JP2005032928A - ｎ−ＩｎＧａＡｓ半導体及びＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術で成長したものと同じように、低い値の接触抵抗をそのまま維持し、また表面の凹凸も同じレベルに維持しながら、４×１０^１９ｃｍ^−３という高キャリア濃度のｎ−ＩｎＧａＡｓを成長させると共に、その際のｎ型ドーパント流量を少なくし、効率的にエピタキシャル成長させるｎ−ＩｎＧａＡｓ半導体及びＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】基板１０上にバッファ層１１、チャネル層１２、スペーサ層１３、キャリア供給層１４及びコンタクト層１５ｂを順次エピタキシャル成長させてＨＥＭＴを形成する際に、Ｉｎ源の材料と、Ｇａ源の材料と、Ａｓ源の材料とを供給してＩｎＧａＡｓ半導体層を成長させ、このＩｎＧａＡｓ半導体層の成長中にＤＥＳｅを供給することによりＩｎＧａＡｓ半導体層にＳｅをドープしてｎ−ＩｎＧａＡｓ半導体コンタクト層を形成する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法、特にｎ−ＩｎＧａＡｓ半導体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガリウム砒素（ＧａＡｓ）やインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）等の化合物半導体はシリコン（Ｓｉ）半導体に比べて電子移動度が高いという特長がある。このような特長をいかしてＧａＡｓやＩｎＧａＡｓは高速動作や高効率動作が要求されるデバイスに多用されている。代表例としてＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が挙げられる。
【０００３】
図３は、ＨＥＭＴの大まかな構造を示す。このＨＥＭＴは、基板１０上にバッファ層１１、チャネル層１２、スペーサ層１３、キャリア供給層１４及びコンタクト層１５ａを順次エピタキシャル成長させたものである。ここで、バッファ層１１は基板１０の表面の残留不純物によるデバイス特性劣化を防止する層である。チャネル層１２は自由電子が流れる層であり、高純度である必要がある。スペーサ層１３はチャネル層１２の自由電子がキャリア供給層１４のｎ型不純物によるイオン散乱されるのを抑止する層である。キャリア供給層１４はｎ型不純物がドーピングされており、放出した自由電子をチャネル層１２へ供給する層である。コンタクト層１５ａは、電極を形成するための層である。
【０００４】
コンタクト層１５ａは、電極を形成するための層であり、低抵抗であることが重要である。コンタクト層の抵抗を下げるためには、キャリア濃度を高くしなければならない。ＧａＡｓはコンタクト層として使用されているが、ＧａＡｓでは５×１０^１８ｃｍ^−３以上のキャリア濃度を得るのは難しい。一方、ＩｎＧａＡｓを使用すれば、４×１０^１９ｃｍ^−３という高キャリア濃度を実現することができ、電極との接触抵抗を小さくすることができる。
【０００５】
表１は、コンタクト層にＩｎＧａＡｓを用いたＨＥＭＴの構造例を示す。
【０００６】
【表１】

【０００７】
ここで、結晶成長のことをエピタキシャルと言う。エピタキシャル層の名称の「ｎ−」や「ｉ−」はエピタキシャル層がそれぞれｎ型、半絶縁性であることを表す。層の厚さの単位は「ｎｍ」（１０^−９ｍ）である。キャリア濃度の単位は「ｃｍ^−３」である。なお、キャリア供給層とコンタクト層の間に設けられたｉ−Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ａｓ層は、電極を設けるためにコンタクト層を選択的にエッチング除去する際、キャリア供給層がエッチングされないように保護するための層である。また、ＡｌＡｓとＧａＡｓはほぼ同じ格子定数を有するので、任意の組成のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓがＧａＡｓ基板上に整合成長可能である。
【０００８】
表１に示したＨＥＭＴエピタキシャルウェハの成長方法を以下に述べる。
【０００９】
エピタキシャル層を成長させる基板１０を図示しないサセプタにセットし、図示しない成長炉内で加熱する。成長炉内に原料ガスを供給すると、原料ガスが熱により分解し、基板１０上にエピタキシャル層が成長する。原料としてｉ−ＧａＡｓを成長させる場合には、Ｇａ原料のトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ_３）_３）とＡｓ原料のアルシン（ＡｓＨ_３）を基板１０に供給する。尚、Ｇａ原料として他にトリエチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３ ）がある。Ａｓ原料として他にトリメチル砒素（Ａｓ（ＣＨ_３）_３）、ターシャリーブチルアルシン（ＴＢＡ）がある。
【００１０】
ｉ−Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ａｓを成長させる場合には、Ｇａ（ＣＨ_３）_３ 、ＡｓＨ_３ 及びＡｌ原料のトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ_３）_３）を基板に供給する。なお、Ａｌ原料として他にトリエチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３）がある。
【００１１】
ｉ−Ｉｎ_０．２０Ｇａ_０．８０Ａｓを成長させる場合には、Ｇａ（ＣＨ_３）_３ 、ＡｓＨ_３及びＩｎ原料のトリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ_３）_３）を基板に供給する。
【００１２】
ｎ−ＩｎＧａＡｓを成長させる場合には、Ｇａ（ＣＨ_３）_３ 、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３、ＡｓＨ_３ 及びｎ型ドーパントを基板に供給する。ｎ型ドーパントの元素としてはＳｉやセレン（Ｓｅ）がある。Ｓｉ原料としてはモノシラン（ＳｉＨ_４ ）、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６ ）がある。Ｓｅ原料としてはセレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）、ジエチルセレン（ＤＥＳｅ）がある。
【００１３】
また、スペーサ層に酸素か、あるいは水素をドーピングすることによりＨＥＭＴの電子移動度を高くさせるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、ＧａＡｓ基板上に順次形成されたサブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、およびエミッタ層のオーミックコンタクト抵抗を低減させるためのＳｅドープしたｎ−ＩｎＧａＡｓエミッタキャップ層からなるＨＢＴ（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が記載されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００１−１４４２８５号公報
【特許文献２】
特開２００１−２３０２６２号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術によれば、ｎ−ＩｎＧａＡｓを成長させる場合のｎ型ドーパントとして、Ｓｉ原料であるＳｉＨ_４、Ｓｉ_２Ｈ_６、或いはＳｅ原料であるＨ_２Ｓｅを使用するが、これらを使用して４×１０^１９ｃｍ^−３という高キャリア濃度を実現させようとすると、使用流量が４００ｃｍ^３／分と大量の原料を必要としてしまうという問題がある。
【００１６】
従って、本発明の目的は、従来技術で成長したものと同じように、低い値の接触抵抗をそのまま維持し、また格子不整合によって生じる表面の凹凸も同じレベルに維持しながら、４×１０^１９ｃｍ^−３という高キャリア濃度のｎ−ＩｎＧａＡｓを成長させると共に、その際のｎ型ドーパント流量を少なくし、効率的にエピタキシャル成長させるｎ−ＩｎＧａＡｓ半導体及びＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、Ｉｎ源の材料と、Ｇａ源の材料と、Ａｓ源の材料とを供給してＩｎＧａＡｓ半導体を成長させるステップと、
前記ＩｎＧａＡｓ半導体を成長させるステップ中にＤＥＳｅを供給することにより前記ＩｎＧａＡｓ半導体にＳｅをドープしてｎ−ＩｎＧａＡｓ半導体を成長させるステップを有することを特徴とするｎ−ＩｎＧａＡｓ半導体の製造方法を提供する。
【００１８】
さらに、本発明は、ＧａＡｓ系半導体基板上にＧａＡｓ系半導体層を積層してＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を形成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法において、
Ｉｎ源の材料と、Ｇａ源の材料と、Ａｓ源の材料とを供給してＩｎＧａＡｓ半導体層を成長させるステップと、
前記ＩｎＧａＡｓ半導体層を成長させるステップ中にＤＥＳｅを供給することにより前記ＩｎＧａＡｓ半導体層にＳｅをドープしてｎ−ＩｎＧａＡｓ半導体コンタクト層を、所定のＧａＡｓ系化合物半導体層上に形成するステップを有することを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法を提供する。
【００１９】
本発明のｎ−ＩｎＧａＡｓ半導体及びＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法によれば、ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層のｎ型ドーパント原料としてＤＥＳｅを用いることにより、従来技術で成長したものと比べて、接触抵抗をほとんど変化させることなく、また表面の凹凸も同じレベルで、４×１０^１９ｃｍ^−３という高キャリア濃度のｎ−ＩｎＧａＡｓを成長させるので、ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層を低抵抗にすることができると共に、その際のｎ型ドーパントＤＥＳｅ流量を大幅に低減させるので、非常に効率的にエピタキシャル成長させることができ、コストも低減することができる。
【００２０】
本発明の一実施の形態によれば、半導体装置は、ＨＥＭＴ、ＨＢＴ、ＦＥＴのいずれかであることが好ましい。
【００２１】
本発明の他の実施の形態によれば、Ｉｎ源の材料はＩｎ（ＣＨ_３）_３であり、Ｇａ源の材料はＧａ（ＣＨ_３）_３であり、Ａｓ源の材料はＡｓＨ_３であることが好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施の形態を示すＨＥＭＴの構造を示す。このＨＥＭＴは、基板１０上にバッファ層１１、チャネル層１２、スペーサ層１３、キャリア供給層１４及びコンタクト層１５ｂを順次エピタキシャル成長させたものである。ここで、バッファ層１１は基板１０の表面の残留不純物によるデバイス特性劣化を防止する層である。チャネル層１２は自由電子が流れる層であり、高純度である必要がある。スペーサ層１３はチャネル層１２の自由電子がキャリア供給層１４のｎ型不純物によるイオン散乱されるのを抑止する層である。キャリア供給層１４はｎ型不純物がドーピングされており、放出した自由電子をチャネル層１２へ供給する層である。コンタクト層１５ｂは、電極を形成するための層である。
【００２３】
コンタクト層１５ｂは、電極を形成するための層であり、低抵抗であることが重要である。コンタクト層の抵抗を下げるためには、キャリア濃度を高くしなければならない。コンタクト層としてＩｎＧａＡｓを使用すれば、４×１０^１９ｃｍ^−３という高キャリア濃度を実現することができ、電極との接触抵抗を小さくすることができる。
【００２４】
そこで、本発明は、基板１０上にバッファ層１１、チャネル層１２、スペーサ層１３、キャリア供給層１４及びコンタクト層１５ｂを順次エピタキシャル成長させてＨＥＭＴを形成する際に、Ｉｎ源の材料と、Ｇａ源の材料と、Ａｓ源の材料とを供給してＩｎＧａＡｓ半導体層を成長させ、このＩｎＧａＡｓ半導体層の成長中にＤＥＳｅを供給することによりＩｎＧａＡｓ半導体層にＳｅをドープしてｎ−ＩｎＧａＡｓ半導体コンタクト層を形成する。
【００２５】
本発明を表１に示した構造のＨＥＭＴエピタキシャルウェハに適用した場合について説明する。
【００２６】
成長時の基板温度を６５０℃とし、成長炉内の圧力を１０１３２Ｐａ（７６Ｔｏｒｒ）とし、希釈用ガスとして水素を用いた。基板にはＧａＡｓ基板を用いた。
【００２７】
ｉ−ＧａＡｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ_３）_３とＡｓＨ_３とを用いた。Ｇａ（ＣＨ_３）_３の流量は１０．５ｃｍ^３／分である。ＡｓＨ_３の流量は３１５ｃｍ^３／分である。
【００２８】
ｉ−Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ａｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ_３）_３、Ａｌ（ＣＨ_３）_３及びＡｓＨ_３を用いた。Ｇａ（ＣＨ_３）_３、Ａｌ（ＣＨ_３）_３及びＡｓＨ_３の流量はそれぞれ５．３ｃｍ^３／分、１．４３ｃｍ^３／分及び６３０ｃｍ^３／分とした。
【００２９】
ｉ−Ｉｎ_０．２０Ｇａ_０．８０Ａｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ_３）_３とＩｎ（ＣＨ_３）_３及びＡｓＨ_３を用いた。Ｇａ（ＣＨ_３）_３、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３及びＡｓＨ_３の流量はそれぞれ５．３ｃｍ^３／分、２．０９ｃｍ^３／分、及び５００ｃｍ^３／分とした。
【００３０】
ｎ−Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ａｓ層の成長には、ｉ−Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ａｓの成長に使用したＧａ（ＣＨ_３）_３、Ａｌ（ＣＨ_３）_３、ＡｓＨ_３に加えてｎ型ドーパントとしてＳｉ_２Ｈ_６を使用した。ドーパントＳｉ_２Ｈ_６の流量は、７．７８×１０^−３ｃｍ^３／分である。ドーパントＳｉ_２Ｈ_６以外の原料の流量はｉ−Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ａｓ層の場合と同じである。
【００３１】
ｎ−ＧａＡｓ層の成長には、ｉ−ＧａＡｓの成長に使用したＧａ（ＣＨ_３）_３、ＡｓＨ_３に加えてｎ型ドーパントＳｉ_２Ｈ_６を用いた。ドーパントＳｉ_２Ｈ_６の流量は１．４７×１０^−４ｃｍ^３／分である。ドーパントＳｉ_２Ｈ_６以外の原料の流量はｉ−ＧａＡｓ層の場合と同様である。
【００３２】
ｎ−Ｉｎ_{０ → ０．５０}Ｇａ_{１ → ０．５０}Ａｓ層（コンタクト層）はＩｎＡｓ混晶比が０から０．５０まで変化し、成長にはＩｎ（ＣＨ_３）_３、Ｇａ（ＣＨ_３）_３、ＡｓＨ_３に加えてｎ型ドーパントとしてＤＥＳｅを用いた。Ｉｎ（ＣＨ_３）_３、Ｇａ（ＣＨ_３）_３、ＡｓＨ_３、ＤＥＳｅの成長開始時の流量はそれぞれ０ｃｍ^３／分、５．３ｃｍ^３／分、５００ｃｍ^３／分、１．２×１０^−１ｃｍ^３／分及び３．８×１０^−３ｃｍ^３／分、また成長終了時の流量はそれぞれ８．３ｃｍ^３／分、５．３ｃｍ^３／分、５００ｃｍ^３／分、５０ｃｍ^３／分とした。
【００３３】
ｎ−Ｉｎ_０．５０Ｇａ_０．５０Ａｓ層（コンタクト層）の成長にはＩｎ（ＣＨ_３）_３、Ｇａ（ＣＨ_３）_３、ＡｓＨ_３、ＤＥＳｅを用い、それらの流量はそれぞれ８．３ｃｍ^３／分、５．３ｃｍ^３／分、５００ｃｍ^３／分、５０ｃｍ^３／分とした。
【００３４】
表２は、上記の条件で成長したＨＥＭＴのＩｎＧａＡｓコンタクト層のｎ型ドーパント原料としてＨ_２Ｓｅ（従来技術）とＤＥＳｅを用いた場合におけるｎ型ドーパント原料の使用流量（ｃｍ^３／分）、ヘイズレベル（ｐｐｍ）および接触抵抗（Ωｃｍ^２）測定結果である。ここで、ヘイズレベルおよび接触抵抗測定は、コンタクト層の表面の凹凸を調べるためのものである。ヘイズレベルというのは表面の曇りの程度を調べる目安であり、測定値が大きいほど表面が曇っていることが分かる。なお、単位はｐｐｍである。
【００３５】
【表２】

【００３６】
表２より、Ｈ_２Ｓｅ（セレン化水素）の場合、使用流量が４００ｃｍ^３／分で接触抵抗を１．０×１０^−７Ωｃｍ^２以下にすることができる。一方、ＤＥＳｅ（ジエチルセレン）をｎ型ドーパント原料として使用した場合、使用流量が５０ｃｍ^３／分で接触抵抗を１．０×１０^−７Ωｃｍ^２以下にすることができる。また、ヘイズレベルも同等である。本発明に係るｎ型ドーパント原料であるＤＥＳｅは、従来技術のＨ_２Ｓｅに比較して使用量を８分の１に低減することができ非常に効率的であり、しかも従来技術で成長したエピタキシャルウェハと比較して接触抵抗および表面の凹凸は同等である。
【００３７】
図２は、本発明の一実施の形態を示すＨＢＴ（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の典型的な構造を示す。このＨＢＴは、基板２０上にコレクタ層２１、ベース層２２、エミッタ層２３、コンタクト層２４を順次エピタキシャル成長させたものである。
【００３８】
表３は、コンタクト層としてＩｎＧａＡｓ層を含む図２に示すＨＢＴエピタキシャルウェハの断面構造例を示す。ここで、エピタキシャル層の名称の「ｎ−」や「ｐ−」はエピタキシャル層がそれぞれｎ型、ｐ型であることを表す。層の厚さの単位は「ｎｍ」（１０^−９ｍ）である。キャリア濃度の単位は「ｃｍ^−３」である。
【００３９】
【表３】

【００４０】
前述の実施の形態ではＨＥＭＴエピタキシャルウェハの場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他のエピタキシャルウェハにも適用できる。例えば表３に示すようなＨＢＴ（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのエピタキシャルウェハにも適用できる。
【００４１】
また、前述の実施の形態ではｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層のｎ型ドーパント原料としてＤＥＳｅを使用する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、コンタクト層以外のｎ−ＩｎＧａＡｓ層のｎ型ドーパント原料としてＤＥＳｅを使用することもできる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のｎ−ＩｎＧａＡｓ半導体及びＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法によれば、ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層のｎ型ドーパント原料としてＤＥＳｅを用いることにより、従来技術で成長したエピタキシャルウェハと比べて、接触抵抗および表面の凹凸を同等に維持しながら、４×１０^１９ｃｍ^−３という高キャリア濃度のｎ−ＩｎＧａＡｓを成長させるため、ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層を低抵抗にすることができると共に、従来技術のＨ_２Ｓｅに比較してＤＥＳｅ使用量を８分の１に低減するため非常に効率的にエピタキシャル成長させることができ非常に経済的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示すＨＥＭＴの概略断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態を示すＨＢＴの概略断面図である。
【図３】従来のＨＥＭＴの概略断面図である。
【符号の説明】
１０ 基板
１１ バッファ層
１２ チャネル層
１３ スペーサ層
１４ キャリア供給層
１５ａ コンタクト層
１５ｂ コンタクト層
２０ 基板
２１ コレクタ層
２２ ベース層
２３ エミッタ層
２４ コンタクト層

Claims (4)

1. Ｉｎ源の材料と、Ｇａ源の材料と、Ａｓ源の材料とを供給してＩｎＧａＡｓ半導体を成長させるステップと、
   前記ＩｎＧａＡｓ半導体を成長させるステップ中にＤＥＳｅを供給することにより前記ＩｎＧａＡｓ半導体にＳｅをドープしてｎ−ＩｎＧａＡｓ半導体を成長させるステップを有することを特徴とするｎ−ＩｎＧａＡｓ半導体の製造方法。
2. ＧａＡｓ系半導体基板上にＧａＡｓ系半導体層を積層してＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を形成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法において、
   Ｉｎ源の材料と、Ｇａ源の材料と、Ａｓ源の材料とを供給してＩｎＧａＡｓ半導体層を成長させるステップと、
   前記ＩｎＧａＡｓ半導体層を成長させるステップ中にＤＥＳｅを供給することにより前記ＩｎＧａＡｓ半導体層にＳｅをドープしてｎ−ＩｎＧａＡｓ半導体コンタクト層を、所定のＧａＡｓ系化合物半導体層上に形成するステップを有することを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法。
3. 前記半導体装置は、ＨＥＭＴ、ＨＢＴ、ＦＥＴのいずれかであることを特徴とする請求項２記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法。
4. 前記Ｉｎ源の材料はＩｎ（ＣＨ_３）_３であり、前記Ｇａ源の材料はＧａ（ＣＨ_３）_３であり、前記Ａｓ源の材料はＡｓＨ_３であることを特徴とする請求項２記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置の製造方法。

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