造する工程例を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断平面図である。
【図11】図5について説明した実施の形態3である半導体装置を製造する工程例を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断平面図である。
【図12】本発明に依る電界効果半導体装置及び従来の技術に依る電界効果半導体装置に於けるゲート幅方向に沿ったリセス面からの電子正孔対の発光強度を比較して表した線図である。
【図13】メサに依って素子間分離した従来の電界効果トランジスタを表す要部説明図である。
【図14】従来のアロイ・オーミック電極構造を説明する為の電界効果半導体装置の要部説明図である。
【図15】従来のリセス・オーミック電極構造を説明する為の電界効果半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図16】従来の非対称リセス構造を説明する為の電界効果半導体装置を表す要部説明図である。
【図17】ノン・アロイ・オーミック電極構造をもつ電界効果半導体装置に於いて素子破壊が発生する過程を詳細に説明する為の電界効果半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図18】電極構造に依存して生じる電流経路を説明する為の電界効果半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図19】非対称リセス構造に於いて発生する電流経路を説明する為の電界効果半導体装置を表す要部切断側面図である。
【符号の説明】
1 基板
2 バッファ層
3 チャネル層
4 電子供給層
5 キャップ層
5G ゲート・リセス
6S ソース側ノン・アロイ・オーミック電極
6D ドレイン側ノン・アロイ・オーミック電極
7 ゲート電極
8A 電界集中部分
9S ソース側アロイ・オーミック電極
9D ドレイン側アロイ・オーミック電極
11S ソース側オーミック電極
11D ドレイン側オーミック電極
12D ドレイン側リセス・オーミック電極
21S ソース側リセス・オーミック電極
21D ドレイン側リセス・オーミック電極
22D ドレイン側オーミック電極
23S ソース側オーミック電極
23D ドレイン側オーミック電極
25G ゲート・リセス
26G ゲート長方向に長さを拡大したゲート・リセス
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a compound field effect semiconductor device that can prevent collisional ionization caused by concentration of an electric field or current to prevent the element from being destroyed and improve reliability.
[0002]
[Prior art]
In a field effect transistor such as a HEMT (high electron mobility transistor) using a compound semiconductor as a material, a narrow energy band gap material such as InGaAs, InAs, or InSb is used as a channel material in order to achieve high speed operation. ing.
[0003]
The cap layer on which the ohmic contact electrode is formed is made of high-concentration doped InGaAs or InAlAs that has a lattice constant close to InGaAs, InAs, InSb, etc., and that provides a low contact resistance. In a semiconductor layer stacked structure for producing a field effect transistor containing a material in a semiconductor layer, it is difficult to perform element isolation by ion implantation. Is realized.
[0004]
FIGS. 13A and 13B are main part explanatory views showing a conventional field effect transistor in which elements are separated by a mesa. FIG. 13A shows a main part cutting side surface, and FIG. 13B shows a main part cutting plane. In addition, the principal part side surface of (A) is a side surface cut | disconnected along line XX seen in (B).
[0005]
In the figure, 1 is a substrate, 2 is a buffer layer, 3 is a channel layer, 4 is an electron supply layer, 5 is a cap layer, 5G is a gate recess, 6S is a source-side non-alloy ohmic electrode, and 6D is a drain. Side non-alloy ohmic electrodes, 7 is a gate electrode, and 8A is an electric field concentration portion.
[0006]
The ohmic electrodes 6S and 6D in the illustrated field effect transistor are formed non-alloyed on the heavily doped cap layer 5 in order to achieve good contact resistance.
[0007]
Non-alloy ohmic electrode structures are described, for example, in Journal of Vac. Sci. Technol. B13 (5) 1995 p. 2092, JJAP Vol 35 (1996) p. 5642.
[0008]
In the illustrated field effect transistor, when a narrow energy band gap material such as InGaAs, InAs, InSb or the like is used as the material of the channel layer 3, the channel material has a high impact ionization rate, so that it flows into the channel during device operation. There is a problem that when ionization occurs due to impact current and excessive holes flow into the gate electrode, the device is destroyed.
[0009]
Since this impact ionization occurs at a location where the electric field or current is concentrated in the device, if the concentration of the electric field or current at that location can be mitigated, the impact ionization is suppressed and the reliability of the device is improved.
[0010]
In the element having a semiconductor layer made of a narrow energy band gap material such as InGaAs, InAs, or InSb and a heterojunction of a semiconductor layer such as InAlAs or InAlP, a non-alloy ohmic electrode structure is used. Forming a current-concentrated portion in the device, resulting in increased impact ionization.
[0011]
Therefore, it is conceivable to change the ohmic electrode structure to a different structure to alleviate the concentration of the electric field and current in the element and suppress the impact ionization. Among the conventionally known ohmic electrode structures, The alloy ohmic structure and the recess ohmic structure that are used for the purpose of reducing the source resistance of the transistor are expected as the impact ionization-suppressing effect.
[0012]
For the alloy ohmic structure, see, for example, Journal of Vac. Sci. Technol. B13 (1) 1995 p. 163, JP-A-10-107259, JP-A-10-107261, JP-A-5-29353, and the like.
[0013]
As a general ohmic electrode for GaAs, there is a method of obtaining an ohmic contact with a semiconductor by using an Au-based or AuGe-based material and alloying after forming the electrode, and this method is applied to the formation of an ohmic electrode for InGaAs. .
[0014]
FIGS. 14A and 14B are explanatory views of a main part of a field effect semiconductor device for explaining a conventional alloy ohmic electrode structure. FIG. 14A shows a main part cutting side surface, and FIG. 14B shows a main part cutting plane. The symbols used in FIG. 13 represent the same parts or have the same meaning.
[0015]
In the figure, 9S represents a source side alloy / ohmic electrode, and 9D represents a drain side alloy / ohmic electrode.
[0016]
The field effect semiconductor device shown in FIG. 14 is different in that the non-alloy ohmic electrode in the field effect semiconductor device described with reference to FIG. 13 is replaced with an alloy ohmic electrode.
[0017]
The recess ohmic structure is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-124965.
[0018]
FIG. 15 is a cutaway side view showing a main part of a field effect semiconductor device for explaining a conventional recess ohmic electrode structure. The same reference numerals as those used in FIG. 13 and FIG. It shall have the same meaning.
[0019]
In the figure, 4S and 4D are ohmic electrode forming recesses that reach the surface of the channel layer 3 from the surface of the cap layer 5, and the source-side non-alloy ohmic electrode 6S is formed in the recess 4D. A drain-side non-alloy ohmic electrode 6D is formed.
[0020]
Also, an asymmetric recess structure is known as a structure for relaxing the electric field strength in order to reduce impact ionization in the device, and is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-218090.
[0021]
FIG. 16 is a main part explanatory view showing a field effect semiconductor device for explaining a conventional asymmetric recess structure, (A) shows a main part cutting side surface, (B) shows a main part cutting plane, The symbols used in FIGS. 13 to 15 represent the same parts or have the same meaning.
[0022]
As is apparent from FIG. 16, the asymmetric recess structure is characterized in that the recess length between the gate and the drain is larger than that between the source and the gate. As a typical manufacturing method of the asymmetric recess structure, After the recess 5G is formed, the gate electrode 7 is formed by being shifted to the source side.
[0023]
Among the conventional field-effect semiconductor devices listed above, field-effect semiconductor devices having a non-alloy ohmic electrode structure have been analyzed because the phenomenon of element breakdown has been analyzed in detail.
[0024]
In the non-alloy ohmic electrode structure described with reference to FIG. 13, as shown as the electric field concentration portion 8A, the electric field and current are concentrated at the time of device operation at the end of the ohmic electrode in the gate width direction. There is a problem that element destruction occurs in a part.
[0025]
FIG. 17 is a cut-away side view of the principal part showing the field effect semiconductor device for explaining in detail the process in which element breakdown occurs in the field effect semiconductor device having a non-alloy ohmic electrode structure. The same symbols as those used in the above description represent the same parts or have the same meaning.
[0026]
The illustrated field effect semiconductor device has a heterojunction composed of a narrow energy band gap semiconductor layer such as InGaAs, InAs, or InSb and a semiconductor layer such as InAlAs or InAlP, and the internal resistance of the heterojunction interface is large.
[0027]
The current injected from the source-side non-alloy ohmic electrode 6S into the cap layer 5 flows through the cap layer 5 into the channel layer 3 at the source side of the gate recess 5G, and passes through the channel layer 3 to form the gate. -When reaching the drain side of the recess 5G, the path flowing out into the cap layer 5 is followed.
[0028]
When the current that follows such a path flows out from the channel layer 3 into the cap layer 5, that is, at the location where it flows in the vertical direction along the drain side of the gate recess 5G, a current concentration portion 8B is generated. Therefore, collision ionization occurs due to the current flowing through the channel during device operation, and the generated holes excessively flow into the gate electrode 7 to destroy the device. It is.
[0029]
Here, among the conventionally known electrode structures, an alloy ohmic electrode structure that is expected to be able to suppress the collision ions by relaxing the concentration of the electric field and current in the element as mentioned above, The recess ohmic electrode structure and the asymmetric recess structure will be described in more detail.
[0030]
The alloy ohmic electrode structure described with reference to FIG. 14 also has an electric field concentration portion 8A at the ends of the alloy ohmic electrodes 9S and 9D in the gate width direction. In order to alloy, the electrode material and the semiconductor are reacted by applying heat treatment from the cap layer 5 so that the tips of the alloy ohmic electrodes 9S and 9D reach the channel layer 3.
[0031]
However, during the heat treatment, if the semiconductor layer is InGaAs or InAlAs containing In, an Au-based material such as AuGe or Au excessively reacts with In to increase the contact resistance, so that an inconvenient current path Is generated.
[0032]
FIG. 18 is a cutaway side view showing a main part of a field effect semiconductor device for explaining a current path generated depending on the electrode structure. FIG. 18A shows an alloy ohmic electrode structure, and FIG. 18B shows a recess ohmic. Each of the electrode structures is shown, and the same symbols as those used in FIGS. 13 to 17 represent the same parts or have the same meaning.
[0033]
As shown in FIG. 18A, in the case of the alloy ohmic electrode structure, there is no path for the current in the element to flow from the alloy ohmic electrode 9S to the cap layer 5 or the electron supply layer 4, and the alloy ohmic contact. A path that directly flows from the electrode 9S to the channel layer 3 and flows directly to the opposing alloy ohmic electrode 9D is taken. At this time, a current concentration portion 8B is generated between the gate and drain of the channel layer 3.
[0034]
Therefore, also in this case, the current concentration portion 8B and the electric field concentration portion 8A shown in FIG. 14B coincide with each other. Therefore, collision ionization occurs due to the current flowing through the channel during the operation of the element, and the generated positive current is generated. A phenomenon occurs in which the holes excessively flow into the gate electrode 7 and the device is destroyed.
[0035]
As shown in FIG. 18B, in the case of the recess ohmic electrode structure, since the ohmic electrodes 6S and 6D are in direct contact with the channel layer 3, the current flows directly from the ohmic electrode 6S to the channel layer 3, A path that directly flows to the opposing ohmic electrode 6D is taken. At this time, a current concentration portion 8B is generated between the gate and drain of the channel layer 3.
[0036]
Accordingly, also in this case, the current concentrated portion 8B and the electric field concentrated portion 8A coincide with each other as in the case of the alloy ohmic electrode described with reference to FIG. Ionization occurs, causing a phenomenon that the generated holes excessively flow into the gate electrode 7 and the device is destroyed.
[0037]
FIG. 19 is a cutaway side view showing a main part of a field effect semiconductor device for explaining a current path generated in an asymmetric recess structure. The same symbols as those used in FIGS. Express or have the same meaning.
[0038]
As described with reference to FIG. 16, the electric field concentration portion 8A exists at the ends of the non-alloy ohmic electrodes 6S and 6D in the gate width direction even in the asymmetric recess structure, and the distance between the gate and the drain increases. However, since the internal resistance of the heterojunction interface is large, the current injected from the source-side non-alloy ohmic electrode 6S into the cap layer 5 through the cap layer 5 as shown in FIG. It flows into the channel layer 3 at the source side, and when it reaches the drain side of the gate recess 5G through the channel layer 3, it follows a path that flows out into the cap layer 5.
[0039]
When a current following such a path flows out from the channel layer 3 into the cap layer 5, that is, a current concentration portion 8B is generated at a position where the current flows in the vertical direction on the drain side of the gate recess 5G. Therefore, collision ionization occurs due to the current flowing through the channel during device operation, and the generated holes excessively flow into the gate electrode 7 to destroy the device. .
[0040]
[Problems to be solved by the invention]
In the present invention, by making a simple modification to the ohmic electrode and recess structure of the compound field effect semiconductor device, it is difficult to cause impact ionization due to the current flowing in the channel during the operation of the device, thereby improving the reliability of the device. .
[0041]
[Means for Solving the Problems]
In the compound field effect semiconductor device according to the present invention, in order to shift the current concentration portion from the electric field concentration portion generated at both ends in the gate width direction. Including the ohmic recess formed by completely removing the cap layer at the end in the gate width direction in the drain electrode region, the source-side ohmic electrode formed on the cap layer and alloyed, and the inside of the ohmic recess And a drain-side recessed ohmic electrode formed and alloyed That is the basis.
[0042]
By adopting the above means, collision ionization due to the current flowing in the channel during the operation of the device is less likely to occur, and the reliability of the device is improved.
[0043]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a fragmentary plan view showing a compound field effect semiconductor device for explaining the first embodiment of the present invention, FIG. 2 is also a fragmentary cutaway side view, and FIG. 1 (A) is taken along line X1-X1 in FIG. A cross section along (B) shows a cross section along line X2-X2 in FIG. 1, and the same symbols as those used in FIGS. 13 to 19 represent the same parts or have the same meaning.
[0044]
In the figure, 11S represents a source-side ohmic electrode, 11D represents a drain-side ohmic electrode, and 12D represents a drain-side recessed ohmic electrode.
[0045]
In the first embodiment, as shown in FIG. 1 and FIG. 2A, the ohmic electrode forming recess in which the cap layer 5 is removed by etching at the end in the gate width direction in the drain side electrode region is provided. After that, the source-side ohmic electrode 11S and the drain-side ohmic electrode 11D are formed.
[0046]
Here, the heat treatment for alloying is performed. The alloying is performed to such an extent that the drain-side recess ohmic electrode 12D extends and contacts the channel layer 3. Therefore, the extension of the source side ohmic electrode 11 </ b> S and the drain side ohmic electrode 11 </ b> D remains in the cap layer 5.
[0047]
FIG. 3 is a fragmentary plan view showing a compound field effect semiconductor device for explaining the second embodiment of the present invention, FIG. 4 is a fragmentary sectional side view of the same, and FIG. 3A is a line X1-X1 in FIG. A cross section along (B) shows a cross section along line X2-X2 in FIG. 3, and the same symbols as those used in FIGS. 1 and 2 represent the same parts or have the same meaning.
[0048]
In the figure, 21S represents a source-side recessed ohmic electrode, 21D represents a drain-side recessed ohmic electrode, and 22D represents a drain-side ohmic electrode.
[0049]
In the second embodiment, as shown in FIGS. 3 and 4, the cap layer 5 is etched by etching in the entire region of the source side electrode region and in the entire region of the drain side electrode region except for the end in the gate width direction. The removed ohmic electrode forming recess is provided, and then the source-side recessed ohmic electrode 21S, the drain-side recessed ohmic electrode 21D, and the drain-side ohmic electrode 22D are formed.
[0050]
Here, a heat treatment for alloying is performed. The alloying is performed to such an extent that the source-side recess ohmic electrode 21S and the drain-side recess ohmic electrode 21D extend to contact the channel layer 3. Therefore, the extension of the drain side ohmic electrode 22 </ b> D remains in the cap layer 5.
[0051]
FIG. 5 is a fragmentary plan view showing a compound field effect semiconductor device for explaining the third embodiment of the present invention. Do the same symbols as those used in FIGS. 1 to 4 represent the same portions? Or it shall have the same meaning.
[0052]
In the figure, 23S indicates a source-side ohmic electrode, 23D indicates a drain-side ohmic electrode, 25G indicates a gate recess, and 26G indicates a gate recess whose length is increased in the gate length direction.
[0053]
In the third embodiment, the recess length in the gate length direction of the gate recess in the vicinity of the end of the ohmic electrode in the gate width direction is made larger than the recess length in the gate length direction of other portions. In this case, the ohmic electrode may be either a non-alloy electrode or an alloy electrode regardless of whether it is on the source side or on the drain side, and whether or not there is a recess for forming an ohmic electrode.
[0054]
By the way, when the contact resistance between the alloy ohmic electrode and the channel layer is larger than the resistance when overcoming the heterojunction, the structure of the first embodiment described with reference to FIGS. As seen in FIGS. 2A and 2B, the current path passes over the heterojunction and flows into the channel layer 3 to obtain a low source resistance.
[0055]
As shown in FIG. 2A, the drain-side current path flows into the drain-side recess ohmic electrode 12D through the channel layer 3 at the end in the gate width direction. Except at the end, as seen in FIG. 2B, the channel layer 3 crosses the heterojunction and flows into the drain side ohmic electrode 11D.
[0056]
Therefore, since the resistance of the current path in the element at the end in the gate width direction becomes larger, the amount of current is smaller than that in the current path in the element other than the end in the gate width direction. As a result, the electric field concentration portion at the end in the gate width direction does not coincide with the current concentration portion in the device, and the device is prevented from being destroyed.
[0057]
Further, when the contact resistance between the alloy ohmic electrode and the channel layer is smaller than the resistance when overcoming the heterojunction, the structure of the second embodiment described with reference to FIGS. Since the current path flows directly from the recess ohmic electrode 21S into the channel layer 3 as seen in FIGS. 4A and 4B, a low source resistance is obtained.
[0058]
As shown in FIG. 4A, the drain-side current path flows over the heterojunction from the channel layer 3 and flows into the drain-side ohmic electrode 22D at the end in the gate width direction. 4B, the current flows directly from the channel layer 3 to the drain-side recess ohmic electrode 21D, and therefore, the current path in the element at the end in the gate width direction. However, as the resistance increases, the amount of current is smaller than at the end other than the end in the gate width direction, and as a result, the electric field concentration portion at the end in the gate width direction does not match the current concentration portion in the element, The destruction of the element will be suppressed.
[0059]
In the third embodiment described with reference to FIG. 5, the recess length in the gate length direction of the gate recess is larger at the end in the gate width direction than the recess length in the gate length direction of other portions. The resistance value of the current path in the element at the end in the gate width direction is increased, and the amount of current is smaller than that at the end other than the end in the gate width direction. The electric field concentration portion and the current concentration portion in the element do not coincide with each other, and the destruction of the element is suppressed.
[0060]
Semiconductor device manufacturing process example 1
FIG. 6 to FIG. 9 are side sectional views showing a principal part of the semiconductor device at the main points for explaining the manufacturing process of the compound field effect semiconductor device according to the present invention. I will explain. The symbols used in FIGS. 1 to 5 represent the same parts or have the same meaning.
[0061]
Refer to FIG.
(1)
A buffer layer 2, a channel layer 3, an electron supply layer 4, and a cap layer 5 are grown on the substrate 1 by applying a MOCVD (Metalorganic Chemical Vapor Deposition) method. As a film forming method applied here, various known film forming methods can be adopted in addition to the MOCVD method. The electron supply layer 4 is actually a spacer layer, a supply layer, a barrier layer.
It consists of a laminate of layers.
[0062]
The main data regarding each semiconductor part is exemplified as follows.
▲ 1 ▼ Substrate 1
Material: InP
(2) Buffer layer 2
Material: InAlAs
Thickness: 200 [nm]
(3) Channel layer 3
Material: InGaAs
Thickness: 25 [nm]
(4) Electron supply layer 4
Spacer layer material: i-InAlAs
Thickness: 3 [nm]
Supply layer material: n-InAlAs
Impurity concentration: 5 × 10 18 〔cm -3 ]
Barrier layer material: i-InAlAs
▲ 5 ▼ Cap layer 5
Material: n-InGaAs
Thickness: 50 [nm]
[0063]
The wafer manufactured here can be used in common with each of the embodiments described above, and the thickness of the i-InAlAs spacer layer and the n-InAlAs supply layer constituting the electron supply layer 4 is 15 nm. When the thickness is 10 [nm], the resistance over the heterojunction described with reference to FIGS. 1 and 2 is 0.1 [Ω · mm], and the contact resistance between the alloy ohmic electrode and the channel layer is 0.2. If the thickness of the i-InAlAs spacer layer and the n-InAlAs supply layer is less than [Ω · mm] and is 10 [nm] and 5 [nm], the heterojunction overcoming described with reference to FIGS. The resistance is 0.35 [Ω · mm], which is larger than 0.2 [Ω · mm] which is the contact resistance between the alloy ohmic electrode and the channel layer.
[0064]
(2)
Using the wafer shown in FIG. 6A, the cap region 5 to the buffer layer 2 in the active region are mesa-etched to perform element isolation. Here, only the part where the elements are separated is taken out and illustrated.
[0065]
In the following process description, the case where the semiconductor device described with reference to FIGS. 1 and 2 is manufactured will be described. However, the present invention is easily applied to the case where another semiconductor device, for example, the semiconductor device described with reference to FIGS. be able to.
[0066]
Refer to FIG.
(3)
By applying a resist process in the lithography technique, a resist film 31 having an opening 31A is formed in the recess formation scheduled region in the drain side electrode formation planned region.
[0067]
Refer to FIG.
(4)
By applying a wet etching method using an etching solution selected from phosphoric acid, citric acid, and succinic acid, the cap layer 5 is etched using the resist film 31 as a mask to form an ohmic electrode recess 5A. .
[0068]
(5)
After removing the resist film 31, a resist film 32 having openings 32A is formed in the source-side electrode formation scheduled region and the drain-side electrode formation scheduled region by newly applying a resist process in lithography technology. .
[0069]
Refer to FIG.
(6)
By applying the vapor deposition method and the lift-off method, the source-side ohmic electrode 11S, the drain-side ohmic electrode 11D, and the drain-side recessed ohmic electrode 12D made of Ni / AuGe / Au are formed. In addition, since the figure referred here is a cut side surface along line X1-X1 in FIG. 1, the drain side ohmic electrode 11D is not represented.
[0070]
Refer to FIG.
(7)
By applying an electron beam lithography technique, a resist film having an opening in a region where a gate recess is to be formed is formed.
[0071]
(8)
By applying a wet etching method using an etching solution selected from phosphoric acid, citric acid, and succinic acid, the cap layer 5 is etched by using the resist film formed in step (7) as a mask. -Recess 5G is formed.
[0072]
Refer to FIG.
(9)
A heat treatment is performed at a temperature of 300 ° C. and a time of 5 minutes to alloy the source-side ohmic electrode 11S, the drain-side ohmic electrode 11D, the drain-side recessed ohmic electrode 12D, and the semiconductor.
[0073]
As described above, the reaction depth is 25 [nm] to 50 [nm] because the electrode uses the Ni layer as the reaction control layer as the lowermost layer and the heat treatment temperature is suppressed to 300 [° C.]. Therefore, the contact resistance does not increase due to an excessive reaction between the semiconductor material of the cap layer 5 and the Au-based ohmic electrode material.
[0074]
In this case, the material for the reaction control layer may be Pd or Ti in addition to Ni, and the heat treatment temperature may be selected in the range of 250 [° C.] to 300 [° C.].
[0075]
See FIG.
(10)
The gate electrode 7 made of Ti / Pt / Au is formed in the gate recess 5G by applying a resist process, a vacuum deposition method, and a lift-off method in the electron beam lithography technique.
[0076]
Semiconductor device manufacturing process example 2
10 and 11 are fragmentary plan views showing the semiconductor device at the main points of the process for explaining an example of the process for manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment described with reference to FIG. This will be described with reference to the drawings. The symbols used in FIG. 1 to FIG. 9 represent the same parts or have the same meaning.
[0077]
When the semiconductor device shown in FIG. 5 is manufactured, the steps until the source-side ohmic electrode 23S and the drain-side ohmic electrode 23D are formed are the same as the manufacturing steps of the first specific example, and are omitted, and will be described from the next step. . It should be noted that the ohmic electrode in this case may be either a non-alloy electrode or an alloy electrode regardless of whether it is on the source side or on the drain side, and whether or not there is a recess for forming an ohmic electrode is described above. Street.
[0078]
Refer to FIG.
(1)
By applying a resist process in the electron beam lithography technique, an electron beam is drawn to form an opening corresponding to a gate recess formation scheduled portion in a formed resist film (not shown).
[0079]
At this time, it should be noted that the drawing region 33A for forming an opening with an enlarged recess length in the gate length direction such as double exposure or multiple dose exposure at the end in the gate width direction and normal drawing This is to perform electron beam drawing for the region 33.
[0080]
Refer to FIG.
(2)
When the resist film (not shown) exposed as described above is developed, an opening 34 and an opening 34A enlarged in the gate length direction are formed in the gate recess formation scheduled portion.
[0081]
(3)
The gate recesses 25G and 26G are formed by etching the cap layer 5 through the openings 34 and 34A by applying a wet etching method in which the etchant is based on phosphoric acid, citric acid or succinic acid. .
[0082]
See FIG.
(4)
When the source side ohmic electrode 23S and the drain side ohmic electrode 23D are alloy ohmic, an alloying heat treatment is performed at a temperature of 300 [° C.] for a time of 5 [min].
[0083]
(5)
Resist process, vacuum deposition method in electron beam lithography technology,
By applying the lift-off method, the gate electrode 8 made of Ti / Pt / Au is formed.
[0084]
FIG. 12 is a diagram comparing the emission intensities of electron-hole pairs from the recess surface along the gate width direction in the field effect semiconductor device according to the present invention and the field effect semiconductor device according to the prior art. The horizontal axis represents the length in the gate width direction, and the vertical axis represents the emission intensity.
[0085]
In the figure, the solid line shows the emission intensity obtained by the field effect semiconductor device of the present invention, and the broken line shows the emission intensity obtained by the conventional field effect semiconductor device. The field effect semiconductor device of the present invention was obtained by using the device described with reference to FIGS. 3 and 4, and the conventional field effect semiconductor device was obtained by using the device described with reference to FIG.
[0086]
According to the figure, in the data in the conventional field effect semiconductor device, it is recognized that strong light emission is seen at the end of the ohmic electrode in the gate width direction indicated by the arrow and the current is concentrated. According to the data in the field effect semiconductor device according to the above, it can be seen that the current concentration is relaxed at the end of the ohmic electrode in the gate width direction.
[0087]
【The invention's effect】
In the compound field effect semiconductor device according to the present invention, in order to shift the current concentration portion from the electric field concentration portion generated at both ends in the gate width direction. Including the ohmic recess formed by completely removing the cap layer at the end in the gate width direction in the drain electrode region, the source-side ohmic electrode formed on the cap layer and alloyed, and the inside of the ohmic recess And a drain-side recessed ohmic electrode formed and alloyed That is the basis.
[0088]
By adopting the above-described configuration, collision ionization due to the current flowing in the channel during device operation is less likely to occur, and the reliability of the device is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a fragmentary plan view showing a compound field effect semiconductor device for explaining Embodiment 1 of the present invention;
FIG. 2 is a cutaway side view showing a main part of a compound field effect semiconductor device for explaining the first embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a fragmentary plan view showing a compound field effect semiconductor device for explaining a second embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a cutaway side view showing a main part of a compound field effect semiconductor device for explaining a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a fragmentary plan view showing a compound field effect semiconductor device for explaining a third embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor device at a process point for explaining a manufacturing process of a compound field effect semiconductor device according to the present invention.
FIG. 7 is a cut-away side view of the main part showing the semiconductor device in the process key for explaining the manufacturing process of the compound field effect semiconductor device according to the present invention.
FIG. 8 is a cutaway side view showing a main part of a semiconductor device at a process point for explaining a manufacturing process of a compound field effect semiconductor device according to the present invention.
FIG. 9 is a cut-away side view of the main part showing the semiconductor device in the process key for explaining the manufacturing process of the compound field effect semiconductor device according to the present invention.
FIG. 10 is a fragmentary plan view showing a semiconductor device in a process key point for explaining a process example of manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment described with reference to FIG. 5;
FIG. 11 is a fragmentary plan view showing a semiconductor device in a process key point for explaining a process example of manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment described with reference to FIG. 5;
FIG. 12 is a diagram comparing the emission intensity of electron-hole pairs from the recess surface along the gate width direction in the field effect semiconductor device according to the present invention and the field effect semiconductor device according to the prior art. It is.
FIG. 13 is a main part explanatory view showing a conventional field effect transistor in which elements are separated by mesa.
FIG. 14 is a main part explanatory view of a field effect semiconductor device for explaining a conventional alloy ohmic electrode structure;
FIG. 15 is a cutaway side view showing a main part of a field effect semiconductor device for explaining a conventional recess ohmic electrode structure;
FIG. 16 is a main part explanatory view showing a field effect semiconductor device for explaining a conventional asymmetric recess structure.
FIG. 17 is a cutaway side view showing a main part of a field effect semiconductor device for explaining in detail a process in which element breakdown occurs in a field effect semiconductor device having a non-alloy ohmic electrode structure.
FIG. 18 is a cutaway side view of a main part showing a field effect semiconductor device for explaining a current path generated depending on an electrode structure.
FIG. 19 is a cutaway side view showing a main part of a field effect semiconductor device for explaining a current path generated in an asymmetric recess structure.
[Explanation of symbols]
1 Substrate
2 Buffer layer
3 channel layer
4 Electron supply layer
5 Cap layer
5G Gate recess
6S Non-alloy ohmic electrode on source side
6D drain side non-alloy ohmic electrode
7 Gate electrode
8A Electric field concentration part
9S source side alloy ohmic electrode
9D drain side alloy ohmic electrode
11S Ohmic electrode on source side
11D drain side ohmic electrode
12D Drain side recess ohmic electrode
21S Recessed ohmic electrode
21D Drain-side recess ohmic electrode
22D Drain side ohmic electrode
23S Source-side ohmic electrode
23D Drain side ohmic electrode
25G Gate recess
26G Gate recess with increased length in the gate length direction

Claims (3)

ゲート幅方向の両端に生成される電界集中部分から電流集中部分をずらせる為にドレイン電極領域に於けるゲート幅方向端部のキャップ層を完全に除去して形成したオーミック・リセスと、
キャップ層上に形成され且つアロイ化されたソース側オーミック電極及び該オーミック・リセス内を含めて形成され且つアロイ化されたドレイン側リセス・オーミック電極と
を備えてなることを特徴とする化合物電界効果半導体装置。
An ohmic recess formed by completely removing the cap layer at the gate width direction end in the drain electrode region in order to shift the current concentration portion from the electric field concentration portion generated at both ends in the gate width direction ,
A compound field effect comprising: a source-side ohmic electrode formed on the cap layer and alloyed; and a drain-side recess ohmic electrode formed and alloyed including the inside of the ohmic recess. Semiconductor device.
ゲート幅方向の両端に生成される電界集中部分から電流集中部分をずらせる為にソース電極領域全域及びドレイン電極領域に於けるゲート幅方向端部のキャップ層を完全に除去して形成したオーミック・リセスと、
該オーミック・リセス内を含めて形成され且つアロイ化されたソース側リセス・オーミック電極及びドレイン側リセス・オーミック電極と
を備えてなることを特徴とする化合物電界効果半導体装置。
An ohmic structure formed by completely removing the cap layer at the end of the gate width direction in the entire source electrode region and the drain electrode region in order to shift the current concentration portion from the electric field concentration portion generated at both ends in the gate width direction. Recess and
A source-side recess ohmic electrode and a drain-side recess ohmic electrode formed and alloyed including the inside of the ohmic recess;
A compound field effect semiconductor device comprising:
ドレイン電極領域に於けるゲート幅方向端部のキャップ層を完全に除去して形成されるオーミック・リセスがゲート幅方向端部以外に在ること
を特徴とする請求項2記載の化合物電界効果半導体装置。
The ohmic recess formed by completely removing the cap layer at the end in the gate width direction in the drain electrode region is present at the end other than the end in the gate width direction.
The compound field effect semiconductor device according to claim 2 .
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