DE69634760T2 - Heterostruktur-Feldeffekttransistor mit schwerschmelzendem Gatter und Verfahren - Google Patents

Heterostruktur-Feldeffekttransistor mit schwerschmelzendem Gatter und Verfahren Download PDF

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Heterostruktur-Feldeffekttranssistoren (HFETs) und insbesondere auf HFETs mit nicht-goldener, Ohm'scher Kontaktmetallisierung.
  • HFETs besitzen das Potenzial, in hocheffizienten Hochgeschwindigkeitsgeräten und integrierten Leistungsschaltkreisen aufgrund ihrer überragenden Elektronentransporteigenschaften, wie etwa Elektronendrift, Mobilität und Sättigungsgeschwindigkeit weit verbreitet zu werden. Beispielsweise können HFETs Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MESFETs) in Zellulartelefonen ersetzen, was es erlaubt, die Versorgungsspannung von 6 Volt auf 3 Volt zu reduzieren und so die Batterielebensdauer zu verlängern und die Größe und das Gewicht des Zellulartelefons zu reduzieren. Heterostruktur-FETs (Feldeffekttransistoren) sind auch aufgrund ihrer größeren positiven Gate-Spannungsschwankung und Aus gangsleistung im Vergleich zu Galliumarsenit-(GaAs-)MESFETs besser für Vorrichtungen vom Anreicherungstyp (normalerweise aus) geeignet. HFETs sind jedoch aufgrund von Problemen, die den bestehenden Herstellungsprozessen innewohnen, nicht soweit verbreitet, wie es möglich wäre. Insbesondere umfassen diese Probleme erstens Prozesse, die nicht-hitzebeständige, Ohm'sche Kontaktmetallisierungen, wie etwa Gold-Germanium/Nickel/Gold (AuGe/Ni/Au) verwenden oder nicht-hitzebeständige Gate-Kontaktmetallisierungen, wie etwa Titan/Gold (Ti/Au). Diese nicht-hitzebeständigen Kontaktmetallisierungen sind aufgrund der Metall-Weg- und/oder Zwischendiffusion für Anwendungen in Hochleistungsvorrichtungen inhärent unzuverlässig. Ein zweites Problem ist, dass oft die Oberfläche von Nicht-Gate-Regionen (zwischen dem Gate-Kontakt und den Source/Drain-Kontakten) eines HFETs eine Aluminium-Galliumarsenit-(AlGaAs-)Schicht ist, die leicht oxidiert wird, wenn sie während nachfolgender Bearbeitung Luft ausgesetzt wird. Dies kann ein schwerwiegendes Herstellungsproblem sein, da die Oxidation von AlGaAs in diesen Nicht-Gate-Oberflächenregionen die Leistung der Vorrichtung verringert. Schließlich ist ein drittes Problem, dass die AlGaAs-Schichten mit niedrigem Molprozentsatz, niedriger als 30%, die erforderlich sind, um ein starkes Einfangen der Träger durch Defekte, die aus dotierten AlGaAs-Schichten mit einem hohen Molprozentsatz an Aluminium stammen, zu verhindern, mit derzeitiger Prozesstechnologie schwierig zu handhaben sind. Dies ist so, weil diese AlGaAs-Schichten mit niedrigem Molprozentsatz an Aluminium hochselektives Ätzen von stark dotierten Deckschichten sehr schwierig und nicht-reproduzierbar machen.
  • Es besteht daher ein Bedarf nach einem Verfahren zum Herstellen hochstabiler und zuverlässiger HFETs, die auch leicht herstellbar sind und die nicht-goldene, hitzebeständige, Ohm'sche und Gate-Kontaktmetallisierungen niedrigen Kontaktwiderstandes enthalten. Zusätzlich besteht ein Bedarf nach steuerbarem und reproduzierbarem Ätzen stark dotierter Schichten, das vereinbar ist mit in-situ-Oberflächenpassivierung und AlGaAs-Versorgungsschichten mit niedrigem Molprozentsatz. Und schließlich besteht ein Bedarf nach einem Verfahren zum Herstellen zuverlässiger Hochleistungs-HFETs, die sowohl Vorrichtungen vom Anreicherungstyp als auch vom Verarmungstyp einschließen.
  • EP-A-0 631 323 bezieht sich auf eine komplementäre Heterostruktur-Vorrichtung mit kompatiblen nicht-goldenen Kontakten. EP-A-0 631 323 offenbart die Verwendung hitzebeständiger Kontakte. Der offenbarte Ansatz, NiGeW als einen P-Typ-Kontakt zu verwenden, ist durch starkes Dotieren der P-Typ-Source- und Drain-Regionen. Neben anderen Unterschieden zur vorliegenden Erfindung offenbart EP-A-0 631 323 nicht die Verwendung eines stark dotierten Deckels zusammen mit einer in den stark dotierten Deckel eingeätzten, minimalen Lücke zwischen Ohm'schen Kontakträndern und den Rändern der Gate-Kontaktregion. Entsprechend zeigt die Herstellung von Geräten, die von Abrokwah offenbart wird, einige der oben erwähnten Fabrikationsschwierigkeiten.
  • "Highly-Efficient 6.6 W 12 GHz HJFET for Power Amplifier", von Matsunaga, K., et al., (Proceedings of the 1994 IEEE International Electron Devices Meeting, San Francisco, CA, USA, 11–14 Dezember 1994, ISBN 0-7803-2111-1, Seiten 895–898) offenbart eine n+/n-Deckschicht auf einem Heteroübergangs-FET. Dieser Artikel erwähnt eine "Stufenvertie fungsstruktur" als breite und schmale Vertiefungen einschließend, offensichtlich mit der schmalen Vertiefung in der breiten Vertiefung (a. a. O., Seite 895). Dieser Artikel richtet sich nicht auf irgendwelche oben erwähnten Punkte, die die Fabrikation von Vorrichtungen mit hitzebeständigen Kontakten betreffen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 illustriert eine Mehrzahl von bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Schichten.
  • 2–6 zeigen fortschreitende Schritte in einem Prozess zum Herstellen eines HFET in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 7 illustriert in einem HFET der bevorzugten Ausführungsform ausgebildete Defekte;
  • 8 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen Ohm'scher Lücke und Ohm'schem Widerstand für verschiedene Dicken der Deckschicht zeigt;
  • 9 illustriert eine Mehrzahl von in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Schichten; und
  • 10–13 zeigen fortschreitende Schritte in dem Prozess der Herstellung eines HFETs in der Ausführungsform von 9.
  • Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
  • Alle in 1 und in allen nachfolgenden Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindungen gezeigten Ma terialschichten sind im Wesentlichen einkristalline, epitaxial gewachsene Halbleiterschichten aus Gruppe-III–V-Komponenten. Wie im Stand der Technik wohlbekannt, erfordert dies, dass jede Halbleiterschicht ein Material umfasst, das kristallographisch kompatibel mit einer darunter liegenden Schicht ist. Diese epitaxialen Schichten können mittels irgendeines der normalerweise akzeptierten Epitaxialwachstumsverfahren aufgewachsen werden, wie etwa metallorganische, chemische Dampfbeschichtung (MOCVD: metal organic chemical vapor deposition), Molekularstrahlepitaxie (MBE: molecular beam epitaxy) oder Atomschichtenepitaxie (ALE: atomic layer epitaxy) oder dergleichen und werden in der Reihenfolge wie in 1 gezeigt aufgewachsen.
  • Ein Herstellungsverfahren einer ersten Ausführungsform eines Heterostruktur-Feldeffekttransistors mit hitzebeständigem Gate beginnt mit der in 1 gezeigten Struktur. Die Basis der Struktur ist ein Galliumarsenit-(GaAs) semi-isolierendes Wafer-Substrat 10. Eine Pufferschicht 12 ist über dem Substrat 10 ausgebildet und aus einem GaAs- und/oder GaAs/AlAs-Übergitter ausgebildet. Als nächstes wird eine erste Aluminium-Galliumarsenit-(AlGaAs-)Versorgungsschicht 14 über der Schicht 12 ausgebildet, wobei die Dicke der Schicht 14 typischerweise 300 Å plus oder minus 100 Å ist. Der Molprozentsatz der AlGaAs-Versorgungsschicht 14 liegt im Bereich von 20–30% mit einem bevorzugten Wert von etwa 24%. Eine Hochleistungsvorrichtung, wie etwa ein Leistungs-HFET, könnte eine große Anzahl verfügbarer Träger in der Kanalschicht benötigen. Der Einschluss der ersten Versorgungsschicht 14 führt zu einer erhöhten Anzahl von Trägern in der Kanalschicht. Eine Indium-Galliumarsenit-(InGaAs-)Kanalschicht 16, typischerweise 140 Å plus oder minus 60 Å dick, wird dann ausgebildet, gefolgt von einer zweiten Versorgungsschicht 18, ebenfalls aus AlGaAs von 300 Å plus oder minus 100 Å Dicke ausgebildet. Typischerweise sind die erste und zweite Versorgungsschicht 14, 18 Silizium-(Si-)dotiert. Die Flächenkonzentration des Dotierungsmittels der ersten Silizium-dotierten AlGaAs-Versorgungsschicht 14 ist normalerweise 1 × 1012 Atome/cm2 und der zweiten Silizium-dotierten AlGaAs-Versorgungsschicht 18 etwa 5 × 1012 Atome/cm2; der Fachmann ist sich jedoch bewusst, dass diese Dotierungsmittelkonzentrationen variiert werden können, um an spezielle Vorrichtungs- und/oder Herstellungserfordernisse angepasst zu werden. Außerdem kann das Dotierungsmittel gleichförmig über die Schichten 14 und 18 verteilt sein oder diese können, wie im Stand der Technik bekannt, planar mit Si dotiert sein. Eine GaAs-Passivierungsschicht 20, ungefähr 50 Å dick, wird über der zweiten Versorgungsschicht 18 ausgebildet und eine Aluminiumarsenit-(AlAs-)Ätzstopschicht 22, ungefähr 20 Å dick, wird über der Passivierungsschicht 20 ausgebildet. Schließlich wird eine GaAs-Deckschicht 24, die mit Silizium stark dotiert ist (typischerweise etwa 7 × 1018 Atome/cm3) ausgebildet, um die Ätzstopschicht 22 abzudecken. Die Dicke der stark dotierten GaAs-Deckschicht 24 beträgt wenigstens etwa 700 Å Dicke. Obgleich die Deckschichten anderer Dicken funktionieren werden, wurde herausgefunden, dass eine stark dotierte Deckschicht von wenigstens etwa 700 Å Dicke für eine optimale Leistung erforderlich ist. Schichten, die dicker sind als etwa 1000 Å, führen zusätzliche Prozesskomplexitäten ein, die jegliche gefundenen Vorteile überwiegen, und dünnere Schichten weisen einen erhöhten Ohm'schen Widerstand auf. Die Bedeutung dieser Mindestdicke wird weiter unten diskutiert.
  • Wie dem Fachmann bekannt ist, ist die Komposition der Mehrzahl von Halbleiterschichten, die über dem semi-isolierenden Wafer-Substrat, wie für die erste Ausführungsform der in 1 gezeigten Struktur zitiert, nicht die einzige Komposition, die verwendet werden kann. Andere Gruppe-III–V-Komponenten können ersetzt werden, um die aufgeführten Funktionen durchzuführen. Wegen der Limitierung auf kristallographische Kompatibilität, die durch unterschiedliche Gitterkonstanten verursacht wird, ist die Ersetzung eines kompletten Satzes von Materialien zum Aufbauen einer anderen Ausführungsform praktischer als zufällige Ersetzungen. Eine andere Ausführungsform der Struktur von 1 könnte zum Beispiel ein semi-isolierendes Substrat aus Indium-Phosphit (IMP) mit einer Pufferschicht 12 aus Aluminium-Indiumarsenit (AlInAs), ersten und zweiten Passivierungsschichten 14, 18 aus AlInAs, einer Kanalschicht 16 aus InGaAs, einer Passivierungsschicht 20 aus GaAs, einer Ätzstopschicht 22 aus AlAs oder AlInAs und einer Deckschicht 24 aus InGaAs sein.
  • 2–6 illustrieren die hauptsächlichen Schritte, die erforderlich sind, um eine Vorrichtung vom Verarmungstyp gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen. Zur Erleichterung des Verständnisses werden die Materialien der ersten in 1 gezeigten Ausführungsform bei der Erläuterung der Prozessschritte verwendet. Für den Fachmann wird es offensichtlich sein, dass andere Materialien, wie etwa diejenigen der weiteren Ausführungsform, leicht ersetzt werden können, wobei lediglich Prozessmodifikationen erforderlich sind, wie sie im Stand der Technik bekannt und ver standen sind. Es liegt daher innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, all solche Materialien und Prozessvariationen einzuschließen.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 2. Die Struktur von 1 ist gezeigt, nachdem eine harte Maskenschicht 30, beispielsweise Siliziumnitrit (Si3N4) aufgebracht und gemustert wurde, um ein Gebiet der stark dotierten GaAs-Deckschicht 24 freizulegen. Ein Bereich der stark dotierten GaAs-Deckschicht 24 wurde geätzt, um ein Gatekontaktgebiet 32 mit Rändern 34 zu bilden. Es sei angemerkt, dass Ätzen der stark dotierten GaAs-Deckschicht 24 durch die Präsenz der AlAs-Ätzstopschicht 22 und der GaAs-Passivierungsschicht 20 erleichtert wird. Wenn diese beiden Schichten nicht da wären, würde das Ätzen der stark dotierten GaAs-Deckschicht 24 die AlGaAs-Versorgungsschicht 18 freilegen. Dies würde die Steuerung des Ätzens der stark dotierten GaAs-Deckschicht 24 abhängig von dem Verhältnis des stark dotierten GaAs und der Ätzrate des AlGaAs machen. Die AlGaAs-Versorgungsschicht 18 würde daher notwendig einigen Ätzschaden während des Überätzteils des Prozesszyklus nehmen, der notwendig ist, um eine gleichförmig geätzte Öffnung in der GaAs-Deckschicht 24 zu bewirken. Außerdem wird, wie der Fachmann weiß, das Aluminium im AlGaAs leicht zu Aluminiumoxid (AlxOy, wie etwa Al2O3) oxidiert, was daher die Aufbringung "spezieller Sorgfalt" beim Bearbeiten erfordern würde, sobald es freigelegt ist. Da es jedoch stets inhärente Variationen der tatsächlich aufgewendeten "besonderen Sorgfalt" gegenüber den Anforderungen gibt, sind Unterschiede der Geräteleistung, verringerte Gewinne und höhere Kosten unvermeidbare Ergebnisse. Die Rentabilität von Prozessen, die "besondere Sorgfalt" erfordern ist daher be grenzt. Bei dieser ersten Ausführungsform dient die AlAs-Ätzstopschicht 22 dazu, die Notwendigkeit, den Ätzprozess sorgfältig auf maximale Selektivität zwischen zwei Schichten mit ähnlichen Ätzeigenschaften zuzuschneiden, zu eliminieren. Die GaAs-Passivierungsschicht 20 dient als eine Oxidationssperre, sobald die AlAs-Ätzstopschicht 22 entfernt ist, so dass die "besondere Sorgfalt"-Anforderung anderer Prozessflüsse beseitigt wird, und dient einer zweiten wichtigen Funktion, die unten diskutiert wird. Der Einschluss sowohl der GaAs-Passivierungsschicht 20 als auch der AlAs-Ätzstopschicht 22 stellt einen signifikanten Fortschritt gegenüber Prozessen nach dem Stand der Technik dar.
  • In 3 wurde die AlAs-Ätzstopschicht 22 aus dem Gebiet 32 entfernt und ein hitzebeständiges Metall, wie etwa Titan-Wolframnitrit (TiWN) wurde aufgebracht und gemustert, um einen Gate-Kontakt 40 über einem Teil des Gate-Kontaktgebietes 32 zu bilden. Musterung des Gate-Kontaktes 40 kann unter Verwendung standardmäßiger Lithographie und Ätztechniken durchgeführt werden. Abhebeprozesse, die oft bei Heterostruktur-Bearbeitung erforderlich sind, sind bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich, da die Präsenz der GaAs-Passivierungsschicht 20 eine Oxidation der AlGaAs-Versorgungsschicht 18 während des TiWN-Ätzprozesses verhindert. Diese zweite wichtige Funktion der GaAs-Passivierungsschicht 20 ist daher ein weiterer signifikanter Vorteil der vorliegenden Erfindung. Metall-Musterung ohne Abheben ist wesentlich zuverlässiger, gewinnbringender und statistisch leistungsfähiger. Die Möglichkeit der Metallmusterung ohne Abheben, dient daher der Verbesserung der letztendlichen Produktzuverlässigkeit, re duziert die Vorrichtungsvariabilität und verringert ihre Kosten.
  • 4 illustriert, dass eine dielektrische Schicht 42, z. B. Si3N4 aufgebracht wird, um die in 3 gezeigten Elemente zu überdecken. Man kann sehen, dass Ohm'sche Kontaktgebiete 50 in der dielektrischen Schicht 42 definiert sind. Standardmäßige Lithographie- und Ätztechniken, die dem Fachmann wohlbekannt sind, können eingesetzt werden.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 5. Illustriert und in dieser ersten Ausführungsform umfasst sind ein Paar Ohm'scher Kontakte 52 mit Rändern 54 aus einem nicht-goldenen, hitzebeständigen Material, beispielsweise Nickel, Germanium, Wolfram (NiGeW). Die Ohm'schen Kontakte 52 werden aufgebracht, gemustert und geätzt unter Verwendung irgendwelcher standardmäßigen Bearbeitungstechniken, die im Stand der Technik bekannt sind. Nachdem die Ohm'schen Kontakte 52 gemustert wurden, wird typischerweise ein thermisches Glühen durchgeführt. Bei einer Ausführungsform wird das Glühen als schneller thermischer Glühprozess (RTA: rapid thermal anneal) durchgeführt, der die Temperatur der Struktur auf etwa 550°C für etwa 20 bis 60 Sekunden erhöht. Jede andere Methode des Glühens Ohm'scher Kontakte 52 kann jedoch ebenfalls verwendet werden. Die Positionierung der Ohm'schen Kontaktgebiete 50 und der Ohm'schen Kontakte 52 ist wichtig. Bei der vorliegenden Erfindung ist eine Ohm'sche Lücke, bezeichnet als 51, typischerweise wenigstens etwa 2 μm groß und ist gezeigt als zwischen dem Ohm'schen Kontaktrand 54 und dem benachbarten Rand 34 des Gate-Kontaktgebietes 32 auszumessen. Die Bedeutung diese Abstandes wird später diskutiert.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 6. Man kann sehen, dass eine dicke dielektrische Schicht 60 aufgebracht und gemustert wurde. Die dicke dielektrische Schicht 60 besteht aus Siliziumdioxid (SiO2), Si3N4 oder irgendein an anderen Oxinitrit-Material, die alle im Stand der Technik als dielektrische Schichten bekannt sind. Via-Öffnungen 62 wurden gemustert und geätzt unter Verwendung standardmäßiger Lithographie und Ätzprozesse, die auf das Material, welches die dicke dielektrische Schicht 60 bildet, zugeschnitten sind. Dies wird dann gefolgt von der Aufbringung und Musterung von Kontaktmetall 70, beispielsweise Aluminium oder eine üblicherweise verwendete Aluminiumlegierung. Die Musterung des Kontaktmetalls 70 sorgt für einen elektronischen Kontakt mit Elementen des Heterostruktur-Feldeffekt-Transistors mit hitzebeständigem Gate, wie etwa den Ohm'schen Kontakten 52 und den Gate-Kontakten 40. Die Aufbringung, Musterung und das Ätzen des Kontaktmetalls 70 wird wiederum durch standardmäßige Halbleiterherstellungsprozesse durchgeführt, die auf diese spezielle Anwendung zugeschnitten wurden.
  • 7 zeigt ein Beispiel einer teilweise in der Art der ersten Ausführungsform hergestellten Vorrichtung, die zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlich ist. Dargestellt ist eine Defektregion 82, die sich im Wesentlichen direkt unter dem Ohm'schen Kontakt 52 an der Grenzfläche der GaAs-Deckschicht 24 und der AlAs-Ätzstopschicht 22 anhäuft. Diese Defektregion 82 scheint zu einem nicht-goldenen Ohm'schen Kontaktmetall zu gehören, wie etwa NiGeW, da sie nicht sichtbar ist, wenn ein goldenes Ohm'??sches Kontaktmetall, wie etwa NiGeAu, verwendet wird. Es wird angenommen, dass die Defektregion 82 das Ergebnis des Entfernens des Goldes aus dem Ohm'schen Kontaktmetall ist. Von Gold ist es bekannt, dass es mit GaAs reagiert und AuGa-Phasen bildet, während Nickel und Germanium reagieren, um eine NiGeAs-Phase zu bilden. Wenn das Gold jedoch mit einem nicht-reaktiven Element, wie etwa Wolfram ersetzt wird, reagiert das Gallium nicht mit dem Wolfram und könnte sich als Ablagerungen an dem Heteroübergang anhäufen. Es wird weiter angenommen, dass die Defektregion 82 elektrisch aktiv ist und dass diese elektrische Aktivität zu einer Ausbildung einer Verarmungsregion 84 führt. Wie 7 illustriert, kann die Ausbildung der Defektregion 82 und der zugehörigen Verarmungsregion 84 den Stromfluss in die und aus der Gate-Region 32 auf Pfade begrenzen, die durch die Pfeile 80 angezeigt sind. Wenn der Stromfluss daher beschränkt ist, wird der Ohm'sche Widerstand gegenüber einer äquivalenten Struktur mit Ohm'schem Material aus NiGeAu-erhöht. Wie in 7 gezeigt, wurde jedoch herausgefunden, dass durch Anpassen der Dicke der GaAs-Deckschicht 24 auf wenigstens eine minimale Dicke und durch Beibehalten einer Ohm'schen Lücke 51 von wenigstens einer minimalen Dimension, mit nicht Goldenthaltenden Ohm'schen Metallen Ohm'??sche Widerstände erreicht werden können, die gleich denjenigen sind, die man mit Gold enthaltenden Ohm'schen Metallen erreicht. Die Vorteile von nicht-goldenen, hitzebeständigen Kontaktmetallisationen sowohl für die Ohm'schen Kontakte als auch für die Gate-Kontaktgebiete können daher erreicht werden.
  • Wie zuvor erwähnt, wurde herausgefunden, dass die Dicke der GaAs-Deckschicht 24 wenigstens etwa 700 Å und dass die Ohm'sche Lücke 51 typischerweise wenigstens 2 μm betragen soll. 8 ist ein Graph, der das Verhältnis zwi schen der Dicke der GaAs-Deckschicht 24 und der Dimension der Ohm'schen Lücke 51 gegenüber dem Ohm'schen Widerstand illustriert. Die y-Achse ist in Ohm und die x-Achse ist in Mikrometern (μ). Die Kurve 89 repräsentiert eine 500 Å GaAs-Deckschicht 24 mit Ohm'schem Kontaktmetall NiGeW und die Kurve 87 repräsentiert eine 1000 Å GaAs-Deckschicht 24 mit Ohm'schem Kontaktmetall NiGeW. Die Kurve 85 repräsentiert eine 500 Å GaAs-Deckschicht 24 mit Ohm'schem Kontaktmetall NiGeAu. Aus dem Vergleich der Kurven 87 und 89 wird daher erkennbar, dass für eine NiGeW-Metallisierung der Ohm'sche Widerstand höher ist als wenn eine dünnere GaAs-Deckschicht benutzt wird. Außerdem zeigen die Linien 87 und 89 auch an, dass der Ohm'sche Widerstand in etwa unverändert bleibt, wenn sich die Dimension der Ohm'schen Lücke 51 bis etwa 3,5 μm für die Kurve 89 und etwa 2,5 μm für die Kurve 87 verringert. Bei Dimensionen der Ohm'schen Lücke 51 unterhalb dieser Werte beginnt der Ohm'sche Widerstand zu wachsen. Auf der anderen Seite zeigt die relativ flache Kurve 85 keine derartige Beziehung zwischen der Deckeldicke und der Ohm'schen Lücke, wobei das verwendete Ohm'sche Kontaktmetall Gold enthält. Es sollte daher offensichtlich sein, dass, um Vorteile aus der verbesserten Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit der nicht-goldenen NiGeW-Metallisierung zu ziehen, die Dicke der GaAs-Deckschicht 24 wenigstens etwa 700 Å und die Dimension der Ohm'schen Lücke 51 wenigstens etwa 2 μm betragen sollte.
  • Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 9 eine zweite elektronische Heterostruktur-Vorrichtung gezeigt, die aus einer Struktur mit III–V-Halbleiterschichten ähnlich derjenigen aus 1 hergestellt ist. Die Basis der Struktur ist ein semi-iso lierendes GaAs-Substrat 100. Eine Pufferschicht 120 ist über dem Substrat 100 entweder aus GaAs und/oder einem GaAs/AlAs Übergitter ausgebildet. Als nächstes ist eine erste AlGaAs-Versorgungsschicht 140 ausgebildet, um über der Pufferschicht 120 zu liegen, wobei die Dicke der ersten Versorgungsschicht 140 typischerweise etwa 300 Å plus oder minus 100 Å beträgt. Der Molprozentsatz der ersten AlGaAs-Versorgungsschicht 140 liegt im Bereich von 20 bis 30% mit etwa 24% als bevorzugtem Wert. Eine InGaAs Kanalschicht 160, typischerweise 140 Å plus oder minus 60 Å dick, wird dann gefolgt durch das Ausbilden einer zweiten AlGaAs-Versorgungsschicht 180 von 200 Å plus oder minus 100 Å Dicke. Typischerweise sind sowohl die erste als auch die zweite Versorgungsschicht 140, 180 silizium-(Si-)dotiert und von derselben Stöchiometrie. Die Flächenkonzentration des Dotierungsmittels der ersten Versorgungsschicht 140 liegt normalerweise bei etwa 1012 Atomen/cm2 und diejenigen der zweiten Versorgungsschicht 180 bei etwa 5 × 1012 Atomen/m2; der Fachmann ist sich jedoch bewusst, dass diese Dotierungskonzentrationen variieren können. Eine erste GaAs-Passivierungsschicht 200, etwa 50 Å dick, ist ausgebildet, um über der zweiten Versorgungsschicht 180 zu liegen und eine erste AlAs-Ätzstopschicht 220, etwa 20 Å dick, ist ausgebildet, um über der ersten Passivierungsschicht 200 zu liegen. Eine zweite GaAs-Passivierungsschicht 201, ebenfalls etwa 50 Å dick, ist ausgebildet, um über der ersten Ätzstopschicht 220 zu liegen und eine zweite AlAs-Ätzstopschicht 221, ebenfalls etwa 20 Å dick, ist ausgebildet, um über der zweiten Passivierungsschicht 201 zu liegen. Schließlich ist eine GaAs- oder InGaAs-Deckschicht 240, stark N+-dotiert mit Si (typischerweise etwa 5 × 1018 Ato me/cm3), ausgebildet, um die zweite Ätzstopschicht 221 abzudecken. Die Dicke der GaAs-Deckschicht 24 beträgt wenigstens etwa 700 Å und liegt typischerweise im Bereich von etwa 700 bis 1000 Å.
  • 10 bis 13 illustrieren die hauptsächlichen Schritte, die erforderlich sind, um eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung herzustellen, die sowohl wenigstens eine Vorrichtung vom Verarmungstyp als auch wenigstens eine Vorrichtung vom Anreicherungstyp aufweist. Es wird nun Bezug genommen auf 10. Die Struktur von 9 ist gezeigt, nachdem eine harte Maskenschicht 300, beispielsweise Si3N4 aufgebracht und gemustert wurde, um Gebiete der stark dotierten GaAs-Deckschicht 240 freizulegen, die dann geätzt wird, um erste und zweite Gate-Kontaktgebiete 320 und 321 mit ersten und zweiten Rändern 340 und 341 sowie eine Isolierungsregion 480 zu bilden. Es sei angemerkt, dass das erste Gate-Kontaktgebiet 320 ein Teil einer Verarmungstyp-Vorrichtungsregion 440 ist und dass das zweite Gate-Kontaktgebiet 321 ein Bereich einer Anreicherungstyp-Vorrichtungsregion 460 ist. Außerdem sollte offensichtlich sein, dass das Ätzen, welches erforderlich ist, um die ersten und zweiten Gate-Kontaktgebiete 320 und 321 sowie die Isolierungsöffnungsregion 480 freizulegen, in zwei hauptsächlichen Schritten erfolgt. In dem ersten Schritt werden alle drei Regionen 440, 460 und 480 bis zu einem ersten Stadium geätzt, welches die AlAs-Ätzstopschicht 220 freilegt. In einem zweiten Schritt wird die Region 440 mit einem (nicht gezeigten) Maskierungsmaterial geschützt und ein zusätzliches Ätzen wird ausgeführt, um die AlAs-Ätzstopschicht 221 in den Regionen 460 und 480 freizulegen. Es sei angemerkt, dass das Vorliegen der AlAs- Ätzstopschichten 220 und 221 diese Vorgehensweise erleichtert.
  • In 11 wurden die AlAs-Ätzstopschichten 220 und 221 aus den Gate-Kontaktgebieten 320 und 321 entfernt. Die dielektrische Schicht 300 wurde entfernt, eine hitzebeständige Metallschicht, wie etwa TiWN, aufgebracht und gemustert, um erste und zweite Gate-Kontakte 400 und 401, die Bereiche des ersten bzw. zweiten Gate-Kontaktgebietes 320 bzw. 321 abdecken, auszubilden und N+-Implantierungsregionen 465 wurden ausgebildet. Das Aufbringen und Mustern des hitzebeständigen Gate-Metalls, um erste und zweite Gate-Kontakte 400 und 401 zu schaffen, wird unter Verwendung standardmäßiger Aufbringungs-, Lithographie- und Ätztechniken durchgeführt, wie dies zuvor unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform diskutiert wurde. Nach dem Ausbilden der ersten und zweiten Gate-Kontakte 400 und 401 wird eine dünne Implantierungslagenschicht, wie etwa 500 Å Si3N4, aufgebracht und eine Implantierungsmaske, z. B. ein Photoresist, wird dann aufgebracht und gemustert, um lediglich die Anreicherungstyp-Vorrichtungsregion 460 (beide nicht dargestellt) freizulegen. N+-Implantierungsregionen 465 werden ausgebildet, typischerweise mit einem Siliziumimplantat, unter Verwendung des Gate-Kontaktes 401, um als zusätzliches Maskenelement zu wirken, wodurch eine genaue Positionierung des Dotierungsmittels, wie dargestellt, sichergestellt wird. Die Siliziumimplantierung wird bei einer Energie zwischen etwa 50 und 100 keV durchgeführt, um eine Flächenkonzentration des Dotierungsmittels von etwa 6 × 1013 Atomen/cm2 zu erreichen, obgleich andere Dotierungsmittel und Dotierungsmittelkonzentrationen verwendet werden können, wie der Fachmann weiß. Nach Entfernung der Implantie rungsmaske werden die N+-Implantierungsregionen 465 geglüht, um das Dotierungsmittel zu aktivieren. Typischerweise wird ein RTA-Glühen durchgeführt, wobei die Temperatur auf wenigstens etwa 800°C für zwischen etwa 30 und 60 Sekunden erhöht wird, obgleich andere Glühtechniken, die zu der gewünschten Dotierungsmittelaktivierung führen, verwendet werden können. Wie in 11 illustriert, wird nach dem Glühschritt typischerweise jede Implantierungsregion 465 die zweite Gate-Kontaktfläche 321 um wenigstens etwa 0,5 μm überlappen. Das implantierte Dotierungsmittel liefert einen geringen Eingangswiderstand für den FET vom Anreicherungstyp.
  • 12 illustriert die Zufügung einer Isolations-Implantierungsregion 485, einer dielektrischen Schicht 420 und erster und zweiter Ohm'scher Kontakte 520 und 521 zu der Struktur von 11. Eine Implantierungsmaske wird aufgebracht (nicht gezeigt) und gemustert, um die Ausbildung einer Isolations-Implantierungsregion 485 in der Isolationsregion 480 zu erlauben. Wie dies der Fall bei der oben diskutierten N+-Implantierung war, sind die Natur des Dotierungsmittels, die Konzentration und die zur Ausbildung der Isolations-Implantierungsregion 485 eingesetzte Implantierungsenergie alles Elemente, von denen der Fachmann erwarten würde, dass sie an die speziellen Anforderungen anzupassen sind. Typischerweise wird Sauerstoff (O2) als Isolations-Dotierungsmittel verwendet, obgleich auch Bor (B) oder atomarer Wasserstoff (H) ebenfalls benutzt werden können. Da die Einheitlichkeit der Dotierungskonzentration wichtig ist, um eine gute elektrische Isolierung zu erreichen, umfasst der Implantierungsprozess typischerweise eine Reihe von 2 oder 3 Implantationen, die bei unterschiedli chen Energiepegeln durchgeführt werden. Eine gleichmäßige O2-Dotierungsmittelflächenkonzentration über die ganze Isolations-Implantierungsregion 485 von etwa 5 × 1012 Atomen/cm2 kann daher erreicht werden, indem zuerst drei Implantierungen durchgeführt werden, eine bei 90, eine bei 180 und eine bei 360 keV. An diesem Punkt wird die Implantierungsmaske entfernt und die dielektrische Schicht 420 aufgebracht. Die dielektrische Schicht 420 kann aus jedem geeigneten dielektrischen Material sein, beispielsweise SiO2. Nach Ausbildung der dielektrischen Schicht 420 werden erste und zweite Kontaktgebiete 500 und 501 unter Verwendung standardmäßiger Lithographie und Ätztechniken, wie angemessen, erzeugt. Sobald die ersten und zweiten Ohm'schen Kontaktgebiete 500 und 501 erzeugt sind, wird ein nicht-goldenes Ohm'sches Metall, beispielsweise NiGeW aufgebracht, um über der dielektrischen Schicht 420 und den ersten und zweiten Kontaktgebieten 500 und 501 zu liegen. Das nicht-goldene Ohm'sche Metall wird dann gemustert, um erste und zweite Ohm'sche Kontakte 520 und 521 zu bilden. Nachdem die ersten und zweiten Ohm'schen Kontakte 520 und 521 ausgebildet sind, wird typischerweise ein thermisches Glühen durchgeführt. Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Glühen der Isolations-Implantierungsregion 485 und der ersten und zweiten Ohm'schen Kontakte 520 und 521 unter Verwendung eines RTA-Prozesses durchgeführt, der die Temperatur der Struktur auf etwa 550°C für zwischen etwa 20 und 60 Sekunden erhöht. Obgleich dieser Glühschritt typischerweise angewendet wird, um das Dotierungsmittel in der Isolations-Implantierungsregion 485 zur selben Zeit zu der die ersten und zweiten Ohm'schen Kontakte 520 und 521 geglüht werden, zu aktivieren, kann auch ein separates Glü hen unmittelbar nach der Ausbildung der Isolations-Implantierungsregion 485 ausgeführt werden. Auch ist, wie bei der ersten Ausführungsform, das Positionieren der ersten und zweiten Ohm'schen Kontaktgebiete 500 und 501 sowie der ersten und zweiten Ohm'schen Kontakte 520 und 521 wichtig, um eine Ohm'sche Lücke beizubehalten (wie als Lücke 51 in 7 illustriert), die typischerweise wenigstens etwa 2 μm beträgt, sowie um sicherzustellen, dass das N+-Implantierungsgebiet 465 keinen zweiten Ohm'schen Kontakt 521 überlappt.
  • Es wird nun Bezug genommen auf 13. Eine dicke dielektrische Schicht 600 wurde aufgebracht, um über der dielektrischen Schicht 420 und den ersten und zweiten Ohm'??schen Kontakten 520 und 521 zu liegen. Die dicke dielektrische Schicht 600 kann aus SiO2, Si3N4 oder irgendeinem Oxinitrit-Material bestehen, die im Stand der Technik alle als dielektrische Schichten wohlbekannt sind. Via-Öffnungen 620 wurden gemustert und geätzt unter Verwendung standardmäßiger Lithographie- und Ätzprozesse, die auf das Material, aus welchem die dicke dielektrische Schicht 600 besteht, zugeschnitten sind. Wie in 13 illustriert, haben die ersten und zweiten Ohm'schen Kontakte 520 und 521 sowie die ersten und zweiten Gate-Kontakte 400 und 401 jeweils eine darauf ausgebildete Via-Öffnung 620. Dann wird Verbindungsmetall 700, z. B. Aluminium oder irgendeine üblicherweise verwendete Aluminiumlegierung, ausgebildet und gemustert. Wiederum wird die Aufbringung, Musterung und das Ätzen des Verbindungsmetalls 700 durch standardmäßige Halbleiterherstellungsprozesse durchgeführt, die auf diese spezielle Anwendung zugeschnitten wurden. Es sei angemerkt, dass typischerweise das Muster des Verbindungsmetalls 700 ein Rückgrat eines elektrischen Kontaktes für die Elemente des Heterostruktur-Feldeffekttransistors liefert, die solch einen elektrischen Kontakt benötigen, beispielsweise die ersten und zweiten Ohm'schen Kontakte 520 und 521 und die ersten und zweiten Gate-Kontakte 400 und 401.
  • Es sollte nun aus der Beschreibung und den zur Verfügung gestellten Figuren offensichtlich sein, dass ein neues Verfahren zum Herstellen von hoch zuverlässigen Hochleistungs-Heterostruktur-Feldeffekttransistoren zur Verfügung gestellt wurde. Die Heterostruktur-Elektronikvorrichtungsstrukturen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten zusätzlich Herstellungsvorteile, die bislang nicht verfügbar waren. Darüber hinaus machen es die Beschreibung und die bereitgestellten Figuren offensichtlich, dass Verarmungstyp-, Anreicherungstyp- oder kombinierte Vararmungs- und Anreicherungstyp-Vorrichtungen in einem im Wesentlichen einheitlichen Prozess hergestellt werden können. Diese Einheitlichkeit der Bearbeitung vereinfacht daher den Herstellungsprozess wesentlich und ermöglicht niedrigere Kosten, die mit höheren Gewinnen verbunden sind, die von der Industrie gefordert werden. Unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform werden erste Vorteile durch die Ausbildung der Ätzstopschicht 22 und der Passivierungsschicht 20 erreicht. Diese Schichten erlauben eine größere Prozessbreite bei der Ausbildung des Gate-Gebietes 32 sowie die Verwendung standardmäßiger Halbleiter-Lithographie- und Ätzprozesse, um den Gate-Kontakt 40 auszubilden, wodurch die Notwendigkeit für Metallabhebeprozesse eliminiert wird. Die Verwendung nicht-goldenen hitzebeständigen Metalls, sowohl für die Ohm'schen Kontakte 52 als auch den Gate-Kontakt 40 eliminieren die Zuverlässigkeits bedenken aufgrund von Metall-Weg- oder Zwischendiffusion. Schließlich erlaubt die Entdeckung und Verwendung einer hochdotierten Deckschicht 24 mit einer minimalen Dicke kombiniert mit der Ausbildung Ohm'scher Kontakte 52, die eine Mindestdimension einer Lücke 51 haben, die Verwendung nicht-goldenen hitzebeständigen Metalls in der beschriebenen Weise.

Claims (3)

  1. Heterostruktur-Feldeffekttransistor mit hitzebeständigem Gate, umfassend: ein semi-isolierendes Wafer-Substrat (10, 100); eine Mehrzahl von Gruppe-III–V-Verbundhalbleiterschichten, die in folgender Reihenfolge auf dem semi-isolierenden Wafer-Substrat (10, 100) liegen: eine Pufferschicht (12, 120), eine erste mit Silizium in einer ersten Konzentration dotierte Versorgungsschicht (14, 140), eine Kanalschicht (16, 160), eine zweite mit Silizium in einer zweiten Konzentration dotierte Versorgungsschicht (18, 180), eine erste Passivierungsschicht (20, 200), eine erste Ätzstopschicht (20, 220) und eine stark dotierte GaAs-Deckschicht (24, 240) von wenigstens 700 Å Dicke; zwei erste Ohm'sche Kontaktgebiete (50, 500, 501) auf der stark dotierten Deckschicht (24, 240); ein erstes Gate-Kontaktgebiet (32, 320) zwischen den zwei ersten Ohm'schen Kontaktgebieten, wobei das erste Gate-Kontaktgebiet (32, 320) ausgebildet ist in einem ersten Ätzschritt durch selektives Ätzen eines ersten Bereichs der stark dotierten Deckschicht (24, 240), Stoppen auf der ersten Ätzstoppschicht (22, 220) und anschließendes Entfernen eines ersten Bereichs der ersten Ätzstopschicht (22, 220), um einen ersten Bereich der ersten Passivierungsschicht (20, 200) freizulegen, der das erste Gate-Kontaktgebiet (32, 320) mit zwei ersten Gate-Kontaktgebieträndern bildet, die durch die verbleibenden Bereiche der ersten Ätzstopschicht (22, 220) definiert werden; zwei Ohm'sche Kontakte (52, 520) eines hitzebeständigen NiGeW-Metalls auf den zwei ersten Ohm'schen Kontaktgebieten, wobei die zwei ersten Ohm'schen Kontaktgebiete jeweils einen ersten Ohm'schen Kontaktrand (54) aufweisen, der einem der ersten Gate-Kontaktgebietränder benachbart ist und entspricht, und wobei die entsprechenden ersten Gate-Gebietsränder und ersten Ohm'schen Kontaktränder (54) um wenigstens zwei Mikrometer voneinander beabstandet (51, 620) sind; und einen ersten Gate-Kontakt (40, 400) auf dem ersten Gate-Kontaktgebiet (32, 320), wobei der erste Gate-Kontakt (40, 400) aus einem hitzebeständigen TiWN-Metall ist.
  2. Heterostruktur-Feldeffekttransistor mit hitzebeständigem Gate nach Anspruch 1, wobei: die Mehrzahl von Gruppe-III–V-Verbundhalbleiterschichten weiter eine zweite Passivierungsschicht (201) auf der zweiten Versorgungsschicht (180) und eine zweite Ätzstopschicht (221) auf der zweiten Passivierungsschicht (201) umfasst, so dass die zweite Passivierungsschicht (201) und die zweite Ätzstopschicht (221) zwischen der zweiten Versorgungsschicht (180) und der ersten Passivierungsschicht (200) liegen; zwei zweite Ohm'sche Kontaktgebiete auf der stark dotierten Deckschicht (240); ein zweites Gate-Kontaktgebiet (321) zwischen den zwei zweiten Ohm'schen Kontaktgebieten, wobei das zweite Gate-Kontaktgebiet (321) ausgebildet ist durch Ätzen eines zweiten Bereichs der stark dotierten Deckschicht (240) und eines zweiten Bereichs auf der ersten Ätzstopschicht (220) in dem ersten Ätzschritt, dann durch Ätzen der ersten Passivierungsschicht (200) und der zweiten Ätzstopschicht (221) in einem zweiten Ätzschritt, um einen Bereich der zweiten Passivierungsschicht (201) freizulegen, der das zweite Gate-Kontaktgebiet (321) mit zweiten Gate-Kontaktgebieträndern (341) bildet, die durch die verbleibenden Bereiche der zweiten Ätzstopschicht (221) definiert werden; zwei zweite Ohm'sche Kontakte (521), umfassend ein hitzebeständiges NiGeW-Metall auf den zweiten Ohm'schen Kontaktgebieten (501), wobei 'die zweiten Ohm'schen Kontakte (521) jeweils einen zweiten Ohm'schen Kontaktrand aufweisen, der einem der zweiten Gate-Kontaktgebietränder (341) benachbart ist und entspricht, und wobei die entsprechenden zweiten Gate- und zweiten Ohm'schen Kontaktränder um wenigstens zwei Mikrometer voneinander beabstandet (620) sind; zwei Implantationsregionen (465) im Wesentlichen jeweils zwischen den entsprechenden zweiten Gate- und zweiten Ohm'schen Kontakträndern und sich von dem zweiten Gate-Kontaktgebiet in die erste Versorgungsschicht (140) hinein erstreckend, wobei jede Implantationsregion (465) das zweite Gate-Kontaktgebiet (321) um wenigstens 0,5 Mikrometer überlappt und die zweiten Ohm'schen Kontakte (521) nicht überlappt; und ein Muster aus Verbindungsmetall (700), das einen elektrischen Kontakt für die ersten und zweiten Gate-Kon takte (400, 401), die zwei ersten Ohm'schen Kontakte (520) und die zwei zweiten Ohm'schen Kontakte (521) bereitstellt.
  3. Heterostruktur-Feldeffekttransistor mit hitzebeständigem Gate nach Anspruch 2, wobei das semi-isolierende Wafer-Substrat (100) aus GaAs besteht, die Pufferschicht (120) aus einer GaAs- und/oder GaAs/AlAs-Übergitterstruktur besteht, die erste Versorgungsschicht (140) und die zweite Versorgungsschicht (180) aus AlGaAs bestehen, die Kanalschicht (160) aus InGaAs besteht, die erste Passivierungsschicht (201) und die zweite Passivierungsschicht (200) aus GaAs bestehen, die erste Ätzstopschicht (221) und die zweite Ätzstopschicht (220) aus AlAs bestehen.
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