JP3771679B2

JP3771679B2 - 化合物半導体膜の気相堆積方法

Info

Publication number: JP3771679B2
Application number: JP20501397A
Authority: JP
Inventors: 久坂井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-07-30
Filing date: 1997-07-30
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2017-07-30
Also published as: JPH1154436A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は化合物半導体膜の堆積方法に関し、特に単結晶シリコン基板上にガリウム砒素などの化合物半導体膜を堆積する化合物半導体膜の気相堆積方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
プレナ形化合物半導体装置では、能動領域を形成する基板として、通常高抵抗単結晶基板が用いられる。この高抵抗単結晶基板は、単に能動領域を支持するだけの機能を果たしているに過ぎないが、能動領域と同一の結晶基板が用いられることが多い。例えばＧａＡｓＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor Field Effect Transistor)あるいはＨＥＭＴ（High Elctron Mobility Transistor) を形成するための結晶基板としてクロム（Ｃｒ）を添加した半絶縁性ＧａＡｓ基板を用いるが如きである。この主な理由は能動領域と基板とが結晶構造が同一のため、能動領域の結晶欠陥密度例えば転位密度を基板と同程度以下に制御でき、又エピタキシが良好で装置に不可欠な平坦で鏡面の能動領域表面を得ることが容易であることにある。しかし、ＧａＡｓは比較的低硬度で脆いため、大面積化が困難であると共に装置製作工程で損なわれ易い欠点が本質的に存在する。
【０００３】
この欠点を除くために、ＧａＡｓなどのIII ・Ｖ族化合物半導体以外にシリコン基板を用いることも試みられているが、必ずしも良好な能動領域の形成には成功していないのが現状である。例えばシリコン基板上にＧａＡｓ膜をエピタキシャル成長させると、ＧａＡｓをエピタキシャル成長させる際に、シリコン基板中のＳｉ元素がＧａＡｓ領域へ固相拡散して低抵抗化し、能動領域に制御不能な厚い導電性遷移領域が形成されるなどの問題を誘発する。
【０００４】
ＧａＡｓのように禁制帯幅が大きく真性キャリア濃度が十分に小さい半導体であれば、原理的には高純度化することによって１×１０⁹Ωｃｍ程度の高抵抗にできることから、不純物濃度を真性キャリヤ濃度の１×１０⁶ａｔｏｍｓ・ｃｍ^-3程度に減らせばよいが、実際には不純物濃度を真性キャリア濃度程度まで減少させることは非常に困難である。
【０００５】
そこで、ＧａＡｓ領域を高抵抗化するために、ＧａＡｓにＣｒやＦｅなどの深い準位を作る不純物を補償不純物としてドープすることも考えられるが、このような補償不純物は、不純物と同程度必要であり、キャリア濃度として１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ・ｃｍ^-3程度まで必要となる。
【０００６】
従来、ＧａＡｓ膜にＣｒやＦｅをドーピングする場合、その原料としてはＣｒやＦｅの塩化物系化合物が用いられてきた。ところが、これらの塩化物系化合物の分解温度は６００℃以上であり、シリコン基板上にいきなり６００℃以上の温度でＣｒやＦｅがドーピングされたＧａＡｓを形成すると、シリコン基板とＧａＡｓとの格子定数の相違に基づく転位密度が増大すると共に、平坦で鏡面の能動領域表面を得ることができないという問題が発生する。
【０００７】
一方、ＭＯＣＶＤ法においては、欠陥密度の少ないＧａＡｓ膜を形成するために、シリコン基板とＧａＡｓ能動領域の界面部分にバッファ層を設け、このバッファ層を二段階成長法で形成することも提案されている。すなわち、１段階目に４５０℃以下の低温でアモルファス状のＧａＡｓ膜を形成し、２段階目に６５０℃以上の温度で単結晶のＧａＡｓ膜を形成する。これによって、欠陥密度が少なく、表面も平滑で清浄なＧａＡｓ膜を形成しようとするものである。
【０００８】
しかしながら、上述のように４００〜４５０℃以下の低温では従来のドーパント原料である塩化物系化合物を熱分解させることは困難であり、従来はＭＯＣＶＤ法で形成するＧａＡｓ膜中にＣｒやＦｅを１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ・ｃｍ^-3程度までドーピングすることは困難であった。
【０００９】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、シリコン基板上に良質で高抵抗な化合物半導体膜を形成できないという従来方法の問題点を解消した化合物半導体膜の気相堆積方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る化合物半導体膜の気相堆積法では、気相成長室内に（ＣＨ_３）_３Ｇａあるいは（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｇａ、ＡｓＨ_３、Ｈ_２から成る複数種類の原料ガスを導入して、所定温度に加熱した単結晶シリコン基板上に化合物半導体膜を堆積する化合物半導体膜の気相堆積方法において、前記単結晶シリコン基板の温度を４００〜４５０℃に設定して、前記気相成長室内に前記原料ガスとＣｒ（ＣＯ）_６あるいはＦｅ（ＣＯ）_５から成る金属カルボニル化合物ガスを導入して化合物半導体膜を堆積し、次いで前記単結晶シリコン基板の温度を６５０〜７５０℃に設定して前記複数種類の原料ガスを導入して化合物半導体膜を堆積し、前記金属カルボニル化合物ガスを導入して堆積した化合物半導体膜内の前記金属カルボニル化合物ガスが分解した金属元素が１×１０^１６ａｔｏｍｓ・ｃｍ^−３で、前記金属カルボニル化合物ガスを導入して堆積した化合物半導体膜の抵抗率が１０^６Ωｃｍ以上であることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
本発明の化合物半導体膜の気相堆積方法は、熱分解法又はＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vaper Deposition ）と呼ばれる方法であり、トリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ；ＴＭＧ）やトリエチルガリウム（（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｇａ；ＴＥＧ）とアルシン（ＡｓＨ₃）との熱分解を利用したものである。
【００１２】
本発明では、例えば表面に鏡面研磨を施した（１００）面を有し、ｎ型で比抵抗が１×１０²Ωｃｍ以上のシリコン単結晶基板を用いる。このシリコン基板をまず８５０℃以上の温度で熱処理して、基板表面の酸化膜を除去して清浄な基板面を得る。
【００１３】
次に、その清浄化された基板上に４００〜４５０℃の基板温度でバッファ層となるＧａＡｓ膜をエピタキシャル成長させ、そのバッファ層上に６５０℃以上の基板温度でＧａＡｓ膜をエピタキシャル成長させる。これらのＧａＡｓ膜をエピタキシャル成長させるときに、（ＣＨ₃）₃Ｇａあるいは（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｇａ、ＡｓＨ₃、Ｈ₂以外に金属カルボニル化合物ガスであるＣｒ（ＣＯ）₆あるいはＦｅ（ＣＯ）₅を用いて形成する。このＣｒ（ＣＯ）₆あるいはＦｅ（ＣＯ）₅は、３００℃程度で熱分解することから、バッファ層を形成する際には、１段階目からドーピング用ガスとして用いることができる。このようにバッファ層を形成する１段階目からＣｒやＦｅをバッファ層内にドービングできると、バッファ層の抵抗率ρをρ≧１０⁶Ωｃｍにでき、高抵抗化が可能になってＧａＡｓＭＥＳＦＥＴあるいはＨＥＭＴのデバイス回路の寄生容量が小さくなってデバイスの高速化および低消費電力化が図れる。
【００１４】
図１に本発明の化合物半導体膜の気相堆積方法に用いられるＭＯＣＶＤ装置を示す。希釈用Ｈ₂ガスは、純化装置１を通して使用する。また、ＴＭＧもしくはＴＥＧを充填して一定温度に保持したステンレス製バブラ２にキャリヤ用Ｈ₂ガスの一部を導き一定量のＴＭＧもしくはＴＥＧを含ませたのち、気相成長室３に供給する。同様にＣｒ（ＣＯ）₆あるいはＦｅ（ＣＯ）₅もバブラ４にＨ₂ガスを導き、一定量のＣｒ（ＣＯ）₆もしくはＦｅ（ＣＯ）₅を含ませた後、気相成長室３に供給する。気相成長室３内には、グラファイト製サセプタ５上に単結晶シリコン基板６が載置されており、サセプタ５の下方には、抵抗加熱用ヒータ７が設けられている。ＡｓＨ₃ガスはＨ₂ガスによって１０％に希釈して高圧容器７から直接供給する。必要な場合は、能動領域の電気特性を制御するためにシラン（ＳｉＨ₄）ガスなどを用いるが、このようなシランガスはＨ₂ガスにより、１０〜１００ｐｐｍに希釈してある同様な高圧容器（不図示）から直接供給すればよい。なお、図１中、９はマスフロー制御器である。以上のガスを流量計でそれぞれ所定の流量に制御し、反応容器に導く。これらガスは、抵抗加熱用ヒータ７によって基板６の近くで熱分解し、単結晶シリコン基板６上に、ＧａＡｓバッファ層を厚み１００〜１５０Å程度と１．５μｍ程度に二段階成長させ、続いてＧａＡｓ能動層を厚み２０００Å程度堆積させる。このように形成すると、ＧａＡｓバッファ層中にＣｒもしくはＦｅが１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ・ｃｍ^-3程度までドーピングされる。
【００１５】
本発明では、低温分解できる補償不純物の原料として金属カルボニル化合物であるＣｒ（ＣＯ）₆もしくはＦｅ（ＣＯ）₅を用いることによって、バッファ層中にＧａＡｓに対して深いアクセプタ（補償不純物）となるＣｒ（０．９７ｅＶ）あるいはＦｅ（０．５２ｅＶ）を適量ドーピングすることができる。このとき、ドーパント原料として低温分解が可能である金属カルボニル化合物であるＣｒ（ＣＯ）₆あるいはＦｅ（ＣＯ）₅を用いることによってバッファ層の低温エピタキシャル成長時にＣｒあるいはＦｅを１×１０¹⁶ａｔｏｍｓ・ｃｍ^-3程度ドーピングでき、そのバッファ層の抵抗率ρがρ＞１０⁶Ωｃｍとなって高抵抗化を図ることができる。
【００１６】
ここで、単結晶シリコン基板６上に形成したノンドープＧａＡｓエピタキシャル層とＣｒをドープしたＧａＡｓエピタキシャル層のキャリア濃度と比抵抗を調べた。ノンドープのＧａＡｓ膜は、そのキャリア濃度が５×ｌ０¹⁴ａｔｏｍｓ・ｃｍ^-3で、抵抗率が１×ｌ０²Ωｃｍであったが、ＣｒをドープしたＧａＡｓ膜のキャリア濃度は１×１０⁸ａｔｏｍｓ・ｃｍ^-3で、抵抗率は５×ｌ０⁶Ωｃｍであった。したがって、本発明により高抵抗ＧａＡｓヘテロエピタキシャル層が形成できていることがわかった。このバッファ層上に、ＧａＡｓなどから成る能動層を形成する。この能動層は、基板温度を６５０〜７５０℃に設定してエピタキシャル成長させる。なお、ＦＥＴを形成する場合、能動層はショットキ接合したゲートによって電流制御されているため、能動層自体を高抵抗化する必要はない。
【００１７】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る化合物半導体膜の気相堆積方法によれば、単結晶シリコン基板の温度を４００〜４５０℃に設定して、気相成長室内に（ＣＨ_３）_３Ｇａあるいは（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｇａ、ＡｓＨ_３、Ｈ_２から成る原料ガスとＣｒ（ＣＯ）_６あるいはＦｅ（ＣＯ）_５から成る金属カルボニル化合物ガスを導入して化合物半導体膜を堆積し、次いで上記単結晶シリコン基板の温度を６５０〜７５０℃に設定して上記複数種類の原料ガスを導入して化合物半導体膜を堆積し、上記金属カルボニル化合物ガスを導入して堆積した化合物半導体膜内の前記金属カルボニル化合物ガスが分解した金属元素が１×１０^１６ａｔｏｍｓ・ｃｍ^−３で、上記金属カルボニル化合物ガスを導入して堆積した化合物半導体膜の抵抗率が１０^６Ωｃｍ以上であることから、シリコン基板上にＣｒやＦｅを添加したＧａＡｓバッファ層をＭＯＣＶＤ法で形成することができ、このバッファ層は高抵抗のため、寄生容量を小さくでき、高周波特性の優れたＦＥＴ用のエピタキシャルウェハが得られる。したがって、ＨＥＭＴの電子走行層の高抵抗ＧａＡｓ層として利用でき、低雑音化、高性能化が図れ、また高性能ＭＭＩＣなどへの応用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る化合物半導体膜の気相堆積方法に用いる装置を模式的に示す図である。
【符号の説明】
３‥‥‥気相成長室、６‥‥‥基板

Claims

気相成長室内に（ＣＨ _３） _３Ｇａあるいは（Ｃ _２Ｈ _５） _３Ｇａ、ＡｓＨ _３、Ｈ _２から成る複数種類の原料ガスを導入して、所定温度に加熱した単結晶シリコン基板上に化合物半導体膜を堆積する化合物半導体膜の気相堆積方法において、前記単結晶シリコン基板の温度を４００〜４５０℃に設定して、前記気相成長室内に前記原料ガスとＣｒ（ＣＯ） _６あるいはＦｅ（ＣＯ） _５から成る金属カルボニル化合物ガスを導入して化合物半導体膜を堆積し、次いで前記単結晶シリコン基板の温度を６５０〜７５０℃に設定して前記複数種類の原料ガスを導入して化合物半導体膜を堆積し、前記金属カルボニル化合物ガスを導入して堆積した化合物半導体膜内の前記金属カルボニル化合物ガスが分解した金属元素が１×１０^１６ａｔｏｍｓ・ｃｍ^−３で、前記金属カルボニル化合物ガスを導入して堆積した化合物半導体膜の抵抗率が１０^６Ωｃｍ以上であることを特徴とする化合物半導体膜の気相堆積方法。