JPS6236874A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS6236874A
JPS6236874A JP60176752A JP17675285A JPS6236874A JP S6236874 A JPS6236874 A JP S6236874A JP 60176752 A JP60176752 A JP 60176752A JP 17675285 A JP17675285 A JP 17675285A JP S6236874 A JPS6236874 A JP S6236874A
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drain
source
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gate
compound semiconductor
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JP60176752A
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Haruo Kawada
春雄 川田
Tsukasa Onodera
司 小野寺
Toshiro Futaki
俊郎 二木
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は1「−■族の化合物半導体装置、特にそのチャ
ネル領域に於いてソース側とドレイン側のキャリア濃度
全圧電分極効果によって変化させた化合物半導体電界効
果トランジスタに関する。
マイクロエレクトロニクスは現代産業進展の基盤となり
、また社会生活に大きい影響を与えている。現在このマ
イクロエレクトロニクスの主役はシリコン(Sl)半導
体装置であって、トランジスタ素子の微細化によって高
速化と集積度の増大に大きい効果をあげている。
更にシリコンの物性に基づく限界を超える動作速度の向
上々どを実現するために、キャリアの移動度がシリコン
より遥かに大きい砒化ガリウム(GaAs )などの化
合物半導体を用いる半導体装置が開発されている。
化合物半導体を用いるトランジスタとしては、その製造
工程が簡単であるなどの理由によって電界効果トランジ
スタ、特にショットキバリア形電界効果トランジスタの
開発が先行しているが、その利点を十分に発揮した集積
回路装智の実用化への努力が重ねられている。
〔従来の技術〕
ショットキバリア形電界効果トランジスタ(以下MES
FETと略称する)は現在化合物半導体、特にGaAa
を半導体材料とする例が多いが、その構造の一例を第1
図の模式側断面図に示す。
図に示す従来例においては、半絶縁性GaAs基板11
に、例えばイオン注入法によって或いは不純物全ドープ
したGaAsエピタキシャル成長層によって、n形チャ
ネル層12が形成され、このn形チャネル層12上にシ
ョットキ接触するゲート電極13が配設される。
このゲート電極13をマスクとするイオン注入法によっ
て不純物が導入されて、n形チャネル層12より高不純
物濃度のn+形ソース及びドレイン領域14が形成され
、絶縁膜15が被着されて、n+形ソース及びドレイン
領域14にオーミック接触するソース及びドレイン電極
16が配設される0前記従来例では高速化のために、先
に述べた如く基板11の材料にGaAsを用いて、その
電子移動度μ’tsiの1.500 cl / V s
ee程度から4000cn/ Vsec程度に高めてい
る。
また構造についても高速化、高集積化のためにMESF
ET素子の微細化、ゲート長の短縮が進められている。
しかしながらゲート長の短縮に洋って、ゲート閾値電圧
vth及びに値等の特性の期待される値からの変動幅が
次第に大きくなり、かつこの変動はGaAs半導体基体
の晶帯軸に対するゲートの方向によって異なる。この所
情ショートチャネル効果の原因として、ソース及びドレ
イン領域14に導入された高濃度の不純物のチャネル層
12への侵入と、主として絶縁膜15によって化合物半
導体基体に生ずる圧電分極効果が注目されている。
圧電分極とは、例えばGaAs MET FETのゲー
ト電極13、絶縁膜15などが半導体基体に及ぼす応力
によって、基体結晶を構成するGa 、 As原子が変
位して第2図に例示する如き分極電荷分布を生ずるもの
で、ゲート闇値電圧の変動は分極電荷によりチャネル層
12におけるキャリアの分布が変化してショットキ空乏
層が伸縮することによる。
(例えばP、 M、 Asbeck et al、 :
 IEEE Transa−ctionaon F:1
ectron Devices 、 Vol 、 ED
−31,410、Oct。
1984参照) これは■−v族等の化合物半導体においては、その結晶
が非対象故に生じるものである。
更に半導体装置の高速化には、キャリアのドリフト速度
V−μE(μはキャリアの移動度、Eは電界強度)を増
大するために電界強度Eを大きくすることが当然に有効
であるが、前記従来例のソースΦドレイン間電圧等は消
費電力、耐電圧などにより制限され、従来知られている
局部的に電界を形成する手段は何れも煩雑であり、微細
化された高集積度の電界効果トランジスタ素子に実施す
るに適しない。
〔発明が解決しようとする問題点3 以上説明した如く半導体装置の高速化が進められている
が、化合物半導体基体に対する期待に十分に応えるため
に、微細化された高集積度の電界効果トランジスタ素子
のチャネル領域のキャリアのドリフト速度を増大する電
界を局部的に形成する手段が要望されている。
〔問題点を解決するための手段〕
前記問題点は、(110)面の■−■族の化合物半導体
を用い、ドレイン電流をjoo’i)軸方向に流す様に
ゲート電極を形成し、この化合物半導体基板上に絶縁膜
を被覆すると、ゲート電極の両側で圧電分極の極性が異
々る事、言い換えればチャネル内のキャリア濃度がソー
ス側とドレイン側で異なる事を利用する本発明により解
決される。
ドレイン電流が(001)軸方向に流れるようにするた
めにはゲート電極のゲート幅方向を〔110〕方向に配
置すれば良いのである。
〔作 用〕
本発明者等は圧電分極効果について、■−■族の化合物
半導体基体に生ずる応力と絶縁膜の材料及び厚さ、半導
体基体の結晶面、晶帯軸とこの応力による圧電分極の状
態などの相関関係を研究し、GaAs単結晶の(110
)面上のゲート幅方向が(110)方向ではゲート電極
の両側、すなわちソース側とドレイン側で圧電分極の極
性が異なることを見い出し下記の結果を得ている。
絶縁膜15が二酸化シリコン(SiO2)の場合ゲート
長≦1.5μm 絶縁膜15が窒化シリコン(SisN4)の場合ゲート
長≦1.5μm 注二 ゲート長が21.58mの場合は圧電分極の極性
は反転しくニ)1に記した様になる。
すなわち第3図の絶縁膜が5i04膜の如く、引張り応
力を持つ場合の圧電電荷の2次元分布に示す様に、ゲー
ト13の右側と左側とでは圧電分極電荷の分布が異なる
のである。っまりA、B、C。
Dはそれぞれに示す大きさを持つ正の電荷で、−A。
−B 、 −〇 、−Dはそれぞれに示す大きさを持つ
負の電荷である。
そしてゲート13の下には空乏層が延びるため、実際に
キャリアが走行するチャネルの部分に対しては、第3図
中のCT(の部分の圧電分極が最も大きく影響するので
ある。従ってこの部分の圧電分極の極性を十分考慮する
必要があるのである。
なお絶縁膜15がSi、N4臆の如き、用縮応力を有す
る膜の場合は、上記と逆になるのである。
なお分極電荷量は、絶縁膜の厚さすなわち応力の増加に
伴って増大する。
本発明は圧電分極の前記の如き性質を利用するものであ
り、チャネル領域のソース側とドレイン側とで圧電分極
電荷の符号が異なることを利用し、チャネル内の最も影
響を与える圧電電荷の極性の負の方をドレイン電極側と
し、正の万全ソース電極側とする。
すなわち、第4図の8i0.膜の例に示す様に、ゲート
3の左側の正の圧電々荷が誘起されている方をソース側
$4sに、ゲート3の右側の負の圧電々荷が誘起されて
いる方をドレイン領域4Dにするのである。
こうすることにより、ソースとドレイン間には第5図の
バンド図に示す様に熱平衡状態において、一定のバイア
スqVbiが印加されているのと等価な状態となるので
ある。すなわち、第4図に示すように誘起された圧電々
荷によりチャネルのソース側ではキャリア濃度が域少さ
せられた状態になり、一方ドレイン側では増加させられ
た状態になる。この結果チャネル2内のキャリアである
電子は伝導帯Ecの中をドレイン側からソース側へと拡
散していく。ある程度拡散がすすむとソース側の電子数
が増加し、拡散を妨げるように電位勾配が生じ、熱平衡
状態に達する。その状態が第5図に示しているのである
これによってキャリアに作用する電界を強めてドリフト
速度を増大する。また、同時にソース領域側のチャネル
の空乏層の伸びのドレイン電圧依存性も少なくなシトレ
インコンダクタンスが小さくなる効果も有る。
〔実施例〕 以下本発明全実施例によシ具体的に説明する。
第4図はGaAs MES FETにかかる本発明の一
実施例を示す模式側断面図である。
本実施例では、半絶縁性GaAs基板1の(110)面
に、例えばSiミラエネルギー59keで、ドーズ量0
.9×1012C:rrL−2程度にイオン注入し、活
性化熱処理を行って不純物濃度が5〜6×1016cr
rL−3程度のn形チャネル層2を設けている。
とのGaAs基板1面上にゲート電極3を、例えばゲー
ト幅方向e (110)方向としゲート長を約1μmに
、タングステンシリサイド(WsSim)等を用いて形
成する。
ゲート電極3をマスクとして、基板1に例えばsi、t
 zネルイー1フ5keVT、)’−スf 1.7 X
l013cFrL−2程度にイオン注入して活性化熱処
理を行い、不純物濃度がlXl018Crn”程度ノn
+形ソース、ドレイン領域48,4Dk形成する。
例えばプラズマ化学気相成長方法(P−CVD法)によ
り、半絶縁性GaAs基板上にSIO□膜5を厚さ例え
ば1200nm程度被櫟する。この後、ソースφドレイ
ン電極形成の為のSin!膜5の窓開けを行なう。  
 ・ n+形ソース、ドレイン領域48.4D上に、例えば金
ゲルマニウム/金(AuGe/Au)などを用いてソー
ス電極6、ドレイン電極7を形成する。このソース電極
6又はドレイン電極7と、ゲート電極3との間の間隔は
例えば2μm程度である。
本実施例では、チャネル領域のソース側にプラス、ドレ
イン側にマイナスの電荷が前記の圧電分極によって現れ
、この電荷分布による電界(第5図のqVbiうにより
キャリアである電子が加速される。
第6図(a) 、 (b)は、本発明で作成したMES
 FETと従来法(圧電分極電荷の利用なし)で作成し
たMES FETのに値(fmに対応;大きい方が良い
)。
γ値(ドレインコンダクタンスに対応:小さい方が良い
)の比較を行った結果である。この結果から、本発明が
電界効果トランジスタの特性改善に有効であることが一
目瞭然である。
上述の様にキャリアである電子のドリフト速度が増大し
て、動作速度が局くなり、また伝達コンダクタンスgm
の増大ドレインコンダクタンスの改善などの効果が得ら
れる。
なお以上の説明け、GaAs MES FET ’fr
対象としているが、他の■−■族化合物半導体材料を用
い、或いは接合形、MES形及びヘテロ接合を用いた(
例えば、■IEMT等)電界効果トランジスタについて
も、本発明の方法により同様の効果が得られる。
〔発明の効果〕
以上説明した如く本発明によれば、IIEV族の化合物
半導体電界効果トランジスタのチャネルにおけるキャリ
アのドリフト速度を増大して、高速化、gmの増大ドレ
インコンダクタンスの改善などの効果が得られる。
これにより電界効果トランジスタの特性が改善され、化
合物半導体集積回路装置の実用化に大きい効果が得られ
る。
なお本発明は広い概念において電界効果トランジスタで
あれば適用できる0従ってショットキゲート型のFET
、HEMT、MIS、接合型のFETに適用可能である
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の一般的な電界効果型トランジスタの断面
図、 第2図は従来の電界効果型トランジスタの場合の圧電分
極電荷の分布の例を示す断面図、第3図は本発明に係る
電界効果型トランジスタの圧電分極電荷の分布の例を示
す断面図、第4図は本発明に係る電界効果型トランジス
タの構造断面図、 第5図はエネルギバンド図、 第6図(a) t (b)は本発明と従来例の電界効果
型トランジスタのに値とγ値の比較、を示すグラフ図で
ある。 図中、 13.3・ ・・・・・ゲート、      15.5
・ ・・絶縁膜、 6 ・・・・・・・・・ソース電極、 7  ・・・・・・・・・・・ドレイン電極。 −1代理人 弁理士  井 桁  貞 −屏 4 図 5 図 0     /、0     乙θ    3.θ  
  ダ、θゲ°−ト長 (、メt7nン 博 6  図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 III−V族化合物半導体の(110)面を利用し電界効
    果トランジスタを作成する場合に、ドレイン電流を〔0
    01〕軸方向に流す様にゲート電極を形成する事を特徴
    とする半導体装置。
JP60176752A 1984-07-11 1985-08-09 半導体装置 Granted JPS6236874A (ja)

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JP60176752A JPS6236874A (ja) 1985-08-09 1985-08-09 半導体装置
EP85307129A EP0178133B1 (en) 1984-10-08 1985-10-04 Semiconductor integrated circuit device
DE8585307129T DE3581159D1 (de) 1984-10-08 1985-10-04 Halbleiteranordnung mit integrierter schaltung.
KR1019850007310A KR900000584B1 (ko) 1984-07-11 1985-10-04 반도체 집적회로 장치
US07/158,043 US4791471A (en) 1984-10-08 1988-02-16 Semiconductor integrated circuit device

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