專利名稱：場效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及采用適用于800MHz以上高頻波段的化合物半導(dǎo)體的場效應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
采用化合物半導(dǎo)體的場效應(yīng)晶體管主要用于高速大容量無線通信系統(tǒng)等的收發(fā)部件，用來放大800MHz以上的高頻信號或用于開關(guān)。而作為高頻放大器所要求的重要特性，有高輸出特性，但是，為了在高頻波段實現(xiàn)高輸出，增大最大漏極電流和高耐壓化是有效的。
一般，若想增大最大漏極電流，就要增加攙雜濃度，但耐壓降低。這樣，增大最大漏極電流和高耐壓化是一種折衷的關(guān)系，因此人們試圖通過在晶體管結(jié)構(gòu)上下工夫，使兩者同時提高。
作為一個示例，為了高耐壓化，廣泛采用增大與柵極形成肖特基結(jié)的半導(dǎo)體層(以下稱為柵極接觸層)的帶隙能，增大金屬與半導(dǎo)體界面的勢壘的方法。為了用3～5族化合物半導(dǎo)體增大帶隙能量，往往添加鋁(以下稱為「Al」)。例如，若為以砷化鎵(以下稱為「GaAs」)為主要材料的半導(dǎo)體層，則為了不用Al組成而與GaAs晶格匹配，廣泛利用AlGaAs層。
此外，近年來，即使在考慮有可能高耐壓化且高輸出化，正在推進開發(fā)的以氮化鎵(以下稱為「GaN」)為主要材料的半導(dǎo)體層上，AlGaN層往往也用作柵極接觸層。
但是，利用AlGaAs和AlGaN作為柵極接觸層時的問題是，由于表面耗盡層伸展，使最大漏極電流下降。一般，化合物半導(dǎo)體表面往往與保護絕緣膜形成界面，但是盡管如此，由于存在許多缺陷能級，費米能級的釘扎效應(yīng)和通過能級的電荷捕獲/釋放的過渡響應(yīng)現(xiàn)象，使在直流或1MHz以上的頻率范圍，表面耗盡層伸展，最大漏極電流受表面的影響而降低。
在GaAs系的晶體管中，即使在GaAs中，表面能級密度與硅相比變?yōu)?0～100倍，但是在AlGaAs中，即使在體內(nèi)，DX中心等的缺陷能級大，而且由于在表面上Al容易氧化，即使與GaAs的表面相比，捕獲的電子密度變得非常大，表面耗盡層伸展，使最大漏極電流降低。這個現(xiàn)象即使在GaN系的晶體管中考慮也一樣。
因此，人們提出不露出AlGaAs層和AlGaN層的結(jié)構(gòu)，作為一個示例，有掩埋柵極結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管。這種掩埋柵極結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管，在GaAs基片上用GaAs形成的緩沖層，在該緩沖層上由GaAs形成溝道層。在溝道層上形成由AlGaAs形成的柵極接觸層，在該柵極接觸層上形成肖特基結(jié)的柵極電極。由n-GaAs形成的歐姆接觸用的覆蓋層和柵極接觸層之間設(shè)有由GaAs形成的掩埋層。柵極掩埋在它的掩埋層里，與柵極接觸層形成肖特基結(jié)。通常，為了減小歐姆區(qū)的電阻，掩埋層和柵極接觸層是n型攙雜層。采用該掩埋柵極結(jié)構(gòu)，可以增大最大漏極電流(例如，參照專利文獻1，專利文獻2)。
專利文獻1特開2001-185558號公報專利文獻2特開平11-251575號公報發(fā)明內(nèi)容這里，分別準備柵極接觸層露出的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和掩埋柵極結(jié)構(gòu)的晶體管，評價柵極-漏極兩端子的耐壓特性。施加在柵極-漏極之間的電壓Vgd設(shè)置為1V、10V、20V時，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的柵極漏電流Igd(A/mm)是-3×10-8、-1.5×10-6、-2×10-2。對此，掩埋柵極結(jié)構(gòu)的柵極漏電流Igd(A/mm)，為-1.5×10-8、-5×10-4和-7×10-2。此外，擊穿電壓值在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為21V，在掩埋柵極結(jié)構(gòu)為31V。這樣，掩埋柵極結(jié)構(gòu)在晶體管的擊穿電壓方面，比柵極不掩埋的結(jié)構(gòu)高，但是晶體管通常工作時，亦即柵極-漏極之間施加的電壓為10V、20V時，有柵極漏電流增大的問題。這考慮原因是柵極金屬側(cè)壁與掩埋層接觸，使漏電路徑增大。這樣，若柵極漏電流大，則在高頻工作時，有柵極電流大量流動，發(fā)生柵極電壓降的問題。
此外，若測量掩埋層厚度變化時的耐壓漏電特性(Igd＝0.1mA/mm的Vdg值)及漏極電流(Vd＝2V)，則柵極漏電流對掩埋層厚度有強烈的依賴關(guān)系，掩埋層厚度越薄，漏電流越小。但若掩埋層厚度薄，則表面與流過漏極電流的溝道層之間的距離縮短，受表面耗盡層的影響，最大漏極電流下降。這樣，在人們以前提出的掩埋柵極結(jié)構(gòu)中，難以同時增大最大漏極電流和提高耐壓。
本發(fā)明的目的是，提供一種在采用對增大最大漏極電流有效的掩埋柵極結(jié)構(gòu)的同時，高耐壓、高輸出的場效應(yīng)晶體管。
本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管，其特征在于，該場效應(yīng)晶體管至少具有溝道層，在半絕緣基片上用包含不含鋁的3～5族化合物半導(dǎo)體的外延層形成；柵極接觸層，在該溝道層上用含有含鋁的帶隙能大的3～5族化合物半導(dǎo)體的攙雜濃度為1×1016cm'-3以下的外延層形成；柵極掩埋層，在該柵極接觸層上用含有不含鋁的3～5族化合物半導(dǎo)體的、攙雜濃度為1×1016cm-3以下的外延層形成；柵極電極，掩埋在該柵極掩埋層內(nèi)與該柵極接觸層形成結(jié)，在該場效應(yīng)晶體管中，設(shè)置使上述柵極掩埋層圍繞該柵極電極的側(cè)壁，殘留不露出該柵極接觸層的厚度的凹槽。
本發(fā)明的場效應(yīng)晶體管的效果是，只有掩埋在柵極掩埋層內(nèi)的柵極電極的側(cè)壁下部連接到柵極掩埋層，因此在抑制柵極漏電流的同時，只有凹槽的寬度的柵極掩埋層的表面能級影響最大漏極電流，因此可以抑制最大漏極電流的降低。
此外，柵極掩埋層及柵極接觸層是不攙雜的，攙雜濃度在1×1016cm-3以下，因此漏電路徑小，可抑制柵極漏電流。


圖1是本發(fā)明實施例1場效應(yīng)晶體管的截面圖；圖2是圖1的柵極電極附近的放大截面圖；圖3是本發(fā)明實施例2場效應(yīng)晶體管的截面圖；圖4是本發(fā)明實施例3場效應(yīng)晶體管的截面圖。
符號說明1，1B，1C場效應(yīng)晶體管， 2半絕緣GaAs基片，3 緩沖層， 4，4B溝道層5 柵極接觸層， 6 柵極掩埋層，7a，7b 覆蓋層 8 源極電極9漏極電極10柵極電極11鈍化層21通孔22(凹槽的)底部 23凹槽24a(柵極電極的)側(cè)壁下部24b(柵極電極的)側(cè)壁上部26凹槽區(qū)掩埋層厚 27凹槽寬度30，30B注入退火區(qū)40a，40b電子供應(yīng)層具體實施方式
實施例1圖1是本發(fā)明實施例1場效應(yīng)晶體管的截面圖。圖2是柵極電極附近的放大截面圖。
本發(fā)明的化合物半導(dǎo)體是3～5族化合物半導(dǎo)體，除GaAs、GaN以外，磷化鎵(GaP)、錫化鎵(GaSb)、氮化銦(InN)、磷化銦(InP)等也可以用作化合物半導(dǎo)體。此外，作為半絕緣基片可以采用由GaAs和InP組成的基片。
在以下的說明中，以GaAs作為3～5族化合物半導(dǎo)體的示例進行說明。
本發(fā)明的實施例1的場效應(yīng)晶體管，如圖1所示，具有緩沖層3，由在作為半絕緣基片的半絕緣GaAs基片2上生長的不攙雜的GaAs的外延層組成；溝道層4，由在該緩沖層3上生長的不攙雜GaAs外延層組成；柵極接觸層5，由在該溝道層4上生長的不攙雜AlGaAs的外延層組成；和柵極掩埋層6，由在該柵極接觸層5上生長的不攙雜GaAs外延層組成。
該不攙雜的AlGaAs外延層是n型攙雜劑的攙雜濃度在1×1016cm-3以下的本征半導(dǎo)體。
該不攙雜GaAs外延層是n型攙雜劑攙雜濃度在1×1016cm-3以下的本征半導(dǎo)體。
此外，該實施例1的場效應(yīng)晶體管1具有覆蓋層7a、7b，在柵極掩埋層6上生長后圖案化，隔開規(guī)定的距離，由n+型GaAs外延層組成；源極電極8，在一個覆蓋層7a上形成；漏極電極9，在另一個覆蓋層7b上形成；柵極電極10，在柵極掩埋層6中部分掩埋，控制流過源極電極8和漏極電極9之間的溝道層4的電流；鈍化層11，覆蓋除源極電極8和漏極電極9以外露出的表面。
在該柵極掩埋層6中，如圖2所示，設(shè)置露出柵極接觸層5底面的通孔21，和內(nèi)含該通孔21且比通孔21截面大并具有柵極掩埋層6的一部分介于與柵極接觸層5之間的底部22的凹槽23。
該柵極電極10的底面連接到柵極接觸層5，側(cè)壁下部24a連接到通孔21的內(nèi)壁，側(cè)壁上部24b與凹槽23內(nèi)壁通過之間的間隙相對。
另外，連接到柵極電極10的側(cè)壁下部24a的柵極掩埋層6的厚度，以下稱為「凹槽區(qū)掩埋層厚」26。此外，柵極電極10的側(cè)壁上部24b與凹槽23的內(nèi)壁相對置之間的間隙在下文中稱為凹槽寬度27。
在該實施例1的場效應(yīng)晶體管1中，凹槽區(qū)域掩埋層厚26超過0nm，在50nm以下，凹槽寬度27超過0μm，在0.5μm以下。
接著，說明凹槽區(qū)域掩埋層厚26的適當范圍。
正如在上述段落0008說明的那樣，柵極漏電流對掩埋層厚度有強烈的依賴性，掩埋層厚度越薄，柵極漏電流越小。例如，掩埋層厚為20nm、40nm、50nm、100nm的掩埋層時，柵極漏電流Igd變?yōu)?.1mA/mm的漏極-柵極間電壓Vdg分別為22V、13V、10V、6V。然后，即使漏極-柵極間電壓Vdg最低，也必須是工作電壓5V的倍數(shù)，因此漏極-柵極間電壓10V時柵極漏電流Igd變?yōu)?.1mA/mm以下的掩埋層厚最好在50nm以下。然后，凹槽區(qū)域掩埋層厚26也一樣，因此凹槽區(qū)域掩埋層厚26最好在50nm以下。
此外，若凹槽區(qū)域掩埋層厚26設(shè)為0nm，露出柵極接觸層5，則由于在AIGaAs表面上Al容易氧化，捕獲電子密度顯著增大，表面耗盡層伸展，引起最大漏極電流下降，因此考慮凹槽區(qū)域掩埋層厚26的工藝余量，采取不露出AlGaAs的程度的厚度，亦即最好超過10nm。
接著，說明凹槽寬度27的適當范圍。
除凹槽寬度27為0.4μm、0.5μm、0.6μm、1.0μm的凹槽23以外，制作和實施例1的場效應(yīng)晶體管1一樣的示例1、示例2、示例3的場效應(yīng)晶體管，評價脈沖漏極電流特性。脈沖漏極電流特性是在柵極電極10上施加頻率1MHz的柵極電壓，在源極電極8和漏極電極9之間施加2V的源極-漏極電壓，測定脈沖漏極電流，而且，在柵極電極10上施加DC的柵極電壓，在源極電極8和漏極電極9之間施加2V的源極-漏極電壓，測定DC漏極電流，并比較脈沖漏極電流最大值和DC漏極電流值所得到的百分率。
然后，脈沖漏極電流特性在凹槽寬度27為0.4μm、0.5μm、0.6μm、1.0μm時，分別為86％、80％、73％和65％。這樣，若增大凹槽寬度27，則脈沖漏極電流特性下降。原因是脈沖漏極電流特性受表面能級高低的影響比DC的情況大，凹槽寬度27越大，表面能級越高。而通常脈沖漏極電流特性必須在80％以上，因此凹槽寬度27最好在0.5μm以下。
此外，由于凹槽23的內(nèi)壁不連接?xùn)艠O電極10的側(cè)壁，所以必須超過0μm。
此外，在用作在K波段以上的高頻波段下工作的高輸出放大器的化合物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管中，從柵極電極10到漏極電極9側(cè)的覆蓋層7b的最短距離為0.5μm左右，但是即使在這樣的場效應(yīng)晶體管中也可以設(shè)置凹槽23。
除該實施例1的場效應(yīng)晶體管1以及n型攙雜劑的攙雜濃度為5×1016cm-3的柵極掩埋層6以外，制作實施例1的場效應(yīng)晶體管相同的比較示例1的場效應(yīng)晶體管，測量耐壓漏電特性。
耐壓漏電特性在流過柵極電極10和漏極電極9之間的柵極漏電流Igd為0.1mA/mm時，測量漏極電極9和柵極電極10之間施加的漏極-柵極間電壓Vdg來確認。
在該實施例1的場效應(yīng)晶體管1中，柵極漏電流Igd為0.1mnA/mm時的漏極-柵極間電壓Vdg為28V，在比較示例1的場效應(yīng)晶體管上，柵極漏電流Igd為0.1mA/mm時的漏極-柵極間電壓Vdg為10V。這樣，實施例1的場效應(yīng)晶體管1大大抑制了柵極漏電流。柵極掩埋層6以及柵極接觸層5的n型攙雜劑的攙雜濃度為1×1016cm-3以下，連接到柵極電極10的柵極掩埋層6以及柵極接觸層5的區(qū)域容易耗盡，反向泄漏路徑減小，因此能抑制從柵極電極10流向漏極電極9的柵極漏電流。
這樣的場效應(yīng)晶體管1，只有掩埋在柵極掩埋層6中的柵極電極10的側(cè)壁下部24a才連接到柵極掩埋層6，因此在抑制柵極漏電流的同時，只有凹槽寬度27的柵極掩埋層6的表面能級影響最大漏極電流，因此可以抑制最大漏極電流的下降。
此外，柵極掩埋層6以及柵極接觸層5是未攙雜的，攙雜濃度在1×1016cm-3以下，因此漏電路徑小，可以抑制柵極漏電流。
實施例2圖3是本發(fā)明實施例2的場效應(yīng)晶體管的截面圖。
本發(fā)明實施例2的場效應(yīng)晶體管1B，在實施例1的柵極掩埋層6、柵極接觸層5以及溝道層4的一部分上形成注入退火區(qū)30并省略覆蓋層7a、7b方面不同，除此以外都相同，因此在相同的部分標以相同的符號，說明從略。
該實施例2的場效應(yīng)晶體管1B，如圖3所示，在其上形成源極電極8以及漏極電極9的柵極掩埋層6的區(qū)域6a、6b以及與其柵極掩埋層6的區(qū)域6a、6b重疊的柵極接觸層5以及溝道層4的區(qū)域上形成注入退火區(qū)30。
該注入退火區(qū)30注入硅作為n型攙雜劑，進行活化退火，使源極電極8和漏極電極9形成歐姆連接。
這樣，在其上形成源極電極8以及漏極電極9的柵極掩埋層6的區(qū)域6a、6b注入硅，其后進行活性退火，使源極電極8和溝道層4以及漏極電極9和溝道層4之間形成歐姆連接，因此電阻值不增加，反而可能減小。特別是，可以防止招致增益下降的源極電阻增大。
此外在柵極接觸層5上也設(shè)置注入退火區(qū)30，因此可防止電阻值增加。
這樣，柵極掩埋層6由未攙雜的GaAs外延層構(gòu)成，而柵極接觸層5由未攙雜的AlGaAs外延層構(gòu)成，因此可以在得到抑制柵極漏電流的效果的同時，還可以防止電阻值增大。
另外，作為n型攙雜劑不限于硅。
此外，在柵極掩埋層中設(shè)置注入退火區(qū)30，但可以省略覆蓋層7a、7b，因此可以省略外延層形成過程，可以降低成本。
另外，增加注入歐姆層形成過程，但是反而可以省略覆蓋層7a、7b部分的蝕刻工序，因此晶圓片加工工序數(shù)幾乎不變。
一般，在凹槽角容易發(fā)生電場集中，在發(fā)生電場集中的區(qū)域容易聚集水分等極化分子和離子，因此容易發(fā)生反應(yīng)、腐蝕。此外，若角形區(qū)域攙雜率高，則有大量反應(yīng)用的電子，而且，由于容易發(fā)生電場集中，與不攙雜的情況相比，可促進反應(yīng)。
因此，像實施例2那樣，具有凹槽角形狀的部分只是在柵極掩埋層6內(nèi)的不攙雜區(qū)域，因此可改善表面耐濕性。
實施例3圖4是本發(fā)明實施例3的場效應(yīng)晶體管的截面圖。
本發(fā)明實施例3的場效應(yīng)晶體管1C，在實施例2的場效應(yīng)晶體管1B上增加了電子供應(yīng)層40a、40b以及溝道層4B的組成方面不同，除此以外都相同，因此同樣的部分標以相同的符號，說明從略。
該實施例3的場效應(yīng)晶體管1C，如圖4所示，是高電子遷移率場效應(yīng)晶體管(High Electron Mobility field-effect TransistorHEMT)，溝道層4B，由傳導(dǎo)電子移動的不攙雜InGaAs外延層組成。此外，該實施例3的場效應(yīng)晶體管1C，增加了在空間上與溝道層4B分離的生成傳導(dǎo)電子的電子供應(yīng)層40a、40b。該電子供應(yīng)層40a、40b，通過攙雜攙雜劑形成。
然后，該實施例3的注入退火區(qū)30B，通過注入硅并用快速熱退火等高速退火技術(shù)進行活化退火而形成。另外，注入退火區(qū)也適用于實施例1或2的場效應(yīng)晶體管。
這樣，采用高速退火技術(shù)，形成注入退火區(qū)30B，因此與實施例2的場效應(yīng)晶體管1B相比，用更薄的外延層淀積，在攙雜劑的活化退火時，在外延層本身變化的高電子遷移率場效應(yīng)晶體管上，也可以形成注入退火區(qū)30B。
權(quán)利要求
1.一種場效應(yīng)晶體管，設(shè)有溝道層，在半絕緣基片上用含有不含鋁的3～5族化合物半導(dǎo)體的外延層形成；柵極接觸層，在該溝道層上用含有含鋁的帶隙能大的3～5族化合物半導(dǎo)體的攙雜濃度在1×1016cm-3以下的外延層形成；柵極掩埋層，在該柵極接觸層上用含有不含鋁的3～5族化合物半導(dǎo)體的攙雜濃度在1×1016cm-3以下的外延層形成；和柵極電極，掩埋在該柵極掩埋層中，與該柵極接觸層連接，其特征在于，在上述柵極掩埋層內(nèi)設(shè)有凹槽，其通過間隙與該柵極電極的側(cè)壁上部相對，并留出與該柵極電極側(cè)壁下部連接的上述柵極掩埋層的一部分。
2.權(quán)利要求1記載的場效應(yīng)晶體管，其特征在于，上述凹槽和上述柵極接觸層之間的上述柵極掩埋層的膜厚超過0nm，在50nm以下，而且，不設(shè)置上述凹槽的上述柵極掩埋層的膜厚在50nm以上。
3.權(quán)利要求1或2所述的場效應(yīng)晶體管，其特征在于，與上述柵極掩埋層的外延界面平行的方向上的上述凹槽寬度超過0μm，在0.5μm以下。
4.權(quán)利要求1或2所述的場效應(yīng)晶體管，其特征在于，具有連接除上述柵極掩埋層的上述柵極電極以及上述凹槽以外的區(qū)域的源極電極和漏極電極，重疊在上述溝道層、上述柵極接觸層以及上述柵極掩埋層的上述源極電極以及上述漏極電極上的區(qū)域，是注入作為施主而貢獻的原子的n型半導(dǎo)體層。
5.權(quán)利要求4所述的場效應(yīng)晶體管，其特征在于，上述溝道層是高電子遷移率的場效應(yīng)晶體管用的外延層。
全文摘要
提供一種在采用對增大最大漏極電流有效的掩埋柵極構(gòu)造的同時提高耐壓的高輸出的場效應(yīng)晶體管。該場效應(yīng)晶體管至少具有在半絕緣基片上用不含鋁的3～5族化合物半導(dǎo)體形成的溝道層；在其上用攙雜濃度在1×10
文檔編號H01L29/812GK101079442SQ20061006366
公開日2007年11月28日 申請日期2006年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月22日
發(fā)明者天清宗山, 國井徹郎 申請人:三菱電機株式會社