專利名稱：場效應晶體管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及場效應晶體管，尤其涉及包括由化合物半導體構成的半絕緣性襯底，和在該半絕緣性襯底上形成的緩沖層，和在該緩沖層上形成的溝道層的場效應晶體管。
近年來，社會的多媒體化迅速展開，也要求移動通訊的性能，由靜止畫面的發(fā)送、接收向準動畫或是動畫的發(fā)送、接收轉移，這就要求大容量通信。
但是，現(xiàn)在的攜帶電話(大哥大)和PHS使用的0.3～3GHz頻帶的頻率，資源已經枯竭，在該頻帶對準動畫、動畫的發(fā)送及接收，這樣大容量通信是困難的。
因此，在大容量通信的領域，考慮利用30GHz～300GHz非常寬的頻帶的毫米波段。利用毫米波段時，在該毫米波段的高頻區(qū)域，需要具有高增益，低噪音特性的有源元件。為了滿足該要求，在作為銦鎵砷溝道層的異質結型場效應晶體管中，盡可能提高溝道層的銦的配比是必要的。
因此，提出包括由銦鋁砷層構成的緩沖層、和由在該緩沖層上形成的銦鎵砷層構成的溝道層的高電子遷移率晶體管(HEMT)(以下銦鋁砷/銦鎵砷——HEMT的略稱)。具有這種構造的HEMT能將溝道層銦的組分設定在0.53以上，由于具有良好的元件特性，作為毫米波段用的元件是很有發(fā)展前途的。
圖7是表示以往的銦鋁砷/銦鎵砷——HEMT的剖面，F(xiàn)e是在被摻雜的半絕緣性銦磷襯底1上，順序形成由未摻雜型銦鋁砷層構成的緩沖層2、由未滲雜型銦鎵砷層構成的溝道層3以及由n型的銦鋁砷層構成的肖特基層4。在肖特基層4上形成具有n型銦鎵砷層構成的凹槽結構的管底層5。在管底層5上，分別形成源極電極6以及漏極電極7，同時，在管底層5的凹槽區(qū)域內形成柵極電極8。
可是，在場效應晶體管中，漏極電導(δIds/δVds)越小，增益越大，在以往的銦鋁砷/銦鎵砷——HEMT中，由于在相當?shù)偷穆O電壓(2V左右)顯著出現(xiàn)漏極電導變大的“彎折現(xiàn)象”，其不能充分使用電源電勢。
究其原因，構成緩沖層2的銦鋁砷層中的晶體缺陷的電子陷阱引起“彎折現(xiàn)象”。也就是說，當漏極電壓變高時，束縛在銦鋁砷構成的緩沖層2的陷阱中的電子，被激發(fā)作為載流電子工作，漏極電流急劇增加，產生彎折現(xiàn)象。
所以，為抑制彎折現(xiàn)象，通過晶體生成形成緩沖2時，當V/III比低時或生成溫度低時，結晶性不良，因此，提出形成較深的格柵的第一方法，和將緩沖層2銦鎵砷層和銦鋁砷層順序層積的超晶格層和分別位于該超晶格層的下側及上側的銦鋁砷層構成的三層結構，抑制由外延生成界面(半絕緣性銦磷襯底1和緩沖層2的交界面)產生錯位的第二方法。
但是，通過第一方法，在溝道層為了結晶良好必須提高V/III比，同時，由于需要確保溝道層和緩沖層之間的V/III比的連續(xù)性，產生稱為溝道層晶體生成工藝效率不好的新問題。因此，作為抑制彎折現(xiàn)象的方法，第一方法不是圓滿的方法。
還有，通過第二方法，由于阱層的銦鎵砷層的能帶低，在該銦鎵砷層上存在許多電子。因此，當施加漏極電壓時，由于對銦鎵砷層流過電流，存在不能充分抑制彎折現(xiàn)象的問題。
鑒于上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種漏極電壓高和不產生漏極電流急劇增加的彎折現(xiàn)象的場效應晶體管。
但是，本發(fā)明的發(fā)明者們，在構成緩沖層的銦鋁砷層中，對有關產生晶體缺陷的原因進行種種研討的結果發(fā)現(xiàn)，在大氣中存在的氟等不純物附著于半絕緣性襯底的表面，由于附著的氟等的不純物通過晶體生成法形成緩沖層時，在構成緩沖層的銦鋁砷層中擴散，對該銦鋁砷層產生晶體缺陷。這不是對溝道層鄰接的緩沖層的研討，最近，從銦鋁砷層與其他的III——V族化合物半導體層相比，大氣中的氟等不純物容易擴散的報告中(電子信息通信學會技術研究報告ED95、PP35～40)也可以理解。
基于上述見解，本發(fā)明所述緩沖層包括由銦鋁砷層構成的第一層，和阻止附著在半絕緣性襯底的表面的氟等的不純物侵入銦鋁砷層的第二層的層疊體。
本發(fā)明的第一種場效應晶體管具有將銦磷或是鎵砷構成的半絕緣性襯底，和在該半絕緣性襯底上形成的緩沖層，和在該緩沖層上形成的溝道層的場效應晶體管作為對象，緩沖層具有銦鋁砷構成的第一層，和鋁鎵砷、銦鎵磷或鋁鎵磷的三種元素混合晶體構成的第二層的層疊體。
根據(jù)第一種場效應晶體管，鋁鎵砷、銦鎵磷或是鋁鎵磷的三種元素混合晶體與銦鋁砷的三種元素混合晶體相比，由于負電勢小，電子的偏移少。因此，氟等的不純物難以通過由鋁鎵砷、銦鎵磷或鋁鎵磷的三種元素混合晶體構成的第二層，對緩沖層擴散很難。
本發(fā)明的第二種場效應晶體管具有將銦磷或是鎵砷構成的半絕緣性襯底，和在該半絕緣性襯底上形成的緩沖層，和在該緩沖層上形成的溝道層的場效應晶體管作為對象，緩沖層具有銦鋁砷構成的第一層，和鎵砷、鋁砷、鎵磷或鋁磷的二種元素晶體構成的第二層的層疊體。
根據(jù)第二種場效應晶體管，由于二種元素晶體不是混合晶體，所以沒有電子的偏移。因此，氟等的不純物，難以通過由鎵砷、鋁砷、鎵磷或鋁磷的二種元素晶體構成的第二層，對緩沖層擴散很難。
本發(fā)明第三種場效應晶體管具有將銦磷或是鎵砷構成的半絕緣性襯底，和在該半絕緣性襯底上形成的緩沖層，和在該緩沖層上形成的溝道層的場效應晶體管作為對象，緩沖層具有銦鋁砷構成的第一層，和銦鎵鋁砷或銦鎵鋁磷的四種元素混合晶體構成的第二層的層疊體。
根據(jù)第三種場效應晶體管，銦鎵鋁砷或是銦鎵鋁磷的四種元素混合晶體與銦鋁砷相比，由于負電勢小，電子的偏移少，因此，氟等不純物難以通過由銦鎵鋁砷或是銦鎵鋁磷的四種元素混合晶體構成的第二層，對緩沖層擴散很難。
在第一到第三種的場效應晶體管中，層疊體具有所述第一層和所述第二層相互層積的超晶格結構是理想的。
下面，對附圖進行簡要說明

圖1是本發(fā)明一實施例的場效應晶體管的剖面圖。
圖2(a)是說明由負電勢大的銦鋁砷構成的在三種元素混合晶體中電子的偏移狀態(tài)的模式圖，(b)是說明由負電勢小的鋁鎵砷構成的在三種元素混合晶體中電子的偏移狀態(tài)的模式圖。
圖3是說明在所述一實施例的場效應晶體管的緩沖層中，氟難以擴散的剖面模式圖。
圖4的(a)～(c)是說明在所述一實施例的場效應晶體管制造方法的各工序的剖面圖。
圖5的(a)～(c)是說明在所述一實施例的場效應晶體管制造方法的各工序的剖面圖。
圖6的(a)～(c)是說明在所述一實施例的場效應晶體管制造方法的各工序的剖面圖。
圖7是以往的場效應晶體管的剖面圖。
符號說明11——鐵摻雜半絕緣性銦磷襯底；12——第一緩沖層；13——第二緩沖層；14——第三緩沖層；15——溝道層；16——間隔層；17——δ摻雜層；18——肖特基層；19——管底層；20——源極電極；21——漏極電極；22——柵極電極；30——第一光刻圖；31——臺面結構體；32——第二光刻圖；33——第一金屬膜；34——第一保護膜；35——第二保護膜；36——第二金屬膜。
下面，參照圖1說明本發(fā)明一實施例的場效應晶體管。
圖1是表示本發(fā)明一實施例的場效應晶體管剖面結構，如圖1所示，在鐵摻雜的半絕緣性銦磷襯底11上，依次通過晶體生成形成由未摻雜的銦0.52鋁0.48砷構成厚度為100nm的第一緩沖層12，厚度10nm的未摻雜銦0.52鋁0.48砷層和厚度2nm的未摻雜鋁0.25鎵0.75砷分別順序反復10次層積的超晶格結構的第二緩沖層13，由未摻雜的銦0.52鋁0.48砷層構成的厚度300nm的第三緩沖層14，未摻雜銦0.53鎵0.47砷層構成的厚度10nm的溝道層15，未摻雜銦0.52鋁0.48砷層構成的厚度3nm的間隔層16，硅層構成的δ摻雜層17以及未摻雜銦0.52鋁0.48砷層構成的厚度30nm的肖特基層18。在肖特基層18的上面形成具有硅摻雜的n型銦0.53鎵0.47砷層構成的厚度50nm的凹槽結構的管底層19。在管底層19的上面分別形成源極電極20以及漏極電極21。同時，在管底層19的凹槽區(qū)域中形成柵極電極22。
還有，使δ摻雜層17介于間隔層16和肖特基層18之間的理由如下；即理想的溝道層15和柵極電極22的距離是短的，為了在溝道層15得到規(guī)定的載流子濃度，縮短距離部分必須增加摻雜量。但是，考慮到當增加摻雜量時，漏極耐壓降低。所以，為了不使漏極耐壓降低，為了在縮短溝道層15和柵極電極22的距離的同時得到規(guī)定的載流子濃度，設置了δ摻雜層17。
在本發(fā)明一實施例的場效應晶體管中，如前所述，由于緩沖層是通過由銦鋁砷層構成的第一緩沖層12、和由銦鋁砷層和鋁鎵砷層層積的第二緩沖層13以及由銦鋁砷層構成的第三緩沖層14構成的，也就是，將具有超晶格構造的第二緩沖層13的構造，代替以往的由銦鋁砷和銦鎵砷構成的層疊體，由于銦鋁砷層和銦鎵砷展構成的層疊體，在半絕緣性銦磷襯底11的表面附著的氟等不純物很難向第二緩沖層13擴散，所以在第二緩沖層13很難產生結晶缺陷。關于該理由，后面詳細說明。
還有，在所述一實施例中，緩沖層是由以下三層構成的，即，銦鋁砷層組成的第一緩沖層12，和具有銦鋁砷和鋁鎵砷的超晶格結構的第二緩沖層13，和由銦鋁砷層構成的第三緩沖層14。也可由以下構成替換?？梢杂啥訕嫵?，即由銦鋁砷構成的下層的緩沖層和具有銦鋁砷和鋁鎵砷的超晶格結構的上層的緩沖層。也可由銦鋁砷和鋁鎵砷的超晶格結構的下層的緩沖層，和銦鋁砷層組成的上層的緩沖層二層構成，也可以由具有銦鋁砷和鋁鎵砷的超晶格結構的僅一層緩沖層構成。還有，替換銦鋁砷和鋁鎵砷的超晶格結構，也可是銦鋁砷層和鋁鎵砷層各一層層積的層疊體。
還有，作為緩沖層，可用具有銦鋁砷層和鋁鎵砷層的層疊體的結構代替，也可用具有由銦鋁砷構成的第一層和銦鎵磷或是鋁鎵磷的三種元素混合晶體組成的第二層的層疊體。在這種情況下，作為層疊體，可以是使第一層和第二層每一層層積的層疊結構，也可以是多個第一層和第二層相互層積的超晶格結構。
其次，緩沖層具有由銦鋁砷構成的第一層和鋁鎵砷、銦鎵磷或是鋁鎵磷的三種元素混合晶體構成的第二層的層疊體及半絕緣性襯底的表面附著的氟等不純物在緩沖層中難以擴散的理由說明如下。
對于構成第一層的銦鋁砷的負電勢是0.61eV，構成第二層的鋁鎵砷、銦鎵磷或是鋁鎵磷的負電勢分別是0.18eV、0.55eV或是0.09eV，與銦鋁砷的負電勢相比是非常小的值。當負電勢小時，由于電子的偏移不多，氟等的原子難以擴散。下面說明該理由。
可是，晶體是原子通過共用電子對相結合，通過共用電子結合的原子構成晶體的晶格，在離子性晶體的情況下，共用電子向其中一個原子方向偏移。由于原子的大小是由構成原子的電子云的范圍決定的，電子偏移了的原子，實際的半徑變大。這樣的情況在原子對分子置換時也合適。
作為所述表示電子的偏移指標，使用負電勢，在負電勢大的情況下，原子彼此以及分子彼此之間的電子偏移較大。圖2(a)是表示在負電勢大的銦鋁砷的電子的偏移狀態(tài)，用實線表示由于電子的偏移大，銦鋁砷的混合晶體彼此之間的間隙大。還有，在圖2(a)中，點劃線是表示電子沒有偏移的狀態(tài)。圖2(b)是表示在負電勢小的鋁鎵砷中的電子的偏移狀態(tài)，由于電子的偏移小，鋁鎵砷的混合晶體彼此之間的間隙小。
電子的偏移，考慮到原子的充填率局部降低，例如鋁鎵砷的負電勢是0.18eV，由于銦鋁砷的負電勢是0.61eV，鋁鎵砷與銦鋁砷相比，由于充填率的局部的低下的程度小，氟等不純物難以擴散。
圖3是表示半絕緣性銦磷襯底11和第一緩沖層12之間的外延生成界面存在的氟通過第二緩沖層13接近第三緩沖層14的狀態(tài)模式，如圖3所示，由于阻止氟向構成第二緩沖層13的鋁鎵砷層擴散，所以氟大部分不能到達第三緩沖層14。
還有，在所述實施例中，過度層具有由銦鋁砷組成的第一層和由鋁鎵砷、銦鎵磷或是鋁鎵磷的三種元素混合晶體組成的第二層的分層結構可以由銦鋁砷構成的第一層，和由鎵砷、鋁砷、鎵磷或是鋁磷的二元結晶構成的第二層的分層結構替換，也可以由銦鋁砷構成的第一層和由銦鎵鋁砷或是銦鎵鋁磷的四元混合晶體構成的第二層的層疊體。
緩沖層具有由二種元素結晶構成的分層結構的情況下，由于二種元素結晶不是混合晶體，沒有電子的偏移，可抑制氟等不純物的擴散。
還有，當緩沖層是四種元素混合晶體時，如果負電勢是小混合晶體，由于電子的偏移少，在三種元素混合晶體的情況下由于同樣的理由，可抑制氟等不純物等的擴散。所述的銦鎵鋁砷或是銦鎵鋁磷的四種元素混合晶體，由于負電勢小，可抑制氟等不純物的擴散。在四種元素混合晶體的情況下，通過選擇緩沖層的組分，可配合銦磷襯底或是鎵砷襯底和晶格。
當緩沖層具有前述過的三種元素混合晶體、二種元素結晶或是四種元素混合晶體構成的第二層時，由鐵摻雜的半絕緣性銦磷襯底11向緩沖層擴散的鐵即使有，由于緩沖層阻止鐵的擴散，也能夠達到防止鐵向溝道層擴散的預期效果。
此外，在所述實施例中，作為襯底，使用了鐵摻雜的半絕緣性銦磷襯底，但可用沒有鐵摻雜的半絕緣性銦磷襯底代替，也可以使用半絕緣性鎵砷襯底。
下面，參照圖4(a)～(c)、圖5(a)～(c)以及圖6(a)～(c)，說明所述實施例場效應晶體管的制造方法。
首先，如圖4(a)所示，在鐵摻雜的半絕緣性銦磷襯底11上，通過MBE法，形成如下由未摻雜的銦0.52鋁0.48砷層構成的厚度為100nm的第一緩沖層12；具有按厚度為10nm的未摻雜銦0.52鋁0.48砷層和厚度為2nm的未摻雜鋁0.25鎵0.75砷順序反復10次層積的超晶格結構的第二緩沖層13；由未摻雜銦0.52鋁0.48砷層構成的厚度為300nm的第三緩沖層14；由未摻雜銦0.53鎵0.47砷層構成的厚度為10nm的溝道層15；由未摻雜銦0.52鋁0.48砷層構成的厚度為3nm的問隔層16；由硅層構成的δ摻雜層17；由未摻雜銦0.52鋁0.48砷層構成的厚度為30nm的肖特基層18；以及由硅摻雜的n型銦0.53鎵0.47砷層構成的厚度為50nm的管底層19順次外延生成后，在管底層19上形成對晶體管形成區(qū)域的第一光刻圖30。
其次，如圖4(b)所示，對將第一光刻圖30作為掩膜的外延生成的生成層，例如，使用磷酸系的腐蝕劑進行蝕刻，在形成由外延生成的生成層構成的臺面結構體31之后，去掉第一光刻圖30。
接著，如圖4(c)所示，在管底層19上，在對源極以及漏極區(qū)域形成具有開口部分的第二光刻圖32之后，經過全面真空鍍敷電阻性的金屬例如鎳/金鍺/金(Ni/AuGe/Au)，堆積第一金屬膜33。
然后，當剝離第二蝕刻圖32時，如圖5(a)所示，在管底層19上形成由第一金屬膜33構成的源極電極20以及漏極電極21。
接著，如圖5(b)所示，在管底層19上，堆積對EB感光的保護層材料，例如PMMA構成的第一保護膜34之后，在該第一保護層膜34上面，堆積由對相同的EB感光的保護材料，例如P(MMA/MAA)聚甲基丙烯酸甲酯/聚甲基丙烯酸構成的第二保護膜35。
接著，如圖5(c)所示，對第二保護膜35進行EB曝光之后，經顯像，形成0.5μm線寬的圖形，再對第一保護膜34照射電子束輻射，對第一保護膜34形成0.1μm線寬的圖形。
接著，對管底層19，使用磷酸系的腐蝕劑進行蝕刻，如圖6(a)所示，對管底層19形成凹槽區(qū)域。
最后，如圖6(b)所示，在第二保護膜35的上面，經過全面真空鍍敷柵極金屬，例如鈦/鉑/金(Ti/Pt/Au)，形成第二金屬膜36之后，當將第一保護膜34以及第二保護膜35移去時，如圖6(c)所示，在露出源極電極20以及漏極電極21的同時，在管底層19的凹槽區(qū)域形成由第二金屬膜36構成的柵極電極22。
根據(jù)第一種場效應晶體管，鋁鎵砷、銦鎵磷或鋁鎵磷的三種元素混合晶體與以往的構成緩沖層的銦鋁砷相比，因為負電勢小，電子的偏移少，因為由鋁鎵砷、銦鎵磷或鋁鎵磷的三種元素混合晶體構成的第二層阻止氟等的不純物的通過，所以氟等不純物難以對緩沖層擴散。因此，在緩沖層，難以產生伴隨著結晶缺陷的電子陷阱，不產生彎折現(xiàn)象。
根據(jù)本發(fā)明的第二種場效應晶體管，由于鎵砷、鋁砷、鎵磷或鋁磷的二種元素的結晶沒有電子的偏移，因為由鎵砷、鋁砷、鎵磷或鋁磷的二種元素結晶構成的第二層阻止氟等不純物的通過，所以氟等的不純物難以對緩沖層擴散。因此，在緩沖層，難以產生伴隨著結晶缺陷的電子陷阱，不產生彎折現(xiàn)象。
根據(jù)第三種場效應晶體管，銦鎵鋁砷或銦鎵鋁磷的四種元素混合晶體與以往的構成緩沖層的銦鋁砷相比，因為負電勢的小，電子的偏移少，因為由銦鎵鋁砷或是銦鎵鋁磷的四種元素的混合晶體構成的第二層阻止氟等的不純物的通過，所以氟等的不純物難以對緩沖層擴散。因此，在緩沖層，難以產生伴隨著結晶缺陷的電子陷阱，不產生彎折現(xiàn)象。
在第一～第三場效應晶體管中，層疊體具有第一層和第二層相互層疊的超晶格結構，由于構成層疊體的多個第二層分別阻止氟等不純物的擴散，所以氟等不純物難以向緩沖層擴散。
權利要求
1.一種場效應晶體管，包括由銦磷或是鎵砷構成的半絕緣性襯底，和在該半絕緣性襯底上形成的緩沖層，和在該緩沖層上形成的溝道層，其特征在于所述緩沖層是由銦鋁砷構成第一層，由鋁鎵砷、銦鎵磷或鋁鎵磷的三種元素混合晶體構成第二層的層疊體。
2.一種場效應晶體管，包括由銦磷或是鎵砷構成的半絕緣性襯底，和在該半絕緣性襯底上形成的緩沖層，和在該緩沖層上形成的溝道層，其特征在于所述緩沖層是由銦鋁砷構成第一層，由鎵砷、鋁砷、鎵磷或是鋁磷的二種元素晶體構成第二層的層疊體。
3.一種場效應晶體管，包括由銦磷或是鎵砷構成的半絕緣性襯底，和在該半絕緣性襯底上形成的緩沖層，和在該緩沖層上形成的溝道層，其特征在于所述緩沖層是由銦鋁砷構成第一層，由銦鎵鋁砷或是銦鎵鋁磷的四種元素混合晶體構成第二層的層疊體。
4.根據(jù)權利要求1～3中任何一項所述的場效應晶體管，其特征在于所述層疊體具有所述第一層和所述第二層相互層積的超晶格結構。
全文摘要
場效應晶體管是在鐵摻雜的半絕緣性銦磷襯底上,順次層疊由未摻雜銦
文檔編號H01L29/15GK1192587SQ98100840
公開日1998年9月9日 申請日期1998年2月20日 優(yōu)先權日1997年3月5日
發(fā)明者田邊充 申請人:松下電器產業(yè)株式會社