DE3545434C2 - Halbleitereinrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Halbleitereinrichtung gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und dient zur Bildung
von Feldeffekttransistoren mit heterogenem Zonenübergang.
Zur Gruppe der Feldeffekttransistoren mit heterogenem
Zonenübergang gehört ein konventioneller HEM-Transistor
(High-Electron-Mobility-Transistor bzw. Transistor mit
hoher Elektronenbeweglichkeit), wie er in Fig. 1 gezeigt
ist. Bei diesem HEM-Transistor sind der Reihe nach auf einem
halbisolierenden GaAs-Substrat 1 eine undotierte GaAs-
Schicht 2, eine n-Typ AlxGal-xAs-Schicht 3 mit x = 0,3
und eine n-Typ GaAs-Schicht 4 epitaktisch aufgewachsen.
Auf der n-Typ GaAs-Schicht 4 sind eine Gate-Elektrode 5
aus Ti/Pt/Au, eine Source-Elektrode 6 aus Au-Ge sowie eine
Drain-Elektrode 7 aus Au-Ge angeordnet. Ein Sourcebereich
8 und ein Drainbereich 9 sind dabei in Gebieten der n-Typ
GaAs-Schicht 4, der n-Typ AlxGal-xAs-Schicht 3 und der
GaAs-Schicht 2 jeweils unterhalb der Source-Elektrode 6
und der Drain-Elektrode 7 gebildet. Der Sourcebereich 8
und der Drainbereich 9 bestehen aus Legierungsschichten
der Halbleiter und dem Au-Ge der Elektroden 6 und 7.
Bei dem HEM-Transistor nach Fig. 1 ist der Drainstrom
so gesteuert, daß eine Konzentration einer zweidi
mensionalen Elektronengasschicht 12, die im Bereich 2a
der GaAs-Schicht 2 benachbart zum Heteroübergang 10
zwischen der GaAs-Schicht 2 und der n-Typ AlxGal-xAs-
Schicht 3 gebildet wird, durch eine an die Gate-
Elektrode 5 angelegte Spannung steuerbar ist.
Wird mit Hilfe eines derartigen konventionellen HEM-
Transistors nach Fig. 1 eine integrierte Schaltung aufge
baut, so ist es erwünscht, daß die Schwellspannung Vth
des HEM-Transistors den Wert Null besitzt (Vth = 0). Ein
derartiger HEM-Transistor mit Vth = 0 kann dadurch
erhalten werden, daß die Donatorkonzentration und die
Dicke der n-Typ AlxGal-xAs-Schicht 3 auf vorher festgelegte
Werte gehalten werden. In der Praxis ist es jedoch
schwierig, diese Werte genau einzustellen. Es erfordert
daher einen außerordentlich hohen Aufwand, einen HEM-
Transistor herzustellen, bei dem Vth = 0 ist.
Ein ähnlicher HEM-Transistor ist aus Japanese Journal of Applied
Physics, Vol. 20, No. 5, Mai 1981, Seiten L 317-L 319 bekannt.
Bei diesem HEM-Transistor sind auf einem halbisolierenden GaAs-
Substrat eine undotierte GaAs-Schicht und darauf eine n-Typ
AlxGal-xAs-Schicht aufgewachsen. Auf der AlxGal-xAs-Schicht
sind eine Gate-Elektrode aus Ti/Pt/Au und mindestens eine n-Typ
GaAs-Schicht aufgebracht, auf der eine Source-Elektrode aus
Au/Ge und eine Drain-Elektrode aus Au/Ge angeordnet sind.
Ein weiterer Feldeffekttransistor mit heterogenem Zonen
übergang ist in Fig. 2 dargestellt. Dieser Feldeffekt
transistor ist ein sogenannter DH (doppel-hetero) MISFET
(Metal-Insulator-Semiconductor-FET). Bei diesem DHMISFET
sind der Reihe nach auf einer nicht dotierten GaAs-Schicht
2, die auf einem halbisolierendem GaAs-Substrat 1 liegt,
eine undotierte AlxGal-xAs-Schicht 13 und eine GaAs-Schicht
14 vom n⁺-Typ epitaktisch aufgewachsen. Auf der n-Typ
GaAs-Schicht 14 sind eine Gate-Elektrode 5 aus einem n⁺-Typ
GaAs-Film, eine Au-Ge Source-Elektrode 6 und eine Au-Ge
Drain-Elektrode 7 gebildet. Innerhalb der n⁺-Typ GaAs-
Schicht 14, der AlxGal-xAs-Schicht 13 und der GaAs-Schicht
2 sind ein n⁺-Typ Sourcebereich 8 und ein n⁺-Typ Drain
bereich 9 begraben. Der Sourcebereich 8 und der Drainbereich
9 sind durch Ionenimplantation von n-Typ Verunreinigungen
(z. B. von Silizium) gebildet, wobei die Gate-Elektrode 5
als Maske verwendet worden ist, und zwar bevor die Source-
Elektrode und die Drain-Elektrode gebildet worden sind.
Bei dem DHMISFET nach Fig. 2 liegt ein heterogener
Zonenübergang 10a zwischen der undotierten GaAs-Schicht 2
und der undotierten AlxGal-xAs-Schicht 13, während weiter
hin ein heterogener Zonenübergang 10b zwischen der n⁺-Typ
GaAs-Schicht 14 und der undotierten AlxGal-xAs-Schicht 13
gebildet ist. Eine zweidimensionale Elektronengasschicht
12 ist in einem Bereich 2a der GaAs-Schicht 2 benachbart zum
heterogenen Zonenübergang 10a gebildet.
Sind die Sperrschichthöhen (Höhen der Potentialschwellen)
der einzelnen heterogenen Zonenübergänge 10a und 10b des
in Fig. 2 dargestellten DHMISFET′s jeweils mit E₁ und
E₂ bezeichnet, so ergibt sich eine Schwellenspannung zu
Vth = E₁ - E₂.
Es kann daher ein FET mit einer Schwellenspannung Vth = 0
gebildet werden, wenn E₁ = E₂ ist. Allerdings ist es in
der Praxis schwierig, einen guten ohm′schen Kontakt
zwischen der Gate-Elektrode 5 und der n⁺-Typ GaAs-Schicht
14 herzustellen. Gateverluste (Leckverluste) können
darüber hinaus nur durch einen besonderen Elementaufbau und
durch einen aufwendigen Herstellungsprozeß vermieden
werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiter
einrichtung zu schaffen, die einfach herstellbar ist und
eine Schwellspannung besitzt, deren Wert praktisch Null ist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Aus
gestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
Eine Halbleitereinrichtung nach der Erfindung zeichnet sich aus
durch
- - ein GaAs-Substrat,
- - eine auf dem GaAs-Substrat liegende GaAs-Schicht mit geringer Verunreinigungs- bzw. Dotierungskonzentration,
- - einer auf der GaAs-Schicht liegende AlGaAs-Schicht mit geringer Verunreinigungs- bzw. Dotierungskonzentration,
- - eine auf der AlGaAs-Schicht angeordnete Gate-Elektrode aus Silizium oder einer Verbindung aus Silizium und einem Metall, sowie durch
- - eine auf der AlGaAs-Schicht angeordnete Source-Elektrode und Drain-Elektrode.
Durch den genannten Aufbau der Halbleitereinrichtung
können Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit
erhalten werden, bei denen die Schwellspannung Vth im
wesentlichen Null ist.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ent
hält die Gate-Elektrode polykristallines Silizium bzw.
besteht aus polykristallinem Silizium.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung ist die AlGaAs-Schicht eine undotierte
Al0,3Ga0,7As-Schicht.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung
besteht darin, daß die GaAs-Schicht eine undotierte
Schicht ist.
Die Zeichnung stellt neben konventionellen Halbleiter
einrichtungen zwei Ausführungsbeispiele einer Halbleiterein
richtung nach der vorliegenden Erfindung dar. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen kon
ventionellen HEM-Transistor,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen kon
ventionellen DHMISFET,
Fig. 3A bis 3E einen HEM-Transistor nach einem ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Anmeldung in verschiedenen Herstellungs
stufen, und
Fig. 4A bis 4D einen HEM-Transistor nach einem
zweiten Ausführungsbeispiel der vor
liegenden Anmeldung in verschiedenen
Herstellungstufen.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung werden nachfolgend
zwei Ausführungsbeispiele von HEM-Transistoren gemäß
der vorliegenden Anmeldung näher erläutert. In den
Fig. 3A bis 3E und 4A bis 4D sind gleiche Elemente
wie in den Fig. 1 und 2 mit gleichen Bezugszeichen
versehen und werden nicht nochmals beschrieben.
Zunächst wird anhand der Fig. 3A bis 3E der Her
stellungsprozeß eines HEM-Transistors nach dem
ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung
näher erläutert. Wie in Fig. 3A gezeigt ist, werden
eine nicht dotierte GaAs-Schicht 2 mit einer Dicke von
0,5 bis 1 µm und eine nicht dotierte AlxGal-xAs (x = 0,3)-
Schicht 13 mit einer Dicke von mehreren Hundert Angström der
Reihe nach epitaktisch auf einem halbisolierendem GaAs-
Substrat 1 aufgebracht, zum Beispiel mit Hilfe eines
MBE (Molecular Beam Epitaxy bzw. Molekularstrahlepitaxie)-
Verfahrens oder mit Hilfe eines MOCVD-Verfahrens
(MO-Chemical Vapour Deposition-Verfahrens).
Auf der AlxGal-xAs (x = 0,3)-Schicht 13 wächst an
schließend mit Hilfe eines CVD-Verfahren Silizium auf.
Dabei wird die in Fig. 3B dargestellte Struktur erhalten,
bei der ein polykristalliner Siliziumfilm 15 auf der
Schicht 13 liegt.
Wie die Fig. 3B zeigt, wird auf dem polykristallinen
Siliziumfilm 15 ein Photoresist 16 mit vorbestimmtem
Muster aufgebracht. Der polykristalline Siliziumfilm 15
wird dann bereichsweise geätzt, wobei der Photoresist
16 als Maske dient. Auf diese Weise wird eine Gate-
Elektrode 5 mit vorbestimmter Form erhalten, wie in
Fig. 3C dargestellt ist.
Entsprechend der Fig. 3D wird anschließend auf der
gesamten Oberfläche der so erhaltenen Struktur Au-Ge
niedergeschlagen, wodurch eine Au-Ge Source-Elektrode 6
und eine Au-Ge Drain-Elektrode 7 erhalten werden. Danach
wird der Au-Ge-Film 17 auf dem Photoresist 16 entfernt,
und zwar gemeinsam mit dem Photoresist 16, zum Beispiel
durch ein Lift-off-Verfahren (Abhebeverfahren).
Die gesamte Struktur wird dann zur Durchführung eines
Legierungsprozesses auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt,
so daß das Au-Ge der Source-Elektrode 6 und der Drain-
Elektrode 7 mit der AlxGa1-xAs-Schicht 13 und der GaAs-
Schicht 2 legiert. Auf diese Weise entsteht die in Fig. 3E
dargestellte Struktur, die den fertigen HEM-Transistor zeigt,
der einen Source-Bereich 8 und einen Drain-Bereich 9 aus
den genannten Legierungsschichten aufweist.
Der in Fig. 3E dargestellte HEM-Transistor besitzt nicht
nur eine sehr hohe Elektronenbeweglichkeit, die derjenigen
konventioneller HEM-Transistoren entspricht, so daß er mit
hoher Arbeitsgeschwindigkeit betrieben werden kann, sondern
weist darüber hinaus auch eine Schwellspannung Vth = 0 auf,
wie nachfolgend erläutert wird. Die Elektronenaustritts
arbeiten von Silizium und GaAs liegen sehr nahe beieinander
und betragen 4,05 eV und 4,07 eV. Dementsprechend wird ein
HEM-Transistor mit Vth = 0 erhalten, wenn die nicht
dotierte AlxGa1-xAs-Schicht 13, die eine größere Band
lücke und eine geringere Elektronenaustrittsarbeit als
die polykristalline Siliziumgate-Elektrode 5 und die
nicht dotierte GaAs-Schicht 2 aufweist, zwischen den
genannten beiden Schichten angeordnet ist.
Da die Gate-Elektrode 5 darüber hinaus aus polykristallinem
Silizium besteht, lassen sich ferner Silizium verwendende
mikrolithographische oder Verdrahtungstechniken anwenden, um
mit Hilfe der HEM-Transistoren nach dem ersten Ausführungs
beispiel der vorliegenden Anmeldung integrierte Schaltungen
(IC′s) aufzubauen. Da die Au-Ge Source-Elektrode 6 und
die Au-Ge Drain-Elektrode 7 keinen ohm′schen Kontakt
mit dem Silizium der Gate-Elektrode 5 haben, braucht
andererseits nicht befürchtet zu werden, daß Gateverluste
(Leckverluste) und eine Abnahme der Gate-Durchbruchs
spannung auftreten.
Anhand der Fig. 4A bis 4D wird nachfolgend ein zweites
Ausführungsbeispiel einer Halbleitereinrichtung nach der
vorliegenden Anmeldung näher beschrieben. In gleicher Weise
wie beim ersten Ausführungsbeispiel werden auf einem halb
isolierendem GaAs-Substrat 1 eine nicht dotierte GaAs-
Schicht 2, eine nicht dotierte AlxGal-xAs-Schicht 13
und ein polykristalliner Siliziumfilm 15 gebildet. Dieser
Zustand ist praktisch in der Fig. 3B dargestellt.
Anschließend wird auf dem polykristallinen Siliziumfilm
15 ein Al-Film 19 aufgebracht (Aluminiumfilm), zum
Beispiel mit Hilfe eines Sputterverfahrens, so daß die
Struktur in Fig. 4A erhalten wird.
Als nächstes wird auf dem Al-Film 19 ein Photoresist 16
mit vorbestimmter Struktur bzw. Form aufgebracht. Der
Al-Film 19 wird dann bereichsweise geätzt, wobei der
Photoresist 16 als Maske dient. Auf diese Weise wird ein
Al-Film 19a mit vorbestimmter Form bzw. Größe erhalten,
wie in Fig. 4B dargestellt ist. Sodann wird der poly
kristalline Siliziumfilm 15 unter Verwendung des Al-Films
19a als Maske durch einen gleichmäßigen Ätzvorgang
weggeätzt, und zwar so weit, daß seine Seitenbereiche
unterhalb des Films 19a zu liegen kommen. Es wird also
die in Fig. 4C dargestellte Struktur erhalten, bei der
die Gate-Elektrode 5, die aus dem polykristallinen
Siliziumfilm besteht, eine geringere Breite als der
über ihr liegende Al-Film 19a besitzt.
Entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel wird auch
hier wieder Au-Ge auf die so erhaltene Struktur nieder
geschlagen, wobei der Photoresist 16 wiederum als Maske
dient. Anschließend wird der Photoresist 16 mit dem
auf ihm liegenden Au-Ge-Film abgehoben. Durch den zuvor
erwähnten Vorgang werden die Au-Ge Source-Elektrode 6
und die Au-Ge Drain-Elektrode 7 praktisch von selbst
relativ zur Gate-Elektrode 5 ausgerichtet. Zuletzt werden
der Sourcebereich 8 und der Drainbereich 9 in derselben
Weise gebildet, wie bereits im Zusammenhang mit dem
Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3A bis 3E be
schrieben worden ist, so daß ein fertiger HEM-Transistor
erhalten wird.
Der HEM-Transistor nach Fig. 4D entsprechend dem
zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung
weist zusätzlich zu dem HEM-Transistor nach dem ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung den Vorteil
auf, daß das Problem einer Abnahme der Gate-Durchbruchs
spannung praktisch vollständig beseitigt ist, da die
Source-Elektrode 6 und die Drain-Elektrode 7 von der
Gate-Elektrode 5 durch den Abstand w getrennt sind, der
dem Überhangbereich des Al-Films 19a entspricht.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die
oben beschriebenen beiden Ausführungsbeispiele be
schränkt. Beispielsweise können n-Typ oder p-Typ Ver
unreinigungen in den polykristallinen Siliziumfilm 15
während seines Aufwachsprozesses eindotiert werden, falls
dies erforderlich ist. Die Gate-Elektrode 5 kann daher
einen resultierenden n-Typ oder p-Typ polykristallinen
Siliziumfilm enthalten bzw. aus einem solchen bestehen.
Besteht die Gate-Elektrode 5 aus einem n-Typ poly
kristallinen Siliziumfilm, wird ein HEM-Transistor vom
EIN-Typ erhalten. Besteht dagegen die Gate-Elektrode 5
aus einem p-Typ polykristallinen Siliziumfilm, wird
ein HEM-Transistor vom AUS-Typ erhalten. Ferner kann
die Gate-Elektrode 5 aus einer Verbindung (inter
metallischen Verbindung) aus Silizium und einem Metall,
beispielsweise aus "polycide" (polykristallines
Silizium) oder Silizid (Siliziummetallverbindung)
statt aus dem polykristallinen Siliziumfilm 15, bestehen.
In den beiden beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde
der Wert x für die Zusammensetzung der AlxGal-xAs-
Schicht 13 auf x = 0,3 festgesetzt. Selbstverständlich
können auch andere Werte x verwendet bzw. eingestellt
werden, falls dies gewünscht oder erforderlich sein
sollte. Andererseits können die AlxGal-xAs-Schicht 13,
die GaAs-Schicht 2 und dergleichen auch Verunreinigungen
mit niederiger Konzentration erhalten, falls dies er
forderlich ist. Statt der AlxGal-xAs-Schicht 13 können
auch andere Typen von Halbleiterschichten verwendet werden,
beispielsweise eine AlGaIn-Schicht oder eine AlInp-Schicht.
Claims (6)
1. Halbleitereinrichtung mit
einem GaAs-Substrat (1),
einer auf dem GaAs-Substrat (1) liegenden GaAs-Schicht (2),
einer auf der GaAs-Schicht (2) liegenden AlGaAs-Schicht (13),
einer auf der AIGaAs-Schicht (13) angeordneten Gate-Elektrode
(5), Source-Elektrode (6) und Drain-Elektrode (7),
dadurch gekennzeichnet, daß
die Gate-Elektrode (5) Silizium oder eine Verbindung aus Silizium
und einem Metall enthält.
2. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Gate-Elektrode (5) polykristallines Silizium enthält.
3. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die
AlGaAs-Schicht (13) eine undotierte Al0,3Ga0,7As-Schicht ist.
4. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die
GaAs-Schicht (2) eine undotierte GaAs-Schicht ist.
5. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gate-Elektrode (5) ein "polycide" (polykristalline
Siliziumschicht mit darauf aufgebrachter Silizidschicht) enthält.
6. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gate-Elektrode (5) ein Silizid enthält.
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