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JP3629861B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法に関する。特に、高出力用のGaAsMESFET等の電界効果トランジスタの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
Ptによってゲート電極を形成し、そのゲート電極に熱処理を施すことによってゲート電極を能動層とショットキー接合させるPt埋め込み型の電界効果トランジスタは、所望のショットキー特性、電流値、しきい値電圧、高い耐圧が得られ、非常に有効なデバイスである。
【0003】
図1は従来のPt埋め込み型のGaAsMESFET9の製造工程を示す断面図である。図1(a)はゲート電極及びソース、ドレイン電極を形成する前の半絶縁性GaAs基板1を示す図であって、GaAs基板1の表面にはn型イオン注入層からなる能動層2が形成され、その下にはp層3が形成されている。また、能動層2及びp層3の両側には、それぞれn型イオンを高濃度に注入されたn領域(ソース領域、ドレイン領域)4が形成されている。
【0004】
まず、このGaAs基板1のn領域4の上には、フォトリソグラフィ法により、図1(b)に示すように、n領域とオーミック接合するソース電極5及びドレイン電極6を形成して合金化のための熱処理を施す。ついで、能動層2の上面にゲート電極7となるPtが真空蒸着法などにより、100〜200Å/secの蒸着速度で堆積される。この後、Hガス中において約400℃で熱処理を施すと、Ptが能動層に拡散してPtとGaAsが固相反応し、PtAsやPtGa等を主とする金属化合物を形成する。このPtAsやPtGa等からなる反応層8は良好なショットキー接合となり、固相反応の進行に伴って接合位置はGaAs中へ移動してゆき、図1(d)のような埋め込み型Ptゲート電極7を備えたGaAsMESFET9が形成される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
Ptは膜応力が大きく、GaAs基板等の半導体基板との密着性があまり良好でないため、Ptゲート電極の膜厚を大きくすると密着性が悪くなって剥離し易くなる。そのため、Ptをゲート電極として用いる電界効果トランジスタでは、Ptを比較的薄く(膜厚約500Å)形成している。しかし、100〜200Å/secの蒸着速度でPtゲート電極の膜厚を薄くすると、膜厚の制御が困難になり、ゲート電極の膜厚ばらつきはそのまま特性ばらつきの原因となるので、特性ばらつきのない電界効果トランジスタを作製することができないという問題があった。
【0006】
そこで、Ptと半導体基板との密着性を良好にするため、Ptの下層にTiやSi等の金属を薄く形成する手法などが用いられている。しかし、これらの方法では、密着性を向上させるためのTiやSi等の層が厚すぎると、Pt本来のショットキー特性を得られないので、TiやSi等の層を薄く形成しなければならず、その制御性に問題があり、均一な特性の電界効果トランジスタを作製できないという問題があった。
【0007】
本発明は叙上の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、半導体装置のショットキー電極において、密着性のよいPt層を形成することができ、しかも薄い膜厚のPt層を制御性よく作製することができるようにすることにある。
【0008】
【発明の開示】
本発明による半導体装置の製造方法は、半導体基板の上に、少なくとも最下層がPtからなるショットキー電極を形成し、当該ショットキー電極を熱処理することによってPt層と半導体基板をショットキー接合させるものであって、前記ショットキー電極の最下層のPtを、20Å/sec以下の蒸着速度で半導体基板上に蒸着させることを特徴としている。
【0009】
ショットキー電極のPtを20Å/sec以下の蒸着速度で成膜すると、膜応力の小さいPt層を形成することができ、半導体基板との良好な密着性を示した。従って、Ptの膜剥がれを生じにくくすることができ、半導体装置の歩留りを向上させることができる。
【0010】
また、このように蒸着速度を遅くすることによって、Pt膜の膜厚制御も容易になるので、薄いPt膜を形成しても膜厚ばらつきが生じにくく、ピンチオフ電圧Vpや飽和ドレイン電流Idss等の特性を安定させることができる。さらに、従来のようにPt層の下層にTiやSi等の層を形成する必要もないので、その制御性の問題も生じない。
【0011】
一方、前記最下層のPtの蒸着速度は、2Å/sec以上であることが望ましい。蒸着速度がこれよりも遅くなると、却って膜厚の制御が容易でなくなり、Ptの半導体基板中への拡散量が変動してピンチオフ電圧等の素子特性もばらつくからである。
【0012】
このような半導体装置としては、化合物半導体を用いたものに適用することができ、なかでもGaAsMESFETに用いることができる。特に、最下層のPt層と能動層を反応させてショットキー接合を形成するPt埋め込み型の電界効果トランジスタに用いることによって高い効果を納めることができる。しかも、その場合、熱処理によって最下層のPt層を能動層と完全に反応させておけば、素子特性のばらつきを小さくして素子特性を安定させることができ、また、最下層のPt層の膜厚制御によって素子特性を容易に管理することができる。
【0013】
ショットキー電極の構成としては、Pt層(熱処理後には、反応層)の上にMo層、その上にTi層、その上方にAuやAl等の低抵抗金属層を形成したものが望ましい。このような電極構成によれば、最下層のPt層を能動層と完全に反応させることによって良好なショットキー接合を得ることができ、順バイアス下においても良好な動作を行なわせることができる。さらに、低抵抗金属層によってゲート抵抗を小さくすることができる。また、Mo層の働きによって、Pt層とTi層との相互拡散を防止し、また、Pt層が能動層と完全に反応し終えた時点でゲート電極と能動層との反応を停止させることができる。さらに、Mo層は膜ストレスが大きくてAu層やAl層との密着性が悪いが、Mo層の上にTi層を形成することによってMo層との密着性を良好にすることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
(実施形態)
図2(a)〜(h)は本発明の一実施形態によるPt埋め込み型のGaAsMESFET(PtゲートFET)の製造工程を示す概略断面図である。以下、図2に従って本発明の最適な実施形態を説明する。まず、図2(a)に示すように、半絶縁性GaAs基板11の表面にp型イオン、例えばBe、Mgを加速エネルギー200keV、注入イオン密度2×1012/cmで注入してp層12を形成する。ついで、図2(b)に示すように、n型イオン、例えばSiを加速エネルギー100keV、注入イオン密度5×1012/cmで注入してn型能動層13を形成する。
【0015】
つぎに、図2(c)に示すように、GaAs基板11の表面をフォトレジスト14により覆い、フォトリソグラフィによりソース領域及びドレイン領域を形成しようとする領域においてフォトレジスト14を開口し、このフォトレジスト14をマスクとし、マスク開口を通して選択的にn型イオン、例えばSiを加速エネルギー180keV、注入イオン密度1×1013/cmで注入し、n領域15(ソース領域、ドレイン領域)を形成する。その後、図2(d)に示すように、n領域15の上にAu−Ge系からなる金属を用いてソース電極16及びドレイン電極17を形成し、両電極16,17を熱処理によって合金化してn領域15にオーミック接合させる。
【0016】
ついで、GaAs基板11の表面にレジスト膜19を形成し、フォトリソグラフィを行ない、図2(e)に示すように、ゲート長に等しい幅を有し、逆テーパ状をした開口20をレジスト膜19にあける。ついで、リン酸系のエッチング液に浸漬してリセス18を形成する。
【0017】
この後、図2(f)に示すように、蒸着法により、レジスト膜19の開口20を通して能動層13の上に、膜厚300ÅのPt、膜厚200ÅのMo、膜厚1000ÅのTi、膜厚500ÅのPt、膜厚3500ÅのAuからなるゲート電極用金属層21を順次堆積させる。このとき最下層のPt層を蒸着させる際には、その蒸着速度(デポレート)は、2〜20Å/secとする。こうしてレジスト膜19の上に堆積したPt/Mo/Ti/Pt/Auからなるゲート電極用金属層21をレジスト膜19とともに剥離(リフトオフ)し、図2(g)及び図3に示すような、Pt/Mo/Ti/Pt/Auからなるゲート電極22を形成する。
【0018】
この後、GaAs基板22を約380℃で1分間の熱処理を行う。熱処理を行なうと、図4(a)(b)に模式的に示すように、最下層のPtがGaAs中へ拡散し、GaAsと反応して合金化し、PtAsやPtGa等の化合物を生成する。この熱処理工程においては、Ptが能動層中へ約500Å拡散し、GaAsと固相反応してPtAsやPtGa等を含む反応層23を生成し、ゲート電極22を能動層13とショットキー接合させる。その結果、図2(h)に示すように、反応層(PtAs、PtGa)/Mo/Ti/Pt/Auからなる、良好なショットキー接合のPt埋め込み型のゲート電極22を備えたPtゲートFET24が形成される。
【0019】
(本実施形態の特徴)
上記プロセスによって製造されたPtゲートFETにあっては、ゲート電極は、Pt(又は、反応層)/Mo/Ti/Pt/Auからなっている。このうち、最下層のPt層は上記のように能動層と反応し、PtAsやPtGa等からなる反応層を生成して埋め込み型のゲート電極を形成し、良好なショットキー接合を実現するものである。
【0020】
本発明の製造方法においては、ゲート電極の最下層のPt層は必ずしもすべてをGaAsに拡散させてGaAsと完全に反応させる必要はないが、以下に述べるように、完全にGaAsと反応させるのが好ましい。
【0021】
GaAsと反応していないPt層が残っていたり、Pt以外の金属がGaAs中に拡散してGaAsと反応したりすると、熱処理工程における熱や素子動作時の熱によって反応層が変化し、素子特性がばらついたり、不安定になったり、劣化したりする。これに対し、能動層の上に形成されたPt層をGaAsと完全に反応させて反応層を形成すれば、ゲート電極形成後の後工程において、ゲート電極の熱処理温度と同程度もしくはそれ以上の熱処理温度におかれても、Pt層とGaAsとの反応はそれ以上進むことがなく、素子特性が変化することがない。特に、素子のピンチオフ電圧が変動することがない。同じように、素子動作時の発熱によっても、ピンチオフ電圧等の素子特性が変化して不安定になる恐れがない。従って、最下層のPt層はGaAsと完全に反応させることが望ましい。
【0022】
また、本発明の製造方法によれば、ゲート電極の最下層のPt層は、2〜200Å/secの蒸着速度(デポレート)で蒸着法によって成膜される。Pt層を20Å/sec以下の蒸着速度で成膜することにより、膜応力の小さいPt層をGaAs基板上に形成することができ、密着性の良好なPt層を形成することができた。これに対し、蒸着速度を20Å/sec以上にすると、応力の大きな膜が形成され、部分的あるいは全体的に膜剥がれが発生した。
【0023】
図5はPt層の蒸着速度を100Å/secまで変化させて、その剥離率を検査した結果を示すものである。図5から分かるように、蒸着速度が20Å/sec以下では、剥離率はほとんど0となっているのに対し、20Å/secを超えると急激に剥離率が増加する。従って、Pt層の蒸着速度を20Å/sec以下とすることによってPt層の膜剥がれを生じにくくすることができ、半導体装置の歩留りを向上させることができる。
【0024】
また、このように蒸着速度を遅くすることによって、Pt膜の膜厚制御も容易になるので、薄いPt膜を形成しても膜厚ばらつきが生じにくく、ピンチオフ電圧Vpや飽和ドレイン電流Idss等の特性を安定させることができる。
【0025】
一方、Pt層の蒸着速度を2Å/secよりも遅くすると、却って膜厚の制御が容易でなくなり、Ptの半導体基板中への拡散量が変動してピンチオフ電圧等の素子特性もばらつく。従って、Pt層の蒸着速度は、2〜200Å/secが望ましい。
【0026】
また、ゲート電極の熱処理が良好に行なわれるようにするためには、ゲート電極の最下層のPt層の膜厚や活性層の構造などは、以下のようにするのが好ましい。
【0027】
(Pt層の膜厚)
ここで、Pt層は熱処理によって能動層と完全に反応させるためには、Pt層の厚みは薄くする必要がある。試作によれば、Pt層の厚みは、500Å以下にすることが好ましい。特に、上記実施形態においては、最適な値としてPt層の厚みを250Åにしている。Pt層の厚みが大きくなると、Pt層を能動層と完全に反応させるための熱処理時間が長くなるばかりでなく、Pt層の厚みが大きくなるに従って同じピンチオフ電圧を実現する時、相互コンダクタンスgmの立ち上がり急峻性も低下し、また膜厚が大きくなるとPt層の膜ストレスが増大してGaAs基板との密着性も悪くなる。
【0028】
一方、Pt層の膜厚が100Åよりも薄くなると、現在の技術では、膜厚の制御が困難であると共に、十分にPtの拡散が行なわれず、良好なショットキー接合が得られなくなるので、Pt層の膜厚は100Å以上が好ましい。以上より、Pt層の膜厚は、100〜500Åが望ましい。
【0029】
(Pt層の拡散深さ)
Pt層を熱処理により能動層へ完全に拡散させる場合には、ピンチオフ電圧Vpを所望の値に制御することが重要である。ここで、Pt層をその膜厚の2倍程度能動層へ拡散させ、反応層の厚みがPt層膜厚の2倍程度になるようにすると、反応層が熱的に安定となって信頼性が増し、素子特性が安定することが実験的に分かっている。
【0030】
(能動層の厚みとPt層の膜厚との関係)
また、熱処理前における能動層の厚みは、その上のPt層の膜厚の2〜10倍であることが好ましい。Pt層の拡散深さはPt層の膜厚の2倍程度が望ましいから、能動層全体が反応層によって塞がれないようにするためには、能動層の厚みはPt層の膜厚の2倍以上必要となる。また、能動層の厚みがPt層の膜厚の10倍以上になると、相互コンダクタンスgの立ち上がりの急峻性が低下して素子の特性が劣化する。
【0031】
(Mo層の働き)
Mo層は、拡散バリア層として働くものであって、Pt層を能動層と完全に反応させることを確実ならしめ、かつ、他の金属と能動層との反応を阻止する。
【0032】
上記のように、製造ばらつきが小さく、安定したPtゲートFETを作製するためには、Pt層が能動層に完全に拡散して反応層を形成した時点でゲート電極の能動層への拡散を停止させ、Pt以外の金属が能動層に拡散しないようにする必要がある。まず、MoはGaAsと反応しにくいので、図4(b)に示すように、Pt層が能動層と反応し、その反応層とMo層とが接触した時点でゲート電極と能動層との反応が停止する。また、Moは他の金属の拡散を阻止する拡散バリア層くので、TiやAu等が能動層ないし反応層へ拡散してピンチオフ電圧Vp等の素子特性を変化させるのを防止する。さらに、Mo層は最下層のPtがTi層へ拡散するのも防止するので、Pt層がTi層へ拡散してGaAsに拡散する量が変動し、反応層の深さにばらつきが生じるのを防止できる。従って、Pt層の上に一定の厚さを有するMo層を形成しておくことにより、Pt層のみを能動層と完全に反応させるための工程制御や処理時間管理などの要求精度も緩和される。
【0033】
このMo層も、Pt層と同様、薄く形成されており、上記実施例では、200Åの膜厚となっている。Mo層は、膜ストレスが大きいため、ゲート長が短い場合、厚い膜を作製すると密着性が悪くなる。そのためMo層の厚みを薄くしている。
【0034】
また、Ti層は、この薄いMo層の持つ拡散防止効果を補助するためのもので、上層のAu、Al層のPt/GaAs反応層への拡散を抑制するためと、Mo層と中間のPt層との密着性を高めるのに必須である。
【0035】
なお、このような拡散バリアとして働くものとしては、W、Ta、Cr等が知られているので、Mo層に代えて、W、Ta、Cr等の金属を拡散バリア層として用いてもよい。
【0036】
(その他の金属層)
最上層のAu層はゲート電極の抵抗を小さくするための層であって、最も大きな膜厚を有している。すなわち、上記実施例では、3500Åの膜厚としている。従って、このAu層の代りに、同じように比抵抗の小さなAlなどを用いてもよい。
【0037】
Ti層の上の中間Pt層は、TiとAuの反応を防ぐ、拡散バリアの働きをしている。Ptの代りにCrを用いてもよい。
【0038】
ゲート長が短い場合、厚いMo膜を最下層のPt層の上に積むと密着性の問題などがあって、厚いMo膜を積むことが困難であり、逆に、Mo膜を薄くすると、Pt層とTi層との相互拡散を阻止できなくなる。そこで、上記ゲート構造においては、Mo膜を非常に薄くすることによってMo膜の成膜を容易にし、さらに、中間Pt層やTi層によっても相互拡散を防止すると共に、特にTi層はMo層との密着性を高めるのに重要である。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(d)は、従来例のPtゲートFETの製造工程を示す概略断面図である。
【図2】(a)〜(h)は、本発明の一実施例によるPtゲートFETの製造工程を示す概略断面図である。
【図3】能動層の上に形成されたゲート電極を示す概略拡大断面図である。
【図4】(a)(b)は能動層の上のPt層がGaAs中に拡散して合金化するようすを模式的に示す図である。
【図5】Ptの蒸着速度とPt層の剥離率との関係を示す図である。
【符号の説明】
11 半絶縁性GaAs基板
13 能動層
16 ソース電極
17 ドレイン電極
22 ゲート電極
23 反応層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device. In particular, the present invention relates to a method of manufacturing a field effect transistor such as a GaAs MESFET for high output.
[0002]
[Prior art]
A Pt buried type field effect transistor in which a gate electrode is formed of Pt and the gate electrode is subjected to heat treatment to form a Schottky junction with the active layer has a desired Schottky characteristic, current value, threshold voltage, A high withstand voltage is obtained and it is a very effective device.
[0003]
FIG. 1 is a sectional view showing a manufacturing process of a conventional Pt buried type GaAs MESFET 9. FIG. 1A is a view showing a semi-insulating GaAs substrate 1 before forming a gate electrode, a source and a drain electrode, and an active layer 2 made of an n-type ion implantation layer is formed on the surface of the GaAs substrate 1. Under this, a p-layer 3 is formed. Further, on both sides of the active layer 2 and the p layer 3, n + regions (source regions and drain regions) 4 into which n-type ions are implanted at a high concentration are formed.
[0004]
First, a source electrode 5 and a drain electrode 6 that are in ohmic contact with the n + region are formed on the n + region 4 of the GaAs substrate 1 by photolithography as shown in FIG. A heat treatment is applied for conversion. Subsequently, Pt which becomes the gate electrode 7 is deposited on the upper surface of the active layer 2 by a vapor deposition method or the like at a vapor deposition rate of 100 to 200 Å / sec. Thereafter, when heat treatment is performed in H 2 gas at about 400 ° C., Pt diffuses into the active layer and Pt and GaAs undergo a solid phase reaction to form a metal compound mainly composed of PtAs, PtGa, or the like. The reaction layer 8 made of PtAs, PtGa or the like becomes a good Schottky junction, and the junction position moves into GaAs as the solid-phase reaction progresses, and a buried Pt gate electrode as shown in FIG. GaAs MESFET 9 having 7 is formed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Since Pt has a large film stress and its adhesion to a semiconductor substrate such as a GaAs substrate is not very good, if the film thickness of the Pt gate electrode is increased, the adhesion becomes poor and the film is easily peeled off. Therefore, in a field effect transistor using Pt as a gate electrode, Pt is formed relatively thin (film thickness is about 500 mm). However, if the film thickness of the Pt gate electrode is reduced at a deposition rate of 100 to 200 liters / sec, it becomes difficult to control the film thickness, and variations in the thickness of the gate electrode cause variations in characteristics as they are. There was a problem that a field effect transistor could not be produced.
[0006]
Therefore, in order to improve the adhesion between Pt and the semiconductor substrate, a technique of thinly forming a metal such as Ti or Si under the Pt is used. However, in these methods, if the layer of Ti, Si or the like for improving the adhesion is too thick, the original Schottky characteristic cannot be obtained, so the layer of Ti, Si, etc. must be formed thin. However, there was a problem in the controllability, and there was a problem that a field effect transistor with uniform characteristics could not be produced.
[0007]
The present invention has been made in view of the drawbacks of the conventional examples described above, and an object of the present invention is to form a Pt layer having good adhesion on a Schottky electrode of a semiconductor device and to form a thin film. The object is to make it possible to produce a thick Pt layer with good controllability.
[0008]
DISCLOSURE OF THE INVENTION
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes forming a Schottky electrode having at least the lowest layer of Pt on a semiconductor substrate, and subjecting the Pt layer to the semiconductor substrate by heat treatment. In this case, the lowermost layer of Pt of the Schottky electrode is deposited on the semiconductor substrate at a deposition rate of 20 速度 / sec or less.
[0009]
When the Pt of the Schottky electrode was formed at a deposition rate of 20 cm / sec or less, a Pt layer having a small film stress could be formed, and good adhesion to the semiconductor substrate was exhibited. Accordingly, Pt film peeling can be made difficult to occur, and the yield of the semiconductor device can be improved.
[0010]
Moreover, since the film thickness control of the Pt film is facilitated by slowing down the deposition rate in this way, the film thickness variation hardly occurs even if the thin Pt film is formed, and the pinch-off voltage Vp, the saturation drain current Idss, etc. The characteristics can be stabilized. Further, since it is not necessary to form a layer such as Ti or Si under the Pt layer as in the prior art, the problem of controllability does not occur.
[0011]
On the other hand, the deposition rate of the lowermost layer of Pt is desirably 2 で / sec or more. This is because if the deposition rate is slower than this, the film thickness cannot be easily controlled, and the diffusion amount of Pt into the semiconductor substrate fluctuates and the device characteristics such as the pinch-off voltage vary.
[0012]
Such a semiconductor device can be applied to a device using a compound semiconductor, and in particular, can be used for a GaAs MESFET. In particular, a high effect can be achieved by using it for a Pt buried type field effect transistor in which a lowermost Pt layer and an active layer are reacted to form a Schottky junction. Moreover, in that case, if the lowermost Pt layer is completely reacted with the active layer by heat treatment, variations in the element characteristics can be reduced and the element characteristics can be stabilized, and the film of the lowermost Pt layer can be obtained. The element characteristics can be easily managed by controlling the thickness.
[0013]
As the structure of the Schottky electrode, it is desirable that the Mo layer is formed on the Pt layer (the reaction layer after the heat treatment), the Ti layer is formed thereon, and the low resistance metal layer such as Au or Al is formed thereon. According to such an electrode configuration, a satisfactory Schottky junction can be obtained by completely reacting the lowermost Pt layer with the active layer, and a satisfactory operation can be performed even under forward bias. Furthermore, the gate resistance can be reduced by the low resistance metal layer. Also, the action of the Mo layer prevents interdiffusion between the Pt layer and the Ti layer, and stops the reaction between the gate electrode and the active layer when the Pt layer has completely reacted with the active layer. it can. Furthermore, although the Mo layer has a large film stress and poor adhesion to the Au layer or Al layer, the adhesion to the Mo layer can be improved by forming a Ti layer on the Mo layer.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment)
2A to 2H are schematic cross-sectional views showing a manufacturing process of a Pt buried type GaAs MESFET (Pt gate FET) according to an embodiment of the present invention. The optimum embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. First, as shown in FIG. 2A, p-type ions such as Be and Mg are implanted into the surface of the semi-insulating GaAs substrate 11 at an acceleration energy of 200 keV and an implanted ion density of 2 × 10 12 / cm 2 to form a p layer. 12 is formed. Next, as shown in FIG. 2B, an n-type active layer 13 is formed by implanting n-type ions, for example, Si at an acceleration energy of 100 keV and an implanted ion density of 5 × 10 12 / cm 2 .
[0015]
Next, as shown in FIG. 2 (c), the surface of the GaAs substrate 11 is covered with a photoresist 14, and the photoresist 14 is opened in a region where a source region and a drain region are to be formed by photolithography. 14 is used as a mask, and n-type ions such as Si are selectively implanted through the mask opening at an acceleration energy of 180 keV and an implanted ion density of 1 × 10 13 / cm 2 to form an n + region 15 (source region and drain region). . Thereafter, as shown in FIG. 2D, the source electrode 16 and the drain electrode 17 are formed on the n + region 15 using a metal made of Au—Ge, and the both electrodes 16 and 17 are alloyed by heat treatment. Then, an ohmic junction is formed on the n + region 15.
[0016]
Next, a resist film 19 is formed on the surface of the GaAs substrate 11, and photolithography is performed. As shown in FIG. 2E, the resist film 19 has an opening 20 having a width equal to the gate length and having an inversely tapered shape. I'm going to Next, the recess 18 is formed by dipping in a phosphoric acid-based etching solution.
[0017]
After that, as shown in FIG. 2 (f), 300 μm thick Pt, 200 μm thick Mo, 1000 μm thick Ti, film is formed on the active layer 13 through the opening 20 of the resist film 19 by vapor deposition. A gate electrode metal layer 21 made of Pt having a thickness of 500 、 and Au having a thickness of 3500 Å is sequentially deposited. At this time, when vapor-depositing the lowermost Pt layer, the vapor deposition rate (deposition) is set to 2 to 20 Å / sec. The metal layer 21 for gate electrode made of Pt / Mo / Ti / Pt / Au thus deposited on the resist film 19 is peeled off (lifted off) together with the resist film 19, and as shown in FIG. 2 (g) and FIG. A gate electrode 22 made of Pt / Mo / Ti / Pt / Au is formed.
[0018]
Thereafter, the GaAs substrate 22 is heat-treated at about 380 ° C. for 1 minute. When heat treatment is performed, as schematically shown in FIGS. 4A and 4B, the lowermost layer of Pt diffuses into GaAs and reacts with GaAs to form an alloy, thereby generating a compound such as PtAs or PtGa. In this heat treatment step, Pt diffuses into the active layer by about 500Å, reacts with GaAs in a solid phase to generate a reaction layer 23 containing PtAs, PtGa, and the like, and the gate electrode 22 and Schottky junction are formed with the active layer 13. As a result, as shown in FIG. 2 (h), a Pt gate FET 24 having a Pt buried type gate electrode 22 of a good Schottky junction made of a reaction layer (PtAs, PtGa) / Mo / Ti / Pt / Au. Is formed.
[0019]
(Features of this embodiment)
In the Pt gate FET manufactured by the above process, the gate electrode is made of Pt (or reaction layer) / Mo / Ti / Pt / Au. Among these, the lowermost Pt layer reacts with the active layer as described above, generates a reaction layer made of PtAs, PtGa, or the like to form a buried gate electrode, and realizes a good Schottky junction. is there.
[0020]
In the manufacturing method of the present invention, it is not always necessary that the Pt layer at the lowest layer of the gate electrode is diffused into GaAs and completely reacted with GaAs. However, as described below, it is necessary to completely react with GaAs. preferable.
[0021]
If a Pt layer that does not react with GaAs remains, or if a metal other than Pt diffuses into GaAs and reacts with GaAs, the reaction layer changes due to heat in the heat treatment process or heat during device operation, and device characteristics It varies, becomes unstable, or deteriorates. On the other hand, if the reaction layer is formed by completely reacting the Pt layer formed on the active layer with GaAs, in the subsequent process after the formation of the gate electrode, the heat treatment temperature is equal to or higher than the heat treatment temperature of the gate electrode. Even at the heat treatment temperature, the reaction between the Pt layer and GaAs does not proceed any further, and the device characteristics do not change. In particular, the pinch-off voltage of the element does not fluctuate. Similarly, there is no possibility that the device characteristics such as the pinch-off voltage change and become unstable due to heat generation during device operation. Therefore, it is desirable that the lowermost Pt layer is completely reacted with GaAs.
[0022]
Further, according to the manufacturing method of the present invention, the lowermost Pt layer of the gate electrode is formed by a vapor deposition method at a vapor deposition rate (deposition) of 2 to 200 Å / sec. By forming the Pt layer at a deposition rate of 20 Å / sec or less, a Pt layer having a low film stress could be formed on the GaAs substrate, and a Pt layer having good adhesion could be formed. On the other hand, when the deposition rate was 20 Å / sec or more, a film having a large stress was formed, and film peeling occurred partially or entirely.
[0023]
FIG. 5 shows the result of inspecting the peeling rate by changing the deposition rate of the Pt layer to 100 Å / sec. As can be seen from FIG. 5, when the deposition rate is 20 蒸 着 / sec or less, the peeling rate is almost 0, whereas when it exceeds 20 Å / sec, the peeling rate increases rapidly. Therefore, when the deposition rate of the Pt layer is 20 Å / sec or less, film peeling of the Pt layer can be made difficult to occur, and the yield of the semiconductor device can be improved.
[0024]
Moreover, since the film thickness control of the Pt film is facilitated by slowing down the deposition rate in this way, the film thickness variation hardly occurs even if the thin Pt film is formed, and the pinch-off voltage Vp, the saturation drain current Idss, etc. The characteristics can be stabilized.
[0025]
On the other hand, if the deposition rate of the Pt layer is made slower than 2 Å / sec, the film thickness cannot be easily controlled, and the amount of Pt diffused into the semiconductor substrate fluctuates and the device characteristics such as the pinch-off voltage vary. Accordingly, the deposition rate of the Pt layer is desirably 2 to 200 liters / sec.
[0026]
In order to perform heat treatment of the gate electrode satisfactorily, it is preferable that the thickness of the Pt layer, the structure of the active layer, and the like are as follows.
[0027]
(Pt layer thickness)
Here, in order for the Pt layer to completely react with the active layer by heat treatment, it is necessary to reduce the thickness of the Pt layer. According to the prototype, the thickness of the Pt layer is preferably 500 mm or less. In particular, in the above embodiment, the thickness of the Pt layer is set to 250 mm as an optimum value. As the thickness of the Pt layer increases, not only does the heat treatment time for completely reacting the Pt layer with the active layer increase, but also when the same pinch-off voltage is realized as the thickness of the Pt layer increases, the mutual conductance gm rises. The steepness also decreases, and when the film thickness increases, the film stress of the Pt layer increases and the adhesion to the GaAs substrate also deteriorates.
[0028]
On the other hand, if the thickness of the Pt layer is less than 100 mm, it is difficult to control the thickness with the current technology, and Pt is not sufficiently diffused, so that a good Schottky junction cannot be obtained. The thickness of the layer is preferably 100 mm or more. From the above, the film thickness of the Pt layer is desirably 100 to 500 mm.
[0029]
(Diffusion depth of Pt layer)
When the Pt layer is completely diffused into the active layer by heat treatment, it is important to control the pinch-off voltage Vp to a desired value. Here, when the Pt layer is diffused to the active layer by about twice its thickness, the reaction layer becomes thermally stable and reliable when the thickness of the reaction layer becomes about twice the thickness of the Pt layer. It has been experimentally found that the device characteristics are stabilized.
[0030]
(Relationship between thickness of active layer and film thickness of Pt layer)
Further, the thickness of the active layer before the heat treatment is preferably 2 to 10 times the thickness of the Pt layer thereon. Since the diffusion depth of the Pt layer is preferably about twice the film thickness of the Pt layer, in order to prevent the entire active layer from being blocked by the reaction layer, the thickness of the active layer is 2 times the film thickness of the Pt layer. More than double is required. The thickness of the active layer becomes more than 10 times the thickness of the Pt layer, the steepness of the rise of the transconductance g m is deteriorated characteristics of the device decreases.
[0031]
(Function of Mo layer)
The Mo layer acts as a diffusion barrier layer, ensuring that the Pt layer reacts completely with the active layer and prevents reaction of other metals with the active layer.
[0032]
As described above, in order to produce a stable Pt gate FET with small manufacturing variations, the diffusion of the gate electrode to the active layer is stopped when the Pt layer is completely diffused into the active layer and the reaction layer is formed. Therefore, it is necessary to prevent metals other than Pt from diffusing into the active layer. First, since Mo hardly reacts with GaAs, as shown in FIG. 4B, the reaction between the gate electrode and the active layer occurs when the Pt layer reacts with the active layer and the reaction layer contacts the Mo layer. Stops. Further, since Mo is a diffusion barrier layer that blocks the diffusion of other metals, it prevents Ti, Au, etc. from diffusing into the active layer or reaction layer and changing device characteristics such as the pinch-off voltage Vp. Furthermore, since the Mo layer also prevents the lowest Pt from diffusing into the Ti layer, the amount of Pt layer diffusing into the Ti layer and diffusing into GaAs fluctuates, resulting in variations in the depth of the reaction layer. Can be prevented. Therefore, by forming a Mo layer having a certain thickness on the Pt layer, the required accuracy such as process control and processing time management for completely reacting only the Pt layer with the active layer is eased. .
[0033]
This Mo layer is also formed thin like the Pt layer, and has a thickness of 200 mm in the above embodiment. Since the Mo layer has a large film stress, when the gate length is short, the adhesion becomes poor when a thick film is formed. Therefore, the thickness of the Mo layer is reduced.
[0034]
The Ti layer is for assisting the diffusion preventing effect of the thin Mo layer. In order to suppress diffusion of the upper Au and Al layers into the Pt / GaAs reaction layer, the Ti layer and the intermediate Pt. It is essential to improve the adhesion to the layer.
[0035]
In addition, since W, Ta, Cr, etc. are known as such a diffusion barrier, metals such as W, Ta, Cr, etc. may be used as the diffusion barrier layer instead of the Mo layer.
[0036]
(Other metal layers)
The uppermost Au layer is a layer for reducing the resistance of the gate electrode and has the largest film thickness. That is, in the above embodiment, the film thickness is 3500 mm. Therefore, Al having a small specific resistance may be used instead of the Au layer.
[0037]
The intermediate Pt layer on the Ti layer functions as a diffusion barrier that prevents the reaction between Ti and Au. Cr may be used instead of Pt.
[0038]
When the gate length is short, if a thick Mo film is stacked on the lowermost Pt layer, there is a problem of adhesion, etc., and it is difficult to stack a thick Mo film. It becomes impossible to prevent mutual diffusion between the layer and the Ti layer. Therefore, in the above gate structure, the Mo film is made very thin by facilitating the formation of the Mo film, and further, interdiffusion is prevented by the intermediate Pt layer and Ti layer. It is important to improve the adhesion of
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1D are schematic cross-sectional views showing manufacturing steps of a conventional Pt gate FET.
FIGS. 2A to 2H are schematic cross-sectional views showing a manufacturing process of a Pt gate FET according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic enlarged sectional view showing a gate electrode formed on an active layer.
FIGS. 4A and 4B are diagrams schematically showing that a Pt layer on an active layer is diffused into GaAs and alloyed.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the deposition rate of Pt and the peel rate of the Pt layer.
[Explanation of symbols]
11 Semi-insulating GaAs substrate 13 Active layer 16 Source electrode 17 Drain electrode 22 Gate electrode 23 Reaction layer

Claims (5)

半導体基板の上に、少なくとも最下層がPtからなるショットキー電極を形成し、当該ショットキー電極を熱処理することによってPt層と半導体基板をショットキー接合させる半導体装置の製造方法において、
前記ショットキー電極の最下層のPtを、20Å/sec以下の蒸着速度で半導体基板上に蒸着させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In a manufacturing method of a semiconductor device in which a Schottky electrode including at least a lowermost layer of Pt is formed on a semiconductor substrate, and the Pt layer and the semiconductor substrate are subjected to a Schottky junction by heat-treating the Schottky electrode.
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising depositing Pt in the lowermost layer of the Schottky electrode on a semiconductor substrate at a deposition rate of 20 Å / sec or less.
前記最下層のPtの蒸着速度が、2Å/sec以上であることを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a deposition rate of the lowermost layer Pt is 2 Å / sec or more. 前記ショットキー電極は、前記Pt層の上にMo層を形成し、その上にTi層を形成し、その上方に低抵抗金属層を形成したものであることを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。2. The Schottky electrode according to claim 1, wherein a Mo layer is formed on the Pt layer, a Ti layer is formed thereon, and a low resistance metal layer is formed thereon. The manufacturing method of the semiconductor device of description. 前記最下層のPt層のうち、能動層と接している領域のPtを能動層と完全に反応させることを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein, of the lowermost Pt layer, Pt in a region in contact with the active layer is completely reacted with the active layer. 3. 前記半導体基板は、化合物半導体基板であることを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a compound semiconductor substrate.
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