JPH05166724A - Silicon substrate compound semiconductor device and its manufacture - Google Patents

Silicon substrate compound semiconductor device and its manufacture

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JPH05166724A
JPH05166724A JP3353903A JP35390391A JPH05166724A JP H05166724 A JPH05166724 A JP H05166724A JP 3353903 A JP3353903 A JP 3353903A JP 35390391 A JP35390391 A JP 35390391A JP H05166724 A JPH05166724 A JP H05166724A
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layer
compound semiconductor
gaas
silicon substrate
semiconductor device
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Application number
JP3353903A
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Japanese (ja)
Inventor
Tatsuya Ohori
達也 大堀
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To enable fine working such as photolithography by improving surface shape (morphology) and to improve yield by improving characteristics of a semiconductor device. CONSTITUTION:After a single or a plurality of first compound semiconductor layers are grown on a silicon substrate 1, the surface of this first compound semiconductor layer 2 is mirror-polished, and further a single or a plurality of second compound semiconductor layers 3, 4, 5... are grown on it, thereby improving surface shape (morphology). Introducing In into a growing compound semiconductor layer relaxes dislocation to improve characteristics or prevents punchthrough of an etching stopper layer due to dislocation.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、シリコン基板上に形成
したGaAs等の化合物半導体層を能動層あるいは電子
走行層とするシリコン基板化合物半導体装置およびその
製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon substrate compound semiconductor device having a compound semiconductor layer such as GaAs formed on a silicon substrate as an active layer or an electron transit layer, and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】シリコン(Si)基板はガリウム砒素
(GaAs)等の化合物半導体の基板と比較すると、電
子移動度において劣ることを除き、軽量(密度)、熱伝
導率、価格、機械的強度および大口径化が容易である点
で勝っている。そのため、基板をSiとし、動作層をG
aAsに代表される化合物半導体とした、例えば、Ga
As on Si基板技術の開発が注目されている。
2. Description of the Related Art A silicon (Si) substrate is light in weight (density), thermal conductivity, price, mechanical strength, and mechanical strength, except that it is inferior in electron mobility as compared with a compound semiconductor substrate such as gallium arsenide (GaAs). The advantage is that it is easy to increase the diameter. Therefore, the substrate is Si and the operating layer is G
A compound semiconductor represented by aAs, for example, Ga
The development of As on Si substrate technology is drawing attention.

【0003】GaAs on Si基板の製造技術には
多くの解決すべき問題があるが、その中で次に挙げる3
点が特に主要な問題とされている。
There are many problems to be solved in the manufacturing technology of GaAs on Si substrate, and among them, the following 3
Points are regarded as a particularly major issue.

【0004】(1)結晶欠陥密度 動作層となるGaAsは基板のSiよりも熱膨張係数が
3倍大きいため、成長温度(通常の成長方法では600
℃から700℃の間であることが多い)から室温に降温
する際に、熱応力によってGaAsに結晶欠陥が発生
し、成長シーケンスの詳細によって異なるが、その欠陥
密度は106 〜109 cm-2にも達し、これを用いて製
造した半導体装置の特性に悪影響を与える。
(1) Crystal Defect Density Since GaAs to be the operating layer has a thermal expansion coefficient three times larger than that of Si of the substrate, the growth temperature (600 in the normal growth method).
° C. From the time of cooling to room temperature is often) between 700 ° C., the crystal defects in GaAs is generated by the thermal stress varies depending details growth sequence, the defect density of 10 6 ~10 9 cm - It also reaches 2 , which adversely affects the characteristics of a semiconductor device manufactured using the same.

【0005】(2)表面形状(モホロジ) 図7は、従来のシリコン基板化合物半導体層の表面のA
FM顕微鏡写真である。
(2) Surface shape (morphology) FIG. 7 shows the surface A of the conventional silicon substrate compound semiconductor layer.
It is an FM micrograph.

【0006】この図は、従来の技術によってシリコン基
板上に成長した膜厚3μmのGaAs層(GaAs o
n Si基板)の表面を原子間力顕微鏡(Atomic
Force Microscope−Digital
Instrument社製Nano Scope I
I AFMと略称する。)を用いて観測した状態を示し
ている。この図にみられるように、このGaAs on
Si基板の表面には、縦横約2000nmで高さ20
nm程度の多数の凹凸があるため、この層の上に微細な
素子を形成する場合には問題があるものと考えられる。
This figure shows a 3 μm thick GaAs layer (GaAs o) grown on a silicon substrate by a conventional technique.
Atomic force microscope (Atomic)
Force Microscope-Digital
Instrument Nano Nano Scope I
Abbreviated as I AFM. ) Shows the state observed. As you can see in this figure, this GaAs on
The surface of the Si substrate is about 2000 nm in height and width, and the height is 20.
Since there are many irregularities of about nm, it is considered that there is a problem when a fine element is formed on this layer.

【0007】(3)ウェハの反り 上述のGaAs on Si基板は、動作層となるGa
Asと基板のSiの熱膨張係数の差によって成長温度か
ら室温に降温したとき凹型に反ってしまう。このウェハ
の反りは基板の口径が大きくなるほど顕著になり、フォ
トリソグラフィー工程において露光精度に問題が生じる
等の支障を生じる。
(3) Warp of Wafer The above-mentioned GaAs on Si substrate is a Ga serving as an operating layer.
Due to the difference between the thermal expansion coefficient of As and that of Si of the substrate, the concave shape is warped when the temperature is lowered from the growth temperature to room temperature. The warp of the wafer becomes more remarkable as the diameter of the substrate increases, which causes a problem such as a problem in exposure accuracy in the photolithography process.

【0008】従来から、上述の諸問題を解決するために
種々の手法が検討されてきたが、その概要を、本発明に
関連する限度で下記のように要約することができる。
Conventionally, various techniques have been studied to solve the above-mentioned problems, but the outline thereof can be summarized as follows within the limits related to the present invention.

【0009】〔基本技術〕図8(A)〜(F)は、従来
のシリコン基板化合物半導体層の製造工程説明図であ
る。この図において、31はシリコン傾斜基板、32は
アモルファスGaAs島状体、33はアモルファスGa
As層、34は第1GaAs層、35は第2GaAs
層、36は第3GaAs層である。
[Basic Technique] FIGS. 8A to 8F are explanatory views of a conventional process for manufacturing a compound semiconductor layer of a silicon substrate. In this figure, 31 is a tilted silicon substrate, 32 is an amorphous GaAs island, and 33 is amorphous Ga.
As layer, 34 is the first GaAs layer, and 35 is the second GaAs
The layer 36 is a third GaAs layer.

【0010】以下、図8(A)〜(F)によってシリコ
ン基板化合物半導体層の基本的な製造方法を説明する。
Hereinafter, a basic manufacturing method of a silicon substrate compound semiconductor layer will be described with reference to FIGS.

【0011】第1工程(図8(A),(B)参照) シリコン傾斜基板31を水素雰囲気中で1000℃程度
に加熱して、シリコン傾斜基板表面に存在するSiO2
層を還元して除去する。この工程によってシリコン傾斜
基板31の表面に2原子層の段差を有する階段構造が形
成される。
First Step (Refer to FIGS. 8A and 8B) The silicon tilted substrate 31 is heated to about 1000 ° C. in a hydrogen atmosphere, and SiO 2 existing on the surface of the silicon tilted substrate is heated.
The layer is reduced and removed. By this step, a step structure having a step of two atomic layers is formed on the surface of the tilted silicon substrate 31.

【0012】第2工程(図8(C),(D)参照) 次に500℃程度の低温でMOCVDによってシリコン
傾斜基板31の上にGaAsを成長する(低温バッファ
ー層)。この工程においては、まず、シリコン傾斜基板
31の上の段差部にアモルファスGaAs島状体32が
成長し、やがて隣接するGaAsの島状体32が合体し
てシリコン傾斜基板31の表面を覆いつくすアモルファ
スGaAs層33が成長する。
Second step (see FIGS. 8C and 8D) Next, GaAs is grown on the silicon gradient substrate 31 by MOCVD at a low temperature of about 500 ° C. (low temperature buffer layer). In this step, first, the amorphous GaAs islands 32 grow on the stepped portion on the silicon tilted substrate 31, and then the adjacent GaAs islands 32 are united to cover the surface of the silicon tilted substrate 31. The GaAs layer 33 grows.

【0013】第3工程(図8(E)参照) 600℃程度の通常の成長温度まで昇温して低温バッフ
ァー層のアモルファスGaAs層33を結晶化して第1
GaAs層34を形成する。
Third step (see FIG. 8 (E)) The amorphous GaAs layer 33 of the low temperature buffer layer is crystallized by raising the temperature to a normal growth temperature of about 600 ° C.
The GaAs layer 34 is formed.

【0014】第4工程(図8(F)参照) その上に、第2GaAs層35、第3GaAs層36を
従来から知られていた成長方法によって成長する。
Fourth step (see FIG. 8 (F)) A second GaAs layer 35 and a third GaAs layer 36 are grown thereon by a conventionally known growth method.

【0015】上記の一連の製造工程は、2段階成長法
(2−Step growth method)と呼ば
れることが多いが、現在最も標準的なシリコン基板化合
物半導体装置の製造方法である。しかし、ここで説明し
たのはあくまでも基本的な製造工程であって他に様々な
製造工程が検討されている。
The above-mentioned series of manufacturing steps is often called a 2-step growth method, and it is the most standard manufacturing method of a silicon substrate compound semiconductor device at present. However, what has been described here is merely a basic manufacturing process, and various other manufacturing processes have been studied.

【0016】〔結晶欠陥(転位密度)の低減法〕シリコ
ン基板上に成長したGaAs結晶層の結晶欠陥を低減す
る方法として従来から下記の方法が知られている。 GaAs層の成長途中で温度を上昇あるいは降下し
て、熱膨張係数の差に起因してGaAs層中に発生する
熱応力による結晶欠陥(転位)を強制的に成長層の横方
向に逃がす。 GaAs層の成長途中に横方向に歪みを発生させる
ような格子定数に差がある材料層(例えばInGaAs
層)を挿入して、格子定数の差に起因する歪みにより発
生する転位を強制的に成長層の横方向に逃がす。
[Method of Reducing Crystal Defects (Dislocation Density)] As a method of reducing the crystal defects of a GaAs crystal layer grown on a silicon substrate, the following method has been conventionally known. The temperature is raised or lowered during the growth of the GaAs layer, and crystal defects (dislocations) due to the thermal stress generated in the GaAs layer due to the difference in thermal expansion coefficient are forced to escape in the lateral direction of the grown layer. A material layer (eg, InGaAs) having a difference in lattice constant that causes strain in the lateral direction during the growth of the GaAs layer.
Layer) to force dislocations generated in the lateral direction of the growth layer due to dislocations caused by strain due to the difference in lattice constant.

【0017】〔表面形状(モホロジ)の改善〕シリコン
基板上に、AlAs,AlPのようにシリコンとの間の
結合エネルギーがなるべく大きい材料を最初の低温バッ
ファー層に用いることによって、GaAs等の化合物半
導体が島状に孤立して成長するのを抑制する。また、上
記のほかに、選択成長や半導体層の成長後に行うアニー
ルなど様々な手法が検討されている。
[Improvement of Surface Morphology] A compound semiconductor such as GaAs is formed on a silicon substrate by using a material such as AlAs and AlP having a bond energy with silicon as large as possible for the first low temperature buffer layer. Suppresses island-like island growth. In addition to the above, various methods such as selective growth and annealing performed after the growth of the semiconductor layer are being studied.

【0018】[0018]

【発明が解決しようとする課題】ところが、現在までに
発表された論文、発明者等が有するデータ、市販品から
判断する限り、表面形状(モホロジ)の良好なGaAs
on Si基板の製造は極めて困難であるということ
ができる。それは図8(A)〜(F)によって説明した
基本的なGaAs on Si基板の結晶成長のメカニ
ズムに起因するものであり、10nmから20nm程度
の凹凸が発生するのを阻止することはきわめて困難であ
る。
However, as far as it can be judged from the papers published so far, the data possessed by the inventors, and the commercial products, GaAs having a good surface shape (morphology) is obtained.
It can be said that the manufacture of the on Si substrate is extremely difficult. This is due to the crystal growth mechanism of the basic GaAs on Si substrate described with reference to FIGS. 8A to 8F, and it is extremely difficult to prevent the occurrence of irregularities of about 10 nm to 20 nm. is there.

【0019】このように表面に凹凸があると、フォトリ
ソグラフィー技術によって微細なパターンを形成する際
に、その表面に一様に焦点を結ばせることができず、加
工精度を著しく劣化させる。特に、電子素子の動作特性
を向上させるためにはサブミクロンオーダの微細パター
ンを形成することが必須であり、現状の表面形状が改善
されない限りGaAs on Si基板のこれら電子素
子への応用は不可能である。
When the surface is uneven as described above, when a fine pattern is formed by the photolithography technique, the surface cannot be uniformly focused, and the processing accuracy is significantly deteriorated. In particular, it is essential to form a submicron-order fine pattern in order to improve the operating characteristics of electronic devices, and the application of GaAs on Si substrates to these electronic devices is impossible unless the current surface shape is improved. Is.

【0020】本発明は、上に掲げた問題のうち特に表面
形状(モホロジ)を改善して、特性の優れたシリコン基
板化合物半導体装置(GaAs on Si基板)を提
供すことを目的とする。
It is an object of the present invention to provide a silicon substrate compound semiconductor device (GaAs on Si substrate) having excellent characteristics by improving the surface shape (morphology) among the problems mentioned above.

【0021】[0021]

【課題を解決するための手段】本発明にかかるシリコン
基板化合物半導体装置においては、シリコン基板と、そ
の上に形成された最上層表面が鏡面研磨された単数ある
いは複数の第1の化合物半導体層と、該第1の化合物半
導体層の上に形成された単数あるいは複数の第2の化合
物半導体層とを含む構成を採用することによって、第2
の化合物半導体層の表面形状を改善することができる。
In a silicon substrate compound semiconductor device according to the present invention, a silicon substrate and a first or a plurality of first compound semiconductor layers having a mirror-polished uppermost layer surface formed thereon are provided. A second compound semiconductor layer formed on the first compound semiconductor layer, and a second compound semiconductor layer formed on the first compound semiconductor layer.
The surface shape of the compound semiconductor layer can be improved.

【0022】この場合、第2の化合物半導体層の第1層
をAlGaAs層にし、その上にGaAs/AlGaA
sあるいはGaAs/InGaPからなる選択ドープ構
造を積層することによって、選択ドープ構造の下層を高
抵抗化することができる。
In this case, the first layer of the second compound semiconductor layer is an AlGaAs layer, and GaAs / AlGaA is formed on the AlGaAs layer.
By stacking the selective doping structure made of s or GaAs / InGaP, the resistance of the lower layer of the selective doping structure can be increased.

【0023】この場合、第2の化合物半導体層の第1層
のAlGaAs層、あるいは、その上に積層されたGa
As/AlGaAsからなる選択ドープ構造のGaAs
層とAlGaAs層のいずれか1層以上に1019cm-3
以上のInが含まれ、その膜厚が臨界膜厚を越えないよ
うにすることによって、その層の転位を緩和し、表面形
状を改善することができる。
In this case, the AlGaAs layer of the first layer of the second compound semiconductor layer or the Ga layered thereon is formed.
Selectively doped GaAs composed of As / AlGaAs
10 19 cm -3 on at least one of the layers and the AlGaAs layer
By containing In as described above and preventing the film thickness from exceeding the critical film thickness, dislocations in the layer can be relaxed and the surface shape can be improved.

【0024】この場合、GaAs/AlGaAsからな
る選択ドープ構造の、ゲート電極が形成されるAlGa
As層の表面の少なくとも2nm以上にInが含まれな
いようにすることによってゲート電極からのリーク電流
を低減することができる。
In this case, AlGa having a selectively doped structure of GaAs / AlGaAs and having a gate electrode formed therein.
Leakage current from the gate electrode can be reduced by not containing In at least 2 nm or more on the surface of the As layer.

【0025】この場合、選択ドープ構造の上に単数ある
いは複数のAlGaAs層からなるエッチングストッパ
層を含むGaAsキャップ層を積層し、該エッチングス
トッパ層に1019cm-3以上のInを含ませ、その膜厚
を臨界膜厚を越えないようにすることによって、エッチ
ングの突き抜けを防止することができる。
In this case, a GaAs cap layer including an etching stopper layer composed of one or more AlGaAs layers is laminated on the selectively doped structure, and the etching stopper layer is made to contain In of 10 19 cm −3 or more, By preventing the film thickness from exceeding the critical film thickness, it is possible to prevent etching through.

【0026】この場合、選択ドープ構造を構成するGa
As/AlGaAsあるいはGaAs/InGaPの間
に臨界膜厚以下でInAs組成比が0.1以上であるI
nGaAs層を挿入することによって大電流高速素子を
形成することができる。
In this case, Ga constituting the selective doping structure
Between As / AlGaAs or GaAs / InGaP, the InAs composition ratio is 0.1 or more at the critical film thickness or less I
A large current high speed device can be formed by inserting the nGaAs layer.

【0027】本発明にかかるシリコン基板化合物半導体
装置の製造方法においては、シリコン基板上に単数ある
いは複数の第1の化合物半導体層を成長する工程と、該
第1の化合物半導体層の表面を鏡面研磨する工程と、該
鏡面研磨された第1の化合物半導体層の上にさらに単数
あるいは複数の第2の化合物半導体層を成長する工程を
採用することによって、比較的容易に第2の化合物半導
体層の表面形状を改善することができる。
In the method of manufacturing a silicon substrate compound semiconductor device according to the present invention, a step of growing one or a plurality of first compound semiconductor layers on a silicon substrate, and mirror polishing the surface of the first compound semiconductor layer. And a step of further growing a single or plural second compound semiconductor layers on the mirror-polished first compound semiconductor layer. The surface shape can be improved.

【0028】この場合、第1の化合物半導体層を、鏡面
研磨された後に0.5μm以上の厚さになるようにする
ことによって平坦な表面を得ることができる。
In this case, a flat surface can be obtained by making the first compound semiconductor layer have a thickness of 0.5 μm or more after being mirror-polished.

【0029】この場合、第2の化合物半導体層を、有機
金属気相成長法によって形成し、成長時の雰囲気圧力を
500Torr以下にすることによって、表面の平坦性
を向上することができる。
In this case, the flatness of the surface can be improved by forming the second compound semiconductor layer by the metal organic chemical vapor deposition method and setting the atmospheric pressure during the growth to 500 Torr or less.

【0030】この場合、第2の化合物半導体層の膜厚を
1μm以下にすることによって、表面形状の劣化を抑制
することができる。
In this case, by setting the film thickness of the second compound semiconductor layer to 1 μm or less, deterioration of the surface shape can be suppressed.

【0031】[0031]

【作用】本発明の基本的なコンセプトは極めて単純であ
り、要するにGaAs onSi基板の半導体層の一部
を一旦成長した後、表面を鏡面研磨し、その上に素子形
成用半導体層を再成長すると、再成長層の表面形状が良
好になるというものである。
The basic concept of the present invention is extremely simple. In short, after a part of the semiconductor layer of the GaAs on Si substrate is once grown, the surface is mirror-polished and a semiconductor layer for device formation is regrown on the surface. The surface shape of the regrown layer is improved.

【0032】しかし、実際に上記のような実験を行って
みると、成長条件によって再成長半導体結晶層の表面形
状は大きく異なるという結果が得られた。
However, when the above-mentioned experiment was actually conducted, it was found that the surface shape of the regrown semiconductor crystal layer was significantly different depending on the growth conditions.

【0033】図9は、MOCVDによりシリコン基板上
に0.6μm成長したGaAs層の表面粗さの測定結果
である。この図において、横軸は成長温度(℃)、縦軸
は粗さ(Å)を示している。
FIG. 9 shows the measurement results of the surface roughness of a GaAs layer grown on a silicon substrate by MOCVD to a thickness of 0.6 μm. In this figure, the horizontal axis indicates the growth temperature (° C) and the vertical axis indicates the roughness (Å).

【0034】この図の曲線aは成長時の雰囲気の圧力が
76Torrの場合の表面粗さをAFMによって測定し
た結果を示し、曲線bは成長時の雰囲気の圧力が760
Torr(大気圧)の場合の表面粗さを示している。成
長時の雰囲気の圧力によって半導体結晶層の表面粗さは
大きく異なり、雰囲気の圧力が小さい程凹凸は小さくな
り表面粗さは改善される。
The curve a in this figure shows the result of measuring the surface roughness by AFM when the pressure of the atmosphere during growth is 76 Torr, and the curve b shows the pressure of the atmosphere during growth of 760.
The surface roughness in the case of Torr (atmospheric pressure) is shown. The surface roughness of the semiconductor crystal layer varies greatly depending on the pressure of the atmosphere during growth, and the smaller the pressure of the atmosphere, the smaller the unevenness and the more the surface roughness is improved.

【0035】この曲線aと曲線b、および、曲線aと曲
線bの中間値における実験結果からみて、通常の半導体
素子を形成するための半導体層としては、有機金属気相
成長法(MOCVD)によって成長する場合、大気圧
(760Torr)より低い雰囲気、特に、500To
rr以下であることが好ましいことがわかった。ところ
が、分子線ビームエピタキシャル法(MBE)で半導体
層の再成長を行うと、超高真空においては表面粗さ、あ
るいは、表面形状が劣化することがわかった。
From the experimental results at the intermediate values of the curves a and b, and the intermediate values of the curves a and b, the semiconductor layer for forming a normal semiconductor element was formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). When growing, an atmosphere lower than atmospheric pressure (760 Torr), especially 500 To
It has been found that it is preferably rr or less. However, it has been found that when the semiconductor layer is regrown by the molecular beam epitaxial method (MBE), the surface roughness or the surface shape is deteriorated in an ultrahigh vacuum.

【0036】図10は、超高真空MBEにより成長した
GaAs層の表面のAFM顕微鏡写真である。この図か
ら明らかなように、超高真空MBEによって成長したG
aAs層の表面形状は蜂の巣構造状であり、必ずしも成
長時の雰囲気の圧力のみで表面形状が決定されているわ
けではないという結果が得られた。
FIG. 10 is an AFM micrograph of the surface of the GaAs layer grown by ultra-high vacuum MBE. As is clear from this figure, G grown by ultra-high vacuum MBE
It was found that the surface shape of the aAs layer has a honeycomb structure, and the surface shape is not necessarily determined only by the pressure of the atmosphere during growth.

【0037】図11は、超高真空MBEにより成長した
シリコン基板GaAs層の表面のAFM顕微鏡写真であ
る。この図によると、この方法によって成長した結晶層
の平面内において100nm程度の大きさの凹凸が形成
されていることがわかる。
FIG. 11 is an AFM micrograph of the surface of the GaAs layer on the silicon substrate grown by ultra-high vacuum MBE. According to this figure, it is found that irregularities having a size of about 100 nm are formed in the plane of the crystal layer grown by this method.

【0038】図12は、図11のX−X’線における断
面形状を示している。この図によると、X−X’線にお
ける断面形状において高さ50nm程度の凹凸が形成さ
れていることがわかる。
FIG. 12 shows a sectional shape taken along line XX 'in FIG. According to this figure, it is found that unevenness having a height of about 50 nm is formed in the cross-sectional shape taken along the line XX ′.

【0039】このような凹凸が生じる原因については現
在のところ完全に究明されるに至っていないが、MOC
VDとMBEの違い、MOCVDの成長時の雰囲気の圧
力依存性等から考えて、水素と結合したAs原子の濃度
が再成長結晶層(第2の化合物半導体層)の原子の配列
に強い影響を与えるためではないかと推測される。ま
た、第2の化合物半導体層の表面形状は、シリコン基板
上に形成する第1の化合物半導体層であるGaAs層の
表面を鏡面研磨した後の残り膜厚によっても異なること
がわかった。
The cause of such irregularities has not yet been completely investigated at present, but the MOC
Considering the difference between VD and MBE and the pressure dependence of the atmosphere during the MOCVD growth, the concentration of As atoms bonded to hydrogen has a strong influence on the arrangement of atoms in the regrown crystal layer (second compound semiconductor layer). It is speculated that it is for giving. It was also found that the surface shape of the second compound semiconductor layer also varies depending on the remaining film thickness after mirror polishing the surface of the GaAs layer which is the first compound semiconductor layer formed on the silicon substrate.

【0040】図13は、MOCVDにより成長したシリ
コン基板GaAs層の表面のAFM顕微鏡写真である。
この図にかかる一連の実験によると、シリコン基板上に
形成された第1の化合物半導体層であるGaAs層の残
り膜厚が0.5μm程度より薄くなると再成長結晶(第
2の化合物半導体層)の表面に大きな凹みが生じた。し
たがって、第1の化合物半導体層を鏡面研磨した後に、
0.5μm以上の膜厚を有するようにする必要があると
いうことができる。
FIG. 13 is an AFM micrograph of the surface of the GaAs layer on the silicon substrate grown by MOCVD.
According to a series of experiments according to this figure, when the remaining film thickness of the GaAs layer which is the first compound semiconductor layer formed on the silicon substrate becomes thinner than about 0.5 μm, the re-grown crystal (second compound semiconductor layer) There was a large dent on the surface of. Therefore, after mirror polishing the first compound semiconductor layer,
It can be said that it is necessary to have a film thickness of 0.5 μm or more.

【0041】これは第1の化合物半導体層であるGaA
sを成長する場合、その成長初期では極めて転移密度が
大きく、その上に第2の化合物半導体層を成長すると
き、この転移の上とそうでない領域では成長速度が異な
るためと考えられ、この転移密度もまた表面形状に影響
を与えるものと考えられる。
This is GaA which is the first compound semiconductor layer.
It is considered that, when s is grown, the dislocation density is extremely high in the initial stage of its growth, and when the second compound semiconductor layer is grown thereon, the growth rate is different between the region above this transition and the region other than this transition. Density is also believed to affect surface topography.

【0042】そこで、シリコン基板上に成長した第1の
化合物半導体層であるGaAsの膜厚を0.5μmに
し、その上にInAsの組成比が0.01(1020cm
-3)のInGaAsを成長して、結晶表面形状を図13
の場合と比較する一連の実験を行った。
Therefore, the film thickness of GaAs, which is the first compound semiconductor layer grown on the silicon substrate, is set to 0.5 μm, and the composition ratio of InAs is set to 0.01 (10 20 cm 2).
-3 ) InGaAs is grown and the crystal surface shape is shown in FIG.
A series of experiments were performed to compare with the above.

【0043】図14は、0.5μmのGaAs層の上に
成長したシリコン基板InGaAs層の表面のAFM顕
微鏡写真である。この図から、InGaAs層の表面の
凹みの深さが著しく減少していることがわかる。これは
原子半径が大きいInが転位や転位付近の空格子点に入
り込み易く、転位を緩和させるものと考えられる。この
ようにInをドーピングすることによって平坦性の良好
なGaAs/AlGaAs選択ドープ構造を形成するこ
とができる。
FIG. 14 is an AFM micrograph of the surface of a silicon substrate InGaAs layer grown on a 0.5 μm GaAs layer. From this figure, it can be seen that the depth of the recess on the surface of the InGaAs layer is significantly reduced. It is considered that this is because In having a large atomic radius easily enters dislocations and vacancies near the dislocations and relaxes the dislocations. By doping In in this way, it is possible to form a GaAs / AlGaAs selective doping structure having good flatness.

【0044】第2の化合物半導体層の膜厚が厚くなるほ
ど表面の凹凸が成長するから、この厚さを全体で1μm
程度に抑えることが望ましい。
As the film thickness of the second compound semiconductor layer becomes thicker, the unevenness on the surface grows, so that the total thickness is 1 μm.
It is desirable to suppress it to a certain degree.

【0045】以上の実験結果を一般化すると、再成長結
晶層(第2の化合物半導体層)の表面形状は、基板に到
達するAs種(As−species)と、成長層中の
転位に影響されるものと考えられ、再成長結晶の表面形
状を改善する具体的な手法は下記のとおりと考えられ
る。
Generalizing the above experimental results, the surface shape of the regrown crystal layer (second compound semiconductor layer) is affected by As species (As-species) reaching the substrate and dislocations in the grown layer. It is considered that the specific method of improving the surface shape of the regrown crystal is as follows.

【0046】(1)500Torr以下の減圧MOCV
Dにより結晶層を成長するときのAs種(As−spe
cies)をコントロールする。 (2)鏡面研磨したGaAs on Si基板のGaA
s層(第1の化合物半導体層)の残り膜厚を0.5μm
以上となるべく大きくする。 (3)化合物半導体層中にInを導入して発生した転位
を補償する。 (4)第2の化合物半導体層の膜厚を1μm以下となる
べく薄くする。
(1) Reduced pressure MOCV of 500 Torr or less
As species (As-spe) when growing a crystal layer by D
Cies). (2) GaA of mirror-polished GaAs on Si substrate
The remaining film thickness of the s layer (first compound semiconductor layer) is 0.5 μm
Make it as large as possible. (3) Compensating for dislocations generated by introducing In into the compound semiconductor layer. (4) The thickness of the second compound semiconductor layer is made as thin as 1 μm or less.

【0047】[0047]

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。EXAMPLES Examples of the present invention will be described below.

【0048】(第1実施例)図1は、第1実施例のシリ
コン基板半導体装置の概略構成説明図である。この図の
1はSi基板、2はGaAsバッファ層、3はAl0.35
Ga0.65Asバッファ層、4はi−GaAs:In電子
走行層、5はi−Al0.28Ga0.72Asスペーサ層、6
はn−Al0.28Ga0.72As電子供給層、7はn−Ga
Asキャップ層、8はゲート電極、9はソース電極、1
0はドレイン電極である。
(First Embodiment) FIG. 1 is a schematic structural explanatory view of a silicon substrate semiconductor device of the first embodiment. In this figure, 1 is a Si substrate, 2 is a GaAs buffer layer, and 3 is Al 0.35.
Ga 0.65 As buffer layer, 4 i-GaAs: In electron transit layer, 5 i-Al 0.28 Ga 0.72 As spacer layer, 6
Is n-Al 0.28 Ga 0.72 As electron supply layer, 7 is n-Ga
As cap layer, 8 is a gate electrode, 9 is a source electrode, 1
Reference numeral 0 is a drain electrode.

【0049】この図に示されたGaAs on Si型
の選択ドープ構造を有する半導体装置の製造方法の概要
を説明する。
An outline of a method of manufacturing the semiconductor device having the GaAs on Si type selectively doped structure shown in this figure will be described.

【0050】第1工程(GaAs on Si基板) Si基板1を水素雰囲気中で1000℃に加熱して表面
の酸化膜を除去した後、基板温度を500℃に下げてM
OCVDによってアモルファス状のGaAs層を500
Å成長し、基板温度を650℃に上げてこのアモルファ
ス状のGaAs層を単結晶化して厚さ3μmのGaAs
層バッファ2を形成する。
First Step (GaAs on Si Substrate) The Si substrate 1 is heated to 1000 ° C. in a hydrogen atmosphere to remove the oxide film on the surface, and then the substrate temperature is lowered to 500 ° C.
Amorphous GaAs layer 500 by OCVD
Å Grow and raise the substrate temperature to 650 ° C to single-crystallize this amorphous GaAs layer to form a 3 μm thick GaAs layer.
Form the layer buffer 2.

【0051】このMOCVD法はこの技術分野でよく知
られており、例えば文献(M.Akiyama,Y.K
awarada and K.Kaminishi:J
apanese Journal of Applie
d Physics 23L843 1984)に記載
されている。
This MOCVD method is well known in this technical field, and is described in, for example, the literature (M. Akiyama, Y. K.
awarada and K.K. Kaminishi: J
apanese Journal of Applie
d Physics 23L843 1984).

【0052】第2工程(GaAs on Siの鏡面研
磨) 単結晶化したGaAsバッファ層2の表面を、通常、成
長用GaAs基板を製造する際に最終段階で行う表面研
磨と同程度の鏡面研磨、すなわち、表面に次亜塩素酸ソ
ーダの水溶液を塗布しながらバフ研磨を行う。この鏡面
研磨によって、GaAsバッファ層2の表面を0.5μ
m除去し、エッチングによって平滑にし、残りの厚さを
2.5μmとする。
Second Step (Mirror Polishing of GaAs on Si) The surface of the single-crystallized GaAs buffer layer 2 is mirror-polished to the same degree as the surface polishing usually performed at the final stage when manufacturing a GaAs substrate for growth. That is, buffing is performed while applying an aqueous solution of sodium hypochlorite to the surface. By this mirror polishing, the surface of the GaAs buffer layer 2 is 0.5 μm.
m, and smoothed by etching, and the remaining thickness is 2.5 μm.

【0053】第3工程(選択ドープ構造の成長) 鏡面研磨したGaAsバッファ層2の上に、減圧MOC
VDによって下記の条件で複数層の第2の化合物半導体
層を成長して選択ドープ構造を形成した。その後、n−
GaAsキャップ層7のゲート領域をエッチングして露
出したn−Al0.28Ga0.72As電子供給層6の上にゲ
ート電極8を形成し、このゲート電極8を挟んでn−G
aAsキャップ層7の上にソース電極9とドレイン電極
10を形成してHEMTを完成する。
Third Step (Growth of Selectively Doped Structure) On the mirror-polished GaAs buffer layer 2, a reduced pressure MOC is formed.
A plurality of second compound semiconductor layers were grown by VD under the following conditions to form a selectively doped structure. Then n-
A gate electrode 8 is formed on the n-Al 0.28 Ga 0.72 As electron supply layer 6 exposed by etching the gate region of the GaAs cap layer 7, and the n-G is sandwiched by the gate electrode 8.
The source electrode 9 and the drain electrode 10 are formed on the aAs cap layer 7 to complete the HEMT.

【0054】成長条件は下記のとおりである。 成長温度630℃ 成長圧力76Torr 原料ガス GaAs TEGa(Triethylgallium) AsH3 AlGaAs TMAl(Trimethylalluminum) TEGa(Triethylgallium) AsH3 ドーパント Si2 6 TMI(Trimethylindium)The growth conditions are as follows. Growth temperature 630 ° C. Growth pressure 76 Torr Raw material gas GaAs TEGa (Triethylgallum) AsH 3 AlGaAs TMAl (Trimethylgalluinum) TEGa (Triethylgallumium) AsH 3 dopant Si 2 H 6 TMI (Trimethylindyl)

【0055】なお、各原料ガスの流量を、成長速度が3
〜4Å/secになるように設定した。成長速度が遅い
ほど表面が平坦化する傾向がみられた。また、TMGa
よりもTEGaの方が表面が平坦になる傾向があった。
The flow rate of each raw material gas was set to a growth rate of 3
It was set to be ~ 4Å / sec. The slower the growth rate, the more flattened the surface. Also, TMGa
The surface of TEGa tends to be flatter than that of TEGa.

【0056】図1の構成の主要な材料および設計値は下
記のとおりである。 7.n−GaAsキャップ層 厚さ100nm ドナ濃度1.5×1018cm-3 6.n−Al0.28Ga0.72As電子供給層 厚さ50nm ドナ濃度1.5×1018cm-3 5.i−Al0.28Ga0.72Asスペーサ層 厚さ2nm 4.i−GaAs:In電子走行層 厚さ100nm In濃度1020cm-3 3.Al0.35Ga0.65Asバッファ層 厚さ300nm 2.GaAsバッファ層 厚さ2.5μm 1.Si基板
The main materials and design values of the configuration of FIG. 1 are as follows. 7. n-GaAs cap layer 100 nm thickness Donor concentration 1.5 × 10 18 cm −3 6. n-Al 0.28 Ga 0.72 As electron supply layer Thickness 50 nm Donor concentration 1.5 × 10 18 cm −3 5. i-Al 0.28 Ga 0.72 As spacer layer 2 nm thick 4. i-GaAs: In electron transit layer 100 nm thickness In concentration 10 20 cm -3 3. Al 0.35 Ga 0.65 As buffer layer Thickness 300 nm 2. GaAs buffer layer thickness 2.5 μm 1. Si substrate

【0057】この構造において、Si基板1の上に形成
されるGaAsバッファ層2の厚さは鏡面研磨後は2.
5μmであって、大きい凹凸が生じる厚さである0.5
μmより充分に厚くしてあるため、その上に成長したA
0.35Ga0.65Asバッファ層3の表面の平坦性は良好
であった。
In this structure, the thickness of the GaAs buffer layer 2 formed on the Si substrate 1 is 2. after mirror polishing.
5 μm, which is a thickness at which large unevenness occurs 0.5
Since it is thicker than μm, A grown on it
The flatness of the surface of the 0.35 Ga 0.65 As buffer layer 3 was good.

【0058】また、n−Al0.28Ga0.72As電子供給
層6とi−Al0.28Ga0.72スペーサ層5とi−GaA
s:In電子走行層5によって選択ドープ構造が形成さ
れている。またこのi−GaAs:In電子走行層は、
この層に導入された濃度1020cm-3以上のInによっ
て転位が緩和されているが、実験の結果によると、10
19cm-3程度の濃度のInの導入によって転位の緩和効
果が生じることが確かめられている。
The n-Al 0.28 Ga 0.72 As electron supply layer 6, the i-Al 0.28 Ga 0.72 spacer layer 5 and the i-GaA
A selective doping structure is formed by the s: In electron transit layer 5. The i-GaAs: In electron transit layer is
Dislocations are relaxed by In introduced at a concentration of 10 20 cm −3 or more in this layer.
It has been confirmed that the introduction of In at a concentration of about 19 cm −3 causes a dislocation relaxation effect.

【0059】また、n−Al0.28Ga0.72As電子供給
層6、i−Al0.28Ga0.72スペーサ層5等について
も、上記のInの導入による転位の緩和効果が生じるこ
とも確かめられているが、n−Al0.28Ga0.72As電
子供給層6にInを導入する場合は、その上表面の少な
くとも2nmにInが含まれないようにしてゲート電極
の漏れ電流を抑制することが望ましい。
It has also been confirmed that the n-Al 0.28 Ga 0.72 As electron supply layer 6, the i-Al 0.28 Ga 0.72 spacer layer 5 and the like also have a dislocation relaxation effect due to the introduction of In described above. When introducing In into the n-Al 0.28 Ga 0.72 As electron supply layer 6, it is desirable that the leakage current of the gate electrode be suppressed by preventing In from being contained in at least 2 nm on the upper surface thereof.

【0060】また、第1の化合物半導体層の最上層のG
aAsバッファ層2の表面は、鏡面研磨において汚染さ
れており、そのまま第2化合物半導体層を成長すると、
再成長界面に導電層が形成される可能性があるため、第
2化合物半導体層の第1層を高抵抗化しやすいAlGa
As層を介挿してこの導電層を打ち消すようにすること
が望ましい。
The uppermost G of the first compound semiconductor layer
The surface of the aAs buffer layer 2 is contaminated by mirror polishing, and if the second compound semiconductor layer is grown as it is,
Since a conductive layer may be formed on the regrowth interface, AlGa that easily increases the resistance of the first layer of the second compound semiconductor layer.
It is desirable to insert the As layer so as to cancel this conductive layer.

【0061】Inを導入したGaAs層あるいはAlG
aAs層を複数層積層する過程で、適宜格子定数が等し
くInを含まないGaAs層あるいはAlGaAs層を
介挿することによって転位の発生を防ぐことができ
る。
In introduced GaAs layer or AlG
In the process of laminating a plurality of aAs layers, dislocations can be prevented by inserting a GaAs layer or an AlGaAs layer which has the same lattice constant and does not contain In as appropriate.

【0062】なお、上記のn−Al0.28Ga0.72As電
子供給層6とi−Al0.28Ga0.72スペーサ層5とで構
成される選択ドープ構造は、n−InGaP電子供給層
とi−GaAsスペーサ層とで構成することもできる。
The selective doping structure composed of the n-Al 0.28 Ga 0.72 As electron supply layer 6 and the i-Al 0.28 Ga 0.72 spacer layer 5 has an n-InGaP electron supply layer and an i-GaAs spacer layer. It can also be configured with.

【0063】図2は、第1実施例のシリコン基板化合物
半導体層の表面のAFM顕微鏡写真である。この図によ
ると、半導体層の表面の凹凸の大きさは2〜3nm程度
であり、GaAs層の表面を研磨しない場合には表面の
凹凸が20nm程度であったことと比較すると大幅に改
善される。
FIG. 2 is an AFM micrograph of the surface of the silicon substrate compound semiconductor layer of the first embodiment. According to this figure, the size of the unevenness on the surface of the semiconductor layer is about 2 to 3 nm, which is greatly improved compared to the case where the surface of the GaAs layer is not polished to be about 20 nm. ..

【0064】この実施例では、再成長層の全膜厚を55
0nmとしたが、他の実験結果によると、半導体層表面
の凹凸の大きさは成長膜厚が厚くなるにしたがって大き
くなるから、2次元電子ガスの特性が劣化しない限度内
でなるべく薄く、例えば、通常のHEMTを製造する場
合は1μm以下にする必要がある。
In this embodiment, the total thickness of the regrown layer is 55.
However, according to other experimental results, the size of the irregularities on the surface of the semiconductor layer increases as the growth film thickness increases, so that the thickness is as thin as possible within the range in which the characteristics of the two-dimensional electron gas are not deteriorated. When manufacturing a normal HEMT, the thickness needs to be 1 μm or less.

【0065】この実施例の半導体装置のホール測定を行
い、移動度およびシート電子濃度を測定したところ以下
の表に示す結果が得られた。この測定結果と比較するた
めに、Si基板を用いることなくGaAs基板上に同一
構造のGaAs層を成長した場合の測定結果も示してい
る。
The semiconductor device of this example was subjected to hole measurement, and the mobility and sheet electron density were measured. The results shown in the following table were obtained. For comparison with the measurement result, the measurement result when the GaAs layer having the same structure is grown on the GaAs substrate without using the Si substrate is also shown.

【0066】 室温 77K 移動度 on Si 5280 21400 (cm2 /Vs)on GaAs 5690 30300 シート電子濃度 on Si 9.6×1011 8.0×1011 (cm-2) on GaAs 9.4×1011 8.2×1011 Room temperature 77K Mobility on Si 5280 21400 (cm 2 / Vs) on GaAs 5690 30300 Sheet electron concentration on Si 9.6 × 10 11 8.0 × 10 11 (cm −2 ) on GaAs 9.4 × 10 11 8.2 × 10 11

【0067】この実施例によるGaAs on Siの
キャリア移動度は、室温におけるGaAs on Ga
Asのキャリア移動度の93%で、シート電子濃度は両
者はほとんど変わらず、室温動作を考える限り全く問題
はない結果であった。
The carrier mobility of GaAs on Si according to this example is GaAs on Ga at room temperature.
At 93% of the carrier mobility of As, the sheet electron concentrations were almost the same, and there was no problem as far as room temperature operation was considered.

【0068】この実施例のGaAs on Si基板を
MESFETに適用する場合は、上記のGaAs:In
電子走行層4はSiをドープしたGaAs:Inであっ
てもよく、i−AlGaAsスペーサ層5より上の半導
体層は形成されない。
When the GaAs on Si substrate of this embodiment is applied to MESFET, the above GaAs: In is used.
The electron transit layer 4 may be Si-doped GaAs: In, and no semiconductor layer above the i-AlGaAs spacer layer 5 is formed.

【0069】また、本発明を、他の材料系例えば、Ga
AsとInGaP、あるいは、InAlAsとInGa
Asを組合せた構造に適用することも可能である。そし
て、この実施例は、n−AlGaAs電子供給層が下に
配置され、キャリア走行層がその上に配置される逆構造
のHEMTにも同様に適用できることはいうまでもな
い。
The present invention is also applicable to other material systems such as Ga.
As and InGaP or InAlAs and InGa
It is also possible to apply to the structure which combined As. Further, it goes without saying that this embodiment can be similarly applied to the HEMT having an inverted structure in which the n-AlGaAs electron supply layer is arranged below and the carrier transit layer is arranged thereon.

【0070】また、選択ドープ構造を構成するGaAs
/AlGaAsあるいはGaAs/InGaPの間に臨
界膜厚以下でInAs組成比が0.1以上であるInG
aAs層を挿入することよって、大電流、高速動作が可
能なHEMTを形成することができる。その理由は、電
子走行層近傍のInGaAs層にInを添加すると、そ
の部分に多量の電子が滞留しやすくなって電子濃度が大
きくなり、かつ、このInGaAs層中における電子の
走行速度が速いからである。
In addition, GaAs which constitutes the selective doping structure
/ AlGaAs or GaAs / InGaP with a critical film thickness or less and an InAs composition ratio of 0.1 or more
By inserting the aAs layer, it is possible to form a HEMT capable of large current and high speed operation. The reason is that when In is added to the InGaAs layer near the electron transit layer, a large amount of electrons are likely to stay in that portion, the electron concentration is increased, and the transit speed of electrons in this InGaAs layer is high. is there.

【0071】(第2実施例)図3,図4,図5,図6
は、第2実施例のシリコン基板化合物半導体装置の製造
方法の工程説明図である。この図において、11はSi
基板、12はGaAs第1バッファ層、13はAl0.35
Ga0.65As:In第2バッファ層、14はAl0.28
0.72As第3バッファ層、15はi−GaAs:In
電子走行層、16はi−Al0.28Ga0.72As:Inス
ペーサ層、17はn−Al0.28Ga0.72As電子供給
層、18はn−GaAs第1キャップ層、19はn−A
0.28Ga0.72As:Inエッチングストッパ層、20
はn−GaAs第2キャップ層、21、22はレジスト
層、23はEモードゲート電極、24はDモードゲート
電極である。
(Second Embodiment) FIGS. 3, 4, 5 and 6
[FIG. 6] is a step explanatory view of the method for manufacturing the silicon substrate compound semiconductor device of the second example. In this figure, 11 is Si
Substrate, 12 GaAs first buffer layer, 13 Al 0.35
Ga 0.65 As: In second buffer layer, 14 is Al 0.28 G
a 0.72 As third buffer layer, 15 is i-GaAs: In
Electron transit layer 16, 16 i-Al 0.28 Ga 0.72 As: In spacer layer, 17 n-Al 0.28 Ga 0.72 As electron supply layer, 18 n-GaAs first cap layer, 19 n-A
l 0.28 Ga 0.72 As: In etching stopper layer, 20
Is an n-GaAs second cap layer, 21 and 22 are resist layers, 23 is an E mode gate electrode, and 24 is a D mode gate electrode.

【0072】この実施例は本発明を半導体集積回路装置
に適用した例である。この実施例における成長条件は、
第1実施例と同様であるが、以下にその製造工程を説明
する。
This embodiment is an example in which the present invention is applied to a semiconductor integrated circuit device. The growth conditions in this example are:
Although it is similar to the first embodiment, the manufacturing process thereof will be described below.

【0073】第1工程(図3参照) Si基板11の上に、GaAs第1バッファ層12、A
0.35Ga0.65As:In第2バッファ層13、Al
0.28Ga0.72As第3バッファ層14、i−GaAs:
In電子走行層15、i−Al0.28Ga0.72As:In
スペーサ層16、n−Al0.28Ga0.72As電子供給層
17、n−GaAs第1キャップ層18、n−Al0.28
Ga0.72As:Inエッチングストッパ層19、n−G
aAs第2キャップ層20を形成する。
First Step (See FIG. 3) On the Si substrate 11, the GaAs first buffer layer 12, A
l 0.35 Ga 0.65 As: In second buffer layer 13, Al
0.28 Ga 0.72 As Third buffer layer 14, i-GaAs:
In electron transit layer 15, i-Al 0.28 Ga 0.72 As: In
Spacer layer 16, n-Al 0.28 Ga 0.72 As electron supply layer 17, n-GaAs first cap layer 18, n-Al 0.28
Ga 0.72 As: In etching stopper layer 19, n-G
The aAs second cap layer 20 is formed.

【0074】第2工程(図4参照) n−GaAs第2キャップ層20の上にレジスト層21
を形成し、Eモードゲート領域に開口を形成し、この開
口を通して、CCl2 2 +Heガス中でドライエッチ
ングしてEモードゲート領域のn−GaAs第2キャッ
プ層20を除去する。このエッチングはその下のn−A
0.28Ga0.72As:Inエッチングストッパ層19の
表面で停止する。その後、NH3 OH:HO2 =1:5
0のアンモニア希釈液を用いて1分間程度ウェットエッ
チングしてEモードゲート領域のn−Al0.28Ga0.72
As:Inエッチングストッパ層19を除去する。
Second step (see FIG. 4) A resist layer 21 is formed on the n-GaAs second cap layer 20.
Then, an opening is formed in the E-mode gate region, and dry etching is performed in the CCl 2 F 2 + He gas through the opening to remove the n-GaAs second cap layer 20 in the E-mode gate region. This etching is n-A below
l 0.28 Ga 0.72 As: In Stop at the surface of the etching stopper layer 19. After that, NH 3 OH: HO 2 = 1: 5
N-Al 0.28 Ga 0.72 in the E-mode gate region by wet etching for about 1 minute using an ammonia diluting solution of 0
The As: In etching stopper layer 19 is removed.

【0075】第3工程(図5参照) レジスト層21を除去し、新たなレジスト層22を形成
し、Eモードゲート領域とDモードゲート領域に開口を
形成する。これらの開口を通して第2工程と同様に、C
Cl2 2 +Heガス中でドライエッチングしてのEモ
ードゲート領域のn−GaAs第1キャップ層18とD
モードゲート領域のn−GaAs第2キャップ層20を
除去する。このエッチングはその下のEモードゲート領
域のn−Al0.28Ga0.72As電子供給層17と、Dモ
ードゲート領域のn−Al0.28Ga0.72As:Inエッ
チングストッパ層19の表面で停止する。
Third Step (see FIG. 5) The resist layer 21 is removed, a new resist layer 22 is formed, and openings are formed in the E mode gate region and the D mode gate region. Through these openings, as in the second step, C
The n-GaAs first cap layer 18 and D in the E mode gate region after dry etching in Cl 2 F 2 + He gas
The n-GaAs second cap layer 20 in the mode gate region is removed. This etching is stopped at the surface of the n-Al 0.28 Ga 0.72 As electron supply layer 17 in the E-mode gate region and the n-Al 0.28 Ga 0.72 As: In etching stopper layer 19 in the D-mode gate region thereunder.

【0076】第4工程(図6参照) その後、NH3 OH:HO2 =1:50を用いてウェッ
トエッチングして、Eモードゲート領域のn−Al0.28
Ga0.72As電子供給層17の一部と、Dモードゲート
領域のn−Al0.28Ga0.72As:Inエッチングスト
ッパ層19を除去する。レジスト層22の開口を通し
て、Alを蒸着し、Eモードゲート電極23とDモード
ゲート電極24を形成する。レジスト層22を除去した
後、n−GaAs第2キャップ層20の上に、先に形成
したEモードゲート電極23およびDモードゲート電極
24を挟んでそれぞれソース電極とドレイン電極を形成
して完成する。
Fourth Step (see FIG. 6) After that, wet etching is performed using NH 3 OH: HO 2 = 1: 50 to form n-Al 0.28 in the E mode gate region.
A part of the Ga 0.72 As electron supply layer 17 and the n-Al 0.28 Ga 0.72 As: In etching stopper layer 19 in the D mode gate region are removed. Al is vapor-deposited through the openings of the resist layer 22 to form an E-mode gate electrode 23 and a D-mode gate electrode 24. After removing the resist layer 22, a source electrode and a drain electrode are respectively formed on the n-GaAs second cap layer 20 with the E-mode gate electrode 23 and the D-mode gate electrode 24 formed previously interposed therebetween to complete the process. ..

【0077】図6の構成の主要な材料および設計値は下
記のとおりである。 20.n−GaAs第2キャップ層 厚さ60nm ドナ濃度1.5×1018cm-3 19.n−Al0.28Ga0.72As:Inエッチングスト
ッパ層 厚さ3nm ドナ濃度1.5×1018cm-3 18.n−GaAs第1キャップ層 厚さ7nm ドナ濃度1.5×1018cm-3 17.n−Al0.28Ga0.72As電子供給層 厚さ35nm ドナ濃度1.5×1018cm-3 16.i−Al0.28Ga0.72As:Inスペーサ層 厚さ2nm 15.i−GaAs:In電子走行層 厚さ100nm In濃度1020cm-3 14.Al0.28Ga0.72As第3バッファ層 厚さ100nm 13.Al0.35Ga0.65As:In第2バッファ層 厚さ200nm 12.GaAs第1バッファ層 厚さ2.5μm 11.Si基板
The main materials and design values of the structure of FIG. 6 are as follows. 20. n-GaAs second cap layer 60 nm thick Donor concentration 1.5 × 10 18 cm −3 19. n-Al 0.28 Ga 0.72 As: In etching stopper layer 3 nm thick Donor concentration 1.5 × 10 18 cm −3 18. n-GaAs first cap layer 7 nm thick Donor concentration 1.5 × 10 18 cm −3 17. n-Al 0.28 Ga 0.72 As electron supply layer Thickness 35 nm Donor concentration 1.5 × 10 18 cm −3 16. i-Al 0.28 Ga 0.72 As: In spacer layer 2 nm thick 15. i-GaAs: In electron transit layer thickness 100 nm In concentration 10 20 cm -3 14. Al 0.28 Ga 0.72 As Third buffer layer 100 nm thick 13. Al 0.35 Ga 0.65 As: In second buffer layer thickness 200 nm 12. GaAs first buffer layer thickness 2.5 μm 11. Si substrate

【0078】この実施例が第1実施例と異なる点は、E
モードHEMTとDモードHEMTを集積化した点であ
り、そのため、Inを導入する半導体層の数が増加し、
選択ドープ構造体の上部にエッチングストッパ層として
Inを導入したAlGaAs層を導入したことである。
Inをドーピングした層の位置を増加したことにより、
表面モホロジがさらに改善される効果がある。
The difference between this embodiment and the first embodiment is that E
The point is that mode HEMTs and D-mode HEMTs are integrated. Therefore, the number of semiconductor layers into which In is introduced increases,
That is, the AlGaAs layer containing In was introduced as an etching stopper layer on the upper part of the selectively doped structure.
By increasing the position of the In-doped layer,
There is an effect that the surface morphology is further improved.

【0079】この実施例のように多層成長したAlGa
As層、GaAs層等のエッチングストッパ層は、転位
密度がかなり残っていることが多く、エッチングはこの
転位点で進行し易いため突き抜けを生じる可能性があ
る。このような場合にエッチングストッパ層にInを導
入すると、Inが転位点に入りやすく、Inはエッチン
グされないためエッチングの突き抜けを防ぐことができ
る。
Multi-layer grown AlGa as in this example
In the etching stopper layers such as the As layer and the GaAs layer, dislocation density often remains considerably, and since etching easily progresses at this dislocation point, there is a possibility of punch-through. If In is introduced into the etching stopper layer in such a case, In easily enters the dislocation point and In is not etched, so that penetration of etching can be prevented.

【0080】[0080]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
シリコン基板上に成長した素子形成用化合物半導体結晶
の表面形状(モホロジ)が画期的に改善され、微細電極
構造の形成が可能となるとともに、フォトリソ工程にお
ける不良がなくなり、改善された電気特性と高信頼性を
有するシリコン基板化合物半導体装置が得られ、高速動
作可能な素子の低コスト化に寄与するところが大きい。
As described above, according to the present invention,
The surface shape (morphology) of the compound semiconductor crystal for device formation grown on the silicon substrate is remarkably improved, making it possible to form a fine electrode structure and eliminating defects in the photolithography process and improving the electrical characteristics. A silicon substrate compound semiconductor device having high reliability can be obtained, which largely contributes to cost reduction of an element capable of operating at high speed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】第1実施例のシリコン基板化合物半導体装置の
概略構成説明図である。
FIG. 1 is a schematic configuration explanatory view of a silicon substrate compound semiconductor device of a first embodiment.

【図2】第1実施例のシリコン基板化合物半導体層の表
面のAFM顕微鏡写真である。
FIG. 2 is an AFM micrograph of the surface of the silicon substrate compound semiconductor layer of the first example.

【図3】第2実施例のシリコン基板化合物半導体装置の
製造方法の工程説明図(1)である。
FIG. 3 is a process explanatory view (1) of the method for manufacturing the silicon substrate compound semiconductor device according to the second embodiment.

【図4】第2実施例のシリコン基板化合物半導体装置の
製造方法の工程説明図(2)である。
FIG. 4 is a process explanatory view (2) of the method for manufacturing the silicon substrate compound semiconductor device according to the second embodiment.

【図5】第2実施例のシリコン基板化合物半導体装置の
製造方法の工程説明図(3)である。
FIG. 5 is a process explanatory view (3) of the method for manufacturing the silicon substrate compound semiconductor device according to the second embodiment.

【図6】第2実施例のシリコン基板化合物半導体装置の
製造方法の工程説明図(4)である。
FIG. 6 is a process explanatory view (4) of the method for manufacturing the silicon substrate compound semiconductor device according to the second embodiment.

【図7】従来のシリコン基板化合物半導体層の表面のA
FM顕微鏡写真である。
FIG. 7: A of the surface of a conventional silicon substrate compound semiconductor layer
It is an FM micrograph.

【図8】(A)〜(F)は、従来のシリコン基板化合物
半導体層の製造工程説明図である。
FIGS. 8A to 8F are explanatory views of a conventional manufacturing process of a silicon substrate compound semiconductor layer.

【図9】MOCVDによりシリコン基板上に0.6μm
成長したGaAs層の表面粗さの測定結果である。
FIG. 9: 0.6 μm on a silicon substrate by MOCVD
It is the measurement result of the surface roughness of the grown GaAs layer.

【図10】超高真空MBEにより成長したシリコン基板
GaAs層の表面のAFM顕微鏡写真である。
FIG. 10 is an AFM micrograph of the surface of a GaAs layer on a silicon substrate grown by ultra-high vacuum MBE.

【図11】超高真空MBEによる成長したシリコン基板
GaAs層の表面のAFM顕微鏡写真である。
FIG. 11 is an AFM micrograph of the surface of a GaAs layer on a silicon substrate grown by ultra-high vacuum MBE.

【図12】図11のX−X’線における断面形状を示し
ている。
FIG. 12 shows a cross-sectional shape taken along the line XX ′ in FIG.

【図13】MOCVDにより成長したシリコン基板Ga
As層の表面形状のAFM顕微鏡写真である。
FIG. 13: Silicon substrate Ga grown by MOCVD
It is an AFM micrograph of the surface shape of an As layer.

【図14】0.5μmのGaAs層の上に成長したシリ
コン基板InGaAs層の表面のAFM顕微鏡写真であ
る。
FIG. 14 is an AFM micrograph of the surface of a silicon substrate InGaAs layer grown on a 0.5 μm GaAs layer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 Si基板 2 GaAsバッファ層 3 Al0.35Ga0.65Asバッファ層 4 i−GaAs:In電子走行層 5 i−Al0.28Ga0.72Asスペーサ層 6 n−Al0.28Ga0.72As電子供給層 7 n−GaAsキャップ層 8 ゲート電極 9 ソース電極 10 ドレイン電極1 Si substrate 2 GaAs buffer layer 3 Al 0.35 Ga 0.65 As buffer layer 4 i-GaAs: In electron transit layer 5 i-Al 0.28 Ga 0.72 As spacer layer 6 n-Al 0.28 Ga 0.72 As electron supply layer 7 n-GaAs cap Layer 8 Gate electrode 9 Source electrode 10 Drain electrode

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 シリコン基板と、その上に形成された最
上層表面が鏡面研磨された単数あるいは複数の第1の化
合物半導体層と、該第1の化合物半導体層の上に形成さ
れた単数あるいは複数の第2の化合物半導体層とを含む
ことを特徴とするシリコン基板化合物半導体装置。
1. A silicon substrate, a single or a plurality of first compound semiconductor layers having a mirror-polished top surface formed thereon, and a single or a plurality of compound semiconductor layers formed on the first compound semiconductor layer. A silicon substrate compound semiconductor device comprising a plurality of second compound semiconductor layers.
【請求項2】 第2の化合物半導体層の第1層がAlG
aAs層であり、その上にGaAs/AlGaAsある
いはGaAs/InGaPからなる選択ドープ構造が積
層されていることを特徴とする請求項1に記載のシリコ
ン基板化合物半導体装置。
2. The first layer of the second compound semiconductor layer is AlG
2. The silicon substrate compound semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon substrate compound semiconductor device is an aAs layer, and a selective doping structure made of GaAs / AlGaAs or GaAs / InGaP is laminated thereon.
【請求項3】 第2の化合物半導体層の第1層のAlG
aAs層、あるいは、その上に積層されたGaAs/A
lGaAsからなる選択ドープ構造のGaAs層とAl
GaAs層のいずれか1層以上に1019cm-3以上のI
nが含まれ、その膜厚が臨界膜厚を越えないことを特徴
とする請求項2に記載のシリコン基板化合物半導体装
置。
3. AlG of the first layer of the second compound semiconductor layer
aAs layer or GaAs / A laminated on it
Selectively doped GaAs layer composed of 1 GaAs and Al
I of 10 19 cm -3 or more in any one or more of the GaAs layers
3. The silicon substrate compound semiconductor device according to claim 2, wherein n is included and the film thickness does not exceed the critical film thickness.
【請求項4】 GaAs/AlGaAsからなる選択ド
ープ構造の、ゲート電極が形成されるAlGaAs層の
表面の少なくとも2nm以上にInが含まれないことを
特徴とする請求項3に記載のシリコン基板化合物半導体
装置。
4. The silicon substrate compound semiconductor according to claim 3, wherein In is not contained in at least 2 nm or more of the surface of the AlGaAs layer in which the gate electrode is formed, of the selectively doped structure of GaAs / AlGaAs. apparatus.
【請求項5】 選択ドープ構造の上に単数あるいは複数
のAlGaAs層からなるエッチングストッパ層を含む
GaAsキャップ層が積層され、該エッチングストッパ
層に1019cm-3以上のInが含まれ、その膜厚が臨界
膜厚を越えないことを特徴とする請求項2ないし請求項
4のいずれか1項に記載のシリコン基板化合物半導体装
置。
5. A GaAs cap layer including an etching stopper layer made of one or more AlGaAs layers is laminated on the selectively doped structure, and the etching stopper layer contains 10 19 cm −3 or more of In, and its film is formed. 5. The silicon substrate compound semiconductor device according to claim 2, wherein the thickness does not exceed the critical film thickness.
【請求項6】 選択ドープ構造を構成するGaAs/A
lGaAsあるいはGaAs/InGaPの間に臨界膜
厚以下でInAs組成比が0.1以上であるInGaA
s層が挿入されていることを特徴とする請求項2に記載
のシリコン基板化合物半導体装置。
6. GaAs / A constituting a selectively doped structure
InGaA having a InGaAs composition ratio of 0.1 or more with a critical film thickness or less between 1 GaAs or GaAs / InGaP
The silicon substrate compound semiconductor device according to claim 2, wherein an s layer is inserted.
【請求項7】 シリコン基板上に単数あるいは複数の第
1の化合物半導体層を成長する工程と、該第1の化合物
半導体層の表面を鏡面研磨する工程と、該鏡面研磨され
た第1の化合物半導体層の上にさらに単数あるいは複数
の第2の化合物半導体層を成長する工程を含むことを特
徴とするシリコン基板化合物半導体装置の製造方法。
7. A step of growing one or a plurality of first compound semiconductor layers on a silicon substrate, a step of mirror-polishing a surface of the first compound semiconductor layer, and the mirror-polished first compound. A method of manufacturing a silicon substrate compound semiconductor device, further comprising the step of growing a single or a plurality of second compound semiconductor layers on the semiconductor layer.
【請求項8】 第1の化合物半導体層が、鏡面研磨され
た後に0.5μm以上の厚さを有することを特徴とする
請求項7に記載のシリコン基板化合物半導体装置の製造
方法。
8. The method for manufacturing a silicon substrate compound semiconductor device according to claim 7, wherein the first compound semiconductor layer has a thickness of 0.5 μm or more after being mirror-polished.
【請求項9】 第2の化合物半導体層が、有機金属気相
成長法によって形成され、成長時の雰囲気圧力が500
Torr以下であることを特徴とする請求項7または請
求項8に記載のシリコン基板化合物半導体装置の製造方
法。
9. The second compound semiconductor layer is formed by metalorganic vapor phase epitaxy, and the atmospheric pressure during growth is 500.
9. The method for manufacturing a silicon substrate compound semiconductor device according to claim 7 or 8, characterized in that it is less than Torr.
【請求項10】 第2の化合物半導体層の膜厚が1μm
以下であることを特徴とする請求項7ないし請求項9の
いずれか1項に記載のシリコン基板化合物半導体装置の
製造方法。
10. The film thickness of the second compound semiconductor layer is 1 μm.
10. The method for manufacturing a silicon substrate compound semiconductor device according to claim 7, wherein:
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