DE2415408C2 - Si-MESFET auf Isolatorsubstrat und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

dünne aktive Schicht (20) des gleichen Leitungstyps

wie der Siliziumkörper liegt. .

2. MESFET nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumkörper η-leitend ist. ^ao

3. MESFET nach Anspruch 2, dadurch gekenn- Frfindune betrifft einen Schottky-Gate-Feldzeichnet, daß nahe der zwischen dem Silizium- „ ΐ? _τ"_η,;_ςΙΟΓ (MESFET), wie im Oberbegriff des körper (2) und dem Isolatorsubstrat (1) liegenden » ^r n^s _angegeben ist, und ein Verfahren Grenzfläche eine Schicht p-leitenden Siliziums (21) Patentanspruch ₆ e

Grenzf p ^SSHKtellu

angeordnet ist. ³ _Upn_Fp_Tc _sj_na bekannt und beispielsweise in den

4. MESFET nach Anspruch 2, dadurch gekenn- ,„h™ Druckschriften dargestellt: 1. K. E. Dran-

zeichnet, daß die unterhalb des Siliziumkörpers (2) folgenden °^^™^_£Γ |_ΒΜ j. _Res. Develop.,

bflh i ti Flähen f? ^:

zeichnet, daß die unterhalb des Siliziumkörpers (2) g ^^^_£Γ |_ΒΜ j. _Res. Develop.,

liegende Substratoberfläche eine negative Flächen- f? V ,07η c 82 bis 94^: 2 Th. O. Mohr, IBM

ladung (16) aufweist, die in der dem Substrat March iy/u, . ^ ^ _g ^_{2 bis ]4? Au$}

nachbarten Grenzschicht des Siliziumkorpers 30 J. ^{Kesu C}p_ru^_{schrift ge}ht hervor, daß mit e

ne p-Schicht (210) influenziert. MFSFFT eine Leistungsverstärkung auch noc

5. MESFET nach Anspruch 1, dadurch gekenn- MESFET emews g ^ MESFETs, die aus

ld t GHzBer cn ™

benachbarten Grenzschicht des Siliziumkorpers 30 J. ^{Kesu C}p_ru^_{schrift ge}ht hervor, daß mit einem

eine p-Schicht (210) influenziert. MFSFFT eine Leistungsverstärkung auch noch im

5. MESFET nach Anspruch 1, dadurch gekenn- MESFET emews g ^ MESFETs, die aus zeichnet, daß der Siliziumkörper gleitend ,st GHz-Ber cn ™ Grenzwert von etwa

6. MESFET nach Anspruch 5, dadurch gekenn- Silizium aufgebaut s η < _{dje aus Ga}„_ium.

zeichnet, daß nahe der zwischen dem Sil.ziumkor- 35 ¹² G"^z,^^aÄ_r~tellt sind, wurden 30 GHz als

per (2) und dem Isolatorsubstrat (1). liegenden arsend(GaA _s) berge>e ^ _Neben ^

Grenzfläche eine Schicht «-leitend«! Siliziums an- ^^^^^^stti ist ein weiterer Vorgeordnet ist. f ^u.^l~" ._p(;pr_T, _daß _si_{e s}i_ch relativ einfach mit gut

7. MESFET nach Anspruch 5, dadurch gekenn- teil der MESFETs,daß«e g£ _hersJ_tn zeichnet, daß die unterhalb des Siliziumköφers (2) 40 reproduz.erbarer, niedriger mnsaiap g liegende Substratoberfläche eine positive Flächen- lassen Schaltungen ist ein Aufbau mittels ladung aufweist, die in der dem Substrat benach- Fur integri^J ^na g _ejnem _ harten Grenzschicht des S.I.z.umkörpers eine ^SlI'^z™^m«"^^_sich jedoch Schaltelemente auf «-Schicht influenziert. ^same.ⁿ Substrat lassen^sicn j GaAs-Basis

8. MESFET nach einem der Ansprüche 1 bis 6 45 *^^j£^teS^ verwirklichen, so eis'iÜefri^k _sr^nZeiChnet' ^{Isolatorsubstrat} "^J JSÄng iS MESFETs aus GaAs in die^eiI9. MESFET nach Anspruch 8, dadurch gekenn- sem Sinne eingeschränkt ist

zeichnet, daß der Spinell ein Magnesium-Alumi- ^^r^äffiSS«»n.iii.

nium-Spinell (MgO · Al₂O₃) «t .. ⁵° Jer Stondder T^hnrik ur M _benutzt ^

10. MESFET nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hervor. Als !substrate iur _u«ι

und 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das bislang vorzugsweise Siliz um mi ^inem hohen elek

Isolatorsubstrat ein Saphir ist. irischen Widerstand. Auf den S 142 14 ^ dieser

11. MESFET nach einem der Ansprüche 1 bis 10, Druckschrift ist dargelegt daß «n solches bu.zrum dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Source- 55 als Substrat nur einen ^J™™^™^ SeJSS (3) und der Gate-Elektrode (5) und zwischen der Polierenden Eigenschaften nicht uleal sind Deshalb Gate- und der Drain-Elektrode (4) innerhalb des hat man MESFETs ge baut, bei denen der aktive-ae Siliziumkörpers (2) besonders hochdotierte Be- reich nach außen hm 1^P^ifJ^J¹ ^i

S"S^{ih Lit i dr} SSX

SmioSegS: S

MESFET Seinem der Ansprüche 1 bis 11, liehe Ausdehnung.

dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des SiIi- daß sich die,elektr.schen

ziumkörpers nahe der vom Substrat abgewandten substrate während der "^""

Oberfläche des Siliziumkorpers eine besonders integrierten Schaltungen andern hochdotierte aktive Schicht (200) des gleichen *5 waren ^l^^^P^

Leitungstyps wie der Siliziumkörper angeordnet ist. S. iz.um-M ESFETs auf ^^.^b^^egen-

13. MESFET nach Anspruch 11, dadurch ge- Siliz.um-MESFETs »»'J»^™"™¹ J^JgJ; f_of_m.

kennzeichnet, daß die hochdotierten Bereiche (230) über anderen heterogenen S.hzium-MESFEl s vorzu

ziehen. Dies hat seinen Grund darin, daß dünne zwischen diesen Elektroden liegt die Schottky-Gate-Siliziumschichten mit einer Dicke von 0,2 μπα oder Elektrode 5. Source- und Drain-Elektroden sind zum weniger, wie sie bislang für MESFETs benuvzt werden, Anschluß an eine Spannungsquelle für die Drainsich auf anderen als Siliziumsubstratea nicht mit ge- Spannung U_D vorgesehen. Zwischen Source- und nögend hoher kristallographischer und elektrischer 5 Drain-Elektrode liegt ein «-dotierter Siliziumbereich, Qualität herstellen lassen. durch den der Strom fließen kann. Die Stärke des

Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, hoch- diirch den Halbleiterkörper fließenden sogenannten wertige Silizium-MESFETs auf Isolatorsubstraten zu Drain-Stroms 1_D läßt sich in bekannter Weise durch verwirklichen, wobei gleichzeitig höhere Schaltge- ein an der Gate-Elektrode anliegendes variables elekschwindigkeiten als mit Silizium-MESFETs auf Mas- io tnsches Potential steuern. Dabei bildet sich unterhalb siv-Silizium-Substrat erreicht werden sollen. der Gate-Elektrode in dem Siliziumkörper eine Raum-

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen wie eingangs ladungszone 13 aus, die einen gegenüber den übrigen angegebenen und gemäß dem Kennzeichen des An- Bereichen des Siliziumkörpers sehr hohen elektrischen Spruchs 1 ausgebildeten MESFET. Widerstand besitzt und in ihrer Breite von der Stärke

Bei der Erfindung werden also verhältnismäßig dicke 15 des an der Gate-Elektrode anliegenden elektrischen Siliziumkörper verwendet, so daß nahe der vom Sub- Potentials abhängt. Der Siliziumkörper besteht im strat abgewandten Oberfläche der Siliziumkörper eine wesentlichen aus «-dotiertem Silizium. An der Grenz-Ladungsträgeroeweglichkeit erreicht wird, wie sie fläche zwischen dem Halbleiterkörper und dem Subeinem Siliziumkristall hoher Kristallqualität entspricht. strat liegt jedoch eine p-dotierte Siliziumschicht 21. Diese Ladungsträgerbeweglichkeit an der Oberfläche ao Diese kann, auf verschiedene Weise erzeugt sein, wird bei Siliziumkörpern auf Saphir oder Spinell bei Auf Grund des pw-Übergangs zwischen der p-leitenden einer Dicke des Siliziumkörpers von etwa 1 μπι erreicht. Schicht 21 und dem «-leitenden Material des Silizium-Der Teil des Siliziumkörpers nahe dem Substrat wird körpers bildet sich eine Raumladungszone 22 aus, die, durch die sich auf Grund des p«-Ubergangs bildende auf Grund ihres hohen elektrischen Widerstands, Raumladungszone elektrisch ausgeschaltet und damit 35 praktisch den ganzen von ihr eingenommenen Raum für die Funktion des MESFETs unwirksam. Die an der Grenze des Siliziumkörpers zum Substrat für eigentliche, für die elektrische Funktion des MESFETs die elektrische Funktion des erfindungsgemäßen wirksame aktive Schicht zwischen der Raumladungs- MESFETs unwirksam macht, so daß zwischen der zone und der vom Substrat abgewandten Fläche des Gate-Elektrode und dieser Raumladungszone nur eine Siliziumkörpers kann erfindungsgemäß auf eine Dicke 30 gegenüber der Dicke des Siliziumkörpers dünne aktive von etwa 0,2 μπι oder weniger eingestellt werden. Schicht 20 liegt.

Da die erfindungsgemäßen MESFETs als Halb- Die p-dotierte Schicht 21 kann mit den bekannten

leiterinsein auf hochisolierenden Substraten ausgebil- Methoden der Epitaxie oder der Ionenimplantation det sind, und da die gesamte Metallisierung für Leiter- oder auch als von Grenzflächentermen influenzierte bahnen und Anschlußflecken ebenfalls auf dem hoch- 35 p-Schicht hergestellt werden.

isolierenden Substrat liegt, entstehen nur außerordent- Im ersten Fall wird beispielsweise dem Gasgemisch,

lieh geringe parasitäre Kapazitäten. Dies ist ein be- aus dem die Siliziumschicht orientiert abgeschieden sonderer Vorzug gegenüber MESFETs auf Silizium- wird, der Dotierungsstoff beigemengt. Dieser wird Substraten. Dort sind die parasitären Kapazitäten auf dann mit der Schicht abgeschieden und in das Gitter Grund der restlichen Leitfähigkeit des Siliziumsubstrats 40 mit eingebaut. Im zweiten Fall werden Ionen der größer. Da bei der Erfindung die Isolation zu allen Dotierungsstoffe in den teilweise oder fertig abgelereichen außerhalb der erfindungsgemäßen MESFETs schiedenen Siliziumkörper eingeschossen. Eine von wegen der Inselanordnung vollständig ist, benötigt Grenzflächentermen induzierte p-Schicht kann daman hier im Gegensatz zu Anordnungen auf Massiv- durch erzeugt werden, daß auf der Oberfläche des Silizium keine zusätzlichen Abschirmmaßnahmen. 45 Substrats 1 eine Flächenladung negativer Ladungsträ-Integrierte Schaltungen mit den erfindungsgemäßen ger erzeugt wird. Dies kann beispielsweise dadurch MESFETs lassen sich also vorteilhafterweise in höhe- geschehen, daß ein als Substrat benutzter Magnesiumrer Packungsdichte herstellen, als dies bei Anordnun- Aluminium-Spinell in Wasserstoffatmosphäre etwa gen auf Siliziumsubstraten möglich wäre. 5 min bei etwa 1150°C getempert wird.

Im folgenden werden die Erfindung und Beispiele 5» Der obere «-dotierte Teil des Siliziumkörpers kann bevorzugter Ausführungsformen an Hand der Figuren beispielsweise ebenfalls durch Epitaxie oder ^l°™ⁿ dargestellt. Gemäß der Erfindung sind MESFETs mit implantation hergestellt werden. Eine weitere Mogaktiven Schichten sowohl aus «-dotiertem als auch lichkeit besteht darin, diesen Teil durch Diffusion zu aus p-dotiertem Silizium möglich. An Hand der Figu- erzeugen. Dabei wird auf an sich bekannte Weise das ren werden Transistoren mit «-dotierten aktiven 55 Dotierungsmaterial auf den Siliziumkörper a^ufg^e^a-Schichten beschrieben. Transistoren mit p-dotierten gen und durch Erwärmung mit der gewünschten binaktiven Schichten haben einen entsprechenden Aufbau dringtiefe in das Silizium eingebracht, und werden weiter unten erläutert. Als Elektrodenmetall für die MESFETs kann man,

Fig. 1 zeigt eine prinzipielle Darstellung der wie bei bekannten integrierten Schaltungen, Alumi-Erfindung ^6o "ium verwenden. Wenn Transistoren hergestellt wer-

Die Fig. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele. den sollen, bei denen ohne äußere Gatespannung kein

Die Fig. 4 zeigt ein Schaltungsbeispiel. Drain-Strom fließen soll, kann man fur dieuate-

In Fig. 1 liegt auf einem hochisolierenden Substrat 1, elektrode aber auch andere Metalle und Verbindungen das beispielsweise aus Spinell oder Saphir besteht, ein verwenden. Beispielsweise lassen sich mit Flatinsiiizia inselförmiger Siliziumkörper 2 mit dem Source-Bereich «5 als Gateelektrodenmaterial MESFETs herstellen oei 30, dem Drain-Bereich 40, beide aus hoch «-dotiertem denen erst oberhalb einer Gatespannung Ut - u,i v Silizium. Auf diesen Bereichen 30 und 40 befinden durch den Transistor von der Source- zur urainsich die Source-Elektrode 3 und die Drain-Elektrode 4, Elektrode ein Strom fließen kann.

5 6

Ein erstes Ausführungsbeispiel entsprach im Quer- das Gate 5 über die volle Breite des Siliziumkörpers schnitt der Fig. 1. Der Siliziumkörper hatte eine erstreckt. Alle Elektroden sind mit Anschlußflecken Dicke von etwa 1 μπι. Die /»-dotierte Schicht 21 wurde zum Anschluß an weitere Schaltungsteile verbunden, durch Dotieren während der Epitaxie hergestellt, die die Source-Elektrode mit dem Anschlußfleck 300, die «-Dotierung des Siliziumkörpers durch Diffusion. Die 5 Gate-Elektrode mit dem Anschlußlfeck 500, die Ladungsträgerkonzentration N_n der negativen La- Drain-Elektrode mit dem Anschlußfleck 400. dungsträger des «-dotierten Siliziumkörpers betrug Auf dem gleichen Substrat 1, auf dem der MESFET

etwa 10¹⁷ · cm-³. Die untere /»-dotierte Schicht 21 wies liegt, können noch weitere Schaltungsanordnungen eine gleich große Trägerkonzentration N_P der positiven liegen, wobei der erfindungsgemäße MESFET mit die-Ladungsträger auf, so daß sich die Raumladungs- io sen anderen Schaltungsanordnungen in verschiedener zone 22 bis zum Substrat 1 hin erstreckt. Insgesamt aber bekannter Weise elektrisch verbunden sein kann, wird damit an der Grenze zum Substrat innerhalb des Die vorangegangenen Beispiele bezogen sich auf

Siliziumkörpers eine Schicht von etwa 0,3 μπι, je nach MESFETs mit n-Typ-Silizium im aktiven Teil des Dicke der /»-dotierten Schicht, für die Transistorfunk- Transistors. Es sind aber ebenso /»-Typ-Transistoren tion ausgeschaltet. »5 herstellbar, die sich z. B. mit Hafnium als Schottky-

Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel Gate-Elektrodenmaterial realisieren lassen, die Eignung wird an Hand der Fig. 2 erläutert. Auf dem Substrat 1 dieses Materials ist z. B. in der Arbeit von A. N. liegt wiederum der etwa 1 μΐη dicke Siliziumkörper 2 Saxena im Applied Physics Letters 19 (1971) S. 71 mit dem Source-Bereich 30, dem Drain-Bereich 40, bis 73 gezeigt worden.

den Drain- und Source-Elektroden 3 und 4 und der ao Diese /»-Typ-Transistoren lassen sich entsprechend Gate-Elektrode 5. Die dem Halbleiterkörper züge- den Beispielen für «-Typ-MESFETs auf Isolatoren wandte Oberfläche des Substrats weist eine Flächen- aufbauen, wobei jeweils der entgegengesetzte Leitungsladung in Form negativer Grenzflächenterme 10 auf. typ zu wählen ist, also an Stelle von /»-dotierten Berei-Diese Grenzflächenterme wurden in der obengenann- chen «-dotierte, an Stelle von «-dotierten /»-dotierte, ten Weise erzeugt. Durch diese Ladungen wird in dem as Im Falle der Grenzflächenterme sind solche mit posi-Siliziumkörper eine /»-Schicht 210 influenziert. Für die tiven Vorzeichen zu erzeugen, die dann eine n-leitende Flächendichte der Grenzflächenterme wurden Werte Schicht influenzieren. Diese Grenzflächenterme könbis zu 3 · 10¹² cm-² eingestellt. Der Siliziumkörper ist nen beispielsweise dadurch erzeugt werden, daß ein als in den Bereichen, die dem Substrat benachbart sind, Substrat benutzter Saphir etwa 5 min in Wasserstoff verhältnismäßig niedrig dotiert, beispielsweise mit 30 bei etwa 1100 bis 1200⁰C getempert wird, einem Wert von 3 · IO¹⁶Cm³ bis 5 · 10¹⁵Cm³. Auf Durch Kombination beider MESFET-Typen in

Grund der verhältnismäßig niedrigen Dotierung erhält einer einzigen Schaltung lassen sich auch mit den man eine große Breite der Raumladungszone 22. Mit- erfindungsgemäßen Transistoren Komplementärtels Ionenimplantation wird unter der vom Substrat Schaltungen aufbauen, d. h. Schaltungen, die sowohl abgewandten Oberfläche des Siliziumkörpers innerhalb 35 «-Typ-Transistoren als auch /»-Typ-Transistoren entdes Siliziumkörpers eine etwa 0,2 μΐη dicke aktive halten.

Schicht 200 auf einen Wert von N_n = 10¹⁷cm-³ do- Fig. 4 zeigt ein Schaltungsbeispiel, das einen Inverter

tiert. In den Bereichen 30 und 40 wird der Silizium- darstellt: Auf einem gemeinsamen Substrat liegen ein körper auf seiner ganzen Dicke mittels Diffusion so /»-Typ-Transistor 2000 und ein «-Pyp-Transistor 2001. hoch dotiert. Nach der Implantation erfolgt eine 40 Der /»-Typ-Transistor besitzt an der Grenzfläche zum Temperung bei beispielsweise 900⁰C, um die implan- Substrat die «-dotierte Schicht 2100. Der w-Typtierten Atome zu aktivieren, d. h. die in die Schicht Transistor die/»-dotierte Schicht 21. Die Raumladungseingebrachten Ionen werden, vorzugsweise durch zonen sind mit 2200 bzw. 22 bezeichnet. Der n-Typ-Wärmeeinwirkung, elektrisch wirksam gemacht. Transistor besitzt die Source-Elektrode 3, die Drain-

Danach folgt die Herstellung der Metallelektroden. ₄₅ Elektrode 4 und die Gate-Elektrode 5, die alle z. B. Danach folgt noch eine weitere ganzflächige Implan- aus Aluminium bestehen. Der /»-Typ-Transistor betation, wobei die Source-, Drain- und Gate-Elektroden sitzt die Source-Elektrode 3000, die Drain-Elektrode als Abdeckmasken dienen: Zwischen Source-Elektrode 4000, die beide z. B. aus Aluminium bestehen, und die und Gate-Elektrode und zwischen Drain-Elektrode Gate-Elektrode 5000, die z. B. aus Hafnium besteht, und Gate-Elektrode werden noch zusätzliche Ladungs- 50 Die beiden Transistoren sind, wie aus der Figur träger implantiert, dabei wird im Innern des Silizium- ersichtlich, miteinander zusammengeschaltet, d. h. an körpers ein Maximum der Ladungsträgerkonzentration der Source-Elektrode 3 des n-Typ-Transistors liegt von etwa 10" cm-³ bis 10²⁰ cm-³ eingestellt Auf diese Erdpotential, an der Drain-Elektrode 4000 des /»-Typ-Weise erhält man in diesen Gebieten des Silizium- Transistors liegt die gegenüber dem Erdpotential körpers die hoch «+-dotierten Gebiete 230 mit hoher 55 positive Spannung Ubb. Als Ausgangsspannung Ua elektrischer Leitfähigkeit. Nahe der unter der Gate- erhält man den Wert des Erdpotentials bzw. den Wert Elektrode liegenden Oberfläche des Siliziumkörpers Ubb, je nach dem ob die Gate-Elektroden mit einer muß die Ladungsträgerkonzentration kleiner als gegenüber dem Erdpotential negativen bzw. positiven 10¹⁷ cm~³ sein, damit die Schottky-Gate-Durchbruch- Spannung U_G beaufschlagt werden. Die in der Fig. 4 spannung nicht beeinflußt wird. 60 nur symbolisch dargestellten elektrischen Verbindungs-

Die Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäß hergestellten leitungen können z. B. mit bekannten Aufdampftech-MESFET in der Draufsicht. Man erkennt, daß sich niken hergestellt sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

eineLadungsträgerkonzentrationvonetwa IO»cm-» ■ · IQ20 cnj-3 aufweisen. Patentansprüche: ' Dlb. ' MESFET nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet daß die hochdotierte aktive Schicht

1. MESFET (Schottky-Gate-Feldeffekt-Transi- *«»· _Ladungsträgerkonzentration von etwa stören) mit einem n- oder p-leitenden Siliziumkor- 5 ei _aufweist.

per auf einem Isolatorsubstrat und mit mindestens '" MESFET ^{nacii einem der Ans}P^ruche ' ^{bls I4}-

einer Source-, einer Drain- und einer Gate-Elek- i.j '_rch gekennzeichnet, daß der Siliziumkörper

trode, dadurch gekennzeichnet, daß °*^uu _adl7_ngsträgerkonzentration von weniger als

im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Sub- eine l. ^^

starts (1) innerhalb des Siliziumkörpers (2) ein io ₁₆ y_erf_ah_ren zur Herstellung eines MESFETs

pn-Übergang angeordnet ist, der innerhalb des · ^ _{der Anspr}Qche 4 oder 7, dadurch

Siliziumkörpers eine Raumladungszone (22) er- kennzeichnet daß die Flächenladung der Sub-

zeugt, die im wesentlichen die Gebiete des Silizium- ,»oberfläche'mittels einer Temperung des Sub-

körpers nahe der Substrat-Oberfläche einnimmt sirai _Wsscrstoff atmosphäre bei etwa 1100 bis

und dadurch, daß zwischen der Gate-Elektrode (5) 15 strats "¹J^ ^

und dieser Raumladungszone eine verhältnismäßig izuu^c _B