(57)【要約】【課題】リーク電流を低減しつつ、電子移動度の低下を抑える高電子移動度トランジスタ及びその製造方法を提供すること。【解決手段】半絶縁性ＧａＡｓ基板（１）上に、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ層（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）（３）を含むバッファ層（２〜４）、電子供給層（５，７）、チャネル層（６）、ショットキー層（８）、オーミックコンタクト層（９）を有する化合物半導体層をエピタキシャル成長して高電子移動度トランジスタを製造する方法において、前記（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ層（３）をエピタキシャル成長する際の基板温度Ｔ１を、それ以外の化合物半導体層をエピタキシャル成長する際の温度Ｔ２よりも大きくする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ層（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）を含むバッファ層、チャネル層、電子供給層、ショットキー層、オーミックコンタクト層を有する化合物半導体層をエピタキシャル成長して高電子移動度トランジスタを製造する方法において、
前記（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ層をエピタキシャル成長する際の基板温度Ｔ１を、それ以外の化合物半導体層をエピタキシャル成長する際の温度Ｔ２よりも大きくすることを特徴とする高電子移動度トランジスタの製造方法。
【請求項２】
基板温度Ｔ１と基板温度Ｔ２との温度差ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２の範囲を、２０℃≦ΔＴ≦１００℃とすることを特徴とする請求項１に記載の高電子移動度トランジスタの製造方法。
【請求項３】
前記（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ層のＡｌ組成ｘの範囲を、０．０５≦ｘ≦０．３とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の高電子移動度トランジスタの製造方法。
【請求項４】
前記バッファ層はＧａＡｓ層又はＡｌＧａＡｓ層を含み、前記チャネル層はＧａＡｓ層又はＩｎＧａＡＳ層からなり、前記電子供給層はＡｌＧａＡｓ層からなり、前記ショットキー層はＧａＡｓ層又はＡｌＧａＡｓ層からなり、前記オーミックコンタクト層はＧａＡｓ層からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高電子移動度トランジスタの製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の製造方法により製造される高電子移動度トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III−Ｖ族化合物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ及びその製造方
法に関し、特に高電子移動度トランジスタのバッファ層を改善したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓ等のIII−Ｖ族化合物半導体は、Ｓｉに比べて電子移動度が高
いという特長がある。このような特長を活かして、III−Ｖ族化合物半導体は高速動作や
高効率動作が要求されるデバイスに多く用いられている。上記デバイスとしては、例えば高電子移動度トランジスタ（high electron mobility transistor 以降、ＨＥＭＴともいう）が挙げられる。
【０００３】
図８を用いて、III−Ｖ族化合物半導体を用いた従来のＨＥＭＴ４２の構造の一例につ
いて説明する。ＨＥＭＴ用エピタキシャルウエハは、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上にバッファ層１３、第１電子供給層５、チャネル層６、第２電子供給層７、ショットキー層８及びオーミックコンタクト層９を順次エピタキシャル成長させることにより作製される。
バッファ層１３は、基板１表面の残留不純物によるデバイス特性劣化を防ぎ、チャネル層６からのリーク電流を抑えるための層である。
電子供給層５，７は、ｎ型不純物がドーピングされており、発生した自由電子をチャネル層６に供給するための層である。
チャネル層６は、自由電子が走行するための層であり、高純度である必要がある。
ショットキー層８は、ゲート電極１２を形成するための層である。
オーミックコンタクト層９は、ソース電極１０とドレイン電極１１を形成するための層である。
【０００４】
近年、デバイスの高性能化に伴い、低電力化についての要請がある。低電力化のためには、チャネル層６からのリーク電流を低減することが重要となる。リーク電流を低減する方法の一例として、バッファ層１３の一部にＡｌＧａＩｎＰ層（以下、４元層ともいう）を用いる方法が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。４元層を用いることにより、大きなコンダクションバンド端の段差ΔＥｃ（エネルギー不連続量）が得られるため、チャネル層６からバッファ層１３へのリーク電流を低減することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１９６３８６号公報
【特許文献２】特開平４−３２８８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１及び２のように、バッファ層１３に４元層を用いることにより、バッファ層１３へのリーク電流を低減することはできるが、その一方でＨＥＭＴの重要な特性である電子移動度が低下してしまうという問題があった。
デバイスの高性能化の要請に応えるためには、低電力化にとって重要であるリーク電流の低減と、高速動作や高効率動作にとって重要である電子移動度の低下抑制が必要となる。
【０００７】
本発明の目的は、リーク電流を低減しつつ、電子移動度の低下を抑える高電子移動度トランジスタ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第一の態様は、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ層（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）を含むバッファ層、電子供給層、チャネル層、ショットキー層、オーミックコンタクト層を有する化合物半導体層をエピタキシャル成長してＨＥＭＴを製造する方法において、前記（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ層をエピタキシャル成長する際の基板温度Ｔ１を、それ以外の化合物半導体層をエピタキシャル成長する際の温度Ｔ２よりも大きくすることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第二の態様は、第一の態様に記載の発明において、基板温度Ｔ１と基板温度Ｔ２との温度差ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２の範囲を、２０℃≦ΔＴ≦１００℃とすることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第三の態様は、第一又は第二の態様に記載の発明において、前記（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ層のＡｌ組成ｘの範囲を、０．０５≦ｘ≦０．３とすることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第四の態様は、第一乃至第三の態様のいずれかに記載の発明において、前記バッファ層はＧａＡｓ層又はＡｌＧａＡｓ層を含み、前記チャネル層はＧａＡｓ層又はＩｎＧａＡＳ層からなり、前記電子供給層はＡｌＧａＡｓ層からなり、前記ショットキー層はＧａＡｓ層又はＡｌＧａＡｓ層からなり、前記オーミックコンタクト層はＧａＡｓ層からなることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第五の態様は、第一乃至第四の態様のいずれかに記載の製造方法により製造されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、リーク電流を低減しつつ、電子移動度の低下を抑えることができる高電子移動度トランジスタが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、４元層をエピタキシャル成長させる際の基板温度を、それ以外の層をエピタキシャル成長させる際の基板温度よりも高くすることにより、リーク電流を低減しつつ電子移動度の低下を抑えたものである。
以下に、本発明の一実施形態におけるＨＥＭＴの製造方法について説明する。
【００１５】
エピタキシャル成長技術には、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）や分子線気相成長法（ＭＢＥ法）が用いられるが、以下には工業生産的に優れたＭＯＶＰＥ法について簡単に述べる。
【００１６】
図７にはＭＯＶＰＥ装置２０の概略構成を示す。反応炉２１には、基板２７を載置するサセプタ２２と、サセプタ２２を加熱するヒータ２３と、サセプタ２２を回転及び上下移動させる制御軸２４と、基板２７に向かって斜め方向又は水平方向に原料ガスを供給する石英ノズル２５と、真空ポンプ及び排気装置を備えた排気部２６とが設けられている。また、反応炉２１には、原料ガス供給系として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスを発生するＴＭＧガス発生装置３１と、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを発生するＴＭＡガス発生装置３２と、ＡｓＨ３ガスを発生するＡｓＨ３ガス発生装置３３と、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガスを発生するＴＭＩガス発生装置３４と、Ｓｉをドープするためのジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガスを発生するＳｉ２Ｈ６ガス発生装置３５と、ＰＨ３ガスを発生するＰＨ３ガス発生装置３６とが接続されている。また、反応炉２１の原料ガス供給系には、原料ガスの流量を制御するマスフローコントローラ（図示せず）等が設けられている。なお、キャリアガス（希釈用ガス）として水素が用いられる。また、基板２７上
に成長させるエピタキシャル層に応じて、反応炉２１に供給する原料ガスの組み合わせを変える。
【００１７】
エピタキシャル層を成長させる基板２７をサセプタ２２にセットし、成長炉２１内で加熱する。成長炉２１内に原料ガスを供給すると、原料ガスが熱により分解し、基板２７上にエピタキシャル層が成長する。
【００１８】
図１に、上記ＭＯＶＰＥ装置２０により製造される本発明の実施の形態におけるＨＥＭＴ用エピタキシャルウエハ４０（以降、エピタキシャルウエハという）を示す。このエピタキシャルウエハ４０は、半絶縁性ＧａＡｓからなる基板１上に、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓからなる第１バッファ層２と、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５１６Ｉｎ０．４８４Ｐ（０＜ｘ＜１）からなる４元層のバッファ層３と、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓからなる第２バッファ層４と、ＡｌＧａＡｓからなる第１電子供給層５と、ＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓからなるチャネル層６と、ＡｌＧａＡｓからなる第２電子供給層７と、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓからなるショットキー層８と、ＧａＡｓからなるオーミックコンタクト層９とが順次エピタキシャル成長されている。ここで、第１電子供給層５、第２電子供給層７、ショットキー層８、オーミックコンタクト層９は、Ｓｉなどをドープしたｎ型層である。
【００１９】
次に、ＧａＡｓ基板１上に層２〜９をエピタキシャル成長させる方法について説明する。各層をエピタキシャル成長させる間のＧａＡｓ基板１の温度履歴を、図３に示す。図３に示すように本実施形態では、４元層のバッファ層３をエピタキシャル成長させる際の基板温度Ｔ１を、それ以外の化合物半導体層をエピタキシャル成長する際の温度Ｔ２よりも大きくしている。上記基板温度Ｔ１とＴ２との差をΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２としたとき、ΔＴ＞０℃という条件で作製された本実施形態は、全エピタキシャル層で基板温度をＴ２で一定とした、即ちΔＴ＝０℃という条件で作製された４元層のバッファ層を用いた従来構造品に比べて、電子移動度を向上することができる（図４参照）。特に、電子移動度の観点から、２０℃≦ΔＴ≦１００℃とするのが好ましい。
また、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５１６Ｉｎ０．４８４Ｐからなる４元層のバッファ層３のＡｌ組成ｘの範囲を、０．０５≦ｘ≦０．３とすることが好ましい。
【００２０】
図２に、上記方法により作製されたＨＥＭＴ用エピタキシャルウエハ４０を用いて製造した本実施形態におけるＨＥＭＴ４１を示す。エピタキシャルウエハ４０のオーミックコンタクト層９を選択的にエッチングしてショットキー層８の一部を露出させ、残ったオーミックコンタクト層９上にソース電極１０及びドレイン電極１１を形成し、ショットキー層８の露出した部分上にゲート電極１２を形成したものである。
【００２１】
４元層のバッファ層をエピタキシャル成長させる際の基板温度を、それ以外の層をエピタキシャル成長させる際の基板温度よりも高くするという成長条件は、４元層を含む構造ならどんな構造のエピタキシャル表面も改善する効果が期待できる。そのため、ＨＥＭＴに限らず、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やＨＢＴ（ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）に適用することができる。
【実施例】
【００２２】
以下に、本発明の実施例を説明する。
本実施例における半導体製造装置として、図７に示す減圧ＭＯＶＰＥ装置２０を用い、原料として、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＰＨ３  （ホスフィン）、ＡｓＨ３  （アルシン）及びＳｉ２  Ｈ６  （ジシラン）を用いた。
（実施例１、比較例１及び２）
【００２３】
図１より、実施例１のＨＥＭＴ用エピタキシャルウエハ４０として、ＧａＡｓ基板１上に、ＧａＡｓからなる第１バッファ層２（膜厚３００ｎｍ）、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５１６Ｉｎ０．４８４Ｐからなるバッファ層（以下、４元層ともいう）３（膜厚１０ｎｍ）、ＡｌＧａＡｓからなる第２バッファ層４（膜厚１００ｎｍ）、ＡｌＧａＡｓからなる第１電子供給層５（膜厚１０ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓからなるチャネル層６（膜厚５ｎｍ）、ＡｌＧａＡｓからなる第２電子供給層７（膜厚  １０ｎｍ）、ＧａＡｓからなるショットキー層８（膜厚３０ｎｍ）及びＧａＡｓからなるオーミックコンタクト層９（膜厚１００ｎｍ）をこの順番で積層し作製した。
【００２４】
４元層である（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５１６Ｉｎ０．４８４Ｐのバッファ層３をエピタキシャル成長させる工程において、４元層３以外の層のエピタキシャル成長時の基板温度Ｔ２を６００℃とし、４元層３のエピタキシャル成長時の基板温度をＴ１とし、ΔＴ＝Ｔ１−Ｔ２＝２０℃、５０℃、１００℃、１５０℃の各温度条件により試料を作製した。その際の４元層３のＡｌ組成ｘは、０．２に固定した。
【００２５】
比較例１（４元層を含む従来構造品）の試料を作製する際、ΔＴ＝−３０℃、０℃の各温度条件以外は実施例１と同様とした。
【００２６】
比較例２（４元層を含まない従来構造品）の試料を作製する際、ΔＴ＝０℃とし、４元層３を設けないこと以外は実施例１と同様とした。
【００２７】
上記のように作製したＨＥＭＴ用エピタキシャルウエハに対して、図２に示すようにオーミックコンタクト層９上にソース電極１０及びドレイン電極１１を形成し、ショットキー層８上にゲート電極１２を形成した。これにより実施例１、比較例１及び比較例２におけるＨＥＭＴを得た。
【００２８】
得られた上記ＨＥＭＴについて、２次元電子ガス層における電子移動度とシートキャリア濃度を測定した結果を図４に示す。図４より、電子移動度において、実施例１（ΔＴ＞０℃）は比較例１よりも優れていた。特に、２０℃≦ΔＴ≦１００℃の範囲では、実施例１はリーク電流を低減でき、しかも比較例２と同等の優れた電子移動度が得られた。なお、図４では作図上、比較例２（ΔＴ＝０℃）の測定値をΔＴ＜０℃の領域に記載した。
【００２９】
また、実施例１、比較例１，２におけるチャネル層６の表面粗さ（これを評価する指標であるＨＡＺＥ値）を測定した。ΔＴとＨＡＺＥ値との関係を、図５に示す。上記ΔＴを２０℃≦ΔＴ≦１００℃の条件にして、エピタキシャル成長させると、ＨＡＺＥ値は小さく、即ちチャネル層６の表面粗さが粗くならなかった。上記ΔＴを、２０℃≦ΔＴ≦１００℃とすることにより、４元層３の表面粗さが滑らかになり、滑らかな４元層３の上にエピタキシャル成長する層もまた表面粗さが滑らかになるためである。なお、図４においてΔＴ＝１５０℃の試料が比較例１と比べて電子移動度において優れているものの、２０℃≦ΔＴ≦１００℃の実施例よりも電子移動度が低い理由は、ＨＡＺＥ値が比較的高くなっているためと推定される。
（実施例２、比較例３）
【００３０】
次に、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５１６Ｉｎ０．４８４Ｐの４元層３のＡｌ組成依存性を調べるために、ｘをｘ＝０．０５、０．１、０．２、０．３と変更した以外は、実施例１と同様に実施例２の試料を作製した。その際のΔＴは５０℃に固定した。
【００３１】
比較例３として、ｘ＝０．４とした以外は実施例２と同様に試料を作製した。
【００３２】
上記試料について、２次元電子ガス層における電子移動度とシートキャリア濃度を測定
した結果を図６に示す。実施例２（０．０５≦ｘ≦０．３の範囲内）においては電子移動度が高く安定していた。これに対し、比較例３（ｘ＝０．４）においては電子移動度の低下がみられた。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本実施形態におけるＨＥＭＴ用エピタキシャルウエハの断面図である。
【図２】本実施形態におけるＨＥＭＴの断面図である。
【図３】本実施形態における高電子移動度トランジスタを作製する際の基板の温度履歴を示す図である。
【図４】実施例と比較例における電子移動度及びシートキャリア濃度とΔＴとの関係を示す図である。
【図５】実施例と比較例におけるＨＡＺＥ値とΔＴとの関係を示す図である。
【図６】実施例と比較例における電子移動度及びシートキャリア濃度と（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５１６Ｉｎ０．４８４Ｐからなる４元層のバッファ層のＡｌ組成ｘとの関係を示す図である。
【図７】ＨＥＭＴを作製するために使用したＭＯＶＰＥ装置の概略構成を示す図である。
【図８】従来技術におけるＨＥＭＴの断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    基板
２    第１バッファ層
３    ４元層のバッファ層
４    第２バッファ層
５    第１電子供給層
６    チャネル層
７    第２電子供給層
８    ショットキー層
９    オーミックコンタクト層
１０  ソース電極
１１  ドレイン電極
１２  ゲート電極
１３  バッファ層
２０  ＭＯＶＰＥ装置
２１  反応炉
２２  サセプタ
２３  ヒータ
２４  制御軸
２５  石英ノズル
２６  排気部
２７  基板
３１  ＴＭＧガス発生装置
３２  ＴＭＡガス発生装置
３３  ＡｓＨ３ガス発生装置
３４  ＴＭＩガス発生装置
３５  Ｓｉ２Ｈ６ガス発生装置
３６  ＰＨ３ガス発生装置
４０  ＨＥＭＴ用エピタキシャルウエハ
４１  ＨＥＭＴ
４２  ＨＥＭＴ
【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】
2009081213.tif 000008
【図７】
2009081213.tif 000009
【図８】
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