(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子線エピタキシャル成長法によりＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体のヘテロ接合を有する半導体薄膜を形成するエピタキシャル成長方法であって、
少なくとも一種類以上のＩＩＩ族元素の分子線と第１のＶ族元素の分子線とを照射して第１の化合物半導体層を形成する第１の工程と、
前記ＩＩＩ族元素の分子線と前記第１のＶ族元素の分子線の照射を停止し、前記第１のＶ族元素の供給量が前記第１の工程における供給量の１／１０以下となるまで成長を中断する第２の工程と、
少なくとも一種類以上のＩＩＩ族元素の分子線と第２のＶ族元素の分子線とを照射して前記第１の化合物半導体層上に前記第１の化合物半導体とは異なる第２の化合物半導体層を形成する第３の工程と、を備え、
前記第２の化合物半導体層が、この第２の化合物半導体層上に形成された少なくとも１種類以上のＩＩＩ族元素と前記第１のＶ族元素からなる化合物半導体層を、エッチャントにより前記第２の化合物半導体層の一部が露出するまでエッチングする際に、前記第１の化合物半導体層にエッチングが進行するのを防止するエッチストッパー層となることを特徴とするエピタキシャル成長方法。
【請求項２】
分子線エピタキシャル成長法によりＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体のヘテロ接合を有する半導体薄膜を形成するエピタキシャル成長方法であって、
少なくとも一種類以上のＩＩＩ族元素の分子線と第１のＶ族元素の分子線とを照射して第１の化合物半導体層を形成する第１の工程と、
前記ＩＩＩ族元素の分子線と前記第１のＶ族元素の分子線の照射を停止するとともに、第２のＶ族元素の分子線を照射し、前記第１のＶ族元素の供給量が前記第１の工程における供給量の１／１０以下となるまで成長を中断する第２の工程と、
さらに、少なくとも一種類以上のＩＩＩ族元素の分子線を照射して前記第１の化合物半導体層上に前記第１の化合物半導体とは異なる第２の化合物半導体層を形成する第３の工程と、を備え、
前記第２の化合物半導体層が、この第２の化合物半導体層上に形成された少なくとも１種類以上のＩＩＩ族元素と前記第１のＶ族元素からなる化合物半導体層を、エッチャントにより前記第２の化合物半導体層の一部が露出するまでエッチングする際に、前記第１の化合物半導体層にエッチングが進行するのを防止するエッチストッパー層となることを特徴とするエピタキシャル成長方法。
【請求項３】
前記第１の化合物半導体層はＩｎＡｌＡｓ層またはＩｎＧａＡｓ層であり、前記第２の化合物半導体層はＩｎＰ層またはＩｎＧａＰ層であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエピタキシャル成長方法。
【請求項４】
前記第１の化合物半導体層はＩｎＰ層またはＩｎＧａＰ層であり、前記第２の化合物半導体層はＩｎＡｌＡｓ層またはＩｎＧａＡｓ層であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエピタキシャル成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、ヘテロ接合界面を有するＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体薄膜の形成方法に関し、特に、ＩｎＰ層をエッチストッパー層（エッチング制御層）として用いる高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の製造に適したエピタキシャル成長方法に関する。
【背景技術】  従来、高電子移動度トランジスタ（以下、ＨＥＭＴと略記する）構造のエピタキシャル結晶は、有機金属気層成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）により形成されたＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体薄膜で構成される。例えば、ＩｎＰ基板上にＩｎＡｌＡｓ層やＩｎＧａＡｓ層等の半導体層を積層して形成され、さらにＩｎＰ層をエッチストッパー層として形成した構造が提案されている。このＩｎＰ層からなるエッチストッパー層を有するＨＥＭＴ構造の基本的な構成を図６に示す。
図６に示すＨＥＭＴ構造は、ＩｎＰからなる半絶縁性基板１０１上に、ノンドープのＩｎＡｌＡｓ層（バッファ層）１０２，ノンドープのＩｎＧａＡｓ層（電子走行層）１０３，ノンドープのＩｎＡｌＡｓ層（スペーサ層）１０４，ｎ型不純物をドーピングしたＩｎＡｌＡｓ層（電子供給層）１０５，ノンドープのＩｎＡｌＡｓ層（スペーサ層）１０６，ノンドープのＩｎＰ層（エッチストッパー層）１０７，ｎ型不純物をドーピングしたＩｎＡｌＡｓ層（抵抗低減層）１０８，ｎ型不純物をドーピングしたＩｎＧａＡｓ層（抵抗低減層）１０９が積層されてなる。
なお、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ層１０８およびｎ型ＩｎＧａＡｓ層１０９はエッチングにより分割され、エッチングされた領域からはＩｎＰ層１０７が露出する。また、分割されたＩｎＧａＡｓ層１０９上にはソース電極またはドレイン電極となるオーミック電極１１０，１１１が形成され、露呈されたＩｎＰ層１０７上にはゲート電極となるショットキー電極が形成されている。
上述したＨＥＭＴ構造において、ＩｎＰ層１０７のエッチング速度（燐酸系やクエン酸系のエッチャント）は、ＩｎＡｌＡｓ層１０８やＩｎＧａＡｓ層１０９のエッチング速度に比較して数１０分の１から数１００分の１であるため、エッチャントによる浸食は少なく非常に高い選択性が得られる。したがって、ＩｎＰ層１０７より下のＩｎＡｌＡｓ層１０５，１０６までエッチングが進行してしまい、ＨＥＭＴの高周波特性などのデバイス特性が低下するのを防止する役割を果たしている。
また、上述したＨＥＭＴ構造においては、ＩｎＡｌＡｓ層１０６，１０８とＩｎＰ層１０７の境界で、Ｖ族元素の異なるヘテロ接合界面（以下、ヘテロ界面と称する）が形成されることとなる。このようなヘテロ接合を利用したデバイスでは、そのヘテロ界面における原子の組成分布の急峻性および平坦性がデバイス特性を大きく左右する。例えば、このヘテロ界面を形成するにあたり、形成条件が悪く、ＩｎＰ層１０７にＡｓが混入したり、界面にＡｓとＰの混合した遷移層が形成されたりすると、エッチストッパー層としてのＩｎＰ層１０７の選択性が著しく低下してしまうことがある。
また、ＩｎＰ層１０７をエッチストッパー層として用いる場合は、ＩｎＰ層１０７の膜厚は薄いほどよく、通常３〜６ｎｍ程度の膜厚とされる。このようにＩｎＰ層１０７を非常に薄く形成する場合は、特にヘテロ界面の形成条件がＩｎＰ層１０７の選択性に及ぼす影響が大きくなるため、ヘテロ界面の形成条件を最適化することが重要となる。
そこで、ＭＯＣＶＤ法によるＨＥＭＴの形成については、ＩｎＡｌＡｓ層１０７やＩｎＧａＡｓ層１０８等をエッチングする際にＩｎＰ層１０７のエッチングされる密度が所定値以下となるように、ＩｎＰ層１０７を成長させる際の原料ガスの供給量を調整するようにしている（例えば、特開平１１−２６６００９号公報）。
ところで、ＭＢＥ法によるＨＥＭＴの形成では、分子線源に設けられたシャッターおよびバルブのＯＮ／ＯＦＦにより、各半導体層の形成に応じて原料となる元素の分子線の照射を制御している。図７は、従来のエピタキシャル成長方法によりＩｎＡｌＡｓ層とＩｎＰ層とのヘテロ界面を形成するときの原料供給手順を示すタイミングチャートである。工程ＡでＩｎ，Ａｌ，Ａｓの分子線を照射することでＩｎＡｌＡｓ層を形成し、工程ＢでＩｎ，Ｐの分子線を照射することでＩｎＰ層を形成する。なお、Ｉｎ分子線は停止することなく照射され、Ａｓ分子線とＰ分子線の照射を同時に切り替えることで、ＩｎＡｌＡｓ層とＩｎＰ層とを連続して形成している。
このとき、ＭＢＥ法ではＭＯＣＶＤ法のようなガスの流れがないことから、供給される分子線の切り替えは瞬時にできているものと考えられている。実際に、ＩＩＩ族元素の分子線（例えばＡｌ分子線）について見ると、工程Ｂにおいて基板に供給される分子線強度はシャッターの駆動時間（通常１秒以下）に対応して１％以下となることが確認されている。
これに対して、Ｖ族元素（Ａｓ）はＩＩＩ族元素に比べると蒸気圧が高いため、分子線の供給を停止した後も成長室内にその分子が残留し、ヘテロ界面を形成する際に元素の混合が起こりやすいことが判明した。しかしながら、この残留Ｖ族分子を考慮して成長条件（ヘテロ界面の形成条件）を決めていないめ、分子線源のバルブの開閉速度やシャッターの動作状態が変わると、残留Ｖ族元素の量（残留Ｖ族元素の分子線強度）に対応してＩｎＡｌＡｓ層やＩｎＧａＡｓ層とＩｎＰ層とのヘテロ界面の特性が微妙に変化した。また、このようにしてＨＥＭＴのエッチストッパー層としてのＩｎＰ層を形成すると、選択性が低下してしまうという不具合があった。
本発明は、上記課題を解決するために、ＭＢＥ法によるエピタキシャル成長におけるＶ族元素の切り替え時の残留Ｖ族元素量に着目してなされたもので、安定した特性を有するヘテロ界面の形成、ひいては高い選択性を持ったＩｎＰエッチストッパー層の形成を実現するエピタキシャル成長方法を提案することを目的とする。
【発明の開示】
本発明は、分子線エピタキシャル成長法によりＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体のヘテロ接合を有する半導体薄膜を形成するエピタキシャル成長方法であって、少なくとも一種類以上のＩＩＩ族元素の分子線と第１のＶ族元素の分子線とを照射して第１の化合物半導体層を形成する第１の工程と、前記ＩＩＩ族元素の分子線と前記第１のＶ族元素の分子線の照射を停止し、前記第１のＶ族元素の供給量が前記第１の工程における供給量の１／１０以下となるまで成長を中断する第２の工程と、少なくとも一種類以上のＩＩＩ族元素の分子線と第２のＶ族元素の分子線とを照射して前記第１の化合物半導体層上に前記第１の化合物半導体とは異なる第２の化合物半導体層を形成する第３の工程と、を備えるようにしたものである。これにより、第２の化合物半導体層への第１のＶ族元素の混入量を所定値以下（例えば組成にして０．０５以下）とすることができる。
また、分子線エピタキシャル成長法によりＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体のヘテロ接合を有する半導体薄膜を形成するエピタキシャル成長方法であって、少なくとも一種類以上のＩＩＩ族元素の分子線と第１のＶ族元素の分子線とを照射して第１の化合物半導体層を形成する第１の工程と、前記ＩＩＩ族元素の分子線と前記第１のＶ族元素の分子線の照射を停止するとともに、第２のＶ族元素の分子線を照射し、前記第１のＶ族元素の供給量が前記第１の工程における供給量の１／１０以下となるまで成長を中断する第２の工程と、さらに、少なくとも一種類以上のＩＩＩ族元素の分子線を照射して前記第１の化合物半導体層上に前記第１の化合物半導体とは異なる第２の化合物半導体層を形成する第３の工程と、を備えるようにしたものである。ここで、第２の工程ではＶ族元素の分子線は照射されているが、ＩＩＩ族元素の分子線は照射されないのでエピタキシャル層の成長は中断される。これにより、第３の工程で第２の化合物半導体層の形成を開始する当初から第２のＶ族元素を所望の分子線強度で供給することができるので、第２の化合物半導体層への第１のＶ族元素の混入量をさらに低減できる。
また、前記第１の化合物半導体層をＩｎＡｌＡｓ層またはＩｎＧａＡｓ層とし、前記第２の化合物半導体層をＩｎＰ層またはＩｎＧａＰ層とするようにした。すなわち、ＩｎＡｌＡｓ層またはＩｎＧａＡｓ層上にＩｎＰ層をエッチストッパー層として形成してＨＥＭＴを作成する場合に有効である。また、形成する化合物半導体層を反対にして、前記第１の化合物半導体層をＩｎＰ層またはＩｎＧａＰ層とし、前記第２の化合物半導体層をＩｎＡｌＡｓ層またはＩｎＧａＡｓ層とする場合にも適用できる。
以下に、本発明を完成するに至った経緯について、ＩｎＡｌＡｓ層上にＩｎＰ層を形成する場合を例に挙げて説明する。
初めに、ＩｎＰ基板上にＩｎＡｌＡｓ層を成長させた後、成長室内に残留したバックグランドのＡｓ分子が、ＩｎＰ層を成長させる際にＩｎＰ層へ取り込まれることに着目し、取り込まれたＡｓの量とＩｎＰ層（Ａｓが混入している）のエッチング速度の関係を調べた。具体的には、Ａｓ分子線源のバルブを閉めるときの開度（バルブの開閉速度）を調整することによりバックグランドに対応するＡｓの分子線強度を変えてＩｎＰ層を成長させ、そのときのＡｓ混入量とＩｎＰ（Ａｓ混入）層の燐酸系のエッチャントに対するエッチング速度の関係を調べた。
図３にＡｓ混入量とＩｎＰ層のエッチング速度の関係を示す。例えば、３ｎｍ厚のＩｎＰ層をエッチストッパー層として用いる場合、燐酸系エッチャントに対する耐性を３０秒以上得ようとすると、エッチング速度は０．１ｎｍ／秒よりも低いことが要求される。この場合、図３よりＩｎＰ層に混入されるＡｓの量としては組成にして０．０５以下としなければならないこととなる。望ましくは、ＩｎＰ層に混入されるＡｓの量を０．０２以下とすればエッチング速度は０．０５ｎｍ／秒以下となるので、ＩｎＰ層をエッチストッパー層として用いたときにより高い選択性を得ることができる。
次に、ＭＢＥ装置のシャッターおよびバルブの開閉にともなう、ＡｓおよびＰの分子線強度の変化を調べた。図４はＡｓ分子線を供給・停止したときの分子線強度の変化を示す説明図で、図５はＰ分子線を供給・停止したときの分子線強度の変化を示す説明図である。なお、時間軸の１０ｓｅｃにおいてシャッターおよびバルブを開いて分子線の供給を開始し、３０ｓｅｃにおいてシャッターおよびバルブを閉じて分子線の供給を停止している。
図４からＡｓ分子線の強度は分子線の供給を停止した後約１ｓｅｃで約１／１４となり、約１０ｓｅｃで１／５０以下となる。一方、図５からＰ分子線の強度は分子線の供給を停止した後約１ｓｅｃで約１／７となり、約１０ｓｅｃで１／１００以下となる。これより、Ｖ族元素は蒸気圧が高いために分子線の供給を停止した後も成長室内にその分子が成長時の供給量に対して数％残留し、ヘテロ界面を形成する際に元素の混合が起こりやすいことがわかる。また、Ｐ分子線の供給においては、所望の分子線強度となるまでに数ｓｅｃを要している。
さらに、ＩｎＡｌＡｓ層上にＩｎＰ層を形成する場合のプロセスを検討して、ヘテロ界面の遷移層の厚さとＡｓ混入量の関係を実験により解析して、最適のヘテロ界面形成プロセスを求めることを目的として実験を行った。そして、Ａｓ分子線強度がＩｎＡｌＡｓ層成長時の供給量に対して１／１０以下となった後にＩｎＰ層の成長を開始することでＡｓ混入量は組成にして０．０５以下となることを突き止め、本発明を完成するに至った。
本発明によれば、分子線エピタキシャル成長法によりＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体のヘテロ接合を有する半導体薄膜を形成するエピタキシャル成長方法であって、少なくとも一種類以上のＩＩＩ族元素の分子線と第１のＶ族元素の分子線とを照射して第１の化合物半導体層を形成する第１の工程と、前記ＩＩＩ族元素の分子線と前記第１のＶ族元素の分子線の照射を停止し、前記第１のＶ族元素の供給量が前記第１の工程における供給量の１／１０以下となるまで成長を中断する第２の工程と、少なくとも一種類以上のＩＩＩ族元素の分子線と第２のＶ族元素の分子線とを照射して前記第１の化合物半導体層上に前記第１の化合物半導体とは異なる第２の化合物半導体層を形成する第３の工程と、を備えるようにしたので、第２の化合物半導体層への第１のＶ族元素の混入量を所定値以下（例えば組成にして０．０５以下）とすることができる。
したがって、本発明のエピタキシャル成長方法により、ＨＥＭＴ構造におけるエッチストッパー層としてのＩｎＰ層を形成した場合、非常に高い選択性が得られるので精細なエッチングが可能となる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本実施形態に係るヘテロ接合界面を形成したエピタキシャル成長層の断面構造図である。
図２は、本発明に係るエピタキシャル成長方法による原料供給手順を示すタイミングチャートである。
図３は、Ａｓ混入量とＩｎＰ層のエッチング速度の関係を示す説明図である。
図４は、Ａｓ分子線を供給・停止したときの分子線強度の変化を示す説明図である。
図５は、Ｐ分子線を供給・停止したときの分子線強度の変化を示す説明図である。
図６は、一般的なＨＥＭＴ構造の断面図である。
図７は、従来技術に係るエピタキシャル成長方法による原料供給手順を示すタイミングチャートである。
発明を実施するため最良の形態
以下に本発明の好適な実施形態を図面に基づいて具体的に説明する。
図１は、本実施形態に係る半導体薄膜であり、ＭＢＥ法によりＩｎＰ基板１０上にＩｎＡｌＡｓ層２０を成長させ、さらにその上にＩｎＰ層３０を成長させて形成される。このＩｎＡｌＡｓ層２０とＩｎＰ層とのヘテロ界面は、図６に示すＨＥＭＴ構造のＩｎＡｌＡｓ層１０６とＩｎＰ層１０７とのヘテロ界面に相当する。
図２は本発明に係るエピタキシャル成長方法による原料供給手順を示すタイミングチャートである。まず、タイミングＴ０でＩｎ，Ａｌ，Ａｓ分子線の照射を開始してＩｎＰ基板１０上にＩｎＡｌＡｓ層２０を成長させ、タイミングＴ１でＩｎ，Ａｌ，Ａｓ分子線の照射を停止して２００ｎｍ厚のＩｎＡｌＡｓ層２０を形成した（工程ａ）。
次いで、タイミングＴ１でＩｎ，Ａｌ，Ａｓ分子線の照射を停止すると同時にＰ分子線の照射を開始し、Ａｓ分子線強度が工程ａにおけるＡｓ分子線強度の１／１０となる時間（例えば３０ｓｅｃ）だけ成長を中断した（工程ｂ）。この工程ｂにおいては、Ｐ分子線は照射されているがＩｎ分子線は照射されていないのでＩｎＰ層３０は形成されない。また、図５よりＰの供給量が所望の分子線強度となるまでに数ｓｅｃを要するが、Ａｓ分子線の停止と同時にＰ分子線の照射を開始することで工程ｃでは開始当初から所望の分子線強度でＰ分子線を供給することができる。
次いで、タイミングＴ２でＩｎ分子線の照射を開始することでＩｎＰ層３０の成長を開始し、タイミングＴ３でＩｎ，Ｐ分子線の照射を停止して３．０ｎｍ厚のＩｎＰ層３０を形成した（工程ｃ）。
上述した方法により得られた半導体薄膜について、燐酸系のエッチャントを用いてエッチング処理を行い、ＩｎＰ層３０がなくなるまでのエッチング時間を測定してＩｎＰ層３０のエッチング耐性を評価した。その結果、４０秒まではＩｎＰ層３０の表面に変化がなく、４５秒で表面が白濁して、５０秒で完全に除去された。すなわち、本実施形態に係るＩｎＰ層３０のエッチング速度は０．０６ｎｍ／ｓｅｃであり、図３よりＩｎＰ層３０へのＡｓ混入量は組成にして０．０２５程度と推定された。このように、本発明に係るエピタキシャル成長方法によれば、ＩｎＰ層３０へのＡｓ混入量がＩｎＰ層３０のエッチング耐性に影響を与えない程度まで低減されるので、エッチストッパー層としてのＩｎＰ層３０は非常に高い選択性を有するようになる。
次に、比較例として、従来技術により形成された半導体薄膜について説明する。図７は従来技術に係るエピタキシャル成長方法による原料供給手順を示すタイミングチャートである。
まず、タイミングｔ０でＩｎ，Ａｌ，Ａｓ分子線の照射を開始してＩｎＰ基板１０上にＩｎＡｌＡｓ層２０を成長させ、タイミングｔ１でＡｌ，Ａｓ分子線の照射を停止して２００ｎｍ厚のＩｎＡｌＡｓ層２０を形成した（工程Ａ）。このとき、Ｉｎ分子線は停止することなく連続して照射される。
次いで、タイミングｔ１でＡｌ，Ａｓ分子線の照射を停止すると同時にＰ分子線の照射を開始してＩｎＰ層３０を成長させ、タイミングｔ２でＩｎ，Ｐ分子線の照射を停止して３．０ｎｍ厚のＩｎＰ層３０を形成した（工程Ｂ）。
上述した方法により得られた半導体薄膜について、燐酸系のエッチャントを用いてエッチング処理を行い、ＩｎＰ層３０がなくなるまでのエッチング時間を測定してエッチング耐性を評価した。その結果、２０秒のエッチングによりＩｎＰ層３０は完全に除去された。すなわち、比較例に係るＩｎＰ層のエッチング速度は０．１５ｎｍ／ｓｅｃであり、図３よりＩｎＰ層３０へのＡｓ混入量は組成にして０．０８４程度と推定された。これより、従来技術では、Ｉｎ分子線の供給を停止することなく、Ａｓ分子線の照射を停止した直後にＰ分子線の照射を開始してＩｎＡｌＡｓ層２０とＩｎＰ層３０を連続して成長させたために、成長室内に残留したＡｓがＩｎＰ層３０へ混入してしまいＩｎＰ層３０のエッチング耐性が低下したものと考えられた。
上述したように、本発明ではＩｎＡｌＡｓ層とＩｎＰ層のヘテロ界面を形成する時に、Ａｓ分子線強度の減衰に応じてエピタキシャル成長を一時停止することにより、ＩｎＰ層に不要なＶ族元素（Ａｓ）が混入するのを抑えることができるので、急峻なヘテロ界面の形成が可能となる。したがって、ＩｎＰ層をエッチストッパー層として用いる際、非常に薄くＩｎＰ層を形成してもその特性（エッチング耐性）が低下することはなく、高い選択性を有することとなる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。例えば、本実施形態ではＩｎＡｌＡｓ層上にＩｎＰ層を形成する場合について述べたが、ＩｎＡｌＡｓ層の代わりにＩｎＧａＡｓ層とし、ＩｎＰ層の代わりＩｎＧａＰ層としても同様の効果が得られる。また、形成する層構造が逆、例えばＩｎＰ層またはＩｎＧａＰ層上にＩｎＡｌＡｓ層またはＩｎＧａＡｓ層を形成する場合であっても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】  本発明は、Ｖ族元素の異なるヘテロ界面を有するＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体薄膜を形成する技術、例えば、ＩｎＰ層をエッチストッパー層（エッチング制御層）として用いる高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の製造に利用することができる。
【図１】
0004714583.tif 000002
【図２】
0004714583.tif 000003
【図３】
0004714583.tif 000004
【図４】
0004714583.tif 000005
【図５】
0004714583.tif 000006
【図６】
0004714583.tif 000007
【図７】
0004714583.tif 000008