JPH0613411A - 電界効果トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
ックゲート効果の防止、不整合のないゲート電極の形
成、有効ゲート長の減少及びゲート抵抗の減少を達成で
きる電界効果トランジスタを提供すること。 【構成】 半絶縁性化合物の半導体基板20と、この半
導体基板上に<110>の方向と所定の角度に傾斜され
て形成される絶縁膜21と、前記半導体基板上の上部に
おいて開放されるとともに傾斜面及びこの傾斜面上部で
所定の間隔を持つ尖点を有する空隙と、この空隙により
分離形成される第1半導体層22と、前記空隙の傾斜面
及び前記第1半導体層上方に形成される第2半導体層2
6と、この第2半導体層上に形成されるゲート電極27
と、このゲート電極を間に隔てて前記第1半導体層上に
形成されるソース及びドレイン電極28a,28bとか
らなる構成。
Description
効果トランジスタに関し、さらに詳しくは、選択的エピ
タキシャル成長法で空隙を形成し、電極などの構成要素
間を自己整合に形成して高速動作できるように改良され
た金属−半導体の電界効果トランジスタ及びその製造方
法に関する。
計などと共にGaAsの工程技術が発達し、シリコンS
iに次ぐGaAsのIC技術が可能になった。
ー、超高周波及び光通信分野に対する高性能の半導体装
置を要求するようになる。
ような必要性を満足させることに技術的限界があるため
に、物質特性が優秀な化合物半導体に関する研究が活発
に進行されている。
比べて固有の三つの長点を有している。すなわち、第一
に、GaAsは電子移動度が大きいので、与えられたデ
バイスの構造から直列抵抗が減る。第二に、GaAsは
与えられた電界からドリフトの速度が大きいのでデバイ
スの速度が向上される。そして第三に、GaAsは半絶
縁性の基板に作ることができる。
用いて多くの種類の素子などが開発されている。例え
ば、金属−半導体電界効果トランジスタ(以下MESF
ETという)異種接合バイポーラトランジスタ、高電子
移動度トランジスタなどがそれである。
多数のキャリヤが金属−半導体接触間を伝送することに
なる前記MESFET分野である。
の基本になる素子としてキャップ層にソース、ドレイン
電極をオームコンタクトさせ、その間にゲート電極をシ
ョットキーコンタクトさせてゲート電極に印加される電
圧により電流の流れを制御する。
がある。その中でSiなどの単原子層を形成して発生さ
れる2次元電子ガス(以下2DEGという)により低雑
音及び高速動作をするいわゆるδ注入MESFET(以
下δ−MESFETという)を説明する。
である。半絶縁性GaAsの基板10上にアンドープト
またはp形GaAsのバッファ層12、Siなどの単原
子層でδドーピングされたチャンネル層14、アンドー
プトGaAsのスペーサ層16が順次的に形成されてい
る。
純物イオンが注入されたn+ 形のソース、ドレイン領域
18がp形GaAsのバッファ層12が若干侵犯される
ように形成されており、このソース、ドレイン領域18
の上部にはソース及びドレイン電極15,17がオーム
接触を形成しており、前記ソース、ドレイン領域18が
形成されていない前記スペーサ層16の表面にはゲート
電極13がショットキー接触を形成している。
の主要製造工程過程を説明する。出発材料は半絶縁性G
aAsの基板である。
上にアンドープトまたはp形のGaAs層、すなわち、
バッファ層12を数千Å成長させる。連続的に、Siな
どの単原子層の薄い(100Å)アンドープトGaAs
層、すなわち、δドープト層14及びアンドープトGa
Asのスペーサ層16を形成する。
ャル成長法(以下MBEという)または有機金属気相蒸
着(以下MOCVDという)などの技法を使ってエピタ
キシャル成長される。
ート電極13を形成し、このゲート電極13の両側にS
iなどのn形の不純物を注入したあと熱処理してn+ 形
のソース、ドレイン領域18を形成する。
域18上に通常のリフトオフの方法でソース及びドレイ
ン電極15,17を形成する。
ETはソースとドレイン電極15,17にバイアス電圧
を印加した状態でゲート電極13に電圧を印加すれば、
印加される電圧の強さによりチャンネル層14の空乏領
域の厚さが変化してこのチャンネル層14を通じて流れ
る電流の量を調節することにより、ソース、ドレイン間
の電流を制御する。
おいては、製造工程上、ゲート電極13の形成は通常の
フォトリソグラフィ工程で形成しており、このような方
法は不整合のない正しい整列が難しいだけでなく構造上
のゲート抵抗に大きな問題点がある。
対する電位障壁を形成して高いエネルギーを持つ電子が
基板10へ移るために発生される漏れ電流を防止する目
的に形成される。したがって不純物の濃度を1014ions
/cm3 程度に低くして抵抗を大きくする必要がある。し
かし、δ−MESFETの製造工程上一つのチャンバ内
で多数の層を形成しなければならないので、他の層など
にドーピングされる不純物により前記バッファ層12の
不純物の濃度が高められて抵抗が低くなる。
厚さを持つ良質のバッファ層を結晶成長させることが難
しいという問題点がある。
の隣接する電極と半導体基板との間の電圧差により引き
起こされるチャンネルと半導体基板との間の不要の空乏
領域の形成により電流通路の幅が減少され、スレッショ
ルド電圧とソース抵抗Rs を増加させてしまうというバ
ックゲーティング効果を防止する目的もある。しかし、
バッファ層12が存在しても、チャンネル層の電界の増
加によるバッファ層12の漏れ電流、あるいは隣接素子
の電圧による影響を受けて、バックゲート効果の余地は
残っている。
的は、高抵抗を要求されるバッファ層の形成依存性を打
破し、チャンネル層と基板領域との間を分離させて漏れ
電流の発生を防止できる電界効果トランジスタを提供す
ることにある。
バックゲーティング効果を防止できる電界効果トランジ
スタを提供することにある。
長及びゲート抵抗を減らすことのできる電界効果トラン
ジスタを提供することにある。
自己整列的に形成できる電界効果トランジスタを提供す
ることにある。
に、発明に係る電界効果トランジスタは、半絶縁性化合
物の半導体基板と、この半導体基板上に<110>の方
向と所定の角度に傾斜されて形成される絶縁膜と、前記
半導体基板上の上部において開放されるとともに傾斜面
及びこの傾斜面上部で所定の間隔を持つ尖点を有する空
隙と、この空隙により分離形成される第1半導体層と、
前記空隙の傾斜面及び前記第1半導体層上方に形成され
る第2半導体層と、この第2半導体層上に形成されるゲ
ート電極と、このゲート電極を間に隔てて前記第1半導
体層上に形成されるソース及びドレイン電極とからなる
ことを特徴とする。
半絶縁性化合物の半導体基板はGaAs,InPまたは
GaPのいずれか一つにより形成されることができ、ま
た、前記半導体基板は結晶面が<100>,<010>
あるいは<001>のいずれかに形成されるこができ、
また、前記絶縁膜は<110>の方向と20〜30°の
角度を持つように形成されることができる。
て、前記第1半導体層はn+ 形のGaAs層であること
ができ、前記第2半導体層はn形のGaAs層であるこ
とができ、また、第1半導体層はソース、ドレイン領域
として、第2半導体層はチャンネル層として作用すると
することができる。
に係る電界効果トランジスタの製造方法においては、半
絶縁性化合物の半導体基板上に<110>方向と所定の
角を持つように絶縁膜を形成する第1工程と、前記絶縁
膜をマスクとして前記半導体基板上に選択的エピタキシ
ャル成長を実施して絶縁膜上に形成される空隙により分
離されるように第1半導体層を形成する第2工程と、前
記第1半導体層上に第1開口部を持つ窒化膜及び酸化膜
を順に形成する第3工程と、前記第1開口部を通じて前
記酸化膜下の窒化膜をエッチングして前記第1開口部よ
りもっと広く第2開口部を形成する第4工程と、前記第
1半導体層が成す傾斜面の全面にエピタキシャル成長に
より前記傾斜面の表面及び第2開口部のうちに完全に満
たされるように第2半導体層を形成する第5工程と、前
記第1開口部を通じて露出されている前記第2半導体層
及び酸化膜上に金属を蒸着し、パターニングしてゲート
電極を形成する第6工程と、前記窒化膜及び酸化膜を除
去し、その結果的構造上に金属を蒸着して前記ゲート電
極両側の第1半導体層の上にソース、ドレイン電極を形
成する第7工程とを含むことを特徴とする。
10>の方向と20〜30°の角度を持つように形成さ
れることができ、また、前記絶縁膜は選択エピタキシ工
程のときマスクで作用するSiO2 膜あるいはSi3 N
4 膜のいずれかに形成されることができ、また、前記第
1半導体層は選択MOCVD中の一つの方法で形成され
ることができる。
は、前記第1半導体層の形成のとき形成されるため、こ
の空隙の上部は所定の尖点間隔を持つように形成され、
この尖点間隔は0.5〜1.5μm で形成されるとよ
い。
及び窒化膜は、スパッタリング法で連続して形成され、
また、前記窒化膜の厚さは0.1〜0.3μm で形成さ
れ、また、前記第2開口部の形成は前記酸化膜と窒化膜
が十分なエッチングの選択比を持つ状態から等方性の乾
式エッチング方法で形成され、また、前記第2開口部の
エッチングの幅は、両方に0.1〜0.3μm で形成さ
れ、また、前記第1開口部の全体の幅が前記空隙の尖点
間隔と同一に形成されるようにするとよい。
は、チャンネル層の下に形成された空隙により半導体基
板とチャンネル層が分離されるため、従来のバッファ層
への漏れ電流及びバックゲートの効果を防止する。ま
た、自己整列でゲート電極が形成されて、不整合の発生
なくチャンネル層の上にゲート電極を容易に位置させる
ことができるとともに、素子の特性にとって非常に重要
な有効ゲート長を減少させることができる。さらに、製
造工程上のゲート電極の形状をT字形に形成することに
より、入力寄生容量の誘発なく広く形成させることがで
きる。また、このようなゲート電極上に伝導性が大きな
オーム金属が蒸着されることにより、ゲートの全体抵抗
を減少できる。
る一実施例を詳細に説明する。
隙の構造を持つMESFETの製造工程の断面図であ
る。
果的構造を示す図1(f)の断面図を参照する。出発材
料として結晶面が(001)である半絶縁性GaAsの
基板20と、このGaAsの基板20の表面に<110
>の方向へ20〜30°の方向に傾斜された絶縁膜21
が形成されている。この絶縁膜21は例えば、SiO2
またはSi3 N4 により形成されており、厚さ0.05
〜0.1μm 、幅1.0〜2.0μm で形成されてい
る。
0.8μm 厚さのn+ 形のGaAs層22が形成されて
いる。このn+ 形のGaAs層22は絶縁膜21の上部
には形成されず、傾斜面を持ち、これら2つの傾斜面に
より成る上部尖点間の間隔が0.5〜1.5nmの程度に
開けられている。また、このn+ 形のGaAs層22は
MESFETのソース、ドレイン領域になる。このn+
形のGaAs層22にはその内部に断面形状が三角形状
の空隙23が形成されており、離隔された二つのn+ 形
のGaAs層22により、ソース、ドレイン領域を形成
している。また、内部に空隙構造を持つ前記n+ 形のG
aAs層22の傾斜面上の全体にわたってn形のGaA
sのチャンネル層26が形成されている。前記チャンネ
ル層26の上にはT字形のゲート電極27がショットキ
ー接触に形成されており、このゲート電極27の上には
伝導性が大きなオーム金属28が形成される。そして、
ゲート電極27を間に隔てたGaAs層22上に、すな
わちゲート電極27を除くGaAs層22上にソース及
びドレイン電極28a,28bがオーム接触を形成して
いる。
て、チャンネル層26の下にソース、ドレイン領域22
を形成する際、意図するように形成された空隙23がチ
ャンネル層26と半導体基板20との間を電気的に完全
に分離している。
接素子の電極と半導体基板20との間の電圧差の発生余
地を無くす。すなわち、チャンネル層26と基板20と
の間に不要の空乏領域が形成されることを防止して、バ
ックゲートの効果を防止する。
(f)に示される製造工程図に関して以下に説明する製
造方法から、さらに明確に理解されることができるもの
である。
10)である半絶縁性GaAsの基板20上にSiO2
またはSi3 N4 のいずれかにより絶縁膜21を500
〜1000Å程度の厚さに沈積する。次に、フォトリソ
グラフィの工程で絶縁層21をGaAs基板20の<1
10>の方向と20〜30°傾斜して1.0〜2.0μ
m 程度の幅を持つように形成する。この絶縁膜21の幅
は後続工程で形成される空隙23の高さを決めることに
なる。
ないGaAsの基板20の上部に選択MOCVD方法で
<110>の方向へ20〜30°の角をあたえて選択的
に結晶成長したn+ 形のGaAs層22、すなわち、ソ
ース、ドレイン領域を形成する。
GaAs層22は、その内部に断面の形状が三角形状の
空隙23が形成され、離隔された二つのn+ 形のGaA
s層が形成されている。換言すれば、前記絶縁膜21が
選択エピタキシャル成長工程のときマスクとして用いら
れ、n+ 形のGaAs層22は絶縁膜21の上部には形
成されず、傾斜面を持つようにGaAsの基板20の上
に形成される。
尖点間隔dは0.5〜1.5μm の程度に形成される。
このように形成されるn+ 形のGaAs層22の厚さ
は、0.3〜0.8μm の程度に形成される。
後、このGaAs層22の上面に、図1(b)に示すご
とく、通常のスパッタリング法で窒化膜(Si3 N4 )
24及び酸化膜(SiO2 )25を順に形成する。
上、積層面の上に垂直になるように形成されるので、空
隙23内の絶縁膜21上に窒化膜24a及び酸化膜25
aを形成して、前記n+ 形のGaAs層22の上に空隙
の尖点間隔dだけの大きさを持つ開口部32を形成する
ことになる。
チャンネル層26の厚さを決めるのにともない、素子の
特性を考慮して適切に決めることができる。望ましく
は、0.1〜0.3μm の厚さで形成する。
チングの方法で等方エッチングを実施すれば、酸化膜2
5の下の窒化膜開口部34が酸化膜開口部32よりもっ
と広くエッチングされる。これは窒化膜24が酸化膜2
5と十分なエッチング選択比を有しているので可能であ
る。再び言うと、窒化膜24は酸化膜25より3〜5倍
程度速くエッチングされる。エッチングされた窒化膜開
口部34の幅はチャンネル層の長さを決定し、その上の
酸化膜開口部32の幅はゲートの長さを決めることにな
る。なお、前記窒化膜開口部34のエッチング幅は両方
に0.1〜0.3μm とする。チャンネル層及びゲート
に対しては後述する。
たはMOCVD法によりn形のGaAs層、すなわち、
チャンネル層26を形成する。このチャンネル層26は
形成過程からn形のGaAs層22が形成する空隙23
の傾斜面の全面上に成長される。結晶成長の進行により
空隙23の尖点間隔dを埋めて、さらに成長させて前記
窒化膜開口部34のうちに完全に埋め合わせるまで選択
MOCVDを成長する。
の結果的構造を見ると、窒化膜開口部34にチャンネル
層26が満ちておるとともに、酸化膜開口部32を通じ
て露出されている。
酸化膜25及びチャンネル層26の上にTi/Pt/A
u,またはAl,またはPtなどを蒸着しパターニング
してT字形のゲート電極27を形成する。
口部32を通じてチャンネル層26の上部に自己整合的
に形成されてショットキー接触を形成している。したが
って、自己整列による不整合の発生なくチャンネル層2
6の上にゲート電極27を容易に位置させることができ
る。そして、このように、形成されるゲート電極27の
長さは、既に言及された前記酸化膜開口部32の幅によ
り決まるので、素子の特性にとって非常に重要な短い有
効ゲート長の形成が容易である。また、製造工程上、ゲ
ート電極27は、自己整列的に形成されて、その形状が
T字形に形成される。このT字形のゲート電極の構造
は、寄生容量の誘発なく短い有効ゲート長を達成しなが
ら、同時にその大きさに、広く形成される。
4及び酸化膜25を除去し、その結果として得られる構
造上にAuGe/Ni/Auなどを蒸着すれば、ゲート
電極27の上部及びゲート電極27の両側のn+ 形のG
aAs層22の上部に、オーム接触するソース,ドレイ
ン電極28a,28bが形成される。
結晶面を持つGaAsとして述べているが、(00
1),(010)などの結晶面を持つことができ、ま
た、InP及びGaAsなどの他の化合物半導体によっ
ても実施できる。
絶縁膜が形成された半絶縁性の半導体基板の上に結晶方
向による結晶成長の特性を用いてソース,ドレイン領域
が傾斜面を持つように形成し、このソース,ドレイン領
域の傾斜面により形成された空隙の上部にチャンネル層
及びゲート電極を自己整列的に形成して空隙によりチャ
ンネル層と半導体基板とを電気的に分離されるようにし
ている。
形成なくして、漏れ電流及びバックゲート効果の防止、
不整合のないゲート電極の形成、有効ゲート長の減少及
びゲート抵抗の減少を達成でき、高速の電界効果トラン
ジスタを実現することができる。
よる金属−半導体の電界効果トランジスタの製造工程図
である。
断面図である。
Claims (18)
- 【請求項1】 半絶縁性化合物の半導体基板と、この半
導体基板上に<110>の方向と所定の角度に傾斜され
て形成される絶縁膜と、前記半導体基板上の上部におい
て開放されるとともに傾斜面及びこの傾斜面上部で所定
の間隔を持つ尖点を有する空隙と、この空隙により分離
形成される第1半導体層と、前記空隙の傾斜面及び前記
第1半導体層上方に形成される第2半導体層と、この第
2半導体層上に形成されるゲート電極と、このゲート電
極を間に隔てて前記第1半導体層上に形成されるソース
及びドレイン電極とからなることを特徴とする電界効果
トランジスタ。 - 【請求項2】 前記半絶縁性化合物の半導体基板は、G
aAs,InPまたはGaPのいずれか一つにより形成
されることを特徴とする請求項1記載の電界効果トラン
ジスタ。 - 【請求項3】 前記半導体基板は、結晶面が<100
>,<010>あるいは<001>のいずれかに形成さ
れることを特徴とする請求項1記載の電界効果トランジ
スタ。 - 【請求項4】 前記絶縁膜は、<110>の方向と20
〜30°の角度を持つように形成されることを特徴とす
る請求項1記載の電界効果トランジスタ。 - 【請求項5】 前記第1半導体層は、n+ 形のGaAs
層であることを特徴とする請求項1記載の電界効果トラ
ンジスタ。 - 【請求項6】 前記第2半導体層は、n形のGaAs層
であること特徴とする請求項1記載の電界効果トランジ
スタ。 - 【請求項7】 第1半導体層はソース、ドレイン領域と
して、第2半導体層はチャンネル層として作用すること
を特徴とする請求項1記載の電界効果トランジスタ。 - 【請求項8】 半絶縁性化合物の半導体基板上に<11
0>方向と所定の角を持つように絶縁膜を形成する第1
工程と、前記絶縁膜をマスクとして前記半導体基板上に
選択的エピタキシャル成長を実施して絶縁膜上に形成さ
れる空隙により分離されるように第1半導体層を形成す
る第2工程と、前記第1半導体層上に第1開口部を持つ
窒化膜及び酸化膜を順に形成する第3工程と、前記第1
開口部を通じて前記酸化膜下の窒化膜をエッチングして
前記第1開口部よりもっと広く第2開口部を形成する第
4工程と、前記第1半導体層が成す傾斜面の全面にエピ
タキシャル成長により前記傾斜面の表面及び第2開口部
のうちに完全に満たされるように第2半導体層を形成す
る第5工程と、前記第1開口部を通じて露出されている
前記第2半導体層及び酸化膜上に金属を蒸着し、パター
ニングしてゲート電極を形成する第6工程と、前記窒化
膜及び酸化膜を除去し、その結果的構造上に金属を蒸着
して前記ゲート電極両側の第1半導体層の上にソース、
ドレイン電極を形成する第7工程とを含むことを特徴と
する電界効果トランジスタの製造方法。 - 【請求項9】 前記絶縁膜は、<110>の方向と20
〜30°の角度を持つように形成されることを特徴とす
る請求項8記載のトランジスタの製造方法。 - 【請求項10】 前記絶縁膜は、選択エピタキシ工程の
とき、マスクで作用するSiO2 膜あるいはSi3 N4
膜のいずれかに形成されることを特徴とする請求項8記
載のトランジスタの製造方法。 - 【請求項11】 前記第1半導体層は、選択MOCVD
中の一つの方法で形成されることを特徴とする請求項8
記載の電界効果トランジスタの製造方法。 - 【請求項12】 前記空隙は、前記第1半導体層の形成
のとき形成されるため、この空隙の上部は所定の尖点間
隔を持つように形成されることを特徴とする請求項8記
載の電界効果トランジスタの製造方法。 - 【請求項13】 前記尖点間隔は、0.5〜1.5μm
で形成されることを特徴とする請求項12の電界効果ト
ランジスタの製造方法。 - 【請求項14】 前記酸化膜及び窒化膜は、スパッタリ
ング法で連続して形成されることを特徴とする請求項8
記載の電界効果トランジスタの製造方法。 - 【請求項15】 前記窒化膜の厚さは、0.1〜0.3
μm で形成されることを特徴とする請求項8または14
記載の電界効果トランジスタの製造方法。 - 【請求項16】 前記第2開口部の形成は、前記酸化膜
と窒化膜が十分なエッチングの選択比を持つ状態から等
方性の乾式エッチング方法で形成されることを特徴とす
る請求項8記載の電界効果トランジスタの製造方法。 - 【請求項17】 前記第2開口部のエッチングの幅は、
両方に0.1〜0.3μm で形成されることを特徴とす
る請求項8または16記載の電界効果トランジスタの製
造方法。 - 【請求項18】 前記第1開口部の全体の幅が前記空隙
の尖点間隔と同一に形成されることを特徴とする請求項
8記載の電界効果トランジスタの製造方法。
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