JP3419383B2 - 化合物半導体装置の製造方法 - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
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- H01L29/66227—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
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- H01L29/66462—Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET] with a heterojunction interface channel or gate, e.g. HFET, HIGFET, SISFET, HJFET, HEMT
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、化合物半導体装置
の製造方法に関する。より詳細には、本発明は、特にAl
InAs系化合物を用いた半導体装置の製造において、特に
化合物半導体材料へのＦ（弗素）浸入による特性劣化を
防止することができる新規な製造方法に関する。
の製造方法に関する。より詳細には、本発明は、特にAl
InAs系化合物を用いた半導体装置の製造において、特に
化合物半導体材料へのＦ（弗素）浸入による特性劣化を
防止することができる新規な製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】AlInAs系化合物半導体は、InＰ基板への
高い格子整合性、低トラップ密度等の物理的な特性によ
り、ＨＥＭＴやＨＴＢ等の次世代の超高速デバイスを担
う半導体材料として期待されている。ただし、この種の
化合物を用いて半導体装置を製造した場合、大気を含む
周囲雰囲気から取り込まれたＦ（弗素）が、製造工程上
の熱処理に際して内部に拡散し、Si等のドナーと結合し
てこれを不活性化してしまうという「Ｆ浸入」の問題が
知られている。
高い格子整合性、低トラップ密度等の物理的な特性によ
り、ＨＥＭＴやＨＴＢ等の次世代の超高速デバイスを担
う半導体材料として期待されている。ただし、この種の
化合物を用いて半導体装置を製造した場合、大気を含む
周囲雰囲気から取り込まれたＦ（弗素）が、製造工程上
の熱処理に際して内部に拡散し、Si等のドナーと結合し
てこれを不活性化してしまうという「Ｆ浸入」の問題が
知られている。
【０００３】即ち、ＨＥＭＴでは、ゲート電極を装荷し
た後には、その周囲にAlInAs層が露出して大気に曝され
ることになる。また、ＨＢＴでは、エミッタ電極の形成
直前に、ｎ−AlInAsが露出するときがある。更に、素子
間分離をメサ構造により行った場合も、メサ側面にAlIn
As層の断面が露出することが避けられない。
た後には、その周囲にAlInAs層が露出して大気に曝され
ることになる。また、ＨＢＴでは、エミッタ電極の形成
直前に、ｎ−AlInAsが露出するときがある。更に、素子
間分離をメサ構造により行った場合も、メサ側面にAlIn
As層の断面が露出することが避けられない。
【０００４】このような問題に対して、AlAs／InAs、In
（AlGa）As、GaInAs等によるいわば障壁層をAlInAs中に
挿入したり、あるいは上層に成長させる方法が提案され
ている。しかしながら、このような方法では格子整合が
形成されないので臨界膜厚以上の障壁層を形成すること
ができず、結局、Ｆの浸入を十分に抑制することはでき
ない。また、メサ構造の場合のメサ側面へのＦ浸入に対
しては効果がない。
（AlGa）As、GaInAs等によるいわば障壁層をAlInAs中に
挿入したり、あるいは上層に成長させる方法が提案され
ている。しかしながら、このような方法では格子整合が
形成されないので臨界膜厚以上の障壁層を形成すること
ができず、結局、Ｆの浸入を十分に抑制することはでき
ない。また、メサ構造の場合のメサ側面へのＦ浸入に対
しては効果がない。
【０００５】また、この他に、SiＮ膜による封止や硫化
アンモニウム処理によるＦ除去も提案されているが、実
際には十分な効果は得られていない。
アンモニウム処理によるＦ除去も提案されているが、実
際には十分な効果は得られていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、上
記従来技術の問題点を解決し、AlAsまたはInAsを含む化
合物半導体材料に対するＦ浸入を効果的に抑制すること
ができる新規な製造方法を提供することを目的としてい
る。
記従来技術の問題点を解決し、AlAsまたはInAsを含む化
合物半導体材料に対するＦ浸入を効果的に抑制すること
ができる新規な製造方法を提供することを目的としてい
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明に従うと、化合物
半導体装置を製造する方法であって、製造過程において
雰囲気に対して露出したAlAsまたはInAsを含む化合物半
導体材料の表面を、基板温度200℃以下で、Ｐ、Ｎ、Ｈ
およびArのいずれかを含むガスのプラズマに曝すプラズ
マ処理を行う工程を含むことを特徴とする化合物半導体
装置の製造方法が提供される。
半導体装置を製造する方法であって、製造過程において
雰囲気に対して露出したAlAsまたはInAsを含む化合物半
導体材料の表面を、基板温度200℃以下で、Ｐ、Ｎ、Ｈ
およびArのいずれかを含むガスのプラズマに曝すプラズ
マ処理を行う工程を含むことを特徴とする化合物半導体
装置の製造方法が提供される。
【０００８】上記本発明に係る方法は、露出した化合物
半導体材料に対して、まず200℃以下という低温でプラ
ズマ処理を行うという点にその主要な特徴がある。ま
た、本発明に係る方法の好ましい態様に従うと、上記プ
ラズマ処理に続いて、より高い温度で行われる第２のプ
ラズマ処理が、化合物半導体材料を大気に曝すことなく
連続して実施される。
半導体材料に対して、まず200℃以下という低温でプラ
ズマ処理を行うという点にその主要な特徴がある。ま
た、本発明に係る方法の好ましい態様に従うと、上記プ
ラズマ処理に続いて、より高い温度で行われる第２のプ
ラズマ処理が、化合物半導体材料を大気に曝すことなく
連続して実施される。
【０００９】即ち、化合物半導体装置の実際の製造工程
においては、露出した化合物半導体材料には、大気中か
ら取り込まれたＦがすでに付着している場合が多い。従
って、たとえ保護膜を形成するためであっても、基板温
度を高くするとこのＦが化合物半導体材料中に浸入して
しまう。そこで、まず最初に、Ｆが浸入しない200℃以
下の低い基板温度で、Ｐを含むガスまたはＮ2、Ｈ2、Ar
等の不活性ガスによるプラズマ処理で化合物半導体材表
面に付着したＦを除去することが重要である。ここで、
プラズマ処理時の基板温度を200℃以下に限定したの
は、Ｆ（弗素）の活性化エネルギーが1.0ｅＶであるこ
とから判断している。即ち、200℃以下で１時間以内の
プラズマ処理であれば、AlInAsのキャリア濃度を変化さ
せるほどのＦの浸入は生じない。
においては、露出した化合物半導体材料には、大気中か
ら取り込まれたＦがすでに付着している場合が多い。従
って、たとえ保護膜を形成するためであっても、基板温
度を高くするとこのＦが化合物半導体材料中に浸入して
しまう。そこで、まず最初に、Ｆが浸入しない200℃以
下の低い基板温度で、Ｐを含むガスまたはＮ2、Ｈ2、Ar
等の不活性ガスによるプラズマ処理で化合物半導体材表
面に付着したＦを除去することが重要である。ここで、
プラズマ処理時の基板温度を200℃以下に限定したの
は、Ｆ（弗素）の活性化エネルギーが1.0ｅＶであるこ
とから判断している。即ち、200℃以下で１時間以内の
プラズマ処理であれば、AlInAsのキャリア濃度を変化さ
せるほどのＦの浸入は生じない。
【００１０】なお、従来提案されていたSiＮによる表面
保護膜が十分な効果をあげることができなかったのは、
SiＮ膜を成膜する際の基板温度が高かったために、表面
保護膜を成膜する前にすでに付着していたＦが化合物半
導体材料内に浸入してしまっていたためであると推測さ
れる。
保護膜が十分な効果をあげることができなかったのは、
SiＮ膜を成膜する際の基板温度が高かったために、表面
保護膜を成膜する前にすでに付着していたＦが化合物半
導体材料内に浸入してしまっていたためであると推測さ
れる。
【００１１】更に、上記のようにして化合物半導体材料
表面のＦを除去した後に、Ｐを含むガス、例えばホスフ
ィン（ＰＨ3）ガス等で、通常の高い基板温度で第２の
プラズマ処理を行うと化合物半導体材料表面に安定な化
合物が形成され、Ｆの新規な付着あるいは浸入を阻止す
ることができる。なお、清浄化された化合物半導体材料
表面が再びＦに汚染されないように、この第２のプラズ
マ処理は、前記した低温で行われるプラズマ処理から化
合物半導体材料を大気に曝すことなく連続して行われる
ことが望ましい。
表面のＦを除去した後に、Ｐを含むガス、例えばホスフ
ィン（ＰＨ3）ガス等で、通常の高い基板温度で第２の
プラズマ処理を行うと化合物半導体材料表面に安定な化
合物が形成され、Ｆの新規な付着あるいは浸入を阻止す
ることができる。なお、清浄化された化合物半導体材料
表面が再びＦに汚染されないように、この第２のプラズ
マ処理は、前記した低温で行われるプラズマ処理から化
合物半導体材料を大気に曝すことなく連続して行われる
ことが望ましい。
【００１２】以上のようなプラズマ処理は、化合物半導
体装置の製造過程において、適宜繰り返して実施するこ
とができる。即ち、ＨＥＭＴでは、ゲート電極を形成す
る直前に、チャネル領域に露出されたｎ−AlInAs層がプ
ラズマ処理の対象となる。また、ＨＢＴでは、やはりエ
ミッタ電極の装荷前にｎ−AlInAs層に対して行う他、ベ
ースの頭出しを行ってメサの側壁が露出したときにもプ
ラズマ処理が有効である。
体装置の製造過程において、適宜繰り返して実施するこ
とができる。即ち、ＨＥＭＴでは、ゲート電極を形成す
る直前に、チャネル領域に露出されたｎ−AlInAs層がプ
ラズマ処理の対象となる。また、ＨＢＴでは、やはりエ
ミッタ電極の装荷前にｎ−AlInAs層に対して行う他、ベ
ースの頭出しを行ってメサの側壁が露出したときにもプ
ラズマ処理が有効である。
【００１３】なお、従来提案されていた硫化アンモニウ
ム処理によるＦの除去は、処理後に化合物半導体材料が
再び大気に曝されることが避けられないので、やはり十
分な効果があげられずにいるものと推測される。
ム処理によるＦの除去は、処理後に化合物半導体材料が
再び大気に曝されることが避けられないので、やはり十
分な効果があげられずにいるものと推測される。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明をよ
り具体的に説明するが、以下の開示は本発明の１実施例
に過ぎず、本発明の技術的範囲を何ら限定するものでは
ない。
り具体的に説明するが、以下の開示は本発明の１実施例
に過ぎず、本発明の技術的範囲を何ら限定するものでは
ない。
【００１５】図１から図３までに、本発明に従う製造方
法の具体例としてＨＥＭＴの製造工程を示す。
法の具体例としてＨＥＭＴの製造工程を示す。
【００１６】図１に示すように、まず、InＰ基板１上
に、AlInAsバッファ層２、InGaAsチャネル層３、ｎ−Al
InAs層４、ｎ+−AlInAs層５を順次堆積させる。各層
は、ＭＢＥ法やＯＭＶＰＥ法で成膜することができる。
また、ｎ−AlInAs層４およびｎ+−AlInAs層５には、そ
れぞれ29Si等の不純物が添加される。具体的に例示する
と、厚さ400オングストロームのｎ−AlInAs層４に対し
て２×1018／cm3のSiを、厚さ100オングストロームのｎ
+−AlInAs層５に対して１×1019 ／cm3のSiをそれぞれ
添加する。
に、AlInAsバッファ層２、InGaAsチャネル層３、ｎ−Al
InAs層４、ｎ+−AlInAs層５を順次堆積させる。各層
は、ＭＢＥ法やＯＭＶＰＥ法で成膜することができる。
また、ｎ−AlInAs層４およびｎ+−AlInAs層５には、そ
れぞれ29Si等の不純物が添加される。具体的に例示する
と、厚さ400オングストロームのｎ−AlInAs層４に対し
て２×1018／cm3のSiを、厚さ100オングストロームのｎ
+−AlInAs層５に対して１×1019 ／cm3のSiをそれぞれ
添加する。
【００１７】次いで、図２に示すように、ｎ+−AlInAs
層５上にAuGeにより１対のオーミック電極６を装荷す
る。なお、オーミック電極６は、スパッタリング法、蒸
着法等の物理気相成長法により形成できるが、最終的に
は熱処理を行って電極金属と基板材料が界面で合金化さ
れることによって完成する。次いで、エッチングにより
ゲート領域のｎ+−AlInAs層を除去する。その結果、ゲ
ート領域ではｎ−AlInAs層４が露出するので、ここで以
下のようなプラズマ処理を行う。
層５上にAuGeにより１対のオーミック電極６を装荷す
る。なお、オーミック電極６は、スパッタリング法、蒸
着法等の物理気相成長法により形成できるが、最終的に
は熱処理を行って電極金属と基板材料が界面で合金化さ
れることによって完成する。次いで、エッチングにより
ゲート領域のｎ+−AlInAs層を除去する。その結果、ゲ
ート領域ではｎ−AlInAs層４が露出するので、ここで以
下のようなプラズマ処理を行う。
【００１８】即ち、まず、Ｐを含むガスまたは不活性ガ
スにより低温（200℃以下）の基板温度でプラズマ８を
照射する処理を行い、すでに付着しているＦを除去す
る。次いで、基板を取り出すことなく連続して基板温度
を十分に上昇させ（例えば250℃）た後、Ｐを含むガス
でプラズマ８で処理して表面保護膜９を形成する。こう
して、ゲート領域の表面は清浄になった上、大気中に取
り出してもその状態が保たれるようになる。尚、これら
一連の処理の流れを考えると、低温のプラズマ処理と高
温のプラズマ処理を同じガス、例えばホスフィンガスを
用いることによって操作を簡略化できる。
スにより低温（200℃以下）の基板温度でプラズマ８を
照射する処理を行い、すでに付着しているＦを除去す
る。次いで、基板を取り出すことなく連続して基板温度
を十分に上昇させ（例えば250℃）た後、Ｐを含むガス
でプラズマ８で処理して表面保護膜９を形成する。こう
して、ゲート領域の表面は清浄になった上、大気中に取
り出してもその状態が保たれるようになる。尚、これら
一連の処理の流れを考えると、低温のプラズマ処理と高
温のプラズマ処理を同じガス、例えばホスフィンガスを
用いることによって操作を簡略化できる。
【００１９】最後に、図３に示すように、ゲート領域の
ｎ−AlInAs層４上にゲート電極７を装荷させてＨＥＭＴ
が完成する。ゲート電極は、例えばMo／Ti／Pt／Auある
いはＷSi／Ti／Auを積層して形成される。ここで、ゲー
ト電極７の形成に際しては、まずAr、Ｎ2、Ｈ2等の不活
性ガスによるスパッタで保護膜を除去し、次いでゲート
電極７を形成し、引き続きプラズマ処理を行って再び保
護膜９を形成させることが好ましい。このような一連の
工程により、ｎ−AlInAs層４の清浄な状態を維持するこ
とができる。
ｎ−AlInAs層４上にゲート電極７を装荷させてＨＥＭＴ
が完成する。ゲート電極は、例えばMo／Ti／Pt／Auある
いはＷSi／Ti／Auを積層して形成される。ここで、ゲー
ト電極７の形成に際しては、まずAr、Ｎ2、Ｈ2等の不活
性ガスによるスパッタで保護膜を除去し、次いでゲート
電極７を形成し、引き続きプラズマ処理を行って再び保
護膜９を形成させることが好ましい。このような一連の
工程により、ｎ−AlInAs層４の清浄な状態を維持するこ
とができる。
【００２０】更に、実際に製造されるＨＥＭＴでは、図
４に示すように、素子の表面を最終的に絶縁膜10で被覆
する場合もある。このような場合でも、絶縁膜10の成膜
に先立って保護膜９を形成するためのプラズマ処理を行
っておくことが好ましい。このような処理を実施するこ
とにより、半導体装置の耐久性を一段と向上させること
ができる。
４に示すように、素子の表面を最終的に絶縁膜10で被覆
する場合もある。このような場合でも、絶縁膜10の成膜
に先立って保護膜９を形成するためのプラズマ処理を行
っておくことが好ましい。このような処理を実施するこ
とにより、半導体装置の耐久性を一段と向上させること
ができる。
【００２１】図５は、下記の表１に示す条件で実施した
プラズマ処理を含むプロセスで製造したＨＥＭＴにおけ
るゲート領域へのＦ浸入を測定した結果を示すグラフで
ある。また、比較のために、材料および素子の仕様は同
じにして、プラズマ処理を全く行わずに作製した試料の
測定結果を図６に示す。更に、やはり同じ材料と仕様
で、ホスフィンによる高い基板温度（250℃）でのプラ
ズマ処理のみを行った場合の試料の測定結果を図７に示
す。
プラズマ処理を含むプロセスで製造したＨＥＭＴにおけ
るゲート領域へのＦ浸入を測定した結果を示すグラフで
ある。また、比較のために、材料および素子の仕様は同
じにして、プラズマ処理を全く行わずに作製した試料の
測定結果を図６に示す。更に、やはり同じ材料と仕様
で、ホスフィンによる高い基板温度（250℃）でのプラ
ズマ処理のみを行った場合の試料の測定結果を図７に示
す。
【００２２】表１
プラズマガス：ホスフィン（ＰＨ3）
低温プラズマ処理；
ＲＦパワー： 50 〔ｗ〕
ガス圧力 ： 0.2〔Torr〕
基板温度 ： 室温
処理時間 ： 20 〔分〕
高温プラズマ処理（同じチャンバで低温プラズマ処理と
連続して行った）； ＲＦパワー： 50 〔ｗ〕 ガス圧力 ： 0.2〔Torr〕 基板温度 ：250 〔℃〕 処理時間 ： ５ 〔分〕 アニール処理 処理温度 ：400 〔℃〕 処理時間 ： 15 〔分〕
連続して行った）； ＲＦパワー： 50 〔ｗ〕 ガス圧力 ： 0.2〔Torr〕 基板温度 ：250 〔℃〕 処理時間 ： ５ 〔分〕 アニール処理 処理温度 ：400 〔℃〕 処理時間 ： 15 〔分〕
【００２３】図５および図６に示す通り、プラズマ処理
を行わなかった試料はいうまでもなく、高温のプラズマ
処理のみを行った試料でも顕著なＦ浸入が計測されてい
る。これに対して、本発明に従って、低温でのプラズマ
処理を行った後に高温のプラズマ処理を行った試料では
Ｆ浸入が効果的に抑止されていることが判る。
を行わなかった試料はいうまでもなく、高温のプラズマ
処理のみを行った試料でも顕著なＦ浸入が計測されてい
る。これに対して、本発明に従って、低温でのプラズマ
処理を行った後に高温のプラズマ処理を行った試料では
Ｆ浸入が効果的に抑止されていることが判る。
【００２４】なお、上記実施例ではＨＥＭＴを例にあげ
て説明したが、ＨＢＴ等の他の化合物半導体装置におい
ても、その製造工程においてAlAsまたはInAsを含む化合
物半導体材料が大気等に曝される場合には、本発明を効
果的に適用することができることはいうまでもない。
て説明したが、ＨＢＴ等の他の化合物半導体装置におい
ても、その製造工程においてAlAsまたはInAsを含む化合
物半導体材料が大気等に曝される場合には、本発明を効
果的に適用することができることはいうまでもない。
【図１】ＨＥＭＴの製造プロセスを逐次示す断面図であ
る。
る。
【図２】ＨＥＭＴの製造プロセスを逐次示す断面図であ
る。
る。
【図３】ＨＥＭＴの製造プロセスを逐次示す断面図であ
る。
る。
【図４】ＨＥＭＴの製造プロセスを逐次示す断面図であ
る。
る。
【図５】本発明に従って製造された化合物半導体装置に
おけるＦ浸入の測定結果を示すグラフである。
おけるＦ浸入の測定結果を示すグラフである。
【図６】比較のために、プラズマ処理を行わずに作製し
た化合物半導体装置におけるＦ浸入の測定結果を示すグ
ラフである。
た化合物半導体装置におけるＦ浸入の測定結果を示すグ
ラフである。
【図７】比較のために、高い基板温度でのプラズマ処理
のみを行って作製した化合物半導体装置におけるＦ浸入
の測定結果を示すグラフである。
のみを行って作製した化合物半導体装置におけるＦ浸入
の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・・InＰ基板、
２・・・AlInAsバッファ層、
３・・・InGaAsチャネル層、
４・・・ｎ−AlInAs層、
５・・・ｎ+−AlInAs層、
６・・・オーミック電極、
７・・・ゲート電極７、
８・・・プラズマ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 21/338
H01L 21/324
H01L 29/778
H01L 29/812
Claims (5)
- 【請求項１】化合物半導体装置を製造する方法であっ
て、該化合物半導体装置の製造過程において雰囲気に対
して露出したAlAsまたはInAsを含む化合物半導体材料の
表面を、基板温度200℃以下で、Ｐ（燐）、Ｎ（窒
素）、Ｈ（水素）およびArのいずれかを含むガスのプラ
ズマに曝すプラズマ処理を行う工程と、前記プラズマ処
理後に、化合物半導体装置を大気中に取り出すことなく
連続してより高い基板温度でＰを含むガスのプラズマに
前記化合物半導体材料を曝す第２のプラズマ処理を行う
工程を含むことを特徴とする化合物半導体装置の製造方
法。 - 【請求項２】請求項１に記載された方法において、前記
第２のプラズマ処理時の前記化合物半導体装置の基板温
度が250℃以上であることを特徴とする化合物半導体装
置の製造方法。 - 【請求項３】請求項１または請求項２に記載された方法
において、前記プラズマ処理および／または前記第２の
プラズマ処理が、前記化合物半導体材料上に金属電極層
を装荷する前に実施されることを特徴とする化合物半導
体装置の製造方法。 - 【請求項４】請求項３に記載された方法において、前記
金属電極層を装荷する直前に前記プラズマ処理を受けた
化合物半導体材料表面をスパッタリングする工程、該金
属電極を装荷する工程および該金属電極層を装荷した直
後に前記第２のプラズマ処理を行う工程を、該化合物半
導体装置を大気に曝すことなく連続して行う処理を含む
ことを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。 - 【請求項５】請求項１または請求項２に記載された方法
において、前記プラズマ処理および／または前記第２の
プラズマ処理が、前記化合物半導体材料上に絶縁膜を装
荷する前に実施されることを特徴とする化合物半導体装
置の製造方法。
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|---|---|---|---|
| JP2000128522A JP3419383B2 (ja) | 2000-04-27 | 2000-04-27 | 化合物半導体装置の製造方法 |
| US09/842,319 US6482720B2 (en) | 2000-04-27 | 2001-04-26 | Method for manufacturing compound semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2000128522A JP3419383B2 (ja) | 2000-04-27 | 2000-04-27 | 化合物半導体装置の製造方法 |
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|---|---|
| JP2001313387A JP2001313387A (ja) | 2001-11-09 |
| JP3419383B2 true JP3419383B2 (ja) | 2003-06-23 |
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| JP (1) | JP3419383B2 (ja) |
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2000
- 2000-04-27 JP JP2000128522A patent/JP3419383B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| US20020055213A1 (en) | 2002-05-09 |
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