JPH02219271A - Compound semiconductor field effect transistor and its manufacture - Google Patents

Compound semiconductor field effect transistor and its manufacture

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JPH02219271A
JPH02219271A JP4000189A JP4000189A JPH02219271A JP H02219271 A JPH02219271 A JP H02219271A JP 4000189 A JP4000189 A JP 4000189A JP 4000189 A JP4000189 A JP 4000189A JP H02219271 A JPH02219271 A JP H02219271A
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柳川 文彦
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容子 丸尾
Masaharu Oshima
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Abstract

PURPOSE:To reduce the gate leak current and threshold voltage and stabilize the element operations of the title transistor by setting orientations of the first semiconductor layer and first insulating layer to plane (111) or another plane close to (111). CONSTITUTION:This compound semiconductor field effect transistor is provided with the first semiconductor layer 22 which is formed on a monocrystalline substrate 21 and has a spherical type crystal structure, first insulating layer 22 which is formed on the layer 22 and has a fluorite type crystal structure, a gate electrode provided on the layer 23, a source and drain areas 25a and 25b provided in the layer 22, and a source electrode 26a and drain electrode 26b respectively provided adjacent to areas 25a and 25b. In addition, orientations of the layers 22 and 23 are set to plane (111) or another plane close to (111). Therefore, the homogeneity of the monocrystalline insulating layer is improved, resulting in reduction of gate leak current, and, at the same time, the threshold voltage is lowered due to a reduction in interface level density. In addition, the characteristics of the transistor are stabilized, because occurrence of stress is suppressed.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は■−■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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to an ultra-high speed/ultra-high frequency compound semiconductor field effect transistor using a ■-■ group compound semiconductor, particularly 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。
(Prior Art) Conventionally, attempts have been made to fabricate a field effect transistor using a MIS structure made of a compound semiconductor, particularly GaAs, and an amorphous insulating layer, such as a silicon oxide film or an aluminum oxide film. However, defects and natural oxide film exist at the interface between GaAs and the amorphous insulating layer.

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/G
aAs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(GaAsM I S F ET)
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、長谷用英機、応用物理、第50巻、第12号“■
−■族半導体のMIS界面とその応用゛)。
It is difficult to remove disorders, etc., and the density of interface states caused by these is high.
GaAs field effect transistor (GaAs MISFET) using MIS structure composed of aAs interface
However, it was difficult to form a good inversion layer to serve as a channel, making it difficult to realize transistor operation (for example, Hideki Hase, Applied Physics, Vol. 50, No. 12 "■
- MIS interface of group semiconductors and its applications.

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ラムCaF
2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 andF、 Yanag
awa、 IEEl[t EDL−9,No、10 (
198B) p、54B“^ GaAs  MISFE
T  using  an  MBE−grown  
CaF、  gateinsulator 1ayer
”)。
In order to overcome this problem, as shown in FIG. 2, a single crystal insulating layer having a fluorite structure, such as single crystal calcium fluoride CaF
Attempts have been made to fabricate a GaAs MISFET using a heterostructure formed by molecular beam epitaxial method (MBE) (T, Waho and F, Yanag).
awa, IEEl[t EDL-9, No, 10 (
198B) p, 54B"^ GaAs MISFE
Using an MBE-grown
CaF, gate insulator 1 ayer
”).

このようなGaAsM I S F E T構造は、半
絶縁性GaAs基板11上にアンドープ(100) G
aAs半導体層12と単結晶弗化物膜CaFz16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、ドレイン電極1
4bを形成することにより得られる。このGaAsM 
I S F E T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 GaAsM I S F E T structure has an undoped (100) G layer on a semi-insulating GaAs substrate 11.
Using a heterostructure in which an aAs semiconductor layer 12 and a single crystal fluoride film CaFz 16 are successively formed, ions to be impurities are implanted using the gate electrode 17 as a mask, followed by high-temperature annealing to activate the impurities. After forming the source region 13a and the drain region 13b in a self-aligned manner, the source electrode 14a and the drain electrode 1 are further formed.
4b. This GaAsM
The ISFET operates in the same way 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 under 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GaA
gMISFET構造では以下に述べる問題点があった。
(Problem to be solved by the invention) However, conventional GaAs using CaF2 grown on such a (100) GaAs semiconductor layer as a gate insulating film
The gMISFET structure had the following problems.

(イ)ゲートリーク電流I9が大きく、トランジスタの
性能(トランスコンダクタンスglI消費電力)が低下
する。
(a) The gate leakage current I9 is large, and the performance of the transistor (transconductance glI power consumption) is reduced.

(ロ)界面準位密度の大幅な低減が困難で、闇値電圧が
高く、製造バラツキが大きい。
(b) It is difficult to significantly reduce the interface state density, the dark value voltage is high, and manufacturing variations are 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、GaAsM I S F E T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■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イツージョン
、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 addition, in manufacturing GaAsMISFET, in the heat treatment process for activating the impurities ion-implanted to form the source and drain regions, for the purpose of preventing the evaporation of group (I) elements with high vapor pressure, The above-mentioned method using an amorphous insulating film or the so-called face-to-face method of covering with the same type of compound semiconductor substrate have been adopted. There is a problem in that impurities are unavoidably mixed into the surface of the compound semiconductor during the heat treatment process, and this has a serious adverse effect on the electrical characteristics of the compound semiconductor/insulator interface and, ultimately, 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、闇値電圧の
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。
The present invention was proposed in order to improve the above-mentioned drawbacks, and its purpose is to reduce gate leakage current, lower dark voltage, and stabilize element operation in high-performance compound semiconductor field effect transistors. The goal is to realize this and provide a manufacturing method for it.

(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) In order to achieve the above object, the present invention includes a single crystal substrate, a first semiconductor layer having a zinc blende crystal structure formed on the single crystal substrate, and a first semiconductor layer having a zinc blende crystal structure formed on the single crystal substrate. a first insulating layer having a fluorite crystal structure formed on a first semiconductor layer; a gate electrode provided on the first insulating layer; and a gate electrode provided in the first semiconductor layer. A source region, a drain region, 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 are in or near the (111) plane. The gist of the invention is a compound semiconductor field effect transistor characterized by having a plane orientation that is

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=5 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。
Furthermore, the present invention includes a step of forming a first semiconductor layer having a zincblende crystal structure on a semi-insulating substrate with a (111)B orientation plane by molecular beam epitaxial method, followed by a step of forming a first semiconductor layer having a zinc blende crystal structure in the same vacuum. a step of forming a single crystal insulating layer acting as a gate insulating film on the first semiconductor layer by molecular beam epitaxial method; and annealing to activate ion-implanted impurities using the insulating layer as a protective film. The gist of the invention is a method for manufacturing a compound semiconductor field effect transistor characterized by comprising the steps of:

(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/単結晶絶縁層へ
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。
(Operation) The most important feature of the present invention is the (111) fluorite type single crystal.
Layered growth on the (111) plane of a zinc blende compound semiconductor, which has the lowest surface energy compared to other plane orientations and has a similar crystal structure to be deposited on the fluorite single crystal. Taking advantage of this fact, the compound semiconductor field effect transistor structure utilizes a steep compound semiconductor layer/single crystal insulating layer heterostructure formed in a layered mode throughout the entire process. Therefore, the uniformity of the single crystal insulating layer is dramatically improved, high resistivity can be achieved, and 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
Because it has the above features, and at the same time, as a second feature, it uses a mixed crystal insulating layer of multiple insulators with a fluorite crystal structure to achieve lattice matching with the semiconductor layer, which is a cause of interface states. By suppressing the generation of non-bonding pairs (dangling bonds) at the interface and reducing the interface state density, it is possible to reduce the threshold value. It has the effect of improving

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
Because of the above effects, it is possible to realize a field effect transistor with unprecedented high speed and low power consumption.

(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ろことは言うまでも
ない。
(Example) Next, an example of the present invention will be described. It should be noted that the embodiments are merely illustrative, and it goes without saying that various changes and improvements may be made without departing from the spirit of the present invention.

第1図は本発明の詳細な説明する図である。FIG. 1 is a diagram explaining the present invention in detail.

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。
Regarding the method for realizing this structure, first the interface formation method and then the FET structure formation method will be explained in that order.

先ず、引上げ封止法(LEC)による半絶縁性(111
) BGaAs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ラム・ストロンチュウムC
a、lSr+−xFz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。
First, semi-insulating (111
) An undoped GaAs layer 22, which is a first semiconductor layer, is homoepitaxially grown on a BGaAs crystal substrate 21 by a molecular beam epitaxial method, and then calcium strontium fluoride C is grown by a molecular beam epitaxial method.
By growing a, lSr+-xFz, a single crystal insulating layer 23 (which acts as a gate insulating film) is formed.

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°C1成長速度は約0.6
n/ h 、膜厚は0.7nを用いる。
The semiconductor layer 22 is formed under commonly used growth conditions, such as a substrate temperature of 650° C. and a growth rate of approximately 0.6.
n/h and a film thickness of 0.7n.

この時のGaAs層22の伝導型はPで、キャリア濃度
は10”〜10”cm−”である。また単結晶CaXS
r+−xFz膜23の成長条件としては、例えば、基板
温度500℃、成長速度0.0671m/h、膜厚60
nm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。
At this time, the conductivity type of the GaAs layer 22 is P, and the carrier concentration is 10'' to 10''cm-''.
The growth conditions for the r+-xFz film 23 include, for example, a substrate temperature of 500°C, a growth rate of 0.0671 m/h, and a film thickness of 60 m/h.
nm 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 grown with (111) plane orientation/
An insulator interface 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。
Preferably, the lattice constant of the first single-crystal insulating layer having a 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ラ
ム・ストロンチュウムであり、且つ、カルシュラムとス
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 zincblende semiconductor layer is made of GaAs, the first fluorite structure single crystal insulating layer is calcium strontium fluoride, and the ratio of calcium to strontium is , 1; preferably in the range of (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
純度弗化カルシュラムCaFz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χを±3%以内の
精度で任意の値に設定できるが、ここではχを成長温度
に応じて、例えば、室温では約0.44. 600’C
では約0.56とすることで、CaX5r1−xF2と
GaAsとの格子整合を図ることができる。
High purity calcium fluoride CaFz and high purity strontium fluoride SrF2 are used as molecular beam sources for the molecular beam epitaxial method. By controlling the cell temperature of each molecular beam source, the composition ratio χ of Ca and Sr can be set to an arbitrary value with an accuracy within ±3%. Approximately 0.44. 600'C
By setting the value to about 0.56, lattice matching between CaX5r1-xF2 and GaAs can be achieved.

FET製作には、良く知られている通常のGaAsME
SFET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、19811SSCCTec
hnical Digest ”A self−ali
gned 5ource/drain planar 
device for ultra−high−spe
ed GaAsMESFET’ VLSI ’ s”)
に類似する工程を採用する。
The well-known ordinary GaAsME is used for FET fabrication.
Refractory metal gate self-line process used in SFET fabrication (e.g. 19811SSCCTec
hnical Digest “A self-ali”
gned 5source/drain planar
device for ultra-high-speed
ed GaAsMESFET'VLSI's")
Adopt a process similar to.

先ず、全面にスパッタ法により高融点金属膜WStを形
成し、通常の反応性イオンエツチング(RIB)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
Stイオンを、例えばエネルギー50 KeV、  ド
ーズ量4 XIO”cm−”の条件下で、ゲート電極2
4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6
50“6〜800°C,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 high melting point metal film WSt is formed on the entire surface by sputtering, and a gate electrode 24 is formed by using a normal reactive ion etching (RIB) method. Next, St ions are added as n-type impurities to the gate electrode 2 under the conditions of an energy of 50 KeV and a dose of 4 XIO cm-.
For example, by ion-implanting 4 and then performing high-temperature annealing for activation using the single-crystal insulating layer 23 as a protective film.
The source region 25a and the drain region 25b are formed in a self-aligned manner under the conditions of 50° C. and 6 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ヲGaA
s層22の表面保護膜として利用する。
In this annealing process, the single crystal insulating layer 23 is made of GaA
It is used as a surface protective film for the s-layer 22.

更に、レジストをマスクにHCI系エツチング液により
単結晶弗化物混晶層をエツチングして、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、Au
GeNi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GaAsM I 5FET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。
Furthermore, the single-crystal fluoride mixed crystal layer was etched with an HCI-based etching solution using the resist as a mask to open contact windows with the source and drain regions, and then the Au
By forming an ohmic source electrode 26a and a drain electrode 26b made of GeNi and wiring made of Ti/Au, an N-channel GaAsM I 5FET structure can be realized. Because of this structure, when a predetermined positive voltage, for example, a value of 0.9 V or more is applied to the gate electrode, N is generated in the first semiconductor layer 22 near the insulating layer 23 under the gate electrode 24. A shaped channel 27 is formed to provide normal FET operation.

また、同様にして、P−チャネルのGaAsM I 5
FET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 。
Similarly, P-channel GaAsM I 5
When manufacturing a FET, Be ions, which will become a p-type impurity, are implanted at an energy of 30 KeV instead of an n-type impurity in the impurity ion implantation process for manufacturing the MISFET.

ドーズ量2 X1013cm−”でイオン注入すること
と共に、オーミック電極に^uZnを用いることで、実
現できる。
This can be achieved by ion implantation at a dose of 2 x 1013 cm-'' and by using ^Zn for the ohmic electrode.

また、上述のN−チャネル、並びにP−チャネルMIS
FETを同一へ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GaAsM I S F ETを用いた相補
型回路を実現できる。この際、NチャネルGaAsM 
I S F E T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10
15〜7×10′6/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 MIS
By forming the FETs on the same heterogeneous substrate, separating the elements of each MISFET by H ion implantation, etc., and interconnecting them with Ti/Au wiring electrodes, these GaAsM ISFETs It is possible to realize a complementary circuit using At this time, N-channel GaAsM
When forming an I S F E T, the homoepitaxially grown GaAs layer in which the channel will be formed contains 10
A p-type impurity of 15 to 7×10'6/Cm3 is doped by ion implantation during growth or before forming a gate electrode, and conversely, when forming a P-channel GaAs MISFET, an n-type impurity is doped into the GaAs layer in the same way. Of course, even better characteristics can be obtained by doping with .

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 p-doped, in which case the main current carriers in the channel are holes.

CaxSr+−xFz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Ca、Sr 、−x
F z層を形成すると、Ca)ISr+−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
(001)基板上にCa、Sr+−xFz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 
XIO”Ω・cmと従来の約50〜100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 CaxSr+-xFz film, the surface energy of the (111) plane is the smallest, so as in this example, (
111) Ca, Sr, -x on the B-oriented GaAs layer
When the Fz layer is formed, the Ca)ISr+-XF2 layer is
We believe that the reflected high-speed electron beam (
'RHEED) analysis. For this reason, the generation of a large number of defects introduced as a result of the coalescence of three-dimensionally grown islands, which was noticeable when growing Ca, Sr+-xFz films on conventional (001) substrates, is significantly suppressed. This has made it possible to form a gate insulating layer with good insulation properties. In this case, the resistivity of the single crystal insulating layer 23 is 0.1 to 5.
XIO"Ω·cm, which is about 50 to 100 times larger than the conventional one. Therefore, it has become possible to significantly reduce the gate leakage current of this MISFET.

ゲート−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板外に
トランジスタに流れる電流が大幅に低減化でき、GaA
s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。
Because it has become possible to significantly reduce gate leakage current, complementary circuits can significantly reduce the current flowing into the transistor outside the board when the transistor is switched, and GaA
It is possible to realize a circuit that has low power consumption as well as high speed inherent in s.

本実施例では、Ca)(Sr+−xFzが成長する基板
として(111)面方位のGaAsを用いているため、
CaXSr+−、Fz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、MISFE
T動作の安定性が確保IC・ できる。
In this example, since GaAs with (111) plane orientation is used as the substrate on which Ca)(Sr+-xFz is grown,
The CaXSr+-, Fz film grows in layers, forming a steep interface, and as a result of lattice matching, the formation of dangling bonds is suppressed, making it possible to reduce the interface state density. , it has become possible to reduce the threshold voltage value of MISFET and improve controllability. Also,
Because the generation of internal stress near the interface can be suppressed, MISFE
The stability of T operation can be ensured by IC.

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CaxSr+−*F2膜2
3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、 t+、o等の吸着を防止し、G
aAs/CaXSr 1□F2界面の清浄化が実現でき
る。更に、CaxSr+−xFz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。
Further, in the structure of this embodiment, the CaxSr+-*F2 film 2 is formed in the same vacuum following the GaAs epitaxial layer 22.
When taken out into the atmosphere to grow G.
Cleaning of the aAs/CaXSr 1□F2 interface can be achieved. Furthermore, the CaxSr+-xFz film 23 grows in a layered manner, and the bond at the GaAs boundary between the insulating layer and the semiconductor is strong, and there are few defects in the film, so it can be used as a protective film in this annealing process. , Ga diffuses from the first semiconductor layer 22 under the gate electrode 24 where a channel is formed into the insulating layer 23, and Ga vacancies are generated in the GaAs layer 22, thereby preventing deterioration of the interface characteristics of the GaAs layer 22. A tremendous protective film effect can be obtained.

本実施例では、Ca、Sr、−、F、/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、 In
Pと5rFz+ Garbと5rxBa+−xFz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 example, a Ca, Sr, -, F, /GaAs heterostructure and a MISFET using the same were described.
Exactly the same effect can be expected by a combination of a zinc blende compound semiconductor film having the 111) orientation or an orientation close to it and a fluorite structure single crystal insulating film. For example, In
Of course, similar effects can be expected even if P, 5rFz+ Garb, and 5rxBa+-xFz are 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 addition, in this example, the (111) plane was used as an example, but the crystallographically equivalent plane to (111) and the (111)
) It is clear that effects similar to those described above can be obtained for surfaces close to the surface.

(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、闇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。
(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, a high-speed, low-power field effect transistor is made possible by reducing gate leakage current, improving controllability of dark voltage, and stabilizing operation.

本素子を相補型回路に用いれば、従来のシリコンMOS
 F ET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、ゲート長を従来以上に
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。
If this device is used in a complementary circuit, it can be
In addition to the low power consumption characteristic of complementary circuits using FETs, the use of GaAs has made it possible to achieve ultra-high-speed operation. Since it has become possible to make the gate insulating film thinner without increasing gate leakage current, a high transconductance value can be achieved, and high drive performance can be obtained when used in digital circuits. Furthermore,
As a result of being able to make the gate insulating film thinner, the gate length can be made smaller than before, making it possible to further improve high-speed performance.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

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) Ga
As 23・・・第1層の絶縁膜層となる単結晶(111)C
agSr+−xFz (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) Ga that becomes the first layer semiconductor
As 23...Single crystal (111)C that becomes the first insulating film layer
agSr+-xFz (x = 0.5) 24... Gate electrode 25a... Source region 25b... Drain region 26a... Source electrode 26b... Drain electrode 27... Channel

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (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(11
1)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 crystal structure formed on the single crystal substrate;
A first layer having a fluorite crystal structure formed on a semiconductor layer of
an 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 provided in connection with the source region and the drain region, respectively. the first semiconductor layer and the first insulating layer have (11
1) A compound semiconductor field effect transistor characterized by having a plane orientation or a plane orientation close to it.
(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) A compound semiconductor field effect transistor according to claim 1, wherein the source region and the drain region are p-doped and the main current carrier in the channel is a hole.
(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) Forming a first semiconductor layer having a zincblende crystal structure on a semi-insulating substrate with a (111)B orientation plane by 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 epitaxial method, 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 characterized by:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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