JP2612836B2 - 自己整合ゲートを備えるｍｅｓｆｅｔの製造方法 - Google Patents

自己整合ゲートを備えるｍｅｓｆｅｔの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体材料の基板、第１金属層、ゲート
金属としての第２金属層、第１誘電体層、第１スペーサ
および第２スペーサを備える自己整合ゲートMESFETの製
造方法に関するものである。
〔従来の技術〕
MESFETデバイス特にGaAs技術に属するものの製作に対
しては、ゲートが自己整合形に形成されるプロセスの開
発が進められている。その際ゲート領域に加えてソース
領域とドレイン領域も自己整合形に形成される製法が重
視されている。更にソース・ドレンおよびゲートに対す
る金属接触も自己整合形に作られる完全自己整合方式は
ソース・ドレン間隔を従来の製法による場合よりも低下
させ、又光リソグラフィの併用によってゲート長を0.1
μｍ程度まで減少させることを目的としている。これに
よって同時に低下したソース・ゲート間間隔又はn+ドー
プ領域とゲートの間の間隔は短縮されたゲート長と共に
抵抗とキャパシタンスの減少を導き、高周波適格性の達
成に対して極めて有効に作用する。
現在行われているMESFETの製作法の概要は、文献「ジ
ャーナル・オブ・ジ・エレクトロケミカル・ソサイエテ
ィ（Journal of the Electrochemical Society）」13
3、409C〜416C（1986年）に記載されている。
技術の現状に関しては次の３つの文献が参考になる。
文献「アイ・ビー・エム・テクニカル・ディスクロージ
ュア・ブレティン（IBM Technical Disclosure Bulleti
n）」28、916〜917頁（1985年）には、ソースとドレン
領域およびそれらの金属電極が自己整合形に形成される
MESFETの製法が記載されている。この場合分子線エピタ
キシィ又はCDV法、イオンエッチング等の公知技術が利
用される。半絶縁性のGaAs基板の表面にはｎ型ドープGa
Asのチャネル層をエピタキシャル成長させる。続いてソ
ース領域とドレン領域の形成のため高濃度にｎ型ドープ
されたGaAsから成る接触層が作られた後接触用の電極と
なる金属層が設けられ、例えばSiO2の絶縁層が覆われ
る。接触層と金属層と絶縁層を通して溝がエッチングに
よって形成され、その側面には別の工程段において間隔
領域（スペーサ）が設けられる。文献には“サイドウォ
ール”と呼ばれているこれらのスペーサの間にはゲート
電極の金属がとりつけられる。別法としてチャネル層の
形成をやめ、その代わりにスペーサのとりつけ前にイオ
ン注入によってチャネル領域に必要なドーピングを基板
に行うことが提案されている。この製造プロセスには高
濃度ｎ型ドープされたソース領域とドレイン領域の形成
に対してエピタキシィ過程の追加が必要になるという重
大な欠点がある。チャネル層の形成には別のエピタキシ
ィ過程を必要とするかあるいはチャネル層を後から行う
イオン注入によって形成させなければならないが、これ
には回復処理が必要となるから高温においても安定な金
属層とすることが必要である。この後からのチャネル領
域形成がチャネル領域と高濃度ドープのソース領域とド
レン領域との間に使用に耐える接合を与えるか否かにつ
いては文献に何らの言及も見出せない。チャネル領域の
特別な構造化に関しても何も考えられていない。
米国特許第4472872号明細書に記載されている方法で
は、GaAs基板表面にドーピングによって能動層が作ら
れ、その上に溝で分離された金ゲルマニウム合金から成
るオーム接触用の金属層としての層列とアルミニウム層
が設けられ、続いて溝の側面にスペーサが形成される。
アルミニウム層を除去した後外部接触用の白金層が設け
られ、その際スペーサによって同時にソースとゲートと
ドレインの接触が互いに分離される。最後の工程段の１
つにおいてスペーサがゲート金属の一部と共に除去され
る。この方法ではソース領域とドレン領域のn+型ドーピ
ングは不可能である。
欧州特許出願公開第87102395号公報に記載されている
製法では、金属接触層と誘電体層が基板上に設けられ、
その際特殊形状のマスク要素を持つ溝が形成される。続
いて全面的に設けられた等方性誘電体層の異方性エッチ
ングによりスペーサが形成され、それらの間にゲート金
属が設けられる。使用されるドーピング方式に応じてゲ
ート金属の析出前に凹みを基板表面にエッチングして、
チャネル領域を縮小することができる。
ダミーゲート技術の場合はまずダミーゲートと呼ばれ
る補助ゲートを析出させてこれを注入マスクとして使用
し、続く工程段の後でゲート金属で置き換える。この技
術はソース、ドレンおよびゲート領域に関しては自己整
合であるが、対応する接触金属に対しては自己整合では
ない。
NECのスペーサ技術ではオーム接触用の金属がゲート
縁端に対して自己整合形に近づいているので、n+型領域
は必要でない。断面の大きい単純Ｔゲートは不可能であ
り、構造の繊維化に関しては不利である。
文献「IEEE ISSCC」1981年、281〜219頁に記載され
ているSAGFET法については種々の変形が研究されている
が、その総てにおいてイオン注入後の欠陥回復熱処理に
耐えるショットキ接触が必要となる。これは大きな問題
である。この方法はn+型イオン注入とゲート領域に関し
ては自己整合である。
SAINT法の場合n+型イオン注入はSiO2被覆層を備える
フォトレジスト構造によって限定される。種々の工程段
の後にレジスト構造はゲート電極で置き換えられる。こ
のゲート電極はソースとドレン領域に対しては自己整合
であるが、ソースとドレンの金属接触に対してはそうで
はない。この場合構造の微細化には非線形光学リソグラ
フィが必要である。
〔発明が解決しようとする課題〕
この発明の目的は、できるだけ簡単で又できるだけ少
数の工程段でソースとドレン領域ならびにソース領域と
ドレン領域の金属電極に対して自己整合ゲートが作ら
れ、チャネル領域は低い導通電圧と高い降伏電圧が達成
されるように構造化が可能であるMESFETの製造方法を提
供することである。
〔課題を解決するための手段〕
この目的は請求項１に特徴として挙げた工程によって
達成される。
〔作用〕
この発明による製造工程は次のように経過する。
基板表面の層が選択注入によってドープされ、その際
生ずる格子欠陥はアニールされる。このドーピング層の
表面は全面的に第１金属層で覆われ、この層は基板の半
導体材料との間にオーム接触を形成する。第１金属層の
上には全面的に第１誘電体層例えば酸化シリコン層が設
けられる。第１誘電体層の上にフォトレジストマスクが
置かれ、異方性エッチング例えばイオン照射又はRIEに
よりマスクで覆われていないゲート領域用の区域に誘電
体層と金属層を貫通して基板のドーピング層内に達する
溝が形成される。この異方性エッチングは続く工程段と
結びついてドーピング層のドーパント分布を考慮して完
成したゲートが所望の物理特性、特に低い導通電圧と高
い降伏電圧を示すような構造となるようにドーピング層
深くまで続けられる。
レジスト・マスク層が除去される構造化された表面
は、等方性析出例えばCVDにより例えば二酸化シリコン
の第２誘電体層で覆われる。この第２誘電体層は続いて
イオンエッチング又はRIE等の異方性エッチングにより
戻しエッチングされ、前の工程段でエッチングにより形
成された溝の側面にスペーサと呼ばれる間隔区域を残
す。エッチングには例えば六フッ化イオウ（SF6）又は
四フッ化炭素（CF4）をいずれも必要に応じてO2と共に
使用することができる。
スペーサ間の区域では基板のドーピング層の厚さをエ
ッチングによって薄くすることができる。これには塩素
を含むガスを使用するかイオン照射する。これらの処置
によりチャネル領域の二回の短縮が実施され、トランジ
スタの導通電圧が調整される。続くアニール熱処理によ
り前の工程段で半導体材料内特にソースとドレン間の区
域に生じた格子欠陥を回復させる。続いて例えばチタン
・白金・金の層列から成るゲート金属電極をとりつけ
る。ゲート金属電極の構造化は全面析出後のエッチング
又は指向性析出後のひきはがし法による。
〔実施例〕
ゲート領域、ソース領域およびドレン領域を備えるデ
バイスの断面を示す第１図ないし第６図についてこの発
明の実施例を説明する。
第１図はドーピング層11を備える基板１に第１金属層
21、第１誘電体層31および第１レジスト・マスク層41、
42を設けた後のゲート区域の断面を示す。垂直方向の矢
印ａは異方性エッチングを表す。このエッチング過程は
破線で示される溝が第１誘電体層31、第１金属層21およ
びドーピング層11の上部に形成されるまで続ける。
第２図には異方性エッチングが終了し第１レジスト・
マスク層41、42が除去された後のゲート区域を示す。エ
ッチングによって作られた溝の下にはドーピング層11の
薄くなったストライプ形区域がある。溝の側面の底に近
い部分にはドーピング層11の表面に向かっての立ち上り
11aが形成されている。
第３図には第２誘電体層32の等方性析出後のゲート区
域を示す。垂直方向の矢印ｂは続いて行われる異方性エ
ッチングを表す。このエッチング過程に際して第２誘導
体層32は至る所で垂直方向即ち矢印の方向に等しい厚さ
だけ戻しエッチングされ、同時に第１誘電体層31上に置
かれている第２誘電体層32の部分が完全に除去される。
このエッチング過程の異方性の結果として前の工程段に
おいてエッチングされた溝の側面に２つの間隔区域、即
ち第１スペーサ51と第２スペーサ52が残される。
上記のエッチング過程が終わった後のゲート区域の構
成を第４図に示す。このエッチングは基板１のドーピン
グ層内部にまで達し得るものであって、それによりドー
ピング層の中央部には更に薄くなった部分が作られ、新
たな立ち上がり11bが形成される。この場合基板のドー
ピング層11は約1.2mmの外側立ち上がり11aと約0.3μｍ
の内側立ち上がり11bをもつことになる。内方区域のエ
ッチングによってドーピング層の厚さを更に低減させる
ことにより、トランジスタの入力電圧を所定の値に調整
することができる。外側立ち上がり11aと内側立ち上が
り11bの組合わせによって生じた二段立ち上がりによ
り、導通電圧を低くすると同時にゲートとソース又はド
レンの間の降伏電圧を高くすることができる。
第２レジスト・マスク層43、44をとりつけてゲート金
属を異方性析出させ、第２金属層22、23、24を形成した
後のゲート区域の構成を第５図に示す。この第２金属層
はゲート電極を形成する第１部分22と第２レジスト・マ
スク層43、44上の第２部分23、24からなる。この第２部
分23、24は第２レジスト・マスク層43、44と共に除去さ
れる。
この最後の工程段が終わって完成したゲートを第６図
に示す。このゲートはドーピング層11をもつ基板１から
成り、ドーピング層の表面には外側立ち上がり11aと内
側立ち上がり11bが形成され、その上に置かれる金属層2
1と誘電体層31にはスペーサ51と52をもつ溝が作られ、
更にその上にゲート金属22が設けられている。
〔発明の効果〕
この発明の製法ではオーム接触用の金属層が注入ドー
ピングによる欠陥の回復処理と同時に合金化される必要
がないため、オーム接触材料には従来からのものと高温
に耐えるものとの双方が使用される。更にこの発明の製
法は自己整合であると同時に能動区域においてGaAs表面
を安定化する。従来の光学リソグラフィでは製作可能の
最微構造が0.7μｍ付近であるのに対して、この発明の
製法によればゲート長が0.1μｍのMESFETの製作が可能
である。このように小さいゲート長にも拘らずゲート金
属電極断面は大きくすることができるから、大きなゲー
ト幅が実現できる。構造化過程の全体は乾式エッチング
技術によることができるから、使用される金属は総て高
温耐性のもの（耐火金属）であってよい。
【図面の簡単な説明】
第１図ないし第６図はこの発明によるMESFET製造工程の
種々の段階においてのゲート区域の断面構造を示す。 １……半導体基板 11……ドーピング層 21、22……金属層 31、32……誘電体層 41、42……レジスト・マスク層 51、52……スペーサ

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体材料の基板（１）、第１金属層（2
    1）、ゲート電極としての第２金属層（22）、第１誘電
    体層（31）、第１スペーサ（51）および第２スペーサ
    （52）を備える自己整合ゲートを備えるMESFETの製造方
    法において、 選択イオン注入と続く欠陥回復処理により基板（１）の
    表面にドーピング層（11）を形成させること、 このドーピング層（11）の上にオーム接触に使用される
    金属から成る第１金属層（21）を全面的に設けること、 この第１金属層（21）の上に第１誘電体層（31）を設け
    ること、 この第１誘電体層（31）の上に第１レジスト・マスク層
    （41、42）を設けること、 第１レジスト・マスク層（41、42）が除かれて露出した
    区域に異方性エッチング（ａ）により第１誘電体層（3
    1）を第１金属層（21）を貫通して基板（１）のドーピ
    ング層（11）内部に達する溝を掘り、ドーピング層（1
    1）内に基板表面の外側の立ち上がり（11a）が作られる
    ようにすること、 この溝が、ドーピング層（11）のドーパント分布を考慮
    して後で作られるゲートに対して所定の最低降伏電圧が
    確保されるような深さまでドーピング層（11）内にエッ
    チングされること、 このように構造化された表面に等方性析出により第２誘
    電体層（32）が設けられること、 異方性エッチング（ｂ）により第２誘電体層（32）が第
    １スペーサ（51）と第２スペーサ（52）に達するまでエ
    ッチング除去されること、 ゲート電極として第２金属層（22）が設けられること を特徴とする自己整合ゲートを備えるMESFETの製造方
    法。
  2. 【請求項２】第２金属層（22）が最初全面的に設けら
    れ、続いてエッチングにより構造化されることを特徴と
    する請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】まず第２レジスト・マスク層（43、44）が
    設けられること、 指向性析出により第２金属層（22、23、24）が設けら
    れ、この第２金属層の第１部分（22）がゲート電極を形
    成し、その第２部分（23、24）は第２レジスト・マスク
    層（43、44）上に置かれること、 第２金属層（22、23、24）の第２部分（23、24）が第２
    レジスト・マスク層（43、44）と共に取り除かれること によってゲート金属層が設けられることを特徴とする請
    求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】基板（１）がIII−Ｖ族化合物半導体であ
    ることを特徴とする請求項１ないし３の１つに記載の方
    法。
  5. 【請求項５】誘電体層として酸化シリコンを析出させる
    ことを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の方
    法。
  6. 【請求項６】基板（１）がGaAsであることを特徴とする
    請求項１ないし５の１つに記載の方法。
  7. 【請求項７】ゲート金属の析出に先立って追加温度処理
    により半導体材料内の格子欠陥を回復させることを特徴
    とする請求項１ないし６の１つに記載の方法。
  8. 【請求項８】第２誘電体層（32）の異方性エッチング
    （ｂ）に続いて第１スペーサ（51）と第２スペーサ（5
    2）の間において基板（１）のドーピング層（11）がト
    ランジスタの降伏電圧の設定のため深くエッチングさ
    れ、それによってドーピング層（11）に基板表面の内側
    の立ち上り（11b）が作られることを特徴とする請求項
    １ないし７の１つに記載の方法。
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