JPS6235579A - Manufacture of semiconductor device - Google Patents
Manufacture of semiconductor deviceInfo
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- JPS6235579A JPS6235579A JP17478285A JP17478285A JPS6235579A JP S6235579 A JPS6235579 A JP S6235579A JP 17478285 A JP17478285 A JP 17478285A JP 17478285 A JP17478285 A JP 17478285A JP S6235579 A JPS6235579 A JP S6235579A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔概要〕
この発明は、2次元電子ガスをチャネルとする半導体装
置の製造方法において、
まずバッファ層をn型としてエピタキシャル成長し、か
つ他の半導体層の成長前にその表面をサーマルエツチン
グすることにより、
良好で安定した特性の該半導体装置の生産性を向上する
ものである。[Detailed Description of the Invention] [Summary] The present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device using two-dimensional electron gas as a channel, in which a buffer layer is epitaxially grown as an n-type buffer layer, and the surface of the buffer layer is grown epitaxially before the growth of other semiconductor layers. By thermally etching the semiconductor device, the productivity of the semiconductor device with good and stable characteristics is improved.
本発明は半導体装置の製造方法、特に空間分離型ドーピ
ングにより2次元電子ガスをチャネルとする半導体装置
の製造方法の改善に関する。The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and particularly to an improvement in a method for manufacturing a semiconductor device using a two-dimensional electron gas as a channel by spatially separated doping.
半導体装置の高速化等を目的として、砒化ガリウム(G
aAs)系などの化合物半導体の実用化が進められ、更
に不純物ドーピング領域とキャリア移動領域とを空間的
に分離し、2次元状態の電子をキャリアとするヘテロ接
合電界効果トランジスタ等の高移動度の半導体装置が開
発されている。Gallium arsenide (G
The practical application of compound semiconductors such as the aAs) system is progressing, and the impurity doping region and the carrier movement region are spatially separated, and high mobility devices such as heterojunction field effect transistors, which use two-dimensional electrons as carriers, are being developed. Semiconductor devices are being developed.
この2次元電子ガスが蓄積されるチャネル層は基板との
間のバッファ層を兼ねることが多く、活性領域の半導体
層に比較してその厚さを極めて大きくすることが従来必
要であり、エピタキシャル成長プロセスの大きい負担と
なっている。The channel layer where this two-dimensional electron gas is accumulated often doubles as a buffer layer between it and the substrate, and conventionally it has been necessary to make it extremely thick compared to the semiconductor layer in the active region, and the epitaxial growth process This has become a huge burden.
前記へテロ接合電界効果トランジスタの構造の一例を第
3図に示す。An example of the structure of the heterojunction field effect transistor is shown in FIG.
本従来例では半絶縁性GaAs基板11上に、ノンドー
プのi型GaAs層13、これより電子親和力が小さい
砒化アルミニウムガリウム(^1xGa+−,As)石
工4、及び不純物濃度が例えば2×10111LJ″f
f程度のn型GaAs[15が設けられている。このi
型GaAs層13はバッファ層並びに後述の如くチャネ
ル層として機能し、Δ−IGaAs層14は電子供給層
、n型GaAs層15はキャップ層である。In this conventional example, a non-doped i-type GaAs layer 13 is formed on a semi-insulating GaAs substrate 11, an aluminum gallium arsenide (^1xGa+-, As) masonry 4 having a smaller electron affinity, and an impurity concentration of, for example, 2×10111LJ″f
n-type GaAs [15] of about f is provided. This i
The type GaAs layer 13 functions as a buffer layer and a channel layer as will be described later, the Δ-IGaAs layer 14 serves as an electron supply layer, and the n-type GaAs layer 15 serves as a cap layer.
へ1GaAs層14は、例えばi型GaAsJi13と
の界面近傍の厚さ約5 nmの領域をノンドープとし、
その他の領域に濃度2 XIO”cm−3程度のドナー
不純物を含んで、この層からi型GaAs層13へ遷移
した電子によって、ヘテロ接合界面近傍に2次元電子ガ
ス13eが形成される。n型GaAs層15上にソース
及びドレイン電極16が設けられ、この両電極間のn型
GaAs層15を選択的にエツチングしAlGaAs層
14に接して設けられたゲート電極17で、前記2次元
電子ガス13eの面濃度を制御することによりトランジ
スタ動作が行われ名。In the GaAs layer 14, for example, a region with a thickness of about 5 nm near the interface with the i-type GaAsJi 13 is undoped,
Other regions contain donor impurities with a concentration of about 2XIO"cm-3, and electrons transferred from this layer to the i-type GaAs layer 13 form a two-dimensional electron gas 13e near the heterojunction interface.N-type Source and drain electrodes 16 are provided on the GaAs layer 15, and the n-type GaAs layer 15 between these two electrodes is selectively etched, and a gate electrode 17 provided in contact with the AlGaAs layer 14 is used to remove the two-dimensional electron gas 13e. Transistor operation is performed by controlling the surface concentration of .
以上説明した如き従来のへテロ接合電界効果トランジス
タのエネルギー準位は第4図(alの様であり、2次元
電子ガス13eはi型GaAs層13のAlGaAs層
14との界面近傍に形成される伝導帯のエネルギー準位
の井戸に蓄積されている。このエネルギー準位の曲がり
は、これを構成する半導体単結晶の禁制帯幅とフェルミ
準位E、とによって定まる。The energy level of the conventional heterojunction field effect transistor as explained above is as shown in FIG. It is stored in the energy level well of the conduction band.The bending of this energy level is determined by the forbidden band width and the Fermi level E of the semiconductor single crystal that constitutes the semiconductor single crystal.
第4図fa)に示したエネルギー準位は、バッファ層で
あるi型GaAs層13が例えば0.8μm程度以上の
十分な厚さを有する場合である。i型GaAsJi13
が薄い場合には第4図(blに示す如く、i型GaAs
層13のAlGaAs層14との界面近傍の伝導帯の最
低部がフェルミ準位E、よりも上となり2次元電子ガス
13eが蓄積されなくなる。The energy level shown in FIG. 4 fa) is when the i-type GaAs layer 13 serving as the buffer layer has a sufficient thickness of, for example, about 0.8 μm or more. i-type GaAsJi13
As shown in Figure 4 (bl), if the
The lowest part of the conduction band near the interface between the layer 13 and the AlGaAs layer 14 is above the Fermi level E, and no two-dimensional electron gas 13e is accumulated.
これは半絶縁性GaAs基板11とi型GaAsバッフ
ァ層13との界面に界面準位が形成され、この界面準位
に伴ってノンドープのi型GaAs層13全体のエネル
ギー準位が上がっているためである。なおこの様な界面
準位の形成は、例えば炭素(C)酸素(0□)等の不純
物の付着、或いは結晶の乱れなどにより基板11の表面
近傍がp型になっているためであると考えられている。This is because an interface level is formed at the interface between the semi-insulating GaAs substrate 11 and the i-type GaAs buffer layer 13, and the energy level of the entire non-doped i-type GaAs layer 13 is raised due to this interface level. It is. It is believed that the formation of such an interface state is due to the fact that the vicinity of the surface of the substrate 11 has become p-type due to adhesion of impurities such as carbon (C), oxygen (0□), or disordered crystals. It is being
ヘテロ接合電界効果トランジスタなどの精密な半導体積
層構造は、従来分子線エピタキシャル成長方法(MBE
法)で全半導体層を連続して成長しているが、所要の成
長時間の大半がバッファ層に占められており、エピタキ
シャル成長のスループットを向上する手段が要望されて
いる。Precise semiconductor stacked structures such as heterojunction field effect transistors are conventionally manufactured using the molecular beam epitaxial growth method (MBE).
However, most of the required growth time is occupied by the buffer layer, and there is a need for a means to improve the throughput of epitaxial growth.
更にMBE法によって半導体層を厚く成長する間に、オ
ーバルデフエクト(oval defect)と呼ばれ
る特有の大きい表面欠陥が次第に増加する傾向があり、
この点からも改善が必要とされている。Furthermore, while a semiconductor layer is grown thickly by the MBE method, a characteristic large surface defect called an oval defect tends to gradually increase.
Improvements are needed from this point as well.
前記問題点は、半絶縁性化合物半導体基板上にn型半導
体バ・ノファ層を予めエピタキシャル成長し、該バッフ
ァ層の表面をエツチングする真空加熱処理を施した後大
気中に曝すことなく、2次元電子ガスが蓄積されるノン
ドープのi形半導体チャネル層を含む所要の半導体層を
、該バッファ層上にエピタキシャル成長する本発明によ
る半導体装置の製造方法により解決される。The above problem is solved by epitaxially growing an n-type semiconductor buffer layer on a semi-insulating compound semiconductor substrate, and then performing a vacuum heat treatment to etch the surface of the buffer layer, without exposing it to the atmosphere. This problem is solved by the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, in which a required semiconductor layer including a non-doped i-type semiconductor channel layer in which gas is accumulated is epitaxially grown on the buffer layer.
本発明によれば、バッファ層のエピタキシャル成長を他
の半導体層の成長から分離してその成長方法を選択し、
更に基板表面に起因する界面準位のバッファ層のエネル
ギー準位に対する影響を、バッファ層を低濃度のn型と
することにより抑制する。According to the present invention, the epitaxial growth of the buffer layer is separated from the growth of other semiconductor layers, and the growth method thereof is selected;
Furthermore, the influence of interface states caused by the substrate surface on the energy level of the buffer layer is suppressed by making the buffer layer n-type with a low concentration.
バッファ層の表面は一旦大気中に曝されるが、バッファ
層とその上に成長させる他の半導体層との間に生ずる界
面準位は、バッファ層表面のサーマルエツチングにより
抑制される。Although the surface of the buffer layer is once exposed to the atmosphere, the interface states generated between the buffer layer and another semiconductor layer grown thereon are suppressed by thermal etching of the surface of the buffer layer.
この様にバッファ層のエピタキシャル成長を分離するこ
とにより、バッファ層には例えば気相成長方法など・チ
ャネル層、電子供給層等には従来と同様にMBE法など
を選択することが可能となり、エピタキシャル成長のス
ルーブツトを容易に向上することができ、更にMBE法
特有のオーバルデフエクトも抑制される。By separating the epitaxial growth of the buffer layer in this way, it becomes possible to select, for example, the vapor phase growth method for the buffer layer, and the MBE method for the channel layer, electron supply layer, etc. Throughput can be easily improved, and oval defects peculiar to the MBE method can also be suppressed.
基板−バッファ層、バッファ層−チャネル層間の界面準
位は前記の如くそれぞれ抑制され、チャネル層の電子供
給層との界面近傍に伝導帯の井戸がフェルミ準位より深
く形成されて、高面濃度の2次元電子ガスが蓄積される
。The interface states between the substrate and the buffer layer and between the buffer layer and the channel layer are suppressed as described above, and a conduction band well is formed deeper than the Fermi level near the interface between the channel layer and the electron supply layer, resulting in a high surface concentration. Two-dimensional electron gas is accumulated.
以下本発明を実施例により具体的に説明する。 The present invention will be specifically explained below using examples.
第1図はへテロ接合電界効果トランジスタに本発明を適
用した実施例を示す工程順模式側断面図、第2図はその
エネルギー準位を示す図である。FIG. 1 is a schematic side sectional view showing the process order of an embodiment in which the present invention is applied to a heterojunction field effect transistor, and FIG. 2 is a diagram showing its energy level.
第1図fat参照: 気相エピタキシャル成長方法によ
り、半絶縁性GaAs基板1上にn型GaAsバッファ
層2を、例えば不純物濃度2 XIO”c+n−’、厚
さ0.2μm程度に成長する。Refer to FIG. 1 fat: An n-type GaAs buffer layer 2 is grown on a semi-insulating GaAs substrate 1 to, for example, an impurity concentration of 2XIO"c+n-' and a thickness of about 0.2 .mu.m by a vapor phase epitaxial growth method.
気相エピタキシャル成長方法としては、例えばガリウム
(Ga)源に金属Ga−、砒素(As)源に3塩化砒素
(AsCh)を用いる塩化物法、又はGa源にトリメチ
ルガリウム(Ga (CH3) 3)、As源にアルシ
ン(AsH3)を用いる有機金属熱分解気相成長方法(
MOCVD法)などを適用する。As a vapor phase epitaxial growth method, for example, a chloride method using metallic Ga- as a gallium (Ga) source and arsenic trichloride (AsCh) as an arsenic (As) source, or trimethyl gallium (Ga (CH3) 3) as a Ga source, Metal-organic pyrolysis vapor phase growth method using arsine (AsH3) as an As source (
MOCVD method) etc. are applied.
第1図(b)参照: n型GaAsバッファ層2上に、
ノンドープの)型GaAsチャネル層3 、AlGaA
s電子供給層4及びn型GaAsキャップ層5を、?I
BE法によりエピタキシャル成長する。See FIG. 1(b): On the n-type GaAs buffer layer 2,
Non-doped) type GaAs channel layer 3, AlGaA
The s-electron supply layer 4 and the n-type GaAs cap layer 5, ? I
Epitaxial growth is performed using the BE method.
この成長を行うには、まず前記バッファ層2を成長した
基板1を従来技術により化学洗浄した後MBE装置の前
室に収容し、例えば一旦10− ” Torr程度に排
気し10−8〜10− ’Torr程度の的雰囲気とし
、温度750℃程度に約3分間加熱するサーマルエツチ
ングを行う。To perform this growth, first, the substrate 1 on which the buffer layer 2 has been grown is chemically cleaned using a conventional technique, and then placed in the front chamber of an MBE apparatus, and once evacuated to, for example, about 10-'' Torr, the substrate 1 is heated to a temperature of 10-8 to 10- Thermal etching is performed by heating to a temperature of about 750° C. for about 3 minutes in an atmosphere of about 1000 Torr.
この基板1を真空状態を保ちつつ成長室内に移動し、例
えば成長温度680℃、成長速度GaAs 1.0μm
/h、八1GaAs 1.4μn+/hで、ノンドープ
のi型GaAsチャネルrri3は厚さ約1100n、
Alo、 zGao、 Js電子供給層4はノンドー
プのスペーサ領域4aの厚さ約5nm、シリコン(S+
)ドーピング温度約lXl0”c+n−3のn型領域4
bの厚さ約900m、 n型GaAsキャップ層5は厚
さ約10nmに成長する。This substrate 1 is moved into a growth chamber while maintaining a vacuum state, and the growth temperature is 680° C. and the growth rate is GaAs 1.0 μm.
/h, 81GaAs 1.4μn+/h, non-doped i-type GaAs channel rri3 has a thickness of about 1100n,
Alo, zGao, Js electron supply layer 4 is made of silicon (S+
) n-type region 4 with a doping temperature of about lXl0''c+n-3
The n-type GaAs cap layer 5 is grown to a thickness of about 10 nm.
第1図fc)参照: 前記半導体基体に従来技術により
ソース及びドレイン電極6、ゲート電極7が設けられ、
ヘテロ接合電界効果トランジスタ素子が完成する。See FIG. 1 fc): source and drain electrodes 6 and gate electrodes 7 are provided on the semiconductor substrate by conventional techniques;
A heterojunction field effect transistor device is completed.
本実施例のエネルギー準位は第2図の様になり、温度7
7Kにおいて、2次元電子ガス3eの面濃度約5 X
10” cm−”、電子移動度約9 XIO’ cm2
/ν、Sで、前記従来例の構造でバッファ層の厚さを1
μm程度としたときとほぼ等しい値を示した。The energy level in this example is as shown in Figure 2, and the temperature is 7.
At 7K, the areal concentration of the two-dimensional electron gas 3e is approximately 5X
10"cm-", electron mobility approximately 9 XIO' cm2
/ν, S, the thickness of the buffer layer in the conventional structure is 1.
It showed almost the same value as when it was set to about μm.
本実施例のウェーハ1枚当たりのエピタキシャル成長時
間は、厚さ約0.2−のn型GaAsバフファ層2のM
OCVD法による成長が約5分間、i型GaAsチャネ
ル層3〜n型GaAsキャップ層5のMBIE法による
成長が約10分間であり、前記従来構造の厚さ約0.8
μmのi型GaAsバッファ層13〜n型GaAsキャ
ップ層15のMBE法による成長に約40分間が必要で
あるのに比較して、所要時間の大幅な削減、生産性の向
上が実現された。The epitaxial growth time per wafer in this example is as follows:
The growth by OCVD method took about 5 minutes, the growth by MBIE method of the i-type GaAs channel layer 3 to n-type GaAs cap layer 5 took about 10 minutes, and the thickness of the conventional structure was about 0.8 minutes.
Compared to the approximately 40 minutes required to grow the i-type GaAs buffer layer 13 to n-type GaAs cap layer 15 by the MBE method, a significant reduction in the required time and an improvement in productivity were realized.
以上の説明はGaAs/AlGaAs系へテロ接合電界
効果トランジスタを例としているが、本発明はこれに限
られるものではなく、他の半導体材料例えばInGaA
s/ AlGaAs、 InP系など、或いは2次元電
子ガスをチャネルとする他の半導体装置に適用して、同
様の効果を収めることができる。Although the above description uses a GaAs/AlGaAs-based heterojunction field effect transistor as an example, the present invention is not limited to this, and may be applied to other semiconductor materials such as InGaA.
Similar effects can be achieved by applying the present invention to other semiconductor devices using s/AlGaAs, InP, etc., or using two-dimensional electron gas as a channel.
以上説明した如く本発明によれば、良好な特性の2次元
電子ガスをチャネルとするヘテロ接合電界効果トランジ
スタ等を、高い生産性で製造することが可能となり、そ
の実用化の推進に大きい効果が得られる。As explained above, according to the present invention, it is possible to manufacture heterojunction field effect transistors, etc., which use two-dimensional electron gas as a channel with good characteristics, with high productivity, and this invention has a great effect on promoting their practical application. can get.
第1図はへテロ接合電界効果トランジスタにかかる本発
明の実施例の工程順模式側断面図、
第2図はそのエネルギー準位を示す図
第3図はへテロ接合電界効果トランジスタの従来例を示
す模式側断面図、
第4図は前記従来例のエネルギー準位の例を示す図であ
る。
図において、
1は半絶縁性GaAs基板、
2はn型GaAsバフファ層、
3はノンドープのi型GaAsチャネル層、3eは2次
元電子ガス、
4はAlGaAs電子供給層、
4aはノンドープのスペーサ卸域、
4bはn型領域、
5はn型GaAsキャンプ層、
6はソース及びドレイン電極、
7はゲート電極を示す。
(久)
寥 I Z
従来例o)R式割前面図
享3 口
従来合!jのキノロヒ導危ρPJを示す口秦4 田Fig. 1 is a schematic side sectional view of the process order of an embodiment of the present invention related to a heterojunction field effect transistor, Fig. 2 shows its energy level, and Fig. 3 shows a conventional example of a heterojunction field effect transistor. FIG. 4 is a diagram showing an example of energy levels in the conventional example. In the figure, 1 is a semi-insulating GaAs substrate, 2 is an n-type GaAs buffer layer, 3 is a non-doped i-type GaAs channel layer, 3e is a two-dimensional electron gas, 4 is an AlGaAs electron supply layer, 4a is a non-doped spacer area , 4b is an n-type region, 5 is an n-type GaAs camp layer, 6 is a source and drain electrode, and 7 is a gate electrode. (Ku) I Z Conventional example o) R type split front view 3 Mouth conventional combination! J's Kinorohi guide crisis ρJ mouth Qin 4 Ta
Claims (1)
予めエピタキシャル成長し、該バッファ層の表面をエッ
チングする真空加熱処理を施した後大気中に曝すことな
く、2次元電子ガスが蓄積されるノンドープのi形半導
体チャネル層を含む所要の半導体層を、該バッファ層上
にエピタキシャル成長することを特徴とする半導体装置
の製造方法。An n-type semiconductor buffer layer is epitaxially grown on a semi-insulating compound semiconductor substrate in advance, a vacuum heat treatment is performed to etch the surface of the buffer layer, and then two-dimensional electron gas is accumulated without exposure to the atmosphere. 1. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising epitaxially growing a required semiconductor layer including an i-type semiconductor channel layer on the buffer layer.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17478285A JPS6235579A (en) | 1985-08-08 | 1985-08-08 | Manufacture of semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17478285A JPS6235579A (en) | 1985-08-08 | 1985-08-08 | Manufacture of semiconductor device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6235579A true JPS6235579A (en) | 1987-02-16 |
Family
ID=15984571
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17478285A Pending JPS6235579A (en) | 1985-08-08 | 1985-08-08 | Manufacture of semiconductor device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6235579A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012182203A (en) * | 2011-02-28 | 2012-09-20 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Group-iii nitride semiconductor element, and method of producing the same |
-
1985
- 1985-08-08 JP JP17478285A patent/JPS6235579A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012182203A (en) * | 2011-02-28 | 2012-09-20 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Group-iii nitride semiconductor element, and method of producing the same |
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