JP2002334837A - 半導体基板および半導体装置 - Google Patents

半導体基板および半導体装置

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JP2002334837A
JP2002334837A JP2001138156A JP2001138156A JP2002334837A JP 2002334837 A JP2002334837 A JP 2002334837A JP 2001138156 A JP2001138156 A JP 2001138156A JP 2001138156 A JP2001138156 A JP 2001138156A JP 2002334837 A JP2002334837 A JP 2002334837A
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semiconductor layer
semiconductor
gaas
substrate
semiconductor device
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Junko Iwanaga
順子 岩永
Kaoru Inoue
薫 井上
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 GaAs半導体素子と、Si半導体素子と、
一つの基板上に集積して形成することにより、半導体装
置を小型化することを目的とする。 【解決手段】 Si基板1上に、Siを含む第1の半導
体層2と、第1の半導体層2上に形成され、SiGeを
含む第2の半導体層3と、第2の半導体層3上に形成さ
れ、GaAsを含む第3の半導体層4とを形成し、第1
の半導体層2または第2の半導体層3と、第3の半導体
層4とにそれぞれ能動素子を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板および
半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】まず、従来の半導体装置について説明す
る。
【0003】図3は、従来の半導体装置の断面図を示す
ものである。図3において、ガラスエポキシ基板101
に形成された配線102上には、GaAsで構成された
半導体チップ103と、Siで構成された半導体チップ
104とがそれぞれバンプ105によりフリップチップ
実装されている。
【0004】GaAsで構成された半導体チップ103
には能動素子が形成されており、この能動素子は、Si
材料では得られない程の高速動作性能や低雑音特性を有
する。また、GaAs半導体材料を用いると高抵抗の基
板を作ることができるので、低損失のスパイラルインダ
クタ等、優れた受動素子を形成できるという利点があ
る。
【0005】一方、Siで構成された半導体チップ10
4にも能動素子が形成されている。この能動素子は、G
aAsにより構成された能動素子ほどの高速動作性能は
有しないが、Si材料自体が安価であるため、取り扱う
信号の周波数が低い場合は積極的に使用される。例え
ば、高周波無線通信機の内部回路においては、周波数の
低いベースバンド周波数の信号を処理する用途としてS
iで構成された半導体チップ104を用い、周波数の高
いRFバンド周波数の信号を処理する用途としてGaA
sで構成された半導体チップ103を用いる。このよう
に、GaAsにより構成された能動素子とSiにより構
成された能動素子は、用途によって半導体装置内で使い
分けられている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
半導体装置では、半導体チップ103と半導体チップ1
04とをガラスエポキシ基板101上にフリップチップ
法により実装しているため、実装誤差等により半導体装
置の高周波特性が落ちてしまい、半導体装置の歩留まり
が非常に悪かった。また、ガラスエポキシ基板101上
の配線102が非常に長いため、信号ロスも多かった。
【0007】このように半導体チップ103と半導体チ
ップ104とを別々に形成していた理由は、Siの格子
定数が0.5431nmであり、GaAsの格子定数が
0.5653nmであり、両者の格子定数が大きく異な
ることから、Siで構成された半導体層上にGaAsで
構成された半導体を結晶成長することができなかったた
めである。
【0008】本発明は、GaAsで構成された半導体素
子と、Siで構成された半導体素子とを集積することに
より、半導体装置の高周波特性を向上し、歩留まり良く
半導体装置を製造することを目的とし、あわせて、この
半導体装置を実現するための半導体基板を提供すること
を目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体基板は、
Siを含む第1の半導体層と、前記第1の半導体層上に
形成され、SiGeを含む第2の半導体層と、前記第2
の半導体層上に形成され、GaAsを含む第3の半導体
層とを有するものである。
【0010】また、本発明の半導体装置は、Siを含む
第1の半導体層と、前記第1の半導体層上に形成され、
SiGeを含む第2の半導体層と、前記第2の半導体層
上に形成され、GaAsを含む第3の半導体層とを有
し、前記第1の半導体層または前記第2の半導体層と、
前記第3の半導体層とにそれぞれ能動素子が形成された
ものである。
【0011】このように、Siを含む第1の半導体層
と、GaAsを含む第3の半導体層との間に、Siの格
子定数とGaAsの格子定数の中間の格子定数をもつS
iGeを含む第2の半導体層を形成することにより、S
iを含む第1の半導体層上に、間接的にGaAsを含む
第3の半導体層を形成することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て説明する。
【0013】(実施の形態1)まず、本発明の実施の形
態1における半導体基板について説明する。
【0014】図1は、本発明の実施の形態1における半
導体基板の断面図である。図1に示すように、Si基板
1上に、Siを含む第1の半導体層2と、SiGeを含
む第2の半導体層3と、Geを含む第4の半導体層5
と、GaAsを含む第3の半導体層4とが順次積層され
ている。
【0015】上述した通り、第1の半導体層2における
Siの格子定数は0.5431nmであり、第3の半導
体層4におけるGaAsの格子定数は0.5653nm
あり、両者の格子定数にはかなりの隔たりがあるが、こ
れらの間に挟まれる第4の半導体層5におけるGeの格
子定数は0.5646nmであるため、第3の半導体層
4と第4の半導体層5との間の格子整合性が良い。この
ため、第4の半導体層5上に第3の半導体層4を結晶性
よく形成することができる。
【0016】なお、第2の半導体層3におけるSiGe
のSiの組成比を0.01とすると格子定数は0.56
45nmと、GaAsの格子定数に比較的近いので、必
ずしもGeを含む第4の半導体層5を形成しなくても、
SiGeを含む第2の半導体層3上に結晶性のよいGa
Asを含む第3の半導体層4を直接形成することもでき
る。
【0017】また、SiGeを含む第2の半導体層3に
おけるGeの組成比が、GaAsを含む第3の半導体層
4に近い場所ほど大きくなるようにすれば、Geを含む
第4の半導体層5を形成した場合でも形成しない場合で
も、SiGeを含む第2の半導体層3は、Siを含む第
1の半導体層2に対しても、GaAsを含む第3の半導
体層4に対しても、格子整合性が良くなる。
【0018】この半導体基板は、次に説明する方法で製
造される。
【0019】まず、チャンバ内に設置したSi基板1上
に、MBE法を用いて第1の半導体層2を成長する。次
に、チャンバにSiおよびGeを含む原料ガスを供給す
ることによりSi1-xGexを含む第2の半導体層3を成
長する。ここで、Geの組成比xは、第1の半導体層2
と第2の半導体層3との界面において0であり、第2の
半導体層3の成長距離に対して線形的に増加するように
徐々にGeの供給比率を増やしていく。第2の半導体層
3におけるGeの組成比が1(Siの組成比が0)にな
ってもしばらく成長を続けることによりGeにより構成
された第4の半導体層5を成長し、第4の半導体層5の
表面状態が安定したところで第4の半導体層5の成長を
止め、最後にGaAsを含む第3の半導体層4を成長す
る。
【0020】このような半導体基板の製造方法により、
結晶性のよいGaAsを含む第3の半導体層4を形成す
ることができる。この半導体基板の用途等については実
施の形態2において説明する。
【0021】(実施の形態2)次に、本発明の実施の形
態2における半導体装置について説明する。
【0022】図2は、本発明の実施の形態2における半
導体装置の断面図であり、これは、図1に示した半導体
基板を加工して形成されるものである。図2に示すよう
に、Si基板1上に、Siを含む第1の半導体層2が形
成されており、この第1の半導体層2の一部の領域に
は、能動素子であるSiMOS型電界効果トランジスタ
6が形成されている。
【0023】SiMOS型電界効果トランジスタ6は、
第1の半導体層2の表面近傍の一部の領域に形成された
ソース領域11、ドレイン領域12、およびソース領域
11上に形成されたソース電極8、ドレイン領域12上
に形成されたドレイン電極10、第1の半導体層2の表
面上であってソース電極8とドレイン電極10との間の
領域に形成されたゲート絶縁膜13、その上に形成され
たゲート電極9によって構成されている。このSiMO
S型電界効果トランジスタ6は、例えば、高周波無線通
信機の内部回路において、ベースバンド周波数の信号を
処理するために使用される。
【0024】一方、第1の半導体層2上であってSiM
OS型電界効果トランジスタ6が形成された領域以外の
領域には、SiGeを含む第2の半導体層3と、Geを
含む第4の半導体層5と、GaAsを含む第3の半導体
層4とが順次形成されており、この第3の半導体層4に
は能動素子であるGaAsMES型電界効果トランジス
タ7が形成されている。なお、各半導体層の積層順序
は、実施の形態1における半導体基板のものと同じであ
る。
【0025】このGaAsMES型電界効果トランジス
タ7は、第3の半導体層4上に形成されたソースコンタ
クト層14、ゲート電極9、およびドレインコンタクト
層15と、ソースコンタクト層14上に形成されたソー
ス電極8、ドレインコンタクト層15に形成されたドレ
イン電極10によって構成されている。なお、第3の半
導体層4には、通常の電界効果トランジスタが有するチ
ャネル領域が含まれているものとする。このGaAsM
ES型電界効果トランジスタ7は、例えば、高周波無線
通信機の内部回路において、RFバンド周波数の信号を
処理するために使用される。
【0026】以上のように、実施の形態2における半導
体装置は、Si半導体を用いて構成されるSiMOS型
電界効果トランジスタ6と、GaAs半導体を用いて構
成されるGaAsMES型電界効果トランジスタ7とを
同一のSi基板1上に集積することができるものであ
り、半導体装置の高周波特性が向上し、また半導体装置
をワンチップ化することができるために実装の煩雑さも
なく、歩留まり良く半導体装置を製造することができ
る。
【0027】なお、実施の形態2においては、第1の半
導体層2にSiMOS型電界効果トランジスタ6を形成
した例について説明したが、第1の半導体層2上の全面
に第2の半導体層3を形成し、この第2の半導体層3を
ベース層として用いたヘテロ接合バイポーラトランジス
タ(図示せず)を形成することもできる。
【0028】また、実施の形態2においては、SiMO
S型電界効果トランジスタ6、GaAsMES型電界効
果トランジスタ7(共に電界効果トランジスタ)を形成
した場合について説明したが、これらを共にバイポーラ
トランジスタで構成しても良い。例えば、上記のように
SiGeを含む第2の半導体層3を利用して、SiGe
ヘテロ接合型バイポーラトランジスタを形成することも
可能であるし、GaAsを含む第3の半導体層4上に成
長可能な材料であるAlGaAsやInGaAsなどを
組み合わせてヘテロ接合バイポーラトランジスタを形成
することもできる。もちろん、このヘテロ接合バイポー
ラトランジスタに代えてヘテロ接合FET(HFET)
を形成することも可能である。
【0029】さらにインピーダンス整合回路等に用いる
インダクタを形成する場合は、第1の半導体層2上でな
く、第3の半導体層4上に形成するようにすれば、極め
て低損失のインダクタを形成することができる。GaA
s半導体材料は、Si半導体材料に比べて、内部で発生
する誘導電流が格段に少ないからである。
【0030】以上のように、本発明の実施の形態では、
第2の半導体層3を構成する半導体材料としてSiGe
を用いた場合について説明したが、これをSiGeC半
導体材料に代えても良い。SiGeC半導体材料を用い
た場合であっても、第2の半導体層3の表面における格
子定数とGaAsの格子定数との差が小さくなるよう
に、第2の半導体層3の表面におけるSiやCの組成比
を調整すれば、結晶性の良いGaAsを含む第3の半導
体層4を形成することができる。
【0031】
【発明の効果】以上のように、Siを含む第1の半導体
層と、GaAsを含む第3の半導体層との間に、Siの
格子定数とGaAsの格子定数との中間の格子定数をも
つSiGeを含む第2の半導体層を形成することによ
り、Siを含む第1の半導体層に、間接的にGaAsを
含む第3の半導体層を形成することができる。
【0032】これにより、高周波性能の高いGaAsを
用いた半導体素子と製造コストの低いSiを用いた半導
体素子とを目的別に使い分けながらも、双方を一つの基
板に集積し、この結果半導体装置の高周波特性が向上
し、また半導体装置をワンチップ化することができるた
めに実装の煩雑さもなく、歩留まり良く半導体装置を製
造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1における半導体基板の断
面図
【図2】本発明の実施の形態2における半導体装置の断
面図
【図3】従来の半導体装置の断面図
【符号の説明】
1 Si基板 2 第1の半導体層 3 第2の半導体層 4 第3の半導体層 5 第4の半導体層 6 SiMOS型電界効果トランジスタ 7 GaAsMES型電界効果トランジスタ 8 ソース電極 9 ゲート電極 10 ドレイン電極 11 ソース領域 12 ドレイン領域 13 ゲート絶縁膜 14 ソースコンタクト層 15 ドレインコンタクト層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 27/095 H01L 29/80 B 29/812 Fターム(参考) 5F048 AC10 BA14 BA15 5F052 KA01 5F082 AA08 BA35 BC01 BC03 BC08 BC14 CA01 CA02 CA03 EA23 5F102 FA00 GA00 GA05 GA15 GB01 GC01 GD01 GJ03 GK02 GL05 HC02

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Siを含む第1の半導体層と、前記第1
    の半導体層上に形成され、SiGeを含む第2の半導体
    層と、前記第2の半導体層上に形成され、GaAsを含
    む第3の半導体層とを有することを特徴とする半導体基
    板。
  2. 【請求項2】 前記第2の半導体層と前記第3の半導体
    層との間にGeを含む第4の半導体層を有することを特
    徴とする請求項1記載の半導体基板。
  3. 【請求項3】 前記第2の半導体層に含有されるGeの
    組成比が、前記第3の半導体層に近い場所ほど大きいこ
    とを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体
    基板。
  4. 【請求項4】 Siを含む第1の半導体層と、前記第1
    の半導体層上に形成され、SiGeを含む第2の半導体
    層と、前記第2の半導体層上に形成され、GaAsを含
    む第3の半導体層とを有し、前記第1の半導体層または
    前記第2の半導体層と、前記第3の半導体層とにそれぞ
    れ能動素子が形成されていることを特徴とする半導体装
    置。
  5. 【請求項5】 前記第2の半導体層と前記第3の半導体
    層との間にGeを含む第4の半導体層を有することを特
    徴とする請求項4記載の半導体装置。
  6. 【請求項6】 前記第2の半導体層に含有されるGeの
    組成比が、前記第3の半導体層に近い場所ほど大きいこ
    とを特徴とする請求項4または請求項5に記載の半導体
    装置。
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