JP2677808B2 - Field-effect transistor - Google Patents

Field-effect transistor

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JP2677808B2
JP2677808B2 JP62313157A JP31315787A JP2677808B2 JP 2677808 B2 JP2677808 B2 JP 2677808B2 JP 62313157 A JP62313157 A JP 62313157A JP 31315787 A JP31315787 A JP 31315787A JP 2677808 B2 JP2677808 B2 JP 2677808B2
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channel
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fet
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清和 中川
憲 山口
靖寛 白木
信夫 中村
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工業技術院長
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電界効果型トランジスタに係り、特に微細化
された電界効果型トランジスタに関するものである。 〔従来の技術〕 電界効果型半導体装置(以下FETと略称する)の動作
速度の向上を図るには、チャンネル長を短かくすること
が効果的である。しかし、従来のFETの場合では、短チ
ャンネル化に伴って発生する問題点に対する考慮がなさ
れていなかった。なお、この種のFETに関するものとし
ては、例えば特公昭45−12097号公報等が挙げられる。 FETの短チャンネル化に伴うパンチスルーを防ぐ方法
として、半導体基体内部及び基体表面に10〜200Åの厚
さの不純物層を具えたものがある。この例としては、特
開昭61−11687公報を挙げることができる。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上既特公昭45−12097号のFETでは、短チャンネル化に
伴いパンチスルー現象が生ずる。この現象のため、サブ
スレッショールド領域におけるドレイン電流−ゲート電
圧特性が悪化する。即ち短チャンネルFETでは、長チャ
ンネルFETに比べ、ソース・ドレイン間にパンチスルー
電流が流れてドレイン電流が完全にはピンチオフしない
という好ましくない特性が現れる。 また、上記特開昭61−116875号のFETでは、不純物層
を用いてパンチスルー防止効果を得ているが、不純物層
の厚さおよび濃度を精度よく制御することが必要であ
り、その実現は必ずしも容易ではなかった。 本発明の目的は、上述のパンチスルー電流を効果的に
抑制し、かつ容易に作製可能なFETの構造を提供するこ
とにある。 〔問題点を解決するための手段〕 上記目的は、パンチスルー電流が流れる原因となるキ
ャリア分布の空間的な広がり、およびドレイン空乏層の
空間的な広がりを抑えるため、ポテンシャル線の広がり
易い位置、すなわちチャンネル近傍にショットキー金属
を埋め込むことにより達成される。すなわち、本願発明
は第1図及び第3図に示すごとくソース、ドレインおよ
びゲートの各電流(15、16、14;26、27、25)を有し、
半導体基板(11;21)上に積層された半導体層(13;22、
24)中に半導体基板の主平面とほぼ平行にチャンネルが
形成される電界効果型トランジスタにおいて、半導体層
内部であってチャンネルの近傍にショットキー金属(1
2;23)が埋め込まれており、半導体層は不純物濃度が1
×1017cm3未満であり、チャンネルとショットキー金属
との距離はショットキー接合によって形成される空乏層
幅程度であり、かつショットキー金属はゲート電極とほ
ぼ同一の長さを有する電界効果型トランジスタの構成を
採用するものである。 また、ショットキー金属はFETのソース,ドレイン,
ゲートの各電極と電気的に結合していないことが望まし
い。ここで電気的に結合していないとは、ショットキー
金属と各電極の間に金属部分あるいは1×1017cm-3程度
以上の高濃度不純物層が介在しないことを意味する。 ショットキー金属の材質としては、上記半導体層を構
成する半導体がシリコンである場合にはニッケルシリサ
イドあるいはコバルトシリサイド等、半導体がガリウム
ヒ素である場合にはアルミニウムあるいはタングステン
等を用いるのが良い。 尚、本発明の電界効果型トランジスタは、高集積化に
適したいわゆる横型構造、すなわちチャンネルが基板の
主平面と平行に形成される構造とする 〔作 用〕 短チャンネルFETにおいてパンチスルー電流が流れる
のは、ドレイン空乏層がソース側へ向ってのび、ドレイ
ン空乏層とソース空乏層が直接影響し合うためである。
この現象はチャンネル長を短かくすればする程顕著とな
り、従って、大きなパンチスルー電流が流れる。前記チ
ャンネル近傍に埋め込まれたショットキー金属は、等ポ
テンシャル線のふくらみがソース側へ伸びていくことを
抑える働き、すなわちドレイン電界を遮蔽する働きをす
る。したがって、パンチスルー効果は抑えられ、良好な
短チャンネルFETを提供することができる。 〔実施例〕 以下、本発明を実施例に従って詳細に説明する。 実施例1. 第1図に示すように、比抵抗約20Ωcmの低不純物濃度
のP型(100)Si基板(11)上に基板温度400℃で分子線
エピタキシー法を用いてNiとSiを同時に蒸着し、その後
ホトリソグラフィを用いてパターンニングを施して単結
晶NiSi2層(12)とする。再び分子線エピタキシー法を
用いて単結晶P-型Si(13)を上記試料上に500Å成長す
ることで、単結晶Si中にショットキー金属としての単結
晶NiSi2層を埋め込んだ構造を形成した。 さらに上記単結晶P-型Si(13)上の全面にゲート金属
を蒸着し、電子線描画法を用いてゲート電極(14)のパ
ターニングを行なう。このゲート電極(14)を用い、セ
ルファライン法によりイオン打込みを行なってソース,
ドレイン領域を形成し、その上に通常の方法によりソー
ス電極(15)およびドレイン電極(16)を形成した。以
上のようにしてゲート長0.3μm,チャンネル長0.5μmの
MES(M Etal Semiconductor)型FETが完成する。 このMES型FETの電流−電圧特性を第2図に示す。この
ように、短チャンネルMES型FETにおいて、パンチスルー
効果のない良好な電気特性を得ることが可能となった。
また、ショットキー金属として単結晶NiSi2のかわりに
単結晶CoSi2を用いた場合にも同様の効果が得られた。
また、本効果は電界効果トランジスタの型、すなわちMO
S型,MES型によらず有効である。 実施例2. 次に、GaAs半導体に用いた場合の実施例を説明する。
第3図に示すように、面方位(100)半絶縁性GaAs基板
(21)上に、ノンドープGaAs層(22)を分子線エピタキ
シー法を用いて2000Å成長する。その後タングステンを
スパッタ法で100Å成長し、ホトリソグラフィ法でパタ
ーンニングを施してタングステン層(23)とする。分子
線エピタキシー法を用いてノンドープあるいは不純物が
ドープされたGaAs層(24)を上記試料上に500Å成長す
ることで、単結晶GaAs中にタングステン層を埋め込んだ
構造を形成した。このあと実施例1と同様の手法を用い
て、ゲート長0.3μm,チャンネル長0.5μmのMESFETを作
製した。この場合、タングステンは多結晶であるが、Ga
Asは多結晶タングステンを包み込むように成長するた
め、タングステン上にも単結晶GaAs層を成長させること
が可能である。したがって実施例1の、半導体層として
Siを用いた場合と同様、タングステンがショットキー金
属として働き、良好なパンチスルーストッパとして働く
ことが確認された。 〔発明の効果〕 本発明によれば、ゲート長1μm以下のサブミクロン
領域においてもパンチスルーを起こすことのない良好な
FETを容易に実現することができる。
The present invention relates to a field effect transistor, and more particularly to a miniaturized field effect transistor. [Prior Art] In order to improve the operating speed of a field effect semiconductor device (hereinafter abbreviated as FET), it is effective to shorten the channel length. However, in the case of the conventional FET, no consideration has been given to the problems that occur with the shortening of the channel. Examples of FETs of this type include JP-B-45-12097. As a method of preventing punch-through associated with the shortening of the FET channel, there is a method in which an impurity layer having a thickness of 10 to 200Å is provided inside and on the surface of the semiconductor substrate. An example of this is JP-A-61-111687. [Problems to be Solved by the Invention] In the FET of U.S. Pat. No. 45-12097, a punch-through phenomenon occurs as the channel becomes shorter. This phenomenon deteriorates the drain current-gate voltage characteristics in the subthreshold region. That is, the short-channel FET has an unfavorable characteristic that the punch-through current flows between the source and the drain and the drain current is not completely pinched off as compared with the long-channel FET. Further, in the FET of JP-A-61-116875 mentioned above, the punch-through prevention effect is obtained by using the impurity layer, but it is necessary to control the thickness and concentration of the impurity layer with high precision, and the realization thereof is not possible. It wasn't always easy. An object of the present invention is to provide a FET structure that effectively suppresses the above punch-through current and can be easily manufactured. [Means for Solving Problems] The above-mentioned object is to prevent the spatial spread of the carrier distribution that causes the punch-through current to flow and the spatial spread of the drain depletion layer so that the potential line is easily spread. That is, it is achieved by embedding a Schottky metal near the channel. That is, the present invention has the respective currents (15, 16, 14; 26, 27, 25) of the source, drain and gate as shown in FIG. 1 and FIG.
Semiconductor layers (13; 22,) stacked on the semiconductor substrate (11; 21)
24) In a field effect transistor in which a channel is formed almost parallel to the main plane of a semiconductor substrate, a Schottky metal (1
2; 23) is embedded, and the semiconductor layer has an impurity concentration of 1
It is less than × 10 17 cm 3 , the distance between the channel and the Schottky metal is about the width of the depletion layer formed by the Schottky junction, and the Schottky metal has almost the same length as the gate electrode. It adopts a transistor configuration. The Schottky metal is the source and drain of the FET,
It is desirable that it is not electrically coupled to each electrode of the gate. Here, "not electrically coupled" means that no metal portion or a high-concentration impurity layer of about 1 × 10 17 cm -3 or more is interposed between the Schottky metal and each electrode. As the material of the Schottky metal, it is preferable to use nickel silicide or cobalt silicide when the semiconductor forming the semiconductor layer is silicon, and aluminum or tungsten when the semiconductor is gallium arsenide. The field effect transistor of the present invention has a so-called lateral structure suitable for high integration, that is, a structure in which a channel is formed parallel to the main plane of the substrate. [Operation] A punch-through current flows in a short channel FET. The reason is that the drain depletion layer extends toward the source side and the drain depletion layer and the source depletion layer directly influence each other.
This phenomenon becomes more remarkable as the channel length is shortened, so that a large punch-through current flows. The Schottky metal embedded in the vicinity of the channel functions to prevent the bulge of the equipotential line from extending to the source side, that is, to shield the drain electric field. Therefore, the punch-through effect is suppressed, and a good short channel FET can be provided. [Examples] Hereinafter, the present invention will be described in detail according to Examples. Example 1 As shown in FIG. 1, Ni and Si were simultaneously formed on a P-type (100) Si substrate (11) of low impurity concentration with a specific resistance of about 20 Ωcm at a substrate temperature of 400 ° C. by using a molecular beam epitaxy method. After vapor deposition, patterning is performed using photolithography to form a single crystal NiSi 2 layer (12). A single crystal P - type Si (13) was grown on the above sample by 500Å again using the molecular beam epitaxy method to form a structure in which a single crystal NiSi 2 layer as a Schottky metal was embedded in the single crystal Si. . Further, a gate metal is vapor-deposited on the entire surface of the single crystal P type Si (13), and the gate electrode (14) is patterned by using an electron beam drawing method. By using this gate electrode (14), ion implantation is performed by the self-alignment method,
A drain region was formed, and a source electrode (15) and a drain electrode (16) were formed on the drain region by a usual method. As described above, the gate length is 0.3 μm and the channel length is 0.5 μm.
The MES (M Etal Semiconductor) type FET is completed. The current-voltage characteristics of this MES type FET are shown in FIG. In this way, it became possible to obtain good electrical characteristics without a punch through effect in a short channel MES type FET.
The same effect was obtained when single crystal CoSi 2 was used as the Schottky metal instead of single crystal NiSi 2 .
In addition, the effect is the type of field effect transistor, that is, MO
It is effective regardless of S type and MES type. Example 2. Next, an example in the case of being used for a GaAs semiconductor will be described.
As shown in FIG. 3, a non-doped GaAs layer (22) is grown to 2000 Å on a plane-oriented (100) semi-insulating GaAs substrate (21) by the molecular beam epitaxy method. After that, 100 Å of tungsten is grown by the sputtering method and patterned by the photolithography method to form the tungsten layer (23). A non-doped or impurity-doped GaAs layer (24) was grown on the above sample by 500 Å using molecular beam epitaxy to form a structure in which a tungsten layer was embedded in single crystal GaAs. Thereafter, the same method as in Example 1 was used to fabricate a MESFET having a gate length of 0.3 μm and a channel length of 0.5 μm. In this case, tungsten is polycrystalline but Ga
Since As grows so as to enclose polycrystalline tungsten, it is possible to grow a single crystal GaAs layer on tungsten. Therefore, as the semiconductor layer of Example 1,
As in the case of using Si, it was confirmed that tungsten works as a Schottky metal and works as a good punch-through stopper. [Advantages of the Invention] According to the present invention, it is possible to prevent punch-through even in a submicron region having a gate length of 1 μm or less.
FET can be easily realized.

【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の実施例1のシリコンMES型FETの断面構
造図、第2図は第1図のシリコンMES型FETの動作特性
図、第3図は本発明の実施例2のGaAs MES型FETの断面
構造図である。 11……P型(100)シリコン基板、 12……単結晶NiSi2層、13……単結晶P-型シリコン、14
……ゲート電極、15……ソース電極、16……ドレイン電
極、21……(100)半絶縁性GaAs基板、22……ノンドー
プGaAs層、23……タングステン層、24……GaAs層、25…
…ゲート電極、26……ソース電極、 27……ドレイン電極。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a sectional structural view of a silicon MES type FET according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is an operation characteristic diagram of the silicon MES type FET of FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional structure diagram of a GaAs MES type FET of Example 2 of FIG. 11 …… P-type (100) silicon substrate, 12 …… single crystal NiSi 2 layer, 13 …… single crystal P - type silicon, 14
...... Gate electrode, 15 …… Source electrode, 16 …… Drain electrode, 21 …… (100) semi-insulating GaAs substrate, 22 …… Non-doped GaAs layer, 23 …… Tungsten layer, 24 …… GaAs layer, 25…
… Gate electrode, 26 …… Source electrode, 27 …… Drain electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 合議体 審判長 藤原 英夫 審判官 関根 恒也 審判官 河口 雅英 (56)参考文献 特開 昭61−116875(JP,A) 特開 昭61−90469(JP,A) 特開 昭58−182880(JP,A)   ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page        Panel     Referee Hideo Fujiwara     Referee Tsuneya Sekine     Referee Masahide Kawaguchi                (56) References JP-A-61-116875 (JP, A)                 JP 61-90469 (JP, A)                 JP 58-182880 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.ソース、ドレーンおよびゲートの各電極を有し、Si
半導体基板上に積層された単結晶Si層中に上記半導体基
板の主平面とほぼ平行にチャンネルが形成される電界効
果型トランジスタにおいて、上記チャンネルの近傍に単
結晶NiSi2もしくはCoSi2よりなるショットキー金属が埋
め込まれており、上記単結晶Si層は不純物濃度が1×10
17cm-3未満であり、上記チャンネルと上記ショットキー
金属との距離はショットキー接合によって形成される空
乏層幅程度であり、かつ上記ショットキー金属は上記ゲ
ート電極とほぼ同一長さを有することを特徴する電界効
果型トランジスタ。
(57) [Claims] With source, drain and gate electrodes, Si
In a field effect transistor in which a channel is formed in a single crystal Si layer laminated on a semiconductor substrate substantially parallel to the main plane of the semiconductor substrate, a Schottky made of single crystal NiSi 2 or CoSi 2 near the channel. Metal is embedded, and the single crystal Si layer has an impurity concentration of 1 × 10
Less than 17 cm -3 , the distance between the channel and the Schottky metal is about the width of the depletion layer formed by the Schottky junction, and the Schottky metal has almost the same length as the gate electrode. Field-effect transistor.
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