JP2006351993A

JP2006351993A - 化合物半導体ウェハ

Info

Publication number: JP2006351993A
Application number: JP2005178926A
Authority: JP
Inventors: Jiro Wada; 次郎和田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2006-12-28

Abstract

【課題】Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ(0≦ｘ＜1)層のｐ型キャリア濃度が制御性よく且つ面内均一に作製された化合物半導体ウェハを提供する。
【解決手段】反応炉内に供給された原料ガスは、加熱されたＧａＡｓ基板１付近で熱分解され、基板１上にＡｌＧａＡｓ層２が成長する。原料ガスとしては、Ａｌ原料にＴＭＡ、Ｇａ原料にＴＥＧとＴＭＧの混合ガス、砒素原料にアルシンを用いた。ＴＭＧとＴＥＧを混合して供給することにより、Ａｌ原料であるＴＭＡのメチル基とＧａ原料であるＴＥＧのエチル基との交換反応が起こる。この交換反応により、Ａｌに結合するメチル基の割合が減少し、Ａｌに結合しているメチル基のカーボンが取り込まれる確率が低減し、ＡｌＧａＡｓ層のｐ型キャリア濃度が減少する。従って、Ｇａ原料のＴＭＧとＴＥＧの比率を調整することで、ｐ型キャリア濃度を制御できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＧａＡｓ基板上にＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ(0≦ｘ＜1)層を有する化合物半導体ウェハに係り、特にＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層中のキャリア濃度を制御して成長させてなる化合物半導体ウェハに関する。

ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰなどの化合物半導体エピタキシャル結晶の積層構造は、ＦＥＴ(電界効果トランジスタ)、ＨＥＭＴ(高電子移動度トランジスタ)、ＨＢＴ(ヘテロ接合バイポーラトランジスタ)等の電子デバイスやＬＥＤ、レーザーといった発光デバイスとして広く使用されている。これらの化合物半導体の電子・発光デバイスは、一般的にまずＧａＡｓなどの基板に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）などの結晶成長法を用いて所望の組成、厚さの化合物半導体結晶を順次エピタキシャル成長させる。

ＭＯＶＰＥ法では、III族有機金属原料ガスとＶ族原料ガスを、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして反応炉内に導入し、反応炉内で加熱された基板付近で原料が熱分解され、基板上に化合物半導体結晶がエピタキシャル成長する。従来、ＭＯＶＰＥ法により、ｐ型のＡｌＧａＡｓ層などを成長させる場合、故意にｐ型ドーパントをドープする方法と、アルシンの流量を調整する方法とが用いられている。

なお、Ｇａ原料にトリメチルガリウム(ＴＭＧ)、Ａｌ原料にトリメチルアルミニウム(ＴＭＡ)、Ａｓ原料にアルシンを用いて、ＭＯＶＰＥ法によりＡｌＧａＡｓを成長させたときに、Ａｌ原子と炭素原子との結合力が強いことに起因して、ＡｌＧａＡｓのエピタキシャル成長過程において、ＴＭＡが完全に分解されず、炭素原子を含むメチル基がＡｌ原子に結合した状態で結晶中に取り込まれ、炭素ドーピングによりＡｌＧａＡｓがｐ型伝導の結晶となることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平４−３２６７２４号公報。

しかしながら、上記従来のｐ型ドーパントをドープする方法では、ドーピング原料としてブロム系化合物やクロム系化合物が使用されるが、副反応などにより、エッチング効果やメモリー効果が大きくなるなどの問題があり、ドーピングが難しい。また、1×10¹⁸(ｃｍ^-3)以下のキャリア濃度の制御が困難であった。

また、アルシン流量を調整する方法の場合、キャリア濃度の細かな調整が難しく、またウェハ面内でのキャリア濃度のバラツキが大きい為、安定的に確実にキャリア濃度を制御して成長させることが難しい。また、ＡｌＧａＡｓ層は、アルシン流量が少ない条件で成長させると、酸素などの不必要な不純物が混入してしまい、キャリアキラーなどの問題を引き起こしてしまう。

本発明は、上記課題を解決し、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ(0≦ｘ＜1)層のｐ型キャリア濃度が制御性よく且つ面内均一に作製された化合物半導体ウェハを提供することにある。

第１の発明は、半絶縁性ＧａＡｓ基板上にIII族原料、Ｖ原料を供給し、有機金属気相成長法を用いてＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ(0≦ｘ＜1)層を有するエピタキシャル層を成長させた化合物半導体ウェハにおいて、上記III族原料に、金属原子は同じで結合する有機基を異にする複数のIII族原料を用い、それらの供給比率を調整することにより上記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層のキャリア濃度を制御して成長させたことを特徴とする化合物半導体ウェハである。

金属原子は同じで結合する炭化水素基(アルキル基等)などの有機基を異にする複数のIII族原料を供給すると、異なる有機基の交換反応が起こり、ＡｌやＧａに結合する各有機基の割合が変わり、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層に取り込まれる炭素を含む有機基の数量が変化する。従って、金属原子は同じで結合する有機基を異にする複数のIII族原料の供給比率を調整することによって、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層のｐ型キャリア濃度を制御できる。

本発明の化合物半導体ウェハ(エピタキシャルウェハ)は、ＦＥＴ(電界効果トランジスタ)、ＨＥＭＴ(高電子移動度トランジスタ)、ＨＢＴ(ヘテロ接合バイポーラトランジスタ)等の電子デバイスや半導体レーザなどの発光デバイスに利用される。ＡｌＧａＡｓ層は、良好なデバイス特性を実現できるバッファ層やショットキー層などに使用される。

第２の発明は、第１の発明において、上記金属原子は同じで結合する有機基を異にする複数のIII族原料が、ガリウム原料としては、トリエチルガリウム(ＴＥＧ)とトリメチルガリウム(ＴＭＧ)であり、アルミニウム原料としては、トリメチルアルミニウム(ＴＭＡ)とトリエチルアルミニウム(ＴＥＡ)であることを特徴とする化合物半導体ウェハである。

第３の発明は、第１または第２の発明において、上記キャリア濃度が、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることを特徴とする化合物半導体ウェハである。

砒素原料にはアルシンが用いられることが多いが、キャリア濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３以上に制御する場合、アルシンの供給量を極端に下げる必要があり、そうすると、エピタキシャル層の表面状態の悪化や炭素以外の不純物の混入が多くなることから、キャリア濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３以下とするのが好ましい。

第４の発明は、第１乃至第３の発明において、砒素原料にアルシン(ＡｓＨ₃)を用いたことを特徴とする化合物半導体ウェハである。

第５の発明は、第１乃至第３の発明において、砒素原料に、アルシン(ＡｓＨ₃)とトリメチルアルシン(Ａｓ(ＣＨ₃)₃)を混合したものを用いたことを特徴とする化合物半導体ウェハである。

本発明によれば、所望のｐ型キャリア濃度に良好に制御され、かつｐ型キャリア濃度の面内分布が均一なＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ(0≦ｘ＜1)層を有する化合物半導体ウェハが得られる。

以下に、本発明に係る化合物半導体ウェハの一実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、作製した一実施形態の化合物半導体ウェハの構造を示す断面図であり、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上にＭＯＶＰＥ法によりＡｌＧａＡｓ層２を成長させたものである。このウェハは、ＡｌＧａＡｓ層２のキャリア濃度などを測定することを目的に作製したもので、実際のデバイスに用いられる化合物半導体ウェハでは、ＡｌＧａＡｓ層をバッファ層やショットキー層などに用いており、ＡｌＧａＡｓ層２の上、或いはＡｌＧａＡｓ層２とＧａＡｓ基板１との間には、通常、更に別の半導体層が形成される。なお、ＡｌＧａＡｓ層が最上層の場合もある。

上記ウェハのＭＯＶＰＥ法による製造方法を簡単に述べる。エピタキシャル層を成長させるＧａＡｓ基板１を、図示省略のサセプタにセットし、ＧａＡｓ基板１を反応炉内で加熱しつつ、反応炉内に原料ガス、希釈用ガスを供給する。供給された原料ガスは熱により分解し、基板１上にエピタキシャル層(ＡｌＧａＡｓ層２)が形成される。原料ガスには、Ａｌ原料としてＴＭＡを、Ｇａ原料としてＴＥＧとＴＭＧの混合ガスを、砒素原料としてアルシンを、希釈用ガスとして、水素を供給した。

Ｇａ原料としてＴＭＧとＴＥＧを混合して供給することにより、ＴＭＧのメチル基とＴＥＧのエチル基が交換反応を起こす。また、この交換反応は、Ａｌ原料であるＴＭＡのメチル基と、Ｇａ原料であるＴＥＧのエチル基との間でも起こる。従って、ＴＭＧとＴＥＧの二種類のＧａ原料を供給することにより、ＴＭＡの一部のメチル基が交換反応を起こし、Ａｌ原子に、メチル基とエチル基が結合した形となる。この交換反応により、Ａｌに結合するメチル基(Ａｌとの結合力が大きく成長結晶中に取り込まれやすい)の割合が減少し、Ａｌが成長に寄与する際、Ａｌに結合しているメチル基のカーボンが取り込まれる確率が低減し、ＡｌＧａＡｓ層のｐ型キャリア濃度が減少する。

このことは、Ｇａ原料のＴＭＧとＴＥＧの分配・比率を調整することで、ｐ型キャリア濃度を制御できることを意味する。また同様にして、Ａｌ原料にＴＥＡを、Ｇａ原料にＴＥＧ及びＴＭＧを用いた場合にも、ＴＥＡのエチル基とＴＭＧのメチル基との間で交換反応が起こり、Ｇａ原料のＴＭＧとＴＥＧの分配・比率を調整することで、ｐ型キャリア濃度を制御できる。更にまた、Ａｌ原料にＴＭＡ及びＴＥＡを、Ｇａ原料にＴＥＧ又はＴＭＧを用いた場合、Ａｌ原料にＴＭＡ及びＴＥＡを、Ｇａ原料にＴＥＧ及びＴＭＧを用いた場合にも、勿論、同一の効果が得られる。

また、上記のように、一般的に使用している原料(ＴＭＧ,ＴＥＧ,ＴＭＡ,ＴＥＡ,アルシン)を利用し、ｐ型キャリア濃度を制御してＡｌＧａＡｓ層が成長できることは、信頼性があり容易に実施できるなど、極めて有用である。

上述した、Ｇａ原料のＴＭＧとＴＥＧの比率を調整することで、ＡｌＧａＡｓ層のｐ型キャリア濃度を制御できることを確認するために、ＴＥＧとＴＭＧの比率を変えて、Ｖ族/III族比が50と100の条件で、ＧａＡｓ基板にＡｌ組成比50％のＡｌＧａＡｓ層を成長させた。作製されたウェハに対し、Ｃ―Ｖ測定を用いてキャリア濃度を測定した結果を図２に示す。図２に示すように、ＴＭＧとＴＥＧの比率を変えることで、大体１×１０^１６〜１×１０^１８(ｃｍ^-3)の範囲で、キャリア濃度を所望の値に良好に制御できることがわかる。また、ＴＥＧを供給することで、酸素などの不純物の取り込みも低減できることがわかった。

更に、上記のＴＭＧ及びＴＥＧの混合供給により成長させたＡｌＧａＡｓ層に対する、キャリア濃度の面内分布の均一性を確認するために、６インチのＧａＡｓ基板にＡｌ組成比30％のＡｌＧａＡｓ層を成長させた。また、比較のために、不純物をドーピングせず、アルシン流量を調整して、Ａｌ組成比30%のＡｌＧａＡｓ層を成長させたウェハも作製した。これらのウェハに対し、Ｃ―Ｖ測定を用いて、オリエンテーションフラットに垂直な方向に５ｍｍピッチでキャリア濃度を測定した。その結果を、図３に示す。図示のように、この実施形態のＴＭＧ及びＴＥＧの混合供給により成長させたＡｌＧａＡｓ層は、キャリア濃度の面内分布が均一となっている。

なお、上記実施形態においては、ＡｌＧａＡｓ層の成長に本発明を適用したが、ＧａＡｓ層(Ａｌ組成比ｘ＝0)を成長させる場合に適用してもよい。この場合、例えば、Ｇａ原料にＴＭＧ及びＴＥＧを、砒素原料にアルシン及びトリメチルアルシンを用い、それらの比率を調整することにより、ＧａＡｓ層のｐ型キャリア濃度を制御するようにしてもよい。砒素原料として、アルシンに所定比率でトリメチルアルシンを加えたものを用いると、トリメチルアルシンの分解温度範囲もメチル基とエチル基の交換反応が可能な温度範囲になり、ｐ型キャリア濃度の制御範囲が広がることになる。

本発明の一実施形態における化合物半導体ウェハの構造を示す断面図である。本発明の一実施形態における、ＴＥＧとＴＭＧの供給比率と、ＡｌＧａＡｓ層のキャリア濃度との関係を示す図である。本発明の一実施形態におけるＡｌＧａＡｓ層のキャリア濃度の面内分布と、従来の化合物半導体ウェハにおけるＡｌＧａＡｓ層のキャリア濃度の面内分布とを比較して示す図である

符号の説明

１ＧａＡｓ基板
２ＡｌＧａＡｓ層

Claims

半絶縁性ＧａＡｓ基板上にIII族原料、Ｖ原料を供給し、有機金属気相成長法を用いてＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ(0≦ｘ＜1)層を有するエピタキシャル層を成長させた化合物半導体ウェハにおいて、
上記III族原料に、金属原子は同じで結合する有機基を異にする複数のIII族原料を用い、それらの供給比率を調整することにより上記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層のキャリア濃度を制御して成長させたことを特徴とする化合物半導体ウェハ。
請求項１に記載の化合物半導体ウェハにおいて、上記金属原子は同じで結合する有機基を異にする複数のIII族原料が、ガリウム原料としては、トリエチルガリウムとトリメチルガリウムであり、アルミニウム原料としては、トリメチルアルミニウムとトリエチルアルミニウムであることを特徴とする化合物半導体ウェハ。
請求項１または２に記載の化合物半導体ウェハにおいて、上記キャリア濃度が、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることを特徴とする化合物半導体ウェハ。
請求項１乃至３のいずれかに記載の化合物半導体ウェハにおいて、砒素原料にアルシンを用いたことを特徴とする化合物半導体ウェハ。
請求項１乃至３のいずれかに記載の化合物半導体ウェハにおいて、砒素原料に、アルシンとトリメチルアルシンを混合したものを用いたことを特徴とする化合物半導体ウェハ。