JPS6318677A - Iii-v compound semiconductor device - Google Patents

Iii-v compound semiconductor device

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JPS6318677A
JPS6318677A JP16304386A JP16304386A JPS6318677A JP S6318677 A JPS6318677 A JP S6318677A JP 16304386 A JP16304386 A JP 16304386A JP 16304386 A JP16304386 A JP 16304386A JP S6318677 A JPS6318677 A JP S6318677A
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JP
Japan
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ions
region
layer
implanted
implantation
Prior art date
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Pending
Application number
JP16304386A
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Japanese (ja)
Inventor
Masaaki Kuzuhara
正明 葛原
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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Publication of JPS6318677A publication Critical patent/JPS6318677A/en
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Abstract

PURPOSE:To reduce a short channel effect and to implement the high gm of an enhancement type group III-V semiconductor with good controllability, by forming a fluorine-ion implanted region having the depth of implantation distribution, which is thicker than the n-type operating region of the III-V compound semiconductor. CONSTITUTION:An n-type operating layer 11 and an n<+> contact layer 9 are formed in semi-insulating GaAs substrate 1. A fluorine-ion implanted region 12, which has the distribution of implantation deeper than the thickness of the layer 11, is formed so that the region 12 is overlapped with the region of the layer 11. The depth of Si ions (a) and that of the F ions (b) have different values. The F ions are implanted at the same time as the Si ions, which are implanted in the substrate, together. Thus the activating rate and the mobility of the Si ions are made larger than those of the Si ions when only the Si ions alone are implanted. A gate electrode 7 and an ohmic electrode 10 are formed. In this method, a short channel effect is decreased, and a high gm is implemented with good controllability.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、イオン注入法を用いたIII −V族半導体
装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a III-V group semiconductor device using an ion implantation method.

(従来技術とその問題点) 近年、半導体集積回路の高速化を目的として、ガリウム
砒素c以下GaAsと記す)半導体を動作層に用いるG
aAs集積回路の開発が活発に進められている。GaA
s集積回路の基本素子としては電界効果トランジスタが
一般に用いられているが、かかる素−子の動作層の形成
方法として均一性、制御性および量産性の見地からイオ
ン注入法が広く用いられている。
(Prior art and its problems) In recent years, with the aim of increasing the speed of semiconductor integrated circuits, G
Development of aAs integrated circuits is actively underway. GaA
Field-effect transistors are generally used as the basic elements of integrated circuits, but ion implantation is widely used as a method for forming the active layer of such elements from the viewpoints of uniformity, controllability, and mass production. .

GaAs集積回路において回路の高速化を図るためには
、基本素子である電界効果トランジスタの相互コンダク
タンス(gm)を大きくすることが不可欠である。高い
gmを得るためには、電界効果トランジスタのゲート長
を短くすればよいが、ゲート長をlpmより短くすると
短チヤネル効果の影響により、電界効果トランジスタの
しきい値電圧が負側に変化する。短チヤネル効果は電界
効果トランジスタのしきい値電圧の制御性、均一性を悪
化させるばかりでなく、高いgmをもつエンハンスメン
ト型電界効果トランジスタの実現を困難にする原因とな
っている。
In order to increase the speed of a GaAs integrated circuit, it is essential to increase the mutual conductance (gm) of a field effect transistor, which is a basic element. In order to obtain a high gm, the gate length of the field effect transistor may be shortened, but if the gate length is made shorter than lpm, the threshold voltage of the field effect transistor changes to the negative side due to the influence of the short channel effect. The short channel effect not only deteriorates the controllability and uniformity of the threshold voltage of a field effect transistor, but also makes it difficult to realize an enhancement type field effect transistor with a high gm.

短チヤネル効果を起こす原因としては、ソース・ドレイ
ン各n+コンタクト層間を空間電荷制限電流として流れ
る基板電流の影響が指摘されており、この基板電流はn
型動作層下にp壁埋込み層を設けることにより低減でき
ることが報告されている(例えば、山崎(K、Yama
saki)他、エレクトロニクス・しターズ(Elec
tronics Lett、)20巻、1029ページ
1984年)。第5図は、Siイオン注入を用いて形成
したn型動作層の下に、Beイオン主人を用いてp型埋
込層を形成したときのSiおよびBe各原子の濃度分布
を示したものである。この方法では、Siイオン注入さ
れたn型動作層の中にもかなりな量のBeが導入される
ことになる。n型動作層中のBeは、動作層の電子濃度
の低下や電子移動度の低下の原因となり、このため、S
iイオンとBeイオンの共注入法により作製した電界効
果トランジスタでは、高いgmが実現できない欠点があ
った。
It has been pointed out that the cause of the short channel effect is the influence of the substrate current flowing between the source and drain n+ contact layers as a space charge limited current.
It has been reported that the reduction can be achieved by providing a p-wall buried layer under the active layer (for example, Yamazaki (K, Yama
saki) and others, Electronics Shiters (Elec
Lett, Volume 20, Page 1029, 1984). Figure 5 shows the concentration distribution of Si and Be atoms when a p-type buried layer is formed using Be ions as the main layer under an n-type active layer formed using Si ion implantation. be. In this method, a considerable amount of Be is also introduced into the n-type active layer into which Si ions are implanted. Be in the n-type active layer causes a decrease in electron concentration and electron mobility in the active layer, and therefore, S
Field effect transistors manufactured by the co-implantation method of i ions and Be ions have the disadvantage that high gm cannot be achieved.

本発明の目的は、短チヤネル効果が低減でき、しかも高
いgmが実現できるnr −v族半導体装置を提供する
ことにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an NR-V semiconductor device that can reduce short channel effects and achieve high gm.

(問題点を解決するための手段) 本発明によれば、III −V族半導体装置のn型動作
領域において、前記n型動作領域の厚さ以上の注入分布
深さを有する弗素イオン注入領域を有してなることを特
徴とするTll −V族半導体装置が得られる。
(Means for Solving the Problems) According to the present invention, in the n-type operating region of a III-V group semiconductor device, a fluorine ion implantation region having an implantation distribution depth equal to or greater than the thickness of the n-type operating region is provided. A Tll-V group semiconductor device is obtained.

(作用) 本発明は、半絶縁性GaAs基板にイオン1主大したn
型不純物の活性化率ならびに移動度が、n型不純物と共
に弗素(F)をイオン注入することにより改善され、し
かも弗素イオンの注入分布深さがn型動作層の厚さより
大きい場合には、電界効果トランジスタのしきい値電圧
のゲート長依存性が低減できるという実験事実に基づく
ものである。
(Function) The present invention provides a semi-insulating GaAs substrate with an ion
If the activation rate and mobility of the type impurity are improved by ion-implanting fluorine (F) together with the n-type impurity, and the implantation distribution depth of the fluorine ions is larger than the thickness of the n-type active layer, the electric field This is based on the experimental fact that the dependence of the threshold voltage of an effect transistor on the gate length can be reduced.

(実施例) 第1図は、本発明による半導体装置の断面構造図である
。半絶縁性GaAs基板1にn型動作層11およびn+
コンタクト層9が形成されており、該n型動作層領域に
重なる状態でn型動作層11の厚さより深い注入分布を
有する弗素イオン注入領域12が形成されている。第2
図に、n型動作層11および弗素イオン注入領域12に
おける各不純物の深さ方向分布を示す。例として、n型
動作層11の形成法としては、Siイオン注入を用いた
場合について示した。半絶縁性GaAs基板1にイオン
注入されたSiイオンの活性化率および移動度は、Si
イオンと同時にFイオンを共注入することにより、Si
イオン単独注入の場合に比べて大きくすることができる
。−例として、283iイオンを50keVでI X 
10’cm−2半絶縁性GaAs基板に室温注入し、さ
らに19Fイオンを40keVで2 X 1013cm
−2同じく室温注入した後に800°Cl2O分のアニ
ールを行ったときの活性化率と移動度は、それぞれ45
%。
(Example) FIG. 1 is a cross-sectional structural diagram of a semiconductor device according to the present invention. An n-type active layer 11 and an n+
A contact layer 9 is formed, and a fluorine ion implantation region 12 having an implantation distribution deeper than the thickness of the n-type operation layer 11 is formed overlapping the n-type operation layer region. Second
The figure shows the depth distribution of each impurity in the n-type active layer 11 and the fluorine ion implanted region 12. As an example, a case is shown in which Si ion implantation is used as the method for forming the n-type operating layer 11. The activation rate and mobility of Si ions implanted into the semi-insulating GaAs substrate 1 are
By co-implanting F ions at the same time as ions, Si
It can be made larger than in the case of single ion implantation. - As an example, 283i ion at 50 keV
A 10'cm-2 semi-insulating GaAs substrate was implanted at room temperature, and further 19F ions were implanted at 40 keV at 2 x 1013 cm.
-2 Similarly, the activation rate and mobility when annealing for 800°Cl2O after room temperature implantation were 45
%.

3000cm2A’−5ecであった。これらの値はF
イオン注入を行わなかった場合のSiイオンの活性化率
と移動度(それぞれ35%、2800cm2/V−se
c)に比べて良好な値を示している。
It was 3000cm2A'-5ec. These values are F
Activation rate and mobility of Si ions without ion implantation (35%, 2800 cm2/V-se, respectively)
This shows a better value than c).

第3図(a)〜(g)は、本発明によるIII −V族
半導体装置を製造する場合について、製造工程順に半導
体装置の断面構造図を示したものである。まず、半絶縁
性GaAs基板1」二にホトレジスト2を用いてデバイ
ス形成領域のみを選択的に窓開けし、その後Siイオン
3を10keVでI X 1013cm−2、またFイ
オン4を10keVで2×1013cm−2、それぞれ
全面注入してn型動作層5を形成する(第3図(a)、
(b))。イオン注入後、ホトレジスト2を除去し、ア
ニール保護膜6としてCVDSi3N4膜を50nm被
着する。動作層5のアニールは電気炉を用いて、水素雰
囲気中で800°Cl2O分間行う(第3図(C))。
FIGS. 3(a) to 3(g) show cross-sectional structural views of a semiconductor device in the order of manufacturing steps in the case of manufacturing a III-V group semiconductor device according to the present invention. First, a photoresist 2 is used on a semi-insulating GaAs substrate 1 to selectively open a window in only the device formation region, and then Si ions 3 are injected at 10 keV to I x 1013 cm-2, and F ions 4 are injected at 10 keV to 2 x 1013 cm-2, respectively, to form an n-type operating layer 5 (FIG. 3(a),
(b)). After the ion implantation, the photoresist 2 is removed and a 50 nm thick CVDSi3N4 film is deposited as an annealing protective film 6. The active layer 5 is annealed using an electric furnace in a hydrogen atmosphere at 800 DEG C.Cl2O for minutes (FIG. 3(C)).

その後、アニール保護膜を除去し、ゲート金属としてW
Sixを500nmスパッタ蒸着する。SF6ガスによ
るドライエツチングにより、0.5.1.0,1.5,
2.0pmの各ゲート長をもつゲート電極7を形成した
後(第3図(d))、ソースおよびドレイン領域のため
のn中層としてSiイオン8を100keVで1×10
13cm−2注入してn+コンタクト層9を形成する(
第3図(e))。n中層のアニールは800°C110
分間同じ< Si3N4アニール保護膜6を用いて行う
(第3図(f))。
After that, the annealing protective film was removed and W was used as the gate metal.
Six is sputter-deposited to a thickness of 500 nm. By dry etching with SF6 gas, 0.5.1.0, 1.5,
After forming the gate electrode 7 with each gate length of 2.0 pm (FIG. 3(d)), Si ions 8 were injected at 1×10 at 100 keV as an n-layer for the source and drain regions.
13cm-2 implantation to form n+ contact layer 9 (
Figure 3(e)). Annealing of n middle layer is 800°C110
The annealing is performed using the Si3N4 protective film 6 for the same minutes (FIG. 3(f)).

次に、ソースおよびドレイン用オーミック電極10とし
てAuGe−Niを真空蒸着し、420°Cのアロイン
グ工程の後、パッド電極としてTi−Auを前記AuG
e−Ni上に蒸着して電界効果トランジスタが完成する
(第3図(g))。
Next, AuGe-Ni is vacuum-deposited as the source and drain ohmic electrodes 10, and after an alloying process at 420°C, Ti-Au is deposited as a pad electrode on the AuGe-Ni layer.
A field effect transistor is completed by vapor deposition on e-Ni (FIG. 3(g)).

本発明により得られた電界効果トランジスタのしきい値
電圧は、ゲート長0.5pmの素子で−0,05Vであ
り、gmの平均値は480m5/mm、 最大値として
は60m5/mmを越える高い値が得られた。Fイオン
注入を行わずに作製した同様の素子では、しきい値電圧
−〇、20Vで平均gmは380m5/mmであり、F
イオン注入を行うことにより平均gmが20〜30%改
善できることが実証された。
The threshold voltage of the field effect transistor obtained by the present invention is -0.05 V for a device with a gate length of 0.5 pm, the average value of gm is 480 m5/mm, and the maximum value is high, exceeding 60 m5/mm. value was obtained. In a similar device fabricated without F ion implantation, the average gm was 380 m5/mm at threshold voltage -〇, 20V, and F
It has been demonstrated that the average gm can be improved by 20-30% by performing ion implantation.

また、本発明を用いた電界効果トランジスタでは、短チ
ヤネル効果も大幅に低減されている。第4図は、しきい
値電圧のゲート長依存性を示したものである。Siイオ
ンとFイオンの共浬入により作製した本発明による電界
効果トランジスタでは、ゲート長の短縮に伴うしきい値
電圧の変化が0.1V以下に抑えられているのに対し、
Fイオン注入を行わなかった素子では、0.3■に及ぶ
しきい値電圧の変化が生じており、本発明が、短チヤネ
ル効果の低減の観点からも有用であることが実証された
Further, in the field effect transistor using the present invention, the short channel effect is also significantly reduced. FIG. 4 shows the dependence of threshold voltage on gate length. In the field effect transistor according to the present invention manufactured by co-implantation of Si ions and F ions, the change in threshold voltage due to shortening of the gate length is suppressed to 0.1 V or less.
In the device in which F ion implantation was not performed, the threshold voltage changed by as much as 0.3 μ, demonstrating that the present invention is useful also from the viewpoint of reducing the short channel effect.

本実施例では、SiイオンとFイオンの導入方法として
、それぞれ独立のイオン?主人工程を用いたが、イオン
種としてSiF”、SiF2+、5iF3+などの分子
状イオンを用いれば、1回のイオン注入工程によっても
本発明の効果を実現することが可能となる。また、Si
イオンおよびFイオンの各注入エネルギや注入ドース量
については、Fイオンの方がSiイオンより深い注入イ
オン分布を与える限り、本実施例で用いた数値以外の条
件を用いても本発明の効果が同様に得られることは言う
までもない。
In this example, as a method of introducing Si ions and F ions, each independent ion? Although the main process was used, if molecular ions such as SiF'', SiF2+, and 5iF3+ are used as the ion species, the effects of the present invention can be achieved even with a single ion implantation process.
Regarding the implantation energy and implantation dose of ions and F ions, as long as F ions give a deeper implanted ion distribution than Si ions, the effects of the present invention can be obtained even if conditions other than the numerical values used in this example are used. Needless to say, you can get the same results.

(発明の効果) 本発明の方法を用いることにより、高g。で短チヤネル
効果の影響が少ないIII −V族半導体装置が実現で
きる。特に、短チヤネル効果の低減により、エンハンス
メント型III −V族半導体装置においても、500
m5/mm程度の高いgmを制御性良く実現することが
可能となる。
(Effect of the invention) By using the method of the invention, high g. Accordingly, a III-V semiconductor device that is less affected by the short channel effect can be realized. In particular, by reducing the short channel effect, even in enhancement type III-V semiconductor devices, 500
It becomes possible to realize a high gm of about m5/mm with good controllability.

なお、本発明によるIn −V族半導体装置のn型動作
層には従来その影響が明らかにされていないF原子が多
量に含まれており、F原子の存在によるデバイス特性へ
の悪影響が懸念されるが、作製したF原子を動作層に含
む電界効果トランジスタのDC特性にみられる光応答や
ヒステリシスの程度は、従来法で作製したものと比較し
て有意な差はなく、F原子の導入がデバイス特性に悪い
影響を与えることはないことが確認されている。
Note that the n-type active layer of the In-V group semiconductor device according to the present invention contains a large amount of F atoms, the effects of which have not been previously clarified, and there is concern that the presence of F atoms may have an adverse effect on device characteristics. However, there is no significant difference in the degree of photoresponse or hysteresis observed in the DC characteristics of the fabricated field-effect transistor containing F atoms in the active layer compared to those fabricated using conventional methods, indicating that the introduction of F atoms is It has been confirmed that there is no adverse effect on device characteristics.

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

第1図は、本発明の詳細な説明するための断面構造図、
第2図は、本発明の詳細な説明するための図、第3図(
a)〜(g)は本発明の一実施例を工程順に示す断面図
、第4図は本発明の効果を示す図、第5図は従来の方法
による注入イオン濃度分布の例を示す図である。 1・・・半絶縁性GaAs基板、2・・・ホトレジスト
、3・・・Siイオン、    4・・・Fイオン、5
・・・n型動作層、   6・・・アニール保護膜、7
・・・ゲート電極、   8・・・Siイオン、9・・
・n+コンタクト層、10・・、オーミック電極、第1
図 h                牛七株証しaハ5
会叡第2図 0   0.2  0.4 深   さ  (pm) 第3図 第3図 只 第4図 0.1      0.5  1   23ゲート長 
 (、Lm)
FIG. 1 is a cross-sectional structural diagram for explaining the present invention in detail;
FIG. 2 is a diagram for explaining the present invention in detail, and FIG. 3 (
a) to (g) are cross-sectional views showing an example of the present invention in the order of steps, FIG. 4 is a view showing the effects of the present invention, and FIG. 5 is a view showing an example of the implanted ion concentration distribution according to the conventional method. be. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Semi-insulating GaAs substrate, 2... Photoresist, 3... Si ion, 4... F ion, 5
... n-type operating layer, 6 ... annealing protective film, 7
...Gate electrode, 8...Si ion, 9...
・n+ contact layer, 10..., ohmic electrode, first
Diagram h Seven cow stock certificate aha5
Figure 2 0 0.2 0.4 Depth (pm) Figure 3 Figure 3 Only Figure 4 0.1 0.5 1 23 Gate length
(,Lm)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] III−V族半導体装置のn型動作領域において、前記n
型動作領域の厚さ以上の注入分布深さを有する弗素イオ
ン注入領域を有してなることを特徴とするIII−V族半
導体装置。
In the n-type operating region of the III-V semiconductor device, the n
A III-V semiconductor device comprising a fluorine ion implantation region having an implantation distribution depth equal to or greater than the thickness of a mold operating region.
JP16304386A 1986-07-11 1986-07-11 Iii-v compound semiconductor device Pending JPS6318677A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007062589A1 (en) * 2005-11-29 2007-06-07 The Hong Kong University Of Science And Technology MONOLITHIC INTEGRATION OF ENHANCEMENT- AND DEPLETION-MODE AlGaN/GaN HFETS

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007062589A1 (en) * 2005-11-29 2007-06-07 The Hong Kong University Of Science And Technology MONOLITHIC INTEGRATION OF ENHANCEMENT- AND DEPLETION-MODE AlGaN/GaN HFETS

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