JPH0824132B2 - 電界効果トランジスタの製造方法 - Google Patents

電界効果トランジスタの製造方法

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JPH0824132B2
JPH0824132B2 JP60231227A JP23122785A JPH0824132B2 JP H0824132 B2 JPH0824132 B2 JP H0824132B2 JP 60231227 A JP60231227 A JP 60231227A JP 23122785 A JP23122785 A JP 23122785A JP H0824132 B2 JPH0824132 B2 JP H0824132B2
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康成 梅本
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【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はシヨツトキーゲート電界効果トランジスタ
(MESFET)に係り、超高速のコンピユータや通信回路に
好適な高性能FETを提供することにある。
〔発明の背景〕
第1図に従来の高性能FETの断面図を示す。
このFETではGaAs基板1の表面部に形成されたチヤネ
ル層2の上に形成したゲート電極3とn+ソース/ドレイ
ン領域4,4′とが自己整合されており、寄生抵抗が低減
されることにより高性能化が達成されている。5,6はそ
れぞれソース/ドレイン電極である。
しかしながら、この構造のFETではゲート長7が1μ
m以下になると第2図に示すように、ゲート長が短くな
るにしたがつて、しきい電圧値が負側にずれるという現
象がある。これはMESFETの短ゲート効果と称しており、
原因としてはn+ソース/ドレイン領域の接近によつて、
チヤネル層2の下の基板側に電子が注入され、基板を通
してソース5,ドレイン6間に電流が流れるためと考えら
れている。また、この現象が顕著になると、ピンチオフ
するに必要なゲート電圧が増加し、FETの性能劣化を生
じる。
これを防ぐ方法としては、特開昭57−211783号や昭59
年度電子通信学会予稿集248に提案されているように、F
ETの下部にチヤネルストツパとしてp型層8を設け(第
3図)、基板1への電流の廻り込みを防ぐ方法が考えら
れ、短ゲート効果が著しく低減されることが報告されて
いる。
このFETの主な作製手順は以下のとおりである。ま
ず、n+ソース/ドレイン領域用4,4′及びチヤネル層用
のn型不純物たとえばSiイオンを注入した後、約800℃
のアニールを行つて導電層を形成してから、p型層8形
成を行う。p型不純物としては、MgやBeが用いられてい
るが、これらは活性化温度が低いとともに、拡散係数が
大きいために、700℃前後でアニールを行う必要があ
り、n型不純物のアニールの後にp型層を形成するわけ
である。
しかしながらこの制約のために、ゲート電極とn+ソー
ス/ドレイン層との自己整合は困難となる。すなわち、
上記の自己整合は一般に耐熱金属ゲートをマスクとして
n+層用の不純物注入を行うことによつてなされており、
n+層形成時にはすでにゲート電極が形成されており、第
3図に示すゲート電極の下にp型層の形成された構造の
FETを自己整合によつて形成することは困難である。
この問題を解決するものとして、第4図に示す、耐熱
金属ゲート形成後にこのゲートにセルフアラインしてp
型不純物イオンを注入し、一度のアニールのみでp型埋
込み層を形成する方式を発明し出願した。
この図において、9,9′がp型埋込み層であり、n+
ース/ドレイン領域4,4′のチヤネル側を包むようにp
型層が形成されており、これにより短チヤネル効果を低
減している。しかしながらこの断面構造では、チヤネル
下にp型埋込み層が形成されておらず、この部分での基
板電流により短チヤネル効果が生じ不十分である。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、従来のp型層埋込み型FETの上記の
問題を解決し、自己整合型FETにおいてp型層形成を可
能とし、短ゲート効果の小さい高性能のFETの製造方法
を提供することを目的とする。
〔発明の概要〕 本発明においては、第5図に示すように耐熱金属ゲー
ト11に自己整合してn+層用4,4′のイオン注入をし、活
性化用のアニールを行つた後、上記のゲート11をマスク
としてp型不純物の注入を行い、さらにアニールによつ
てこのp型不純物をチヤネル下に拡散させることによ
り、n+領域4,4′のチヤネル層側及びチヤネル層をp埋
込み層で包んだ構造を達成し、基板への電子の注入を防
止することにより、短チヤネル効果を防止し、高性能の
FETを得た。
また、このFET構造では、チヤネル層下にp型のバリ
アが形成されるため、α線等の注入によつて生じるソフ
トエラーを防止する上でも有効である。
〔発明の実施例〕
実施例1 以下、本発明の第一の実施例を第5図により説明す
る。本実施例はGaAs基板上に形成した自己整合型MESFET
に本発明を適用した例であるが、基板11としてはGaAsに
限らず、InP,InGaAsやGaAlAs,InGaAsP等の化合物半導体
やSi,Ge等の半導体を用いてもよい。
第5図は、本実施例の素子の作製プロセスと完成時の
断面構造を示す。本実施例の素子作製にあたつては、ま
ず第5図(a)に示すように、フオトレジスト膜10のパ
ターンをマスクとしてイオン注入を行い、GaAs基板1中
にチヤネル2を形成する。注入イオンとしてはSi+を使
用し、注入エネルギーは30KeV、ドース量はノーマリオ
フ層の場合2.5×1012cm-2、ノーマリオン型の場合5.5×
1012cm-2である。10はFETの領域外をマスクするための
ホトレジスト膜である。このイオン打込み層2は、この
後アニールによつて活性化する。アニールは通常行われ
ている条件(800℃,15分)でよい。雰囲気はAsH3ガスと
H2ガスの混合ガスとする。また、SiO2等の絶縁膜を用い
たキヤツプアニールを行つてもよい。膜厚は1000〜2000
Åがよい。
次に、上記のチヤネル層上に、ホトリソグラフイプロ
セスを用いて笠12付きの耐熱金属ゲート11を形成する
(第5図(b))。耐熱金属ゲート11にはCVD(熱分解
化学蒸着)で形成したWSi合金膜を、笠には同じくCVDで
形成したSiO2膜を用い、それぞれをホストレジストのパ
ターン13をマスクとして反応性ドライエツチングによつ
てパターン形成を行う。WSi膜の膜厚は3000Åとした。
また、金属ゲートのゲート長は、1μmないし、それ以
下とする。SiO2膜のエツチングにはCF4+H2ガス、WSiの
エツチングにはNF3ガスを使用する。耐熱金属ゲートと
しては上記の材料以外に、スパツタWSi,CVD−W,スパツ
タW,MoSi,TiW等を使用してもよい。また、笠12として
は、上記の材料以外に、SiN4,AlN Al2O3の絶縁膜やAl,T
iNi等の金属膜でもよい。ただし、Alを構成物質とする
膜のエツチングには塩素の入つたガス、たとえばCCl2F2
等のガスが必要である。また、ホストレジスト膜のみで
笠を形成してもよい。
この笠はソース/ドレイン領域4,4′形成のためのイ
オン注入14を行う際のマスクであり、この笠によつてソ
ース/ドレイン領域4,4′とゲート電極11とを空間的に
分離し、ゲート耐圧の劣化を防止する。この目的にはこ
の笠のつばの部分15の長さは0.2〜0.3μmが適当である
(第5図(c))。このイオン注入の条件は、100KeV,2
×1013cm-2であり、この後750℃,20分のアニールにより
活性化する。10′は10と同様イオン注入用のホストレジ
ストのマスクである。このアニールは、AlN等の保護膜
を使用するかAsH3ガス雰囲気中で行う。また、フラツシ
ユランプなどを使用した、高温(950〜100℃)短時間
(5〜30秒)のアニールで活性化してもよい。
次に、笠14を除去した後、p型層16,16′を形成する
不純物イオン17を注入する(第5図(d))。不純物イ
オンとしてはBeを使用し、注入条件は60KeV,2×1016cm
-2である。この時の注入層の中心深さは約0.16μmであ
る。また、このドース量の場合、p層は空乏化されるの
で容量は半絶縁性のGaAs基板と比べて、実質的に増加し
ない。このイオン注入の後700℃,20分の条件でアニール
を行う。10″は10と同様イオン注入用のホトレジストの
マスクである。雰囲気は上記のソース/ドレイン領域4,
4′の場合と同様であり、また、上記の高温短時間アニ
ールで、同時にソース/ドレイン領域4,4′とp型層16,
16′をアニールしてもよい。また、p型層形成用の不純
物イオンとしては、MgやCを用いてもよく、同様のアニ
ールによつてp型層形成が可能である。ただし、Mgの質
量数は24であり、Beより高エネルギーで注入する必要が
あり、本実施例では150KeVとした。ドース量はBeの場合
と同程度でよい。
また、上記のアニールによつて、p型不純物は深さ方
向とともに横方向にも拡散し、p型層16,16′はチヤネ
ル層2の下で継がり、このようにして、チヤネル層はp
型層16″によつて覆われる(第5図(e))。
最後に、ソース/ドレイン領域上に通常のリフトオフ
プロセスによつてソース/ドレイン電極5,6を形成してF
ETを完成する。
以上のプロセスによつて、n+ソース/ドレイン領域4,
4′を取り囲む形にp型層16,16′が形成され、ソース領
域から基板1へのキヤリアの注入が防がれるため、短ゲ
ート効果の少ないFET形成が可能となる。
実施例2 以下、本発明の第二の実施例を第6図を用いて説明す
る。本実施例と第一実施例と異なる点は、ソース/ドレ
イン領域形成のみであり、他の点すなわち、使用基板,
電極形成,p型層形成等は同じであるため、ソース/ドレ
イン領域形成についてのみ詳細に説明する。
本実施例の特徴は、第6図(d)に示すようにソース
/ドレイン領域を低抵抗領域19/19′と準低抵抗領域20/
20′の2段階に形成し、ゲート耐圧を高めるとともに、
短ゲート効果を押えている点にある。
本実施例のFETの作成にあたつては、まずチヤネル層
2を形成した後、ホストレジストパターン18,18′をマ
スクとして第1ソース/ドレイン領域19/19′用のイオ
ン注入を行う。従つてこの領域19/19′はゲート電極と
は自己整合されていないが、ゲート電極のない状態でア
ニールが可能であるため、高温でのアニールができ、低
抵抗の領域が形成可能となる。注入イオンをSi+とし、1
00KeV,2×1013cm-2の注入を行つた場合、800℃,15分の
アニールで130Ω/□という低いシート抵抗が得られる
(第6図(a))。但し、ゲート電極とは、マスクアラ
イナのみで位置合わせを行うため、合わせ精度の裕度を
見てゲート電極との間隔を取る必要があり、1/10縮少投
影露光装置を用いた場合、約1μm離す必要がある。従
つて、ゲート長を1μm以下としているのでマスク18′
の長さは3μm程度がよい。電子ビーム露光装置を利用
するとゲート長0.5μmとして約0.5μmずつ離すことは
容易である。この方法を採用することは任意である。こ
の時は、マスク18′の長さは2μm程度がよい。
次に、第一実施例と同様にしてゲート電極11形成を行
い(第6図(b))、これをマスクとして第2ソース/
ドレイン領域20/20′用のイオン注入を行う。イオン注
入条件は、Si+,60KeV,8×1012cm-2である。またアニー
ル条件は第一実施例と同様750℃,20分であり、これによ
つて400〜500Ω/□のシート抵抗でかつ、浅いソース/
ドレイン領域が得られる。
次に、第一実施例と同様にしてp型層16/16′(第6
図(c)形成とソース/ドレイン電極5,6形成(第6図
(d))を経てFETを完成する。また、ゲート長は1μ
m以下であり、p埋込み層16″は第一実施例と同様、チ
ヤネル層を包むように形成されるので、より基板電流を
低減でき、短チヤネル効果を埋える上で効果的である。
〔発明の効果〕
以上、実施例を用いて説明して来たように、本発明に
よれば、耐熱ゲート金属を用いてゲート電極とソース/
ドレイン領域との自己整合されたFETにおいて、上記チ
ヤネル層をp型領域で包むことができ、短ゲート効果の
少ない高性能のFET作製が可能となる。
また、n型チヤネル及びn+型ソース/ドレイン領域用
の活性化アニールの後、p型層のアニールが可能なた
め、この層のみの活性化に必要な低温のアニールが可能
であり、アニール時のp型層の拡散が適当に押えられる
ため、しきい電圧の制御性のよい安定したプロセスが形
成できる。
また、このFET構造では、チヤネル層下にp層のバリ
アが形成されるため、α線等の注入によつて生じるソフ
トエラーを防止する上でも有効である。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の自己整合型FETの断面図、第2図はその
短ゲート効果の説明する図、第3図,第4図は従来のp
型層を埋込んだFETの断面図、第5図および第6図は本
発明の第一,第二の実施例のFETの作製手順を示す断面
図である。 1……半導体基板、2……チヤネル層、3……ゲート電
極、4/4′,19/19′,20/20′……ソース/ドレイン領
域、5,6……ソース/ドレイン電極、16/16′/16″……
p型埋込み層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大石 喜久 東京都国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 梅本 康成 東京都国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 香山 聡 東京都小平市上水本町1448番地 日立超エ ル・エス・アイ・エンジニアリング株式会 社内 (56)参考文献 特開 昭53−76676(JP,A) 特開 昭58−148449(JP,A) 特開 昭47−23179(JP,A) 特開 昭59−194476(JP,A) 特開 昭60−164365(JP,A)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半絶縁性半導体基板中にチャネル層を形成
    する工程と、耐熱性金属ゲート電極を上記チャネル層上
    に形成する工程と、上記半絶縁性半導体基板中に、チャ
    ネル層端に接した第1の領域と該領域よりシート抵抗の
    小さい第2の領域を有するソース/ドレイン領域を上記
    耐熱性金属ゲート電極をマスクとしたイオン注入により
    自己整合的に形成する工程を有する電界効果トランジス
    タの製造方法において、上記ソース/ドレイン領域形成
    工程後に、上記ソース/ドレイン領域および上記チャネ
    ル層と上記半絶縁性半導体基板の間に上記ソース/ドレ
    イン領域および上記チャネル層とは逆導電型の半導体層
    を形成する工程を有し、上記逆導電型の半導体層の形成
    は、上記耐熱性金属ゲート電極をマスクとして不純物原
    子を導入した後、アニールにより該不純物原子を拡散さ
    せて上記チャネル層の下で連続させることにより行うこ
    とを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
  2. 【請求項2】上記第1の領域は上記第2の領域より領域
    の厚さを薄く形成する特許請求の範囲第1項記載の電界
    効果トランジスタの製造方法。
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