JP2000223420A - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

半導体基板の製造方法

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JP2000223420A
JP2000223420A JP2070899A JP2070899A JP2000223420A JP 2000223420 A JP2000223420 A JP 2000223420A JP 2070899 A JP2070899 A JP 2070899A JP 2070899 A JP2070899 A JP 2070899A JP 2000223420 A JP2000223420 A JP 2000223420A
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layer
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oxidation
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JP2070899A
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Kota Nishimura
剛太 西村
Hisashi Sakai
久 坂井
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Kyocera Corp
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Kyocera Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 MESFETやHEMT等のデバイスを作製
した場合、電極とSi基板の寄生容量が大きく、基板側
へのリーク電流が発生し、相互コンダクタンスとノイズ
特性が大きく、高周波特性が悪いという問題があった。 【解決手段】 Si単結晶基板上にヘテロエピタキシャ
ル層を形成する化合物半導体基板の製造方法であって、
前記Si単結晶基板上に炭素不純物が添加されたAlx
Ga1-x As層と、これに連続して異種の化合物半導体
層を成長させる工程と、前記多層構造基板を水蒸気雰囲
気で熱処理して酸化させる工程を包含する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】MESFET、HEMT等の
化合物半導体素子の製造に用いられるSi単結晶基板上
への化合物半導体層のエピタキシャル形成において、表
面の低欠陥密度と高移動度を達成した高品質化合物半導
体層より下層に誘電体層を形成する半導体基板の製造方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】化合物半導体デバイスの製造は、必要と
する半導体層をエピタキシャル形成するに当たり、基材
となる単結晶基板がその用いるエピタキシャル層により
限定される。これは異種の半導体をヘテロエピタキシャ
ル形成させるときの格子不整合に起因する転位欠陥の生
成とその密度がデバイス特性に大きく影響するためであ
る。
【0003】GaAs/AlGaAs系のMESFET
やHEMT等の電子デバイスであれば格子整合でのエピ
タキシャル形成が可能なGaAs単結晶基板を用いるこ
とができるが、昨今、異種単結晶基板を用いたヘテロエ
ピタキシャル成長技術は、化合物半導体デバイスの命題
である製造コストの低減において必須の条件となりつつ
ある。
【0004】即ち、基材となる単結晶基板をGaAs結
晶基板に比べインチ当りでのコストが1/10以下であ
るSi単結晶基板にすることができれば、6インチ以上
での基板製造が可能となり、基板材料の低コスト化に加
え、さらに大きな製造コスト低減が実現できるためであ
る。
【0005】GaAs/AlGaAs系デバイスについ
ては、Si基板上へのヘテロエピタキシャル形成技術と
して、MOCVD装置を用いたGaAsバッファ層の形
成において2Step成長、温度サイクル処理、歪み超
格子構造(SLS)等、転位欠陥密度低減の技術が手法
的にほぼ確立されている。
【0006】しかし、Si基板上にヘテロエピタキシャ
ル成長された化合物半導体層は基板方向への欠陥濃度の
上昇が必然であり、HEMTに代表される高周波動作の
デバイスでは、特性に悪影響をおよぼす電極と基板との
間の容量を低減するためにデバイス動作層の下層の高抵
抗層の厚膜化が必要となる。
【0007】この厚膜化は、特にSi基板を用いたヘテ
ロエピタキシャル基板では基板の反りに反映するため、
例えば6インチのSi基板を用いた場合にはデバイス製
造工程に影響しないGaAsヘテロエピタキシャル層の
厚さは2〜3μm程度が限界とされており、Siヘテロ
エピタキシャル基板での電子デバイスが実現されていな
いことの大きな要因となっている。
【0008】Si基板を用いたヘテロエピタキシャル基
板では、SiO2 マスクを用いた選択成長等の手法によ
り、数十μm程度の厚膜化は可能であるが、成長領域の
外縁の結晶性の悪化から、大きくエッチング除去が必要
となり、基板インチ当りの素子の取り数が激減する上、
高い段差の形成で、デバイス作製工程で段差エッジの欠
けが発生したり、フォトリソグラフィ工程での精度への
悪影響が避けられない。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】これらの問題点を解決
する手段として、CMOSに代表されるSi基板で作製
されるデバイスについて、古くから提唱されているSO
I(Semiconductor on Insulator)技術がある。誘電体
層を半導体層より下層に埋め込む技術であるが、SiO
2 という高品質な誘電体層が形成できるSi基板では可
能であるが、GaAsに代表される化合物半導体では高
品質な酸化誘電体層が形成できないため、実現が不可能
であった。
【0010】化合物半導体のエピタキシャル基板におけ
るSOI技術としては、半導体単結晶基板上の微少な誘
電体マスク開口部から横方向にエピタキシャル成長させ
て基板全面に化合物半導体層を形成する技術を応用した
ものがあるが(特開平5−90174号公報)、微少な
開口部の形成を2回行なうため、位置合わせが困難なこ
とと、誘電体層と化合物半導体層をフォトリソグラフィ
工程とエッチング工程を挟んで繰り返し形成する工程が
あり、煩雑で量産性に乏しい。
【0011】高品質な酸化誘電体層を形成する手段とし
ては、Al組成比の大きなAlx Ga1-x As層を水蒸
気酸化することで得られることは、従来から提唱されて
いるが(特公昭62−14094号公報)、化合物半導
体層の表面に誘電体層を形成するMOS構造を目的とし
ており、SOI構造で基板全面にデバイス動作領域が形
成可能なものではない。
【0012】そこで高濃度に炭素不純物が添加されたA
x Ga1-x Asを用いることで、連続形成された極薄
の表面ヘテロエピタキシャル層を介してAlx Ga1-x
Asを酸化し、表面に再度高品質エピタキシャル層が形
成できる手法が報告されている(特開平8−14339
8号公報)。
【0013】但し、この報告においては、酸化速度に大
きく影響するAlx Ga1-x AsのAl組成比とSi基
板を用いたヘテロエピタキシャル成長での高周波デバイ
スで必要とされる誘電体層の厚さが限定されていない。
【0014】本発明はこのような従来技術の問題点に鑑
みてなされたものであり、電極との間の寄生容量に起因
して、高周波特性が悪く、また量産性が悪いという従来
技術の問題点を解消した半導体基板の製造方法を提供す
ることを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1に係る半導体基板の製造方法では、Si単
結晶基板上にヘテロエピタキシャル層を形成する化合物
半導体基板の製造方法において、前記Si単結晶基板上
に炭素不純物が添加されたAlx Ga1-x As層と、こ
れに連続して異種の化合物半導体層を成長させる工程
と、前記多層構造基板を水蒸気雰囲気で熱処理して酸化
させる工程を包含する。
【0016】また、上記半導体基板の製造方法では、前
記Alx Ga1-x As層に添加される炭素不純物の濃度
が1×1020atoms・cm-3以上であることが望ま
しい。
【0017】また、上記半導体基板の製造方法では、前
記異種の化合物半導体層がAl組成比x=0.96〜1
である領域を有し、且つこの領域が0.6〜2μmの厚
さであることが望ましい。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づき詳細に説明する。図1は請求項1ないし3
に係る半導体基板の製造方法の一実施形態を示す図であ
り、1はSi単結晶基板、2はバッファ層、3は炭素不
純物が添加されたAlx Ga1-x As層、4は異種の化
合物半導体層である。
【0019】まず、MOCVD装置やMBE装置を用
い、6インチ以上の径のSi単結晶基板1上にGaAs
から成るバッファ層2を通常の2step成長で1μm
程度に形成した後、Al組成比がx=0.96〜1の範
囲で、且つ炭素を1×1020atoms・cm-3以上添
加したAlx Ga1-x As層3を0.6〜2μmの厚さ
で形成する。
【0020】添加される炭素不純物の濃度が1×1020
atoms・cm-3以上のAlx Ga1-x Asは、水蒸
気雰囲気中での熱酸化速度が、炭素不純物が添加されて
いないものに比べ20倍以上迅速になることから、10
分程度の酸化処理で2μm程度の膜厚方向の酸化が可能
となる。
【0021】この段階でのトータル膜厚が2.5μm以
下となることが望ましいため、初期のバッファ層2をG
aAsでなく、上記Alx Ga1-x Asで形成すること
でAlx Ga1-x As層の膜厚をかせぐことも可能であ
る。
【0022】連続して、GaAs層4を20nm以下の
膜厚でエピタキシャル形成した後、Alx Ga1-x As
層3の酸化を行う。一般的な酸化の手法として、酸化炉
内に60〜90℃の純水蒸気を窒素で1〜10L/mi
nバブリング導入したウェット酸化を400〜500℃
で行う。
【0023】表層のGaAs層4を介して、上記の高速
酸化が可能な厚さ0.6〜2μmのAlx Ga1-x As
層3が膜厚方向に完全に酸化されるのに、10分程度の
時間で十分である。このようにAlx Ga1-x As層3
を酸化すると酸化誘電体層となる。
【0024】Si基板で作製されるCMOSでは、0.
3μm程度のSOI構造で20〜30%の動作速度の向
上が確認されており、本発明における酸化処理で生成さ
れるAl2 3 非晶質層の誘電率が10程度とすると、
同程度の容量低減効果を得るためにはSiO2 の誘電率
3.6に比べて2〜3倍の膜厚が必要となる。
【0025】よって、本発明により0.6〜2μmの酸
化誘電体層を有し、且つその上層に高品質な化合物半導
体層をエピタキシャル形成したSiヘテロエピタキシャ
ル基板は、デバイス動作層としてSiより高移動度のG
aAs等の化合物半導体層を用いることができると同時
に、Siヘテロエピタキシャル基板の弱点であった基板
間容量を大きく低減できることから、高周波デバイスの
特性を大幅に向上させることができる。
【0026】酸化誘電体層を形成した後、表面が若干酸
化されたGaAs層を、酸若しくはアルカリのエッチン
グ洗浄により除去した後、通常のエピタキシャル成長で
AlGaAs等のデバイス動作層(不図示)を形成す
る。このデバイス動作層は、先のバッファ層2とAlx
Ga1-x As層3のトータルで最大3μmを超えない厚
さで形成するのが望ましい。
【0027】
【発明の効果】以上のように、請求項1ないし3に係る
半導体基板の製造方法では、Si単結晶基板上に炭素不
純物が添加されたAlx Ga1-x As層と、これに連続
して異種の化合物半導体層を成長させて、炭素不純物が
添加されたAlx Ga1-x As層を水蒸気雰囲気中で熱
処理して酸化することから、MESFETやHEMT等
のデバイスを作製した場合、デバイス動作層とSi基板
が0.6〜2μmのAl2 3 非晶質層で空間的電気的
に分離され、電極の寄生容量が大きく低減すると同時
に、基板側へのリーク電流もなくなり、相互コンダクタ
ンスとノイズ特性が大幅に改善され、特に高周波特性が
良好なデバイスが実現する。
【0028】また、本発明ではSOI構造の形成に当
り、バッチ処理が可能な量産性の高い工程のみで実現で
きることから、GaAs基板に比べ1/10以下の基板
コストであるSiヘテロエピタキシャル基板の特徴が最
大限発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1〜3に係る半導体基板の製造方法を示
す概略図である。
【符号の説明】
1‥‥‥Si単結晶基板、2‥‥‥バッファ層、3‥‥
‥炭素不純物が添加されたAlx Ga1-x As層、4‥
‥‥異種の化合物半導体層

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Si単結晶基板上にヘテロエピタキシャ
    ル層を形成する化合物半導体基板の製造方法において、
    前記Si単結晶基板上に炭素不純物が添加されたAlx
    Ga1-x As層と、これに連続して異種の化合物半導体
    層を成長させる工程と、前記多層構造基板を水蒸気雰囲
    気中で熱処理して酸化させる工程を包含することを特徴
    とする半導体基板の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記Alx Ga1-x As層に添加される
    炭素不純物の濃度が1×1020atoms・cm-3以上
    であることを特徴とする請求項1に記載の半導体基板の
    製造方法。
  3. 【請求項3】 前記異種の化合物半導体層がAl組成比
    x=0.96〜1の領域を有し、且つこの領域が0.6
    〜2μmの厚さであることを特徴とする請求項1に記載
    の半導体基板の製造方法。
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WO2010061616A1 (ja) * 2008-11-28 2010-06-03 住友化学株式会社 半導体基板、電子デバイス、および半導体基板の製造方法

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