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JPS6159673B2 - - Google Patents
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JPS6159673B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6159673B2
JPS6159673B2 JP54171543A JP17154379A JPS6159673B2 JP S6159673 B2 JPS6159673 B2 JP S6159673B2 JP 54171543 A JP54171543 A JP 54171543A JP 17154379 A JP17154379 A JP 17154379A JP S6159673 B2 JPS6159673 B2 JP S6159673B2
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JP
Japan
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gaas
gate
oxide film
forming
film
Prior art date
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Expired
Application number
JP54171543A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS5696862A (en
Inventor
Hideki Hayashi
Kenichi Kikuchi
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPS6159673B2 publication Critical patent/JPS6159673B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/60Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]

Landscapes

  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Bipolar Transistors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に半
導体としてGaAsを用いたバルク導電型絶縁ゲー
ト電界効果トランジスタの製造方法に関するもの
である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a bulk conduction type insulated gate field effect transistor using GaAs as a semiconductor.

バルク導電型絶縁ゲート電界効果トランジスタ
(以下バルク導電型MOS FETと称す)は、第1
図に示すように、半絶縁性基板1上に一導電型の
半導体層2を設け、この半導体層2上にソース電
極3、ドレイン電極4を設け、また両電極間の半
導体層2上に絶縁膜5を介してゲート電極6を形
成した構造を有しており、ゲート電極6に印加す
る電圧によりソース電極3とドレイン電極4間の
半導体層2を流れる電流を制御するものである。
このバルク導電型MOS FETは、Siなどで広く実
用化されている反転型MOS FETに比べてキヤリ
ア移動度が大きいので高速動作が可能であり、ま
たゲート長を短くしても反転型MOS FETにみら
れるようなパルチスルー等の短チヤネル効果は起
こらない。更にシヨツトキゲート型FETと異な
り、ゲート電極に正の電圧を印加してもゲート電
流が流れないので論理振幅を大きくとることがで
きる等の利点を有しており、高速動作に適した素
子であるといえる。そして、より高速動作を可能
にするには、Siよりもキヤリア移動度の大きい
GaAsを半導体材料に用いることが原理的に有利
であることから、近年その種の素子の開発研究が
押し進められている。
A bulk conduction type insulated gate field effect transistor (hereinafter referred to as a bulk conduction type MOS FET) is a
As shown in the figure, a semiconductor layer 2 of one conductivity type is provided on a semi-insulating substrate 1, a source electrode 3 and a drain electrode 4 are provided on this semiconductor layer 2, and an insulating layer is provided on the semiconductor layer 2 between both electrodes. It has a structure in which a gate electrode 6 is formed through a film 5, and the current flowing through the semiconductor layer 2 between the source electrode 3 and the drain electrode 4 is controlled by the voltage applied to the gate electrode 6.
This bulk conduction type MOS FET has higher carrier mobility than the inverted type MOS FET, which is widely used in Si, etc., so it can operate at high speed, and even if the gate length is shortened, it can be used as an inverted type MOS FET. Short channel effects such as pulch-through as seen do not occur. Furthermore, unlike shot-gate type FETs, gate current does not flow even when a positive voltage is applied to the gate electrode, so it has the advantage of allowing a large logic amplitude, making it an element suitable for high-speed operation. I can say that. And to enable higher-speed operation, it has a higher carrier mobility than Si.
Since the use of GaAs as a semiconductor material is advantageous in principle, research and development of such devices has been promoted in recent years.

ところで、GaAsバルク導電型MOS FETを製
造する従来の方法に於いては、絶縁膜5の形成方
法として、一般に熱酸化法、電解溶液中での陽極
酸化法あるいはプラズマ酸化法等を用いてGaAs
の一部を直接酸化する方法や、CVD法、真空蒸
着法等を用いてGaAs上に他の絶縁膜を装荷する
方法が採用されている。しかし、これら従来の方
法によつて製造したGaAsバルク導電型MOS
FETでは、その半導体層2と絶縁膜5との界面
に多量の界面準位が存在するという致命的な欠点
を有している。その為、界面準位が応答する低周
波で充分な電流変化が得られず、バルク導電型
MOS FETの有する利点を充分に発揮することが
できなかつた。
By the way, in conventional methods for manufacturing GaAs bulk conduction type MOS FETs, the insulating film 5 is generally formed using a thermal oxidation method, an anodization method in an electrolytic solution, a plasma oxidation method, etc.
Methods of directly oxidizing a portion of GaAs, and methods of loading other insulating films on GaAs using CVD, vacuum evaporation, etc., have been adopted. However, GaAs bulk conduction type MOS manufactured by these conventional methods
The FET has a fatal drawback in that a large amount of interface states exist at the interface between the semiconductor layer 2 and the insulating film 5. Therefore, it is not possible to obtain a sufficient current change at low frequencies where the interface states respond, and the bulk conductivity type
The advantages of MOS FETs could not be fully demonstrated.

即ち、一般に論理素子を構成する場合、個々の
FETは次段との結合の問題と消費電力を小さく
する必要性からゲートに電圧を印加していないと
きに電流が流れないタイプのものが必要であり、
このような素子では、正のゲート電圧に対し充分
な電流変化が得られることが要求される。ところ
が、従来の製法たとえば絶縁膜5をプラズマ酸化
法を用いて形成する方法で製造したGaAsバルク
導電型MOS FETでは、その直流ドレイン特性は
例えば第2図に示すものとなり、界面準位密度が
高いために正のゲート電圧に対するドレイン電流
の変化は小さなものになつてしまう。
In other words, when configuring a logic element, each
Due to coupling issues with the next stage and the need to reduce power consumption, FETs must be of a type that does not allow current to flow when no voltage is applied to the gate.
Such a device requires that a sufficient current change be obtained with respect to a positive gate voltage. However, in a GaAs bulk conduction type MOS FET manufactured using a conventional manufacturing method, for example, a method in which the insulating film 5 is formed using a plasma oxidation method, its DC drain characteristics are as shown in Fig. 2, and the interface state density is high. Therefore, the change in drain current with respect to positive gate voltage becomes small.

本発明はこのような従来の欠点を改善したもの
であり、その目的は、GaAs半導体層と絶縁膜と
の界面特性の優れたGaAsバルク導電型MOS
FETを製造する方法を提供することにある。以
下実施例について詳細に説明する。
The present invention improves these conventional drawbacks, and its purpose is to provide a GaAs bulk conduction type MOS with excellent interface characteristics between a GaAs semiconductor layer and an insulating film.
The object of the present invention is to provide a method for manufacturing FETs. Examples will be described in detail below.

第3図乃至第8図は、本発明の実施例を説明す
る為の工程図であり、各図に於いて、7はGaAs
半絶縁性基板、8はGaAs層、9はAl薄膜、10
はAl酸化膜、11はGaAs酸化膜、12はソース
電極、13はドレイン電極、14はゲート電極、
15はゲート領域である。
3 to 8 are process diagrams for explaining embodiments of the present invention, and in each figure, 7 is a GaAs
Semi-insulating substrate, 8 is GaAs layer, 9 is Al thin film, 10
is an Al oxide film, 11 is a GaAs oxide film, 12 is a source electrode, 13 is a drain electrode, 14 is a gate electrode,
15 is a gate region.

まず、第3図に示すように、GaAs半絶縁性基
板7上に一導電型のGaAs層8を液相エピタキシ
ヤル法等により形成し、そのGaAs層8の両側を
メサエツチングした後、ゲートとして用いる領域
だけをGaAs層8の途中までエツチングする。こ
のような構造にする理由は、ソース抵抗を下げる
為とゲートの全領域がゲート電極下に含まれるよ
うにする為である。
First, as shown in FIG. 3, a GaAs layer 8 of one conductivity type is formed on a GaAs semi-insulating substrate 7 by a liquid phase epitaxial method, etc., and after mesa etching is performed on both sides of the GaAs layer 8, it is used as a gate. Only the region is etched to the middle of the GaAs layer 8. The reason for this structure is to lower the source resistance and to ensure that the entire region of the gate is included under the gate electrode.

次に第4図に示すように、ソース、ドレイン電
極を形成する領域を除くGaAs層8及び基板7上
に、Al薄膜9を例えば厚さ800Åとなるように選
択的に装荷する。その方法としては、例えばフオ
トエツチング或はリフトオフ法を採用することが
できる。
Next, as shown in FIG. 4, an Al thin film 9 is selectively loaded to a thickness of, for example, 800 Å on the GaAs layer 8 and the substrate 7 except for regions where source and drain electrodes are to be formed. As the method, for example, photo etching or lift-off method can be adopted.

次に、これを電解質溶液たとえば酒石酸、エチ
レングリコール及び水の混合液を用いて陽極酸化
し、第5図に示すようにAl薄膜9を絶縁体であ
るAl酸化膜10に変える。このとき、ソース、
ドレイン電極を形成すべき領域のGaAs層8も酸
化され、GaAs酸化膜11が形成される。
Next, this is anodized using an electrolyte solution, such as a mixture of tartaric acid, ethylene glycol, and water, thereby converting the Al thin film 9 into an Al oxide film 10, which is an insulator, as shown in FIG. At this time, the source
The GaAs layer 8 in the region where the drain electrode is to be formed is also oxidized, and a GaAs oxide film 11 is formed.

ここで重要なことは、Al薄膜9が完全に陽極
酸化されるように然もGaAsがあまり陽極酸化さ
れないように、即ち、陽極酸化がちようどGaAs
層8とAl薄膜9との界面まで達するようにする
ことである。このようにしたときに最も界面準位
密度の小さい絶縁膜を得ることができる。ただ
し、実験に依れば、Al薄膜9の酸化終了後に多
少GaAs層8まで酸化が進んでも、界面準位密度
は充分小さい値であることが確認されている。従
つて、定電流源を用いた場合に、陽極酸化終了時
の陽極電圧がAlの酸化が終了する電圧とその1.1
倍程度の電圧との間の範囲であれば、界面準位密
度は充分低く押えられるものである。なお、Al
とGaAsの陽極酸化の速度が異なるため、陽極電
圧の時間変化を記録計に書かせると、Alの酸化
終了前と終了後とでその傾きが異なるので、これ
を利用して上記範囲内で陽極酸化を行なわせるこ
ともできる。また、AlとGaAsの表面反射率が異
なるため、酸化膜の下がAlのときは干渉色は示
さないが、下がGaAsのときは干渉色を示す。従
つて干渉色が見えはじめることはAlの酸化が終
了したことを示しており、光学的にAlの酸化の
終了を検出することも可能である。
What is important here is to ensure that the Al thin film 9 is completely anodized but that the GaAs is not anodized too much.
The purpose is to reach the interface between the layer 8 and the Al thin film 9. In this way, an insulating film with the lowest interface state density can be obtained. However, according to experiments, it has been confirmed that even if the oxidation progresses to some extent to the GaAs layer 8 after the oxidation of the Al thin film 9 is completed, the interface state density remains a sufficiently small value. Therefore, when using a constant current source, the anode voltage at the end of the anodization is the voltage at which the oxidation of Al ends and its 1.1
The interface state density can be kept sufficiently low within the range of about twice the voltage. In addition, Al
Since the rate of anodic oxidation of GaAs and GaAs is different, when the time change of the anode voltage is recorded on a recorder, the slope is different before and after the oxidation of Al is completed. Oxidation can also be carried out. Furthermore, since the surface reflectance of Al and GaAs is different, interference colors are not shown when the oxide layer is Al underneath, but interference colors are shown when the bottom is GaAs. Therefore, the beginning of the appearance of interference colors indicates that the oxidation of Al has ended, and it is also possible to optically detect the end of the oxidation of Al.

さて、次に第6図に示すようにオーミツク電極
を形成すべき領域上のGaAs酸化膜11のみを、
例えばリン酸を用いてエツチング除去する。一般
に、Alの酸化物は薬品に対してきわめて安定で
あり、Alの酸化物を形成後にそれをエツチング
等で加工することは容易でない。一方、GaAsの
酸化物は酸を用いて容易に除去できるので、本発
明による方法を採用することによりソース、ドレ
イン以外の領域にAlの酸化膜を選択的にきわめ
て容易に形成することが可能となる。
Now, as shown in FIG. 6, only the GaAs oxide film 11 on the area where the ohmic electrode is to be formed is
For example, it is removed by etching using phosphoric acid. Generally, Al oxides are extremely stable to chemicals, and it is not easy to process Al oxides by etching or the like after forming them. On the other hand, GaAs oxide can be easily removed using acid, so by adopting the method of the present invention, it is possible to selectively form an Al oxide film in regions other than the source and drain very easily. Become.

次に、上記工程で得られた素子を、N2雰囲気
中において例えば400℃で30分間熱処理する。熱
処理温度は熱処理時間によつても異なるが、30分
間の熱処理に対しては、300℃未満の熱処理では
界面準位密度が大きくなり、また500℃より高い
温度での熱処理では、電圧印加時に絶縁膜が絶縁
破壊を起こし易くなる。従つて、実用上好ましい
範囲としてはほぼ300℃〜500℃である。
Next, the element obtained in the above step is heat-treated at, for example, 400° C. for 30 minutes in an N 2 atmosphere. The heat treatment temperature also varies depending on the heat treatment time, but for heat treatment for 30 minutes, heat treatment below 300°C increases the interface state density, and heat treatment at a temperature higher than 500°C causes insulation when voltage is applied. The film becomes more susceptible to dielectric breakdown. Therefore, the practically preferred range is approximately 300°C to 500°C.

次に、第7図に示すように、GaAs酸化膜11
をエツチング除去した領域にAuGeNiなどのオー
ミツク金属を被着し、ソース電極12及びドレイ
ン電極13を形成する。そして最後に第8図に示
すように、溝状になつたAl酸化膜10の領域上
に例えばAlのゲート電極14を形成する。ここ
で、GaAs層8の幅狭く限定された領域15がゲ
ート領域になるものである。
Next, as shown in FIG.
A source electrode 12 and a drain electrode 13 are formed by depositing an ohmic metal such as AuGeNi on the region where the etching has been removed. Finally, as shown in FIG. 8, a gate electrode 14 made of, for example, Al is formed on the groove-shaped region of the Al oxide film 10. Here, a narrow region 15 of the GaAs layer 8 becomes a gate region.

第9図は、以上のようにして製造したGaAsバ
ルク導電型MOS FETの直流ドレイン特性の一例
を表わす線図であり、同図に示すように、正負両
極性のゲート電圧に対しドレイン電流は同様に大
きく変化しており、本発明によるGaAsバルク導
電型MOS FETの界面特性が従来に比し格段に優
れていることが判る。
Figure 9 is a diagram showing an example of the DC drain characteristics of the GaAs bulk conduction type MOS FET manufactured as described above. As shown in the figure, the drain current is the same for both positive and negative polarity gate voltages. It can be seen that the interface characteristics of the GaAs bulk conduction type MOS FET according to the present invention are significantly superior to those of the conventional one.

このように本実施例方法は、GaAs層8上にド
レイン、ソース領域を除いてAl薄膜9を選択的
に形成し、これを陽極酸化することによりゲート
絶縁膜を形成するようにしたものであつて、陽極
酸化がちようどAl薄膜9のみ行なわれるように
制御することにより、界面準位密度の小さいゲー
ト絶縁膜を形成することができるものである。
As described above, in the method of this embodiment, the Al thin film 9 is selectively formed on the GaAs layer 8 except for the drain and source regions, and the gate insulating film is formed by anodizing this. By controlling the process so that only the Al thin film 9 is subjected to anodic oxidation, a gate insulating film having a low interface state density can be formed.

以上説明したように、本発明に依れば、界面準
位密度の小さい良質なAlの酸化膜を、ソース、
ドレイン以外の領域に選択的に形成することがで
きるので、特性の優れたGaAsバルク導電型MOS
FETを確実に製造することができる利点があ
る。また、オーミツク電極を形成する領域を除
き、素子主面に装荷したAlを陽極酸化するた
め、ゲート絶縁膜を形成すると同時に他の領域の
不動態化(パツシベーシヨン)が同時に行なえる
という効果がある。従つて、本発明をGaAsバル
ク導電型MOS FETあるいはその集積回路に適用
すれば非常に有効である。なお、集積回路に適用
する場合には、Alを選択的に陽極酸化すること
によつて、ゲート絶縁膜の形成と同時にAlの配
線パターンを形成すれば、工程が簡略化されて有
効である。
As explained above, according to the present invention, a high-quality Al oxide film with a low interface state density can be used as a source,
GaAs bulk conduction type MOS with excellent characteristics because it can be selectively formed in regions other than the drain
There is an advantage that FETs can be manufactured reliably. In addition, since the Al loaded on the main surface of the device is anodized except for the area where the ohmic electrode is to be formed, the gate insulating film is formed and other areas can be passivated at the same time. Therefore, it is very effective to apply the present invention to GaAs bulk conduction type MOS FETs or their integrated circuits. Note that when applied to an integrated circuit, it is effective to form an Al wiring pattern simultaneously with the formation of a gate insulating film by selectively anodizing Al to simplify the process.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はバルク導電型MOS FETの断面図、第
2図は従来方法を用いて製造したGaAsバルク導
電型MOS FETの直流ドレイン特性を示す線図、
第3図乃至第8図は本発明の実施例を説明する為
の工程図、第9図は本発明方法により製造した
GaAsバルク導電型MOS FETの直流ドレイン特
性の一例を表わす線図である。 7はGaAs半絶縁性基板、8はGaAs層、9は
Al薄膜、10はAl酸化膜、11はGaAs酸化膜、
12はソース電極、13はドレイン電極、14は
ゲート電極、15はゲート領域である。
Figure 1 is a cross-sectional view of a bulk conduction type MOS FET, Figure 2 is a diagram showing the DC drain characteristics of a GaAs bulk conduction type MOS FET manufactured using a conventional method.
Figures 3 to 8 are process diagrams for explaining examples of the present invention, and Figure 9 is a diagram showing the process of manufacturing according to the method of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of DC drain characteristics of a GaAs bulk conduction type MOS FET. 7 is a GaAs semi-insulating substrate, 8 is a GaAs layer, and 9 is a GaAs semi-insulating substrate.
Al thin film, 10 is Al oxide film, 11 is GaAs oxide film,
12 is a source electrode, 13 is a drain electrode, 14 is a gate electrode, and 15 is a gate region.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 GaAs半絶縁性基板上に一導電型を有する
GaAs層を形成し該GaAs層のゲート領域部分を途
中までエツチングする工程と、オーミツク電極を
形成すべき領域を除く前記GaAs層上にAl薄膜を
形成する工程と、該Al薄膜を陽極酸化してAl酸
化膜を形成する工程と、前記GaAs層の前記オー
ミツク電極を形成すべき領域に前記陽極酸化によ
つて生じたGaAs酸化膜を除去する工程と、該工
程後に熱処理する工程と、前記GaAs酸化膜を除
去した領域にオーミツク電極を形成し前記ゲート
領域部分の前記Al酸化膜上にゲート電極を形成
する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の
製造方法。
1 One conductivity type on GaAs semi-insulating substrate
A step of forming a GaAs layer and etching the gate region part of the GaAs layer halfway; a step of forming an Al thin film on the GaAs layer except for the area where an ohmic electrode is to be formed; and anodizing the Al thin film. a step of forming an Al oxide film, a step of removing a GaAs oxide film produced by the anodic oxidation in a region of the GaAs layer where the ohmic electrode is to be formed, a step of heat-treating the GaAs oxide film after the step, and A method of manufacturing a semiconductor device, comprising the steps of: forming an ohmic electrode in the region from which the film has been removed; and forming a gate electrode on the Al oxide film in the gate region.
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