KR100217710B1 - 전계효과 트랜지스터의 제법 - Google Patents
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Abstract
본원 발명은 전계효과 트랜지스터(FET) 특히 III-V족 화합물 반도체, 예를 들면 AIGaAs/InGaAs/GaAs에 의한 왜곡층을 가진 모듈레이션 도프구조의 고전자 이동도트랜지스터(HEMT)의 제법에 관한 것이며, 본원 발명은 III-V족 화합물 기체 상에, III-V족 화합물 반도체로 이루어진 채널형성층과, 이에 비해 밴드갭이 큰 III-V족 화합물 반도체로 이루어진 배리어층을 에피택셜 성장하고, 후의 공정에서 V족 원자를 함유한 분위기 중에서 650 850
Description
제1도는 본원 발명이 적용될 HEMT의 단면도.
제2도는 그 왜곡층 근방의 밴드모델도.
제3도 및 제4도는 본원 발명의 방법에 의해서 얻은 HEMT의 게이트전압에 대한 gm 및의 관계도.
제5도는 열처리온도와 gm의 관계도.
제6도 및 제7도는 각각 열처리온도와 Al 및 In의 확산상수의 관계도.
제8도는 In량 x 및 왜곡과 임계막 두께의 관계도.
제9도는 종래방법에 의해 얻은 왜곡층을 가진 HEMT 노밴드모델도.
제10도는 그 게이트전압 Vg에 대한 gm 및의 관계도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : III-V 족 화합물 반도체 기체 2 : 서브스트레이트
3 : 버퍼층 4 : 기체층
5 : 왜곡층 6 : 스페이서
7 : 베리어층
본원 발명은 전계효과 트랜지스터(FET) 특히 III-V족 화합물 반도체, 예를 들면AIGaAs/InGaAs/GaAs에 의한 왜곡층을 가진 모듈레이션 도프구조의 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)의 제법에 관한 것이다.
본원 발명은 FET의 제법에 관한 것이며, III-V족 화합물 반도체 기체상에, III-V족 화합물 반도체로 이루어진 채널형성층과, 이에 비해 밴드갭이 큰 1의 도전형을 가진 III-V족 화합물 반도체로 이루어진 배리어층을 에피택셜 성장하고, 후의 공정에서 V족 원자를 함유한 분위기 중에서 650 850의 열처리를 행함으로써 광범위한 게이트전압에 대해 전달콘덕턴스 gm의 향상을 도모한다.
종래, 초고주파용 FET로서는 저 잡음특성을 살린 모듈레이션 도프구조의 HEMT의 검토가 활발하게 행하여지고 있다.
제1도는 왜곡층을 가진 일반적인 HEMT(이른바 Psudomorphic HEMT)의 약선적 단면도이며, 예를 들면 GaAs 서브스트레이트(2)상에 초격자(超格子) 구조의 버퍼층(3)을 통해서 반절연성의 예를 들면 GaAs 화합물 반도체층(4)이 에피택시되어 이루어지는 III-V족 화합물 반도체 기체(1)상에 이어지고, 이에 비해 에너지 밴드갭이 작은 논도프의 InGaAs로 이루어지는 왜곡층에 의한 채널형성층(5)과, 극히 얇은 논도프의 스페 이서층(6)과, 1의 도전형 일반에는 Si가 도프된 n형을 가지고, 왜곡층에 의한 채널층 (5)에 비해 에너지밴드갭이 큰 AIGaAs에 의한 배리어층(7)이 연속적으로 에피택시된다. 그리고, 이 배리어층(7)상에 이에 대해 쇼트키접합을 형성하는 쇼트키금속게이트 전극(8)이 피착되며, 이것을 사이에 두고 그 양측에 소스 및 드레인전극(9) 및 (10)이 예를 들면 알로이에 의해 채널형성층(5)에 달하는 깊이로 형성된다.
이 구성에 의한 HEMT는 GaAs 상에 이 보다 격자상수가 큰 InGaAs층을 퇴적시키는 것이지만, 이 두께를 전위(轉位)가 발생하는 막두께(이것을 임계막두께라 함)보다 작게 선정하면, 제9도에 그 밴드 모델도를 도시한 바와 같이, 그 전도대(傳導帶)에 커다란 옵세트전압 ΔEC을 가진 채널을 형성할 수 있으므로, 왜곡층에 의하지 않는 통상의 2차원 전자가스(2DEG)채널에 의한 HEMT에 비해, 전하량을 크게 할 수 있으며, 이로써 전달콘덕턴스 gm를 높일 수 있다고 하는 특징을 갖는다. 제9도에 있어서 EF는 훼미레벨을 표시한다.
그런데, 이 왜곡층을 가진 HEMT는 제10도에 그 게이트전압 Vg에 대한(Ids : 소스 드레인간 전류)와의 관계를 곡선으로(102)으로 또 게이트전압 Vg에 대한 gm(밀리지멘스/mm)를 곡선(101)으로 표시한 바와 같이, Vg가 높아지면 gm이 저하된다고 하는 특성을 나타내며, 이것은 왜곡층에 있어서의 본래의 채널과는 별도로 이것과 평행으로 Vg를 올림으로써 제9도에 쇄선 a로 표시된 바와 같이, 배리어층(7)중에 채널 이른바 파랄렐콘덕턴스가 발생하는 것에 기인한다고 생각된다.
상기와 같이, 왜곡층을 가진 FET 예를 들면 HEMT는 초고주파용으로서의 이점이있기는 하지만, 게이트전압 Vg에 대한 전달콘덕턴스등의 변화가 크다고 하는 문제점이 있다. 따라서, 이 종류의 FET를 리니어 IC 등에 응용할 경우, 동작점에서 게인이 저하되어 버리는 과제가 있다.
본원 발명은 이와 같은 과제의 해결을 도모한다.
즉, 본원 발명에 있어서는 전달콘덕턴스 gm의 향상을 도모하는 동시에 그 게이트전압 의존성이 평탄한 특성을 가진 FET, 예를 들면 왜곡층을 가진 HEMT를 얻을 수 있도록 한다.
본원 발명은 예를 들면 제1도에서 일반적인 HEMT의 약선적 단면도를 도시한 바와 같이, III-V족 화합물 반도체 기체(1)상에, 이에 비해 밴드갭이 작은 III-V족 화합물 반도체로 이루어진 채널형성층(5)과, 이 채널형성층(5)에 비해 밴드갭이 큰 III-V족 화합물 반도체로 이루어진 배리어층(7)을 필요에 따라 언도프의 극히 얇은 스페이서층(6)을 통해서 에피택셜 성장하고, 그 후의 공정에서 이들 III-V족 화합물 반도체 의 V족 원자를 함유한 분위기 중에서 650 850의 열처리를 행한다.
전술한 열처리를 행한 왜곡층을 가진 FET는 gm의 향상과, 게이트전압 Vg 에 대한 gm의 변화의 개선을 도모할 수 있다.
이것은 첫째로 V족의 과잉 증기압 분위기 중에서의 열처리에 의해, III족 원자의 확산이 조장되는 것(Inst. Phys, Conf. Ser. No 96;1988 P393P396 참조)으로부터, 예를 들면 제2도에 도시한 바와 같이 가열전의 실선으로 도시한 모델이 가열 후에 파선 b로 도시한 바와 같이 완만해짐으로써, 배리어층(7)의 두께가 감소되고, 또한 채널층의 두께가 증가되는 것.
둘째로, 이와 같은 III족 원자의 상호 확산에 의해 계면에서의 결정성, 예를 들면 계면의 조성의 불균일이나, 격자 부정합(不整合)으로 인한 결함이 감소되는 것,
셋째로, 열처리에 의해 도팬트의 Si도 채널측에 확산됨으로써 채널중에서 Si가 활성화해서, 이른바 MES(금속-반도체) FET, 접합 FET 등의 도프트채널형의 FET에 특성이 가까워짐으로써 배리어층에 있어서의 채널의 발생, 즉 파랄렐콘덕턴스의 발생이 억제되고, 그리고 또한 채널과 게이트전극이 가까워짐으로써 게이트와 채널의 용량 결합이 커지는 것에 기인한다고 생각된다.
일반적인 HEMT의 단면도를 도시한 제1도를 참조해서 본원 발명에 대하여 왜곡층을 가진 HEMT, 특히 n-AlyGaAsl-yAs/lnxGal-xAs/GaAs에 의한 HEMT를 얻는 경우의 일 실시예를 설명한다.
이 경우 예를 들면 GaAs 서브스트레이트(2)상에 초격자구조의 허퍼층(3)을 통해서 반절연성의 예를 들면 GaAs 화합물 반도체층(4)이 에피택시된 III-V족의 GaAs 화합물 반도체 기체(1)상에, 이어서 GaAs 기체(1)에 비해 에너지 밴드갭이 작은 논도프의 InxGal-x로 이루어진 왜곡층 즉 채널형성층(5)과, 두께 t가 010A 정도의 극히 않은 논도프의 스페이서층(6)과, 1의 도전형 예를 들면 Si가 도프된 n형을 가지며, 채널형성층(5)에 비해 에너지밴드갭이 큰 AlyGal-yAs에 의한 배리어층(7)을 연속적으로 MOCVD(유기금속화학적 기상성장법), MBE(분자선에피택시), LPE(액상에피택시)등에 의해 성장시킨다.
그 후, 그 V족 원자의 As 압력 하에 구체적으로는 AsH3의 오버프레셔(과잉증기 압분위기)하에서의 램프어닐등의 RTA(Rapid Thermal Anneal)로 650 850의 가열을 행한다. 이 경우의 As 분압은 열 처리온도에 있어서의 As 증기압보다 높은 예를 들면 100배 정도의 As 분압으로 한다.
그리고, 배리어층(7)상에 이에 대해, 쇼트키접합을 형성하는 쇼트키금속게이트 전극(8)을 피착하고, 이것을 사이에 두고 그 양측에 소스 및 드레인전극(9) 및 (10)을 예를 들면 알로이에 의해 채널형성층(5)에 달하는 깊이로 형성한다.
이와 같이해서 얻은 HEMT에 있어서, 배리어층(7)의 Al량 y =0.3, 채널형성층 (5)의 In량 x = 0.2으로 하고, 채널형성층(5)의 두께 D를 150로 하고, 게이트길이 Lg 및 Wg를 Lg = 1Wg = 100㎛로 했을 때의 그 열처리를 750, 10초간 행한 경우와, 850, 10초간 행한 경우의 각각의 Vg에 대한 gm 및를 제3도 및 제4도에 도시한다. 곡선(31) 및 (41)은 gm-Vg 곡선, (32) 및 (42)는-Vg 곡선을 도시한다.
상기 제10도중 곡선(101) 및 (102)는 각각 이 HEMT의 열처리전의 같은 gm-Vg 및-Vg 곡선이며, 이들을 비교해서 명백한 바와 같이, 열처리를 행하는 본원 발명방법에 의해 얻어진 HEMT에 의한 경우, Vg를 높여 갔을 때의 gm의 저하를 각별히 작게 억제할 수 있었다.
또한, 제5도는 이 열처리(어닐)온도와 gm의 관계의 측정결과를 InO. 20Ga0.80As의 왜곡층(5)의 두께 D를 각각 50A(표로 플롯), 150(▲ 표로 플롯)에 대하여 도시한 것으로, 열처리에 의해 gm의 향상을 기할 수 있다.
또한, In0.2Ga0.8As에 의한 왜곡층(5)의 두께 D를 변화시켰을 때의 왜곡층(5)으로부터 AI0.3Ga0.7As 배리어층(7)에의 Al의 확산과, 같은 배리어층(7)에서 왜곡층(5)으로의 Al의 확산과 열처리 온도와의 관계의 측정 결과를 제6도 및 제7도에 각각 D =300Å를 □ 표, D = 200Å를 △표, D = 100Å.를 O로 표시한다. 이들에 의하면 처리온도를 높일수록 확산 상수는 커지지만, 동시에 막두께가 커짐에 따라 그 확산이 크게 되어 있다. 즉, 이들 확산은 막두께에 의존하고 있으며, 이 막두께가 완전히 전위가 발생하여 왜곡이 개방되는 두께 이하, 즉 임계막 두께 이하이며, 그 두께가 두꺼울수록 In 및 Al의 확산이 양호하게 이루어지게 되고, 이 HEMT가 제2도에서 설명한 바와 같이 밴드갭의 옵세트부에서 완만하게, 바꾸어 말하면 통상의 도프트채널 FET의 특성에 가까워진다고 생각된다. 즉, 파랄렐콘덕턴스의 발생이 회피되어 게이트전압 Vg에 대한 전달콘덕턴스 gm의 의존성을 양호하게 개선할 수 있게 된다.
또한, 이 왜곡층(5)의 전위가 생기는 임계막 두께는 실제로는 어떤 막두께로 급격하게 전위가 발생한다는 확실한 것은 아니고, 서서히 전위의 발생을 볼 수 있다고 하는 류의 것으로서, 다시 이 왜곡층(5)의 발생은 InxGal-xAs에 있어서 x의 값이 x =0.2정도로 작은 것에 있어서도 200∼250에서 약간의 전위의 발생을 볼 수 있다.
지금 x의 값이 0.2로 선정되면, 계산상으로는 채널을 형성하는 양자(量子)우물 의 전자가 최대로 축적되는 폭 D는 150의 되지만(1987 IEDM(International Electron Device Meeting) P4l8P428 참조), 실제상은 전자 이동도등의 특성을 감안하여, x및 D의 선정이 이루어진다. 그러나, 제9도에 그 In 의 함유량 x 및 왜곡(Δa/a :a는 GaAs의 격자상수, Δa는 GaAs와 InGaAs의 각 격자상수의 차)와, 임계막 두께의 관계를 도시한 바와 같이 빗금을 그은 부분이 전위의 발생을 거의 볼 수 없는 영역이며, 따라서 왜곡층을 가진 HEMT에 있어서는 이 빗금범위이며, 또한 왜곡(strain)이 4%이하로 선정된다.
상기 본원 발명 방법에 의한 FET, 예를 들면 InGaAs에 의한 HEMT는 이것이 왜곡층을 가진 HEMT이므로 상기 갭의 ΔEC가 크고, 그 2차원 전자가스농도를 높일 수 있는 동시에, 전자수송특성에 뛰어난 InGaAs를 사용한 것에 의한 고전달 콘덕턴스 gm가 얻어지며 , 이것에 의해 fT(fT = gm/2Cgs, 여기서 Cgs는 게이트소스간 용량)의 향상, 따라서 고속성, 고성능성이 있으나 그밖에 본원 발명의 방법에서는 그 채널형성 왜곡층(5)의 두께의 선정 및 열처리에 의해 게이트전압 Vg에 대한 gm의 변화를 억제할 수 있었던 것이다.
또한 전술한 예에서는 n-AIGaAs/lnGaAs/GaAs의 왜곡층을 가진 HEMT에 본원 발명을 적용한 경우이지만, 다른 III-V족 화합물 반도체의 왜곡층을 가진, 또는 갖지 않은 통상의 HEMT등의 FET에 적용할 수 있다.
또한, 전술한 예에서는 각 층(3)(7)의 에피택시 후에 V족 원자를 함유한 분위기 중에서의 열처리를 행한 경우이지만, 이들 층의 형성후의 예를 들면 소스드레인부에 게이트전극을 마스크로서 저저항화를 위한 이온주입을 행할 경우의 어닐처리시에 행할 수도 있는 등 다른 열처리공정과 겸하게 할 수도 있다.
전술한 본원 발명의 방법에 의하면, 높은 gm, ft가 얻어지는 동시에, V족 원자를 함유한 분위기 중에서의 열처리를 행한 것에 의해 III족 원자의 이동을 활성으로 하고, 예를 들면 n-AIGaAs/lnGaAs/GaAs계의 HEMT 에 있어서, 그 Al, In의 확산을 높이고, 다시 그 열처리에 의해 예를 들면 n-AIGaAs 중의 도팬드로서의 Si의 확산에 의해 도프트·채널과 같은 특성을 나타내고, 파랄렐콘덕턴스 발생을 억제할 수 있으며, 게이트전압 Vg에 대한 gm의 변화를 억제할 수 있으므로 리니어 ft등에 적용해서 동작점에서 개인의 저하를 초래하는 등의 문제를 회피할 수 있으며, 실용상 커다란 이점을 줄 수 있다.
Claims (1)
- III-V족 화합물 반도체 기판 상에, III-V족 화합물 반도체로 이루어진 채널형성층과, 이에 비해 밴드갭이 큰 III-V족 화합물 반도체로 이루어진 배리어층을 에피택셜 성장하고, 후의 공정에서 V족 원자를 함유한 분위기 중에서 650 850의 열처리를 행하는 것을 특징으로 하는 전계 효과 트랜지스터의 제법.
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E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
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LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |