JPWO2004077585A1 - 半導体センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、半導体センサ及びその製造方法に関し、電子移動度が高く、シート抵抗が比較的大きなＩｎＳｂやＩｎＡｓ膜をＳｉ基板上に形成することを可能にし、高感度で低消費電力の優れた素子を工業的に提供可能にする。（１１１）Ｓｉ基板（１）上に、まず、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ，Ｐのうち少なくとも２種以上の元素から構成された第一化合物半導体層（２）を形成し、この第一化合物半導体層（２）の上に、第二化合物半導体層（３）として、ＩｎＳｂやＩｎＡｓを形成することにより、１μｍ前後の膜厚で高電子移動度であり、かつ、高抵抗の膜が得られる。さらに、得られた薄膜を用いてホール素子を形成し、高感度で比較的高抵抗の素子形成が可能となる。

Description

本発明は、磁気センサ等の半導体センサ及びその製造方法に関し、より詳細には、ＩｎＳｂなどを活性層とした化合物半導体磁気センサや電子デバイスなどに応用できるＳｉ上の化合物半導体を含む半導体センサ及びその製造方法に関するものである。

近年、磁気センサであるホール素子は、ＤＶＤ−ＲＯＭやＶＴＲの駆動に用いられるブラシレスモータの磁極の位置検出をはじめとして、携帯電話や自動車用途など幅広い分野で使用されてきている。特に、高感度で、安価な比較的消費電力が小さいホール素子の市場ニーズは大きくなってきている。
一般に、ホール素子の感度は、その材料である半導体材料の電子移動度に比例し、ホール素子の入力抵抗は、材料のシート抵抗に比例する。ホール素子の入力抵抗と感度は、設計で調整可能であるが、トレードオフの関係である。このため、高感度で、大きな入力抵抗の素子を形成するには、電子移動度が大きく、シート抵抗の大きな材料が必要になる。電子移動度μとシート抵抗Ｒｓ、シートキャリア濃度Ｎｓの関係は、ｅを電荷とすると次式で表わされる。
１／（Ｒｓ＊μ）＝Ｎｓ・ｅ
従って、電子移動度μが大きく、シート抵抗Ｒｓの大きな材料を形成するには、シートキャリア濃度Ｎｓを小さくする必要があることになる。
従来は、電子移動度が比較的大きな、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓなどが、ホール素子用材料として用いられており、特に、バルク単結晶の電子移動度が７５０００ｃｍ^２／Ｖｓと大きいＩｎＳｂが高感度素子の形成には有利である。
通常、ＩｎＳｂやＩｎＡｓのバルク単結晶成長は困難であるため、基板上に、これら材料の薄膜を形成して素子化する。この際、膜の質が悪いと欠陥に起因したキャリアが発生し、シートキャリア濃度が大きくなり、実用化に向かないホール素子となる。また、膜質を向上させて電子移動度を改善するために、膜厚を厚くすると、やはりシートキャリア濃度は大きくなり、同様に実用化に向かない。
高感度で消費電力の比較的小さなホール素子を得るためには、１μｍ前後の薄い薄膜で、シートキャリア濃度が２×Ｅ１２／ｃｍ^２以下の良質な薄膜を形成する必要がある。そのため、従来は、基板としてはＩｎＳｂやＩｎＡｓと結晶構造が同じであるＧａＡｓが用いられてきており、１μｍの膜厚でシートキャリア濃度が２×Ｅ１２／ｃｍ^２前後の良好な膜が得られている。
しかし、ＧａＡｓ基板は高価であり、重量が重く、ＬＳＩプロセスで用いられているプロセス機器が使用できない場合が多い。さらに、素子化の際に基板を研磨するので、その削りかすは環境にも好ましくない。
Ｓｉ基板の使用が可能であれば、上述した問題は全て解決し、さらに、ＩＣと磁気センサのモノリシック化も可能となって大きなメリットを生じる。ところが、Ｓｉ基板上では、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓと結晶構造が異なるためか、良質の膜が得られていない。例えば、特開平１１−２５１６５７号公報には、（１１１）ＧａＡｓ及び（１１１）Ｓｉ基板上にＩｎＳｂを形成すると高抵抗の膜が得られることが記載されており、また、（１１１）ＧａＡｓ上にＩｎＳｂ膜を形成し、高抵抗で高感度の磁気センサが得られることが記載されている。
しかしながら、本発明者らは、上述した特開平１１−２５１６５７号公報に基づき、（１１１）Ｓｉ上に直接ＩｎＳｂ膜を１μｍ形成した結果、高電子移動度の膜が得られないことを確認した。
また、（１１１）Ｓｉ上のＩｎＳｂ膜、およびそれを用いた磁気センサは、上述した特開平１１−２５１６５７号公報の出願前に既に公知であり、高感度の磁気センサが得られたという報告がある（例えば、「Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ」１９９６、Ｖｏｌ．４２、Ｎｏ．４、Ｐ８４−Ｐ９２）。ただし、高感度の膜を得るために、ＩｎＳｂは３μｍ以上形成されており、高感度かつ高抵抗の素子形成は困難であることが、この報告からも示唆されている。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電子移動度が高く、シート抵抗が比較的大きなＩｎＳｂやＩｎＡｓ膜をＳｉ基板上に形成することを可能にし、もって、高感度で低消費電力の優れた半導体センサ及びその製造方法を提供することにある。

発明者らが検討を進めた結果、（１００）Ｓｉや（１１１）Ｓｉ基板上に直接ＩｎＳｂやＩｎＡｓを形成すると、従来の技術と同様に１μｍ前後の膜厚では、シートキャリア濃度が小さく、高電子移動度で高抵抗の膜は得られないが、（１１１）Ｓｉ基板上に、まず、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｐのうち少なくとも２種以上の元素から構成された第一化合物半導体層を形成後、その上に、ＩｎＳｂやＩｎＡｓを形成することにより、１μｍ前後の膜厚で、シートキャリア濃度が、２×Ｅ１２／ｃｍ^２以下で、高電子移動度で高抵抗の膜が得られることを見いだした。
このような現象が、（１００）Ｓｉでは発生せず、（１１１）Ｓｉ上で得られるのは、Ｓｉ表面上の結合ボンド数の違いに起因する可能性が高いと推察される。
（１１１）Ｓｉと第一化合物半導体層間で、結晶構造の違い等による欠陥が発生するが、その欠陥の影響が第二化合物半導体まで及ばない。その結果として、第一化合物半導体と第二化合物半導体は、通常は５％以上も格子間隔が異なるにもかかわらず、良好な膜が得られると考えられる。さらに、得られた薄膜を用いてホール素子を形成し、高感度で比較的高抵抗の素子形成が可能であることを確認し、本発明を実現するに至った。
本発明は、このような目的を達成するために、（１１１）面が基板表面に平行なＳｉ基板上に、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｐのうち少なくとも２種以上の元素から構成された第一化合物半導体層が設けられ、さらに、該第一化合物半導体層上に、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦１．０）より好ましくは、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０．５≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦１．０）からなる第二化合物半導体層が設けられる。その結果、第一化合物半導体層及び第二化合物半導体層の（１１１）面が、基板表面に平行に形成されることとなる。
この第二化合物半導体層が機能層として動作する。さらに、前記第二化合物半導体層の面内方向に電流が流れるように、該第二化合物半導体層の両端側に電極が設けられる。
また、第一化合物半導体層がＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）であることが好ましく、第二化合物半導体層はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０≦ｙ≦１）であることが好ましい。第二化合物半導体層には不純物、好ましくはＳｉまたはＳｎがドープされてもよい。
また、第二化合物半導体層は、電極との接触部以外が、パッシベーション膜で覆われていることが好ましい。
このような半導体センサは、（１１１）面が基板表面に平行なＳｉ基板上に、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｐのうち少なくとも２種以上の元素から構成された第一化合物半導体層を形成し、さらに、第一化合物半導体層上に、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦１．０）からなる第二化合物半導体層を形成し、第二化合物半導体層上に電極を形成することにより製造される。第二化合物半導体層にＳｉまたはＳｎ不純物をドープしてもよい。

図１は、本発明に係るＳｉ上の化合物半導体層を含む積層体を示す断面模式図である。
図２は、図１に示した積層体を用いた磁気センサの一例を示す断面構造模式図である。
図３は、化合物半導体層の表面のＸ線回析結果を示す図である。

図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係るＳｉ上の化合物半導体層を含む積層体を示す断面模式図で、図中符号１は（１１１）Ｓｉ基板、２は第一化合物半導体層、３は第二化合物半導体層を示している。
この積層体は、（１１１）面が基板表面に平行なＳｉ基板１上に、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｐのうち少なくとも２種以上の元素から構成された第一化合物半導体層２が設けられ、さらに、この第一化合物半導体層２上に、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦１．０）からなる第二化合物半導体層３が設けられている。第一化合物半導体層２及び第二化合物半導体層３の（１１１）面が、基板表面に平行であるように構成されている。
基板１は、（１１１）Ｓｉであることが必要で、通常（１１１）±１０度の基板が用いられる。
また、第一化合物半導体層２は、Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｐのうち少なくとも２種以上の元素から構成された化合物半導体からなり、この第一化合物半導体層２の厚さは、通常０．０１μｍ〜１０μｍであり、好ましくは、０．１μｍ〜５μｍであり、さらに０．５μｍ〜２μｍであることが望ましい。Ａｌ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）は第一化合物半導体層２として好ましい例であり、特にＧａＡｓが好ましい例である。
また、第二化合物半導体層３は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０≦ｙ≦１）からなり、この第二化合物半導体層３の厚さは、通常０．１μｍ以上であり、厚くなるとシート抵抗が小さくなる。高感度で比較的抵抗の高いホール素子を形成する場合、通常、０．１５μｍ〜２μｍであり、好ましくは、０．３μｍ〜１．５μｍであり、さらに好ましくは、０．５μｍ〜１．２μｍであることが望ましい。ＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０≦ｙ≦１）は、第二化合物半導体層３として好ましい例であり、特に、ＩｎＳｂやＩｎＡｓが好ましい例である。
また、第二化合物半導体層２には不純物がドープされていても良い。ドーピング元素としては、ＳｉやＳｎなどが好ましい例である。不純物濃度としては、通常、１×Ｅ１５／ｃｍ^３〜３．５×Ｅ１６／ｃｍ^３、好ましくは、２×Ｅ１５／ｃｍ^３〜２．５×Ｅ１６／ｃｍ^３、さらに好ましくは、５×Ｅ１５／ｃｍ^３〜２×Ｅ１６／ｃｍ^３であることが望ましい。
図２は、図１に示した積層体を用いた磁気センサの一例を示す断面構造模式図で、図中符号４は金属電極層、５は保護層（パッシベーション膜）を示している。なお、図１と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
この磁気サンサは、（１１１）面が基板表面に平行なＳｉ基板１上に、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｐのうち少なくとも２種以上の元素から構成された第一化合物半導体層２が設けられ、さらに、この第一化合物半導体層２上に、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０．５≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦１．０）からなる第二化合物半導体層３が設けられていて、第一化合物半導体層２及び第二化合物半導体層３の（１１１）面が、基板表面に平行であるように構成されており、さらに、第二化合物半導体層３上の両端側に金属電極層４が設けられている。この第二化合物半導体層３は、金属電極層４との接触部以外が保護層５（パッシベーション膜）で覆われている。
この磁気センサを構成している金属電極層４は、通常はオーミック電極であり、センサ層にオーミックコンタクトすることが好ましい。電極の材質は、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕなどの公知の多層電極でも良いし、単層の金属でも良い。
パッシベーション膜としては、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ_２が好ましい例である。また、本発明の磁気センサとしては、ホール素子や磁気抵抗素子などが含まれる。

まず、直径２インチの（１１１）Ｓｉ基板上に分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により、第一化合物半導体層２として７００ｎｍのＧａＡｓを、第二化合物半導体層３として１μｍのＩｎＳｂを順次形成した。
第一化合物半導体層２及び第二化合物半導体層３の（１１１）面が基板１の表面に平行であることはＸ線回折法で確認した。
電気特性は、ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法を用いて測定した。その結果、シートキャリア濃度が、１．７Ｅ１２／ｃｍ^２で、電子移動度も３７０００以上の良好な特性が得られた。
［比較例１］
まず、直径２インチの（１１１）Ｓｉ基板上に分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により、じかに、ＩｎＳｂ膜を１μｍ形成した。
電気特性は、ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法を用いて測定した。その結果、シートキャリア濃度は、３．１×Ｅ１２／ｃｍ^２と大きく、電子移動度も１１０００ｃｍ^２／Ｖｓしか得られなかった。

次に、上述した実施例１で形成した積層基板上に、フォトリソグラフィー法を用いて、図２と同様な磁気センサであるホール素子を形成し、ホール素子特性を測定した。なお、電極は、真空蒸着法によりＴｉ層１００ｎｍ、Ａｕ層６００ｎｍを連続蒸着して用いた。ホール素子のチップサイズは３６０μｍ×３６０μｍであり、３種類の設計の異なる構造を同時に形成し、各設計構造の素子の特性を５０ｍＴの磁場中で１Ｖの入力電圧を加えて評価した。その結果を表１に示す。

設計Ｂで、素子抵抗も３００Ω以上と大きく、感度も６０ｍＶ以上と低消費電力で、かつ、高感度なホール素子が形成できることが確認された。設計によっては、より高感度にもできるが、その場合は、抵抗が小さくなり（設計Ａ）、より高抵抗にもできるが、その場合は、感度が悪くなる（設計Ｃ）が、材料のシートキャリア濃度が１．７Ｅ１２／ｃｍ^２と良好であるため、設計の自由度が大きく高感度、かつ、高抵抗の素子設計が可能である。
［比較例２］
次に、比較例１で形成したＩｎＳｂ膜上に、フォトリソグラフィー法を用いて、実施例２と同様にホール素子を形成して特性評価を行った。その結果を表２に示す。

設計Ａで、ほぼ、実施例２の設計Ｂと同じ素子抵抗を示しているが、その際の感度は、３３ｍＶであり、実施例２の６２ｍＶの約５０％しか得られないことが確認された。感度と抵抗はトレードオフであるため、３３ｍＶより、さらに感度をあげる設計にすることは可能ではあるが、その場合、素子抵抗がさらに小さくなってしまうため、実施例と比べて、高感度で高抵抗の素子形成が不可能である。この原因は、材料のシートキャリア濃度が３．１×Ｅ１２／ｃｍ^２と大きいため、設計の自由度がないためである。

直径２インチの（１１１）Ｓｉ基板上に分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により、第一化合物半導体層として７００ｎｍのＧａＡｓ、第二化合物半導体層として０．７μｍのＩｎＳｂを順次形成した。ＩｎＳｂの成膜の際に、２段階成長をおこなった。
第一化合物半導体層、及び、第二化合物半導体層の（１１１）面が基板の表面に平行である事はＸ線回折法で確認した。単結晶であることは、ＩｎＳｂの（２２０）面の測定を行う事により確認した。その結果を図３に示す。１２０度おきに、３本のピークが得られており、単結晶膜となっていることが確認できた。
電気特性はｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法を用いて測定した。その結果、シートキャリア濃度が、１．０Ｅ１２／ｃｍ^２で、電子移動度も４８０００ｃｍ^２／Ｖｓの良好な特性がれられた。
次に、上記第二化合物半導体上に、フォトリソグラフィー法を用いて、図２と同様な磁気センサであるホール素子を形成し、ホール素子特性を測定した。なお、電極は、真空蒸着法によりＴｉ層１００ｎｍ、Ａｕ層６００ｎｍを連続蒸着して用いた。ホール素子のチップサイズは３６０μｍ×３６０μｍであり、３種類の設計の異なる構造を同時に形成し、各設計構造の素子の特性を５０ｍＴの磁場中で１Ｖの入力電圧を加えて評価した。結果を下表に示す。
設計Ｂで、素子抵抗も３００Ω以上と大きく、感度も８０ｍＶと低消費電力で、かつ、高感度な素子が形成できる事が確認された。設計で、より高感度にもできるが、その場合は、抵抗が小さくなり（設計Ａ）、より、高抵抗にもできるが、その場合は、感度が悪くなる（設計Ｃ）が、材料のシートキャリア濃度が１．０Ｅ１２／ｃｍ^２と良好であるため、設計の自由度が大きく高感度、かつ、高抵抗の素子設計が可能である。

（１１１）面が基板表面に平行なＳｉ基板上に、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｐのうち少なくとも２種以上の元素から構成された第一化合物半導体層が設けられ、さらに、この第一化合物半導体層上に、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＳｂ_{１ −ｙ}（０＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦１．０）からなる第二化合物半導体層が設けられる。このため、第一化合物半導体層及び第二化合物半導体の（１１１）面が、基板表面に平行となり、電子移動度が高く、シート抵抗が比較的大きなＩｎＳｂやＩｎＡｓ膜をＳｉ基板上に形成することを可能になる。その結果として、ＧａＡｓ基板と比べて、安価で汎用性が高く、かつ、環境に優しいＳｉ基板を用いて、高感度で低消費電力の優れた素子を工業的に提供することが可能になる。

Claims (16)

1. （１１１）面が基板表面に平行なＳｉ基板上に設けられ、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｐのうち少なくとも２種以上の元素から構成された第一化合物半導体層と、該第一化合物半導体層上に設けられ、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦１．０）からなり、機能層として動作する第二化合物半導体層と、該第二化合物半導体層の面内方向に電流が流れるように、該第二化合物半導体層の両端側に設けられた電極とを備えたことを特徴とする半導体センサ。
2. 前記第一化合物半導体層及び第二化合物半導体層の（１１１）面が、前記基板表面に平行であることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
3. 前記第一化合物半導体層がＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）であることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
4. 前記第二化合物半導体層がＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０．５≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦１．０）であることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
5. 前記第二化合物半導体層がＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０≦ｙ≦１）であることを特徴とする請求項４に記載の半導体センサ。
6. 前記第二化合物半導体層の厚さが、０．１５μｍ以上、２μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
7. 前記第二化合物半導体層に不純物がドープされていることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
8. 前記不純物はＳｉまたはＳｎであることを特徴とする請求項６に記載の半導体センサ。
9. 前記第二化合物半導体層は、前記電極との接触部以外がパッシベーション膜で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
10. 前記第二化合物半導体層が感磁層であり、磁束密度を検出するセンサであることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ
11. （１１１）面が基板表面に平行なＳｉ基板上に、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｐのうち少なくとも２種以上の元素から構成された第一化合物半導体層を形成し、さらに、第一化合物半導体層上に、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＳｂ_{１ −ｙ}（０＜ｘ≦１．０、０≦ｙ≦１．０）からなる第二化合物半導体層を形成し、該第二化合物半導体層上に複数の電極を形成することを特徴とする半導体センサの製造方法。
12. 前記第一化合物半導体層がＡｌ_１−ｚＧａ_ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体センサの製造方法。
13. 前記第二化合物半導体層がＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０．５≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦１．０）であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体センサの製造方法。
14. 前記第二化合物半導体層がＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０≦ｙ≦１）であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体センサの製造方法。
15. 前記第二化合物半導体層の厚さが、０．１５μｍ以上、２μｍ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体センサの製造方法。
16. 前記第二化合物半導体層にＳｉまたはＳｎ不純物をドープすることを特徴とする請求項１０に記載の半導体センサの製造方法。

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