CN1754270A - 半导体传感器及其制造方法 - Google Patents

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CN1754270A CNA2004800053997A CN200480005399A CN1754270A CN 1754270 A CN1754270 A CN 1754270A CN A2004800053997 A CNA2004800053997 A CN A2004800053997A CN 200480005399 A CN200480005399 A CN 200480005399A CN 1754270 A CN1754270 A CN 1754270A
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Abstract

本发明涉及半导体传感器及其制造方法，能够在Si衬底上形成电子迁移率高、片电阻比较大的InSb或InAs膜成，从而在工业上提供高灵敏度而且低功耗的优良的元件。在(111)Si衬底上首先形成由Ga、Al、In、As、Sb、P之中的至少2种或2种以上的元素构成的第1化合物半导体层(2)，再在该第1化合物半导体层(2)上，作为第2化合物半导体层(3)通过形成InSb或InAs而获得膜厚1μm左右的高电子迁移率而且高电阻的膜。进而，使用所获得的薄膜形成霍尔元件，从而能够形成高灵敏度而且电阻比较高的元件。

Description

半导体传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及磁传感器等的半导体传感器及其制造方法，具体是涉及将InSb等作为活性层的化合物半导体磁传感器或者包括能够应用于电子器件等的Si上的化合物半导体的半导体传感器及其制造方法。
背景技术
近些年来，作为磁传感器的霍尔元件，包括在DVD-ROM或VTR的驱动使用的无刷电机的磁极的位置检测在内，正在移动电话或汽车用途等范围广阔的领域中为人们所使用。特别是高灵敏度且廉价的功耗比较小的霍尔元件的市场需求在不断地扩大。
一般地说，霍尔元件的灵敏度与作为其材料的半导体材料的电子迁移率成比例，而霍尔元件的输入电阻与材料的片电阻(sheet resistance)成比例。虽然霍尔元件的输入电阻和灵敏度能够在设计中进行调整，但是彼此折衷的关系。为此，形成高灵敏度而且大的输入电阻的元件需要电子迁移率大、片电阻大的材料。电子迁移率μ与片电阻Rs、片载流子浓度Ns的关系，当设e为电荷时，则用下式表示。
1/(Rs*μ)＝Ns·e
因此，要形成电子迁移率μ大、片电阻Rs大的材料就需要减小片载流子浓度Ns。
以往，一直使用电子迁移率比较大的InSb、InAs、GaAs等作为霍尔元件用材料，特别是体(bulk)单晶的电子迁移率大到75000cm2/Vs的InSb对于高灵敏度元件的形成是有利的。
通常，由于InSb或InAs的体单晶生长是困难的，所以在衬底上形成这些材料的薄膜而实现元件化。这时，如果膜质不好就会由于缺陷而产生载流子，则片载流子浓度增大，从而成为不适合于实用化的霍尔元件。此外，当为了提高膜质以改善电子迁移率而增厚膜厚时，片载流子浓度仍会增大，同样不适合于实用化。
为了获得高灵敏度而且功耗比较小的霍尔元件，需要在1μm左右的薄的薄膜上形成片载流子浓度为小于等于2×E12/cm2的优质的薄膜。为此，过去作为衬底一直使用晶体结构与InSb或InAs相同的GaAs，在1μm的膜厚的情况下获得了片载流子浓度为2×E12/cm2左右的良好的膜。
但是，GaAS衬底价格昂贵、重量较重，多数情况下无法使用在LSI工艺中所使用的工艺设备。此外，由于在进行元件化时研磨衬底，所以研磨的碎削对于环境也是不利的。
如果能够使用Si衬底，则上述的问题全部可以解决，而且，由于IC和磁传感器的单片化也成为可能所以具有很大的优点。然而，在Si衬底上，也许是由于晶体构造与InSb、InAs不同，因而无法获得优质的膜。例如，在特开平11-251657号公报中记载了当在(111)GaAs和(111)Si衬底上形成InSb时，能够获得高电阻的膜，此外，还记载了在(111)GaAs上形成InSb膜从而能够获得高电阻而且高灵敏度的磁传感器。
但是，本发明人等根据上述的特开平11-251657号公报，在(111)Si上直接形成了1μm的InSb膜，结果确认无法获得高电子迁移率的膜。
此外，(111)Si上的InSb膜和使用该膜的磁传感器在上述的特开平11-251657号公报的专利申请之前就已经是公知的，并报告获得了高灵敏度的磁传感器(例如，“National Technical Report”1996，Vol.42，No.4，P84-P92)。但报告也指出为了获得高灵敏度的膜而形成了大于等于3μm的InSb，因此高灵敏度且高电阻的元件形成是困难的。
发明内容
本发明就是鉴于这样的问题而提出的，其目的在于能够在Si衬底上形成电子迁移率高、片电阻比较大的InSb或InAs膜，从而能够提供高灵敏度且低功耗的优良的半导体传感器及其制造方法。
本发明人等进行研究的结果发现，虽然当在(100)Si或(111)Si衬底上直接形成InSb或InAs后，与现有技术同样地采用1μm左右的膜厚得不到片载流子浓度小、高电子迁移率而且高电阻的膜，但通过在(111)Si衬底上首先形成由Ga、Al、In、As、Sb、P之中的至少2种或2种以上的元素构成的第1化合物半导体层之后再在其上形成InSb或InAs，能够以1μm左右的膜厚获得片载流子浓度小于等于2×E12/cm2的高电子迁移率而且高电阻的膜。
这样的现象之所以在(100)Si中不会发生而在(111)Si上能够获得，人们推测是由于Si表面上的化学键个数不同的可能性高。
虽然在(111)Si与第1化合物半导体层之间会因晶体结构不同等而产生的缺陷，但该缺陷的影响却不会波及第2化合物半导体。其结果，尽管第1化合物半导体与第2化合物半导体，通常晶格间隔存在5％或5％以上的不同，但认为能够获得良好的膜。此外，还确认了使用所获得的薄膜形成霍尔元件，从而能够形成高灵敏度而且比较高的电阻的元件，从而实现本发明的目的。
本发明，为了达到这样的目的，在(111)面与衬底表面平行的Si衬底上设置了由Ga、Al、In、As、Sb、P之中的至少2种或2种以上的元素构成的第1化合物半导体层，进而在该第1化合物半导体层上设置了由InxGa1-xAsySb1-y(0＜x≤1.0，0≤y≤1.0)并且更优选地由InxGa1-xAsySb1-y(0.5≤x≤1.0，0≤y≤1.0)构成的第2化合物半导体层。其结果，第1化合物半导体层和第2化合物半导体层的(111)面成为与衬底表面平行。
该第2化合物半导体层作为功能层发挥作用。此外，按照使电流在上述第2化合物半导体层的面内方向上流动的方式在该第2化合物半导体层的两端侧设置了电极。
此外，优选地第1化合物半导体层是Al1-zGazAs(0≤z≤1)，优选地第2化合物半导体层是InAsySb1-y(0≤y≤1)。也可以在第2化合物半导体层中掺入杂质优选地掺入Si或Sn。
此外，优选地第2化合物半导体层除了与电极的接触部分以外用钝化膜覆盖。
这样的半导体传感器通过首先在(111)面与衬底表面平行的Si衬底上形成由Ga、Al、In、As、Sb、P之中的至少2种或2种以上的元素构成的第1化合物半导体层，进而在第1化合物半导体层上形成由InxGa1-xAsySb1-y(0＜x≤1.0，0≤y≤1.0)构成的第2化合物半导体层，并在第2化合物半导体层上形成电极来进行制造。也可以在第2化合物半导体层中掺入Si或Sn杂质。
附图说明
图1是表示本发明的包含Si上的化合物半导体层的叠层体的剖面模式图。
图2是表示使用图1所示的叠层体的磁传感器的一个例子的剖面结构模式图。
图3是表示化合物半导体层的表面的X射线衍射结果的图。
具体实施方式
参看图面说明本发明的实施方式。
图1是表示本发明的包含Si上的化合物半导体层的叠层体的剖面模式图。图中标号1表示(111)Si衬底，2表示第1化合物半导体层，3表示第2化合物半导体层。
该叠层体，是在(111)面与衬底表面平行的Si衬底1上设置了由Ga、Al、In、As、Sb、P之中的至少2种或2种以上的元素构成的第1化合物半导体层2，进而在该第1化合物半导体层2上设置了由InxGa1-xAsySb1-y(0＜x≤1.0，0≤y≤1.0)构成的第2化合物半导体层3。并构成为使得第1化合物半导体层2和第2化合物半导体层3的(111)面与衬底表面平行。
衬底1需要是(111)Si，通常使用(111)±10度的衬底。
此外，第1化合物半导体层2用由Ga、Al、In、As、Sb、P之中的至少2种或2种以上的元素构成的第1化合物半导体构成，该第1化合物半导体层2的厚度通常为0.01μm～10μm，优选为0.1μm～5μm，更优选为0.5μm～2μm。Al1-zGazAs(0≤z≤1)作为第1化合物半导体层2是优选的例子，特别是GsAs是优选的例子。
此外，第2化合物半导体层3由InxGa1-xAsySb1-y(0≤y≤1)构成，该第2化合物半导体层3的厚度通常大于等于0.1μm，当增厚时片电阻就将减小。在形成高灵敏度而且电阻比较高的霍尔元件的情况下，通常是0.15μm～2μm，优选为0.3μm～1.5μm，更优选为0.5μm～1.2μm。InAsySb1-y(0≤y≤1)作为第2化合物半导体层3是优选的例子，特别是InSb或InAs是优选的例子。
此外，也可以在第2化合物半导体层2掺杂杂质。作为掺杂元素，Si或Sn等是优选的例子。作为杂质浓度，通常为1×E15/cm3～3.5×E16/cm3，优选为2×E15/cm3～2.5×E16/cm3，更优选为5×E15/cm3～2×E16/cm3。
图2是表示使用图1所示的叠层体的磁传感器的一个例子剖面结构模式图，图中标号4表示金属电极层，5表示保护层(钝化膜)。另外，对于那些与图1具有同一功能的构成要素赋予了同一标号。
该磁传感器，是在(111)面与衬底表面平行的Si衬底上设置了由Ga、Al、In、As、Sb、P之中的至少2种或2种以上的元素构成的第1化合物半导体层2，进而在该第1化合物半导体层2上设置了由InxGa1-xAsySb1-y(0.5≤x≤1.0，0≤y≤1.0)构成的第2化合物半导体层3，构成为使得第1化合物半导体层2和第2化合物半导体层3的(111)面与衬底表面平行，进而在该第2化合物半导体层3的两段侧设置了金属电极层4。该第2化合物半导体层3除了与金属电极层4的接触部分以外用保护层5(钝化膜)覆盖。
构成该磁传感器的金属电极层4通常是欧姆电极，优选地与传感器层进行欧姆接触。电极的材质可以是AuGe/Ni/Au等的众知的多层电极，也可以是单层的金属。
作为钝化膜，SiN、SiON、SiO2是优选的例子。此外，作为本发明的磁传感器包括霍尔元件或磁阻元件等。
实施例1.
首先，在直径2英寸的(111)Si衬底上利用分子束外延(MBE)法依次地作为第1化合物半导体层2形成700nm的GaAs，作为第2化合物半导体层3形成1μm的InSb。
用X射线衍射法确认了第1化合物半导体层2和第2化合物半导体层3的(111)面是与衬底1的表面平行的。
电学特性使用van der Pauw法进行了测定。其结果，获得了片载流子浓度为1.7×E12/cm2、电子迁移率也大于等于37000的良好的特性。
比较例1.
首先，在直径2英寸的(111)Si衬底上利用分子束外延(MBE)法直接地形成了1μm的InSb膜。
电学特性使用van der Pauw法进行了测定。其结果，获得了片载流子浓度大到3.1×E12/cm2，而电子迁移率却只获得11000cm2/Vs。
实施例2.
其次，在上述的实施例1所形成的叠层衬底上，使用光刻法形成作为与图2同样的磁传感器的霍尔元件，并测定了霍尔元件特性。另外，电极是利用真空蒸镀法连续蒸镀了Ti层100nm、Au层600nm后使用的。霍尔元件的芯片尺寸为360μm×360μm，同时形成了3种设计不同的结构，在50mT的磁场中施加1V的输入电压对各个设计结构的元件的特性进行了评价。其结果如表1所示。
表1.
  设计   Vh(mV)  Rin(Ω)
  A   112  166
  B   62  301
  C   53  351
确认了用设计B能够形成元件电阻大于等于300Ω、而灵敏度也大于等于60mV、以及低功耗而且高灵敏度的霍尔元件。虽然通过设计也能够获得更高的灵敏度，但在该情况下电阻就要减小(设计A)，虽然能够获得更高的电阻，但在该情况下，虽然灵敏度变差(设计C)，但由于片载流子浓度为1.7E12/cm2是良好的，所以设计的自由度增大，从而能够进行高灵敏度且高电阻的元件设计。
比较例2.
其次，在比较例1中所形成的InSb膜上，使用光刻法与实施了2同样地形成霍尔元件并进行了特性评价。其结果如表2所示。
表2.
  设计   Vh(mV)  Rin(Ω)
  A   33  302
  B   18  549
  C   16  641
确认了在设计A中虽然表示出与实施例2的设计B大致相同的元件电阻，但这时的灵敏度是33mV，只获得了实施例2的62mV的大约50％。由于灵敏度和电阻是折衷的，所以虽然能够使灵敏度提高到比33mV更高，但在该情况下，由于元件电阻会进一步减小，所以与实施例比，高灵敏度而且高电阻的元件形成是不可能的。其原因在于由于材料的片载流子浓度大到3.1×E12/cm2，所以没有设计的自由度。
实施例3.
在直径2英寸的(111)Si衬底上，利用分子束外延(MBE)法依次地作为第1化合物半导体层2形成700nm的GaAs，作为第2化合物半导体层3形成0.7μm的InSb。在InSb的成膜时进行的是2阶段生长。
用X射线衍射法确认了第1化合物半导体层和第2化合物半导体层的(111)面是与衬底的表面平行的。单晶是通过进行InSb的(220)面的测定而确认的。其结果如表3所示。每隔120度获得了3个峰值，因此能够确认已成为单晶膜。
电学特性使用van der Pauw法进行了测定。其结果是获得了片载流子浓度为1.0E12/cm2，而电子迁移率也为48000cm2/Vs的良好的特性。
其次，在上述第2化合物半导体层上，使用光刻法形成作为与图2同样的磁传感器的霍尔元件，并测定了霍尔元件特性。另外，电极是利用真空蒸镀法连续蒸镀Ti层100nm、Au层600nm后使用。霍尔元件的芯片尺寸为360μm×360μm，同时形成了3种设计不同的结构，在50mT的磁场中施加1V的输入电压对各个设计结构的元件的特性进行了评价。结果如下表所示。
确认了用设计B也能够形成元件电阻大于等于300Ω、灵敏度80mV、以及低功耗而且高灵敏度的元件。虽然通过设计还能够获得更高的灵敏度，但在该情况下，电阻就要减小(设计A)，虽然也能够获得更高的电阻，但在该情况下，虽然灵敏度变差(设计C)，但由于材料的片载流子浓度为1.0E12/cm2是良好的，所以能够进行设计的自由度大、高灵敏度且高电阻的元件设计。
表3.
  设计   Vh(mV)  Rin(Ω)
  A   145  215
  B   80  390
  C   69  455
工业上利用的可能性.
在(111)面与衬底表面平行的Si衬底上设置了由Ga、Al、In、As、Sb、P之中的至少2种或2种以上的元素构成的第1化合物半导体层，进而在该第1化合物半导体层上设置了由InxGa1-xAsySb1-y(0＜x≤1.0，0≤y≤1.0)构成的第2化合物半导体层。因此，第1化合物半导体层与第2化合物半导体的(111)面成为与衬底表面平行，从而能够在Si衬底上形成电子迁移率高、片电阻比较大的InSb或InAs膜。作为结果，能够使用与GaAs衬底相比廉价且通用性强而且适于环保的Si衬底，在工业上提供高灵敏度而且低功耗的优良的元件。

Claims (16)

1.一种半导体传感器，其特征在于，具备：在(111)面与衬底表面平行的Si衬底上设置的由Ga、Al、In、As、Sb、P之中的至少2种或2种以上的元素构成的第1化合物半导体层；在该第1化合物半导体层上设置的由InxGa1-xAsySb1-y(0＜x≤1.0，0≤y≤1.0)构成并作为功能层起作用的第2化合物半导体层；以及按照使电流在该第2化合物半导体层的面内方向上流动的方式在该第2化合物半导体层的两端侧设置的电极。
2.根据权利要求1所述的半导体传感器，其特征在于：上述第1化合物半导体层和第2化合物半导体层的(111)面是与上述衬底表面平行的。
3.根据权利要求1所述的半导体传感器，其特征在于：上述第1化合物半导体层是Al1-zGazAs(0≤z≤1)。
4.根据权利要求1所述的半导体传感器，其特征在于：上述第2化合物半导体层是InxGa1-xAsySb1-y(0.5≤x≤1.0，0≤y≤1.0)。
5.根据权利要求4所述的半导体传感器，其特征在于：上述第2化合物半导体层是InAsySb1-y(0≤y≤1)。
6.根据权利要求1所述的半导体传感器，其特征在于：上述第2化合物半导体层的厚度大于等于0.15μm且小于等于2μm。
7.根据权利要求1所述的半导体传感器，其特征在于：在上述第2化合物半导体层中掺入了杂质。
8.根据权利要求6所述的半导体传感器，其特征在于：上述杂质是Si或Sn。
9.根据权利要求1所述的半导体传感器，其特征在于：上述第2化合物半导体层除了与上述电极的接触部分以外用钝化膜覆盖。
10.根据权利要求1所述的半导体传感器，其特征在于：是上述第2化合物半导体层为感磁层的检测磁通密度的传感器。
11.一种半导体传感器的制造方法，其特征在于，包括：在(111)面与衬底表面平行的Si衬底上形成由Ga、Al、In、As、Sb、P之中的至少2种或2种以上的元素构成的第1化合物半导体层；进而在该第1化合物半导体层上形成由InxGa1-xAsySb1-y(0＜x≤1.0，0≤y≤1.0)构成的第2化合物半导体层；以及在该第2化合物半导体层上形成多个电极。
12.根据权利要求10所述的半导体传感器的制造方法，其特征在于：上述第1化合物半导体是Al1-zGazAs(0≤z≤1)。
13.根据权利要求10所述的半导体传感器的制造方法，其特征在于：上述第2化合物半导体层是InxGa1-xAsySb1-y(0.5≤x≤1.0，0≤y≤1.0)。
14.根据权利要求13所述的半导体传感器的制造方法，其特征在于：上述第2化合物半导体层是InAsySb1-y(0≤y≤1)。
15.根据权利要求10所述的半导体传感器的制造方法，其特征在于：上述第2化合物半导体层的厚度大于等于0.15μm且小于等于2μm。
16.根据权利要求10所述的半导体传感器的制造方法，其特征在于：在上述第2化合物半导体层中掺入了Si或Sn杂质。
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