JP2015023207A - 化合物半導体エピタキシャルウエハ及び半導体トランジスタ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】エッチングストッパー層の形成による歪みが抑制される化合物半導体エピタキシャルウエハ及び半導体トランジスタ素子を提供する。
【解決手段】基板上に、バッファ層と、下部電子供給層と、電子走行層と、上部電子供給層と、ショットキー層と、エッチングストッパー層と、キャップ層とを積層したＨＥＭＴ構造を有する化合物半導体エピタキシャルウエハであって、エッチングストッパー層は、ＩｎＧａＰからなり、Ｉｎ組成が０．４９以上０．６５以下の化合物半導体エピタキシャルウエハである。
【選択図】図１

Description

本発明は、化合物半導体エピタキシャルウエハ及び半導体トランジスタ素子に関するものである。

ＧａＡｓを中心とする化合物半導体を用いた半導体トランジスタ素子には、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ：Hetero Bipolar Transistor）や高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）などがある。ＨＢＴは、高電力密度を特徴とし、高集積化が容易であるので、電力増幅器や高速論理回路等に用いられる。ＨＥＭＴは、例えば特許文献１に開示されるように、低雑音動作、低電圧動作を特徴とし、受信用低雑音増幅器や高周波スイッチ等に用いられる。

ＨＢＴ及びＨＥＭＴのそれぞれの特徴を活かすため、例えば半導体トランジスタ素子内にＨＢＴおよびＨＥＭＴの両方を形成し、無線通信機器等に用いて更に高性能化を図ることが期待されている。

素子内にＨＢＴおよびＨＥＭＴの両方を形成するには、例えばＧａＡｓ等の基板上にＨＥＭＴを形成し、さらにＨＥＭＴ上にＨＢＴを形成することで、a Merged HBT-FETとする方法が考えられる。ＨＥＭＴおよびＨＢＴを積層した後に、上部に位置するＨＢＴの一部の領域をエッチング等により除去して下部に位置するＨＥＭＴを露出させれば、電極構造などを形成することができる。

ところで、上記ＨＥＭＴは、ＨＥＭＴ構造を有する化合物半導体エピタキシャルウエハを用いて作製される。また上記a Merged HBT-FETは、ＨＥＭＴ構造上にＨＢＴ構造が積層した化合物半導体エピタキシャルウエハを用いて作製される。

ＨＥＭＴ構造を有する化合物半導体エピタキシャルウエハは、例えば、半絶縁性のＧａＡｓ基板上にＨＥＭＴ構造を結晶成長させることで形成される。ＨＥＭＴ構造は、例えば、ＧａＡｓ基板側から順に、ｉ型ＡｌＧａＡｓからなる下部バッファ層と、Ａｌ組成の異なるｉ型ＡｌＧａＡｓからなる上部バッファ層と、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなる下部電子供給層と、ｉ型ＩｎＧａＡｓからなる電子走行層と、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなる上部電子供給層と、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなるショットキー層と、ｎ型ＧａＡｓからなるキャップ層と、を有する。

この化合物半導体エピタキシャルウエハからＨＥＭＴを作製する場合、ウェットエッチングによりキャップ層の一部を除去してショットキー層を露出させることで所定のパターンを形成する。その後、露出したショットキー層上に電極を形成することでＨＥＭＴを得る。このようにＨＥＭＴを作製する場合、キャップ層のみをエッチングにより除去し、ショットキー層を露出させる。

ただし、ショットキー層とキャップ層とが共にＡｌＧａＡｓからなるような場合、キャップ層をエッチングにより除去した際にショットキー層も同時にエッチングされるおそれがある。エッチングによりショットキー層の表面までが浸食されると、ショットキー層の表面に形成される電極の接合が不十分となり、作製されるＨＥＭＴの特性が低下してしまう。つまり、エッチングの際には、キャップ層をエッチングにより除去する一方で、ショットキー層の表面をエッチングせずに露出させることが重要となる。

そこで、エッチングによりキャップ層を除去する際にショットキー層までが浸食されないようにするため、化合物半導体エピタキシャルウエハでは、ショットキー層とキャップ層との間にエッチングストッパー層が設けられるようになっている。エッチングストッパー層はＩｎＧａＰからなっており、ショットキー層やキャップ層の材料（ＡｌＧａＡｓ）とは異なる材料からなっている。ＡｌＧａＡｓはリン酸系またはアンモニア系のエッチング液により浸食されるが、ＩｎＧａＰはこれらのエッチング液では浸食されにくく、塩酸系のエッチング液により浸食される。またＡｌＧａＡｓは、ＩｎＧａＰを浸食する塩酸系のエッチング液では浸食されにくい。

エッチングストッパー層によれば、以下に示すようにショットキー層の浸食が防止される。化合物半導体エピタキシャルウエハでは、表面側からキャップ層、エッチングストッパー層、ショットキー層の順に構成されている。まず、リン酸系のエッチング液により表面側のキャップ層を除去する。キャップ層が除去されてエッチングストッパー層が露出することになるが、エッチングストッパー層はリン酸系のエッチング液ではエッチングされない。そこで、エッチングストッパー層を除去するためエッチング液を変更し、塩酸系のエッチング液を用いる。これにより、エッチングストッパー層を除去し、ショットキー層を露出させる。このとき、ショットキー層は塩酸系のエッチング液ではエッチングされないため、ショットキー層の表面は浸食されない。このようにエッチングストッパー層を介在させてエッチングの選択性を利用することで、キャップ層をエッチングにより除去するものの、ショットキー層の表面をエッチングせずに露出させることができる。

エッチングストッパー層を形成する場合、ショットキー層やキャップ層と格子整合するようにＩｎＧａＰにおけるＩｎ組成を例えば０．４８５程度とする。またエッチングストッパー層の厚さを数ｎｍとする。

なお、エッチングストッパー層は上述のＨＥＭＴ構造だけでなく、a Merged HBT-FET構造においても設けられる。a Merged HBT-FET構造ではＨＥＭＴ構造上にＨＢＴ構造が形成されるが、エッチングストッパー層は、そのＨＥＭＴ構造内だけでなく、ＨＥＭＴ構造とＨＢＴ構造との間に介在するように設けられる場合がある。

特開２００６−２６１３４４号公報

しかしながら、エッチングストッパー層が形成された化合物半導体エピタキシャルウエハでは、ＨＥＭＴやa Merged HBT-FETを作製した際、それらの電子移動度が低く、特性が低いという問題があった。本発明者の検討によれば、化合物半導体エピタキシャルウエハでは、エッチングストッパー層が形成されることで歪みが生じ、その歪みのためにＨＥＭＴなどでは電子移動度が低下することが分かった。歪みは、エッチングストッパー層を構成するＩｎＧａＰがショットキー層などを構成するＡｌＧａＡｓよりも線膨張係数が小さいことに起因して生じる。具体的には、これらの層を結晶成長させる際、線膨張係数が小さいＩｎＧａＰからなるエッチングストッパー層は引張応力を受ける一方、線膨張係数が大きいＡｌＧａＡｓからなるショットキー層やキャップ層は圧縮応力を受ける。これらの応力により、化合物半導体エピタキシャルウエハでは、歪みが生じることになる。

そこで、本発明は、エッチングストッパー層の形成による歪みが抑制される化合物半導体エピタキシャルウエハ及び半導体トランジスタ素子を提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成するため、エッチングストッパー層の形成により生じる応力を低減する方法について検討を行った。その結果、エッチングストッパー層を構成するＩｎＧａＰにおけるＩｎ組成を従来（０．４８５）よりも大きくして０．４９以上０．６５以下とするとよいとの知見を得た。Ｉｎ組成を所定の範囲とすることで、エッチングストッパー層を構成するＩｎＧａＰの格子定数を、ショットキー層などを構成するＡｌＧａＡｓよりも大きくし、エッチングストッパー層を形成する際に生じる歪みを抑制することができる。本発明は、以上の知見に基づいて成されたものでる。

本発明の第１の態様によれば、
基板上に、バッファ層と、下部電子供給層と、電子走行層と、上部電子供給層と、ショットキー層と、エッチングストッパー層と、キャップ層とを積層したＨＥＭＴ構造を有する化合物半導体エピタキシャルウエハであって、前記エッチングストッパー層は、ＩｎＧａＰからなり、Ｉｎ組成が０．４９以上０．６５以下である化合物半導体エピタキシャルウエハが提供される。

本発明の第２の態様によれば、
前記ＨＥＭＴ構造上にＨＢＴ構造を積層させた構造を有する、第１の態様の化合物半導体エピタキシャルウエハが提供される。

本発明の第３の態様によれば、
第１の態様又は第２の態様の化合物半導体エピタキシャルウエハから形成される半導体トランジスタ素子が提供される。

本発明によれば、エッチングストッパー層の形成による歪みが抑制される化合物半導体エピタキシャルウエハが得られる。

本発明の一実施形態に係る化合物半導体エピタキシャルウエハの断面図である。 化合物半導体エピタキシャルウエハを結晶成長させる際の成長温度のシーケンスを示す図である。 実施例における電子移動度の評価に用いた化合物半導体エピタキシャルウエハの断面図である。 エッチングストッパー層の有無による電子移動度の相関を示す図である。 エッチングストッパー層におけるＩｎ組成と電子移動度との相関を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る化合物半導体エピタキシャルウエハの構造について図１を参照しながら説明をする。図１は、本発明の一実施形態に係る化合物半導体エピタキシャルウエハの断面図である。

図１に示すように、本実施形態の化合物半導体エピタキシャルウエハ１は、基板１０上にＨＥＭＴ構造２０を有する。ＨＥＭＴ構造２０は、下部バッファ層２１と、上部バッファ層２２と、下部電子供給層２３と、電子走行層（チャネル層）２４と、上部電子供給層２５と、ショットキー層２６と、エッチングストッパー層２７と、キャップ層２８とを積層した構造を有する。エッチングストッパー層２７はＩｎＧａＰからなり、Ｉｎ組成が０．４９以上０．６５以下となっている。これにより、ＩｎＧａＰからなるエッチングストッパー層２７では、ＡｌＧａＡｓからなるショットキー層２６およびキャップ層２８よりも格子定数が大きいため、これらの間に生じる応力が低減され、歪みが抑制されることになる。

基板１０は、結晶成長させるための下地基板であり、例えばＧａＡｓ基板を用いることができる。

下部バッファ層２１及び上部バッファ層２２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と、電子走行層２４のリーク電流を抑える働きを持った層である。下部バッファ層２１としては例えばアンドープのｉ型Ａｌ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ａｓ層（ただし、０＜Ｘ＜１）を用いることができ、上部バッファ層２２としては例えば下部バッファ層２１よりもＡｌ組成が小さいアンドープのｉ型Ａｌ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ａｓ層（ただし、０＜Ｘ＜１）を用いることができる。

下部電子供給層２３及び上部電子供給層２５は、自由電子を発生し、電子走行層２４へ自由電子を供給するための層である。下部電子供給層２３及び上部電子供給層２５は、例えばｎ型不純物を含有するＡｌ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ａｓ層（ただし、０＜Ｘ＜１）を用いることができる。下部電子供給層２３の厚さが大きいと、下部電子供給層２３がリークパス（リーク電流の経路）となって、リーク電流の増大に繋がるおそれがある。このため、下部電子供給層２３の厚さは３ｎｍ以上６ｎｍ以下であるとよく、所望の電子供給量を確保するため、上部電子供給層２５の厚さは大きいことが好ましく、例えば１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下であるとよい。

電子走行層２４は、下部電子供給層２３及び上部電子供給層２５から供給される自由電子が流れる層である。電子走行層２４としては、例えばアンドープのｉ型Ｉｎ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ａｓ層（ただし、０＜Ｘ＜１）を用いることができる。電子走行層２４の厚さは例えば１０ｎｍ程度であればよい。

ショットキー層２６は、ショットキー接合を形成するための層である。ショットキー層２６としては、例えばアンドープのＡｌ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ａｓ層、又は低濃度ｎ型Ａｌ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ａｓ層（但し、０＜Ｘ＜１）を用いることができる。ショットキー層２６の厚さは数十ｎｍ程度であればよい。

エッチングストッパー層２７は、所定パターンの形成の際にショットキー層２６がエッチングされないように防止する層である。エッチングストッパー層２７は、ＩｎＧａＰからなり、Ｉｎ組成が０．４９以上０．６５以下である。Ｉｎ組成が０．４９よりも低いと、エッチングストッパー層２７を形成した際に生じる応力が大きく、歪みが生じる。一方、０．６５よりも高いと、エッチングストッパー層２７の臨界膜厚を超えてしまい、歪みが生じてしまう。エッチングストッパー層２７の厚さは、特に限定されないが、Ｉｎ組成を高くする観点からは薄いことが好ましく、例えば５ｎｍ程度であるとよい。

キャップ層２８は電極を形成するための層である。キャップ層２８としては、例えばアンドープのＡｌ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ａｓ層、又は低濃度ｎ型Ａｌ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ａｓ層（但し、０＜Ｘ＜１）を用いることができる。キャップ層２８の厚さは数十ｎｍ程度であればよい。

本実施形態の化合物半導体エピタキシャルウエハ１によれば、ＩｎＧａＰからなるエッチングストッパー層２７がショットキー層２６とキャップ層２８との間に形成されている。上述したように、これらの層間では、線膨張係数の相違に起因して応力が生じ、歪みが生じるおそれがある。しかしながら、本実施形態では、エッチングストッパー層２７のＩｎ組成を所定の範囲としている。所定のＩｎ組成を有することでエッチングストッパー層２７の格子定数が向上しており、ショットキー層２６やキャップ層２８との格子定数の差が低減されている。これにより、生じる応力が低減され、化合物半導体エピタキシャルウエハ１内での歪みが低減されることになる。

この化合物半導体エピタキシャルウエハ１により作製された半導体トランジスタ（例えばＨＥＭＴ）によれば、歪みが少ないため、従来よりも高い電子移動度を有する。後述する実施例に示すように、Ｉｎ組成が０．４８５であるエッチングストッパー層を有するＨＥＭＴでは、エッチングストッパー層がないＨＥＭＴに対して、電子移動度が４．５％低下することとなっていたが、本実施形態のＩｎ組成が０．４９〜０．６５であるエッチングストッパー層２７を有するＨＥＭＴでは、図４に示すように、電子移動度の低下が２％以下に抑制される。つまり、エッチングストッパー層２７のＩｎ組成を大きくすることで、化合物半導体エピタキシャルウエハ１に生じる応力を低減し、歪みを抑制できる。

ここで、エッチングストッパー層２７におけるＩｎ組成と作製されるＨＥＭＴの電子移動度との相関について図５を用いて具体的に説明をする。図５は、エッチングストッパー層におけるＩｎ組成と電子移動度との相関を示す図である。図５に示すように、Ｉｎ組成が０．４９未満の場合もしくは０．６５を超える場合では、電子移動度は５８００［ｃｍ^２／Ｖ・ｓ］よりも低かったが、０．４９〜０．６５の範囲では、電子移動度が５８００［ｃｍ^２／Ｖ・ｓ］以上であり、エッチングストッパー層２７を形成したことによる電子移動度の低下が小さく抑制されていることが分かる。したがって、エッチングストッパー層２７においてＩｎ組成を所定の範囲とすることによって、ＨＥＭＴの電子移動度の低下を抑制することができる。

次に、上述の化合物半導体エピタキシャルウエハ１の製造方法について説明をする。

化合物半導体エピタキシャルウエハ１が有するＨＥＭＴ構造２０は、例えばＭＯＶＰＥ法を用い、基板１０上に下部バッファ層２１からキャップ層２８までを結晶成長させて得られる。

具体的には、ＭＯＶＰＥ装置内に基板１０を搬入して設置し、成長圧力、成長温度を所定値に保った状態で、有機金属ガス等の原料ガスを所定流量供給して行う。ガリウム（Ｇａ）源、アルミニウム（Ａｌ）源、インジウム（Ｉｎ）源となる有機金属ガスには、それぞれ、例えばトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ_３）_３）、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ_３）_３）、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ_３）_３）等を使用する。ヒ素（Ａｓ）源、リン（Ｐ）源としては、それぞれ、例えばアルシン（ＡｓＨ_３）、ホスフィン（ＰＨ_３）等の水素化物ガスを使用する。このとき、Ｇａ（ＣＨ_３）_３やＡｌ（ＣＨ_３）_３等のIII族原料ガスのモル数を分母とし、ＡｓＨ_３やＰＨ_３等のＶ族原料ガスのモル数を分子とする比率、すなわち、Ｖ／III比を、所定値とする。

また、各層の導電型を決定する導電型決定不純物の添加は、例えば所定の添加ガスを原料ガスに添加することにより行う。ｎ型の導電型決定不純物としては、例えばセレン（Ｓｅ）やシリコン（Ｓｉ）等があり、それぞれ、例えばセレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）やジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）等の添加ガスを使用する。ｐ型の導電型決定不純物としては、例えば亜鉛（Ｚｎ）等があり、例えばジメチルジンク（Ｚｎ（ＣＨ_３）_２）等の添加ガスを使用する。

なお、上述の実施形態では、ＨＥＭＴ構造２０を有する化合物半導体エピタキシャルウエハ１の場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ＨＥＭＴ構造２０上に別のエッチングストッパー層を介してＨＢＴ構造を積層したa Merged HBT-FET構造を有する場合であっても、同様の効果を得られる。

また、上述の実施形態では、ＨＥＭＴ構造２０中に、エッチングストッパー層２７を１つ含む場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、複数のエッチングストッパー層を形成してもよい。この場合、少なくとも１つのエッチングストッパー層におけるＩｎ組成を所定の範囲とすればよい。また、この場合、Ｉｎ組成が異なってもよい。また、Ｉｎ組成はエッチングストッパー層の深さ方向に均一であってもよく、徐々に又は段階的に変動してもよい。

次に、本発明の実施例を説明する。

本実施例では、エッチングストッパー層のＩｎ組成を適宜変更し、図１に示す化合物半導体エピタキシャルウエハ１を製造した。具体的には、半絶縁性のＧａＡｓ基板１０上に、ＭＯＶＰＥ法によりＨＥＭＴ構造２０を結晶成長させた。具体的には、下部バッファ層２１としてのｉ型Ａｌ_０．２８ＧａＡｓ層（厚さ５００ｎｍ、キャリア濃度１×１０^１６［／ｃｍ^３］）、上部バッファ層２２としてのｉ型Ａｌ_０．２３ＧａＡｓ層（厚さ５０ｎｍ、キャリア濃度１×１０^１６［／ｃｍ^３］）、下部電子供給層２３としてのｎ型Ａｌ_０．２３ＧａＡｓ層（厚さ５ｎｍ、キャリア濃度３×１０^１８［／ｃｍ^３］）、電子走行層２４としてのｉ型Ｉｎ_０．１５ＧａＡｓ層（厚さ１０ｎｍ、キャリア濃度１×１０^１５［／ｃｍ^３］）、上部電子供給層２５としてのｎ型Ａｌ_０．２３ＧａＡｓ層（厚さ１０ｎｍ、キャリア濃度３×１０^１８［／ｃｍ^３］）、ショットキー層２６としてのｎ型Ａｌ_０．２３ＧａＡｓ層（厚さ３０ｎｍ、キャリア濃度３×１０^１７［／ｃｍ^３］）、エッチングストッパー層２７としてのｎ型Ｉｎ_ＸＧａ_{（１−Ｘ）}Ｐ層（厚さ５ｎｍ、キャリア濃度３×１０^１７［／ｃｍ^３］）、キャップ層２８としてのｎ型ＧａＡｓ層（厚さ１００ｎｍ、キャリア濃度３×１０^１８［／ｃｍ^３］）を順次成長させ、化合物半導体エピタキシャルウエハ１を製造した。
そして、製造された化合物半導体エピタキシャルウエハ１にリン酸系のエッチングを行ってキャップ層を除去した後、さらに希塩酸でエッチングを行ってエッチングストッパー層を除去することで、評価用のエピタキシャルウエハ（Ａ）を製造した。

本実施例では、ＩｎＧａＰからなるエッチングストッパー層のＩｎ組成Ｘを、０．４５，０．４７，０．４８５，０．４９，０．５，０．５５，０．６，０．６５，０．７にそれぞれ変更した。

なお、ＨＥＭＴ構造の結晶成長は、図２に示す温度シーケンスにより行った。具体的には、下部バッファ層２１からショットキー層２６までを基板温度６００℃で、エッチングストッパー層２７を５８０℃で、キャップ層２８を６００℃でそれぞれ結晶成長した。なお、エッチングストッパー層２７の結晶成長の前後で温度変更インターバルを変更した。

また、本実施例では、上記評価用のエピタキシャルウエハ（Ａ）と同様の成長条件で基板上に下部バッファ層２１´からショットキー層２６´までを結晶成長させて、図３に示す評価用のエピタキシャルウエハ（Ｂ）を製造した。なお、評価用のエピタキシャルウエハ（Ａ）は、ＩｎＧａＰからなるエッチングストッパー層におけるＩｎ組成の依存性を評価するためのものであり、評価用のエピタキシャルウエハ（Ｂ）は、参照するためのものある。

製造された評価用のエピタキシャルウエハ（Ａ）及びエピタキシャルウエハ（Ｂ）のそれぞれに電極を形成する等のプロセスを行って、ＨＥＭＴ（半導体トランジスタ素子）としての特性を評価した。具体的には、Ｈａｌｌ測定を行い、その電子移動度を測定した。

エッチングストッパー層２７のＩｎ組成と電子移動度との相関を図５に示す。図５に示すように、Ｉｎ組成が０．４９未満の場合もしくは０．６５を超える場合では、電子移動度が５８００［ｃｍ^２／Ｖ・ｓ］よりも低く、歪みによる電子移動度の低下が大きいことが確認された。一方、Ｉｎ組成が０．４９以上０．６５以下の範囲では、電子移動度が５８００［ｃｍ^２／Ｖ・ｓ］以上であり、エッチングストッパー層の形成による電子移動度の低下が小さく抑制されていることが確認された。

１ 化合物半導体エピタキシャルウエハ
１０ 基板
２０ ＨＥＭＴ構造
２１ 下部バッファ層
２２ 上部バッファ層
２３ 下部電子供給層
２４ 電子走行層
２５ 上部電子供給層
２６ ショットキー層
２７ エッチングストッパー層
２８ キャップ層

Claims (3)

1. 基板上に、バッファ層と、下部電子供給層と、電子走行層と、上部電子供給層と、ショットキー層と、エッチングストッパー層と、キャップ層とを積層したＨＥＭＴ構造を有する化合物半導体エピタキシャルウエハであって、
   前記エッチングストッパー層は、ＩｎＧａＰからなり、Ｉｎ組成が０．４９以上０．６５以下である
   ことを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウエハ。
2. 前記ＨＥＭＴ構造上にＨＢＴ構造を積層させた構造を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体エピタキシャルウエハ。
3. 請求項１又は２に記載の化合物半導体エピタキシャルウエハから形成される
   ことを特徴とする半導体トランジスタ素子。

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