DE3834063A1

DE3834063A1 - Schottky-gate-feldeffekttransistor

Info

Publication number: DE3834063A1
Application number: DE3834063A
Authority: DE
Inventors: Kazuhiko Ohmuro; Hiroshi Nakamura
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1987-10-09
Filing date: 1988-10-06
Publication date: 1989-04-27
Also published as: FR2621739B1; KR910009037B1; US4905061A; JPH0196964A; FR2621739A1; JPH07118484B2; KR890007435A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifftf einen Schottky-Gate- Feldeffekttransistor (der nachfolgend als MESFET bezeichnet wird), der auf einem Verbindungshalbleiter substrat, wie beispielsweise einem GaAs-Substrat, ausgebildet ist.

Allgemein hat ein GaAs-MESFET einen Kanal, der durch Dotieren von Donatorionen, wie beispielsweise Si-Ionen, in einer Oberflächenschicht des GaAs-Substrates, sowie mittels einer Wärmebehandlung gebildet wird, eine Schottky-Gate-Elektrode, die auf dem Kanal ausgebildet ist, und einen Source-Bereich sowie einen Drain-Bereich neben dem Kanal, eine Source-Elektrode und eine Drain- Elektrode, die über dem Source-Bereich und dem Drain- Bereich und an den jeweiligen Seiten der Schottky-Gate- Elektrode ausgebildet sind. Um den K-Wert (dessen Definition später folgt) sowie den Wert gm (Steilheit) bei einem üblichen bekannten MESFET zu verbessern, wird mit niedriger Energie und einer hohen Konzentration zum Erzeugen eines Kanals eines Ionenimplantation ausge führt, wie in der erweiterten Zusammenfassung der 16. (internationalen) Konferenz (von 1984) über Festkörper geräte und Materialien, Kobe, S. 395-398, beschrieben ist. Ionen, wie beispielsweise C-Ionen und O-Ionen, die Trägervernichter werden, werden mit hoher Energie implantiert, um Träger in einem tieferen Bereich des Kanales zu vernichten, um auf diese Weise einen Kanal mit einem steilen Profil zu erzeugen.

Die MESFET mit diesen Strukturen können einen verbesserten K-Wert und eine verbesserte Steilheit gm haben, je doch ist dies mit der Auswirkung verbunden, daß die dielektrische Durchbruchspannung (Aushaltespannung) ver schlechert wird.

Im Hinblick auf diesen Stand der Technik liegt der vor liegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen MESFET mit verbessertem K-Wert, verbesserter Leitfähigkeit gm und verbesserter Aushaltespannung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Schottky- Gate-Feldeffektransistor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Der erfindungsgemäße MESFET hat einen Kanal, der durch Implantation von Donatorionen in einer Oberflächen schicht eines Verbindungshalbleitersubstrates und durch Durchführen einer Wärmebehandlung erzeugt wird, und Bereiche, in die Trägervernichter dotiert werden und die jeweilige Konzentrationsspitzen in Bereichen haben, die flacher und tiefer als die Konzentrationsspitzenwerte des Kanals sind.

Aufgrund der Trägervernichter kann die Elektronenkon zentration in Bereichen mit Ausnahme desjenigen Bereiches vermindert werden, indem der Konzentrations spitzenwert des Kanales vorliegt. Daher kann das Trägerprofil des Kanales steiler ausgestaltet werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1A bis 1D Querschnittsdarstellungen der jeweiligen Herstellungsschritte eines MESFET gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm der Aushaltespannung des MESFET sowie des K-Wertes;

Fig. 3 ein Diagramm der Quadratwurzel des Drainstromes und der Steilheit gm in Abhängigkeit von der Gate-Spannung; und

Fig. 4A und 4B Diagramme der Trägerprofile in dem MESFET gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Wie in Fig. 1D gezeigt ist, hat ein MESFET gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verbindungshalbleitersubstrat, wie beispielsweise ein GaAs-Substrat 1, einen durch Implantieren von Donatorionen in der Oberflächen schicht des Substrates 1 und mittels Durchführen einer Wärmebehandlung erzeugten Kanal 3, einen ersten Bereich 2, der durch Implantation von Ionen, die Trägervernichter werden, erzeugt wird, und eine Konzentrationsspitze in einem flachen Teil als derjenige der Konzentrations spitze der Donatorionen des Kanales 3 hat, einen zweiten Bereich 4, der durch Implantation von Ionen ausgebildet wird, die Trägervernichter werden, und eine Konzentrationsspitze in einem Bereich aufweist, der tiefer als die Konzentrationsspitze der Donatorionen des Kanales 3 liegt, einen Source-Bereich 5 a und einen Drain-Bereich 5 b, die auf den jeweiligen Seiten neben dem Kanal 3 ausgebildet sind, eine Source-Elektrode 6 a und eine Drain-Elektrode 6 b auf den jeweiligen Seiten der Schottky-Gate-Elektrode und oberhalb des Source- Bereiches 5 a und das Drain-Bereiches 5 b, und eine Schottky-Gate-Elektrode, die auf dem Kanal ausgebildet ist.

Der MESFET gemäß Fig. 1D kann in der in den Fig. 1A bis 1C gezeigten Art erzeugt werden. Zunächst wird, wie in Fig. 1A gezeigt ist, ein SiN-Film 10 mit einer Dicke von ungefähr 1000 Å auf einem GaAs-Substrat 1 abgeschieden. Dann wird ein Resist oder Abdeckmaterial 11 als Maske verwendet, um ein Ionenimplantieren von C (Kohlen stoff) durch den SiN-Film in einen Teil des GaAs-Substrates 1 durchzuführen, der ein Kanal werden soll, wobei eine Implantationsenergie von 50 keV mit einer Dosis von 2×10¹²/cm² zum Erzeugen eines ersten Bereiches 2. Der SiN-Film 10 oberhalb des Bereiches, der der Kanal werden soll, wird entfernt. Wie in Fig. 1B gezeigt ist, werden Si(Silizium)-Ionen direkt in das GaAs-Substrat 1 mit einer Implantationsenergie von etwa 60 keV mit einer Dosis von etwa 7×10¹²/cm² implantiert werden. C(Kohlen stoff-)Ionen werden daraufhin mit einer Implantations energie von ungefähr 80 keV und mit einer Dosis von ungefähr 1×10¹² zum Erzeugen des n-Typ-Kanales 3 und des zweiten Bereiches 4 implantiert.

Die sich ergebende Struktur ist in Fig. 1B gezeigt. Wie man in Fig. 1B sehen kann, wurde die Elektronenkonzen tration an der Oberfläche aufgrund der Tatsache reduziert, daß Kohlenstoff (C) in dem ersten Bereich 2 in die Oberfläche des GaAs-Substrates 2 implantiert worden ist, so daß der Teil mit einer hohen Elektronenkonzen tration verschmälert ist, weil der Kohlenstoff (C) in dem zweiten Bereich 4 in den tiefen Teil des Kanales 3 implantiert ist, so daß das Trägerprofil des Kanales steil gestaltet werden kann.

Daraufhin werden der restliche SiN-Film 20 und das Resist 11 entfernt, worauf daraufhin, wie dies in Fig. 1C gezeigt ist, ein Resist 12 auf dem Teil des GaAs-Substrates 1 ausgebildet wird, das der Kanal werden soll und das als Maske für das Ionenimplantieren des Siliciums (Si) mit einer hohen Konzentration verwendet wird, wodurch ein Source-Bereich 5 a des n⁺-Types und ein Drain-Bereich 5 b erzeugt wird. Daraufhin wird ein SiO₂- Film, der nicht gezeigt ist, über das GaAs-Substrat 1 abgelagert, und es wird eine Wärmebehandlung bei unge fähr 800°C durchgeführt, um die Bereiche zu aktivieren, in die Ionen implantiert worden sind. Der SiO₂-Film dient der Verhinderung des Verdampfens von Arsen während der Wärmebehandlung.

Als nächstes wird, wie dies in Fig. 1D gezeigt ist, der nicht gezeigte SiO₂-Film entfernt. Anschließend wird ein Anhebeverfahren (Lift-Off-Verfahren) durchgeführt, um AuGe-, Ni- und Au-Filme in der genannten Reihenfolge als Ohm′sches Metall auf dem Source-Bereich 5 a und dem Drain-Bereich 5 b abzuscheiden, um auf diese Weise die Source-Elektrode und die Drain-Elektrode 6 b zu erzeugen. Hieraufhin wird der Gate-Teil des ersten Bereiches 2 dem Ätzen einer Ausnehmung bis zu einer Tiefe von ungefähr 400 Å unterworfen. Das Ätzen der Ausnehmung kann ein Naßätzen unter Verwendung einer Säure als Ätzmittel sein. Daraufhin wird Aluminium (Al) abgeschieden und auf dem mit der Ausnehmung versehenen Teil musterartig mit einer Dicke von ungefähr 4000 Å ausgebildet, um eine Schottky-Gate-Elektrode 7 zu erzeugen. Dies vervollständigt das Verfahren zur Herstellung eines MESFET.

Die Fig. 4A und 4B zeigen das gesamte Trägerprofil der sich ergebenden Struktur. Wie in Fig. 4A gezeigt ist, sind ein erster und ein zweiter Bereich in einem flachen Teil und in einem tiefen Teil ausgebildet, in dem Ionen implantiert werden, die Trägervernichter werden. Demgemäß hat der Kanal ein steiles Trägerprofil, wie dies in Fig. 4B gezeigt ist. Der K-Wert, die Steilheit gm und die Aushaltespannung (Durchbruchspannung) werden hier durch erhöht.

Fig. 2 zeigt den K-Wert und die Aushaltespannung des MESFET gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das beschrieben worden ist, im Vergleich zu MESFETs, die nicht die erfindungsgemäße Struktur haben. Die darge stellten Daten betreffen einen MESFET mit einer Gate- Länge von 0,6 µm und einer Gatebreite von 10 µm. Die Aushaltespannung ist definiert als die Spannung, bei der der elektrische Strom 1 mA/mm Gate-Breite zwischen Gate und Drain liest. Der K-Wert ist folgendermaßen definiert:

K = ε µZ/2aL;

hierbei gilt:

ε = die dielektrische Konstante des GaAs im Kanal;
µ = die Trägerbeweglichkeit;
a = die Kanaldicke;
L = die Gate-Länge; und
Z = die Gate-Breite.

Die Darstellung A zeigt das Ergebnis für den MESFET mit dem implantierten Kohlenstoff (C) in der Oberfläche (d. h. dem ersten Bereich) sowie mit dem implantierten Kohlenstoff in dem tiefen Teil (d. h. dem zweiten Bereich). Der K-Wert und die Aushaltespannung sind 164,1 mS/V mm und -14,5 V. Die Darstellung B zeigt das Ergebnis für einen MESFET ohne implantierten Kohlenstoff (C) in der Oberfläche (d. h. ohne den ersten Bereich), jedoch mit implantiertem Kohlenstoff (C) in dem tiefen Teil (d. h. dem zweiten Bereich). Der K-Wert und die Aushalte spannung sind 171,6 mS/V mm und -11,6 V. Die Darstellung C zeigt das Ergebnis für den MESFET, der durch Implan tation von Silicium (Si) bei 60 keV mit einer Dosis von 5×10¹² (ohne ersten und zweiten Bereich) hergestellt ist. Hier betragen der K-Wert und die Aushaltespannung 144,3 mS/V mm und -15,2 V. Der Vergleich zwischen den Kurven A und B zeigt, daß die Aushaltespannung um 3 V erhöht wird, ohne daß der K-Wert erheblich vermindert wird. Der Vergleich zwischen den Kurven A und C zeigt, daß der K-Wert um 20 mS/V mm erhöht wird, ohne daß die Aushaltespannung erheblich abnimmt.

Fig. 3 zeigt die Steilheit gm und den Drain-Strom als Quadratwurzel I ^1/2. Die durchgezogenen Linien zeigen die Charakteristika eines Ausführungsbeispiels der Erfindung entsprechend der Darstellung A in Fig. 2. Die gestrichelten Linien zeigen die Charakteristika des bekannten Transistors entsprechend der Darstellung C in Fig. 2.

Im Betriebspunkt, d. h. bei einer Gate-Spannung von -0,4 V und bei einem Drain-Strom von 225 µA (Id _1/2= 15×10^-3 A ^1/2) kann die Steilheit um etwa 10% verbessert werden.

Bei den obigen Ausführungsbeispielen werden C-Ionen als Trägervernichter verwendet. Jedoch können O-Ionen (Sauerstoff), B-Ionen (Bor) und andere Ionen, die allge mein als Trägervernichter verwendet werden, gleichfalls für die Zwecke der vorliegenden Erfindung mit ähnlicher Wirkung verwendet werden. Der MESFET, der oben beschrieben worden ist, hat eine Ausnehmungsstruktur. Jedoch kann die Erfindung auch auf andere Arten von MESFETs angewendet werden.

Claims

1. Schottky-Gate-Feldeffekttransistor mit:
einem Verbindungshalbleitersubstrat;
einem Kanal, der durch Dotieren von Donatorionen in der Oberflächenschicht des Substrates und durch Durch führen einer Wärmebehandlung ausgebildet ist;
einer Schottky-Gate-Elektrode, die über den Kanal ausgebildet ist,
mit einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode, die an den jeweiligen Seiten der Schottky-Gate- Elektrode ausgebildet sind, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
einen ersten Bereich (2), der durch Implantation von Ionen ausgebildet wird, die Trägervernichter werden und der einen Konzentrationsspitzenwert in einem Teil aufweist, der flacher liegt als der Konzentrations spitzenwert der Donatorionen des Kanales; und
einen zweiten Bereich (4), der durch Implantation von Ionen erzeugt wird, die Trägervernichter werden und der einen Konzentrationsspitzenwert in einem Teil hat, der tiefer als der Konzentrationsspitzenwert der Donatorionen des Kanales liegt.

2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungshalbleitersubstrat ein Halbleiter substrat ist.

3. Transistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die in den ersten und zweiten Bereich implantierten Ionen C, O oder B sind.

4. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungshalbleitersubstrat (1) ein GaAs-Substrat ist; daß die in den ersten und zweiten Bereich (2, 4) implantierten Ionen C-Ionen sind; und daß die Implantation zum Erzeugen des ersten Bereiches (2) mit einer Energie von ungefähr 50 keF bei einer Dosis von ungefähr 2×10¹² und daß die Implantation zur Bildung des zweiten Bereiches (4) mit einer Energie von ungefähr 80 keV bei einer Dosis von 1×10¹² ausgeführt wird.

5. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal durch Implantation von Si-Ionen mit einer Energie von 60 keV und mit einer Dosis von etwa 7×10¹² ausgeführt wird.