JP2728427B2 - Field effect transistor and its manufacturing method - Google Patents

Field effect transistor and its manufacturing method

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ
とこれらを用いた集積回路の構造およびその製造方法に
関する。
The present invention relates to a field effect transistor using a compound semiconductor, a structure of an integrated circuit using the same, and a method of manufacturing the same.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

GaAs MESFETやヘテロ接合FET(以下HJFETと略す)な
どの化合物半導体を用いた電界効果トランジスタを高性
能化するために、従来第3図に示す構造が知られてい
た。これら従来のGaAs MESFETは半絶縁性基板1の上に
形成されたn型能動層2を基本に用い、耐熱性ゲート電
極5と、この電極5をマスクとしてイオン打込みされた
n型層3と、さらにゲート電極5の側壁に設けられたSi
O2のサイドウオールパターン6、及び選択成長によつて
えられたn+型GaAsエピタキシヤル層7とAuGe系メタル
で形成したソース電極8及びドレイン電極9の構造で構
成されていた。ここで、サイドウオールパターン6はゲ
ート電極5とn+型GaAsエピタキシヤル層7を分離し、
ゲート・ソース間及びゲート・ドレイン間のブレークダ
ウン電圧を確保する為に設けられたものであり、またn
型層3は該サイドウオールパターン6で分離された部分
の抵抗を下げるために設けられたものである。
In order to improve the performance of a field effect transistor using a compound semiconductor such as a GaAs MESFET or a heterojunction FET (hereinafter, abbreviated as HJFET), a structure shown in FIG. 3 has been conventionally known. These conventional GaAs MESFETs basically use an n-type active layer 2 formed on a semi-insulating substrate 1, and have a heat-resistant gate electrode 5, an n-type layer 3 ion-implanted using the electrode 5 as a mask, Further, Si provided on the side wall of the gate electrode 5
It was composed of a sidewall pattern 6 of O 2 , a structure of an n + -type GaAs epitaxial layer 7 obtained by selective growth, and a source electrode 8 and a drain electrode 9 formed of AuGe-based metal. Here, the sidewall pattern 6 separates the gate electrode 5 and the n + type GaAs epitaxial layer 7,
It is provided to secure a breakdown voltage between the gate and the source and between the gate and the drain.
The mold layer 3 is provided to reduce the resistance of the portion separated by the sidewall pattern 6.

このような構成にするとn+型エピタキシヤル層7の
形成温度は700℃以下にでき、かつこのシート抵抗を従
来より一桁小さくできるので、FETの直列抵抗が下が
り、性能が向上した。しかし、n+型エピタキシヤル層
7とゲート電極5の間に抵抗を下げるためにイオン打込
みした層3を活性化するためのアニール処理によって、
ゲト電極のシヨツトキ接合の特性が劣化したり、あるい
はn型能動層2にエピタキシヤル層を用いている場合に
はこれらに含まれる不純物が拡散して、キヤリア濃度の
急峻性がそこなわれる欠点があつた。
With such a configuration, the formation temperature of the n + -type epitaxial layer 7 can be reduced to 700 ° C. or lower, and the sheet resistance can be reduced by an order of magnitude from the prior art, so that the series resistance of the FET is reduced and the performance is improved. However, the annealing treatment for activating the ion-implanted layer 3 to reduce the resistance between the n + -type epitaxial layer 7 and the gate electrode 5 causes
The drawback is that the characteristics of the shot junction of the gate electrode are degraded, or when an epitaxial layer is used for the n-type active layer 2, impurities contained therein are diffused and the steepness of the carrier concentration is impaired. Atsuta.

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

上記従来技術を用いたGaAs FETでは特にエンハンス型
FET(通常OFF型)では、イオン打込みした後の800℃近
傍のアニールのよつて性能劣化が大きいという問題があ
った。
GaAs FETs using the above-mentioned conventional technology are particularly enhanced type.
The FET (normally OFF type) has a problem that the performance is greatly deteriorated due to annealing at around 800 ° C. after ion implantation.

本発明の目的は、上記のイオン打込みとアニール処理
を高温で行なうことを止めて問題点を解決することにあ
る。
An object of the present invention is to solve the problem by stopping performing the above-described ion implantation and annealing at a high temperature.

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

上記目的は、選択成長によるエピタキシヤル層の形成
工程を少なくとも2度用いることにより達成される。
The above object is attained by using the step of forming the epitaxial layer by selective growth at least twice.

〔作用〕[Action]

第1図は本発明の主旨を説明するための基本構造図で
ある。従来は表面空乏層の影響をさけるためにゲート電
極5をマスクにしたイオン打込み層3で低抵抗化させて
いた(第3図)が、本発明ではゲート電極5をマスクと
して、まず第1回目のn+型GaAs層27の選択成長を行なつ
て低抵抗層を形成する。つづいてゲート電極5の側壁か
ら所定量だけ分離してのち第2回目のn型GaAs層17の選
択成長を行なつて、十分に低い電極層を形成する。この
基本構造をもつFETおよび製法によつて、熱処理工程が
低温化でき、従来、問題となつていたシヨツトキ特性や
能動層の劣化が解決でき、高性能化をはかることができ
る。
FIG. 1 is a basic structural diagram for explaining the gist of the present invention. Conventionally, in order to avoid the influence of the surface depletion layer, the resistance is reduced by the ion implantation layer 3 using the gate electrode 5 as a mask (FIG. 3). The n + -type GaAs layer 27 is selectively grown to form a low-resistance layer. Subsequently, after separating a predetermined amount from the side wall of the gate electrode 5, the second selective growth of the n-type GaAs layer 17 is performed to form a sufficiently low electrode layer. With the FET having this basic structure and the manufacturing method, the heat treatment step can be performed at a low temperature, the problem of the shottack characteristics and the deterioration of the active layer, which have conventionally been problems, can be solved, and the performance can be improved.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の一実施例を第2により説明する。これ
は本発明によるGaAs FETの製法手順を説明するための主
要工程における素子断面である。
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described in a second manner. This is an element cross section in a main step for explaining a manufacturing procedure of the GaAs FET according to the present invention.

半絶縁性基板結晶1の表面に約100nmの厚さのn型能
動層2を形成する。このn型能動層はSiをイオン打込み
してアニールによつて活性化した層であつたり、またMB
EやMOCVDなどによるエピタキシヤル層であつたり、さら
に説明するとn型能動層の下部にp型、またはアンドー
プのGaAs層を設けたものを用いても良い。つづいてWSix
(ダングスチンシリサイド)層を形成したあと、ドライ
エツチ等の加工工程によつてゲート電極5を形成する。
ゲート電極は本発明の場合、シヨツトキ接合の耐熱温度
は600℃で良く、W,Mo,Al系合金等、従来の800℃の耐熱
性を必要としていた条件よりもゆるくなつて、使用材料
の範囲を広げることができる。つづいてCVDのSiO2を300
nmの厚さに被着してのち、RIE(リアクテイブエツチ装
置)により、このSiO2をエツチングするゲート電極5の
側壁にサイドウオールパター6が形成できる。この厚さ
は約200nmとなる(第2図の(a))。
An n-type active layer 2 having a thickness of about 100 nm is formed on the surface of a semi-insulating substrate crystal 1. This n-type active layer is a layer activated by annealing by ion implantation of Si,
An epitaxial layer formed by E, MOCVD, or the like, or more specifically, a layer in which a p-type or undoped GaAs layer is provided below an n-type active layer may be used. Then WSi x
After the (Dangstin silicide) layer is formed, the gate electrode 5 is formed by a processing step such as dry etching.
In the case of the present invention, the gate electrode has a heat resistant temperature of 600 ° C. for the junction, which is less loose than conventional conditions requiring a heat resistance of 800 ° C., such as W, Mo, and Al alloys. Can be expanded. Next, CVD SiO 2 300
After being deposited to a thickness of nm, a sidewall pattern 6 can be formed on the side wall of the gate electrode 5 where the SiO 2 is etched by RIE (reactive etching apparatus). This thickness is about 200 nm (FIG. 2 (a)).

つづいてSiをドープしたn+型GaAs層27をMOCVDによ
るエピタキシヤル成長層で設けると、ゲート電極5とSi
O2パターン6の部分にはGaAsが成長することなく選択的
に層27を形成することができる(同図b)。n+GaAs層
27の厚さは〜200nm、キヤリア濃度は〜3×1018cm-3
ある。
Subsequently, when an n + type GaAs layer 27 doped with Si is provided as an epitaxially grown layer by MOCVD, the gate electrode 5 and the Si
The layer 27 can be selectively formed on the O 2 pattern 6 without growing GaAs (FIG. 2B). n + GaAs layer
The thickness of 27 is 200200 nm and the carrier concentration is × 3 × 10 18 cm -3 .

つづいてバツファHF液を用いてSiO2のサイドウオール
パターン6を取り去る(同図c)。この後、再びSiをド
ープしたn型GaAs層17を上記と同じMOCVD法により形成
する(同図d)。この層の条件は厚さ50nm、キヤリア濃
度〜8×1017cm-3である。この程度のキヤリア濃度をも
つ層がゲート電極5のエツジに接しても、シヨツトキ接
合のブレークダウンは規格値を割ることはないが、もし
同図bに示したn+型GaAs層が接するとブレークダウン
電圧は3V以下となつてしまうので、上述の如く2回に分
けた選択成長が必要となる。
Subsequently, the sidewall pattern 6 of SiO 2 is removed using a buffer HF solution (FIG. 3C). Thereafter, an n-type GaAs layer 17 doped with Si is formed again by the same MOCVD method as described above (FIG. 4D). The conditions for this layer are a thickness of 50 nm and a carrier concentration of 88 × 10 17 cm -3 . Even if a layer having such a carrier concentration is in contact with the edge of the gate electrode 5, the breakdown of the Schottky junction does not fall below the standard value, but if the n + type GaAs layer shown in FIG. Since the voltage becomes 3 V or less, the selective growth divided into two times is necessary as described above.

つづいて、SiO2膜10を被着して、リフトオフ法により
AuGe系のオーミツクメタルを形成してソース電極8とド
レイン電極9を形成する(同図e)。なおこの形成工程
においてAuGe系メタルとGaAs層が接する表面は接触抵抗
を下げるため、上述したn型GaAs層17を除去して、n+
型GaAs層27を現わしてから処理している。
Subsequently, the SiO 2 film 10 is deposited, and lift-off method is used.
An AuGe-based ohmic metal is formed to form a source electrode 8 and a drain electrode 9 (FIG. 3E). In this formation step, the surface where the AuGe-based metal and the GaAs layer are in contact with each other has a reduced contact resistance.
The processing is performed after the type GaAs layer 27 is exposed.

本発明によるHJFETの製法をつぎに説明する。HJFETの
結晶構造はMBE又はMOCVDのエピタキシヤル成長によつて
半絶縁性基板上に積層形成される。
Next, a method of manufacturing the HJFET according to the present invention will be described. The crystal structure of the HJFET is formed on a semi-insulating substrate by MBE or MOCVD epitaxial growth.

HJFETの結晶構造には、基本的に以下の通りの構造が
ある。第1の構造では、まずアンドープのGaAsバツフア
層を敷き、つづいてn+型GaAs層(能動層)、つづいて
アンドープAlGaAs層の構造である。第2の構造では、ま
ずアンドープのGaAsバツフア層を敷き、つづいてn型Al
GaAs層を敷く。該第2の構造では、AlGaAsとGaAsのヘテ
ロ接合界面に発生する2次元電子ガスが能動層を形成す
る。
The crystal structure of the HJFET basically has the following structure. The first structure has a structure in which an undoped GaAs buffer layer is first laid, an n + type GaAs layer (active layer), and then an undoped AlGaAs layer. In the second structure, an undoped GaAs buffer layer is laid first, followed by n-type Al.
Lay GaAs layer. In the second structure, a two-dimensional electron gas generated at a heterojunction interface between AlGaAs and GaAs forms an active layer.

この結晶を用いてHJFETを製造する手順は第2図と同
じである。ただし第1回目の選択成長によつてn+GaAs
層27を形成する際、結晶表面のAlGaAs層をエツチング除
去する前処理を施すことが望ましい。これはn+GaAs層
27の下部の能動層との良好な電気的接触を確保するため
である。ただし、2回目の選択成長でn型GaAs層17を形
成する際には、下部のAlGaAs層は除去してもしなくても
良い。また第1図に示した構造を製造する際には、少な
くとも第1回目、または第2回目の選択成長の前に、下
部のAlGaAs層をエツチング除去する工程が含まれること
が望ましい。
The procedure for manufacturing an HJFET using this crystal is the same as in FIG. However, n + GaAs is selected by the first selective growth.
When forming the layer 27, it is preferable to perform a pretreatment for etching and removing the AlGaAs layer on the crystal surface. This is an n + GaAs layer
This is to ensure good electrical contact with the active layer below 27. However, when the n-type GaAs layer 17 is formed in the second selective growth, the lower AlGaAs layer may or may not be removed. When manufacturing the structure shown in FIG. 1, it is desirable to include a step of etching and removing the lower AlGaAs layer at least before the first or second selective growth.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によれば、プロセスの低温化がはかれるので、
シヨツトキ接合の劣化が起きない、エピタキシヤル
積層の急峻性が保てるという効果を得られる。また、選
択成長法では従来、イオン打込みで形成していた層に比
べて、キヤリア濃度と厚みが任意の値に制御して形成す
ることができるので、FETのブレークダウン電圧やgm
どの性能を精密に制御して高めることができる。また、
シヨツトキメタルの選択の範囲が広がり、Al合金など、
低抵抗率のメタルを用いることでゲート金属抵抗をWSix
よりも大幅に(一桁以下)低下させることができ、0.3
μmゲートのFETを高性能化させることができる。
According to the present invention, since the temperature of the process is reduced,
It is possible to obtain an effect that deterioration of the shot junction does not occur and steepness of the epitaxial layer can be maintained. Further, conventionally in the selective growth method, as compared to the layer that has been formed by ion implantation, it is possible to carrier concentration and thickness can be formed by controlling an arbitrary value, performance such as breakdown voltage and g m of the FET Can be precisely controlled and increased. Also,
The range of choice of Shotoki Metal has expanded,
The gate metal resistance is reduced by WSi x
Can be significantly (less than an order of magnitude) lower than 0.3
The performance of a μm gate FET can be improved.

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

第1図は本発明によるGaAs FET素子の縦断面図、第2図
は第1図の製法手順を述べた各工程における素子の縦断
面図、第3図は従来法による素子の縦断面図である。 1…半絶縁性基板、2…n型GaAs層(能動層)、17…選
択成長で形成したn型GaAs層、7,27…選択成長で形成し
たn+型GaAs層、5…ゲート電極、8,9…ソース、ドレ
イン電極、6…サイドウオールパターン。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a GaAs FET device according to the present invention, FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the device in each step describing the manufacturing procedure of FIG. 1, and FIG. is there. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semi-insulating substrate, 2 ... n-type GaAs layer (active layer), 17 ... n-type GaAs layer formed by selective growth, 7, 27 ... n + type GaAs layer formed by selective growth, 5 ... gate electrode, 8 , 9 ... source and drain electrodes, 6 ... sidewall pattern.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 芳賀 徹 東京都国分寺市東恋ケ窪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64−72567(JP,A) 特開 昭62−65378(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Tohru Haga 1-280 Higashi Koigakubo, Kokubunji-shi, Tokyo Inside the Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (56) References JP-A-64-72567 (JP, A) JP-A-62 −65378 (JP, A)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】一導電型電流担体の流れる化合物半導体基
体と、該化合物半導体基体上に形成された上記電流担体
の流れを電界効果によって制御する制御電極と、該制御
電極を挾んで上記化合物半導体基体上に形成された上記
電流担体と同一導電型の化合物半導体からなる2つの給
電部分と、該2つの給電部分の各々とオーミック接触し
て形成された2つのオーミック電極を有する電界効果型
トランジスタであって、上記給電部分は上記制御電極か
ら遠い側の第1の半導体部と近い側の第2の半導体部を
有し、該第1の半導体部は該第2の半導体部よりシート
担体濃度が高く、かつ上記2つのオーミック電極の間の
上記電流担体の流れの径路に上記第1および第2の半導
体部の中の上記第1の半導体部のみを通る径路が存在し
ていることを特徴とする電界効果型トランジスタ。
1. A compound semiconductor substrate through which a current carrier of one conductivity type flows, a control electrode for controlling the flow of the current carrier formed on the compound semiconductor substrate by an electric field effect, and the compound semiconductor sandwiching the control electrode A field effect transistor having two power supply portions formed of a compound semiconductor of the same conductivity type as the current carrier formed on the base, and two ohmic electrodes formed in ohmic contact with each of the two power supply portions. The power supply portion has a first semiconductor portion farther from the control electrode and a second semiconductor portion closer to the control electrode, and the first semiconductor portion has a sheet carrier concentration higher than that of the second semiconductor portion. A path that is high and that passes through only the first semiconductor portion of the first and second semiconductor portions in the path of the current carrier flow between the two ohmic electrodes. Field-effect transistor to be.
【請求項2】一導電型電流担体の流れる化合物半導体基
体上に形成された電流担体の流れを電界効果によって制
御する制御電極を有する電界効果型トランジスタの製法
において、上記電流担体と同一導電型の2つの第1の化
合物半導体部を上記制御電極を挾みかつ上記制御電極か
ら間隔をあけた状態で、上記化合物半導体基体上にこれ
に接して選択エピタキシャル成長によって形成する工程
と、該第1の化合物半導体部形成工程後に、該第1の化
合物半導体部と上記制御電極の間の上記間隔部分に相当
する上記化合物半導体基体の領域を選択エピタキシャル
成長に対して露出状態にする工程と、該露出工程後に、
上記化合物半導体基体の上記領域および上記第1の化合
物半導体部上に上記電流担体と同一導電型でかつ上記第
1の化合物半導体部よりシート担体濃度が低い2つの第
2の化合物半導体部を選択エピタキシャル成長によって
形成する工程と、該第2の化合物半導体部形成工程後
に、上記2つの第1の化合物半導体部の各々とオーミッ
ク接触するように2つのオーミック電極を形成する工程
を有することを特徴とする電界効果型トランジスタの製
法。
2. A method for producing a field effect transistor having a control electrode for controlling the flow of a current carrier formed on a compound semiconductor substrate through which a current carrier of one conductivity type flows by an electric field effect. Forming two first compound semiconductor portions by selective epitaxial growth on and in contact with the compound semiconductor substrate with the control electrode interposed therebetween and spaced apart from the control electrode; After the semiconductor part forming step, a step of exposing a region of the compound semiconductor substrate corresponding to the space between the first compound semiconductor part and the control electrode to selective epitaxial growth; and after the exposing step,
Selectively epitaxially growing two second compound semiconductor portions of the same conductivity type as the current carrier and having a lower sheet carrier concentration than the first compound semiconductor portion on the region of the compound semiconductor substrate and the first compound semiconductor portion. And forming two ohmic electrodes so as to make ohmic contact with each of the two first compound semiconductor portions after the second compound semiconductor portion forming step. Manufacturing method of effect type transistor.
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