JP3963043B2

JP3963043B2 - 電界効果型トランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法

Info

Publication number: JP3963043B2
Application number: JP15401598A
Authority: JP
Inventors: 次郎和田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1998-06-03
Filing date: 1998-06-03
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2018-06-03
Also published as: JPH11345775A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界効果型トランジスタ用エピタキシャルウェハおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
化合物半導体ショットキー電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）は、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、有機金属気相エピタキシャル成長（ＭＯＶＰＥ）法により作成される。
【０００３】
まず、成長基板として、鏡面に仕上げられた半絶縁性ＧａＡｓ基板（鏡面ウェハ）を用意し、そのウェハ表面に硫酸系エッチャントやアンモニア系エッチャントにより１〜２μｍエッチングを施し、基板表面の不純物を除去する。この半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、例えば図４に示すように、バッファ層２として高抵抗のアンドープＧａＡｓもしくはアンドープＧａＡｓとアンドープＡｌＧａＡｓの多層構造のエピタキシャル結晶を５００〜１０００nm成長させ、次いで、能動層３としてｎ型ＧａＡｓ（キャリア濃度１〜５×１０¹⁷cm^-3）を１００〜５００nm成長させ、更にオーミックコンタクト層４としてｎ⁺型ＧａＡｓ（キャリア濃度１〜３×１０¹⁸cm^-3）を２０〜１００nm成長させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、問題点は、従来技術で述べたエピタキシャル結晶成長方法で作成されたエピタキシャルウェハの場合、半絶縁性ＧａＡｓ基板１とその上に形成されるエピタキシャル層６との界面、正確にはバッファ層２との界面に、低抵抗の導電層が存在することである。このような低抵抗層が形成される原因は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１の表面にもともとＳｉが付着しており、このＳｉがエピタキシャル結晶の成長中に結晶内に取り込まれ、ｎ型キャリアとなってしまうためである。
【０００５】
上記のような低抵抗層の存在するエピタキシャルウェハを用いて電界効果トランジスタを作成すると、エピタキシャル層と成長基板（鏡面ウェハ）との界面に存在する導電層を通じて、ソース電極とドレイン電極間にリーク電流が流れ、トランジスタの電気特性を悪化させる。この成長基板表面のＳｉを除去するため、エピタキシャル結晶成長前に通常は成長基板のエッチング洗浄を行うが、完全にＳｉを除去することはできない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ソース電極−ドレイン電極間のリーク電流を低滅した電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハおよびその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の製造方法は、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて多層のエピタキシャル層を成長させる電界効果型トランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法であって、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に前記多層のエピタキシャル層を成長させるに先立ち、その最初の層と同じ成長条件に合わせて、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いてＧａＡｓの単層又はＧａＡｓとＡｌ _ｘＧａ _１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）の多層構造から成る絶縁性エピタキシャル層を成長させる製造方法において、前記絶縁性エピタキシャル層は、有機金属気相成長法によりＧａＡｓ層又はＡｌ _ｘＧａ _１−ｘＡｓ層を成長する際に水（水分）を添加することにより作成するものである（請求項１）。また、絶縁性エピタキシャル層の一部にＡｌ _ｘＧａ _１−ｘＡｓ層を取り扱う場合は、前記絶縁性エピタキシャル層は、水分を添加しながらＡｌ _ｘＧａ _１−ｘＡｓ層を成長することにより作成すると共に、そのＡｌ _ｘＧａ _１−ｘＡｓ層のアルミニウムの組成をジシラン（Ｓｉ _２Ｈ _６）のドーピング量で制御して成長するものである（請求項２）。
【００１２】
本発明の製造方法（請求項１〜２）は、電界効果型トランジスタのバッファ層、能動層、オーミックコンタクト層といった多層のエピタキシャル層を成長させる場合と同じＭＯＶＰＥ法を用いて、かつ最初の層例えばバッファ層と同じ成長条件に合わせて、絶縁性エピタキシャル層を成長させるものであるので、両者のエピタキシャル層の成長を連続的に行うことが可能である。電界効果型トランジスタの多層のエピタキシャル層を成長させるに先立って、絶縁性エピタキシャル層を成長させることの効果は、ソース電極とドレイン電極間の抵抗値が高くなるため、成長基板とエピタキシャル層間に低抵抗層が存在していても、電界効果型トランジスタにおけるソース電極とドレイン電極間にリーク電流が生じなくなる点にある。
【００１３】
本発明の製造方法のうち、特に請求項１のものは、ＧａＡｓ又はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層の成長の際に水（水分）を添加することにより絶縁性エピタキシャル層を作成する方法であるため、副原料の水素との爆発の危険性なしに、酸素をＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ半導体中に取り込ませ、これによりＧａＡｓとＡｌＧａＡｓ半導体中のキャリア濃度を低下させて絶縁層とすることができる。
【００１４】
また、請求項２の製造方法は、水（水分）を添加しながらＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層を成長することにより爆発の危険なしに前記絶縁性エピタキシャル層を作成する上記手法を採る一方で、そのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層のアルミニウム組成（Ａｌ混晶比：ｘ）をジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）のドーピング量で制御する手法を採用しているので、高組成ＡｌＧａＡｓ層の成長条件のまま、即ちＡｌＧａＡｓの原料供給量を一定としたまま、ジシランのドーピング量を制御して、所望のＡｌ組成にて絶縁性ＡｌＧａＡｓ層を得ることができる。この発明により、多層構造絶縁性エピタキシャル層の成長の際は、一つのＡｌＧａＡｓ層の成長条件で成長できることから、原料の供給量の変更やその変更に伴うインターバルの時間が大幅に短縮され、スループットが向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００１６】
本発明の電界効果型トランジスタ用エピタキシャルウェハは、図１に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板１とその上に形成されるＦＥＴ構造のエピタキシャル層６との間に、絶縁性エピタキシャル層５を挟んだ構成を有する。通常のＦＥＴ構造をなすエピタキシャル層６は、アンドープＧａＡｓバッファ層２、Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓ能動層３、そしてＳｉドープｎ＋型ＧａＡｓオーミックコンタクト層４を順次積層したものから構成される。絶縁性エピタキシャル層５はIII −Ｖ族化合物半導体により形成されており、ここではアンドープＧａＡｓの単層から成る。
【００１７】
絶縁性エピタキシャル層５は、ＭＯＶＰＥ法を用いて、次の成長方法で作成する。従来技術で示したとおり、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上には、バッファ層２として、高抵抗のアンドープＧａＡｓもしくはアンドープＧａＡｓとアンドープＡｌＧａＡｓの多層構造のエピタキシャル結晶を５００〜１０００nm成長させる。このバッファ層２の構成層のうち基板１上に最初に成長するバッファ層２の層（アンドープＧａＡｓ）と同じ成長条件に合わせて、絶縁性エピタキシャル層５のＧａＡｓ層を成長させる。
【００１８】
図２は、上記した絶縁性エピタキシャル層５を、アンドープＧａＡｓ層５ａとアンドープＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜ｘ＜１）層５ｂとで構成した例である。この絶縁性エピタキシャル層５も、成長基板１上に最初に成長されるバッファ層２の層（アンドープＧａＡｓ）と同じ成長条件に合わせて成長させる。
【００１９】
このアンドープＧａＡｓ層５ａとアンドープＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ層５ｂの多層構造から成る絶縁性エピタキシャル層５を成長する場合、特にアンドープＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ層５ｂのアルミニウム組成（Ａｌ混晶比：ｘ）の変化を必要とする成長を行わせる際には、ＡｌＧａＡｓの原料供給量は一定としたまま、ジシランをドーピングすることにより、アルミニウム組成を制御する。
【００２０】
このジシランによるＡｌＧａＡｓの組成制御の具体例を図３により説明する。
【００２１】
図３は、アンドープＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ層５ｂを成長させる場合に、ジシランのドーピング量を変えるとアルミニウム（Ａｌ）組成が変化する関係を示している。この図３の縦軸はアルミニウム組成（％）、また横軸はジシランのドーピング量（×１０^-5mole／min ）であり、曲線Ａ〜Ｅはジシランが無添加のときのアルミニウム組成が１０％、２０％、３０％、４０％、５０％である場合を示す。
【００２２】
これらの曲線Ａ〜Ｅの全てについて、それぞれ、アンドープＡｌＧａＡｓにジシランをドーピングして行くと、そのドーピング量に応じてアンドープＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ層５ｂのアルミニウム組成が低下して行くという関係があることが分かる。例えば、曲線Ｂはアンドープの状態でアルミニウム組成が２０％（Ａｌ混晶比ｘ＝０．２）のものであるが、ジシランのドーピング量を１０×１０^-5mole／min にするとＡｌ組成が１５％（ｘ＝０．１５）に低下し、５０×１０^-5mole／min にするとＡｌ組成が１０％（ｘ＝０．１０）に低下する。
【００２３】
そこで、この関係を利用して、アンドープＡｌ^xＧａ^1-xＡｓ層５ｂを成長する場合、特にアルミニウム組成の変化を必要とする成長の際は、ＡｌＧａＡｓの原料供給量を一定としたまま、ジシランをドーピングすることにより、アンドープＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ層５ｂのアルミニウム組成を制御する。
【００２４】
このようにすることにより、多層構造の絶縁性エピタキシャル層５の成長の際は、一つのＡｌＧａＡｓ層の成長条件で成長できることから、原料の供給量の変更やその変更に伴うインターバルの時間が大幅に短縮され、スループットが向上する。
【００２５】
なお、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ層５ｂの成長プロセスにおいては、化合物半導体結晶中のＡｌの強い反応性のために水分の酸素のみが結晶中に取り込まれる。しかし、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ層５ｂ中のＡｌ組成の好ましい値としては、Ａｌ混晶比ｘが小さいと酸素の取り込み率が小さいので抵抗率を上げ難く、またｘが大きいと結晶が酸化されやすく不安定であることから０．１≦ｘ≦０．８の範囲とするのが妥当である。
【００２６】
（実施例１）
半絶縁性ＧａＡｓ基板１として、［０１１］方向に２°傾斜した（１００）面を有する半絶縁性ＧａＡｓ鏡面ウェハを用意した。この２°ｏｆｆ（１００）半絶縁性ＧａＡｓ鏡面ウェハ表面にＭＯＶＰＥ法を用いて、まず水（水分）である水蒸気を微量添加しながらアンドープＧａＡｓを成長し、キャリア濃度の低い高抵抗のＧａＡｓから成る絶縁性エピタキシャル層５を作成した。その後、さらにその上に、ごく簡単なＦＥＴ構造のエピタキシャル層６として、アンドープＧａＡｓバッファ層２を５００nm、Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓ（キャリア濃度１．７×１０¹⁷cm^-3）能動層３を２００nm、そしてＳｉドープｎ＋型ＧａＡｓ（キャリア濃度３×１０¹⁸cm^-3）オーミックコンタクト層４を５０nmの厚さで、順次成長し積層して電界効果型トランジスタ用エピタキシャルウェハ（図１）を得た。
【００２７】
次に、得られた電界効果型トランジスタ用エピタキシャルウェハのエピタキシャル層６の表面に、ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極を付けた。このＦＥＴについて、ゲート電極にピンチオフ電圧を印加し、このときのソース−ドレイン間のリーク電流を調べた。比較試料として、絶縁性エピタキシャル層５を挿入しない従来型のＦＥＴのリーク電流と表面状態も調べた。その結果、絶縁性エピタキシャル層５を挿入したＦＥＴのリーク電流は、１５〜１６μＡと従来型のＦＥＴの２００μＡに比較して非常に小さく、良好な電気特性が得られた。
【００２８】
（実施例２）
アンドープＧａＡｓ層５ａとアンドープＡｌＧａＡｓ層５ｂとから成る絶縁性エピタキシャル層５を持つ図２の電界効果型トランジスタ用エピタキシャルウェハを作成した。
【００２９】
まずアンドープＧａＡｓ層５ａを、上記実施例１と同じ条件で成長した。このアンドープＧａＡｓ層５ａに続いて、アンドープＡｌＧａＡｓ層５ｂを成長した。このアンドープＡｌＧａＡｓ層５ｂは、バッファ層２の構成層のうち基板１上に最初に成長するバッファ層２の層（アンドープＧａＡｓ）と同じ成長条件に合わせて成長させた。また、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ層５ｂの成長の際に水（水分）である水蒸気を添加しながら作成し、そのＡｌＧａＡｓの原料供給量は一定のまま、ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成をジシランのドーピング量により制御し、Ａｌ混晶比がｘ＝０．３〜０．２５であるアンドープＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ層５ｂを成長した。
【００３０】
得られた電界効果型トランジスタ用エピタキシャルウェハのエピタキシャル層６の表面に、ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極を付けたＦＥＴについて、ゲート電極にピンチオフ電圧を印加し、このときのソース−ドレイン間のリーク電流を調べた。その結果、絶縁性エピタキシャル層５を挿入したＦＥＴのリーク電流は、１５〜１６μＡと従来型のＦＥＴの２００μＡに比較して非常に小さく、良好な電気特性が得られた。
【００３１】
（変形例）
上記絶縁性エピタキシャル層５はそのままバッファ層の一部として用いる事も可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。
【００３６】
請求項１〜２に記載の製造方法によれば、電界効果型トランジスタの多層のエピタキシャル層を成長させる場合と同じＭＯＶＰＥ法を用いて、かつその最初の層と同じ成長条件に合わせて、絶縁性エピタキシャル層を成長させるので、両者のエピタキシャル層の成長を連続的に行うことが可能である。また、電界効果型トランジスタの多層のエピタキシャル層を成長させるに先立って、絶縁性エピタキシャル層を成長させるため、ソース電極とドレイン電極間の抵抗値が高くなることから成長基板とエピタキシャル層間に低抵抗層が存在していても、電界効果型トランジスタにおけるソース電極とドレイン電極間にリーク電流が生じない。
【００３７】
請求項１の製造方法によれば、ＧａＡｓ又はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層の成長の際に水分を添加することにより絶縁性エピタキシャル層を作成するため、副原料の水素との爆発の危険性なしに、酸素をＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ半導体中に取り込ませ、これによりＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ半導体中のキャリア濃度を低下させて絶縁層とすることができる。
【００３８】
請求項２の製造方法によれば、水分を添加しながらＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層を成長することにより爆発の危険なしに前記絶縁性エピタキシャル層を作成する一方で、そのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層のアルミニウム組成をジシランのドーピング量で制御しているので、高組成ＡｌＧａＡｓ層の成長条件のまま、即ちＡｌＧａＡｓの原料供給量を一定としたまま、ジシランのドーピング量を制御して、所望のＡｌ組成の絶縁性Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層を得ることができる。従って、多層構造絶縁性エピタキシャル層の成長の際、一つのＡｌＧａＡｓ層の成長条件で成長できることから、原料の供給量の変更やその変更に伴うインターバルの時間が大幅に短縮され、スループットが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るＦＥＴ用エピタキシャルウェハの構造を示す断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係るＦＥＴ用エピタキシャルウェハの構造を示す断面図である。
【図３】アンドープＡｌＧａＡｓにおけるジシランのドーピング量とＡｌ組成の関係を示した図である。
【図４】従来のＦＥＴ用エピタキシャルウェハの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１半絶縁性ＧａＡｓ基板
２バッファ層
３能動層
４オーミックコンタクト層
５絶縁性エピタキシャル層
５ａアンドープＧａＡｓ層
５ｂアンドープＡｌＧａＡｓ層
６エピタキシャル層

Claims

半絶縁性ＧａＡｓ基板上に有機金属気相成長法を用いて多層のエピタキシャル層を成長させる電界効果型トランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法であって、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に前記多層のエピタキシャル層を成長させるに先立ち、その最初の層と同じ成長条件に合わせて、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に有機金属気相成長法を用いてＧａＡｓの単層又はＧａＡｓとＡｌ _ｘＧａ _１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）の多層構造から成る絶縁性エピタキシャル層を成長させる電界効果型トランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法において、前記絶縁性エピタキシャル層は、有機金属気相成長法により、ＧａＡｓ層又はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層を成長する際に水分を添加することにより作成することを特徴とする電界効果型トランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法。
半絶縁性ＧａＡｓ基板上に有機金属気相成長法を用いて多層のエピタキシャル層を成長させる電界効果型トランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法であって、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に前記多層のエピタキシャル層を成長させるに先立ち、その最初の層と同じ成長条件に合わせて、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に有機金属気相成長法を用いてＧａＡｓの単層又はＧａＡｓとＡｌ _ｘＧａ _１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）の多層構造から成る絶縁性エピタキシャル層を成長させる電界効果型トランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法において、前記絶縁性エピタキシャル層は、水分を添加しながらＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層を成長することにより作成すると共に、そのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層のアルミニウムの組成をジシランのドーピング量で制御して成長することを特徴とする電界効果型トランジスタ用エピタキシャルウェハの製造方法。