JP2633009B2 - Compound semiconductor field effect transistor and method of manufacturing the same - Google Patents

Compound semiconductor field effect transistor and method of manufacturing the same

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JP2633009B2
JP2633009B2 JP4000189A JP4000189A JP2633009B2 JP 2633009 B2 JP2633009 B2 JP 2633009B2 JP 4000189 A JP4000189 A JP 4000189A JP 4000189 A JP4000189 A JP 4000189A JP 2633009 B2 JP2633009 B2 JP 2633009B2
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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III−V族化合物半導体、とりわけGaAsを用
いた超高速・超高周波化合物半導体電界効果トランジス
タおよびその製造方法に関するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an ultra-high-speed / ultra-high frequency compound semiconductor field-effect transistor using a III-V compound semiconductor, especially GaAs, and a method for manufacturing the same.

(従来の技術) 従来、化合物半導体、とりわけGaAsと非晶質絶縁層、
例えばシリコン酸化膜,アルミニウム酸化膜等からなる
MIS構造を用いた電界効果トランジスタの製作が試みら
れている。しかし、GaAsと非晶質絶縁層の界面に存在す
る欠陥,自然酸化膜,ディスオーダ等を除去することが
困難で、これらに起因する界面準位密度が高く、このよ
うな非晶質絶縁層/GaAs界面で構成されるMIS構造を用い
たGaAs電界効果トランジスタ(GaAsMISFET)において
は、チャネルとなる良好な反転層が形成できず、トラン
ジスタ動作を実現することが困難であった(例えば、長
谷川英機、応用物理、第50巻,第12号“III−V族半導
体のMIS界面とその応用”)。
(Prior art) Conventionally, compound semiconductors, especially GaAs and an amorphous insulating layer,
For example, a silicon oxide film, an aluminum oxide film, etc.
Attempts have been made to manufacture field effect transistors using the MIS structure. However, it is difficult to remove defects, natural oxide films, disorder, and the like existing at the interface between GaAs and the amorphous insulating layer, resulting in a high interface state density. In a GaAs field-effect transistor (GaAs MISFET) using an MIS structure composed of a GaAs / GaAs interface, a favorable inversion layer serving as a channel could not be formed, and it was difficult to realize transistor operation (for example, Hideki Hasegawa) , Applied Physics, Vol. 50, No. 12, "MIS Interface of III-V Semiconductors and Its Application").

これを克服するため、第2図に示すように(100)方
位を有する半絶縁性GaAs基板上に、蛍石構造を有する単
結晶絶縁層、例えば単結晶弗化カルシュウムCaF2を分子
線エピタキシャル法(MBE)により形成したヘテロ構造
を用いたGaAsMISFETの製作が試みられている(T.Waho a
nd F.Yanagawa,IEEE EDL−9,No.10(1988)p.548“A Ga
As MISFET using an MBE−grown CaF2 gate insulator
layer")。
In order to overcome this, as shown in FIG. 2, a single crystal insulating layer having a fluorite structure, for example, single crystal calcium fluoride CaF 2 is formed on a semi-insulating GaAs substrate having a (100) orientation by a molecular beam epitaxial method. Fabrication of GaAs MISFET using heterostructure formed by (MBE) has been attempted (T. Waho a
nd F. Yanagawa, IEEE EDL-9, No. 10 (1988) p.548 “A Ga
As MISFET using an MBE-grown CaF 2 gate insulator
layer ").

このようなGaAsMISFET構造は、半絶縁性GaAs基板11上
にアンドープ(100)GaAs半導体層12と単結晶弗化物膜C
aF216とを連続して形成したヘテロ構造を用い、ゲート
電極17をマスクに不純物となるイオンのイオン注入を行
い、それに続く不純物活性化のための高温のアニールを
行い、自己整合的にソース領域13a,ドレイン領域13bを
形成した後に、更に、ソース電極14a,ドレイン領域14b
を形成することにより得られる。このGaAsMISFETは、ゲ
ート電極17に所定の正の電圧を印加し、ゲート電極下の
半導体層12中にチャネル15が形成することにより、通常
のFETと同様の動作を行うものである。
Such a GaAs MISFET structure has an undoped (100) GaAs semiconductor layer 12 and a single crystal fluoride film C on a semi-insulating GaAs substrate 11.
Using a heterostructure in which aF 2 16 is formed continuously, ion implantation of ions serving as impurities is performed using the gate electrode 17 as a mask, followed by high-temperature annealing for activating impurities, and the source is self-aligned. After forming the region 13a and the drain region 13b, the source electrode 14a and the drain region 14b
Is obtained. This GaAs MISFET performs the same operation as a normal FET by applying a predetermined positive voltage to the gate electrode 17 and forming a channel 15 in the semiconductor layer 12 below the gate electrode.

(発明が解決しようとする課題) しかし、このような(100)GaAs半導体層上に成長し
たCaF2をゲート絶縁膜に用いた従来型GaAsMISFET構造で
は以下に述べる問題点があった。
(Problems to be Solved by the Invention) However, such a conventional GaAs MISFET structure using CaF 2 grown on a (100) GaAs semiconductor layer as a gate insulating film has the following problems.

(イ)ゲートリーク電流Igが大きく、トランジスタの性
能(トランスコンダクタンスgm消費電力)が低下する。
(B) gate leakage current I g is large, the performance of the transistor (transconductance g m power consumption) is reduced.

(ロ)界面準位密度の大幅な低減が困難で、閾値電圧が
高く、製造バラツキが大きい。
(B) It is difficult to greatly reduce the interface state density, the threshold voltage is high, and the manufacturing variation is large.

(ハ)トランジスタ特性が不安定性である。(C) The transistor characteristics are unstable.

また、GaAsMISFETを製造する上では、ソース,ドレイ
ン領域形成のためにイオン注入した不純物の活性化のた
めの熱処理過程において、蒸気圧が高いV族元素の蒸発
防止の目的で、前述の非晶質絶縁膜を用いる方法、もし
くは、同種の化合物半導体基板で覆ういわゆるフェース
ツウフェースの方法等が採用されているが、化合物半導
体構成元素のアウトディフージョン,非晶質膜形成過程
および熱処理過程等における化合物半導体表面への不純
物混入が避けられず、化合物半導体/絶縁体界面の電気
的特性、ひいてはMISFET特性に重大な悪影響を及ぼすと
いう問題点があった。
In the manufacture of GaAs MISFETs, the heat treatment for activating the impurities implanted to form the source and drain regions requires the above-mentioned amorphous material for the purpose of preventing evaporation of the V group element having a high vapor pressure. A method using an insulating film, a so-called face-to-face method of covering with a compound semiconductor substrate of the same kind, and the like are employed. There is a problem that impurities are inevitably mixed into the semiconductor surface, and have a serious adverse effect on the electrical characteristics of the compound semiconductor / insulator interface, and further on the MISFET characteristics.

本発明は上記の欠点を改善するために提案されたもの
で、その目的は、ゲートリーク電流の低減化,閾値電圧
の低下,素子動作の安定化を図った高性能の化合物半導
体電界効果トランジスタの実現と、その製造方法を提供
することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been proposed to improve the above-mentioned disadvantages, and has as its object to reduce the gate leakage current, lower the threshold voltage, and stabilize the operation of the device. It is an object of the present invention to provide a realization and a manufacturing method thereof.

(課題を解決するための手段) 上記の目的を達成するため、本発明は単結晶基板と、
前記単結晶基板上に形成された閃亜鉛鉱型結晶構造を有
する第1の半導体層と、前記第1の半導体層上に形成さ
れた蛍石型結晶構造を有する第1の絶縁層と、前記第1
の絶縁層上に設けられたゲート電極と、前記第1の半導
体層中に設けられたソース領域及びドレイン領域と、前
記ソース領域及びドレイン領域にそれぞれ連接して設け
られたソース電極及びドレイン電極とを備え、第1の半
導体層と第1の絶縁層とが(111)面ないしそれに近接
した面方位であることを特徴とする化合物半導体電界効
果トランジスタを発明の要旨とするものである。
(Means for Solving the Problems) To achieve the above object, the present invention provides a single crystal substrate,
A first semiconductor layer having a zinc blende type crystal structure formed on the single crystal substrate; a first insulating layer having a fluorite type crystal structure formed on the first semiconductor layer; First
A gate electrode provided on the insulating layer, a source region and a drain region provided in the first semiconductor layer, and a source electrode and a drain electrode provided in connection with the source region and the drain region, respectively. Wherein the first semiconductor layer and the first insulating layer have a (111) plane or a plane orientation close to the (111) plane.

さらに、本発明は(111)B方位面の半絶縁性基板上
に、分子線エピタキシャル法により閃亜鉛鉱型結晶構造
を有する第1の半導体層を形成する工程と、引き続き同
一真空中で前記第1の半導体層上に分子線エピタキシャ
ル法によりゲート絶縁膜として作用する単結晶絶縁層を
形成する工程と、前記の絶縁層を保護膜として用い、イ
オン注入不純物を活性化するためのアニール工程とを含
むことを特徴とする化合物半導体電界効果トランジスタ
の製造方法を発明の要旨とするものである。
Further, the present invention provides a step of forming a first semiconductor layer having a zinc-blende-type crystal structure on a (111) B-oriented semi-insulating substrate by a molecular beam epitaxy method, and subsequently, forming the first semiconductor layer in the same vacuum. A step of forming a single-crystal insulating layer acting as a gate insulating film on the semiconductor layer by molecular beam epitaxy; and an annealing step of activating ion-implanted impurities using the insulating layer as a protective film. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a compound semiconductor field-effect transistor characterized by including the above.

(作用) 本発明の最も主要な特徴は、蛍石型単結晶の(111)
面の表面エネルギーが他の面方位の表面エネルギーに比
べて最も低く、前記の蛍石型単結晶上に堆積される結晶
構造が類似の閃亜鉛鉱型化合物半導体の(111)面上に
層状成長することを利用して、全過程を通して層状モー
ドで形成した急峻な化合物半導体層/単結晶絶縁層ヘテ
ロ構造を利用した化合物半導体電界効果トランジスタの
構造にある。従って、単結晶絶縁層の均一性が飛躍的に
改善され、高抵抗率を実現できる結果、ゲートリーク電
流が低減化できるという作用を有する。
(Action) The most important feature of the present invention is that the (111)
The surface energy of the plane is the lowest compared to the surface energies of the other plane orientations, and the crystal structure deposited on the fluorite-type single crystal is similar to that of the zinc blende type compound semiconductor. The structure of a compound semiconductor field-effect transistor using a steep compound semiconductor layer / single-crystal insulating layer heterostructure formed in a layered mode throughout the entire process. Accordingly, the uniformity of the single crystal insulating layer is significantly improved, and a high resistivity can be realized. As a result, the gate leakage current can be reduced.

上記特徴を有するため、また同時に、第二の特徴とし
て、蛍石型結晶構造を有する複数の絶縁体の混晶絶縁層
を用い半導体層と格子整合を図っているため、界面準位
の原因となる界面での不結合対(ダングリングボンド)
の発生を抑え、界面準位密度を低減化することで、閾値
低減化が図れるという効果を、また、応力発生を抑止し
トランジスタ特性の安定化が向上するという効果を有す
る。
Due to the above characteristics, and at the same time, as a second characteristic, lattice matching with the semiconductor layer is performed by using a mixed crystal insulating layer of a plurality of insulators having a fluorite type crystal structure. Couple (dangling bond) at different interfaces
Has the effect of reducing the threshold by reducing the interface state density, and has the effect of suppressing the generation of stress and improving the stability of transistor characteristics.

以上の効果を有するため、従来にない優れた高速性,
低消費電力性を有する電界効果トランジスタを実現でき
る。
With the above effects, unprecedented high speed,
A field-effect transistor having low power consumption can be realized.

(実施例) 次に本発明の実施例について説明する。なお、実施例
は一つの例示であって、本発明の精神を逸脱しない範囲
で、種々の変更あるいは改良を行いうることは言うまで
もない。
(Example) Next, an example of the present invention will be described. It should be noted that the embodiments are merely examples, and it is needless to say that various changes or improvements can be made without departing from the spirit of the present invention.

第1図は本発明の実施例を説明する図である。本構造
を実現する方法について、先ず界面形成方法、次にFET
構造形成方法の順について説明する。
FIG. 1 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention. For the method to realize this structure, first, the interface formation method, then the FET
The order of the structure forming method will be described.

先ず、引上げ封止法(LEC)による半絶縁性(111)B
GaAs結晶基板21の上に第1の半導体層であるアンドープ
GaAs層22を分子線エピタキシャル法によりホモエピタキ
シャル成長し、次いで、分子線エピタキシャル法で弗化
カルシュウム・ストロンチュウムCaxSr1-xF2を成長する
ことにより、単結晶絶縁層(ゲート絶縁膜として作用す
る)23を形成する。半導体層22の形成には、通常良く用
いられる成長条件、例えば、基板温度が650℃,成長速
度は約0.6μm/h,膜厚は0.7μmを用いる。この時のGaAs
層22の伝導型はPで、キャリア濃度は1014〜1015cm-3
ある。また単結晶CaxSr1-xF2膜23の成長条件としては、
例えば、基板温度500℃,成長速度0.06μm/h,膜厚60nm
を用いる。これらの条件、または、類似の条件下では、
半導体層と単結晶絶縁層とは共に基板方位(111)に揃
い、(111)面方位を持って成長した半導体/絶縁体界
面を形成できる。
First, semi-insulating (111) B by pull-up sealing (LEC)
Undoped first semiconductor layer on GaAs crystal substrate 21
The GaAs layer 22 is homoepitaxially grown by the molecular beam epitaxy method, and then calcium strontium fluoride Ca x Sr 1-x F 2 is grown by the molecular beam epitaxy method to form a single crystal insulating layer (as a gate insulating film). (Acting) 23. For the formation of the semiconductor layer 22, a growth condition generally used, for example, a substrate temperature of 650 ° C., a growth rate of about 0.6 μm / h, and a film thickness of 0.7 μm is used. GaAs at this time
Layer 22 has a conductivity type of P and a carrier concentration of 10 14 -10 15 cm -3 . The growth conditions for the single-crystal Ca x Sr 1-x F 2 film 23 include:
For example, substrate temperature 500 ° C, growth rate 0.06μm / h, film thickness 60nm
Is used. Under these or similar conditions,
Both the semiconductor layer and the single crystal insulating layer are aligned with the substrate orientation (111), and a semiconductor / insulator interface grown with the (111) plane orientation can be formed.

前記の第一の蛍石構造の単結晶絶縁層の格子定数が第
一の閃亜鉛鉱型半導体層の格子定数と、±0.5%の範囲
内で格子整合していることが好ましい。
It is preferable that the lattice constant of the single crystal insulating layer having the first fluorite structure is lattice-matched to the lattice constant of the first zinc-blende semiconductor layer within a range of ± 0.5%.

また、前記の第一の閃亜鉛鉱型半導体層がGaAsからな
り、第一の蛍石構造の単結晶絶縁層が弗化カルシュウム
・ストロンチュウムであり、且つ、カルシュウムとスト
ロンチュウムの比率が、1:(0.9〜1.3)の範囲であるこ
とが好ましい。
Further, the first zinc-blende semiconductor layer is made of GaAs, the single-crystal insulating layer having the first fluorite structure is calcium strontium fluoride, and the ratio of calcium to strontium is reduced. , 1: (0.9 to 1.3).

分子線エピタキシャル法に用いる分子線源としては、
高純度弗化カルシュウムCaF2と高純度弗化ストロンチュ
ウムSrF2を用いる。各分子線源のセル温度を制御するこ
とにより、CaとSrの組成比xを±3%以内の精度で任意
の値に設定できるが、ここではxを成長温度に応じて、
例えば、室温では約0.44,600℃では約0.56とすること
で、CaxSr1-xF2とGaAsとの格子整合を図ることができ
る。
Molecular beam sources used for molecular beam epitaxy include:
High-purity calcium fluoride CaF 2 and high-purity strontium fluoride SrF 2 are used. By controlling the cell temperature of each molecular beam source, the composition ratio x of Ca and Sr can be set to an arbitrary value with an accuracy within ± 3%. Here, x is set according to the growth temperature.
For example, by setting the temperature to about 0.44 at room temperature and about 0.56 at about 600 ° C., lattice matching between Ca x Sr 1 -xF 2 and GaAs can be achieved.

FET製作には、良く知られている通常のGaAsMISFET製
作に用いられている高融点金属ゲートセルファラインプ
ロセス(例えば、1981 ISS CC Technical Digest“A se
lf−aligned source/drain planar device for ultra−
high−speed GaAsMESFET VLSI's")に類似する工程を採
用する。
The FET fabrication includes a refractory metal gate self-alignment process (eg, the 1981 ISS CC Technical Digest “Ase
lf-aligned source / drain planar device for ultra-
A process similar to high-speed GaAs MESFET VLSI's ") is employed.

先ず、全面にスパッタ法により高融点金属膜WSiを形
成し、通常の反応性イオンエッチング(RIE)法を用い
ゲート電極24を形成する。次に、n形不純物としてSiイ
オを、例えばエネルギー50KeV,ドーズ量4×1013cm-2
条件下で、ゲート電極24をイオン注入し、更に活性化の
ための高温のアニールを、単結晶絶縁層23を保護膜とし
て用いて、例えば650℃〜800℃、4〜10秒の条件で行い
自己整合的にソース領域25a,ドレイン領域25bを形成す
る。
First, a refractory metal film WSi is formed on the entire surface by a sputtering method, and a gate electrode 24 is formed by a usual reactive ion etching (RIE) method. Next, Si ions are implanted as n-type impurities, for example, under conditions of an energy of 50 KeV and a dose of 4 × 10 13 cm −2 , and the gate electrode 24 is ion-implanted. Using the insulating layer 23 as a protective film, the source region 25a and the drain region 25b are formed in a self-aligned manner, for example, at 650 ° C. to 800 ° C. for 4 to 10 seconds.

このアニール工程において、単結晶絶縁層23をGaAs層
22の表面保護膜として利用する。
In this annealing step, the single crystal insulating layer 23 is
Used as a surface protective film for 22.

更に、レジストをマスクにHCl系エッチング液により
単結晶弗化物混晶層をエッチングして、ソース領域並び
にドレイン領域とのコンタクト窓開けを行った後、AuGe
Niからなるオーミック用及びTi/Auからなる配線用のソ
ース電極26a,ドレイン電極26bを形成し、N−チャネル
のGaAsMISFET構造が実現できる。このような構造になっ
ているため、ゲート電極に所定の正の電圧、例えば、0.
9V以上の値を印加すると、ゲート電極24下の絶縁層23近
傍の第1の半導体層22中にN形のチャネル27が形成さ
れ、通常のFET動作が得られる。
Further, using a resist as a mask, the single crystal fluoride mixed crystal layer is etched with an HCl-based etchant to open contact windows with the source region and the drain region.
By forming the source electrode 26a and the drain electrode 26b for the ohmic contact made of Ni and the wiring made of Ti / Au, an N-channel GaAs MISFET structure can be realized. Due to such a structure, a predetermined positive voltage is applied to the gate electrode, for example, 0.
When a value of 9 V or more is applied, an N-type channel 27 is formed in the first semiconductor layer 22 near the insulating layer 23 below the gate electrode 24, and a normal FET operation can be obtained.

また、同様にして、P−チャネルのGaAsMISFETを製作
する場合は、上記MISFET製作の不純物イオン注入工程で
n形不純物の代わりに、p形不純物となるBeイオンを、
エネルギー30KeV,ドーズ量2×1013cm-2でイオン注入す
ることと共に、オーミック電極にAuZnを用いることで、
実現できる。
Similarly, when fabricating a P-channel GaAs MISFET, Be ions serving as p-type impurities are substituted for n-type impurities in the above-described impurity ion implantation step of MISFET fabrication.
By implanting ions at an energy of 30 KeV and a dose of 2 × 10 13 cm -2 and using AuZn for the ohmic electrode,
realizable.

また、上述のN−チャネル、並びにP−チャネルMISF
ETを同一ヘテロ基板上に形成し、H+イオン注入法等で各
MISFETの素子間分離を行うと共に、両者をTi/Au配線電
極により相互に接続することによって、これらのGaAsMI
SFETを用いた相補型回路を実現できる。この際、Nチャ
ネルGaAsMISFETを形成する場合は、チャネルが形成され
るホモエピタキシャル成長したGaAs層には1015〜7×10
16/cm3のp形不純物を成長時、或いはゲート電極形成前
にイオン注入法によりドーピングし、逆に、Pチャネル
GaAsMISFETを形成する場合は、同様にGaAs層にn形不純
物をドーピングすると更に良好な特性が得られることは
勿論である。
In addition, the above-mentioned N-channel and P-channel MISF
The ET formed on the same hetero substrate, each with H + ion implantation or the like
By separating the elements of the MISFET and connecting them to each other with Ti / Au wiring electrodes,
A complementary circuit using SFET can be realized. At this time, in the case of forming an N-channel GaAs MISFET, the GaAs layer formed by homoepitaxial growth in which a channel is formed is 10 15 to 7 × 10
A 16 / cm 3 p-type impurity is doped by ion implantation at the time of growth or before the formation of a gate electrode.
When a GaAs MISFET is formed, needless to say, better characteristics can be obtained by doping the GaAs layer with an n-type impurity.

また、本発明によるトランジスタにおいて、ソース領
域及びドレイン領域がp形にドープされ、その場合のチ
ャネルにおける主要な電流担体は正孔である。
Also, in the transistor according to the invention, the source and drain regions are doped p-type, in which case the main current carriers in the channel are holes.

CaxSr1-xF2膜においては、(111)面の表面エネルギ
ーが最も小さいため、本実施例のごとく、(111)B方
位のGaAs層上にCaxSr1-xF2層を形成すると、CaxSr1-xF2
層が、第1層目からゲート用絶縁層に必要な5〜50nmの
膜厚まで層状に成長することを、我々は反射高速電子線
(RHEED)解析により確認した。このため、従来の(00
1)基板上にCaxSr1-xF2膜を成長するときに顕著であっ
た3次元的に島状成長した島の合体に伴い導入された多
量の欠陥生成が大幅に抑止され、良好な絶縁特性を有す
るゲート絶縁層の形成が可能になった。この場合の単結
晶絶縁層23の抵抗率は0.1〜5×1013Ω・cmと従来の約5
0〜100倍大きくできた。このため、本MISFETのゲートリ
ーク電流の大幅な低減化が可能になった。
In the Ca x Sr 1 -x F 2 film, since the surface energy of the (111) plane is the smallest, the Ca x Sr 1 -x F 2 layer is formed on the (111) B oriented GaAs layer as in this embodiment. When formed, Ca x Sr 1-x F 2
We confirmed by reflection high-energy electron beam (RHEED) analysis that the layers were grown in layers from the first layer to a thickness of 5 to 50 nm required for the gate insulating layer. For this reason, the conventional (00
1) The generation of a large number of defects introduced with the coalescence of the three-dimensionally grown islands, which was remarkable when growing the Ca x Sr 1-x F 2 film on the substrate, was greatly suppressed, and was favorable. It is possible to form a gate insulating layer having excellent insulating characteristics. In this case, the resistivity of the single crystal insulating layer 23 is 0.1 to 5 × 10 13 Ω · cm, which is
It was 100 to 100 times larger. For this reason, the gate leakage current of the present MISFET can be significantly reduced.

ゲートーリーク電流の大幅な低減化が可能になったた
め、相補型回路ではトランジスタのスイッチ動作時以外
にトランジスタに流れる電流が大幅に低減化でき、GaAs
本来が有する高速性と共に、低消費電力性を合わせもつ
回路が実現できる。
Gate-leakage current can be greatly reduced, so in a complementary circuit, the current flowing through the transistor can be greatly reduced except when the transistor switches, and GaAs
A circuit having low power consumption as well as the inherent high speed can be realized.

本実施例では、CaxSr1-xF2が成長する基板として(11
1)面方位のGaAsを用いているため、CaxSr1-xF2膜は層
状に成長し、急峻な界面が形成されており、更に、格子
整合の結果、ダングリングボンドの形成が抑止されてい
るため、界面準位密度を低減させることが可能となり、
MISFETの閾値電圧値を低減化、および制御性の改善が可
能になった。また、界面付近の内部応力発生が抑止でき
るため、MISFET動作の安定性が確保できる。
In this embodiment, as a substrate on which Ca x Sr 1-x F 2 is grown (11
1) Since GaAs with plane orientation is used, the Ca x Sr 1-x F 2 film grows in layers and has a steep interface, and further, as a result of lattice matching, the formation of dangling bonds is suppressed. It is possible to reduce the interface state density,
The threshold voltage of the MISFET can be reduced and controllability can be improved. Further, since the generation of internal stress near the interface can be suppressed, the stability of the MISFET operation can be ensured.

また、本実施例の構造では、GaAsエピタキシャル層22
に引き続き同一真空中でCaxSr1-xF2膜23を成長するた
め、大気中に取出した場合、避けられない表面へのC,O,
H2O等の吸着を防止し、GaAs/CaxSr1-xF2界面の清浄化が
実現できる。更に、CaxSr1-xF2膜23は層状に成長し、且
つ同絶縁層と半導体のGaAs境界における結合が強固で、
更に同膜中にも欠陥が少ないため、このアニール工程で
保護膜として利用することにより、チャネルが形成され
るゲート電極24下の第1の半導体層22からGaが同絶縁層
23に拡散し、GaAs層22にGa空孔が発生し、GaAs層22の界
面特性の劣化を防止できるという絶大な保護膜効果が得
られる。
In the structure of this embodiment, the GaAs epitaxial layer 22
Then, to grow the Ca x Sr 1-x F 2 film 23 in the same vacuum, when taken out to the atmosphere, C, O, unavoidable surface
The adsorption of H 2 O and the like can be prevented, and the GaAs / Ca x Sr 1-x F 2 interface can be cleaned. Further, the Ca x Sr 1-x F 2 film 23 grows in a layered manner, and the bond between the insulating layer and the semiconductor at the GaAs boundary is strong,
Further, since there are few defects in the film, Ga is used as a protective film in this annealing step, so that Ga is removed from the first semiconductor layer 22 under the gate electrode 24 where a channel is formed.
The GaAs layer 22 is diffused into the GaAs layer 22 to generate Ga vacancies, which can prevent the interface characteristics of the GaAs layer 22 from deteriorating.

本実施例では、CaxSr1-xF2/GaAsヘテロ構造とそれを
用いたMISFETについて述べたが、(111)方位ないしそ
れに近接する方位を有する閃亜鉛鉱型化合物半導体膜と
蛍石構造単結晶絶縁膜の組合せによって、全く同様の効
果が期待できる。例えば、InPとSrF2,GaSbとSrxBa1-xF2
を用いても同様な効果が期待できるのは勿論である。
In this embodiment, the Ca x Sr 1-x F 2 / GaAs heterostructure and the MISFET using the same have been described. However, a zinc blende type compound semiconductor film having a (111) orientation or an orientation close thereto and a fluorite structure Exactly the same effect can be expected by combining the single crystal insulating films. For example, InP and SrF 2 , GaSb and Sr x Ba 1-x F 2
Of course, a similar effect can be expected even if is used.

また、本実施例では、(111)面を例にして説明した
が、結晶学的に(111)に等価な面、および(111)面に
近接した面に対しても、これまでに説明した効果と全く
同様な効果が得られることは明らかである。
In the present embodiment, the (111) plane has been described as an example, but the plane crystallographically equivalent to the (111) plane and the plane close to the (111) plane have also been described so far. It is clear that the same effect as the effect can be obtained.

(発明の効果) 以上説明したように、本発明によれば、ゲートリーク
電流の低減化、閾値電圧の制御性向上、動作の安定化に
より、高速・低電力電界効果トランジスタを可能にし
た。本素子を相補型回路に用いれば、従来のシリコンMO
SFETを用いた相補型回路の特徴である低消費電力特性に
加え、GaAsを用いることによる超高速動作の実現が可能
になった。ゲートリーク電流が増加することなくゲート
絶縁膜の薄膜化することが可能になったため、高いトラ
ンスコンダクタンス値を実現でき、ディジタル回路に用
いた場合に高い駆動能力が得られる。更に、ゲート絶縁
膜を薄くできる結果、ゲート流を従来以上に縮小するこ
とが可能で、高速性能を更に高めることができる。
(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, a high-speed, low-power field-effect transistor has been made possible by reducing gate leakage current, improving controllability of threshold voltage, and stabilizing operation. If this element is used in a complementary circuit, it will
In addition to the low power consumption characteristic of complementary circuits using SFETs, it has become possible to achieve ultra-high-speed operation using GaAs. Since the thickness of the gate insulating film can be reduced without increasing the gate leakage current, a high transconductance value can be realized, and a high driving capability can be obtained when used in a digital circuit. Furthermore, as a result of the gate insulating film being thinner, the gate flow can be reduced more than before, and the high-speed performance can be further improved.

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

第1図は本発明の化合物半導体電界効果トランジスタの
断面図、第2図は従来例を示す。 21……半絶縁性(111)GaAs基板結晶 22……第1層の半導体になるアンドープ(111)GaAs 23……第1層の絶縁膜層となる単結晶(111)CaxSr1-xF
2(x=0.5) 24……ゲート電極 25a……ソース領域 25b……ドレイン領域 26a……ソース電極 26b……ドレイン電極 27……チャネル
FIG. 1 is a sectional view of a compound semiconductor field effect transistor of the present invention, and FIG. 2 shows a conventional example. 21: semi-insulating (111) GaAs substrate crystal 22: undoped (111) GaAs to be the first semiconductor layer 23: single crystal (111) Ca x Sr 1-x to be the first insulating film layer F
2 (x = 0.5) 24 gate electrode 25a source region 25b drain region 26a source electrode 26b drain electrode 27 channel

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】単結晶基板と、前記単結晶基板上に形成さ
れた閃亜鉛鉱型結晶構造を有する第1の半導体層と、前
記第1の半導体層上に形成された蛍石型結晶構造を有す
る第1の絶縁層と、前記第1の絶縁層上に設けられたゲ
ート電極と、前記第1の半導体層中に設けられたソース
領域及びドレイン領域と、前記ソース領域及びドレイン
領域にそれぞれ連接して設けられたソース電極及びドレ
イン電極とを備え、第1の半導体層と第1の絶縁層とが
(111)面ないしそれに近接した面方位であることを特
徴とする化合物半導体電界効果トランジスタ。
1. A single crystal substrate, a first semiconductor layer having a zinc blende type crystal structure formed on the single crystal substrate, and a fluorite type crystal structure formed on the first semiconductor layer A first insulating layer, a gate electrode provided on the first insulating layer, a source region and a drain region provided in the first semiconductor layer, and a source region and a drain region, respectively. A compound semiconductor field-effect transistor comprising a source electrode and a drain electrode provided in series, wherein the first semiconductor layer and the first insulating layer have a (111) plane or a plane orientation close to the (111) plane. .
【請求項2】請求項1記載の化合物半導体電界効果トラ
ンジスタにおいて、ソース領域及びドレイン領域がp形
にドープされ、チャネルにおける主要な電流担体が正孔
であることを特徴とする化合物半導体電界効果トランジ
スタ。
2. The compound semiconductor field effect transistor according to claim 1, wherein the source region and the drain region are doped p-type, and the main current carrier in the channel is a hole. .
【請求項3】(111)B方位面の半絶縁性基板上に、分
子線エピタキシャル法により閃亜鉛鉱型結晶構造を有す
る第1の半導体層を形成する工程と、引き続き同一真空
中で前記第1の半導体層上に分子線エピタキシャル法に
よりゲート絶縁膜として作用する単結晶絶縁層を形成す
る工程と、前記の絶縁層を保護膜として用い、イオン注
入不純物を活性化するためのアニール工程とを含むこと
を特徴とする化合物半導体電界効果トランジスタの製造
方法。
3. A step of forming a first semiconductor layer having a zinc-blende-type crystal structure on a semi-insulating substrate having a (111) B orientation plane by a molecular beam epitaxial method. A step of forming a single-crystal insulating layer acting as a gate insulating film on the semiconductor layer by molecular beam epitaxy; and an annealing step of activating ion-implanted impurities using the insulating layer as a protective film. A method for manufacturing a compound semiconductor field effect transistor, comprising:
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