JP2009054787A - Ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エピタキシャル層中に伝播する結晶欠陥を低減させるIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法を提供する。
【解決手段】転位密度が面内平均１００００個／ｃｍ^２以下であるIII−Ｖ族半絶縁性化合物半導体ウエハ（以下、半絶縁体ウエハと言う）を形成し、その半絶縁体ウエハ上に、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、エミッタコンタクト層、ノンアロイ層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタを形成するものである。
【選択図】なし

Description

本発明は、エピタキシャル層中に伝播する結晶欠陥を低減させるIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法に関する。

III−Ｖ族化合物半導体は、Ｓｉ（シリコン）半導体に比べて電子移動度が高いという特長がある。III−Ｖ族化合物半導体は、この特長を生かして、高速動作や高効率動作を要求される電子デバイスに多く用いられている。

ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ(Hetero junction Bipolar Transistor)）は、電源が正電源だけでよく、携帯電話機の低コスト化・小型化・新モデルの開発等の要求から需要が続いており、近年では、無線ＬＡＮの増幅用パワーアンプの需要も高まっている。

ＨＢＴ用エピタキシャルウエハは、半絶縁体ウエハ上にサブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、エミッタコンタクト層、ノンアロイ層をこの順で結晶成長させたものである。結晶成長はエピタキシャル成長とも言い、これらの各層はエピタキシャル層とも言う。

半絶縁体ウエハは、単結晶を成長させるための下地である。従来、この半絶縁体ウエハは、ＬＥＣ(Liquid Encapsulated Czochralski)法により製造されている。

サブコレクタ層は、金属電極とのオーミックコンタクトを形成するキャリア濃度の大きなｎ型のＧａＡｓ層である。コレクタ層は、ベース層から電子を引き抜く働きを持つキャリア濃度の小さなｎ型のＧａＡｓ層である。ベース層は、電流を制御する働きを持つｐ型のＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓ層又はＡｌＧａＡｓ層である。エミッタ層は、電子をベース層に注入し、かつ、ベース層からの正孔の注入を抑止する働きを持つｎ型のＩｎＧａＰ層又はＡｌＧａＡｓ層である。エミッタコンタクト層は、金属電極とのオーミックコンタクトを形成するキャリア濃度の大きなｎ型のＧａＡｓ層である。ノンアロイ層は、金属電極とのオーミックコンタクトを形成するキャリア濃度の大きなｎ型のＩｎＧａＡｓ層である。

従来のＨＢＴ用エピタキシャルウエハについて、半絶縁体ウエハの特徴及び各エピタキシャル層の名称、厚さ、キャリア濃度を表１に示す。表１中のエピタキシャル層の並び順は、構造上の並び順と同じにしてある。エピタキシャル層の名称にあるｎ−は、エピタキシャル層がｎ型であることを表し、ｎ^＋−、ｎ⁻−は、それぞれキャリア濃度が大きいｎ型、キャリア濃度が小さいｎ型を表している。ｐ^＋−は、キャリア濃度が大きいｐ型を表している。厚さの単位はｎｍ（１０^−９ｍ）、キャリア濃度の単位はｃｍ^−３である。

このＨＢＴ用エピタキシャルウエハの成長方法は、以下の通りである。

エピタキシャル層を成長させる半絶縁体ウエハをサセプタにセットし、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、ウエハ上にエピタキシャル層が成長する。

ｎ^＋−ＧａＡｓ、ｎ⁻−ＧａＡｓを成長させる場合には、Ｇａ原料のＧａ（ＣＨ_３）_３（トリメチルガリウム）とＡｓ原料のＡｓＨ_３（アルシン）とｎ型ドーパントとを成長炉内に供給する。Ｇａ原料としては、他にＧａ（ＣＨ_３）_３（トリメチルガリウム）がある。Ａｓ原料としては、他にＡｓ（ＣＨ_３）_３（トリメチル砒素）、ＴＢＡ（ターシャリ−ブチルアルシン）がある。ｎ型ドーパントの元素としては、Ｓｉ（シリコン）やＳｅ（セレン）がある。Ｓｉ原料として、ＳｉＨ_４（モノシラン）、Ｓｉ_２Ｈ_６（ジシラン）がある。Ｓｅとしては、Ｈ_２Ｓｅ（セレン化水素）がある。

ｐ^＋−ＧａＡｓを成長させる場合には、成長炉内の熱環境を最適化し、Ｇａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルガリウム）、ＡｓＨ_３（アルシン）及びｐ型ドーパントを成長炉内に供給する。ｐ型ドーパントの元素としては、Ｃ（カーボン）がある。Ｃ原料としては、ＣＣｌ_３Ｂｒ（ブロモトリクロロメタン）、ＣＢｒ_４（テトラブロモメタン）がある。

ｎ−Ｉｎ_０．４９ＧａＰを成長させる場合には、Ｇａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルガリウム）と、Ｐ原料のＰＨ_３（ホスフィン）と、Ｉｎ原料のＩｎ（ＣＨ_３）_３（トリメチルインジウム）を成長炉内に供給する。Ｐ原料としては、他にＴＢＰ（ターシャリ−ブチルホスフィン）があり、Ｉｎ原料としては、他にＩｎ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルインジウム）がある。

ｎ^＋−Ｉｎ_０．５０ＧａＡｓを成長させる場合には、ｎ型ドーパントであるＳｅ（セレン）を高濃度にドーピングさせるため、成長炉内の熱環境を最適化し、Ｇａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルガリウム）、ＡｓＨ_３（アルシン）及びＨ_２Ｓｅ（セレン化水素）を成長炉内に供給する。

特開２００６−２１６６６７号公報

トランジスタ特性の高効率化を図るため、従来技術を用い、表１に示したＨＢＴ用エピタキシャルウエハについて、ＨＢＴの電気的特性である電流利得βを向上させるためには、ベース層中やエミッタ層中、あるいはベース層エミッタ層界面における電子−正孔の再結合を防ぐことが必要となる。そのためには、ベース層中やエミッタ層中の結晶欠陥を低減することや、下地となる半絶縁体ウエハ、エピタキシャル層からの結晶欠陥の伝播を防ぐことが必要となる。

ベース層中やエミッタ層中の結晶欠陥については、エピタキシャル成長条件を最適化しなければならないが、下地となる半絶縁体ウエハの結晶欠陥が多いと、その結晶欠陥を伝播させながらエピタキシャル成長をさせることになる。これでは、ベース層中やエミッタ層中の結晶欠陥が多くなって、ベース層中やエミッタ層中、あるいはベース層エミッタ層界面における電子−正孔の再結合が増加してしまい、電流利得βが低下する。

下地となる半絶縁体ウエハは、ＬＥＣ法により製造されているが、この方法は高圧容器内で単結晶を成長させる方法であるため、結晶中の転位密度は高くなってしまう。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、エピタキシャル層中に伝播する結晶欠陥を低減させるIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、転位密度が面内平均１００００個／ｃｍ^２以下であるIII−Ｖ族半絶縁性化合物半導体ウエハ（以下、半絶縁体ウエハと言う）を形成し、その半絶縁体ウエハ上に、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、エミッタコンタクト層、ノンアロイ層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタを形成するものである。

上記半絶縁性ウエハのＶ族原料として、ＡｓＨ_３（アルシン）、Ａｓ（ＣＨ_３）_３（トリメチル砒素）、ＴＢＡ（ターシャリ−ブチルアルシン）、ＰＨ_３（ホスフィン）、又はＴＢＰ（ターシャリ−ブチルホスフィン）を用いてもよい。

上記半絶縁性ウエハのIII族原料として、Ａｌ（ＣＨ_３）_３（トリメチルアルミニウム）、Ｇａ（ＣＨ_３）_３（トリメチルガリウム）、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３（トリメチルインジウム）、Ａｌ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルアルミニウム）、Ｇａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルガリウム）、又はＩｎ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルインジウム）を用いてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）エピタキシャル層中に伝播する結晶欠陥を低減させることができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本発明に係るIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法は、転位密度が面内平均１００００個／ｃｍ^２以下であるIII−Ｖ族半絶縁性化合物半導体ウエハ（以下、半絶縁体ウエハと言う）を形成し、その半絶縁体ウエハ上に、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、エミッタコンタクト層、ノンアロイ層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタ（以下、ＨＢＴと言う）を形成するものである。前述したように、半絶縁体ウエハ上に、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、エミッタコンタクト層、ノンアロイ層を形成したものがＨＢＴ用エピタキシャルウエハであり、このＨＢＴ用エピタキシャルウエハからＨＢＴを製造することができる。

上記の各エピタキシャル層はＭＯＶＰＥ法で成長させるとよい。

転位密度が面内平均１００００個／ｃｍ^２以下である半絶縁性ウエハを形成するためには、ＶＢ(Vertical Bridgman)法で半絶縁性ウエハを製造するのがよい。ＶＢ法は、原料を収めたボートの移動方向に対して温度分布を与えて、ボートを移動させながら結晶成長をさせる方法であるため、精密な温度制御が可能であり、転位密度を少なくすることができる。

このようにＶＢ法で製造された転位密度が少ない半絶縁性ウエハを下地とすることにより、エピタキシャル層中に伝播する結晶欠陥を低減させることができる。これにより、ベース層中やエミッタ層中、あるいはベース層エミッタ層界面における電子−正孔の再結合を防ぐことができ、ＨＢＴの電気的特性である電流利得βを向上させることができる。

また、エピタキシャル層中の結晶欠陥が少なくなったことで、ＨＢＴの長期信頼性が向上する。

なお、本発明は、ＨＢＴを製造する際のIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法に関するものであるが、ＨＢＴと同様の電子デバイスであるＦＥＴ(Field Effect Transistor)、ＨＥＭＴ(High Electron Mobility Transistor)を製造する際の同様の半導体の製造方法に対しても本発明を適用することが可能である。

本発明によるＨＢＴ用エピタキシャルウエハについて、半絶縁体ウエハの特徴及び各エピタキシャル層の名称、厚さ、キャリア濃度を表２に示す。表記形式は表１に準じる。

このＨＢＴ用エピタキシャルウエハの成長方法は、以下の通りである。

成長炉内圧力は１０ｋＰａ、希釈用ガスは水素である。半絶縁性ウエハには、ＶＢ法で成長された半絶縁性ＧａＡｓウエハを用いる。この半絶縁性ウエハの転位密度は面内平均で約４０００個／ｃｍ^２である。

サブコレクタ層であるｎ^＋−ＧａＡｓ層の成長には、Ｇａ（ＣＨ_３）_３（トリメチルガリウム）、ＡｓＨ_３（アルシン）、Ｓｉ_２Ｈ_６（ジシラン）を原料ガスとして成長炉内に供給する。Ｇａ（ＣＨ_３）_３（トリメチルガリウム）の流量は、２００ｃｃ／分である。ＡｓＨ_３（アルシン）の流量は、６００ｃｃ／分である。Ｓｉ_２Ｈ_６（ジシラン）の流量は、２００ｃｃ／分である。

コレクタ層であるｎ⁻−ＧａＡｓ層の成長には、Ｇａ（ＣＨ_３）_３（トリメチルガリウム）、ＡｓＨ_３（アルシン）、Ｓｉ_２Ｈ_６（ジシラン）を原料ガスとして成長炉内に供給する。Ｇａ（ＣＨ_３）_３（トリメチルガリウム）の流量は、２００ｃｃ／分である。ＡｓＨ_３（アルシン）の流量は、６００ｃｃ／分である。Ｓｉ_２Ｈ_６（ジシラン）の流量は、１０ｃｃ／分である。

ベース層であるｐ^＋−ＧａＡｓ層の成長には、Ｇａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルガリウム）、ＡｓＨ_３（アルシン）、ＣＢｒ_４（テトラブロモメタン）を原料ガスとして成長炉内に供給する。Ｇａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルガリウム）の流量は、５００ｃｃ／分である。ＡｓＨ_３（アルシン）の流量は、１０ｃｃ／分である。ＣＢｒ_４（テトラブロモメタン）の流量は、２５ｃｃ／分である。

エミッタ層であるｎ−Ｉｎ_０．４９ＧａＰ層の成長には、Ｇａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルガリウム）、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３（トリメチルインジウム）、ＰＨ_３（ホスフィン）、Ｓｉ_２Ｈ_６（ジシラン）を原料ガスとして成長炉内に供給する。Ｇａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルガリウム）の流量は、１５０ｃｃ／分である。Ｉｎ（ＣＨ_３）_３（トリメチルインジウム）の流量は、２５０ｃｃ／分である。ＰＨ_３（ホスフィン）の流量は、８００ｃｃ／分である。Ｓｉ_２Ｈ_６（ジシラン）の流量は、５０ｃｃ／分である。なお、従来技術（表１）においても、エミッタ層であるｎ−Ｉｎ_０．４９ＧａＰ層の成長にジシランを使用する。

エミッタコンタクト層であるｎ^＋−ＧａＡｓ層の成長には、Ｇａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルガリウム）、ＡｓＨ_３（アルシン）、Ｓｉ_２Ｈ_６（ジシラン）を原料ガスとして成長炉内に供給する。Ｇａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルガリウム）の流量は、５００ｃｃ／分である。ＡｓＨ^３（アルシン）の流量は、５０ｃｃ／分である。Ｓｉ_２Ｈ_６（ジシラン）の流量は、１００ｃｃ／分である。

ノンアロイ層であるｎ^＋−Ｉｎ_{０→０．５０}ＧａＡｓ（ｇｒａｄｅｄ）層の成長には、Ｇａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルガリウム）、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３（トリメチルインジウム）、ＡｓＨ_３（アルシン）、Ｈ_２Ｓｅ（セレン化水素）を原料ガスとして成長炉内に供給する。Ｇａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルガリウム）の流量は、４００ｃｃ／分から２００ｃｃ／分へグレーデッド（傾斜状）に変化させる。Ｉｎ（ＣＨ_３）_３（トリメチルインジウム）の流量は、２０ｃｃ／分から４００ｃｃ／分へグレーデッドに変化させる。ＡｓＨ_３（アルシン）の流量は、２００ｃｃ／分である。Ｈ_２Ｓｅ（セレン化水素）の流量は、１０ｃｃ／分から２００ｃｃ／分へグレーデッドに変化させる。

ノンアロイ層であるｎ^＋−Ｉｎ_０．５０ＧａＡｓ（ｇｒａｎｄｅｄ）層の成長には、Ｇａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルガリウム）、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３（トリメチルインジウム）、ＡｓＨ_３（アルシン）、Ｈ_２Ｓｅ（セレン化水素）を原料ガスとして成長炉内に供給する。Ｇａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルガリウム）の流量は、２００ｃｃ／分である。Ｉｎ（ＣＨ_３）_３（トリメチルインジウム）の流量は、４００ｃｃ／分である。ＡｓＨ_３（アルシン）の流量は、２００ｃｃ／分である。Ｈ_２Ｓｅ（セレン化水素）の流量は、２００ｃｃ／分である。

このように作製した実施例のＨＢＴ用エピタキシャルウエハを用い、プロセスによりエミッタサイズ７５μｍ角のＨＢＴを作製し、ＨＢＴとしての電気的特性の評価を行った。また、従来技術のＨＢＴ用エピタキシャルウエハも半絶縁性ウエハがＬＥＣ法で成長される他は同条件で作製し、同様のＨＢＴを作製し、同様の評価を行った。

表３に、本発明の実施例と従来技術のＨＢＴにおける電流利得β（Ｉｃ＝１ｋＡ／ｃｍ^２、Ｒｂ＝２５０Ω／ｓｑ）の評価結果を示す。Ω／ｓｑは、ウエハのシート抵抗の単位である。Ｉｃはコレクタ電流、Ｒｂはベース抵抗である。

表３に示されるように、転位密度が面内平均１００００個／ｃｍ^２以下と少ないＶＢ法により成長された半絶縁性ウエハを用いた本発明では、同じエピタキシャル層成長条件下においても、ＬＥＣ法により成長された半絶縁性ウエハを用いた従来技術より電流利得βが１割ほど向上している。このように電流利得βが向上することは、トランジスタ特性の高効率化につながる。トランジスタ特性の高効率化とは、増幅率が向上し、小さな電流を大きな電流にできると共に、高出力化が可能になるということである。

Claims (3)

1. 転位密度が面内平均１００００個／ｃｍ^２以下であるIII−Ｖ族半絶縁性化合物半導体ウエハ（以下、半絶縁体ウエハと言う）を形成し、その半絶縁体ウエハ上に、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、エミッタコンタクト層、ノンアロイ層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタを形成することを特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法。
2. 上記半絶縁性ウエハのＶ族原料として、ＡｓＨ_３（アルシン）、Ａｓ（ＣＨ_３）_３（トリメチル砒素）、ＴＢＡ（ターシャリ−ブチルアルシン）、ＰＨ_３（ホスフィン）、又はＴＢＰ（ターシャリ−ブチルホスフィン）を用いることを特徴とする請求項１記載のIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法。
3. 上記半絶縁性ウエハのIII族原料として、Ａｌ（ＣＨ_３）_３（トリメチルアルミニウム）、Ｇａ（ＣＨ_３）_３（トリメチルガリウム）、Ｉｎ（ＣＨ_３）_３（トリメチルインジウム）、Ａｌ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルアルミニウム）、Ｇａ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルガリウム）、又はＩｎ（ＣＨ_３ＣＨ_２）_３（トリエチルインジウム）を用いることを特徴とする請求項１又は２記載のIII−Ｖ族化合物半導体の製造方法。