JPS6221278B2 - - Google Patents
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- JPS6221278B2 JPS6221278B2 JP56057028A JP5702881A JPS6221278B2 JP S6221278 B2 JPS6221278 B2 JP S6221278B2 JP 56057028 A JP56057028 A JP 56057028A JP 5702881 A JP5702881 A JP 5702881A JP S6221278 B2 JPS6221278 B2 JP S6221278B2
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
- H10D30/60—Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
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- Formation Of Insulating Films (AREA)
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は絶縁ゲート形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 of manufacturing an insulated gate field effect transistor.
InPの電界効果トランジスタ(以下FETと略
す)は、InPのもつ高電子移動度、高電子飽和ド
リフト速度という特徴を生かしたもので、GaAs
のFETよりも高速性が期待できる。FETの種類
としては、各種のものがあるが、中でも、絶縁ゲ
ート形FETは、構造が簡単で、また論理振幅が
大きくとれるなど、作製面および使用面で優れて
いる。さらに、この構造は、InP―絶縁膜界面に
は、GaAs―絶縁膜界面におけるような強固なフ
エルミレベルの固着現象が存在しないことから、
InPには最適の構造であるといえる。しかしなが
ら、従来は安定に動作するInPの絶縁ゲート形
FETは実現されていなかつた。その主要な原因
は、InPとの界面の電気的特性の優れた絶縁膜の
形成技術が確立されていなかつたことによる。従
来使用されていた絶縁膜は、主として、CVD
(Chemical Vapor Deposition)法によるSiO2膜
およびAl2O3膜である。これらの膜の形成におい
ては、化学的に不安定な未反応物質を含まない膜
を形成するために、300℃以上の温度を必要とす
る。したがつて、これらの膜の形成中に、熱的に
不安定なInP結晶が300℃以上の高温にさらされ
ることになり、その結果、InP結晶の表面には、
P(リン)空孔などの欠陥が導入される。このよ
うな欠陥が界面準位密度の増大など界面の電気的
特性の低下をもたらし、FET動作の不安定性に
原因になつていた。一方、常温で絶縁膜が形成で
きる唯一の方法として陽極酸化法がある。InPの
陽極酸化については、従来から研究されてきた
が、酸化条件と界面の電気特性との相関など、基
本的事項の解明がなされておらず、したがつて、
ゲート絶縁膜として使用できるような高品質の酸
化膜は得られていなかつた。 InP field-effect transistors (hereinafter abbreviated as FETs) take advantage of InP's characteristics of high electron mobility and high electron saturation drift speed, and GaAs
It can be expected to be faster than the FET. There are various types of FETs, but among them, insulated gate FETs are superior in terms of fabrication and use, such as their simple structure and large logic amplitude. Furthermore, in this structure, there is no strong Fermi-level sticking phenomenon at the InP-insulating film interface, as there is at the GaAs-insulating film interface.
This structure can be said to be optimal for InP. However, conventionally, InP insulated gate type, which operates stably,
FET had not been realized. The main reason for this is that a technology for forming an insulating film with excellent electrical properties at the interface with InP has not been established. The insulating films conventionally used are mainly CVD
(Chemical Vapor Deposition ) method . In forming these films, temperatures of 300° C. or higher are required in order to form films that do not contain chemically unstable unreacted substances. Therefore, during the formation of these films, the thermally unstable InP crystal is exposed to high temperatures of 300°C or more, and as a result, the surface of the InP crystal has
Defects such as P (phosphorus) vacancies are introduced. These defects lead to a decrease in the electrical properties of the interface, such as an increase in the density of interface states, which causes instability in FET operation. On the other hand, anodic oxidation is the only method that can form an insulating film at room temperature. Anodic oxidation of InP has been studied for a long time, but basic issues such as the correlation between oxidation conditions and electrical properties of the interface have not been clarified.
A high-quality oxide film that can be used as a gate insulating film has not been obtained.
本発明は、InP陽極酸化膜の作製条件と界面電
気特性との相関についての詳細な研究により高品
質酸化膜の作製条件が確立された結果実現された
もので、その目的は、高速かつ動作安定性に優れ
たInPの絶縁ゲート形FETを提供することにあ
る。 The present invention was realized as a result of establishing the manufacturing conditions for high-quality oxide films through detailed research on the correlation between the manufacturing conditions for InP anodic oxide films and the interfacial electrical properties.The present invention aims to achieve high speed and stable operation. Our objective is to provide an InP insulated gate FET with excellent performance.
InPの陽極酸化膜の作製条件と界面電気特性と
の相関についての詳細な検討により、次のことが
明らかになつた。 A detailed study of the correlation between the fabrication conditions of the InP anodic oxide film and the electrical properties of the interface revealed the following.
(i) InPの陽極酸化用電解液としては、次の三種
類のものが知られている。(i) The following three types of electrolytes for anodizing InP are known.
(A) 酸や塩基の水溶液、 (B) 強酸化剤を非水溶液に溶解したもの、 (C) 酸や塩基の水溶液と非水溶液との混合液。 (A) Aqueous solutions of acids and bases, (B) a strong oxidizing agent dissolved in a non-aqueous solution; (C) A mixture of an aqueous solution and a non-aqueous solution of an acid or base.
これらの中で、(C)が酸化膜の安定性や膜成長
の安定性、再現性において最も優れている。 Among these, (C) is the most excellent in terms of oxide film stability, film growth stability, and reproducibility.
(ii) (C)の電解液を用いた場合、電解液のPHに依存
して、酸化膜の組成が異なる。すなわち、酸化
膜はIn2O3とP2O5とから成り、PHの増大ととも
に、In2O3の量が増大し、P2O5の量が減少す
る。5〓PH〓7において、In2O3とP2O5をほぼ
等量含む酸化膜が成長する。PH5未満での
P2O5過剰の酸化膜では、P2O5の吸湿性のため
に酸化膜自体の電気的特性が不安定となる。一
方PH7を超越したIn2O3の過剰の酸化膜では、
酸化膜とInP結晶との界面の電気特性の劣化の
原因となる、熱処理時のIn2O3とInPとの反応が
生じやすい。結果として、PH=5〜7での
In2O3とP2O5をほぼ等量含む酸化膜が最も優れ
ている。(ii) When the electrolyte (C) is used, the composition of the oxide film differs depending on the pH of the electrolyte. That is, the oxide film is composed of In 2 O 3 and P 2 O 5 , and as the pH increases, the amount of In 2 O 3 increases and the amount of P 2 O 5 decreases. At 5〓PH〓7, an oxide film containing almost equal amounts of In 2 O 3 and P 2 O 5 grows. below PH5
In an oxide film containing excess P 2 O 5 , the electrical characteristics of the oxide film itself become unstable due to the hygroscopicity of P 2 O 5 . On the other hand, in an excessive In 2 O 3 oxide film exceeding pH 7,
A reaction between In 2 O 3 and InP is likely to occur during heat treatment, which causes deterioration of the electrical properties at the interface between the oxide film and the InP crystal. As a result, at PH=5-7
An oxide film containing approximately equal amounts of In 2 O 3 and P 2 O 5 is the best.
(iii) 酸化膜中の水分の除去のためには、熱処理が
不可欠であり、そのための熱処理温度は150〜
250℃が最適である。300℃以上の熱処理は、(ii)
で述べたIn2OとInPとの反応を著しく促進す
る。(iii) Heat treatment is essential to remove moisture in the oxide film, and the heat treatment temperature for this is 150~150℃.
250℃ is optimal. Heat treatment at 300℃ or higher is (ii)
It significantly promotes the reaction between In 2 O and InP mentioned in .
以上の結果、PH=5〜7に調整した酸の水溶液
または塩基の水溶液と、非水溶液との混合液を用
いて形成した陽極酸化膜を、150〜250℃で5〜20
分間熱処理した場合に、最も優れた界面電気特性
が実現できることが明らかになつた。酸としては
酒石酸、蓚酸などの有機酸、燐酸、硼酸などの無
機酸、塩基としては水酸化ナトリウム、水酸化カ
リウム、非水溶液としては浸水性で適度の粘性を
有するエチレングリコール、プロピレングリコー
ルなどが適当である。 As a result, an anodic oxide film formed using a mixture of an acid aqueous solution or base aqueous solution adjusted to a pH of 5 to 7 and a non-aqueous solution was heated at 150 to 250°C for 5 to 20 minutes.
It has become clear that the best interfacial electrical properties can be achieved when heat-treated for a minute. Suitable acids include organic acids such as tartaric acid and oxalic acid, inorganic acids such as phosphoric acid and boric acid, bases include sodium hydroxide and potassium hydroxide, and non-aqueous solutions include ethylene glycol and propylene glycol, which are water-soakable and have an appropriate viscosity. It is.
以上の研究成果に基づいて、InPの絶縁ゲート
形FETを作製した結果について、実施例を用い
て説明する。 Based on the above research results, the results of manufacturing an InP insulated gate FET will be explained using examples.
第1図は、n形InP結晶を用いて作製したpチ
ヤンネル反転形FETの断面図である。1はn形
InP結晶、2はソース領域、3はドレン領域、4
はゲート絶縁膜であるInP陽極酸化膜、5はオー
ム性のソース電極、6はオーム性のドレン電極、
7はゲート電極、8はn形InP結晶1のオーム性
電極である。このような絶縁ゲート形FETを作
製するには、公知の液体カプセル引上げ法で作製
したキヤリア濃度が約1016cm-3のn形InP結晶を
用いる。鏡面研マしたn形InP結晶1の表面に、
亜鉛の選択熱拡散によりp形のソース、ドレン領
域2,3を形成する。続いて、ソース、ドレン領
域2,3の表面の一部にAu―Znを、またn形InP
結晶1の裏面の一部にAu―Snを、それぞれ真空
蒸着し、窒素ガス中、400℃、1分の熱処理によ
り、オーム性の電極5,6ならびに8を形成す
る。次に、オーム性電極5,6の領域を除くInP
結晶1の表面を、PH=6に調整した3%酒石酸水
溶液とプロピレングリコールの1:3混合液中で
陽極酸化し、白金を対極として電流密度1mA/
cm2で3分間陽極酸化し、厚さ約2500Åの陽極酸化
膜4を形成する。続いて、窒素ガス中で、200
℃、10分の熱処理を行う。最後に、Auの真空蒸
着によりゲート電極7を形成し、FETの作製を
終了する。こうして作製した絶縁ゲート形FET
において、ゲート電極7とn形InP結晶1との間
に形成されるM(金属)―I(絶縁膜)―S(半
導体)ダイオードの容量―電圧特性から求めたn
形InP結晶1の表面準位密度分布を第2図に示
す。ここで、aは本発明の場合、bは従来の陽極
酸化膜の場合、cは従来のCVD法によるSiO2膜
の場合、dは従来のCVD法によるAl2O3膜の場合
の表面準位密度分布である。この結果から、本発
明の場合、表面準位密度が最も小さく、極めて清
浄な界面が形成されていることがわかる。次に、
ソース電極5に対してドレン電極6を負にバイア
スし、さらに、ソース電極5に対してゲート電極
7を負にバイアスした場合に、ゲートバイアスの
増大とともに、ソース―ドレン間の電流が増大す
る、いわゆる、反転形のFET動作が確認され
た。従来、InPにおいてpチヤンネル反転形FET
の実現は、極めて困難であるとされていた。本発
明の場合に、pチヤンネル反転形FETが実現さ
れたのは、第2図に示したように、表面準位密度
が極めて小さい良質の絶縁膜が形成できたためで
ある。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a p-channel inverted FET fabricated using n-type InP crystal. 1 is n type
InP crystal, 2 is source region, 3 is drain region, 4
is an InP anodic oxide film which is a gate insulating film, 5 is an ohmic source electrode, 6 is an ohmic drain electrode,
7 is a gate electrode, and 8 is an ohmic electrode of the n-type InP crystal 1. To manufacture such an insulated gate FET, an n-type InP crystal having a carrier concentration of about 10 16 cm -3 is used, which is manufactured by a known liquid capsule pulling method. On the surface of the mirror-polished n-type InP crystal 1,
P-type source and drain regions 2 and 3 are formed by selective thermal diffusion of zinc. Next, Au-Zn was applied to part of the surfaces of the source and drain regions 2 and 3, and n-type InP
Au-Sn is vacuum-deposited on a portion of the back surface of the crystal 1, and ohmic electrodes 5, 6, and 8 are formed by heat treatment at 400° C. for 1 minute in nitrogen gas. Next, InP excluding the area of ohmic electrodes 5 and 6
The surface of crystal 1 was anodized in a 1:3 mixture of 3% tartaric acid aqueous solution and propylene glycol adjusted to pH = 6, and a current density of 1 mA/m was applied using platinum as a counter electrode.
Anodic oxidation is performed at cm 2 for 3 minutes to form an anodic oxide film 4 with a thickness of about 2500 Å. Subsequently, in nitrogen gas, 200
Heat treatment at 10°C for 10 minutes. Finally, the gate electrode 7 is formed by vacuum evaporation of Au, and the fabrication of the FET is completed. Insulated gate FET fabricated in this way
, n determined from the capacitance-voltage characteristics of the M (metal)-I (insulating film)-S (semiconductor) diode formed between the gate electrode 7 and the n-type InP crystal 1.
FIG. 2 shows the surface state density distribution of InP crystal 1. Here, a is for the present invention, b is for the conventional anodic oxide film, c is for the SiO 2 film made by the conventional CVD method, and d is the surface level for the Al 2 O 3 film made by the conventional CVD method. This is the position density distribution. This result shows that in the case of the present invention, the surface state density is the lowest and an extremely clean interface is formed. next,
When the drain electrode 6 is negatively biased with respect to the source electrode 5 and the gate electrode 7 is further negatively biased with respect to the source electrode 5, the current between the source and drain increases as the gate bias increases. So-called inverted FET operation was confirmed. Conventionally, p-channel inverted FET in InP
was thought to be extremely difficult to achieve. In the case of the present invention, the p-channel inverted FET was realized because, as shown in FIG. 2, a high-quality insulating film with extremely low surface state density could be formed.
次に、p形のInP結晶を用いてnチヤンネル反
転形FETを作製した結果について述べる。第3
図はnチヤンネル反転形FETの断面図である。
9はp形InP結晶、10はソース領域、11はド
レン領域、12はゲート絶縁膜、13はオーム性
のソース電極、14はオーム性のドレン電極、1
5はゲート電極である。このようなFETの作製
工程は次のとおりである。鏡面研マしたキヤリア
濃度約1016cm-3のP形InP結晶9の表面に、硫黄
の選択熱拡散によりn形のソース、ドレン領域1
0,11を形成する。ソース、ドレン領域10,
11の表面の一部にAu―Snを真空蒸着し、窒素
ガス中での400℃、1分の熱処理により、オーム
性電極13,14を形成する。次に、第1図に示
したPチヤンネルFETの場合と同様の方法でゲ
ート絶縁膜12およびゲート電極15を形成し
て、FETの作製を終了する。こうして作製した
素子において、ソース電極13に対してドレン電
極14を正にバイアスし、さらに、ソース電極1
3に対してゲート電極15を正にバイアスするこ
とによつて、反転形のFET動作が確認された。
この場合には、従来のnチヤンネル反転形FET
で観測されているソース―ドレン間電流のドリフ
ト現象は、まつたくみられず、極めて安定な動作
が実現された。また、FETの重要な性能指数で
ある相互コンダクタンスとして、ゲート長5μm
の場合に、180mS/mmを得た。この値は従来の
FETでの値の2倍以上である。 Next, we will discuss the results of fabricating an n-channel inverted FET using p-type InP crystal. Third
The figure is a cross-sectional view of an n-channel inverted FET.
9 is a p-type InP crystal, 10 is a source region, 11 is a drain region, 12 is a gate insulating film, 13 is an ohmic source electrode, 14 is an ohmic drain electrode, 1
5 is a gate electrode. The manufacturing process for such an FET is as follows. N-type source and drain regions 1 are formed on the surface of a mirror-polished P-type InP crystal 9 with a carrier concentration of approximately 10 16 cm -3 by selective thermal diffusion of sulfur.
0,11 are formed. source, drain region 10,
Au--Sn is vacuum-deposited on a part of the surface of 11, and heat-treated at 400° C. for 1 minute in nitrogen gas to form ohmic electrodes 13 and 14. Next, a gate insulating film 12 and a gate electrode 15 are formed in the same manner as in the case of the P-channel FET shown in FIG. 1, thereby completing the fabrication of the FET. In the device manufactured in this manner, the drain electrode 14 is positively biased with respect to the source electrode 13, and the source electrode 14 is biased positively with respect to the source electrode 13.
By positively biasing the gate electrode 15 with respect to 3, an inversion type FET operation was confirmed.
In this case, the conventional n-channel inverted FET
The source-drain current drift phenomenon observed in the previous model was not observed at all, and extremely stable operation was achieved. In addition, as for the mutual conductance, which is an important figure of merit for FET, the gate length is 5 μm.
In the case of , 180mS/mm was obtained. This value is the traditional
This is more than twice the value for FET.
以上は、反転形の絶縁ゲート形FETの場合の
結果であるが、半絶縁性InP基板結晶上のn形
InP結晶膜をチヤンネルとして使用するデプリエ
ーシヨン形の絶縁ゲート形FETの場合にも、界
面特性の優れた陽極酸化膜を用いることによつ
て、優れた特性が得られることは明らかである。 The above results are for an inverted insulated gate FET, but an n-type FET on a semi-insulating InP substrate crystal
It is clear that even in the case of a depletion type insulated gate FET that uses an InP crystal film as a channel, excellent characteristics can be obtained by using an anodic oxide film with excellent interface characteristics.
以上説明したように、本発明のInPの絶縁ゲー
ト形FETは、界面特性の優れた陽極酸化膜をゲ
ート絶縁膜として用いるものであるから、動作が
極めて安定で、また、高速性に優れているという
利点がある。 As explained above, the InP insulated gate FET of the present invention uses an anodic oxide film with excellent interfacial properties as the gate insulating film, so it has extremely stable operation and excellent high speed. There is an advantage.
第1図はpチヤンネル反転形FETの断面図、
第2図は、n形InPと絶縁膜との界面での表面準
位密度分布の測定結果を示す図、第3図は、nチ
ヤンネル反転形FETの断面図である。
1…n形InP結晶、2…ソース領域、3…ドレ
ン領域、4…ゲート絶縁膜、5…ソース電極、6
…ドレン電極、7…ゲート電極、8…n形InP結
晶1のオーム性電極、9…p形InP結晶、10…
ソース領域、11…ドレン領域、12…ゲート絶
縁膜、13…ソース電極、14…ドレン電極、1
5…ゲート電極。
Figure 1 is a cross-sectional view of a p-channel inverted FET.
FIG. 2 is a diagram showing the measurement results of the surface state density distribution at the interface between n-type InP and an insulating film, and FIG. 3 is a cross-sectional view of an n-channel inversion type FET. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1...n-type InP crystal, 2...source region, 3...drain region, 4...gate insulating film, 5...source electrode, 6
... Drain electrode, 7... Gate electrode, 8... Ohmic electrode of n-type InP crystal 1, 9... P-type InP crystal, 10...
Source region, 11... Drain region, 12... Gate insulating film, 13... Source electrode, 14... Drain electrode, 1
5...Gate electrode.
Claims (1)
塩基の水溶液と、非水溶液との混合液中で形成し
たInPの陽極酸化膜を、水素あるいは不活性ガス
中で150〜250℃、5〜20分間の熱処理を行い、こ
れをゲート絶縁膜として用いることを特徴とする
InP絶縁ゲート形電界効果トランジスタの製造方
法。1. An anodic oxide film of InP formed in a mixture of an acid aqueous solution or base aqueous solution whose pH is adjusted to a range of 5 to 7 and a non-aqueous solution is heated at 150 to 250°C in hydrogen or an inert gas for 50 minutes. It is characterized by being heat treated for ~20 minutes and used as a gate insulating film.
A method for manufacturing InP insulated gate field effect transistors.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56057028A JPS57172769A (en) | 1981-04-17 | 1981-04-17 | Manufacture of inp insulating gate-type field effect transistor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56057028A JPS57172769A (en) | 1981-04-17 | 1981-04-17 | Manufacture of inp insulating gate-type field effect transistor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS57172769A JPS57172769A (en) | 1982-10-23 |
| JPS6221278B2 true JPS6221278B2 (en) | 1987-05-12 |
Family
ID=13043972
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56057028A Granted JPS57172769A (en) | 1981-04-17 | 1981-04-17 | Manufacture of inp insulating gate-type field effect transistor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS57172769A (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3264264B2 (en) * | 1999-03-01 | 2002-03-11 | 日本電気株式会社 | Complementary integrated circuit and manufacturing method thereof |
-
1981
- 1981-04-17 JP JP56057028A patent/JPS57172769A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS57172769A (en) | 1982-10-23 |
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