JP3670130B2 - Method for manufacturing group III-V compound semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体基板上に複数の半導体素子(高電子移動度トランジスター、pinダイオード、ショットキダイオード、共鳴トンネルダイオード等)を積層して形成し、これらの半導体素子間に挿入する半導体素子の分離層(セパレータ層)を用いたIII-V族化合物半導体装置の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般的に、III-V族化合物半導体装置はIII-V族化合物半導体基板上に形成される。最近では、高速動作のために、上記半導体基板にInPを用い、その上にInAlAs、InGaAs、InP等から構成される半導体素子を同一半導体基板上に複数積層した構造が提案されている。例えば、高電子移動度トランジスター上にpinダイオードを積層した構造、高電子移動度トランジスター上にショットキーダイオードを積層した構造、高電子移動度トランジスター上に共鳴トンネルダイオードを積層した構造が提案されている。高電子移動度トランジスター構造の最上層にはソースとドレインの電極を熱処理無しに形成するため、1×1019/cm3以上の濃度でSiを添加(ドーピング)したn−InGaAsコンタクト層が形成されることが一般的である。従来は、この上にエッチング時に選択性があり、かつ、上下の半導体装置の電気的接続ができるように、Siを1×1019/cm3以上の濃度でドーピングしたn−InPをセパレータ層として成長させた後、次の半導体素子の成長を行う。また、通常、pinダイオード、ショットキダイオード、共鳴トンネルダイオードはV族がAsのIII-V族化合物半導体の積層構造で形成されている。また、例えば、硫酸系のエッチャントやクエン酸系のエッチャントを用いた場合、n−InP層のエッチング速度はAs系材料のエッチング速度と比較して約1/200程度(選択比が200)である。このことから、As系材料で形成された半導体素子のみをエッチングによって除去し、n−InPでエッチングを停止することができる。さらに、塩酸系のエッチャントを用いた場合、n−InGaAsはほとんどエッチングされない特性を持つため、n−InP層を選択的に除去し、n−InGaAs層でエッチングを停止することができる。半導体素子を加工する時には、前記のような選択エッチング特性を利用するのが一般的である。
【0003】
化合物半導体の結晶成長には、通常、有機金属気相成長法(MOVPE)や分子線エピタキシャル成長法(MBE)が用いられるが、Pを含む結晶材料の成長が必要な場合は、MOVPE法が用いられることが一般的に多い。MOVPE法の場合、III族の原料ガスには、トリメチルインジウム(TMI)、トリエチルインジウム(TEI)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリエチルアルミニウム(TEA)、トリメチルガリウム(TMG)、トリエチルガリウム(TEG)の有機金属が用いられる。一方、V族原料ガスとしてはアルシン(AsH3)、フォスフィン(PH3)の水素化物の他、ターシャリブチルアルシン(TBA)、ターシャリブチルホスフィン(TBP)の有機金属が用いられる場合もある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このMOVPE法を用いて、前述した複数の半導体素子を積層した構造を成長させる場合、MOVPE法では成長温度が600℃以上の高温であるため、n−InGaAs上にn−InPを成長する際、反応炉に付着したInGaAs層からAsの再蒸発が起こり、n−InP層中にAsが混入する。つまり、セパレータ層として成長したn−InP層にAsが混入するために、硫酸系やクエン酸系のエッチャントを用いても、この層でエッチングが停止しないという「エッチング抜け」の問題が発生する。また、As混入によるn−InP層のエッチング抜けは通常、ピンホール状に起きる。つまり、n−InPのセパレータ層から上の半導体装置を選択的に除去したつもりが、実際には、セパレータ層より下の半導体装置が部分的にエッチングされることになる。このn−InPセパレータ層へのAsの混入を抑制するために、成長温度を低温化する方法が考案されているが、MOVPE法を用いて実用レベルの高純度結晶を成長するためには600℃以上の成長温度が必要であり、前記問題点を解決するには至っていない。
【0005】
また、高電子移動度トランジスターは半導体基板に対して横方向に電流を流し、ソースとドレイン間に流れる電流をゲートに印加した電圧で制御することを特徴とした半導体素子である。つまり、上述したようなセパレータ層を介した、エッチング抜けがピンホール状に発生した場合、これらのピンホール付近では成長結晶の電気的特性が所望の特性とは大きく異なる。例えば、エッチング抜けがゲート、ソース、ドレイン部分で起きた場合、抵抗値が大きくなる。つまり、所望のトランジスター特性は得られず、ウェハー内でのばらつきも発生し、半導体素子製造上の歩留りが著しく低下するという問題がある。
【0006】
本発明は上記の問題を解決するためになされたもので、半導体基板上に積層された複数の半導体素子の間に挿入するセパレータ層のエッチング時の選択エッチング特性を向上させ、エッチング抜けを防止し、歩留りのよいIII-V族化合物半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、半導体基板上にIII-V族の化合物半導体からなる複数の半導体素子がセパレータ層を介して積層され、上記セパレータ層がIII-V族の化合物半導体からなりかつV族元素としてPのみを含むIII-V族化合物半導体装置の製造方法において、下層にある上記半導体素子の最上部にV族元素としてAsのみを含むコンタクト層を形成し、III 族元素としてAlを少なくとも含みV族元素としてAsのみを含むIII-V族化合物半導体からなるAs蒸発抑制層を成長させたのち、上記セパレータ層を積層する。
【0008】
また、上記半導体基板としてInPを用い、上記セパレータ層としてInPを用い、上記As蒸発抑制層としてInAlAsを用いる。
また、上記半導体基板としてInPを用い、上記セパレータ層としてInPを用い、上記As蒸発抑制層としてAlAsを用いる。
また、上記As蒸発抑制層であるInAlAs層の厚さを1〜10nmとする。
また、上記As蒸発抑制層であるAlAs層の厚さを0.3〜10nmとする。
【0009】
【発明の実施の形態】
上述のように、ウェットエッチング時のInPの選択比の低下は、InP成長時のAs混入によって起きている。すなわち、セパレータ層であるInP層の下層がInGaAs層の場合には、セパレータ層形成の前の工程において、反応炉の内壁にInGaAsが付着し、その付着したInGaAsからのAsの再蒸発が行われる。これはMOVPE法が600℃以上の高温成長を必要とすることが原因している。InP層中へのAsの混入を抑制するためには、成長温度を低温化することが効果的と考えられる。しかしながら、前記のようにMOVPE法では高純度結晶をエピタキシャル成長させるためには高温成長が不可欠であるため、成長温度を下げることができない。一方、III-V族化合物半導体からのV族元素の蒸発はIII族原子とV族原子の結合力に依存することが知られている。さらに、その結合力はInAs、GaAs、AlAsの順に強くなる。よって、InGaAsの替わりにInAlAsやAlAsを成長した場合には、表面からのAsの脱離を低減することが可能である。これは基板表面及び反応炉内壁共に同様である。
【0010】
通常、一つの半導体装置の厚さは200nm程度である。また、この半導体装置のエッチング除去には、通常、膜厚の2倍程度のエッチングを行う。半導体装置をエッチングで除去した後、n−InPセパレータ層でエッチングを停止するためには、セパレータ層のエッチング選択比が200の場合、最低1nmの厚さにn−InPセパレータ層の厚さを設計する必要がある。しかし、実際にはさらに余裕をもって、n−InPの厚さを10〜50nmで設計するのが一般的である。また、n−InP層の下に成長するn−InAlAs、n−AlAsの厚さは、それぞれ、3分子層(約1nm)と1分子層(約0.3nm)以上の厚さで、Asの蒸発抑制の効果が顕著となった。n−InP層の下に成長するAsの蒸発抑制層にn−InAlAsを用いた場合には、格子定数がInPに整合しているために、厚さに制限は無い。しかし、n−AlAsをAsの蒸発抑制層に用いた場合には、AlAsの格子定数がInPと異なるため、臨界膜厚以上の膜厚ではミスフィット転位が発生する。よって、n−AlAsを用いる場合には臨界膜厚(10nm)以下の膜厚でAs蒸発抑制層を形成する必要がある。さらに、n−InPの除去に用いられるエッチャント(例えば、塩酸:燐酸:酢酸:水=1:1:2.5:1)のn−InPのエッチング速度は約60nm/minであるが、InAlAs、AlAsのエッチング速度は約2nm/minと遅い。よって、セパレータ層とAs蒸発抑制層を同時にエッチングで除去する場合は実用的な観点から考えるとInAlAsやAlAsのAs蒸発抑制層の厚さは10nm程度までで設計することが望ましい。
【0011】
従来技術が成長温度の低温化によって、Asの混入を抑制しようとしているのに対して、本発明はn−InP/n−InAlAs、n−InP/n−AlAsの積層構造を形成することでAsの混入を抑制し、セパレータ層のエッチング時の選択性を向上した点が異なる。
【0012】
本発明はIII-V族化合物半導体装置の製造方法において、半導体基板上に2種類以上の複数の半導体素子を積層して成長させる時、これらの半導体装置間に挿入するセパレータ層のウェットエッチング時の選択エッチング特性を向上させるための層構造の製造方法に関する。換言すれば本発明は、高速動作が期待される高電子移動度トランジスターとpinダイオード、ショットキダイオード、共鳴トンネルダイオード等の半導体素子を積層した構造を加工する際のウェットエッチング技術を安定化することができ、半導体素子の製造上の歩留りを向上することができる。
【0013】
図1は本発明に係るIII-V族化合物半導体装置の製造方法の第1の実施の形態を示す図である。すなわち、InP基板上にInAlAs結晶とInGaAs結晶から構成された高電子移動度トランジスターを形成した後、As蒸発抑制層とInPからなるセパレータ層を形成し、その上にInAlAsのショットキーダイオード構造を形成した時の層構造を示す。図において、101はInP基板、102はInAlAsバッファー層、103はInGaAsチャネル層、104はInAlAsのスペーサ層、105はInAlAsにSiをドーピングしたキャリア供給層、106はInAlAsのバリア層、107はSiをドーピングしたn−InGaAsコンタクト層であり、上記102〜107の層内で高電子移動度トランジスターが形成され、コンタクト層107はV族としてAsのみを含んでいる。また、108はセパレータ層を積層する前に積層された、Siをドーピングしたn−InAlAsのAs蒸発抑制層で、III 族元素として少なくともAlを含みV族元素としてAsのみを含んでいる。また、109はセパレータ層としてのSiをドーピングしたn−InPのエッチストッパー層で、V族元素としてPのみを含んでいる。更に、110はSiをドーピングしたn−InAlAs層、111はInAlAs層であり、上記110〜111の層内でショットキーダイオード構造が形成される。
【0014】
図2はエッチストッパー層109のn−InP層厚は30nmで一定として、クエン酸系エチャントを用いてショットキーダイオードのエッチングを行った場合、n−InP表面に発生したピンホール状のエッチング抜け密度を顕微鏡を用いて測定した結果を示す。この時、図1において、As蒸発抑制層108のn−InAlAsの層厚を変化させている。同図からn−InAlAsの成長によって、エッチング抜け密度が急激に低減することが分かる。また、1nm以上のn−InAlAsの成長でピンホール状のエッチング抜け密度は3000/cm2まで低減し、実用上問題の無いレベルまで低減していることが確認できた。
【0015】
図3は本発明に係るIII-V族化合物半導体装置の製造方法の第2の実施の形態を示す図である。すなわち、InP基板上にInAlAs結晶とInGaAs結晶から構成される高電子移動度トランジスターを成長した後、As蒸発抑制層とInPからなるセパレート層を形成し、その上に共鳴トンネルダイオード構造を形成する場合の層構造を示す。図において、301はInP基板、302はInAlAsバッファー層、303はInGaAsチャネル層、304はInAlAsのスペーサ層、305はInAlAsにSiをドーピングしたキャリア供給層、306はInAlAsのバリア層、307はSiをドーピングしたn−InGaAsコンタクト層であり、上記302〜307の層内で高電子移動度トランジスターが形成され、コンタクト層307はV族としてAsのみを含んでいる。また、308はSiをドーピングしたn−AlAsのAs蒸発抑制層で、III 族元素としてAlを含みV族元素としてAsのみを含んでいる。また、309はセパレータ層としてのSiをドーピングしたn−InPのエッチストッパー層で、V族元素としてPのみを含んでいる。更に、310はSiをドーピングしたn−InGaAs層、311はInGaAsのスペーサ層、312はInAlAsの障壁層、313はInGaAsの井戸層、314はInAlAsの障壁層、315はInGaAsのスペーサ層、316はSiをドーピングしたn−InGaAs層であり、上記310〜316の層内で共鳴トンネルダイオード構造が形成される。
【0016】
図4はエッチストッパー層309のn−InP層厚は30nmで一定として、クエン酸系エチャントを用いて、前記と同様、共鳴トンネルダイオードをエッチングした時に表面に発生したピンホール状エッチング抜け密度を顕微鏡を用いて測定した結果を示す。この時、As蒸発抑制層308のn−AlAsの層厚を変化させた。図からn−AlAsの成長の場合には、図2で示したn−InAlAsの結果より、さらに、急激にエッチング抜け密度が低減していることが分かる。これは、AlAsの組成の増大によって、Asの蒸発が抑制されることを示している。n−AlAsの場合には、1分子層の成長でもピンホール状のエッチング抜け密度が実用上問題の無いレベルまで低減していることが確認できた。
【0017】
上記の実施の形態では、n−InPのエッチストッパー層109、309の厚さを30nmで一定とした場合について示したが、10〜50nmの膜厚でも同様の結果が得られた。また、上部にpinダイオードを形成した層構造でも同様の結果が確認できた。また、As蒸発抑制層108、308にはn−InAlAs、n−AlAsを用いた場合について示したが、InAlGaAsでも同様の効果が期待される。また、P系化合物半導体には、n−InPの代りに、n−GaP、n−AlPを用いることが可能である。さらに、高電子移動度トランジスターのゲートのリセスエッチングを安定化させるために、P系のIII-V族化合物半導体層からなるエッチストパー層を障壁層に形成した場合においても、P系化合物半導体成長の直前に、AlAsを含む化合物半導体を数層成長することで、そのP系化合物半導体のエッチストッパー層の性能が向上することを確認している。
【0018】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るIII-V族化合物半導体装置の製造方法においては、半導体基板上に複数の半導体素子を積層して成長する時、これらの半導体素子間に挿入するセパレータ層のウェットエッチング時の選択エッチング特性を向上させることができる。このことは、高速動作が期待される高電子移動度トランジスターとpinダイオード、ショットキダイオード、共鳴トンネルダイオード等の半導体素子を積層した構造を加工する際、ウェットエッチング技術を安定化することができ、半導体素子の製造において、再現性よく所望のデバイス特性を得ることを可能にする。つまり、設計通りのデバイスを歩留り良く製造することができることを意味し、各種半導体デバイスの実用化および応用を推進する大きな効果を有する。
【0019】
また、具体的には、上記半導体基板としてInPを用い、上記セパレータ層としてInPを用い、上記As蒸発抑制層としてInAlAsを用いることにより、上記効果を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るIII-V族化合物半導体装置の製造方法の第1の実施の形態を示す図である。
【図2】図1における、ウェットエッチングによって発生したエッチング抜けの密度とAsの蒸発抑制層の厚さの関係を示す図である。
【図3】本発明に係るIII-V族化合物半導体装置の製造方法の第2の実施の形態を示す図である。
【図4】図3における、ウェットエッチングによって発生したエッチング抜けの密度とAsの蒸発抑制層の厚さの関係を示す図である。
【符号の説明】
101…InP基板
102…InAlAsバッファー層
103…InGaAsチャネル層
104…InAlAsのスペーサ層
105…InAlAsにSiをドーピングしたキャア供給層
106…InAlAsのバリア層
107…Siをドーピングしたn−InGaAsコンタクト層
108…Siをドーピングしたn−InAlAsのAs蒸発抑制層
109…Siをドーピングしたn−InPのエッチストッパー層
110…Siをドーピングしたn−InAlAs層
111…InAlAs層
301…InP基板
302…InAlAsバッファー層
303…InGaAsチャネル層
304…InAlAsのスペーサ層
305…InAlAsにSiをドーピングしたキャリア供給層
306…InAlAsのバリア層
307…Siをドーピングしたn−InGaAsコンタクト層
308…Siをドーピングしたn−AlAsのAs蒸発抑制層
309…Siをドーピングしたn−InPのエッチストッパー層
310…Siをドーピングしたn−InGaAs層
311…InGaAsのスペーサ層
312…InAlAsの障壁層
313…InGaAsの井戸層
314…InAlAsの障壁層
315…InGaAsのスペーサ層
316…Siをドーピングしたn−InGaAs層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, a plurality of semiconductor elements (high electron mobility transistors, pin diodes, Schottky diodes, resonant tunneling diodes, etc.) are stacked on a semiconductor substrate, and a semiconductor element separation layer (between these semiconductor elements) The present invention relates to a method for manufacturing a group III-V compound semiconductor device using a separator layer.
[0002]
[Prior art]
Generally, a III-V compound semiconductor device is formed on a III-V compound semiconductor substrate. Recently, for high-speed operation, a structure has been proposed in which InP is used for the semiconductor substrate and a plurality of semiconductor elements made of InAlAs, InGaAs, InP, etc. are stacked on the same semiconductor substrate. For example, a structure in which a pin diode is stacked on a high electron mobility transistor, a structure in which a Schottky diode is stacked on a high electron mobility transistor, and a structure in which a resonant tunnel diode is stacked on a high electron mobility transistor are proposed. . An n-InGaAs contact layer doped with Si at a concentration of 1 × 10 19 / cm 3 or more is formed on the top layer of the high electron mobility transistor structure in order to form source and drain electrodes without heat treatment. In general. Conventionally, n-InP doped with Si at a concentration of 1 × 10 19 / cm 3 or more is used as a separator layer so as to have selectivity during etching and electrical connection between the upper and lower semiconductor devices. After the growth, the next semiconductor element is grown. In general, pin diodes, Schottky diodes, and resonant tunneling diodes are formed of a III-V group compound semiconductor layered structure in which the V group is As. For example, when a sulfuric acid-based etchant or a citric acid-based etchant is used, the etching rate of the n-InP layer is about 1/200 (selection ratio is 200) compared to the etching rate of the As-based material. . Therefore, only the semiconductor element formed of the As-based material can be removed by etching, and the etching can be stopped with n-InP. Further, when a hydrochloric acid-based etchant is used, n-InGaAs has a characteristic that is hardly etched, so that the n-InP layer can be selectively removed and the etching can be stopped at the n-InGaAs layer. When processing a semiconductor element, it is common to use the selective etching characteristics as described above.
[0003]
Usually, metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) or molecular beam epitaxy (MBE) is used for crystal growth of compound semiconductors, but MOVPE is used when crystal material containing P is required to grow. There are many common cases. In the case of the MOVPE method, group III source gases include trimethylindium (TMI), triethylindium (TEI), trimethylaluminum (TMA), triethylaluminum (TEA), trimethylgallium (TMG), and triethylgallium (TEG). Metal is used. On the other hand, as the group V source gas, an organic metal such as tertiary butyl arsine (TBA) or tertiary butyl phosphine (TBP) may be used in addition to a hydride of arsine (AsH 3 ) and phosphine (PH 3 ).
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the above-described structure in which a plurality of semiconductor elements are stacked is grown using this MOVPE method, the growth temperature is 600 ° C. or higher in the MOVPE method, and therefore n-InP is grown on n-InGaAs. At this time, As re-evaporates from the InGaAs layer attached to the reaction furnace, As is mixed into the n-InP layer. That is, since As is mixed in the n-InP layer grown as the separator layer, there is a problem of “etching omission” that etching does not stop at this layer even when a sulfuric acid-based or citric acid-based etchant is used. In addition, etching loss of the n-InP layer due to As mixing usually occurs in a pinhole shape. That is, although the upper semiconductor device is selectively removed from the n-InP separator layer, the semiconductor device below the separator layer is actually partially etched. In order to suppress the mixing of As into the n-InP separator layer, a method of lowering the growth temperature has been devised, but in order to grow a high-purity crystal at a practical level using the MOVPE method, it is 600 ° C. The above growth temperature is required, and the above problems have not been solved.
[0005]
The high electron mobility transistor is a semiconductor element characterized in that a current flows in the lateral direction with respect to the semiconductor substrate, and a current flowing between the source and the drain is controlled by a voltage applied to the gate. In other words, when etching omission occurs in the form of pinholes through the separator layer as described above, the electrical characteristics of the grown crystal are significantly different from the desired characteristics in the vicinity of these pinholes. For example, when etching omission occurs in the gate, source, and drain portions, the resistance value increases. That is, there are problems that desired transistor characteristics cannot be obtained, variation within the wafer occurs, and the yield in manufacturing the semiconductor element is significantly reduced.
[0006]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and improves the selective etching characteristics during etching of a separator layer inserted between a plurality of semiconductor elements stacked on a semiconductor substrate and prevents etching omission. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a group III-V compound semiconductor device with a high yield.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the present invention, a plurality of semiconductor elements made of a III-V group compound semiconductor are stacked on a semiconductor substrate via a separator layer, and the separator layer is a III-V group compound. the method of manufacturing a group III-V compound semiconductor device including a P only as it and a group V element from the semiconductor, forming a contact layer containing as only as a group V element to the top of the semiconductor device in the lower layer, III group After growing an As evaporation suppression layer made of a III-V group compound semiconductor containing at least Al as an element and only As as a group V element, the separator layer is stacked.
[0008]
InP is used as the semiconductor substrate, InP is used as the separator layer, and InAlAs is used as the As evaporation suppression layer.
InP is used as the semiconductor substrate, InP is used as the separator layer, and AlAs is used as the As evaporation suppression layer.
The thickness of the InAlAs layer that is the As evaporation suppression layer is set to 1 to 10 nm.
Further, the thickness of the AlAs layer which is the As evaporation suppression layer is set to 0.3 to 10 nm.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As described above, the decrease in the InP selection ratio during wet etching is caused by the incorporation of As during InP growth. That is, when the lower layer of the InP layer as the separator layer is an InGaAs layer, InGaAs adheres to the inner wall of the reactor in the step before the separator layer formation, and As is re-evaporated from the deposited InGaAs. . This is because the MOVPE method requires high temperature growth of 600 ° C. or higher. In order to suppress the mixing of As into the InP layer, it is considered effective to lower the growth temperature. However, as described above, high temperature growth is indispensable for epitaxial growth of high-purity crystals in the MOVPE method, and thus the growth temperature cannot be lowered. On the other hand, it is known that the evaporation of the group V element from the group III-V compound semiconductor depends on the bonding force between the group III atom and the group V atom. Further, the bonding strength increases in the order of InAs, GaAs, and AlAs. Therefore, when InAlAs or AlAs is grown instead of InGaAs, it is possible to reduce As desorption from the surface. This is the same for both the substrate surface and the reactor inner wall.
[0010]
Usually, the thickness of one semiconductor device is about 200 nm. In addition, etching of this semiconductor device is usually performed by etching twice as thick as the film thickness. In order to stop etching at the n-InP separator layer after removing the semiconductor device by etching, when the etching selectivity of the separator layer is 200, the thickness of the n-InP separator layer is designed to be at least 1 nm. There is a need to. However, in practice, the n-InP thickness is generally designed to be 10 to 50 nm with a margin. The thicknesses of n-InAlAs and n-AlAs grown under the n-InP layer are 3 molecular layers (about 1 nm) and 1 molecular layer (about 0.3 nm) or more, respectively. The effect of suppressing evaporation became remarkable. When n-InAlAs is used for the evaporation suppression layer of As grown under the n-InP layer, the lattice constant is matched to InP, and thus the thickness is not limited. However, when n-AlAs is used for the As evaporation suppression layer, since the lattice constant of AlAs is different from InP, misfit dislocation occurs at a thickness greater than the critical thickness. Therefore, when n - AlAs is used, it is necessary to form the As evaporation suppression layer with a film thickness equal to or less than the critical film thickness (10 nm). Further, the etch rate of n-InP of an etchant (for example, hydrochloric acid: phosphoric acid: acetic acid: water = 1: 1: 2.5: 1) used for removal of n-InP is about 60 nm / min, but InAlAs, The etching rate of AlAs is as slow as about 2 nm / min. Therefore, when removing the separator layer and the As evaporation suppression layer simultaneously by etching, it is desirable that the thickness of the As evaporation suppression layer of InAlAs or AlAs is designed to about 10 nm from a practical viewpoint.
[0011]
Whereas the prior art attempts to suppress the incorporation of As by lowering the growth temperature, the present invention forms an As-layer by forming a stacked structure of n-InP / n-InAlAs and n-InP / n-AlAs. This is different in that the contamination of the separator layer is suppressed and the selectivity of the separator layer during etching is improved.
[0012]
The present invention relates to a method of manufacturing a group III-V compound semiconductor device, wherein two or more types of semiconductor elements are stacked and grown on a semiconductor substrate, and a separator layer inserted between these semiconductor devices is subjected to wet etching. The present invention relates to a layer structure manufacturing method for improving selective etching characteristics. In other words, the present invention can stabilize the wet etching technique when processing a structure in which a high electron mobility transistor expected to operate at high speed and a semiconductor element such as a pin diode, a Schottky diode, and a resonant tunnel diode are stacked. In addition, the manufacturing yield of the semiconductor element can be improved.
[0013]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a method for manufacturing a III-V compound semiconductor device according to the present invention. That is, after forming a high electron mobility transistor composed of InAlAs crystals and InGaAs crystals on an InP substrate, an As evaporation suppression layer and a separator layer made of InP are formed, and an InAlAs Schottky diode structure is formed thereon. The layer structure is shown. In the figure, 101 is an InP substrate, 102 is an InAlAs buffer layer, 103 is an InGaAs channel layer, 104 is an InAlAs spacer layer, 105 is a carrier supply layer doped with Si in InAlAs, 106 is a barrier layer of InAlAs, and 107 is Si. This is a doped n-InGaAs contact layer, in which a high electron mobility transistor is formed in the layers 102 to 107, and the contact layer 107 contains only As as a group V. Reference numeral 108 denotes a Si-doped n-InAlAs As evaporation suppression layer which is laminated before the separator layer is laminated, and contains at least Al as a group III element and only As as a group V element. Reference numeral 109 denotes an n-InP etch stopper layer doped with Si as a separator layer, which contains only P as a group V element. Further, 110 is an n-InAlAs layer doped with Si, 111 is an InAlAs layer, and a Schottky diode structure is formed in the layers 110 to 111.
[0014]
FIG. 2 shows that the n-InP layer thickness of the etch stopper layer 109 is constant at 30 nm, and the etching loss density of pinholes generated on the n-InP surface when the Schottky diode is etched using a citric acid-based etchant. The result of having measured using a microscope is shown. At this time, in FIG. 1, the layer thickness of n-InAlAs of the As evaporation suppression layer 108 is changed. From the figure, it can be seen that the growth density of etching is drastically reduced by the growth of n-InAlAs. Further, it was confirmed that the growth density of n-InAlAs of 1 nm or more reduced the pinhole-shaped etching drop density to 3000 / cm 2, which was reduced to a level having no practical problem.
[0015]
FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of a method for manufacturing a III-V compound semiconductor device according to the present invention. That is, when a high electron mobility transistor composed of InAlAs crystal and InGaAs crystal is grown on an InP substrate, an As evaporation suppression layer and a separate layer composed of InP are formed, and a resonant tunnel diode structure is formed thereon The layer structure of is shown. In the figure, 301 is an InP substrate, 302 is an InAlAs buffer layer, 303 is an InGaAs channel layer, 304 is an InAlAs spacer layer, 305 is a carrier supply layer doped with Si in InAlAs, 306 is an InAlAs barrier layer, and 307 is Si. This is a doped n-InGaAs contact layer, in which a high electron mobility transistor is formed in the layers 302 to 307, and the contact layer 307 contains only As as a group V. Reference numeral 308 denotes an As evaporation suppression layer of n-AlAs doped with Si, which contains Al as a group III element and only As as a group V element. Reference numeral 309 denotes an n-InP etch stopper layer doped with Si as a separator layer, which contains only P as a group V element. Further, 310 is an n-InGaAs layer doped with Si, 311 is an InGaAs spacer layer, 312 is an InAlAs barrier layer, 313 is an InGaAs well layer, 314 is an InAlAs barrier layer, 315 is an InGaAs spacer layer, and 316 is an InGaAs spacer layer. An n-InGaAs layer doped with Si, and a resonant tunnel diode structure is formed in the above-described layers 310 to 316.
[0016]
FIG. 4 shows that the n-InP layer thickness of the etch stopper layer 309 is constant at 30 nm, and using a citric acid-based etchant, the pinhole-like etching omission density generated on the surface when the resonant tunnel diode is etched in the same manner as described above. The result measured using is shown. At this time, the layer thickness of n-AlAs of the As evaporation suppression layer 308 was changed. From the figure, it can be seen that in the case of growth of n-AlAs, the etching drop density is further drastically reduced from the result of n-InAlAs shown in FIG. This indicates that the increase in the composition of AlAs suppresses the evaporation of As. In the case of n-AlAs, it was confirmed that the pinhole-shaped etching drop density was reduced to a level that had no practical problem even in the growth of one molecular layer.
[0017]
In the above embodiment, the case where the thicknesses of the n-InP etch stopper layers 109 and 309 are constant at 30 nm is shown, but similar results were obtained even at a film thickness of 10 to 50 nm. Similar results were confirmed even in a layer structure in which a pin diode was formed on the top. Moreover, although the case where n-InAlAs and n-AlAs are used for the As evaporation suppression layers 108 and 308 is shown, the same effect is expected with InAlGaAs. In addition, n-GaP or n-AlP can be used for the P-based compound semiconductor instead of n-InP. Furthermore, in order to stabilize the recess etching of the gate of the high electron mobility transistor, even when an etch stop layer composed of a P-based III-V compound semiconductor layer is formed on the barrier layer, the growth of the P-based compound semiconductor is also improved. Immediately before, it has been confirmed that the performance of the P-type compound semiconductor etch stopper layer is improved by growing several layers of compound semiconductor containing AlAs.
[0018]
【The invention's effect】
As described above, in the method for manufacturing a group III-V compound semiconductor device according to the present invention, when a plurality of semiconductor elements are stacked and grown on a semiconductor substrate, a separator layer inserted between these semiconductor elements is formed. The selective etching characteristics at the time of wet etching can be improved. This means that the wet etching technology can be stabilized when processing a structure in which a high-electron mobility transistor, which is expected to operate at high speed, and a semiconductor element such as a pin diode, a Schottky diode, or a resonant tunnel diode is processed. It is possible to obtain desired device characteristics with high reproducibility in the manufacture of elements. That is, it means that a device as designed can be manufactured with a high yield, and has a great effect of promoting the practical application and application of various semiconductor devices.
[0019]
More specifically, the above effect can be realized by using InP as the semiconductor substrate, InP as the separator layer, and InAlAs as the As evaporation suppression layer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a method for manufacturing a III-V compound semiconductor device according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the density of etching omission generated by wet etching and the thickness of an As evaporation suppression layer in FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of a method for manufacturing a group III-V compound semiconductor device according to the present invention.
4 is a diagram showing the relationship between the density of etching omission generated by wet etching and the thickness of an As evaporation suppression layer in FIG. 3; FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... InP substrate 102 ... InAlAs buffer layer 103 ... InGaAs channel layer 104 ... InAlAs spacer layer 105 ... InAlAs doped Si supply layer 106 ... InAlAs barrier layer 107 ... Si doped n-InGaAs contact layer 108 ... N-InAlAs As evaporation suppression layer 109 doped with Si ... n-InP etch stopper layer 110 doped with Si ... n-InAlAs layer 111 doped with Si ... InAlAs layer 301 ... InP substrate 302 ... InAlAs buffer layer 303 ... InGaAs channel layer 304 ... InAlAs spacer layer 305 ... InAlAs doped carrier supply layer 306 ... InAlAs barrier layer 307 ... Si doped n InGaAs contact layer 308... Si doped n-AlAs As evaporation suppression layer 309... Si doped n-InP etch stopper layer 310... Si doped n-InGaAs layer 311... InGaAs spacer layer 312. Barrier layer 313 ... InGaAs well layer 314 ... InAlAs barrier layer 315 ... InGaAs spacer layer 316 ... Si-doped n-InGaAs layer

Claims (5)

半導体基板上にIII-V族の化合物半導体からなる複数の半導体素子がセパレータ層を介して積層され、上記セパレータ層がIII-V族の化合物半導体からなりかつV族元素としてPのみを含むIII-V族化合物半導体装置の製造方法において、下層にある上記半導体素子の最上部にV族元素としてAsのみを含むコンタクト層を形成し、III 族元素としてAlを少なくとも含みV族元素としてAsのみを含むIII-V族化合物半導体からなるAs蒸発抑制層を成長させたのち、上記セパレータ層を積層することを特徴とするIII-V族化合物半導体装置の製造方法。A plurality of semiconductor elements made of a group III-V compound semiconductor are stacked on a semiconductor substrate via a separator layer, and the separator layer is made of a group III-V compound semiconductor and contains only P as a group V element III- the method of manufacturing a V compound semiconductor device, a contact layer containing as only as a group V element to the top of the semiconductor device in the lower layer, including a least includes V group element Al as the group III element as only A method for producing a group III-V compound semiconductor device, comprising: growing an As evaporation suppression layer made of a group III-V compound semiconductor; and laminating the separator layer. 上記半導体基板としてInPを用い、上記セパレータ層としてInPを用い、上記As蒸発抑制層としてInAlAsを用いることを特徴とする請求項1に記載のIII−V族化合物半導体装置の製造方法。  The method for manufacturing a III-V compound semiconductor device according to claim 1, wherein InP is used as the semiconductor substrate, InP is used as the separator layer, and InAlAs is used as the As evaporation suppression layer. 上記半導体基板としてInPを用い、上記セパレータ層としてInPを用い、上記As蒸発抑制層としてAlAsを用いることを特徴とする請求項1に記載のIII−V族化合物半導体装置の製造方法。  2. The method for manufacturing a III-V compound semiconductor device according to claim 1, wherein InP is used as the semiconductor substrate, InP is used as the separator layer, and AlAs is used as the As evaporation suppression layer. 請求項2に記載のIII−V族化合物半導体装置の製造方法において、上記As蒸発抑制層であるInAlAs層の厚さが1〜10nmであることを特徴とするIII−V族化合物半導体装置の製造方法。  3. The method of manufacturing a group III-V compound semiconductor device according to claim 2, wherein the InAlAs layer serving as the As evaporation suppression layer has a thickness of 1 to 10 nm. Method. 請求項3に記載のIII−V族化合物半導体装置の製造方法において、上記As蒸発抑制層であるAlAs層の厚さが0.3〜10nmであることを特徴とするIII−V族化合物半導体装置の製造方法。  The III-V group compound semiconductor device according to claim 3, wherein the AlAs layer as the As evaporation suppression layer has a thickness of 0.3 to 10 nm. Manufacturing method.
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