JPH0766973B2 - 縦型接合型電界効果トランジスタの製造方法 - Google Patents

縦型接合型電界効果トランジスタの製造方法

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JPH0766973B2
JPH0766973B2 JP63250914A JP25091488A JPH0766973B2 JP H0766973 B2 JPH0766973 B2 JP H0766973B2 JP 63250914 A JP63250914 A JP 63250914A JP 25091488 A JP25091488 A JP 25091488A JP H0766973 B2 JPH0766973 B2 JP H0766973B2
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清和 中川
正信 宮尾
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は極短チャネルで高速動作に好適な、縦型の接合
型電界効果トランジスタの製造方法に関する。
[従来の技術] 従来技術に係る素子としては、特許出願公告昭52−6076
に記載のように、ソース、ドレイン間がパンチスルしな
い状態すなわちソース、ゲート間に空乏状態にならない
状態が残ってキャリア注入状態が存在し、しかも直列抵
抗と変換コンダクタンスとの積が1より小になるように
選定された不純物濃度並びに諸寸法を有し、電流電圧特
性が不飽和特性を示すことを特徴とする電界効果トラン
ジスタが知られていた。
[発明が解決しようとする課題] 上記の従来素子においては、不純物のドーピング技術お
よび結晶成長技術等の制約からゲート長が数μm程度の
素子であった。
本発明は、短チャネル化によりキャリアのゲート走行時
間を従来素子に比べて極めて短くすることが可能となる
高速素子を提供することを目的とする。本発明の他の目
的は、短チャネル素子においても五極管電流電圧特性を
有する縦型の接合型電界効果トランジスタも提供するこ
と、さらにキャリアが電子の接合型電界効果トランジス
タとキャリアが正孔の接合型電界効果トランジスタを縦
に隣合わせて配置し相補型の電界効果トランジスタを提
供することを目的とする。
[課題を解決するための手段] 本発明の縦型の接合型電界効果トランジスタのゲートと
しては不純物濃度が1×1014個/cm2以上で不純物添加
領域が10Å程度というような高濃度で原子のオーダでシ
ャープな濃度分布を持つ薄層が必要であるが、従来Si−
MBEにおいてもこのような不純物添加は不可能であっ
た。このような薄層を形成するために、Si−MBE技術を
用いてシリコン結晶表面に不純物を所定の濃度吸着させ
た後に室温でその上に非晶質シリコンを所定の厚さ堆積
させ、その後に600℃程度でアニールすることにより非
晶質シリコンを結晶化させる、という技術を開発した。
この方法では、シリコン結晶表面を吸着する不純物の濃
度はシリコン結晶の温度を上下させることで任意に変え
ることができる。また、その後の室温での非晶質シリコ
ンの堆積により結晶表面に吸着した数Å程度の厚さの不
純物層をシリコン内に閉じ込めることができる。結晶化
のためのアニールでは温度が低いため不純物の拡散はほ
とんどなく、最終的に不純物濃度が1×1014個/cm2
上で不純物添加領域が10Å程度とすることができる。こ
の濃度は単位体積当りに換算すると1×1014(個/c
m2)÷10(Å)=1×1021(個/cm3)以上となりガリ
ウム,ボロン,アンチモンが熱平衡状態でシリコン内に
溶解しうる濃度すなわち固溶度を超えている。これは、
本方法では従来法とは異なり非平衡状態で結晶成長を行
っているため過飽和の不純物の結晶内への取り込みが生
じていることによっている。さらに、本方法では、不純
物の活性化率がほぼ100%とすることができる。これ
は、本プロセスが熱平衡下ではないために、固溶度を超
えた不純物が析出することがないためである。
本発明は、上記技術を用いて、高速動作可能な縦型の接
合型電界効果トランジスタの製造方法を提供するもので
あり、ゲート領域作製に上記技術を用いる。また、五極
管電流電圧特性を得るためには、上記の不純物添加層を
二層以上設けゲート領域とし、さらに電圧を各層個別に
印加することができるように配線した多層ゲートとす
る。またさらに、相補型の極短チャネルの縦型の接合型
電界効果トランジスタを提供するために、キャリアが電
子である接合型電界効果トランジスタと、キャリアが正
孔である接合型電界効果トランジスタを縦に隣合わせて
配置する。
[作用] 縦型の接合型電界効果トランジスタのゲート領域の厚さ
をL,不純物濃度をNとすると、ゲート抵抗やゲートから
の空乏層の電圧印加による伸びを同程度に保ちかつゲー
ト領域の厚さを薄くするためにはL×Nを一定に保つこ
とが必要不可欠となる。従来の縦型の接合型電界効果ト
ランジスタではL=1μm,N=1×1018/cm3程度である
ためL×N=1×1014/cm2程度となる。従って、1×1
014個以上の不純物を10Å程度の領域に閉じ込めること
によりキャリアのゲート走行時間が短い高速素子用の縦
型の接合型電界効果トランジスタとすることができる。
また、多層ゲートとし個別に電圧を印加することにより
二層目以上のゲートが電流制限電極として働き、長ゲー
トの素子ではないにもかかわらず電極電圧特性が5極管
特性とすることができる。
本発明において、半導体としてGaAsを用い、キャリアが
電子の場合には不純物としてベリリウムかまたはアルミ
ニウムを用い、キャリアが正孔の場合には不純物として
シリコンを用いることにより、上述のシリコンを半導体
として用いる場合のみならず、GaAs系でMBE法により高
速素子用の縦型の接合型電界効果トランジスタを作製す
ることが可能である。
[実施例] 以下、本発明の実施例を説明する。
実施例1. まず第1図(a)〜(g)および第2(a)(b)を用
いて、本発明の実施例1を説明する。
超高真空中で、表面を清浄化したn+−Si(100)基板11
上に、MBE法を用いて基板温度700℃でSbとSiを同時蒸着
してn=1×1015/cm3のn層12を2μm成長させる
(第1図(a))。次に基板温度を600℃に下げてGaを
充分に結晶表面に照射する。Ga−Gaの結合エネルギーが
Ga−Siの結合エネルギーの半分程度であるため、この基
板温度ではSiと直接結合した一原子層の厚さ数ÅのGa原
子層(約6×1014個/cm2)13だけが存在し、余分のGa
原子は蒸発してしまう。このGa濃度を下げたい場合に
は、例えば基板温度を650℃に上げることによりSiと直
接結合しているGaを一定の割合で脱離させることにより
正確に行うことができる。次に、基板温度を室温に下げ
Ga原子層13上にSiを蒸着し0.005μm程度のi−Si層14
とする(第1図(b))。この温度ではSiは結晶とはな
らずに非晶質となっている。次に基板温度を600〜700℃
程度に上げて10分程度アニールし、非晶質Si層を結晶化
させ14′とする(第1図(c))。この基板をMBE装置
から取り出しリソグラフィー技術を用いて結晶シリコン
層14′、Ga原子層、およびn層12の一部を加工する(第
1図(d))。この状態での平面構造を第2図(a)に
示す。この平面構造は第2図(b)のようにしても良
い。次に、再び表面を清浄化した後、MBE装置を用いてS
bとSiを同時蒸着してn=1×1015/cm3のn層16を基板
温度700℃程度で0.2μm成長し、さらにSbとSiとの同時
蒸着法によりn+−Si層17を形成する(第1図(e))。
上記基板をMBE装置から取り出し、第1図(f)に示す
ような形状にメサエッチングにより加工し、Bのイオン
打込みによりゲートの引出し領域19を形成した(第1図
(g))。イオン打込み領域の活性化のためのアニール
は700℃で1時間行った。最後に電極配線を行い、Ga原
子層13をゲートとする縦型の接合型電界効果トランジス
タを作製した。第1図(g)において、20はソース電
極、21はゲート電極、22はドレイン電極である。
実施例2. 実施例1と同様の製法を用い、Ga原子層13および結晶シ
リコン層14′を各々2層ずつ形成して第3図に示す構造
とした。本実施例では2層のゲート(Ga原子層)があ
り、各々のゲートのゲート電極21および21′を有する。
この2つのゲート電極には個別に電圧を印加できる。第
4図に本素子の電流電圧特性を示す。この図に示すよう
に5極管特性となっている。この素子はゲート長が20Å
程度であり、従来素子のようなゲート長が長いために生
ずる5極管特性とは異なっており高速性は損なわれな
い。また、2層のゲートに同一電位を与えることにより
3極管特性とすることが可能なことは言うまでもない。
実施例3. 本実施例は相補型の電界効果トランジスタに関する。実
施例1と同様の方法でn+−Si層17までを形成する(第5
図(a))。このn+−Si層の厚さは0.5μm、濃度n=
1×1020/cm3とした。この部分が、相補型トランジス
タを構成する電子をキャリアとする電界効果トランジス
タである。本実施例では、この上部に、正孔をキャリア
とする電界効果トランジスタをさらに形成するものであ
る。基板温度700℃でGaとSiを同時蒸着して0.5μmの厚
さでp=1×2020/cm3のp+層58とp=1×1015/cm3
p層59を2μm成長させ、次に基板温度を650℃に下げ
てSbをp層59上に吸着させる。Sbの場合にもGaの場合と
同様にこの基板温度では一原子層のSb原子層(約6×10
14個/cm2)60が安定に存在できる。次に、基板温度を
室温に下げSb原子層60上にSiを蒸着し0.005μm程度の
i−Si層を形成する。実施例1の場合と同様にこの温度
ではSiは結晶とはならずに非晶質となっている。次に基
板温度を600〜700℃程度に上げて10程度アニールし、非
晶質Si層を結晶化させ61′とする。この基板をMBE装置
から取り出しリソグラフィー技術を用いて結晶シリコン
層61′、Sb原子層60、およびp層59の一部を加工する
(第5図(b))。その平面構造は、実施例1の第2図
で示した形状とした。次に、再び表面を清浄化した後MB
E装置を用いてGaとSiを同時蒸着してp=1×1015/cm3
のp層62を基板温度700℃程度で0.2μm成長し、さらに
GaとSiとの同時蒸着法により0.5μmの厚さでp=1×2
020/cm3のp+−Si層63を作製した。上部の正孔をキャリ
アとする縦型の接合型電界効果トランジスタのゲートの
引出し電極はリソグラフィー技術とAsイオン打込みによ
り、また下部の電子をキャリアとする縦型の接合型電界
効果トランジスタのゲートの引出し電極はリソグラフィ
ー技術とBイオン打込みにより行い、Asイオン打込み領
域64、Bイオン打込み領域65を形成した。n+−Si層17と
p+層58とは縦に隣合っているが、この濃度ではトンネル
効果によって上部の正孔をキャリアとする縦型の接合型
電界効果トランジスタと下部の電子をキャリアとする縦
型の接合型電界効果トランジスタとが結合されており、
第5図(c)に示すような相補型の縦型の接合型電界効
果トランジスタが形成できる。
[発明の効果] 本発明によれば、従来の高速素子用の縦型の接合型電界
効果トランジスタに比べてチャネル長を百分の一程度と
できるため、より一層高速用の素子を得ることができ、
動作速度で約三倍程度とすることが可能となる。
また、多層ゲートとし個別に電圧を印加することによ
り、二層目以上のゲートが電流制限電極として働き、長
ゲートの素子ではないにもかかわらず電流電圧特性が5
極管特性とすることができる。
またさらに、縦型の接合型電界効果トランジスタとして
キャリアが電子の接合型電界効果トランジスタとキャリ
アが正孔の接合型電界効果トランジスタを縦に隣合わせ
て配置することにより高速の相補型の電界効果トランジ
スタとすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は本発明の実施例1の縦型の接合型
電界効果トランジスタの作製工程を示す図、第3図は実
施例2の縦型の接合型電界効果トランジスタの断面図、
第4図は実施例2の縦型の接合型電界効果トランジスタ
の電流電圧特性を示す図、第5図は実施例3の相補型の
縦型の接合型電界効果トランジスタの作製工程を示す図
である。 11…n+−Si(100)基板、12…n層、13…Ga原子層、14
…非晶質i−Si層、14′…結晶Si層、16…n層、17…n+
−Si層、19…イオン打込み領域、20…ソース電極、21,2
1′…ゲート電極、22…ドレイン電極、58…p+層、59…
p層、60…Sb原子層、61′…結晶Si層、62…p層、63…
p+Si層、64…Asイオン打込み領域、65…Bイオン打込み
領域。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(1)超高真空中で、表面を洗浄化した基
    板上にSbとSiとを同時に蒸着することにより第1のn層
    を形成する工程と、 (2)上記第1のn層上にGaを照射することによりゲー
    ト電極部を形成するGa原子層を形成する工程と、 (3)上記Ga原子層上にSiを蒸着することにより、i−
    Si層を形成する工程と、 (4)(3)の積層構造が形成されている基板温度を上
    げてアニールし、上記i−Si層の非晶質Siを結晶化させ
    ることにより結晶Si層を形成する工程と、 (5)上記結晶Si層、上記Ga原子層および上記第1のn
    層からなる積層構造の一部を加工する工程と、 (6)上記(5)の構造にさらにSbとSiとを同時に蒸着
    することにより第2のn層を形成する工程と、 (7)上記第2のn層上にさらにSbとSiとを同時に蒸着
    することにより第3のn層を形成する工程と、 (8)上記(7)の構造をメサエッチングにより加工す
    る工程と、 (9)上記(8)の構造にBのイオン打込みをすること
    によりゲートの引出し領域を形成する工程と、 (10)上記(9)の構造の上部もしくは下部にソース電
    極部およびドレイン電極部を形成する工程と、を有する
    ことを特徴とする縦型接合型電界効果トランジスタの製
    造方法。
JP63250914A 1988-10-06 1988-10-06 縦型接合型電界効果トランジスタの製造方法 Expired - Lifetime JPH0766973B2 (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008010566A (ja) * 2006-06-28 2008-01-17 Ricoh Co Ltd 半導体デバイス

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