JP4770130B2

JP4770130B2 - 電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハ及び高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハ

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Publication number: JP4770130B2
Application number: JP2004165188A
Authority: JP
Inventors: 彰一長尾
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2024-06-03
Also published as: JP2005347499A

Description

本発明は電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハ及び高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハに係り、特にデバイス特性を改善したものに関する。

電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）用エピタキシャルウェハのうち、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）やインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）を用いたエピタキシャルウェハは、シリコン（Ｓｉ）に比べて電子移動度が高いという特長をいかして高速デバイスに多く用いられている。代表例として高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）が挙げられる。

ＨＥＭＴの性能を向上させるには、より多くの多数キャリアをより高速に伝達できる構造とすること、即ち、キャリア濃度と移動度とを同時に高めることが大切である。一般に、半導体のキャリア濃度を高めるためには、ドーパントと呼ばれる不純物を半導体に添加（ドープ）する必要がある。ところが、半導体中にドープしたドーパントは、半導体中にキャリアを放出した後、帯電してイオン化不純物となり、多数キャリアの走行を妨げるため、キャリア濃度を高めようとして多量のドーパントをドープすると多数キャリアの移動度は、かえって低下してしまうという問題がある。

この観点からＨＥＭＴの特性を向上する方法としては、電子供給層を薄層化すればよいことが分かっている。厚さを１原子層または数原子層以下まで薄層化した電子供給層はδドープ層と呼ばれ、キャリア走行内に溜まる電子の濃度をその移動度の大幅な低下なしに高めることができることから、δドープ層を有するＨＥＭＴ構造からなるエピタキシャルウェハ（以下、δドープＨＥＭＴ構造エピタキシャルウェハという）は高い特性が期待できるものである。

このδドープＨＥＭＴ構造エピタキシャルウェハの特性の良否を決める最も重要な特性の一つに、チャネルの電子移動度がある。このチャネルの電子移動度が高いほど、そのエピタキシャルウェハを用いて製作したデバイスの特性を向上させることができるからである。近年、デバイス特性向上の目的のために、δドープＨＥＭＴ構造エピタキシャルウェハのチャネルの電子移動度向上の要求が強まってきている。

従来、このようなエピタキシャルウェハを製造する方法として、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いてエピタキシャル成長させる方法が知られている。しかし、ＭＯＶＰＥ法を用いてエピタキシャル成長させる場合、（１００）面を使用すると、ヒロックの発生が避けがたい。このために、そのヒロックの発生を防止するために、ＧａＡｓ基板の（１００）面から僅かに傾斜した面の上に、ＭＯＶＰＥ法を使用して、エピタキシャル層構造を形成することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−２８３４４４号公報（段落番号０００５）

しかしながら、上述した特許文献１に記載のものは、「ＧａＡｓ基板の（１００）面から僅かに傾斜した面の上に、ＭＯＶＰＥ法を使用して、エピタキシャル層を形成する」とあるだけで、どの結晶方位に傾斜させたら良いのか、また傾斜させる場合、傾斜角度がいくらであると良いのかという具体的な限定がなされていない。即ち、従来、δドープＨＥＭＴ構造エピタキシャルウェハ用のＧａＡｓ基板として、（１００）面からの最適な傾斜方向と傾斜角度の両方を同時に規定したものはなかった。このため、δドープＨＥＭＴ構造エピタキシャルウェハにおけるチャネルの電子移動度向上の要請に十分応えることができなかった。

本発明の目的は、上述した従来技術の問題点を解消して、δドープＨＥＭＴ構造エピタキシャルウェハにおいて、基板表面である（１００）面からの最適な傾斜方向と傾斜角度を具体的に規定することによって、そのエピタキシャルウェハにおけるチャネルの電子移動度を向上することが可能な電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハ及び高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハを提供することにある。

本発明者らは、基板の面方位のずれの程度によってチャネルの電子移動度がどの程度異なるようになるのかと考え、ＧａＡｓ基板上にＭＯＶＰＥ法により、ＧａＡｓ層をエピタキシャル成長させた場合のＧａＡｓ基板の（１００）面からの傾斜方向と電子移動度との関係、及び傾斜角度と電子移動度との関係を調べた。

その結果、傾斜方向と傾斜角度とは共にチャネルの電子移動度に相関があることを見い出し、傾斜方向が特定の方向にあると電子移動度が大きくなり、特定の傾斜方向における傾斜角度が、特定の範囲内であると電子移動度が大きくなることが分かった。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、半導体基板上にＭＯＶＰＥ法により薄膜層をエピタキシャル成長させる際に、（１００）面からの最適な傾斜方向と傾斜角度の両方を同時に特定することによって、電子移動度の向上を図ったものである。

すなわち、第１の発明は、III−Ｖ族化合物半導体基板上に、少なくとも、チャネル層、δドープ層を有する電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、前記III−Ｖ族化合物半導体基板の表面が、（１００）面から［０１−１］方向または［０−１１］方向に、０．４°〜１．１°傾斜していることを特徴とするＦＥＴ用エピタキシャルウェハである。

III−Ｖ族化合物半導体基板の表面が、（１００）面から［０１−１］方向、または［０−１１］方向に傾斜すると、他の方向と比べてチャネルの電子移動度が大きくなり、さらにIII−Ｖ族化合物半導体表面が、前述した［０１−１］方向、または［０−１１］方向に０．４°〜１．１°傾斜していると電子移動度が最も大きくなる。このようにIII−Ｖ族化合物半導体基板の表面に最適な傾斜方向と傾斜角度の両方を同時に与えることによって、チャネルの電子移動度の向上した高い特性を有するＦＥＴが得られる。

III−Ｖ族化合物半導体基板としては、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板やインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）基板が挙げられる。

エピタキシャル成長としては、ＭＯＶＰＥ法を採用することができ、これによる成長層としては、例えば、III−Ｖ族化合物半導体基板上の残留不純物によるデバイス特性劣化を防ぐバッファ層、自由電子が流れるチャネル層、自由電子が発生するδドープ層、電極を形成するためのコンタクト層などを挙げることができるが、特に、自由電子が流れるチャネル層および自由電子が発生するδドープ層は、ＦＥＴにおける必須構成要素である。

本発明は、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、少なくとも、ｉ型ＡｌＧａＡｓバッファ層、ｉ型ＩｎＧａＡｓチャネル層、ｉ型ＡｌＧａＡｓスペーサ層、Ｓｉδドープ層（Ｓｉをドープしたδドープ層）、ｉ型ＡｌＧａＡｓショットキーコンタクト層、ｎ型ＧａＡｓオーミックコンタクト層を有する高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、前記半絶縁性ＧａＡｓ基板の表面が、（１００）面から［０１−１］方向または［０−１１］方向に、０．４°〜１．１°傾斜し、かつ前記バッファ層のＡｌ組成比を前記スペーサ層のＡｌ組成比より高い０．２８に形成し、前記チャネル層のシートキャリア濃度が１．７×１０ ¹² ｃｍ ^-2 となるよう前記Ｓｉδドープ層を形成し、前記チャネル層の電子移動度を６９００ｃｍ ² ／Ｖｓとすることを特徴とする高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハである。

δドープＨＥＭＴ構造エピタキシャルウェハのチャネルの移動度を向上できるので、より高速のＨＥＭＴが得られる。

本発明によれば、ＦＥＴ用エピタキシャルウェハのチャネルの電子移動度を向上させることができる。したがって、このウェハを用いることにより、デバイス特性を向上することができる。

以下に本発明の実施の形態を説明する。

図３に、本実施の形態に係るδドープＨＥＭＴ構造エピタキシャルウェハの断面図を示す。

ＨＥＭＴ構造は、基板としての半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、順次、バッファ層としてｉ型ＡｌＧａＡｓバッファ層２（Ａｌ組成比０．２８、厚さ５００nm）、チャネル層としてｉ型ＩｎＧａＡｓチャネル層３（Ｉｎ組成比０．２０、厚さ１２nm）、スペーサ層としてｉ型ＡｌＧａＡｓスペーサ層４（Ａｌ組成比０．２２、厚さ３nm）、電子供給層としてδドープ層５（キャリア濃度３×１０¹²cm^-2）、ショットキーコンタクト層としてｉ型ＡｌＧａＡｓショットキーコンタクト層６（Ａｌ組成比０．２２、厚さ５０nm）、オーミックコンタクト層としてｎ型ＧａＡｓオーミックコンタクト層７（厚さ１００nm、キャリア濃度３×１０¹⁸cm^-3）を成長させた構造を有する。

これらの各層をエピタキシャル成長させる方法として、原子レベルで微細な成長制御が可能なＭＯＶＰＥ法を採用した。

ｉ型ＡｌＧａＡｓバッファ層２、ｉ型ＡｌＧａＡｓスペーサ層４、及びｉ型ＡｌＧａＡｓショットキーコンタクト層６のｉ型ＡｌＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ原料としてＧａ（ＣＨ₃）₃、Ａｓ原料としてアルシン（ＡｓＨ₃）、及びＡｌ原料としてトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃）₃）を基板上に供給する。なお、Ｇａ原料として他にトリエチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃）がある。Ａｓ原料として他にトリメチル砒素（Ａｓ（ＣＨ₃）₃）、ターシャリーブチルアルシン（ＴＢＡ）がある。Ａｌ原料として他にトリエチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃）がある。

ｉ型ＩｎＧａＡｓチャネル層３のｉ型ＩｎＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃、及びＩｎ原料としてトリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃）₃）を基板上に供給する。

δドープ層５を成長する場合には、ＡｓＨ₃ガス雰囲気中でｎ型ドーパントとなるＳｉ原料としてジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）の供給を行って、δドープ層５の形成を行った。

ｎ型ＧａＡｓオーミックコンタクト層７のｎ型ＧａＡｓを成長する場合には、アルシン（Ｇａ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃）及びｎ型ドーパントを基板上に供給する。このｎ型ドーパントの元素としては、Ｓｉやセレン（Ｓｅ）がある。Ｓｉ原料としては、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）の他にモノシラン（ＳｉＨ₄）がある。Ｓｅ原料としては、セレン化水素（Ｈ₂Ｓｅ）がある。全ての層の成長中、基板温度は７００℃一定に保った。また、成長炉内圧力は７６Ｔｏｒｒ、希釈用ガスは水素である。

前述したように、δドープＨＥＭＴ構造エピタキシャルウェハの特性の良否を決める最も重要な特性の一つは、チャネルの電子移動度である。この電子移動度が高いほど、そのエピタキシャルウェハを用いて製作したデバイスの特性を向上させることができる。

実施の形態では、δドープＨＥＭＴ構造エピタキシャルウェハの僅かに傾斜させた表面において、これまで明らかにされていなかった（１００）面からの最適な傾斜方向と傾斜角度の両方を同時に規定することによって、チャネル層の電子移動度を向上し、そのエピタキシャルウェハを用いて製作したデバイスの特性を向上させるようにした。

そのために、（１００）面からの傾斜方向と傾斜角度を変化させたＧａＡｓ基板を用いて、図３のδドープＨＥＭＴ構造エピタキシャルウェハの試作を行ない、そのチャネルの電子移動度がどう変化するかを検討した。なお、チャネルの電子移動度はそのシートキャリア濃度の影響を受けるため、本試作においてはチャネルのシートキャリア濃度が１．７×１０¹²cm^-2となるようにδドープ量を調整した。

（１）傾斜方向と電子移動度の関係
図２に（１００）面からの傾斜方向のみを変化させ、それらの傾斜方向への傾斜角度を全て１°に固定したときの試作結果を示す。本結果より、傾斜方向が［０１−１］及び［０−１１］方向のときに、電子移動度がおよそ６９００cm²／Ｖｓと最も高くなることが分った。なお、それ以外の［０１１］、［０−１−１］方向ではおよそ６６００cm²／Ｖｓ、［０１０］、［００−１］、［０−１０］、［００１］方向ではおよそ６７５０cm²／Ｖｓと低くなることも分った。

（２）傾斜角度と電子移動度の関係
図１に（１００）面からの傾斜方向を［０１−１］、［０１０］及び［０１１］方向に固定して、傾斜角度のみを変化させたときの試作結果を示す。なお、傾斜方向として、（ａ）［０１−１］と［０−１１］方向、（ｂ）［０１１］と［０−１−１］方向、（ｃ）［０１０］と［００−１］と［０−１０］と［００１］方向、はそれぞれ全く等価であることから、傾斜方向は前述の３水準［０１−１］、［０１０］及び［０１１］で代表した。本結果より、３水準ともに傾斜角度が０．４°〜１．１°のときに電子移動度が最も高くなることが分った。

具体的には、傾斜方向が［０１−１］の場合において、傾斜角度が０．４°〜１．１のとき、電子移動度はおよそ６９００cm²／Ｖｓという高い値を維持しているが、０．４未満及び１．１を超えると電子移動度は低くなることがわかった。また、傾斜方向が［０１０］の場合において、傾斜角度が０．４°〜１．１のとき、電子移動度はおよそ６７５０cm²／Ｖｓを超えた値を維持しているが、０．４未満及び１．１を超えると電子移動度は低くなることがわかった。更に、傾斜方向が［０１１］の場合において、傾斜角度が０．４°〜１．１のとき、電子移動度はおよそ６６００cm²／Ｖｓを維持しているが、０．４未満及び１．１を超えると電子移動度は低くなることがわかった。

上記（１）、（２）の結果より、（１００）面から［０１−１］方向または［０−１１］方向に０．４°〜１．１°傾斜した基板を用いたときに、δドープＨＥＭＴ構造エピタキシャルウェハのチャネル層の電子移動度が最も高くなることが分った。

以上説明したように、ＭＯＶＰＥ法を用いてエピタキシャル成長させる場合、ヒロック発生を防止するためにＧａＡｓ基板の（１００）面を僅かに傾斜させているが、本実施の形態では、これを具体的に限定し、（１００）面から［０１−１］方向または［０−１１］方向に０．４°〜１．１°傾斜した基板表面に、エピタキシャル成長させるので、δドープＨＥＭＴ構造エピタキシャルウェハのチャネル層の移動度を、安定して向上させることができる。したがって、高電子移動度トランジスタをより高速化できる。なお、δドープを有しない従来の電子供給層では、上述した効果は得られない。

傾斜方向が［０１−１］、［０１０］、［０１１］の３水準のδドープＨＥＭＴ構造エピタキシャルウェハにおける電子移動度の傾斜角度依存性を示す図である。（１００）面からの傾斜角度を１°に固定したときのδドープＨＥＭＴ構造エピタキシャルウェハの電子移動度の傾斜方向依存性を示す図である。実施の形態によるδドープＨＥＭＴ構造エピタキシャルウェハの縦断面図である。

符号の説明

１半絶縁性ＧａＡｓ基板
２ｉ型ＡｌＧａＡｓバッファ層
３ｉ型ＩｎＧａＡｓチャネル層
４ｉ型ＡｌＧａＡｓスペーサ層
５ δドープ層
６ｉ型ＡｌＧａＡｓショットキーコンタクト層
７ｎ型ＧａＡｓオーミックコンタクト層

Claims

半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、少なくとも、ｉ型ＡｌＧａＡｓバッファ層、ｉ型ＩｎＧａＡｓチャネル層、ｉ型ＡｌＧａＡｓスペーサ層、Ｓｉδドープ層、ｉ型ＡｌＧａＡｓショットキーコンタクト層、ｎ型ＧａＡｓオーミックコンタクト層を有する高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、前記半絶縁性ＧａＡｓ基板の表面が、（１００）面から［０１−１］方向または［０−１１］方向に、０．４°〜１．１°傾斜し、かつ前記バッファ層のＡｌ組成比を前記スペーサ層のＡｌ組成比より高い０．２８に形成し、前記チャネル層のシートキャリア濃度が１．７×１０ ¹² ｃｍ ^-2 となるよう前記Ｓｉδドープ層を形成し、前記チャネル層の電子移動度を６９００ｃｍ ² ／Ｖｓとすることを特徴とする高電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハ。