JP2000323500A - Field-effect semiconductor device and manufacture thereof - Google Patents

Field-effect semiconductor device and manufacture thereof

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JP2000323500A
JP2000323500A JP11134223A JP13422399A JP2000323500A JP 2000323500 A JP2000323500 A JP 2000323500A JP 11134223 A JP11134223 A JP 11134223A JP 13422399 A JP13422399 A JP 13422399A JP 2000323500 A JP2000323500 A JP 2000323500A
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Japan
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layer
film thickness
schottky
semiconductor device
electrode
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Hidehiko Sasaki
秀彦 佐々木
Makoto Inai
誠 稲井
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a high output characteristic with a Schottky barrier kept high by optimizing an initial film thickness of a gate electrode and maintain high frequency characteristics by suppressing the parasitic capacitance from increasing due to the gate electrode burying effect. SOLUTION: A gate electrode with a lowermost Pt layer is formed on a barrier layer (nondoped AlGaAs) 17, the (initial) film thickness of the lowermost Pt layer before solid-phase diffusion is set to 2 to 5 nm, the gate electrode is heat treated at 250 to 400 deg.C to mutually diffuse Pt in the lowermost layer and GaAs in the barrier layer 17, thereby obtaining a buried gate structure.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電界効果型半導体
装置及びその製造方法に関し、特に埋め込み型ゲート構
造を有する電界効果型半導体装置と該半導体装置の製造
方法に関する。
The present invention relates to a field-effect semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a field-effect semiconductor device having a buried gate structure and a method of manufacturing the semiconductor device.

【0002】[0002]

【従来の技術】電界効果型トランジスタ(以下、FET
という)の特性を向上させるため、種々の構造や改善方
法などが提案されており、そのなかにはゲート電極の微
細化や埋め込み型ゲート構造などがある。
2. Description of the Related Art Field-effect transistors (hereinafter referred to as FETs)
In order to improve the characteristics, various structures and improvement methods have been proposed, among which are miniaturization of a gate electrode and a buried gate structure.

【0003】(ゲート電極の微細化)高周波動作が可能
な電界効果型トランジスタとしては、GaAsFETが
実用化されている。このようなFETの高速動作の指標
のひとつとしては、遮断周波数fTが用いられている。
この遮断周波数fTは、近似的に、 と表わされる。ここで、gmはFETの相互コンダクタ
ンス、Cgsはゲート・ソース間容量、Vsatは電子飽和
速度、Lgはゲート長である。
(Miniaturization of Gate Electrode) As a field-effect transistor capable of high-frequency operation, a GaAs FET has been put to practical use. As one indication of the high-speed operation of the FET, the cut-off frequency f T is used.
This cutoff frequency f T is approximately It is expressed as Here, gm is the mutual conductance of the FET, Cgs is the gate-source capacitance, Vsat is the electron saturation speed, and Lg is the gate length.

【0004】上記遮断周波数fTを表わす式から分かる
ように、遮断周波数fTを向上させるためには、ゲート
長Lgを短縮することによってゲート・ソース間容量Cg
sを低減させ、かつ相互コンダクタンスを大きくする必
要がある。従って、遮断周波数fTを高くするために
は、ゲート電極を微細化してゲート長Lgを短くするこ
とが最も有効であり、サブミクロン以下の微細なゲート
電極を有するGaAsFETが実現されている。
[0004] As can be seen from the equation representing the cutoff frequency f T, in order to improve the cutoff frequency f T is the gate-source capacitance Cg by shortening the gate length Lg
It is necessary to reduce s and increase the transconductance. Therefore, in order to increase the cutoff frequency f T , it is most effective to reduce the gate length Lg by miniaturizing the gate electrode, and a GaAs FET having a sub-micron gate electrode is realized.

【0005】(埋め込み型ゲート構造)一方、FETの
高出力特性を得るには大きなドレイン電流を流す必要が
あり、それには高いゲート順方向電圧が要求される。そ
のため、ゲート電極のショットキー電極材料としては、
従来より広く用いられてきたTiやAlに代えてPtが
用いられてきている。ショットキー電極材料として例え
ばTiを用いた場合には、GaAs半導体層に対するシ
ョットキー障壁高さは約0.7eVであるのに対し、P
tでは約0.9eVの高いショットキー障壁が得られ
る。この結果、順方向電圧でゲート電流が減少するの
で、ゲート電極にPtを用いた場合のゲートバイアス電
圧は、GaAs半導体層に対して約0.8V、AlGa
As半導体層に対して約1.1Vとなり、高いゲートバ
イアス電圧までの動作が可能になる。
(Embedded Gate Structure) On the other hand, in order to obtain high output characteristics of the FET, a large drain current needs to be passed, which requires a high gate forward voltage. Therefore, as a Schottky electrode material of the gate electrode,
Pt has been used instead of Ti and Al which have been widely used in the past. When, for example, Ti is used as the Schottky electrode material, the Schottky barrier height for the GaAs semiconductor layer is about 0.7 eV,
At t, a high Schottky barrier of about 0.9 eV is obtained. As a result, the gate current decreases with the forward voltage, so that the gate bias voltage when Pt is used for the gate electrode is about 0.8 V with respect to the GaAs semiconductor layer,
The voltage is about 1.1 V with respect to the As semiconductor layer, and operation up to a high gate bias voltage is possible.

【0006】また、図1(a)に示すように、GaAs
半導体層1に最下層をPt層2とするゲート電極3を設
けた場合には、Pt(Pt層2)とGaAs(GaAs
半導体層1)とは熱反応によって互いに固相拡散反応
し、図1(b)のようにゲート電極3の最下層にはPt
とGaAsの化合物(Pt−GaAs化合物4)が形成
され、Pt−GaAs化合物4とGaAs半導体層1と
の間に良好なショットキー接合が得られる。さらに、P
t層2とGaAs半導体層1とが反応するときには、P
tがGaAs半導体層1の内部に拡散してPt−GaA
s化合物4が形成されるので、図1(b)に示すよう
に、ショットキー接合面5はGaAs半導体層1の表面
よりも深い位置に形成される。従って、最下層をPt−
GaAs化合物4とするゲート電極3はGaAs半導体
層1に埋め込まれた構造となり、埋め込み型ゲート構造
と呼ばれる。
[0006] Further, as shown in FIG.
When the semiconductor layer 1 is provided with the gate electrode 3 whose lowermost layer is the Pt layer 2, Pt (Pt layer 2) and GaAs (GaAs
The semiconductor layer 1) undergoes a solid phase diffusion reaction with each other by a thermal reaction, and Pt is formed on the lowermost layer of the gate electrode 3 as shown in FIG.
And a GaAs compound (Pt-GaAs compound 4) are formed, and a good Schottky junction is obtained between the Pt-GaAs compound 4 and the GaAs semiconductor layer 1. Furthermore, P
When the t layer 2 and the GaAs semiconductor layer 1 react, P
t diffuses into the GaAs semiconductor layer 1 to form Pt-GaAs
Since the s compound 4 is formed, the Schottky junction surface 5 is formed at a position deeper than the surface of the GaAs semiconductor layer 1 as shown in FIG. Therefore, the lowermost layer is Pt-
The gate electrode 3 made of the GaAs compound 4 has a structure embedded in the GaAs semiconductor layer 1 and is called an embedded gate structure.

【0007】このような埋め込み型ゲート構造における
埋め込み効果は、GaAs半導体層1上に形成されてい
る固相拡散反応前のPt層2の膜厚(初期膜厚t)に大
きく依存しており、この初期膜厚tが厚いほどゲート電
極3の埋め込み量dが大きくなる。たとえば、Pt層2
の初期膜厚tが10nmの場合には、約20nmの深さ
の埋め込み電極と同等の効果が得られる。
The burying effect in such a buried gate structure largely depends on the film thickness (initial film thickness t) of the Pt layer 2 formed on the GaAs semiconductor layer 1 before the solid phase diffusion reaction. The larger the initial thickness t, the larger the buried amount d of the gate electrode 3. For example, Pt layer 2
When the initial film thickness t is 10 nm, the same effect as that of the embedded electrode having a depth of about 20 nm can be obtained.

【0008】従って、Ptを用いた埋め込み型ゲート構
造では、TiやAlを用いた従来のゲート構造よりも高
いショットキー障壁を得ることができ、高出力特性を得
ることができる。
Therefore, in the buried gate structure using Pt, a higher Schottky barrier can be obtained than in the conventional gate structure using Ti or Al, and high output characteristics can be obtained.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
埋め込み型ゲート構造では、従来のゲート構造と比較し
て空乏層の広がりが大きくなる。図2(a)は埋め込み
型ゲート構造により空乏層6の広がりが大きくなるよう
すを示す図(表面空乏層は省略)であって、図2(b)
は比較のため従来のゲート構造とその空乏層6の広がり
を示している(表面空乏層は省略)。図2(a)(b)
に示すように、埋め込み型ゲート構造では、従来のゲー
ト構造よりも空乏層6の広がりが大きくなり、空乏層6
とソース電極7やドレイン電極8との距離が短くなり、
特にゲート電極3の側面における寄生容量(ゲートフリ
ンジング容量)が増大し、その結果、FETの高周波特
性が劣化する。
However, in the buried gate structure as described above, the depletion layer expands more than in the conventional gate structure. FIG. 2A is a view showing that the expansion of the depletion layer 6 is increased by the buried gate structure (the surface depletion layer is omitted), and FIG.
Shows the conventional gate structure and the expansion of the depletion layer 6 for comparison (the surface depletion layer is omitted). FIGS. 2A and 2B
As shown in FIG. 5, in the buried gate structure, the depletion layer 6 expands more than in the conventional gate structure,
And the distance between the source electrode 7 and the drain electrode 8 becomes shorter,
In particular, the parasitic capacitance (gate fringing capacitance) on the side surface of the gate electrode 3 increases, and as a result, the high-frequency characteristics of the FET deteriorate.

【0010】一般的には、最初に述べたように、ゲート
長を短くしてゲート電極を微細化することにより、FE
Tの遮断周波数fTを向上させることができる。ところ
が、埋め込み型ゲート構造のFETの場合には、ゲート
長が短くなるほど、ゲート・ソース間におけるゲートフ
リンジング容量の増加が相対的に大きくなるため高周波
特性の劣化が顕著となり、ゲート長を微細化しても遮断
周波数fTが向上しない。
[0010] Generally, as mentioned earlier, the FE is reduced by reducing the gate length and miniaturizing the gate electrode.
The cutoff frequency fT of T can be improved. However, in the case of an FET having a buried gate structure, as the gate length becomes shorter, the increase in gate fringing capacitance between the gate and the source becomes relatively large, so that high-frequency characteristics deteriorate remarkably. cut-off frequency f T also does not improve.

【0011】本発明は上記従来例の欠点に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、埋め込み型電
極構造を有する電界効果型半導体装置において、ショッ
トキー電極の初期膜厚を最適化することにより、ショッ
トキー障壁高さを維持して高出力特性を得ることがで
き、かつショットキー電極の埋め込み効果による寄生容
量の増加を抑えて高周波特性を維持することができるよ
うにすることにある。
The present invention has been made in view of the above-mentioned drawbacks of the prior art, and has as its object to optimize the initial film thickness of a Schottky electrode in a field-effect semiconductor device having a buried electrode structure. By doing so, high output characteristics can be obtained by maintaining the height of the Schottky barrier, and high-frequency characteristics can be maintained by suppressing an increase in parasitic capacitance due to the burying effect of the Schottky electrode. is there.

【0012】[0012]

【発明の開示】請求項1に記載の電界効果型半導体装置
は、化合物半導体層へ固相拡散することによって化合物
半導体層の表面よりも深く埋め込まれたショットキー電
極を備えた電界効果型半導体装置において、前記ショッ
トキー電極の最下層の、固相拡散する前の膜厚が、ショ
ットキー障壁高さの飽和値をほぼ維持するために必要な
最小膜厚よりも厚く、かつ該最小膜厚の近傍にあること
を特徴としている。
A field-effect semiconductor device according to claim 1, comprising a Schottky electrode buried deeper than the surface of the compound semiconductor layer by solid-phase diffusion into the compound semiconductor layer. The thickness of the lowermost layer of the Schottky electrode before solid phase diffusion is larger than the minimum thickness necessary to substantially maintain the saturation value of the Schottky barrier height, and It is characterized by being in the vicinity.

【0013】請求項1に記載の電界効果型半導体装置に
あっては、ショットキー電極の最下層がショットキー高
さを維持するためのほぼ必要最小限の膜厚に設定されて
いるので、従来の埋め込み効果によるゲート寄生容量の
増加を抑えることができ、高周波特性を損うことがな
い。
In the field effect type semiconductor device according to the first aspect of the present invention, the lowermost layer of the Schottky electrode is set to a substantially minimum necessary film thickness for maintaining the Schottky height. The increase in the gate parasitic capacitance due to the burying effect can be suppressed, and the high frequency characteristics are not impaired.

【0014】従って、請求項1に記載の電界効果型半導
体装置のように、ショットキー電極の最下層の膜厚を、
固相拡散する前の膜厚がショットキー障壁高さの飽和値
をほぼ維持するために必要な最小膜厚よりも厚く、かつ
該最小膜厚の近傍となるように設定すれば、ショットキ
ー障壁高さを高くし、かつ遮断周波数も高くすることが
でき、高出力で、かつ高周波特性の良好な埋め込み型の
電界効果型半導体装置を製作することができる。
Therefore, as in the field effect type semiconductor device according to the first aspect, the thickness of the lowermost layer of the Schottky electrode is
If the film thickness before the solid phase diffusion is set to be larger than the minimum film thickness necessary to substantially maintain the saturation value of the Schottky barrier height and close to the minimum film thickness, the Schottky barrier The height and the cut-off frequency can be increased, and a buried-type field-effect semiconductor device with high output and good high-frequency characteristics can be manufactured.

【0015】請求項2に記載の電界効果型半導体装置
は、化合物半導体層へ固相拡散することによって化合物
半導体層の表面よりも深く埋め込まれたショットキー電
極を備えた電界効果型半導体装置において、前記ショッ
トキー電極の最下層の、固相拡散する前の膜厚がショッ
トキー障壁高さの飽和値をほぼ維持するために必要な最
小膜厚よりも厚く、かつ遮断周波数の飽和値をほぼ維持
するために必要な最大膜厚よりも薄いことを特徴として
いる。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a field effect type semiconductor device having a Schottky electrode which is buried deeper than the surface of the compound semiconductor layer by solid phase diffusion into the compound semiconductor layer. The film thickness of the lowermost layer of the Schottky electrode before solid phase diffusion is thicker than the minimum film thickness required to substantially maintain the saturation value of the Schottky barrier height, and substantially maintains the saturation value of the cutoff frequency It is characterized in that it is thinner than the maximum film thickness necessary for the operation.

【0016】発明者らの実験観察によれば、ショットキ
ー電極の最下層の初期膜厚を薄くすると、急にショット
キー障壁が低下する最小膜厚が存在し、またショットキ
ー電極の最下層の初期膜厚を厚くすると、急に遮断周波
数が低下する最大膜厚が存在し、しかもショットキー障
壁が低下する最小初期膜厚よりも遮断周波数が低下する
最大初期膜厚のほうが高いことが分かった。
According to the experimental observations made by the inventors, when the initial thickness of the lowermost layer of the Schottky electrode is reduced, there is a minimum thickness at which the Schottky barrier is suddenly reduced. It was found that when the initial film thickness was increased, there was a maximum film thickness at which the cut-off frequency suddenly decreased, and the maximum initial film thickness at which the cut-off frequency decreased was higher than the minimum initial film thickness at which the Schottky barrier decreased. .

【0017】よって、請求項2に記載の電界効果型半導
体装置によれば、ショットキー障壁高さを高くし、かつ
遮断周波数も高くすることができ、高出力で、かつ高周
波特性の良好な埋め込み型の電界効果型半導体装置を製
作することができる。
Therefore, according to the field effect semiconductor device of the second aspect, the height of the Schottky barrier can be increased and the cutoff frequency can be increased. Type field-effect semiconductor device.

【0018】請求項3に記載の電界効果型半導体装置
は、請求項1又は2に記載の電界効果型半導体装置にお
ける前記ショットキー電極の最下層の、固相拡散する前
の膜厚が2nm以上5nm以下であることを特徴として
いる。
According to a third aspect of the present invention, in the field effect type semiconductor device according to the first or second aspect, the lowermost layer of the Schottky electrode has a thickness of 2 nm or more before solid phase diffusion. It is characterized in that it is 5 nm or less.

【0019】実験によれば、ショットキー電極の最下層
の初期膜厚を2nmより薄くすると、急にショットキー
障壁が低下し、またショットキー電極の最下層の初期膜
厚を5nmより厚くすると、急に遮断周波数が低下し
た。従って、ショットキー電極の最下層の膜厚を2nm
以上5nm以下にすることにより、請求項1又は2を満
たすことができ、高出力特性が良好で、かつ高周波特性
も劣化することのない電界効果型半導体装置を製作する
ことができる。
According to experiments, when the initial film thickness of the lowermost layer of the Schottky electrode is smaller than 2 nm, the Schottky barrier is suddenly reduced. When the initial film thickness of the lowermost layer of the Schottky electrode is larger than 5 nm, The cutoff frequency suddenly dropped. Therefore, the thickness of the lowermost layer of the Schottky electrode is set to 2 nm.
By setting the thickness to 5 nm or less, the first or second aspect can be satisfied, and a field-effect semiconductor device having good high-output characteristics and without deteriorating high-frequency characteristics can be manufactured.

【0020】請求項4に記載の電界効果型半導体装置
は、請求項1、2又は3に記載した電界効果型半導体装
置における前記ショットキー電極の最下層の上に、M
o、Cr、Ti、W、Ta等の拡散バリア層を有するこ
とを特徴としている。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a field effect type semiconductor device according to the first, second or third aspect, wherein M is formed on the lowermost layer of the Schottky electrode.
It is characterized by having a diffusion barrier layer of o, Cr, Ti, W, Ta and the like.

【0021】請求項4に記載の電界効果型半導体装置に
あっては、ショットキー電極の最下層の上に拡散バリア
層を設けているので、拡散バリア層によって化合物半導
体がショットキー電極の表面側へ拡散するのを防止する
ことができる。
In the field effect type semiconductor device according to the fourth aspect, since the diffusion barrier layer is provided on the lowermost layer of the Schottky electrode, the compound semiconductor is formed on the surface side of the Schottky electrode by the diffusion barrier layer. Can be prevented.

【0022】請求項5に記載の電界効果型半導体装置の
製造方法は、固相拡散前の最下層の膜厚がショットキー
障壁高さの飽和値をほぼ維持するために必要な最小膜厚
よりも厚く、かつ該最小膜厚の近傍にあるショットキー
電極を化合物半導体層の表面に設け、該ショットキー電
極を250℃以上400℃以下で熱処理することによ
り、該ショットキー電極の最下層を化合物半導体層へ固
相拡散させることを特徴としている。
According to a fifth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a field-effect semiconductor device, the thickness of the lowermost layer before the solid phase diffusion is smaller than the minimum thickness required to substantially maintain the saturation value of the Schottky barrier height. Thick, and a Schottky electrode near the minimum thickness is provided on the surface of the compound semiconductor layer, and the Schottky electrode is heat-treated at 250 ° C. or more and 400 ° C. or less, so that the lowermost layer of the Schottky electrode is It is characterized by solid-phase diffusion into the semiconductor layer.

【0023】請求項5に記載の電界効果型半導体装置の
製造方法は、上記のような電界効果型半導体装置を製作
するための、ショットキー電極の熱処理条件を明らかに
するものであって、熱処理温度は250℃以上400℃
以下が望ましい。熱処理温度が250℃以下ではショッ
トキー電極の最下層と化合物半導体との拡散が不十分と
なり、経時的に特性が変化する恐れがあるからである。
また、熱処理温度が400℃以上ではショットキー電極
よりも先に形成されているオーミック電極が劣化する恐
れがあるからである。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a field effect type semiconductor device, which clarifies heat treatment conditions of a Schottky electrode for manufacturing the above field effect type semiconductor device. Temperature is 250 ℃ or more and 400 ℃
The following is desirable. If the heat treatment temperature is 250 ° C. or lower, the diffusion between the lowermost layer of the Schottky electrode and the compound semiconductor becomes insufficient, and the characteristics may change over time.
On the other hand, if the heat treatment temperature is 400 ° C. or more, the ohmic electrode formed earlier than the Schottky electrode may be deteriorated.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】図3は本発明の一実施形態を示す
概念断面図であって、ダブルへテロGaAsHEMT
(高電子移動度トランジスタ)11を表している。ま
た、図4(a)〜(g)は、その製造工程を概略的に表
わしている。以下において、このGaAsHEMT11
の製造方法を説明することにより、併せてその構造を明
らかにする。
FIG. 3 is a conceptual sectional view showing an embodiment of the present invention, and is a double hetero GaAs HEMT.
(High electron mobility transistor) 11 is shown. FIGS. 4A to 4G schematically show the manufacturing steps. In the following, the GaAs HEMT 11
By explaining the manufacturing method, the structure is also clarified.

【0025】このGaAsHEMT11の製作にあたっ
ては、まず図4(a)に示すように、半絶縁性GaAs
基板12の上にノンドープAlGaAsまたはノンドー
プGaAsからなるバッファ層13、n型AlGaAs
からなる第1の電子供給層14、ノンドープInGaA
sからなるチャネル層15、n型AlGaAsからなる
第2の電子供給層16、ノンドープAlGaAsからな
る障壁層17、n型GaAsからなるコンタクト層18
を順次エピタキシャル成長させる。これらのエピタキシ
ャル成長層を積層した後、素子分離を行なう。ついで、
図4(b)に示すように、フォトリソグラフィ技術を用
いて、コンタクト層18の上に、AuGe系金属により
ソース電極19及びドレイン電極20を形成する。
In manufacturing the GaAs HEMT 11, first, as shown in FIG.
A buffer layer 13 made of undoped AlGaAs or undoped GaAs on a substrate 12, n-type AlGaAs
Electron supply layer 14 of non-doped InGaAs
s channel layer 15, second electron supply layer 16 made of n-type AlGaAs, barrier layer 17 made of non-doped AlGaAs, contact layer 18 made of n-type GaAs
Are sequentially epitaxially grown. After stacking these epitaxial growth layers, element isolation is performed. Then
As shown in FIG. 4B, a source electrode 19 and a drain electrode 20 are formed on the contact layer 18 using an AuGe-based metal by using a photolithography technique.

【0026】次に、図4(c)に示すように、ソース電
極19及びドレイン電極20の上からコンタクト層18
の表面にレジストを塗布してレジスト膜21を形成し、
ソース電極19及びドレイン電極20間においてレジス
ト膜21に0.2μm以下の開口幅で開口22をあけ
る。このレジスト膜21をマスクとしてコンタクト層1
8を部分的にエッチング除去し、図4(d)のようにコ
ンタクト層18の開口23から障壁層17を露出させ
る。
Next, as shown in FIG. 4C, the contact layer 18 is formed from above the source electrode 19 and the drain electrode 20.
A resist film 21 is formed by applying a resist on the surface of
An opening 22 having an opening width of 0.2 μm or less is formed in the resist film 21 between the source electrode 19 and the drain electrode 20. Using the resist film 21 as a mask, the contact layer 1
8 is partially removed by etching to expose the barrier layer 17 from the opening 23 of the contact layer 18 as shown in FIG.

【0027】次に、上記レジスト膜21を除去した後、
図5(e)に示すように、別なレジスト膜24を形成
し、このレジスト膜24に開口25を設けて障壁層17
のゲート電極形成領域だけを露出させる。ついで、真空
蒸着法により、Pt層を最下層として、例えば順次Mo
層、Ti層、Pt層、Au層を順次堆積させ、図5
(f)のようなゲート電極用金属層26を形成する。具
体的には、最下層のPt層の初期膜厚を2nm以上5n
m以下に設定し、順次Mo層、Ti層、上層のPt層、
Au層をそれぞれ5nm、50nm、20nm、500
nmで堆積させる。ここで、最下層のPt層は固相拡散
源としての機能を有し、Mo層、Ti層、上層のPt層
はそれぞれ拡散防止の機能を有し、最上層のAu層はゲ
ート電極を低抵抗化するために設けられている。
Next, after removing the resist film 21,
As shown in FIG. 5E, another resist film 24 is formed, and an opening 25 is provided in the resist film 24 to form a barrier layer 17.
Only the gate electrode formation region is exposed. Then, the Pt layer is used as the lowermost layer by, for example,
Layer, a Ti layer, a Pt layer, and an Au layer are sequentially deposited, and FIG.
A metal layer 26 for a gate electrode as shown in FIG. Specifically, the initial thickness of the lowermost Pt layer is set to 2 nm or more and 5 n or more.
m, a Mo layer, a Ti layer, an upper Pt layer,
The Au layers were 5 nm, 50 nm, 20 nm, and 500 nm, respectively.
Deposit in nm. Here, the lowermost Pt layer has a function as a solid-phase diffusion source, the Mo layer, the Ti layer, and the upper Pt layer each have a diffusion preventing function, and the uppermost Au layer lowers the gate electrode. It is provided for resistance.

【0028】図5(g)に示すように、リフトオフ法に
より不要なゲート電極用金属層26とレジスト膜24を
除去してゲート電極27をパターニングした後、250
℃以上400℃以下で熱処理する。一例としては、最下
層のPt層の初期膜厚が2nmのゲート電極27の場合
では、350℃、10分間の加熱処理を行った。この熱
処理により、ゲート電極27の最下層のPt層と障壁層
17のGaAsとの拡散効果によって図3のような埋め
込みゲート構造が形成される。そして、高抵抗層である
障壁層17とPtの相互拡散からなるショットキー接合
によって高いショットキー障壁を得ることができる。ま
た、この熱処理は、Pt及びGaAsの拡散作用を促進
させると同時に、最下層のPt層と基板間の密着性を向
上させ、安定した特性と機械的強度を得る。
As shown in FIG. 5G, the gate electrode 27 is patterned by removing the unnecessary gate electrode metal layer 26 and the resist film 24 by a lift-off method.
Heat treatment is performed at a temperature of not less than 400 ° C. and not less than 400 ° C. As an example, in the case of the gate electrode 27 in which the initial film thickness of the lowermost Pt layer is 2 nm, heat treatment is performed at 350 ° C. for 10 minutes. By this heat treatment, a buried gate structure as shown in FIG. 3 is formed by the diffusion effect of the lowermost Pt layer of the gate electrode 27 and GaAs of the barrier layer 17. Then, a high Schottky barrier can be obtained by a Schottky junction formed by interdiffusion between the barrier layer 17 which is a high resistance layer and Pt. In addition, this heat treatment promotes the diffusion of Pt and GaAs, and at the same time, improves the adhesion between the lowermost Pt layer and the substrate to obtain stable characteristics and mechanical strength.

【0029】次に、Ptを最下層とする埋め込み型の上
記GaAsHEMT11の素子特性について説明する。
ゲート長Lgが0.4μm〜0.15μm(ゲート幅Wg
=200μm、ドレイン電圧Vd=4V)の最下層のP
t層の初期膜厚tと遮断周波数fTとの関係を図6に示
す。図6によれば、ほぼ同じ相互コンダクタンスgmの
値を示す素子においても、Pt膜厚が厚いほど遮断周波
数fTが低下しており、特に最下層のPt層の初期膜厚
tが5nm以上で遮断周波数fTがその飽和値から低下
している。また、その影響はゲート長が短くなるにつれ
て大きい。これは最下層のPt層の初期膜厚tが増加す
るにつれ、その拡散埋め込み量が増加し、その結果、相
対的にゲートフリンジング容量が大きくなったためであ
る。
Next, the device characteristics of the buried GaAs HEMT 11 having Pt as the lowermost layer will be described.
The gate length Lg is 0.4 μm to 0.15 μm (gate width Wg
= 200 μm, drain voltage Vd = 4V)
The relationship between the initial thickness t and the cut-off frequency f T of t layer shown in FIG. According to FIG. 6, even in an element having substantially the same value of the transconductance gm, the cut-off frequency f T decreases as the Pt film thickness increases, especially when the initial film thickness t of the lowermost Pt layer is 5 nm or more. The cutoff frequency f T has dropped from its saturation value. Further, the influence becomes larger as the gate length becomes shorter. This is because, as the initial thickness t of the lowermost Pt layer increases, the amount of the diffusion filling increases, and as a result, the gate fringing capacitance relatively increases.

【0030】また、ゲート長が0.15μmのゲート電
極における、最下層のPt層の初期膜厚tとショットキ
ー障壁高さφBとの関係を図7に示す。なお、ショット
キー障壁高さφBは、素子のショットキー順方向電流か
ら求めた。図7によれば、最下層のPt層の初期膜厚t
が2nm程度までは大きな値のショットキー障壁高さφ
B(ショットキー障壁高さφBの飽和値)を得ることがで
きるが、1nmより薄くなるとPtバリアの効果がなく
なっていることが分かる。
Further, in the gate electrode of the gate length is 0.15 [mu] m, illustrating the relationship between the initial thickness t and the Schottky barrier height phi B of the lowermost Pt layer in FIG. The Schottky barrier height φ B was determined from the Schottky forward current of the device. According to FIG. 7, the initial film thickness t of the lowermost Pt layer is shown.
Up to about 2 nm, a large value of the Schottky barrier height φ
It is possible to obtain B (saturation value of the Schottky barrier height phi B), but it can be seen that the ineffectiveness of the thinner the Pt barrier than 1 nm.

【0031】よって、ゲート長が特に0.3μm以下の
ゲート電極では、最下層のPt層の初期膜厚tが2nm
以上5nm以下において、特にゲートフリンジング容量
を増加させることなく、かつ高いショットキー障壁を得
ることができることが分かった。
Therefore, in a gate electrode having a gate length of 0.3 μm or less, the initial thickness t of the lowermost Pt layer is 2 nm.
At a thickness of 5 nm or less, a high Schottky barrier can be obtained without increasing the gate fringing capacity.

【0032】図6及び図7から明らかなように、ゲート
電極最下層のPt層の初期膜厚がショットキー障壁高さ
φBの飽和値をほぼ維持するために必要な最小膜厚より
も厚く、かつ該最小膜厚の近傍には、遮断周波数fT
ほぼその飽和値に維持されている領域があるから、最下
層のPt層の初期膜厚を当該領域に設定することによ
り、高周波特性を劣化させることなく、高出力特性を得
ることができ、優れたFET特性を得ることができる。
特に、最下層のPt層の初期膜厚を2nm〜5nmとす
ることにより、当該領域に設定することができる。ま
た、ゲート長が短いほどこの効果は大きいことは、図6
に示したとおりである。
As it is apparent from FIGS. 6 and 7, thicker than the minimum thickness required to initial film thickness of the gate electrode lowermost Pt layer is substantially maintain saturation value of the Schottky barrier height phi B In addition, in the vicinity of the minimum film thickness, there is a region where the cutoff frequency f T is substantially maintained at its saturation value. Therefore, by setting the initial film thickness of the lowermost Pt layer to the region, the high frequency characteristics can be improved. Without deteriorating the FET, high output characteristics can be obtained, and excellent FET characteristics can be obtained.
In particular, by setting the initial film thickness of the lowermost Pt layer to 2 nm to 5 nm, it can be set in this region. Also, the effect is larger as the gate length is shorter, as shown in FIG.
As shown in FIG.

【0033】なお、この実施形態ではGaAsHEMT
を例にとって説明したが、この他の構造、例えばMES
FET、ドープチャネルHFET構造においても同様の
効果が得られる。
In this embodiment, the GaAs HEMT is used.
However, other structures such as MES
Similar effects can be obtained in the FET and doped channel HFET structures.

【0034】また、上記実施形態で、ゲート電極の熱処
理温度を250℃以上400℃以下としているのは、熱
処理温度が250℃以下ではPtとGaAsとの拡散が
不十分となり、経時的に特性が変化する恐れがあるから
である。また、熱処理温度が400℃以上ではソース電
極及びドレイン電極が劣化する恐れがあるからである。
In the above embodiment, the reason why the heat treatment temperature of the gate electrode is 250 ° C. or more and 400 ° C. or less is that when the heat treatment temperature is 250 ° C. or less, the diffusion of Pt and GaAs becomes insufficient, and the characteristics are deteriorated with time. This is because it may change. If the heat treatment temperature is 400 ° C. or higher, the source electrode and the drain electrode may be deteriorated.

【0035】さらに、上記実施形態では、GaAsが基
板側からゲート電極の表面側へ拡散し、Au層を高抵抗
化するのを防止するための拡散バリア層として、Mo層
とTi層を用いたが、これ以外にも拡散バリア層として
は、Cr層、W層、Ta層などを用いることもできる。
Further, in the above embodiment, the Mo layer and the Ti layer are used as diffusion barrier layers for preventing GaAs from diffusing from the substrate side to the surface side of the gate electrode and increasing the resistance of the Au layer. However, other than this, a Cr layer, a W layer, a Ta layer, or the like can be used as the diffusion barrier layer.

【0036】[0036]

【発明の効果】請求項1に記載の電界効果型半導体装置
によれば、ショットキー電極の最下層の膜厚を、固相拡
散する前の膜厚がショットキー障壁高さの飽和値をほぼ
維持するために必要な最小膜厚よりも厚く、かつ該最小
膜厚の近傍となるように設定しているから、ショットキ
ー障壁高さを高くし、かつ遮断周波数も高くすることが
でき、高出力で、かつ高周波特性の良好な埋め込み型電
極構造の電界効果型半導体装置を製作することができ
る。
According to the field effect type semiconductor device of the present invention, the film thickness of the lowermost layer of the Schottky electrode is substantially equal to the saturation value of the Schottky barrier height before the solid phase diffusion. Since the thickness is set to be thicker than the minimum film thickness necessary for maintaining and close to the minimum film thickness, the Schottky barrier height can be increased, and the cutoff frequency can be increased. A field-effect semiconductor device having a buried electrode structure with high output and good high-frequency characteristics can be manufactured.

【0037】請求項2に記載の電界効果型半導体装置に
よれば、ショットキー電極の最下層の膜厚を、固相拡散
する前の膜厚がショットキー障壁高さの飽和値をほぼ維
持するために必要な最小膜厚よりも厚く、かつ遮断周波
数の飽和値をほぼ維持するために必要な最大膜厚よりも
薄くしているから、ショットキー障壁高さを高くし、か
つ遮断周波数も高くすることができ、高出力で、かつ高
周波特性の良好な埋め込み型電極構造の電界効果型半導
体装置を製作することができる。
According to the field effect type semiconductor device of the present invention, the thickness of the lowermost layer of the Schottky electrode and the thickness before solid phase diffusion substantially maintain the saturation value of the height of the Schottky barrier. The thickness is larger than the minimum thickness required for this purpose, and it is smaller than the maximum thickness required to almost maintain the saturation value of the cutoff frequency, so the Schottky barrier height is increased and the cutoff frequency is also increased. Thus, a field-effect semiconductor device having a buried electrode structure with high output and good high-frequency characteristics can be manufactured.

【0038】請求項3に記載の電界効果型半導体装置に
よれば、ショットキー電極の最下層の膜厚を2nm以上
5nm以下にすることにより、請求項1又は2を満たす
ことができるので、高出力特性が良好で、かつ高周波特
性も劣化することのない電界効果型半導体装置を製作す
ることができる。
According to the field effect type semiconductor device of the third aspect, since the lowermost layer of the Schottky electrode has a thickness of 2 nm or more and 5 nm or less, the first or second aspect can be satisfied. A field-effect semiconductor device having good output characteristics and no deterioration in high-frequency characteristics can be manufactured.

【0039】請求項4に記載の電界効果型半導体装置に
よれば、前記ショットキー電極の最下層の上にMo、C
r、Ti、W、Ta等の拡散バリア層を有しているか
ら、拡散バリア層によって化合物半導体がショットキー
電極の表面側へ拡散するのを防止することができる。
According to the field effect type semiconductor device of the fourth aspect, Mo, C is formed on the lowermost layer of the Schottky electrode.
Since the semiconductor device has the diffusion barrier layer of r, Ti, W, Ta, or the like, the diffusion barrier layer can prevent the compound semiconductor from diffusing to the surface side of the Schottky electrode.

【0040】請求項5に記載の電界効果型半導体装置の
製造方法によれば、ショットキー電極を250℃以上4
00℃以下で熱処理することにより、ショットキー電極
の最下層と化合物半導体とを十分に拡散させることがで
きて素子特性を経時的に安定させることができ、かつ、
オーミック電極の劣化を防止することができる。
According to the method of manufacturing a field-effect semiconductor device according to the fifth aspect, the Schottky electrode is set at a temperature of 250 ° C. or higher.
By performing the heat treatment at a temperature of 00 ° C. or less, the lowermost layer of the Schottky electrode and the compound semiconductor can be sufficiently diffused, and the device characteristics can be stabilized with time.
The deterioration of the ohmic electrode can be prevented.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(a)は埋め込みゲート構造のGaAsFET
における拡散反応前のゲート電極の構造を示す概念断面
図、(b)はその拡散反応後のゲート電極の構造を示す
概念断面図である。
FIG. 1A is a GaAs FET having a buried gate structure.
2 is a conceptual cross-sectional view showing the structure of the gate electrode before the diffusion reaction, and FIG. 2B is a conceptual cross-sectional view showing the structure of the gate electrode after the diffusion reaction.

【図2】(a)は埋め込みゲート構造のGaAsFET
においてゲート電極の近傍に生じる空乏層の様子を示す
概念断面図、(b)は通常のゲート電極の近傍に生じる
空乏層の様子を示す概念断面図である。
FIG. 2A is a GaAs FET having a buried gate structure.
3A is a conceptual cross-sectional view showing a state of a depletion layer generated near a gate electrode, and FIG. 4B is a conceptual cross-sectional view showing a state of a depletion layer generated near a normal gate electrode.

【図3】本発明の一実施形態によるダブルへテロGaA
sHEMTの構造を示す概念断面図である。
FIG. 3 shows a double hetero GaAs according to one embodiment of the present invention.
It is a conceptual sectional view showing the structure of sHEMT.

【図4】(a)〜(d)は同上のGaAsHEMTの製
造工程を示す概略図である。
FIGS. 4A to 4D are schematic views showing a manufacturing process of the GaAs HEMT according to the first embodiment.

【図5】(e)〜(g)は図4の続図である。5 (e) to 5 (g) are continuation diagrams of FIG.

【図6】埋め込みゲート構造のゲート電極における最下
層のPt層の初期膜厚と遮断周波数との関係を示す図で
ある。
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between an initial film thickness of a lowermost Pt layer and a cutoff frequency in a gate electrode having a buried gate structure.

【図7】埋め込みゲート構造のゲート電極における最下
層のPt層の初期膜厚とショットキー障壁高さとの関係
を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between an initial film thickness of a lowermost Pt layer and a Schottky barrier height in a gate electrode having a buried gate structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

12 半絶縁性GaAs基板 17 障壁層 18 コンタクト層 19 ソース電極 20 ドレイン電極 27 ゲート電極 12 Semi-insulating GaAs substrate 17 Barrier layer 18 Contact layer 19 Source electrode 20 Drain electrode 27 Gate electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4M104 AA05 BB06 BB09 BB13 BB14 BB16 BB17 BB18 DD07 DD34 DD68 FF27 GG12 HH05 5F102 GB01 GC01 GD01 GJ05 GK05 GK06 GL04 GM06 GN05 GQ03 GR09 GS02 GT01 HC05 HC11 HC19 HC21  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 4M104 AA05 BB06 BB09 BB13 BB14 BB16 BB17 BB18 DD07 DD34 DD68 FF27 GG12 HH05 5F102 GB01 GC01 GD01 GJ05 GK05 GK06 GL04 GM06 GN05 GQ03 GR09 GS02 GT01 HC05 HC11 HC11 HC11

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 化合物半導体層へ固相拡散することによ
って化合物半導体層の表面よりも深く埋め込まれたショ
ットキー電極を備えた電界効果型半導体装置において、 前記ショットキー電極の最下層は、固相拡散する前の膜
厚がショットキー障壁高さの飽和値をほぼ維持するため
に必要な最小膜厚よりも厚く、かつ該最小膜厚の近傍に
あることを特徴とする電界効果型半導体装置。
1. A field effect type semiconductor device having a Schottky electrode buried deeper than the surface of a compound semiconductor layer by solid phase diffusion into the compound semiconductor layer, wherein the lowermost layer of the Schottky electrode is a solid phase. A field-effect-type semiconductor device, wherein the film thickness before diffusion is larger than the minimum film thickness necessary for substantially maintaining the saturation value of the Schottky barrier height, and is close to the minimum film thickness.
【請求項2】 化合物半導体層へ固相拡散することによ
って化合物半導体層の表面よりも深く埋め込まれたショ
ットキー電極を備えた電界効果型半導体装置において、 前記ショットキー電極の最下層は、固相拡散する前の膜
厚がショットキー障壁高さの飽和値をほぼ維持するため
に必要な最小膜厚よりも厚く、かつ遮断周波数の飽和値
をほぼ維持するために必要な最大膜厚よりも薄いことを
特徴とする電界効果型半導体装置。
2. A field-effect semiconductor device having a Schottky electrode buried deeper than the surface of the compound semiconductor layer by solid-phase diffusion into the compound semiconductor layer, wherein the lowermost layer of the Schottky electrode is a solid phase. The film thickness before diffusion is thicker than the minimum film thickness required to substantially maintain the saturation value of the Schottky barrier height, and smaller than the maximum film thickness required to substantially maintain the saturation value of the cutoff frequency A field effect type semiconductor device characterized by the above-mentioned.
【請求項3】 前記ショットキー電極の最下層は、固相
拡散する前の膜厚が2nm以上5nm以下であることを
特徴とする、請求項1又は2に記載の電界効果型半導体
装置。
3. The field effect type semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of the lowermost layer of the Schottky electrode before solid phase diffusion is 2 nm or more and 5 nm or less.
【請求項4】 前記ショットキー電極の最下層の上に
は、Mo、Cr、Ti、W、Ta等の拡散バリア層を有
することを特徴とする、請求項1、2又は3に記載の電
界効果型半導体装置。
4. The electric field according to claim 1, further comprising a diffusion barrier layer made of Mo, Cr, Ti, W, Ta or the like on the lowermost layer of the Schottky electrode. Effect type semiconductor device.
【請求項5】 固相拡散前の最下層の膜厚がショットキ
ー障壁高さの飽和値をほぼ維持するために必要な最小膜
厚よりも厚く、かつ該最小膜厚の近傍にあるショットキ
ー電極を化合物半導体層の表面に設け、該ショットキー
電極を250℃以上400℃以下で熱処理することによ
り、該ショットキー電極の最下層を化合物半導体層へ固
相拡散させることを特徴とする電界効果型半導体装置の
製造方法。
5. A Schottky film having a thickness of a lowermost layer before solid-phase diffusion that is larger than a minimum film thickness necessary for substantially maintaining a saturation value of a Schottky barrier height and near the minimum film thickness. Providing an electrode on the surface of the compound semiconductor layer and subjecting the Schottky electrode to a heat treatment at 250 ° C. or more and 400 ° C. or less, so that the lowermost layer of the Schottky electrode is solid-phase diffused into the compound semiconductor layer. Of manufacturing a semiconductor device.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112701118A (en) * 2019-10-23 2021-04-23 稳懋半导体股份有限公司 Single crystal integrated circuit device with pseudomorphic high electron mobility transistors

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