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JP3405684B2 - Field effect transistor and method of manufacturing the same - Google Patents
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JP3405684B2 - Field effect transistor and method of manufacturing the same - Google Patents

Field effect transistor and method of manufacturing the same

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JP3405684B2
JP3405684B2 JP27689298A JP27689298A JP3405684B2 JP 3405684 B2 JP3405684 B2 JP 3405684B2 JP 27689298 A JP27689298 A JP 27689298A JP 27689298 A JP27689298 A JP 27689298A JP 3405684 B2 JP3405684 B2 JP 3405684B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は電界効果トランジス
タとその製造方法に関し、特にシリコン基板上に形成し
た化合物半導体層を動作層とする電界効果トランジスタ
(Field Effect Transistor )に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field effect transistor and a method for manufacturing the same, and more particularly to a field effect transistor having a compound semiconductor layer formed on a silicon substrate as an operating layer.

【0002】[0002]

【従来技術および発明が解決しようとする課題】化合物
半導体を用いた半導体装置は、一般にシリコン半導体に
比べて、高速、高周波域で動作することが可能であり、
高速デジタル信号処理用、あるいはマイクロ波増幅用な
どの高速、高周波トランジスタとして用いられ、MES
(MetalSemiconductor )FETやHEMT(High Elec
tron Mobility Transistor )など、その利用分野は次
第に広がっている。
2. Description of the Related Art Semiconductor devices using compound semiconductors are generally capable of operating at higher speeds and higher frequencies than silicon semiconductors.
Used as a high-speed and high-frequency transistor for high-speed digital signal processing or microwave amplification.
(Metal Semiconductor) FET and HEMT (High Elec
Its fields of use, such as tron Mobility Transistor, are gradually expanding.

【0003】にもかかわらず、化合物半導体のみによる
バルク基板の口径は未だ3〜4インチ程度であり、大口
径化、低価格化が達成されているシリコン基板と比較し
て、その上に形成される半導体装置の量産化を困難とす
る一因となっている。
Nevertheless, the diameter of the bulk substrate made only of the compound semiconductor is still about 3 to 4 inches, which is formed on the silicon substrate, which is larger in diameter and lower in price than the silicon substrate. This is one of the factors that make mass production of semiconductor devices difficult.

【0004】そこでシリコン基板上にエピタキシャル成
長法によってIII −V族化合物半導体層をエピタキシャ
ル成長させた化合物半導体基板が注目されている。シリ
コン基板上に化合物半導体をエピタキシャル成長させる
ことで化合物半導体層を有する基板の大口径化と低コス
ト化が可能となる。また、シリコン基板上に化合物半導
体層を形成した基板は、機械的強度に優れ、且つ熱伝導
性が高く、半導体装置を形成した際の放熱性に優れ、ハ
ンドリングが容易であるなどの特徴を有する。また、化
合物半導体は光学特性と電気特性を併せ持つため、シリ
コン基板上に優れた結晶性の化合物半導体層が成長でき
れば、MESFETやHEMTなどの電子デバイスとL
EDやLDなどの光デバイスを同一基板上に作製した光
・ 電子混成デバイスを作製することも可能となる。
Therefore, a compound semiconductor substrate in which a III-V group compound semiconductor layer is epitaxially grown on a silicon substrate by an epitaxial growth method is drawing attention. By epitaxially growing a compound semiconductor on a silicon substrate, it is possible to increase the diameter of a substrate having a compound semiconductor layer and reduce the cost. In addition, a substrate in which a compound semiconductor layer is formed on a silicon substrate has characteristics such as excellent mechanical strength and high thermal conductivity, excellent heat dissipation when a semiconductor device is formed, and easy handling. . In addition, since compound semiconductors have both optical and electrical characteristics, if an excellent crystalline compound semiconductor layer can be grown on a silicon substrate, electronic devices such as MESFETs and HEMTs and L
It is also possible to manufacture an optical / electronic hybrid device in which optical devices such as ED and LD are manufactured on the same substrate.

【0005】しかしながら、シリコン基板上に化合物半
導体を形成した化合物半導体基板の短所としてはシリコ
ン基板上に化合物半導体層をヘテロエピタキシャル成長
させる際の初期成長時の温度履歴のために、化合物半導
体層にシリコン原子が拡散侵入して、これが化合物半導
体に対してドーパントとなって化合物半導体層が低抵抗
化し、デバイス特性が悪化するという問題があった。
However, a disadvantage of the compound semiconductor substrate in which the compound semiconductor is formed on the silicon substrate is that a silicon atom is formed in the compound semiconductor layer due to the temperature history at the initial growth when the compound semiconductor layer is heteroepitaxially grown on the silicon substrate. However, there is a problem that the compound semiconductor layer is diffused and invaded, and serves as a dopant for the compound semiconductor to lower the resistance of the compound semiconductor layer, thereby deteriorating the device characteristics.

【0006】すなわち、シリコン基板上に化合物半導体
を積層して形成し、この化合物半導体層を動作層とする
電界効果トランジスタを形成した場合、シリコン基板と
化合物半導体の界面が充分高抵抗とならないため、ピン
チオフ特性の低下、しきい値のシフト、ドレインコンダ
クタンスの増加を引き起こし、素子性能を低下させる。
また、素子を高集積化した場合、素子の分離特性の低
下、集積回路の動作不良、消費電力の増加、遅延時間の
増加などの性能低下をもたらす。
That is, when a compound semiconductor is laminated on a silicon substrate to form a field effect transistor having this compound semiconductor layer as an operating layer, the interface between the silicon substrate and the compound semiconductor does not have sufficiently high resistance. It causes deterioration of pinch-off characteristics, shift of threshold value, increase of drain conductance, and deterioration of device performance.
Further, when the elements are highly integrated, performance degradation such as deterioration of isolation characteristics of the elements, malfunction of the integrated circuit, increase of power consumption, increase of delay time and the like are brought about.

【0007】そこで、文献、 C.B. Wheeler et al.; IE
EE ELECTON DEVICE LETTERS VOL.18. NO4,(1997)に
は、導電性GaAs基板を用いたGaAsMESFET
のチャネル直下にAlAs層を形成し、AlAs層まで
メサエッチングした後、AlAsをウエット酸化するこ
とにより、チャネル部を導電性のGaAs基板から電気
的に分離した後に研磨し、シリコン基板と貼り合わせる
技術が開示されている。
Then, the literature, CB Wheeler et al .; IE
EE ELECTON DEVICE LETTERS VOL.18. NO4, (1997) is a GaAs MESFET using a conductive GaAs substrate.
A technique to form an AlAs layer just below the channel, mesa-etch to the AlAs layer, and wet-oxidize AlAs to electrically separate the channel portion from the conductive GaAs substrate and then polish and bond it to the silicon substrate. Is disclosed.

【0008】しかしながら、上記文献では、ゲート長3
μm、ゲート幅100μmのMESFETにおける電流
値および相互コンダクタンスgmの低下が見られること
が報告されている。GaAs基板上に形成されたゲート
長3μmのMESFETでは、相互コンダクタンスgm
は通常70〜90mS/mmであるが、上記文献のME
SFETは最大値で50mS/mm程度にすぎず、ゲー
ト電圧Vgsに対する均一性も悪い。また、ドレイン電
流の明らかな減少が見られている。
However, in the above document, the gate length is 3
It has been reported that a decrease in the current value and the transconductance gm is observed in the MESFET having a μm and a gate width of 100 μm. In a MESFET with a gate length of 3 μm formed on a GaAs substrate, the mutual conductance gm
Is usually 70 to 90 mS / mm, but the ME of the above document
The maximum value of the SFET is only about 50 mS / mm, and the uniformity with respect to the gate voltage Vgs is poor. Also, a clear decrease in drain current is seen.

【0009】チャネル直下にAlAs層を設けて酸化し
た場合の特性劣化の原因について以下に簡単に述べる。
チャネル直下に酸化したAlAs層を形成した場合のド
レイン電流の減少の原因をC.B. Wheeler et al. は、チ
ャネル直下にAlAs層を形成したため、GaAsチャ
ネルと酸化されたAlAsとの界面の状態の影響を受け
ている可能性があると指摘している。
The cause of the characteristic deterioration when the AlAs layer is provided immediately below the channel and is oxidized will be briefly described below.
The cause of the decrease in drain current when an oxidized AlAs layer is formed directly under the channel is that CB Wheeler et al. Formed the AlAs layer directly under the channel. Therefore, the influence of the state of the interface between the GaAs channel and the oxidized AlAs is considered. He points out that he may have received it.

【0010】しかし、本発明者が鋭意研究を重ねた結
果、チャネル直下に酸化したAlAs層を形成した場合
にトランジスタの特性が悪化するのは、チャネル層中の
ドナーが熱処理により不活性化して、移動度が低下する
ためであることを突き止めた。すなわち、チャネル直下
に酸化したAlAs層を形成する場合には、超純水とA
lAsとの化学反応により、水素ラジカルなどが生成し
てそれがチャネル内のSiGa−H間に強い結合を形成
し、SiGa−As結合は大きく伸びて弱くなる。この格
子緩和の結果、SiGaの浅いドナー準位は消失して電気
的に不活性となり、良好なピンチオフ特性にもかかわら
ず、キャリア密度の減少に起因するドレイン電流の減少
が見られ、相互コンダクタンスの減少を引き起こしたた
めであると考えられる。
However, as a result of intensive studies by the present inventors, the characteristics of the transistor are deteriorated when the oxidized AlAs layer is formed immediately below the channel because the donor in the channel layer is inactivated by heat treatment. It was discovered that this was due to a decrease in mobility. That is, when forming an oxidized AlAs layer directly under the channel, ultrapure water and A
Hydrogen radicals and the like are generated by the chemical reaction with 1As to form strong bonds between Si Ga and H in the channel, and the Si Ga and As bonds are greatly extended and weakened. As a result of this lattice relaxation, the shallow donor level of Si Ga disappears and becomes electrically inactive, and despite the good pinch-off characteristics, a decrease in drain current due to a decrease in carrier density is observed, and the transconductance is reduced. It is thought that this is because it caused a decrease in

【0011】ここでは、良く知られているInAlAs
/InGaAs混晶系における350℃以上の熱処理に
よるドナーの不活性化(InAlAs層中のシリコンが
フッ素と結合して熱処理中に不活性化)と類似の現象が
起こっていると推測される。
Here, the well-known InAlAs
It is presumed that a phenomenon similar to the inactivation of the donor by the heat treatment at 350 ° C. or higher in the In / InGaAs mixed crystal system (the silicon in the InAlAs layer is bound to fluorine and is inactivated during the heat treatment).

【0012】本発明はこのような従来技術の問題点に鑑
みてなされたものであり、チャネル層、あるいは電子供
給層中のドナーがAlx Ga1-x As層(0.9≦x≦
1)の熱処理中に不活性化することによって生じる不具
合を解消した電界効果トランジスタ及びその製造方法を
提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems of the prior art. The donor in the channel layer or the electron supply layer is an Al x Ga 1-x As layer (0.9 ≦ x ≦).
It is an object of the present invention to provide a field effect transistor and a method for manufacturing the same, which solves the problem caused by inactivation during the heat treatment of 1).

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1に係る電界効果トランジスタでは、シリコ
ン基板上に化合物半導体からなるバッファ層とチャネル
層を積層して形成すると共に、このチャネル層上にゲー
ト電極を形成した電界効果トランジスタにおいて、前記
バッファ層中にAlx Ga1-x As(0.9≦x≦1)
の酸化膜を設け、この酸化膜と前記チャネル層との間
に、このチャネル層よりも電子親和力が大きい不純物拡
散防止層を設けた。
To achieve the above object, in a field effect transistor according to a first aspect of the present invention, a buffer layer made of a compound semiconductor and a channel layer are laminated on a silicon substrate and the channel is formed. In a field effect transistor in which a gate electrode is formed on a layer, Al x Ga 1-x As (0.9 ≦ x ≦ 1) in the buffer layer
And an impurity diffusion prevention layer having an electron affinity larger than that of the channel layer is provided between the oxide film and the channel layer.

【0014】また、請求項3に係る電界効果トランジス
タでは、シリコン基板上に化合物半導体からなるバッフ
ァ層とチャネル層を積層して形成すると共に、このチャ
ネル層上にゲート電極を形成した電界効果トランジスタ
において、前記バッファ層中にAlx Ga1-x As
(0.9≦x≦1)の酸化膜を設け、この酸化膜と前記
チャネル層との間に、互いに電子親和力の異なる2種類
以上の化合物半導体層を交互に1 対以上積層して形成し
た不純物拡散防止層を設けた。
Further, in the field effect transistor according to claim 3, a buffer layer made of a compound semiconductor and a channel layer are laminated and formed on a silicon substrate, and a gate electrode is formed on the channel layer. , Al x Ga 1-x As in the buffer layer
An oxide film of (0.9 ≦ x ≦ 1) is provided, and one or more pairs of compound semiconductor layers having different electron affinities are alternately laminated between the oxide film and the channel layer. An impurity diffusion prevention layer was provided.

【0015】さらに、請求項5に係る電界効果トランジ
スタの製造方法では、シリコン基板上に化合物半導体か
らなるバッファ層とチャネル層を積層して形成した後
に、このチャネル層上にゲート電極を形成する電界効果
トランジスタの製造方法において、前記シリコン基板上
に500Å以上のAlx Ga1-x As層(0.9≦x≦
1)を含むバッファ層とチャネル層を形成した後、トラ
ンジスタが形成される領域上に絶縁膜を形成して、それ
以外の領域を前記Alx Ga1-x As層(0.9≦x≦
1)までエッチング除去した後、この残ったAlx Ga
1-x As層(0.9≦x≦1)をウエット酸化する。
Further, in the method of manufacturing a field effect transistor according to the present invention, an electric field for forming a gate electrode on the channel layer after the buffer layer and the channel layer made of a compound semiconductor are laminated on the silicon substrate. In the method of manufacturing an effect transistor, an Al x Ga 1-x As layer of 500 Å or more (0.9 ≦ x ≦ is formed on the silicon substrate.
After forming a buffer layer and a channel layer containing 1), an insulating film is formed on a region where a transistor is formed, and the other region is formed on the Al x Ga 1-x As layer (0.9 ≦ x ≦).
After etching to 1), the remaining Al x Ga
The 1-x As layer (0.9 ≦ x ≦ 1) is wet-oxidized.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】図1は、請求項1に係る電界効果
トランジスタの実施例の断面図である。高抵抗シリコン
基板またはn型Si基板1の上にアンドープGaAs層
2、4、6を0.1μm〜2μm、AlAsの酸化膜
3、さらにアンドープGaAs層4、6の間に、アンド
ープIn0.2 Ga0.8 As層5を100Å程度挿入して
バッファ層が形成されており、その上に動作層となるn
−GaAs活性層7、およびn+−GaAsコンタクト
層8が形成されており、このコンタクト層8上にオーミ
ック電極10、11、活性層7上にゲート電極12が形
成されている。このように、AlAs層3とチャネル層
7との間に、Iny Ga1-y As(y=0.2)層5を
形成した。このIny Ga1-y As層5の膜厚は、格子
不整合によって転位が発生する膜厚より小さく形成され
るが、膜厚が小さすぎる場合や、In組成yが小さすぎ
る場合には、巨視的にGaAs層のみの場合と同等とな
り、特性劣化を低減できない。そのため、チャネル内の
移動度劣化が起こらない範囲でIn組成yおよび膜厚が
選択される。また、Iny Ga1-y As層5を2層以上
挿入しても良い。
1 is a sectional view of an embodiment of a field effect transistor according to claim 1. Undoped GaAs layers 2, 4 and 6 of 0.1 μm to 2 μm on the high resistance silicon substrate or the n-type Si substrate 1, an AlAs oxide film 3, and undoped In 0.2 Ga 0.8 between the undoped GaAs layers 4 and 6. A buffer layer is formed by inserting about 100 Å the As layer 5, and n serving as an operation layer is formed thereon.
A -GaAs active layer 7 and an n + -GaAs contact layer 8 are formed, and ohmic electrodes 10 and 11 are formed on the contact layer 8 and a gate electrode 12 is formed on the active layer 7. Thus, the In y Ga 1-y As (y = 0.2) layer 5 was formed between the AlAs layer 3 and the channel layer 7. The thickness of the In y Ga 1-y As layer 5 is smaller than the thickness at which dislocations occur due to lattice mismatch, but if the thickness is too small or the In composition y is too small, Macroscopically, it is equivalent to the case where only the GaAs layer is used, and the characteristic deterioration cannot be reduced. Therefore, the In composition y and the film thickness are selected within a range where mobility deterioration in the channel does not occur. Also, two or more In y Ga 1-y As layers 5 may be inserted.

【0017】このIny Ga1-y As層5は、不純物で
ある水素ラジカルなどの拡散防止層としての役割を果た
し、チャネル内のSiGa−H間の強い結合が形成される
のを有効に防止でき、熱処理によるドナーの不活性化は
起こらない。
The In y Ga 1-y As layer 5 plays a role of a diffusion preventing layer for hydrogen radicals, which are impurities, and effectively forms a strong bond between Si Ga and H in the channel. It can be prevented and donor inactivation due to heat treatment does not occur.

【0018】上記実施例では、GaAsをチャネル層7
とし、InGaAsを水素ラジカルなどの不純物拡散防
止層5とした例を述べたが、この不純物拡散防止層5と
しては、チャネル層7よりも電子親和力が大きいもので
あればよい。電子親和力χeとは、真空準位と伝導帯底
のエネルギー差で定義される。このような層の挿入によ
り、水素ラジカルなどの拡散は妨げられる。例えば、チ
ャネル層にIn0.15Ga0.85As層を用いた場合、In
0.35Ga0.65As層などを挿入してもよい。
In the above embodiment, GaAs is used as the channel layer 7.
Although the example in which InGaAs is used as the impurity diffusion preventing layer 5 such as hydrogen radicals has been described above, the impurity diffusion preventing layer 5 may have any electron affinity higher than that of the channel layer 7. The electron affinity χe is defined by the energy difference between the vacuum level and the bottom of the conduction band. The insertion of such a layer prevents diffusion of hydrogen radicals and the like. For example, when an In 0.15 Ga 0.85 As layer is used for the channel layer, In
A 0.35 Ga 0.65 As layer or the like may be inserted.

【0019】図2は、請求項3に係る電界効果トランジ
スタの一実施形態を示す断面図である。高抵抗シリコン
基板またはn型Si基板1の上にアンドープGaAs層
2を0.1μm〜2μm、酸化したAlAs層3、さら
にGaAsおよびAl0.2 Ga0.8 Asをそれぞれ15
0〜300Åずつ相互に3対挿入して形成した超格子層
13の順にバッファ層が形成されており、その上に動作
層となるn−GaAs活性層7、およびn+ −GaAs
コンタクト層8が形成されており、コンタクト層8上に
オーミック電極10、11、活性層7上にゲート電極1
2が形成されている。
FIG. 2 is a sectional view showing an embodiment of the field effect transistor according to claim 3. On the high resistance silicon substrate or the n-type Si substrate 1, an undoped GaAs layer 2 of 0.1 μm to 2 μm, an oxidized AlAs layer 3, and 15 GaAs and Al 0.2 Ga 0.8 As, respectively.
A buffer layer is formed in the order of a superlattice layer 13 formed by inserting three pairs of 0 to 300Å into each other, and an n-GaAs active layer 7 serving as an operating layer and an n + -GaAs layer are formed thereon.
The contact layer 8 is formed, the ohmic electrodes 10 and 11 are formed on the contact layer 8, and the gate electrode 1 is formed on the active layer 7.
2 is formed.

【0020】このように、AlAs層3とチャネル層7
との間に、GaAsおよびAl0.2Ga0.8 Asをそれ
ぞれ150〜300Åずつ相互に3対挿入して水素ラジ
カルなどの不純物拡散防止層13を形成した。
As described above, the AlAs layer 3 and the channel layer 7 are formed.
And GaAs and Al 0.2 Ga 0.8 As of 150 to 300 Å are inserted in three pairs each to form an impurity diffusion preventing layer 13 such as hydrogen radicals.

【0021】このような不純物拡散防止層13は、互い
に電子親和力χe の異なる2種類以上の化合物半導体層
が交互に1対以上形成された超格子層が用いられる。こ
のような不純物拡散防止層13は、格子定数が大きく異
ならない化合物半導体が好適に用いられる。
As such an impurity diffusion preventing layer 13, a superlattice layer in which one or more pairs of compound semiconductor layers of two or more kinds having different electron affinities χe are alternately formed is used. For such an impurity diffusion prevention layer 13, a compound semiconductor whose lattice constants do not differ greatly is preferably used.

【0022】図3に化合物半導体の電子親和力χe (e
V)と格子定数d(Å)を示す。図3からわかるよう
に、AlGaAs/GaAsの他に、例えばInP/I
nGaAs、AlGaP/GaP、AlGaSb/Ga
Sbなどを用いることもできる。それに対し、格子定数
差が比較的大きいInGaAs/GaAs、InAlA
s/InAs、InGaSb/InSbなどを用いても
よい。これらの超格子層の場合、格子不整合による転位
が発生しないように、また巨視的に超格子層を形成しな
い場合と同等とならないようにそれぞれの膜厚と組成比
に留意して形成しなければならない。
FIG. 3 shows the electron affinity χ e (e
V) and the lattice constant d (Å) are shown. As can be seen from FIG. 3, in addition to AlGaAs / GaAs, for example, InP / I
nGaAs, AlGaP / GaP, AlGaSb / Ga
Sb or the like can also be used. On the other hand, InGaAs / GaAs and InAlA, which have a relatively large difference in lattice constant,
You may use s / InAs, InGaSb / InSb, etc. In the case of these superlattice layers, dislocations due to lattice mismatch should not occur, and the film thickness and composition ratio should be carefully formed so as not to be equivalent to the case where macroscopically no superlattice layer is formed. I have to.

【0023】これらの不純物拡散防止層13は、不純物
である水素ラジカルなどの拡散防止層としての役割を果
たし、チャネル内のSiGa−H間に強い結合が形成され
るのを有効に防止できるため、熱処理によるドナーの不
活性化は起こらない。
These impurity diffusion preventing layers 13 function as diffusion preventing layers for hydrogen radicals, which are impurities, and can effectively prevent the formation of strong bonds between Si Ga and H in the channel. The heat treatment does not inactivate the donor.

【0024】次に、Iny Ga1-y As層を挿入する場
合を例として、その製造方法を図4に基づいて説明す
る。なお、不純物拡散防止層13を設ける場合もほぼ同
様である。化合物半導体層2〜8は、シリコン基板1を
カーボンサセプタ上に設置し、有機金属材料を加熱分解
して他の有機金属材料構成元素と高温で反応させる有機
金属化学気相成長法(MOCVD法)で形成される。
Next, a method of manufacturing the In y Ga 1-y As layer will be described with reference to FIG. 4 as an example. The same applies when the impurity diffusion preventing layer 13 is provided. The compound semiconductor layers 2 to 8 are metal organic chemical vapor deposition (MOCVD method) in which the silicon substrate 1 is placed on a carbon susceptor, and the organic metal material is decomposed by heating to react with other organic metal material constituent elements at high temperature. Is formed by.

【0025】すなわち、MOCVD法により、面方位が
(100)またはこれに数度のオフ角のついた抵抗率1
2 〜103 Ωcmの高抵抗Si基板1を900〜95
0℃で熱処理した後に、温度を400〜450℃に下げ
て保持し、GaAsを100〜200Å成長して650
℃まで昇温し、アンドープGaAs層2、アンドープA
lAs層3、アンドープGaAs層4、アンドープIn
y Ga1-y As層5、アンドープGaAs層6の順に積
層してバッファ層2〜6を形成する。このバッファ層2
〜6上には、キャリア密度が1〜5×1017cm-3程度
のn−GaAs活性層7が形成される。この活性層7は
MESFETのチャネルとして機能する。さらにこの上
には、n+ −GaAsコンタクト層8が形成される。
That is, by the MOCVD method, the surface orientation is (100) or a resistivity 1 with an off angle of several degrees is 1
The high resistance Si substrate 1 of 0 2 to 10 3 Ωcm is set to 900 to 95
After heat treatment at 0 ° C, the temperature is lowered to 400 to 450 ° C and kept, and GaAs is grown to 100 to 200Å and 650
Undoped GaAs layer 2, undoped A
lAs layer 3, undoped GaAs layer 4, undoped In
The y- Ga 1-y As layer 5 and the undoped GaAs layer 6 are stacked in this order to form buffer layers 2 to 6. This buffer layer 2
An n-GaAs active layer 7 having a carrier density of about 1 to 5 × 10 17 cm −3 is formed on the layers 6 to 6. This active layer 7 functions as a channel of MESFET. Further, an n + -GaAs contact layer 8 is formed on this.

【0026】このように化合物半導体層2〜8をシリコ
ン基板1上に形成すると、シリコン基板1と化合物半導
体層2〜8の界面のシリコン基板1側には砒素が拡散
し、化合物半導体層2側にはシリコンが拡散する。この
ような相互拡散によって低抵抗層1a、2aが形成され
る。
When the compound semiconductor layers 2 to 8 are thus formed on the silicon substrate 1, arsenic diffuses to the silicon substrate 1 side at the interface between the silicon substrate 1 and the compound semiconductor layers 2 to 8, and the compound semiconductor layer 2 side. Silicon diffuses into the. The low resistance layers 1a and 2a are formed by such mutual diffusion.

【0027】しかしながら、以下の〜に従ってAl
As層3を酸化することにより、この低抵抗層1a、2
aはデバイスの電気特性には影響を与えないようにする
ことができる。
However, according to the following
By oxidizing the As layer 3, the low resistance layers 1a, 2
a can be such that it does not affect the electrical properties of the device.

【0028】まず、約0.3μmの厚みを有するSi
2 からなる絶縁膜9をCVD法またはスパッタリング
法により全面に形成する(図4(b)参照)。
First, Si having a thickness of about 0.3 μm
An insulating film 9 made of O 2 is formed on the entire surface by a CVD method or a sputtering method (see FIG. 4B).

【0029】素子を形成する領域以外の部分にフォト
レジスト開口パターン(不図示)を形成し、SiO2
9をバッファフッ酸によりエッチングする(図4(c)
参照)。CDE法やRIE法などを用いてもよい。
A photoresist opening pattern (not shown) is formed in a portion other than the region where the element is formed, and the SiO 2 film 9 is etched with buffer hydrofluoric acid (FIG. 4C).
reference). The CDE method or the RIE method may be used.

【0030】りん酸、過酸化水素、水の混合液などを
エッチャントとして、AlAs層3が完全にエッチング
されるまで化合物半導体層3〜8をエッチングした後
に、レジスト(不図示)を除去する。エッチングの深さ
は、さらに深くしてもよい。
The compound semiconductor layers 3 to 8 are etched until the AlAs layer 3 is completely etched using a mixed solution of phosphoric acid, hydrogen peroxide and water as an etchant, and then the resist (not shown) is removed. The etching depth may be deeper.

【0031】AlAs層3のウエット酸化を行う。ま
ず、基板1を石英チューブの加熱炉に入れ、95℃の恒
温槽中の超純水に窒素ガスを毎分6リットル、バブリン
グし、蒸気をチューブ炉内に供給して450℃で30分
〜40分酸化する。このようなウエット酸化ではAlA
s層3を500Å以上形成したため、ほぼ反応律則でA
lAs層3の酸化が基板1と平行に進み、不要な拡散を
比較的小さくできる。このようにAlAs層3は素子が
形成されるほぼ全域にわたって酸化されて、1011Ωc
m以上の抵抗率となり、それよりも上層の化合物半導体
層4〜8は基板1と電気的にほぼ隔離される。酸化時間
は1素子の大きさなどによって適宜調節すればよい。こ
のような熱処理により、InGaAs層5が不純物の拡
散を防止するための層としての役割を果たすため、チャ
ネル層7が劣化することはない。なお、GaAsが酸化
されることはない。
Wet oxidation of the AlAs layer 3 is performed. First, the substrate 1 was placed in a quartz tube heating furnace, 6 liters / minute of nitrogen gas was bubbled into ultrapure water in a constant temperature bath at 95 ° C., and steam was supplied into the tube furnace for 30 minutes at 450 ° C. Oxidize for 40 minutes. In such wet oxidation, AlA
Since the s-layer 3 was formed to 500 Å or more, A
Oxidation of the 1As layer 3 proceeds in parallel with the substrate 1, and unnecessary diffusion can be made relatively small. In this way, the AlAs layer 3 is oxidized over almost the entire area where the device is formed, so that 10 11 Ωc
The resistivity is equal to or higher than m, and the compound semiconductor layers 4 to 8 which are higher than the resistivity are substantially electrically isolated from the substrate 1. The oxidation time may be appropriately adjusted depending on the size of one element. By such heat treatment, the InGaAs layer 5 serves as a layer for preventing diffusion of impurities, and therefore the channel layer 7 is not deteriorated. In addition, GaAs is not oxidized.

【0032】ゲート電極12を形成するためのフォト
レジスト開口パターン(不図示)を形成し、バッファフ
ッ酸を用いた等方性のエッチングにより、SiO2 膜9
をエッチングして開口部を拡大した後、そのSiO2
9をマスクとして、りん酸、過酸化水素、水の混合液な
どをエッチャントとしてコンタクト層8および必要に応
じて活性層7の一部をエッチングしてリセス領域を形成
する(図1参照)。
A photoresist opening pattern (not shown) for forming the gate electrode 12 is formed and isotropic etching is performed using buffer hydrofluoric acid to form the SiO 2 film 9.
Is etched to enlarge the opening, and the contact layer 8 and, if necessary, part of the active layer 7 are formed by using the SiO 2 film 9 as a mask and using a mixed solution of phosphoric acid, hydrogen peroxide and water as an etchant. Etching is performed to form a recess area (see FIG. 1).

【0033】ゲート部に蒸着法とリフトオフ法でTi
/Alなどからなるゲート電極12を形成する。 オーミックコンタクト層8上にオーミック電極形成用
の開口パターンを形成し、SiO2 膜9をバッファフッ
酸でエッチングした後、オーミックコンタクト層8上に
AuGe/AuまたはAuGe/Ni/Auからなるオ
ーミック電極10、11を蒸着してリフトオフして熱処
理して合金化する。
Ti is formed on the gate portion by the vapor deposition method and the lift-off method.
A gate electrode 12 made of / Al or the like is formed. After forming an opening pattern for forming an ohmic electrode on the ohmic contact layer 8 and etching the SiO 2 film 9 with buffer hydrofluoric acid, an ohmic electrode 10 made of AuGe / Au or AuGe / Ni / Au is formed on the ohmic contact layer 8. , 11 are vapor-deposited, lift-off and heat-treated to alloy.

【0034】上記実施例ではMESFETを例に説明し
たが、HEMTの場合でも、電子供給層の電子供給能力
の劣化を防止できる。また、他の電子デバイスに関して
も同様の効果が得られることは言うまでもない。
Although the MESFET has been described as an example in the above embodiment, the deterioration of the electron supply capability of the electron supply layer can be prevented even in the HEMT. Needless to say, the same effect can be obtained for other electronic devices.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上のように、請求項1に係る電界効果
トランジスタによれば、バッファ層中にAlx Ga1-x
As(0.9≦x≦1)の酸化膜を設け、この酸化膜と
チャネル層との間に、このチャネル層よりも電子親和力
が大きい不純物拡散防止層を設けたことから、シリコン
基板と化合物半導体膜との界面に形成される低抵抗層の
影響を受けることがなく、また水素ラジカルなどの不純
物の拡散を防止でき、チャネル内にSiGa−H間の強い
結合が形成されるのを有効に防止できる。したがって、
従来例と比較して大幅な相互コンダクタンスの増大が可
能となる。
As described above, according to the field effect transistor of the first aspect , Al x Ga 1-x is contained in the buffer layer.
Since an oxide film of As (0.9 ≦ x ≦ 1) is provided and an impurity diffusion prevention layer having an electron affinity higher than that of the channel layer is provided between the oxide film and the channel layer, the silicon substrate and the compound are prevented. It is effective not to be affected by the low resistance layer formed at the interface with the semiconductor film, to prevent the diffusion of impurities such as hydrogen radicals, and to form a strong bond between Si Ga and H in the channel. Can be prevented. Therefore,
It is possible to significantly increase the mutual conductance as compared with the conventional example.

【0036】また、請求項3に係る電界効果トランジス
タによれば、バッファ層中にAlxGa1-x As(0.
9≦x≦1)の酸化膜を設け、この酸化膜とチャネル層
との間に、互いに電子親和力の異なる2種類以上の化合
物半導体層を交互に1 対以上積層して形成した不純物拡
散防止層を設けたことから、シリコン基板と化合物半導
体膜との界面に形成される低抵抗層の影響を受けること
がなく、また水素ラジカルなどの不純物の拡散を防止で
き、チャネル内にSiGa−H間の強い結合が形成される
のを有効に防止できる。したがって、従来例と比較して
大幅な相互コンダクタンスの増大が可能となる。
According to the field effect transistor of the third aspect, Al x Ga 1-x As (0.
An impurity diffusion prevention layer formed by providing an oxide film of 9 ≦ x ≦ 1) and alternately laminating one or more pairs of two or more kinds of compound semiconductor layers having different electron affinities between the oxide film and the channel layer. With the provision of the above structure, there is no influence of the low resistance layer formed at the interface between the silicon substrate and the compound semiconductor film, diffusion of impurities such as hydrogen radicals can be prevented, and Si Ga- H It is possible to effectively prevent the formation of strong bonds. Therefore, it is possible to significantly increase the mutual conductance as compared with the conventional example.

【0037】さらに、請求項5に係る電界効果トランジ
スタの製造方法によれば、シリコン基板上に500Å以
上のAlx Ga1-x As層(0.9≦x≦1)を含むバ
ッファ層とチャネル層を形成した後、素子が形成される
領域に絶縁膜を形成し、それ以外の領域をAlx Ga
1-x As層(0.9≦x≦1)までエッチングした後、
この残ったAlx Ga1-x As層(0.9≦x≦1)を
ウエット酸化することから、Alx Ga1-x As層
(0.9≦x≦1)を熱処理してもチャネル層中のドナ
ーが不活性化することを防止でき、従来例と比較して相
互コンダクタンスが大幅に増大した電界効果トランジス
タを形成できる。
Further, according to the method of manufacturing a field effect transistor according to claim 5, a buffer layer and a channel including an Al x Ga 1-x As layer (0.9 ≦ x ≦ 1) of 500 Å or more on a silicon substrate. After forming the layer, an insulating film is formed in the region where the element is formed, and Al x Ga is formed in the other region.
After etching to 1-x As layer (0.9 ≦ x ≦ 1),
Since the remaining Al x Ga 1-x As layer (0.9 ≦ x ≦ 1) is wet-oxidized, even if the Al x Ga 1-x As layer (0.9 ≦ x ≦ 1) is heat-treated, the channel It is possible to prevent the donor in the layer from being deactivated, and it is possible to form a field effect transistor having a significantly increased transconductance as compared with the conventional example.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】請求項1に係る電界効果トランジスタの一実施
形態を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a field effect transistor according to claim 1.

【図2】請求項2に係る電界効果トランジスタの一実施
形態を示す断面図である。
FIG. 2 is a sectional view showing an embodiment of a field effect transistor according to claim 2;

【図3】化合物半導体の格子定数と電子親和力の関係を
説明する図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a lattice constant of a compound semiconductor and an electron affinity.

【図4】請求項3に係る電界効果トランジスタの製造方
法の一実施形態を示す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an embodiment of a method of manufacturing a field effect transistor according to claim 3.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1‥‥‥シリコン基板、2、4、6‥‥‥GaAs層、
3‥‥‥AlAsの酸化膜、5‥‥‥不純物拡散防止
層、7‥‥‥チャネル層、8‥‥‥コンタクト層、9‥
‥‥SiO2 膜、10、11‥‥‥ソース・ドレイン電
極、12‥‥‥ゲート電極
1 ... Silicon substrate, 2, 4, 6 ... GaAs layer,
3 ... AlAs oxide film, 5 ... Impurity diffusion prevention layer, 7 ... Channel layer, 8 ... Contact layer, 9 ...
・ ・ ・ SiO 2 film, 10, 11 ・ ・ ・ Source / drain electrodes, 12 ・ ・ ・ Gate electrodes

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−208963(JP,A) 特開 平11−312692(JP,A) C.B.Whwwlwr et.a l.,Selectively Oxi dized GaAs MESFET’ s Transferred to a Si Substrate,IEEE Electron Device L etters,米国,1997年 4月,V ol.18,No.4,p.138−140 A.R.Massengale e t.al.,Collector−up AlGaAs/GaAs HBTs Using Oxidized Al As,Device Reseach Conference,1996.Dige st.54th Annual,1996年 6月,p.36−37 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/338 H01L 29/812 Continuation of front page (56) References JP-A-6-208963 (JP, A) JP-A-11-312692 (JP, A) C.I. B. Whwlwr et. a. , Selectively Oxidized GaAs MESFET's Transferred to a Si Substrate, IEEE Electron Device Letters, USA, April 1997, Vol. 18, No. 4, p. 138-140 A. R. Massengale et. al. , Collector-up AlGaAs / GaAs HBTs Using Oxidized Al As, Device Research Conference, 1996. Dige st. 54th Annual, June 1996, p. 36-37 (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/338 H01L 29/812

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 シリコン基板上に化合物半導体からなる
バッファ層とチャネル層を積層して形成すると共に、こ
のチャネル層上にゲート電極を形成した電界効果トラン
ジスタにおいて、前記バッファ層中にAlx Ga1-x
s(0.9≦x≦1)の酸化膜を設け、この酸化膜と前
記チャネル層との間に、このチャネル層よりも電子親和
力が大きい不純物拡散防止層を設けたことを特徴とする
電界効果トランジスタ。
1. In a field effect transistor in which a buffer layer made of a compound semiconductor and a channel layer are laminated on a silicon substrate and a gate electrode is formed on the channel layer, Al x Ga 1 is formed in the buffer layer. -x A
An electric field characterized in that an oxide film of s (0.9 ≦ x ≦ 1) is provided, and an impurity diffusion preventing layer having an electron affinity larger than that of the channel layer is provided between the oxide film and the channel layer. Effect transistor.
【請求項2】 前記不純物拡散防止層がIny Ga1-y
Asから成ることを特徴とする請求項1に記載の電界効
果トランジスタ。
2. The impurity diffusion preventing layer is In y Ga 1-y
The field effect transistor according to claim 1, wherein the field effect transistor is made of As.
【請求項3】 シリコン基板上に化合物半導体からなる
バッファ層とチャネル層を積層して形成すると共に、こ
のチャネル層上にゲート電極を形成した電界効果トラン
ジスタにおいて、前記バッファ層中にAlx Ga1-x
s(0.9≦x≦1)の酸化膜を設け、この酸化膜と前
記チャネル層との間に、互いに電子親和力の異なる2種
類以上の化合物半導体層を交互に1 対以上積層して形成
した不純物拡散防止層を設けたことを特徴とする電界効
果トランジスタ。
3. A field effect transistor comprising a buffer layer and a channel layer made of a compound semiconductor laminated on a silicon substrate and having a gate electrode formed on the channel layer, wherein Al x Ga 1 is contained in the buffer layer. -x A
An oxide film of s (0.9 ≦ x ≦ 1) is provided, and one or more pairs of compound semiconductor layers having different electron affinities are alternately laminated between the oxide film and the channel layer. A field effect transistor comprising the impurity diffusion prevention layer described above.
【請求項4】 前記不純物拡散防止層がAlGaAsと
GaAsの交互層から成ることを特徴とする請求項3に
記載の電界効果トランジスタ。
4. The field effect transistor according to claim 3, wherein the impurity diffusion prevention layer is composed of alternating layers of AlGaAs and GaAs.
【請求項5】 シリコン基板上に化合物半導体からなる
バッファ層とチャネル層を積層して形成した後に、この
チャネル層上にゲート電極を形成する電界効果トランジ
スタの製造方法において、前記シリコン基板上に500
Å以上のAlxGa1-x As層(0.9≦x≦1)を含
むバッファ層とチャネル層を形成した後、トランジスタ
が形成される領域上に絶縁膜を形成して、それ以外の領
域を前記Alx Ga1-x As層(0.9≦x≦1)まで
エッチング除去した後、この残ったAlx Ga1-x As
層(0.9≦x≦1)をウエット酸化することを特徴と
する電界効果トランジスタの製造方法。
5. A method for manufacturing a field effect transistor, comprising: forming a buffer layer made of a compound semiconductor and a channel layer on a silicon substrate, and forming a gate electrode on the channel layer;
Å After forming the buffer layer and the channel layer including the Al x Ga 1-x As layer (0.9 ≦ x ≦ 1) or more, an insulating film is formed on the region where the transistor is formed, and the other layers are formed. After the region is etched to the Al x Ga 1-x As layer (0.9 ≦ x ≦ 1), the remaining Al x Ga 1-x As is removed.
A method of manufacturing a field effect transistor, which comprises wet-oxidizing a layer (0.9 ≦ x ≦ 1).
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