JP2009224605A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】同一基板上にE−FETとD−FETとが集積化された半導体装置におけるソース−ドレイン間のオン抵抗の低減を目的とする。
【解決手段】同一の半導体基板10上にE−FETとD−FETとが集積化された半導体装置1であって、複数のエピタキシャル層11は、半導体基板10側から順に、E−FETとD−FETとのゲートの閾値電圧を調整する第1の閾値調整層115と、最上層から当接する上層までの選択エッチングを停止させる第1のエッチング停止層116と、D−FETのゲートの閾値電圧を調整する第2の閾値調整層117と、最上層から当接する上層までの選択エッチングを停止させる第2のエッチング停止層118とを備え、第1のエッチング停止層116および第2の閾値調整層117のうち少なくとも一方は、n型のドーピングがなされている領域を含む。
【選択図】図1
【解決手段】同一の半導体基板10上にE−FETとD−FETとが集積化された半導体装置1であって、複数のエピタキシャル層11は、半導体基板10側から順に、E−FETとD−FETとのゲートの閾値電圧を調整する第1の閾値調整層115と、最上層から当接する上層までの選択エッチングを停止させる第1のエッチング停止層116と、D−FETのゲートの閾値電圧を調整する第2の閾値調整層117と、最上層から当接する上層までの選択エッチングを停止させる第2のエッチング停止層118とを備え、第1のエッチング停止層116および第2の閾値調整層117のうち少なくとも一方は、n型のドーピングがなされている領域を含む。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、閾値電圧が異なる2種類以上の電界効果トランジスタを化合物半導体基板上に集積化した半導体装置に関する。
GaAsからなる半絶縁性基板上に形成される電界効果トランジスタ(以下、GaAsFETと称する)は、その優れた性能により、通信機器、とりわけ携帯電話端末等のパワーアンプおよびスイッチ等に利用されている。このGaAsFET等の能動素子と、抵抗素子および容量素子等の受動素子とを集積化したモノリシックマイクロ波集積回路(以下、GaAsMMICと称する)は特に広く実用化されている。
近年、GaAsMMICにおいて更なる高機能化および高性能化が求められている中、ディプレッション型のFET(以下、D−FETと称する)から構成される前述のパワーアンプおよびスイッチと、エンハンスメント型のFET(以下、E−FETと称す)から構成される論理回路とを内蔵したGaAsMMIC、すなわち、E−FETとD−FETとを同一基板上に混載するE/D−FETが要望されるようになっている。
従来のE/D−FETとしては、例えば、特許文献1に記載の半導体装置が知られている。特許文献1に記載の半導体装置は、半導体基板上に、ディプレッション型HEMT(High Electron Mobility Transistor:高電子移動度トランジスタ)により高周波アナログ信号をスイッチングするスイッチ回路と、前記ディプレッション型HEMTと同一基板に集積化されたエンハンスメント型HEMTによるロジック回路とが構成されたスイッチ集積回路装置である。以下、特許文献1に記載の従来の半導体装置の構造および機能について説明する。
図3は、特許文献1に記載された従来の半導体装置の構造断面図である。同図における従来の半導体装置500は、半導体層600と、ソース電極630および631と、ドレイン電極640と、ゲート電極650および651と、絶縁膜700とを備える。
半導体層600は、GaAs基板601と、バッファ層602と、第1電子供給層603と、スペーサ層604と、電子走行層605と、第2電子供給層606と、第1ノンドープ層607と、第2ノンドープ層608と、第3ノンドープ層609と、第4ノンドープ層610と、キャップ層611とを備え、この順で積層されている。第1ノンドープ層607は、第2電子供給層606と格子整合するノンドープAlGaAsである。第2ノンドープ層608は、第1ノンドープ層607と格子整合するノンドープInGaPである。第3ノンドープ層609は、第2ノンドープ層608と格子整合するノンドープAlGaAsである。第4ノンドープ層610は、第3ノンドープ層609と格子整合するノンドープInGaPである。キャップ層611は、第4ノンドープ層610と格子整合している。
ソース電極630および631とドレイン電極640とは、キャップ層611の表面に形成されている。
ゲート電極650は、ソース電極630とドレイン電極640との間に配置され、第1ノンドープ層607の表面に形成され、一部が第1ノンドープ層607に埋め込まれたPtであり、エンハンスメント型FETのゲートとして機能する。
ゲート電極651は、ソース電極631とドレイン電極640との間に配置され、第2ノンドープ層608の表面に形成され、一部が第2ノンドープ層608に埋め込まれたPtであり、ディプレッション型FETのゲートとして機能する。
絶縁膜700は、窒化膜701、702および703からなり、ゲート電極650および651の周囲に露出する第1ノンドープ層607および第2ノンドープ層608を被覆する。
電子走行層605は、隣接する第1電子供給層603および第2電子供給層606のドナー不純物から発生した電子により電流パスを形成する。
第1ノンドープ層607は、ゲート電極650がその表面に形成され、その膜厚はE−FETのゲートの閾値電圧が確保されるよう設計されている。
第2ノンドープ層608は、ゲート電極651がその表面に形成される。第2ノンドープ層608の材料であるInGaPは、AlGaAsと比較してバンドギャップが大きいため、より高いゲート電圧が得られる。また、第2ノンドープ層608は、その上に当接する第3ノンドープ層609のエッチングストップ層として機能する。
D−FETとE−FETとではドレイン電流を制御するゲートの閾値電圧が異なるため、それぞれのノンドープ層の膜厚が異なる。
第1ノンドープ層607および第2ノンドープ層608のトータル膜厚は、ディプレッション型FETのゲートの閾値電圧が確保されるよう設計されている。
第4ノンドープ層610は、キャップ層611のエッチングストップ層として機能する。また、第4ノンドープ層610の材料であるInGaPは、酸化しにくいため外部からの化学的ストレスに強いので、キャップ層のプラズマエッチングの際、プラズマダメージから動作領域を保護する機能を有する。
第2電子供給層606、第1ノンドープ層607、第2ノンドープ層608、第3ノンドープ層609、第4ノンドープ層610およびキャップ層611は、相互に格子整合されているので、結晶歪みが少なく、FETの電気的特性の再現性が確保されている。
以上のように、図3に記載された従来の半導体装置は、ノンドープInGaP層とノンドープAlGaAs層とを繰り返し積層した構造をとることにより、異なるゲートの閾値電圧を有するD−FETとE−FETとを再現性よく同一基板上に備えることが可能となる。
特開2007−27333号公報
しかしながら、第2および第4ノンドープ層の材料であるInGaPは自発分極する材料である。上述した従来構造のようにノンドープのAlGaAs/InGaP/AlGaAsの順で構成されるエピ構造では、自発分極によりInGaPの上側界面にはプラス電荷が、また、下側界面にはマイナス電荷が偏在し分極される。そうすると、FETがオン状態の時のソースからドレインへ向かう電子は、各ノンドープ層を縦方向に通過の際に、InGaPの上側界面のプラス電荷が障壁となってしまう。これにより、オーミック電極下の縦方向の抵抗成分が増大する。この抵抗成分は、FETがオン状態での寄生抵抗となり、FETの重要な特性であるオン抵抗を増大させる。
このオン抵抗の増大は、FETの高周波特性のロスを引き起こし、本来のFETの特性を引き出すことができなくなる。特に、高周波スイッチにおいては重要な特性である電力損失が増大してしまう。
以上のように、互いに格子整合されたノンドープ層の積層構造によりE−FETとD−FETとが集積化された従来の半導体装置では、ヘテロ接合された半導体材料の自発分極により、特に重要なFET性能であるソース−ドレイン間のオン抵抗の低減が実現されない。
上記問題に鑑み、本発明は、同一基板上にE−FETとD−FETとが集積化された半導体装置におけるソース−ドレイン間のオン抵抗の低減を目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、同一の半導体基板上に積層された複数の半導体層を用いて、エンハンスメント型電界効果トランジスタとディプレッション型電界効果トランジスタとが前記半導体基板の面方向に隣接して集積化された半導体装置であって、前記複数の半導体層は、前記半導体基板上に形成され、前記エンハンスメント型電界効果トランジスタのゲートの閾値電圧と前記ディプレッション型電界効果トランジスタのゲートの閾値電圧とを調整する第1の閾値調整層と、前記第1の閾値調整層の上に形成され、最上層からのエッチングを停止させる第1のエッチング停止層と、前記第1のエッチング停止層の上に形成され、前記ディプレッション型電界効果トランジスタのゲートの閾値電圧を調整する第2の閾値調整層と、前記第2の閾値調整層の上に形成され、最上層からのエッチングを停止させる第2のエッチング停止層とを備え、前記第1のエッチング停止層および前記第2の閾値調整層のうち少なくとも一方は、n型のドーピングがなされている領域を含むことを特徴とする。
これにより、第1のエッチング停止層と第2の閾値調整層のうち少なくともどちらか一方にn型のドーピングがなされている領域を含むので、第1のエッチング停止層の上側ヘテロ界面に蓄積されるプラス電荷が低減し、電子伝導の障壁が低下する。よって、FETのドレイン電流パスにおける縦方向の寄生抵抗成分を低減させることが可能となる。
また、前記第2のエッチング停止層は、n型のドーピングがなされている領域を含んでもよい。
これにより、第2のエッチング停止層にn型のドーピングがなされている領域を含むので、第2のエッチング停止層の上側界面に蓄積されるプラス電荷が低減し、電子伝導の障壁が低下する。よって、FETのドレイン電流パスにおける縦方向の寄生抵抗成分を低減させることが可能となる。
また、前記第1の閾値調整層および前記第2の閾値調整層は、AlGaAsからなることが好ましい。
これにより、第1の閾値調整層と第2の閾値調整層とにバンドギャップの広いAlGaAsが用いられるので、ゲート電極が順方向に対して高いショットキー耐圧を有することができる。
また、前記第1のエッチング停止層および前記第2のエッチング停止層は、InGaPからなることが好ましい。
これにより、第1のエッチング停止層と第2のエッチング停止層とに、InGaPが用いられるので、隣接するAlGaAsと格子整合でき、AlGaAsなどに対して大きなエッチング選択比を有することができる。よって、結晶歪み、積層界面の凹凸形状および積層界面での不純物による再現性の低下を防止することが可能となる。
また、前記InGaPは、ディスオーダー構造を有してもよい。
これにより、InGaPとして原子配列がランダムで自発分極が抑制されるディスオーダー構造を用いることで、オン抵抗を低減することが可能となる。
また、前記第2の閾値調整層は、n型のドーピングがなされている領域を含み、当該領域は、前記第2の閾値調整層と前記第1のエッチング停止層との接触界面から7nm以内に含まれていることが好ましい。
これにより、プラス電荷の蓄積される界面近くに効率的にn型のドーピングがなされるので、オン抵抗を低減することが可能となる。
また、前記第2の閾値調整層は、n型のドーピングがなされている領域を含み、前記領域は、n型ドーピングが1nm以上6nm以下の膜厚で前記半導体基板の面方向に均一にドーピングされていることが好ましい。
これにより、第1のエッチング停止層の上側のヘテロ界面に蓄積されるプラス電荷が界面全体にわたって膜面方向に均一に低減するので、電子伝導の障壁が界面全体にわたって均一に低下する。よって、再現性の高い低オン抵抗を有することが可能となる。また、n型のドーピング領域が膜面法線方向に局所的に形成されるので、ドーピング効率よくオン抵抗を低減することが可能となる。
また、前記第2の閾値調整層は、n型のドーピングがなされている領域を含み、前記n型のドーピングは、デルタドーピングであってもよい。
これにより、n型ドーピングが1原子層面ごとに局在するので、界面に近い距離で効率的に電荷が調整され、オン抵抗を低減することが可能となる。
また、前記第2の閾値調整層は、n型のドーピングがなされている領域を含み、前記n型のドーピングの面濃度は、3×1011/cm2以上5×1012/cm2以下であることが好ましい。
これにより、プラス電荷の蓄積される界面近くに適度なn型のドーピングがなされるので、オン抵抗を低減することができるとともに、移動度の高いチャネル層以外に電子が流れることを防止することが可能となる。
また、前記第1のエッチング停止層は、一様にn型のドーピングがなされていてもよい。
これにより、第1のエッチング停止層の上側ヘテロ界面に蓄積されるプラス電荷が低減し、電子伝導の障壁が低下する。よって、FETのドレイン電流の縦方向のオン抵抗を低減することが可能となる。
また、前記第1のエッチング停止層は、n型のドーピングがなされている領域を含み、前記n型のドーピングは、デルタドーピングであってもよい。
これにより、n型ドーピングが1原子層面ごとに局在するので、界面に近い距離で効率的に電荷が調整され、オン抵抗を低減することが可能となる。
また、前記n型のドーピングの面濃度は、3×1011/cm2以上5×1012/cm2以下であることが好ましい。
これにより、プラス電荷の蓄積される界面近くに適度なn型のドーピングがなされるので、オン抵抗を低減することができるとともに、移動度の高いチャネル層以外に電子が流れることを防止することが可能となる。
なお、本発明は、このような特徴的な手段を備える半導体装置として実現することができるだけでなく、半導体装置に含まれる特徴的な手段をステップとする半導体装置の製造方法として実現することができる。
本発明によれば、同一基板上にE−FETとD−FETとが集積化された半導体装置において、ドレイン電流パスを形成する積層界面にプラス電荷が蓄積されることが抑制され電子伝導の障壁が低下するので、FETのオン抵抗を低減することが可能となる。
(実施の形態1)
本実施の形態1における半導体装置は、同一の半導体基板上に、エンハンスメント型電界効果トランジスタ(以下E−FETと記す)とディプレッション型電界効果トランジスタ(以下D−FETと記す)とを備える半導体装置であって、E−FETおよびD−FETのゲートの閾値電圧を調整する第1の閾値調整層の上に形成される第1のエッチング停止層と、その上に形成されD−FETのゲートの閾値電圧を調整する第2の閾値調整層とを備え、当該第2の閾値調整層にn型のドーピングされている領域を含む。これにより、多層へテロ構造に起因する電荷の発生が調整され電子の障壁が低下するので、積層界面を通過するドレイン電流に対するオン抵抗が低減される。
本実施の形態1における半導体装置は、同一の半導体基板上に、エンハンスメント型電界効果トランジスタ(以下E−FETと記す)とディプレッション型電界効果トランジスタ(以下D−FETと記す)とを備える半導体装置であって、E−FETおよびD−FETのゲートの閾値電圧を調整する第1の閾値調整層の上に形成される第1のエッチング停止層と、その上に形成されD−FETのゲートの閾値電圧を調整する第2の閾値調整層とを備え、当該第2の閾値調整層にn型のドーピングされている領域を含む。これにより、多層へテロ構造に起因する電荷の発生が調整され電子の障壁が低下するので、積層界面を通過するドレイン電流に対するオン抵抗が低減される。
以下、本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の構造断面図である。同図における半導体装置1は、E−FETが形成されるE−FET領域1Eと、D−FETが形成されるD−FET領域1Dとを備える。また、半導体装置1は、半導体基板10と、エピタキシャル層11と、素子分離領域12と、絶縁膜13と、ゲート電極14Dおよび14Eと、オーミック電極15Dおよび15Eとを備える。
半導体基板10は、半絶縁性GaAsからなる。
エピタキシャル層11は、半導体基板10上に半導体層を結晶成長させることで形成される。エピタキシャル層11は、半導体基板10側から順に、バッファ層111および112と、チャネル層113と、電子供給層114と、第1の閾値調整層115と、第1のエッチング停止層116と、第2の閾値調整層117と、第2のエッチング停止層118と、コンタクト層119とを備える。
バッファ層111は、例えば、膜厚1μmのアンドープGaAsで構成される。
バッファ層112は、例えば、アンドープAlGaAsで構成される。バッファ層111および112は、エピタキシャル層11と半導体基板10との格子不整合を緩和する機能を有する。
チャネル層113は、キャリアが走行する層であり、例えば、膜厚10nmのアンドープIn0.2Ga0.8Asで構成される。
電子供給層114は、チャネル層にキャリアである電子を供給する層であり、例えば、n型不純物イオンであるSiがドーピングされたAlGaAsで構成され、膜厚は10nmである。
第1の閾値調整層115は、E−FETのゲートの閾値電圧およびD−FETのゲートの閾値電圧を調整する層であり、例えば、膜厚5nmのアンドープAlGaAsで構成される。
第1のエッチング停止層116は、最上層から第1のエッチング停止層116の上に当接する第2の閾値調整層117までのエッチングを停止させるエッチングストップ層として機能し、例えば、膜厚8nmのディスオーダー構造のInGaPで構成される。ここで、ディスオーダー構造とは、原子配列が規則的ではなく乱れている構造である。これにより、InGaPの自発分極が抑制されるので、ヘテロ界面付近でのプラス電荷の偏在が抑制される。よって、ドレイン電流のキャリアである電子伝導の障壁が下がり、オン抵抗が低減される。このディスオーダー構造のInGaPは、例えば、成膜温度などの成膜条件を調整することで実現される。
なお、第1のエッチング停止層116は、n型のドーピングが一様にされていてもよい。好ましくは、このn型ドーピングの面濃度は、3×1011/cm2以上5×1012/cm2以下である。
第2の閾値調整層117は、D−FETのゲートの閾値電圧を調整する層であり、調整層117Aと、117Bと、117Cとを備える。調整層117A、117Bおよび117Cは、例えば、AlGaAsで構成され、エッチングの選択性の高い材料を用いることが望ましい。調整層117Bは、例えば、面濃度が5×1012/cm2であり、膜厚が3nmのSiからなるn型のドーピングがなされている。
なお、この第2の閾値調整層117へのn型ドーピングの面濃度は、3×1011/cm2以上5×1012/cm2以下であることが好ましい。このn型ドーピングの面濃度が、3×1011/cm2より小さい場合、隣接するInGaPからなる層の自発分極が十分抑制されず、オン抵抗の低減効果が十分に得られない。一方、このn型ドーピングの面濃度が、5×1012/cm2より大きい場合には、移動度の高いチャネル層113以外に電子が流れ、いわゆるパラレルコンダクタンスが発生してしまう。この場合には、オン抵抗が低減されるが、ゲート電圧によるドレイン電流の制御性が低下してしまう。
なお、このn型ドーピングはデルタドーピングであってもよい。ここで、デルタドーピングとは、半導体結晶中の1原子層面だけに局在した不純物原子層を導入することである。このデルタドーピングは、例えば、分子線エピタキシー(MBE)や有機金属気相成長法(MOCVD)のような原子レベルの膜厚制御性を有する薄膜形成技術を使って、結晶成長を一時中断させた表面に不純物原子を供給することで実現される。このデルタドーピングは、シートドーピングとも呼ばれる。このデルタドーピングを第2の閾値調整層117に使用することにより、n型ドーピングが1原子層面ごとに局在するので、第1のエッチング停止層116との界面に近い距離で効率的に電荷が調整され、オン抵抗増大を抑制することができる。
また、このn型ドーピングは第2の閾値調整層117中に存在すればよく、調整層117Aおよび117Cはなくてもよい。第2の閾値調整層117へのn型のデルタドーピングは、例えば、エピタキシャル成長を一時中断して、Siを含むガスを充填することにより実現される。
また、第2の閾値調整層117において、n型ドーピング領域は、前記第1のエッチング停止層116との界面から7nm以内に形成されていることが好ましい。これにより、プラス電荷の蓄積される界面近くにn型のドーピングがなされるので、オン抵抗を効率よく低減することが可能となる。
また、第2の閾値調整層117において、n型ドーピング領域は、1nm以上6nm以下の膜厚で均一にドーピングされていることが好ましい。これにより、第1のエッチング停止層の上側のヘテロ界面に蓄積されるプラス電荷が界面全体にわたって膜面方向に均一に低減するので、電子伝導の障壁が界面全体にわたって均一に低下する。よって、再現性の高い低オン抵抗を有することが可能となる。また、n型のドーピング領域が膜面法線方向に局所的に形成されるので、ドーピング効率よくオン抵抗を低減することが可能となる。
この均一なn型ドーピング領域の形成方法としては、例えば、第2の閾値調整層117のエピタキシャル成膜中にSiを含むガスを混入することが挙げられる。
第2のエッチング停止層118は、最上層から第2のエッチング停止層118の上に当接するコンタクト層119までのエッチングを停止させるエッチングストップ層として機能し、例えば、膜厚8nmのディスオーダー構造のInGaPで構成される。InGaPは、燐酸によるウェットエッチングに対するエッチングレートがAlGaAsに比べ極めて小さい。よって、第1のエッチング停止層116および第2のエッチング停止層118は、高いエッチング選択比を有するエッチングストップ層としての機能を有する。
なお、第2のエッチング停止層118にも、面濃度が3×1011/cm2以上5×1012/cm2以下であるn型のドーピングがなされることが好ましい。これにより、ドレイン電流パスにおけるオン抵抗をさらに低減することが可能となる。
コンタクト層119は、4つの領域に分割され、それぞれにオーミック電極15D又は15Eが接続される。コンタクト層119は、2層からなり、下層が膜厚50nmのn型GaAsで構成され、上層は膜厚50nmのn型InGaAsで構成される。
素子分離領域12は、イオン注入により形成され、E−FET領域1EとD−FET領域1Dとを電気的に分離する。
絶縁膜13は、エピタキシャル層11および素子分離領域12上に形成され、例えば、SiNで構成される。
ゲート電極14Eは、E−FET領域1Eの絶縁膜13および第1のエッチング停止層116上に形成された開口に埋め込まれるように形成される。ゲート電極14Eは、例えば、Ti/Al/Tiで構成され、第1の閾値調整層115とショットキー接合する。
ゲート電極14Dは、D−FET領域1Dの絶縁膜13および第2のエッチング停止層118上に形成された開口に埋め込まれるように形成される。ゲート電極14Dは、例えば、Ti/Al/Tiで構成され、第2の閾値調整層117とショットキー接合する。
オーミック電極15Eは、E−FETのソース電極およびドレイン電極であり、ゲート電極14Eを挟むように分離形成される。オーミック電極15Eは、それぞれE−FET領域1Eのコンタクト層119、第2のエッチング停止層118、第2の閾値調整層117、第1のエッチング停止層116、第1の閾値調整層115、電子供給層114を介して、チャネル層113と電気的に接続される。また、オーミック電極15Eは、E−FET領域1Eの絶縁膜13に形成された開口に埋め込まれるように形成され、コンタクト層119とオーミック接合される。オーミック電極15Eの接続により、E−FETのドレイン電流パスが形成される。
オーミック電極15Dは、D−FETのソース電極およびドレイン電極であり、ゲート電極14Dを挟むように分離形成される。オーミック電極15Dは、E−FETと同様のエピ積層構造を介してチャネル層113と接続される。また、オーミック電極15Dは、D−FET領域1Dの絶縁膜13に形成された開口に埋め込まれるように形成され、コンタクト層119とオーミック接合される。オーミック電極15Dの接続により、D−FETのドレイン電流パスが形成される。
ここで、本発明の実施の形態1に係る半導体装置についての製造プロセスについて説明する。
エピタキシャル層11の各層は、例えば、MOCVD法又はMBE法により、一貫成膜される。
まず、半導体基板10上に、アンドープGaAsからなるバッファ層111および112と、膜厚10nmのアンドープIn0.2Ga0.8Asからなるチャネル層113と、Siがドーピングされた膜厚10nmのAlGaAsからなる電子供給層114とを、この順で積層する。
次に、電子供給層114の上に、膜厚5nmのアンドープAlGaAsからなる第1の閾値調整層115を積層する。
次に、第1の閾値調整層115の上に、膜厚8nmのInGaPからなる第1のエッチング停止層116を積層する。ここで、第1のエッチング停止層116は、ディスオーダー構造を有することが好ましい。また、第1のエッチング停止層116は、n型のドーピングを一様に実施することが好ましい。
次に、第1のエッチング停止層116の上に、AlGaAsからなる調整層117Aおよび3nmの調整層117Bを積層し、調整層117Bに対しSiのn型のドーピングを実施する。その後、n型ドーピングされた調整層117Bの上に、AlGaAsからなる調整層117Cを積層する。調整層117Bのn型ドーピングは、デルタドーピングであってもよい。
次に、調整層117Cの上に、ディスオーダー構造を有する膜厚8nmのInGaPからなる第2のエッチング停止層118を積層する。ここで、第2のエッチング停止層118に対して、n型のドーピングを実施することが好ましい。
次に、第2のエッチング停止層118の上に、膜厚50nmのn型GaAsからなる下層と、膜厚50nmのn型InGaAsからなる上層とで構成されたコンタクト層119を積層する。
次に、上記の積層されたエピタキシャル層11に対し、電極および絶縁膜の積層、適切なドーピング処理およびエッチング処理により、素子分離領域12、絶縁膜13、ゲート電極14Dおよび14E、オーミック電極15Dおよび15Eを形成する。
以上のように、本実施の形態における半導体装置1は、n型のドーピングした第2の閾値調整層117を備えることにより、多層へテロ構造に起因する電荷の発生が調整され電子の障壁が低下するので、積層界面を通過するドレイン電流に対するオン抵抗が低減される。
(実施の形態2)
本実施の形態2における半導体装置は、同一の半導体基板上に、E−FETとD−FETとを備える半導体装置であって、E−FETとD−FETのゲートの閾値電圧を調整する第1の閾値調整層の上に形成される第1のエッチング停止層と、その上に形成されD−FETのゲートの閾値電圧を調整する第2の閾値調整層とを備え、前記第1のエッチング停止層にn型のドーピングされている領域を含む。これにより、多層へテロ構造に起因する電荷の発生が調整され電子の障壁が低下するので、積層界面を通過するドレイン電流に対するオン抵抗が抑制される。
本実施の形態2における半導体装置は、同一の半導体基板上に、E−FETとD−FETとを備える半導体装置であって、E−FETとD−FETのゲートの閾値電圧を調整する第1の閾値調整層の上に形成される第1のエッチング停止層と、その上に形成されD−FETのゲートの閾値電圧を調整する第2の閾値調整層とを備え、前記第1のエッチング停止層にn型のドーピングされている領域を含む。これにより、多層へテロ構造に起因する電荷の発生が調整され電子の障壁が低下するので、積層界面を通過するドレイン電流に対するオン抵抗が抑制される。
以下、本発明の実施の形態2に係る半導体装置について図面を参照しながら詳細に説明する。
図2は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の構造断面図である。同図における半導体装置2は、E−FETが形成されるE−FET領域2Eと、D−FETが形成されるD−FET領域2Dとを備える。また、半導体装置2は、半導体基板10と、エピタキシャル層21と、素子分離領域12と、絶縁膜13と、ゲート電極14Dおよび14Eと、オーミック電極15Dおよび15Eとを備える。
エピタキシャル層21は、半導体基板10上に半導体層を結晶成長させることで形成される。エピタキシャル層21は、半導体基板10側から順に、バッファ層111および112と、チャネル層113と、電子供給層114と、第1の閾値調整層115と、第1のエッチング停止層216と、第2の閾値調整層217と、第2のエッチング停止層118と、コンタクト層119とを備える。
図2に記載された実施の形態2における半導体装置は、図1に記載された実施の形態1における半導体装置と比較して、エピタキシャル層の構造および機能のみが異なる。図1に記載された半導体装置と同じ点は説明を省略し、以下、異なる点のみ説明する。
第1のエッチング停止層216は、停止層216Aと、216Bと、216Cとを備える。これらは、例えば、膜厚8nmであるディスオーダーのInGaPからなる。この構造は、ドレイン電流のオン抵抗を低減する一要因となり得る。停止層216Bは、例えば、面濃度が5×1012/cm2であり、膜厚が3nmのSiからなるn型のドーピングがなされている。
なお、この第1のエッチング停止層216へのn型ドーピングの面濃度は、3×1011/cm2以上5×1012/cm2以下であることが好ましい。このn型ドーピングの面濃度が、3×1011/cm2より小さい場合、第1のエッチング停止層216自体の自発分極が十分抑制されず、オン抵抗の低減効果が十分に得られない。一方、このn型ドーピングの面濃度が、5×1012/cm2より大きい場合には、移動度の高いチャネル層113以外に電子が流れ、いわゆるパラレルコンダクタンスが発生してしまう。この場合には、オン抵抗が低減されるが、ゲート電圧によるドレイン電流の制御性が低下してしまう。
また、このn型ドーピングは、第1のエッチング停止層216中に存在すればよく、停止層216Aおよび216Cはなくてもよい。
なお、このn型ドーピングはデルタドーピングであってもよい。このデルタドーピングが第1のエッチング停止層216に適用されることにより、n型ドーピングが1原子層面ごとに局在するので、第2の閾値調整層217との界面に近い距離で効率的に電荷が調整され、オン抵抗増大を抑制することができる。第1のエッチング停止層216へのn型のデルタドーピングは、例えば、エピタキシャル成長を一時中断して、Siを含むガスを充填することにより実現される。
また、第1のエッチング停止層216において、n型ドーピング領域は、第2の閾値調整層217との界面から7nm以内に形成されていることが好ましい。これにより、プラス電荷の蓄積される界面近くにn型のドーピングがなされるので、オン抵抗を効率よく低減することが可能となる。
また、第1のエッチング停止層216において、n型ドーピング領域は、1nm以上6nm以下の膜厚で均一にドーピングされていることが好ましい。これにより、第1のエッチング停止層の上側のヘテロ界面に蓄積されるプラス電荷が界面全体にわたって膜面方向に均一に低減するので、電子伝導の障壁が界面全体にわたって均一に低下する。よって、再現性の高い低オン抵抗を有することが可能となる。また、n型のドーピング領域が膜面法線方向に局所的に形成されるので、ドーピング効率よくオン抵抗を低減することが可能となる。
この均一なn型ドーピング領域の形成方法としては、例えば、第1のエッチング停止層216のエピタキシャル成膜中にSiを含むガスを混入することが挙げられる。
第2の閾値調整層217は、D−FETのゲートの閾値電圧を調整する層であり、例えば、AlGaAsからなる。
また、第2の閾値調整層217は、図1に記載された第2の閾値調整層117と同一の構造をとってもよい。
ここで、本発明の実施の形態2に係る半導体装置についての製造プロセスについて説明する。
エピタキシャル層21の各層は、例えば、MOCVD法又はMBE法により、一貫成膜される。
まず、半導体基板10上に、アンドープGaAsからなるバッファ層111および112と、膜厚10nmのアンドープIn0.2Ga0.8Asからなるチャネル層113と、Siがドーピングされた膜厚10nmのAlGaAsからなる電子供給層114とを、この順で積層する。
次に、電子供給層114の上に、膜厚5nmのアンドープAlGaAsからなる第1の閾値調整層115を積層する。
次に、第1の閾値調整層115の上に、InGaPからなる停止層216Aおよび3nmの停止層216Bを積層し、停止層216Bに対しSiのn型のドーピングを実施する。その後、n型ドーピングされた停止層216Bの上に、InGaPからなる停止層216Cを積層する。停止層216Bのn型ドーピングは、デルタドーピングであってもよい。ここで、停止層216A、216Bおよび216Cは、ディスオーダー構造を有していることが好ましい。
次に、停止層216Cの上に、AlGaAsからなる第2の閾値調整層217を積層する。ここで、第2の閾値調整層217に対して、n型のドーピングを実施することが好ましい。
次に、第2の閾値調整層217の上に、膜厚8nmのInGaPからなる第2のエッチング停止層118を積層する。ここで、第2のエッチング停止層118は、ディスオーダー構造を有することが好ましい。また、第2のエッチング停止層118は、n型のドーピングを実施することが好ましい。
次に、第2のエッチング停止層118の上に、膜厚50nmのn型GaAsからなる下層と、膜厚50nmのn型InGaAsからなる上層とで構成されたコンタクト層119を積層する。
次に、上記の積層されたエピタキシャル層11に対し、電極および絶縁膜の積層、適切なドーピング処理およびエッチング処理により、素子分離領域12、絶縁膜13、ゲート電極14Dおよび14E、オーミック電極15Dおよび15Eを形成する。
以上のように、本実施の形態における半導体装置2は、n型のドーピングした第1のエッチング停止層216を備えることにより、多層へテロ構造に起因する電荷の発生が調整され電子の障壁が低下するので、積層界面を通過するドレイン電流に対するオン抵抗が低減される。
以上、本発明の半導体装置およびその製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を任意に組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
本発明は、GaAsMMICを用いる通信機器に適用でき、特に、携帯電話端末等のパワーアンプおよびスイッチ等に用いるのに最適である。
1、2、500 半導体装置
1D、2D D−FET領域
1E、2E E−FET領域
10 半導体基板
11、21 エピタキシャル層
12 素子分離領域
13、700 絶縁膜
14D、14E、650、651 ゲート電極
15D、15E オーミック電極
111、112、602 バッファ層
113 チャネル層
114 電子供給層
115 第1の閾値調整層
116、216 第1のエッチング停止層
117、217 第2の閾値調整層
117A、117B、117C 調整層
118 第2のエッチング停止層
119 コンタクト層
216A、216B、216C 停止層
600 半導体層
601 GaAs基板
603 第1電子供給層
604 スペーサ層
605 電子走行層
606 第2電子供給層
607 第1ノンドープ層
608 第2ノンドープ層
609 第3ノンドープ層
610 第4ノンドープ層
611 キャップ層
630、631 ソース電極
640 ドレイン電極
701、702、703 窒化膜
1D、2D D−FET領域
1E、2E E−FET領域
10 半導体基板
11、21 エピタキシャル層
12 素子分離領域
13、700 絶縁膜
14D、14E、650、651 ゲート電極
15D、15E オーミック電極
111、112、602 バッファ層
113 チャネル層
114 電子供給層
115 第1の閾値調整層
116、216 第1のエッチング停止層
117、217 第2の閾値調整層
117A、117B、117C 調整層
118 第2のエッチング停止層
119 コンタクト層
216A、216B、216C 停止層
600 半導体層
601 GaAs基板
603 第1電子供給層
604 スペーサ層
605 電子走行層
606 第2電子供給層
607 第1ノンドープ層
608 第2ノンドープ層
609 第3ノンドープ層
610 第4ノンドープ層
611 キャップ層
630、631 ソース電極
640 ドレイン電極
701、702、703 窒化膜
Claims (14)
- 同一の半導体基板上に積層された複数の半導体層を用いて、エンハンスメント型電界効果トランジスタとディプレッション型電界効果トランジスタとが前記半導体基板の面方向に隣接して集積化された半導体装置であって、
前記複数の半導体層は、
前記半導体基板上に形成され、前記エンハンスメント型電界効果トランジスタのゲートの閾値電圧と前記ディプレッション型電界効果トランジスタのゲートの閾値電圧とを調整する第1の閾値調整層と、
前記第1の閾値調整層の上に形成され、最上層からのエッチングを停止させる第1のエッチング停止層と、
前記第1のエッチング停止層の上に形成され、前記ディプレッション型電界効果トランジスタのゲートの閾値電圧を調整する第2の閾値調整層と、
前記第2の閾値調整層の上に形成され、最上層からのエッチングを停止させる第2のエッチング停止層とを備え、
前記第1のエッチング停止層および前記第2の閾値調整層のうち少なくとも一方は、n型のドーピングがなされている領域を含む
ことを特徴とする半導体装置。 - 前記第2のエッチング停止層は、n型のドーピングがなされている領域を含む
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 前記第1の閾値調整層および前記第2の閾値調整層は、AlGaAsからなる
ことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。 - 前記第1のエッチング停止層および前記第2のエッチング停止層は、InGaPからなる
ことを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記InGaPは、ディスオーダー構造を有する
ことを特徴とする請求項4記載の半導体装置。 - 前記第2の閾値調整層は、n型のドーピングがなされている領域を含み、
当該領域は、前記第2の閾値調整層と前記第1のエッチング停止層との接触界面から7nm以内に含まれている
ことを特徴とする請求項1〜5のうちいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記第2の閾値調整層は、n型のドーピングがなされている領域を含み、
前記領域は、n型ドーピングが1nm以上6nm以下の膜厚で前記半導体基板の面方向に均一にドーピングされている
ことを特徴とする請求項1〜6のうちいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記第2の閾値調整層は、n型のドーピングがなされている領域を含み、
前記n型のドーピングは、デルタドーピングである
ことを特徴とする請求項1〜7のうちいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記第2の閾値調整層は、n型のドーピングがなされている領域を含み、
前記n型のドーピングの面濃度は、3×1011/cm2以上5×1012/cm2以下である
ことを特徴とする請求項1〜7のうちいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記第1のエッチング停止層は、一様にn型のドーピングがなされている
ことを特徴とする請求項1〜9のうちいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記第1のエッチング停止層は、n型のドーピングがなされている領域を含み、
前記n型のドーピングは、デルタドーピングである
ことを特徴とする請求項1〜9のうちいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記n型のドーピングの面濃度は、3×1011/cm2以上5×1012/cm2以下である
ことを特徴とする請求項10記載の半導体装置。 - 同一の半導体基板上に積層された複数の半導体層を用いて、エンハンスメント型電界効果トランジスタとディプレッション型電界効果トランジスタとが前記半導体基板の面方向に隣接して集積化された半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板上に、前記エンハンスメント型電界効果トランジスタのゲートの閾値電圧と前記ディプレッション型電界効果トランジスタのゲートの閾値電圧とを調整する第1の閾値調整層を形成する第1閾値調整層形成ステップと、
前記第1の閾値調整層の上に、最上層からのエッチングを停止させる第1のエッチング停止層を形成する第1エッチング停止層形成ステップと、
前記第1のエッチング停止層の上に、前記ディプレッション型電界効果トランジスタのゲートの閾値電圧を調整する第2の閾値調整層を形成する第2閾値調整層形成ステップと、
前記第1のエッチング停止層および前記第2の閾値調整層のうち少なくとも一方に、n型のドーピングをする第1ドーピングステップと、
前記第2の閾値調整層の上に、最上層からのエッチングを停止させる第2のエッチング停止層を形成する第2エッチング停止層形成ステップとを含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記半導体装置の製造方法では、さらに、
前記第2のエッチング停止層に、n型のドーピングをする第2ドーピングステップを含む
ことを特徴とする請求項13記載の半導体装置の製造方法。
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