JPH06350078A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

半導体装置とその製造方法

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JPH06350078A
JPH06350078A JP5137214A JP13721493A JPH06350078A JP H06350078 A JPH06350078 A JP H06350078A JP 5137214 A JP5137214 A JP 5137214A JP 13721493 A JP13721493 A JP 13721493A JP H06350078 A JPH06350078 A JP H06350078A
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insulating film
gaas
film
semiconductor device
semiconductor
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Akira Shibuya
章 澁谷
Kazuo Hattori
和雄 服部
Masashi Ozeki
雅志 尾関
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Fujitsu Ltd
Asahi Kogyosha Co Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
Asahi Kogyosha Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 Alx Ga1-x As表面に良質の絶縁膜を備
えた半導体装置とその製造方法に関し、漏れ電流が極め
て小さい高抵抗の絶縁膜を備えたAlx Ga1-xAs半
導体装置を提供することを目的とする。 【構成】 Alx Ga1-x As(0≦x≦1)を主成分
とする半導体領域1と、半導体領域表面上に形成され、
GaAsw y z を主成分とする絶縁膜2と、絶縁膜
上に形成され、絶縁膜と異なる組成の絶縁物を主成分と
する保護膜3を有する。この積層絶縁膜の上にゲート電
極5を作成すれば、MISFETを実現することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置とその製造
方法に関し、特にAlx Ga1-x As(0≦x≦1)表
面に良質の絶縁膜を備えた半導体装置とその製造方法に
関する。
【0002】Alx Ga1-x Asに対しては、良質な絶
縁膜が存在しなかった。したがって、SiのMIS集積
回路技術におけるような良好な金属/絶縁体/半導体
(MIS)構造が作成できなかった。
【0003】
【従来の技術】MIS構造は、半導体装置にとって最も
基本的な構造の1つである。MIS構造の良否は、絶縁
膜そのものの特性に依存するのは勿論であるが、絶縁膜
と半導体の界面の良さ、特に界面準位の濃度や性質に大
きく依存する。
【0004】SiにおけるMOS構造は、界面密度、漏
れ電流、トラップ濃度、信頼性等の点でほとんど理想的
な絶縁膜に基づくものであり、集積回路装置の発展に大
きく寄与している。
【0005】一方、代表的なIII−V族化合物半導体
であるGaAsに対するMIS構造は、20年以上に亘
る長く精力的な研究にも拘らず、未だに良好なものはで
きていない。
【0006】良好なMIS構造の欠如は、多くのGaA
s素子の開発に著しい障害となっており、素子設計者、
素子開発者等から良好なMIS構造の出現が強く要望さ
れている。
【0007】従来、研究されてきたGaAsMIS構造
は、酸化珪素(SiOx )、窒化珪素(SiOx y
を絶縁膜に用いたものや、GaAs酸化膜(Ga酸化物
とAs酸化物)を絶縁膜に用いたものが主であった。
【0008】これらのMIS構造は、絶縁膜とGaAs
層の界面に多量の界面順位が存在し、MIS特性にいく
つかの電気的な異常が観測される。図5は、従来のGa
As酸化膜を絶縁膜に用いたMISダイオードの接合容
量対電圧(CV)特性を示す。横軸は印加電圧をVで示
し、縦軸は容量をpFで示す。
【0009】図5(A)に示した試料では、印加電圧を
変化させても接合容量は全く変化していない。このよう
な試料では、半導体表面の空乏層幅が変化しないので、
MIS型電界効果トランジスタを作成することはほとん
ど不可能である。
【0010】図5(B)の試料では、CV特性に大きな
ヒステリシスが存在している。また、このような試料に
おいては、蓄積側で著しい周波数分散が観測された。こ
のような試料では、印加電圧に対して一意的な応答が得
にくく、周波数特性も悪いので、高速動作の半導体素子
を実現することは極めて困難である。
【0011】さらに、多くのMIS絶縁膜は、ダイオー
ドの漏れ電流が大きいという問題点があった。絶縁特性
が低いことは、ゲート絶縁膜として不適当なばかりな
く、単なる表面保護膜としても不適当である。
【0012】このような異常現象は、絶縁膜中の多量の
トラップや絶縁膜−GaAs界面に存在する高濃度の界
面順位によるものであると考えられる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来のGaAsMISダイオード構造には、程度の多少
はあっても異常現象が常に存在した。
【0014】本発明の目的は、漏れ電流が極めて小さい
高抵抗の絶縁膜を備えたAlx Ga 1-x As半導体装置
を提供することである。本発明の他の目的は、絶縁性が
高く、優れたCV特性を有するMIS構造を備えたAl
x Ga1-x As半導体装置を提供することである。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
Alx Ga1-x As(0≦x≦1)を主成分とする半導
体領域と、前記半導体領域表面上に形成され、GaAs
w y z (w,y,z>0)を主成分とする絶縁膜と
を有する。
【0016】
【作用】Alx Ga1-x As半導体領域の上に、GaA
w y z を主成分とする絶縁膜を形成すると、極め
て高抵抗の絶縁膜を得ることができる。
【0017】GaAsw y z を主成分とする絶縁膜
を用いて、MIS構造を作成すると、優れたCV特性を
得ることができる。
【0018】
【実施例】図1は、本発明の実施例による半導体装置の
基本的構成を示す。図1(A)において、Alx Ga
1-x As半導体領域1の上に、GaAsw y z 絶縁
膜2が形成されている。GaAsw y z 絶縁膜2
は、Alx Ga 1-x As半導体領域1の表面絶縁膜とし
て機能する。
【0019】図1(B)においては、Alx Ga1-x
s半導体領域1の上に、GaAswy z 絶縁膜2が
形成され、さらにその上に絶縁材料の保護膜3が形成さ
れている。
【0020】保護膜3は、SiOx 、SiNx 、AlO
X 、AlNx 等の絶縁体で形成される。保護膜3は、G
aAsw y z 絶縁膜2と共に、Alx Ga1-x As
半導体領域1の表面絶縁膜を形成すると共に、GaAs
w y z 絶縁膜2の表面を保護する機能を有する。
【0021】図1(C)においては、半導体層4の表面
上にGaAsw y z 絶縁膜2が形成され、その上に
保護膜3が形成され、さらにその上に電極5が形成され
ている。また、半導体層4の下面上にも電極6が形成さ
れている。半導体層4は、少なくともその表面がAlx
Ga1-x Asによって形成されている。
【0022】この構成は、GaAsw y z 絶縁膜2
と保護膜3を絶縁膜とし、半導体層4と電極5がその両
側に配置され、いわゆるMIS構造を形成している。た
とえば、MIS電界効果トランジスタ(FET)におけ
る絶縁ゲート構造がこのMIS構造によって形成され
る。
【0023】次に、図2を参照して、GaAs基板の上
にGaAsw y z 絶縁膜を作成する工程を説明す
る。GaAs基板上に、直接GaAsw y z 絶縁膜
を形成する場合を説明するが、GaAs基板上にAlx
Ga1-x As層が形成されていても同様である。可能で
あれば、GaAs基板の代わりにAlGaAs基板を用
いてもよい。
【0024】まず、前処理、エッチングを行ない、表面
の清浄化を行なう。前処理においては、たとえばアルミ
ナ研磨材により表面を研磨し、有機溶媒で洗浄を行な
う。たとえば、トリクロロエタン、アセトン、メタノー
ルにより、それぞれ3分間の超音波洗浄を行なう。
【0025】超音波有機溶媒洗浄に続き、超純水(18
MΩcm)によるオーバフロー洗浄を行ない、スピナー
乾燥によって表面を乾燥し、アピエゾンを塗布する。ア
ピエゾンは、次のエッチング工程に対するマスクとして
機能する。
【0026】次に、表面の汚染層を除去するため、エッ
チングを行なう。エッチングは、たとえば、H2
4 :H2 2 :H2 O=4:1:1のエッチャントに
約40℃で1分間浸漬することによって行なう。
【0027】エッチングに続いて、超純水のオーバフロ
ー洗浄を行ない、乾燥、アピエゾン除去を行なう。続い
て、有機洗浄、超純水オーバフロー洗浄、5%HClに
よる25℃5分間の処理、超純水オーバフロー洗浄、乾
燥の処理を行なう。
【0028】このようにして、清浄な表面を有するGa
As基板を準備する。なお、上に述べた前処理、エッチ
ングは1つの例であり、その他の表面清浄化工程を用い
てもよい。
【0029】次に、図2(A)に示すように、GaAs
基板表面上にP2 5 の堆積を行なう。P2 5 とH3
PO4 (燐酸)を混ぜ合わせてペースト状にし、P2
5 原料15として容器14中に装填する。
【0030】石英製の反応管11は、ガス入口12とガ
ス出口13を両端に有する。反応管11の内部にサセプ
タ16を配置し、その上に下地基板17としてGaAs
基板を設置する。サセプタ16よりも上流側に原料15
を装填した容器14を設置する。
【0031】なお、容器14およびサセプタ16の近傍
には、熱電対TC1、TC2が挿入され、温度をその場
観察する。このように準備した反応管11を、電気炉1
9内に挿入する。電気炉19内には左から右に向かって
単調に上昇する温度分布が形成されている。もちろん、
両端では温度は降下する。
【0032】原料15を収容した容器14を、約440
℃程度に加熱し、サセプタ16の位置を約350℃程度
に保持し、ガス入口12からキャリアガスとして窒素ガ
スを流す。原料15からは、P2 5 が気化し、窒素ガ
スに輸送されて下地基板17上に堆積し、堆積膜18が
生じる。
【0033】このように堆積したP2 5 堆積膜18
は、化学的に不安定であるため、膜の安定化を図るため
に、図2(B)で示すように、同一反応管内でO2 雰囲
気の熱処理を行なう。
【0034】図2(B)に示すように、反応管11を右
側にずらし、原料15を収容した容器14を電気炉19
外に配置して降温させる。なお、サセプタ16上の下地
基板17は、引続き約350℃程度に保持されるように
する。
【0035】ガス入口12から酸素ガスを流し、酸素雰
囲気中で下地基板17上に堆積した堆積膜18の熱処理
を行なう。熱処理時間はたとえば30分間である。この
ような酸素雰囲気中の熱処理により、十分な量の酸素が
供給され、堆積膜18は化学的に安定化する。
【0036】次に、反応管11をさらに右側に移動し、
サセプタ16の位置を約420℃の位置に置く。この状
態でガス入口12から窒素ガスを流し、窒素雰囲気中で
熱処理を行なう。熱処理はたとえば30分間行なう。
【0037】このような熱処理を行なうと、堆積膜18
の誘電率が向上し、堆積膜18は緻密化する。化学的に
安定化したも、構造的に安定化しなかった堆積膜18が
構造的にも安定化するものと考えられる。
【0038】なお、これらの熱処理により、堆積膜18
と下地基板17の反応が進み、P25 を主成分とした
堆積膜の組成は、GaAsw y z で示されるものに
変化すると考えられる。
【0039】以上述べた工程により、GaAs基板上に
GaAsw y z 絶縁膜を形成することができるが、
他の方法によってGaAsw y z 膜を作成してもよ
い。たとえば、スパッタリング、化学気相堆積(CV
D)等を用いることも可能であろう。
【0040】GaAs表面上にGaAsw y z 膜を
形成することにより、GaAs基板とGaAsw y
z 膜の間に優れた界面を得ることができる。このように
作成したGaAsw y z 膜を、そのまま用いること
もできるが、GaAsw yz 膜表面を保護し、より
高い絶縁性を確保するために、表面に他の絶縁材料で形
成された保護膜を形成する。
【0041】たとえば、GaAsw y z 膜堆積後、
基板を真空蒸着装置内に設置し、SiOx の堆積を行な
う。この場合、SiOx の膜厚は、たとえば約60〜7
0nmとする。xの平均組成は、1≦x≦2である。た
だし、この組成は厳密なものではなく、保護の役割を果
たせるものであればよい。
【0042】SiOx 膜を堆積した後、再び膜を安定化
させるために、酸素雰囲気中での熱処理を行なう。酸素
雰囲気中での熱処理は、たとえば基板温度約385℃、
処理時間30分で行なう。
【0043】このようにして作成したGaAsw y
z 膜とSiOx 膜の積層絶縁膜の特性を、MIS構造を
作成して測定した。図3(A)に示すように、GaAs
w y z 膜2の上に形成した保護膜3の上に、直径1
mmのアルミニウムのゲート電極5を作成し、GaAs
基板4の下面上に対向電極としてAuGeまたはAuZ
nのオーミック電極6を形成した。なお、GaAsw
y z 膜2とSiOx 保護膜3の合計厚さは150nm
であった。また、GaAs基板4は、(100)面を有
するn型基板を用いた。
【0044】図3(B)は、このようにして作成したサ
ンプルのIV特性を示す。横軸に印加電圧VをV(ボル
ト)で示し、縦軸に漏れ電流をpAで示す。印加電圧の
増大につれて、漏れ電流Iはほぼリニアに増大した。た
とえば、18V印加時の漏れ電流Iは、約1.26pA
であり、極めて小さい値を示した。
【0045】このIV特性から抵抗値を算出すると、抵
抗値R=約1.4×1013Ωが得られた。この抵抗値か
ら抵抗率を算出すると、抵抗率ρ=約7.4×1015Ω
cmが得られた。MIS構造の絶縁膜として十分大きな
値である。
【0046】図3(C)は、同じ試料のCV特性を示
す。横軸に印加電圧をVで示し、縦軸に容量CをpFで
示す。印加電圧の周波数は、ほぼ直流的なDCから1M
Hzの高周波まで段階的に変化させた。印加電圧Vは、
蓄積側+15Vから反転側−15Vの電圧範囲で行なっ
た。
【0047】図3(C)においては、特にDC特性から
明らかなように、反転が実現されている。GaAs基板
表面の反転は従来ほとんど得られなかったものである。
界面準位が抑制されていることが判る。
【0048】また、DCのCV特性のヒステリシスは、
0.1Vよりも小さく、ほとんど観測されなかった。ま
た、反転側の曲線が示すように、周波数特性も良好であ
ることが判る。
【0049】このように、GaAs表面上にGaAsw
y z 膜を作成すると、界面準位の少ない優れた界面
を得ることができる。なお、GaAs半導体領域の上
に、GaAsw y z 膜を作成する場合を説明した
が、性質のよく似たAlx Ga1- x As、特にx≦0.
4のAlx Ga1-x As半導体表面上に、GaAsw
yz 膜を作成してもほぼ同様の界面準位を得ることが
できると考えられる。
【0050】図4は、本発明の実施例によるGaAsw
y z 絶縁膜を備えた半導体装置の構成例を示す。図
4(A)はGaAsのMISFETを示し、図4(B)
はGaAsのMESFETの構成例を示す。なお、チャ
ネル層としてGaAs層の代わりに、AlGaAsを用
いてもよい。
【0051】図4(A)において、p型GaAs基板2
1の表面に、n+ 型領域22、23を形成し、その間に
チャネル領域24を画定する。チャネル領域24の表面
を覆うように、GaAsw y z 絶縁膜25、SiO
x 保護膜26を積層し、ゲート絶縁膜を形成する。
【0052】n+ 型領域22、23に、オーミック接触
をするように、ソース電極27、ドレイン電極29を形
成し、ゲート絶縁膜のSiOx 保護膜26上にゲート電
極28を形成する。
【0053】ゲート電極28に、正極性の電圧を印加す
ると、チャネル領域24の正孔が排斥され、さらに電圧
を増大すると、チャネル領域24はn型に反転する。こ
の状態において、ソース/ドレインとして機能するn+
型領域22、23間は、電気的に導通する。
【0054】なお、上に説明したように、GaAs表面
とGaAsw y z 膜25の界面は極めて界面準位が
少なく、GaAs表面状態をゲート電極にしたがって効
率的に制御することができる。したがって、有効なGa
AsのMISFETを形成することができる。
【0055】図4(B)は、GaAsのMESFETの
構成例を示す。高抵抗GaAs基板31の表面に、n+
型領域22、23を形成し、その間にチャネル領域24
を画定する。
【0056】チャネル領域24上に直接ショットキ接触
するゲート電極28aを形成し、n + 型領域22、23
にオーミック接触するソース電極27、29を形成す
る。なお、露出しているGaAs表面の上には、GaA
w y z 絶縁膜32、34およびSiOx 保護膜3
3、35の積層を形成する。
【0057】このGaAsw y z 絶縁膜とSiOx
保護膜の積層は、表面保護膜として機能する。このGa
AsのMESFETの動作は、図4(A)に示したGa
AsのMISFETの動作とほぼ同様である。
【0058】半導体装置としてMISFETとMESF
ETの場合を説明したが、その他、種々の半導体装置を
構成することができることは当業者に自明であろう。ま
た、GaAsw y z 絶縁膜とSiOx 保護膜の積層
の代わりに、GaAsw yz 絶縁膜のみを用いるこ
ともできる。また、SiOx 保護膜の代わりに、他の絶
縁材料を用いた保護膜を用いてもよい。
【0059】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。
【0060】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
Alx Ga1-x As(0≦x≦1)の表面に、優れた界
面状態を実現することのできる絶縁膜が得られる。この
ような表面絶縁膜を用いて、種々の半導体装置を構成す
ることができる。
【0061】たとえば、従来、実現困難であったAlx
Ga1-x AsのMISFETを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による半導体装置の構成を概略
的に示す断面図である。
【図2】本発明の実施例による下地基板上にGaAsw
y z 絶縁膜を形成する半導体装置の製造工程を概略
的に示す断面図である。
【図3】実験に用いたサンプルの構成を示す断面図およ
びその特性を示すグラフである。
【図4】本発明の実施例による半導体装置の構成を概略
的に示す断面図である。
【図5】従来技術によるGaAs酸化膜の特性例を示す
グラフである。
【符号の説明】
1 Alx Ga1-x As半導体領域 2 GaAsw y z 絶縁膜 3 保護膜 4 半導体層 5、6 電極 11 反応管 12 ガス入口 13 ガス出口 14 容器 15 原料(P2 5 +H3 PO4 ) 16 サセプタ 17 下地基板 18 堆積膜 19 電気炉 21 p型GaAs基板 22、23 n+ 型領域 24 チャネル領域 25 GaAsw y z 絶縁膜 26 SiOx 保護膜 27 ソース電極 28 ゲート電極 29 ドレイン電極 31 高抵抗GaAs基板 32、34 GaAsw y z 絶縁膜 33、35 SiOx 保護膜
フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/338 29/812 7376−4M H01L 29/80 Q (72)発明者 澁谷 章 千葉県習志野市東習志野6丁目17−16 株 式会社朝日工業社内 (72)発明者 服部 和雄 愛知県豊橋市王ケ崎町字上原1番地の3 (72)発明者 尾関 雅志 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Alx Ga1-x As(0≦x≦1)を主
    成分とする半導体領域(1)と、 前記半導体領域表面上に形成され、GaAsw y z
    (w,y,z>0)を主成分とする絶縁膜(2)とを有
    する半導体装置。
  2. 【請求項2】 さらに、前記絶縁膜(2)上に形成さ
    れ、前記絶縁膜と異なる組成の絶縁物を主成分とする保
    護膜(3)を有する請求項1記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】 前記保護膜(3)がSiOx (x≧1)
    を主成分とする請求項2記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 さらに、前記保護膜(3)の上に形成さ
    れた導電性の電極(5)を有する請求項2ないし3記載
    の半導体装置。
  5. 【請求項5】 前記半導体領域が前記電極下方の領域を
    挟んで形成された低抵抗率のソース/ドレイン領域を有
    し、電界効果型トランジスタを構成する請求項4記載の
    半導体装置。
  6. 【請求項6】 Alx Ga1-x As(0≦x≦1)を主
    成分とする半導体領域の表面上にP2 5 膜を堆積する
    工程と、 前記P2 5 膜を堆積した半導体領域を酸素を含む雰囲
    気中で熱処理する工程とを有する半導体装置の製造方
    法。
  7. 【請求項7】 さらに、前記酸素を含む雰囲気中での熱
    処理工程の後、窒素を含む雰囲気中で熱処理する工程を
    含む請求項6記載の半導体装置の製造方法。
JP5137214A 1993-06-08 1993-06-08 半導体装置とその製造方法 Withdrawn JPH06350078A (ja)

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