JPH04277615A - 化合物半導体の薄膜成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体の薄膜成長方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ等のＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体を用いた高速論理素子，半導体レ
ーザ，光電子集積回路（ＯＥＩＣ）の開発が急速に発展
し、それに伴い高制御な薄膜形成技術、サブミクロン加
工技術等の高度な素子作製プロセスが要求されるように
なっている。特に半導体層の薄膜形成技術は、素子構造
を作製する重要な鍵になっており、有機金属気相成長法
（ＭＯＶＰＥ），分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ
）等の方法が活発に研究開発されている。

【０００３】これらの成長方法では、基板に薄膜を成長
する前に基板表面を清浄化するため、例えばＧａＡｓ基
板ならば、成長室内において砒素雰囲気中で６００℃程
度のサーマルアニールを行っている。この工程により、
反応性水溶液で基板をエッチングしても除去できなかっ
た薄い酸化膜や不純物を取り除くことができる。

【０００４】実際にデバイス構造を作製するときは、基
板を清浄化した後、更にノンドープのバッファー層を５
０００オングストローム〜１μｍ成長し、基板からの不
純物の拡散などを抑制し、チャネルに悪影響を及ぼさな
いようにしている。

【０００５】以上のような方法で、デバイスに対する基
板からの影響をなくし、更にイオン注入や、メサエッチ
により素子間分離を行って集積化を図っているが、横山
らが報告しているように、素子間分離した２つのデバイ
スが並んでいる時、隣のデバイスのオーミック電極に逆
バイアスをかけると、もう一方のデバイスのドレイン電
流が影響を受け、しきい値電圧が変動する現象が見られ
ることがわかった（エレクトロン　　デバイス　　レタ
ーズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　ＤｅｖｉｃｅＬｅｔｔｅｒ
ｓ）第８巻，２８０頁，１９８７年）。これはサイドゲ
ート効果あるいはバックゲート効果と呼ばれており、集
積化を図る上で大きな障害となる。

【０００６】これには２つの原因が考えられる。１つは
、基板とエピタキシャル成長層界面に不純物があり、こ
れがリーク電流のキャリアになっていると考えるもので
ある。実際、サーマルアニーリングを行い清浄化した基
板でも、その界面には、アクセプター不純物である高濃
度のカーボンが存在することがＳＩＭＳ（走査形イオン
マイクロコピー分析装置）により確かめられている。 もう１つは、基板中の深い準位にある電子やホールが電
圧をかけることによりキャリアを放出し、それがリーク
電流の原因になるというものである。

【０００７】これらの問題を解決するため従来技術では
次のようなことが行われている。前述の横山らは、基板
を清浄化する際、基板温度を酸化膜が蒸発する温度より
更に高温に上げて、積極的に基板表面をエッチングする
方法（サーマルエッチング）を試みた。これは、基板と
エピタキシャル界面の不純物除去を目的としたものであ
る。

【０００８】これに対してスミスらは、むしろバッファ
ー層を高抵抗化することを考え、通常のＭＢＥ法で１５
０〜３００℃という低温でＧａＡｓバッファーを成長し
た（Ｓｍｉｔｈ　　ｅｔ　　ａｌ．エレクトロン　　デ
バイス　　レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｄｅｖｉｃ
ｅ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ）第９巻，７７頁，１９８８年）
。低温で成長したＧａＡｓ層は、極めて高抵抗になるこ
とが知られている。

【０００９】他にＦｅやＣｒなどＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体にとって深い準位を形成する不純物をドーピングし
て高抵抗エピタキシャル層を成長する方法もあるが、半
絶縁性基板と同様に深い準位からキャリアを放出する恐
れがあり、また異常拡散や析出の可能性もあることから
、効果的とはいえない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上に述べた、サイド
ゲート効果をなくすための従来例では、次のような問題
がある。まず横山らの、基板を清浄化する際、基板温度
を酸化膜が蒸発する温度より更に高温に上げて、サーマ
ルエッチングにより基板とエピタキシャル界面の不純物
を除去する方法では、カーボンが若干減少し、ある程度
の改善は見られるが、完全にカーボンを除去できないこ
とと、エピタキシャル層に対する基板からの影響をなく
すことはできない。またスミスらの、通常のＭＢＥ法で
１５０〜３００℃という低温でＧａＡｓバッファーを成
長し高抵抗化する方法は、基板とエピタキシャル層を完
全に絶縁する点では優れているが、バッファー層の結晶
性が悪いため、その上に成長するデバイス構造を有する
エピタキシャル層の膜質が劣化することと、エピタキシ
ャル層を成長するときは、通常の成長温度（６００℃）
に戻すため、この時バッファー層の回復が起こり、高抵
抗でない結晶が、部分的に生じることがある。

【００１１】本発明は、以上述べたような従来の問題点
を解決するためになされたもので、基板上にＩＩＩ−Ｖ
族化合物半導体薄膜を成長する際に、基板を高抵抗化し
、しかも不純物の影響をなくして、サイドゲート効果を
なくすことを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体の薄膜成長方法において、イオン化したガ
スを、格子欠陥が導入され基板表面が絶縁化する程度の
加速エネルギーで基板表面に照射した後、基板上に半導
体薄膜を成長することを特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明では、イオン化して基板に照射するガス
として、不活性ガス，酸素，反応性ガスを用いる。成長
前に基板表面にイオン化したガスを高い加速エネルギー
で照射することにより、基板に欠陥を導入し、深い準位
を形成して、基板を高抵抗化する。更に浅い準位にある
不純物は、トラップされてキャリアになることはない。 従って基板とエピタキシャル層を完全に絶縁することが
できる。またイオン衝撃により誘起される欠陥は、微少
な格子欠陥なので、その上に成長した場合、数原子層で
結晶は回復し、良好なエピタキシャル層を成長すること
ができる。さらにこのようにして導入された欠陥は、６
００℃程度のアニールでは容易に回復しないことが確か
められている。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例について説明する。 本実施例では、基板に欠陥を導入するために、マイクロ
波励起Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　　Ｒ
ｅｓｏｎａｎｃｅ（ＥＣＲ）ドライエッチング装置を用
いた。イオン化する不活性ガスには、アルゴン（Ａｒ）
を使用した。

【００１５】基板は、有機洗浄とＨ２ＳＯ４／Ｈ２Ｏ２
／Ｈ２Ｏ（３：１：１）水溶液でエッチングした後、装
置にセットした。ＥＣＲ装置により、イオン化したＡｒ
を１０分間照射した。この時、Ａｒガス流量は１ｃｃ／
ｍｉｎ、マイクロ波パワーは３００Ｗ、イオンの加速エ
ネルギーは２００ｅＶである。このような処理を施した
基板を分子線エピタキシャル成長装置（ＭＢＥ）にセッ
トした。本実施例において、ＩＩＩ　族原料にガリウム
（Ｇａ）およびアルミニウム（Ａｌ）、Ｖ族原料に砒素
（Ａｓ）、ｎ型ドーパントにシリコン（Ｓｉ）を用いて
、半絶縁性ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系
の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構造を作製し
た。

【００１６】成長室にて砒素を照射しながら６００℃に
加熱して、成長を開始する。この時ＲＨＥＥＤ（反射型
高エネルギー電子回折装置）観察では、アモルファスに
見られるようなハローパターンを示したが、成長開始後
１〜２分すると良好な単結晶であることを示すストリー
クパターンに変わった。成長構造は、ノンドープＧａＡ
ｓ層１０００オングストローム，Ｓｉドープ（２×１０
１８ｃｍ−３），Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ３００
オングストローム，ＧａＡｓキャップ層（２×１０１８
ｃｍ−３）５００オングストロームである。

【００１７】以上のような工程で作製したサンプルにプ
ロセスを施し、実際に素子を作り、サイドゲート効果を
調べた。図１に示すように、横軸にサイドゲート電圧、
縦軸にソースドレイン電流の変化分（Ｉｄｓｓ　／Ｉｄ
ｓｓ　（０））をとると、本発明の方法では、サイドゲ
ート電圧を増加してもＩｄｓｓ／Ｉｄｓｓ　（０）はま
ったく変化しないが、他の方法では減少する。即ちサイ
ドゲート効果が見られる。

【００１８】また通常は、５０００オングストローム〜
１μｍのバッファー層が必要だが、この場合は１０００
オングストロームでもまったく問題なく、基板作製のス
ループットが向上した。

【００１９】なお本実施例では、ガスをイオン化した基
板にダメージを与える方法として、ＥＣＲドライエッチ
ング法を用いたが、ガスをイオン化し基板に照射できる
方法ならば他のいかなる方法でもかまわない。

【００２０】また本実施例では、ＧａＡｓ基板について
記述したが、ＩｎＰのような他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体基板あるいは、その混晶においても同様な効果があ
る。

【００２１】

【発明の効果】本発明により、ＩＣを作製する場合問題
になる、サイドゲート効果がなくなり、さらに通常必要
な５０００オングストローム〜１μｍのバッファー層も
必要なく、基板作製のスループットが向上した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の効果を示す特性図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の薄膜成長方法
   において、イオン化したガスを、格子欠陥が導入され基
   板表面が絶縁化する程度の加速エネルギーで基板表面に
   照射した後、基板上に半導体薄膜を成長することを特徴
   とする化合物半導体の薄膜成長方法。