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JPH0812915B2 - Field effect transistor - Google Patents
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JPH0812915B2 - Field effect transistor - Google Patents

Field effect transistor

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JPH0812915B2
JPH0812915B2 JP17290989A JP17290989A JPH0812915B2 JP H0812915 B2 JPH0812915 B2 JP H0812915B2 JP 17290989 A JP17290989 A JP 17290989A JP 17290989 A JP17290989 A JP 17290989A JP H0812915 B2 JPH0812915 B2 JP H0812915B2
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semiconductor layer
semiconductor
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field effect
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高速論理集積回路等に用いられる電界効果ト
ランジスタに関する。
The present invention relates to a field effect transistor used in a high speed logic integrated circuit or the like.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

高周波増幅器や高速コンピュータ用の素子として使わ
れる電界効果トランジスタ(FET)として、Siよりも低
電界移動度の高いGaAsを基板として用いたGaAsMESFETや
高電子移動度トランジスタ(HEMT)などが盛んに開発さ
れてきている。
As field effect transistors (FETs) used as high-frequency amplifiers and elements for high-speed computers, GaAs MESFETs and high electron mobility transistors (HEMTs) using GaAs, which has a lower electric field mobility than Si, as a substrate have been actively developed. Is coming.

高速コンピュータ用集積回路の基本素子の性能として
は、高い電流駆動能力を実現することが集積度および処
理速度を向上するうえで重要である。高い電流駆動能力
を実現するためには、チャネルを流れる電流がキャリア
密度とキャリアの走行速度の積に比例するという最も単
純なモデルからも容易に考えられるように、キャリアの
走行速度とキャリアの密度を上げることが必要である。
また、ゲート長の短縮に伴う短チャネル効果を抑制する
ためにチャネルの薄層化も必要である。
As the performance of the basic element of an integrated circuit for high speed computers, it is important to realize a high current driving capability in order to improve the degree of integration and the processing speed. In order to realize high current drive capability, it is easy to think from the simplest model that the current flowing through the channel is proportional to the product of carrier density and carrier traveling speed. It is necessary to raise.
In addition, it is necessary to thin the channel in order to suppress the short channel effect that accompanies the shortening of the gate length.

そこで従来は、例えばGaAsMESFETの場合には、最も制
御性よく薄膜が形成できる分子線エピタキシー(MBE)
法による薄膜成長技術によりチャネルの高濃度薄層化を
図ってきているが、実用的に制御性良くドーピングでき
る限界はMBE法により2×1018cm-3である。
Therefore, conventionally, for example, in the case of GaAs MESFET, molecular beam epitaxy (MBE) that can form a thin film with the best controllability.
We have been trying to make the channel with high concentration and thin layer by the thin film growth technology by the MBE method, but the practical limit of doping with good controllability is 2 × 10 18 cm -3 by the MBE method.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be Solved by the Invention]

従来の技術で述べたようにチャネルの高濃度化がFET
の高性能化において重要であるが、GaAsは電子の移動度
が大きく高速素子材料として有利であるが、状態密度が
低いためにドーピング濃度が制限されている。一方、Si
はGaAsに比較して電子の移動度は低いが、状態密度が高
く1020cm-3以上の高濃度が実現できる。このように、キ
ャリアの状態密度と移動度の間には材料固有のバンド構
造により決まる逆相関の関係にあり、原理的にキャリア
の状態密度と移動度の双方を高くすることはできないと
いう課題がある。
As mentioned in the prior art, increasing the channel concentration is due to FET
Although GaAs is important for high performance, it has a high electron mobility and is advantageous as a high-speed device material, but its doping density is limited because of its low density of states. On the other hand, Si
Although has a lower electron mobility than GaAs, it has a high density of states and can achieve a high concentration of 10 20 cm -3 or more. In this way, there is an inverse correlation between the density of states of carriers and the mobility determined by the band structure peculiar to the material, and in principle both the density of states of carriers and the mobility cannot be increased. is there.

本発明の目的は、キャリアの状態密度は低いが高キャ
リア移動度の材料のメリットと、移動度は低いが高キャ
リア状態密度の材料のメリットの双方を有効に生かし
て、より集積度を高められる高性能なFETを実現するこ
とにある。
An object of the present invention is to further enhance the degree of integration by effectively utilizing both the merit of a material having a low carrier density of states and high carrier mobility and the merit of a material having a low mobility but high carrier density of states. To realize a high-performance FET.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

第1の発明に係る電界効果トランジスタは、 基板上に形成した低電子状態密度半導体よりなる第1
の半導体層と、 この第1の半導体層の上に形成した、n型不純物元素
を含む高電子状態密度半導体よりなる第2の半導体層
と、 この第2の半導体層上に形成した低電子状態密度半導
体よりなる第3の半導体層とを有することを特徴とす
る。
A field effect transistor according to a first invention is a field effect transistor which is formed of a low electron density semiconductor on a substrate.
Semiconductor layer, a second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and made of a high electronic state density semiconductor containing an n-type impurity element, and a low electronic state formed on the second semiconductor layer. And a third semiconductor layer formed of a density semiconductor.

また、第2の発明に係る電界効果トランジスタは、 基板上に形成した低正孔状態密度半導体よりなる第1
の半導体層と、 この第1の半導体層の上に形成した、p型不純物元素
を含む高正孔状態密度半導体よりなる第2の半導体層
と、 この第2の半導体層上に形成した低正孔状態密度半導
体よりなる第3の半導体層とを有することを特徴とす
る。
The field effect transistor according to the second invention is the first hole-density semiconductor formed on the substrate.
Semiconductor layer, a second semiconductor layer formed of a high hole state density semiconductor containing a p-type impurity element, formed on the first semiconductor layer, and a low positive layer formed on the second semiconductor layer. And a third semiconductor layer made of a hole-state density semiconductor.

〔作用〕[Action]

本発明の原理は、キャリアの移動度と状態密度は反比
例関係にあるという材料固有の課題を、キャリアの供給
層として移動度は低いが状態密度の高い半導体層を用
い、キャリアの走行層として波動関数のしみだしを積極
的に応用して、できるだけ移動度の高い半導体層中でキ
ャリアを走行させることによっている。例えばGaAsの場
合、低電界移動度は大きいが、電子状態密度は4.7×10
17cm-3とSiの2.8×1019cm-3より2桁低い。実際には、
縮退効果により分子線エピタキシー法でも状態密度以上
の5×1018cm-3程度まで高濃度にドープできるが、1020
cm-3以上はできない。従って、高性能化のために、チャ
ネルの高濃度薄層化を進める上で限界が生じてしまう。
そこで、電子状態密度が1×1019cm-3と大きいGe極薄層
を電子供給層として用い、n型高濃度ドーピングを可能
とするとともに、波動関数の広がりの効果を応用するこ
とによって、電子の平均走行速度の低下をある程度に抑
えて、高性能化が可能となる。
The principle of the present invention is to solve the problem peculiar to the material that the carrier mobility and the density of states are in inverse proportion to each other by using a semiconductor layer having a low mobility but a high state density as a carrier supply layer and a wave as a carrier traveling layer. The function exudation is positively applied to allow carriers to travel in the semiconductor layer having the highest mobility. For example, in the case of GaAs, the low electric field mobility is large, but the electronic state density is 4.7 × 10
It is 2 digits lower than 17 cm -3 and 2.8 × 10 19 cm -3 of Si. actually,
Although the degenerate effect can be doped at a high concentration up to about 5 × 10 18 cm -3 or more state density in a molecular beam epitaxy method, 10 20
Cannot be more than cm -3 . Therefore, there is a limit in promoting high-concentration thinning of the channel for high performance.
Therefore, by using a Ge ultra-thin layer having a large electron density of states of 1 × 10 19 cm -3 as an electron supply layer to enable n-type high-concentration doping and to apply the effect of spreading the wave function, It is possible to improve the performance by suppressing the decrease in the average traveling speed of the vehicle to some extent.

〔実施例〕〔Example〕

以下に、本発明の実施例について図面を参照しながら
説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図は、第1の発明に係る電界効果トランジスタの
実施例の断面図を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a sectional view of an embodiment of a field effect transistor according to the first invention.

第1図に示す実施例のFETは、半絶縁性GaAs基板1の
上に、MBE法により、順次ノンドープのGaAs層2、Asを
1.2×1019cm-3ドープしたGe層3、ノンドープのGaAs層
4を、それぞれ厚さ600nm,10nm,20nmずつ成長する。そ
の上に、例えばWSiXからなるゲート電極7をスパッタ法
による被着と反応性ドライエッチングによる加工によっ
て形成する。さらに、ゲート電極7とフォトレジストを
マスクとして選択的にSiを加速エネルギー70keV,ドース
1×1013cm-2の条件で注入した後、800℃で活性化熱処
理を行い、n型低抵抗領域8を形成する。さらに、選択
的にAuGe・Niを蒸着して合金化熱処理を行い、オーム性
接触のソース電極5及びドレイン電極6を形成して作製
する。
In the FET of the embodiment shown in FIG. 1, a non-doped GaAs layer 2 and As are sequentially formed on a semi-insulating GaAs substrate 1 by the MBE method.
A 1.2 × 10 19 cm −3 doped Ge layer 3 and a non-doped GaAs layer 4 are grown to a thickness of 600 nm, 10 nm, and 20 nm, respectively. A gate electrode 7 made of WSi X , for example, is formed thereon by deposition by sputtering and processing by reactive dry etching. Further, using the gate electrode 7 and the photoresist as a mask, Si is selectively implanted under the conditions of an acceleration energy of 70 keV and a dose of 1 × 10 13 cm -2 , followed by activation heat treatment at 800 ° C., and an n-type low resistance region 8 To form. Further, AuGe.Ni is selectively vapor-deposited and an alloying heat treatment is performed to form a source electrode 5 and a drain electrode 6 which are in ohmic contact.

第2図は作製したFETのゲート電極7直下の熱平衡状
態におけるエネルギーバンドの様子を模式的に示した図
で、電子のフェルミレベル9、伝導帯バンドの最小点1
0、価電子帯バンドの最大点11を示してある。第2図に
おいて、電子の波動関数12はn型Ge層3の両側のノンド
ープGaAs層2,4に広がり、その効果によってノンドープG
aAs層2,4での電子の平均走行速度がGe層よりも速くな
り、かつ、電子供給層としては状態密度が1×1019cm-3
のGeを用いているため、縮退を考えても安定には2×10
18cm-3以上のドーピングが難しいGaAsよりも高ドープ化
が可能となっている。
Fig. 2 is a diagram schematically showing the state of the energy band in the thermal equilibrium state just below the gate electrode 7 of the fabricated FET. The electron Fermi level 9 and the conduction band minimum point 1
0, the maximum point 11 of the valence band is shown. In FIG. 2, the electron wave function 12 spreads to the non-doped GaAs layers 2 and 4 on both sides of the n-type Ge layer 3, and the effect causes the non-doped G
The average traveling speed of electrons in the aAs layers 2 and 4 is higher than that in the Ge layer, and the density of states of the electron supply layer is 1 × 10 19 cm -3.
Since Ge is used, 2 × 10 is stable for stability even when considering degeneracy.
Higher doping is possible than GaAs, which is difficult to be doped with 18 cm -3 or more.

第3図は、第2の発明に係る電界効果トランジスタの
実施例の断面図を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional view of an embodiment of the field effect transistor according to the second invention.

第3図に示す実施例のFETは、n型Si基板21の上に、M
BE法により、順次厚さ600nmのn型のSi層22、キャリア
走行層となる厚さ30nmのノンドープGe0.5Si0.5層23、キ
ャリア供給層となる厚さ5nmのGaを1×1019cm-3ドープ
したp型Si層24、キャリア走行層となる厚さ10nmのノン
ドープGe0.5Si0.5層25、厚さ20nmの低濃度n型Si層26、
表面を酸化して形成した厚さ10nmのSiO2層27を成長す
る。その上に、例えばWSixからなるゲート電極7をスパ
ッタ法による被着と反応性ドライエッチングによる加工
によって形成する。さらに、ゲート電極7とフォトレジ
ストをマスクとして選択的にBを加速エネルギー80keV,
ドース1.4×1013cm-2の条件で注入した後、900℃で活性
化熱処理を行い、p型低抵抗領域28を形成する。さら
に、選択的にSiO2層27を除去し、AlSiを蒸着して合金化
熱処理を行い、オーム性接触のソース電極5及びドレイ
ン電極6を形成して作製する。
The FET of the embodiment shown in FIG. 3 has M-type on the n-type Si substrate 21.
The BE method, n-type Si layer 22 of the sequential thickness 600 nm, undoped Ge having a thickness of 30nm as a carrier transit layer 0.5 Si 0.5 layers 23, 1 × a Ga thickness 5nm serve as carrier supply layer 10 19 cm - 3- doped p-type Si layer 24, 10-nm-thick non-doped Ge 0.5 Si 0.5 layer 25 serving as a carrier transit layer, 20-nm-thick low-concentration n-type Si layer 26,
A 10 nm thick SiO 2 layer 27 formed by oxidizing the surface is grown. A gate electrode 7 made of, for example, WSi x is formed thereon by deposition by sputtering and processing by reactive dry etching. Further, by using the gate electrode 7 and the photoresist as a mask, B is selectively accelerated with an acceleration energy of 80 keV,
After implanting under the condition of a dose of 1.4 × 10 13 cm -2 , activation heat treatment is performed at 900 ° C. to form a p-type low resistance region 28. Further, the SiO 2 layer 27 is selectively removed, AlSi is vapor-deposited, and an alloying heat treatment is performed to form a source electrode 5 and a drain electrode 6 having ohmic contact.

第4図は作製したFETのゲート電極7直下のゲートに
正電位を印加した空乏層変調モード動作状態におけるエ
ネルギーバンドの様子を模式的に示した図で、フェルミ
レベル9、伝導帯バンドの最小点10、価電子帯バンドの
最大点11を示してある。第4図において、正孔の波動関
数18はp型Si層24の両側のノンドープGe0.5Si0.5層23,2
5に広がり、その効果によって正孔の平均走行速度がSi
層よりも速くなり、状態密度の高いSi層をキャリア供給
層としているためより高ドープ化できる。
Fig. 4 is a diagram schematically showing the state of the energy band in the depletion layer modulation mode operation state in which a positive potential is applied to the gate just below the gate electrode 7 of the fabricated FET. The Fermi level 9 and the minimum point of the conduction band are shown. 10, the maximum point 11 of the valence band is shown. In FIG. 4, the wave function 18 of holes is the undoped Ge 0.5 Si 0.5 layer 23,2 on both sides of the p-type Si layer 24.
The average traveling speed of holes is Si
It is faster than the layer, and since the Si layer having a high density of states is used as the carrier supply layer, it can be more highly doped.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように、本発明によれば、キャリアの供
給層として、移動度は低いが状態密度の高い半導体層を
用い、キャリアの走行層として波動関数のしみだしを積
極的に応用して、できるだけ移動度の高い半導体層を用
いることによっている。従って、例えば電子状態密度に
よりドーピング濃度の限界があったGaAsのような半導体
層の場合でも、電子状態密度の大きいGe層を電子供給層
として用い、波動関数の広がりの効果を応用することに
よって、電子の平均走行速度の低下をある程度に抑え
て、高濃度ドーピングが可能となり、高集積化に適した
高性能FETが実現できる。
As described above, according to the present invention, as a carrier supply layer, a semiconductor layer having a low mobility but a high state density is used, and a wave function exudation is positively applied as a carrier traveling layer, This is based on using a semiconductor layer having a mobility as high as possible. Therefore, even in the case of a semiconductor layer such as GaAs in which the doping concentration is limited by the density of electronic states, a Ge layer having a large density of electronic states is used as an electron supply layer and the effect of spreading the wave function is applied. High-concentration doping is possible by suppressing the decrease in the average traveling speed of electrons to some extent, and a high-performance FET suitable for high integration can be realized.

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

第1図は第1の発明に係るFETの実施例を示す断面図、 第2図は第1図のFETのゲート直下におけるバンドの模
式図、 第3図は第2の発明に係るFETの実施例を示す断面図、 第4図は第3図のFETのゲート直下におけるバンドの模
式図である。 1……半絶縁性GaAs基板 2,4……ノンドープGaAs層 3……n型Ge層 5……ソース電極 6……ドレイン電極 7……ゲート電極 8……n型低抵抗領域 9……フェルミレベル 10……伝導帯バンドの最小点 11……価電子帯バンドの最大点 12……電子の波動関数 18……正孔の波動関数 21……n型Si基板 22,26……n型Si層 23,25……ノンドープGe0.5Si0.5層 24……p型Si層 27……SiO2層 28……p型低抵抗領域
1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the FET according to the first invention, FIG. 2 is a schematic view of a band just below the gate of the FET of FIG. 1, and FIG. 3 is an embodiment of the FET according to the second invention. FIG. 4 is a schematic view of a band just below the gate of the FET of FIG. 3 showing an example. 1 ... Semi-insulating GaAs substrate 2,4 ... Non-doped GaAs layer 3 ... n-type Ge layer 5 ... Source electrode 6 ... Drain electrode 7 ... Gate electrode 8 ... N-type low resistance region 9 ... Fermi Level 10 ... minimum point of conduction band 11 ... maximum point of valence band 12 ... wave function of electron 18 ... wave function of hole 21 ... n-type Si substrate 22, 26 ... n-type Si substrate Layer 23,25 …… Non-doped Ge 0.5 Si 0.5 layer 24 …… p type Si layer 27 …… SiO 2 layer 28 …… p type low resistance region

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】基板上に形成した低電子状態密度半導体よ
りなる第1の半導体層と、 この第1の半導体層の上に形成した、n型不純物元素を
含む高電子状態密度半導体よりなる第2の半導体層と、 この第2の半導体層上に形成した低電子状態密度半導体
よりなる第3の半導体層とを有することを特徴とする電
界効果トランジスタ。
1. A first semiconductor layer made of a low electron state density semiconductor formed on a substrate, and a high electron state density semiconductor containing an n-type impurity element formed on the first semiconductor layer. A field effect transistor comprising: a second semiconductor layer; and a third semiconductor layer made of a low electron state density semiconductor formed on the second semiconductor layer.
【請求項2】基板上に形成した低正孔状態密度半導体よ
りなる第1の半導体層と、 この第1の半導体層の上に形成した、p型不純物元素を
含む高正孔状態密度半導体よりなる第2の半導体層と、 この第2の半導体層上に形成した低正孔状態密度半導体
よりなる第3の半導体層とを有することを特徴とする電
界効果トランジスタ。
2. A first semiconductor layer made of a low hole state density semiconductor formed on a substrate, and a high hole state density semiconductor containing a p-type impurity element formed on the first semiconductor layer. And a third semiconductor layer made of a low hole state density semiconductor formed on the second semiconductor layer.
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