JPS58124277A - Manufacture of schottky gate type field effect transistor - Google Patents

Manufacture of schottky gate type field effect transistor

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JPS58124277A
JPS58124277A JP778182A JP778182A JPS58124277A JP S58124277 A JPS58124277 A JP S58124277A JP 778182 A JP778182 A JP 778182A JP 778182 A JP778182 A JP 778182A JP S58124277 A JPS58124277 A JP S58124277A
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JP
Japan
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gate
active layer
layer
source
semiconductor crystal
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Pending
Application number
JP778182A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideki Hayashi
秀樹 林
Toshiki Ehata
敏樹 江畑
Kenichi Kikuchi
健一 菊地
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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Publication of JPS58124277A publication Critical patent/JPS58124277A/en
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/80Field effect transistors with field effect produced by a PN or other rectifying junction gate, i.e. potential-jump barrier

Abstract

PURPOSE:To reduce the resistance between a gate and a source and the resistance between the gate and a drain and to make gm large, by providing operating layers whose carrier number per unit area is large at a part below the part between a source electrode and gate and source electrodes and a part below the part between the a drain electrode and gain and drain electrodes, respectively. CONSTITUTION:On the surface of a semi-insulating semiconductor crystal substrate 1, a one conductive type semiconductor crystal layer 11, which has a thickness and carrier concentration inparting a specified pinch off voltage, is formed. On the surface of the layer 11, a stripe shaped implanting mask 12 is formed. With said mask as a mask material, impurities, which are to become the same conductive type as that of the crystal layer 11 formed previously, are ion-implanted by a specified dose amount, and the deep operating layers 13 and 14 are formed. Then annealing is performed and the source and drain electrodes 17 and 18 are formed by an ordinary method. Thereafter, a Schottky gate electrode 16 is formed so as to cover a first operating layer 15. At this time, since gate capacitance is made as small as possible, the length of the overlapped part is made to be 1mum or less.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ショットキゲート型電界効果トランジスタの
製造方法に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method for manufacturing a Schottky gate field effect transistor.

ショットキゲート型電界効果トランジスタ(以下ME 
S F ETと略す)は、特に超高周波におけるすぐれ
た増幅あるいは発振用素子として賞月されている。また
、超高速動作の集積回路の基本構成素子としても、すぐ
れたものであることは周知である。
Schottky gate field effect transistor (ME
(abbreviated as SFET) has been praised as an excellent amplification or oscillation element, especially at ultra-high frequencies. It is also well known that it is an excellent basic component for integrated circuits operating at ultra-high speeds.

第1図のような従来のMESFETの構造の欠点の一つ
は、ゲート3とソース4あるいはゲート3とドレイン5
の間の抵抗値が大きいために充分大きなgmQ値が得ら
れないこと、また大きなゲートソース間直列抵抗のため
に雑音特性が劣化することである。特にピンチオフ電圧
Vpの絶対値が小さいとき、あるいはノーマリオフ(V
p>o)においては、膜厚トキャリア濃度の値が小さく
なるためゲート・ソース間の直列抵抗は、より大きな値
となる。また動作層2がGaAs結晶を用いている場合
には、ゲート・ソース間のおよびゲート・ドレイン間の
結晶表面部6,7に高密度の表面準位が存在して、それ
により表面電位がほぼ固定され、半導体結晶内の表面近
くでは空乏層ができるため、ゲート・ソース間直列抵抗
はいっそう大きな値となり、特にノーマリオフ型では、
きわめて重大な問題であった。
One of the drawbacks of the conventional MESFET structure as shown in FIG.
The problem is that a sufficiently large gmQ value cannot be obtained because the resistance value between the gate and the source is large, and the noise characteristics are deteriorated due to the large gate-source series resistance. Especially when the absolute value of the pinch-off voltage Vp is small or normally-off (V
When p>o), the value of the carrier concentration in the film thickness becomes smaller, so the series resistance between the gate and the source becomes a larger value. In addition, when the active layer 2 uses a GaAs crystal, there are high density surface states in the crystal surface portions 6 and 7 between the gate and source and between the gate and drain, so that the surface potential is approximately Since the gate-source series resistance is fixed and a depletion layer is formed near the surface of the semiconductor crystal, the gate-source series resistance becomes even larger, especially in normally-off type.
This was an extremely serious issue.

このような欠点を解決するための方法の一つとして、第
2図のようにゲート・ソース間およびゲート・ドレイン
間の動作層9.lOをゲート電極直下の動作層8の厚さ
よりも厚くすることが行われている。この方法では8の
動作層の厚さ、キャリア濃度を望みのピンチオフ電圧が
得られるよう定める必要があるが、このような段差構造
においてエツチング等で8の部分の厚さを精密に再現性
良く制御することは現在の技術では困難である。
As one method to solve these drawbacks, as shown in FIG. 2, active layers 9. It is practiced to make lO thicker than the thickness of the active layer 8 directly under the gate electrode. In this method, it is necessary to determine the thickness and carrier concentration of the active layer 8 so as to obtain the desired pinch-off voltage, but in such a step structure, the thickness of the active layer 8 must be precisely controlled with good reproducibility by etching, etc. This is difficult to do with current technology.

本発明は、上記の従来技術の欠点を解決する新たなME
SFET及びその製法を提供するものである。
The present invention provides a new ME that solves the above-mentioned drawbacks of the prior art.
The present invention provides an SFET and a method for manufacturing the same.

本発明を以下図面にもとづいて説明する。The present invention will be explained below based on the drawings.

本発明のME S F ETの一例は第3図に示す如き
ものである。
An example of the MESFET of the present invention is shown in FIG.

第3図は半導体結晶基板1上に、ショットキゲート電極
16の下方において動作層15、ソース電極17並ひに
ゲート・ソース電極間の下方において単位面積あたりの
キャリア数の大きい動作層13、ドレイン電極18並び
にゲート・ドレイン電極間の下方において単位面積あた
りのキャリア数の大きり)1″動作層14を設けたME
SFETである。このような構造のMESFETは、ゲ
ート・ソース間抵抗およびゲート・ドレイン間抵抗が小
さく詞が大きいすぐれたものであると同時に、以下に詳
細に説明するように、本発明による製造方法によれば容
易に歩留り良く製造できるものである。
FIG. 3 shows a semiconductor crystal substrate 1 with an active layer 15 below a Schottky gate electrode 16, a source electrode 17, an active layer 13 with a large number of carriers per unit area below the gate and source electrodes, and a drain electrode. 18 and a 1" operating layer 14 (with a large number of carriers per unit area) below between the gate and drain electrodes.
It is an SFET. MESFETs having such a structure are excellent in that the gate-source resistance and gate-drain resistance are small and the resistance is large. It can be manufactured with high yield.

第4.− (a)図〜第4−(d)図は本発明によるM
ESFETの製造工程を説明するための断面図である。
4th. - Figures (a) to 4-(d) are M according to the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining the manufacturing process of the ESFET.

まず第46図(a)に示した如く、高比抵抗、または半
絶縁性半導体結晶基板lの表面に一導電型の半導体結晶
層11を作成する。このとき11の厚さ、キ3− ヤリア濃度はピンチオフ電圧が所望の値となるよう定め
る。llの作成法は気相エピタキシャル法、液相エピタ
キシャル法、あるいは半絶縁性基板1へ不純物をイオン
注入する方法等のいずれを用いても良い。例えばGaA
s半絶縁性結晶基板へt851+をイオン注入して、ピ
ンチオフ電圧Oボ・ルト(ノーマリオフ)の動作層を得
るには!85i+の注入量を1.3X10”ドーズ/c
m’、加速電圧50KeVで注入するのがその一例であ
る。(ただし活性化率100%) 次に上記結晶層11の表面に、第44図の)に示すよう
にストライプ状の注入マスク12を形成する。12の材
料としてはフォトレジストが適当であるが、イオン注入
の選択マスクとして用い得る材料で、容易に形成、はく
離できるものであれば他のものであっても良い。次に1
2をマスク材として先に形成された結晶層11と同一の
導電型となる不純物をイオン注入、または熱拡散法で結
晶基板中に導入し、深い動作層13.14を形成する。
First, as shown in FIG. 46(a), a semiconductor crystal layer 11 of one conductivity type is formed on the surface of a high resistivity or semi-insulating semiconductor crystal substrate l. At this time, the thickness of layer 11 and the concentration of key layer 3 are determined so that the pinch-off voltage becomes a desired value. The method for producing 11 may be a vapor phase epitaxial method, a liquid phase epitaxial method, or a method of ion-implanting impurities into the semi-insulating substrate 1. For example, GaA
How to obtain an operating layer with a pinch-off voltage of O volts (normally off) by ion-implanting T851+ into a semi-insulating crystal substrate! The implantation amount of 85i+ was 1.3X10” dose/c
An example of this is implantation at m' and an accelerating voltage of 50 KeV. (However, the activation rate is 100%) Next, a striped implantation mask 12 is formed on the surface of the crystal layer 11, as shown in FIG. Although photoresist is suitable as the material for 12, other materials may be used as long as they can be used as a selective mask for ion implantation and can be easily formed and peeled off. Next 1
2 as a mask material, impurities having the same conductivity type as the previously formed crystal layer 11 are introduced into the crystal substrate by ion implantation or thermal diffusion to form deep active layers 13 and 14.

深い動作層18.14、のドーズ量は大きい方がソース
抵抗が小さくな4− るのは当然であるが、ドーズ量が大きくなると表面キャ
リア密度が大きくなるためゲート・キャパシタンスが増
加し、またゲートに印加される電圧によって降服破壊が
生じる。従っである加速電圧に対して最適ドーズ量が存
在する。第5図はゲート金属と深い注入層との重なりの
領域(図5の領域A)のキャパシタンスの理論計算結果
である。
It goes without saying that the larger the dose in the deep active layer 18, 14, the lower the source resistance.However, as the dose increases, the surface carrier density increases, which increases the gate capacitance and increases the gate capacitance. A voltage applied to the capacitor causes a breakdown breakdown. Therefore, there is an optimum dose amount for a certain acceleration voltage. FIG. 5 shows the results of theoretical calculations of the capacitance in the region of overlap between the gate metal and the deep injection layer (region A in FIG. 5).

横軸はゲート印加電圧であり深い注入のドース量をパラ
メータにとっである。ただし重なりの領域の大きさは、
1μm×50μmとし、イオン注入条件は活性層の注入
を50KeV t3xio””Se/、g、探しX注入
の加速電圧を180KeVとしている。この結果から重
なり長さが1μm以下で、ドーズ量が3XIO”dos
e/♂以下であればキャパシタンスの増加量は比較的小
さいことがわかる。
The horizontal axis is the gate applied voltage, with the dose of deep implantation as a parameter. However, the size of the overlap area is
The size is 1 μm×50 μm, and the ion implantation conditions are 50 KeV t3xio””Se/,g for implantation of the active layer, and 180 KeV for the acceleration voltage of X implantation. From this result, when the overlap length is 1 μm or less, the dose amount is 3XIO”dos.
It can be seen that the amount of increase in capacitance is relatively small if it is less than e/♂.

さて供給電圧を充分加えた時のインバータの最小伝搬遅
延時間は、はぼFETのオン抵抗とゲート・キャパシタ
ンスとの積で与えられる。図5の計算結果をもとにして
、ゲート印加電圧+0,3vのときのゲート・キャパシ
タンスおよびゲート・キャパシタンスとFETのオン抵
抗との積を深い注入のドーズ量に対してプロットすると
、図6に示すようになる。(なお破線は重なりの領域の
長さAが0.4・μmのときの計算結果である)図中の
○印は作製したリングオシレータの発振周波数の実測値
より計算した1段あたりの伝搬遅延時間の平均値であり
、理論曲線とほぼ同様の傾向を示している。
Now, the minimum propagation delay time of the inverter when a sufficient supply voltage is applied is given by the product of the on-resistance of the FET and the gate capacitance. Based on the calculation results in Figure 5, when the gate capacitance and the product of gate capacitance and FET on-resistance are plotted against the dose of deep implantation when the gate applied voltage is +0.3V, Figure 6 shows. It comes to show. (The broken line is the calculation result when the length A of the overlapping region is 0.4 μm.) The circle in the figure is the propagation delay per stage calculated from the actual measured value of the oscillation frequency of the manufactured ring oscillator. This is the average value over time and shows almost the same tendency as the theoretical curve.

以上の結果より加速電圧]、80KeVのときの深い注
入のドーズ量としては3x 101 Rdome/ a
 〜3 X1018 dose/、−が最適だと考えら
れる。
From the above results, the dose for deep implantation at acceleration voltage] and 80 KeV is 3x 101 Rdome/a
~3 X1018 dose/, - is considered to be optimal.

次に13.14・あるいは15がイオン注入で形成され
る場合には、次にこれらイオン注入層の活性化を目的と
したアニールを行う。この際、結晶基板がGaAs、I
nPなどの化合物半導体である場合には、GaAs、 
InPのウェハーを重ね合わせてアニールするか、Si
N膜、SiO□膜等の絶縁膜を形成してアニールするか
As圧またはP圧制御によりアニールを実施するなどの
表面劣化防止に留意しながら、700〜850°q数l
O分間のアニールを行う。その後筒4、図(c)に示す
ように通常の方法でソース・ドレイン電極17.18の
形成を行った後に第41図(d)に示すようにショット
キゲート電極16を第1の動作層15をおおうように形
成する。このゲート電極と第2の動作層13.14との
重なりの領域の長さは小さいほどゲートキャパシタンス
が小さくなるので望ましいのは当然であるが、図6に示
したようにこの重なりの長さを1μmとしても最適のド
ーズ量を用いることにより充分高速の動作が得られるこ
とが示されている。このことは本発明によるMESFE
Tのゲート電極形成プロセスのマスク合せ余裕度が1μ
mにとれることを示しており、容易にゲート電極16を
動作層15上に形成できることを示している。
Next, if layers 13, 14, or 15 are formed by ion implantation, then annealing is performed for the purpose of activating these ion implanted layers. At this time, the crystal substrate is GaAs, I
In the case of a compound semiconductor such as nP, GaAs,
Either InP wafers are stacked and annealed, or Si
Annealing is performed by forming an insulating film such as a N film or a SiO□ film, or by controlling As pressure or P pressure to prevent surface deterioration.
Annealing is performed for 0 minutes. Thereafter, as shown in FIG. 41(c), source/drain electrodes 17 and 18 are formed in the cylinder 4 in a conventional manner, and then a Schottky gate electrode 16 is formed on the first active layer 15 as shown in FIG. 41(d). Form to cover. Naturally, the shorter the length of the overlap region between the gate electrode and the second active layer 13, 14, the smaller the gate capacitance, so it is desirable, but as shown in FIG. It has been shown that sufficiently high-speed operation can be obtained by using the optimum dose amount even if it is 1 μm. This means that the MESFE according to the present invention
Mask alignment margin of T gate electrode formation process is 1μ
This shows that the gate electrode 16 can be easily formed on the active layer 15.

また本発明ではアニールを行なった後にショットキ電極
を形成するので、アニール条件とショットキ電極の金属
の種類に選択の自由度がある。このことは結晶表面が熱
的に劣化しやすく、またショットキ接合がショットキ電
極金属の種類に著しく依存するGaAsの場合において
はきわめて重要な利点である。
Further, in the present invention, since the Schottky electrode is formed after annealing, there is a degree of freedom in selecting the annealing conditions and the type of metal for the Schottky electrode. This is an extremely important advantage in the case of GaAs, where the crystal surface is susceptible to thermal deterioration and the Schottky junction is significantly dependent on the type of Schottky electrode metal.

7一 本発明は以上の図面にもとづいて説明した内容に限定さ
れるものではなく、本発明の目的は、GaAs、 In
P、 Siなどの多くの半導体結晶を用いて達成しうる
ものであり、特に一つの半導体結晶のみに限定したもの
でない。またマスク等の材料も本発明の意図を変えずに
任意に選択し得る。
71 The present invention is not limited to the content explained based on the above drawings, and the purpose of the present invention is to
This can be achieved using many semiconductor crystals such as P and Si, and is not limited to only one semiconductor crystal. Moreover, the material of the mask etc. can be arbitrarily selected without changing the intention of the present invention.

以上述べた如く本発明によれば、ゲート・ソース間の直
列抵抗が小さく、胛の大きなMESFETが容易に作成
できる。
As described above, according to the present invention, a MESFET with a small series resistance between the gate and the source and a large ring can be easily produced.

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

第1図、第2図は従来法によるショットキゲート電界効
果トランジスタの断面図であり、第3図は本発明のショ
ットキゲート電界効果トランジスタの断面図であり、第
4図(、)〜第4図(d)は本発明による製造工程を示
すための断面構造図であり、第5図はゲート・キャパシ
タンスのゲート電圧依存性を示す図であり、第6図はゲ
ート・キャバシクンにν;’iraの積の深い注入層の
ドーズ量依存性を示す図である。 図中1は半導体結晶基板、2.8.9.10.13.1
4゜8− 15 は動作層、3.16はショットキゲート電極、4
.17はソース電極、5,18はドレイン電極、12は
ストライプ状マスク −346− ゲート電圧(V) オ6図
1 and 2 are cross-sectional views of a Schottky gate field effect transistor according to a conventional method, FIG. 3 is a cross-sectional view of a Schottky gate field effect transistor of the present invention, and FIGS. (d) is a cross-sectional structural diagram showing the manufacturing process according to the present invention, FIG. 5 is a diagram showing the gate voltage dependence of gate capacitance, and FIG. 6 is a diagram showing the gate capacitance of ν;'ira. FIG. 3 is a diagram showing the dose dependence of an injection layer with a deep layer. 1 in the figure is a semiconductor crystal substrate, 2.8.9.10.13.1
4゜8-15 is the active layer, 3.16 is the Schottky gate electrode, 4
.. 17 is a source electrode, 5 and 18 are drain electrodes, 12 is a striped mask -346- Gate voltage (V) Figure 6

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 高比抵抗または半絶縁性半導体結晶基板の一主面に一導
電型の第1の半導体結晶動作層をピンチオフ電圧が所望
の値となるように、その厚さ、キャリア濃度を選定して
形成する工程と、ストライプ状のマスクパターンを前記
半導体結晶上に形成する工程と、該マスクパターンをマ
スクとして、前記第1の動作層と同一の導電型を与える
不純物を3 X 10 l’ d OS e/crn”
 〜3 X I Q ’ 8d O8e&*のドーズ量
でかつ100KeV以上の注入エネルギでイオン注入す
ることにより第1の動作層の両側に第2の深い動作層を
形成する工程、前記ストライプ状パターンを除去する工
程、アニールを行う工程、第2の深い動作層上にソース
およびドレイン電極を形成する工程、前記半導体結晶上
にショットキ電極を、第1の半導体動作層を完全におお
いかつ第2の半導体動作層との重なり部分の長さが1.
0μm以下になるように形成する工程とからなることを
特徴とするショットキゲート型電界効果トランジスタの
製造方法
A first semiconductor crystal operating layer of one conductivity type is formed on one main surface of a high resistivity or semi-insulating semiconductor crystal substrate by selecting its thickness and carrier concentration so that the pinch-off voltage is a desired value. a step of forming a striped mask pattern on the semiconductor crystal, and using the mask pattern as a mask, adding an impurity having the same conductivity type as that of the first active layer to 3×10 l' dOS e/ “crn”
A step of forming a second deep active layer on both sides of the first active layer by ion implantation at a dose of ~3XIQ'8dO8e&* and an implantation energy of 100 KeV or more, and removing the striped pattern. a step of performing annealing, a step of forming source and drain electrodes on the second deep active layer, a step of forming a Schottky electrode on the semiconductor crystal, completely covering the first semiconductor active layer and forming a second semiconductor active layer; The length of the overlapped part with the layer is 1.
A method for manufacturing a Schottky gate field effect transistor, comprising a step of forming the transistor to have a thickness of 0 μm or less.
JP778182A 1982-01-20 1982-01-20 Manufacture of schottky gate type field effect transistor Pending JPS58124277A (en)

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