JP2006004972A

JP2006004972A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2006004972A
Application number: JP2004176607A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Higashiya; 雅春東谷; Takeshi Meguro; 健目黒
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2006-01-05

Abstract

【課題】メモリー効果の抑制できる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、電子供給層１４、コンタクト層１５を順次成長させた後、その基板１０を気相成長装置から取り出し、他の気相成長装置でコンタクト層１５上にノンアロイコンタクト層１６を別途成長させてメモリー効果の影響を排除するようにしたものでる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ノンアロイコンタクト層を有する半導体装置（高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等）の製造方法に関するものである。

ガリウム砒素（ＧａＡｓ）やインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）などの化合物半導体はシリコン（Ｓｉ）に比べて、電子移動度が高いという特長がある。この特長をいかして、ＧａＡｓやＩｎＧａＡｓは高速動作や高効率動作を要求されるデバイスに多く用いられている。代表例として、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）が挙げられる。ＨＥＭＴは、携帯電話送信用等マイクロ波通信の増幅器およびスイッチ用素子として広く用いられている。

ＨＥＭＴのおおまかな構造を図１に示す。

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、電子供給層１４、コンタクト層１５、ノンアロイコンタクト層１６を順次結晶成長させて作製される。

ノンアロイコンタクト層１６およびコンタクト層１５は電極を形成するための層である。電子供給層１４はｎ型不純物がドーピングされており自由電子を発生させる。チャネル層１２は発生した自由電子が流れる層である。スペーサ層１３はイオン散乱を防止する働きがある。バッファ層１１は基板１０表面の残留不純物によるデバイス特性劣化を防ぐ働きがあり、またチャネル層１２のリーク電流を抑える役目を持つ。基板１０は単結晶成長するための下地である。

ＨＥＭＴエピタキシャルウェハの構造例を表１に示した。結晶成長のことをエピタキシャルと言う。エピタキシャル層名称のｎ−，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している。ｎ⁺−はエピタキシャル層がキャリア濃度の高いｎ型であることを表している。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。

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。

エピタキシャル層を成長させる基板をサセプタと呼ばれる基板保持具にセットし、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、基板上にエピタキシャル層を成長する。

このＨＥＭＴエピタキシャルウェハは、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、ＧａＡｓからなる基板１０上にバッファ層１１として、ｉ−ＧａＡｓ（厚さ１００ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁵ｃｍ^-3以下）、ｉ−Ａｌ_0.28Ｇａ_0.72Ａｓ（厚さ１００ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下）、ｉ−ＧａＡｓ（厚さ１００ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁵ｃｍ^-3以下）、ｉ−Ａｌ_0.28Ｇａ_0.72Ａｓ（厚さ１００ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下）を順次形成し、チャネル層１２として、ｉ−Ｉｎ_0.20Ｇａ_0.80Ａｓ（厚さ２０ｎｍ）を形成し、その上にスペーサ層１３として、ｉ−Ａｌ_0.28Ｇａ_0.72Ａｓ（厚さ２ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁵ｃｍ^-3以下）、電子供給層１４として、ｎ⁺−Ａｌ_0.28Ｇａ_0.72Ａｓ（厚さ１０ｎｍ、キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3）、さらにその上にコンタクト層１５としてｎ⁺−ＧａＡｓ（厚さ１００ｎｍ、キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ノンアロイコンタクト層１６として、ｎ⁺−ＩｎＧａＡｓ（厚さ５０ｎｍ、キャリア濃度４×１０¹⁹ｃｍ^-3）を形成して作製する。

原料としてｉ−ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ原料のトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃）₃）とＡｓ原料のアルシン（ＡｓＨ₃ ）を基板に供給する。なお、Ｇａ原料として他にトリエチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃ ）がある。Ａｓ原料として他にトリメチル砒素（Ａｓ（ＣＨ₃）₃ ）、ターシャリーブチルアルシン（ＴＢＡ）がある。

ｉ−Ａl_0.28Ｇａ_0.72Ａｓを成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃ 、及びＡｌ原料のトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃）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（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃ ）がある。

ｎ⁺−ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ₃）₃ 、ＡｓＨ₃ 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）、テルル（Ｔｅ）がある。Ｓｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ₄）、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）がある。Ｓｅ原料としてはセレン化水素（Ｈ₂ Ｓｅ）がある。Ｔｅの原料としてジエチルテルル（ＤＥＴｅ）がある。

ｎ⁺−Ｉｎ_0.50Ｇａ_0.50Ａｓを成長する場合は、トリエチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃ＣＨ₂））、ＡｓＨ₃ 、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃）₃）および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Ｓｅ、Ｔｅがある。Ｓｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ₄ ）、ジシラン（Ｓｉ₂ Ｈ₆）がある。Ｓｅ原料としてはセレン化水素（Ｈ₂ Ｓｅ）がある。Ｔｅの原料としてジエチルテルル（ＤＥＴｅ）がある。

特開２０００−９１２４８号公報

表１のような構造のＨＥＭＴを作製した場合、ノンアロイコンタクト層は、ｎ型ドーパントのメモリー効果が問題となる。メモリー効果の発生により基板とエピタキシャル層との界面（以下、Ｅｐｉ／Ｓｕｂ界面という）に存在するｎ型ドーパントの影響でリーク電流が発生してしまう。

すなわち、ノンアロイコンタクト層のｎ型ドーパントは、高濃度にドーピングするためにＨ₂ Ｓｅを用いており、これが配管や反応炉内に残留し、連続成長していくと、残留Ｈ₂ Ｓｅにより、次成長時に、他のエピタキシャル層にｎ型ドーパントとして追加され電気的特性に影響を及ぼしてしまう。

本発明の目的は、メモリー効果を抑制できる半導体装置の製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、加熱された基板上にドーパント原料、III 族原料、Ｖ族原料及び希釈用ガスを供給して半導体装置を製造する方法において、最上層に形成するノンアロイコンタクト層のみ別成長させて製造するようにした半導体装置の製造方法である。

ここで製造される半導体装置とは、ノンアロイコンタクト層を有する半導体装置であり、例えば、ＨＥＭＴ等がある。

請求項２の発明は、ノンアロイコンタクト層を成長させる際に、気相成長装置から基板を取り出し、他の気相成長装置で成長させる請求項１記載の半導体装置の製造方法である。

請求項３の発明は、ノンアロイコンタクト層を成長させる際に、ダミーデポを成長させた後、ノンアロイコンタクト層を成長させる請求項１記載の半導体装置の製造方法である。

請求項４の発明は、基板上にバッファ層、チャネル層、電子供給層、コンタクト層を順次成長させた後、その基板を気相成長装置から取り出し、他の気相成長装置でコンタクト層上にノンアロイコンタクト層を別途成長するようにした半導体装置の製造方法である。

本発明では、上述した表１のようなＨＥＭＴ構造でコンタクト層まで連続成長し、その後に一旦、エピタキシャル層が成長された基板を取り出し、後でノンアロイコンタクト層のみエピタキシャル成長することによりｎ型ドーパントのメモリー効果を影響を排除し、リークを防止させるようにしたものであり、これによりリーク電流が低減される。

ノンロイコンタクト層付きのＨＥＭＴは、最表層に高濃度のｎ⁺−ＩｎＧａＡｓ層を成長する。ノンアロイコンタクト層成長後は、気相成長装置内にｎ型ドーパントが残留し、それが基板上に付着するとエピタキシャル層成長時に拡散する。これがメモリー効果となる。

そこでコンタクト層まで成長後、基板を別の気相成長装置に切り替えるか、または同じ気相成長装置においてダミーデポ後にノンアロイコンタクト層のみ成長することによりメモリー効果の低減が期待できる。

ノンアロイコンタクト層を別の気相成長装置で成長することにより、リーク電流を最小限にすることができる。また、高効率化により省エネルギーなどの効果が期待できる。

以下本発明の実施形態を添付図面により説明する。

先ず、本発明の半導体装置として、ＨＥＭＴを例に、その構造例を図１と表１により説明する。

先ず、ＨＥＭＴエピタキシャルウェハは、ＭＯＶＰＥ法により、ＧａＡｓからなる基板１０上にバッファ層１１として、ｉ−ＧａＡｓ（厚さ１００ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁵ｃｍ^-3以下）、ｉ−Ａｌ_0.28Ｇａ_0.72Ａｓ（厚さ１００ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下）、ｉ−ＧａＡｓ（厚さ１００ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁵ｃｍ^-3以下）、ｉ−Ａｌ_0.28Ｇａ_0.72Ａｓ（厚さ１００ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下）を順次形成し、チャネル層１２として、ｉ−Ｉｎ_0.20Ｇａ_0.80Ａｓ（厚さ２０ｎｍ）を形成し、その上にスペーサ層１３として、ｉ−Ａｌ_0.28Ｇａ_0.72Ａｓ（厚さ２ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁵ｃｍ^-3以下）、電子供給層１４として、ｎ⁺−Ａｌ_0.28Ｇａ_0.72Ａｓ（厚さ１０ｎｍ、キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3）、さらにその上にコンタクト層１５としてｎ⁺−ＧａＡｓ（厚さ１００ｎｍ、キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ノンアロイコンタクト層１６として、ｎ⁺−Ｉｎ_0.50Ｇａ_0.50Ａｓ（厚さ５０ｎｍ、キャリア濃度４×１０¹⁹ｃｍ^-3）を形成して作製される。

本発明においては、コンタクト層１５まで成長後、ノンアロイコンタクト層１６を形成する際に、気相成長装置からウェハを取り出して別の気相成長装置で成長させるようにしたものである。

また、同一の気相成長装置を用いて成長する場合には、ダミーデポ後にノンアロイコンタクト層１６のみを成長させるようにしたものである。

以下、本発明の実施例を説明する。

成長時の基板温度は７００℃、成長炉内圧力は７０Ｔｏｒｒ、希釈用ガスは水素である。

基板１０には、ＧａＡｓからなる基板を用いた。ｉ−ＧａＡｓ層（バッファ層１１）の成長にはＧａ（ＣＨ₃）₃とＡｓＨ₃ を用いた。Ｇａ（ＣＨ₃）₃の流量は１２．６４ｃｍ³ ／分である。ＡｓＨ₃ の流量は２５５ｃｍ³ ／分である。ｉ−Ａｌ_0.28Ｇａ_0.72Ａｓ層（バッファ層１１）の成長にはＧａ（ＣＨ₃）₃、Ａｌ（ＣＨ₃）₃及びＡｓＨ₃ を使用した。それらの流量はそれぞれ５．２３ｃｍ³ ／分、０．８１ｃｍ³ ／分及び５５４ｃｍ³ ／分である。

ｉ−Ｉｎ_0.20Ｇａ_0.80Ａｓ層（チャネル層１２）の成長にはＧａ（ＣＨ₃）₃とＩｎ（ＣＨ₃）₃およびＡｓＨ₃ を使用した。それらの流量はそれぞれ２０．５ｃｍ³ ／分、３１０ｃｍ³ ／分及び１０２０ｃｍ³ ／分である。

スペーサ層１３を構成するｉ−Ａｌ_0.28Ｇａ_0.72Ａｓは、ｉ−Ａｌ_0.28Ｇａ_0.72Ａｓ（バッファ層１１）の成長に使用したＧａ（ＣＨ₃）₃、Ａｌ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃ に加えて酸素を加えた。ドーピングする酸素の濃度は１×１０¹⁴〜１０¹⁶ｃｍ^-3の範囲とした。

電流供給層１４を構成するｎ⁺−Ａｌ_0.28Ｇａ_0.72Ａｓ層の成長には、ｉ−Ａｌ_0.28Ｇａ_0.72Ａｓ（バッファ層１１）の成長に使用したＧａ（ＣＨ₃）₃、Ａｌ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃ に加えてＳｉ₂Ｈ₆使用した。Ｓｉ₂Ｈ₆の流量は２３０ｃｍ³ ／分である。Ｓｉ₂Ｈ₆以外の流量はｉ−ＧａＡｓ層の場合と同じである。

コンタクト層１５を構成するｎ⁺−ＧａＡｓ層の成長には、ｉ−ＧａＡｓの成長に使用したＧａ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃ に加えてＳｉ₂Ｈ₆を用いた。Ｓｉ₂Ｈ₆の流量は４０８３ｃｍ³ ／分である。Ｓｉ₂Ｈ₆以外の流量はｉ−ＧａＡｓ層の場合と同じである。

ノンアロイコンタクト層１６を構成するｎ⁺−Ｉｎ_0.50Ｇａ_0.50Ａｓ層の成長には、Ｇａ（ＣＨ₃ＣＨ₂）とＩｎ（ＣＨ₃）₃およびＡｓＨ₃、Ｈ₂Ｓｅを使用した。それぞれの流量は１５０ｃｍ³ ／分、３００ｃｍ³ ／分及び１２０ｃｍ³ ／分、２００ｃｍ³ ／分である。

上記条件で成長したＨＥＭＴについてのキャリアプロファイルを図２および図３に示す。

図３はすべて同じ気相成長装置でエピタキシヤル成長したもの（比較例）、図２はノンアロイコンタクト層のみ別の気相成長装置でエピタキシャル成長したもの（本発明）である。

図３にはＥｐｉ／Ｓｕｂ界面にキャリアのピークが所々発生しているのに対し、図２においては発生していない。

ノンアロイコンタクト層１６のみ別の気相成長装置で成長すれば、すべての条件において有効であり、また同じ気相成長装置を使用して成長する場合は３００μｍ以上のダミーデポを成長後にノンアロイコンタクト層を成長すれば図２のように界面ピークが発生しない。

本発明ではノンアロイコンタクト層付きのＨＥＭＴ構造であるがＨＢＴ、ＦＥＴへも応用も期待できる。

以上、本発明は、Ｅｐｉ／Ｓｕｂ界面のｎ型ドーパントのメモリー効果を最小にすることによりリーク電流の低減ができ、このエピウェハを使用してプロセスしたデバイス製品は最小限の電力で駆動できるため省エネルギー化が期待できる。

本発明の方法で製造するＨＥＭＴの一実施の形態を示す断面図である。本発明において、ノンアロイコンタクト層のみ別の気相成長装置で成長したＨＥＭＴのキャリアプロファイルを示す図である。本発明の比較例として、すべてのエピタキシャル層が同じ気相成長装置で成長したＨＥＭＴのキャリアプロファイルを示す図である。

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電子供給層
１５コンタクト層
１６ノンアロイコンタクト層

Claims

加熱された基板上にドーパント原料、III 族原料、Ｖ族原料及び希釈用ガスを供給して半導体装置を製造する方法において、最上層に形成するノンアロイコンタクト層のみ別成長させて製造することを特徴とする半導体装置の製造方法。
ノンアロイコンタクト層を成長させる際に、気相成長装置から基板を取り出し、他の気相成長装置で成長させる請求項１記載の半導体装置の製造方法。
ノンアロイコンタクト層を成長させる際に、ダミーデポを成長させた後、ノンアロイコンタクト層を成長させる請求項１記載の半導体装置の製造方法。
基板上にバッファ層、チャネル層、電子供給層、コンタクト層を順次成長させた後、その基板を気相成長装置から取り出し、他の気相成長装置でコンタクト層上にノンアロイコンタクト層を別途成長することを特徴とする半導体装置の製造方法。