JP2663480B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [概要] 電界効果トランジスタとその製造方法に関し、 一層微細化して、高速化させることを目的とし、 ゲート電極下の一導電型チャネル層と該チャネル層の
高濃度一導電型ソース層およびドレイン層との間に設け
られた一導電型中間濃度層と、 前記チャネル層の下部に設けられ、該チャネル層より
不純物濃度の低い反対導電型不純物層と、 前記一導電型中間濃度層の下部に設けられ、前記反対
導電型不純物層とは厚さが異なる第2の反対導電型不純
物とを具備してなることを特徴とする。
その製造方法として、半導体基板にイオン注入して一
導電型低濃度不純物チャネル層および該低濃度不純物チ
ャネル層下の反対導電型不純物層を形成する工程と、ゲ
ート電極と該ゲート電極周囲の絶縁膜を形成した後、イ
オン注入して一導電型高濃度不純物ソース層およびドレ
イン層を形成する工程と、 前記ゲート電極周囲の絶縁膜を除去し、イオン注入し
て一導電型中間濃度不純物層および該中間濃度不純物層
下の第2の反射導電型不純物層を形成する工程とが含ま
れてなることを特徴とする。
[産業上の利用分野] 本発明は半導体装置の製造方法のうち、特に、MESFET
(Metal Semiconductor FET)などの電界効果トランジ
スタ(FET;Field Effect Transistor)とその製造方法
に関する。
例えば、化合物半導体からなるMESFETは低消費電力,
超高速化が可能で、且つ、基本素子構造が比較的簡単な
ためにコスト面から有利な半導体素子として知られてい
る。従つて、このような素子を更に高速化するための研
究開発が鋭意おこなわれている。
〔従来の技術〕
第3図(a)〜(e)は従来のすでに公知となつてい
るMESFETの構造図を示しており、以下にそれを説明す
る。
第3図(a)は従前より知られる一般構造のMESFETの
断面図で、1は半絶縁性GaAs基板,2は金属(例えばタン
グステン)または金属シリサイド(MSix)からなるゲー
ト電極,3はn−GaAs層からなる低濃度不純物チャネル
層,4はn+−GaAs層からなる高濃度不純物ソース層および
ドレイン層,5はAuGe/Auからなるソースまたはドレイン
電極である。ここに、AuGe/Au(金ゲルマニウム/金)
とは下層にAuGe膜、上層にAu膜を形成した2層積層の電
極膜のことを意味している。
このようなMESFETによつて高速動作が可能で、GaAs系
FET素子では最大動作周波数15GHZの分周器が試作される
にいたつている。
しかし、更に高速動作を可能にするためにはゲート長
Lgを短くして、電流駆動能力を高める必要がある。とこ
ろが、ゲート長を更に短かくすると、しきい値電圧Vth
がゲート長に依存する、所謂、短チャネル効果が著しく
なつて、ゲート加工のバラツキによつてしきい値電圧の
均一性,再現性を低下させると云う問題がある。その原
因として考えられるのは、ソース層およびドレイン層4
端部からチャネル層のGaAs基板1への電流の浸み出し、
また、ゲートに対しドレインが高電位のために、ドレイ
ン層4端部でのゲート空乏層下への電流の廻り込み等で
ある。
従つて、その対策として従来から第3図(b)〜
(e)の構造が提案されている。
まず、第3図(b)は反対導電層埋込形構造(埋込p
形構造)とも云うべきもので、これは上記した通常の素
子構造にp-−GaAs層6を埋め込んだ方式である。
次の第3図(c)はオフセット形構造で、n−GaAs層
からなるチャネル層3′を長くして、ソース層およびド
レイン層4をゲート電極2から離した方式の構造であ
る。
次の第3図(d)は薄層チャネルに形構造で、n−Ga
As層からなるチャネル層3″を薄く形成した方式の構造
である。
次の第3図(e)はLDD形構造で、ソース層およびド
レイン層4をゲート電極2から離して、その層4とチャ
ネル層3との間にn′−GaAs層からなる中間濃度不純物
層7(以下、中間濃度層と略する)を設けた方式の著名
な構造である。
更に、図示していないが、これらを組み合わせた種々
の構造も提案されている。
[発明が解決しようとする課題] 上記した第3図(b)〜(e)の構造によれば、ゲー
ト長Lgを約0.5μmまで短くして、しきい値電圧Vthのゲ
ート長への依存性をほぼ消滅させる結果が得られる。
しかし、更にゲート長を短くしてLg<0.5μmとすれ
ば、しきい値VthのLgへの依存性が再び大きくなつて、
且つ、相互コンダクタンスGmが低下すると云う問題が起
こつてくる。
更に各構造個々の問題点を詳しく説明すれば、第3図
(b)に示す反対導電層埋込形構造においては、電流の
浸み出しおよび廻り込みを減らす効果を大きくするため
にp-−GaAs層6の不純物濃度を高くする必要があるが、
そうすると寄生容量が増大して動作の高速化が害される
ことになる。
また、第3図(c)に示すオフセット形構造では、両
側に突き出したチャネル層3′のオフセット分だけ寄生
抵抗が増加し、同じく高速化が阻害される。
次の第3図(d)に示す薄層チャネル形構造では、n
−GaAs層からなるチャネル層3″が薄くなるため、不純
物原子のピーク値が高くなり、且つ、そのピーク値がゲ
ート電極に近づくためにショットキー接合のビルトイン
電圧および逆耐圧が低下する問題が起こる。
第3図(e)に示すLDD形構造では、中間濃度層7が
0.2μmになつて、ゲート長Lgとほぼ同じになり、且
つ、イオン注入不純物はガウス分布をしているために、
中間濃度層7の厚さがチャネル層3の厚さに影響を及ぼ
すようになり、短チャネル効果の抑制が減殺される欠点
がある。
本発明は、これらの問題点を軽減させて、ゲート電圧
を一層微細に形成し、更に高速化させることを目的とし
たFETとその製造方法を提案するものである。
〔課題を解決するための手段〕
上記の課題の解決は,半導体基板にイオン注入して一
導電型低濃度不純物チャネル層および該一導電型低濃度
不純物チャネル層の下に反対導電型不純物層を形成する
工程と,ゲート電極および該ゲート電極周囲に絶縁膜を
形成し,イオン注入して一導電型高濃度不純物ソース層
および一導電型高濃度不純物ドレイン層を形成する工程
と,前記ゲート電極周囲の絶縁膜を除去し,イオン注入
して一導電型中間濃度不純物層および該一導電型中間濃
度不純物層の下に第2の反対導電型不純物層を形成する
工程とを含む半導体装置の製造方法により達成される。
[作用] 即ち、本発明はチャネル層および中間濃度不純物層の
下部のみに反対導電型不純物層を設け、且つ、チャネル
層下の反対導電型不純物層と中間濃度不純物層下の反対
導電型不純物層(第2の反対導電型不純物層)との不純
物濃度および厚さを相異させる。そのように反対導電型
不純物層をチャネル層と中間濃度不純物層との下のみに
設けて、別々に不純物濃度を制御すると、ソース・ドレ
イン層および中間濃度不純物層の端部からチャネル層下
のGaAs基板1への電流の浸み出しを減少させ、且つ、チ
ャネル層への反対導電型不純物層の注入によつてチャネ
ル層の不純物濃度を補償(相殺;compensate)して、そ
の不純物濃度のピーク値を底部付近に形成させることが
できる。
その結果、逆バイアス耐圧の低下を招くことなく、し
きい値電圧Vthのバラツキを減少し、相互コンダクタン
スGm(=∂Id/∂Vg)も向上する。ここに、Idはドレイ
ン電流,Vgはゲート電極に印加される電圧を意味する。
[実施例] 以下、図面を参照して実施例によつて詳細に説明す
る。
第1図は本発明にかかるMESFETの構造図を示してお
り、1は半絶縁性GaAs基板,2はゲート電極,3はn−GaAs
層からなる低濃度不純物チャネル層,4はn+−GaAs層から
なる高濃度不純物ソース層またはドレイン層,5はソース
またはドレイン電極,7はn′−GaAs層からなる中間濃度
層,10はチャネル層下のp-−GaAs層からなる押込層(反
対導電型不純物層),11は中間濃度層下のp′−GaAs層
からなる埋込層(第2の反対導電型不純物層)である。
このような構造は、ゲート電極長Lg<0.5μmの短チ
ャネルMESFETにおいて特に有効であり、p′−GaAs層か
らなる埋込層11は第3図(b)に示す埋込層6と同様の
働きをする層で、ソース層,ドレイン層4および中間濃
度層7との間にpn接合ビルトイン電圧を発生させて、且
つ、その端部から電子が基板1に流れ出るのを防止する
役目をする。且つ、寄生容量を増やさないように埋込層
11全体がビルトイン電圧で空乏化するような不純物濃度
とする。それはチャネル層の不純物濃度の1/10(1/5〜1
/100)程度,厚さは中間濃度層7の1〜2倍程度であ
る。また、p-−GaAs層からなる埋込層10はチャネル層3
の不純物濃度を補償するために導入し、その不純物濃度
のピーク値をチャネル層底部近傍に一致させるように浅
くする。その濃度はチャネル層の不純物濃度の1/5(1/2
〜1/10)程度,厚さはチャネル層の厚さの0.5〜2倍程
度になる。
また、このような構造は埋込層(反対導電型不純物
層)がソース層およびドレイン層4を包囲していないた
めに接合容量は少ない。更に、埋込層は個々に制御され
て形成されるから、LDD構造(第3図(e))における
問題点も軽減される。
次に、第2図(a)〜(g)は本発明にかかるMESFET
の形成方法の工程順断面図を示しており、以下に順を追
つて説明する。
第2図(a)参照;半絶縁性GaAs基板1にSiO2膜から
なる絶縁膜マスク21を形成し、シリコン(Si+)イオン
を選択的に注入してn−GaAs層からなる低濃度不純物チ
ャネル層3を形成する。イオン注入条件は加速電圧40Ke
V,ドーズ量2×1012/cm2程度である。
第2図(b)参照;次いで、絶縁膜マスク21を除去
し、新たな絶縁膜マスク22を設けて、マグネシウム(Mg
+)イオンを注入してp-GaAs層からなる埋込層10を形成
し、更に、850℃,10分間熱処理してチャネル層3と埋込
層10を画定する。Mg+イオン注入条件は加速電圧50KeV,
ドーズ量1×1012/cm2程度である。
第2図(c)参照;次いで、絶縁膜マスク22を除去
し、スパッタ法によりWSix膜を被着し、フォトプロセス
によってパターンニングしてゲート電極2を形成する。
第2図(d)参照;次いで、化学気相成長(CVD)法
によりSiO2膜を被着し、弗素系ガスを用いた公知の異方
性エッチングによつてパターンニングしてゲート電極周
囲の絶縁膜(サイドウオール)23を形成し、再びSi+
オンを注入してn+−GaAs層からなる高濃度不純物ソース
層およびドレイン層4を形成する。イオン注入条件は加
速電圧120KeV,ドーズ量2×1013/cm2程度である。な
お、24はFETの形成される部分のみ露出させる絶縁膜で
ある。
第2図(e)参照;次いで、ゲート電極周囲の絶縁膜
23のみ除去し、Si+イオンを注入してn′−GaAs層から
なる中間濃度層7(第2層)を形成する。イオン注入条
件は加速電圧60KeV,ドーズ量5×1012/cm2程度である。
第2図(f)参照;次いで、ベリリウム(Be+)イオ
ンを注入してもp′−GaAs層からなる埋込層11を形成
し、750℃,5分間熱処理して画定する。Be+イオン注入条
件は加速電圧90KeV,ドーズ量2×1012/cm2程度である。
図中の25は絶縁膜マスクを示している。
第2図(g)参照;次いで、絶縁膜26を被着し、窓明
けしてAuGe/Au膜を被着し、リフトオフ法によつてソー
ス電極およびドレイン電極5を形成して完成させる。
以上のような形成方法によつて、例えば、ゲート電極
長0.3μmのnチャネルMESFETを形成した結果による
と、ゲート長のバラツキが0.1μmの場合、しきい値電
圧Vthのバラツキは従来の200mV程度のものが50mVにな
り、相互コンダクタンスGmは従来230mS/mmのものが、40
0mS/mmと改善される。
なお、上記はnチャネルGaAsMESFETの例であるが、本
発明はnチャネルGaAsmMESFETやその他のJFET,ヘテロ接
合FET,埋込チャネル形MISFETにも適用でき、また、半導
体材料としてGaAs系の他、Si,Ge,InP,InSb等にも適用し
て同様な効果のあるものである。
[発明の効果] 上記の説明から明らかなように、本発明によればゲー
ト長を0.5μm以下に形成して、しきい値電圧が安定
し、相互コンダクタンスが向上して、FETからなるICを
一層微細化することができ、その性能向上に大きく貢献
するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明にかかるMESFETの構造図、 第2図(a)〜(g)は本発明にかかるMESFETの形成方
法の工程順断面図、 第3図(a)〜(e)は従来のMESFETの構造図である。 図において、 1は半絶縁性GaAs基板、 2はゲート電極、 3はn−GaAs層からなる低濃度不純物チャネル層、 4はn+−GaAs層からなる高濃度不純物ソース層またはド
レイン層、 5はソースまたはドレイン電極、 7はn′−GaAs層からなる中間濃度層、 10はp-−GaAs層からなる埋込層、 11はp′−GaAs層からなる埋込層(第2層)、 21,22,25は絶縁膜マスク、 23はゲート電極周囲の絶縁膜、 24,26は絶縁膜 を示している。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板にイオン注入して一導電型低濃
    度不純物チャネル層および該一導電型低濃度不純物チャ
    ネル層の下に反対導電型不純物層を形成する工程と, ゲート電極および該ゲート電極周囲に絶縁膜を形成し,
    イオン注入して一導電型高濃度不純物ソース層および一
    導電型高濃度不純物ドレイン層を形成する工程と, 前記ゲート電極周囲の絶縁膜を除去し,イオン注入して
    一導電型中間濃度不純物層および該一導電型中間濃度不
    純物層の下に第2の反対導電型不純物層を形成する工程 とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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JPS61187277A (ja) * 1985-02-14 1986-08-20 Mitsubishi Electric Corp 電界効果トランジスタの製造方法
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