JP3347175B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
Semiconductor device and manufacturing method thereofInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置とその製造
方法に関し、特に電界効果型トランジスタを集積化した
III−V族化合物半導体装置とその製造方法に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a III-V compound semiconductor device in which a field effect transistor is integrated and a method of manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】III−V族化合物半導体の電界効果型
トランジスタ(FET)としては、高電子移動度トラン
ジスタ(HEMT)やMESFET等が知られている。
これらのFETを複数個同一半導体基板に集積化する
と、サイドゲート効果が問題となる。2. Description of the Related Art As a field effect transistor (FET) of a III-V compound semiconductor, a high electron mobility transistor (HEMT), a MESFET and the like are known.
When a plurality of these FETs are integrated on the same semiconductor substrate, the side gate effect becomes a problem.
【0003】トランジスタを高速動作させるためには、
基板等、トランジスタ以外の部分は高抵抗率とし、トラ
ンジスタの付随容量を低減することが好ましい。このよ
うな状況で、1つのトランジスタのゲート(サイドゲー
ト)に電圧を印加すると、隣接するトランジスタのチャ
ネルまで影響を受けてしまう。つまり、サイドゲートの
影響を受ける。In order to operate a transistor at high speed,
It is preferable that portions other than the transistor, such as the substrate, have a high resistivity to reduce the accompanying capacitance of the transistor. In such a situation, when a voltage is applied to the gate (side gate) of one transistor, the channel of the adjacent transistor is affected. That is, it is affected by the side gate.
【0004】この現象は、1つのゲートから発する電気
力線が他のゲートにまで達してしまう現象として把握で
きる。近年の研究によれば、このような電気力線は基板
や基板近傍のバッファ層を通過すると報告されている。[0004] This phenomenon can be understood as a phenomenon in which lines of electric force generated from one gate reach another gate. According to recent studies, it is reported that such lines of electric force pass through the substrate and the buffer layer near the substrate.
【0005】サイドゲート効果を阻止するには、電気力
線を途中で止めればよいことになる。基板、バッファ層
もしくはその近傍に電荷を分布させれば、電気力線の通
過を阻止することができるであろう。In order to prevent the side gate effect, it is necessary to stop the lines of electric force halfway. If electric charges are distributed on the substrate, the buffer layer or in the vicinity thereof, the passage of electric lines of force could be prevented.
【0006】GaAs基板上のHEMTの場合、酸素ド
ープAlGaAsの高抵抗率バッファ層がサイドゲート
効果抑制に有効であることが知られている。AlGaA
sは低温で成長するほどドープされる酸素濃度が上昇す
ることが知られている。In the case of a HEMT on a GaAs substrate, it is known that a high-resistivity buffer layer of oxygen-doped AlGaAs is effective for suppressing the side gate effect. AlGaAs
It is known that the concentration of doped oxygen increases as s grows at lower temperatures.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、AlG
aAs層中の酸素濃度とサイドゲート効果との間の明確
な関係は明らかではなかった。さらに、サイドゲート効
果を十分に抑制するだけの酸素をAlGaAsにドープ
すると、トランジスタのDC特性にヒステリシスループ
が生じやすい。SUMMARY OF THE INVENTION However, AlG
A clear relationship between the oxygen concentration in the aAs layer and the side gate effect was not clear. Furthermore, if AlGaAs is doped with enough oxygen to sufficiently suppress the side gate effect, a hysteresis loop easily occurs in the DC characteristics of the transistor.
【0008】本発明の目的は、効率的にサイドゲート効
果を抑制することのできる半導体装置とその製造方法を
提供することである。本発明の他の目的は、サイドゲー
ト効果を抑制し、かつDC特性のヒステリシスループも
抑制することのできる半導体装置およびその製造方法を
提供することである。An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of efficiently suppressing the side gate effect and a method of manufacturing the same. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing a side gate effect and also suppressing a hysteresis loop of DC characteristics, and a method of manufacturing the same.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
半導体基板(1)上に素子領域となる活性層(4)を含
む半導体装置であって、前記半導体基板(1)と前記活
性層(4)との間に配置され、1×1018cm-3以上の
酸素濃度と5×1017cm-3以下の炭素濃度を有し、そ
の格子定数と、同一組成で酸素濃度が1×1018cm-3
以下のAlGaAs層の格子定数との不整合が2×10
-5以下である高抵抗率AlGaAs層(2)を含む半導
体装置。According to the present invention, there is provided a semiconductor device comprising:
A semiconductor device comprising an active layer (4) serving as an element region on a semiconductor substrate (1), wherein the semiconductor device is disposed between the semiconductor substrate (1) and the active layer (4) and has a size of 1 × 10 18 cm − It has an oxygen concentration of 3 or more and a carbon concentration of 5 × 10 17 cm −3 or less, and has an oxygen concentration of 1 × 10 18 cm −3 with the same composition as its lattice constant.
The mismatch with the lattice constant of the following AlGaAs layer is 2 × 10
A semiconductor device including a high resistivity AlGaAs layer (2) of not more than -5 .
【0010】[0010]
【0011】[0011]
【作用】高抵抗率AlGaAs層の酸素濃度と共に、炭
素濃度をも制御することにより、サイドゲート効果を効
率的に抑制することが可能となる。The side gate effect can be efficiently suppressed by controlling not only the oxygen concentration of the high resistivity AlGaAs layer but also the carbon concentration.
【0012】AlGaAs層の格子定数を、実質的に酸
素をドープしない場合の格子定数に近付けることによっ
て、DC特性のヒステリシスループを抑圧することが可
能となる。The hysteresis loop of the DC characteristics can be suppressed by making the lattice constant of the AlGaAs layer close to the lattice constant when oxygen is not substantially doped.
【0013】[0013]
【実施例】以下、酸素ドープのAlx Ga1-x Asバッ
ファ層を有機金属気相成長法(MOCVD)で成長する
場合を例にとって説明する。主に、x=0.28の場合
を例にとる。AlGaAs層に酸素をドープするのに、
アルコキシ基、ヒドロキシル基、アシルオキシ基の少な
くとも1つを含む物質をドーパントとして用いることが
好ましい。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a case where an oxygen-doped Al x Ga 1 -x As buffer layer is grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) will be described as an example. The case where x = 0.28 is mainly taken as an example. To dope the AlGaAs layer with oxygen,
It is preferable to use a substance containing at least one of an alkoxy group, a hydroxyl group, and an acyloxy group as a dopant.
【0014】たとえば、酸素ドーパントとして、V族原
料であるターシャリブチルアルシン、エチルアルシン、
フェニルアルシン、テトラエチルジアルシン、トリジメ
チルアミノアルシンの一種以上を基に、上述のドーパン
トを含ませた各系の物質を用いることができる。For example, as the oxygen dopant, tertiary butyl arsine, ethyl arsine, which are group V raw materials,
Based on at least one of phenylarsine, tetraethyldiarsine, and tridimethylaminoarsine, a substance of each system containing the above-described dopant can be used.
【0015】その他のソース材料は、たとえばAlソー
スとしてトリメチルアルミニウム(TMA)、Gaソー
スとしてトリエチルガリウム(TEG)またはトリメチ
ルガリウム(TMG)、Asソースとしてアルシン(A
sH3 )を用いることができる。ただし、これらのソー
ス材料に限定されるものではない。Other source materials include, for example, trimethyl aluminum (TMA) as an Al source, triethyl gallium (TEG) or trimethyl gallium (TMG) as a Ga source, and arsine (A) as an As source.
sH 3 ) can be used. However, it is not limited to these source materials.
【0016】ところで、AlGaAs層に酸素をドープ
すると、付随的に炭素もドープされる。サイドゲート効
果は、酸素濃度と炭素濃度との両者に依存し、酸素ドー
パントの供給量および、AlGaAs層の成長温度に依
存することが判った。Incidentally, when oxygen is doped into the AlGaAs layer, carbon is also incidentally added. It has been found that the side gate effect depends on both the oxygen concentration and the carbon concentration, and depends on the supply amount of the oxygen dopant and the growth temperature of the AlGaAs layer.
【0017】そこで、炭素濃度および酸素濃度の成長温
度依存性およびドーパント供給率依存性を測定した。な
お、本明細書において、ドーパント供給率とは、全V族
元素のキャリアガス供給量に対する酸素ドーパントを含
むキャリアガス供給量の比率を示す。より具体的には、
本実施例の場合、〔tBA系キャリアガス流量〕/
{〔tBA系キャリアガス流量〕+〔アルシンのキャリ
アガス流量〕}である。Therefore, the dependence of the carbon concentration and oxygen concentration on the growth temperature and the dopant supply rate were measured. In this specification, the dopant supply rate indicates the ratio of the supply amount of the carrier gas containing the oxygen dopant to the supply amount of the carrier gas of all the group V elements. More specifically,
In the case of the present embodiment, [tBA-based carrier gas flow rate] /
{[TBA carrier gas flow rate] + [arsine carrier gas flow rate]}.
【0018】ドーパント供給率と、成長温度を変化さ
せ、酸素濃度と炭素濃度のドーパント供給率依存性およ
び成長温度依存性をSIMS分析によって調べた。測定
結果を表1、表2に示す。The dopant supply rate and the growth temperature were changed, and the dependence of the oxygen concentration and the carbon concentration on the dopant supply rate and the growth temperature were examined by SIMS analysis. Tables 1 and 2 show the measurement results.
【0019】[0019]
【表1】 [Table 1]
【0020】[0020]
【表2】 表1から明らかなように、酸素ドーパントを供給しない
場合、酸素濃度は成長温度に依存し、低温になるほど向
上する。たとえば、成長温度を660℃から580℃ま
で低下させると、8×1017cm-3から3×1018cm
-3とほぼ2×1018cm-3の酸素濃度の向上が見られ
る。この酸素濃度は、イントリンジック酸素濃度と呼べ
るものであり、酸素ドーパントの有無に拘らず、成長温
度に依存して表れるものと考えられる。[Table 2] As is clear from Table 1, when the oxygen dopant is not supplied, the oxygen concentration depends on the growth temperature and increases as the temperature decreases. For example, when the growth temperature is reduced from 660 ° C. to 580 ° C., the growth temperature is reduced from 8 × 10 17 cm −3 to 3 × 10 18 cm.
-3 and an improvement in oxygen concentration of approximately 2 × 10 18 cm −3 are observed. This oxygen concentration can be called an intrinsic oxygen concentration, and is considered to appear depending on the growth temperature regardless of the presence or absence of the oxygen dopant.
【0021】ところで、ドーパント供給率=0.25の
場合の酸素濃度6×1019cm-3に明らかなように、酸
素ドーパントを積極的に添加すると、酸素濃度は増大
し、ある程度以上酸素濃度が増大した状態においては、
酸素濃度は成長温度にほとんど依存しなくなる。イント
リンジック酸素濃度が成長温度依存性を示しても、その
差は全体の酸素濃度に対して無視できる程度になるため
と考えられる。[0021] Incidentally, as it will be apparent to the oxygen concentration of 6 × 10 19 cm -3 in the case of the dopant feed rate = 0.25, the addition of oxygen dopants actively, oxygen concentration increases, to some extent more oxygen In the increased state,
The oxygen concentration hardly depends on the growth temperature. It is considered that even if the intrinsic oxygen concentration shows the growth temperature dependency, the difference becomes negligible with respect to the whole oxygen concentration.
【0022】ある程度以上の酸素をドープしようとする
場合は、積極的に酸素ドーパントを添加することが必要
であり、その時得られる酸素濃度はほぼ成長温度に依存
しない。なお、ドーパント供給率を1とした場合、得ら
れる最大酸素濃度は成長温度580℃の場合に、約2×
1020cm-3であった。When doping oxygen to a certain degree or more, it is necessary to positively add an oxygen dopant, and the oxygen concentration obtained at that time does not substantially depend on the growth temperature. When the dopant supply rate is 1, the maximum oxygen concentration obtained is about 2 × when the growth temperature is 580 ° C.
It was 10 20 cm -3 .
【0023】酸素のドーピングに付随して、炭素のドー
ピングが発生する。表2を参照すると、酸素ドーピング
による炭素濃度は、成長温度に依存し、成長温度が高く
なるほど低下する。Along with the doping of oxygen, doping of carbon occurs. Referring to Table 2, the carbon concentration due to oxygen doping depends on the growth temperature, and decreases as the growth temperature increases.
【0024】また、ドーパント供給率=0.25、1.
0の数値に見られるように、ある程度以上酸素ドーパン
トを増大すると、付随的に生じる炭素濃度は、飽和に達
する。表2において、成長温度580℃の場合、炭素濃
度は7×1017cm-3で飽和している。この飽和は、ド
ーパント供給率=0.25付近で既に表れている。Further, the dopant supply rate = 0.25, 1.
As can be seen from the value of 0, when the oxygen dopant is increased to some extent, the concomitant carbon concentration reaches saturation. In Table 2, when the growth temperature is 580 ° C., the carbon concentration is saturated at 7 × 10 17 cm −3 . This saturation already appears near the dopant supply rate = 0.25.
【0025】これらの結果から、AlGaAs層中の酸
素濃度はドーパント供給率によって決定でき、付随的に
生じる炭素濃度は成長温度によって制御できることが判
る。したがって、まず必要とされる酸素濃度を満足する
ようにドーパントの供給率を定め、次に所望の炭素濃度
を満足するように成長温度を決めれば、酸素濃度と炭素
濃度をほぼ独立に制御することが可能である。From these results, it can be seen that the oxygen concentration in the AlGaAs layer can be determined by the dopant supply rate, and the accompanying carbon concentration can be controlled by the growth temperature. Therefore, if the supply rate of the dopant is first determined so as to satisfy the required oxygen concentration, and then the growth temperature is determined so as to satisfy the desired carbon concentration, the oxygen concentration and the carbon concentration can be controlled almost independently. Is possible.
【0026】図1は、本発明の実施例によるHEMTの
構成を概略的に示す。半絶縁性GaAs基板1の上に、
酸素ドープAlGaAs層2、i型GaAs層3がバッ
ファ層として形成されている。AlGaAs層2は、た
とえば厚さ300nm、GaAs層3は、たとえば厚さ
200nmである。FIG. 1 schematically shows a configuration of a HEMT according to an embodiment of the present invention. On a semi-insulating GaAs substrate 1,
An oxygen-doped AlGaAs layer 2 and an i-type GaAs layer 3 are formed as buffer layers. The AlGaAs layer 2 has a thickness of, for example, 300 nm, and the GaAs layer 3 has a thickness of, for example, 200 nm.
【0027】これらバッファ層2、3の上に、電子走行
層として機能するi型In0.2 Ga 0.8 As層4が厚さ
約150nm形成され、その上に厚さ約1nmのi型I
nGaPスペーサ層5、不純物濃度n=2×1018cm
-3のn型InGaP電子供給層6が厚さ約30nm成長
されている。On these buffer layers 2 and 3, electron transport
I-type In functioning as a layer0.2Ga 0.8As layer 4 is thick
I-type I having a thickness of about 1 nm and having a thickness of about 1 nm
nGaP spacer layer 5, impurity concentration n = 2 × 1018cm
-3N-type InGaP electron supply layer 6 is grown to a thickness of about 30 nm.
Have been.
【0028】なお、電子供給層6の一部領域を挟むよう
に、その上に一対のn型GaAsで形成されたコンタク
ト層7が形成されている。なお、電子供給層6およびコ
ンタクト層7の厚さは、たとえばそれぞれ約30nmお
よび約50nmである。コンタクト層7の不純物濃度
は、n=2×1018cm-3程度である。A contact layer 7 made of a pair of n-type GaAs is formed on the electron supply layer 6 so as to sandwich a part of the region. The thicknesses of the electron supply layer 6 and the contact layer 7 are, for example, about 30 nm and about 50 nm, respectively. The impurity concentration of the contact layer 7 is about n = 2 × 10 18 cm −3 .
【0029】電子供給層6の一部領域の上に、ゲート電
極9が形成され、ゲート電極9を挟むように、コンタク
ト層7上にソース電極8a、ドレイン電極8bが形成さ
れている。ソース電極8a、ドレイン電極8bは、たと
えばAuGe/Auで形成し、ゲート電極9は、たとえ
ばAlやWSiで形成する。A gate electrode 9 is formed on a partial region of the electron supply layer 6, and a source electrode 8 a and a drain electrode 8 b are formed on the contact layer 7 so as to sandwich the gate electrode 9. Source electrode 8a and drain electrode 8b are formed of, for example, AuGe / Au, and gate electrode 9 is formed of, for example, Al or WSi.
【0030】この構成においては、サイドゲート効果抑
制のためには、AlGaAsバッファ層2をどのように
作成するかが問題となる。このバッファ層2を種々の条
件で作成したサンプルを形成した。In this structure, how to form the AlGaAs buffer layer 2 becomes a problem for suppressing the side gate effect. Samples in which the buffer layer 2 was formed under various conditions were formed.
【0031】表3は、代表的サンプルの作成条件および
それらの測定結果を示す。Table 3 shows conditions for preparing representative samples and their measurement results.
【0032】[0032]
【表3】 サンプルS113は、成長温度660℃において、酸素
ドーパントを供給せずに作成したAlGaAs層を含む
HEMTである。サンプルS111は、ドーパント供給
率を0.25とし、他を同一条件として作成したHEM
Tのサンプルである。[Table 3] Sample S113 is a HEMT including an AlGaAs layer formed at a growth temperature of 660 ° C. without supplying an oxygen dopant. In the sample S111, the HEM prepared with the dopant supply rate being 0.25 and the other conditions being the same.
This is a sample of T.
【0033】サンプルS116は、ドーパント供給率は
0.25とサンプルS111と同等にし、成長温度を5
80℃に低下させた場合のサンプルである。各サンプル
における酸素および炭素濃度は、表1、表2の数値と同
一である。Sample S116 has a dopant supply rate of 0.25, which is equivalent to that of sample S111, and has a growth temperature of 5%.
This is a sample when lowered to 80 ° C. The oxygen and carbon concentrations in each sample are the same as those in Tables 1 and 2.
【0034】表3に示した3つの代表的サンプルのサイ
ドゲート効果測定結果と、ヒステリシスループ測定結果
を、図2、図3に示す。図2はサイドゲート効果の測定
結果を示す。横軸にサイドゲートに印加した電圧をVで
示し、縦軸に対象とするHEMTの閾値電圧の変化ΔV
th(V)で示す。FIGS. 2 and 3 show the side gate effect measurement results and the hysteresis loop measurement results of three representative samples shown in Table 3. FIG. FIG. 2 shows the measurement results of the side gate effect. The abscissa indicates the voltage applied to the side gate in V, and the ordinate indicates the change in threshold voltage ΔV of the target HEMT.
It is indicated by th (V).
【0035】積極的に酸素をドープしていないサンプル
S113においては、サイドゲート効果による閾値電圧
の変化が著しく表れている。これに対して、酸素を6×
1019cm-3ドープし、炭素濃度が2×1017であるサ
ンプルS111においては、サイドゲート効果はほとん
ど観測されず、閾値電圧は一定に保たれている。In the sample S113 in which oxygen is not positively doped, a change in the threshold voltage due to the side gate effect is remarkably exhibited. On the other hand, oxygen
In sample S111 doped with 10 19 cm -3 and having a carbon concentration of 2 × 10 17 , almost no side gate effect was observed, and the threshold voltage was kept constant.
【0036】成長温度を低下させたサンプルS116に
おいては、酸素濃度はサンプルS111と同等であるの
にも拘らず、サイドゲート電圧により閾値電圧は約0.
05Vの変化を示している。ただし、閾値電圧の変化は
飽和傾向を示している。In the sample S116 in which the growth temperature is lowered, the threshold voltage is set to about 0.5 due to the side gate voltage although the oxygen concentration is equal to that of the sample S111.
It shows a change of 05V. However, the change in the threshold voltage indicates a saturation tendency.
【0037】AlGaAsにドープした炭素は、ほぼ完
全にp型不純物として作用するものと考えられる。サン
プルS111においてサイドゲート効果が表れず、サン
プルS116においてサイドゲート効果が発生したこと
は、炭素濃度が2×1017cm-3から7×1017cm-3
に変化した時に酸素ドーピングによっては補償しきれな
い現象が生じたものと考えられる。It is considered that carbon doped into AlGaAs acts almost completely as a p-type impurity. The fact that the side gate effect did not appear in sample S111 and the side gate effect occurred in sample S116 means that the carbon concentration was 2 × 10 17 cm −3 to 7 × 10 17 cm −3.
It is considered that a phenomenon that could not be compensated for by oxygen doping occurred when the value changed to.
【0038】AlGaAs層にドープした酸素は、その
うち極一部が電気的に活性化し、電子トラップを形成す
ると考えられる。一方、AlGaAs層にドープした炭
素は、ほぼその全量が活性化し、正孔ドナーとなると考
えられる。It is considered that a very small portion of the oxygen doped into the AlGaAs layer is electrically activated to form an electron trap. On the other hand, it is considered that almost all of the carbon doped into the AlGaAs layer is activated and becomes a hole donor.
【0039】電子トラップ量が正孔の量よりも多い場
合、正孔からでる電気力線は電子トラップに向けて伸
び、終端する。このため、正孔は動く必要がない。そし
て、サイドゲートからの電気力線がやってきても、残る
電子トラップで終端させことができる。よって閾値は変
動しない。When the amount of electron traps is larger than the amount of holes, the lines of electric force generated from the holes extend toward the electron traps and terminate. Thus, the holes need not move. Then, even if the electric lines of force come from the side gate, they can be terminated by the remaining electron traps. Therefore, the threshold does not change.
【0040】それに対して、電子トラップの量より正孔
の量が多い場合、電子トラップと電気力線で結ばれてい
ない正孔は動き回ることができる。しかも、サイドゲー
トからの電気力線を止めることができず、バンドに傾き
が生じ、閾値電圧が変動する。On the other hand, when the amount of holes is larger than the amount of electron traps, holes not connected to the electron trap by lines of electric force can move around. In addition, the lines of electric force from the side gate cannot be stopped, the band is tilted, and the threshold voltage fluctuates.
【0041】電気的に活性化した酸素が深い準位のキャ
リア捕獲準位を形成するとした場合、サンプルS11
1、S116の酸素濃度6×1019cm-3は、ホール濃
度に換算して2×1017cm-3からサンプルS116の
9×1017cm-3の間に相当するものと考えられる。If the electrically activated oxygen forms a deep carrier trap level, the sample S11
1. The oxygen concentration of 6 × 10 19 cm −3 in S116 is considered to correspond to a value between 2 × 10 17 cm −3 and 9 × 10 17 cm −3 of sample S116 in terms of hole concentration.
【0042】図3は、サンプルS113、S111、S
116のIV特性を示す。これらのIV特性において、
サンプルS116においては、無視しがたいヒステリシ
スループが観察される。サンプルS116は、サンプル
S113およびサンプルS111と較べ、成長温度が約
80℃低く設定されている。FIG. 3 shows samples S113, S111 and S111.
116 shows IV characteristics. In these IV characteristics,
In sample S116, a non-negligible hysteresis loop is observed. The growth temperature of sample S116 is set to be about 80 ° C. lower than that of sample S113 and sample S111.
【0043】図4は、ドーパント供給率と成長温度によ
る格子定数の変化を示す。横軸にドーパント供給率をと
り、縦軸に格子定数をとる。なお、縦軸には合わせてG
aAs基板との格子不整合を10-4を単位として示すス
ケールを付した。FIG. 4 shows the change of the lattice constant depending on the dopant supply rate and the growth temperature. The horizontal axis represents the dopant supply rate, and the vertical axis represents the lattice constant. The vertical axis is G
A scale indicating the lattice mismatch with the aAs substrate in units of 10 -4 is given.
【0044】成長温度Tgが580℃の場合、酸素ドー
パント供給率を増大させると、格子定数は次第に低減し
ている。酸素はVI族元素であり、AlGaAsのV族
元素Asサイトにサブスティテューショナルに配置され
るものと考えられる。When the growth temperature Tg is 580 ° C., as the oxygen dopant supply rate is increased, the lattice constant is gradually reduced. Oxygen is a Group VI element, and is considered to be disposed substitutively at the Group V element As site of AlGaAs.
【0045】ところで、Asの原子半径とOの原子半径
は異なり、Oの原子半径のほうがかなり小さい。したが
って、AsをOが置換すると、格子定数は減少するもの
と考えられる。Tg=580℃の特性は、O置換による
格子定数の減少を示していると考えられる。The atomic radius of As and the atomic radius of O are different, and the atomic radius of O is much smaller. Therefore, it is considered that the lattice constant decreases when O is substituted for As. It is considered that the characteristic at Tg = 580 ° C. indicates a decrease in lattice constant due to O substitution.
【0046】成長温度を次第に増大していくと、格子定
数の変化は緩やかになっている。酸素ドーピングにおい
て、酸素の占めるサイトはV族元素サイトに限らず、格
子間位置(インタースティシャル)にもドープされるも
のと考えられる。As the growth temperature is gradually increased, the change in the lattice constant becomes gentle. In oxygen doping, it is considered that the site occupied by oxygen is not limited to the group V element site, but is also doped at interstitial positions (interstitial).
【0047】酸素がインタースティシャルのサイトにド
ープされると、隣接する構成元素間距離は引き延ばされ
る。高温になると、格子定数変化が緩やかになる現象
は、高温になるほどインタースティシャルサイトを占め
る酸素が増大し、格子定数減少の効果と格子定数増加の
現象が相殺するものと考えられる。When oxygen is doped into interstitial sites, the distance between adjacent constituent elements is extended. It is considered that the phenomenon in which the lattice constant changes slowly at a high temperature is such that the oxygen occupying the interstitial site increases as the temperature increases, and the effect of decreasing the lattice constant and the phenomenon of increasing the lattice constant cancel each other.
【0048】ところで、DC特性のヒステリシスループ
が存在しないかまたは小さい場合、AlGaAs層の格
子定数は、酸素ノンドープの場合の格子定数と較べ、格
子不整合の度合いが小さいことが見い出されている。D
C特性のヒステリシスループが極めて小さいサンプルに
対しては、酸素濃度が1×1018cm-3のサンプルに対
して格子不整合の程度はほぼ2×10-5以下である。By the way, it has been found that when the hysteresis loop of the DC characteristic does not exist or is small, the lattice constant of the AlGaAs layer has a smaller degree of lattice mismatch than the lattice constant in the case of non-doping with oxygen. D
For a sample having an extremely small hysteresis loop of the C characteristic, the degree of lattice mismatch is approximately 2 × 10 −5 or less for a sample having an oxygen concentration of 1 × 10 18 cm −3 .
【0049】したがって、上述の基準により酸素ドーパ
ント供給率を定め、成長温度を決定する際に成長温度が
2×10-5以上の格子不整を生じさせないように選択す
ることが好ましい。Therefore, it is preferable that the oxygen dopant supply rate is determined based on the above-mentioned criterion, and that the growth temperature is selected so as not to cause lattice irregularity of 2 × 10 −5 or more when determining the growth temperature.
【0050】以上の結果を結合すると、サイドゲート効
果を抑制するためには、AlGaAs層中の酸素濃度は
約1×1018cm-3以上存在することが好ましく、炭素
濃度は約5×1017cm-3以下であることが好ましい。Combining the above results, in order to suppress the side gate effect, the oxygen concentration in the AlGaAs layer is preferably about 1 × 10 18 cm −3 or more, and the carbon concentration is about 5 × 10 17 cm −3. cm -3 or less.
【0051】サンプルS116のサイドゲート効果は、
価電子帯における浅い不純物準位に起因するホールに原
因するものと考えられる。酸素に起因する深いキャリア
捕獲準位が全て炭素に起因する正孔によって電気力線で
結ばれてしまい、残った正孔とサイドゲートからの電気
力線の効果により、この現象は発現すると考えられる。The side gate effect of the sample S116 is as follows.
This is considered to be caused by holes caused by shallow impurity levels in the valence band. It is thought that this phenomenon occurs due to the effect of the remaining holes and the lines of electric force from the side gates, because all the deep carrier trap levels caused by oxygen are connected by holes caused by carbon. .
【0052】つまり、炭素濃度は酸素に起因するキャリ
ア捕獲準位以上の場合、サイドゲート効果が生じ、好ま
しくないと考えられる。したがって、酸素濃度に起因す
るキャリア捕獲準位は、炭素濃度よりも多いことが望ま
れる。That is, when the carbon concentration is equal to or higher than the carrier trap level caused by oxygen, a side gate effect occurs, which is considered to be undesirable. Therefore, it is desired that the carrier trap level due to the oxygen concentration is higher than the carbon concentration.
【0053】なお、サイドゲート効果抑制に効果のある
Alx Ga1-x As層のAl組成xは、好ましくは0.
1≦x≦0.5である。0.1未満では酸素が入りにく
く、0.5を越えると炭素が入り過ぎる。経験的にはx
は0.2以上であることが好ましい。The Al composition x of the Al x Ga 1 -x As layer, which is effective for suppressing the side gate effect, is preferably set to 0.1.
1 ≦ x ≦ 0.5. If it is less than 0.1, oxygen is difficult to enter, and if it exceeds 0.5, carbon enters too much. Empirically x
Is preferably 0.2 or more.
【0054】近年、Si基板上にGaAs層を形成し、
GaAs集積回路を作成する試みが盛んに行なわれてい
る。この場合、GaAs層にSiが取り込まれやすく、
GaAs層を高抵抗にし難い。そこで、Si基板上のG
aAs層の上に、上述の酸素ドープ高抵抗AlGaAs
層を一旦成長し、さらにその上にGaAs層等を成長す
れば、高抵抗基板上の集積回路を実現し易い。In recent years, a GaAs layer has been formed on a Si substrate,
Attempts to produce GaAs integrated circuits have been actively made. In this case, Si is easily taken into the GaAs layer,
It is difficult to increase the resistance of the GaAs layer. Therefore, G on the Si substrate
On the aAs layer, the above-described oxygen-doped high-resistance AlGaAs
If a layer is grown once and a GaAs layer or the like is further grown thereon, an integrated circuit on a high-resistance substrate can be easily realized.
【0055】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
電子走行層としてInGaAsの代わりに、GaAs等
を用いることもできる。また、HEMTの代わりに、M
ESFETを集積化してもよい。結晶成長方法としてM
OCVDの代わりに、ガスソースMBE(分子線エピタ
キシ)を用いることも可能である。The present invention has been described in connection with the preferred embodiments.
The present invention is not limited to these. For example,
GaAs or the like can be used as the electron transit layer instead of InGaAs. Also, instead of HEMT, M
The ESFET may be integrated. M as a crystal growth method
Instead of OCVD, gas source MBE (molecular beam epitaxy) can be used.
【0056】その他、種々の変更、改良、組み合わせ等
が可能なことは当業者に自明であろう。It will be obvious to those skilled in the art that various changes, improvements, combinations, and the like can be made.
【0057】[0057]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
サイドゲート効果を有効に抑圧したIII−V族化合物
半導体装置が提供される。As described above, according to the present invention,
A III-V compound semiconductor device in which a side gate effect is effectively suppressed is provided.
【0058】さらに、DC特性のヒステリシスループを
も抑圧した半導体装置を提供することができる。Further, it is possible to provide a semiconductor device in which a hysteresis loop of DC characteristics is suppressed.
【図1】本発明の実施例によるHEMTの概略断面図で
ある。FIG. 1 is a schematic sectional view of a HEMT according to an embodiment of the present invention.
【図2】サンプルのサイドゲート効果測定結果を示すグ
ラフである。FIG. 2 is a graph showing measurement results of a side gate effect of a sample.
【図3】サンプルのIV特性測定結果を示すグラフであ
る。FIG. 3 is a graph showing measurement results of IV characteristics of a sample.
【図4】サンプルの格子定数のドーパント供給率依存性
および成長温度依存性を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the dependence of the lattice constant of a sample on the dopant supply rate and the growth temperature.
1 GaAs基板 2 酸素ドープAlGaAs層 3 i型GaAs層 4 i型InGaAs層 5 i型InGaP層 6 n型InGaP層 7 n型GaAs層 8a ソース電極 8b ドレイン電極 9 ゲート電極 REFERENCE SIGNS LIST 1 GaAs substrate 2 oxygen-doped AlGaAs layer 3 i-type GaAs layer 4 i-type InGaAs layer 5 i-type InGaP layer 6 n-type InGaP layer 7 n-type GaAs layer 8 a source electrode 8 b drain electrode 9 gate electrode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−280897(JP,A) 特開 平4−328822(JP,A) 国際公開92/15113(WO,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/20 - 21/205 H01L 21/338 H01L 29/778 H01L 29/812 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-4-280897 (JP, A) JP-A-4-328822 (JP, A) WO 92/15113 (WO, A1) (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/20-21/205 H01L 21/338 H01L 29/778 H01L 29/812
Claims (6)
性層(4)を含む半導体装置であって、 前記半導体基板(1)と前記活性層(4)との間に配置
され、1×1018cm-3以上の酸素濃度と5×1017c
m-3以下の炭素濃度を有し、その格子定数と、同一組成
で酸素濃度が1×1018cm-3以下のAlGaAs層の
格子定数との不整合が2×10-5以下である高抵抗率A
lGaAs層(2)を含む半導体装置。1. A semiconductor device comprising an active layer (4) serving as an element region on a semiconductor substrate (1), wherein the semiconductor device is disposed between the semiconductor substrate (1) and the active layer (4). Oxygen concentration of × 10 18 cm -3 or more and 5 × 10 17 c
a mismatch between the lattice constant of the AlGaAs layer having a carbon concentration of not more than m -3 and the lattice constant of the AlGaAs layer having the same composition and the oxygen concentration of not more than 1 × 10 18 cm -3 is not more than 2 × 10 -5. Resistivity A
A semiconductor device including an lGaAs layer (2).
位の濃度が前記炭素濃度以上である請求項1記載の半導
体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a concentration of a carrier trap level caused by the oxygen concentration is equal to or higher than the carbon concentration.
l組成が0.2以上である請求項1または2記載の半導
体装置。3. A high-resistivity AlGaAs layer (2)
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the l composition is 0.2 or more.
請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 1, wherein said semiconductor substrate is a Si substrate.
オキシ基の少なくとも1つを酸素ドーパントとしてV族
原料に含ませて供給し、基板温度660℃で有機金属気
相成長法により半導体基板(1)上に1×1018cm-3
以上の酸素濃度と5×1017cm-3以下の炭素濃度を有
し、その格子定数と、同一組成で酸素濃度が1×1018
cm-3以下のAlGaAs層の格子定数との不整合が2
×10-5以下であるAlGaAs層を成長する工程を含
む半導体装置の製造方法。5. An at least one of an alkoxy group, a hydroxyl group, and an acyloxy group is supplied as an oxygen dopant contained in a group V raw material, and is supplied onto the semiconductor substrate (1) by metal organic chemical vapor deposition at a substrate temperature of 660 ° C. 1 × 10 18 cm -3
It has the above oxygen concentration and a carbon concentration of 5 × 10 17 cm −3 or less, and has the same composition as the lattice constant and the oxygen concentration of 1 × 10 18 cm −3.
The mismatch with the lattice constant of the AlGaAs layer of cm −3 or less is 2
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising a step of growing an AlGaAs layer having a size of 10-5 or less.
ンであり、酸素ドーパントを含むV族原料の全V族原料
に対する供給率が0.04以上である請求項5記載の半
導体装置の製造方法。6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the group V material is tertiary butylarsine, and a supply rate of the group V material containing an oxygen dopant to all the group V materials is 0.04 or more.
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Applications Claiming Priority (1)
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Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| WO1992015113A1 (en) | 1991-02-19 | 1992-09-03 | Fujitsu Limited | Semiconductor device having an isolation region enriched in oxygen and a fabrication process thereof |
-
1993
- 1993-03-19 JP JP06059493A patent/JP3347175B2/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| WO1992015113A1 (en) | 1991-02-19 | 1992-09-03 | Fujitsu Limited | Semiconductor device having an isolation region enriched in oxygen and a fabrication process thereof |
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| JPH06275523A (en) | 1994-09-30 |
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