JPH0793322B2 - Semiconductor device - Google Patents
Semiconductor deviceInfo
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- JPH0793322B2 JPH0793322B2 JP60212337A JP21233785A JPH0793322B2 JP H0793322 B2 JPH0793322 B2 JP H0793322B2 JP 60212337 A JP60212337 A JP 60212337A JP 21233785 A JP21233785 A JP 21233785A JP H0793322 B2 JPH0793322 B2 JP H0793322B2
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- Japan
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- layer
- fet
- type
- gaas
- semiconductor layer
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体装置に関し、詳しくは、エンハンスメン
ト型およびデプレッション型電界効果トランジスタを、
同一化合物半導体基板に形成することの出来る半導体装
置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more specifically, to an enhancement type and depletion type field effect transistor,
The present invention relates to a semiconductor device that can be formed on the same compound semiconductor substrate.
近年、MBE(分子線エピタキシー)技術,MOCVD(有機金
属熱分解法)等の超高精度の結晶成長技術の発達によ
り、砒化ガリウム(GaAs)/アルミニウム砒化ガリウム
(AlGaAs)を利用した超高速デバイス(例えば特開昭55
−132074)が実現されつつある。GaAs/AlGaAsには良好
な絶縁材料がみつけられていないために、金属と化合物
半導体とのシヨツトキー接合が各種の電界効果型トラン
ジスタ(FET)のゲート構造に使われている。In recent years, ultra-high-speed devices using gallium arsenide (GaAs) / aluminum gallium arsenide (AlGaAs) have been developed due to the development of ultra-high-precision crystal growth technologies such as MBE (Molecular Beam Epitaxy) technology and MOCVD (Metal Organic Thermal Decomposition). For example, JP-A-55
-132074) is being realized. Since no good insulating material has been found in GaAs / AlGaAs, Schottky junctions of metals and compound semiconductors are used in the gate structure of various field effect transistors (FETs).
たとえば第1図に選択ドープヘテロ接合型FETの断面図
を示す。10は半絶縁性GaAs基板、11はアンドープGaAs、
12はスペーサと呼ばれるアンドープ(不純物を故意には
含まず結果的に1015cm-3程度のn-層になることが多い)
AlGaAs層で膜厚をeとすると通常60Å程度である。13は
n型AlGaAs層で14はn型GaAs層である。AlGaAs層12,13
の膜厚合計をdとすると通常500Å程度である。For example, FIG. 1 shows a sectional view of a selectively doped heterojunction FET. 10 is a semi-insulating GaAs substrate, 11 is undoped GaAs,
12 is undoped called a spacer (impurity is not intentionally included, and as a result, an n - layer of about 10 15 cm -3 is often formed)
When the thickness of the AlGaAs layer is e, it is usually about 60Å. 13 is an n-type AlGaAs layer and 14 is an n-type GaAs layer. AlGaAs layers 12, 13
When the total film thickness of is defined as d, it is usually about 500Å.
31はエンハンスメント型FET(閾値電圧Vth〜0.1V)のゲ
ート金属であり、30はデプレシヨン型FET(閾値電圧Vth
〜−0.8V;ゲート電圧VG=0Vでチヤネルが開いている)
のゲート金属である。簡単な計算からn型AlGaAs層のド
ーピングレベルをNDとすると閾値電圧Vthは と表わすことができる。31 is the gate metal of the enhancement type FET (threshold voltage V th to 0.1 V), and 30 is the depletion type FET (threshold voltage V th
~ -0.8V; Channel is open at gate voltage V G = 0V)
Is the gate metal. From a simple calculation, if the doping level of the n-type AlGaAs layer is N D , the threshold voltage V th is Can be expressed as
ここでφBnはゲートメタルとAlGaAsとのシヨツトキーバ
リア高さ、ΔECはGaAs11とAlGaAs12との伝導帯バンド端
の不連続の大きさを表わし、qは単位電荷、εはAlGaAs
の有電率、eはスペーサ層12の膜厚を、それぞれ表わ
す。この様なFETを高性能化する場合、最も簡単な方法
はn型AlGaAs層13の膜厚d−eを薄くすることであり最
も効果的な方法である。ところが、回路構成上の制約か
ら、エンハンスメント型FETの閾値電圧Vthは正でありか
つ0に近いことが最も望まれる。通常は0.1Vに設定され
ており、この値は閾値電圧の変動の程度の考慮してきめ
られている。ところがVthを一定にしたままで膜厚dを
薄くすると上記式(1)より明らかな様にドーピングレ
ベルNDを高くする必要があり最大ドーピング量▲Nmax D
▼がn型AlGaAs膜厚d−eの最小値(d−e)minを制
限していた。従来MBEではn型ドーパントとしてSiを用
いるのが主流であり、▲Nmax D▼=7×1018cm-3程度で
あつた。Here, φ Bn is the height of the Schottky barrier between the gate metal and AlGaAs, ΔE C is the size of the discontinuity at the conduction band edge between GaAs11 and AlGaAs12, q is the unit charge, and ε is AlGaAs.
, E represents the film thickness of the spacer layer 12, respectively. In order to improve the performance of such an FET, the simplest method is to reduce the film thickness d-e of the n-type AlGaAs layer 13, which is the most effective method. However, it is most desirable that the threshold voltage V th of the enhancement-type FET is positive and close to 0 due to restrictions on the circuit configuration. Normally, it is set to 0.1 V, and this value is determined in consideration of the degree of fluctuation of the threshold voltage. However, if the film thickness d is reduced while keeping V th constant, it is necessary to increase the doping level N D as is clear from the above formula (1), and the maximum doping amount ▲ N max D
The symbol () limits the minimum value (d-e) min of the n-type AlGaAs film thickness d-e. In the conventional MBE, it was the mainstream to use Si as an n-type dopant, and it was about (N max D) = 7 × 10 18 cm −3 .
即ち、Vth〜0.1Vであるためには、(d−e)minほぼ12
0Åにする必要があった。That is, for V th to 0.1 V, (d−e) min of approximately 12
I had to set it to 0Å.
一方、各種電界効果型トランジスタの五極管領域のソー
ス・ドレイン電流Idssはゲート電圧VG、域値電圧Vthを
用いて Idss=w・K(VG−Vth)2 ……(2) と表わすことができる。但し、wはトランジスタのゲー
ト幅である。トランジスタ性能の良さを与える一つの目
安はKの値で表わすことができる。即ち一般的にはKの
値が大きい程良いデバイスと言える。通常のFETの性能
向上には、不純物をドープされた能動層(及びそれに準
ずる層)の膜厚を薄くすることが最も効果的である。即
ち、Siをn型不純物として用いる限り最低膜厚は100Å
前後となる。On the other hand, the source / drain current I dss in the pentode region of each field effect transistor is I dss = w · K (V G −V th ) 2 …… (using the gate voltage V G and the threshold voltage V th. 2) can be expressed as However, w is the gate width of the transistor. One measure giving good transistor performance can be represented by the value of K. That is, it can be generally said that the larger the value of K, the better the device. In order to improve the performance of a normal FET, it is most effective to reduce the film thickness of the active layer doped with impurities (and the layer corresponding thereto). That is, the minimum film thickness is 100Å as long as Si is used as an n-type impurity.
Before and after.
一方ND1×1018cm-3の高濃度領域では、良好なシヨツ
トキー特性が得られにくくなる欠点が生じていた。即ち
エンハンスメント型FETにおいては、ゲート電圧を正に
印加した場合低い電圧からゲートリーク電流が生じ、ト
ランジスタ特性を下げる主要因となつてきた。一方デプ
レシヨン型FETの場合、ゲート耐圧が充分確保できず、
完全にピンチオフしなくなつてしまうという欠点が生じ
ていた。On the other hand, in the high-concentration region of N D 1 × 10 18 cm -3 , there was a drawback that it was difficult to obtain good Schottky characteristics. That is, in the enhancement type FET, a gate leak current is generated from a low voltage when the gate voltage is positively applied, which has been a main factor for lowering transistor characteristics. On the other hand, in the case of the depletion type FET, the gate breakdown voltage cannot be sufficiently secured,
The drawback was that it wouldn't completely pinch off.
このことはGaAs MESFETの場合においても事情は全く同
じである。即ち、トランジスタ特性を向上させようとし
てチヤンネル層の膜厚を薄くすると、トランジスタ特性
は向上するがゲート金属のシヨツトキー特性が劣化し、
回路を構成した場合、論理振幅が小さくなり回路設計マ
ージンが小さくなつてしまうという欠点が生じていた。The same is true for GaAs MESFETs. That is, when the film thickness of the channel layer is reduced to improve the transistor characteristics, the transistor characteristics improve, but the Schottky characteristics of the gate metal deteriorate,
When the circuit is constructed, there is a drawback that the logic amplitude becomes small and the circuit design margin becomes small.
即ち現状のn型不純物であるSiを用いる限り、能動層膜
厚は300Å前後が下限であり、FETを高性能化するための
制限となつていた。That is, as long as Si, which is the current n-type impurity, is used, the lower limit of the active layer film thickness is around 300Å, which is a limitation for improving the performance of the FET.
本発明の目的は、Snをドープした層とゲート金属の間
に、故意にはドーピングされないか、或いはわずかにド
ープされた半導体層(セパレーシヨン層と呼ぶ)を挿入
することで、ゲートリーク電流を低減し、このセパレー
シヨン層の膜厚を変えることでエンハンスメント型FET
とデプレシヨン型FETを同一基板に形成できる新しいゲ
ート構造を提供することにある。An object of the present invention is to insert a semiconductor layer (called a separation layer), which is not intentionally doped or slightly doped, between the Sn-doped layer and the gate metal so as to reduce the gate leakage current. Enhancement type FET by reducing and changing the thickness of this separation layer
And to provide a new gate structure capable of forming a depletion type FET on the same substrate.
本発明の基本的な原理を先ず説明する。各種のFETにお
いてn型にドープされたチヤンネル層或いはチヤンネル
層に準じる半導体層が存在するとき、不純物を故意には
含有しないか、或いはわずかにドープされた半導体層
(セパレーシヨン層と以後呼ぶ)を挿入してシヨツトキ
ー接合を形成する金属をゲート電極に用いた場合、セパ
レーシヨン層の膜厚をかえることで、FETの閾値電圧Vth
(またはピンチオフ電圧VP)を変化させることができ
る。The basic principle of the present invention will be described first. When a n-type doped channel layer or a semiconductor layer conforming to the channel layer is present in various FETs, a semiconductor layer that does not intentionally contain impurities or is slightly doped (hereinafter referred to as a separation layer) is used. When a metal that is inserted to form a Schottky junction is used for the gate electrode, the threshold voltage V th of the FET can be changed by changing the thickness of the separation layer.
(Or the pinch-off voltage V P ) can be changed.
この原理に基づいて、エンハンスメント型FET(E−FE
T:Vth>0)とデプレシヨン型FET(D−FET:Vth<0)
を同一基板上に形成する。Based on this principle, enhancement type FET (E-FE
T: V th > 0) and depletion type FET (D-FET: V th <0)
Are formed on the same substrate.
まず、通常のnチヤンネルMESFET(メタル・セミコンダ
クタ・フイールド・エフエクド・トランジスタ:Metal
Semiconductor Field Effect Transistor)に本発
明を実施した例を第2図を用いて定量的に説明した後n
チヤンネル選択ドープヘテロ接合型(セレクテイプリ・
ドープト・ヘテロストラクチユア:Selectively Dope
d Heterostructure)FETに実施した例を第3図を用い
て説明する。First, a normal n-channel MESFET (metal semiconductor field effect transistor: Metal)
N After quantitatively describes an example in which the present invention to S emiconductor F ield E ffect T ransistor ) using the second FIG
Channel Selectively doped heterojunction type
Doped Heterostructural: S electively D ope
The example was performed d H eterostructure) FET using a third FIG explained.
第2図は本発明のGaAs MESFETのE−FETとD−FETが同
一基板に形成された場合の断面構造図を示したものであ
る。10は半絶縁性GaAs基板、11はp-型のアンドープGaAs
(〜1015cm-3程度のドーピングレベル)、15はn型チヤ
ンネルを形成するn型GaAs層であり膜厚をdとしドーピ
ングレベルをNDとする。16はアンドープ(又はn-かp-の
わずかにドープされた)GaAsまたはAlxGa1-xAs層で膜厚
をC1とする。17はアンドープ(またはn-かp-のわずかに
ドープされた)GaAsまたはAlxGa1-xAs層で膜厚をC2−C1
とする。31はエンハンスメント型FETのゲート金属電
極、30はデプレシヨン型FETのゲート金属電極を示す。3
2,33,34は各々オーミツクなソース・ドレイン電極であ
る。FIG. 2 shows a cross-sectional structure diagram when the E-FET and D-FET of the GaAs MESFET of the present invention are formed on the same substrate. 10 is a semi-insulating GaAs substrate, 11 is p - type undoped GaAs
(Doping level of about 10 15 cm −3 ), 15 is an n-type GaAs layer forming an n-type channel, the film thickness is d, and the doping level is N D. Reference numeral 16 denotes an undoped (or n − or p − slightly doped) GaAs or Al x Ga 1-x As layer having a thickness of C 1 . 17 designates an undoped (or n - or p - slightly doped) GaAs or Al x Ga 1-x As the film thickness layer C 2 -C 1
And Reference numeral 31 is a gate metal electrode of the enhancement type FET, and 30 is a gate metal electrode of the depletion type FET. 3
Reference numerals 2, 33 and 34 are ohmic source / drain electrodes.
アンドープGaAs層11の影響を無視するとE−FETとD−F
ETの閾値電圧VTE,VTDは各々 と書き表すことができる。ここに、Vb1はビルトインポ
テンシャル、qは単位電荷、εはGaAsの静的誘電率であ
る。ただし、先(3),(4)はアンドープ層16,17各
層のドーピングレベルがチヤンネル層15のドーピングレ
ベルに比較して無視できる程少ない場合の式である。ま
た、16,17はチヤンネル層15と同じGaAsの場合の式であ
る。アンドープ層16,17の一方或いは両方がAlxGa1-xAs
に代つた場合の式も式(3),(4)と同種を式を導く
ことができる。(3),(4)式からあきらかな様に、
ドーピング層15(チヤンネル層)のドーピングレベル
ND、膜厚dを一定にした状態でセパレーシヨン層(アン
ドープ層)16,17の膜厚C1,C2を適当に選ぶことでVthを
制御することができる。Ignoring the effect of undoped GaAs layer 11, E-FET and DF
ET threshold voltages V TE and V TD are Can be written as Here, V b1 is a built-in potential, q is a unit charge, and ε is a static dielectric constant of GaAs. However, the expressions (3) and (4) are equations when the doping level of each of the undoped layers 16 and 17 is negligibly small compared to the doping level of the channel layer 15. Further, 16 and 17 are equations for the same GaAs as the channel layer 15. One or both of the undoped layers 16 and 17 are Al x Ga 1-x As
The equation in the case of substituting for can also be derived from the same kind as the equations (3) and (4). Clearly from equations (3) and (4),
Doping level of doping layer 15 (channel layer)
V th can be controlled by appropriately selecting the film thicknesses C 1 and C 2 of the separation layers (undoped layers) 16 and 17 with N D and the film thickness d being constant.
この様にドーピング層の膜厚、ドーピングレベルを一定
にしておき、セパレーシヨン層の膜厚を変化させること
でE−FETとD−FETを同一基板に作成でき、実際のFET
試作には極めて有効である。即ち、かかるゲート構造を
採用すれば、チヤンネル層の膜厚を薄くすることでトラ
ンジスタ性能を向上させ、更にシヨツトキー特性の劣化
も防ぐことができ更にE−FETとD−FETを同一基板に形
成することができる。In this way, the E-FET and D-FET can be formed on the same substrate by keeping the film thickness and the doping level of the doping layer constant and changing the film thickness of the separation layer.
It is extremely effective for trial production. That is, if such a gate structure is adopted, the transistor performance can be improved by reducing the film thickness of the channel layer, and the deterioration of the Schottky characteristic can be prevented. Further, the E-FET and the D-FET are formed on the same substrate. be able to.
次にnチヤンネル選択ドープヘテロ接合型FETに本発明
のゲート構造を適用した場合の効果を、第3図を用いて
説明する。12はスペーサ層と呼ばれるアンドープAlxGa
1-xAs層であり、混晶比xは通常0.3以上に選ばれてい
る。13はn型ドーピング層でAlyGa1-yAsからなり、混晶
比yは0.10から0.20程度に選ばれている。18はセパレー
シヨン層であり膜厚C1のアンドープ(もしくは弱くドー
プされたn-、又はp-型になる)AlzGa1-zAs(0≦z≦
1)層であり、19もセパレーシヨン層で膜厚C2−C1の通
常アンドープ(もしくは弱くドープされたn-、又はp-型
の)GaAsである。31はE−FETのゲート電極メタル、30
はD−FETのゲート電極メタルで31,32,33は各々ソース
・ドレイン金属である。Next, the effect of applying the gate structure of the present invention to an n-channel selectively doped heterojunction FET will be described with reference to FIG. 12 is undoped Al x Ga called a spacer layer
It is a 1-x As layer, and the mixed crystal ratio x is usually selected to be 0.3 or more. Reference numeral 13 is an n-type doping layer made of Al y Ga 1-y As, and the mixed crystal ratio y is selected to be about 0.10 to 0.20. Reference numeral 18 denotes a separation layer, which is an undoped (or weakly doped n − or p − type) film having a film thickness C 1 Al z Ga 1 -z As (0 ≦ z ≦
1) is a layer, and 19 is also a separation layer and is normally undoped (or weakly doped n − or p − type) GaAs having a film thickness C 2 -C 1 . 31 is the metal of the E-FET gate electrode, 30
Is a gate electrode metal of D-FET and 31,32,33 are source / drain metals.
簡単のため、セパレーシヨン層18,19、n型ドーピング
層13、スペーサ層12のAl混晶比xは同一のx=0.3であ
ると仮定すると、基板のアンドープ層11の効果は通常無
視できるので、E−FETとD−FETの閾値VTE,VTDは各
各、 と書き表すことができる。For simplicity, assuming that the Al mixed crystal ratios x of the separation layers 18 and 19, the n-type doping layer 13 and the spacer layer 12 are the same x = 0.3, the effect of the undoped layer 11 of the substrate is usually negligible. , E-FET and D-FET thresholds V TE and V TD are Can be written as
記号は式(1)と共通している部分もある。The symbol has some parts in common with the formula (1).
即ち、この式からもあきらかな様に、セパレーシヨン層
の膜厚C1,C2を適当に選ぶことでE−FETとD−FETを同
一基板に実現でき、更に良好なシヨツトキー接合を有す
るゲート電極を形成できるので回路構成上重要となる論
理振幅も大きくとることができる。That is, as is clear from this equation, by appropriately selecting the film thicknesses C 1 and C 2 of the separation layer, the E-FET and D-FET can be realized on the same substrate, and a gate having a better Schottky junction can be realized. Since the electrodes can be formed, the logic amplitude, which is important in the circuit configuration, can be increased.
特に、セパレーシヨン層を第3図の様に2層膜18,19か
ら構成し、選択エツチングが可能な構造としておけば
(たとえば18をAlGaAs層19をGaAs層)正確にセパレーシ
ヨン層の膜厚を制御することができる。In particular, if the separation layer is composed of the two-layer films 18 and 19 as shown in FIG. 3 and has a structure capable of selective etching (for example, 18 is an AlGaAs layer 19 and a GaAs layer), the thickness of the separation layer is accurate. Can be controlled.
従来、MBE法ではGaAs,AlGaAsへのn型不純物としてシリ
コン(Si),スズ(Sn)を用いていた。しかし、通常、
Snはエピタキシヤル表面のSn濃度が高くなるため、シヨ
ツトキー特性を劣化させやすくなり、従来、セパレーシ
ヨン層を有しない通常のnチヤンネルGaAs MESFET/選択
ドープヘテロ接合型FETでは、n型不純物としてはSiを
用いるのが通例であつた。Conventionally, in the MBE method, silicon (Si) and tin (Sn) have been used as n-type impurities for GaAs and AlGaAs. But usually
Since Sn has a high Sn concentration on the epitaxial surface, it tends to deteriorate the Schottky characteristics, and conventionally, in a normal n-channel GaAs MESFET / selectively doped heterojunction type FET that does not have a separation layer, Si is used as an n-type impurity. It was customary to use.
しかしながら、SnはSiにくらべて、GaAsやAlGaAsへのド
ーピング最大量が一桁近く多いことが知られている〔例
えば“半導体超格子の物理と応用"p.121日本物理学会編
培風館1984年〕。However, it is known that the maximum doping amount of Sn into GaAs and AlGaAs is nearly one digit higher than that of Si [eg, "Physics and Applications of Semiconductor Superlattices" p.121, Physics Society of Japan, Baifukan 1984]. .
又、本発明に関係するFETの様にセパレーシヨン層を有
する場合、Snのエピタキシヤル表面への析出は問題にな
らなくなる。Also, when a separation layer is provided as in the FET related to the present invention, the precipitation of Sn on the epitaxial surface is not a problem.
即ち、セパレーシヨン層の存在により、ゲートメタルに
直接接触するn型半導体層の能動層は非常におさえられ
スペーサー層の存在のため、Snがヘテロ接合界面にまで
析出することはなく、能動層の劣化を起こすことはな
い。That is, due to the presence of the separation layer, the active layer of the n-type semiconductor layer that is in direct contact with the gate metal is greatly suppressed, and because of the presence of the spacer layer, Sn does not precipitate to the heterojunction interface, and the active layer of Sn is not deposited. It does not deteriorate.
又、本発明のnチヤンネルFETを他のpチヤンネルFETと
同一基板に形成し、相補正FETを作ることも可能であ
る。It is also possible to form a phase correction FET by forming the n-channel FET of the present invention on the same substrate as other p-channel FETs.
以下、本発明を実施例を通して更に詳しく説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
実施例1 第4図(a)〜(e)に、二次元電子ガスをチヤンネル
層に用いるいわゆる選択ドープヘテロ接合構造のFETに
本発明を実施した場合の実施工程を示す。判絶縁性GaAs
基板10上にMBE法を用いて、p-(〜5×1014cm-3)GaAs
層11を1μm成長する。続いてn-型アンドープAlxGa1-x
As(通常xは0.3以上に選ばれている)層12を60Å成長
させた。続いてSnをn型不純物として5×1019cm-3含む
n型AlyGa1-yAs(通常yは0.05から0.20の範囲で使われ
ている)層13を30Å成長させ、セパレーシヨン層として
アンドープn-型AlzGa1-zAs(通常zは0.3程度で用いて
いる)層18を60Å成長させた。さらに、アンドープn-型
GaAs層19を100Å成長させ、表面保護の目的でSiO2層40
を2000ÅCVD法を用いて形成した(第4図a)。Example 1 FIGS. 4 (a) to 4 (e) show steps to be performed when the present invention is applied to a FET having a so-called selectively doped heterojunction structure in which a two-dimensional electron gas is used for a channel layer. Insulating GaAs
P − (up to 5 × 10 14 cm −3 ) GaAs on the substrate 10 by MBE method
Layer 11 is grown to 1 μm. Then n - type undoped Al x Ga 1-x
The As (usually x is selected to be 0.3 or more) layer 12 was grown by 60Å. Subsequently, an n-type Al y Ga 1-y As (usually used in the range of 0.05 to 0.20) layer 13 containing 5 × 10 19 cm -3 of Sn as an n-type impurity is grown to 30 Å to separate the separation layer. As the undoped n − type Al z Ga 1-z As (usually used at z of about 0.3) layer 18 was grown to 60 Å. Furthermore, undoped n - type
GaAs layer 19 is grown to 100Å and SiO 2 layer 40 is used for surface protection.
Was formed using the 2000Å CVD method (Fig. 4a).
次にメサエツチングで素子間分離を行なつた後、アンド
ープ、セパレーシヨン層18,19をエツチングで除去し、
ホトマスクを用いてソース・ドレイン電極(AuGe/Ni/A
u:900Å/150Å/2000Å)32,33,34を形成した(第4図
b)。E−FETのゲート電極を形成する目的で、アンド
ープGaAs層19をCCl2F2/He混合ガスで選択的にエツチン
グし、セパレーシヨン層18にシヨツトキー電極としてTi
/Pt/Au(1000Å/500Å/2000Å)を形成した(第4図
c)。続いてD−FETのゲート電極をアンドープGaAs層
に形成する工程を行なつた(第4図d)。この場合もゲ
ート金属としてはTi/Pt/Auを用いた。この様にして同一
基板上にE−FET(今の場合閾値電圧Vthは0.18Vであつ
た)とD−FET(今の場合閾値電圧は−0.72Vであつ
た。)を形成することができた。Next, after performing element isolation by mesa etching, the undoped and separation layers 18 and 19 are removed by etching,
Source / drain electrodes (AuGe / Ni / A
u: 900Å / 150Å / 2000Å) 32,33,34 were formed (Fig. 4b). For the purpose of forming the gate electrode of the E-FET, the undoped GaAs layer 19 is selectively etched with a CCl 2 F 2 / He mixed gas, and the separation layer 18 is formed with Ti as a Schottky electrode.
/ Pt / Au (1000Å / 500Å / 2000Å) was formed (Fig. 4c). Then, the step of forming the gate electrode of the D-FET on the undoped GaAs layer was performed (Fig. 4d). Also in this case, Ti / Pt / Au was used as the gate metal. In this way, an E-FET (threshold voltage V th is 0.18 V in this case) and a D-FET (threshold voltage is -0.72 V in this case) can be formed on the same substrate. did it.
本発明では、従来法(従来、E/D FET構成は、ドーピン
グされた層の膜厚を変えることで実現されてきた)の主
要な欠点であつた高ドープ層に直接ゲート金属を接合さ
せることにより生ずるゲート電極特性の劣化を克服する
ことができた。In the present invention, the gate metal is directly bonded to the highly-doped layer, which is a major drawback of the conventional method (conventionally, the E / D FET structure has been realized by changing the thickness of the doped layer). It was possible to overcome the deterioration of the gate electrode characteristics caused by.
更に、Snをドープしたことで、従来AlGaAs膜厚が300Å
程度であつたものが150Åまで薄くすることができた。
その結果第(2)式に示すKの値は、ゲート長1μmレ
ベルで従来3.5mA/V2程度であつたものが7.0mA/V2まで大
きくすることができた。Furthermore, by doping with Sn, the conventional AlGaAs film thickness is 300Å
It was possible to reduce the thickness to 150Å.
As a result the value of K that shown in (2) are those in gate length 1μm level been made in the prior 3.5mA / V 2 about could be increased up to 7.0 mA / V 2.
また、本実施例ではD−FETのセパレーシヨン層18,19の
うち、19の半導体層をn型にドープしてもよい(第4図
e19′)。n型にドープすることでシヨツトキー特性は
悪くなるが、D−FETの場合、回路的にピンチオフしな
いで用いる場合は問題ない。Further, in this embodiment, 19 semiconductor layers of the separation layers 18 and 19 of the D-FET may be n-type doped (FIG. 4).
e19 '). Although the Schottky characteristic is deteriorated by the n-type doping, there is no problem in the case of using the D-FET without pinching off in the circuit.
実施例2 GaAs MESFETに本発明を適用した場合の実施例を第5図
a〜dに示す。Example 2 An example of applying the present invention to a GaAs MESFET is shown in FIGS.
判絶縁性GaAs基板10上にMBE法を用いて、アンドープGaA
s層を2μm成長後Snを4×1019cm-3ドープしたn型GaA
s層15を30Å成長し、次にSiを1014cm-3程度ドープしたn
-型AlxGa1-xAs(x〜0.3程度)層16を100Å成長させ、
さらにSiを1014cm-3程度ドープしたn-GaAs層17を100Å
成長させた(第5図a)。次に、E−FETを形成する領
域をCCl2F2/Heの混合ガスを用い選択エツチング法でセ
パレーシヨン層のGaAs層17を除去する(同図b)。さら
にエツチングダメージを400℃5分間の加熱で除去後、
全面に、高耐熱金属であるWSi51(タングステン・シリ
サイド)を3000Åで形成した(第5図b)。続いて、ド
ライエツチングとフオトリングラフイーを用いてゲート
電極部分のWSi(51,51′)を残して、他のWSiを除去し
た。その後500ÅのSiO2をCVD法で被着後Si52を50keVの
加速エネルギー、ドース量3×1013cm-2でイオン注入し
た。注入後850℃15秒間のランプアニールを行ない注入S
i原子53を活性化した(第5図c)。続いてSiO2の必要
部分をエツチングで除去し、ソース・ドレイン金属(Au
Ge/Ni/Au)32,33,34を蒸着し、400℃3分間のアロイを
行ないソース・ドレイン電極を形成した。Undoped GaA on an insulating GaAs substrate 10 by MBE method.
n-type GaA doped with 4 × 10 19 cm -3 Sn after growing s layer to 2 μm
The s layer 15 was grown to 30 Å and then Si was doped to about 10 14 cm -3.
- type Al x Ga 1-x As (about X~0.3) layer 16 is 100Å growth,
Furthermore, the n - GaAs layer 17 doped with Si at about 10 14 cm -3 is 100 Å
It was grown (Fig. 5a). Next, the GaAs layer 17 of the separation layer is removed by a selective etching method using a mixed gas of CCl 2 F 2 / He in the region where the E-FET is formed (FIG. 8B). After removing etching damage by heating at 400 ℃ for 5 minutes,
Highly heat-resistant metal WSi51 (tungsten silicide) was formed on the entire surface at 3000 liters (Fig. 5b). Subsequently, dry etching and photolithography were used to remove WSi (51, 51 ') in the gate electrode portion and to remove other WSi. After depositing 500 Å SiO 2 by the CVD method, Si 52 was ion-implanted with an acceleration energy of 50 keV and a dose of 3 × 10 13 cm -2 . After implantation, lamp annealing is performed at 850 ° C for 15 seconds.
The i atom 53 was activated (Fig. 5c). Then, the required portion of SiO 2 is removed by etching, and the source / drain metal (Au
Ge / Ni / Au) 32, 33, and 34 were deposited and alloyed at 400 ° C. for 3 minutes to form source / drain electrodes.
この様にSnをドープした能動層を用いることで130Åま
で薄くすることができ、本発明のゲート構造を用いるこ
とで、ゲートリーク電流はE−FETでゲート電圧VG=1.1
Vまでほとんど無視できる程度となりD−FETについては
GaAs本来のシヨツトキーバリア高さ0.8Vに近い値までゲ
ートリーク電流は激減し、逆方向耐圧もセパレーシヨン
層がない場合の0.8Vから5.0Vまで向上した。By using an active layer doped with Sn as described above, the thickness can be reduced to 130 Å. By using the gate structure of the present invention, the gate leakage current is E-FET and the gate voltage V G = 1.1.
It becomes almost negligible up to V, and for D-FET
The gate leakage current has been drastically reduced to a value close to 0.8V, which is the height of the SHOTTOKI barrier, which is the original value of GaAs, and the reverse breakdown voltage has also been improved from 0.8V without a separation layer to 5.0V.
本実施例では、セパレーシヨン層16の上部に形成する半
導体層17にはn-半導体層を用いたが、これは必ずしもn-
層である必要はない。即ち、通常の1017cm-3程度にドー
ピングを施された半導体層でもさしつかえない。In this embodiment, the semiconductor layer 17 forming the top of Separeshiyon layer 16 n - is a semiconductor layer, which is necessarily n -
It does not have to be a layer. That is, a semiconductor layer doped to a usual concentration of about 10 17 cm -3 can be used.
又、本発明のゲート構造と、能動層にSnを用いるnチヤ
ンネルFETは、他のpチヤンネルFET〔2次元正孔ガスを
用いる選択ドープヘテロ接合型FET、実施例2でn型能
動層15の代りにBeを4×1019cm-3含有するp型層にかえ
るpチヤンネルGaAs MESFET等〕と同一基板に形成して
コンプリメンタリFETを形成する場合にも有効である。
又、上記実施例では、チヤンネル層の厚み、ドーピング
レベルは特定の範囲のもののみを示したが、様様な応用
分野によつてこれをかえることは無論さしつかえない。Further, the n-channel FET using the gate structure of the present invention and Sn for the active layer is another p-channel FET [selectively doped heterojunction FET using two-dimensional hole gas, instead of the n-type active layer 15 in Example 2]. It is also effective when forming a complementary FET by forming Be on the same substrate as a p-channel GaAs MESFET or the like which changes Be into a p-type layer containing 4 × 10 19 cm -3 .
Further, in the above-mentioned embodiment, the thickness and the doping level of the channel layer are shown to be within a specific range, but it can be changed depending on the application field.
本発明によれば、ゲート電極とSn不純物をドープされた
チヤンネル層の間にアンドープまたは僅かにドープされ
た半導体層(セパレーシヨン層)を挿入したゲート構造
にし、セパレーシヨン層の膜厚を変えることで、エンハ
ンスメント型FETとデプレーシヨン型FETを作り分けるた
めに、 (1) 能動層(及びそれに準ずる層)をきわめて薄く
することが可能となり、従来のFET特性の約2倍もの電
流をとることが可能になつた。According to the present invention, a gate structure in which an undoped or slightly doped semiconductor layer (separation layer) is inserted between a gate electrode and a channel layer doped with Sn impurities, and the thickness of the separation layer is changed. In order to make enhancement type FET and depletion type FET separately, it is possible to (1) make the active layer (and the layer corresponding to it) extremely thin, and it is possible to take about twice the current of the conventional FET characteristics. It became.
(2) ゲートリーク電流の少ない、論理振幅を大きく
とれるエンハンスメント型FET(E−FET)を形成でき、
かつ (3) ゲート耐圧の優れたデプレーシヨン型FET(D
−FET)を形成できる。(2) An enhancement type FET (E-FET) with a small gate leak current and a large logic amplitude can be formed,
And (3) Depletion type FET (D
-FET) can be formed.
上記の効果によりきわめて優れたE−FET/D−FETを同一
基板内に形成でき、E−FETとD−FETの両方を用いる回
路構成に特に優れた寄与をする。Due to the above effects, an extremely excellent E-FET / D-FET can be formed in the same substrate, which makes a particularly excellent contribution to a circuit configuration using both E-FET and D-FET.
第1図は、従来型選択ドープヘテロ接合型FETの断面
図、第2図,第3図は、本発明のMESFETと選択ドープヘ
テロ接合型FETの断面図、第4図は、本発明を選択ドー
プヘテロ接合型FETに実施した場合の一例を示す工程
図、第5図は、本発明をGaAs MESFETに実施した場合の
一例を示す工程図。 10……半絶縁性GaAs基板、11……アンドープGaAs層、12
……アンドープAlxGa1-xAs層、13……Snドープn型AlyG
a1-yAs層、14,15……Snドープn型GaAs層、16,18……ア
ンドープ(又はn-)AlzGa1-zAs、17,19……アンドープ
(又はn-)GaAs、31,32……ゲート電極、32,33,34……
ソース・ドレイン電極、40……絶縁物よりなる保護膜、
19′……n型GaAs。FIG. 1 is a sectional view of a conventional selectively doped heterojunction FET, FIGS. 2 and 3 are sectional views of a MESFET and a selectively doped heterojunction FET of the present invention, and FIG. 4 is a selectively doped heterojunction of the present invention. FIG. 5 is a process drawing showing an example of a case where the present invention is applied to a GaAs MESFET. 10 ... Semi-insulating GaAs substrate, 11 ... Undoped GaAs layer, 12
…… Undoped Al x Ga 1-x As layer, 13 …… Sn-doped n-type Al y G
a 1-y As layer, 14, 15 ...... Sn-doped n-type GaAs layer, 16, 18 ...... undoped (or n -) Al z Ga 1- z As, 17,19 ...... undoped (or n -) GaAs , 31,32 …… Gate electrode, 32,33,34 ……
Source / drain electrodes, 40 ... Protective film made of insulator,
19 '... n-type GaAs.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/812 9171−4M H01L 29/80 H (72)発明者 藤崎 芳久 東京都国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 五島 滋雄 東京都国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭50−119580(JP,A) 特開 昭53−63985(JP,A) 特開 昭57−193067(JP,A) 特開 昭58−147158(JP,A)─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical display location H01L 29/812 9171-4M H01L 29/80 H (72) Inventor Yoshihisa Fujisaki 1 Higashi Koigakubo, Kokubunji, Tokyo 280-chome, Central Research Laboratory of Hitachi, Ltd. (72) Inventor Shigeo Goto 1-280, Higashikoigakubo, Kokubunji, Tokyo Metropolitan Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (56) Reference JP-A-50-119580 (JP, A) Kai 53-63985 (JP, A) JP 57-193067 (JP, A) JP 58-147158 (JP, A)
Claims (4)
する半導体装置において、上記ショットキー型電界効果
トランジスタのショットキーゲート電極に接して形成さ
れたアンドープの第1の半導体層と、該第1の半導体層
に接して形成された第2の半導体層を有し、上記第1の
半導体層の膜厚Cは、上記ショットキーゲート電極のビ
ルトインポテンシャルをVbiとし、上記第2の半導体層
の膜厚および不純物濃度を、それぞれdおよびNDとした
とき、 (ここで、qは単位電荷、εは上記第1の半導体層の誘
電率)なる不等式を満たすように設定されている第1の
ショットキー型電解効果トランジスタを有することを特
徴とする半導体装置。1. In a semiconductor device having a Schottky field effect transistor, an undoped first semiconductor layer formed in contact with a Schottky gate electrode of the Schottky field effect transistor, and the first semiconductor layer. A second semiconductor layer formed in contact with the first semiconductor layer, and the thickness C of the first semiconductor layer is the built-in potential of the Schottky gate electrode is V bi, and the thickness of the second semiconductor layer is When the impurity concentrations are d and N D , respectively, (Here, q is a unit charge, and ε is a dielectric constant of the first semiconductor layer). A semiconductor device having a first Schottky field effect transistor set to satisfy the inequality.
体層の膜厚Cが、 (ここで、qは単位電荷、εは上記第1の半導体層の誘
電率)なる不等式を満たすように設定されている第2の
ショットキー型電界効果トランジスタを、同一基板上に
有することを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半
導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the film thickness C of the first semiconductor layer is (Wherein q is a unit charge, and ε is a dielectric constant of the first semiconductor layer), and a second Schottky field effect transistor is set on the same substrate so as to satisfy the inequality. The semiconductor device according to claim 1.
スタの上記第1の半導体層は2層膜からなることを特徴
とする特許請求の範囲第2項記載の半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the first semiconductor layer of the second Schottky field effect transistor comprises a two-layer film.
から遠い側の層はAlGaAsからなり、近い側の層はGaAsか
らなることを特徴とする特許請求の範囲第3項記載の半
導体装置。4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the layer of the two-layer film farther from the Schottky gate electrode is made of AlGaAs, and the layer closer to the Schottky gate electrode is made of GaAs.
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- 1985-09-27 JP JP60212337A patent/JPH0793322B2/en not_active Expired - Lifetime
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