(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バンドギャップを備え、表面を有する化合物半導体物質（１１）と、該化合物半導体物質は基板を形成し、ガリウム砒素、インジウムガリウム砒素、およびインジウムガリウム砒素上のガリウム砒素のうちの１つを含むことと、
前記化合物半導体物質（１１）の前記表面上に配置され、前記化合物半導体物質（１１）の前記バンドギャップよりも広いバンドギャップを有する半導体物質のスペーサ層（１５）と、該スペーサ層は１〜５ｎｍの範囲の厚さを有するとともに、前記基板上に配置されたＩｎｘＧａ１−ｘＰスペーサ層であることと、
前記スペーサ層（１５）上に配置された絶縁層（１８）と、該絶縁層は前記ＩｎｘＧａ１−ｘＰスペーサ層の表面に堆積された酸化ガリウム絶縁層であることとから成る、絶縁体−化合物半導体界面構造。
【請求項２】
前記基板はＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ上にエピタキシャル成長された１つ以上のガリウム砒素層を備える、請求項１に記載の絶縁体−化合物半導体界面構造。
【請求項３】
バンドギャップを有する化合物半導体物質（１１）を形成する工程と、
前記化合物半導体の表面に配置され、バンドギャップを有する半導体物質のスペーサ層（１５）を１〜５ｎｍの範囲の厚さに形成する工程と、
前記スペーサ層（１５）上に配置された絶縁層（１８）とからなり、
前記化合物半導体物質を、ガリウム砒素、インジウムガリウム砒素、およびインジウムガリウム砒素上のガリウム砒素のうちの１つを含み、前記化合物半導体のバンドギャップと等しい表面のバンドギャップを備えた表面を有する基板として形成し、
前記スペーサ層を前記ガリウム砒素基板の表面に配置したＩｎｘＧａ１−ｘＰスペーサ層として形成し、前記スペーサ層のバンドギャップは前記化合物半導体のバンドギャップよりも広く、
前記絶縁層を前記ＩｎｘＧａ１−ｘＰスペーサ層の表面に堆積された酸化ガリウム絶縁層として形成する、絶縁体−化合物半導体界面構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁物−化合物半導体界面(insulator-compound semiconductor interface)およびその製造方法に関し、更に特定すれば、半導体素子における絶縁物−化合物半導体界面に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
絶縁物−半導体界面は、半導体業界の主力商品(workhorse) である。絶縁物および界面の安定性および信頼性は、絶縁材料および絶縁物−半導体界面の劣化によって影響される。化合物半導体では、機能性絶縁物ＩＩＩ−Ｖ半導体界面は、超高真空（ＵＨＶ：ultra-high vacuum ）を保持しつつ、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）系半導体エピタキシャル層上に、特定の絶縁層（例えば、Ｇａ2 Ｏ3 のようなガリウム酸化物）を現場で堆積することによって作成する。ＧａＡｓバンド・ギャップ全体のアクセシビリティ(accessibility) および１０10ｃｍ-2ｅＶ-1という低い界面状態密度が実際に示されている。化合物半導体（例えば、ＧａＡｓ）において残っている課題は、キャリア注入，電荷捕獲，および究極的に酸化物の劣化およびブレークダウンを含む、安定性および信頼性の問題に関連する。ｅ−ビーム堆積Ｇａ2 Ｏ3 膜における２ｘ１０12ｃｍ-2という高い捕獲密度(trapping density)が、蓄積および反転における素子パラメータの長期ドリフト(long term drift) の原因であることが発見されている。例えば、M. Passlack et al., Appl. Phys. Lett., vol 68, 1099 (1996),  Appl. Phys. Lett., vol. 68, 3605 (1996), およびAppl. Phys. Lett., vol 69, 302, (1996)を参照のこと。特定の絶縁層を形成する方法の１つが、１９９５年９月１９日に特許された、"Electron beam Deposition of gallium oxide thin films using a single purity crystal layer"と題する、米国特許番号第５，４５１，５４８号に記載されている。
【０００３】
これまで、絶縁物および界面の安定性および信頼性は、ＳｉＯ2 −Ｓｉ系についてのみ幅広い研究が行われているに過ぎない。劣化および損傷は、ホット・キャリア（超薄型酸化物レジームを除く）の積算束(integrated flux) と共に増減することがわかった。界面の微小荒さ(microroughness)および欠陥のために、基板からのキャリア注入の局在化が発生し易くなり、劣化が加速される原因となる。更に、劣化は、界面領域に位置する弱いボンドまたは歪んだボンド，欠陥，汚染物等によって促進される。これらは、注入されるキャリアによる劣化の好適なターゲットである。最終的には、注入キャリアによって誘発された損傷が、絶縁物−半導体系のブレークダウンの原因となる。例えば、D. A. Buchanan et al., Proc. Electrochemical Society, vol 96-1, p.3 、およびM. Depas et al., Proc. Electrochemical Society, vol. 96-1, p. 352 を参照のこと。Ｓｉ技術については、精巧なＳｉ表面浄化技法によって、および歪んだＳｉ−Ｏ界面ボンドまたは弱いＳｉ−Ｈ界面ボンドを、絶縁物−半導体界面において、これらよりも強いＳｉ−Ｎボンドで置換することによって、劣化の減少が達成されている。例えば、H. Fukuda et al. Proc. Electrochemeical Society, vol. 96-1, P. 15、P. Morfouli et al., IEEE Electr. Dev. Lett., 17, 328 (1996) 、およびA Malik et al., J. Appl. Phys., 79, 8507 (1996) を参照のこと。
【０００４】
化合物半導体については、絶縁物−化合物半導体構造が異なり、安定性および信頼性の問題に関しては更に一層複雑である。熱ＳｉＯ2 とは異なり、特定の絶縁層の作成は、半導体表面上の堆積によって行われる。電荷捕獲は、熱ＳｉＯ2 におけるよりも、堆積層における方が著しいので、安定性および信頼性問題は更に多くなる。その上、堆積絶縁物−化合物半導体界面の微小荒さは、典型的に、熱酸化物−Ｓｉ界面よりも劣っている。Ｓｉとは異なり、化合物半導体の表面は、少なくとも２つの異なる種類の表面原子から成るので、原子界面構造に相当な複雑度が加わり、欠陥および弱いボンドには更に別の潜在的な発生源が加わる。界面構造の製造後に、特定のボンドにおいて特定の原子を故意に置換することは、克服し難いタスクのように思われる。したがって、Ｓｉ技術において安定性および信頼性向上のために適用された従来技術の技法は、化合物半導体では成功しない。
【０００５】
従来技術のＩＩＩ−Ｖエピタキシャル・ウエハ生産では、半導体層を用いてエピタキシャル構造を完成させている。特定の素子／回路用途および半導体基板に応じて、例えば、ＧａＡｓ，Ｉｎ1-x Ｇａx Ａｓ，Ａｌ1-x Ｇａx Ａｓ，ＩｎＧａＡｓＰ等のような種々の半導体最上層が用いられている。従来技術のエピタキシャルウエハの生産において半導体最上層を使用したことの結果、制御不能かつ有害な電気的および化学的表面特性を発生するに至っている。電子および光電素子／回路の処理は複雑であり、素子／回路性能に影響を与える。複雑さおよび劣化の度合いは、特定の素子／回路処理および用途によって異なる。例えば、ユニポーラ・トランジスタ素子／回路の製造および性能は、プラズマ露出，フェルミ・レベル・ピンニング(Fermi level pinning) ，ならびにゲート−ソース領域およびゲート−ドレイン領域の不安定性によって阻害される。機能的かつ安定なＭＯＳＦＥＴ素子の製造は不可能であった。
【０００６】
制御不能かつ有害な電気的特性および表面特性は、化学的表面反応によって自然酸化物(native oxide)およびダングリング・ボンド(dangling bond) が形成されることが原因である。一方、表面は熱力学的に不安定とされ、ピンニング状フェルミ・レベル(pinned Fermi level)を呈する。即ち、１０3 ラングミュア（１ラングミュア＝１０-6Torr）という低い表面露出の後、高ＧａＡｓ表面反応性が、フェルミ・レベル・ピンニングおよび表面の不安定性を誘発する。空気（硫黄，セレン等）への露出の後に行われる表面準備技法は、非効率的かつ不安定であることが立証されている。
【０００７】
したがって、これらの問題を克服する新たな界面および製造方法を提供することができれば、非常に有利であろう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、新規で改良された絶縁物−化合物半導体界面構造を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、安定性および信頼性を高めた、新規で改良された絶縁物−化合物半導体界面構造を提供することである。
【００１０】
本発明の更に他の目的は、製造および使用が比較的容易な、新規で改良された絶縁物−化合物半導体界面構造を提供することである。
【００１１】
本発明のなおも他の目的は、現場で形成可能であり、不純物の減少度を高め、製造を一層簡略化する、新規で改良された絶縁物−化合物半導体界面構造を提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、堆積絶縁物−化合物半導体界面におけるキャリア密度が、チャネルにおけるよりも数桁規模が小さい、新規で改良された絶縁物−化合物半導体界面構造を提供することである。
【００１３】
本発明の更に別の目的は、ホット・キャリアを絶縁物に注入する確率を、数桁の規模で低下させた、新規で改良された絶縁物−化合物半導体界面構造を提供することである。
【００１４】
本発明のなおも別の目的は、半導体帯域端に接近して位置する応力誘発界面状態の効果を最低に抑えた、新規で改良された絶縁物−化合物半導体界面構造を提供することである。
【００１５】
本発明の更に別の目的は、反転および蓄積チャネルにおけるキャリアに対して、クーロン散乱(Coulomb scattering)および界面荒さ散乱(interface roughness scattering)の効果を最少に抑えた、新規で改良された絶縁物−化合物半導体界面構造を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上述のおよびその他の問題の少なくとも部分的な解決、ならびに上述のおよびその他の目的の実現は、本発明による絶縁物−化合物半導体界面構造によって達成される。この絶縁物−化合物半導体界面構造は、化合物半導体物質，ならびにこの化合物半導体物質の表面上に配置され、化合物半導体物質のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する半導体物質のスペーサ層，およびこのスペーサ層上に配置された絶縁層を含む。スペーサ層の最大厚さおよび最小厚さは、キャリア波動関数(carrier wave function) のスペーサ層内への突入および所望の素子性能によって決定される。
【００１７】
特定実施例の１つでは、界面構造は、ＩＩＩ−Ｖ成長チャンバおよび絶縁物チャンバが取り付けられた転送および装填モジュールを含む、マルチ・ウエハ・エピタキシャル生産システム内で形成される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
具体的に図１を参照すると、本発明による半導体素子における絶縁体−化合物半導体界面構造１０の簡略断面図が示されている。界面構造１０は、ＩＩＩ−Ｖ物質のような化合物半導体基板１１，ならびに基板構造１１内／上に作成されたいずれかの半導体素子を含む。ここでは、半導体素子は、ソース１２，ドレイン１３，およびゲート１４によって表現されている。半導体基板１１は、通常基板を含み、その上に配置された１つ以上の物質の層（例えば、エピタキシャル成長層）を含む場合もある。化合物半導体基板１１のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する半導体物質のスペーサ層１５を、化合物半導体基板１１の表面上に位置付ける。通常、スペーサ層１５は、化合物半導体１１上にエピタキシャル成長可能な物質で形成される。例えば、化合物半導体基板１１がガリウム砒素（ＧａＡｓ）である場合、スペーサ層１５に都合良く使用可能な物質には、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓが含まれる。次に、スペーサ層１５上に、通常堆積によって、絶縁層１８を位置付ける。絶縁層１８は、スペーサ層１５を構成する元素の１つの酸化物とすると最も都合がよい。この例では、Ｇａ2 Ｏ3 を絶縁層１５に用いている。その理由は、この物質が高温に耐え、しかも生産が容易であるからである。しかしながら、特定の用途によっては、その他の物質を用いる場合もあることは理解されよう。
【００１９】
界面構造１０の絶縁層−スペーサ層−化合物半導体物質は、通常以下の系統の１つから選択される。Ｇａ2 Ｏ3 −Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ−ＧａＡｓ，Ｇａ2 Ｏ3 −Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ−ＧａＡｓ−Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ，Ｇａ2 Ｏ3 −Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ−Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ，Ｇａ2 Ｏ3 −Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐ−ＧａＡｓ−Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ，Ｇａ2 Ｏ3 −Ａｌ1-x Ｇａx Ａｓ−ＧａＡｓ，Ｇａ2 Ｏ3 −Ａｌx Ｇａ1ーx Ａｓ−Ｉｎ1-x Ｇａx Ａｓおよびこれらの系統の混合物である。スペーサ１５の厚さは、以下で理解されるように、キャリア波動関数(carrier wavefunction)，および絶縁体−化合物半導体界面が用いられる素子の性能によって決定される。通常、スペーサ層１５は、１ないし５ｎｍの範囲の厚さを有する。
【００２０】
次に図２に移ると、界面構造１０の簡略バンドギャップ図が示されている。この図では、伝導帯をＥc で示し、価電子帯をＥv で示す。また、この具体例ではＧａＡｓである化合物半導体基板１１のバンドギャップは、図の右側にある領域２１（以降、バンドギャップ２１と呼ぶ）として示す。この具体例ではＡｌx Ｇａ1-x Ａｓであるスペーサ層１５のバンドギャップは、化合物半導体基板１１のバンドギャップ２１の左側に隣接する領域２５（以降、バンドギャップ２５と呼ぶ）として示し、バンドギャップ２１よりも広い。この具体例ではＧａ2 Ｏ3 である絶縁層１８のバンドギャップは、スペーサ層１５のバンドギャップ２５の左側に隣接する領域２８（以降、バンドギャップ２８）として示し、バンドギャップ２５よりも広い。
【００２１】
図１の界面構造１０はいくつかの利点を有し、界面構造１０のバンドギャップ図と比較しながら従来技術の構造のバンドギャップ図を参照することによって、最良に説明することができる。図３を参照すると、従来技術の界面３０に対するバンドギャップ図が示されている。界面３０では、バンドギャップ３１で表すＧａ2 Ｏ3 の絶縁層が、バンドギャップ３２で表すＧａＡｓの化合物半導体物質の表面上に直接堆積されている。図３のバンドギャップ図は、正常な動作状態におけるようにバイアスされており、絶縁体捕獲中心(insulator trapping center) Ｎt およびその中のキャリアの捕獲を示す。キャリアの絶縁体捕獲中心Ｎt 内への捕獲は、絶縁体−化合物半導体界面に位置する、反転キャリア(inversion carrier) または蓄積キャリア(accumulation carrier)（ｎ2D＞１０12ｃｍ-2）のリザーバから直接発生する。
【００２２】
正常動作におけるようにバイアスされている、界面構造１０に対する図２のバンドギャップ図を、図４に示す。捕獲に有効なキャリアの密度は、数桁の規模で減少している。超薄スペーサ層(ultrathin spacer layer)１５（Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ）では、ΔＥ（化合物半導体基板１１およびスペーサ層１５の界面におけるバンド・オフセット）およびΔＸ（スペーサ層１５の厚さ）に指数的に依存する、トンネリングの確率が、捕獲プロセスに有効なキャリアの密度を決定する。厚いスペーサ層では、絶縁体−化合物半導体界面におけるキャリアの密度は、以下のように表される。
【００２３】
【数１】
Ｎ1 ≡ｎ2Dｅ- ΔE/kT
界面構造１０では、最適化された設計対する密度は、Ｎ1 ≡１０8 ｃｍ-2を超過しない。
【００２４】
界面構造１０の第２の利点を、図３および図４と同様のバンドギャップ図である、図５および図６に示す。図５を参照すると、従来技術の界面３０のバンドギャップ図が示されており、バンドギャップ３２で表すＧａＡｓの化合物半導体物質の表面上に、バンドギャップ３１で表すＧａ2 Ｏ3 の絶縁層が直接堆積されている。図５のバンドギャップ図は、正常動作におけるようにバイアスされており、反転／蓄積チャネルから絶縁層（バンドギャップ３１）内へのホットキャリアの基板注入(substrate injection) を示す。図６のバンドギャップ図は、図１の構造を表し、種々のバンドギャップには、図４におけると同一の番号を付してある。図５における分布曲線Ｎ（Ｅ）Ｆ（Ｅ）は、化合物半導体物質および絶縁層の界面に隣接したキャリアの分布を示し、破線３５（量子井戸基底状態）より低いキャリアが寄与し得る。
【００２５】
図６の分布曲線Ｎ（Ｅ）Ｆ（Ｅ）は、化合物半導体基板１１およびスペーサ層１５に隣接したキャリアの分布を示し、破線３６より低いキャリアのみが寄与し得る。ここで、Ｎ（Ｅ），Ｆ（Ｅ），およびＥは、それぞれ、状態の密度，フェルミ・ディラック分布関数(Fermi-Dirac distribution function) ，およびエネルギである。図６からわかるように、界面構造１０において注入に有効なホット・キャリアは殆どなく、したがって、ホット・キャリアの絶縁層１８（バンドギャップ２８）への基板注入は劇的に減少する。ここで注記すべきは、堆積層が元来有する微小荒さおよび欠陥は絶縁層１８およびスペーサ層１５の間にあるが、スペーサ層１５は化合物半導体基板１１の表面上に成長するので、スペーサ層１５および化合物半導体層１１間の界面は滑らかであり欠陥がないことである。
【００２６】
界面構造１０の他の利点を図７および図８に示す。図７および図８は、図３および図４と同様のバンドギャップ図を示し、同様のバンドギャップには同様の番号を付してある。具体的に図７を参照すると、局在応力誘発界面状態が、反転／蓄積チャネルが形成する化合物半導体のバンドギャップ３２内に位置している。即ち、点線３７，３８で示すようにΔＥf ＜ＥG である。ここで、ΔＥf は自由フェルミ・レベル移動のエネルギ範囲であり、ＥG はＥc およびＥv 間のバンドギャップである。図８に示す界面構造１０では、広いバンドギャップ半導体物質１５を用いることによって、局在応力誘発界面状態は、内部に導通チャネルが形成する化合物半導体物質（物質１１）のバンドギャップから除去されている。広いバンドギャップ半導体物質１５は、堆積絶縁層１８，および内部に反転／蓄積チャネルが形成する化合物半導体基板１１の間に挿入される。即ち、点線３９，４０によって示されるように、ΔＥf ＞ＥG となる。この利点によって、反転／蓄積モード素子を、化合物半導体上に実施することが可能となる。
【００２７】
次に図９に移ると、本発明による図１の界面構造１０を製造する際に用いる、マルチ・ウエハ・エピタキシャル生産システム５０が示されている。システム５０は、転送および装填モジュール５３，転送および装填モジュール５３に取り付けられたＩＩＩ−Ｖ成長チャンバ５５，ならびに転送および装填モジュール５３に取り付けられた絶縁体チャンバ５８を含む。チャンバ５５，５８の各々は、システムからウエハを取り出すことなく、ウエハ，チップ等を各チャンバ内で処理できるように、転送および装填モジュール５３に取り付けられている。
【００２８】
このようにして、本発明による絶縁体−化合物半導体界面構造を製造するプロセスの一例として、化合物半導体基板を、転送および装填モジュール５３内に配置し、マルチ・ウエハ生産システム５０内の圧力を≦１０-10 Torrに減圧する。次に、化合物半導体基板をＩＩＩ−Ｖ成長チャンバ５５に移動し、化合物半導体エピタキシャル層（例えば、図１の物質１１），および化合物半導体基板１１のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する化合物半導体物質のスペーサ層（例えば、図１のスペーサ層１５）を、化合物半導体基板上にエピタキシャル成長させる。スペーサ層１５の成長の後、化合物半導体基板１１を転送および装填モジュール５３に移動し、次いで絶縁体チャンバ５８に移動する。絶縁体チャンバ５８では、スペーサ１５上に絶縁層（例えば、図１の絶縁層１８）を堆積する。
【００２９】
以上、新規で改良された絶縁物−化合物半導体界面構造を、新規な製造方法と共に開示した。この新規で改良された絶縁物−化合物半導体界面構造は、その安定性および信頼性が向上し、製造および使用が比較的容易である。また、この新規で改良された絶縁物−化合物半導体界面構造は、現場で形成し、不純物の減少および製造の簡略化が更に可能である。新規で改良された絶縁物−化合物半導体界面構造のいくつかの利点として、堆積絶縁体−化合物半導体界面におけるキャリア密度がチャネルにおけるよりも数桁の規模で少ないこと、ホット・キャリアを絶縁体に注入する確率が数桁の規模で減少したこと、および半導体帯域端付近に位置する応力誘発界面状態の効果が最少に抑えられることがあげられる。また、反転／蓄積チャネルにおけるキャリアに対する、クーロン散乱および界面の荒さ散乱の効果も最少に抑えられ、これによって、高性能の反転／蓄積モード素子を化合物半導体上に実施することが可能となる。
【００３０】
これまで本発明の特定実施例について示しかつ説明してきたが、更に別の変更や改良も当業者には想起されよう。したがって、本発明は図示した特定形態に限定される訳ではないと理解されることを望み、本発明の精神および範囲から逸脱しない全ての変更は、特許請求の範囲に該当することを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体素子における絶縁体−化合物半導体界面構造の簡略断面図。
【図２】図１に示す界面構造のバンドギャップ図。
【図３】従来技術の界面にバイアスを印加した場合の絶縁体捕獲中心およびその中におけるキャリアの捕獲を示すバンドギャップ図。
【図４】図２の界面構造にバイアスを印加した場合の絶縁体の捕獲中心を示すバンドギャップ図。
【図５】従来技術の界面にバイアスを印加した場合のホット・キャリアの基板注入を示すバンドギャップ図。
【図６】図２の界面構造にバイアスを印加した場合のホット・キャリアの基板注入を示すバンドギャップ図。
【図７】従来技術の界面にバイアスを印加した場合の局在応力誘発界面状態を示すバンドギャップ図。
【図８】図２の界面構造にバイアスを印加した場合の局在応力誘発界面状態を示すバンドギャップ図。
【図９】本発明にしたがって図１の構造を製造する際に用いられるマルチ・ウエハ・エピタキシャル生産システムを示す図。
【符号の説明】
１０    界面構造
１１    化合物半導体基板
１２    ソース
１３    ドレイン
１４    ゲート
１５    スペーサ層
１８    絶縁層
２１，２５，２８    バンドギャップ
３０    界面
３１，３２    バンドギャップ
５０    マルチ・ウエハ・エピタキシャル生産システム
５３    転送および装填モジュール
５５    ＩＩＩ−Ｖ成長チャンバ
５８    絶縁体チャンバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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