DE3231668T - Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Sony Corp. - S82P58PCT12

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement, welches einen Feldeffekttransistor mit Gate-Schutzdiode enthält.

Es ist bekannt, auf einem Substrat aus GaAs und dgl. mit hoher Trägerbeweglichkeit einen Feldeffekttransistor (kurz FET) mit einem Schottky-Sperrschicht-Gate oder PN-Ubergangsgate (nachstehend kurz PN-Gate) auszubilden. Um das FET-Gate vor möglichen Überspannungen zwischen den Gate- und Source-Anschlüssen des FET zu schützen, wird die angelegte Spannung durch eine Schutzdiode geklemmt. Da die Ausbildung einer GaAs-Diode, deren Flußspannung (Spannung in Flußrichtung) niedriger als die des Gate ist, auf derselben Schicht bisher zu schwierig war, mußte eine sparate Silizium-Schutzdiode verwendet und über besondere Anschlußdrähte angeschlossen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit dem Ziel der Vereinfachung derartiger Halbleiterbauelemente einen Weg zu finden, um die Gate-Schutzdiode und den Feldeffekttransistor auf ein und demselben Substrat auszubilden.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ist kurz gefaßt im Patentanspruch angegeben.

Der Grundgedanke der Erfindung geht dahin,auf einer durch Ioneninjektion oder Epitaxialwachstum gebildeten Halbleiterschicht einen FET und eine Diode, deren Sperrspannung kleiner als jene zwischen dem Gate und Kanal des FET ist, zu bilden. Dieses Ziel wird durch Ausbildung einer höheren Verunreinigungskonzentration im Bereich des Diodenübergangs als in dem Bereich des FET-Kanals und/oder durch Wahl einer größeren Dicke in dem Bereich, wo sich die Diode befindet, relativ zur Dicke der FET-Kanalschicht, was einen unterschiedlichen Leitungsmechanismus für die

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Flußspannung zur Folge hat, erreicht.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachstehend unter Bezug auf eine Zeichnung in beispielshafter Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Querschnittsdarstellungen eines ersten

und zweiten Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement. 10

Bei dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist auf einem halbleitendem GaAs-Substrat 1 eine den Kanalbereich eines Feldeffekttransistors (FET) bildende Halbleiterschicht 2 ausgebildet- Der Bereich dieser Halbleiterschicht 2 ist von ähnlichen Halbleiterschichten für andere nicht dargestellte Feldeffekttransistoren auf dem gleichen Substrat durch nicht dotierte Abschnitte des Substrats 1 elektrisch getrennt. Die N-Halbleiterschicht 2 ist durch Injektion von beispielsweise SiIi zium (Si) -Ionen in einer Dosierungsmenge von

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2x10 cm mit einer Energie von 70 keV mit einer Schichtdicke von 0,2 μητ und einer maximalen Verunreinigungs-

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konzentration von 2x10 cm erzeugt worden. Einen Drain-Bereich 3 und einen Source-Bereich 4 bildende Halbleiterbereiche von N-Leitfähigkeitstyp sind im Kontakt mit der Halbleiterschicht 2, und ein von dem FET getrennter Kathodenbereich 5 gehört zu einer Schutzdiode. Die N-Bereiche 3, 4 und 5 sind jeweils durch Injektion von beispielsweise Silizium-Ionen in einer

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Dosierungsmenge von 1 χ 10 cm mit einerEnergie von 200 keV hergestellt, und zwar mit einer Schichtdicke von 0,6 μΐη und einer maximalen Verunreinigungskonzentration

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von 5x10 cm . Außerdem sind Halbleiterbereiche vom P -Leitfähigkeitstyp vorhanden, welche einen mit dem Sourcebereich 4 in Kontakt befindlichen Anodenbereich 6 der Diode bzw. Anodenbereiche 7 und 8 von zwei Serien-

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dioden bilden, die den gemeinsamen Kathodenbereich 5 haben. Die P -Bereiche 6, 7 und 8 sind beispielsweise durch Injektion von Zink (Zn)-Ionen mit einer Dosierungs-

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menge von 2x10 cm und einer Energie von 100 keV hergestellt.

Auf der N-Halbleiterschicht 2 zwischen dem Sourcebereich 4 und Drainbereich 3 befindet sich eine in Verbindung mit einer Metallschicht gebildete Schottky-Sperrschicht, auf welcher durch Aufdampfen von Aluminium beispielsweise mit einer Dicke von 0,6 μπι und einer Breite von 1,5 μπι erste und zweite Gates 12 und 11 des FET gebildet sind. Die Abstände zwischen Source 4 und Gate 12 bzw. zwischen Gate

12 und Gate 11 bzw. zwischen Gate 11 und Drain 3 betragen jeweils 2,5 μπι, 3 μπι bzw. 4 μΐη. Auf den Source- und Drainbereichen 4 und 3 vom N-Typ sind jeweils in ohmschem Kontakt eine Source-Elektrode 14 und eine Drain-Elektrode

13 beispielsweise durch Aufdampfen einer Gold-Germanium-Legierung (Au-Ge) von 0,16 μπι Dicke und von Nickel (Ni) mit einer Dicke von 0,04 μπι und unter Anwendung eines Abhebeverfahrens aufgebracht. Auf den P -Breichen 6, 7 und 8 sind in ohmschem Kontakt durch Aufdampfen von beispielsweise Titan (Ti) mit einer Dicke von 0,05 μΐη und von Gold (Au) mit einer Dicke von 0,45 μπι Elektroden 15, 16 und 17 gebildet. Diese Metalle befinden sich auf den Source- und Drainelektroden 14 und 13 und reduzieren den Leitungswiderstand. Die übrigen Oberflächen des Substrats sind mit einer Schicht aus Siliziumnitrid (Si_N.) zu Schutzzwecken überzogen.

Der P -Bereich 6 und der Source-Bereich 4 bilden einen PN-Übergang 24 einer ersten Schutzdiode, dessen Oberfläche zur Erhöhung der Stromaufnahmefähigkeit zickzackförmig vergrößert ist. Die Anodenelektrode 15 ist durch Verlängerung ihrer Metallschicht auf den Bondierungsabschnitt der Metallschicht des ersten Gate 12 mit demselben elektrisch verbunden. Der N-Bereich 5 und die P -Bereiche

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7 und 8 bilden PN-Ubergänge 25 und 26 von ein zweites Schutzelement bildenden PNP-Seriendioden, bei denen eine Anodenelektrode 17 mit dem zweiten Gate 11 und die andere Anodenelektrode 16 mit der Sourceelektrode 14 verbunden sind.

Erfindungsgemäß sind die übergänge 24, 25 und 26 der Schutzelemente so ausgebildet, daß ihre Flußspannungswerte kleiner, als die Flußspannungswerte der Schottky-Sperrschichten 23 und 22 der Gates 12 und 11 des Feldeffekttransistors sind. Aus diesem Grund haben die N-Leitfähigkeitsbereiche 4 und 5 der Dioden höhere Verunreinigungskonzentrationen und/oder eine größere Dicke (Tiefe) als die Kanal-Halbleiterschicht 2. Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel liegt der Flußspannungswert bei jedem der Ubergangsabschnitte 24, 25 und 26 bei etwa 8,5 V, und dies ist ein Wert, welcher weitgehend mit einem theoretischen Wert übereinstimmt, der sich als Ausbeute bei einem normalen Lawinendurchbruch aufgrund der gewählten Verunreinigungskonzentration ergibt. Um diese Flußspannung niedrig zu halten, ist die Dicke der N-Leitfähigkeitsbereiche 4 und 5 in einem gewissen Maße erhöht worden, um den Einfluß durch Verarmungsschichten an der Oberfläche zu reduzieren. Die P -Anodenbereiche 6, und 8 haben wesentlich größere Verunreinigungskonzentrationen als die N-Leitfähigkeitstypbereiche 4 und 5/ die Verarmungsschichten der übergänge erstrecken sich im wesentlichen auf die PN-Bereiche, und ihre Dicken sind so groß gewählt, daß die übergänge sich nur über eine Seitenoberfläche erstrecken und die Ubergangskapazitäten klein sind.

Die Flußspannungswerte der Sperrschicht-Gate 22 und 2 3 beträgt etwa 20 V bei dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel (bei einer Pinch-0 ff-Spannung von etwa 2 V). Das ist um ein mehrfaches höher als ein bei einem Lawinendurchbruch zu erwartender Wert und führt bei einem

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auftretenden Leckstrom nicht zu spürbaren Flußeigenschaften, wie nachstehend begründet wird. Die Verarmungsschichten erreichen von den Sperrschicht-Gates 22 und zuerst bis zu der Verarmungsschicht im Grenzbereich 21 zwischen der Kanalschicht 2 und dem Substrat 1 durch die Pinch-off-Spannung, und wenn die Spannung größer als diese Pinch-off-Spannung wird, erfolgt eine horizontale Kopplung dieser Verarmungsschichten innerhalb der Kanalschicht 2, wodurch die Stärke des elektrischen Feldes zwischen den Sperrschichten geschwächt wird. Die Erfindung beschränkt sich jedoch keineswegs auf diese Erklärung. Um diese erwähnte Schwächung des elektrischen Feldes zu erreichen, wird eine Kanalschicht 2 mit reduzierter Dicke und/oder verminderter Verunreinigungskonzentration verwendet. Wie oben erläutert, wurden dem Gate des FET einerseits und den Schutzdioden andererseits unterschiedliche Leitungsmechanismen für die Flußspannung verliehen, damit die Dioden kleinere Flußspannungswerte aufweisen als das Gate des FET.

Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ist mittels Epitaxialwachstum im flüssigen oder Dampfzustand hergestellt. In diesem Fall wird die Schichtdicke durch gezieltes Ätzen bestimmt, wie hierzu das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Fig. 2 trägt ein Halbleitersubstrat, beispielsweise GaAs-Substrat auf seiner Hauptoberfläche eine in der Flüssigphase geformte Epitaxialschicht aus beispielsweise GaAs mit hohem Widerstand, auf deren Oberseite wiederum eine Halbleiterschicht 33 vom beispielsweise N-Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist. Auf einem ersten Abschnitt 34a der N-Halbleiterschicht 33 ist ein FET gebildet, beispielsweise ein FET 35 mit Schottky-Sperrschicht-Gate. Auf einem zweiten Abschnitt 3 4b der Schicht 33 ist eine Diode 36 ausgebildet.

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Bei der Produktion des FET 35 wird auf dem ersten Abschnitt 34a der Halbleiterschicht 33 ein Schottky-Metall oder eine Gate-Elektrode 37 aus beispielsweise Al abgelagert, um ein Schottky-Sperrschicht-Gate zu bilden. Beiderseits dieser Gate-Elektrode 37 werden beispielsweise in Form eines Au-Ge-Metallsystems eine Source-Elektrode 38 und eine Drain-Elektrode 39 aufgebracht, um die Gate-Elektrode 37 unter Ohmscher Kontaktierung einzufassen.

Bei der Herstellung der Diode 36 auf dem zweiten Abschnitt 34b der Halbleiterschicht 33 wird beispielsweise durch Ausbildung eines P-Leitfähigkeitsbereiches 40 ein PN-Übergang j zwischen P- und N-Bereichen gebildet. Auf dem P-Bereich wird eine Anodenelektrode 41, und auf dem N-Bereich eine Kathodenelektrode 42 mittels Ohmscher Kontaktierung angebracht.

Gemäß Fig. 2 ist der erste Abschnitt 34a der Halbleiterschicht 33, welcher den FET 35 bildet, beispielsweise dünner als der zweite Abschnitt 34b, welcher die Diode bildet. Wenn die Verunreinigungskonzentration in den ersten und zweiten Abschnitten 34a und 34b beispielsweise

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bei 10 cm gewählt wird, dann erhält der zweite Abschnitt 34b eine Dicke von beispielsweise 0,4 um und der erste Abschnitt 34a eine Dicke von etwa 0,2 μΐη.

Die Haltespannung des Schottky-Sperrschichtgate des FET 35 auf dem so dünn wie beschrieben ausgebildeten Abschnitt 34a der Halbleiterschicht 33 ist um eine mehrfaches größer als der aus der Verunreinigungskonzentration des Abschnitts 34a der Halbleiterschicht 33 zu erwartende theoretische Wert für den Lawinendurchbruch. Wenn die Flußspannung der Schutzdiode erfindungsgemäß niedrig gehalten wird, ist die Ausbildung eines Schottky-Sperrschicht-Gate oder die Kombination von PN-Übergängen unbedenklich möglich.

Claims (1)

1. -w.

   TER MEER-MULLER-STEINMEISTER

   PATENTANWÄLTE - EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

   Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister

   Dipl.-Ing, F. E. Müller _Λ_, , _, ,_

   Triftstrasse A₁ Artur-Ladebeck-Strasse 51

   D-8OÜO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1

   Internationale Anmeldungsnummer PCT/JP82/00033
   P 32 31 668.2
   Case: S82P58PCT12
   MÜ/Gdt/b/vL ⁴· Oktober 1982

   SONY Corporation 7-35 Kitashinagawa 6-chome, Shinagawa-ku, Tokyo, Japan

   Halbleiterbauelement

   Priorität: 5. Februar 1981, Japan, Ser.No. 56-16063

   PATENTANSPRUCH

   Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß

   - auf einem Halbleitersubstrat (31) ein Feldeffekttransistor (35) mit einer Source-, einer Gate- und einer Drainelektrode (38, 37,39) und eine zwischen der Gate- und der Sourceelektrode angeschlossene Diode (41,42) gebildet sind und

   - der Bereich (34b) der Diode, in welchem sich unter dem Einfluß einer auf die Diode einwirkenden Sperrspannung im wesentlichen eine Verarmungsschicht erstreckt, eine größere Dicke und/oder eine höhere Verunreinigungskonzentration hat als ein der Gateelektrode (37) zugekehrter Kanalbereich.