(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
砒化ガリウム半導体基板と、
前記基板の上に設けられたバッファ層であって、四元下部と三元上部とを有するバッファ層と、
を備え、前記バッファ層の四元下部は組成傾斜づけされたＡｌＧａＩｎＡｓであり、前記バッファ層の三元上部は組成傾斜づけされたＡｌＩｎＡｓであり、更に、
前記バッファ層上の活性層であって、トランジスタデバイスを有する活性層、
を備え、
前記バッファ層の四元下部の底部から前記バッファ層の四元下部の頂部へとインジウム濃度を増大させるとともにガリウム濃度を減少させる、
構造。
【請求項２】
前記バッファ層の四元下部は、ほぼ５％のインジウム、４０％のアルミニウム、および５５％のガリウム（すなわち、Ｉｎ０．０５Ａｌ０．４０Ｇａ０．５５Ａｓ）の開始濃度を有する、請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記バッファ層の四元下部の頂部は、約２５〜３５％のインジウム濃度を有し、前記ガリウムは、前記バッファ層の四元下部の頂部において終了し、前記構造は前記バッファ層の四元下部の頂部においてＡｌＩｎＡｓ層を含む、請求項１に記載の構造。
【請求項４】
前記バッファ層の三元上部の頂部よりも前に、インジウム濃度が所定のインジウム濃度を３〜１０％超えて傾斜づけられ、該インジウム濃度は、前記バッファ層の三元上部の頂部において、前記所定のインジウム濃度に減少される、請求項３に記載の構造。
【請求項５】
砒化ガリウム半導体基板と、
前記基板上に配置されたバッファ層と、
該バッファ層上に配置されたメタモルフィックバッファ層であって、前記バッファ層上に配置された下部と、前記メタモルフィックバッファ層の下部上に配置された上部とを有するメタモルフィックバッファ層と、を備え、
該メタモルフィックバッファ層の下部は、
Ｉｎ．０６Ａｌ．４０Ｇａ．５４Ａｓの開始組成と、
Ｉｎ０．２５Ａｌ０．４０Ｇａ０．３５Ａｓの最終組成まで傾斜をつけてなり、
前記メタモルフィックバッファ層の上部は、
Ｉｎ０．２５Ａｌ０．７５Ａｓの開始組成で、Ｉｎ．５６Ａｌ．４４Ａｓまで傾斜をつけ、続いてＩｎ．５２０Ａｌ．４８Ａｓまで傾斜をつけてなり、
前記バッファ層上に、トランジスタデバイスを有する活性層を設けた、
構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体デバイスに関し、より詳細にはＩＩＩ−Ｖ族基板を有する半導体デバイスに関する。
背景
当該技術分野において既知のように、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）デバイス等の高品質半導体デバイスについては、そのようなデバイスの決定的に重要な活性層は、下にある基板と格子整合して、活性デバイスを劣化させる転位の形成を防止しなければならない。この要求は厳格である。というのも、格子不整合が１％であっても転位を引き起こす可能性があり、格子を整合させる材料の組合せで設計者が使用できるものはほとんどないからである。この要求を緩和する方法の１つは、基板と決定的に重要な活性デバイス層との間にメタモルフィックバッファ層を挿入するというものである。このメタモルフィックバッファ層を用いて、格子定数を基板の格子定数から変更する。格子定数を変えるためにメタモルフィックバッファ層内に必然的に形成される欠陥および転位は、主としてバッファ層の範囲内に限定される。続いて、材料、すなわちメタモルフィックバッファ層の上に、活性デバイス層を新しい格子定数で成長させる。
【０００２】
より詳細には、ＧａＡｓ基板上に成長させたメタモルフィックバッファ層を用いて、格子定数をＧａＡｓ結晶基板の格子定数から増加させ、それによって、そのようなＧａＡｓ基板上への直接成長では不可能な高品質活性デバイス構造の成長を可能にする。このメタモルフィックバッファ層は、典型的には、アルミニウム、ガリウム、およびインジウムを含む砒化合金である。成長中にインジウムの濃度を増大させて、格子定数を増加させる。典型的には、現在の慣行は、ＩｎｘＡｌ１−ｘＡｓまたは四元Ｉｎｘ（ＡｌｙＧａ１−ｙ）１−ｘＡｓの合金を用いるというものである。（ＧａＩｎＡｓ三元合金は、バンドギャップが小さく、その結果電気的漏洩性のバッファ層となるため、用いられない。）この現在の慣行は２つの問題に直面している。高抵抗の三元ＡｌＩｎＡｓバッファ層では、アルミニウム濃度が非常に高い状態（約９５％）で成長が開始されなければならない。次に、アルミニウム濃度を下げながらインジウム濃度を上げる。アルミニウム濃度が高いと表面形態が粗くなり、それによってデバイス性能が低下してしまう可能性がある。四元ＡｌＧａＩｎＡｓバッファ層では、表面を滑らかにするガリウムが存在するために、成長開始時に用いるアルミニウム濃度をより低くすることができる（約４０％）。しかし、組成勾配の終わりまでに、インジウム濃度とガリウム濃度とによってＡｌＧａＩｎＡｓ材料のバンドギャップが著しく小さくなり、それによって層の所望の絶縁特性が低下してしまう。この問題は、インジウム濃度が５０％よりも高い場合には一層深刻になる。
【０００３】
したがって、ＡｌＡｓとＧａＡｓとの格子整合は０．１％であるので、インジウムを混ぜることによって格子定数を増加させる。メタモルフィックバッファ層の成長中、直線的または階段状のどちらかでインジウム濃度を上げ、格子定数が増加するにつれて必然的に転位を形成する。適切に成長させると、転位は主にバッファ層内に含まれ、バッファ層の上に成長させる材料内へと広がることはない。インジウム濃度に５２％まで傾斜をつけ、Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８ＡｓまたはＩｎ０．５２（ＡｌｙＧａ１−ｙ）Ａｓを生じさせるというのはよくある例である。この組成は、ＩｎＰと整合する格子定数を有する。したがって、これまで高価かつ脆弱なＩｎＰ基板上に成長させていたデバイス構造を、ＧａＡｓ基板上に成長させることができる。
【０００４】
砒化物をベースにしたメタモルフィックバッファ層についての従来の慣行は、ＡｌＩｎＡｓ合金またはＡｌＧａＩｎＡｓ合金を用いるというものである。上述のように、ＡｌＩｎＡｓを用いた場合の問題の１つは、メタモルフィックバッファの表面形態がＡｌＧａＩｎＡｓを用いた場合よりも粗いということである。ＡｌＩｎＡｓは、ＡｌＡｓとＩｎＡｓの合金である。ＡｌＡｓの材料品質は高い成長温度（７００Ｃ）で改善するのに対し、ＩｎＡｓは低温（４００Ｃ）で改善する。したがって、ＡｌＩ／Ｉｎ組成に高／低から低／高へと勾配をつけることにおいて、複雑な温度勾配が用いられるが、表面を滑らかにすることについては十分成功しているとはいえない。バッファ層においてＡｌＧａＩｎＡｓを用いる場合の問題の１つは、層の抵抗率、ひいては層の分離特性が、インジウム濃度を上げるにつれて低下してしまうということである。材料内にトラップすなわち欠陥を導入することによって抵抗率を改善するのに、低い温度が用いられることが多い。しかしこのような層欠陥は、バッファ層の上に成長させるデバイス層を劣化させてしまう可能性がある。
【０００５】
メタモルフィックバッファ層を設けるのに用いられる方法の１つを、５２％というバッファ層内のインジウム濃度を用いることによる、ＧａＡｓ基板上におけるＩｎＰ型デバイス構造の成長について説明する。他のインジウム濃度およびデバイス構造も可能である。メタモルフィックの層構造の具体例は、ＧａＡｓ基板と、基板上のＧａＡｓバッファと、１．６２μｍのメタモルフィックバッファ層であって、底部の（すなわち、ＧａＡｓバッファ上の）Ｉｎ０．０６Ａｌ０．４０Ｇａ０．５４Ａｓから、Ｉｎ０．５６Ａｌ０．４０Ｇａ０．０４Ａｓまで１．５μｍの厚さにわたってインジウムに直線的に傾斜をつけ（徐々に変化させ）、それに続いて、メタモルフィックバッファ層の頂部のＩｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓまで０．１２μｍ分の傾斜が続くメタモルフィックバッファ層と、メタモルフィックバッファ層上の１０００ÅのＩｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ層とを含む。メタモルフィックバッファ層は典型的には厚さが１．０〜１．８μｍの間である、ということが理解される。続いて、Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ層上に活性デバイス層が形成される。
概要
本発明によれば、ＩＩＩ−Ｖ族基板と、基板上の、組成傾斜づけされた四元下部と組成傾斜づけされた三元上部とを有するバッファ層とを有する半導体構造が提供される。
【０００６】
一実施形態において、バッファ層の下部は組成傾斜づけされたＡｌＧａＩｎＡｓであり、上部は組成傾斜づけされたＡｌＩｎＡｓである。
一実施形態において、バッファ層の下部は、インジウムの濃度が約５％、アルミニウムの濃度が約４０％、ガリウムの濃度が約５５％である（すなわち、Ａｌ０．４０Ｉｎ０．０５Ｇａ０．５５Ａｓ）。このアルミニウム濃度で層抵抗率が確実に良好になる一方、このガリウム濃度で表面が滑らかになる。
【０００７】
一実施形態において、バッファ層の下部の底部から下部の頂部へと、インジウム濃度を増大させる（すなわち傾斜状に増加させる）とともにガリウム濃度を減少させる（すなわち傾斜状に低下させる）。インジウム濃度が約２５〜３５％のところでガリウムを終了させ、三元ＡｌＩｎＡｓの上層を成長させる。Ａｌ０．７Ｉｎ０．３Ａｓは抵抗率が非常に良好であり、滑らかさも十分である。続いて、最終所望組成に向けてインジウム濃度を傾斜状に増加させる。
【０００８】
好ましい実施形態において、インジウム濃度に、所望の最終インジウム濃度を３〜１０％超えて傾斜をつけて、残留歪みを緩和する。この組成のオーバーシュートから、続いてインジウム濃度を最終インジウム濃度まで下げて戻す。この傾斜方法の結果、通常用いられる５２％というインジウム濃度で、バッファ層の抵抗率が優れ、表面の滑らかさが良好になる。
【０００９】
添付図面および以下の説明において、本発明の１つまたは複数の実施形態の詳細を示す。本発明の他の特徴、目的、および利点は、この説明および図面から、ならびに特許請求の範囲から明白となろう。
【００１０】
さまざまな図面における同様の参照記号は同様の要素を示す。
詳細な説明
ここで図１を参照して、ＩＩＩ−Ｖ族基板１２、ここでは６００μｍのＧａＡｓ基板を有する半導体構造１０を示す。基板１２上にバッファ層１４が形成される。ここでは、当該バッファ層１４は、５００ÅのＧａＡｓ層と、２０ÅのＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓと２０ÅのＧａＡｓとから成る５周期の超格子と、４００ÅのＧａＡｓ上部とを有する。超格子における周期数、層厚、およびＡｌＧａＡｓ組成は、決定的に重要なものではない。
【００１１】
次に、バッファ層１４上にメタモルフィックバッファ層１６が形成される。メタモルフィックバッファ層１６は、組成傾斜づけされた四元下部１６Ｌと組成傾斜づけされた三元上部１６Ｕとを有する。より詳細には、下部１６Ｌは、バッファ層１４の最も近くで始まり上向きに延びる以下の組成傾斜で説明する方法により形成される。すなわち、Ｉｎ．０６Ａｌ．４０Ｇａ．５４Ａｓという開始組成、Ｉｎ．１２５Ａｌ．４０Ｇａ．４７５Ａｓまで傾斜をつけた厚さ１８７５Åの層、Ｉｎ．１８５Ａｌ．４０Ｇａ．４１５Ａｓまで傾斜をつけた厚さ１８７５Åの層、およびＩｎ．２４８Ａｌ．４０Ｇａ．３５２Ａｓまで傾斜をつけた厚さ１８７５Åの層である。この傾斜は連続的かつ直線的である。
【００１２】
次にＧａの導入を終了させる。成長は中断される。炉の条件が設定され、Ａｌ、Ｉｎ、およびＡｓが導入されて、Ｉｎ．２４８Ａｌ．４０Ｇａ．３５２Ａｓ上に、開始層がＩｎ．２５Ａｌ．７５Ａｓで三元成長物を形成する。したがって、メタモルフィックバッファ層１６の上部１６Ｕは、Ｉｎ．２４８Ａｌ．４０．３５２ＧａＡｓという最終四元組成の最も近くで始まる以下の組成傾斜で説明する方法で形成される。すなわち、Ｉｎ０．２５Ａｌ０．７５Ａｓという開始三元組成で１８７５ÅにわたってＩｎ．３１０Ａｌ．６９Ａｓまで連続的かつ直線的に傾斜をつけたもの、Ｉｎ．３７３Ａｌ．６２７Ａｓまで傾斜をつけた厚さ１８７５Åの層、Ｉｎ．４３５Ａｌ．５６５Ａｓまで傾斜をつけた厚さ１８７５Åの層、Ｉｎ．４９８Ａｌ．５０２Ａｓまで傾斜をつけた厚さ１８７５Åの層、Ｉｎ．５６０Ａｌ．４４Ａｓまで傾斜をつけた厚さ１８７５Åの層、およびＩｎ．５２０Ａｌ．４８Ａｓまで傾斜をつけた厚さ１２００Åの層である。最後から２つ目の層１８には組成のオーバーシュートがあるということが留意される。すなわち、最後の３層の組成傾斜は、層２０のＩｎ．４９８Ａｌ．５０２Ａｓから、層１８のＩｎ．５６０Ａｌ．４４Ａｓ、層２２のＩｎ．５２０Ａｌ．４８Ａｓとなる。すなわち、そのときインジウム濃度を、層２２における最終インジウム濃度まで下げて戻す。この傾斜方法の結果、通常用いられる５２％というインジウム濃度で、バッファ層の抵抗率が優れ、表面の平坦度も良好になる。
【００１３】
以下の表Ｉは、上記構造を形成するのに用いる各段階を提供する。ただし「ＴＣ  ｍａｎｉｐ（摂氏）」は、基板制御熱電対の温度である。まず、組成勾配が、距離すなわち成長の高さにわたって直線的かつ連続的であるということが留意される。
【００１４】
【表１】
0004681301.tif 000002
表Ｉに示すように、上記表Ｉの傾斜９の完成後メタモルフィックバッファ層１６を形成した後、当該メタモルフィックバッファ層１６上に活性デバイス層１８が形成される。
【００１５】
上記表Ｉに説明する工程で製造したデバイスを、下記の表ＩＩにおいて説明する工程にしたがって製造したデバイスと比較した。
【００１６】
【表２】
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メタモルフィックバッファ層１６の成長についての本例において、インジウム濃度を６％から５６％まで直線的に増加させる。５６％までの組成のオーバーシュートが採り入れられることで、材料内の歪みをより完全に緩和する。１０００ÅのＩｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ層が、格子定数の安定化に役立つ。組成勾配開始時のインジウム濃度は、５〜１０％であってもよい。組成のオーバーシュートは３〜１０％であってもよい。用いたメタモルフィックバッファ層は、１．０〜１．８μｍに及ぶ厚さを有していた。
【００１７】
したがって、表ＩＩにおいて、メタモルフィック層は傾斜８の完成で終了し、活性デバイス層は、表ＩＩに示すように、当該メタモルフィックバッファ層上に形成される。
メタモルフィックバッファ層の重要な特性の１つは、さまざまなデバイスを分離するために絶縁しなければならないということである。表ＩＩにおけるメタモルフィックバッファ層構造を用いて、当該層上で成長させたトランジスタは、分離の諸問題に遭遇している。バッファの漏れ電流を、バッファ層上に互いに間隔を接近させて配置した２つの１００μｍ×１００μｍのコンタクトパッドを作製することによって測定した。ソースパッドとドレインパッドとは５μｍの間隙で隔てられ、両パッド間のバイアスが１０ボルトの状態で漏れ電流が測定される。表ＩＩのバッファ層を有する４枚のウエハ２組（ロットＡおよびロットＣ）の試験を行い、その結果を図２に示す。図２は、各メタモルフィックバッファ層の漏れ電流（１０−６ａｍｐ／ｍｍ）を示す。ウエハが４枚のロットＡおよびロットＣは四元バッファ層（表ＩＩ）を含み、ウエハが４枚のロットＢは四元−三元バッファ層（表Ｉ）を含む。
【００１８】
０．４５０×１０−６ａｍｐ／ｍｍの漏れ電流が測定された。これは所望の電流よりも１桁大きい。成長条件を変えることによってバッファの抵抗率を増大させようとしても、満足できるデバイス抵抗率にはならなかった。
【００１９】
バッファの漏れが過大であるために、図１および表Ｉにおいて上述した新しいメタモルフィックバッファ層が開発された。ここで、図１および表Ｉにおいて上述したように、バッファ層は、良好な分離および表面の滑らかさのために、アルミニウムの含有率が４０％のＡｌＧａＩｎＡｓの四元素からなるものとして開始する。インジウム濃度に２５〜３０％まで勾配をつけた後、材料はＡｌＩｎＡｓに切り替えられて分離を良好に維持する。試験として、図１および表Ｉの構造を用いてバッファ層を成長させた。四元−三元バッファ層の表面の滑らかさが、原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）で測定された。２５μｍ×２５μｍの面積についてのＲＭＳ粗さは典型的には１０〜１１Åであり、表ＩＩにおける従来のバッファ層で得られるＲＭＳ粗さと本質的に同じであった。図２におけるウエハが４枚のロットＢに対して、バッファの漏れの試験を行った。ただしＹ軸は１０−６ａｍｐ／ｍｍであり、プロットは３つのロットそれぞれの４枚のウエハからの測定データの統計的プロットである。長方形の中央にある線は中央値である。長方形は、データ点の５０％を含む（結果のうちの２５％は中央値よりも大きく、２５％は中央値よりも小さい）。長方形から外向きに延びる２本の軸線（縦線）は、データの９５％を含む。
【００２０】
図２に示すように、漏れ電流は０．４５×１０−６ａｍｐ／ｍｍから０．００６×１０−６ａｍｐ／ｍｍへと激減した。
図１に示すこの新しいバッファ層の上に、メタモルフィック高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）層を成長させた。図３は、従来技術によるロットＡおよびロットＣの四元メタモルフィックバッファ層および本発明による図１のロットＢの四元−三元メタモルフィックバッファ層の上に成長させた活性層を有するメタモルフィック高電子移動度トランジスタ（ＭＨＥＭＴ）のシート抵抗を示す。ただしＹ軸はΩ／□である。
【００２１】
図４は、従来技術のロットＡおよびロットＣによる四元メタモルフィックバッファ層および本発明による図１のロットＢの四元−三元メタモルフィックバッファ層の上に成長させた同じ活性層を有する図３のＭＨＥＭＴの接触抵抗を示す。デバイス抵抗率（Ω／□）(図３）およびデバイス接触抵抗（オーム−ミリメートル）（図４）は、四元−三元メタモルフィックバッファ層の影響を受けなかった。
【００２２】
本発明の多数の実施形態を説明した。しかしながら、本発明の精神および範囲から逸脱することなくさまざまな変更を行ってもよい、ということが理解されよう。例えば、表Ｉにおける最終勾配はＩｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓまでである。このメタモルフィック方法（metamorphic approach）を用いて、全範囲（０〜１００％）にわたってインジウム組成に勾配をつけて、格子定数をＧａＡｓからＩｎＡｓまで変えてもよい。さらに、三元の傾斜と四元の傾斜との間の転移点における表Ｉにおけるインジウム濃度は２５％である。さらに、本明細書において説明する組成傾斜は直線的な傾斜である。表Ｉおよび図１における四元の組成および三元の組成に対して階段状に傾斜をつけることも用いてもよい。例えば約２５％〜３５％の間の他の濃度も、同様に申し分なく用いることができる。したがって、他の実施形態は特許請求の範囲の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明によるメタモルフィックバッファ層を有する基板上の各層の概略図である。
【図２】メタモルフィックバッファ層を有する３組の構造の漏れ電流（１０−６ａｍｐ／ｍｍ）を示す。ウエハが４枚のロットＡおよびロットＣは、従来技術による四元バッファ層を含み、ウエハが４枚のロットＢは、本発明による図１の四元−三元バッファ層を含む。
【図３】従来技術のロットＡおよびロットＣによる四元メタモルフィックバッファ層および本発明による図１のロットＢの四元−三元メタモルフィックバッファ層の上に成長させた活性層を有するメタモルフィック高電子移動度トランジスタ（ＭＨＥＭＴ）のシート抵抗（Ω／□）を示す。
【図４】従来技術のロットＡおよびロットＣによる四元メタモルフィックバッファ層および本発明による図１のロットＢの四元−三元メタモルフィックバッファ層の上に成長させた活性層を有する図２および図３のＭＨＥＭＴの接触抵抗（オーム−ミリメートル）を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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