JPS6273674A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS6273674A
JPS6273674A JP21233785A JP21233785A JPS6273674A JP S6273674 A JPS6273674 A JP S6273674A JP 21233785 A JP21233785 A JP 21233785A JP 21233785 A JP21233785 A JP 21233785A JP S6273674 A JPS6273674 A JP S6273674A
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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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、n型AtGaAs /G a A S ヘテ
ロ接合を用いる選択ドープヘテロ接合型FETQn型不
純物に係り1%に、超薄膜能動l−に好適な半導体装置
に関する。
〔発明の背景〕
近年、MBE(分子線エピタキシー)技術。
MOCVD (有機金属熱分解法)等の超高精度の結晶
成長技術の発達によシ、砒化ガリウム(GaAs)/ア
ルミニウム砒化ガリウム(AtGaAs)’に利用した
超高速デバイス(例えば特開昭55−132074)が
実現されつつある。GaAs/AtGaAs  には良
好な絶縁材料がみつけられていないために、金属と化合
物半導体とのショットキー接合が各種の4界効果型トラ
ンジスタ(FET)のゲート構造に使われている。
たとえば第1図に選択ドープヘテロ接合型FETの断面
図を示す。10は半絶縁性GaAs基板、11はアンド
ープGaAs、12はスペーサと呼ばれるアンドープ(
不純物を故意には含まず結果的に10″cm−,”程度
のn一層になることが多い)A/、GaAB層で膜厚を
eとすると通常60人程度である。13はn型A/Ga
As層で14はn型GaAs/mである。AtGaAs
 412. 13の膜厚合計idとすると通常500人
程程度ある。
31はエンハンスメント型FET (l綱値′亀圧V口
〜0. I V )のゲート金属であり、30はデプレ
ション型FET (閾値電圧Vab〜0.8 V ;ゲ
ートぼ圧Va=OVでチーヤネルが囲いている)のゲー
ト金4である。簡単な1謹からn型AAGaAs層のド
ーピングレベルをNDとするトl(II直亀圧V。
は と主要項は1きくだすことができる。
ここでφhはゲートメタルとAtGaAsとのショット
キーバリア高感、ΔEeはGaAsllとAtGaAs
12との伝導帯バンド端の不連続の大きさを表わし、q
は単位′醒荷%6はA jG a A sの誘′11を
率である。この峰なFETt高性能化する場合。
最も簡単な方法はn型AtGa A s Jf4 d 
−eの膜厚を薄くすることであ夛最も効果的な方法であ
る。
ところが1回路構成上の制約から、エンハンスメント型
FETのi−@電圧Vthは正でありがっ0に近いこと
が峡も望まれる。通常は0. I Vに設定されており
、この値は閾値電圧のバランキ度合の考慮してきめられ
ている。ところがV□を一定にしたままで膜厚di薄く
すると(II)より明らかな様にドーピングレベルND
kあげる必要があり峡大ドーピング量No  がn型A
tGaAs  H厚d、−eのではn型ドーパントとし
て8ifi(用いるのが主流でl)?)、 NO=7X
10”m−”  fj4jf6ツ7?。
即ち、 Vth〜0. I Vテhルタメ(/Cバー 
 (d −e)〜120人であった。
一方、各種゛電界効果型トランジスタの五極管領域のソ
ース番ドレイン成流I 4mmはゲート電圧Vg、l+
’帽直電圧VDを用いて I4”=W−K(Va  Vth)”     ・・・
・・・(2)と表わすことができる。但し、Wはトラン
ジスタのゲート幅である。トランジスタ性能の良さを与
える一つの目安はKの値で表わすことができる。
即ち一般的にはKの値が大きい程良いデバイスと言える
。通常のFETの性能向上には、モ司物をドープされた
能@1−汲びそれに準ずる!−)の膜厚を薄くすること
が最も効果的である。即ちs S ilに:n型不純物
として用いる限り最低膜厚は100人前後となる。
一方No≧I X 10” ryn−”の高姥度領域で
は、良好なショットキー特性が得らnにくくなる欠点が
生じていた。即ちエンハンスメント型1!□E T’に
おいては、ゲート電圧を正、に印加した場合低い電圧か
らゲートリーク直流が生じ、トランジスタ特性を下げる
主要因となってきた。一方デブレジョン型FETの場合
、ゲート耐圧が充分確保できず。
完全にピンチオンしなくなってしまうという欠点が生じ
ていた。
このことはGaAsMESFETの場ばにおいても事情
は全く同じである。即ち、トランジスタ特性を向上させ
ようとしてチャンネル;」の膜ノlを薄くすると、トラ
ンジスタ:¥注は同上するがゲート金属のショットキー
特性が劣化し1回路全構成した場合、論理振幅が小さく
なり回路設計マージンが小さくなってしまうという欠点
が生じていた。
即ち現状のn型不純物であるSi金用いる限り、能動層
膜厚は300A前後が下限であり、FETt高性能化す
るための制限となっていた。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、Snをドープした層とゲート金属の間
に、故意にはドーピングされないか、或いはわずかにド
ープされた半導体層(セ・くレーション層と呼ぶ)を挿
入することで、ゲートリーク4流を低減し、このセパレ
ーション層の膜厚を変えることでエンノ・ンスメント型
FET、!:デプレション型FETt−同一基板に形成
できる新しいゲート構造を提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明の基本的な原理を先ず説明する。各種のFETに
おいてn型にドープされたチャンネル層或いはチャンネ
ル層に準じる半導体層が存在するとき、不純物を故意に
は含有しないか、或いはわずかにドープされた半導体層
(セパレーション層と以後呼ぶ)全挿入してショットキ
ー接合全形成する金属金ゲー)電極に用いた場合、セパ
レーション1−の膜厚をかえることで、 FETのla
l′li!電圧Vth(またはピンチオフ4圧Vp)I
r変化させることができる。
この原理に基づいて、エンハンスメント型FET(E 
 FET:Vtb)O)とデプレション型FET(D 
 F E T :V =h< 0 ) ’el’l −
基&上VC形t、fる。
まず、通常のnチャンネルMESFET(メタル・セミ
コンダクタ[株]フィールド・エフェクトφトランジス
タ: Metal 8emicormduetor F
ield[ffect Transistor)に本発
明全実施した例を第2図を用いて定置的に説明した後n
チャンネル選択ドープヘテロ接合型(セレクテイプリー
ドープト・ヘテロストラクチュア: 5elect、1
velypoped 1ieterostruetut
e) F ETに実施した例を第3図金柑いて説明する
第2図は本発明のGaA1 MESFET(7) E 
−F’B’rとD−FETが同一基板に形成された場合
の断面構造図?示したものである。10は半絶縁性Ga
As基板、11はp−型のアンドープGaAs (〜1
0” tyn−”程度のドーピングレベル)。
15はn型チャンネルを形成するn型GaAs層であり
膜厚idとしドーピングレベルk N oとする。
16はアンドープ(又はn〜かp−のわずかにドープさ
れた)GaAsまたはAtx Gal −! ksit
lで膜厚k CI とする。17はアンドープ(または
n−かp−のわずかにドープされた)GaA8またはA
t*Ga+−tAs層で膜厚をC2C1とする。
31はエンハンスメント型FETのゲート金属電極、3
0はデプレション型FETのゲート金属電極を示す。3
2,33.34は各々オーミックなソース・ドレイン電
極である。
アンドープQ a A s Ifi 11の影響を無視
するとE −Ii” E TとD−FETの問直電圧V
tya、 V?Dは各々 と蓄き表すことができる。ここに、VBはビルトインポ
テンシャル、qは単位電荷、εばGaA3の静的a電率
である。ただし。式(3)、 (4)はアンドープ!1
16.17各層のドーピングレベルがチャンネル−15
のドーピングレベルに比較して無視できる程少ない場合
の式である。また、16.17はチャンネル7115と
同じ()aAsの場合の式である。アンドープ層16,
17の一方或いは両方がAtx Gat −X Asに
代った場合の式も式(3)、 (4)と同種の式を導く
ことができる。(3)、 (4)式からあきらかな様に
、ドーピング層15(チャンネル層)のドーピングレベ
ルNo、膜厚di一定にした状態でセパレーション層(
アンドープrl)16.17の膜厚Cm 、C2’jc
適当に選ぶことでVth金制御することができる。
この様にドーピング1−の膜厚、ドーピングレベルを一
定にしておき、ゼバレーショ74の膜厚を変化させるこ
とでE −F E TとD−FETを同一基板に作成で
き、実際のFET試作には極めて有効である。即ち、か
かるゲート4造?採用すれば。
チャンネル1−の膜厚を薄くすることでトランジスタ性
能を向上させ、更にショットキー特性の劣化も防ぐこと
ができ更にE−FE’rとD−I’ETt同一基板に形
成することができる。
次にnチャンネル選択ドープヘテロ接合型PETに本発
明のゲート構造を適用した場合の効果を。
第3図′ft、、を目いて説明する。10.11は、第
2図と同じP4である。12はスペーサl−と呼ばれる
アンドープkL* Gaf −! Al!ノーであシ、
混晶比Xは通常0.3以上に選ばれている。13はn型
ドーピング!−でAt、 Ga、 −、Asからなり、
混晶比yは0.10から0.20程度に選ばれている。
18はセパレーション層でS D I!J厚CIのアン
ドープ(もしくは弱くドーグされたn−、又はp−型に
なる)Atl G al −s As (0≦2≦1)
ノーで、ifi、19もセパレーション層で膜厚C2C
iの通常アンドープ(もしくは弱くドープされたn−、
又はp−型0)GaA8でろる。31はE−PETのゲ
ート電極1夕に、30i1:D−FETのゲート’rv
iメpルで31.32.33は各々ソース・ドレイン金
属でおる。
簡単のため、セパレーションrd18,19.n型ドー
ピング層13.スペーサ層12のAA混晶比Xは同一の
x = 0.3であると仮定すると、基板のアンドープ
ノー11の効果は通常無視できるので、E−FETとD
−FETのr4値V ts ’+ V toは各間、 ・・・・・・(5) ・・・・・・(6) と書き表すことができる。
記号は式(II)と共通している部分もある。
即ち、この式からもあきらかな様に、セ・くレーション
層の膜厚CI、C*を適当に選ぶことでE−FETとD
−FEI同−基板に実現でき、更に良好なショットキー
接合を有するゲート電原e形成できるので回路構成上重
要となる論理部幅も大きくとることができる。
特に、セパレーション層を第3図の様に2ノー構造(I
I8,19)とし1選択エツチングが可能な構造として
おけば(たとえば” 8’t AtG a A 8層1
9をGaAs/1!1)正確にセパレーション層の膜厚
を制御することができる。
従来、MBE法ではGaAs、AtGaAs へのn型
不純物としてシリコン(8i)、 スズ(Sn)を用い
ていた。しかし、通常、Snはエピタキシャル表面のS
n譲度が高くなるため、ショットキー特性を劣化させや
すくなシ、従来、セパレーション層を有しない通常のn
チャンネルGaAsMESFET/選択ドープヘテロ接
合型F’ETでは。
n型不純物としてはSiを用いるのが通例であった。
しかしながら、SnはSiにくらべて、GaAsfAt
GaAs へのドーピング最大量が一桁近く多いことが
知られている〔例えば”半導体超格子の物理と応用”9
.121日本物理学会偏培gL館1984年〕。
又1本発明に関係するFETの様にセパレーション層を
有する場合%Snのエピタキシャル表面への析出は問題
にならなくなる。
即ち、セパレーション1−の存在により、ゲートメタル
に直接接触するn型半導体層の能動層は非常におさえら
れスペーサ一層の存在のためssnがへテロ接合界面に
まで析出することはなく、移動層の劣化を起こすことは
ない。
又、本発明のnチャンネルFET’に他のpチャンネル
FETと同一基板に形成し、相補正FETを作ることも
可能である。
〔発明の実施例〕 以下、本発明を実施例を通して更に詳しく説明する。
実施例1 第4図(a)〜(e)に、二次元電子ガスをチャンネル
I−に用いるいわゆる選択ドープヘテロ接合構造のFE
Tに本発明を実施した場合の実施工程を示す。
半絶縁性Q a A S基板10上にMBE法金用いて
p −(−5X 10” z−”)GaAs層11i1
μm成長する。続いてn−型アンドープktz G a
+−xAs(通常Xは0.3以上に選ばれている)層1
2を60人成長させた。続いてgnfn型不純物として
5 X 10” cm−”含むn型At、 Gat−、
As (通常yは0.05から0.20の範囲で使われ
ている)層13’に30人成長させ、セパレーション層
としてアンドープn−型Atl Ga1−i As (
通常z f′i0.3程度で用いている)層18を60
人成長させた。
さらに、アンドープロー型GaAs I脅19t−10
0人成長させ1表面保護の目的で5iOz40e200
0人CVD法?用いて形成した(第4図a)。
次にメサエッチングで素子間分離を行なった後。
アンドーフ、セパレーション層18.19iエツチング
で除去し、ホトマスクを用いてソース拳ドレイン′鑞極
(AuGe/Ni/Au:900人/150人/200
0A)32,33.34を形成した(第4図b)。
E−FETのゲート電標全形成する目的で、アンドープ
GaAs I’m 19 k CC1t Fx /He
混合ガスで選択的にエツチングし、セパレーション層1
8に’/ヨ7トキー*極としてT i /P t /A
 u (II000人1500人/2000人)を形成
した(第4図C)。
続いてD−FETのゲートtd極?アンドープGaAs
I*に形成する工程全行なった(第4図d)。
この場合もゲート金属としてはTi/Pt/Auを用い
た。この様にして同一基板上にE−FET(今の場合閾
1直亀圧V1は0.18Vであった)とD−FET(今
)場合1m fi [圧は−0,72Vで6つた。)を
形成することができた。
本発明では、従来法(従来、B/D FET構成は、ド
ーピングされた層の膜厚12えることで実現されてきた
)の主要な欠点でめった高ドープ層に直接ゲート金属を
接合させることによシ生ずるゲート4極特性の劣化を克
服することができた。
更に% 8”kドープしたことで、従来AtGaAs膜
厚が300人程程度あったものが150人まで薄くする
ことができた。その結果第(2)式に示すKの直は、ゲ
ート長1μmレベルで従来3.5mA/■2程度でめっ
たものが7.0mA/V”まで大きくすることができた
また1本実施例ではD−FETのセパレーション層18
,19のうち% 19の半導体層をn型にドープしても
よい(第4図e19’)。n型にドープすることでショ
ットキー特性は悪くなるが、D−FETの場合、回路的
にピンチオフしないで用いる場合は問題ない。
実施例2 GaAs Mg8FETに本発明を適用した場合の実施
例を第5図a −dに示す。
半絶縁性GaAs基板10上にMBE法を用いて、アン
ドープGaA3層を2μm成長後3nを4×L O” 
an−”ドープしたn型GaAs層15i30人成長し
、次にS i f 10” cm−”程度ドープしたn
−型AtQal −、A s (x−0,3程度)層1
6を100A成長させ、さらにS 5 fJ:10” 
cm−”程度ドープしたn−GaAs 層17′f、1
00人成長させた(第5図a)。次に、E−FETe形
成する領域k CCl2 Fz /Heの混合ガスを用
い選択エツチング法でセパレーション層のGaAs層1
71を除去する(同図b)。さらにエツチングダメージ
を40005分間の加熱で除去後、全面に、高耐熱金属
でらるvVsi51(タングステン会シリサイド)i3
000人で形成した(第5図b)。続いて。
ドライエツチングとフォトリングラフイーを用いてゲー
ト1を甑部分のW8i (51,51’ )を残して、
他のWSi金除去した。その後500人のS ioz 
kcVD法で被着t&8 i 52i50 keVの加
速エネルギー、ドース量3X10”□1でイオン注入し
た。注入後850CR5秒間のランプアニールを行ない
注入Si原子53i活性化した(第5図C)。続いて8
fOzの必要部公金エツチングで除去し、ソース・ドレ
イン金属(、%uQe/Ni/Au) 32.33.3
4 を蒸着し、4001:”3分間のアロイ全行ないソ
ース番ドレインtffle形成した。
この櫟にBn2ドープした能動1mk用いることで13
0人まで薄くすることができ1本発明のゲート構造を用
いることで、ゲートリーク′辺流はE−FETでゲート
tヒ圧V o −1゜IVまでほとんど無視できる程度
となりD−FETについてはGaA3本来のンヨントキ
ーバリア高さ0.8Vに近い値までゲートリーク電流は
激減し、逆方向耐圧もセパレーション層がない場合の0
.8vかうs、。
Vまで向上した。
本実施例では、セパレーションr416の上部に形成す
る半導体層17にはn−半導体f4’を用いたが、これ
は必ずしもn一層である必要はない。即ち1通常の10
”’m−”程度ンCドーピング?施された半導体層でも
さしつかえない。
又、本発明のゲート溝造と、能動ノーにSnを用いるn
チャンネルFETは、他のpチャンネルFETC2次元
正孔ガスを用いる選択ドープヘテロ接合型FET、実施
例2でn型能動層15の代υにJ3eを4X10”cm
−’  官有するp型層にかえるpチャンネルGaAs
 MESli’ET等〕と同一基板に形成してコンプリ
メンタリFETt形成する場合にも有効である。又、上
記実地例では、チャンネル層の厚み、ドーピングレベル
は特定の範囲のもののみを示したが、様様な応用分野に
よってこれをかえることは無論さしつかえない。
〔発明の効果〕
本発明によれば、ゲート、jJ:極とSn不袖物?ドー
プされたチャンネル[−の間にアンドープまたは僅かに
ドープされた半導体1m (セパレーション1−)全挿
入したゲートや4造にし、セパレーション層の膜厚?変
えることで、エンハンスメント型F 、E Tとデブレ
ーション型FET1作り分けるために。
(II)能動1−(及びそれに準ずる智)ヲきわめて薄
くすることが可hヒとなり、従来のFET!+f性の約
2倍もの電流?とることが可叱になった。
(2)  ゲートリークィ流の少ない、扁理振幅を大き
くとれるエンハンスメント型PET (E−FHT)を
形成でき、かつ (3)  ゲート耐圧の浸れたテブレーション型FET
(D−Ii’ET)を形成できる。
上記の効果によりきわめて攪れたE−FET/D−FE
Tを同一基板内に形成でき、E−FETとD−FgTの
両方を用いる回路構成に特に優れた寄与をする。
【図面の簡単な説明】
第1図は、従来型選択ドープヘテロ接合型FETのV?
面図、第2図、第3図は1本発明のME8FE’I’と
選択ドープヘテロ接合型FgTの断面図、第4図は、本
発明?選択ドープヘテロ接合型FETに実施した場合の
一例を示す工程図、第5図は1本発明をGaAsMES
FETに実施した場合の一例を示す工程図。 10・・・半絶縁性GaAs基板、11・・・アンドー
グGaAsIS、12−・・アンドープA tx G 
a r −t A 3層。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、スズ(Sn)をドーピングされたGaAs(又はA
    l_xGa_1_−_xAs)層(能動層またはそれに
    準ずる層)とその能動層中の担体或いは能動層近傍に生
    じる担体を制御するゲート電極との間に不純物を故意に
    はドープしないか、或いは能動層またはそれに準ずる層
    のドーピングレベル以下の不純物をドープした半導体層
    (セパレーシヨン層と呼ぶ)を形成する三層構造におい
    て、同一基板内にセパレーシヨン層の膜厚を変えること
    で異なるピンチオフ電圧または閾値電圧を有する少なく
    とも二種類以上の三層構造を有してなることを特徴とす
    る半導体装置。 2、前記第1項において、電子親和力の強い不純物を故
    意には含まないか、或いはわずかに不純物をドープされ
    たGaAs層( I )上に電子親和力の弱い不純物をド
    ープされたAl_xGa_1_−_xAs層(II)が形
    成され、さらに、膜厚の異なる不純物を故意には含まな
    いか、或いはわずかに不純物をドープした少なくとも2
    つ以上の半導体層(III)(セパレーシヨン層)が同一
    基板内に形成され、上記セパレーシヨン層上にゲート電
    極を有することを特徴とする半導体装置。 3、前記第2項において、一つはAl_yGa_1_−
    _yAsに直接ゲート電極が形成され、他方は Al_yGa_1_−_yAs上のGaAsにゲート電
    極が形成されることを特徴とする半導体装置。 4、前記第1項において、SnをドーピングしたGaA
    s層上に二層構造からなるセパレーシヨン層(S1、S
    2と名づける)を有する構造において、一つはS1に直
    接ゲート電極が形成され、他方はS1上のS2に直接ゲ
    ート電極が形成されることを特徴とする半導体装置。 5、前記第4項において、S1がAlGaAs、S2が
    GaAsであることを特徴とする半導体装置。
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