JP2015233093A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 埋込層の結晶性の劣化を抑制し、かつ耐圧特性を向上させることができる半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体装置は、半導体基板上に設けられ、活性層を含むメサと、少なくとも前記半導体基板上から前記活性層の側面にかけて形成されたFeドープInPの埋込層と、を備え、前記埋込層において、前記活性層の側面の(0−11)面成長領域の活性Fe濃度は、前記半導体基板上の(311)B面成長領域の活性Fe濃度よりも高い。
【選択図】 図1
【解決手段】 半導体装置は、半導体基板上に設けられ、活性層を含むメサと、少なくとも前記半導体基板上から前記活性層の側面にかけて形成されたFeドープInPの埋込層と、を備え、前記埋込層において、前記活性層の側面の(0−11)面成長領域の活性Fe濃度は、前記半導体基板上の(311)B面成長領域の活性Fe濃度よりも高い。
【選択図】 図1
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関するものである。
特許文献1は、基板上に設けられた下側光ガイド層と上側光ガイド層とで活性層が挟まれたメサの側面をFeドープInPの埋込層で埋め込む半導体光素子を開示している。
耐圧特性を向上させるためには、FeドープInPの埋込層の活性Fe濃度を高めることが好ましい。一方で、FeドープInPの埋込層の活性Fe濃度が高くなると、活性層の側面の(0−11)面成長領域以外の(n11)面成長領域、(100)面成長領域などでオーバードープに起因する結晶性の劣化が生じるおそれがある。この場合、電流リークパスが形成されるおそれがある。
そこで、埋込層の結晶性の劣化を抑制し、かつ耐圧特性を向上させることができる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に設けられ、活性層を含むメサと、少なくとも前記半導体基板上から前記活性層の側面にかけて形成されたFeドープInPの埋込層と、を備え、前記埋込層において、前記活性層の側面の(0−11)面成長領域の活性Fe濃度は、(311)B面成長領域の活性Fe濃度よりも高い、半導体装置である。
上記発明によれば、埋込層の結晶性の劣化を抑制し、かつ耐圧特性を向上させることができる。
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本願発明は、(1)半導体基板上に設けられ、活性層を含むメサと、少なくとも前記半導体基板上から前記活性層の側面にかけて形成されたFeドープInPの埋込層と、を備え、前記埋込層において、前記活性層の側面の(0−11)面成長領域の活性Fe濃度は、(311)B面成長領域の活性Fe濃度よりも高い、半導体装置である。埋込層において活性層の側面の(0−11)面成長領域の活性Fe濃度が(311)B面成長領域の活性Fe濃度よりも高いことから、埋込層の結晶性の劣化を抑制し、かつ耐圧特性を向上させることができる。
(2)前記(0−11)面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)は、前記(311)B面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)よりも10%以上高いことが好ましい。埋込層の結晶性の劣化を抑制し、かつ耐圧特性を向上させることができるからである。
(3)本願発明は、半導体基板の(100)面に、活性層を含むメサを形成するメサ形成工程と、少なくとも前記半導体基板上から前記活性層の側面にかけてFeドープInPの埋込層をエピタキシャル成長させる成長工程と、を含み、前記埋込層をエピタキシャル成長させる際に、雰囲気にHClを含ませることによって、前記活性層の側面の(0−11)面成長領域の活性Fe濃度を、前記半導体基板上の(311)B面成長領域の活性Fe濃度よりも高くする、半導体装置の製造方法である。埋込層において活性層の側面の(0−11)面成長領域の活性Fe濃度が(311)B面成長領域の活性Fe濃度よりも高いことから、埋込層の結晶性の劣化を抑制し、かつ耐圧特性を向上させることができる。
(4)前記成長工程において、成長温度を620℃未満とすることが好ましい。活性層に対する影響を抑制できるからである。
(5)前記成長工程において、成長温度を550℃以上600℃以下とすることが好ましい。活性層に対する影響を抑制できるからである
(6)前記成長工程における雰囲気中のHCl濃度は、11ppmを上回っていることが好ましい。前記活性層の側面の(0−11)面成長領域の活性Fe濃度を、前記半導体基板上の(311)B面成長領域の活性Fe濃度よりも高くすることができるからである。
(7)前記成長工程において、前記(0−11)面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)を、前記(311)B面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)よりも10%以上高くすることが好ましい。埋込層の結晶性の劣化を抑制し、かつ耐圧特性を向上させることができるからである。
(2)前記(0−11)面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)は、前記(311)B面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)よりも10%以上高いことが好ましい。埋込層の結晶性の劣化を抑制し、かつ耐圧特性を向上させることができるからである。
(3)本願発明は、半導体基板の(100)面に、活性層を含むメサを形成するメサ形成工程と、少なくとも前記半導体基板上から前記活性層の側面にかけてFeドープInPの埋込層をエピタキシャル成長させる成長工程と、を含み、前記埋込層をエピタキシャル成長させる際に、雰囲気にHClを含ませることによって、前記活性層の側面の(0−11)面成長領域の活性Fe濃度を、前記半導体基板上の(311)B面成長領域の活性Fe濃度よりも高くする、半導体装置の製造方法である。埋込層において活性層の側面の(0−11)面成長領域の活性Fe濃度が(311)B面成長領域の活性Fe濃度よりも高いことから、埋込層の結晶性の劣化を抑制し、かつ耐圧特性を向上させることができる。
(4)前記成長工程において、成長温度を620℃未満とすることが好ましい。活性層に対する影響を抑制できるからである。
(5)前記成長工程において、成長温度を550℃以上600℃以下とすることが好ましい。活性層に対する影響を抑制できるからである
(6)前記成長工程における雰囲気中のHCl濃度は、11ppmを上回っていることが好ましい。前記活性層の側面の(0−11)面成長領域の活性Fe濃度を、前記半導体基板上の(311)B面成長領域の活性Fe濃度よりも高くすることができるからである。
(7)前記成長工程において、前記(0−11)面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)を、前記(311)B面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)よりも10%以上高くすることが好ましい。埋込層の結晶性の劣化を抑制し、かつ耐圧特性を向上させることができるからである。
[本願発明の実施形態の詳細]
本発明の実施形態に係る半導体装置およびその製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の実施形態に係る半導体装置およびその製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
図1(a)は、実施形態に係る半導体装置100の断面図である。図1(a)で例示するように、半導体装置100は、半導体基板10の主面上に、メサ20が設けられ、メサ20の両側面が埋込層30によって埋め込まれた構造を有する。半導体基板10の裏面には、裏面電極40が設けられている。埋込層30の上には、絶縁膜50がメサ20の上面を露出させるように設けられている。メサ20の上面から絶縁膜50の上面にかけて、上部電極60が設けられている。半導体装置100は、例えば半導体レーザとして用いられる。本実施形態においては、量子カスケードレーザ(QCL:Quantum Cascade Laser)について説明する。
半導体基板10は、閃亜鉛鉱型の結晶構造を有するIII−V族化合物半導体、例えばInP基板である。半導体基板10の主面は、(100)面である。本実施形態において、結晶軸および結晶面方位の表示は、そのもの自身だけではなく、結晶学的に等価なものも含む。上記主面は、半導体装置の作製において行われるように、必要な場合には(100)面に対してオフ角を有していてもよい。半導体基板10は、一例としてn型の導電性を有するが、これに限定されるものではない。
メサ20は、半導体基板10の主面上に設けられており、矢印Aの方向にストライプ状に設けられている。メサ20は、半導体基板10側から、バッファ層21、活性層22、回折格子層23、クラッド層24およびコンタクト層25が順に積層された構造を有する。
バッファ層21は、一例としてn型のInPであり、例えば500nmの厚みを有する。活性層22は、一例として合計で約500層のGaInAs/AlInAsの多層構造を有し、例えば1.5μm程度の厚みを有する。回折格子層23は、一例としてInGaAsであり、例えば500nm程度の厚みを有する。クラッド層24は、一例としてn型のInPであり、例えば3μmの厚みを有する。コンタクト層25は、一例としてGaInAsであり、例えば0.1μmの厚みを有する。
埋込層30は、一例としてFeドープInPである。裏面電極40は、一例としてAuGeNi/Auである。絶縁膜50は、一例として酸化シリコン、窒化シリコンなどの絶縁体である。上部電極60は、一例としてTi/Pt/Auの3層構造の電極である。
図1(b)は、埋込層30のエピタキシャル成長面を例示する断面図である。図1(b)においては、マーカー層を描くことによってエピタキシャル成長面が例示されている。図1(b)で例示されるように、半導体基板10の主面上の成長面は、(100)面である。(100)面で成長する領域を、(100)面成長領域と称する。活性層22の側面の成長面は、(0−11)面である。(0−11)面で成長する領域を、(0−11)面成長領域と称する。(100)面成長領域と(0−11)面成長領域とで挟まれた領域では、(311)B面で成長する。この(311)B面で成長する領域を、(311)B面成長領域と称する。
本実施形態においては、(0−11)面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)は、(311)B面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)よりも高くなっている。好ましくは、(0−11)面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)は、(311)B面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)と比較して10%以上高くなっている。ここでいう10%以上とは、(311)B面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)を100%とした場合に、(0−11)面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)が110%以上であることを意味する。このように、埋込層30において、活性層22の側面に接する(0−11)面成長領域においては活性Fe濃度が比較的高くなることから、耐圧特性が向上する。一方、(0−11)面成長領域周辺の(311)B面成長領域では、活性Fe濃度が比較的低くなることから、埋込層30の結晶性の劣化を抑制することができる。すなわち、本実施形態によれば、埋込層30の結晶性の劣化を抑制し、かつ耐圧特性を向上させることができる。
次に、半導体装置100の製造方法について説明する。図2(a)〜図2(e)は、半導体基板10上にメサ20および埋込層30を形成する工程を例示する断面図である。例えば、半導体基板10をOMVPE(Organo−Metallic Vapor Phase Epitaxy;有機金属気相成長)炉のリアクタにセットし、8000Pa(80mbar)程度まで減圧する。その後、PH3雰囲気下で670℃(リアクタ設定温度)に昇温する。
まず、図2(a)で例示するように、バッファ層21を、成長速度2.0μm/h、n型ドーパント=1×1017/cm3の成長条件で500nm成長させる。その後、715℃に昇温してGaInAs/AlInAsからなる多層構造を計約500層、厚み1.5μmの活性層22を成長させる。その後、回折格子層23を500nm成長させた後、半導体基板10をOMVPE炉から取り出す。
次に、図2(b)で例示するように、回折格子層23上に、窒化シリコンなどのマスク71を所定の間隔を空けて形成する。なお、図2(b)は、図2(a)を90度回転させたものである。したがって、マスク71は、メサストライプが延びる方向に所定の間隔を空けて配置されている。なお、メサストライプが延びる方向におけるマスク71の長さは、例えば0.2μm〜1μm程度である。その後、マスク71をエッチングマスクとして用い、回折格子層23の露出している部分をエッチングにより除去する。それにより、回折格子層23に回折格子が形成される。その後、マスク71を除去する。
次に、半導体基板10を再びOMVPE炉のリアクタにセットし、PH3雰囲気で670℃に昇温する。次に、図2(c)で例示するように、クラッド層24を、成長速度2.0μm/h、n型ドーパント=2×1017〜8×1018/cm3の成長条件で計3μm程度成長させる。なお、図2(c)は、図2(a)と同じ方向の断面である。その後、コンタクト層25を、成長速度2.0μm/h、n型ドーパント=1×1019/cm3の成長条件で計0.1μm程度成長させる。その後、PH3雰囲気で室温まで降温し、半導体基板10を取り出す。
次に、メサ20を形成する領域上に、窒化シリコンなどのマスクを形成する。次に、図2(d)で例示するように、このマスクをエッチングマスクとして用い、RIE装置などでドライエッチングを行う。それにより、[011]方向に延在するメサストライプを形成する。メサストライプの幅は、例えば5μm〜20μm程度である。また、メサ深さ(メサ20の高さ)は、6.0μm〜7.0μm程度である。その後、半導体基板10を、塩酸:酢酸系のエッチング液を用いてウェットエッチングして、ダメージ層を除去する。
次に、図2(e)で例示するように、メサ20の両側面に埋込層30を成長させる。ここで、成長面と、当該成長面での成長によって得られた成長領域における活性Feの飽和濃度との関係について説明する。図3は、エピタキシャル成長時におけるCp2Fe流量(sccm)と、成長領域における活性Feの濃度(cm−3)との関係を表す図である。この図の出展は、Tatsuya TAKEUCHI et.al.,“Substrate Orientation Dependence of Fe Doping in MOVPE−Grown InP”, International Conference on Solid State Devices and Materials,1993年,C−3−2(pp. 285−287)である。
図3で例示するように、Cp2Fe流量が多くなるにつれて、成長領域における活性Fe濃度(cm−3)も高くなる。(0−11)面および(311)B面のいずれにおいても、Cp2Fe流量が多くなるにつれて、成長領域における活性Fe濃度(cm−3)も高くなる。また、あるCp2Fe流量以上になるとそれ以上活性Fe濃度(cm−3)が増えなくなる濃度、すなわち活性Feの飽和濃度(cm−3)が存在する。図3で例示するように、(0−11)面での成長領域における活性Feの飽和濃度(cm−3)は、(311)B面での成長領域における活性Feの飽和濃度(cm−3)と比較して高くなっている。したがって、Cp2Fe流量を調整することによって、(0−11)面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)を(311)B面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)よりも高くすることが考えられる。
しかしながら、実際の(0−11)面成長領域と(311)B面成長領域とで、活性Fe濃度(cm−3)に差が生じにくい。そこで、鋭意研究の結果、本発明者らは、成長速度が高いと、活性Fe濃度(cm−3)に差が生じにくいことを突き止めた。さらに、本発明者らは、埋込層30の成長の際の雰囲気中にHClを含めることによって(0−11)面の成長速度を(311)B面の成長速度よりも遅くし、それによって(0−11)面成長領域における活性Fe濃度(cm−3)を(311)B面成長領域における活性Fe濃度(cm−3)よりも高くできることを突き止めた。
図4(a)〜図4(d)は、雰囲気中のHCl濃度を変えた場合の埋込層30の各成長面における成長速度の実験例である。いずれの実験例においても、Cp2Feの流量を10sccmとし、成長温度を575℃とし、雰囲気の圧力を10000Pa(100mbar)とした。図4(a)の例では、雰囲気中にHClを含めなかった。図4(b)の例では、雰囲気中のHCl濃度を11ppmとした。図4(c)の例では、雰囲気中のHCl濃度を22ppmとした。図4(d)の例では、雰囲気中のHCl濃度を38.4ppmとした。図4(b)〜図4(d)では、埋込成長の最初からHClを供給し、埋込成長の間、HCl濃度は一定とした。また、SEMなどで成長面を観測しやすくするため、InGaAsのマーカー層を所定の時間間隔で成長させた。
図4(a)の例では、埋込層30の成長速度が速く、メサ20の上への被り成長が観測された。これは、雰囲気中にHClを含めなかったためであると考えられる。図4(b)〜図4(d)の例では、メサ20の上への被り成長は観測されなかった。これは、雰囲気中にHClを含めることによって、埋込層30の成長速度が遅くなったからであると考えられる。
図5は、埋込層30の成長の際の雰囲気中HCl濃度(ppm)と、埋込層30の成長速度(μm/h)との関係をプロットしたものである。図5で例示するように、(311)B面成長領域の成長速度は雰囲気中のHCl濃度(ppm)にあまり依存しないが、(0−11)面成長領域の成長速度は雰囲気中のHCl濃度(ppm)が高くなるにつれて遅くなる。そこで、本実施形態においては、埋込層30の成長の際に、雰囲気にHClを含ませる。それにより、(0−11)面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)を(311)B面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)よりも高くすることができる。
例えば、図6で例示するように、Cp2Feの流量が10sccmである場合、雰囲気中のHCl濃度を11ppmよりも高くすることによって、(0−11)面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)を(311)B面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)よりも高くすることができる。Cp2Feの他の流量に関しても、(0−11)面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)が(311)B面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)よりも高くなるHCl濃度(ppm)を求めることができる。
図7(a)は、図4(a)〜図4(d)の実験例を表で表した図である。表において、雰囲気中のHCl濃度と、各成長領域の成長速度とを対応させている。また、成長速度を2.0μm/hで補正した場合のCp2Fe流量(Cp2Feベース流量を10sccmとする)を基に、図3のグラフから得られる活性Fe濃度を併せて記載した。図7(a)で例示するように、(311)B面成長領域の活性Fe濃度は雰囲気中のHCl濃度にあまり依存しないが、(0-11)面成長領域では、雰囲気中のHCl濃度を高くするにつれて、活性Fe濃度が高くなることがわかる。
図7(b)は、異なるHCl濃度で作製した埋込層30の閾値電流(mA)および閾値電流密度(kA/cm2)を表す図である。閾値電流および閾値電流密度は、半導体装置100を半導体レーザとして用いる場合の値である。図7(b)で例示するように、(0−11)面成長領域の活性Fe濃度を(311)B面成長領域の活性Fe濃度よりも高くすることによって、良好な閾値電流および閾値電流密度が得られていることがわかる。したがって作製した半導体レーザにおいて、活性層側面の結晶性は劣化しておらず耐圧特性も問題がない、といえる。
ただし、雰囲気中にHClが含まれると、活性層22およびコンタクト層25が削れるおそれがある。そこで、成長温度を低くすることが好ましい。図8(a)は、埋込層30の成長温度が575℃である場合の、雰囲気中HCl濃度(ppm)と、活性層22およびコンタクト層25の残存幅(μm)との関係を例示する図である。図8(a)で例示するように、圧力が10000Pa(100mbar)であり、かつ、成長温度が575℃であれば、活性層22およびコンタクト層25のいずれにおいても残存幅に大きな影響がないことがわかる。すなわち雰囲気中のHClによって活性層22およびコンタクト層25は削られていない。図8(b)で例示するように、成長温度を600℃および620℃まで上げても、活性層22およびコンタクト層25のいずれにおいても残存幅に大きな影響がないことがわかる。
そこで、埋込層30の成長温度を620℃未満とすることが好ましい。それにより、活性層22およびコンタクト層25に対する影響を抑制することができる。活性層22およびコンタクト層25に対する影響をさらに抑制するためには、埋込層30の成長温度を550℃以上、600℃以下とすることが好ましい。また、雰囲気の圧力を10000Pa(100mbar)以上とすることが好ましい。
一例として、図2(e)の埋込層30の成長工程においては、エピウェハをリアクタにセットし、PH3雰囲気下で、成長温度:575℃、リアクタ圧力:10000Pa(100mbar)、成長速度2μm/h、雰囲気中HCl濃度:11ppm以上、Cp2Fe流量:10sccmの成長条件で、埋込層30をエピタキシャル成長させる。HClは埋込成長の開始時から供給し、埋込成長の間、HCl濃度は一定とする。その後、PH3雰囲気下で室温まで降温し、エピウェハを取り出す。
次に、図9(a)で例示するように、メサ20の上面および埋込層30の上面に、絶縁膜50を成膜する。次に、図9(b)で例示するように、メサ20の上面部分の絶縁膜50をエッチングなどで除去することによって、メサ20の上面を露出させる。その後、メサ20の上面から絶縁膜50の上面にかけて、上部電極60を成膜する。次に、図9(c)で例示するように、半導体基板10の裏面を削ることによって半導体基板10を100μm程度まで薄膜化し、当該裏面に裏面電極40を成膜する。その後、エピウェハを分割することによってチップ化することによって、半導体装置100が完成する。
本実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、埋込層30を成長させる成長工程において雰囲気にHClを含ませることによって、活性層22の側面の(0−11)面成長領域の成長速度を(311)B面成長領域の成長速度よりも遅くすることができる。それにより、(0−11)面成長領域の活性Fe濃度を(311)B面成長領域の活性Fe濃度よりも高くすることができる。
10 半導体基板
20 メサ
21 バッファ層
22 活性層
23 回折格子層
24 クラッド層
25 コンタクト層
30 埋込層
40 裏面電極
50 絶縁膜
60 上部電極
71 マスク
100 半導体装置
20 メサ
21 バッファ層
22 活性層
23 回折格子層
24 クラッド層
25 コンタクト層
30 埋込層
40 裏面電極
50 絶縁膜
60 上部電極
71 マスク
100 半導体装置
Claims (7)
- 半導体基板上に設けられ、活性層を含むメサと、
少なくとも前記半導体基板上から前記活性層の側面にかけて形成されたFeドープInPの埋込層と、を備え、
前記埋込層において、前記活性層の側面の(0−11)面成長領域の活性Fe濃度は、(311)B面成長領域の活性Fe濃度よりも高い、半導体装置。 - 前記(0−11)面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)は、前記(311)B面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)よりも10%以上高い、請求項1記載の半導体装置。
- 半導体基板の(100)面に、活性層を含むメサを形成するメサ形成工程と、
少なくとも前記半導体基板上から前記活性層の側面にかけてFeドープInPの埋込層をエピタキシャル成長させる成長工程と、を含み、
前記埋込層をエピタキシャル成長させる際に、雰囲気にHClを含ませることによって、前記活性層の側面の(0−11)面成長領域の活性Fe濃度を、前記半導体基板上の(311)B面成長領域の活性Fe濃度よりも高くする、半導体装置の製造方法。 - 前記成長工程において、成長温度を620℃未満とする、請求項3記載の半導体装置の製造方法。
- 前記成長工程において、成長温度を550℃以上600℃以下とする、請求項3記載の半導体装置の製造方法。
- 前記成長工程における雰囲気中のHCl濃度は、11ppmを上回る、請求項3〜5のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記成長工程において、前記(0−11)面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)を、前記(311)B面成長領域の活性Fe濃度(cm−3)よりも10%以上高くする、請求項3〜6のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
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