DE69433738T2

DE69433738T2 - Halbleiterelement und Verfahren zur Herstellung desselben

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Publication number: DE69433738T2
Application number: DE69433738T
Authority: DE
Inventors: Takashi Nagaokakyo-shi Marukawa; Hiroyuki Nagaokakyo-shi Nakano
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1993-09-07
Filing date: 1994-09-06
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2014-09-07
Also published as: EP0642175B1; EP0642175A1; KR950010135A; US5627090A; US5578844A; DE69433738D1; KR100329251B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements (oder einer Halbleitereinrichtung). Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zu Herstellung eines solchen Halbleiterelements, das eine Elektrode, die eine Schottky-Verbindung bildet, wie z.B. einen Feldeffekt-Transistor (FET) (z.B. ein GaAsMESFET (Metall-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor) und ein HEMT (Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit)), eine Schottky-Barrierendiode usw. enthält.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
GaAsMESFET
Ein GaAs-FET, der ein Schottky-Tor enthält (nachfolgend als "GaAsMESFET" bezeichnet), wurde als Halbleiterelement für eine hohe Ausgabeleistung in einem Hochfrequenzband, wie z.B. ein Hochfrequenzverstärkungselement, aufgrund seiner guten Hochfrequenzcharakteristik (insbesondere seiner kurzen Ansprechzeit) verwendet.
Alggemein besteht bei dem GaAsMESFET das Problem, dass eine Drain-Haltespannung und eine Gate-Haltespannung wegen Effekten eines Oberflächendefektzustandes mit hoher Dichte in der Oberfläche einer aktiven Schicht eines GaAs-Substrats und der elektrischen Feldkonzentration in der aktiven Schicht unmittelbar unter einer Gate-Elektrode klein sind. Notwendigerweise wird von einem GaAsMESFET gewünscht, dass seine Drain-Haltespannung und die Gate-Haltespannung verbessert werden, um seine Ausgabeleistungsgrenze und seine Zuverlässigkeit zu verbessern.
Die 34 bis 36 zeigen allgemein eine Verfahrensabfolge zur Herstellung eines GaAsMESFETs (71), wobei der Transistor in Querschnittansicht gezeigt ist. In dem Verfah ren wird eine positive (nachfolgend als "p-Typ" bezeichnet) Verunreinigung in die Oberflächenschicht eines halbisolierenden GaAs-Substrats (40) implantiert, um eine aktive Schicht vom p-Typ (41) zu bilden, anschließend wird eine negative (nachfolgend als n-Typ bezeichnete) Verunreinigung implantiert, um eine aktive Schicht (42) vom n-Typ auszubilden, weiter wird eine Verunreinigung vom n-Typ im Source-Bereich und in einem Drain-Bereich implantiert, um eine aktive Schicht (43) vom n⁺-Typ auf jeder Seite der n-aktiven Schicht (siehe 34) zu bilden, und anschließend wird ein Metall mit ohmschen Widerstand auf den n⁺-aktiven Schichten (43) platziert, um eine Source-Elektrode (44) und eine Drain-Elektrode (45) zu bilden (siehe 35). Anschließend wird eine Gate-Elektrode (47) in einer Ausnehmung (46) vorgesehen, die durch Ätzen eines Teils der n-aktiven Schicht (42) präpariert wurde (siehe 36).
So wird die elektrische Feldstärke in der Nähe der Drain-Elektrode (45) durch Bereitstellen der n+-aktiven Schichten (43) im Source-Bereich und im Drain-Bereich gesenkt, wodurch die Drain-Haltespannung verbessert wird. Zusätzlich wird die elektrische Feldkonzentration in der Nähe der Gate-Elektrode (47) und der Drain-Elektrode (45) dezentralisiert, um die Stärke des elektrischen Feldes zu senken, so dass die Drain-Haltespannung und die Drain-Haltespannung verbessert werden.
Die Haltespannungen des Elements, das eine in 36 gezeigte Struktur aufweist, reichen jedoch nicht aus. Daher wurden auf dem Gebiet des GaAsMESFET die Unterdrückung des Tunnelns, die Verbesserung der Barrierenhöhe, die Verbesserung der Gate-Haltespannung in verschiedener Weise, z. B. die Dezentralisierung der elektrischen Feldkonzentration in der aktiven Schicht, und Absenkung des Verluststroms sowie die Verbesserung der Haltespannung mit einer LDD-Struktur (leicht dotiertes Drain) und einer mehrstufigen Ausnehmungsstruktur studiert und praktisch durchgeführt. Konkrete Vorgehensweisen sind z.B. (1) die Verbesserung der Barrierenhöhe durch geeignetes Auswählen eines Metalls für die Gate-Elektrode; (2) die Verbesserung der Gate-Haltespannung durch spezielle Behandlung der GaAs-Substrat-Schnittstelle; und (3) die Verbesserung der Gate-Haltespannung durch Vorsehen einer Pufferschicht auf der aktiven Schicht eines GaAs-Substrats.
37 zeigt ein GaAsMESFET (72) mit dem LDD-Aufbau in einer Schnittansicht, wobei ein n'-Schicht (48) mit einer geringeren Trägerkonzentration als eine n⁺-aktive Schicht (43) zwischen einer n-aktiven Schicht (42), die eine Source-Elektrode (44) und eine Drain-Elektrode (45) trägt, ausgebildet ist. So wird eine überschüssige elektrische Feldstärke an der Schnittstelle zwischen der n⁺-aktiven Schicht (43) und der n-aktiven Schicht (42) unterdrückt, so dass die Drain-Haltespannung und die Source-Haltespannung verbessert werden.
38 zeigt ein GaAsMESFET (73) in Querschnittansicht, der eine auf einem GaAs-Substrat (51) vorgesehene Pufferschicht aufweist. Als Pufferschicht wird eine undotierte Oberflächenschicht (53) auf der aktiven Schicht (52) ausgebildet, die sich auf dem GaAs-Substrat (51) befindet.
Der in 38 gezeigte GaAsMESFET (73) wird in dem folgenden Verfahren hergestellt: die undotierte Oberflächenschicht (53) wird auf der aktiven Schicht (52) ausgebildet, die sich auf dem GaAs-Substrat (51) befindet, und eine n-Sperrschicht mit einem geringeren Widerstand (54) wird auf der undotierten Oberflächenschicht ausgebildet. Anschließend werden eine ohmsche Source-Elektrode (56) und eine ohmsche Drain-Elektrode (57} auf der Sperrschicht (54) aufgebracht, bevor ein Oxid-Film (55) aus SiO₂ zwischen der Source-Elektrode (56) und der Drain-Elektrode (57) ausgebildet wird. Anschließend wird durch Trockenätzen mit einer Maskierung unter Verwendung eines strukturierten Resistfilms (Schutzlack) (nicht gezeigt) eine Öffnung durch den Oxidfilm (55) ausgebildet, und außerdem wird eine Ausnehmung mit einer hinreichenden Tiefe für das Einbetten einer Gate-Elektrode ausgebildet. Als nächstes wird der Oxid-Film (55) an der Seite geätzt, um eine vorbestimmte Ausnehmungslänge zur erhalten, und die Ausnehmung wird bis zu einer vorbestimmten Tiefe geätzt. Schließlich wird eine Gate-Elektrode (58) zur Verfügung gestellt, die eine Schottky-Verbindung bildet, und zwar durch Anordnen eines Metalls wie Al/Ti/WSi und abheben von unnötigen Metall und dem Resistfilm. Die Gate-Elektrode (58) wird auf der aktiven Schicht (52) durch die undotierte Oberflächenschicht (53) in 38 gebildet. Die Gate-Elektrode (58) kann jedoch auf der undotierten Oberflächenschicht (53) ausgebildet werden.
Im GaAsMESFET (73) mit der undotierten Oberflächenschicht (53) tritt keine Strombegrenzung aufgrund der Kanalverengung zwischen dem Gate-Bereich und dem Drain-Bereich oder zwischen dem Gate-Bereich und dem Source-Bereich auf, wodurch fast derselbe Effekt wie bei der LDD-Struktur oder der Struktur mit mehrstufiger Ausnehmung erzielt wird. Zusätzlich wird ein Oberflächeneffekt auf der Grundlage eines Schnittstellenzustandes in der undotierten Oberflächenschicht (53) gedämpft (buffeted), so dass die Gate-Haltespannung verbessert wird.
Der GaAsMESFET nach dem Stand der Technik, ist, so wie er oben beschrieben wurde, mit der LDD-Struktur oder der Struktur mit mehrstufiger Ausnehmung in seinem Aufbau kompliziert, und so wird ein Herstellungsverfahren für ein solches Element natürlich kompliziert, die Produktion ist schwierig, die Zuverlässigkeit des Elements ist nicht ausreichend und außerdem ist die kommerzielle Anwendung schwierig. Auf ähnliche Weise erfordert die Herstellung eines GaAsMESFET (73), wie in 38 gezeigt, die Schritte: Ausbilden der undotierten Oberflächenschicht, Trockenätzen wie z.B. RIE (Reaktives Ionenätzen) und das seitliche Ätzen, was kompliziert ist, und das Steuern solcher Schritte ist schwierig, so dass die Herstellungskosten für ein solches Element hoch sind. Weiter ist auch jedes andere Element außer denen, die oben beschrieben wurden, hinsichtlich seiner Struktur kompliziert, und seine Herstellung erfordert ebenfalls komplizierte Schritte.
Der oben beschriebene GaAsMESFET nach dem Stand der Technik, der die LDD-Struktur oder die mehrstufige Ausnehmungsstruktur aufweist, ist jedoch hinsichtlich seiner Struktur kompliziert, und daher wird natürlich auch der Prozess zur Herstellung eines solchen Elements kompliziert, die Steuerung der Herstellung wird schwierig, und die Zuverlässigkeit des Elements reicht nicht aus, und auch die kommerzielle Anwendung ist schwierig. Auf ähnliche Weise erfordert die Herstellung des in 38 gezeigten GaAsMESFETs (73) die Schritte der Ausbildung der undotierten Oberflächenschicht, dem Trockenätzen wie z.B. RIE (reaktives Ionenätzen) und das seitliche Ätzen, die kompliziert sind und wobei die Kontrolle solcher Schritte schwierig ist, so dass die Herstellungskosten für ein solches Element hoch sind. Weiter ist auch jedes andere Element außer den oben beschriebenen hinsichtlich seiner Struktur kompliziert und seine Herstellung erfordert ebenfalls komplizierte Schritte.
Unter den Elementen nach dem Stand der Technik scheint der GaAsMESFET, der in 38 gezeigt ist, die höchsten Ausgabeleistungen und die höchste Effizienz zur Verfügung zu stellen. Bei einem solchen Element nach dem Stand der Technik werden die aktive Schicht (52) die undotierte Schicht (53) und die untere Sperrschicht (54) vom n-Typ, wie sie oben beschrieben wurden durch ein epitaktisches Aufwuchsverfahren ausgebildet. Wenn das epitaktische Aufwuchsverfahren zum Einsatz kommt, liegt die undotierte Oberflächenschicht (53), die einen hohen Widerstand aufweist, notwendigerweise zwischen der ohmschen Elektrode (Source-Elektrode (56) oder der Drain-Elektrode (57)) und der aktiven Schicht (52), was bedeutet, dass ein parasitärer Widerstand ansteigt, der mit einem Kanal in Serie liegt.
Einerseits gilt das folgende allgemein für die Ausgabe eines FET (Feldeffekttransistor). 39 zeigt einen Graphen, der die statische Kennlinie eines Drain-Stromes (I_d) bei einer Spannung (Vds) zwischen einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode und außerdem eine Lastkurve (I) anzeigt. Wenn der FET mit einer Klasse A- Verstärkung betrieben wird, kann man die maximale Ausgangsleistung (PO_max) gemäß der folgenden Gleichung (1) berechnet werden.
Wobei I_max der Maximalstrom ist, V_knee die Kniespannung (bei der es sich um die Spannung an einer Beugung handelt) und BV_ds, die Durchbruchspannung ist, die sich jeweils aus dem Graph von 39 ermitteln lassen.
Nach der obigen Gleichung (1) wird zur Steigerung der maximalen Ausgangsleistung (PO_max) Imax und/oder BV_ds erhöht und/oder die Kniespannung (V_knee) wird gesenkt. Allgemein wird der Widerstand eines Elements gesenkt, um den Maximalstrom (I_max) zu erhöhen oder die Kniespannung (V_knee) zu senken. Andererseits führt eine hohe Haltespannung aufgrund der erhöhten Durchbruchspannung (BV_ds) zu einem höheren Widerstand. Diese Parameter können daher nicht unabhängig voneinander bestimmt werden.
In dem in 38 gezeigten GaAsMESFET (73) führt das Einbringen der undotierten Oberflächenschicht (53) zu einer erhöhten Durchbruchsspannung (BV_ds), was zu einer höhe ren Haltespannung führt. Eine in Reihe mit dem Kanal liegende Widerstandskomponente wird jedoch, wie oben beschrieben, erhöht, und der Maximalstrom (I_max) gesenkt, und die Kniespannung (V_knee) wird erhöht. Daher kann die Maximalleistung (PO_max) nicht wirksam erhöht werden. Um das Element für ein tragbares elektrisches Gerät verwenden zu können, muss zudem der Maximalstrom (I_max) erhöht und die Kniespannung (V_knee) gesenkt werden, so dass das Element bei geringerer Spannung mit geringerem Leistungsverbrauch betrieben werden kann. Das GaAsMESFET-Element mit der in 38 gezeigten Struktur, das die höhere Haltespannung aufweist, genügt den oben beschriebenen Anforderungen somit nicht. Obwohl die Probleme hinsichtlich der maximalen Ausgangsleistung beschrieben worden sind, treten zusätzlich hierzu ähnliche Probleme hinsichtlich der Effizienz des Elements auf.
Schottky-Barrieren-Diode
Als weiteres Halbleiterelement mit der Schottky-Verbindung zwischen einem Halbleiter und einem Metall kann eine Schottky-Barrieren-Diode vorgestellt werden. Die 40-42 zeigen eine Abfolge für einen Herstellungsprozess für eine konventionelle Schottky-Barrieren-Diode (74) in einer Querschnittansicht. Eine n-aktive Schicht (62) mit einer niedrigeren Trägerkonzentration wird auf einem n⁺-Typ GaAs-Substrat (61) ausgebildet (siehe 40), eine Schottky-Elektrode (63), die eine Schottky-Verbindung mit der n-aktiven Schicht (62) herstellt, wird auf der Schicht (62) ausgebildet (siehe 41) und eine ohmsche Elektrode (64) wird auf der Bodenfläche des n⁺-Typ-GaAs-Substrats (61) ausgebildet (siehe 42). Es entsteht somit eine Verarmungszone unter der Schottky-Elektrode (63) aufgrund des Halbleiter/Metall-Kontakts, um die Fermi-Niveaus anzugleichen. Wenn eine Rückwärtsspannung zwischen der Schottky-Elektrode (63) und der ohmschen Elektrode (64) angelegt wird, kann kein Rückwärtsstrom wegen der Anwesenheit der Verarmungszoneunmittelbar unterhalb der Schottky-Elektrode (63) fließen, so dass die Diode eine Gleichrichtungscharakteristik zeigt.
Um dem Storm zu ermöglichen, durch die Schottky-Barrieren-Diode (74) in Vorwärtsrichtung zu fließen, sollte eine Potentialbarriere für die Verarmungszone hinreichend niedrig sein. Da die angelegte Spannung zur Absenkung der Potentialbarriere der Verarmungszonevollständig zu einem Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung beiträgt, muss eine Spannung in Vorwärtsrichtung erhöht werden. Die GaAs-Schottky-Barrieren-Diode ist hinsichtlich ihrer Hochfrequenzeigenschaften überlegen. Das Element weist jedoch das Problem auf, dass die Vorwärtsspannung und der Leistungsverlust verglichen mit einer Siliziumdiode aufgrund der obigen Eigenschaften größer sind.
Wenn eine Rückwärtsspannung über ein bestimmtes Maß hinaus angelegt wird, tritt ein lawinenartiger Durchbruch aufgrund einer Ausbildung von Elektronen/Loch-Paaren auf, und die Haltespannung für das Anlegen einer Rückwärtsspannung wird durch den lawinenartigen Durchbruch bestimmt. Das Schottky-Barrieren-Diodenelement weist das Problem auf, dass die Haltespannung für das Anlegen der Rückwärtsspannung klein ist. Um die Haltespannung für die Rückwärtsspannung zu verbessern, wird die Verunreinigungskonzentration des GaAs-Substrats verringert. Wenn die Konzentration jedoch verringert wird, verringert sich der Vorwärtsstrom, was charakteristische Probleme der Diode verursacht.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung basiert auf den obigen Problemen des Standes der Technik, und es besteht eine Aufgabe darin, die Eigenschaften des Halbleiterelements zu verbessern, in welchem eine Schottky-Verbindung zwischen einem Halbleiter und einem Metall verwendet wird.
Es ist weiter eine besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Probleme der Halbleiterelemente nach dem Stand der Technik zu beseitigen und ein Halbleiterelement wie z.B. ein GaAsMESFET, dessen Haltespannung verbessert ist, der weniger teuer ist und eine deutlich verbesserte Haltespannung und einen reduzierten Verluststrom für die Schottky-Elektrode aufweist, sowie einen Herstellungsprozess für das Element zur Verfügung zu stellen, der keinen komplizierten Schritt und keine komplizierten Einrichtungen für die Herstellung erfordert.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Strom/Spannungs-Eigenschaften eines Halbleiterelements wie eine Schottky-Barrieren-Diode, in der eine Schottky-Verbindung eingesetzt wird, für die Vorwärtsrichtung und die Rückwärtsrichtung zu verbessern.
Erfindungsgemäß ist ein Prozess für die Herstellung eines Halbleiterelements vorgesehen, das eine Schottky-Elektrode umfasst, die eine Schottky-Verbindung mit einer aktiven Schicht bildet, die in der oberen Oberfläche des Substrats eines Verbindungshalbleiters (wie GaAs) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine modifizierte Schicht auf wenigstens einen Abschnitt eines Bereichs der aktiven Schicht, auf der die Schottky-Elektrode ausgebildet wird, und in der Nähe des Bereichs ausgebildet wird.
Dieses erfindungsgemäß ausgebildete Halbleiterelement, kann ein Feldeffekt-Transistor sein, in welchem eine Schottky-Elektrode und zwei ohmsche Elektroden auf der aktiven Schicht ausgebildet werden.
Alternativ kann das nach der vorliegenden Erfindung ausgebildete Halbleiterelement eine Schottky-Barrierendiode sein, in der eine Schottky-Elektrode auf der aktiven Schicht ausgebildet ist. In diesem Fall kann die modifizierte Schicht in einem Bereich unmittelbar unterhalb des Randes der Schottky-Elektrode und in einem an diesen Bereich angrenzenden Bereich ausgebildet werden. Alternativ kann die modifizierte Schicht in einem Bereich unmittelbar unterhalb der gesamten Schottky-Elektrode oder in einem Bereich innerhalb dieses Bereiches ausgebildet werden. Die Schottky-Elektrode kann weiter auf einem Bereich ausgebildet werden, der sich innerhalb der modifizierten Schicht befindet.
Es ist bevorzugt, dass die modifizierte Schicht auf dem Bereich der aktiven Schicht, auf dem die Schottky-Elektrode auszubilden ist, und in dessen Nähe ausgebildet wird, und anschließend die Schottky-Elektrode auf der modifizierten Schicht ausgebildet wird. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1, 2, 3, 4 und 5 zeigen jeweils schematisch einen Schritt für eine Ausführungsform des Prozesses zur Herstellung eines GaAsMESFET (Beispiel 1) gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei eine Querschnittansicht des Transistors verwendet wird;
6, 7, 8 und 9 zeigen jeweils schematisch einen Schritt für eine weitere Ausführungsform eines Prozesses zur Herstellung eines GaAsMESFETs (Beispiel 2) gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei eine Querschnittansicht des Transistors verwendet wird;
10 ist ein Graph, der Messergebnisse für einen Gate-Strom und eine Spannung zwischen einer Gate-Elektrode und einer Drain-Elektrode des Transistors aus Beispiel 2 und nach dem Stand der Technik zeigt;
11 ist ein Graph, der Messergebnisse für einen Gate-Strom und eine Spannung zwischen einer Gate-Elektrode und einer Drain-Elektrode des Transistors aus Beispiel 2 und nach dem Stand der Technik zeigt;
12 ist ein Graph, der Messergebnisse für eine Drain-Konduktanz und eine Spannung zwischen einer Gate-Elektrode und einer Drain-Elektrode des Transistors aus Beispiel 2 und nach dem Stand der Technik zeigt;
13 zeigt schematisch eine Querschnittansicht eines GaAsMESFET-Elements nach einem anderen Beispiel (Beispiel 3);
14, 15, 16, 17 und 18 zeigen jeweils schematisch einen Schritt für eine Ausführungsform eines Prozesses zur Herstellung einer Schottky-Barrierendiode (Beispiel 4) gemäß der vorliegenden Erfindung in Querschnittansicht;
19 ist ein Graph, der eine Stromspannungskennlinie im Rückwärtsmodus einer Schottky-Barrierendiode für Beispiel 4, den Stand der Technik und ein Vergleichsbeispiel zeigt;
20 zeigt schematisch eine Querschnittansicht einer Schottky-Barrierendiode, die als ein weiteres Beispiel hergestellt wurde (Beispiel 5);
21 zeigt schematisch eine Querschnittansicht einer Schottky-Barrierendiode, die als ein weiteres Beispiel hergestellt wurde (Beispiel 6);
22, 23, 24, 25 und 26 zeigen jeweils schematisch einen Schritt für eine weitere Ausführungsform eines Prozesses zur Herstellung einer Schottky-Barrierendiode (Beispiel 7) gemäß der vorliegenden Erfindung in Querschnittansicht;
27, 28, 29, 30 und 31 zeigen jeweils schematisch einen Schritt für eine weitere Ausfürhrungsform eines Prozesses zur Herstellung einer Schottky-Barrierendiode (Beispiel 8) gemäß der vorliegenden Erfindung in Querschnittansicht;
32 ist ein Graph, der eine Strom/Spannungskennlinie in einem Vorwärtsmodus einer Schottky-Barrieren-Diode für Beispiel 8 und den Stand der Technik zeigt.
33 ist ein Graph, der eine Strom/Spannungskennlinie in einem Vorwärtsmodus einer Schottky-Barrieren-Diode für Beispiel 8 und den Stand der Technik zeigt.
34, 35 und 36 zeigen jeweils schematisch einen Schritt für einen Prozess zur Herstellung eines herkömmlichen GaAsMESFETs mit einer typischen Struktur in Querschnittansicht;
37 zeigt schematisch eine Querschnittansicht eines herkömmlichen GaAsMESFETs mit einer LDD-Struktur;
38 zeigt schematisch eine Querschnittansicht eines herkömmlichen GaAsMESFETs, dessen Haltespannung verbessert ist;
39 ist ein Graph, der eine statische Charakteristik und eine Lastkurve des GaAsMES-FET-Elements zeigt; und
40, 41 und 42 zeigen jeweils einen Schritt von einem Prozess zur Herstellung einer Schottky-Barrieren-Diode nach dem Stand der Technik.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Detail mit Bezug auf den GaAsMESFET oder die Schottky-Barrieren-Diode als Beispiel für das erfindungsgemäß ausgebildete Halbleiterelement erläutert, das zur Einfachheit der Beschreibung eine Schottky-Elektrode aufweist. Es sollte jedoch zur Kenntnis genommen werden, dass sich die vorliegende Erfindung auch auf ein Element mit mehreren Schottky-Elektroden anwenden lässt. Was die anderen Elektroden mit Ausnahme der Schottky-Elektrode betrifft, können in einem Element mehr als zwei ohmsche Elektroden (im Falle eines GaAsMESFETs) oder mehr als eine ohmsche Elektrode (im Falle der Schottky-Barrieren-Diode) vorhanden sein.
Erfindungsgemäß werden die Eigenschaften des Halbleiterelements durch Bereitstellen der modifizierten Schicht (die so modifiziert wurde, dass sie einen höheren Widerstand aufweist) in wenigstens einem Abschnitt des Bereichs der aktiven Schicht, auf welchem die Schottky-Elektrode aufzubringen ist, und in der Nähe des Bereichs verbessert. Man meint, dass solche Verbesserungen sich aus der Reduzierung einer Trägerkonzentration im Bereich der aktiven Schicht unmittelbar unter der Schottky-Elektrode und/oder ihrer Nähe aus einer Veränderung der Oberflächenzustandsdichte aufgrund der Modifikation der aktiven Schicht ableiten. Es wird auch vermutet, dass die elektrische Feldkonzentration am Rande der Schottky-Elektrode dezentralisiert ist.
Da die Anwendung der Plasmabehandlung auf die aktive Schicht zur Ausbildung der modifizierten Schicht einfach ist, werden die Struktur des Halbleiterelements und auch seine Herstellungsschritte nicht kompliziert, was bedeutet, dass die Elementeingenschaften mit einfachen Mitteln verbessert werden.
Zum Beispiel weist der FET, bei dem die modifizierte Schicht der aktiven Schicht in dem Bereich ausgebildet wird, in dem die Schottky-Elektrode ausgebildet ist, in diesem Bereich eine geringere Trägerdichte auf und es wird eine Änderung der Oberflächenzustandsdichte in diesem Bereich induziert. Als Ergebnis wird eine dünne Schicht mit hohem Widerstand unter der Gate-Elektrode ausgebildet, was einen Effekt des Oberflächenzustands unterdrückt, von dem gesagt wird, dass er die Gate-Haltespannung stark beeinflusst. Daher wer den die Elementeigenschaften verbessert: z.B. werden die Gate-Haltespannung verbessert und der Stromverlust an der Gate-Elektrode wird verringert.
Die modifizierte Schicht, die in den Bereich unmittelbar unterhalb des Randbereichs der Schottky-Elektrode und dem Bereich ausgebildet ist, der neben dem Bereich in der Schottky-Barrierendiode liegt, dezentralisiert, die Konzentration des elektrischen Feldes am Rand der Schottky-Elektrode, was zu einer Verbesserung der Rückwärtscharakteristiken der Diode führt.
Zusätzlich macht die modifizierte Schicht, die im Bereich innerhalb der Fläche unmittelbar unter der gesamten Schottky-Elektrode oder dem Bereich ausgebildet ist, der sich innerhalb des Bereichs in der Schottky-Barrieren-Diode befindet, die Höhe der Barriere niedriger, was zur Verbesserung der Vorwärtscharakteristiken der Diode führt.
Weiter sorgt die modifizierte Schicht, die in dem Bereich unmittelbar unterhalb der gesamten Schottky-Elektrode und dem Bereich ausgebildet ist, der von dem genannten Bereich in der Schottky-Barrierendiode nach außen hin vorsteht (nämlich der äußere Bereich des Bereichs), für die Verbesserung der Eigenschaften sowohl für die Vorwärts als auch für die Rückwärtsrichtungen der Diode.
Wenn die modifizierte Schicht mit der Plasmabehandlung unter Verwendung von Sauerstoff und/oder einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgebildet wird, wird die freiliegende Fläche der modifizierten Schicht allgemein oxidiert, so dass ein Oxidfilm ausgebildet wird, der einen unerwünschten Effekt verursachen kann. Es ist daher nötig, den Oxid-Film zu entfernen. Dieser kann auf jede geeignete Weise entfernt werden, z.B. durch Eintauchen des Substrats mit dem Oxidfilm in Salzsäure.
Schließlich sollte sich verstehen, dass zum Ausbilden der modifizierten Schicht ein Fachmann leicht jede geeignete Bedingung für die Plasmabehandlung (wie z.B. Behandlungsleistung und Behandlungszeitdauer) und jede Spezifikation der modifizierten Schicht (wie Dicke und Trägerkonstruktion) auf der Grundlage der hierin offenbarten Lehre in Abhängigkeit der Eigenschaften für eine angestrebte Anwendung des Elements und außerdem vom Substratmaterial, Verunreinigungselement usw., die für die Herstellung des Elements verwendet werden sollen, auswählen kann.
Beispiele Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend durch die folgenden Beispiele mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass jede numerische Zahl in einer Zeichnung dieselbe Komponente andeutet, wie die von anderen Zeichnungen, auf die sich dieselbe numerische Zahl bezieht.
Beispiel 1
Herstellungsverfahren
Die 1 bis 5 zeigen eine Abfolge für eine Ausführungsform eines Prozesses zur Herstellung des GaAsMESFETs (31) gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei dessen Querschnittansicht verwendet wird. Als erstes wird eine aktive Schicht (2) (deren Trägerkonstruktion etwa 1 x 10¹⁷cm^–3 beträgt) oben auf einem Halbleitersubstrat (1) z.B. durch ein Ionenimplantierverfahren oder das MBE-Verfahren (Molekularstrahlepitaxie) ausgebildet. Ein strukturiertes (nicht gezeigtes) Resistmaterial wird auf der aktiven Schicht (2) z.B. durch ein Photolithographie-Verfahren gefolgt durch das Abscheiden von metallbasierendem Au/Ge-Ni und Abnehmen unnötiger Teile des Metalls und des Resistmaterials, um eine Source-Elektrode (3) und eine Drain- Elektrode (4) auf der aktiven Schicht (2) vorzusehen (siehe 1). Beide Elektroden werden anschließend zum Legieren thermisch behandelt.
Anschließend wird, wie in 2 gezeigt, eine untere Resistschicht (5) ausgebildet, um das Halbleitersubstrat 1, die Source-Elektrode (3) und die Drain- Elektrode (4) zu bedecken, bevor eine obere Resistschicht mit einem vorbestimmten Muster auf der unteren Resistschicht (5) durch Anordnen, Sintern, Freilegen und Entwickeln eines Resistmaterials ausgebildet wird. Die so ausgebildete obere Resistschicht weist eine Öffnung (8a) über einem Bereich aus, in dem die Gate-Elektrode ausgebildet werden soll.
Als nächstes wird, wie in 3 gezeigt, die untere Resistschicht (5) unter Verwendung der oberen Resistschicht (6) als Maske trocken geätzt, um eine Öffnung (8b) zu bilden, die etwas größer als die Öffnung (8a) über ihr ist. Anschließend wird das Halbleitersubstrat (1) durch die Öffnungen (8a) und (8b) einer Plasmabehandlung unterzogen. Es wird darauf hin gewiesen, dass in 3 (und falls anwendbar in jeder anderen Zeichnung) Pfeile die Richtung der Plasmastrahlung zeigen. Mit Hilfe der Plasmastrahlung wird eine modifizierte Schicht (2a) in einem Bereich der aktiven Schicht (2) ausgebildet, auf dem die Gate-Elektrode ausgebildet werden soll, und einem Bereich, der von dem genannten Bereich nach außen hin vorsteht. Daher ist es auch möglich, die modifizierte Schicht nach dem Trockenätzen kontinuierlich auszubilden. Die oben beschriebene Plasmabehandlung kann z.B. durch Verwenden der RIE-Vorrichtung ausgeführt werden. Jedes Gas gemäß Anspruch 1 kann als Plasmaquelle verwendet werden.
Wie in 4 gezeigt, wird die modifizierte Schicht (2a) der aktiven Schicht (2) einem Lochätzverfahren unterzogen, um eine Ausnehmung (7) zu bilden, optional wird das Substrat nachfolgend in eine 6N (normale) wässrige HCl-Lösung für eine Minute eingetaucht, um einen auf der Oberfläche der modifizierten Schicht (2a) (nicht gezeigt) ausgebildeten Oxidfilm zu entfernen, falls ein solcher vorhanden ist, und anschließend wird ein Metall wie z.B. Ti/Pt/Au oder Al aufgebracht, um eine Metallschicht (7) auszubilden.
Schließlich werden unnötige Teile des Metalls (7) zusammen mit der unteren Resistschicht (5) und der oberen Resistschicht (6) durch ihr Abheben entfernt, um eine Gate-Elektrode (7a) in der Ausnehmung (7) zurückzulassen, woraus sich ein angestrebter GaAsMESFET ergibt.
Wie oben beschrieben, ist der Prozess zur Herstellung des GaAsMESFETs in Beispiel 1 dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte Schicht (2a) mit der Plasmabehandlung in dem Bereich der aktiven Schicht (2) unmittelbar unterhalb der Gate-Elektrode (7a), die eine Schottky-Verbindung bildet, und im Nachbarbereich des genannten Bereiches ausgebildet wird. Daher sind die anderen Schritte neben den Schritten zur Plasmabehandlung im Prinzip den konventionellen ähnlich.
Obwohl die Plasmabehandlung in diesem Beispiel vor dem Lochätzen durchgeführt wurde, ist Beispiel 1 auf so ein Verfahren nicht beschränkt. Das Plasmaätzen kann nach dem Lochätzen ausgefüührt werden, und anschließend kann die Gate-Elektrode gebildet werden. Wei ter kann auf das Lochätzen verzichtet werden; die Gate-Elektrode kann nämlich ohne Lochätzen nach der Plasmabehandlung ausgebildet werden, wie es in 3 gezeigt ist.
Messung der Elementeigenschaften Die Plasmabehandlung wurde unter Verwendung von O₂-Gas als Plasmaquelle und der RIE-Vorrichtung unter den in der unten stehenden Tabelle 1 gezeigten Bedingungen durchgeführt, um einen GaAsMESFET gemäß Beispiel 1 herzustellen.
Tabelle 1
Ein GaAsMESFET nach dem Stand der Technik wurde auch durch Wiederholen derselben Verfahrensschritte durchgeführt, wie sie oben beschrieben wurden, mit der Ausnahme, dass die Plasmabehandlung nicht durchgeführt wurde.
Anschließend wurde ein Gate-Strom I_g gemessen, wenn eine Rückwärtsvorspannung (V_gd = -12 V; Quelle: offen) zwischen der Gate-Elektrode und der Drain- Elektrode angelegt wurde. Zusätzlich wurde außerdem ein zweiter Gate-Strom Ig gemessen, wenn eine Spannung zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Elektrode V_gs 0 V betrug und eine Spannung zwischen der Source-Elektrode und der Drain- Elektrode (V_ds) 9 V betrug.
Jeder GaAsMESFET hatte eine Gate-Länge von 0.5 µm, eine Gate-Breite von 300 µm und eine Ausnehmungstiefe von 0.15 µm. Man sieht aus den Messergebnissen in der unten gezeigten Tabelle 2, dass der Gate-Strom bei Anlegen einer Rückwärtsvorspannung im GaAsMESFET nach Beispiel 1 deutlich auf etwa 1/10 von der des herkömmlichen Transistors gesenkt wurde; d.h., die Gate-Haltespannung ist deutlich verbessert. Zusätzlich ist auch der Gate-Strom I_g, den man erhielt, wenn die Spannung zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Elektrode (V_gs) 0V und die Spannung zwischen der Source-Elektrode und der Drain- Elektrode (V_ds) 9V betrug, auch deutlich auf etwa 1/50 des Werts für den herkömmlichen Transistor reduziert. D.h. die Gate-Haltespannung des GaAsMESFETs von Beispiel 1 war zumindest mit dem in 38 gezeigten herkömmlichen Transistor vergleichbar, der die undotierte Oberflächenschicht auf der aktiven Schicht aufweist.
Tabelle 2
Weiter wurde bestätigt, dass der GaAsMESFET aus Beispiel 1 keine Verschlechterung hinsichtlich seiner Eigenschaften wie Transkonduktanz (g_m) und Grenzfrequenz (f_t) zeigte, die im Wesentlichen dieselben wie beim herkömmlichen Transistor waren.
Wenn die Plasmabehandlung unter den Bedingungen mit der RF-Leistung (Radiofrequenz) von 80 W und einer Behandlungszeitdauer von 10 Minuten durchgeführt wurde und das so hergestellte Element getestet wurde, waren zudem dessen Charakteristiken fast dieselben, wie diejenigen des Transistors, der unter den in Tabelle 1 gezeigten Bedingungen hergestellt wurde.
Die Plasmabehandlung des Halbleitersubstrats (1), die oben beschrieben wurde, modifiziert die aktive Schicht (2), wodurch eine Trägerdichte im Bereich der aktiven Schicht (2) unmittelbar unterhalb der Gate- Elektrode (7a) und in ihrer Umgebung reduziert wird, so dass es so aussieht, als ob eine Änderung der Oberflächendichte verursacht würde. Als Ergebnis wird eine dünne Schicht mit höherem Widerstand unter der Gate- Elektrode (7a) gebildet, die einen Effekt des Oberflächenzustandes dämpfen kann (wobei dies die Gate- Haltespannung usw. beeinflussen soll). Gleichzeitig kann die elektrische Konzentration am Rande der Gate- Elektrode (7a) oder der Drain- Elektrode (4) dezentralisiert werden. Als Ergebnis werden die Eigenschaften des GaAsMESFET verbessert; z.B. wird die Gate- Haltespannung des GaAsMESFET (31) verbessert und der Stromabfluss am Gate unterdrückt.
Beispiel 2
Herstellungsverfahren
Die 6 bis 9 zeigen eine Abfolge einer weiteren Ausführungsform des Herstellungsprozesses für den erfindungsgemäßen GaAsMESFET (32), wobei dessen Querschnittansicht verwendet wird, in der eine n⁺-aktive Schicht mit einer höheren Trägerkonzentration sowohl im Source-Bereich als auch im Drain-Bereich ausgebildet wird.
Zuerst wird, wie in 6 gezeigt eine n- aktive Schicht (12) oben auf dem Halbleitersubstrat (11) ausgebildet, der aus halbisolierenden GaAs besteht, das durch einen Czozhralski-Verfahren mit Flüssigkeitseinschluss (LEC) hergestellt wird, wie in 6 gezeigt, und eine n⁺-aktive Schicht (13), die eine höhere Trägerkonzentration aufweist, wird selektiv auf jeder Seite der n- aktiven Schicht (12) ausgebildet. Z.B. werden Ionen vom n-Typ über die Oberseite des Halbleitersubstrats (11) unter Bedingungen mit einer Implantierungsenergie von 80 keV und einer Implantierungsträgerdichte von 2 x l0¹²cm^–2 implantiert, um die n-aktive Schicht (12) zu bilden, und anschließend wird ein Bereich, mit Ausnahme einer Fläche, in der die n⁺-aktive Schicht (13) auszubilden ist, mit einem (nicht gezeigten ) Resistmaterial überdeckt. Dann werden unter der Verwendung des Resistmaterials als Maske Ionen vom n- Typ tiefer implantiert als in der n- aktiven Schicht, und dies erfolgt unter Bedingungen mit einer Implantierungsenergie von 120 keV und einer Implantierungsträgerdichte von 2 x 10¹³cm^–2, um die n⁺-aktive Schicht (13) zwischen unter den Bereichen auszubilden, auf denen die Source- Elektrode und die Drain- Elektrode ausgebildet werden sollen.
Anschließend wird wie in 7 gezeigt ein ohmsches Metall wie z.B. ein Metall auf der Grundlage von Au-Ge/Ni auf der n⁺-aktiven Schicht (13) aufgebracht, um eine Source-Elektrode (14) und eine Drain-Elektrode (15) zu bilden, die thermisch so behandelt werden, dass sie eine Legierung eingehen.
Anschließend werden unter Verwendung der Source-Elektrode (14) und der Drain-Elektrode (15) als Masken eine n-aktive Schicht (12) zwischen beiden Elektroden und die n⁺-aktive Schichten (13) einer Plasmastrahlung ausgesetzt, um eine modifizierte Schicht (16) zu bilden. Es wird vermutet, dass durch Ausbildung der so mit Plasma behandelten modifizierten Schicht (16) die Zustandsdichte um die Oberflächenbereich der n-aktiven Schicht (12) und der n⁺-aktiven Schicht (13), so dass ein im Halbleiter inhärenter Ausgangszustand kompensiert wird, um den Effekt des Oberflächenzustands zu speichern. In diesem Beispiel kann jedes Gas gemäß Anspruch 1 als Plasmaquelle verwendet werden.
Schließlich wird, wie in 9 gezeigt, eine Gate-Elektrode (18), z.B. aus Ti/Pt/Au oder Al, in einer Ausnehmung (17) gebildet, die in der modifizierten Schicht (16) der n-aktiven Schicht (12) ausgebildet ist, um einen angestrebten GaAsMESFET (32) zu erhalten, optional geschieht dies, nachdem das Substrat (11) in eine 6N (normale) wässrige HCl-Lösung für eine Minute eingetaucht wurde, um einen gegebenenfalls vorhandenen Oxidfilm zu entfernen, der auf einer Oberfläche der modifizierten Schicht (16) (nicht gezeigt) ausgebildet ist. In diesem Schritt kann das Ätzen zum Zwecke der Bildung einer Ausnehmung (17) nach oder vor der Plasmabestrahlung ausgeführt werden.
Auf diese Weise weist der GaAsMESFET vom Typ mit n⁺-aktive Schicht (13) eine verbesserte Gate-Haltespannung und einen reduzierten Stromverlust hier im Fall von Beispiel 1 auf.
Messung der Elementeigenschaften
Die Plasmabehandlung wurde unter Verwendung von O₂ als Plasmaquelle und der RIE-Vorrichtung unter den in der Tabelle 3 unten gezeigten Bedingungen durchgeführt, um den GaAsMESFET nach Beispiel 2 herzustellen. Ein herkömmlicher GaAsMESFET wurde außerdem durch Wiederholen derselben Vorgehensweise wie oben hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Plasmabehandlung nicht durchgeführt wurde. Jeder GaAsMESFET hatte eine Gate- Länge von 0.5µm, eine Gate- Breite von 100 µm und einen Abstand von 2.5 µm zwischen den n⁺-aktiven Schichten.
Tabelle 3
Eine Messung wurde für die Beziehung zwischen dem Gate- Strom (I_g) und einer Spannung zwischen der Gate- Elektrode und der Drain- Elektrode durchgeführt, die in einem Graph von 10 als Gate-Spannungs/Stromkennlinien gezeigt ist. In 10 lieferte der Transistor nach Beispiel 2 die Kurve (a) mit einer durchgezogenen Linie, während der Transistor nach dem Stand der Technik die gestrichelte Kurve (b) zeigte. Wie man aus dem Graph erkennt, ist die Gate- Haltespannung des Transistors von Beispiel 2 verglichen mit dem herkömmlichen Transistor verbessert, und der Stromverlust kann unterdrückt werden.
Weiter wurden die Änderungen des Gate-Stroms (I_g) auch in Abhängigkeit einer Spannung zwischen der Source- Elektrode und der Drain- Elektrode (V_ds) gemessen, deren Ergebnisse in einem Graph der 11 gezeigt sind. In dem Graph wird der Gate- Strom des Transistors von Beispiel 2 durch eine Kurve (c) unter Verwendung einer durchgezogenen Linie gezeigt, während der für den Transistor nach dem Stand der Technik durch eine Kurve (d) unter Verwendung einer gestrichelten Linie gezeigt ist. Wie man aus dem Graph von 11 erkennt, ist der Gate- Strom im Element von Beispiel 2 geringer als beim Stand der Technik.
Zusätzlich wurden Änderungen der Drain-Konduktanz (g_d) auch in Abhängigkeit der Spannung zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode (V_ds) bei 0 V einer Spannung zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Elektrode gemessen, deren Resultate in einem Graph von 12 gezeigt sind. In dem Graph wird die Drain-Konduktanz des Transistors von Beispiel 2 durch eine Kurve (e) unter Verwendung einer durchgezogenen Linie gezeigt, während die des Transistors nach dem Stand der Technik durch eine Kurve (f) unter Verwendung einer gestrichelten Linie gezeigt ist. Wie man aus dem Graphen der 12 erkennt, ist die Spannung zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode, die eine Spitzenkonduktanz (g_d) liefert, (wie es durch einen Kreis in 12 angedeutet ist), im Transistor von Beispiel 2 höher als beim herkömmlichen Transistor, was bedeutet, dass die interne elektrische Feldkonzentration dezentralisiert ist.
Nach den Messergebnissen, wie sie oben beschrieben wurden, ist zu erkennen, dass der erfindungsgemäße GaAsMESFET seine Ausgangsleistung vergrößern und seine Verlässlichkeit stark verbessern kann.
Beispiel 3
Herstellungsverfahren
13 zeigt weiter einen GaAsMESFET (32a) der vorliegenden Erfindung in Querschnittansicht, der außerdem eine n⁺-aktive Schicht (13) mit jeweils höherer Trägerkonzentration im Source- Bereich und im Drain- Bereich aufweist. Der Transistor (32a) unterscheidet sich vom Transistor (32a) darin, dass keine Ausnehmung (17) vorgesehen und die Oberfläche des Transistors im Wesentlichen flach ist. Zusätzlich wird die modifizierte Schicht (16) durch Bestrahlen mit Plasma auf eine etwas größere Fläche als die der Gate- Elektrode (18) der n-aktiven Schicht (12) ausgebildet. Eine p-Schicht (11a) ist auch vorgesehen.
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform, wie der GaAsMESFET (32a) dieses Beispiels 3 oder der in 5 gezeigte Transistor, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich mit höherem Widerstand (die modifizierte Schicht (2a) oder (16)) nur in einem Teil in der Nähe der Gate- Elektrode (einschließlich des Bereichs unmittelbar unterhalb der Elektrode) ausgebildet ist, was das Element in die Lage versetzt, eine höhere Spannung zu halten. Bei einem solchen Aufbau des Transistors wird die Bildung des parasitären Widerstandes, der in Reihe mit dem Kanal liegt, verhindert, was bei dem herkömmlichen GaAsMESFET (73) Probleme verursacht hat. Zusätzlich können andere Bereiche, die nicht der Plasmabehandlung unterzogen werden, z.B. mittels des Ionenimplantierverfahrens so gestaltet werden, dass sie einen geringeren Widerstand aufweisen, so dass die höhere Haltespannung und der geringere Widerstand beide unabhängig voneinander realisiert werden. Das bedeutet, dass der Maximalstrom (I_max) und die Durchbruchspannung (V_ds) gleichzeitig mit und unabhängig von der Kniespannung (V_knee) in Gleichung (1) erhöht werden können, was sehr vorteilhaft für die hohe Ausgabe und die hohe Effizienz des MESFETs ist. Zusätzlich können die LDD-Struktur oder die Struktur mit mehrstufiger Ausnehmung, die als Beispiel im Stand der Technik angeführt wurden, in Kombination mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, so dass der Effekt der vorliegenden Erfindung zu dem des Standes der Technik hinzugefügt werden kann.
Wenn ein Element so gefertigt wird, dass es teilweise einen hohen Widerstand aufweist, kann eine Halbleiterschicht mit einer planaren Struktur nicht unter Verwendung des epitaktischen Aufwuchsverfahrens ausgebildet werden. Die Verwendung der Plasmabehandlung in Kombination mit Photolithographie wie bei der vorliegenden Erfindung macht es hingegen möglich, eine solche planare Struktur auszubilden. Das Element kann daher teilweise einen höheren Widerstand in der planaren Struktur aufweisen, d.h., nur nötige Bereiche können der Behandlung unterzogen werden, so dass diese einen höheren Widerstand aufweisen.
Beispiel 4
Herstellungsverfahren
14 bis 18 zeigen schematisch eine Abfolge einer weiteren Ausführungsform des Herstellungsprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der eine Schottky-Barrierendiode hergestellt wird.
Wie in 14 gezeigt, wird zuerst eine n-aktive Schicht (22) mit dem epitaktischen Aufwuchsverfahren auf einem Halbleitersubstrat (21) mit geringem Widerstand, das eine höherer dotierte Verunreinigungskonzentration aus z.B. GaAs-Material vom n⁺-Typ aufweist, ausgebildet. Anschließend wird, wie in 15 gezeigt, eine Resistschicht (23) auf der naktiven Schicht (22) ausgebildet, die mit Hilfe der Photolithographie strukturiert wird, um eine Öffnung (24) durch die Resistschicht (23) auf einen Bereich, auf welchem die Schottky-Elektrode auszubilden ist, sowie auf dem äußeren Randbereich auszubilden.
Wie in 16 gezeigt, wird die n-aktive Schicht (22) anschließend der Plasmabehandlung unterzogen, wobei die Resistschicht (23) als Maske für z.B. die RIE- Vorrichtung verwendet wird, so dass eine modifizierte Schicht (25) im Oberflächenbereich der n-aktiven Schicht (22) ausgebildet wird. Auf diese Weise kann durch die Plasmabehandlung der n-aktiven Schicht (22) die nähere Umgebung des Oberflächenbereichs der n-aktiven Schicht (22) modifiziert werden. Es wird vermutet, dass der Oberflächenzustand der modifizierten Schicht (22) so geändert wird, dass der dem Halbleitersubstrat inhärente Zustand kompensiert wird, um den Effekt des Oberflächenzustands zu dämpfen. In diesem Herstellungsprozess kann jedes Gas nach Anspruch 1 als Plasmaquelle verwendet werden.
Nach Plasmabestrahlung auf die n-aktive Schicht (22), wie es oben beschrieben wurde, wird die Resistschicht (23) entfernt. Anschließend wird eine weitere Resistschicht (nicht gezeigt) auf dem Halbleitersubstrat (21) ausgebildet, und eine Öffnung wird durch die Resistschicht durch Lithographie ausgebildet, so dass sich die Öffnung mit dem Bereich deckt, an dem eine Schottky-Elektrode ausgebildet werden soll. Anschließend wird das Substrat (21) in eine 6N (normale) wässrige HCl-Lösung für eine Minute getaucht, um einen eventuell vorhandenen Oxidfilm zu entfernen, der auf einer Oberfläche der modifizierten Schicht (25) (nicht gezeigt) ausgebildet wurde, und es wird, wie in 17 gezeigt, ein Elektrodenmaterial wie Ti/Pt/Au auf der Resistschicht angeordnet, woraufhin das Abheben der Resistschicht und unnötiger Metallmaterialteile erfolgt, um die Schottky-Elektrode (26) auszubilden. Auf diese Weise liegt die modifizierte Schicht (25) unter einem weiteren Bereich, der im wesentlichen aus einem Bereich unmittelbar unter der gesamten Schottky-Elektrode (26) und ihrem äußeren Randbereich besteht, was die elektrische Feldkonzentration am Rande der Schottky-Elektrode (26) dezentralisiert.
Schließlich wird wie in 18 gezeigt eine ohmsche Elektrode (27) aus beispielsweise Au/Ge/Ne auf der Bodenfläche des Halbleitersubstrats (21) ausgebildet.
Messung der Elementeigenschaften
Die Plasmabehandlung wurde unter Verwendung von O₂-Gas als Plasmaquelle und der RIE-Vorrichtung unter den in Tabelle 4 unten gezeigten Bedingungen durchgeführt, um die Schottky-Barrieren-Diode nach Beispiel 4 herzustellen. Eine Schottky-Barrieren-Diode nach dem Stand der Technik wurde außerdem durch Wiederholen derselben Vorgehensweise wie oben hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Plasmabehandlung nicht durchgeführt wurde. Zusätzlich wurde eine weitere Schottky-Barrieren-Diode hergestellt, bei der nur ein Bereich unmittelbar unterhalb der Schottki-Diode der Plasmabehandlung (nämlich ein Schottky-Barrieren-Diodenelement, das in 31 gezeigt ist) für den weiteren Vergleich unterzogen wurde.
Tabelle 4
Die Rückwärts Strom/Spannungskennlinie der Schottky-Barrieren-Diode wurde für Beispiel 4, den Stand der Technik und das Vergleichsbeispiel vermessen. Die Ergebnisse der Messung sind in einem Graph der 19 gezeigt, in der die Abszissenachse die zwischen der Schottky-Elektrode und der ohmschen Elektrode angelegte Spannung (Rückwärtsspannung) anzeigt und die Ordinatenachse die Stromdichte andeutet, die zwischen der Schottky-Elektrode und der ohmschen Elektrode fließt. In dem Graph zeigt die durchgezogene Linie (g) die Kennlinie der Diode von Beispiel 4, die gestrichelte Linie (h) zeigt die einer herkömmlichen Diode und die abwechselnd lang und kurz gestrichelte Linie (i) zeigt die einer Vergleichsdiode. Wie man aus dem Graph in 19 erkennt, wird klar, dass die Rückwärtscharakteristik der Schottky-Barrieren-Diode von Beispiel 4 deutlich verbessert ist, so dass diese eine größere Rückwärtshaltespannung aufweist. Zusätzlich wird die Rückwärtshaltespannung stark verbessert, sogar wenn man sie mit der Vergleichsdiode vergleicht, bei der nur der Bereich unmittelbar unterhalb der gesamten Schottky-Diode mit dem Plasma bestrahlt wurde.
Somit dezentralisiert in Beispiel 4 die modifizierte Schicht die Konzentration des elektrischen Feldes am Rande der Schottky-Elektrode (nämlich am Rand der Elektrode), so dass die Rückwärtscharakteristiken der Schottky-Barrieren-Diode ohne Verschlechterung der Vorwärtscharakteristiken verbessert werden.
Beispiel s Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäß ausgebildeten Schottky-Banieren-Diode (34) ist in 20 in Querschnittansicht schematisch gezeigt. Bei dieser Ausführungsform wurde nur eine nähere Umgebung eines Bereichs, der unmittelbar unterhalb eines Randbereichs (d.h. eines Umrandungsbereichs) einer Schottky-Elektrode (26) liegt, mit Plasma behandelt, um eine modifizierte Schicht (25) auszubilden.
Da die modifizierte Schicht (25) die Konzentration des elektrischen Feldes im Randbereich der Schottky-Elektrode (26) dezentralisieren kann, werden die Rückwärtscharakteristiken der Schottky-Barrieren-Diode deutlich verbessert, wobei die Vorwärtscharakteristiken der in 18 gezeigten Diode beibehalten werden.
Beispiel 6
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäß ausgebildeten Schottky-Barrieren-Diode (35) ist in 21 in Querschnittansicht schematisch gezeigt. Bei dieser Ausführungsform wurde nur ein Bereich unmittelbar unterhalb eines Randes der Schottky-Elektrode (26) und eine nähere Umgebung des Bereichs mit Plasma behandelt, um eine modifizierte Schicht (25) auszubilden.
Da die modifizierte Schicht (25) die Konzentration des elektrischen Feldes am Rand der Schottky-Elektrode (26) dezentralisieren kann, werden die Rückwärtscharakteristiken der Schottky-Barrieren-Diode deutlich verbessert, wobei die Vorwärtscharakteristiken der in 18 gezeigten Diode beibehalten werden. In der Schottky-Barrieren-Diode (35) mit der in 21 gezeigten Struktur kann die modifizierte Schicht (25) durch Plasmabehandlung nach Ausbilden der Schottky-Elektrode (26) ausgebildet werden.
Beispiel 7
Die 22 bis 26 zeigen schematisch eine Abfolge für einen weiteren Prozess zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schottky-Barrieren-Diode (36) in Querschnittansicht. Der Prozess ist ein alternativer Prozess zur Herstellung eines Elements, dessen Struktur dieselbe ist, wie bei der Schottky-Barrieren-Diode, die in 18 gezeigt ist.
Zuerst wird eine Resistschicht (23) auf einer n-aktiven Schicht (22) ausgebildet, bei der es sich um ein Halbleitersubstrat (21) mit einem geringeren Widerstand handelt, die z.B. aus GaAs vom n⁺-Typ besteht, wie es in 22 gezeigt ist. Eine weitere Resistschicht (28) wird weiter auf der Resistschicht (23) ausgebildet.
Wie in 23 gezeigt, wird anschließend die obere Resistschicht (28) durch Photolithographie strukturiert, so dass eine Öffnung (29) durch die Resistschicht (28) bereitgestellt wird, so dass sich die Öffnung mit einem Bereich deckt, in dem die Schottky-Elektrode ausgebildet werden soll. Als nächstes wird die untere Resistschicht (23) unter Verwendung der oberen Resistschicht (28) als Maske angeätzt, so dass eine Öffnung (24), deren Mündung größer als die Öffnung (29) der oberen Resistschicht (28) ist, durch die untere Resistschicht (23) ausgebildet wird.
Wie in 24 gezeigt, wird anschließend die n-aktive Schicht (22) durch die Öffnungen (29) und (24) mit Plasma behandelt, um die modifizierte Schicht (25) in einem freiliegenden Bereich der n-aktiven Schicht auszubilden. Anschließend wird das Substrat (21) in 6N (normale) wässrige HCl-Lösung für eine Minute eingetaucht, um einen Oxidfilm, falls vorhanden, der auf der Oberfläche der modifizierten Schicht (25) (nicht gezeigt) ausgebildet ist, zu entfernen, und anschließend wird ein Elektrodenmaterial wie Ti/Pt/Au auf der modifizierten Schicht (25) durch die Öffnung (29) des oberen Resistmaterials (28) aufgebracht, und es erfolgt ein Abheben unnötiger Metallabschnitte und des Resistmaterials, um die in 25 gezeigte Schottky-Elektrode (26) zu erhalten. Anschließend wird eine ohmsche Elektrode (27) auf einer Bodenfläche des Halbleitersubstrats (21) ausgebildet, wobei, wie in 26 gezeigt, z.B. Au-Ge/Ni verwendet wird.
Beispiel 8
Die 27 bis 31 zeigen schematisch eine Abfolge für einen weiteren Prozess zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schottky-Barrieren-Diode (37) in Querschnittansicht.
Wie in 27 gezeigt, wird zuerst eine n-aktive Schicht (22) epitaktisch auf einem Halbleitersubstrat (21) aufgebracht, welches z.B. aus GaAs vom n⁺-Typ besteht, dass einen geringeren Widerstand aufweist und mit Verunreinigungen in höherer Konzentration dotiert worden ist.
Wie in 28 gezeigt, wird anschließend eine auf einer n-aktiven Schicht (22) ausgebildete Resistschicht (33) mit Hilfe der Photolithographie strukturiert, um eine Öffnung (24) durch die Resistschicht (23) bereitzustellen, so dass die Öffnung sich mit einem Bereich deckt, in dem eine Schottky-Elektrode auszubilden ist.
Wie in 29 gezeigt, wird anschließend eine modifizierte Schicht (25) auf einer Oberfläche der n-aktiven Schicht durch Einstrahlen von Plasma mit der RIE-Vorrichtung ausgebildet, wobei die Resistschicht (23) als Maske verwendet wird. Durch die Plasmabehandlung der n-aktiven Schicht (22) auf die genannte Weise kann die nähere Umgebung der Oberfläche der n-aktiven Schicht modifiziert werden. Dies ist so, weil ein Oberflächenzustand der n-aktiven Schicht verändert wird, der Ursprungszustand, der inhärent für das Halbleitersubstrat (21) ist, kompensiert wird und der Effekt des Oberflächenzustandes gedämpft wird. In diesem Herstellungsprozess kann jedes Gas nach Anspruch 1 als Plasmaquelle verwendet werden.
Nach der Plasmabestrahlung der n-aktiven Schicht (22), so wie es oben beschrieben wurde, wird das Substrat (21) in eine 6N (normale) wässrige HCl-Lösung für eine Minute eingetaucht, um den gegebenenfalls vorhandenen, auf der Oberfläche der (nicht gezeigten) modifizierten Schicht (25) ausgebildeten Oxidfilm zu entfernen, anschließend wird ein Elektrodenmaterial wie Ti/Pt/Au von der oberen Resistschicht (23) auf der modifizierten Schicht (25) aufgebracht und die Schottky-Elektrode (26) wird durch Abheben ausgebildet, wie es in 30 gezeigt ist. Auf diese Weise wird die modifizierte Schicht (25) in einem Bereich der aktiven Schicht (22) ausgebildet, der der gesamten Bodenfläche der Schottky-Elektrode (26) entspricht.
Schließlich wird, wie in 31 gezeigt, eine ohmsche Elektrode (27), die z.B. aus Au-Ge/N besteht, auf einer Bodenfläche des Halbleitersubstrats (27) ausgebildet.
Messung der Elementeigenschaften
Die Plasmabehandlung wurde unter Verwendung von O₂ als Plasmaquelle und der RIE-Vorrichtung unter den in Tabelle 5 unten gezeigten Bedingungen ausgeführt, um das Schottky-Barrieren-Diodenelement nach Beispiel 8 herzustellen. Eine Schottky-Barrieren-Diode nach dem Stand der Technik wurde außerdem durch Wiederholen derselben Prozeduren hergestellt, mit der Ausnahme, dass eine Plasmabehandlung nicht durchgeführt wurde.
Tabelle 5
Es wurden jeweils Vorwärtsstrom/Spannungskennlinien für Schottky-Barrieren-Dioden von Beispiel 8 und nach dem Stand der Technik gemessen. Die Ergebnisse der Messung sind im Graphen von 32 gezeigt, in dem die Abszissenachse, die zwischen der Schottky-Elektrode und der ohmschen Elektrode angelegte Spannung (Vorwärtsspannung) anzeigt und eine Ordinatenachse den Strom anzeigt, der zwischen Schottky-Elektrode und ohmscher Elektrode fließt. In dem Graph zeigt die durchgezogene Linie (j) eine Kennlinie für die Diode von Beispiel 8 und die gestrichelte Linie (k) zeigt die für die herkömmliche Diode. Wie man aus dem Graph in 32 sieht, ist klar, dass die Vorwärtscharaktertstik der Schottky-Barrierendiode von Beispiel 8 verglichen mit der herkömmlichen Diode verbessert ist. 33 ist ein Graph, der die Kurven (j) und (k) von 32 zeigt, wobei für den Strom eine logartihmische Skaleneinteilung verwendet ist. Die Barrierenhöhe (Φ_BN) der Schottky-Verbindung jeder Diode wurde aus der Steigung der Kurve berechnet, und betrug (Φ_BN) _ 0.64 eV in der Diode von Beispiel 8 und (Φ_BN) = 0.76 eV in der herkömmlichen Diode. Somit kann nach Beispiel 8 der vorliegenden Erfindung die Barrierenhöhe der Schottky-Verbindung reduziert werden, während die Trägerkonzentration in der n-aktiven Schicht oder dem Halbleitersubstrat vom n⁺-Typ nicht verändert wird. Andererseits war die gemessene Rückwärtscharaktertstik der nach dem Stand der Technik ähnlich (siehe Kurve (i) in 19).
Somit wird die n-aktive Schicht in dem Bereich, der sich unmittelbar unterhalb der Schottky-Elektrode 26 nach Beispiel 8 befindet, so modifiziert, dass die Barrierenhöhe der Schottky-Elektrode (26) reduziert wird, wodurch die Vorwärtscharaktertstiken der Schottky-Barrieren-Diode (37) ohne Verschlechterung der Rückwärtscharaktertstik der Diode verbessert werden kann. In 31 steht die gesamte untere Oberfläche der Schottky-Elektrode (26) mit der gesamten oberen Oberfläche der modifizierten Schicht (25) in Kontakt. Die obere Oberfläche der modifizierten Schicht (25) kann jedoch in einem Bereich vorhanden sein, der schmaler als die untere Oberfläche der Schottky-Elektrode (26) ist.
Unter Berücksichtung der obigen Beispiele 4-8 lässt sich verstehen, dass in dem Schottky-Barrieren-Diodenelement die Ausbildung der modifizierten Schicht durch Plasmabehand lung von fast dem gesamten Bereich unmittelbar unterhalb der Schottky-Elektrode die Vorwärtscharakteristiken verbessert, und die Ausbildung der modifizierten Schicht im Bereich der Randfläche und des neben der Randfläche der Schottky-Elektrode gelegenen Bereiches durch die Plasmabehandlung verbessert die Rückwärtscharakteristiken der Diode. Zusätzlich verbessert die Ausbildung der modifizierten Schicht in dem Bereich, der unmittelbar unter der gesamten Schottky-Elektrode und der äußeren Randfläche dieses Bereiches liegt, sowohl die Vorwärts- als auch die Rückwärtscharakteristiken.
Die Vorrichtungen und Bedingungen zur Plasmabehandlung sind nicht auf die in den obigen Beispielen beschriebenen beschränkt. Sie können optional ausgewählt werden, was z.B. abhängt vom zu verwendenden Verbindungshalbleitersubstrat und dessen Eigenschaften (wie z.B. seine Trägerkonzentration seiner Struktur usw.).
Obwohl die obigen Beispiele mit Bezug auf den GaAsMESFET und die Schottky-Barrieren-Diode beschrieben wurden, sollte verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung darin liegt, dass wenigstens ein Teil des Bereichs, in dem die Schottky-Elektrode auf der aktiven Schicht des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, und des Bereichs in der Nähe dieses Bereichs einer Plasmabehandlung vor (optional nach) der Ausbildung der Schottky-Elektrode auf der aktiven Schicht des Halbleitersubstrats unterzogen wird. Daher kann die vorliegende Erfindung allgemein nicht nur auf den GaAsMESFET und die Schottky-Barrieren-Diode angewendet werden, sondern auch auf ein Verbindungshalbleiterelement, dass eine Schottky-Verbindung zwischen einem Metall und einem Halbleiter aufweist, wie z.B. ein HEMT, eine planare Schottky-Barrieren-Diode usw. Zusätzlich sind im Fall von GaAsMESFET und Schottky-Barrieren-Diode die Strukturen und ihr Herstellungsprozess nicht auf die der obigen Beispiele beschränkt, und es können eine andere Struktur für ein Halbleiterelement und seinen Herstellungsprozess gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Wie oben beschrieben, bildet nach dem Prozess zur Herstellung des Halbleiterelements die Plasmabehandlung die modifizierte Schicht in dem Bereich unmittelbar unterhalb der Schottky-Elektrode, die die Schottky-Verbindung mit der aktiven Schicht und den Bereichen ihrer näheren Umgebung bildet. Dies ist so, weil die Trägerkonzentration der aktiven Schicht unmittelbar unterhalb der Schottky-Elektrode und ihrer näheren Umgebung verrin gert und die Oberflächenzustandsdichte so verändert wird, dass die Eigenschaften des Halbleiterelements verbessert werden. Zusätzlich wird die Konzentration des elektrischen Feldes an den Rändern der Gate-Elektrode und der Drain-Elektrode dezentralisiert.
In dem Feldeffekttransistor wie z.B. dem GaAsMESFET kann z.B. die Gate-Haltespannung verbessert und der Stromverlust an der Gate- Elektrode unterdrückt werden. Weiter werden in der Diode wie z.B. einer Schottky-Barrieren-Diode Vorwärts- und Rückwärtscharakteristiken der Diode verbessert.
Die oben beschriebene Plasmabehandlung wird vor Ausbildung der Schottky-Elektrode (optional nach ihrer Ausbildung, wenn möglich) ausgeführt, so dass die Behandlung sich allgemein auf die Herstellung des Halbleiterelements anwenden lässt, das eine Schottky-Verbindung mit der aktiven Schicht des Halbleitersubstrats aufweist, ungeachtet der Struktur und des Herstellungsprozesses.
Das heißt, das Halbleiterelement, welches gute Eigenschaften, wie z.B. eine hohe Haltespannung ohne komplizierte Struktur aufweist, wird mit einer einfachen Plasmabehandlung ohne jede komplizierte Prozessschrittsteuerung und ohne jede spezifische Vorrichtung hergestellt. Daher kann die vorliegende Erfindung die Kosten für die Herstellung und das Rohmaterial für das Halbleiterelement stark reduzieren.

Claims

Prozess zur Herstellung eines Halbleiterelements mit einer Schottky-Verbindung, umfassend folgende Schritte: Bilden einer aktiven Schicht auf einem Verbindungshalbleitersubstrat und Bilden einer Schottky-Elektrode, die eine Schottky-Verbindung mit der aktiven Schicht bildet, wobei eine modifizierte Schicht durch eine Plasma-Behandlung in der aktiven Schicht in wenigstens einem Teil eines Bereichs gebildet wird, welcher einen Bereich, auf dem die Schottky-Elektrode auszubilden ist, und eine Umgebung des Bereichs umfasst, auf dem die Schottky-Elektrode auszubilden ist, und wobei die Schottky-Elektrode so ausgebildet wird, dass sie wenigstens teilweise mit der modifizierten Schicht im Kontakt ist oder an diese angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasma-Behandlung mit einer Plasmaquelle durchgeführt wird, wobei O₂ oder irgendeine Kombination von O₂ mit N₂, Ar, CF₄, CHF₃ oder/und H₂ verwendet wird, und dass ein Oxidfilm, der durch die Plasma-Behandlung gebildet wird, vor dem Ausbilden der Schottky-Elektrode entfernt wird.
Prozess nach Anspruch 1, bei dem die modifizierte Schicht so ausgebildet wird, dass sie einen höheren Widerstand aufweist als die aktive Schicht.
Prozess nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zwei ohmsche Elektroden auf der aktiven Schicht zusätzlich zur Schottky-Elektrode ausgebildet werden, um einen Feldeffekttransistor zu bilden.
Prozess nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Halbleiterelement eine Schottky-Barrieren-Diode ist.